The electrical and structural properties of ITO film vary drastically depending on sputtering conditions. Especially in the reactive sputtering, the oxygen concentration and substrate temperature are critical factors for controlling the properties of the films.
In the present work, we studied changes of the sheet resistance and transmittance of the ITO films by varying the amount of oxygen flow rate and substrate temperature. Two different target to substrate distances, 5cm and 10cm were employed to study the effects of the distance on the properties of the films. For the experiments, argon and oxygen extended tubes which were positioned near target and substrate, respectively were used to eliminate the arc and plasma instability which often occur during an reactive sputtering.
By a primary experiment an optimum oxygen flow rate was roughly selected and oxygen flow rate was changed by a small increment in the experiment in this range.
As oxygen flow rate increased, sheet resistance of the film decreased until sheet resistance reached 18,80 Ω/□ which was the lowest value when $d_{t/s}$ was 5cm and 19.96 Ω/□ when $d_{t/s}$ was 10cm. With further increase of oxygen flow rate, the sheet resistance of film increased again. In contrast to the sheet resistance, visible light transmittance kept nearly a constant value of higher than 85% transmission in this oxygen flow rate.
Hall effect measurement and microstructural analysis were employed to understand the variation of the sheet resistance. It was found that the carrier mobility change is the governing factor for controlling the sheet resistance in the lower oxygen flow rate range than the optimum range. The change of carrier mobility looks very similar to that of sheet resistance.
When the oxygen flow rate is lower than that of the optimum flow rate showing the lowest value of sheet resistance, the ITO films showed faceted grains or tangled fiber type structure, as the oxygen flow rate decreased fiber diameter was smaller than the grain size of the film of the minimum resistivity. This suggests that the grain boundary is scattering source in ITO films.
When oxygen flow rate is higher than that of the optimum flow rate showing the lowest value of sheet resistance, grain size of the films decreases drastically and the carrier concentration decreases by the decrease of oxygen vacancies. These two factors - increased grain boundary area and decreased carrier concentration - increase the sheet resistance. In the region of the high oxygen flow rate, carrier concentration acts as a more dominant factor for increasing the sheet resistance.
It is concluded that in the narrow oxygen flow rate range, the change of the carrier mobility strongly affected by the film grain size is major factor for controlling electrical properties of the films.
It was also found that the films with the minimum electrical resistivity showed a random orientation unlike other previous reports. However, the film made in the lower and the higher oxygen flow rate region showed high sheet resistance and a preferred orientation of (400) and (211).
As the substrate temperature increased, the structure of the films changed from amorphous to crystalline structure. Consequently, the sheet resistance decreased by the increased carrier mobility and concentrations. Transmittance of the amorphous film was slightly lower than that of crystallized film.
There were no significant changes in electrical resistivity and optical transmission except deposition rate when the target to the substrate distance changed from 5cm to 10cm.
ITO 박막의 전기, 광학적 특성은 박막의 증착 조건에 따라 매우 심하게 변화한다. 특히 반응성 스퍼터 시에는 증착 과정에서 주입되는 산소 유량과 기판 온도는 박막의 특성을 결정하는 중요한 변수 중의 하나이다.
본 실험에서는 In-10%Sn 합금 타겟을 사용하여 주입되는 산소의 유량과 기판 온도를 조절하면서 전기 저항의 변화와 가시광선 투과도의 변화를 관찰 하였다. 또한 타겟과 기판 사이의 거리는 10cm와 5cm 두 경우로 나누어 실험 하였다. 그리고 반응성 스퍼터 시 발생하는 플라즈마 불안정과 아크를 제어하기 위해서 아르곤과 산소 의 주입을 각각 타겟과 기판 가까이까지 연장시킨 "연장 튜브"법을 써서 실험하였다.
산소 유량의 증가에 따라 박막의 전기저항은 계속 감소하여 타겟과 기판 사이의 거리가 10cm의 경우는 19.96 Ω/□, 5cm의 경우는 18.80 Ω/□ 의 전기 저항치를 나타낸 후, 다시 증가하였으며, 광투과도의 경우는 본 실험에서 정한 실험 영역에서는 85% 이상을 유지하며 일정하게 유지되었다.
산소 유량 변화에 따른 전기 저항의 변화는 Van der Pauw 방법과 SEM의 측정 결과로 볼 때 박막 구조의 변화에 의한 carrier (전자) 유동도의 변화가 전기 저항을 결정하는 주요 요인으로 판단된다. Carrier 유동도의 변화는 저항의 변화와 매우 유사하다.
즉 최저 저항치를 나타내는 박막보다 산소 주입량보다 적은 산소가 주입 되었을 경우, 박막의 구조가 grain 형상을 이루지 못하고 fiber가 엉킨 것 같은 불연속 구조를 이루게 되고, 이러한 fiber의 크기도 가장 좋은 특성을 나타내는 시편에서의 grain 크기보다 작음으로 산란 효과가 강하게 작용하여 전자의 유동도를 감소시키는 것으로 판단된다.
또한 최적 조건보다 과다의 산소가 주입되었을 경우, grain size가 감소되는 경향을 나타내고 있어 grain size의 감소로 인한 grain boundary의 증가와 그로인한 산소 공공의 감소로 인한 carrier 농도의 감소의 두 가지 요인에 의해서 전기 저항이 증가하며, 산소 유량이 많을수록 carrier 농도 감소가 더 큰 역할을 한다.
결론적으로 미세한 산소 유량 범위 내에서는 이러한 구조적 요인에 의한 carrier 유동도의 변화가 ITO박막의 전기 저항을 증가 또는 감소시키는 주된 원인으로 판단된다.
그리고 XRD분석 결과, 낮은 전기 저항과 높은 광투과율을 갖는 최적 조건에서 박막은 random한 배향을 나타내었으며 최적 조건보다 적거나 많은 산소 유량에서 만들어진 박막에서는 (211)과 (400) 방향으로 우선 배향(preferred orientation)되는 것이 발견되었다.
기판 온도의 증가에 따라 박막 구조는 비정질에서 결정질로 바뀌어 가는 것이 관찰되었으며 이에 따라 전기 전도도는 전자의 농도와 유동도가 증가 하면서 증가하였다. 광투과도는 박막이 비정질인 경우 다소 낮은 값을 나타내었다.
이상과 같은 결과는 타겟과 기판 사이의 거리를 10cm로 했을 경우나 5cm로 했을 경우 모두 관찰되었으며, 전기저항, 광투과도 등 측정치의 차이는 증착 속도를 제외하고는 커다란 차이는 없었다.
