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工學碩士學位論文

마그네트론 스퍼터링법으로 증착된

AlGaZnO박막의 기 구조 특성

ElectricalandOpticalPropertiesofAlGaZnOFilms

DepositedbyMagnetronsputteringsystem

2011年 08月

仁荷大學校 大學院

金屬工學科

姜 政 佑

工學碩士學位論文

마그네트론 스퍼터링법으로 증착된

AlGaZnO박막의 기 구조 특성

ElectricalandOpticalPropertiesofAlGaZnOFilm

DepositedbyMagnetronsputteringsystem

2011年 08月

指 敎 授 李 鍾 武

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

金屬工學科

姜 政 佑

본 論文을 姜政佑의 碩士學位 論文으로 認定함

2011年 08月

主審 김 형 순

副審 이 종 무

委員 김 상 섭

- i -

국 문 록

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서는 투명 극산화막

(transparentconductingoxide(TCO)) 용은 필수 이다 와 같은 응용

기기들을 한 투명 극산화막(TCO)로써 ITO(Indium tinoxide)는 가장

리 이용되어 왔다이는 낮은 비 항(~2times10-4Ωm)과 높은 가시 투과

도(~90 at550nm)와 높은 일함수(~48eV)를 가지고 있기 때문이다

그러나 Indium(In)이 희토류원소이므로ITO(Indium tinoxide)박막을

제조하는 가격은 상당히 고가이다 재 ITO(Indium tinoxide)의 체하

기 해 F-dopedSnO2Sb-dopedSnO2Al-dopedZnO (AZO)andGa

dopedZnO (GZO)등과 같은 다양한 TCO 소재들이 연구되어져 왔으며

재 이용되어지고 있다

한 ZnOAl박막과 ZnOGa박막에 하여 많은 연구가 되어왔으나

AlGaZnO 박막에 해서는 아직까지 연구가 미비하다그래서 본 연구를

통해 AlGaZnO 박막의 기 학 특징에 한 연구를 하고자 한다

이를 해 DCRF마그네트론 동시 스퍼터링법으로 Gallium-dopedZinc

Oxide(GZO)(Ga2O310wtZnO90wt)과 Aluminum-dopedZinc

Oxide(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)타겟을 이용하여유리기

에 ZnOAl와 ZnOGa의 타겟을 동시에 스퍼터링하여 박막을 제작하

다박막의 Ga농도는 ZnOGa(Ga2O310wtZnO90wt)타겟을 스

퍼터링할 때 RF 워를 변수로 하여 조건을 다양화하 으며이때 ZnOAl

의 DC 워는 일정하게 유지하 다실험결과에서 ZnOAl타겟의 DC 워

를 60W으로 유지하는 동시에ZnOGa타겟의 RF 워를 200W로 하

을 때투과도의 손실이 없는 최소 항 (214times10minus2 Ωcm)의 AlGaZnO

박막을 얻을 수 있었다

- ii -

Abstract

It is essentialto use transparent conducting oxide (TCOs) in

optoelectronic devices such as solarcells and flatpaneldisplays

Indium TinOxide(ITO)hasbeenmostwidelyusedasaTCO for

theseapplicationsbecauseithasalow electricalresistivityahigh

visibletransmittanceandarelativelyhighworkfunctionHowever

thecostofpreparingITOfilmsisveryexpensivebecauseindium isa

rareandexpensiveelementHencetodatevariousTCO materials

suchasF-dopedSnOSb-dopedSnOAl-dopedZnO (AZO)andGa-

dopedZnO(GZO)havebeendevelopedasalternativestoITOandare

usedthesedays

ZnOAlandZnOGahavemeritsanddemeritsovereachotheras

discussedaboveThereforeitisnecessarytocheckiftheelectrical

andtheopticalpropertiesofAlGaZnOarebetterthanthoseofZnOAl

andZnOGaInthispaperwereporttheelectricalpropertiesandthe

transmittancepropertiesofAlGaZnO thinfilmsFilmsweredeposited

on glasssubstratesby sputtering Gallium-doped ZincOxide(GZO)

(Ga2O310 wtZnO90 wt)and Aluminum-doped Zinc Oxide

(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)targetssimultaneouslyusinga

direct-current (DC)radio-frequency (RF) magnetron co-sputtering

systemTheconcentrationofgallium (Ga)inthefilm wasvariedby

usingdifferentRFpowersforsputteringtheZnOGatargetwiththe

DC power for sputtering the ZnOAltarget fixedA minimum

resistivitywasobtainedatanRFsputteringpowerof200W forthe

ZnOGatargetwhentheDC sputteringpowerfortheZnOAltarget

wasfixedat60W

- iii -

국문 록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot i

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ii

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot iii

그림목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot v

표목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot vi

Ⅰ서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11연구 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12연구 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

Ⅱ이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21투명 도막 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

211투명 도막의 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

212투명 도막의 특성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

2121 기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

2122 학 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

2123에칭특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

213투명 도막의 미세구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2132투명 도막의 내부응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 11

2133투명 도막의 성장과정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

221 라즈마 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

2211 라즈마의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

2212 라즈마의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

222스퍼터링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2221타겟 표면과 이온과의 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2222스퍼터링의 원리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

2223스퍼터율 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27

목 차

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 2: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

工學碩士學位論文

마그네트론 스퍼터링법으로 증착된

AlGaZnO박막의 기 구조 특성

ElectricalandOpticalPropertiesofAlGaZnOFilms

DepositedbyMagnetronsputteringsystem

2011年 08月

仁荷大學校 大學院

金屬工學科

姜 政 佑

工學碩士學位論文

마그네트론 스퍼터링법으로 증착된

AlGaZnO박막의 기 구조 특성

ElectricalandOpticalPropertiesofAlGaZnOFilm

DepositedbyMagnetronsputteringsystem

2011年 08月

指 敎 授 李 鍾 武

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

金屬工學科

姜 政 佑

본 論文을 姜政佑의 碩士學位 論文으로 認定함

2011年 08月

主審 김 형 순

副審 이 종 무

委員 김 상 섭

- i -

국 문 록

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서는 투명 극산화막

(transparentconductingoxide(TCO)) 용은 필수 이다 와 같은 응용

기기들을 한 투명 극산화막(TCO)로써 ITO(Indium tinoxide)는 가장

리 이용되어 왔다이는 낮은 비 항(~2times10-4Ωm)과 높은 가시 투과

도(~90 at550nm)와 높은 일함수(~48eV)를 가지고 있기 때문이다

그러나 Indium(In)이 희토류원소이므로ITO(Indium tinoxide)박막을

제조하는 가격은 상당히 고가이다 재 ITO(Indium tinoxide)의 체하

기 해 F-dopedSnO2Sb-dopedSnO2Al-dopedZnO (AZO)andGa

dopedZnO (GZO)등과 같은 다양한 TCO 소재들이 연구되어져 왔으며

재 이용되어지고 있다

한 ZnOAl박막과 ZnOGa박막에 하여 많은 연구가 되어왔으나

AlGaZnO 박막에 해서는 아직까지 연구가 미비하다그래서 본 연구를

통해 AlGaZnO 박막의 기 학 특징에 한 연구를 하고자 한다

이를 해 DCRF마그네트론 동시 스퍼터링법으로 Gallium-dopedZinc

Oxide(GZO)(Ga2O310wtZnO90wt)과 Aluminum-dopedZinc

Oxide(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)타겟을 이용하여유리기

에 ZnOAl와 ZnOGa의 타겟을 동시에 스퍼터링하여 박막을 제작하

다박막의 Ga농도는 ZnOGa(Ga2O310wtZnO90wt)타겟을 스

퍼터링할 때 RF 워를 변수로 하여 조건을 다양화하 으며이때 ZnOAl

의 DC 워는 일정하게 유지하 다실험결과에서 ZnOAl타겟의 DC 워

를 60W으로 유지하는 동시에ZnOGa타겟의 RF 워를 200W로 하

을 때투과도의 손실이 없는 최소 항 (214times10minus2 Ωcm)의 AlGaZnO

박막을 얻을 수 있었다

- ii -

Abstract

It is essentialto use transparent conducting oxide (TCOs) in

optoelectronic devices such as solarcells and flatpaneldisplays

Indium TinOxide(ITO)hasbeenmostwidelyusedasaTCO for

theseapplicationsbecauseithasalow electricalresistivityahigh

visibletransmittanceandarelativelyhighworkfunctionHowever

thecostofpreparingITOfilmsisveryexpensivebecauseindium isa

rareandexpensiveelementHencetodatevariousTCO materials

suchasF-dopedSnOSb-dopedSnOAl-dopedZnO (AZO)andGa-

dopedZnO(GZO)havebeendevelopedasalternativestoITOandare

usedthesedays

ZnOAlandZnOGahavemeritsanddemeritsovereachotheras

discussedaboveThereforeitisnecessarytocheckiftheelectrical

andtheopticalpropertiesofAlGaZnOarebetterthanthoseofZnOAl

andZnOGaInthispaperwereporttheelectricalpropertiesandthe

transmittancepropertiesofAlGaZnO thinfilmsFilmsweredeposited

on glasssubstratesby sputtering Gallium-doped ZincOxide(GZO)

(Ga2O310 wtZnO90 wt)and Aluminum-doped Zinc Oxide

(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)targetssimultaneouslyusinga

direct-current (DC)radio-frequency (RF) magnetron co-sputtering

systemTheconcentrationofgallium (Ga)inthefilm wasvariedby

usingdifferentRFpowersforsputteringtheZnOGatargetwiththe

DC power for sputtering the ZnOAltarget fixedA minimum

resistivitywasobtainedatanRFsputteringpowerof200W forthe

ZnOGatargetwhentheDC sputteringpowerfortheZnOAltarget

wasfixedat60W

- iii -

국문 록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot i

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ii

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot iii

그림목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot v

표목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot vi

Ⅰ서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11연구 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12연구 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

Ⅱ이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21투명 도막 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

211투명 도막의 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

212투명 도막의 특성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

2121 기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

2122 학 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

2123에칭특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

213투명 도막의 미세구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2132투명 도막의 내부응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 11

2133투명 도막의 성장과정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

221 라즈마 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

2211 라즈마의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

2212 라즈마의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

222스퍼터링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2221타겟 표면과 이온과의 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2222스퍼터링의 원리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

2223스퍼터율 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27

목 차

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

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---- -

+ + + + +

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Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

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ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

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[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

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ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

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positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

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- 52 -

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ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

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vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

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Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 3: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

工學碩士學位論文

마그네트론 스퍼터링법으로 증착된

AlGaZnO박막의 기 구조 특성

ElectricalandOpticalPropertiesofAlGaZnOFilm

DepositedbyMagnetronsputteringsystem

2011年 08月

指 敎 授 李 鍾 武

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

金屬工學科

姜 政 佑

본 論文을 姜政佑의 碩士學位 論文으로 認定함

2011年 08月

主審 김 형 순

副審 이 종 무

委員 김 상 섭

- i -

국 문 록

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서는 투명 극산화막

(transparentconductingoxide(TCO)) 용은 필수 이다 와 같은 응용

기기들을 한 투명 극산화막(TCO)로써 ITO(Indium tinoxide)는 가장

리 이용되어 왔다이는 낮은 비 항(~2times10-4Ωm)과 높은 가시 투과

도(~90 at550nm)와 높은 일함수(~48eV)를 가지고 있기 때문이다

그러나 Indium(In)이 희토류원소이므로ITO(Indium tinoxide)박막을

제조하는 가격은 상당히 고가이다 재 ITO(Indium tinoxide)의 체하

기 해 F-dopedSnO2Sb-dopedSnO2Al-dopedZnO (AZO)andGa

dopedZnO (GZO)등과 같은 다양한 TCO 소재들이 연구되어져 왔으며

재 이용되어지고 있다

한 ZnOAl박막과 ZnOGa박막에 하여 많은 연구가 되어왔으나

AlGaZnO 박막에 해서는 아직까지 연구가 미비하다그래서 본 연구를

통해 AlGaZnO 박막의 기 학 특징에 한 연구를 하고자 한다

이를 해 DCRF마그네트론 동시 스퍼터링법으로 Gallium-dopedZinc

Oxide(GZO)(Ga2O310wtZnO90wt)과 Aluminum-dopedZinc

Oxide(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)타겟을 이용하여유리기

에 ZnOAl와 ZnOGa의 타겟을 동시에 스퍼터링하여 박막을 제작하

다박막의 Ga농도는 ZnOGa(Ga2O310wtZnO90wt)타겟을 스

퍼터링할 때 RF 워를 변수로 하여 조건을 다양화하 으며이때 ZnOAl

의 DC 워는 일정하게 유지하 다실험결과에서 ZnOAl타겟의 DC 워

를 60W으로 유지하는 동시에ZnOGa타겟의 RF 워를 200W로 하

을 때투과도의 손실이 없는 최소 항 (214times10minus2 Ωcm)의 AlGaZnO

박막을 얻을 수 있었다

- ii -

Abstract

It is essentialto use transparent conducting oxide (TCOs) in

optoelectronic devices such as solarcells and flatpaneldisplays

Indium TinOxide(ITO)hasbeenmostwidelyusedasaTCO for

theseapplicationsbecauseithasalow electricalresistivityahigh

visibletransmittanceandarelativelyhighworkfunctionHowever

thecostofpreparingITOfilmsisveryexpensivebecauseindium isa

rareandexpensiveelementHencetodatevariousTCO materials

suchasF-dopedSnOSb-dopedSnOAl-dopedZnO (AZO)andGa-

dopedZnO(GZO)havebeendevelopedasalternativestoITOandare

usedthesedays

ZnOAlandZnOGahavemeritsanddemeritsovereachotheras

discussedaboveThereforeitisnecessarytocheckiftheelectrical

andtheopticalpropertiesofAlGaZnOarebetterthanthoseofZnOAl

andZnOGaInthispaperwereporttheelectricalpropertiesandthe

transmittancepropertiesofAlGaZnO thinfilmsFilmsweredeposited

on glasssubstratesby sputtering Gallium-doped ZincOxide(GZO)

(Ga2O310 wtZnO90 wt)and Aluminum-doped Zinc Oxide

(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)targetssimultaneouslyusinga

direct-current (DC)radio-frequency (RF) magnetron co-sputtering

systemTheconcentrationofgallium (Ga)inthefilm wasvariedby

usingdifferentRFpowersforsputteringtheZnOGatargetwiththe

DC power for sputtering the ZnOAltarget fixedA minimum

resistivitywasobtainedatanRFsputteringpowerof200W forthe

ZnOGatargetwhentheDC sputteringpowerfortheZnOAltarget

wasfixedat60W

- iii -

국문 록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot i

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ii

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot iii

그림목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot v

표목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot vi

Ⅰ서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11연구 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12연구 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

Ⅱ이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21투명 도막 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

211투명 도막의 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

212투명 도막의 특성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

2121 기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

2122 학 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

2123에칭특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

213투명 도막의 미세구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2132투명 도막의 내부응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 11

2133투명 도막의 성장과정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

221 라즈마 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

2211 라즈마의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

2212 라즈마의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

222스퍼터링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2221타겟 표면과 이온과의 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2222스퍼터링의 원리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

2223스퍼터율 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27

목 차

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

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- - -

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--

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---- -

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Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 4: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

본 論文을 姜政佑의 碩士學位 論文으로 認定함

2011年 08月

主審 김 형 순

副審 이 종 무

委員 김 상 섭

- i -

국 문 록

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서는 투명 극산화막

(transparentconductingoxide(TCO)) 용은 필수 이다 와 같은 응용

기기들을 한 투명 극산화막(TCO)로써 ITO(Indium tinoxide)는 가장

리 이용되어 왔다이는 낮은 비 항(~2times10-4Ωm)과 높은 가시 투과

도(~90 at550nm)와 높은 일함수(~48eV)를 가지고 있기 때문이다

그러나 Indium(In)이 희토류원소이므로ITO(Indium tinoxide)박막을

제조하는 가격은 상당히 고가이다 재 ITO(Indium tinoxide)의 체하

기 해 F-dopedSnO2Sb-dopedSnO2Al-dopedZnO (AZO)andGa

dopedZnO (GZO)등과 같은 다양한 TCO 소재들이 연구되어져 왔으며

재 이용되어지고 있다

한 ZnOAl박막과 ZnOGa박막에 하여 많은 연구가 되어왔으나

AlGaZnO 박막에 해서는 아직까지 연구가 미비하다그래서 본 연구를

통해 AlGaZnO 박막의 기 학 특징에 한 연구를 하고자 한다

이를 해 DCRF마그네트론 동시 스퍼터링법으로 Gallium-dopedZinc

Oxide(GZO)(Ga2O310wtZnO90wt)과 Aluminum-dopedZinc

Oxide(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)타겟을 이용하여유리기

에 ZnOAl와 ZnOGa의 타겟을 동시에 스퍼터링하여 박막을 제작하

다박막의 Ga농도는 ZnOGa(Ga2O310wtZnO90wt)타겟을 스

퍼터링할 때 RF 워를 변수로 하여 조건을 다양화하 으며이때 ZnOAl

의 DC 워는 일정하게 유지하 다실험결과에서 ZnOAl타겟의 DC 워

를 60W으로 유지하는 동시에ZnOGa타겟의 RF 워를 200W로 하

을 때투과도의 손실이 없는 최소 항 (214times10minus2 Ωcm)의 AlGaZnO

박막을 얻을 수 있었다

- ii -

Abstract

It is essentialto use transparent conducting oxide (TCOs) in

optoelectronic devices such as solarcells and flatpaneldisplays

Indium TinOxide(ITO)hasbeenmostwidelyusedasaTCO for

theseapplicationsbecauseithasalow electricalresistivityahigh

visibletransmittanceandarelativelyhighworkfunctionHowever

thecostofpreparingITOfilmsisveryexpensivebecauseindium isa

rareandexpensiveelementHencetodatevariousTCO materials

suchasF-dopedSnOSb-dopedSnOAl-dopedZnO (AZO)andGa-

dopedZnO(GZO)havebeendevelopedasalternativestoITOandare

usedthesedays

ZnOAlandZnOGahavemeritsanddemeritsovereachotheras

discussedaboveThereforeitisnecessarytocheckiftheelectrical

andtheopticalpropertiesofAlGaZnOarebetterthanthoseofZnOAl

andZnOGaInthispaperwereporttheelectricalpropertiesandthe

transmittancepropertiesofAlGaZnO thinfilmsFilmsweredeposited

on glasssubstratesby sputtering Gallium-doped ZincOxide(GZO)

(Ga2O310 wtZnO90 wt)and Aluminum-doped Zinc Oxide

(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)targetssimultaneouslyusinga

direct-current (DC)radio-frequency (RF) magnetron co-sputtering

systemTheconcentrationofgallium (Ga)inthefilm wasvariedby

usingdifferentRFpowersforsputteringtheZnOGatargetwiththe

DC power for sputtering the ZnOAltarget fixedA minimum

resistivitywasobtainedatanRFsputteringpowerof200W forthe

ZnOGatargetwhentheDC sputteringpowerfortheZnOAltarget

wasfixedat60W

- iii -

국문 록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot i

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ii

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot iii

그림목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot v

표목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot vi

Ⅰ서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11연구 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12연구 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

Ⅱ이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21투명 도막 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

211투명 도막의 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

212투명 도막의 특성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

2121 기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

2122 학 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

2123에칭특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

213투명 도막의 미세구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2132투명 도막의 내부응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 11

2133투명 도막의 성장과정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

221 라즈마 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

2211 라즈마의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

2212 라즈마의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

222스퍼터링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2221타겟 표면과 이온과의 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2222스퍼터링의 원리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

2223스퍼터율 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27

목 차

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 5: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- i -

국 문 록

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서는 투명 극산화막

(transparentconductingoxide(TCO)) 용은 필수 이다 와 같은 응용

기기들을 한 투명 극산화막(TCO)로써 ITO(Indium tinoxide)는 가장

리 이용되어 왔다이는 낮은 비 항(~2times10-4Ωm)과 높은 가시 투과

도(~90 at550nm)와 높은 일함수(~48eV)를 가지고 있기 때문이다

그러나 Indium(In)이 희토류원소이므로ITO(Indium tinoxide)박막을

제조하는 가격은 상당히 고가이다 재 ITO(Indium tinoxide)의 체하

기 해 F-dopedSnO2Sb-dopedSnO2Al-dopedZnO (AZO)andGa

dopedZnO (GZO)등과 같은 다양한 TCO 소재들이 연구되어져 왔으며

재 이용되어지고 있다

한 ZnOAl박막과 ZnOGa박막에 하여 많은 연구가 되어왔으나

AlGaZnO 박막에 해서는 아직까지 연구가 미비하다그래서 본 연구를

통해 AlGaZnO 박막의 기 학 특징에 한 연구를 하고자 한다

이를 해 DCRF마그네트론 동시 스퍼터링법으로 Gallium-dopedZinc

Oxide(GZO)(Ga2O310wtZnO90wt)과 Aluminum-dopedZinc

Oxide(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)타겟을 이용하여유리기

에 ZnOAl와 ZnOGa의 타겟을 동시에 스퍼터링하여 박막을 제작하

다박막의 Ga농도는 ZnOGa(Ga2O310wtZnO90wt)타겟을 스

퍼터링할 때 RF 워를 변수로 하여 조건을 다양화하 으며이때 ZnOAl

의 DC 워는 일정하게 유지하 다실험결과에서 ZnOAl타겟의 DC 워

를 60W으로 유지하는 동시에ZnOGa타겟의 RF 워를 200W로 하

을 때투과도의 손실이 없는 최소 항 (214times10minus2 Ωcm)의 AlGaZnO

박막을 얻을 수 있었다

- ii -

Abstract

It is essentialto use transparent conducting oxide (TCOs) in

optoelectronic devices such as solarcells and flatpaneldisplays

Indium TinOxide(ITO)hasbeenmostwidelyusedasaTCO for

theseapplicationsbecauseithasalow electricalresistivityahigh

visibletransmittanceandarelativelyhighworkfunctionHowever

thecostofpreparingITOfilmsisveryexpensivebecauseindium isa

rareandexpensiveelementHencetodatevariousTCO materials

suchasF-dopedSnOSb-dopedSnOAl-dopedZnO (AZO)andGa-

dopedZnO(GZO)havebeendevelopedasalternativestoITOandare

usedthesedays

ZnOAlandZnOGahavemeritsanddemeritsovereachotheras

discussedaboveThereforeitisnecessarytocheckiftheelectrical

andtheopticalpropertiesofAlGaZnOarebetterthanthoseofZnOAl

andZnOGaInthispaperwereporttheelectricalpropertiesandthe

transmittancepropertiesofAlGaZnO thinfilmsFilmsweredeposited

on glasssubstratesby sputtering Gallium-doped ZincOxide(GZO)

(Ga2O310 wtZnO90 wt)and Aluminum-doped Zinc Oxide

(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)targetssimultaneouslyusinga

direct-current (DC)radio-frequency (RF) magnetron co-sputtering

systemTheconcentrationofgallium (Ga)inthefilm wasvariedby

usingdifferentRFpowersforsputteringtheZnOGatargetwiththe

DC power for sputtering the ZnOAltarget fixedA minimum

resistivitywasobtainedatanRFsputteringpowerof200W forthe

ZnOGatargetwhentheDC sputteringpowerfortheZnOAltarget

wasfixedat60W

- iii -

국문 록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot i

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ii

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot iii

그림목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot v

표목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot vi

Ⅰ서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11연구 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12연구 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

Ⅱ이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21투명 도막 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

211투명 도막의 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

212투명 도막의 특성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

2121 기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

2122 학 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

2123에칭특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

213투명 도막의 미세구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2132투명 도막의 내부응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 11

2133투명 도막의 성장과정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

221 라즈마 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

2211 라즈마의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

2212 라즈마의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

222스퍼터링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2221타겟 표면과 이온과의 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2222스퍼터링의 원리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

2223스퍼터율 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27

목 차

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

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Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 6: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- ii -

Abstract

It is essentialto use transparent conducting oxide (TCOs) in

optoelectronic devices such as solarcells and flatpaneldisplays

Indium TinOxide(ITO)hasbeenmostwidelyusedasaTCO for

theseapplicationsbecauseithasalow electricalresistivityahigh

visibletransmittanceandarelativelyhighworkfunctionHowever

thecostofpreparingITOfilmsisveryexpensivebecauseindium isa

rareandexpensiveelementHencetodatevariousTCO materials

suchasF-dopedSnOSb-dopedSnOAl-dopedZnO (AZO)andGa-

dopedZnO(GZO)havebeendevelopedasalternativestoITOandare

usedthesedays

ZnOAlandZnOGahavemeritsanddemeritsovereachotheras

discussedaboveThereforeitisnecessarytocheckiftheelectrical

andtheopticalpropertiesofAlGaZnOarebetterthanthoseofZnOAl

andZnOGaInthispaperwereporttheelectricalpropertiesandthe

transmittancepropertiesofAlGaZnO thinfilmsFilmsweredeposited

on glasssubstratesby sputtering Gallium-doped ZincOxide(GZO)

(Ga2O310 wtZnO90 wt)and Aluminum-doped Zinc Oxide

(AZO)(Al2O33wtZnO97wt)targetssimultaneouslyusinga

direct-current (DC)radio-frequency (RF) magnetron co-sputtering

systemTheconcentrationofgallium (Ga)inthefilm wasvariedby

usingdifferentRFpowersforsputteringtheZnOGatargetwiththe

DC power for sputtering the ZnOAltarget fixedA minimum

resistivitywasobtainedatanRFsputteringpowerof200W forthe

ZnOGatargetwhentheDC sputteringpowerfortheZnOAltarget

wasfixedat60W

- iii -

국문 록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot i

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ii

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot iii

그림목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot v

표목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot vi

Ⅰ서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11연구 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12연구 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

Ⅱ이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21투명 도막 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

211투명 도막의 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

212투명 도막의 특성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

2121 기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

2122 학 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

2123에칭특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

213투명 도막의 미세구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2132투명 도막의 내부응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 11

2133투명 도막의 성장과정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

221 라즈마 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

2211 라즈마의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

2212 라즈마의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

222스퍼터링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2221타겟 표면과 이온과의 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2222스퍼터링의 원리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

2223스퍼터율 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27

목 차

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

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- - -

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--

--

--

---- -

+ + + + +

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- - -

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--

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--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
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- iii -

국문 록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot i

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot ii

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot iii

그림목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot v

표목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot vi

Ⅰ서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

11연구 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12연구 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

Ⅱ이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21투명 도막 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

211투명 도막의 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

212투명 도막의 특성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

2121 기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

2122 학 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

2123에칭특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

213투명 도막의 미세구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 9

2132투명 도막의 내부응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 11

2133투명 도막의 성장과정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

221 라즈마 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

2211 라즈마의 정의 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

2212 라즈마의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

222스퍼터링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2221타겟 표면과 이온과의 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

2222스퍼터링의 원리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

2223스퍼터율 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 27

목 차

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 8: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- iv -

2224스퍼터링법의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Ⅲ실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

31AGZO박막의 제조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3832 기 학 특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 40

Ⅳ결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

41AGZO박막의 기 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

42결정구조 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4343표면형상 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

44AGZO박막의 학 특성 평가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

Ⅴ최종결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 49

Ⅵ참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

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--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

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--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 9: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- v -

FigureⅡ-1 Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO middotmiddotmiddot 6

FigureⅡ-2 TransmittancerespreflectanceofAglayersurface

roughness middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 8

FigureⅡ-3 Determinantsofthefinestructureofthinfilmsmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

FigureⅡ-4 TheThorntonStructureZoneModel middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

FigureⅡ-5 TensilestressandCompressivestress middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

FigureⅡ-6 Atomisticprocessesduringthegrowth middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17FigureⅡ-8 Ionization middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-9 Excitationamp Relaxation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

FigureⅡ-10Synopsisoftheinteractionenentsoccuringatandatandnearthetargetsurfaceduringtheduring

thesputteringprocessmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 21FigureⅡ-11Computersimulationofaportionofcollision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardment

eventinasolidlatticemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22FigureⅡ-12Glow dischargemiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

FigureⅡ-13Aspecificprincipleofsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfacesmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystemmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

FigureⅡ-18Appliedfieldsandelectronmotionintheplanar

magnetron middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 34

FigureⅡ-20Schematicofaplanarmagnetrontargetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 36FigureⅢ-1 Schematicdiagram ofthestructureofthesubstrate

middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37FigureⅢ-2 Experimentalprocedures middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 37

FigureⅢ-3 SimplifiedRFCo-sputteringsystem middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

FigureⅢ-4 Dependenceofthecarrierconcentrationcarrier RF

mobilityandresistivityofAGZOthinfilmsonthe

powersforsputteringtheGZOtargetTheDC

powerforsputteringtheAZOtargetwasfixedat

60W middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

ListofFigures

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

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Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 10: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- vi -

FigureⅢ-5 X-raydiffractionpatternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZOthinfilmsdepositedby

sputteringAZOandGZOtargetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZOandtheDCpowerof

60W forAZO middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

FigureⅢ-6 AFM imagesofthesurfacesofAGZOthinfilms

depositedbysputteringAZOandGZOtargets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZOand

theDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

FigureⅢ-7 RMSsurfaceroughnessoftheAGZOthinfilm asa

functionoftheRFpowerforsputteringtheGZO

targetmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

FigureⅢ-8 OpticaltransmittancespectraforAGZOthinfilms

depositedbycosputteringatdifferentRFpowersfor

GZOandtheDCpowerof60W forAZOmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

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Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

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Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

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FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

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② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

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2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

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3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

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이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

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등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

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인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 11: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- vii -

TableⅡ-1 ComparisonofTCOfilmsbetweenMetalandTCOmiddotmiddot6

TableⅡ-2 Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

TableⅡ-3 SputteringpowersandtimesforeachAGZOthin

films middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

ListofTables

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

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+ + + + +

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--

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---- -

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+ + + + +

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Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

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temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 12: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 1 -

Ⅰ서론

11연구배경

액정디스 이(Liquid CrystalDisplayLCD) 라즈마 디스 이

패 (PlasmaDisplayPanelPDP)유기발 디스 이(OrganicElectro

LuminescenceDisplayOELD)등과 같은 박막형 디스 이 구성에 있

어서 투명 도성 산화막(TransparentconductiveoxidefilmTCO)은 필

수 인 요소이며 재 투명 극 재료에 한 연구가 최근 활발히 진행

에 있다[1] 한최근신재생에 지로 주목 받고 있는 태양 산업 산업

에서 투과율이 우수한 투명 도막에 한 연구도 각 을 받고 있다주

로 사용되고 있는 투명 도막 재료는 ITO(Indium TinOxide)로서 우수

한 기 학 특성으로 인하여 부분의 응용분야에 범 하게

용되어 왔으나인듐(In)의 희소성으로 인한 가격상승 수소 라즈마에

노출시 열화로 인한 특성 변화가 오랫동안 문제 으로 지 되어 오고 있

는 실정이다한편ZnO계 박막은 외선 가시 선 역에서의 투과성

기 도성과 라즈마에 한 내구성이 우수하며낮은 온도에서

공정이 가능하고 원료 가격이 렴하여 ITO 투명 도성 박막을 체할

수 있는 물질로서 각 을 받아왔다ZnO는 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체로

Hexagonalwurtzite구조이며 33eV의 넓은 밴드갭 에 지를 가지는 직

형 반도체이다 한 산소공공과 침입형 아연으로 인한 구조 인 결함

을 가지고 있어 형 인 N형 반도체 특성을 나타낸다불순물이 도핑 되

지 않은 ZnO박막은 기 에 장시간 노출되는 경우 산소의 향으로 Zn

과 O의 정량비가 변함에 따라 기 성질의 변화가 발생하고고온 분

기에서 안정하지 못한 단 이 있다이의 문제 을 보완하기 해 많은

연구자들은 AlGaB과 같은 3족 원소를 도핑하여 기 학 특

성을 효과 으로 개선 할 수 있다이 에서도 Ga(062Å)은 이온 반경

이 Zn(074Å)와 비슷하기 때문에 높은 농도의 Ga을 불순물로 주입하는

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 13: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 2 -

경우에도 격자 결함을 최소화 시키며 높은 캐리어 도를 얻는 게 용이하

기 때문에 도성을 향상시킬 수 있으며Al을 불순물로 주입하는 경우

박막의 기 특성과 결정성에 향을 주어 가장 낮은 비 항을 보여

다는 보고가 발표되고 있다[2~4]박막을 제작하기 한 방법으로는

Sputtering법[5~6]Chemicalvapordeposition법[7]Sol-gel법[8]Pulse

laserdeposition법[9]Spraypyrolysis법[10]등이 사용되고 있다이들

스퍼터링 방법이 쉽게 고품 의 박막을 얻을 수 있기 때문에 많이 사용된

다스퍼터링 방법은 웨이퍼에 속 박막과 연체를 층하는 방법이다

본 공정의 원리는 강철공을 콘크리트벽에 던지는 것과 같은 물리 인 공

정이다충돌한 공은 콘크리트와 같은 화학 물리 특성을 갖는 조각을

떼어낸다이 과정이 되풀이되면 충돌지 부근은 콘크리트 조각으로 덮

이게 된다스퍼터링에서 강철공은 이온화된 아르곤 원자이고콘크리

트벽은 스퍼터링되는 물질 으로 타겟이라고 한다스퍼터링 공정을 진

공실에서 수행된다스퍼터링되는 물질의 타겟과 웨이퍼가 치된 반응실

로 이온화된 아르곤이 주입된다타겟은 양성으로 충진된 아르곤에 비해

음성 하를 띠고 있다따라서 아르곤 원자는 가속되며이온 주입과는

달리 스퍼터링에서는 아르곤 원자가 타겟에 박히지 않는다 신 강철공

과 같이 충돌하여 타겟을 약간 떼어낸다반응실은 진공이므로 떨어져나

온 물질은 웨이퍼를 포함하여 반응실 도처에 층되는 것이다이러한 스

퍼터링 방법 마그네트론 스퍼터링은 타겟 후방 는 측면에 자석을 설

치하여 반응실 내에서 방사를 일으키는 자 타겟을 가열하는 자들

을 제거한다상기 자석은 배회하는 자를 포획하여 타겟 근처에 가두어

놓는다이때 이온 류는 보통 다이오드 스퍼터장치보다 열 배 정도 높

기 때문에더 낮은 압력에서 더 빠르게 속 막을 층할 수 있다이와

같은 다양한 증착방법을 활용하여ITO를 체하기 한 많은 체재들이

연구되고 있지만 뚜렷한 기 특성의 향상을 이루지 못하여 이를 체

하기 한 많은 연구가 시도되고 있다 표 인 것이 AgAl과 같은

기 특성을 향상 시킬 수 있는 속을 소재로 한 연구가 표 이라 하

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 14: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 3 -

겠다TCC라 불리는 이런 연구소재에 한 개발은 앞으로 ITO를 체하

기 한 좋은 재료가 될 것이다

12연구 목

우수한 기 도성 높은 가시 역 투과율을 가지는 투명 도성 산

화물(TCO)은 태양 지(Solarcell)OLED(OrganicLight-emittingDiode)

PDP(PlasmaDisplayPanel)등의 다양한 표시소자에서 투명 극재료로

리 사용되고 있다TCO 재료는 크게 In2O3ZnO SnO를 base재료

로 별할 수 있으며이들 재료에 다양한 도펀트를 첨가하여 기

학 특성을 개선하는 많은 연구가 진행되고 있다이들 ITO(Indum

TinOxide)는 기 학 특성이 가장 우수하기 때문에 표 투

명 도성 박막으로 가장 많이 사용되고 있다그러나 ITO의 경우원재료

인 인듐(In)의 가격상승에 따른 공 불안 독성에 한 심각한 문제가

지 되고 있다따라서 최근에 ITO의 체 재료로서 원재료가 풍부하여

가격이 렴하며무독성이기 때문에 인체에 해롭지 않고수소 라즈마

분 기에서 화학 안정성이 뛰어난 TCO 재료로서 ZnO에 한 심이

고조되고 있다특히 BAlGaIn등 III족 원소를 불순물 도펀트로서

첨가한 ZnO박막의 물성에 한 연구가 활발히 진행되고 있다Minami은

AlGa혹은 V 첨가에 의한 ZnO박막의 기 특성 결정성의 개선에

하여 보고하고 있으며Lin등은 AlZnO박막에 Sc를 첨가한 경우 박막

의 비 항과 부식성이 모두 향상되었다고 보고하고 있다따라서 분 연구

에서는 ZnO에 Al과 Ga을 동시에 도펀트로서 첨가하기 하여 DCRF마

그네트론 Condashsputtering방법으로 Gallium-doped Zinc Oxide (GZO)

(Ga2O390wtZnO10wt)과 Aluminum-dopedZincOxide(AZO)

(Al2O33wtZnO97wt)Target을 이용하여기 에 ZnOAl과

ZnOGa타겟를 동시에 스퍼터링하여 AlGaZnO박막을 증착하 으며증착

조건과 련한 박막의 물성변화에 하여 조사하 다

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 15: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 4 -

Ⅱ이론 배경

21투명 도막

211투명 도막의 개요

가시 선 역의 빛을 투과시켜 사람의 에 투명하게 보이는 동시에

기 도도가 좋은 물리 특성을 나타내는 재료를 일컬으며일반 으로

이러한 특성을 보이는 재료가 Oxide Semiconductor물질이기 때문에

Oxide가 붙는다보통은 여서 TCO(TransparentConductiveOxide)우

리말로는 투명 극이라는 단어를 사용하기도 한다[12]

TransparentConductingOxide의 개념이 처음 도입된 것은 1880년

Se을 사용한 태양 지의 면 극에 AgPt을 얇게 증착하여 사용한 경

우가 있다태양 지의 면 극은 외부에서 들어오는 태양빛을 되도록

많이 투과시켜 빛에 지가 Se태양 지에 많이 도달하도록 하여야 하며

동시에 빛에 지를 받아 생성된 자와 홀을 잘 이동시켜서 유용한 에

지로 사용하여야 하므로 기 도도 역시 좋아야 한다[13-14]

따라서 그러한 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 해 기에는 속

을 얇게 증착시키는 방법을 사용하 으나이는 속의 FreeElectron

Absorption에 의해 투과도가 낮아지는 단 이 있었다그 후 1907년

CdO를 사용하여 투명 극 특성을 찰한 보고가 있으나당시에 특별한

수요가 없어 활발한 연구는 이루어지지 않았다그러다가 2차 세계 이

진행되던 당시 비행기가 쟁에 사용되면서비행기 유리창의 성에를 제

거하기 한 용도로 투명 극의 필요성이 제기되었다그 후태양 지 시

장이 성장하고 1990년 후반부터 LCD(Liquid Crystal Display)

PDP(PlasmaDisplayPanel)를 필두로 FPD(FlatPanelDisplay)시장이

폭발 으로 증가하면서 TCO에 한 수요도 증가하 고 재까지 연구가

활발히 진행되고 있다[15-16]

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 16: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 5 -

σ =eμΝ[Ωcm]-1 (1)

212투명 도막의 특성

유리는 기 으로 연체로 상온에서 10-10~10-11(Ωcm )-1의 기

도도를 가지고 잇는데이러한 연체인 유리에 높은 투과성은 그 로 유

지한 채 기 도성을 부여하는 것이 바로 투명 도코 이다

2121 기 특성

기 도도 σ(Electricalconductivity)는 다음과 같은 식으로 표 된다

e는 기 하μ는 캐리어 이동도Ν는 캐리어 농도이다투명 도 코

에서 Chargecarrier는 자유 자로Chargecarrierconcentration=N

의 경우 1cm3당 자유 자의 농도가 되며 Chargecarriermobility= μ의

경우 자유 자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸다특히이동도 μ

의 경우 결함결정립계원자의 진동 등에 의한 산란으로 향을 받으며

박막의 경우 표면거칠기(Roughness)에도 상당한 향을 받게 된다 한

Drude-Lorenz모델에 의하면 충돌 심(Scatteringcenter)이 은 막에서

이동도 μ는 자유 자가 이동시 발생하는 평균충돌시간(Mean collision

time)τc에 비례한다고 하며평균충돌시간의 역수인 충돌진동수(Collision

frequency)는 투명 도막에 조사되는 자기 의 행동에 많은 향을 미

치게 된다[17]

투명 도막은 반도체재료와 속재료의 코 을 통해 얻어지며특히 반

도체재료의 경우에는 투명 도산화막(Transparent Conductive Oxide

TCO)재료가 사용이 된다그림 Ⅱ-1과 같이 속재료의 경우 한 원자에

서 방출된 자유 자들에 의해 도성을 갖게 되며투명 도산화막(TCO)

의 경우에는 TCO를 형성하는 속원자보다 원자가 크거나 작은 원자의

침입(doping)에 의해 생성된 자유 자 는 자구멍(Electron Hole

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

- - -

-

--

--

--

---- -

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 17: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 6 -

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

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Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

Sn4+

O2-

Sb5+

In3+ Sn4+

O2-O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

O2-

(a) (b)

FigureⅡ-1Formationofchargecarrier(a)Metal(b)TCO [11]

Positivecharge)에 의해 도성을 갖게 된다물론 도핑이 가능하기 해

서는 주결정격자원자와 도핑원자 간의 크기가 비슷하여야하며 도핑원자가

화학반응에 의해 침 이 생성되지 않아야한다

TableⅡ-1ComparisonofMetalcoatingandTCO[11]

Metalcoating TCO

∙Thicknessdeterminedbythe

conductivity

∙Freeelectronsaregeneratedat

low temperaturethetemperature

increaseswithincreasingfreedom

asHallconductancebeforeor

increased

∙Thickness and doping concentration are

determinedbyConductivity

∙Generatedatlow temperaturesfreeelec-

tronsandholesrecombinewithincreasing

temperature conductivity increases with

increasinginfreeelectronsorholes

∙ Providing high concentrationsofdoped

filmselectrons or a hole created by

collisions with increasing temperature

reducestheelectricalconductivityatlow

temperature

속코 의 경우 TCO에 비해 더 낮은 면 항을 보이는데 이것은

mobility는 거의 비슷한데 비해자유 자의 농도를 보면 속의 경우 최

1023cm

3TCO의 경우 10

21cm

3정도로 최 100배 차이가 나기 때문이

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 18: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 7 -

(2)

(3)

(4)

2122 학 특성

조사된 빛의 각진동수 ω가 충돌진동수 보다 큰 경우 빛은 자유 자에

의해 형성된 에 지 장벽을 그냥 통과하게 된다이러한 경우 빛의 특성

을 이해하기 해 굴 률(reflectiveindexn)이 필요하다굴 률은 다음

과 공식과 같이 표 된다

n은 realreflectiveindex(cc0(c매질에서의 속도c0진공에서의

속도)k는 extinctioncoefficient이다이러한 굴 률은 각 장에 따라

변화하며500nm 장에서 ITO와 Ag의 굴 률은 다음과 같다

한 코 막의 흡수율(absorbanceα)도 고려하여야 하는데흡수율은

Beer-Lambert공식에 의거 다음공식과 같이 표 된다

K는 흡수상수(Absorbanceconstant)d는 투명 도막의 두께이다

공식에서 유추할 수 있는 것은 가시 역에서 흡수상수(K)가 아무리 큰

코 재료라도 코 막의 두께가 매우 얇다면 투명해질 수 있다는 것이다

코 막의 투명성이 사라지는 두께 dp(Penetrationdepth)로 표 하며 가시

선 역에서 dp=I(2πk)로 Extinctioncoefficientk에 한 변수로 정

의된다ITO와 Ag의 Penetrationdepthdp는 dpITO =796μmdpAg =

0023μm로 ITO코 막은 200nm이상으로 두껍게 코 할 수 있는 반면

속 은코 은 20nm이상 코 하게 되면 투명성을 상실하게 된다

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 19: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 8 -

Figure Ⅱ-2 Transmittance respreflectance of Ag layer

surfaceroughness[18]

그림 Ⅱ-2는 ITO의 투과율과 면 항과의 계를 보여주고 있다면

항이 8Ωcm2이하로 떨어지면 투과율이 격하게 덜어지는 것을 볼 수

있다이것은 면 항을 낮추기 해서는 코 막의 두께가 두꺼워져야 하

며이로 인해 흡수율이 높아지기 때문이다투명 속코 인 경우에도 코

막의 두께가 투과율에 많은 향을 미치지만표면구조와 거칠기에 의

해서도 산란이 발생하여 흡수율이 증가할 수 있다

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 20: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 9 -

2123에칭 특성

투명 극 재료로 쓰이려면 한 에칭특성을 가져야 한다박막이 소

자에 응용될 때 Patterning의 용이성 여부는 생산성과 직결되기 때문에

에칭특성은 요한 요소로 자리잡고 있다소자의 제조과정에서 박막을

패터닝하는 공정은 사진 식각공정(Photolithography)과 에칭공정(Etch)으

로 구성된다마이크론 단 이하의 선폭과 이방성 에칭의 요구가 엄격하

지 않은 소자의 패터닝에는 습식에칭이 이용되는데 이는 간단하며 공정속

도가 빠르고 경제 이라는 이유에서이다 한 습식에칭은 선택비가 우수

하고 에칭소도의 제어가 용이하다에칭액의 농도 온도를 조 함으로

써 에칭속도가 조 되기 때문이다[20]구조가 단순한 가의 에칭장비를

사용한다는 한 장 이 된다 재 습식에칭은 주로 BlanketFilm 제

거(박막의 면 제거)시에 사용된다투명 극재료로 사용되려면 에칭이

빠르고 에칭 후 잔사가 남지 않는 물질이어야 한다

213투명 도막의 미세구조

2131투명 도막의 미세구조 결정 요인

스퍼터링 방법에 의하여 만들어진 ThinFilm은 도가 높고방향성

등 벌크에는 없는 특성을 나타내므로 각 분야에 이용된다한편 DCRF

마크네트론 스퍼터링 자 사이크로트론 는 Bias를 인가하는 방법 등

많은 방법들이 박막증착에 용되고 있다

동일한 방법을 활용하여동일한 박막특성(⒈ 도⒉비 항⒊입도

⒋내부식성)을 얻을 수 없는 경우는 아주 많다이것은 박막의 형성은

진공 에 만들어진 원자가 어떤 속도록 기 에 도달하면서 성장하기

때문에 박막형성에 한 물리 상을 해석하여 정확한 제어가

필요하기 때문이다

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 21: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 10 -

이에 박막의 미세구조 결정요인에 한 이론을 설명하고자 한다

FigureⅡ-3Determinantsofthefinestructureofthinfilms

1gt미세구조의 종류

기 에 많은 원자가 쌓여서 만들어지는 박막은 바닥에 이 쌓이는

것으로 묘사할 수 있다이때의 설(積雪)은 도와 달리 고르게 설이

이루어지지 않는다이러한 박막의 미세구조를 그 제작 조건을 변화시키

면서 조사해보면4종류로 분류된다즉 마그네트론 스퍼터링을 이용하여

기 온도와 알곤가스 압력을 좌표로 하여 그림 Ⅱ-4에 종류의 범 를 표

시하 다

그림 Ⅱ-4에서 Thornton에 의한 박막의 미세구조 모델은 일박 으로

인정되고 있으며그 원인도 상당부분 밝 졌다다만 기 온도TS[K]는

그 재료의 융 TM[K]에 한 비율로서 보편화되어 있다

ZONE 1 알곤가스 압력이 높고기 온도가 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE T 알곤가스 압력이 낮고기 온도도 낮은(TSTM lt03)경우에 발생

ZONE 2 기 온도를 높여서기 온도도 낮은(TSTM gt05)경우에 발생

ZONE 3 기 온도를 높여서 TSTM gt05이 되게 하면 치 하며 Zone1이

나 천이 역에 비하여 입도가 큰 기둥모양의 구조 되는

역[21]

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 22: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 11 -

Zone1 ZoneT Zone2 Zone3Light Reflectivity Low High High High

Resistivity High Low Low Low

Hard condition

FigureⅡ-4TheThorntonStructureZoneModel[20]

2gt미세구조와 기본성질의 계

박막의 기본특성이 미세구조에 따라 변화되는 과정은 표 Ⅱ-2과 같이

쉽게 요약 될 수 있다

TableⅡ-2Therelationshipbetweenmicrostructureandbasic

properties

2132 투명 도막의 내부응력

를 들어 라스틱 등에 박막을 만든 후에 작은 조각을 잘라내서 그림

Ⅱ-5에 나타낸 것과 같이 구부려보자박막이 오목한 면이냐 볼록한 면

이냐에 따라 가각의 응력은 인장응력 는 압축응력이 된다

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

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RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

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Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

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FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

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FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

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Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 23: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 12 -

FigureⅡ-5A)TensilestressandB)Compressivestress[20]

이 응력은 두 가지 원인으로 생긴다그 하나는 열응력(Thermalstress)

라고 말하고 박막과 기 재료의 온도팽창계수가 다르기 때문에 생기는 것

이다박막을 만들 때의 온도와 실온의 차이에 의해서 박막과 기 의 수

축이 다르기 때문에 생긴다

2133투명 도막의 성장과정

1gt박막의 형성 Nucleation과 Growth과정

기 이 증기상에 노출됨으로써 작지만 이동도가 매우 높은 cluster와

Island를 형성되고Island가 합쳐진다(Coalescence)이때 Island의 도

는 감소하여 국부 으로 증착물이 없는 역이 형성되고여기에는

다른 핵이 생성된다 그리고 Coalescence는 비어있는 Channel들이 연

결된 Network를 이룰 때까지 계속된다이후 비어있는 Channel이 채워

지고 고립된 Void를 남긴다결국 Void도 채워지고 증착막은 연속성을

갖는다

이러한 일련의 과정들은 증착의 기 수백 Å정도에서 일어난다

2gt세 가지 성장의 기본 인 이론

① Island성장

가장 작은 안정한 cluster가 기 에서 핵 생성을 하여 3차원으로

성장하여 island를 형성한다이것은 증착하고자 하는 원자나 분자들간

의 결합력이 기 과의 결합력보다 클 때 나타난다

- 연체알칼리 할로겐 화합물흑연 기 에 속의 증착

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 24: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 13 -

② layer성장

안정한 Cluster가 2차원으로 퍼져나가면서 연결되어 Planarsheet를

형성한다원자들간의 결합력보다 기 과의 결합력이 더 강한 경우가

layer성장에 해당된다 그리고 기 과 Film원자간의 격자일치성이 좋

아야 한다 첫 번째 단원자층은 보다 약한 결합을 하는 두 번째 원자

층에 의해서 덮여진다-Singlecrystalepitaxialgrowth

③ Stranski-Krastanov성장 (layer+Island)

한 두 층의 단원자층이 형성되고 그 이후의 성장은 island성장을 따른

다 계속해서 layer성장을 하지 못하는 이유는 여러 가지가 있으나그

에 기 과 Film사이의 격자상수의 불일치로 인한 변형에 지의 축

때문이다이러한 축 된 에 지가 방출되면서 간 layer의 계면에서

Island형성을 유발할 것이다- 속과 속 속과 반도체로 이루어진 계

FigureⅡ-6Atomisticprocessesduringthegrowth

a)Depositionb)Diffusiononterracesc)Nucleationonislandsd)

Nucleationonsecond-layerislande)Diffusiontoalowerterracef)

Attachment to an island g) Diffusion along a step edge h)

Detachmentfrom anislandi)Diffusionofdimmer[21]

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

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과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

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RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

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3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

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Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

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FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

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FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

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31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

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그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

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32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

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Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

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Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 25: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 14 -

2134스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성

1)기 과의 착성

스퍼터법의 특징의 하나로써 막이 기 에의 부착강도가 뛰어난 이

있다이것의 이유는 부착입자의 운동에 지가 크다는데 계 한다고 생

각되며 스퍼터에 의한 부착 입자의 운동에 지는 증착법에 의한 것보다

약 두 자리가 크다고 말할 수 있다그 외에 라즈마에서의 하 입자에

의한 기 표면에 가벼운 충돌 효과도 있어 기 표면의 정화가 스퍼터

에 부차 으로 일어나고 있다는 도 사실이다막의 부착강도의 측정방

법은 셀로 테이 를 붙 다 띄는 방식이 간단하지만 정량 인 방법을

이용하는 것이 정확하다즉 하 을 걸은 침으로 막면을 어서 막이

괴되는 크기로 부착강도를 측정 하는 인소시험법 (ScratchTest)이 있다

스퍼터한 막과 증착법에 의한 막의 인소시험 결과를 비교해 보면 Ni막

에 하여 스퍼터 막은 약 40배의 부착강도를 가지고 있다그러나 이와

같은 특징은 기 표면의 상태부착막의 종류 등 여러 가지 요인에 따라

부착강도가 달라질 수 있다

2)기 표면의 오염

스퍼터막이 양호하지 않고 막의 착성이 나쁘다는 것도 막과 기 사

이에 무엇인가 오염층이 존재하고 있다는 것이다일반 으로 진공박막

기술에서 기 표면의 오염원인은 다름과 같이 볼 수 있다

1)정화과정을 통해서도 완 히 제거되지 않은 잔류 오염층과 2)정화

공정의 과정에서 부착된 정화가스3)정화 후 진공조에 장착시키는 사이

에 수분이나 손의 지문 등의 유기물 흡착4)진공 배기 에 일어나는 먼

지나 수분Oil증기 등이 원인인 흡착층마지막으로는 증착공정 의 잔

류 가스의 재흡착 등이 있다

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 26: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 15 -

3)부착막의 응력(Stress)

일반 박막은 원래 물질에 비해서 큰 내부 응력을 가지고 있고 증착

막에 의해서 스퍼터막은 비교 내부 응력이 지만 내부응력은 막의 부

착강도나 기타의 특성에 해 큰 변수로써 요하며 내부응력이 큰 것으

로써는 TiWMo2Cr2Ti등이 있으며 이들에 해서는 기 의 처리에 세

심한 주의가 필요하다

한 잔류가스가 증가하여 존재하는 것도 응력에 큰 향을 다내부

웅력에 의해 막이 벗겨지는 상은 와 같은 물질에서 5000Å이하의 막

두께에 해서 문제가 없으나 10-6이상의 막 두께에서는 격히 증 한다

4)기 의 가열온도

기 온도는 스퍼터 기술에 응용하는 경우 요한 변수가 되고 있다기

의 처리 인 차원에서 말한다면 양호한 착성을 얻기 해서 당한

가열처리 온도가 필요하다일반 으로 가열 표면의 수분이나 유기물질의

제거를 해 1000이상의 온도가 필요하다이는 기 온도 가열로 인해

오염층의 제거로 나타내고 있다

어떠한 경우에는 300 정도로 기 을 가열한 후 미량의 산소를 주입

해서 유기물을 산화시킨 후 스퍼터 Cleaning하는 방식도 있다이 기 의

온도는 실험에 따라 사용기 의 종류에 따라 당한 온도를 찾아낼 필요

가 있다

5) 속막의 기 항

스퍼터에 의해 얻어진 속막은 본래 물질보다 높은 항치를 가지고

있다이 이유는 막의 격자간에 여러 가지 가스원자가 Trap된 것이라고

할 수 있다

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 27: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 16 -

이를 이용하여 스퍼터링 인가하는 압 류 등을 변화시켜 막 물

성의 제어도 가능한 반면이온과 자의 충돌로 기 상의 불순물 원자를

쫓아내는 역할도 할 수 있다

Bias스퍼터링이라고 말하는 기술은 기 에 를 가지게 함으로써

기 에 충돌하는 Ion 하의 에 지를 조 해서 막 의 불순물을 제거함

으로써 막의 특성을 개선하는 방법이며 반응성 스퍼터링이라고 말하는 기

술은 오히려 막 에 불순물을 혼합시켜 막의 특성을 개선하는 방식이다

6)스퍼터막의 도 Etching의 특성

Evaporation과 달라서 스퍼터링막의 도는 Bulk(Target)의 그것과

단히 흡사하여 고 도의 막을 얻는다박막의 Etching특성에 있어서 결

정입자가 작고 조 한 막 도로 인해 Etching속도가 늦은 특성을 가지고

있다고주 스퍼터에 의한 SiO막의 Etching속도와 Evaporation에 의한

막이 늦은 값을 가지고 있다는 것이 확인되었으며이를 통해 스퍼터박막

의 조 성도 상당히 높다는 것을 알 수 있다

22물리 기상 증착(PhysicalVaporDeposition)

221 라즈마

2211 라즈마의 정의

라즈마는 물질의 제 4상태로 간주되며 부분 으로 이온화된 기체를

의미한다그 정의는 Partiallyionizedgasconsistingofequalnumbers

ofpositiveandnegativechargesandadifferentnumberofun-ionized

neutralmolecules으로 되어 있다[22]

따라서 그 구성 성분은 자양의 이온 그리고 성 원자 성 분자

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 28: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 17 -

등이다주변에서 흔히 볼 수 있는 라즈마는 번개아크네온사인태

양오로라 등이 있다기체 입자에 에 지가 가해지면(일반 으로 가속된

자의 충돌에 의하여 에 지가 달되거나 그 외에도 열이나

Micro-wave에 의해서도 가능하다)최외각 자가 궤도를 이탈해서 자유

자가 되기 때문에 기체 입자는 양 하를 갖게 된다이 게 형성된

자들과 이온화된 기체 입자들 다수가 모여 체 으로 기 인 성을

유지하며 구성 입자들 간의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하고 입

자들이 활성화되어 높은 반응성을 갖게 되는데 이러한 상태를 흔히 이온

화한 기체 는 라즈마라고 부른다

1) 라즈마의 생성과 구조

라즈마를 만들기 해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화시켜야

한다즉 수십만 도에서 수백만도의 고온이 필요하다그러나 높은 계를

가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화시킬 수 있게 된다[23]

를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1mTorr-100Torr사이의 압력에

서는 1당 100V이상의 계만 있어도 라즈마를 생성시킬 수 있다

원자나 분자가 이온화하기 해서는 기장에 의해 가속된 자유 자가 이

온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다

① 반발(Atom elasticcollision)

충분히 가속되지 못한 자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아

무런 변화가 없게 된다

FigureⅡ-7 Atom elasticcollision[23]

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 29: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 18 -

② 이온화(Ionization)

가속된 자유 자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 하나

의 자유 자를 만들게 된다

FigureⅡ-8Ionization[23]

③ 여기(Excitation)와 완화(Relaxation)

가속된 자유 자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원

자에 에 지를 공 하여 최외각 자를 페르미 보다 낮은 궤도로

올려놓게 된다그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도

로 돌아오면서 빛에 지를 발산하게 된다이때 발산하는 빛은 원자마

다 최외각 자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한

색을 지니게 된다

FigureⅡ-9Excitationamp Relaxation[23]

④ Penningionization과 Penningexicitation

불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 안정 원자들과

충돌해 여기나 이온화가 일어나는 경우이다

X+Yrarr X+Y

++e(Ionization) (5)

X+Yrarr X+Y

(Excitation) (6)

의 여러 가지 상을 보면 라즈마가 생성되기 해서 충돌하는

입자는 임계치 이상의 가속이 필요하며 실제로 라즈마가 유지되

기 해서는 당한 충돌 횟수가 보장되어야만 한다따라서 압력(압력

이 높으면 충돌할 수 있는 입자의 수도 많음을 의미한다)과 외부에서

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 30: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 19 -

인가하는 압( 자를 가속시키는 일을 한다)이 요한 공정변수가 된

다하지만 무 높은 압력은 충돌사이에 평균 으로 이동하는 거리

(MeanFreePath)를 짧게 하므로 충분한 에 지를 가지도록 가속되지

못하므로 이온화를 방해하는 결과를 래한다

2212 라즈마의 특성

1) 기 특성

체 으로는 성이지만 이온과 자가 충분히 존재하여 장을 가

하여 류를 흘릴 수 있다특히 라즈마의 온도는 입자의 운동 상태와

직 으로 연 되기 때문에 도도(Conductivity)와 련된다

2)화학 특성

라즈마 내부에는 활발하게 운동하는 자와 이온이 존재하기 때문

에 다른 물질을 여기 리시킬 수 있다따라서 다른 물질의 화학 반응이

활발하게 일어나도록 분 기를 조장해 다

3)물리 특성

자와 이온은 질량의 차이가 매우 크다그런 이유로 각 입자의 운동

속도도 아주 큰 차이를 보이게 되며결과 으로 Sheath 형성Debye

Shielding같은 상을 래한다

4)자기 특성

라즈마에 자장을 인가하면 내부에 있는 자와 이온들은 자장의 방

향과 직각으로 원운동을 하게 된다이를 이용하면 라즈마를 한쪽에 잡

아 놓을 수 있어 라즈마를 원하는 곳에 집 시킬 수 있다높은 도의

라즈마는 기 항이 낮다이러한 라즈마의 자기 특성을 이용하

면 압을 상승시키지 않고도 높은 도의 라즈마를 생성할 수 있다

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 31: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 20 -

222스퍼터링

스퍼터링 (Sputtering)은 진공을 이용하여 이루어지는 표 인 물리증

착(PhysicalVaporDepositionPVD)기술의 하나이며 재 성이 우수하며

사용이 편리하여 그 응용이 차 확 되고 있다

스퍼터링 상은 1852년 Grove가 로 방 하는 Cathode로부터 스퍼

터링 되어 증착된 속을 찰하 으며5년 후 Faraday가 박막을 증착하

여 얻음으로써 그 유용성이 확인되었다1960년 말까지는 증발방식이

스퍼터링에 의한 방법보다 많이 이용되었는데이것은 높은 증발율과 좋

은 진공도에 의한 박막의 형성 성장 시의 깨끗한 환경 등의 조건 때문

이었다 그러다가 마그네트론 방식의 스퍼터링 기술이 개발되고

Microelectronic 자기 응용에 이용되는 합 박막의 이용이 증가되어

우수한 착성 엄격한 Stoichiometry를 요구하게 되면서 스퍼터링의

이용이 증가하게 되었다

보통 스퍼터링에는 양의 이온이 많이 사용되는데그 이유는 양의 이온

은 장(ElectricField)을 인가해 으로써 가속하기가 쉽고 한 target

에 충돌하기 직 target에서 방출되는 Auger 자에 의하여 성화되어

성 원자로 target에 충돌하기 때문이다

2221타겟 표면과 이온과의 반응

이온이 고체 표면에 충돌할 경우 다음과 같은 상이 일어난다

1)이온 반사

이온이 고체 표면에 충돌하여 성화(Neutralization)된 후 반사

(reflection)되는 경우다이러한 IonScatteringSpectroscopy에 이용된다

IonScatteringSpectroscopy는 표면층에 한 정보 이온과 표면간의

상호 작용에 한 많은 정보를 제공한다

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 32: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 21 -

FigureⅡ-10 Synopsisoftheinteractionenentsoccuringat

andnearthetargetsurfaceduringthesputteringprocess[20]

2) 자 방출

이온의 충돌로 인하여 고체의 표면에서 자가 방출되는 경우이며이

런 자를 2차 자(SecondaryElectron)이라고 한다

3)이온 주입

고체 표면에 도착한 이온이 고체 내부에 묻히는 경우이다이러한 상

을 이온 주입(Ionimplantation)이라 한다이온 주입은 실리콘 웨이퍼(Si

wafer)를 이용한 집 회로 형성 시 부분 인 도핑(Doping)에 리 이용

된다 한 강(Steel)등의 표면 처리(Surfacetreatment)에도 이용된다

4)Radiationdamage

이온이 고체의 표면과 충돌해서 표면 근처의 고체 구조에 변화를 유발

하는 경우이다고체의 구조 변화는 Vacancy나 Interstitial의 형성 이

를 통한 비정질화 는 고체가 합 이나 화합물일 경우 Stoichiometry의

변화가 생기는 것을 의미한다한편 Electricalchargelevel에도 변화가 발

생하기도 한다

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 33: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 22 -

5)스퍼터링

이온의 충돌에 의하여 고체 표면에 치하고 있던 원자의 방출이다이

러한 원자의 방출을 스퍼터링이라고 한다

6)기타

이 밖에도 고체 표면에서 기체 원자의 탈착국부 가열X선 방출

자 발생 그리고 화합물 형성이 있을 수 있다

라즈마를 유지하는데 가장 요한 역할을 하는 것은 이차 자이다

라즈마 내에서 이차 자는 추가 인 이온화를 일으키고 라즈마의

학 발산의 ColorIntensity는 target재료Gas의 종압력Excitation

등의 특징으로Discharge내의 구성요소들의 존재는 특성 스펙트럼 장

의 조사로 알 수 있다

2222스퍼터링의 원리

스퍼터링은 Glow discharge를 이용하여 Ion을 형성하고 이를 장으

로 가속하여 고체 표면에 충돌시킨다이때 고체 내부의 원자와 분자들은

운동량 교환을 통해 표면 밖으로 튀어나오게 된다이 때 다음과 같은 3

단계로 증착이 이루어진다

➀ Theaccelerationofions

➁ Ionsareacceleratedthat

Hitatarget

➂ Atomicemissiontarget

Figure Ⅱ-11 Computer simulation of a portion of collision

sequenceinitiatedbyasingleion-bombardmentevent

inasolidlattice

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

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FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

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32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

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Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

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42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

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43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 34: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 23 -

Glow discharge기체의 압력이 10

0~10

3Pa정도의 진공내의 두 개

의 극간에 고 압을 걸어주었을 때양 극에 생기는 방 상이다

FigureⅡ-12Glow discharge[22]

로우 방 은 다음과 같은 방법으로 진행된다

+-의 차에(음극강하) 강 계raquoraquo 양이온 음극충돌raquoraquo 음극에서raquoraquo

자방출raquoraquo강 계가속raquoraquo기체분자원자충돌

1TownsenddischargeBreakdown후 Chargemultiplication에 의해

약간 current가 증가하는 구역

2NormalGlow Chargemultiplication이 충분하여 소모되는 Charge만

큼 자가 생성 Voltage가 감소하고 Current가 증가

계속 으로 Power를 증가시키면 Voltage의 증가 없이

Current만 증가 Glow가 Cathode 역으로 퍼짐

3AbnormalGlow Glow가 역에 퍼지면 Current증가 없이

Voltage의 증가에 이루어짐 Sputteringplasma

etching에서 사용하는 역

4ArcVoltage를 더욱 증가시키면 Cathode내 일부지역에서 Local

highelectricfield에 의해 Highdensity의 류가 흐름Voltage

는 감소하고 Current는 증가

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 35: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 24 -

FigureⅡ-13A specificprincipleofsputteringsystem[24]

➀ Theaccelerationofions

➁ IonsareacceleratedthatHitatarget

➂ Atomicemissiontarget

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 36: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 25 -

입사하는 이온은 상당히 큰 에 지(20sim 30eV)를 가지고 있어야만

target원자를 방출시킬 수 있는데이는 곧 스퍼터링이 일어나기 한 문

턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한다는 것을 의미한다문턱 에 지

보다 작은 에 지를 가지고 입사하는 이온들은 target원자들을 원래의

치에서 이동시키거나(변 유발)target원자에 에 지를 달하여 확산

시킬 수 있다스퍼터되어 나간 원자의 주변에 있던 원자들도 원래의

치에서 이동되거나 확산되기도 한다

낮은 에 지를 가진 입사 이온들은 Binary 는 Ternarycollision을

통하여 target표면으로부터 산란된다산란되는 이온의 비율은 이온의 에

지이온 질량 mi에 한 target원자의 질량 mt의 비에 의하여 좌우된

다mtmi의 비가 1에서 10으로 증가함에 따라 Fraction은 001에서 025로

증가한다[25] 를 들어 500eV의 에 지를 갖는 Ar이온이 Ti Au원

자들에 충돌할 경우 ScatteringCoefficient는 각각 001과 018이다고체

표면에서의 이온의 탄성 충돌 상은 Low Energy Ion Scattering

Spectroscopy를 이용한 표면 분석에 이용된다[26]

모든 입사된 이온들은 target표면에서 성 원자로 되며 성 입자로

써 산란되면서 target표면의 원자층에 변형을 일으키면서 차 그들의

에 지를 잃는다동시에 target원자들에 의하여 산란된다입사된 입자들

몇몇은 target으로부터 방사(emit)되기도 한다입사된 입자에 의하여

제자리에 이탈되었던 target원자들의 일부는 target표면으로 확산하거나

그들의 에 지가 결합 에 지를 극복할 정도로 매우 큰 경우에는 스퍼터

링된다이때 target원자들끼리도 운동량을 교환하기도 한다한편 매우

큰 에 지를 가진 이온들은 target표면에서 화되어 target내부로 주입

(Implant)되기도 한다Target에서 스퍼터되어 떠나가는 원자들은 활성화

된 는 이온화된 상태로 target을 떠나기 때문에 반응성(Reactive)스퍼

터링이 가능하다

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 37: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 26 -

Incident Ion

Reflected Ion

Target Ion

Secondary Electron

Implanted Ion

Damaged

FigureⅡ-14Interactionsofionswithtargetsurfaces[20]

처음에 target내부로 주입되었던 이온( 성 원자)은 target이 스퍼터링

되면서 닳게 되기 때문에 결국 target으로부터 스퍼터되어 방출된다이와

같은 원리는 SIMS(SecondaryIonMassSpectroscopy) AES(Auger

ElectronSpectroscopy)의 DepthProfile에 이용된다

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 38: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 27 -

2223스퍼터율

스퍼터율은 lsquo하나의 양이온이 음극에 충돌할 때 표면에서 방출되는 원

자의 수rsquo로 정의되며이는 target재료의 특성 입사되는 이온의 에

지질량 입사각과 계있다일반 으로 sputteryield는 이온의 에

지와 질량이 증가하면 증가한다그러나 이온의 에 지가 무 크면 이온

주입이 일어나 오히려 Sputteryield는 감소한다

Target에 원자(충돌하기 직 이온은 성 원자가 됨)가 충돌하는

상을 이해하기 해서는 Interatomicpotentialfunction을 고려하여야 한

다다행히도 target내에서의 상호작용은 Shortrange에만 작용하므로 바

로 이웃하는 원자와의 상호 작용만 고려하면 된다두 입자간의 충돌은

에 지 달 함수(EnergyTransferFunction)로 특징 지워진다

Sputteryield는 다음과 같은 특징이 있다

1)Sputteryield는 target원소의 Heatofevaporation에 의존하는데

Heatofevaporation이 증가하면 Sputteryield는 감소한다

2) 부분의 속에 있어서 문턱 에 지(Thresholdenergy)가 존재한

다문턱 에 지의 최소값은 략 target원소의 승화 에 지

(Sublimationenergy)와 비슷하다Target 속의 특성에 따라 문

턱 에 지는 20sim 130eV로 변한다 이 속(Transitionmetal)

의 경우 원자 번호가 증가하면서 문턱 에 지는 주기 으로 변한

3)Sputteryield는 target의 결정 방향에도 의존한다단결정 Target

의 경우 이온들이 침투하기 유리한 결정면에 해서는 Sputter

yield는 감소한다

4)Sputteryield는 아주 높은 경우를 제외하고는 target의 온도에 민

감하지 않다Target의 온도가 높으면 Sputteryield가 증가하는데

그 이유는 어느 정도 Thermalevaporation이 기여하기 때문이다

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 39: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 28 -

5)튀어나오는 원자들은 상당한 에 지(수십 eV)를 가지고 있으며

Maxwell-Boltzmann분포를 보인다이온의 에 지가 증가하면

튀어나오는 원자의 에 지도 증가한다

6)이온의 입사각(이온의 입사각과 target의 수직 방향이 이루는 각

도)에 따라서도 Sputteryield는 변한다최 Sputteryield는 입

사각 80deg정도에서 얻어진다

7)Target원자의 방출각(원자의 방출각과 target의 수직 방향이 이루

는 각도)이 증가하면서 튀어나오는 원자들의 Peakenergy는 증가

하지만 무 큰 각도 (60deg이상)에서는 오히려 감소하는 경향이 있

8)Target원자의 방출각에 따른 원자의 방출량은 일반 으로 코사인

방사 법칙(CosineLaw ofEmission)에서 많이 벗어나며특히 입

사되는 이온의 에 지가 을 때 많이 벗어난다

9)Target에서 방출되는 원자들은 활성화된 상태 는 이온화된 상태

로 target을 떠난다

2224스퍼터링법의 종류

1)DC스퍼터링

DC 스퍼터링은 Diode스퍼터링 는 Cathode스퍼터링이라고 하며

증착 속도는 기체의 압력과 류 도에 의존한다DC스퍼터링 시스템

의 장치는 기본 으로 Ⅱ-8과 같다

이 장치는 장치와 조작이 간단하다는 장 이 있는 반면 낮은 증착 속

도높은 기 온도(target으로부터의 다량의 열이 방출되어 기 을 가열)

자의 입사에 의한 기 의 손상에 지의 비효율성높은 작업 압력

(Workingpressure)으로 인하여 박막의 순도가 떨어진다는 단 이 있다

Target은 주로 고체이나 특별한 경우 분말이나 액체(Liquid)를 사용하

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 40: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 29 -

기도 한다일원 는 다원계의 target을 사용할 수 있으나 target은 반드

시 도체(Conductor)여야 한다

한 target에 공 된 에 지의 75sim 95가 냉각수에 의해 소비되므

로target의 열 도성도 요하다

(a) (b)

FigureⅡ-15BasicDCsputteringsystem[24]

회로상에서 target은 Cathode로 사용되며 높은 음의 압이 걸린다기

은 기 으로 그라운드(Ground)된 Anode가 되며 target으로부터 불과

수인치(inch)떨어져 있게 된다

스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용된다 장의 인가에 의하여 가속된

자가 Ar가스와 충돌하여 Ar이온을 생성하며이를 통하여 더 많은

자가 생성되고 이 게 생성된 자가 다시 장에 의하여 가속되어 Ar

이온을 만들고 하면서 Glow discharge가 계속 유지된다

자는 Anode(기 )으로 이동하며이온은 Cathode로 이동하며 이를

통하여 Currentflow가 형성되는 것이다이온이 target에 충돌할 때

target원자가 튀어나옴과 동시에 2차 자가 target으로부터 튀어나온다

이 게 생성된 2차 자는 Glow discharge에 이용되며Glow discharge

를 유지하게 해 다Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다

가 기 에 응축되기도 하는데이때 박막이 형성되는 것이다 압(V)은

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 41: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 30 -

류(I)를 형성하는데 필요하며 압과 류와의 계는 기체의 압력이

결정한다스퍼터되는 속도는 target에 충돌하는 이온( 성 원자)의 개수

에 지와 sputteryield에 의하여 결정된다이온 에 지는 압에 의존

하기 때문에 결국 스퍼터링의 증착 속도는 Sheathvoltage에 의존하게 된

다Glow discharge가 유지되기 해서는 01sim 20mAcm2의 류

도가 필요한데(1mAcm2의 이온 Current는 6 times 1015 Singly charged

ioncm2을 의미)이를 해서는 략 300sim 5000V의 압이 필요하다

기체의 압력은 Glow discharge의 유지와 박막의 증착에 모두 향을 미

친다기체의 압력이 무 낮으면 Cathodesheath가 넓어져서 이온들은

target으로부터 멀리 떨어진 곳에서 생성되고이 게 생성된 이온들이 챔

버벽(Chamberwall)에 충돌해서 성 원자로 변할 가능성이 크다 한

자의 평균 자유 행로(MeanFreePath)가 커서 성 원자들과 충돌해

새로운 이온과 자를 만들기가 어렵고Anode에서 소비되는 자도 이

온 충돌에 의하여 발생하는 2차 자로 보충되지 않는다따라서 이온화

되는 효율이 낮아 스스로 Glow discharge를 유지하기가 불가능해진다이

는 Glow discharge가 유지되기 해서는 최소로 요구되는 압력(Lower

pressurelimit)이 있다는 것을 의미한다일정한 압에서 기체의 압력이

증가하면 자의 평균 자유 행로는 감소하여 더 많은 이온과 자들이 생

성되어 더 많은 류가 흐를 수 있기 때문에 Glow discharge의 유지가

가능해지고 스퍼터되는 원자의 양이 증가하여 결국 막의 증착 속도가 증

가한다그러나 기체의 압력이 무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가

감소하기 때문에 여러 가지 일들이 일어난다이온의 경우 충분히 가속되

기 에 자꾸 다른 입자와 충돌하여 큰 에 지를 갖지 못한다따라서 낮

은 에 지로 target에 입사하기 때문에 Sputteryield가 떨어지게 된다한

편 스퍼터링되어 target을 떠난 원자 한 평균 자유 행로가 짧아 많은

기체 입자와 충돌할 것이다기체의 압력이 증가하면 증가할수록 기체의

평균 자유 행로가 더욱 감소하기 때문에 이러한 충돌에 의한 target원자

의 산란(Collisionalscattering)은 더욱 증가할 것이다이러한 충돌의 결

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 42: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 31 -

과 스퍼터 원자의 진행 경로는 바 어지고 (어떤 경우에는 target으로 되

돌아가기도 한다) 결국 증착 속도를 감소시킨다이러한 Collisional

scattering은 100mTorr이상의 압력에서 더욱 심각해진다이러한 것들

을 고려해 볼 때 최 의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범 는 략

30sim 120mTorr가 된다일반 으로 증착 속도는 소비되는 워(Power)

에 비례하거나 는 류 도의 제곱에 비례하고 극간의 거리에 역비

례한다

2)RF스퍼터링

라즈마를 DC 력공 장치가 아닌 AC 력공 장치로 얻는 방식으로

비 도성 표 재료의 경우 DC 력공 장치를 사용할 경우 피처리물 표

면에 하가 축척되어 스퍼터링을 할 수 없는 경우에 사용한다만일

극주 에 라즈마가 모여 있고 AC 압이 작용된 경우 자와 이온은

질량의 차이로 자의 이동도가 더 크므로 음극에 발생된 것보다 훨씬 더

많은 자 류가 양극에 발생될 수 있다이때 라즈마 압에 하여

부 가 흘러 피처리물을 증착 할 수 없게 된다이러한 경우 AC 류를

극에 통하면 유동 보다 부(-)인 극에 흐르는 자 류보다 정(+)

인 극에 흐르는 류가 많게 된다그러므로 RF를 공 한 경우 부 압

싸이클 동안 흐르는 이온의 총 흐름은 짧은 정싸이클 동안 흐르는 자흐

름과 같기 해서 극은 음으로 바이어스 되어야 한다그래서 충분한

스퍼터링을 일으키기 해서는 싸이클 동안의 평균 bias는 AC의 최고

압과 거의 같아야 한다 형 인 RF 형 다이오드 스퍼터링을 그림에 보

이는데각 12싸이클 동안 음극과 양극이 반 가 되며 극이 이온 방

이 축 되는 싸이클 동안 방 이 일어나며 극이 음극이 되는 싸이클 동

안은 방 이 일어나지 않는다RF스퍼터링은 DC장치와 같이 보이나bias

압을 피처리물에 걸어 으로서 착성이 우수하고 치 한 조직을 얻을

수 있는 장 이 있는데주로 자산업에 리 이용된다

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 43: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 32 -

RF스퍼터링 장치는 연체의 박막을 증착시키기 하여 개발되었다

5sim 30MHz는 형 인 RF진동수 범 인데 특히 1356MHz이 많이

사용된다그 이유는 이 진동수가 국제 으로 라즈마 공정에 허용되었

기 때문이다 연체 target은 열 도성이 좋지 않아 열충격에 의하여 깨

질 수 있기 때문에 제한된 증착 속도만 증착을 해야 한다이러한 단 을

극복하기 하여 속 target을 가지고 반응성 증착으로 연막을 형성시

키기도 한다RF스퍼터링을 이용하면 속합 산화물질화물탄화물

등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있지만생성된 막이 target의 조

성과 반드시 일치하지 않기 때문에 연막의 증착에는 주의가 요망된다

FigureⅡ-16SimplifiedRFsputteringsystem[11]

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 44: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 33 -

3)마그네트론 스퍼터링

FigureⅡ-17SimplifiedRFmagnetronsputteringsystem

이 장치는 DC스퍼터링 장치와 비슷하지만 Cathode에는 구 자석이

장착되어 target표면과 평행한 방향으로 자장을 인가해 다이러한

구 자석이 장착되어 있는 target을 Magnetrontarget이라고 한다

DC스퍼터링 장치에서 target에 이온이 충돌해서 발생하는 2차 자에

의해 Glow discharge가 유지된다이러한 2차 자들은 Cathode에 수직한

방향의 경로를 통해서 Anode로 다가간다

마그네트론 스퍼터링에서는 자장이 target표면과 평행하기 때문에

장에 해서는 수직하다따라서 자는 Lorentz의 힘을 받아 선회 운동

(Gyration)을 하며 가속되기 때문에 나선 운동을 한다이는 target근처

에서 자가 벗어나지 못하게 하고 계속 그 주변을 선회하도록 하기 때문

에 라즈마가 target표면의 매우 가까운 곳에 유지되어 근처 지역에서

라즈마 도가 높아지게 되므로 이온화율이 증가한다이온이 많이 생

겨 Discharge 류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상된다따라서 기 에

한 자의 충돌이 어들고결국 증착 속도가 향상되며 스퍼터 가능

압력도 낮출 수 있다박막의 증착 속도는 약 50배 정도까지 향상될 수

있으며증착 압력도 1mTorr까지 낮아질 수 있다

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 45: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 34 -

Figure Ⅱ-18 Applied fields and electron motion in the planar

magnetron[20]

이 밖에도 Chamber벽과 기 으로부터 스퍼터링이 감소하고 증착 도

에 자연 으로 이루어지는 기 가열이 감소한다

(a)DCSystem (b)DCMagentronSystem

FigureⅡ-19Principleofthemagnetroneffect

Magnetrontarget의 결 은 target이 균일하게 소모되지 않는다는 것

이다즉자기력선이 직선에 가까운 곳에서 더 많은 스퍼터링이 일어난

다따라서 target에서 균일한 증착 속도가 얻어지지 않는다

이와 같은 상황을 그림 Ⅱ-13에 나타내었다

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 46: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 35 -

FigureⅡ-20

Schematicofaplanarmagnetrontarget(system)[11]

앞에서 본 바와 같이 Magnetrontarget은 형 으로 lsquoRacetrack형태

로 Sputtererosion이 일어난다따라서 고체 원 형 target에서 많은 양의

낭비가 심하고target을 가로질러 스퍼터된 원자의 도가 고리 모양의

분포가 된다이러한 증착의 불균일성과 target의 활용도를 개선하기 하

여 다른 형태의 많은 Magnetrontarget들이 개발되고 있다

4)반응성 스퍼터링

반응성 스퍼터링은 속 target을 이용하여 스퍼터링 할 때 불활성 가

스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘려 으로써 화합물 박막을 형성하는

데 주로 사용된다DCdiodeRFdiodeTriodeMagnetronmodifiedRF

Magnetron스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용될 수 있다각

각의 반응성 가스를 이용해서 다음과 같은 박막들을 형성할 수 있다

① Oxides(oxygen)Al2O3In2O3SnO2SiO2Ta2O5

② Nitrides(nitrogenammonia)TaNTiNAlNSi3N4

③ Carbides(methaneacetylenepropane)TiCWCSiC

④ Sulfides(H2S)CdSCuSZnS

⑤ OxycarbidesandoxynitridesofTiTaAlSi

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 47: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 36 -

FigureⅡ-21SchematicofaReactivemagnetronsystem[11]

어떤 물질이든지 반응성 스퍼터링 동안 박막은 반응성 가스의 입자가

속 박막에 섞여 있는 고용체 합 (solidsolutionalloyTaN001)이거나

화합물(CompoundTiN)이거나 는 이들 둘의 혼합물 형태로 형성된다

A 상태에서 B상태로의 천이는 박막의 형성에 사용되고 남는 반응성 가

스가 속 target의 표면과 반응하여 화합물을 형성되기 때문이다일단

속 target의 표면이 화합물로 덮여지면 더 이상 속 target으로서 거동

하지 못하고 화합물 target으로서 거동한다

화합물이 속보다 이온의 충돌에 의한 2차 자의 발생이 많이 일어

나기 때문에 Cathode 압은 화합물의 경우가 더 낮아지게 된다

Target표면이 속 상태일 때는 증착 속도가 빠르지만 화합물 상태일

때는 증착 속도가 느리다

반응성 스퍼터링을 잘 활용하기 해서는 target표면이 항상 깨끗한

속 표면으로 유지되어야 하며 Sub-stoichiometric막의 형성과 target의

오염을 피하기 해 공정 변수의 주의 깊은 조 이 필요하다

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 48: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 37 -

Ⅲ실험방법

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 그림Ⅲ-1과 같이 AZO타

겟과 GZO타겟으로 200nm로 균일한 두께의 AGZO박막으로 형성시켜

GZO타겟의 RFPower의 변화에 따른 박막의 기 특성을 찰하며이

를 해 박막의 비 항캐리어이동도캐리어농도Hall효과 등을 측정하

다 한 박막의 학 특성을 찰하 다이것은 박막즉 투명 도

막의 가장 큰 조건이 되는 가시 역에서는 투과도를 측정하고GZO함

량이 증가함에 따라서 박막거칠기의 변화함을 찰하며이에 따른 기

특성에 미치는 향 등을 찰하 다본 연구의 체 실험 방향을

그림Ⅲ-2에 나타내었다

FigureⅢ-1 Schematic diagram of the AGZO thin film structure

FigureⅢ-2Experimental procedures

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 49: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 38 -

31AGZO박막의 제조

본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리기 (Corning1737)

에 고 도 세라믹 소결체 디스크를 사용한 2인치 ZnOGa(Ga2O310

wtZnO90wt)와 2인치 ZnOAl(Al2O33wtZnO97wt)

target을 사용하여 AlGa-dopedZnO(AlGaZnO)박막을 성장시켰다

증착 유리기 의 처리는 음 세정장치로 약 10분 간 아세톤과

메탄올을 혼합한 용액을 사용하여 세정하 으며N2가스로 건조를 시켰

다마그네트론 스퍼터링 시스템의 실험조건은 다음과 같다증착챔버의

기 진공도는 55times10minus5Torr로 유지하고아르곤가스를 유입시켜 12

times10minus2Torr(30sccm)의 증착압력을 유지하도록 했다타겟표면의 불순물

과 산화층을 제거하기 해 매 증착 시 30sccm의 Ar가스를 유입시켜 10

분간 리 스퍼터링을 실시하 다기 의 온도는 상온으로 유지하 다

본 연구에서 사용한 Co-sputtering장치의 모식도를 그림Ⅲ-3에 나타

내었다

FigureⅢ-3SimplifiedRFCo-sputteringsystem

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 50: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 39 -

그림에서와 같이 GZO과 AZO의 각 각의 타겟은 일정한 각도로 기 을

향하고 있는 두 개의 캐소드 에 각각 장착한 후각 캐소드의 Power비를

조정함으로써 동시방 에 의해 AGZO 박막의 조성을 제어하 다타겟과

기 거리는 100mm로 유지하 으며스퍼터링 가스는 고순도 Ar(9999)

을 사용하 다모든 박막의 두께를 가능한 200nm로 일정하게 유지하기

하여두 개의 캐소드에 장착된 타겟을 사용하여 증착한 GZO 박막과

AZO 박막의 각 각의 인가 워에 한 증착속도를 계산한 후이를 근거

로 증착시간을 변화시켜 산출하 다이상의 증착조건을 표 3에 정리하여

나타내었다

Table3SputteringpowersandtimesforeachAGZOthinfilms

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 51: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 40 -

32 기 학 특성 분석

증착된 박막의 두께는 증착된 박막의 두께는 X-ray반사계측기 (XRR)

(X PET-PROMRD)이용하여 측정하 다제작된 AGZO박막의 결정구조

를 확인하기 해X-ray회 (RIGAKU2500PC)분석을 행하 으며측정

된 XRD패턴의 ZnO (002)부터 AGZO박막의 결정성을 평가하기 해 반

값폭(FWHM)을 측정하 다 한 박막의 기 특성을 평가를 증명할

하농도 이동도그리고 비 항은 4PointProbing방법에 의한 단자

간 압- 류 특성 각 단자간 항을 그래 로 확인하여 샘 의

OhmicContact확인 기 인 기본특성을 계측할 수 있는 홀효과측정

장치(HEM-2000)로 측정하 다 한 투과도는 분 도계(CARY SE

VARIAN)를 사용하여 측정하 다

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 52: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 41 -

Ⅳ결과 고찰

41AGZO박막의 기 특성 평가

표 1에서 AZO와 GZO타겟을 동시 스퍼터링시에 AZO의 DC 워를 고

정으로 두고GZO타겟의 RF 워의 변수에 따른 도펀트농도의 변화를 주

었다기 의 온도는 상온으로 유지하 고이에 따른 GZO의 변수의 변화

에 따른 AGZO박막의 캐리어농도이동도비 항값을 측정한 결과이다

그림Ⅲ-4에서 볼 수 있듯이GZO(Ga2O310wtZnO90wt)타

겟이 장착된 캐소드의 RF 워가 증가함에 따라 AGZO 박막의 비 항은

비교 감소됨을 확인할 수 있었다특히 GZO타겟의 RF 워를 0W에서

200W까지 증가시켰을 경우AGZO의 비 항은 640times 10minus1 Ωcm에서

214times10minus2Ωcm으로 하게 감소하 으며그 이후 200W(214times10

minus

2 Ωcm)에서 300W(18times10minus2Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷

한 증가는 찰되지 않았다비 항의 감소는 기 도도의 증가를 의미

한다GZO의 RF 워의 증가로 인해 반 인 자농도가 11times1018cm

3

에서 5times1018cm

3로 증가되었으며본 결과는 이온화 된 불순물원자의

산란증가를 의미한다 한 자이동도는 GZO타겟의 RF 워 증가에 따

른 선형 인 결과로 이어지지 않았다일반 으로 불순물을 도펀터로 첨

가한 ZnO 박막에 있어서 기 특성을 지배하는 캐리어생성 기구로는

Nativedefect인 산소공공 격자간 Zn1+이온그리고 치환고용된 불순

물 이온으로부터 발생하는 잉여 자로 알려져 있다

한편Ga3+Al

3+Zn2+의 이온반경은 각각 0062nm0051nm0074nm

이기 때문에Ga3+의 이온반경이 Zn

2+의 이온반경에 근사한 값을 가짐을

알 수 있다따라서 Ga3+이온이 Al

3+이온과 비교해 상 으로 용이하게

Zn2+이온과 치환고용이 일어난다고 생각된다그러므로 RFDC Power를

이용한 동시 스퍼터링 방법을 사용하여 AGZO 박막을 증착한 경우Ga3+

과 Zn2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에 Al

3+과 Zn

2+

사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가 200W까지는

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

[2]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 53: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 42 -

FigureⅢ-4 Dependence of the carrier concentrationcarrier

mobility andresistivity ofAlGaZnO thinfilmson

theRF powersforsputtering theZnOGa target

The DC powerforsputtering the ZnOAltarget

wasfixedat60W

Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했다고 생각된다

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

[2]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 54: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 43 -

42결정구조 분석

그림2에서는 AZO타겟의 DC 워를 일정하게 하고GZO타겟의 RF 워

를 달리하여증착한 AGZO필름의 XRD(X-RayDiffractometer)패턴을 볼

수 있다XRD결과에서 알 수 있듯이 GZO의 RF 워를 증가 할수록

ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을 알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변

화를 나타내며격자 내의 격자형상결함으로 발생된다 한 XRD 데이터

로부터 측정된 ZnO(002)피크의 반가폭는 GZO 워를 함수로 하여 그림2

내에 도식하 다여기서반가폭(FullWidthatHalfMaximumFWHM)

는 증가하는 경향을 나타낸다즉ZnO결정성은 RF 워증가 함에 따라

반가폭의 결과치에 반하여 하됨을 알 수 있다이 결과에서 Ga3+(0062

nm)반경은 Al3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060nm)반경 쪽으로 좀 더

가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게 비틀려지고Ga도핑농도

증가로 와 같은 결함의 높은 도를 가지게 됨을 유추 할 수 있다

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 55: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 44 -

FigureⅢ-5X-ray diffraction patternsandFWHM oftheZnO

(002)peak(inset)ofAGZO thinfilmsdepositedby

sputteringAZO andGZO targetssimultaneouslyat

differentRFpowersforGZO andtheDC powerof

60W forAZO

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 56: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 45 -

43표면형상 분석

그림Ⅲ-6는 RF 워의 변화에 따른 박막의 표면형상변화를 알아보기

하여 원자 미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면형상을 찰한 그림이다

그림Ⅲ-7는 원자 미경(AFM)을 이용하여 표면거칠기 값 RMS

(Root-Mean-Square)을 나타내는 그래 이다거칠기 값은 GZO타겟의

RF 워가 100W일 때 46nm200W일 때 51nm300W일 때 57nm로

나타났으며이 값을 통해 동일한 조건하에서 GZO타겟의 RF 워가 증가

함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

[2]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 57: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 46 -

FigureⅢ-6AFM imagesofthesurfacesofAGZO thin films

deposited by sputtering AZO and GZO targets

simultaneouslyatdifferentRFpowersforGZO and

theDCpowerof60W forAZO

(a)0W (b)100W

(c)200W (d)300W

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

[2]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 58: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 47 -

FigureⅢ-7RMSsurfaceroughnessoftheAGZO thinfilm asa

function oftheRF powerforsputtering theGZO

target

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 59: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 48 -

44AGZO박막의 학 특성 평가

시료가 어느 장의 빛을 흡수하여이에 따른 흡 도를 측정하는 자외

-가시 분 기(CARY SE VARIAN)를 사용하여 투과도를 측정하 다

그림Ⅲ-8은 300nm ˞ 800nm사이의 가시 선과 근자외선 역에서의

GZO타겟의 RF 워에 따른 투과도를 나타낸다모든 AGZO박막은 80

이상의 높은 투과율을 나타내었다그러나 가시 역(420nm ˞ 620

nm)에서 투과율이 조 씩 차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과

가 박막의 두께와 투과 의 장 때문이다

FigureⅢ-8OpticaltransmittancespectraforAGZO thin films

deposited by cosputtering atdifferentRF powers

forGZO andtheDCpowerof60W forAZO

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

[2]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 60: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 49 -

Ⅴ최종결론

태양 지 평 디스 이와 같은 자장치에서 필수 인 투명

극산화막 (TransparentConductingOxide(TCO))으로200nm두께의 투

명한 산화막기 을 형성하 다두께 확인을 해 X-ray 반사계측기

(XRR)(X PET-PROMRD)이용하 다각 각의 AZO(Al2O33 wt

ZnO97wt)GZO(Ga2O390wtZnO10wt)타겟을 동시 RFDC

스퍼터링 방법으로 유리기 에 코 하여AGZO박막을 형성하 다여

기서 GZO타겟의 RF 워를 달리하여 Ga의 농도를 다양화하 고이와

함께AZO타겟의 DC 워를 60W로 고정하여 실험을 실시하 다형성한

AGZO박막의 기 특성은 홀효과계측시스템으로 비 항 하농도

하이동도를 측정하 고 결정구조 분석은 X-ray 회 기(RIGAKU

2500PC)을 이용하 으며박막의 표면형상 분석은 원자 미경(AFM)

학 특성 평가는 분 도계(CARY SEVARIAN)이용하 다결론을 요

약하면 다음과 같다

1GZO타겟의 RF 워 증가에 따른 비 항 값은 640times 10minus1 Ωcm

(GZO 0W)에서 214times10minus2

Ωcm(GZO 200W)로의 감소를 보 고본 결

과는 기 도도의 증가됨을 의미한다 한 200W(214times10minus2 Ωcm)에

서 300W(18times10minus2

Ωcm)까지 워 증가에 따른 비 항의 뚜렷한 증가

는 찰되지 않았다 하농도는 비 항과 상극되는 결과를 나타내었으며

이것은 Ga3+과 Zn

2+사이의 치환고용이 우선 으로 발생하며그 다음에

Al3+과 Zn2+ 사이의 치환고용이 일어나기 때문에GZO타겟의 워가

200W까지는 Al3+이온의 치환고용에 기인하여 캐리어농도가 증가했음을

의미한다이와 더불어 하이동도는 약간의 감소를 보 으나이는 거의

향을 보이지 않았음을 확인할 수 있다 한 GZO타겟의 워를 0W에

서 200W로 증가했을 때와 달리 200W에서 300W로 달리 했을 때에는 비

항의 변화는 미비함을 확인할 수 있다

- 50 -

2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

[2]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

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[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

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[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 61: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

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2GZO타겟의 RF 워를 증가 할수록 ZnO(002)의 피크 강도가 커짐을

알 수 있는데 이것은 격자결함산란의 변화를 나타내며격자 내의 격자형

상결함으로 발생된다 한 반가폭(Full Width at Half Maximum

FWHM)는 GZO타겟의 RF 워증가 함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다

이유는 Ga3+(0062nm)반경은 Al

3+(0053nm)반경보다 Zn

2+(0060

nm)반경 쪽으로 좀 더 가까워짐에도 불구하고ZnO격자는 더욱 심하게

비틀려지고Ga의 도핑농도 증가로 와 같은 결함이 높은 도를 가지

게 됨을 알 수 있다

3GZO박막의 표면형상의 변화에 따른 기 특성과 투과도 특성의

연 성을 확인하기 해 원자 미경(AFM)을 이용하여표면형상을 찰

하 고이를 통해 표면형상의 거칠기값을 측정하 고GZO타겟의 RF

워가 증가함에 따라 표면거칠기의 증가를 보 음을 알 수 있다

4AGZO 박막의 투과도는 가시 역에서 83이상의 우수한 특성

을 보 다여기서 가시 역(420nm -620nm)에서의 투과율이 조 씩

차이가 나는 것은 Bragg반사에 의한 간섭효과가 박막의 두께와 투과 의

장 때문이다

5종합된 결과를 통해 투명 도막의 기 특성은 ITO와 비교하여

체할 만한 특성을 얻지 못했다하지만 이러한 동시 스퍼터링 방법을 통

해 AGZO 박막이 투명 도막의 기본 조건을 만족하는 것을 확인할 수

있었다

- 51 -

Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

izationofSionamorphoussubstratesbydoughnut-shapedcw Ar

laserbeamApplPhysLett40p3941982

[2]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquomaterialslettersvol61p24602007

[3]BDAhnSHOhCHLeeGHKimHJKimSYLee

ldquoInfluenceofannealingambientonGa-dopedZnO thinfilmsrdquoJ

CrystalGrowthvol309p1282007

[4]JHParkJMShinSYChaJWParkSEJeong

ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

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[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

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[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
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Ⅵ참고문헌

[1]SKawamuraJSakuraiMNakanoandMTakagiRecrystall-

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ldquoInfluenceofArO2ratioon thepropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

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CrystalGrowthvol309p1282007

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ldquoDeposition-temperatureeffectsonAZOthinfilmspreparedbyRF

magnetron sputtering and theirphysicalpropertiesrdquoJKorean

PhysSocvol49p5842006

[5]QBMaZZYeHPHeLPZhuJRWangBHZhao

ldquoStructuralelectricaland opticalpropertiesoftransparentcon-

ductiveZnOGafilmspreparedbyDCreactivemagnetronsputter-

ingrdquoJCrystalgrowthvol304p642007

[6]XYuJMaFJiYWangCChengHMaldquoThicknessde-

pendenceofpropertiesofZnOGafilmsdepositedbyRFmagnetron

sputteringrdquoappliedsurfacesciencevol245p3102005

[7]JJRobbinsJHarveyJLeafCFryCAWoldenldquoTransport

phenomenainhighperformancenanocrystallineZnOGafilmsde-

positedbyplasma-enhancedchemicalvapordepositionrdquoThinSolid

Filmsvol473p352005

[8]KYCheongNMutiSRRamananldquoElectricalandoptical

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 63: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 52 -

studiesofZnOGathinfilmsfabricatedviathesol-geltechniquerdquo

ThinSolidFilmsvol410p1422002

[9]XChenWGuanGFangXZZhaoInfluenceofsubstrate

temperatureandpost-treatmentonthepropertiesofZnOAlthin

filmspreparedbypulsedlaserdepositionrdquoappliedsurfacescience

vol252p15612005

[10]BZDongGJFangJFWangWJGuanXZZhao

ldquoEffectofthicknessonstructuralelectricalandopticalproperties

ofZnOAlfilmsdepositedby pulsedlaserdepositionrdquoJAppl

Physvol101p0332007

[11]Thebasisofthin-film technology-Iljinsa

[12]HLHetnagelALDawarAKJain and CJagadishi

Superconducting Transparent thin Films (Institute of Physics

PublishingBristolandPhiladelphia)1995

[12]JLVossenPhysicsofThinFilmsvol9p11977

[13]HKostlinAdvancesinSolidStatePhysicsVol22p2291982

[14]GFrankEKauerHKostlinFJSchmitteSolarEnergy

Materialsvol8p3871983

[15]KLChopraSMajorandDKPandyaTransparent

conductors-astatusreviewThinsolidfilmsvol102p11983

[16]STakataTMinamiHNantoThinsolidfilmsvol135p183

1986

[17]RGGordonUKpatent20317651978

[18]DepositionandAnalysisofTransparentconductiveOxideAlZnO

ThinFilm byRFMagnetronSputtering-InhaUniv2008

[19]HJGlasserGlassTechnologyvol21p2541980

[20]ldquoThinFilm Technologyrdquo-Leemunhui

[21]Epitaxialgrowth ofthin filmsPhysicsofAdvanced Materials

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films
Page 64: Disclaimer · 유리는전기적으로절연체로상온에서10-10~10-11(Ωcm)-1의전기전 도도를가지고잇는데,이러한절연체인유리에높은투과성은그대로유

- 53 -

WinterSchool2008

[22]BChapmanldquoGlow DischargeProcessrdquoJohnWileyamp SonsInc

1980

[23]ColdPlasmainMaterialsFabrication-AlfredGrill

[24]AJAINTERNATIONALINC[httpwwwajaintcom ]

[25]WRGrovePhilosTransRSocLondonA142p871852

[26]TMBuckldquoMethodsofsurfaceanalysisrdquoAWCzanderna

(ed)Elsevier Scientific Publishing CompanyAmsterdamThe

NetherlandsChap3p751975

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구 배경
    • 12 연구 목적
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 투명전도막
          • 211 투명전도막의 개요
          • 212 투명전도막의 특성
            • 2121 전기적 특성
            • 2122 광학적 특성
            • 2123 에칭특성
              • 213 투명전도막의 미세구조
                • 2131 투명전도막의 미세구조 결정 요인
                • 2132 투명전도막의 내부응력
                • 2133 투명전도막의 성장과정
                • 2134 스퍼터링 방법으로 증착된 박막의 특성
                    • 22 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition)
                      • 221 플라즈마
                        • 2211 플라즈마의 정의
                        • 2212 플라즈마의 특성
                          • 222 스퍼터링
                            • 2221 타겟 표면과 이온과의 반응
                            • 2222 스퍼터링의 원리
                            • 2223 스퍼터율
                            • 2224 스퍼터링법의 종류
                              • Ⅲ 실험방법
                                • 31 AGZO 박막의 제조
                                • 32 전기적 광학적 특성 분석
                                  • Ⅳ 결과 및 고찰
                                    • 41 AGZO 박막의 전기적 특성 평가
                                    • 42 결정구조 분석
                                    • 43 표면형상 분석
                                    • 44 AGZO 박막의 광학적 특성 평가
                                      • Ⅴ 최종결론
                                      • Ⅵ 참고문헌
                                      • Figure Ⅱ- 1 Formation of charge carrier (a) Metal (b) TCO
                                      • Figure Ⅱ- 2 Transmittance resp reflectance of Ag layer surface roughness
                                      • Figure Ⅱ- 3 Determinants of the fine structure of thin films
                                      • Figure Ⅱ- 4 The Thornton Structure Zone Model
                                      • Figure Ⅱ- 5 Tensile stress and Compressive stress
                                      • Figure Ⅱ- 6 Atomistic processes during the growth
                                      • Figure Ⅱ- 7 Atom elastic collision
                                      • Figure Ⅱ- 8 Ionization
                                      • Figure Ⅱ- 9 Excitation amp Relaxation
                                      • Figure Ⅱ- 10 Synopsis of the interaction enents occuring at and at and near the target surface uring the during the sputtering process
                                      • Figure Ⅱ- 11 Computer simulation of a portion of collision sequence initiated by a single ion-ombardment eventin a solid lattice
                                      • Figure Ⅱ- 12 Glow discharge
                                      • Figure Ⅱ- 13 A specific principle of sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 14 Interactions of ions with target surfaces
                                      • Figure Ⅱ- 15 Basic DC sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 16 Simplified RF sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 17 Simplified RF magnetron sputtering system
                                      • Figure Ⅱ- 18 Applied fields and electron motion in the planar magnetron
                                      • Figure Ⅱ- 19 Principle of the magnetron effect
                                      • Figure Ⅱ- 20 Schematic of a planar magnetron target
                                      • Figure Ⅱ- 21 Schematic of a Reactive magnetron system
                                      • Figure Ⅲ- 1 Schematic diagram of the structure of the substrate
                                      • Figure Ⅲ- 2 Experimental procedures
                                      • Figure Ⅲ- 3 Simplified RF Co-sputtering system
                                      • Figure Ⅲ- 4 Dependence of the carrier concentration carrier RF mobility and resistivity of AGZO thin films on the powers for sputtering the GZO target The DC power for sputtering the AZO target was fixed at 60W
                                      • Figure Ⅲ- 5 X-ray diffraction patterns and FWHM of the ZnO (002) peak (inset) of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 6 AFM images of the surfaces of AGZO thin films deposited by sputtering AZO and GZO targets simultaneously at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Figure Ⅲ- 7 RMS surface roughness of the AGZO thin film as a function of the RF power for puttering the GZO target
                                      • Figure Ⅲ- 8 Optical transmittance spectra for AGZO thin films deposited by cosputtering at different RF powers for GZO and the DC power of 60W for AZO
                                      • Table Ⅱ- 1 Comparison of TCO films between Metal and TCO
                                      • Table Ⅱ- 2 The relationship between microstructure and basic properties
                                      • Table Ⅱ- 3 Sputtering powers and times for each AGZO thin films