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JP5545448B2 - Sputtering target - Google Patents
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Description

従来、フラットパネルディスプレイ(液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイなど)や、太陽電池などに透明導電膜として用いられるZnO系薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットに関する。   Conventionally, the present invention relates to a sputtering target for forming a ZnO-based thin film used as a transparent conductive film in flat panel displays (liquid crystal displays, plasma displays, organic EL displays, etc.) and solar cells.

フラットパネルディスプレイ用の透明導電膜としては、通常、抵抗率が低いITO(In+SnO)が用いられる。しかし、最近は大型液晶テレビ等の急速な普及によりIn資源の枯渇、価格の高騰の問題が生じ、ITOに代わり、より安価で資源が豊富なZnO系透明導電膜の検討が活発になされている。また、銅、インジウム、ガリウム、セレンからなるCIGS薄膜などを用いた薄膜系の太陽電池でも、電極層や窓層にZnO系の透明導電膜が用いられており、今後の普及に伴い、さらに多く利用されることが予想される。
薄膜形成法のうち、スパッタリング法は均一に安定して大面積の基板に成膜が可能である。特に抵抗が低く、直流(DC)スパッタが可能なZnO系ターゲットは、量産に適している。そのスパッタリング用の代表的なZnO系ターゲットとして、これまでに、以下の文献に示すようなターゲットが開示されている。
As a transparent conductive film for a flat panel display, ITO (In 2 O 3 + SnO 2 ) having a low resistivity is usually used. However, recently, the rapid spread of large-sized liquid crystal televisions and the like has caused problems such as depletion of In resources and price increases, and studies are underway on ZnO-based transparent conductive films that are less expensive and have more resources instead of ITO. . In addition, thin film solar cells using CIGS thin films made of copper, indium, gallium, selenium, etc., use ZnO-based transparent conductive films for electrode layers and window layers. Expected to be used.
Of the thin film forming methods, the sputtering method can form a film on a large-area substrate stably and stably. In particular, a ZnO-based target having a low resistance and capable of direct current (DC) sputtering is suitable for mass production. As typical ZnO-based targets for sputtering, targets as shown in the following documents have been disclosed so far.

例えば、特許文献1、2は、ZnOにそれぞれAl、Gaをドープした高密度のAZO(ZnO+Al)、GZO(ZnO+Ga)ターゲットに関するものである。これらは、ターゲット自体のバルク抵抗が低く導電性を持つので、DCスパッタも可能で、比較的低抵抗な透明導電膜を安定して形成することができる。
しかしながら、これらのターゲットを用いて形成した従来のZnO系透明導電膜は、ITOと比較すると抵抗率が高く、特に膜厚が薄い場合に抵抗率が高いという問題がある。
ZnO系薄膜で前記のような抵抗率が高くなるという問題が発生するのは、ZnO系薄膜の成膜プロセスにおいて、薄膜中のAlやGaの酸化が進行しやすくキャリア電子が減少すること、および膜の成長初期の結晶性が悪く移動度が低くなることが原因と考えられている。前記薄膜中のAlやGaの酸化の進行をできるだけ抑えるために、例えば、特許文献3に示すように、還元したZnO系ターゲットを用いる方法がある。
For example, Patent Documents 1 and 2 relate to high-density AZO (ZnO + Al 2 O 3 ) and GZO (ZnO + Ga 2 O 3 ) targets obtained by doping ZnO with Al and Ga, respectively. Since these have low bulk resistance of the target itself and conductivity, DC sputtering is possible, and a relatively low resistance transparent conductive film can be stably formed.
However, the conventional ZnO-based transparent conductive film formed using these targets has a problem that the resistivity is higher than that of ITO, particularly when the film thickness is thin.
The problem that the resistivity becomes high in the ZnO-based thin film occurs because in the film-forming process of the ZnO-based thin film, oxidation of Al and Ga in the thin film easily proceeds, and carrier electrons decrease. This is considered to be caused by poor crystallinity at the initial stage of film growth and low mobility. In order to suppress the progress of oxidation of Al and Ga in the thin film as much as possible, there is a method using a reduced ZnO-based target as shown in Patent Document 3, for example.

しかしながら、前記還元したZnO系ターゲットを用いる方法によっても酸化進行の抑制は十分ではなく、その方法で作製されたZnO系薄膜は、膜厚が300nm程度であれば4×10−4Ω・cm程度まで抵抗率は下がるものの、それでもまだITOよりは抵抗率が大きく、また膜厚がより薄い場合には、殆ど還元による効果は見られず抵抗率の高い膜となる。
そこで、さらにZnO系薄膜中のAlやGaの酸化を抑制するために、例えば、特許文献4、5に示すように、Zn等の金属粉をZnO焼結体の中に分散させたターゲットも作られている。
しかしながら、特許文献4に記載のものは、そのターゲットを用いて形成した膜の抵抗率が1×10−3Ω・cm以上の高い値であり抵抗率が十分低いものではない。
However, even the method using the reduced ZnO-based target does not sufficiently suppress the progress of oxidation, and the ZnO-based thin film produced by the method has a thickness of about 4 × 10 −4 Ω · cm when the thickness is about 300 nm. However, when the resistivity is still higher than that of ITO and the film thickness is thinner, the effect of reduction is hardly seen and the film has a high resistivity.
Therefore, in order to further suppress the oxidation of Al and Ga in the ZnO-based thin film, for example, as shown in Patent Documents 4 and 5, a target in which metal powder such as Zn is dispersed in a ZnO sintered body is also made. It has been.
However, what is described in Patent Document 4 has a high resistivity of 1 × 10 −3 Ω · cm or more because the resistivity of the film formed using the target is not sufficiently low.

また、特許文献5に示すように、AlTiの合金粉をZnO焼結体の中に分散させたターゲットも作られている。
このターゲットは、AlTi合金(Ti:約10質量%以下)がZnO母体の中に完全には酸化されずに合金相が残った状態で焼結されたターゲットであり、これを用いてスパッタを行うと、比較的低抵抗なZnO系薄膜が得られる。しかしながら、焼結温度は1000℃程度であるため、Al−Ti合金状態図より、Tiが10質量%以下の場合、1000℃に温度を上げるとAl−Ti合金の液相とAlTiの固相とが共存するので、焼結中にAl−Ti合金が焼結体表面に融出し、焼結体表面の凹凸化や内部の空隙化が起こる。また、焼結中に溶融したAl−Ti合金の酸化が進み、ターゲットの抵抗が十分下がらなくなることもある。そのため、そのターゲットを用いてスパッタを行うと、異常放電が起きやすくなったり、また、大きなパワーをかけると割れが発生したりすることもある。
In addition, as shown in Patent Document 5, a target in which AlTi alloy powder is dispersed in a ZnO sintered body has also been made.
This target is a target in which an AlTi alloy (Ti: about 10% by mass or less) is sintered in a state where the alloy phase remains without being completely oxidized in the ZnO matrix, and sputtering is performed using this target. A ZnO-based thin film having a relatively low resistance can be obtained. However, since the sintering temperature is about 1000 ° C., from the Al—Ti alloy phase diagram, when Ti is 10% by mass or less, when the temperature is increased to 1000 ° C., the liquid phase of the Al—Ti alloy and the solid phase of Al 3 Ti are increased. Since the phases coexist, the Al—Ti alloy melts on the surface of the sintered body during the sintering, and the surface of the sintered body becomes uneven and voids are formed inside. Moreover, the oxidation of the Al—Ti alloy melted during sintering proceeds, and the resistance of the target may not be sufficiently lowered. Therefore, when sputtering is performed using the target, abnormal discharge is likely to occur, and cracks may occur when a large amount of power is applied.

以上のように、従来のZnO系ターゲットを用いたスパッタリング法では、抵抗率が低い膜、特に膜厚が薄い場合(200nm以下)に抵抗率が低い膜をDCスパッタで安定して得るのが難しく、膜厚が200nm以下の薄い膜厚であっても低い抵抗率のZnO系透明導電膜を安定したDCスパッタで得ることができるZnO系ターゲットが求められている。   As described above, with a sputtering method using a conventional ZnO-based target, it is difficult to stably obtain a film with low resistivity, particularly when the film thickness is thin (200 nm or less) by DC sputtering. There is a need for a ZnO-based target capable of obtaining a low resistivity ZnO-based transparent conductive film by stable DC sputtering even when the film thickness is as thin as 200 nm or less.

特開平7−258836号公報JP-A-7-258836 特開平6−25838号公報JP-A-6-25838 特開平10−297963号公報JP-A-10-297963 特開2007−31786号公報JP 2007-31786 A 特開2009−263709号公報JP 2009-263709 A

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、薄い膜厚(200nm以下)で抵抗率が低いZnO系薄膜を、安定したDCスパッタで得られるZnO系ターゲット、その製造方法およびそれを用いて形成される抵抗率の低いZnO系透明導電膜を提供することである。   Therefore, a technical problem to be solved by the present invention, that is, an object of the present invention is to provide a ZnO-based target obtained by stable DC sputtering with a thin film thickness (200 nm or less) and a low resistivity, and its A manufacturing method and a ZnO-based transparent conductive film having a low resistivity formed by using the manufacturing method.

まず、本請求項1に係る発明は、Znを含む酸化物相と、AlおよびTiからなる金属間化合物相とからなり、前記酸化物相中に前記金属間化合物相が分散していることを特徴とするスパッタリングターゲットにより、前記課題を解決したものである。
First, the invention according to the claims 1, and oxide phase containing Zn, consists intermetallic compound phase consisting of Al and Ti, said intermetallic compound phase in the oxide phase is dispersed The above-described problems are solved by the sputtering target.

そして、本請求項2に係る発明は、請求項1に係るスパッタリングターゲットにおいて、前記金属間化合物相は、平均粒径50μm以下の微結晶粒として、前記酸化物相中に分散していることを特徴とすることにより、前記課題をさらに解決したものである。   The invention according to claim 2 is the sputtering target according to claim 1, wherein the intermetallic compound phase is dispersed in the oxide phase as fine crystal grains having an average particle size of 50 μm or less. The feature further solves the above problem.

本請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に係るスパッタリングターゲットにおいて、前記金属間化合物相は、前記酸化物相中に一様に分散していることを特徴とすることにより、前記課題をさらに解決したものである。   The invention according to claim 3 is characterized in that, in the sputtering target according to claim 1 or claim 2, the intermetallic compound phase is uniformly dispersed in the oxide phase. The above-described problems are further solved.

本請求項4に係る発明は、請求項1ないし請求項3のいずれかに係るスパッタリングターゲットにおいて、該スパッタリングターゲット中の金属間化合物相の含有量が、0.1質量%以上6質量%以下であることを特徴とすることにより、前記課題をさらに解決したものである。   The invention according to claim 4 is the sputtering target according to any one of claims 1 to 3, wherein the content of the intermetallic compound phase in the sputtering target is 0.1 mass% or more and 6 mass% or less. The above-described problem is further solved by being characterized.

本請求項5に係る発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、ZnOを含む酸化物粉末と、AlTiからなる金属間化合物粉末とを混合して混合粉末を得る混合工程と、前記混合工程で得られた混合粉末を焼結してスパッタリングターゲットを得る焼結工程と、を備えることを特徴とすることにより、前記課題を解決したものである。
According to the claim 5 the invention is a method of manufacturing a sputtering target according to any one of claims 1 to 4, the oxide powder and the intermetallic compound powder comprising Al 3 Ti mixed containing ZnO The problem is solved by comprising a mixing step of obtaining a mixed powder and a sintering step of obtaining a sputtering target by sintering the mixed powder obtained in the mixing step. .

また、本請求項6に係る発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに係る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形成されたZnO系透明導電膜であって、膜厚が200nm以下で抵抗率が6×10−4Ω・cm以下であることを特徴とすることにより、前記課題を解決したものである。 The invention according to claim 6 is a ZnO-based transparent conductive film formed by a sputtering method using the sputtering target according to any one of claims 1 to 4, wherein the film thickness is 200 nm or less and the resistance is The problem is solved by having a rate of 6 × 10 −4 Ω · cm or less.

本発明のスパッタリングターゲットの製造方法によれば、ZnOを含む酸化物粉末と、融点の高い(1300℃以上)AlTiからなる金属間化合物粉末とを原料としている。これにより、従来はAl−Ti合金の融出を避けるために実施ができなかった、高温(1300℃程度)で長時間の焼成が可能となり、表面が滑らかで、空隙がなく高密度なスパッタリングターゲットが得られる。このようなスパッタターゲットは、異常放電や割れが発生しにくい。
According to the manufacturing method of the sputtering target of the present invention, and an oxide powder containing ZnO, a high melting point (1300 ° C. or higher) and intermetallic compound powder comprising Al 3 Ti as a raw material. This makes it possible to sinter for a long time at a high temperature (about 1300 ° C.), which could not be carried out in order to avoid melting of the Al—Ti alloy, and has a smooth surface, no voids, and a high density sputtering target. Is obtained. Such a sputter target is unlikely to cause abnormal discharge or cracking.

また、本発明のスパッタリングターゲットは、Alを金属間化合物の状態で含有しているので、成膜中にAlが酸化しにくい。これにより、本発明のスパッタリングターゲットを用いて形成されたZnO系薄膜では、Alからより多くのキャリア電子が発生し、十分に低い抵抗率が得られる。   Moreover, since the sputtering target of the present invention contains Al in the state of an intermetallic compound, Al is hardly oxidized during film formation. Thereby, in the ZnO-based thin film formed using the sputtering target of the present invention, more carrier electrons are generated from Al, and a sufficiently low resistivity is obtained.

以上の結果から、本発明のスパッタリングターゲットによれば、スパッタ中の異常放電が減少し、また、大きなパワーをかけても割れにくくなる。さらに、本発明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で形成したZnO系薄膜は抵抗率が低い。   From the above results, according to the sputtering target of the present invention, abnormal discharge during sputtering is reduced, and it is difficult to break even when a large power is applied. Furthermore, a ZnO-based thin film formed by sputtering using the sputtering target of the present invention has a low resistivity.

本発明のターゲットの一部を粉末に粉砕し、XRD測定を行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having pulverized a part of target of this invention into powder, and having performed the XRD measurement. 本発明のスパッタリングターゲットの断面組織を、EPMA電子線マイクロプローブアナライザにて測定した結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having measured the cross-sectional structure | tissue of the sputtering target of this invention with the EPMA electron beam microprobe analyzer.

以下、本発明のスパッタリングターゲット、スパッタリングターゲットの製造方法およびこれを用いて製造したZnO系透明導電膜について、例を挙げて具体的に説明する。ただし、本発明は本実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the sputtering target of this invention, the manufacturing method of a sputtering target, and the ZnO type transparent conductive film manufactured using this are given and demonstrated concretely. However, the present invention is not limited to this embodiment.

本実施形態のスパッタリングターゲットは、Znを含む酸化物相と、AlおよびTiからなる金属間化合物相とからなり、酸化物相中に前記金属間化合物相が分散してい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、Alを金属間化合物の状態で含有しているので、成膜中にAlが酸化しにくい。これにより、本実施形態のスパッタリングターゲットを用いて形成されたZnO系薄膜では、Alからより多くのキャリア電子が発生し、十分に低い抵抗率が得られる。
Sputtering target of the present embodiment, the oxide phase containing Zn, consists intermetallic compound phase consisting of Al and Ti, the intermetallic compound phase in the oxide phase, characterized in that the dispersed.
Since such a sputtering target contains Al in the state of an intermetallic compound, Al is hardly oxidized during film formation. Thereby, in the ZnO-based thin film formed using the sputtering target of this embodiment, more carrier electrons are generated from Al, and a sufficiently low resistivity is obtained.

本実施形態のスパッタリングターゲットにおいて、金属間化合物相は、平均粒径50μm以下の微結晶粒として、酸化物相中に分散していることが好ましい。
ここで、金属間化合物相の平均粒径が50μmを超えていると、異常放電が起きやすくなるため好ましくない。なお、金属間化合物相の平均粒径は、より好ましくは1μm以下である。
In the sputtering target of this embodiment, the intermetallic compound phase is preferably dispersed in the oxide phase as fine crystal grains having an average particle size of 50 μm or less.
Here, when the average particle size of the intermetallic compound phase exceeds 50 μm, abnormal discharge is likely to occur, which is not preferable. The average particle size of the intermetallic compound phase is more preferably 1 μm or less.

本実施形態のスパッタリングターゲットにおいて、金属間化合物相は、酸化物相中に一様に分散していることが好ましい。
金属間化合物相は、酸化物相中に一様に分散することにより、スパッタ膜の場所による組成むらがなくなり、かつ、ターゲットが次第に掘れてスパッタされる部位が内部に移行しても膜の組成がずれないというすぐれた効果が得られる。酸化物相中に金属間化合物相が一様に分散した組織の例として、EPMA電子線マイクロプローブアナライザにて測定した本実施形態のスパッタリングターゲットの断面組織を、図2に示す。
このターゲットの組織観察は、観察面(被スパッタ面に対し平行な面)を研磨して鏡面とした後、高分解能のFE−EPMA(フィールドエミッション型電子線プローブマイクロアナライザ、日本電子製JXA−8500F、以下EPMA)にて、二次電子像および反射電子像(COMPO像)、および各元素の組成分布を示す元素分布像を用いて実施した。上記二次電子像およびCOMPO像と、元素分布像を図2に示す。
なお、EPMAによる元素分布像は、本来カラー像であるが、白黒像に変換して記載しているため、濃淡の淡い部分(比較的白い部分)が所定元素の濃度が高い部分となっている。
これら画像から、酸化物相中に金属間化合物相が一様に分散していることがわかる。
In the sputtering target of this embodiment, it is preferable that the intermetallic compound phase is uniformly dispersed in the oxide phase.
Even if the intermetallic compound phase is uniformly dispersed in the oxide phase, there is no uneven composition due to the location of the sputtered film, and the composition of the film even if the target is gradually dug and the sputtered part moves inside The excellent effect of not shifting is obtained. As an example of the structure in which the intermetallic compound phase is uniformly dispersed in the oxide phase, FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the sputtering target of this embodiment measured with an EPMA electron beam microprobe analyzer.
The target structure is observed by polishing the observation surface (surface parallel to the surface to be sputtered) to a mirror surface, and then using a high-resolution FE-EPMA (field emission electron probe microanalyzer, JEOL JXA-8500F). , Hereinafter referred to as EPMA), using a secondary electron image, a reflected electron image (COMPO image), and an element distribution image showing the composition distribution of each element. The secondary electron image, the COMPO image, and the element distribution image are shown in FIG.
The element distribution image by EPMA is originally a color image, but is described after being converted into a black and white image, and thus a light and dark portion (relatively white portion) is a portion where the concentration of the predetermined element is high. .
From these images, it can be seen that the intermetallic compound phase is uniformly dispersed in the oxide phase.

本実施形態のスパッタリングターゲットにおいて、金属間化合物相の含有量は、0.1質量%以上6質量%以下であることが好ましい。
ここで、AlTi金属間化合物の下限の値が0.1質量%となっているのは、それ未満であると不純物ドーピングの効果がなくなりキャリア濃度が減少して、スパッタリングターゲット、および、そのスパッタリングターゲットを用いて形成した膜のいずれの抵抗値も高くなるためである。また、上限の値が6質量%となっているのは、これを超えると不純物のドーピング量が多くなり、そのスパッタリングターゲットを用いて形成した膜の結晶性が悪くなって移動度が減少し、抵抗値が高くなるためである。
In the sputtering target of this embodiment, the content of the intermetallic compound phase is preferably 0.1% by mass or more and 6% by mass or less.
Here, the lower limit value of the Al 3 Ti intermetallic compound is 0.1% by mass, and if it is less than that, the effect of impurity doping is lost, the carrier concentration decreases, and the sputtering target and its This is because any resistance value of the film formed using the sputtering target is increased. Further, the upper limit value is 6% by mass. If the upper limit is exceeded, the doping amount of impurities increases, the crystallinity of the film formed using the sputtering target deteriorates, and the mobility decreases. This is because the resistance value increases.

なお、本発明のスパッタリングターゲットは、亜鉛、アルミニウム、チタン、酸素からなる焼結体をターゲット材とするものであるが、本発明の効果を損なわない範囲で、原材料に含まれる不可避不純物や、ターゲット製造過程で混入する不可避不純物を含むものであっても良い。   In addition, although the sputtering target of this invention uses the sintered compact which consists of zinc, aluminum, titanium, and oxygen as a target material, in the range which does not impair the effect of this invention, the inevitable impurity contained in a raw material, a target It may contain inevitable impurities mixed in during the manufacturing process.

本実施形態のスパッタリングターゲットの製造方法は、ZnOを含む酸化物粉末と、AlTiを含む金属間化合物粉末とを混合して混合粉末を得る混合工程と、混合工程で得られた混合粉末を焼結してスパッタリングターゲットを得る焼結工程と、を備える。
酸化物粉末としては、例えば、平均粒径が5μm以下で純度が99%以上の酸化亜鉛粉末が好ましい。また、金属間化合物粉末としては、例えば、平均粒径が50μm以下で純度が95%以上のAlTi粉末が好ましい。平均粒径は、いずれの粉末もより好ましくは1μm以下である。
Method for producing the sputtering target of the present embodiment, an oxide powder containing ZnO, a mixing step of obtaining a mixed powder by mixing the intermetallic compound powder containing Al 3 Ti, the mixed powder obtained in the mixing step Sintering to obtain a sputtering target.
As the oxide powder, for example, a zinc oxide powder having an average particle diameter of 5 μm or less and a purity of 99% or more is preferable. Further, as the intermetallic compound powder, for example, an Al 3 Ti powder having an average particle diameter of 50 μm or less and a purity of 95% or more is preferable. The average particle diameter of each powder is more preferably 1 μm or less.

混合工程においては、金属間化合物粉末の含有量が、0.1質量%以上6質量%以下となるよう、各原料粉末を混合して混合粉末を作製することが好ましい。
ここで、AlTi金属間化合物の下限の値が0.1質量%となっているのは、それ未満であると不純物ドーピングの効果がなくなりキャリア濃度が減少して、スパッタリングターゲット、および、そのスパッタリングターゲットを用いて形成した膜のいずれの抵抗値も高くなるためである。また、上限の値が6質量%となっているのは、これを超えると不純物のドーピング量が多くなり、そのスパッタリングターゲットを用いて形成した膜の結晶性が悪くなって移動度が減少し、抵抗値が高くなるためである。
In the mixing step, it is preferable to prepare a mixed powder by mixing the raw material powders so that the content of the intermetallic compound powder is 0.1% by mass or more and 6% by mass or less.
Here, the lower limit value of the Al 3 Ti intermetallic compound is 0.1% by mass, and if it is less than that, the effect of impurity doping is lost, the carrier concentration decreases, and the sputtering target and its This is because any resistance value of the film formed using the sputtering target is increased. Further, the upper limit value is 6% by mass. If the upper limit is exceeded, the doping amount of impurities increases, the crystallinity of the film formed using the sputtering target deteriorates, and the mobility decreases. This is because the resistance value increases.

焼結工程では、例えば、常圧焼結法、ホットプレス法、通電プラズマ焼結法などを用いて混合粉末を焼結し、スパッタリングターゲットを作製する。
常圧焼結法で作製するのであれば、混合粉末を冷間静水圧プレスまたは一軸プレスにより所定の形状に成形する。次いで、得られた成形体を大気、窒素ガスなどの雰囲気中、800〜1300℃の温度で焼成し焼結体を得る。この焼結体を必要に応じて、整形・研磨した後、バッキングプレートにボンディングしてスパッタリングターゲットとする。
In the sintering step, for example, the mixed powder is sintered using a normal pressure sintering method, a hot press method, an energized plasma sintering method, and the like, and a sputtering target is produced.
If produced by the normal pressure sintering method, the mixed powder is formed into a predetermined shape by cold isostatic pressing or uniaxial pressing. Next, the obtained molded body is fired at a temperature of 800 to 1300 ° C. in an atmosphere such as air or nitrogen gas to obtain a sintered body. The sintered body is shaped and polished as necessary, and then bonded to a backing plate to obtain a sputtering target.

また、ホットプレス法で作製するのであれば、前記成形体に対し、1〜60MPa、より好ましくは5〜50MPaの加圧下で、800〜1300℃の温度で1時間以上保持することにより焼結体を作製する。得られた焼結体を必要に応じて、整形・研磨した後、バッキングプレートにボンディングしてスパッタリングターゲットとする。
一方、通電プラズマ焼結法により作製するのであれば、前記成形体に対し、例えば、10〜60MPaの加圧下で、2,000〜10,000A程度の直流パルス電流を印加し、昇温開始から焼結完了まで100分程度或いはそれ以内の短時間で高密度ZnO系酸化物焼結体を作製することができる。焼結時の温度は、原料の組成、原料粉の粒径および粒径分布、焼結体の大きさ、加圧力、印加電流量などを考慮して選択すればよいが、500〜1500℃程度であり、好ましくは800〜1300℃程度である。得られた焼結体を必要に応じて、研削等の機械加工を施した後、バッキングプレートにボンディングしてスパッタリングターゲットとする。
Moreover, if it produces by a hot press method, it is 1-60 MPa with respect to the said molded object, More preferably, it is a sintered compact by hold | maintaining at the temperature of 800-1300 degreeC for 1 hour or more under the pressurization of 5-50 MPa. Is made. The obtained sintered body is shaped and polished as necessary, and then bonded to a backing plate to obtain a sputtering target.
On the other hand, if produced by an energized plasma sintering method, for example, a DC pulse current of about 2,000 to 10,000 A is applied to the molded body under a pressure of 10 to 60 MPa, and the temperature rise is started. A high-density ZnO-based oxide sintered body can be produced in a short time of about 100 minutes or less until the completion of sintering. The temperature at the time of sintering may be selected in consideration of the composition of the raw material, the particle size and particle size distribution of the raw material powder, the size of the sintered body, the applied pressure, the amount of applied current, etc., but about 500 to 1500 ° C. Preferably, it is about 800-1300 degreeC. The obtained sintered body is subjected to machining such as grinding as necessary, and then bonded to a backing plate to obtain a sputtering target.

本実施形態のZnO系透明導電膜は、上述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形成され、膜厚が200nm以下で抵抗率が6×10−4Ω・cm以下であることを特徴とする。
ここで、ZnO系透明導電膜の膜厚が200nmを超えると、透過率が減少するのと膜の形成に要する時間が長くなるため好ましくない。また、ZnO系透明導電膜の抵抗率が6×10−4Ω・cmを超えると、低抵抗の膜を得るためにより膜厚を厚くすることが必要となるため好ましくない。
The ZnO-based transparent conductive film of this embodiment is formed by a sputtering method using the above-described sputtering target, and has a film thickness of 200 nm or less and a resistivity of 6 × 10 −4 Ω · cm or less.
Here, if the film thickness of the ZnO-based transparent conductive film exceeds 200 nm, it is not preferable because the transmittance decreases and the time required for forming the film becomes long. Further, if the resistivity of the ZnO-based transparent conductive film exceeds 6 × 10 −4 Ω · cm, it is not preferable because it is necessary to increase the film thickness in order to obtain a low resistance film.

ZnO系透明導電膜の作製は、例えば、以下のようにして行う。前記ZnO系スパッタリングターゲットをスパッタリング装置内に設置し、真空排気する。良好な結晶からなる透明導電膜を得るため、基板温度は100℃以上とすることが好ましい。スパッタリングガスとしては、不活性ガスの例えば、Arを使用する。必要に応じて、酸化性ガスや還元性ガスを導入しても良い。
スパッタリング方式は、DCスパッタリング法、RFスパッタリング法、パルスDCスパッタリング法またはこれらを組み合わせた方法が使用可能であるが、DCスパッタリング法が最も好ましい。
The ZnO-based transparent conductive film is produced as follows, for example. The ZnO-based sputtering target is placed in a sputtering apparatus and evacuated. In order to obtain a transparent conductive film composed of good crystals, the substrate temperature is preferably 100 ° C. or higher. As the sputtering gas, an inert gas such as Ar is used. If necessary, an oxidizing gas or a reducing gas may be introduced.
As the sputtering method, a DC sputtering method, an RF sputtering method, a pulsed DC sputtering method, or a combination thereof can be used, but the DC sputtering method is most preferable.

(実施例1〜8)
原料粉末として、いずれも平均粒径が0.5μm以下で純度が99.9%以上の酸化亜鉛粉末、および平均粒径(マイクロトラック法で導出)が1μm以下で純度が99%以上のAlTi金属間化合物粉末を用意した。AlTi金属化合物粉末は、非汚染プラズマスカル溶解によりAlTi合金塊を溶製し皮削りした後、超急冷遠心噴霧法により作製した。
これらの原料粉末を表1に示す配合組成になるよう配合し、ホットプレス法および通電プラズマ焼結法により焼結体を作製した。
(Examples 1-8)
As raw material powders, zinc oxide powder having an average particle size of 0.5 μm or less and a purity of 99.9% or more, and Al 3 having an average particle size (derived by the microtrack method) of 1 μm or less and a purity of 99% or more Ti intermetallic compound powder was prepared. The Al 3 Ti metal compound powder was prepared by melting an Al 3 Ti alloy lump by non-contaminating plasma skull melting and shaving it, and then performing ultra-cooled centrifugal spraying.
These raw material powders were blended so as to have the blending composition shown in Table 1, and sintered bodies were produced by a hot press method and an energized plasma sintering method.

ホットプレス法では、以下のようにして作製した。所定量の原料粉末をポットに入れ、乾式ボールミルにより24時間混合し、混合粉末を作製した。この混合粉末をホットプレス機用のグラファイト製で円筒形のモールドに入れ、プレス圧30MPa、1000℃で3時間加熱し、焼結体とした。得られた焼結体を研削して、直径101.4mm、厚さ6mmの寸法を有するタ−ゲットを作製した。そのタ−ゲットの焼結密度を体積と重量の測定から求めた。また、その抵抗率については、抵抗率測定機を用いて四探針法により5か所以上の体積抵抗率の測定を行い、平均値を算出した。その結果を表1に示す(請求項5)。
また、ターゲットの一部を粉末に粉砕し、XRD測定を行った結果、図1に示すように、ZnOおよびAlTiに由来する回折ピークがそれぞれ確認でき、Al、TiがZnO中に固溶していないことを確認した。
In the hot press method, it was produced as follows. A predetermined amount of the raw material powder was put in a pot and mixed for 24 hours by a dry ball mill to prepare a mixed powder. This mixed powder was put into a graphite mold for a hot press machine and heated at a press pressure of 30 MPa and 1000 ° C. for 3 hours to obtain a sintered body. The obtained sintered body was ground to produce a target having a diameter of 101.4 mm and a thickness of 6 mm. The sintered density of the target was determined from volume and weight measurements. Moreover, about the resistivity, the volume resistivity of five places or more was measured with the four-probe method using the resistivity measuring machine, and the average value was computed. The results are shown in Table 1 (Claim 5).
Moreover, as a result of pulverizing a part of the target into powder and performing XRD measurement, as shown in FIG. 1, diffraction peaks derived from ZnO and Al 3 Ti can be confirmed, respectively, and Al and Ti are dissolved in ZnO. I confirmed that I did not.

XRD測定の条件は下記の通りである。
試料の準備:試料はSiC−Paper(grit 180)にて湿式研磨、乾燥の後、測定試料とした。
装置:理学電気社製(RINT−Ultima/PC)
管球:Cu
管電圧:40kV
管電流:40mA
走査範囲(2θ):10°〜90°
スリットサイズ:発散(DS)0.5度、散乱(SS)0.5度、受光(RS)0.15mm
測定ステップ幅:2θで002度
スキャンスピード:毎分2度
The conditions for XRD measurement are as follows.
Preparation of sample: The sample was wet-polished with SiC-Paper (grit 180) and dried, and then used as a measurement sample.
Equipment: Rigaku Electric (RINT-Ultima / PC)
Tube: Cu
Tube voltage: 40 kV
Tube current: 40 mA
Scanning range (2θ): 10 ° to 90 °
Slit size: Divergence (DS) 0.5 degree, Scattering (SS) 0.5 degree, Received light (RS) 0.15mm
Measurement step width: 002 degrees at 2θ Scan speed: 2 degrees per minute

次に、これら2相の分子重量組成比を回折線強度比についての検量線から算出した。すなわち、重量組成比が異なる幾つかのZnO粉とAlTi粉の混合粉末についてXRD測定を行ない、AlTi112ピークとZnO(101)ピークとの強度比をAlTiの重量組成比に対してプロットして検量線を作り、ターゲット粉末のXRD測定で得られた回折線強度比からAlTiとZnOとの重量組成比を求め、全体を1としてZnO、AlTiの重量組成比を算出した。その分子重量組成比を表1に合わせて示す。その結果、本発明のターゲット中の金属間化合物相の含有量は、0.1質量%以上6.0質量%以下であることが確認された(請求項4)。 Next, the molecular weight composition ratio of these two phases was calculated from the calibration curve for the diffraction line intensity ratio. That is, XRD measurement was performed on mixed powders of several ZnO powders and Al 3 Ti powders having different weight composition ratios, and the intensity ratio between the Al 3 Ti112 peak and the ZnO (101) peak was compared with the weight composition ratio of Al 3 Ti. creating a calibration curve by plotting Te, calculated on the weight composition ratio of Al 3 Ti and ZnO from the obtained diffraction line intensity ratio by XRD measurement of the target powder, ZnO as a whole 1, the Al 3 Ti composition ratio by weight of Calculated. The molecular weight composition ratio is shown together in Table 1. As a result, it was confirmed that the content of the intermetallic compound phase in the target of the present invention was 0.1% by mass or more and 6.0% by mass or less (claim 4).

また、それぞれのターゲットの一部を切り出してEPMAによる原子組成面分析、SEMによる組織観察、および平均粒径の算出を行なった。平均粒径は、切り出した試料面を鏡面に研磨し、過酸化水素水とアンモニア水からなるエッチング液にてエッチングしたのち、結晶粒界を判別することができる倍率:50〜1000倍の範囲内の光学顕微鏡にて顕微鏡写真を撮り、画像解析ソフト(Winroof)を用いて2値化処理して円相当径にてカウントすることにより求めた。その平均粒径を表1に示す。それらの結果より、AlTi金属間化合物が平均粒径50μm以下の微結晶粒として母体のZnO多結晶マトリックス中に一様に分散していることが確認された。すなわち、本発明のスパッタターゲットは、Znを含む酸化物相と、AlおよびTiからなる金属間化合物相とからなり、前記金属間化合物相が平均粒径50μm以下の微結晶粒として前記酸化物相中に一様に分散している(請求項1〜3)。 Further, a part of each target was cut out, and atomic composition surface analysis by EPMA, structure observation by SEM, and calculation of average particle diameter were performed. The average grain size is within a range of magnifications of 50 to 1000 times that the crystal grain boundary can be discriminated after the cut sample surface is polished to a mirror surface and etched with an etching solution consisting of hydrogen peroxide and ammonia water. A micrograph was taken with an optical microscope, and binarized using image analysis software (Winroof) and counted by equivalent circle diameter. The average particle size is shown in Table 1. From these results, it was confirmed that the Al 3 Ti intermetallic compound was uniformly dispersed in the base ZnO polycrystalline matrix as fine crystal grains having an average particle size of 50 μm or less. That is, the sputtering target of the present invention, the oxide phase containing Zn, consists intermetallic compound phase consisting of Al and Ti, the intermetallic compound phase the oxide phase as the following fine crystal grains with an average grain diameter of 50μm It is uniformly dispersed therein (claims 1 to 3).

通電プラズマ焼結法では以下のようにして作製を行なった。装置は、通電プラズマ焼結装置を用いた。モールドは、グラファイト製で内径101.4mmの円筒形のものを用いた。このモールド内に、上記で得られた出発原料粉末を均一に入れ、上下にAl粉を敷き詰め、35MPaの圧力を印加し、焼結チャンバー内を10Paまで脱気した。次いで、モールドに約1000〜6000Aの直流パルス電流を印加することにより、原料周辺を昇温速度約40℃/分で1000℃の所定の温度に加熱した。この状態を15分間保持した後、電流印加および加圧印加を止め、生成した焼結体を室温まで冷却し、焼結チャンバー内を大気圧に戻し、焼結生成物を取り出した。得られた焼結生成物は、いずれも直径約101.4mm、厚さ6.5mmの円盤状であった。次いで、各焼結生成物の上下両面に存在するAl層を研磨により除去して、目的とする円盤状焼結体を得た。その焼結体の焼結密度を体積と重量の測定から求めた。また、その体積抵抗率について抵抗率測定機を用いて四探針法により5か所以上の体積抵抗率の測定を行い、平均値を算出した。その結果を表1に示す(請求項5)。 In the energization plasma sintering method, production was performed as follows. As the apparatus, an energized plasma sintering apparatus was used. The mold was made of graphite and had a cylindrical shape with an inner diameter of 101.4 mm. The starting raw material powder obtained above was put uniformly in this mold, Al 2 O 3 powder was spread on the top and bottom, a pressure of 35 MPa was applied, and the inside of the sintering chamber was deaerated to 10 Pa. Next, by applying a DC pulse current of about 1000 to 6000 A to the mold, the periphery of the raw material was heated to a predetermined temperature of 1000 ° C. at a rate of temperature increase of about 40 ° C./min. After maintaining this state for 15 minutes, the application of current and pressure was stopped, the formed sintered body was cooled to room temperature, the inside of the sintering chamber was returned to atmospheric pressure, and the sintered product was taken out. All of the obtained sintered products had a disk shape with a diameter of about 101.4 mm and a thickness of 6.5 mm. Next, the Al 2 O 3 layers present on the upper and lower surfaces of each sintered product were removed by polishing to obtain a target disk-shaped sintered body. The sintered density of the sintered body was determined from the measurement of volume and weight. Further, the volume resistivity was measured at five or more locations by a four-probe method using a resistivity measuring machine, and an average value was calculated. The results are shown in Table 1 (Claim 5).

また、ターゲットの一部を粉末に粉砕し、上記のホットプレス法で作製したターゲットと同様に、XRDの検量線法でZnO、AlTiの分子重量組成比を求めた。その結果を表1に示す。表1に示すように、本発明のターゲット中の金属間化合物相の含有量は、0.1質量%以上6.0質量%以下であることがわかる(請求項4)。
また、上記のホットプレス法で作製したターゲットと同様に、それぞれのターゲットの一部を切り出してEPMAによる原子組成面分析、SEMによる組織観察、および平均粒径の算出(表1に記載)を行なった。その結果、AlTi金属間化合物が平均粒径50μm以下の微結晶粒として母体のZnO多結晶マトリックス中に一様に分散していることが確認された(請求項1〜3)。
Further, a part of the target was pulverized into a powder, and the molecular weight composition ratio of ZnO and Al 3 Ti was determined by the XRD calibration curve method in the same manner as the target prepared by the hot press method. The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, it can be seen that the content of the intermetallic compound phase in the target of the present invention is 0.1 mass% or more and 6.0 mass% or less (claim 4).
Similarly to the targets prepared by the above hot press method, a part of each target was cut out and subjected to atomic composition surface analysis by EPMA, structure observation by SEM, and calculation of average particle diameter (described in Table 1). It was. As a result, it was confirmed that the Al 3 Ti intermetallic compound was uniformly dispersed in the base ZnO polycrystalline matrix as fine crystal grains having an average particle diameter of 50 μm or less (claims 1 to 3).

次に、上記の2つの燒結方法で得られた焼結体をインジウム半田を用いて無酸素銅製のバッキングプレートにボンディングし、そのターゲットを用いて、DCマグネトロンスパッタリング法により以下に示す条件で、薄膜を形成した。   Next, the sintered body obtained by the above two sintering methods is bonded to a backing plate made of oxygen-free copper using indium solder, and the target is used to form a thin film under the conditions shown below by the DC magnetron sputtering method. Formed.

(スパッタリング成膜条件)
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、垂直成分)
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:200W
膜厚:200nm
使用基板:無アルカリガラス(コーニング社製#1737ガラス)
(Sputtering film formation conditions)
Equipment: DC magnetron sputtering equipment Magnetic field strength: 1000 Gauss (directly above the target, vertical component)
Substrate temperature: 200 ° C
Ultimate vacuum: 5 × 10 −5 Pa
Sputtering gas: Ar
Sputtering gas pressure: 0.5 Pa
DC power: 200W
Film thickness: 200nm
Substrate used: alkali-free glass (Corning # 1737 glass)

スパッタリング中に発生した異常放電の回数は、DC電源に備わっているアーキングカウンターにより計測した。また、スパッタ終了後にターゲット表面を観察し、ひび割れがないかどうかを確認した。得られた薄膜の抵抗率は4探針法で測定した。それらの結果を表2に示す。   The number of abnormal discharges that occurred during sputtering was measured with an arcing counter equipped with a DC power source. Further, the surface of the target was observed after the sputtering, and it was confirmed whether there was any crack. The resistivity of the obtained thin film was measured by a 4-probe method. The results are shown in Table 2.

(比較例1〜4)
比較例として、いずれも平均粒径が0.5μm以下で純度が99.9%以上の酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末、アルミニウム金属粉末、アルミチタン合金粉末(96質量%Al−4質量%Ti)を用意して、表1に示す割合になるよう配合し、ホットプレス法により実施例1〜4と同様にしてZnO系ターゲットを作製した。比較例4では酸化亜鉛粉末のみでZnOターゲットを作製した。それらの成分組成、密度、抵抗率、平均粒径を実施例と同様にして求めた。その結果を表1に示す。添加物がアルミニウム金属およびアルミチタン合金の燒結体では、Alの全部または一部が酸化されて酸化アルミニウム(Al)のXRDピークが検出されたので、重量組成比を求める際、各添加物とZnOについての検量線、およびAlとZnOについての検量線の2つを用いて、重量組成比を求めた。表でその他となっているのはAlを示す。また、実施例と同様にしてスパッタリング法により薄膜を形成し、異常放電の回数、ターゲットのひび割れ、抵抗率を求めた。それらの結果を表2に示す。
(Comparative Examples 1-4)
As comparative examples, zinc oxide powder, aluminum oxide powder, aluminum metal powder, aluminum titanium alloy powder (96 mass% Al-4 mass% Ti) having an average particle diameter of 0.5 μm or less and a purity of 99.9% or more are used. Were prepared and blended so as to have the ratio shown in Table 1, and a ZnO-based target was produced in the same manner as in Examples 1 to 4 by a hot press method. In Comparative Example 4, a ZnO target was produced using only zinc oxide powder. Their component composition, density, resistivity, and average particle diameter were determined in the same manner as in the examples. The results are shown in Table 1. When the additive was a sintered body of aluminum metal and aluminum titanium alloy, all or part of Al was oxidized and the XRD peak of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was detected. The weight composition ratio was determined using two calibration curves for the product and ZnO and two calibration curves for Al 2 O 3 and ZnO. Others in the table indicate Al 2 O 3 . Further, a thin film was formed by the sputtering method in the same manner as in the Examples, and the number of abnormal discharges, target cracks, and resistivity were determined. The results are shown in Table 2.

Figure 0005545448
Figure 0005545448

Figure 0005545448
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表1、2に示される結果から、本発明のターゲットはいずれも抵抗率が1.0×10−3Ω・cm以下でDCスパッタリングが可能である。また、本発明のターゲットを用いてスパッタリングを行うと、比較例のターゲットを用いた場合よりも異常放電が減少し、ひび割れも発生せず、安定してスパッタリングを行うことができる。さらに、本発明のAlTiの重量組成比が0.1質量%以上6質量%以下であるターゲット(実施例1〜8)(請求項4)を用いて形成された透明導電膜は、比較例のターゲットを用いて形成された透明導電膜と比べて抵抗率が低いことがわかる。その抵抗率は、膜厚が200nmと薄くても6.0×10−4Ω・cm以下と低くなることがわかる(請求項6)。
以上のとおり、本発明のZnO系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AZO薄膜を形成すると、異常放電が減少し、ターゲットの割れもなく、低抵抗の透明導電膜を形成できることがわかった。
From the results shown in Tables 1 and 2, all of the targets of the present invention have a resistivity of 1.0 × 10 −3 Ω · cm or less and can be subjected to DC sputtering. Further, when sputtering is performed using the target of the present invention, abnormal discharge is reduced as compared with the case of using the target of the comparative example, cracks are not generated, and sputtering can be performed stably. Furthermore, Al 3 weight composition ratio of Ti is less than 6 wt% 0.1 wt% target (Examples 1-8) a transparent conductive film formed using a fourth aspect of the present invention, compared It turns out that a resistivity is low compared with the transparent conductive film formed using the target of an example. It can be seen that the resistivity is as low as 6.0 × 10 −4 Ω · cm or less even when the film thickness is as thin as 200 nm (Claim 6).
As described above, it has been found that when an AZO thin film is formed by a sputtering method using the ZnO-based sputtering target of the present invention, abnormal discharge is reduced and a low-resistance transparent conductive film can be formed without cracking of the target.

本発明のスパッタリングターゲットを使用して形成した透明導電膜は、薄い膜厚(200nm以下)で抵抗率が低く、フラットパネルディスプレイ、太陽電池などに好適に使用できるため、産業上の利用可能性がきわめて大きい。   The transparent conductive film formed using the sputtering target of the present invention has a thin film thickness (200 nm or less) and a low resistivity, and can be suitably used for flat panel displays, solar cells, etc. Very big.

Claims (6)

Znを含む酸化物相と、AlおよびTiからなる金属間化合物相とからなり
前記酸化物相中に前記金属間化合物相が分散していることを特徴とするスパッタリングターゲット。
And oxide phase containing Zn, it consists intermetallic compound phase consisting of Al and Ti,
The sputtering target, wherein the intermetallic compound phase is dispersed in the oxide phase.
前記金属間化合物相は、平均粒径50μm以下の微結晶粒として、前記酸化物相中に分散していることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリングターゲット。   The sputtering target according to claim 1, wherein the intermetallic compound phase is dispersed in the oxide phase as fine crystal grains having an average particle diameter of 50 μm or less. 前記金属間化合物相は、前記酸化物相中に一様に分散していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパッタリングターゲット。   The sputtering target according to claim 1, wherein the intermetallic compound phase is uniformly dispersed in the oxide phase. 該スパッタリングターゲット中の金属間化合物相の含有量が、0.1質量%以上6質量%以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のスパッタリングターゲット。   4. The sputtering target according to claim 1, wherein the content of the intermetallic compound phase in the sputtering target is 0.1% by mass or more and 6% by mass or less. ZnOを含む酸化物粉末と、AlTiからなる金属間化合物粉末とを混合して混合粉末を得る混合工程と、
前記混合工程で得られた混合粉末を焼結してスパッタリングターゲットを得る焼結工程と、
を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
A mixing step of mixing an oxide powder containing ZnO and an intermetallic compound powder made of Al 3 Ti to obtain a mixed powder;
A sintering step of obtaining a sputtering target by sintering the mixed powder obtained in the mixing step;
The method of manufacturing a sputtering target according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
請求項1ないし請求項4のいずれか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法により形成され、膜厚が200nm以下で抵抗率が6×10−4Ω・cm以下であることを特徴とするZnO系透明導電膜。
A ZnO formed by a sputtering method using the sputtering target according to any one of claims 1 to 4, having a film thickness of 200 nm or less and a resistivity of 6 × 10 -4 Ω · cm or less. Based transparent conductive film.
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