JP5437919B2 - Itoスパッタリングターゲットおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ITOスパッタリングターゲットに関し、さらに詳しくは、SnO2の含有量が5質量%以下であっても、ボンディング時に割れが発生しにくいITOスパッタリングターゲットに関する。
ITO(Indium-Tin-Oxide)膜は高い透過性と電気伝導性を有することから、フラットパネルディスプレイの透明電極やタッチパネルなどに広く利用されている。透明電極用のITO膜は、通常SnO2換算で10質量%程度のSnを含有するが、タッチパネル用のITO膜としては、比較的高抵抗であることが要求されることから、Snの含有量がSnO2換算で3質量%前後のITO膜が使用されている。ITO膜は、一般にITOスパッタリングターゲットをスパッタリングすることにより形成される。ITOスパッタリングターゲットは一般にCu製のバッキングプレートにボンディングされて使用される。このため、タッチパネル用のITO膜を形成するときには、一般にSnの含有量がSnO2換算で3質量%程度であるITOスパッタリングターゲットをCu製の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が行われている。
しかし、Snの含有量が少ないITOスパッタリングターゲット、たとえばSnの含有量がSnO2換算で5質量%以下であるITOスパッタリングターゲットは脆く、割れやすいことが知られている。特に、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であるITOスパッタリングターゲットは、Cu製等のバッキングプレートにボンディングするときに割れを起こしやすいことが知られている。
ITOスパッタリングターゲットの割れを防止する技術としては、たとえば特開平9−125236号公報に、In、Oおよび0.1質量%以上のSnからなり、相対密度90%以上であって、残留応力xが−200≦x≦200MPaであるインジウム酸化物系焼結体が開示されている。この文献においては、焼結体に−200≦x≦200MPaの範囲からはずれるような大きな残留応力xがあると、焼結体に割れやクラックが生じるので好ましくないとされている。
特開平6−316760号公報には、1〜20重量%の酸化錫成分と、残部の酸化インジウム成分とからなる粉末を成形焼結したITO多孔質焼結体で、前記粉末を大気中にて1200〜1600℃で仮焼を行い、仮焼後の粉末をボールミル混合した後、造粒、成形し、900〜1100℃にて焼結して得られるITO多孔質焼結体が開示されている。特開平6−64959号公報には、焼結密度が90%以上100%以下、焼結粒径が1μm以上20μm以下、かつ(In0.6Sn0.4)23の量が10%以下であるITO焼結体が開示されている。 また特開平5−311428号公報には、焼結密度90%以上100%以下、焼結粒径1μm以上20μm以下である高密度ITO焼結体が開示されている。
しかし、これらいずれのITO焼結体においても、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下である場合においては、割れを十分に防止することはできず、特に、バッキングプレートにボンディングするときに生じる割れを防止することは困難であった。
特開平9−125236号公報 特開平6−316760号公報 特開平6−64959号公報 特開平5−311428号公報
本発明は、Snの含有量が少なくても割れが生じにくく、特にバッキングプレートにボンディングするときに割れが発生しにくいITOスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。
本発明者は、前記目的を達成するために鋭意研究した結果、ITOスパッタリングターゲットに特定の大きさの圧縮の残留応力を付与すると、Snの含有量を少なくしても割れが生じにくく、特にバッキングプレートにボンディングするときに割れが発生しにくくなることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち前記目的を達成する本発明は、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であるITOスパッタリングターゲットであって、残留応力が−650〜−200MPaであることを特徴とするITOスパッタリングターゲットである。
このITOスパッタリングターゲットの好ましい態様として、
Snの含有量がSnO2換算で4質量%以下であり、
Snの含有量がSnO2換算で1〜4質量%である。
また、前記ITOスパッタリングターゲットは、
熱膨張係数が2.386×10-5/℃以下である金属材料からなるバッキングプレートにボンディングされて使用されるITOスパッタリングターゲットである場合には、残留応力が−600〜−200MPaであることが好ましく、
熱膨張係数が2.386×10-5/℃より大きい金属材料からなるバッキングプレートにボンディングされて使用されるITOスパッタリングターゲットである場合には、残留応力が−650〜−250MPaであることが好ましい。
他の発明は、ITOスパッタリングターゲット製造用原料粉末を焼結炉内で1450〜1700℃の焼結温度で焼結し、得られたITO焼結体を、焼結炉内の温度を前記焼結温度から700〜900℃まで300℃/h以上の速度で降下させ、その後10〜100℃/hの速度で降下させることにより冷却することを特徴とする前記ITOスパッタリングターゲットの製造方法である。
本発明のITOスパッタリングターゲットは、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であっても割れにくく、Cu製のバッキングプレート等にボンディングするときであっても割れを生じにくい。本発明のITOスパッタリングターゲットの製造方法によれば、上記ITOスパッタリングターゲットを効率良く製造することができる。
本発明に係るITOスパッタリングターゲットは、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であり、残留応力が−650〜−200MPaであることを特徴とする。以下、本発明に係るITOスパッタリングターゲットを詳述する。
本発明に係るITOスパッタリングターゲットは、残留応力が−650〜−200MPaである。残留応力は、その数値が正のときに引張りの残留応力となり、負のときに圧縮の残留応力となる。したがって、本発明のITOスパッタリングターゲットは圧縮の残留応力を有する。
本発明において、残留応力は、一般的な残留応力の測定方法であるX線回折法を用いて測定した。具体的には、パナリティカル X'Pert PROを用いて、X線管球:Cuターゲット、回折角:2θ=30.6゜(In23(222))、測定法:ψ0側傾法、弾性定数:178GPa、ポアソン比:0.33の測定条件で測定した。
本発明のITOスパッタリングターゲットは、上記範囲の残留応力を有することにより、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であっても割れにくく、特にバッキングプレートにボンディングするときに割れを生じにくい。
これは次のような理由によると考えられる。バッキングプレートは通常Cu製である。スパッタリングターゲットとバッキングプレートとをボンディングするときには、スパッタリングターゲットおよびバッキングプレートを約200℃に加熱し、スパッタリングターゲットおよびバッキングプレートのそれぞれのボンディング面にボンディング剤を塗布し、それぞれのボンディング面を貼り合わせて両者を圧着する。その後、スパッタリングターゲットおよびバッキングプレートを冷却することによりボンディングが完了する。この冷却のときに、スパッタリングターゲットおよびバッキングプレートはともに収縮するが、バッキングプレートの材料であるCu等はITOよりも熱膨張係数が大きいので、バッキングプレートはスパッタリングターゲットよりも大きく収縮する。つまり、バッキングプレートより収縮率の小さいスパッタリングターゲットは、ボンディング面に平行な方向において、バッキングプレートが収縮した長さより短い長さしか収縮できない。このため、上記冷却により、スパッタリングターゲットは、その中央部が上側(バッキングプレートがある側の反対側)に持ち上がるように反り、パッタリングターゲットの上面(ボンディング面とは反対側の面)部に引張りの応力が生じることになる。ITOなどのセラミックスは一般に圧縮の力には強いが、引張りの力には弱い。このため、冷却時に加わる引張りの応力によりITOスパッタリングターゲットに割れが生じやすくなる。このとき本発明のITOスパッタリングターゲットであれば、前述のとおり圧縮の残留応力を有するので、冷却により引張りの応力が加わっても、本スパッタリングターゲットが有する圧縮の残留応力によってその引張りの応力が打ち消される結果、割れが生じにくい。
スパッタリングターゲットの残留応力が−200MPa以下である(スパッタリングターゲットの圧縮の残留応力が、−200MPaに相当する圧縮の残留応力以上である)と、上記の引張りの応力に対する十分な緩衝力が得られるので、スパッタリングターゲットの割れを十分に防止することができる。ただし、残留応力が−650MPaより小さい(スパッタリングターゲットの圧縮の残留応力が、−650MPaに相当する圧縮の残留応力より大きい)と、スパッタリングターゲットがその圧縮の残留応力に耐えられなくなり、焼成終了時や加工時などに割れが生じやすくなるので好ましくない。一方、スパッタリングターゲットの残留応力が−200MPaより大きい(スパッタリングターゲットの圧縮の残留応力が、−200MPaに相当する圧縮の残留応力より小さい)と、上記の引張りの応力に対する十分な緩衝力が得られないので、スパッタリングターゲットの割れを十分には防止できない。したがって、たとえば特開平9−125236号公報に記載された残留応力xが−200≦x≦200MPaである焼結体は、上記の引張りの応力を打ち消すだけの十分な圧縮の残留応力がないか、または逆に引張りの残留応力を有するので、バッキングプレートへのボンディング時に割れが生じやすい。
前述のとおり、ボンディング時のスパッタリングターゲットの割れは、スパッタリングターゲットとバッキングプレートとの熱膨張係数の差に起因して生じると考えられる。バッキングプレートの材料の種類により熱膨張係数は異なるので、バッキングプレートの材料の種類によりスパッタリングターゲットとバッキングプレートとの熱膨張係数の差も異なり、その熱膨張係数の差が大きいバッキングプレートの場合のほうが、スパッタリングターゲットは割れやすくなる。このため、ボンディング時のスパッタリングターゲットの割れを確実に防止するためには、バッキングプレートを形成する金属材料の熱膨張係数が大きいほどITOスパッタリングターゲットの残留応力を小さく(圧縮の残留応力を大きく)することが望ましい。
具体的には、バッキングプレートを形成する金属材料の熱膨張係数が2.386×10-5/℃より大きい場合には、このバッキングプレートにボンディングするITOスパッタリングターゲットの残留応力としては−650〜−250MPaであることが好ましく、より好ましくは−500〜−300MPaであり、最適値としては−400MPa前後である。したがって、たとえば、Al製のバッキングプレートを使用する場合には、ITOスパッタリングターゲットの残留応力は前記範囲内であることが好ましい。
一方、バッキングプレートを形成する金属材料の熱膨張係数が2.386×10-5/℃以下である場合には、このバッキングプレートにボンディングするITOスパッタリングターゲットの残留応力としては−600〜−200MPaであることが好ましく、より好ましくは−450〜−250MPaであり、最適値としては−350MPa前後である。したがって、たとえば、Cu、ステンレス鋼、Ni合金およびTi合金製のバッキングプレートを使用する場合には、ITOスパッタリングターゲットの残留応力は前記範囲内であることが好ましい。
なお、本発明において熱膨張係数の数値は化学大辞典(縮刷版、共立出版(株)(1984年))に準拠する。
本発明に係るITOスパッタリングターゲットは、SnをSnO2換算で0質量%を超えて5質量%以下含有し、好ましくは0質量%を超えて4質量%含有し、より好ましくは1〜4質量%含有する。Snの含有量がSnO2換算で5質量%を超えると、スパッタリングターゲットの強度が高くなり、ボンディングの冷却時にバッキングプレートから上述のような引張りの応力を受けても割れが生じにくいので、スパッタリングターゲットの残留応力を制御する必要性は小さい。Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であると、スパッタリングターゲットの強度が低く、前記引張りの応力を受けたときに割れが生じやすいので、スパッタリングターゲットの残留応力を制御する必要性が大きく、また残留応力を前記範囲内にすることにより十分な割れ防止が可能である。Snの含有量がSnO2換算で4質量%以下であると、特に前記引張りの応力を受けたときの割れが生じやすいので、スパッタリングターゲットの残留応力を制御する必要性が大きく、残留応力を前記範囲内にしたときの割れ防止効果が大きい。また、Snの含有量がSnO2換算で1〜4質量%であると、スパッタリングターゲットの残留応力を前記範囲にすることが容易であるので特に好ましい。
本発明に係るITOスパッタリングターゲットの形状および大きさとしては、特に制限はなく、いかなる形状および大きさのスパッタリングターゲットであっても、その残留応力が前記範囲内であれば、割れの発生を有効に防止できる。ただし、スパッタリングターゲットのボンディング面に平行な面の面積が大きいほど冷却時に反る力が大きくなり、引張りの応力が大きくなるので、スパッタリングターゲットが有する圧縮の残留応力は大きいほうが割れにくい。また、スパッタリングターゲットの厚みが小さいほど、冷却時に反りやすく、引張りの応力が大きくなるので、スパッタリングターゲットが有する圧縮の残留応力は大きいほうが割れにくい。したがって、スパッタリングターゲットのボンディング面に平行な面の面積が大きいほど、またはスパッタリングターゲットの厚みが小さいほど、スパッタリングターゲットの残留応力は前記範囲内で小さい(圧縮の残留応力が大きい)ほうが好ましい。
本発明に係るITOスパッタリングターゲットの相対密度としては、95%以上であることが好ましく、97%以上であることがより好ましい。相対密度が95%以上であると、割れが生じにくく、またスパッタ時にアーキングやパーティクルの発生を抑制でき、良好なスパッタリングが可能になる。
本発明に係るITOスパッタリングターゲットの製造方法には特に制限はないが、好適な製造方法として、ITO成形体を焼結した後、得られた焼結体を冷却するときに、焼結温度から一定の温度までは急冷し、その温度から室温まで徐冷する方法を挙げることができる。この方法においては、高温域において急冷を行うことによりスパッタリングターゲットに圧縮の残留応力を生じさせる。一方、低温域においては、冷却時にスパッタリングターゲットと外気との温度差が生じやすいので、高温域と同様に急冷を行うと、その温度差に起因して発生する熱応力によりスパッタリングターゲットに割れが生じやすいことから、割れを防止するために徐冷を行う。以下、この方法につき詳述する。
原料粉末であるIn23粉末とSnO2粉末とを、SnO2粉末の含有量が5質量%以下となるように混合して混合粉末を作製する。In23粉末のBET(Brunauer-Emmett-Teller)法で測定した比表面積は通常1〜40m2/gであり、SnO2粉末のBET法で測定した比表面積は通常1〜40m2/gである。混合粉末のBET法で測定した比表面積は通常1〜40m2/gである。
また、原料粉末としてIn23粉末およびSnO2粉末の替わりに、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であるITO粉末を用いてもよく、ITO粉末とIn23粉末、ITO粉末とSnO2粉末、またはITO粉末とIn23粉末とSnO2粉末とを、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下となるように混合して使用してもよい。
混合方法には特に制限はなく、例えばポットに入れて、ボールミル混合により行うことができる。
混合粉末は、そのまま成形して成形体とし、これを焼結することもできるが、必要により混合粉末にバインダーを加えて成形して成形体としてもよい。このバインダーとしては、公知の粉末冶金法において成形体を得るときに使用されるバインダー、例えばポリビニルアルコール等を使用することができる。また得られた成形体は、必要に応じて公知の粉末冶金法において採用される方法により脱脂してもよい。成形方法も、公知の粉末冶金法において採用される方法、たとえば鋳込み成形を適用することができる。成形体の密度は通常50〜75%である。
得られた成形体を焼結して、焼結体を得る。焼結に使用する焼結炉としては、冷却時に冷却速度をコントロールすることができれば特に制限はなく、粉末冶金に一般的に使用される焼結炉で差し支えない。焼結雰囲気としては特に制限はなく、大気雰囲気とすることができる。
昇温速度は、高密度化および割れ防止の観点から、通常100〜500℃/hである。焼結温度は、通常1450〜1700℃、好ましくは1500〜1600℃であり、焼結温度での保持時間は通常3〜30h、好ましくは5〜10hである。焼結温度および保持時間が前記範囲内であると、高密度の焼結体を得ることができる。
焼結が完了した後、焼結炉内の温度を、前記焼結温度から700〜900℃まで、好ましくは750〜850℃まで、さらに好ましくは800℃前後まで高速度で降下させる。つまり、この温度範囲において焼結体を急冷する。この温度範囲において焼結体を急冷することで、焼結体に残留応力を付与することができ、またこのような高温域であれば焼結体を急冷しても、焼結体に割れが発生する可能性は低い。この温度範囲での降温速度は300℃/h以上であり、好ましくは300〜900℃/h、より好ましくは400〜800℃/h、さらに好ましくは500〜700℃/hである。降温速度が300℃/hより小さいと、スパッタリングターゲットに前記範囲の残留応力を確実に付与することが困難である。また、降温速度が大きいほどスパッタリングターゲットに大きな残留応力を付与することができるが、降温速度が大きすぎるとヒーターが急冷に耐え切れず、劣化しやすくなるので、降温速度は900℃/h以下であることが好ましい。
その後、焼結炉内の温度を、たとえば室温まで、低速度で降下させる。つまり、この温度範囲において焼結体を徐冷する。この温度範囲において焼結体を徐冷することにより、前述のとおり焼結体の割れを防止することができる。この温度範囲での降温速度は、10〜100℃/hであり、好ましくは10〜50℃/h、より好ましくは10〜30℃/hである。このような降温速度で冷却を行うと、焼結体の割れを確実に防止できるとともに、製造効率を損なうことがない。
降温速度の調整方法には特に制限はない。高速度での降温は、たとえば焼結炉のヒーターを切ったり、炉内に冷却ガスを送風したりすることなどにより行うことができる。低速度での降温は、たとえば焼結炉のヒーターの温度を制御することによって行うことができる。
このようにして得られたITO焼結体を、必要に応じて所望の形状に切り出し、研削等することによりITOスパッタリングターゲットとすることができる。
本発明のITOスパッタリングターゲットは、通常バッキングプレートにボンディングして使用される。バッキングプレートは、通常Cu、Alまたはステンレス製である。ボンディング剤は、従来のITOスパッタリングターゲットのボンディングに使用されるボンディング剤、たとえばInメタルを用いることができる。ボンディング方法も、従来のITOスパッタリングターゲットのボンディング方法と同様である。たとえば、本発明のITOスパッタリングターゲットおよびバッキングプレートをボンディング剤が融解する温度、たとえば約200℃に加熱し、スパッタリングターゲットおよびバッキングプレートのそれぞれのボンディング面にボンディング剤を塗布し、それぞれのボンディング面を貼り合わせて両者を圧着した後、冷却する。あるいは、本発明のITOスパッタリングターゲットおよびバッキングプレートのそれぞれのボンディング面にボンディング剤を塗布し、それぞれのボンディング面を貼り合わせて、スパッタリングターゲットおよびバッキングプレートをボンディング剤が融解する温度、たとえば約200℃に加熱した後、冷却する。前述のとおり、本発明のITOスパッタリングターゲットは、このボンディング時において従来のITOスパッタリングターゲットよりも割れが生じる可能性がはるかに小さい。
[実施例1〜12、比較例1〜6]
BET法で測定した比表面積が表1に示した値であるIn23粉末とSnO2粉末とを、SnO2の含有量が表1に示した量となるようにボールミルを用いて混合し、混合粉末を調製した。得られた混合粉末のBET法で測定した比表面積を表1に示した。
混合粉末に、4質量%に希釈したポリビニルアルコールを混合粉末に対して6質量%添加し、乳鉢を用いてポリビニルアルコールを粉末によく馴染ませ、5.5メッシュの篩に通した。得られた粉末をプレス用の型に充填し、プレス圧1t/cm2で60秒間成形して、200mm×500mm×10mmの成形体を得た。
得られた成形体を容量が約1m3の焼結炉に入れ、炉内に1L/hで酸素をフローさせ、焼成雰囲気を酸素フロー雰囲気とし、昇温速度を350℃/h、焼結温度を1550℃、焼結温度での保持時間を9hとして焼結した。
その後、得られた焼結体を、表1に示す冷却条件で冷却した。
降温速度の調整は、高速度での降温の場合には、焼結炉のヒーターを切り、炉内に冷却ガスを送風することにより行い、低速度での降温(30℃/h)の場合には、焼結炉のヒーターの温度を制御することによって行った。
以上のようにして、176mm×440mm×8.8mmのITOスパッタリングターゲットを得た。
このITOスパッタリングターゲットに対して、以下の評価を行った。結果を表1に示した。
<相対密度>
前記スパッタリングターゲットの相対密度をアルキメデス法に基づき測定した。具体的には、スパッタリングターゲットの空中重量を体積(=スパッタリングターゲット焼結体の水中重量/計測温度における水比重)で除し、下記式(X)に基づく理論密度ρ(g/cm3)に対する百分率の値を相対密度(単位:%)とした。
Figure 0005437919
(式(X)中、C1〜Ciはそれぞれターゲット焼結体の構成物質の含有量(重量%)を
示し、ρ1〜ρiはC1〜Ciに対応する各構成物質の密度(g/cm3)を示す。)。
具体的には、理論密度(真密度または計算密度)ρは、ρiをIn23で7.179g/cm3、SnO2で6.95g/cm3として、各組成の焼結体で計算した。たとえば理論密度ρは、1%SnO2では7.177g/cm3、3%SnO2では7.172g/cm3、5%SnO2では7.167g/cm3である。
<残留応力の評価>
得られたITOスパッタリングターゲットの残留応力は、パナリティカル X'Pert PROを用いて、X線管球:Cuターゲット、回折角:2θ=30.6゜(In23(222))、測定法:ψ0側傾法、弾性定数:178GPa、ポアソン比:0.33の測定条件で測定した。
<バッキングプレートへのボンディング時に生じる割れの評価>
上記割れの評価を、実施例1〜6で得られたITOスパッタリングターゲットに対してはCu製のバッキングプレート(寸法:190mm×440mm×6mm)を用いて行い、実施例7〜12で得られたITOスパッタリングターゲットに対してはAl製のバッキングプレート(寸法:190mm×440mm×6mm)を用いて行い、比較例1〜6で得られたITOスパッタリングターゲットに対しては前記Cu製のバッキングプレートおよび前記Al製のバッキングプレートの両方を用いて行った。
バッキングプレートおよびITOスパッタリングターゲットのそれぞれのボンディング面にInを下塗りし、それぞれのボンディング面が密着するようにITOスパッタリングターゲットとバッキングプレートとを貼り合わせた。Inが融解する200℃まで温度を上げた後、室温まで冷却(放冷)することによりITOスパッタリングターゲットとバッキングプレートとのボンディングを行った。ボンディングされたITOスパッタリングターゲットに割れが生じているか否かを肉眼で観察し、以下の基準で割れを評価した。
○:割れが観察されなかった
×:割れが観察された
Figure 0005437919
表1より、Cu製およびAl製のいずれのバッキングプレートの場合にも、SnO2含有量が同じであっても、残留応力が−200MPaより大きいITOスパッタリングターゲットにはボンディング時に割れが発生し、残留応力が−200〜−650MPaの範囲のITOスパッタリングターゲットにはボンディング時に割れが発生しなかった。このように、本発明のITOスパッタリングターゲットは、Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であっても、Cu製およびAl製のバッキングプレート等にボンディングするときに割れが発生しにくいことが確認された。

Claims (6)

  1. Snの含有量がSnO2換算で5質量%以下であるITOスパッタリングターゲットであって、残留応力が−650〜−200MPaであることを特徴とするITOスパッタリングターゲット。
  2. Snの含有量がSnO2換算で4質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載のITOスパッタリングターゲット。
  3. Snの含有量がSnO2換算で1〜4質量%であることを特徴とする請求項1に記載のITOスパッタリングターゲット。
  4. 熱膨張係数が2.386×10-5/℃以下である金属材料からなるバッキングプレートにボンディングされて使用されるITOスパッタリングターゲットであって、残留応力が−600〜−200MPaであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のITOスパッタリングターゲット。
  5. 熱膨張係数が2.386×10-5/℃より大きい金属材料からなるバッキングプレートにボンディングされて使用されるITOスパッタリングターゲットであって、残留応力が−650〜−250MPaであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のITOスパッタリングターゲット。
  6. ITOスパッタリングターゲット製造用原料粉末を焼結炉内で1450〜1700℃の焼結温度で焼結し、得られたITO焼結体を、焼結炉内の温度を前記焼結温度から700〜900℃まで300℃/h以上の速度で降下させ、その後10〜100℃/hの速度で降下させることにより冷却することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のITOスパッタリングターゲットの製造方法。
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