WO2016137233A1 - 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법 - Google Patents

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WO2016137233A1
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thin film
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tin
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박진성
배재윤
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한양대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a thin film, and more particularly, to a method for producing a zinc oxide doped tin oxide using a source solution containing tin and zinc.
  • a metal oxide thin film having excellent properties such as zinc oxide-based metal oxide, for example, IGZO, IZO, ZTO, HIZO, AZO, and the like Research is actively being conducted.
  • Korean Patent Application Publication No. 10-2010-0041348 (Applicant: Korea Institute of Science and Technology, Application No. 10-2008-0100491) prepares a solution containing a metal oxide, and the same or different types of metal oxides Disclosed is a technique for preparing a metal oxide sol by dispersing a nanopowder, applying the same to a porous substrate, and drying the same, to prepare a thin metal oxide thin film in a low temperature process without expensive equipment.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a tin oxide thin film doped with zinc of high reliability.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a zinc-doped tin oxide thin film with a simplified manufacturing process.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a zinc-doped tin oxide thin film capable of low temperature process.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a zinc-doped tin oxide thin film having a reduced manufacturing cost.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a zinc-doped tin oxide thin film with improved mobility.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a method for producing a thin film.
  • the method of manufacturing the thin film may include preparing a source solution containing tin and zinc, and providing the source solution on a substrate to include zinc oxide doped with zinc.
  • the step of preparing a base layer (base layer) the content of zinc in the base film may include lower than the content of zinc in the source solution.
  • providing the source solution onto the substrate may include spraying the source solution into a droplet state, and providing the source solution in the droplet state onto the substrate. It may include the step.
  • the content of zinc in the base film may include less than 1%.
  • the mobility of the base film may include greater than 14 cm 2 / Vs.
  • the base film may include being prepared under normal pressure conditions.
  • the preparing of the source solution may include preparing a tin compound and a zinc compound, and dissolving the same amount of the tin compound and the zinc compound in a solvent.
  • the tin compound is SnCl 2 , SnCl 2 2H 2 O, CH 3 (CH 2 ) 3 At least one of SnCl 3 , or SnCl 4 , wherein the zinc compound is ZnCl 2 , (CH 3 CO 2 ) 2 Zn, Zn (CH 3 COO) 2 2H 2 O, or Zn (NO 3) 2 xH 2 O may include at least one of a (x is an integer of 1 or greater).
  • the base film may include a structure in which crystalline tin oxide is doped with zinc.
  • the base film may include having a crystalline structure.
  • the ratio of zinc to tin in the base film may be lower than the ratio of zinc to tin in the source solution.
  • the method of manufacturing the thin film may include providing a source solution including tin and zinc, and spraying the source solution in a droplet state at atmospheric pressure.
  • the method may include preparing a base film, wherein the base film may include a structure in which crystalline tin oxide is doped with zinc.
  • the base film may have a mobility greater than 14 cm 2 / Vs without a subsequent heat treatment process.
  • the source solution may include a tin compound and zinc compound dissolved in the same amount in a solvent.
  • the content of zinc in the base film may include less than the content of tin.
  • the present invention provides a tin oxide thin film doped with zinc.
  • the zinc-doped tin oxide thin film may have a structure in which crystalline tin oxide is doped with zinc and have a mobility greater than 14 cm 2 / Vs.
  • the present invention provides a thin film transistor.
  • the thin film transistor may include a thin film of tin oxide doped with zinc according to an embodiment of the present invention as an active layer.
  • the amount of zinc in the base film is zinc in the source solution It may be lower than the content of.
  • the base film may be formed to include a crystalline structure.
  • FIG. 1 is a view for explaining a thin film manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an XPS result graph of a thin film manufactured according to a method of manufacturing a thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an XPS result graph of a thin film manufactured according to a comparative example for an embodiment of the present invention.
  • 4 and 5 are TEM photographs of thin films manufactured according to the method for manufacturing a thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph illustrating mobility and current-voltage characteristics of a thin film manufactured by a method of manufacturing a thin film according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph illustrating the mobility and current-voltage characteristics of a thin film manufactured by a method of manufacturing a thin film according to a comparative example of an embodiment of the present invention.
  • first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • second component in another embodiment.
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment.
  • the term 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after.
  • a method of manufacturing a zinc-doped tin oxide thin film according to an embodiment of the present invention is described.
  • Source solution is prepared.
  • the source solution may include tin and zinc.
  • the source solution may be one in which a tin compound and a zinc compound are dissolved in a solvent.
  • the solvent may be acetone
  • the tin compound may be SnCl 2
  • the zinc compound may be ZnCl 2 .
  • the tin compound includes at least one of SnCl 2 2H 2 O, CH 3 (CH 2 ) 3 SnCl 3 , or SnCl 4
  • the zinc compound is selected from (CH 3 CO 2 ) 2 Zn, Or Zn (CH 3 COO) 2 2H 2 O, or Zn (NO 3 ) 2 xH 2 O (x is an integer of 1 or more).
  • the substrate is prepared.
  • the substrate may be any one of a silicon semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate, a glass substrate, a plastic substrate, a metal substrate, or a transparent conductive substrate.
  • the source solution may be provided on the substrate to produce a base film comprising a compound of tin and zinc.
  • the manufacturing of the base film on the substrate using the source solution may be performed under normal pressure conditions.
  • providing a source solution on the substrate includes spraying the source solution into a droplet state, and providing the source solution in the droplet state onto the substrate. can do.
  • the content of zinc in the base film may be lower than the content of zinc in the source solution.
  • the ratio of zinc to tin in the base film may be significantly lower compared to the ratio of zinc to tin in the source solution.
  • the content of zinc in the base film may be significantly lower than the content of zinc in the source solution.
  • the content of zinc in the base film may be less than 1%, or the ratio of zinc / tin may be less than 0.1.
  • the base film may include tin oxide doped with zinc.
  • the base film may have a crystalline structure.
  • the base film may have an amorphous structure and a crystalline structure simultaneously.
  • the crystalline structure in the base film may be crystalline tin oxide.
  • the base film may be doped with zinc in the crystalline tin oxide.
  • the source solution including tin and zinc may be prepared, and the base film including tin oxide doped with zinc may be manufactured under normal pressure by a solution process using the source solution. Due to the tin oxide having a low zinc content and / or crystalline structure in the base film, the mobility of the base film may be greater than 14 cm 2 / VS. Accordingly, a manufacturing method of a high mobility thin film can be provided which simplifies the manufacturing process, enables a low temperature process, and reduces the manufacturing cost.
  • the process cost may be increased to implement a vacuum state.
  • the process cost may be increased to implement a vacuum state.
  • a thin film having high mobility and high reliability by providing the source solution in the droplet state on the substrate may be easily manufactured without a subsequent heat treatment process.
  • the method of manufacturing the thin film according to the embodiment of the present invention described above it is interpreted that it is possible to easily produce a thin film having a high mobility without a subsequent heat treatment process, the technical spirit of the present invention, embodiments of the present invention After the manufacturing method of the thin film according to is performed, it is not excluded to further perform the subsequent heat treatment process.
  • the base film manufactured according to the above-described embodiment of the present invention may be used as an active layer of a thin film transistor, or may be used as an electrode.
  • FIG. 1 is a view for explaining a thin film manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for manufacturing a thin film may include a carrier gas provider 110, a source solution storage tank 120, an ultrasonic generator 130, and a chamber 140. ) May be included.
  • the carrier gas supply unit 110 may be connected to the source solution storage tank 120 and supply a carrier gas.
  • the carrier gas may be nitrogen gas (N 2 gas).
  • the source solution 210 may be stored in the source solution storage tank 120. As described above, the source solution 210 may be a tin compound and a zinc compound dissolved in a solvent.
  • the ultrasonic generator 130 may be disposed in the source solution storage tank 120.
  • the ultrasonic generator 130 may generate ultrasonic waves to spray the source solution 210 into the droplet state 212.
  • the source solution 212 in the droplet state may be provided into the chamber 140 by the carrier gas.
  • the substrate 220 may be disposed in the chamber 140.
  • the internal temperature of the chamber 140 may be, for example, 250 ° C to 400 ° C.
  • the interior of the chamber 140 may be at atmospheric pressure.
  • the source solution 212 in the droplet state is provided on the substrate 220, and the base film described above may be manufactured on the substrate 220.
  • the content of zinc in the base film is lower than the content of zinc in the source solution 210, and the ratio of zinc to tin in the base film is the ratio of zinc to tin in the source solution 210. Can be lower.
  • FIG. 2 is an XPS result graph of a thin film manufactured according to a method of manufacturing a thin film according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a XPS result graph of a thin film manufactured according to a comparative example for an embodiment of the present invention.
  • ZnCl 2 was prepared from SnCl 2 and zinc compounds as tin compounds, and acetone was prepared as a solvent.
  • the source solution was prepared by dissolving in acetone while controlling the amounts of SnCl 2 and ZnCl 2 to be substantially the same.
  • the source solution by spraying the source solution in the droplet state, and providing the source solution in the droplet state on the substrate at 350 °C conditions, in the embodiment of the present invention
  • the zinc-doped tin oxide thin film was prepared.
  • a spin coating method using the source solution is provided on the substrate at 350 ° C., which is the same temperature condition as the above-described embodiment, A zinc tin oxide thin film according to a comparative example for the Example was prepared.
  • X-ray photoelectron spectroscopy was performed on the thin films prepared according to the Examples and Comparative Examples, without thin film surface pretreatment (eg, sputtering), and the results were measured.
  • XPS analysis results of the thin films according to the Examples and Comparative Examples are shown in Table 1 below.
  • a thin film was prepared by spraying the source solution in the droplet state and providing the source solution in the droplet state on a substrate.
  • the content of zinc in tin in the thin film is significantly lower than the content of zinc in tin in the source solution.
  • the thin film is manufactured by the spin coating method using the source solution according to the comparative example of the present invention, it can be confirmed that the zinc content of the tin and the zinc content of the tin in the thin film in the source solution are substantially the same. have.
  • 4 and 5 are TEM photographs of thin films manufactured according to the method for manufacturing a thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 TEM images of thin films according to an embodiment and a comparative example of the present invention prepared by the method described with reference to FIGS. 2 and 3 were taken.
  • 4 (a) and 5 is a TEM picture of a thin film prepared according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 (b) is a TEM picture of a thin film manufactured according to a comparative example for an embodiment of the present invention. .
  • the thin film is manufactured by the spin coating method using the source solution according to the comparative example of the present invention, it can be seen that the amorphous zinc tin oxide thin film was prepared.
  • spraying the source solution in the droplet state and providing the source solution in the droplet state on the substrate is an effective method of forming a thin film containing tin oxide in the crystalline state.
  • FIG. 6 is a graph illustrating mobility and current-voltage characteristics of a thin film manufactured according to a method of manufacturing a thin film according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is a graph for explaining the mobility and current-voltage characteristics of the thin film prepared according to the method.
  • a thin film having a zinc-doped structure in the crystalline tin oxide may be manufactured, and accordingly, the mobility of the thin film may be improved.
  • a display device of various electronic devices such as a mobile device such as a smart phone, a tablet PC, a home appliance such as a television, a monitor
  • a display device of various electronic devices such as a mobile device such as a smart phone, a tablet PC, a home appliance such as a television, a monitor
  • it can be used in power semiconductor devices, super capacitors, system semiconductor devices, bales and diodes.

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Abstract

아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법이 제공된다. 상기 박막의 제조 방법으, 주석 및 아연을 포함하는 소스 용액(source solution)을 준비하는 단계, 및 상기 소스 용액을 기판 상에 제공하여, 아연이 도핑된 주석 산화물을 포함하는 베이스 막(base layer)을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 베이스 막 내에 아연의 함량이 상기 소스 용액 내에 아연의 함량보다 낮은 것을 포함할 수 있다.

Description

아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법
본 발명은 박막의 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 주석 및 아연이 포함된 소스 용액을 이용한 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법에 관련된 것이다.
반도체 메모리 소자, 발광 다이오드, 시스템 반도체 소자, 전력 반도체 소자, 슈퍼 커패시터 등 반도체 소자 기술의 발전에 따라, 소자의 신뢰성, 수명 등을 향상시키기 위해, 우수한 특성을 갖는 박막의 제조 방법이 연구되고 있다.
특히, 최근 박막 트랜지스터의 active layer, 또는 전극으로 사용하기 위해, 산화 아연 기반의 금속 산화물, 예를 들어, IGZO, IZO, ZTO, HIZO, AZO 등, 우수한 특성을 갖는 금속 산화물 박막 및 그 제조 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2010-0041348(출원인: 한국과학기술연구원, 출원번호 10-2008-0100491)에는 금속 산화물을 함유하는 용액을 준비하고, 상기 용액에 동종 또는 이종의 금속 산화물의 나노 분말을 분산시켜 금속 산화물 졸을 제조하고, 이를 다공성 기판에 도포 및 건조하여, 고가의 장비 없이, 저온 공정으로, 치밀하고 얇은 두께의 금속 산화물 박막을 제조하는 기술이 개시되어 있다.
우수한 특성을 갖는 금속 산화물 박막을 간소한 공정으로 제조하기 위한 다양한 연구 개발들이 진행 중이며, 제조 공정에서 금속 산화물 박막의 활용 부분에 따라 금속 산화물 박막의 특성을 조절하는 연구 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고신뢰성의 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 저온 공정이 가능한 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 이동도가 향상된 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 박막의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 박막의 제조 방법은, 주석, 및 아연을 포함하는 소스 용액(source solution)을 준비하는 단계, 및 상기 소스 용액을 기판 상에 제공하여, 아연이 도핑된 주석 산화물을 포함하는 베이스 막(base layer)을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 베이스 막 내에 아연의 함량이 상기 소스 용액 내에 아연의 함량보다 낮은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하는 단계는, 상기 소스 용액을 액적(液滴, droplet) 상태로 분무시키는 단계, 및 상기 액적 상태의 상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막 내에 아연의 함량은 1% 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막의 이동도는 14 cm2/Vs 보다 큰 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막은 상압(normal pressure) 조건에서 제조되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액을 준비하는 단계는, 주석 화합물 및 아연 화합물을 준비하는 단계, 및 동일한 양의 상기 주석 화합물 및 상기 아연 화합물을 용매에 용해하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 주석 화합물은 SnCl2, SnCl2 2H2O, CH3(CH2)3SnCl3, 또는 SnCl4 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 아연 화합물은 ZnCl2, (CH3CO2)2Zn, Zn(CH3COO)2 2H2O, 또는 Zn(NO3)2　xH2O(x는 1 이상의 정수) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막은 결정질 주석 산화물에 아연이 도핑된 구조를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막은 결정질 구조(crystalline structure)를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액 내에 주석에 대한 아연의 비율보다, 상기 베이스 막 내에 주석에 대한 아연의 비율이 더 낮은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 박막의 제조 방법은, 주석 및 아연을 포함하는 소스 용액(source solution)을 준비하는 단계, 및 상압 조건에서, 상기 소스 용액을 액적 상태로 분무시키는 방법으로 기판 상에 제공하여, 베이스 막을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 베이스 막은 결정질 주석 산화물에 아연이 도핑된 구조를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막은, 후속 열처리 공정 없이 14 cm2/Vs 보다 큰 이동도를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액은, 용매에 주석 화합물 및 아연 화합물이 동일한 양으로 용해된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막 내에 아연의 함량이 주석의 함량보다 작은 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 아연이 도핑된 주석 산화물 박막을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 아연이 도핑된 주석 산화물 박막은, 결정질 주석 산화물에 아연이 도핑된 구조를 갖고, 14 cm2/Vs 보다 큰 이동도를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 박막 트랜지스터를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 박막 트랜지스터는, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 아연이 도핑된 주석 산화물을 박막을 활성층으로 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 주석 및 아연을 포함하는 소스 용액을 기판 상에 제공하여, 아연이 도핑된 주석 산화물을 포함하는 베이스 막을 제조하되, 상기 베이스 막 내에 아연의 함량이 상기 소스 용액 내의 아연의 함량보다 낮을 수 있다. 또한, 상기 베이스 막은 결정질 구조를 포함하도록 형성될 수 있다. 이로 인해, 제조 공정이 간소화되고, 제조 비용이 절감된, 고 이동도를 갖는 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막의 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 XPS 결과 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 박막의 XPS 결과 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 TEM 사진들이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 이동도 및 전류-전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 이동도 및 전류-전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법이 설명된다.
소스 용액(source solution)이 준비된다. 상기 소스 용액은, 주석 및 아연을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액은 용매에, 주석 화합물 및 아연 화합물이 용해된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 아세톤(acetone)이고, 상기 주석 화합물은 SnCl2이고, 상기 아연 화합물은 ZnCl2일 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 주석 화합물은 SnCl2 2H2O, CH3(CH2)3SnCl3, 또는 SnCl4 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 아연 화합물은 (CH3CO2)2Zn, Zn(CH3COO)2 2H2O, 또는 Zn(NO3)2　xH2O(x는 1 이상의 정수) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
기판이 준비된다. 상기 기판은, 실리콘 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판, 또는 투명한 도전성 기판 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 기판 상에 상기 소스 용액이 제공되어, 주석 및 아연의 화합물을 포함하는 베이스 막이 제조될 수 있다. 상기 소스 용액을 이용하여 상기 기판 상에 상기 베이스 막을 제조하는 단계는, 상압(normal pressure) 조건에서 수행될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기판 상에 소스 용액을 제공하는 단계는, 상기 소스 용액을 액적(droplet) 상태로 분무시키는 단계, 및 상기 액적 상태의 상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 베이스 막 내에 아연의 함량은, 상기 소스 용액 내의 아연의 함량보다 낮을 수 있다. 또한, 상기 소스 용액 내에 주석에 대한 아연의 비율과 비교하여, 상기 베이스 막 내에 주석에 대한 아연의 비율이 현저하게 낮을 수 있다. 다시 말하면, 상기 소스 용액이 상대적으로 높은 함량의 아연을 포함하더라도, 상기 베이스 막 내에 아연의 함량은 상기 소스 용액 내의 아연의 함량보다 현저하게 낮을 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 막 내에 아연의 함량은 1% 미만이거나, 또는 아연/주석의 비율이 0.1 미만일 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 막은, 아연이 도핑된 주석 산화물을 포함할 수 있다.
상기 베이스 막은, 결정질 구조(crystalline structure)를 가질 수 있다. 보다 상세하게, 상기 베이스 막은 비정질 구조(amorphous structure) 및 결정질 구조를 동시에 가질 수 있다. 상기 베이스 막 내의 결정질 구조는 결정질 주석 산화물일 수 있다. 다시 말하면, 상기 베이스 막은, 상기 결정질 주석 산화물에 아연이 도핑된 것일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 주석 및 아연을 포함하는 상기 소스 용액이 준비되고, 상기 소스 용액을 이용한 용액 공정으로 상압 조건에서, 아연이 도핑된 주석 산화물을 포함하는 상기 베이스 막이 제조될 수 있다. 상기 베이스 막 내에 낮은 아연의 함량 및/또는 결정질 구조를 갖는 주석 산화물로 인해, 상기 베이스 막의 이동도는 14 cm2/VS 보다 클 수 있다. 이에 따라, 제조 공정이 간소화되고, 저온 공정이 가능하고, 제조 비용이 감소된 고 이동도의 박막의 제조 방법이 제공될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 물리 기상 증착 공정으로 주석 및 아연을 포함하는 박막을 증착하는 경우, 진공 상태를 구현하기 위해 공정 단가가 상승될 수 있다. 또한, 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 방식으로 주석 및 아연을 포함하는 박막을 제조하는 경우, 균일한 두께로 박막을 성장시키는 것이 용이하지 않으며, 제조된 박막의 이동도가 낮아, 박막의 이동도를 높이기 위한 후속 열처리 공정이 요구될 수 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명이 실시 예에 따르면, 상기 액적 상태의 상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하여 고 이동도 및 고신뢰성을 갖는 박막이, 후속 열처리 공정 없이, 용이하게 제조될 수 있다.
다만, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법은, 후속 열처리 공정 없이 고 이동도를 갖는 박막을 용이하게 제조할 수 있다는 것으로 해석되며, 본 발명의 기술적 사상이, 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법이 수행된 후, 후속 열처리 공정을 추가적으로 수행하는 것을 배제하는 것은 아니다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 상기 베이스 막은, 박막 트랜지스터(Thin film transistor)의 활성층(active layer)로 사용되거나, 또는, 전극 등으로 사용될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 베이스 막을 제조하기 위한 제조 장치가 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막의 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막의 제조 장치는, 캐리어 가스 공급부(110, carrier gas provider), 소스 용액 저장 탱크(120), 초음파 발생부(130), 및 챔버(140)를 포함할 수 있다.
상기 캐리어 가스 공급부(110)는 상기 소스 용액 저장 탱크(120)와 연결되고, 캐리어 가스를 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 캐리어 가스는 질소 가스(N2 gas)일 수 있다.
상기 소스 용액 저장 탱크(120)에는 소스 용액(210)이 저장될 수 있다. 상기 소스 용액(210)은, 상술된 것과 같이, 용매에 주석 화합물 및 아연 화합물이 용해된 것일 수 있다.
상기 초음파 발생부(130)는 상기 소스 용액 저장 탱크(120) 내에 배치될 수 있다. 상기 초음파 발생부(130)는 초음파를 발생시켜, 상기 소스 용액(210)을 액적 상태(212)로 분무시킬 수 있다. 상기 액적 상태의 상기 소스 용액(212)은 상기 캐리어 가스에 의해 상기 챔버(140) 내로 제공될 수 있다.
상기 챔버(140) 내에 기판(220)이 배치될 수 있다. 상기 챔버(140)의 내부 온도는, 예를 들어, 250℃~400℃일 수 있다. 상기 챔버(140)의 내부는 상압 조건일 수 있다.
상기 기판(220) 상으로, 상기 액적 상태의 상기 소스 용액(212)이 제공되어, 상기 기판(220) 상에, 상술된 상기 베이스 막이 제조될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 베이스 막 내의 아연의 함량은 상기 소스 용액(210) 내의 아연의 함량보다 낮고, 상기 베이스 막 내에 주석에 대한 아연의 비율은 상기 소스 용액(210) 내에 주석에 대한 아연의 비율보다 낮을 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 박막의 특성 평가 결과가 설명된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 XPS 결과 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 박막의 XPS 결과 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 주석 화합물로 SnCl2 및 아연 화합물로 ZnCl2를 준비하고, 용매로 아세톤을 준비하였다. SnCl2 및 ZnCl2의 양을 실질적으로 동일하도록 제어한 상태로 아세톤에 용해하여, 소스 용액을 제조하였다.
상기 소스 용액을 이용하여, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 소스 용액을 액적 상태로 분무시키고, 상기 액적 상태의 상기 소스 용액을, 350℃ 조건에서 기판 상에 제공하여, 본 발명의 실시 예에 따른 아연이 도핑된 주석 산화물 박막을 제조하였다.
상술된 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예로, 상기 소스 용액을 이용한 스핀 코팅(spin coating) 방법으로, 상술된 실시 예와 동일한 온도 조건인 350℃ 조건에서, 상기 기판 상에 제공하여, 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 아연 주석 산화물 박막을 제조하였다.
실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 박막들에 대해서 박막 표면 전처리(예를 들어, sputtering) 과정 없이, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 수행하고, 결과를 측정하였다. 실시 예 및 비교 예에 따른 박막들의 XPS 분석 결과는 아래 <표 1>과 같다.
구분 O Sn Zn C Cl
실시 예 41.7% 36.7% 1% 미만 20.6% 0.9%
비교 예 45.2% 21.6% 25.6% 6.4% 1.3%
<표 1>, 도 2, 및 도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 소스 용액을 액적 상태로 분무시키고, 액적 상태의 상기 소스 용액을 기판 상에 제공하여 박막을 제조한 경우, 상기 소스 용액 내에 주석에 대한 아연의 함량과 비교하여, 박막 내에 주석에 대한 아연의 함량이 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 경우, 상기 소스 용액 내의 아연의 극히 일부가 상기 박막에 도핑되어, 아연이 도핑된 주석 산화물 박막이 제조됨을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 비교 예에 따라 상기 소스 용액을 이용한 스핀 코팅 방법으로 박막을 제조하는 경우, 상기 소스 용액 내에 주석에 대한 아연의 함량과 박막 내의 주석에 대한 아연의 함량이 실질적으로 동일한 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 실시 예에 따라, 소스 용액을 액적 상태로 분무시키고, 액적 상태의 상기 소스 용액을 기판 상에 제공하는 것이, 아연 및 주석을 포함하는 상기 소스 용액을 이용하여 아연이 도핑된 주석 산화물 박막을 제조하는 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 TEM 사진들이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 방법으로 제조된 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 박막들의 TEM 사진을 촬영하였다. 도 4의 (a) 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 박막의 TEM 사진이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 박막의 TEM 사진이다.
도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따라 액적 상태의 상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하여 제조된 박막의 경우, 비정질 구조와 결정질 구조를 모두 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 경우, 결정질 구조의 주석 산화물(SnO2)을 갖는 박막이 제조됨을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 비교 예에 따라 상기 소스 용액을 이용한 스핀 코팅 방법으로 박막을 제조하는 경우, 비정질 상태의 아연 주석 산화물 박막이 제조된 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 실시 예에 따라, 소스 용액을 액적 상태로 분무시키고, 액적 상태의 상기 소스 용액을 기판 상에 제공하는 것이, 결정질 상태의 주석 산화물을 포함하는 박막을 형성하는 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 이동도 및 전류-전압 특성을 설명하기 위한 그래프이고, 도 7 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막의 이동도 및 전류-전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 방법으로 제조된 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 박막들의 전류-전압 특성 및 이동도를 측정하였다. 도 6 및 도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따라 액적 상태의 상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하여 제조된 박막의 포화 이동도(saturation mobility)는 14.61 cm2/Vs를 갖는 것으로 측정되었으나, 비교 예에 따라 상기 소스 용액을 이용한 스핀 코팅 방법으로 제조된 박막의 포화 이동도는, 실시 예에 따른 박막보다 현저하게 낮은, 6.88cm2/Vs를 갖는 것으로 측정되었다.
결론적으로, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라, 주석 및 아연을 포함하는 소스 용액을 액적 상태로 분무시키고, 상기 액적 상태의 상기 소스 용액을 기판 상에 제공하여 박막을 형성하는 경우, 결정질 주석 산화물에 아연이 미량 도핑된 구조를 갖는 박막이 제조될 수 있고, 이에 따라, 상기 박막의 이동도가 향상됨을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 아연이 도핑된 주석 산화물 박막의 제조 방법에 따라 제조된 박막은, 스마트 폰, 태블릿 PC와 같은 모바일 기기, 텔레비전, 모니터와 같은 가전 기기 등 다양한 전자 기기의 디스플레이를 구성하는 박막 트랜지스터에 활용될 수 있는 것은 물론, 전력 반도체 소자, 슈퍼 커패시터, 시스템 반도체 소자, 발과 다이오드 등에 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 주석 및 아연을 포함하는 소스 용액(source solution)을 준비하는 단계; 및
    상기 소스 용액을 기판 상에 제공하여, 아연이 도핑된 주석 산화물을 포함하는 베이스 막(base layer)을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 베이스 막 내에 아연의 함량이 상기 소스 용액 내에 아연의 함량보다 낮은 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하는 단계는,
    상기 소스 용액을 액적(液滴, droplet) 상태로 분무시키는 단계; 및
    상기 액적 상태의 상기 소스 용액을 상기 기판 상에 제공하는 단계를 포함하는 박막의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 막 내에 아연의 함량은 1% 미만인 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 막의 이동도는 14 cm2/Vs 보다 큰 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 막은 상압(normal pressure) 조건에서 제조되는 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 소스 용액을 준비하는 단계는,
    주석 화합물 및 아연 화합물을 준비하는 단계; 및
    동일한 양의 상기 주석 화합물 및 상기 아연 화합물을 용매에 용해하는 단계를 포함하는 박막의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 주석 화합물은 SnCl2, SnCl2 2H2O, CH3(CH2)3SnCl3, 또는 SnCl4 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 아연 화합물은 ZnCl2, (CH3CO2)2Zn, Zn(CH3COO)2 2H2O, 또는 Zn(NO3)2　xH2O(x는 1 이상의 정수) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 박막의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 막은 결정질 주석 산화물에 아연이 도핑된 구조를 갖는 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 베이스 막은 결정질 구조(crystalline structure)를 갖는 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 소스 용액 내에 주석에 대한 아연의 비율보다, 상기 베이스 막 내에 주석에 대한 아연의 비율이 더 낮은 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  11. 주석 및 아연을 포함하는 소스 용액(source solution)을 준비하는 단계; 및
    상압 조건에서, 상기 소스 용액을 액적 상태로 분무시키는 방법으로 기판 상에 제공하여, 베이스 막을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 베이스 막은 결정질 주석 산화물에 아연이 도핑된 구조를 갖는 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 베이스 막은, 후속 열처리 공정 없이 14 cm2/Vs 보다 큰 이동도를 갖는 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 소스 용액은, 용매에 주석 화합물 및 아연 화합물이 동일한 양으로 용해된 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 베이스 막 내에 아연의 함량이 주석의 함량보다 작은 것을 포함하는 박막의 제조 방법.
  15. 결정질 주석 산화물에 아연이 도핑된 구조를 갖고,
    14 cm2/Vs 보다 큰 이동도를 갖는 아연이 도핑된 주석 산화물 박막.
  16. 제15 항에 따른 아연이 도핑된 주석 산화물을 박막을 활성층으로 포함하는 박막 트랜지스터.
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