실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

투명전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO)은 태양전지 혹은 디스플레이 등의 대면적 전자소자에 응용 할 수 있어서 많이 연구 되고 있다. 그 중에서도 AZO는 고이동도 투명전극 전자소자에 이용 가능한 것으로 알려져 있다. 이것을 바탕으로 RF스퍼터에 의해 만들어진 AZO 박막을 글라스판에 증착시킬 것이다. 각 조마다 전력량을 다르게 하여 증착된 박막의 표면저항, 광투과율, XRD 피크 값 등을 측정하고, 각각의 차이점을 분석하여 박막의 물리적, 광학적 특성에 관하여 토의 할 것이다.

2. 스퍼터링

원자간 결합에너지보다 큰 운동 에너지로 충돌할 경우 충격에 의해서 물질의 격자간 에너지가 다른 위치로 밀리게되어 표면탈출이 발생함으로 인하여 박막 생성한다.

1) 고주파(RF)스퍼터링.

스퍼터링을 할 할 때 타겟만 사용하면 아무 상관이 없지만 실제로는 사용효율이 매우 떨어진다. 스퍼터링의 최대 장점 중 하나는 거의 모든 물질을 타겟으로 사용하여 증착이 가능한 것인데, 금속에 제한이 되어있어 파워 서플라이(안정적인 전원을 공급하는 전원 공급장치)를 직류가 아닌 교류주파수 즉, 고주파인 RF로 바꾸어서 모든 물질이 가능하게 하였다.

그림-> 고주파 스퍼터링의 원리

3. 진공 펌프

진공펌프는 챔버(플라즈마 공간의 내부)내에 있는 기체분자를 제거하여 진공상태로 만들기 위하여 사용하는 것이다. 진공펌프는 배기원리와 사용조건에 따라 매우 다양한 펌프들이 사용된다.

1) 로터리 펌프.

로터리 펌프의 구조

가스배출방식이란 말 그대로 기체분자를 모아 펌프 내에서 밖으로 이동시켜 배기시키는 방법을 말한다. 그 중 가장 대표적인 것이 로터리 펌프이다. 로터리 펌프는 흡입-고립-압축-배기의 순서로 이루어지고 있다.

2) 터보펌프.

고진공 펌프로 많이 사용하는 것에 터보펌프가 있다. 터보펌프는 모든 펌프들 중에서 가장 복잡하고 정밀한 구조를 가진 펌프 중 하나이다. 또한 많은 디스크와 블레이드들이 고속으로 회전을 해야 하기 떄문에 각각의 부품들은 매우 정밀하게 되어 있다.

터보펌프의 구조

4. 진공게이지

진공게이지는 챔버 내에서 가스가 들어 갔을 때 압력을 변화시키는 것이므로 원하는 순간의 챔버내 압력을 정확히 측정 가능해야만 한다. 바로 이러한 진공도를 측정하기 위해 필요한 것이 진공게이지다.

1) 피라니 게이지.

피라니 게이지

게이지의 필라멘트(전구·전자관 속에 있는 가는 금속선으로 전류를 흘려주면 빛과 열을 방출한다.)는 항상 일정 온도를 유지하고 있다. 또 기체가 지나가면서 필라멘트와 만나게 되면 필라멘트는 기체에 열을 뺏기고 뺏긴 열만큼의 보상하기 위해서 전압이나 전류가 필요해야 한다. 이러한 전류 또는 전압의 변화를 측정하여 압력으로 환산해 내는 것이다.

2) 열전자형 이온화 게이지.

고진공 이상에서 쓰이는 게이지이며 기체를 이온화 시켜 측정한다. 챔버내의 가스를 이온화 시키고, 이때 양이온의 개수를 이온전류를 측정하여 계산하는 방법을 사용한다. 양이온의 수가 많을수록 이온전류가 많은 것이다.

이온화 게이지

5. 4-point probe(표면저항 측정)

표면저항값은 재료의 물성을 평가하는데 사용하고 반도체의 Silicon wafer(반도체원판인 기판을 만드는 기초소재)의 비저항 및 wafer의 균질성을 평가하는데 쓰이며, LCD에서는 Line 및 전극으로 사용되는 Metal이나 ITO(Indium-Tin Oxide(인-주석 산화물)의 줄인 말로 투명하면서 전기가 통한다. 매트릭스 방식으로 구동되는 PDP, LCD 등의 얇고 편평한 디스플레이에 사용된다. 반도체원판인 기판을 만드는 기초소재)와 같은 물질의 물성과 막의 증착상태를 확인하는 중요한평가 방법이다.

6. Hall 효과

Hall 효과란 금속이나 반도체 등의 고체를 자기장 속에 놓고, 자기장의 방향에 직각으로 고체 속에 전압을 가하면, 두 방향 각각에 직각방향으로 고체속에 자기장이 형성되고, 이때 홀 전압이 발생한다. 이때 이 홀전압이 생기는 현상을 홀 효과라 한다.

홀효과

실험 방법

1. 실험 과정

기판세척 → 건조 → 증착 → 면저항측정 → 광투과율측정 → xrd측정 → 홀효과측정.

본 실험은 RF스퍼터를 바탕으로 AZO박막을 각각 다른 전력값을 이용하여 증착시켜 측정값들에 대한 차이점을 비교해본다. 먼저 글라스판 4개를 지그에 고정시킨 후 물-에탄올-아세톤 순으로 각각 10분간 초음파 세척기에 세척을 한 후, 질소가스로 판을 세척한다. 스퍼터 펌프를 키기 전 장비의 열을 식히기 위한 냉각수와 챔버를 열 에어컴프레셔를 먼저 켜준다.

그런 다음 스퍼터 장비를 킨 후 리프트를 상승시켜 시편을 넣는다. 메인파워와 R.P1-F.V-TMP를 키고나서 F.V를 끄고 R.V1을 켜준다. 압력을 2.2E-2가 될 때까지 저진공을 잡아준다. 그런 다음 TMP를 켜서 펌프를 가속 시켜주고 20,000RPM이 될 때까지 기다린다. 다되면 R.V1을 끄고, F.V와 HI.V를 순서대로 킨다. 그러고 나서 고진공 정도를 확인하기 위해 이온화게이지를 눌러 6.6E-6이 될 때까지 기다린다.

고진공이 된 이후에는 아르곤 가스를 주입하여 플라즈마를 형성시킨다.MFC control에서 ON-1-SP1을 차례로 눌른다. 이때, RPM이 떨어지는데 그 이유는 가스가 주입되기 때문이다. 플라즈마를 띄우기 위하여 AC-POWER 켜고 RF(ON)을 해준다. 50W의 전력량을 맞춘 후 10분간 타겟의 불순물 제거를 위하여 예비 스퍼터링을 실시한다.

그 다음 챔버내 셔터를 열기위해 Rotate를 키고 on을 누른다음 SUB를 올리고 이 실험의 타겟은 2번이기 떄문에 2번 스위치를 올려준다. 타겟을 여는 순간 증착이 시작되고 이 때, 균일하게 증착시키기 위해서 기판이 놓여져 있는 판을 회전 시킨다.이렇게 하여 스퍼터링을 실시한다. 그 후 시편을 꺼내어 스퍼터링의 실험을 마치고 표면저항 측정기를 이용하여 저항값을 측정, 시편의 저항값들의 평균값들을 구한다.(시편1개에 3번씩 4개)

그 이후 광투과율 측정을 위하여 자외가시광선 분광분석기를 통해 실험을 실시한다. 먼저 매개체가 없는 글라스 판의 투과율을 측정한다. 그 이유는 스퍼터링 실험을 유리에 증착하였기 때문에 글라스 판의 투과율을 먼저 측정하여 설정값을 넣기 위해서이다. 이 후 시편을 자외선을 이용하여800㎚~200㎚의 범위에서 10㎚씩 줄어들면서 파장에 따른 투과율 변화(흡수율)을 측정한다.

광투과율을 측정한 후 X선 회절 분석기를 실험한다. X선 회절의 조건은 10~80℃에서 측정하고 스텟은 0.02℃마다 한번씩 찍으며 분당 3.5°씩 각도가 돌아가도록 설정하였다. 그 다음으로 홀 효과 측정을 하여 박막의 벌크농도, 이동도, 비저항값을 측정한다. 홀효과 측정은 측정할 때 마다 측정값에 차이가 있기 때문에 여러번 측정 후 평균값을 사용한다. 그 이유는 평균값이 신뢰성이 높기 때문에 사용한다.