JP2014125365A - Igzo raw material powder - Google Patents

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Kenji Onomi
健治 尾身
Kenichi Ito
謙一 伊藤
Tetsuo Shibutami
哲夫 渋田見
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide raw material powder for an IGZO sputtering target with which cracking is scarcely generated in a sintering step and a high production yield is achieved, and to provide a sintered compact, and the sputtering target.SOLUTION: By increasing a ratio of zinc oxide particles with a particle size of 2 μm or less to 95% or more, cracking control in the sintering step is improved, and incidence of sintering crack is drastically reduced even in sintering of a large target.

Description

本発明は、薄膜トランジスタ(TFT)に用いられるインジウム、ガリウム、亜鉛及び酸素からなるIn−Ga−Zn−O(IGZO)半導体薄膜等の形成に用いられるスパッタリングターゲットの原料粉末および焼結体およびスパッタリングターゲットに関するものである。   The present invention relates to a raw material powder, a sintered body, and a sputtering target for a sputtering target used for forming an In—Ga—Zn—O (IGZO) semiconductor thin film made of indium, gallium, zinc and oxygen used for a thin film transistor (TFT). It is about.

いくつかの金属複合酸化物からなる酸化物半導体膜は、高移動度性と可視光透過性を有し、液晶表示装置、薄膜エレクトロルミネッセンス表示装置などのスイッチング素子や駆動回路素子などの用途に使用されている。特に、酸化インジウム−酸化ガリウム−酸化亜鉛を含む酸化物又はこれらを主成分とする酸化物半導体膜は、アモルファスシリコン膜よりも移動度が大きいという利点があり、高移動度が求められる有機EL用TFT素子用途として応用が進んでいる。   Oxide semiconductor films made of several metal composite oxides have high mobility and visible light transmission, and are used for switching elements and drive circuit elements such as liquid crystal display devices and thin-film electroluminescence display devices. Has been. In particular, an oxide containing indium oxide-gallium oxide-zinc oxide or an oxide semiconductor film containing these as a main component has an advantage that the mobility is higher than that of an amorphous silicon film, and for organic EL where high mobility is required. Application is progressing as a TFT element application.

このような酸化物半導体膜の形成には、通常、各原料酸化物、例えば、酸化インジウム−酸化ガリウム−酸化亜鉛の各原料粉末を混合、成形、焼成することによって得られる焼結体を所望の形状に加工することにより得られるIGZOスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法により形成される(特許文献1)。   In order to form such an oxide semiconductor film, a sintered body obtained by mixing, forming, and firing each raw material oxide, for example, each raw material powder of indium oxide-gallium oxide-zinc oxide is usually desired. It is formed by a sputtering method using an IGZO sputtering target obtained by processing into a shape (Patent Document 1).

ここで用いられるIGZO焼結体は、層状の構造を持つホモロガス結晶構造を示し、層状構造による異方性のため焼結体強度が低く焼結時に割れが発生し易い。そのため、大型のIGZO焼結体や、形状が平板形よりも複雑な円筒形のIGZO焼結体を製造することは極めて難しく、焼成工程における歩留りを低下させていた。歩留まりの低下は、ターゲット製造コストの上昇につながるため、今後の実用化、量産化へ向けた大きな問題となっていた。   The IGZO sintered body used here exhibits a homologous crystal structure having a layered structure, and the strength of the sintered body is low due to anisotropy due to the layered structure, and cracking is likely to occur during sintering. For this reason, it is extremely difficult to produce a large IGZO sintered body or a cylindrical IGZO sintered body whose shape is more complicated than a flat plate shape, and the yield in the firing process has been reduced. A decrease in yield leads to an increase in target manufacturing cost, which has been a major problem for future practical use and mass production.

一般に、IGZO焼結体の焼成において起こる反応は、原料酸化物である酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛が、焼結温度の上昇に伴いZnGa、InGaZn、InGaZnOおよびInGaZnO等の複数の結晶相に変化するため、反応が複雑であり、その制御が極めて難しい。この結晶相の形成や変化による割れを低減するため、特許文献2では予め原料粉末を1000℃の温度で仮焼する方法が示されている。この方法によれば、仮焼により原料粉末を最終的な結晶相に変化させた後に微粉砕し、その後再度焼結してIGZO焼結体を作製するため、焼結における結晶相の変化が起きず応力が低減することにより、焼結工程における焼結体の割れは発生し難い。しかし、仮焼により結晶粒子が成長するため、高密度、高強度の焼結体を得にくい。また、高密度の焼結体を得ようとすると仮焼後に平均粒径を1μm以下となるまで粉砕する必要があり、プロセスが複雑となり製造コストの上昇を招くばかりでなく、粉砕時に不純物が混入しやすくなるため高品質な焼結体は得られないという問題があった。 In general, the reaction that occurs in the firing of the IGZO sintered body is that indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide, which are raw material oxides, increase in sintering temperature, ZnGa 2 O 4 , InGaZn 2 O 5 , In 2 Ga 2 ZnO. 7 and InGaZnO 4 change to a plurality of crystal phases, so the reaction is complicated and its control is extremely difficult. In order to reduce cracks due to the formation or change of the crystal phase, Patent Document 2 discloses a method of calcining raw material powder at a temperature of 1000 ° C. in advance. According to this method, since the raw material powder is changed into a final crystal phase by calcination and then pulverized and then sintered again to produce an IGZO sintered body, the crystal phase changes during sintering. Since the stress is reduced, the sintered body is hardly cracked in the sintering process. However, since crystal grains grow by calcination, it is difficult to obtain a high-density, high-strength sintered body. Further, when trying to obtain a high-density sintered body, it is necessary to pulverize after calcining until the average particle size becomes 1 μm or less, which not only complicates the process and causes an increase in manufacturing cost but also contains impurities during pulverization. Therefore, there is a problem that a high-quality sintered body cannot be obtained.

仮焼工程を削減する方法として、特許文献3では酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛を混合粉砕してメジアン径0.6〜1μmとすることにより、仮焼工程を行わずに高密度のIGZO焼結体が得られる方法が示されている。しかし、焼結体の割れについては何ら述べられておらず、大型のターゲットが歩留りよく製造できたとの報告も一切ない。   As a method for reducing the calcining process, in Patent Document 3, indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide are mixed and pulverized to a median diameter of 0.6 to 1 μm, so that high-density IGZO firing is performed without performing the calcining process. The method by which a ligation is obtained is shown. However, there is no mention of cracks in the sintered body, and there is no report that a large target can be produced with good yield.

特開2007−73312号公報JP 2007-73312 A 特開2000−44236号公報JP 2000-44236 A 特開2008−214697号公報JP 2008-214697 A

本発明の目的は、焼成工程において割れの発生が少なく、高い製造歩留まりを実現するIGZOスパッタリングターゲット用の原料粉末を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a raw material powder for an IGZO sputtering target that has less cracking in the firing step and realizes a high production yield.

本発明者らは、上記課題を解決するために酸化インジウム−酸化ガリウム−酸化亜鉛複合酸化物の焼結挙動および昇温途中の段階で新たに形成される結晶相について詳細な解析を行い、割れの発生原因について考察した。その結果、酸化インジウム−酸化ガリウム−酸化亜鉛が新たに形成する結晶相の一部は、昇温過程において激しい体積膨張を伴うことを突き止めた。鋭意検討した結果、この体積膨張は酸化亜鉛の粗大粒子の存在比率に依存していることを見出し、かつ、酸化亜鉛粉末の粒度を制御したIGZO原料粉末を用いることにより、焼結体の割れを大幅に低減することができることを見出した。更に、InGaZnOで表されるホモロガス結晶構造のみを有する焼結体においては、ZnGa結晶相が極めて少なくなると同時に、10μm以上の気孔(ポア)が少なくなり、焼成工程での割れの発生を大幅に低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted detailed analysis on the sintering behavior of the indium oxide-gallium oxide-zinc oxide composite oxide and the newly formed crystal phase in the middle of the temperature rise, and The cause of the occurrence was considered. As a result, it has been found that a part of the crystal phase newly formed by indium oxide-gallium oxide-zinc oxide is accompanied by severe volume expansion in the temperature rising process. As a result of intensive studies, it was found that this volume expansion depends on the abundance ratio of the coarse particles of zinc oxide, and by using the IGZO raw material powder in which the particle size of the zinc oxide powder is controlled, cracking of the sintered body can be prevented. It has been found that it can be greatly reduced. Furthermore, in a sintered body having only a homologous crystal structure represented by InGaZnO 4 , the number of ZnGa 2 O 4 crystal phases is extremely reduced, and at the same time, pores (pores) of 10 μm or more are reduced, and cracks are generated in the firing process. Has been found to be significantly reduced, and the present invention has been completed.

本発明の態様は以下の通りである。
(1)酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛粉末を含んでなるIGZO原料粉末において、酸化亜鉛粉末中の95%以上が粒径2μm以下の酸化亜鉛粒子であることを特徴とするIGZO原料粉末。
(2)酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛が原子比でIn:Ga:Zn=1:1:1となるように配合された(1)記載のIGZO原料粉末。
Aspects of the present invention are as follows.
(1) An IGZO raw material powder comprising indium oxide, gallium oxide and zinc oxide powder, wherein 95% or more of the zinc oxide powder is zinc oxide particles having a particle size of 2 μm or less.
(2) The IGZO raw material powder according to (1), wherein indium oxide, gallium oxide and zinc oxide are blended so that the atomic ratio is In: Ga: Zn = 1: 1: 1.

本発明においてIGZO焼結体とはインジウム、ガリウム、亜鉛及び酸素を含んでなり、InGaZnOで表されるホモロガス結晶構造を有する焼結体を指す。本発明で言う「InGaZnOで表されるホモロガス結晶構造のみを有する焼結体」とは、X線回折パターンがInGaZnOの回折パターンと一致し、InGaZnOの回折パターンに帰属されないピークを含まないことを意味する。 In the present invention, the IGZO sintered body refers to a sintered body containing indium, gallium, zinc and oxygen and having a homologous crystal structure represented by InGaZnO 4 . A "sintered body having only homologous crystal structure represented by InGaZnO 4" is referred to in the present invention, X-ray diffraction pattern is consistent with the diffraction pattern of InGaZnO 4, it does not include a peak that is not attributable to the diffraction pattern of InGaZnO 4 Means that.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明は、酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛粉末を含んでなるIGZO原料粉末において、酸化亜鉛粉末中の95%以上が粒径2μm以下の酸化亜鉛粒子であることを特徴とするIGZO原料粉末である。酸化亜鉛粉末中の粒径2μm以下の酸化亜鉛粒子は98%以上であることが好ましく、99%以上であることがより好ましい。   The present invention is an IGZO raw material powder comprising indium oxide, gallium oxide and zinc oxide powder, wherein 95% or more of the zinc oxide powder is zinc oxide particles having a particle size of 2 μm or less. is there. The zinc oxide particles having a particle size of 2 μm or less in the zinc oxide powder are preferably 98% or more, and more preferably 99% or more.

本発明者らは、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛粉末の混合粉末を用い、粉末成形後の成形体の焼成温度途中での相状態について解析を行った。その結果、酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛は焼結温度に伴ってZnGa、InGaZn、InGaZnOおよびInGaZnOの様な結晶相に変化し、その一部は体積膨張を伴い、特に低温で形成したZnGaが1000℃以上の高温で酸化インジウムと反応し、InGaZnOが形成するときに激しい体積膨張を伴うということを突き止めた。 The present inventors analyzed the phase state in the middle of the firing temperature of the compact | molding | casting after powder shaping | molding using the mixed powder of an indium oxide, a gallium oxide, and a zinc oxide powder. As a result, indium oxide, gallium oxide and zinc oxide change into a crystalline phase such as ZnGa 2 O 4 , InGaZn 2 O 5 , In 2 Ga 2 ZnO 7 and InGaZnO 4 with a sintering temperature, and some of them It was found that ZnGa 2 O 4 formed at a low temperature reacts with indium oxide at a high temperature of 1000 ° C. or more with volume expansion, and that intense volume expansion occurs when InGaZnO 4 is formed.

2μmより大きい酸化亜鉛の粒子の数が5%より多いと、ZnGaの粗大結晶が形成され、1000℃以上でInGaZnOに相変化するとき、その粒子を中心とした領域の膨張が他の領域よりも大きくなり、焼結体に局所的な応力が発生するため割れが発生しやすくなる。また、酸化亜鉛の粗大粒子が存在すると局所的な組成の分布がおこるため、10μm以上のポアが焼結体に発生しやすく、このポアは焼結体の割れの起点となり焼結体強度が低下する原因となる。 When the number of zinc oxide particles larger than 2 μm is more than 5%, a coarse crystal of ZnGa 2 O 4 is formed, and when the phase changes to InGaZnO 4 at 1000 ° C. or higher, the expansion of the region centering on the particles is And the local stress is generated in the sintered body, so that cracking is likely to occur. In addition, when coarse zinc oxide particles are present, a local composition distribution occurs, and pores of 10 μm or more are likely to be generated in the sintered body, which causes cracks in the sintered body and decreases the strength of the sintered body. Cause.

本発明は特に、InGaZnOで表されるホモロガス結晶構造のみを有するIGZO焼結体を製造する場合には割れに対する効果が顕著である。なお、InGaZnOで表されるホモロガス結晶構造のみを有するIGZO焼結体を製造する場合は、酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛が原子比でIn:Ga:Zn=1:1:1となるように配合すればよい。 The present invention is particularly effective in cracking when an IGZO sintered body having only a homologous crystal structure represented by InGaZnO 4 is produced. When manufacturing an IGZO sintered body having only a homologous crystal structure represented by InGaZnO 4 , the atomic ratio of indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide is In: Ga: Zn = 1: 1: 1. What is necessary is just to mix | blend with.

IGZO焼結体は、X線回折ではInGaZnOで表されるホモロガス結晶構造のみを有する焼結体であっても、EPMAにより観察すると局所的に2μm以上のZnGaが存在する場合があるが、酸化亜鉛粉末中の95%以上が粒径2μm以下の酸化亜鉛粒子であることを特徴とするIGZO原料粉末を用いると、2μm以上のZnGaの結晶相が236μm×178μmの中に平均で0.3個以下のIGZO焼結体が得られる。そのような焼結体は、10μm以上のポアが172μm×125μmの中に平均で0.3個以下であり、割れが発生しにくい。ZnGa相はエネルギー分散型X線分析(EDS)を用いて元素マッピングを測定することによりInが存在しない相として確認することができる。また電子線マイクロアナライザ分析(EPMA)で確認することもできる。ポアは電子顕微鏡(SEM)で観察することができる。まず、低倍率の視野で比較的大きなZnGa相またはポアを探した後に高倍率で大きさを確認する。ZnGa相およびポアの数は、場所変えて複数回測定して、その平均値とする。測定箇所は多いほど良いが、少なくとも5か所以上測定し平均値を算出することが好ましい。 Even if the IGZO sintered body is a sintered body having only a homologous crystal structure represented by InGaZnO 4 in X-ray diffraction, when observed by EPMA, ZnGa 2 O 4 of 2 μm or more may locally exist. However, when an IGZO raw material powder characterized in that 95% or more of the zinc oxide powder is zinc oxide particles having a particle size of 2 μm or less, the ZnGa 2 O 4 crystal phase of 2 μm or more is in 236 μm × 178 μm. An average of 0.3 or less IGZO sintered bodies can be obtained. In such a sintered body, pores of 10 μm or more have an average of 0.3 or less in 172 μm × 125 μm, and cracking hardly occurs. The ZnGa 2 O 4 phase can be confirmed as a phase free of In by measuring element mapping using energy dispersive X-ray analysis (EDS). It can also be confirmed by electron beam microanalyzer analysis (EPMA). The pores can be observed with an electron microscope (SEM). First, after searching for a relatively large ZnGa 2 O 4 phase or pore in a low magnification field of view, the size is confirmed at a high magnification. The number of ZnGa 2 O 4 phases and pores is measured multiple times at different locations, and the average value is obtained. The more measurement points, the better. However, it is preferable to measure at least 5 points and calculate the average value.

次に本発明の焼結体の製造方法について、工程毎に説明する。   Next, the manufacturing method of the sintered compact of this invention is demonstrated for every process.

(1)原料混合工程
原料粉末としては、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛粉末を用いることができる。各原料粉末の純度は、99.8%以上が好ましく、より好ましくは99.99%以上である。純度が低いと、含有される不純物により、本発明のIGZO焼結体を用いたスパッタリングターゲットで形成された薄膜TFTに、悪影響を及ぼすことがあるからである。
(1) Raw material mixing step As the raw material powder, indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide powder can be used. The purity of each raw material powder is preferably 99.8% or more, more preferably 99.99% or more. This is because if the purity is low, the contained impurities may adversely affect the thin film TFT formed by the sputtering target using the IGZO sintered body of the present invention.

酸化インジウムおよび酸化ガリウムの粉末は特に限定しないが、一般に入手できるBET値が6〜15m/gの粉末を用いれば良い。これらの粉末を粉砕または仮焼しても良い。 The powder of indium oxide and gallium oxide is not particularly limited, but a generally available powder having a BET value of 6 to 15 m 2 / g may be used. These powders may be pulverized or calcined.

酸化亜鉛粉末は酸化亜鉛粉末中の95%以上が粒径2μm以下の酸化亜鉛粒子である粉末を用いる。但し、酸化亜鉛は粉砕し難い材料であり粒径の小さい粉末は高価であるため、一般に入手可能で比較的純度の高いJIS一種または二種の酸化亜鉛を粉砕して使用しても良い。酸化亜鉛を酸化インジウムおよび酸化ガリウムと共に所定重量を秤量した後、粉砕混合装置により粉砕と同時に混合しても良いが、より確実に酸化亜鉛を粉砕するために、酸化亜鉛を直接粉砕した後、酸化インジウムおよび酸化ガリウムと混合・分散処理をする方がより好ましい。各原料粉末の混合と粉砕を同時に行った場合は、酸化亜鉛を含む混合粉末に対して2μm以下の粒子の割合が95%以上となるように管理すれば良い。そうすることにより、酸化亜鉛の粒径を混合粉末においても管理することができる。粒径はレーザー回折/散乱法で測定することができる。   As the zinc oxide powder, a powder in which 95% or more of the zinc oxide powder is zinc oxide particles having a particle diameter of 2 μm or less is used. However, since zinc oxide is a material that is difficult to grind and powder having a small particle size is expensive, JIS one or two kinds of zinc oxide that are generally available and relatively high in purity may be ground and used. Zinc oxide may be mixed with indium oxide and gallium oxide after weighing a predetermined weight and then mixed simultaneously with pulverization by a pulverizing and mixing device. It is more preferable to mix and disperse with indium and gallium oxide. When mixing and pulverizing each raw material powder at the same time, the ratio of particles of 2 μm or less to the mixed powder containing zinc oxide may be controlled to be 95% or more. By doing so, the particle diameter of zinc oxide can be managed also in the mixed powder. The particle size can be measured by a laser diffraction / scattering method.

粉末の粉砕混合装置は、特に限定されるものではないが、アルミナ、ナイロン樹脂等のボールやビーズを用いた乾式、湿式のメディア撹拌型ミルやメディアレスの容器回転式混合、機械撹拌式混合等の混合方法が例示される。具体的には、ボールミル、ビーズミル、アトライタ、振動ミル、遊星ミル、ジェットミル、V型混合機、パドル式混合機、二軸遊星撹拌式混合機等が挙げられる。   The powder pulverization and mixing device is not particularly limited, but dry type using a ball or bead such as alumina or nylon resin, wet type media stirring type mill, medialess container rotating type mixing, mechanical stirring type mixing, etc. The mixing method is exemplified. Specific examples include a ball mill, a bead mill, an attritor, a vibration mill, a planetary mill, a jet mill, a V-type mixer, a paddle mixer, and a twin-shaft planetary agitation mixer.

これらの原料の配合は、InGaZnOで表されるホモロガス結晶構造を生成する組成であれば良いが、金属元素の原子比換算でIn:Ga:Zn=1:1:1の組成は特に強度が低いため、本発明の効果が大きい。 The composition of these raw materials may be any composition that produces a homologous crystal structure represented by InGaZnO 4 , but the composition of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 in terms of the atomic ratio of the metal element has particularly high strength. Since it is low, the effect of the present invention is great.

湿式法のボールミルやビーズミル、アトライタ、振動ミル、遊星ミル、ジェットミル等を用いる場合には、粉砕後のスラリーを乾燥する必要がある。この乾燥方法は特に限定されるものではないが、例えば、濾過乾燥、流動層乾燥、噴霧乾燥等が例示できる。   When a wet ball mill, bead mill, attritor, vibration mill, planetary mill, jet mill or the like is used, it is necessary to dry the pulverized slurry. This drying method is not particularly limited, and examples thereof include filtration drying, fluidized bed drying, and spray drying.

なお、成形処理に際しては、ポリビニルアルコール、アクリル系ポリマー、メチルセルロース、ワックス類、オレイン酸等の成形助剤を原料粉末に添加しても良い。   In the molding process, molding aids such as polyvinyl alcohol, acrylic polymer, methylcellulose, waxes, and oleic acid may be added to the raw material powder.

(2)成形工程
成形方法は、各原料粉末の混合粉末を目的とした形状に成形できる成形方法を適宜選択することが可能であり、特に限定されるものではない。プレス成形法、鋳込み成形法、射出成形法等が例示できる。
(2) Molding process The molding method is not particularly limited, and a molding method capable of molding the mixed powder of the raw material powders into a desired shape can be appropriately selected. Examples thereof include a press molding method, a casting molding method, and an injection molding method.

成形圧力は成形体にクラック等の発生がなく、取り扱いが可能な成形体であれば特に限定されるものではないが、成形密度は可能な限り高めた方が好ましい。そのために冷間静水圧プレス(CIP)成形等の方法を用いることも可能である。CIP圧力は充分な圧密効果を得るため1ton/cm以上が好ましく、さらに好ましくは2ton/cm以上、とりわけ好ましくは2〜3ton/cmである。 The molding pressure is not particularly limited as long as it does not cause cracks in the molded body and can be handled, but it is preferable to increase the molding density as much as possible. Therefore, it is also possible to use a method such as cold isostatic pressing (CIP) molding. CIP pressure is preferably for 1 ton / cm 2 or more to obtain a sufficient consolidation effect, more preferably 2 ton / cm 2 or more, especially preferably 2~3ton / cm 2.

ここで初めの成形を鋳込法により行い、続いてCIPを行った場合には、CIP後の成形体中に残存する水分及びバインダー等の有機物を除去する目的で、脱バインダー処理を施してもよい。また、初めの成形をプレス法により行った場合でも、原料混合工程でバインダー等を添加したときは、同様の脱バインダー処理を行うこともできる。   Here, when the first molding is performed by a casting method and then CIP is performed, the binder may be removed for the purpose of removing moisture and organic substances such as binder remaining in the molded body after CIP. Good. Further, even when the first molding is performed by the press method, the same debinding treatment can be performed when a binder or the like is added in the raw material mixing step.

(3)焼成工程
焼成方法は、原料粉末の焼結挙動に適した焼成方法を適宜選択することが可能であり、特に限定されるものではない。電気炉、ガス炉、HIP(等方熱間プレス)、HP(ホットプレス)およびマイクロ波炉等が例示できる。
(3) Firing step The firing method is not particularly limited, and a firing method suitable for the sintering behavior of the raw material powder can be appropriately selected. Examples thereof include an electric furnace, a gas furnace, HIP (isotropic hot press), HP (hot press), and a microwave furnace.

被焼成物の焼成温度は特に限定されないが、高密度および高強度の焼結体を得るためには1300℃以上1500℃以下とすることが好ましい。1500℃より高い温度では焼結体の粒子が成長し、焼結体強度が低下する。また、1300℃より低いと焼結体密度が低下する。   The firing temperature of the material to be fired is not particularly limited, but is preferably 1300 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower in order to obtain a sintered body having high density and high strength. When the temperature is higher than 1500 ° C., the particles of the sintered body grow and the strength of the sintered body decreases. On the other hand, when the temperature is lower than 1300 ° C., the density of the sintered body decreases.

被焼成物の保持時間は特に限定されないが、電気炉による焼成では30分以上5時間以下とすることが好ましい。更に好ましくは1時間以上、2時間以下である。30分より短いと十分に焼結が進行せず、高密度な焼結体は得られない。また5時間より長い場合、結晶粒が成長し高強度な焼結体は得られない。   The holding time of the object to be fired is not particularly limited, but is preferably 30 minutes or longer and 5 hours or shorter when firing with an electric furnace. More preferably, it is 1 hour or more and 2 hours or less. If it is shorter than 30 minutes, the sintering does not proceed sufficiently and a high-density sintered body cannot be obtained. If it is longer than 5 hours, crystal grains grow and a high-strength sintered body cannot be obtained.

被焼成物の昇温速度については特に限定されないが、焼成時間を極力短くして焼結体の結晶粒子の成長を抑制し高強度の焼結体を得るため、50℃/時間以上が好ましい。より好ましくは100℃/時間以上である。ただし、水分やバインダーを含む成形体の場合、特に大型の成形体では水分やバインダー成分が揮発する際に、急激な体積膨張を伴うと成形体が割れることがある。このため、水分やバインダー成分が揮発している温度領域、例えば100〜400℃の温度域においては昇温速度を20〜100℃/時間とすることが好ましい。好ましくは100〜600℃の温度域においては20〜100℃/時間とすることが好ましい。   The temperature increase rate of the object to be fired is not particularly limited, but is preferably 50 ° C./hour or more in order to shorten the firing time as much as possible to suppress the growth of crystal grains in the sintered body and obtain a high-strength sintered body. More preferably, it is 100 ° C./hour or more. However, in the case of a molded body containing moisture and a binder, particularly in a large molded body, when the moisture and the binder component are volatilized, the molded body may be cracked when accompanied by rapid volume expansion. For this reason, it is preferable to make a temperature increase rate into 20-100 degreeC / hour in the temperature range in which the water | moisture content and the binder component are volatilizing, for example, the temperature range of 100-400 degreeC. Preferably, it is preferably 20 to 100 ° C./hour in the temperature range of 100 to 600 ° C.

降温速度は、焼成温度から1100℃までは150℃/時間以上、好ましくは200℃/時間以上である。この温度域を150℃/時間以上で降温することで焼結体の表面へ取り込まれる酸素を少なくすることができ、焼結体表面の色むらを抑制することが可能である。これ以外の温度域では、降温速度については特に限定されず、焼結炉の容量、焼結体のサイズ及び形状、割れ易さなどを考慮して適宜決定することができる。   The temperature lowering rate is 150 ° C./hour or more, preferably 200 ° C./hour or more, from the firing temperature to 1100 ° C. By lowering the temperature range at 150 ° C./hour or more, oxygen taken into the surface of the sintered body can be reduced, and color unevenness on the surface of the sintered body can be suppressed. In a temperature range other than this, the temperature drop rate is not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the capacity of the sintering furnace, the size and shape of the sintered body, ease of cracking, and the like.

焼成時の雰囲気としては特に制限されないが、亜鉛の昇華を抑制するために大気または酸素雰囲気とすることが好ましい。また、焼結体表面の色むらの抑制や焼結体の比抵抗を下げる目的で、焼成温度からの降温時に、窒素等の非酸化性雰囲気とすることも可能である。   The atmosphere at the time of firing is not particularly limited, but is preferably an air or oxygen atmosphere in order to suppress zinc sublimation. Further, for the purpose of suppressing uneven color on the surface of the sintered body and lowering the specific resistance of the sintered body, it is possible to create a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen when the temperature is lowered from the firing temperature.

(4)ターゲット化工程
得られた焼結体は、平面研削盤、円筒研削盤、旋盤、切断機、マシニングセンター等の機械加工機を用いて、板状、円状、円筒状等の所望の形状に研削加工する。さらに、必要に応じて無酸素銅やチタン等からなるバッキングプレート、バッキングチューブにインジウム半田等を用いて接合することにより、本発明の焼結体をターゲット材としたスパッタリングターゲットを得ることができる。
(4) Targeting process The obtained sintered body is formed into a desired shape such as a plate shape, a circular shape, or a cylindrical shape by using a machining machine such as a surface grinder, a cylindrical grinder, a lathe, a cutting machine, or a machining center. To grind. Furthermore, the sputtering target which used the sintered compact of this invention as the target material can be obtained by joining to the backing plate and backing tube which consist of oxygen-free copper, titanium, etc. as needed using indium solder.

焼結体のサイズは、特に限定されないが、本発明による焼結体は焼結工程での割れが少ないため大型のターゲットを製造することが可能となる。   The size of the sintered body is not particularly limited, but since the sintered body according to the present invention has few cracks in the sintering process, a large target can be produced.

また、ターゲットの厚みは特に限定されないが、4mm以上、15mm以下が好ましい。4mmより薄い場合は、ターゲット利用率が低く経済的でない。また、15mmより厚い場合には焼結むらが発生しやすく中心部分まで均一な品質のターゲットが得られにくい。   The thickness of the target is not particularly limited, but is preferably 4 mm or more and 15 mm or less. If it is thinner than 4 mm, the target utilization is low and not economical. On the other hand, if it is thicker than 15 mm, uneven sintering is likely to occur, and it is difficult to obtain a target having uniform quality up to the central portion.

ターゲットの表面粗さは特に限定されないが、表面粗さを小さくするためには研削時間がかかり経済的で無いため、表面粗さ(Ra)は1μm以上が好ましい。   The surface roughness of the target is not particularly limited, but it takes a long time to reduce the surface roughness and is not economical. Therefore, the surface roughness (Ra) is preferably 1 μm or more.

このように、焼成条件の最適化を図ることにより、焼結体中の割れが改善され、大型ターゲットの焼成においても焼成割れ発生率を劇的に低減させることが可能となる。   As described above, by optimizing the firing conditions, cracks in the sintered body are improved, and the firing crack generation rate can be dramatically reduced even when firing a large target.

本発明のIGZO原料粉末を用いることにより、IGZO焼結体の焼結工程において割れを低減し、歩留まり改善による大きなコスト改善効果が期待できる。   By using the IGZO raw material powder of the present invention, cracks can be reduced in the sintering process of the IGZO sintered body, and a large cost improvement effect due to yield improvement can be expected.

比較例1(e)の焼結体のEDSによる元素マッピング図である。It is an element mapping figure by EDS of the sintered compact of the comparative example 1 (e). 比較例1(e)の焼結体のSEM写真である。It is a SEM photograph of the sintered compact of comparative example 1 (e).

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、本実施例における各測定は以下のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, each measurement in a present Example was performed as follows.

(1)粉末の粒度
島津製作所製レーザー回折およびレーザー散乱法粒度分布測定装置(SALD−7100)を用いて測定した。
(1) Particle size of powder It measured using the Shimadzu laser diffraction and the laser scattering method particle size distribution measuring apparatus (SALD-7100).

原料粉末は、ヘキサメタリン酸ナトリウム(0.2%)溶液に入れ、500Wのボモジナイザイーにより1分間解砕処理をした後に測定した。   The raw material powder was measured after being placed in a sodium hexametaphosphate (0.2%) solution and pulverized for 1 minute by a 500 W bombinizer.

(2)X線回折測定
2θ=20〜70°の範囲のX線回折パターンを測定し、InGaZnOの回折パターン((株)リガク社のX線回折解析ソフトJADE7.0のデーターベースNo:01−070−3626)と比較した。
(X線回折試験の測定条件)
走査方法 :ステップスキャン法(FT法)
X線源 :CuKα
パワー :40kV、40mA
ステップ幅:0.02°
(3)焼結体粒子の観察
日本電子製 電界放出形走査電子顕微鏡(FE−SEM)JSM−7600Fおよびサーモフィッシャーサイエンティフィック製 エネルギー分散型X線分析装置(EDS)NSS312E+UltraDry30mmを用いて組織観察、元素マッピング測定を行った。
(2) X-ray diffraction measurement An X-ray diffraction pattern in a range of 2θ = 20 to 70 ° was measured, and a diffraction pattern of InGaZnO 4 (database No. 01 of X-ray diffraction analysis software JADE 7.0 of Rigaku Corporation) -070-3626).
(Measurement conditions for X-ray diffraction test)
Scanning method: Step scan method (FT method)
X-ray source: CuKα
Power: 40kV, 40mA
Step width: 0.02 °
(3) Observation of sintered particles Microscopic observation using JEOL field emission scanning electron microscope (FE-SEM) JSM-7600F and Thermo Fisher Scientific energy dispersive X-ray analyzer (EDS) NSS312E + UltraDry30mm 2 Elemental mapping measurement was performed.

KEYENCE製 電子顕微鏡(SEM)VE−9800を用いてポアの観察を行った。   The pores were observed using an electron microscope (SEM) VE-9800 manufactured by KEYENCE.

試料は表面を鏡面研磨したのち電解エッチングしたものを用いた。   The sample used was that whose surface was mirror-polished and then subjected to electrolytic etching.

実施例1
メジアン径が0.55μmであり、2μm以下の粒子の割合が91%の酸化亜鉛粉末を純水にてスラリー化し、そのスラリー濃度を50wt%とした状態で、0.3mmφのジルコニアビーズを用いて湿式ビーズミルにて粉砕を行った。この時スラリー粘度が1000ps以下となるように適宜分散剤を添加した。粉砕時間を調整し2μm以下の粒子の存在比率が異なる原料粉を(a)〜(d)の4種類作製した。次に、メジアン径が1.00μmであり、2μm以下の粒子の割合が86%の酸化インジウム粉末およびメジアン径が2.11μmであり、2μm以下の粒子の割合が50.2%の酸化ガリウム粉末を金属元素の原子比換算でIn:Ga:Zn=1:1:1となるように秤量し、それぞれのスラリーに投入した。純水にてスラリー濃度を50wt%とし、スラリー粘度が1000ps以下となるように適宜分散剤を追加しで、これら混合粉末を分散させるために短時間の湿式ビーズミルにて分散処理を行った。
Example 1
Zirconium oxide powder having a median diameter of 0.55 μm and a ratio of particles of 2 μm or less of 91% was slurried in pure water, and the slurry concentration was 50 wt%, using 0.3 mmφ zirconia beads. Grinding was performed in a wet bead mill. At this time, a dispersant was appropriately added so that the slurry viscosity was 1000 ps or less. Four types of raw material powders (a) to (d) were produced by adjusting the pulverization time and having different abundance ratios of particles of 2 μm or less. Next, an indium oxide powder having a median diameter of 1.00 μm and a particle ratio of 2 μm or less being 86%, and a gallium oxide powder having a median diameter of 2.11 μm and a particle ratio of 2 μm or less being 50.2% Were weighed so that In: Ga: Zn = 1: 1: 1 in terms of the atomic ratio of the metal elements, and charged into each slurry. In order to disperse these mixed powders, a dispersion treatment was performed in a short-time wet bead mill with a slurry concentration of 50 wt% with pure water and a suitable dispersant added so that the slurry viscosity was 1000 ps or less.

次に、これらの粉砕・分散処理を行ったスラリーを噴霧乾燥機により造粒乾燥を行い、これら粉末を用いて、300kg/cmの圧力で金型プレスにより成形体を作製後、2ton/cmの圧力でCIP処理し、平板形の成形体を作製した。また、ウレタンゴム製の枠と蓋、及び金属製の中子(心棒)から構成された円筒形状用の成形型に、この混合粉末をタッピングしながら充填し、成形型を密閉後、2ton/cmの圧力でCIP処理して円筒形の成形体を得た。 Next, these pulverized / dispersed slurries are granulated and dried with a spray dryer, and after using these powders to form a molded body with a die press at a pressure of 300 kg / cm 2 , 2 ton / cm CIP treatment was performed at a pressure of 2 to produce a flat molded body. Also, this mixed powder is filled while tapping into a cylindrical mold composed of a urethane rubber frame and lid, and a metal core (mandrel), and after the mold is sealed, 2 ton / cm. CIP treatment was performed at a pressure of 2 to obtain a cylindrical molded body.

次に、この成形体を電気炉により焼成を行った。昇温速度は600℃から1400℃まで100℃/時間で行った。また、焼成温度は1400℃、保持時間は1時間とした。また降温速度は1400℃から1100℃まで200℃/時間とした。焼成後、300mm×300mm×8mmtの平板形焼結体と、内径75mm、外形96mm、長さ280mmの円筒形焼結体を得た。   Next, this compact was fired in an electric furnace. The rate of temperature increase was from 600 ° C. to 1400 ° C. at 100 ° C./hour. The firing temperature was 1400 ° C. and the holding time was 1 hour. The temperature decreasing rate was 200 ° C./hour from 1400 ° C. to 1100 ° C. After firing, a 300 mm × 300 mm × 8 mmt flat plate sintered body and a cylindrical sintered body having an inner diameter of 75 mm, an outer diameter of 96 mm, and a length of 280 mm were obtained.

また、組成分析用、物性測定用の焼結体をそれぞれ同様の方法にて作製した。得られた焼結体の相対密度、X線回折(XRD)による同定種の測定結果を表1に示す。また、焼結体をEDS観察により低倍率の視野で比較的大きなZnGa相を探した後に高倍率で大きさを測定し、236μm×178μm中の2μm以上のZnGa相の個数を数えた。また、同様の方法でSEMの暗視野観察により172μm×125μm中の10μm以上のポアの個数を数えた。場所を変え5か所を測定し、2μm以上のZnGa相の個数およびポア個数の平均値を計算して表1に示す。 Moreover, the sintered body for a composition analysis and a physical-property measurement was produced by the same method, respectively. Table 1 shows the relative density of the obtained sintered body and the measurement results of the identified species by X-ray diffraction (XRD). In addition, the sintered body was searched for a relatively large ZnGa 2 O 4 phase in a low magnification field of view by EDS observation, then the size was measured at a high magnification, and the number of ZnGa 2 O 4 phases of 2 μm or more in 236 μm × 178 μm I counted. Further, the number of pores having a size of 10 μm or more in 172 μm × 125 μm was counted by dark field observation with SEM in the same manner. Table 5 shows the average value of the number of pores and the number of ZnGa 2 O 4 phases of 2 μm or more calculated at 5 locations by changing the location.

実施例2
実施例1において作製した(d)の粉末を用いて平板形の成形体を作製した。次に、この成形体をマイクロ波焼成炉により焼成を行った。昇温速度は600℃から1400℃まで300℃/時間で行った。また、焼成温度は1400℃、保持時間は1時間とした。また降温速度は1400℃から1100℃まで200℃/時間とした。焼成後、300mm×300mm×8mmtの平板形焼結体を得た。
Example 2
Using the powder (d) produced in Example 1, a plate-shaped molded body was produced. Next, this compact was fired in a microwave firing furnace. The heating rate was 600 ° C. to 1400 ° C. at 300 ° C./hour. The firing temperature was 1400 ° C. and the holding time was 1 hour. The temperature decreasing rate was 200 ° C./hour from 1400 ° C. to 1100 ° C. After firing, a plate-like sintered body of 300 mm × 300 mm × 8 mmt was obtained.

また、実施例1と同様の方法で焼結体の物性測定、2μm以上のZnGa相の個数およびポア個数を測定し表1に示す。 Table 1 shows the physical properties of the sintered body, the number of ZnGa 2 O 4 phases of 2 μm or more, and the number of pores measured in the same manner as in Example 1.

比較例1
実施例1と同様の酸化亜鉛粉末を用い、同様の湿式ビーズミルにて粉砕を行い、粉砕時間を調整して2μm以下の粒子の存在比率が異なる原料粉を(e)〜(g)の3種類作製した。次に、実施例1と同様の酸化インジウムおよび酸化ガリウムを用い、同様の方法で原料粉末を作製し、成形および焼成を実施した。いずれの焼結体にも割れが観察された。
Comparative Example 1
Three types of raw material powders (e) to (g) are prepared by using the same zinc oxide powder as in Example 1, pulverizing in the same wet bead mill, adjusting the pulverization time, and having different abundance ratios of particles of 2 μm or less. Produced. Next, using the same indium oxide and gallium oxide as in Example 1, a raw material powder was produced by the same method, and molding and firing were performed. Cracks were observed in all the sintered bodies.

また、実施例1と同様の方法で焼結体の物性測定、2μm以上のZnGa相の個数およびポア個数を測定し表1に示す。また、一例として粉末(e)により得られた焼結体のZnGa相をEDSにより観察した結果を図1に、SEMによりポアを観察した結果を図2に示す。 Table 1 shows the physical properties of the sintered body, the number of ZnGa 2 O 4 phases of 2 μm or more, and the number of pores measured in the same manner as in Example 1. As an example, FIG. 1 shows the result of observing the ZnGa 2 O 4 phase of the sintered body obtained from the powder (e) by EDS, and FIG. 2 shows the result of observing the pores by SEM.

Figure 2014125365
Figure 2014125365

Claims (2)

酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛粉末を含んでなるIGZO原料粉末において、酸化亜鉛粉末中の95%以上が粒径2μm以下の酸化亜鉛粒子であることを特徴とするIGZO原料粉末。   An IGZO raw material powder comprising indium oxide, gallium oxide and zinc oxide powder, wherein 95% or more of the zinc oxide powder is zinc oxide particles having a particle size of 2 µm or less. 酸化インジウム、酸化ガリウムおよび酸化亜鉛が原子比でIn:Ga:Zn=1:1:1となるように配合された請求項1に記載のIGZO原料粉末。   The IGZO raw material powder according to claim 1, wherein indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide are blended so that an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1.
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