JPWO2007034749A1 - 酸化物材料、及びスパッタリングターゲット - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、ガスセンサー、湿度センサー、太陽電池電極等の用途ではインジウムを一定量以上含ませた錫を含むイルメナイト構造化合物については検討されていなかった。
つまり、例えば酸化亜鉛と酸化錫を混合し700℃以上の温度で焼結を行った場合、Zn2SnO4、ZnO、SnO2が生成してしまい、イルメナイト構造を持つZnSnO3化合物を得ることは従来できなかった。
また、本発明者らは、この材料からなる焼結体は、インジウム含有量が一般のITOに比べて少ないにも関わらず、イルメナイト構造化合物の効果により、バルク抵抗が低く、理論相対密度が低いことからスパッタリングターゲットとして適していることを見出した。
[1]インジウム(In)、錫(Sn)、及び金属元素Mを含有し、イルメナイト構造化合物を含むことを特徴とする酸化物材料。
[2]金属元素Mが亜鉛(Zn)であることを特徴とする上記[1]記載の酸化物材料。
[3]X線回折(XRD)におけるイルメナイト構造化合物の最大ピーク強度が、ルチル構造化合物の最大ピーク強度の6倍以上であることを特徴とする上記[1]又は[2]記載の酸化物材料。
[4]In/(In+Sn+M)で表わされる原子比が0.25〜0.55の範囲内、Sn/(In+Sn+M)で表わされる原子比が0.25〜0.5の範囲内、M/(In+Sn+M)で表わされる原子比が0.2〜0.5の範囲内であることを特徴とする上記[1]〜[3]のいずれか記載の酸化物材料。
[5]イルメナイト構造化合物のX線回折(XRD)における最大ピーク位置が錫及び金属元素Mからなるイルメナイト構造化合物の粉末の最大ピーク位置からマイナス方向(狭角側)にシフトしていることを特徴とする上記[1]〜[4]のいずれか記載の酸化物材料。
[6]バルク抵抗が0.2〜10mΩ・cmの範囲内の焼結体であることを特徴とする上記[1]〜[5]のいずれか記載の酸化物材料。
[7]理論相対密度が90%以上の焼結体であることを特徴とする上記[1]〜[6]のいずれか記載の酸化物材料。
[8]イルメナイト構造化合物の結晶粒径が20μm以下であることを特徴とする上記[1]〜[7]のいずれか記載の酸化物材料。
[9]上記[1]〜[8]のいずれか記載の酸化物材料からなるスパッタリングターゲット。
[10]インジウム化合物、錫化合物、及び金属元素Mの化合物を原料とし、原料総量中のインジウムの原子比(In/(In+Sn+M))が0.25〜0.55であり、錫の原子比Sn/(In+Sn+M)が0.25〜0.5であり、かつ700℃以上の温度で熱処理する工程を含むことを特徴とする、イルメナイト構造化合物を含む酸化物材料の製造方法。
[11]上記[9]記載のスパッタリングターゲットをスパッタリング法により成膜してなることを特徴とする透明導電膜。
[12]TFT駆動液晶パネルのカラーフィルター側に設けられた、上記[11]記載の透明導電膜からなることを特徴とする透明共通電極。
[13]上記[11]記載の透明導電膜をドライエッチングして作製されたことを特徴とする透明電極。
本発明によれば、各種透明導電材料に応用可能な酸化物材料を提供できる。
本発明によれば、導電性、面内均一性、耐熱性等に優れた透明導電膜を提供できる。
I.酸化物材料及びスパッタリングターゲット
(I−1)酸化物材料及びスパッタリングターゲットの構成
本発明のスパッタリングターゲットは、本発明の焼結体である酸化物材料であるため、その構成は同じである。そこで、以下、これらを併せて単に、スパッタリングターゲット、あるいはターゲットと称する場合がある。
本発明のターゲットは、インジウム、錫、金属元素Mを含有し、イルメナイト構造化合物を含むことを特徴とする。
金属元素Mとしては、正2価のイオン半径が1.1Å以下のものが好ましく、1.0Å以下のものがより好ましい。そのような金属元素としては、Zn、Co、Mg、Mn、Ni等が挙げられ、Znであることが好ましい。
例えば、錫及び亜鉛からなるイルメナイト構造化合物(通常ZnSnO3で表される)とは、X線回折でJCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)データベースのNo.52−1381のピークパターンか、あるいは類似の(シフトした)パターンを示すものをいう。In、Sn、Znが同一サイトに周期的に配置したものに加えランダムに配置したものも含まれる(コランダムと呼ばれることもある)。
イルメナイト構造化合物の最大ピーク強度が、ルチル構造化合物の最大ピーク強度の6倍より小さいと、ターゲットの抵抗が大きくなったり、スパッタリング法で成膜した透明導電膜の比抵抗等の物性の面内バラツキが大きくなるおそれがある。
図1は、実施例1で製造されたターゲットのX線回折チャートである。このチャートから、実施例1で製造されたターゲットのZnSnO3で表されるイルメナイト構造化合物の最大ピーク強度が、SnO2で表されるルチル構造化合物の最大ピーク強度の約20倍であること、イルメナイト構造化合物が主成分であることがわかる。
ここで、上記各原子比は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析によって測定することができる。
ピークシフトの角は、X線回折のチャートを解析することによって測定することができる。図1に、後述する実施例1で得られたターゲットのX線回折チャートを示す。このチャートから、イルメナイト構造化合物の最大ピーク位置がマイナス方向(狭角側)に0.5度シフトしていることがわかる。これは、インジウムが含まれている効果で、ZnSnO3と推察されるイルメナイト構造化合物の格子間距離が広がったものと推定される。
イルメナイト構造化合物の最大ピーク位置は、マイナス(狭角側)方向にシフトしていることがより好ましく、0.2度以上シフトしていることがさらに好ましく、0.3度以上シフトしていることが特に好ましい。
ターゲットのバルク抵抗値の測定は、四探針法によって行うことができる。
本発明のターゲットのバルク抵抗は、0.3〜5mΩ・cmの範囲内であることがより好ましく、0.4〜3mΩ・cmの範囲内であることがさらに好ましい。
ターゲットの理論相対密度が90%より小さいと放電中にターゲットが割れる原因となるおそれがある。
本発明のターゲットの理論相対密度は、90%以上であることがより好ましく、95%以上であることがさらに好ましく、98%以上であることが特に好ましい。
ZnO、SnO2、In2O3の比重を各々5.66g/cm3、6.95g/cm3、7.12g/cm3として、その量比から密度を計算し、アルキメデス法で測定した密度との比率を計算して理論相対密度とする。
イルメナイト構造化合物の結晶粒径が20μmより大きいと、粒界が応力集中点となり強度が低下するおそれがある。イルメナイト構造化合物の結晶粒径は、8μm以下であることがより好ましく、4μm以下であることが特に好ましい。
ターゲット中のイルメナイト構造化合物の結晶粒径は、電子線マイクロアナライザー(EPMA)によって測定することができる。
ターゲットの抗折力は、JIS R 1601に準じて測定することができる。
本発明の酸化物焼結体を粉体化する方法としては、ボールミル等を用いて粉砕する、原料粉を成形せずに焼成し、焼成粉を作製する等が挙げられる。また、溶液中での反応なども利用できる。
粉体化した本発明の酸化物焼結体(透明導電性酸化物粉)の用途としては、導電膜や誘電膜用塗布材料の原料等が挙げられる。
本発明のスパッタリングターゲット(イルメナイト構造化合物を含む酸化物材料)の製造方法(以下、本発明のターゲット製造方法ということがある)は、錫化合物、元素Mの化合物、インジウム化合物を原料とし、原料総量中のインジウムの原子比(In/(In+Sn+M))が0.25〜0.55であり、錫の原子比Sn/(In+Sn+M)が0.25〜0.5であり、かつ700℃以上の温度で熱処理する工程を含むことを特徴とする。
(1)配合工程
配合工程は、スパッタリングターゲットの原料である金属化合物を混合する工程である。
ターゲットの製造原料に用いる各金属化合物は、通常の混合粉砕機、例えば湿式ボールミルやビーズミル、あるいは超音波装置を用いて、均一に混合・粉砕することが好ましい。
錫の化合物としては、例えば、酸化錫、水酸化錫等が挙げられる。
金属元素Mとしては、亜鉛が好ましく、亜鉛の化合物としては、例えば、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等が挙げられる。
各々の化合物として、焼結のしやすさ、副生成物の残存のし難さから、酸化物が好ましい。
各原料の純度は、通常2N(99質量%)以上、好ましくは3N(99.9質量%)以上、より好ましくは4N(99.99質量%)以上である。純度が2Nより低いと、イルメナイト構造を持つZnSnO3化合物が生成しづらくなったりターゲットに変色などの不良が発生するおそれがある。
ターゲットの原料となる金属化合物の粉砕後の粒径は、JIS R 1619に準じて測定することができる。
仮焼工程は、インジウム化合物、錫化合物、及び金属元素Mの化合物(好ましくは亜鉛化合物)の混合物を得た後、この混合物を仮焼(熱処理)する、必要に応じて設けられる工程である。
仮焼工程においては、上記混合物を、500〜1,200℃で、1〜100時間の条件で熱処理することが好ましい。
仮焼物の粒径は、JIS R 1619に準じて測定することができる。
成形工程は、金属酸化物の混合物(上記仮焼工程を設けた場合には仮焼物)を加圧成形して成形体とする必須の工程である。成形工程において、得られた仮焼物を用いてターゲットとして好適な形状に成形する。仮焼工程を設けた場合には得られた仮焼物の微粉末を造粒した後、プレス成形により所望の形状に成形することができる。
本発明で用いることができる成形処理としては、金型成形、鋳込み成形、射出成形等が挙げられるが、焼結密度の高い焼結体を得るためには、冷間静水圧(CIP)等で成形した後、後述する焼結処理するのが好ましい。
焼結工程は、上記成形工程で得られた微粉末を造粒した後、プレス成形により所望の形状に成形した成形体を、700℃以上の温度で焼成(熱処理)する必須の工程である。
焼成は、熱間静水圧(HIP)焼成等によって行うことができる。
この場合の焼成条件は、通常、酸素ガス雰囲気又は酸素ガス加圧下に700〜1,700℃、好ましくは1100〜1,600℃、さらに好ましくは1,300〜1,500℃において、30分〜360時間、好ましくは8〜180時間、より好ましくは12〜96時間である。
還元工程は、上記焼成工程で得られた焼結体のバルク抵抗をターゲット全体として均一化するために還元処理を行う、必要に応じて設けられる工程である。
本工程で適用することができる還元方法としては、例えば、還元性ガスによる方法や真空焼成又は不活性ガスによる還元等が挙げられる。
加工工程は、上記のようにして焼結して得られた焼結体を、さらにスパッタリング装置への装着に適した形状に切削加工し、またバッキングプレート等の装着用治具を取り付けるための、必要に応じて設けられる工程である。
さらに、実際の工業用のスパッタリングターゲットの製造方法として、次のような方法を採用することもできる。また、これらの方法の一部を組合せた製造方法を用いてもよい。
(i)秤量された原料を水、助剤とともにボールミル・ビーズミル等で湿式混合・粉砕する。
(ii)得られた原料混合物をスプレードライヤー等で乾燥・造粒し造粒粉末を作る。
(iii)得られた造粒粉末をプレス成型した後、ゴム型でSIP成型する。
(iv)得られた成型体を酸素加圧下で焼成し焼成体を得る。
(v)得られた焼成体をダイヤモンドカッター・ウォーターカッター等で切削後、ダイヤモンド砥石等で研磨する。
(vi)イタルインジウム等の蝋剤を塗布し銅等でできたバッキングプレートと貼り合わせる。
(vii)蝋剤処理、酸化層除去等のためのバッキングプレート研磨、ターゲット表面処理を行う。
(i)秤量された原料をボールミル等で乾式混合・粉砕し造粒粉末を作る。
(ii)得られた造粒粉末をプレス成型する。
(iii)得られた成型体を大気圧で焼成し焼成体を得る。
(i)秤量された原料をボールミル等で乾式混合・粉砕し造粒粉末を作る。
(ii)得られた造粒粉末をボールミル・Vブレンダー等で湿式混合・粉砕し造粒分散液を得る。
(iii)得られた造粒分散液から鋳込み成型で成型体を得る。
(iv)得られた成型体を支持体上で空気に接触させ乾燥した後、大気圧で焼成し焼成体を得る。
(II−1)透明導電膜の構成
本発明の透明導電膜は、上記本発明のスパッタリングターゲットをスパッタリング法により成膜してなることを特徴とする。
透明導電膜の比抵抗は、四探針法により測定することができる。
ここで、比抵抗の面内分布(Max/Min)とは、四探針法で6〜100点測定した比抵抗のうち最大のものを最少のもので割った値と定義される。
比抵抗の面内分布(Max/Min)が10を超えると、透明導電膜を電極とした場合に、部分的に動作不良を起こしたり、不良率が高くなるおそれがある。比抵抗の面内分布(Max/Min)は、0〜5の範囲内であることがより好ましく、0〜2の範囲内であることが特に好ましい。
透明導電膜の膜厚は、触針法によって測定することができる。
ここで、透明共通電極とは、TFT駆動液晶パネルのカラーフィルター側の透明電極を言う。透明共通電極として必要とされる特性は、透過率が85%以上、比抵抗が2000μΩ・cm以下であり、本発明の透明電極はそれらの特性を具備するものである。
また、本発明の透明導電膜は、大気下での熱安定性に優れ、耐久性の高い電極として用いることができる。
本発明の透明導電膜を製造するためのスパッタリング法及びスパッタリング条件に特に制限はないが、直流(DC)マグネトロン法、交流(AC)マグネトロン法、高周波(RF)マグネトロン法が好ましい。液晶(LCD)パネル用途では装置が大型化するため、DCマグネトロン法、ACマグネトロン法が好ましく、安定成膜可能なACマグネトロン法が特に好ましい。
(III−1)透明電極の構成
本発明の透明電極は、上記本発明の透明導電膜をドライエッチングして作製されたことを特徴とする。従って、本発明の透明電極は、上記本発明の透明導電膜の上記特性を備えている。
本発明の透明電極の作製方法は、上記本発明の透明導電膜をドライエッチングすることを特徴とする。ドライエッチング法を用いることにより、線幅の細いパターンが高い精度で得られるという利点がある。
本発明の透明電極を作製するためのドライエッチング方法には特に制限はなく、目的、状況に応じて適したエッチング条件を選択すればよいが、好ましくは下記の通りである。
非特許文献5等に記載の方法を利用することができる。中でも、反応性イオンエッチングが、テーパー角を調整し易く好ましい。
[実施例]
実施例1
(1)スパッタリングターゲットの製造
原料として、平均粒径が3.4μm、純度4Nの酸化インジウム、0.6μm、純度4Nの酸化亜鉛、0.5μm、純度4Nの酸化錫とを、原子比〔In/(In+Sn+Zn)〕が0.36、原子比〔Sn/(In+Sn+Zn)〕が0.33、原子比〔Zn/(In+Sn+Zn)〕が0.31となるように混合して、これを湿式ボールミルに供給し、72時間混合粉砕して、原料微粉末を得た。
得られたターゲットにつき、理論相対密度、バルク抵抗値、X線回折分析、結晶粒径及び各種物性を測定した。図1に実施例1で得られたターゲットのX線回折チャートを示す。
その結果、理論相対密度は98%であり、四探針法により測定したバルク抵抗値は、1.0mΩ・cmであった。また、作製したターゲットの抗折力の測定を行ったところ、14kg/mm2であった。抗折力の測定は、JIS R 1601に準じて行った。
ZnSnO3で表されるイルメナイト構造化合物とは、X線回折でJCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)データベースのNo.52−1381のピークパターンか、あるいは類似の(シフトした)パターンを示すものをいう。
また、(1)で得られた焼結体を切削加工して、直径約10cm、厚さ約5mmのスパッタリングターゲットを作製し、これを用いてスパッタリング法により透明導電膜の製造を行った。
上記(1)で得られたスパッタリングターゲットを、DCマグネトロンスパッタリング装置に装着し、室温において、ガラス基板上に透明導電膜を成膜した。
ここでのスパッタ条件としては、スパッタ圧力1×10−1Pa、到達圧力5×10−4Pa、基板温度200℃、投入電力120W、成膜時間15分間とした。
この結果、ガラス基板上に、膜厚が約100nmの透明導電性酸化物が形成された透明導電ガラスが得られた。
(i)異常放電の発生数
(1)で得られたスパッタリングターゲットを、DCマグネトロンスパッタリング装置に装着し、アルゴンガスに3%の水素ガスを添加した混合ガスを用いた他は、上記(3)と同一条件下に、240時間連続してスパッタリングを行い異常放電の有無をモニターしたが1度も確認されなかった。表1において、異常放電の有無の表示は、異常放電無しの場合を「○」で表し、異常放電有りの場合を「×」で表す。
上記(i)と同じ条件で8時間連続してスパッタリングを行った。次いで、スパッタリング後のターゲットの表面を実体顕微鏡により30倍に拡大して観察した。ターゲット上の3点で視野900mm2中における20μm以上のノジュール発生数をそれぞれ測定し、平均化した値を表1に示した。
上記(3)で得られた透明導電ガラス上の透明導電膜の導電性について、四探針法により比抵抗を測定したところ、750μΩ・cmであった。
また、この透明導電膜は、X線回折分析により非晶質であることを確認した。一方、膜表面の平滑性についても、P−V値(JISB0601準拠)が5nmであることから、良好であることを確認した。
装置:(株)リガク製Ultima−III
X線:Cu−Kα線(波長1.5406Å、グラファイトモノクロメータにて単色化)
2θ−θ反射法、連続スキャン(1.0°/分)
サンプリング間隔:0.02°
スリット DS、SS:2/3°、RS:0.6mm
原料の組成比を表1に示す原子比となるように調整し、比較例3〜5は、RFマグネトロンスパッタリングを用いた他は実施例1と同様にターゲット及び透明導電膜を作製し、評価した。結果を表1に示す。また、図2に実施例2で得られたターゲットのX線回折チャートを示す。
また、錫、亜鉛比が同じである比較例4、5と比較すると、実施例のみがイルメナイト構造化合物を含有していることがわかる。
実施例1と同じ組成で本発明の大型ターゲットを作製し、ロードロック付大型スパッタ装置により透明導電膜を製膜し液晶パネルの透明共通電極を作製した。液晶パネルは問題なく駆動し、ITOを用いて作成したものと遜色ないことが確認できた。
本発明の透明導電膜は、TFT駆動液晶パネルのカラーフィルター側に設けられる透明共通電極として特に有用である。
また、本発明のターゲットは安定にスパッタリングが行なえるため、成膜条件を調整するなどしてTFT(薄膜トランジスタ)に代表される透明酸化物半導体の成膜にも適用できる。
Claims (13)
- インジウム(In)、錫(Sn)、及び金属元素Mを含有し、イルメナイト構造化合物を含むことを特徴とする酸化物材料。
- 金属元素Mが亜鉛(Zn)であることを特徴とする請求項1記載の酸化物材料。
- X線回折(XRD)におけるイルメナイト構造化合物の最大ピーク強度が、ルチル構造化合物の最大ピーク強度の6倍以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の酸化物材料。
- In/(In+Sn+M)で表わされる原子比が0.25〜0.55の範囲内、Sn/(In+Sn+M)で表わされる原子比が0.25〜0.5の範囲内、M/(In+Sn+M)で表わされる原子比が0.2〜0.5の範囲内であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の酸化物材料。
- イルメナイト構造化合物のX線回折(XRD)における最大ピーク位置が錫及び金属元素Mからなるイルメナイト構造化合物の粉末の最大ピーク位置からマイナス方向(狭角側)にシフトしていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の酸化物材料。
- バルク抵抗が0.2〜10mΩ・cmの範囲内の焼結体であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の酸化物材料。
- 理論相対密度が90%以上の焼結体であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項記載の酸化物材料。
- イルメナイト構造化合物の結晶粒径が20μm以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項記載の酸化物材料。
- 請求項1〜8のいずれか一項記載の酸化物材料からなるスパッタリングターゲット。
- インジウム化合物、錫化合物、及び金属元素Mの化合物を原料とし、原料総量中のインジウムの原子比(In/(In+Sn+M))が0.25〜0.55であり、錫の原子比Sn/(In+Sn+M)が0.25〜0.5であり、かつ700℃以上の温度で熱処理する工程を含むことを特徴とする、イルメナイト構造化合物を含む酸化物材料の製造方法。
- 請求項9記載のスパッタリングターゲットをスパッタリング法により成膜してなることを特徴とする透明導電膜。
- TFT駆動液晶パネルのカラーフィルター側に設けられた、請求項11記載の透明導電膜からなることを特徴とする透明共通電極。
- 請求項11記載の透明導電膜をドライエッチングして作製されたことを特徴とする透明電極。
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