대면적및고속증착을위한원통형타겟타입 pulsed dc magnetron sputtering 에서두께변화에따른 AZO 박막의 특성변화 신범기 a, 이태일 a, 박강일 b, 안경준 b, 명재민 a 연세대학교신소재공학부, SNTEK Thickness dependence of Al-doped ZnO film properties prepared by using the pulsed dc magnetron sputtering with cylindrical target for large area high speed deposition B. K. Shin a, T. I. Lee a, K. I. Park b, K. J. Ahn b, and J. M. Myoung a a Information and Electronic Materials Research Laboratory, Department of Materials Science and Engineering, Yonsei University, 134 Shinchon-Dong, Seoul 120-749, Republic of Korea b SNTEK Co., Ltd. 906, Hakwoon-Ri, Yangchon-Myun, Kimpo-Shi, Kyonggi-Do, Republic of Korea E-Mail : jmmyoung@yonsei.ac.kr 1
Abstract Various thicknesses of Al-doped ZnO (AZO) films were deposited on glass substrate by using the pulsed dc magnetron sputtering with cylindrical target. The structural, electrical, and optical properties of the films for various thicknesses were determined. Crystal quality and surface morphology of the films were changed according to the film thickness. And the increase in root mean square roughness of the surface of the films was correlated to the decrease in Hall mobility. The measured data of the optical band gap and the carrier concentration were shown that there were no changes for all the film thicknesses. The optical transmittances were more than 85% regardless of film thickness within visible wavelength region. The lowest resistivity, 4.13 x 10-4 Ω cm -1 was found in 750 nm films with 10.6 cm 2 V -1 s -1 electron mobility (μ) and 1.42 x 10 21 cm -3 carrier concentration (n). Keyword: TCO, Al-doped ZnO, cylindrical target, pulsed dc magnetron sputtering, high speed deposition 2
1. 서론 광학적으로투명하고전기적으로도체인 ITO (indium tin oxide) 는 디지털디스플레이와태양전지의투명전극으로사용되어왔다. 1-2) 현재 디지털 TV와신재생에너지산업의급성장으로인해투명전극소재의수요가매우빠른속도록증가하고있다. 그러나 ITO의주요구성물질인인듐 (In) 광물의고갈로인해 ITO의가격상승이산업발전에심각한문제가되고있다. 이를해결하기위해최근 10년동안 ITO를대체할수있는신물질을찾는연구가활발히진행되어왔다. 현재까지 ITO 대체에가장적합한소재로는고려되고있는물질은 AZO (Al-doped ZnO) 로알려져있다. AZO는원료가저가이고, 저온공정이가능하며, H 2 공정분위기에서 안정한장점을가지고있으며우수한전기전도도 (~ 10-4 Ωcm -1 ) 와 높은투과율 (~85 %) 의박막을 3-4) 이미산업적으로기반이확보된 dc magnetron sputtering, rf magnetron sputtering, pulsed dc magnetron sputtering, pulsed laser deposition, vacuum arc plasma evaporation, sol-gel 등으로도용이하게얻을수있는우수한공정적용성도가지고있다. 5-10) 이러한공정들가운데고속증착, 높은증착입자속도, 높은플라즈마밀도, 장시간증착안정성등의장점을가지고있는 pulsed dc magnetron sputtering (PDMS) 는디지털 TV나태양전지용투명전극을위한산업적 차원의 AZO 박막증착공정으로주목을받고있다. 11) 현재까지고속 PDMS 증착공정에대한최적조건은어느정도확립되었으나고속증착과정중에 야기되는여러가지물리화학적원인으로인한 AZO 박막의미시적변화에 대한연구는미흡한수준이다. 그러므로본논문에서는균일한대면적을 3
위한공정으로서원통형타겟이장착된스캐닝타입의장비를적용한 PDMS 에서유리기판위에두께를달리하여증착한다결정 AZO 막의 구조적, 전기적, 광학적특성을평가하였다. 2. 실험방법 AZO 막은길이 250 mm, 지름 45 nm 인 2-wt% Al 을포함한회전형 원통 ZnO 소결세라믹타겟을이용하여 Ar 30 sccm, 진공도 3 10-3 mtorr 조건하에서유리기판위에증착되었다. 원통형타겟은평면타겟과비교하여증착시넓은타겟표면을제공하고, 타겟사용효율을평면타겟의 2배수준인 70% 이상으로유지할수있으며, 낮은타겟전압으로평면타겟보다상대적으로높은밀도의플라즈마를형성할수있는장점이있다. 13) 타겟과기판사이거리는 95 mm, 기판은 15.6 mm/s 의스캐닝속도로움직일수있도록설계되었다. Fig. 1은회전형원통타겟이부착된 PDMS 챔버의그림을개략적으로나타내고있다. AZO 막을증착하는동안온도와파워, 주파수는 230 o C, 2 kw, 70 khz로유지되었으며, 증착시간을달리하여박막의두께를 550 nm ~ 950 nm로조절하였다. AZO 막의결정학적특성은 XRD (x-ray diffractometer) 를이용하여분석하였으며, AFM (atomic force microscopy) 분석을통해막의표면을관찰하였다. Van der Pauw와 Hall 측정을통해비저항, 캐리어농도, 홀이동도를분석하였으며, UV-VIS spectrophotometer를통해광투과도를측정하였다. 4
3. 결과및고찰 AZO 막의증착시간은 266.5, 363.4, 460 sec로성막두께는 550, 750, 950 nm 임을확인하였다. 증착시간과함께막의두께는비례적으로증가했으며, 증착속도는 2.064 nm/s 로계산되었다. Fig. 2 는두께를달리해증착된 AZO 막의 XRD 패턴이다. 모든 AZO 막에서다결정으로성장한 C축지향적인 (0002) peak을관찰할수있었다. 막의두께가 550 nm에서 950 nm 로증가하면서 (0002) peak 이증가함을확인하였다. 또한 peak의위치 (2θ) 도 34.33에서 34.38으로증가하였다. 두께가증가함에따라 peak의위치는 standard ZnO의값 (34.45) 에근접한수치를나타내고있다. 이것은 (0002) 면의거리가 standard ZnO에근접함을의미한다. 14) AZO 막이비정질유리위에증착되었기때문에얇은막일수록 strain이크게 존재하는것으로알려져있다. 8) 두꺼운 AZO 막의경우, 상부에증착되는 층이하부의다결정층위에증착되어우수한막조직으로성장하기때문에결정립에서의 stress는감소하는것으로판단된다. 두께증가에따른표면형상의변화를확인하기위하여 AFM 분석을실시하였다. Fig. 3 는두께변화에따른 AZO 막의 5 μm x 5 μm 면적에대한 AFM 이미지를나타내고있다. 증착된박막의두께가증가함에따라거칠기가증가했음을알수있었다. 정확한 data 분석을위해막의 RMS (root mean square) roughness 를계산하였고, 각각 550, 750, 950 nm의두께로성장한막의 rms수치는 4.465, 5.098, 7.743 nm 로확인되었다. 두께가증가함에따라거칠기가증가하는것은결정립크기의증가때문인것으로판단된다. 8) 5
Fig. 4 은 PDMS 로증착한 AZO 막의두께변화에따른비저항 (ρ), 캐리어농도 (n), 그리고홀이동도 (μ) 를나타내고있다. 이번연구에서 두께에따른막의캐리어농도는약 1.42 x 10 21 cm -3 으로거의동일하며, 두께가 550 nm 에서 750 nm 로증가함에따라 7.52 x 10-4 Ω cm -1 에서 4.13 x 10-4 Ω cm -1 으로비저항이낮아지는것을확인할수있다. 이것은 AZO 막의결정질향상으로인해이동도가 6.64 cm 2 V -1 s -1 에서 10.6 cm 2 V -1 s -1 으로증가했기때문이다. 반면에두께가 950 nm 일때비저항이 4.99 x 10-4 Ω cm -1 으로증가한것은, 막의높은거칠기로인한이동도가 9.29 cm 2 V -1 s -1 로감소했기때문이다. 2) 즉, 결정질및표면의거칠기가두께에따른막의전기적특성에중요한영향을미치는것으로판단된다. Fig. 5 는두께를달리해증착한 AZO 막의광투과도를나타내었다. 증착된 AZO막의가시광선영역 (380 750 nm) 에서유리기판대비광투과도는 550 nm 일때 87.8% 에서 950 nm 일때 85.6% 로두께가증가함에따라약 2% 감소함을확인하였다. 모든막이 85% 이상의광투과도를보이는것은막의결정성이우수하기때문인것으로판단된다. Fig. 6 는두께를달리하여증착한 AZO 막의밴드갭에너지를나타내고 있다. 밴드갭은 hv 에따른 α 2 (absorption coefficient) 값의접선으로 나타내어진다. 15) 두께변화에의한 AZO 막의밴드갭은순수 ZnO 의밴드 갭인 3.3 ev 보다넓은값을나타내었고, 두께의변화에도불구하고약 3.68 ev 로거의동일한수치를확인하였다. 밴드갭은 N 2/3 ( 캐리어농도 ) 와 비례적인관계에있으며, 그변화는 Burstein-Moss shift 로설명이 가능하다. 16) 본실험에서증착된막의밴드갭변화가작은것은캐리어 6
농도가일정하기때문인것으로판단된다. 4. 결론 원통형타겟이부착된 PDMS 로두께를달리하여증착한 AZO 막은 750 nm 의두께에서 4.13 x 10-4 Ω cm -1 의우수한비저항을가지는것을 확인하였다. 두께를달리하여성장한막은모두 C축지향적인 (0002) 방향으로성장하였으며, 두꺼울수록결정성이향상되고 strain이감소함을확인할수있었다. AFM을통해막의두께가 750 nm 이상일때거칠기가크게증가하는경향을확인하였으며, 950 nm에서는거칠기가홀이동도에부정적인영향을미침을보여주었다. 캐리어농도와밴드갭은두께에따른큰차이를보이지않았으며, 우수한결정성으로인해 85% 이상의높은광투과도를확인할수있었다. 감사의글 본연구는지식경제부의 전략기술개발사업 ( 과제번호 : 10032091) 의 지원에의해수행되었습니다. 7
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Figure captions Fig. 1. Schematic diagram of pulsed dc magnetron sputtering system with cylindrical target. Fig. 2. XRD patterns of ZnO films deposited by using the PDMS with different thicknesses of (a) 550 nm, (b) 750 nm, and (c) 950 nm. Fig. 3. AFM images of films surface over 5 μm x 5 μm area for different thicknesses of (a) 550 nm, (b) 750 nm, and (c) 950 nm. Fig. 4. Plot of the carrier concentration, Hall mobility, and resistivity of AZO films as a function of the film thickness. Fig. 5. Fig. 6. Optical transmission of AZO films with different thicknesses. Square of the absorption coefficient as a function of the photon energy for AZO films with different thicknesses deposited on glass substrates. 10
Fig. 1. 11
Fig. 2. 12
Fig. 3. 13
Fig. 4. 14
Fig. 5. 15
Fig. 6. 16