JP2003193225A

JP2003193225A - スパッタリング用タングステンターゲットの製造方法

Info

Publication number: JP2003193225A
Application number: JP2001391527A
Authority: JP
Inventors: Tadami Oishi; 忠美大石; Noriyuki Fujita; 典之藤田; Takuo Imamura; 拓夫今村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-09
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP3837069B2

Abstract

(57)【要約】【課題】現在一般的に市販・流通されている粒径の粉
末を使用しても、成膜上のパーティクル欠陥の発生を抑
え、すなわち、高密度・結晶粒径が微細、且つ酸素含有
量が低いタングステンターゲットを低いコストで且つ安
定して容易に製造できるスパッタリング用タングステン
ターゲットの製造方法を提供する。【解決手段】金属製のカプセルに粒径が２〜１０μｍ
のタングステン粉末を充填後、常温プレスにて該粉末を
加圧し、その後、真空中にてカプセリングし、続いて、
該カプセルを熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理し、スパ
ッタリング用タングステンターゲットを製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ等の
ゲート電極あるいは配線材料等をスパッタリング法によ
って形成する際に用いられるタングステンターゲットの
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、超ＬＳＩの高集積化に伴い電気抵
抗値のより低い材料を電極材料や配線材料として使用す
ることの検討が行われているが、このような中で電気抵
抗値が低く、熱的および化学的に安定している高純度タ
ングステンが電極材料や配線材料として有望視されてい
る。この超ＬＳＩ用の電極材料や配線材料は、一般にス
パッタリング法あるいはＣＶＤ法で製造されているがス
パッタリング法は、装置の構造および操作が比較的単純
で、容易に成膜でき、更に低コストであるためＣＶＤ法
よりも広く使用されている。

【０００３】ところで、前記スパッタリング法によって
製造されたタングステンターゲットを用いて成膜する際
に、成膜面にパーティクルと呼ばれる欠陥が発生する
と、配線不良等の故障が発生し歩留まりが低下する。そ
のためこのようなパーティクルの発生を減少させるため
には高密度で結晶粒径の微細なタングステンターゲット
が要求されている。前記スパッタリングによる成膜上の
パーティクル欠陥の発生を抑え、すなわち、高密度で結
晶粒径の微細なタングステンターゲットを低いコストで
且つ安定して製造する方法として例えば、特開平１１−
２７３６３８号公報に開示されている。

【０００４】上記した技術の概要は、加圧焼結法で使用
しているタングステン粉末の粒度、例えば粉体比表面積
がＢＥＴ法で０．４ｍ²／ｇ以上（約２μｍ以下）の微
細な粉末を用いて加圧焼結を実施することにより、相対
密度が高い焼結体が形成され、該焼結体の気孔形態は、
閉気孔になるためその後にカプセリングを施すことなく
ＨＩＰ処理が可能となり、且つその後、ＨＩＰ処理によ
り相対密度が高く、平均結晶粒径が微細且つ酸素含有量
が低いスパッタリング用タングステンターゲットを製造
する方法である。

【０００５】

【発明が解決しよとする課題】しかしながら、前記特開
平１１−２７３６３８号公報に開示されている技術で
は、以下の課題を有しており実用化は難しい。すなわ
ち、前記の公報に開示されている加圧焼結法で使用す
る、例えば粉体比表面積が０．４ｍ²／ｇ以上の極めて
微細な粒径の粉末を得るには、該公報に開示されている
ように、別途、特殊なメタタングステン酸アンモニウム
の高純度化精製設備及び水素還元設備が必要であり、そ
のために粉末の製造コストが極めて高価となる。

【０００６】また、粉末の水素還元時の水素ガス供給量
と反応生成ガスの除去速度には、粉末粒形が極めて微細
であるため、自ずと速度に制限があり、そのため精製に
時間が多く必要であり、粉末の工業的な多量生産には不
適切である。更に、製造過程に１６００℃程度の高温状
態でのホットプレスによる焼結体の形成を実施するた
め、その分エネルギーコストが多くなり、タングステン
ターゲットの製造コストが高価となる。

【０００７】以上の従来技術の課題に鑑み本発明の目的
は、現在一般的に市販・流通されている安価な粒径の粉
末を使用しても、成膜上のパーティクル欠陥の発生を抑
え、すなわち、高密度・結晶粒径が微細、且つ酸素含有
量が低いタングステンターゲットを低いコストで且つ安
定して容易に製造する方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決したもので、その発明の要旨とするところは、（１）金属製のカプセルに粒径が２〜１０μｍのタング
ステン粉末を充填後、常温プレスにて該粉末を加圧し、
その後、真空中にてカプセリングし、続いて該カプセル
を熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理することを特徴とす
るスパッタリング用タングステンターゲットの製造方
法。（２）常温プレスで加圧後の粉体の相対密度を３５〜７
５％未満とすることを特徴とする前記（１）記載のスパ
ッタリング用タングステンターゲットの製造方法。

【０００９】（３）圧力２０〜５００ＭＰａ未満で常温
プレスにより粉体を加圧することを特徴とする前記
（１）または（２）記載のスパッタリング用タングステ
ンターゲットの製造方法。（４）温度１５００〜２０００℃未満、圧力９８〜２
０６ＭＰａ未満で熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理する
ことを特徴とする前記（１）〜（３）記載のスパッタリ
ング用タングステンターゲットの製造方法。

【００１０】（５）熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後
の焼結体の相対密度を９９％以上、平均結晶粒径を１５
０μｍ以下、酸素含有量を１０〜３０ｐｐｍとすること
を特徴とする前記（１）〜（４）記載のスパッタリング
用タングステンターゲットの製造方法。（６）熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後の処理体に更
に、温度８００〜１９００℃未満での水素還元を施すこ
とを特徴とする前記（１）〜（５）記載のスパッタリン
グ用タングステンターゲットの製造方法。（７）金属製のカプセル材をＮｂ、Ｔａ、またはＣｒの
いずれかとすることを特徴とする前記（１）〜（６）記
載のスパッタリング用タングステンターゲットの製造方
法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】まず、本発明の基本的な製造プロ
セスは金属製のカプセルに、タングステン粉末を充填
後、常温プレスにて該粉末を加圧し、その後、真空中に
てカプセリングし、続いて該カプセルを熱間等方加圧焼
結（ＨＩＰ）処理するものである。その大きな特徴とな
すところは、一般に市販されている粒径の粉末を使用
し、常温プレスにて加圧された粉体に、その後、カプセ
リングを施した後、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理す
ることにより成膜上のパーティクル欠陥の発生を抑え、
すなわち、高密度で結晶粒径が微細更に酸素含有量が低
いタングステンターゲットを低いコストで且つ安定して
容易に製造するものである。

【００１２】続いて、上記製造プロセスにおける種々の
数値限定理由について以下に説明する。上記タングステ
ン粉末の粒径としては現在一般的に市販されているもの
の中より２〜１０μｍのものを適宜選定するとよい。下
限の２μｍとは現在一般的に使用・流通されているタン
グステン粉末の粒径の下限値であり、一方、１０μｍを
越える粒径のものを使用すると常温プレスで得られる成
形体の密度が低く、ＨＩＰ処理後に９９％以上の密度を
達成することができない。また、ＨＩＰ処理後の最終製
品であるタングステンターゲットの平均結晶粒径が大き
くなるため、その上限は１０μｍがよい。

【００１３】常温プレス焼結の条件としては、常温で圧
力２０〜５００ＭＰａ未満とする。圧力を、例えば６０
０ＭＰａ位に高くすると、特に大型・大能力のプレス機
を要し、前記常温プレスで加圧・成形される粉体におけ
る必要相対密度が７０％を超えるが設備費が高価である
ため、従って、その上限値５００ＭＰａ未満とする。ま
た、圧力の下限値を２０ＭＰａ未満では圧力が低過ぎる
ため、粉末の充填密度が向上せず、常温プレスで加圧・
成形される粉体の必要相対密度が目標の下限値３５以下
となる。従って、その範囲を上記のように２０〜５００
ＭＰａ未満とする。

【００１４】また、加圧後の粉体の相対密度が３５％未
満になると、後工程のカプセリングを施した後の熱間等
方加圧焼結（ＨＩＰ）処理において、高温且つ高圧なる
処理を施すことによりＨＩＰ処理時の緻密化は促進され
るが、収縮時の変形が大きくタングステンターゲットの
製品取りが不可能となる。一方、７５％以上となると、
大型・大能力のプレス機が必要となり、設備能力上好ま
しくない。従って、常温プレスで加圧後の粉体の相対密
度を３５〜７５％未満とする。

【００１５】熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理の条件と
しては、温度１５００〜２０００℃未満、圧力９８〜２
０６ＭＰａ未満とする。温度が１５００℃未満では、温
度が低すぎるため同時処理時の圧力を例えば２１０ＭＰ
ａ程度に高くしても、特に焼結による緻密化が促進され
ず、前記熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理で形成される
焼結体の必要相対密度の下限値９９％以下となる。ま
た、圧力が９８ＭＰａ未満では温度を高くしても、特に
圧力が低過ぎるため、前記と同様に、前記熱間等方加圧
焼結（ＨＩＰ）処理で形成される焼結体の必要相対密度
の下限値９９％以下となる。一方、温度が２０００℃以
上となると相対密度は高くなるが、タングステンの再結
晶温度以上となるため、結晶粒径が粗大化すると共にエ
ネルギーロスとなるため２０００℃未満が好ましい。ま
た、圧力が２０６ＭＰａ以上となると一般のＨＩＰ設備
の能力上困難である。従って、上記のように、温度１５
００〜２０００℃未満、圧力９８〜２０６ＭＰａ未満と
する。

【００１６】また、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後
のタングステンターゲット製品の品質は、相対密度：９
９％以上、平均結晶粒径：１５０μｍ以下、酸素含有
量：１０〜３０ｐｐｍとする必要がある。しかし、相対
密度が９９％未満、平均結晶粒径が１５０μｍを越える
と、成膜時のパーティクル欠陥が増大するため望ましく
ない。更に、酸素含有量については１０〜３０ｐｐｍが
望ましい。３０ｐｐｍを越えるとスパッタリングによっ
て形成された薄膜の抵抗値が大きくなり、同様に成膜時
のパーティクル欠陥が増大する。

【００１７】前記の熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理を
施すことにより、該ＨＩＰ処理体の外周面には、カプセ
リング材であるＮｂ、Ｔａ、またはＣｒのいずれかが固
着する。この固着物は非常に硬いため除去が難しい。一
般的な除去の方法としては、研削加工、放電加工等を施
すと良いが、中でも水素還元を施すことにより、前記Ｎ
ｂ、Ｔａ、またはＣｒのいずれかから成る焼結固着物
は、極めて脆くなり、従って、容易に剥離・除去するこ
とが可能となる。しかし、８００℃未満ではその還元効
果は少なく、１９００℃以上となるとその効果が飽和す
るため、この範囲の温度を８００〜１９００℃未満とす
る。また、この温度範囲で水素還元することにより、Ｈ
ＩＰ後のターゲット材中の酸素を低減することも可能で
ある。

【００１８】以下、本発明について実施例によって具体
的に説明する。

【実施例】図１は、本発明における金属カプセルでの粉
体の常温プレスによる加圧概要図を示し、図２は、カプ
セリングの立面図を示す図である。表１に示すとおり、
タングステン粉末の粒径が異なる５種類の粉末を、ま
ず、図１に示すように剛性を有する容器である支持枠体
５の内部に配設してなるＮｂ材からなる金属カプセル本
体１に充填した後、該粉末３の上に加圧板６を載せ、そ
の後該加圧板６の上から２のプレス装置である実際の油
圧プレスにて粉末３を前記表１に示す種々の圧力にて加
圧し、常温における粉体のプレスを実施した。なお、符
号２はプレス装置である。

【００１９】次に、内部に加圧された粉末３を有する金
属カプセル本体１を、前記支持枠体５から取り出し、図
２に示すように、上部に円盤板の金属カプセル蓋体４を
かぶせ、図示していない真空チャンバー内で、金属カプ
セル本体１と金属カプセル蓋体４の上部周囲を電子ビー
ム溶接した。なお、前記金属カプセル本体１および金属
カプセル蓋体４としては、前記の実施例のＮｂ以外にも
ＴａまたはＣｒが適している。続いて、前記カプセルを
温度を１６００、１７５０、１９００℃、加圧力１８４
ＭＰａで２時間のＨＩＰ処理を実施し、得られた焼結体
の相対密度、平均結晶粒径及び酸素含有量及びこのタン
グステンターゲットを用いてスパッタリングした成膜上
でのパーティクル数を同表１に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１に示すとおりＮｏ．１〜１７は本発明
例であり、常温におけるプレス後の粉体の相対密度はい
づれも３５〜７５％未満の範囲のものとなり、また、Ｈ
ＩＰ処理後の焼結体の相対密度は、いずれも９９％以上
となった。そして相対密度は、タングステン粉末の粒径
が小さくなるに従い高くなる傾向があった。また、平均
結晶粒径は、２０〜１００であり、いづれも１５０μｍ
以下であった。更に酸素含有量は、いずれも３０ｐｐｍ
以下であった。このタングステン焼結体を用いて、スパ
ッタリングした膜上のパーティクル数は、０．０１〜
０．０８個／ｃｍ²となり、いずれも０．１個／ｃｍ²
以下であり、極めて良質な膜が得れた。

【００２２】上記したように、表１に示すＮｏ．１〜１
７は本発明例であり、本発明の効果が十分にあることが
明かである。これに対し、Ｎｏ．１８〜２３は比較例で
ある。これらは、いづれもタングステン粉末の粒径が一
般に市販されていなく、本発明の特許請求の範囲外であ
る粒径より小さな粉末を使用し、カーボンダイスを用い
て加圧力３５ＭＰａ、温度を１４００，１６００、１８
００℃でホットプレスを行った。得られたタングステン
焼結体の相対密度を表１に示す。このタングステン焼結
体をそれぞれカプセリングを実施せずに、温度を１６０
０、１７５０、１９００℃、加圧力１８４ＭＰａで２時
間のＨＩＰ処理を実施し、得られた焼結体の相対密度、
平均結晶粒径及び酸素含有量並びにこのタングステンタ
ーゲットを用いてスパッタリングした成膜上でのパーテ
ィクル数を同表１に示す。なお、前記の粉末の製造につ
いては、前記特開平１１−２７３６３８号公報に開示さ
れている内容により試験的に製造した。

【００２３】比較例Ｎｏ．１８〜２０は、粒径が０．４
μｍ、また、比較例Ｎｏ．２１〜２３は、粒径が０．８
μｍである微細な粉末を使用したものであるが、その結
果はいづれも密度が９９％以下となっており、また、こ
のタングステンターゲットを用いて、スパッタリングし
た膜上のパーティクル数は、０．２０〜０．４０個／ｃ
ｍ²となり、いずれも０．１個／ｃｍ²以上であり、そ
の品質は、実用上使用できないものである。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明による、現在
一般的に市販・流通されている粒径の粉末を使用して
も、常温プレスによって加圧した粉体をカプセリング
し、その後、ＨＩＰ処理を実施することにより、成膜上
のパーティクル欠陥の発生を抑え、すなわち、高密度・
結晶粒径が微細、且つ酸素含有量が低いタングステンタ
ーゲットを低いコストで且つ安定して容易に製造ことが
可能となり、その工業的な効果は、顕著なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における金属カプセルでの粉体の常温プ
レスによる加圧概要図、

【図２】カプセリングの立面図を示す図である。

【符号の説明】

１金属カプセル本体２プレス装置３粉末４金属カプセル蓋体５．支持枠体６加圧板

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０１Ｌ 21/285 ３０１Ｈ０１Ｌ 21/285 ３０１Ｒ (72)発明者藤田典之福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本製鐵株式会社エンジニアリング事業本部内 (72)発明者今村拓夫福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本製鐵株式会社エンジニアリング事業本部内Ｆターム(参考） 4K018 AA19 CA02 EA13 EA15 FA14 KA29 4K029 BD02 DC03 DC09 4M104 BB18 DD40 HH20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製のカプセルに粒径が２〜１０μｍ
のタングステン粉末を充填後、常温プレスにて該粉末を
加圧し、その後、真空中にてカプセリングし、続いて該
カプセルを熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理することを
特徴とするスパッタリング用タングステンターゲットの
製造方法。
【請求項２】常温プレスで加圧後の粉体の相対密度を
３５〜７５％未満とすることを特徴とする請求項１記載
のスパッタリング用タングステンターゲットの製造方
法。
【請求項３】圧力２０〜５００ＭＰａ未満で常温プレ
スにより粉体を加圧することを特徴とする請求項１また
は２記載のスパッタリング用タングステンターゲットの
製造方法。
【請求項４】温度１５００〜２０００℃未満、圧力９
８〜２０６ＭＰａ未満で熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処
理することを特徴とする請求項１〜３記載のスパッタリ
ング用タングステンターゲットの製造方法。
【請求項５】熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後の焼
結体の相対密度を９９％以上、平均結晶粒径を１５０μ
ｍ以下、酸素含有量を１０〜３０ｐｐｍとすることを特
徴とする請求項１〜４記載のスパッタリング用タングス
テンターゲットの製造方法。
【請求項６】熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後の処
理体に更に、温度８００〜１９００℃未満での水素還元
を施すことを特徴とする請求項１〜５記載のスパッタリ
ング用タングステンターゲットの製造方法。
【請求項７】金属製のカプセル材をＮｂ、Ｔａ、また
はＣｒのいずれかとすることを特徴とする請求項１〜６
記載のスパッタリング用タングステンターゲットの製造
方法。