• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.21 no.5
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• pp.273-278
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• 2012

Over the last decade, the hafnium-based gate dielectric materials have been studied for many application fields. Because these materials had excellent behaviors for suppressing the quantum-mechanical tunneling through the thinner dielectric layer with higher dielectric constant (high-K) than $SiO_2$ gate oxides. Although high-K materials compensated the deterioration of electrical properties for decreasing the thickness of dielectric layer in MOSFET structure, their nano-mechanical properties of $HfO_2$ thin film features were hardly known. Thus, we examined nano-mechanical properties of the Hafnium oxide ($HfO_2$) thin film in order to optimize the gate dielectric layer. The $HfO_2$ thin films were deposited by rf magnetron sputter using hafnium (99.99%) target according to various oxygen gas flows. After deposition, the $HfO_2$ thin films were annealed after annealing at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ for 20 min in nitrogen ambient. From the results, the current density of $HfO_2$ thin film for 8 sccm oxygen gas flow became better performance with increasing annealing temperature. The nano-indenter and Weibull distribution were measured by a quantitative calculation of the thin film stress. The $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had tensile stress. However, the $HfO_2$ thin film with increasing the annealing temperature up to $800^{\circ}C$ had changed compressive stress. This could be due to the nanocrystal of the $HfO_2$ thin film. In particular, the $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had lower tensile stress, such as 5.35 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 5.54 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. While the $HfO_2$ thin film after annealing at $800^{\circ}C$ had increased the stress value, such as 9.09 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 8.17 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. From these results, the temperature dependence of stress state of $HfO_2$ thin films were understood.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.156-157
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• 2012

단일 셀에서 비휘발성 및 고속의 휘발성 메모리를 모두 구동할 수 있는 다기능 메모리는 모바일 기기 및 embedded 장치의 폭발적인 성장에 있어 그 중요성이 커지고 있다. 따라서 최근 이러한 fusion기술을 응용한 unified RAM (URAM)과 같은 다기능 메모리의 연구가 주목 받고 있다. 이러한 다목적 메모리는 주로 silicon on insulator (SOI)기반의 1T-DRAM과 SONOS기술 기반의 비휘발성 메모리의 조합으로 이루어진다. 하지만 이런 다기능 메모리는 주로 단결정기반의 SOI wafer 위에서 구현되기 때문에 값이 비싸고 사용범위도 제한되어 있다. 따라서 이러한 다기능메모리를 다결정 실리콘을 이용하여 제작한다면 기판에 자유롭게 메모리 적용이 가능하고 추후 3차원 적층형 소자의 구현도 가능하기 때문에 다결정실리콘 기반의 메모리 구현은 필수적이라고 할 수 있겠다. 본 연구에서는 다결정실리콘을 이용한 channel recessed구조의 다기능메모리를 제작하였으며 각 1T-DRAM 및 NVM동작에 따른 memory 특성을 살펴보았다. 실험에 사용된 기판은 상부 비정질실리콘 100 nm, 매몰산화층 200 nm의 SOI구조의 기판을 이용하였으며 고상결정화 방법을 이용하여 $600^{\circ}C$ 24시간 열처리를 통해 결정화 시켰다. N+ poly Si을 이용하여 source/drain을 제작하였으며 RIE시스템을 이용하여 recessed channel을 형성하였다. 상부 ONO게이트 절연막은 rf sputter를 이용하여 각각 5/10/5 nm 증착하였다. $950^{\circ}C$ N2/O2 분위기에서 30초간 급속열처리를 진행하여 source/drain을 활성화 하였다. 계면상태 개선을 위해 $450^{\circ}C$ 2% H2/N2 분위기에서 30분간 열처리를 진행하였다. 제작된 Poly Si MFM에서 2.3V, 350mV/dec의 문턱전압과 subthreshold swing을 확인할 수 있었다. Nonvolatile memory mode는 FN tunneling, high-speed 1T-DRAM mode에서는 impact ionization을 이용하여 쓰기/소거 작업을 실시하였다. NVM 모드의 경우 약 2V의 memory window를 확보할 수 있었으며 $85^{\circ}C$에서의 retention 측정시에도 10년 후 약 0.9V의 memory window를 확보할 수 있었다. 1T-DRAM 모드의 경우에는 약 $30{\mu}s$의 retention과 $5{\mu}A$의 sensing margin을 확보할 수 있었다. 차후 engineered tunnel barrier기술이나 엑시머레이저를 이용한 결정화 방법을 적용한다면 device의 특성향상을 기대할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 다결정실리콘을 이용한 다기능메모리를 제작 및 메모리 특성을 평가하였다. 제작된 소자의 단일 셀 내에서 NVM동작과 1T-DRAM동작이 모두 가능한 것을 확인할 수 있었다. 다결정실리콘의 특성상 단결정 SOI기반의 다기능 메모리에 비해 낮은 특성을 보여주었으나 이는 결정화방법, high-k절연막 적용 및 engineered tunnel barrier를 적용함으로써 해결 가능하다고 생각된다. 또한 sputter를 이용하여 저온증착된 O/N/O layer에서의 P/E특성을 확인함으로써 glass위에서의 MFM구현의 가능성도 확인할 수 있었으며, 차후 system on panel (SOP)적용도 가능할 것이라고 생각된다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.21 no.6
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• pp.333-341
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• 2012

Indium Tin Oxide (ITO) thin films were prepared by RF magnetron sputtering with different flow rates of $O_2$ gas from 0 to 12 sccm. Electrical and optical properties of these films were characterized and analyzed. ITO deposited on soda lime glass and RF power was 2 kW, frequency was 13.56 MHz, and working pressure was $1.0{\times}10^{-3}$ Torr, Ar gas was fixed at 1,000 sccm. The transmittance was measured at 300~1,100 nm ranges by using Photovoltaic analysis system. Electrical properties were measured by Hall measurement system. ITO thin films surface were measured by Scanning electron microscope. Atomic force microscope surface roughness scan for ITO thin films. ITO thin films secondary electron emission coefficient(${\gamma}$) was measured by ${\gamma}$-Focused ion beam. The resistivity is about $2.4{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$ and the weighted average transmittance is about 84.93% at 3 sccm oxygen flow rate. Also, we investigated Work-function of ITO thin films by using Auger neutralization mechanism according to secondary electron emission coefficient(${\gamma}$) values. We confirmed secondary electron emission peak at 3 sccm oxygen flow rate.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.351-352
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• 2012

UV LED에서 p-GaN층의 높은 일함수와 자체 면저항이 크기 때문에 current spreading layer인 ITO (indium tin oxide) 투명전극이 사용되고 있다. 따라서 높은 UV 파장대 투과율과 낮은 면 저항이 매우 중요하다. 본 연구에서, RF magnetron sputter를 사용하여 ITO 투명전극을 glass(boro33)에 120 nm 두께로 증착하였다. 그 후 RTA (rapid thermal annealing)을 이용해 120초 동안 $600^{\circ}C$에서 Air, $N_2$ (15 sccm), vacuum 환경에서 열처리를 하여 UV-Vis-NIR spectrophotometer를 사용해 ITO 박막의 투과율을 측정하고, Hall measurement system을 이용하여 전기적 특성을 측정하였다. Fig. 1과 같이 열처리 환경에 따라 ITO 박막의 투과율이 변하고 또한 Table 1과 같이 전기적 특성도 변함을 알 수 있었다. Air 환경에서의 열처리는 reference 샘플과 비교 했을 때 400 nm 이하의 파장에서 투과율이 증가하였지만 400 nm 이상의 파장에서는 투과율이 낮아짐을 볼 수 있고, 면 저항 (Ohm/sq)은 오히려 reference (as deposited) 샘플과 비교하여 24 Ohm/sq 증가하는 것을 알 수 있었다. 반면에 $N_2$, vacuum 환경에서 열처리는 reference (as deposited) 샘플 보다 380 nm 파장대에서 16% 정도 높은 투과율을 보였고, 면저항 역시 2배 이상 낮아졌다. 둘 다 비슷한 투과율과 면저항을 나타내었지만 vacuum 환경이 좀 더 우수한 광학적 특성을 나타내었고 반면에 $N_2$ 환경은 좀 더 낮은 면저항을 나타내었다. ITO 박막을 증착한 후 vacuum 환경에서 열처리를 통하여 제작된 UV-LED (중심 파장 380 nm)가 Fig. 2와 같이 입력 전류 450 mA에서 광출력이 46% 정도 향상 되었고 안정된 I-V 특성 보였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.238-238
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• 2012

Ag (silver)의 일함수는 T-OLED (Top Emission Organic Light Emitting Diode)의 전극소자로 사용하기에는 다소 낮다는 단점이 있다(~4.3 eV). 이러한 단점을 해결하기 위한 대안으로 Ag 박막의 표면을 플라즈마 처리, UV 처리 및 열처리를 통하여 일함수를 높이는 연구가 진행 되어왔다(>5.0 eV). 하지만 현재의 대부분 연구는 후 처리된 박막의 일함수에 초점을 맞춰 연구가 진행 되어 박막의 nano-mechanical property에 대한 연구는 매우 부족하다. 따라서 본 논문에서는 AgOx 박막의 nano-mechanical property에 초점을 맞춰 분석을 실시하였다. 연구에 사용된 샘플은 Ag 박막을 유리기판 위에 rf-magnetron sputter 장치를 이용하여 100 W의 power로 150 nm 두께로 증착하였다. 증착된 Ag 박막은 $O_3$ 발생 UV 램프를 이용하여, 다양한 시간동안 UV 처리하였다(0~9분). 증착된 샘플은 Four-point probe, nanoindenter 장비를 이용하여 nano-mechanical property를 분석하였다. 실험 결과 UV 처리 시간이 0, 1분에서 면저항이 0.16, 0.50 ${\Omega}$/sq로 급격한 변화가 나타났으나, 반면 3분 이후 9분의 샘플의 경우, 0.55 ${\Omega}$/sq에서 0.24, 0.20, 0.15 ${\Omega}$/sq로 감소하여 전기적 특성변화를 볼 수 있었다. 또한 nanoindenting 결과 UV 처리한 박막의 극 표면 경도 값의 변화는 0~5분 처리한 샘플의 경우, 물리적인 경도가 증가하는 형태를 보이며 UV 처리를 5분간 했을때 7.89 GPa로 최고의 경도를 가진다. 그 이후부터는 6.97, 3.46 GPa의 결과로 박막의 경도가 감소되는 결과를 얻었다. 이러한 결과로부터 Ag 박막의 후처리에 따른 Ag 물질의 산화 및 결정상태에 따라 박막 내에 존재하는 residual stress를 분석할 수 있다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.57.2-57.2
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• 2010

투명전도 산화막(Transparent conducing oxide: TCO)은 태양 전지, 터치패널, 가스 센서 등 여러 분야에 적용할 수 있는 물질로서 전기 전도성과 광 투과성을 동시에 가진다. 높은 전기 전도성과 광 투과성을 가지는 Sb:$In_2O_3$(ITO)는 투명전도 산화막 재료로써 가장 일반적으로 사용되고 있으나 인듐의 매장량 한계로 인해 가격이 높다는 단점이 있다. 본 연구에서는 ITO 대체 TCO 물질인 Al doped ZnO(AZO)를 rf magnetron sputter를 이용하여 최적의 수소 도핑량을 찾아 ITO의 전기적 광학적 성질과 비교하였다. AZO 박막은(ZnO:Al2O3 2wt.%)타겟을 이용하여 heater 온도 250도에서 슬라이드 글래스 및 코닝 글래스에 증착시켰고 비교군인 ITO박막은 (In2O3:$SnO_2$ 10wt.%)타겟을 이용하여 수소 도핑 없이 350도로 증착시켰다. AZO 및 ITO 박막의 전기적 특성은 hall measurement를 이용하여 측정하였고, UV-VIS spectrophotometer로 광학적 특성을 측정하였다. 수소 도핑량이 증가함에 따라 AZO 박막의 캐리어 농도가 증가하여 전기적 특성이 향상되었고, 가시광 영역에서 높은 평균 투과도를 유지 하였다. AZO 박막과 ITO 박막의 전기적 및 광학적 특성을 비교한 결과, 최적 수소 도핑량을 가진 AZO 박막은 ITO 박막에 준하는 특성을 보였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.291-292
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• 2012

MOSFET 구조에서 metal oxide에 기반을 둔 게이트 유전체의 연구는 실리콘(Si)을 기반으로 한 반도체 발명이래로 가장 인상적인 발전을 이뤄 왔다. 이는 metal oxide의 높은 유전상수 특성이 $SiO_2$보다 우수하고, 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 때문이다. 특히 지난 10년 동안, Hafnium에 기반을 둔 $HfO_2$는 차세대 반도체용 유전 물질로 전기적 구조적 특성에 대한 연구가 활발히 진행되어왔다. 그러나 현재까지 $HfO_2$에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 미미하여 이에 대한 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 Hf 및 $HfO_2$ 박막의 증착 및 열처리 조건을 다르게 하여 실험을 진행하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si 기판위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 6 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 6 sccm으로 증착한 시료의 current density 성능이 모든 열처리 과정에서 증가하였다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 경도 (Hardness)는 as-deposited 시료를 기준으로 $400^{\circ}C$에서는 감소했으나 온도가 높아질수록 증가하였다. 특히, $400^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 산소농도에(4 sccm : 5.35 GPa, 6 sccm : 6.15 GPa)따른 두 시료간의 변화가 가장 두드러졌다. 반면에, 탄성계수 (Elastic modulus)는 산소농도 6 sccm을 넣고 증착된 시료들이 4 sccm을 넣고 증착한 시료보다 모두 높은 값을 나타냈다. 또한, $800^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 산소농도에(4 sccm : 128.88 GPa, 6 sccm : 149.39 GPa)따라 표면의 탄성에 큰 차이가 있음을 확인하였다. 이는 증착된 $HfO_2$ 시료들이 비정질 상태에서 $HfO_2$로 결정화되는 과정에서 산소가 증가할수록 박막의 defect이 감소되기 때문으로 사료된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.393-393
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• 2016

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 높은 효율과 낮은 제조비용, 높은 신뢰성으로 인해 박막 태양전지 중 가장 각광받고 있다. 특히 유리기판 대신 가볍고 유연한 철강소재나 플라스틱 소재를 이용하여 발전분야 외에 건물일체형, 수송용, 휴대용등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이러한 유연 기판을 이용한 CIGS 태양전지의 개발을 위해서는 기판의 특성에 따른 다양한 공정개발이 선행되어야 한다. Stainless steel과 같은 철강기판의 경우 Fe, Ni, Cr등의 불순물이 확산되어 흡수층의 특성을 저하시켜 효율을 감소시킨다. 따라서 이러한 철강 기판의 경우 불순물의 확산을 방지하는 확산방지막이 필수적이다. 이러한 유연기판의 특성을 고려하여 본 연구에서는 기존의 두껍고 추가 장비가 요구되는 SiOx나 Al2O3 대신 200nm 이하의 ZnO 박막을 이용하여 확산방지막을 제조하였다. 유연기판으로 STS 430 stainless steel을 이용하였다. 먼저 stainless steel 기판을 이용하여 기판에 의한 흡수층의 특성을 분석하였으며 ZnO 확산 방지막의 유무 및 두께에 따른 흡수층 및 소자의 특성을 분석하였다. 이때 확산 방지막은 기존 TCO 공정에서 사용되는 i-ZnO를 사용하였으며 RF sputter를 이용하여 50~200nm로 두께를 달리하며 특성 비교를 실시하였다. 효율은 확산방지막을 적용하지 않았을 때 약 5.9%에서 확산 방지막 적용시 약 10.7%로 증가하였다. 그 후 기판으로부터 확산되는 불순물의 유입에 의한 결함을 분석하기 위해 DLTS를 이용하여 소자 특성을 분석하였다. 온도는 80~300K으로 가변하며 측정을 실시하였으며 그 후 계산을 통해 activation energy와 capture cross section 값을 구하였다. DLTS 분석 결과 Ni이 CIGS 흡수층으로 확산되어 NiCu anti-site를 형성하여 태양전지의 효율을 감소시키는 것을 확인하였다. 모든 흡수층은 Co-Evaporation 방법을 이용하여 제조하였으며 제조된 흡수층은 SEM, XRF, XRD, GD-OES, PL, Raman등을 이용하여 분석하였으며 그 외 일반적인 방법을 이용하여 Mo, CdS, TCO, Al grid를 제조하였다. AR 코팅은 제외 하였으며 제조된 소자는 솔라 시뮬레이터를 이용하여 효율 특성 분석을 실시하였으며 Q.E. 분석을 실시하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.176.2-176.2
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• 2015

기존의 트라이볼로지 분석 기법은 macro 영역에서 시료의 강도 및 탄성 등의 물성을 분석하는 정도였으나 Nano-Indenter 분석 기법은 macro 영역보다 더 미세한 nano 영역에서의 시료 물성 분석을 가능하게 해주었다. 따라서 본 연구에서는 시료들의 결정 배양 방향에 따른 Nano-Indenter 압입 각도 차이에 대한 nano 영역에서의 연구를 진행하였다. Si 기판 외에 본 연구에 사용 된 HfN 및 Zr 박막의 시료들은 rf magnetron sputter를 이용하여 약 100 nm 두께로 증착하였다. 각각 시료들에 대한 결정성 확인을 위해 XRD 분석을 실시하였다. 이후 Nano-Indenter를 이용하여 압입 인가력 대비 압입 깊이를 측정하였다. 이 과정에서 Nano-Indenter 압입 각도를 $0^{\circ}$와 $90^{\circ}$로 변화함에 따라 압입 인가력 - 압입 깊이 그래프의 차이를 확인하였고 이를 기준점으로 부터 $10{\mu}m$ 이격시켜 16회 반복 측정과 Weilbull distribution을 통해 신뢰도를 향상시켰다. 측정 결과 Zirconium(Zr) 박막의 경우 21.53 GPa과 22.18 GPa 측정되었으나 Si 기판은 17.46 GPa 16.33 GPa으로, 그리고 HfN 박막의 경우 25.18 GPa과 27.75 GPa으로 상대적으로 큰 차이를 확인하였다. Si 기판과 HfN의 측정결과 Weibull distribution는 75.02와 70.23인 반면 Zr 박막은 30.94로 상대적으로 불균일한 특성을 확인하였다. 이 결과들로부터 각각의 박막 결정 배양 방향에 따른 분석의 한가지 방법으로 Nano-Indenter 분석 기법을 사용할 수 있는 가능성을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.245-245
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• 2015

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 높은 효율과 낮은 제조비용, 높은 신뢰성으로 인해 박막 태양전지 중 가장 각광받고 있다. 특히 유리기판 대신 가볍고 유연한 철강소재나 플라스틱 소재를 이용하여 발전분야 외에 건물일체형, 수송용, 휴대용등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이러한 유연 기판을 이용한 CIGS 태양전지의 개발을 위해서는 기판의 특성에 따른 다양한 공정개발이 선행되어야 한다. 특히 CIGS 태양전지에서는 Na의 역할이 매우 중요한데 유연기판의 경우 이러한 Na이 없을 뿐만 아니라 철강기판의 경우 Fe, Ni, Cr등의 불순물이 확산되어 흡수층의 특성을 저하시켜 효율을 감소시킨다. 따라서 이러한 철강 기판의 경우 불순물의 확산을 방지하는 확산방지막이 필수적이다. 또한 플라스틱기판의 경우 내열성이 낮아 저온에서 공정을 진행해야하는 단점이 있다. 이러한 유연기판의 특성을 고려하여 본 연구에서는 유연기판으로 STS 430 stainless steel과 poly-imide를 이용하여 특성 개선을 진행하였다. 먼저 stainless steel과 Poly-imide, soda-lime glass, coning glass의 기판을 이용하여 기판에 따른 흡수층의 특성을 비교 분석하였으며 stainless steel 기판을 이용하여 확산 방지막의 유무 및 두께에 따른 흡수층 및 소자의 특성을 분석하였다. 이때 확산 방지막은 기존 TCO 공정에서 사용되는 i-ZnO를 사용하였으며 RF sputter를 이용하여 50~200nm로 두께를 달리하며 특성 비교를 실시하였다. 이때 효율은 확산방지막을 적용하지 않았을 때 약 5.9%에서 확산 방지막 적용시 약 10.6%로 증가하였다. 또한 poly-imide 기판을 이용하여 $400^{\circ}C$이하에서 흡수층을 제조하여 특성평가를 진행하였으며 소자 제조 후 효율은 약 12.2%를 달성하였다. 모든 흡수층은 Co-Evaporation 방법을 이용하여 제조하였으며 제조된 흡수층은 SEM, XRF, XRD, GD-OES, PL, Raman등을 이용하여 분석하였으며 그 외 일반적인 방법을 이용하여 Mo, CdS, TCO, Al grid를 제조하였다. AR 코팅은 제외 하였으며 제조된 소자는 솔라 시뮬레이터를 이용하여 효율 특성 분석을 실시하였으며 Q.E. 분석을 실시하였다.