JP2005220428A - スパッタリングターゲットおよびそれを用いた酸化膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学薄膜に好適なＳｉ酸化膜等をスパッタ成膜するにあたって、Ｓｉ酸化膜等の成膜コストの低減および成膜効率の向上を図る。
【解決手段】Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃａ、ＹおよびＡｌから選ばれる少なくとも1種の元素から実質的になるスパッタリングターゲットであって、60〜98％の範囲の相対密度を有する。さらに、Ｓｉから実質的になるスパッタリングターゲットは、酸素含有量が0.01〜1質量％の範囲、またビッカース硬さがHv300〜800の範囲とされている。
【選択図】なし

Description

本発明は、光学薄膜用のＳｉ酸化膜等の形成に用いられるスパッタリングターゲットと酸化膜の製造方法に関する。

ディスプレイ装置としては陰極線管（ＣＲＴ）を使用した装置が広く使用されてきたが、ＣＲＴはある程度以上の設置スペースが必要とされることから、軽量・薄型のディスプレイ装置として液晶表示装置が急速に普及している。液晶表示装置は携帯電話やＰＤＡ等の表示部、パソコン用モニタ、家庭用テレビを始めとする各種家電製品等に使用されている。また、自発光タイプのディスプレス装置としては、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）が実用化されている。さらに、電界放出型冷陰極等の電子放出素子を用いた表示装置、いわゆる電界放出型表示装置（ＦＥＤ）の実用化も進められている。

上述したような各種のディスプレイ装置には、当然ながら見やすさが第一に要求される。このため、コントラストの低下要因となる背景の映り込みを防止するために、画面の表面反射を抑制する必要がある。そこで、ディスプレイ装置の表面には一般に反射防止処理が施されている。反射防止膜は高低の屈折率の異なる薄膜を光学設計により交互に積層することで、反射光を干渉させて反射率を減衰させるものである。このような反射防止膜の成膜方法としては主に蒸着法やゾル・ゲル法が採用されてきたが、最近では生産能力と膜厚の制御性の観点からスパッタリング法が採用され始めている。

反射防止膜の構成材料には、高屈折率膜としてＴａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の酸化膜が、また低屈折率膜としてＳｉの酸化膜が主に用いられている（例えば特許文献１〜２等参照）。Ｓｉ酸化膜の成膜方法としては、(1)Ｓｉターゲットを用いてＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中で反応性スパッタする方法、(2)Ｓｉ酸化物ターゲットを用いてＡｒ雰囲気中もしくはＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中でスパッタ成膜する方法、等が知られている。(1)の成膜方法においては、一般的に溶解法で作製された単結晶または多結晶のＳｉターゲットが用いられている。

しかしながら、上述した(1)Ｓｉターゲットおよび(2)Ｓｉ酸化物ターゲットのいずれを用いた成膜方法においても成膜速度が遅く、この成膜速度の低下がＳｉ酸化膜ひいては反射防止膜等の生産コストの増加要因となっている。このような成膜速度の低下はＳｉ酸化膜の形成工程に限らず、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の酸化膜の形成工程においても同様に問題になっている。さらに、従来の溶解材からなるＳｉターゲットにおいては、使用頻度が低い段階、例えばＳｉターゲットの厚さに対するエロージョン深さが1/4に満たない段階で、Ｓｉターゲットに割れが生じやすいという問題がある。
特開平11-171596号公報 特開2002-338354号公報

上述したように、従来のＳｉターゲットや金属ターゲット（ＴａターゲットやＮｂターゲット等）を用いた成膜工程においては、ターゲットによる酸素のトラップ等に起因する成膜速度の低下が著しく、これがＳｉ酸化膜や金属酸化膜の成膜コストの増加要因になっている。また、従来のＳｉターゲットは使用頻度が低い段階で割れが生じやすく、この点もＳｉ酸化膜の成膜コストの増加の一因になっている。Ｓｉ酸化膜や金属酸化膜は、例えば反射防止機能、波長分離機能、波長合成機能等を有する光学薄膜として使用されており、特に反射防止膜を適用するディスプレイ装置等の分野は大量生産が必要とされることから、酸化膜の生産性の向上や生産コストの低下を図ることが強く求められている。

本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、光学薄膜に好適なＳｉ酸化膜や金属酸化膜をスパッタ成膜するにあたって、それら酸化膜の成膜コストの増加を抑制することによって、Ｓｉ酸化膜や金属酸化膜ひいては光学薄膜等の生産コストの低減を図ることを可能にしたスパッタリングターゲットと、そのようなスパッタリングターゲットを用いた酸化膜の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の第１のスパッタリングターゲットは、Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃａ、ＹおよびＡｌから選ばれる少なくとも1種の元素から実質的になるスパッタリングターゲットであって、60〜98％の範囲の相対密度を有することを特徴としている。このような第１のスパッタリングターゲットは、特にＳｉから実質的になるスパッタリングターゲットに対して好適である。

また、本発明の第２のスパッタリングターゲットは、Ｓｉから実質的になるスパッタリングターゲットであって、酸素含有量が0.01〜1質量％の範囲であることを特徴としている。さらに、本発明の第３のスパッタリングターゲットは、Ｓｉから実質的になるスパッタリングターゲットであって、ビッカース硬さでHv300〜800の範囲の硬度を有することを特徴としている。

本発明の酸化膜の製造方法は、上述した本発明のスパッタリングターゲットを用いて酸素を含む雰囲気中でスパッタ成膜し、スパッタリングターゲットの構成元素の酸化膜を形成する工程を具備することを特徴としている。

本発明の第１のスパッタリングターゲットによれば、例えばＳｉ酸化膜や金属酸化膜等のスパッタ膜の成膜速度を高めることができる。第２のスパッタリングターゲットによれば、例えばＳｉ酸化膜の成膜速度を高めることができる。また、第３のスパッタリングターゲットによれば、例えばＳｉ酸化膜の成膜工程における早期の割れを抑制することができる。このようなスパッタリングターゲットを用いた酸化膜の製造方法によれば、Ｓｉ酸化膜や金属酸化膜等の成膜コストの低減を図ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の第１の実施形態によるスパッタリングターゲットは実質的にＳｉからなり、例えば反射防止機能、波長分離機能、波長合成機能等を有する光学薄膜もしくはその構成膜として好適なＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_x膜等）の形成に使用されるものである。反射防止機能を有する光学薄膜としては、高屈折率膜と低屈折率膜とを光学設計に基づいて交互に積層した多層膜が挙げられる。反射防止膜の構成膜において、Ｓｉ酸化膜は低屈折率膜として利用されるものである。

第１の実施形態によるスパッタリングターゲット（Ｓｉターゲット）は60〜98％の範囲の相対密度を有している。このような比較的相対密度が低いＳｉターゲットによれば、ターゲット表面の見掛け上の表面積が増大することから、Ａｒイオン等によりスパッタされる面積が大きくなり、その結果としてスパッタ時の成膜速度を向上させることができる。特に、Ｓｉターゲットを用いてＳｉ酸化膜を成膜する際に、Ｓｉターゲットの相対密度に基づいて成膜速度を向上させることができる。Ｓｉターゲットを用いてＳｉ酸化膜を成膜する場合、Ｓｉターゲットによる酸素のトラップが成膜速度の低下の一因と考えられることから、スパッタされる面積を増大させることでＳｉ酸化膜の成膜速度をより効果的に高めることができる。

Ｓｉターゲットの相対密度が98％を超える場合には、スパッタ面積の増大による成膜速度の向上効果を得ることができない。なお、従来の溶解材によるＳｉターゲットは、単結晶材および多結晶材のいずれも相対密度が約100％であり、これが成膜速度の低下の一因と考えられる。また、各種のスパッタリングターゲットとして焼結材を適用することも行われているが、この場合には相対密度が例えば99％以上の高密度材、すなわち溶解材に近い密度を有する焼結材を用いることが一般的である。よって、従来の焼結材からなるスパッタリングターゲットの成膜速度については、溶解材によるターゲットと同様に、ターゲットの高密度化が成膜速度の低下要因になっていたものと考えられる。

一方、Ｓｉターゲットの相対密度が60％未満の場合には強度が不足して、例えばターゲット形状に加工する際に割れや欠け等が生じやすくなり、スパッタリングターゲットの製造コストの増大等を招くことになる。また、パーティクルやダスト等の発生も多くなり、Ｓｉ酸化膜の品質低下等を招くおそれがある。Ｓｉターゲットの相対密度は80〜98％の範囲とすることがより好ましい。このような相対密度を有するＳｉターゲットを用いることによって、成膜速度の向上を図ると共に、高品質のＳｉ酸化膜を再現性よく得ることができる。Ｓｉターゲットの相対密度は90％以上とすることがさらに好ましく、Ｓｉ酸化膜の膜厚や品質等の特性を向上させることができる。また、成膜速度の向上という観点からは、Ｓｉターゲットの相対密度は95％以下とすることがより好ましい。

また、Ｓｉターゲットの相対密度に関しては、スパッタ膜（例えばＳｉ酸化膜）の膜厚分布の均一性を高める上で、ターゲット全体としての相対密度のバラツキを低く抑えることが好ましい。具体的には、Ｓｉターゲット全体としての相対密度のバラツキを30％以内とすることが好ましい。このような相対密度のバラツキが小さいＳｉターゲットを用いることによって、膜面内における膜厚分布の均一性に優れるスパッタ膜（例えばＳｉ酸化膜）を再現性よく得ることが可能となる。このように、Ｓｉターゲット全体としての相対密度のバラツキは、スパッタ膜の膜厚分布に影響を及ぼす。Ｓｉターゲット全体としての相対密度のバラツキは10％以内とすることがより好ましい。

なお、Ｓｉターゲットの相対密度およびそのバラツキは、以下のようにして求めた値を示すものとする。例えばターゲットが円盤状の場合、ターゲットの中心部と、中心部を通り円周を均等に分割した4本の直線上の中心部から50％の距離の各位置（計8個所）、および中心部から90％の距離の各位置（計8個所）の合計17個所からそれぞれ試験片を採取し、これら17個の試験片の相対密度を測定し、これらの測定値の平均値をＳｉターゲットの相対密度とする。また、相対密度のバラツキは、各試験片の相対密度（各測定値）の最大値と最小値から、［｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×100（％）］の式に基づいて求めるものとする。各試験片の相対密度はアルキメデス法により測定するものとする。

上述したような相対密度を有するＳｉターゲットは、ターゲット素材としてＳｉ焼結材を使用することで得ることができる。そして、Ｓｉ焼結材を製造する際に、原料粉末としてのＳｉ粉末の粒径、Ｓｉ粉末を焼結する際の条件、具体的には焼結法、焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力等を適宜選択ないしは設定することによって、Ｓｉ焼結材ひいてはそれを用いたＳｉターゲットの相対密度を所望の値に制御することができる。Ｓｉターゲットの相対密度のバラツキを低減する上で、粒径が揃ったＳｉ粉末を用いると共に、成形型内にＳｉ粉末を充填した後に振動等を加えて充填密度やその均一性を高めることが有効である。具体的な製造条件等については、後に詳述する。

第１の実施形態によるスパッタリングターゲット（Ｓｉターゲット）は、さらに0.01〜1質量％の範囲の酸素を含有することが好ましい。このような量の酸素を含有するＳｉターゲットによれば、それを用いて酸化膜（Ｓｉ酸化膜）を成膜する際に、ターゲットにトラップされるスパッタ雰囲気中の酸素量が低減されることから、反応性スパッタに寄与する酸素プラズマイオンが多くなる。これによって、スパッタ時の成膜速度、特にＳｉ酸化膜の成膜速度を向上させることができる。

すなわち、Ｓｉターゲットの酸素含有量が0.01質量％未満であると、成膜時にターゲットにスパッタ雰囲気中の酸素がトラップされ、これによって反応性スパッタに寄与する酸素プラズマイオンが低下するため、特にＳｉ酸化膜を成膜する際の速度が低下する。なお、従来の溶解材によるＳｉターゲットは酸素含有量が低く、これも成膜速度を低下させる一因になっていたものと考えられる。一方、Ｓｉターゲットの酸素含有量が1質量％を超えると、Ｓｉターゲットの比抵抗が大きくなり、例えばＤＣスパッタを実施した際に異常放電が発生しやすくなり、スパッタ成膜が可能であったとしてもＳｉ酸化膜の品質低下等を招くおそれが大きい。Ｓｉターゲットの酸素含有量は0.1〜0.5質量％の範囲とすることがより好ましい。

また、Ｓｉターゲットの酸素含有量に関しては、スパッタ膜（例えばＳｉ酸化膜）の膜厚分布の均一性を高める上で、ターゲット全体としての酸素含有量のバラツキを低く抑えることが好ましい。具体的には、Ｓｉターゲット全体としての酸素含有量のバラツキを30％以内とすることが好ましい。このような酸素含有量のバラツキが小さいＳｉターゲットを用いることによって、膜面内における膜厚分布の均一性に優れるスパッタ膜（例えばＳｉ酸化膜）を再現性よく得ることが可能となる。このように、Ｓｉターゲット全体としての酸素含有量のバラツキはスパッタ膜の膜厚分布に影響を及ぼす。Ｓｉターゲット全体としての酸素含有量のバラツキは10％以内とすることがより好ましい。

なお、Ｓｉターゲットの酸素含有量およびそのバラツキは、以下のようにして求めた値を示すものとする。例えばターゲットが円盤状の場合、相対密度を測定する際と同様にして、ターゲットの各部（合計17個所）からそれぞれ試験片を採取し、これら17個の試験片の酸素含有量を測定し、これらの測定値の平均値をＳｉターゲットの酸素含有量とする。また、酸素含有量のバラツキは、各試験片の酸素含有量（各測定値）の最大値と最小値から、［｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×100（％）］の式に基づいて求めるものとする。各試験片の酸素含有量は、不活性ガス溶解・赤外線吸収法で測定するものとする。

上述したような酸素含有量を有するＳｉターゲットは、ターゲット素材としてＳｉ焼結材を使用することで得ることができる。そして、Ｓｉ焼結材を製造する際に、原料粉末としてのＳｉ粉末の純度や粒径、Ｓｉ粉末を焼結する際の条件、具体的には焼結法、焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力等を適宜選択ないしは設定することによって、Ｓｉ焼結材ひいてはそれを用いたＳｉターゲットの酸素含有量を所望の値に制御することができる。さらに、酸素含有量を所望の範囲に制御する上で、焼結温度で本焼結を行う前に適量の酸素を含む雰囲気中で熱処理することも有効である。

さらに、第１の実施形態によるスパッタリングターゲット（Ｓｉターゲット）は、ビッカース硬さでHv300〜800の範囲の硬度を有することが好ましい。すなわち、上述したようなＳｉ焼結材からなるスパッタリングターゲット（Ｓｉターゲット）は、その相対密度等に基づいて適度な硬度を有することから、Ｓｉターゲットの使用頻度が低い段階での割れ等を防ぐことができる。具体的には、ビッカース硬さがHv300〜800の範囲のＳｉターゲットを実現することができ、このような硬度に基づいて使用頻度が低い段階でのＳｉターゲットの割れ等を防ぐことができる。

すなわち、Ｓｉターゲットのビッカース硬さがHv800を超えると、スパッタ時にターゲット内部で熱応力を十分に緩和することができず、このために使用頻度が低い段階（例えばＳｉターゲットの厚みに対するエロージョン深さが1/4に満たない段階）で割れ等が生じてしまう。一方、Ｓｉターゲットのビッカース硬さがHv300未満であると、例えばターゲット形状に加工する際に割れや欠け等が生じやすくなる。Ｓｉターゲットの硬度は、ビッカース硬さでHv400〜600の範囲であることがより好ましい。

また、Ｓｉターゲットの硬度のバラツキもターゲット強度、さらにはターゲットの使用頻度に影響を及ぼすことから、ターゲット全体としての硬度のバラツキを低く抑えることが好ましい。具体的には、Ｓｉターゲット全体としての硬度のバラツキを30％以内とすることが好ましい。このような硬度のバラツキが小さいＳｉターゲットを用いることによって、使用頻度が低い段階での割れを再現性よく抑制することができる。言い換えると、エロージョン深さがより深い位置に達するまで安定して使用することが可能となり、これによって成膜コストの低減や成膜効率の向上等を図ることができる。Ｓｉターゲット全体としての硬度のバラツキは10％以内とすることがより好ましい。

上述したような硬度を有するＳｉターゲットは、ターゲット素材としてＳｉ焼結材を使用すると共に、その密度を適度な範囲に制御することで得ることができる。Ｓｉ焼結材を製造する際に、原料粉末としてのＳｉ粉末の純度や粒径、Ｓｉ粉末を焼結する際の条件、具体的には焼結法、焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力等を適宜選択ないしは設定することによって、Ｓｉ焼結材ひいてはそれを用いたＳｉターゲットの硬度を所望の値に制御することができる。さらに、Ｓｉターゲットの硬度には例えばＳｉ焼結材の密度に加えて、不純物としてのガス成分量（例えば酸素、窒素、水素、炭素等の含有量）等も影響することから、Ｓｉターゲットの硬度を高めるために、焼結前に脱ガス処理等を実施することも有効である。酸素量条件と硬度条件については、Ｓｉ焼結材の製造条件等を制御することで両立させることができる。

なお、Ｓｉターゲットの硬度（ビッカース硬さ）およびそのバラツキは、例えばターゲットが円盤状の場合、相対密度を測定する際と同様にして、ターゲットの各部（合計17個所）からそれぞれ試験片を採取し、これら17個の試験片のビッカース硬さを測定し、これらの測定値の平均値をＳｉターゲットのビッカース硬さとする。また、ビッカース硬さのバラツキは、各試験片のビッカース硬さ（各測定値）の最大値と最小値から、［｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×100（％）］の式に基づいて求めるものとする。試験片のビッカース硬さは、各試験片の表面を鏡面研磨（例えば＃1000まで研磨＋バフ研磨）し、この鏡面に対してビッカース圧痕試験機（島津社製HMV200）を用いて荷重200g（荷重負荷時間10sec）を負荷して測定するものとする。

スパッタリングターゲットを構成するＳｉ材には、反射防止膜（低屈折率膜）等の使用用途を考慮して、例えば純度が99％以上のＳｉ材を使用することが好ましい。ここで言う純度とはＳｉ以外の不純物元素、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎａ、Ｋ等の元素の各含有量（質量％）の合計量を100％から引いた値を示すものであり、これら不純物元素の含有量が1質量％以下、すなわちＳｉの純度が99％以上であることが好ましい。さらには、ターゲット中の不純物元素量が0.5質量％以下、すなわちＳｉの純度が99.5％以上であることがより好ましい。実用的には、ターゲット中の不純物元素量が0.01〜1質量％（Ｓｉの純度が99〜99.99％）の範囲のＳｉ材を用いることが好ましい。測定方法はＩＣＰ分析法等の公知の方法が適用される。なお、酸素含有量を制御したＳｉターゲットにおいて、酸素量は不純物元素量から除くものとする。

上述したように、第１の実施形態によるスパッタリングターゲットは、Ｓｉターゲットの相対密度や酸素含有量を制御することで成膜速度の向上を図ると共に、Ｓｉターゲットの硬度を制御することでスパッタ時の使用頻度を改善したものである。成膜速度に関しては、相対密度および酸素含有量のいずれか一方を所望の範囲に制御することで、従来の溶解材からなるＳｉターゲットに比べて向上させることができる。ただし、より再現性よく成膜速度を向上させる上で、相対密度および酸素含有量の条件を同時に満足させることが望ましい。また、Ｓｉターゲットの硬度については、それ単独で満足させるようにしてもよいが、Ｓｉターゲットの使用頻度の増加による成膜コストの低減効果に加えて、成膜速度の向上に基づく成膜コストの低減効果を得るために、相対密度および酸素含有量のいずれか一方もしくは両方と共に満足させることが好ましい。これらによって、Ｓｉ酸化膜ひいては光学薄膜等の生産コストをより有効に低減することができる。

第１の実施形態のスパッタリングターゲット（Ｓｉターゲット）は、例えば以下のようにして得ることができる。すなわち、上述したような純度を有するＳｉ粉末を、所望のターゲット形状に応じた成形型（例えばカーボン型）内に充填する。この際、相対密度、酸素含有量、ビッカース硬さ、およびそれらのバラツキを制御する上で、Ｓｉ粉末の粒径は100μm以下とすることが好ましく、さらに好ましくは75〜100μmの範囲である。また、相対密度のバラツキを低減する上で、成形型内にＳｉ粉末を充填した後に振動等を加えて充填密度およびその均一性を高めることも有効である。さらに、酸素含有量やそのバラツキを上記した範囲内に制御するために、適度な量の酸素を含有するＳｉ粉末を使用してもよい。

成形型内に充填されたＳｉ粉末は焼結温度まで昇温され、例えばホットプレス（ＨＰ）やＨＩＰにより加圧焼結される。また、常圧焼結や雰囲気加圧焼結等を適用することも可能である。この際、酸素含有量を所望の範囲に制御する上で、焼結温度で本焼結を行う前に適量の酸素を含む雰囲気中で熱処理することも有効である。酸素を含有させるための熱処理工程は、例えば500℃の温度にて1〜5hr程度の条件で実施することが好ましい。また、ビッカース硬さの向上については脱ガス処理が有効であるが、それと酸素含有量とを同時に満足させるために、脱ガスのための熱処理の後期に適量の酸素を熱処理雰囲気中に導入するようにしてもよい。焼結温度は800〜1300℃の範囲とすることが好ましく、またそのような温度による保持時間は2時間以上とすることが好ましい。

上述したような焼結工程を適用して作製したターゲット素材（Ｓｉ焼結材）を所定の形状に機械加工し、さらに例えばＡｌやＣｕからなるバッキングプレートと接合することで、目的とするスパッタリングターゲット（Ｓｉターゲット）が得られる。バッキングプレートとの接合には一般的な拡散接合やソルダー接合を適用することができる。ソルダー接合を適用する場合には、公知のＩｎ系やＳｎ系の接合材を介してバッキングプレートと接合する。また、拡散接合の温度は600℃以下とすることが好ましい。

この実施形態のスパッタリングターゲット（Ｓｉターゲット）は、反射防止膜等の光学薄膜に用いられるＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_x膜）の成膜に好適に使用されるものである。ＳｉＯ_x膜はＳｉターゲットを用いて、例えばＡｒとＯ₂の混合ガス中で反応性スパッタすることにより得られる。このようなＳｉＯ_x膜の成膜にあたって、この実施形態のスパッタリングターゲットによれば成膜速度や使用頻度を向上させることができるため、ＳｉＯ_x膜ひいては光学薄膜の生産コストの低減や生産効率の向上を実現することが可能となる。さらに、ＳｉＯ_x膜を用いた反射防止膜等の光学薄膜の品質を高めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態によるスパッタリングターゲットについて説明する。第２の実施形態によるスパッタリングターゲットは、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃａ、ＹおよびＡｌから選ばれる少なくとも1種の元素から実質的になり、例えば反射防止機能、波長分離機能、波長合成機能等を有する光学薄膜もしくはその構成膜として好適な金属酸化膜（ＴａＯ_x膜やＮｂＯ_x膜等）の形成に使用されるものである。反射防止機能を有する光学薄膜としては、高屈折率膜と低屈折率膜とを光学設計に基づいて交互に積層した多層膜が挙げられる。反射防止膜の構成膜において、ＴａＯ_x膜、ＮｂＯ_x膜、ＺｒＯ_x膜、ＨｆＯ_x膜等の金属酸化膜は高屈折率膜として利用されるものである。

第２の実施形態によるスパッタリングターゲット（金属ターゲット）は60〜98％の範囲の相対密度を有している。このような比較的相対密度が低い金属ターゲットによれば、ターゲット表面の見掛け上の表面積が増大することから、Ａｒイオン等によりスパッタされる面積が大きくなり、その結果としてスパッタ時の成膜速度を向上させることができる。特に、金属ターゲットを用いて、その構成元素の酸化膜を成膜する際に有効である。なお、相対密度に基づく金属ターゲットの成膜速度の向上効果は、特にＳｉターゲットを用いた場合に顕著であることから、本発明はＳｉターゲットに対して特に有効である。

金属ターゲットの相対密度が98％を超える場合には、スパッタ面積の増大による成膜速度の向上効果を得ることができない。一方、金属ターゲットの相対密度が60％未満の場合には強度が不足して、例えばターゲット形状に加工する際に割れや欠け等が生じやすくなり、スパッタリングターゲットの製造コストの増大等を招くことになる。また、パーティクルやダスト等の発生も多くなり、金属酸化膜の品質低下等を招くおそれがある。金属ターゲットの相対密度は80〜98％の範囲とすることがより好ましい。このような相対密度を有する金属ターゲットを用いることによって、成膜速度の向上を図ると共に、高品質の金属酸化膜を再現性よく得ることができる。金属ターゲットの相対密度は90〜95％の範囲とすることがより好ましい。

また、金属ターゲットの相対密度に関しては、スパッタ膜（例えば金属酸化膜）の膜厚分布の均一性を高める上で、ターゲット全体としての相対密度のバラツキを低く抑えることが好ましい。具体的には、金属ターゲット全体としての相対密度のバラツキを30％以内とすることが好ましい。このような相対密度のバラツキが小さい金属ターゲットを用いることによって、膜面内における膜厚分布の均一性に優れるスパッタ膜（例えば金属酸化膜）を再現性よく得ることが可能となる。このように、金属ターゲット全体としての相対密度のバラツキは、スパッタ膜の膜厚分布に影響を及ぼす。金属ターゲット全体としての相対密度のバラツキは10％以内とすることがより好ましい。

金属ターゲットの相対密度およびそのバラツキは、前述したＳｉターゲットと同様にして求めるものとする。また、上述したような相対密度を有する金属ターゲットは、ターゲット素材として焼結材を使用することで得ることができる。そして、焼結材を製造する際に、原料粉末としての金属粉末の粒径、金属粉末を焼結する際の条件、具体的には焼結法、焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力等を適宜選択ないしは設定することによって、焼結材ひいてはそれを用いた金属ターゲットの相対密度を所望の値に制御することができる。さらに、金属ターゲットの相対密度のバラツキを低減する上で、粒径が揃った金属粉末を用いると共に、成形型内に金属粉末を充填した後に振動等を加えて充填密度を高めることも有効である。

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。

実施例１
まず、粒径が75〜100μmの範囲のＳｉ粉末（純度4N）を用意し、このＳｉ粉末をカーボン型内に充填した。この際、カーボン型に振動を加えることによって、Ｓｉ粉末の充填密度を高めると共に充填密度の均一化を図った。これをホットプレス（ＨＰ）装置にセットし、1×10^-3Paの真空雰囲気中にて25MPaの圧力を印加しながら800℃×5時間の条件で焼結した。この後、圧力を取り除いて室温まで冷却した。

このようにして得たターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を直径50mm×厚さ5mmの形状に機械加工した後、Ｃｕ製バッキングプレートにろう付け接合することによって、Ｓｉスパッタリングターゲットを作製した。このＳｉスパッタリングターゲットの相対密度とそのバラツキを前述した方法にしたがって測定したところ、相対密度は69％、そのバラツキは8％であった。このようなＳｉターゲットを後述する特性評価に供した。

実施例２〜１２
上記した実施例１において、焼結時の条件（焼結法、焼結温度、焼結時間）をそれぞれ示す表１に条件に変更する以外は、実施例１と同様にしてターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を作製した。なお、実施例１１〜１２については振動の印加処理を実施していない。これら各ターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。各Ｓｉスパッタリングターゲットの相対密度とそのバラツキは表１に示す通りである。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

比較例１〜２
市販の溶解材からなる単結晶Ｓｉターゲット（比較例１）と多結晶Ｓｉターゲット（比較例２）を用意した。これら単結晶Ｓｉターゲットおよび多結晶Ｓｉターゲットの相対密度とそのバラツキは表１に示す通りである。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

比較例３〜６
上記した実施例１において、Ｓｉ粉末の粒径や焼結時の条件（焼結法、焼結温度、焼結時間）をそれぞれ表１に示す条件に変更する以外は、実施例１と同様にしてターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を作製した。これら各ターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。各Ｓｉスパッタリングターゲットの相対密度とそのバラツキは表１に示す通りである。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

次に、上述した実施例１〜１２および比較例１〜６の各Ｓｉスパッタリングターゲットを用いて、スパッタガス：Ａｒ=50sccm＋Ｏ₂=10sccm、スパッタ圧：5Pa、出力：100W、スパッタ時間：600secの条件下でＤＣスパッタを行い、それぞれガラス基板上にＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_x膜）を成膜した。このようして得た各Ｓｉ酸化膜の膜厚を段差計にて測定し、各膜厚を成膜時間（600sec）で割って成膜速度（nm/min）を求めた。また、各Ｓｉ酸化膜の面内膜厚分布を以下のようにして求めた。すなわち、ガラス基板の直径に対して端部から5mm間隔で膜厚を測定し、これら各測定値から最大値と最小値を求め、その最大値と最小値から［｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×100（％）］の式に基づいて、膜厚分布の均一性（％）を求めた。これらの結果を表１に併せて示す。

表１から明らかなように、実施例１〜１２の各Ｓｉスパッタリングターゲットによれば、Ｓｉ酸化膜の成膜速度の向上を図ることができる。さらに、Ｓｉスパッタリングターゲットの相対密度のバラツキを低減することによって、Ｓｉ酸化膜の膜厚分布の均一性を高めることが可能となる。

実施例１３〜１４
上記した実施例１において、Ｓｉ粉末の粒径を表２に示す条件に変更する以外は、実施例１と同様にしてターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を作製した。これら各ターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。これらＳｉスパッタリングターゲットの酸素含有量とそのバラツキを前述した方法にしたがって測定した。その結果は表２に示す通りである。なお、各Ｓｉスパッタリングターゲットの相対密度は72％、76％であった。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

実施例１５〜２１
表２に示す粒径を有する各Ｓｉ粉末をカーボン型内に充填し、次いで真空雰囲気中にて表２に示す条件下でそれぞれ仮焼工程を実施した。この後、25MPaの圧力を印加しながら800〜1200℃×5時間の条件で焼結（ＨＰ焼結）した。この後、圧力を取り除いて室温まで冷却した。このようにして得た各ターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。これらＳｉスパッタリングターゲットの酸素含有量とそのバラツキを前述した方法にしたがって測定した。その結果は表２に示す通りである。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

比較例７〜１１
上記した実施例１５において、Ｓｉ粉末の粒径や仮焼工程の条件（仮焼温度、仮焼時間）をそれぞれ表２に示す条件に変更する以外は、実施例１５と同様にしてターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を作製した。これら各ターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。各Ｓｉスパッタリングターゲットの酸素含有量とそのバラツキは表２に示す通りである。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

次に、上述した実施例１３〜２１および比較例１〜２、比較例７〜１１の各Ｓｉスパッタリングターゲットを用いて、それぞれ実施例１と同一条件下でガラス基板上にＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_x膜）を成膜した。このようなＳｉ酸化膜の成膜速度と膜厚分布の均一性を実施例１と同様にして測定、評価した。これらの結果を表２に併せて示す。

表２から明らかなように、実施例１３〜２１の各Ｓｉスパッタリングターゲットによれば、Ｓｉ酸化膜の成膜速度の向上を図ることができる。さらに、Ｓｉスパッタリングターゲットの酸素含有量のバラツキを低減することによって、Ｓｉ酸化膜の膜厚分布の均一性を高めることが可能となる。

実施例２２
粒径が75〜100μmの範囲のＳｉ粉末（純度4N）を用意し、このＳｉ粉末をカーボン型内に充填した。次いで、真空雰囲気中にて500℃×5hrの条件でＳｉ粉末に対して脱ガス処理を施した後、ホットプレス（ＨＰ）装置にセットして焼結した。ホットプレス焼結は、1×10^-3Paの真空雰囲気中にて25MPaの圧力を印加しながら800℃×5時間の条件で実施した。この後、圧力を取り除いて室温まで冷却した。

このようにして得たターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。このＳｉスパッタリングターゲットのビッカース硬さとそのバラツキを前述した方法にしたがって測定した。その結果は表３に示す通りである。なお、このＳｉスパッタリングターゲットの相対密度は70％であった。このようＳｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

実施例２３〜３４
上記した実施例２２において、Ｓｉ粉末の粒径や焼結時の条件（焼結法、焼結温度、焼結時間）をそれぞれ表３に示す条件に変更する以外は、実施例２２と同様にしてターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を作製した。なお、脱ガス処理は必要に応じて実施した。これら各ターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。各Ｓｉスパッタリングターゲットのビッカース硬さとそのバラツキは表３に示す通りである。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

比較例１２〜１３
Ｓｉ粉末の粒径や焼結時の条件（焼結温度、焼結時間）をそれぞれ表３に示す条件に変更する以外は、実施例２２と同様にしてターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を作製した。なお、脱ガス処理は実施していない。これら各ターゲット素材（Ｓｉ焼結体）を用いて、それぞれ実施例１と同様にしてＳｉスパッタリングターゲットを作製した。各Ｓｉスパッタリングターゲットのビッカース硬さとそのバラツキは表３に示す通りである。このような各Ｓｉスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。

次に、上述した実施例２２〜３４および比較例１〜２、比較例１２〜１３の各Ｓｉスパッタリングターゲットを用いて、それぞれ実施例１と同一条件下でガラス基板上にＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_x膜）を成膜した。このようなＳｉ酸化膜の成膜工程を連続して行い、Ｓｉスパッタリングターゲットに割れが生じた時点でエロージョン深さを測定した。その測定結果を表３に併せて示す。

表３から明らかなように、比較例１〜２の各Ｓｉスパッタリングターゲットは割れが早期に生じている（エロージョン深さが浅い）のに対して、実施例２２〜３４の各Ｓｉスパッタリングターゲットは使用頻度が高められていることがエロージョン深さから分かる。特に、ビッカース硬さのバラツキを低減したＳｉスパッタリングターゲットは、割れが生じた時点のエロージョン深さが深く、長寿命化が達成されていることが分かる。

実施例３５〜４０、比較例１４〜１７
表４に示す粒径を有するＴａ粉末もしくはＮｂ粉末を用意し、これら各金属粉末をホットプレス法で焼結することによりターゲット素材（Ｔａ焼結体もしくはＮｂ焼結体）をそれぞれ作製した。Ｔａ粉末の焼結条件は、焼結雰囲気：真空雰囲気、圧力：25MPa、焼結温度：1000〜1200℃、焼結時間：5時間とした。Ｎｂ粉末の焼結条件は、焼結雰囲気：真空雰囲気、圧力：25MPa、焼結温度：1000〜1200℃、焼結時間：5時間とした。個々の条件は表４に示す通りである。

このようにして得たターゲット素材（Ｔａ焼結体もしくはＮｂ焼結体）を、それぞれ直径50mm×厚さ5mmの形状に機械加工した後、Ｃｕ製バッキングプレートにろう付け接合することによって、目的とするスパッタリングターゲットをそれぞれ得た。なお、表中の比較例１４は溶解材で作製したＴａターゲット、比較例１５は相対密度を本発明の範囲外としたＴａターゲット、比較例１６は溶解材で作製したＮｂターゲット、比較例１７は相対密度を本発明の範囲外としたＮｂターゲットである。

次に、上述した実施例３５〜４０および比較例１４〜１７による各スパッタリングターゲットを用いて、スパッタガス：Ａｒ=50sccm＋Ｏ₂=10sccm、スパッタ圧：5Pa、出力：100W、スパッタ時間：600secの条件下でＤＣスパッタを行い、ガラス基板上にＴａ酸化膜（ＴａＯ_x膜）もしくはＮｂ酸化膜（ＮｂＯ_x膜）を成膜した。このような各酸化膜の成膜速度と膜厚分布の均一性を実施例１と同様にして測定、評価した。これらの結果を表４に併せて示す。

表４から明らかなように、実施例３５〜４０の各スパッタリングターゲットによれば、Ｔａ酸化膜やＮｂ酸化膜の成膜速度の向上を図ることができる。さらに、スパッタリングターゲットの相対密度のバラツキを低減することによって、Ｔａ酸化膜やＮｂ酸化膜の膜厚分布の均一性を高めることが可能となる。

Claims (5)

1. Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃａ、ＹおよびＡｌから選ばれる少なくとも1種の元素から実質的になるスパッタリングターゲットであって、60〜98％の範囲の相対密度を有することを特徴とするスパッタリングターゲット。
2. 請求項１記載のスパッタリングターゲットにおいて、
   前記ターゲットはＳｉから実質的になることを特徴とするスパッタリングターゲット。
3. Ｓｉから実質的になるスパッタリングターゲットであって、酸素含有量が0.01〜1質量％の範囲であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
4. Ｓｉから実質的になるスパッタリングターゲットであって、ビッカース硬さでHv300〜800の範囲の硬度を有することを特徴とするスパッタリングターゲット。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のスパッタリングターゲットを用いて酸素を含む雰囲気中でスパッタ成膜し、前記スパッタリングターゲットの構成元素の酸化膜を形成する工程を具備することを特徴とする酸化膜の製造方法。