KR101238926B1 - 투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치 Download PDF

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Abstract

산화아연계 재료를 포함하는 타겟을 사용하여 스퍼터링에 의해 기판상에 산화아연계의 투명 도전막을 성막하는 투명 도전막의 성막 방법으로서, 수소 가스, 산소 가스 및 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종을 포함하는 반응성 가스 분위기중에서 상기 스퍼터링을 수행한다.

Description

투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치{Method and apparatus for forming transparent conductive film}
본 발명은 투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 플랫 패널 디스플레이(FPD), 터치 패널, 태양전지, 전자(電磁) 실드, 반사 방지(AR)막, 발광 다이오드(LED) 등 옵토일렉트로닉스 분야의 각종 디바이스에 사용하기에 적합한 투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
본원은 2007년 12월 28일에 일본 출원된 일본특원2007-340913호에 기초하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 추가하기로 한다.
종래 태양전지나 발광 다이오드의 전극 재료로서 산화인듐에 산화주석을 5∼10질량% 첨가한 주석 첨가 산화인듐(ITO)이 있는데 투명 도전 재료로서 이용되고 있다.
그러나 ITO의 원료가 되는 인듐(In)은 희소금속으로서 장차 입수가 어려워 비용 상승이 예상된다. 그래서 ITO를 대신할 투명 도전막의 재료로서 풍부하면서 저렴한 산화아연(ZnO)계 재료가 주목받고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
ZnO계 재료는 ZnO를 살짝 환원함으로써 화학양론적 조성에서 약간 벗어나 ZnO결정중에 산소 빈자리(空孔)가 형성되어 자유 전자를 방출하는, 혹은 불순물로서 첨가된 B, Al, Ga 등이 ZnO결정 격자중의 Zn이온의 위치에 들어가 이온이 되어 자유 전자를 방출하는 등에 의해 도전성을 나타내는 n형 반도체이다.
ZnO계 재료는 대형 기판에 대한 균일 성막이 가능한 스퍼터링에 적합하며 성막 장치에서는 ITO 등의 In2O3계 재료의 타겟을 ZnO계 재료의 타겟으로 변경함으로써 성막 가능하다. 또 ZnO계 재료는 In2O3계 재료와 같이 절연성이 높은 저급 산화물(InO)을 포함하지 않기 때문에 스퍼터링에서의 이상이 발생하기 어렵다.
특허문헌 1: 일본 특개평9-87833호 공보
종래의 ZnO계 재료를 사용한 투명 도전막은 투명성은 ITO막에 비해 손색이 없지만 비저항이 ITO막보다 높다는 문제점이 있었다.
그래서 ZnO계의 투명 도전막의 비저항을 원하는 값까지 낮추기 위해 스퍼터링시에 챔버 내에 환원 가스로서 수소 가스를 도입하고, 이 환원 분위기 중에서 성막하는 방법이 고려되었다.
그러나 이 경우 얻어진 투명 도전막의 비저항은 확실히 낮아지지만 그 표면에 약간이지만 금속 광택이 생겨 투과율이 저하된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 산화아연계의 투명 도전막의 비저항을 저하시킴과 동시에 가시 광선에 대한 투명성을 유지할 수 있는 투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자 등은 산화아연계 재료를 사용한 투명 도전막의 성막 방법에 대해서 예의 검토하였다. 그 결과, 본 발명자 등은 산화아연계 재료로 이루어진 타겟을 사용하여 스퍼터링법에 의해 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 때에 수소 가스, 산소 가스, 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종을 포함하는 반응성 가스 분위기중에서 스퍼터링을 하고, 또한 수소 가스의 분압(PH2)과 산소 가스의 분압(PO2)의 비 R(=PH2/PO2)가
15≥(R=PH2/PO2)≥5 …(1)
를 충족하는 조건하에서 스퍼터링을 하면 산화아연계 투명 도전막의 비저항을 낮출 수 있고, 더욱이 가시 광선에 대한 투명성을 유지할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성시켰다.
즉, 본 발명의 투명 도전막의 성막 방법은 산화아연계 재료를 포함하는 타겟을 사용하여 스퍼터링에 의해 기판상에 산화아연계의 투명 도전막을 성막하는 투명 도전막의 성막 방법으로서, 수소 가스, 산소 가스 및 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종을 포함하는 반응성 가스 분위기중에서 상기 스퍼터링을 한다.
이 성막 방법에서는 스퍼터링법에 의해 기판상에 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 때 수소 가스, 산소 가스, 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종을 포함하는 반응성 가스 분위기중에서 스퍼터링을 하고, 또한 수소 가스의 분압(PH2)과 산소 가스의 분압(PO2)의 비R(=PH2/PO2)가
15≥(R=PH2/PO2)≥5 …(2)를 충족한다.
이로써 스퍼터링법에 의해 기판상에 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 때의 분위기를, 수소 가스, 산소 가스, 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종을 포함하는 분위기, 즉 환원성 가스와 산화성 가스의 비가 조화된 분위기로 할 수 있게 된다. 따라서 이 분위기하에서 스퍼터링을 하면 얻어진 투명 도전막은 산화아연 결정중의 산소 빈자리 수가 제어되어 원하는 도전율을 가진 막이 되고 그 비저항도 저하되어 원하는 비저항의 값이 된다.
또 얻어진 투명 도전막은 금속 광택이 생기지 않아 가시 광선에 대한 투명성을 유지할 수 있다.
상기 스퍼터링을 할 때 상기 타겟에 인가하는 스퍼터링 전압을 340V 이하로 해도 좋다.
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상기 스퍼터링을 할 때 직류 전압에 고주파 전압을 중첩한 스퍼터링 전압을 상기 타겟에 인가해도 좋다.
상기 스퍼터링을 할 때의 상기 타겟의 표면에서의 수평 자계의 강도의 최대값을 600가우스 이상으로 해도 좋다.
상기 산화아연계 재료가 알루미늄 첨가 산화아연 또는 갈륨 첨가 산화아연이어도 좋다.
본 발명의 투명 도전막의 성막 장치는 산화아연계 재료를 포함하는 타겟을 사용하여 이 타겟에 대향하여 배치된 기판상에 산화아연계의 투명 도전막을 성막하는 투명 도전막의 성막 장치로서: 진공 용기와; 이 진공 용기에 구비된 수소 가스 도입 수단, 산소 가스 도입 수단, 수증기 도입 수단 중 2개 이상과; 상기 진공 용기내에 타겟을 지지하는 타겟 지지 수단과; 상기 타겟에 스퍼터링 전압을 인가하는 전원;을 구비하고 있다.
이 성막 장치에서는 진공 용기가, 수소 가스 도입 수단, 산소 가스 도입 수단, 수증기 도입 수단 중 2개 이상을 구비함으로써 산화아연계 재료로 이루어진 타겟을 사용하여 스퍼터링법에 의해 기판상에 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 때의 분위기를, 수소 가스 도입 수단, 산소 가스 도입 수단, 수증기 도입 수단 중 2개 이상을 사용하여 환원성 가스와 산화성 가스의 비가 조화된 반응성 가스 분위기로 할 수 있게 된다. 따라서 산화아연 결정중의 산소 빈자리 수가 제어됨으로써 비저항이 저하되고, 금속 광택이 생기지 않고, 가시 광선에 대한 투명성을 유지할 수 있는 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 수 있게 된다.
상기 전원이 직류 전원과 고주파 전원을 병용해도 좋다.
이 성막 장치에서는 직류 전원과 고주파 전원을 병용함으로써 스퍼터링 전압을 저하시킬 수 있게 된다. 이로써 결정 격자가 정돈된 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 수 있게 되고, 얻어진 투명 도전막의 비저항도 낮아진다.
상기 타겟 지지 수단에, 상기 타겟의 표면에 강도의 최대값이 600가우스 이상인 수평 자계를 발생시키는 자계 발생 수단이 구비되어 있어도 좋다.
이 성막 장치에서는 타겟 지지 수단에, 타겟의 표면에 강도의 최대값이 600가우스 이상인 수평 자계를 발생시키는 자계 발생 수단을 마련함으로써 타겟 표면의 수직 자계가 0(수평 자계가 최대)이 되는 위치에 고밀도 플라즈마가 생성된다. 이로써 결정 격자가 정돈된 산화아연계 투명 도전막을 성막할 수 있게 된다.
본 발명의 투명 도전막의 성막 방법에 의하면, 수소 가스, 산소 가스, 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종을 포함하는 반응성 가스 분위기중에서 스퍼터링을 하기 때문에 산화아연계의 투명 도전막의 비저항을 저하시킬 수 있고, 아울러 가시 광선에 대한 투명성을 유지할 수 있다.
따라서 비저항이 낮고, 가시 광선에 대한 투명성이 우수한 산화아연계의 투명 도전막을 용이하게 성막할 수 있다.
본 발명의 투명 도전막의 성막 장치에 의하면, 진공 용기에 수소 가스 도입 수단, 산소 가스 도입 수단, 수증기 도입 수단 중 2개 이상을 구비했기 때문에 이들을 제어함으로써 진공 용기내의 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 때의 분위기를, 환원성 가스와 산화성 가스의 비가 조화된 반응성 가스 분위기로 할 수 있다.
따라서 종래의 성막 장치의 일부를 개량하는 것만으로도 비저항이 낮고, 가시 광선에 대한 투명성이 우수한 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 스퍼터링 장치를 도시한 개략 구성도(평면도)이다.
도 2는 같은 실시형태의 스퍼터링 장치의 성막실의 주요부를 도시한 평면 단면도이다.
도 3은 무가열성막에서의 H2O가스(수증기)의 효과를 도시한 그래프이다.
도 4는 기판 온도를 250℃로 한 가열성막에서의 H2O가스(수증기)의 효과를 도시한 그래프이다.
도 5는 기판 온도를 250℃로 한 가열성막에서 H2가스와 O2가스를 동시에 도입한 경우의 효과를 도시한 그래프이다.
도 6은 기판 온도를 250℃로 한 가열성막에서 H2가스와 O2가스를 동시에 도입한 경우의 효과를 도시한 그래프이다.
도 7은 무가열성막에서의 H2가스의 효과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태의 인터백식 마그네트론 스퍼터링 장치의 성막실의 주요부를 도시한 단면도이다.
본 발명의 투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치를 실시하기 위한 최량의 형태에 대해서 설명한다.
아울러 이 형태는 발명의 취지를 더욱 잘 이해시키기 위해 구체적으로 설명하는 것으로서, 특별히 지정이 없는 한 본 발명을 한정하지는 않는다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 스퍼터 장치(성막 장치)를 도시한 개략 구성도(평면도), 도 2는 같은 스퍼터 장치의 성막실의 주요부를 도시한 평면 단면도이다.
이 스퍼터 장치(1)는 인터백식의 스퍼터 장치로서, 예를 들면 무알카리 유리 기판(미도시) 등의 기판을 반입/반출하는 사입/취출실(2)과, 상기 기판상에 산화아연계 투명 도전막이 성막되는 성막실(진공 용기)(3)을 구비한다.
사입/취출실(2)에는, 이 실내를 저진공 배기하는 로터리 펌프 등의 저진공 배기 수단(4)이 마련되어 있다. 또 사입/취출실(2)의 실내에는 기판을 지지·반송하기 위한 기판 트레이(5)가 이동 가능하게 배치되어 있다.
한편 성막실(3)의 한쪽 측면(3a)에는 기판(6)을 가열하는 히터(11)가 세로 배치로 마련되어 있다. 성막실(3)의 다른 쪽 측면(3b)에는 산화아연계 재료의 타겟(7)을 지지하고 이 타겟(7)에 원하는 스퍼터 전압을 인가하는 캐소드(타겟 지지 수단)(12)가 세로 배치로 마련되어 있다. 또 이 성막실(3)에는 이 실내를 고진공 배기하는 터보 분자 펌프 등의 고진공 배기 수단(13), 타겟(7)에 스퍼터 전압을 인가하는 전원(14), 이 실내에 가스를 도입하는 가스 도입 수단(15)이 성막실(3)에 설치되어 있다.
캐소드(12)는 판상의 금속 플레이트로 이루어지고, 타겟(7)이 땜납재 등으로 본딩(고정)에 의해 고정되어 있다.
전원(14)은 타겟(7)에 직류 전압에 고주파 전압이 중첩된 스퍼터 전압을 인가하기 위한 것으로서, 직류(DC) 전원과 고주파(RF) 전원(미도시)을 구비한다.
가스 도입 수단(15)은 Ar 등의 스퍼터 가스를 도입하는 스퍼터 가스 도입 수단(15a)과, 수소 가스를 도입하는 수소 가스 도입 수단(15b)과, 산소 가스를 도입하는 산소 가스 도입 수단(15c)과, 수증기를 도입하는 수증기 도입 수단(15d)을 구비한다.
아울러 이 가스 도입 수단(15) 중 수소 가스 도입 수단(15b), 산소 가스 도입 수단(15c) 및 수증기 도입 수단(15d)에 대해서는 필요에 따라 선택된다. 예를 들면, "수소 가스 도입 수단(15b)과 산소 가스 도입 수단(15c)", "수소 가스 도입 수단(15b)과 수증기 도입 수단(15d)" 같이 2개의 수단을 선택하여 사용해도 좋다.
다음으로, 상기 스퍼터 장치(1)를 사용하여 기판상에 산화아연계 투명 도전막을 성막하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
우선, 타겟(7)을 캐소드(12)에 땜납재 등으로 본딩하여 고정한다. 여기에서 타겟재에는 산화아연계 재료, 예를 들면 산화알루미늄(Al2O3)을 0.1∼10질량% 첨가한 알루미늄 첨가 산화아연(AZO), 산화갈륨(Ga2O3)을 0.1∼10질량% 첨가한 갈륨 첨가 산화아연(GZO) 등이 사용된다. 그 중에서도 비저항이 낮은 박막을 성막할 수 있다는 점에서 알루미늄 첨가 산화아연(AZO)이 바람직하다.
이어서, 기판(6)을 사입/취출실(2)의 기판 트레이(5)에 수납하고, 사입/취출실(2) 및 성막실(3)을 소정의 진공도, 예를 들면 0.27 Pa(2.0×10-3Torr)가 될 때까지 저진공 배기 수단(4)으로 저진공 배기한다. 그 후 기판(6)을 사입/취출실(2)에서 성막실(3)에 반입하고, 이 기판(6)을 설정이 오프된 상태의 히터(11) 앞에 타겟(7)에 대향하도록 배치한다. 이 기판(6)을 히터(11)에 의해 100℃∼600℃의 온도 범위내가 되도록 가열한다.
이어서 성막실(3)을 소정의 고진공도, 예를 들면 2.7×10-4 Pa(2.0×10-6Torr)가 될 때까지 고진공 배기 수단(13)으로 고진공 배기한다. 그 후, 성막실(3)에 스퍼터 가스 도입 수단(15a)에 의해 Ar 등의 스퍼터 가스를 도입함과 동시에 수소 가스 도입 수단(15b), 산소 가스 도입 수단(15c) 및 수증기 도입 수단(15d) 중 적어도 2개 이상을 사용하여 수소 가스, 산소 가스, 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종의 가스를 도입한다.
여기에서 수소 가스와 산소 가스를 선택한 경우 수소 가스의 분압(PH2)과 산소 가스의 분압(PO2)의 비R(PH2/PO2)는,
R=PH2/PO2≥5 …(3)
을 충족하는 것이 바람직하다.
이로써 성막실(3)안의 분위기는 수소 가스 농도가 산소 가스 농도의 5배 이상인 반응성 가스 분위기가 되고 이 반응성 가스 분위기가 R=PH2/PO2≥5를 충족함으로써 비저항1. O×1O3μΩ·㎝ 이하의 투명 도전막을 얻을 수 있다.
또 수소 가스와 수증기(가스)를 선택한 경우, 수소 가스의 분압(PH2)과 수증기(가스)의 분압(PH2O)의 비 R(PH2/PH2O)는,
R=PH2/PH2O≥5 …(4)
을 충족하는 것이 바람직하다.
이로써 성막실(3)안의 분위기는 수소 가스 농도가 수증기 농도의 5배 이상의 반응성 가스 분위기가 되고, 이 반응성 가스 분위기가 R=PH2/PH2O≥5를 충족함으로써 비저항1. O×1O3μΩ·㎝ 이하의 투명 도전막을 얻을 수 있다.
이어서 전원(14)에 의해 타겟(7)에 스퍼터 전압을 인가한다.
이 스퍼터 전압은 340V 이하인 것이 바람직하다. 방전 전압을 낮춤으로써 결정 격자가 정돈된 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 수 있게 되고, 얻어진 투명 도전막의 비저항도 낮아진다.
이 스퍼터 전압은 직류 전압에 고주파 전압을 중첩하는 것이 바람직하다. 직류 전압에 고주파 전압을 중첩함으로써 방전 전압을 더 낮출 수 있다.
스퍼터 전압 인가에 의해 기판(6)위에 플라즈마가 발생하고, 이 플라즈마에 의해 여기된 Ar 등 스퍼터 가스의 이온이 타겟(7)에 충돌한다. 이 충돌에 의해 타겟(7)으로부터 알루미늄 첨가 산화아연(AZO), 갈륨 첨가 산화아연(GZO) 등 산화아연계 재료를 구성하는 원자를 튀어 나오게 하여 기판(6)위에 산화아연계 재료로 이루어진 투명 도전막을 성막한다.
이 성막 과정에서는 성막실(3)안의 분위기가 수소 가스, 산소 가스, 수증기의 군에서 선택되는 2종 또는 3종 이상으로 이루어진 반응성 가스 분위기가 된다. 따라서 이 반응성 가스 분위기하에서 수행한 스퍼터링에 의해 산화아연 결정중의 산소 빈자리 수가 제어된 투명 도전막을 얻을 수 있다. 그 결과 그 비저항도 저하되기 때문에 원하는 도전율 및 비저항을 가진 투명 도전막을 얻을 수 있다.
특히 성막실(3)안에서 수소 가스 농도가 산소 가스 농도의 5배 이상으로 되어 있는 경우, 수소 가스와 산소 가스의 비가 조화된 반응성 가스 분위기가 된다. 이 반응성 가스 분위기하에서 수행한 스퍼터링에 의해 산화아연 결정중의 산소 빈자리 수가 고도로 제어된 투명 도전막을 얻을 수 있다. 그 결과 그 비저항도 ITO막에 상당하게 저하되기 때문에 원하는 도전율 및 비저항을 가진 투명 도전막을 얻을 수 있다.
또 얻어진 투명 도전막에서는 금속 광택이 생기지 않고, 가시 광선에 대한 투명성이 유지되었다.
이어서 이 기판(6)을 성막실(3)에서 사입/취출실(2)로 반송하고, 이 사입/취출실(2)의 진공을 깨고, 이 산화아연계의 투명 도전막이 형성된 기판(6)을 꺼낸다.
이와 같이 비저항이 낮으면서도 가시 광선에 대한 투명성이 양호한 산화아연계의 투명 도전막이 형성된 기판(6)을 얻을 수 있다.
다음으로 본 실시형태의 산화아연계 투명 도전막의 성막 방법에 대해서 본 발명자 등이 수행한 실험 결과에 대해서 설명하기로 한다.
5인치×16인치 크기의 Al2O3를 2질량% 첨가한 알루미늄 첨가 산화아연(AZO) 타겟을 사용하고, 이 타겟에 직류(DC)전압을 인가하는 평행 평판형의 캐소드(12)에 땜납재로 고정하였다. 이어서 사입/취출실(2)에 무알카리 유리 기판을 넣고, 사입/취출실(2)안을 저진공 배기 수단(4)으로 저진공 배기하였다. 이어서 이 무알카리 유리 기판을 고진공 배기 수단(13)으로 고진공 배기한 성막실(3)에 반입하여 AZO타겟에 대향 배치시켰다.
이어서 가스 도입 수단(15)에 의해 Ar가스를 5mTorr의 압력이 되도록 도입한 후 H2O가스의 분압이 5×10-5Torr, O2 가스의 분압이 1×10-5Torr 중 하나가 되도록 도입하였다. 그리고 H2O가스 또는 O2가스의 분위기하에서 캐소드(12)에 전원(14)에 의해 1kW의 전력을 인가함으로써 캐소드(12)에 장착한 AZO타겟을 스퍼터링하여 무알카리 유리 기판상에 AZO막을 퇴적시켰다.
도 3은 무가열성막에서의 H2O가스(수증기)의 효과를 도시한 그래프이다. 도 3 중, A는 반응성 가스를 도입하지 않는 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을, B는 H2O가스를 그 분압이 5×10-5Torr가 되도록 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을, C는 O2가스를 그 분압이 1×10-5Torr가 되도록 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을 각각 나타낸다.
반응성 가스를 도입하지 않는 경우, 투명 도전막의 막두께는 207.9㎚, 비저항은 1576μΩ·㎝였다.
또 H2O가스를 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 204.0㎚, 비저항은 64464μΩ·㎝였다.
또 O2가스를 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 208.5㎚, 비저항은 2406μΩ·㎝였다.
도 3에 의하면, H2O가스를 도입함으로써 투과율의 피크 파장을 막두께를 바꾸지 않고 변경할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또 반응성 가스를 도입하지 않는 A에 비해, H2O가스를 도입한 B에서는 전체적으로 투과율도 상승하였다.
또 H2O가스를 도입한 경우, 비저항이 높고, 저항 열화가 커지지만, 투과율이 높다. 즉, 이 경우에 얻어지는 투명 도전막은, 반사 방지막 등과 같은 저저항이 요구되지 않는 광학 부재에 적용 가능하다는 것을 알 수 있었다.
또한 H2O가스의 무도입과 도입 또는 도입량을 변화시킨 조건에서의 성막을 반복 수행함으로써 층마다 굴절율이 변화된 적층 구조의 광디바이스를 1장의 타겟으로 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
또 태양전지의 버퍼층이나 탠덤 구조의 중간 전극은 막두께가 얇고 게다가 막두께 방향으로 전류가 흐르기 때문에 저저항에 대한 요구는 약하다. 이에 반해 투과하는 광의 파장 피크를 조정하는 것이 요구될 경우에는, 본 발명의 투명 도전막의 성막 방법에 의해 H2O가스의 도입량에 따라 막두께를 바꾸지 않고 투과율의 피크 파장을 변경한다. 이로써 원하는 파장의 광을 투과하는 버퍼층이나 중간 전극을 형성할 수 있다.
또한 LED나 유기EL 조명 등 특정 파장을 발광하는 소자에 본 발명의 투명 도전막이 사용될 경우, 발광하는 파장의 투과율이 최대가 되도록 투명 도전막의 투과율을 조정할 수 있다.
이어서 무알카리 유리 기판을 250℃로 가열한 것 외에는 상기와 동일하게 하여 무알카리 유리 기판상에 AZO막을 퇴적시켰다.
도 4는, 기판 온도를 250℃로 한 가열성막에서의 H2O가스(수증기)의 효과를 도시한 그래프이다. 도 4 중, A는 반응성 가스를 도입하지 않는 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을, B는 H2O가스를 그 분압이 5×10-5Torr가 되도록 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을, C는 O2가스를 그 분압이 1×10-5Torr가 되도록 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을 각각 나타낸다. 아울러 직류(DC)전압을 인가하는 평행 평판형의 캐소드를 사용하였다.
반응성 가스를 도입하지 않는 경우, 투명 도전막의 막두께는 201.6㎚, 비저항은 766μΩ·㎝였다.
또 H2O가스를 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 183.0㎚, 비저항은 6625μΩ·㎝였다.
또 O2가스를 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 197.3㎚, 비저항은 2214μΩ·㎝였다.
도 4에 의하면, 가열성막에서도 무가열성막과 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
H2O가스를 도입한 경우, 막두께가 약간 얇아졌지만 막두께의 간섭에 의한 피크 파장의 시프트 이상으로 피크 파장이 시프트되었다. 즉, 기판 온도를 250℃로 가열한 경우에도 무가열의 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
이어서 H2O가스를 H2가스로 바꾸어 직류(DC)전압과 고주파(RF)전압을 중첩 가능한 평행 평판형의 캐소드를 사용하고, 전원(14)에 의해 1kW의 DC전력에 350W의 고주파(RF) 전력을 중첩시킨 스퍼터 전력을 캐소드(12)에 인가하여 4A의 정전류 제어로 하고, 이들 조건 이외에는 상기와 동일하게 하여 무알카리 유리 기판상에 AZO막을 퇴적시켰다.
도 5는, 기판 온도를 250℃로 한 가열 성막에서 H2가스와 O2가스를 동시에 도입한 경우의 효과를 도시한 그래프이다. 도 5 중, A는 H2가스의 분압이 15×10-5Torr, O2가스의 분압이 1×10-5Torr가 되도록 H2가스 및 O2가스를 동시에 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을, B는 O2가스를 그 분압이 1×10-5Torr가 되도록 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을 각각 나타낸다.
H2가스와 O2가스를 동시에 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 211.1㎚였다.
또 O2가스만을 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 208.9㎚였다.
도 5에 의하면, H2가스와 O2가스를 동시에 도입한 경우 O2가스만을 도입한 경우에 비해 막두께의 간섭에 의한 피크 파장의 시프트 이상으로 피크 파장이 시프트된다는 것을 알 수 있었다. 또 투과율도 O2가스만 도입한 경우에 비해 향상된다는 것을 알 수 있었다.
도 6은, 기판 온도를 250℃로 한 가열성막에서 H2가스와 O2가스를 동시에 도입한 경우의 효과를 도시한 그래프이다. O2가스의 분압을 1×10-5Torr(유량 환산 분압)로 고정하고 H2가스의 분압을 0∼15×10-5Torr(유량 환산 분압) 사이에서 변화시킨 경우의 산화아연계 투명 도전막의 비저항을 도시하였다. 아울러 얻어진 투명 도전막의 막두께는 대략 200㎚였다.
이 도면에 의하면, H2가스의 압력이 0Torr에서 2.0×10-5Torr에 걸쳐 비저항이 급격하게 저하되지만, 2.0×10-5Torr를 초과하면 비저항이 안정된다는 것을 알 수 있었다.
동일 조건으로 반응성 가스를 도입하지 않는 경우의 투명 도전막의 비저항은 422μΩ·㎝이므로 H2가스와 O2가스를 동시에 도입한 경우에도 비저항의 열화가 작다는 것을 알 수 있었다.
특히, 디스플레이 등에 사용되는 투명 도전막에서는 가시광 영역에서의 투과율이 높을 뿐만 아니라 저저항일 것이 요구된다. 일반적인 디스플레이의 투명 전극에 1.O×1O3μΩ·㎝ 이하일 것이 요구된다. 도 6에서 비저항이 1. O×1O3μΩ·㎝ 이하가 되는 것은, H2가스의 압력이 5.0×10-5Torr 이상인 경우이다. O2가스의 압력은 1×10-5Torr이므로 비저항을 1.0×103μΩ·㎝ 이하로 하기 위해 R=PH2/PO2≥5를 충족하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또 도 6에 도시한 것처럼, H2 가스의 압력이 5.0×10-5Torr 이상이면서 15.0×10-5Torr 이하이면, 비저항은 1.0×103μΩ·㎝ 이하가 된다. 즉, 비저항을 1.0×103μΩ·㎝ 이하로 하기 위해 R=PH2/PO2≥5를 충족할 뿐만 아니라 15≥R=PH2/PO2를 충족하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
도 7은 무가열성막에서의 H2가스의 효과를 도시한 그래프이다. 도 7 중, A는 H2가스를 그 분압이 3×10-5Torr가 되도록 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을, B는 O2가스를 그 분압이 1.125×10-5Torr가 되도록 도입한 경우의 산화아연계 투명 도전막의 투과율을 각각 나타낸다. 아울러 직류(DC)전압을 인가하는 대향형 캐소드를 사용하였다.
H2가스를 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 191.5㎚, 비저항은 913μΩ·㎝였다.
또 O2가스를 도입한 경우, 투명 도전막의 막두께는 206.4㎚, 비저항은 3608μΩ·㎝였다.
도 7에 의하면, H2가스를 도입함으로써 투과율의 피크 파장을 막두께를 바꾸지 않고 변경할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
또 H2가스를 도입한 경우의 투과율은, O2가스를 도입한 경우에 비해 높다는 것을 알 수 있었다.
이상으로써 H2가스를 도입한 프로세스에서는 H2가스 도입량을 최적화함으로써 고투과율이면서 낮은 비저항의 산화아연계 투명 도전막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
본 실시형태의 투명 도전막의 성막 방법에 의하면, 수소 가스, 산소 가스, 수증기의 군에서 선택되는 2종 이상을 포함하는 반응성 가스 분위기중에서 스퍼터링함으로써 산화아연계 투명 도전막의 비저항을 저하시킴과 동시에 가시 광선에 대한 투명성을 유지할 수 있다.
따라서 비저항이 낮고 가시 광선에 대한 투명성이 우수한 산화아연계의 투명 도전막을 용이하게 성막할 수 있다.
특히 투과율의 피크 파장을 변경하고자 할 경우에는 수증기를 도입함으로써 피크의 시프트량을 크게 변경할 수 있다. 또한 수소 또는 산소를 도입함으로써 시프트량의 조정도 가능하다.
또 특히 투과율과 저저항을 높은 레벨로 양립시키고자 할 경우에는 산소와 수소를 도입하는 것이 바람직하다.
본 실시형태의 투명 도전막의 성막 장치에 의하면, 가스 도입 수단(15)은 Ar 등의 스퍼터 가스를 도입하는 스퍼터 가스 도입 수단(15a)과, 수소 가스를 도입하는 수소 가스 도입 수단(15b)과, 산소 가스를 도입하는 산소 가스 도입 수단(15c)과, 수증기를 도입하는 수증기 도입 수단(15d)이 최적 조건으로 구성되어 있다. 따라서 이들을 제어함으로써 산화아연계 투명 도전막을 성막할 때의 분위기를 환원성 가스와 산화성 가스의 비가 조화된 반응성 가스 분위기로 할 수 있다.
따라서 종래의 성막 장치의 일부를 개량하는 것만으로도 비저항이 낮고 가시 광선에 대한 투명성이 우수한 산화아연계의 투명 도전막을 성막할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 8은 본 발명의 제2 실시형태의 인터백식의 마그네트론 스퍼터 장치의 성막실의 주요부를 도시한 평면 단면도이다.
이 마그네트론 스퍼터 장치(21)가 상기 스퍼터 장치(1)와 다른 점은, 성막실(3)의 한쪽 측면(3b)에 산화아연계 재료의 타겟(7)을 지지하고, 또한 원하는 자계를 발생하는 세로 배치의 스퍼터 캐소드 기구(타겟 지지 수단)(22)가 마련되어 있는 점이다.
스퍼터 캐소드 기구(22)는 타겟(7)을 땜납재 등으로 본딩(고정)한 배면 플레이트(23)와, 배면 플레이트(23)의 이면을 따라 배치된 자기 회로(자계 발생 수단)(24)를 구비하고 있다. 이 자기 회로(24)는 타겟(7)의 표면에 수평 자계를 발생시킨다. 자기 회로(24)는 여러 개의 자기 회로 유닛(도 8에서는 2개)(24a, 24b)과 이들 자기 회로 유닛(24a, 24b)을 연결하여 일체화하는 브라켓(25)을 구비하고 있다. 자기 회로 유닛(24a, 24b) 각각은 배면 플레이트(23)쪽 표면의 극성이 서로 다른 제1 자석(26) 및 제2 자석(27)과 이들이 장착되는 요크(28)를 구비하고 있다.
이 자기 회로(24)에서는, 배면 플레이트(23)쪽 극성이 서로 다른 제1 자석(26) 및 제2 자석(27)에 의해 자력선(29)로 표시되는 자계를 발생시킨다. 이로써 타겟(7)의 표면상의, 제1 자석(26)과 제2 자석(27) 사이에 상당하는 영역에서는 수직 자계가 0(수평 자계가 최대)이 되는 위치(30)가 나타난다. 이 위치(30)에 고밀도 플라즈마가 생성되기 때문에 성막 속도를 향상시킬 수 있다.
이 타겟(7)의 표면에서의 수평 자계의 강도의 최대값은 600가우스 이상인 것이 바람직하다. 수평 자계의 강도의 최대값을 600가우스 이상으로 함으로써 방전 전압을 낮출 수 있다.
본 실시형태의 투명 도전막의 성막 장치에서도 제1 실시형태의 스퍼터 장치와 동일한 효과를 나타낸다.
아울러 성막실(3)의 한쪽 측면(3b)에 원하는 자계를 발생하는 스퍼터 캐소드 기구(22)가 세로 배치로 설치되어 있기 때문에 스퍼터 전압을 340V 이하로 하고 타겟(7) 표면에서의 수평 자계 강도의 최대값을 600가우스 이상으로 함으로써 결정 격자가 정돈된 산화아연계 투명 도전막을 성막할 수 있다.
이 산화아연계 투명 도전막은 성막후에 고온으로 어닐링 처리를 해도 산화되기 어려워 그 비저항 증가를 억제할 수 있다. 또한 내열성이 우수한 산화아연계 투명 도전막을 얻을 수 있다.
<산업상 이용 가능성>
본 발명의 투명 도전막의 성막 방법 및 성막 장치는 산화아연계 투명 도전막의 비저항을 저하시킴과 동시에 가시 광선에 대한 투명성을 유지할 수 있다.
1 스퍼터 장치
2 사입/취출실
3 성막실
4 저진공 배기 수단
5 기판 트레이
6 기판
7 타겟
11 히터
12 캐소드
13 고진공 배기 수단
14 전원
15 가스 도입 수단
15a 스퍼터 가스 도입 수단
15b 수소 가스 도입 수단
15c 산소 가스 도입 수단
15d 수증기 도입 수단
21 마그네트론 스퍼터 장치
22 스퍼터 캐소드 기구
23 배면 플레이트
24 자기 회로
24a,24b 자기 회로 유닛
25 브라켓
26 제1 자석
27 제2 자석
28 요크
29 자력선
30 수직 자계가 0이 되는 위치

Claims (9)

  1. 산화아연계 재료를 포함하는 타겟을 사용하여 스퍼터링에 의해 기판상에 산화아연계의 투명 도전막을 성막하는 투명 도전막의 성막 방법으로서,
    수소 가스, 산소 가스 및 수증기를 포함하는 반응성 가스 분위기중에서 상기 스퍼터링을 하고,
    상기 스퍼터링을 할 때 상기 수소 가스의 분압(PH2)과 상기 산소 가스의 분압(PO2)의 비 R(=PH2/PO2)가 하기 식(1)을 충족하는 투명 도전막의 성막 방법.
    15≥(R=PH2/PO2)≥5 …(1)
  2. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링을 할 때 상기 타겟에 인가하는 스퍼터링 전압을 340V 이하로 하는 투명 도전막의 성막 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링을 할 때 직류 전압에 고주파 전압을 중첩한 스퍼터링 전압을 상기 타겟에 인가하는 투명 도전막의 성막 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링을 할 때의 상기 타겟의 표면에서의 수평 자계의 강도의 최대값을 600가우스 이상으로 하는 투명 도전막의 성막 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산화아연계 재료가 알루미늄 첨가 산화아연 또는 갈륨 첨가 산화아연인 투명 도전막의 성막 방법.
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KR20100107571A (ko) 산화아연계 박막 및 투명전도막의 제조방법

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