| 초록 |
펄스 DC 마그네트론 스퍼터링(PDCMS)은 RF 및 DC 마그네트론 스퍼터링의 장점을 조합한 새로운 기법이나 아직 ZnO 박막의 증착에는 광범위하게 적용되지 않고 있다. 본 연구에서는 PDCMS의 여러 공정변수 중 펄스 주파수를 변화시키면서 투명전극용 ZnO:Ga 박막의 특성 변화를 관찰하였다. 이론상 펄스의 한 주기 당 전압인가 시간의 비율(duty factor)을 고정하고 전압을 동일하게 유지하면 전체적으로 플라즈마가 유지되는 시간이 동일하여 박막의 성장과 품질에 영향을 주지 않을 것으로 예상할 수 있으나 최근의 실험적 연구에 따르면 펄스 주파수가 지나치게 낮으면 아크 발생 등 일반 DC 스퍼터링과 유사한 특성을 보이고 주파수를 지나치게 높이면 각 주기에서 전압이 인가되기 시작하는 시점에서 사주기(dead period)가 발생하고 플라즈마의 구성에서 원자 대비 이온의 비가 증가하여 박막의 증착효율과 품질을 저하시키는 것으로 보고된 바 있다. 박막 증착을 위한 스퍼터링 타깃 조성은 Ga2O3 5.7wt%를 적용하였고 증착온도는 상온, 100 °C, 150 °C, 스퍼터링 출력은 0.6, 1.2 2.4 kW, 펄스 주파수는 30, 50, 70 kHz의 조건들 조합 총 27조건을 적용하였다. 증착두께는 100 nm로 일정하게 유지하였다. 전기적 특성의 펄스 주파수 의존성이 다른 공정조건인 플라즈마 출력과 온도의 조합에 따라 각기 다르게 나타났다. 가장 양호한 특성을 보이는 증착온도 150 °C의 경우 플라즈마 출력 2.4 kW의 조합에 있어서 펄스 주파수가 30에서 70 kHz로 증가하면서 이동도는 지속적으로 증가하는 반면 운반자 농도는 50 kHz에서 가장 높아졌다가 다시 감소하는 경향을 보여 주파수 50 kHz에서 가장 우수한 전기적 특성을 보이는 것으로 나타났다. 550 nm 파장 가시광선에 대한 투과도는 모든 박막이 80% 수준을 만족하고 있다. 광투과 특성의 펄스 주파수 의존도는 증착온도가 낮을수록 거의 차이가 없으나 증착온도가 150°C로 상승하면서 약 500 nm 이하의 단파장 대에서 펄스주파수 50 kHz로 증착한 박막의 투과도가 비교적 크게 감소하는 것으로 나타났다. 결정성에 있어서 펄스 주파수 의존성은 관찰되지 않았으나 온도가 낮은 경우 50 kHz 주파수 조건에서 증착한 박막들에서 ZnO (002) 피크의 세기가 상대적으로 낮았으며 ZnGa2O4에 의한 피크도 관찰되었다. 박막의 미세조직은 상온 증착의 경우 전반적으로 Thornton 모델의 1구역에 해당하는 조직 및 형상적 특성을 보여주고 있으며 박막의 치밀도는 주파수에는 크게 의존하지 않으며 이 보다는 플라즈마의 출력이 2.4 kW로 증가하면서 점차 높아졌다. 스퍼터링 시 적용하는 펄스 주파수에 대한 박막 특성의 의존성은 증착온도 및 스퍼터링 출력의 조합에 따라 최적 주파수가 임의로 변화하여 특정한 경향은 찾을 수 없었으나 증착 조건에 따라 박막의 특성이 주파수에 따라 변화함을 관찰하여 펄스 주파수 최적화가 반드시 필요함을 확인하였다. |
