JP2005336617A - Target for sputtering, its production method and high melting point metal powder material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に半導体ＬＳＩの製造において使用されるＴａ、Ｒｕ等高融点金属材料からなるスパッタリング用ターゲット及びその製造方法並びにその製造に使用される高融点金属粉末材料に関する。 The present invention particularly relates to a sputtering target made of a refractory metal material such as Ta or Ru used in the production of a semiconductor LSI, a method for producing the same, and a refractory metal powder material used in the production.
従来、半導体ＬＳＩ配線材料としてＡｌやＡｌ合金が使われてきたが、近年ＬＳＩの高集積化、微細化、及び動作の高速化に伴って、より耐エレクトロマイグレーション（ＥＭ）性や耐ストレスマイグレーション（ＳＭ）性が高く、しかも電気抵抗が低いＣｕの使用が検討されている。ところがＣｕは、層間絶縁膜のＳｉＯ２にもＳｉ基板にも容易に拡散するため、Ｃｕ配線を拡散バリア層で取り囲む必要がある。Ｃｕのバリア材質としては、Ｔａスパッタリングターゲットを用いてアルゴンと窒素雰囲気中において反応性スパッタによって形成するＴａＮ膜、或いはＴａ−Ｘ合金ターゲットを用いて反応性スパッタによって形成するＴａ−Ｘ−Ｎ膜が良好とされている。そのため、半導体ＬＳＩのバリアメタル用途のＴａ、Ｔａ−Ｘ合金系スパッタリングターゲットが開発されている。 Conventionally, Al or Al alloy has been used as a semiconductor LSI wiring material. However, with the recent high integration, miniaturization, and operation speed of LSI, more resistance to electromigration (EM) and stress migration ( The use of Cu having a high SM) property and low electrical resistance has been studied. However, since Cu easily diffuses into the interlayer insulating film SiO 2 and Si substrate, it is necessary to surround the Cu wiring with a diffusion barrier layer. As a barrier material of Cu, a TaN film formed by reactive sputtering in an argon and nitrogen atmosphere using a Ta sputtering target, or a Ta-XN film formed by reactive sputtering using a Ta-X alloy target is used. It is considered good. Therefore, Ta and Ta-X alloy-based sputtering targets have been developed for use in semiconductor LSI barrier metals.
またこれとは別に、半導体メモリのＤＲＡＭ、ＦｅＲＡＭでは、従来ＰｔターゲットのスパッタによるＰｔ膜がキャパシタ電極として使用されていた。しかし、さらなる大容量化にともなって、ＲｕターゲットのスパッタによるＲｕ膜をキャパシタ電極として使用することが検討されている。 Apart from this, in the DRAM and FeRAM of semiconductor memories, a Pt film formed by sputtering of a Pt target has been conventionally used as a capacitor electrode. However, with the further increase in capacity, it has been studied to use a Ru film formed by sputtering of a Ru target as a capacitor electrode.
上記の高融点金属あるいはその合金（Ｔａ、Ｔａ合金、Ｒｕ等）ターゲットを製造するには、溶解―塑性加工法、粉末焼結方法が選択できるが、粉末焼結法が最も適している。その理由を以下に述べる。 In order to produce the above-mentioned refractory metal or its alloy (Ta, Ta alloy, Ru, etc.) target, a melt-plastic working method or a powder sintering method can be selected, but the powder sintering method is most suitable. The reason is described below.
まずＴａについては、熱間塑性加工は可能であるものの、結晶粒を均一化・微細化することが非常に難しい。本発明者の調査した結果によると、ターゲットの粗大化結晶粒はスパッタ中のパーティクル発生の重要な原因の一つである。最近、Ｔａ−Ｎ膜のバリア性を向上するために、Ｔａ−Ｎに第三の合金元素を添加することが提案されている。その合金元素としてはＳｉ、Ｂが挙げられ、Ｔａ−Ｘ（Ｘ：合金元素Ｓｉ、Ｂなど）ターゲットの反応性スパッタによって形成したＴａ−Ｘ−Ｎ膜がアモルファスになり、バリア性が向上するとされている。しかし、Ｔａ−Ｘ合金ターゲットの場合、凝固偏析や金属間化合物の生成のため、塑性加工ができないという問題がある。 First, regarding Ta, although hot plastic working is possible, it is very difficult to make the crystal grains uniform and fine. According to the results of investigation by the present inventors, the coarse crystal grains of the target are one of the important causes of the generation of particles during sputtering. Recently, in order to improve the barrier property of the Ta—N film, it has been proposed to add a third alloy element to Ta—N. Examples of the alloy elements include Si and B. The Ta—X—N film formed by reactive sputtering of a Ta—X (X: alloy element Si, B, etc.) target becomes amorphous, and the barrier property is improved. ing. However, in the case of a Ta-X alloy target, there is a problem that plastic working cannot be performed due to solidification segregation and generation of intermetallic compounds.
一方、Ｒｕについて見ると、塑性加工性を備えないので塑性加工による製造はできない。従って、ターゲットのニアネットシェープ製造における歩留まり向上のメリットをも合わせて、Ｔａ、Ｔａ−Ｘ合金及びＲｕ高融点金属ターゲットの製造方法として、粉末焼結プロセスの優越性が明らかであると言える。 On the other hand, regarding Ru, since it does not have plastic workability, it cannot be manufactured by plastic working. Therefore, it can be said that the superiority of the powder sintering process is obvious as a method for producing Ta, Ta—X alloy and Ru refractory metal target, together with the merit of yield improvement in the near net shape production of the target.
ところで、半導体ＬＳＩの高集積化・デバイスの微細化に伴って、薄膜材料中における不純物の低減に対する要求は非常に厳しいものとなっており、特にデバイスの性能に悪影響が重大とされている遷移金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等）及びアルカリ金属（Ｎａ、Ｋ等）についてはｐｐｂオーダー、放射性元素（Ｔｈ、Ｕ等）についてはｐｐｔオーダーまで低減することが要求されている。また、それ以外の低融点金属不純物についても含有量を低減させることが要求されており、結果として純度を９９．９９９％以上に向上させることが必要とされている。さらに、バリア膜の熱安定性、ＤＲＡＭキャパシタ電極膜の界面電気特性などを向上する目的から、酸素化含有量についてもこれを１００ｐｐｍ以下にすることが求められている。 By the way, with the high integration of semiconductor LSIs and the miniaturization of devices, the demand for reduction of impurities in thin film materials has become very severe, especially transition metals that are considered to have a serious adverse effect on device performance. It is required to reduce (for Fe, Ni, Cr, etc.) and alkali metals (Na, K, etc.) to the ppb order, and for radioactive elements (Th, U, etc.) to the ppt order. Further, it is required to reduce the content of other low melting point metal impurities, and as a result, it is necessary to improve the purity to 99.999% or more. Furthermore, for the purpose of improving the thermal stability of the barrier film, the interfacial electrical characteristics of the DRAM capacitor electrode film, etc., the oxygenated content is also required to be 100 ppm or less.
ところが、従来工業的に提供できるＴａ粉末は、低純度のＴａ原料をＥＢ溶解した後にインゴット粉砕プロセスにより得られるものであり、その純度は最高でも４Ｎレベルでしかない。一方、Ｒｕの工業的製造方法は例えば以下の方法が採用されている。粗Ｒｕに苛性カリ及び硝酸カリを加え、Ｒｕを可溶性ルテニウム酸化カリにする。この塩を水で抽出し、塩素ガスを吹き込み加熱してＲｕＯ４として、これをメチルアルコール含有希塩酸に捕集する。この液を蒸発乾燥し、酸素雰囲気中で焙焼してＲｕＯ２とし、最後に水素中の加熱還元により金属Ｒｕが得られる。この方法で製造される市販のＲｕ粉末は、低融点金属不純物、アルカリ金属、Ｃｌなどのハロゲン元素の残留があり、キャパシタ電極用膜に要求される純度を満足することができなかった。また、この方法で製造された粉末は珊瑚状多孔質凝集体であって、焼結の場合の充填密度が非常に低かった。 However, the Ta powder that can be provided industrially is obtained by an ingot grinding process after EB dissolution of a low-purity Ta raw material, and its purity is only 4N level at the maximum. On the other hand, for example, the following method is adopted as an industrial production method of Ru. Caustic potash and potassium nitrate are added to the crude Ru to make Ru a soluble ruthenium potash oxide. This salt is extracted with water, blown with chlorine gas and heated to form RuO 4 , which is collected in dilute hydrochloric acid containing methyl alcohol. This liquid is evaporated to dryness, roasted in an oxygen atmosphere to RuO 2, and finally metal Ru is obtained by heat reduction in hydrogen. The commercially available Ru powder produced by this method has residual low-melting point metal impurities, alkali metals, and halogen elements such as Cl, and could not satisfy the purity required for the capacitor electrode film. Further, the powder produced by this method was a cage-like porous aggregate, and the packing density in the case of sintering was very low.
Ｔａ及びＲｕターゲットの高純度化のために、前記原料をＥＢ溶解による精製する方法、より具体的には、ＴａをＥＢ溶解して得られたインゴットの塑性加工を行う方法、及びＲｕをＥＢ溶解して得られたインゴットを鋳造状態でターゲットにする方法が提案されている。例えば特許文献１においては、ヨウ化分解法で精製したＴａを真空ＥＢ溶解し、インゴットの塑性加工による方法が開示されている。また特開平６−２６４２３２号においては、ＴａのＥＢ溶解後に塑性加工及び熱処理を行う方法が開示されている。さらに特許文献２においては、Ｒｕ原料をＥＢ溶解して得られたインゴットを機械加工し、鋳造状態で使用する方法が開示されている。 In order to improve the purity of Ta and Ru targets, a method of purifying the raw material by EB melting, more specifically, a method of plastic processing of an ingot obtained by melting Ta with EB, and Ru melting with EB A method has been proposed in which the ingot obtained in this manner is targeted in a cast state. For example, Patent Document 1 discloses a method in which Ta purified by an iodination decomposition method is melted in a vacuum EB and plastic processing of an ingot is performed. Japanese Patent Laid-Open No. 6-264232 discloses a method of performing plastic working and heat treatment after EB melting of Ta. Further, Patent Document 2 discloses a method in which an ingot obtained by EB melting of a Ru raw material is machined and used in a cast state.
これらの文献に開示された方法を用いれば、高純度を実現する可能性があるが、前述のように、インゴットの塑性加工の段階においてミクロ組織の粗大や不均一を招く恐れがある。また、鋳造状態の材料ではポアや鋳造欠陥の大量存在を無視できない。しかも溶解法ではニアネットシェープ成形を行うことが不可能であり、貴金属の歩留まりが低い。すなわち上記文献における溶解法の提案は、粉末焼結法では、高純度及び低酸素が実現できなかったための、やむをえない選択であるといえる。 If the methods disclosed in these documents are used, high purity may be achieved. However, as described above, there is a risk that the microstructure of the ingot is coarsened or uneven at the stage of plastic working of the ingot. In addition, the presence of a large number of pores and casting defects cannot be ignored in the cast material. Moreover, it is impossible to perform near net shape molding by the melting method, and the yield of noble metals is low. In other words, the proposal of the melting method in the above document is an unavoidable choice because high purity and low oxygen could not be realized by the powder sintering method.
高融点金属（より具体的には鉄よりも高融点の金属材料）は一般的に焼結が難しく、焼結体を高密度化するためには、加圧焼結が有効な方法の一つである。加圧焼結においては、原料粉末の充填状態が重要な因子となるため、カプセルに粉末を充填して焼結を行う。熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）を用いた加圧焼結においても、充填密度を向上させることにより、焼結体の高密度化が促進され、焼結中の異常変形や焼結割れが減少して歩留まりが向上する。すなわち、加圧焼結を行う際には原料粉末を高密度で充填すること、及び均一に充填することが重要な意味を持つ。このような高密度で均一な充填を実現するためには、原料粉末の球状化処理が有効であることが広く知られている。しかしながらＴａ粉砕粉やＲｕ珊瑚状粉では充填したときの密度が低く、従ってこれらの粉末形状の最適化（球状化）もターゲットの焼結技術における重要な課題となっている。 Refractory metals (more specifically, metal materials having a higher melting point than iron) are generally difficult to sinter, and pressure sintering is an effective method for increasing the density of sintered bodies. It is. In the pressure sintering, since the filling state of the raw material powder is an important factor, the capsule is filled with the powder and sintered. Even in pressure sintering using a hot isostatic press (HIP), by increasing the packing density, densification of the sintered body is promoted, and abnormal deformation and sintering cracks during sintering are reduced. Yield improves. That is, when performing pressure sintering, it is important to fill the raw material powder at a high density and to fill the powder uniformly. In order to realize such high density and uniform filling, it is widely known that the spheroidizing treatment of the raw material powder is effective. However, Ta pulverized powder and Ru cocoon-shaped powder have a low density when filled. Therefore, optimization (spheroidization) of these powder shapes is an important issue in target sintering technology.
高融点金属粉末の球状化を実現する方法としては、特許文献３においてＰＲＥＰ処理、すなわち熱プラズマを回転電極に接触させて電極材料を溶融飛散させることにより、Ｔａの球状粉末を得る方法が開示されている。しかしこの方法では、熱プラズマは加熱溶融による球状化のみを目的として与えられており、粉末の高純度精錬効果は期待できない。
以上述べてきたように、本発明の課題は、高純度で成形性に優れた高融点金属粉末を製造すること、特には鉄よりも高融点であるＴａ、Ｒｕ等からなる球状金属粉末の製造方法を確立することである。さらにこれらの粉末を加圧焼結して、化学組成において高純度かつ低酸素であり、加えて高密度で組織が微細かつ均一である、高融点金属及びその合金のターゲットを製造することである。 As described above, the object of the present invention is to produce a high-melting-point metal powder having high purity and excellent moldability, and in particular, producing a spherical metal powder made of Ta, Ru, etc., which has a higher melting point than iron. Is to establish a method. Furthermore, these powders are pressure-sintered to produce a target of high melting point metal and its alloy, which has high purity and low oxygen in chemical composition, plus high density and fine and uniform structure. .
本発明者は上記の課題を解決するために鋭意研究を行い、その結果、原料粉末を用いた熱プラズマ処理を適用することにより、高融点金属粉末を球状化するとともに高純度化及び低酸素化することができることを見出した。また、このように球状で高純度かつ低酸素の粉末を用いて加圧焼結すれば、充填密度を向上することが可能であり、その結果、化学組成が高純度かつ低酸素で、しかも高密度で組織が均一かつ微細なスパッタリング用ターゲットに好適な粉末焼結体を得ることを見出した。 The present inventor has intensively studied to solve the above problems, and as a result, by applying a thermal plasma treatment using raw material powder, the refractory metal powder is spheroidized and highly purified and oxygen-reduced. Found that you can. In addition, if pressure sintering is performed using such spherical, high-purity, low-oxygen powder, the packing density can be improved. As a result, the chemical composition is high-purity, low-oxygen, and high It has been found that a powder sintered body suitable for a sputtering target having a uniform and fine structure in density can be obtained.
すなわち本発明のターゲットの製造方法は、高融点金属材料を主体とする粉末材料を熱プラズマに導入することにより精錬及び球状化し、得られた粉末を加圧焼結することを特徴とする。これにより、化学組成が高純度かつ低酸素で、しかも高密度で組織が均一かつ微細なスパッタリング用ターゲットを得ることができる。 That is, the target manufacturing method of the present invention is characterized by refining and spheronizing a powder material mainly composed of a refractory metal material into thermal plasma, and pressure-sintering the obtained powder. Thereby, it is possible to obtain a sputtering target having a chemical composition of high purity and low oxygen, a high density, and a uniform and fine structure.
また本発明のターゲットの製造方法は、水素ガスを導入した熱プラズマ内に粉末を導入することを特徴とする。これにより、化学組成が高純度かつ低酸素で、しかも高密度で組織が均一かつ微細な、スパッタリング用ターゲットを得ることができる。 The target manufacturing method of the present invention is characterized in that powder is introduced into thermal plasma into which hydrogen gas has been introduced. Thereby, it is possible to obtain a sputtering target having a chemical composition of high purity and low oxygen, a high density, and a uniform and fine structure.
また本発明のターゲットの製造方法は、加圧焼結は熱間静水圧プレスであることを特徴とする。これにより、高密度で組織が均一かつ微細なスパッタリング用ターゲットを得ることができる。 The target manufacturing method of the present invention is characterized in that the pressure sintering is a hot isostatic press. Thereby, it is possible to obtain a sputtering target having a high density and a uniform and fine structure.
また本発明のスパッタリング用ターゲットは、相対密度９９％以上、純度が９９．９９９％以上、酸素含有量１００ｐｐｍ以下の粉末焼結体からなることを特徴とする。これにより、このターゲットを使用してスパッタリングにより得られる薄膜は高純度かつ均一なものとなり、製品の信頼性が向上する。 The sputtering target of the present invention is characterized by comprising a powder sintered body having a relative density of 99% or more, a purity of 99.999% or more, and an oxygen content of 100 ppm or less. Thereby, the thin film obtained by sputtering using this target becomes highly pure and uniform, and the reliability of the product is improved.
また本発明のスパッタリング用ターゲットは、高融点金属材料を主体とする粉末材料を熱プラズマに導入して得られる粉末を、加圧焼結して得られることを特徴とする。これにより、このターゲットを使用してスパッタリングにより得られる薄膜は高純度かつ均一なものとなり、製品の信頼性が向上する。 The sputtering target of the present invention is obtained by pressure sintering a powder obtained by introducing a powder material mainly composed of a refractory metal material into thermal plasma. Thereby, the thin film obtained by sputtering using this target becomes highly pure and uniform, and the reliability of the product is improved.
また本発明のスパッタリング用ターゲットは、水素ガスを導入した熱プラズマ内に粉末を導入して得られることを特徴とする。これにより、このターゲットを使用してスパッタリングにより得られる薄膜は高純度かつ均一なものとなり、製品の信頼性が向上する The sputtering target of the present invention is obtained by introducing powder into thermal plasma into which hydrogen gas is introduced. As a result, a thin film obtained by sputtering using this target becomes highly pure and uniform, and the reliability of the product is improved.
また本発明のスパッタリング用ターゲットは、加圧焼結に導入する粉末の形状が球状あるいは近似球状であることを特徴とする。これにより、ターゲットは高密度で組織が均一かつ微細なものとなり、このターゲットを使用してスパッタリングにより得られる薄膜の均一性が向上する。 The sputtering target of the present invention is characterized in that the shape of the powder introduced into the pressure sintering is spherical or approximate spherical. As a result, the target has a high density and a uniform and fine structure, and the uniformity of the thin film obtained by sputtering using this target is improved.
また本発明のスパッタリング用ターゲットは、前記高融点金属材料がＴａであることを特徴とする。これにより、化学組成が高純度及び低酸素で、高密度で、組織が均一かつ微細な組織を有するＴａターゲットを得ることができ、このＴａターゲットを使用することにより、高純度で均一なＴａ薄膜を得ることが可能となる。 In the sputtering target of the present invention, the refractory metal material is Ta. As a result, a Ta target having a chemical composition with high purity and low oxygen, a high density, a uniform structure and a fine structure can be obtained. By using this Ta target, a high purity and uniform Ta thin film can be obtained. Can be obtained.
また本発明のスパッタリング用ターゲットは、前記高融点金属材料がＲｕであることを特徴とする。これにより、化学組成が高純度及び低酸素で、高密度で、組織が均一かつ微細な組織を有するＲｕターゲットを得ることができ、このＲｕターゲットを使用することにより、高純度で均一なＲｕ薄膜を得ることが可能となる。 In the sputtering target of the present invention, the refractory metal material is Ru. As a result, a Ru target having a chemical composition with high purity and low oxygen, a high density, a uniform structure and a fine structure can be obtained. By using this Ru target, a high purity and uniform Ru thin film can be obtained. Can be obtained.
また本発明の高融点金属粉末材料は、純度が９９．９９９％以上及び酸素含有量１００ｐｐｍ以下で、形状が球状あるいは近似球状であることを特徴とする。この粉末を用いて加圧成形を行うと、粉末の充填密度が向上し、高密度で組織が均一かつ微細な粉末成形体を得ることができる。 The refractory metal powder material of the present invention is characterized by having a purity of 99.999% or more, an oxygen content of 100 ppm or less, and a spherical or approximate spherical shape. When pressure molding is performed using this powder, the powder packing density is improved, and a powder compact with a high density and a uniform and fine structure can be obtained.
また本発明の高融点金属粉末材料は、高融点金属材料を主体とする粉末材料を熱プラズマに導入して得られることを特徴とする。これにより、得られる高融点金属粉末材料は化学組成が高純度かつ低酸素の球状粉末となり、この粉末を用いて加圧成形を行うと、化学組成が高純度かつ低酸素で、さらには高密度で組織が均一かつ微細な粉末成形体を得ることができる。 The refractory metal powder material of the present invention is obtained by introducing a powder material mainly composed of a refractory metal material into thermal plasma. As a result, the obtained refractory metal powder material becomes a spherical powder having a high chemical composition and a low oxygen content. When this powder is used for pressure molding, the chemical composition has a high purity and low oxygen, and a high density. Thus, a powder compact with a uniform and fine structure can be obtained.
また本発明の高融点金属粉末材料は、水素ガスを導入した熱プラズマ内に粉末を導入して得られることを特徴とする。これにより、得られる高融点金属粉末材料は化学組成が高純度かつ低酸素の球状粉末となり、この粉末を用いて加圧成形を行うと、化学組成が高純度かつ低酸素で、さらには高密度で組織が均一かつ微細な粉末成形体を得ることができる。 The refractory metal powder material of the present invention is obtained by introducing powder into thermal plasma into which hydrogen gas is introduced. As a result, the obtained refractory metal powder material becomes a spherical powder having a high chemical composition and a low oxygen content. When this powder is used for pressure molding, the chemical composition has a high purity and low oxygen, and a high density. Thus, a powder compact with a uniform and fine structure can be obtained.
上述のように本発明の最大の特徴は、鉄よりも高融点である金属材料、特にＴａやＲｕを主体とする粉末を熱プラズマに導入し、これにより化学組成が高純度かつ低酸素で、粉末形状が球状あるいは近似球状である高融点金属粉末材料を得る点にある。熱プラズマの中でも特に高周波（ＲＦ）熱プラズマ熱源とすれば、熱プラズマの範囲が広がり、処理中における粉末の他の物質との接触を抑制でき、高純度化を行ううえで最適である。
また、熱プラズマガス中に水素を導入すれば、水素のイオン、励起状態原子などの活性種の発生により、不純物の蒸発と酸素に対する還元効果を著しく向上することができる。
As described above, the greatest feature of the present invention is that a metal material having a higher melting point than iron, particularly a powder mainly composed of Ta and Ru, is introduced into the thermal plasma, whereby the chemical composition has high purity and low oxygen, The high melting point metal powder material having a spherical or approximate spherical powder shape is obtained. Among the thermal plasmas, especially a radio frequency (RF) thermal plasma heat source is most suitable for achieving high purity because the range of the thermal plasma is widened and contact with other substances in the powder during processing can be suppressed.
Further, if hydrogen is introduced into the thermal plasma gas, the generation of active species such as hydrogen ions and excited state atoms can significantly improve the evaporation of impurities and the reduction effect on oxygen.
以上のように本発明によれば、水素を導入した熱プラズマ処理によってＴａ、Ｒｕ等高融点金属粉末材料の高純度化・低酸素化・球状化を同時に実現できる。また、得られた粉末の加圧焼結によって、焼結密度が高く組織が微細かつ均一なであり、高純度かつ酸素含有量が低いＴａ、Ｒｕターゲットを実現し、最適なスパッタリング薄膜を得る。 As described above, according to the present invention, high-purity, low-oxygenation, and spheroidization of a refractory metal powder material such as Ta and Ru can be realized at the same time by thermal plasma treatment in which hydrogen is introduced. In addition, by pressure sintering of the obtained powder, Ta and Ru targets having a high sintering density, a fine and uniform structure, high purity and low oxygen content are realized, and an optimum sputtering thin film is obtained.
本発明の実施形態について説明する。図１に示す装置を参考にして、上記粉末処理用熱プラズマ装置を用いて粉末の熱プラズマ処理を行う手順について説明する。
１．原料粉末１１０を電磁振動粉末供給装置（以下単に粉末供給装置と記述する）１０１に装入し、コイル１０３、水冷管１０４を含んで構成される熱プラズマトーチ、チャンバー１０６などの熱プラズマ発生システムを１０-3Ｐａまで真空排気する。
２．熱プラズマ着火し、プラズマガス１２０を所定流量導入した後、入力パワーを所定数値にして、プラズマ高温帯１０５を安定に確立する。
３．原料粉末１１０を粉末供給装置１０１からＡｒキャリアガスの輸送により、ノズル１０１を経て５,０００〜１０,０００℃のプラズマ高温帯１０５へと導入する。このとき原料粉末１１０は溶融されて、金属液相の表面張力の働きにより球状となる。
４.原料粉末１１０を次々にプラズマ高温帯１０５へと導入して粉末処理を行う。
５.処理完了後、プラズマガス１２０と電源とを停止し、粉末回収缶１０８から処理後の粉末を回収する。回収は保護ガスと大気中の両方可能である。
An embodiment of the present invention will be described. With reference to the apparatus shown in FIG. 1, the procedure for performing the thermal plasma treatment of the powder using the thermal plasma apparatus for powder treatment will be described.
1. A thermal plasma generation system such as a thermal plasma torch, a chamber 106 and the like including a coil 103 and a water-cooled pipe 104 are charged with a raw material powder 110 in an electromagnetic vibration powder supply device (hereinafter simply referred to as a powder supply device) 101. Vacuum exhaust to 10 −3 Pa.
2. After the thermal plasma is ignited and the plasma gas 120 is introduced at a predetermined flow rate, the input power is set to a predetermined value, and the plasma high temperature zone 105 is stably established.
3. The raw material powder 110 is introduced into the plasma high temperature zone 105 of 5,000 to 10,000 ° C. through the nozzle 101 by transporting Ar carrier gas from the powder supply apparatus 101. At this time, the raw material powder 110 is melted and becomes spherical due to the surface tension of the metal liquid phase.
4. The raw material powder 110 is successively introduced into the plasma high temperature zone 105 to perform powder processing.
5. After the processing is completed, the plasma gas 120 and the power source are stopped, and the processed powder is recovered from the powder recovery can 108. Recovery is possible both in protective gas and in the atmosphere.
プラズマ高温帯１０５において、原料粉末１１０が溶融され、金属液相の表面張力の働きにより球状となることにより、処理後の粉末形状は球状となる。 In the plasma high temperature zone 105, the raw material powder 110 is melted and becomes spherical due to the surface tension of the metal liquid phase, so that the powder shape after the processing becomes spherical.
また、原料粉末１１０中に含有されている酸化物や低融点不純物は、高温での蒸気圧がＴａやＲｕに比較して高いため、プラズマ高温帯１０５において蒸発する。これにより原料粉末１１０は高純度化されるとともに酸素濃度が低下する。しかし、ここで用いるプラズマガスはほぼ大気圧であり、単純な熱プラズマ処理だけでは不純物の蒸発効果が大きくない。このような場合、水素を導入すれば、水素イオン、励起原子などの還元反応により酸素濃度を一層低下することが可能となる。本発明においても、水素ガスを導入することは、不純物の蒸発効果を著しく向上することができる。 Further, oxides and low melting point impurities contained in the raw material powder 110 evaporate in the plasma high temperature zone 105 because the vapor pressure at high temperature is higher than that of Ta or Ru. Thereby, the raw material powder 110 is highly purified and the oxygen concentration is lowered. However, the plasma gas used here is almost atmospheric pressure, and the effect of evaporation of impurities is not large only by simple thermal plasma treatment. In such a case, if hydrogen is introduced, the oxygen concentration can be further reduced by a reduction reaction of hydrogen ions, excited atoms, and the like. Also in the present invention, introduction of hydrogen gas can remarkably improve the evaporation effect of impurities.
上記により得られた高融点金属粉末材料を用いてホットプレス又はＨＩＰ焼結を行う。特にＨＩＰ焼結においては、Ｍｏ箔を敷いた炭素鋼製のカプセル内に粉末を充填し、脱気、真空封止したうえでＨＩＰ焼結を行う。これらの粉末は１１００℃以上、かつ５０ＭＰａ以上で加圧焼結を行うことが望ましい。次に、上記粉末焼結体を機械加工や平面研磨して、パッキングプレートにボンディングしてターゲットを完成する。 Hot pressing or HIP sintering is performed using the refractory metal powder material obtained as described above. In particular, in HIP sintering, powder is filled in a carbon steel capsule laid with Mo foil, and after deaeration and vacuum sealing, HIP sintering is performed. These powders are desirably pressure sintered at 1100 ° C. or higher and 50 MPa or higher. Next, the powder sintered body is machined or flat-polished and bonded to a packing plate to complete a target.
従来の粉末においては、粉末の充填密度が低いために焼結変形が大きく、ターゲットサイズを確保のために余分な厚さや直径を取る必要があった。また、異常変形や焼結割れに起因して歩留まりが低かった。これに対して、上記のように熱プラズマを用いて得られる球状粉末を使用することにより、充填密度を向上させ、例えばΦ３５０〜４００×１０ｔのターゲットを作製する場合において、従来比で粉末使用量を１０〜３０％低減することが可能であることが明らかとなった。 In the conventional powder, since the packing density of the powder is low, the sintering deformation is large, and it is necessary to take extra thickness and diameter to secure the target size. Also, the yield was low due to abnormal deformation and sintering cracks. On the other hand, by using the spherical powder obtained by using thermal plasma as described above, the packing density is improved, for example, in the case of producing a target of Φ350 to 400 × 10 t, the amount of powder used in comparison with the conventional method It became clear that it was possible to reduce 10-30%.
本発明の実施例について以下に説明する。図１において示した構造の装置を用いて実際にＴａ粉末の処理を行った。処理に使用したＴａ原料粉末及び熱プラズマ処理条件を表１に示す。さらに、熱プラズマ処理前後の粉末の形状変化について、一例として試料３の電子顕微鏡による観察写真を図２に示す。図２（ａ）は原料粉末（熱プラズマ処理前）の、図２（ｂ）は試料３（熱プラズマ処理後）の写真である。 Examples of the present invention will be described below. The Ta powder was actually processed using the apparatus having the structure shown in FIG. Table 1 shows the Ta raw material powder and thermal plasma treatment conditions used for the treatment. Further, as an example of the shape change of the powder before and after the thermal plasma treatment, an observation photograph of the sample 3 with an electron microscope is shown in FIG. 2A is a photograph of the raw material powder (before the thermal plasma treatment), and FIG. 2B is a photograph of the sample 3 (after the thermal plasma treatment).
次に熱プラズマ処理後の粉末をＨＩＰ缶へと充填し、そのときの充填密度を計測した。その結果を表1に併記する。さらに球状粉を使って１３５０℃―１５５ＭＰａ―１ＨｒのＨＩＰ焼結条件で、Φ３５０×１０ｔ（ｍｍ）のＴａターゲットを作製し、その焼結密度を計測して表１に併記した。 Next, the powder after the thermal plasma treatment was filled into a HIP can, and the filling density at that time was measured. The results are also shown in Table 1. Further, a Ta target of Φ350 × 10 t (mm) was produced using spherical powder under HIP sintering conditions of 1350 ° C.-155 MPa-1 Hr, and the sintered density was measured and shown in Table 1.
さらに、Ｔａ焼結体についてＧＤ−ＭＳ（グロー・ディスチャージ―マス・スペクトロメータ）による不純物分析を行った。その結果を表２に示す。なお、熱プラズマ処理による粉末焼結体の密度への影響、及び化学成分への影響を明らかにするために、熱プラズマ処理を行わない原料粉末についても上記と同様の計測を行い、結果を併せて表１及び表２に示す。 Further, the Ta sintered body was subjected to impurity analysis by GD-MS (glow discharge-mass spectrometer). The results are shown in Table 2. In order to clarify the effect of thermal plasma treatment on the density of the sintered powder and the chemical composition, the same measurement as above was performed for the raw powder not subjected to thermal plasma treatment, and the results were combined. Table 1 and Table 2 show.
上記の検討結果を見ると、まず熱プラズマ処理を行った試料1〜３いずれにおいてもＨＩＰ缶への充填密度は６０％以上、焼結密度はほぼ１００％であって、比較例である原料粉末に比較して大幅に上昇していることが表１より明らかである。これは、図２により明らかなように、熱プラズマ処理により粉末形状が球状化されたことに起因する。 Looking at the above examination results, in any of the samples 1 to 3 subjected to the thermal plasma treatment, the filling density into the HIP can is 60% or more and the sintering density is almost 100%. It is clear from Table 1 that it is significantly increased compared to. As apparent from FIG. 2, this is due to the powder shape being spheroidized by the thermal plasma treatment.
また表２の結果から、熱プラズマ処理を行うことにより、Ｔａの純度が３Ｎレベルから４〜５Ｎレベルへと向上していることが明らかである。以上のことから、熱プラズマ処理を行ったＴａ粉末を用い、加圧成形により得られるＴａターゲットは、反応性スパッタによるＴａＮ膜の形成に最適であることが判明した。 From the results of Table 2, it is clear that the Ta plasma purity is improved from the 3N level to the 4-5N level by performing the thermal plasma treatment. From the above, it has been found that a Ta target obtained by pressure molding using Ta powder subjected to thermal plasma treatment is optimal for the formation of a TaN film by reactive sputtering.
化学沈殿分粉Ｒｕについて、実施例１と同様の検討を行った。用いたＲｕ原料粉末及びプラズマ処理条件と、ＨＩＰ缶充填密度及び焼結密度の計測結果を表３に併せて示す。また、熱プラズマ処理前後の粉末の形状変化について、一例として試料６の電子顕微鏡による観察写真を図３に示す。図３（ａ）は原料粉末（熱プラズマ処理前）の、図３（ｂ）は試料６（熱プラズマ処理後）の写真である。また、球状粉を使ってΦ４００×１０ｔのターゲット作製し、焼結後のＲｕターゲットの成分分析を行った結果を表４に示す。 The same examination as in Example 1 was performed on the chemical precipitation fraction Ru. Table 3 also shows the Ru raw material powder and the plasma treatment conditions used, and the measurement results of the HIP can filling density and the sintered density. Moreover, the observation photograph by the electron microscope of the sample 6 is shown in FIG. 3 as an example about the shape change of the powder before and behind a thermal plasma process. 3A is a photograph of the raw material powder (before the thermal plasma treatment), and FIG. 3B is a photograph of the sample 6 (after the thermal plasma treatment). Further, Table 4 shows the results of producing a target of Φ400 × 10 t using spherical powder and analyzing the components of the sintered Ru target.
上記の検討結果を見ると、まず熱プラズマ処理を行った試料４〜６いずれにおいてもＨＩＰ缶への充填密度は６０％以上、焼結密度はほぼ１００％であって、比較例である原料粉末に比較して大幅に上昇していることが表３より明らかである。これは、図３により明らかなように、熱プラズマ処理により粉末形状が球状化されたことに起因する。 Looking at the above examination results, in any of the samples 4 to 6 subjected to the thermal plasma treatment, the filling density into the HIP can is 60% or more and the sintering density is almost 100%. It is clear from Table 3 that it is significantly higher than As apparent from FIG. 3, this is due to the powder shape being spheroidized by the thermal plasma treatment.
また表４の結果から、熱プラズマ処理を行うことにより、Ｒｕの純度が３Ｎレベルから４〜５Ｎレベルに向上していることが明らかである。以上のことから、熱プラズマ処理を行ったＲｕ粉末を用い、加圧成形により得られるＲｕターゲットは、スパッタによるＲｕ膜の形成に最適であることが判明した。 From the results in Table 4, it is apparent that the Ru plasma purity is improved from the 3N level to the 4-5N level by performing the thermal plasma treatment. From the above, it has been found that a Ru target obtained by pressure molding using Ru powder that has been subjected to thermal plasma treatment is optimal for forming a Ru film by sputtering.
１０１ 粉末供給装置
１０２ ノズル
１０３ コイル
１０４ 水冷管
１０５ プラズマ高温帯
１０６ チャンバー
１０７ 真空システム
１０８ 粉末回収缶
１１０ 原料粉末
１２０ プラズマガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Powder supply apparatus 102 Nozzle 103 Coil 104 Water-cooled pipe 105 Plasma high temperature zone 106 Chamber 107 Vacuum system 108 Powder collection | recovery can 110 Raw material powder 120 Plasma gas
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