烧结氧化物溅射靶组件 技术领域
本发明涉及烧结氧化物溅射靶组件，该组件可节约由烧结的氧化物如ITO、氧化锌基、氧化铟-氧化锌基以及氧化镁基材料组成的昂贵靶材的用量，而不影响溅射性能，并且该组件可容易地大尺寸制造，所述尺寸是难以集成制成的。
背景技术
用于形成透明导电薄膜的ITO、氧化锌基、氧化铟-氧化锌基或者氧化镁基薄膜广泛用于显示装置(如液晶显示器、触敏面板和EL显示器)的显示电极。在很多情况下，通过溅射形成用于形成透明导电薄膜的氧化物薄膜。
在研究溅射装置的初始阶段，使用二极型溅射装置。但是，这种二极型溅射装置具有缺点如压电压高、基底温度升高，并且成膜速度低。因此，设计了三极或四极溅射装置，或者研制了高频溅射装置，但是其中没有一种是满意的。
为此原因，目前研制了具有增强溅射效率的磁控管溅射装置，其中，在靶的背侧提供了磁体，以用磁体产生的磁力线限制等离子体，并且将离子化的气体会聚在靶上。这是目前用于形成透明导电薄膜如ITO薄膜的主流溅射装置。
尽管这种磁控管溅射装置可以高速和低温地形成薄膜，由于等离子体由磁场约束，离子化的溅射气体只集中在靶的特定部分，结果导致局部靶材烧蚀现象。
通常，这种局部烧蚀部分称作蚀痕部分，并且当这种蚀痕部分是局部时，靶材的大部分仍是未使用的。
即，当溅射产生地蚀痕部分到达的靠近背板的部分(一定深度)时，靶材的使用寿命结束，并且靶材必须更换。换句话说，当产生局部蚀痕，该局部蚀痕决定了整个靶材的寿命。
由于用于形成透明导电薄膜材料如ITO的靶材通常具有大面积，所以，上述的局部烧蚀使靶材的使用率非常低。
为了解决这种问题，已经提出了集成靶，其中，磁控管溅射的陶瓷靶材分为烧蚀区和非烧蚀区，并且将烧蚀区作的较厚，而非烧蚀区作的较薄(JP6-172991A)。另外，也提出了其中材料集中在烧蚀区的用于透明导电薄膜的环状溅射靶(JP1-290764A)。
尽管上述两种改进的靶材通过增加易受局部烧蚀部分的厚度可有效地延长靶材的寿命，尽管靶的集成结构，但这些靶材要在中心和边缘部分形成台阶，并且在加工如压制烧结和机加工过程中易产生裂纹。因此，这些靶材的缺点是它们对相对小靶材是有效的，而对于大面积的靶材是不适合的。
另外，作为磁控管溅射的拼合型靶材，已经提出了在边缘部分形成厚环状靶，而在中心部分形成盘状靶(JP3-287763)。
但是，拼合设计仅适合于中心部分的盘状靶和周围环状靶之间的区域，只要置于烧蚀区的环状靶是集成型的，则上述的难以制备这种结构的大面积靶材之问题就仍然存在。
本发明的内容
本发明提供了如ITO的烧结氧化物溅射靶组件，该组件可克服磁控管溅射所造成的局部烧蚀而进行有效溅射，节约由烧结的氧化物如ITO组成的昂贵靶材的用量，而不影响溅射性能，并且可容易地制造大尺寸产品，所述尺寸是难以集成制成的。
即，本发明提供了如下方面的内容：
1、一种用于磁控管溅射的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于在中心非烧蚀区不含烧结的氧化物；所述中心非烧蚀区的背板表面涂覆有构成所述靶材的元素，或者涂覆有含有构成所述靶材的元素的焊料；并且将划分为跑道形状的该烧结氧化物靶的各个部分组合，其中易受溅射的靶材部分的厚度大于非烧蚀区的厚度。
2、权利要求1的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于在所述的烧结氧化物靶为平面矩形结构时，所述的烧结氧化物溅射靶组件包括两个端部和一对或多对置于其间的平行部分，并且包括所述端部和所述平行部分之间的中心非烧蚀区，其中该非烧蚀区不含烧结的氧化物。
3、权利要求2的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于所述的两个矩形端部的每一个都包括马蹄形厚部分和周围的薄部分；并且在所述的平行部分中形成的厚部分和薄部分自所述的两个端部呈直线形成并在装配的烧结氧化物靶上构成跑道形状，所述的端部具有马蹄形厚部分和薄部分。
4、权利要求1-3任一项所述的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于所述的厚部分的形状基本上是梯形，并且平均倾角为5度或更多和90度以下。
5、权利要求1-4任一项所述的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于所述的烧结氧化物溅射靶组件包括至少一个位于所述厚部分和所述薄部分之间或者环绕所述厚部分的连续的和不连续的斜面，所述的斜面选自平斜面、凸斜面、凹斜面或它们的组合，或者这些斜面和水平面或垂直面的组合。
6、权利要求5的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于水平面、斜面、拱形面和垂直面交叉处的边缘或斜角部分被倒角为具有0.1mm或更大的半径。
7、权利要求5或6的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于平面靶被溅射时产生的烧蚀形状和具有基本上梯形厚部分的靶的斜面的实际交叉点与所述厚部分的顶面之间的距离为5mm或者更小。
8、权利要求1-7任一项所述的烧结氧化物溅射靶组件，其特征在于溅射表面中心线处的平均表面粗糙度Ra为4微米或更小，靶的相对密度为80％或更大，靶的密度分布为0.04％或更小。
附图分简要说明
图1是说明本发明烧结氧化物溅射靶组件如ITO的外观图。图2是说明靶材厚部分的截面形状(a)-(c)的各种例子示意图，即本发明的跑道。图3是类似于图2的说明截面形状(d)-(f)的示意图。图4是类似于图2的说明截面形状(g)-(i)的示意图。图5是表示靶材截面的图，用于说明平面靶溅射时产生的烧蚀形状以及本发明具有梯形厚部分的靶材构型。图6是说明靶材倒角的边缘部分和圆形斜面以具有平滑曲面的例子的图。
实现本发明的最佳方式
下面说明由烧结氧化物如烧结的ITO组成的溅射靶组件(部件)的制造方法。将平均粒径2微米的粉状氧化铟和相同粒径的粉状氧化锡称重，使其重量比为90∶10，并且与成型粘结剂一起充分混合。将混合粉装入模具中，模压、并且在高温下烧结。
通常，ITO靶含有70％(重量)或更多氧化铟和氧化锡作为主要组分，但是可加入上述组分之外的第三种组分以改善透明导电薄膜的导电性或透明度。上述粒径及粉状氧化铟和粉状氧化锡的混合比在ITO溅射靶组件中是常规例子，本发明并不限于此。
本发明不仅应用于通常使用的ITO，而且可应用于所有烧结氧化物靶材如氧化锌基、氧化铟-氧化锌基以及氧化镁基材料，并且本发明包括所有这些材料。
为了继续上述例子的说明，用表面研磨机研磨上述获得的烧结的ITO溅射靶，使其作为ITO靶组件的基材。
在抛光过程中，用砂纸或砂布将ITO靶组件抛光使其平整。在该抛光过程中，也可使用喷砂处理。例如，可使用玻璃珠、氧化铝珠、或者氧化锆珠以降低靶表面的具有边角的凸凹不平，并且去除在这些凸凹不平处之间的碎屑。
随后，将靶进行清洗处理，如吹气或在流动水中清洗。也可使用超声波清洗。另外，也可使用通过将粘结胶带从靶表面撕下(胶带剥离法)而将粘结于表面上的颗粒去除的方法。
由此制得的ITO溅射靶组件的外观示于图1中。装配该ITO溅射靶组件1，从顶部看，包括两个矩形端部3、一对或者多对位于两端部之间的平行部分4，从而在这些两矩形端部3和平行部分4之间形成了不含ITO的中心非烧蚀区。该组件的跑道表面形状基本上是椭圆形的。
当ITO靶组件1具有一对平行部分4时，它包括有两个端部3的总共4个部件，当ITO靶组件1具有二对平行部分4时，它包括总共包括6个部件。平行部分4可包括多对部件。
因此，通过简单地增加相同形状的平行部分4，可获得长的和大的ITO靶组件。尽管跑道可以以特定的曲率半径弯曲，在这种情况下，组件的形状限于满足该曲率半径的椭圆。
在背板2的整个表面上涂覆金属铟焊料，上述ITO靶组件1位于并且焊接在所述的背板上。因此，在不含ITO的中心非烧蚀区暴露出金属铟焊料7。
当仅在组件1背表面涂覆金属铟焊料时，用另外的金属铟涂覆背板2的暴露表面。
如上述在背板2的整个表面上涂覆金属铟是有益的，因为以一步就可在中心非烧蚀区上获得粘结和涂覆的金属铟，并且工艺简单。
由于在中心非烧蚀区不含昂贵的ITO，可显著降低材料成本。另外，甚至如果中心非烧蚀区被溅射，也只沉积金属铟，而不会造成ITO薄膜的污染。
根据薄膜形成条件(薄膜类型)也可使用其他焊料材料。即在中心非烧蚀区上可使用组成靶材的元素或者包含组成靶材的焊料材料。尽管在所使用的材料不污染溅射形成的薄膜的条件下，可使用这些焊料材料，但是只要满足该条件，对所用材料没有特别限制。
ITO靶组件1的两个矩形端部3的每一个都包括马蹄形厚部分5和周围的薄部分6。每个平行部分4还包括平行的厚部分5和夹在厚部分5之间的薄部分6。当装配平行部分4的ITO靶时，两个端部3的马蹄形厚部分5和薄部分6的端部与平行部分4的厚部分5和薄部分6对齐，或者平行部分4的厚部分5和薄部分6的端部彼此对齐形成环状跑道。
因为，当从顶部看时，包括马蹄形厚部分5和周围的薄部分6的ITO靶组件1的两个矩形端部3基本上是矩形的，因此它易于加工，并且最少只需要一个模具将粉状材料模压成两个端部3。另外，由于它们具有如图1所示的相当紧凑的形状，在烧结或加工过程中不产生裂纹，并且产率明显增加。
以一对或多对形式制备的ITO靶组件1的平行部分4可以是基本上相同的形状。类似于上述两个端部3，只至少需要一个模具将粉状材料模压成两个端部3，在烧结或加工过程中不产生裂纹，并且产率明显增加。
尽管以上说明了ITO靶组件，不用说，本发明可应用于所有烧结氧化物靶材。
另外，用于上述背板和中心非烧蚀区的焊料材料可根据这些烧结氧化物靶材的类型来选择。
厚部分5分构型，即跑道基本上是梯形，并且每侧的角为5度或更多和90度以下，优选为10度或更多和60度或更少，更优选为15或更多和45度或更少。最可能被溅射的该部分(即厚部分50)被集中溅射。
尽管上述斜面8的大部分为烧蚀部分，但烧蚀量小于厚部分5，并且烧蚀量在靠近端部的部分减少。
因此，斜面可减缓局部烧蚀的产生。尽管薄部分6可被溅射，但量很小。考虑溅射区的安全性来设计薄部分6的宽度。
靶厚部分的梯形构型示于图2(a)中。中心部分是厚部分而两端是薄部分。本发明靶的跑道的其他例子的构型示于图2(b)和(c)、图3(d)-(f)以及图4(g)-(i)中。
图2(b)所示靶的厚部分的顶部(上表面)是平的，并且斜面(倾斜表面)连续向靶的边缘倾斜。尽管具有连续到靶边缘的斜面或拱面的靶无需形成薄部分，但是考虑到安全性在斜面或拱面周围可形成薄部分。
图2(c)所示靶的薄部分的顶部是平的，并且两端是连续向靶边缘倾斜并在此终止的凸面。
在图3(d)中所示的靶的两个端部具有两阶直斜面，自中部水平面的两端形成。这种具有台阶的斜面形成不连续的斜面。
图3(e)所示靶的厚部分的顶部是平的，并且两个端部具有连续向靶的边缘倾斜的斜面(直斜面)。
图3(f)所示靶的厚部分的顶部是平的，并且两个端部具有连续向靶的边缘倾斜的凹面。
图4(g)所示的靶的截面是不具有平面并且连续向靶的外端倾斜的凸面。
图4(h)所示的靶的截面是台阶式(在该例中为两个台阶)降低自厚部分至薄部分的厚度的例子。在该例子中，两个台阶由垂直平面连接。
图4(i)所示的靶的截面是具有不连续平面的例子，其中的不连续平面具有倾斜的和垂直的平面，用于连接厚部分和薄部分。
图2-4(b)-(g)的任一个示出的例子，其中厚部分具有非梯形(包括近似梯形)形状。厚部分、薄部分、以及倾斜部分(表面)可以由至少一种连续或不连续表面合适地制得，所述的表面选自直斜面、凸面或凹面或它们的组合，或者这些斜面和水平面或垂直面的组合。
尽管详细说明了倾斜表面与图2-4(a)-(g)所示靶的厚部分或薄部分的连接(角)，如果这些角是陡的，则在靶材形成或者烧结过程中出现凹凸不平，并且在加工过程中靶可能会破裂。因此，优选形成这些角以具有平滑的曲面。
图6示出了其中的角被弄圆的典型例子，并且斜面是曲面。在图6中，阴影线部分表示靶材。如图6所示，为防止上述缺点是有效的，将水平面、斜面、曲面、以及垂直面交叉的边缘或角被弄圆，以具有0.1mm或更大的曲率半径是有效的。
图5是表明平面靶溅射时表明烧蚀形状的靶的截面说明，以及具有本发明梯形厚部分的靶材构型。
在图5中，横坐标表示靶的尺寸(mm)，纵坐标表示烧蚀深度，或者梯形厚部分的高度(mm)。
在平面靶溅射时的烧蚀形状9和具有梯形厚部分的靶的斜面10的实际交叉点A与所述厚部分的顶面11之间的距离为5mm或者更小，优选为2mm或者更小，更优选为0.4mm或者更小。
相应于烧蚀形状的设计的结果是可节省靶材如ITO。
烧结氧化物如ITO溅射靶组件的溅射表面中心线处的平均表面粗糙度Ra为4微米或更小，优选为1微米或更小；靶的相对密度为80％或更大，优选为90％或更大；靶的密度分布为0.04％或更小，优选为0.02或更小。
只要烧结氧化物溅射靶组件1是由多个拼合部件组成，则在制造过程中必须避免波动。在上述数值范围内，可获得优选的烧结氧化物如ITO溅射靶组件1。特别地，当靶的密度分布在上述范围内可形成均匀的溅射薄膜。
工业应用
提供了烧结氧化物溅射靶组件，该组件可在克服磁控管溅射所造成的局部烧蚀的情况下进行有效地溅射；节约烧结氧化物如ITO的昂贵靶材的用量，而不影响溅射性能；并且可容易地制造大尺寸产品，所述尺寸是难以集成制成的。
由于，当从顶部看时，每个都包括马蹄形厚部分和周围的薄部分的如ITO的烧结氧化物溅射靶的两个端部基本上是矩形的，因此它易于加工，并且具有优点：对于形成两个端部的粉状材料来说只需要最少一个模具。
另外，该烧结氧化物溅射靶组件具有相当紧凑的形状，在烧结或加工过程中不产生裂纹，并且产率明显增加。
类似地，以一对或多对形式制备的烧结氧化物溅射靶组件的平行部分可以是基本上相同的形状。类似于上述两个端部，对于模压粉状材料来说只需要最少一个模具，并且烧结氧化物溅射靶组件具有相当简单的形状，因此在烧结或加工过程中不产生裂纹，并且产率明显增加。
另外，通过增加平行部分对的数量，烧结氧化物如ITO溅射靶组件的尺寸可增加，并且烧结氧化物如ITO溅射靶组件的尺寸可容易地改变(变化)。
跑道的形状基本上为梯形，并且烧蚀集中在梯形厚部分上。尽管上述斜面是部分地烧蚀，但斜面可减缓局部烧蚀的发生。
另外，跑道的形状可以根据需要变化，以具有至少一个连续或不连续的表面，所述的表面选自直斜面、凸面或凹面或它们的组合，或者这些表面和水平面或垂直面的组合。
这样设计可制得用于解决各种烧蚀类型的靶的形状。
由于不污染烧结氧化物溅射薄膜的材料(金属)如构成靶材的元素例如金属铟焊料，或者含有构成靶材的元素的焊料暴露位于跑道的中心部分上的非烧蚀区内，甚至如果中心非烧蚀区被溅射，沉积的是无害材料如金属铟，它们不会变成氧化物薄膜如ITO形成过程的污染物。因此，使用简单的工艺可获得稳定质量的溅射薄膜。
如上所述，通过布置烧结氧化物溅射靶如ITO的厚部分为集中地相应于烧蚀形状，可消除常规的损耗(waste)，可非常有效地制造烧结氧化物溅射靶如ITO，并且可节省材料。