JP2602390B2 - 高密度ito焼結体及びその製造方法 - Google Patents

高密度ito焼結体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、透明導電膜をスパッタ
リングにより形成する際、ターゲットとして使用する高
密度ITO焼結体及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】相対密度が90%以上の高密度ITO焼
結体をターゲットとし、これを400℃程度に加熱した
基板上に適当な条件でスパッタリングすることにより、
透明性が良く、比抵抗値が2.0×10-4Ω・cm程度
の良質な透明導電膜が得られる。
【0003】このようなITO焼結体は、実質的にイン
ジウム、錫、酸素からなる粉末を成形した後、酸素雰囲
気あるいは大気中で1600℃程度の温度で焼結する
か、ホットプレスによる加圧下で昇温し、1000℃以
下の温度で焼結するかの方法により製造されている。ま
た酸素雰囲気あるいは大気中で1500℃程度の温度で
焼結すると、相対密度が90%以上のITO焼結体を得
ることが出来ず、スパッタリングによる成膜中に異常放
電現象が発生しやすくなるという問題があった。
【0004】前記の基板として、カラー液晶ディスプレ
イの電極用としてのカラーフイルターや、軽量化のため
にプラスチックを用いる場合には、耐熱性に劣るため、
従来のように高温に加熱できず、基板加熱温度は200
℃以下としなければならない。上記の従来のITO焼結
体を用いて基板温度200℃以下でスパッタリングする
と、得られる透明導電膜の比抵抗値は2.0×10-4Ω
・cm以上となり、比抵抗値の低い透明導電膜を得るこ
とは困難である。
【0005】又、従来のITO焼結体を用いて、長時間
スパッタリングを行うと、成膜中に生じる異常放電現象
によってプラズマ状態が不安定となり、安定した成膜が
行われず、スパッタされた膜の構造が悪化し、比抵抗値
等の膜特性が劣化するということが知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、基板温度が
200℃以下の低温であっても、比抵抗値が2.0×1
-4Ω・cm以下の低抵抗な透明導電膜を形成でき、成
膜中における異常放電が少なく、長時間に亙りスパッタ
リングを行った場合にも、安定に良質な透明導電膜を形
成できる高密度ITO焼結体及びその製造方法を提供す
ることを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、実質的にイン
ジウム、錫及び酸素からなり、相対密度が90%以上の
ITO焼結体であって、酸化錫相の(110)面のX線
回折ピークの積分強度が、酸化インジウム相の(22
2)面のX線回折ピークの積分強度の0.5%以下で、
電子線マイクロアナライザーの線分析における錫含有量
の分布が化学分析による錫含有量の0.8〜1.2倍の範
囲にあることを特徴とする高密度ITO焼結体を提供す
ること、
【0008】及び、実質的にインジウム、錫、酸素から
なる粉末を成形した後炉内に入れ、成形体の周囲に、酸
素ガスを焼結炉内の容積に対して1分間当たり1.8×
10-2以上の割合で流入しながら、1300℃から14
50℃まで50分以内で昇温し、1450〜1550℃
の温度範囲で焼結することを特徴とする高密度ITO焼
結体の製造方法を提供することにある。
【0009】本発明によるITO焼結体は、酸化インジ
ウム粉末と、酸化錫粉末との混合粉末、酸化インジウム
−酸化錫複合粉末と、酸化錫粉末との混合粉末、酸化イ
ンジウム粉末−酸化錫複合粉末と、酸化インジウム粉末
との混合粉末を、焼結体中の酸化錫含有量が5〜15
量%となるように配合するか、酸化錫を5〜15重量%
の割合で含有する酸化インジウム−酸化錫複合粉末を原
料粉末とする。この原料粉末は平均粒径が0.1μm以
下のものを用いる。その理由は、平均粒径が0.1μm
を超えると、粗大粒子が混在し、原料粉末が均一に分散
せず、原料粉末の成形性、焼結性が悪くなり、高密度の
焼結体が得られなくなるためである。
【0010】原料粉末を造粒粉末とするために、原料粉
末にパラフインワックス、ポリビニルアルコールなどの
バインダーを1〜4重量%添加し、ボールミル等を用
い、12〜24時間混合粉砕して造粒粉末とし、焼結体
の相対密度を90%以上にするため、1トン/cm2
上の成形圧力で成形して成形体とする。この成形体を炉
内に入れ、酸素雰囲気中で焼結する。焼結中は酸素ガス
を焼結炉内の容積に対して1分間当たり1.8×10-2
以上の割合で流入しながら行う。16.3×10-2以上
とする場合には、炉内の温度が不均一とならないよう
に、炉内に供給する酸素ガスの温度を炉内温度に予熱し
てやると良い。
【0011】焼結は室温から1300℃まで23時間程
度で昇温し、1300℃から1450℃までを50分以
内で昇温する。室温から1000℃までは脱バインダー
過程であるため、昇温時間が短いと焼結体に割れが生じ
てしまう。1300℃から1450℃までの昇温期間
は、焼結挙動が最も活発な温度範囲であるため、昇温時
間は炉内を均等の温度に保てる程度で早くするのがよ
い。
【0012】1450℃から1550℃までの間の焼結
温度への昇温時間は1300℃から1450℃への昇温
時間より遅くてもよく、少なくとも150分以内7〜5
0分程度で炉内を均等の温度に保てる程度で温度上昇さ
せる。1450〜1550℃の焼結温度では10時間以
上、10〜30時間保持すればよい。10時間未満では
焼結体の結晶粒径が十分成長せず高密度の焼結体は得ら
れない。
【0013】
【作用】従来の相対密度が90%以上の高密度ITO焼
結体をターゲットとし、これを400℃程度に加熱した
基板上に適当な条件でスパッタリングした場合、基板の
温度が高いため、生成した膜中の原子の拡散が容易に生
じ、乱れた構造の膜が生成しても、スパッタリングを継
続している間に結晶質な膜に変化する。しかし、基板温
度が低く、膜厚が薄く、スパッタリング時間が短い等の
場合には、結晶化されていない膜や、乱れた相が生成
し、良質な膜が得られない。この理由は、焼結体中にS
nO2相が存在することによるものと考えられる。即
ち、SnO2相が存在している焼結体を用いてスパッタ
リングを行うと、焼結体から放出される原子の内10%
程度を占める10数から数10原子の集団が、SnO2
相を主体とするものになる確率が高くなり、その原子の
集団がそのままの状態で基板に到達するため、電気伝導
に寄与しないSnO2相や、比抵抗値を悪化させる直接
の原因となる乱れた結晶構造を持つ相が基板に形成され
るものと考えられる。
【0014】本発明ITO焼結体では、酸化錫相の(1
10)面のX線回折ピークの積分強度を、酸化インジウ
ム相の(222)面のX線回折ピークの積分強度の0.
5%以下としたことにより、SnO2相が殆ど存在しな
いことから、上記のような現象を生ずることなく、基板
温度が低温でも比抵抗値の低い透明導電膜がえられるよ
うにしたものである。酸化錫相の(110)面のX線回
折ピークの積分強度が、酸化インジウム相の(222)
面のX線回折ピークの積分強度の0.5%を超えると焼
結体中のSnO2相の影響が現れ比抵抗値の低い透明導
電膜を得ることが困難となる。
【0015】スパッタリング中の異常放電現象は、焼結
体にアルゴンが衝突した際に焼結体内に正の電荷が蓄積
することに起因するものである。本発明ITO焼結体で
は、電子線マイクロアナライザーの線分析における錫含
有量の分布を、化学分析による錫含有量の0.8〜1.2
倍の範囲とすることにより、錫の分布を均一化して電荷
の蓄積を防止し、その結果、異常放電現象を抑制するこ
とに成功したものである。これ以上分布の変化が大きい
と、電気伝導性の悪い錫の濃度差が大きくなり、局所的
に電荷が蓄積し易く、異常放電の発生の頻度が大きくな
るのでこの範囲とするものである。
【0016】本発明のITO焼結体の製造方法におい
て、成形体の周囲に、酸素ガスを焼結炉内の容積に対し
て1分間当たり1.8×10-2以上の割合で流入しなが
ら焼結を行うのは、炉内の酸素置換率が1.8×10-2
未満では焼結体に酸素欠陥を生じ、高密度で緻密な焼結
体が得られなくなる上、焼結体の表面近傍と内部とで錫
の分布の不均一が大きくなるからである。
【0017】焼成中に、1300℃から1450℃まで
50分以内で昇温するのは、より大きな収縮が得られ高
密度の焼結体を得るためである。昇温時間が50分を超
えると相対密度が90%に達しない為である。1450
〜1550℃の温度範囲で焼結するのは、1450℃未
満では高密度の焼結体が得られない上、錫の積分強度の
割合が0.5%を超えてSnO2相が安定に存在し、比抵
抗値の低い透明導電膜を得ることが困難となるからであ
る。又、1550℃を超えると錫の分布の変化が大きく
なり過ぎるからである。
【0018】
【実施例】
実施例1、2、3 平均粒径0.07μmの酸化インジウム粉末中に、錫が
7.8重量%となるように平均粒径1μmの酸化錫粉末
を配合し、3重量%の酢酸ビニル系バインダーを添加し
て湿式ボールミル中で18時間混合し、更に乾燥及び粉
砕して平均粒径を1μm以下とし、これを造粒粉末とし
た。この造粒粉末を3トン/cm2の圧力で成形した。
成形体を炉内に入れ、成形体の周囲に、酸素ガスを焼結
炉内の容積に対して1分間当たり1.8×10-2以上の
割合で流入しながら焼結を行った。昇温は室温から13
00℃までを23時間にて昇温し、1300℃から実施
例1では7分、実施例2では15分、実施例3では50
分の昇温速度で1450℃まで昇温し、1450℃から
1500℃まで50分で昇温させた。1500℃で10
時間保持し直径78mm、厚さ6mmの焼結体を得た。
【0019】この各焼結体を切断し切断面を研磨した
後、X線回折測定を2θ=25゜〜37゜の角度範囲で
行い、10回積算した結果、酸化インジウム相の(22
2)面のX線回折ピークの積分強度に対する酸化錫相の
(110)面のX線回折ピークの積分強度の比、焼結体
の相対密度、化学分析による錫含有量を測定した。X線
回折測定に使用した資料を用い、ビーム径1μmの電子
線マイクロアナライザー(EPMA)線分析により錫の
分布を測定した。
【0020】又、この焼結体をスパッタリング用ターゲ
ット材して使用し、DCマグネトロンスパッタ法によっ
てスパッタリング試験を行った。スパッタリング条件
は、投入電力2W/cm2、圧力0.4Pa、酸素分圧2
容量%、基板加熱温度200℃とし、1時間連続スパッ
タリングした後、各ターゲットについて2000Åづつ
成膜し、四端針法による比抵抗値の測定を行った。又、
同一スパッタリング条件にて30時間連続スパッタリン
グを行い、その間に発生した異常放電回数の測定を行
い、30時間経過後に成膜した膜の比抵抗値の測定を行
った。以上の測定結果を表1、表2に示す。
【0021】実施例4、5、6 炉内酸素の置換率を実施例4では1.8×10-2、実施
例5では6.8×10-2、実施例6では16.3×10-2
とした以外は実施例3と同様にして同様の焼結体を得
た。得られた焼結体を実施例1〜3と同様に試験した結
果を表1、表2に示す。
【0022】実施例7、8、9 焼結温度の1500℃での保持時間を実施例7では15
時間、実施例8では20時間、実施例9では30時間と
した以外は実施例3と同様にして同様の焼結体を得た。
得られた焼結体を実施例1〜3と同様に試験した結果を
表1、表2に示す。
【0023】比較例1 大気中で焼結を行った以外は、実施例3と同様にして同
様の焼結体を得た。得られた焼結体を実施例1〜3と同
様に試験した結果を表1、表2に示す。
【0024】比較例2、3 比較例2では1300℃から1450℃までの昇温時間
を70分とし、比較例3では1300℃から1450℃
までの昇温時間を150分とした以外は、実施例5と同
様にして同様の焼結体を得た。得られた焼結体を実施例
1〜3と同様に試験した結果を表1、表2に示す。
【0025】比較例4 1300℃から1400℃までの昇温時間を33分と
し、焼結温度を1400℃として10時間保持した以外
は、実施例5と同様にして同様の焼結体を得た。得られ
た焼結体を実施例1〜3と同様に試験した結果を表1、
表2に示す。
【0026】比較例5 1300℃から1450℃まで50分かけて昇温し、1
450℃から1600℃まで80分かけて昇温し、16
00℃の焼結温度に10時間保持した以外は、実施例5
と同様にして同様の焼結体を得た。得られた焼結体を実
施例1〜3と同様に試験した結果を表1、表2に示す。
【0027】
【表1】 酸素置換率 昇温時間 焼結温度 保持時間 相対密度 積分強度比 (×10-2) (分) (℃) (時間) (%) (%) 実施例 1 2.8 7 1500 10 94.2 0.08 2 2.8 15 1500 10 92.3 0.05 3 2.8 50 1500 10 90.8 0.07 4 1.8 50 1500 10 90.6 0.11 5 6.8 50 1500 10 93.3 0.16 6 16.3 50 1500 10 94.8 0.08 7 1.8 50 1500 15 91.9 0.13 8 1.8 50 1500 20 93.2 0.16 9 1.8 50 1500 30 94.3 0.22 比較例 1 0.0 50 1500 10 82.8 0.15 2 6.8 70 1500 10 88.6 0.17 3 6.8 150 1500 10 85.2 0.08 4 6.8 33 1400 10 78.9 0.54 5 6.8 50 1600 10 93.6 0.16
【0028】
【表2】 錫含有量 比抵抗値 30時間中の 線分析範囲 分析値 比率 1時間 30時間 異常放電回数 最大 最小 最大 最小 (×10-4Ω・cm) (回/時間) (重量%) 実施例 1 7.1 8.5 7.8 0.91 1.09 1.5 1.5 1 2 6.9 8.8 7.9 0.87 1.11 1.7 1.7 4 3 7.3 8.6 7.9 0.92 1.09 1.7 1.8 5 4 6.8 8.7 7.8 0.87 1.12 1.8 1.8 7 5 7.2 8.5 7.9 0.91 1.08 1.6 1.6 3 6 7.3 8.5 7.9 0.92 1.08 1.5 1.5 2 7 6.8 8.5 7.8 0.87 1.09 1.6 1.6 3 8 7.3 8.5 7.8 0.94 1.09 1.5 1.5 3 9 6.6 8.8 7.7 0.86 1.14 1.5 1.6 5 比較例 1 5.3 23.0 7.8 0.68 2.95 3.0 4.1 33 2 7.2 8.4 7.9 0.91 1.06 2.5 3.1 21 3 7.3 8.5 7.9 0.92 1.08 2.4 3.3 26 4 3.7 41.0 7.5 0.49 5.47 2.2 2.6 16 5 3.5 8.8 7.9 0.44 1.11 3.5 4.8 47
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、基板温度が200℃以
下の低温であっても、比抵抗値が2.0×10-4Ω・c
m以下の低抵抗な透明導電膜を形成でき、成膜中におけ
る異常放電が少なく、長時間に亙るスパッタリングを行
った場合にも、安定に良質な透明導電膜を形成できる高
密度ITO焼結体及びその製造方法を提供できる。
フロントページの続き (72)発明者 石川 俊治 神奈川県伊勢原市板戸912−4 (72)発明者 戸張 健二 神奈川県秦野市名古木1202−30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 実質的にインジウム、錫、酸素からなる
    粉末を成形して焼結炉内に入れた後、成形体の周囲に、
    酸素ガスを焼結炉内の容積に対して1分間当たり1.8
    ×10-2以上の割合で流入しながら、1300℃から1
    450℃まで50分以内で昇温し、1450〜1550
    ℃の温度範囲で焼結することを特徴とする高密度ITO
    焼結体の製造方法。
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