≪연구논문≫ 한국진공학회지 제22권 5호, 2013년 9월, pp.257~261http://dx.doi.org/10.5757/JKVS.2013.22.5.257

공정 압력에 따라 스퍼터된 Al 도핑 ZnO

박막의 광학적, 전기적 특성

김덕규a*ㆍ김홍배b

a삼성전자 선행개발팀, 용인 446-711

b청주대학교 전자정보공학부, 청주 360-764

(2013년 6월 30일 받음, 2013년 7월 16일 수정, 2013년 7월 30일 확정)

RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 Al 도핑 ZnO 박막을 공정 압력에 따라 증착하고 박막의 구조적, 광학적, 전기적 특성

을 연구하였다. 공정 압력 의 최적화를 위해 공정압력을 0.07 Torr, 0.02 Torr, 그리고 0.007 Torr로 변화하였다. 공정압력이

감소하면서, Al 도핑 ZnO 박막의 결정성은 향상되었고 표면 거칠기도 감소하였다. 모든 Al 도핑 ZnO 박막은 가시광선 영역

(400∼800 nm)에서 80% 이상 투과도를 보였다. 0.007 Torr의 공정 압력에서 가장 좋은 전기적 특성을 보였는데 이는 표면

거칠기 감소에 따른 산소 흡착이 감소하여 나타난 현상으로 판단된다.

주제어 : Al 도핑 ZnO 박막, RF 마그네트론 스퍼터링, 공정 압력, 산소흡착

* [전자우편] dkkim@cju.ac.kr

I. 서 론

최근, 디스플레이, 광전 소자의 기술이 발전함에 따라

투명 전도 산화막(TCO)의 제조 및 특성에 대한 많은 연구

가 진행되고 있다 [1]. 현재 가장 널리 사용되고 있는 투명

전도 산화막 재료는 ITO (indium tin oxide) 로 전기적, 광

학적 특성이 매우 우수하지만 In 공급량 부족으로 재료비

상승, In의 독성, 저온 증착의 어려움, 수소 플라즈마 하에

서의 열화와 In과 Sn의 환원성 등의 문제점을 안고 있다

[2]. 이러한 ITO 단점을 보완하기 위해 새로운 재료들이 연

구되고 있는데 그 중에 Al 도핑 ZnO (AZO)는 전기 전도성

과 가시광선 영역에서의 투과성이 우수하며 수소 플라즈마

에 대한 강한 내구성, 비교적 낮은 제조비용 등으로 ITO를

대체하기 위한 물질로 간주되고 있다 [3,4]. ZnO에 Al 원

자를 도핑하면 결정 내에 위치해 있는 Zn와 Al 원자들이

치환을 하는 과정에서 전자를 하나 더 배출하게 되어 AZO

박막의 전기 전도도가 향상되게 된다 [5-7]. AZO 박막제

작은 MBE (molecular beam epitaxy), RF 마그네트론 스

퍼터링, CVD (chemical vapor deposition), Sol-gel 그리

고 PLD (pulsed laser deposition) 등 다양한 방법으로 이

루어지고 있다 [8-12]. 이 중 RF magnetron sputtering

은 반도체 공정에서 많이 쓰이는 방법 중의 하나로 장치가

간단하며, 높은 증착률과 대면적의 막을 얻을 수 있는 장점

이 있다.

따라서, 본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링 장비를

이용하여 공정 압력 변화에 따라 AZO 박막을 증착하고

AZO 박막의 전기적, 광학적 특성을 분석하여 공정 압력이

AZO 박막에 미치는 영향을 살펴보았다.

II. 실험방법

RF 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여 Corning

#1737 유리 기판위에 AZO 박막을 증착하였다. 준비된 유

리 기판은 아세톤, 메탄올 그리고 증류수에서 초음파 세정

을 하였고 질소 가스를 이용하여 건조 한 후 진공 챔버에

장착되었다. AZO 박막을 증착하기 위해 초기 진공을 2.0×

10-6 Torr까지 만든 다음 Ar 가스 60 sccm와 쓰로틀 게이트

밸브를 이용하여 공정 압력을 0.007, 0.02, 그리고 0.07

Torr로 변화하였다. 스퍼터링 타겟으로 2 wt%의 Al2O3가

도핑된 직경 3인치의 디스크 타입 ZnO 타겟을 이용하였고

증착 전 사전 스퍼터링을 10분간 실시하였다. AZO 박막은

김덕규ㆍ김홍배

258 Journal of the Korean Vacuum Society 22(5), 2013

0.007 0.02 0.070.27

0.28

0.29

0.30

0.31

FWHM

FWH

M (d

egre

e)

Working Pressure (Torr)

27

28

29

30

Grain Size

Grain S

ize (nm)

Figure 2. FWHM and grain size of AZO thin films with various working pressure.

20 30 40 50 60 70 80

0.02 Torr0.07 Torr

0.007 Torr

ZnO (002)

XRD

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

2-theta (degree)

Figure 1. XRD patterns of AZO films with various work-ing pressure.

Table 1. Deposition conditions of AZO thin films with various working pressure.

Target Al-doped ZnO (2wt%)

Substrate Glass (Corning #1737)

RF power [w] 25 W

Ar flow [sccm] 60

Base pressure [Torr] 2.0×10-6

Working pressure [Torr] 0.07, 0.02, 0.007

Deposition temperature Room temperature

Film thickness [nm] 200

RF 파워 25 W, 증착온도 상온의 조건에서 시행되었고 증

착된 모든 박막의 두께는 약 200 nm로 고정하였다. AZO

박막증착을 위한 공정 조건이 Table 1에 나타나있다.

증착된 AZO 박막의 결정 구조와 결정성을 분석하기 위

해 X-선 회절분석기(XRD)를 이용하였다. 표면의 거칠기

는 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 측정한 후 박막의 특

성을 비교 분석하였다. 가시광 영역에서의 투과도는 자외

선-가시광선-근적외선(UV-Vis-NIR)의 분광분석기를 이

용하여 측정하였다. AZO 박막의 전기적인 특성은 Hall 측

정을 통하여 측정하였다.

III. 실험결과 및 고찰

공정 압력에 따라 증착된 AZO 박막에 대한 XRD 패턴이

Fig. 1에 나타나 있다. 공정 압력에 상관없이 증착된 모든

AZO 박막은 2θ가 34.4o부근에서 ZnO (002) 면의 단일 피

크를 보이고 있다. ZnO (002) 면의 피크는 AZO 박막이 c-

축 방향의 우선 배향 결정성을 갖으며 성장하고 있음을 나

타낸다 [13]. (002) 면의 XRD 피크 강도는 공정 압력이

0.07 Torr에서 0.02 Torr로 감소하면서 약 4배 정도 증가

하였다가 0.007 Torr로 감소하면서 다시 감소하였다. 즉,

0.02 Torr에서 가장 강한 XRD 강도를 보였다. 반치폭

(FWHM)을 분석하여 공정 압력 변화에 따른 결정성을 확

인하였다. 공정 압력이 0.07 Torr에서 0.02 Torr로 감소하

면서 반치폭은 0.3o에서 0.28o로 감소하다가 0.007 Torr

에서는 0.29o로 다소 증가하였다. 이는 공정 압력이 낮을수

록 결정성이 향상되지만 임계지점이 있음을 나타내고 0.02

Torr에서 가장 좋은 결정성을 나타냄을 보이고 있다. 이결

과를 통해 볼 때 AZO 박막의 구조적특성이 공정 압력에 많

은 영향을 받고 있음을 확인하였다.

공정 압력에 따른 결정립 크기를 확인하기 위해 XRD 결

과를 이용하여 다음의 Scherrer 공식을 이용하여 계산하였

다 [14].

λ: X-ray wavelength

θ: Diffraction angle

B: Full Width at Half Maximum

계산된 결정립의 크기는 공정 압력이 0.07 Torr에서

0.02 Torr로 감소하면서 27.7 nm에서 29.7 nm로 증가하

공정 압력에 따라 스퍼터된 Al 도핑 ZnO 박막의 광학적, 전기적 특성

한국진공학회지 22(5), 2013 259

Figure 3. AFM images of AZO thin films with variousworking pressure.

0.007 0.02 0.0779.5

80.0

80.5

81.0

81.5

82.0

T

Tran

smitt

ance

(%)

Working Pressure (Torr)

325

330

335

340

345

350

355

360

365

λα

Absorption W

avelength (nm)

Figure 4. Average transmittance and absorption wave-length of AZO films with various working pressure.

0.007 0.02 0.07

50

100

150

200

250

300

350

Rs

Rs

(ohm

/squ

are)

Working Pressure (Torr)

0

2

4

6

8

10

μ

μ (cm2/V

s)

Figure 5. Sheet resistance and mobility of AZO thin films with various working pressure.

다가 0.007 Torr에서는 28.7 nm로 다시 감소하였다. 공정

압력에 따른 FWHM과 결정립 크기의 변화가 Fig. 2에 나

타나있다.

공정 압력에 따른 AZO 박막의 표면에 대한 AFM 이미지

가 Fig. 3에 나타나 있다. 박막의 표면 형상을 통해서 결정

립들이 조밀하게 성장되었음을 확인하였다. AZO 박막의

표면 거칠기는 공정 압력이 0.07 Torr에서 0.02 Torr로 감

소하면서 2.19 nm에서 2.25 nm로 증가하다가 0.007 Torr

에서는 1.95 nm로 급격히 감소하였다. 0.007 Torr에서 급

격한 감소는 AZO 박막 증착 시 공정 압력이 낮아 낮은 입

자 밀도로 인해 스퍼터된 입자들의 이동이 원활해져 나타

난 현상으로 판단된다. 거칠기가 증가하게 되면 박막내부

로 입사하는 빛을 산란(scattering) 시켜 광학적 특성을 나

쁘게 하는 요인으로 작용한다. 하지만, 모든 샘플의 거칠기

값이 10 nm 이하로 디스플레이 소자에 응용 가능한 수준이

다. AFM 에 의한 결정립의 크기 변화와 XRD 에서 얻어진

결정 크기 결과가 비슷한 경향성을 보이고 있다.

공정 압력에 따른 AZO 박막의 가시광선(400∼800 nm)

영역에서 평균투과도와 흡수 곡선이 Fig. 4에 나타나 있다.

AZO 박막의 평균 투과도는 공정 압력이 0.07 Torr에서

0.02 Torr로 감소하면서 81.4%에서 79.9%로 감소하다가

0.007 Torr에서는 80.7%로 다시 증가하였다. 0.02 Torr

김덕규ㆍ김홍배

260 Journal of the Korean Vacuum Society 22(5), 2013

에서 가장 낮은 투과도를 보이고 있는데, 이는 앞에서 언급

한바와 같이 0.02 Torr에서 가장 거친 표면을 가지고 있어

서 빛 산란에 의해 투과도가 저하된 것으로 판단된다. 또

한, 공정 압력에 따라 차이는 있지만 380 nm 부근에서 급

격한 흡수 곡선을 보이고 있다. AZO 박막의 흡수 곡선은

공정 압력이 0.07 Torr에서 0.02 Torr로 감소하면서 361

nm에서 350 nm로 감소하다가 0.007 Torr에서는 328 nm

로 다시 증가하였다. 380 nm 부근에서 흡수곡선은 AZO

박막의 광학적인 밴드갭에 의한 것으로 0.007 Torr에서 가

장 큰 3.78 eV의 광학적 밴드갭을 갖음을 확인하였다.

공정 압력에 따라 증착된 AZO 박막의 전기적 특성을

Fig. 5에 나타내었다. AZO 박막의 면저항은 공정 압력이

0.07 Torr에서 0.02 Torr로 감소하면서 253 Ω/□에서

313 Ω/□로 약간 증가하다가 0.007 Torr에서는 47 Ω/□

로 급격히 감소하였다. 반대로, AZO 박막의 이동도는 공정

압력이 0.07 Torr에서 0.02 Torr로 감소하면서 3.3 cm2/

V․s에서 1.5 cm2/V․s로 감소하다가 0.007 Torr에서는 7.9

cm2/V․s 로 급격히 증가하였다. 공정 압력 0.007 Torr에서

가장 우수한 전기적 특성을 나타내었다. 공정 압력에 따른

전기적 특성의 변화는 AFM의 표면 거칠기 결과와 일치함

을 보여 주고 있는데 거칠기에 의해 전기적 특성이 영향을

받은 것으로 판단된다. Igasaki는 거칠기가 감소하게 되면

표면적이 감소하게 되고 이로 인해 표면에 산소의 흡착이

감소하여 이동도가 증가를 하고 박막의 면저항이 감소한다

고 보고하였다 [15]. 또한, 공정 압력이 낮아지게 되면 챔

버내에 산소들이 감소하게 되어 AZO 표면에 산소 흡착이

감소하게 되고 결과적으로 면저항이 감소하게 된다. 따라

서, AZO 박막의 전기적 특성이 공정 압력에 상당히 영향을

받음을 알 수 있었다.

IV. 결 론

본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 공

정 압력에 따른 AZO 박막을 제작 후 특성을 조사하였다.

공정 압력 증가에 따라 결정성은 향상되었으며, 표면 거칠

기는 감소하였고 면저항도 감소함을 보였다. 면저항 감소

는 표면 거칠기 감소에 의한 산소 흡착 감소에 의해 이동도

가 증가하여 나타난 현상으로 판단된다. 따라서 AZO 박막

제작에 있어서 공정 압력이 중요한 증착인자이고 AZO 박

막 증착 시 낮은 공정 압력이 구조적 그리고 전기적인 특성

을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.

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공정 압력에 따라 스퍼터된 Al 도핑 ZnO 박막의 광학적, 전기적 특성

한국진공학회지 22(5), 2013 261

≪Research Paper≫ Journal of the Korean Vacuum Society Vol.22 No.5, September 2013, pp.257~261http://dx.doi.org/10.5757/JKVS.2013.22.5.257

Optical and Electrical Properties of Sputtered Al

Doped ZnO Thin Films with Various Working Pressure

Deok Kyu Kima* and Hong Bae Kimb

aAdvanced Development Team, Samsung Electronics Co. Ltd., Yongin 446-711bDepartment of Electronic and Information Engineering, Cheongju University, Cheongju 360-764

(Received June 30, 2013, Revised July 16, 2013, Accepted July 30, 2013)

We have studied structural, optical, and electrical properties of the Al-doped ZnO (AZO) thin films using RF magnetron sputtering with various working pressure. To find optimal properties of AZO for transparent conducting oxides, the working pressure in sputtering process was varied as 0.07 Torr, 0.02 Torr, and 0.007 Torr, respectively. As working pressure increased, the crystallinity of AZO thin film was improved, the surface roughness of AZO thin film decreased. The transmittance of the film was over 80% in the visible light range regardless of the changes in working pressure. In case of 0.007 Torr, best electrical properties was shown due to the reduction of oxygen absorption by decreasing surface roughness.

Keywords : Al doped ZnO, RF magnetron sputtering, Working pressure, Oxygen absorption

* [E-mail] dkkim@cju.ac.kr