KR20090000355A - 분무열분해를 이용한 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링타겟의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

분무 열분해를 이용한 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법이 개시된다. 본 발명은, 질산 아연 용액(Zn(NO3)xH2O)과 질산 알루미늄 용액(Al(NO3) xH2O)을 혼합하여 용해시키는 단계, 혼합 용해액을 분무 열분해시켜 알루미늄 도핑된 산화아연(Al2O3-ZnO) 복합 과립 분말로 형성하는 단계, 복합 과립 분말에 첨가제를 넣고 처리하여 슬러리로 형성하고 건조시키는 단계 및, 건조된 슬러리를 스퍼터링 타겟 형태로 프레스 성형하고, 성형체를 소결시켜 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계를 포함한다. 산화아연 내에 알루미늄의 분산성을 최대화시켜 양호한 전기적 특성을 가지는 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다.
스퍼터링 타겟, 알루미늄, 산화아연

Description

분무열분해를 이용한 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법{MANUFACTORING METHOD OF SPUTTERING TARGET OF Aluminium doped ZnO USING SPRAY PYROLYSIS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법을 나타낸 플로우 차트.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 타겟 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 표면 EPMA 맵핑 사진.
본 발명은 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분무열분해를 이용한 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법에 관한 것이다.
평판 디스플레이는 일반적으로 ITO(Indium Tin Oxide) 물질을 스퍼터링 타겟으로 제조하여 스퍼터링법에 의해 증착시킴으로써 투명 전극을 형성하는 방법을 사용하고 있다. 인듐은 고가의 희귀금속의 하나이며, 최근 인듐 수급의 불균형으로 인해 디스플레이의 생산에 있어 ITO를 대체할 수 있는 차세대 투명 전극에 대한 관심이 고조되고 있다. 그 대체 물질의 하나로 산화아연계 투명 전극이 제기되고 있으며, 산화아연계 투명 도전막을 형성하기 위해 산화아연의 스퍼터링 타겟에 대한 연구가 이루어지고 있다.
일반적인 스퍼터링 타겟 제조 방법은 원료가 되는 산화물 분말을 혼합하고 이를 습식 분쇄한 다음 결합제를 첨가하고 건조시켜 과립분말을 만들고, 형성된 과립분말을 원하는 형태의 크기로 프레스 성형하고 냉간 등방압 성형 또는 열간 등방압 성형 등을 통해 성형체를 만든 다음 소결 공정을 거쳐 스퍼터링 타겟으로 제조되는 과정을 거친다.
산화아연계 스퍼터링 타겟 중 하나인 알루미늄이 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟도 상술한 스퍼터링 타겟의 일반 공정을 채용한다. 다만, 알루미늄이 도핑되므로 타겟을 이용하여 형성하는 투명 도전막의 박막 특성을 향상시키기 위해서는 산화아연에 알루미늄을 고르게 분산시켜야 한다.
알루미늄의 분산을 위해 종래 습식분쇄공정을 채용하였으나 도핑 물질을 기계적으로 분쇄하는 방법은 기계적인 특성상 도핑 물질을 나노 단위까지 분쇄하는데는 한계가 있다. 따라서, 종래의 스퍼터링 타겟 제조방법에 따라 형성된 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟은 알루미늄이 산화아연에 고르게 분산되지 못함으로써 스퍼터링 타겟의 수명이 떨어지고 타겟을 이용하여 제조한 투명 도전막의 박막 특성이 열화되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 분무 열분해를 이용하여 알루미늄을 산화아연에 고르게 분산 도핑시키는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 분무 열분해를 이용하여 알루미늄-산화아연 복합 과립 분말을 형성시킬 수 있는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은
(a) 질산 아연 용액(Zn(NO3)xH2O)과 질산 알루미늄 용액(Al(NO3) xH2O)을 혼합하여 용해시키는 단계;
(b) 상기 혼합 용해액을 분무 열분해시켜 알루미늄 도핑된 산화아연(Al2O3-ZnO) 복합 과립 분말로 형성하는 단계;
(c) 상기 복합 과립 분말에 첨가제를 넣고 처리하여 슬러리로 형성하고 건조시키는 단계; 및
(d) 상기 건조된 슬러리를 스퍼터링 타겟 형태로 프레스 성형하고, 상기 성형체를 소결시켜 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계;
를 포함하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법을 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 도핑된 산화아연(Al-doped ZnO) 스퍼터링 타겟을 제조하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법은 먼저 원료 물질로 수용성 염, 즉 질산아연 용액(Zn(NO3)xH2O(S1)) 와 질산 알루미늄 용액(Al(NO3)xH2O(S2))을 준비한다. Zn(NO3)xH2O(S1)는 ZnO의 원료물질이며, Al(NO3)xH2O(S2)는 Al2O3 의 원료물질이다. 상기의 두 원료 물질을 몰비 1: 0.001~0.1의 조성비로 혼합 용해시킨다(101단계). 바람직하게는 1: 0.005~0.05의 조성비로 용해시킬 수 있다.
물에 혼합 용해된 상기 용해액은 분무 열분해기의 원료 용기로 유입되어 분무 열분해 처리를 한다(103단계). 분무 열분해는 초음파로 기화시켜 열분해기로 분무하는 초음파 열분해법이나 애토마이저(atomizer)를 이용하여 분무시켜 열분해하는 분무 열분해법을 사용할 수 있다. 상술한 두 방법 중 어느 특정한 방법이 유리하다고 한정할 수 없으나, 소용량 장치에서는 초음파에 의한 분사방법이 대용량 장치에서는 애토마이저에 의한 분사방법이 유리하다.
분사된 상기 용해액은 열분해기에서 800~1200℃ 정도의 열로 분해과정이 진행된다. 열분해 중 공기나 산소를 공급하여 상기 용해액의 분산된 입자의 산화를 촉진시킬 수 있다.
분무 열분해를 통해 Al2O3-ZnO 복합 과립 분말이 형성되면(104단계), 이 때의 복합 과립 분말의 조성은 스퍼터링 타겟의 조성과 동일하게 된다. 이는 일반적인 스퍼터링 타겟의 제조방법에서는 소결 과정이 끝난 마지막 공정에서 복합 산화 물이 형성되는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 타겟의 제조방법에서는 분무 열분해 공정이 적용된 단계에서 복합 산화물이 형성되는 큰 차이점을 나타낸다.
상술하면, 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 타겟의 제조방법에서는 알루미늄과 아연이 이온단위로 용해된 상태의 원료 물질을 사용하기 때문에 상기 원료 물질의 용해액에 분무 열분해를 적용하여 알루미늄이 도핑된 산화아연 과립 분말을 형성한 단계에서 이미 알루미늄이 산화아연 내로 고르게 분산되어 복합 산화물이 형성되는 것이다.
분무 열분해법을 적용하여 알루미늄 도핑된 산화아연 복합산화물을 형성함으로써 알루미늄의 분산성을 극대화시킬 수 있어 스퍼터링 타겟 제조시 알루미늄의 응집입자가 생기지 않고 ITO와 거의 비슷한 특성의 전기적 특성을 나타낼 수 있다.
상기 Al2O3-ZnO 복합 과립 분말을 스퍼터링 타겟의 형태로 성형하기 위하여 상기 Al2O3-ZnO 복합 분말에 첨가제(S3)를 첨가하고, 교반(agitation) 또는 습식 밀링 (wet-milling)공정을 실행하여 Al2O3-ZnO 슬러리를 제조한다(106단계). 상기 첨가제(S3)로는 혼합 과정에서 발생할 수 있는 기포를 파포할 수 있는 소포제, 혼합물간의 분자간 결합을 강화시키는 결합제 및, Al2O3-ZnO 복합 분말을 소포제 및 결합제 속에 분산시키는 분산제가 첨가된다. 상기 분산제로는 폴리 아크릴산 암모늄 염과 같은 카르복실리 그룹 물질을 사용할 수 있고, 상기 결합제로는 PVA, 폴리에틸렌 글리콜을 사용할 수 있다. 상기 소포제로는 범용 소포제면 모두 사용가능하다.
Al2O3-ZnO 복합 분말에 분산제, 결합제, 소포제를 첨가한 후 물리적인 기계 에너지를 사용하여 균일한 혼합상태로 만드는 교반 또는 물을 매체로 밀링을 실시하여 분산성을 향상시키는 습식밀링을 실행하여 복합 분말에 첨가제를 균일하게 혼합시킬 수 있다.
상술한 방법으로 제조된 Al2O3-ZnO 슬러리는 다음 건조 공정을 거친다(107단계). 건조 공정으로 여러 가지 방법이 이용될 수 있으나 성형의 용이성을 위해 분무 건조법을 이용하는 것이 바람직하다.
건조 공정을 통해 결합제가 첨가된 Al2O3-ZnO 분말이 제조되면 이를 스퍼터링 타겟의 형태로 프레스하여 성형한다(109단계).
상기 스퍼터링 타겟으로 성형된 Al2O3-ZnO 성형체를 1500℃ 미만으로 소결시켜(111단계) Al-doped ZnO 스퍼터링 타겟을 완성한다(112단계).
본 발명의 분무열분해를 이용해 스퍼터링 타겟을 제조하는 방법을 이용하면 소결체 내에 알루미늄 응집체가 1μm를 넘지 않으며, 성막시에 기판 상에 형성되는 산화아연계 투명 도전막은 2·10-4~5·10-4Ω·cm 의 비저항을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Al-doped ZnO 스퍼터링 타겟의 EPMA (Electron Probe Micro Analyzer)로 분석한 표면 맵핑(Mapping) 사진이다. 도 2는 ZnO에 Al2O3가 분포되어 있는 상태를 아연과 알루미늄에 대해 맵핑한 것으로 타겟 표면에 알루미늄의 뭉침없이 알루미늄과 아연이 고르게 분포되어 있음을 알 수 있 다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 필요에 따라 분산제, 결합제, 소포제를 다양하게 선택할 수 있으며 물리적인 혼합법도 다양하게 채용할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 따르면, 분무열분해를 이용하여 알루미늄을 산화아연 내 고르게 분산 도핑시킬 수 있다.
또한 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 소결체 내에 알루미늄 응집체가 1μm이하로 형성될 수 있다.
또한 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟을 이용하여 성막된 투명 도적막의 비저항은 2?10-4~5?10-4Ω?cm 의 양호한 박막 특성을 나타낼 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악 되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법에 있어서,
    (a) 질산 아연 용액(Zn(NO3)xH2O)과 질산 알루미늄 용액(Al(NO3) xH2O)을 혼합하여 용해시키는 단계;
    (b) 상기 혼합 용해액을 분무 열분해시켜 알루미늄 도핑된 산화아연(Al2O3-ZnO) 복합 과립 분말로 형성하는 단계;
    (c) 상기 복합 과립 분말에 첨가제를 넣고 처리하여 슬러리로 형성하고 건조시키는 단계; 및
    (d) 상기 건조된 슬러리를 스퍼터링 타겟 형태로 프레스 성형하고, 상기 성형체를 소결시켜 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계에서
    상기 질산 아연 용액과 상기 질산 알루미늄 용액을 1: 0.001~0.1의 몰비로 혼합하여 용해시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 (a)단계에서
    상기 질산 아연 용액과 상기 질산 알루미늄 용액을 1: 0.005~0.05의 몰비로 혼합하여 용해시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 (b)단계에서
    상기 분무 열분해는 초음파 분무 열분해를 이용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 (b)단계에서
    상기 분무 열분해는 애토마이저 분무 열분해를 이용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 (b)단계에서
    상기 분무 열분해는 800~1200℃의 열분해 온도를 적용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 (c)단계에서
    상기 첨가제는 분산제, 소포제 및, 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 (c)단계에서
    상기 처리는 상기 복합 과립 분말에 상기 첨가제를 넣고 교반하거나 습식 밀링하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 (c)단계에서
    상기 슬러리를 분무 건조하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 (d)단계에서
    상기 성형체를 1500℃ 미만에서 소결시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 (d)단계에서
    상기 소결된 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟은 알루미늄의 응집체가 1μm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 (d)단계에서
    상기 소결된 상기 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟은 성막시 2 ·10-4~5·10-4Ω·cm 의 비저항을 나타내는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도핑된 산화아연 스퍼터링 타겟의 제조방법.
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