KR20160092948A - 증착용 불소계고분자 복합 타겟 - Google Patents

증착용 불소계고분자 복합 타겟 Download PDF

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KR20160092948A
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이재흥
최우진
김철환
김성현
조성근
함동석
김광제
박동순
박재성
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한국화학연구원
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Abstract

본 발명에 따른 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟은 전압을 인가하는 금속 전극과의 접합력이 우수하고, 휨 발생을 억제할 수 있으며, 전도성을 부여함으로써 산업적으로 널리 사용되는 DC 및 MF 전원 방식으로도 안정적으로 플라즈마의 형성이 가능하여 불소계고분자를 효과적으로 피착체에 스퍼터링 증착이 가능한 불소계고분자 복합 타겟을 제공할 수 있다.

Description

증착용 불소계고분자 복합 타겟{Fluoropolymer composite target for deposition}
본 발명은 증착용 불소계고분자 복합 타겟에 관한 것으로, 보다 상세하게 전극면에 접합되는 불소계고분자 복합 타겟에 전도성을 부여함으로써 낮은 전압에서도 스퍼터링이 가능한 증착용 불소계고분자 복합 타겟에 관한 것이다.
최근, 디스플레이 장치는 멀티미디어의 발달과 함께 그 중요성이 증대되고 있다. 이에 부응하여 액정 디스플레이 장치, 플라즈마 디스플레이 장치 및 유기 발광 디스플레이 장치 등의 평판 디스플레이 장치가 상용화되고 있으며, 스마트폰, 디지털 TV, 테블릿 PC, 노트북, PMP, 네비게이션 등 다양한 디지털 기기가 출시되면서 평판 디스플레이 패널이나 터치 스크린의 수요가 증가하고 있다.
상기 평판 디스플레이 패널로는 LCD, PDP, OLED 등을 들 수 있다. 이들은 경량, 박형, 저전력구동, 풀-컬러 및 고해상도 구현 등의 특징으로 인해 각종 디지털 기기의 디스플레이 장치로 널리 사용되고 있다. 상기 터치 스크린은 각종 평판 표시 장치의 표시 면에 설치되어 사용자가 표시 장치를 보면서 원하는 정보를 선택하도록 하는데 이용되는 입력장치로 그 수요가 증가하고 있다.
이러한 평판 디스플레이 패널이나 터치 스크린은 전면이 외부로 노출되어 있어서 수분이나 수분을 함유한 오염물에 의해 오염되기 쉬우며, 오염물이 묻은 상태로 장시간 방치되어 고착되면 오염물을 닦아내기가 쉽지 않다는 문제점을 가진다. 더욱이, 디스플레이 패널이나 터치 스크린은 수분이 묻으면 제품의 기능에 악영향을 줄 수 있으므로 수분으로부터 보호될 필요가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 이들 디스플레이 장치 표면에 불소를 함유하는 보호막을 형성하여 소수성화 시키는 방법이 주로 이용되고 있다. 소수성 표면의 구현을 위한 방법으로 불소계 화합물 코팅의 구체적인 일예로는 불소 치환 알킬기 함유 유기 규소 화합물 함유 용액을 그대로 용기에 넣어 가열하여 기재 상에 그 화합물의 박막을 형성하는 방법(특허문헌 001), PTFE(polytetrafluoroethylene) 분체 분산액(디스퍼젼)을 내열성 기판 상에 도포 후, 융점 이상으로 가열하여 분체(粉體)를 결착(結着)시켜 박막을 형성하는 방법(특허문헌 002)이 있다. 또한 불소 함유의 실라잔계 유기 규소 화합물을 진공하에서 가열해 광학부재 위에 증착 해 성막하는 방법(특허문헌 003) 등이 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 001에 개시된 발명은 원료를 소정 시간 이상 가열했을 경우, 박막의 내구성이 저하되기 때문에, 생산할 수 있는 막의 두께가 제한되거나, 안정적으로 내구성이 높은 박막을 생산할 수 없다는 문제점을 가진다. 특허문헌 002 에 개시된 발명은 PTFE의 높은 용융점 때문에 사용할 수 있는 장치가 한정되고 고비용의 원인이 되며, 특허문헌 003 에 개시된 발명은 증착장치에 도입하기 전에 증착원으로 사용한 원료 물질이 불안정해지기 때문에 안정적으로 박막을 생산할 수 없다는 문제점을 가진다.
또한 소수성 표면의 구현을 위한 또 다른 방법으로는 불소계 계면활성제를 이용하는 방법이 있다. 소수성 표면 특성을 구현하기 위해 저분자량의 불소계 계면활성제를 도입하여 탄화불소 부분이 표면에 잘 나올 수 있도록 조절할 수 있으나 내구성에 문제를 야기하고, 고분자량의 불소계 계면활성제 도입시 내구성은 좋아지나 소수성 구현에 어려움이 생기고 코팅 매트릭스와의 상분리 문제로 표면에 외관 문제를 일으킬 수 있어서 바람직하지 않다.
상기와 같은 문제점들을 극복하고자, 최근에는 습식공정이 아닌 불소계고분자를 건식공정을 이용하여 코팅하고자 하는 기술 개발이 이뤄지고 있다.
불소계고분자를 건식공정으로 코팅하는 방법으로 가장 대표적인 예가 스퍼터링이며, 이는 불소계고분자 표면에 강한 플라즈마를 형성하여 발생된 플라즈마가 불소계고분자 표면에 강한 에너지를 부여하여 분자 레벨의 불소계고분자가 표면에서 떨어져서 반대편 피착재 표면에 증착되어 코팅되는 공정이다.
그러나 고분자수지와 같은 절연특성을 가지는 스퍼터링 타겟의 경우에는 직류 전원을 인가할 경우 타겟 표면에 양전하들이 모이게 되어 인가 전압을 약화시키게 되어 입사되는 충돌 입자의 에너지가 감소하므로, 증착율이 아주 낮거나 플라즈마 자체가 생성되지 않는 문제점이 있다. 따라서, 고 에너지가 필요하고, 이를 위해서는 고주파 전원 방식은 RF (Radio Frequency)을 사용할 수 밖에 없다.
하지만 절연특성이 높은 스퍼터링 타겟을 이용하여 고에너지의 RF로 스퍼터링 하게 될 경우, 부전압의 인가가 용이하지 못하여 박막의 증착율이 떨어지게 되어 여전히 문제점이 있다. 또한 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서는 즉, 고주파의 손실을 막기 위하여 장치 내에 별도의 임피던스(Impedance, 교류저항)를 조절해주는 매칭박스(Matching Box)의 설치가 필수적으로 요구된다.
고발수성의 고절연성인 불소계고분자 타켓을 이용하여 증착할 경우, 상기 고에너지가 필요한 RF공정을 채택할 수 밖에 없지만, 이를 채택하는 경우 RF 공정은 증착율이 낮고, 타겟 표면의 온도가 높아 타겟 손상이 되고, 전력을 인가해주는 전원공급장치의 비용이 고가이고, 공정이 어렵고 복잡하여, 이에 대한 문제 해결이 필요하다.
나아가, 불소계고분자 증착공정에서 고주파 전원 방식인 RF 전원을 인가함에 따른 불소계고분자 표면의 아크 발생, 열로 인한 타겟 손상, 불소계고분자와 전압을 인가하는 금속전극 사이에서 아크 등이 발생하고 인가 전압에 비해 낮은 효율의 플라즈마 발생으로 증착율 또한 낮다는 문제점 등을 동시에 해결하여야 한다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 방법으로는 MF(mid-range frequency)나 DC(direct current)와 같은 낮은 에너지를 이용하여 스퍼터링하는 것이 좋지만, 현실적으로, 초발수성이고 초절연성의 불소계고분자를 증착하기 위한 기존의 불소계고분자 타켓으로는 정상적으로 상업화할 수 있는 정도의 품질 또는 증착효율이 불가능 하였다. 즉, MF나 DC와 같은 낮은 에너지를 이용한 기존의 불소계고분자 타켓을 이용한 스퍼터링에는 증착효율이 지나치게 낮거나 작동이 되지않아 정상적인 증착이 이루어지지 않는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 불소계고분자의 증착을 위한 불소계고분자 타켓의 경우, 상기의 RF의 문제점을 해결함과 동시에 낮은 에너지를 갖는 MF 및 DC를 이용한 증착이 가능하도록 하는 기술을 개발한다면, 매우 상업성이 우수하고, 다양한 방면으로 적용 가능성이 높아, 이의 개발이 강력히 대두되고 있다. 이와 같이, MF와 DC는 수십 MHz의 주파수를 가지는 RF에 비해, 비교적 낮은 수십 KHz의 주파수 또는 그 이하의 주파수를 가지기 때문에 별도의 임피던스 매칭이 필요 없고, 장치가 간단하며, 스퍼터링이 가능하다면 연속생산도 가능하다는 장점 등을 가져, 산업적으로 활용도가 높은 방식이다.
이에 본 발명자들은 불소계고분자타켓에 전도성을 부여하는 새로운 스퍼터링용 불소계고분자 복합타켓을 개발함으로써, 상기의 RF 스퍼터링의 문제점의 해결과 더불어서 낮은 에너지인 DC 및 MF를 이용하여서도 충분히 효율적으로 스퍼터링 가능한 새로운 기술을 개발함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
001)일본공개특허공보2009-175500호 002)일본공개특허공보1993-032810호 003)일본공개특허공보1993-215905호
본 발명의 목적은 초발수성 및 고절연성의 불소계고분자 박막을 낮은 에너지인 MF와 DC 파워를 이용함에도 스퍼터링 공정으로 불소계고분자의 증착이 가능한 새로운 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타켓을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 대표적인 절연체로서 전기에너지를 쉽게 인가할 수 없는 단점을 가지는 불소계고분자 박막 증착 공정에서, 상기 다양한 문제점을 가지는 것임에도 채택할 수 밖에 없었던, RF 스퍼터링 공정에서의 문제점 뿐 만아니라, 낮은 에너지인 MF 및 DC 전원방식에서 조차도 안정적으로 스퍼터링이 가능한 새로운 불소계고분자 복합 타겟을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 기존의 비전도성으로서 고에너지가 필요한 불소계고분자 박막을 형성하는 스퍼터링에서 고주파수인 라디오주파수 (Radio Frequency, RF)를 사용함에 따른 불소계고분자의 열화현상으로 인한 불소계고분자 타겟의 손상, 불소계고분자와 전압을 인가하는 금속 전극 사이에서 아크 등의 발생으로, 인가 전압에 비해 낮은 효율의 플라즈마 발생으로 증착율 또한 낮은 문제가 발생하고 있는 점을 개선한 새로운 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟을 제공하는 것이다.
본 발명은 종래 스퍼터링 챔버에서 전극상에 놓이는 불소계고분자가 전극과의 접착력 불량으로 접합면이 분리되는 등의 불량한 접합력을 개선함으로써, 안정적으로 스퍼터링 공정을 수행할 수 있으며, 안정적으로 플라즈마 형성이 가능하여 불소계고분자의 절연파괴 방지 및 높은 증착율을 나타내는 새로운 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 낮은 인가 에너지인 MF 및 DC에서도 불소계고분자를 안정적으로 피착체에 스퍼터링 증착이 가능한 불소계고분자 복합 타겟을 이용한 스퍼터링방법을 제공하는 것이다. 즉, 구체적으로는 상기의 다양한 양태의 불소계고분자 복합 타겟을 챔버 내에 고정하는 단계와 상기 불소계고분자 복합 타겟에 MF 또는 DC를 인가하여 증착하는 단계를 포함하는 스퍼터링 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타켓은 불소계고분자 타겟에 도전성을 부여함으로써, 스퍼터링용 챔버의 전극과 접합이 원활하게 되어, 고에너지를 인가하여 플라즈마를 발생시킴에 의해서도 변형이 되지 않을 뿐 아니라, MF 또는 DC 전원방식에서도 피착체에 높은 증착률로 증착이 가능한 새로운 증착용 타겟을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태로는 불소계고분자와 도전성을 부여하는 기능화제(performing dopant)를 함유하는 증착용 불소계고분자 복합 타겟을 제공한다.
본 발명에서 상기 기능화제는 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분(metal) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 기능화제를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 MF 또는 DC 스퍼터링을 위한 스퍼터링 챔버 내부의 전극면에 대한 불소계고분자의 표면 접착력을 현저하게 향상시킴으로써, 에너지 인가에 의해 플라즈마가 발생하여 증착하는 과정에서 전극면과 복합 타겟의 접착면이 탈리되어 불소계고분자 복합 타겟의 변형이 일어나지 않도록 단단히 고정하는 역할을 하므로, 증착되는 불소계고분자 성분이 피착체에 고르고 균일하게 증착될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 타겟 내 도전성을 부여함으로써, RF 뿐 아니라 이보다 낮은 전압인 MF 및 DC에서도 불소 수지를 안정적으로 피착체에 스퍼터링 증착이 가능하며, 높은 증착율과 절연파괴를 방지할 수 있다.
본 발명은 또 다른 양태는 증착 챔버의 전극상에 위치시켜, 전극면과 접착할 때, 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 기능화제에, 금속유기물, 금속산화물, 금속탄소체, 금속수산화물, 금속카보네이트, 금속바이카보네이트, 금속질화물 및 금속불화물 등에서 선택되는 하나 이상의 금속화합물(metallic chemical)을 더 포함할 수 있다.
따라서 본 발명은 상술된 도전성 기능화제를 하나 이상 포함하는 불소계고분자 복합 타겟이 전극면과 접합되는 형태 또는 상기 도전성 기능화제에 금속화합물을 더 포함하는 불소계고분자 복합 타겟이 전극면과 접합되는 형태로 증착챔버 내에 배치하게 된다.
본 발명의 일 양태로 상기 증착용 불소계고분자 복합 타겟에 있어, 상기 전도성 입자, 전도성 고분자 및 금속성분 등은 도전성을 가진 성분이라면 제한되지 않으며, 상기 전도성입자의 비한정적인 일 예로는, 카본나노튜브, 카본나노섬유, 카본블랙, 그래핀(Graphene), 그라파이트 및 탄소섬유 등에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 상기 전도성 고분자의 비한정적인 일 예로는, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리플루렌(polyfluorene), 폴리피렌(polypyrene), 폴리아줄렌(polyazulene), 폴리나프탈렌(polynaphthalene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(poly phenylene vinylene), 폴리카르바졸(polycarbazole), 폴리인돌(polyindole), 폴리아제핀(polyazephine), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌비닐렌(polyethylene vinylene), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리퓨란(polyfuran), 폴리셀레노펜(polyselenophene), 폴리텔루로펜(polytellurophene) 등으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 상기 금속성분의 비한정적인 일 예로는, Cu, Al, Ag, Au, W, Mg, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Pt, Cr 및 Ta 등에서 선택되는 하나 이상의 금속일 수 있다.
본 발명은 또 다른 양태로 금속유기물, 금속산화물, 금속탄소체, 금속수산화물, 금속카보네이트, 금속바이카보네이트, 금속질화물 및 금속불화물 등에서 선택되는 하나 이상의 금속화합물을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속화합물은 제한하지 않지만 예를 들면 SiO2, Al2O3, ITO, IGZO, ZnO, In2O3, SnO2, TiO2, AZO, ATO, SrTiO3, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZrO2, Y2O3, Al2O3 , MgF2, CuF2 , Si3N4, CuN, AlN 등에서 선택되는 하나 이상의 금속화합물일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 불소계고분자는 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 플로린화 에틸렌 프로필렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체 , 에틸렌-클로로트리플루오로 에틸렌 공중합체, 퍼플루오로알콕시 공중합체, 비닐플루오라이드 단일중합체 고무, 비닐플루오라이드 공중합체 고무, 비닐리덴플루오라이드 단일중합체 고무 및 비닐리덴플루오라이드 공중합체 고무 등에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자 100 중량부 기준으로, 상기 기능화제, 예를 들면 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 것을 0.01 내지 2000 중량부로 함유하는 것일 수 있다.
또한 추가적으로 상기 금속화합물을 상기 불소계고분자 100 중량부 기준으로, 0.1 내지 2000 중량부로 더 함유할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 양태로는 상기 불소계고분자 복합 타겟이 일측 표면으로부터 타측 표면으로 상기 기능화제의 함량을 증가 또는 감소시켜 연속적으로 기능화제의 함량 구배를 주어 제작될 수 있다, 상기 구배의 의미는 면과 면사이의 두께 방향으로 상기 기능화제의 함량을 연속적으로 구배 또는 2 이상의 단계로 함량을 변화시켜 구배를 주는 형태를 의미하는 것일 수 있다.
특히 본 발명에서 상기 구배를 주는 경우, 기능화제의 함량이 큰 부분을 증착챔버 내의 전극의 표면과의 접착을 최대로 할 수 있으면서도, 전극면과 반대측의 피착체로 향하는 면에는 기능화제의 함량을 적게 함으로써, 피착체에 증착되는 기능화제의 함량을 최소화하는 불소계고분자 복합 타겟을 제조할 수 있어서 매우 좋다.
즉, 본 발명의 일 양태에서 2단계로 구배를 주는 경우의 예를 들어 설명하면, 금속 전극 면과 접착되는 제 1층은 기능화제의 함량을 높게 하고, 그 반대의 증착되어지는 면을 가지는 제 2층은 기능화제의 함량을 제 1층의 함량보다 낮게 하여 제조될 수 있으며, 목적에 따라 기능화제의 함량을 적절하게 변형 가능함은 물론이며, 상기 제 1층 및 제 2층은 금속화합물을 추가로 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 양태를 구체적으로 설명하면, 본 발명은 MF 또는 DC 스퍼터링을 위한 스퍼터링 챔버 내부의 전극면에 접착되는 불소계고분자 복합 타겟으로서, 상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자와 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분 등에서 선택되는 하나 이상의 기능화제를 포함하는 조성물을 성형하여 제조되는 증착용 불소계고분자 복합 타겟을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 기능화제로서, 상기 전도성입자는 특별히 제한하는 것은 아니지만 예를 들면, 카본나노튜브, 카본블랙, 그래핀, 그라파이트 및 탄소섬유 등에서 선택되는 하나 이상의 전도성입자일 수 있으며, 기타 유기 전도성입자도 포함할 수 있다. 또한 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리플루렌(polyfluorene), 폴리피렌(polypyrene), 폴리아줄렌(polyazulene), 폴리나프탈렌(polynaphthalene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(poly phenylene vinylene), 폴리카르바졸(polycarbazole), 폴리인돌(polyindole), 폴리아제핀(polyazephine), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌비닐렌(polyethylene vinylene), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리퓨란(polyfuran), 폴리셀레노펜(polyselenophene), 폴리텔루로펜(polytellurophene) 등으로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 금속성분 으로는 역시 제한하는 것은 아니지만 예를 들면, Cu, Al, Ag, Au, W, Mg, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Pt, Cr 및 Ta 등에서 선택되는 하나 이상의 금속성분일 수 있지만 이에 한정하는 것이 아님은 당업자라면 자명하다.
본 발명에서 상기 불소계고분자 복합 타겟은 제한하는 것은 아니지만 좋게는 불소계고분자 100 중량부에 대하여 상기 기능화제를 0.01 내지 2000 중량부로 함유하는 것이 좋고, 추가적으로 상기 불소계고분자 복합 타겟은 기능화제와 더불어 상기 금속화합물을 불소계고분자 100중량부에 대하여 0.1 내지 1000 중량부로 더 함유할 수 있다.
본 발명의 일 양태로서 상기 불소계고분자 복합 타겟은 두께 방향으로 상기 기능화제의 함량이 구배를 가지도록 제조될 수 있다. 특히 상기 구배(gradient)는 전극면을 향하여 기능화제 또는 기능화제와 금속화합물의 혼합성분의 함량이 높고, 피착체의 방향으로는 기능화제 또는 기능화제와 금속화합물의 혼합성분의 함량이 감소되도록 전극면상에 접착되는 것이 전극면과의 접착성이 현저히 개선되어 스퍼터링 효율이 높고, 접착면이 단단히 고정되어 복합 타겟이 변형되지 않으므로, 스퍼터링 시 피착체에 증착되는 두께의 균일성이 현저히 개선되어 좋다. 물론 구배가 상기 기능화제를 포함하는 한에서는 그 반대로 접착된 것도 포함할 수 있음은 물론이다.
이때, 상기 구배는 연속구배도 가능하지만 단계별로 기능화제의 함량을 달리하는 것을 적층하여 성형함으로써 2 이상의 층을 형성하도록 제조할 수도 있다.
또한 본 발명은 MF 또는 DC 스퍼터링을 위한 스퍼터링 챔버, 상기 챔버 내부에 형성되는 제 1전극 인가부, 상기 제 1전극 인가부 상부면에 위치하는 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟, 제 2전극 인가부, 상기 불소계고분자 복합 타겟과 제 2전극 인가부 사이 또는 소정의 위치에 위치하는 피착체를 포함하는 MF 또는 DC 스퍼터링 증착시스템을 또한 포함한다.
또한 본 발명이 MF 또는 DC 스퍼터링을 위한 스퍼터링 챔버 내부의 전극면에 접착되는 2개의 층으로 형성되는 불소계고분자 복합 타겟일 경우에, 예를 들면, 상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자 100 중량부에 대하여 0.01 내지 2000 중량부의 기능화제를 포함하는 전극면에 접착되는 층 및 상기 불소계고분자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1000 중량부의 기능화제를 포함하는 스퍼터링에 의해 피착체에 증착되는 층으로 구성될 수 있고, 이때, 상기 층들은 동종 또는 이종의 기능성 소재로 제작할 수 있다.
따라서 본 발명은 RF보다 낮은 인가 에너지인 MF 및 DC 등에서도 불소계고분자를 안정적으로 피착체에 스퍼터링 증착이 가능한 상기의 불소계고분자 복합 타겟을 이용한 스퍼터링 방법을 또한 제공한다.
본 발명에 따른 상기 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟은 기존에 효율적 증착이 불가능하였던 RF보다 낮은 전압인 MF 및 DC에서도 스퍼터링이 가능하며, 이러한 낮은 전압에서도 높은 증착율을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 전압을 인가하는 금속 전극과의 표면 접촉각을 낮추어 불소계고분자와 전극과의 우수한 접착력을 구현할 수 있으며, 강한 에너지에 의해 발생되는 휨 발생을 억제하여 불소계고분자와 전극과의 접합 결함 발생을 줄일 수 있고 또한 절연파괴를 방지하는 장점을 가진다.
본 발명에 따른 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟에 대하여 이하 상술하나, 이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
일반적으로 박막 증착용 타겟은 전압을 인가하는 금속 전극에 고정하여 사용하게 된다. 상기 고정의 방법으로 종래에는 납땜, 브레이징, 확산 접착, 기계적인 채결 또는 에폭시 접착 등의 방법을 사용하였으나, 타겟과 금속 전극 사이의 열팽창율의 차이로 인해 접착 계면의 가장자리 엣지에서 전단 결함을 보이거나 접착부가 분리되는 문제점을 가질 수 있다. 이러한 문제점은 금속 전극과 타겟 사이에서 아크 등을 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 인가되는 전압에 비해 낮은 효율의 플라즈마를 발생시킴으로써, 낮은 증착 효율을 나타낸다.
더구나 종래의 불소계고분자 타겟의 경우, 소수성의 특성 및 절연 특성을 가짐에 따라 금속 전극과 타겟의 표면 접촉각이 높아 이들을 고정화하기 위해서는 다양한 화학적 처리가 수반되어야 한다. 또한 상기 불소계고분자 타겟은 매우 큰 절연성을 나타내므로, 스퍼터링하기 위해서는, RF(radio-frequency)의 고주파 에너지가 인가되어야 하며, 이에 따라 불소계고분자 타겟은 그자체로서 변형될 뿐만 아니라 전극면과의 접합부위에 필연적으로 변형이 발생하거나 접합부위의 결함이 발생될 수 밖에 없었으며, 따라서, 피착체의 표면에 균일하게 증착되지 않기도 하거니와 증착효율이 매우 열악할 수 밖에 없었다.
이에, 본 출원인은 스퍼터링용 불소계고분자 타겟에 대한 연구를 심화한 결과, 불소계고분자 타겟 내에 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분 등에서 선택되는 하나이상을 도전성 성분을 함유시킴으로써, 전극에 대한 높은 접합력을 부여할 수 있어서 RF를 이용한 종래의 증착에서도 변형이 발생하지 않고 피착체에 균일하게 증착이 될 뿐만 아니라, 그 동안 초 발수성으로서 고에너지인 RF에 이외에는 증착이 어려운 불소계 고분자를 MF나 DC에서 와 같은 보다 산업적으로 유용한 낮은 전원방식에서도 증착이 매우 잘되고, 우수한 증착효율을 가지게 됨을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
즉, 상기 문제를 해결하는 수단으로 본 발명에서는 상기에서 설명한 바와 같이 불소계고분자와 도전성을 부여하는 기능화제을 함유한 불소계고분자 복합 타겟을 제공한다.
본 발명의 불소계고분자 복합 타겟은 타겟 전체에 고르게 도전성을 부여하는 기능화제가 균일하게 분포할 수도 있고, 일측 표면으로부터 타측 표면으로 상기 기능화제의 함량을 증가 또는 감소시켜 연속적으로 기능화제의 함량 구배를 줄 수도 있고, 두께방향으로 일정 구간 기능화제의 함량을 단계적으로 감소 또는 증가하도록 구배를 줄 수도 있다. 즉, 상기 구배는 면과 면사이의 두께 방향으로 상기 기능화제의 함량을 연속적으로 달리하여 구배를 줄 수도 있고, 2 이상의 단계로 함량을 변화시켜 구배를 주는 형태로 제조할 수도 있는데 이는 다양한 목적이나 기능에 따라 다양한 양태로 조절하여 제조될 수 있음을 의미한다. 본 발명에서 일 양태로서 불균일하게 기능화제를 분포시키는 불소계고분자 복합 타겟이나, 불소계고분자 복합 타겟이 고정되는 전극면 측과 반대측의 면의 일정 깊이로 도전성 기능화제만이 함유되는 형태 또한 본 발명의 범주에 속하며 그 반대의 경우도 도전성의 기능화제를 함유하는 이상은 본 발명의 범주에 속하지만, 좋게는 불소계고분자 복합 타겟 전체로서 기능화제가 함유되고, 특히 전극면과 접하는 면에 기능화제의 함량을 높게 하는 것이 전극면의 접착을 현저하게 증가시켜 다양한 상기에서 지적한 문제점을 해결할 수 있어서 선호된다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자 100 중량부 기준으로, 상기 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분 등에서 선택되는 하나 이상의 기능화제를 0.01 내지 2000 중량부로 함유할 수 있으며, 우수한 접합력을 가지기 위한 측면에서 바람직하게는 0.5 내지 1500 중량부, 보다 바람직하게는 1 내지 1000 중량부로 함유되는 것이 좋다.
또한 본 발명에서 구배를 가지는 불소계고분자 복합 타겟일 경우, 기능화제의 함량이 많은 부분이 전극과 접합하고 그 반대면이 증착되어 피착체와 결합하게 된다. 또한 단계적 구배를 주는 경우, 예를 들어 불소계고분자 복합 타겟 두께방향으로 2단계 구배를 주는 경우, 전극면과 접하는 부분(접합층)의 두께는 복합 타겟 전체 두께를 기준으로 1 내지 80 %의 두께일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 20 %의 두께를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 피착체는 불소계고분자 복합 타겟에 의해 불소계고분자가 증착되는 기재를 의미한다.
상기의 설명한 양태에서 보듯이, 물론 2단계 구배에서 전극면과 반대면의 증착되는 부분(기능층)인 제 2층은 상기 제 1층과 동일한 성분 및 동일한 함량의 기능화제를 또한 가질 수도 있으며, 통상적으로는 전극면과 접촉하는 제 1층에 기능화제를 더 포함하는 것이 좋지만 이에 한정하는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자에 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분 등의 도전성 기능화제를 포함함으로써, 전압을 인가하는 전극과의 표면 접촉각을 낮추어 높은 표면 에너지를 가질 수 있어서 고에너지를 인가하는 경우에라도 불소계고분자 복합 타겟이 변형이 일어나지 않는 놀라운 효과를 가진다. 또한 MF나 DC등의 전원방식에서도 상기 기능화제의 역할에 의해서 쉽게 증착이 되고 또한 증착효율에서도 놀라운 증대를 가져온다.
본 발명의 일 양태에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 절연 특성을 가지는 불소계고분자에 기능화제를 함유함으로써 불소계고분자 복합 타겟에 전도성을 부여함으로써 놀랍게도 MF 및 DC 전원방식에서도 스퍼터링이 가능할 수 있을 뿐 아니라 플라즈마 형성 효율을 증가시켜 높은 증착율을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 불소계고분자는 불소를 함유한 수지류 라면 한정되는 것은 아니나 바람직하게는 불소를 함유하는 올레핀을 중합시킨 합성수지인 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE, polychlorotrifluoroethylene), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride), 플로린화 에틸렌 프로필렌 공중합체 (FEP, fluorinated ethylene propylene copolymer), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체 (ETFE, ethylene tetrafluoroethylene copolymer), 에틸렌-클로로트리플루오로 에틸렌 공중합체 (ECTFE, ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer), 퍼플루오로알콕시 공중합체 (PFA, perfluoroalkoxy copolymer) 등에서 선택되는 하나 이상의 불소계고분자; 비닐플루오라이드 단일중합체 고무, 비닐플루오라이드 공중합체 고무, 비닐리덴플루오라이드 단일중합체 고무 및 비닐리덴플루오라이드 공중합체 고무 등에서 선택되는 하나 이상의 불소고무; 로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene), 플로린화 에틸렌 프로필렌 공중합체 (FEP, fluorinated ethylene propylene copolymer), 퍼플루오로알콕시 공중합체 (PFA, perfluoroalkoxy copolymer) 등 일 수 있지만 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 불소계고분자 복합 타겟은 전극 방향으로 고함량의 전도성입자, 전도성 고분자, 금속성분 또는 이들의 혼합물의 구배를 순차적으로 또는 단계적으로 적층되는 형태로 가질 수 있음은 앞에서도 살펴보았다. 또한 상기 기능화제에 금속화합물을 추가로 혼합할 수 있음을 앞에서도 살펴보았다. 이때, 상기 구배를 줄 때, 상기 기능화제의 함량이나 구배는 목적하는 박막의 특성에 따라 적절하게 조절 가능함은 물론이며, 상기 불소계고분자 복합 타겟은 기능화제 및 금속화합물을 혼합하여 제조될 수 있다.
이때, 상기 기능화제 중 상기 전도성입자의 비한정적인 일 예로는, 카본나노튜브, 카본나노섬유, 카본블랙, 그래핀(Graphene), 그라파이트 및 탄소섬유 등에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 또한, 상기 전도성 고분자의 비한정적인 일 예로는, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리플루렌(polyfluorene), 폴리피렌(polypyrene), 폴리아줄렌(polyazulene), 폴리나프탈렌(polynaphthalene), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리페닐렌비닐렌(poly phenylene vinylene), 폴리카르바졸(polycarbazole), 폴리인돌(polyindole), 폴리아제핀(polyazephine), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌비닐렌(polyethylene vinylene), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리퓨란(polyfuran), 폴리셀레노펜(polyselenophene), 폴리텔루로펜(polytellurophene) 등으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 금속성분은 제한하지 않지만 예를 들면 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 나이오븀(Nb), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 등 일 수 있으며, 이들 중 둘 이상의 혼합 금속일 수 있으며, 금속 전극과의 우수한 결착력을 가지는 측면에서 바람직하게는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 또는 이들의 혼합물, 보다 바람직하게는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 혼합물이 좋으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 양태로 상기 기능화제와 혼합하여 사용되는 금속화합물은 금속유기물, 금속산화물, 금속탄소체, 금속수산화물, 금속카보네이트, 금속바이카보네이트, 금속질화물 및 금속불화물 등에서 선택되는 하나 이상 일 수 있으며, 이의 구체적인 일예로는 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 인듐-주석산화물(ITO), 인듐-갈륨-아연 산화물 (IGZO), 아연산화물(ZnO), 산화인듐(In2O3), 주석산화물(SnO2), 산화티타늄(TiO2), 안티몬-주석산화물(Antimony Tin Oxide, ATO), 안티몬-아연산화물(Antimony Zinc Oxide, AZO), 스트론튬-티타늄산화물(SrTiO3), 세륨산화물(CeO2), 마그네슘산화물(MgO), 니켈산화물(NiO), 산화칼슘(CaO), 지르코늄산화물(ZrO2), 이트륨산화물(Y2O3), 산화알루미늄(Al2O3), 규소질화물(Si3N4), 불화마그네슘(MgF2), 불화구리(CuF2) 등에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 전극에 대한 보다 우수한 접합력을 가지기 위한 측면에서 상기 금속화합물은 규소질화물(Si3N4), 불화마그네슘(MgF2) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이를 이용하여 제조되는 박막의 경도를 높이기 위한 측면에서 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 규소질화물(Si3N4) 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자와 혼합하는 기능화제나 금속화합물의 종류 및 함량을 조절함에 따라, 이를 이용하여 형성된 박막에 다양한 기능성을 부여할 수 있다.
보다 상세하게, 상기 다양한 양태에 포함되는 상기 전도성입자, 전도성 고분자, 금속성분 및 금속화합물이 상기 불소계고분자 복합 타겟에 포함됨으로써, 타겟에 전도성을 부여하여 RF 뿐만 아니라 MF 및 DC전원에서도 스퍼터링이 가능하며, 이를 이용하여 제조된 박막의 전도성 및 강도를 현저히 증진시킬 수 있다.
본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟을 이용하여 형성된 박막은 기본적으로 초소수성, 고투명성을 유지하면서 광학적 특성이 우수하며, 오염 방지, 반사방지, 내화학성 및 윤활성 등이 우수하다.
또한 상기 불소계고분자 복합 타겟은 기능화제와 금속화합물의 종류 및 함량을 조절함으로써, 제조된 박막의 전도성 및 강도를 향상 시킬 수 있다. 또한 기능화제를 반드시 함유하는 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 타겟 내 향상된 전도성으로 인해 보다 낮은 전압에서도 스퍼터링이 가능하여 낮은 비용으로 불소함유 박막을 제조할 수 있다는 장점을 가진다.
이는 종래 불소계고분자 타겟을 스퍼터링하기 위해 고주파의 전원을 인가해야만 하는 공정과는 달리, 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟에는 전도성을 부여함에 따라 RF뿐만 아니라 MF 또는 DC에서도 원활히 스퍼터링이 가능하고 또한 그 효율에 있어서도 매우 높은 놀라운 효과를 가지게 된다.
이하 본 발명의 불소계고분자 복합 타겟의 제조방법에 대하여 살펴본다.
본 발명의 일 양태에 따른 불소계고분자 복합 타겟의 일 제조예를 설명하면 다음과 같다. 즉, 불소계고분자와 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 기능화제를 일정 혼합비로 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 단계, 불소계고분자와 기능화제 또는 기능화제와 금속화합물의 혼합물을 일정 혼합비로 혼합하여 제2혼합물을 제조하는 단계, 및 상기 제1혼합물 및 제2혼합물을 압축성형 및 열처리하여 타겟을 제조하는 단계, 를 포함하는 방법으로 2단 구배를 가지는 불소계고분자 복합 타겟을 제조할 수 있다. 이때, 상기 제1혼합물 및 제2혼합물의 혼합비가 동일하다면 제2혼합물을 제조하는 단계는 수행되지 않아도 된다. 또한 연속구배를 가지는 경우, 불소계고분자 분말층의 상부에 기능화제 또는 기능화제와 금속화합물을 혼합한 후 약하게 진동시켜 표면의 기능화제가 침투하도록 한 후 압축 열처리하여 연속 구배를 가지는 불소계고분자 복합 타겟을 제조할 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 스퍼터링 챔버 내부의 전극면에 접착되는 면에 반드시 기능화제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 방법에 있어, 상기 제1혼합물과 제2혼합물의 혼합비는 목적에 따라 조절 가능함은 물론이며, 금속 전극에 대한 접착력 및 전도성을 부여하기 위한 측면에서 상기 접합층을 형성하는 제1혼합물은 불소계고분자 100 중량부 기준으로, 상기 기능화제를 0.1 내지 2000 중량부로 함유할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 1000 중량부, 보다 바람직하게는 20 내지 500 중량부로 함유되는 것이 좋으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 함량은 불소계 고분자 100중량부에 대하여 상기성분 100중량부 이하, 50중량부 이하 또는 20중량부 이하 등의 것도 모두 포함되는 의미임은 자명하다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 불소계고분자 복합 타겟에 있어, 상기 기능층을 형성하는 제2혼합물은 불소계고분자 100 중량부 기준으로, 상기 기능화제 또는 기능화제와 금속화합물의 혼합물을 0.1 내지 1000 중량부로 함유할 수 있으며, 높은 전도성 및 이를 이용해 제조되는 박막의 내구성을 향상시키기 위한 측면에서 바람직하게는 0.1 내지 300 중량부, 보다 바람직하게는 0.1 내지 100 중량부로 혼합되는 것이 좋으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전도성입자, 전도성 고분자, 금속성분 및 금속화합물의 경우, 불소계고분자 분말과 적절한 혼화성 및 균일한 조성을 가질 수 있는 정도의 크기라면 한정되는 것은 아니나 바람직하게는 10 nm 내지 1000 ㎛, 좋게는 10 nm 내지 100 ㎛범위의 평균 입도를 가지는 것이 좋으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 압축성형은 제한되지 않지만, 바람직하게는 100 내지 500 kgf/㎠에서 수행될 수 있으며, 균일하고 매끄러운 타겟 표면을 구현하기 위한 측면에서 150 내지 400 kgf/㎠에서 수행되는 것이 좋으며, 상기 열처리는 또한 본 발명의 목적하는 범위에서는 제한되지 않지만 좋게는 250 내지 450 ℃에서 수행될 수 있으며, 금형의 모양 및 크기에 따라 압축성형 및 열처리 시간은 적절하게 조절될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 양태에 따른 전도성을 높인 불소계고분자 복합 타겟은 RF 전압뿐 아니라 MF 및 DC 전압에서도 우수한 증착효율을 가지는 증착이 가능하며, 플라즈마 형성 효율이 우수하여 안정적으로 피착체에 스퍼터링 증착이 가능하며, 박막 증착 시 높은 증착율을 구현할 수 있으며, 기존 높은 에너지대의 전압을 인가함에 따른 절연파괴를 방지할 수 있다는 장점을 가진다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 피착체는 실리콘, 금속, 세라믹, 수지, 종이, 유리, 수정, 섬유, 플라스틱, 유기 고분자 등에서 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명에 따른 전극의 모양은 제한 받지 않으며, 불균일한 표면을 가지는 금속 전극에 적용할 경우에도 균일하고 매끄러운 박막을 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이 종래 불소계고분자 타겟은 불소계고분자의 절연 특성으로 인해, 고주파의 높은 에너지대의 전압을 인가함으로써 스퍼터링이 수행되어야만 하였고 따라서 변형되어 균일한 스퍼터링이 불가능하였으며, 전압을 인가하는 금속 전극과의 접착력이 약해 금속 전극 사이에서 아크 등의 문제점이 발생하여 낮은 박막 증착율을 가져 양산화에 적용하기 어려움이 있었다.
이에, 본 발명은 종래 높은 에너지대의 전압을 인가함에 따른 타겟의 결함을 개선하고, MF 또는 DC 전원방식에서도 동일한 박막을 구현할 수 있다. 또한, 증착효율이 매우 우수하여, 단시간 내에 대면적 박막의 제조가 가능한 롤투롤 공정에 의한 연속 제조의 구현이 가능하며, 기존 롤투롤 장비에서 별도의 개조 비용 없이 타겟의 교환으로 바로 적용이 가능하여 상업성 또한 우수하고, 공정의 단순화 및 제조 원가 절감이 가능한 장점을 가질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟은 금속 전극과의 극히 우수한 결합력을 가질 뿐 아니라 불소함유 박막 제조를 위한 스퍼터링 공정으로의 활용이 가능하여 나노 사이즈의 박막의 제조가 가능하며, 박막의 두께를 정밀하게 제어 가능하다는 장점을 가진다.
본 발명은 상술된 다양한 양태에 따른 불소계고분자 복합 타겟을 챔버 내에 고정하는 단계와 상기 불소계고분자 복합 타겟에 MF 또는 DC를 인가하여 증착하는 단계를 포함하는 스퍼터링 방법을 제공한다. 이때, 상기 스퍼터링 방법에서 사용된 인가전압인 MF는 50KHz에서 수행되었으며, DC는 100 V에서 수행되었으나 이는 본 발명의 일 양태에 해당하는 것일 뿐 이에 한정되지 않는다.
또한 본 발명은 상술한 불소계고분자 복합 타겟에 의해 제조되는 성형체를 제공한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 어떤 의미로든 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 불소계고분자 복합타겟 및 제조된 박막의 물성은 다음과 같이 측정하였다.
1. 접촉각 측정
완성된 박막의 수접촉각을 접촉각 측정기(PHOEIX 300 TOUCH, SEO 사)를 사용하여 측정하였다.
2. 가시광선 투과율 측정
완성된 박막에 Spectrophotometer(U-4100, Hitachi사)를 이용하여 빛을 조사하여 가시광선(550 nm)의 투과율을 측정하였다.
3. 타겟 부착력
완성된 타겟을 Cu 백킹플레이트와 Si 엘라스토머(Hankel, Loctite ABLESTIK ICP 4298)를 이용하여 접착한 후 접착 유지 시간을 측정하였다.
4. 타겟 표면 면저항
완성된 타겟의 표면 면저항을 4-point probe (MCP-T610, Mitsubishi Chemical Analytech)를 이용하여 측정하였다.
분말PTFE(polytetrafluoroethylene, DuPont 7AJ) 20 wt%, 구리분말(평균입경 25um) 80 wt%를 이용하여 전극면과 접합하는 접합층(두께 1.0 mm)을, 상기 접합층 상부에 형성되는 증착층인 기능층은 PTFE 85 wt%, 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube) 15 wt%을 이용하여 두께 5.0 mm로 한 후, 금형(가로 120 mm, 세로 55 mm, 두께 30 mm) 상부에 순차적으로 넣어 300 kgf/㎠ 조건에서 압축성형하고, 370 ℃에서 열처리 후 서서히 냉각하여 가공한 후 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다.
상기 제조된 불소계고분자 복합 타겟을 이용하여, DC(Direct Current) 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 전원 방식으로 박막을 증착하였다. 이때, 기판은 1 X 2 ㎠ 크기의 Si wafer 기판을 아세톤과 알코올로 각각 5분간 초음파 세척기를 사용하여 세척하고 건조하여 준비하였다. 준비된 기판은 알루미늄으로 제작된 기판 홀더(holder)에 내열 테이프를 사용하여 부착하였고, 기판 홀더를 챔버내의 기판 스테이지(stage)에 거치한 후 챔버를 닫고 로터리(rotary) 펌프(pump)로 50 mtorr까지 진공(vacuum)을 배기하였고, 저진공 작업을 완료한 후 cryogenic 펌프로 고진공을 형성하였다. 상온(25 ℃)에서 기판과 타겟 사이의 거리를 24 cm로 고정하고, 파워(200 W)와 가스(gas, Ar) 분압(10 mtorr)으로 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 그 결과, 상기 방법으로 제조된 불소계고분자 복합 타겟은 우수한 접착유지시간 및 면저항에서 도전성을 충분히 유지하면서도 전극과의 접착유지 시간이 현저히 상승함을 알 수 있었다. 이는 도전성을 띄지 않아 실질적으로 증착이 되지 않거나 불완전 증착이 되는 불소계고분자만의 타겟인 비교예 1의 결과와 비교시 완전히 상이한 놀라운 효과임을 알 수 있다.
또한 DC 마그네트론 스퍼터링법(Direct Current magnetron sputtering)으로 박막 증착시, 파워값에 따른 효과를 확인하기 위하여 200, 300 W에서의 박막증착율을 확인하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 그 결과, 박막 증착효율에 있어서 상기 탄소나노튜브와 구리성분을 사용하지 않은 비교예 1에 비하여 동일시간 및 동일 인가에너지에 따라 6.6 배 및 9 배의 놀라운 증착효율(증착두께의 차이)을 나타냄을 알 수 있었다.
상기 실시예 1의 불소계고분자 복합 타겟을 이용하여, MF 마그네트론 스퍼터링(mid-range frequency magnetron sputtering) 전원 방식으로 파워 200W 조건으로 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
또한 MF 마그네트론 스퍼터링법(mid-range frequency magnetron sputtering)으로 박막 증착시, 파워값에 따른 효과를 확인하기 위하여 200, 300 W에서의 박막증착율을 확인하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 그 결과, 박막 증착효율에 있어서 상기 탄소나노튜브와 구리성분을 사용하지 않은 비교예 1에 비하여 동일시간 및 동일 인가에너지에 따라 3.2 배 및 3.3 배의 증착효율(증착두께의 차이)을 나타냄을 알 수 있었다.
분말PTFE(polytetrafluoroethylene, DuPont 7AJ) 85 wt%, 그라파이트(Graphite) 15 wt%를 이용하여 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다. 그리고 실시예 2와 같이 MF 전원 방식으로 200W 조건에서 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
분말 FEP(Fluorinated Ethylene Propylene Copolymer, 3M Dyneon FEP 6338Z) 90 wt%, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 10 wt%를 이용하여 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다. 그리고 실시예 2와 같이 MF 전원 방식으로 200W 조건에서 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
분말 PTFE(polytetrafluoroethylene, DuPont 7AJ) 80 wt%, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 10 wt%, 산화실리카 (SiO2) 10 wt%를 이용하여 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다. 그리고 실시예 2와 같이 MF 전원 방식으로 200W 조건에서 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
분말 PFA(perfluoroalkoxy copolymer, 3M Dyneon PFA 6503) 60 wt%, 분말 PTFE(polytetrafluoroethylene, DuPont 7AJ) 30 wt%, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 10 wt%를 이용하여 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다. 그리고 실시예 2와 같이 MF 전원 방식으로 300W 조건에서 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
분말 PFA(perfluoroalkoxy copolymer, 3M Dyneon PFA 6503) 99 wt%, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 1 wt%를 이용하여 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다. 그리고 실시예 9와 같이 MF 전원 방식으로 200W 조건에서 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
분말 PTFE(polytetrafluoroethylene, DuPont 7AJ) 95 wt%, 폴리피롤(polypyrrole) 5 wt%, 그리고 도펀트(dopant)로 DBSA (Dodecyl Benzene Sulfonic Acid) 0.1 mol%를 이용하여 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다. 그리고 실시예 2와 같이 MF 전원 방식으로 200W 조건에서 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
상기 실시예 1의 기능층의 조성 대신 PTFE 65 wt%, 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube) 15 wt%, Silver (Ag) 20 wt%으로 변경하여, 불소계고분자 복합 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다. 그리고 실시예 2와 같이 MF 전원 방식으로 200W 조건에서 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
(비교예 1)
반응용기에 PTFE(polytetrafluoroethylene) 100 wt% 를 균일하게 혼합한 후 금형(120 mm, 세로 55 mm, 두께 30 mm) 상부에 넣어 300 kgf/㎠ 조건에서 압축성형하고, 370 ℃에서 열처리 후 서서히 냉각하여 가공한 후 불소계고분자 타겟(직경 4인치, 두께 6 mm)을 제조하였다.
상기 제조된 불소계고분자 타겟을 이용하여 RF 마그네트론 스퍼터링법(Radio Frequency magnetron sputtering)으로 박막을 증착하였다. 이때, 실시예 1에서 기술한 바와 동일한 방법으로 100 nm 박막(thin film)을 제작하였다.
또한 동일한 타겟으로 MF와 DC 방식으로 스퍼터링을 시도하였지만 플라즈마 방전이 발생하지 않아 박막 증착이 불가하였다.
상기 방법으로 제조된 박막의 물성을 확인하기 위하여 접촉각, 가시광선 투과율, 타겟 부착력 및 타겟의 표면 면저항을 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었으며, RF 마그네트론 스퍼터링법(Radio Frequency magnetron sputtering)으로 박막 증착시, 파워값에 따른 효과를 확인하기 위하여 200, 300 W에서의 박막증착율을 확인하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
Figure pat00001
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 높은 표면 접촉각과 우수한 가시광선 투과율을 가질 뿐 아니라 전도성입자, 전도성 고분자, 금속성분 또는 이들의 혼합물을 함유함으로써 금속 전극에 대한 우수한 접합력을 보임을 알 수 있었으며, 향상된 도전성을 가짐으로써 우수한 면저항성을 가져 MF 및 DC 전원방식으로도 스퍼터링이 가능한 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟을 제조할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
Figure pat00002
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 고 에너지를 인가하는 스퍼터링에서 발생될 수 있는 형태의 변형 및 이로 인한 절연파괴를 최소화 할 수 있음을 알 수 있었으며, 그 결과 본 발명의 실시예 1의 경우에는 불소계고분자만으로 타겟(비교예 1)을 사용하는 경우와 대비하여 볼 때, 증착두께 대비 효율에서 6.6 배 및 9 배의 증착효율을 나타내었고, 실시예 2의 경우에는 3.2 배 및 3.3 배의 증착효율의 놀라운 효과의 증가를 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 경우 타겟의 휨 정도가 커 육안으로도 금속 전극과의 접합성이 떨어져 높은 증착효율의 구현이 어려웠던 것으로 판단된다. 즉, 본 발명에 따른 불소계고분자 복합 타겟은 낮은 에너지대의 MF 및 DC 마그네트론 스퍼터링이 가능할 뿐 아니라 RF 전원 방식에 비해 월등히 높은 증착율을 보임을 확인할 수 있었다.

Claims (17)

  1. 스퍼터링 챔버 내부에 투입되어 증착되는 불소계고분자 복합 타겟으로서, 상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자와 도전성 기능화제를 포함하는 혼합물을 성형하여 제조되는 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기능화제는 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분에서 선택되는 하나 이상인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성입자는 카본나노튜브, 카본나노섬유, 카본블랙, 그래핀, 그라파이트 및 탄소섬유에서 선택되는 하나 이상인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리플루렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리카르바졸, 폴리인돌, 폴리아제핀, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌비닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리퓨란, 폴리셀레노펜 및 폴리텔루로펜에서 선택되는 하나 이상인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 금속성분은 Cu, Al, Ag, Au, W, Mg, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Pt, Cr 및 Ta 에서 선택되는 하나 이상인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 불소계고분자 복합 타겟은 금속유기물, 금속산화물, 금속탄소체, 금속수산화물, 금속카보네이트, 금속바이카보네이트, 금속질화물 및 금속불화물에서 선택되는 하나 이상의 금속화합물을 더 포함하는 것인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속화합물은 SiO2, Al2O3, ITO, IGZO, ZnO, In2O3, SnO2, TiO2, AZO, ATO, SrTiO3, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZrO2, Y2O3, Al2O3 , MgF2, CuF2, Si3N4, CuN 및 AlN에서 선택되는 하나 이상인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 불소계고분자는 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 플로린화 에틸렌 프로필렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체 , 에틸렌-클로로트리플루오로 에틸렌 공중합체, 퍼플루오로알콕시 공중합체, 비닐플루오라이드 단일중합체 고무, 비닐플루오라이드 공중합체 고무, 비닐리덴플루오라이드 단일중합체 고무 및 비닐리덴플루오라이드 공중합체 고무에서 선택되는 하나 이상인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자 100 중량부에 대하여 상기 기능화제를 0.01 내지 2000 중량부로 함유하는 것인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 불소계고분자 복합 타겟은 두께 방향으로 상기 기능화제의 함량 구배를 가지도록 제조되는 것인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 구배는 전극면을 향하여 기능화제 또는 기능화제와 금속화합물의 혼합성분의 함량이 높고, 피착체의 방향으로는 기능화제 또는 기능화제와 금속화합물의 혼합성분의 함량이 감소되도록 전극면상에 접착되는 것이거나 또는 그 반대로 접착된 것인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 불소계고분자 복합 타겟의 구배는 2 단 이상의 복합 타겟이 적층된 형태로 열성형되어 제조되거나 연속적인 함량의 구배를 가지는 것인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  13. 스퍼터링 챔버 내부에 투입되어 증착되는 불소계고분자 복합 타겟으로서, 상기 불소계고분자 복합 타겟은 불소계고분자 100 중량부에 대하여 0.01 내지 2000 중량부의 기능화제를 포함하는 전극면과 접하는 층 및 상기 불소계고분자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1000 중량부의 기능화제를 포함하는 전극과 반대면을 형성하는 층을 포함하는 2개 이상의 층으로 이루어지고, 상기 각층의 기능화제는 동일하거나 상이한 것인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기능화제는 전도성입자, 전도성 고분자 및 금속성분에서 선택되는 하나 이상인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 불소계고분자 복합 타겟은 금속유기물, 금속산화물, 금속탄소체, 금속수산화물, 금속카보네이트, 금속바이카보네이트, 금속질화물 및 금속불화물에서 선택되는 하나 이상의 금속화합물을 더 포함하는 것인 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟.
  16. MF 또는 DC 스퍼터링을 위한 스퍼터링 챔버, 상기 챔버 내부에 형성되는 제 1전극 인가부, 상기 제 1전극 인가부 상부면에 위치하는 제1항 내지 제15항에서 선택되는 어느 한 항의 MF 또는 DC 스퍼터링용 불소계고분자 복합 타겟, 제 2전극 인가부, 상기 불소계고분자 복합 타겟과 제 2전극 인가부 사이에 위치하는 피착체를 포함하는 스퍼터링 증착시스템.
  17. 제1항 내지 제15항에서 선택되는 어느 한 항의 불소계고분자 복합 타겟을 챔버 내에 고정하는 단계와 상기 불소계고분자 복합 타겟에 MF 또는 DC를 인가하여 증착하는 단계를 포함하는 스퍼터링 방법.
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