JP6278136B2 - Ag合金スパッタリングターゲット、Ag合金スパッタリングターゲットの製造方法およびAg合金膜の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献3においては、Agに、白金、パラジウム、金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属を添加したAg合金膜が提案されている。
また、特許文献4においては、Biを含有するとともにZn、Al、Ga、In、Si、Ge、Snから選ばれる少なくとも1種を含有するAg合金膜が提案されている。
また、特許文献4に記載されたAg合金膜においては、吸収率が比較的高く、光学特性が不十分である。
特に、最近では、上述の透明導電膜及び光学機能性フィルムの金属薄膜には、さらなる視感透過率の向上が求められており、従来のAg合金膜では対応できなくなっていた。また、有機ELデバイス等の電子デバイスに用いられる透明導電膜には、優れた導電性(電気特性)も要求されている。
さらに、Cu,Sn又はこれらの金属間化合物からなる偏析部の粒径が1μm未満とされているので、長時間スパッタ時のスパッタレートおよび成膜したAg合金膜における成分組成を安定させることができる。なお、この偏析部は、組織中に存在しないことがさらに好ましい。
この場合、前記不可避不純物のうちAgに対する固溶度が小さい元素であるNa,Si,V,Cr,Fe,Coの合計含有量を100質量ppm以下に制限しているので、これらの元素が結晶粒界に偏析することを抑制でき、スパッタ時における異常放電の発生を抑制することができる。
また、成膜されたAg合金膜においても、これらの元素が結晶粒界に偏析することが抑制されることになり、Ag合金膜の耐環境性が低下することを抑制できる。
この場合、Agに対する固溶度が小さい元素であるNa,Si,V,Cr,Fe,Coの各々の元素の含有量を30質量ppm以下に制限しているので、スパッタ時における異常放電の発生を確実に抑制することができる。また、成膜されたAg合金膜においても、耐環境性の低下を確実に抑制することができる。
この場合、Tiが0.1原子%以上添加されているので、成膜されたAg合金膜のケミカルに対する耐性を大幅に向上させることが可能となる。また、Tiの添加量が3.0原子%以下に制限されているので、成膜されたAg合金膜の光学特性及び電気特性の劣化を抑制することができる。
この構成のAg合金膜の製造方法によれば、Cu及びSnを含有し、電気特性、耐環境性及び光学特性に優れたAg合金膜を成膜することができる。
本実施形態であるAg合金スパッタリングターゲットは、Ag合金膜を成膜する際に用いられるものである。ここで、本実施形態であるAg合金膜は、例えばタッチパネルや太陽電池、有機ELデバイス等の電子デバイスの透明導電膜、光学機能性フィルムの金属薄膜として使用される。
本実施形態であるAg合金スパッタリングターゲットは、Snを0.1原子%以上2.0原子%以下、Cuを2.0原子%以上10.0原子%以下の範囲内で含有し、残部がAg及び不可避不純物とされた組成のAg合金で構成されている。
また、本実施形態では、前記不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coの合計含有量が100質量ppm以下とされている。また、前記不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coの各々の含有量が30質量ppm以下とされている。さらに、必要に応じて、Tiを0.1原子%以上3.0原子%以下の範囲内で含有していてもよい。
以下に、本実施形態であるAg合金スパッタリングターゲットの組成、結晶組織を上述のように規定した理由について説明する。
Snは、成膜したAg合金膜の耐環境性を向上させる作用効果を有する元素である。特に、熱湿環境下における光学特性の低下を効果的に抑制する作用効果を有する。
ここで、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるSnの含有量が0.1原子%未満の場合には、上述の作用効果を十分に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるSnの含有量が3.0原子%を超える場合には、成膜したAg合金膜の電気特性が低下するおそれがある。
このような理由から、本実施形態では、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるSnの含有量を0.1原子%以上2.0原子%以下の範囲内に設定している。なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるSnの含有量の下限を0.4原子%以上とすることが好ましい。
Cuは、成膜したAg合金膜の耐環境性を向上させる作用効果を有する元素である。特に、熱湿環境下における電気特性の低下を効果的に抑制する作用効果を有する。また、熱湿環境下において、成膜したAg合金膜における斑点等の発生を抑制する作用効果を有する。
ここで、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるCuの含有量が2.0原子%未満の場合には、上述の作用効果を十分に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるCuの含有量が10.0原子%を超える場合には、成膜したAg合金膜の電気特性が低下するおそれがある。また、成膜したAg合金膜の吸収率が増加して光学特性が低下するおそれがある。
このような理由から、本実施形態では、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるCuの含有量を2.0原子%以上10.0原子%以下の範囲内に設定している。なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、Ag合金スパッタリングターゲットにおけるCuの含有量の上限を8.0原子%以下とすることが好ましい。
不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coといった元素は、Agに対する固溶度が小さいため、Ag合金スパッタリングターゲットの結晶粒界に偏析し、酸素と反応して酸化物が形成される。Ag合金スパッタリングターゲット中に酸化物が存在することにより、スパッタ中に異常放電及びスプラッシュが発生するおそれがある。また、Na,Si,V,Cr,Fe,Coといった元素は、成膜したAg合金膜においても結晶粒界に偏析しやすく、熱湿環境下において、これらの元素が酸化してAg合金膜の結晶性が低下し、耐環境性が低下するおそれがある。
このような理由から、本実施形態では、Ag合金スパッタリングターゲットにおいて、不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coの合計含有量を100質量ppm以下に制限している。また、よりいっそう、異常放電回数を抑制するために、本実施形態では、不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coの各々の含有量を30質量ppm以下に制限している。なお、不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coといった元素の合計含有量を20質量ppm以下とすることが好ましい。さらに、不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coといった元素の各々の含有量は10質量ppm以下とすることが好ましい。
Tiを添加することにより、ケミカルに対する耐性が向上することになる。具体的には、成膜されたAg合金膜の耐硫黄性及び耐塩素性を向上させることが可能となる。
ここで、Tiの含有量が0.1原子%未満の場合には、上述の作用効果を十分に奏功せしめることができないおそれがある。一方、Tiの含有量が3.0原子%を超える場合には、成膜されたAg合金膜の光学特性及び電気特性の劣化するおそれがある。
このような理由から、本実施形態では、Tiを添加する場合にはTiの含有量を0.1原子%以上3.0原子%以下の範囲内に設定している。
スパッタレートは、結晶方位によって異なることから、スパッタが進行するとスパッタ面に、上述のスパッタレートの違いに起因して結晶粒に応じた凹凸が生じる。ここで、スパッタ面における平均結晶粒径が200μmを超えると、スパッタ面に生じる凹凸が大きくなり、凸部に電荷が集中して異常放電が発生しやすくなる。
このような理由から、本実施形態のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、スパッタ面における平均結晶粒径を200μm以下に規定している。
なお、スパッタが進行した際のスパッタ面の凹凸を抑えて異常放電を確実に抑制するためには、スパッタ面における平均結晶粒径を150μm以下とすることが好ましく、80μm以下とすることがさらに好ましい。
Snを0.1原子%以上2.0原子%以下、Cuを2.0原子%以上10.0原子%以下の範囲内で含有し、残部がAg及び不可避不純物からなる組成を有するAg合金スパッタリングターゲットにおいては、Cu,Snまたはこれらの金属間化合物からなる偏析部が存在することがある。ここで、上述の偏析部の粒径が1μm以上であると、長時間スパッタ時のスパッタレートが不安定となったり、成膜したAg合金膜の組成ばらつきが生じたりするおそれがある。
このような理由から、本実施形態のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、Cu,Sn又はこれらの金属間化合物からなる偏析部の粒径を1μm未満に規定している。
なお、長時間スパッタ時のスパッタレートを確実に安定されるとともに、成膜したAg合金膜の組成ばらつきを確実に抑制するためには、Cu,Sn又はこれらの金属間化合物からなる偏析部が組織中に存在しないことがより好ましい。
次に、本実施形態に係るAg合金スパッタリングターゲットの製造方法について説明する。
まず、溶解原料として、純度99.9質量%以上のAgと純度99.9質量%以上のCu及びSnを準備する。なお、Tiを添加する場合には、純度99.9質量%以上のTiを準備する。
ここで、不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coの含有量を確実に低減するために、Ag原料に含まれるこれらの元素をICP分析等によって分析し、選別して使用する。なお、不可避不純物のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coの含有量を確実に低減するためには、Ag原料を硝酸又は硫酸等で浸出した後、所定のAg濃度の電解液を用いて電解精錬することが好ましい。
次に、圧延後に熱処理を行う(熱処理工程)。この熱処理工程における熱処理温度が650℃以上750℃以下の範囲内とされている。なお、この熱処理温度での保持時間は、60min以上180min以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態であるAg合金膜は、上述した本実施形態であるAg合金スパッタリングターゲットを用いて成膜されたものであり、Ag合金スパッタリングターゲットと同様の成分組成を有している。
Ag合金膜の光学特性として、可視光域における視感透過率が70%以上、視感吸収率が10%以下とされている。
Ag合金膜の電気特性として、シート抵抗値が40Ω/□以下とされている。
ここで、Ag合金膜の膜厚が4nm未満の場合には、電気特性を維持することができなくなるおそれがある。また、膜が凝集しやすくなるため、耐環境性が低下するおそれがある。一方、Ag合金膜の膜厚が10nmを超える場合には、吸収率等の光学特性が低下してしまうおそれがある。
このような理由から、本実施形態では、Ag合金膜の膜厚を4nm以上10nm以下の範囲内に設定している。なお、Ag合金膜の膜厚の下限は6nm以上とすることが好ましく、Ag合金膜の膜厚の上限は8nm以下とすることが好ましい。
成膜する基板としては、ガラス板又は箔、金属板又は箔、樹脂板又は樹脂フィルム等を用いることができる。また、成膜時の基板の配置については、静止対向方式やインライン方式等を採用することができる。
また、成膜したAg合金膜においても、これらの元素が結晶粒界に偏析することが抑制されることになり、Ag合金膜の耐環境性が低下することを抑制できる。
具体的には、光学特性として、視感透過率が70%以上、視感吸収率が10%以下とされているので、視認性に優れた透過膜として、本実施形態であるAg合金膜を用いることができる。
また、電気特性として、シート抵抗が40Ω/□以下とされているので、導電性に優れた導電膜として、本実施形態であるAg合金膜を用いることができる。
また、電気特性及び光学特性を確保することができる。
例えば、本実施形態では、例えばタッチパネルや太陽電池、有機ELデバイス等の電子デバイスの透明導電膜、光学機能性フィルムの金属薄膜として使用されるものとして説明したが、これに限定されることはなく、その他の用途に用いてもよい。
また、Ag合金膜の膜厚については、本実施形態に限定されることはなく、使用用途に応じて適宜変更してもよい。
まず、溶解原料として、純度99.9質量%以上のAgと、純度99.9質量%以上のCu,Sn,Tiを準備した。ここで、各不純物の含有量を低減させるために、Ag原料を硝酸又は硫酸で浸出した後、所定のAg濃度の電解液を用いて電解精製する方法を採用した。この精製方法でこれらの不純物が低減されたAg原料について、ICP法による不純物分析を実施し、Na、Si、V、Cr、Fe及びCoの濃度(含有量)の合計量が100ppm以下かつ各々の元素の濃度が30ppmであるAg原料を、スパッタリングターゲットの製造原料とした。
その後、大気中において、表2示す温度で1時間保持の熱処理を実施した。そして、機械加工を実施することにより、直径152.4mm、厚さ6mm寸法を有するAg合金スパッタリングターゲットを作製した。
なお、本発明例8〜16のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、溶解時にNa、Si、V、Cr、Fe、Coの各元素を意図的に適量添加した。また、本発明例20〜23、30、31のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、Ag合金の電解精製及び選別を実施しなかったAg原料を用いた。
鋳造後のAg合金インゴットより分析用サンプルを採取し、そのサンプルをICP発光分光分析法により分析した。分析結果を表1に示す。
得られたAg合金スパッタリングターゲットのスパッタ面をその中心を通る線分で8等分に区分し、各部の中央部から試料片を採取した。各試料片のスパッタ面側を研磨する。
#180〜#4000の耐水紙で研磨をした後、3μm〜1μmの砥粒でバフ研磨を行う。
次に、光学顕微鏡で粒界が見える程度にエッチングする。ここで、エッチング液には、過酸化水素水とアンモニア水との混合液を用い、室温で1〜2秒間浸漬し、粒界を現出させる。次に、各試料について、光学顕微鏡で倍率30倍の写真を撮影した。
各写真において、60mmの線分を、格子状に20mm間隔で縦横に合計4本引き、それぞれの直線で切断された結晶粒の数を数えた。線分の端の結晶粒は、0.5個とカウントした。平均切片長さ:L(μm)を、L=60000/(M・N)(ここで、Mは実倍率、Nは切断された結晶粒数の平均値である)で求めた。求めた平均切片長さ:L(μm)から、試料の平均粒径:d(μm)を、d=(3/2)・Lで算出した。評価結果を表2に示す。
結晶粒径の測定時と同様の方法で試料片を用意し、光学顕微鏡を用いて、倍率1500倍で写真撮影し、粒径1μm以上の偏析部の有無を確認した。評価結果を表2に示す。
なお、図1に偏析部の観察結果の一例を示す。図1(a)が本発明例1のAg合金スパッタリングターゲット、(b)が本発明例26のAg合金スパッタリングターゲットの観察結果である。本発明例1のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、偏析部が黒点として観察される。
上述の本発明例及び比較例のAg合金スパッタリングターゲットを、無酸素銅製のバッキングプレートにインジウム半田を用いて半田付けしてターゲット複合体を作製した。
通常のマグネトロンスパッタ装置に、上述のターゲット複合体を取り付け、5×10−5Paまで排気した後、Arガス圧:0.5Pa、投入電力:直流1000W、ターゲット基板間距離:70mmの条件でスパッタを実施した。スパッタ時の異常放電回数は、MKSインスツルメント社製DC電源(RPDG−50A)のアークカウント機能により、放電開始から1時間の異常放電回数として計測した。評価結果を表2に示す。
4時間の空スパッタと防着板の交換とを繰り返して、断続的に20時間スパッタすることによりターゲットを消耗させた。その後に更に、上述の条件でスパッタを行い、消耗(20時間のスパッタ)後の1時間に生じた異常放電の回数を測定した。評価結果を表2に示す。
使用初期においてスパッタレートを測定後、上記と同様に4時間の空スパッタと防着板の交換とを繰り返して、断続的に20時間スパッタすることによりターゲットを消耗させた。その後に更にスパッタを行い、スパッタレートの測定を行い、下記の式でスパッタレートの変化比を評価した。評価結果を表2に示す。
スパッタレートの変化比=長時間スパッタ後のレート/使用初期のレート
使用初期において成膜されたAg合金膜の組成を測定した。膜組成の測定方法としては、Ag合金膜を3000nm成膜し、その膜をICP分光分析法にて測定した。その後、上記と同様に4時間の空スパッタと防着板の交換とを繰り返して、断続的に20時間スパッタすることによりターゲットを消耗させた。その後に更にスパッタを行い、成膜されたAg合金膜の組成の測定を行い、下記の式で膜組成の変化率を評価した。評価結果を表2に示す。
膜組成の変化率(%)=(長時間スパッタ後の添加元素Aの組成/使用初期の添加元素Aの組成)×100
なお、添加元素Aは、各添加元素のうち最も変化率の大きいものとした。
上述の本発明例及び比較例のAg合金スパッタリングターゲットをスパッタ装置に装着し、下記の条件でAg合金膜を成膜した。
基板:洗浄済みガラス基板(コーニング社製イーグルXG 厚み0.7mm)
到達真空度:5×10−5Pa以下
使用ガス:Ar
ガス圧:0.5Pa
スパッタリング電力:直流200W
ターゲット/基板間距離:70mm
クロスセクションポリッシャ(CP)によって観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)によってAg合金膜の断面を観察し、Ag合金膜の膜厚を算出した。膜構造を表3に示す。
成膜したAg合金膜について、温度85℃、湿度85%の恒温恒湿槽中に250時間放置した。
成膜後のAg合金膜のシート抵抗値RS0及び恒温恒湿試験後のAg合金膜のシート抵抗値RS1を、三菱化学製抵抗測定器ロレスタGPによる四探針法により測定した。また、恒温恒湿試験前後の変化率(%)を以下の式で算出した。測定結果を表3及び表4に示す。
変化率(%)=(RS1−RS0)/RS0×100
Ag合金膜の視感透過率の測定は、分光光度計(株式会社日立ハイテクノロジーズ製U−4100)を用いて行い、薄膜を形成していない基板の透過率を100として、膜の透過率の相対評価を行った。透過率スペクトル%Tを波長780〜380nmの範囲で測定し、このスペクトルから色彩計算プログラム(JIS Z 8722に準拠)を用いて、光源D65及び視野2°におけるXYZ表色系のY値を算出し、計算された値を視感透過率とした。
成膜後のAg合金膜の視感透過率T0及び恒温恒湿試験後のAg合金膜の視感透過率T1を上述のように測定した。また、恒温恒湿試験前後の変化量T1−T0を算出した。測定結果を表3及び表4に示す。
Ag合金膜の視感吸収率は、上記分光光度で測定した透過率スペクトル%Tと、反射率スペクトル%Rを波長780〜380nmの範囲で測定し、これらのスペクトルから吸収率スペクトル%Aを以下の式で算出した。
%A=100−(%T+%R)
このスペクトルから色彩計算プログラム(JIS Z 8722に準拠)を用いて、光源D65及び視野2°におけるXYZ表色系のY値を算出し、計算された値を視感吸収率とした。
成膜後のAg合金膜の視感吸収率A0及び恒温恒湿試験後のAg合金膜の視感吸収率A1を上述のように測定した。また、恒温恒湿試験前後の変化量A1−A0を算出した。測定結果を表3及び表4に示す。
温度85℃、湿度85%の恒温恒湿層中に250時間放置したAg合金膜の外観を目視で観察した。図2の(a)に示すように、膜の表面に斑点状の変色が認められなかったAg合金膜を「○」、図2の(b)に示すように、膜の表面に斑点状の変色が認められたAg合金膜を「×」と評価した。評価結果を表4に示す。
成膜サンプルに対して、室温で0.01mass%の硫化ナトリウム水溶液中に30分浸漬し、水溶液から取り出して純水で十分に洗浄した後、乾燥空気を噴射して水分を取り除いた。これらの試料について、上述と同様にシート抵抗、透過率を測定し、透過率の変化分及びシート抵抗の変化率により耐硫化性の評価を行った。評価結果を表5に示す。
成膜サンプルに対して、室温で、5%NaCl水溶液中に24時間浸漬し、水溶液から取り出して純水で十分に洗浄した後、乾燥空気を噴射して水分を取り除いた。これらの試料について、上述と同様にシート抵抗、透過率を測定し、透過率変化分及びシート抵抗の変化率により耐塩水性の評価を行った。評価結果を表5に示す。なお、表5においては、5%NaCl水溶液に浸漬後に膜が消失したものについては「測定不可」と表記した。
Snの含有量が本発明の範囲よりも多い比較例2のAg合金スパッタリングターゲットを用いて成膜された比較例102のAg合金膜においては、成膜後のシート抵抗、及び、視感吸収率が高く、電気特性、光学特性が不十分であった。
Cuの含有量が本発明の範囲よりも多い比較例4のAg合金スパッタリングターゲットを用いて成膜された比較例104のAg合金膜においては、成膜後のシート抵抗が高く、電気特性が不十分であった。
これに対して、本発明例のAg合金スパッタリングターゲットを用いて成膜されたAg合金膜においては、電気特性、光学特性及び耐環境特性のいずれも優れていた。
また、本発明例11〜16のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、不純物元素のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coのいずれかの含有量が30質量ppmを超えており、やや異常放電回数が多かった。
これに対して、不純物元素のうちNa,Si,V,Cr,Fe,Coの合計含有量が100質量ppm以下であり、Na,Si,V,Cr,Fe,Coの各々の含有量も30質量ppm以下とされた他の本発明例のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、異常放電回数が少なかった。
これに対して、スパッタ面の平均結晶粒径が200μm以下とされた他の本発明例のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、長時間スパッタ後においても異常放電回数が少なかった。
これに対して、粒径1μm以上の偏析部が観察されなかった他の本発明例のAg合金スパッタリングターゲットにおいては、長時間スパッタ後のスパッタレートの変化比、膜組成の変化率が抑えられていた。
Claims (4)
- Snを0.1原子%以上2.0原子%以下、Cuを2.0原子%以上10.0原子%以下の範囲内で含有し、残部がAg及び不可避不純物からなる組成を有し、スパッタ面における平均結晶粒径が200μm以下とされ、さらに、Cu,Snまたはこれらの金属間化合物からなる偏析部の粒径が1μm未満とされていることを特徴とするAg合金スパッタリングターゲット。
- さらにTiを0.1原子%以上3.0原子%以下の範囲内で含有することを特徴とする請求項1に記載のAg合金スパッタリングターゲット。
- 請求項1又は請求項2に記載のAg合金スパッタリングターゲットの製造方法であって、
Ag合金インゴットを作製する溶解鋳造工程と、得られたAg合金インゴットに冷間圧延を行う圧延工程と、圧延後に熱処理を行う熱処理工程と、を有し、
前記熱処理工程における熱処理温度が650℃以上750℃以下の範囲内とされていることを特徴とするAg合金スパッタリングターゲットの製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載されたAg合金スパッタリングターゲットによって成膜することを特徴とするAg合金膜の製造方法。
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