JP2006169547A - 加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法およびスパッタリング用ターゲット材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加圧焼結によってＭｏ合金焼結体を作製するための焼結素材として、焼結体の組成偏在を低減すると供に焼結体の変形を低減するための加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法を提供する。
【解決手段】 平均粒径２０μｍ以下のＭｏ粉末と平均粒径５００μｍ以下の遷移金属粉末とを混合した混合粉末を還元性雰囲気で焼結した仮焼体とし、次いで平均粒径０．０２〜１０ｍｍに粉砕する加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法である。また、仮焼体を平均粒径０．０５〜３ｍｍに粉砕する加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、加圧焼結に用いるＭｏ合金粉末の製造方法およびその製造方法により得たＭｏ合金粉末を用いたスパッタリング用ターゲット材の製造方法に関するものである。

現在、液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下ＬＣＤという）等の平面表示装置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ための材料として、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、従来から、Ｍｏ等の高融点金属のスパッタリング用ターゲット材の製造には、原料粉末を加圧焼結した焼結体を加工する粉末焼結法が適用されている。

近年のＬＣＤサイズの大型化に伴い、金属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１ｍ以上の長尺品、スパッタリング面積が１ｍ^２を超える大型品の要求があるため、特に、Ｍｏに添加元素を含むＭｏ合金ターゲット材にも、１ｍ以上の長尺品やスパッタリング面積が１ｍ^２を超える大型品が要求されている。このため、加圧焼結において焼結体の変形とともに成分偏在の抑制されたＭｏ合金ターゲット材の要求がある。

従来より、Ｍｏ等の高融点金属をターゲット材として製造するためには、粉末焼結法が用いられてきたが、このような大型一体物のターゲット素材を粉末焼結法で作製する際に重要なのは、高密度化の達成と大型化への対応である。粉末焼結法には、種々の方法があるが、素材を均一に高密度化できるという利点を有する熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）法やホットプレス法等の加圧焼結法が一般的に利用されている。そして、ＨＩＰ法は、プレス圧力を３次元的に高圧で付加することが可能であることから、２次元的にしかプレス圧力を付加できないホットプレス法に比べて素材をより均一に高密度化できるという利点がある。

ＨＩＰ法においては、焼結素材を加圧容器に充填して、プレス圧力を付加する必要があるため、焼結素材である原料粉末を加圧容器やプレス型に、高率で均一な充填を行う必要がある。そこで、プレス圧力を充填した原料粉末に与える方法が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）
特開２００２−１６７６６９号公報 特開２００３−３４２７２０号公報

しかしながら、上記の特許文献１および２に記載されるターゲット材の製造方法によっても、Ｍｏに添加元素を含んだＭｏ合金のターゲット材を加圧焼結法によって製造する場合には、添加元素の偏在が発生しやすいという問題を解決できない。また、さらに加圧焼結体の変形が大きいという課題も存在する。

本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、加圧焼結の原料粉末に着目し、加圧焼結によってＭｏ合金焼結体を作製するための焼結素材として、焼結体の成分偏在を低減するとともに焼結体の変形を低減するための加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法を提供することである。

本発明者等は、Ｍｏ合金粉末の製造方法を種々検討した結果、加圧焼結前の粉末の状態で添加元素が分散すると同時に、加圧容器に充填する際の粉末の粒径を制御することで、上記の課題を解決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、平均粒径２０μｍ以下のＭｏ粉末と平均粒径５００μｍ以下の遷移金属粉末とを混合した混合粉末を還元性雰囲気で焼結した仮焼体とし、次いで平均粒径０．０２〜１０ｍｍに粉砕する加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法である。
好ましくは、前記仮焼体を平均粒径０．０５〜３ｍｍに粉砕する加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法である。
また、本発明は、前記の方法で得られた加圧焼結用のＭｏ合金粉末を、加圧容器に充填し、次いで加圧焼結するスパッタリング用ターゲット材の製造方法である。

本発明で得られたＭｏ合金粉末を使用することにより、加圧容器への焼結原料のＭｏ合金粉末の充填密度を向上させることで焼結体の変形を低減させるとともに、成分の偏在を抑制したＭｏ合金ターゲット材を製造することが可能となる。

本発明の重要な特徴は、Ｍｏ粉末と添加元素である遷移金属粉末とを混合した後、一度還元性雰囲気で焼結した仮焼体とし、この仮焼体を粉砕処理して平均粒径０．０２〜１０ｍｍとすることで、加圧容器へ充填した際の成分の偏在を容易に低減できると供に、加圧容器への充填率を向上させることができる加圧焼結用のＭｏ合金粉末を実現した点にある。

粉末焼結法でＭｏ合金のターゲット材を製造する場合において、一般に使用されるＭｏ粉末は化学的製法により作製されるため平均粒径２０μｍ以下の微細粒径を有している。また、添加元素となるＮｂ、Ｃｒ、Ｔｉ等の遷移金属粉末は、溶解インゴットを粉砕して作製されるものが多いため平均粒径５００μｍ以下の比較的大きな粒径を有している。このように、Ｍｏ粉末と添加元素となる遷移金属粉末とは、粒径および比重、形状といった粉末性状が異なるために、単純に混合しても均一な分散状態を有する混合粉末とすることが困難である。
また、特に加圧焼結においてはこの混合粉末を加圧容器に充填する必要がある。微細粒径のＭｏ粉末は、凝集性が高く流れ性が悪いため、加圧容器へ充填する際にＭｏ粉末単独でも加圧容器中で充填のばらつきが生じやすい。Ｍｏ合金の場合には、さらに添加元素となる遷移金属粉末が加わるため、上述のＭｏ粉末の特徴と相まって遷移金属粉末が加圧容器中で偏在を生じやすくなる。そこで、添加元素である遷移金属粉末とＭｏ粉末とを混合した混合粉末を一度還元性雰囲気での焼結により仮焼体とし、さらに、粉砕することで粉末の状態で遷移金属が分散したＭｏ合金粉末を作製することが、焼結体の成分偏在を抑制する上で重要となる。

以下に、本発明の製造方法に関して詳細に説明する。
本発明においては、まず、平均粒径２０μｍ以下のＭｏ粉末と平均粒径５００μｍ以下の遷移金属粉末とを混合した混合粉末を作製する。この混合によって、Ｍｏ粉末と遷移金属粉末を一定程度分散した状態とする。なお、この混合においては、例えば、Ｖ型混合機、クロスロータリーミキサー等の一般的な混合機が利用可能である。
また、本発明において、Ｍｏ粉末の平均粒径を２０μｍ以下としたのは、一般的に使用されている化学的製法によるＭｏ粉末の平均粒径が２０μｍ以下であるためであり、遷移金属粉末の平均粒径を５００μｍ以下としたのは、平均粒径がこの値を超えると焼結体とした際の成分偏在の低減が困難なためである。

また、Ｍｏ粉末は平均粒径１０μｍ以下であることがより好ましい。その理由は、Ｍｏ粉末の粒径が小さいほど加圧焼結後の焼結体の相対密度を容易に高めることができるためである。加圧容器への充填密度を向上させる点からは、充填する粉末つまりはＭｏ合金粉末の粒径を大きくすることに効果があるが、加圧焼結における焼結性の点では、密度の高いＭｏ粉末の粒径は小さいことが望ましい。特に、本発明で得られるＭｏ合金粉末の主たる構成元素であるＭｏは高融点金属で一般的な拡散温度は高温であるため、拡散を促進させるためには高温処理すると同時に接触面積を増大することが好ましい。よって、原料粉末の平均粒径としては、１０μｍ以下であることが好ましい。
なお、Ｍｏ粉末および遷移金属粉末の平均粒径の下限に関しては、微細粉末になると酸化しやすくなる点やハンドリング性を考慮すると平均粒径１μｍ以上であることが望ましい。

次に、この混合粉末を一度還元性雰囲気で焼結して仮焼体とする。仮焼体を作製するのは、Ｍｏ粉末と遷移金属粉末との混合粉末でＭｏと遷移金属が一定程度分散した状態で相互移動しないように位置を固定するためである。また、混合粉末の焼結を還元性雰囲気で行うのは、焼結の際に仮焼体に含まれる酸素含有量を極力低減するためである。なお、焼結を実施する還元性雰囲気としては、水素含有雰囲気や真空雰囲気等の酸化還元反応を利用した雰囲気が使用できる。また、特に、Ｎｂ、Ｔｉ等の水素を吸蔵する遷移金属粉末を使用する場合には、真空雰囲気での焼結が望ましく、その際の減圧条件は、ロータリーポンプ、メカニカルブースターあるいは拡散ポンプといった汎用排気装置で処理できるため１×１０^２〜１×１０^−４Ｐａとすることが望ましい。焼結の温度条件としては、Ｍｏ粉末と遷移金属粉末の混合粉末の焼結が進行する温度であれば特に限定はしないが、好ましくは、４００〜１２００℃である。それは、４００℃に満たないと焼結効果がなく、１２００℃を超えると、混合粉末の焼結が進行し過ぎて、仮焼体の粉砕が困難になる場合があるためである。

次いで、仮焼体を平均粒径０．０２〜１０ｍｍに粉砕してＭｏ合金粉末とする。このＭｏ合金粉末を平均粒径０．０２〜１０ｍｍとすることが加圧容器への充填性において重要となる。それは、Ｍｏ合金粉末をある程度大きく粒径調整をすることで加圧容器への粉末の充填率を向上させることが可能となるためである。このＭｏ合金粉末の平均粒径の下限を０．０２ｍｍ以上とした理由は、この平均粒径を下回っては、加圧容器への充填率を高めるという効果が阻害されるためである。また、このＭｏ合金粉末の平均粒径の上限を１０ｍｍ以下に規定した理由は、１０ｍｍを超えると加圧容器への充填時に粉末同士のブリッジ現象により充填密度が低下傾向を示すほか、焼結体でその粒の境界線が明瞭に現れ、一種の模様状の形態をなすためである。したがって、外観上判別しにくく、平均化するためにも平均粒径１０ｍｍ以下である必要がある。なお、Ｍｏと遷移金属との分散性をより高めるため、より好ましいＭｏ合金粉末の平均粒径は０．０５〜３ｍｍである。

また、仮焼体の粉砕には、ボールミル、振動ミル、ジョークラッシャー、インパクトクラッシャー、ハンマーミル、インパクトミル等が利用可能であり、特に限定するものではないが、Ｍｏ合金粉末を平均粒径で０．０２〜１０ｍｍとできるものであることが望ましい。

また、仮焼体の相対密度としては、５０〜８５％とするのが望ましい。それは、仮焼体の相対密度が５０％に満たないと、粉砕後のＭｏ合金粉末の相対密度が著しく低下し、加圧焼結用の粉末として好ましくないためである。一方、相対密度が８５％を超えると仮焼体の粉砕が困難になる場合があるためである。

なお、本発明における平均粒径とは、Ｍｏ粉末、遷移金属粉末、Ｍｏ合金粉末の粒径分布において、個数がその総量の５０％をしめるときの粒径（Ｄ_５０）をいう。

本発明のＭｏ合金粉末を構成する遷移金属元素としては、元素周期律表のIVａ族、Vａ族、VIａ族、VIIａ族、VIII族に含まれる元素を挙げることができる。その中でも、平面表示装置用の薄膜電極、配線としてＭｏＴｉ、ＭｏＶ、ＭｏＮｂ、ＭｏＴａ、ＭｏＣｒ、ＭｏＷ等のＭｏ合金が利用されているため、遷移金属としてはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗの場合に工業的に適用する価値が高いので好ましい。

本発明の製造方法により作製したＭｏ合金粉末を、加圧容器に充填した上で、熱間静水圧プレス等の加圧焼結を実施すると成分偏在が抑制されたＭｏ合金の焼結体が作製でき、この焼結体を機械加工によって、所望の寸法形状のＭｏ合金ターゲット材を得ることが可能となる。

Claims (3)

1. 平均粒径２０μｍ以下のＭｏ粉末と平均粒径５００μｍ以下の遷移金属粉末とを混合した混合粉末を還元性雰囲気で焼結した仮焼体とし、次いで平均粒径０．０２〜１０ｍｍに粉砕することを特徴とする加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法。
2. 前記仮焼体を平均粒径０．０５〜３ｍｍに粉砕することを特徴とする請求項１に記載の加圧焼結用のＭｏ合金粉末の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法により得られた加圧焼結用のＭｏ合金粉末を、加圧容器に充填し、次いで加圧焼結することを特徴とするスパッタリング用ターゲット材の製造方法。