KR20020048372A - 마그네트론 음이온 스퍼터 공급원을 이용한 인듐 주석산화물 박막형성 방법 - Google Patents

마그네트론 음이온 스퍼터 공급원을 이용한 인듐 주석산화물 박막형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서 기판상에 인듐 주석 산화물 박막형성 방법은 불활성 가스와 주요 스퍼터 이온빔 공급원으로서 타겟 바로 가까이에 저 전자 친화성 원소의 혼합물을 도입하는 단계와, 상기 타겟 및 상기 기판사이에 산소가스를 공급하는 단계와, 상기 혼합물을 이온화하기 위해 상기 타겟에 전기 에너지를 가하는 단계와, 상기 기판으로 향한 상기 타겟의 표면 바로 가까이에 이온화에서 발생된 전자를 속박하는 단계와, 상기 타겟으로부터 음으로 하전되 이온을 분리하는 단계와, 상기 기판상에 인듐 주석 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함하고 있다.

Description

마그네트론 음이온 스퍼터 공급원을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법{Method of forming indum tin oxide thin film using magnetron negative ion sputter source}
인듐 주석 산화물(ITO) 박막은 가시광선 영역에서 고 투과율과 고 전도율의 독특한 특성때문에 태양전지, 액정 표시장치(LCD), 및 평판 표시장치와 같은 광전자 장치에 광범위하게 사용되고 있다. 상기 ITO 박막의 비저항은 주석 도핑레벨(doping level) 및 산소빈자리(oxygen vacancy) 농도에 의존한다. 또한, ITO 박막의 고 광학적 투과율은 3.5eV의 높은 내재적인 밴드 갭 에너지때문에 발생한다. 상기 ITO 박막은 일반적으로 세라믹 타겟을 이용한 종래의 마그네트론 스퍼터링에 의해 또는 300℃내지 400℃의 온도범위에서 기판 가열 또는 포스트 어닐링(post anealing)으로 제어된 산소 순환상태에서 전자빔 증착(electron beam evapolation)에 의해 증착되고 있다.
ITO는 감열성(heat sensitive) 폴리머 기판상에 증착되어 있기 때문에 LCD 및 평판 표시장치에 칼라 필터 적용을 위해, 기판 처리온도는 250℃이하로 제한되고 있다. 결과적으로, 기판 온도는 열손상을 방지하게 위해 충분히 낮은 온도(≤150℃)로 유지되어야만 한다. 그러므로, 저온 증착기술은 도전 전극으로서 ITO 박막을 가지는 광전자 장치 제조의 핵심공정이다.
종래, 상기 ITO 박막은 저온에서 스프레이 코팅, 스크린 코팅, 또는 일렉트로리스 플레이팅(electroless plating)을 이용한 유기기판에 형성되었다. 이들 기술에서, 타겟 조성, 기판(또는 공정과정) 온도, 산소 부분압 및 증착율과 같은 공정 매개변수들은 상기 ITO 박막에서 고 광학적 투과율 및 저 비저항을 가지도록 제어되어져야만 한다. 그러나, 이들 박막 모두는 고 비저항을 가지거나 또는 저 광학적 투과율을 가지는 경향이 있다. 상업적으로 이용가능한 ITO 박막의 비저항 및 광학적 투과율은 각각 2×10-4Ωcm보다 크고 87%보다 작다. 따라서, 고 투과율 뿐만 아니라 고 전기 전도율을 갖는 ITO 박막을 형성하기 위한 공정을 개발하는 것이 필요하다.
본 발명은 박막형성 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 마그네트론 음이온 스퍼터 공급원을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법에 관한 것이다. 비록 본 발명은 광범위한 응용에 적합하지만, 저온에서 고 투과율 뿐만 아니라 고 전도율을 가지는 인듐 주석 산화물 박막을 형성하는데 특히 적합하다.
본 발명을 더욱 이해하기 위해 포함되고 본 출원에 통합되어 일부분을 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고 본 명세서와 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위한 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 구현하기 위한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템을 예시한 개략도;
도 2A 내지 도 2D는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 인듐 주석 산화물(ITO) 박막의 X-ray 회절(XRD) 스펙트럼을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용하여 가시광선 영역내 광학적투과율을 측정하기 위한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 자외선-가시광선-근적외선(UV-VIS-NIR) 분광 광도계 스펙트럼을 나타낸 도면;
도 4A 및 도 4B는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 굴절율(n) 및 반사율에 대한 스펙트럼을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 흡광계수(k)의 스펙트럼을 나타낸 도면;
도 6은 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 전하 캐리어 농도에서의 변화를 도시한 도면;
도 7은 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 캐리어 이동도에서의 변화를 도시한 도면;
도 8A에서 도 8E는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 원자력 현미경(atomic force microscopy , AFM)에 의해 스캔된 상을 나타낸 도면; 그리고
도 9는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 비저항에서의 변화를 도시한 도면이다.
따라서, 본 발명은 종래 관련기술의 제한 및 불이익에 기인한 하나 또는 그 이상의 문제를 실질적으로 제거한 마그네트론 음이온 스퍼터 공급원을 이용한 인듐 주석 산화물 박막 형성방법에 지향되어 있다.
본 발명의 목적은 저온에서 고 투과율 뿐만 아니라 고 전기 전도율을 가지는인듐 주석 산화물 박막 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 특성 및 잇점은 하기의 명세서에 나타나 있으며, 일부분은 본 명세서로부터 자명하거나 또는 본 발명의 구현에 의해 알 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 잇점은 작성된 명세서 및 청구항 뿐만 아니라 첨부도면에서 상세히 제시된 구조에 의해 실현되고 얻어진다.
본 발명의 목적에 따르고 이들 및 다른 잇점을 달성하기 위해, 폭넓게 기술되고 구현된 바와 같이, 본 발명에서 기판상에 인듐 주석 산화물 박막 형성방법은 불활성 가스와 주요 스퍼터 이온빔 공급원으로서 타겟의 바로 가까이에 저(低) 전자 친화성 원소의 혼합물을 도입하는 단계와, 상기 타겟 및 상기 기판사이에 산소 가스를 공급하는 단계와, 상기 혼합물을 이온화하기 위해 상기 타겟에 전기 에너지를 가하는 단계와, 상기 기판으로 향한 상기 타겟의 표면 바로 가까이에 이온화에서 발생된 전자를 속박하는 단계와, 상기 타겟으로부터 음으로 하전된 이온을 분해하는 단계와, 상기 기판상에 인듐 주석 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함하고 있다.
본 발명의 다른 형태에서, 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법은 아세톤, 에탄올, 및 증류수로 순차적으로 기판을 세척하는 단계와, 상기 기판을 건조하는 단계와, 공정실내 상기 기판을 위치하는 단계와, 스퍼터 작용이 제 1 면 및 제 2 면을 가지는 타겟과 상기 기판사이에 발생하는 상기 공정실을 진공시키는 단계와, 주요 스퍼터 이온빔 공급원으로서 적어도 하나의 관통 구멍을 가지는 상기 타겟의 제 2 표면으로 아르곤 및 세슘 혼합물을 도입하는 단계와, 상기제 2 표면으로부터 제 1 표면으로 타겟내 상기 관통 구멍을 통해 상기 혼합물을 확산하는 단계와, 상기 타겟 및 상기 기판사이에 산소가스를 공급하는 단계와, 일정한 사용압력(working press)을 가지도록 상기 공정실을 유지하는 단계와, 상기 혼합물을 이온화하기 위해 상기 타겟에 전기 에너지를 가하는 단계, 상기 타겟의 상기 제 1 표면 바로 가까이에 이온화에서 발생된 전자를 속박하는 단계와, 상기 타겟으로부터 음으로 하전된 이온을 분해하는 단계와, 상기 기판상에 인듐 주석 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
상술한 전체적인 설명 및 하기의 상세한 설명 둘 모두는 실시예 및 예시적이며 청구된 바와 같은 본 발명을 더욱 설명하는 것으로 의도되어 있음을 주지해야 한다.
첨부 도면에 예시된 예를 본 발명의 바람직한 실시예로 상세하게 인용한다.
본 출원은 2000년 10월 13일 "마그네트론 음이온 스퍼터 공급원을 이용한 인듐 주석 산화물 박막 형성방법"이란 발명의 명칭으로 출원되며, 인용으로서 본 발명에 통합되고 양도된 가출원 번호 제 60/239,915호에 대한 국내 우선권을 주장한다.
본 발명에서, 고 광학적 투과율 및 고 전기 전도율을 갖는 다결정질 (polycrystalline)의 ITO 박막은 기판을 가열하지 않고도 얻어질 수 있다. 이 공정은 본 발명의 전체에 걸쳐 인용으로 통합된 미국특허출원번호 제 No. 09/568,665호에 개시된 마스네트론 음이온 스퍼터링과 유사하다.
아르곤 이온(Ar+)이 외에도, 세슘 이온(Cs+)이 본 발명에서 타겟을 스퍼터하기 위한 주요 이온 빔으로서 또한 사용되고 있다. 이 공정에서, 상기 아르곤 이온은 상기 세슘이온이 일반적으로 반응성 스퍼터링 공정용으로 제공되는 산소와 반응을 하지 않도록 동일 공급라인을 통해 상기 세슘이온과 동시에 도입된다. 제 1 포격이온 공급원으로서 세슘이온의 사용은 금속 타겟으로부터 반대로 하전된 이온의 높은 수율을 생성하는 것이 측정되었다. 이는 스퍼터링 타겟 표면상의 세슘코팅은 저 전자 친화성때문에 상기 타겟재료로부터 음이온을 스퍼터하기에 필요로한 일함수를 낮추기 때문이다. 비록 루비듐(rubidium), 포타슘(potassium)과 같은 저 전자 친화성을 가진 다른 원소들도 또한 일함수를 낮추지만, 세슘은 다른 비 방사성 원소중에서 이점에 대해 가장 능률적이다. 그러므로, 음으로 하전된 스퍼터된 이온(20%이상)의 고 비율은 표면 이온화 공정에 의해 발생되어 진다. 스퍼터된 2차 음이온은 상기 타겟과 기판사이 전위차에 의해 상기 기판으로 가속되어지고 나서 상기 기판상에 증착된다. 상기 음으로 하전된 이온은 상기 타겟 및 상기 기판사이의 전위차와 거의 동일한 이온빔 에너지를 가진다. 상기 이온빔 에너지는 고 사용압력(working press)으로 감소된다. 그러므로, 사용압력을 제어함으로써 상기 이온빔 에너지는 요구된 이온빔 에너지를 가지도록 또한 제어되어 진다.
도 1은 본 발명의 실시예를 구현하기 위한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템을 예시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 마그네트론 스퍼터 장치(10), 세슘도입 시스템(20), 및 아르곤 공급원(30)을 포함하고 있다.
더 구체적으로, 상기 마그네트론 스퍼터 장치(10)는 스퍼터 유닛 세슘분배실(11), 영구자석(12), 스퍼터 몸체(13), 핀홀이 있는 타겟(14), 그리고 스퍼터 외부실드(15)를 포함하고 있다. 도너스 모양인 스퍼터 유닛 세슘분배실(11)은 세슘을 상기 타겟상에 균일하게 분배한다. 상기 타겟(14) 아래에 위치된 상기 영구자석(12)은 상기 스퍼터링 공정내내 상기 타겟(14)을 거쳐 전자이동을 제한하기 위한(즉, 조밀한 플라즈마를 생성함) 자기장을 제공하고 있다. 상기 스퍼터 유닛 세슘분배실(11)을 둘러싼 상기 스퍼터 몸체(13)는 금속, 바람직하게는 구리로 만들어져 있다. 세슘이온은 핀홀을 통해 상기 타겟(14)의 표면으로 확산된다. 기판은 상기 시스템에서 상기 타겟으로 향하고 있다. 상기 스퍼터 외부실드(15)는 상기 스퍼터 유닛 세슘분배실(11)에 대해 접지전위 실드로 작용하고 상기 타겟을 기판에 노출시킨다.
상기 세슘도입 시스템(20)은 세슘앰플을 바람직하게 수용할 수 있는 포트(1)를 포함하고 있다. 세슘은 산소와 반응성이 크기 때문에, 상기 포트(1)는 상기 세슘이 대기와 접촉함이 없이 세슘앰플을 바람직하게 수용할 수 있다. 세슘은 상기 포트(1)와 저장용기(6) 사이에 위치된 차단밸브(2)를 통해 저장용기(6)로 운반되어 진다. 부가포트(3)는 산소가 없는 상태에서 속박된 세슘원자를 유지하기 위해서 상기 세슘 저장용기(6)가 진공되도록 제공되고 있다. 밸브(4,5)는 진공 및 세슘유입 제어를 용이하게 한다. 세슘(8)은 상기 저장용기(6)내 액체상태로 유지되고 있다. 히터(7)는 상기 세슘(8)이 운반될 수 있도록 상기 저장용기(6)를 가열할 수 있다. 계량밸브(9)는 상기 분배실(11)로 유입하는 상기 세슘(8)의 양을 제어한다. 절연체(10)는 상기 분배챔버(11)내 상기 가열된 세슘(8)과 바닥전위 세슘사이에 전기적 및 일시적 절연을 제공하고 있다.
상기 세슘분배 시스템(14)은 상기 포트(1)에 대해 세슘을 포함한 밀봉된 앰플과 1차 결합함으로써 작동되어 진다. 밸브(5)가 개방되고 상기 세슘라인이 진공되거나 또는 공기가 빼내어지는 동안, 밸브(2,4)는 폐쇄되어 있다. 일단 공기빼냄이 끝나면, 상기 밸브(5)는 폐쇄되고 상기 세슘앰플상의 밀봉이 깨어진다. 그리고나서 상기 밸브(4)는 개방되고 상기 저장용기(6)는 공기가 빼내어지게 된다. 상기 저장용기(6)의 공기 빼냄이 끝나면, 상기 밸브(2)는 상기 세슘이 상기 저장용기(6)로 유입되도록 개방되어진다. 히터(7)는 상기 저장용기(6)내 상기 세슘(8)의 온도를 제어할 수 있으며 조정가능하다. 계량밸브(9)는 상기 분배실(11)로 유입된 세슘의 양을 제어하는데 사용되어 진다.
위에서 기술한 바와 같이, 세슘은 산소와 반응이 매우 크며 쉽게 오염된다.스퍼터 장치의 본체(13)내측에 있는 표면인 내부표면으로부터 타겟으로 세슘을 공급하는 것은 세슘이 환경에 덜 노출되고 덜 오염된다는 점에서 이롭다.
더욱이, 아르곤 공급원(20)은 본 발명에서 스퍼터 시스템에 제공되고 있다. 상기 아르곤 공급원(20)은 상기 세슘도입 시스템(10)의 말단부에 접속되어 있다. 그러므로, 아르곤 및 세슘은 동일한 공급라인을 통해 상기 분배실(11)로 동시에 제공됨으로써, 세슘은 산소에 의한 오염으로부터 더 방지되게 된다.
본 발명에 따른 ITO 박막을 형성하는 방법은 하기와 같이 더 상세하게 설명된다:
본 발명에서 상기 타겟(14)은 예를 들면, 90중량%의 In2O3- 10중량%의 SnO2를 포함하는 1인치 직경의 타겟이다. 기판은 예를 들면 유리(코닝 7059 그라스)이다. 상기 기판은 순차적으로 아세톤, 에탄올, 증류수로 세척되고 질소가스로 건조한 다음, 8cm 거리로 상기 타겟위에 설치된 뒤 10rpm으로 회전된다.
증착전에, 공정실은 약 1 ×10-7토르(Torr)로 진공되었다. 혼합물로서 세슘 및 아르곤 이온은 상기 세슘분배 시스템(20) 및 아르곤 저장용기(30)를 통해 상기 기판(19)으로 향한 상기 타겟 표면의 바로 가까이에 동시에 도입된다. 예를 들면, 크세논(Xe) 및 헬륨(He)과 같은 다른 불활성 가스는 아르곤 대신에 사용될 수도 있다. 그런 후, 순수 산소가스가 니들밸브(needle valve)를 통해 공정실로 도입된다. 사용압력은 약 1 ×10-4토르(Torr)로 일정하게 유지되어 있다.
25eV에서 1000eV 범위내 이온빔 에너지(예를 들면, 직류 전위)가 상기타겟(14)에 가해진다. 상기 기판은 상기 타겟(14)으로부터 음으로 하전된 이온을 끌어당기기 위해서 접지되거나 또는 양으로 바이어스될 수도 있다. 상기 기판이 접지될 때, 상기 기판과 상기 타겟사이의 전위차는 가해진 이온빔 에너지와 동일하므로, 상기 타겟으로부터 음으로 하전된 이온은 전위차와 거의 동일한 운동에너지를 가진다. 위에서 언급한 바와 같이, 자석(12)은 이온화 공정에 의해 발생된 전자를 상기 세슘분배실(11)의 형태(즉, 원형)에 상응한 상기 타겟(14)의 외부 표면상의 경로에 속박하는 자기장(16)을 발생한다. 플라즈마 방전(18)은 전자, 아르곤 이온, 및 아르곤 중성입자를 포함한다. 상기 타겟(14)은 상기 플라즈마 방전(18)에 대해 음전위를 유지하기 때문에, 상기 아르곤 이온 및 세슘 이온은 상기 타겟(14)으로 가속되어 진다. 상기 아르곤 이온 및 상기 세슘 이온의 작용은 화살표(17)로 도시되어 있다. 상기 타겟(14)을 포격하는 상기 아르곤 이온 및 세슘 이온의 결과로, 전자, 중성 스퍼터된 입자, 및 스퍼터된 음이온은 화살표(19)에 의해 도시된 바와 같이, 상기 타겟(14)으로부터 방출된다. 상기 타겟(14)으로부터 방출된 이온은 상기 기판에 증착되어 박막으로 형성된다. 본 발명에서 상기 타겟(14)상의 세슘코팅에 기인하여, 2차 이온빔의 고수율이 상기 타겟표면으로부터 발생됨으로써, 스퍼터링 공정을 용이하게 한다.
본 발명에서 상기 스퍼터링 공정은 하기의 메카니즘(mechanism)에 의해 저온공정이 된다. 활동적인 2차 이온이 상기 기판과 충돌하면, 이온의 운동에너지는 상기 기판의 매우 국소적인 점에서 열 에너지로서 또는 증가된 흡착원자 이동도(adatom mobility)로서 소모된다. 이 부가적인 열 에너지 및 증가된 흡착원자의 표면 이동도는 실내온도(약 25℃)내지 100℃의 범위내의 저온에서 다결정질 성장을 이룬다.
ITO 박막의 결정화도(crystallinity), 비저항, 광학적 투과율 및 표면 구조(surface morphology)에 대한 상기 2차 이온빔 에너지 효과를 고려하기 위해, 상기 이온빔 에너지는 25eV에서 1000eV까지 가변된다. 증착시간은 약 60nm의 박막두께를 얻도록 조정되며, 상기 두께는 표면 프로필로미터(profilometer)로 측정된다. 상기 유리 기판은 의도적으로 가열되지는 않지만, 열전대(thermocouple)(K-형태)로 측정된 상기 기판온도는 상기 이온빔 포격에 의한 방사열 뿐만 아니라 상기 CS+이온 공급원의 원소 가열에 의한 복사에 기인하여 약 70℃에 달한다. 상기 기판 온도는 상기 기판을 냉각시킴으로써 실온으로 유지될 수도 있다. 상술한 조건하에 다른 이온빔 에너지를 이용하여 상기 유리기판상에 다양한 ITO 박막을 얻은후, ITO 박막의 물리적 특성들은 다양한 방법에 의해 측정되어 진다.
도 2A에서 도 2D는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 인듐 주석 산화(ITO)박막의 X-ray 회절(XRD) 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2A에서 2D까지 도시된 바와 같이, 상기 XRD 스펙트럼에서 예리한 피크는 모든 ITO 박막이 루틸 구조(rutile structure)를 갖는 다결정질임을 예시하고 있다. 상기 박막의 결정립(grain)은 (112), (211), (110), 및 (222)면으로 지향하고 있다. 상기 (112)팬은 전 박막에서 우세하다. 또한 상기 XRD 스펙트럼은 상기 박막의 결정화를 위한 최적의 이온빔 에너지가 있음을 나타낸다. 도 2B에서 도시된 바와 같이, 상기 ITO 박막의 결정화도는 상기 박막이 50eV의 이온빔 에너지를 인가함으로써 형성될 때 최대가 된다. 일반적으로, 이온빔 에너지가 클수록, 기판상에 상기 스퍼터된 원자의 표면 이동도도 더 커진다. 이는 더 큰 흡착원자의 이동도 때문에 더 큰 결정화를 초래한다. 그러나, 도 2C 및 도 2D에 도시된 바와 같은, 75eV 및 100eV와 같이 상기 이온빔 에너지가 매우 클때, 상기 결정화 상은 낮은 표면이동도에 기인하여 감소되고 아마도 비정질로 성장되는 경향이 있다.
도 3은 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용하여 가시광선 영역에서 광학적 투과율을 측정하기 위한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 이중빔 UV-VIS-NIR 광도 분광계 스펙트럼이다. 상기 스펙트럼은 200내지 900nm의 파장 간격으로 상기 ITO 박막의 광학적 투과율을 도시하고 있다. 50eV(검은 정사각형으로 되시됨)의 이온빔 에너지로 형성된 상기 ITO 박막은 전 파장대에서 50eV이외의 이온빈 에너지에서 형성된 광학적 투과율보다 더 높은 광학적 투과율(90%이상)을 가지고 있다. 25eV(검은 원으로 도시됨)의 이온빔 에너지로 형성된 상기 ITO 박막의 저 광학적 투과율은 낮은 표면 흡착원자의 이동도에 기인한 비정질 미세구조에 의해 야기된다. 또한, 75eV보다 더 높은 이온빔 에너지에서 형성된 ITO 박막의 저 광학적 투과율은 심한 격렬한 포격에 의해 야기된 빈약한 미세구조 및 거친 표면구조 때문이다.
도 4A, 도 4B 및 도 5에서 도시된 바와 같이, 고 이온빔 에너지로 형성된 상기 ITO 박막은 저 이온빔 에너지를 이용함으로써 형성된 반사율, 굴절율(n), 및 흡광계수(k)보다 더 높은 반사율, 굴절율, 및 흡광계수를 가진다. 50eV에서 증착된 상기 ITO 박막은 반사율, 굴절율(n), 및 흡광계수(k)에서 가장 낮은 값을 가진다.
도 6은 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 전하 캐리어 농도에서의 변화를 도시하고 있다. 반 데 파우 방법(Van Der Pauw method)을 이용한 홀 효과(hall effect)측정은 캐리어 농도를 측정하는데 사용되어 진다. 이온빔 에너지가 증가함에 따라, 상기 캐리어 농도는 감소된다. ITO 박막의 전하 캐리어는 산소빈자리에 의해 발생하기 때문에, 캐리어 농도에서의 감소는 증착동안 산소빈자리의 소실에 기인한다. 스퍼터된 제 2 차 이온이 기판과 충돌할 때, 이온의 운동에너지는 유리기판상에 있는 산소원자에 전달된다. 그 결과로, 상기 산소원자는 산소빈자리로 확산됨으로써, 산소빈자리를 줄이게 된다.
도 7은 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 캐리어 이동도에서의 변화를 도시하고 있다. 반 데 파우 방법을 이용한 홀 효과측정은 캐리어 이동도를 측정하는데 사용되어 진다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 캐리어 이동도는 이온빔 에너지와 비례해서 증가한다.
도 8A에서 도 8C는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 원자력 현미경(AFM)에 의해 스캔된 상이다. 이온빔 에너지와 함께 상기 ITO 박막의 표면 구조에서의 변화는 상기 AFM이미지로 도시되어 있다. 50eV의 이온빔 에너지로 증착된 상기 ITO 박막은다른 조건보다 더 큰 결정립(grain) 구조를 갖는 다결정질 박막의 특성을 나타내고 있다. 이온빔 에너지의 증가에 따라, 평균 결정립 크기는 더 작아지게 된다. 또한, 더 큰 에너지 범위에서 증착된 상기 ITO 박막은 더 낮은 이온빔 에너지로 증착된 ITO 박막보다 상당히 더 거친 경향이 있다. 거친 표면은 전기 전도율을 감소시키는 전하 캐리어 산란을 야기하기 때문에 ITO 박막의 표면 구조는 TFT-LCD 응용을 고려시에 매우 중요하다. 부가적으로, 상기 거친 표면은 산란손실 때문에 저 광학적 투과율을 야기한다.
도 9는 본 발명에서 다른 이온빔 에너지를 이용한 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템에 의해 형성된 다양한 ITO 박막의 비저항에서의 변화를 도시하고 있다. 상기 ITO 박막의 비저항은 4점 검색방법(four-point probe method)에 의해 측정되었다. 도 9에서 도시된 바와 같이, 50eV 이온빔 에너지로 형성된 상기 ITO 박막은 10-4Ωcm 차수의 비저항을 가진다. 50eV보다 더 큰 에너지에서 비저항의 증가는 고 이온빔 에너지 포격에 의한 더 작은 결정립 크기 및 표면 손상에 기인한다. 이 결과는 XRD 및 AFM 측정과 매우 일치하고 있다. 그러므로, 상기 결정립 크기를 효과적으로 증가시키기 위해서, 제 2 차 이온빔 에너지는 저 운동에너지 비를 가지도록 정밀하게 제어되어 진다.
본 발명에서, 유리 기판상에 다결정질 ITO 박막은 상기 기판을 가열하지 않고도 음이온 스퍼터 공급원에 의해 형성되어 진다. 또한, 결정화도, 비저항, 광학적 투과율, 및 표면구조에 관한 이온빔 에너지의 효과가 개시되고 있다. 위에서 논의한 바와 같이, ITO 박막의 결정화도, 투과율, 및 전기적 성질은 제 2 차 이온빔 에너지에 의해 제어되어 진다. 따라서, 본 발명에서 마그네트론 음이온 스퍼터 시스템을 이용한 ITO 박막 형성방법은 고 투과율 뿐만 아니라 저 비저항과 같은 광전자 장치를 위한 바람직한 특성을 가지는 ITO 박막을 형성가능하게 한다. 더욱이, 상기 방법은 저온 공정이기 때문에, ITO 박막은 유기 기판상에 또는 소정의 감온성 기판상에 형성될 수도 있다.
다양한 변경 및 변형은 본 발명의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈함이 없이 본 발명의 음이온 스퍼터 공급원을 이용한 인듐 주석 산화물 박막 형성방법에서 만들어질 수 있음이 해당기술분야 숙련자에게 자명하다. 그러므로, 본 발명의 변형 및 변경이 첨부된 청구항 및 등가물의 범위내에 있다면 이들은 모두 본 발명에 포함되는 것으로 의도되고 있다.

Claims (21)

  1. 불활성 가스와 주요 스퍼터 이온빔 공급원으로서 타겟 바로 가까이에 저 전자 친화성 원소의 혼합물을 도입하는 단계;
    상기 타겟 및 기판사이에 산소 가스를 공급하는 단계;
    상기 혼합물을 이온화하기 위해 상기 타겟에 전기 에너지를 인가하는 단계;
    상기 기판으로 향한 상기 타겟의 표면 바로 가까이에 이온화에서 발생된 전자를 속박하는 단계;
    상기 타겟으로부터 음으로 하전된 이온을 분해하는 단계; 그리고
    상기 기판상에 인듐 주석 산화물 박막 형성단계를 구비하는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음으로 하전된 이온은 In-, Sn-, O-및 O- 2를 포함하는 기판상에에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물을 공급하는 단계 이전에 공정실을 진공시키는 단계를 더 구비한 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인듐 주석 산화물 박막은 적어도 90%의 광학적 투과율 뿐만 아니라 10-4Ωcm 차수의 비저항을 갖는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 저 전자 친화성 원소는 세슘, 루비듐, 및 포타슘중 적어도 하나를 포함하는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 타겟에 대해 접지되거나 또는 양으로 바이어스된 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 음으로 하전된 이온은 상기 기판 및 상기 타겟사이의 전위차와 거의 동일한 이온빔 에너지를 가지는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이온빔 에너지는 사용압력이 증가함에 따라 감소하는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 약 25℃에서 100℃까지의 범위내 온도로 유지되는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 유리를 포함하는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟은 적어도 하나의 관통구멍을 가지므로, 상기 혼합물이 상기 관통구멍을 통해 상기 기판으로 향한 상기 타겟의 표면으로 확산되는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법;
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟에 가해진 상기 전기 에너지는 25eV에서 1000eV의 범위내에 있는 기판상에서의 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  13. 기판을 세척하는 단계;
    공정실내에 기판을 위치하는 단계;
    스퍼터 작용이 제 1 면 및 제 2 면을 가지는 타겟과 상기 기판사이에 발생하는 상기 공정실을 진공하는 단계;
    주요 스퍼터 이온빔 공급원으로서 적어도 하나의 관통구멍을 가지는 상기 타겟의 제 2 표면으로 아르곤 및 세슘 혼합물을 도입하는 단계;
    상기 제 2 표면으로부터 제 1 표면까지 상기 타겟내 상기 관통구멍을 통해 상기 혼합물을 확산하는 단계;
    상기 타겟 및 상기 기판사이에 산소가스를 공급하는 단계;
    일정한 사용압력을 가지도록 상기 공정실을 유지하는 단계;
    상기 혼합물을 이온화하기 위해 상기 타겟에 전기 에너지를 가하는 단계;
    상기 타겟의 제 1 표면 바로 가까이에 이온화에서 발생된 전자를 속박하는 단계;
    상기 타겟으로부터 음으로 하전된 이온을 분해하는 단계; 그리고
    상기 기판상에 인듐 주석 산화물 박막을 형성하는 단계를 구비하는 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 음으로 하전된 이온은 In-, Sn-, O-, 및 O- 2를 포함하는 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 타겟에 대해 접지되거나 또는 양으로 바이어스된 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 약 25℃에서 100℃까지의 범위내 온도로 유지되는 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 유리를 포함하는 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 음으로 하전된 이온은 상기 기판과 상기 타겟사이의 전위차와 거의 동일한 운동 에너지를 갖는 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 이온빔 에너지는 사용압력이 증가함에 따라 감소하는 스퍼터 시스템을이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 타겟에 가해진 상기 전기 에너지는 25eV에서 1000eV의 범위내에 있는 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 인듐 주석 산화물 박막은 적어도 90%의 광학적 투과율 뿐만 아니라 10-4Ωcm 차수의 비저항을 갖는 스퍼터 시스템을 이용한 인듐 주석 산화물 박막형성 방법.
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