三元鋁合金薄膜和靶的製作方法

2023-06-23 21:12:16

專利名稱：三元鋁合金薄膜和靶的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造平板顯示器的三元合金薄膜和用來生產此類薄膜的物理蒸氣沉積靶。具體地說，在玻璃基材上沉積的薄 膜顯示出低電阻率和高小丘電阻。相關技術描述
平板顯示器例如液晶顯示器(LCD)用於很多應用，例如 電一見機和筆記本型個人計算機。為了改善影〗象品質例如解析度和對比 度，薄膜電晶體(TFTs)已經用來作為開關元件。TFTs是活性器件， 包含在一種絕緣基材例如玻璃基材上形成的半導體薄膜，而且也包括由 金屬薄膜構成的電極，其中該電極是與該半導體薄膜連接的。
在LCD的最近發展中，有朝著更大尺寸板和更高解析度發 展的日益強勁趨勢。作為結果， 一直需要的是形成更小尺寸的LCD的 電極薄膜。這樣一種尺寸減小造成了互連和電極的電阻增大。這導致電 信號延遲時間增加。為了將LCD中薄膜電極尺寸減少所引起的信號脈 衝延遲抑制到足夠低水平以適用於彩色LCD、尤其適用於IO英寸或更 大平板尺寸的大尺寸彩色LCD,需要使半導體器件的電極的電阻率等於 或小於5 luI2cm。
作為結果，用來形成LCD中半導體器件的電極的薄膜必須 有各種特4i,例如4氐電阻率和高小丘電阻等。用來形成LCD中電才及薄 膜的材料的電阻率對傳輸的信號有影響。具體地說，如果使用高電阻率 的材料來形成薄膜電極，則高電阻率引起電信號構建速度降低和產生信 號脈衝延遲增加。這樣的信號脈衝延遲是確定該LCD總體特徵的一個 重要因素。在大尺寸和高解析度LCD中，低電阻率是防止信號延遲的 最重要因素。
小丘形成減少同樣是重要的。用來形成電極薄膜的材料在 該薄膜於該基材上沉積形成後和在隨後使用等離子體增強化學蒸氣沉 積法(PECVD )的絕緣薄膜沉—積中遭遇到20 ~ 30 min、 300°C ~ 400°C範圍內的溫度。當採用鋁作為形成LCD中的電極的材料時，在絕緣薄膜 的PECVD沉積期間在該薄膜的表面上產生稱為小丘的小尺寸半球狀凸 起。呈半球狀凸起形式的小丘是由於玻璃基材與鋁薄膜之間熱膨脹係數 差異引起的壓縮應力而產生的。在TFT-LCDs中，電極薄膜一般位於該 多層結構底部。因此，該電極薄膜上的小丘使得不可能以平坦形狀在其 上形成其它薄膜。進而，當在電極薄膜上形成絕緣薄膜時，如果在電極 薄膜上產生小丘，則該小丘就會使該絕緣薄膜凸起，從而引起層與層之 間的電短路(電絕緣擊穿)。
因此，除低電阻率外，還要求該LCD中電極薄膜材料較好 在退火期間不形成小丘和須晶或形成0.5 )um以下小丘尺寸。為了解決這 些課題，在相關技術上已經有人提出了許多鋁合金'減射耙。例如，Onishi et al Effects of Nd content in Al thin films on hillock formation, J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 15 (1997)涉及A1-Nd薄膜，其中小丘密度強烈依賴於 Nd含量。
Yamamoto et al (U. S. Patent No. 6,033,542)涉及一種由Al 合金構成的半導體器件用電極，該合金含有一種或多種選自Al、 Co、 Ni、 Ru、 Rh和Ir的合金元件。
Hiroshi (Japanese Patent Document No. 10-199830)涉及一 種由A1基體結構形成的靶材料，該結構含有 一 種選自過渡元素的元素。
Onishi et al (Japanese Patent Document No. 2000-199054) 涉及一種鋁合金濺射革巴，其組成為鋁基體相和鋁與該金屬間基體相之間 晶粒邊界上的合金元素的金屬間化合物相。
Yoshikawa et al Spray formed aluminium alloys for sputtering targets Power Metallurgy, Vol. 43 (2000) 乂>開了用噴霧成形法 製造的、Al-Nd和Al-Ti材料的精細均勻微結構、踐射耙。
Takagi et al (U. S. Patent Nos. 6,096,438和6,387,536 Bl)涉 及一種用來作為半導體器件的電極的Al合金薄膜及其沉積用Al合金濺 射靶。
Nishi et al (U. S. Patent Application Publication No. 2001/0004856 Al)涉及一種用噴霧成形法製造的且其中所有包合物的 最大長度為20 )Lim或以下的鋁或鋁合金濺射革巴。
與慣常薄薄膜材料和用來製造該材料的靶相聯繫的缺點是，它們沒有滿足製造平板顯示器用電極薄膜所需要的要求。
為了克服相關技術的缺點，本發明的目標是消除二元Al-Nd 合金並提供一種鋁三元合金薄膜和用來沉積此類薄膜的濺射靶。具體地 說，所沉積的薄膜在該薄膜退火之後有較好<5 iLiQcm的電阻率和高小丘 電阻。
本發明的另一個目標是通過減少或用Ce、 Dy、 Gd等稀土 金屬代替第二組分(即Nd)來降低鋁三元(合金)體系的成本，並通 過添加一種不太昂貴的第三組分來減少稀土元素含量。
本發明的 一個進一步目標是提供該賊射輩巴的 一種新穎製造 方法，從而減少產生所述靶的均勻而精細微結構所需要的必要步驟數 目。
本發明的其它目標和方面，對於業內普通技術人員來說， 在重溫本說明書、其附圖及其所附權利要求書時將變得顯而易見。發明概要
按照本發明的第一方面，提供了一種平板顯示器製造用物 理蒸氣測定積靶。該靶包括一種三元合金體系，該體系以原子百分率計 有數量約90- 99.98的第一組分，其中第一組分是鋁；數量約0.01-2.0 的第二組分，其中第二組分是一種稀土元素，選自Nd、 Ce、 Dy和Gd 組成的一組；和數量約0.01 ~ 8.0的第三組分，其中第三種元素選自Ni、 Co、 Mo、 Sc、和Hf糹且成的一糹且。
按照本發明的另一個方面，提供了一種沉積於玻璃基材上 的三元合金薄膜。該薄膜包括數量約96 - 99.98原子％的第一組分，其 中第一組分是鋁；數量約0.01 ~ 2.0原子％的第二組分，其中第二組分是 Nd;和數量約0.01-2.0原子％的第三組分，其中第三元素是一種選自 Ce、 Dy和Gd組成的一組的稀土元素。附圖簡述
本發明的目標和優點，/人其4交好實施方案結合附圖的以下 詳細描述將會更好地理解，其中同樣的數字表示完全相同的特色，且其 中


圖1說明該濺射靶和薄膜沉積的製造方法工藝流程圖。
圖2說明一種用本發明的耙沉積的三元合金薄膜的SEM照 片，其中該薄膜是一種Al-0.5Nd-1.85Ce;和
圖3說明一種用本發明的耙沉積的三元合金薄膜的SEM照 片，其中該薄膜是一種Al-0.6Nd-2.40Ni。發明詳細描述
平板顯示器、LEDs和LCDs的製造需要許多加工步驟，包 括濺射靶的物理蒸氣沉積，以使一種薄的鋁薄膜沉積到一種基材上。就 磁控管賊射而言，磁石以 一種能引起閉合磁場迴路切割陰極的方式位於 該陰極耙背後。該》茲場迴路的一部分位於與該陰極的前面相鄰的位置。 磁場與電場的組合使電子沿長長的限定路線盤旋而在緊鄰把材料面的 位置產生非常稠密的等離子體。這種稠密等離子體便利了從該靶濺射的 材料產率的提高。
本發明提供了賊射耙鋁合金組合物的特定合金和用其沉積 的薄薄膜。具體地說，已經發現，用本發明的靶沉積的薄膜顯示出低電 阻率和實質上無小丘或須晶形成。
—系列實驗確定該靶的組成是一種三元鋁合金。該合金體 系的組成為Al-X-Y，其中第二組分X選自稀土元素Nd、 Ce、 Dy和Gd。 第二組分的數量，以原子％計，可以在約0.01 ~ 2.0、較好0.01 ~ 1.95的 範圍內。除非具體地指用其它單位，否則要理解所有重量都以原子％表 示。第三組分Y是一種選自Ni、 Co、 Mo、 Sc、 Hf的不太昂貴的組分。 第三組分的存在量可以在約0.01 ~ 8.0、較好0.01 ~ 3.50範圍內。 一般地 說，Nd的減少及其用Ce、 Dy和Gd的替4戈以及第三組分的添加，減少 了該耙的稀土元素含量，從而降低了該耙的成本。
按照本發明的另 一種合金體系是Al-Nd-Z,式中Z選自Ce、 Dy、和Gd。第二組分Nd的存在量在0.01 ~ 2.0、專支好0.01 ~ 1.95範圍 內。第三組分Z的存在量在0.01-2.0、較好0.01-1.95範圍內。
該鋁與其它兩種組分和附帶雜質的合金化產生 一種賊射 耙，該耙從用其沉積的薄膜的電阻率和小丘電阻進4亍評估。即，當該薄 膜進行重複退火時實質上不產生小丘或須晶。例如，該薄膜可以在350 。C退火30 min或更長時間。該薄膜較好會是實質上無小丘而且會有低電 阻率(4支好〈5iuQcm )。
參照圖1,即按照本發明的一種實施方案的濺射輩巴製造方 法和Al-X-Y或Al-Nd-Z薄膜沉積的流程圖。鋁三元合金源材料的熔融 有利地在真空或保護性氣氛下進行。較好，真空熔融裝置可以使該源材 料在一個石墨或陶瓷模型中熔融。有利地，該真空是至少1.0xl0—s乇。
向一個有低壓保護性氣氛的模型中傾注是一種限制氧化的 程序。為了保持低雜質，重要的是在受控氣氛下例如在保護性氬、氦或 其它第VIII族氣體或氣體組合下澆鑄該合金。例如，已經發現約250乇 的低壓氬氣氛提供了對傾注時熔體和錠料的充分保護。
在熔融合金澆鑄到才莫型中之後，該合金冷卻和凝固。對"澆 鑄時，，結構進行均化熱處理步驟。均化之後，使該合金遭遇到熱機械過 程，包括但不限於退火熱處理、以基於該合金的物理冶金和形變行為的 各種序列進行的熱軋和/或冷軋。退火熱處理作業在650。C以下進行可變 時間長度(若干小時)，以帶來微結構上的所希望變化。熱軋和冷軋作 業進行得能達到坯料的所希望形狀變化，而且也使不均勻的微結構斷裂 成有利的微結構。在冷軋的情況下，要求每通過較小還原量，而且該材 料比熱加工材料保留更多的冷作。冷軋耙坯料隨後在250°C ~ 500。C範圍 內的溫度進行重結晶退火處理。該重結晶退火使該材料軟化，也給它提 供一種均勻的微結構。
替而代之，在均化之後，錠料微結構可以用等通道角擠塑 (ECAE)法改性，以產生細小晶粒微結構，並進行最後重結晶退火熱 處理。Nakashima et al, "Influence of Channel Angle on the Development of Ultrafine Grains in Equal-Channnel Angular Pressing," Acta. Mater., Vol. 46, (1998)， pp. 1589-1599和R. Z. Valiev et al, "Structure and Mechanical Behavior of Ultrafine-Grained Metals and Alloys Subjected to Intense Plastic Deformation," Phys. Metal. Metallog., Vol. 85, (1998), pp. 367-377 提供了使用ECAE來減少晶粒尺寸的實例，而且以其全文列為本文參考 文獻。ECAE將許多應變導入金屬中而不使工件形狀發生顯著變化。
任選地，濺射輩巴坯料可以用一種兩步半固體加工法(即突 變澆鑄，隨後再加熱，以調整微結構的形態變化)。從半固體加工產生 球狀(非枝狀)微結構的基本原理已有綜述，如Z. Fan ("Semisolid metal processing" International Materials Review, 2002 Vol. 47, p. 1-37)。 最近, C. G. Kang et al (C. G. Kang, P. K. Seo, Y. P. Jeon, Journal of MaterialsProcessing Technology, 2005, vol. 160, p. 59-69)討論了固體以上鍛制鋁 合金的電感再加熱以達到有球狀(非枝狀)微結構的觸變型鑄材料的效 果。半固體加工的合金也可以進行常規熱機械工藝步驟來生產賊射耙坯料。
然後，將該粑坯料機加工成受濺射耙裝置制約的最終尺寸。
可以利用一種有在垂直放置玻璃基材上沉積薄膜的能力的 濺射工具(類似於4艮多用於平板顯示器的工具)。可以採用一種4英寸 直徑濺射靶將一種厚度約500 nm的合金薄膜沉積在該玻璃基材(3英寸 x3英寸)上。這些薄膜在一臺真空爐中於350。C熱處理30min,然後在 光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡下檢查。
用本發明的靶沉積的三元鋁合金薄膜將參照以下實施例進 一步詳細描述，然而不要將這些實施例理解為對本發明的限制。實施例1
將一種含有0.5 at% Nd和1.85 at% Ce的Al-Nd-Ce合金 (Al-0.5Nd-1.85Ce)真空熔融並在氬氣氛中澆鑄一種錠材。確保的是， 各合金元素在該熔融過程中是完全溶解的，且澆鑄溫度範圍為約700 ~ 730°C,以避免凝固期間形成孔隙。
澆鑄錠料組成是用電感耦合等離子體(ICP )測定的。該錠 3十在450°C -65(TC之間的溫度進行均〗匕熱處理至少5小時，然後用水驟 冷。在熱初4成加工之後，如圖1中所述，冷軋和重結晶圓盤進4亍才幾加工， 以產生4英寸直徑靶。將合金靶焊接到銅背襯板上，然後測試。
在使用1.0 kW功率水平的1 hr標準燒入之後，將薄薄膜沉 積在垂直放置玻璃基材上。將厚度為500 nm的薄膜沉積在所有分析工 作用3英寸x3英寸玻璃基材上。合金薄薄膜在真空爐中在2xl0—s乇或更 j氐的壓力下在350。C退火30 min。
每枚退火的薄膜的電阻率是在室溫下使用4點探針法測定 的。為了檢查小丘、須晶和微粒等缺陷的存在，採用光學顯微鏡和掃描 電子顯微鏡，如圖2中所示。記錄的電阻率值是4.35 nQcm,且沒有觀 察到缺陷。因此，這些合金薄膜符合<5 pQcm電阻率和優異小丘電阻的 要求。實施例2
將一種含有0.6 at% Nd和2.4 at% Ni的Al-Nd-Ni合金 (Al-0.6Nd-2.4Ni)真空熔融，在氬氣氛下澆鑄成4定料。在熔融與免鑄實 踐期間進行如關於實施例1所述的類似測定。
澆鑄錠料組成是用ICP測定的。錠料在450°C ~ 650°C範圍 內的溫度進行至少5小時的均化熱處理，然後用水驟冷。在熱機械加工 之後，如圖1中所述，將冷軋的和重結晶的圓盤機加工，生產一種4英 寸直徑耙。將合金靶焊接到銅背襯平板上。
在使用l.OkW功率水平的1 hr標準燒入之後，將薄薄膜沉 積在垂直放置玻璃基材上。將厚度為500 nm的薄膜沉積在所有分析工 作用3英寸x3英寸玻璃基材上。合金薄薄膜在真空爐中在2xl0-s乇或更 低的壓力下在350。C退火30 min。
每枚退火的薄膜的電阻率是在室溫下使用4點探針法測定 的。為了檢查小丘、須晶和微粒等缺陷的存在，採用光學顯微鏡和掃描 電子顯微鏡，如圖3中所示。記錄的電阻率值是4.3 pncm,且沒有觀察 到缺陷。因此，這些合金符合<5 )aQcm電阻率和優異小丘電阻的要求。 因而，本發明的鋁合金可以有利地用於平板顯示器應用。
雖然本發明已經參照其特定實施方案詳細地描述，^旦對於 業內技術人員來說顯而易見的是，只要不背離所附權利要求書的範圍， 就可以4故各種改變和^修飾，而且可以採用等效物。
權利要求
1.一種平板顯示器製造用物理蒸氣沉積靶，包含一種三元合金體系，包含以原子％計，數量約90～99.98的第一組分，其中第一組分是鋁；數量約0.01～2.0的第二組分，其中第二組分是一種稀土元素，選自Nd、Ce、Dy和Gd組成的一組；和數量約0.01～8.0的第三組分，其中第三元素選自Ni、Co、Mo、Sc、和Hf組成的一組。
2. 權利要求1的物理蒸氣沉積靶，其中包含Ce作為第二組分的三 元合金體系選自下列組成的一組Al-Ce-Ni, Al-Ce-Co, Al-Ce-Mo, Al-Ce-Sc,和A1-Ce-Hf。
3. 權利要求1的物理蒸氣沉積靶，其中包含Dy作為第二組分的三 元合金體系選自下列組成的 一 組Al-Dy-Ni, Al-Dy-Co, Al-Dy-Mo, Al-Dy-Sc，和A1-Dy-Hf。
4. 權利要求1的物理蒸氣沉積靶，其中包含Gd作為第二組分的三 元合金體系選自下列組成的 一組Al-Gd-Ni, Al-Gd-Co, Al-Gd-Mo, Al-Gd-Sc,和A1-Gd-Hf。
5. 權利要求1的物理蒸氣測定積耙，其中第二組分的存在量約 0.01 ~ 1.95原子％,而第三組分的存在量約0.01 ~ 3.5原子％。
6. —種平板顯示器製造用三元合金物理蒸氣沉積靶的形成方法，包含(a) 將該三元合金真空熔融並澆4壽成一種4走津+,該4t並牛包含以原 子％計，數量約90 ~ 99.98的第一組分，其中第一組分是鋁；數量約0.01 ~ 2.0的第二組分，其中第二組分是一種稀土元素，選自Ce、 Dy和Gd組 成的一組；和數量約0.01 ~ 8.0的第三組分，其中第三元素選自Ni、 Co、 Mo、 Sc、和Hf組成的一組；(b) 將該4t料在約450 675。C的溫度進^f亍熱加工；(c )將該耙坯料冷軋並使該坯料的厚度減少65% ~ 85%，以形成該靶。
7. 權利要求6的三元合金物理蒸氣沉積靶的形成方法，其中該三元 體系是在氬氣氛下真空熔融和澆鑄的。
8. 權利要求6的三元合金物理蒸氣沉積靶的形成方法，其中該熱軋 包括<約6.5mm減少的多次通過。
9. 權利要求8的三元合金物理蒸氣沉積耙的形成方法，其中該熱軋 在一個單一方向或逆向上進行。
10. 權利要求6的三元合金物理蒸氣沉積耙的形成方法，包括該草巴 坯料機加工的附加步驟，以生產該'踐射把。
11. 一種沉積在玻璃基材上的三元合金薄膜，包含數量約90- 99.98原子％的第一組分，其中第一組分是鋁；數量約 0.01 ~ 2.0重量原子％的第二組分，其中第二組分是一種稀土元素，選自 Ce、 Dy和Gd組成的一組；和數量約0.01 ~ 8.0重量原子％的第三組分， 其中第三元素選自Ni、 Co、 Mo、 Sc、和Hf組成的一組。
12. 權利要求11的三元合金薄膜，其電阻率<5 iuncm。
13. 權利要求11的三元合金薄膜，其中所述薄膜在350。C退火30 min之後實質上沒有小丘或須晶。
14. 一種平板顯示器製造用物理蒸氣沉積粑，包含 一種三元合金體系，包含以原子％計，數量約96- 99.98的第一組分，其中第一組分是鋁；數量約0.01-2.0的第二稀土組分，其中第二 組分是Nd;和數量約0.01 ~ 2.0第三組分，其中第三元素是一種稀土元 素，選自Ce、 Dy和Gd組成的一組。
15. —種沉積在玻璃基材上的三元合金薄膜，包含數量約96 - 99.98的第一組分，其中第一組分是鋁；數量約0.01 ~ 2.0的第二稀土組分，其中第二組分是Nd;和數量約0.01 ~ 2.0第三組 分，其中第三元素是一種稀土元素，選自Ce、 Dy和Gd組成的一組。
16. 權利要求15的三元合金薄膜，其電阻率<5 )uQcm。
17. 權利要求15的三元合金薄膜，其中所述薄膜在350。C退火30 min之後實質上沒有小丘或須晶。
全文摘要
提供了平板顯示器製造用的物理蒸氣沉積靶。該靶包括一種三元合金體系，該體系以原子百分率計有數量約90～99.98的第一組分，其中第一組分是鋁；數量約0.01～2.0的第二組分，其中第二組分是一種選自Nd、Ce、Dy和Gd組成的一組的稀土元素；和數量約0.01～8.0的第三組分，其中第三元素選自Ni、Co、Mo、Sc、和Hf。
文檔編號C03C17/09GK101405430SQ200780010340
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月28日 優先權日2006年4月3日
發明者C·羅, J·薩卡, P·S·吉爾曼 申請人:普萊克斯技術有限公司