KR101409543B1 - 칼슘 첨가 ａｚｏ 소결체, 스퍼터링용 타겟, 칼슘 첨가 도전막이 성막된 기판 및 기판의 성막 방법 - Google Patents

칼슘 첨가 ａｚｏ 소결체, 스퍼터링용 타겟, 칼슘 첨가 도전막이 성막된 기판 및 기판의 성막 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기판 표면에 성막되는 도전막의 전기비저항 값이 감소함과 아울러, 도전막의 막 성질을 저하시키는 파티클의 발생을 억제하여 성막 속도를 향상시킬 수 있는, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체와 이를 포함하는 스퍼터링용 타겟, 칼슘 첨가 도전막이 성막된 기판 및 상기 기판의 성막 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 기판의 성막 방법은, 직류 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 기판의 표면에 도전막을 성막하는 기판의 성막 방법에 있어서, 직류 마그네트론 스퍼터링 장치의 기판 홀더와 타겟 홀더를 이용하여 기판과 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟을 챔버 내에 배치하는 단계; 챔버의 배기구에 연결된 진공펌프를 구동하여 챔버의 내부압력이 성막 진공도에 도달할 때까지 챔버 내부를 배기하는 단계; 스퍼터링 가스로서 아르곤 가스를 챔버 내에 공급하고 반응촉진 가스로서 수소 가스를 챔버 내에 공급하는 단계; 및 직류 전원의 양극이 연결되는 기판과 음극이 연결되는 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟에 전압을 걸어 플라즈마 방전을 일으킴으로써 스퍼터링을 수행하는 단계; 를 포함하여 구성되며, 챔버 내에 공급하는 수소 가스의 도입량은 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟에 함유된 칼슘의 함량에 따라 조절되는 것을 특징으로 한다.

Description

칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체, 스퍼터링용 타겟, 칼슘 첨가 도전막이 성막된 기판 및 기판의 성막 방법{Sintered ＡＺＯ formation adding Calcium, sputtering target comprised of the formation, substrate with Calcium containing conduction layer, and method for depositing the layer}
본 발명은, 기판상에 성막(成膜)되는 도전막의 전기비저항(resistivity) 값이 감소함과 아울러, 도전막의 막 성질에 악영향을 미치는 파티클의 발생이 억제되어 도전막의 성막 속도가 향상됨은 물론 스퍼터링용 타겟의 사용 수명이 연장 가능한, 칼슘 첨가 ＡＺＯ(Aluminum doped Zinc Oxide) 소결체와 이를 포함하는 스퍼터링용 타겟, 칼슘 첨가 도전막이 성막된 기판 및 기판의 성막 방법에 관한 것이다.
플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 박막 태양 전지(Thin film solar cell) 등은, ＡＺＯ (Aluminum doped Zinc Oxide) 투명 박막 전극을 이용한다.
ＡＺＯ 투명 박막 전극은, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition:CVD), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition:ALD), 스퍼터링(Sputtering) 등에 의해 형성될 수 있는데, 이 중에서도, 특히, 스퍼터링이 박막 형성의 용이성과 대면적 기판에의 적용 용이성 등을 이유로 널리 이용되고 있다.
스퍼터링에 의한 성막(成膜)은, 진공으로 유지되는 챔버 내에 아르곤 가스와 같은 불활성 기체를 스퍼터링 가스로 도입함과 아울러, 목적하는 막 성분을 갖는 원료체(이하, 타겟이라 한다)를 음극으로 하고 기판을 양극으로 하여 이들 사이에 방전을 일으킴으로써, 플라즈마 상태가 된 불활성 기체의 양이온이 음극인 타겟에 충돌하여, 타겟으로부터 막 성분 입자가 떨어져 나와 기판에 퇴적됨으로써 이루어진다.
스퍼터링은, 플라즈마를 발생시키는 방식에 따라, 고주파 플라즈마를 이용하는 방식과, 직류 플라즈마를 이용하는 방식으로 나눌 수 있다. 이들 중, 본 발명에 관계되는 직류 플라즈마를 이용하는 방식은, 성막 속도가 빠르고 조작이 간편하다는 이점이 있다.
그러나 산화알루미늄과 산화아연으로만 구성된 종래의 ＡＺＯ 타겟을 이용한 직류 플라즈마 스퍼터링에서는, 성막 중에 파티클(Particle)이 발생하고, 이 파티클이 기판 표면의 박막 내에 혼입됨에 따라, 성막 후의 기판의 전기비저항 값이 5×10-2∼5×10-3Ω㎝로 상대적으로 높아지는 문제가 있다.
또한, 파티클의 발생으로 인해 성막 속도가 저하됨은 물론, 성막 시간이 길어질수록 파티클의 수가 크게 늘어 종래의 ＡＺＯ 타겟을 장기간 사용할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 직류 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 기판상에 도전막을 성막하는 경우, 도전막(導電膜)의 전기비저항(resistivity) 값이 감소함과 아울러, 도전막의 막 성능에 악영향을 미치는 파티클의 발생이 억제되어, 성막 속도가 향상함은 물론, 스퍼터링용 타겟의 사용수명이 연장 가능한, 칼슘 첨가 ＡＺＯ(Aluminum doped Zinc Oxide) 소결체와 이를 포함하는 스퍼터링용 타겟, 칼슘 첨가 도전막이 성막된 기판 및 기판의 성막 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 과제는, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체에 함유되는 칼슘의 함량과, 반응촉진 가스인 수소가스의 챔버 내 도입량을 적절히 조절함으로써 달성될 수 있다.
예로서, 본 발명에 따른 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체는, 산화알루미늄과 산화아연과 칼슘이 혼합된 혼합분말을 일정한 형태와 크기로 성형한 후, 1300∼1500℃의 온도에서 소결하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기서 칼슘은 칼슘/아연의 원자수비로 0.001∼10at% 첨가하고, 알루미늄은 알루미늄/아연의 원자수비로 1∼3at% 혼합하는 것이 바람직하다. 또, 칼슘 원(source)으로서, 산화칼슘이나 탄산칼슘과 같은 칼슘 화합물을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟은, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체와 백킹 플레이트가 접합되어 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기서 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체와 백킹 플레이트의 접합에는 인듐(indium)이 주로 사용된다.
본 발명에 따른 기판은, 칼슘 첨가 도전막이 기판의 표면에 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 기판의 성막 방법은, 직류 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 기판의 표면에 도전막을 성막하는 기판의 성막 방법에 있어서, 직류 마그네트론 스퍼터링 장치의 기판 홀더와 타겟 홀더를 이용하여 기판과 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟을 챔버 내에 배치하는 단계; 챔버의 배기구에 연결된 진공펌프를 구동하여 챔버의 내부압력이 성막 진공도(working pressure)에 도달할 때까지 챔버 내부를 배기하는 단계; 스퍼터링 가스로서 아르곤 가스를 챔버 내에 공급하고 반응촉진 가스로서 수소 가스를 챔버 내에 공급하는 단계; 및 직류 전원의 양극이 연결되는 기판과 음극이 연결되는 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟에 전압을 걸어 플라즈마 방전을 일으킴으로써 스퍼터링을 수행하는 단계; 를 포함하여 구성되며, 챔버 내에 공급하는 수소 가스 도입량은 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟에 함유된 칼슘의 함량에 따라 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 칼슘(또는 칼슘 화합물)이 소량 함유된 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체로 이루어진 타겟을 이용하고, 직류 마그네트론 스퍼터링 장치의 챔버 내에 공급되는 수소가스 도입량을 적절히 제어함으로써, 낮은 전기비저항 값을 갖는 도전막을 기판 표면에 성막할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 칼슘 무첨가 ＡＺＯ 타겟을 이용하던 종래의 스퍼터링 방식에 비해, 도전막의 막 성질에 악영향을 끼치는 파티클의 발생이 억제되어 성막 속도가 빠르며, 스퍼터링용 타겟의 사용수명도 연장 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 칼슘(Ca) 첨가 ＡＺＯ 소결체(칼슘 3at% 첨가)를 이용하여 기판에 성막한 도전막과, 비교예에 따른 칼슘 무첨가 ＡＺＯ 소결체를 이용하여 기판에 성막한 도전막의 전기비저항 값을 비교한 그래프로서, 반응촉진 가스인 수소 가스의 챔버 내(內) 도입량의 변화에 따른 전기비저항 값의 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 직류(DC) 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟의 단면도.
이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체와 스퍼터링용 타겟, 칼슘 첨가 도전막이 성막된 기판 및 기판의 성막 방법에 대해 설명한다.
<칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체>
본 발명의 일 실시형태에 따른 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체는, 산화알루미늄(Al2O3) 분말과, 산화아연(ZnO2) 분말과, 칼슘(또는 칼슘 화합물) 분말을 적절한 비율로 혼합하여 제조한다. 예를 들면, 산화알루미늄 분말은 Al/Zn의 원자수비로 2at%가 되도록 혼합하고, 칼슘 분말은 Ca/Zn의 원자수비로 0.001∼10at%가 되도록 첨가하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체는, 평균 입자 크기 1㎛ 이하의 산화알루미늄 분말:평균 입자 크기 5㎛ 이하의 산화아연 분말이 97:3의 질량비로 혼합되고 또한 칼슘(또는 칼슘 화합물) 분말이 Ca/Zn의 원자수비로 0.001∼10at%로 혼합된 혼합분말을 이용하여 제조된다.
칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체에 함유된 칼슘의 함량이 0.001at% 미만인 경우는 스퍼터링을 통해 기판의 표면에 성막되는 도전막의 전기비저항 값의 감소에 따른 파티클의 발생 억제 효과가 현저히 저하하고, 반대로, 칼슘의 함량이 10at%를 초과하는 경우는 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체의 밀도가 저하하여 기판의 표면에 도전막을 안정적으로 형성하기가 어려워진다. 칼슘 화합물로서 산화칼슘(CaO)과 탄산칼슘(CaCO3) 등을 이용할 수 있는데, 이들 중, CaCO3가 다루기 편하고 쉽게 구할 수 있어 바람직하다.
다음으로, 상기 조성의 혼합분말에, 물, 바인더(binder), 소포제, 분산제와 같은 기타 첨가제를 소량 첨가한 후 볼 밀(Ball mill)이나 비드 밀(Beads mill) 등으로 분쇄 및 혼합하여 슬러리를 만든다. 볼 밀 등으로 분쇄 및 혼합할 때는, 슬러리의 점도가 100cps 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 슬러리의 점도가 100cps를 초과하는 경우에는, 슬러리 내의 입자 크기가 커서 소결 후 밀도 저하와 분산성 저하 등의 원인이 된다.
다음으로, 스프레이 드라이어(Spray dryer) 등을 이용하여 슬러리를 건조함으로써, 산화알루미늄, 산화아연, 칼슘이 균일하게 분산된 소결용 분말을 얻는다.
이렇게 해서 얻어진 소결용 분말로 일정 형상의 성형체를 제조한 후 고온에서 소결하여 고밀도의 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체를 제조한다.
공정의 편의성 등을 고려하여, 성형체는 냉간 정수압 프레스(Cold isostatic press:CIP)를 이용하여 제조하는 것이 바람직하며, 산소나 대기(大氣) 분위기 하에서 1300∼1500℃의 온도로 소결하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체를 이러한 조건에 따라 제조하는 경우, 밀도가 이론 밀도(=5.56g/㎤)의 97% 이상으로 유지될 수 있었다.
<칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟>
본 발명의 일 실시형태에 따른 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체(21)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 일정한 크기와 형태로 가공한 후, 백킹 플레이트(Backing plate)(22)의 한쪽 면에 붙여, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)으로 제조한다.
예컨대, 직경이 3인치, 두께가 7㎜인 원판 형태로 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체(21)를 가공한 후, 구리로 이루어진 백킹 플레이트(22)의 한쪽 면에 인듐(indium)을 녹여 붙여 일체로 접합하는 것이다.
<칼슘 첨가 도전막의 성막 방법>
도 2에 개략적으로 도시된 직류 마그네트론 스퍼터링 장치(3)를 이용하여 낮은 전기비저항 값을 갖는 칼슘 첨가 도전막을 기판(1) 표면에 형성하는 과정에 대해 설명한다.
먼저, 기판 홀더(32)와 타겟 홀더(35)를 이용해서, 기판(1)과 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)을 챔버(31) 내에 배치한다.
이어서, 챔버(31)의 배기구(33)에 연결된 진공펌프(도시하지 않음)를 구동하여 챔버(31)의 내부압력이 1×10-3㎩가 될 때까지 챔버(31)의 내부를 배기한다.
챔버(31)의 내부압력이 성막 진공도(working pressure)인 1×10-3㎩로 유지된 상태에서, 스퍼터링 가스로서 아르곤 가스를 챔버(31) 내에 80sccm 공급하고, 반응촉진(reactive) 가스로서 수소 가스를 챔버(31) 내에 공급한다. 이때, 챔버로의 수소 가스 도입량은, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체(21)에 함유된 칼슘의 함량에 따라, 칼슘 함량의 0.0% 초과∼0.2% 이하의 범위 내에서, 바람직하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 칼슘 함량의 0.0% 초과∼0.06% 이하의 범위 내에서 조절한다.
다음으로, 80∼100W 출력의 직류 전원(DC power)(34)을 통해, 직류 전원(34)의 양극이 연결된 기판(1)과 음극이 연결된 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)에 전압을 인가하여 기판(1)과 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2) 사이에서 플라즈마 방전을 일으킴으로써 스퍼터링을 수행한다. 스퍼터링이 행해지는 동안, 기판(1)의 온도는, 60∼300℃로 유지된다.
상기와 같은 성막 과정을 통해, 예컨대, 전기비저항 값이 5×10-3∼5×10-4Ωcm로서 LCD 등의 ITO 투명 도전막에 근접하는 도전막을 갖는 기판(1)을 얻게 된다.
후술하는 실시예와 비교예를 통해, 본 발명의 구성 및 작용효과가 더 명확해지지만, 본 발명이 아래의 실시예로 국한되는 것은 아니다.
(실시예)
순도가 99.99%이고 평균 입경이 0.7㎛인 산화알루미늄 분말 30g과, 순도가 99.99%이고 평균 입경이 3㎛인 산화아연 분말 970g과, 순도가 99.99%이고 평균 입경이 1㎛인 탄산칼슘 0.5g을, 물 1L에 혼합하여, 슬러리를 만든다. 그리고 이 슬러리에 10wt% 희석 PVA(PolyVinylAlcohol) 220g과, PEG(PolyEtyleneGlycol) 8g과, 분산제 34.2g 및 소포제 0.07g을 첨가하여 혼합 슬러리를 얻는다.
이어서 혼합 슬러리를 약 20분간 비드 밀을 이용하여 혼합 및 분쇄한 후, 스프레이 드라이어를 이용하여 건조 분말을 얻는다.
건조 분말은, 18톤(ton)/㎠의 압력으로 1축 가압 성형 후, 냉간 정수압 프레스 공정을 거쳐, 직경이 3인치, 두께가 1㎝인 원판 형태의 성형체로 제조된다.
그리고 나서 이 성형체를 대기(air) 분위기 하에서, 약 1350℃의 온도로 6시간 소결하여, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체를 얻는다. 이 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체는 밀도가 이론 밀도(=5.56g/cm3)의 97.63%로서, 칼슘이 첨가되었음에도 불구하고 고밀도를 나타내었다.
이렇게 해서 얻어진 칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체(21)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 구리로 이루어진 백킹 플레이트(backing plate)(22)에 인듐을 녹여서 일체로 접합하여 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)으로 이용한다.
칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)을 이용한 스퍼터링 공정은, 다음과 같은 단계로 행해진다.
우선, 직류 마그네트론 스퍼터링 장치(3)의 기판 홀더(32)와 타겟 홀더(35)를 이용하여 기판(1)과 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)을 챔버(31) 내에 각각 배치한다. 챔버(31) 내에 배치된 상태에서, 기판(1)과 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)은 약 50㎜ 떨어져서 대향(對向)한다. 기판(1)으로는, 무(無)알칼리 유리판을 이용한다.
그 뒤, 챔버(31) 일측의 배기구(33)에 연결된 진공펌프를 구동하여 챔버(31)의 내부압력이 성막 진공도인 1×10-3㎩에 도달할 때까지 챔버(31) 안을 배기한다.
그리고 나서 이 챔버(31) 내에, 스퍼터링 가스로서 아르곤 가스를 약 80sccm 공급함과 아울러, 반응촉진 가스로서 수소 가스를 소량 공급한다.
이어서, 직류 전원(34)의 양극과 음극이 연결된 기판(1)과 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)에 100W 전력을 공급하여, 챔버(31) 내에서 플라즈마 방전을 일으켜 약 5분간 스퍼터링을 행한다. 이때, 기판(1)의 온도는 약 300℃로 유지된다.
본 발명의 효과를 확인하기 위해, 기판(1) 표면에 성막된 투명 도전막의 전기비저항 값을 4-포인트 프로브(point probe) 방식으로 측정했다.
측정 결과, 칼슘이 3at% 함유된 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟(2)을 사용하고 반응촉진 가스인 수소 가스를 칼슘 함량의 0.03% 첨가하여 스퍼터링을 행했을 때 기판(1) 표면에 생성된 도전막의 전기비저항 값이 ITO 투명 도전막에 근접하는 낮은 전기비저항 값(5×10-4Ωcm)을 나타내었다. 이 측정 결과로부터, 기판(1) 표면에 성막되는 도전막의 전기비저항 값이 클 때 발생할 수 있는 파티클의 발생을 줄일 수 있음을 알 수 있다.
(비교예)
칼슘의 첨가 없이, 실시예와 동일한 방식으로 ＡＺＯ 타겟을 제작했다.
칼슘 무첨가 ＡＺＯ 소결체의 밀도는 이론 밀도의 97.66%로서, 실시예와 비교하여, 별 차이가 없었다.
또한, 실시예와 마찬가지의 조건 하에서, 기판의 표면에 도전막을 성막한 후, 전기비저항 값을 측정하였다.
그 결과, 도 1에 도시된 바와 같이, 칼슘이 첨가되지 않은 ＡＺＯ 타겟을 사용하여 성막한 경우는 도전막의 전기비저항 값이 5×10-2∼2×10-2Ωcm을 나타내어, 본 실시예의 경우보다 10배 이상 높은 전기비저항 값을 나타내었으며, 수소 가스 도입량을 변화시켜도 전기비저항 값은 거의 변화되지 않았다.
1...기판
2...칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟
21...칼슘 첨가 ＡＺＯ 소결체
22...백킹 플레이트
3...직류 마그네트론 스퍼터링 장치
31...챔버
32...기판 홀더
33...배기구
34...직류 전원
35...타겟 홀더

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  7. 직류 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여, 기판의 표면에 도전막을 성막하는 기판의 성막 방법에 있어서,
    칼슘은, 칼슘/아연의 원자수비로 0.001∼10at% 첨가되고, 알루미늄은, 알루미늄/아연의 원자수비로 1∼3at% 혼합되는 칼슘 첨가 ＡＺＯ 혼합분말을 성형 후, 소결하여 일정 크기로 가공한 후, 구리로 이루어진 백킹 플레이트의 한쪽 면에 인듐을 녹여 붙여 일체로 접합하여 형성한 AZO 타켓과 기판을 직류 마그네트론 스퍼터링 장치의 기판 홀더와 타겟 홀더를 이용하여 챔버 내에 배치하는 단계;
    챔버의 배기구에 연결된 진공펌프를 구동하여, 챔버의 내부압력이 성막 진공도(working pressure)에 도달할 때까지 챔버 내부를 배기하는 단계;
    스퍼터링 가스로서 아르곤 가스를 챔버 내에 공급함과 아울러, 반응촉진 가스로서 수소 가스를 챔버 내에 공급하는 단계;
    직류 전원의 양극이 연결되는 기판과 음극이 연결되는 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟에 전압을 걸어, 플라즈마 방전을 일으킴으로써, 스퍼터링을 수행하는 단계;
    를 포함하여 구성되며,
    챔버 내에 공급하는 수소 가스의 도입량은, 칼슘 첨가 ＡＺＯ 타겟에 함유된 칼슘 함량의 0.0at% 초과∼0.06at%이하의 범위내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 기판의 성막 방법.
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