JP2007536431A5

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Publication number: JP2007536431A5
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Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2013-04-04

Description

スパッタリングターゲット及び回転・軸鍛造によるその形成方法

本発明は、スパッタリングに用いられるスパッタリングターゲット及び構成要素に関する。より詳しくは、本発明は、スパッタリングターゲットの形成方法及び本発明の方法によって得られるスパッタリングターゲットに関する。

金属からスパッタリングターゲットを製造する種々の方法があり、それらは、一般にビレットの形状を有する粉末冶金により得られた製品又はインゴットから得られた製品を採用し、続いて該ビレットを加工して所望のスパッタリングターゲットの形状（多くの場合、平板状かつ円形状である）にすることを一般に伴う。ビレットを加工して所望の形状にするのに一般に用いられる手段は、圧延、ハンマーミリング、押出し、据込み鍛造などの種々の鍛造方法である。一般に、これらの方法は、それらの鍛造又はミリング操作が非常に労働集約的でかつ関連する必要な変形のために多大な時間を要するので、材料を加工するのにかなりの時間がかかるという点で作業集約的である。さらには、これらのタイプの鍛造又はミリング工程を使用することにより形成されるスパッタリングターゲットは、所望の精密な許容差及び優れた表面仕上げを得るために多大な機械加工を一般に必要とする。加えて、平板状ターゲットの円形状の形状は一般に真円ではなく、ターゲットの周囲に沿って見たときの直径の変動が大きく、例えば、１０〜１５％の変動になる。

したがって、当業界では、これらの欠点を克服し、スパッタリングターゲットを形成するための更なる低コストの方法、並びにスパッタリングターゲットを形成するのに必要な時間を短縮する手段を提供することが必要とされている。

本発明の特徴の一つは、スパッタリングターゲットをより低コストでかつより少ない量の労働で製造する方法を提供することである。

本発明のさらなる特徴は、形成プロセスがより短い時間で出来るスパッタリングターゲットの製造方法を提供することである。

本発明のさらなる特徴は、結晶粒サイズ及び／又は結晶配向についてより一貫性のある
(consistent) スパッタリングターゲットを与える方法を提供することである。

本発明のさらなる特徴は、ターゲットの周囲に沿って見たときの直径の変動がより小さいスパッタリングターゲットを提供することである。

さらに、本発明の別の特徴は、形成後に必要とされる機械加工が少ないスパッタリングターゲットを提供することである。

本発明のさらなる特徴は、主要な集合組織（primary texture）が徐々に変化する (transitional primary texture) 又は主要な集合組織の勾配が制御された (controlled texture gradient) スパッタリングターゲットを提供することである。

本発明のさらなる特徴及び利点の一部は以下の説明において記載され、また、他の一部は以下の説明から明らかであるか又は本発明の実施によって知ることができる。本発明の目的及び他の利点は、以下の説明及び特許請求の範囲において特に指摘される構成要件及びその組み合わせによって実現及び達成されるであろう。

本明細書で具体化されかつ包括的に記載された上記の利点及び他の利点を、本発明の目的に従って、達成するために、本発明は、スパッタリングターゲットの形成方法を説明する。その方法は、インゴットから得られた予備成形体（ingot derived preform）（以下、「インゴット由来予備成形体」と呼称する。）を、回転式鍛造及び軸方向鍛造による同時鍛造（rotary axial forging）（以下、「回転・軸鍛造」と呼称する。）でもって、スパッタリングターゲットの形状及びサイズにすることを伴う。この回転・軸鍛造は、密閉型ダイス（closed die）の中で為されることが好ましい。

さらに本発明は、スパッタリングターゲットの結晶粒サイズの変化が織り成すパターン (grain size
pattern)（以下、「結晶粒サイズパターン」と呼称する。）が、スパッタリングターゲットの中心を囲む放射及び円周方向の規則的パターン（continuous radial-circumferential pattern）となるような結晶粒サイズパターンを有するスパッタリングターゲットに関する。

さらに本発明は、スパッタリングターゲットの結晶構造の変化が織り成すパターン（crystal
structure pattern）（以下、「結晶構造パターン」と呼称する。）が、スパッタリングターゲットの中心を囲む放射及び円周方向の規則的パターン（continuous radial-circumferential pattern）となるような結晶構造パターンを有するスパッタリングターゲットに関する。

本発明はまた、スパッタリングターゲットの周囲に沿って測ったときの直径の変動が５％以下であるスパッタリングターゲットに関する。

加えて、本発明は、主要な集合組織が変化する (having a transitional primary
texture) 又は主要な集合組織の勾配 (texture gradient) が制御されたスパッタリングターゲットに関する。

上述の一般的な記載と以下の詳細な記載の両方は、例示的でかつ説明的なものでしかなく、特許請求の範囲に記載される本発明のさらなる説明を提供しようとするものであると解されるべきである。

添付図面は、本願に含まれかつその一部を構成し、本発明の幾つかの実施態様を本明細書とともに示し、本発明の原理を説明するためのものである。

本発明は、スパッタリングターゲット及びスパッタリングターゲットの製造方法、好ましくはスパッタリングターゲットの形成方法の一部として回転・軸鍛造の技術を用いたスパッタリングターゲットの製造方法に関する。

より詳しくは、本方法において、スパッタリングターゲットは、インゴットから得られた予備成形体又は加工対象物（work piece）（以下、「ワークピース」と呼称する。）を、回転・軸鍛造でもって、所望のスパッタリングターゲットの形状及びサイズにすることによって製造することができる。

本発明の目的を達成する際においては、インゴット由来予備成形体は、所望のスパッタリングターゲットの形状までサイズを小さく（例えば、変形）させることができるインゴットから得られた任意の材料であることができる。したがって、インゴット由来予備成形体は、その高さが所望のスパッタリングターゲットよりも大きく、その直径がスパッタリングターゲットよりも小さい材料である。インゴット由来予備成形体は、最終的なスパッタリングターゲットの寸法を有する所望の形状に成形、変形又は加工することができる限り、一般的に、任意の所望の高さ及び／又は直径又は他の寸法形状であることができる。本発明の目的を達成する際においては、インゴット由来予備成形体の形状は円筒形であることが好ましく、例えば、ビレット、ロッド、シリンダー又は他の同様の形状であることができる。インゴト由来予備成形体は、長方形などの他の幾何学的形状を有することもできる。しかしながら、このタイプの予備成形体形状から出発することは一般に長方形のものから出発することになるので、それを当業者に公知の鍛造技術によって円筒形に成形することになる。例として、直径が約３インチ〜約１４インチのビレットを使用できる。一般的に、ビレットの高さは、好ましくはビレット又は他の予備成形体又は他のワークピースの直径の約２倍以下、より好ましくは１．８倍以下である。これよりも大きな高さ／直径比を使用することができる。

ビレット又は他のワークピースは、例えば、その全体が参照により本明細書に含まれるＭｉｃｈａｌｕｋらの米国特許第６，３４８，１１３号明細書に記載されている方法及び技術によって形成することができる。

インゴット由来予備成形体に関して言えば、当該予備成形体は、任意の純度、任意の結晶粒サイズ及び／又は任意の集合組織（texture）を有することができる。インゴット由来予備成形体は、好ましくは、存在する主要な金属 (primary metal) に関して９５％を超える純度、より好ましくは存在する主要金属の純度に関して９９％、９９．５％、９９．９％、９９．９５％、９９．９９％、９９．９９５％、９９．９９９％以上の純度を有する。この金属に関して言えば、スパッタリングすることが出来る限り、任意の金属を使用することができる。ＢＣＣタイプの金属若しくはＦＣＣタイプの金属又はそれらの合金を使用することができる。例としては、耐熱金属、バルブ金属、並びに他のタイプの金属が挙げられるが、これらに限定されない。具体例としては、タンタル、ニオブ、チタン、コバルト、銅、アルミニウム、金、銀、ニッケル、白金、ハフニウム、ジルコニウム、パラジウム、バナジウム、イリジウム、モリブデン、タングステン、鉄及びそれらの合金などが挙げられるが、これらに限定されない。

上述のとおり、インゴット由来予備成形体は、任意の平均結晶粒サイズを有することができる。平均結晶粒サイズの例としては、１，０００μｍ以下、より好ましくは５００μｍ以下が挙げられる。他の範囲としては、２５０μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、７５μｍ以下、５０μｍ以下、２５μｍ以下、１０μｍ以下、及び約１μｍ〜約１，０００μｍの他の任意の数値範囲が挙げられるが、これらに限定されない。集合組織に関して言えば、本発明においては、任意の結晶配向のものを使用することができる。例としては、主要な集合組織単独のものと複数の集合組織が混在したものが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、集合組織は、立方晶系金属の場合、（１１１）の集合組織（(111) texture）（又は結晶配向）、（１００）の集合組織 ((100)
texture)、（１１０）の集合組織 ((110) texture)、又はこれらの集合組織が混在したものであることができる。同様に、チタンなどの六方晶系金属の場合、集合組織は、（０００２）の集合組織 ((0002) texture)、（1, 0, -1, 2）の集合組織((1, 0, -1, 2) texture)、（1, 0, -1, 0）の集合組織 ((1, 0, -1, 0) texture)、又はこれらの集合組織が混在したものであることができる。集合組織は、インゴット由来予備成形体の全体に亘ったもの及び／又はその表面上のものであることができる。集合組織は均一であることが好ましいが、均一である必要はない。同様に、好ましくはしかし必要ではないが、立方晶系金属の集合組織は、集合組織に帯（banding）が全くなくてよい。例えば、インゴット由来予備成形体は、集合組織に、実質的に（１００）の集合組織の帯がなくてもよい。

本発明では、インゴット由来予備成形体は回転・軸鍛造にさらされる。この回転・軸鍛造は揺動鍛造としても公知である。回転・軸鍛造は、密閉型ダイスを使って行うことが好ましい。任意の回転・軸鍛造用の機械を使用することができる。例としては、米国ミシガン州、アーバンヒルズのＶＳＩ
Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（ＶＳＩＯＦＰ−１００）、ドイツ国、ドルトムントのＷａｇｎｅｒＢａｎｎｉｎｇ（ＡＧＷ−１２５又はＡＧＷ−４００）、スイス国のＳｃｈｍｉｄ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＭｏｄｅｌＴ６３０又はＴ２００）から商業的に入手可能な回転・軸鍛造用機械が挙げられるが、これらに限定されない。加えて、回転・軸鍛造用機械は、米国特許第４，３１３，３３２号明細書、同第４，７９５，３３３号明細書、及び同第５，５３１，０８８号明細書においてさらに記載されており、これらの特許はすべて参照により全体として本明細書に含まれる。また、回転鍛造又は軸方向鍛造の種々の態様が、Ｓｈｉｖｐｕｒｉ，Ｒ．及びＪ．Ｍａｔｅｒの「Ｐａｓｔ
ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓａｎｄＦｕｔｕｒｅＴｒｅｎｄｓｉｎｔｈｅＲｏｔａｒｙｏｒＯｒｂｉｔａｌＦｏｒｇｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ」，Ｓｈａｐｉｎｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌ．６，（１）１９８８，５５−７１頁；Ｈｏｎｅｇｇｅｒ，Ｈ．Ｒ．の「ＴｈｅＰｕｓｈＴｏｗａｒｄＯｒｂｉｔａｌＦｏｒｇｉｎｇ」，Ａｍ．Ｍａｃｈ．１２６，（１１）Ｎｏｖ．１９８２，１４２−１４４頁；Ｆａｃｃｉｎｉ，Ｅ．Ｃ．の「Ｏｂｉｔａｌ
ＦｏｒｇｉｎｇｏｆＨｅａｖｙＭｅｔａｌＥＦＰＬｉｎｅｒｓ」，ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ；ＴＭＳ，Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅの「ＨｉｇｈＳｔｒａｉｎ
ＲａｔｅＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＲｅｆｒａｃｔｏｒｙＭｅｔａｌｓａｎｄＡｌｌｏｙｓ」，ＰＡ，１１１（１９９２）；Ｓｔａｎｄｒｉｎｇ，Ｐ．Ｍ．及びＭｏｏｎ，Ｊ．Ｒ．の「Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ
ＡｓｐｅｃｔｓｏｆＲｏｔａｒｙＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎｇ」，ＲｏｔａｒｙＭｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｅｓ，１９７９，１５７−１７０頁，ＩＦＳ（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ）Ｌｔｄ
ａｎｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＮｏｔｔｉｎｇｈａｍ，Ｎｏｖ．１９７９；Ｊ．Ｍａｔｅｒの「Ｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ｏｆｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｉｎｂｕｌｋｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」，Ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，第１１３巻，Ｎｏ．１−３，２００１／Ｊｕｎ
４０−４５頁；Ｒ．Ｅ．Ｌｉｔｔｌｅ及びＲ．Ｂｅｙｅｒの「Ｌｏａｄ−ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｄｕｒｉｎｇＵｐｓｅｔｔｉｎｇｂｙＲｏｔａｒｙ
Ｆｏｒｇｉｎｇ」，ＲｏｔａｒｙＭｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｅｓ，１９７９，１５７−１７０頁，ＩＦＳ（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ）ＬｔｄａｎｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆＮｏｔｔｉｎｇｈａｍ，Ｎｏｖ．１９７９；Ｋ．Ｋｕｂｏ及びＹ．Ｈｉｒａｉの「ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ
ＢｉｌｌｅｔｉｎＵｐｓｅｔｔｉｎｇｂｙａＲｏｔａｒｙＦｏｒｇｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ」，ＲｏｔａｒｙＭｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｅｓ，１９７９，１５７−１７０頁，ＩＦＳ（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ）Ｌｔｄ
ａｎｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＮｏｔｔｉｎｇｈａｍ，Ｎｏｖ．１９７９；Ｊ．Ｒ．Ｍａｉｃｋｉの「ＯｒｂｉｔａｌＦｏｒｇｉｎｇ」，Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉａａｎｄ
ＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎｇ，Ｊｕｎｅ，１９７７，２６５−２６９頁においてさらに記載されており、これらすべての文献もまたその参照により全体として本明細書に含まれる。

回転・軸鍛造の操作に関して言えば、回転・軸鍛造によって加えられる圧力又は力の量は、約５０トン〜約７００トン（又はそれ以上）、より好ましくは約２００トン〜６３０トンであることができる。一般に、インゴット由来予備成形体は、揺動鍛造工程の際、約３０ｒｐｍ〜約１２０ｒｐｍ（又はそれ以上）、より好ましくは約５０ｒｐｍ〜約８０ｒｐｍの速度で回転している。鍛造操作の間にインゴット由来予備成形体に実際に接触す定盤 (platen)である上部定盤を有する回転・軸鍛造用機械は、揺動鍛造工程の際、好ましくは３０ｒｐｍ〜約３００ｒｐｍ、より好ましくは約１００ｒｐｍ〜約２４０ｒｐｍの速度で回転する。一般に、鍛造工程の際、インゴット由来予備成形体の温度は、約−１９６℃〜約１０００℃、より好ましくは約２０℃〜約３５０℃の温度である。

ダイスがビレットに接する接触面積及び鍛造される材料の降伏強さは、スパッタリングターゲットを製造するのに必要な回転鍛造機のサイズを決定する要因である。揺動鍛造における接触面積は、式：Ａ＝πＲ²（０．４８ｈ／（２Ｒｔａｎ（α））^0.63（式中、Ａは接触面積、Ｒはビレットの半径、ｈはフィード／回転数の深さ、αは上部ダイスとビレット面との間の傾斜角である）を用いて計算することができる。半径Ｒのスパッタリングターゲットを形成するのに回転鍛造プレスに要求される力（Ｆ）は、式：Ｆ＝ＡＹＣ（式中、Ｙは金属ビレット材料の流動応力、Ｃは拘束係数である）で与えられる。この拘束係数と材料の降伏強さの積は、回転鍛造プロセスのダイスの摩擦力を考慮した有効降伏強さとみなすことができる。

回転・軸鍛造の工程の際、インゴット由来予備成形体は、数秒、例えば、１分以下、より好ましくは３０秒以下の時間でスパッタリングターゲットの所望の形状及びサイズまで小さくすることができ、言うまでもないが、結果としてターゲットの形成時間を大きく短縮することができる。

回転・軸鍛造の工程においては、好ましくは、所望のスパッタリングターゲットの形状及びサイズを有する密閉型ダイスが使用される。実質的には、このダイス又は型によってインゴット由来予備成形体をスパッタリングターゲットの正確な所望の形状及びサイズに変形させることができ、結果として、スパッタリングターゲットの直径における変動に関し、完成品において非常に小さな変動が得られる。一般に、本発明を用いることで、ターゲットの周囲に沿って見たときの直径における変動は５％以下である。

加えて、回転鍛造によって、スパッタリングターゲットの形状がスパッタリングターゲットの侵食パターンに適合するようスパッタリングターゲットを形成することが可能である。これによってスパッタリングターゲットの材料が節約でき、材料費が下がる。

密閉型ダイスは、任意の材料、例えば、工具用の鋼又は類似の材料から製造することができる。二硫化モリブデン又は類似の又は他のタイプの鍛造用潤滑剤を用いて鍛造の際の摩擦力を低減することができる。

本発明においては、回転・軸鍛造にさらされるインゴット由来予備成形体は、アニーリングしてもよいし又はアニーリングしなくてもよい。好ましくは、インゴット由来予備成形体はアニーリングされる。より好ましくは、タンタルの場合、インゴット由来予備成形体は、約９００℃〜約１２００℃の温度で約６０分〜約２４０分間、好ましくは真空又は不活性雰囲気下でアニーリングされる。インゴット製品又は金属製品はコーティングすることもできる。他の温度及び／又は時間を用いることもできる。アニーリングは何回でも使用することができる。

本発明において鍛造されるインゴット由来予備成形体のサイズは、スパッタリングターゲットの所望の仕上げサイズに典型的に基づいている。換言すると、スパッタリングターゲットのサイズが分かれば、そのスパッタリングターゲットの金属の体積を容易に決定することができ、次に、出発材料のインゴット由来予備成形体が完成したスパッタリングターゲットと実質的に同じ体積を有するように、出発材料のインゴット由来予備成形体の適切な直径及び高さを決定することができる。インゴット由来予備成形体の高さは、好ましくはインゴット由来予備成形体の直径の約３倍以下である。より好ましくは、その高さはインゴット由来予備成形体の直径の１．８倍に近いか又は１．８倍である。一般的に、その高さは３倍を超えることはなく、超えることもあるがそれは好ましくない。

スパッタリングターゲットの最終的な形状又はサイズは、任意のサイズ、例えば、６インチ〜１８インチのような通常のサイズであることができ、高さは約０．１２５〜約１インチである。

一つのオプションとして、回転・軸鍛造の工程の前に、インゴット由来予備成形体は、最初の熱機械的な加工又は変形工程にさらすことができる。本発明においては、インゴット由来予備成形体は、このような先行する熱機械加工にさらすことが好ましく、この加工は、任意の加工手段（好ましくは揺動鍛造以外）、例えば、回転鍛造、ハンマー鍛造、据込み鍛造、圧延、クロス圧延、押出しなどの形態であることができる。実質的には、インゴット由来予備成形体が、回転・軸鍛造のために、円筒形に戻されさえすれば、材料を熱機械的に加工する任意の手段を使用することができる。したがって、インゴット由来予備成形体は、１つの実施態様では、本発明の好ましい実施態様のために続いて円筒形に戻されさえすれば、任意の幾何学的形状に圧延することができる。インゴット由来予備成形体の、上述の熱機械的な加工又は変形により、好ましくは当該予備成形体の結晶粒サイズ及び／又は集合組織が改善される。さらに、この先行の熱機械加工を行うことで、特定の回転・軸鍛造用機械による加工を受けるのに必要なサイズ及び／又は形状を有する予備成形体を得ることができる。例えば、約３インチ〜約１４インチの範囲の直径を有するビレットは、鍛造などの最初の熱機械加工を受けて、直径を最初の出発材料の直径の少なくとも５％、より好ましくは少なくとも５０％、さらにより好ましくは少なくとも１００％低減することができる。サイズにおけるこのような変形及び低減は、必要であれば１００％を大きく超えることもできる。予備成形体の加工は、冷間加工若しくは熱間加工又はそれらの組み合わせであることができる。ビレットは、再度加工して元の直径に戻すことができる。

本発明の目的を達成するためには、回転・軸鍛造の工程の前に、先行の熱機械加工を２回以上実施してもよい。回転・軸鍛造の前の加工工程は、予備成形体の所望の比率の変形又は他の熱機械加工を達成するために何回実施してもよい。

本発明の別の実施態様においては、回転・軸鍛造は段階的に実施することができる。例えば、回転・軸鍛造の装置が自由形状の全体を鍛造するのに十分なトン数を有していない場合には、揺動鍛造を複数の工程で実施できるように、下部ダイスを半径方向へ移動させることができる。例えば、プレートの内側部分は、機械のトン数限界までの揺動鍛造により形成することができ、この場合、その内側部分は部品の最終半径よりも小さい半径を有する。したがって、直径１３インチのプレートを形成したいのであれば、上部と下部のダイスの中心を合わせて、まず、８インチのプレートを形成することができる。次いで、それまでに鍛造されていない予備成形体の部分へ上部定盤を移動させることによって、予備成形体の外側部分を同じようにして鍛造することができる。別の方法又は組み合わせの方法では、予備成形体が乗っている下部平盤を、それまでに鍛造されていない領域を鍛造するために、上部平盤と並ぶように移動させることができる。したがって、この方法により、揺動鍛造の１つの工程で予め鍛造できなかった大きな予備成形体の全体を、好ましくは連続して行われる２つ以上の工程において揺動鍛造により鍛造することができる。したがって、予備成形体全体を均一に鍛造して、材料、例えば、スパッタリングターゲットの形態の材料の所望の形状及び最終厚さを達成するために、ダイス又は上部定盤を単に移動させるか又は下部定盤を移動させる。例えば、直径１３インチのプレートを形成するには、上部と下部のダイスの中心を合せて、まず、当初８インチのプレートを鍛造することができる。このとき、内側の直径８インチの部分は最終厚さ付近まで成形されているが、ビレット又は予備成形体の外側部分は成形されていない。次いで、下部ダイスを第１回目のプレスの半径長だけ移動させることができ、この例では、その移動値は４インチである。次いで、第２回目の揺動鍛造プレスを実施して中心から離れた部分を形成することができる。このプレスによって外側部分を最終直径の１３インチに成形する。この２工程の方法によって揺動鍛造に必要な最大力が低下する。この複数工程の方法は、使用される揺動鍛造プレスから利用できる力のみを使用しながら、何度でも繰り返してさらにより大きな直径のプレートを形成することができる。この複数工程の方法は多くの利点を提供する。別の方法では、中心から離れた部分で始めて中心部分に向かってプレスして１つ又は複数の工程でプレスして行くか、又はまず中心部分に近い部分で始めて外側に向かってプレスして１つ又は複数の工程でプレスして行くことができる。

回転・軸鍛造の工程の後、他の通常の工程を何度でもスパッタリングターゲットに実施することができる。例えば、次いで、スパッタリングターゲットは、任意選択のアニーリング工程について上記したのと類似のアニーリングパラメータを用いて何回でもアニーリングすることができる。

また、スパッタリングターゲットは、オプションとして、さらなる任意の熱機械加工工程、例えば、圧延工程、平坦化工程、又は他の熱機械加工、例えば、引抜き、ハイドロフォーミング、超塑性成形、スピニング若しくはフロー成形又は熱機械加工の任意の組み合わせを受けることができる。

さらに、スパッタリングターゲットは、オプションとして、所望の仕様を得るために、機械加工、研削、ラッピング、ミリング又は研磨を受けることができる。

所望のスパッタリングターゲットが得られると、次いで、スパッタリングターゲットを支持層又は支持プレート(backing
plate)に取り付けてターゲットの組み立てを完了する。スパッタリングターゲットの支持プレートへの取付けは、拡散接合、摩擦ろう付け、摩擦溶接、爆着、はんだ付けなどの任意の取り付け手段によって行うことができる。一つのオプションとして、少なくとも１つの中間層をスパッタリングターゲットと支持層の間に配置することができ、当該中間層は、ターゲットアセンブリを取り付ける前に、ターゲット又は支持プレート又はその両方に取り付けてもよい。支持プレートは、任意の通常の材料、例えば、銅、アルミニウム、チタン又はそれらの合金であることができる。

先に示したとおり、スパッタリングターゲットの少なくとも一方の表面は、所望の特性及び許容差を得るために機械加工することができる。

本発明で得られるスパッタリングターゲットに関して言えば、１つの実施態様では、スパッタリングターゲットは、その結晶粒サイズパターンが、ターゲットの中心を囲む放射及び円周方向の規則的パターン（continuous radial-circumferential pattern）を有することが好ましい。したがって、結晶粒サイズパターンは、それがターゲットの中心を囲む円形状であって、かつ、ターゲットの外周に向かって放射状に広がっている点で特有のものである。実質的には、この結晶粒サイズパターンは、放射状に広がるパターンと円周方向に沿ったパターンが混在したものである。結晶粒サイズパターンのこの特有の混在を有する本発明の１つの実施態様におけるスパッタリングターゲットは、特にその円形状のパターンがスパッタリング装置における磁石の円形状パターンとよく適合することができるので、均一なスパッタリングを可能にすると言う特有の特性を提供する。したがって、このスパッタリングターゲットは、基材上により均一な薄膜を提供するだけでなく、均一にスパッタリングが起こり又は侵食されるので、スパッタリングターゲットのより効率的かつ完全な使用ができる。同様に、スパッタリングターゲットは、同じ実施態様又は別の実施態様では、その結晶構造パターンが放射及び円周方向の規則的パターン (continuous radial-circumferential pattern)（本明細書中では、「放射・円形方向規則的パターン」と呼称する。）を有することができる。この結晶構造は、上述のとおり、任意の集合組織を有することができる。さらに、集合組織におけるこのような好ましい放射・円形方向規則的パターンは、好ましい実施態様において、所望の基材上に均一な薄膜を形成するのみならず均一に侵食されるより均一なターゲットを提供する。

本発明の目的を達成するためには、本発明の方法から得られるスパッタリングターゲットは、出発材料のインゴット由来予備成形体と同じか又は異なる集合組織及び／又は結晶粒サイズを有することができる。したがって、予備成形体について先に具体的に示した結晶粒サイズ、集合組織及び純度に関しては、これらのパラメータは、完成したスパッタリングターゲットにおいても同様に存在することができる。

本発明の１つの実施態様では、スパッタリングターゲットは望ましい金属組織学的構造を有する。例えば、ターゲットの結晶学的特徴に注目したときの集合組織 (crystallographic texture) は、ターゲットの厚さ方向の全体に亘って主要な集合組織が変化する集合組織 (transitional primary texture) （以下、「変化型主要集合組織」と呼称する。）であることができる。例えば、ターゲットの一方の端部（例えば、ターゲットの上側部分）は（１１０）の主要な集合組織を有することができ、ターゲットのもう一方の端部（例えば、ターゲットの下側部分）は（１１１）の主要な集合組織を有することができる。ターゲットの厚さ方向の全体に亘って主要な集合組織がこのように変化 (shifting) することは、スパッタリングの目的を達成するために非常に有利な場合がある。この実施態様の有利な特性を別の言い方で説明すると、ターゲットがその厚さ方向の全体に亘って集合組織の勾配を有しており、より顕著に現れる集合組織 (stronger texture) がターゲットの幾つかの場所に存在しているということである。このような変化型主要集合組織又は集合組織の勾配は、スパッタリングにおいて、ターゲットが侵食されるにつれてスパッタリング速度が変化するのを補償するのに非常に有利である。本発明の方法は、他の金属加工プロセスでは観測されない特有の集合組織を生成する。本発明の少なくとも１つの実施態様では、本発明は、ターゲット又は金属製品の厚さ方向の全体に亘ってほぼ線形的な集合組織の勾配を作り出し、これはスパッタリングターゲットにスパッタ侵食の跡が生成するのと共に生じるスパッタリング速度の自然な変化を補償するのに利用できる。ターゲットがスパッタリングされるにつれてターゲットの表面積が増大するので、ターゲットのスパッタリング速度は、スパッタリング時間の経過とともに一定の率で低下する傾向がある。このようにスパッタリングされる面積が増大すると、加えた電力の単位面積当たりの効果が低下し、有効スパッタリング速度が低下する。この効果は、スパッタリングターゲットが侵食されるにつれて、スパッタリングターゲットに加えられる電力を徐々に増大することにより通常補償される。本発明では、スパッタリングターゲットに集合組織の勾配の制御又は変化型主要集合組織を導入することにより、スパッタリングターゲットを、（１１１）の集合組織などのスパッタリング速度の高い集合組織から（１１０）の集合組織などのスパッタリング速度がより高い配向にシフトさせて、より低い有効電力密度を補償することができる。この集合組織の勾配の例は、図６〜８を含む例においてさらに示される。

本発明の目的を達成するために、変化型主要集合組織は、主要な集合組織の任意の変化であることができる。例えば、ターゲットの厚さ方向の全体に関して、ターゲットの一部、例えば、ターゲットの上部又は下部、より詳しくは、例えば、上半分又は下半分は、（１１１）、（１００）、（１１０）などの主要な集合組織（例えば、集合組織全体の５０％を超える集合組織又は集合組織の全体の中で最大の％比率で存在する集合組織）又はこれらの組織の２種以上が混在したものであることができる。ターゲット又は金属製品の残りの部分は異なる主要な集合組織である。したがって、例として、ターゲットの一部が（１１１）の主要な集合組織を有し、ターゲットの残りの部分が（１００）の主要な集合組織を有することができる。別の実施態様では、ターゲットの一部が（１１１）の主要な集合組織を有し、ターゲットの残りの部分が（１１０）の主要な集合組織を有することができる。本発明の別の実施態様では、ターゲットの一部が（１００）の主要な集合組織を有し、ターゲットの残りの部分が（１１０）の主要な集合組織を有することができる。本発明のさらなる実施態様では、ターゲットの一部が（１００）の主要な集合組織を有し、ターゲットの残りの部分が（１１１）の主要な集合組織を有することができる。実質的には、変化する主要な集合組織の任意の組み合わせを達成することができる。それぞれの主要な集合組織を含有する「部分」又は「一部」は、ターゲット又は金属製品の上部／底部の厚さ方向の全体の１０％〜９０％であることができ、より好ましくは厚さ方向の全体の２５％〜７５％又は３５％〜６０％である。例えば、厚さ１４ｍｍのターゲットにおいて、上部から出発して最初の５〜６ｍｍの厚さ（厚さの約４０％）が（１１１）の主要な集合組織であり、残りの厚さが（１１０）の主要な集合組織であることができる。さらに、本発明の別の実施態様では、集合組織は主要な集合組織の単独から混合型集合組織に変化することができる。例えば、ターゲットの一部が（１１１）の主要な集合組織を有し、残りの部分が（１１１）：（１００）の混合型集合組織又は（１１０）：（１００）の混合型集合組織などを有することができる。好ましくは、最初にスパッタリングにさらされる集合組織は、後からスパッタリングされるターゲットの部分であって、好ましくはより高いスパッタリング速度を有するターゲットの部分よりもスパッタリング速度の低い集合組織を有する集合組織である。さらなる例として、ターゲット又は金属製品の集合組織の勾配は、（１１１）面又は（１１１）の集合組織について、−１％／ｍｍから−１０％／ｍｍまで以上の範囲を有することができる。集合組織の好適な勾配の他の例としては、（１１１）面又は（１１１）の集合組織について、−２．５％／ｍｍから−５．０％／ｍｍの範囲のものを含むことができる。このような集合組織の負の勾配は、集合組織をターゲットの深さ方向にミリメートル単位で測定したときに、（１１１）の集合組織がターゲットの厚さ方向の上部においてより支配的又は主要なものであり、この（１１１）の集合組織の優位性が、線形的又はほぼ線形的に低下することをこのマイナスのサインが示していることを意味する。したがって、−２．０％／ｍｍは、（１１１）の主要な集合組織がターゲットの厚さ方向に１ｍｍ当たり平均して約２％減少することを意味し、従って、ターゲットの厚さが１４ｍｍの場合、（１１１）の主要な集合組織が、同じターゲットの上部表面から底部表面までに約２４％減少することを意味する。同様に、集合組織の勾配は、同じターゲットの（１１０）の集合組織に存在していてもよく、同じ上部表面から始まる集合組織の勾配は１％／ｍｍ〜１０％／ｍｍであり、これは、集合組織がターゲットの上部表面では当初はより少ない（lower）が、ターゲット全体を通じてターゲットの底部に到達するまでに線形的又はほぼ線形的に徐々に増大することを意味している。（１１０）についての他の集合組織の勾配としては、ターゲット又は金属製品の厚さ方向の全体に亘って約１％／ｍｍ〜約７％／ｍｍ又は約１％／ｍｍ〜約５％／ｍｍ又は約１％／ｍｍ〜約４％／ｍｍを挙げることができる。同様な勾配は（１００）の集合組織に存在してもよい。他の結晶配向を有するもの、例えば、ＦＣＣ系金属については、種々の集合組織についての配向において類似の変化を達成することができる。本発明は、線形的又はほぼ線形的な集合組織の勾配を有するターゲット又は金属製品中に存在する少なくとも１つの集合組織に関するものであり、この場合、ほぼ線形的とは、一般に、線形関係の１０％又は２５％以内などの誤差範囲内で以って一貫してターゲットの厚さ方向の全体にわたり集合組織が一貫してほぼ増大又は減少することを意味する。

（１１１）について上述した集合組織の種々の勾配は、（１００）又は（１１０）にも等しく当てはまる。同様に、（１１１）に関しての集合組織の勾配についての記載内容は、（１１０）又は（１００）にも等しく当てはまる。（１１１）及び（１００）に関する上述の例によって与えられた集合組織の勾配に当てはまる１つの実施態様では、（１００）の集合組織の勾配は、約０％／ｍｍ〜約５％／ｍｍであることができ、他の範囲としては、ターゲットの厚さ方向の全体に亘って約０．５％／ｍｍ〜約３％／ｍｍ又は約０．５％／ｍｍ〜約２％／ｍｍが挙げられる。集合組織の勾配がより小さいことは、集合組織が厚さ方向の全体にわたって実質的に同じままであることを一般に意味する。本発明の１つの実施態様では、（１００）の集合組織の勾配は小さく、例えば３％／ｍｍ未満であり、これは（１００）の集合組織が一般にターゲットの厚さ方向の全体にわたってほぼ同じであることを示している。さらに、集合組織の勾配がこのように小さいことは、ターゲットにおいて望まれる集合組織の勾配のタイプに応じて、（１１１）又は（１１０）にも等しく当てはまる。本発明の１つの好ましい実施態様では、（１１１）の集合組織についての集合組織の勾配は負の集合組織の勾配であり、（１１０）の集合組織の勾配は正の集合組織の勾配であり、（１００）の集合組織の勾配はゼロに近い集合組織の勾配、例えば、３％／ｍｍ以下の集合組織の勾配である。本発明の別の実施態様では、ターゲット又は金属製品は、１つ又は複数の集合組織において正の集合組織の勾配のものを少なくとも一つ有し及び／又は１つ又は複数の集合組織において負の集合組織の勾配のものを少なくとも一つ有し及び／又は１つ又は複数の集合組織においてゼロ又はゼロに近い集合組織の勾配のものを有することができる。厚さ方向の全体に亘っての結晶粒サイズの変化が非常に小さく、例えば、ターゲットの厚さ方向の全体にわたる平均結晶粒サイズが±５０μｍを超えて変化せず、より好ましくは±２５μｍを超えて変化しないと同時に、集合組織の勾配又は徐変型主要集合組織の種々の任意の組み合わせが存在してもよい。言い換えれば、２ｍｍの深さで測定した平均結晶粒サイズが約２５μｍであれば、ターゲットの深さ方向の全体にわたる平均結晶粒サイズは７５μｍを超えず、好ましくは５０μｍを超えない。ターゲットの厚さ方向の全体にわたる平均結晶粒サイズのこの一貫した範囲は、均一なスパッタリング速度と膜厚形成の観点からも有利である。結晶粒サイズの変化が小さい１つの例は、実施例において図９に示す。

さらに、１つの実施態様では、スパッタリングターゲットは、直径における変動が、５％以下（例えば、４％、３％、２％又は１％以下）であることが好ましい。変動におけるこの制御は、スパッタリングターゲットの均一なスパッタリングと完全な侵食に関して非常に望ましい。

図面について言えば、図１は本発明の方法の一例を示し、図１Ａに示す出発材料のビレットは回転・軸鍛造を受けている。図１Ｂと１Ｃに示すように、スパッタリングターゲットの所望の直径を形成するために、上部ダイスを出発材料のビレットに軸方向の力として適用して金属材料の流動を起こさせる。図２Ａは、この実施態様において、異なるタイプのデザインを有する上部ダイスの形態が適用される出発材料のビレットを示している。軸方向の力が出発材料のビレットに加えられて金属材料の流動を起こさせる。出発材料のビレット又はワークピースは、図２Ｃに示す完成品ターゲットの最終形態を制御するために、少なくとも部分的に下部ダイスに配置される。図３は、出発材料のビレットが先の鍛造工程を受けてその直径が減少し、次いで第２の鍛造工程を受けて直径が増す１つの実施態様の流れ図を示している。次いで、ワークピース又は予備成形体は、回転・軸鍛造の工程を受けて直径を１８．５インチまで大きくされる。その後、実質的に所望のスパッタリングターゲットの形状にあるこのピースは、次いで真空アニーリングを受け、支持プレートに取り付けることができ、次いで最後の機械加工を含む最後の処理工程を受ける。図４は、１０５０℃でのアニーリング後、揺動鍛造されたタンタル製プレートの断面のEBSDマップ（後方散乱電子回折によるマップ）を示している。この図において、結晶粒の（１１１）面がターゲット面に平行となる結晶粒は青色に着色し（図中、最も暗く着色した領域）、結晶粒の（１１０）面がターゲット面に平行となる結晶粒は緑色に着色し（図中、最も明るく着色した領域）、結晶粒の（１００）面がターゲット面に平行となる結晶粒は赤色に着色している（実質的に、２つのスポットとして｛１１１｝極点図にのみ存在している）。ターゲット全体に亘る集合組織の勾配が容易に分かる。図５は、この材料のＥＢＳＤ極点図を与えている。

本発明は以下の実施例によってさらに明らかにされるであろう。なお、これらの実施例は、本発明の例示であることを意図するものである。

表１は、スパッタリングターゲットの製造において使用する高純度タンタルを回転鍛造するのに用いられる実験条件をまとめたものである。これらの実験条件は、直径が約１１インチのタンタル製プレートを製造するのに用いた。商業用スパッタリングターゲットの場合、直径１３〜１８インチのタンタルの未加工品が有用である。これらのより大きな直径のプレートに必要とされる力の計算値を表１の下部に与える。表１において、試料１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂは、アニーリングの後、真空中１０５０℃で２時間揺動鍛造した。試料１Ａ及び１Ｂは、押出し後、アニーリングして１１インチのインゴットから３．５４インチのビレットにし５．９インチの長さにした。試料３Ａ及び３Ｂも１Ａと同様に押出したが、アニーリングは行わなかった。試料２Ａ及び２Ｂは、回転鍛造して１１インチのインゴットから３．５４インチのビレットにし５．９インチの長さにし、回転鍛造した後、検討しようにアニーリングした。試料４Ａ及び４Ｂも回転鍛造したがアニーリングは行わなかった。

回転式密閉型ダイス鍛造 (rotary closed die forging) によって製作したタンタル製スパッタリングターゲットの１つを金属学的構造について分析した。表１に試料２Ｂとして表示したこの材料は、平均結晶粒サイズが３６μｍであり、厚さ０．５インチのプレートの上部から底部まで１０μｍの範囲内で均一であった。このプレートの結晶学的特徴に注目したときの集合組織 (crystallographic texture) （以下、「結晶学的集合組織」と呼称する。）は、平均して（１１１）が約４５％、（１１０）が約２０％、（１００）が約３５％であった。プレートの底部付近では（１１１）の結晶学的集合組織は約８０％であり、プレートの上部表面付近で２０％近くまで減少していた。この集合組織の勾配は、この集合組織の勾配を用いてスパッタリングターゲットの連続的な侵食とともに起こるスパッタリング速度の典型的な低下を補償することにより、この集合組織の勾配をスパッタリングターゲットの設計に利用することができる。ターゲットの背面の方にターゲットのスパッタリング速度がより高い集合組織を配置することによって、スパッタリング速度の通常の低下を低減することができる。

図６は、揺動鍛造されたタンタル製プレートにおいて見出される結晶学的集合組織の勾配を与えている。（１１１）面についての集合組織の勾配は、このデータセットでは−３．８％／ｍｍ〜−４．９％／ｍｍである。グラフ左側の高い％（１１１）(high %(111)) は、下部ダイスに隣接しているタンタル試料の側に生じ、タンタル製ビレットとダイスは互いに位置を変えていない。グラフ右側の低い％（１１１）(low %(111)) は、回転しているダイスと接触して高いせん断力を受けている試料面に対応している。

図７は、結晶学的集合組織についての％（１１０）に関する類似の一連の曲線を示している。この場合、％（１１０）の集合組織は、左側から右側へ進むにつれて徐々に増大しており、これはタンタルプレートの下部固定ダイスの接触面から上部回転ダイスの接触面への移動に対応している。この場合、集合組織の勾配は、固定ダイスの接触面から回転ダイスの接触面へ移動するにつれて１％／ｍｍ〜４．１％／ｍｍである。

図８は、揺動鍛造されたタンタル製プレートにおける（１００）の集合組織の成分についての厚さ方向の集合組織の変化を％で与えている。％で表示した（１００）の集合組織の勾配は３％／ｍｍ〜０，７％／ｍｍであった。（１００）の集合組織の成分の勾配は（１１１）と（１００）の集合組織の成分の勾配よりも小さくなる傾向がある。

揺動鍛造されたタンタル製プレートの厚さ方向の結晶粒サイズの変化が図９に示されている。結晶粒サイズは、揺動鍛造されたタンタルにおいて厚さ方向に僅かな勾配のみを示している。平均結晶粒サイズは２５〜５０μｍであり、結晶粒サイズはタンタル製ビレットに対して固定されている下部ダイス付近の材料部分において僅かに大きい。

表２は、本願において記載された４つのタンタル製試料に関する集合組織の勾配と結晶粒サイズの測定結果の要約を与えている。

出願人は、特に、本願に記載したすべての引用文献の内容全体を援用するものである。さらに、量、濃度又は他の値若しくはパラメータが、範囲、好ましい範囲又は好ましい高い値と好ましい低い値のリストとして与えられた場合、これは、範囲が別個に開示されているかどうかにかかわらず、範囲の上限値又は好ましい値と範囲の下限値又は好ましい値の対から形成されるすべての範囲を具体的に開示していると解すべきである。数値の範囲が本願に挙げられたときは、特に断らない限り、その範囲は、その端点及びその範囲内のすべての整数と分数を含むものとする。本発明の範囲は、範囲を規定するときに挙げられた特定の値に限定することを意図するものではない。

本発明の他の実施態様は、本明細書を考慮し、本明細書に開示される本発明を実施することにより当業者に明らかであろう。本明細書及び例は単に例示的なものとみなされ、本発明の真の範囲及び趣旨は、特許請求の範囲及びそれと同等なものによって示されるものである。

図１（A）〜図１（C）は、それぞれ、ビレットを回転・軸鍛造でもってスパッタリングターゲットへ加工する際の一般的な加工を示す分解側面図である。図２（A）〜図２（C）は、それぞれ、ボトムダイスを用いた出発材料のビレットの回転・軸鍛造を示す分解側面図である。図３は、本発明の１つの実施態様を用いてスパッタリングターゲットを段階的に形成する一連のプロセスを示す側面図のフローチャートである。図４は、回転・軸鍛造されたタンタル製スパッタリングターゲット材の結晶粒の構造及び配向を示す断面のＥＢＳＤによる図である。図５は、回転・軸鍛造されたタンタル製スパッタリングターゲット材について得られたＥＢＳＤによる極点図である。図６は、試料の厚さ方向の全体に亘る（１１１）の集合組織の割合（％）の勾配を示すグラフである。図７は、試料の厚さ方向の全体に亘る（１１０）の集合組織の割合（％）の勾配を示すグラフである。図８は、試料の厚さ方向の全体に亘る（１００）の集合組織の割合（％）の勾配を示すグラフである。図９は、試料の厚さ方向の全体に亘る平均結晶粒サイズを示すグラフである。