KR20230049562A - 몰리브덴 산화물계 소결체, 상기 소결체를 이용한 박막, 상기 박막을 포함하는 박막트랜지스터 및 디스플레이 장치 - Google Patents

몰리브덴 산화물계 소결체, 상기 소결체를 이용한 박막, 상기 박막을 포함하는 박막트랜지스터 및 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저반사, 내화학성 및 내열성이 우수한 몰리브덴 산화물계 소결체, 상기 소결체를 이용한 박막, 상기 박막을 포함하는 박막트랜지스터 및 디스플레이 장치를 제공한다.

Description

몰리브덴 산화물계 소결체, 상기 소결체를 이용한 박막, 상기 박막을 포함하는 박막트랜지스터 및 디스플레이 장치 {MOLYBDENUM OXIDE BASED SINTERED BODY, METAL OXIDE THIN FILM USING THE SINTERED BODY, AND THIN FILM TRANSISTORS AND DISPLA DEVICES COMPRISING THE THIN FILMS}
본 발명은 저반사, 내화학성 및 내열성이 우수한 몰리브덴 산화물계 소결체, 상기 소결체를 이용한 박막, 상기 박막을 포함하는 박막트랜지스터 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.
일반적으로 평판 디스플레이(flat panel display; "FPD"), 터치 스크린 패널, 태양 전지, 발광 다이오드(light emitting diode; "LED"), 유기 발광다이오드(organic light emitting diode; "OLED")에 저반사율의 도전성 박막이 사용되고 있다.
이에 대한 소재로서 산화인듐-산화주석(In2O3-SnO2)("ITO")이 대표적이며 ITO 조성물은 가시광선 투과도와 전기 전도율이 높은 도전성 박막을 형성하는 데 사용된다. 이러한 ITO 조성물은 우수한 저반사율 성능을 가지기는 하지만, 경제성이 떨어지기 때문에 산화인듐의 전부 또는 일부를 대체하는 소재들에 대한 연구가 계속되고 있다.
하지만 이러한 연구들에서 관심이 있는 부분은 타겟 재료를 통해 형성된 박막의 저반사율로서, 장시간 사용에 대한 박막의 신뢰도를 높일 수 있는 내화학성, 내열성의 특성에 대한 고려가 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2008-0058390호
한편 본 발명자들은 기존 몰리브덴 산화물 타겟이 저반사 특성을 나타내는 반면, 내열성 및 내화학성이 상대적으로 저조하다는 것을 착안하였다.
이에, 본 발명은 주(主)원료인 몰리브덴 산화물에 내화학성 향상을 위한 적어도 2종의 도펀트 산화물(M2, M3)과 특정 금속 도펀트(M4)를 소정 범위로 첨가하여 혼용함으로써 저반사 특성, 내열성 및 내화학성이 동시에 우수한 스퍼터링 타겟용 소결체, 이로부터 형성된 금속 산화물 박막, 및 상기 금속 산화물 박막이 형성된 박막트랜지스터와 디스플레이장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 설명될 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 MoO2와 MoO3을 포함하고, 상기 MoO2 및 MoO3 중 MoO2의 함량이 50~90 중량%로 구성되는 몰리브덴 산화물(M1); Nb, Ta, Zr, Ti, Sn, 및 W으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소를 포함하는 제1 금속산화물(M2); In, Ga, Si, 및 Zn으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소를 포함하는 제2 금속산화물(M3); 및 Mo, Ti, Cr, W, 및 Cu으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속(M4);을 포함하며, 당해 소결체의 총 중량 대비 적어도 60 중량% 이상의 몰리브덴 산화물 (M1)을 함유하는 산화물 소결체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 몰리브덴 산화물(M1)은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 60 내지 70 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1 금속산화물(M2)는 Nb2O5, Ta2O5, ZrO2, TiO2, SnO2, 및 WO3 로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1 금속산화물(M2)는 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 5 중량% 이상, 당해 소결체 100 중량%를 만족하는 잔량 범위로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2 금속산화물(M3)는 In2O3, Ga2O3, SiO2 및 ZnO로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2 금속산화물(M3)는 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 3 내지 12 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 금속(M4)은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 1.0 내지 30.0 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 산화물 소결체는 비저항이 1×10-2 Ωcm 이하이며, 상대밀도가 95% 이상일 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 소결체를 포함하는 스퍼터링 타겟을 제공한다.
또한 본 발명은 전술한 스퍼터링 타겟으로부터 형성된 산화물 박막을 제공한다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 산화물 박막은 게이트층, 소스층 및 드레인층 중 어느 하나로 포함될 수 있다.
아울러 본 발명은 전술한 산화물 박막을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 몰리브덴 산화물(M1)을 주된 성분으로 하고, 여기에 적어도 2종의 금속산화물 도펀트(M2, M3)와 특정 금속 도펀트(M4)를 소정 범위로 첨가하여 혼용(混用)함으로써, 몰리브덴 산화물계 소결체의 소결성을 개선하고 고밀도를 확보할 수 있다.
또한 상기 소결체로부터 형성된 박막은 저반사 특성을 가지는 동시에 내열성 및 내화학성이 우수하다. 이에 따라 이러한 박막을 포함하여 이루어지는 박막 트랜지스터 또는 디스플레이장치의 동작 신뢰성을 확보할 수 있다.
그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "위에" 또는 "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 위쪽에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 그리고, 본원 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라 구성요소들을 서로 구별하고자 사용된 것이다.
<소결체 및 스퍼터링 타겟>
본 발명의 일 예는, 몰리브덴 산화물을 주(主)성분으로 하는 스퍼터링용 타겟을 제작하기 위한 금속산화물 소결체이다.
일 구체예를 들면, 상기 소결체는 (i) MoO2와 MoO3을 포함하고, 상기 MoO2 및 MoO3 중 MoO2의 함량이 50~90 중량%로 구성되는 몰리브덴 산화물(M1), (ii) Nb, Ta, Zr, Ti, Sn, 및 W으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소를 포함하는 제1 금속산화물(M2); (iii) In, Ga, Si, 및 Zn으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소를 포함하는 제2 금속산화물(M3); 및 (iv) Mo, Ti, Cr, W, 및 Cu으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속(M4);을 포함하며, 당해 소결체의 총 중량 대비 적어도 60 중량% 이상의 몰리브덴 산화물 (M1)을 함유하는 산화물 소결체를 제공한다.
전술한 조성으로 이루어진 금속산화물 소결체를 타겟 재료로 사용하여 박막을 형성하는 경우, 형성된 박막은 저반사 특성을 가지는 것과 동시에 몰리브덴 산화물의 비율과 조성의 최적화를 통해 내열성 및 내화학성이 향상된다.
이하, 각 성분에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 산화물 소결체에 포함되는 몰리브덴 산화물(M1)은, 소결체를 구성하는 주(主) 성분이다.
몰리브덴 산화물(M1)은 예를 들면 MoO2, MoO3, MoO4와 같이 몰리브덴에 산소가 결합된 형태를 가지는 성분이다. 본 발명에서는 몰리브덴 산화물로서 MoO2와 MoO3을 필수 성분으로 포함한다.
상기 몰리브덴 산화물을 이루는 MoO2와 MoO3의 함량에 있어서, MoO2는 50 내지 90 중량%의 함량을 가지고 MoO3는 10 내지 50 중량%의 함량을 가진다. MoO2 함량이 50 중량% 미만일 경우 상대적으로 MoO3의 양이 많아져서 소결밀도가 낮게 나오고 박막으로 증착 시 화학안정성 또한 좋지 않다. 한편 MoO2의 함량이 90 중량%를 초과하는 경우, MoO2 함량이 많아짐에 따라 소결밀도는 높게 나올 수 있지만 타겟 강도가 낮아져서 타겟 내에 균열이 발생할 수 있다. 한편 이를 MoO2/MoO3 중량% 비율로 나타내면 1~16이 되며, 구체적으로 3 내지 16, 보다 구체적으로 5 내지 16일 수 있다.
상기 몰리브덴 산화물(M1) 은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 60 중량% 이상 포함될 수 있으며, 구체적으로 60 내지 70 중량%로 포함될 수 있다. 본 발명에서 몰리브덴 산화물의 비율이 당해 금속산화물 소결체 전체에서 60 중량% 이상을 차지할 경우 박막으로 증착시 저반사 특성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 산화물 소결체에 포함되는 첨가성분 중 하나는 Nb, Ta, Zr, Ti, Sn, 및 W으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소를 포함하는 제1 금속산화물(M2)이다.
이러한 제1 금속산화물(M2)은 내화학성 및 내열성 특성을 개선하는 산화물 도펀트로서, 상기 제1 금속산화물 첨가에 의해 몰리브덴 산화물(M1)의 내화학성 및 내열성 특성을 높일 수 있다. 상기 제1 금속산화물(M2)은 Nb, Ta, Zr, Ti, Sn, 및 W 중 적어도 하나의 원소(A1)에 산소가 결합된 형태를 가지는 성분이라면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 Nb2O5, Ta2O5, ZrO2, TiO2, SnO2, 및 WO3로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 이하의 설명에서는 제1 금속산화물 성분을 기호화 하여 M2로 표시한다.
상기 제1 금속산화물(M2)는 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 5 중량% 이상, 당해 소결체 100 중량%를 만족하는 잔량 범위로 포함될 수 있다. 구체적으로, 제1 금속산화물(M2)의 함량은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 7 내지 30 중량%일 수 있으며, 보다 구체적으로 15 내지 25 중량%일 수 있다.
본 발명에 따른 산화물 소결체에 포함되는 첨가성분 중 다른 하나는 In, Ga, Si, 및 Zn으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소를 포함하는 제2 금속산화물(M3)이다.
이러한 제2 금속산화물(M3)는 내화학성, 에칭 특성 등을 향상시키기 위한 도펀트로서, 상기 제2 금속산화물(M3) 첨가에 의해 몰리브덴 산화물(M1)의 내화학성, 에칭특성 특성 등을 높일 수 있다. 상기 제2 금속산화물(M3)은 In, Ga, Si, 및 Zn 중 적어도 하나의 원소(A2)에 산소가 결합된 형태를 가지는 성분이라면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 In2O3, Ga2O3, SiO2 및 ZnO로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 이하의 설명에서는 제2 금속산화물 성분을 기호화 하여 M3로 표시한다.
상기 제2 금속산화물(M3)는 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 3 내지 12 중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로, 제2 금속산화물(M3)의 함량은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 3 내지 10 중량%일 수 있으며, 보다 구체적으로 4 내지 10 중량%일 수 있다.
본 발명에 따른 산화물 소결체에 포함되는 첨가성분 중 또 다른 하나는 Mo, Ti, Cr, W, 및 Cu으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속(M4)이다.
이러한 금속(M4)은 몰리브덴 산화물의 소결성을 보조하여 밀도 상승 효과를 나타내는 금속 도펀트로서, 상기 금속 첨가에 의해 몰리브덴 산화물의 내화학성 및 내열성 특성을 높일 수 있다. 이하의 설명에서는 Mo, Ti, Cr, W, 및 Cu 중 적어도 하나 이상의 성분을 기호화하여 M4로 표시한다.
상기 금속(M4)은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 1.0 내지 30.0 중량%로 포함될 수 있다. 구체적으로, 금속(M4)의 함량은 5.0 내지 25.0 중량% 범위이며, 보다 구체적으로 7.0 내지 20.0 중량%일 수 있다.
전술한 몰리브덴 산화물(M1), 제1 금속산화물(M2), 제2 금속산화물(M3), 및 금속(M4)을 포함하는 금속산화물 소결체는, 당해 소결체 100 중량%를 기준으로 몰리브덴 산화물(M1) 60.0 내지 70.0 중량%; 제2 금속산화물(M3) 3.0 내지 12.0 중량%; 금속(M4) 1.0 내지 30.0 중량%;를 포함하고, 상기 제1 금속산화물(M2)는 당해 소결체 100 중량%를 만족하는 잔량 범위로 포함되는 조성을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 산화물 소결체는, 상대밀도가 95% 이상이며, 그 상한치는 특별히 제한되지 않는다. 또한 산화물 소결체의 비저항이 1×10-2 Ωcm 이하이며, 그 하한치는 특별히 제한되지 않는다. 그리고 산화물 소결체에 포함된 결정립의 크기는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 1 내지 20 ㎛일 수 있으며, 구체적으로 1 내지 10 ㎛일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스퍼터링 타겟은, 전술한 몰리브덴 산화물을 주(主)성분으로 하는 산화물 소결체; 및 상기 소결체의 일면에 접합되어 상기 소결체를 지지하는 백킹 플레이트를 포함한다.
여기서, 백킹 플레이트는 스퍼터링 타겟용 소결체를 지지하는 기판으로서, 당 분야에 알려진 통상적인 백킹 플레이트를 제한 없이 사용할 수 있다. 이때 백킹 플레이트를 구성하는 재료 및 이의 형상은 특별히 제한되지 않는다.
<산화물 소결체 및 스퍼터링 타겟의 제조방법>
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 산화물 소결체 및 스퍼터링 타겟의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
상기 제조방법의 바람직한 일 실시예를 들면, (i) 몰리브덴 산화물(M1), 제1 금속산화물(M2), 화학안정성(에칭특성) 등의 향상을 위한 제2 금속산화물(M3), 및 적어도 1종의 금속(M4)을 혼합하는 제1 단계; (ii) 혼합된 원료분말을 소결하는 제2 단계; (iii) 재료분말이 소결된 소결체를 가공하는 제3단계; 및 (iv) 소결체를 백킹플레이트에 본딩하여 타겟을 완성하는 제4 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
이하, 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
먼저 제1 단계에서는, MoO2와 MoO3로 이루어진 몰리브덴 산화물 분말(M1); Nb2O5, Ta2O5, ZrO2, TiO2, SnO2, 및 WO3 중 적어도 하나 이상의 제1 금속산화물(M2) 분말; In2O3, Ga2O3, SiO2 및 ZnO 중 적어도 하나 이상의 제2 금속산화물(M3) 분말; 및 Mo, Ti, Cr, W, 및 Cu 중 적어도 1종의 금속(M4)을 원하는 화학 조성에 맞게 칭량한 후 혼합한다.
구체적으로, 상기 원료분말은 전체 100 중량%를 기준으로 하여, 몰리브덴 산화물(M1) 60.0 내지 70.0 중량%; 제2 금속산화물(M3) 3.0 내지 12.0 중량%; 금속(M4) 1.0 내지 30.0 중량%; 및 당해 소결체 100 중량%를 만족시키는 잔량의 제1 금속산화물(M2)를 포함하는 조성을 가질 수 있다. 이때 몰리브덴 산화물 분말에서 MoO2의 비율은 50~90 중량% 범위 내에서 선택할 수 있다.
상기 제1 단계의 일 구체예를 들면, 몰리브덴 산화물(M1 = MoO2+MoO3)과 제1 금속산화물(M2) 분말의 (MoO2+MoO3+M2)/(MoO2+MoO3) 중량% 비율이 1.22 내지 1.44%가 되도록 칭량한다.
또한 몰리브덴 산화물(M1)과 제2 금속산화물(M3) 분말의 (MoO2+MoO3+M3)/(MoO2+MoO3) 중량% 비율이 1.01 내지 1.14%가 되도록 칭량한다.
이어서 혼합된 원료분말에 금속 분말(M4)을 첨가하되, 상기 금속(M4) 분말의 (MoO2+MoO3+M2+M3+M4) / (MoO2+MoO3+M2+M3) 중량% 비율이 1.04 내지 1.32%가 되도록 칭량한다. 여기에서 MoO2의 함량과 MoO3의 함량은 분자와 분모에서 각각 동일하다. 혼합된 분말은 지르코니아 볼을 이용하여 건식 볼밀 공정을 수행한다.
지르코니아 볼은 분말량의 1~3배로 칭량할 수 있고, 볼밀은 100~300 rpm의 속도로 7~9시간 동안 수행할 수 있다. 건식 볼밀을 완료한 후에 체질(Sieve)하여 분말 혼합을 완료할 수 있다.
다음으로 제2 단계에서는, 혼합된 분말을 소결하기 위하여 카본 몰드 내부와 하부 펀치에 카본 시트를 0.1~0.5mm로 감싸고 혼합된 분말을 100~300g을 장입할 수 있다. 분말을 장입한 후에 카본 시트를 덮고 상부 펀치를 설치한다.
이와 같은 과정을 통해 소결 몰드의 준비가 완료되면 핫프레스에 소결 몰드를 장입하고 소결 과정을 수행할 수 있다. 소결시 승온속도는 2~10℃/분으로 하고, 최고 열처리 온도는 800 내지 1100℃에서 1 내지 3시간 동안 유지할 수 있다. 승온 및 유지 온도에서의 압력은 10 내지 30 MPa로 유지할 수 있다.
다음으로 제3 단계에서는 소결이 완료된 소결체를 취출하여 가공한다. 구체적으로는 소결체를 꺼낸 후에 타겟 상하부에 카본 시트를 제거한 다음 타겟의 표면을 연마가공한다. 카본 시트를 제거하기 위하여 상하부에 각 1mm 이상 가공할 수 있다.
다음으로 제4 단계에서는 가공된 소결체를 백킹플레이트에 본딩한다.
접착제로는 인듐을 사용할 수 있고, 본딩율은 95% 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 과정을 통해 금속 산화물 타겟을 제조할 수 있다. 제조된 타겟의 상대밀도는 95% 이상이고, 구체적으로 98.0% 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
<산화물 박막>
본 발명의 다른 일 예는, 전술한 몰리브덴 산화물계 타겟을 사용하여 증착된 금속산화물 박막이다. 이러한 금속산화물 박막은 전술한 소결체를 타겟 재료로 하여 스퍼터링을 수행함으로써 형성될 수 있다.
상기 산화물 박막은 증착 분위기에 따라 성분의 미차가 발생할 수는 있으나, 전술한 산화물 타겟을 스퍼터링하여 제조된 것이므로, 상기 타겟과 조성이 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 상대밀도 95%를 초과하는 고밀도 특성과 1×10-2 Ωcm 이하의 우수한 비저항 특성을 갖는 산화물 박막이 형성될 수 있다. 또한 주(主)원료인 몰리브덴 산화물에 특정 금속 산화물과 금속을 소정 범위로 첨가하되, 몰리브덴 산화물 비율과 조성 최적화를 통해 내화학성, 에칭 특성, 및 내열성 특성이 향상될 수 있다.
일 구체예를 들면, 상기 산화물 박막은 열처리 전 550nm 파장에 대한 광 반사율(R1)은 12.0% 이하이며, 350℃ 온도 및 30분 이상의 열처리 후 550nm 파장에 대한 광 반사율(R2)은 12.0% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 산화물 박막의 열처리 전 550nm 파장에 대한 광 반사율(R1)은 11.6% 이하이고, 보다 구체적으로 11.0% 이하일 수 있다. 또한 열처리 후 550 nm 파장에 대한 광 반사율(R2)은 11.5% 이하이고, 보다 구체적으로 11.0% 이하일 수 있다.
다른 일 구체예를 들면, 350℃의 온도 및 30분 이상의 열처리 후의 광 반사율(R2)과 열처리 전의 광 반사율(R1)의 차이(R2-R1)는 0.2% 미만이고, 구체적으로 0.15% 이하, 보다 구체적으로 0.14% 이하일 수 있다.
전술한 광 반사율(R1, R2) 및 광 반사율 변화율(ΔR = R2 - R1)의 하한치는 특별히 제한되지 않는다. 또한 본 발명에 따른 광 반사율은 360~740nm의 평균 파장, 및/또는 550 nm 파장을 기준으로 측정된 것을 의미하며, 이에 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 금속산화물 박막은 당 분야에 공지된 통상의 스퍼터링법에 의해 형성(증착)될 수 있다. 이때 스퍼터링은 DC 스퍼터(Sputter)를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 금속산화물 박막은 박막 트랜지스터(TFT)의 게이트층, 소스층 및 드레인층 중 적어도 하나로 이용될 수 있다. 또한 이러한 박막 트랜지스터는 OLED TV, 모바일폰, 태블릿 등의 디스플레이 장치에 사용될 수 있다.
구체적인 예로서, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막은 게이트층 하부의 저반사층으로 사용될 수 있다. 이와 같은 용도의 박막은 기판의 반사율을 낮추고 게이트 전극의 접착성을 향상시킨다.
여기에서, 기판은 유리기판, 금속기판, 플라스틱 기판, 플라스틱 필름 등 통상의 디스플레이 소자 공정에서 사용 가능한 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 구체적으로 기판은 OLED TV, 모바일폰, 태블릿에 있어서 투명하게 이루어진 전면패널일 수 있다. 한편 게이트 전극은 구리, 은 등의 일반적인 전극 물질로 형성될 수 있다.
박막 증착은 DC 스퍼터의 전력밀도(Power density)를 1.0~2.0w/cm2 로 하고 아르곤 가스(Ar Gas) 분위기에서 상온에서 실시할 수 있다. 이때 금속 산화물 박막의 두께는 300 내지 500Å으로 할 수 있으나, 이에 특별히 제한되지 않는다. 또한 금속 산화물 박막 위에는 구리(Cu) 박막이 증착될 수 있다. 이때 구리 박막은 3000 내지 6000Å의 두께로 증착될 수 있다.
한편 반사율의 측정은 당 분야에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 일례로, 금속산화물 박막이 형성된 기판 면에서 측정할 수 있고, 360~740nm의 평균 파장 및/또는 550nm 파장에 대한 광 반사율을 측정한다. 이때 광 반사율은 12.0% 이하이고, 구체적으로 11.6% 이하, 바람직하게는 11.0% 이하이며, 그 하한치는 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막은 내열성, 내화학성 특성이 우수하다. 내열성, 내화학성 평가는 아래와 같이 수행할 수 있으나, 이에 특별히 제한되지 않는다.
내열성을 평가하기 위해, 상술한 바와 같이 증착된 박막을 200~400℃의 분위기에서 30분 이상의 열처리를 하는 방법을 사용할 수 있다. 열처리는 일반적인 진공 열처리로 및/또는 수소 열처리로에서 수행할 수 있다. 열처리 후 박막의 특성 변화를 관찰함으로써 내열성을 평가할 수 있다. 내열성 지표의 예를 들면, 열처리 후 반사율(R2)과 열처리 전 반사율(R1)과의 차이(R2-R1)는 대략 0.2% 미만이며, 구체적으로 0.15% 이하, 보다 구체적으로 0.14% 이하일 수 있다.
또한 내화학성을 평가하기 위해, 형성된 박막에 리소그라피 방법을 이용하여 미세 패턴을 형성하고 형성된 미세 패턴의 단면을 관찰하는 방법을 사용할 수 있다. 구체적으로 위와 같이 본 발명의 금속 산화물과 구리의 2개 층으로 형성된 박막에 포토레지스트(Positive PR Strip)를 1~2㎛ 도포한 후 베이킹(Backing)을 60~80℃에서 1시간 정도 실시하여 포토레지스터를 고형화한다. 이어서 마스크(PRMask)를 정렬한 후 노광을 하여 일정 선폭의 패턴을 만든다. 이렇게 만든 패턴을 에칭(etching)하여 금속 산화물과 구리로 구성된 2층의 미세 패턴을 형성할 수 있다. 이와 같이 미세 패턴이 형성된 기판에서 포토레지스트를 제거한 후 미세 패턴에서 금속 산화물의 단면을 FIB-SEM으로 관찰할 수 있다. 이러한 본 발명의 박막은 에칭 이후에도 잔사가 발생되지 않게 되며, 이를 통해 내화학성을 평가할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 ~ 8]
[실시예 1]
MoO2/MoO3의 중량% 비율이 6.67고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) / (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량% 비율이 1.39 되도록 분말을 계량하였다. 계량된 분말을 1L 플라스틱 통에 넣고, 지르코니아 볼을 상기 분말량의 3배수로 투입하였다. 지르코니아 볼은 3~10mm 볼을 사용하였다. 계량된 분말과 볼의 투입이 완료되면, 볼밀 기계에서 170~230 rpm의 속도로 8시간 동안 건식 혼합을 실시하였다. 수득한 건식 분말을 핫프레스(Hot Press)로 가압 소결을 하였다. 이때 핫프레스의 내부 진공 조건은 10-1 torr에서 실시하며, 승온속도는 3~7℃, 최고 온도는 800~1100℃, 유지시간은 1~3시간 정도로 유지하여 소결을 진행한 후 노냉을 수행하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 1의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 98.8%이고, 비저항은 2.546×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실시예 2]
하기 표 1과 같이, MoO2/MoO3의 중량 비율이 6.7이고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) /(MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량 비율이 1.39가 되도록 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 금속산화물 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 2의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 99.0%이고, 비저항은 1.922×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실시예 3]
하기 표 1과 같이, MoO2/MoO3의 중량 비율이 6.7이고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) /(MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량 비율이 1.43이 되도록 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 금속산화물 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 3의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 98.8%이고, 비저항은 2.414×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실시예 4]
하기 표 1과 같이, MoO2/MoO3의 중량 비율이 6.66이고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) /(MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량 비율이 1.43이 되도록 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 금속산화물 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 4의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 99.1%이고, 비저항은 1.688×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실시예 5]
MoO2/MoO3의 중량% 비율이 6.69고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) / (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량% 비율이 1.05 가 되도록 분말을 계량하였다. 계량된 분말을 1L 플라스틱 통에 넣고, 지르코니아 볼을 상기 분말량의 3배수로 투입하였다. 지르코니아 볼은 3~10mm 볼을 사용하였다. 계량된 분말과 볼의 투입이 완료되면, 볼밀 기계에서 170~230 rpm의 속도로 8시간 동안 건식 혼합을 실시하였다. 수득한 건식 분말을 핫프레스(Hot Press)로 가압 소결을 하였다. 이때 핫프레스의 내부 진공 조건은 10-1 torr에서 실시하며, 승온속도는 3~7℃, 최고 온도는 800~1200℃, 유지시간은 1~3시간 정도로 유지하여 소결을 진행한 후 노냉을 수행하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 5의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 98.7%이고, 비저항은 3.516×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실시예 6]
하기 표 1과 같이, MoO2/MoO3의 중량 비율이 6.69이고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) /(MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량 비율이 1.07가 되도록 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 금속산화물 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 6의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 99.1%이고, 비저항은 4.254×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실시예 7]
하기 표 1과 같이, MoO2/MoO3의 중량 비율이 6.69이고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) /(MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량 비율이 1.07이 되도록 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 금속산화물 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 7의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 99.3%이고, 비저항은 1.416×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실시예 8]
하기 표 1과 같이, MoO2/MoO3의 중량 비율이 6.69이고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO+Mo) /(MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량 비율이 1.11이 되도록 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 실시예 2의 금속산화물 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 실시예 8의 금속산화물 소결체는 소결 밀도가 98.6%이고, 비저항은 5.239×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[비교예 1~2]
[비교예 1]
하기 표 1과 같이, Mo 금속을 사용하지 않고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO) /(MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO)의 중량% 비율을 1.33 이 되도록 계량된 분말을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 비교예 2의 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 제조된 비교예 2의 소결체는 소결 밀도가 98.5%이고, 비저항은 3.225×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[비교예 2]
하기 표 1과 같이, 제2 금속산화물인 ZnO을 사용하지 않고, (MoO2+MoO3+Nb2O5+Mo)/(MoO2+MoO3+Nb2O5)의 중량% 비율이 1.43이 되도록 계량된 분말을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 비교예 4의 소결체를 제조하였다.
상기와 같이 제조된 비교예 4의 소결체는 소결 밀도가 98.4%이고, 비저항은 1.468×10-3 Ωcm로 측정되었다.
[실험예 1: 소결체의 물성 평가]
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 각 소결체의 물성 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
성분 금속
(M4)		 MoO2/
MoO3 		(MoO2+MoO3+M2+ M3+M4)/
(MoO2+MoO3+M2+M3)		 소결밀도
(%)		 비저항
(Ωcm)
실시예 1 MoO2+MoO3+Nb2O5+3ZnO+3Mo Mo 6.67 1.39 98.8 2.546Х10-3
실시예 2 MoO2+MoO3+Nb2O5+5ZnO+3Mo Mo 6.70 1.39 99.0 1.922Х10-3
실시예 3 MoO2+MoO3+Nb2O5+3ZnO+5Mo Mo 6.70 1.43 98.8 2.414Х10-3
실시예 4 MoO2+MoO3+Nb2O5+5ZnO+5Mo Mo 6.66 1.43 99.1 1.688Х10-3
실시예 5 MoO2+MoO3+Nb2O5+3ZnO+5Mo Mo 6.69 1.05 98.7 3.516Х10-3
실시예 6 MoO2+MoO3+Nb2O5+3ZnO+7Mo Mo 6.69 1.07 99.1 4.254Х10-3
실시예 7 MoO2+MoO3+Nb2O5+5ZnO+7Mo Mo 6.69 1.07 99.3 1.416Х10-3
실시예 8 MoO2+MoO3+Nb2O5+5ZnO+10Mo Mo 6.69 1.11 98.6 5.239Х10-3
비교예 1 MoO2+MoO3+Nb2O5+ZnO - 6.69 1.33 98.5 3.225Х10-3
비교예 2 MoO2+MoO3+Nb2O5+Mo Mo 6.69 1.43 98.4 1.468Х10-3
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예와 비교예 모두에서 기준치에 해당하는 비저항 1×10-2 Ωcm 이하, 타겟 밀도는 95% 이상을 만족하였다. 다만, 타켓 밀도의 측면에서 실시예 1 내지 실시예 8이 비교예 1~2에 비해 보다 우수하다는 것을 확인하였다. 이에 따라 타겟 밀도가 높은 실시예 1 내지 실시예 8의 경우 박막 증착 시 더 안정적으로 플라즈마 형성이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
[실험예 2: 박막의 물성 평가]
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 소결체를 타겟 재료로 하여 박막을 형성한 후, 박막의 내열성을 하기와 같이 평가하였다.
구체적으로, 각 소결체를 이용하여 게이트층 하부의 저반사층으로 하는 박막을 제작하였다. 이러한 박막은 기판(유리) 상에 저반사 및 게이트 전극의 접착성을 향상시키기 위한 것이다.
저반사 박막은 1 내지 8 및 비교예 1 내지 2의 소결체를 포함하는 타겟을 DC스퍼터를 이용하여 전력밀도(Power density)는 0.5~3.6w/cm2로 하고 아르곤 가스 분위기 하에서 투명한 글래스 기판 위에 증착하여 박막을 형성하였으며, 박막 두께는 350Å로 증착하였다.
추가로 전술한 박막 위에 전극을 형성하였다. 전극은 구리 타겟을 DC스퍼터를 이용하여 전력밀도(Power density)는 0.5~3.6w/cm2로 하고 아르곤 가스분위기에서 형성하였으며, 박막두께는 6000Å으로 하였다.
이러한 상태에서 글래스 기판 면에서 박막의 최초 반사율을 측정한 후 진공열처리로에서 350℃의 온도로 30분 이상 열처리한 후 반사율을 다시 측정하고 양 반사율을 비교하였다. 이들의 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
저반사/Cu 박막
반사율 (열처리전, R1)
360~740nm 평균 기준
(%)		 저반사/Cu 박막
반사율(열처리후, R2)
360~740nm 평균 기준
(%)		 열처리 전과 후의 반사율 변화값
(R2-R1) (%)
실시예 1 11.57 11.43 0.14
실시예 2 10.43 10.35 0.08
실시예 3 10.07 10.01 0.06
실시예 4 10.57 10.48 0.09
실시예 5 10.95 10.83 0.12
실시예 6 10.40 10.30 0.10
실시예 7 9.85 9.76 0.09
실시예 8 10.25 10.12 0.13
비교예 1 13.5 13.3 0.2
비교예 2 12.5 12.3 0.2
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1 내지 2의 최초 반사율은 양호하였으나, 열처리 후의 반사율은 크게 증가하였음을 알 수 있었다.
이에 비해, 실시예 1~8의 경우 최초 반사율이 모두 양호하였으며, 열처리 후의 반사율 변화도 크지 않음을 확인하였다. 특히 실시예들의 경우 수소열처리로에서 350℃에서 30분 이상 열처리한 후 반사율이 최초 반사율로부터 10% 이내의 변화를 보임으로써, 비교예에 비해 내열성이 더 우수한 박막 특성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.

Claims (14)

  1. MoO2와 MoO3을 포함하고, 상기 MoO2 및 MoO3 중 MoO2의 함량이 50~90 중량%로 구성되는 몰리브덴 산화물(M1);
    Nb, Ta, Zr, Ti, Sn, 및 W으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소를 포함하는 제1 금속산화물(M2);
    In, Ga, Si, 및 Zn으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소를 포함하는 제2 금속산화물(M3); 및
    Mo, Ti, Cr, W, 및 Cu으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속(M4);을 포함하며,
    당해 소결체의 총 중량 대비 적어도 60 중량% 이상의 몰리브덴 산화물 (M1)을 함유하는, 산화물 소결체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몰리브덴 산화물은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 60 내지 70 중량%로 포함되는, 산화물 소결체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속산화물(M2)는 Nb2O5, Ta2O5, ZrO2, TiO2, SnO2, 및 WO3 로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 산화물 소결체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속산화물(M2)는 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 5 중량% 이상, 당해 소결체 100 중량%를 만족하는 잔량 범위로 포함되는, 산화물 소결체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속산화물(M3)는 In2O3, Ga2O3, SiO2 및 ZnO로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 산화물 소결체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속산화물(M3)는 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 3 내지 12 중량%로 포함되는, 산화물 소결체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속(M4)은 당해 산화물 소결체 100 중량%를 기준으로 1.0 내지 30.0 중량%로 포함되는, 산화물 소결체.
  8. 제1항에 있어서,
    비저항이 1×10-2 Ωcm 이하이며,
    상대밀도가 95% 이상인, 산화물 소결체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 소결체를 포함하는 스퍼터링 타겟.
  10. 제9항의 스퍼터링 타겟으로부터 형성된 산화물 박막.
  11. 제10항에 있어서,
    열처리 전 550nm 파장에 대한 광 반사율(R1)은 12.0% 이하이며,
    350℃ 온도 및 30분 이상의 열처리 후 550nm 파장에 대한 광 반사율(R2)은 12.0% 이하인, 산화물 박막.
  12. 제10항에 있어서,
    350℃의 온도 및 30분 이상의 열처리 후의 광 반사율(R2)과 열처리 전의 광 반사율(R1)의 차이(R2-R1)는 0.2% 미만인, 산화물 박막.
  13. 제10항의 박막이 게이트층, 소스층 및 드레인층 중 어느 하나로 이용되는 박막 트랜지스터.
  14. 제10항의 박막을 포함하는 디스플레이 장치.
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