KR20150025004A - 스퍼터링 타겟 제조방법 - Google Patents

스퍼터링 타겟 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스퍼터링 타겟 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 증착 효율을 향상시킬 수 있는 스퍼터링 타겟 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말을 각각 분산시키는 분말 분산단계; 분산시킨 상기 산화인듐 분말, 산화갈륨 분말 및 산화아연 분말을 혼합하여 슬러리로 만드는 슬러리화단계; 상기 슬러리를 과립분말로 만드는 과립화단계; 상기 과립분말을 성형체로 만드는 성형단계; 및 상기 성형체를 소결하여 소결체로 만드는 소결단계를 포함하되, 상기 소결단계에서는 1200~1400℃로 상기 성형체를 소결하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법을 제공한다.

Description

스퍼터링 타겟 제조방법{METHOD OF FABRICATING SPUTTERING TARGET}
본 발명은 스퍼터링 타겟 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 증착 효율을 향상시킬 수 있는 스퍼터링 타겟 제조방법에 관한 것이다.
박막트랜지스터(thin film transistor; TFT)는 미세하고 얇은 막의 모양으로 이루어진 소형 증폭관으로, 게이트(gate), 소스(source) 및 드레인(drain)을 구성하는 삼단자 소자이다. 종래에는 이러한 박막트랜지스터의 채널층으로 다결정(polycrystaline) 실리콘막 또는 비정질(amorphous) 실리콘막을 주로 이용하였다. 그러나 다결정 실리콘막의 경우 다결정 입자 계면에서 일어나는 전자의 산란으로 전자 이동도가 제한되고, 이를 막기 위해서는 계면을 없애는 다양한 공정이 필요하다. 또한, 비정질 실리콘막의 경우 전자 이동도가 매우 낮고 시간에 따른 열화가 발생하여 소자의 신뢰성이 낮아지는 문제점을 지니고 있다. 따라서, 최근에는 비정질 또는 미세결정이며 전자 이동도가 매우 뛰어난 산화아연계 박막을 박막트랜지스터의 채널층으로 형성하려는 연구가 이루어지고 있다.
이러한 비정질 또는 미세결정으로 이루어진 산화아연계 박막은 투명 도전막과 달리 비정질 특성 혹은 나노 결정질 특성을 띄는 동시에 반도체적 특성을 나타내기 때문에 박막트랜지스터의 소스 및 드레인 사이에 위치하는 채널층으로 사용될 수 있다. 그리고 산화아연계 박막은 전자의 이동도가 높기 때문에 박막트랜지스터의 온(on)/오프(off) 비를 작게 하여 소자의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 산화아연계 박막은 투명하기 때문에 투명한 박막트랜지스터를 구성할 수 있고, 저온에서 성막이 가능하여 공정 온도를 낮춰 원가 절감을 실현할 수 있다. 뿐만 아니라 산화아연계 박막은 종래의 다결정 실리콘막에서는 달성할 수 없었던 평탄도의 향상을 이룰 수 있다.
한편, 이와 같은 투명 반도체용 산화물 박막을 형성하는 방법으로는 다결정 소결체를 타겟으로 하는 스퍼터링(sputtering), 펄스 레이저 증착법(pulse laser deposition; PLD), 전자 빔 증착법(electron beam deposition) 등이 있다. 이중, 스퍼터링은 양산 적용이 용이하기 때문에, 이를 박막트랜지스터 제조에 이용하기 위한 방안이 활발히 연구되고 있다.
여기서, 스퍼터링법은 일반적으로 10pa 이하의 가스 압력 하에서 기판을 양극으로 하고 성막될 산화물 박막의 조성으로 이루어진 스퍼터링 타겟을 음극으로 하여 이들 사이에 방전을 일으킴으로써, 아르곤 플라즈마를 발생시켜, 플라즈마 중의 아르곤 양이온이 음극의 스퍼터링 타겟에 충돌하게 되고, 이로 인해 서로 잡아당기는 힘을 갖는 입자들이 기판 위에 쌓이게 되어 박막을 형성하게 된다.
이러한 스퍼터링 방법은 크게 아르곤 플라즈마를 발생시키는 파워의 종류에 따라 고주파(RF)를 이용하는 RF 스퍼터링법과 직류(DC)를 이용하는 DC 스퍼터링법으로 나뉜다. 이중, DC 스퍼터링법은 성막 속도가 빠르고, 조작이 간편하여 산업용으로 주로 이용되고 있다.
한편, 산화물 타겟 중 가장 빠른 속도로 양산 기술이 개발되고 있는 재료는 IGZO이다. IGZO는 DC 스퍼터링이 가능하고, 상온 증착 시 비정질을 유지하여 박막트랜지스터의 균일성을 확보하는데 유리하다. 이때, IGZO 타겟 중 가장 상용화된 조성은 원자비(at.%) 기준으로, In2O3:ZnO:Ga2O3=1:1:1이며, InGaZnO4 단일상을 가진 타겟이다.
하지만, 현재까지 개발된 IGZO 타겟은 증착 속도가 느려 이를 개선하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 여기서, 증착 속도는 증착 파워, 기판-타겟 거리, 기판 온도 등 많은 공정 요소에 의해 영향을 받지만, 특히, 증착 중 사용되는 산소 분압에 매우 큰 영향을 받는다. 즉, 스퍼터링 공정 시 가벼운 음이온의 경우 타겟에서 분리되어 박막에 증착되는 과정에서, 가볍기 때문에 많은 부분이 소실된다. 이에, 스퍼터링 공정에서는 소실되는 음이온을 보충하기 위해 공정 중 산소를 추가적으로 인가하게 된다. 하지만, 스퍼터링 공정에서 산소 분압과 증착 속도는, 산소를 불어 넣는 양이 많아질수록 증착 속도가 기하급수적으로 감소되는 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1093509호(2011.12.07.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 증착 효율을 향상시킬 수 있는 스퍼터링 타겟 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말을 각각 분산시키는 분말 분산단계; 분산시킨 상기 산화인듐 분말, 산화갈륨 분말 및 산화아연 분말을 혼합하여 슬러리로 만드는 슬러리화단계; 상기 슬러리를 과립분말로 만드는 과립화단계; 상기 과립분말을 성형체로 만드는 성형단계; 및 상기 성형체를 소결하여 소결체로 만드는 소결단계를 포함하되, 상기 소결단계에서는 1200~1400℃로 상기 성형체를 소결하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 소결단계에서는 분당 0.5~1.5℃로 승온 속도를 제어할 수 있다.
또한, 상기 소결단계에서는 5~20시간 동안 상기 성형체를 소결할 수 있다.
그리고 상기 분산단계에서는 상기 슬러리에 포함되는 상기 산화인듐(In2O3) 분말, 상기 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 상기 산화아연(ZnO) 분말의 원자비(at.%)가 1:1:1이 되도록 각 분말을 분산시킬 수 있다.
아울러, 상기 슬러리화단계에서는 상기 슬러리에 바인더를 첨가할 수 있다.
또한, 상기 과립화단계에서는 상기 슬러리를 분무 건조시켜 상기 과립분말로 만들 수 있다.
그리고 상기 성형단계에서는 냉간 프레스 또는 냉간 등방압 프레스를 통해 상기 과립분말을 상기 성형체로 성형할 수 있다.
게다가, 상기 소결체는 화학양론적으로 InGaZnO4를 이룰 수 있다.
본 발명에 따르면, 산화인듐 분말, 산화갈륨 분말 및 산화아연 분말을 혼합하여 만든 성형체를 저온에서 소결함으로써, 소결체 내 산소 함량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라, 스퍼터링 공정 중 증착 속도를 기하급수적으로 감소시키는 산소의 추가적인 공급을 생략할 수 있으며, 이를 통해, 증착 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 저온 소결시킨 소결체로 제작된 스퍼터링 타겟을 통해 박막트랜지스터의 채널층을 증착하는 경우 증착 속도를 약 50% 이상 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟 제조방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟 제조방법을 통해 제조된 스퍼터링 타겟과 본 발명의 비교 예에 따른 스퍼터링 타겟에 대한 SIMS 및 EELS 분석 결과.
도 3은 스퍼터링 시 산화 분압에 따른 증착 속도 변화를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟 제조방법은 InGaZnO4 조성으로 이루어진 박막트랜지스터의 채널층을 증착하기 위한 스퍼터링 타겟을 제조하기 위한 방법으로, 분말 분산단계(S1), 슬러리화단계(S2), 과립화단계(S3), 성형단계(S4) 및 소결단계(S5)를 포함한다.
먼저, 분말 분산단계(S1)는 산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말을 각각 분산시키는 단계이다. 분말 분산단계(S1)에서는 산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말 각각을 증류수와 분산제와 혼합한 후 분산 평균 입경 제어를 위해 습식밀링한다. 여기서, 분산제로는 폴리아크릴산 암모늄 염, 폴리아크릴산 아민염 등 폴리카르본산 염 종류를 사용할 수 있다.
한편, 분말 분산단계(S1)에서는 슬러리에 포함되는 산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말의 원자비(at.%)가 1:1:1이 되도록 각 분말을 분산시키는 것이 바람직하다.
다음으로, 슬러리화단계(S2)는 분말 분산단계(S1)를 통해 분산시킨 산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말을 혼합하여 슬러리로 만드는 단계이다. 슬러리화단계(S2)에서는 상기의 분말들을 혼합한 후 습식밀링하여 슬러리로 만든다. 이때, 슬러리화단계(S2)에서는 만들어진 슬러리에 바인더를 첨가한다. 여기서, 바인더는 후속 공정을 통해 만들어지는 성형체의 성형 강도를 유지하는 역할을 한다. 이러한 바인더로는 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 과립화단계(S3)는 슬러리화단계(S2)를 통해 만들어진 슬러리를 과립분말로 만드는 단계이다. 이를 위해, 과립화단계(S3)에서는 슬러리를 분무건조법으로 건조시켜 과립분말로 만들 수 있다. 여기서, 슬러리를 과립분말로 만드는 이유는 고상의 성형체를 제조하기 위함이다.
다음으로, 성형단계(S4)는 과립분말을 성형체로 만드는 단계이다. 이를 위해, 성형단계(S4)에서는 과립분말을 소정 형태의 몰드에 충진시킨 후 냉간 프레스를 통해 성형체로 만들거나 과립분말을 고무 재질의 방수재에 넣은 후 냉간 등방압 프레스(C.I.P)를 통해 성형체로 만들 수 있다.
다음으로, 소결단계(S5)는 성형단계(S4)를 통해 만들어진 성형체를 소결하여 소결체로 만드는 단계이다. 여기서, 도 3의 그래프에 나타낸 바와 같이, 스퍼터링 공정 중 소실된 음이온을 보충하기 위해 산소 분압을 높이게 되면, 증착 속도가 기하급수적으로 감소하게 된다. 이에, 본 발명의 실시 예에서는 스퍼터링 공정 중 산소 분압을 최소로 유지하여 증착 속도를 향상시키기 위해, 소결 최고점 온도를 제어하여, 만들어지는 소결체 내 산소의 함량을 제어한다. 즉, 소결 최고점 온도가 높을수록 이온들의 휘발이 일어나 소결체 내 산소 함량이 적어진다. 반대로, 소결 최고점 온도가 낮을수록 소결체 내 산소 함량이 증가하게 되고, 이와 같이 산소 함량이 높은 소결체로 이루어진 스퍼터링 타겟으로 박막트랜지스터의 채널층을 증착하게 되면, 채널층의 증착 속도는 예컨대, 50% 이상 향상될 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 소결단계(S5)에서는 1200~1400℃, 바람직하게는 1280℃로 성형체를 소결한다. 이때, 소결단계(S5)에서는 분당 0.5~1.5℃로 승온 속도를 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 소결단계(S5)에서는 5~20시간 동안 성형체를 소결하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 소결단계(S5)를 통해 성형체를 소결하여 만들어진 소결체는 화학양론적으로 단일상인 InGaZnO4를 이루게 된다.
아울러, 상기와 같이 제조된 성형체는 이의 후면에 본딩재를 매개로 접합되는 백킹 플레이트(backing plate)와 스퍼터링 타겟을 이루게 된다. 여기서, 백킹 플레이트로는 도전성 및 열전도성이 우수한 구리, 바람직하게는 무산소 구리, 티탄, 스테인리스 강 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 스퍼터링 타겟의 특성을 비교 및 확인하기 위해, 소결 최고점 온도를 1280℃로 제어한 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟(S1), 소결 최고점 온도를 1450℃로 제어한 비교 예1에 따른 스퍼터링 타겟(S2) 및 소결 최고점 온도를 1550℃로 제어한 비교 예2에 따른 스퍼터링 타겟(S3)에 대한 SIMS(secondary ion mass spectrometry) 및 EELS(electron energy loss spectrometry) 분석 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 보면, 소결 최고점 온도가 높을수록 타겟 내 산소함량이 낮아지는 것으로 확인되었다 여기서, 그래프 상에서는 세기(intensity)가 클수록 산소함량이 높음을 의미한다.
즉, 소결 최고점 온도가 가장 낮은 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟(S1)이 소결 최고점 온도가 상대적으로 높은 비교 예1,2에 따른 스퍼터링 타겟(S2, S3)에 비해, 산소함량이 가장 높은 것으로 확인되었다.
또한, 증착 속도를 측정해본 결과, 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟(S1)을 사용한 경우, 증착 속도가 약 600Å/min으로 측정된 반면, 비교 예1,2에 따른 스퍼터링 타겟(S2, S3)을 사용한 경우에는 증착 속도가 약 200~300Å/min으로 측정되었다.
이와 같이, 산소함량이 상대적으로 높은 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟(S1)을 사용하여 스퍼터링을 실시하게 되면, 산소의 추가적인 공급을 생략할 수 있어, 증착 속도가 증가하게 된다. 반면, 산소함량이 상대적으로 낮은 비교 예1,2에 따른 스퍼터링 타겟(S2, S3)의 경우에는 공정 중 소실된 음이온을 보충하기 위해 산소의 추가적인 공급이 요구되고, 이에 따라, 산소 분압이 증가하게 되어, 도 3의 그래프에서 보여지는 바와 같이, 증착 속도가 감소하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 스퍼터링 타겟 제조방법은 산화인듐 분말, 산화갈륨 분말 및 산화아연 분말을 혼합하여 만든 성형체를 저온에서 소결하여 소결체를 제조함으로써, 소결체 내 산소 함량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라, 스퍼터링 공정 중 증착 속도를 기하급수적으로 감소시키는 산소의 추가적인 공급을 생략할 수 있으며, 이를 통해, 증착 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 저온 소결시킨 소결체로 제작된 스퍼터링 타겟을 통해 박막트랜지스터의 채널층을 증착하는 경우 증착 속도를 약 50% 이상 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 산화인듐(In2O3) 분말, 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 산화아연(ZnO) 분말을 각각 분산시키는 분말 분산단계;
    분산시킨 상기 산화인듐 분말, 산화갈륨 분말 및 산화아연 분말을 혼합하여 슬러리로 만드는 슬러리화단계;
    상기 슬러리를 과립분말로 만드는 과립화단계;
    상기 과립분말을 성형체로 만드는 성형단계; 및
    상기 성형체를 소결하여 소결체로 만드는 소결단계;
    를 포함하되,
    상기 소결단계에서는 1200~1400℃로 상기 성형체를 소결하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소결단계에서는 분당 0.5~1.5℃로 승온 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소결단계에서는 5~20시간 동안 상기 성형체를 소결하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분말 분산단계에서는 상기 슬러리에 포함되는 상기 산화인듐(In2O3) 분말, 상기 산화갈륨(Ga2O3) 분말 및 상기 산화아연(ZnO) 분말의 원자비(at.%)가 1:1:1이 되도록 각 분말을 분산시키는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리화단계에서는 상기 슬러리에 바인더를 첨가하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 과립화단계에서는 상기 슬러리를 분무 건조시켜 상기 과립분말로 만드는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 성형단계에서는 냉간 프레스 또는 냉간 등방압 프레스를 통해 상기 과립분말을 상기 성형체로 성형하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소결체는 화학양론적으로 InGaZnO4를 이루는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108947518A (zh) * 2018-08-14 2018-12-07 宁波森利电子材料有限公司 多元掺杂的ZnO镀膜材料及其制备方法和应用

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