JP2010070796A - 酸化亜鉛系ターゲット - Google Patents

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Abstract

【課題】耐環境性に優れた酸化亜鉛系ターゲットを提供することを課題とする。
【解決手段】酸化亜鉛を主成分とし、チタン（Ｔｉ）及びガリウム（Ｇａ）の両元素を含有し、両元素がチタン１．１ａｔ％以上又はガリウム４．５ａｔ％以上の範囲で含有されている。
【選択図】なし

Description

本発明は、酸化亜鉛を主成分とする酸化亜鉛系ターゲットに関する。
透明導電膜は、赤外線遮蔽板や静電遮蔽板の用途、面発熱体やタッチスイッチなどの導電膜、ディスプレー装置などの透明電極の需要が高まっている。このような透明導電膜としては、従来、錫をドープした酸化インジウム膜（ＩＴＯ）が利用されているが、ＩＴＯは価格の高いものであるため、安価な透明導電膜の出現が待望されている。
そこで、ＩＴＯより安価な膜である酸化亜鉛系透明導電膜が注目され、酸化亜鉛に酸化アルミニウムを添加したＡＺＯや酸化ガリウムを添加したＧＺＯなどが市販されている。
しかしながら、これらの酸化亜鉛系透明導電膜は、ＩＴＯと比較して導電性や耐久性に劣るものであり、高導電性や安定化を求めて各種元素を添加したものが検討されている（特許文献１〜４など参照）。また、特に、添加元素としてＧａを添加したものが検討されている（特許文献５〜７など参照）。
しかしながら、このような酸化亜鉛系透明導電膜は、この膜を実用化するには、エッチングレートが速すぎて、パターニングし難いという問題があり、また、耐環境性に劣るという問題がある。
特開昭６２−１５４４１１号公報（特許請求の範囲） 特開平９−４５１４０号公報（特許請求の範囲） 特開２００２−７５０６１号公報（特許請求の範囲） 特開２００２−７５０６２号公報（特許請求の範囲） 特開平１０−３０６３６７号公報（特許請求の範囲） 特開平１１−２５６３２０号公報（特許請求の範囲） 特開平１１−３２２３３２号公報（特許請求の範囲）
本発明は、上述した事情に鑑み、耐環境性に優れた酸化亜鉛系透明導電膜を形成することができる酸化亜鉛系ターゲットを提供することを課題とする。
前記課題を解決する本発明の第１の態様は、酸化亜鉛を主成分とし、チタン（Ｔｉ）及びガリウム（Ｇａ）の両元素を含有し、両元素がチタン１．１ａｔ％以上又はガリウム４．５ａｔ％以上の範囲で含有されている酸化物焼結体を具備することを特徴とする酸化亜鉛系ターゲットにある。
かかる第１の態様では、チタン（Ｔｉ）及びガリウム（Ｇａ）の両元素を所定範囲で含有することにより、耐環境性に優れた膜を形成することができる酸化亜鉛系ターゲットとなる。
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の酸化亜鉛系ターゲットにおいて、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２ｘ＋１０．４）以下の範囲で且つチタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲にあることを特徴とする酸化亜鉛系ターゲットにある。
かかる第２の態様では、チタン及びガリウムを所望範囲とすることにより、膜の比抵抗がより小さく、電気導電性がより良好な酸化亜鉛系透明導電膜を形成できる酸化亜鉛系ターゲットとなる。
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の酸化亜鉛系ターゲットにおいて、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−ｘ＋３．４）以下、（ｘ−０．９）以下、または（−２．３ｘ＋１０．１）以上の範囲にあることを特徴とする酸化亜鉛系ターゲットにある。
かかる第３の態様では、チタン及びガリウムを所望範囲とすることにより、キャリア密度が特に小さくなり、近赤外領域に相当する長波長の光の透過性がより向上し、特に太陽電池用途に好適な膜を形成できる酸化亜鉛系ターゲットとなる。
本発明の酸化亜鉛系ターゲットは、チタン（Ｔｉ）及びガリウム（Ｇａ）の両元素を所定範囲で含有することにより、耐環境性に優れた膜を形成できるという効果を奏する。
本発明の酸化亜鉛系ターゲットは、酸化亜鉛を主成分とし、ガリウムと共にチタンを添加した焼結体とすると、耐環境性が著しく向上する酸化亜鉛系透明導電膜が形成できるという知見に基づいて完成されたものである。
本発明の酸化亜鉛系ターゲットは、チタン（Ｔｉ）及びガリウム（Ｇａ）の両元素を添加元素として含有する酸化物焼結体を具備するものであるが、両元素がチタン１．１ａｔ％以上又はガリウム４．５ａｔ％以上の範囲、すなわち、チタン１．１ａｔ％未満且つガリウム４．５ａｔ％未満の範囲を除く範囲で含有されるものである。これらの範囲で両元素が含有されていれば、耐環境性が向上した膜が形成でき、範囲外では耐環境性が向上した膜が形成できるという効果が顕著に得られないからである。
ここで、酸化亜鉛系ターゲットとは、酸化亜鉛系焼結体を具備するターゲットであり、スパッタリングによる透明導電膜の成膜に使用されるスパッタリングターゲットの他、イオンプレーティングによる透明導電膜の成膜に使用されるイオンプレーティング用ターゲット（ペレットともいう）を含むものである。
すなわち、本発明の範囲では、後述するように、耐環境試験の結果、比抵抗の変化が１０％以下と小さく、実用に耐え得る耐環境性を有する膜を形成できるターゲットとなる。
なお、本件出願において、各金属元素の含有量（ａｔ％）は全金属元素のモル数に対するＴｉおよびＧａのモル数の比率（Ｔｉ／（Ｚｎ＋Ｔｉ＋Ｇａ）、Ｇａ／（Ｚｎ＋Ｔｉ＋Ｇａ））で表わされる。
ここで、耐環境試験は、６０℃、相対湿度９０％の環境下に２５０時間放置した際の前後の比抵抗の変化を測定するものである。比抵抗の変化（増加）が７％以内であれば、デバイス設計上、大きな問題を生じないで、実用に耐え得ると判断される。
ここで、比抵抗の変化率（％）は、以下の式で表される。なお、比抵抗が減少する場合には、デバイス設計上、大きな問題とはならないので、変化が７％以下の条件を満足するものとする。
比抵抗の変化率(％)=[(耐環境試験後の比抵抗/耐環境試験前の比抵抗)−１]×１００
また、特に、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２ｘ＋１０．４）以下の範囲で且つチタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲にある酸化亜鉛系ターゲットとするのが好ましい。
また、特に、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２．５ｘ＋９．８）以下で且つ（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲で比抵抗１．５×１０-3Ωｃｍ以下になり、さらに良好な膜を形成できるターゲットとなる。
このような範囲でガリウム及びチタンを含有することにより、特に比抵抗が、２．５×１０-3Ωｃｍ以下又は１．５×１０-3Ωｃｍ以下と小さくなり、電気導電性がより優れた膜を形成することができるターゲットとなるからである。
比抵抗が、２．５×１０-3Ωｃｍ以下又は１．５×１０-3Ωｃｍ以下が好ましいとしたのは、例えば、液晶ディスプレイのアレイ側電極では１×１０-3 Ωｃｍ程度であれば使用可能といわれているためであり、実用上好ましいからである。
さらに、特に、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−ｘ＋３．４）以下、（ｘ−０．９）以下、または（−２．３ｘ＋１０．１）以上の範囲にあることを特徴とする酸化亜鉛系ターゲットとするのが好ましい。
このような範囲でガリウム及びチタンを含有することにより、キャリア密度がより小さくなり、近赤外領域に相当する長波長の光を透過させ易い膜となるので、例えば、太陽電池用途に好適な透明導電膜を形成できるものとなる。
上述した好適な範囲とすると、キャリア密度は４．０×１０20ｃｍ-3以下となり、太陽電池用途に好ましいものとなる。
ここで、近赤外領域に相当する長波長側の透過率は、光の吸収・反射を引き起こす自由電子のプラズマ振動が長波長側にある方が高くなる。プラズマ振動を引き起こすプラズマ波長は以下の式で表わされ、キャリア密度が少ないほどプラズマ波長が長波長側になる。
Figure 2010070796
ここで、ｃ：光速３．０×１０10［ｃｍ／ｓ］、ｅ：電子電荷４．８×１０-10ｅｓｕ、ｎe：キャリア密度［ｃｍ-3］、ε0＝π／４、ε：誘電率（＝屈折率の自乗、ｎ2＝２．０2＝４．０），ｍ*：酸化亜鉛の電子の有効質量（０．２８×９．１×１０-28［ｇ］，μ：移動度［ｃｍ2／Ｖ・ｓ］である。
キャリア密度が４×１０20ｃｍ-3の場合、プラズマ波長は１６５０ｎｍ程度であり、長波長の光も十分透過することとなる。
本発明の対象となる酸化亜鉛系ターゲットの製造方法について説明するが、これは単に例示したものであり、製造方法は特に限定されるものではない。
まず、本発明のターゲットを構成する出発原料としては、一般的に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）の粉末であるが、これらの単体、化合物、複合酸化物等を原料としてもよい。単体、化合物を使う場合はあらかじめ酸化物にするようなプロセスを通すようにする。
これらの原料粉を、所望の配合率で混合し、成形する方法は特に限定されず、従来から公知の各種湿式法又は乾式法を用いることができる。
乾式法としては、コールドプレス（Ｃｏｌｄ Ｐｒｅｓｓ）法やホットプレス（Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓ）法等を挙げることができる。コールドプレス法では、混合粉を成形型に充填して成形体を作製し、焼成させる。ホットプレス法では、混合粉を成形型内で焼成、焼結させる。
湿式法としては、例えば、濾過式成形法（特開平１１−２８６００２号公報参照）を用いるのが好ましい。この濾過式成形法は、セラミックス原料スラリーから水分を減圧排水して成形体を得るための非水溶性材料からなる濾過式成形型であって、１個以上の水抜き孔を有する成形用下型と、この成形用下型の上に載置した通水性を有するフィルターと、このフィルターをシールするためのシール材を介して上面側から挟持する成形用型枠からなり、前記成形用下型、成形用型枠、シール材、およびフィルターが各々分解できるように組立てられており、該フィルター面側からのみスラリー中の水分を減圧排水する濾過式成形型を用い、混合粉、イオン交換水と有機添加剤からなるスラリーを調製し、このスラリーを濾過式成形型に注入し、該フィルター面側からのみスラリー中の水分を減圧排水して成形体を製作し、得られたセラミックス成形体を乾燥脱脂後、焼成する。
コールドプレス法や湿式法で成形したものの焼成温度は、１０００〜１５００℃が好ましく、さらに好ましくは、１０００〜１３００℃であり、その雰囲気は大気雰囲気、酸素雰囲気、非酸化性雰囲気、または真空雰囲気などである。一方、ホットプレス法の場合は、９００〜１３００℃で焼結させることが好ましく、その雰囲気は、非酸化性雰囲気や真空雰囲気などである。なお、各方法において焼成した後には、所定寸法に成形・加工のための機械加工を施しターゲットとする。
以下、本発明をスパッタリングターゲットを例とした実施例に基づいて説明するが、これに限定されるものではない。
（スパッタリングターゲット製造例１〜５０）
ＢＥＴ＝３．５９ｍ2／ｇのＺｎＯ粉、ＢＥＴ＝７．１０ｍ2／ｇのＴｉＯ2粉およびＢＥＴ＝１３．４５ｍ2／ｇのＧａ2Ｏ3粉を全金属元素のモル数に対するＴｉおよびＧａのモル数の比率（Ｔｉ／（Ｚｎ＋Ｔｉ＋Ｇａ）、Ｇａ／（Ｚｎ＋Ｔｉ＋Ｇａ））が下記表１及び表２にサンプルＡ１〜Ａ５０として表すモル比に相当するような比率で全量約１．０ｋｇ用意し、これをボールミルで混合した。その後、バインダーとして４ｗｔ％ポリビニルアルコール水溶液を混合粉末に対し６．６ｗｔ％添加して混合し、コールドプレスして成形体を得た。
この成形体を、大気中６０℃／ｈの昇温で昇温し６００℃で１０時間脱脂した。次いで、大気中で室温から１３００℃まで１００℃／ｈで昇温した後、１３００℃で８時間焼成し、その後室温まで１００℃／ｈで冷却することで焼結体を得た。得られた焼結体は平面研削を施し、φ１００ｍｍ×６ｍｍｔのターゲットを得た。
なお、得られた焼結体をＩＣＰで分析したところ原料配合組成とほぼ同一であることが確認された。
（ＡＺＯスパッタリングターゲット製造例）
ＢＥＴ＝３．５９ｍ2／ｇのＺｎＯ粉、ＢＥＴ＝３．８９ｍ2／ｇのＡｌ2Ｏ3粉を全金属元素のモル数に対するＡｌのモル数の比率（Ａｌ／（Ｚｎ＋Ａｌ））が２．４ａｔ％に相当するような比率で全量約１．０ｋｇ用意し、これをボールミルで混合した。その後、バインダーとして４ｗｔ％ポリビニルアルコール水溶液を混合粉末に対し６．６ｗｔ％添加して混合し、コールドプレスして成形体を得た。
この成形体を、大気中６０℃／ｈで昇温し６００℃で１０時間脱脂した。次いで、大気中で室温から１３００℃まで１００℃／ｈで昇温した後、１３００℃で８時間焼成し、その後室温まで１００℃／ｈで冷却することで焼結体を得た。得られた焼結体は平面研削を施し、φ１００ｍｍ×６ｍｍｔのターゲットを得た。
（成膜例）
４インチカソードのＤＣマグネトロンスパッタ装置に各製造例のスパッタリングターゲット及びＡＺＯスパッタリングターゲットをそれぞれ装着し、基板温度２５０℃、酸素分圧を０〜２．０ｓｃｃｍで０．５ｓｃｃｍ刻みで変化させながら（０〜６．６×１０-3 Ｐａに相当）、透明導電膜を得た。
このようにして得られた透明導電膜は、スパッタリングした透明導電膜用スパッタリングターゲットの組成と同一組成の酸化亜鉛系透明導電膜である。このような酸化亜鉛系透明導電膜の組成分析は、単膜を全量溶解しＩＣＰで分析してもよい。また、膜自体が素子構成をなしている場合などは、必要に応じてＦＩＢ等により該当する部分の断面を切り出し、ＳＥＭやＴＥＭ等に付属している元素分析装置（ＥＤＳやＷＤＳ、オージェ分析など）を用いても特定することが可能である。
スパッタの条件は、以下の通りとし、厚さ１２００Åの膜を得た。
ターゲット寸法 ：φ＝１００ｍｍ、ｔ＝６ｍｍ
スパッタ方式 ：ＤＣマグネトロンスパッタ
排気装置 ：ロータリーポンプ＋クライオポンプ
到達真空度 ：３×１０-5 Ｐａ以下
Ａｒ圧力 ：４．０×１０-1Ｐａ
酸素圧力 ：０〜６．６×１０-3Ｐａ
基板温度 ：２５０℃
スパッタ電力 ：１３０Ｗ （電力密度１．６Ｗ／ｃｍ2）
使用基板 ：コーニング＃１７３７（液晶ディスプレイ用ガラス）
５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．８ｍｍｔ
酸素分圧を変化させて成膜した透明導電膜をそれぞれ１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切り出し、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によって（東陽テクニカ製，ホール係数測定装置 ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００）比抵抗をそれぞれ測定した。
図１（ｂ）に比較例であるアルミニウム（Ａｌ）を２．４ａｔ％ドープしたＺｎＯ（ＡＺＯ）膜の比抵抗の酸素分圧依存性を示す。このように比抵抗は酸素分圧が０の場合に比抵抗が最も低い。また、Ｔｉを２ａｔ％およびＧａを１ａｔ％ドープしたＺｎＯ膜（サンプルＡ２４）の比抵抗の酸素分圧依存性を図１（ａ）に示す。サンプルＡ２４の酸素分圧依存性は、ＡＺＯ膜と同様な特性を示す。この他のサンプル組成におけるＴｉＧａ系ＺｎＯ膜も全て同様な特性を示す。そこで、表１及び表２に示した特性値は、全て酸素分圧が０の時のデータとした。
試験例１（耐環境性試験）
酸素分圧が０で成膜した各透明導電膜を、それぞれ１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切り出し、まず比抵抗をＶａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法（東陽テクニカ製，ホール係数測定装置 ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００）によって測定し、その後恒温恒湿器内（ＥＳＰＥＣ製ＰＲ−２ＫＰ）に封入し、６０℃９０％ＲＨ雰囲気中に２５０時間放置した後、再度比抵抗を測定し、放置前後における比抵抗の変化率を算出した。なお、恒温恒湿器内を昇降温させる際、温度と湿度をコントロールすることでサンプルが結露しないようにした。
この結果を表１及び表２に示す。
この結果、チタン１．１ａｔ％未満で且つガリウム４．５ａｔ％未満の範囲のサンプルＡ１〜Ａ１０並びにガリウムが０％のサンプルＡ１６、Ａ２２では、比抵抗の変化率が７％を超えたが、それ以外の範囲のサンプルでは、変化率が７％以下であった。すなわち、表１のデータからはチタンが１．２ａｔ％以上では比抵抗の変化率が７％以下となること明らかとなったが、比抵抗の変化率が７％以下となるのはチタンが１．１ａｔ％以上、ガリウムが４．５ａｔ％以上であることは表１、２に示した以外のデータの傾向で明らかとなった。
図２には、耐環境性試験結果が７％以内のサンプルを○、７％を超えたサンプルを●で示す。
試験例２（比抵抗測定）
酸素分圧が０で成膜した各透明導電膜を、それぞれ１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切り出し、比抵抗をＶａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法（東陽テクニカ製，ホール係数測定装置 ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００）によって測定した。
この結果を表１及び表２に示す。
この結果、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２ｘ＋１０．４）以下の範囲で且つチタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲にある透明導電膜で、比抵抗２．５×１０-3Ωｃｍ以下となることがわかった。一方、この範囲を外れたサンプルでは、比抵抗が２．５×１０-3Ωｃｍより大きいことがわかった。なお、比抵抗２．５×１０-3Ωｃｍ以下となるチタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２ｘ＋１０．４）以下となる範囲の境界が、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲であることは、表１、２に示した以外のデータを含めて総合的に判断した結果明らかになった。
図３には、耐環境性試験結果が７％以内のもので、比抵抗が２．５×１０-3Ωｃｍ以下のサンプルを□、比抵抗が２．５×１０-3Ωｃｍを超えるサンプルを■、耐環境性試験結果が７％を超えるサンプルを●で示す。
また、特に、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２．５ｘ＋９．８）以下で且つ（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲のサンプルで比抵抗が１．５×１０-3Ωｃｍ以下になることがわかった。なお、比抵抗１．５×１０-3Ωｃｍ以下となるチタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２ｘ＋１０．４）以下となる範囲の境界が、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２．５ｘ＋９．８）以下で且つ（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲であることは、表１、２に示した以外のデータを含めて総合的に判断した結果明らかになった。
図４には、図３の中で比抵抗が１．５×１０-3Ωｃｍ以下になるサンプルを◇として示す。
試験例３（ホール係数測定）
酸素分圧が０で成膜した各透明導電膜を切り出し、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール係数測定（東陽テクニカ製，ホール係数測定装置 ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００）から、各膜のキャリア密度およびキャリア移動度をそれぞれ測定した。
この結果を表１及び表２に示す。
この結果、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−ｘ＋３．４）以下、（ｘ−０．９）以下、または（−２．３ｘ＋１０．１）以上の範囲にあるサンプルでキャリア密度は４．０×１０20ｃｍ-3以下となることがわかった。一方、これを以外の範囲にあるサンプルではキャリア密度が４．０×１０20ｃｍ-3より大きいことがわかった。なお、キャリア密度が４．０×１０20ｃｍ-3以下となる範囲が、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−ｘ＋３．４）以下、（ｘ−０．９）以下、または（−２．３ｘ＋１０．１）以上の範囲であることは、表１、２に示した以外のデータを含めて総合的に判断した結果明らかになった。
図５には、耐環境性試験結果が７％以内のもので、キャリア密度が４．０×１０20ｃｍ-3以下のサンプルを△、キャリア密度が４．０×１０20ｃｍ-3を超えるサンプルを▲、耐環境性試験結果が７％を超えたサンプルを●で示す。
Figure 2010070796
Figure 2010070796
図１は実施例及び比較例で成膜された膜の比抵抗の酸素分圧依存性を示すグラフである。 図２は、耐環境性試験の測定結果を示すグラフである。 図３は、耐環境性試験及び比抵抗の測定結果を示すグラフである。 図４は、耐環境性試験及び比抵抗の測定結果を示すグラフである。 図５は、耐環境性試験及びキャリア密度の測定結果を示すグラフである。

Claims (3)

  1. 酸化亜鉛を主成分とし、チタン（Ｔｉ）及びガリウム（Ｇａ）の両元素を含有し、両元素がチタン１．１ａｔ％以上又はガリウム４．５ａｔ％以上の範囲で含有されている酸化物焼結体を具備することを特徴とする酸化亜鉛系ターゲット。
  2. 請求項１記載の酸化亜鉛系ターゲットにおいて、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−２ｘ＋１０．４）以下の範囲で且つチタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−０．５ｘ＋１．１）以上の範囲にあることを特徴とする酸化亜鉛系ターゲット。
  3. 請求項１又は２記載の酸化亜鉛系ターゲットにおいて、ガリウムの含有量ｙ（ａｔ％）が、チタンの含有量ｘ（ａｔ％）で表される値（−ｘ＋３．４）以下、（ｘ−０．９）以下、または（−２．３ｘ＋１０．１）以上の範囲にあることを特徴とする酸化亜鉛系ターゲット。
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