KR100495886B1

KR100495886B1 - Ｉｔｏ 스퍼터링 타겟

Info

Publication number: KR100495886B1
Application number: KR10-2002-0055703A
Authority: KR
Inventors: 오노나오키
Original assignee: 미쓰이 긴조꾸 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2005-06-16
Also published as: CN1207432C; KR20030024589A; CN1408895A; TWI242050B; JP2003089868A; SG108871A1

Abstract

기계 연삭 공정을 거쳐 제조되고, 산화인듐 및 산화주석의 적어도 한 쪽을 포함하는 산화물(ITO)로 이루어지는 타겟의 스퍼터 면에 1㎛를 초과하는 막 두께를 가지는 ITO 피막이 피착 형성되어 있는 ITO 스퍼터링 타겟을 제공한다. 초기 아크의 발생을 효과적으로 저감시킨 초기 안정성이 높은 스퍼터링 타겟을 얻을 수 있고, 이 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링을 함으로써, 생산성이 향상되어 효율적으로 고성능인 박막을 형성할 수 있다. 또, 마무리 연삭 공정을 생략할 수 있기 때문에 연삭 공정을 간소화하여 저비용화 할 수도 있다.

Description

ＩＴＯ 스퍼터링 타겟 {ITO SPUTTERING TARGET}

본 발명은 ITO 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.

종래부터, 박막 형성법의 하나로서 스퍼터링법이 알려져 있다. 스퍼터링법은 일반적으로 감압 하에서 플라즈마 상태로 한 불활성 가스를 타겟에 충돌시키고, 그 에너지에 의해 타겟으로부터 튀어나온 분자나 원자를 기판에 부착시키는 것으로 기판 상에 박막을 형성하는 방법이며, 면적을 크게 하는 것이 용이하고 고성능의 막이 얻어지기 때문에 공업적으로 이용되고 있다.

또한 근래, 스퍼터링의 방식으로서, 반응성 가스 속에서 스퍼터링을 행하는 반응성 스퍼터링법이나, 타겟의 이면에 자석을 설치하여 박막 형성의 고속화를 도모하는 마그네트론 스퍼터링법 등도 알려져 있다.

이러한 스퍼터링법을 이용하여 형성되는 박막 중, 특히 산화인듐(In₂O₃) 및 산화주석(SnO₂)의 적어도 한 쪽을 포함하는 산화물(이하, ITO라고 함) 막은 가시광 투과성이 높고 도전성도 높기 때문에, 투명 도전막으로서 액정 표시 장치나 유리의 결로 방지용 발열막, 적외선 반사막 등에 널리 사용되고 있다.

그러나, 스퍼터링법으로 이러한 고성능의 박막을 형성하는 데는 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, 스퍼터링을 할 때, 특히 스퍼터링 개시 초기에 아킹(arcing)이라고 지칭되는 이상 방전이 발생하고, 막의 형성 안정성이 손상되는 것 외에 스퍼터링 타겟(이하, 단순히 타겟이라고도 한다) 상에 입자가 부착, 퇴적하는 함으로써 노듈(nodule)이라 지칭되는 흑색의 부착물이 생겨 아킹의 원인이 되거나, 이 아킹에 의해 새로운 입자가 발생하는 문제가 있었다. 또, 이 입자가 박막에 부착되면 박막의 성능을 악화시키고 박막 결함의 원인이 되고 있었다.

특히 새로운 스퍼터링 타겟을 세팅하여, 스퍼터링 개시 직후로부터 아킹(이하, 초기 아크라고도 한다)이 발생하지 않고 제품을 제조할 수 있기까지의 시간은 공운전을 해야 하고, 이것은 생산성 향상의 장애로 되어 있었다.

종래, 이러한 아킹이나 노듈의 발생은 타겟 표면을 연마하여 평활하게 할수록 저감된다고 알려져 있고, 표면을 평활하게 한 표면 연마 타겟이 현재 주류를 이루고 있다. 예를 들면, 타겟의 표면 거칠기를 소정의 범위 내로 하는 것으로 아킹이나 노듈의 발생을 방지하고자 하는 ITO 스퍼터링 타겟이 일본특허 제2750483호 공보, 일본특허 제3152108호 공보 등에 기재되어 있다. 그러나, 이러한 소정의 표면 거칠기를 달성하기 위해서는 타겟을 작성한 후, 기계 연삭에 의해 거칠게 연삭하여 두께를 조정하고, 또 단계적으로 마무리 연삭(연마)하여 타겟 표면을 평활화 하는 것이 필요하며, 제조 시간 및 비용이 증가하는 문제가 있었다. 또, 이러한 소정의 표면 거칠기를 가지는 ITO 타겟에 있어서도, 초기 아크를 방지하는 것은 불가능하여, 새로운 스퍼터링 타겟을 세트한 후 비교적 장시간에 걸쳐 공운전하지 않으면 안 되는 문제가 있었다.

또한 일본특허 제3040432호 공보에는 금속화합물부와 금속부로 구성된 타겟을 반응 가스 함유 분위기 내에서 예비 스퍼터 함으로써, 금속부 상에 금속화합물의 박막을 형성시킨 스퍼터링용 타겟이 기재되어 있다. 이것은 금속부와 조합함으로써, 타겟 자체의 비용을 저감시키는 동시에, 방출 가스를 저감시켜 박막 성상을 향상시키고자 하는 것이지만, 타겟의 구성으로 인해 생산 공정이 복잡하게 되는 문제가 있다.

일본 특개평11-92923호 공보에는 타겟 표면에 박막을 설치함으로써 스퍼터링 시에 생성되는 부착물의 박리를 억제하도록 하여 더스트의 발생을 방지하고, 박막 제품의 생산성을 향상시키고자 하는 스퍼터링 타겟이 기재되어 있다. 그러나, 이것은 타겟 표면에 생성되는 부착물의 박리 억제를 목적으로 하는 것이며, 초기 입자의 억제는 되지 않는다.

본 발명자들은 이러한 상황을 감안하여 예의 연구한 결과, 연삭 공정 등에 기인하여 타겟 표면에 존재하는 초기 입자나, 스퍼터링 시의 열 충격에 의해 표층으로부터 탈리하여 입자로 되는 부위가 아킹이나 노듈의 주된 원인이며, ITO 타겟의 스퍼터 면에 특정한 막 두께를 가지는 ITO 피막을 별도로 피착 형성시킴으로써 초기 아크의 발생을 방지할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시키게 되었다.

본 발명은 초기 아크의 발생을 방지하고 초기 안정성을 향상시켜서 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있는 ITO 스퍼터링 타겟을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 ITO 스퍼터링 타겟은 기계 연삭 공정을 거쳐서 제조되고, 산화인듐 및 산화주석의 적어도 한 쪽을 포함하는 산화물(ITO)로 이루어지는 타겟의 스퍼터 면에, 1㎛를 초과하는 막 두께, 바람직하게는 1.5㎛ 이상, 보다 바람직하게는 2㎛ 이상의 막 두께를 가지는 ITO 피막이 피착 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 본 발명에 관한 ITO 스퍼터링 타겟은 표면 거칠기 Ra가 1㎛ 이상이거나, 1.5㎛ 이상이거나, 2㎛ 이상이 될 수도 있다. 또, 본 명세서에 있어서, 표면 거칠기 Ra는 JIS B 0601(1994년)에 준거하여 측정되는 거칠기 곡선의 산술 평균 거칠기를 의미한다.

본 발명에서는 ITO 타겟의 최소한 스퍼터 면에 피착 형성되어 있는 ITO 피막이 스퍼터링법에 의해 피착 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에서는 ITO 타겟의 스퍼터 면에 특정한 막 두께를 가지는 ITO 피막을 형성시키고 있기 때문에, 스퍼터링 초기에 아킹의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.

일반적으로 ITO 타겟은 원료 분말을 소정의 배합률로 혼합하고, 종래 공지된 각종 건식법 또는 습식법을 이용하여 성형, 소성(소결) 후, 기계 연삭하는 소결법에 의해서 제조되어 있다.

예를 들면 건식법으로는, CP(cold press)법이나 HP(hot press)법, HIP(hot isostatic press)법 등을 들 수 있다. CP법에서는 혼합한 원료 분말을 성형 몰드에 충전하여 성형체를 만들고, 대기 분위기 또는 산소 분위기 하에서 소성(소결)한다. HP법에서는 혼합한 원료 분말을 전기로 내부의 성형 몰드에 넣어 가열 가압하면서 성형과 소결을 동시에 행한다. HIP법에서는 혼합한 원료 분말 또는 예비 성형체를 고무 등의 자루 또는 고온에서도 피복체를 형성하는 금속박 등에 밀봉 한 후, 용기 내에 삽입하여 불활성 분위기 매체를 통하여 등방적으로 가압하면서 가열 소결한다.

습식법으로는 예를 들면, 일본 특개평11-286002호 공보 기재의 여과식 성형법을 들 수 있다. 이 여과식 성형법은 세라믹스 원료 슬러리로부터 수분을 감압 배수하여 성형체를 얻기 위한 비수용성 재료로 이루어지는 여과식 성형 몰드를 이용하여, 이 여과식 성형 몰드에 혼합한 원료 분말, 이온 교환물, 유기 첨가제로 이루어지는 슬러리를 주입하고, 슬러리 내의 수분을 감압 배수하여 성형체를 만들고, 이 성형체를 건조 탈지 후, 소성(소결)한다.

통상, 이렇게 하여 원료를 몰드 내에서 성형하여 소성(소결)한 후, 또 이 소결체를 소정의 치수로 성형 가공하기 위해서 기계 연삭하고, 그 후 소성판(baking plate)과 결합하여 타겟으로 한다.

이 중 기계 연삭의 경우, 평면 연삭(surface grinding), 로터리 연마(rotary polishing), 블라스트(blasting) 등의 방법을 필요에 따라 적절하게 채용한다. 전술한 성형 가공을 위한 연삭 후, 수득된 표면을 조연삭(粗硏削: rough grinding)하여 두께 조절한다. 추가로, 필요에 따라, 표면을 평활하게 하기 위해서, 숫돌의 눈을 단계적으로 가늘게 한, 마무리 연삭(finish grinding) (이하, "연마"라고도 함)을 수행하거나, 혹은 유리 비드(beads), 알루미나 비드, 지르코니아 비드 등을 투사재(投射材:blast media)로 이용한 블라스트에 의한 연삭(이하, 마무리 연삭과 더불어, "연마"라고도 칭해짐)을 행한다.

본 발명은 이러한 기계 연삭 공정을 거친 ITO 타겟의 스퍼터 면에 특정한 막 두께의 ITO 피막을 피착 형성시키는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 타겟의 스퍼터 면에 ITO 피막을 피착 형성시킴에 의해, 연삭에 의해 발생한 거친 면 또는 연삭 가루, 스퍼터링 시의 열 충격에 의해 탈리하기 쉬운 부위를 ITO로 피착 및 접합한, 양호한 타겟 표면을 얻을 수 있어, 스퍼터링 시에 초기 아크를 효과적으로 저감시킬 수 있다.

이러한 ITO 피막을 피착 형성시키는 방법으로는 예를 들면 스퍼터링법, 증착법, 이온 플레이팅법, 도포법, 스프레이법 등을 바람직하게 들 수 있다. 이 중, 막 두께 조정이 용이한 동시에 경제적인 면에서 스퍼터링법을 보다 바람직하게 이용할 수 있다.

본 발명에 있어서 타겟의 스퍼터 면에 피착 형성되는 ITO 피막의 조성은 타겟재인 ITO의 조성비와 동일한 것이 바람직하지만, 타겟재의 구성 원소 이외의 것을 포함하지 않으면, 반드시 동일한 조성비가 아니어도 된다.

또, 본 발명에 있어서, 타겟의 스퍼터 면에 피착 형성되는 ITO 피막의 막 두께는 주사형 전자 현미경(SEM)을 이용한 단면 현미경 관찰 등의 방법에 의해서 측정할 수 있지만, 본 명세서에서는 다음과 같은 방법에 의해서 결정했다. 즉, 미리 유리 기판에 스퍼터링에 의해 ITO 막을 형성하고, 유리 기판과 ITO 막의 고저 차이로부터 그 막 두께를 측정한 후, 이 막 두께와 막 형성에 소요된 스퍼터링의 시간으로부터 막 형성 속도(㎚m/sec)를 산출하고, 스퍼터링 한 시간으로부터 막 두께를 결정한다. 구체적으로는 유리 기판(코닝사 제품 #7059)을 기판으로 하여, 스퍼터링에 의해 ITO 막을 형성한 후, Dektak IIA(Sloan Technology사 제품)를 이용하여 유리 기판과, 유리 기판 상에 ITO 막을 설치한 부위와의 고저 차이를 측정하여, ITO 피막의 막 두께를 측정하는 방법을 들 수 있다. 이렇게 하여 구한 ITO 피막의 막 두께와, 막 형성에 소요된 스퍼터링의 시간으로부터 막 형성 속도를 얻을 수 있다.

본 발명에서는 스퍼터 면에 피착 형성되는 ITO 피막의 막 두께가 바람직하게는 1㎛를 초과하고, 보다 바람직하게는 1.5㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 2㎛ 이상인 것이 바람직하다.

ITO 피막의 막 두께가 1㎛를 초과하면, 스퍼터링을 할 때의 누적 아크 회수가 현저하게 감소하여 초기 아크 특성이 우수해진다. 또, ITO 피막의 막 두께는 상기 범위 이상인 한, 통상 5㎛ 이하가 될 수도 있다.

본 발명에 있어서, 타겟의 초기 아크 특성은 측정 장치로서 μ Arc Monitor(MAM Genesis)(랜드마크 테크놀로지사 제품)를 이용하여, 스퍼터 면에 ITO 피막을 별도 피착 형성시킨 타겟을 이용하여 스퍼터링 할 때에, 타겟의 단위 면적에 단위 시간 당 투입한 전력량의 적산치(적산 투입 전력량 Wh/㎠)에 대한 누적 아크 회수에 의해 평가할 수 있다. 이러한 적산 투입 전력량에 대한 누적 아크 회수가 적을수록 초기 아크 특성이 우수하다고 할 수 있다. 또, 아크 회수가 적기 때문에 타겟 수명도 길어져서 장기간 막 형성 안정성에도 뛰어나다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 특정한 막 두께를 가지는 ITO 피막을 스퍼터 면에 피착 형성함으로써, 초기 아크를 효과적으로 저감할 수 있고, 종래와 같이 반드시 표면을 거울면 상태로 평활하게 연마(마무리 연삭)하지 않더라도, 효율적인 스퍼터링을 행하는 것이 가능한 타겟을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 관한 스퍼터링 타겟의 표면 거칠기(산술 평균 거칠기) Ra는 기계 연삭 후의 타겟의 표면 상태에 의존하지만, 종래 바람직하다고 되어 있었던 0.5㎛보다 커도 되고, 구체적으로는 표면 거칠기 Ra는 1㎛ 이상이거나, 1.5㎛ 이상이거나, 2㎛ 이상이 될 수도 있다. 한편, 타겟의 Ra가 0.5㎛ 이하의 경우에도 본 발명이 적용될 수 있는 것은 물론이다.

따라서, 본 발명을 적용하는 경우에는 연마 공정을 생략하고, 타겟의 스퍼터 면에 ITO 피막을 피착 형성함으로써 효율적인 스퍼터링 타겟으로 할 수 있다.

또, 기계 연삭 후의 ITO 타겟에 ITO 피막을 피착 형성한 후, 통상의 방법에 따라서 소성판과 결합하여 최종적인 스퍼터링 타겟으로 할 수도 있지만, 기계 연삭 후의 ITO 타겟을 통상의 방법에 따라서 소성판과 결합한 후에 lTO 피막을 피착 형성하는 것이 바람직하다. 후자에 의하면 ITO 피막을 피착 형성한 후의 스퍼터 면에 먼지 등의 불순물이 부착되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 실시예에 따라 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.

(실시예 1)

In₂O₃가루와 SnO₂가루를 In₂O₃:SnO₂= 90:10 질량%의 비로 혼합하고, 통상의 방법에 따라서 ITO의 소결체를 제작하여 타겟재로 했다. 이 타겟재를 ??4인치의 크기로 잘라 낸 후, 스퍼터에 이용하는 면(스퍼터 면)과 결합하는 면(결합면)의 양쪽을 평면 연삭반으로 연삭하여 6㎜의 두께로 조정하고, 계속해서 스퍼터 면을 다이아몬드 숫돌로 연삭했다.

이 타겟재를 스퍼터링 장치의 애노드 측에 배치하고, 캐소드 측에 별도의 ITO 타겟을 배치하고, 하기의 조건으로 스퍼터링을 행하고, 애노드 측 타겟의 스퍼터 면에 막 두께 13500Å(1.35㎛)의 ITO 피막을 피착 형성시켰다.

이 때의 스퍼터 조건은, 스퍼터링 방식: DC 마그네트론 스퍼터, 프로세스 가스: Ar, 프로세스 압력: 3mTorr, 산소 분압: 0.02mTorr, 투입 전력: 3W/㎠이었다.

또, ITO 피막의 피착 형성 전후의 타겟의 스퍼터 면의 표면 거칠기를 JIS B 0601(1994)에 준거하여 측정한 바, 표 1과 같이 되었다. 표면 거칠기는 표면 조도계로서 SE1700(고사카 연구소사 제품)을 이용하고, 탐침 반경: 2㎛, 이송 속도: 0.5㎜/sec, 컷 오프: λc 0.8㎜, 평가 길이: 4㎜의 조건으로 측정했다.

(실시예 2)

타겟재의 스퍼터 면에 피착 형성시킨 ITO 피막의 막 두께를 27000Å(2.7㎛)으로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 타겟을 제작했다. ITO 피막의 피착 형성 전후의 표면 거칠기도 실시예 1과 동일하게 하여 측정했다. 결과를 표1에 나타낸다.

(실시예 3)

타겟재의 스퍼터 면과 결합면의 양쪽을 평면 연삭반으로 거칠게 연삭하여 6㎜의 두께로 조정한 후, 스퍼터 면을 다이아몬드 숫돌로 연삭하는 대신에 알런덤(alundum) 비드로 블라스트 처리하고, 또한 타겟재의 스퍼터 면에 피착 형성시킨 ITO 피막의 막 두께를 27000Å(2.7㎛)으로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 타겟을 제작했다. ITO 피막의 피착 형성 전후의 표면 거칠기도 실시예 1과 동일하게 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예 1)

타겟재의 스퍼터 면에 피착 형성시킨 ITO 피막의 막 두께를 1350Å(0.135㎛)으로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 타겟을 제작했다. ITO 피막의 피착 형성 전후의 표면 거칠기도 실시예 1과 동일하게 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예 2)

타겟재의 스퍼터 면에 피착 형성시킨 ITO 피막의 막 두께를 9450Å(0.945㎛)으로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 타겟을 제작했다. ITO 피막의 피착 형성 전후의 표면 거칠기도 실시예 1과 동일하게 하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(시험예)

실시예 1∼3 및 비교예 1, 2에서 제작한 타겟을 이용하고, 스퍼터 조건을, 스퍼터 방식: DC 마그네트론 스퍼터, 프로세스 가스: Ar, 프로세스 압력: 3mTorr, 산소 분압: 0.02mTorr, 투입 전력: 3W/㎠로 하여, 막 형성 시험을 하고, 스퍼터링 시의 초기 아크 특성을 평가했다.

초기 아크 특성은 적산 투입 전력량(Wh/㎠)에 대한 누적 아크 회수에 의해 평가했다. 적산 투입 전력량에 대한 누적 아크 회수가 적을수록 초기 아크 특성이 우수하다고 할 수 있다.

구체적으로는, 아크 카운터로서 μ Arc Monitor(MAM Genesis)(랜드마크 테크놀로지사 제품)를 이용하고, 측정 조건을, 검출 모드: 에너지, 아크 검출 전압: 100V, 대-중 에너지 경계: 50mJ, 하드 아크 최저 시간: 100㎲로 하여, 스퍼터링의 적산 투입 전력량이 3Wh/㎠이 되기까지의 누적 아크 회수를 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(표 1)

샘 플	막 두께 (Å)	피막 성형 전표면 거칠기 (㎛)	피막 성형 후표면 거칠기 (㎛)	누적 아크회수 (회)
실시예 1	13500	1.32	1.53	17
실시예 2	27000	1.33	1.45	1
실시예 3	27000	2.41	2.43	5
비교예 1	1350	1.28	1.27	66
비교예 2	9450	1.37	1.37	50

표 1로부터, 타겟 표면에의 ITO 피막의 피착 형성 전후에서 표면 거칠기 Ra에는 그다지 차이가 없고, 타겟 표면에 ITO 피막을 피착 형성한 후의 Ra는 IT0 피막 피착 형성 전의 타겟의 표면 상태에 의존하는 것을 알 수 있다.

또, 실시예 1∼3 및 비교예 1, 2를 이용한 초기 아크 특성의 평가 결과를 횡축에 막 두께(Å), 종축에 누적 아크 회수(회)를 표시한 것을 도 1에 나타낸다.

표 1 및 도 1로부터, 타겟 표면에 피착 형성시킨 ITO 피막의 막 두께10000Å(1㎛)을 경계로 하여 누적 아크 회수가 효과적으로 저감하고 있어, 타겟 표면에 피착 형성시킨 ITO 피막의 막 두께가 1㎛를 초과하면 초기 아크 특성이 우수해지는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 초기 아크의 발생을 효과적으로 저감시킨 초기 안정성이 높은 스퍼터링 타겟을 얻을 수 있고, 이 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링을 함으로써, 생산성이 향상되어 효율적으로 고성능인 박막을 형성할 수 있다. 또, 마무리 연삭 공정을 생략할 수 있기 때문에, 연삭 공정을 간소화하여 저비용화 할 수도 있다.

도 1은 타겟의 스퍼터 면에 피착 형성시킨 ITO 피막의 막 두께와 초기 아크 특성의 관계를 도시한 도면.

Claims

기계 연삭 공정을 거쳐 제조되고 산화인듐 및 산화주석 중 하나 이상을 포함하는 산화물(ITO)로 이루어지는 타겟; 및,

상기 타겟의 스퍼터 면에 형성된, 두께 1㎛ 초과의 ITO 피막을 포함하는 ITO 스퍼터링 타겟.
제1항에 있어서,

상기 ITO 피막의 막 두께가 1.5㎛ 이상인 ITO 스퍼터링 타겟.
제1항에 있어서,

상기 ITO 피막의 막 두께가 2㎛ 이상인 ITO 스퍼터링 타겟.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스퍼터 면의 표면 거칠기 Ra가 1㎛ 이상인 ITO 스퍼터링 타겟.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스퍼터 면의 표면 거칠기 Ra가 1.5㎛ 이상인 ITO 스퍼터링 타겟.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스퍼터 면의 표면 거칠기 Ra가 2㎛ 이상인 ITO 스퍼터링 타겟.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

ITO 타겟의 적어도 스퍼터 면에 피착 형성되어 있는 ITO 피막이 스퍼터링법에 의해 피착 형성되는 것을 특징으로 하는 ITO 스퍼터링 타겟.