JP2010065252A - 微細結晶粒銅材料の製造方法、微細結晶粒銅材料及びスパッタリングターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】高純度銅や低濃度銅合金からなり、結晶粒が微細化されるとともに熱的に安定した微細結晶粒銅材料を低コストで製造することが可能な微細結晶粒銅材料の製造方法、この製造方法によって製造される微細結晶粒銅材料、並びに、この微細結晶粒銅材料からなるスパッタリングターゲットを提供する。
【解決手段】高純度銅または低濃度銅合金からなる銅素材１に対して、異なる方向からそれぞれ圧縮加工を施す多軸鍛造加工処理を行い、結晶粒が微細化された銅材料を製出する微細結晶粒銅材料の製造方法であって、前記多軸鍛造加工処理における１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１が、銅素材１において動的再結晶が少なくとも部分的に発生する温度であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高純度銅または低濃度銅合金からなり、その結晶粒が微細化された銅材料を製出する微細結晶粒銅材料の製造方法及びこの製造方法によって製造される微細結晶粒銅材料、並びに、この微細結晶粒銅材料からなるスパッタリングターゲットに関するものである。

従来、ＩＣ、ＬＳＩ等の集積回路を構成する回路基板上に配線を形成する方法としてスパッタ法を利用したものが提案されている。ここで、スパッタ法においては、使用されるスパッタリングターゲットの結晶粒径が問題となる。すなわち、スパッタリングターゲットの結晶粒が粗大であると、その表面の凹凸が大きくなり、スパッタ時にシャドウイングが発生し、均一な薄膜を形成することができなくなってしまうのである。
近年、集積回路の高集積化が進められており、これに伴って回路基板上の配線についても、サブミクロンオーダの極細線化が求められている。このような極細線化に対応するためには、スパッタリングターゲットの結晶粒を従来以上に微細化させてシャドウイングの発生を抑える必要がある。

また、配線を構成する材質としては、電気抵抗値を低く抑えるために、純度が９９．９９％以上とされた高純度銅や添加元素が０．１質量％以下含有された低濃度銅合金が適している。しかしながら、前述の高純度銅や低濃度銅合金は、結晶粒が粗大化しやすい傾向にあり、サブミクロンオーダの極細線化に対応するスパッタリングターゲットを構成することは困難であった。
そこで、高純度銅や低濃度銅合金の結晶粒の微細化の手段として種々のものが提案されている。例えば、非特許文献１には、単軸高温鍛造による方法が開示されており、非特許文献２−４には、超強加工法による方法が開示されている。また、特許文献１には、超強加工と熱処理とを組み合わせた方法が開示されている。
W.Gao,A.Belyakov,H.Miura and T.Sakai, Materials Science and Engineering A,265,233-239(1999) 辻伸泰：鉄と鋼，88(2002)，359-369 A.Belyakov , K.Tsuzaki , H.Miura , T.Sakai:Acta Mater.,Vol. 51(2003),847-861 三浦博己、酒井拓：銅と銅合金，Vol.43(2004),56-60 特開２００７−３２７１１８号公報

ところで、非特許文献１に記載された方法においては、鍛造加工時の変形抵抗を高く設定しても平均結晶粒径は８０〜１００μｍ程度であって、これ以上の結晶粒の微細化は困難であった。
また、非特許文献２−４に記載された方法においては、平均結晶粒径を０．２μｍ程度まで微細化することが可能であるものの、内部に高い歪エネルギーを有しているため熱的安定性に欠けており、容易に再結晶して結晶粒が粗大化してしまう。このため、スパッタリングターゲットとして使用することはできなかった。
さらに、特許文献１に記載された方法では、平均結晶粒径が数μｍ程度まで微細化されるが、加工工程と熱処理工程とを複数回実施する必要があり、かつ、超強加工を実施するために大型の鍛造機が必要となり、汎用性に欠け、製造コストが大幅に上昇してしまうといった問題があった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、高純度銅や低濃度銅合金からなり、結晶粒が微細化されるとともに熱的に安定した微細結晶粒銅材料を低コストで製造することが可能な微細結晶粒銅材料の製造方法、この製造方法によって製造される微細結晶粒銅材料、並びに、この微細結晶粒銅材料からなるスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明に係る微細結晶粒銅材料の製造方法は、高純度銅または低濃度銅合金からなる銅素材に対して、異なる方向からそれぞれ圧縮加工を施す多軸鍛造加工処理を行い、結晶粒が微細化された銅材料を製出する微細結晶粒銅材料の製造方法であって、前記多軸鍛造加工処理における１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１が、前記銅素材において動的再結晶が少なくとも部分的に発生する温度であることを特徴としている。

本発明に係る微細結晶粒銅材料の製造方法では、１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１が、前記銅素材において動的再結晶が少なくとも部分的に発生する温度とされているので、１パス目の圧縮加工で発生する動的再結晶及びこの動的再結晶による初期の結晶粒の分断により、動的再結晶が発生した部分の結晶粒が微細化される。このような圧縮加工を異なる方向から行うことによって、動的再結晶による微細化を銅素材の全体へと拡げることが可能となり、例えば平均結晶粒径が２０μｍ以下とされた微細結晶粒銅材料を製出することができる。

また、動的再結晶が発生する温度は、一般に純度と加工ひずみ量によって変化するものの、金属の融点Ｔｍに対して０．３×Ｔｍ〜０．６×Ｔｍ程度（いわゆる中間温度域）であるので、初期加工温度Ｔ１が比較的高温となり、１パス目の圧縮加工に必要な荷重を小さく抑えることができ、比較的小型の鍛造機で圧縮加工を行うことができる。
さらに、比較的高温での圧縮加工によって動的再結晶を発生させているので、結晶の内部に高い歪エネルギーが蓄積されることがなく、熱的に安定な微細結晶粒銅材料を製出することができる。

ここで、前記初期加工温度Ｔ１は、前記銅素材を前記圧縮加工と同一の圧縮率で単軸圧縮した際に加工軟化が発生する加工軟化温度Ｔｓに対して、Ｔｓ−５０℃≦Ｔ１≦Ｔｓ＋５０℃の範囲内に設定されていることが好ましい。
加工軟化は、動的再結晶が大規模に発生することによって起こる現象である。つまり、加工軟化温度では、確実に動的再結晶が発生していることになる。ここで、初期加工温度Ｔ１をＴ１≧Ｔｓ−５０℃とすることによって、１パス目の圧縮加工において動的再結晶を確実に発生させることができる。また、動的再結晶を比較的広範囲で発生させることが可能となり、結晶粒径の均一化を図ることもできる。また、初期加工温度Ｔ１をＴ１≦Ｔｓ＋５０℃とすることにより、動的再結晶によって生じる結晶粒の粒径が小さく抑えられ、結晶粒の微細化を効率良く行うことができる。

また、前記多軸鍛造加工処理における２パス目以降において、圧縮加工を行う加工温度Ｔｎが直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１と同一であるパスを有する構成を採用してもよい。
さらに、前記多軸鍛造加工処理における２パス目以降において、圧縮加工を行う加工温度Ｔｎが、直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１よりも低く設定されたパスを有する構成を採用してもよい。

圧縮加工によって発生する動的再結晶の範囲は加工温度Ｔｎが高いほど広くなるが、発生する結晶粒の粒径は加工温度Ｔｎが低いほど小さくなる。つまり、結晶粒径を均一化するためには加工温度Ｔｎが高い方が好ましく、結晶粒径を小さくするためには加工温度Ｔｎが低い方が好ましい。
そこで、結晶粒径の均一化を図る場合には、圧縮加工を行う加工温度Ｔｎを直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１と同一として、比較的高温で圧縮加工を行うことになる。一方、結晶粒径を小さくする場合には、圧縮加工を行う加工温度Ｔｎを直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１よりも低くして、比較的低温で圧縮加工を行うことになる。なお、圧縮加工を行う加工温度Ｔｎを直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１よりも高くした場合には、動的再結晶によって発生する結晶粒の粒径が直前パスよりも大きくなってしまい、結晶粒の微細化を効率的に行うことができなくなるため、好ましくない。

また、前記高純度銅を、銅の純度が９９．９９質量％以上のものとしてもよい。
このような高純度銅は、従来の方法では結晶粒の微細化が困難であるが、本発明の微細結晶粒銅材料の製造方法によって、結晶粒の微細化を図ることが可能となる。また、高純度銅は、電気抵抗が低く、基板上の配線を構成する材質として適している。

さらに、前記低濃度銅合金を、添加元素の濃度が０．１質量％以下のものとしてもよい。また、前記添加元素を、Ａｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｕの中から選択される１種または２種以上の元素とすることが好ましい。
このような低濃度銅合金は、前述した高純度銅に添加元素を０．１質量％以下添加したものであるので、電気抵抗が低く、基板上の配線を構成する材質として適している。
さらに、添加元素としてＡｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｕの中から選択される１種または２種以上の元素を採用することにより、熱的安定性を大幅に向上させることができる。また、さらなる結晶粒の微細化を図ることができる。

本発明に係る微細結晶粒銅材料は、前述の微細結晶粒銅材料の製造方法によって製造され、平均結晶粒径が２０μｍ以下とされたことを特徴としている。
この微細結晶粒銅材料は、従来に比べて平均結晶粒径が小さく、かつ、熱的安定性に優れているので、スパッタリングターゲットの素材として適している。なお、平均結晶粒径は１０μｍ以下とされていることがさらに好ましい。また、本発明に係る微細結晶粒銅材料は、動的再結晶によって結晶粒を微細化しているので、結晶の内部には転位下部組織が残存している。この転位下部組織は、前記多軸鍛造加工処理の後に熱処理等を施したとしても全てがなくなることはなく、一部が残存すると考えられる。

また、本発明に係るスパッタリングターゲットは、前述の微細結晶粒銅材料からなることを特徴としている。
このスパッタリングターゲットによれば、平均結晶粒径が２０μｍ以下と小さいので、表面の凹凸が少なく、シャドウイングの発生を抑えることができ、スパッタリングによって均一な薄膜を形成することができる。これにより、サブミクロンオーダーの配線の形成にも適用することが可能となる。

本発明によれば、高純度銅や低濃度銅合金からなり、結晶粒が微細化されるとともに熱的に安定した微細結晶粒銅材料を低コストで製造することが可能な微細結晶粒銅材料の製造方法、この製造方法によって製造される微細結晶粒銅材料、並びに、この微細結晶粒銅材料からなるスパッタリングターゲットを提供することができる。

以下に、本発明の実施形態に係る微細結晶粒銅材料の製造方法及び微細結晶粒銅材料について説明する。
本発明の実施形態に係る微細結晶粒銅材料の製造方法においては、純度が９９．９９％以上とされた高純度銅、または、この高純度銅に、Ａｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｕの中から選択される１種または２種以上の元素を０．１質量％以下添加した低濃度銅合金からなる微細結晶粒銅材料を製造するものである。

まず、前述の高純度銅または低濃度銅合金の鋳塊を製出し、この鋳塊に熱間鍛造及び熱処理等を行って均一なバルク材を製出する。このバルク材を切断・研磨することによって、後述する多軸鍛造加工処理に提供される銅素材１を得る。ここで、本実施形態では、異なる方向からそれぞれ圧縮加工を施す多軸鍛造加工処理を好適に行うため、銅素材１は、図１に示すような角柱状をなしている。

このような角柱状の銅素材１に対して多軸鍛造加工処理を行う。多軸鍛造加工処理は、銅素材１に対して異なる方向からそれぞれ圧縮加工を施すものであり、本実施形態では、図２に示すように、角柱状の銅素材１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向において圧縮加工を順次行うものである。

ここで、銅素材１のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の寸法比は、圧縮加工の圧縮率（ひずみ量）によって決定される。本実施形態では、圧縮加工における真ひずみ量を０．６としており、銅素材１の前記寸法比は、Ｘ：Ｙ：Ｚ＝１３．０１：９．６５：７．１５に設定されている。この寸法比の銅素材１は、長軸方向（Ｘ軸方向）が圧縮方向となるように圧縮加工すると、圧縮加工後の銅素材１の前記寸法比が、Ｘ：Ｙ：Ｚ＝７．１５：１３．０１：９．６５となり、次の圧縮加工で長軸方向（Ｙ軸方向）を圧縮方向とすることで、圧縮加工後の銅素材１の前記寸法比が、Ｘ：Ｙ：Ｚ＝９．６５：７．１５：１３．０１となる。このように、圧縮加工をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向で繰り返すことで、銅素材１の前記寸法比が一定のまま保持されるので、銅素材１の圧縮方向を順次変更することによって、同一のひずみ量を銅素材１に対して繰り返し与えることができるのである。

そして、この多軸鍛造加工処理における１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１は、銅素材１において動的再結晶が少なくとも部分的に発生する温度とされている。ここで、初期加工温度Ｔ１を決定する際には、多軸鍛造加工処理における圧縮加工の圧縮率（ひずみ量）と同じ圧縮率（ひずみ量）の単軸圧縮試験によって、加工軟化が発生する温度（加工軟化温度Ｔｓ）を選定する。加工軟化は、所定の圧縮率の単軸圧縮において動的再結晶が大規模に発生した結果として生じる現象であるので、この加工軟化温度Ｔｓを基準として初期加工温度Ｔ１を決定することになる。具体的には、初期加工温度Ｔ１は、加工軟化温度Ｔｓに対して、Ｔｓ−５０℃≦Ｔ１≦Ｔｓ＋５０℃の範囲内に設定することが好ましい。

多軸鍛造加工処理における２パス目以降の圧縮加工を行う加工温度Ｔｎは、図３に示すように、直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１と同一としてもよい。あるいは、図４に示すように、直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１よりも低く設定して段階的に温度を下げていってもよい。または、これらのプロセスを組み合わせてもよい。

次に、このような多軸鍛造加工処理を行った場合の結晶組織の変化について図５を参照して説明する。
まず、多軸鍛造加工処理を行う前の状態では、図５（ａ）に示すように粗大な初期結晶粒１０が全体に存在している。ここで、初期加工温度Ｔ１で１パス目の圧縮加工をＸ軸方向を圧縮方向として行うと、図５（ｂ）に示すように動的再結晶による新たな結晶粒１１が部分的に発生する。動的再結晶による新たな結晶粒１１は、初期結晶粒１０の粒界に主に発生して初期結晶粒１０を分断することになる。このように、部分的に動的再結晶が発生するため初期結晶粒１０が多く残存しており、１パス後では、結晶粒の大きさは極めて不均一となる。

次に、加工温度Ｔ２で２パス目の圧縮加工をＹ軸方向を圧縮方向として行う。このとき、加工温度Ｔ２は初期加工温度Ｔ１よりも低い温度とする。すると、図５（ｃ）に示すように、動的再結晶によって新たな結晶粒１２が発生する。このとき新たに発生した結晶粒１２の粒径は１パス目に発生した結晶粒１１よりも小さくなっている。また、この２パス目の動的再結晶も、結晶粒の粒界に主に発生しており、初期結晶粒１０自体も分断されている。また、１パス目に発生した結晶粒１１は、僅かに粗大化することになる。

次に、加工温度Ｔ３で３パス目の圧縮加工をＺ軸方向を圧縮方向として行う。このとき、加工温度Ｔ３は、直前パスの加工温度Ｔ２よりも低い温度とする。すると、図５（ｄ）に示すように、動的再結晶によって新たな結晶粒１３が発生する。このとき新たに発生した結晶粒１３の粒径は２パス目に発生した結晶粒１２よりもさらに小さくなっている。また、初期結晶粒１０自体も分断され、結晶粒径も徐々に均一化されていく。
このように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向から圧縮加工を順に行うことで、銅素材１は、結晶粒が微細化されることになる。このようにして得られた本実施形態である微細結晶粒銅材料の平均結晶粒径は、２０μｍ以下とされ、より好ましくは１０μｍ以下とされる。

以上のような構成とされた本実施形態である微細結晶粒銅材料の製造方法及び微細結晶粒銅材料によれば、１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１が、動的再結晶が少なくとも部分的に発生する温度に設定されているので、初期加工温度Ｔ１が比較的高い温度となり、１パス目の圧縮加工に必要な荷重を小さく抑えることができ、汎用の小型の鍛造機で圧縮加工を行うことができる。

このように圧縮加工によって動的再結晶が発生して元の結晶粒を分断していくので、この圧縮加工を繰り返し行うことによって、結晶粒の微細化及び均一化を図ることができる。さらに、比較的高温での圧縮加工によって動的再結晶させているので、内部に高い歪エネルギーが蓄積されることがなく、熱的に安定な微細結晶粒銅材料を製出することができる。

また、初期加工温度Ｔ１が、銅素材１を圧縮加工と同一の圧縮率（ひずみ量）で単軸圧縮した際に加工軟化が発生する加工軟化温度Ｔｓに対して、Ｔｓ−５０℃≦Ｔ１≦Ｔｓ＋５０℃の範囲内に設定されているので、１パス目の圧縮加工において動的再結晶を確実に発生させることができるとともに、動的再結晶によって生じる結晶粒の粒径が小さく抑えられ、結晶粒の微細化を効率良く行うことができる。

さらに、２パス目の加工温度を直前パスである１パス目の初期加工温度Ｔ１より低く設定し、３パス目の加工温度を直前パスである２パス目の加工温度Ｔ２より低く設定し、段階的に加工温度を低くしているので、動的再結晶によって新たに生じる結晶粒の粒径が各パス毎に小さくなっていき、結晶粒の微細化を効率良く行うことができる。

また、本実施形態である微細結晶粒銅材料は、その平均結晶粒径が、２０μｍ以下とされ、より好ましくは１０μｍ以下とされているので、表面の凹凸が少なく、かつ、熱的安定性に優れている。したがって、この微細結晶粒銅材料でスパッタリングターゲットを構成することによって、シャドウイングの発生が抑えられ、均一な薄膜を形成することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向で、順に、圧縮加工を行う構成として説明したが、これに限定されることはなく、異なる方向からそれぞれ圧縮加工を施すものであればよい。

さらに、圧縮加工時のひずみ量を０．６として説明したが、これに限定されることはなく、ひずみ量は適宜設定することができる。前述のように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向で、順に、圧縮加工を行う構成とした場合、銅素材のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の寸法比を設定することで、銅素材の外形を変化させることなく結晶粒径を微細化することが可能となる。例えば、１パスのひずみ量を０．８とした場合には、銅素材のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の寸法比を、Ｘ軸：Ｙ軸：Ｚ軸＝２．２２：１．４９：１．０に設定することになる。

以下、具体的な実施例を挙げて、本発明に係る微細結晶粒銅材料の製造方法及び微細結晶粒銅材料について説明する。

（試験片）
後述する所定組成の高純度銅又は低濃度銅合金の鋳塊を製出し、この鋳塊を７６０℃に加熱して熱間鍛造して水中急冷してバルク材を得た。このバルク材を切断・面削して、図１に示す角柱状の試験片を作製した。

（圧縮試験）
多軸鍛造加工処理の各パスの圧縮加工には、株式会社エー・アンド・デイ製のテンシロン高温圧縮試験機を用いて行った。ここで、各パスの圧縮加工を行う際のひずみ速度は、３．０×１０^−３ｓ^−１に制御した。潤滑剤としてグラファイト潤滑剤を使用した。

（組織観察）
組織観察用試料は、試験片から最終圧縮方向に平行な断面で切り出し、機械研磨（エメリー紙・バフ）、電解研磨を行って作製した。電解研磨は、電解研磨液としてリン酸５０体積％、蒸留水５０体積％のものを使用し、室温（２５℃）において電圧１．８Ｖで約４０秒の条件で行った。
この電解研磨後の試料をＴＳＬ製のＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＯＩＭ）で解析するとともに、平均結晶粒径を算出した。
また、電解研磨後に、電解研磨液を用いて室温（２５℃）において電圧０．５Ｖで約１０秒の条件で電解腐食を行い、光学顕微鏡観察を行った。

（実施例１）
実施例１として、純度が９９．９９９９％以上の高純度銅（いわゆる６Ｎ銅）からなる微細結晶粒銅材料を製出した。
図６に、初期（多軸鍛造加工処理前）のＯＩＭマップを示す。初期（多軸鍛造加工処理前）の結晶粒径Ｄ_０は、Ｄ_０＝１００μｍであった。

次に、高純度銅からなる銅素材に対して単軸圧縮試験を、各種温度（５０３Ｋ，５３３Ｋ，５６３Ｋ，５９３Ｋ）で、ひずみ量０．６、ひずみ速度３．０×１０^−３ｓ^−１の条件で行った。応力―ひずみ曲線を図７に示す。５９３Ｋ（３２０℃）で加工軟化が認められ、この温度で大規模な動的再結晶が発生していると考えられる。
また、各種温度（５０３Ｋ，５６３Ｋ，５９３Ｋ）で単軸圧縮試験を行った試験片のＯＩＭマップ及びそのイメージクオリティマップを図８に示す。５０３Ｋ（２３０℃）でも僅かに動的再結晶が発生しているのが確認される。圧縮試験温度が高くなるにつれて動的再結晶が発生している領域が広がっていることがわかる。
ここで、単軸圧縮試験による動的再結晶によって生成された新たな結晶粒の粒径と圧縮試験温度との関係を図９に示す。圧縮試験温度が低い程、新たな結晶粒の粒径が小さくなることが確認される。

この単軸圧縮試験の結果から、多軸鍛造加工処理の１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１を５９３Ｋ（３２０℃）とした。
多軸鍛造加工処理としては、１パス当りのひずみ量を０．６とし、累積ひずみ量が３．０となるように、すなわち５パスの圧縮加工を行った。
等温工程では、１パス目から５パス目までの加工温度をすべて５９３Ｋ（３２０℃）とした。降温工程では、１パス毎に加工温度を３０℃ずつ低下させていき、５パス目は４パス目と同じ加工温度（５０３Ｋ）とした。

１パス目の圧縮加工を行った後の銅素材１のＯＩＭマップを図１０に示す。等温工程による２パス後から５パス後までのＯＩＭマップを図１１から図１４に示す。また、降温工程による２パス後から５パス後までのＯＩＭマップを図１５から図１８に示す。さらに、各パス毎における平均結晶粒径の変化を図１９に示す。

等温工程では、５パス後の平均結晶粒径Ｄ_５が２４．４μｍと初期の平均結晶粒径Ｄ_０＝１００μｍに比べて微細化されている。１パス後の平均結晶粒径Ｄ_１が２９．３μｍであり、１パス目以降、大幅な微細化は図られていない。これは、１パス目から５パス目まで同じ温度で圧縮加工しているため、動的再結晶による新たな結晶の粒径が１パス目から５パス目まで同じであるためであると判断される。

一方、降温工程では、５パス後の平均結晶粒径Ｄ_５が１０．８μｍと初期の平均結晶粒径Ｄ_０＝１００μｍに比べて格段に微細化されている。１パス後の平均結晶粒径Ｄ_１が２９．３μｍであり、１パス目以降も結晶が微細化されていることが確認される。これは、１パス目から４パス目まで加工温度を下げて圧縮加工しているため、動的再結晶による新たな結晶粒の粒径が段階的に小さくなるためであると判断される。

（実施例２）
実施例２として、純度９９．９９９９％以上の高純度銅にＡｇを０．０３５質量％添加した低濃度銅合金（以下、Ｃｕ−Ａｇ合金）からなる微細結晶粒銅材料を製出した。
図２０に、初期（多軸鍛造加工処理前）のＯＩＭマップを示す。初期（多軸鍛造加工処理前）の結晶粒径Ｄ_０は、Ｄ_０＝７２μｍであった。なお、このＣｕ−Ａｇ合金では、前述の熱間鍛造後に、５５０℃×２ｈの焼鈍を行って均一化を図った。

次に、Ｃｕ−Ａｇ合金からなる銅素材に対して単軸圧縮試験を、各種温度（５６３Ｋ，５９３Ｋ，６２３Ｋ，６４３Ｋ，６６３Ｋ，６８３Ｋ，７０３Ｋ）で、ひずみ量０．６、ひずみ速度３．０×１０^−３ｓ^−１の条件で行った。応力―ひずみ曲線を図２１に示す。７０３Ｋ（４３０℃）でも加工軟化が認められず、熱的に非常に安定していることが確認される。
各種温度（５６３Ｋ，６４３Ｋ，７０３Ｋ）で単軸圧縮試験を行った試験片のＯＩＭマップ及びそのイメージクオリティマップを図２２に示す。７０３Ｋにおいて動的再結晶が部分的に発生しているのが確認される。
また、単軸圧縮試験による動的再結晶によって生成された新たな結晶粒の粒径と圧縮試験温度との関係を図２３に示す。圧縮試験温度が低い程、新たな結晶粒の粒径が小さくなるが、高純度銅（６Ｎ銅）と比べると温度依存性は小さい。

この単軸圧縮試験の結果から、未だ動的再結晶領域は極めて限定的であるが、多軸鍛造加工処理の１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１を７０３Ｋ（４３０℃）とした。なお、より大きな結晶粒をより均一に発生させる場合には、Ｔ１を７０３Ｋより高い温度にすることが好ましい。この場合、応力ひずみ曲線には、加工軟化が現れることになる。
多軸鍛造加工処理としては、１パス当りのひずみ量を０．６とし、累積ひずみ量が３．０となるように、すなわち５パスの圧縮加工を行った。
等温工程では、１パス目から５パス目までの加工温度をすべて７０３Ｋ（４３０℃）とした。降温工程では、１パス毎に加工温度を３０℃ずつ低下させていき、５パス目は４パス目と同じ加工温度（６１３Ｋ）とした。

１パス目の圧縮加工を行った後の銅素材のＯＩＭマップを図２４に示す。等温工程による２パス後から５パス後までのＯＩＭマップを図２５から図２８に示す。また、降温工程による２パス後から５パス後までのＯＩＭマップを図２９から図３２に示す。さらに、各パス毎における平均結晶粒径の変化を図３３に示す。

等温工程では、５パス後の平均結晶粒径Ｄ_５が９．４μmと初期の平均結晶粒径Ｄ_０＝７４μmに比べて微細化された。また、高純度銅（６Ｎ銅）に比べて大幅に結晶粒が微細化可能であることが確認された。
一方、降温工程では、５パス後の平均結晶粒径Ｄ_５が４．３μmと初期の平均結晶粒径Ｄ_０＝７４μmに比べて微細化されている。

（実施例３）
実施例３として、純度９９．９９９９％以上の高純度銅にＣａを０．０１１質量％添加した低濃度銅合金（以下、Ｃｕ−Ｃａ合金）からなる微細結晶粒銅材料を製出した。
図３４に、初期（多軸鍛造加工処理前）のＯＩＭマップを示す。初期（多軸鍛造加工処理前）の結晶粒径Ｄ_０は、Ｄ_０＝５８μｍであった。なお、このＣｕ−Ｃａ合金では、前述の熱間鍛造後に、６３０℃×２ｈの焼鈍を行って均一化を図った。

次に、Ｃｕ−Ｃａ合金からなる銅素材に対して単軸圧縮試験を、各種温度（５６３Ｋ，５９３Ｋ，６４３Ｋ）で、ひずみ量０．６、ひずみ速度３．０×１０^−３ｓ^−１の条件で行った。その結果の応力―ひずみ曲線を図３５に示す。６４３Ｋ（３７０℃）で加工軟化が認められた。
各種温度（５６３Ｋ，５９３Ｋ，６４３Ｋ）で単軸圧縮試験を行った試験片のＯＩＭマップ及びそのイメージクオリティマップを図３６に示す。動的再結晶が全体に発生しているのが確認される。また、単軸圧縮試験による動的再結晶によって生成された新たな結晶粒の粒径と圧縮試験温度との関係を図３７に示す。圧縮試験温度が低い程、新たな結晶粒の粒径が小さくなることが確認される。

この単軸圧縮試験の結果から、多軸鍛造加工処理の１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１を６４３Ｋ（３７０℃）とした。
多軸鍛造加工処理としては、１パス当りのひずみ量を０．６とし、累積ひずみ量が１．８となるように、すなわち３パスの圧縮加工を行った。
２パス目の加工温度Ｔ２を６２３Ｋ（３５０℃）とし、３パス目の加工温度Ｔ３を５９３Ｋ（３２０℃）とした。

１パス目の圧縮加工を行った後の銅素材のＯＩＭマップを図３８に示す。降温工程による２パス後、３パス後までのＯＩＭマップを図３９、図４０に示す。さらに、各パス毎における平均結晶粒径の変化を図４１に示す。
３パス後の平均結晶粒径Ｄ_５が１１．２μｍと初期の平均結晶粒径Ｄ_０＝５８μｍに比べて微細化された。また、高純度銅（６Ｎ銅）に比べて大幅に結晶粒が微細化可能であることが確認された。

本実施形態である微細結晶粒銅材料の製造方法に用いられる銅素材の概略図である。 本実施形態である微細結晶粒銅材料の製造方法に用いられる多軸鍛造加工処理の概念図である。 多軸鍛造加工処理の加工温度のパターン図（等温工程）である。 多軸鍛造加工処理の加工温度のパターン図（降温工程）である。 結晶の微細化のプロセスを説明する説明図である。 高純度銅（６Ｎ銅）の多軸鍛造加工処理前のＯＩＭマップである。 高純度銅（６Ｎ銅）の単軸圧縮試験の結果を示す応力―ひずみ曲線図である。 高純度銅（６Ｎ銅）の単軸圧縮試験後のＯＩＭマップである。 高純度銅（６Ｎ銅）の単軸圧縮試験における温度と新たに発生する結晶の粒径との関係図である。 高純度銅（６Ｎ銅）の試験片において５９３Ｋで１パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５９３Ｋで２パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５９３Ｋで３パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５９３Ｋで４パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５９３Ｋで５パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５６３Ｋで２パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５３３Ｋで３パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５０３Ｋで４パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５０３Ｋで５パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 各パス毎の平均結晶粒径を示すグラフである。 低濃度合金（Ｃｕ−Ａｇ合金）の多軸鍛造加工処理前のＯＩＭマップである。 低濃度合金（Ｃｕ−Ａｇ合金）の単軸圧縮試験の結果を示す応力―ひずみ曲線図である。 低濃度合金（Ｃｕ−Ａｇ合金）の単軸圧縮試験後のＯＩＭマップである。 低濃度合金（Ｃｕ−Ａｇ合金）の単軸圧縮試験における温度と新たに発生する結晶の粒径との関係図である。 低濃度合金（Ｃｕ−Ａｇ合金）の試験片において７０３Ｋで１パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ７０３Ｋで２パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ７０３Ｋで３パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ７０３Ｋで４パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ７０３Ｋで５パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ６７３Ｋで２パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ６４３Ｋで３パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ６１３Ｋで４パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ６１３Ｋで５パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 各パス毎の平均結晶粒径を示すグラフである。 低濃度合金（Ｃｕ−Ｃａ合金）の多軸鍛造加工処理前のＯＩＭマップである。 低濃度合金（Ｃｕ−Ｃａ合金）の単軸圧縮試験の結果を示す応力―ひずみ曲線図である。 低濃度合金（Ｃｕ−Ｃａ合金）の単軸圧縮試験後のＯＩＭマップである。 低濃度合金（Ｃｕ−Ｃａ合金）の単軸圧縮試験における温度と新たに発生する結晶の粒径との関係図である。 低濃度合金（Ｃｕ−Ｃａ合金）の試験片において６４３Ｋで１パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ６２３Ｋで２パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 ５９３Ｋで３パス目の圧縮加工を行った後のＯＩＭマップである。 各パス毎の平均結晶粒径を示すグラフである。

符号の説明

１ 銅素材

Claims (9)

1. 高純度銅または低濃度銅合金からなる銅素材に対して、異なる方向からそれぞれ圧縮加工を施す多軸鍛造加工処理を行い、結晶粒が微細化された銅材料を製出する微細結晶粒銅材料の製造方法であって、
   前記多軸鍛造加工処理における１パス目の圧縮加工を行う初期加工温度Ｔ１が、前記銅素材において動的再結晶が少なくとも部分的に発生する温度であることを特徴とする微細結晶粒銅材料の製造方法。
2. 前記初期加工温度Ｔ１は、前記銅素材を前記圧縮加工と同一の圧縮率で単軸圧縮した際に加工軟化が発生する加工軟化温度Ｔｓに対して、Ｔｓ−５０℃≦Ｔ１≦Ｔｓ＋５０℃ の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の微細結晶粒銅材料の製造方法。
3. 前記多軸鍛造加工処理における２パス目以降において、圧縮加工を行う加工温度Ｔｎが、直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１と同一であるパスを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の微細結晶粒銅材料の製造方法。
4. 前記多軸鍛造加工処理における２パス目以降において、圧縮加工を行う加工温度Ｔｎが、直前パスにおける加工温度Ｔｎ−１よりも低く設定されたパスを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の微細結晶粒銅材料の製造方法。
5. 前記高純度銅は、銅の純度が９９．９９質量％以上とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の微細結晶粒銅材料の製造方法。
6. 前記低濃度銅合金は、添加元素の濃度が０．１質量％以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の微細結晶粒銅材料の製造方法。
7. 前記添加元素が、Ａｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｕの中から選択される１種または２種以上の元素であることを特徴とする請求項６に記載の微細結晶粒銅材料の製造方法。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の微細結晶粒銅材料の製造方法によって製造され、平均結晶粒径が２０μｍ以下とされたことを特徴とする微細結晶粒銅材料。
9. 請求項８に記載の微細結晶粒銅材料からなることを特徴とするスパッタリングターゲット。

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