JP6809157B2 - 酸化物焼結体及び酸化物透明導電膜 - Google Patents

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Description

本発明は、酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、並びに酸化物透明導電膜及びその製造方法に関するものである。
酸化物透明導電膜は、低抵抗であるとともに可視光域において比較的高い透過率を有するため、液晶等の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、あるいは冷凍ショーケース等の防曇用透明発熱体等、様々な分野で利用されている。これらの中でも錫を添加した酸化インジウム膜はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜として広く利用されている。
近年は、素子特性を最大限に引き出すための一手法として電気特性や光学特性を要求に応じてチューニングすることが極めて重要となってきており、特に液晶等の表示素子や太陽電池等の各種用途に応じた物性の最適化が活発になされている。
上述のＩＴＯ膜では錫の添加量を調整することによって、電気特性や光学特性を調整することが試みられてきた。しかしながら、この方法では抵抗のような電気特性と透過率、光吸収率のような光学特性の両方を同時に改善することが困難であった。例えば、非特許文献１にはＩｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２系透明導電膜における電気光学特性のＳｎＯ２量依存性が開示されている。これによれば、Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２系透明導電膜はＳｎＯ２量が１０ｗｔ％程度で最も抵抗が低くなる。しかし、このようなＳｎＯ２量ではプラズマ波長が短波長側にシフトするため、赤外域で吸収率が大きく、透過率が低下する。
近年では、上述した素子において、高分子フィルムや有機系材料を素子構造内に組み込むことも多く、そのため、製膜や素子製造のプロセスの最高温度を現行プロセスと比較して大幅に低減にすることが求められており、液晶などの分子が分解せず、多くの樹脂、ポリマー基板が使用できる１５０℃以下の温度で低抵抗が達成できる透明導電膜が必要とされている。
特許文献１，２には、インジウムと、ハフニウム、タンタルを含む金属元素の中から少なくとも１種類の元素と酸素から構成される酸化物焼結体が開示されている。しかしながら、特許文献１，２のいずれも上記金属元素を単独で添加したものしか開示されていない。
特許文献３，４には酸化インジウムに絶縁性酸化物が含有されているスパッタリングターゲットが開示され、絶縁性酸化物として、酸化ハフニウム、酸化タンタルが例示されている。しかしながら、いずれの文献も酸化ハフニウムや酸化タンタルを添加した実施例については一切記載がない。
特開平９−２０９１３４号公報 特開平９−１５０４７７号公報 特開２００３−１０５５３２公報 特開２００４−１４９８８３公報
ＴＯＳＯＨ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ、４７、ｐｐ．１１−２０（２００３）
本発明の目的は、１５０℃以下の低温プロセスにおいて、有機物と構造上不可分な基材もしくは有機基材上においても低抵抗を達成できる透明導電膜用酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、透明導電膜及び当該膜付基材に加えて、それらの製造方法を提供することにある。
このような状況に鑑み、本発明者等は鋭意検討の結果、酸化インジウムに特定の元素を、特定の比率で添加することにより、製膜や素子製造のプロセスの最高温度を低温に抑えた製造プロセスで十分に低い抵抗を実現した酸化物透明導電膜を形成することが可能な酸化物焼結体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、
（１） 構成元素としてインジウム、ハフニウム、タンタル及び酸素を有する酸化物焼結体であって、インジウム、ハフニウム及びタンタルをそれぞれＩｎ、Ｈｆ及びＴａとしたときに、原子比でＨｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．２〜３．０ａｔ％、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．０２〜１．３ａｔ％であることを特徴とする酸化物焼結体。
（２） 酸化物焼結体の相対密度が９７％以上であり、かつ平均結晶粒子径が８μｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載の酸化物焼結体。
（３） 不可避的な不純物を１ａｔ％未満含んでなることを特徴とする上記（１）又は上記（２）に記載の酸化物焼結体、
（４） 上記（１）乃至上記（３）に記載の酸化物焼結体からなることを特徴とするスパッタリングターゲット、
（５） 上記（４）に記載のスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする酸化物透明導電膜の製造方法、
（６） インジウム、ハフニウム及びタンタルをそれぞれＩｎ、Ｈｆ及びＴａとしたときに、原子比でＨｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．２〜３．０ａｔ％、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．０２〜１．３ａｔ％であることを特徴とする酸化物透明導電膜、
に関するものである。
本発明の酸化物焼結体は、スパッタリングターゲットとして用いることができる。そして、そのターゲットを用いてスパッタリングすることにより、スパッタリング中の異常放電を抑止しながら、本発明の酸化物透明導電膜を製造することができる。本発明の酸化物透明導電膜は、１５０℃以下のプロセス温度においても３００μΩ・ｃｍ以下という極めて低い抵抗率を達成できるため、一般的に電子素子の製造プロセスの容易化のみならず、有機基材を用いた素子や有機半導体素子に好適に用いることが可能となる。
以下、本発明の好適な実施形態を以下に詳細に説明する。
本実施形態の酸化物焼結体は、インジウム、ハフニウム及びタンタルをそれぞれＩｎ、Ｈｆ及びＴａとしたときに、原子比でＨｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．２〜３．０ａｔ％、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．０２〜１．３ａｔ％であることを特徴とする。本明細書において「ａｔ％」は、「原子％」を意味する。すなわち、本実施形態の酸化物焼結体は、Ｉｎ、Ｈｆ及びＴａの合計に対するＨｆの原子比（原子数の比率）が、０．２〜３．０ａｔ％であり、Ｉｎ、Ｈｆ及びＴａの合計に対するＴａの原子比（原子数の比率）が、０．０２〜１．３ａｔ％である。
このような組成範囲とすることにより、製膜や素子製造のプロセスの最高温度を低温に抑えた製造プロセスで十分に低い抵抗を実現できる酸化物透明導電膜を形成することができる。
低温プロセスにより適しているという観点から、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の下限は、好ましくは０．５ａｔ％であり、より好ましくは０．７ａｔ％である。同様の観点から、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の上限は、好ましくは２．５ａｔ％である。
低温プロセスにより適しているという観点から、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の下限は、好ましくは０．１ａｔ％であり、より好ましくは０．２ａｔ％である。同様の観点から、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の上限は、好ましくは１．０ａｔ％である。
本実施形態において、酸化物透明導電膜の低い抵抗率を一層高い水準で実現する観点から、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）は、０．５〜２．５ａｔ％であることが好ましい。
本実施形態の酸化物焼結体におけるインジウムの含有量は、金属元素の合計に対して、好ましくは９６ａｔ％以上であり、より好ましくは９７ａｔ％以上であり、さらに好ましくは９８ａｔ％以上である。
本実施形態の酸化物焼結体及び酸化物透明導電膜は、不可避的な微量の不純物を含んでいてもよい。このような不純物としては、Ｉｎ、Ｈｆ及びＴａ以外の金属元素を有する酸化物などの化合物が挙げられる。酸化物焼結体におけるこれらの不純物の合計含有量は、金属元素に換算して、Ｉｎ、Ｈｆ及びＴａの合計に対し、好ましくは１ａｔ％以下であり、より好ましくは０．５ａｔ％以下であり、さらに好ましくは０．１ａｔ％以下であり、特に好ましくは０．０５ａｔ％未満である。
本実施形態の酸化物焼結体の相対密度は、好ましくは９７％以上、より好ましくは９９％以上である。このような相対密度を有する酸化物焼結体は、スパッタリングターゲットとして用いた場合に、スパッタリング中の異常放電を一層低減することができる。
本発明の酸化物焼結体の相対密度は、以下のように算出されるものである。すなわち、Ｉｎ、Ｈｆ及びＴａを、それぞれ、Ｉｎ２Ｏ３、ＨｆＯ２及びＴａ２Ｏ５の酸化物に換算して重量比率を求める。ここで、求めたＩｎ２Ｏ３、ＨｆＯ２及びＴａ２Ｏ５の重量比率を、それぞれａ（％）、ｂ（％）、及びｃ（％）とする。次に、真密度をそれぞれ、Ｉｎ２Ｏ３：７．１８ｇ／ｃｍ３、ＨｆＯ２：９．６８ｇ／ｃｍ３、Ｔａ２Ｏ５：８．７３ｇ／ｃｍ３を用いて、理論密度Ａ（ｇ／ｃｍ３）を算出する。
Ａ＝（ａ＋ｂ＋ｃ）／（（ａ／７．１８）＋（ｂ／９．６８）＋（ｃ／８．７３））
酸化物焼結体の焼結密度Ｂ（ｇ／ｃｍ３）は、ＪＩＳ−Ｒ１６３４−１９９８に準拠してアルキメデス法で測定した。
相対密度（％）は、算術的に求めた理論密度Ａ（ｇ／ｃｍ３）に対する焼結密度Ｂ（ｇ／ｃｍ３）の相対値として、下式により求めた。
相対密度（％）＝（Ｂ／Ａ）×１００
本発明の酸化物焼結体の平均結晶粒子径は好ましくは８μｍ以下、さらに好ましくは６μｍ以下である。このような平均結晶粒子径とすることにより、酸化物焼結体の強度を高めることが可能となる。平均結晶粒子径の下限は、製造の容易性の観点から、好ましくは０．０１μｍであり、より好ましくは０．５μｍであり、さらに好ましくは２μｍである。
なお、本発明における焼結体中の粒子の平均結晶粒子径の測定は以下のように行う。すなわち、本発明の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、次に希塩酸溶液でケミカルエッチングを行い、粒界を明確化する。この試料をＥＰＭＡ、ＳＥＭ／ＥＤＳ、ＸＲＤ等を用いて、焼結体の研磨面の観察写真を撮る。観察写真の粒子５００個以上の長径を求め、その算術平均を平均結晶粒子径とした。
次に、本発明の酸化物焼結体の製造方法について説明する。
本発明においては、原料粉末の混合方法には特に限定はなく、インジウム源となる粉末、ハフニウム源となる粉末及びタンタル源となる粉末を含む成形用の混合粉末を調整する混合工程と、混合粉末を成形して成形体を作成する成形工程と、成形体を焼成して酸化物焼結体を得る焼成工程と、を有する。
以下、各工程を詳細に説明する。
混合工程では、インジウム、ハフニウム、及びタンタルの酸化物を含む混合粉末を調製する。本実施形態においては、原料粉末の混合方法には特に限定はなく、インジウム源となる粉末、ハフニウム源となる粉末及びタンタル源となる粉末を同時に混合してもよく、又は一部を予備混合した後に、さらに残部を追加して混合してもよい。
混合方法としては、まず、ハフニウム源となる粉末とタンタル源となる粉末を予備混合し、仮焼する方法が好ましい。原料粉末としては、特に限定されるものではなく、酸化ハフニウム、酸化タンタルが適するが、焼成により酸化ハフニウム、酸化タンタルとなるハフニウムやタンタルの無機、有機塩等も使用することができる。特に取り扱い性を考慮すると、酸化物粉末が好適に用いられる。これら粉末の粒径は、取扱性を考慮すると平均１次粒径１．５μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜１．５μｍである。このような粉末を使用することにより、焼結体密度の改善効果が得られる。
ここで、予備混合方法は特に限定されるものではないが、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や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。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。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、噴霧乾燥等が例示できる。また、金属塩溶液やアルコキシド溶液を原料として用いた場合には、溶液中から析出させた沈殿類を乾燥させておく。得られた予備混合粉末は、８００〜１２００℃で仮焼することが好ましい。仮焼温度は１０００〜１２００℃がより好ましく、時間は１〜３時間で十分である。得られた仮焼粉末は、解砕処理等により、平均１次粒径を０．５μｍ以下としておく。解砕等の処理方法は特に限定されるものではないが、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等の混合方法が例示される。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、ジェットミル等が挙げられる。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、解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、噴霧乾燥等が例示できる。
次いで、最終組成となるように酸化インジウム粉末と前記予備混合粉末を混合し、成形用混合粉末を得る。酸化インジウム粉末を用いることにより、工程の煩雑さや粉末処理等の付随作業を低減することが可能となる。インジウム源が酸化物以外の場合、例えば、硝酸塩、塩化物、炭酸塩等の場合には、仮焼して酸化物としてから使用する。これら粉末の粒径は、取扱性を考慮すると平均１次粒径１．５μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜１．５μｍである。このような粉末を使用することにより、焼結体密度の改善効果が得られる。
ここで、混合方法は特に限定されるものではないが、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や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。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。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、噴霧乾燥等が例示できる。
得られた粉末は平均１次粒径１．５μｍ以下、より好ましくは０．１〜１．５μｍとして成形用粉末とする。さらに造粒処理等により成形工程での操作性を改善しておくことも可能である。これらの操作は、成形性や焼結性の改善に効果を奏するものである。
混合工程において、インジウム源となる粉末、ハフニウム源となる粉末、及びタンタル源となる粉末の使用量は、成形用の混合粉末の組成（最終組成）を金属元素の原子比で表したとき、以下の範囲にあることが好ましい。すなわち、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．２〜３．０ａｔ％、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．０２〜１．３ａｔ％である。
このような組成範囲とすることにより、製膜や素子製造のプロセスの最高温度を低温に抑えた製造プロセスで十分に低い抵抗を実現できる酸化物透明導電膜を形成することが可能となる。
成形工程では、混合工程において得られた成形用の混合粉末を成形する。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可能であり、特に限定されるものではない。例えば、プレス成形法、及び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を作製できる範囲で適宜設定することが可能であり、特に限定されるものではない。成形体の成形密度は可能な限り、高い方が好ましい。その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。この際、必要に応じ、成形性を改善するための有機系の添加剤を使用してもよい。
成形の際に添加剤を使用する場合には、成形体中に残存する水分や有機系の添加剤を除去するため、焼成工程の前に８０〜５００℃の温度で加熱処理を施すことが好ましい。この処理温度は、残存する水分、添加剤の量及び種類により適宜選択すればよい。
焼成工程では、成形工程で得られた成形体を焼成する。昇温速度については特に限定されず、焼成時間の短縮と割れ防止の観点から、好ましくは１０〜４００℃／時間である。焼結するための保持温度（焼結保持温度）は、好ましくは１４００℃以上１６５０℃未満、より好ましくは、１５００℃以上１６２５℃以下とする。このような焼成条件にすることによって、一層高密度の酸化物焼結体を得ることができる。保持時間は、好ましくは１時間以上であり、より好ましくは３〜１０時間である。これによって、一層高密度でかつ平均結晶粒子径が小さい酸化物焼結体を得ることができる。降温速度については、通常の範囲内で設定されれば特に限定されるものではなく、焼成時間の短縮と割れ防止の観点から、好ましくは１０〜５００℃／時間である。
焼成時の雰囲気は、酸素を含有する雰囲気であることが好ましい。特に酸素気流中で焼成することが好ましい。特に、焼結時に炉内に酸素を導入する際の酸素流量（Ｌ／ｍｉｎ）と成形体の重量（仕込量、ｋｇ）の比（成形体の重量／酸素流量）を、１．０［ｋｇ／（Ｌ／ｍｉｎ）］以下とすることが好ましい。こうすることにより、一層高密度の酸化物焼結体を得ることができる。
本発明の酸化物焼結体の製造方法は、上述の方法に限定されない。例えば、混合工程においては、予備混合及び仮焼を行わずに、インジウム源となる粉末、ハフニウム源となる粉末及びタンタル源となる粉末を、纏めて混合して、成形用の混合粉末を調整してもよい。
本実施形態のスパッタリングターゲットは、上述の酸化物焼結体からなることを特徴とする。このようなスパッタリングターゲットは、製膜時の放電特性に優れているため、異常放電が抑制されて安定して製膜を行うことができる。このスパッタリングターゲットは、酸化物焼結体と同様の組成及び構造を有する。
本実施形態においては、酸化物焼結体をそのままスパッタリングターゲットとして用いてもよく、酸化物焼結体を所定の形状に加工してスパッタリングターゲットとして用いてもよい。
スパッタリングターゲットのスパッタリング面の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で３μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。これにより、製膜時の異常放電の回数を一層抑制することが可能となり、安定した製膜を行うことが可能となる。中心線平均粗さは、スパッタリング面となる複合酸化物焼結体の表面を、番手が異なる砥石等で機械加工する方法、又はサンドブラスト等で噴射加工する方法等により調整することが可能である。中心線平均粗さは、例えば測定面を表面性状測定装置で評価することにより求めることができる。
本実施形態のスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング法により製膜することができる。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、ＡＣ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、又は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。これらのうち、大面積に均一に、かつ高速で製膜が可能な点で、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、及びＲＦマグネトロンスパッタリング法が好ましい。
スパッタリング時の温度は特に限定されるものではないが、用いた基材の耐熱性に応じて適宜設定する。例えば、無アルカリガラスを基材とする場合は通常２５０℃以下が好ましく、樹脂製のフィルムを基材とする場合は通常１５０℃以下が好ましい。石英、セラミックス、又は金属等の耐熱性に優れた基材を用いる場合には、これらの温度以上の温度で製膜することも可能である。
スパッタリング時の雰囲気ガスは、通常、不活性ガス、例えばアルゴンガスを用いる。必要に応じて、酸素ガス、窒素ガス、又は水素ガス等を用いてもよい。
本実施形態の酸化物透明導電膜は、上述のスパッタリングターゲットを用いたスパッタリングによって製膜して得ることができる。すなわち、本実施形態の酸化物透明導電膜は、酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットをスパッタリングして製膜する工程を行うことによって、得ることができる。
本実施形態の酸化物透明導電膜は、製膜や素子製造のプロセスの最高温度を２００℃未満、特に１８０℃未満という低温に抑えた製造プロセスであっても、一層十分に低い抵抗を実現することが可能である。さらに、高温や高湿環境下での耐久性に優れた酸化物透明導電膜を得ることが可能となる。
上述の方法によって得られる酸化物透明導電膜の組成は、スパッタリングに用いたターゲットの組成が反映される。すなわち、上述の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って、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）は、０．２〜３．０ａｔ％である。また、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）は、０．０２〜１．３ａｔ％の組成を有する酸化物透明導電膜が得られる。
すなわち、本実施形態の酸化物透明導電膜は、スパッタリングターゲット及び酸化物焼結体と同等の組成を有する。
したがって、酸化物透明導電膜は、構成元素として、インジウム、ハフニウム、タンタル及び酸素を有する酸化物を含む。酸化物透明導電膜におけるインジウムの含有量、ハフニウムの含有量、タンタルの含有量の好ましい範囲は、酸化物焼結体と同様である。
本実施形態の酸化物透明導電膜の製膜や素子製造のプロセスの最高温度を低温に抑えた製造プロセスで十分に低い抵抗を実現できるという観点から、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の下限は、好ましくは０．５ａｔ％であり、より好ましくは０．７ａｔ％である。同様の観点から、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の上限は、好ましくは２．５ａｔ％であり、より好ましくは２．１ａｔ％である。
本実施形態の酸化物透明導電膜の製膜や素子製造のプロセスの最高温度を低温に抑えた製造プロセスで十分に低い抵抗を実現できるという観点から、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の下限は、好ましくは０．１ａｔ％であり、より好ましくは０．３ａｔ％である。また、同様の観点から、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）の上限は、好ましくは１．０ａｔ％である。
本実施形態において、酸化物透明導電膜の低い抵抗率を一層高い水準で実現する観点から、Ｈｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）は、０．５〜２．５ａｔ％であることが好ましい。また、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）は、０．１〜１．０ａｔ％であることが好ましい。
酸化物透明導電膜は、用途に応じて適切な膜厚として使用される。例えば、太陽電池等の各種受光素子の電極や表示素子のＴＦＴやＣＦ、有機ＥＬ素子の透明電極等に用いられる場合には１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化物透明導電膜が用いられる場合が多い。液晶等の表示素子、特にタッチパネルの用途では、ガラス基板の他に、高分子フィルムを用いたフレキシブル基板が採用される場合も多い。このような用途では、膜厚が５〜５０ｎｍ程度の非常に薄い膜として用いられる。また、耐熱性の低い材料を積層した構造としたり、高分子フィルムを用いるため、製膜プロセスの最高温度を低温に抑えることが求められる。
本発明の酸化物透明導電膜は、基材と構成される酸化物透明導電膜を含む積層基材として好適に用いることができる。
ここで、基材とは無アルカリガラスや石英等を含むガラス基材、樹脂製の高分子フィルム基材、セラミックスや金属の基材等が挙げられる。特に表示素子向けの場合は視認性が極めて重要であるため、無アルカリガラスや石英等を含むガラス基材、樹脂製の高分子フィルム基材が好適である。
このような積層基材は複数の機能部品と構成された素子として好適に用いられる。例えば、太陽電池等の光学素子、ＦＰＤやタッチパネル等の表示素子に好適である。特に上述の表示素子は電子機器内に組み込まれて好適に用いられ、モバイル機器のように小型高性能電子機器には特に好適である。
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
本発明を以下の実施例を参照してより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１〜２０］
表１に示す組成に従い、以下の方法で焼結体、スパッタリングターゲット、透明導電膜を作製した。
＜酸化物焼結体の作製＞
原料粉末として、純度９９．９９重量％、平均粒径０．５μｍの酸化インジウム粉末、純度９９．９重量％、平均粒径０．２μｍの酸化ハフニウム粉末、純度９９．９重量％、平均粒径０．２μｍの酸化タンタル粉末を準備した。表１に記載された原子比となるように、これらの原料粉末を秤量して乾式ボールミルで混合し、成形用の混合粉末を得た。混合粉末の平均粒径は０．２μｍであった。
この混合粉末を、以下の手順で成形して成形体を作製した。まず、直径１５０ｍｍの金型を用いて、０．３ｔｏｎ／ｃｍ２で加圧して混合粉末を成形した。次いで、３．０ｔｏｎ／ｃｍ２で加圧するＣＩＰ成形を行って、円柱形状の成形体を得た。この成形体を、純酸素雰囲気に調整された焼結炉内に配置して、以下の条件で焼結し、円板形状の酸化物焼結体を作製した。このようにして、各実施例、各比較例及び各参考例の酸化物焼結体を得た。なお、保持時間は、焼結保持温度に保持した時間である。
（焼成条件）
・昇温速度 ：５０℃／時間
・焼結保持温度 ：１６００℃
・保持時間 ：５時間
・焼結雰囲気 ：昇温開始前（室温）から降温時の１００℃に到達するまで純酸素ガスを炉内に導入
・降温速度 ：１００℃／時間
・成形体の重量／酸素流量：０．９［ｋｇ／（Ｌ／ｍｉｎ）］
＜酸化物焼結体の評価＞
（組成）
各実施例、各比較例及び各参考例の酸化物焼結体の組成を、市販のＩＣＰ発光分析装置を用いて、ＩＣＰ発光分析法により定量した。そして、原子比を求めた。その結果を表１に示す。なお、酸化物焼結体の組成は、成形用の混合粉末の組成とほぼ同一であった。
（相対密度）
各実施例、各比較例及び各参考例の酸化物焼結体の相対密度を求めた。相対密度は、酸化物焼結体の理論密度をＡ、焼結密度をＢとしたとき、下記式によって求められる値である。理論密度Ａ及び焼結密度Ｂの測定方法は上述のとおりである。測定結果を表１に示す。
相対密度（％）＝（Ｂ／Ａ）×１００
（平均結晶粒子径）
各実施例、各比較例及び各参考例の酸化物焼結体を構成する結晶粒子の平均結晶粒子径を測定した。平均結晶粒子径の測定方法は、上述のとおりである。ただし、酸化物焼結体の研磨面の観察写真（倍率：１０００〜５０００倍）は、走査電子顕微鏡を用いて撮影した。この観察写真において、粒子５００個の長径を求めた。求めた長径の算術平均値を平均結晶粒子径とした。測定結果を表１に示す。
（三点曲げ強度）
焼結体の強度は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準拠して三点曲げ強度を測定した。
＜スパッタリングターゲット及び酸化物透明導電膜の作製＞
各実施例、各比較例及び各参考例で作製した酸化物焼結体を、円板形状（直径：４インチ＝１０１．６ｍｍ）に加工した。スパッタリングターゲットとして用いる際にスパッタリング面となる面は、平面研削盤とダイヤモンド砥石を用いて研磨した。研磨の際に砥石の番手を変えることにより、中心線平均粗さ（Ｒａ）を調整した。このようにしてスパッタリングターゲットを作製した。作製したスパッタリングターゲットのスパッタリング面のＲａを、市販の表面性状測定装置（装置名 サーフテストＳＶ−３１００ ミツトヨ製）を用いて測定した。その結果は表１に示す通りであった。
得られたスパッタリングターゲットを用い、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により下記の条件で基板上に製膜した。製膜後に、以下の条件で後処理を行なって酸化物透明導電膜を得た。
（製膜条件）
・装置 ：ＤＣマグネトロンスパッタ装置
・磁界強度 ：１０００Ｇａｕｓｓ（ターゲット直上、水平成分）
・基板温度 ：室温（２５℃）
・到達真空度 ：８×１０−５Ｐａ
・製膜時の雰囲気 ：アルゴン
・スパッタリング時のガス圧：０．５Ｐａ
・ＤＣパワー ：２００Ｗ
・膜厚 ：３０ｎｍ
・使用基板 ：無アルカリガラス（コーニング社製ＥＡＧＬＥ ＸＧガラス 厚さ０．７ｍｍ）
（製膜後の後処理条件）
製膜後に、透明導電膜付基板を大気中、１５０℃で６０分間加熱する熱処理を行った。このときの昇温速度は５０℃／ｍiｎとした。
＜酸化物透明導電膜の評価＞
（膜厚）
薄膜の厚さはＤＥＫＴＡＫ３０３０（スローン社製）を用いて測定した。
（抵抗率）
薄膜の抵抗率は、ＨＬ５５００（日本バイオ・ラッド ラボラトリーズ社製）を用いて測定した。
（光透過率）
基板上に酸化物透明導電膜が形成された試料の光透過率は、分光光度計（商品名：Ｕ−４１００、株式会社 日立ハイテクノロジーズ社製）を用いて、波長２４０ｎｍから２６００ｎｍの範囲を測定し、表示デバイスで重要となる波長４００〜８００ｎｍにおける光透過率の平均値を示した。
得られた透明導電膜の抵抗率と光透過率の測定結果を表１に示す。
［比較例１〜１０］
表１に示す組成に従い、実施例１〜２０と同様の方法で焼結体、スパッタリングターゲット、透明導電膜を作製した。
［参考例１］
表１に示す組成に従い、焼成時の保持時間を１５時間とし、それ以外の条件は実施例１〜２０と同様の方法で焼結体、スパッタリングターゲット、透明導電膜を作製した。
［参考例２］
表１に示す組成に従い、焼成時の保持時間を２５時間とし、それ以外の条件は実施例１〜２０と同様の方法で焼結体、スパッタリングターゲット、透明導電膜を作製した。
測定結果を表１に示す。
Figure 0006809157
 ［参考例３］
添加元素をＳｎとし、実施例１〜２０と同様の方法で焼結体、スパッタリングターゲット、透明導電膜を作製した。評価結果を表２に示す。この結果から本発明は、現在一般的に用いられているＳｎを添加したＩｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）と比較しても低温プロセスで低い抵抗を達成することが可能であることが分かる。
Figure 0006809157
本発明によれば、スパッタリングターゲット及びスパッタリングターゲットとして好適に用いられる酸化物焼結体を提供することができる。そして、そのスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることにより、成膜中のターゲット破損を抑制しつつ、酸化物透明導電膜を製造することができる。本発明の酸化物透明導電膜は、酸化物透明導電膜の製膜や素子製造のプロセスの最高温度を低温に抑えた製造プロセスで低抵抗を実現できる。このため、例えば太陽電池に用いることによって、従来よりも光学損失と、光吸収による発熱を抑制することができる。また、本発明の酸化透明導電膜は、低温の製膜プロセスで作製したときに、低い抵抗率と高い透過率を有するため、例えばガラス基板に加えて、フィルム等のフレキシブル基板を用いるタッチパネル用途に好適に用いることができる。さらに、本発明の酸化物透明導電膜は高い耐久性を有するため各種デバイス用途に好適に用いることができる。

Claims (6)

  1. 構成元素としてインジウム、ハフニウム、タンタル及び酸素からなる酸化物焼結体であって、インジウム、ハフニウム及びタンタルをそれぞれＩｎ、Ｈｆ及びＴａとしたときに、原子比でＨｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．２〜３．０ａｔ％、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．０２〜１．０ａｔ％未満であることを特徴とする酸化物焼結体。
  2. 酸化物焼結体の相対密度が９７％以上であり、かつ平均結晶粒子径が８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の酸化物焼結体。
  3. 不可避的な不純物を１ａｔ％未満含んでなることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化物焼結体。
  4. 請求項１乃至３に記載の酸化物焼結体からなることを特徴とするスパッタリングターゲット。
  5. 請求項４に記載のスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする酸化物透明導電膜の製造方法。
  6. インジウム、ハフニウム及びタンタルからなり、それぞれＩｎ、Ｈｆ及びＴａとしたときに、原子比でＨｆ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．２〜３．０ａｔ％、Ｔａ／（Ｉｎ＋Ｈｆ＋Ｔａ）が０．０２〜１．０ａｔ％未満であることを特徴とする酸化物透明導電膜。
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