[논문]DC, RF 마그네트론 코스퍼터링법으로 증착한 ZTO/GZO 투명전도성막의 열처리 조건이 박막의 물성에 미치는 영향

김민제; 송풍근

DC, RF 마그네트론 코스퍼터링법으로 증착한 ZTO/GZO 투명전도성막의 열처리 조건이 박막의 물성에 미치는 영향
Effect of annealing on the electrical and optical properties of ZTO/GZO double-layered TCO films deposited by DC, RF magnetron co-sputtering 원문보기

김민제 (부산대학교 재료공학과) , 송풍근 (부산대학교 재료공학과)

GZO( Ga-doped ZnO) 및 ZTO (zinc tin Oxide) 박막을 DC, RF magnetron sputtering 공정을 이용하여 증착한 후, 대기 및 진공상태에서 200, $300^{\circ}C$ 조건으로 30분 동안 열처리하였다. ZTO/GZO 박막의 전기적 특성은 ZTO 층과 GZO 층의 두께 비에 의존함을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서는 GZO단일 박막과 ZTO/GZO double layer 박막의 열처리 온도에 따른 구조적, 전기적, 광학적 특성을 비교검토 하였다.

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문제 정의

현재 GZO 단일층의 열화현상을 개선시키고자 double layer를 적용 시키는 연구가 계속 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 single, double layer 박막을 대기 및 진공 분위기에서 post annealing하여 그 전기적 및 광학적 물성을 비교 검토 하였다.

제안 방법

ZTO/GZO박막의 총 두께는 약 300nm로 일정하게 유지하기 위하여, GZO박막의 두께는 250nm로, ZTO 박막의 두께는 50nm로 증착하였다. 박막의 구조적, 전기적 특성을 조사하기위해 Hall effect measurements (HMS-3000, ECOPIA)를 사용하여 비저항, 캬리어 농도, 홀 이동도를 측정하였고 박막의 미세구조는 X-ray diffraction (XRD, BRUKER GADDS)으로 측정하였고 가시광 영역에서의 투과도는 190nm에서 1100nm 영역 대에서 자외선 광학 측정기 (UV-Vis, HP-8453, AGLIENT)를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

5Pa의 working pressure에서 증착하였고, 타겟과 기판의 거리는 각각 90mm, 60mm, ZnO타겟은 DC파워 25W, SnO₂ 타겟은 RF 파워 45W에서 증착하였다. ZTO/GZO박막의 총 두께는 약 300nm로 일정하게 유지하기 위하여, GZO박막의 두께는 250nm로, ZTO 박막의 두께는 50nm로 증착하였다. 박막의 구조적, 전기적 특성을 조사하기위해 Hall effect measurements (HMS-3000, ECOPIA)를 사용하여 비저항, 캬리어 농도, 홀 이동도를 측정하였고 박막의 미세구조는 X-ray diffraction (XRD, BRUKER GADDS)으로 측정하였고 가시광 영역에서의 투과도는 190nm에서 1100nm 영역 대에서 자외선 광학 측정기 (UV-Vis, HP-8453, AGLIENT)를 사용하여 측정하였다.
GZO박막의 경우, 기판과 타겟 사이의 거리는 30mm, DC 파워는 70W 로 유지하여 기판 가열 없이 증착하였다. ZTO박막은 ZnO 타겟과 SnO2타겟을 이용하여 0.5Pa의 working pressure에서 증착하였고, 타겟과 기판의 거리는 각각 90mm, 60mm, ZnO타겟은 DC파워 25W, SnO₂ 타겟은 RF 파워 45W에서 증착하였다. ZTO/GZO박막의 총 두께는 약 300nm로 일정하게 유지하기 위하여, GZO박막의 두께는 250nm로, ZTO 박막의 두께는 50nm로 증착하였다.
기판으로는 non-alkali 유리 (Corning E2000)을 사용하였으며, GZO박막은 GZO타겟(Ga2O3: 5.7wt%)을 사용하여 DC magnetron sputtering법으로 증착하였으며, ZTO박막은 ZnO타겟이 장착된 RF캐소드와 SnO2타겟이 장착된 DC캐소드를 동시에 사용하는 magnetron co-sputtering법으로 증착하였다. Base pressure 는 약 5×10^-6 Torr 이하까지 배기하였다.

성능/효과

이는 상부의 ZTO층이 하부의 GZO 단일층의 grain 성장을 방해하고 열팽창 계수의 차이에 의해 ZTO/GZO double layer의 peak가 저각으로 이동한다고 생각 된다. 대기 및 진공 중 post annealing을 함으로써 가시광 영역에서의 투과율 또한 향상되었다. 이를 통해 GZO 단일막의 열화현상을 개선시키고자 double layer를 적용 시에는 고온 공정이 필요한 태양전지 및 device 등 많은 영역에서의 ITO를 대체할 투명전도성 박막으로의 활용이 기대된다.
대기 분위기에서GZO단일층과 ZTO/GZO double layer를 post annealing 했을 때 단일층의 전기적 특성이 더 많이 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. ZTO층이 GZO층의 보호막층 으로서의 역할을 할 수 있다고 판단된다.

후속연구

대기 및 진공 중 post annealing을 함으로써 가시광 영역에서의 투과율 또한 향상되었다. 이를 통해 GZO 단일막의 열화현상을 개선시키고자 double layer를 적용 시에는 고온 공정이 필요한 태양전지 및 device 등 많은 영역에서의 ITO를 대체할 투명전도성 박막으로의 활용이 기대된다.

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