KR20080065587A - Ceramic target, film constituting zinc, gallium and boron oxide and method of manufacturing of the said film - Google Patents

Ceramic target, film constituting zinc, gallium and boron oxide and method of manufacturing of the said film Download PDF

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아스란 카지무라토비치 압두에브
아빌 샴수디노비치 아스바로브
아크메드 카디에비치 아크메도브
이브라짐크한 카미로비치 카미로브
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오트크라이토에 악트시오네르노에 오브스체스트보 “포레마”
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Abstract

The invention relates to the field of opto-electronic technology and is intended to create transparent conducting layers. More particularly, the invention relates to the field of manufacturing of ceramic materials and is used in manufacturing of ceramic targets, which serve as a source of material in film application methods by magnetron sputtering, electronic beams, ionic beams and other film application methods in micro-, opto-and nano-electronics as well as to films produced from such ceramic target and to a manufacturing process of said films. Disclosed is a ceramic target containing zinc oxide alloyed by gallium and containing between 0.5 and 6 % of gallium atoms and between 0.1 and 2 % of boron atoms, wherein the gallium and boron part is contained in crystallites of zinc oxide as substitution impurity, and the boron and gallium remaining part is contained together with zinc in the amorphous intergranular phase. Disclosed is also a film containing zinc oxide with prevalent orientation (001), alloyed by gallium in the structure of which 0.1 to 2 % of zinc atoms are substituted by boron atoms and 0.5 to 6 % of zinc atoms are substituted by gallium atoms, as well as a corresponding manufacturing process.

Description

세라믹 타깃과, 산화아연, 갈륨 및 붕소로 구성된 막과 그 막의 제조방법{CERAMIC TARGET, FILM CONSTITUTING ZINC, GALLIUM AND BORON OXIDE AND METHOD OF MANUFACTURING OF THE SAID FILM}CERAMIC TARGET, FILM CONSTITUTING ZINC, GALLIUM AND BORON OXIDE AND METHOD OF MANUFACTURING OF THE SAID FILM}

본 발명은 광전기술분야에 관한 것으로 투명 도전층을 생성하기 위한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of photovoltaic technology and to produce a transparent conductive layer.

보다 구체적으로는, 본 발명은 세라믹 물질의 생산에 관한 것으로, 마이크로-(micro-), 옵토-(opto-), 나노일렉트로닉스(nanoelectronics) 기술에서 마그네트론(magnetron), 전자빔, 이온빔 및 스퍼터링 막을 형성하는데 적용되는 다른 방법을 위한 원료물질을 제공하는 세라믹 타깃을 제조하기 위한 것이며, 또한 상기 세라믹 타깃으로부터 생산된 막 및 상기 막의 형성방법에 관한 것이다. More specifically, the present invention relates to the production of ceramic materials, which form magnetron, electron beam, ion beam and sputtering films in micro-, opto-, nanoelectronics technologies. It relates to the manufacture of a ceramic target for providing a raw material for another method applied, and also to a film produced from the ceramic target and a method of forming the film.

세라믹 타깃과, 혼합물의 준비, 콤팩트 및 소결 과정으로 구성된 합성방법이 공지되어 있다[J.M. Tairov, V.F.Tsvetkov. "Technology of semi-conducting and dielectric materials", Moscow, "Higher School" Publishing House, 1990, 423 pages 참조].Synthetic methods consisting of a ceramic target and a preparation, compact and sintering process of a mixture are known [J.M. Tairov, V.F.Tsvetkov. See "Technology of semi-conducting and dielectric materials", Moscow, "Higher School" Publishing House, 1990, 423 pages].

마그네트론 스퍼터링용 세라믹 타깃이 공지되어 있다. Ceramic targets for magnetron sputtering are known.

본 발명에 따른 세라믹 타깃 및 그 준비방법(method for preparing)과 가장 유사한 선행기술은 1995년 10월 17일에 공개된 미국특허 제 5458753호이며, 상기 문헌에는 산화아연 및 갈륨으로 구성된 세라믹 타깃에 대해 개시하고 있다. The prior art most similar to the ceramic target and method for preparing according to the present invention is US Patent No. 5458753 published on October 17, 1995, which discloses a ceramic target composed of zinc oxide and gallium. It is starting.

상기 선행기술에 따른 타깃의 단점은 세라믹의 밀도가 불충분하다는 것이다. 불충분한 세라믹 밀도는 막(film) 형성과정에서 물질의 불균일한 스퍼터링을 야기하여 스퍼터링 과정에서 타킷 표면에 미세한 파티클(particles)을 생성하고, 클러스터(clusters)에 의한 성장표면의 오염 및 합성된 막의 도핑이 불균일하게 된다. A disadvantage of the target according to the prior art is that the density of the ceramic is insufficient. Inadequate ceramic density causes non-uniform sputtering of materials during film formation, creating fine particles on the target surface during sputtering, contamination of the growth surface by clusters and doping of the synthesized film. It becomes uneven.

본 발명의 다른 주제는 상기 세라믹 타깃 스퍼터링에 의해 형성된 투명 전도막에 관한 것이다. Another subject of the present invention relates to a transparent conductive film formed by the ceramic target sputtering.

산화아연에 기초한 투명 전도막에 대해 "고성능 직류 마그네트론 스퍼터링된 산화아연:알루미늄막의 준비 및 특성화"라는 제하에 발명자 W.W.Wang, X.G.Dio,Z.Wang, M.Yang, T.M.Wang Z.Wu.들에 의해 2005년 공개된 선행기술이 알려져 있다[W.W.Wang, X.G.Dio,Z.Wang, M.Yang, T.M.Wang Z.Wu. Preparation and characterization of highperformance directed current magnetron sputtered ZnO:Al films. Thin Solid Films 491(2005)54-60 참조]. The inventors of WWWang, XGDio, Z.Wang, M.Yang, TMWang Z.Wu. under the heading "High Performance DC Magnetron Sputtered Zinc Oxide: Preparation and Characterization of Aluminum Films" for zinc oxide based transparent conductive films. The prior art published by 2005 is known [WWWang, XGDio, Z. Wang, M. Yang, TMWang Z. Wu. Preparation and characterization of highperformance directed current magnetron sputtered ZnO: Al films. Thin Solid Films 491 (2005) 54-60].

상기 막들의 단점은 도핑 혼합물의 부재이며, 이로 인해 산화아연막의 전도도가 불충분하다는 것이다. A disadvantage of these films is the absence of the doping mixture, which results in insufficient conductivity of the zinc oxide film.

갈륨이 도핑된 산화아연을 기반으로 하는 투명도전막에 대해 알려져 있다[P.K. Song, Watanabe, M. Kon, A. Mitsui, Y. Shigesato. "Electrical and optical properties of gallium-doped zinc oxide films deposited by DC magnetron sputtering. Thin Solid Films 411(2002) 82-86 참조]. A transparent conductive film based on gallium doped zinc oxide is known [P.K. Song, Watanabe, M. Kon, A. Mitsui, Y. Shigesato. "Electrical and optical properties of gallium-doped zinc oxide films deposited by DC magnetron sputtering. See Thin Solid Films 411 (2002) 82-86).

상기 막들의 단점은 캐리어의 이동도(carrier mobility) 및 화학적 저항(chemical resistance)의 감소이다. Disadvantages of the membranes are the reduction of carrier mobility and chemical resistance.

본 발명과 가장 유사한 선행기술은 갈륨이 도핑된 산화아연을 기반으로 하는 막(film)이다. 갈륨의 이온반경은 아연의 이온반경과 유사하므로 실질적인 밀도로 산화아연에 갈륨을 결합시킬 수 있다[US 5,458,753, 17.10.1995].The prior art most similar to the present invention is a film based on gallium doped zinc oxide. Since the gallium ions are similar to those of zinc, gallium can be bonded to zinc oxide at substantial density [US 5,458,753, 17.10.1995].

상기 막들의 단점은 막의 특성, 특히, 비등방성을 악화시키는 주상조직(columnar structure)을 제공한다는 것이다. A disadvantage of the membranes is that they provide columnar structures that degrade the properties of the membrane, in particular anisotropy.

본 발명의 또 다른 주제는 전술한 투명 도전막의 합성방법이다. Another subject of the present invention is a method for synthesizing the transparent conductive film described above.

산화아연막(gas-transport, pyrolitic and others)에 대한 많은 합성방법이 알려져 있다. 가장 유사한 선행기술은 세라믹 타깃의 마그네트론 스퍼터링 방법에 의한 성장 표면에 산화아연을 주재료로 하고, 갈륨이 도핑 혼합물로서 적용된 산화 아연을 기반으로 하는 막의 합성방법이다[P.K. Song, Watanabe, M.Kon, A. Mitsui, Y. Shigesato. "Electrical and optical properties of gallium-doped zinc oxide films deposited by DC magnetron sputtering. Thin Solid Films 411(2002) 82-86 참조].Many synthetic methods are known for zinc oxide (gas-transport, pyrolitic and others). The most similar prior art is a method for synthesizing a film based on zinc oxide, with zinc oxide as the main material on the growth surface by magnetron sputtering of ceramic targets, and gallium applied as a doping mixture [P.K. Song, Watanabe, M.Kon, A. Mitsui, Y. Shigesato. "Electrical and optical properties of gallium-doped zinc oxide films deposited by DC magnetron sputtering. See Thin Solid Films 411 (2002) 82-86).

상기 선행기술에 따른 합성방법의 단점은 형성된 막의 불완전성, 즉, 전술한 바와 같은 막의 특성을 악화시키는 막 주상조직의 발생 및 유지이다. A disadvantage of the synthesis method according to the prior art is the generation and maintenance of membrane columnar tissue, which impairs the incompleteness of the formed membrane, that is, the characteristics of the membrane as described above.

본 발명의 목적은 성장표면에서 발생하는 공정에 따른 구조적 완성을 증가시킴으로써 산화아연에 기반하고 갈륨이 도핑된 투명전도막의 특성을 질적으로 개선하는 것이다. 상기와 같은 막을 준비하기 위해서는 고밀도이고, 스퍼터링 불균일 및 스퍼터링 동안 세라믹 표면 위에 매크로 구조 형성을 방지하는 구조의 상응하는 세라믹 물질이 필요하다.An object of the present invention is to qualitatively improve the properties of zinc oxide based gallium doped transparent conductive films by increasing the structural completion according to the process occurring on the growth surface. The preparation of such films requires a high density, corresponding ceramic material of a sputtering nonuniformity and a structure that prevents macrostructure formation on the ceramic surface during sputtering.

상기 목적은 산화아연 및 갈륨에 붕소를 추가한 조성의 세라믹 타깃을 제안함으로써 달성할 수 있다. The above object can be achieved by proposing a ceramic target having a composition in which boron is added to zinc oxide and gallium.

특히, 본 발명에 따른 타킷은 산화아연과 함께 0.5 내지 6 원자%의 갈륨 및 0.1 내지 2 원자%(atomic percent)의 붕소를 포함하고 있다. 동시에, 도핑 혼합물은 치환혼합물(substituting admixture)로서 산화아연 결정격자 및 아연, 갈륨, 붕소의 혼합물 및 상기 혼합물에 산화물을 포함하는 비정질 상(amorphous phase)의 형태를 띠는 결정립계(grain boundaries)를 포함한다. In particular, the target according to the present invention contains 0.5 to 6 atomic percent of gallium and 0.1 to 2 atomic percent of boron together with zinc oxide. At the same time, the doping mixture comprises a zinc oxide crystal lattice and a mixture of zinc, gallium, boron and grain boundaries in the form of an amorphous phase comprising an oxide in the mixture as a substituting admixture. do.

본 발명의 다른 목적은 캐리어의 이동도(carriers' mobility)를 증가시키고 이러한 막들을 포함하는 기기의 외부환경에 따른 특성열화를 감소시키고, 막의 특성을 예측 및 계산할 수 있도록 하는 막 격자(film lattice)의 결정도 (crystallinity)를 증가시키기 위한 것이다. It is another object of the present invention to increase the carriers' mobility, to reduce the deterioration of characteristics due to the external environment of a device including such membranes, and to allow film properties to be predicted and calculated. This is to increase the crystallinity of.

상기 목적은 붕소를 포함하는 혼합물에 갈륨이 도핑된 산화아연에 기반한 다결정막을 제공함으로써 달성할 수 있다.This object can be achieved by providing a polycrystalline film based on zinc oxide doped with gallium in a mixture containing boron.

본 발명의 또 다른 목적은 특히, 막의 주상조직 형성을 방지함으로써 구조적 완성을 증가시키기 위한 것이다. Another object of the present invention is to increase structural completion, in particular by preventing columnar tissue formation of the membrane.

상기 목적은 막의 성장 표면 위에, 주재료(산화아연) 및 도핑 혼합물(갈륨) 외에 상기 성장 표면 위에 흡착되는 원자(atoms)의 이동도를 증가시키는 요소로서 붕소가 적용되는 막의 합성방법을 제공함으로써 달성할 수 있다. This object can be achieved by providing a method for synthesizing a film to which boron is applied as an element which increases the mobility of atoms adsorbed on the growth surface in addition to the main material (zinc oxide) and the doping mixture (gallium) on the growth surface of the film. Can be.

본 발명의 일 주제는 세라믹 타깃이다. 상기 타깃은 산화아연 분말, 금속 갈륨(metal gallium) 및 붕소함유 물질의 혼합물을 분쇄하고, 가압한 다음 액상 갈륨 및 붕소를 함유하는 물질의 혼합물로 산화아연 파티클을 덮기 전에 갈륨의 액체상태를 제공하는 온도하에서 소결됨으로써 마련된다. 상기 구성요소의 구성량은 세라믹의 조성에 따라 결정된다. One subject of the invention is a ceramic target. The target provides a liquid state of gallium before grinding the mixture of zinc oxide powder, metal gallium and boron-containing material, pressing and then covering the zinc oxide particles with the mixture of liquid gallium and boron-containing material. It is prepared by sintering under temperature. The component amount of the component is determined according to the composition of the ceramic.

상기 합성된 세라믹의 조성은 산화아연과 함께 0.5 내지 6 원자 %의 갈륨 및 0.1 내지 2 원자 %의 붕소를 포함하며, 갈륨 및 붕소의 일부는 치환 혼합물로서 산화아연의 결정격자 내에 존재하며, 갈륨 및 붕소의 나머지 부분은 산화아연과 함께 비정질 상의 형태로 결정립계(grain boundaries)에 포함된다. The composition of the synthesized ceramic comprises 0.5-6 atomic% gallium and 0.1-2 atomic% boron together with zinc oxide, a part of gallium and boron present in the crystal lattice of zinc oxide as a substitution mixture, gallium and The remainder of boron is contained at grain boundaries in the form of an amorphous phase with zinc oxide.

도 1은 상이한 패턴의 ZnO:Ga:B 세라믹 타깃을 도시한 것이다. 이들 상이한 패턴으로부터 결정립계에 존재하는 비정질 상에 대응하는 구조가 없는(형체를 띠지 않는) 밴드(structureless band)를 알 수 있다. 1 illustrates different patterns of ZnO: Ga: B ceramic targets. From these different patterns it can be seen that there is no structureless band corresponding to the amorphous phase present at the grain boundaries.

액체 금속 갈륨[RU2004105169]을 함유하는 산화아연분말을 분쇄함으로써 산화아연 파티클을 모두 갈륨층으로 덮을 수 있으며, 이는 다른 방법(예를 들면, 스퍼터링의 의해서는 불가능하다)으로는 달성하기 어렵다. 상기 방법은 세라믹 용적을 통한 균일한 갈륨분포를 제공하며, 그 결과 상기 세라믹으로부터 스퍼터링 되는 막의 용적을 통한 균일한 갈륨분포를 제공한다. 그 다음 산화붕소 또는 어닐링 공정에서 산화붕소를 형성하는 조성(예를 들면, 붕산)으로 분쇄함으로써 산화아연 파티클을 붕산 파티클(붕산은 수성용액, 분말 및 조금 건조되거나 직접 가압된 형태로 유도될 수 있다)로 덮을 수 있다. 세라믹에 형성된 산화붕소는 가열시에 갈륨으로부터 형성된 산화갈륨을 용해하고 이어서 산화아연은 소결하는 동안에 파티클 위에 액체 표면 상(a liquid surface phase)을 형성한다. 가열시에, 액상 갈륨은 여타의 액상 금속보다 재료를 악화시키며(Chemical Encyclopedia, "Sovetskaya Encyclopedia" Publishing House, Moscow, 1988, page 935 참조], 따라서, 산화아연 파티클 또한 갈륨 악화 대상이며, 계속되는 산화붕소 내에서의 용해 또한 세라믹의 균일성을 증가시킨다. By grinding the zinc oxide powder containing liquid metal gallium [RU2004105169], all of the zinc oxide particles can be covered with a gallium layer, which is difficult to achieve by other methods (for example, impossible by sputtering). The method provides a uniform gallium distribution through the ceramic volume, resulting in a uniform gallium distribution through the volume of the film sputtered from the ceramic. The zinc oxide particles can then be derived into boric acid particles (aqueous solutions, powders and slightly dried or directly pressurized forms) by grinding into boron oxide or a composition that forms boron oxide (eg, boric acid) in an annealing process. ) Can be covered. Boron oxide formed in the ceramic dissolves gallium oxide formed from gallium upon heating and then zinc oxide forms a liquid surface phase on the particles during sintering. Upon heating, liquid gallium worsens the material than other liquid metals (see Chemical Encyclopedia, "Sovetskaya Encyclopedia" Publishing House, Moscow, 1988, page 935); therefore, zinc oxide particles are also subject to gallium deterioration and subsequent boron oxide Dissolution in it also increases the uniformity of the ceramic.

도 2는 LEO 1450 타입 주사전자현미경(SEM)을 이용한 X-선 방출특성에 따른 구성요소 분석 데이타를 나타낸 것으로, 얻어진 세라믹의 평탄성(evenness)을 나타낸다. FIG. 2 shows component analysis data according to X-ray emission characteristics using a LEO 1450 type scanning electron microscope (SEM), showing the evenness of the ceramic obtained.

따라서, 갈륨을 함유하는 산화아연 분말의 분쇄는 세라믹 및 막의 용적을 통한 갈륨의 분포 균일성을 증가시키고, 붕소의 첨가는 고온에서 산화갈륨을 갖는 산화물과 갈륨에 의해 열화된 산화아연 파티클의 상호작용으로 인해 용적(volume) 내의 혼합물의 분포 균일성을 증가시킨다. 갈륨이 없는 경우, 산화붕소는 그다지 균일하게 분포하지 않는 반면 붕소가 없는 경우 갈륨의 분포 균일성은 증가하며, 양자에 있어서 갈륨과 붕소가 동시에 존재하는 경우에 얻을 수 있는 막의 특성을 얻을 수는 없다. 한편, 세라믹 내에서 갈륨은 치환할 수가 없기 때문에 이로부터 성막할 필요가 있고 갈륨의 물성상 전술한 방법에 의해 산화아연 파티클의 표면에 살포될 수 있으므로 세라믹 및 막의 용적을 통한 갈륨 분포 균일성을 증가시킨다. 갈륨은 또한 동일한 효과를 갖는 산화아연 또한 악화시킨다. 다른 한편으로, 세라믹을 소결하는 동안 산화붕소는 산화갈륨을 용해시키며 산화아연은 이에 의해 파티클의 경계에서 갈륨에 의해 생성된 산화아연 파티클 대신 액상을 형성한다. 이에 따라 세라믹의 밀도 및 전도도는 증가하며 혼합물의 분포 균일성은 더욱 증가하게 된다. Thus, grinding of gallium-containing zinc oxide powders increases the distribution uniformity of gallium through the volume of ceramics and membranes, and the addition of boron interacts with zinc oxide particles deteriorated by gallium and oxides with gallium at high temperatures. This increases the uniformity of distribution of the mixture in the volume. In the absence of gallium, boron oxide is not very uniformly distributed, whereas in the absence of boron, the distribution uniformity of gallium is increased, and it is impossible to obtain the properties of the film obtained when gallium and boron are present in both. On the other hand, gallium cannot be substituted in the ceramic, so it is necessary to form a film therefrom. Since the properties of gallium can be applied to the surface of the zinc oxide particles by the aforementioned method, the uniformity of gallium distribution through the volume of the ceramic and the film is increased. Let's do it. Gallium also worsens zinc oxide, which has the same effect. On the other hand, during sintering of the ceramic, boron oxide dissolves gallium oxide so that zinc oxide forms a liquid phase instead of the zinc oxide particles produced by gallium at the boundary of the particles. This increases the density and conductivity of the ceramic and further increases the distribution uniformity of the mixture.

본 발명의 다른 주제는 본 발명에 따른 세라믹 타겟으로부터 마련된 투명 다결정막 및 상기 막을 합성하는 방법에 관한 것이다. Another subject of the invention relates to a transparent polycrystalline film prepared from a ceramic target according to the invention and a method of synthesizing said film.

본 발명에 따른 막은 붕소를 부가적으로 함유하는 갈륨이 도핑된 (001) 우선방위(preferred orientation)를 갖는 산화아연에 기반한 다결정막을 포함하며, 막의 구성에 있어서 0.1 내지 2 %의 아연원자가 붕소원자로 치환되고, 0.5 내지 6%의 아연원자가 갈륨원자로 치환된다. The membrane according to the present invention comprises a polycrystalline membrane based on zinc oxide having a gallium doped (001) preferred orientation, which additionally contains boron, in which 0.1 to 2% of zinc atoms are substituted with boron atoms in the construction of the membrane. 0.5-6% of the zinc atoms are replaced with gallium atoms.

막의 스퍼터링은 마그네트론 스퍼터링 장비(고주파 또는 직류전류설비)에서 수행된다. 타깃으로 본 발명에 따른 타깃이 사용된다. 막은 기판, 특히, 유리기판 위에 적용된다. 상기 스퍼터링은 아르곤 분위기에서 상온 내지 350℃의 온도로 수행된다. Sputtering of the membrane is carried out in magnetron sputtering equipment (high frequency or direct current equipment). As the target, the target according to the present invention is used. The film is applied on a substrate, in particular a glass substrate. The sputtering is performed at room temperature to 350 ° C. in an argon atmosphere.

스퍼터링이 진행되는 동안 붕소는 성장하는 막의 기판 위에 흡착되는 원자의 이동도를 증가시키기 때문에 막 내의 붕소의 존재는 중요하며, 상기 원자의 이동도는 막의 구조적 완성도 및 특성(광학적, 전기적 및 안정성)을 실질적으로 증가시킨다. 동시에, 예를 들면, 통상 막의 주상조직을 발생하지 않으며 전도도가 증가하는 등등(전자사진 및 다른 확증도구가 있다). 이러한 작용을 수행하는 붕소는 아연을 치환하고 도너 센터를 생성하는 산화아연 결정 내에 잔존하며, 갈륨과 유사하게(동일 그룹의 원소), 즉, 붕소는 막을 오염시키지 않고 막의 다른 특성에 부정적인 영향을 끼치지 않는다. 붕소의 이온반경이 아연의 이온반경보다 실질적으로 작고, 아연을 붕소로 치환하는 경우 격자변형(lattice strains)이 일어나기 때문에 아연 대신 붕소를 사용하는 경우 혼합물로서 붕소만 사용할 수는 없다. 갈륨 도입의 필요성은 갈륨의 이온반경이 아연의 이온반경과 유사하고, 아연을 갈륨으로 치환하더라도 격자 내의 어떠한 구조적 변형도 일어나지 않는다는 것과 관련이 있다. 따라서, 필요한 전도도를 위해 충분한 정도의 갈륨을 집중적으로 도입할 수 있다. During the sputtering, the presence of boron in the film is important because boron increases the mobility of atoms adsorbed on the substrate of the growing film, and the mobility of the atoms affects the film's structural completeness and properties (optical, electrical and stability). Increase substantially. At the same time, for example, usually do not generate columnar tissue of the membrane, increase the conductivity and the like (there are electrophotographic and other confirmatory tools). Boron that performs this action remains in the zinc oxide crystals that displace zinc and create donor centers and, similar to gallium (elements of the same group), that is, boron does not contaminate the membrane and negatively affect other properties of the membrane. Don't. When boron is used instead of zinc, boron alone cannot be used as a mixture because the ion radius of boron is substantially smaller than the ion radius of zinc, and lattice strains occur when zinc is replaced with boron. The necessity of introducing gallium is related to the ion radius of gallium being similar to that of zinc and that no structural deformation in the lattice occurs even when zinc is replaced with gallium. Thus, sufficient levels of gallium can be introduced for the required conductivity.

반면 갈륨의 이온반경은 아연의 이온반경과 유사하기 때문에 갈륨은 막 내에서 치환이 불가능하므로 격자 내에서 변형을 실질적으로 증가시키지 않고 요구되는 전도도를 위해 충분한 양만큼 갈륨을 도입할 수 있다. On the other hand, since the gallium ion radius is similar to that of zinc, gallium cannot be substituted in the membrane, so gallium can be introduced in an amount sufficient for the required conductivity without substantially increasing deformation in the lattice.

선행기술에서와 마찬가지로 본 발명에 따른 막에서 갈륨은 산화아연 격자형태로 아연을 치환하며, 실질적인 격자변형을 유발하지 않을 정도의 도너 레벨을 생성하며, 붕소는 막질의 저하 및 주상조직 형성을 방지한다. 붕소는 또한 도너 레벨을 생성하는 산화아연 격자형태로 아연을 치환하지만 붕소의 이온반경이 아연의 이온반경과 본질적으로 다르고 붕소의 높은 도핑 레벨은 전기적 및 광학적 특성뿐만 아니라 구조적으로 격자변형악화를 초래하기 때문에 붕소를 단독 도너(sole donor)로 사용할 경우 높은 전도도를 얻을 수 없다. As in the prior art, gallium in the film according to the invention displaces zinc in the form of a zinc oxide lattice, produces donor levels that do not cause substantial lattice deformation, and boron prevents deterioration of membrane quality and columnar tissue formation. . Boron also substitutes zinc in the form of a zinc oxide lattice to produce donor levels, but the boron's ion radius is essentially different from the zinc's ion radius, and the high doping levels of boron lead to structural and strain lattice deformations as well as electrical and optical properties. Therefore, high conductivity may not be obtained when boron is used as a sole donor.

도 3은 T=200℃의 기판온도에서 합성된 ZnO:Ga:B 막의 횡단면 전자사진을 나타낸다. 3 shows a cross-sectional electrophotograph of a ZnO: Ga: B film synthesized at a substrate temperature of T = 200 ° C. FIG.

도 4는 T=200℃의 기판온도에서 합성된 ZnO:Ga 막의 횡단면 전자사진을 나타낸다. 4 shows a cross-sectional electrophotograph of a ZnO: Ga film synthesized at a substrate temperature of T = 200 ° C. FIG.

도 3과 도 4의 데이터를 비교하면, ZnO:Ga:B 층은 선행기술에서의 막과는 다르게 어떤 현저한 분열의 완화(relief of cleavage)가 나타내지 않음을 알 수 있다. Comparing the data of FIGS. 3 and 4, it can be seen that the ZnO: Ga: B layer does not exhibit any significant relief of cleavage unlike the films in the prior art.

도 4는 ZnO:Ga 막이 합성과정에서 표면 위에 증착된 반응물의 낮은 이동도로 인해 전형적인 주상조직을 가짐을 나타낸다. 동시에 상기 층은 광학적 및 전기적 특성을 손상시키는 돌출된 표면을 가진다. 4 shows that the ZnO: Ga film has a typical columnar structure due to the low mobility of the reactants deposited on the surface during synthesis. At the same time the layer has a protruding surface that impairs optical and electrical properties.

결정립계(원주경계) 뿐만 아니라 상기 돌출된 표면(developed relief)의 존재는 막의 화학적 안정성을 감소시키는 막의 선택식각(selective etching) 뿐만 아니라 식각률(etching rate)을 증가시킨다.The presence of the developed relief as well as grain boundaries (circumferential boundaries) increases the etching rate as well as the selective etching of the film, which reduces the chemical stability of the film.

표 1은 기설정된 온도에서 층의 비저항(specific resistance)은 층의 두께에 따라 실질적으로 변화하지 않음을 나타낸다. 이는 경계막(boundary film) 기판 위에 불완전한 전이층이 존재하지 않는다는 증거이다. Table 1 shows that at a predetermined temperature, the specific resistance of the layer does not change substantially with the thickness of the layer. This is evidence that there is no incomplete transition layer on the boundary film substrate.

표 1                                                            Table 1

다양한 온도에서 합성된 ZnO:Ga:B 층의 두께에 따른 비저항Resistivity according to the thickness of ZnO: Ga: B layer synthesized at various temperatures

50 ㎚(Ω.㎝)50 nm (Ω.㎝) 100 ㎚(Ω.㎝)100 nm (Ω.㎝) 150 ㎚(Ω.㎝)150 nm (Ω.㎝) 25℃25 ℃ 3 x 10-3 3 x 10 -3 2.5 x 10-3 2.5 x 10 -3 1.2 x 10-3 1.2 x 10 -3 120℃120 ℃ 1.08 x 10-3 1.08 x 10 -3 1.00 x 10-3 1.00 x 10 -3 7.8 x 10-4 7.8 x 10 -4 200℃200 ℃ 4.50 x 10-4 4.50 x 10 -4 4.50 x 10-4 4.50 x 10 -4 4.50 x 10-4 4.50 x 10 -4

표 2로부터 약 200℃의 온도로 열처리하는 공정에서 ZnO:Ga:B 층의 전기적 특성은 실질적으로 변화하지 않음을 알 수 있다.   It can be seen from Table 2 that the electrical properties of the ZnO: Ga: B layer do not substantially change during the heat treatment at a temperature of about 200 ° C.

표 2TABLE 2

진공 및 대기 중에서 200℃의 온도로 1시간 동안 열처리 및 합성 후 After heat treatment and synthesis for 1 hour at 200 ℃ in vacuum and air

ZnO:Ga 층과 ZnO:Ga:B 층의 비저항 비교값 Resistivity comparison between ZnO: Ga and ZnO: Ga: B layers

ZnO:Ga 25℃ 150 ㎚ZnO: Ga 25 ° C 150 nm ZnO:Ga 200℃ 150 ㎚ZnO: Ga 200 ° C 150 nm ZnO:Ga:B 25℃ 150 ㎚ZnO: Ga: B 25 ° C. 150 nm ZnO:Ga:B 200℃ 150 ㎚ZnO: Ga: B 200 ° C. 150 nm ρ(Ω x ㎝)ρ (Ω x cm) 1.2 x 10-3 1.2 x 10 -3 4.5 x 10-4 4.5 x 10 -4 6.75 x 10-4 6.75 x 10 -4 3.0 x 10-4 3.0 x 10 -4 ρvacuum(Ω x ㎝)ρ vacuum (Ω x ㎝) 1 x 10-3 1 x 10 -3 4.0 x 10-4 4.0 x 10 -4 4.50 x 10-4 4.50 x 10 -4 4.50 x 10-4 4.50 x 10 -4 ρair(Ω x ㎝)ρ air (Ω x ㎝) 8.4 x 10-3 8.4 x 10 -3 6.0 x 10-4 6.0 x 10 -4 1.13 x 10-3 1.13 x 10 -3 3.3 x 10-4 3.3 x 10 -4

표 3은 0.1몰(M) 옥살산(oxalic acid)에서의 ZnO:Ga 층과 ZnO:Ga:B 층의 식각률 비교값을 나타낸다.Table 3 shows the etch rate comparison values of the ZnO: Ga layer and ZnO: Ga: B layer in 0.1 mol (M) oxalic acid.

표 3TABLE 3

0.1몰(M) 옥살산(oxalic acid)에서의 ZnO:Ga 층과 ZnO:Ga:B 층의 ZnO: Ga and ZnO: Ga: B Layers at 0.1 mol (M) Oxalic Acid

식각률 비교값 Etch Rate Comparison

ZnO:GaZnO: Ga ZnO:Ga:BZnO: Ga: B Troom T room 5 ㎚/sec5 nm / sec 4 ㎚/sec4 nm / sec 200℃200 ℃ 2 ㎚/sec2 nm / sec 1.5 ㎚/sec1.5 nm / sec

따라서, 발명자들(the authors)은 붕소의 존재는 산화아연 표면에 흡착되는 원자의 이동속도(migration rate)를 증가시켜 산화아연 표면 위의 원자 분포를 균일하게 하며 주상조직 형성을 방지한다는 점, 즉, 결정의 완성도를 증가시키며 이에 따라 캐리어의 이동도 및 전도도를 증가시킨다는 점을 최초로 발견하였다. 이러한 청구된(claimed) 문제의 해결책은 당업자에게 자명하지 않다. Thus, the authors note that the presence of boron increases the migration rate of atoms adsorbed on the zinc oxide surface, thereby uniformizing the distribution of atoms on the zinc oxide surface and preventing columnar formation. For the first time, it was found that it increases the degree of completeness of the crystals, thereby increasing the mobility and conductivity of the carrier. The solution to this claimed problem is not apparent to those skilled in the art.

갈륨 및 붕소를 함유하는 산화아연 세라믹을 얻는 것은 붕소 및 갈륨에 의한 균일성 및 세라믹의 용적을 통한 갈륨의 분포 균일성의 상호증강 아이디어를 포함한다: 갈륨은 그들의 결함 및 불균일에 따라 산화아연 분말의 파티클을 악화시키는 반면 산화붕소는 산화갈륨 및 산화아연에 용해되어 이러한 악영향을 개선한다. 붕소를 함유하는 갈륨은 화학적으로 상호작용하지 않으며(산화물과는 다름), 스퍼터링 동안 성장 표면에 유지되는 클러스터를 형성하지 않는다는 사실이 또한 이용되었다. 이러한 두 가지 상황은 본 발명이 읽혀지기 전(before reading)에는 당업자에게 자명한 것이 전혀 아니다.Obtaining zinc oxide ceramics containing gallium and boron involves the idea of the mutual strengthening of the uniformity by boron and gallium and the distribution uniformity of gallium through the volume of the ceramic: Gallium is a particle of zinc oxide powder depending on their defects and nonuniformities. Boron oxide is dissolved in gallium oxide and zinc oxide to ameliorate these adverse effects. It has also been exploited that gallium containing boron does not interact chemically (unlike oxides) and does not form clusters that remain on the growth surface during sputtering. These two situations are not at all apparent to those skilled in the art before the present invention is read.

본 발명은 또한 실시예로서 설명될 것이며, 상기 실시예는 본 발명의 핵심사항만을 기술한 것일 뿐 본 발명의 특성을 한정하는 것은 아니다. The present invention will also be described as examples, which illustrate only the essential points of the invention and do not limit the nature of the invention.

도 1은 상이한 패턴의 ZnO:Ga:B 세라믹 타깃을 나타낸 도면이고,1 is a view showing a ZnO: Ga: B ceramic target of different patterns,

도 2는 주사전자현미경(SEM)을 이용한 엑스선(X-ray) 방출 특성에 따른 원소분석 데이터를 나타낸 도면이고,2 is a diagram illustrating elemental analysis data according to X-ray emission characteristics using a scanning electron microscope (SEM),

도 3은 T=200℃의 기판온도에서 합성된 ZnO:Ga:B 막의 횡단면 전자사진이고, 3 is a cross-sectional electrophotograph of a ZnO: Ga: B film synthesized at a substrate temperature of T = 200 ° C.

도 4는 T=200℃의 기판온도에서 합성된 ZnO:Ga 막의 횡단면 전자사진이다. 4 is a cross-sectional electrophotograph of a ZnO: Ga film synthesized at a substrate temperature of T = 200 ° C. FIG.

제안된 타깃의 실시예는 갈륨이 도핑된 산화아연로부터 마련된 타킷이다. 100g의 산화아연 분말을 취하고, 여기에 2.7g의 금속갈륨(약 3 원자%)을 도입한 다음 산화아연 파티클 표면에 갈륨이 완전하게 이동될 때까지 상기 혼합물을 세라믹 접시에서 완전하게 분말로 분쇄한다. 분쇄 후에 0.8g(약 1 원자%)의 붕산 수용액을 상기 준비된 덩어리(mass)에 도입한다. 상기 혼합물을 분말로 분쇄하고 건조용 챔버에서 건조한 다음 1000㎏/㎠의 압력으로 가압한 후에 1200℃의 온도에서 10 시간 동안 소결한다. An example of the proposed target is a target prepared from gallium doped zinc oxide. Take 100 g of zinc oxide powder, introduce 2.7 g of metal gallium (about 3 atomic%), and then grind the mixture completely into powder in a ceramic dish until gallium is completely transferred to the zinc oxide particle surface. . After grinding, 0.8 g (about 1 atomic%) of aqueous boric acid solution is introduced into the prepared mass. The mixture is ground into a powder, dried in a drying chamber and pressurized to a pressure of 1000 kg / cm 2 and then sintered at a temperature of 1200 ° C. for 10 hours.

합성된 세라믹의 밀도는 5.65g/㎤이며, 이는 이론적인 세라믹 밀도의 99%에 해당한다. The density of the synthesized ceramic is 5.65 g / cm 3, which corresponds to 99% of the theoretical ceramic density.

제안된 발명의 특별한 실시예는 갈륨(3 원자%) 및 붕소(1 원자%)가 도핑된 (001) 방위의 산화아연 다결정막으로서, 상기 막은 갈륨(3 원자%) 및 붕소(1 원자%) 산화물을 함유하는 산화아연에 기반한 세라믹 타깃으로부터 마그네트론 스퍼터링에 의해 합성된다. 상기 세라믹 타깃은 산화아연 분말, 갈륨 또는 산화갈륨 및 붕산용액을 30℃의 온도에서 분쇄하고, 1000㎏/㎠의 압력으로 가압한 후에 1200℃의 온도에서 10시간 동안 소결함으로써 합성된다. A particular embodiment of the proposed invention is a (001) orientation zinc oxide polycrystalline film doped with gallium (3 atomic%) and boron (1 atomic%), wherein the film is gallium (3 atomic%) and boron (1 atomic%). Synthesized by magnetron sputtering from a ceramic target based on zinc oxide containing oxides. The ceramic target is synthesized by pulverizing zinc oxide powder, gallium or gallium oxide and boric acid solution at a temperature of 30 ° C., pressing at a pressure of 1000 kg / cm 2, and sintering at a temperature of 1200 ° C. for 10 hours.

합성된 세라믹의 밀도는 5.65g/㎤이며, 이는 이론적인 세라믹 밀도의 99%에 해당한다.The density of the synthesized ceramic is 5.65 g / cm 3, which corresponds to 99% of the theoretical ceramic density.

Claims (3)

5 내지 6 원자%의 갈륨과 0.1 내지 2 원자%의 붕소를 함유하며, 갈륨 및 붕소의 일부는 치환혼합물로서 산화아연 미소결정에 포함되며, 갈륨 및 붕소의 나머지 부분은 비정질 결정립계 상의 형태로 아연에 포함되는 갈륨이 도핑된 산화아연에 기반한 세라믹 타깃.5 to 6 atomic% gallium and 0.1 to 2 atomic% boron, part of the gallium and boron is included in the zinc oxide microcrystals as a substitution mixture, the remainder of gallium and boron in the form of amorphous grain boundaries on zinc Ceramic target based on gallium doped zinc oxide. 붕소를 함유하며, 그 구성에 있어서 0.1 내지 2 원자%의 아연원자가 붕소원자로 치환되고, 0.5 내지 6 원자%의 아연원자가 갈륨원자로 치환된, 갈륨이 도핑된 (001)우선방위(preferred orientation)의 산화아연에 기반한 다결정막. Oxides of gallium doped (001) preferred orientation containing boron, in which the composition contains 0.1 to 2 atomic percent zinc atoms substituted with boron atoms and 0.5 to 6 atomic percent zinc atoms substituted with gallium atoms. Polycrystalline film based on zinc. 청구항 1에 따른 세라믹 타깃의 마그네트론 스퍼터링 방법이 적용되는 막으로 구성된 다결정막의 합성방법. A method for synthesizing a polycrystalline film composed of a film to which the magnetron sputtering method of the ceramic target according to claim 1 is applied.
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