KR20240024274A - Igzo 스퍼터링 타깃 - Google Patents
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Abstract
스퍼터링 시의 아킹이나 파티클 증가 등을 억제하면서, 상대 밀도가 높은 IGZO 스퍼터링 타깃을 제공한다. 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 및 산소(O)를 함유하고, 잔부가 불가피적 불순물로 구성되고, Zr을 20질량ppm 미만으로 함유하고, 상대 밀도가 95％ 이상인 IGZO 스퍼터링 타깃.
Description
본 발명은 IGZO 스퍼터링 타깃에 관한 것이다. 특히, 지르코늄의 함유량을 저감하면서, 높은 상대 밀도를 실현할 수 있는 IGZO 스퍼터링 타깃에 관한 것이다.
종래, FPD(플랫 패널 디스플레이)에 있어서, 그 백플레인의 TFT(박막 트랜지스터)에, α-Si(아몰퍼스 실리콘)가 사용되어 왔다. 그러나, α-Si에서는 충분한 전자 이동도가 얻어지지 않고, 근년에는 α-Si보다도 전자 이동도가 높은 In-Ga-Zn-O계 산화물(IGZO)을 사용한 TFT의 연구 개발이 행해지고 있다. 그리고, IGZO-TFT를 사용한 차세대 고기능 플랫 패널 디스플레이가 일부 실용화되어, 주목을 받고 있다.
IGZO막은, 주로, IGZO 소결체 등의 스퍼터링 타깃으로부터 제작되는 타깃을 스퍼터링하여 성막된다. 스퍼터링법에 의해 박막을 형성할 때, 파티클이 발생하면 패턴 불량 등의 원인이 된다. 이 파티클의 발생 원인으로서 가장 많은 것은, 스퍼터링 중에 발생하는 이상 방전(아킹)이다. 특히 타깃 표면에서 아킹이 발생하면, 아킹이 발생한 주변의 타깃재가 클러스터상(괴상)으로 타깃으로부터 방출된다. 그리고, 이 클러스터 상태의 타깃재가, 기판에 부착되어 버린다.
또한, 근년의 디스플레이의 정밀도의 문제로부터, 스퍼터 시의 파티클은 종래보다도 엄격한 요구로 되어 오고 있다. 이러한 스퍼터 시의 문제를 해결하기 위해, 타깃의 밀도를 향상시키거나, 결정립을 제어하여 고강도의 타깃을 얻는 시도가 이루어져 왔다.
특허문헌 1(일본 특허 공개 제2014-024738호 공보)에는, In, Ga, 및 Zn을 함유하는 산화물 소결체이며, InGaZnO4로 표시되는 호몰로거스 결정 구조를 갖고, 또한 지르코늄을 중량비로 20ppm 이상 100ppm 미만 함유하는 것을 특징으로 하는 소결체가 개시되어 있다. InGaZnO4로 표시되는 호몰로거스 결정 구조를 갖는 소결체에 중량비로 20ppm 이상 100ppm 미만의 지르코늄을 함유시킴으로써, 소결체의 상대 밀도를 95％ 이상으로 높이고, 항절 강도를 100㎫ 이상으로 높일 수 있는 것, 또한 이 소결체를 사용하여 스퍼터링법에 의해 얻어진 IGZO막은 지르코늄을 첨가하지 않는 것에 비해 우수한 투과율을 나타내는 것이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2(일본 특허 공개 제2015-024944호 공보)에는, 적어도 In, Ga 및 Zn을 함유하는 산화물 소결체이며, InGaZnO4로 표시되는 호몰로거스 결정 구조를 갖고, 산화물 소결체의 결정 입경이 5㎛ 이하, 또한 상대 밀도가 95％ 이상이고, 또한 산화물 소결체의 항절 강도가 100㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 산화물 소결체가 개시되어 있다. 소결체의 결정 입경, 상대 밀도, 및 항절 강도를 일정한 값으로 제어함으로써, 양산 장치에서 요구되는 대형 사이즈의 타깃 제조에 있어서의 수율을 개선시킴과 함께, 높은 파워를 투입 가능한 원통형 스퍼터링 타깃으로서 사용한 경우에 있어서도, 스퍼터링 시의 깨짐 발생을 개선시키는 효과가 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 3(일본 특허 공개 제2007-223849호 공보)에는, GaInMxOy(M은 플러스 2가 이상의 금속 원소, x는 정수로 1 내지 3, y는 정수로 4 내지 8)의 식으로 표시되고, 소결체 밀도가 상대 밀도로 95％ 이상이고, Ga2O3의 절연상이 존재하지 않고, 평균 결정 입경이 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 산화갈륨계 소결체가 개시되어 있다. 당해 산화갈륨계 소결체를 사용하면, DC 스퍼터링 중에 있어서, 스퍼터링 타깃에 크랙 및 노듈이 발생하는 것이 억제되고, 또한 이상 방전의 발생도 적기 때문에, 고품질의 투명 박막을, 효율적으로, 저렴하게, 에너지 절약으로 성막하는 것이 가능해진다.
IGZO 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타깃은 결정 입경을 일정 이하, 또한 상대 밀도를 일정 이상이 되도록, 원료 분말 입도, 최고 소결 온도, 유지 시간, 소결 분위기 등을 제어함으로써 얻어진다. IGZO 소결체는 통상, 원료인 In2O3, ZnO, Ga2O3 분말을 비즈 밀 분쇄하여 미립화함으로써, 조직을 치밀하게 하고, 소결체 밀도를 향상시킬 수 있지만, 비즈 밀 분쇄에는 통상 지르코니아 비즈가 사용되고, 이 지르코니아 비즈가 비즈 밀 분쇄 공정 중에 마모되고, 불가피적 불순물로서 원료 분말에 혼입되어 버리는 경우가 있다. 불순물의 혼입(콘타미네이션)은 스퍼터 시의 아킹에 의한 파티클 증가나 IGZO막의 투과율 저하, TFT 소자의 이동도 저하를 일으킬 우려가 있다.
특허문헌 1에 관한 발명은, InGaZnO4로 표시되는 호몰로거스 결정 구조를 갖는 IGZO 소결체에 중량비로 20ppm 이상 100ppm 미만의 지르코늄을 함유시킴으로써, 밀도 및 항절 강도가 높고, 스퍼터링 타깃에 사용된 경우에 있어서도 깨짐이 적은 IGZO 소결체를 얻고자 하고 있지만, 소결체의 상대 밀도 및 강도를 얻기 위해, 불순물로서 지르코니아(Zr)를 굳이 첨가하고 있기 때문에, 스퍼터링 시의 아킹이나 파티클이 발생할 것으로 예상된다. Zr의 함유량을 낮게 하면, 이번에는 상대 밀도 및 강도의 효과가 없어진다.
또한, 특허문헌 1에 관한 발명은, 지르코니아 비즈를 사용하여 습식 비즈 밀로 분산 처리를 행했기 때문에, 전술한 바와 같이, 지르코니아 비즈가 불가피적 불순물로서 원료 분말에 혼입되는 것으로 생각된다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 완성된 것이고, 일 실시 형태에 있어서, 스퍼터링 시의 아킹이나 파티클 증가 등을 억제하면서, 상대 밀도가 높은 IGZO 스퍼터링 타깃을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, IGZO 스퍼터링 타깃의 원료 분말의 분쇄 방법을 연구함으로써, Zr의 혼입을 억제하면서, 상대 밀도가 높은 IGZO 스퍼터링 타깃이 얻어지는 것을 발견하였다. 본 발명은 당해 지견에 기초하여 완성된 것이며, 이하에 예시된다.
[1]
인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 및 산소(O)를 함유하고, 잔부가 불가피적 불순물로 구성되고, Zr을 20질량ppm 미만으로 함유하고, 상대 밀도가 95％ 이상인 IGZO 스퍼터링 타깃.
[2]
상대 밀도가 98％ 이상인, [1]에 기재된 IGZO 스퍼터링 타깃.
[3]
벌크 저항이 100mΩ·㎝ 이하인, [1] 또는 [2]에 기재된 IGZO 스퍼터링 타깃.
[4]
평균 결정 입경이 30㎛ 이하인, [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 IGZO 스퍼터링 타깃.
[5]
평균 결정 입경이 12㎛ 이하인, [4]에 기재된 IGZO 스퍼터링 타깃.
[6]
항절 강도가 100㎫ 이상인, [1] 내지 [5] 중 어느 한 항에 기재된 IGZO 스퍼터링 타깃.
[7]
원반 형상, 직사각형 판 형상, 또는 원통 형상인, [1] 내지 [6] 중 어느 한 항에 기재된 IGZO 스퍼터링 타깃.
본 발명에 따르면, 스퍼터링 시의 아킹이나 파티클 증가 등을 억제하면서, 상대 밀도가 높은 IGZO 스퍼터링 타깃을 제공할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 당업자의 통상의 지식에 기초하여, 적절히 설계의 변경, 개량 등이 가해질 수 있는 것을 이해해야 한다.
(1. 조성)
본 발명에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃은 일 실시 형태에 있어서, 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 및 산소(O)를 함유하고, 잔부가 불가피적 불순물로 구성되고, 또한 Zr을 20질량ppm 미만으로 함유한다.
불가피적 불순물이란, 원료 중에 존재하거나, 제조 공정에서 불가피하게 혼입되거나 하는 것으로, 본래는 불필요한 것이지만, 미량이고, 제품의 특성에 큰 악영향을 미치지 않으므로, 허용되고 있는 불순물이다. 본 발명에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃에 있어서는, 원재료의 In2O3 분말, Ga2O3 분말, ZnO 분말에 포함되는 불가피적 불순물, 분쇄 공정에서 혼입되는 불가피적 불순물, 성형 보조제에 포함되는 불가피적 불순물이 대표적인 불가피적 불순물로서 예로 들 수 있다. 본 발명에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃에 있어서, 불가피적 불순물의 합계 농도는 예를 들어 100질량ppm 이하로 할 수 있고, 바람직하게는 50질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 바람직하게는 30질량ppm 이하로 할 수 있다. 불가피적 불순물의 합계 농도의 하한은 특별히 제한은 없지만, 제조 비용의 관점에서, 예를 들어 10질량ppm 이상으로 할 수 있고, 전형적으로는 30질량ppm 이상이다. IGZO 스퍼터링 타깃 중의 불가피적 불순물의 합계 농도가 낮음으로써, 이를 스퍼터함으로써 얻어지는 IGZO막의 성상(도전성, 투명성 등)이 악영향을 받는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 본 명세서에 있어서, 불가피적 불순물의 합계 농도는, Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Y, Nb, Mo, Cd, Sb, Ba, Hf, W, Pb, Bi의 합계 농도를 의미한다. Zr은 불가피적 불순물로서 볼 수도 있지만, 본 발명에 있어서 Zr의 농도가 특별히 제어되어 있으므로, 편의상 단독으로 논하고 있다.
본 발명에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃에 있어서, Zr 농도는 예를 들어 20질량ppm 미만으로 할 수 있고, 바람직하게는 19질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 바람직하게는 18질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 17질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 16질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 15질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 14질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 13질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 12질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 11질량ppm 이하로 할 수 있고, 보다 더 바람직하게는 10질량ppm 이하로 할 수 있다. Zr 농도를 낮게 제어함으로써, 스퍼터링 시의 아킹이나 파티클 증가 등을 억제할 수 있다.
Zr 농도에 하한은 설정되지 않지만, 완전히 Zr을 배제하기 위한 비용과의 균형으로부터, 일반적으로는 1질량ppm 이상이고, 전형적으로는 5질량ppm 이상이다.
Zr의 농도는 고주파 유도 결합 플라스마 발광 분석법(ICP-OES)에 의해 측정되고, 스퍼터링 타깃 부재의 일부를 시료로 하여 전처리를 한 측정 용액을 사용하여 각 금속 원소의 분석을 행한다. 다른 불가피적 불순물의 농도는 글로우 방전 질량 분석법(GDMS)에 의해 측정되고, 고순도의 Ta를 측정 시료와 함께 방전시키는 Ta 전극법에 의해 각종 원소의 분석을 행한다.
(2. 상대 밀도)
스퍼터링 타깃의 상대 밀도는 스퍼터링 시의 아킹 발생 및 파티클의 발생에 영향을 미치는 점에서, 높은 쪽이 바람직하다. 스퍼터링 타깃에 깨짐이나 균열이 발생하는 것을 억제하는 관점에서도 스퍼터링 타깃의 상대 밀도는 높은 쪽이 바람직하다. 본 발명에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃은 일 실시 형태에 있어서, 상대 밀도가 95％ 이상이다. 상대 밀도는 바람직하게는 98％ 이상이고, 보다 바람직하게는 99％ 이상이고, 보다 더 바람직하게는 99.5％ 이상이고, 보다 더 바람직하게는 99.6％ 이상이다. 상대 밀도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 제조 비용과의 균형으로부터, 예를 들어 99.99％ 이하로 할 수 있고, 99.9％ 이하로 할 수도 있다.
본 발명에 있어서 「상대 밀도」는, 상대 밀도=(측정 밀도/이론 밀도)×100(％)으로 표시된다. 이론 밀도란, 소결체의 각 구성 원소에 있어서, 산소를 제외한 원소의 산화물의 이론 밀도로부터 산출되는 밀도의 값이다. 본 발명에 있어서의 IGZO 스퍼터링 타깃이면, 각 구성 원소인 In, Ga, Zn, O 중, O를 제외한 원소의 산화물로서, 산화인듐(In2O3), 산화갈륨(Ga2O3), 산화아연(ZnO)을 이론 밀도의 산출에 사용한다. IGZO 스퍼터링 타깃의 In, Ga, Zn의 원소 분석값(at％, 또는 질량％)으로부터, 산화인듐(In2O3), 산화갈륨(Ga2O3), 산화아연(ZnO)의 질량비로 환산한다. 각 산화물의 밀도는 In2O3: 7.18g/㎤, Ga2O3: 5.88g/㎤, ZnO: 5.61g/㎤를 사용한다. 한편, 측정 밀도란, 중량을 체적으로 나눈 값이다. 소결체의 경우는, 아르키메데스법에 의해 체적을 구하여 산출한다.
(3. 벌크 저항)
안정된 DC 스퍼터링을 가능하게 하기 위해, IGZO 스퍼터링 타깃의 벌크 저항이 충분히 낮은 것이 바람직하다. 본 발명의 IGZO 스퍼터링 타깃은, 일 실시 형태에 있어서, 벌크 저항이 100mΩ·㎝ 이하이다. 이에 의해, 안정된 DC 스퍼터링이 가능해져, 스퍼터 중의 이상 방전을 억제할 수 있다. 이 관점에서, IGZO 스퍼터링 타깃의 벌크 저항은 80mΩ·㎝ 이하인 것이 바람직하고, 60mΩ·㎝ 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서, 벌크 저항은 4탐침법에 의해, IGZO 스퍼터링 타깃으로부터 서로 이격된 3개소에서 채취한 샘플의 각 측정 결과의 합을, 측정 개소수로 나누어 평균값으로서 구한다.
(4. 평균 결정 입경)
본 발명의 IGZO 스퍼터링 타깃은 평균 결정 입경이 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 결정 입경을 상기 수치 범위 내로 함으로써 기계적 강도를 높일 수 있다. 이 관점에서, IGZO 스퍼터링 타깃의 평균 결정 입경은 20㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 15㎛ 이하인 것이 보다 더 바람직하고, 12㎛ 이하인 것이 보다 더 바람직하고, 10㎛ 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
평균 결정 입경의 측정 방법은 이하와 같다. IGZO 스퍼터링 타깃을 FE-SEM을 사용하여 관찰하고, 결정 입경을 측정하여 평균값을 산출한다. 당해 평균 결정 입경의 측정법으로서 코드법을 사용한다. 코드법은 SEM 화상 상에서 임의의 방향으로 입계로부터 입계까지 직선을 긋고, 이 선이 하나의 입자를 가로지르는 길이의 평균을 평균 결정 입경으로 하는 것이다. SEM 화상 상에, 임의의 직선(입계로부터 입계까지)을 긋고, 입계와의 교점의 수를 세어서, 다음의 (식 1)로 계산한다.
평균 결정 입경=직선의 길이/교점의 수
(식 1)
구체적으로는, 2000배의 배율로 6시야의 SEM 화상에 임의의 길이의 서로 평행한 선을 1시야에 대해서 3개 긋고, 그 선의 합계 길이와 입계의 교점의 총 수의 평균으로부터 산출하여, 평균 결정 입경으로 한다.
샘플은 경면 연마를 실시한다. SEM 화상은 FE-SEM(니혼 덴시 가부시키가이샤제)에 의해 촬영한다. 또한, 샘플 채취 장소에 대해서는 소결체의 중앙부의 10㎜×10㎜×두께의 사이즈로 잘라낸다. 그리고, 샘플의 크기를 세로(Y㎜)×가로(X㎜)×두께(Z㎜)로 했을 때, 세로와 가로의 각각 1/2의 위치를 기준으로 하여 이하의 개소를 측정한다.
·Y/4㎜축과 X/4, X/2, 3X/4㎜축의 교점으로부터 2개소, Y/2㎜축과 X/4, X/2, 3X/4㎜축의 교점으로부터 2개소, 3Y/4㎜축과 X/4, X/2, 3X/4㎜축의 교점으로부터 2개소를 선택한다.
(5. 항절 강도)
본 발명의 IGZO 스퍼터링 타깃은 항절 강도가 100㎫ 이상인 것이 바람직하다. 항절 강도를 100㎫ 이상으로 함으로써, 스퍼터링 중에 스퍼터링 타깃에 깨짐이 발생하는 현상을 억제할 수 있다. 이 관점에서, IGZO 스퍼터링 타깃의 항절 강도는 120㎫ 이상인 것이 보다 바람직하고, 140㎫ 이상인 것이 보다 더 바람직하다.
항절 강도는 JIS R1601:2008에 준거하여 3점 굽힘 시험으로 측정한다. 구체적으로는, 시료 전체 길이: 40㎜±0.1㎜, 폭: 4㎜±0.1㎜, 두께: 3㎜±0.1㎜, 지점간 거리: 30㎜±0.1㎜, 크로스 헤드 스피드: 0.5㎜/min으로 한다.
(6. 제조 방법)
이하에, 본 발명에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃의 적합한 제법을 예시적으로 설명한다.
[1] 분말
In, Ga, Zn을 각각 포함하는 분말을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, In 화합물의 분말, Ga 화합물의 분말, Zn 화합물의 분말을 사용할 수 있다. 혹은 이들 원소의 조합을 포함하는 분말을 사용해도 된다. In 화합물의 분말의 예로서는, 산화인듐(In2O3), 수산화인듐 등을 들 수 있다. Ga 화합물의 분말의 예로서는, 산화갈륨(Ga2O3), 질산갈륨 등을 들 수 있다. Zn 화합물의 분말의 예로서는, 산화아연(ZnO), 수산화아연 등을 들 수 있다. 배합량에 대해서는, 원하는 In, Ga, Zn의 원자비를 실현할 수 있는 양이면 된다.
[2] 미분쇄 및 혼합
다음에, 이들의 원료 분말을 미분쇄하여 혼합한다. 원료 분말의 미분쇄·혼합 처리는, 건식법 또는 습식법을 사용할 수 있다. 건식법에는 지르코니아, 알루미나, 나일론 수지 등의 볼이나 비즈를 사용한 건식법을 예로 들 수 있다. 한편, 습식법에는, 상기의 볼이나 비즈를 사용한 미디어 교반형 밀을 예로 들 수 있다. 또한, 습식법에는 미디어리스의 용기 회전식, 기계 교반식, 기류식의 습식법을 예로 들 수 있다. 여기서, 일반적으로 습식법은 건식법에 비해 미분쇄 및 혼합 능력이 우수하다. 따라서, 습식법을 사용하여 미분쇄·혼합을 행하는 것이 바람직하다.
단, IGZO 스퍼터링 타깃에 포함되는 Zr의 양을 20질량ppm 미만으로 하기 위해서는, 적어도 Ga 화합물의 분말, 바람직하게는 모든 원료 분말을 미디어리스나 건식 분쇄 장치로 분쇄한다. 미디어리스인 건식 분쇄 장치로서, 예를 들어 압축 공기식 건식 분쇄 장치나 과열 증기식 건식 분쇄 장치 등을 들 수 있다. 미디어리스인 건식 분쇄 장치를 사용함으로써, 지르코니아 비즈의 사용을 회피할 수 있고, 따라서, 지르코니아 비즈의 마모에 의한 혼입을 방지할 수 있으므로, IGZO 스퍼터링 타깃에 포함되는 Zr의 양을 저감할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 과열 증기식 건식 분쇄 장치란, 과열 증기를 사용함으로써, 압축 공기와 비교하여 높은 충돌 에너지를 만들어 낼 수 있을 뿐만 아니라, 지르코니아 비즈의 혼입을 방지할 수 있는 건식 분쇄 장치이다.
분쇄 후의 입자의 사이즈에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 원료 분말을 미세화함으로써 고밀도인 소결체가 얻어져, 높은 전기 전도율이나 스퍼터 시의 노듈 억제가 가능하므로, 작은 사이즈가 바람직하다. 따라서, 분쇄 후, 원료 분말의 레이저 회절·산란법에 의해 구한 체적 기준의 메디안 직경(D50)으로서는, 바람직하게는 1.0㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이하이다. 또한, 분쇄가 불충분하면, 제조한 타깃 중에 각 성분이 편석되어, 고저항율 영역과 저저항율 영역이 존재하게 된다. 이에 의해, 스퍼터 성막 시에 고저항율 영역에서의 대전 등에 의한 아킹 등의 이상 방전의 원인이 되어 버린다. 따라서, 충분한 혼합과 분쇄가 필요하다.
[3] 조립
습식법을 사용하여 혼합을 행하는 경우, 상기의 공정에서 얻어진 혼합분 슬러리에 성형 보조제를 첨가한 후에, 스프레이 드라이어를 사용하여 조립분을 제작한다. 조립에 의해 분체의 유동성을 향상시킴으로써, 다음 공정의 프레스 성형 시에 분체를 균일하게 금형에 충전하고, 균질한 성형체를 얻을 수 있다. 조립에는 다양한 방식이 있지만, 스프레이 드라이어를 사용하는 방법이 바람직하다. 이 방법은 슬러리를 열풍 중에 액적으로서 분산시켜, 순간적으로 건조시키는 방법이고, 구상의 조립분을 연속적으로 얻을 수 있다. 조립분은 레이저 회절·산란법에 의해 구한 체적 기준의 메디안 직경(D50)이 바람직하게는 35 내지 65㎛, 보다 바람직하게는 40 내지 60㎛, 보다 더 바람직하게는 45 내지 55㎛이다.
성형 보조제의 첨가 비율은 혼합분 슬러리 1kg당 50 내지 250cc로 하는 것이 적당하다. 성형 보조제의 첨가 비율은 충분한 성형체 강도를 얻기 위해, 혼합분 슬러리 1kg당 100cc 이상인 것이 바람직하고, 120cc 이상인 것이 보다 바람직하다. 성형 보조제의 첨가 비율은 성형 보조제가 소결을 저해하고, 소결체의 저밀도화를 일으키므로, 혼합분 슬러리 1kg당 175cc 이하인 것이 바람직하고, 150cc 이하인 것이 보다 바람직하다.
[4] 성형
다음에, 혼합 분말을 금형에 충전하고, 면압 400 내지 1000kgf/㎠, 1 내지 3분 유지의 조건에서 1축 프레스하여, 성형체를 얻는다. 면압 400kgf/㎠ 미만이면 충분한 밀도의 성형체를 얻을 수 없다. 또한, 1000kgf/㎠ 초과의 면압은 생산상 특별히 필요로 하지 않는다. 즉, 과도한 면압을 가해도 성형체의 밀도는 어느 일정한 값 이상은 향상되기 어려워진다. 또한, 1000kgf/㎠ 초과의 면압을 행하면, 1축 프레스에서는 원리적으로 성형체 내에 밀도 분포가 발생하기 쉬워, 소결 시의 변형이나 깨짐의 원인이 된다.
다음에, 이 성형체를 비닐로 2중으로 진공팩하고, 압력 1500 내지 4000kgf/㎠, 1 내지 3분 유지의 조건에서 CIP(냉간 등방압 가압법)를 실시한다. 압력 1500kgf/㎠ 미만이면, 충분한 CIP의 효과를 얻을 수 없다. 한편 4000kgf/㎠ 초과의 압력을 가해도, 성형체의 밀도는 어느 일정한 값 이상은 향상되기 어려워진다. 따라서, 4000kgf/㎠ 초과의 면압은 생산상 특별히 필요로 하지 않는다. 성형체의 사이즈에 대해서는, 특별히 규정되지 않지만, 두께가 너무 크면, 상대 밀도가 높은 소결체를 얻는 것이 곤란해진다. 따라서, 소결체의 두께가, 15㎜ 이하가 되도록, 성형체의 두께를 조절하는 것이 바람직하다.
[5] 소결
다음에, 성형체를 온도 1300 내지 1500℃(바람직하게는 1350 내지 1450℃), 5 내지 24시간(바람직하게는, 10시간 내지 22시간, 더욱 바람직하게는 15 내지 21시간), 대기 분위기 또는 산소 분위기에서 소결을 행하고, 소결체를 얻을 수 있다. 소결 온도가 1300℃보다도 낮으면 충분한 밀도의 소결체를 얻을 수 없다. 또한, 결정상 InGaZnO4를 충분히 얻을 수 없다. 소결 온도가 1500℃ 초과이면 소결체 중의 결정립의 사이즈가 너무 커져서, 소결체의 기계적 강도를 저하시킬 우려가 있다. 또한 시간이 5시간 미만이면 충분한 밀도의 소결체를 얻을 수 없고, 시간이 24시간보다 길면, 생산 비용의 관점에서 바람직하지 않다.
소결 공정에서의 승온 속도는 1 내지 10℃/분으로 하는 것이 바람직하다. 이것은 승온 속도가 너무 느리면 치밀화가 충분히 진행되기 전에 입성장하여 고밀도화되지 않기 때문이다. 또한, 소결 공정에서의 승온 속도는 3 내지 8℃/분으로 하는 것이 바람직하고, 4 내지 6℃/분으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 소결 공정에서의 강온 속도는 20℃/분 이하로 하는 것이 바람직하고, 10℃/분 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이것은 강온 속도가 너무 빠르면 열 충격에 의해 소결체가 파손될 우려가 있기 때문이다.
또한, 성형·소결 공정에서는, 상술한 방법 이외에도, HP(핫 프레스)나 HIP(열간 등방압 가압법)를 사용할 수 있다.
[6] 연삭
상기 공정에 의해 얻어진 소결체는, 필요에 따라서 평면 연삭기, 원통 연삭기, 머시닝 등의 가공기로 원하는 형상으로 가공함으로써, IGZO 스퍼터링 타깃으로 마무리할 수 있다. IGZO 스퍼터링 타깃의 형상에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 원반 형상, 직사각형 판 형상, 또는 원통 형상으로 할 수 있다. IGZO 스퍼터링 타깃은 단독으로 사용해도 되고, 적절히 백킹 플레이트에 접합하여 사용할 수 있다. 백킹 플레이트와의 접합 방법으로서는, 예를 들어, 구리제의 백킹 플레이트에, 인듐계 합금 등을 본딩 메탈로 하여, 접합하는 방법을 들 수 있다.
이상의 공정을 거쳐서, 본 발명이 목적으로 하는 IGZO 스퍼터링 타깃을 얻을 수 있다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예에 기초하여 설명한다. 또한, 본 실시예는 어디까지나 일례이고, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
In2O3 분말, Ga2O3 분말, ZnO 분말을, 소결체의 조성비가 In, Ga 및 Zn의 원자비로 대략 1:1:1이 되도록 칭량한 후, 표 1에 나타내는 조건에 의해, 이들 원료 분말을 미분쇄·혼합하였다. 그 후, 혼합 원료 분말을 순수 중에 분산시켜서 고형분 45 내지 50질량％가 되도록 슬러리를 제작하고, 스프레이 드라이어(오카와라 카코우키사제, 장치명: FOC-25E)로 건조·조립하여, 혼합 분말을 얻었다. 다음에, 이 혼합 분말을 면압 400 내지 1000kgf/㎠로 1축 프레스하여, 직경 280㎜의 원반 형상 성형체를 얻었다. 다음에 얻어진 성형체를 표 1에 나타내는 조건에서 소결하였다.
원료 분말을 미분쇄·혼합하기 위한 방법으로서, 표 1에 나타내는 바와 같이, 습식 비즈 밀 또는 과열 증기식 건식 분쇄 장치를 채용하였다. 각각의 조건은 이하와 같다.
(습식 비즈 밀의 조건)
원료 분말을 준비하고, 순수 중에 분산시켜서 고형분 45질량％가 되도록 슬러리를 제작하였다(비교예 1에 대해서는 Ga2O3분만). 다음에, 분쇄 매체를 ZrO2 비즈로 한 비즈 밀(아시자와·파인 테크사제, 장치명: LMZ)에 투입하고, 혼합분의 메디안 직경(D50)이 시험 번호에 따라서 표 1에 기재된 값이 될 때까지 분쇄를 실시하고, 각 시험 번호에 관한 혼합분 슬러리를 얻었다.
(과열 증기식 건식 분쇄 장치의 조건)
Ga2O3분을 준비하고, 분쇄 증기 압력 3.8㎫, 분급기 속도 7000rpm, 분쇄 증기 온도 250 내지 340℃에서, Ga2O3분의 메디안 직경(D50)이 시험 번호에 따라서 표 1에 기재된 값이 될 때까지 분쇄를 실시하고, Ga2O3 분쇄분을 얻었다.
(메디안 직경(D50))
또한, 분쇄 후의 각 원료 분말에 대해서, 레이저 회절·산란법 입도 측정 장치(호리바 세이사쿠쇼사제, 장치명: LA-960)를 사용하여 체적 기준에 의한 입도의 누적 분포를 측정하여, 메디안 직경(D50)을 구하였다. 분산제로서 알코졸을 사용하고, 굴절률을 1.9로 하여 측정하였다. 분쇄 방법으로서 「없음」으로 표시되는 예에 관해서는, 원료 분말의 메디안 직경(D50)을 직접 나타내고 있다. 분쇄 방법으로서 「습식 비즈 밀」로 표시되는 예에 관해서는, 미분쇄·혼합 후의 In2O3, ZnO, Ga2O3의 혼합분 슬러리의 메디안 직경(D50)을 측정하였다. 분쇄 방법으로서 「습식 비즈 밀(주)」로 표시되는 예에 관해서는, 「습식 비즈 밀」과 비교하여 분쇄 시간을 절반으로 하고, 미분쇄·혼합 후의 In2O3, ZnO의 혼합분 슬러리의 메디안 직경(D50)을 측정하였다. 또한, 각 실시예 및 비교예에 있어서, Ga2O3분은 모두 메디안 직경(D50)이 2.17㎛인 것을 사용하였다.
(상대 밀도)
상기에서 얻어진 각 시험 번호에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃의 측정 밀도를 아르키메데스법에 의해 구하고, 상술한 방법에 따라, 상대 밀도=실측 밀도/이론 밀도×100(％)에 의해 상대 밀도를 구하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(평균 결정 입경)
상기에서 얻어진 각 시험 번호에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃의 평균 결정 입경을 상술한 방법에 따라서 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(벌크 저항)
상기에서 얻어진 각 시험 번호에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃의 벌크 저항을 상술한 방법에 따라서 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(항절 강도)
실시예 7에 대해서, 상기에서 얻어진 각 시험 번호에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃의 항절 강도를 상술한 방법에 따라서 측정하였다. 결과로서 실시예 7의 항절 강도는 160.9㎫였다.
(Zr 함유량)
상기에서 얻어진 각 시험 번호에 관한 IGZO 스퍼터링 타깃 중의 Zr 농도를, 고주파 유도 결합 플라스마 발광 분석법(ICP-OES)에 의해, 상술한 조건에서 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 표 중, 「<」란, 검출 한계 미만인 것을 가리킨다.
(고찰)
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 실시예에 있어서, Ga2O3분을 습식 비즈 밀이 아니라, 과열 증기식 건식 분쇄 장치로 분쇄함으로써, Zr의 혼입을 억제할 수 있어, 결과로서 얻어진 IGZO 스퍼터링 타깃의 Zr 함유량은 20질량ppm 미만으로 되었다. 또한, 각 실시예의 IGZO 스퍼터링 타깃은 상대 밀도가 95％ 이상이고, 벌크 저항이 100mΩ·㎝ 이하이고, 평균 결정 입경이 30㎛ 이하였다.
한편, Ga2O3분을 습식 비즈 밀로 분쇄하면, 최종적으로 얻어진 IGZO 스퍼터링 타깃의 Zr 함유량이 크게 증가하였다(비교예 1). Ga2O3분을 전혀 분쇄하지 않고 IGZO 스퍼터링 타깃을 제작하는 경우, Zr의 혼입을 방지할 수는 있었지만, 원료 분말의 입도가 높았기 때문에, 상대 밀도를 95％ 이상으로 할 수 없었다(비교예 2 내지 5).
Claims (7)
- 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 및 산소(O)를 함유하고, 잔부가 불가피적 불순물로 구성되고, Zr을 20질량ppm 미만으로 함유하고, 상대 밀도가 95％ 이상인 IGZO 스퍼터링 타깃.
- 제1항에 있어서,
상대 밀도가 98％ 이상인, IGZO 스퍼터링 타깃. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
벌크 저항이 100mΩ·㎝ 이하인, IGZO 스퍼터링 타깃. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
평균 결정 입경이 30㎛ 이하인, IGZO 스퍼터링 타깃. - 제4항에 있어서,
평균 결정 입경이 12㎛ 이하인, IGZO 스퍼터링 타깃. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
항절 강도가 100㎫ 이상인, IGZO 스퍼터링 타깃. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
원반 형상, 직사각형 판 형상, 또는 원통 형상인, IGZO 스퍼터링 타깃.
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