JP2009035762A - Ｂａ系合金スパッタリングターゲットおよびその接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディング時に、ロウ材のＩｎとＢａＡｌ：Ｅｕ合金板の成分とが相互に拡散することを防止し、ロウ材のＩｎ層を変質させずに、スパッタリングターゲットとバッキングプレートとを接合させる。
【解決手段】Ｂａ含有合金スパッタリングターゲットである金属層１１の一方の表面に、Ｂａと合金を形成しない、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏなどの金属からなるバリア層１２を形成し、該バリア層１２の上に、Ｎｉ、Ｃｕなどからなる濡れ性改善層１３をさらに形成し、その後、該一方の表面を、Ｉｎからなるロウ材３を介して、ボンディングによりバッキングプレート２に接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、無機エレクトロルミネッセンス（Electroluminescence:ＥＬ）素子を構成する無機ＥＬ発光層の形成に用いられ、バリウムを含有するＢａ系合金スパッタリングターゲット、および、該スパッタリングターゲットをバッキングプレートにボンディングにより接合する方法に関する。

従来、無機ＥＬ素子の無機ＥＬ発光層を形成するための青色発光用の蛍光体材料としては、ＢａＡｌ₂Ｓ₄：Ｅｕなどのチオアルミネート系の材料またはＣｅＧａ₂Ｓ₄：Ｃｅなどのチオガレート系の材料が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような蛍光体材料を用いて無機ＥＬ発光層を基板上に形成するためには、通常、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法が用いられる。スパッタリング法は、電子ビーム蒸着法と比較して生産効率が高く、安定性および再現性がよい。このため、無機ＥＬ発光層の量産性という観点からは、スパッタリング法を用いることが好ましい。

無機ＥＬ発光層を、スパッタリング法により蛍光体膜として形成する方法では、通常、蛍光体材料と同じ組成を有するスパッタリングターゲットの表面に、プラズマ状態にしたイオンを叩きつけ、スパッタリングターゲットの表面から分子あるいは原子を飛び出させて、これらの分子あるいは原子を基板上に堆積させることにより、成膜が行われる。

このようなスパッタリング法により、蛍光体材料として上述の金属硫化物材料を用いて、無機ＥＬ発光層を形成する場合、得られる無機ＥＬ発光層に含有されるＳの割合が、スパッタリングターゲットに含有されるＳの割合に比較して少なくなる現象が生ずる。すなわち、無機ＥＬ発光層の組成が、スパッタリングターゲットの組成と異なる結果となる。このため、所望の無機ＥＬ発光層の組成と同じ組成のスパッタリングターゲットを用いた場合、無機ＥＬ発光層において所望の組成が得られず、Ｓの割合の乏しい無機ＥＬ発光層、すなわち、Ｓの不足した無機ＥＬ発光層が形成される。このようなＳの不足は、無機ＥＬ素子の発光寿命や発光強度などの各種発光特性に悪影響を及ぼすため好ましくない。

このＳの不足を解消するために、例えば、非特許文献１では、Ｈ₂Ｓガス共存下でスパッタを行う方法が提案されている。また、非特許文献２では、スパッタリングターゲットとしてＳを含有しないＢａＡｌ：Ｅｕ合金板を用いて行う反応性スパッタについて検討がなされている。

このＢａＡｌ：Ｅｕスパッタリングターゲットを用いる場合、該スパッタリングターゲットは、Ｉｎからなるロウ材を介して、Ｃｕ、Ａｌなどの材質からなるバッキングプレートにボンディングにより接合させた状態で固定されている。

ＢａＡｌ：Ｅｕ合金板には、接合時の大気雰囲気での加熱により表面に強固な酸化膜が形成される。この酸化膜が存在すると、Ｉｎからなるロウ材との濡れ性が悪くなり、ボンディング不良を起こすため、予めＢａＡｌ：Ｅｕ合金板上にＣｕやＮｉなどの薄い膜を形成し、ロウ材との濡れ性を改善することが行われている。

しかし、ＣｕやＮｉなどの薄膜により濡れ性を改善した場合でも、スパッタリングターゲットとバッキングプレートとの接合性に問題が生じる場合がある。すなわち、Ｂａがロウ材であるＩｎ層側に拡散し、脆い金属間化合物ＢａＩｎ₄を形成してしまい、接合部が弱くなり、スパッタ中にバッキングプレートが熱により反ってしまった場合などに、バッキングプレートからターゲットが剥離してしまうという問題がある。
特開平８−１３４４４０号公報 H. Ohnishi, "Color TFEL Devices Grown by Sputtering", p.129-132, SID 94 DIGEST, Society for Information Display 和迩浩一，「高精細ＴＶ向け大型無機ＥＬ−ＴＤＥＬの現状と課題−」，66-67頁．「月刊ディスプレイ」２００５年７月号，株式会社テクノタイムズ社

本発明は、ＢａＡｌ：Ｅｕ合金などのＢａ系合金スパッタリングターゲットを、接合不良を生じさせることなく、Ｉｎなどのロウ材を介して、バッキングプレートにボンディングにより接合することを目的とする。

本発明では、Ｂａを含有する合金からなるスパッタリングターゲットを作製し、該スパッタリングターゲットの一方の表面に、Ｂａと合金を形成しない金属からなるバリア層を形成し、その後、該一方の表面を、Ｉｎからなるロウ材を介して、ボンディングによりバッキングプレートに接合することを特徴とする。

前記バリア層を形成した後に、該バリア層の上に濡れ性改善層をさらに形成することが好ましい。

前記バリア層を、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、および、Ｍｏから選択される少なくとも１種により形成することが好ましい。このバリア層の膜厚を０．５〜２μｍとすることが好ましい。

また、前記濡れ性改善層を、Ｎｉ、Ｃｕ、または、Ｎｉ−Ｃｕ合金により形成することが好ましい。この濡れ性改善層の膜厚を０．１〜２μｍとすることが好ましい。

当該接合方法を実施するにあたっては、Ｂａを含有する合金からなり、Ｉｎからなるロウ材を介してバッキングプレートにボンディングにより接合されるスパッタリングターゲットにおいて、バッキングプレートと接合する側の面に、Ｂａと合金を形成しない金属からなるバリア層が形成されており、好ましくは、該バリア層の上に、濡れ性改善層がさらに形成されているＢａ系合金スパッタリングターゲットを用いることができる。

本発明では、Ｂａ系合金スパッタリングターゲットをバッキングプレートにボンディングにより接合する際に、Ｂａ含有合金の各成分とロウ材のＩｎが相互に拡散することが防止され、ロウ材のＩｎ層を変質させることなく、スパッタリングターゲットとバッキングプレートを接合させることができ、Ｂａ系合金スパッタリングターゲットを用いたスパッタリングによるＥＬ発光層の成膜を安定して行うことが可能となる。

前述のＢａＡｌ：Ｅｕ合金板に、ＣｕやＮｉなどの濡れ性改善層を形成して、ボンディングにより該合金板とバッキングプレートを接合させた場合に、接合不良が生ずる原因を検討した結果、ボンディング時の加熱により、ロウ材であるＩｎと、ターゲット中の合金成分であるＢａ、Ａｌ、Ｅｕとが相互に拡散して金属間化合物を形成し、その結果、ロウ材としての純粋なＩｎ層の厚みが減少し、最悪の場合にはＩｎ層が消失してしまうとの知見が得られた。

Ｉｎ層は、物理的にバッキングプレートとＢａＡｌ：Ｅｕ合金板とを接合するためだけでなく、スパッタリング中のバッキングプレートとＢａＡｌ：Ｅｕ合金板との熱膨張による破壊を防ぐための緩衝材としても機能するため、Ｉｎ層の変性や消失は、安定的なスパッタリングの障害となる。

本発明者は、かかる知見に基づいて、本発明を完成したものである。以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明に基づき、Ｂａ系合金スパッタリングターゲットとバッキングプレートとを接合させた状態を示している。

Ｂａ系合金スパッタリングターゲット１は、ＥＬ発光用に用いられる金属元素を含む合金から金属層１１と、該金属層１１の接合側の面に形成されたバリア層１２と、濡れ性改善層１３とにより形成される。

Ｂａ系合金スパッタリングターゲットのバッキングプレート２への接合は、一般的に、Ｉｎのロウ材３が用いられている。この場合、バリア層１２が存在しないと、ボンディング時の加熱によりＩｎとＢａなどの合金とが相互に拡散して金属間化合物を形成する。これにより、純粋なＩｎ層が薄くなったり、最悪の場合には、純粋なＩｎ層が消滅したりしてしまうこともある。

しかし、本発明のように、Ｂａ系合金製の金属層１１に、予めバリア層１２を形成することで、ボンディング時の加熱による拡散が防止される。そして、ボンディング後もロウ材３であるＩｎ層が一定の厚みを保った状態で存在するようになる。

バリア層１２としては、Ｂａとの合金を形成しない金属を用いることができる。特に、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、および、Ｍｏから選択される少なくとも１種の金属または合金を用いることが好ましい。これらは、Ｂａの拡散に対するバリア効果が大きいためである。

バリア層１２の膜厚は０．５〜２μｍとすることが好ましい。０．５μｍ未満では、バリア層１２の欠陥などによりバリア効果が不十分となる一方、２μｍを超えても、バリア効果の向上は見られず、経済的および資源的に好ましくないからである。

なお、バリア層１２とロウ材３との濡れ性の相性がよくない場合には、ロウ材３とバリア層１２との間に濡れ性を向上させる濡れ性改善層１３を形成することが好ましい。特に、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、または、Ｍｏを用いた場合、これらの金属は、大気中において膜表面に強固な酸化膜が形成され、ボンディング時にロウ材３であるＩｎとの濡れ性が悪化するので、濡れ性を改善するため、大気中の加熱により極薄い酸化膜しか形成しないＮｉやＣｕなどにより濡れ性改善層１３を形成する。ただし、真空ロウ付け炉を用いて真空中若しくは不活性ガス中でロウ付けを行うことによりバリア層１２とロウ材３とを直接接合することができる場合には、濡れ性改善層１３を省略してもよい。

この濡れ性改善層１３は、単一金属（ＮｉまたはＣｕ）の他、合金でもよい。また、濡れ性改善層１３の膜厚は０．１〜２μｍが好ましい。０．１μｍ未満では十分な濡れ性が得られず、一方、２μｍを超える厚みにしても、その効果のさらなる向上は見られず、経済的に好ましくないからである。

金属層１１に対するバリア層１２の形成は、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法など一般的な薄膜形成方法を用いて行うことができる。なお、ＢａＡｌ：Ｅｕ合金の場合、この合金が非常に酸化しやすいため、真空チャンバ内で成膜することが望ましい。

また、濡れ性改善層１３も、一般的な薄膜形成方法を用いて形成できるが、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法を用いることが、バリア層１２と濡れ性改善層１３との密着性もの観点から望ましい。

なお、このバリア層１２および濡れ性改善層１３は、予め金属層１１の表面に形成しておくこともでき、また、金属層１１のボンディングに際して、順次形成してもよい。

その後、このバリア層１２と濡れ性改善層１３を金属層１１上に積層して形成されたスパッタリングターゲット１を、ロウ材３を介して、バッキングプレート２にボンディングにより接合固定する。

かかるボンディングは、従来と同様の手段により実施することが可能である。なお、ロウ材３の厚みは、０．１〜１．０ｍｍ程度である。また、ボンディング時の加熱温度は、１６０〜２００℃である。

上述した本発明の実施形態によれば、バリア層１２の存在により、ボンディング時に、ロウ材３と金属層１１の成分が相互に拡散するのが防止され、ロウ材３を変質させることなく、バッキングプレート２とＢａ含有合金層からなる金属層１１を接合することができる。また、濡れ性改善層１３が存在するので、バリア層１２とロウ材３との濡れ性を良好にすることができ、その後のスパッタリング時における接合不良に起因する問題を回避することができる。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能であることは言うまでもない。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜スパッタリングターゲットの作成＞
ターゲットの原料には、Ｂａ（株式会社高純度化学研究所製）、Ａｌ（住友化学株式会社製）、Ｅｕ（日本イットリウム株式会社製）を用いた。このＢａ、Ａｌ、Ｅｕが全体の９９質量％以上を占めるようにした。より具体的には、Ｂａ：６８．０質量％、Ａｌ：２８．０質量％、Ｅｕ：４．０質量％の割合とした。

この原料をコールドクルーシブル高周波誘導加熱炉（富士電機サーモシステムズ株式会社製）の中に１．５ｋｇ入れ、この原料を加熱して溶解した。溶解に先立ち、ターボ分子ポンプを用いて炉内が５×１０^-2Ｐａになるまで真空引きし、予備加熱を行い、炉内に高純度Ａｒガスを導入した。原料が溶解した後、５分間炉内に溶解保持し、溶体の合金化を行った。その後、坩堝内で放冷して溶体を凝固させた。

得られた合金をＡｒガス中で粉砕機（東京アトマイザー製造株式会社製、ナイフハンマーミル）を用いて粉砕し、分級により粒径５０〜２００μｍの粉末を回収した。

これらの粉末を、真空ホットプレス装置（大亜真空株式会社製、最高温度２３００℃）を用いて、８５０℃、３０ＭＰａおよび保持時間１時間の条件で熱間プレスして、直径６０ｍｍ厚さ５ｍｍの円板を得た。得られた円板から２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形の板材を切り出した。

＜バリア層および濡れ性改善層の形成＞
上記板材をグローブボックス（株式会社美和製作所製）中において、１２００番まで研磨紙で研摩後、アセトン中で超音波洗浄を行った。市販のＴａ、Ｎｂ、Ｗ、および、Ｍｏからなる６インチの各ターゲットを用いて、３カソードＤＣスパッタ装置（株式会社アルバック製、型式ＳＢＨ−２３０６ＲＤＥ）により、所定の膜厚（表１参照）となるようにスパッタ出力を調整し、板材表面にバリア層を形成した。次いで、ＮｉまたはＣｕの市販の６インチターゲットを用い、バリア層の上に濡れ性改善層を形成した。作製した試料を表１に示す。

なお、予め、それぞれのターゲットについて成膜速度を求め、膜厚の調整を行った。それぞれの膜厚は接触式膜厚計（ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ社製、アルファステップＩＱ）により求めた。

＜拡散試験＞
ホットプレート上に２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの銅板（バッキングプレート）を置いた。また、これと同じ大きさのＢａＡｌ：Ｅｕ合金板を、濡れ性改善層（濡れ性改善層がない場合にはバリア層）が上側に位置するように置いた。そして、銅板およびＢａＡｌ：Ｅｕ合金板を２００℃まで加熱後、Ｉｎの小片を載せ溶融させ、銅板上及び濡れ性改善層上にＩｎ層を形成した。次いで、図２に示すように、金属層１１であるＢａＡｌ：Ｅｕ合金板を銅板からなるバッキングプレート２の上に載せた。このとき、ロウ材３であるＩｎ層の厚さは０．２ｍｍになるようにした。具体的には、ＢａＡｌ：Ｅｕ合金板１１およびバッキングプレート２の表面のロウ材３を超音波半田ゴテで溶かして該表面を濡らし、バッキングプレート２の上に直径０．２ｍｍのスペーサ４である銅線を置いた。そして、その上に下面にロウ材３の層であるＩｎ層が形成されたＢａＡｌ：Ｅｕ合金板１１を置いた。その結果、余分なＩｎはバッキングプレート２およびＢａＡｌ：Ｅｕ合金板１１の側面からはみ出し、Ｉｎ層の厚さはスペーサ４の直径と同じ０．２ｍｍとなった（図３参照）。

以上のようにして、銅板と、ＢａＡｌ：Ｅｕ合金板とを接合してスパッタリングターゲット構造体を形成した。この状態で３０分保持後、ホットプレートからアルミニウム製冷却台の上にスパッタリングターゲット構造体を移動し、冷却した。

＜評価＞
Ｂａがバリア層および濡れ性改善層を通過しＩｎ層にまで拡散しているか否かを調べるために、得られた接合後の部材を樹脂埋めし、研磨により接合部断面を得た。最終的には１２００番の研磨紙で研摩し、クロスセクションポリッシャー（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）により断面を平滑にした後、走査型電子顕微鏡（ＨＩＴＡＣＨＩ製Ｓ−８００）とエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer：ＥＤＸ、ＨＯＲＩＢＡ製ＥＭＡＸ−２７７０）による観察を行った。その結果を表１に示す。

なお、濡れ性改善層を形成せず、接合した試料では、ＢａＡｌ：Ｅｕ合金板上のバリア層をロウ材で十分濡らすことができないため、接合後は冷却後のハンドリングで銅板製のバッキングプレートとＢａＡｌ：Ｅｕ合金板がＩｎ層とバリア層間で剥離してしまい十分な接合をすることができなかった。

表１に示されるように、本発明の実施例１〜１２においては、いずれも、ロウ材のＩｎとＢａＡｌ：Ｅｕ合金板の各成分との間における相互拡散は確認されなかった。

しかし、バリア層が好適範囲である０．５μｍを下回る実施例１３〜１６においては、ロウ材層の４／５が純粋なＩｎ層として残存しているが、残りの１／５の厚さ分のＩｎ層は、ＢａＡｌ：Ｅｕ合金板の各成分との間で相互拡散した。

一方、比較例１では、ロウ材層とＢａＡｌ：Ｅｕ合金板の各成分との間での相互拡散があり、Ｉｎ単体の層の厚さは初期状態の１／５にまで減少した。

図１は、本発明のＢａ系合金スパッタリングターゲットの実施形態を示す説明図である。 図２は、スパッタリングターゲットをバッキングプレートに積層するときの状態を示す説明図である。 図３は、スパッタリングターゲットをバッキングプレートに積層した後の状態を示す説明図である。

符号の説明

１ スパッタリングターゲット
１１ 金属層
１２ バリア層
１３ 濡れ性改善層
２ バッキングプレート
３ ロウ材
４ スペーサ

Claims (12)

1. Ｂａを含有する合金からなり、Ｉｎからなるロウ材を介してバッキングプレートにボンディングにより接合されるスパッタリングターゲットであって、バッキングプレートと接合する側の面に、Ｂａと合金を形成しない金属からなるバリア層が形成されていることを特徴とするＢａ系合金スパッタリングターゲット。
2. 前記バリア層の上に、濡れ性改善層がさらに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲット。
3. 前記バリア層が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、および、Ｍｏから選択される少なくとも１種により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲット。
4. 前記濡れ性改善層が、Ｎｉ、Ｃｕ、または、Ｎｉ−Ｃｕ合金により形成されていることを特徴とする請求項２に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲット。
5. 前記バリア層の膜厚が０．５〜２μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＢａ系合金スパッタリングターゲット。
6. 前記濡れ性改善層の膜厚が０．１〜２μｍであることを特徴とする請求項２または４に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲット。
7. Ｂａを含有する合金からなるスパッタリングターゲットを作製し、該スパッタリングターゲットの一方の表面に、Ｂａと合金を形成しない金属からなるバリア層を形成し、その後、該一方の表面を、Ｉｎからなるロウ材を介して、ボンディングによりバッキングプレートに接合することを特徴とするＢａ系合金スパッタリングターゲットの接合方法。
8. 前記バリア層を形成した後に、該バリア層の上に濡れ性改善層をさらに形成した後、ボンディングを行うことを特徴とする請求項７に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲットの接合方法。
9. 前記バリア層を、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、および、Ｍｏから選択される少なくとも１種により形成することを特徴とする請求項７または８に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲットの接合方法。
10. 前記濡れ性改善層を、Ｎｉ、Ｃｕ、または、Ｎｉ−Ｃｕ合金により形成することを特徴とする請求項８に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲットの接合方法。
11. 前記バリア層の膜厚を０．５〜２μｍとすることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のＢａ系合金スパッタリングターゲットの接合方法。
12. 前記濡れ性改善層の膜厚を０．１〜２μｍとすることを特徴とする請求項８または１０に記載のＢａ系合金スパッタリングターゲットの接合方法。

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