ITO 박막의 특성
PET 필름상의 ITO 투명 전극 스퍼터링 공정은 광투과도 뿐 아니라 전기전도도, 후열처리에서의 ITO 박막 특성변화와 전기저항의 균일성을 고려하여야 한다.
그림1은 DC 파워의 변화에 따른 PET 기판상의 ITO 박막 특성을 나타내고 있다. DC 파워를 400W(1.6W/㎠)에서 1000W(4W/㎠)까지 증가시킬 때 면저항값이 점진적으로 감소하여 최저점을 나타내었다. 이는 DC 파워를 증가시킴에 따라 입사하는 원자들의 높은 ionization과 acceleration으로 인하여 상대적으로 adsorbed atom들의 surface mobility를 증가시킴으로써 결정성 향상에 도움을 주었기 때문이라고 볼 수 있으며 파워의 증가도 증착율의 증가로 나타난다.
열처리 후 면저항의 변화는 400W에서 가장 큰 변화를 보였으며 파워가 증가함에 따라 그 변화가 작아지는 것으로 나타났다.
이는 파워의 증가에 의한 플라즈마 열로 결정성장이 일어난 것으로 보여진다.
그림 1. DC 파워의 변화에 따른 PET 필름상의 ITO 박막 특성Figure 1. Properties of ITO layer on PET film with varing DC power
DC 파워 변화에 의한 ITO-PET 필름의 투과율 특성은 파워가 증가함에 따라 두께의 증가로 투과율이 감소되는 특성을 나타내고 있으며, 열처리 후 ITO-PET 필름의 투과율은 증가함으로 보였다.1000W에서 1.43%, 800W 1.97%, 600W 1.66% , 400W 2%의 변화를 나타냈으며, DC 파워 400W(1.6W/㎠)에서 열처리 후 최적의 ITO 특성을 나타내었다.
ITO 박막에 있어, Sn 도너와 함께 산소결손이 전하운반자의 밀도를 결정한다. 산소 결손은 결정학적 결함이기 때문에 전자의 이동도 저하에 영향을 미친다. 산화물 타겟의 스퍼터링은 타겟에 포함된 산소의 일부가 가스로 방출되어 진공펌프에 의해 챔버 외부로 배기기 때문에 박막 중의 산소의 결핍이 발생된다.
스퍼터링 법에 의한 ITO 박막 증착 시 이러한 결핍을 보상하기 위해서 스퍼터링 중에 일부 산소를 도입한다. 도입 산소량을 증가시키면 막조성이 화학양론적 조성에 가까워지고, 결정학적 결함이 작아지기 때문에 캐리어 전자의 이동도는 상승한다. 반면, 이 때 산소 결손이 감소하고 산소 결손 도너에 의한 캐리어 전자 밀도는 저하된다.
결국 캐리어 전자의 이동도와 밀도, 이 두 가지의 조화에 따라 어떤 도입 산소량 조건에서 ITO 박막의 비저항값은 최소값을 갖게 된다.
그림 2. 다양한 O2 flow rate에 따른 열처리 전∙후 ITO-PET 필름의 특성Figure
2. Properties of as-deopsited and annealed ITO-PET film with varing O2 flow rate
그림 2 는 열처리 후 최적의 ITO-PET 필름의 특성을 나타내는 DC 파워 400W와 Ar 50 sccm의 조건을 고정시킨 후 산소 유량의 변화에 의한 광학적(360~740㎚ 파장대의 평균 투과율, TT) 및 전기적 특성(Rs)을 보여주고 있다. 산소의 유량은 1.1 sccm까지 증가시켰으며 도입한 산소 유량에 의한 공정 압력(working pressure, WP) 변화는 고려하지 않았다.
열처리 전 0~1.1 sccm까지 산소 유량의 변화는 면저항의 감소로 나타났으며 0.9 sccm에서 면저항이 최소값을 나타내었다.
1.1 sccm에서 면저항이 증가하는 특성은 도입된 산소에 의해 화학양론적 결합으로 인한 산소 공공의 감소로 인한 캐리어 밀도의 감소 폭이 전자 이동도의 상승보다 큼으로서 저항이 증가한 것으로 생각된다.
산소 유량의 증가는 산소 공공을 감소시켜 캐리어 밀도를 감소시킴으로 투과율의 상승을 나타내고 있다. 저항의 최저값을 갖는 약 0.7 sccm에서 투과율이 포화상태에 도달한다.
열처리 후에는 산소 유량 0~0.3 sccm 까지 ITO-PET 필름의 저항이 감소하였으며, 0.5 sccm 이상에서는 저항이 크게 증가 하였다.
상압의 covection oven에서의 열처리는 산소의 재결합이 발생되며 산소 재결합은 캐리어 농도 감소로 이어진다. 하지만 산소가 이미 부족한 상태의 0.3 sccm 이하에서는 산소 공공의 감소보다 산소의 재결합으로 인한 화학양론적 결합으로 전자의 이동도 상승과 결정의 크기 증가로 발생된 grain boundary scattering의 감소로 ITO-PET 필름의 저항이 감소한 것으로 보여진다.
ITO-PET 필름의 광투과율은 산소 유량 0.3 sccm에서 포화 상태가 되었으며 이는 열처리로 인한 산소의 재결합으로 포화된 것으로 생각된다.
그림 3 은roll-to-roll 스퍼터링의 ITO-PET 필름의 면저항 및 투과율의 변화를 나타내며 이는 winding 속도에 의한 증착률의 영향으로 생각되고 있다.
그림 3. Roll winding 속도에 변화에 따른 ITO-PET 박막의 특성Figure 3. Properties of the ITO-PET film with varing roll winding speed of roll-to-roll sputter
[출처] ITO 박막의 특성|작성자 제이벡 Jvac