KR100777718B1 - 기능성 박막 형성용 타겟 및 이를 이용한 기능성 박막의형성방법 - Google Patents

기능성 박막 형성용 타겟 및 이를 이용한 기능성 박막의형성방법 Download PDF

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Abstract

기능성 박막을 형성하기 위한 기판과 굴절율이 실질적으로 유사한 제 1물질과, 상기 기판과 굴절율이 실질적으로 다른 제 2물질이 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 기능성 박막 형성용 스퍼터링 타겟을 제공한다. 상기 제 1물질로는 실리콘 옥사이드(SiOx, x≥1), MgF2, 및 CaF2 등을 사용하고, 상기 제 2물질로는 Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W, Ta 의 금속과 Si, 카본, 및 Si3N4 등을 사용한다.

Description

기능성 박막 형성용 타겟 및 이를 이용한 기능성 박막의 형성방법{Target for functional films and method of manufacturing functional films using the same}
도 1은 본 발명에 따른 기능성 박막의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 기능성 박막의 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 기능성 박막에 대하여, 박막의 두께에 따른 유전성 물질 SiO와 금속 Co의 성분 분포 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 기능성 박막에 대하여, 타겟의 두께에 따른 유전성 물질 SiO와 금속 Co의 성분 분포 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 기능성 박막에 대하여, 박막의 두께에 따른 유전성 물질 SiO와 Co의 성분 분포 변화를 나타낸 것이다.
본 발명은 기능성 박막 형성용 타겟 및 이를 이용한 기능성 박막의 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반사율 및 투과율을 줄일 수 있는 기능성 박막 형성용 타겟 및 이를 이용한 기능성 박막의 형성방법에 관한 것이다.
외광 반사율을 최소화함과 동시에 전기 전도성을 갖는 기능성 박막은 그 용도가 다양할 수 있는데, 구체적으로 선글래스, 외광 차폐 유리, 자외선 차단 및 보온제, 전자파 차폐제 등을 예로 들 수 있다.
또한, 칼라 음극선관과 같은 칼라 표시소자의 형광막 사이에 외광 흡수 및 인접한 패턴으로부터의 산란광 흡수를 목적으로 형성되어 있는 블랙 매트릭스를 예로 들 수 있다. 표시소자 스크린의 외광 반사율이 커지면 이미지가 흐려지기 때문에 표시소자의 픽셀을 둘러싸고 있는 블랙 매트릭스의 외광 흡수율을 증대시킴으로써 콘트라스트 특성을 향상시키려는 노력이 계속되어 왔다.
이러한 이유로 인하여 블랙 메트릭스는 흡수율이 큰 크롬을 이용하여 크롬층 및 크롬 산화물층의 구조를 갖도록 제조되고 있으며, 흡수율을 보다 더 향상시키기 위하여 산화물층에 카본을 첨가하는 방법도 사용되고 있다.
종래의 저 반사, 저 투과 박막을 만드는 방법은 LCD(Liquid Crystal Display)의 경우 CrO/Cr의 박막을 증착하거나, CRT(Cathode Ray Tube)의 경우 그래파이트를 후막으로 올리는 방법 등이 있다. CrO/Cr의 경우 Cr을 사용함으로 인해 환경 오염을 유발하는 문제가 있고, 그래파이트를 이용하면 막의 두께가 두꺼워 지는 문제가 있다.
특히, 미국특허 제5,976,639호에는 디스플레이 패널의 내면에 전이층(transition layer)과 금속층을 포함하는 필름층을 적층하여 액정 표시소자용 블랙 매트릭스를 형성하는 방법이 개시되어 있다.
상기 특허에 의하면, 상기 필름층은 빛이 입사하는 방향으로 Cr, W, Ta, Ti, Fe, Ni, Mo 등의 금속 성분의 함량이 막두께 100Å당 0.5 내지 20% 정도로 증가하도록 분포되어 있는 전이층을 포함하고 있으며, 이 전이층은 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중에서 선택된 성분을 더 함유하고 있다. 그리고 금속성분으로는 주로 크롬을 사용하고 있다. 또한, 상기 전이층은 금속을 조금 함유하는 층과 금속을 많이 함유하는 층 사이에 개재는데, 금속 함량이 많은 층은 금속 함량이 50 내지 100% 범위이며, 금속 함량이 낮은 층은 금속 함량이 10 내지 50% 범위이고, 나아가 블랙 매트릭스의 기능면에서 금속함량이 낮은 층은 필수적인 구성요소가 아님을 개시하고 있다.
그리고, 상기 블랙 매트릭스는 반응성 스퍼터링 방법이라는 방법에 의해 제조되는데, 이 방법에 의하면, 금속(크롬) 타겟이 진공 챔버내의 마그네트론 캐소드 상에 놓이고, 제 1가스가 마그네트론 방전을 위해 챔버내로 도입되고, 스퍼터링된 금속 원소와 반응하는 반응성 가스(산소 또는 질소)가 제 2가스로서 도입된다. 투명기판이 움직이는 방향을 따라 점진적으로 반응성 가스의 분압이 감소하는 분위기에서 스퍼터링이 실시된다.
그러나 상기 미국특허 제5,976,639호에 개시된 블랙 매트릭스 및 그 제조방법은 크롬과 같은 환경 오염 물질을 주로 사용할 뿐 아니라, 반드시 반응성 분위기에서 증착이 이루어져야 하며, 필름층을 구성하는 전이층과 금속층 형성시 각 층 형성용 재료의 조성 및 각 층의 두께를 엄격하게 제어해야 하므로 제조공정이 까다롭다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위하여 무독성 금속과 유전성 물질의 혼합물을 이용하여 형성하며, 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖는 기능성 박막을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟 및 이를 이용하여 광학적 및 전기적 특성이 우수한 기능성 박막의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는,
기능성 박막을 형성하기 위한 기판과 굴절율이 실질적으로 유사한 제 1물질과, 상기 기판과 굴절율이 실질적으로 다른 제 2물질이 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 기능성 박막 형성용 스퍼터링 타겟을 제공한다.
상기 농도 구배가 복수개의 스텝으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제 1물질이 실리콘 옥사이드(SiOx, x≥1), MgF2, 및 CaF2로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 제 2물질이 Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W, Ta 의 금속과 Si, 카본, 및 Si3N4로 구성된 군에 선택되는 것이 바람직하다.
상기 기판이 소다 라임 유리 기판인 것이 바람직하다.
상기 농도 구배를 이루고 있는 층의 두께가 200 내지 5000Å인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 기술적 과제를 달성하게 위하여 본 발명은,
기판을 준비하는 제 1단계;
상기 기판과 굴절율이 실질적으로 유사한 제 1물질과, 상기 기판과 굴절율이 다른 제 2물질이 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 타겟을 준비하여 상기 기판과 대응되게 설치하는 제 2단계; 및
상기 타겟을 스퍼터링하여 기판상에 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 기능성 박막을 형성하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막의 형성방법을 제공한다.
상기 기능성 박막 형성방법의 제 3단계에서, 상기 기능성 박막이 두께 방향으로 흡수율이 점진적으로 증가하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 원리를 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
일반적으로 도 1에 나타낸 바와 같이 기판(10)상에 코팅된 박막(20)의 반사율은 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112001023608655-pat00001
반사율(R) = r ·r*
상기 식에서, Ns, Nf는 각각 기판과 박막의 복소굴절률이며, *는 복소수의 켤레값을 나타낸다.
따라서, 박막의 빛 반사율을 줄이기 위해서는 기판과 박막의 굴절률의 차이 가 적을수록 유리하다는 것을 알 수 있다. 즉, 기판과 박막의 굴절률이 같아지면 반사가 전혀 일어나지 않게 된다.
본 발명자들은 이와 같은 원리에 입각하여, 도 2와 같은 기능성 박막의 구조를 고안하게 되었다. 즉, 기판과 바로 인접한 부분에는 기판과 굴절률이 아주 근접한 유전성 물질인 제 1성분을 코팅한다. 이 때 기판의 굴절률은 ns, 흡광계수는 ks라 하고, 제 1성분의 굴절률을 n1, 흡광계수를 k1이라 한다. 제 1성분과 기판의 굴절률 차가 거의 없기 때문에 상기 수학식 1의 원리에 의해 빛의 반사가 거의 없어질 수 있다.
다시, 제 1성분 위에는 제 1성분과 굴절률이 거의 유사한 제 2성분(굴절률 n2, 흡광계수 k2)을 적층함으로써 전술한 바와 동일한 원리에 의해 빛의 반사를 줄일 수 있다. 계속해서 동일한 방식으로 굴절률이 미소한 차이를 갖고 점진적으로 변하도록 제 3성분(n3, k3), 제 4성분(n4, k4), 제 5성분(n5, k5) 등을 적층할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 기판상에 제 1성분 내지 5성분을 형성하기 위하여 기판과 굴절율이 실질적으로 유사한 제 1물질과, 상기 기판과 굴절율이 실질적으로 다른 제 2물질이 두께 방향(입사광의 진행방향)으로 농도 구배를 갖는 스퍼터링 타겟을 사용한다. 이러한 타겟을 이용하여 형성한 기능성 박막은 상기 원리에 따라 굴절율과 반사율이 최소화 되게 된다. 상기 타겟에서의 농도 구배는 특히 복수개의 스텝으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 굴절율과 반사율이 점진적으로 변하는 여러 단계의 물질을 사용하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 기판이 소다 라임 유리 기판인 것이 바람직하다. 그리고 상기 제 1물질은 상기 기판의 굴절율과 실질적으로 유사한 물질이다. 이러한 물질로는 실리콘 옥사이드(SiOx, x>1), MgF2, 및 CaF2 등이 바람직하다. 상기 제 2물질은 상기 기판의 굴절율과 실질적으로 다른 물질이다. 이러한 특성을 갖는 물질로는 Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W, Ta 의 금속과 Si, 카본, 및 Si3N4로 구성된 군에 선택되는 것이 바람직하다. 그 이유는 이들의 흡수율이 1 내지 7 정도로 높기 때문이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 농도 구배를 이루고 있는 층의 두께가 200 내지 5000Å인 것이 바람직하다. 이는 빛의 반사와 투과를 줄이기 때문이다. 빛의 반사와 투과를 최저로 하기 위하여는 특히 500∼3000Å인 것이 더욱 바람직하다.
이하, 본 발명은 상기한 바와 같은 기능성 박막용 타겟을 사용하여 기능성 박막을 형성하는 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 기판으로서 투명 판부재를 준비하는 한 다음, 상기 기판과 굴절율이 실질적으로 유사한 제 1물질과, 상기 기판과 굴절율이 다른 제 2물질이 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 타겟을 준비한다. 이어서 상기 기판과 대응되게 설치한다. 그 후, 상기 타겟을 스퍼터링하여 기판상에 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 기능성 박막을 형성한다. 스퍼터링 장치는 펌핑 시스템을 갖춘 진공챔버, 진공 챔버 내에 위치한 마그네트론 캐소드, 마그네트론 위에 위치한 타겟, 마그네트론 방출을 위한 Ar 가스 도입 시스템이 구비하는 것이 바람직하다.
상술한 방법에 의하여 형성된 기능성 박막은 두께 방향으로 흡수율이 점진적으로 증가하여 빛의 반사율과 투과율을 줄일 수 있으며, 본 출원인이 출원 중인 국내 특허 출원 제2001-005937호에 개시된 것과 동일한 구조를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 두께 방향(입사광의 진행 방향)으로 조성이 변화하는(아래 실시예 1 참조) 하나의 타겟을 만들어 인라인(In-Line) 방식으로 증착시킬 수 있다. 인라인 방식이란 MIHL 층을 조성이 변화하는 타겟으로 증착하고 연어어 금속을 증착시킬 수 있는 방식 또는 조성이 다른 타겟을 여러개 일렬로 정렬하여 배치하고 기판이 지나가도록하여 연속 생산이 가능하도록 하는 방식이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면 유전성 물질은 SiO와 금속인 Co의 조성이 상이한 6개의 타겟, 즉 제 1타겟은 SiO 100%, 제 2타겟은 SiO 80% 와 Co 20%, 제 3타겟은 SiO 60%와 Co 40%, 제 4타겟은 SiO 40% 와 Co 60%, 제 5타겟은 SiO 20%와 Co 80%, 및 제 6타겟은 Co 100%인 조성을 갖는 타겟을 순서대로 바꾸면서 배치 방식으로 증착하여 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있게 한다.
농도 구배는 각 타겟에 인가되는 rf(Radio Frequency) 또는 DC(Direct Current) 파워를 조절함으로써 변화시킬 수 있다.
도 2에는 설명의 편의상, 박막이 조성 및 물리적 성질이 뚜렷이 구별되는 여러 개의 층으로 이루어진 것처럼 도시하였으나 실제로는 그 차이가 아주 미소하기 때문에 여러 개의 층으로 이루어져 있다고 보기는 어렵다.
이러한 굴절률의 구배는 굴절률이 점차적으로 증가하는 방식으로 또는 점차 감소하는 방식으로 어느 것이든지 가능하나, 외부 입사광에 대한 반사를 줄이고 흡수율을 높이기 위해서는 외부 입사광의 진행 방향에 따라 흡수계수가 증가하는 방식으로 적층하는 것이 바람직하다. 이와 같이 박막의 두께에 따라 흡수계수가 점차적으로 증가하도록 하면 박막을 통과하는 빛의 양이 점차적으로 감소하여 일정 두께 이상이 되면 빛이 전혀 투과되지 않도록 하는 것도 가능하다.
또한, 박막의 두께에 따라 굴절률 뿐 아니라 전기 전도도가 점진적으로 변하도록 함으로써 박막의 효용가치를 극대화할 수 있다. 즉, 박막의 두께를 따라 기판과 접하는 면으로부터 반대 면을 향해 갈수록 금속 함량이 증대되어 전기전도도가 점진적으로 증가되도록 하면, 외광 반사율이 최소화되면서 전기 전도성이 큰 광학 구조체를 실현할 수 있게 된다. 이와 같은 구조체는 전자파 차폐재나 디스플레이 소자의 블랙 매트릭스에 사용되는 경우 전자의 전하축적을 효과적으로 방지할 수 있다. 이와 반대로, 박막의 두께를 따라 기판과 접하는 면으로부터 반대면쪽에서의 금속 함량이 거의 없는 경우에는 전기전도도가 필요없는 광흡수층으로 사용가능하다.
기능성 박막이 완성된 후에는 기능성 박막의 용도에 따라 필요한 후속 공정을 실시할 수 있다. 예를 들어 표시소자의 블랙 매트릭스를 제조하고자 한다면, 포토리소그래피 공정을 통하여 상기 기능성 박막을 패터닝하는 단계를 실시할 수 있다.
[실시예]
이하 본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 하기 실시예는 단지 예시적인 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
조성이 다른 타겟을 6개 제조하였다: 제 1타겟의 조성은 SiO 100%,제 2타겟의 조성은 SiO 80%와 Co 20%, 제 3타겟의 조성은 SiO 60%와 Co 40%, 제 4타겟의 조성은 SiO 40%와 Co 60%, 제 5타겟의 조성은 SiO 20%와 Co 80%, 및 제 6타겟의 조성은 Co 100%. 이들 타겟을 순서대로 소다 라임 유리 기판에 증착하여 도 3과 같은 농도 구배를 갖는 박막을 제조하였다.
<실시예 2>
기판으로 소다 라임 유리를 사용하고, 스퍼터링 타겟으로서 도 4에 도시된 바와 같이 SiO와 Co의 조성이 두께 방향을 따라 변화하는 타겟을 준비하였다. 이 타겟을 이용하여 인라인 방식으로 스퍼터링하여 증착하였다. 이렇게 제조된 박막은 도 5과 같이 두께방향의 농도 구배를 나타낸다.
하기 표 1에서 반사율과 광학밀도는 자외선-가시광선 분광계를 사용하여 파장이 550 nm일 때 측정하였다. 면저항은 4 포인트 프로브법을 이용하여 측정하였다.
반사율 (550 nm, %) 광학밀도 (O.D.) 두께(Å) 면저항 (mΩ/□)
실시예 1 0.5 3.7 2500 490
실시예 2 0.5 3.5 2200 630
상기 표 1에서 알수 있듯이, 실시예 1 및 2의 기능성 박막은 얇은 두께로도 우수한 반사율, 광학밀도, 및 면저항특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
기판과 굴절율이 실질적으로 유사한 물질과, 기판과 굴절율이 실질적으로 다른 물질을 이용하여 타겟이 조성 구배를 갖도록 함으로써, 두께방향으로 농도 구배를 갖는 기능성 박막을 형성하면 반사율과 투과율을 동시에 줄일 수 있다.

Claims (12)

  1. 기능성 박막을 형성하기 위한 투명 기판과 굴절율이 유사한 실리콘 옥사이드(SiOx, x≥1), MgF2, 및 CaF2로 구성된 군에서 선택되는 제 1물질과, 상기 투명 기판과 굴절율이 다른 Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W, Ta 의 금속과 Si, 카본, 및 Si3N4로 구성된 군에 선택되는 제 2물질이 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 기능성 박막 형성용 스퍼터링 타겟.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 농도 구배가 복수개의 스텝으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능성 박막 형성용 스퍼터링 타겟.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 투명 기판이 소다 라임 유리 기판인 것을 특징으로 하는 기능성 박막 형성용 스퍼터링 타겟.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 농도 구배를 이루고 있는 층의 두께가 200 내지 5000Å인 것을 특징으로 하는 기능성 박막 형성용 스퍼터링 타겟.
  7. 투명 기판을 준비하는 제 1단계;
    상기 기판과 굴절율이 유사한 실리콘 옥사이드(SiOx, x>1), MgF2, 및 CaF2로 구성된 군에서 선택되는 제 1물질과, 상기 기판과 굴절율이 다른 Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W, Ta 의 금속과 Si, 카본, 및 Si3N4로 구성된 군에 선택되는 제 2물질이 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 타겟을 준비하여 상기 기판과 대응되게 설치하는 제 2단계; 및
    상기 타겟을 스퍼터링하여 기판상에 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 기능성 박막을 형성하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막의 형성방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7항에 있어서, 상기 제 2단계에서, 타겟의 농도 구배가 복수개의 스텝으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 박막의 형성방법.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 제 2단계에서, 타겟에서의 농도 구배층의 두께가 200 내지 5000Å인 것을 특징으로 하는 기능성 박막 형성방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 제 3단계에서, 상기 기능성 박막이 두께 방향으로 흡수율이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막의 형성방법.
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