The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences (한국전자통신학회논문지)

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Effect of RTA Temperature on the Structural and Optical Properties of HfO2 Thin Films

급속 열처리 온도가 HfO2 박막의 구조적 및 광학적 특성에 미치는 효과

  • 정윤근 (전남대학교 기계설계공학부) ;
  • 정양희 (전남대학교 전기 및 반도체공학과) ;
  • 강성준 (전남대학교 전기 및 반도체공학과)
  • Received : 2019.05.14
  • Accepted : 2019.06.15
  • Published : 2019.06.30
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Abstract

We fabricated $HfO_2$ thin films using RF magnetron sputtering method, and investigated structural and optical properties of $HfO_2$ thin films with RTA temperatures in $N_2$ ambient. $HfO_2$ thin films exhibited polycrystalline structure regardless of annealing process, FWHM of M (-111) showed reduction trend. The surface roughness showed the smallest of 3.454 nm at a annealing temperature of $600^{\circ}C$ in result of AFM. All $HfO_2$ thin films showed the transmittance of about 80% in visible light range. By fitting the refractive index from the transmittance and reflectance to the Sellmeir dispersion relation, we can predict the refractive index of the $HfO_2$ thin film according to the wavelength. The $HfO_2$ thin film annealed at $600^{\circ}C$ exhibited a high refractive index of 2.0223 (${\lambda}=632nm$) and an excellent packing factor of 0.963.

본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 법을 이용하여 $HfO_2$ 박막을 제작하고, 질소 분위기에서 급속 열처리 온도에 따른 $HfO_2$ 박막의 구조적 및 광학적 특성을 조사하였다. XRD 측정을 통해 열처리 유무에 상관없이 $HfO_2$ 박막은 다결정 구조를 가짐을 확인할 수 있었고, 열처리 온도가 증가함에 따라 반가폭은 감소하는 추세를 나타내었다. 박막의 표면을 AFM 으로 조사한 결과, $600^{\circ}C$ 에서 열처리한 박막의 표면 거칠기가 3.454 nm 로 가장 작은 값을 나타내었다. 모든 $HfO_2$ 박막들은 가시광 영역에서 약 80% 정도의 투과도를 나타내었다. 또한 투과도와 반사도로부터 구한 굴절률과 셀마이어 분산 관계로부터, 파장에 따른 $HfO_2$ 의 굴절률을 예측할 수 있었다. $600^{\circ}C$ 에서 열처리 한 $HfO_2$ 박막이 2.0223 (${\lambda}=632nm$) 의 높은 굴절률과 0.963 의 높은 우수한 충진율을 나타내었다.

Keywords

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그림 1. 열처리 온도에 따른 HfO2 박막의 XRD 패턴 Fig. 1 XRD patterns of the HfO2 thin films with various RTA temperatures

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그림 2. 열처리 온도에 따른 HfO2 박막의 반가폭과 결정 크기 Fig. 2 FWHM and Crystallite size of HfO2 thin films with various RTA temperatures

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그림 3. 열처리 온도에 따른 AFM 표면 형상과 표면 거칠기 Fig. 3 AFM images and surface roughness of HfO2 thin films with various RTA temperatures

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그림 4. 열처리 온도에 따른 HfO2 박막의 투과도와 반사도 Fig. 4 Optical transmittance and reflectance of the HfO2 thin films with various RTA temperatures

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그림 5. 셀마이어 분산식에 의해 피팅된 600℃에서 열처리 한 HfO2 박막의 굴절률 Fig. 5 Refractive index of HfO2 thin film annealed at 600℃, fitted by Sellmeier dispersion equation

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그림 6. 열처리 온도에 따른 파장 632nm 에서의 HfO2 박막의 굴절률 Fig. 6 Refractive index of HfO2 thin films at 632 nm of wavelength with various RTA temperatures

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그림 7. 열처리 온도에 따른 HfO2 박막의 충진율 Fig. 7 Packing density of HfO2 thin films with various RTA temperatures

표 1. HfO2 박막의 증착조건 Table 1. Deposition conditions for the HfO2 thin films

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표 2. 셀마이어 분산 관계식으로부터 계산된 변수 A와 B 값 Table 2. Calculated coefficients A and B of Sellmeier dispersion formula

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