KR20100079320A - Metaloxide target for amorphous oxide semiconductor layer and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비정질 투명 산화물 반도체막 형성에 사용되는 복합 금속 산화물 타겟에 관한 것이다. 구체적으로 비정질 투명 산화물 반도체막 형성시 타겟의 치밀구조로 인하여 이상방전의 발생이 적고, 생성된 막의 균질성이 우수한 복합 금속 산화물 타겟 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 복합 금속 산화물 타겟으로 형성된 비정질 산화물 반도체막은 캐리어의 이동도가 높고, 높은 투과율을 보이기 때문에 액정표시장치(LCD), 전계발광표시장치(ELD; electroluminescence display), 전기영동방식표시장치(EPD; electrophoretic display)등의 스위칭(switching)소자, 구동회로소자등의 용도로 사용될 수 있다.The present invention relates to a composite metal oxide target used for forming an amorphous transparent oxide semiconductor film. More specifically, the present invention relates to a composite metal oxide target having a low occurrence of abnormal discharge and excellent homogeneity of the resulting film, and a method of manufacturing the same, due to the dense structure of the target when forming an amorphous transparent oxide semiconductor film. Since the amorphous oxide semiconductor film formed of the composite metal oxide target has high carrier mobility and high transmittance, a liquid crystal display (LCD), an electroluminescence display (ELD), and an electrophoretic display (EPD) It can be used for switching devices such as displays, driving circuit devices, and the like.
비정질 투명 산화물 반도체막은 스퍼터링(Sputtering)법이나 기타 방법을 통해 제조된다. 특히, 스퍼터링법은 증기압이 낮은 재료의 성막이나 막 두께를 정밀하게 제어할 필요가 있는 경우에 효과적이며, 조작이 매우 간단하고 편리하여 널리 이용되고 있다. 스퍼터링법으로 박막을 제조함에 있어서는 박막의 원료인 타 겟(Target)을 사용한다. 타겟은 성막에 의해 박막을 구성하는 금속 원소를 포함하는 고체로서 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물(metal carbide) 등의 소결체가 사용되거나, 경우에 따라서는 단결정(single crystal)이 사용된다. An amorphous transparent oxide semiconductor film is produced by sputtering or other methods. In particular, the sputtering method is effective when it is necessary to precisely control the film formation and the film thickness of a material having low vapor pressure, and its operation is very simple and convenient and widely used. In manufacturing a thin film by the sputtering method, a target, which is a raw material of the thin film, is used. The target is a solid containing a metal element constituting a thin film by film formation, and a sintered body such as metal, metal oxide, metal nitride, metal carbide, or the like is used, or a single crystal is used in some cases.
비정질 투명 산화물 반도체막의 제조에 사용되고 있는 산화물 타겟으로는 산화아연계로 산화아연(ZnO)타겟, 산화주석이 첨가된 산화아연(ZTO)타겟이 있으며, 산화인듐계로 산화아연이 첨가된 IZO(Indium Zinc Oxide)타겟, 산화아연과 산화주석이 첨가된 IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)타겟과 산화갈륨과 산화아연이 첨가된 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)타겟 등을 들 수 있다. Oxide targets used in the fabrication of amorphous transparent oxide semiconductor films include zinc oxide (ZnO) targets and zinc oxide (ZTO) targets with tin oxide, and IZO (Indium Zinc) with zinc oxide added to indium oxide. Oxide) target, IZTO (Indium Zinc Tin Oxide) target with zinc oxide and tin oxide added, and IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) target with gallium oxide and zinc oxide added.
상기 타겟들 중에 특히 몰비로 In:Ga:Zn=1:1:1의 조성을 갖는 IGZO타겟으로 비정질 산화물 반도체막을 형성할 경우 비정질 실리콘(amorphous silicon)막 보다 매우 우수한 특성을 나타낸다고 알려져 있다.Among the targets, the amorphous oxide semiconductor film is formed with an IGZO target having a composition of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 in a molar ratio, and it is known to exhibit much better characteristics than an amorphous silicon film.
상기 In:Ga:Zn=1:1:1(몰비)의 조성을 갖는 IGZO타겟을 제조하기 위해서는 고가의 희귀금속인 인듐과 갈륨의 사용이 필수적으로 수반되어 타겟의 제조비용에 큰 영향을 주고 있다. 이에 본 발명자들은 고가인 갈륨을 사용하지 않거나 그 사용량을 최소화하는 방법을 찾고자 하였다.In order to manufacture the IGZO target having the composition of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (molar ratio), use of expensive rare metals, indium and gallium, is essential, which greatly affects the manufacturing cost of the target. Accordingly, the present inventors have tried to find a method of not using expensive gallium or minimizing the amount thereof.
또한 종래 산화물계 타겟 제조방법은, 서로 다른 3 종류 이상의 산화물 분말, 예를 들어 산화인듐과 산화아연 그리고 산화갈륨 분말을 정량 혼합한 다음, 물을 매체로 하여 습식 분쇄 한 후, 분쇄된 분말을 건조 및 여과하고 바인더를 첨가하여 목적하는 타겟 형상의 성형체를 제조하고 상기 성형체를 대기 또는 산소분위기에서 고온 소결하는 것이다. 그러나 상기 제조방법은 소결과정에서 상분리(산화물이 서로 분리)가 일어나 균질하지 못하고 치밀하지 못하다는 문제점이 있다. 이에 따라, 스퍼터링 시 타겟에 크랙(crack)이나 단괴(nodule)가 발생되어 균질막 형성이 어렵다는 문제점이 있다. In addition, in the conventional method for producing an oxide-based target, three or more kinds of different oxide powders, for example, indium oxide, zinc oxide and gallium oxide powder, are mixed in a quantitative manner, and then wet pulverized with water as a medium, and then the pulverized powder is dried. And filtering and adding a binder to prepare a molded article having a desired target shape and sintering the molded article at high temperature in an air or oxygen atmosphere. However, the manufacturing method has a problem in that the phase separation (oxides are separated from each other) during the sintering process is not homogeneous or dense. Accordingly, cracks or nodules are generated in the target during sputtering, making it difficult to form a homogeneous film.
이에 본 발명자들은 상기 투명 비정질 산화물 반도체막용 스퍼터링 타겟을 제조함에 있어서, 단일상이나 또는 균질상 산화물분말을 합성한 후 사용함으로써 소결과정에서의 상분리가 방지되어 소량의 갈륨을 사용하더라도 반도체 특성이 우수한 산화물 타겟을 제공하고자 하였다. 또한 본 발명자들은 갈륨성분을 사용하지 않고 갈륨대신 다른 원소를 함유하는 반도체 박막제조용 새로운 조성의 스퍼터링타겟을 제공하고자 하였다.Accordingly, the present inventors synthesized a single phase or homogeneous oxide powder in the preparation of the sputtering target for the transparent amorphous oxide semiconductor film, thereby preventing phase separation in the sintering process, and thus an oxide target having excellent semiconductor characteristics even when a small amount of gallium is used. To provide. In addition, the present inventors have attempted to provide a sputtering target having a new composition for manufacturing a semiconductor thin film containing another element instead of gallium without using a gallium component.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 및 ⅢA족, ⅢB족 및 ⅣA족으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 제3금속산화물로 이루어지고, 전체 금속원소중의 인듐(In)금속의 원자비가 0.1~0.6, 아연(Zn)금속의 원자비가 0.1~0.75, 제3금속의 원자비가 0.02~0.35이며, 상기 제3금속 중 갈륨의 원자비는 전체 금속원소 중 0~0.2 미만인 타겟을 제공한다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is selected from the group consisting of indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), and group IIIA, IIIB and IVA group. It consists of three or more kinds of third metal oxides, the atomic ratio of the indium (In) metal in the total metal element is 0.1 to 0.6, the atomic ratio of the zinc (Zn) metal is 0.1 to 0.75, and the atomic ratio of the third metal is 0.02 to 0.35, and the atomic ratio of gallium in the third metal provides a target having 0 to less than 0.2 of all metal elements.
본 발명은 상기 복합 금속 산화물 타겟의 소결밀도가 이론밀도의 95%이상인 복합 금속 산화물 타겟을 제공한다The present invention provides a composite metal oxide target having a sintered density of at least 95% of the theoretical density of the composite metal oxide target.
또한 본 발명은 상기 복합 금속 산화물 타겟으로부터 스퍼터링 방법에 의해 형성되는 비정질 금속 산화물 반도체막을 제공한다.In addition, the present invention provides an amorphous metal oxide semiconductor film formed by the sputtering method from the composite metal oxide target.
또한 본 발명은 상기 복합 금속 산화물 타겟이 서로 다른 3종류의 이상의 금속염으로부터 공침법을 이용하여 단일상이나 또는 균질상 산화물로 합성됨으로써, 소결과정에서의 상분리가 방지되어 치밀구조를 갖는 복합 금속 산화물 타겟을 제공한다.In addition, the present invention is a composite metal oxide target is synthesized in a single phase or homogeneous oxide by using the coprecipitation method from three or more kinds of metal salts different from each other, thereby preventing the phase separation in the sintering process to provide a composite metal oxide target having a dense structure to provide.
본 발명은 상기 공침법이The present invention is the coprecipitation method
a) 서로 다른 3종류 이상의 금속염이 포함된 용액을 제조하는 단계,a) preparing a solution containing at least three different metal salts,
b) 상기 금속염 용액에 알칼리를 첨가하여 금속 수산화물을 공침시키는 단계,b) co-precipitating the metal hydroxide by adding alkali to the metal salt solution,
c) 침전물을 분리하고 건조시키는 단계, c) separating and drying the precipitate,
d) 열처리하고 상기 열처리된 분말을 분쇄하는 단계,d) heat treating and pulverizing the heat treated powder,
e) 소정 형상의 타겟 성형체를 제조하는 단계, 및e) producing a target shaped body of a predetermined shape, and
f) 성형체를 소결하고 냉각하는 단계를 포함하는 것인 복합 금속 산화물 타겟을 제공한다.f) sintering and cooling the shaped body to provide a composite metal oxide target.
본 발명의 스퍼터링 타겟은 이론밀도의 95%이상의 값을 보이며 스퍼터링시 비정상적인 방전이나 균열, 그리고 단괴(nodule) 발생이 방지되는 효과를 갖는다. 본 발명의 복합 금속 산화물 타겟으로 형성된 비정질 산화물 반도체막은 캐리어의 이동도가 높고, 높은 투과율을 보이기 때문에 액정표시장치(LCD), 전계발광표시장치(ELD; electroluminescence display), 전기영동방식표시장치(EPD; electrophoretic display)등의 스위칭(switching)소자, 구동회로소자등의 용도로 사용될 수 있는 효과가 있다. The sputtering target of the present invention has a value of 95% or more of the theoretical density and has the effect of preventing abnormal discharge, cracks, and nodules during sputtering. Since the amorphous oxide semiconductor film formed of the composite metal oxide target of the present invention has high carrier mobility and high transmittance, a liquid crystal display (LCD), an electroluminescence display (ELD), and an electrophoretic display (EPD) there is an effect that can be used for switching devices such as electrophoretic displays, driving circuit devices, and the like.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 복합 금속 산화물 타겟에서 전체 금속 원소중 인듐(In)금속의 원자비는 0.1~0.6인 것으로, 상기 원자비가 0.1미만이면 산화물 반도체막을 형성하였을 때 캐리어 이동도가 저하될 우려가 있고, 0.6초과일 경우에는 산화인듐 고유의 저항이 낮아 반도체막으로서 적당치가 못하다. 상기 인듐 금속의 원자비는 바람직하게는 0.1~0.5이다. In the composite metal oxide target of the present invention, the atomic ratio of the indium (In) metal in the total metal elements is 0.1 to 0.6. If the atomic ratio is less than 0.1, the carrier mobility may decrease when the oxide semiconductor film is formed. If it exceeds, the resistance inherent indium oxide is low, which is not suitable as a semiconductor film. The atomic ratio of the indium metal is preferably 0.1 to 0.5.
전체 금속 원소 중 아연(Zn)금속의 원자비는 0.1~0.75인 것으로, 원자비가 0.1 미만인 경우 산화물 반도체막이 결정화가 되고, 0.75초과의 경우 얻어진 산화물 반도체막의 내마모성 및 열안정성의 문제가 발생되어 전압(V) 시프트(shift)가 커지는 단점이 있다. The atomic ratio of zinc (Zn) metal of all the metal elements is 0.1 to 0.75. When the atomic ratio is less than 0.1, the oxide semiconductor film is crystallized. When the atomic ratio is greater than 0.75, problems of abrasion resistance and thermal stability of the obtained oxide semiconductor film are generated. V) There is a disadvantage that the shift is large.
전체 금속 원소 중 ⅢA족, ⅢB족 및 ⅣA족으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 제3금속산화물의 원자비는 0.02~0.35인 것으로 하며, 상기 원자비가 0.02미만이면 저항이 너무 낮아 반도체막으로 적당하지 못하다는 단점이 있고 0.35 초과인 경우 고가의 제3금속의 사용량이 많아져서 경제적이 않다는 단점이 있다. 특히 본 발명은 제3금속중 갈륨을 사용하지 않거나 전체 금속원소 대비 원자비를 0.2 미만으로 제어하며, 바람직하게는 갈륨을 사용하지 않거나 0.02 내지 0.15로 제어한다.The atomic ratio of one or two or more kinds of the third metal oxides selected from the group consisting of Groups IIIA, IIIB, and IVA among all the metal elements is 0.02 to 0.35. When the atomic ratio is less than 0.02, the resistance is too low and the semiconductor film There is a disadvantage in that it is not suitable, and if it is more than 0.35, the amount of expensive third metal is increased, which is not economical. In particular, the present invention does not use gallium in the third metal or control the atomic ratio to the total metal element less than 0.2, preferably does not use gallium or controls to 0.02 to 0.15.
본 발명의 제3금속으로 바람직하게는 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)등이다.The third metal of the present invention is preferably scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), aluminum (Al), gallium (Ga) and the like. to be.
본 발명의 복합 금속 산화물 타겟은 고가의 희귀금속인 갈륨을 사용하지 않거나 줄여도 반도체로서 이용이 가능하도록 해주고 있다.The composite metal oxide target of the present invention makes it possible to use it as a semiconductor even without using or reducing gallium, which is an expensive rare metal.
본 발명의 복합 금속 산화물 타겟은 성분 금속의 산화물분말을 혼합하여 제조하거나 공침법을 통하여 합성분말을 사용할 수 있으며 특히 갈륨성분을 사용시에는 공침법을 통하여 소량의 갈륨으로 우수한 반도체 특성을 보이는 균일상의 타겟을 제조한다.The composite metal oxide target of the present invention may be prepared by mixing oxide powders of component metals or using synthetic powders through a coprecipitation method. In particular, when a gallium component is used, a uniform target showing excellent semiconductor properties with a small amount of gallium through a coprecipitation method. To prepare.
이하 공침법을 예로 들어 본 발명의 타겟의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, the method for producing the target of the present invention will be described taking the coprecipitation method as an example.
먼저 서로 다른 3종류 이상의 금속염이 포함된 용액을 제조한다. 이때, 상기 금속염은 금속 전구체로서 무기염 및 유기염 등으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속염 용액은 서로 다른 3종류 이상의 금속염을 포함하되, 인듐(In) 또는 아연(Zn)으로부터 선택된 모체로서의 금속염과, ⅢA족, ⅢB족 및 ⅣA족으로부터 선택된 하나 이상의 금속염, 바람직하게는 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)등에서 선택된 하나 이상의 금속염을 포함한다. First, a solution containing three or more different metal salts is prepared. In this case, the metal salt may be selected from inorganic salts and organic salts as metal precursors. For example, the metal salt solution may include at least three different metal salts, wherein the metal salt is a parent selected from indium (In) or zinc (Zn), and at least one metal salt selected from Groups IIIA, IIIB, and IVA, preferably Includes at least one metal salt selected from scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), aluminum (Al), gallium (Ga) and the like.
이때, 모체가 되는 금속염은, 예를 들어 인듐계로서 질화인듐, 염화인듐, 황화인듐, 아연계로서 질화아연, 염화아연, 황화아연 등의 무기염을 사용할 수 있으며, 또한 인듐 알콕사이드나 아연 알콕사이드 등의 유기염을 사용할 수 있다. 또한, ⅢA족, ⅢB족 및 ⅣA족에서 선택되는 금속의 염은 질화스칸듐, 염화스칸듐, 황화스칸듐, 질화이트륨, 염화이트륨, 황화이트륨, 질화란타늄, 염화란타늄, 황화란타늄, 질화티타늄, 염화티타늄, 황화티타늄, 질화지르코늄, 질화하프늄, 질화알루미늄, 염화알루미늄, 황화알루미늄, 질화갈륨, 염화갈륨, 황화갈륨 등으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. In this case, the metal salt serving as the mother may be, for example, inorganic salts such as indium nitride, indium chloride, indium sulfide, zinc nitride, zinc nitride, zinc chloride, zinc sulfide, etc., and indium alkoxide or zinc alkoxide. Organic salts of can be used. In addition, salts of metals selected from Groups IIIA, IIIB, and IVA include scandium nitride, scandium chloride, scandium sulfide, yttrium nitride, yttrium chloride, yttrium sulfate, lanthanum nitride, lanthanum chloride, lanthanum sulfide, titanium nitride, titanium chloride, One or two or more selected from titanium sulfide, zirconium nitride, hafnium nitride, aluminum nitride, aluminum chloride, aluminum sulfide, gallium nitride, gallium chloride, gallium sulfide and the like may be used in combination.
위와 같이, 서로 다른 3종류 이상의 금속염이 포함된 용액을 제조한 다음에는 상기 용액에 pH 1 ~ 4가 되도록 pH 조절제를 첨가하여 30 ~ 80℃에서 5 ~ 20시간 동안 교반하여 금속염 용액을 얻는다. 상기 금속염 용액에 알칼리(NH4OH, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속의 수산화물 수용액 등)를 첨가하여 pH 7 ~ 10이 되도록 하여 금속 수산화물 침전물을 얻는다. 이러한 공침 반응에 의해 서로 다른 3이상의 금속이 합성된 복합체가 얻어진다. 즉, 서로 다른 3이상의 금속염이 공존하는 조건에서 침전(공침)되어, 침전물은 3이상의 금속이 합성된 구조를 갖는다. 합성된 침전물 입자는 100㎚ 이하의 균일한 입도 분포를 갖는다. As described above, after preparing a solution containing three or more different metal salts, a pH adjusting agent is added to the solution so as to have a pH of 1 to 4, and stirred at 30 to 80 ° C. for 5 to 20 hours to obtain a metal salt solution. An alkali (NH 4 OH, an aqueous hydroxide solution of an alkali metal or alkaline earth metal, etc.) is added to the metal salt solution to obtain a pH of 10 to 10 to obtain a metal hydroxide precipitate. By this coprecipitation reaction, a composite obtained by synthesizing three or more different metals is obtained. That is, the precipitates are precipitated (coprecipitated) under conditions in which three or more different metal salts coexist, and the precipitate has a structure in which three or more metals are synthesized. The synthesized precipitate particles have a uniform particle size distribution of 100 nm or less.
위와 같이 침전물(셋 이상의 금속이 합성된 금속 수산화물 침전물)을 얻은 다음에는 필터프레스나 원심분리기 등을 이용하여 침전물을 여과 분리한다. 그리고 분리된 침전물을 초순수 또는 알코올 등을 이용하여 세척한 다음, 열풍 건조 등의 방법으로 건조시킨다. After obtaining a precipitate as described above (metal hydroxide precipitate of three or more metals), the precipitate is filtered and separated using a filter press or a centrifuge. The separated precipitate is washed with ultrapure water or alcohol, and then dried by hot air drying or the like.
상기와 같이 건조 공정을 진행한 다음에는 500 ~ 800℃의 온도로 열처리(하소)한다. 금속 수산화물 분말은 상기 열처리에 의해 금속 산화물 분말로 형성된다. 이와 같은 열처리를 통하여 얻어진 금속 산화물 분말은, 평균 입경이 1.0 ~ 10.0㎛인 분포를 가진다. 다음으로, 상기 열처리된 분말을 분쇄한다. 분쇄는 습식 볼 분쇄 등의 방법으로 진행할 수 있으며, 이러한 분쇄를 통하여 치밀도가 더 우수한 타겟을 제조할 수 있다. After the drying process as described above is subjected to a heat treatment (calcination) at a temperature of 500 ~ 800 ℃. Metal hydroxide powder is formed into a metal oxide powder by the heat treatment. The metal oxide powder obtained through such heat processing has a distribution whose average particle diameter is 1.0-10.0 micrometers. Next, the heat-treated powder is pulverized. Grinding may be performed by a method such as wet ball grinding, and through this grinding, a target having a higher density can be produced.
위와 같이, 분쇄 공정을 진행한 다음에는 소정 형상의 타겟 성형체를 제조한다. 이때, 분쇄된 분말에 성형보조제(바인더)를 첨가하여 입자 표면에 코팅시킨 후, 건조를 진행하는 공정(분말 가공 공정)을 진행할 수 있다. 이와 같은 분말 가공 공정을 진행한 경우, 성형 밀도 및 소결 밀도를 증대시킬 수 있다. As described above, after the grinding process is carried out to produce a target molded body of a predetermined shape. At this time, by adding a molding aid (binder) to the pulverized powder is coated on the surface of the particles, it is possible to proceed to the process of drying (powder processing step). When such a powder processing process is advanced, molding density and sintering density can be increased.
상기와 같이 성형체를 제조한 후에는 상기 성형체를 소결한다. 상기 소결은, 소결로 내부의 산소농도를 대기 중의 산소농도보다 높게 유지하여 소결한다. 소결은 소결로 내부온도 1250 ~ 1550℃에서 10 ~ 20시간 동안 유지하여 진행하는 것이 좋다. 이때, 소결로 내의 온도를 1.0 ~ 1.5℃/min의 속도로 승온하여 상기 온도범위가 되도록 하는 것이 좋다. After the molded product is manufactured as described above, the molded product is sintered. The sintering is carried out by maintaining the oxygen concentration inside the sintering furnace higher than the oxygen concentration in the atmosphere. Sintering is recommended to proceed for 10 to 20 hours at the internal temperature of 1250 ~ 1550 ℃ sintering furnace. At this time, it is good to increase the temperature in the sintering furnace at a rate of 1.0 ~ 1.5 ℃ / min to be in the above temperature range.
상기와 같은 방법으로 소결을 진행한 다음에는 얻어진 소결체를 냉각한다. 상기 냉각은, 소결체가 소결로 내에 장입된 상태에서 진행하고 실온까지 20~40시간의 충분한 시간을 주면서 서서히 냉각시킨다.After sintering in the same manner as described above, the obtained sintered body is cooled. The cooling proceeds gradually while the sintered compact is charged into the sintering furnace and is gradually cooled while giving a sufficient time of 20 to 40 hours to room temperature.
이상에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따르면, 공침법에 의해 100㎚ 이하의 균일한 입도 분포를 가지는 초미세 합성 분말이 형성되고, 상기 초미세 합성 분말은 높은 소결 구동력을 가지게 되어 치밀화가 우수한 고밀도의 타겟(산화물 소결체)을 제조할 수 있다. 구체적으로, 아르키메데스법에 의해 측정되는 이론밀도의 95% 이상, 바람직하게는 98% 이상의 밀도를 가지는 타겟을 제조할 수 있다. According to the manufacturing method of the present invention described above, by the coprecipitation method, an ultrafine synthetic powder having a uniform particle size distribution of 100 nm or less is formed, and the ultrafine synthetic powder has a high sintering driving force and has a high density with excellent densification. A target (oxide sintered compact) can be manufactured. Specifically, a target having a density of 95% or more, preferably 98% or more of the theoretical density measured by the Archimedes method can be produced.
본 발명은 공침에 의해 합성된 후에 소결되어 고온에 의한 상분리가 일어나지 않아 증착(스퍼터링) 시 크랙(crack)이나 단괴(nodule)가 발생되지 않으며 균일한 박막을 형성시킨다. The present invention is synthesized by coprecipitation and sintered so that phase separation by high temperature does not occur, so that cracks or nodules do not occur during deposition (sputtering) and form a uniform thin film.
본 발명에 따른 타겟은 비정질 투명 반도체 산화물 재료로 유용하게 사용된다. 또한, 본 발명에 따른 타겟은 스퍼터링(Sputtering)법이나 이온 플라즈마법 등의 증착 방법을 통해 기판 상에 성막되어 투명 산화물 반도체막으로 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 타겟은 열적 및 화학적으로 안정하여 높은 DC 전력을 이용하는 DC 스퍼터링법에 유용하게 적용된다. 본 발명에 따른 타겟은 DC 스퍼터링법에 의한 고전압의 인가 시에도 비정상 방전과 균열 발생, 그리고 단괴(nodule) 발 생이 방지된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 타겟은 성막속도, 생산성 및 제조비용 등에서 유리한 장점을 가지는 DC 스퍼터링법을 유용하게 적용할 수 있어, 저비용의 투명 금속 산화물 반도체막 및 이를 포함하는 제품을 생산할 수 있다. The target according to the invention is usefully used as an amorphous transparent semiconductor oxide material. In addition, the target according to the present invention may be formed on a substrate by a deposition method such as a sputtering method or an ion plasma method to produce a transparent oxide semiconductor film. The target according to the present invention is thermally and chemically stable and is usefully applied to the DC sputtering method using high DC power. The target according to the present invention prevents abnormal discharge, crack generation, and nodule generation even when high voltage is applied by the DC sputtering method. Accordingly, the target according to the present invention can be usefully applied to the DC sputtering method having an advantage in the film forming speed, productivity and manufacturing cost, it is possible to produce a low-cost transparent metal oxide semiconductor film and a product containing the same.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the Example and comparative example of this invention are illustrated. The following examples are merely provided to aid the understanding of the present invention, whereby the technical scope of the present invention is not limited.
[실시예 1]Example 1
질산인듐(In(NO3)3) 용액에 전체금속중의 아연(Zn)과 지르코늄(Zr)의 함량이 원자비로 [Zn]/[[In]+[Zn]+[Zr]=0.48, [Zr]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.04이 되도록 질산아연(Zn(NO3)2)과 질산지르코늄(Zr(NO3)2) 용액을 혼합하고, 초순수를 첨가하여 50℃에서 12시간 교반하여 pH가 3.2인 In/Zn/Zr 혼합염 용액을 얻었다. 다음으로, 상기 혼합염 용액에 NH4OH 수용액을 첨가하여 pH 10이 되도록 한 후, 40℃에서 20시간 반응시켜 In-Zn-Zr-OH 합성 수산화물 침전물을 제조하였다. 상기 침전물을 여과 분리하고 초순수로 3회 세척한 다음, 120℃의 열풍으로 건조하였다. 건조된 분말은 70 ~ 150㎚의 균일한 입도 분포를 가짐을 알 수 있었다. 다음으로, 상기 건조 분말을 전기로에 투입하여 800℃의 온도로 2시간 동안 열처리(하소)하여 In-Zn-Zr-O 합성 복합산화물 분말을 얻었다. 이와 같이 열처리되어 얻어진 In-Zn-Zr-O 합성 복합산화물 분말은 20㎛ 이하의 미립자로서, 1 ~ 10㎛의 균일한 입도 분포를 가짐을 알 수 있었다. 또한, 상기 In-Zn-Zr-O 합성 산화물 분말을 BET법에 의한 비표면적을 측정한 결과 12㎡/g임을 알 수 있었다.The content of zinc (Zn) and zirconium (Zr) in the total metals in the indium nitrate (In (NO 3 ) 3 ) solution was [Zn] / [[In] + [Zn] + [Zr] = 0.48, Mix the zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ) and zirconium nitrate (Zr (NO 3 ) 2 ) solutions to make [Zr] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.04, and add ultrapure water. The mixture was stirred at 50 ° C. for 12 hours to obtain an In / Zn / Zr mixed salt solution having a pH of 3.2. Next, after adding NH 4 OH aqueous solution to the mixed salt solution to
다음으로, 상기 In-Zn-Zr-O 합성 산화물 분말을 포트에 넣고, 물을 매체로 하여 습식 볼 밀 분쇄하였다. 이때, 파쇄 매체는 YTZ 볼을 사용하였고, 분쇄 시 바인더(폴리비닐알코올)를 포트에 함께 첨가하여 분쇄/혼합하였으며, 분쇄/혼합은 20시간 동안 진행하였다. 20시간 동안 분쇄한 결과, 분말은 0.5 ~ 1.0㎛의 평균 입도 분포를 가짐을 알 수 있었으며, 90% 이상이 1.0㎛ 이하의 입도 분포를 가짐을 알 수 있었다. 이후, 상기 혼합 슬러리를 분무 건조시켜 70 ~ 90㎛의 구형의 분말을 수득하였으며, CIP를 사용하여 2.5ton/㎠의 압력을 가하여 150mmX150mmX10mmT의 성형체를 제조하였다. 이후, 성형체를 최고온도가 1550℃인 전기로에 투입한 다음, 1.2℃/mim의 승온속도로 승온하여 상기 온도에 도달하게 한 후, 12시간 동안 유지하여 소결하였다. 이때, 전기로는 내부 체적 1㎥당 400ℓ의 산소를 공급하여 전기로 내부를 산소분위기로 유지하였고, 이후 냉각을 실시하되, 체적 1㎥당 200ℓ의 순수공기를 전기로 내에 투입하여 방냉하였다. 상기와 같은 공정을 통해 얻어진 소결체로부터 연삭과 컷팅 가공공정을 통해 스퍼터링 타겟을 제조하였다. Next, the In-Zn-Zr-O synthetic oxide powder was placed in a pot and wet ball mill pulverized with water as a medium. At this time, the shredding medium used a YTZ ball, and during grinding, a binder (polyvinyl alcohol) was added to the pot to grind / mix, and the grind / mix was performed for 20 hours. As a result of pulverizing for 20 hours, it was found that the powder had an average particle size distribution of 0.5 to 1.0 μm, and 90% or more had a particle size distribution of 1.0 μm or less. Thereafter, the mixed slurry was spray dried to obtain a spherical powder having a thickness of 70 to 90 μm, and a compact of 150 mm × 150 mm × 10 mm T was prepared by applying a pressure of 2.5 ton / cm 2 using CIP. Thereafter, the molded body was put into an electric furnace having a maximum temperature of 1550 ° C., and then heated at a temperature rising rate of 1.2 ° C./mim to reach the temperature, and then maintained for 12 hours and sintered. At this time, the electric furnace was supplied with 400 L of oxygen per 1
위와 같이 제조된 타겟(소결체)에 대하여, ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 원소분석을 한 결과 As a result of elemental analysis using ICP (Inductively Coupled Plasma) for the target (sintered body) manufactured as described above
[In]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.4796, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.4774, [In] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.4796, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.4774,
[Zr]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.0431 값을 보이고 있으며, 밀도를 측정한 결과 이 론 밀도의 98.9%에 해당하는 6.500g/㎤을 보였으며, 벌크저항을 측정한 결과 6.52 x 10-4 Ωㆍ㎝임을 알 수 있었다. [Zr] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.0431, and the density measurement showed 6.500 g / cm3, which corresponds to 98.9% of theoretical density, and measured bulk resistance. As a result, it was found that 6.52 x 10 -4 Pa · cm.
[실시예 2][Example 2]
질산인듐(In(NO3)3) 용액에 전체금속중의 아연(Zn)과 지르코늄(Zr)의 함량이 원자비로 [Zn]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.465, [Zr]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.07이 되도록 질산아연(Zn(NO3)2)과 질산이트륨(Zr(NO3)2) 용액을 혼합하여 공침반응을 실시하였으며, 이 후 공정은 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 분말 및 스퍼터링 타겟을 얻었다. 이와 같이 제조된 타겟(소결체)에 대하여, ICP를 이용하여 원소분석을 한 결과 [Zn] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.465 in the content of zinc (Zn) and zirconium (Zr) in the total metal in the solution of indium nitrate (In (NO 3 ) 3 ) Co-precipitation reaction was performed by mixing a solution of zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ) and yttrium nitrate (Zr (NO 3 ) 2 ) so that [Zr] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.07. The process was carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a powder and a sputtering target. As a result of elemental analysis using ICP on the target (sintered body) thus prepared
[In]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.4669, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.4634,[In] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.4669, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.4634,
[Zr]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.0697 값을 보이고 있으며, 밀도를 측정한 결과 이론 밀도의 99.2%에 해당하는 6.503g/㎤을 보였으며, 벌크저항을 측정한 결과 7.49 x 10-4 Ωㆍ㎝임을 알 수 있었다. [Zr] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.0697, and the density measurement showed 6.503 g / cm3, corresponding to 99.2% of the theoretical density. As a result, it was found that it was 7.49 x 10 -4 Pa · cm.
[실시예 3]Example 3
전체금속중의 인듐(In)과 아연(Zn), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al)의 함량이 원자비로 [In]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.4, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.45, [Ga]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.1, [Al]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.05 이 되도록 질산인듐(In(NO3)3)과 질산아연(Zn(NO3)2), 질산갈륨(Ga(NO3)3), 질산알루미늄(Al(NO3)3) 용액을 혼합하고, 초순수를 첨가하여 50℃에서 12시간 교반하여 pH가 3.9인 In/Zn/Ga/Al 혼합염 용액을 얻고, 이후 실시예1과 동일한 방법으로 실시하여 분말과 성형체를 얻었으며, 1350℃ 산소분위기하에 12시간 가열하여 스퍼터링 타겟을 얻었다. 이와 같이 제조된 타겟(소결체)에 대하여, ICP를 이용하여 원소분석을 한 결과 The content of indium (In), zinc (Zn), gallium (Ga), and aluminum (Al) in the total metal is [In] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.4, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.45, [Ga] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.1 Indium nitrate (In (NO 3 ) 3 ), zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ), gallium nitrate, so that [Al] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.05 (Ga (NO 3 ) 3 ) and aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 ) solution were mixed and stirred for 12 hours at 50 ° C. by adding ultrapure water to prepare an In / Zn / Ga / Al mixed salt solution having a pH of 3.9. Powder and a molded product were obtained in the same manner as in Example 1, and then heated under an oxygen atmosphere of 1350 ° C. for 12 hours to obtain a sputtering target. As a result of elemental analysis using ICP on the target (sintered body) thus prepared
[In]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.3978, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.4521,[In] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.3978, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.4521,
[Ga]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.099, [Al]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.0506 값을 보이고 있으며, 밀도를 측정한 결과 이론 밀도의 98.5%에 해당하는 6.328g/㎤을 얻었으며, 타겟의 벌크저항을 측정한 결과 8.62 x 10-4 Ωㆍ㎝임을 알 수 있었다.[Ga] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.099, [Al] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.0506 As a result of measuring the density, 6.328 g /
[실시예 4]Example 4
전체금속중의 인듐(In)과 아연(Zn), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti)의 함량이 원자비로 [In]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.4, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.4, [Ga]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.144, [Ti]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.056이 되도록 질산인듐(In(NO3)3)과 질산아연(Zn(NO3)2), 질산갈륨(Ga(NO3)3). 염화티탄(TiCl2)용액을 혼합하고, 초순수를 첨가하여 50℃에서 12시간 교반하여 pH가 3.5인 In/Zn/Ga/Ti 혼합염 용액을 얻고, 이후 실시예1과 동일한 방법으로 실시하여 분말 과 성형체를 얻었으며, 1350℃ 산소분위기하에 12시간 가열하여 스퍼터링 타겟을 얻었다. 이와 같이 제조된 타겟(소결체)에 대하여, ICP를 이용하여 원소분석을 한 결과 The content of indium (In), zinc (Zn), gallium (Ga) and titanium (Ti) in the total metal is [In] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.4, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.4, [Ga] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.144 Indium nitrate (In (NO 3 ) 3 ), zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ), gallium nitrate, so that [Ti] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.056 (Ga (NO 3 ) 3 ). Titanium chloride (TiCl 2 ) solution was mixed, ultrapure water was added and stirred at 50 ° C. for 12 hours to obtain an In / Zn / Ga / Ti mixed salt solution having a pH of 3.5, followed by the same method as in Example 1 to powder And a molded product were obtained and heated for 12 hours under an oxygen atmosphere of 1350 ° C. to obtain a sputtering target. As a result of elemental analysis using ICP on the target (sintered body) thus prepared
[In]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.3964, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.4004,[In] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.3964, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.4004,
[Ga]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.1474, [Ti]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Ti]]=0.0558값을 보이고 있으며, 밀도를 측정한 결과 1350℃에서 이론 밀도의 99.2%에 해당하는 6.35g/㎤을 보였으며, 타겟의 벌크저항을 측정한 결과 9.17 x 10-4 Ωㆍ㎝임을 알 수 있었다. [Ga] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.1474, [Ti] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Ti]] = 0.0558 As a result of measuring the density, it showed 6.35 g /
[실시예 5]Example 5
산화물 각각 순도 99.99%이상인 산화인듐(In2O3) 53중량%와 산화갈륨(Ga2O3) 9중량%, 그리고 산화아연(ZnO) 35.5중량%와 산화알루미늄(Al2O3) 2.5중량%를 혼합하여 습식볼밀을 실시하였으며, 이때, 파쇄 매체는 순도 99.5%이상인 고순도 알루미나(Al2O3)볼을 사용하였고, 분쇄/혼합은 42시간 동안 진행하여 0.5 ~ 1.0㎛의 평균 입도 분포를 가짐을 알 수 있었다. 이후 공정은 실시예 3과 동일하게 진행하였다.53% by weight of indium oxide (In 2 O 3 ), 9% by weight of gallium oxide (Ga 2 O 3 ), 35.5% by weight of zinc oxide (ZnO) and 2.5% by weight of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Wet ball mills were mixed by mixing%, and the crushing medium used was a high purity alumina (Al 2 O 3 ) ball having a purity of 99.5% or more, and grinding / mixing was performed for 42 hours to obtain an average particle size distribution of 0.5 to 1.0 μm. It was found. Since the process was carried out in the same manner as in Example 3.
이와 같이 제조된 타겟(소결체)에 대하여, ICP를 이용하여 원소분석을 한 결과, As a result of elemental analysis using ICP for the target (sintered body) thus prepared,
[In]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.3923, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.4540,[In] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.3923, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.4540,
[Ga]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.1010, [Al]/[[In]+[Zn]+[Ga]+[Al]]=0.0527 값 을 보이고 있으며, 밀도를 측정한 결과 이론 밀도의 96.4%에 해당하는 6.18g/㎤을 얻었으며, 타겟의 벌크저항을 측정한 결과 3.68 x 10-3 Ωㆍ㎝임을 알 수 있었다. [Ga] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.1010, showing [Al] / [[In] + [Zn] + [Ga] + [Al]] = 0.0527 As a result of measuring the density, 6.18 g /
[비교예 1]Comparative Example 1
산화물 각각 순도 99.99%이상인 산화인듐(In2O3) 45중량%와 산화아연(ZnO) 15중량%, 그리고 산화지르코늄(ZrO2) 40중량%를 혼합하여 습식볼밀을 실시하였으며, 이때, 파쇄 매체는 순도 99.5%이상인 고순도 알루미나(Al2O3)볼을 사용하였고, 분쇄/혼합은 25시간 동안 진행하여 0.5 ~ 1.0㎛의 평균 입도 분포를 가짐을 알 수 있었다. 이후 공정은 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 스퍼터링 타겟을 얻었다. 이와 같이 제조된 타겟(소결체)에 대하여, ICP를 이용하여 원소분석을 한 결과 A wet ball mill was conducted by mixing 45% by weight of indium oxide (In 2 O 3 ) having an purity of 99.99% or more, 15% by weight of zinc oxide (ZnO), and 40% by weight of zirconium oxide (ZrO 2 ). Was used a high purity alumina (Al 2 O 3 ) ball with a purity of 99.5% or more, it was found that the grinding / mixing was carried out for 25 hours to have an average particle size distribution of 0.5 ~ 1.0㎛. Thereafter, the process was carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a sputtering target. As a result of elemental analysis using ICP on the target (sintered body) thus prepared
[In]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.3835, [Zn]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.2305, [In] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.3835, [Zn] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.2305,
[Zr]/[[In]+[Zn]+[Zr]]=0.3859 값을 보이고 있으며, 밀도를 측정한 결과 이론 밀도의 91%에 해당하는 5.88g/㎤을 보였으며, 벌크저항을 측정한 결과 5.16 x 10-2 Ωㆍ㎝임을 알 수 있었다. [Zr] / [[In] + [Zn] + [Zr]] = 0.3859, and the density measurement showed 5.88 g / cm3, which corresponds to 91% of theoretical density, and measured bulk resistance. The result was found to be 5.16 × 10 −2 Pa · cm.
이상의 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. The above results are shown in the following [Table 1].
상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 타겟의 경우 고밀도를 가짐을 알 수 있으며, DC 스퍼터를 이용한 막질이 우수한 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the target according to the present invention has a high density, and a sputtering target having excellent film quality using a DC sputter can be manufactured.
[시험예 1] 실시예 3 및 실시예 4의 타겟으로 반도체막 제조[Test Example 1] Preparation of semiconductor film with targets of Examples 3 and 4
실시예 3 및 실시예 4에서 제조한 타겟(100mmX100mmX7mmT)을 배킹 플레이트에 본딩하고, DC 스퍼터 장치에 장착하여 0.35Pa의 Ar gas 분위기하에서 150W로 성막을 하였고 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타냈었다. 도 2 및 도 3에 의하면 본 발명의 타겟으로부터 우수한 산화물 반도체막이 형성됨을 알 수 있다.The targets prepared in Examples 3 and 4 (100 mm × 100 mm × 7 mmT) were bonded to the backing plate, mounted on a DC sputtering device, and formed into 150 W under an Ar gas atmosphere of 0.35 Pa. The results are shown in FIGS. 2 and 3. . 2 and 3, it can be seen that an excellent oxide semiconductor film is formed from the target of the present invention.
도 1은 공침법에 의하여 본발명의 타겟을 제조하는 방법을 도시한 개략도이다.1 is a schematic view showing a method for producing a target of the present invention by coprecipitation method.
도 2는 실시예 3에서 제조된 타겟을 이용한 산화물 반도체막의 특성을 보여준다.2 shows the characteristics of the oxide semiconductor film using the target prepared in Example 3.
도 3은 실시예 4에서 제조된 타겟을 이용한 산화물 반도체막의 특성을 보여준다.3 shows the characteristics of the oxide semiconductor film using the target prepared in Example 4.
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