TWI444491B

TWI444491B - Pure aluminum or aluminum alloy sputtering target

Info

Publication number: TWI444491B
Application number: TW99144512A
Authority: TW
Inventors: Toshiaki Takagi; Katsushi Matsumoto; Yuki Iwasaki; Mamoru Nagao; Hidetada Makino
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Res Inst Inc
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2014-07-11
Also published as: CN102102183B; JP5139409B2; JP2011127189A; TW201139713A; CN102102183A

Description

純鋁或鋁合金濺鍍靶

本發明係關於鋁基合金濺鍍靶，詳細地說，是有關於在使用濺鍍靶形成薄膜時，能夠消除在濺鍍的初期階段發生的問題(例如飛濺的個數的增加和所形成的薄膜的電阻的上升等)，可以縮短預濺鍍時間的鋁基合金濺鍍靶。

鋁由於電阻率低，容易加工等理由，在液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)、等離子體顯示器(PDP：Plasma Display Panel)、電致發光顯示器(ELD：Electro Luminescence Display)、場致發鍍顯示器(FED：Field Emission Display)、微機電系統(MEMS：Micro Electro Mechanical Systems)顯示器等的平板顯示器(FPD：Flat Panel Display)，觸控面板、電子紙等的領域被廣泛應用，被利用於佈線膜、電極膜、反鍍電極膜等的材料。

例如，主動矩陣型的液晶顯示器具有TFT基板，該TFT基板具有：作為開關元件的薄膜電晶體(TFT：Thin Film Transistor)、由導電性氧化膜構成的像素電極及含有掃描線和信號線的佈線。在構成掃描線和信號線的佈線材料中，一般使用的是純Al或Al-Nd合金的鋁基合金膜。

可是，在鋁基合金薄膜的形成中，一般會採用的是使用濺鍍靶的濺鍍法。所謂濺鍍法，就是在基板和與薄膜材料同樣的材料所構成的濺鍍靶(靶材)之間形成等離子體放電，使經由等離子體放電而離子化的氣體碰撞靶材，從而衝擊出靶材的原子，使之堆積在基板上而製造薄膜的方法。濺鍍法與真空蒸鍍法不同，其具有的優點是，能夠形成與靶材同組成的薄膜。特別是以濺鍍法形成的鋁合金膜，能夠使平衡狀態下不固溶的Nd等的合金元素固溶，作為薄膜發揮出優異的性能，因此在工業上是有效的薄膜製作方法，作為其原料的濺鍍靶材的開發正持續進行中。

用於上述濺鍍法的鋁基合金濺鍍靶，例如通過噴射成形(spray forming)法和熔融鑄造法等所製造。在濺鍍的初期，一般會進行被稱為預濺鍍的操作。因為在濺鍍靶的使用初期，濺鍍靶表面的污垢會致使濺鍍不穩定，結果是所形成的薄膜的特性也不穩定，因此出於除去污垢等的目的而進行該預濺鍍。例如，在使用鋁基合金濺鍍靶形成薄膜時，在濺鍍的初期階段，飛濺(微細的熔融粒子)會大量發生，出現所形成的佈線薄膜的電阻上升等的問題，在現場要進行預濺鍍直至其穩定下來。但是，預濺鍍時間的增加帶來生產率的降低。

作為降低飛濺的方法，例如在日本專利第3410278號公報中，公開有一種以維氏硬度(Hv)計，將硬度控制在25以下的鋁基合金濺鍍靶。

另外，作為一種不是以鋁基合金濺鍍靶為對象，但卻是降低基於飛濺的現象的塊狀的異物的發生的方法，在日本專利2001-316808號公報中，公開有一種濺鍍面的最大高度Ry為10μm以下的Mo-W合金濺鍍靶。另外還公開，由於構成飛濺現象的原因的異常放電容易在相鄰的凸部間發生，因此將存在於濺鍍面的深度5μm以上的凹部的寬度作為粗糙度曲線的局部波峰的間隔，而較佳為控制在70μm以上。

另外，雖然不是以鋁基合金濺鍍靶為對象，但在日本特開平10-158828號公報中公開有一種Ti濺鍍靶，其為了降低進行濺鍍中發生的微粒(微細的粉塵)，使被濺鍍的面成為具有規定曲率的凹面，並且對於該濺鍍面實施鏡面加工，將其算術平均粗糙度Ra控制在0.01μm以下。

本發明的目的在於，提供一種新穎的鋁基合金濺鍍靶，其能夠消除在濺鍍的初期階段發生的問題(飛濺的個數的增加、所形成的佈線薄膜的電阻的上升等)，可以縮短預濺鍍時間。

本發明包括以下的形態。

(1)一種鋁基合金濺鍍靶，其係以JIS B0601(2001)所規定的方法測量濺鍍面的表面粗糙度時，算術平均粗糙度Ra為1.50μm以下，以及最大高度Rz為10μm以下，並且，其特徵為將從粗糙度曲線的中心線至波峰或波谷的高度超過0.25×Rz的峰值高度分別設為為P或Q，於基準長度100mm內，依次計數P和Q時，P緊鄰其後出現的Q再到緊鄰該Q出現的P之間的間隔L的平均值為0.4mm以上。

本發明的鋁基合金濺鍍靶，不僅被控制濺鍍面的表面粗糙度，而且還以使由L值代表的峰間隔的平均值(週期)延長的方式進行控制，所以能夠迅速地將濺鍍靶在使用初期階段發生的飛濺和由該濺鍍靶所形成的薄膜的電阻降低至規定水準。因此，如果使用本發明的濺鍍靶，則能夠縮短直至上述的飛濺或薄膜電阻穩定化所實施的預濺鍍時間。

具體實施方式

本發明者們，為了提供一種能夠消除在濺鍍靶的使用初期階段發生的飛濺(初期飛濺)和由該濺鍍靶形成的薄膜的電阻上升這樣的問題，可以縮短預濺鍍時間的鋁基合金濺鍍靶而反復進行研究。其結果發現，如果所使用的鋁基合金濺鍍靶中，不僅適當控制濺鍍面的表面粗糙度(在本發明中為Ra和Rz)，而且以使由L值代表的峰間隔的平均值延長的方式進行控制時，則能夠達成預期的目的，從而完成了本發明。

即，本發明的鋁基合金濺鍍靶，其特徵在於，以JIS B0601(2001)所規定的方法測量濺鍍面的表面粗糙度時，算術平均粗糙度Ra為1.50μm以下，以及最大高度Rz為10μm以下，並且，將從粗糙度曲線的中心線至波峰或波谷的高度超過(0.5×Rz)的峰值高度分別設為P或Q，於基準長度100mm內，依次計數P和Q時，P到緊鄰其後出現的Q再到緊鄰該Q後出現的P之間的間隔L的平均值為0.4mm以上。

首先，本發明的鋁基合金濺鍍靶中，算術平均粗糙度Ra控制在1.50μm以下，以及最大高度Rz控制在10μm以下。通過將Ra控制在1.50μm以下，將Rz控制在10μm以下，能夠縮短使初期飛濺的個數和所形成的薄膜的電阻均降低化(穩定化)至一定水準的預濺鍍的時間(參照後述的實施例)。Ra和Rz的上限較佳為Ra：1.0μm，Rz：8.0μm，更佳的Ra和Rz的上限為Ra：0.8μm，Rz：6.0μm。還有Ra和Rz的下限，從上述觀點出發沒有特別限制，越小越好，但若考慮到機械加工和研磨加工的精度等，則大致以Ra：0.1μm，Rz：1.0μm為宜。

還有，也可以適宜組合Ra和Rz的上限和下限而形成其各自的範圍。

此外，本發明的鋁基合金濺鍍靶，其特徵在於由L值代表的峰間隔的平均值被控制在0.4mm以上。如後述的實施例所示，只是控制Ra和Rz還得不到預期的特性，只有全部兼具這三個要件時，才能夠迅速實現初期飛濺和薄膜電阻的降低這兩個方面，才能夠縮短預濺鍍時間。

一邊參照圖1(a)和圖1(b)，一邊對於本發明最具特徵的L值進行說明。圖1(a)和圖1(b)是針對濺鍍靶的濺鍍面，以JIS B0601(2001)所規定的方法進行測量時的粗糙度曲線的概略圖。L值是任意取基準長度100mm的粗糙度曲線，以如下方式進行計算時的值。夾隔粗糙度曲線的中心線，將峰方向的頂點稱為波峰(山的峰值)，將谷方向的底點稱為波谷(谷的峰值)，在本發明中，超過中心線+(0.25×Rz)的位置的波峰為P，超過中心線-(0.25×Rz)的波谷為Q。

首先，參照圖1(a)。在上圖的粗糙度曲線中，基準長度為100mm，H表示中心線±(0.25×Rz)的位置。設高於(中心線+H)的波峰(山的峰值)為P，低於(中心線-H)的波谷(谷的峰值)為Q時，圖1(a)中從最左側依次為P1、Q1、P2、Q2、P3、…。在本發明中，峰間隔L值為P1→Q1→P2之間的距離，詳細地說就是從P1、Q1、P2的各點向中心線引垂線取交點(p1、q1、P2)時，p1-q1-p2之間的距離。於基準長度100m內，以上述方式求得峰間隔L值，計算其平均值。對於粗糙度曲線的任意3處進行同樣的操作，計算其平均值，得到L值的平均值。

上述的圖1(a)是超過(中心線±H)的位置的P和Q交互輪流連續形成的例子，但粗糙度曲線例如如圖1(b)所示，有在P與Q之間存在未超過H的位置的波峰和波谷的情況。這時的L值的計算方法如下。以下，由P’表示未超過H的位置的波峰，由Q’表示未超過H的位置的波谷。

若參照圖1(b)，則以從最左側開始，順次連續形成有超過H的位置的波峰P1、超過H的位置的波峰P2、未超過H的位置的波峰P’1、未超過H的位置的波谷Q’1、超過H的位置的波峰P3、超過H的位置的波谷Q1、超過H的位置的波峰P4。這時，峰間隔L值為P1→Q1→P4之間的距離。

在圖1(b)中，P1後面出現的是P2，而超過H的波峰連續兩次顯示的情況時P2被忽視。在本發明中，波峰→波谷→波峰的順序受到重視。另外在本發明中，沒有超過H的波峰(P’)和沒有超過H的波谷(Q’)即使表現出來也被忽視。根據本發明者們的基礎實驗判明，以上述方式定義的峰間隔與初期飛濺的迅速的降低化和薄膜電阻的迅速的降低化有著密切的相關關係。

如此計算出的L值的平均值以大為宜，較佳為0.5mm以上，更佳為0.6mm以上。但是，為了增大L值的平均值，機械加工和表面研磨加工所花費的加工時間就有可能過長，因此上限較佳為2.0mm，更佳為1.0mm。

在本發明中，通過以上述方式控制L值的平均值，飛濺的降低和所形成的薄膜電阻的降低能夠迅速實現的理由其詳情尚不明確，但推測主要原因是由於峰間隔變寬，週期延長，致使濺鍍靶的表面積變小，因此存在於表面的Al氧化層變少，其結果是所形成的薄膜中的氧量也變少。薄膜中的氧量被認為會對預濺鍍的次數和時間產生很大的影響，但根據本發明時，藉由該氧量之降低，認為是使飛濺和成膜後的薄膜電阻會迅速地降低原因。

以上對於本發明最具特徵的表面粗糙度和峰間隔的平均值進行了說明。

此外，本發明的鋁基合金濺鍍靶之較佳維氏硬度(Hv)為26以上。例如在前述的日本特開平10-158828號公報中，通過使Hv在25以下來降低飛濺的發生，相對於此，在本發明中反而將Hv控制在26以上(大致為26～50Hv左右)，由此能夠容易地控制前述的表面粗糙度和L值的平均值，能夠降低飛濺等的發生。其理由詳情不明，但推測可能是如下原因：在日本特開2001-316808號公報中，是以缺乏加工性的Mo合金為物件，相對於此，在本發明中，如以下詳述，實質上是以純Al或合金元素的添加量非常少、約為2.0原子%左右的富有加工性的Al合金為物件，這種基體的合金的組成的不同表現為硬度的差異。

本發明所使用的鋁基合金，除了純Al以外，還可以列舉如下：作為佈線薄膜用鋁基合金濺鍍靶被廣泛使用的含有Nd等元素的Al-Nd合金；含有稀土類元素(較佳為Nd、La、Y)的Al-稀土類元素合金；用於提供可以不經由障壁金屬層而直接與構成像素電極的導電性氧化膜直接接觸的直接接觸技術的Al-Ni合金；進一步含有Nd或Y等稀土類元素的Al-Ni-稀土類元素合金；含有Ta的Al-Ta合金等。較佳為Nd、Ni和Y等合金元素的量(合計量)大致為2.0原子%以下。在純Al和Al合金中，作為不可避免的雜質，例如含有在製造過程等之中不可避免混入的元素，例如有Fe、Si、Cu、C、O、N等。

接下來，說明製造本發明的濺鍍靶的方法。

本發明規定的表面粗糙度和L值的平均值能夠通過下述方式實現：遵循常規方法加工成既定的形狀後，適當控制作為濺鍍面的精加工的機械加工的條件，再根據需要適當控制與該機械加工一起進行的表面研磨加工的條件。機械加工代表性的是進行使用銑床的銑磨加工，較佳為將轉數控制在大約2500～4500rpm(更佳為3000～4000rpm)，將切入量控制在0.02～0.2mm左右(更優選為0.05～0.15mm)，將送給速度控制為大約400～1800mm/min(更佳為大約600～1000mm/min)。還有，關於上述轉數、切如量、送給速度各條件，也可以為適宜將其上限和下限加以組合而成的範圍。

另外，表面研磨加工是在上述的機械加工後再根據需所進行，較佳為使用適當的粒度的磨石進行研磨，以便容易獲得預期的表面性狀。具體來說，較佳為使用塗布有磨石的粒度編號(磨粒)大致為200～1200的磨粒的不織布等，直到磨削至預期的性狀。更佳的磨粒的下限大致為400。在本發明中，最佳為使用大致800左右的磨粒進行研磨。還有，磨石的粒度(磨粒)是磨粒編號越大，磨粒越細。

在本發明中所具有的特徵在於，如上述通過適當控制機械加工或表面研磨加工，從而控制表面性狀，其以外的製造步驟未特別限定，能夠採用在鋁基合金濺鍍靶的製造通常所使用的步驟。具體來說，能夠採用公知的噴鍍成形和熔融鑄造法等。本發明所使用的噴鍍成形法沒有特別限定，但例如能夠參照日本特開2009-35766號公報、日本特開2008-240141號公報、日本特開2008-127632號公報、日本特開2007-247006號公報、日本特開2005-82855號公報等的記載。為了降低製造成本，較佳為採用熔融鑄造法。

[實施例]

以下，列舉實施例更具體地說明本發明，但本發明不受下述實施例限定，在能夠符合本發明的宗旨的範圍內可以適當加以變更實施，這些均包含在本發明的技術範圍內。

實施例1

準備表1所示的組成的鋁基合金(餘量：Al和不可避免的雜質)，按以下的方法製作濺鍍靶。

其中Al-Nd合金是使用噴鍍成形法製造鑄塊，進行熱處理、熱加工(軋製)，該噴鍍成形法是在惰性氣氛中的反應室內對Al合金熔液流噴送高壓的惰性氣體而進行噴霧化，使急冷至半熔融狀態、半凝固狀態、固相狀態的粒子堆積，從而得到既定形狀的原形材(預成型坯)的方法。另外，純Al通過DC鑄造法鑄成厚100mm的鑄塊後，以400℃進行4小時均熱處理，接著在室溫下以75%的壓下量進行冷加工後，以200℃進行熱處理，在室溫下以40%的壓下量進行冷軋。

接著，切斷如此得到的Al-Nd合金和純Al的軋製板，以表1所示的加工條件，對軋製板的表面進行機械加工或進行機械加工和表面研磨加工，得到濺鍍靶的各試料。

使用如此得到的試料，進行表面粗糙度的算術平均粗糙度(Ra)和最大高度(Rz)的測量。上述算術平均粗糙度(Ra)和最大高度(Rz)的測量使用Mitutoyo製表面粗糙度測量儀SJ-301進行測量。評價長度為100mm。此外，基於前述的方法計算L值的平均值。

另外，使用上述濺鍍靶的各試料形成薄膜，評價直至薄膜滿足規定的條件的濺鍍時間。

具體來說，通過DC磁控管濺鍍法，進行預濺鍍和濺鍍下的成膜。預濺鍍時，在靶與基板之間插入擋板而不在基板上成膜，濺鍍時移開擋板而在基板上進行成膜。預濺鍍條件和濺鍍條件的詳情如下，除濺鍍功率不同以外其他均相同。

濺鍍裝置(通用)：

股份有限公司島津製作所製“sputtering system HSR-542S”

預濺鍍條件

背壓：0.43×10^-3 Pa以下

Ar氣壓：0.67Pa

濺鍍功率：800W

濺鍍條件

背壓：0.43×10^-3 Pa以下

Ar氣壓：0.67Pa

濺鍍功率：300W

極間距離：100mm

基板溫度：室溫

基板：玻璃基板(尺寸：直徑6英寸)

詳細地說，就是使用上述濺鍍靶的各試料，以上述條件進行預濺鍍5分鐘後，再以上述條件進行濺鍍而形成薄膜(膜厚300nm)，以此作為一套操作而反復進行，以如下方式分別測量(1)飛濺個數達到基準值以下的預濺鍍時間，和(2)形成的薄膜的電阻(佈線電阻)相對於正常值達到+15%以下的預濺鍍時間。

(1)飛濺個數達到基準值以下的預濺鍍時間的評價方法

對於以上述濺鍍條件形成的薄膜，按以下的條件測量發生的飛濺(初期飛濺)的個數。

使用粒子計數器(股份有限公司topcon製：晶片表面檢查裝置WM-3)，計測在上述薄膜的表面確認到的粒子的位置座標、尺寸(平均粒徑)和個數。在此，尺寸為3μm以上的視為粒子。其後對該薄膜表面進行光學顯微鏡觀察(倍率：1000倍)，形狀為半球形的視為飛濺，計測每單位面積中的飛濺的個數。在本實施例中，反復進行預濺鍍和濺鍍，直至如此得到的初期飛濺的發生數達到8個/cm² 以下。在本實施例中，初期飛濺的發生數達到8個/cm² 以下的預濺鍍時間在60分鐘以下的試料為合格。

(2)薄膜的電阻相對於正常值達到+15%以下的預濺鍍時間的測量方法

對於以上述濺鍍條件所形成的薄膜，設想在實際步驟中受到的熱過程而進行以320℃保持30分鐘的熱處理後，加工成線寬100μm的條紋圖案(stripe pattern)形狀，通過濕刻蝕加工成線寬100μm、線長10mm的佈線電阻測量用圖案狀。濕刻蝕使用H₃ PO₄ :HNO₃ :H₂ O=75:5:20的混合液。對於加工成圖案狀的薄膜，通過四探針法在室溫下測量電阻率值。

反復進行預濺鍍和濺鍍，直至如此得到的電阻率值相對於正常值(A1-2.0原子%Nd合金為4.6μΩ‧cm，純Al為3.2μΩ‧cm)達到+15%以下。在本實施例中，電阻率值達到正常值+15%以下的預濺鍍時間在60分鐘以下的試料為合格。

這些測量結果顯示在表1中。

另外，為了參考，在圖2(a)中顯示試料No.7(比較例)的濺鍍面的表面粗糙度曲線，在圖2(b)中顯示試料No.2(本發明例)的濺鍍面的表面粗糙度曲線。

首先，以本發明的推薦條件進行加工的試料No.1~6，表面性狀(Ra、Rz、峰間隔L的平均值)得到適當的控制，因此在使用純Al濺鍍靶和Al-Nd濺鍍靶的任意一種的情況下，都能夠縮短至飛濺個數降低的預濺鍍時間和至電阻穩定化的預濺鍍時間兩方面。

相對於此，表1的No.7是使用Al-Nd濺鍍靶只進行銑磨加工的例子，因為銑磨加工時的轉數過高，所以Ra、Rz、峰間隔L的平均值全部超出本發明的範圍，至飛濺個數降低的預濺鍍時間和至電阻穩定化的預濺鍍時間這兩方均長。

表1的No.8和No.9是使用純Al濺鍍靶進行銑磨加工(No.8)、銑磨加工和表面研磨加工兩方面(No.9)的例子。其中No.8因為銑磨加工時的轉數過高，雖然Ra和Rz良好，但是峰間隔L的平均值變短，至薄膜的電阻穩定化的預濺鍍時間變長。No.9雖然銑磨加工條件適當，但表面研磨加工時的磨粒過粗，因此儘管峰間隔L的平均值良好，但Ra和Rz變大，至飛濺個數降低的預濺鍍時間變長。

參照特定的實施方式對於本申請進行了詳細的說明，但在不脫離本發明的精神和範圍的情況下能夠施加各種變更和修改，這一點對於從業者來說應該清楚。

本申請基於2009年12月18日申請的日本專利申請(專利申請2009-287650)，其內容在此作為參照引入。

圖1(a)和圖1(b)是用於說明本發明所規定的L值(峰間隔)的模擬圖。

圖2(a)表示實施例1的試料No.7(比較例)的濺鍍面的表面粗糙度曲線，圖2(b)表示實施例1的試料No.2(本發明例)的濺鍍面的表面粗糙度曲線。

Claims

一種純鋁或鋁合金濺鍍靶，其特徵係以JIS B0601(2001)所規定的方法測量濺鍍面的表面粗糙度時，算術平均粗糙度Ra為1.50μm以下，以及最大高度Rz為10μm以下，並且，將從粗糙度曲線的中心線至波峰或波谷的高度超過0.25×Rz的峰值高度分別設為P或Q，於基準長度100mm內，依次計數P和Q時，P到緊鄰其後出現的Q再到緊鄰該Q後出現的P之間的間隔L的平均值為0.4mm以上。