JP2006028536A - 焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 全長が２０００ｍｍ以上の等方的組織である焼結Ｍｏ系ターゲット材を安定的に製造する方法を提供する。
【解決手段】 全長が２０００ｍｍ以上の焼結ターゲット材の製造方法であって、Ｍｏ原料粉末を圧縮成形した圧密体を還元雰囲気中で焼結した相対密度７５〜９０％の一次焼結体を作製し、次いで全長が２２００ｍｍ以上になるように複数の該一次焼結体を加圧容器に積層装入して脱気封止した後に熱間静水圧プレスにより加圧焼結することで相対密度９８％以上の焼結体ターゲット材を得る焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大画面の平面表示装置等の電気配線、電極等に用いられるＭｏ系薄膜の形成に使用される超大型の焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法に関するものである。

現在、平面表示装置の一種である液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下ＬＣＤという）の薄膜電極および薄膜配線等には、電気抵抗の小さいＭｏ等の高融点金属膜が用いられており、その金属薄膜を形成する材料としスパッタリング用ターゲット材が広く利用されている。そして、近年のＬＣＤはガラス基板サイズが１５００×１８００ｍｍ以上となるような超大型化に伴い、金属薄膜を形成するためのスパッタリング用ターゲット材に対しても大型化が要求されており、特に現在は、全長が２０００ｍｍ以上の大型品の要求がある。

そして、上記のような超大型のＬＣＤに金属薄膜を形成する場合には、マルチカソード方式といわれる長尺型のターゲット材を並べて使用するスパッタリング装置が使用されるようになってきている。

融点の高いＭｏは、溶解鋳造法による製造が困難であるため、一般に粉末焼結法によりターゲット材が作製されている。また、Ｍｏは原料粉末の粒度が一般に１０μｍ以下と細かく、粉末が凝集した形態で存在しているために、加圧容器への充填密度が上がらず、加圧焼結後に変形しやすいことから、その対策が検討されてきた。例えば、原料粉末を圧縮成形した複数のブロックを加圧容器に入れ込み熱間静水圧プレスにより、これらの複数のブロック同士を接合することが提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
特開２０００−２０３９２９号公報 特開２００３−１２９２３２号公報

現在要求されている全長が２０００ｍｍ以上のターゲット材を、焼結ままの等方的組織で実現するためには、加圧焼結装置の設備的制約がある。例えば、現存する熱間静水圧プレス装置は、その装置の有効最大長は３０００ｍｍであるため、加圧焼結前に原料の相対密度を高めることで加圧焼結時の収縮量を極力小さくすることが大型ターゲット材を実現する上で望ましいが、圧縮成形したブロックを加圧容器に入れ込む際に、ブロックがあまりに高い相対密度を有していると加圧焼結時のブロック同士の接合が困難になるという問題がある。また、単純なブロック同士の焼結では、その接合部分が他の焼結体の結晶組織と異なる組織となり、スパッタ成膜の際に安定したスパッタ膜が得られない可能性がある。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、全長が２０００ｍｍ以上の等方的組織である焼結Ｍｏ系ターゲット材を安定的に製造する方法を提供することである。

本発明者等は、上記課題を解決する方法を種々検討した結果、オープンポアを有するレベルで焼結を一度止めた一次焼結体を無加圧焼結により作製し、次いで、この複数の一次焼結体を加圧容器に積層装入して熱間静水圧プレスにより拡散接合させると同時に、ターゲット材に要求される相対密度９８％以上に加圧焼結することで全長２０００ｍｍ以上の等方的組織の焼結Ｍｏ系ターゲット材を容易に製造できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、全長が２０００ｍｍ以上の焼結ターゲット材の製造方法であって、Ｍｏ原料粉末を圧縮成形した圧密体を還元雰囲気中で焼結した相対密度７５〜９０％の一次焼結体を作製し、次いで全長が２２００ｍｍ以上になるように複数の該一次焼結体を加圧容器に積層装入して脱気封止した後に熱間静水圧プレスにより加圧焼結することで相対密度９８％以上の焼結体ターゲット材を得る焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法である。
好ましくは、圧縮成形は、冷間静水圧プレスにより行う焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法である。
また、好ましくは、Ｍｏ原料粉末を圧縮成形した圧密体を得た後、該圧密体を粉砕処理し、平均粒径５．０ｍｍ以下の二次粉末に調整し、該二次粉末を再度圧縮成形した後に、還元雰囲気中で焼結した一次焼結体を得る焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法である。

また、好ましくは、前記一次焼結体と一次焼結体との間に、該一次焼結体と同一の成分組成の原料粉末を介在させて複数の一次焼結体を加圧容器に積層装入する焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法である。
また、好ましくは、熱間静水圧プレスにより加圧焼結した焼結体を、前記一次焼結体を加圧容器へ積層装入した方向に対して平行方向に複数に切断する焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法である。

本発明によれば、全長が２０００ｍｍ以上の等方的組織の焼結Ｍｏ系ターゲット材を実現可能となり、１５００×１８００ｍｍ以上の超大型サイズのＬＣＤ基板にＭｏ系薄膜を安定して成膜することが可能となる。

本発明の第一の特徴は、熱間静水圧プレスを施す前の一次焼結体の相対密度を７５〜９０％に制御して、オープンポアを有するレベルで焼結を止めた一次焼結体を作製し、この一次焼結体を加圧容器に積層装入して熱間静水圧プレスで加圧焼結することで、一次焼結体同士の固相拡散接合を進行させて接合させやすくするとともに、一次焼結体内の焼結をも進行させることで、より均質な焼結組織を有する焼結体を実現した点にある。
以下に、本発明を詳細に説明する。

本発明の焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法としては、まず、Ｍｏ原料粉末を圧縮成形して圧密体を作製する。その後、この圧密体を還元雰囲気中で相対密度を７５〜９０％に制御しながら焼結させて一次焼結体を作製する。この時、オープンポアを有する一次焼結体とするために、相対密度を７５〜９０％に制御する必要がある。一次焼結体の相対密度が７５％に満たないと、加圧焼結後の最終の焼結体の収縮を考慮すると全長２０００ｍｍ以上のターゲット材を得るのが困難となり、９０％を超えると焼結が進行し過ぎるために、一次焼結体同士の接合部分の組織と他の焼結体部分の組織とを均質な組織とすることが困難となるためである。また、複数の一次焼結体を加圧容器に積層装入する場合にその全長が２２００ｍｍに満たないと、加圧焼結した後の最終的な焼結体の収縮を考慮すると、全長が２０００ｍｍ以上の焼結ターゲット材を得ることが困難となる。

次いで、この一次焼結体を軟鋼製の加圧容器に複数積層装入し、加熱脱気により加圧容器内の真空度を高めた後に封止して、熱間静水圧プレス（以下、ＨＩＰという）にて加圧焼結を行って相対密度９８％以上の焼結体を作製する。
一次焼結体は、相対密度７５〜９０％で制御することで、オープンポアを残存させているため、一次焼結体を加圧容器に装入して、加熱脱気処理を行うことで、加圧容器内の真空度を高めることが可能となる。そして、加圧容器内の真空度を高めた上で、ＨＩＰで等方的に加圧しながら焼結することにより、一次焼結体内の空隙を除去しながら、一次焼結体同士の接合部分の固相拡散反応を進行させて相対密度を高め、相対密度９８％以上の焼結体とすることが可能となる。なお、以上の製造工程を図１のフローチャート図に、一次焼結体の加圧容器への積層装入の一例を図２の模式図に示す。

また、本発明において圧密体を作製する場合には、冷間静水圧プレス（以下、ＣＩＰという）を使用することが望ましい。それは、一次焼結体の形状を整えるために等方的な成形圧力で圧縮成形できるからである。プレス成形等の一軸応力による圧密体では、全体としての総荷重が大きくなり設備的に困難であり、さらに圧密体内部での密度分布が生じる可能性があるため、一定形状の一次焼結体が得ることが難しいため、等方的に成形圧力を付加できるＣＩＰで圧縮成形することが望ましい。

また、ターゲット材としては含有する酸素を極力低減することが、スパッタリングした薄膜の特性上好ましいので、圧密体を焼結する還元雰囲気は、還元がより促進できる水素を含有した雰囲気であることが好ましい。

また、本発明ではＭｏ原料粉末を圧縮成形した圧密体を得た後、該圧密体を粉砕処理し、平均粒径５．０ｍｍ以下の二次粉末に調整し、この二次粉末を再度圧縮成形した後に、還元雰囲気中で焼結した一次焼結体とすることが望ましい。それは、圧密体の圧縮成形においてＭｏ原料粉末を直接ＣＩＰ等で処理に供してもよいが、嵩密度が低いため体積が増す。そこで圧密体を、粉砕処理した平均粒径５．０ｍｍ以下の二次粉末をラバーに充填することにより嵩密度を上げ、精度のよい圧密体を得ることができるためである。

本発明においては、複数の一次焼結体を加圧容器に積層装入する際に、一次焼結体同士の間に、一次焼結体と同一の成分組成の原料粉末を介在させることが望ましい。それは、複数の一次焼結体のみを積層装入した場合、一次焼結体同士の積層面に隙間が生じると、その後の熱間静水圧プレスにおいてその積層面同士の焼結が十分に進まない可能性があるためである。一次焼結体と同一の成分組成の原料粉末を介在させることで積層面の隙間を完全に除去し、熱間静水圧プレス後の焼結体について、全体を均一に焼結することが可能となる。

また、本発明においては、ＨＩＰにより加圧焼結した焼結体を、一次焼結体を加圧容器へ積層した方向に対して平行方向に複数に切断してＭｏ系ターゲット材とすることが望ましい。それは、複数の一次焼結体を積層方向に対して全長を２２００ｍｍ以上となるように加圧容器に積層するため、積層方向に対して平行方向に切断することで切断面を焼結体の最大面積とすることができるため、スパッタリング面を長尺の大面積とするターゲット材を得る上で望ましいためである。ターゲット材において、スパッタリング面に対する垂直方向の厚さは、スパッタリング装置によって異なるが、殆どの場合に２０ｍｍ程度以下である。そこで、ＨＩＰ処理後の焼結体を一次焼結体の加圧容器への積層方向に対して平行方向に複数に切断することで、一度のＨＩＰ処理で複数枚のターゲット材を作製することができるため生産効率の点でも好ましい。

また、一次焼結体を作製するときの処理温度は、１０００〜１６５０℃であることが望ましい。それは、処理温度が１０００℃に満たないと焼結が進行しにくいからであり、１６５０℃を超えると、圧密体周囲からの焼結が進み過ぎて中心部にクローズドポアが残存する可能性が高くなるためである。なお、Ｍｏ原料粉末の表面に吸着する酸素のほとんどが、ＭｏＯ_３の形態で存在するため、このＭｏＯ_３は融点８００℃、沸点１２５０℃であり水素含有の還元雰囲気中で容易に除去することができるため、一次焼結体の酸素含有量を２００ｐｐｍ以下に低減することが可能となる。また、処理温度はＭｏ原料粉末の粒径と圧縮成形で付加する圧力により焼結の挙動が若干異なるため、上記の温度範囲で各条件に適した温度を選択することが望ましい。

また、本発明において、ＨＩＰによる焼結性を高めるためには、一次焼結体を装入した加圧容器内を１×１０^−３Ｐａとなるまで、加熱脱気することが望ましい。
また、ＨＩＰの条件としては、温度１２００〜１４５０℃、加圧力１００ＭＰａ以上とすることが望ましい。それは、温度が１２００℃に満たないと、最終的な焼結体の相対密度を９８％とすることが困難であるためであり、１４５０℃を超えると一般に加圧容器に使用される安価な軟鋼製の加圧容器が溶解する危険性が高まるためである。また、加圧力が１００ＭＰａに満たないと、十分な相対密度を得ることが困難なためである。

また、ＨＩＰ後の焼結体は、水素を含んだ還元雰囲気で加熱して酸素を低減した一次焼結体を加圧容器に装入した後に、加熱脱気することで、加圧容器内に残存する酸素を極力低減できるため酸素量２００ｐｐｍ以下を維持することも可能となる。

本発明の焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造工程の一例を示すフローチャート図である。 本発明の一次焼結体の加圧容器への積層装入の一例を示す模式図である。

符号の説明

１．一次焼結体、２．加圧容器

Claims (5)

1. 全長が２０００ｍｍ以上の焼結ターゲット材の製造方法であって、Ｍｏ原料粉末を圧縮成形した圧密体を還元雰囲気中で焼結した相対密度７５〜９０％の一次焼結体を作製し、次いで全長が２２００ｍｍ以上になるように複数の該一次焼結体を加圧容器に積層装入して脱気封止した後に熱間静水圧プレスにより加圧焼結することで相対密度９８％以上の焼結体ターゲット材を得ることを特徴とする焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法。
2. 圧縮成形は、冷間静水圧プレスにより行うことを特徴とする請求項１に記載の焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法。
3. Ｍｏ原料粉末を圧縮成形した圧密体を得た後、該圧密体を粉砕処理し、平均粒径５．０ｍｍ以下の二次粉末に調整し、該二次粉末を再度圧縮成形した後に、還元雰囲気中で焼結した一次焼結体を得ることを特徴とする請求項１または２に記載の焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法。
4. 前記一次焼結体と一次焼結体との間に、該一次焼結体と同一の成分組成の原料粉末を介在させて複数の一次焼結体を加圧容器に積層装入することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法。
5. 熱間静水圧プレスにより加圧焼結した焼結体を、前記一次焼結体を加圧容器へ積層装入した方向に対して平行方向に複数に切断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の焼結Ｍｏ系ターゲット材の製造方法。

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