[논문]페로브스카이트 반도체 물질에 원형 패턴을 형성하기 위한 상압플라즈마 식각 기술

김무진

doi:10.22156/cs4smb.2021.11.02.010

[국내논문] 페로브스카이트 반도체 물질에 원형 패턴을 형성하기 위한 상압플라즈마 식각 기술
Atmospheric Pressure Plasma Etching Technology for Forming Circular Holes in Perovskite Semiconductor Materials 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.11 no.2, 2021년, pp.10 - 15

김무진 (강남대학교 IoT전자공학과)

초록
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본 논문에서는 먼저 습식 코팅 방법으로 페로브스카이트 (CH3NH3PbI3) 박막을 글라스 상에 형성하고, 다양한 분석 기법을 이용하여 막의 두께, 표면거칠기, 결정성, 구성성분 및 가시광 영역에서의 이 물질의 반응에 대해 논한다. 완성된 반도체 물질은 막내부에 결함(defect)이 없고 균일하며, 표면거칠기는 매우 작으며, 가시광영역에서 높은 흡수율이 관찰되었다. 다음으로 이와 같이 형성된 유무기 층에 hole 형상을 구현하기 위하여, 구멍이 일정한 간격으로 있는 메탈마스크, 페로브스카이트 물질이 코팅되어 있는 유리, 자석 순서로 되어있는 구조의 샘플을 상압플라즈마 공법을 이용하여 시간에 따른 물질에 형성되는 hole 형태의 변화를 분석하였다. 시간이 길어짐에 따라 더 많이 식각되는 것을 알 수 있으며, 이 중에서 공정 시간을 가장 오래한 샘플에 대해서는 보다 자세하게 살펴보았고, 플라즈마의 위치에 따른 차이에 의해 7영역으로 분류할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we formed perovskite (CH3NH3PbI3) thin films on glass with wet coating methods, and used various analytical techniques to discuss film thickness, surface roughness, crystallinity, composition, and optical property. The coated semiconductor material has no defects and is uniform, the surface roughness value is very small, and a high absorption rate has been observed in the visible light area. Next, in order to implement the hole shape in the organic-inorganic layer, Samples in the order of a metal mask with holes at regular intervals, a glass coated with a perovskite material, and a magnet were etched with atmospheric pressure plasma equipment. The shape of the hole formed in the perovskite material was analyzed by changing the time. It can be seen that more etching is performed as the time increases. The sample with the longest processing time was examined in more detail, and it was classified into 7 regions by the difference according to the location of the plasma.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Image of (a) CH₃NH₃PbBr₃ material patterning without mask using FIG technology and (b) CH₃NH₃PbI₃ using NIL technique
그림 Fig. 3. Optical properties of the CH₃NH₃PbI₃ layer
그림 Fig. 2. (a) SEM (Nova NanoSEM 450), (b) AFM (Park Systems XE-100), (c) TEM (TECNAI G2 F20), and (d) EDS (Nova NanoSEM 450) results of the perovskite (CH₃NH₃PbI₃) layer formed on glass substrates
그림 Fig. 4. XRD (SmartLab (Rigaku, 9 kW)) analysis of the CH₃NH₃PbI₃ film
그림 Fig. 5. (a) Sample image (left) and cross-sectional view (right) for patterning 200nm thick perovskite (CH₃NH₃PbI₃) material formed on glass and (b) Image including equipment when sample is in atmospheric hydrogen plasma
그림 Fig. 6. Microstructure shape when the perovskite layer is treated with hydrogen plasma from 30 s to 1200 s
그림 Fig. 7. SEM images according to location of perovskite film treated with hydrogen plasma for 1200 s

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 CH₃NH₃PbI3 페로브스카이트 반도체 박막을 용액 기반으로 스핀 공정을 통해 박막을 형성하고, 이후 일정한 간격으로 구멍이 형성되어 있는 메탈 마스크와 상압플라즈마 장비로 메사형태와 반대 패턴인 원형의 구멍(hole)을 생성하는 방법에 대해 연구하였다.

제안 방법

글라스상에 형성된 박막은 Figs. 2(a)와 2(c)의 SEM 과 TEM 결과에 의해 다결정을 지닌 반도체임을 알 수 있었고, 화학적인 성분 분석을 위해서 EDS(X-ray spectroscopy)로 측정하였으며, 탄소(C: carbon), 납 (Pb: lead), 요오드(I: iodine)는 확인되었지만, 수소 (H: hydrogen)과 질소(N: nitrogen)는 분해능 (resolution)의 한계로 검출이 불가능하였다. 하지만, 원소를 분석하기 위해 사용되는 엑스레이가 깊이 방향으로는 ∼μm 깊이까지 침투하기 때문에 약 200nm 두께의 페로브스카이트 성분뿐만 아니라 기판의 구성 성분들인 산소(O: oxygen), 알루미늄(Al: aluminium), 실리콘(Si: silicon), 마그네슘(Mg: magnesium), 금 (Au: gold), 칼슘(Ca: calcium)도 관찰되어진다.
유리위에 습식 코팅으로 유무기로 구성된 페로브스카이트 (CH₃NH₃PbI3) 200nm 두께의 박막을 형성하여 다결정, 표면거칠기, 결정방향, 원소구성 및 광특성에 대해 살펴보았다. 이를 통해 완성된 defect이 없는 박막은 균일하고, 거칠기는 매우 낮으며, 다결정은 [200], [110], [[220], [310], [312], [224] 방향으로 이루어져 광소자의 특성에 영향을 준다.
하지만, 식각된 영역을 관찰한 왼쪽 이미지에서와 같이 박막이 완벽하게 없어지지 않는데, 이는 유무기로 이루어진 물질의 특성 때문이다. 이에 본 연구진은 다양한 건식 식각 기술 개발에 대해 실험하였고, 그 결과 진공분위기에서 electron-beam을 집중(focusing)하여 소재에 조사하는 방법과 수소를 이용한상압플라즈마 기술로 이 물질이 공정 조건에 따라 식각되는것을 관찰하였다. 특히, 상압플라즈마 기술로는 직사각형 모양의 메사형태를 형성시키는데 성공하였다[11-13].
이와 같은 반도체 박막의 식각 특성을 관찰하기 위해 샘플하부에 자석을 상부에는 0.6mm 직경의 hole 이 형성되어 있는 얇은 메탈마스크가 놓인 구조를 상압플라즈마 기술을 이용하여 공정 시간에 따른 형상 변화를 관찰하였다. 특히 20분간 에칭된 샘플의 식각된 이미지에서는 총 7영역으로 분류할 수 있으며, hole 중앙에서의 강한 플라즈마에 의해 가장 많이 식각됨을 확인하였다.
형성된 박막의 광특성을 조사하기 위하여 투과도 (transmittance)와 흡수율(absorbance)을 400nm에서 900nm 범위에서의 가시광 영역에서 측정하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 두께가 비교적 얇은 200nm에서도 낮은 투과도 및 높은 흡수율을 나타내기 때문에 페로브스카이트 막은 다양한 태양전지나 광센서 등의 광소자 활성층(빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 물질)로의 적용이 가능하다.

성능/효과

결정면 관찰을 위해 XRD (X-ray Diffraction) 분석을 진행하였고, 결과는 Fig. 4와 같으며 다결정 박막은 [200], [110], [220], [310], [312] 방향으로 구성되었음을 확인하였으며, 박막의 물리적, 전기적 특성은 이 방향들에 의해 영향 받음을 예측할 수 있다.
마스크의 가장자리에 가까운 활성 입자가 확산되어페로브스카이트 표면에 에칭되고, 이는 표면 형태의 변화로 이어지며, 마스크 가장자리에서 가운데로 향할수록 식각이 많이 일어났다. 보다 자세하게는 영역 Ⅳ.
6mm 직경의 hole 이 형성되어 있는 얇은 메탈마스크가 놓인 구조를 상압플라즈마 기술을 이용하여 공정 시간에 따른 형상 변화를 관찰하였다. 특히 20분간 에칭된 샘플의 식각된 이미지에서는 총 7영역으로 분류할 수 있으며, hole 중앙에서의 강한 플라즈마에 의해 가장 많이 식각됨을 확인하였다. 전자소자에 적용하기 위해서는 원하는 영역을 완벽하게 제거해야 하므로 공정 시간을 늘리거나, hole 직경을 충분히 크게하여 플라즈마와 반응하는 면적을 넓힐 필요가 있다.

후속연구

하지만, 최근의 반도체 패턴은 μm에서 nm까지 작은 사이즈의 패턴을 요구하기 때문에 hole 직경을 크게 하는 것은 이와 같은 경향에 맞지 않다. 따라서, 최적의 공정 조건을 확립할 필요가 있으며, 앞으로 이 부분에 초점을 맞추어 추가 연구를 진행할 것이다. 특히 상압플라즈마는 진공법으로 박막이나 표면 처리, 식각하는기술들을 대체하는 유리한 점이 있기 때문에 전자소자와의 융합을 통한 분야에 적용 가능성이 높다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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