JP5625907B2 - 複合酸化物焼結体、複合酸化物焼結体の製造方法、スパッタリングターゲット及び薄膜の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合酸化物焼結体、複合酸化物焼結体の製造方法、スパッタリングターゲット及び薄膜の製造方法に関する。
透明導電膜は、可視光域での高い透過率と高い導電性を有し、液晶表示素子や太陽電池等の各種受光素子の電極に利用され、また、自動車用・建築材用の熱線反射膜・帯電防止膜や、冷凍ショーケース等の防曇用透明発熱体に広範に利用されている。
このような透明導電膜としては、錫をドーパントとして含む酸化インジウム膜や、亜鉛をドーパントとして含む酸化インジウム膜、周期律表の第III族元素を少なくとも1種類以上ドーパントとして含む酸化亜鉛膜等が知られている。
錫をドーパントとして含む酸化インジウム膜は、ITO膜と称され、低抵抗膜が容易に得られる。しかしながら、ITO膜の原料であるインジウムは、希少金属で高価であるため、この膜を用いたときの低コスト化には限界がある。また、インジウムは資源埋蔵量が少なく、亜鉛鉱処理等の副産物として得られるに過ぎないため、ITO膜の大幅な生産量増加や安定供給は難しい状況にある。
亜鉛をドーパントとして含む酸化インジウム膜は、IZO膜と称され、低抵抗の優れた膜が得られるが、ITO膜と同様に原料であるインジウムの問題がある。
そのため、ITO代替の透明導電膜用材料の開発が盛んに進められている。その中でも、酸化亜鉛を主成分とし、周期律表の第III族元素を含む酸化亜鉛膜は、主原料である亜鉛が極めて低価格であり、かつ埋蔵量・生産量ともに極めて多いため、ITO膜のような資源枯渇や安定供給に対する懸念等の問題がなく、安価な上に化学的にも安定で、透明性、導電性にも優れていることから注目されている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、酸化亜鉛(ZnO)は酸化物半導体であり、化学量論組成からのずれによる酸素空孔等の真性欠陥がドナー準位を形成してn型特性を示す。この酸化亜鉛に周期律表の第III族元素を含有させると、伝導電子が増加し、比抵抗が減少する。酸化亜鉛に含ませる周期律表の第III族元素としては、アルミニウム(例えば、特許文献1、特許文献2参照)、ガリウム(例えば、特許文献3参照)、ホウ素(例えば、特許文献4参照)等が知られている。
従来から知られている酸化亜鉛系スパッタリングターゲットでは、透明導電膜等の薄膜形成手段として用いられる場合、スパッタリング中に発生する異常放電現象により、スパッタリング装置の稼働率の低下や発生するパーティクルの影響による製品歩留まりの低下等の問題がある。
このようなスパッタリング中に発生する異常放電現象を抑制する手段として、例えば、特許文献1では、製造方法に工夫を凝らすことにより、焼結体の高密度化等による抑制効果を提案している。また、例えば、焼結体を高密度化し、かつ周期律表第III族元素の酸化物として添加された酸化アルミニウムに起因するアルミニウム成分凝集径を最大5μm以下に抑制することで異常放電現象を一層抑制することが示されている(特許文献5参照)。
さらに、酸化亜鉛と添加物の酸化アルミニウムとからなるZnAl粒子の平均粒径を0.5μm以下とすることで、スパッタリング中の異常放電を抑制し、耐湿性の向上した薄膜の製造歩留まりを向上させることが示されている(特許文献6参照)。
特許第2805813号公報 特開平6−2130号公報 特開平6−25838号公報 特開2004−175616号公報 特許第3864425号公報 特開2006−200016号公報
しかしながら、従来の酸化亜鉛系スパッタリングターゲットでは、スパッタリング中の異常放電現象の発生を十分に低減することが困難であった。このように、スパッタリング中に異常放電現象が発生すると、パーティクルが飛散して、歩留まりが低下し、薄膜の生産性が低下する傾向がある。このため、本発明では、異常放電現象の発生を十分に抑制することが可能なスパッタリングターゲット、及びそのようなスパッタリングターゲットを用いた薄膜の製造方法を提供することを目的とする。また、そのようなスパッタリングターゲットとして使用することが可能な複合酸化物焼結体及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題に鑑み、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、特定の構造を有する複合酸化物焼結体をスパッタリングターゲットとして用いることで、スパッタリング中の異常放電現象を著しく抑制することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、六方晶系層状構造を有し、酸化亜鉛及びインジウムを含む金属酸化物粒子(a)と、スピネル構造を有し、金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む金属酸化物粒子(b)と、を含んでおり、上記金属酸化物粒子(a)の長径の平均値は10μm以下であり、個数基準で上記金属酸化物粒子(a)の全体の20%以上はアスペクト比(長径/短径)が2以上である、複合酸化物焼結体を提供する。
上記金属酸化物粒子(b)の最大粒径は10μm以下であることが好ましい。
また、上記複合酸化物焼結体は、亜鉛、インジウム及び上記金属元素Mの合計に対するインジウムの原子比が0.001〜0.02であり、上記合計に対する上記金属元素Mの原子比が0.005〜0.05であることが好ましい。
また、上記金属酸化物粒子(b)はZnMを主成分として含有することが好ましい。さらに、上記金属元素Mはアルミニウムであることが好ましい。
本発明はまた、酸化亜鉛粉末と酸化インジウム粉末とを混合して第1の混合粉末を得る第1の工程と、上記第1の混合粉末と金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む酸化物粉末とを混合して第2の混合粉末を得る第2の工程と、上記第2の混合粉末を成形して焼成し、複合酸化物焼結体を得る第3の工程と、を有しており、上記第1の工程では、第1の混合粉末のBET値が、混合前の上記酸化亜鉛粉末と上記酸化インジウム粉末のBET値の加重平均値よりも2m/g以上大きくなるように上記酸化亜鉛粉末と上記酸化インジウム粉末とを混合する、複合酸化物焼結体の製造方法を提供する。
上記第3の工程で得られる前記複合酸化物焼結体は、六方晶系層状構造を有し、酸化亜鉛及びインジウムを含む金属酸化物粒子(a)と、スピネル構造を有し、金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む金属酸化物粒子(b)と、を含んでおり、上記金属酸化物粒子(a)の長径の平均値は10μm以下であり、個数基準で上記金属酸化物粒子(a)の全体の20%以上はアスペクト比(長径/短径)が2以上である。
上記第2の混合粉末において、亜鉛、インジウム及び上記金属元素Mの合計に対するインジウムの原子比が0.001〜0.02であり、上記合計に対する上記金属元素Mの原子比が0.005〜0.05であることが好ましい。また、上記金属元素Mはアルミニウムであることが好ましい。
本発明はまた、上記複合酸化物焼結体からなる、スパッタリングターゲットを提供する。
本発明はさらに、上記スパッタリングターゲットを用いる薄膜の製造方法を提供する。
本発明によれば、スパッタリング中の異常放電現象を著しく抑制することが可能なスパッタリングターゲットとして使用される複合酸化物焼結体、当該複合酸化物焼結体の製造方法、上記複合酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲット、及び上記複合酸化物焼結体を用いる薄膜の製造方法が提供される。
実施例3の複合酸化物焼結体の断面を示すSEM写真である。 比較例2の焼結体の断面を示すSEM写真である。 実施例3の複合酸化物焼結体の断面を示すSPM写真である。 比較例2の焼結体の断面を示すSPM写真である。
(複合酸化物焼結体)
本実施形態に係る複合酸化物焼結体は、六方晶系層状構造を有し、酸化亜鉛及びインジウムを含む金属酸化物粒子(a)と、スピネル構造を有し、金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む金属酸化物粒子(b)と、を含む。そして、上記金属酸化物粒子(a)の長径の平均値は10μm以下であり、個数基準で上記金属酸化物粒子(a)の全体の20%以上はアスペクト比(長径/短径)が2以上である。このような構成を有する複合酸化物焼結体によれば、スパッタリング中の異常放電現象の発生を著しく低減することが可能なスパッタリングターゲットを得ることができる。そして、当該スパッタリングターゲットを用いて薄膜を成膜することで、パーティクルの発生が抑制され、生産性良く薄膜を得ることができる。
上記複合酸化物焼結体は、X線回折試験において、酸化亜鉛の六方晶系ウルツ型に帰属される回折パターンと、スピネル構造に帰属される回折パターンの両方を示す。前者は、金属酸化物粒子(a)由来の回折パターンであり、後者は金属酸化物粒子(b)由来の回折パターンであると考えられる。
また、上記複合酸化物焼結体を、TEM/EDS(透過電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分析装置)、SEM/EDS(走査電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分析装置)、EPMA(X線マイクロアナライザー)、SPM(走査型プローブ顕微鏡)等で分析することにより、主に酸化亜鉛で構成される層状構造を有する金属酸化物粒子(a)が観測される。このような層状構造を有する金属酸化物粒子(a)を含むことが、スパッタリング中の異常放電現象を抑制できる一因と考えられる。なお、スパッタリングターゲットとして使用されている従来の酸化亜鉛では、六方晶系ウルツ型の結晶構造を有するものはあっても、六方晶系ウルツ型の結晶構造を有し、且つ層状構造を有するものは知られていない。
さらに、上記複合酸化物焼結体を、TEM/EDS、SEM/EDSやEPMA等で分析することにより、スピネル構造を有し、金属元素Mを含有する金属酸化物粒子(b)が観測される。
上記複合酸化物焼結体における金属酸化物粒子(a)の長径の平均値は、例えば、以下の方法で測定することができる。まず、複合酸化物焼結体を適当な大きさに切断した後、観察面を表面研磨し、次に希酢酸溶液でケミカルエッチングを行い、粒界を明確化する。次いでEPMAやSEM/EDSを用いて、複合酸化物焼結体の研磨面の観察写真を撮るとともに各粒子の組成を確認する。得られた観察写真を酸化亜鉛からなる六方晶系層状構造を有する粒子(金属酸化物粒子(a))に着目して画像処理し、当該粒子の長径を求める。測定は、少なくともランダムに抽出された500個の粒子を対象に行い、その個数平均値を金属酸化物粒子(a)の長径の平均値とする。
金属酸化物粒子(a)の長径の平均値は、好ましくは8μm以下であり、より好ましくは7μm以下である。金属酸化物粒子(a)の長径の平均値が8μm以下である複合酸化物焼結体によれば、異常放電現象を一層抑制可能なスパッタリングターゲットが得られる。
上記複合酸化物焼結体において、金属酸化物粒子(a)のうち、アスペクト比(長径/短径)が2以上である粒子の割合は、個数基準で金属酸化物粒子(a)の全粒子数の20%以上である。ここで、アスペクト比は、上述の金属酸化物粒子(a)の長径の測定と同様にして、金属酸化物粒子(a)の短径を求め、以下の式(I)にて求めることができる。
アスペクト比=長径/短径 (I)
また、アスペクト比が2以上である金属酸化物粒子(a)の割合は、長径及び短径を測定した金属酸化物粒子(a)の全個数に対するアスペクト比が2以上である金属酸化物粒子(a)の個数の比として求めることができる。アスペクト比が2以上である粒子の割合は、40%以上であると好ましく、50%以上であるとより好ましい。このような複合酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットは、異常放電現象を一層抑制することができる。
金属酸化物粒子(a)は、インジウムを含有し、酸化亜鉛からなる六方晶系層状構造を有する粒子であって、長径の平均が10μm以下かつアスペクト比(長径/短径)が2以上の粒子の割合が個数基準で20%以上である粒子であってもよい。すなわち、金属酸化物粒子(a)は、主として六方晶系層状構造を有する酸化亜鉛に、インジウムが含まれた粒子であってもよい。
金属酸化物粒子(b)は、金属元素M(但し、Mはアルミニウムおよび/またはガリウムを示す)を含有し、スピネル構造を有する粒子である。
金属酸化物粒子(b)の最大粒経は、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることがさらに好ましい。これにより、異常放電現象を一層抑制することが可能となる。ここで金属酸化物粒子(b)の最大粒経は、金属酸化物粒子(a)の長径の測定と同様にして500個の金属酸化物粒子(b)の粒径の測定を行い、その最大値として求める。
また、金属酸化物粒子(b)の平均粒径は、金属酸化物粒子(a)の長径の測定と同様にして500個の金属酸化物粒子(b)の粒径の測定を行い、その個数平均値として求める。金属酸化物粒子(b)の平均粒径は、2μm以下が好ましく、より好ましくは1μm以下である。
金属元素Mは、アルミニウム及び/又はガリウムを示し、特にアルミニウムが好適に用いられる。この理由は、アルミニウムは取扱性が良好で、かつ原料が安価であり、生産性に優れるためである。金属元素Mがアルミニウムの場合、金属酸化物粒子(b)は、主としてZnAlで表されることが好ましい。
金属酸化物粒子(b)は、主としてZnM(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)で表されることが好ましい。このような金属酸化物粒子(b)を含有することで、複合酸化物焼結体の導電性が向上し、上述の異常放電現象が一層抑制される。なお、「主としてZnMで表される」とは、金属酸化物粒子(b)を含む複合酸化物焼結体をX線回折試験(XRD)で評価した場合に、JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)データベースのZnM(例えば、Alの場合はZnAl)のピークパターン又はそれに類似したピークパターン(シフトしたピークパターン)を示すことをいう。
上記複合酸化物焼結体において、複合酸化物焼結体中の亜鉛、インジウム及び金属元素Mの合計に対するインジウムの原子比は、0.001〜0.02であることが好ましく、より好ましくは0.001〜0.01であり、さらに好ましくは0.002〜0.01である。インジウムの含有量が上記範囲内であることで、複合酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて得られる薄膜の抵抗率が低下し、耐熱性や耐湿性が向上する傾向がある。
また、上記複合酸化物焼結体中の亜鉛、インジウム及び金属元素Mの合計に対する、金属元素Mの原子比が、0.005〜0.05であることが好ましく、より好ましくは0.005〜0.04であり、さらに好ましくは0.01〜0.04である。金属元素Mの含有量が上記範囲内であることで、複合酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて得られる薄膜の抵抗率が低下し、液晶等の各種表示素子や太陽電池等の各種受光素子の電極等の用途の薄膜として特に好適となる。
複合酸化物焼結体中のインジウム及び金属元素Mの好ましい含有量は、下記の式(II)及び(III)によっても表すことができる。すなわち、複合酸化物焼結体を構成する金属元素が、原子比で下記式(II)及び(III)を満たすことが好ましい。
In/(Zn+M+In)=0.001〜0.02 (II)
M/(Zn+M+In)=0.005〜0.05 (III)
さらに、上記式(II)及び(III)を満たす複合酸化物焼結体において、金属酸化物粒子(b)がZnMを主成分とする粒子であることが好ましい。このような構成を備えることで、複合酸化物焼結体の導電性が向上し、上述の異常放電現象を一層抑制できるようになる。また、得られた薄膜が、低抵抗となり、耐熱性及び耐湿性により優れるようになる。
このような組成のなかでも、さらに、下記式(IV)及び(V)を満たすことが好ましい。
In/(Zn+M+In)=0.001〜0.01 (IV)
M/(Zn+M+In)=0.005〜0.04 (V)
上記複合酸化物焼結体は、亜鉛、インジウム及び金属元素M以外の元素を含有していてもよく、例えば、Ti、Zr、Si、Ge,Sn、V、Cr、W等を例示することができる。これらの元素の含有量は、亜鉛、インジウム及び金属元素Mの総モル数を1として、0.05以下であることが好ましく、0.02以下であることがより好ましい。
上記複合酸化物焼結体は、金属酸化物粒子(a)と金属酸化物粒子(b)以外の粒子を含有していてもよいが、実質的に金属酸化物粒子(a)と金属酸化物粒子(b)からなる複合酸化物焼結体であることが好ましい。複合酸化物焼結体の全質量基準で、金属酸化物粒子(a)と金属酸化物粒子(b)の総質量が90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましく、98%以上であることがさらに好ましい。このような複合酸化物焼結体は、上記本発明の効果をより良好に得ることができる。
(複合酸化物焼結体の製造方法)
本実施形態に係る複合酸化物焼結体の製造方法は、酸化亜鉛粉末と酸化インジウム粉末とを予備混合して第1の混合粉末を得る第1の工程と、上記第1の混合粉末と金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む酸化物粉末とを混合して第2の混合粉末を得る第2の工程と、上記第2の混合粉末を成形して焼成し、複合酸化物焼結体を得る第3の工程と、を有しており、上記第1の工程では、第1の混合粉末のBET値が、混合前の上記酸化亜鉛粉末と上記酸化インジウム粉末のBET値の加重平均値よりも2m/g以上大きくなるように混合することを特徴とする。このような製造方法によれば、上記複合酸化物焼結体を効率よく製造することができる。
原料として使用される酸化亜鉛粉末、酸化インジウム粉末、金属元素Mの酸化物粉末としては、特に限定されるものではないが、BET値が2〜20m/gの粉末を用いることが好ましい。特に酸化インジウム粉末と金属元素Mの酸化物粉末に関しては、粉末の嵩高さおよび取扱性を考慮すると、BET値が10〜20m/gであることが好ましい。
酸化亜鉛粉末、酸化インジウム粉末及び金属元素Mの酸化物粉末の使用量は、金属元素の原子比で表して、下記式(VI)及び(VII)を満たすことが好ましい。また、Mがアルミニウムであることが好ましい。
In/(Zn+M+In)=0.001〜0.02 (VI)
M/(Zn+M+In)=0.005〜0.05 (VII)
第1の工程における混合方法は、特に限定されず、ジルコニア、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;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。より具体的には、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。また、第1の工程では、混合と同時に粉砕が行われるが、粉砕後の粉末粒径は微細であるほど好ましく、第1の混合粉末のBET値は、5m/g以上であることが好ましい。なお、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、噴霧乾燥等が挙げられる。
第1の混合粉末は、第2の工程へ供する前に仮焼することが好ましい。このときの温度は600〜1200℃が好ましく、時間は1〜3時間で十分である。これにより、複合酸化物焼結体の微細構造がより一層得られやすく、かつスピネル構造の粒子の最大粒径をより小さくすることが可能となる。
第2の工程では、第1の混合粉末と金属元素Mを含む酸化物粉末とを混合し、第2の混合粉末を得る。このときの混合方法には特に限定はなく、前述の第1の工程における予備混合と同様の方法が用いられる。またこの混合により、第2の混合粉末のBET値が、第1の混合粉末のBET値より2m/g以上大きくなるよう混合することが好ましい。これにより、複合酸化物焼結体の微細構造がより一層得られやすく、かつスピネル構造の金属酸化物粒子(b)の最大粒径をより小さくすることが可能となる。
第2の混合粉末において、亜鉛、インジウム及び金属元素Mの合計に対するインジウムの原子比は、0.001〜0.02であることが好ましい。また、第2の混合粉末において、亜鉛、インジウム及び金属元素Mの合計に対する金属元素Mの原子比は、0.005〜0.05であることが好ましい。このような含有量比にすることで、好適な組成比を有する複合酸化物焼結体を、効率よく製造することができる。
次いで、第3の工程では、第2の混合粉末を成形して焼成し、複合酸化物焼結体を得る。成形方法は、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肝要であり、特に限定されるものではない。成形方法としては、プレス成形法、鋳込み成形法等が例示できる。成形圧力はクラック等の発生がなく、取り扱いが可能な成形体となるような成形圧力であれば、特に限定されるものではない。また、成形体の成形密度は可能な限り、高めた方が好ましい。このように高い成形密度の成形体を得るために、冷間静水圧成形(CIP)等の方法を用いることも可能である。
第3の工程において、焼成温度は800〜1600℃が好ましい。このような焼成温度であると、複合酸化物焼結体の微細構造がより良好に得られる。また、焼成温度は1100〜1500℃がより好ましい。このような焼成温度であると、酸化亜鉛系複合酸化物特有の揮発消失が抑制され、かつ比較的焼結密度を高めることができる。取り扱いやスパッタリング時の破損防止等の観点から、焼結密度は4.7g/cm以上とすることが好ましい。焼成時間は、特に限定されるものではないが、通常1〜48時間であり、生産性への影響を考慮すると、好ましくは3〜24時間である。
焼成時の昇温速度は、特に限定されるものではないが、800℃以上の温度域で焼成を行う場合は、50℃/時間以下であることが好ましい。これは、金属酸化物粒子(a)と金属酸化物粒子(b)を効率よく形成させ、複合酸化物焼結体の均質性をより高めるためである。また、焼成雰囲気は特に限定されるものではないが、例えば、大気中、酸素中、不活性ガス雰囲気中等が適宜選択される。また、焼成時の圧力も特に限定されるものではなく、常圧以外に加圧、減圧状態での焼成も可能である。さらに、HIP法やホットプレス焼結等により焼成することも可能である。
このようにして得られる複合酸化物焼結体の相対密度は85%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、96%以上であることがさらに好ましい。相対密度を高くすることによって、異常放電現象の発生を一層抑制することができる。
すなわち、本実施形態の製造方法では、酸化亜鉛粉末と酸化インジウム粉末を、BET値が混合前より2m/g以上大きくなるよう予備混合し、これにさらに金属元素M(但し、Mはアルミニウムおよび/またはガリウムを示す)の酸化物粉末を混合し、得られた混合粉末を成形し、焼成することによって、複合酸化物焼結体を製造することができる。
(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、上記複合酸化物焼結体からなり、例えば、上記複合酸化物焼結体を所定の形状に加工して製造することができる。このようなスパッタリングターゲットは、スパッタリング中の異常放電現象が抑制され、生産性よく金属酸化物の薄膜を製造することができる。
(薄膜の製造方法)
本実施形態に係る薄膜の製造方法は、上記複合酸化物焼結体をスパッタリングターゲットとして用いることを特徴とする。従来のスパッタリングターゲットを用いた場合には異常放電現象が多発し、生産性良く薄膜を得ることが困難であった。しかし、本実施形態の製造方法によれば、異常放電現象を十分に抑制することが可能となり、生産性良く薄膜を得ることができる。
薄膜は、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成膜されことが好ましい。スパッタリング法としては、DCスパッタリング法、RFスパッタリング法、DCマグネトロンスパッタリング法、RFマグネトロンスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法等を適宜選択することができる。
得られた薄膜は、金属酸化物からなる薄膜であり、このような薄膜は、高い光透過率と高い導電性を有し、例えば、液晶表示素子や太陽電池等の各種受光素子の電極として好適に使用することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、湿式ボールミルで予備混合して混合粉末を得た。この混合粉末のBET値は、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、2.0m/g大きくなっていた。
得られた混合粉末と、BET値が14m/gである純度99.99%の酸化アルミニウム粉末とを湿式ボールミルで混合してスラリーを調製し、噴霧乾燥して乾燥粉末1を得た。乾燥粉末1の組成は表1に示すとおりであった。なお、表1及び表2において、Inの量は、亜鉛、インジウム及び金属元素Mの合計に対するインジウムの原子比(すなわち、In/(Zn+M+In)で算出される値)を示す。また、Mの量は、亜鉛、インジウム及び金属元素Mの合計に対する金属元素Mの原子比(すなわち、M/(Zn+M+In)で算出される値)を示す。
乾燥粉末1を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1500℃、窒素雰囲気で60時間焼成して、複合酸化物焼結体を得た。この複合酸化物焼結体の特性を表1に示す。
得られた複合酸化物焼結体を、XRD、TEM/EDS、SEM/EDS、EPMA、SPMを用いて分析した。各分析の結果、六方晶系層状構造を有し、酸化亜鉛及びインジウムを含む金属酸化物粒子(a)が観察されたものを「A」、観察されなかったものを「B」として評価した。また、スピネル構造を有し、金属元素M(Al)を含有するZnMを主とする金属酸化物粒子(b)が観察されたものを「A」、観察されなかったものを「B」として評価した。なお、金属酸化物粒子(a)及び(b)の粒径は前述の方法で求めた。これらの結果を表1に纏めて示す。
得られた複合酸化物焼結体を、4インチφサイズに加工してスパッタリングターゲットとし、スパッタリング評価を行った。スパッタリングは、DCマグネトロンスパッタ装置を用い、基板温度200℃、到達真空度5×10−5Pa、スパッタリングガスAr、スパッタリングガス圧0.5Pa、DCパワー300Wの条件で行った。放電特性は、単位時間当たりに発生した異常放電回数が1回以上且つ100回未満/時間であった場合を「A」、100回以上/時間であった場合を「B」と評価した。評価結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例1の複合酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いることにより、成膜時の異常放電を抑制することが可能であった。
(実施例2)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを湿式ボールミルで予備混合してスラリー1を調製した。このスラリー1の一部を乾燥し、BET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、2.3m/g大きくなっていた。
次に得られたスラリー1に、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末を湿式ボールミルで混合してスラリー2を調製し、噴霧乾燥して、乾燥粉末1を得た。乾燥粉末1の組成は表2に記載のとおりであった。乾燥粉末1を3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1200℃、窒素雰囲気で5時間焼成して、複合酸化物焼結体を得た。
得られた複合酸化物焼結体を、XRD、TEM/EDS、SEM/EDS、EPMA、SPMを用いて分析した。各分析の結果、六方晶系層状構造を有し、酸化亜鉛及びインジウムを含む金属酸化物粒子(a)が観察されたものを「A」、観察されなかったものを「B」として評価した。また、スピネル構造を有し、金属元素M(Al)を含有するZnMを主とする金属酸化物粒子(b)が観察されたものを「A」、観察されなかったものを「B」として評価した。なお、金属酸化物粒子(a)及び(b)の粒径は前述の方法で求めた。これらの結果を表2に纏めて示す。
得られた複合酸化物焼結体を、4インチφサイズに加工してスパッタリングターゲットとし、スパッタリング評価を行った。スパッタリングは、DCマグネトロンスパッタ装置を用い、基板温度200℃、到達真空度5×10−5Pa、スパッタリングガスAr、スパッタリングガス圧0.5Pa、DCパワー300Wの条件で行った。放電特性は、単位時間当たりに発生した異常放電回数が1回未満/時間であった場合を「A’」、1〜100回未満/時間であった場合を「B’」、100〜1000回未満/時間であった場合を「C’」、1000回以上/時間であった場合を「D’」と評価した。評価結果を表2に示す。
(実施例3)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、湿式ボールミルで予備混合してスラリー1を調製した。調製したスラリー1の一部を乾燥し、BET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、2.2m/g大きくなっていた。
次に得られたスラリー1に、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末を湿式ビーズミルで混合してスラリー2を調製し、噴霧乾燥して乾燥粉末1を得た。乾燥粉末1の組成は表2に記載のとおりであった。乾燥粉末1を3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1500℃、窒素雰囲気で5時間焼成して、複合酸化物焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた複合酸化物焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この複合酸化物焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(実施例4)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、湿式ビーズミルで予備混合してスラリー1を調製した。このスラリー1を乾燥して乾燥粉末1を得た。この乾燥粉末1のBET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、2.8m/g大きくなっていた。
次に得られた乾燥粉末1を、1100℃で4時間仮焼した。得られた仮焼粉末と、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末とを、湿式ビーズミルで混合しスラリー2を調製した。このスラリー2を乾燥して乾燥粉末2を得た。この乾燥粉末2のBET値を測定したところ、混合前の乾燥粉末1のBET値よりも2.1m/g大きくなっていた。乾燥粉末2の組成は表2に記載のとおりであった。
得られた乾燥粉末2を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1400℃、大気雰囲気で12時間焼成して複合酸化物焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた複合酸化物焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この複合酸化物焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(実施例5)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、乾式ボールミルで予備混合して混合粉末1を得た。この混合粉末1のBET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、2.0m/g大きくなっていた。
次に得られた混合粉末1と、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末とを、乾式ボールミルで混合して混合粉末2を得た。混合粉末2の組成は表2に記載のとおりであった。得られた混合粉末2を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1400℃、窒素雰囲気で12時間焼成して複合酸化物焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた複合酸化物焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この複合酸化物焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(実施例6)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、湿式ビーズミルで予備混合してスラリー1を得た。このスラリー1を乾燥して乾燥粉末1を得た。この乾燥粉末1のBET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、3.0m/g大きくなっていた。
次に得られた乾燥粉末1を、温度1200℃で5時間仮焼し、この仮焼粉末と、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末とを湿式ビーズミルで混合し、スラリー2を調製した。このスラリー2を噴霧乾燥して乾燥粉末2を得た。乾燥粉末2のBET値を測定したところ、乾燥粉末1よりも2.0m/g大きくなっていた。乾燥粉末2の組成は表2に記載のとおりであった。
乾燥粉末2を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1400℃、窒素雰囲気で5時間焼成して、複合酸化物焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた複合酸化物焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この複合酸化物焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(実施例7)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、乾式ボールミルで予備混合して混合粉末1を得た。この混合粉末1のBET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、2.1m/g大きくなっていた。
次に得られた混合粉末1と、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末とを、湿式ビーズミルで混合してスラリー1を得た。スラリー1の組成は表2に記載のとおりであった。得られたスラリー1を噴霧乾燥した後、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1100℃、窒素雰囲気で5時間焼成して複合酸化物焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた複合酸化物焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この複合酸化物焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(実施例8)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、湿式ボールミルで予備混合してスラリー1を得た。このスラリー1の一部を乾燥し、BET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値と比較して、2.2m/g大きくなっていた。
次に得られたスラリー1に、BET値8m/g、純度99.99%の酸化ガリウム粉末を湿式ボールミルで混合し、スラリー2を調製し、噴霧乾燥して乾燥粉末1を得た。乾燥粉末1の組成は表2に記載のとおりであった。この乾燥粉末1を3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1400℃、窒素雰囲気で5時間焼成し、複合酸化物焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた複合酸化物焼結体の特性の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この複合酸化物焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(比較例2)
BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを湿式ボールミルで混合してスラリーを得た。このスラリーを噴霧乾燥して乾燥粉末を得た。この乾燥粉末のBET値を測定したところ、混合前の酸化アルミニウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、2.3m/g大きくなっていた。乾燥粉末の組成は表2に記載のとおりであった。
次に得られた乾燥粉末を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1400℃、アルゴン雰囲気で5時間焼成して、焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(比較例3)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、乾式ボールミルで予備混合して混合粉末1を得た。この混合粉末1のBET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、1.0m/g大きくなっていた。
次に得られた混合粉末1と、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末とを、乾式ボールミルで混合して混合粉末2を得た。混合粉末2の組成は表2に記載のとおりであった。得られた混合粉末2を3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度900℃、窒素雰囲気で5時間焼成して、焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(比較例4)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、湿式ボールミルで予備混合してスラリー1を調製した。このスラリー1の一部を乾燥し、BET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、1.5m/g大きくなっていた。
次に得られたスラリー1に、BET14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末を、湿式ボールミルで混合し、スラリー2を調製した。このスラリー2を噴霧乾燥して、乾燥粉末1を得た。乾燥粉末1の組成は表2に記載のとおりであった。
乾燥粉末1を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1600℃、窒素雰囲気で12時間焼成して、焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(比較例5)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値4m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末とを、湿式ボールミルで予備混合してスラリー1を得た。スラリー1の一部を乾燥し、BET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末と酸化亜鉛粉末のBET値の加重平均値よりも、1.3m/g大きくなっていた。
次に得られたスラリー1に、BET14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末を湿式ボールミルで混合してスラリー2を調製し、噴霧乾燥して乾燥粉末1を得た。得られた乾燥粉末1のBET値は、スラリー1の一部を乾燥して測定したBET値よりも1.2m/g大きくなっていた。乾燥粉末1の組成は表2に記載のとおりであった。得られた乾燥粉末1を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を、温度1400℃、窒素雰囲気で5時間焼成して焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
(比較例6)
BET値10m/g、純度99.99%の酸化インジウム粉末と、BET値3m/g、純度99.8%の酸化亜鉛粉末と、BET値14m/g、純度99.99%の酸化アルミニウム粉末とを、湿式ボールミルで混合してスラリーを調製した。スラリーを噴霧乾燥して乾燥粉末を得た。乾燥粉末のBET値を測定したところ、混合前の酸化インジウム粉末、酸化亜鉛粉末及び酸化アルミニウム粉末のBET値の加重平均値よりも、2.1m/g大きくなっていた。この乾燥粉末の組成は表2に記載のとおりであった。
次に得られた乾燥粉末を、3.0ton/cmでCIP成形し、直径150mm、厚さ12mmの円板形状の成形体を得た。この成形体を温度1000℃、窒素雰囲気で5時間焼成し、焼結体を得た。実施例2と同様にして、得られた焼結体の評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
この焼結体を4インチφサイズに加工してターゲットとし、実施例2と同様にしてスパッタリング評価を行った。その評価結果は表2に示すとおりであった。
図1は、実施例3の複合酸化物焼結体の断面を示すSEM写真である。図1中、金属酸化物粒子(a)10は、層状構造を有しており、長径12と短径13とから算出されるアスペクト比(長径/短径)が、2以上であった。また、図1中、白色(淡色)の粒子は金属酸化物粒子(b)である。金属酸化物粒子(b)11は複合酸化物焼結体中に分散していることが確認された。一方、図2は、比較例2の焼結体の断面を示すSEM写真である。図2中、白色(淡色)の粒子は金属酸化物粒子(b)である。図2中、白線で囲まれた粒子の形状から明らかなように、アスペクト比が2以上の金属酸化物粒子(a)はほとんど観測されなかった。
図3は、実施例3の複合酸化物焼結体の断面を示すSPM写真である。図3の右側の写真は、左側の写真の一部の領域を拡大して示している。図3中、金属酸化物粒子(a)20の内部に層状構造が観測された。また、複合酸化物焼結体中に金属酸化物粒子(b)21が分散していることが確認された。一方、図4は、比較例2の焼結体の断面を示すSPM写真である。図4の右側の写真は、左側の写真の一部の領域を拡大して示している。図4中、いずれの粒子にも層状構造は観測されなかった。
本発明によれば、スパッタリング中の異常放電現象を著しく抑制することが可能なスパッタリングターゲットとして使用される複合酸化物焼結体、当該複合酸化物焼結体の製造方法、上記複合酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲット、及び上記複合酸化物焼結体を用いる薄膜の製造方法が提供される。
10…金属酸化物粒子(a)、11…金属酸化物粒子(b)、12…長径、13…短径、20…金属酸化物粒子(a)、21,22…金属酸化物粒子(b)。

Claims (11)

  1. 六方晶系層状構造を有し、酸化亜鉛及びインジウムを含む金属酸化物粒子(a)と、
    スピネル構造を有し、金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む金属酸化物粒子(b)と、を含んでおり、
    前記金属酸化物粒子(a)の長径の平均値は10μm以下であり、
    個数基準で前記金属酸化物粒子(a)の全体の20%以上はアスペクト比(長径/短径)が2以上である、複合酸化物焼結体。
  2. 前記金属酸化物粒子(b)の最大粒径は10μm以下である、請求項1に記載の複合酸化物焼結体。
  3. 亜鉛、インジウム及び前記金属元素Mの合計に対するインジウムの原子比が0.001〜0.02であり、
    前記合計に対する前記金属元素Mの原子比が0.005〜0.05である、請求項1又は2に記載の複合酸化物焼結体。
  4. 前記金属酸化物粒子(b)はZnMを主成分として含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の複合酸化物焼結体。
  5. 前記金属元素Mはアルミニウムである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の複合酸化物焼結体。
  6. 酸化亜鉛粉末と酸化インジウム粉末とを混合して第1の混合粉末を得る第1の工程と、
    前記第1の混合粉末と金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む酸化物粉末とを混合して第2の混合粉末を得る第2の工程と、
    前記第2の混合粉末を成形して焼成し、複合酸化物焼結体を得る第3の工程と、を有しており、
    前記第1の工程では、第1の混合粉末のBET値が、混合前の前記酸化亜鉛粉末と前記酸化インジウム粉末のBET値の加重平均値よりも2m/g以上大きくなるように前記酸化亜鉛粉末と前記酸化インジウム粉末とを混合する、複合酸化物焼結体の製造方法。
  7. 前記第3の工程で得られる前記複合酸化物焼結体は、
    六方晶系層状構造を有し、酸化亜鉛及びインジウムを含む金属酸化物粒子(a)と、
    スピネル構造を有し、金属元素M(但し、Mはアルミニウム及び/又はガリウム)を含む金属酸化物粒子(b)と、を含んでおり、
    前記金属酸化物粒子(a)の長径の平均値は10μm以下であり、
    個数基準で前記金属酸化物粒子(a)の全体の20%以上はアスペクト比(長径/短径)が2以上である、請求項6に記載の複合酸化物焼結体の製造方法。
  8. 前記第2の混合粉末において、亜鉛、インジウム及び前記金属元素Mの合計に対するインジウムの原子比が0.001〜0.02であり、前記合計に対する前記金属元素Mの原子比が0.005〜0.05である、請求項6又は7に記載の複合酸化物焼結体の製造方法。
  9. 前記金属元素Mはアルミニウムである、請求項6〜8のいずれか一項に記載の複合酸化物焼結体の製造方法。
  10. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の複合酸化物焼結体からなる、スパッタリングターゲット。
  11. 請求項10記載のスパッタリングターゲットを用いる薄膜の製造方法。
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