DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 ZrO_(2) 박막의 미세구조와 전기적 특성 고찰

유정호 연세대학교 대학원 2001 국내석사

박막의 증착조건 및 증착후 열처리조건의 변화에 따른 ZrO_(2) 박막의 미세구조와 전기적 특성의 변화에 대한 연구를 수행하였다. P-type (100) 실리콘 기판 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 증착법으로 ZrO_(2) 박막을 증착하였다. 증착한 박막을 아르곤, 질소, 산소 분위기에서 여러가지 조건으로 열처리한 후 ZrO_(2) 박막 및 실리콘 기판과의 계면을 Ellipsometry, XRD, AFM, TEM, RBS, XPS를 이용하여 증착직후의 시편들과 비교 관찰하였다. 또한 열처리에 따른 ZrO_(2) 박막의 전기적 특성의 변화를 Al/ZrO_(2)/p- type (100) Si의 Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) 구조를 형성한 후 캐패시턴스- 전압과 전류- 전압의 측정을 통해 전기적 특성을 분석하였다. 증착시 기판온도와 증착 power가 증가하고 열처리 온도가 증가할수록 ZrO_(2)의 굴절율이 증가함을 관찰하였다. 증착시 기판의 온도가 높을수록 ZrO_(2) 박막은 tetragonal과 monoclinic의 상을 갖는 다결정이었다. 또한 기판온도가 높을수록 박막은 치밀하고 향상된 결정성을 갖음을 관찰할 수 있었다. 산소분위기의 열처리를 행한 경우에 산소가 ZrO2 박막을 통해 확산되어 계면의 실리콘을 산화시켜 계면 산화막이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. Al/ZrO_(2)/p-type (100) Si의 MOS구조로 C-V과 I-V 특성을 관찰한 결과 질소분위기의 열처리를 통하여 박막이 치밀화되어 Cmax 값이 증가하고 산소분위기에서 열처리하는 경우는 계면 산화막의 두께증가로 Cmax 및 누설전류가 감소함을 알 수 있었다. 또한 열처리를 통하여 유전상수가 증가함을 관찰할 수 있었다. We investigated the changes of the microstructures and electrical properties of both the ZrO_(2) film and the interface between the film and Si (100) substrate with deposition and annealing conditions. ZrO_(2) films deposited on p-type (100) silicon by DC magnetron sputtering system was annealed in Ar, N_(2) and O_(2) ambients, and then the microstructures of ZrO_(2) and the interface were investigated by Ellipsometry, XRD (X-Ray Diffraction), AFM (Atomic Force Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy), RBS (Rutherford Backscattering spectroscopy), and XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy). Also, the electrical properties were assessed by C-V (Capacitance-Voltage) and I-V (Current-Voltage) measurements of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitor structure of A1/ZrO_(2)/p-type (100) silicon. We observed that the refractive index value of the ZrO_(2) films increased with an increase in deposition powers and annealing temperatures. The ZrO_(2) films deposited at elevated temperatures are polycrystalline, and both of monoclinic and tetragonal phases exist in the films. The films with higher density and improved crystallinity are obtained at higher deposition temperatures. The interfacial oxide layer between ZrO_(2) films and Si substrates grew upon annealing in the O_(2) gas ambient, which is due to the oxidation of Si substrates by the diffusion of oxidizing species from O_(2) gas ambient. The accumulation capacitance value increased upon annealing in the N_(2) gas ambient due to the densification of the films, while it decreased in O_(2) gas ambient due to the growth of interfacial oxide layer.

DC 마그네트론 스퍼터링법에 의한 NbN 코팅층의 제조 및 특성에 관한 연구

유정식 蔚山大學校 大學院 2001 국내석사

본 연구에서는 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 SKD11강에 내마모성 박막인 NbN을 형성시켰다. 증착변수로서 스퍼터 에칭시간, Nb 중간층 증착시간, 유입 질소량, 기판온도, 바이어스 전압, NbN 증착시간을 변화시켰다. 증착된 박막의 우선 성장방향, 미세구조 및 기계적 성질을 알아보기 위해서 XRD, SEM으로 분석하고, hardness test, scratch test, wear test를 실시하였다. XRD 분석결과 전체 가스 중 N₂ 함량이 10% 이상 되어야 NbN이 형성되는 것을 알 수 있다. N₂ 함량이 10%일때는 우선성장 방위가 (111)이었으며 결정구조는 NaCl Cubic구조였다. 결정립의 크기는 0.1~0.3㎛ 정도였으며, N2량이 증가할수록 결정립이 조대해지는 경향을 보였다. 또 온도변화에 따라 결정립 모양이 변하였으며 150℃일 때 가장 조밀한 구조가 관찰되었다. 코팅층의 성장은 기판에 수직인 주상정 모양으로 성장하였으며 증착시간에 증가에 따라 두께는 직선적으로 증가하였으며 성장속도는 약 375Å/min 정도였다. 바이어스 전압 증가시의 코팅층의 두께는 감소하였다. 코팅층의 경도는 grain의 size가 작고 치밀하며 void를 적게 함유할 수록 높았으며, bias 200V에서 약 Hv 2600 정도로 최대치를 가졌다. 밀착력 측정에서 임계하중은 바이어스 전압이 증가할수록 감소하였으며, 증간층 증착시간이 증가할수록 향상되었다. 그 외에도 기판온도, 에칭시간에도 영향을 받았으며 기판온도가 100℃일 때 약 13N으로 최대값을 나타내었다. scratch test시 발생하는 파괴거동과 마모시험시 발생하는 코팅층의 파괴거동은 유사한 경향을 나타내었고 Si₃N₄를 상대재로 하여 Ball-on-disc type wear tester로 마찰계수를 측정해 본 결과 0.079로 낮은 값을 나타내었다. In this study, deposition of wear resistant NbN films on the SKD11 steel by D.C. magnetron sputtering was investigated. The deposition parameters investigated were sputter etching time, Nb interlayer thickness, amount of N₂ gas flow, substrate temperature, bias voltage and deposition time. Preferred growth direction of films were obtained by XRD and microstructured and mechanical characterization were done by SEM, hardness, scratch, wear tests. Results of XRD indicated NbN films were formed when the fraction of N₂ gas was more than 10% in the total gas flow. In this case, the preferred growth plane was (111) and the crystal structure was cubic. Grain size was about 0.1~0.3㎛. As the amount of N₂ flow increased, the grain became coarse. Also, grain size was changed by temperature. It became very dense at 150℃. The films were composed of columnar grains grown verticality on the substrate. The thickness of films was increased linearly and growth rate was about 375Å/min. When the bias voltage was increased, the thickness of films were decreased. The hardness of films increase when the grains of the films became dense. The maximum hardness was Hv0.05 2600 at the bias of 200V. The critical load decreased by the increase of the bias voltage. But, the adhesion increased, when interlayer and thickness increased. Also, the adhesion was affected by substrate temperature and etching time. When the temperature of substrate was 100℃, the maximum value of 13N was obtained. Dependance of adhesion of NbN films on wear characteristics was determined by the critical load of the scratch test. Friction coefficient of 0.079 was obtained by ball-on-disc type wear test using Si₃N₄ ball.

DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 Reoxidized HfO_(2) 박막의 열처리에 따른 물리적 특성 및 전기적 특성 연구

이동원 연세대학교 대학원 2002 국내석사

DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 Si(100) 기판에 증착한 Hf 박막를 ∼50nm, ∼15nm, ∼10nm 두께로 증착하고 다양한 열처리 방법을 통해 Hf박막의 산화과정을 Si(100)기판과의 계면 및 박막의 미세구조 변화와 전기적 특성을 관찰하였다. Hf(∼50nm)/Si시스템과 Hf(∼15nm)/Si시스템에서 600℃이상에서의 열처리시 박막 표면의 Hf 산화반응과 더불어 Si기판에서는 Hf실리사이드 반응이 동시에 일어남을 관찰하였다. 또한, 800℃에서의 열처리 시간을 30분으로 진행하였을 때, 초기에 생성된 Hf실리사이드가 박막표면에서 확산되어 들어온 산소와 반응하여 HfO_(2)와 SiO_(2)가 형성되는 분해반응이 일어나며, 이때 생성된 Si가 산소와 반응하여 Si기판과의 계면에서 불균일하게 SiO_(2) 계면층이 형성됨을 관찰할 수 있었다. Hf(∼10nm)/Si시스템를 Vertical Furnace에서 열처리시 RMS Roughness가 크게 증가하지 않아 균일한 reoxidized HfO_(2) 박막을 얻을 수 있었다 HRTEM과 XPS분석을 통해 Hf박막을 증착 후 대기에 노출되었을 때 자연산화가 되며, 열처리를 통해 산소가 확산되어 들어와 Si기판과 반응하여 SiO_(2)계면층이 성장하여 N_(2)분위기, 800℃로 5분간 열처리한 시편의 경우 20Å 인것을 관찰하였다. CET는 51.5A˚이며 유전상수는 ∼15.5로 계산되었으며, 전하밀도는 4.07×10^(+12) #/㎠, -1V에서의 누설전류는 0.018A/㎠ 나타냈다. N_(2)분위기, 600℃에서 열처리 시간에따른 시편과 O_(2)분위기에서 열처리한 시편의 경우에도 위와 유사한 결과를 얻었다. We investigated the change of the microstructure which depended on the thickness of Hf films deposited by DC magnetron sputtering on Si substrate for gate dielectric application. Also, we estimated the electrical property. The Hf films that were reoxidized by the RTA (rapid thermal annealing) were analyzed by AFM, XRD, XPS, AES and HR-TEM. For ∼50nm thick as-deposited Hf film, the HfO_(2) layer at the surface was observed about 5nm by HR-TEM. The HfO_(2) layer increased to be 15nm at 600℃ in N_(2) ambient. Especially, the HfO_(2) grains were shown not only at the surface of the Hf film but also at the silicide(Hf_(5)Si_(4)) grain boundaries. These grains of silicides on the Si substrate were not observed at this sample that annealed at 800℃ for 30min in N_(2) ambient, due to decompositing into HfO_(2) and Si. And then the Si reacted with the oxygen that diffused from surface and accumulated on the interface of Si-substrate. We observed small grains of the HfO_(2) film due to the local crystallization of the ∼10nm as-deposited Hf films by HR-TEM. The thickness of the interfacial layer between hafnium oxide and Si substrate was about 8Å. After annealing by Furnace for increasing anneal time and temperature in N_(2) or O_(2) ambient, the thickness of interfacial layer was increased to that of as-deposited film.

DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 Reoxidized HfO₂ 박막의 열처리에 따른 물리적 특성 및 전기적 특성 연구

이동원 연세대학교 2002 국내석사

Boron이 이중도핑된 ZnO 계열의 태양전지용 투명전도막의 특성향상에 관한 연구

이종환 성균관대학교 일반대학원 2009 국내석사

최근 급격한 산업화의 진행으로 인해 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 해결방안으로 선진 각 국에서는 신·재생에너지 개발에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그 중 태양광 발전이 최근 주목받고 있다. 온실가스 매출, 환경파괴 등을 초래하지 않는 무공해 에너지원이지만 아직은 발전단가가 높다는 단점으로 저가화에 많은 주안점을 두고 있는데, 이는 보급 및 활성화를 촉진하기 위한 선결과제라고 할 수 있다. 태양광 발전의 보급, 활성화를 촉진하기 위해서는 저가, 고효율의 새로운 태양전지 재료와 제조 공정의 개발이 필요한데, 박막 태양전지는 이러한 목적에 가장 접한한 형태이다. 현재 박막 태양전지의 경우 대부분 투명 전도성 산화물 (Transparent Conductiong Oxide, TCO)이 코팅된 유리기판을 사용하여 제작하고 있다. 대표적 투명 전도막으로 주석이 도핑된 인듐산화물 (Induim Tin Oxide, ITO)가 주로 사용되고 있다. ITO의 경우 광학적 성질과 전기적 특성이 우수하나 태양전지나 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT) 제작시 수소 플라즈마에 노출되면 환원에 의한 열화가 발생되는 문제가 있고 원료 물질인 인듐의 경우 희토류에 속하는 물질이라 국내 가격도 kg당 200만원 이상 형성되어 있으며 대부분을 일본과 중국에서 수입하고 있다. 이러한 ITO의 문제점들을 보완하기 위한 새로운 물질의 개발이 계속 진행되어 왔고, ZnO가 대표적인 재료이다. 최근 ZnO계 막이 SnO2계에 비해 플라즈마 환경에서 화학적 안정성이 더 우수한 것으로 알려지면서 평판 디스플레이 및 태양전지의 투명 전극으로의 응용을 위해 전도도 및 투과율을 향상시키기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러나 플라스틱 기판 위에 투명 전도막을 코팅한 제품의 생산 기반 및 제조기술은 초보적인 단계로 전량 수입에 의존하고 있다. 따라서 이의 국산화를 위해서는 높은 광투과율(>80%)과 낮은 비저항(<10-3 Ω-cm)의 투명전극 기판의 개발이 절대적으로 필요하다. 따라서 본 연구에서는 Al, Ga 불순물을 도핑한 ZnO 박막을 이용하여 투명전도막으로 적용함에 있어 가장 우수한 특성을 지닌 박막을 얻고자 하였다. 또한 경량화, 초박화를 목적으로 기존의 glass 기판을 대체하기 위한 물질로 폴리카보네이트(PC : polycarbonate) 기판을 사용하여 박막을 증착하였다. 하지만 폴리카보네이트 기판은 낮은 열변형온도(130-138℃) 때문에 증착 시 막질의 향상을 위해 기판온도를 높이는 행위가 제한된다. 따라서 상온에서 성장시킨 ZnO 단층박막은 충분한 결정화가 이루어지지 않기 때문에 상당히 높은 저항값을 나타낸다. 이러한 단점을 개선시키기 위하여 Al과 Ga을 도핑한 타겟에 박막의 전송자 농도를 증가시키고 구조적 안정도를 향상시키기 위해 3족 원소 중에서 원자 반경이 가장 작은 B를 타겟에 추가 첨가하여 박막을 증착하였다. 이에 따라 공정압력, 방전 전력, 기판의 온도 변화 및 후열처리 등의 실험을 통하여 박막특성을 평가하고 이들 분석으로부터 얻은 데이터를 토대로 기존의 AZO, GZO 박막과의 비교를 통해 구조 및 전기, 광학적 특성을 연구하였다. ZnO is a Ⅱ-Ⅵ compound semiconductor and has a wide band gap of about 3.3 eV, but the electrical properties of intrinsic ZnO thin films are not good. Therefore, some elements (Al, Ga, In, Ti, B etc) are added in order to improve the conductivity of intrinsic ZnO films. Espeically, Al and Ga doped ZnO thin films show relative low resistivity and high transmittance in the visible light range. In this paper, in order to obtain the excellent transparent conducting film with low resistivity and high optical transmittance for solar cells, Boron co-doped AZO and GZO thin films were deposited on polycarbonate (PC) and glass substrate by dc magnetron sputtering. We investigated the influence of the discharge power, annealing temperature and multilayer on the structural, electrical, optical and morphological properties of AZOB and GZOB. And TCO thin films deposited on flexible substrates were compared with TCO thin film deposited on glass substrates. Crystallinity was measure by XRD (x-ray diffraction). 4-point probe [CMT-ST 1000] was used to analyze the electrical analysis.. We use UV visible [Scinco- s 3100] (Optical transmittance). The AZOB films showed a low electrical resistivity of 7 ×10-4 Ω-cm and a high optical transmittance of 85% on PC substrate. Also, the GZOB films showed a low electrical resistivity of 8.67 ×10-4 Ω-cm and a high optical transmittance of 85% on glass substrate. This result showed that implantation of Boron atoms into thin films led to improve the structural and electrical properties of ZnO TCO thin films. We confirmed that AZOB TCO thin film deposited on flexible substrates at low temperature were more suitable than AZO thin film for flexible solar cell.

반응성 마그네트론 스퍼터를 이용한 Cu-CH₄스트레인 게이지 재료의 제조

박유림 인제대학교 일반대학원 2024 국내석사

본 연구는 Cu의 Reactive Sputtering에 의해 얻어지는 Cu-CH4 증착물의 특성 분석을 목표로 한다. 합금 박막을 만드는데 효과적인 마그네트론 스퍼터를 사용하였으며, Ar과 CH4의 혼합가스로 증착하여 미세구조 및 기계적 특성(경도), 전기적 특성을 비교하여 연구하였다. Cu-CH4로 증착 된 박막은 게이지 계수가 높기 때문에 적은 양의 변형률로 저항 변화가 커서 고감도의 장점을 가지고 있다. 또한 높은 증착율 및 간편한 제작과 우수한 선형성 및 안정성으로 많은 응용 분야에 적합하다. 스트레인 게 이지 소자로 사용 가능함을 목표로 하며, 이는 미세한 치구의 변화, 응 력의 크기를 알 수 있는데 용이하다. 먼저 Cu-CH4 의 경우 박막의 저항 은 혼합가스의 CH4 분압이 가장 높을 때 203.7 Ω으로 가장 높은 값을 가졌다. CH4가스의 경우 혼합가스 분압이 높아질수록 저항은 0.1 Ω에서 203.7Ω으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 광택도의 경우 CH4 22.8 sccm 의 조건에서 13°로 가장 낮은 값을 가졌다. 본 연구 결과를 요약하면 Reactive magnetron Sputtering법을 이용하여 Cu-CH4 박막을 증착할 수 있었다. The purpose of this study is to characterize Cu-CH4 deposits obtained by reactive sputtering of Cu. Magnetron sputters, which are effective for making amorphous alloy thin films, were used and deposited with Ar and CH4 to study the microstructure, mechanical properties (hardness), and electrical properties. Cu-CH4 thin films have high sensitivity due to high gauge coefficient and low strain, and are suitable for many applications due to their simple fabrication and excellent linearity and stability. It is aimed to be usable as a strain gauge device, which is easy to know the change of fine jig and the magnitude of stress. First, in the case of Cu-Ch4, the resistance of the thin film was the highest value of 203.7Ω when the CH4 partial pressure of the mixed gas was the highest. In the case of CH4 gas, the resistance increased from 0.1 Ω to 203.7 Ω as the partial pressure of the mixed gas increased, and the glossiness was the lowest at 22.8 sccm to 13°. To summarize the results of this study, Cu-CH4 thin films could be deposited using the Reactive magnetron sputtering method.

RF/DC 마그네트론 스퍼터법에 의한 Ba1-xYxTiO3계 세라믹 박막의 제조와 PTC효과에 관한 연구

양용석 圓光大學校 1994 국내석사