[논문]기판 온도와 분위기 가스에 따른 AZO 박막의 구조적 및 전기적 특성

홍경림; 이규만

기판 온도와 분위기 가스에 따른 AZO 박막의 구조적 및 전기적 특성
Effect of Substrate Temperature and Gas Flow Rate of Atmosphere Gases on Structural and Electrical Properties of AZO Thin Films 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.20 no.1, 2021년, pp.1 - 6

홍경림 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 이규만 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부)

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We have investigated the effect of the substrate temperature and hydrogen flow rate on the characteristics of AZO thin films for the TCO (transparent conducting oxide). For this purpose, AZO thin films were deposited by RF magnetron sputtering at room temperature and 300℃ with various H2 flow rate. Experiments were carried out while varying the hydrogen gas flow rate from 0sccm to 5.0sccm in order to see how the hydrogen gas affects the AZO thin films. AZO thin films deposited at 300℃ showed amorphous structure, whereas IZO thin films deposited at room temperature showed crystalline structure having an (222) preferential orientation. The electrical resistivity of the AZO films deposited at 300℃ was 4.388×10-3Ωcm, the lowest value. As the hydrogen gas flow rate increased, the resistivity tended to decrease.

주제어

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문제 정의

이번 연구에서는 RF magnetron sputtering을 이용하여 AZO 박막을 증착하였으며, 증착 온도 및 수소 가스의 유량이 구조적, 전기적 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대하여 분석하였다.

제안 방법

수 없었다. 결정 구조의 특성을 보다 명확하게 확인하고자 XRD를 추가적으로 분석하였다. 상온에서는 피크의 크기 변화, 모양, 결정성 모두 경향을 확인할 수 없었고, 300℃에서는 뚜렷하게 작아지는 피크와 낮아지는 결정성을 확인할 수 있었다.
이용하였다. 결정구조 분석을 위하여 X-ray diffraction(RIGAKU, RTP300RC)을 이용하였고 carrier concentration, mobility, resistivity 등의 전기적 특성은 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다. 성분 분석 및 전기적 특성의 추가적 분석을 위해 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)를 이용하여 분석하였다.
박막 증착 전, 타겟 표면의 불순물 제거와 스퍼터 방전 안정화를 위하여 70W의 파워로 10분간 전처리 스퍼터링 (pre-sputtering)을 실시하였고, 타겟과 기판의 거리는 약 7 cm로 진행하였다. 플라즈마 생성을 위한 Ar gas는 40 sccm 으로 고정하였고, 반응 가스인 H₂는 0 sccm부터 5 sccm까지 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 조절하며 실험하였다.
플라즈마 생성을 위한 Ar gas는 40 sccm 으로 고정하였고, 반응 가스인 H₂는 0 sccm부터 5 sccm까지 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 조절하며 실험하였다. 박막의 두께는 200 nm로 고정하였고, 이 외의 실험 결과에 영향을 줄 수 있는 공정조건들은 선행 실험을 통해 찾은 최적 조건으로 고정하여 진행하였다.
결정구조 분석을 위하여 X-ray diffraction(RIGAKU, RTP300RC)을 이용하였고 carrier concentration, mobility, resistivity 등의 전기적 특성은 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다. 성분 분석 및 전기적 특성의 추가적 분석을 위해 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)를 이용하여 분석하였다.
증착하였다. 유리 기판은 불순물 제거를 위해 아세톤, 에탄올, 증류수순으로 각각 10분씩 초음파 세척기를 사용하여 세척한 후 질소 가스로 건조하였다.

대상 데이터

이 연구에서 박막 증착에 사용된 타겟은 ZnO/Al2O₃ (98/2wt%)이고 직경 3인치의 고밀도 AZO이며, RF magnetron sputtering 장비를 이용하여 Corning 7059 glass에 증착하였다. 유리 기판은 불순물 제거를 위해 아세톤, 에탄올, 증류수순으로 각각 10분씩 초음파 세척기를 사용하여 세척한 후 질소 가스로 건조하였다.

이론/모형

증착된 AZO 박막의 표면 미세구조와 거칠기 분석을 위해 FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscopy, JEOL, JSM7500F), AFM(Atomic Force Microscope, PUCOTECH, MOD- 1M)을 이용하였다. 결정구조 분석을 위하여 X-ray diffraction(RIGAKU, RTP300RC)을 이용하였고 carrier concentration, mobility, resistivity 등의 전기적 특성은 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다.

성능/효과

(1) 수소 유량별로 증착된 AZO의 표면, 구조적 특성은 상온과 300℃ 모두 결정 모양과 입자크기의 변화를 확인할 수 없었다. 결정 구조의 특성을 보다 명확하게 확인하고자 XRD를 추가적으로 분석하였다.
(2) 전기적 특성은 상온과 300℃ 모두 비저항이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. XPS를 통한 O₁s의 성분 분석에서는 수소를 첨가하였을 때 산소공공을 뜻하는 middle peak가 증가하였으나 경향을 찾을 수 없었고, 추가적으로 실험한 0에서 1 sccm 사이에서는 산소 공공이 점차 증가함을 알 수 있었다.
확인할 수 있었다. XPS를 통한 O₁s의 성분 분석에서는 수소를 첨가하였을 때 산소공공을 뜻하는 middle peak가 증가하였으나 경향을 찾을 수 없었고, 추가적으로 실험한 0에서 1 sccm 사이에서는 산소 공공이 점차 증가함을 알 수 있었다. 이는 수소를 주입할 시, 적은 유량에서는 산소공공이 주요 캐리어로 작용하지만, 많은 유량에서는 산소공공보다 ZnO 격자내에 침입 된 수소로 인해 격자셀 부피 (Unit Cell Volume)이 증가하고, 침입 수소가 Shallow donor로 작용하는 것으로 판단된다.
결정 구조의 특성을 보다 명확하게 확인하고자 XRD를 추가적으로 분석하였다. 상온에서는 피크의 크기 변화, 모양, 결정성 모두 경향을 확인할 수 없었고, 300℃에서는 뚜렷하게 작아지는 피크와 낮아지는 결정성을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (11)

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