KR20150104682A - 산화물 스퍼터링 타겟 - Google Patents

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권세희
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Abstract

본 발명은 산화물 스퍼터링 타겟에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 스퍼터링 공정 중 아킹(arcing)이 억제되어 표면에 노쥴(nodule) 생성이 감소되고, 이를 통해, 스퍼터링 공정의 안정성을 확보할 수 있으며, 궁극적으로, 표면 조도가 낮은 우수한 박막을 성막할 수 있는 산화물 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, In, Sn, Ga, O 조성을 기반으로 하는 물질로 이루어지고, Ga3-xIn5+xSn2O16으로 이루어진 2차상을 갖는 소결체 및 상기 소결체의 후면에 접합되어 상기 소결체를 지지하는 백킹 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 스퍼터링 타겟을 제공한다.
여기서, 상기 x는 0.3~1.8이다.

Description

산화물 스퍼터링 타겟{OXIDE SPUTTERING TARGET}
본 발명은 산화물 스퍼터링 타겟에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 스퍼터링 공정 중 아킹(arcing)이 억제되어 표면에 노쥴(nodule) 생성이 감소되고, 이를 통해, 스퍼터링 공정의 안정성을 확보할 수 있으며, 궁극적으로, 표면 조도가 낮은 우수한 박막을 성막할 수 있는 산화물 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.
일반적으로, 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)은 입사되는 빛에 대한 투명한 성질을 가짐과 동시에 금속처럼 전기를 흐르게 하는 물질이다.
현재, 투명 전도성 산화물은 박막 형태로 형성되어, 평판 디스플레이 및 태양전지 등의 소자에서 투명전극으로 사용되고 있으며, 최첨단 디스플레이 기술, 모바일 디스플레이 기술, 친환경 정책에 의한 신 재생 에너지 기술 등에 적용됨으로 인해 그 중요성이 나날이 증가하고 있다.
이러한 투명 전도성 산화물의 재료로는 ITO(indium tin oxide), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 등이 사용되고 있는데, 이중, ITO가 박막의 높은 투광성과 전기 전도성 및 안정성으로 인해 가장 보편적으로 사용되고 있다.
이러한 ITO로 이루어진 박막은 스퍼터링(sputtering) 증착을 통해 성막될 수 있는데, 이러한 스퍼터링은 예컨대, 직사각형 타일 형태로 형성된 ITO 소결체 및 이를 지지하는 백킹 플레이트로 이루어진 스퍼터링 타겟을 필요로 한다.
여기서, ITO 소결체에는 1차상인 In2O3 대비 저항이 상대적으로 높은 In4Sn3O12이 2차상으로 존재하게 된다. 이와 같이, ITO 소결체 내부의 그레인(grain) 형성에 있어, 전기적인 특성에 차이가 있는 다른 상(phase)이 존재할 경우, 스퍼터링 공정 중 저항이 높은 In4Sn3O12 2차상에 전하가 축적되며, 임계치에 도달할 경우, 아킹을 통해 전하를 방출하게 된다. 즉, 저항이 상대적으로 높은 2차상인 In4Sn3O12은 스퍼터링 중 아킹 발생의 소스로 작용하게 된다. 이때, 이러한 아킹에 의해, ITO 소결체 표면에는 불규칙한 식각이 발생하면서 노쥴(nodule)이라고 불리는 이상 돌기가 생성되고, 증착되는 막에 국부적인 고저항을 야기하는 불순물 응집체가 유발된다. 이와 같이, ITO 소결체의 표면에 노쥴이 생성되고, 불순물 응집체가 유발되면, 스퍼터링 공정 실행 자체가 불가능해지고, 설령, 스퍼터링을 진행하여 ITO 박막을 증착하더라도 높은 품질의 ITO 박막은 기대할 수 없다.
일본 공개특허공보 제2010-070418호(2010.04.02.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스퍼터링 공정 중 아킹(arcing)이 억제되어 표면에 노쥴(nodule) 생성이 감소되고, 이를 통해, 스퍼터링 공정의 안정성을 확보할 수 있으며, 궁극적으로, 표면 조도가 낮은 우수한 박막을 성막할 수 있는 산화물 스퍼터링 타겟을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, In, Sn, Ga, O 조성을 기반으로 하는 물질로 이루어지고, Ga3-xIn5+xSn2O16으로 이루어진 2차상을 갖는 소결체 및 상기 소결체의 후면에 접합되어 상기 소결체를 지지하는 백킹 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 스퍼터링 타겟을 제공한다.
여기서, 상기 x는 0.3~1.8이다.
또한, 상기 2차상의 면적비는 상기 2차상 및 In2O3로 이루어진 1차상의 면적 합계 대비 20~40%일 수 있다.
이때, 상기 1차상의 저항은 210±55Ω이고, 상기 2차상의 저항은 256±34Ω일 수 있다.
그리고 상기 소결체는 In2O3, SnO2 및 Ga을 포함하되, Sn 원자의 함유율이 In 원자 및 Sn 원자의 함유율 합계 대비 3~10원자%이고, Ga 원자의 함유율이 In 원자, Sn 원자 및 Ga 원자의 함유율 합계 대비 3~5원자%일 수 있다.
아울러, 상기 산화물 스퍼터링 타겟은 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, In, Sn, Ga, O 조성을 기반으로 하는 물질로 이루어지고, 1차상인 In2O3와 전기적 특성이 동일 또는 유사한 Ga3-xIn5+xSn2O16으로 이루어진 2차상을 가짐으로써, 스퍼터링 공정 중 아킹(arcing)이 억제되어 표면에 노쥴(nodule) 생성이 감소되고, 이를 통해, 스퍼터링 공정의 안정성을 확보할 수 있으며, 궁극적으로, 표면 조도가 낮은 우수한 박막을 성막할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예1에 따른 산화물 스퍼터링 타겟에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시 예1에 따른 산화물 스퍼터링 타겟에 대한 전자 현미경 사진.
도 3은 스퍼터링 진행 후, 본 발명의 실시 예1에 따른 산화물 스퍼터링 타겟의 표면에 생성된 노쥴을 보여주는 이미지.
도 4는 본 발명의 비교 예1에 따른 산화물 스퍼터링 타겟에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 비교 예1에 따른 산화물 스퍼터링 타겟에 대한 전자 현미경 사진.
도 6은 스퍼터링 진행 후, 본 발명의 비교 예1에 따른 산화물 스퍼터링 타겟의 표면에 생성된 노쥴을 보여주는 이미지.
도 7은 본 발명의 실시 예1과 비교 예1의 누적 파워에 따른 아킹 발생 빈도를 비교하여 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 산화물 스퍼터링 타겟에 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 산화물 스퍼터링 타겟은 평판 디스플레이 및 태양전지 등과 같은 소자의 투명전극으로 사용되는 투명 전도성 산화물 박막(TCO)을 성막시키기 위한 예컨대, DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 적용되는 타겟이다. 이러한 산화물 스퍼터링 타겟은 소결체 및 백킹 플레이트(backing plate)를 포함하여 형성된다.
소결체는 In, Sn, Ga, O 조성을 기반으로 하는 물질로 이루어진다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 소결체는 In2O3, SnO2 및 Ga 또는 Ga 산화물로 이루어질 수 있다. 이때, Sn 원자의 함유율이 In 원자 및 Sn 원자의 함유율 합계 대비 3~10원자%일 수 있고, Ga 원자의 함유율이 In 원자, Sn 원자 및 Ga 원자의 함유율 합계 대비 3~5원자%일 수 있다. 이 경우, 소결체 내부에는 1차상인 In2O3 외에도 Ga3-xIn5+xSn2O16으로 이루어진 2차상이 동시에 존재하게 된다. 여기서, x는 0.3~1.8이다. 본 발명의 실시 예에서, 이러한 2차상의 면적비는 2차상 및 1차상의 면적 합계 대비 20~40%일 수 있다.
Ga3-xIn5+xSn2O16으로 이루어진 2차상은 In2O3로 이루어진 1차상과 동일 또는 유사한 전기적 특성을 갖는다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 산화물 스퍼터링 타겟을 사용한 스퍼터링 시 아킹이 억제될 수 있다. 즉, 종래 ITO로 이루어진 소결체의 경우, 소결체 내부에는 1차상인 In2O3 대비 저항이 상대적으로 높은 In4Sn3O12로 이루어진 2차상이 존재하였는데, 이러한 2차상이 아킹 발생의 소스로 작용되었고, 이로 인해, 타겟, 보다 상세하게는 소결체 표면에 불규칙한 식각이 발생되면서 파티클이 유발되었고, 노쥴이 생성되었다. 하지만, 본 발명이 실시 예에서는 In4Sn3O12 대비 저항이 상대적으로 낮고, 1차상인 In2O3의 저항과 동일 또는 유사한 저항을 갖는 Ga3-xIn5+xSn2O16가 소결체 내부에 2차상으로 존재함으로써, 스퍼터링 공정 중 아킹이 억제되어 소결체 표면에 노쥴 생성이 감소되고, 이를 통해, 스퍼터링 공정의 안정성을 확보할 수 있으며, 궁극적으로 표면 조도가 낮은 우수한 박막을 성막할 수 있게 된다.
한편, 이러한 소결체는 분말 야금법에 의해 제조될 수 있다. 즉, In2O3, SnO2 및 Ga 또는 Ga 산화물 분말을 함량비에 맞게 혼합한 다음, 건식가압성형(cold press), 슬립 캐스팅(slip casting), 필터 프레스(filter press), 정수압 성형(cold isostatic press), 겔 캐스팅(gel casting), 강제침강(centrifugal sedimentation), 자연침강(gravimetric sedimentation) 등의 성형법을 통해 성형한 후 이에 대한 소결을 통해 제조될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 산화물 스퍼터링 타겟은 마그네트론 스퍼터링 장치에 적용될 수 있는데, 일반적으로 마그네트론 스퍼터링은 대면적 산화물 박막 증착에 사용되므로, 본 발명의 실시 예에 따른 산화물 스퍼터링 타겟을 구성하는 소결체는 타일 형태로 복수 개 구비될 수 있다.
백킹 플레이트는 하나 또는 복수개의 소결체를 지지하는 역할을 한다. 이를 위해, 백킹 플레이트는 소결체의 후방에 배치되고, 본딩재를 매개로 소결체와 접합된다. 이러한 백킹 플레이트는 도전성 및 열전도성이 우수한 구리, 바람직하게는 무산소 구리, 티탄, 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있다. 이때, 소결체와 백킹 플레이트 사이에 배치되어 이들을 서로 접합시키는 본딩재는 예컨대, 인듐으로 이루어질 수 있다. 그리고 이러한 본딩재는 페이스트 형태로 이루어져 백킹 플레이트 전면에 도포될 수 있다.
한편, 소결체와 백킹 플레이트를 접합시키기 위해서는 이러한 본딩재를 핫 플레이트, 저항 가열, 고주파, 전기코일 또는 레이저 등의 가열 수단을 발열시켜 용융시킨 후 냉각시킬 수 있는데, 이때, 본딩재 용융을 위해 가해지는 열은 170±10℃로 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이, 1차상인 In2O3와 동일 또는 유사한 전기적 특성을 갖는 Ga3-xIn5+xSn2O16로 이루어진 2차상이 존재하는 소결체 및 이를 지지하는 백킹 플레이트를 포함하여 형성되는 산화물 스퍼터링 타겟을 사용하여, 평판 디스플레이 및 태양전지 등과 같은 소자의 투명전극으로 사용되는 투명 전도성 산화물 박막을 증착하면, 증착된 투명 전도성 산화물 박막은 100도 내지 250도에서 결정화되는 특징을 가지게 되어, 우수한 에칭 가공성을 나타내며, (222)면 대비 (400)면의 성장이 억제되어, 표면 조도가 낮은 우수한 박막 품질을 갖게 된다.
실시 예1
산화인듐, 산화주석 및 갈륨으로 이루어지되, Sn 원자의 함유율이 In 원자 및 Sn 원자의 함유율 합계 대비 9원자%이고, Ga 원자의 함유율이 In 원자, Sn 원자 및 Ga 원자의 함유율 합계 대비 4원자%인 소결체로 이루어진 스퍼터링 타겟에 대한 특성을 측정하였다. 도 1은 이에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 2는 이에 대한 전자 현미경 사진으로, 실시 예1에 따른 소결체에 대한 XRD 분석 결과, In2O3 상(phase) 외에도 Ga1.4In6.4Sn2O16 상이 검출되었고, 나노 프로브(nano probe)를 이용하여 그레인(grain) 별 저항을 측정한 결과, 1차상인 In2O3의 저항은 210±55Ω 2차상인 Ga1.4In6.4Sn2O16의 저항은 256±34Ω으로 측정되었다.
비교 예1
산화인듐 및 산화주석으로 이루어지되, Sn 원자의 함유율이 In 원자 및 Sn 원자의 함유율 합계 대비 9원자%인 소결체로 이루어진 스퍼터링 타겟에 대한 특성을 측정하였다. 도 4는 이에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 이에 대한 전자 현미경 사진으로, 비교 예1에 따른 소결체에 대한 XRD 분석 결과, In2O3 상(phase) 외에도 InxSnyO 상이 검출되었고, 나노 프로브(nano probe)를 이용하여 그레인(grain) 별 저항을 측정한 결과, 1차상인 In2O3의 저항은 196±22Ω 2차상인 InxSnyO의 저항은 941±92Ω으로 측정되었다.
실시 예1과 비교 예1을 비교해 보면, 실시 예1의 2차상인 Ga1.4In6.4Sn2O16의 저항이 비교 예1의 2차상인 InxSnyO의 저항보다 낮은 것으로 확인되었고, 실시 예1의 2차상인 Ga1.4In6.4Sn2O16의 저항이 1차상인 In2O3의 저항과 유사한 것으로 확인되었다.
한편, 실시 예1에 따른 스퍼터링 타겟과 비교 예1에 따른 스퍼터링 타겟을 각각, DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 장착하여, 동일한 조건으로 스퍼터링을 진행하였다. 이때, 스퍼터링 조건은 아르곤 가스에 소량의 산소 가스를 혼입한 혼합 가스 분위기 하에서, 4㎾의 파워로 100시간 동안 진행하였다.
도 3은 이와 같이 스퍼터링을 진행한 후, 실시 예1에 따른 스퍼터링 타겟의 표면에 생성된 노쥴을 보여주는 이미지이고, 도 6은 비교 예1에 따른 스퍼터링 타겟의 표면에 생성된 노쥴을 보여주는 이미지로, 양 이미지를 비교해 보면, 실시 예1의 경우, 비교 예1보다 노쥴 생성이 확연히 억제되었다는 것을 육안으로 확인할 수 있다. 즉, 실시 예1의 경우, 스퍼터링 타겟의 표면에 생성된 노쥴은 전체 타겟 면적 대비 0.32% 수준인 반면, 비교 예1의 경우, 스퍼터링 타겟의 표면에 생성된 노쥴은 전체 타겟 면적 대비 1.17% 수준으로, 실시 예1 대비 노쥴이 3배 이상 많이 생성된 것으로 측정되었다.
도 7은 본 발명의 실시 예1과 비교 예1의 누적 파워에 따른 아킹 발생 빈도를 비교하여 나타낸 그래프로, 실시 예1의 경우, 스퍼터링 중 발생한 아킹의 수는 2,794회인 반면, 비교 예1의 경우, 스퍼터링 중 발생한 아킹의 수는 30,789회로, 실시 예1 대비 아킹이 11배 많이 발생한 것으로 측정되었다.
아킹 발생 빈도 대비 노쥴 생성 정도를 보면, 아킹 발생 빈도의 차이만큼 노쥴 생성 정도에 차이가 발생되는 것은 아니나, 아킹 발생 빈도가 높을수록 노쥴이 많이 생성되는 것으로 확인되었다.
즉, 2차상의 저항이 1차상의 저항과 유사한 경우(실시 예1), 2차상의 저항이 1차상의 저항보다 월등히 높은 경우(비교 예1)보다 아킹 발생 빈도가 상대적으로 낮고, 이에 따라, 노쥴 생성 또한 상대적으로 억제되는 것으로 확인되었다. 이를 통해, 실시 예1에 따른 스퍼터링 타겟을 사용한 스퍼터링을 통해, 투명 전도성 산화물 박막을 증착시키게 되면, 스퍼터링 공정의 안정성을 확보할 수 있고, 양질의 투명 전도성 산화물 박막을 성막할 수 있게 된다.
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 (5)

  1. In, Sn, Ga, O 조성을 기반으로 하는 물질로 이루어지고, Ga3-xIn5+xSn2O16으로 이루어진 2차상을 갖는 소결체; 및
    상기 소결체의 후면에 접합되어 상기 소결체를 지지하는 백킹 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 스퍼터링 타겟.
    여기서, 상기 x는 0.3~1.8임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차상의 면적비는 상기 2차상 및 In2O3로 이루어진 1차상의 면적 합계 대비 20~40%인 것을 특징으로 하는 산화물 스퍼터링 타겟.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 1차상의 저항은 210±55Ω이고, 상기 2차상의 저항은 256±34Ω인 것을 특징으로 하는 산화물 스퍼터링 타겟.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소결체는 In2O3, SnO2 및 Ga을 포함하되,
    Sn 원자의 함유율이 In 원자 및 Sn 원자의 함유율 합계 대비 3~10원자%이고,
    Ga 원자의 함유율이 In 원자, Sn 원자 및 Ga 원자의 함유율 합계 대비 3~5원자%인 것을 특징으로 하는 산화물 스퍼터링 타겟.
  5. 제1항에 있어서,
    DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 적용되는 것을 특징으로 하는 산화물 스퍼터링 타겟.
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KR1020140026307A KR20150104682A (ko) 2014-03-06 2014-03-06 산화물 스퍼터링 타겟

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190132544A (ko) * 2017-05-18 2019-11-27 가부시키가이샤 코베루코 카겐 산화물 소결체 및 스퍼터링 타깃

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KR20190132544A (ko) * 2017-05-18 2019-11-27 가부시키가이샤 코베루코 카겐 산화물 소결체 및 스퍼터링 타깃

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