JP2015067867A

JP2015067867A - スパッタリングターゲット

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Publication number: JP2015067867A
Application number: JP2013203546A
Authority: JP
Inventors: 川口　行雄; Yukio Kawaguchi; 行雄川口; 健一木内; Kenichi Kiuchi; 実飯野; Minoru Iino
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP5949718B2

Abstract

【課題】低い電気抵抗値と高い機械強度とを両立するスパッタリングターゲットを提供する。【解決手段】ＺｎＯ、ＳｎＯ２、又はＺｎＯ−ＳｎＯ２複合酸化物である主酸化物を主成分とし、ＴｉＣを主酸化物１００ｍｏｌ部に対して２〜５０ｍｏｌ部含む、スパッタリングターゲットであって、ＴｉＣ粒子２の平均粒径が０．１〜３μｍである。また、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｇａ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１つをさらに含む。【選択図】図１

Description

本発明はスパッタリングターゲットに関する。

スパッタリング法は、半導体素子、液晶表示装置、光メディア等の高品質な薄膜が必要とされる分野で広汎に使用される成膜法である。スパッタリング法は、印加電圧の種類によって、直流（ＤＣ）スパッタリング法と高周波（ＲＦ）スパッタリング法とに大別されるが、安価な電源を使用できる点、成膜速度が速い点、基板の温度上昇が少ない点等から、薄膜製品の量産工程では、ＤＣスパッタリング法による成膜が主流を占めている。

ここで、ＤＣスパッタリング法では、スパッタリングターゲット自体に導電性が求められる。導電性を有するスパッタリングターゲットとしては、例えば、特許文献１に亜鉛及びＡｌ等の元素と炭素とを含む不純物共添加酸化亜鉛系透明導電膜形成用スパッタリングターゲットが開示されている。

特開２００９−１６７５１５号公報

ところで、酸化亜鉛、酸化スズ等は透明導電性酸化物として知られているが、これらの酸化物及び複合酸化物を主成分としたスパッタリングターゲットは、機械強度が低いため、スパッタリングレートを上げるとスパッタリングターゲットが割れてしまうという問題があった。また、これらの酸化物を主成分とするスパッタリングターゲットは、ＤＣスパッタリングを行うには導電性が不十分な場合があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、低い電気抵抗値と高い機械強度とを両立するスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。

本発明に係るスパッタリングターゲットは、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、又はＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物である主酸化物を主成分とし、ＴｉＣを主酸化物１００ｍｏｌ部に対して２〜５０ｍｏｌ部含む。かかるスパッタリングターゲットは、電気抵抗値が低いため、ＤＣスパッタリングを行うことができるとともに、高い機械強度を有するため、スパッタリング中にスパッタリングターゲットが割れ難い。

本発明に係るスパッタリングターゲットは、主酸化物を主成分とするマトリクスと、マトリクス中に分散したＴｉＣ粒子と、を含む構造を有し、ＴｉＣ粒子の平均粒径が０．１〜３μｍであると好ましい。スパッタリングターゲットがこのような分散構造を有すると、電気抵抗値及び機械強度がさらに向上する傾向にある。

本発明に係るスパッタリングターゲットは、成膜される薄膜の屈折率を調節する観点から、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｇａ_２Ｏ_３及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される少なくとも１つをさらに含むと好ましい。

本発明に係るスパッタリングターゲットは、その機械強度を４９ＭＰａ以上（５００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上）とすることができる。

本発明によれば、低い電気抵抗値と高い機械強度とを両立するスパッタリングターゲットを提供することができる。

図１は、実施例１で得られたスパッタリングターゲットの断面電子顕微鏡写真である。図２は、実施例１で得られたスパッタリングターゲットの、エネルギー分散型蛍光Ｘ線装置による元素マッピングである。

（スパッタリングターゲット）
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、主酸化物を主成分とし、ＴｉＣを含む。ここで、主成分とは、スパッタリングターゲットにおいて、主酸化物が最大ｍｏｌ比を占めることを意味する。スパッタリングターゲットにおける、主酸化物の含有量は、スパッタリングターゲット全体に対して、５０ｍｏｌ％以上が好ましく、６０ｍｏｌ％以上がより好ましい。また、主酸化物は、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、又はＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物である。

本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、主酸化物１００ｍｏｌ部に対して２〜５０ｍｏｌ部のＴｉＣを含み、２〜３０ｍｏｌ部のＴｉＣを含むと好ましい。

上記スパッタリングターゲットは、マトリクスとＴｉＣ粒子とを含む分散構造を有すると好ましい。マトリクスは連続相であり、主成分として上記主酸化物を含む。ここで、マトリクスにおける主成分とは、マトリクスにおいて、主酸化物が最大ｍｏｌ比を占めることを意味する。マトリクスにおける、主酸化物の含有量は、マトリクス全体に対して、７０ｍｏｌ％以上が好ましく、８０ｍｏｌ％以上がより好ましい。ＴｉＣは粒子としてマトリクス中に分散し、ＴｉＣ粒子の平均粒径は、０．１〜３μｍであると好ましい。なお、平均粒径は、例えば、断面電子顕微鏡写真の定方向接線径の平均値より取得できる。

上記スパッタリングターゲットは、さらに副成分を含むことにより、成膜される薄膜の屈折率を調節することができる。ＺｎＯ及びＳｎＯ_２の屈折率は、それぞれ２．０１及び２であり、屈折率を調節するための副成分としては、ＴｉＯ_２（２．７５）、Ｃｒ_２Ｏ_３（２．５）、Ｎｂ_２Ｏ_５（２．３３）、Ｇａ_２Ｏ_３（１．９２）及びＡｌ_２Ｏ_３（１．７７）などを挙げることができる（括弧内の数値は屈折率を表す。）。これらの副成分の一つまたは２つ以上を添加することができる。これらの副成分の含有量は、所望の組成及び屈折率によって適宜調節されるが、主酸化物１００ｍｏｌ部に対して副成分の合計が１〜５０ｍｏｌ部であると好ましい。これらの副成分は、粒子としてマトリクス中に分散する。

上記スパッタリングターゲットは、Ｉｎを含まないと好ましい。Ｉｎの酸化物は、吸引による健康被害が報告されている。スパッタリングターゲットがＩｎ化合物を含まない態様とすることで、このような健康被害の危険性を回避することができる。具体的には、Ｉｎの含有量をスパッタリングターゲット全体に対して５０ｍｏｌｐｐｍ以下とすることができる。

本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、主酸化物及びＴｉＣ以外の不可避的不純物を含むことができる。不可避不純物粒子としては、例えば、ＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３等が挙げられ、それぞれ、スパッタリングターゲット全体に対して１００ｍｏｌｐｐｍ程度まで許容することができる。

スパッタリングターゲットの形状や大きさ等は特に限定されず、例えば、直径１２７〜３００ｍｍ程度の円板とすることができる。

上記スパッタリングターゲットは、電気抵抗値を２Ωｃｍ以下とすることができるため、ＤＣスパッタリング法による成膜に使用することができる。

上記スパッタリングターゲットは、機械強度が４９ＭＰａ以上（５００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上）であると好ましい。ここで、機械強度とは抗折強度を指し、ＪＩＳＲ−１６０１に規定される三点曲げ試験により測定されるものを指す。

本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、ＤＣスパッタリングを行うことができるとともに、ＤＣスパッタリングを行っている際にスパッタリングターゲットに割れが生じ難い。そのため、成膜速度を向上させることができ、薄膜の生産性を高めることができる。この理由は明らかではないが、スパッタリングターゲットが主酸化物よりも電気抵抗値が低く、硬度も大きいＴｉＣを含んでいることと、ＴｉＣと主酸化物との相性が良いこととがその一因として考えられる。

（スパッタリングターゲットの製造方法）
本実施形態にかかるスパッタリングターゲットの製造方法の一例について説明する。

まず、所望のスパッタリングターゲットと同じ組成を有する原料粉体を用意する。原料粉体には、ＺｎＯ粉末及びＳｎＯ_２粉末の少なくとも一方、並びにＴｉＣ粉末が含まれる。原料粉体には、必要に応じて上記副成分の粉末が含まれていてもよい。なお、スパッタリングターゲットにＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物が含まれる場合、ＺｎＯ粉末及びＳｎＯ_２粉末に代えて、ＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物の粉末を使用してもよい。ＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物の粉末は、例えば、所定量のＺｎＯ粉末及びＳｎＯ_２粉末を混合し、焼成することにより得ることができる。

ＺｎＯ粉末の純度は９９．８質量％以上であることが好ましい。ＺｎＯ粉末の平均粒径は特に限定されないが、０．５〜５．０μｍが好ましい。また、ＳｎＯ_２粉末の純度は９９．８質量％以上であることが好ましい。ＳｎＯ_２粉末の平均粒径は特に限定されないが、０．５〜５．０μｍが好ましい。ＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物の粉末の純度は９９．５質量％以上であることが好ましい。ＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物の粉末の平均粒径は特に限定されないが、１〜５μｍが好ましい。

ＴｉＣ粉末の純度は９９．５質量％以上であることが好ましい。また、ＴｉＣ粉末の平均粒径は、０．５〜５．０μｍであることが好ましい。

上記副成分の粉末の純度は９９．５質量％以上であることが好ましい。また、上記副成分の平均粒径は、０．５〜５．０μｍであることが好ましい。

上述の各成分の粉末を混合ことにより、原料粉体を得る。混合方法は特に限定されないが、ボールミル中で混合することが好ましい。ボールミル中での混合は、乾式でも、湿式でもよい。湿式の場合には、溶媒として、例えばエタノール、アセトンなどを使用できる。また、原料粉体が、Ｇａ_２Ｏ_３粉末を含む場合には、変性アルコールを用いることが好ましい。

続いて、得られた原料粉体を、真空雰囲気下でホットプレスすることにより成形体を得る。プレス方法は特に限定されず、等方プレスでも、一軸プレスでもよい。プレス圧も特に限定されないが、例えば、１５〜２９ＭＰａ（１５０〜３００ｋｇｆ／ｃｍ^２）とすることができる。焼成温度は９５０〜１１５０℃とすることが好ましい。焼成温度における安定時間は特に限定されないが、１〜４時間とすることができる。

得られた焼成体を所定の大きさに切断等の加工をして、スパッタリングターゲットが完成する。ターゲットの形状や大きさ等は特に限定されず、例えば、直径１２７〜３００ｍｍ程度の円板とすることができる。

（薄膜の製造方法）
以下、本実施形態に係るスパッタリングターゲットを使用した薄膜の製造方法の一例について説明する。

まず、上記スパッタリングターゲットを用意する。スパッタリングターゲットの主面に銅製の冷却板をＩｎなどでボンディングする。

冷却板を取り付けたスパッタリングターゲットをＤＣスパッタリング装置に搭載し、酸素を含む雰囲気下で、ＤＣスパッタリング法により基板上に成膜する。基板の材質は特に制限されず、用途に応じて適宜選択することができるが、例えば、ガラス基板等が挙げられる。スパッタリングガスとしては、Ａｒ等の希ガスを用いることができる。

ここで、雰囲気に酸素を含ませることにより、スパッタリング中に、上記スパッタリングターゲットに含まれるＴｉＣに由来する炭素が、雰囲気中の酸素と反応して二酸化炭素として消失するため、成膜される薄膜中の炭素含有量を低減することができる。薄膜が炭素を含むと、着色又は導電性の低下を招くため好ましくない。ＤＣスパッタリングにおける雰囲気中のアルゴンガスに対する酸素量は１〜５ｍｏｌ％であることが好ましい。

上記のとおり成膜することにより、透明導電性薄膜を得ることができる。透明導電性薄膜の屈折率としては、特に制限はなく、薄膜の用途によって適宜調節することができるが、例えば、波長６３２ｎｍの光に対して、１．７〜２．５とすることができる。また、透明導電性薄膜の吸収率は、３８０〜８００ｎｍの波長範囲にわたって、１０％以下であることが好ましい。

上記透明導電性薄膜の用途としては、タッチパネル、液晶ディスプレイ、太陽電池等の透明電極が挙げられる。

（実施例１）
ＺｎＯ粉末１００ｍｏｌ部、ＴｉＣ粉末１７．１ｍｏｌ部、Ａｌ_２Ｏ_３粉末２．５ｍｏｌ部及びＮｂ_２Ｏ_５粉末１７．１ｍｏｌ部を用意した。いずれの粉末も純度９９．９％、平均粒径０．５μｍであった。これらの粉末を、アルミナ製のボールミルポット中で、媒体としてアルミナボールを使用して１６時間かけて混合し、原料粉体を得た。混合は湿式で行い、溶媒としてアセトンを使用した。

上記原料粉体を、真空雰囲気下、グラファイトモールド中でホットプレス焼成して焼成体を得た。ホットプレス焼成の条件は、ホットプレス圧力２０ＭＰａ（２００ｋｇｆ／ｃｍ^２）、焼成温度１０００℃、安定時間６０分であった。

得られた焼成体を、平面研削盤と円筒研磨機により２００ｍｍφ、厚さ６ｍｍに切り出してスパッタリング用ターゲットを得た。得られたスパッタリングターゲットの電子顕微鏡写真を図１に示す。図１に示されるように、マトリクス１中にＴｉＣ粒子２が分散した構造が観察された。

図２は、実施例１で得られたスパッタリングターゲットの、エネルギー分散型蛍光Ｘ線装置による元素マッピングである。図２（ａ）〜（ｆ）は、それぞれＣ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｚｎ及びＮｂでマッピングしたものである。いずれの図においても蛍光Ｘ線の強度が大きいところ（すなわち当該元素濃度が高いところ）を白で、蛍光Ｘ線の強度が小さいところ（すなわち当該元素濃度が低いところ）を黒で表している。図２（ａ）〜（ｆ）を対比すると分かるように、ＣとＴｉとは同じ場所が白で表されているのに対して、図２（ｃ）〜（ｆ）では対応する場所が黒で表されている。つまり、図２の（ａ）及び（ｂ）における白い粒状の部分は、ＴｉＣ粒子を表しており、マトリクス中にＴｉＣ粒子が分布していることが示されている。

（スパッタリングターゲットの評価）
（１）電気抵抗値
実施例１で得られたスパッタリングターゲットについて、比抵抗測定器を用いてＪＩＳＫ−７１９４に規定される４探針法により電気抵抗値を測定した結果を表１に示す。
（２）機械強度
上記焼成体について、強度測定器を用いてＪＩＳＲ−１６０１に規定される三点曲げ試験により測定した機械強度を表１に示す。

（実施例２〜１３、比較例１〜６）
表１に示すように、原料粉体の組成、混合時の溶媒及び焼成温度を変更した以外は、実施例１と同様にしてスパッタリングターゲットを作製した。なお、これらの実施例及び比較例で使用したＳｎＯ、ＴｉＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３粉末は、いずれの粉末も純度９９．９％、平均粒径０．５μｍであった。得られたスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様の方法で、電気抵抗値及び機械強度を測定した。結果を表１に示す。

１…マトリクス、２…ＴｉＣ粒子。

Claims

ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、又はＺｎＯ−ＳｎＯ_２複合酸化物である主酸化物を主成分とし、ＴｉＣを前記主酸化物１００ｍｏｌ部に対して２〜５０ｍｏｌ部含む、スパッタリングターゲット。
前記主酸化物を主成分とするマトリクスと、
前記マトリクス中に分散したＴｉＣ粒子と、
を含む構造を有し、
前記ＴｉＣ粒子の平均粒径が０．１〜３μｍである、請求項１に記載のスパッタリングターゲット。
ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｇａ_２Ｏ_３及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される少なくとも１つをさらに含む、請求項１又は２に記載のスパッタリングターゲット。
機械強度が４９ＭＰａ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパッタリングターゲット。