RF 마그네트론 스퍼터링 법으로 유리 기판 위에 성장 시킨 Ga 도핑된 ZnO 박막의 열처리에 따른 구조적, 광학적 특성 평가

이지수,김금채,전훈하,황보수정,김도현,성창모,전민현,Lee, J.S.,Kim, G.C.,Jeon, H.H.,HwangBoe, S.J.,Kim, D.H.,Seong, C.M.,Jeon, M.H. 한국진공학회 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

본 연구에서는 상온에서 RF 마그네트론 스퍼터링 법으로 유리 기판위에 증착된 Ga 도핑 된 다결정 ZnO 박막의 특성을 개선하기 위하여 적정 열처리 조건을 분석하였다. 먼저 박막 성장 후 박막의 특성을 분석하였고 각각 $400{\sim}600^{\circ}C$에서 30분, 60분간 질소 분위기에서 열처리를 한 후 구조적, 광학적 특성을 평가하였다. XRD와 FE-SEM을 사용하여 열처리온도 변화에 따른 결정입자의 크기의 변화를 관찰하였다. 그 결과 성장된 결정의 크기의 증가와 박막의 결정성이 향상되었음을 확인할 수 있었으며 그로 인해 박막 특성을 중시하는 투명 전도막의 투과도의 향상 또한 확인할 수 있었다. 결론적으로, 본 실험을 통하여 ZnO 성장 후 적절한 열처리를 수행함으로서 GZO 박막을 사용하여 제작된 소자의 특성을 개선할 수 있으리라 판단된다. We have investigated the effect of annealing on the structural and optical properties of polycrystalline Ga doped ZnO (GZO) films grown on glass substrates by RF-magnetron sputter at room temperature. The structural and optical properties of as-grown GZO films were characterized and then samples were annealed at $400{\sim}600^{\circ}C$ in $N_2$ ambient for 30, 60 minutes, respectively. The field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used to measure the grain size and the crystalline quality of the films. We found that the crystalline quality was improved and the grain size tends to be increased. The optical properties of GZO thin films were analyzed by UV-VIS-NIR spectrophotometers. It is found that optical properties of thin films are increased by annealing and can be used for transparent electrode application. We believe that the appropriate post-growth heat treatment could be contributed to the improvement of GZO-based devices.

RF magnetron sputtering 법으로 증착된 GZO와 ZnO 박막의 광학적 특성

황보수정,전훈하,김금채,이지수,김도현,최원봉,전민현,HwangBoe, S.J.,Jeon, H.H.,Kim, G.C.,Lee, J.S.,Kim, D.H.,Choi, W.B.,Jeon, M.H. 한국진공학회 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.6

상온에서 RF magnetron sputtering 을 이용하여 10nm에서 50nm 의 두께를 가지는 ZnO와 GZO 를 유리 기판위에 증착하여 두 물질 간의 구조적 특성과 광학적 특성을 평가하였다. 구조적인 특성은 투과전자현미경 (TEM) 과 주사전자현미경 (SEM)을 통해 이루어졌다. 광학적 특성 평가는 spectrophotometer를 이용하여 UV-VIS-NIR 영역에 관한 투과도를 측정하였다. ZnO의 결정크기가 GZO보다 상대적으로 더 크게나왔으며 이는 결정 경계면에서 발생하는 광산란을 줄임으로서 투과도의 향상을 가져왔다. 투과 전 영역에서 ZnO의 투과도가 더 높게 나왔으며, 특히 50nm 박막의 경우 ZnO의 투과도가 GZO 보다 20% 이상 더 뛰어난 것을 확인 할 수 있었다. Zinc oxide (ZnO) and Ga doped zinc oxide (GZO) with different thickness in range of 10nm to 100nm are prepared on glass substrate by RF magnetron sputtering at room temperature. The structural and optical properties of the thin films is evaluated. The structural properties of ZnO and GZO are investigated by Tunneling Electron Microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). Optical properties are also investigated by UV-VIS-NIR spectrophotometer (200$\sim$1400nm). The much larger grain size of ZnO compared to GZO decreased the light scattering at the grain boundary and improved the transmittance. The transmittance of ZnO is higher than that of GZO through all of the ranges of wavelengths. In case of over 50nm, we found that the transmittance of ZnO is 20% higher than that of GZO.

O₂/SF₆, O₂/N₂와 O₂/CH₄ 플라즈마를 이용한 폴리카보네이트 건식 식각

주영우(Y.W. Joo),박연현(Y. H. Park),노호섭(H.S. Noh),김재권(J. K. Kim),이성현(S.H. Lee),조관식(G. S. Cho),송한정(H. J. Song),전민현(M. H. Jeon),이제원(J. W. Lee) 한국진공학회(ASCT) 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

O₂/SF?, O₂/N₂ 그리고 O₂/CH₄의 혼합 가스를 이용하여 폴리카보네이트의 플라즈마 식각을 연구하였다. 플라즈마 식각 장비는 축전 결합형 플라즈마 시스템을 사용하였다. 폴리카보네이트 식각은 감광제 도포 후에 UV 조사의 포토리소그래피 방법으로 마스크를 제작하여 실험하였다. 본 식각 실험에서는 O₂와 다른 기체와의 혼합비와 RIE 척 파워 증가에 따른 폴리카보네이트의 식각 특성 연구를 중심으로 하였다. 특히 건식 식각 시에 사용한 공정 압력은 100 mTorr로 유지하였으며 공정 압력은 기계적 펌프만을 사용하여 유지하였다. 식각 실험 후에 표면 단차 측정기, 원자력간 현미경 그리고 전자 현미경 등을 이용하여 식각한 샘플을 분석하였다. 실험 결과에 의하면 폴리카보네이트 식각에서 O₂/SF?의 혼합 가스를 사용하면 순수한 O₂나 SF?를 사용한 것보다 각각 약 140 % 와 280 % 정도의 높은 식각 속도를 얻을 수 있었다. 즉, 100 W RIE 척 파워와 100 mTorr 공정 압력을 유지하면서 20 sccm O₂의 플라즈마 식각에서는 약 0.4 ㎛/min, 20 sccm의 SF?를 사용하였을 때에는 약 0.2 ㎛/min의 식각 속도를 얻었다. 그러나 60 %의 O₂와 40 %의 SF?로 혼합된 플라즈마 분위기에서는 20 sccm의 순수한 O₂에 비해 상대적으로 낮은 -DC 바이어스가 인가되었음에도 식각 속도가 약 0.56 ㎛/min으로 증가하였다. 그러나 SF? 양의 추가적인 증가는 폴리카보네이트의 식각 속도를 감소시켰다. O₂/N₂와 O₂/CH₄의 플라즈마 식각에서는 N₂와 CH₄의 양이 각각 증가함에 따라 식각 속도가 감소하였다. 즉, O₂에 N₂와 CH₄의 혼합은 폴리카보네이트의 식각 속도를 저하시켰다. 식각된 폴리카보네이트의 표면 거칠기 절대값은 식각 전에 비해 2 ~ 3 배정도 증가하였지만 전자현미경으로 표면을 관찰 하였을 때에는 식각 실험 후의 폴리카보네이트의 표면이 깨끗한 것을 확인할 수 있었다. RIE 척 파워의 증가는 -DC 바이어스와 폴리카보네이트의 식각 속도를 거의 선형적으로 증가시켰으며 이 때 폴리카보네이트의 감광제에 대한 식각 선택비는 약 1:1 정도였다. 본 연구의 의미는 기계적 펌핑 시스템만을 사용한 간단한 플라즈마 식각 시스템으로도 O₂/SF?의 혼합 가스를 사용하면 폴리카보네이트의 미세 구조를 만드는데 사용이 가능하며 O₂/N₂ 와 O₂/CH₄의 결과에 비해 상대적으로 우수한 식각 조건을 얻을 수 있었다는 것이다. 이 결과는 다른 폴리머 소재 미세 가공에도 응용이 가능하여 앞으로 많이 사용될 수 있을 것으로 예상한다. We studied plasma etching of polycarbonate in O₂/SF?, O₂/N₂ and O₂/CH₄. A capacitively coupled plasma system was employed for the research. For patterning, we used a photolithography method with UV exposure after coating a photoresist on the polycarbonate. Main variables in the experiment were the mixing ratio of O₂ and other gases, and RF chuck power. Especially, we used only a mechanical pump for in order to operate the system. The chamber pressure was fixed at 100 mTorr. All of surface profilometry, atomic force microscopy and scanning electron microscopy were used for characterization of the etched polycarbonate samples. According to the results, O₂/SF? plasmas gave the higher etch rate of the polycarbonate than pure O₂ and SF? plasmas. For example, with maintaining 100W RF chuck power and 100 mTorr chamber pressure, 20 sccm O₂ plasma provided about 0.4 ㎛/min of polycarbonate etch rate and 20 sccm SF? produced only 0.2 ㎛/min. However, the mixed plasma of 60 % O₂ and 40 % SF? gas flow rate generated about 0.56 ㎛ with even low -DC bias induced compared to that of O₂. More addition of SF? to the mixture reduced etch of polycarbonate. The surface roughness of etched polycarbonate was roughed about 3 times worse measured by atomic force microscopy. However examination with scanning electron microscopy indicated that the surface was comparable to that of photoresist. Increase of RF chuck power raised -DC bias on the chuck and etch rate of polycarbonate almost linearly. The etch selectivity of polycarbonate to photoresist was about 1:1. The meaning of these results was that the simple capacitively coupled plasma system can be used to make a microstructure on polymer with O₂/SF? plasmas. This result can be applied to plasma processing of other polymers.

O₂/SF₆, O₂/N₂와 O₂/CH₄ 플라즈마를 이용한 폴리카보네이트 건식 식각

주영우,박연현,노호섭,김재권,이성현,조관식,송한정,전민현,이제원,Joo, Y.W.,Park, Y.H.,Noh, H.S.,Kim, J.K.,Lee, S.H.,Cho, G.S.,Song, H.J.,Jeon, M.H.,Lee, J.W. 한국진공학회 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

[ $O_2/SF_6$ ], $O_2/N_2$ 그리고 $O_2/CH_4$의 혼합 가스를 이용하여 폴리카보네이트의 플라즈마 식각을 연구하였다. 플라즈마 식각 장비는 축전 결합형 플라즈마 시스템을 사용하였다. 폴리카보네이트 식각은 감광제 도포 후에 UV 조사의 포토리소그래피 방법으로 마스크를 제작하여 실험하였다. 본 식각 실험에서는 $O_2$와 다른 기체와의 혼합비와 RIE 척 파워 증가에 따른 폴리카보네이트의 식각 특성 연구를 중심으로 하였다. 특히 건식 식각 시에 사용한 공정 압력은 100 mTorr로 유지하였으며 공정 압력은 기계적 펌프만을 사용하여 유지하였다. 식각 실험 후에 표면 단차 측정기, 원자력간 현미경 그리고 전자 현미경 등을 이용하여 식각한 샘플을 분석 하였다. 실험 결과에 의하면 폴리카보네이트 식각에서 $O_2/SF_6$의 혼합 가스를 사용하면 순수한 $O_2$나 $SF_6$를 사용한 것보다 각각 약 140 % 와 280 % 정도의 높은 식각 속도를 얻을 수 있었다. 즉, 100 W RIE 척 파워와 100 mTorr 공정 압력을 유지하면서 20 sccm $O_2$의 플라즈마 식각에서는 약 $0.4{\mu}m$/min, 20 sccm의 $SF_6$를 사용하였을 때에는 약 $0.2{\mu}$/min의 식각 속도를 얻었다. 그러나 60 %의 $O_2$와 40 %의 $SF_6$로 혼합된 플라즈마 분위기에서는 20 sccm의 순수한 $O_2$에 비해 상대적으로 낮은 -DC 바이어스가 인가되었음에도 식각 속도가 약 $0.56{\mu}m$/min으로 증가하였다. 그러나 $SF_6$ 양의 추가적인 증가는 폴리카보네이트의 식각 속도를 감소시켰다. $O_2/N_2$와 $O_2/CH_4$의 플라즈마 식각에서는 $N_2$와 $CH_4$의 양이 각각 증가함에 따라 식각 속도가 감소하였다. 즉, $O_2$에 $N_2$와 $CH_4$의 혼합은 폴리카보네이트의 식각 속도를 저하시켰다. 식각된 폴리카보네이트의 표면 거칠기 절대값은 식각 전에 비해 $2{\sim}3$ 배정도 증가하였지만 전자현미경으로 표면을 관찰 하였을 때에는 식각 실험 후의 폴리카보네이트의 표면이 깨끗한 것을 확인할 수 있었다. RIE 척 파워의 증가는 -DC 바이어스와 폴리카보네이트의 식각 속도를 거의 선형적으로 증가시켰으며 이 때 폴리카보네이트의 감광제에 대한 식각 선택비는 약 1:1 정도였다. 본 연구의 의미는 기계적 펌핑 시스템만을 사용한 간단한 플라즈마 식각 시스템으로도 $O_2/SF_6$의 혼합 가스를 사용하면 폴리카보네이트의 미세 구조를 만드는데 사용이 가능하며 $O_2/N_2$와 $O_2/CH_4$의 결과에 비해 상대적으로 우수한 식각 조건을 얻을 수 있었다는 것이다. 이 결과는 다른 폴리머 소재 미세 가공에도 응용이 가능하여 앞으로 많이 사용될 수 있을 것으로 예상한다. We studied plasma etching of polycarbonate in $O_2/SF_6$, $O_2/N_2$ and $O_2/CH_4$. A capacitively coupled plasma system was employed for the research. For patterning, we used a photolithography method with UV exposure after coating a photoresist on the polycarbonate. Main variables in the experiment were the mixing ratio of $O_2$ and other gases, and RF chuck power. Especially, we used only a mechanical pump for in order to operate the system. The chamber pressure was fixed at 100 mTorr. All of surface profilometry, atomic force microscopy and scanning electron microscopy were used for characterization of the etched polycarbonate samples. According to the results, $O_2/SF_6$ plasmas gave the higher etch rate of the polycarbonate than pure $O_2$ and $SF_6$ plasmas. For example, with maintaining 100W RF chuck power and 100 mTorr chamber pressure, 20 sccm $O_2$ plasma provided about $0.4{\mu}m$/min of polycarbonate etch rate and 20 sccm $SF_6$ produced only $0.2{\mu}m$/min. However, the mixed plasma of 60 % $O_2$ and 40 % $SF_6$ gas flow rate generated about $0.56{\mu}m$ with even low -DC bias induced compared to that of $O_2$. More addition of $SF_6$ to the mixture reduced etch of polycarbonate. The surface roughness of etched polycarbonate was roughed about 3 times worse measured by atomic force microscopy. However examination with scanning electron microscopy indicated that the surface was comparable to that of photoresist. Increase of RF chuck power raised -DC bias on the chuck and etch rate of polycarbonate almost linearly. The etch selectivity of polycarbonate to photoresist was about 1:1. The meaning of these results was that the simple capacitively coupled plasma system can be used to make a microstructure on polymer with $O_2/SF_6$ plasmas. This result can be applied to plasma processing of other polymers.

사파이어 CMP공정에서 슬러리 희석비에 따른 연마율과 표면조도 변화에 관한 연구

박철진(C. J. Park),김형재(H. J. Kim),김도연(D.Y. Kim),이태경(T.K. Lee),전민현(M.H. Jeon) 한국정밀공학회 2012 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2012 No.5월

열처리된 탄소나노튜브 상대전극의 전기화학적 특성 연구

이수경,문준희,황숙현,김금채,이동윤,김도현,전민현,Lee, S.K.,Moon, J.H.,Hwang, S.H.,Kim, G.C.,Lee, D.Y.,Kim, D.H.,Jeon, M.H. 한국진공학회 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

본 연구에서는 염료감응 태양전지의 상대전극으로써 다중벽 탄소나노튜브를 사용하여 전기화학적 특성에 미치는 열처리 효과에 대해 연구하였다. 다중벽 탄소나노튜브는 실리콘 기판위에 철 촉매를 사용하여 열화학 기상증착법으로 합성하였다. 직경이 다른 다중벽 탄소나노튜브를 각각 성장하여 두 개의 샘플을 준비하였고 질소 분위기의 RTA(rapid thermal annealing) system에서 $900^{\circ}C$ 온도로 1분간 열처리 하였다. 다중벽 탄소나노튜브의 구조적, 전기적, 전기화학적 특성은 FE-SEM, Raman spectroscopy, 2-point probe station, electrochemical impedance spectroscopy (EIS)을 이용하여 측정하였다. 라만 스펙트럼 분석에서 열처리 한 다중벽 탄소나노튜브의 I(D)/I(G) ratio는 상당히 감소한 것을 확인하였으며, 다중벽 탄소나 노튜브 표면과 전해질과의 산화 환원 반응 특성에서는 열처리 전보다 열처리 후의 전해질과의 산화 환원 반응 특성이 향상된 것을 알 수 있었다. 표면에서의 반응 저항 또한 열처리 후의 다중벽 탄소나노튜브가 더 낮은 값을 나타내었다. 그 결과, 열처리 후의 다중벽 탄소나노튜브를 상대전극으로 사용하였을 때의 전기화학적 특성이 더 좋은 것을 확인하였다. We have studied the effect of heat treatment of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) as a counter electrode on the electro-chemical properties of dye-snsitized solar cells. MWNTs on the p-type Si substrate were synthesized by thermal chemical vapor deposition (CVD) using Fe catalysts. We prepared the two types of MWNTs samples with the different diameters. The rapid thermal annealing (RTA) treatment for the MWNTs was carried out at the growth temperature ($900^{\circ}C$) for 1 minute with $N_2$ gas atmosphere. The structural, electrical and electrochemical properties of MWNTs were investigated by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), Raman spectroscopy, 2-point probe station and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The I(D)/I(G) ratio of heat-treated MWNTs in Raman spectra was considerably decreased. It was also found that the heat-treated MWNTs showed better redox reaction of iodide at the interface between MWNTs surface and electrolyte than that of as-grown MWNTs. The redox resistance value of heat-treated electrodes was measured to be much lower than that of as-grown electrode at the interface. As a result, the counter electrode using the heat-treated MWNTs showed better electrochemical properties.

Effect of Ga-doping on the properties of ZnO films grown on glass substrate at room temperature by radio frequency magnetron sputtering

김금채,이지수,이수경,김도현,이성희,문주호,전민현,Kim, G.C.,Lee, J.S.,Lee, S.K.,Kim, D.H.,Lee, S.H.,Moon, J.H.,Jeon, M.H. The Korean Vacuum Society 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

유리기판 위에 약 500 nm 의 두께로 성장된 ZnO층의 구조적, 광학적, 전기적 성질에 미치는 갈륨도핑의 영향에 대하여 연구 하였다. 다결정 ZnO 와 GZO 층은 상온에서 radio frequency magnetron sputtering 법을 사용하여 성장되었다. 투과전자현미경 (TEM)과 x-ray 회절분석 (XRD)에 의하면, 갈륨이 도핑된 ZnO 박막의 결정성은 ZnO에 비하여 향상되었고 (002)방향을 따라 우선성장 되었음이 발견되었다. GZO 박막의 투과도는 가시광 영역에서 ZnO 박막에 비해 약 10% 정도 향상된 것으로 나타났다. PL 분석에 따르면, NBE emission 세기와 DL emission 세기의 비는 GZO 와 ZnO의 경우 각각 2.65:1 과 1.27:1로 나타났다. GZO와 ZnO의 비저항은 각각 1.27과 1.61 $\Omega{\cdot}cm$로서 GZO의 전기전도도가 높았다. GZO 와 ZnO의 캐리어농도는 각각 $10^{18}$ and $10^{20}cm^2$/Vs으로 측정되었다. 본 실험결과 따르면, Ga 도핑으로 인해 ZnO 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성이 향상되었음을 알 수 있었다. We present the effect of Ga-doping on the electrical, structural and optical properties of ZnO layers with a thickness of ${\sim}500nm$ deposited on glass substrates. Polycrystalline ZnO and Ga-doped ZnO (GZO) layers were deposited by radio frequency (rf) magnetron sputtering at room temperature. Based on the X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) data, the crystalline quality of Ga-doped ZnO film was improved and GZO film has a preferred orientation along with the (002) crystal direction. The transmittance of the GZO film was enhanced by 10% in the visible region from that of the ZnO film. From photoluminescence (PL) data, the ratio of intensity of near band edge (NBE) emission to deep level (DL) emission was as high as 2.65:1 and 1.27:1 in the GZO and ZnO films, respectively. The res istivities of GZO and ZnO films were measured to be 1.27 and 1.61 $\Omega{\cdot}cm$, respectively. The carrier concentrations of ZnO and GZO film were approximately 1018 and 1020 $cm^2$/Vs, respectively. Based on our experimental results, the Ga-doping improves the electrical, structural and optical properties of ZnO film with potential application.

Effect of Ga-doping on the properties of ZnO f ilms grown on glass substrate at room temperature by radio frequency magnetron sputtering

G.C. Kim(김금채),S.K. Lee(이수경),J.S. Lee(이지수),D.H. Kim(김도현),S.H. Lee(이성희),J.H.Moon(문주호),M.H. Jeon(전민현) 한국진공학회(ASCT) 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

유리기판 위에 약 500 ㎚의 두께로 성장된 ZnO층의 구조적, 광학적, 전기적 성질에 미치는 갈륨도핑의 영향에 대하여 연구하였다. 다결정 ZnO 와 GZO 층은 상온에서 radio frequency magnetron sputtering 법을 사용하여 성장되었다. 투과전자 현미경 (TEM)과 x-ray 회절분석 (XRD)에 의하면, 갈륨이 도핑된 ZnO 박막의 결정성은 ZnO에 비하여 향상되었고 (002)방향을 따라 우선성장 되었음이 발견되었다. GZO 박막의 투과도는 가시광 영역에서 ZnO 박막에 비해 약 10% 정도 향상된 것으로 나타났다. PL 분석에 따르면, NBE emission 세기와 DL emission 세기의 비는 GZO 와 ZnO의 경우 각각 2.65:1 과 1.27:1로 나타났다. GZO와 ZnO의 비저항은 각각 1.27과 1.61 Ωㆍ㎝ 로서 GZO의 전기전도도가 높았다. GZO 와 ZnO의 캐리어농도는 각각 10¹? and 10²? ㎠/Vs으로 측정되었다. 본 실험결과 따르면, Ga 도핑으로 인해 ZnO 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성이 향상되었음을 알 수 있었다. We present the effect of Ga-doping on the electrical, structural and optical properties of ZnO layers with a thickness of ~500 ㎚ deposited on glass substrates. Polycrystalline ZnO and Ga-doped ZnO (GZO) layers were deposited by radio frequency (rf) magnetron sputtering at room temperature. Based on the X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) data, the crystalline quality of Ga-doped ZnO film was improved and GZO film has a preferred orientation along with the (002) crystal direction. The transmittance of the GZO film was enhanced by 10% in the visible region from that of the ZnO film. From photoluminescence (PL) data, the ratio of intensity of near band edge (NBE) emission to deep level (DL) emission was as high as 2.65:1 and 1.27:1 in the GZO and ZnO films, respectively. The res istivities of GZO and ZnO films were measured to be 1.27 and 1.61 Ωㆍ㎝, respectively. The carrier concentrations of ZnO and GZO film were approximately 1018 and 1020 ㎠/Vs, respectively. Based on our experimental results, the Ga-doping improves the electrical, structural and optical properties of ZnO film with potential application.