JP2012148937A - Electrically conductive composite oxide, zinc oxide type sintered body, method for manufacturing it and target - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、透明電極材料となる酸化亜鉛をスパッタリング法で形成する際のスパッタリングターゲット等に用いられる導電性複合酸化物、酸化亜鉛系焼結体、その製造方法およびターゲットに関する。 The present invention relates to a conductive complex oxide, a zinc oxide-based sintered body, a method for producing the same, and a target used for a sputtering target or the like when forming zinc oxide to be a transparent electrode material by a sputtering method.
導電性と光透過性とを兼ね備えた透明導電膜は、これまでから、太陽電池、液晶表示素子、その他各種受光素子における電極などとして利用されているほか、自動車窓や建築用の熱線反射膜、帯電防止膜、冷凍ショーケース等における防曇用透明発熱体など、幅広い用途に利用されている。特に、低抵抗で導電性に優れた透明導電膜は、太陽電池や、液晶、有機エレクトロルミネッセンス、無機エレクトロルミネッセンスなどの液晶表示素子や、タッチパネルなどに好適であることが知られている。 Transparent conductive films that combine electrical conductivity and light transmission have been used as electrodes in solar cells, liquid crystal display elements, and other various light receiving elements, as well as automotive window and heat ray reflective films for buildings, It is used for a wide range of applications such as anti-static films and transparent heating elements for anti-fogging in frozen showcases. In particular, it is known that a transparent conductive film having low resistance and excellent conductivity is suitable for a solar cell, a liquid crystal display element such as a liquid crystal, organic electroluminescence, and inorganic electroluminescence, a touch panel, and the like.
液晶ディスプレイや太陽電池等には、導電性でかつ光に対して透明な電極(透明電極)が用いられている。
こうした性質をもつ材料としては、例えば、In2O3−SnO2(ITO)、ZnO−Al2O3(AZO)、ZnO−B2O3(BZO)等の酸化物材料が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。こうした材料は、スパッタリング法によって液晶ディスプレイや太陽電池上に薄膜として形成された後に、電極としてパターニングされ、透明電極となる。
A liquid crystal display, a solar cell, and the like use an electrode that is conductive and transparent to light (transparent electrode).
As materials having such properties, for example, oxide materials such as In 2 O 3 —SnO 2 (ITO), ZnO—Al 2 O 3 (AZO), and ZnO—B 2 O 3 (BZO) are known. (For example, refer to
スパッタリング法においては、スパッタリング装置中で、薄膜を形成すべき基板(この場合は液晶ディスプレイ等)とスパッタリングターゲット(以下、単にターゲットと略称することがある)とを対向させて配置する。これらの間でガス放電を発生させ、このガス放電によって発生したイオンがターゲットの表面に衝突し、その衝撃によって放出された原子(粒子)を対向する基板に付着させて薄膜を形成する。 In the sputtering method, in a sputtering apparatus, a substrate (in this case, a liquid crystal display or the like) on which a thin film is to be formed and a sputtering target (hereinafter sometimes simply referred to as a target) are arranged to face each other. A gas discharge is generated between them, ions generated by the gas discharge collide with the surface of the target, and atoms (particles) released by the impact are attached to the opposing substrate to form a thin film.
このターゲットは薄膜(透明電極)となる材料で形成され、透明電極の特性は、ターゲットの特性を反映する。また、一般にターゲットは非常に高価であり、その価格が液晶ディスプレイや太陽電池の製造コストに占める割合が大きい。このため、液晶ディスプレイや太陽電池の低コスト化のためには、ターゲットが安価であることも要求される。 This target is formed of a material that becomes a thin film (transparent electrode), and the characteristics of the transparent electrode reflect the characteristics of the target. In general, the target is very expensive, and the price accounts for a large part of the manufacturing cost of the liquid crystal display or solar cell. For this reason, in order to reduce the cost of liquid crystal displays and solar cells, the target is also required to be inexpensive.
上記ITOは、スズ(Sn)ドープされた酸化インジウム(In2O3)であり、これを用いた場合、光の透過率が85%以上、比抵抗値は1.0・10-4Ω・cm程度の透明電極が得られており、その特性は液晶ディスプレイや太陽電池に用いるには充分である。
しかしながら、その原料の主成分となるインジウム(In)が高価であるため、ターゲットが高価であった。特に、大面積の液晶ディスプレイや太陽電池用の透明電極を形成する場合には、ターゲットも同程度の大面積のものが必要になるため、これらが高コストとなる原因となっていた。このため、より低価格な材料からなり、同等の特性をもつ透明電極が望まれた。
The ITO is tin (Sn) -doped indium oxide (In 2 O 3 ). When this ITO is used, the light transmittance is 85% or more, and the specific resistance is 1.0 · 10 −4 Ω · A transparent electrode of about cm is obtained, and its characteristics are sufficient for use in liquid crystal displays and solar cells.
However, since indium (In) as a main component of the raw material is expensive, the target is expensive. In particular, when forming a large-area liquid crystal display or a transparent electrode for a solar cell, a target having a large area of the same level is required, which causes high costs. For this reason, a transparent electrode made of a lower cost material and having equivalent characteristics has been desired.
一方、導電性を高めるべくZnOに種々のドーパントをドープさせる試みがなされており、種々のドーパントごとに最適ドープ量と最低抵抗率が報告されている(非特許文献1参照)。
上記AZOおよびBZOは、半導体である酸化亜鉛(ZnO)にn型の導電性添加物であるアルミニウム(Al)またはホウ素(B)が添加された材料であり、安価な亜鉛を主成分とするため、低価格という点ではITOよりも優れている。
これらの材料からなる焼結体は、容易に大面積のものを得ることができるため、この焼結体を加工したスパッタリングターゲットが広く用いられている。
BZOやAZOの焼結体は、原材料の粉末を配合、成形後に1000℃以上の高温で焼結することによって得られる。
原材料の粉末としては、主成分となるZnO粉末と、添加成分となるAl2O3粉末またはB2O3粉末とが用いられる。同様に、Ga2O3が添加された酸化亜鉛系材料として、ZnO−Ga2O3(GZO)等も知られる(特許文献4参照)。
On the other hand, attempts have been made to dope ZnO with various dopants in order to increase conductivity, and an optimum doping amount and a minimum resistivity have been reported for each of the various dopants (see Non-Patent Document 1).
AZO and BZO are materials in which aluminum (Al) or boron (B), which is an n-type conductive additive, is added to zinc oxide (ZnO), which is a semiconductor, and is mainly composed of inexpensive zinc. It is superior to ITO in terms of low price.
Since sintered bodies made of these materials can be easily obtained in large areas, sputtering targets obtained by processing the sintered bodies are widely used.
A sintered body of BZO or AZO is obtained by blending raw material powder and sintering at a high temperature of 1000 ° C. or higher after molding.
As the raw material powder, ZnO powder as a main component and Al 2 O 3 powder or B 2 O 3 powder as an additive component are used. Similarly, ZnO—Ga 2 O 3 (GZO) or the like is also known as a zinc oxide-based material to which Ga 2 O 3 is added (see Patent Document 4).
しかしながら、実際にこれらのターゲットを用いて比抵抗の低いBZOやAZOの透明電極を安定して得ることは困難であり、その比抵抗はITOと比べると高かった。その原因は、主に、これらのスパッタリング時に、スパッタリング装置内で異常放電が多発することに起因する。すなわち、AZOのスパッタリング時には、異常放電が多発するために安定した成膜が困難であった。また、生産効率を考えると、異常放電が発生する度に、成膜装置が止まるため、極めて生産効率が悪く、生産コストの増大にも繋がっていた。 However, it is actually difficult to stably obtain a transparent electrode of BZO or AZO having a low specific resistance by using these targets, and the specific resistance is higher than that of ITO. The cause is mainly due to frequent occurrence of abnormal discharge in the sputtering apparatus during the sputtering. That is, during the sputtering of AZO, abnormal discharge frequently occurs, so that stable film formation is difficult. Further, when considering the production efficiency, the film forming apparatus is stopped every time an abnormal discharge occurs, so that the production efficiency is extremely poor and the production cost is increased.
この異常放電は、ターゲットが不均一で局所的に比抵抗の異なる部分が存在し、ターゲットを含む放電系のインピーダンスがスパッタリング中に変動することに起因して発生する。この局所的に比抵抗が異なる部分が存在するのは、酸化亜鉛系ターゲットに共通することである。
焼結体の結晶構造は、主成分はドーパントの一部が固溶した酸化亜鉛のウルツ鉱であり、ドーパントと酸化亜鉛の複合酸化物から構成される。また、XRD(X線回折)には微量のため検出はされないが、ドーパントが酸化亜鉛と固相焼結しきれず、未焼結である、すなわち、ドーパント酸化物が微量残存する。ドーパントの一部が固溶した酸化亜鉛は導電性があるが、複合酸化物や、ドーパント酸化物は絶縁層であるため、ターゲット中に局所的に比抵抗の大きく異なる部分が存在する。
This abnormal discharge occurs due to the fact that the target is non-uniform and there is a part where the specific resistance is locally different, and the impedance of the discharge system including the target fluctuates during sputtering. The fact that the specific resistance is locally different is common to zinc oxide based targets.
The crystal structure of the sintered body is mainly composed of zinc oxide wurtzite in which a part of the dopant is dissolved, and is composed of a composite oxide of the dopant and zinc oxide. Further, although it is not detected in XRD (X-ray diffraction), the dopant cannot be solid-phase sintered with zinc oxide, and is unsintered, that is, a trace amount of dopant oxide remains. Zinc oxide in which a part of the dopant is dissolved is conductive, but the composite oxide or the dopant oxide is an insulating layer, and therefore there is a portion where the specific resistance is greatly different locally in the target.
AZOの場合は、ドーパント酸化物であるAl2O3、複合酸化物であるZnAl2O4はいずれも絶縁体である。GZOの場合は、ドーパント酸化物であるGa2O3、複合酸化物であるZnGa2O4はいずれも絶縁体である。BZOの場合は、ドーパント酸化物であるB2O3、複合酸化物であるZnB2O4は絶縁体である。 In the case of AZO, both Al 2 O 3 as a dopant oxide and ZnAl 2 O 4 as a composite oxide are insulators. In the case of GZO, both the dopant oxide Ga 2 O 3 and the composite oxide ZnGa 2 O 4 are insulators. In the case of BZO, B 2 O 3 that is a dopant oxide and ZnB 2 O 4 that is a composite oxide are insulators.
そこで、酸化亜鉛のドーパントの原子種として、アルミニウム、ガリウム、ホウ素を金属として添加することが行われているが、酸化亜鉛と金属の間で十分に固相焼結が進行せず、絶縁性の複合酸化物の生成も抑制されるが、焼結密度が極めて低いという問題がある。 Therefore, aluminum, gallium, and boron are added as metals as the atomic species of the zinc oxide dopant, but solid-phase sintering does not proceed sufficiently between the zinc oxide and the metal, and the insulating property is low. Although the formation of complex oxides is also suppressed, there is a problem that the sintered density is extremely low.
このように酸化亜鉛系材料にて、低抵抗で知られるAZO、GZO、BZO等は酸化物ターゲット中に本質的に局所的に絶縁相が存在することは避けることができない。AZO、GZO、BZO等のこれらの問題による異常放電発生により、安定に成膜できず、生産効率が低下してしまう問題を軽減するため、ターゲットの高密度化が図られているが(特許文献3参照)、本質的な問題点解決に至っていない。
また、一方で、こうした酸化亜鉛系の導電膜(透明電極)は、一般に耐熱性や空気中での耐湿性が低い、すなわち熱や湿度により抵抗率が時間と共に上昇することがある。
Thus, in zinc oxide-based materials, it is inevitable that AZO, GZO, BZO, etc., which are known for their low resistance, have an insulating phase essentially locally in the oxide target. In order to alleviate the problem that production cannot be stably performed due to the occurrence of abnormal discharge due to these problems such as AZO, GZO, BZO, etc., and production efficiency is reduced, the density of the target is increased (Patent Document) (Refer to 3).
On the other hand, such zinc oxide-based conductive films (transparent electrodes) generally have low heat resistance and moisture resistance in air, that is, the resistivity may increase with time due to heat and humidity.
従来、酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにて、ターゲット中に絶縁層がまったく存在せず、焼結密度が95%以上のターゲットは存在しなかった。そのため、異常放電が発生して生産効率が極めて低かった。
そこで、絶縁層がスパッタリングターゲット中に、まったく存在しない酸化亜鉛系焼結体の提供が望まれている。
Conventionally, in a zinc oxide-based sputtering target, there was no insulating layer in the target, and there was no target having a sintered density of 95% or more. Therefore, abnormal discharge occurred and production efficiency was extremely low.
Therefore, it is desired to provide a zinc oxide-based sintered body in which an insulating layer does not exist at all in a sputtering target.
一方、本発明者らは、既に低原子価酸化チタンを酸化亜鉛のドナー源とすれば、さらに低抵抗化し導電性に優れ、かつ可視および近赤外領域の透過性に優れ、耐熱性、耐湿性、耐薬品性(耐アルカリ性、耐酸性)などの化学的耐久性に優れることを見出している。その効果を最大に発揮することが可能なスパッタリングターゲットとなる酸化亜鉛系焼結体の提供が望まれている。 On the other hand, if the low valence titanium oxide is already used as a zinc oxide donor source, the present inventors have further reduced resistance, excellent conductivity, and excellent transparency in the visible and near-infrared regions. It has been found to be excellent in chemical durability such as resistance and chemical resistance (alkali resistance, acid resistance). It is desired to provide a zinc oxide-based sintered body that is a sputtering target capable of maximizing the effect.
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、低原子価酸化チタンをドナー源として使用した場合の効果を最大限に発揮でき、スパッタリングターゲットとして低抵抗な薄膜を安定して形成可能な酸化亜鉛系焼結体、およびその製造方法、酸化亜鉛系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。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and can maximize the effects when low-valent titanium oxide is used as a donor source, and can stably produce a low-resistance thin film as a sputtering target. An object is to provide a zinc oxide-based sintered body that can be formed, a method for producing the same, and a zinc oxide-based sputtering target.
すなわち、本発明は、スパッタリングターゲットに用いた場合にターゲット中に絶縁相が存在せず、焼結密度が高いので、異常放電が発生せず、極めて生産効率がよく成膜することが可能な緻密で比抵抗の小さな酸化亜鉛系焼結体およびその製造方法、ならびに酸化亜鉛系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。 That is, when the present invention is used for a sputtering target, since there is no insulating phase in the target and the sintered density is high, no abnormal discharge occurs, and a dense film that can be formed with extremely high production efficiency. An object of the present invention is to provide a zinc oxide-based sintered body having a small specific resistance, a method for producing the same, and a zinc oxide-based sputtering target.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、従来、酸化亜鉛と各種元素との複合酸化物は絶縁体であることが知られているが、低原子価酸化チタンと酸化亜鉛とから作製される複合酸化物焼結体が導電性を有することを新規に見出した。そこで、この知見を低原子価酸化チタンドープ酸化亜鉛系焼結体に適用すると(つまり、低原子価酸化チタンをドーパントとして用いると)、焼結密度も高く、スパッタリングターゲット中にまったく絶縁相が存在しない、異常放電の発生を大幅に抑制できたターゲットが作製できることに成功したものである。
すなわち、本発明の導電性複合酸化物は、式:Zn2TiO4で表され、ZnOと、一般式:TiO2-X(X=0〜1)で表される低原子価酸化チタンとがモル比2:1の不活性固相焼結から生成されるものである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have heretofore known that a composite oxide of zinc oxide and various elements is an insulator, but low valence titanium oxide and zinc oxide. It was newly found that the composite oxide sintered body produced from the above has conductivity. Therefore, when this knowledge is applied to a low-valent titanium oxide-doped zinc oxide-based sintered body (that is, when low-valent titanium oxide is used as a dopant), the sintered density is high and an insulating phase is present in the sputtering target. However, the present inventors have succeeded in producing a target that can significantly suppress the occurrence of abnormal discharge.
That is, the conductive composite oxide of the present invention is represented by the formula: Zn 2 TiO 4 , and ZnO and the low-valent titanium oxide represented by the general formula: TiO 2 -X (X = 0 to 1) It is produced from inert solid phase sintering with a molar ratio of 2: 1.
さらに、本発明者らは、酸化亜鉛と低原子価酸化チタンを原料に作製される焼結体の結晶構造は、一部低原子価チタンが固溶した酸化亜鉛相と、複合酸化物(Zn2TiO4)相と、XRD(X線回折)では検出されないレベルの固相焼結していない低原子価酸化チタンとからなるが、いずれも導電性を有していることから、まったく絶縁層が存在しない優れた導電性を有するターゲットを形成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の酸化亜鉛系焼結体は、実質的に亜鉛、チタンおよび酸素からなる酸化亜鉛系焼結体であって、相対密度が95%以上であり、かつ酸化亜鉛系焼結体の結晶相が、酸化亜鉛相、導電性複合酸化物相、および低原子価酸化チタン相からなり、導電性複合酸化物相がZn2TiO4からなることを特徴とする。
Furthermore, the inventors of the present invention have found that the crystal structure of a sintered body made from zinc oxide and low-valent titanium oxide includes a zinc oxide phase in which low-valent titanium is partly dissolved, a composite oxide (Zn 2 TiO 4 ) phase and low-valent titanium oxide that is not solid-phase sintered at a level that is not detected by XRD (X-ray diffraction). The present inventors have found that a target having excellent conductivity that does not exist can be formed, and the present invention has been completed.
That is, the zinc oxide-based sintered body of the present invention is a zinc oxide-based sintered body substantially composed of zinc, titanium, and oxygen, and has a relative density of 95% or more and a zinc oxide-based sintered body. The crystalline phase is composed of a zinc oxide phase, a conductive complex oxide phase, and a low-valent titanium oxide phase, and the conductive complex oxide phase is composed of Zn 2 TiO 4 .
また、本発明に係る酸化亜鉛系焼結体の製造方法は、低原子価酸化チタン粉と、酸化亜鉛粉または水酸化亜鉛粉との混合粉、および/またはチタン酸亜鉛化合物粉を含む原料粉末を成形した後、得られた成形体を還元雰囲気または不活性雰囲気中600℃〜1500℃で焼結することを特徴とする。
本発明のターゲットは、スパッタリング法、イオンプレーティング法、パルスレーザーデポジション(PLD)法またはエレクトロンビーム(EB)蒸着法による成膜に用いられるターゲットであって、前記酸化亜鉛系焼結体からなることを特徴とする。
In addition, the method for producing a zinc oxide-based sintered body according to the present invention includes a mixed powder of low-valent titanium oxide powder and zinc oxide powder or zinc hydroxide powder, and / or a raw material powder containing zinc titanate compound powder. After molding, the obtained molded body is sintered at 600 ° C. to 1500 ° C. in a reducing atmosphere or an inert atmosphere.
The target of the present invention is a target used for film formation by a sputtering method, an ion plating method, a pulse laser deposition (PLD) method or an electron beam (EB) vapor deposition method, and comprises the zinc oxide-based sintered body. It is characterized by that.
本発明の酸化亜鉛系焼結体は、緻密な焼結体であり、かつ結晶相が、一部チタンが固溶した酸化亜鉛、導電性複合酸化物、および低原子価酸化チタンからなるので、構成成分がすべて導電性を有する。そのため、この酸化亜鉛系焼結体をスパッタリングターゲットに用いた場合には、異常放電を発生せず、比抵抗の小さな透明電極を安定して得ることができる、という効果がある。 The zinc oxide-based sintered body of the present invention is a dense sintered body, and the crystal phase is composed of zinc oxide in which titanium is partly dissolved, a conductive composite oxide, and low-valent titanium oxide. All components are electrically conductive. Therefore, when this zinc oxide-based sintered body is used as a sputtering target, there is an effect that an abnormal discharge does not occur and a transparent electrode having a small specific resistance can be obtained stably.
以下、本発明の酸化亜鉛系焼結体をスパッタリングターゲットとして実施するための実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment for carrying out the zinc oxide based sintered body of the present invention as a sputtering target will be described.
(酸化亜鉛系焼結体)
本発明の酸化亜鉛系焼結体は、実質的に亜鉛、チタンおよび酸素からなる酸化物焼結体であって、相対密度が95%以上であり、かつ酸化物焼結体の結晶相が酸化亜鉛相、導電性複合酸化物相および低原子価酸化チタン相からなる形態を有する。
ここで、「実質的」とは、酸化物焼結体を構成する全原子の99%以上が亜鉛、チタンおよび酸素からなることを意味する。
(Zinc oxide sintered body)
The zinc oxide-based sintered body of the present invention is an oxide sintered body substantially composed of zinc, titanium and oxygen, has a relative density of 95% or more, and the oxide phase has an oxidized crystal phase. It has the form which consists of a zinc phase, an electroconductive complex oxide phase, and a low valence titanium oxide phase.
Here, “substantially” means that 99% or more of all atoms constituting the oxide sintered body are composed of zinc, titanium, and oxygen.
酸化亜鉛相とは、例えば、ZnOの結晶相、ZnOにチタン元素が固溶された結晶相、ZnOに酸素欠損が導入されている結晶相、ZnOの亜鉛欠損により非化学量論組成となった結晶相などが挙げられる。なお、酸化亜鉛相は、通常、ウルツ鉱型構造をとる。 The zinc oxide phase is, for example, a ZnO crystal phase, a crystal phase in which a titanium element is dissolved in ZnO, a crystal phase in which oxygen deficiency is introduced into ZnO, or a zinc oxide deficiency resulting in a non-stoichiometric composition. Examples include a crystal phase. The zinc oxide phase usually has a wurtzite structure.
ZnO単独の結晶相は、導電性を発現しないが、一部チタンが亜鉛サイトに固溶した酸化亜鉛の結晶相は、導電性を発現する。ここで、「一部」とは、通常、チタンが亜鉛サイトに0.1〜1モル%程度固溶している状態をいう。 The crystalline phase of ZnO alone does not exhibit electrical conductivity, but the crystalline phase of zinc oxide in which titanium partially dissolves in zinc sites exhibits electrical conductivity. Here, “part” usually refers to a state in which titanium is solid-dissolved in a zinc site at about 0.1 to 1 mol%.
導電性複合酸化物相は、実質的に式:Zn2TiO4で表される結晶相である。Zn2TiO4からなる導電性複合酸化物相は、本発明者らが初めて、酸化亜鉛と低原子価酸化チタンとの還元雰囲気または不活性雰囲気中での固相焼結反応により、導電性を有するZn2TiO4を作製できることを見出したものである。
なお、複合酸化物相は、具体的には、Zn2TiO4のほか、これらの亜鉛サイトにチタン元素が固溶されたものや、酸素欠損が導入されているものや、Zn/Ti比がこれらの化合物から僅かにずれた非化学量論組成のものも含むものとする。
The conductive complex oxide phase is a crystal phase substantially represented by the formula: Zn 2 TiO 4 . The conductive complex oxide phase made of Zn 2 TiO 4 is made conductive by a solid phase sintering reaction in a reducing atmosphere or inert atmosphere of zinc oxide and low-valent titanium oxide for the first time. It has been found that Zn 2 TiO 4 can be produced.
In addition, the composite oxide phase specifically includes Zn 2 TiO 4 , those in which titanium element is dissolved in these zinc sites, those in which oxygen vacancies are introduced, and those having a Zn / Ti ratio. Non-stoichiometric compositions slightly deviating from these compounds are also included.
導電性複合酸化物相におけるZn2TiO4は、ZnOと低原子価酸化チタンが、ZnO:低原子価酸化チタン=2:1のモル比で不活性雰囲気にて固相焼結することにより作製される。
ZnO:TiO=2:1(モル比)で配合されないとZn2TiO4は単相でなく、ZnOと、低原子価酸化チタンとの混合物となるおそれがある。
Zn 2 TiO 4 in the conductive complex oxide phase is produced by solid-phase sintering of ZnO and low-valent titanium oxide in an inert atmosphere at a molar ratio of ZnO: low-valent titanium oxide = 2: 1. Is done.
If not blended with ZnO: TiO = 2: 1 (molar ratio), Zn 2 TiO 4 is not a single phase and may be a mixture of ZnO and low-valent titanium oxide.
前記低原子価酸化チタン相とは、TiO(II)、Ti2O3(III)という整数の原子価を有する結晶相ばかりでなく、一般式:TiO2-X(式中、X=0〜1)で表される範囲の結晶相である。すなわち、本発明における低原子価酸化チタン相は、上記一般式:TiO2-Xの化学式で表される新規な低原子価酸化チタン相である。低原子価酸化チタン相の構造は、X線回折装置(X-ray diffraction、XRD)、X線光電子分光装置(X-ray Photoelectron Spectroscopy、XPS)などの機器分析の結果によって確認することができる。 The low-valence titanium oxide phase is not only a crystal phase having an integer valence of TiO (II) and Ti 2 O 3 (III), but also a general formula: TiO 2-X (where X = 0 to It is a crystal phase in the range represented by 1). That is, the low valence titanium oxide phase in the present invention is a novel low valence titanium oxide phase represented by the chemical formula of the above general formula: TiO 2 -X . The structure of the low-valence titanium oxide phase can be confirmed by the results of instrumental analysis such as an X-ray diffractometer (X-ray diffraction, XRD) and an X-ray photoelectron spectrometer (XPS).
本発明の酸化亜鉛系焼結体において、酸化亜鉛相、導電性複合酸化物相および低原子価酸化チタン相の割合は、導電性の観点から、導電性複合酸化物相、一部チタンが固溶した酸化亜鉛、低原子価酸化チタンの順に導電性が高くなるので、導電性が高い相の割合が多いのが好ましい。 In the zinc oxide-based sintered body of the present invention, the proportions of the zinc oxide phase, the conductive composite oxide phase, and the low-valent titanium oxide phase are such that the conductive composite oxide phase and part of titanium are solid from the viewpoint of conductivity. Since the conductivity increases in the order of dissolved zinc oxide and low-valent titanium oxide, it is preferable that the ratio of the phase having high conductivity is large.
酸化亜鉛相は、一部チタンが亜鉛サイトに固溶した酸化亜鉛の結晶相となり、導電性が発現する。一部未固相焼結の低原子価酸化チタンはそれ自身導電性を有する。
そのため、本発明により得られた酸化亜鉛系焼結体を構成する(i)一部チタンが固溶した酸化亜鉛相、(ii)導電性複合酸化物相、(iii)低原子価酸化チタン相はいずれも導電性を有するため、極めて放電安定性に優れたターゲットとすることができ、極めて生産性に優れ、効率的な生産が可能となる。
ここで、固溶した状態とは、低原子価酸化チタンである、例えばTi2O3,TiO等のTi原子がZnO結晶などに置換型で固溶した形態にあることをいう。つまり、この形態とすることで、酸化亜鉛相自身の抵抗率を低減することができる。これに対して、複合酸化物は、酸素欠損を導入によって導電性が発現する点で、上記固溶形態とは異なる。
The zinc oxide phase becomes a zinc oxide crystal phase in which titanium is partly dissolved in the zinc site, and exhibits conductivity. Some non-solid phase sintered low valence titanium oxides themselves have electrical conductivity.
Therefore, (i) a zinc oxide phase in which titanium is partly dissolved, (ii) a conductive complex oxide phase, and (iii) a low-valent titanium oxide phase constituting the zinc oxide-based sintered body obtained by the present invention Since each of them has conductivity, it can be a target with extremely excellent discharge stability, and it is extremely excellent in productivity and enables efficient production.
Here, the solid solution state means a low-valent titanium oxide, for example, a Ti atom such as Ti 2 O 3 , TiO or the like in a substitutional solid solution form in a ZnO crystal or the like. That is, the resistivity of the zinc oxide phase itself can be reduced by adopting this form. On the other hand, the composite oxide is different from the solid solution form in that conductivity is exhibited by introducing oxygen deficiency.
ターゲット自身の構成成分は、すべてが導電性を有することにより、全体の抵抗率を低下でき、低い電圧で成膜することが可能になる。これによって、酸素イオンを基板方向へ加速させる電圧が低くなり、酸素イオンの衝突エネルギーも低下し、薄膜へのダメージが軽減され、薄膜の比抵抗を低くすることができる。 Since all the components of the target itself have conductivity, the overall resistivity can be reduced, and a film can be formed at a low voltage. As a result, the voltage for accelerating oxygen ions toward the substrate is lowered, the collision energy of oxygen ions is reduced, damage to the thin film is reduced, and the specific resistance of the thin film can be lowered.
本発明の酸化亜鉛系焼結体は、酸化亜鉛相と、複合酸化物相と、未反応の低原子価酸化チタン相とから構成されることが好ましい。このように酸化亜鉛系焼結体中に複合酸化物相が含まれていると、酸化亜鉛系焼結体自体の強度が増すので、例えばターゲットとして過酷な条件(高電力など)で成膜してもクラックを生じることがない。 The zinc oxide-based sintered body of the present invention is preferably composed of a zinc oxide phase, a composite oxide phase, and an unreacted low-valent titanium oxide phase. When the composite oxide phase is contained in the zinc oxide-based sintered body as described above, the strength of the zinc oxide-based sintered body increases, so that, for example, a film can be formed under severe conditions (high power, etc.) as a target. However, no cracks are generated.
本発明の酸化亜鉛系焼結体は、相対密度が95%以上、好ましくは98%である。相対密度が95%未満であると、焼結体自身は導電性に優れるが、5%以上の空孔が存在している為、空孔が起点となって異常放電が発生するおそれがある。
また、酸化亜鉛系焼結体の相対密度を、上記範囲内とするには、焼結体を製造する方法として、加圧焼結の場合は、加圧する圧力を高く、焼結温度を高くすればよく、常圧焼結の場合は、焼結温度を高くすればよい。
The zinc oxide-based sintered body of the present invention has a relative density of 95% or more, preferably 98%. If the relative density is less than 95%, the sintered body itself is excellent in conductivity, but 5% or more voids exist, and therefore abnormal discharge may occur due to the voids as a starting point.
Also, in order to keep the relative density of the zinc oxide-based sintered body within the above range, as a method of manufacturing the sintered body, in the case of pressure sintering, the pressurizing pressure is increased and the sintering temperature is increased. What is necessary is just to raise sintering temperature in the case of normal pressure sintering.
(酸化亜鉛系焼結体の製造方法)
本発明の酸化亜鉛系焼結体の製造方法は、低原子価酸化チタン粉と、酸化亜鉛粉または水酸化亜鉛粉との混合粉、および/またはチタン酸亜鉛化合物粉(導電性複合酸化物粉)を含む原料粉末を成形した後、得られた成形体を焼結することにより、上述した本発明の酸化亜鉛系焼結体を得るものである。
(Method for producing zinc oxide-based sintered body)
The method for producing a zinc oxide-based sintered body of the present invention comprises a mixed powder of low-valence titanium oxide powder and zinc oxide powder or zinc hydroxide powder, and / or zinc titanate compound powder (conductive composite oxide powder). ), And then sintering the resulting molded body to obtain the above-described zinc oxide-based sintered body of the present invention.
前記原料粉末としては、酸化チタン粉と、酸化亜鉛粉または水酸化亜鉛粉との混合粉、および/もしくはチタン酸亜鉛化合物粉を含むものであればよく、低原子価酸化チタン粉と、酸化亜鉛粉または水酸化亜鉛粉と、チタン酸亜鉛化合物粉との混合粉であってもよい。好ましくは、酸化チタン粉と、酸化亜鉛粉または水酸化亜鉛粉との混合粉を含むものがよい。 The raw material powder may be any powder containing titanium oxide powder, mixed powder of zinc oxide powder or zinc hydroxide powder, and / or zinc titanate compound powder. Low-valent titanium oxide powder and zinc oxide A mixed powder of powder or zinc hydroxide powder and zinc titanate compound powder may be used. Preferably, a powder containing a mixture of titanium oxide powder and zinc oxide powder or zinc hydroxide powder is preferable.
前記低原子価酸化チタン粉としては、例えば、3価のチタンからなる酸化チタン(Ti2O3)、2価のチタンからなる酸化チタン(TiO)等の低原子価酸化チタンの粉末を用いることができ、特にTiOの粉末を用いるのが好ましい。なぜなら、TiOはTi2O3より導電性が高く、酸化亜鉛系焼結体(ターゲット)の導電性を高くすることができる。
ここでいう低原子価酸化チタン粉とは、TiO(II)、Ti2O3(III)という整数の原子価を有するチタンの酸化物の粉末ばかりでなく、Ti3O5,Ti4O7,Ti6O11、Ti5O9、Ti8O15等も含む、一般式:TiO2-X(X=0〜1)で表される範囲の粉末である。本発明における低原子価酸化チタン粉は、一般式TiO2-Xで表される新規な低原子価酸化チタンである。この低原子価酸化チタンの構造は、X線回折装置(X−Ray Diffraction、XRD)、X線光電子分光装置(X−ray Photoelectron Spectroscopy、XPS)などの機器分析の結果によって確認することができる。
As the low-valent titanium oxide powder, for example, a low-valent titanium oxide powder such as titanium oxide (Ti 2 O 3 ) made of trivalent titanium or titanium oxide (TiO) made of divalent titanium is used. In particular, it is preferable to use TiO powder. This is because TiO has higher conductivity than Ti 2 O 3 and can increase the conductivity of the zinc oxide-based sintered body (target).
The low valence titanium oxide powder here is not only titanium oxide powder having an integer valence of TiO (II) and Ti 2 O 3 (III), but also Ti 3 O 5 and Ti 4 O 7. , Ti 6 O 11 , Ti 5 O 9 , Ti 8 O 15, etc., and a powder in a range represented by the general formula: TiO 2 -X (X = 0 to 1). The low-valent titanium oxide powder in the present invention is a novel low-valent titanium oxide represented by the general formula TiO 2 -X . The structure of the low valence titanium oxide can be confirmed by the results of instrumental analysis such as an X-ray diffractometer (X-Ray Diffraction, XRD) and an X-ray photoelectron spectrometer (XPS).
前記酸化亜鉛粉としては、通常、ウルツ鉱構造のZnO等の粉末が用いられ、さらにこのZnOを予め還元雰囲気で焼成して酸素欠損を含有させたものを用いてもよい。
前記水酸化亜鉛粉としては、アモルファスまたは結晶構造のいずれであってもよい。
前記チタン酸亜鉛化合物粉としては、導電性Zn2TiO4の粉末を用いることができ、ZnOと前述した低原子価酸化チタン粉との不活性雰囲気固相焼結による作製されたZn2TiO4の粉末を用いるのが好ましい。
原料粉末として各々用いる化合物(粉)の平均粒径は、それぞれ5μm以下であることが好ましい。
As the zinc oxide powder, a powder of ZnO or the like having a wurtzite structure is usually used, and a powder obtained by firing this ZnO in advance in a reducing atmosphere and containing oxygen deficiency may be used.
The zinc hydroxide powder may be either amorphous or crystalline.
As the zinc titanate compound powder, a conductive Zn 2 TiO 4 powder can be used, and Zn 2 TiO 4 produced by inert atmosphere solid-phase sintering of ZnO and the aforementioned low-valent titanium oxide powder. The powder is preferably used.
The average particle size of each compound (powder) used as the raw material powder is preferably 5 μm or less.
前記一般式:TiO2-X(X=0〜1)で表される酸化物の粉末は単成分を作製するのが難しく、混合物として得られる。通常、酸化チタン(TiO2)を水素雰囲気等の還元雰囲気にて、還元剤としてカーボン等を用いて、加熱することにより作製することができる。水素濃度、還元剤としてカーボン量、加熱温度を調製することにより、低原子価酸化チタン粉の混合物の割合を制御することができる。 The oxide powder represented by the general formula: TiO 2-X (X = 0 to 1) is difficult to produce a single component, and is obtained as a mixture. Usually, it can be produced by heating titanium oxide (TiO 2 ) in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere using carbon or the like as a reducing agent. By adjusting the hydrogen concentration, the amount of carbon as the reducing agent, and the heating temperature, the ratio of the low-valent titanium oxide powder mixture can be controlled.
前記原料粉末として、低原子価酸化チタン粉と、酸化亜鉛粉または水酸化亜鉛粉との混合粉を用いる場合、もしくは低原子価酸化チタン粉と、酸化亜鉛粉または水酸化亜鉛粉と、チタン酸亜鉛化合物粉との混合粉を用いる場合の各粉の混合割合は、各々用いる化合物(粉)の種類に応じて、最終的に得られる酸化亜鉛系焼結体において原子数比でTi/(Zn+Ti)の値が0.02超0.1以下の範囲となるように適宜設定すればよい。Ti/(Zn+Ti)の値が0.02以下であると、チタンのドープ効果が不充分となり、形成される透明導電膜の導電性が低下するとともに、化学的耐久性の改善効果が不充分となり、Ti/(Zn+Ti)の値が0.1を超えると、成膜時の不純物散乱要因が増し、移動度が低下し、導電性が低下する。 When using a mixed powder of low-valent titanium oxide powder and zinc oxide powder or zinc hydroxide powder as the raw material powder, or low-valent titanium oxide powder, zinc oxide powder or zinc hydroxide powder, and titanic acid When using mixed powder with zinc compound powder, the mixing ratio of each powder depends on the type of compound (powder) to be used. In the zinc oxide-based sintered body finally obtained, Ti / (Zn + Ti ) May be set as appropriate so that it is in the range of more than 0.02 and 0.1 or less. When the value of Ti / (Zn + Ti) is 0.02 or less, the doping effect of titanium is insufficient, the conductivity of the formed transparent conductive film is lowered, and the chemical durability improvement effect is insufficient. When the value of Ti / (Zn + Ti) exceeds 0.1, the impurity scattering factor during film formation increases, the mobility decreases, and the conductivity decreases.
その際、亜鉛はチタンに比べて蒸気圧が高く焼結した際に揮散しやすいことを考慮して、所望する酸化亜鉛系焼結体の目的組成(ZnとTiとの原子数比)よりも、予め亜鉛の量が多くなるように混合割合を設定しておくことが好ましい。具体的には、亜鉛の揮散のしやすさは、焼結する際の雰囲気によって異なり、例えば、酸化亜鉛粉を用いた場合、大気雰囲気や酸化雰囲気では酸化亜鉛粉自体の揮散しか起こらないが、還元雰囲気で焼結すると、酸化亜鉛が還元されて、酸化亜鉛よりもさらに揮散しやすい金属亜鉛となるので、亜鉛の消失量が増すことになるのである(ただし、後述のように、一旦焼結した後、還元雰囲気中でアニール処理を施す場合には、アニール処理を施す時点で既に複合酸化物となっているので、亜鉛が揮散しにくい)。したがって、目的組成に対して、どの程度亜鉛の量を増やしておくかについては、焼結の雰囲気などを考慮して設定すればよく、例えば、大気雰囲気や酸化雰囲気で焼結する場合には所望する原子数比となる量の1.0〜1.05倍程度、還元雰囲気で焼結する場合には所望する原子数比となる量の1.1〜1.3倍程度とすればよい。なお、原料粉末として各々用いる化合物(粉)は、それぞれ1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。 At that time, considering that zinc has a higher vapor pressure than titanium and is likely to volatilize when sintered, it is more than the desired composition of zinc oxide-based sintered body (atomic ratio of Zn and Ti). It is preferable to set the mixing ratio in advance so that the amount of zinc increases. Specifically, the easiness of volatilization of zinc varies depending on the atmosphere during sintering.For example, when zinc oxide powder is used, only the volatilization of zinc oxide powder itself occurs in an air atmosphere or an oxidizing atmosphere. When sintered in a reducing atmosphere, the zinc oxide is reduced and becomes metal zinc that is more easily volatilized than zinc oxide, so the amount of zinc lost increases (however, as described later, it is once sintered) After that, when annealing is performed in a reducing atmosphere, zinc is already difficult to evaporate because it is already a complex oxide at the time of annealing. Therefore, the amount of zinc to be increased with respect to the target composition may be set in consideration of the sintering atmosphere and the like. For example, when sintering in an air atmosphere or an oxidizing atmosphere, it is desirable. When the sintering is performed in a reducing atmosphere, the amount may be about 1.1 to 1.3 times the amount of the desired atomic ratio. In addition, each compound (powder) used as the raw material powder may be only one kind or two or more kinds.
前記原料粉末は成形される前に、粉砕処理が施されてもよい。粉砕処理が施されることで、原料粉末は幅の狭い粒度分布に整えられ、後述する焼結において、均一に固相焼結させることができ、密度の高い酸化物焼結体を得ることができる。
粉砕処理する方法としては、特に限定されず、例えば、メディアを使用する場合、ビーズミル、ボールミル、遊星ミル、サンドグラインダー、振動ミルまたはアトライター等の装置を備えた粉砕機による方法、メディアを使用しないジェットミル、ナノマイザー、スターバースト等の湿式超高圧微粒化装置による方法などが挙げられる。
The raw material powder may be pulverized before being molded. By performing the pulverization treatment, the raw material powder is adjusted to have a narrow particle size distribution, and can be uniformly solid-phase sintered in the sintering described later to obtain a high-density oxide sintered body. it can.
The method for pulverization is not particularly limited. For example, when media is used, a method using a pulverizer equipped with a bead mill, a ball mill, a planetary mill, a sand grinder, a vibration mill, or an attritor, and no media are used. Examples thereof include a method using a wet ultrahigh pressure atomizer such as a jet mill, a nanomizer, and a starburst.
前記原料粉末を成形する際の方法は、特に制限されるものではないが、例えば、原料粉末と水系溶媒とを混合し、得られたスラリーを充分に湿式混合により混合した後、固液分離・乾燥・造粒し、得られた造粒物を成形すればよい。
水系溶媒は、水を主成分とし、水単独であってもよいし、水とメタノール、エタノールなどのアルコールなどとの混合物であってもよい。
湿式混合は、例えば、硬質ZrO2ボール等を用いた湿式ボールミルや振動ミルにより行なえばよく、湿式ボールミルや振動ミルを用いた場合の混合時間は、12〜78時間程度が好ましい。なお、原料粉末をそのまま乾式混合してもよいが、湿式混合の方がより好ましい。
The method for forming the raw material powder is not particularly limited. For example, the raw material powder and an aqueous solvent are mixed, and the resulting slurry is sufficiently mixed by wet mixing. What is necessary is just to dry and granulate and shape | mold the obtained granulated material.
The aqueous solvent contains water as a main component and may be water alone, or may be a mixture of water and alcohol such as methanol or ethanol.
The wet mixing may be performed by, for example, a wet ball mill using a hard ZrO 2 ball or a vibration mill, and the mixing time when using the wet ball mill or the vibration mill is preferably about 12 to 78 hours. In addition, although raw material powder may be dry-mixed as it is, wet mixing is more preferable.
固液分離・乾燥・造粒については、それぞれ公知の方法を採用すればよい。
得られた造粒物を成形する際には、例えば、造粒物を型枠に入れ、冷間プレスや冷間静水圧プレスなどの冷間成形機を用いて1ton/cm2以上の圧力をかけて成形することができる。このとき、ホットプレスなどを用いて熱間で成形を行うと、製造コストの面で不利となるとともに、大型焼結体が得にくくなるおそれがある。
For solid-liquid separation / drying / granulation, known methods may be employed.
When the obtained granulated product is molded, for example, the granulated product is put into a mold, and a pressure of 1 ton / cm 2 or more is applied using a cold molding machine such as a cold press or a cold isostatic press. Can be molded. At this time, if hot forming is performed using a hot press or the like, it is disadvantageous in terms of manufacturing cost and it may be difficult to obtain a large sintered body.
得られた成形体の焼結は、不活性雰囲気または還元雰囲気(例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、真空、水素等)の雰囲気中では、600〜1500℃で行なう。 Sintering of the obtained molded body is performed at 600 to 1500 ° C. in an inert atmosphere or a reducing atmosphere (for example, nitrogen, argon, helium, carbon dioxide, vacuum, hydrogen, etc.).
不活性雰囲気または還元雰囲気の雰囲気中で焼結する際の焼結温度は、600〜1500℃、好ましくは1000〜1300℃とする。焼結温度が600℃未満であると、焼結が充分に進行しないので、ターゲット密度が低くなり、一方、1500℃を超えると、酸化亜鉛自体が分解して消失してしまうこととなる。なお、成形体を前記焼結温度まで昇温する際には、昇温速度を、600℃までは5〜10℃/分とし、600℃を超え1500℃までは1〜4℃/分とすることが、焼結密度を均一にするうえで好ましい。 The sintering temperature at the time of sintering in an inert atmosphere or a reducing atmosphere is 600 to 1500 ° C., preferably 1000 to 1300 ° C. If the sintering temperature is lower than 600 ° C., the sintering does not proceed sufficiently, so that the target density is lowered. On the other hand, if it exceeds 1500 ° C., zinc oxide itself is decomposed and disappears. When the molded body is heated to the sintering temperature, the rate of temperature increase is 5 to 10 ° C./min up to 600 ° C., and 1 to 4 ° C./min. It is preferable to make the sintered density uniform.
いずれの雰囲気中で焼結する際も、焼結時間(すなわち、焼結温度での保持時間)は、3〜15時間とすることが好ましい。焼結時間が3時間未満であると、焼結密度が不充分となりやすく、得られる酸化亜鉛系焼結体の強度が低下する傾向があり、一方、15時間を超えると、焼結体の結晶粒成長が著しくなるとともに、空孔の粗大化、ひいては最大空孔径の増大化を招く傾向があり、その結果、焼結密度が低下するおそれがある。 When sintering in any atmosphere, the sintering time (that is, the holding time at the sintering temperature) is preferably 3 to 15 hours. If the sintering time is less than 3 hours, the sintered density tends to be insufficient, and the strength of the resulting zinc oxide-based sintered body tends to decrease. Grain growth tends to be significant, and the pores tend to become coarse, and hence the maximum pore diameter increases, and as a result, the sintered density may decrease.
焼結を行なう際の方法は、特に制限されるものではなく、例えば、常圧焼成法、ホットプレス法、熱間等方圧加圧(HIP)法、冷間等方圧加圧(CIP)法、マイクロ波焼結法、ミリ波焼結法等を採用することができる。 The method for performing the sintering is not particularly limited. For example, atmospheric pressure firing method, hot press method, hot isostatic pressing (HIP) method, cold isostatic pressing (CIP) The method, the microwave sintering method, the millimeter wave sintering method, etc. can be employed.
(ターゲット)
本発明のターゲットは、スパッタリング法、イオンプレーティング法、PLD法またはEB蒸着法による成膜に用いられるターゲットである。なお、このような成膜の際に用いる固形材料のことを「タブレット」と称する場合もあるが、本発明においてはこれらを含め「ターゲット」と称することとする。
(target)
The target of the present invention is a target used for film formation by sputtering, ion plating, PLD, or EB vapor deposition. In addition, although the solid material used in the film formation may be referred to as “tablet”, in the present invention, these are referred to as “target”.
本発明のターゲットは、上述した本発明の酸化亜鉛系焼結体を必要に応じて所定の形状および所定の寸法に加工してなる。
加工方法は、特に制限されず、適宜公知の方法を採用すればよい。例えば、酸化亜鉛系焼結体に平面研削等を施した後、所定の寸法に切断してから、支持台に貼着することにより、本発明のターゲットを得ることができる。また、必要に応じて、複数枚の酸化亜鉛系焼結体を分割形状にならべて、大面積のターゲット(複合ターゲット)としてもよい。
The target of the present invention is formed by processing the above-described zinc oxide-based sintered body of the present invention into a predetermined shape and a predetermined dimension as necessary.
A processing method in particular is not restrict | limited, What is necessary is just to employ | adopt a well-known method suitably. For example, after subjecting the zinc oxide-based sintered body to surface grinding or the like, the target of the present invention can be obtained by pasting the zinc oxide-based sintered body to a predetermined size and then attaching it to a support base. Further, if necessary, a plurality of zinc oxide-based sintered bodies may be divided into divided shapes to form a large-area target (composite target).
本発明の酸化亜鉛系焼結体または本発明のターゲットを用いて形成された透明導電膜は、優れた導電性と化学的耐久性(耐熱性、耐湿性、耐薬品性(耐アルカリ性、耐酸性)など)とを兼ね備えたものであるので、例えば、液晶ディスプレイ・プラズマディスプレイ・無機EL(エレクトロルミネセンス)ディスプレイ・有機ELディスプレイ・電子ペーパーなどの透明電極、太陽電池の光電変換素子の窓電極、透明タッチパネル等の入力装置の電極、電磁シールドの電磁遮蔽膜等の用途に好適に用いられる。さらに、本発明の酸化亜鉛系焼結体または本発明のターゲットを用いて形成された透明導電膜は、透明電波吸収体、紫外線吸収体、さらには透明半導体デバイスとして、他の金属膜や金属酸化膜と組み合わせて活用することもできる。 The transparent conductive film formed using the zinc oxide-based sintered body of the present invention or the target of the present invention has excellent conductivity and chemical durability (heat resistance, moisture resistance, chemical resistance (alkali resistance, acid resistance). ) Etc.), for example, transparent electrodes such as liquid crystal displays, plasma displays, inorganic EL (electroluminescence) displays, organic EL displays, electronic papers, window electrodes of photovoltaic cells of solar cells, It is suitably used for applications such as electrodes of input devices such as transparent touch panels and electromagnetic shielding films of electromagnetic shields. Furthermore, the transparent conductive film formed using the zinc oxide-based sintered body of the present invention or the target of the present invention can be used as a transparent radio wave absorber, ultraviolet absorber, and transparent semiconductor device as another metal film or metal oxide. It can also be used in combination with a membrane.
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例により限定されるものではない。
なお、得られた透明導電性基板の評価は以下の方法で行なった。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited by this Example.
In addition, evaluation of the obtained transparent conductive substrate was performed by the following method.
<比抵抗>
比抵抗は、抵抗率計(三菱化学(株)製の「LORESTA−GP、MCP−T610」)を用いて、四端子四探針法により測定した。詳しくは、サンプルに4本の針状の電極を直線上に置き、外側の二探針間に一定の電流を流し、内側の二探針間に一定電流を流し、内側の二探針間に生じる電位差を測定し、抵抗を求めた。
<Resistivity>
The specific resistance was measured by a four-terminal four-probe method using a resistivity meter (“LORESTA-GP, MCP-T610” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). Specifically, four needle-shaped electrodes are placed on a straight line on the sample, a constant current is passed between the outer two probes, a constant current is passed between the inner two probes, and the inner two probes are The resulting potential difference was measured to determine the resistance.
<表面抵抗>
表面抵抗(Ω/□)は、比抵抗(Ω・cm)を膜厚(cm)で除することにより算出した。
<Surface resistance>
The surface resistance (Ω / □) was calculated by dividing the specific resistance (Ω · cm) by the film thickness (cm).
<透過率>
透過率は、紫外可視近赤外分光光度計(日本分光(株)製の「V−670」)を用いて測定した。
<Transmissivity>
The transmittance was measured using an ultraviolet-visible near-infrared spectrophotometer (“V-670” manufactured by JASCO Corporation).
<耐湿性>
透明導電性基板を、温度60℃、相対湿度90%の雰囲気中に1000時間保持する耐湿試験に付した後、表面抵抗を測定した。耐湿試験後の表面抵抗が、耐湿試験前の表面抵抗の2倍以下であると、耐湿性に優れると言える。
<Moisture resistance>
The transparent conductive substrate was subjected to a moisture resistance test in which the transparent conductive substrate was held in an atmosphere at a temperature of 60 ° C. and a relative humidity of 90% for 1000 hours, and then the surface resistance was measured. It can be said that the surface resistance after the moisture resistance test is excellent in moisture resistance when the surface resistance before the moisture resistance test is twice or less.
<耐熱性>
透明導電性基板を、温度200℃の大気中に5時間保持する耐熱試験に付した後、表面抵抗を測定した。耐熱試験後の表面抵抗が、耐熱試験前の表面抵抗の1.5倍以下であると、耐熱性に優れると言える。
<Heat resistance>
The transparent conductive substrate was subjected to a heat resistance test in which the transparent conductive substrate was held in the atmosphere at a temperature of 200 ° C. for 5 hours, and then the surface resistance was measured. When the surface resistance after the heat test is 1.5 times or less than the surface resistance before the heat test, it can be said that the heat resistance is excellent.
<耐アルカリ性>
透明導電性基板を、3%のNaOH水溶液(40℃)中に10分間浸漬し、浸漬前後の基板上の膜質の変化の有無を目視にて確認した。
<Alkali resistance>
The transparent conductive substrate was immersed in a 3% NaOH aqueous solution (40 ° C.) for 10 minutes, and the presence or absence of a change in film quality on the substrate before and after immersion was confirmed visually.
<耐酸性>
透明導電性基板を、3%のHCl水溶液(40℃)中に10分間浸漬し、浸漬前後の基板上の膜質の変化の有無を目視にて確認した。
<Acid resistance>
The transparent conductive substrate was immersed in a 3% aqueous HCl solution (40 ° C.) for 10 minutes, and the presence or absence of a change in film quality on the substrate before and after immersion was confirmed visually.
[実施例1]
酸化亜鉛粉(ZnO粉末;純度99.9%、平均粒径1μm以下、和光純薬工業(株)製)および酸化チタン粉(TiO粉末;純度99.9%、平均粒径1μm以下、(株)高純度化学研究所製)を、ZnO:TiO=2:1(モル比)で配合し、ボールミルで20時間混合、乾燥し、混合粉を得た。
混合操作後、ボールとエタノールを除去して得られた混合粉末を黒鉛からなる金型(ダイス)に入れ、黒鉛からなるパンチにて40MPaの圧力で真空加圧し、1000℃、4時間、加熱処理を行い、円盤型の酸化亜鉛系焼結体(1)を得た。
[Example 1]
Zinc oxide powder (ZnO powder; purity 99.9%,
After the mixing operation, the mixed powder obtained by removing the balls and ethanol is put into a mold (die) made of graphite, and vacuum-pressed at a pressure of 40 MPa with a punch made of graphite, followed by heat treatment at 1000 ° C. for 4 hours. The disc-shaped zinc oxide sintered body (1) was obtained.
得られた酸化亜鉛系焼結体(1)をエネルギー分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「EDX−700L」)にて分析したところ、ZnとTiの原子数比はZn:Ti=2:1であった。この酸化亜鉛系焼結体(1)の結晶構造をX線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)により調べた。その結果を、図1に示す。図1に示すように、酸化亜鉛系焼結体(1)は、酸化亜鉛(ZnO)とチタン酸亜鉛(Zn2TiO4)の結晶相の混合物であり、TiOは検出されなかった。存在比率を解析したところ、Zn2TiO4:ZnO=89.7:10.3であった。
また、SEM−EDXにて酸化亜鉛系焼結体(1)の測定を行ったところ、大部分がZn2TiO4であり、一部がZnOであった。さらに、超微量の未固相焼結であるTiOが検出された。
テスターにて導電性を測定したところ、9Ωであった。
この酸化亜鉛系焼結体(1)の相対密度を焼結体のサイズから算出したところ95.2%であった。なお、相対密度は、酸化亜鉛、酸化チタンの単体密度に混合の重量比をかけ、和をとった理論密度を100%として求めている(下式(A)、(B)を参照)。
相対密度=100×[(焼結体の密度)/(理論密度)]・・・・・(A)
理論密度=(酸化亜鉛の単体密度×混合重量比+酸化チタンの単体密度×混合重量比)・・・・・(B)
When the obtained zinc oxide-based sintered body (1) was analyzed with an energy dispersive X-ray fluorescence apparatus (“EDX-700L” manufactured by Shimadzu Corporation), the atomic ratio of Zn and Ti was Zn: Ti. = 2: 1. The crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (1) was examined using an X-ray diffractometer (“RINT2000” manufactured by Rigaku Corporation). The result is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the zinc oxide-based sintered body (1) is a mixture of crystal phases of zinc oxide (ZnO) and zinc titanate (Zn 2 TiO 4 ), and no TiO was detected. When the abundance ratio was analyzed, it was Zn 2 TiO 4 : ZnO = 89.7: 10.3.
Moreover, when the zinc oxide sintered body (1) was measured by SEM-EDX, most was Zn 2 TiO 4 and part was ZnO. Furthermore, an extremely small amount of non-solid phase TiO was detected.
The conductivity was measured with a tester and found to be 9Ω.
When the relative density of this zinc oxide-based sintered body (1) was calculated from the size of the sintered body, it was 95.2%. The relative density is obtained by multiplying the unit density of zinc oxide and titanium oxide by the weight ratio of mixing and taking the sum as a theoretical density of 100% (see the following formulas (A) and (B)).
Relative density = 100 × [(density of sintered body) / (theoretical density)] (A)
Theoretical density = (Zinc oxide simple substance density × mixing weight ratio + Titanium oxide simple substance density × mixing weight ratio) (B)
これらのことから、大部分を占めるZn2TiO4は導電性を有することがわかった。 From these facts, it was found that Zn 2 TiO 4 occupying the majority has conductivity.
[比較例1]
酸化亜鉛粉(ZnO粉末;純度99.9%、平均粒径1μm以下、和光純薬工業(株)製)および酸化チタン粉(TiO2粉末;純度99.9%、平均粒径1μm以下、(株)高純度化学研究所製)を、ZnO:TiO2=2:1(モル比)で配合し、ボールミルで20時間混合、乾燥し、混合粉を得た。
混合操作後、ボールとエタノールを除去して得られた混合粉末を黒鉛からなる金型(ダイス)に入れ、黒鉛からなるパンチにて40MPaの圧力で真空加圧し、1000℃、4時間、加熱処理を行い円盤型の酸化亜鉛系焼結体(C1)を得た。
得られた酸化亜鉛系焼結体(C1)をエネルギー分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「EDX−700L」)にて分析したところ、ZnとTiの原子数比はZn:Ti=2:1であった。この酸化亜鉛系焼結体(C1)の結晶構造をX線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)により調べた。その結果を、図1に示す。図1に示すように、酸化亜鉛系焼結体(C1)の結晶構造は、酸化亜鉛(ZnO)とチタン酸亜鉛(Zn2TiO4)の結晶相の混合物であり、TiO2は検出されなかった。存在比率を解析したところ、Zn2TiO4:ZnO=94.0:6.0であった。
また、SEM−EDXにて酸化亜鉛系焼結体(C1)の測定を行ったところ、大部分がZn2TiO4であり、一部がZnOであった。さらに、超微量の未固相焼結であるTiO2が検出された。
テスターにて導電性を測定したところ、まったく電気が流れず、絶縁体であった。
酸化亜鉛系焼結体(C1)の相対密度は、実施例1と同様にして算出したところ、95.1%であった。
[Comparative Example 1]
Zinc oxide powder (ZnO powder; purity 99.9%,
After the mixing operation, the mixed powder obtained by removing the balls and ethanol is put into a mold (die) made of graphite, and vacuum-pressed at a pressure of 40 MPa with a punch made of graphite, followed by heat treatment at 1000 ° C. for 4 hours. To obtain a disk-shaped zinc oxide-based sintered body (C1).
When the obtained zinc oxide-based sintered body (C1) was analyzed with an energy dispersive X-ray fluorescence apparatus (“EDX-700L” manufactured by Shimadzu Corporation), the atomic ratio of Zn and Ti was Zn: Ti. = 2: 1. The crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (C1) was examined with an X-ray diffractometer (“RINT2000” manufactured by Rigaku Corporation). The result is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (C1) is a mixture of crystal phases of zinc oxide (ZnO) and zinc titanate (Zn 2 TiO 4 ), and TiO 2 is not detected. It was. When the abundance ratio was analyzed, it was Zn 2 TiO 4 : ZnO = 94.0: 6.0.
Further, measurement was performed of the zinc oxide-based sintered body (C1) at SEM-EDX, mostly a Zn 2 TiO 4, part of which was ZnO. Furthermore, TiO 2, which is an extremely small amount of non-solid phase sintering, was detected.
When the conductivity was measured with a tester, no electricity flowed and it was an insulator.
When the relative density of the zinc oxide based sintered body (C1) was calculated in the same manner as in Example 1, it was 95.1%.
これらのことから、大部分を占めるZnOとTiO2の固相焼結から得られたZn2TiO4は絶縁体であることがわかった。 From these facts, it was found that Zn 2 TiO 4 obtained by solid phase sintering of ZnO and TiO 2 occupying the majority was an insulator.
(実施例2)
酸化亜鉛粉末(ZnO;和光純薬工業(株)製、特級)および酸化チタン粉末(TiO(III);(株)高純度化学研究所製、純度99.99%)を原料粉末とし、これらをZn:Tiの原子数比が95:5となる割合で混合し、原料粉末の混合物を得た。混合操作後、ボールとエタノールを除去して得られた混合粉末を黒鉛からなる金型(ダイス)に入れ、黒鉛からなるパンチにて40MPaの圧力で真空加圧し、1100℃、4時間、加熱処理を行い円盤型の酸化亜鉛系焼結体(2)を得た(ホットプレス法)。
この酸化亜鉛系焼結体(2)の相対密度を焼結体のサイズから算出したところ97.0%であった。なお、相対密度は、下記の式から求めている。得られた酸化亜鉛系焼結体(2)に研削、表面研磨を施し、50.8mmΦ、厚さ3mmの焼結体を得た。
相対密度=100×[(焼結体の密度)/(理論密度)]
但し、理論密度=(酸化亜鉛の単体密度×混合重量比+酸化チタンの単体密度×混合重量比)
(Example 2)
Zinc oxide powder (ZnO; manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) and titanium oxide powder (TiO (III); manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.99%) are used as raw material powders. A mixture of raw material powders was obtained by mixing at a Zn: Ti atomic ratio of 95: 5. After the mixing operation, the mixed powder obtained by removing the balls and ethanol is placed in a graphite mold (die), and vacuum-pressed at a pressure of 40 MPa with a graphite punch, and heated at 1100 ° C. for 4 hours. To obtain a disk-shaped zinc oxide sintered body (2) (hot pressing method).
It was 97.0% when the relative density of this zinc oxide type sintered compact (2) was computed from the size of a sintered compact. The relative density is obtained from the following formula. The obtained zinc oxide-based sintered body (2) was ground and polished to obtain a sintered body having a diameter of 50.8 mmΦ and a thickness of 3 mm.
Relative density = 100 × [(density of sintered body) / (theoretical density)]
However, theoretical density = (Zinc oxide simple substance density × mixing weight ratio + titanium oxide simple substance density × mixing weight ratio)
得られた酸化亜鉛系焼結体(2)をエネルギー分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「EDX−700L」)にて分析したところ、ZnとTiの原子数比はZn:Ti=95:5(Ti/(Zn+Ti)=0.05)であった。この酸化亜鉛系焼結体(2)の結晶構造をX線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)により調べた。その結果を、図2に示す。図2に示すように、酸化亜鉛系焼結体(2)の結晶構造は、酸化亜鉛(ZnO)と複合酸化物(Zn2TiO4)の結晶相の混合物であり、酸化チタン(TiO)は全く存在していなかった。
SEM−EDXにて酸化亜鉛系焼結体(2)を観察したところ、大部分がZnOであり、一部が複合酸化物(Zn2TiO4)であった。さらに、超微量の未固相焼結であるTiOが存在していた。
酸化亜鉛系焼結体(2)の構成成分は、導電性を有しており、ターゲット全体の導電性をテスターにて評価したところ、10Ωであった。
酸化亜鉛系焼結体(2)の相対密度は、実施例1と同様にして算出したところ、98.9%であった。
When the obtained zinc oxide-based sintered body (2) was analyzed with an energy dispersive X-ray fluorescence apparatus (“EDX-700L” manufactured by Shimadzu Corporation), the atomic ratio of Zn and Ti was Zn: Ti. = 95: 5 (Ti / (Zn + Ti) = 0.05). The crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (2) was examined using an X-ray diffractometer (“RINT2000” manufactured by Rigaku Corporation). The result is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (2) is a mixture of crystal phases of zinc oxide (ZnO) and composite oxide (Zn 2 TiO 4 ), and titanium oxide (TiO) is It did not exist at all.
When the zinc oxide-based sintered body (2) was observed with SEM-EDX, most was ZnO and some was composite oxide (Zn 2 TiO 4 ). Furthermore, TiO, which is a very small amount of non-solid phase sintering, was present.
The constituent component of the zinc oxide-based sintered body (2) has electrical conductivity, and when the electrical conductivity of the entire target was evaluated by a tester, it was 10Ω.
When the relative density of the zinc oxide based sintered body (2) was calculated in the same manner as in Example 1, it was 98.9%.
得られた焼結体を、銅板をバッキングプレートとして用い、インジウム半田を用いてボンディングし、スパッタリングターゲットを得た。得られたスパッタリングターゲットを用い、スパッタリングにより成膜を行った。スパッタ条件は以下のとおりであり、厚さ約1000nmの薄膜を得た。
ターゲット寸法 :50.8mmΦ×3mm厚
スパッタリング装置:キャノンアネルバ製 「E-200S」
スパッタ方式 :DCマグネトロンスパッタリング
到達真空度 :2.0×10-4Pa
Ar圧力 :0.5Pa
基板温度 :200℃
スパッタ電力 :45W
成膜時間 :約4時間
使用基板 :ソーダライムガラス(50.8mm×50.8mm×0.5mm)
The obtained sintered body was bonded using indium solder using a copper plate as a backing plate to obtain a sputtering target. Using the obtained sputtering target, a film was formed by sputtering. The sputtering conditions were as follows, and a thin film having a thickness of about 1000 nm was obtained.
Target size: 50.8 mmΦ x 3 mm thickness Sputtering device: “E-200S” manufactured by Canon Anelva
Sputtering method: DC magnetron sputtering Ultimate vacuum: 2.0 × 10 −4 Pa
Ar pressure: 0.5 Pa
Substrate temperature: 200 ° C
Sputtering power: 45W
Deposition time: about 4 hours Substrate: Soda lime glass (50.8 mm x 50.8 mm x 0.5 mm)
スパッタリング成膜中の放電特性を調べたところ、成膜時間(3時間40分)中に、異常放電が2回発生した。
形成した透明導電膜中の組成(Zn:Ti)について、波長分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「XRF−1700WS」)を用い蛍光X線法により検量線を用いて定量分析を行ったところ、Zn:Ti(原子数比)=95:5(Ti/(Zn+Ti)=0.05)であった。また、この透明導電膜について、X線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)を用い薄膜測定用のアタッチメントを使用したX線回折を行うとともに、エネルギー分散型X線マイクロアナライザー(TEM−EDX)を用いて亜鉛へのチタンのドープ状態を調べ、さらに電界放射型電子顕微鏡(FE−SEM)を用いて結晶構造を調べたところ、C軸配向したウルツ鉱型の単相であり、チタンが亜鉛に置換固溶していることがわかった。
得られた透明導電性基板上の透明導電膜の比抵抗は4.0・10-4Ω・cmであり、表面抵抗は4Ω/□であった。なお、透明基板上の比抵抗の分布は面内均一であった。
得られた透明導電性基板の透過率は、可視領域(380nm〜780nm)で平均85%、赤外領域(780nm〜1500nm)で平均85%であった。なお、成膜前の石英ガラス基板の可視領域(380nm〜780nm)における透過率は平均94%であり、赤外領域(780nm〜2700nm)における透過率は平均94%であった。
得られた透明導電性基板の耐湿性を評価したところ、耐湿試験後の表面抵抗は、耐湿試験前の表面抵抗の1.2倍であり、耐湿性に優れることがわかった。また、得られた透明導電性基板の耐熱性を評価したところ、耐熱試験後の表面抵抗は、耐熱試験前の表面抵抗の1.1倍であり、耐熱性に優れることがわかった。
得られた透明導電性基板の耐アルカリ性を評価したところ、浸漬前後で膜質に変化はなく耐アルカリ性に優れていることがわかった。また、得られた透明導電性基板の耐酸性を評価したところ、浸漬後、膜厚が薄くなっており溶解していたが、浸漬前後で膜質に変化はなく耐酸性に優れていることがわかった。
When the discharge characteristics during the sputtering film formation were examined, abnormal discharge occurred twice during the film formation time (3
The composition (Zn: Ti) in the formed transparent conductive film is quantitatively analyzed using a calibration curve by a fluorescent X-ray method using a wavelength dispersion type fluorescent X-ray apparatus (“XRF-1700WS” manufactured by Shimadzu Corporation). As a result, Zn: Ti (atomic ratio) = 95: 5 (Ti / (Zn + Ti) = 0.05). The transparent conductive film is subjected to X-ray diffraction using an attachment for thin film measurement using an X-ray diffractometer ("RINT2000" manufactured by Rigaku Corporation) and an energy dispersive X-ray microanalyzer (TEM-). EDX) was used to investigate the doping state of titanium into zinc, and further the crystal structure was examined using a field emission electron microscope (FE-SEM). Was found to be substituted and dissolved in zinc.
The specific resistance of the transparent conductive film on the obtained transparent conductive substrate was 4.0 · 10 −4 Ω · cm, and the surface resistance was 4Ω / □. The specific resistance distribution on the transparent substrate was uniform in the plane.
The transmittance of the obtained transparent conductive substrate was an average of 85% in the visible region (380 nm to 780 nm) and an average of 85% in the infrared region (780 nm to 1500 nm). The transmittance in the visible region (380 nm to 780 nm) of the quartz glass substrate before film formation was 94% on average, and the transmittance in the infrared region (780 nm to 2700 nm) was 94% on average.
When the moisture resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, it was found that the surface resistance after the moisture resistance test was 1.2 times the surface resistance before the moisture resistance test, and the moisture resistance was excellent. Moreover, when the heat resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, it was found that the surface resistance after the heat test was 1.1 times the surface resistance before the heat test, and the heat resistance was excellent.
When the alkali resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, it was found that there was no change in film quality before and after immersion, and the alkali resistance was excellent. Moreover, when the acid resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, it was found that after immersion, the film thickness was thin and dissolved, but the film quality did not change before and after immersion, and the acid resistance was excellent. It was.
以上のことから、このターゲットは、高密度(相対密度95%以上)かつ、ターゲット中に絶縁層が存在しないので、放電安定性に極めて優れており、このターゲットを用いて成膜した膜は透明かつ低抵抗であるとともに、化学的耐久性(耐熱性、耐湿性、耐アルカリ性、耐酸性)をも兼ね備えた透明導電膜であることが明らかである。 From the above, this target has a high density (relative density of 95% or more) and an insulating layer is not present in the target, so that the discharge stability is extremely excellent, and a film formed using this target is transparent. It is clear that the transparent conductive film has low resistance and also has chemical durability (heat resistance, moisture resistance, alkali resistance, acid resistance).
(比較例2)
酸化亜鉛粉末(ZnO;和光純薬工業(株)製、特級)および酸化アルミニウム粉末(Al2O3;住友化学(株)、純度99.99%)を原料粉末とし、これらをZn:Alの原子数比が95:5となる割合で混合し、原料粉末の混合物を得た。混合操作後、ボールとエタノールを除去して得られた混合粉末を黒鉛からなる金型(ダイス)に入れ、黒鉛からなるパンチにて40MPaの圧力で真空加圧し、1100℃、4時間、加熱処理を行い円盤型の酸化亜鉛系焼結体(C2)を得た(ホットプレス法)。
この酸化亜鉛系焼結体(C2)の相対密度を焼結体のサイズから算出したところ97.0%であった。なお、相対密度は、下記の式から求めている。得られた酸化亜鉛系焼結体(C2)に研削、表面研磨を施し、50.8mmΦ、厚さ3mmの焼結体を得た。
相対密度=100×[(焼結体の密度)/(理論密度)]
但し、理論密度=(酸化亜鉛の単体密度×混合重量比+酸化アルミニウムの単体密度×混合重量比)
(Comparative Example 2)
Zinc oxide powder (ZnO; manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) and aluminum oxide powder (Al 2 O 3 ; Sumitomo Chemical Co., Ltd., purity 99.99%) are used as raw material powders, and these are Zn: Al Mixing was performed at a ratio of the atomic ratio of 95: 5 to obtain a mixture of raw material powders. After the mixing operation, the mixed powder obtained by removing the balls and ethanol is placed in a graphite mold (die), and vacuum-pressed at a pressure of 40 MPa with a graphite punch, and heated at 1100 ° C. for 4 hours. A disc-shaped zinc oxide sintered body (C2) was obtained (hot pressing method).
It was 97.0% when the relative density of this zinc oxide type sintered compact (C2) was computed from the size of a sintered compact. The relative density is obtained from the following formula. The obtained zinc oxide-based sintered body (C2) was ground and polished to obtain a sintered body having a diameter of 50.8 mmΦ and a thickness of 3 mm.
Relative density = 100 × [(density of sintered body) / (theoretical density)]
However, theoretical density = (Zinc oxide simple substance density × mixing weight ratio + Aluminum oxide simple substance density × mixing weight ratio)
得られた酸化亜鉛系焼結体(C2)をエネルギー分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「EDX−700L」)にて分析したところ、ZnとAlの原子数比はZn:Al=95:5(Al/(Zn+Al)=0.05)であった。この酸化亜鉛系焼結体(C2)の結晶構造をX線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)により測定した結果を、図3に示す。図3に示すように、酸化亜鉛系焼結体(C2)の結晶構造は、酸化亜鉛(ZnO)と複合酸化物(ZnAl2O4)の結晶相の混合物であり、酸化アルミナ(Al2O3)は全く存在していなかった。
SEM−EDXにて酸化亜鉛系焼結体(C2)を観察したところ、大部分が、一部Alが固溶したZnOであり、一部が複合酸化物(ZnAl2O4)であった。さらに、超微量の未固相焼結であるAl2O3が存在していた。
一部Alが固溶したZnOは導電性を有するが、複合酸化物(ZnAl2O4)及び超微量の未固相焼結のAl2O3は完全な絶縁相であった。
ターゲット全体の導電性をテスターにて評価したところ、抵抗は3Ωとかなり低いが、全面が導電層でなく、導電層の中に絶縁層が海島構造として存在していた。
When the obtained zinc oxide-based sintered body (C2) was analyzed with an energy dispersive X-ray fluorescence apparatus (“EDX-700L” manufactured by Shimadzu Corporation), the atomic ratio of Zn and Al was Zn: Al. = 95: 5 (Al / (Zn + Al) = 0.05). The results of measuring the crystal structure of this zinc oxide-based sintered body (C2) using an X-ray diffractometer (“RINT2000” manufactured by Rigaku Corporation) are shown in FIG. As shown in FIG. 3, the crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (C2) is a mixture of crystal phases of zinc oxide (ZnO) and composite oxide (ZnAl 2 O 4 ), and alumina oxide (Al 2 O 3 ) was not present at all.
When the zinc oxide-based sintered body (C2) was observed by SEM-EDX, most of the ZnO was ZnO in which a part of Al was dissolved, and a part was a composite oxide (ZnAl 2 O 4 ). Furthermore, there was an extremely small amount of Al 2 O 3 that was non-solid phase sintering.
ZnO in which a part of Al is dissolved has conductivity, but the composite oxide (ZnAl 2 O 4 ) and a very small amount of non-solid-phase sintered Al 2 O 3 were completely insulating phases.
When the conductivity of the entire target was evaluated by a tester, the resistance was as low as 3Ω, but the entire surface was not a conductive layer, and an insulating layer existed in the conductive layer as a sea-island structure.
得られた焼結体を、銅板をバッキングプレートとして用い、インジウム半田を用いてボンディングし、スパッタリングターゲットを得た。得られたスパッタリングターゲットを用い、スパッタリングにより成膜を行った。スパッタ条件は以下のとおりであり、厚さ約1000nmの薄膜を得た。
ターゲット寸法 :50.8mmΦ×3mm厚
スパッタリング装置:キャノンアネルバ製 「E-200S」
スパッタ方式 :DCマグネトロンスパッタリング
到達真空度 :2.0×10-4Pa
Ar圧力 :0.5Pa
基板温度 :200℃
スパッタ電力 :45W
成膜時間 :約4時間
使用基板 :ソーダライムガラス(50.8mm×50.8mm×0.5mm)
The obtained sintered body was bonded using indium solder using a copper plate as a backing plate to obtain a sputtering target. Using the obtained sputtering target, a film was formed by sputtering. The sputtering conditions were as follows, and a thin film having a thickness of about 1000 nm was obtained.
Target size: 50.8 mmΦ x 3 mm thickness Sputtering device: “E-200S” manufactured by Canon Anelva
Sputtering method: DC magnetron sputtering Ultimate vacuum: 2.0 × 10 −4 Pa
Ar pressure: 0.5 Pa
Substrate temperature: 200 ° C
Sputtering power: 45W
Deposition time: about 4 hours Substrate: Soda lime glass (50.8 mm x 50.8 mm x 0.5 mm)
スパッタリング成膜中の放電特性を調べたところ、成膜時間(3時間40分)中に、異常放電が9回発生した。
形成した透明導電膜中の組成(Zn:Ti)について、波長分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「XRF−1700WS」)を用い蛍光X線法により検量線を用いて定量分析を行ったところ、Zn:Al(原子数比)=95:5(Al/(Zn+Ti)=0.05)であった。また、この透明導電膜について、X線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)を用い薄膜測定用のアタッチメントを使用したX線回折を行うとともに、エネルギー分散型X線マイクロアナライザー(TEM−EDX)を用いて亜鉛へのチタンのドープ状態を調べ、さらに電界放射型電子顕微鏡(FE−SEM)を用いて結晶構造を調べたところ、C軸配向したウルツ鉱型の単相であり、チタンが亜鉛に置換固溶していることがわかった。
得られた透明導電性基板上の透明導電膜の比抵抗は3.4・10-4Ω・cmであり、表面抵抗は3.4Ω/□であった。なお、透明基板上の比抵抗の分布は面内均一であった。
得られた透明導電性基板の透過率は、可視領域(380nm〜780nm)で平均85%、赤外領域(780nm〜1500nm)で平均70%であった。なお、成膜前の石英ガラス基板の可視領域(380nm〜780nm)における透過率は平均94%であり、赤外領域(780nm〜2700nm)における透過率は平均94%であった。
得られた透明導電性基板の耐湿性を評価したところ、耐湿試験後の表面抵抗は、耐湿試験前の表面抵抗の2.8倍であり、耐湿性に劣ることがわかった。また、得られた透明導電性基板の耐熱性を評価したところ、耐熱試験後の表面抵抗は、耐熱試験前の表面抵抗の6.5倍であり、耐熱性に劣ることがわかった。
得られた透明導電性基板の耐アルカリ性を評価したところ、浸漬後には膜は完全に溶解し、消失していた。また、得られた透明導電性基板の耐酸性を評価したところ、膜は完全に溶解し、消失していた。
When the discharge characteristics during the sputtering film formation were examined, abnormal discharge occurred 9 times during the film formation time (3
The composition (Zn: Ti) in the formed transparent conductive film is quantitatively analyzed using a calibration curve by a fluorescent X-ray method using a wavelength dispersion type fluorescent X-ray apparatus (“XRF-1700WS” manufactured by Shimadzu Corporation). As a result, Zn: Al (atomic ratio) = 95: 5 (Al / (Zn + Ti) = 0.05). The transparent conductive film is subjected to X-ray diffraction using an attachment for thin film measurement using an X-ray diffractometer ("RINT2000" manufactured by Rigaku Corporation) and an energy dispersive X-ray microanalyzer (TEM-). EDX) was used to investigate the doping state of titanium into zinc, and further the crystal structure was examined using a field emission electron microscope (FE-SEM). Was found to be substituted and dissolved in zinc.
The specific resistance of the transparent conductive film on the obtained transparent conductive substrate was 3.4 · 10 −4 Ω · cm, and the surface resistance was 3.4Ω / □. The specific resistance distribution on the transparent substrate was uniform in the plane.
The transmittance of the obtained transparent conductive substrate was an average of 85% in the visible region (380 nm to 780 nm) and an average of 70% in the infrared region (780 nm to 1500 nm). The transmittance in the visible region (380 nm to 780 nm) of the quartz glass substrate before film formation was 94% on average, and the transmittance in the infrared region (780 nm to 2700 nm) was 94% on average.
When the moisture resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, the surface resistance after the moisture resistance test was 2.8 times the surface resistance before the moisture resistance test, and it was found that the moisture resistance was inferior. Moreover, when the heat resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, the surface resistance after the heat test was 6.5 times the surface resistance before the heat test, and it was found that the heat resistance was poor.
When the alkali resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, the film was completely dissolved and disappeared after immersion. Moreover, when the acid resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, the film was completely dissolved and disappeared.
以上のことから、このターゲットは、高密度(相対密度95%以上)であり、ターゲットの抵抗も低いが、ターゲット中に絶縁層が存在しているため、放電安定性に劣り、成膜する上で生産性が低い。また、このターゲットを用いて成膜した膜は低抵抗であるが、近赤外透過性に劣り、化学的耐久性(耐熱性、耐湿性、耐アルカリ性、耐酸性)には劣る透明導電膜であることが明らかである。 From the above, this target has a high density (relative density of 95% or more) and a low target resistance. However, since an insulating layer is present in the target, the discharge stability is inferior and a film is formed. And productivity is low. In addition, the film formed using this target has a low resistance, but is inferior in near-infrared transmittance and is a transparent conductive film inferior in chemical durability (heat resistance, moisture resistance, alkali resistance, acid resistance). It is clear that there is.
(比較例3)
酸化亜鉛粉末(ZnO;和光純薬工業(株)製、特級)および酸化アルミナ粉末(Ga2O3;住友化学(株)製、純度99.99%)を原料粉末とし、これらをZn:Gaの原子数比が95:5となる割合で混合し、原料粉末の混合物を得た。混合操作後、ボールとエタノールを除去して得られた混合粉末を黒鉛からなる金型(ダイス)に入れ、黒鉛からなるパンチにて40MPaの圧力で真空加圧し、1100℃、4時間、加熱処理を行い円盤型の酸化亜鉛系焼結体(C3)を得た(ホットプレス法)。
この酸化亜鉛系焼結体(C3)の相対密度を焼結体のサイズから算出したところ97.0%であった。なお、相対密度は、下記の式から求めている。得られた酸化亜鉛系焼結体(C3)に研削、表面研磨を施し、50.8mmΦ、厚さ3mmの焼結体を得た。
相対密度=100×[(焼結体の密度)/(理論密度)]
但し、理論密度=(酸化亜鉛の単体密度×混合重量比+酸化ガリウムの単体密度×混合重量比)
(Comparative Example 3)
Zinc oxide powder (ZnO; manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) and alumina oxide powder (Ga 2 O 3 ; manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., purity 99.99%) are used as raw material powders, and these are Zn: Ga Were mixed at a ratio of 95: 5 to obtain a mixture of raw material powders. After the mixing operation, the mixed powder obtained by removing the balls and ethanol is placed in a graphite mold (die), and vacuum-pressed at a pressure of 40 MPa with a graphite punch, and heated at 1100 ° C. for 4 hours. To obtain a disk-shaped zinc oxide-based sintered body (C3) (hot pressing method).
When the relative density of this zinc oxide-based sintered body (C3) was calculated from the size of the sintered body, it was 97.0%. The relative density is obtained from the following formula. The obtained zinc oxide-based sintered body (C3) was ground and polished to obtain a sintered body having a diameter of 50.8 mmΦ and a thickness of 3 mm.
Relative density = 100 × [(density of sintered body) / (theoretical density)]
Theoretical density = (Zinc oxide simple substance density x mixing weight ratio + Gallium oxide simple substance density x mixing weight ratio)
得られた酸化亜鉛系焼結体(C3)をエネルギー分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「EDX−700L」)にて分析したところ、ZnとGaの原子数比はZn:Ga=95:5(Ga/(Zn+Ga)=0.05)であった。この酸化亜鉛系焼結体(C3)の結晶構造をX線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)により調べた。その結果を、図4に示す。図4に示すように、酸化亜鉛系焼結体(C3)の結晶構造は、酸化亜鉛(ZnO)と複合酸化物(ZnGa2O4)の結晶相の混合物であり、酸化ガリウム(Ga2O3)は全く存在していなかった。
SEM−EDXにて酸化亜鉛系焼結体(C3)を観察したところ、大部分が、一部Gaが固溶したZnOであり、一部が複合酸化物(ZnGa2O4)であった。さらに、超微量の未固相焼結であるGa2O3が存在していた。
一部Gaが固溶したZnOは導電性を有するが、複合酸化物(ZnGa2O4)及び超微量の未固相焼結のGa2O3は完全な絶縁相であった。
ターゲット全体の導電性をテスターにて評価したところ、抵抗は2Ωとかなり低いが、全面が導電層でなく、導電層の中に絶縁層が海島構造として存在している。
When the obtained zinc oxide-based sintered body (C3) was analyzed with an energy dispersive X-ray fluorescence apparatus (“EDX-700L” manufactured by Shimadzu Corporation), the atomic ratio of Zn and Ga was Zn: Ga. = 95: 5 (Ga / (Zn + Ga) = 0.05). The crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (C3) was examined with an X-ray diffractometer (“RINT2000” manufactured by Rigaku Corporation). The result is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the crystal structure of the zinc oxide-based sintered body (C3) is a mixture of crystal phases of zinc oxide (ZnO) and composite oxide (ZnGa 2 O 4 ), and gallium oxide (Ga 2 O 3 ) was not present at all.
When the zinc oxide-based sintered body (C3) was observed with SEM-EDX, most of the ZnO was ZnO in which Ga was partly dissolved, and some was composite oxide (ZnGa 2 O 4 ). Furthermore, there was an extremely small amount of Ga 2 O 3 which was non-solid phase sintering.
Although ZnO in which a part of Ga is dissolved has conductivity, the composite oxide (ZnGa 2 O 4 ) and a very small amount of non-solid phase sintered Ga 2 O 3 were completely insulating phases.
When the conductivity of the entire target was evaluated by a tester, the resistance was as low as 2Ω, but the entire surface was not a conductive layer, and an insulating layer existed as a sea-island structure in the conductive layer.
得られた焼結体を、銅板をバッキングプレートとして用い、インジウム半田を用いてボンディングし、スパッタリングターゲットを得た。得られたスパッタリングターゲットを用い、スパッタリングにより成膜を行った。スパッタ条件は以下のとおりであり、厚さ約1000nmの薄膜を得た。
ターゲット寸法 :50.8mmΦ×3mm厚
スパッタリング装置:キャノンアネルバ製 「E-200S」
スパッタ方式 :DCマグネトロンスパッタリング
到達真空度 :2.0×10-4Pa
Ar圧力 :0.5Pa
基板温度 :200℃
スパッタ電力 :45W
成膜時間 :約4時間
使用基板 :ソーダライムガラス(50.8mm×50.8mm×0.5mm)
The obtained sintered body was bonded using indium solder using a copper plate as a backing plate to obtain a sputtering target. Using the obtained sputtering target, a film was formed by sputtering. The sputtering conditions were as follows, and a thin film having a thickness of about 1000 nm was obtained.
Target size: 50.8 mmΦ x 3 mm thickness Sputtering device: “E-200S” manufactured by Canon Anelva
Sputtering method: DC magnetron sputtering Ultimate vacuum: 2.0 × 10 −4 Pa
Ar pressure: 0.5 Pa
Substrate temperature: 200 ° C
Sputtering power: 45W
Deposition time: about 4 hours Substrate: Soda lime glass (50.8 mm x 50.8 mm x 0.5 mm)
スパッタリング成膜中の放電特性を調べたところ、成膜時間(3時間40分)中に、異常放電が9回発生した。
形成した透明導電膜中の組成(Zn:Ga)について、波長分散型蛍光X線装置((株)島津製作所製「XRF−1700WS」)を用い蛍光X線法により検量線を用いて定量分析を行ったところ、Zn:Ga(原子数比)=95:5(Ga/(Zn+Ga)=0.05)であった。また、この透明導電膜について、X線回折装置(理学電機(株)製「RINT2000」)を用い薄膜測定用のアタッチメントを使用したX線回折を行うとともに、エネルギー分散型X線マイクロアナライザー(TEM−EDX)を用いて亜鉛へのガリウムのドープ状態を調べ、さらに電界放射型電子顕微鏡(FE−SEM)を用いて結晶構造を調べたところ、C軸配向したウルツ鉱型の単相であり、ガリウムが亜鉛に置換固溶していることがわかった。
得られた透明導電性基板上の透明導電膜の比抵抗は3.6・10-4Ω・cmであり、表面抵抗は3.6Ω/□であった。なお、透明基板上の比抵抗の分布は面内均一であった。
得られた透明導電性基板の透過率は、可視領域(380nm〜780nm)で平均85%、赤外領域(780nm〜1500nm)で平均70%であった。なお、成膜前の石英ガラス基板の可視領域(380nm〜780nm)における透過率は平均94%であり、赤外領域(780nm〜2700nm)における透過率は平均94%であった。
得られた透明導電性基板の耐湿性を評価したところ、耐湿試験後の表面抵抗は、耐湿試験前の表面抵抗の2.4倍であり、耐湿性に劣ることがわかった。また、得られた透明導電性基板の耐熱性を評価したところ、耐熱試験後の表面抵抗は、耐熱試験前の表面抵抗の5.5倍であり、耐熱性に劣ることがわかった。
得られた透明導電性基板の耐アルカリ性を評価したところ、浸漬後には膜は完全に溶解し、消失していた。また、得られた透明導電性基板の耐酸性を評価したところ、膜は完全に溶解し、消失していた。
When the discharge characteristics during the sputtering film formation were examined, abnormal discharge occurred 9 times during the film formation time (3
The composition (Zn: Ga) in the formed transparent conductive film is quantitatively analyzed using a calibration curve by a fluorescent X-ray method using a wavelength dispersive X-ray fluorescence apparatus (“XRF-1700WS” manufactured by Shimadzu Corporation). As a result, Zn: Ga (atomic ratio) = 95: 5 (Ga / (Zn + Ga) = 0.05). The transparent conductive film is subjected to X-ray diffraction using an attachment for thin film measurement using an X-ray diffractometer ("RINT2000" manufactured by Rigaku Corporation) and an energy dispersive X-ray microanalyzer (TEM-). EDX) was used to investigate the doping state of gallium into zinc, and the field structure electron microscope (FE-SEM) was used to examine the crystal structure. Was found to be substituted and dissolved in zinc.
The specific resistance of the transparent conductive film on the obtained transparent conductive substrate was 3.6 · 10 −4 Ω · cm, and the surface resistance was 3.6Ω / □. The specific resistance distribution on the transparent substrate was uniform in the plane.
The transmittance of the obtained transparent conductive substrate was an average of 85% in the visible region (380 nm to 780 nm) and an average of 70% in the infrared region (780 nm to 1500 nm). The transmittance in the visible region (380 nm to 780 nm) of the quartz glass substrate before film formation was 94% on average, and the transmittance in the infrared region (780 nm to 2700 nm) was 94% on average.
When the moisture resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, it was found that the surface resistance after the moisture resistance test was 2.4 times the surface resistance before the moisture resistance test, and the moisture resistance was inferior. Moreover, when the heat resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, it was found that the surface resistance after the heat test was 5.5 times the surface resistance before the heat test, which is inferior in heat resistance.
When the alkali resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, the film was completely dissolved and disappeared after immersion. Moreover, when the acid resistance of the obtained transparent conductive substrate was evaluated, the film was completely dissolved and disappeared.
以上のことから、このターゲットは、高密度(相対密度95%以上)であり、ターゲットの抵抗も低いが、ターゲット中に絶縁層が存在しているため、放電安定性に劣り、成膜する上で生産性が低い。また、このターゲットを用いて成膜した膜は低抵抗であるが、近赤外透過性に劣り、化学的耐久性(耐熱性、耐湿性、耐アルカリ性、耐酸性)には劣る透明導電膜であることが明らかである。 From the above, this target has a high density (relative density of 95% or more) and a low target resistance. However, since an insulating layer is present in the target, the discharge stability is inferior and a film is formed. And productivity is low. In addition, the film formed using this target has a low resistance, but is inferior in near-infrared transmittance and is a transparent conductive film inferior in chemical durability (heat resistance, moisture resistance, alkali resistance, acid resistance). It is clear that there is.
Claims (8)
相対密度が95%以上で、かつ酸化物焼結体の結晶相が酸化亜鉛相、導電性複合酸化物相、および低原子価酸化チタン相からなり、前記導電性複合酸化物相がZn2TiO4からなることを特徴とする酸化亜鉛系焼結体。 An oxide sintered body substantially consisting of zinc, titanium and oxygen,
The relative density is 95% or more, and the crystalline phase of the oxide sintered body is composed of a zinc oxide phase, a conductive composite oxide phase, and a low-valent titanium oxide phase, and the conductive composite oxide phase is Zn 2 TiO. A zinc oxide-based sintered body comprising 4.
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