JP2012107277A - 酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、溶射した酸化亜鉛系円筒ターゲットの組織を汚染することなく加工して仕上げる酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法を提供することにある。
【解決手段】
バッキングチューブの外周面に酸化亜鉛系粉末を溶射して酸化亜鉛系ターゲット層を形成し、該酸化亜鉛系ターゲット層を乾式で切削加工することで、溶射した酸化亜鉛系円筒ターゲットの組織を汚染することなく加工することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸化亜鉛系円筒スパッタリングターゲット等に使用されるのに適した酸化亜鉛系円筒ターゲットを製造する方法に関するものである。

透明導電膜としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が代表的な材料として使用されているが、ＩＴＯの原料であるインジウムは希少金属で資源的な問題があるため、低コストな代替材料の開発が行われており、酸化亜鉛に酸化アルミニウムや酸化ガリウムを添加したものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、生産性向上やコスト低減の観点からターゲットの利用効率が高く、高パワーでの成膜を可能とする方法として円筒ターゲットが注目されており、一般的な酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法としては、酸化亜鉛系粉末を成形後焼結し、この焼結体を所定形状に加工した後、バッキングチューブにボンディングする方法がある。

しかし、前記方法は製造プロセスが長く、特にバッキングチューブにボンディングするプロセスが煩雑で製造コストがかかるという問題がある。これに対して、バッキングチューブの外周に酸化亜鉛に酸化アルミニウムや酸化ガリウムを添加した粉末を溶射して酸化亜鉛系円筒ターゲットを製造することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

酸化亜鉛系焼結体の加工方法としては、オイルや界面活性剤を含んだ水で、加工砥石と焼結体を冷却しながら研削し、その後、湿式で洗浄して乾燥する方法が一般的である。

特開平０７−２５８８３６号公報 特開２００７−２８０７５６号公報 特開平０７−１１４１９号公報

本発明の目的は、溶射した酸化亜鉛系円筒ターゲットの組織を汚染することなく加工して仕上げる酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、溶射した酸化亜鉛系円筒ターゲットは比較的柔らかいために乾式で切削加工することが可能で、乾式で切削加工することによりターゲットの組織を汚染することなく加工できることを確認し、本発明を完成した。

すなわち、本発明はバッキングチューブの外周面に酸化亜鉛系粉末を溶射して酸化亜鉛系ターゲット層を形成する工程と、該酸化亜鉛系ターゲット層を乾式で切削加工する工程とを含んでなる酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法である。

なお、本発明中における酸化亜鉛系とは、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、その他の金属酸化物を合計２０ｗｔ％以下含んでいてもよい酸化亜鉛のことを指す。

以下、本発明の酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法について詳細に説明する。

本発明の酸化亜鉛系粉末を溶射して酸化亜鉛系ターゲット層を形成する工程について、図１を用いて説明するが、下記の方法はあくまで本発明の態様の一つであり、当然ながら本発明は下記の方法に限定されるものではない。

まず、アルゴン、窒素、水素などのプラズマガス１６を溶射ガン１３に供給し、溶射ガン１３内部に対向して置かれた陰極と陽極の間に電圧をかけて直流アークによるプラズマジェット１４を発生させる。

本発明で使用する溶射ガンは特に限定されないが、一般的な高電圧型のＤＣプラズマガンを用いることができる。

次に、酸化亜鉛系粉末１５をアルゴン等のキャリアガスとともにプラズマジェット１４中に供給して溶融しながら加速して、溶融粒子１７をバッキングチューブ１１に衝突させ、冷却固化により堆積させる。

本発明で使用するバッキングチューブとしては、ＳＵＳ製，Ｔｉ製などの金属製が挙げられる。酸化亜鉛系円筒ターゲットを肉厚化する場合には、スパッタ放電時の熱膨張差によるターゲットに発生する応力を緩和するため、酸化亜鉛系円筒ターゲットとの熱膨張率が近いＴｉ製が好ましい。バッキングチューブとターゲットとの密着性を向上させるため、バッキングチューブ表面をブラストして荒くしておくと良い。

なお、バッキングチューブには酸化亜鉛系粉末を溶射する前に下地層を溶射しておいてもよい。下地層の材質としては亜鉛、アルミニウム、亜鉛合金またはアルミニウム合金などが挙げられる。下地層の材質に求められる特性としては、バッキングチューブや酸化亜鉛系ターゲット層との密着性が高いだけでなく、スパッタ放電中に酸化亜鉛系ターゲット層に発生する応力を緩和するために塑性変形できる柔軟な材料であることが要求される。

ここで、バッキングチューブ１１を回転させながら溶射ガン１３をロボット１８により上下に往復させることでバッキングチューブ１１の長さ方向で均一に溶射堆積させることができる。また、往復回数を増やすことで厚みを増すことができる。なお、ロボット１８は、溶射ガン１３の先端と堆積した酸化亜鉛系ターゲット層１２の距離を一定に保つため、前後に動かすことも可能である。

上記の手順で、バッキングチューブ１１上に酸化亜鉛系ターゲット層１２が厚み５〜２０ｍｍになるまで形成して、酸化亜鉛系円筒ターゲット２３とする。

次に、酸化亜鉛系ターゲット層を乾式で切削加工する工程について説明する。

酸化亜鉛系円筒ターゲットを旋盤にセットして回転させながら、溶射した酸化亜鉛系ターゲット層にバイトを当てて長手方向に送ることで、切削する。

使用できる旋盤としては、普通旋盤（汎用の横型旋盤）、立て旋盤など円筒の外周面を切削できて、バッキングチューブの長さに対応したものであればよい。

酸化亜鉛の緻密な焼結体はモース硬度が４〜５と言われているが、溶射した酸化亜鉛系ターゲット層は焼結体より粒子の密着が弱いので焼結体より柔らかいため、切削に用いるバイトは、加工量が少なく短時間の加工であれば、炭化タングステンとコバルトの微粉末を焼結した超硬合金を用いることができる。

仕上がりと加工時間を考慮すると、切削加工にダイヤモンドバイトを用い、該ダイヤモンドバイトの先端を圧縮ガス及び／又は液化ガスで冷却しながら切削加工することが好ましい。

ダイヤモンドバイトの種類は特に限定されないが、焼結品、ＣＶＤ品、単結晶品など各種有り、単結晶品が最も優れている。

圧縮ガスとしては圧縮エア、窒素などいかなるものも使用できるが、コストの点で圧縮エアが好ましい。

液化ガスとしては液体窒素、液化炭酸ガスなどを用いることができるが、噴出物の温度が非常に低いので圧縮ガスよりダイヤモンドバイトの先端の冷却効果が高く、また、その後、直ぐに蒸発して残らない特徴がある。

液化ガスの中でも液化炭酸ガスは、吹き付け時にパウダー状ドライアイスとなるため、ダイヤモンドバイトの先端を冷却するだけでなく、酸化亜鉛系ターゲット層の洗浄を施すことができるため、好ましい。

液化炭酸ガスは、ボンベから調整器を介してノズルから大気に噴出する祭に断熱膨張による急激な温度の低下が起こり、パウダー状ドライアイスとなるが、パウダー状ドライアイスの形状と噴出圧力を精密に制御するためには、太陽日酸株式会社製のマジックブラストパウダーショットなど市販の装置を用いることが好ましい。また、生成したパウダー状ドライアイスの噴出圧力を調整するために窒素ガスや乾燥圧縮エアなど用いても良い。

パウダー状ドライアイスは数十μｍと細かく、さらに酸化亜鉛系ターゲット層に衝突して容易に粉砕されるため、表面の凹凸に細かく食い込んで表面の粉状物を吹き飛ばして洗浄する作用があり、蒸発して後に残らないという利点がある。周囲の湿度が高い場合、パウダー状ドライアイスによる冷却で酸化亜鉛系ターゲット層が濡れることもあるが、冷却された部分をホットエアなどで乾燥させながら加工すれば問題ない。

なお、切削加工後の酸化亜鉛系円筒ターゲットは、厚みの平均値から±０．０１〜０．１ｍｍで均一化することが好ましく、±０．０１〜０．０５ｍｍで均一化することがより好ましい。

本発明により、溶射した酸化亜鉛系円筒ターゲットの組織を汚染することなく加工して仕上げることができる。乾式で加工することにより溶射した酸化亜鉛系円筒ターゲットに、オイルや界面活性剤、或いは加工砥石の研磨剤の磨耗した微粒子が染みこむことが無い。また、ダイヤモンドバイトを用いて充分冷却することにより長尺のターゲットを汚染することなく加工することが可能である。さらに、液化炭酸ガスを冷却に用いることで、ターゲットを加工しながら同時に洗浄することができるので、さらに汚染が少ないターゲットを製造することができる。

本発明の酸化亜鉛系ターゲット層が堆積していく過程の一例を示した模式図である。 実施例１における酸化亜鉛系ターゲット層を乾式で切削加工する工程を示した模式図である。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例１
予めアルミナを用いてブラストすることで表面を粗した直径１３３ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＳＵＳ製のバッキングチューブ１１を回転台の上に固定し、１５０ｒｐｍで回転させた。次に、プラズマガス１６として１０％の水素を含む窒素ガスを１００Ｌ／ｍｉｎの流量で流して直流電圧により発生させた出力７０ｋＷのプラズマジェット１４に、平均粒子径が５０μｍの酸化アルミニウム２重量％を含む酸化亜鉛粉末１５をアルゴンガスで投入してバッキングチューブ１１に溶射した。溶射ガン１３の先端と堆積した酸化亜鉛系ターゲット層１２の距離を概ね８０ｍｍに保ち、溶射ガン１３を上下させることで、最終的に上下方向に概ね均一な厚み（８．３±０．２ｍｍ）で酸化亜鉛系ターゲット層１２を形成した。なお、溶射中は基板冷却のために圧縮エア１９により八方向からエア冷却を施した。

次に作製した酸化亜鉛系ターゲット２３を、旋盤２１にセットし、２００ｒｐｍで回転させながら、焼結品のダイヤモンドバイト２２を当て、切り込み量０．１ｍｍで長手方向に０．０５ｍ／ｓの速度で送ることにより切削した。切削中にはパウダー状ドライアイス生成機（太陽日酸株式会社製、商品名「マジックブラストパウダーショット」）２４に液化炭酸ガス２５と窒素ガス２６を供給し、０．３ＭＰａの圧力の窒素ガス２６で押しながらパウダー状ドライアイスをノズル２７から噴出させ、ダイヤモンドバイト２２の先端部分、酸化亜鉛系ターゲット層１２の被加工部分及びその周辺の冷却と洗浄を行った。また、パウダー状ドライアイスの噴出ノズル２７の前後にヒーターで約１００℃に加熱したクリーンな圧縮空気のエアーノズル２８を配置し、乾燥を行った。

このような方法で酸化亜鉛系ターゲットを切削することで厚みを８．０±０．０５ｍｍ以下に均一化し、さらに両端の溶射不要部を切り取った。また、溶射後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは８μｍであったが、切削後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは２μｍまで平滑化することができた。

次に、切削加工した酸化亜鉛系ターゲットをクラス１００のクリーンルームに移動し、酸化亜鉛系ターゲットのパーティクル測定部位の周辺を１分間イオン化エアガンで０．５ＭＰａの圧力のクリーンな窒素ガスを照射して軽く洗浄した。その後、パーティクルカウンターの大気取り入れ口をパーティクル測定部位に近づけ、さらに０．１ＭＰａの圧力でクリーンな窒素ガスをパーティクル測定部位に吹き付けながらパーティクルを測定した。検出した１μｍ以上のパーティクル数は１０個／ｃｍ^３であった。

次に酸化亜鉛系ターゲットの一部を５時間、ＴＨＦ（テトラヒドロフラン）に浸漬し、抽出した液をゲル浸透クロマトグラフィーで分析した。分析した液から界面活性剤、研削油に類する成分は検出されなかった。

実施例２
実施例１と同様の方法で溶射法により形成した酸化亜鉛系ターゲット２３を、旋盤２１にセットし、２００ｒｐｍで回転させながら、焼結品のダイヤモンドバイト２２を当て、切り込み量０．１ｍｍで長手方向に０．０３ｍ／ｓの速度で送ることにより切削した。切削中には２７の位置にエアーノズルを配して（２８のエアーノズルは省く）０．５ＭＰａの圧力のクリーンな圧縮エアを噴出させ、ダイヤモンドバイト２２の先端部分、酸化亜鉛系ターゲット層１２の被加工部分及びその周辺の冷却を行った。

このような方法で酸化亜鉛系ターゲットを切削することで厚みを８．０±０．０５ｍｍ以下に均一化し、さらに両端の溶射不要部を切り取った。また、溶射後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは８μｍであったが、切削後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは３μｍまで平滑化することができた。

次に、切削加工した酸化亜鉛系ターゲットをクラス１００のクリーンルームに移動し、酸化亜鉛系ターゲットのパーティクル測定部位の周辺を１分間イオン化エアガンで０．５ＭＰａの圧力のクリーンな窒素ガスを照射して軽く洗浄した。その後、パーティクルカウンターの大気取り入れ口をパーティクル測定部位に近づけ、さらに０．１ＭＰａの圧力でクリーンな窒素ガスをパーティクル測定部位に吹き付けながらパーティクルを測定した。検出した１μｍ以上のパーティクル数は３００個／ｃｍ^３であった。

次に酸化亜鉛系ターゲットの一部を５時間、ＴＨＦに浸漬し、抽出した液をゲル浸透クロマトグラフィーで分析した。分析した液から界面活性剤、研削油に類する成分は検出されなかった。

実施例３
実施例１と同様の方法で溶射法により形成した酸化亜鉛系ターゲット２３を、旋盤２１にセットし、２００ｒｐｍで回転させながら、ダイヤモンドバイト２２の代わりに超硬バイトを当て、切り込み量０．０５ｍｍで長手方向に０．０３ｍ／ｓの速度で送ることにより切削した。切削中には２７の位置にエアーノズルを配して（２８のエアーノズルは省く）０．５ＭＰａの圧力のクリーンな圧縮エアを噴出させ、超硬バイトの先端と酸化亜鉛系ターゲット層の被加工部分及びその周辺の冷却を行った。

このような方法で酸化亜鉛系ターゲットを切削することで厚みを８．０±０．０５ｍｍ以下に均一化し、さらに両端の溶射不要部を切り取った。また、溶射後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは８μｍであったが、切削後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは４μｍまで平滑化することができた。

次に、切削加工した酸化亜鉛系ターゲットをクラス１００のクリーンルームに移動し、酸化亜鉛系ターゲットのパーティクル測定部位の周辺を１分間イオン化エアガンで０．５ＭＰａの圧力のクリーンな窒素ガスを照射して軽く洗浄した。その後、パーティクルカウンターの大気取り入れ口をパーティクル測定部位に近づけ、さらに０．１ＭＰａの圧力でクリーンな窒素ガスをパーティクル測定部位に吹き付けながらパーティクルを測定した。検出した１μｍ以上のパーティクル数は５００個／ｃｍ^３であった。

次に酸化亜鉛系ターゲットの一部を５時間、ＴＨＦに浸漬し、抽出した液をゲル浸透クロマトグラフィーで分析した。分析した液から界面活性剤、研削油に類する成分は検出されなかった。

比較例１
実施例１と同様の方法で溶射法により形成した酸化亜鉛系ターゲットを、円筒研削盤にセットした。２００ｒｐｍで回転させた酸化亜鉛系ターゲットに、エマルジョンタイプの水溶性研削液（界面活性剤と切削油を含有）をかけながら、１５００ｒｐｍで回転させたダイヤモンドホイールを当て、切り込み量０．０１ｍｍで長手方向に０．０２ｍ／ｓの速度で送ることにより切削した。研削加工終了後、非イオン性界面活性剤を１％含んだ水で超音波洗浄を施し、さらに、純水で超音波洗浄することでリンスし、６０℃に保持したオーブンで１２時間乾燥した。

このような方法で酸化亜鉛系ターゲットを研削加工することで厚みを８．０±０．０５ｍｍ以下に均一化し、さらに両端の溶射不要部を切り取った。また、溶射後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは８μｍであったが、研削後の酸化亜鉛系ターゲットの表面粗さＲａは２μｍまで平滑化することができた。

次に、研削加工した酸化亜鉛系ターゲットをクラス１００のクリーンルームに移動し、酸化亜鉛系ターゲットのパーティクル測定部位の周辺を１分間イオン化エアガンで０．５ＭＰａの圧力のクリーンな窒素ガスを照射して軽く洗浄した。その後、パーティクルカウンターの大気取り入れ口をパーティクル測定部位に近づけ、さらに０．１ＭＰａの圧力でクリーンな窒素ガスをパーティクル測定部位に吹き付けながらパーティクルを測定した。検出した１μｍ以上のパーティクル数は８０個／ｃｍ^３であった。

次に酸化亜鉛系ターゲットの一部を５時間、ＴＨＦに浸漬し、抽出した液をゲル浸透クロマトグラフィーで分析した。分析した液から界面活性剤、研削油に類する成分が多量に検出された。

実施例１〜３、比較例１で得られた結果を表１にまとめた。

実施例１〜３のように乾式で切削加工することで界面活性剤、研削油の汚染がなく、良好な寸法に加工できた。また、液化炭酸ガスによるパウダー状ドライアイスとダイヤモンドバイトを組み合わせることで、短い加工時間で円筒研削並みの表面粗さと、表面のパーティクル除去ができた。

本発明の製造法で製造される酸化亜鉛系円筒ターゲットは、ノートパソコンや携帯電話の表示素子用電極、太陽電池用電極、プラズマディスプレイパネル用電極、などの透明導電膜用途に利用できるスパッタリング用円筒ターゲットを提供することができる。本発明を用いることでそれらの用途に清浄でパーティクル発生が少ない円筒ターゲットを提供することができる。

１１ バッキングチューブ
１２ 酸化亜鉛系ターゲット層
１３ 溶射ガン
１４ プラズマジェット
１５ 酸化亜鉛系粉末（原料粉末）
１６ プラズマガス
１７ 溶融粒子
１８ ロボット
１９ 基板冷却のために圧縮エア
２１ 旋盤
２２ ダイヤモンドバイト
２３ 酸化亜鉛系ターゲット
２４ パウダー状ドライアイス生成機
２５ 液化炭酸ガス
２６ 窒素ガス
２７ 噴出ノズル
２８ エアーノズル

Claims (3)

1. バッキングチューブの外周面に酸化亜鉛系粉末を溶射して酸化亜鉛系ターゲット層を形成する工程と、該酸化亜鉛系ターゲット層を乾式で切削加工する工程とを含んでなる酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法。
2. ダイヤモンドバイトの先端を圧縮ガス及び／又は液化ガスで冷却しながら酸化亜鉛系ターゲット層を乾式で切削加工することを特徴とする請求項１記載の酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法。
3. 前記液化ガスを液化炭酸ガスとして、吹き付け時にパウダー状ドライアイスとなることで前記ダイヤモンドバイトの先端を冷却するとともに、前記酸化亜鉛系ターゲット層の洗浄を施すことを特徴とする請求項２に記載の酸化亜鉛系円筒ターゲットの製造方法。

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