JP5685428B2 - Ｉｇｚｏ焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＧＺＯ焼結体及びその製造方法に関する。

ＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_４）は酸化インジウム、酸化ガリウム、及び酸化亜鉛からなる酸化物半導体であり、電子ペーパや液晶パネル、有機ＥＬを駆動するＴＦＴチャネル層の材料として注目を集めている透明酸化物半導体の一種である。ＩＧＺＯ焼結体は透明電極や、透明酸化物半導体等をスパッタリングにより形成するためのターゲット材料として用いられる。

このようなターゲット材料として、たとえば特許文献１においては、酸化インジウム粉、酸化ガリウム粉、及び酸化亜鉛粉を含む混合粉体を原料とし、この原料を湿式媒体撹拌ミルにより混合粉砕し、比表面積を混合粉体全体の比表面積より１．０〜３．０ｍ^２／ｇ増加させ、その後、原料を成形し、酸素雰囲気中で、１２５０〜１４５０℃の温度で焼成することにより得られるＩＧＺＯスパッタリングターゲットが記載されている。

特開２００８−１４４２４６号公報

しかしながら、上述のように、焼成によりＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_４）焼結体を得る際には、Ｉｎ_２Ｇａ_２Ｚｎ_１Ｏ_７を含む表面変質層が生成される。すなわち焼成時には、高温に晒されたＩＧＺＯ表面から、まず酸化亜鉛が気化して飛散し、結晶構造が乱れる。これにより飛散しやすくなった酸化インジウムが、次に、気化して飛散する。このようにして、表面変質層が生成される。

かかる表面変質層は、所望のＩＧＺＯではないため、ターゲット材として使用することはできない。このため、焼成後のＩＧＺＯ焼結体は、表面変質層が削り落とされてはじめて製品としてのターゲット材となる。ＩＧＺＯの原料は高価であるため、表面変質層が極力生成されないようにするのが、製造コスト上望ましい。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、焼成により生じる表面変質層が極力少ないＩＧＺＯ焼結体を提供することにある。

この目的を達成するため、第１の発明に係るＩＧＺＯ焼結体は、焼成により生じたＩｎ_２Ｇａ_２Ｚｎ_１Ｏ_７を含む表面変質層（以下、この欄において単に「表面変質層」という。）を有するＩｎＧａＺｎＯ _４ から成るＩＧＺＯ焼結体であって、該表面変質層の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする。これによれば、ＩＧＺＯ焼結体がターゲット材料として製品化される際に除外される表面変質層の厚さが従来の１ｍｍを超える場合に比べて少ないので、ＩＧＺＯ焼結体の製造コストを、従来よりも減少させることができる。

第２の発明に係るＩＧＺＯ焼結体の製造方法は、酸化インジウム粉末、酸化ガリウム粉末、及び酸化亜鉛粉末を含む混合粉末、又はインジウム−ガリウム−亜鉛の酸化物粉末を成形し、得られた成形体を焼成することによりＩｎＧａＺｎＯ _４ から成るＩＧＺＯ焼結体を製造するに際し、前記成形体の焼成は、気化した酸化亜鉛を含む雰囲気下で行うことを特徴とする。

これによれば、焼成時に、酸化亜鉛の分圧が高いため、成形体の表面から気化して飛散する酸化亜鉛の量が減少する。これにより、表面変質層の生成が抑制され、焼結完了時における表面変質層の厚さが従来に比べて減少する。したがって、ＩＧＺＯ焼結体をターゲット材料として製品化する際に除外すべき表面変質層の量が減少するので、ＩＧＺＯ焼結体の製造コストを減少させることができる。

第３の発明に係るＩＧＺＯ焼結体の製造方法は、第２発明において、前記成形体の焼成時に該成形体が配置される容器は、所定の開口部以外の部分は密閉されており、前記開口部の開口面積は、前記容器の内面の面積の０．１〜１５％であることを特徴とする。

これによれば、焼成時に成形体が配置される容器は、開口部以外の部分が密閉されているので、焼成時に、成形体の表面から気化して飛散する酸化亜鉛により、容器内が酸化亜鉛を含む雰囲気となる。つまり、酸化亜鉛の分圧が、容器内において高まり又は飽和圧に達することにより、酸化亜鉛の飛散量が減少する。

そして開口部の開口面積が上記範囲内であれば、焼成時における酸化亜鉛の飛散量を確実に減少させ、焼成完了時における表面変質層の厚さを１ｍｍ以下とすることができる。なお、開口面積が０．１％を下回ると、バインダが焼結体から飛散し難くなり、焼結体が割れるおそれがあるので、好ましくない。

第４の発明に係るＩＧＺＯ焼結体の製造方法は、第２又は第３発明において、前記成形体の焼成は、前記成形体の焼成時に該成形体が配置される容器内に酸化亜鉛粉末、又は本発明のＩＧＺＯ焼結体を粉末化したような酸化亜鉛を含む粉末を配置して行うことを特徴とする。これによれば、容器内における酸化亜鉛の分圧が、酸化亜鉛粉末から気化する酸化亜鉛によって高められるので、焼成完了時における表面変質層の厚さをより効果的に減少させることができる。

第５の発明に係るＩＧＺＯ焼結体の製造方法は、第４発明において、前記酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末は、平均粒径が２．０μｍ以下であり、含有する酸化亜鉛の体積が、前記容器の容積の１％以上であることを特徴とする。これによれば、焼成時における酸化亜鉛の飛散量を確実に減少させ、焼結完了時における表面変質層の厚さを１ｍｍ以下とすることができる。

本発明において焼成に使用することができる容器の斜視図である。

本発明のＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_４）焼結体は、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる金属酸化物の焼結体であり、焼成により生じたＩｎ_２Ｇａ_２Ｚｎ_１Ｏ_７を含む表面変質層（以下、この欄において単に「表面変質層」という。）を有する。表面変質層の厚さは１ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ以下である。

表面変質層はＩＧＺＯとは異なるので、ＩＧＺＯ焼結体がターゲット材料として製品化される際に除外される。この点、本発明のＩＧＺＯ焼結体は、表面変質層の厚さが、従来の１ｍｍを超える場合に比べて少ないので、ＩＧＺＯ焼結体の製造コストが、従来よりも減少する。

本発明のＩＧＺＯ焼結体は、酸化インジウム粉末、酸化ガリウム粉末、及び酸化亜鉛粉末を原料としてこれらの混合粉末を、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）やアクリル系等ののバインダなどを加えて作成し、この混合粉末を成形して焼成することにより得られる。この混合粉末の代わりに、インジウム−ガリウム−亜鉛の酸化物粉末を成形して焼成するようにしてもよい。

原料となる酸化インジウム粉末及び酸化ガリウム粉末は、いずれも比表面積が５〜１０ｍ^２／ｇのものが好ましい。酸化亜鉛粉末は比表面積が２〜５ｍ^２／ｇのものが好ましい。

混合粉末の作成は、ボールミル混合等の公知の方法を用いて行うことができる。混合粉末は、プレス成形、鋳込み成形等により成形され、成形体とされる。

成形体の焼成は、大気中で１３００〜１６００℃、好ましくは１４００〜１５００℃の焼成温度で行われる。焼成時間は１０〜２０時間が好ましい。

焼成時には、高温に晒された成形体の表面から、まず酸化亜鉛が気化して飛散し、表面の結晶構造が乱れる。これにより飛散しやすくなった酸化インジウムが、次に、気化して飛散することにより、表面変質層が生成される。この表面変質層は所望のＩＧＺＯではなく、ＩＧＺＯ焼結体の製品とするためには、取り除く必要がある。つまり、表面変質層の分だけ、原料粉末が無駄に消費されることになるので、表面変質層の生成はできる限り抑制するのが好ましい。

本発明では、この表面変質層の生成を極力抑制するために、成形体の焼成を、気化した酸化亜鉛を含む雰囲気（以下、単に「酸化亜鉛雰囲気」という。）中で行うようにしている。これにより、成形体表面からの酸化亜鉛の気化が抑制され、表面変質層の生成が抑制される。つまり、焼成により生成される表面変質層の厚さは、従来の１ｍｍを超える場合よりも薄くなる。

酸化亜鉛雰囲気中で焼成を行うために、成形体の焼成は、図１に示すような容器１０を用いて行われる。容器１０は容器本体１１と、容器１０の上面を閉塞するための蓋体１２により構成される。容器本体１１の両端の側壁上端部には凹部１３が設けられている。

容器１０が矢印１４で示されるように、蓋体１２によって閉じられたとき、凹部１３と蓋体１２の端部とにより開口部が形成される。このとき、容器１０は、開口部以外の部分は密閉された状態となる。なお、凹部１３は、容器本体１１の一方の端部にのみ設けられていてもよい。

成形体は、容器１０内に配置され、蓋体１２の閉塞により容器１０の外部からほぼ隔離された状態で焼成される。焼成開始時には、成形体から酸化亜鉛が気化して飛散し、表面の結晶構造が乱れると、これにより飛散しやすくなった酸化インジウムが、次に、気化して飛散し、表面変質層が生成される。

しかしその後、容器１０内の酸化亜鉛の分圧が高まり、又は飽和圧程度にまで達するので、酸化亜鉛の気化が抑制される。これにより、焼成時における表面変質層の生成が抑制され、焼成完了時における表面変質層の厚さが従来に比べて減少する。

これにより、ＩＧＺＯ焼結体をターゲット材料として製品化する際に除外すべき表面変質層の量が減少し、ＩＧＺＯ焼結体の製造コストが減少する。なお、焼成時には、成形体に含まれるバインダ等を気化させ、排除する必要があるが、気化したバインダ等は、凹部１３による開口部を介して、支障なく排出される。

容器１０の内面の面積に対する開口部の面積の割合は０．１〜１５％が好ましい。０．１％以下であると、成形体に含まれるバインダ類を揮発させて除去することが困難となるので、焼結体が割れるおそれが生じ、安定した焼結体を形成するのが困難となる。１５％以上であると酸化亜鉛の気化を抑制する効果が薄くなる。より好ましい範囲は１〜３％である。

また、焼成時に、酸化亜鉛の気化をより効果的に抑制するために、容器１０内に、酸化亜鉛粉末、又は本発明のＩＧＺＯ焼結体を粉末化したような酸化亜鉛を含む粉末を敷いて焼成を行うのが好ましい。この場合、設置された粉末における酸化亜鉛の気化により、容器１０内の酸化亜鉛の分圧がさらに高まるので、より効果的に、酸化亜鉛の気化が抑制され、表面変質層の形成が制限される。

使用する酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末の量は、容器１０の容積に対する酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末が含有する酸化亜鉛の体積の割合で表すと、１％以上が好ましい。より好ましい範囲は２％以上である。ただし、酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末は、該粉末中に成形体が埋もれてしまうと、粉末の断熱効果により焼成に支障を来たすので、埋もれないように敷設する必要がある。

酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末が含有する酸化亜鉛の体積は、酸化亜鉛粉末の重量又は酸化亜鉛を含む粉末における酸化亜鉛分の重量に基づき、酸化亜鉛の密度を５．６ｇ／ｃｍ^３として計算される。

使用する酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末の平均粒径は小さいほど望ましく、２．０μｍ以下が好ましい。平均粒径が小さいほど粉末の表面積が大きくなり、揮発する酸化亜鉛の量が多くなるので、酸化亜鉛雰囲気を形成する上で好ましいからである。

また、容器１０ではなく、従来の蓋体のない容器を用い、該容器内に、上述と同様に、該容器の容積に対する割合が１％以上、好ましくは２％以上の体積の酸化亜鉛を含有する酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末を敷いて焼成を行うようにしてもよい。この場合も、酸化亜鉛雰囲気において焼成が行われるので、表面変質層の形成が抑制される。
［実施例］
実施例１として、次のようにして、ＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。

すなわち、まず、酸化インジウム粉末、酸化ガリウム粉末、及び酸化亜鉛粉末を、質量比４５：３０：２５（インジウム、ガリウム及び亜鉛のモル比で１：１：１）で、湿式ボールミルにより混合粉砕し、混合粉末を得た。

次に、得られた混合粉末を、バインダにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を用いてスプレードライヤで造粒した後、一軸加圧プレスにより成形し、成形体を得た。次に、得られた成形体を、大気雰囲気下において、図１の容器１０を用い、１４５０℃の焼成温度により１５時間かけて焼成し、ＩＧＺＯ焼結体を得た。ただし、焼成に使用した容器１０は、その内面の面積に対する開口部（凹部１３）の面積の割合が、表１中の実施例１における「開口部面積」の欄で示される０．１％のものである。また、容器１０の大きさは、２００×３００×１００ｍｍであり、成形体の大きさは１００×１００×１０ｍｍである。

そして、得られたＩＧＺＯ焼結体について、表面変質層の厚さを計測した。この結果を、表１中の実施例１における「表面変質層厚さ」の欄に示す。

次に、実施例２〜４として、容器１０として、その内壁の面積に対する開口部の面積の割合が、表１中の実施例２〜４における「開口部面積」の欄で示される各値である容器１０を用いたこと以外は、実施例１の場合と同様にして、ＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。この結果を、表１中の実施例２〜４における「表面変質層の厚さ」の欄に示す。

次に、実施例５〜１４として、容器１０内に、平均粒径が２．０μｍ以下の酸化亜鉛粉末を敷いたこと以外は実施例１の場合と同様にしてＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。

ただし、容器１０として、その内面の面積に対する開口部の面積の割合が、表１中の実施例５〜１４における「開口部面積」の欄で示される各値である各容器１０を用い、容器１０の容積に対する敷設する酸化亜鉛粉末が含有する酸化亜鉛の体積の割合を、実施例５〜１４における「敷設酸化亜鉛体積」の欄で示される各値とした各場合についてＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。

この結果を、表１中の実施例５〜１４における「表面変質層厚さ」の欄に示す。

さらに、実施例１５〜１８として、容器１０の代わりに蓋体のない通常の容器を用い、該容器内に、平均粒径が２．０μｍ以下の酸化亜鉛粉末を敷いたこと以外は実施例１の場合と同様にしてＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。ただし、該容器の容積に対する敷設する酸化亜鉛粉末が含有する酸化亜鉛の体積の割合を、実施例１５〜１８における「敷設酸化亜鉛体積」の欄で示される各値とした各場合についてＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。

この結果を、表１中の実施例１５〜１８における「表面変質層厚さ」の欄に示す。
比較例１として、容器１０の代わりに蓋体のない通常の容器を用いて焼成を行ったこと以外は実施例１の場合と同様にして、ＩＧＺＯ焼成体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。この結果を、表１中の比較例１における「表面変質層の厚さ」の欄に示す。

次に、実施例１９及び２０として、使用する各容器１０の内面の面積に対する開口部の面積の割合を、表１中の実施例１９及び２０における「開口部面積」の欄で示される各値としたこと以外は実施例１の場合と同様にして、ＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。この結果を、表１中の実施例１９及び２０における「表面変質層厚さ」の欄に示す。

さらに、実施例２１として、容器１０の代わりに蓋体のない通常の容器を用いて焼成を行い、かつ該容器内に敷く酸化亜鉛粉末が含有する酸化亜鉛についての該容器の容積に対する体積の割合を、表１中の実施例２１における「敷設酸化亜鉛体積」の欄で示される値としたこと以外は、実施例１の場合と同様にして、ＩＧＺＯ焼結体を取得し、表面変質層の厚さを計測した。この結果を、表１中の実施例２１における「表面変質層厚さ」の欄に示す。

表１を参照すると、通常の容器を用い、酸化亜鉛粉末の敷設も行わなかった比較例１によれば、焼成により生じた表面変質層の厚さは２．０ｍｍである。これに対し、開口部の面積が０．１〜１５％である容器１０を用いた実施例１〜４、又はかかる容器１０若しくは通常の容器を用い、さらに容器の容積に対する酸化亜鉛の体積が１〜３０％である酸化亜鉛粉末を敷設した実施例５〜１８によれば、表面変質層の厚さは０．２〜１．０ｍｍである。

したがって、容器１０や酸化亜鉛粉末を用いた所定の酸化亜鉛雰囲気下で焼成を行うことにより、表面変質層の厚さを、比較例１により例示される従来の場合よりも薄い１ｍｍ以下とすることができることがわかる。

また、容器１０の開口部面積、敷設する酸化亜鉛粉末の量その他の条件をより最適化することにより、表面変質層の厚さを０．２ｍｍ以下とし、さらに０ｍｍに近づけることができると考えられる。０．３ｍｍ以下であれば、ＩＧＺＯ焼結体をターゲット材料として製品化する際のコスト削減を十分達成でき、好ましい。

また、開口部の面積が０．１〜１５％の容器１０を用いる場合には（実施例１〜１４）、さらに、実施例５〜１４のように、容器１０の容積に対する酸化亜鉛の体積が１〜３０％である酸化亜鉛粉末を敷設することにより、表面変質層の厚さをより薄くすることができることがわかる。特に、開口部の面積を０．１〜３％とし、さらには酸化亜鉛の体積を２〜１０％とすることにより、表面変質層の厚さを、少なくとも０．５ｍｍまで薄くすることができる。

また、実施例５〜８や、実施例１５〜１８、実施例２１の結果から、容器１０又は通常の容器のいずれを用いる場合においても、表面変質層の厚さを薄くするためには、敷設する酸化亜鉛粉末が含有する酸化亜鉛の体積は１％以上、特に２％以上が好ましく、１％未満であると、容器１０を用いない場合には表面変質層の厚さを薄くする効果がなくなることがわかる。

また、酸化亜鉛粉末を敷設することなく容器１０を用いる場合、実施例１〜４、１９及び２０が示すように、開口部の面積が０．１〜１５％であれば、表面変質層の厚さを少なくとも０．３〜０．９ｍｍまで薄くすることができ、さらに開口部の面積が０．１〜３％であれば、表面変質層の厚さを少なくとも０．３ｍｍまで薄くすることができることがわかる。

開口部の面積が１５％を超えると、表面変質層の厚さが１ｍｍを超えるので、好ましくない。また、０．１％を下回ると、焼成時に、成形体に含まれるバインダ類を揮発により除去することができなくなり、焼結体が割れるおそれがあるので、この点においても、下限は０．１％とするのが好ましい。

１０…容器、１１…容器本体、１２…蓋体、１３…凹部。

Claims (5)

1. 焼成により生じたＩｎ_２Ｇａ_２Ｚｎ_１Ｏ_７を含む表面変質層を有するＩｎＧａＺｎＯ _４ から成るＩＧＺＯ焼結体であって、該表面変質層の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とするＩＧＺＯ焼結体。
2. 酸化インジウム粉末、酸化ガリウム粉末、及び酸化亜鉛粉末を含む混合粉末、又はインジウム−ガリウム−亜鉛の酸化物粉末を成形し、得られた成形体を焼成することによりＩｎＧａＺｎＯ _４ から成るＩＧＺＯ焼結体を製造するに際し、
   前記成形体の焼成は、気化した酸化亜鉛を含む雰囲気下で行うことを特徴とするＩＧＺＯ焼結体の製造方法。
3. 前記成形体の焼成時に該成形体が配置される容器は、所定の開口部以外の部分は密閉されており、
   前記開口部の開口面積は、前記容器の内面の面積の０．１〜１５％であることを特徴とする請求項２に記載のＩＧＺＯ焼結体の製造方法。
4. 前記成形体の焼成は、前記成形体の焼成時に該成形体が配置される容器内に酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末を敷いて行うことを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載のＩＧＺＯ焼結体の製造方法。
5. 前記酸化亜鉛粉末又は酸化亜鉛を含む粉末は、平均粒径が２．０μｍ以下であり、含有する酸化亜鉛の体積が、前記容器の容積の１％以上であることを特徴とする請求項４に記載のＩＧＺＯ焼結体の製造方法。