JP2009504915A - ＳｉＯ２：Ｓｉスパッタリングターゲットならびにこのようなターゲットを製造および使用する方法 - Google Patents

Abstract

酸化ケイ素および電気的に導電性があるドープされたケイ素材料を保護的な条件下において融合して、ＳｉＯ２の特性を示すがＳｉが存在するために電気的に導電性がある複合ＳｉＯ２：Ｓｉ材料を作製する。このような複合材料は、タッチスクリーンの用途など向けに導電性の酸化ケイ素薄膜を生産するためのＤＣおよび／またはＡＣスパッタリングプロセス用のターゲットとして用いられる。

Description

発明の背景
１．技術分野
この発明は、ＳｉＯ２の薄膜堆積のために使用されるＡＣまたはＤＣスパッタリングターゲットに関する。

２．関連技術
多くの建築用装置、自動車装置、集積回路装置、フラットパネルディスプレイ装置および光学装置には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の薄膜が必要である。このような薄膜を生産するための主な方法の１つは、無線周波数スパッタリングとして公知の物理蒸着プロセスによるものである。この方法は、二酸化ケイ素薄膜コーティングを作成するための原料物質として非導電性の二酸化ケイ素材料を利用する。典型的には１３．５６ＭＨｚの高周波数ａｃ電圧が容量的にターゲットに印加される。一方の局面では、プラズマの気体イオンがターゲットの方に加速され、気体イオンでの打込みの結果、ターゲットの表面の材料が離れるようにする。他方の局面では、ターゲットの表面上の電荷が中和され、その結果、この周期的な局面中はスパッタリングが行なわれない。この方法は好適な二酸化ケイ素薄膜コーティングを生産するが、この方法には、高価かつ複雑な高周波数電源を使用する必要があり、ＳｉＯ２薄膜コーティングを形成するために堆積速度が遅い必要があるという制約があり、このような方法で作成できるＳｉＯ２コーティングの均一性に関して内在する制約がある。

直流（direct current）（ＤＣ）または中波から低周波の交流（alternating current）（ＡＣ）スパッタリングプロセスにはこのような制約がない。しかしながら、ＤＣおよびＡＣプロセスは、ホウ素などの好適なドーパントでドープすることによってまたは少量のアルミニウムもしくは他の好適な金属を加えることによって、ＳｉＯ２コーティング用のケイ素原料物質を電気的に導電性があるようにする必要がある。このようなケイ素ターゲットを使用してＤＣまたはＡＣスパッタリングによってＳｉＯ２薄膜を作成するためには、大量の酸素をスパッタリングプロセスに導入する必要もある。結果として生じるプロセスは反応性スパッタリングと称される。スパッタリングプロセス中に酸素がケイ素と反応して、ＳｉＯ₂を作製する。完全に化学量論的なＳｉＯ２膜を作成するためには、典型的に、Ｏ２の気体圧力が真空チャンバにおける気体圧力の合計の３０〜５０％である必要がある。これは、同じ真空容器を使用して堆積され得る他のスパッタリングされる薄膜に必要な要件と比較して、酸素要件の点で大幅なプロセスの不整合を招く可能性がある。加えて、ケイ素またはＳｉ：ＡｌターゲットからＤＣおよびＡＣスパッタリングによって作られるＳｉＯ２膜は概して、反応性堆積の特徴の結果として、多くの半導体、フラットパネルおよびオプトエレクトロニクスの用途に好適であるようにするのに十分に高密度で、結晶質ではない。このような反応性プロセスによって生産されたＳｉＯ２膜組成物が概して示す光学的、機械的および化学的な耐久性特性は、非導電性のＳｉＯ２ターゲットのＲＦスパッタリングによって生産されたものと比較して、有用性が低い。

発明の概要
この発明の目的は、組成物を電気的に導電性があるようにするために十分な量のケイ素を含むＳｉＯ２ベースの材料組成物を生産することである。ＳｉＯ２：Ｓｉ材料組成物は
、堆積プロセス中にごくわずかな量のＯ２を加えることで高品質のＳｉＯ２薄膜コーティングを生産するためにＤＣまたはＡＣスパッタリングプロセスで使用されるターゲットとして適している。なぜなら、ターゲット材料中のＳｉＯ２の存在が容器の中で酸素の供給源の役割を果たし、それによって、反応性スパッタリングＤＣまたはＡＣプロセス中に典型的に容器の中に供給する必要がある酸素ガスの量を減少させるためである。これによって、ＤＣおよびＡＣスパッタリングの生産効率を使用して、効率がより低くかつより高価なＲＦスパッタリング方法によって生産されるものと等価のＳｉＯ２コーティングを生産することが可能である。

この発明のＳｉＯ２：Ｓｉ材料は、電気的に非導電性のＳｉＯ２、および材料を物理的に融合させてＳｉＯ２ベースの組成物全体を電気的に導電性があるようにする態様でＳｉＯ２でドープされかつＳｉＯ２と組合せられたある量のＳｉの構成材料からなっている。実施の形態によっては、Ｓｉ成分の量よりも少ない量の１つ以上の金属を添加し得る。これらの材料組成物は、主に絶縁性の二酸化ケイ素からなっているが、二酸化ケイ素の他の固有の材料特性のうちの多くを保持しながら優れた電気導電性を示す。このような材料は、板、ロッドおよび管などの固体バルクの形態で作製されることができる。加えて、これらのバルク材料は粉末の形態にでき、このような粉末は、スパッタリングターゲットを形成する際に単独でまたは他の材料とともに使用されるバルク材料の電気導電特性を保持する。

したがって、この発明の目的は、主に絶縁性のＳｉＯ２材料からなっているがＳｉ材料が存在するために優れた電気導電性を有する複合ＳｉＯ２：Ｓｉ材料からスパッタリングターゲットを生産することである。この材料の電子的な特性は、電気的に導電性があるドープされたＳｉ、ＳｉＯ₂、および実施の形態によってはごくわずかなさまざまな金属の構成要素の割合に基づいて、調整され得る。

さらなる局面に従って、この導電性のＳｉ：ＳｉＯ₂材料の粒子は、電気導電性を与えるためもしくは電気導電性を高めるために他の材料と混ぜられてもよく、または他の材料に加えられてもよい。

この発明のこれらのならびに他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に関連して考慮すると、より容易に理解されることになる。

好ましい実施の形態の詳細な説明
この発明は、開始材料および開始材料を組合せて複合物を形成するプロセスを選択することによって導電性があるようにされる複合酸化ケイ素：ケイ素（ＳｉＯ２：Ｓｉ）材料からスパッタリングターゲットを形成することを目的とする。

この発明の基本原理に従って、プロセスはＳｉＯ２粉末から開始する。このＳｉＯ２粉末は、それ自体は実質的に電気的に非導電性であるが、電気的に導電性のＳｉと組合せられる。これは、ＳｉをＳｉＯ２材料と融合させながらＳｉを実質的な酸化から保護する態様で行なわれ、ＳｉＯ２およびＳｉ材料の各々の特徴を保ちながら複合物全体を電気的に導電性があるようにする。

この発明が企図する１つのアプローチは、ＳｉＯ２および導電性Ｓｉ粉末の混合物から開始する。混合された粉末は圧縮および融合されて、ＤＣまたはＡＣ薄膜スパッタリングプロセスで使用するのに好適なスパッタリングターゲットを形成する。

この発明の一局面に従って、粉末混合物の導電性ケイ素成分は、（ホウ素などの）ｎ型のドープされたケイ素結晶を粉砕し次いで研削して粉末にすることによって調製される。当業者に周知であるように、ケイ素材料のドーピングは、ケイ素の単相または多相結晶を成長させることに先立って好適なｎまたはｐドーパントを溶融したケイ素に加えることによって達成される。これらのドーパント原子の濃度および均一性が、ケイ素の具体的な電気的特徴を決定する。

この発明は、酸化ケイ素および導電性のケイ素の粒子を混合するためにさまざまなアプローチを利用できることを企図し、ターゲットの電気導電特性または抵抗率を変化させるために粒径およびドープされたケイ素粒子に対する酸化ケイ素の割合のバリエーションが生じる可能性があることを企図する。現在好ましい第１の実施の形態では、ベースの酸化ケイ素粉末の組成は５０重量％よりも大きく、導電性のケイ素粉末の組成は１０重量％よりも大きく、好ましくは酸化ケイ素が粉末混合物の大半を占める。現在好ましいプロセスに従うと、この粉末は、混合された粉末の粒径が５μｍ未満に縮小されるまで、製粉媒体としてジルコニアボールを使用して、ポットの中で混ぜ合わせることができる。粉末は、一旦十分に混合されると、好ましくは金属製の格納ユニットに入れられ、次いで真空条件下で加熱されて、残留水分を取除く。水分を飛ばすための加熱に続いて、格納ユニットは好ましくは密閉され、次いで熱間静水圧圧縮成形チャンバに入れられ、次いで酸化ケイ素およびドープされたケイ素粒子の密度を高めかつ融合するのに十分な温度および圧力に加熱される。この目的で、格納ユニットは好ましくは、熱間静水圧圧縮成形環境の熱および圧力に耐えることができるが、格納ユニット内に格納された粉末材料を固結しかつ粉末材料の密度を高めるように熱および圧力下で塑性的に流動する格納ユニットである。一旦密度が高められると、酸化ケイ素をドープしたケイ素材料からなる結果として生じる融合された、密度が高まった物体は、格納ユニットから除去される。結果として生じる組成物は、好ましくは理論密度の少なくとも９０％に密度が高められ、好ましくは最大理論密度の少なくとも９５％に密度が高められ、さらにより好ましくは最大理論密度の９９％よりも大きい密度に高められる。好ましいプロセスに従うと、粉末は、１２００から１３００℃の間の温度で、および２０ｋｐｓｉを超える圧力下で、熱間静水圧圧縮成形（hot isostatic pressure）（ＨＩＰ）を受ける。より詳細には、好ましいプロセスは、真空条件下で１０００℃に加熱し、次いで１２００から１３５０℃の間に温度を上げながら２０ｋｐｓｉを超える圧力に圧力を徐々に印加する熱間静水圧圧縮成形を含む。この発明のさらなる特徴に従うと、結果として生じる焼結および融合された物体１０の抵抗値は、２００Ω・ｃｍ未満である。好ましくは、物体またはターゲットの抵抗率は、１５０Ω・ｃｍ未満であり、さらにより好ましくは２０Ω・ｃｍを下回り、さらにより好ましくは１０Ω・ｃｍであるかまたは１０Ω・ｃｍを下回る。したがって、この発明が企図する抵抗率の範囲は、約１０Ω・ｃｍ以下から約２００Ω・ｃｍまでの範囲にある。

図１は、この発明の材料で作られたターゲットを概略的に示す。図２は、ＤＣスパッタリングプロセスで使用中のターゲットを概略的に示す。ＡＣスパッタリングプロセスが電源を除いてかなり類似していることを当業者は理解しているので、ＡＣプロセスについてもＤＣスパッタリングの実施例に関連するプロセスの説明で事足りる。

ターゲット用の材料は、上述のプロセスから生じる、焼結されたＳｉＯ２：Ｓｉ材料を研削しなおすことによって調製することができ、またはアルゴンなどの保護的な非酸化雰囲気中で、溶融した電気的に導電性のＳｉでＳｉＯ２粒子をコーティングして、溶融したＳｉをプロセスにおける酸化から保護しながらＳｉがＳｉＯ２粒子でカプセル化および融合するプロセスから形成されてもよい。結果として生じる複合粒子は、他のこのような粒子と混ぜることができ、および／またはある量のコーティングされていない酸化ケイ素粒子と混合することができ、その後焼結されて物体を形成することができる。導電性複合粒子の量は、所望の電気導電特性を達成するのに必要な量である。たとえば、この発明は、
特定のターゲットを生産するために必要に応じて焼結材料のバルクを通る導電性の経路を設けるために十分な複合粒子が存在することを企図する。

ターゲットは、一旦調製されると、直流（ＤＣ）または低周波から中波の交流（ＡＣ）スパッタリングプロセスにおいて使用できる。図１は、上述の混合および融合された、酸化ケイ素をドープしたケイ素粉末で作製された物体を１０で示す。図２は、ＤＣスパッタリングプロセス１２において基板１４に隣接して配置された物体１０を示す。真空１６は、チャンバ１２の外に引出され、次いで気体流入部１８を通してアルゴンなどの不活性ガス環境で再び充填される。ターゲット１０は、ＤＣ電源２０に電気的に結合される。チャンバ１２内のアルゴンは、通電されるとプラズマガスの中でイオン化される。ターゲットに印加された大きな負の電位は、加速された条件下で正のアルゴンイオンをターゲット１０に引寄せ、粒子をターゲット１０からぶつけ、その粒子は基板１４上に堆積され、ターゲット材料１０の堆積薄膜または層２２を基板上に形成させる。ＤＣスパッタリング中、比較的少量のまたは比較的少ない流量の酸素が気体流入部１８を通してチャンバ１２に供給され得る。この酸素が、プラズマガスの成分になり、ケイ素と反応して、基板上に導電性の酸化ケイ素コーティング２２を生成する。ターゲットが純粋にドープされたケイ素である場合に必要であろう酸素の量またはレベルは大幅に低減される。なぜなら、ターゲット材料１０の中に酸化ケイ素が存在することによって、材料のその部分を酸化ケイ素に変化させて基板１４上に堆積させるために酸素の供給源を設ける必要がなくなるためである。必要な酸素のレベルに影響を及ぼすことになるいくつかのパラメータが存在し、このパラメータは、ＤＣスパッタリングが行なわれる任意の条件でのケイ素に対する酸化ケイ素の割合を含むことが理解される。それにもかかわらず、同じ動作条件下で、酸化ケイ素およびドープされたケイ素を含む、この発明に従って製造されるターゲットがＤＣスパッタリングプロセスにおいて必要とする酸素は、ドープされたケイ素のみで作られる等価のターゲットのものよりも少ない。

明らかに、この発明の多くの修正および変形が上述の教示に鑑みて可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、具体的に記載したものとは異なる態様でこの発明を実施してもよいことを理解すべきである。この発明は特許請求の範囲によって規定される。

Ｓｉ：ＳｉＯ₂材料で作られたスパッタリングターゲットの概略図である。 Ｓｉ：ＳｉＯ₂材料のターゲットを利用するＤＣスパッタリングプロセスの概略図である。

Claims (17)

1. 導電性のスパッタリングターゲットであって、
   最大理論密度の少なくとも９０％の密度を有する焼結体を形成するように融合され、かつ、抵抗率が約２００Ω・ｃｍ以下である、酸化ケイ素粒子および導電性のドープされたケイ素粒子の組合せを備える、ターゲット。
2. 前記混合物は、５０から８０重量％の間の酸化ケイ素を有する、請求項１に記載のターゲット。
3. 抵抗率は、約１００Ω・ｃｍ以下である、請求項１に記載のターゲット。
4. 抵抗率は、約２０Ω・ｃｍ以下である、請求項１に記載のターゲット。
5. 抵抗率は、約１０Ω・ｃｍ以下である、請求項１に記載のターゲット。
6. 導電性のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
   酸化ケイ素粒子および導電性のドープされたケイ素粒子の組合せを最大理論密度の少なくとも９０％に焼結して、抵抗率が約２００Ω・ｃｍ以下であるようにすることを備える、方法。
7. 前記ターゲットは、抵抗率が約１００Ω・ｃｍ以下に調製される、請求項６に記載の方法。
8. 前記ターゲットは、抵抗率が約２０Ω・ｃｍ以下に調製される、請求項６に記載の方法。
9. 前記ターゲットは、抵抗率が約１０Ω・ｃｍ以下に調製される、請求項６に記載の方法。
10. 前記組合せの粒子の粒径は、約５μｍ以下である、請求項６に記載の方法。
11. ＳｉＯ２が、前記組合せの約５０から８０重量％に等しい量で存在する、請求項６に記載の方法。
12. 前記組合せは、粉末配合物の遊離混合物を格納ユニットに入れ、次いで混合物に熱間静水圧圧縮成形を受けさせることによって圧縮および焼結される、請求項６に記載の方法。
13. 熱間静水圧圧縮成形は、約１２００から１３５０℃の間の温度で、および少なくとも２０ｋｐｓｉの圧力下で行なわれる、請求項１２に記載の方法。
14. 基板上に酸化ケイ素をスパッタリングする方法であって、
    酸化ケイ素および導電性のドープされたケイ素の組合せからなるスパッタリングターゲットを調製することと、
    スパッタリングターゲットを、コーティングされるべき基板に近接して位置するスパッタリング装置を含むチャンバに入れることと、
    スパッタリング装置を作動させて、ターゲットから基板上に酸化ケイ素を堆積させることとを備える、方法。
15. スパッタリングプロセスは、不活性雰囲気中で行なわれる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記不活性雰囲気はアルゴンとして選択される、請求項１５に記載の方法。
17. ＳｉＯ２が、ターゲット材料の５０重量％から８０重量％の間の量でターゲットに存在する、請求項１５に記載の方法。

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