ZTO/Ag/ZTO 적층박막의 전기광학적 특성 및 급속열처리 효과 연구

Abstract

대표적인 투명전도성 산화물인 ITO 박막은 높은 가시광 투과율과 낮은 비저항으로 널리 사용되어 왔으나, 인듐(In) 회소성에 따른 가격상승과 화학적 불안전성으로 인하여 대체 투명전극에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. ZnO와 SnO2의 화합물인 ZTO는 인듐 또는 갈륨을 함유하고 있지 않아 가격이 저렴하고 독성이 없으며, 화학적으로 안정하여 쉽게 산화되지 않는다. 또한 물리적인 특성도 우수하므로 흠집에 대한 강한 내성을 가지고 있어, In2O3의 효율적인 대체제로 개발되고 있다. 일반적으로 상온증착 된 ZTO 박막은 투명전극으로 사용하기에는 높은 비저항과 낮은 가시광 투과도를 보이기 때문에 이를 개선하기 위해 다양한 기술이 연구되고 있다. 본 연구에서는 ZTO와 Ag를 적층 및 다층 박막으로 제작하였다. 우수한 특성의 ZTO 박막과 Ag 박막을 제작하기 위해 DC/RF 마그네트론 스퍼터를 이용하였으며, 증착 후 급속열처리를 통해 박막의 특성을 고찰하였다. ZTO 타겟에는 RF 2.5 W/cm2, Ag 타겟에는 DC 2.0 W/cm2 전력을 인가하였다. Ag 성막위치를 달리하여 ZTO/Ag, Ag/ZTO 적층박막과 ZTO/Ag/ZTO 다층박막을 제작하였으며, 모든 공정은 상온에서 이루어졌다. 최적의 조건을 가지는 박막을 제작한 후 1×10-3 torr에서 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 통하여 우수한 특성의 ZTO/Ag/ZTO 박막을 제작하였다. XRD 측정 결과 상온에서 증착된 ZTO 박막은 비정질 상으로 확인되었으며, Ag 두께가 15 nm 에서는 Ag (111) 방향으로 우선 성장하는 것을 확인하였다. 박막의 가시광 투과도 및 전기적 특성에 영향을 미치는 박막의 표면거칠기가 ZTO 단층과 15nm두께의 Ag 박막을 채용한 ZTO/Ag, ZTO/Ag/ZTO, Ag/ZTO 중 ZTO/Ag/ZTO 적층박막에서 가장 평탄한 표면거칠기가 측정되었다. ZTO 단층박막보다 Ag 박막이 삽입된 ZTO 박막들이 급격히 낮아진 비저항을 보였으며, Ag/ZTO 박막이 가장 낮은 비저항을 보였다. 가시광 영역에서의 ZTO/Ag/ZTO 박막의 투과율은 Ag 층간박막에 따른 anti-reflectance 효과로 인해 ZTO 단층박막의 81.8에서 82.5%로 증가하였다. 최적의 조건인 ZTO 50 nm/Ag 15 nm/ZTO 50 nm 의 박막을 급속열처리를 실시하여 전기적, 광학적 특성 개선 효과를 고찰하였다. ZTO/Ag/ZTO 박막의 가시광 투과도는 81.7%였고, 300℃ 급속열처리 이후 82.8%로 증가하였다. 면저항은 4.88 Ω/ㅁ 였으나 300 ℃ 열처리 후 3.64 Ω/ㅁ 로 감소하였다. 투명전극용 박막의 전기적, 광학적 완성도를 평가하는 FOM 수치 비교에서, 상온에서 증착된 ZTO 단층박막과 ZTO/Ag/ZTO 적층박막의 FOM 수치는 각각 1.46 × 10-7 Ω-1 , 2.71 × 10-2 Ω-1이었으나, 300℃ 급속열처리 이후에 측정한 FOM 수치는 박막의 결정화와 표면평탄화로 인한 이동도와 전하밀도의 증가로 인하여 최대 4.16 × 10-2 Ω-1로 증가하였다. 이상의 연구결과로부터 300℃ 급속열처리 공정이 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기광학적 물성 최적화에 유효한 공정임을 알 수 있었다.