JP2006206966A

JP2006206966A - スパッタリングターゲット材の製造方法

Info

Publication number: JP2006206966A
Application number: JP2005020951A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Yanagiya; 彰彦柳谷; Yoshikazu Aikawa; 芳和相川
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: JP4476827B2

Abstract

【課題】本発明は、高強度、均質な性能を持つスパッタリングターゲット材の製造方法を提供する。【解決手段】脆性相が存在する２元系合金において、脆性相が存在する２元系合金での純金属と合金粉末を混合するに当たり、２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域を選択して純金属と固溶体の粉末を混合した後熱間加圧成形し、脆性相のない合金を製造するスパッタリングターゲット材の製造方法。さらに、脆性相が存在する２元系合金において、脆性相が存在する２元系合金での２種の合金粉末を混合するに当たり、２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域での最大融点を持つ固溶体を形成する場合は、該最大融点を持つ固溶体を挟んで二つの固溶体粉末を混合した後、熱間加圧成形し合金化するスパッタリングターゲット材の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、高強度、均質な性能を持つスパッタリングターゲット材の製造方法に関するものである。

近年、耐熱材料やＨＤＤ用ターゲット材の新しい高融点金属を含有する合金が出現し、その製造方法としては、鋳造法および粉末成形法が試みられている。前者である鋳造法は最も一般的に使用される安価な方法であるが、組織の微細性や均質性で劣る。また、酸化物（ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂）が入ったものなど高融点のターゲット材に対応できない。さらに、後者である粉末成形法は鋳造法に比べて高価であるが、組織が微細で組成も均質であるため作製される膜の品質が高いが、粉末を製造するに当たり、高融点の粉末を製造することが困難であるという、それぞれの欠点を持っている。

一方、ターゲット材に用いられる組成は金属や酸化物も含めて多岐に渡るが、金属元素単体のターゲット材は少なく、大部分は２元素以上の金属、もしくは金属合金と酸化物の複合体となっている。粉末法でこのような２元素以上からなる材料を作製する場合、狙い組成の合金粉末をあらかじめアトマイズ法などにより作製し、これをＨＩＰ（熱間等方圧プレス）やＨＰ（ホットプレス）等で成形する。しかし、この方法ではその合金が高融点でありアトマイズが困難である場合は作製することができない。

また、純金属同士を所定組成になるように混合し、これをＨＩＰ（熱間等方圧プレス）やＨＰ（ホットプレス）等で成形する方法もある。この方法では、成形時の加熱のみでは均一に合金化せず偏析の要因となる。このように偏析の存在するターゲット材をスパッタした場合、出来た薄膜の成分均質性が失われてしまう。また、２元素間に脆性相が存在するような合金系においては高温での成形時にその脆性相が析出し、これが原因で成形時に割れが発生するため好ましくない。

一例として、Ｃｒ−Ｍｎ系合金のターゲット材を作製しようとした場合、純Ｃｒと純Ｍｎを混合して成形すると、一部脆性相（σ）が析出し、これが原因で成形時に割れが発生したり、スパッタ時にその脆性部が欠落してスパッタ不良を起こしたりする。これを解決する方法として、例えば特開２００２−２１２６０７号公報（特許文献１）に開示されているように、ＨＩＰ法に替えて熱間押出法によって簡易に高圧が得られるこの方法で均一な単相を得る方法が提案されている。

また、特開２００３−１６７３２４号公報（特許文献２）に開示されているように、金属粉末あるいは水素化金属粉末とＳｉ粉末を混合し、これを加熱合成して金属シリサイド粉末とした後、この金属シリサイド粉末を機械的に微粉砕し、この微粉砕金属シリサイド粉末と微細Ｓｉ粉とを所定のモル比となるように均一混合し真空加熱炉を用いて焼成した金属シリサイド粉を焼結する金属シリサイドスパッタリングターゲットの製造方法が提案されている。

特開２００２−２１２６０７号公報特開２００３−１６７３２４号公報

しかしながら、上述した特許文献１の熱間押出法によって簡易に高圧が得られる方法ではあるが、純金属粉末同士での形成であり、どうしても偏析の生じることは避けられない。また、特許文献２の焼結方法では合金系によっては脆性相が析出し、割れの要因となったり、ターゲット材として強度が落ちるという問題がある。

上述のような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、合金粉末を使用することにより、純金属粉末同士を形成するよりも偏析が小さく、また金属間化合物（脆性相）が生成しない領域を選択して成形することにより割れの少ないターゲット材としての強度を向上させたスパッタリングターゲット材の製造方法を提供するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）脆性相が存在する２元系合金において、脆性相が存在する２元系合金での純金属と合金粉末を混合するに当たり、２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域を選択して純金属と固溶体の粉末を混合した後熱間加圧成形し、脆性相のない合金を製造することを特徴とするスパッタリングターゲット材の製造方法。

ここで２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成するとは、純金属１と純金属２からなる２元系合金が、純金属１がα％（αは１〜９９の任意の値）で純金属２が（１００−α）％で脆性相（以下「合金１」という）を生成することをいう。また２元系状態図より脆性相が生成しない領域を選択とは、２元系合金が純金属１をα％未満で純金属２を（１００−α）％を含有する合金（以下「合金２」という）を用いるという意味である。更に２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域を選択して純金属と固溶体の粉末とは、純金属１からなる粉末１と、合金２が純金属１と合金０の固溶体である合金２からなる粉末２の両方を指す意味である。

（２）脆性相が存在する２元系合金において、脆性相が存在する２元系合金での２種の合金粉末を混合するに当たり、２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域での最大融点を持つ固溶体を形成する場合は、該最大融点を持つ固溶体を挟んで二つの固溶体粉末を混合した後、熱間加圧成形し合金化することを特徴とするスパッタリングターゲット材の製造方法にある。

ここでこの製造方法は、１の脆性相が、純金属１がβ％（βは１〜９９の任意の値）で純金属２が（１００−β）％からなる脆性相（以下「合金３」という）でなり、他の脆性相が、純金属１がγ％（γは１〜９９の任意の値、ただしβ＜γ）で純金属２が（１００−γ）％からなる脆性相（以下「合金４」という）を有する２元系合金における製造方法に関するものである。

２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域で固溶体を形成する場合とは、合金３と合金４の間の成分、つまり純金属１がβより多くγより少ない成分の合金（以下「合金５」という。）が合金３と合金４の固溶体であることを意味する。次に２元系状態図より脆性相が生成しない領域での最大融点を持つ固溶体を形成する場合は、この合金５の一組成である合金が合金３と合金４の融点よりも高い融点を有する場合であり、かつ合金５のなかで最も融点の高い組成の合金（以下「合金５’」という）のことをいう。更に該最大融点を持つ固溶体を挟んで二つの固溶体粉末を混合とは、合金５’よりもβが多い合金５からなる粉末と合金５’よりもβが少ない合金５からなるとを混合することをいう。

以上述べたように、本発明による合金粉末を使用することにより、純金属粉末同士を成形するよりも偏析が小さく、かつ脆性相が存在せず、しかも割れもなく高強度で均質なターゲット材の作製が可能となる極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係るＡ−Ｅ金属状態図である。この図に示すように、Ａ−Ｅ金属状態図において脆性相がＣ固溶体とＤ固溶体間にある場合を示した金属状態図である。本発明の第１は、この図１に示すような脆性相が存在するＡ−Ｅ２元系状態図において、純金属Ａと固溶体Ｃの粉末を混合して、熱間加圧成形し、Ｂ組成の合金を製造することを特徴とするスパッタリングターゲット材の製造方法にある。

図２は、本発明に係る他のＡ−Ｅ金属状態図である。この図に示すように、Ａ−Ｅ金属状態図において脆性相がＣ固溶体とＥ金属間にある場合を示した金属状態図である。本発明の第２は、この図２に示すような脆性相が存在するＡ−Ｅ２元系状態図において、Ｂ組成金属の融点がＡ−Ｅ２元系状態図で最大である場合に、純金属Ａ´固溶体と固溶体Ｃの粉末を混合して、熱間加圧成形し、合金化することを特徴とするスパッタリングターゲット材の製造方法にある。

図３は、ターゲット表面でのスパッタ現象を示す図である。この図に示すように、ターゲット材２にＡｒなどの不活性な物質である入射イオン３を高速で衝突させると、ターゲット材２の表面で原子や分子と衝突して種々の現象が起こる。この現象のうちで、ターゲット材２を構成する原子や分子が叩き出される過程をスパッタリングといい、この叩き出せれたスパッタ粒子４、マイナスイオン５、γ電子６、スパッタ粒子の逆戻り７および入射イオンの反射８並びに反跳粒子９等と同時に原子や分子を基板１上に付着させ薄膜を形成する技術をスパッタ法という。

本発明は、上述したスパッタリングのためのターゲット材の製造方法にある。この材料としては、例えばＣｒ−Ｍｎ系の例で言えば、０≦Ｃｒ≦６０原子％、残部Ｍｎからなる成形体を作製する際、一方にはＣｒ−５５原子％程度の固溶体からなる合金粉末を作製し、これに純Ｃｒを所定の組成になるように混合することにより、σ相の析出は抑えられる。脆性相が析出しないので成形時の割れもなく、ターゲットとしての強度も十分で組成均質性も高い。他にもＣｏ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｃｒ−Ｗ系、Ｃｒ−Ｓｉ系等、合金系に脆性相が存在し、かつ所望する組成域が固溶体領域であれば同様に活用できる。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す原料粉末をガスアトマイズ粉末法により製造し、それぞれの原料粉末をＶ型混合機を用いて各組成に３０分間の混合を行なった後、熱間加圧成形によるＨＩＰおよびＨＰにより、成形圧：１００ＭＰａ、成形温度：１４７３Ｋの条件で成形し、その後徐冷して、成形体サイズ：直径１８０ｍｍ×高さ１０ｍｍのものを得た。その成形体の特性調査として、外観：割れ発生の有無（カラーチェックにより確認し、１０枚中１枚以上割れがあれば、割れありとして評価）を評価した。また、Ｘ線回折：構成相の同定（測定角度２０〜８０°、ターゲットＣｕｋα）により脆性相の有無を確認した。さらに、成分分析のバラツキ：ＥＰＭＡにより線分析（測定幅１ｍｍ）を行い、平均値を０とした時の平均高さを組成バラツキとして算出した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜１５は本発明例であり、Ｎｏ．１６〜２１は比較例である。比較例Ｎｏ．１６、１７は純Ｃｒと純Ｍｎの混合によるものであり、いずれも割れが発生し、脆性相を有し、かつ組成バラツキの値が大きい。また、比較例Ｎｏ．１８、１９は純Ｃｏと純Ｗの混合によるものであり、これもＮｏ．１６、１７と同様に、いずれも割れが発生し、脆性相を有し、かつ組成バラツキの値が大きい。さらに、比較例Ｎｏ．２０、２１は純Ｃｏと純Ｃｒとの混合によるものであり、これもＮｏ．１６〜１９と同様に、いずれも割れが発生し、脆性相を有し、かつ組成バラツキの値が大きいことが分かる。

これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜１２は各純Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅと合金粉末との混合から成形された２元系合金であり、いずれの特性も優れていることが分かる。また、本発明例であるＮｏ．１３〜１５は脆性相（金属間化合物）が生成しない領域での最大融点を持つ固溶体を形成する場合での、この最大融点を持つ固溶体を挟んで二つの２種の合金粉末を混合して、熱間加圧成形し合金化したもので、この場合も、Ｎｏ．１〜１２と同様に、いずれの特性も優れていることが分かる。

このように、純金属粉と合金粉での成形は、脆性相が存在する合金系において、固溶体が得られる組成領域で合金粉末を作製し、この粉末に純金属粉末もしくは別組織の固溶体を混合し目的の成分とした上で成形することにより、脆性相が存在せず、割れもなく高強度で均質なターゲット材の作製が可能となったものである。

本発明に係るＡ−Ｅ金属状態図である。本発明に係る他のＡ−Ｅ金属状態図である。ターゲット表面でのスパッタ現象を示す図である。

符号の説明

１基板
２ターゲット材
３入射イオン
４スパッタ粒子
５マイナスイオン
６ γ電子
７スパッタ粒子の逆戻り
８入射イオンの反射
９反跳粒子

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

脆性相が存在する２元系合金において、脆性相が存在する２元系合金での純金属と合金粉末を混合するに当たり、２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域を選択して純金属と固溶体の粉末を混合した後熱間加圧成形し、脆性相のない合金を製造することを特徴とするスパッタリングターゲット材の製造方法。
脆性相が存在する２元系合金において、脆性相が存在する２元系合金での２種の合金粉末を混合するに当たり、２元系状態図より脆性相（金属間化合物）が生成しない領域での最大融点を持つ固溶体を形成する場合は、該最大融点を持つ固溶体を挟んで二つの固溶体粉末を混合した後、熱間加圧成形し合金化することを特徴とするスパッタリングターゲット材の製造方法。