JP2002518593A - 微細で一様な構造とテキスチュアを有する金属製品及びその製造方法 - Google Patents

微細で一様な構造とテキスチュアを有する金属製品及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 鍛造処理、ローリング処理及びローリング処理条件での鍛造処理制御の各工程により微細な冶金学的構造及びテキスチュアを有する金属製品の製造法が開示される。また静的結晶化された最小粒径及び一様の（１００）キュービックテキスチュアを有する金属製品が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） この発明は微細で一様な構造とテキスチュアを有する金属製品、及びその製造
方法に関する。更に詳細には上記の種類の金属製品、特にスパッタリングターゲ
ットとして有用である。
【０００２】 （背景技術） 高純度の金属からなるスパッタリングターゲットは電子及び半導体業界で薄膜
を広くスパッタリング処理する際に使用される。これは大きなサイズのターゲッ
トを得るために望ましい。
【０００３】 （発明の開示） 本発明によれば実質的に均等なテキスチュアを有するスパッタリングターゲッ
トのような高純度のタンタル製品が提供される。特に本発明は少なくとも約９９
．９５％のタンタルからなり実質的に均等な（１００）キュービックテキスチュ
アを有するタンタルスパッタリングターゲットからなる。１９９８年６月１７日
に出願された第０９／０９８、７６１号にはタンタルスパッタリングターゲット
を提供する方法が開示され、参考にされる。
【０００４】 この方法は以下の（１）〜（７）の工程とからなっている。 （１）金属ビレットを与える工程、 （２）金属の再結晶温度より低い鍛造温度までビレットを加熱する工程、 （３）鍛造対象のビレットの端部と鍛造中の摩擦を減少してビレットを鍛造す
る鍛造機のプレスプレートとの間に固形潤滑剤を与える工程、 （４）ビレットの厚さを実質的に７０％〜９５％減少させた所望の厚さにビレ
ットを鍛造する工程、 （５）鍛造されたビレットを実質的に室温まで低下させる工程、 （６）ローリングパス当たりほぼ均等な歪分布を与えるに十分な厚さ減少割合
でビレットをプレートまでローリング処理する工程、 （７）プレートを再結晶アニーリング処理する工程。 十分な厚さの固形潤滑剤を与える前にビレット端部の両端部に浅いポケットを機
械加工することも好ましい。望ましくはビレットは静的再結晶の最小温度より低
い温度で鍛造され、次に静的再結晶の開始段階を与える時間及びある温度でロー
リング処理及びアニーリング処理される。
【０００５】 パス当たりのローリング処理減少割合は望ましくはパス当たりの最小減少割合
、ロール直径、及び鍛造後のビレットの所望の厚さの関係に従って決められる。
一般にローリング処理中のパス当たりの減少割合はパス当たり、約１０％〜２０
％である。
【０００６】 本発明の別の実施形態においては静的に結晶化されほぼ最小の粒径で均一なテ
キスチュアを有するスパッタリングターゲットのような金属製品が提供される。
【０００７】 本発明の方法は静的再結晶の温度より低い温度で良好な延性及び加工性を示す
各種の金属及び合金に使用され得る。本発明が使用可能な金属は、Ａｌ，Ｔｉ，
Ｔａ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ａｕ，Ａｇ，Ｒｅ，Ｐｔ及び他の金属、更にそ
れらの合金である。本方法の一実施形態はインゴットを半完成ビレットにまで処
理し、例えばインゴットを溶融し鋳造し、均質化・溶液化の熱処理し、熱間加工
して鋳造構造体を分解し、ビレットを作成し、その後ビレットを成形し熱機械的
な処理をして、例えばスパッタリングターゲットのような製品を作成し、冶金的
構造を精製し所望のテキスチュアを生成する。本発明の方法の一実施形態によれ
ば、冷間・温間加工及びアニーリング処理により、極めて微細で均等な構造体が
また強靭で均等なテキスチュアが生成され、この結果スパッタリングターゲット
が改良される。
【０００８】 （発明を実施するための最良の形態） 熱機械的処理を最適化するため、再結晶アニーリング処理の前に強力で均一な
歪を得ることが望ましい。通常ターゲットはローリング処理あるいはアプセット
鍛造により処理された単一ビレットから製造される薄いディスクである。両方の
方法において、最初のビレット長（Ｈｏ）は最終厚さ（ｈ）まで減少され、平均
歪は以下の式により計算される。 ε＝（１−ｈ／Ｈｏ）１００％＝［１−（Ｍ／Ｍｏ）２／３］１００％ ・・・（式１） ここでＭｏ＝Ｈｏ／Ｄｏ、及びＭ＝ｈ／ｄは最初のビレットと加工された製品と
の高さ対直径の比である。最終比（Ｍ）は所望のターゲット形状により規定され
、通常Ｍ＝０．０７からＭ＝０．５の範囲内にあり、一方最初のビレット比Ｍｏ
は約１．８６〜０．５の範囲内にでき、上述した式（１）に示す歪の限界値は以
下の関係式（２）で示される。 ７３％＜ ε ＜９５％ ・・・（式２）
【０００９】 式（２）の歪は薄いターゲットに対してのみ静的再結晶を最適化するに十分な
大きさである。しかしながらこれらのターゲットに対しても、ビレット容積を通
した歪分布の不均一性により、ある部分の歪量が大幅に減少される。また大きな
ターゲットビレットに対してはある用途の場合、式（２）の歪を与えるに必要な
鍛造プレスミルやローリングミルの容量が非常に大きくなる。従ってローリング
処理若しくは鍛造処理により達成可能な歪が制限されることになる。
【００１０】 ローリング処理は薄く大きなターゲットの製造処理としては最適である。しか
しながら最初のビレット比（Ｍｏ）は望ましくは１より小さくする必要があり、
１より小さくなければ長い円筒状のビレットのローリング処理中の端部効果によ
り歪分布に極めて強い不均一性が発生する。更に薄いビレットに対してほぼ均等
な歪を与えるため、望ましくはロール直径はビレットの厚さより大幅に大にする
必要があり、パス当たりの減少回数に伴い結果が影響を受ける。このためローリ
ング処理されたビレットはくぼんだ形状となり、接触面での最大歪及びビレット
の中間部の最小歪が再結晶を最適化し、最有用な構造を得るために十分ではない
。最近公開された日本国特願第０８−２６９７０１号には、ストックからのシー
トを冷間ローリング処理し低温アニーリング処理して製造されるチタンターゲッ
トが開示されている。しかしながらこの方法はプレートに対しては適用できず、
微細粒径があるターゲット部品に対し説明されているが、この日本国特願のデー
タは大きく偏位した粒径が示されている。
【００１１】 鍛造による歪不均一性はローリング処理の場合より強い。接触摩擦のためビレ
ット中央部に広範囲な「デッドメタル」領域が存在する。この結果この粒径の内
側の歪が低くなり、細いビレットの圧力及び負荷が高くなる。大きな厚さ／直径
比の大きなビレットから大きなターゲットをアプセット処理するには、極めて強
力なプレス機あるいは高価なトールが必要となるが、均等な良計の製品を製造す
ることができない。これは鍛造処理は多くの場合鋳造インゴットの熱間分解に対
してのみに使用されるためである。
【００１２】 これらの問題点を解決する一方法が日本国特願第０８−２３２０６１号に開示
されている。この特願には相転移温度より低い温度でチタンターゲットを鍛造処
理しローリング処理する組み合せ法が示される。この方法では相転移温度より低
く重い加工材料の静的再結晶温度より十分に高い温度が使用される。この結果こ
の方法においては再結晶を最適化できず、極めて微細で均等な構造／テキスチュ
アを生成することができない。
【００１３】 上述したものに比べ本発明は、 （１）摩擦のないアプセット処理として鍛造処理工程を実行し、応力・歪均一性
及び強力な加工を与え且つ材料にクラッキングまたは過度のプレス荷重を与えな
い工程と、 （２）対応する条件として静的再結晶の最低温度より低い温度で鍛造処理工程を
実行して微細で最均質な構造・テキスチュアを与える工程とを含む 鍛造処理、ローリング処理及びアプセット処理の各工程は最適化されて、経済的
な処理及びターゲット性能を与えることができる。
【００１４】 最初のビレットの形状は円筒状でありその長さ／直径比がＭｏである。冷間ア
プセット処理が好ましいが、ある場合にはビレット及びツールを静的再結晶温度
より低い温度まで予め加熱して加工圧力及び負荷を減少することができる。２枚
の薄いシート状の固形潤滑剤（３）がビレットとプレス機内に装着された鍛造プ
レート（４）との間に配置される。ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン
あるいはポリウレタンのような加工条件下で潤滑剤ポリマーを用いると最良な結
果が得られることが判明した。
【００１５】 本発明によれば、粘性・弾性を示すポリマー膜が使用され、ビレットとツール
とが完全に分離される。アプセット処理中、ポリマーはビレットと接触して流れ
る。本発明によれば最初のビレット比（Ｍｏ）は１．８６と大きくされ、ポリマ
ー潤滑剤膜は最大７５％と一部減少可能であることが判明した。最初のビレット
比（Ｍｏ）が１．８６に増加されるので、達成可能な歪（式（１）参照）の限界
値が式（２）の場合より良くなり、式（３）に示すように、殆どの場合再結晶を
最適化可能な均等な歪分布を与える。 ８７％ ＜ ε ＜ ９５％ ・・・（式３） また鍛造処理後の細いビレット（最大Ｍ＝０．１６）は以下のローリング処理に
対し最良条件を与える。
【００１６】 前以て鍛造処理したビレットがローリング処理されて更に厚さが減少される。
冷間あるいは温間ローリング処理が使用可能である。ローリング処理は互いに直
交する２あるいは４方向で実行され、円形状の製品に製造可能である。ロールの
直径／ビレットの厚さの（／Ｈ）、ビレットの厚さ／直径比（Ｍ）及びパス当た
りの減少割合を制御することにより、ローリング処理中最均等な歪分布を与える
ことは重要である。また重要なことはローリング処理の最初の部分で円筒状ビレ
ットの自由面に沿ったバックリングを防止することにある。バックリング領域（
Ｔ）がビレット／ロールの接触長（Ｌ）にほぼに等しく、最初のパス後この接触
長がビレットの厚さｈ１を超えると、バックリングが除去されることが判明した
。換言するに、Ｌ＞Ｈの場合は以下の式（４）が満足される。 Φ／Ｈ ≧ ｛４（１−ε）２＋ε２｝／２ε ・・・（式４） ここでΦはロールの直径、ε＝（１−ｈ／Ｈ）１００％はパス当たりのローリン
グ処理減少割合である。異なる減少割合に対する式（４）による計算結果が表１
に示される。
【００１７】 １５％あるいはそれ以下の平均減少割合では、ロール直径が円筒状のビレット
の太さの少なくとも１０倍（表１の９．７）にする必要があることは理解されよ
う。一方アプセット処理なしのローリング処理に対し細いビレットを採用すると
、可能な減少割合（１）が更に減少される。従来のターゲットローリング処理は
２つの欠点を発生する、即ち不均一性及び低い減少割合が生じ、構造の最適化に
は全く許容されない。本発明においてはビレットを必要な厚さ（Ｈ）まで予めア
プセット処理することにより、ロールの直径／ビレット厚さ（／Ｈ）の高い比が
与えられる。同様にアニーリング処理により約０．５より小さなプリローリング
処理のビレット比（ｍ）が与えられ、これはビレットに沿って均等なローリング
処理の減少割合を得るのに有効である。パス当たり約１０％から２０％への部分
ローリング処理減少割合も最初の製品でほぼ均等な歪分布を得るに有効である。
約１０％より低いローリング処理の減少割合ではビレット面に高い歪が発生し、
一方約１８％より高い減少割合ではビレットの中間部より高い歪が発生する。こ
れらのすべてのパラメータにより、ターゲットをアプセット処理しローリング処
理して最適結果を得る最良の実施形態が定義される。
【００１８】 ターゲット処理の最終工程は再結晶アニーリング処理である。多くの金属及び
合金の場合、式（３）に基づく歪は静的再結晶を最適化するに十分である。この
目的を達成するため、まず静的再結晶を開始するに必要な最低温度、次にビレッ
トのすべてを完了させるに必要な最短時間が決定する必要がある。対応する構造
は最小粒径を有し、各局部の内側での粒径分散が最低となっている。また本方法
はビレットのどの部分に対しても均等な歪を与えるので、最短時間でビレット全
体の最適温度としての静的再結晶の最低温度が得られる。この結果製造されたタ
ーゲットは構造が極めて微細で均質でありテキスチュアも強靭で一様である。
【００１９】 本発明の別の実施形態によれば各工程でビレットの厚さを連続的に減少し、膜
潤滑剤を再開する複数の工程で鍛造処理が行われる。このように鍛造処理は摩擦
なし状態の変形なしに、また比較的低い圧力及び負荷下で歪均一性でもってビレ
ットを小さな厚さまで延長できる。鍛造処理がローリング処理なしに最終ターゲ
ット厚さまで連続される場合、対応する鍛造処理テキスチュアがターゲットに与
えられる。同様に特殊な場合本発明によればローリング処理は鍛造処理なしにほ
ぼ均等な歪分布で実行可能である。
【００２０】 以下の実験例は本発明の一実施形態である。
【００２１】 長さ約１７８ｍｍ及び約１００ｍｍのビレット状の高純度のタンタル（９９．
９５％以上）を使用した。
【００２２】 表２には結果として得られたタンタルターゲットの配合が示され、ターゲット
は表に示すようにタンタル９９．９５％及び残部からなる。
【００２３】 Ｐｐｍ単位で示す。Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｈ はＬＥＣＯ分析法による。Ｎａ、Ｌｉ、
ＫはＳＩＭＳ分析法による。金属元素はＩＣＰ（誘導結合プラズマ）法あるいは
ＧＤＭＳ（グロー放電質量分光分析）法による。ビレットは室温で厚さ７５ｍｍ
までアプセット鍛造処理した。厚さ１．２ｍｍで１５０ｘ１５０ｍｍ２のテフロ
ン膜を摩擦なしアプセットのための潤滑剤として使用した（あるいは摩擦なしア
プセット鍛造処理も３００°Ｃで実行可能）。その後９１５ｍｍのロール直径に
よる冷間ローリング処理を、４５度の角度で４方向に沿ったパス当たり１２％の
部分減少割合で、１６パス実行した。
【００２４】 ローリング処理したビレットの厚さを横切ったクーポンを中央部、半径方向中
間部及び外部から切断し、１時間の間異なる温度でアニーリング処理し、構造及
びテキスチュアについて調査し、その顕微鏡写真を図１〜図６に示す。図１〜図
３はそれぞれ中央部、半径方向の中間部及び縁部の顕微鏡写真であり、タンタル
ターゲットの微細粒径構造を示している。図４〜図６は中央部、半径方向の中間
部及び縁部での（１００）キュービックテキスチュアを示す図である。
【００２５】 本発明の重要な利点はターゲットのどの点においても従来得られたものに比べ
、極めて微細で均等な構造を有し強く均等なテキスチュアを有するターゲットを
製造することにある。以下は均等な微細構造及び結晶学的テキスチュアを有する
スパッタリングターゲットの製造に応用可能な、ビレットの各種の寸法及び処理
手順である。この方法によれば性能が大幅に改良されたスパッタリングターゲッ
トが提供される。
【００２６】 以下の実験例は可能な各種の開始ビレットの寸法に対するものである。 異なるビレット寸法に対する処理流れ工程。 Ｍｏ＝１．８６ 工程１：真空下でビレットをアプセット処理する。 工程２：室温あるいは５７２Ｆで固形潤滑剤としてテフロンを用いてビレット
をローリング処理に必要な特定高さまでアプセット鍛造処理する。 工程３：鍛造処理されたビレットの表面をフライカットする。 工程４：室温でビレットを必要な最終厚さまでローリング処理する。 工程５：真空下でアプセット処理して微細粒径及び一様なテキスチュアを得る
。 Ｍｏ＝１．８６に対する別の処理工程として。 工程１：Ｍｏ＝１．０となるようテフロンを用いてある高さまでアプセット鍛
造処理する。 工程２：鍛造処理されたビレットを真空アプセット処理する。 工程３：ローリング処理に必要な最終高さまでテフロンを用いて、ビレットを
アプセット鍛造処理する。 工程４：鍛造処理されたビレットの表面をフライカット処理する。 工程５：室温で所定の最終厚さまでビレットをローリング処理する。 工程６：ローリング処理されたターゲットブランクを真空アニーリング処理し
て微細な粒径及び一様なテキスチュアを得る。 Ｍｏ＝１．６では、 工程１：真空下でビレットをアプセット処理する。 工程２：固形潤滑剤としてテフロンを用い室温あるいは５７２Ｆでローリング
処理に好適な所定最終高さまでビレットをアプセット鍛造処理する。 工程３：鍛造処理されたビレットの表面をフライカット処理する。 工程４：ビレットを室温で所定最終厚さまでローリング処理する。 工程５：真空下でアニーリング処理し微細粒径及び一様なテキスチュアを得る
。 Ｍｏ＝１．０の場合、 工程１：ビレットを真空下でアニーリング処理する。 工程２：室温あるいは５７２Ｆで固形潤滑剤としてテフロンを用いて、アプセ
ット鍛造処理する。 工程３：鍛造処理されたビレットの表面をフライカット処理する。 工程４：室温でビレットを所定の最終厚さまでローリング処理する。 工程５：真空アプセット処理して微細粒径及び一様なテキスチュアを得る。
【００２７】 最大粒径が５０ミクロンより小さく、ターゲットの面を横切り厚さ方向に通る
（１００）一様な結晶学的テキスチュアを有しタンタルターゲット（純度が９９
．９５％あるいはそれ以上）ブランクを得る本方法の１実施形態を示し、以下の
工程を包有する。 （１）摩擦なしアプセット鍛造処理及びローリング処理を組み合わせることによ
り熱機械的処理中ビレットを加工する。 （２）アプセット処理中摩擦なし鍛造処理を行い、接触面に沿った正の摩擦を発
生させ処理安定性を増加する。 （３）アプセット処理のパラメータをを予め決定し、蓄積した歪を増加させ、プ
レス能力を低下させ、ローリング処理を効果的にする。 （４）ローリング条件のパラメータを予め決定し、製品の歪分布をほぼ均等にし
、形状を円筒状にする。 （５）静的再結晶温度の最低温度をアプセット処理温度として使用する。 （６）従来では得られない極めて微細で一様の構造及び強く一様なテキスチュア
を有するスパッタリングターゲットを製造する。
【００２８】 本発明から離れずに各種の変更及び変形を行うことができることは明らかであ
る。従って本発明の範囲は添付の請求項のみにより制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はタンタルターゲットの中央部の粒径構造の１００Ｘ２５ミクロンの顕微
鏡写真を示す。
【図２】 図２はタンタルターゲットの半径方向の中間部の粒径構造の顕微鏡写真を示す
。
【図３】 図３はタンタルターゲットの縁部の粒径構造の１００Ｘ２５ミクロンの顕微鏡
写真を示す。
【図４】 図４は［１００］キュービックテキスチュアの中央部を示す反転磁極図である
。
【図５】 図５は［１００］キュービックテキスチュアの半径方向の中間部を示す反転磁
極図である。
【図６】 図６は［１００］キュービックテキスチュアの縁部を示す反転磁極図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８５ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８５Ｚ ６９１ ６９１Ｃ ６９４ ６９４Ａ 1/18 1/18 Ｇ (72)発明者 シーガル，ウラデイミル アメリカ合衆国 ワシントン州 99037， ベラデイル，ソノラ ドライブ 1906 サ ウス Ｆターム(参考） 4F100 AB40A AB40B BA02 GB41 JA11B JK14 JL05 YY00B 4K029 BA16 BD01 DC03

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも実質的に９９．９５重量％のタンタル及び表面が
    実質的に一様な（１００）キュービックテキスチュアからなり、且つ最大の粒径
    が５０ミクロン以下の金属製品。
  2. 【請求項２】 表面が実質的に一様な（１００）キュービックテキスチュア
    からなり、且つ最大の粒径が５０ミクロンの高純度のタンタルスパッタリングタ
    ーゲットのような請求項１の金属製品。
  3. 【請求項３】 所定の厚さに形成され、厚さ方向に最大粒径が５０ミクロン
    以下にされた請求項１の金属製品。
  4. 【請求項４】 厚さ方向に実質的に一様な（１００）キュービックテキスチ
    ュアを有する請求項１の金属製品。
JP2000554901A 1998-06-17 1998-09-08 微細で一様な構造とテキスチュアを有する金属製品及びその製造方法 Pending JP2002518593A (ja)

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