(57)【要約】【課題】ドーパントである酸化アルミニウムの添加量が0.10質量％以下と少量にも拘らず相対密度が95％以上である酸化亜鉛スパッタリングターゲットとその製造方法を提供する。【解決手段】このターゲットは、酸化亜鉛を主成分とし、0.10質量％以下の酸化アルミニウムを含有する酸化物焼結体で構成され、酸化物焼結体の相対密度が95％以上であることを特徴とし、以下の方法すなわち、酸化亜鉛粉末単体または酸化亜鉛粉末と酸化アルミニウム粉末を、純水、有機バインダー、分散剤と混合してスラリーを調製し、かつ、得られたスラリーを、乾燥、造粒する第一工程と、第一工程で得られた造粒粉を、加圧成形して成形体を得る第二工程と、第二工程で得られた成形体を焼成し、酸化物焼結体を得る第三工程とを備え、第三工程における焼結温度を900〜1150℃の範囲とし、40〜60時間焼成することにより製造できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛から成る酸化物焼結体で構成され、かつ、酸化物焼結体の相対密度が９５％以上であることを特徴とする酸化亜鉛スパッタリングターゲット。
【請求項２】
酸化亜鉛を主成分とし、０．１質量％以下の酸化アルミニウムを含有する酸化物焼結体で構成され、かつ、酸化物焼結体の相対密度が９５％以上であることを特徴とする酸化亜鉛スパッタリングターゲット。
【請求項３】
請求項１または２に記載の酸化亜鉛スパッタリングターゲットを製造する方法において、
酸化亜鉛粉末単体、または、酸化亜鉛粉末と酸化アルミニウム粉末を、純水、有機バインダー、分散剤と混合してスラリーを調製し、かつ、得られたスラリーを、乾燥、造粒する第一工程と、
第一工程で得られた造粒粉を、加圧成形して成形体を得る第二工程と、
第二工程で得られた成形体を焼成し、酸化物焼結体を得る第三工程と、
を備え、
上記第三工程における焼結温度を９００〜１１５０℃の範囲とし、４０〜６０時間焼成することを特徴とする酸化亜鉛スパッタリングターゲットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池等を構成する透明導電膜をスパッタリング法にて形成する際に用いられる酸化亜鉛スパッタリングターゲットに係り、特に、ＣＩＧＳ系太陽電池のバッファ層に用いられる高抵抗膜（酸化物透明半導体膜）をスパッタリング法により効率良く成膜できる酸化亜鉛スパッタリングターゲットの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
酸化物透明導電膜（酸化物透明導体膜若しくは半導体膜）は、導電性と可視光領域での高い透過率を有するため、太陽電池や液晶表示素子、その他各種受光素子の電極等に利用され、更に、近赤外線領域の波長での反射吸収特性を生かして、自動車や建築物の窓ガラス若しくはフィルム等に用いる熱線反射膜や各種の帯電防止膜、冷凍ショーケース等の防曇用の透明発熱体としても利用されている。
【０００３】
これ等酸化物透明導電膜（酸化物透明導体膜若しくは半導体膜）が利用される分野の中で、ＣＩＧＳ系太陽電池に用いられる酸化物透明導電膜の中には適度な絶縁抵抗が求められる用途がある。これは、ＣＩＧＳ系太陽電池の発電層から電気を取り出す導電膜層（透明電極層）との間に、電荷の移動（漏れ出し）を妨げる層（バッファ層）を設けることにより発電効率を向上させるためである。当初はＣｄＳやＺｎＳが上記バッファ層に用いられていたが、薄膜太陽電池の表面電極には一般的に酸化亜鉛系の透明電極が用いられており、環境面、積層のし易さ等から、バッファ層においても酸化亜鉛系の透明導電膜（酸化物透明半導体膜）が用いられるようになっている。
【０００４】
これ等酸化物透明導電膜の形成方法としては、真空中で蒸発源を加熱し、蒸発した原料を基板上に堆積させて形成する真空蒸着法、ターゲットにアルゴンイオンを衝突させてターゲットを構成する物質をたたき出し、対向する基板に堆積させて形成するスパッタリング法、および、透明導電層形成用塗液を塗布して形成する方法等が用いられている。この中で、真空蒸着法やスパッタリング法は、蒸気圧の低い材料を使用する際や精密な膜厚制御を必要とする際に有効な手法であり、かつ、操作が非常に簡便であるため工業的に広く利用されており、特に、スパッタリング法は、短時間に効率良く薄膜を形成できることから最も広く利用されている。
【０００５】
このスパッタリングターゲット材（焼結体）には、長時間安定したスパッタリング成膜が行なえるようにするため、相対密度で、少なくとも９０％を越える高い密度が求められる。ここで、上記「相対密度」とは、ターゲット材の出発原料である各混合粉末の真密度から求めた計算真密度に対する焼結体（ターゲット材）の密度の比率（％）のことで、（上記焼結体の密度／計算真密度）×１００＝焼結体の相対密度（％）という式により求められる値である。尚、計算真密度は、ＡＺＯ（アルミニウムをドーパントとして含む酸化亜鉛系のターゲット材）であれば、計算真密度＝１００／［（酸化亜鉛の配合比(質量％)／酸化亜鉛の真密度）＋（酸化アルミニウムの配合比(質量％)／酸化アルミニウムの真密度）］で計算される。
【０００６】
相対密度の高い焼結体を得るためには、ホットプレス法や熱間静水圧プレス法等が試みられているが、生産性の点から常圧焼結法が多く採用されている。常圧焼結を行なうための成形体を得る方法として、原料粉をスラリーにして鋳込む方式と、粉体をプレスして成形を行なう方式が取られるが、平板形状のターゲットを作製するにはプレス成形での生産が適している。
【０００７】
また、スパッタリング方式には様々な駆動方式があるが、最も量産性に優れるのはＤＣマグネトロンスパッタ方式であり、これに適用可能なスパッタリングターゲットには、一定程度以上の導電性が必要である。しかし、ドーパント量が少ない（例えば、ドーパントの添加量が０．０１〜０．１質量％）酸化亜鉛系ターゲットでは、導電性を高めるためにドーパントの添加量を増加するに従い焼結体の密度が低下するという問題があった（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２７９７５４号公報（段落００３５の表１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
すなわち、０．１質量％以下の酸化アルミニウムを含有する（すなわち、ドーパント量の少ない）酸化亜鉛系ターゲットでは、特許文献１の表１（段落００３５）に記載されているように、上記ドーパント（Ａｌ2Ｏ3）の添加量を増加する（０．００質量％〜０．１０質量％）に従い、密度が５．３０〜５．０２ｇ／ｃｍ3と低下している。酸化亜鉛の真密度は５．７８ｇ／ｃｍ3、酸化アルミニウムの真密度は３．９９ｇ／ｃｍ3であるので、酸化アルミニウムが０．００質量％〜０．１０質量％のときの計算真密度は、上述の計算式から約５．７８ｇ／ｃｍ3となり、相対密度は９２％以下のものしか得られていない。
【００１０】
他方、透明電極等に広く用いられている２〜５質量％の酸化アルミを含有する（すなわち、ドーパント量の多い）酸化亜鉛系ターゲットでは、特許文献１に引用された特開平７−２５８８３６号公報の段落００２５と段落００３５に記載されているように、酸化アルミニウムの含有量が２質量％で密度が５．６１ｇ／ｃｍ3以上、すなわち、相対密度が９８％以上と高いものが得られ、市販されている。
【００１１】
このため、ＣＩＧＳ系太陽電池のバッファ層にドーパント量の少ない酸化亜鉛系ターゲット（相対密度が９２％以下）を適用し、かつ、ＣＩＧＳ系太陽電池の導電膜層（透明電極層）にドーパント量の多い酸化亜鉛系ターゲット（相対密度が９８％以上）を適用した場合、形成される導電膜層（透明電極層）とバッファ層との間に大きな密度差が生じてしまうため、生産効率を大きく損ねてしまう課題（問題点）が存在した。
【００１２】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、ドーパントである酸化アルミニウムの添加量が０．１０質量％以下と少量にも拘らず、相対密度が９５％以上である酸化亜鉛スパッタリングターゲットとその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、請求項１に係る発明は、
酸化亜鉛スパッタリングターゲットにおいて、
酸化亜鉛から成る酸化物焼結体で構成され、かつ、酸化物焼結体の相対密度が９５％以上であることを特徴とし、
請求項２に係る発明は、
酸化亜鉛スパッタリングターゲットにおいて、
酸化亜鉛を主成分とし、０．１質量％以下の酸化アルミニウムを含有する酸化物焼結体で構成され、かつ、酸化物焼結体の相対密度が９５％以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の酸化亜鉛スパッタリングターゲットを製造する方法において、
酸化亜鉛粉末単体、または、酸化亜鉛粉末と酸化アルミニウム粉末を、純水、有機バインダー、分散剤と混合してスラリーを調製し、かつ、得られたスラリーを、乾燥、造粒する第一工程と、
第一工程で得られた造粒粉を、加圧成形して成形体を得る第二工程と、
第二工程で得られた成形体を焼成し、酸化物焼結体を得る第三工程と、
を備え、
上記第三工程における焼結温度を９００〜１１５０℃の範囲とし、４０〜６０時間焼成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲットによれば、ドーパントである酸化アルミニウムの添加量が０．１０質量％以下と少量であるにも拘らず、酸化アルミニウムの添加量が２〜５質量％と多量である市販の酸化亜鉛スパッタリングターゲットと同様にその相対密度が９５％以上の高い値になっている。
【００１６】
このため、本発明に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲットを例えばＣＩＧＳ系太陽電池のバッファ層に適用した場合、酸化アルミニウムの添加量が２〜５質量％と多量である市販の酸化亜鉛スパッタリングターゲットを用いて形成された導電膜層（透明電極層）との間に大きな密度差が生じないことから、積層効率が著しく向上して大幅な生産性の向上が図れる効果を有している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
本発明に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲットは、酸化亜鉛粉末を主とし、０．１０質量％以下の酸化アルミニウム粉末を含有する金属酸化物粉末に、水と有機バインダーと分散剤とを混合してスラリーを調製し、かつ、得られたスラリーを噴霧し、乾燥させて造粒粉を得る第一工程と、得られた造粒粉を加圧成形して成形体を得る第二工程と、得られた成形体を焼成して焼結体を得る第三工程と、得られた焼結体を機械加工してスパッタリングターゲットを得る工程を経て製造される。
【００１９】
出発原料として、ＢＥＴ比表面積が４ｍ2／ｇである酸化亜鉛粉末に、ＢＥＴ比表面積が６ｍ2／ｇである酸化アルミニウム粉末を添加し、分散剤として、分散能力に優れるアクリル酸メタクリル酸共重合体アンモニア中和物を用いると、酸化亜鉛粉末の凝集が効果的に抑えられ、均一なスラリーを得ることができるため好ましい。上記分散剤の添加量は、酸化アルミニウム粉末を含む金属酸化物粉末の合計質量に対して０．３〜３質量％とすることが好ましい。添加量を０．３〜３質量％とすることにより、スラリーの濃度が７０質量％程度であっても、スラリーの粘度は１００ｃｐｓ未満となり、噴霧、乾燥工程における噴霧が容易となる。また、上記分散剤の添加により、金属酸化粉末の沈降も抑えられるため、噴霧、乾燥工程における効率が著しく向上することとなる。上記分散剤の添加量を０．３質量％未満にすると、分散能力が不十分となる可能性がある。上記分散剤を使用しない場合には、濃度が３０〜３５質量％程度のスラリーであっても、粘度が１００ｃｐｓ以上になってしまい、噴霧、乾燥工程における噴霧が行い難くなる。一方、上記分散剤の添加量が３質量％を越えると、焼結時に揮発分が多くなるため、焼結時に製品が割れる確率が高くなってしまう。
【００２０】
分散剤としてアクリル酸メタクリル酸共重合体アンモニア中和物を用いた場合には分散能力が非常に高くなるので、加える有機バインダーはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）で十分であり、成形体は十分な強度が得られる。用いるＰＶＡは、ケン化度９０〜９７ｍｏｌ％、重合度４００〜１０００のものが適している。この範囲のケン化度と重合度のＰＶＡを用いることにより、得られる造粒粉は適度に軟質なものとなり、成形時のつぶれ性が向上する。この結果、成形体中の空孔が減少し、成形体強度が向上し、焼成して得られるスパッタリングターゲットの密度が向上する。ケン化度が９７ｍｏｌ％を越えるか、重合度が１０００を越えるＰＶＡを用いると、成形時の造粒粉のつぶれ性が悪くなり、成形体中の空孔が増加し、成形体強度が減少する。また、焼結後に得られるスパッタリングターゲットの密度も向上しない。一方、ケン化度が９０ｍｏｌ％未満であるか、重合度が４００未満であるＰＶＡを用いると、成形体が軟質となり過ぎ、作業効率が悪くなる。尚、本発明においては、有機バインダーとしてＰＶＡを用いれば十分であるが、ＰＶＡの他、アクリル系バインダー等を用いることも可能である。有機バインダーの量は、通常、１．０質量％以上を加えることにより成形体強度を確保するが、本発明で得ようとする焼結体の厚みが１０ｍｍ以上であることから、有機バインダーを１．０質量％以下としても成形体強度の低下は顕著に現れず、成形以後の工程で割れる確率が高くなることはない。このため、酸化アルミニウム粉末を含む金属酸化物粉末の合計質量に対して０．５〜１．５質量％とすることが好ましい。また、ジルコニアボールを用いたボールミルまたはビーズミルを行うことにより、金属酸化物粉末を充分に混合しておくことが望ましい。
【００２１】
酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末、アクリル酸メタクリル酸共重合体アンモニア中和物およびＰＶＡを水に加え、充分に混合させて得たスラリーを、噴霧し、乾燥させて造粒粉を作製する場合、乾燥温度を１３０〜２００℃にすることが好ましい。乾燥温度を１３０℃未満にすると、造粒粉の水分量が多くなり、成形体強度が低くなる。一方、乾燥温度が２００℃を越えると、造粒粉が硬質となり、成形時に空孔が生じ易くなり、スパッタリングターゲットの密度が向上し難くなる。
【００２２】
平板状の成形体を得るには、例えば、特開２００６−１９３７９７号に記載されているような耐久性に優れたアメゴムから成る筒状ゴム型と、成形体が食い込み難く、滑りが良いシリコンゴムから成る２枚の板状ゴム型とで構成される成形型を用い、この成形型内に、造粒粉を充填し、冷間静水圧プレスを行なって、上記成形体を得ることができる。
【００２３】
冷間静水圧プレスの成形圧力は、１００〜３００ＭＰａとすることが好ましい。成形圧力を１００ＭＰａ未満にすると、成形体密度および成形体強度が低下し、製品歩留りが悪くなる。一方、成形圧力が３００ＭＰａを越えても、成形体密度および成形体強度に対する効果はほとんど変化しない。
【００２４】
上記成形体を焼結する際の焼結温度は、酸化亜鉛粉末の粒成長が期待できる９００℃以上とすることが好ましい。しかし、焼結温度が１１５０℃を越えると、空孔が内部に取り残されるため好ましくない。また、焼結時間が１５時間を越えると揮発や表面の反応が進むため好ましくないとされていたが、焼結最高温度を１１５０℃以下に抑えることにより４０時間を越える焼結時間を行うことができる。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００２６】
［実施例１］
平均粒径が１μｍ以下の酸化亜鉛粉末と、平均粒径が１μｍ以下の酸化アルミニウム粉末を、酸化アルミニウム粉末の含有量が０．０５質量％となるように混合した原料粉末に、水、１質量％のＰＶＡバインダー、０．５質量％のアクリル酸メタクリル酸共重合体アンモニア中和物から成る分散剤を添加し、ビーズミル（アシザワ・ファインテック株式会社製：ＬＭＺ型）にて混合してスラリーを調製した。
【００２７】
得られたスラリーを、スプレードライヤー（大川原化工機株式会社製：ＯＤＬ−２０型）を用い、供給速度１４０ｍｌ／ｍｉｎ、熱風温度１４０℃、熱風量８Ｎｍ３／ｍｉｎの条件で乾燥造粒して、酸化アルミニウムの含有量が０．０５質量％である酸化亜鉛と酸化アルミニウムから成る造粒粉を得た。
【００２８】
次に、上述した筒状ゴム型と２枚の板状ゴム型とで構成される成形型に上記造粒粉を充填し、冷間静水圧プレス（株式会社神戸製鋼製）にて３００ＭＰａで成形し、長さ２５０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの成形体を得た。
【００２９】
得られた成形体を、焼結炉（丸祥電器株式会社製）に入れ、大気中にて０．５℃／分の速度で６００℃まで昇温し、０．３℃／分の速度で６００〜１０００℃の温度範囲を昇温した。その後、１０００℃にて４０時間、焼結した後、室温まで冷却し、長さ２１７ｍｍ、幅１３０ｍｍ、厚み９ｍｍの焼結体を得た。
【００３０】
そして、焼結体の上下面、側面の加工を行い、２１０ｍｍ×１２５ｍｍ×７ｍｍの酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００３１】
更に、長さ、幅をノギスで測定し、厚みをマイクロメーターで測定し、電子天秤で重量を測定して密度計算を行い、相対密度に換算した。
【００３２】
すなわち、実測値から求めた焼結体の密度は５．５６ｇ／ｃｍ3、計算真密度は５．７８ｇ／ｃｍ3であり、相対密度は９６．２％であった。
【００３３】
この結果を表１に示す。
【００３４】
［実施例２〜３］
焼結保持温度が１１５０℃である点を除き実施例１と同様にして（実施例２）、また、焼結保持温度が９００℃かつ焼結保持時間が６０時間である点を除き実施例１と同様にして（実施例３）、実施例２〜３に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００３５】
更に、実施例１と同様の方法により実施例２〜３に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材の相対密度を求めた。
【００３６】
この結果も表１に示す。
【００３７】
［実施例４〜６］
酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０質量％である点を除き実施例１〜３と同様にして実施例４〜６に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００３８】
更に、実施例１と同様の方法により実施例４〜６に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材の相対密度を求めた。
【００３９】
この結果も表１に示す。
【００４０】
［実施例７〜９］
酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０．１０質量％である点を除き実施例１〜３と同様にして実施例７〜９に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００４１】
更に、実施例１と同様の方法により実施例７〜９に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材の相対密度を求めた。
【００４２】
この結果も表１に示す。
【００４３】
［比較例１〜３］
焼結保持温度が１２００℃である点を除き実施例１と同様にして（比較例１）、また、焼結保持温度が１２００℃かつ焼結保持時間が２０時間である点を除き実施例１と同様にして（比較例２）、更に、焼結保持温度が８００℃かつ焼結保持時間が６０時間である点を除き実施例１と同様にして（比較例３）、比較例１〜３に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００４４】
更に、実施例１と同様の方法により比較例１〜３に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材の相対密度を求めた。
【００４５】
この結果も表１に示す。
【００４６】
［比較例４〜６］
酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０質量％で焼結保持温度が１２００℃である点を除き実施例１と同様にして（比較例４）、また、酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０質量％で焼結保持温度が１２００℃かつ焼結保持時間が２０時間である点を除き実施例１と同様にして（比較例５）、更に、酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０質量％で焼結保持温度が８００℃かつ焼結保持時間が６０時間である点を除き実施例１と同様にして（比較例６）、比較例４〜６に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００４７】
更に、実施例１と同様の方法により比較例４〜６に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材の相対密度を求めた。
【００４８】
この結果も表１に示す。
【００４９】
［比較例７〜９］
酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０．１０質量％で焼結保持温度が１２００℃である点を除き実施例１と同様にして（比較例７）、酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０．１０質量％で焼結保持温度が１２００℃かつ焼結保持時間が２０時間である点を除き実施例１と同様にして（比較例８）、酸化アルミニウムの配合量（含有量）が０．１０質量％で焼結保持温度が８００℃かつ焼結保持時間が６０時間である点を除き実施例１と同様にして（比較例９）、比較例７〜９に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００５０】
更に、実施例１と同様の方法により比較例７〜９に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材の相対密度を求めた。
【００５１】
この結果も表１に示す。
【００５２】
［比較例１０］
焼結保持時間が３０時間である点を除き実施例８と同様にして、比較例１０に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を得た。
【００５３】
更に、実施例１と同様の方法により比較例１０に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲット材の相対密度を求めた。
【００５４】
この結果も表１に示す。
【００５５】
【表１】
2014058731.tif 000002
【００５６】
「確  認」
（１）酸化亜鉛を主成分とし、０．１０質量％以下の酸化アルミニウムを含有する酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を製造する際、第三工程の焼結温度（焼結保持温度）が９００〜１１５０℃、焼成時間（保持時間）が４０〜６０時間の常圧焼結条件を満たすことにより、相対密度９５％以上の酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を製造できることが実施例１〜９により確認される。
【００５７】
（２）他方、上記酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を製造する際、第三工程の焼結温度（焼結保持温度）が８００℃以下または１２００℃以上の場合（すなわち、９００〜１１５０℃の条件を満たさない場合）は、焼成時間（保持時間）が４０〜６０時間の常圧焼結条件を満たしたとしても、相対密度９５％以上の酸化亜鉛スパッタリングターゲット材が得られないことが比較例１〜９により確認される。
【００５８】
（３）更に、上記酸化亜鉛スパッタリングターゲット材を製造する際、第三工程における焼結温度（焼結保持温度）の条件（９００〜１１５０℃）を満たしたとしても、焼成時間（保持時間）の条件（４０〜６０時間）を満たさない場合には、相対密度９５％以上の酸化亜鉛スパッタリングターゲット材が得られないことが比較例１０により確認される。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係る酸化亜鉛スパッタリングターゲットによれば、ドーパントである酸化アルミニウムの添加量が０．１０質量％以下と少量にも拘らず相対密度が９５％以上の高い値になっているため、ＣＩＧＳ系太陽電池におけるバッファ層の形成に適用できる産業上の利用可能性を有している。