JP2017186581A - Oxide sintered body sputtering target for forming positive electrode film and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットとその製造方法に関し、より詳しくは、薄膜リチウム二次電池の正極をスパッタリング法で作製する際に、高い直流電力を投入した条件下でも、アーキングが発生せず放電が持続して安定に成膜することができる正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットとその製造方法に関する。 The present invention relates to an oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film and a method for producing the same, and more specifically, even when a positive electrode of a thin film lithium secondary battery is produced by a sputtering method, Furthermore, the present invention relates to an oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film, which is capable of forming a stable film without causing arcing, and a method for producing the same.
近年、薄膜リチウム二次電池の開発が進められている。薄膜リチウム二次電池は、固体電解質を正極と負極とで挟んだ構造を有しているが、固体電解質にはリン酸リチウム窒化物膜が、負極には金属リチウム膜が用いられ、正極にはコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムなどの遷移金属とリチウムの化合物で構成された正極膜や、これらの化合物の固溶体で構成された正極膜が用いられる。また、正極中の遷移金属の一部をアルミニウムに置換することで二次電池の特性改善に繋げる試みがなされている。 In recent years, development of thin film lithium secondary batteries has been promoted. A thin-film lithium secondary battery has a structure in which a solid electrolyte is sandwiched between a positive electrode and a negative electrode. A lithium phosphate nitride film is used for the solid electrolyte, a metal lithium film is used for the negative electrode, and a positive electrode is used for the positive electrode. A positive electrode film composed of a compound of a transition metal such as lithium cobaltate, lithium nickelate or lithium manganate and lithium, or a positive electrode film composed of a solid solution of these compounds is used. In addition, attempts have been made to improve the characteristics of secondary batteries by replacing a part of the transition metal in the positive electrode with aluminum.
例えばLiNi0.8Co0.15Al0.05O2の正極材は、Alを遷移金属の一部に置換した組成であるため、サイクル特性と安全性に優れた二次電池を実現することができるため、実用上極めて有用な正極材として知られている(非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3)。
またLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2の正極材についても、CoをAlに部分置換すると熱的挙動とサイクル安定性が改善されることが知られている(非特許文献5)。
For example, the positive electrode material of LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 has a composition in which Al is replaced with a part of a transition metal, so that a secondary battery having excellent cycle characteristics and safety can be realized. Therefore, it is known as a positive electrode material that is extremely useful in practice (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Non-Patent Document 3).
In addition, it is known that the LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 positive electrode material is also improved in thermal behavior and cycle stability when Co is partially substituted with Al (Non-patent Document 5). ).
LiMn2O4は、MnをAlで部分置換すると、理論的な容量は下がるが、充放電中に平均酸化状態の3.5よりも過剰にMnが還元されることを防ぎ、Jahn−Teller効果による正方晶相の生成につながるリスクが大きく低減される(非特許文献6、非特許文献7)。
正極膜は、一般には正極活物質をバインダーや溶剤と混合して基板に塗布することで形成されているが、工業的には活物質の構成元素を含む酸化物焼結体をターゲットとして用いたスパッタリング法も有用な形成方法である。
LiMn 2 O 4 reduces the theoretical capacity when Mn is partially substituted with Al, but prevents Mn from being excessively reduced than the average oxidation state of 3.5 during charge and discharge, and the Jahn-Teller effect The risk of leading to the formation of a tetragonal phase due to is greatly reduced (Non-patent Documents 6 and 7).
The positive electrode film is generally formed by mixing a positive electrode active material with a binder or a solvent and applying it to a substrate. Industrially, an oxide sintered body containing a constituent element of the active material was used as a target. Sputtering is also a useful formation method.
このようなスパッタリング法では、ターゲットとして正極材の構成金属の全てを含むものを一つ用いて行われている。例えば、特許文献1には、コバルト酸リチウムのターゲットが記載され、これを用いて直流パルシング法によるスパッタリング法で基板上にコバルト酸リチウム膜を形成する方法が提案されている。しかし、ここには基板上に成膜されるLiCoO2層の少なくとも一部に結晶性構造を含むのが好ましいと記載されるものの、その成膜に用いられるターゲットについては材料とする酸化物などの具体的な説明がない。 In such a sputtering method, one target containing all the constituent metals of the positive electrode material is used as a target. For example, Patent Document 1 describes a lithium cobaltate target, and a method for forming a lithium cobaltate film on a substrate by sputtering using a direct current pulsing method is proposed. However, although it is described here that it is preferable that at least a part of the LiCoO 2 layer formed on the substrate includes a crystalline structure, the target used for the film formation may be an oxide or the like as a material. There is no specific explanation.
また、コバルト酸リチウムのスパッタリングターゲットの製造方法については、特許文献2と特許文献3に提案されている。これらには、LiCoO2粉末を原料粉末として用いて、特定の条件で加圧焼結することで95%以上の相対密度と、10〜30μmの平均粒径を有するターゲットを製造することが記載されている。しかし、これを用いて得られた膜は、リチウム二次電池用の正極膜としてまだ十分な機能を発揮するものではなかった。 Also, Patent Document 2 and Patent Document 3 propose a method for producing a lithium cobaltate sputtering target. These describe that a target having a relative density of 95% or more and an average particle diameter of 10 to 30 μm is produced by pressure sintering under specific conditions using LiCoO 2 powder as a raw material powder. ing. However, the film obtained by using this has not yet exhibited a sufficient function as a positive electrode film for a lithium secondary battery.
以上の一般的なスパッタリング法の他に、正極材の構成金属のうちリチウムを除いた金属を含む酸化物焼結体ターゲット、すなわちニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属とアルミニウムを含む酸化物焼結体ターゲット(以下、正極膜形成用酸化物焼結体ターゲットと呼ぶ)と、リチウムの金属ターゲット(以下、正極膜形成用金属Liターゲットと呼ぶ)の二つのターゲットから同時にスパッタリング成膜して正極膜を得る方法があり、有効とされている。この方法は、コスパッタリング法(co−sputtering)と呼ばれ、両ターゲットに投入する電力の比率を変えることでリチウムの過剰量もしくは欠損量を容易に制御することができる。 In addition to the above general sputtering method, an oxide sintered compact target including a metal excluding lithium among constituent metals of the positive electrode material, that is, at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese and aluminum Sputtering simultaneously from two targets, an oxide sintered body target (hereinafter referred to as a positive electrode film forming oxide sintered body target) and a lithium metal target (hereinafter referred to as a positive electrode film forming metal Li target) There is a method of forming a positive electrode film by film formation, which is effective. This method is called co-sputtering, and the excess or deficiency of lithium can be easily controlled by changing the ratio of electric power applied to both targets.
スパッタリング法は、一般に、約10Pa以下のアルゴンガス圧のもとで、基板を陽極とし、ターゲットを陰極として、これらの間にグロー放電を起こしてアルゴンプラズマを発生させ、プラズマ中のアルゴン陽イオンを陰極のターゲットに衝突させ、これによってターゲット成分の原子をはじき飛ばして、基板上に堆積させて膜を得る方法である。通常、ターゲットの裏側にはマグネットを配置して、約2.0Pa以下の低ガス圧においてもターゲットの表面上部に発生するプラズマ密度を上げて安定化させて、スパッタリング成膜される。この方法をマグネトロンスパッタリング法と呼ばれ工業的に主流である。 In general, the sputtering method uses a substrate as an anode and a target as a cathode under an argon gas pressure of about 10 Pa or less, generates a glow discharge between them to generate an argon plasma, and generates an argon cation in the plasma. This is a method in which a film is obtained by colliding with a cathode target, thereby repelling target component atoms and depositing them on a substrate. Usually, a magnet is arranged on the back side of the target, and the plasma density generated on the upper surface of the target is increased and stabilized even at a low gas pressure of about 2.0 Pa or less, and sputtering film formation is performed. This method is called a magnetron sputtering method and is industrially mainstream.
また、アルゴンプラズマの発生方法によって、スパッタリング法は分類され、直流プラズマを用いる場合は直流スパッタリング法と呼ばれる。直流スパッタリング法は、プラズマを発生させる直流電源が安価であることと、高速に成膜されることから工業的には最も有用な方法であり、上述のマグネトロンを併用した直流マグネトロンスパッタリング法は最も良く用いられている。 Further, the sputtering method is classified according to the generation method of the argon plasma, and when the direct current plasma is used, it is called the direct current sputtering method. The DC sputtering method is industrially the most useful method because the DC power source for generating plasma is inexpensive and the film is formed at a high speed. The DC magnetron sputtering method using the above-described magnetron is the best. It is used.
一方、直流マグネトロンスパッタリング法は、一般に、導電性のターゲットを用いたときにのみ、安定に膜を製造することができる。絶縁性や高抵抗のターゲットを用いると、プラズマから発生したアルゴンからのターゲット表面に正の帯電が生じてアーキングが発生するからである。直流スパッタリング法の中でも、ターゲットに印加する負電圧を周期的に停止して低い正電圧を印加し、正の帯電をプラズマ中の電子により中和する方法によりアーキングを抑制することができる。この方法は直流パルシング法と呼ばれ、広い意味で直流スパッタリング法に含まれるが、高い電力を投入して高速成膜を得ようとするとアーキングの抑制には限界がある。 On the other hand, the direct-current magnetron sputtering method can generally stably produce a film only when a conductive target is used. This is because when an insulating or high-resistance target is used, positive charging occurs on the target surface from argon generated from plasma, and arcing occurs. Among DC sputtering methods, arcing can be suppressed by a method in which a negative voltage applied to the target is periodically stopped and a low positive voltage is applied to neutralize positive charges with electrons in the plasma. This method is called a direct current pulsing method and is included in the direct current sputtering method in a broad sense. However, there is a limit to the suppression of arcing when an attempt is made to obtain high-speed film formation by applying high power.
絶縁性や、高抵抗ターゲットを用いた安定成膜には、古くから知られている高周波スパッタリング法が有用である。高周波スパッタリングは、高周波電源とターゲットの間にコイルとコンデンサで構成されるインピーダンス整合回路を挿入して、ターゲットと基板間に高周波プラズマを発生させて成膜を行う方法である。ターゲットの一部に帯電が生じても、ターゲットの極性が定期的に反転することからプラズマ中の電子が引き寄せられて中和されるからである。しかし、高周波スパッタリングは、電源コストが高額であることと、インピーダンス整合回路の調整が必要で成膜操作が複雑であること、また成膜速度が低いなどの工業的なデメリットが多い。 High-frequency sputtering methods that have been known for a long time are useful for stable film formation using insulating and high-resistance targets. High frequency sputtering is a method of forming a film by inserting an impedance matching circuit composed of a coil and a capacitor between a high frequency power source and a target, and generating high frequency plasma between the target and the substrate. This is because even if a part of the target is charged, the polarity of the target is periodically reversed, so that electrons in the plasma are attracted and neutralized. However, the high-frequency sputtering has many industrial demerits such as high power supply cost, complicated adjustment of the film forming operation because the impedance matching circuit needs to be adjusted, and low film forming speed.
上述のように、直流マグネトロンスパッタリング法は、装置が安価で操作が簡便であり、成膜速度が速くことから有用であるが、さらに生産性を考慮するとプラズマを発生させる際の投入電力をなるべく増加させて、成膜速度を上げて成膜することになる。よって高い直流電力を投入しても、安定してプラズマが維持されて高速成膜が継続するようなスパッタリングターゲットが必要とされる。 As described above, the DC magnetron sputtering method is useful because the apparatus is inexpensive and easy to operate, and the film formation speed is high. However, considering the productivity, the input power for generating plasma is increased as much as possible. Thus, the film formation rate is increased to form a film. Therefore, there is a need for a sputtering target that maintains a stable plasma and continues high-speed film formation even when high DC power is applied.
上述したように、二次電池では、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属とリチウムを含み、更にアルミニウムを含む正極材を用いると、充放電のサイクル特性や安全性の改善に有効である。
そして、このような正極材の薄膜の製造法においては、スパッタリング法が一般的であり、正極材の構成金属のうちリチウムを除いたニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属とアルミニウムを含む酸化物のターゲット(正極膜形成用酸化物焼結体ターゲット)と、リチウムの金属ターゲット(正極膜形成用金属Liターゲット)の二つのターゲットから同時にスパッタリング成膜して正極膜を得るコスパッタリング法が有効である。また量産においては、直流スパッタリング法(以下、直流マグネトロンスパッタリング法も含む)で製造することが、高速成膜が得られるため有用である。
As described above, in the secondary battery, when a positive electrode material containing at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese and further containing aluminum is used, charge / discharge cycle characteristics and safety are improved. It is effective for.
And in such a method for producing a thin film of the positive electrode material, a sputtering method is common, and among the constituent metals of the positive electrode material, at least one transition metal selected from nickel, cobalt and manganese excluding lithium and A cathode film is obtained by sputtering simultaneously from two targets: an oxide target containing aluminum (oxide sintered body target for positive electrode film formation) and a lithium metal target (metal Li target for positive electrode film formation). A sputtering method is effective. In mass production, it is useful to manufacture by a direct current sputtering method (hereinafter also including a direct current magnetron sputtering method) because high-speed film formation is obtained.
ターゲットでも、正極膜形成用金属Liターゲットでは安定に直流スパッタリングが可能であるが、正極膜形成用酸化物スパッタリングターゲットにおいては、アルミニウムを含むため、従来の技術で製造されたものでは、安定に直流スパッタリング製造することができず、特に、生産性向上を考慮して高い直流電力を投入した条件下の直流スパッタリング法では、アーキングが頻発して放電が持続せず、安定に製造することができない。 Even with the target, the positive electrode film forming metal Li target can stably perform direct current sputtering, but the positive electrode film forming oxide sputtering target contains aluminum. Sputtering cannot be performed. In particular, in the DC sputtering method under the condition that high DC power is applied in consideration of productivity improvement, arcing frequently occurs and discharge does not continue, and thus it cannot be manufactured stably.
そのため、量産性に有効な直流スパッタリング法(以下、直流マグネトロンスパッタリング法も含む)で、このような正極膜を安定に製造する際にAlを含んだスパッタリングターゲットが必要となる。
ところが、まだAlを含んだスパッタリングターゲットは市場に流通していない。それは生産性向上を考慮して高い直流電力を投入した条件下の直流スパッタリング法では、Alを含んだスパッタリングターゲットを用いると、アーキングが発生して正極膜を安定的に製造できないためである。
Therefore, a sputtering target containing Al is required when such a positive electrode film is stably manufactured by a direct current sputtering method (hereinafter also including a direct current magnetron sputtering method) effective for mass productivity.
However, sputtering targets containing Al have not yet been distributed on the market. This is because in the DC sputtering method under the condition that high DC power is applied in consideration of productivity improvement, when a sputtering target containing Al is used, arcing occurs and the positive electrode film cannot be stably manufactured.
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題点に鑑み、直流スパッタリング法でも安定して利用できるアルミニウムを含む正極膜を製造できる正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットとその製造方法を提供することにある。 In view of the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a positive electrode film-forming oxide sintered sputtering target capable of producing a positive electrode film containing aluminum that can be stably used even by a direct current sputtering method, and a method for producing the same. Is to provide.
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属と、アルミニウムを含む酸化物焼結体から製造した酸化物焼結体スパッタリングターゲットを使用し、直流スパッタリング法で成膜したところ、アーキングの発生は、焼結体中のアルミニウムの存在形態に大きく依存し、特に、酸化アルミニウム相が存在すると、アーキングが多発することを見出し、アルミニウムを含む酸化物焼結体において酸化アルミニウムの粒径を極めて微細なものをターゲットして用いることにより、アーキングの発生を抑制することができると想到し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventor has obtained oxide sintering produced from an oxide sintered body containing at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese and aluminum. When a body sputtering target was used to form a film by a direct current sputtering method, the occurrence of arcing largely depends on the form of aluminum present in the sintered body. In particular, if an aluminum oxide phase is present, arcing frequently occurs. The inventors have devised that the generation of arcing can be suppressed by using a very fine particle size of aluminum oxide in an oxide sintered body containing aluminum, and the present invention has been completed. .
すなわち、本発明の第1の発明によれば、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属と、アルミニウムを含む酸化物焼結体からなる正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットにおいて、該酸化物焼結体は、大半が遷移金属酸化物相で構成され、かつ酸化アルミニウム相を含まないか、含んでも大きさが100nm以下であることを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットが提供される。 That is, according to the first invention of the present invention, the oxide sintered body sputtering for positive electrode film formation comprising an oxide sintered body containing at least one transition metal selected from nickel, cobalt and manganese and aluminum. In the target, the oxide sintered body is mostly composed of a transition metal oxide phase and does not contain an aluminum oxide phase or has a size of 100 nm or less. An oxide sintered sputtering target is provided.
また、本発明の第2の発明によれば、第1の発明において、酸化物焼結体は、アルミニウムの含有量が、全遷移金属酸化物の合計に対して、1〜15原子%であることを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットが提供される。
また、本発明の第3の発明によれば、第1の発明において、酸化物焼結体は、ニッケル、コバルト、アルミニウム含有遷移金属酸化物のみで構成され、アルミニウム元素は遷移金属酸化物相に固溶されていることを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットが提供される。
According to the second invention of the present invention, in the first invention, the oxide sintered body has an aluminum content of 1 to 15 atomic% with respect to the total of all transition metal oxides. The oxide sintered compact sputtering target for positive electrode film formation characterized by this is provided.
According to the third invention of the present invention, in the first invention, the oxide sintered body is composed only of nickel, cobalt, and an aluminum-containing transition metal oxide, and the aluminum element is in the transition metal oxide phase. An oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film, characterized by being dissolved, is provided.
また、本発明の第4の発明によれば、第1の発明において、酸化物焼結体は、ニッケル、コバルト、マンガン、アルミニウム含有遷移金属酸化物のみで構成され、アルミニウム元素は遷移金属酸化物相に固溶されていることを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットが提供される。 According to the fourth invention of the present invention, in the first invention, the oxide sintered body is composed only of nickel, cobalt, manganese, and an aluminum-containing transition metal oxide, and the aluminum element is a transition metal oxide. An oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film, characterized by being dissolved in a phase, is provided.
また、本発明の第5の発明によれば、第1の発明において、酸化物焼結体は、EPMA(電子プローブマイクロアナライザ)で観察しても酸化アルミニウム相の存在が確認されないことを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットが提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the oxide sintered body is characterized in that the presence of an aluminum oxide phase is not confirmed even when observed with an EPMA (Electron Probe Microanalyzer). An oxide sintered sputtering target for positive electrode film formation is provided.
また、本発明の第6の発明によれば、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属酸化物粉末と酸化アルミニウム粉末とを原料粉として用い、混合し、十分に粉砕した後で加圧成形し、得られた成形体を焼成することで酸化物焼結体とする工程を含む正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットの製造方法であって、
原料粉の遷移金属酸化物と酸化アルミニウムの大きさが平均粒径5μm以下であることを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットの製造方法が提供される。
According to the sixth aspect of the present invention, after using at least one transition metal oxide powder selected from nickel, cobalt, and manganese and aluminum oxide powder as raw material powder, mixing, and sufficiently pulverizing A method for producing a positive electrode film forming oxide sintered sputtering target including a step of forming an oxide sintered body by pressure molding and firing the obtained molded body,
Provided is a method for producing an oxide sintered sputtering target for forming a positive electrode film, characterized in that the sizes of the transition metal oxide and aluminum oxide in the raw material powder are 5 μm or less in average particle size.
また、本発明の第7の発明によれば、第6の発明において、原料粉は、少なくとも1100℃の焼成温度までは3℃以下の昇温速度で加熱されることを特徴とする正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットの製造方法が提供される。 According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, the raw material powder is heated at a rate of temperature increase of 3 ° C. or less up to a firing temperature of at least 1100 ° C. A method of manufacturing an oxide sintered body sputtering target is provided.
また、本発明の第8の発明によれば、第1〜5のいずれかの発明の正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットを、直流スパッタリング装置に装入し、10Pa以下のガス圧下、ターゲットへ2.757W/cm2以上の直流電力を投入して、アーキングを発生せずに基板に正極膜を形成することを特徴とする正極膜の形成方法が提供される。 Further, according to the eighth invention of the present invention, the oxide film-forming sintered sputtering target for positive electrode film formation of any one of the first to fifth inventions is charged into a direct current sputtering apparatus, and under a gas pressure of 10 Pa or less, There is provided a method for forming a positive electrode film, wherein DC power of 2.757 W / cm 2 or more is input to a target to form a positive electrode film on a substrate without causing arcing.
本発明の正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットは、酸化物焼結体中の酸化アルミニウムの粒径が極めて微細なものを用いており、実質的に酸化アルミニウム相が存在しないので、これを用いることで、直流スパッタリング法でもアーキングが抑制され、正極膜を安定的に生産性良く成膜できる。これにより成膜されたアルミニウムを含む正極膜は、従来の塗布法によるものと比べて大幅に薄いので、リチウム二次電池のサイズを小型化することができる。 The oxide sintered compact sputtering target for forming a positive electrode film of the present invention uses an extremely small particle size of aluminum oxide in the oxide sintered body, and there is substantially no aluminum oxide phase. By using this, arcing is suppressed even in the direct current sputtering method, and the positive electrode film can be stably formed with high productivity. Since the positive electrode film containing aluminum thus formed is much thinner than that obtained by the conventional coating method, the size of the lithium secondary battery can be reduced.
以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の目的を損なわない限り、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and substitutions may be made to the following embodiments unless the object of the present invention is impaired. Can be added.
1.酸化物焼結体とスパッタリングターゲット
本発明のニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属と、アルミニウムを含む酸化物焼結体からなる酸化物焼結体スパッタリングターゲットは、焼結体中のアルミニウムの存在形態に大きく依存し、酸化アルミニウムの粒径が100nm以下と微細な場合、実質的に酸化アルミニウム相を含まないものである。好ましくは50nm以下、より好ましくは20nm以下である。
1. Oxide Sintered Body and Sputtering Target An oxide sintered body sputtering target comprising an oxide sintered body containing at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese of the present invention and aluminum is a sintered body. When the particle size of aluminum oxide is as fine as 100 nm or less, the aluminum oxide phase is substantially free of aluminum oxide. Preferably it is 50 nm or less, More preferably, it is 20 nm or less.
従来のコバルト酸リチウムのスパッタリングターゲットにおいては、前記のとおり、LiCoO2粉末を原料粉末として用いて、特定の条件で加圧焼結することで95%以上の相対密度と、10〜30μmの平均粒径を有するターゲットとして製造されており、これらにより直流スパッタリング法でも比較的安定してリチウム二次電池用の正極膜を成膜できた。
しかし、十分な機能を発揮するリチウム二次電池用の正極膜を得るには、アルミニウムを含有させる必要があったが、ターゲット用の酸化物焼結体を製造すると、結晶相に大きな酸化アルミニウム相が生じていた。
In the conventional sputtering target of lithium cobaltate, as described above, the LiCoO 2 powder is used as a raw material powder, and the relative density of 95% or more and the average particle size of 10 to 30 μm are obtained by pressure sintering under specific conditions. Thus, a positive electrode film for a lithium secondary battery could be formed relatively stably even by a direct current sputtering method.
However, in order to obtain a positive electrode film for a lithium secondary battery that exhibits a sufficient function, it is necessary to contain aluminum. However, when an oxide sintered body for a target is manufactured, a large aluminum oxide phase is included in the crystal phase. Has occurred.
一般に金属酸化物は、高温下にて窒素などの非酸化性の雰囲気下で行う加熱還元処理を行うと、酸素欠損が導入されて導電性が付与されるが、酸化アルミニウム相の場合はアルミニウムと酸素との結合が強いため、効果的に酸素欠損導入による導電性付与が難しい。この傾向は、酸化アルミニウム相が結晶体でも非晶質体でも同じであり、この酸化アルミニウム相が高抵抗相もしくは絶縁相のためアーキングの要因となる。そして、直流スパッタリングにおいて高抵抗性もしくは絶縁性の酸化アルミニウム相にアルゴンイオン照射による帯電が生じて直流放電が安定化せずアーキングが発生してしまう。
酸化アルミニウム相には、このような問題があるが、それ以外の遷移金属酸化物の相は、アルミニウムが含有されていても導電相であり、アーキングの原因となる帯電が生じない。
In general, when a metal oxide is subjected to a heat reduction treatment performed in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen at a high temperature, oxygen deficiency is introduced and conductivity is imparted. Since the bond with oxygen is strong, it is difficult to effectively impart conductivity by introducing oxygen vacancies. This tendency is the same regardless of whether the aluminum oxide phase is crystalline or amorphous, and this aluminum oxide phase causes arcing because it is a high resistance phase or an insulating phase. In DC sputtering, the high resistance or insulating aluminum oxide phase is charged by irradiation with argon ions, and the DC discharge is not stabilized and arcing occurs.
The aluminum oxide phase has such problems, but the transition metal oxide phase other than that is a conductive phase even when aluminum is contained, and charging that causes arcing does not occur.
本発明の正極膜形成用スパッタリングターゲットでは、実質的に酸化アルミニウム相を含まないものであることが好ましい。
本発明において、酸化アルミニウム相が存在しないとは、XRDで回折ピークが現れず、かつEPMA(電子プローブマイクロアナライザ)観察にて100nmを超える大きさの酸化アルミニウムの領域が確認されないことを意味している。
In the sputtering target for forming a positive electrode film of the present invention, it is preferable that the target does not substantially contain an aluminum oxide phase.
In the present invention, the absence of an aluminum oxide phase means that a diffraction peak does not appear by XRD, and an aluminum oxide region having a size exceeding 100 nm is not confirmed by EPMA (Electron Probe Microanalyzer) observation. Yes.
また、酸化アルミニウム相に、ターゲットを構成する他の金属の一部が固溶されていると、高抵抗性もしくは絶縁性を示すことから、アーキングが発生する傾向性があり、そのようなものは本発明の正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットには含めないものとする。 In addition, if a part of other metal constituting the target is dissolved in the aluminum oxide phase, arc resistance tends to occur because it exhibits high resistance or insulation. It is not included in the oxide sintered compact sputtering target for positive electrode film formation of this invention.
(酸化物焼結体)
上述したように、本発明の正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットは、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属と、アルミニウムを含む酸化物焼結体を用いている。
(Oxide sintered body)
As described above, the oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film of the present invention uses an oxide sintered body containing at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese and aluminum. .
該酸化物焼結体には実質的に酸化アルミニウム相が存在しないが、酸化ニッケルや酸化マンガン、酸化コバルトなどの上記加熱還元処理にて導電性を付与できる金属酸化物相が存在してもかまわない。また、本発明の目的を損なわなければ、ニッケル、コバルト、マンガン、アルミニウム、リチウム以外の金属、例えば、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wなどを含んでもよい。 The oxide sintered body is substantially free of an aluminum oxide phase, but may contain a metal oxide phase such as nickel oxide, manganese oxide, cobalt oxide or the like that can impart conductivity by the above heat reduction treatment. Absent. Further, metals other than nickel, cobalt, manganese, aluminum, and lithium, for example, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, W, and the like may be included so long as the object of the present invention is not impaired.
本発明では、遷移金属として、NiとCoの両者が含まれることが好ましく、上記の組成式に示される遷移金属全体量に対して、Niは10~90原子%であり、Coは10~50原子%であることが好ましい。Niは20~90原子%であり、Coは10~40原子%であることがより好ましい。 In the present invention, it is preferable that both Ni and Co are included as the transition metal. Ni is 10 to 90 atomic% and Co is 10 to 50% with respect to the total amount of the transition metal represented by the above composition formula. It is preferably atomic%. More preferably, Ni is 20 to 90 atomic%, and Co is 10 to 40 atomic%.
そして、酸化物焼結体は、酸素の一部がFやClなどに置換されていてもよく、遷移金属の一部が、Fe、Cr、Ti、Nb、W、Mo、Li、Na、K、Mg、Caなどの他の金属で置換されていてもかまわない。さらに化合物の化学量論組成に対してLiが過剰か欠損、また酸素も化学量論組成に対して欠損でもかまわない。 In the oxide sintered body, part of oxygen may be substituted with F, Cl, etc., and part of the transition metal is Fe, Cr, Ti, Nb, W, Mo, Li, Na, K. It may be substituted with another metal such as Mg, Ca. Further, Li may be excessive or deficient with respect to the stoichiometric composition of the compound, and oxygen may be deficient with respect to the stoichiometric composition.
これらの何れにおいても、正極膜の構成金属のうちリチウムのみを除いた全ての金属を含む酸化物焼結体スパッタリングターゲットが対象となり、上述のようにEPMA(電子プローブマイクロアナライザ)観察による酸化アルミニウムの粒径が100nm以下と微細である。酸化アルミニウムの粒径が100nmを超えていると、この酸化アルミニウム相によってアーキングが発生しやすいので好ましくない。 In any of these, the oxide sintered sputtering target including all metals except for lithium among the constituent metals of the positive electrode film is an object, and as described above, the aluminum oxide is observed by EPMA (Electron Probe Microanalyzer). The particle size is as fine as 100 nm or less. If the particle diameter of aluminum oxide exceeds 100 nm, arcing is likely to occur due to the aluminum oxide phase, which is not preferable.
本発明のより好ましい形態は、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属とアルミニウム酸化物のみで構成され、アルミニウム元素はリチウム含有遷移金属酸化物に固溶されていることである。
ターゲット中に酸化ニッケルや酸化マンガン、酸化コバルトなどの上記加熱還元処理にて導電性を付与できる金属酸化物相が存在しても、アーキングの要因にはならないが、固溶されていないと金属元素の均一性は劣り、成膜で得られる膜の組成のバラつきの要因となるからである。本発明のような相構成のターゲットは、各金属元素が原子レベルで均一であり、常に一定の元素がスパッタされて膜組成を一定とすることができる。
A more preferable embodiment of the present invention is that it is composed only of at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese and an aluminum oxide, and the aluminum element is dissolved in the lithium-containing transition metal oxide. .
Even if a metal oxide phase such as nickel oxide, manganese oxide, cobalt oxide, etc. that can be rendered conductive in the target exists in the target, it does not cause arcing, but if it is not dissolved, the metal element This is because the uniformity of the film is inferior and causes a variation in the composition of the film obtained by film formation. In a target having a phase structure as in the present invention, each metal element is uniform at the atomic level, and a constant element can be always sputtered to make the film composition constant.
2.正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットの製造方法
本発明の正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットは、ターゲットの構成元素の金属酸化物粉末を出発原料として用いて、混合、焼成により、焼結させて酸化物焼結体を製造し、これを所定の大きさに加工してスパッタリングターゲットとする。
2. Manufacturing method of oxide sintered body sputtering target for forming positive electrode film The oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film of the present invention is obtained by mixing and firing using a metal oxide powder of a constituent element of the target as a starting material. The oxide sintered body is manufactured by sintering and processed into a predetermined size to obtain a sputtering target.
本発明では、従来の製法とは異なり、原料粉末の選定と混合条件、焼成条件の最適化に留意する。すなわち、本発明は、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属酸化物と酸化アルミニウムを原料粉として用い、混合物を十分に粉砕した後で加圧成形し、得られた成形体を焼成することで酸化物焼結体とする工程を含む正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットの製造方法であって、原料粉は、遷移金属酸化物と酸化アルミニウムの大きさが平均粒径5μm以下であるようにする。 In the present invention, unlike the conventional manufacturing method, attention is paid to selection of raw material powder and optimization of mixing conditions and firing conditions. That is, the present invention uses at least one kind of transition metal oxide selected from nickel, cobalt, and manganese and aluminum oxide as a raw material powder, and after sufficiently pulverizing the mixture, it is pressure-molded, and the obtained molded body Is a method for producing a cathode film-forming oxide sintered sputtering target including a step of forming an oxide sintered body by firing, and the raw material powder has an average particle size of transition metal oxide and aluminum oxide The diameter should be 5 μm or less.
酸化物焼結体の原料粉末としては、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属酸化物と酸化アルミニウムとを用いる。出発原料としては、本発明の目的を損なわない範囲で金属粉末、もしくは金属の塩の粉末を配合することもできる。 As the raw material powder for the oxide sintered body, at least one transition metal oxide selected from nickel, cobalt, and manganese and aluminum oxide are used. As the starting material, a metal powder or a metal salt powder may be blended within a range not impairing the object of the present invention.
平均粒径が5μmを超えていると粉砕に時間がかかるので好ましくない。原料粉末は、相互の混合を十分に行って反応性を高めておくことが望ましい。粉砕しながら混合するのが効率的である。ボールミル混合で行う場合は、10時間以上、特に12時間以上継続して十分な粉砕と混合を行うことが好ましい。 If the average particle size exceeds 5 μm, it takes time to grind, which is not preferable. It is desirable that the raw material powders are sufficiently mixed with each other to increase the reactivity. It is efficient to mix while grinding. In the case of ball mill mixing, it is preferable to carry out sufficient pulverization and mixing for 10 hours or longer, particularly 12 hours or longer.
アルミニウム成分の出発原料は、酸化アルミニウム粉末であり、二次粒子の平均粒径が5μm以下、好ましくは3μm以下の粉末を用いるようにする。特に好ましいのは0.2〜1μmのものである。
酸化物焼結体中のアルミニウムの含有量が、全遷移金属とアルミニウムの合計に対して1〜15原子%であることが好ましく、3〜10原子%であることがより好ましい。そのためには、遷移金属粉末の全体量に対して、1~20モル%の酸化アルミニウム粉末を用いるようにする。
The starting material of the aluminum component is aluminum oxide powder, and a powder having an average secondary particle size of 5 μm or less, preferably 3 μm or less is used. Particularly preferred is 0.2 to 1 μm.
The content of aluminum in the oxide sintered body is preferably 1 to 15 atomic%, more preferably 3 to 10 atomic%, based on the total of all transition metals and aluminum. For this purpose, 1 to 20 mol% of aluminum oxide powder is used with respect to the total amount of the transition metal powder.
前記したとおり、他の原料粉末との混合にボールミル混合で行う場合は、10時間以上継続して十分な粉砕と混合を行うことが望ましい。十分な粉砕と混合を行うことで、その後の焼成でリチウム含有遷移金属酸化物中に酸化アルミニウムを完全に固溶させることができる。 As described above, when mixing with other raw material powders by ball mill mixing, it is desirable to perform sufficient grinding and mixing for 10 hours or more. By performing sufficient pulverization and mixing, the aluminum oxide can be completely dissolved in the lithium-containing transition metal oxide by subsequent firing.
その後、反応容器に入れて焼成する。焼成温度は、800〜1150℃とし、酸素を十分に供給し、酸素が20体積%以上含まれる窒素または不活性ガス雰囲気中で、5〜12時間焼成する。焼成温度は、850〜1100℃とし、酸素を十分に供給し、酸素が30体積%以上含まれる窒素または不活性ガス雰囲気中で、8〜12時間焼成するのが好ましい。 Then, it puts into a reaction container and fires. The baking temperature is 800 to 1150 ° C., oxygen is sufficiently supplied, and baking is performed for 5 to 12 hours in an atmosphere of nitrogen or inert gas containing 20% by volume or more of oxygen. The baking temperature is preferably 850 to 1100 ° C., oxygen is sufficiently supplied, and baking is preferably performed for 8 to 12 hours in a nitrogen or inert gas atmosphere containing 30% by volume or more of oxygen.
焼成により生じる液相には、ニッケル、コバルト、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属の酸化物が優先的に溶融されて析出されるが、酸化アルミニウムは溶融されないため、酸化アルミニウムが偏析されてしまう。焼成前の混合体において酸化アルミニウム粉末が十分に均一混合されていても、このような偏析により酸化アルミニウムの大きな塊が形成されてしまうため、焼成後には酸化アルミニウム相が存在する酸化物焼結体になってしまう。 In the liquid phase generated by firing, an oxide of at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese is preferentially melted and deposited, but aluminum oxide is not melted, so aluminum oxide is segregated. End up. Even if the aluminum oxide powder is sufficiently uniformly mixed in the mixture before firing, a large lump of aluminum oxide is formed due to such segregation, so that the oxide sintered body in which an aluminum oxide phase exists after firing. Become.
本発明では、これを回避するために、具体的には、焼成時の昇温速度を遅く設定すること、融点以下で仮焼して粉砕する工程を繰り返すことが有効である。酸化アルミニウムが偏析されない焼成時の昇温速度は、混合状態にも依存するが、3℃/分以下が好ましい。 In the present invention, specifically, in order to avoid this, it is effective to set the rate of temperature rise at the time of firing slower, and to repeat the calcination and calcination step below the melting point. The rate of temperature increase during firing in which aluminum oxide is not segregated depends on the mixed state, but is preferably 3 ° C./min or less.
酸化アルミニウム原料粉の平均粒径が1μm以下であることで、得られる酸化物焼結体は、実質的に酸化アルミニウム相が存在しないものとなる。またアルミニウムは、ターゲットを構成する他の金属の中に固溶されるので、抵抗値が大きくならず、スパッタリングによる正極膜形成に適したものとなる。 When the average particle diameter of the aluminum oxide raw material powder is 1 μm or less, the obtained oxide sintered body is substantially free of the aluminum oxide phase. In addition, since aluminum is dissolved in another metal constituting the target, the resistance value does not increase and it is suitable for forming a positive electrode film by sputtering.
3.スパッタリングによる正極膜形成
本発明の酸化物焼結体から作製したスパッタリングターゲットは、スパッタリング法で薄膜リチウム二次電池の正極を作製する際に使用する。
3. Formation of Positive Electrode Film by Sputtering A sputtering target produced from the oxide sintered body of the present invention is used when producing a positive electrode of a thin film lithium secondary battery by a sputtering method.
本発明の正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットは、以下の正極膜を得る際に利用することができる。
α−NaFeO2型層状構造のLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、スピネル型構造のLiMn2O4、オリビン型のLiFePO4、そしてこれらの化合物の2つ以上の固溶体において、遷移金属の一部がAlに置換されている。また、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2や、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2における遷移金属の一部がAlに置換されたもの、リチウム過剰系固溶体と呼ばれているLi2MnO3−LiMO2系(M:Ni、Co、および/またはMn)の遷移金属の一部がAlに置換されている正極材を得ることができる。そして、酸素の一部がFやClなどに置換されていてもよく、遷移金属の一部が、Fe、Cr、Ti、Nb、W、Mo、Li、Na、K、Mg、Caなどの他の金属で置換されていてもかまわない。さらに化合物の化学量論組成に対してLiが過剰だったり、欠損であってもよく、酸素も化学量論組成に対して欠損であってもよい。これらの何れの正極膜においても、正極膜の構成金属のうちリチウムのみを除いた全ての金属を含む酸化物焼結体スパッタリングターゲットが対象となり、上述のように酸化アルミニウム相を含まないことが本発明の特徴となる。
The oxide sintered compact sputtering target for positive electrode film formation of this invention can be utilized when obtaining the following positive electrode films.
In the α-NaFeO 2 type layered structure LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , the spinel type structure LiMn 2 O 4 , the olivine type LiFePO 4 , and two or more solid solutions of these compounds, a part of the transition metal is Al is substituted. Further, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 in which a transition metal is partially substituted with Al, a lithium-excess solid solution A cathode material in which a part of the transition metal of the Li 2 MnO 3 —LiMO 2 system (M: Ni, Co, and / or Mn) called “Al” is substituted with Al can be obtained. A part of oxygen may be substituted with F, Cl, etc., and a part of the transition metal may be Fe, Cr, Ti, Nb, W, Mo, Li, Na, K, Mg, Ca, etc. It may be substituted with any metal. Further, Li may be excessive or deficient with respect to the stoichiometric composition of the compound, and oxygen may be deficient with respect to the stoichiometric composition. In any of these positive electrode films, the oxide sintered body sputtering target including all metals except for lithium among the constituent metals of the positive electrode film is a target, and it is not included in the present invention that the aluminum oxide phase is not included as described above. This is a feature of the invention.
まず、本発明の酸化物焼結体から作製したスパッタリングターゲットと、正極膜形成用金属Liターゲットの2種を基板とともにスパッタリング装置内に装入する。引き続き、装置内部を真空にし、その後、10Pa以下、好ましくは5Pa以下のアルゴンなど不活性ガス圧のもとで、基板を陽極とし、ターゲットを陰極として、電極間にグロー放電を起こす。これによりアルゴンプラズマを発生させ、プラズマ中のアルゴン陽イオンを陰極のターゲットに衝突させ、ターゲット成分の原子をはじき飛ばして、基板上に膜を堆積させる。 First, the sputtering target produced from the oxide sintered body of the present invention and the positive electrode film forming metal Li target are charged together with the substrate into the sputtering apparatus. Subsequently, the inside of the apparatus is evacuated, and then glow discharge is generated between the electrodes under an inert gas pressure such as argon of 10 Pa or less, preferably 5 Pa or less, using the substrate as the anode and the target as the cathode. As a result, argon plasma is generated, the argon cations in the plasma collide with the cathode target, the target component atoms are repelled, and a film is deposited on the substrate.
ターゲットの裏側にマグネットを配置したマグネトロンスパッタリング装置を使用するときは、2.0Pa以下好ましくは1Pa以下の低ガス圧においてターゲットの表面上部に発生するプラズマ密度を上げて安定化させて、スパッタリング成膜する。この装置には、アーキングを抑制する機能がなく、あったとしても高い直流電源が印加されると十分にアーキングを防止できない場合が多い。 When using a magnetron sputtering apparatus in which a magnet is placed on the back side of the target, the plasma density generated on the upper surface of the target is increased and stabilized at a low gas pressure of 2.0 Pa or less, preferably 1 Pa or less, and sputtering film formation is performed. To do. This device does not have a function of suppressing arcing, and even if high DC power is applied, arcing cannot be sufficiently prevented in many cases.
しかし、本発明のターゲットであれば、スパッタ面の単位面積当たりの投入電力、すなわち投入電力密度が、2.757W/cm2以上という高い直流電力を投入した条件下でも、正極膜をアーキングが発生せず放電が持続して安定的に成膜することができる。膜の厚さは、投入電力や成膜時間などを制御することで調整でき、例えば1〜10μmとすることができる。
本発明によれば、安価な成膜法で操作法も簡便であるために、工業的に有用な直流スパッタリング法に用いても、アーキングを発生させずに安定成膜が可能であるため、Alを含む正極膜の製造コストを大幅に削減できる。
However, in the case of the target of the present invention, arcing occurs in the positive electrode film even under a condition where the input power per unit area of the sputtering surface, that is, the input power density is high, such as 2.757 W / cm 2 or more. Without discharge, the film can be stably formed with sustained discharge. The thickness of the film can be adjusted by controlling input power, film formation time, and the like, and can be set to 1 to 10 μm, for example.
According to the present invention, since it is an inexpensive film formation method and the operation method is simple, even if it is used in an industrially useful DC sputtering method, stable film formation is possible without causing arcing. The manufacturing cost of the positive electrode film containing can be significantly reduced.
以下、実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例によってのみ限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited only to the following examples.
(実施例1)
二次粒子の平均粒径が5μmのNiO粉末、CoO粉末、二次粒子の平均粒径が1μm以下のAl2O3粉末を原料粉末として用い、表1に示したとおり、金属が80:15:5のモル比となる割合で調合し、樹脂製ポットに入れて、乾式ボールミル混合した。この際に、硬質ZrO2ボールを用い、混合時間を10時間とした。混合後、得られた粉末混合体を取り出し、金型成形機を用いて3ton/cm2にて一軸加圧成形を行って成形体を得た。
次に、この成形体を大気中にて1℃/分で1100℃まで昇温し、この温度で10時間焼結した。焼結後の冷却は、700℃までを5℃/分で降温させ、その後は室温まで徐冷した。
焼結体の端材を粉砕し、粉末X線回折測定と走査型電子顕微鏡とEPMA(電子プローブマイクロアナライザ)による局所分析から、この焼結体中には、実質的にNiCoAl2O3の組成の化合物のみであり、ごくわずかな酸化アルミニウム相が存在したが、その大きさは、表1に示すように100nm未満であった。
得られた焼結体を、直径152mm、厚み5mmの大きさに加工し、スパッタ面をカップ砥石で磨いた。無酸素銅製のバッキングプレートに金属インジウムを用いてボンディングして、スパッタターゲットを作製した。
アーキング抑制機能のない直流電源を装備した直流マグネトロンスパッタ装置のカソードにスパッタターゲットを取り付け、ターゲットの対抗位置にガラス基板を配置し、ターゲット基板間距離を60mmとした。ターゲットと基板の間を1×10−4Pa以下に真空引きした後に純Arガスを導入してガス圧を0.5Paとし、ターゲットに直流電力を投入してターゲット基板間にプラズマを発生させた。
10分間所定の直流電力を投入し、アーキングによる放電電圧の瞬時降下する現象の発生回数を観測した。「直流電力÷ターゲットスパッタ面面積」から徐々に増加させたときに直流投入電力密度を算出した。その結果を表1に示したが、直流投入電力密度が、1.103〜2.757W/cm2において、全くアーキングは発生せずに安定な放電を行うことができた。得られた膜の組成もターゲット組成と同等であった。これは焼結体がNiO、CoO、Al2O3の原料配合量を金属のモル比で80:15:5としたので、この組成の化合物のみで構成されていて、ごくわずかな量の酸化アルミニウム相があったが、高抵抗相や絶縁相の存在を無視しうるからである。このようなスパッタリングターゲットは、量産においても安定に使用することができる。
Example 1
NiO powder, CoO powder with an average secondary particle size of 5 μm, and Al 2 O 3 powder with an average secondary particle size of 1 μm or less were used as the raw material powder. As shown in Table 1, the metal was 80:15 : 5 in a molar ratio, put in a resin pot, and dry ball mill mixed. At this time, hard ZrO 2 balls were used, and the mixing time was 10 hours. After mixing, the obtained powder mixture was taken out and subjected to uniaxial pressure molding at 3 ton / cm 2 using a mold molding machine to obtain a molded body.
Next, this molded body was heated to 1100 ° C. at 1 ° C./min in the air and sintered at this temperature for 10 hours. Cooling after sintering was performed by lowering the temperature to 700 ° C. at 5 ° C./min, and then gradually cooling to room temperature.
From the powder X-ray diffraction measurement and the local analysis using a scanning electron microscope and EPMA (Electron Probe Microanalyzer), the sintered compact is substantially composed of NiCoAl 2 O 3 . As shown in Table 1, the size was less than 100 nm.
The obtained sintered body was processed into a size of 152 mm in diameter and 5 mm in thickness, and the sputter surface was polished with a cup grindstone. A sputter target was produced by bonding to a backing plate made of oxygen-free copper using metal indium.
A sputtering target was attached to the cathode of a DC magnetron sputtering apparatus equipped with a DC power supply without an arcing suppression function, a glass substrate was placed at the position facing the target, and the distance between the target substrates was 60 mm. After evacuating the target and the substrate to 1 × 10 −4 Pa or less, pure Ar gas was introduced to set the gas pressure to 0.5 Pa, and DC power was supplied to the target to generate plasma between the target substrates. .
A predetermined DC power was applied for 10 minutes, and the number of occurrences of a phenomenon in which the discharge voltage instantaneously dropped due to arcing was observed. The DC input power density was calculated when gradually increasing from “DC power ÷ target sputtering surface area”. The results are shown in Table 1. When the DC input power density was 1.103 to 2.757 W / cm 2 , no arcing occurred and stable discharge could be performed. The composition of the obtained film was also equivalent to the target composition. This is because the sintered body is composed of NiO, CoO, and Al 2 O 3 with a raw material blending ratio of 80: 15: 5 in terms of metal molar ratio. This is because there was an aluminum phase, but the presence of a high resistance phase and an insulating phase can be ignored. Such a sputtering target can be used stably even in mass production.
(比較例1)
実施例1において、Al2O3原料粉末に二次粒子の平均粒径が5μmの粉末を用いた以外は、同様の方法で同一組成の焼結体を作製し、焼結体を同様の手法で評価した。その結果、表1に示したとおり、焼結体中には1〜3μmの酸化アルミニウム相が存在していた。また、この焼結体から実施例1と同様の方法でターゲットを作製してアーキングの発生状況を評価した。表1に示したとおり、1.654W/cm2においてアーキングが発生し放電が不安定であった。このようなスパッタリングターゲットは量産において使用できない。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a sintered body having the same composition was prepared in the same manner except that a powder having an average secondary particle diameter of 5 μm was used as the Al 2 O 3 raw material powder, and the sintered body was subjected to the same technique. It was evaluated with. As a result, as shown in Table 1, an aluminum oxide phase of 1 to 3 μm was present in the sintered body. Moreover, the target was produced from this sintered body by the same method as in Example 1, and the occurrence of arcing was evaluated. As shown in Table 1, arcing occurred at 1.654 W / cm 2 and the discharge was unstable. Such a sputtering target cannot be used in mass production.
(比較例2)
Al2O3原料粉末に二次粒子の平均粒径が10μmの粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法で同一組成の焼結体を作製し、焼結体を同様の手法で評価したところ、焼結体中には2〜5μmの酸化アルミニウム相が存在していた。また、この焼結体から実施例1と同様の方法でターゲットを作製してアーキングの発生状況を評価した。その結果を表1に示したが、1.103W/cm2においてアーキングが発生し放電が不安定であった。このようなスパッタリングターゲットは量産において使用できない。
(Comparative Example 2)
A sintered body having the same composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that a powder having an average particle size of secondary particles of 10 μm was used as the Al 2 O 3 raw material powder. As a result, an aluminum oxide phase of 2 to 5 μm was present in the sintered body. Moreover, the target was produced from this sintered body by the same method as in Example 1, and the occurrence of arcing was evaluated. The results are shown in Table 1. Arcing occurred at 1.103 W / cm 2 and the discharge was unstable. Such a sputtering target cannot be used in mass production.
(実施例2)
LiNi0.32Co0.32Mn0.32Al0.04O2の正極膜をコスパッタ成膜にて作製するためのターゲットを以下の手順で作製した。
実施例1の原料粉末以外に、二次粒子の平均粒径が5μmのMnO粉末も用いた以外は実施例1と同じ条件で焼結体を作製した。NiO、CoO、MnO、Al2O3の原料配合量を金属のモル比で32:32:32:4とした。得られた焼結体の端材を粉砕し、粉末X線回折測定と走査型電子顕微鏡とEPMAによる局所分析から、この焼結体は、結晶相の中に、ごくわずかな酸化アルミニウム相があり、その大きさは、表1に示すように100nm未満であった。
この焼結体から実施例1と同様の方法で作製したスパッタリングターゲットを用いて、アーキングの発生状況を測定した結果を表1に示したが、直流投入電力密度が、1.103〜2.757W/cm2において、全くアーキングは発生せずに安定な放電を行うことができた。また得られた膜の組成もターゲット組成と同等であって、ごくわずかな量の酸化アルミニウム相があったが、高抵抗相や絶縁相の存在を無視しうるからである。このようなスパッタリングターゲットは量産においても安定に使用することができる。
(Example 2)
A target for producing a positive electrode film of LiNi 0.32 Co 0.32 Mn 0.32 Al 0.04 O 2 by co-sputter deposition was produced by the following procedure.
In addition to the raw material powder of Example 1, a sintered body was produced under the same conditions as in Example 1 except that MnO powder having an average secondary particle size of 5 μm was also used. The raw material compounding amounts of NiO, CoO, MnO, and Al 2 O 3 were 32: 32: 32: 4 in terms of metal molar ratio. From the powder X-ray diffraction measurement and local analysis by scanning electron microscope and EPMA, this sintered body has very little aluminum oxide phase in the crystal phase. The size was less than 100 nm as shown in Table 1.
Table 1 shows the results of measuring the occurrence of arcing using a sputtering target produced from this sintered body in the same manner as in Example 1. The DC input power density is 1.103 to 2.757 W. At / cm 2 , arcing did not occur at all and stable discharge could be performed. Further, the composition of the obtained film was equivalent to the target composition, and there was a very small amount of the aluminum oxide phase, but the presence of a high resistance phase or an insulating phase can be ignored. Such a sputtering target can be used stably even in mass production.
(比較例3)
実施例2において、Al2O3原料粉末に二次粒子の平均粒径が3μmの粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法で同一組成の焼結体を作製し、焼結体を同様の手法で評価したところ、焼結体中には1〜3μmの酸化アルミニウム相が存在していた。また、この焼結体から実施例1と同様の方法でターゲットを作製してアーキングの発生状況を評価した。その結果を表1に示したが、2.757W/cm2においてアーキングが発生し放電が不安定であった。このようなスパッタリングターゲットは量産において使用できない。
(Comparative Example 3)
In Example 2, a sintered body having the same composition was produced in the same manner as in Example 1 except that a powder having an average particle size of secondary particles of 3 μm was used as the Al 2 O 3 raw material powder. Was evaluated by the same method, it was found that an aluminum oxide phase of 1 to 3 μm was present in the sintered body. Moreover, the target was produced from this sintered body by the same method as in Example 1, and the occurrence of arcing was evaluated. The results are shown in Table 1. Arcing occurred at 2.757 W / cm 2 and the discharge was unstable. Such a sputtering target cannot be used in mass production.
(比較例4)
実施例2において、Al2O3原料粉末に二次粒子の平均粒径が7μmの粉末を用いた以外は、実施例1と同様の方法で同一組成の焼結体を作製し、焼結体を同様の手法で評価したところ、焼結体中には1〜4μmの酸化アルミニウム相が存在していた。また、この焼結体から実施例1と同様の方法でターゲットを作製してアーキングの発生状況を評価した。その結果を表1に示したが、1.654W/cm2においてアーキングが発生し放電が不安定であった。このようなスパッタリングターゲットは量産において使用できない。
(Comparative Example 4)
In Example 2, a sintered body having the same composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that a powder having an average particle size of secondary particles of 7 μm was used as the Al 2 O 3 raw material powder. Was evaluated by a similar method, and an aluminum oxide phase of 1 to 4 μm was present in the sintered body. Moreover, the target was produced from this sintered body by the same method as in Example 1, and the occurrence of arcing was evaluated. The results are shown in Table 1. Arcing occurred at 1.654 W / cm 2 and the discharge was unstable. Such a sputtering target cannot be used in mass production.
本発明のスパッタリングターゲットは、薄膜リチウム二次電池の正極をスパッタリング法で作製する際に、使用出来る。
本発明によれば、安価な成膜法で操作法も簡便な直流スパッタリング法を採用でき、その際に、アーキングを発生させずに安定成膜が可能であるため、生産性が向上して正極膜の製造コストを大幅に削減できる。
The sputtering target of this invention can be used when producing the positive electrode of a thin film lithium secondary battery by sputtering method.
According to the present invention, it is possible to employ a direct current sputtering method that is an inexpensive film formation method and a simple operation method, and at this time, stable film formation is possible without causing arcing. Membrane manufacturing costs can be greatly reduced.
Claims (8)
該酸化物焼結体は、大半が遷移金属酸化物相で構成され、かつ酸化アルミニウム相を含まないか、含んでも大きさが100nm以下であることを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲット。 In an oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film comprising at least one transition metal selected from nickel, cobalt, and manganese, and an oxide sintered body containing aluminum,
The oxide sintered body is mostly composed of a transition metal oxide phase, and does not contain an aluminum oxide phase or has a size of 100 nm or less, but does not contain an aluminum oxide phase. Combined sputtering target.
原料粉の遷移金属酸化物と酸化アルミニウムの大きさが平均粒径5μm以下であることを特徴とする、正極膜形成用酸化物焼結体スパッタリングターゲットの製造方法。 At least one transition metal oxide powder selected from nickel, cobalt, and manganese and aluminum oxide powder are used as raw material powders, mixed, sufficiently pulverized and then pressure-molded, and the resulting molded body is fired It is a manufacturing method of the oxide sintered compact sputtering target for positive electrode film formation including the process of making it into oxide sintered compact,
A method for producing an oxide sintered body sputtering target for forming a positive electrode film, wherein the transition metal oxide and the aluminum oxide in the raw material powder have an average particle size of 5 μm or less.
The oxide sintered compact sputtering target for forming a positive electrode film according to any one of claims 1 to 5 is charged into a DC sputtering apparatus, and a DC power of 2.757 W / cm 2 or more is applied to the target under a gas pressure of 10 Pa or less. And forming a positive electrode film on the substrate without generating arcing.
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