[논문]마그네트론 스퍼터링을 이용한 초박막 Ag, Cu 금속 박막의 열처리에 따른 물질 특성 변화

최민승; 강세원; 김동호; 이건환; 송풍근

[국내논문] 마그네트론 스퍼터링을 이용한 초박막 Ag, Cu 금속 박막의 열처리에 따른 물질 특성 변화
Characteristics of Ag, Cu films deposited by magnetron sputtering after the annealing temperature 원문보기

최민승 (부산대학교 재료공학과) , 강세원 (부산대학교 재료공학과) , 김동호 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 이건환 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 송풍근 (부산대학교 재료공학과)

DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 열처리 온도 변화에 따른 금속 박막의 물성 변화 및 특성 분석을 위해 유리기판 위에 박막의 두께 10 nm로 증착하여 열처리 공정을 진행하였다. 상온에서 Ag 박막의 비저항은 평균 $6.9{\times}10^{-6}{\Omega}.cm$로 Cu 박막의 $4.9{\times}10^{-5}{\Omega}.cm$보다 낮은 전기 전도성을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 Ag 박막은 열처리 온도의 증가와 관계없이 전기전도성에 대한 큰 차이가 없으나 Cu 박막의 경우 열처리 온도 $150^{\circ}C$에서 $2.5{\times}10^{-4}{\Omega}.cm$로 비저항의 변화를 가졌다. 광학적 특성으로 Ag 박막은 58%에서 42%로 감소하는 반면 Cu 박막은 50%에서 75%이상의 광 투과도를 가지는 것을 확인 하였다.

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제안 방법

따라서, 본 연구에서는 Ag, Cu의 금속 타겟으로 마그네트론 장비를 이용해 10 nm로 증착한 뒤, 대기 중에서의 열처리 공정을 통해 박막의 전기적 특성, 광학적 특성 및 미세구조의 특성 변화를 관찰 및 비교 분석 하였다.
본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여, 전력의 공급원으로 DC전압을 이용해 30, 50, 70 100 W의 다양한 파워로 박막의 두께가 10 nm 고정 하였다. 열처리 공정으로는 대기 중에서 100, 150, 200℃로 온도를 변화하였으며, 30분 승온하고 30분간 유지하는 열처리 공정을 진행하였다.
본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여, 전력의 공급원으로 DC전압을 이용해 30, 50, 70 100 W의 다양한 파워로 박막의 두께가 10 nm 고정 하였다. 열처리 공정으로는 대기 중에서 100, 150, 200℃로 온도를 변화하였으며, 30분 승온하고 30분간 유지하는 열처리 공정을 진행하였다.

성능/효과

10 nm의 얇은 금속 박막을 다양한 파워로 증착한 두 박막 시편 모두 파워 의존성에 대한 전기적 특성 차이는 크게 나타나지 않았다. 하지만 전기적, 광학적 및 미세구조의 물성 변화는 열처리의 온도에 대한 의존성을 크게 보였다.
cm의 비저항을 가졌다. 열처리 전 투과도의 특성을 확인해 본 결과 두 재료 모두 금속과 같은 높은 캐리어 농도를 가지고 있어 Ag의 박막은 58%, Cu의 박막은 50%의 낮은 투과율을 가졌다. 열처리의 온도가 증가할수록 Ag 박막의 투과도는 점차 감소하는 반면 Cu 박막은 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
열처리 전 투과도의 특성을 확인해 본 결과 두 재료 모두 금속과 같은 높은 캐리어 농도를 가지고 있어 Ag의 박막은 58%, Cu의 박막은 50%의 낮은 투과율을 가졌다. 열처리의 온도가 증가할수록 Ag 박막의 투과도는 점차 감소하는 반면 Cu 박막은 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 두 금속 박막은 두께가 10 nm의 얇은 박막으로써 각 박막의 회절 피크를 관측 할 수 없었다.

후속연구

하지만 ITO의 경우 금속전극보다는 전기전도성이 낮으며, 높은 증착 온도가 요구되기 때문에 기판 사용의 제약이 따르고, 희소한 인듐 자원의 고갈로 인해 높은 가격상승의 원인에 있다.[2] 금속전극 또한 낮은 투과율과 내구성으로 인해 이를 대체할 고 투과 및 고 전도성의 전도막 개발 연구가 필요하다.
Ag 박막의 경우 열처리 온도가 변화함에 따라 금속입자들의 응집 현상으로 고립된 섬 형태의 구조로 기인하여 거친 표면의 형태를 가지며 광 산란으로 인해 투과도의 저하를 가져왔으며, Cu 박막의 경우 열처리의 온도가 증가할수록 표면으로부터 산소 확산이 진행되어 투과도가 증가했을 것으로 사료된다. 특히 열처리 온도 150℃에서 Cu의 박막은 높은 투과율과 전기전도성을 가지는 것으로 확인되므로 산소의 유량을 최적화하여 열처리 공정을 하면 높은 투과율과 전기전도성이 개선 될 것으로 예상된다.

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