반도체디스플레이기술학회지 제9권 제4호(2010년 12월)
Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 9, No. 4. December 2010.
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RF 마그네트론 스퍼터링법으로 제작된 ITO 박막의 공정압력 변화에 따른 특성
정성진*·김덕규†·김홍배**
*청주대학교 전자공학과, †충북대학교 전자공학부, **청주대학교 전자정보공학부
Properties of ITO thin films deposited by RF magnetron sputtering with process pressure
Seong-Jin Jeong*, Deok-Kyu KiM† and Hong-Bae Kim**
*Electronic Engineering of Cheongju University
†School of Electronic Engineering, Chungbuk national University
**school of Electronic and Information Engineering, Cheongju University
ABSTRACT
The transparent electrode properties of ITO films deposited by RF magnetron sputtering with process pressure were investigated. The ITO thin films was deposited on a glass substrate using a target with 3in diameter sintered at a ratio of In2O3 : SnO2 (9 : 1). 200-nm-thick ITO thin films were manufactured by various process pressures (2.0 × 10-2, 7.0 × 10-3 and 2.0 × 10-3 Torr). The optical transmittance and resistivity of the deposited ITO thin films showed a relatively satisfactory result under 10-2 Torr. For high process pressure, the optical transmittance was below 80%, while for low process pressure, the optical transmittance was above 85%. As a result of of mobility, resistivity and carrier concentration by Hall measurement, we obtained satisfactory properties to apply into a transparent conducting thin film.
Key Words : ITO, RF magnetron sputtering, RF power, Optical transmittance, Process pressure
1. 서 론
디스플레이 산업이 발달하면서 최근 가장 주목 받는 것이 투명디스플레이 산업이다. 투명디스플레이에 사용되 는 물질로는 ITO(indium thin oxide)[1], IGZO (indium gallium zinc oxide)[2], ZnO(zinc oxide)[3], AZO(alumium doped zinc oxide)[4], 그리고 IZO(Iindium doped zinc oxide)[5] 등이 있다. 그 중 투명 전도막에 대한 연구가 많이 진행되고 있는데 투명전도막은 가시광선 영역에서 80% 이상의 투과율과 10-4Ω·cm 내외의 전기저항성을 요구하고 있다. ITO 는 가시광선영역 중 550 nm 에서 85% 이상의 높은 투과율과 3.5 eV 의 높은 밴드갭, 낮은 전기저항성의 우수한 성능을 지니고 있기 때문에 투명 전도막으로서 사용하기에 적합하고, 더 나은 성능을 위 한 연구가 많이 진행되고 있다. ITO 를 증착하기 위한
증착방법으로는 CVD (chemical vapor deposition)[6-7], RF magentron sputtering[8-9], Evaporation[10-11] 법 등 이 있다. 그중 RF 마그네트론 스퍼터링 공정은 상온에서 의 증착이 가능하고, 얇은 두께의 박막증착이 가능하며, 균일성이 우수하다는 장점이 있다[12]. 지금까지 ITO 는 고온에서 증착하는 경우가 대부분이었지만, 본 연구에서 는 RF 마그네트론 스퍼터링 방식을 이용하여 상온에서 공정압력 변화에 따른 특성이 어떻게 변하며, 어떤 압력 에서 더 우수한 특성을 나타내는지를 분석하기 위한 실 험을 하였다.
2. 실험방법
ITO 박막 제조를 위해 RF 마그네트론 스퍼터링 장비 를 이용하였다. 타겟으로는 ITO(In2O3 : SnO2 = 90 : 10 wt%) 타겟을 사용하였고, 기판으로는 corning 1737 유리 기판을 3 cm × 3 cm 로 자른 뒤 아세톤, 메탄올, 증류수
†E-mail : [email protected]
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반도체디스플레이기술학회지 제9권 제4호, 2010
로 세정을 하고 질소를 이용하여 건조시킨 뒤 챔버 내의 홀더 위에 유리기판을 얹고 실험을 실시하였다. 증착조 건은 초기압력을 1.7 × 10-6 Torr 으로 하였고, Ar 가스 유량은 50 sccm으로 고정하였다, RF 파워는 25 W 로 고정하였으며, 공정압력을 2.0 × 10-2, 7.0 × 10-3, 2.0 × 10-3 Torr로 변화시켜주면서 실험을 진행하였다. 박막의 두께 는 200 nm에 맞추어 박막시편을 제작하였다. 증착된 시 편의 두께가 200 nm에 맞게 증착이 되었는지 확인을 위해 FE-SEM(WUPRA 60/Carl Zeiss)을 이용하여 두 께를 측정하였다. 투과도 측정을 위해 UV/Vis-NIR Spectrophotometer(V-670/ JASCO) 을 이용하여 가시광 선 영역에서의 분석을 실시하였고, XRD(SmartLab/
RIGAKU) 장비를 통해 회절각에 대한 peak과 FWHM을 확인하고, Grain size 를 확인하였다. 증착된 시편의 표면 거칠기는 AFM(Dimension V/ Vecco) 장비를 이용하여 측정하였다. 또한, 캐리어 농도 와 비저항, 그리고 이동 도를 확인하기 위해 Hall effect를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 1은 공정 압력에 따른 ITO 박막의 투과율을 나타 낸 것이다. 압력 변수를 3가지로 하였을 때 가장 낮은 압 력인 2.0 × 10-3 Torr 에서 400 - 800 nm 의 가시광선 영 역에서 평균 투과율이 89% 이상의 투과율을 보임으로써 가장 높게 나타났다. 그리고 7.0 × 10-3 Torr에서도 평균 투과율이 85% 이상을 보여 2.0 × 10-3 Torr 다음으로 높 은 투과율을 나타내었고 2.0 × 10-2 Torr 에서 79% 로 가 장 낮은 투과율을 나타내었다. 이상의 결과에서, 압력이 낮을수록 투과율이 상승한다는 결과를 얻을 수 있었다.
또한, 공정압력이 10-3 Torr 대에서는 거의 비슷한 투과 율 곡선을 나타내었지만 10-2 Torr 대에서는 투과율이 상 당히 나빠지며 곡선의 모양도 다른 형태를 보이고 있다.
ITO 박막의 투과율이 공정압력에 상당히 영향 받음을 알 수 있었다. 공정압력에 따라서 약간의 차이를 보이지 만, 모든 ITO 박막들은 380 nm 부근에서 급격한 흡수 곡선을 보이고 있다. 380 nm 부근에서 흡수곡선은 ITO 박막의 광학적인 밴드갭과 관련있다.
Fig. 2는 공정 압력에 따른 ITO 박막의 광학적 밴드갭 을 외사법에 의해서 측정하였다. 투과율에서는 2.0 × 10-3 Torr 에서의 공정을 진행했을 시 가장 높게 나타났지만 밴드갭에서는 2.0 × 10-2 Torr 에서 3.796 eV 로 가장 높 게 나타났고 2.0 × 10-3 Torr 에서 3.727 eV 로 두 번째로 높게 나타났다. 7.0 × 10-3 Torr 에서 3.698 eV 로 가장 낮은 밴드갭을 보였다. 투과율과 달리 공정압력이 높았 을 때 가장 높은 광학적 밴드갭을 나타내고 있고 공정 압력에 따라 일정한 경향성은 보이지 않았다. 또한, 앞에 서 말한 것과 같이 공정압력이 10-2 Torr 대와 10-3 Torr 대에서 다른 광학적 밴드갭의 차이를 보이고 있다.
Fig. 3은 공정 압력에 따른 ITO 박막의 AFM이미지를 통해서 거칠기를 확인하였다. 거칠기는 공정압력이 낮을 수록 매끄러운 표면을 보이고 있다. ITO 박막의 거칠기 는 2.0 × 10-2 Torr 공정에서 0.448 nm, 7.0×10-3 Torr 공정에서 0.285 nm, 그리고 2.0 × 10-3 Torr 공정에서 0.193 nm 였다. 매끄러운 표면이 높은 투과도를 보이는 것으로 판단된다.
Fig. 4는 공정 압력에 따른 ITO 의 XRD 결과를 나타 낸 그림이다. 그림에서 보는 바과 같이 2θ가 32o부근에 서 (222) 피크가 가장 높게 나타나고 42o에서 (332) 의 피크를 나타내고 있다[13]. 위 두 피크는 증착된 ITO 박 막이 다결정으로 증착되었으며 공정 압력이 낮아 지면서 (222) 면의 우선 배향성을 갖음을 확인하였다. (222) 피 크 강도를 보면 2 × 10-3 Torr에서 가장 강한 피크 강도 를 나타내었고 2.0 × 10-2 Torr에서 가장 낮은 피크 강도 를 보였다. 공정 압력에 따른 ITO 박막의 결정성을 살펴 보기 위해 FWHM을 측정하였다. FWHM은 7.0 × 10-3 Fig. 1. Optical transmission spectra of ITO films deposited
with different working pressure.
Fig. 2. Optical energy for ITO films deposited with different working pressure.
RF 마그네트론 스퍼터링법으로 제작된 ITO 박막의 공정압력 변화에 따른 특성 85
Journal of KSDT Vol. 9, No. 4, 2010 Torr 에서 가장 낮은 값을 보였고 2.0 × 10-2 Torr 에서 가
장 높은 값을 보였다(Fig. 5). 이 결과는 7.0 × 10-3 Torr 에서 가장 좋은 결정성을 그리고2.0×10-2 Torr 에서 가 장 나쁜 결정성을 나타낸다. 따라서, XRD 결과에서도 10-2 Torr 대와 10-3 Torr 대에서 다른 결과를 보이고 있다.
Fig. 5는 공정압력 변화에 따른 반치폭(FWHM) 과 결 정립 크기를 나타낸 것이다. 다음의 Scherrer 식을 이용 하여 결정립 크기를 구하였다.
여기에서, λ는 X-선의 파장, θ는 회절각 그리고 B 는
FWHM 을 나타낸다. 계산된 결정립의 크기는 2.19 nm
~ 2.39 nm 크기를 보이고 있다.
ITO 박막의 공정압력변화에 따른 전기적 특성을 관찰 하기 위해 Hall 측정을 실시하였고 Table 1에 나타내었 다. Hall 측정을 통하여 전기적 특성이 공정압력에 따라 상당히 영향 받음을 확인하였다. 공정 압력 7.0 × 10-3 Torr 에서 4.788 × 1020 cm-3의 캐리어 농도, 37.6 cm/Vs 의 이동도 그리고 3.462 × 10-4Ω·cm 의 비저항을 갖는 투명전도막을 확인 할 수 있었다. 전기적 특성 결과에서 도 10-2 Torr 대와 10-3 Torr 대에서 확연히 다른 결과를 보이고 있다. 비저항 특성이 10-2 Torr 대에서 10-3 Torr 대로 감소하면서 한 오더 (10-1) 이상으로 낮아졌다. 또 한, 비저항 특성이 감소한데에는 캐리어 농도 보다는 이 동도의 영향이 매우 크다. 이동도의 향상은 XRD 결과 의 (222) 면 우선 배향과 결정성의 향상에 의한 것으로 판단된다.
D 0.9λ
=B---cosθFig. 3. AFM images (a),(b),(c) of ITO films deposited on glass substrates with different Working pressure.
Fig. 4. XRD patterns of ITO films deposited on glass substrates with different working pressure in the range of 20 - 80.
Fig. 5. Full width at half maximum (FWHM) of (222) diffraction peak and average grain Size (D) of ITO films with different working pressure.
Table 1. All thin films shows transmittance of around more than 80% in the visible light region, and the blue region showed better permeability than in the red region. It could be confirmed that as the Working pressure increases, the energy band gap widens from 3.69 to 3.79 eV
Working pressure 2.0 × 10-2 7.0 × 10-3 2.0 × 10-3 Wavelength[400-800nm]
Average 79.80128 88.18083 89.76372 Optical Energy[eV] 3.7964 3.6984 3.7274 Resistivity [×10
Ωcm
-4] 95.04 3.462 4.309Mobility[cm2/V-1S-1] 2.33 37.6 41 Carrier concentration
[×1020cm-3] 2.819 4.788 3.532
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4. 결 론
본 실험은 공정압력 변화에 따른 ITO 박막의 특성을 관찰하였다. 실험결과 상온에서 RF 마그네트론 스퍼터 링 하였을시 평균 투과율은 89%이상의 높은 투과율과 3.72eV이상의 높은 밴드갭, 4.3 × 10-4 Ω·cm의 우수한 전 기저항성을 보임으로서 상온에서도 우수한 성능을 지니 고 있음을 확인 할 수 있었다. 우수한 전기적 특성을 얻 기 위해서는 10-3 Torr 대의 공정압력이 필요함을 알 수 있었다.
참고문헌
1. Nisha, M., Jayaraj, M. K. “Influence of RF power and fluorine doping on the properties of sputtered ITO thin films”, Applied Surface Science, Vol. 255, pp.
1790-1795, 2008.
2. Suresh, A., Gollakota, P., Wellenius, P., Dhawan, A., Muth, J. F. “Transparent, high mobility InGaZnO thin films deposited by PLD”, Thin Soild Films, Vol. 516, pp. 1326-1329, 2008.
3. Lai, L. W., Lee, C. T. “Investigation of optical and electrical properties of ZnO thin films”, Materials Chemistry and Physics, Vol. 110, pp. 393-396, 2008.
4. Li, Q. H., Zhu, D. L., Liu, W. J., Liu, Y., Ma, X. C.
“Optical properties of Al-doped ZnO thin films by ellipsometry”, Applied Surface Science Vol. 254, pp.
2922-2926, 2008.
5. Jeong, J. A., Choi, K H., Bae, J. H., Moon, J. M., Jeong, S. W., Kim, I. S., Kim, H. K., Yi, M. S. “Elec- trical, optical, and structural properties of ITO co- sputtered IZO films by dual target magnetron sput- tering”, J Electroceram. Vol. 23, pp. 361-366, 2009.
6. Zhou, J. M. “Indium tin oxide(ITO)deposition, pat- terning, and Schottky Contact Fabrication”, Depart- ment of microelectronic engineering college of engineering rochester institute of technology roches-
ter, new york, 2005.
7. Makia, K., Komiya, N., Suzuki, A. “Fabrication of thin films of ITO by aerosol CVD”, Thin Solid Films, Vol. 445, pp. 224-228, 2003.
8. Sasabayashi, T., Ito , N., Nishimura, E., Kon, M., Song, P.K., Utsumi, K., Kaijo, A., Shigesato, Y.
“Comparative study on structure and internal stress in tin-doped indium oxide and indium-zinc oxide films deposited by r.f. magnetron sputtering”, Thin Solid Films, Vol. 445, pp. 219-223, 2003.
9. Suzuki, M., Maeda, Y., Muraoka, M., Higuchi, S., Sawada, Y. “ITO films sputter-deposited using an ITO target sintered with vanadium oxide additive”, Materials Science and Engineering, Vol. 54, pp. 43- 45, 1998.
10. Fallah, H. R., Ghasemi, M., Hassanzadeh, A., Steki, H. “The effect of annealing on structural, electrical and optical properties of nanostructured ITO films prepared by e-beam evaporation”, Materials Research Bulletin, Vol. 42, pp. 487-496, 2007.
11. Ma, j., Zhang, D. H., Zhao, J. Q., Tan, Chuenyu., Yang, T. L., Ma, H. L. “Preparation and character- ization of ITO films deposited on polyimide by reac- tive evaporation at low temperature” Applied Surface Science, Vol. 151, pp. 239-243, 1999.
12. Meng, L. J., Dos Santos, M.P. “Properties of indium tin oxide films prepared by rf reactive magnetron sputtering at different substrate temperature”, Thin Solid Films Vol. 322, pp. 56-62, 1998.
13. Salehi, A. “The effects of deposition rate and sub- strate temperature of ITO thin films on electrical and optical properties”, Thin Solid Films Vol. 324, pp.
214-218, 1998.
접수일: 2010년 11월 30일, 1차심사일: 2010년 12월 8일 2차심사일: 2010년 12월 13일, 게재확정일: 2010년 12월 17일
