KR101137913B1

KR101137913B1 - 다상 Ｎｂ0ｘ 스퍼터링 타겟 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101137913B1
Application number: KR1020090109038A
Authority: KR
Inventors: 박훈; 박재영; 김재선
Original assignee: 삼성코닝정밀소재 주식회사
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2012-05-03
Also published as: KR20110052119A

Abstract

본 발명은, Nb₁₂O₂₉ 결정상을 5% 이상 함유하는 소결체로서, 그 밀도는 4.52g/cm³ 이상인 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟을 제공한다. 바람직하게는, 상기 타겟은 비저항이 0.001~10 Ω?cm이다. 바람직하게는, 상기 타겟은 결정립의 평균 입경이 최대 장방향으로 1~30㎛인 결정립을 50% 이상 함유한다. 또한, 본 발명은, 오소롬빅(orthorhombic), 모노클리닉(monoclinic) 및 이들의 혼재상 중 어느 하나의 상을 갖는 Nb₂O₅ 원료 분말을 1100~1600 ℃의 온도에서 10~100 MPa의 압력 조건을 만족하며 가압소결하는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법을 제공한다. 바람직하게는, 상기 가압소결시, 600 ℃ 미만에서는 0.1~0.001 torr의 진공 분위기를 유지하고, 600 ℃ 이상에서는 질소 또는 아르곤을 분위기 가스로 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 Nb₂O₅ 원료 분말은 0.1~20㎛의 크기를 갖는다. 상기 Nb₂O₅ 원료 분말을 평균 과립의 크기가 5~50 ㎛인 과립으로 과립화한 후 상기 가압소결을 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 가압소결은 일축 가압소결이다.

Description

다상 Ｎｂ0ｘ 스퍼터링 타겟 및 그 제조방법{Multi-phase NbOx sputtering target and method of fabricating the same}

본 발명은 NbO_x 스퍼터링 타겟 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Nb₁₂O₂₉ 결정상을 함유하는 다상 Nb₂0₅ 스퍼터링 타겟 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Nb₂0₅는 고굴절률 값을 가지며 가시광 영역에서 투과성을 갖는 고굴절률 투명 박막, 등으로 사용된다. 일반적으로 Nb₂0₅ 막은 스퍼터링법에 의하여 성막되는데, 해당 물질의 산화물 타겟, 즉 Nb0_x 타겟을 사용하게 된다.

스퍼터링은 스퍼터링 가스를 진공분위기로 이루어진 챔버 내로 주입하여 성막하고자 하는 타겟과 충돌시켜 플라즈마를 생성시킨 후 이를 기판에 증착시키는 기술이다. 일반적으로 사용되는 스퍼터링 가스는 불활성 가스(inert gas)인 Ar을 사용한다. 스퍼터링은 타겟쪽을 음극(cathod)으로 하고 기판쪽을 양극(anode)로 한다. 전원을 인가하면 주입된 스퍼터링 가스(Ar)는 음극쪽에서 방출된 전자와 충돌 하여 여기(excite)되어 Ar+로 되고 이 여기된 가스는 음극인 타겟쪽으로 끌려와 타겟과 충돌한다. 이때 여기된 가스 하나하나는 hυ만큼의 에너지를 가지고 있으며 충돌시 에너지는 타겟으로 전이되며 이때 타겟을 이루고 있는 원소의 결합력과 전자의 일함수(work function)를 극복할 수 있을 때 플라즈마는 방출된다. 발생한 플라즈마는 전자의 자유행정거리만큼 부상하고 타겟과 기판과의 거리가 자유행정거리 이하일 때 플라즈마는 성막된다.

산화물 타겟은 전통적인 세라믹스 공정을 이용하는 것이 일반적이다. 대부분의 산화물은 성형-소결-가공-본딩의 공정을 순차적으로 거치게 된다. 그러나 Nb₂0₅ 분말 성형체는 전통적인 전기 히터식 무가압소결로에서 소결이 제한적으로 일어나 치밀화가 잘 되지 않는 면이 있다.

이러한 문제를 미국특허 6,440,278호는 일축가압소결법(Hot Pressing)을 이용하여 Ti, Nb, Ta, Mo, W, Zr, Hf, 등의 고굴절률을 갖는 금속에 있어 산소가 부족한 상태인 비화학양론(non-stoichiometry)의 조성의 타겟을 제작하는 방법에 대하여 제안한 바 있다.

그러나, 상기 미국특허를 포함한 종래의 Nb0_x 타겟은, 최종 타겟의 비저항, 등의 물성에 대한 연구, 특히 원료 물질 및 타겟의 상이 타겟의 비저항에 미치는 영향에 대한 연구가 전무하여, 최종 타겟의 물성 조절이 어려운 한계가 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 Nb₁₂O₂₉ 결정상을 5% 이상 함유하는 다상 NbO_x 타겟을 제공하되, Nb₁₂O₂₉ 결정상의 함유율에 따라 타겟의 물성, 특히 비저항이 달라짐을 보이고, 종국적으로 Nb₁₂O₂₉ 결정상의 함유율을 조절하여 최종 타겟의 전기전도도를 조절할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, Nb₁₂O₂₉ 결정상을 5% 이상 함유하는 소결체로서, 그 밀도는 4.52g/cm³ 이상인 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟을 제공한다.

바람직하게는, 상기 타겟은 비저항이 0.001~10 Ω?cm이다.

바람직하게는, 상기 타겟은 결정립의 평균 입경이 최대 장방향으로 1~30㎛인 결정립을 50% 이상 함유한다.

또한, 본 발명은, 오소롬빅(orthorhombic), 모노클리닉(monoclinic) 및 이들의 혼재상 중 어느 하나의 상을 갖는 Nb₂O₅ 원료 분말을 1100~1600 ℃의 온도에서 10~100 MPa의 압력 조건을 만족하며 가압소결하는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 가압소결시, 600 ℃ 미만에서는 0.1~0.001 torr의 진공 분위기를 유지하고, 600 ℃ 이상에서는 질소 또는 아르곤을 분위기 가스로 사용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 Nb₂O₅ 원료 분말은 0.1~20㎛의 크기를 갖는다.

상기 Nb₂O₅ 원료 분말을 평균 과립의 크기가 5~50 ㎛인 과립으로 과립화한 후 상기 가압소결을 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 가압소결은 일축 가압소결이다.

상기한 구성에 따르면, 본 발명은 타겟의 전기전도도에 영향을 주는 중요 인자로 Nb₁₂O₂₉ 결정상의 함유율을 제시하고, 이를 통하여 얻고자 하는 물성의 타겟 제조를 가능하게 하여, 종국적으로 우수한 성막 품질을 얻을 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 예컨대, PDP 광학필터를 구성하는 도전막, 등에 사용되는 Nb₂O₅ 박막의 성막을 위하여 사용되는 NbO_x 타겟 및 그 제조방법에 관한 것이다.

구체적으로는, 본 발명은 가압소결, 바람직하게는 일축가압소결(Hot Pressing)을 이용하여 NbO_x 타겟을 제작하되, 결정 구조면에서 사용 원료 물질의 상과 최종 타겟의 상을 제시하고, 타겟 특성으로는 낮은 비저항 값과 입자크기를 명 기함으로써 상업적으로 사용가능한 NbO_x 타겟과 그 제조방법을 제안한다.

Nb0_x 타겟은 상(phase)과 그 비율, 산소의 결핍 상태, 결정립 크기 분포, 등에 의해 타겟 비저항 크기에 영향을 미치고, 이에 따라 스퍼터링 시 요구되는 인가전압이 달라져 막품질에 영향을 미친다.

NbO_x 타겟의 원료물질인 Nb₂O₅는 모노클리닉(Monoclinic), 오소롬빅(Orthorhombic)과 그 혼재상으로 존재할 수 있는데, 그 상에 따라 소결 거동이 바뀌고, 상변태(오소롬빅->모노클리닉) 속도가 달라져 최종 타겟 내 상의 비율이 달라질 수 있다. 타겟 내 상의 비율은 결국 미세구조의 변화에 수반되며, 타겟의 비저항에 큰 영향을 미치게 된다.

본 발명은, 원료 분말의 상(phase)과 입형에 따라 가압소결시 소결체의 상변태 키네틱(kinetic)이 달라질 수 있음에 착안하여, 소결공정 조건을 바꾸지 않은 상태에서 NbO_x 타겟의 비저항의 값과 미세구조를 변화시킬 수 있다. 소결체의 상분률을 조절함에 따라 전기전도도를 변화시킬 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 타겟은 Nb₁₂O₂₉ 결정상을 5% 이상 함유하고, 4.52g/cm³ 이상의 밀도를 갖는다. 또한, 비저항이 0.001~10 Ω?cm로 낮은 비저항을 갖는다. 대체적으로, 타겟 내의 Nb₁₂O₂₉ 결정상의 함유율이 증가할 수록 비저항 값은 낮아지는 특성을 보일 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 타겟은, 결정립의 평균 입경이 최 대 장방향으로 1~30인 결정립을 50% 이상 함유한다.

본 발명의 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법은, 오소롬빅(orthorhombic), 모노클리닉(monoclinic) 및 이들의 혼재상 중 어느 하나의 상을 갖는 Nb₂O₅ 원료 분말을 1100~1600 ℃의 온도에서 10~100 MPa의 압력 조건을 만족하며 일축 가압소결하여 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟을 제조한다.

대체적으로, 온도가 증가할수록 오소롬빅으로부터 모노클리닉 상으로 변태 정도가 커지고, 압력이 증가할수록 그 변태 속도가 빨라지는 특성을 보인다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 600 ℃ 미만의 온도에서는 0.1~0.001 torr의 진공 분위기를 유지하고, 600 ℃ 이상에서 질소 또는 아르곤을 분위기 가스로 사용할 수 있다.

원료 분말은 0.1~20㎛의 크기를 가질 수 있다.

한편, Nb₂O₅ 원료 분말을 평균 과립의 크기가 5~50 ㎛인 과립으로 과립화한 후 일축 가압소결을 수행할 수 있는데, 이 경우, 150~650 ℃에서 2시간 이상 유지하고, 이때 0.1~0.001 torr의 진공 분위기를 유지한다.

도 1은 오소롬빅 100% Nb₂O₅를 원료 물질로 하여 제작된 소결체의 상분석 결과를 보여주는 도면이다.

오소롬빅(Orthorombic) 100% Nb₂O₅ 원료 분말을 카본몰드에 충진한 후 0.1MPa로 선가압을 2회 실시하였다. 선가압된 오소롬빅 Nb₂O₅ 성형체를 10℃/min으 로 1350℃까지 승온하고, 승온시 800℃부터 1350℃까지 균일한 승압 속도로 25 MPa까지 승압하였다. 1350℃에서 25MPa로 가압하면서 약 30분간 소결진행 후 역순으로 800℃ 까지 감압한 후 상온까지 냉각하였다.

이렇게 제작된 NbO_x 소결체는 검은색의 외관을 가지며, 밀도4.54g/cm³, 타겟 비저항 0.08 Ω?㎝의 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 소결체의 상분석 결과, 상분률은 63Nb₂O₅(M) + 37Nb₁₂O₂₉를 갖는 것으로 확인되었다.

도 2 및 도 3은 오소롬빅 50%와 모노클리닉 50%의 혼재상의 Nb₂O₅를 원료 물질로 하여 제작된 소결체의 상분석 결과(XRD)와 주사 전자 현미경(SEM) 사진의 미세구조를 보여주는 도면이다.

오소롬빅 + 모노클리닉 Nb₂O₅ 원료분말을 카본몰드에 충진한 후 0.1MPa로 선가압을 2회 실시하였다. 선가압된 오소롬빅 Nb₂O₅ 성형체를 10℃/min으로 1350℃까지 승온하고, 승온시 800℃부터 1400℃까지 균일한 승압 속도로 25 MPa까지 승압하였다. 1400℃에서 25 MPa로 가압하면서 약 30분간 소결진행 후 역순으로 800℃ 까지 감압한 후 상온까지 냉각하였다.

이렇게 제작된 NbO_x 소결체는 검은색의 외관을 가지며, 밀도 4.54g/cm³, 비저항 0.02 Ω?㎝의 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 소결체의 상분석 결과, 상분률은 86.3Nb₂O₅(M) + 13.7Nb₁₂O₂₉를 갖는 것으로 확인되었다.

본 발명은, 원료 물질의 상과 소결체의 상을 제시함으로써 어떤 식으로 산소가 결핍되어 있고, 그 결정구조를 명확히 하여 x의 농도를 원료 물질의 성상으로 조절 가능함을 보여준다.

출발물질의 종류에 따른 Nb₁₂O₂₉상의 함량이 달라지고 그 함량에 따라 비저항이 달라짐을 알 수 있었다. 이는 Nb₁₂O₂₉상의 함량을 조절하여 비저항을 조절할 수 있음을 보여준다.

Claims

Nb₁₂O₂₉ 결정상을 5% 이상 함유하는 소결체로서, 그 밀도는 4.52g/cm³ 이상인 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟.
제1항에 있어서,

비저항이 0.001~10 Ω?cm인 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟.
제1항에 있어서,

결정립의 평균 입경이 최대 장방향으로 1~30㎛인 결정립을 50% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟을 제조하는 제조방법으로서,

오소롬빅(orthorhombic), 모노클리닉(monoclinic) 및 이들의 혼재상 중 어느 하나의 상을 갖는 Nb₂O₅ 원료 분말을 1100~1600 ℃의 온도에서 10~100 MPa의 압력 조건을 만족하며 가압소결하는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법.
삭제
제4항에 있어서,

상기 가압소결시, 600 ℃ 미만에서는 0.1~0.001 torr의 진공 분위기를 유지하고, 600 ℃ 이상에서는 질소 또는 아르곤을 분위기 가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 Nb₂O₅ 원료 분말은 0.1~20㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 Nb₂O₅ 원료 분말을 평균 과립의 크기가 5~50 ㎛인 과립으로 과립화한 후 상기 가압소결을 하는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 가압소결시, 150~650℃에서 2시간 이상 유지하되, 이때 0.1~0.001 torr 의 진공 분위기를 유지하는 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 가압소결은 일축 가압소결인 것을 특징으로 하는 다상 NbO_x 스퍼터링 타겟 제조방법.