KR20090052008A

KR20090052008A - 산화아연 타겟 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090052008A
Application number: KR1020070118506A
Authority: KR
Inventors: 이윤규; 이진호; 유일환; 박주옥
Original assignee: 삼성코닝정밀유리 주식회사
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-05-25

Abstract

본 발명은 M1_xM2_yM3_z(ZnO)_T의 조성을 가지며, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=2, 및 5≤T≤50이고, 상기 M1, M2 및 M3는 각각 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 산화아연 타겟을 제공한다. 본 발명에 의한 타겟으로 스퍼터링 시 노듈이나 아킹의 발생이 적고, 증착된 투명 박막은 에칭 가공성, 전기적 특성 및 광학적 특성이 뛰어나다.

산화아연, 타겟, 투명 도전막

Description

산화아연 타겟 및 그 제조 방법{Zinc oxide target and manufacturing method of producing the same}

본 발명은 산화아연 타겟 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에칭이 용이하게 이루어질 수 있고, 타겟의 비저항이 낮고 동시에 가시광선 투과율이 높아 우수한 투명 도전성 막의 특성을 낼 수 있는 산화아연 타겟 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

액정 표시장치 또는 전자발광 표시장치는 표시 성능이 우수하고 또한 소비 전력이 적기 때문에, 휴대 전화, 퍼스널 컴퓨터 또는 텔레비전 등의 표시기기에 널리 이용되고 있다. 그리고, 이들 표시기기는 모두 표시 소자를 투명 전극에 의해 협지한 샌드위치 구조를 가지고 있다.

상기 투명 전극(투명 도전막이라고도 함)은 높은 도전성과 가시광 영역에서 높은 투과율을 가지게 되는데, 투명 전극에는 안티몬이나 불소를 소량의 불순물(dopant)로 함유하는 산화주석(SnO₂)이나, 주석을 소량의 불순물로 함유하는 산화인듐(In₂O₃) 등이 광범위하게 사용되고 있다.

이들 투명 전극의 제조 방법으로는 스퍼터링법이나, 증착법, 이온프레이팅법, 투명 도전층 형성용 도포액을 도포하는 방법 등이 주로 사용되고 있는데, 이중 스퍼터링법이 많이 이용되고 있다. 스퍼터링법은 증기압이 낮은 재료의 성막시 정밀한 막 두께를 제어할 필요가 있을 경우에 적합한 수법으로서, 그 조작이 아주 간편하여 광범위하게 이용되고 있다.

구체적으로 스퍼터링법은 일반적으로 약 10pa 이하의 가스압력 하에서 기판을 양극으로 하고, 성막된 산화물 투명 도전막의 스퍼터링 타겟(sputter target)을 음극으로 하여, 이들 사이에서 글로우 방전을 일으킴으로써, 아르곤 플리즈마가 발생하여 플라즈마 중의 아르곤 양이온이 음극의 스퍼터링 타겟에 충돌하게 되고, 이로 인하여 서로 잡아당기는 힘을 갖는 입자들이 기판 위에 쌓이게 되어 박막을 형성하게 된다.

스퍼터링법은 아르곤 플라즈마의 발생 방법에 따라 고주파(RF) 플라즈마를 이용하는 RF 스퍼터링법과 직류(DC) 플라즈마를 이용하는 DC 스퍼터링법이 있다. 이 중 DC 스퍼터링법은 성막 속도가 빠르고, 조작이 간편하여 산업용으로 주로 이용되고 있다.

투명 전극막 중에서도 특히 주석을 소량의 불순물로 함유하는 산화인듐 막, 즉 In₂O₃ - SnO₂계의 막은 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, 이하 ITO라 칭함) 막이라고 알려져 있으며, 낮은 저항의 막을 쉽게 얻을 수 있을 뿐만 아니라 에칭 가공이 가능하고, 게다가 기판과의 밀착성도 우수하기 때문에 현재까지 많이 쓰여지고 있 다.

이와 같이 ITO는 현재까지 많은 연구를 통해 투명 전극 막으로써 많은 장점을 가지고 있지만, 산화 인듐(In₂O₃)의 수급이 불안정하고, 인듐의 함유에 의해 각종 소자의 신뢰성이 낮으며, 매우 고가의 재료이다. 또한, 상기 표시 소자에서 폴리머와 같은 기판을 사용할 경우, 표시 소자 및 기판에 열적 영향을 미치지 않기 위해서 낮은 온도에서 투명 전극 막을 형성하여야 하며, 낮은 온도에서 성막된 ITO 투명 전극 막은 전기 전도도와 광 투과율이 현저히 떨어지는 문제를 가지고 있기 때문에, 오늘날에는 신뢰성이 뛰어나고 저가인 대체 소재의 개발이 진행되고 있다.

이러한 대체 소재 중 산화아연계 산화물이 가장 각광을 받고 있는데, 이는 산화아연계 산화물이 일반적으로 반도체 특성을 가져 태양전지의 윈도우 물질(Window materials), 음성 어쿠스틱 파장 소자(Sound Acoustic Wave Device), 및 베리스타 소자(Varistors Device) 등의 많은 광전 소자에 응용되고 있을 뿐만 아니라, ITO 수준의 저저항이 요구되지 않는 투명전극을 필요로 하는 분야에서 널리 응용될 가능성이 많고 산화 아연이 넓은 밴드갭과 자외선에서 가시광 영역까지 높은 투과율을 가지고 있기 때문이다. 그러나 산화아연 박막의 경우 막의 형성 시에 ITO와 동등한 수준의 전기 전도도를 갖는 막을 형성하기 어려워 응용 분야의 선택에 있어 제한이 있을 수 밖에 없고, 공정 상에서 패턴의 형성을 위한 선택적 에칭 특성이 좋지 않기 때문에 아직까지 활발한 상용화 단계에 있지 못하다. 또한 산화아연 타겟의 경우 도핑되는 물질의 종류 및 함량에 따라 타겟의 저항이 너무 높아 DC 스퍼터링이 불가능하여 양산에 적합하게 저저항의 소결체를 제조하는 것이 쉽지 않은 문제점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 타겟의 저항이 낮아 DC 스퍼터링이 가능하여 산업적으로 이용이 가능한 산화아연 타겟을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 산화아연이 대기 중에서 화학적으로 불안정하여 공정에서 사용하기에 곤란한 점을 해소할 수 있도록 구조적으로 안정성을 갖는 산화아연 타겟을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 저온에서 성막시에도 낮은 전기저항을 나타내며 가시광선 투과율이 높은 투명 도전막을 형성할 수 있는 산화아연 타겟을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 저온에서는 낮은 결정화도 또는 비정질을 나타내어 에칭 가공성이 뛰어나며, 200℃ 이상의 고온에서는 결정화되는 특성을 가져 전기적 특성이 우수한 투명 도전막을 제조할 수 있는 산화아연 타겟을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 특성들을 나타낼 수 있는 산화아연 타겟의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 특징에 따른 산화아연 타겟은 M1_xM2_yM3_z(ZnO)_T의 조성을 가지며, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=2, 및 5≤T≤50이고, 상기 M1, M2 및 M3는 각각 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 상기 M1, M2 및 M3는 각각 다른 종류의 원소일 수도 있고 중복될 수도 있다. 상기 T의 범위는 바람직하게는 10 내지 25이다.

본 발명의 산화아연 타겟의 조성을 예로 들어보면, M1은 알루미늄, M2는 인듐, M3는 갈륨일 수 있다. 이 때 x, y, z는 각각 0.7, 0.7, 0.6이고 T는 25인 경우에 해당되는 산화아연 타겟의 조성은, Al₀ _.7In₀ _.7Ga₀ _. ₆(ZnO)₂₅(이는 Al₀ _.028In₀ _.028Ga₀ _.024(ZnO)와 동일함)이다. 또한 다른 예로써, M1과 M2는 알루미늄이고 M3는 갈륨이며, x 및 y는 0.5이고 z는 1, T는 20인 경우에 해당되는 산화아연 타겟의 조성은, AlGa(ZnO)₂₀(이는 Al₀ _.05Ga₀ _.05(ZnO)와 동일함)이다.

상기 M1, M2 및 M3의 함량이 본 발명의 조성비를 벗어나 과다하게 첨가될 경우, 산화아연에 고용되지 않고 불순물 응집체로 남아 타겟의 국부적인 고저항을 야기시켜 박막 특성을 저하시키게 된다. 이로 인해 DC 스퍼터링이 불가능하게 될 수도 있고 또는 스퍼터링 시 이상방전(아킹)을 일으킬 수도 있다. 또한 상기 M1, M2 및 M3의 함량이 본 발명의 조성비를 벗어나 부족하게 첨가될 경우, 타겟의 저항이 높아져 스퍼터링이 어렵고 성막된 투명 도전막의 비저항도 높게 나타나게 된다.

따라서, 상기 M1, M2 및 M3의 함량은 M1, M2 및 M3의 산화물 응집체인 2차상 의 크기가 작고 산화아연 매트릭스 내에 골고루 분포될 수 있도록 정해져야 하며, 이에 따라 본 발명의 산화아연 타겟은 M1_xM2_yM3_z(ZnO)_T의 조성을 가지며, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=2, 및 5≤T≤50을 만족해야 한다. 상기의 조성을 갖는 산화아연 타겟은 타겟 내에서 M1, M2 및 M3가 각각 응집된 2차상의 크기가 1 ㎛보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 산화아연 타겟은 산화알루미늄, 산화갈륨, 산화인듐, 산화티타늄, 산화게르마늄 및 산화이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물이 상기 타겟 내에 첨가됨으로써, 산화아연 격자 내에서 산소 빈자리(oxygen vacancy)나 전자(electron) 등의 전하 운반자(carrier)가 생성되어 타겟에 전기가 흐를 수 있게 된다. 산화아연은 넓은 밴드갭을 가진 물질로서 그 자체가 비전도성을 나타내는 물질이기 때문에 상기와 같은 산화물들이 도핑원소로 첨가됨으로써 전기가 흐를 수 있게 된다. 그러나, 이 때 도핑원소의 종류 및 함량에 따라 도핑원소들이 불순물 응집체를 이루어 문제가 발생할 수 있다. 따라서 상기 산화아연 타겟 내에 도핑되는 물질의 종류 및 함량이 중요한 의미를 가지게 된다. 수 mol%의 산화갈륨, 산화인듐 및 산화알루미늄이 도핑된 본 발명의 일 실시예에 의한 산화아연 타겟의 경우, 산화아연에 각각의 도핑 물질의 치환고용이 우수하게 이루어져 일부 고용이 이루어지지 않은 불순물 응집체, 즉 갈륨 2차상, 인듐 2차상, 및 알루미늄 2차상의 크기가 1 ㎛보다 작아 스퍼터링 시에 전기 저항이 높은 불순물 응집체로 인한 이상방전(아킹) 및 노듈의 발생이 억제될 수 있다.

이에 더불어, DC 스퍼터링이 가능하기 위해서는 타겟의 벌크 저항이 수십 Ω 이하의 값으로 낮은 값을 가져야 한다. 만일 스퍼터링시 타겟에 전기가 흐르지 않을 경우 박막 증착을 위해 RF 스퍼터링을 실시해야 하며, 이는 공정 비용이 비싸고 효율성 면에서 DC 스퍼터링에 비해 불리하다. 따라서, 안정적인 DC 스퍼터링을 위해서 스퍼터링 타겟의 전기 저항이 낮아야 하고, 본 발명은 산화아연에 산화알루미늄, 산화갈륨, 산화인듐, 산화티타늄, 산화게르마늄 및 산화이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물을 소정의 조성비로 첨가함으로써 산화아연 타겟의 저항을 낮출 수 있게 된다. 또한 첨가된 산화물의 2차상의 크기도 1 ㎛ 보다 작아져 타겟의 저항을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 스퍼터링 시 아킹 및 노듈의 발생을 억제하여 타겟 제조 공정의 효율을 높일 수 있게 된다.

본 발명의 산화아연 타겟은 상온에서 DC 스퍼터링으로 증착하여 200 nm 이하의 두께로 형성된 박막의 비저항이 5×10^-3Ω·㎝보다 작고, 가시 광선 영역에서의 평균 투과율이 85% 이상이며, 상기 박막은 비정질로 나타나는 특징을 가진다. 즉, 본 발명에 의한 산화아연 타겟은 상온과 같이 저온에서 성막 시에 결정성이 매우 약하거나 또는 비정질인 박막이 형성될 수 있으며, 이러한 비정질 박막은 뛰어난 에칭 가공성을 나타낼 수 있다. 기존에는 이러한 비정질 박막을 제조하는 것이 쉽지 않았으며 또한 제조된 비정질 박막의 비저항이 높고 투명도가 떨어지는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명의 산화아연 타겟으로는 저온에서 DC 스퍼터링을 함으로써 비정질 박막을 형성하는 것이 가능하며, 또한 이렇게 형성된 박막의 비저항이 낮고 가시 광선 영역에서의 평균 투과율도 높게 나타난다.

또한 본 발명의 산화아연 타겟은 200℃의 온도 하에서 DC 스퍼터링으로 증착하여 200 nm 이하의 두께로 형성된 박막의 비저항이 2×10^-4Ω·㎝ 내지 6×10^-4Ω·㎝이고, 가시 광선 영역에서의 평균 투과율이 90% 이상을 나타낸다. 200℃ 정도의 고온에서 형성된 박막은 상온에서 형성된 박막보다 보다 우수한 전기적 특성 및 광학적 특성을 나타낸다. 상기와 같은 전기적 특성 및 광학적 특성을 나타내는 산화아연 타겟은 상온에서 증착후 200℃로 가열하는 열처리 과정을 거쳐 제조될 수도 있다.

본 발명의 일 특징에 따른 산화아연 타겟의 제조 방법은 산화아연 분말이 첨가된 슬러리에 산화알루미늄, 산화갈륨, 산화인듐, 산화티타늄, 산화게르마늄 및 산화이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 2종의 산화물 분말을 습식 밀링한 후 상기 산화아연 분말 대비 0.01 내지 5 mol% 첨가하여 슬러리 혼합물을 준비하는 단계, 상기 슬러리 혼합물을 습식 밀링하고 건조하여 과립분말을 만드는 과립화 단계, 상기 과립분말을 성형하여 성형체를 제조하는 성형 단계 및 상기 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함한다.

산화아연 분말에 첨가되는 상기 산화물 분말은 균일한 혼합을 위해 평균 입경이 1 ㎛보다 작은 것이 바람직하다. 상기 산화물 분말의 입경이 1 ㎛보다 클 경우 원료의 균일한 혼합을 위한 단계가 타겟의 제조 공정상에 추가되어 공정 비용이 많이 소요되는 문제점이 발생될 수 있다.

상기 산화물 분말의 함량이 산화아연 분말 대비 5 mol%보다 클 경우, 산화아연에 고용되지 않고 불순물 응집체로 남아 타겟의 국부적인 고저항을 야기시켜 박막 특성을 저하시키게 된다. 이로 인해 DC 스퍼터링이 불가능하게 될 수도 있고 또는 스퍼터링 시 이상방전(아킹)을 일으킬 수도 있다. 또한 상기 산화물 분말의 함량이 산화아연 분말 대비 0.01 mol%보다 작을 경우, 타겟의 저항이 높아져 스퍼터링이 어렵고 성막된 투명 도전막의 비저항도 높게 나타나게 된다.

한편, 본 발명의 다른 일 특징에 따른 산화아연 타겟의 제조 방법에서 상기 슬러리 혼합물을 준비하는 단계는, 제1 산화물 분말, 분산제 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 제1 산화물 분말 슬러리를 준비하는 단계, 제2 산화물 분말, 분산제 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 제2 산화물 분말 슬러리를 준비하는 단계, 제3 산화물 분말, 분산제, 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 제3 산화물 분말 슬러리를 준비하는 단계, 산화아연 분말, 분산제, 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 산화아연 분말 슬러리를 준비하는 단계 및 상기 제1 산화물 분말 슬러리, 상기 제2 산화물 분말 슬러리, 상기 제3 산화물 분말 슬러리 및 상기 산화아연 분말 슬러리를 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 제1 산화물 분말, 상기 제2 산화물 분말 및 상기 제3 산화물 분말은 각각 산화알루미늄, 산화갈륨, 산화인듐, 산화티타늄, 산화게르마늄 및 산화이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 여기에서 상기 제1 산화물 분말, 제2 산화물 분말 및 제3 산화물 분말은 모두 다른 종류이나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라 첨가되는 산화물이 4종류 이상일 수도 있으며, 이 때에는 제4 산화물 분말 슬러리를 준비하는 단계 등이 더 추가될 수 있다.

이와 같이 산화아연과 혼합되기 전에, 도펀트로 첨가되는 산화물 분말들은 각각 밀링 과정을 거침으로써 평균 입경이 작은 분말 상태로 산화아연과 혼합될 수 있게 된다. 이에 따라 산화아연 격자 내의 격자간 자리(interstitial site) 또는 치환 자리(substitutional site)에 첨가된 성분이 도핑되는 고용 효과도 증가될 수 있게 되며, 산화아연 타겟 내에서 제1 산화물 분말, 제2 산화물 분말 및 제3 산화물 분말이 각각 국부적으로 뭉친 불순물(또는 도펀트) 응집체의 크기도 1 ㎛보다 작게 나타날 수 있게 된다.

이하에서는 슬러리 혼합물의 준비 단계, 과립화 단계, 성형 단계 및 소결 단계에 대해 보다 상세히 설명한다.

상기 슬러리 혼합물에는 필요에 따라 첨가제가 더 첨가될 수도 있다. 상기 첨가제는 바인더, 분산제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물일 수 있다.

상기 분산제는 분쇄된 원료 입자가 용액 내에서 장기간 동안 고르게 안정된 분산을 유지하면서 동시에 입자가 미세하게 분쇄되기 위한 목적을 만족시키기 위하여 첨가된다. 상기 분산제로는 시트르산(citric acid, CA)과 같은 카르복실기(carboxyl group)가 붙은 유기산 계열, 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA) 또는 그 염, 공중합체(copolymer) 등을 사용한다. 상기 분산제는 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 분산제의 첨가량은 슬러리 내에서 분말 대비 0.5 내지 3 중량%가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 바인더는 슬러리를 분말로 건조시킨 후 성형하는 과정에서 성형체의 성 형 강도를 유지하기 위하여 첨가되는 것으로 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene glycol, PEG) 등의 고분자가 사용될 수 있다. 상기 고분자는 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 바인더의 첨가량은 슬러리 내에서 분말 대비 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%가 사용될 수 있다.

상기 소포제는 슬러리 내의 거품을 제거하기 위한 것으로서, 통상적으로 실리콘유, 옥틸알콜, 붕초 등을 이용할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 상기 소포제의 첨가량은 슬러리 내에서 분말 대비 0.001 내지 0.01 중량%가 사용되는 것이 바람직하다.

상기의 분산제, 바인더 및 소포제 등과 같은 유기 용매는, 과량으로 사용할 경우 이후 제조되는 소결체의 밀도를 저하시킬 수 있기 때문에, 상기의 함량 이내에서 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로 과립화 단계에서는 상기 슬러리 혼합물을 밀링하고 건조하여 과립분말을 준비한다. 상기 밀링시 볼밀(Ball mill), 비드밀(Beads mill) 등을 이용할 수 있으며, 통상적으로 습식 밀링 방식을 이용하나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 밀링을 통하여 얻어진 슬러리의 점도가 100 cps 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 점도가 100 cps보다 높은 경우에는, 슬러리 내의 입자 크기가 커서 분산성이 저하되며, 소결 후 소결체의 밀도 저하의 원인이 된다.

상기와 같이 밀링을 거친 후, 상기 슬러리를 스프레이 드라이어(spray dryer) 등을 이용하여 분무 건조함으로써 과립분말을 얻는다.

다음으로, 상기 과립분말을 일정한 형상으로 성형체를 제조하는 성형 단계를 거친다. 상기 성형체 제조시, 공정의 편의성 등을 고려하여 냉간 정수압 프레스(Cold isostatic press, CIP)를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 소결 단계는 1400 내지 1600℃의 온도 하에서 에어(air) 혹은 질소 분위기 하에서 실시되는데, 구체적인 온도는 도핑 원소로 첨가되는 산화물 분말의 종류 및 함량에 따라 결정된다.

이러한 본 발명의 제조 방법에 따른 산화아연 타겟을 상온에서 증착할 경우 전기적, 광학적 특성이 우수한 비정질 투명 박막이 형성되며 200℃ 정도의 고온에서 증착할 경우 전기적, 광학적 특성이 보다 더 우수한 결정질의 투명 박막이 형성된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 산화아연 타겟은 벌크 저항이 5 Ω미만으로 안정적인 DC 스퍼터링이 가능하다. 또한 타겟 내에 존재하는 불순물 응집체의 크기가 1 ㎛보다 작아 이상방전 및 노듈의 발생을 억제하는데 효과적이다.

본 발명에 의한 산화아연 타겟을 상온에서 증착하여 형성된 비정질 특성을 나타내는 박막은 가시광선 투과율이 높고 에칭 가공이 용이하다. 또한 본 발명에 의한 산화아연 타겟을 200℃에서 증착하여 형성되는 박막은 비저항이 낮아 ITO 타겟과 동등한 수준의 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있고, 가시광선 투과율도 우수하여 투명 도전막으로 사용될 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명에 따른 산화아연 타겟 및 그 제조 방법을 더욱 상세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 보다 더 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1 내지 12]

먼저 평균 입경이 대략 2 ㎛인 산화갈륨 분말과 상기 산화갈륨의 중량 대비 0.5 wt%의 분산제가 첨가된 증류수를 혼합하였다. 상기 분산제로는 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA)를 사용하였다. 그 다음으로 혼합물을 습식 밀링법에 의해 평균입경이 0.2㎛가 되도록 분쇄, 분산시켜 산화갈륨 슬러리를 준비하였다.

그리고, 증류수에 평균 입경이 2㎛인 산화알루미늄 분말과 상기 산화알루미늄의 중량 대비 1 wt%의 폴리아크릴산을 첨가하여 혼합한 후, 습식 밀링으로 평균 입경이 0.2㎛가 되도록 분쇄, 분산시켜 산화알루미늄 슬러리를 준비하였다.

그리고, 증류수에 산화아연 분말과 상기 산화아연의 중량 대비 0.3 wt%의 폴리아크릴산을 첨가하여 혼합한 후, 습식 밀링으로 평균 입경이 0.3㎛가 되도록 분쇄, 분산시켜 산화아연 슬러리를 준비하였다.

다음으로 상기 산화아연 슬러리에 산화알루미늄 슬러리 및 산화갈륨 슬러리를 하기 표 1에 기재된 혼합비로 각각 혼합하여 혼합 슬러리를 준비하였다. 예를 들어, 실시예 1의 경우는 산화아연에 대비하여 산화알루미늄이 0.5 mol%, 산화갈륨이 2.5 mol%이다.

다음으로 상기 혼합 슬러리의 중량에 대비하여 폴리비닐알콜 2.5 중량%, 폴 리에틸렌글리콜 0.2 중량%을 첨가한 다음, 밀링을 1회 더 실시하였다.

상기 혼합 슬러리를 과립분말로 제조하기 위해 분무 건조법을 사용하였다. 분무건조법에 의해 과립분말을 제조하고 축방향 프레스를 실시한 후 냉간 정수압 성형을 실시하여 성형체를 제조하였다. 상기 성형체는 1550℃의 온도 및 에어 분위기 하에서 1시간 동안 소결시켜 타겟을 제조하였다.

다음으로 실시예 1 내지 6의 조성을 갖는 타겟은 상온(Room Temperature, RT)에서 DC 스퍼터링으로 증착하여 박막을 형성하였다. 그리고, 실시예 7 내지 12의 조성을 갖는 타겟은 200℃의 온도에서 DC 스퍼터링으로 증착하여 박막을 형성하였다. 이 때 DC power는 각각 100W였으며, 증착된 박막의 두께는 아래 표 1에 기재된 것과 같다.

샘플명	Al₂O₃의 함량 (mol%)	Ga₂O₃의 함량 (mol%)	증착온도(℃)	막두께(Å)
실시예 1	0.5	2.5	RT	2027
실시예 2	1.1	1.1	RT	1703
실시예 3	1.7	1.7	RT	2064
실시예 4	0.8	2.1	RT	2241
실시예 5	1.3	0.5	RT	2083
실시예 6	0.3	3	RT	2010
실시예 7	0.5	2.5	200	1991
실시예 8	1.1	1.1	200	1874
실시예 9	1.7	1.7	200	1836
실시예 10	0.8	2.1	200	2001
실시예 11	1.3	0.5	200	1861
실시예 12	0.3	3	200	1625

상기 실시예 1 내지 12의 조건에 의해 증착된 박막의 전기적 특성을 측정한 결과는 아래 표 2에 나타내었다.

샘플명	면저항 (Ω/□)	비저항 (Ω·㎝)	캐리어 이동도 (㎝²/Vsec)	캐리어 농도 (/㎝³)
실시예 1	210	4.27E-03	7.75	1.89E+20
실시예 2	157	2.67E-03	8.9	2.63E+20
실시예 3	54.1	1.12E-03	9.94	5.21E+20
실시예 4	60.3	1.33E-03	10.8	4.27E+20
실시예 5	66.7	1.39E-03	9.24	4.87E+20
실시예 6	69	1.39E-03	8.89	5.07E+20
실시예 7	23.3	4.63E-04	23.5	5.74E+20
실시예 8	20.1	3.77E-04	23.5	7.05E+20
실시예 9	29.6	5.45E-04	18.2	6.29E+20
실시예 10	19.1	3.82E-04	21.7	7.53E+20
실시예 11	22.7	4.20E-04	19.6	7.55E+20
실시예 12	27.8	4.53E-04	16.3	8.44E+20

상기 표 2에서 상온에서 증착된 실시예 1 내지 6의 경우 대략 1×10^-3 내지 5×10^-3Ωㆍ㎝의 비저항 특성을 나타내고, 200℃에서 증착된 실시예 7 내지 12의 경우 대략 2×10^-4 내지 6×10^-4Ωㆍ㎝ 수준의 비저항을 나타냄을 알 수 있다. 또한 실시예 1 내지 6의 경우 캐리어 이동도(carrier mobility)가 7 내지 11 c㎡/Vsec이고, 실시예 7 내지 12의 경우 캐리어 이동도가 15 내지 25 c㎡/Vsec를 나타내었다. 그리고, 실시예 1 내지 6의 경우 캐리어 농도(carrier concentration)는 1~5×10²⁰/cm3, 실시예 7 내지 12의 경우 캐리어 농도는 5~9×10²⁰/cm³로 나타났다.

실시예 1에 의해 제조된 산화아연 타겟에 대해서는 원소별로 전자 탐침 미량 분석(EPMA)을 실시하였다. 이에 대한 결과는 도 1에 나타나 있다. 도 1의 좌측 위는 샘플이 없는 상태를 보여주며, 도 1의 우측 위는 갈륨, 좌측 아래는 알루미늄, 우측 아래는 아연에 대한 분석 결과를 보여준다. 도 1로부터 갈륨 및 알루미늄의 응집체는 모두 1 ㎛ 미만인 것을 알 수 있다. 이는 타겟 내에서 국부적인 고저항을 야기시키는 결함이 없다는 것을 의미한다.

그리고, 도 2는 실시예 1 및 실시예 7에 의한 산화아연 타겟으로부터 각각 상온(Room Temperature, RT) 및 200℃에서 증착되어 형성된 박막의 파장(wavelength)에 따른 투과율(transmittance)을 보여준다. 상온에서 증착된 박막은 가시 광선 영역(약 350 내지 약 750nm)의 파장에서의 투과율의 평균이 약 85%로 나타나고, 200℃에서 증착된 박막은 90%를 상회함을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 산화아연 타겟으로부터 형성된 박막의 표면에 대한 주사전자현미경 사진을 보여준다. 도 3의 (a)는 실시예 1에 의한 타겟으로부터 상온에서 증착된 박막에 대한 것이고, 도 3의 (b)는 실시예 7에 의한 타겟으로부터 200℃에서 증착된 박막에 대한 것이다. 각각 배율은 100,000배이다. (a)는 그레인(grain)이 거의 관찰되지 않아 비정질임을 알 수 있고, (b)는 그레인이 다수 형성되어 결정화가 이루어졌음을 알 수 있다.

도 4는 실시예 1 및 실시예 7에 의한 산화아연 타겟으로부터 각각 상온(RT) 및 200℃에서 증착되어 형성된 박막에 대한 X선 회절 결과를 보여준다. 가로축은 회절 각도(2 theta)를, 세로축은 회절 세기(intensity)를 나타낸다. 도 4로부터, 상온에서 증착한 박막의 결정화도는 매우 약한데 반해 200℃에서 증착된 박막은 결정화도가 급격하게 향상되었음을 확인할 수 있다. 박막의 결정화도가 약하면 에칭 가공성이 우수하고, 박막의 결정화도가 향상되면 박막의 전기적 특성이 우수해질 뿐만 아니라 구조적으로 안정해져 화학적 안정성을 꾀할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 타겟에 대해 전자 탐침 미량 분석법(EPMA)으로 갈륨, 알루미늄 및 아연의 분포를 측정한 사진이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 타겟으로부터 증착되어 형성된 박막의 광투과율을 보여주는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 타겟으로부터 증착되어 형성된 박막의 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 타겟으로부터 증착되어 형성된 박막에 대한 X선 회절 결과를 보여주는 그래프이다.

Claims

M1_xM2_yM3_z(ZnO)_T의 조성을 가지며, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=2, 및 5≤T≤50이고, 상기 M1, M2 및 M3는 각각 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 산화아연 타겟.
제1항에 있어서,

상기 산화아연 타겟을 200℃의 온도 하에서 DC 스퍼터링으로 증착하여 200 nm 이하의 두께로 형성된 박막의 비저항이 2×10^-4 내지 6×10^-4 Ω·㎝이고, 가시 광선 영역에서의 평균 투과율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 산화아연 타겟.
제1항에 있어서,

상기 산화아연 타겟을 상온에서 DC 스퍼터링으로 증착하여 200 nm 이하의 두께로 형성된 박막의 비저항이 5×10^-3 Ω·㎝보다 작고, 가시 광선 영역에서의 평균 투과율이 85% 이상이며, 상기 박막은 비정질인 것을 특징으로 하는 산화아연 타겟.
제1항에 있어서,

상기 산화아연 타겟 내에서 M1, M2 및 M3가 각각 응집된 2차상의 크기가 1 ㎛보다 작은 것을 특징으로 하는 산화아연 타겟.
산화아연 분말이 첨가된 슬러리에 산화알루미늄, 산화갈륨, 산화인듐, 산화티타늄, 산화게르마늄 및 산화이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 2종의 산화물 분말을 습식 밀링한 후 상기 산화아연 분말 대비 0.01 내지 5 mol% 첨가하여 슬러리 혼합물을 준비하는 단계;

상기 슬러리 혼합물을 밀링하고 건조하여 과립분말을 만드는 과립화 단계;

상기 과립분말을 성형하여 성형체를 제조하는 성형 단계; 및

상기 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함하는, 산화아연 타겟의 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 슬러리 혼합물을 준비하는 단계는,

제1 산화물 분말, 분산제 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 제1 산화물 분말 슬러리를 준비하는 단계;

제2 산화물 분말, 분산제 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 제2 산화물 분말 슬러리를 준비하는 단계;

제3 산화물 분말, 분산제, 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 제3 산화물 분말 슬러리를 준비하는 단계;

산화아연 분말, 분산제, 및 물을 혼합하고 습식 밀링하여 산화아연 분말 슬러리를 준비하는 단계; 및

상기 제1 산화물 분말 슬러리, 상기 제2 산화물 분말 슬러리, 상기 제3 산화물 분말 슬러리 및 상기 산화아연 분말 슬러리를 혼합하는 단계;

를 포함하며, 상기 제1 산화물 분말, 상기 제2 산화물 분말 및 상기 제3 산화물 분말은 각각 산화알루미늄, 산화갈륨, 산화인듐, 산화티타늄, 산화게르마늄 및 산화이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 산화아연 타겟의 제조 방법.