JP4403591B2 - 導電性金属酸化物焼結体およびその用途 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性金属酸化物焼結体、ターゲット、薄膜およびその用途に関する。
【0002】
【従来の技術】
ITO(Indium Tin Oxide)薄膜は高導電性、高透過率といった特徴を有し、更に微細加工も容易に行えることから、フラットパネルディスプレイ用表示電極、太陽電池用窓材、帯電防止膜等の広範囲な分野に渡って用いられている。特に液晶表示装置を始めとしたフラットパネルディスプレイ分野では近年大型化および高精細化が進んでおり、その表示用電極であるITO薄膜に対する需要もまた急速に高まっている。このようなITO薄膜の製造方法はスプレー熱分解法、CVD法等の化学的成膜法と電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等の物理的成膜法に大別することができる。中でもスパッタリング法は大面積化が容易でかつ高性能の膜が得られる成膜法であることから、様々な分野で使用されている。
【0003】
スパッタリング法によりITO薄膜を製造する場合、用いるスパッタリングターゲットとしては金属インジウムおよび金属スズからなる合金ターゲット(以降ITターゲットと略する)あるいは酸化インジウムと酸化スズからなる複合酸化物ターゲット(以降ITOターゲットと略する)が用いられる。このうち、ITOターゲットを用いる方法は、ITターゲットを用いる方法と比較して、得られた膜の抵抗値および透過率の経時変化が少なく成膜条件のコントロールが容易であるため、ITO薄膜製造方法の主流となっている。
【0004】
一般にITO薄膜の抵抗率は、成膜時の基板温度に強く影響を受け、基板温度の上昇にともない抵抗率が低下することが知られている。ITOの結晶化温度は150℃のため、より低い抵抗率の薄膜を形成しようとするとITO薄膜を結晶化させる必要がある。しかし、スパッタリング法を用いて結晶性ITO薄膜を形成した場合、ITO薄膜に特徴的なドメイン構造が形成されることもよく知られている。ドメイン構造とは、図1に示すような結晶配向がよくそろった10〜30nmの結晶粒が集まって、200〜300nmの結晶粒領域を形成したものである。このような構造は、真空蒸着法でITO薄膜を形成した際には形成されない。このドメイン構造は、それぞれ異なった結晶配向性をもった小さなグレインの集まりであり、主に(111)、(110)または(100)に配向している。また、この配向面によってプラズマダメージに対する耐性が異なるという特徴を有している。このため、成膜途中に、形成された膜がプラズマにより再スパッタリングされる際のスパッタリング速度が異なる。その結果、図2に示すような、(100)面で厚く、(110)面で薄い表面が凸凹した薄膜が形成される。
【0005】
一方、ITO薄膜がよく使用される薄膜ディスプレー、特に液晶ディスプレーの分野では、画面の大型化および微細化が急速な勢いで進んでいる。このため、透明導電膜に対する要求として、大面積で、低抵抗で、かつ微細加工が容易な膜が要求されている。
【0006】
しかしながら、大面積に均一成膜が可能なスパッタリング法を用いて、高い基板温度で成膜すると、前述したような表面の凹凸が激しい膜が形成されてしまい、エッチッグ残さの発生しやすい、即ち微細加工に不適当な薄膜が形成されるといった問題が生じていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、フラットパネルディスプレイの透明電極等に用いられるITO薄膜を結晶化温度以上の基板温度でスパッタリング法により形成した場合においても、ドメイン構造を有さず平坦で、エッチング特性に優れた薄膜を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らはITOに異種元素をドープした導電性金属酸化物に関して鋭意検討を重ねた結果、ガリウムをドーパントとして含有するITO薄膜において上記問題点を解決できることを見いだし、本発明を完成した。
【0009】
即ち、本発明は、▲1▼実質的にインジウム、スズ、ガリウムおよび酸素からなり、ガリウムがGa/(In+Sn+Ga)の比で0.1〜5.0原子%の割合で添加されていることを特徴とする金属酸化物焼結体、▲2▼該焼結体を用いたターゲット、▲3▼実質的にインジウム、スズ、ガリウムおよび酸素からなり、ガリウムがGa/(In+Sn+Ga)の比で0.1〜5.0原子%の割合で添加されていることを特徴とする透明導電性膜、および▲4▼該透明導電性膜を含んでなるディスプレー機器に関するものである。
【0010】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0011】
本発明に関わる焼結体、この焼結体からなるスパッタリングターゲット、薄膜およびこの薄膜を含んでなるディスプレー機器は以下の方法で製造する。
【0012】
始めに、焼結体の作製に用いる混合粉末の作製を行う。この混合粉末を作製するためには、酸化インジウム粉末と酸化スズ粉末と酸化ガリウム粉末とを混合しても良いし、酸化スズ固溶酸化インジウム粉末と酸化ガリウム粉末とを混合しても良い。ここで、酸化スズの混合量は、Sn/(Sn+In)の比で1.9〜14原子%とすることが好ましい。より好ましくは、4.6〜11原子%である。これは、本発明のターゲットを用いてスパッタリングによりITO薄膜を作製した際に、膜の抵抗率が最も低下する組成であるからである。
【0013】
また、酸化ガリウムの混合量は、Ga/(In+Sn+Ga)の比で0.1〜5.0原子%が好ましい。より好ましくは0.1〜3.0原子%である。酸化ガリウムの添加量が、前記範囲よりより少ないと、本発明の効果が薄れ、得られる薄膜がドメイン構造を示し、また、前記範囲を超えると、抵抗率が高くなりすぎるため適切でない。粉末の混合は、ボールミルなどにより乾式混合あるいは湿式混合して行う。
【0014】
次に、得られた混合粉末を用いて酸化ガリウム含有ITO焼結体を作製する。焼結体の作製方法については特に限定されるものではないが、例えば以下のような方法で製造することができる。
【0015】
前述のようにして得られた混合粉末に必要に応じてバインダー等を加え、プレス法或いは鋳込法等の成形方法により成形して成形体を作製する。プレス法により成形体を製造する場合には、所定の金型に必要に応じてバイダー等を加えた前記の混合粉末を充填した後、粉末プレス機を用いて100〜300kg/cm2の圧力でプレスを行う。粉末の成形性が悪い場合には、必要に応じてパラフィンやポリビニルアルコール等のバインダーを添加してもよい。
【0016】
鋳込法により成形体を製造する場合には前述の混合粉末にバインダー、分散剤、イオン交換水を添加し、ボールミル等により混合することにより鋳込成形体作製用スラリーを作製する。続いて、得られたスラリーを用いて鋳込を行う。鋳型にスラリーを注入する前に、スラリーの脱泡を行うことが好ましい。脱泡は、例えばポリアルキレングリコール系の消泡剤をスラリーに添加して真空中で脱泡処理を行えばよい。続いて、鋳込み成形体の乾燥処理を行う。
【0017】
次に、得られた成形体に必要に応じて、CIP(冷間等方圧プレス)等の圧密化処理を行う。この際CIP圧力は充分な圧密効果を得るため2ton/cm2以上、好ましくは2〜5ton/cm2であることが望ましい。ここで始めの成形を鋳込法により行った場合には、CIP後の成形体中に残存する水分およ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、始めの成形をプレス法により行った場合でも、成型時にバインダーを使用したときには、同様の脱バインダー処理を行うことが望ましい。
【0018】
このようにして得られた成形体を焼結炉内に投入して焼結を行う。焼結方法としては、いかなる方法でも適用可能であるが、生産設備のコスト等を考慮すると大気中焼結が望ましい。しかしこの他HP(ホットプレス)法、HIP(熱間等方圧プレス)法および酸素加圧焼結法等の従来知られている他の焼結法を用いることができることは言うまでもない。また焼結条件についても適宜選択することができるが、充分な密度上昇効果を得るため、また酸化スズの蒸発を抑制するため、焼結温度が1450〜1650℃であることが望ましい。また焼結時の雰囲気としては大気或いは純酸素雰囲気であることが好ましい。また焼結時間についても充分な密度上昇効果を得るために5時間以上、好ましくは5〜30時間であることが望ましい。このようにして本願第1の発明である、酸化ガリウム含有ITO焼結体を作製することができる。
【0019】
次に、得られた焼結体を所望の形状に研削加工した後、必要に応じて無酸素銅からなるバッキングプレートにインジウム半田等を用いて接合することにより、本願第2の発明である酸化ガリウム含有ITOスパッタリングターゲットが作製される。
【0020】
得られたターゲットをスパッタリング装置内に設置し、アルゴンなどの不活性ガスと必要に応じて酸素ガスをスパッタリングガスとして用いて、dc或いはrf電界を印加してスパッタリングを行うことにより、ガラス基板やフィルム基板上に本願第3の発明である酸化ガリウム含有ITO薄膜が得られる。
【0021】
基板上に形成された薄膜は、必要に応じて所望のパターンにエッチングされた後、本願第4の発明であるタッチパネルなどのディスプレー機器に使用される。
【0022】
【実施例】
以下、本発明を実施例をもって更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0023】
実施例1
酸化インジウム粉末450g、酸化スズ粉末50gおよび酸化ガリウム粉末0.5gをポリエチレン製のポットに入れ、乾式ボールミルにより72時間混合し、混合粉末を作製した。
【0024】
この混合粉末を金型に入れ、300kg/cm2の圧力でプレスして成形体とした。この成形体を3ton/cm2の圧力でCIPによる緻密化処理を行った。次にこの成形体を純酸素雰囲気焼結炉内に設置して、以下の条件で焼結した。
【0025】
(焼結条件)
焼結温度:1500℃、昇温速度:25℃/Hr、焼結時間:6時間、酸素圧:50mmH2O(ゲージ圧)、酸素線速:2.7cm/分
得られた焼結体の密度をアルキメデス法により測定したところ7.08g/cm3であった。 この焼結体の組成分析をEPMAを用いて行った。結果を表1に示す。
【0026】
【表1】
【0027】
この焼結体を湿式加工法により直径4インチ厚さ6mmの円板状に加工し、インジウム半田を用いて無酸素銅製のバッキングプレートにボンディングしてターゲットとした。
【0028】
このターゲットを以下のスパッタリング条件でスパッタリングして薄膜の評価を行った。
【0029】
(スパッタリング条件)
DC電力:200W、ガス圧:5.0mTorr、Arガス流量:50SCCM、O2ガス流量:0.1SCCM、基板温度=200℃、膜厚=3000A。
【0030】
得られた膜の抵抗率は、205μΩ・cmで、550nmにおける透過率は86.7%であった。なお、透過率は、空気をリファレンスとしてガラス基板込みの透過率として測定した。ガラス基板には、Corning社製#7059を使用した。
【0031】
次に、得られた薄膜の表面をSEM(Scanning Electron Microscope)を用いて観察した。結果を図3の写真に示す。ドメイン構造は、観察されなかった。
【0032】
次に、EPMAを用いて膜の組成を調べた。結果を表2に示す。
【0033】
【表2】
【0034】
実施例2
酸化インジウム粉末450g、酸化スズ粉末50gおよび酸化ガリウム粉末17gをポリエチレン製のポットに入れ、乾式ボールミルにより72時間混合し、混合粉末を作製した。
【0035】
この混合粉末を金型に入れ、300kg/cm2の圧力でプレスして成形体とした。この成形体を3ton/cm2の圧力でCIPによる緻密化処理を行った。次にこの成形体を純酸素雰囲気焼結炉内に設置して、実施例1と同じ条件で焼結した。
【0036】
得られた焼結体の密度をアルキメデス法により測定したところ7.07g/cm3であった。 この焼結体の組成分析をEPMAを用いて行った。結果を表1に示す。
【0037】
この焼結体を湿式加工法により直径4インチ厚さ6mmの円板状に加工し、インジウム半田を用いて無酸素銅製のバッキングプレートにボンディングしてターゲットとした。
【0038】
このターゲットを以下のスパッタリング条件でスパッタリングして薄膜の評価を行った。
【0039】
(スパッタリング条件)
DC電力:200W、ガス圧:5.0mTorr、Arガス流量:50SCCM、O2ガス流量:0.1SCCM、基板温度=200℃、膜厚=3000A。
【0040】
得られた膜の抵抗率は、540μΩ・cmで、550nmにおける透過率は86.4%であった。透過率の測定条件は実施例1と同じ条件とした。
【0041】
次に、得られた薄膜の表面をSEMを用いて観察した。結果を図4の写真に示す。ドメイン構造は、観察されなかった。
【0042】
次に、EPMAを用いて膜の組成を調べた。結果を表2に示す。
【0043】
比較例1
酸化インジウム粉末450gおよび酸化スズ粉末50gをポリエチレン製のポットに入れ、乾式ボールミルにより72時間混合し、混合粉末を作製した。
【0044】
この混合粉末を金型に入れ、300kg/cm2の圧力でプレスして成形体とした。この成形体を3ton/cm2の圧力でCIPによる緻密化処理を行った。次にこの成形体を純酸素雰囲気焼結炉内に設置して、実施例1と同じ条件で焼結した。
【0045】
得られた焼結体の密度をアルキメデス法により測定したところ7.12g/cm3であった。 この焼結体の組成分析をEPMAを用いて行った。結果を表1に示す。
【0046】
この焼結体を湿式加工法により直径4インチ厚さ6mmの円板状に加工し、インジウム半田を用いて無酸素銅製のバッキングプレートにボンディングしてターゲットとした。
【0047】
このターゲットを以下のスパッタリング条件でスパッタリングして薄膜の評価を行った。
【0048】
(スパッタリング条件)
DC電力:200W、ガス圧:5.0mTorr、Arガス流量:50SCCM、O2ガス流量:0.1SCCM、基板温度=200℃、膜厚=3000A。
【0049】
得られた膜の抵抗率は、200μΩ・cmで、550nmにおける透過率は86.7%であった。 透過率の測定条件は実施例1と同じ条件とした。
次に、得られた薄膜の表面をSEMを用いて観察した。結果を図5の写真に示す。明瞭なドメイン構造が観察された。
【0050】
次に、EPMAを用いて膜の組成を調べた。結果を表2に示す。
【0051】
【発明の効果】
本発明の酸化ガリウム含有ITO薄膜は、ITOと同程度の比抵抗を保ちながら、スパッタリングITO薄膜に特有のドメイン構造を有していないので、微細加工の必要な高精細パネルに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】ドメイン構造を有する従来のITO薄膜の表面を示すSEM写真である。
【図2】ドメイン構造を有する従来のITO薄膜の表面付近の断面形状を模式的に示す断面図である。
【図3】実施例1で得られたITO薄膜の表面を示すSEM写真である。
【図4】実施例2で得られたITO薄膜の表面を示すSEM写真である。
【図5】比較例1で得られたITO薄膜の表面を示すSEM写真である。
Claims (3)
- 実質的にインジウム、スズ、ガリウムおよび酸素からなり、ガリウムがGa/(In+Sn+Ga)の比で0.1〜3.0原子%、かつスズがSn/(Sn+In)の比で1.9〜14原子%の割合で添加されていることを特徴とする金属酸化物焼結体を用いたスパッタリングターゲット。
- 実質的にインジウム、スズ、ガリウムおよび酸素からなり、ガリウムがGa/(In+Sn+Ga)の比で0.1〜3.0原子%、かつスズがSn/(Sn+In)の比で1.9〜14原子%の割合で添加され、ドメイン構造を有しないことを特徴とする透明導電性膜。
- 請求項第2項記載の透明導電性膜を含んでなるディスプレー機器。
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