KR20080064269A

KR20080064269A - 스퍼터링에 의한 산화아연계 박막의 제조방법 및 이에 의해제조된 산화아연계 박막

Info

Publication number: KR20080064269A
Application number: KR1020070000985A
Authority: KR
Inventors: 임진형; 방정식
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2008-07-09

Abstract

스퍼터링에 의해 산화아연계 박막을 제조하는 방법에 있어서, 스퍼터링 챔버 내에 공급되는 Ar 유량을 조절하여 P_degas ₊ _leak/P_Ar ×100(%)가 0.05 % 이하가 되도록 하는 것이 특징인 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 산화아연계 박막을 제공한다.

본 발명에서는 스퍼터링에 의해 산화아연계 박막을 제조함에 있어서, 스퍼터 챔버 내에 공급되는 아르곤의 유량을 증가시킴으로써 수분 또는 산소 등의 불순물 가스의 영향을 최소화할 수 있고, 이러한 불순물 원자들이 박막 내에 유입되어 형성할 수 있는 각종 결함(defect)의 농도를 최소화할 수 있다. 따라서, 전기전도성이 우수하면서 동시에 박막의 균일성이 우수한 산화아연계 박막을 제조할 수 있어 투명 전극 재료로서의 ITO를 대체할 수 있는 가능성을 제시할 수 있다.

스퍼터링, 산화아연, 투명 도전성 박막, 아르곤 유량, 불순물

Description

스퍼터링에 의한 산화아연계 박막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 산화아연계 박막{METHOD FOR PREPARING ZINC OXIDE-BASED THIN FILM BY SPUTTERING AND ZINC OXIDE-BASED THIN FILM PREPARED THEREBY}

도 1은 본 발명의 개념에 관한 모식도로서, (A)는 스퍼터 챔버 내에 Ar 가스가 도입되지 않은 상태에서 불순물 가스가 존재하는 경우 챔버 내의 평형압력을 나타내고 있으며, (B)는 스퍼터 챔버 내에 Ar 가스가 공급되는 경우 챔버 내의 평형압력을 나타내고 있다.

<도면 부호의 설명>

P₀, P₁ : 평형압력, q : 불순물 가스의 유입량, Q : Ar 가스의 유입량, S : 진공펌프의 토출속도

도 2는 실시예 1에 의한 산화아연 박막의 비저항 측정결과를 나타낸다.

도 3은 실시예 2에 의한 산화아연 박막의 비저항 측정결과를 나타낸다.

본 발명은 스퍼터링에 의한 산화아연계 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 박막 내에 유입되는 불순물 가스의 영향을 최소화하여 박막의 전기전도성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

투명전극은 각종 디스플레이의 전극, 태양전지 등의 광전 변환 소자 및 터치 패널 등에 다양하게 사용되고 있으며, 유리, 투명필름 등의 투명 기판 위에 투명 도전성 박막을 형성하여 제조된다. 현재 주로 사용되고 있는 투명 도전성 재료는 주석(Sn)이 도핑된 인듐산화물(ITO, Indium tin oxide)로서, 투명도가 우수하고 낮은 비저항 (1×10^-4 ~ 2×10^-4 Ω㎝)을 갖는 것으로 알려져 있다.

투명 도전성 박막을 제조하는 방법은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 이온빔 증착(ion beam deposition), 펄스레이저 증착(pulsed laser deposition) 등의 진공 증착 방법과 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating)과 같은 습식방법 등의 다양한 방법이 있다. 이러한 방법들 중 스퍼터링과 같은 진공 증착 방식이 좀 더 선호되고 있으며, 진공 증착 방식은 플라즈마를 이용하기 때문에 높은 입자 에너지를 가진 막을 성장시킬 수 있어, 다른 방식보다 높은 밀도를 가지는 양질의 막을 얻을 수 있다. 또한, 추가적인 열처리 없이 낮은 온도에서도 양질의 박막을 성장시킬 수 있다는 장점도 있다.

최근, 평면 디스플레이 시장이 커지면서 ITO에 대한 수요가 급속하게 증가하고 있지만, 인듐의 높은 가격으로 인한 수급 불안정 및 인체에의 유해성 때문에, ITO를 대체할 수 있는 저가의 투명 도전성 재료의 개발이 요구되는 실정이다.

그러한 대체물로서는 산화주석(SnO₂) 및 산화아연(ZnO) 등이 고려되고 있다. 이와 관련하여, 산화아연에 알루미늄(Al)을 도핑하여 낮은 비저항(2×10^-4 ~ 3×10^-4 Ω㎝)을 가지는 도전성 박막을 제조하려는 시도 등이 있었다. 산화아연(ZnO)의 경우 넓은 밴드갭(~3.3ev)을 가지는 반도체 물질로서, 도핑을 통해 우수한 투과도(85% 이상)와 낮은 비저항을 가질 수 있다는 것이 알려졌으며, 도핑된 산화아연의 경우 비교적 저가이고, 인체에 무해한 재료이므로, ITO를 대체할 수 있는 재료로서 큰 관심을 받고 있다. 현재로서는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 규소(Si) 및/또는 인듐(In)이 첨가된 산화아연(ZnO)을 재료로 한 투명전극용 재료에 대해 주로 연구가 집중되고 있으나, 전기전도성 측면에서는 아직 ITO에 미치지 못하기 때문에, 이를 해결해야 하는 문제점 이 있다.

본 발명자들은 산화아연(ZnO) 박막 증착시 스퍼터링 챔버 내에 존재하는 산소 또는 수분 등의 불순물 가스가 박막 내로 유입되어 결함(defect)으로 작용하고 이것이 전자의 이동도 감소를 초래하게 되어 산화아연 박막의 전기전도성 저하를 유발하게 된다는 것을 인식하였다. 즉 불순물 가스의 영향이 비저항 변화의 원인 중 하나인 것을 밝혀내었으며, 본 발명은 이에 기초한 것이다.

이에 본 발명은 스퍼터링시 챔버 내에 공급되는 아르곤(Ar) 가스의 유량을 조절하여 산소 또는 수분 등의 불순물 가스의 영향을 최소화함으로써, 산화아연 박막의 전기전도성 및 박막의 균일성을 증대시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 스퍼터링에 의해 산화아연계 박막을 제조하는 방법에 있어서, 스퍼터링 챔버 내에 공급되는 Ar 유량을 조절하여 P_degas ₊ _leak/P_Ar ×100(%)가 0.05 % 이하가 되도록 하는 것이 특징인 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 50 ~ 200nm 두께를 가지며, 2.00 ×10^-4 Ω㎝ ~ 5.00 ×10^-4 Ω㎝ 범위의 비저항을 가지는 산화아연계 박막을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

스퍼터링이란, 에너지를 가진 이온(예를 들어 Ar⁺)이 타겟 물질에 충격을 가하고, 이 때 떨어져 나온 타겟 물질이 기재 상에 증착되는 방식으로 이루어지는 것으로서, Ar원자에 대한 에너지 공급 방식에 따라, 캐소드(cathode)로 동작하는 타겟(target)이 전도성 물질(예를 들면, W, Al, Ti 등) 일 경우에는 DC power source를, 절연 물질(예를 들어, SiO₂, Al₂O₃) 일 경우에는 RF power source를 사용하는 경우가 많다. 이러한 스퍼터링은 타겟 물질을 교체함에 따라 여러 종류의 물질 증착이 가능하고, 타겟의 융점에 무관하므로 내화성 금속 등도 가능하며, 다른 증착방법에 비해 비용 및 장치가 적게 들어 경제적이고, 대면적 기판에의 증착도 가능하다는 장점이 있다.

한편, P_degas ₊ _leak/P_Ar(%)는 불순물 가스의 상대적인 양을 계량하기 위해 본발명에서 적용된 개념이다. 기체의 유량 단위는 일반적으로 sccm (standard cubic centimer per minute)으로 나타내지만, 본 발명에서는 아르곤 유량의 절대값보다는 불순물 가스에 대한 아르곤 가스 유량의 영향이 더욱 중요하며, 이는 스퍼터 챔버의 크기 및 진공펌프의 토출 능력에 따라 달라질 것이므로, 이러한 두 가지 변수를 함께 고려한 새로운 단위로서 아르곤 가스에 대한 불순물 가스의 분압비(P_degas ₊ _leak/P_Ar)를 설정하였다.

이 때, P_Ar은 스퍼터링 시 챔버 내의 아르곤(Ar) 가스의 분압을 의미하며, P_degas ₊ _leak는 스퍼터링 시 챔버 내에 존재하는 아르곤 이외의 불순물 가스(예를 들어, 수분, 산소, 또는 챔버 leak등)의 분압을 의미한다. 상세한 것은 후술하기로 한다.

알루미늄(Al) 및/또는 갈륨(Ga)등이 도핑된 산화아연(ZnO)계 투명도전성 박막을 스퍼터링에 의해 제조할 경우, 일반적으로 박막의 균일도(uniformity)가 좋지 않으며 전기전도성 측면에서도 ITO 박막에 비하여 좋지 않은 것이 보통이다. 이는 스퍼터링에 의한 박막 증착시 증착되는 입자들이 비교적 고에너지를 가지기 때문에, 이러한 고에너지 입자들이 성장 중인 박막의 표면에 작용함으로써 박막 표면의 균일도에 영향을 미치기 때문으로 생각된다. 이러한 영향은 일반적으로 ITO보다는 산화아연의 경우 더 큰 것으로 알려져 있기 때문에, 산화아연 박막의 표면 균일도가 ITO박막보다 다소 떨어지게 된다.

일반적으로 스퍼터링시 챔버 내부에는 불활성 가스인 아르곤(Ar)이 일정압력으로 채워져 있으나, 수분, 산소 등의 불순물 가스도 미량 존재할 수 있으며, 진공펌프의 용량의 한계 때문에 불순물이 전혀 없는 스퍼터링 분위기를 만들기는 어렵 다. 챔버 내부에 존재하는 수분, 산소 등의 불순물 가스는 스퍼터링시 아르곤에 의해 플라즈마 상태의 이온으로 존재할 수 있고, 이렇게 높은 에너지를 갖는 불순물의 플라즈마가 타겟물질과 함께 박막 내에 유입되면 일종의 결함으로 작용할 수 있어 박막의 균일도 및 전기전도도를 저해할 수 있다.

또한, 스퍼터링시 아르곤(Ar) 플라즈마의 충격에 의해 타겟물질로부터 중성의 전하를 갖는 입자들이 방출되지만, 이중에서 일부는 해리된 상태의 산소입자(O^-)가 생길 수 있으며, 이러한 산소입자는 타겟에 걸리는 셀프 바이어스(self bias)에 의해서 비교적 높은 에너지를 가지게 된다. 이러한 입자들이 스퍼터링에 의한 박막 증착시 산화아연 박막 내에 혼입되면 결함(interstitial oxygen, O_i)으로 작용할 수 있고, 이는 전자의 이동도의 저하를 초래하여, 결국 박막의 비저항을 증가시킬 수 있다. 또한 고에너지 입자에 의한 박막 표면 손상도 증가하므로, 표면 균일도가 떨어질 수 있다.

그리고, 상기와 같은 문제점들은 박막의 증착속도를 증가시키기 위하여 높은 바이어스 전압에 의한 고출력(high power)으로 스퍼터링할 때에 더욱 두드러지게 나타나게 된다.

따라서, 본 발명은 낮은 비저항과 높은 표면 균일도를 갖는 산화아연 박막을 제조하기 위하여, 스퍼터링시 챔버 내에 공급되는 아르곤(Ar) 가스의 유량을 조절하여 Ar가스에 대한 불순물 가스의 분압을 조절함으로써 상기와 같은 불순물 가스의 영향을 최소화하고자 한다.

도 1을 참조하여 아르곤 가스 유량 증가에 의해 스퍼터 챔버 내 불순물 가스 영향을 최소화할 수 있는 작용원리를 설명하면 다음과 같다.

도 1(A)의 경우 스퍼터 챔버 내의 리크(leak)에 의한 불순물 가스의 도입량 및/또는 기타 형태로 존재하는 불순물 가스의 존재량을 q 라고 가정하고 진공펌프의 토출속도(일정시간 당 토출량)를 S라고 한다면, 평형상태 p₀ (기본 진공압력)로 유지되는 스퍼터 챔버 내부 압력은 아래와 같은 수식이 성립한다.

[수학식 1]

이 때, 도 1(B)에서와 같이 스퍼터링을 위한 아르곤(Ar) 플라즈마 가스의 도입(유량 : Q)이 이루어지면 챔버 내부의 압력은 p₁으로 상승하게 되고 다음과 같은 수식이 성립하게 된다.

[수학식2]

따라서, 산화아연 박막의 증착을 위해 스퍼터링 챔버 내에 일정한 공정압력 p₁을 유지하고, 이러한 공정압력 p₁은 아르곤(Ar) 플라즈마 가스의 압력(P_Ar)과 불순물 가스(수분, 산소 및 챔버 leak 등)의 압력(P_degas ₊ _leak)의 합으로 나타난다고 가정하면, 아래와 같은 수식이 성립하게 된다.

[수학식3]

S는 진공펌프의 능력과 관계되는 고유의 값으로 일정한 상수 값이지만 장비에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 또한 챔버 내의 압력 p₁은 일정하게 유지되므로, 산화아연 박막 증착을 위한 스퍼터링시 플라즈마 가스인 아르곤의 유량 Q 를 증가시키면 상대적으로 q 에 의한 영향이 줄어들게 된다. 예컨대, Q를 증가시켜 q의 영향을 얼마나 줄일 수 있는가에 따라 막의 비저항을 결정할 수 있다.

그러나, 장비에 따라서 챔버의 크기나 진공펌프의 속도는 다를 수 밖에 없으며, 예를 들어 동일한 유량의 아르곤 가스를 주입하더라도 챔버의 크기가 커지면 그에 따라 챔버의 leak 압력은 더욱 더 커질 수 있고, 동일한 공정압력의 경우에도 진공펌프의 토출 속도에 따라 유입되는 아르곤 유량을 더욱 늘릴 수도 있는 것이다.

그러므로, 장비마다 다른 챔버의 크기와 진공펌프의 토출 속도를 고려하여 통합적인 개념의 정량화가 필요하며, 본 발명에서는 플라즈마 가스인 아르곤(Ar) 압력 대비 수분 및 산소 등의 불순가스 압력의 비율로 나타내어지는 하기 수학식 4와 같은 수식을 제안하며 이에 의해 아르곤 가스 유량 증가에 의한 불순가스 영향 최소화라는 본 발명의 목적을 정량화할 수 잇다.

[수학식4]

즉, 상기 수학식 4는 스퍼터링 시스템 내에서 일정한 공정압력 P₁에서불순물 가스의 압력이 미치는 영향을 나타낸 것으로서, 아르곤(Ar) 플라즈마 가스의 유량을 증가시켜 상기 수학식 4의 P_Ar값을 증가시킴으로써, 불순물 가스에 의한 영향을 줄일 수 있다. 따라서, 산화아연계 박막의 결함 원인을 줄일 수 있어 박막의 전기전도성과 균일도를 개선할 수 있다.

이 때, 본 발명은 낮은 비저항과 높은 표면 균일도를 갖는 산화아연 박막을 제조하기 위하여, 스퍼터링시 챔버 내에 공급되는 아르곤(Ar) 가스의 유량을 조절하여 상기 수학식 4의 값을 0.05%이하로 조절함으로써 불순물 가스의 영향을 최소화하는 것이 특징이다.

한편, 상기 수학식 4에서 표현되는 일정한 공정압력 하에서 챔버 내부에 존재하는 아르곤 가스에 대한 불순가스의 비율은 가스분석기 등을 통해서 측정 가능하다.

기존의 스퍼터링 방법에 의한 산화아연 박막의 제조시 챔버 내에 공급되는 아르곤의 유량은 10 sccm ~ 150 sccm 범위인 것이 보통이나, 이는 챔버의 크기에 따라 달라질 수 있는 값이다. 따라서, 이와 같은 아르곤 유량의 절대값 수치는 본 발명에서 설명하는, 아르곤 가스에 대한 불순물 가스의 분압 감소를 적절히 표현할 수 없다.

그러나, 상기 수학식 4와 같은 P_degas ₊ _leak/P_Ar의 값은 챔버의 크기 및 진공펌프의 토출능력이 각기 다른 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다.

한편, 상기와 같이 불순물 가스의 영향을 감소시키는 방법에 의해 제조된 본 발명의 산화아연계 박막은 2.0 ×10^-4 Ω㎝ ~ 5.0 ×10^-4 Ω㎝ 범위의 비저항을 가질 수 있다.

본 발명의 산화아연계 박막의 제조방법은 전술한 바와 같이 챔버 내에 공급되는 아르곤 가스의 유량을 조절하여 P_degas ₊ _leak/P_Ar의 값을 0.05% 이하 범위로 조절하는 것을 제외하고는 스퍼터링 방법으로 당업자에게 알려진 방법을 사용하여 제조할 수 있으며, 그 비제한적인 예로는 RF 마그네트론 스퍼터링, DC 스퍼터링 등이 있다.

한편, 본 발명의 산화아연계 박막의 제조방법에 있어서, 스퍼터링 타겟에 인가되는 바이어스 전압의 범위는 -50V ~ -400V범위일 수 있다. 전술한 바와 같이, 스퍼터링 시 불순물 가스에 의한 영향은 박막의 증착속도를 높이기 위해 높은 바이어스 전압을 걸어줄 때, 더욱 크게 영향을 미친다. 하지만, 양산 공정에 적용시 생산속도를 높이기 위해서는 스퍼터의 출력을 높일 필요가 있으므로, 높은 바이어스 전압에서도 불순물 가스의 영향을 최소화하여 박막의 성능을 개선할 수 있는 방법이 필요하다. 본 발명의 방법에 의하는 경우, 상기와 같은 범위의 바이어스 전압에 서도 전기전도성이 우수한 산화아연계 투명 도전성 박막을 제조할 수 있다.

본 발명의 산화아연계 투명 도전성 박막은 산화아연(ZnO)로만 구성된 것일 수도 있으나, 전기전도성 향상을 위해 1종 이상의 도핑 물질을 포함한 것일 수도 있으며, 그러한 도핑 물질은 Al, Ga, Si, 또는 In 중에서 선택된 1종 이상의 원소일 수 있고, 그 도핑량의 범위는 0.1wt% ~ 10wt% 범위일 수 있다. 도핑량이 상기 범위보다 작을 경우에는 도핑에 의한 전기전도성 향상 효과를 기대하기 힘들며, 상기 범위보다 클 경우에는 산화아연 결정의 구조가 유지되기 힘들고, 전자의 이동도 감소에 따라 박막의 전기전도성이 저해될 수 있다.

한편, 본 발명의 제조방법으로 제조된 산화아연계 박막의 두께는 50 ~ 200nm 범위일 수 있다. 일반적으로 스퍼터링 방법을 통해서 제조된 도핑 산화아연 박막의 경우, ITO에 유사한 비저항(2×10^-4 Ω㎝ ~ 3×10^-4 Ω㎝)을 가지기 위해서는 500nm 이상의 비교적 두꺼운 막인 경우가 대부분이다. 비저항값은 단위면적, 단위길이당 저항값을 의미하기 때문에 막두께가 변하더라도 물질이 동일한 이상 비저항값도 일정한 것이 원칙이나, 스퍼터링으로 제조한 산화아연 박막의 경우에는 두께가 두꺼울수록 결정립(crystallite)의 크기가 커지며, 전기전도성 역시 결정립의 크기에 비례하기 때문에 예외적으로 비저항값이 박막 두께에 의존하는 경향을 나타낸다.

물론 박막의 두께가 두꺼울 경우에는 투과도에 문제가 생길 수 있으므로, 투명 전극 재료로 사용되는 경우에는 박막 두께의 제한이 있을 수 있으나, 산화아연 박막의 경우에는 우수한 투과도(85% 이상) 때문에 두께가 증가하더라도 투과도의 저하가 그리 크게 나타나지 않는다.

다만, 막 두께가 두꺼우면 박막 제조시 증착 시간이 길어지게 되어 생산성이 떨어지게 되는 문제가 생길 수 있다. 따라서, 생산 공정의 측면에서는 보다 얇은 두께(약 200nm 이하)에서도 낮은 비저항을 갖게 하는 것이 생산시간을 단축하게 되어 유리할 수 있다.

본 발명의 산화아연계 투명 도전성 박막의 제조방법에 있어서, 스퍼터링 증착시 증착온도는 50 ~ 300℃ 범위일 수 있다. 상기 범위보다 낮은 온도에서 증착할 경우에는 타겟에서 떨어져 나와 기재에 도착한 입자들의 결정성장에 필요한 에너지가 부족하여 박막 성장의 결정성이 저하되는 문제점이 있고, 상기 범위보다 높은 온도에서는 타겟으로부터 나오는 입자들이 증발되거나 또는 기재 상에서 휘발(re-evaporation)되어 박막 성장 속도가 저하되는 문제점이 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 제조방법에서, 스퍼터링 증착시 아르곤 가스의 공정압력은 1.0×10^-3 ~ 15×10^-3 torr 범위일 수 있다. 스퍼터링 시 공정압력이 상기 범위보다 높아지면 챔버 내부에 존재하는 Ar 입자가 많아지고 타겟으로부터 방출된 산화아연의 입자들이 Ar 입자들과 부딪혀 에너지를 잃게 되므로 박막의 성장 속도가 저하될 수 있다. 반면에 너무 낮은 공정압력이 유지될 경우 Ar 입자에 의한 산화아연 입자의 에너지 손실은 적어지지만, 고 에너지를 갖는 입자에 의해 기판이 손상되거나 박막의 질이 떨어질 수 있다는 단점이 있다.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 산화아연계 투명 도전성 박막은 50 ~ 200nm 두께를 가지며, 2.00 ×10^-4 Ω㎝ ~ 5.00 ×10^-4 Ω㎝ 범위의 비저항을 가지는 것일 수 있다. 기존의 발명들에 의해 제조된 산화아연 박막의 경우는 대부분 300 ~ 400nm 이상의 두께에서 약 4.00×10^-4 ~ 5.00×10^-4 Ω㎝ 정도의 비저항을 보였으나 본 발명의 제조방법에 의하는 경우 비교적 낮은 두께인 150nm 이하에서도 약 2.00 ×10^-4 Ω㎝ ~ 5.00 ×10^-4 Ω㎝ 의 비저항값을 안정적으로 확보할 수 있다.

상기의 산화아연계 박막의 용도는 특정한 것으로 제한되지 않으나, 예컨대 투명도전성 박막으로 사용될 수 있으며, 이는 각종 디스플레이 장치의 투명 전극, 태양전지 등의 광전 변환 소자 및 터치 패널 등의 용도에 다양하게 사용될 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 자세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 유리 기판 위에 산화아연계 투명 전도성 박막을 증착하였다. 이 때, 스퍼터링 타겟으로는 알루미늄(Al) 1wt% 와 갈륨(Ga) 1.5 wt%가 함유되어 있는 산화아연(ZnO) 타겟을 이용하였고, 타겟에 걸리는 바이어스 전압(bias voltage)은 약 -160V 정도로 하였다. 스퍼터링 챔버의 용적은 대략 118 L 였으며, 챔버 내의 압력은 3×10^-3 torr 로 하였고, 스퍼터링 가스로 사용되는 아르곤(Ar) 가스의 유량을 10sccm, 20sccm, 30sccm, 40sccm, 50sccm, 60sccm, 70sccm, 및 80sccm으로 변화시켜가며 실험하였다.

한 편, 산화아연의 두께에 의한 비저항 편차를 줄이기 위해서 산화아연 박막의 두께는 약 150 nm 전후가 되도록 스퍼터링 시간 및 10~20분의 범위에서 조절하였으며, 증착이 완료된 박막에 대해서는 4-point probe로 비저항을 측정하였다.

도 2에서 알 수 있듯이, 동일한 바이어스 전압(bias voltage)하에서 산화아연 박막을 스퍼터링으로 제조하는 경우, 챔버 내에 공급되는 Ar 유량이 증가할수록, 즉 P_degas ₊ _leak/P_Ar값이 작아질수록 비저항이 낮아졌다. 이는 Ar 유량을 증가시킴으로써 산소(Oi) 또는 기타 수분과 같은 불순물 원자들에 의한 영향이 줄어든 것에 기인하는 것으로 생각된다.

Ar 유량 10sccm부터 40sccm에 해당하는 P_degas ₊ _leak/P_Ar(%)값까지는 Ar 유량이 증가할수록 비저항이 급격히 감소하였으며, 50sccm 에 해당하는 P_degas ₊ _leak/P_Ar(%)값 이하에서는 비저항의 감소가 비교적 완만하였다. 따라서, 스퍼터링시 챔버 내에 공급되는 Ar 유량이 50sccm 이상 즉 P_degas ₊ _leak/P_Ar(%)가 0.038% 정도까지는 챔버 내의 불순가스 억제 효과가 큰 것을 알 수 있으며, 그 이하에서는 불순가스가 거의 모두 제거되어 비저항 감소 효과가 더 이상 나타나지 않는 것으로 생각된다.

[실시예 2]

스퍼터링 조건을 다음과 같이 변화시킨 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 투명 도전성 박막을 제조, 분석하였다.

즉, 스퍼터링 타겟으로는 알루미늄(Al) 2 wt%만 함유되어 있는 산화아 연(ZnO) 타겟을 이용하였고, 타겟에 걸리는 바이어스 전압을 -160V와 -315V 두 가지로 실험하였으며, Ar 가스의 유량은 25sccm과 50sccm 두 가지로 하여, 모두 4가지 종류의 샘플을 제작하였다.

도 3에서 알 수 있듯이 바이어스 전압의 절대값이 커질수록 비저항은 증가하였고, 이는 전술한 바와 같이 불순물 가스의 영향이 바이어스 전압 증가에 따라 더욱 현저히 나타나는 결과인 것으로 이해된다. 그리고, 실시예 1에서의 결과와 마찬가지로 Ar의 유량이 증가에 따른 불순가스의 분압비가 줄어들수록 비저항이 감소하였다. 따라서, 양산공정에서 높은 바이어스 전압을 걸어 산화아연 박막을 스퍼터링하는 경우에도 본 발명의 방법과 같이 Ar 유량 증가를 통해서 불순가스의 분압비를 일정량 이하로 줄이면 전기전도성이 좋은 박막을 얻을 수 있음을 확인하였다.

실시예 1에서 의해서 제조된 Ga 1.5wt% 및 Al 1.0wt% 도핑된 산화아연 박막의 경우, 아르곤 유량을 약 25 sccm으로 하여 제조하면 약 200nm두께의 박막에서 5.75 ×10^-4 Ω㎝의 비저항을 얻을 수 있었으나, 챔버 내부로 유입되는 아르곤 유량을 50 sccm으로 늘려 아르곤 가스에 대한 불순물 가스의 분압을 0.039% 이하로 줄였을 때는 약 150 nm두께의 박막에서도 5.55 ×10^-4 Ω㎝ 의 비저항을 얻을 수 있었다. 따라서, 같은 수준의 비저항을 갖는 박막을 얻기 위한 증착시간을 40분에서 30 분으로 줄이는 효과를 얻을 수 있었으며, 또한 더 얇은 (약 100nm) 박막에서도 기존의 경우와 비교해서 크게 떨어지지 않는 막을 얻을 수 있었다.

[표 1]

Materials	Ar flow(sccm)	P_degas ₊ _leak / P_Ar(%)	Deposition time (min)	Thickness (nm)	Resistivity (×10^-4 Ω㎝)
Ga(1.5wt%)+ Al(1.0wt%)	25	0.077	30	149	6.91
	25	0.077	40	200	5.75
	50	0.039	30	150	5.55
	50	0.039	20	100	7.81

본 발명에서는 스퍼터링 방법에 의해 산화아연계 투명 도전성 박막을 제조함에 있어서, 스퍼터 챔버 내에 공급되는 아르곤의 유량을 증가시킴으로써 수분 또는 산소 등의 불순물 가스의 영향을 최소화할 수 있고, 이러한 불순물 원자들이 박막 내에 유입되어 형성할 수 있는 각종 결함(defect)의 농도를 최소화할 수 있다. 따라서, 전기전도성이 우수하면서 동시에 박막의 균일성이 우수한 산화아연계 투명 도전성 박막을 제조할 수 있어 투명 전극 재료로서의 ITO를 대체할 수 있는 가능성을 제시할 수 있다.

Claims

스퍼터링에 의해 산화아연계 박막을 제조하는 방법에 있어서, 스퍼터링 챔버 내에 공급되는 Ar 유량을 조절하여 P_degas ₊ _leak/P_Ar ×100(%)가 0.05 % 이하가 되도록 하는 것이 특징인 제조방법.

(이 때, P_Ar은 스퍼터링 시 챔버 내의 아르곤(Ar) 가스의 분압이고, P_degas ₊ _leak는 스퍼터링 시 챔버 내에 존재하는 아르곤 이외의 불순물 가스의 분압이다.)
제 1항에 있어서, 상기 산화아연계 박막은 2.00 × 10^-4 Ω㎝ ~ 5.00 ×10^-4 Ω㎝ 범위의 비저항을 가지는 것이 특징인 제조방법.
제 1항에 있어서, 스퍼터링 타겟에 인가되는 바이어스 전압의 범위는 -50V ~ -400V범위인 것이 특징인 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 산화아연계 박막은 Al, Ga, Si, 및 In으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 도핑원소를 0.1wt% ~ 10wt% 범위로 포함하는 것이 특징인 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 산화아연계 박막의 두께는 50 ~ 200nm 범위인 것이 특징인 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 산화아연계 박막의 증착온도는 50 ~ 300℃ 범위인 것이 특징인 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 산화아연계 박막은 투명도전성 박막으로 사용되는 것이 특징인 제조방법.
50 ~ 200nm 두께를 가지며, 2.00 ×10^-4 Ω㎝ ~ 5.00 ×10^-4 Ω㎝ 범위의 비저항을 가지는 산화아연계 박막.
제 8항에 있어서, 투명도전성 박막으로 사용되는 것이 특징인 산화아연계 박막.
제 8항에 있어서, 제 1항에 기재된 방법으로 제조된 것이 특징인 산화아연계 박막.