KR20120066364A - 산화인듐아연 스퍼터링 타겟 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 산화인듐; (b) 산화아연; 및 (c) 산화티타늄 (TiO_{2 -a})을 함유하고, 하기 화학식 1의 조성으로 표기되는 것을 특징으로 하는 산화인듐아연 (IZO)계 스퍼터링 타겟을 제공한다
[화학식 1]
In_xZn_y(TiO_{2 -a})_z
(상기 식에서, x+y ≤ 1, 0.0001 ≤ z < 0.002이며, 여기서 x : y : z = 8.5~9.5 : 1.5~ 0.5 범위이며, a는 0.5 ≤ a ≤ 1이다.)
본 발명에서는 도펀트 물질 사용에 따른 전기적 특성의 저하 없이, 에칭 특성이 우수한 산화인듐아연 (IZO)계 박막을 제작할 수 있다.

Description

산화인듐아연 스퍼터링 타겟 및 이의 제조방법{INDIUM ZINC OXIDE TARGET AND THE PREPARING METHOD THEREOF}

본 발명은 전기적 특성의 저하 없이, 에칭 특성을 개선시킬 수 있는 도펀트가 포함되는 산화인듐아연 스퍼터링 타겟 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

표시장치 분야의 발전으로 인하여, 액정표시장치, 전기발광표시장치, 전계방출디스플레이 등이 가전제품 혹은 사무기기에 광범위하게 적용되고 있다. 이들 표시장치는 투명 도전막으로 인듐주석 산화물 (Indium Tin Oxide; 이하 'ITO'라 칭함)을 주로 사용하고 있다. ITO 막은 투명성, 도전성 (비저항: 2×10 ^-4 Ω?㎝)이 우수할 뿐만 아니라 기판과의 밀착성, 에칭용액에 의한 가공성이 우수하기 때문이다. 이러한 ITO 박막의 제조방법으로는 일반적으로 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, CVD (Chemical Vapor Deposition)법 등이 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, ITO는 결정 성장에 의한 돌기상(狀)의 조직이 존재하기 때문에, 유기 EL에 적용되는 경우 국부적인 전류집중 현상이 발생하여 균일한 표시가 어렵게 된다. 또한, 가시광역 중에서 특히 380?400nm 정도의 단파장 대역 (가시광 단파장역)에서의 광투과율이 낮기 때문에, 발광층으로부터의 특정파장의 광 취출 (取出) 효율이 좋지 않다는 문제점이 있다.

한편 유기 전계발광 소자는 막면 (膜面)이 매우 평탄한 비정질의 투명 도전막을 사용하며, 특히 가시광 단파장에 있어서 높은 광투과율을 갖는 투명 도전막의 사용이 요구된다. 또한 유연성 (flexibility)을 특징으로 하는 전자 페이퍼는 구부림에 대하여 갈라지기(割) 어려운 투명 도전막이 필수적으로 요구된다. 일반적으로 산화물 결정막은 결정립계가 약하여 갈라지기 쉬우므로, 구부림에 대하여 강한 비정질계 투명 도전막의 적용이 제안되고 있다. 이러한 비정질계 투명 도전막으로는 ITO 이외의 조합, 일례로 산화아연과 산화주석을 주원료로 하는 것, 산화아연에 알루미늄을 첨가한 것, 또는 산화인듐과 산화아연을 주성분으로는 IZO (Indium Zinc Oxide) 등이 있다. 이중에서도 산화인듐과 산화아연을 주성분으로 하는 IZO는 ITO에 비하여 에칭 속도가 크다는 장점으로 주목을 받고 있다. 그러나 현재까지 에칭 속도의 조절이 불가하므로, 디바이스 등에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 이러한 에칭 특성을 개선시킬 수 있는 새로운 IZO 투명 도전막의 개발이 현장에서 지속적으로 요청되고 있다.

본 발명자들은 산화인듐아연 타겟의 구성성분으로 산화티타늄계 도펀트 물질을 사용하면, 전기화학 특성이 우수하게 발휘되면서도 상기 타겟으로부터 성막된 투명 박막의 에칭 특성이 현저히 개선된다는 것을 발견하였다.

이에, 본 발명은 상기 도펀트 물질을 포함하여 산화인듐아연 타겟 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 (a) 산화인듐; (b) 산화아연; 및 (c) 산화티타늄 (TiO_{2 -a})을 함유하고, 하기 화학식 1의 조성으로 표기되는 것을 특징으로 하는 산화인듐아연 (IZO)계 스퍼터링 타겟을 제공한다.

[화학식 1]

In_xZn_y(TiO_{2 -a})_z

상기 식에서, x+y ≤ 1, 0.0001 < z < 0.002이며, 여기서 x : y = 8.5~9.5 : 1.5~0.5 범위이며, 0.5 ≤ a ≤ 1 이다.

이때 상기 산화티타늄의 함량은 타겟의 전체 중량 대비 1 내지 10 원자% 범위인 것이 바람직하다.

또한 상기 스퍼터링 타켓은 +1가 또는 +3가의 티타늄 산화물을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 스퍼터링 타겟은 In : Zn : TiO_{2 -a}의 비율 조절을 통해 비저항값이 1× 10^-3 Ωcm 미만인 것이 바람직하다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 산화인듐아연 타겟은, (a) 산화인듐, (b) 산화아연, 및 (c) 산화티타늄 (TiO_{2 -a}, 여기서 0.5 ≤ a ≤ 1)을 혼합 분쇄하는 공정, 상기 분쇄물을 성형하는 공정 및 상기 성형물을 소결하는 공정을 포함하여 제조될 수 있다.

본 발명의 산화인듐아연 타겟은 불순물의 고용이 잘 이루어진 단일 조성의 금속 산화물이므로, 타겟의 저항이 낮아 DC 스퍼터링이 가능하다.

또한 도펀트에 의한 결정성 향상으로 에칭성이 향상된 박막을 형성시킬 수 있으며, 저온에서 비정질 또는 나노 결정질 박막을 성막시킬 수 있다.

아울러, 본 발명의 산화인듐아연 타겟을 이용하여 형성된 투명 도전막은 전기 전도도, 에칭성 및 박막 평탄도가 우수하므로 산업적으로 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 산화인듐아연 (IZO) 타겟의 구성 성분으로, 박막의 에칭 특성을 개선할 수 있는 산화티타늄계 도펀트 물질을 사용하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 산화티타늄계 도펀트 물질은 종래 이산화티탄 (TiO₂)과 산소 조성비가 상이한 물질, 즉 TiO_{2 -a}로 구성된다. 여기서, a는 0.5 내지 1로 설정될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 산화티타늄계 도펀트 물질은, 종래 산화티타늄계 물질 (TiO₂)로부터 산소가 일부 제거되거나, 또는 제거된 산소결합을 보충하기 위해 새로운 화학결합을 형성하면서 하나의 산소를 나누어 갖는 일종의 구조변형이 발생되는 물질이다. 이러한 산화티타늄계 물질은 도펀트 (dopant) 물질로 사용시, 산화인듐아연 타겟의 결정구조를 일부 변형시켜 결정성이 자유롭게 성장할 수 있도록 하는 역할을 한다. 따라서 산화인듐아연 타겟으로부터 형성되는 투명 박막의 결정성 자유도 증가로 인해 에칭 특성을 유의적으로 개선할 수 있다.

또한 상기 도펀트는 타겟 내 첨가되어 산화인듐아연 격자 내에서 산소 빈자리 (oxygen vacancy)나 전자 등의 전자 운반자 (carrier)가 생성되어 타겟에 전기가 흐를 수 있도록 한다. 따라서 도펀트 물질 사용에 따른 스퍼터링 타겟의 전기화학적 특성 저하를 최소화할 수 있다.

본 발명에서 사용될 수 있는 도펀트 물질은, 산화티타늄계 물질로서 TiO_{2 -a} (0.5 ≤ a ≤ 1) 이다. 상기 산화티타늄계 물질은 TiO_a로도 표현될 수 있으며, 이때 a의 범위는 특별히 제한되지 아니하며, 전술한 범위와 동일할 수 있다. 그 외, 종래 TiO₂와 산소 조성비가 상이하여 전술한 결정성 향상 및 에칭 개선효과를 발휘할 수 있는 물질 역시 본 발명의 범주에 속한다.

상기 산화티타늄계 도펀트의 함량은 전체 타겟의 중량 대비 1 내지 10 원자% 범위로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 2 원자% 범위이다. 상기 함량 범위보다 작은 경우, 도펀트 첨가에 따른 에칭성 특성이 미미하게 나타날 수 있으며, 상기 함량 범위를 초과하는 경우, 전도도 특성 감소가 초래되어 투명 도전성 박막으로의 사용이 제한될 수 있다.

본 발명의 산화인듐아연 스퍼터링 타겟은 +1가 또는 +3가의 티타늄 산화물을 더 포함할 수 있다. 이때 +1 또는 +3가의 티타늄 산화물의 사용량은 특별히 제한되지 아니하며, 상기 산화티타늄계 도펀트 함량에 따라 적절히 조절될 수 있다.

본 발명의 스퍼터링 타겟에서, 산화인듐아연의 최대 입경은 0.1 내지 10 ㎛ 범위일 수 있다. 상기 산화인듐아연은 결정입경이 작아, 투명 전도성 막을 형성시 타겟 표면에서 발생하는 노쥴 생성이 억제되어 양호한 안정성으로 스퍼터링이 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 산화인듐아연 타겟의 밀도는 95% 이상 일 수 있다. 또한 타겟 내 In : Zn : TiO_{2 -a}의 사용비율을 조절함으로써 벌크 저항을 1 x 10^-3 ohm cm 이하로 조절할 수 있다.

본 발명에서는 전술한 산화티타늄계 도펀트를 사용하는 것을 제외하고는, 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 산화인듐아연 타겟을 제조할 수 있다.

이의 바람직한 일 실시형태를 들면, 산화인듐 분말, 산화아연 분말, 및 전술한 산화티타늄계 도펀트를 혼합하여 슬러리를 준비한 후 밀링하고 건조하여 분쇄하는 공정, 상기 분쇄물을 성형하는 공정 및 상기 성형물을 소결하는 공정으로 이루어질 수 있다.

상기 산화인듐이나 산화아연은 당 업계에 알려진 통상적인 성분을 제한없이 사용할 수 있다. 일례로, 이들은 In₂O₃ 이나 ZnO 일 수 있다.

상기 산화인듐 분말과 산화아연 분말은 혼합되기 이전에 입자 크기가 수 ㎛ 이하로 분쇄된 상태일 수도 있다. 이때 산화인듐의 평균입경은 0.1 내지 1 ㎛ 범위이고, 산화아연의 평균입경은 1 내지 5 ㎛ 범위일 수 있다. 또한 산화인듐과 산화아연의 질량비는 85 : 15 내지 95 : 5 범위일 수 있으며, 바람직하게는 90 ~ 91 : 10 ~ 9 일 수 있다. 이들과 혼합되는 산화티타늄계 분말은 평균 입경이 1 내지 10 ㎛ 범위일 수 있다.

전술한 분말들을 혼합시, 필요에 따라 당 업계에 알려진 통상적인 첨가제, 예컨대 바인더, 분산제, 소포제 등을 추가로 포함할 수 있다.

분산제는 분쇄된 원료입자가 용액 내에서 장시간 동안 고르게 안정된 분산을 유지하면서 동시에 입자가 미세하게 분쇄되기 위한 목적을 만족시키기 위해 첨가된다. 사용 가능한 분산제의 비제한적인 예로는, 시트르산 등의 카르복실기가 붙은 유기산 계열, 폴리아크릴산 (PAA) 또는 그의 염, 공중합체, 또는 이들의 조합 등이 있다. 상기 분산제는 슬러리 내 분말 중량 대비 0.5 내지 3 중량% 사용될 수 있다.

또한 바인더는 슬러리를 분말로 건조시킨 후 성형하는 과정에서 성형체의 성형강도를 유지하기 위하여 첨가되는 것이다. 이들의 비제한적인 예로는, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜 등의 고분자 등이 있다. 상기 바인더의 사용량은 슬러리 내 분말 대비 0.01 내지 5 중량% 범위일 수 있다.

소포제는 슬러리 내의 거품을 제거하기 위한 것으로, 통상적으로 실리콘유, 옥틸알콜, 붕초 등을 사용할 수 있다. 상기 소포제의 사용량은 슬러리 내 분말 대비 0.001 내지 0.01 중량% 범위일 수 있다.

상기 산화인듐 분말, 산화주석 분말, 산화티타늄 분말 (TiO_{2 -a}), 물 및 첨가제를 혼합하여 준비된 슬러리를 밀링하고 건조하여 건조분말을 준비한다.

이때 밀링은 당 업계에 알려진 통상적인 볼밀, 비드밀 등을 사용하여 수행될 수 있다. 밀링을 통하여 얻어진 슬러리의 점도는 100 cps 이하로 조절하는 것이 바람직하다.

밀링을 거친 슬러리를 스프레이 드라이어 (spray dryer) 등을 이용하여 분무건조함으로써 건조분말을 얻는다.

이후 상기 건조분말을 소정의 형상을 갖는 성형체로 제조하는 성형단계를 거친다. 상기 성형체 제조시, 공정의 편의성 등을 고려하여 냉간 정수압 프레스 (cold isostatic press, CIP)를 이용하는 것이 바람직하다.

전술한 성형단계 이후에는 소결단계를 거쳐 산화인듐아연 소결체가 제조된다. 상기 소결단계는 산소가스 분위기, 불활성 가스 분위기, 또는 산소와 불활성가스 혼합 분위기 하에서 이루어질 수 있다. 상기 소결단계는 산소 가스, 불활성가스 분위기 하에서 900 ~ 1350℃ 범위로 진행되거나, 또는 상기 성형물을 산소 또는 불활성 가스 분위기의 가압조건 하에서 900 ~ 1350℃ 범위로 소결하여 제조될 수 있다. 이때 가압 조건은 CIP를 사용하여 2 내지 3 ton/cm² 범위일 수 있다.

제조된 소결체는 일정한 크기, 형태로 가공하여 냉각용 금속판 또는 백킹 플레이트 (backing plate)에 붙여 스퍼터링 타겟으로 이용된다. 이 경우, 진공조 내에서 산소 가스가 0 내지 1% 범위로 혼합된 아르곤 가스를 80 sccm의 속도로 공급하면서 성막하여 산화인듐아연 투명 전도성 막을 제조할 수 있다.

전술한 바와 같이 수득되는 투명 도전막은, 에칭성, 높은 투명성 및 전도성이 요구되는 액정 표시소자 또는 유기전기 발광표시소자 등의 각종 표시장치의 투명 전극으로 사용될 수 있다. 또한 LCD, PDP, OLED, LED 등의 평판디스플레이 등의 정보전달 장치; OLED, LED 등의 면광원 조명장치 터치패널; 및/또는 이를 이용하는 정보전달 장치에도 제한없이 적용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 따른 산화인듐아연 타겟 및 그 제조방법을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 발명의 이해를 돕기 위해 본 발명의 산화인듐아연 타겟과 그 제조방법을 예시한 것일 뿐이며, 이들에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

평균 입경이 1 ㎛ 이하인 산화인듐 (In₂O₃) 분말과 평균 입경이 3 ㎛ 이하인 산화주석 (SnO₂) 분말을 9:1의 중량 비율로 배합하였다. 다음으로 전체 분말에 대해 산화티티늄계 분말 (TiO_{2 -a}, a=0.5) 1 원자% 사용비율을 슬러리 탱크 (Slurry Tank)에 혼합하여 혼합 분말을 준비하였다. 순수한 물과 분산체 및 바인더 성분을 상기 혼합 분말에 첨가하고 경질 지르코니아 볼밀을 이용하여 습식 밀링을 행하였다. 밀링 및 혼합 시간은 1시간으로 하여 평균 슬러리 입도가 1 ㎛ 이하가 되도록 분쇄하였다. 전술한 방법으로 만들어진 슬러리를 스프레이 드라이어(Spray Dryer)를 이용하여 건조된 과립분말의 형태로 만들고, 100~500 MPa 정도의 높은 압력으로 냉간 정수압 프레스로 성형하였다. 이어서, 성형체를 에어 분위기 하에서 900~1350℃ 정도의 고온으로 1시간 동안 소결하여 도펀트가 함유된 스퍼터링용 산화인듐아연계 소결체를 제조하였다. 상기 소결체의 스퍼터링 면을 연마기로 연마하였으며, 인듐 금속파우더를 사용하여 구리배킹 플레이트를 접합시켜 박막 평가가 가능한 소결체 타겟을 제조하였다.

실험예 1

실시예 1에서 제조된 산화인듐아연 타겟을 각각 DC 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering) 장치에 장착한 후, 고진공을 유지하면서 상온에서 산소가 1% 혼합된 아르곤 가스를 유리 기판 상에 두께 150 nm의 투명 도전막을 제작하였다. 이때 산소가스와 아르곤 가스는 각각 0.3 sccm, Ar 29.7 sccm의 속도로 공급하였으며 투입 전력을 0.1 kW로 하여 약 20분 동안 성막하였다.

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 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (1)

1. (a) 산화인듐; (b) 산화아연; 및 (c) 산화티타늄 (TiO_{2 -a})을 함유하고, 하기 화학식 1의 조성으로 표기되는 것을 특징으로 하는 산화인듐아연 (IZO)계 스퍼터링 타겟:
   [화학식 1]
   In_xZn_y(TiO_{2 -a})_z
   상기 식에서, x+y ≤ 1, 0.0001 ≤ z < 0.002이며, 여기서 x : y = 8.5~9.5 : 1.5~ 0.5 범위이며, a는 0.5 ≤ a ≤ 1 이다.