JP2014029025A - 焼結体ターゲット及び焼結体の製造方法 - Google Patents

焼結体ターゲット及び焼結体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】スパッタリングターゲットの熱伝導率が高く、電気抵抗率が低いことによる、熱のこもり、揮発成分の飛散を改善し、安定したDCスパッタリングが可能であって、かつ高電力を印加して安定で高速なスパッタリングができる技術を提供する。
【解決手段】下記(A)の元素、(B)の元素及び(C)の元素を主成分とする焼結体ターゲットであって、熱伝導率が2.5W/mK以上、酸素濃度が5000ppm以上であることを特徴とする焼結体ターゲット。(A)S、Se、Teから選択したカルコゲナイド元素の一種以上(B)Bi、Sb、As、P、Nから選択したVb族元素の一種以上(C)Ge、Si、C、Ga、Inから選択したIVb族元素又はIIIb族元素の一種以上である。電気抵抗率が0.26mΩ・cm以下、好ましくは0.22mΩ・cm以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、焼結体の電気抵抗率を低減させたVb族元素(A)及びカルコゲナイド元素(B)、又はこれらにさらにIVb族元素又はIIIb族元素(C)のいずれか一以上を含有する焼結体ターゲット及びその製造方法に関する。なお、焼結体の電気抵抗率を低減させたVb族元素(A)及びカルコゲナイド元素(B)、又はこれらにさらにIVb族元素又はIIIb族元素(C)のいずれか一以上を含有する材料を、以下においては、「Ge−Sb−Te系材料」と略記する。
近年、相変化記録用材料として、すなわち相変態を利用して情報を記録する媒体としてGe−Sb−Te系材料からなる薄膜が用いられるようになってきた。
このGe−Sb−Te系合金材料からなる薄膜を形成する方法としては、スパッタリング法などの、一般に物理蒸着法と言われている手段によって行われるのが普通である。特に、操作性や皮膜の安定性からマグネトロンスパッタリング法を用いて形成することが多い。
スパッタリング法による膜の形成は、陰極に設置したターゲットにArイオンなどの正イオンを物理的に衝突させ、その衝突エネルギーでターゲットを構成する材料を放出させて、対面している陽極側の基板にターゲット材料とほぼ同組成の膜を積層することによって行われる。
スパッタリング法による被覆法は処理時間や供給電力等を調節することによって、安定した成膜速度でオングストローム単位の薄い膜から数十μmの厚い膜まで形成できるという特徴を有している。
従来は、スパッタリングを安定に効率よく実施するために、特にパーティクルの抑制に注目し、高純度かつ所定の粒度を有する原料粉末をホットプレスによる焼結を行うことによって、相対密度98%程度の高密度焼結体を製作していた。
Ge−Sb−Te系材料からなる焼結体としては、カルコゲナイド元素(S、Se、Te)、Vb族元素(Bi、Sb、As、P、N)、IVb族元素(Pb、Sn、Ge、Si、C)、添加元素(Ag、Au、Pd、Pt、B、Al、Ti、Zr、Zn)等を適宜組み合わせて焼結した焼結体が知られている。
しかし、これらの材料は、一般に熱伝導率及び電気伝導率が低く、例えば相変化メモリ用材料として一般的に使用されているGeSbTe合金では電気抵抗率0.26mΩ・cmを超えるものしかなかった。
このような低熱伝導率・低電気伝導率の焼結体から作製したターゲットは、多くの場合、特に熱伝導率が低いことにより、スパッタリングで発生する熱がターゲット内部にこもることによる蒸気圧の高い成分の揮発、さらにパーティクルが発生し易くなるという問題がある。
さらに、DCスパッタリングではチャージアップなどの問題があり、パルスDCスパッタ技術などを使用し成膜するなどの対応が必要であり、それでもチャージアップ起因のアーキングなどの障害を完全に無くすことはできず成膜効率が低いという問題がある。
従来技術として、逆に電気抵抗率の高いGeSbTe膜を成膜するために、膜中に含まれる酸素濃度を高くする技術が知られている(特許文献1参照)。この特許文献1は、Ge−Sb−Teのターゲットを準備し、酸素分圧を調節して直流マグネトロンスパッタリングにより膜中の酸素を0.1〜15%に高めた電気抵抗の高い相変化記録膜を形成するというものである。
成膜中の酸素は、スパッタリング雰囲気をAr+O雰囲気とし、そこから酸素を膜中に導入するものであるが、成膜工程中に酸素は消耗していくので、スパッタリング雰囲気中の酸素ガス量を厳密に制御しなければ、成膜中の酸素量が変動するという問題がある。これに対応するものとしては、例えば予め酸素を導入したスパッタリングターゲットを作製することが提案されている(特許文献2参照)。
その他、高出力でスパッタリングを行ってもターゲットに割れが発生することのないように、耐スパッタ割れ性を向上させようとして、酸素を0.3〜1.5%含有するGe−Sb−Te系スパッタリングターゲットが提案されている(特許文献3参照)。
このように酸素を単に導入することで電気抵抗率や耐スパッタ割れ性が変化するという点では一つの指標ではあるが、一般にはセラミックス化(酸化物化)すると、熱抵抗や電気抵抗が高くなると考えられ、特許文献1でも同様の結果であるので、電気伝導や熱伝導を改善する方向とは逆の方向であり、安定的なDCスパッタリングを行うためにターゲットの熱伝導率・電気伝導率を大きくするための技術的な指針とはならない。
特開2004−311729号公報 特開平11−286773号公報 特開2004−323919号公報
本発明は、ターゲットの熱伝導率および電気伝導度を高くすることにより、熱のこもりがなく揮発成分の飛散がないターゲットを得ることができ、安定したDCスパッタリングが可能であって、かつ高電力を印加して高速スパッタリングができ、スパッタリング時のアーキングを低減させ、パーティクルが少なくできるGe−Sb−Te系材料焼結体ターゲット及びその製造方法並びにスパッタリングによる成膜方法を課題とする。
本発明者は、上記課題を解決する為に鋭意努力した結果、焼結体の原料粉を焼結前に所定の濃度で酸化処理し、この酸化原料粉を用いて特定プロセス条件下の高真空ホットプレスによる還元雰囲気で焼結することで、粒界に低抵抗の結晶相を形成することなどで焼結体を低抵抗とすることによって、上記問題点を解決することができるとの知見を得た。
この知見に基づき、本発明は
1)下記(A)の元素、(B)の元素及び(C)の元素を主成分とする焼結体ターゲットであって、熱伝導率が2.5W/mK以上、酸素濃度が5000ppm以上であることを特徴とする焼結体ターゲット。
(A)S、Se、Teから選択したカルコゲナイド元素の一種以上
(B)Bi、Sb、As、P、Nから選択したVb族元素の一種以上
(C)Ge、Si、C、Ga、Inから選択したIVb族元素又はIIIb族元素の一種以上を、提供する。
本発明は、また
2.酸素濃度が5000ppm以上30000ppm未満であることを特徴とする上記1記載の焼結体ターゲット
3.酸素濃度が5000ppm以上15000ppm以下であることを特徴とする上記1記載の焼結体ターゲットを、提供する。
本発明は、また
4.下記(A)の元素がTeであり、(B)の元素がSbであり、(C)の元素がGeであって、Ge22.2Sb22.2Te55.6(at%)の組成であり、電気抵抗率が0.30mΩ・cm以下であることを特徴とする上記1〜3のいずれか一項に記載の焼結体ターゲット
5.電気抵抗率が0.26mΩ・cm以下であることを特徴とする上記4記載の焼結体ターゲット
6.電気抵抗率が0.24mΩ・cm以下であることを特徴とする上記4記載の焼結体ターゲットを、提供する。
本発明は、また
7.電気抵抗率が0.22mΩ・cm以下であることを特徴とする上記4記載の焼結体ターゲット
8.熱伝導率が3.0W/mK以上であることを特徴とする上記1〜7のいずれか一項に記載の焼結体ターゲット
9.熱伝導率が3.2W/mK以上であることを特徴とする上記1〜7のいずれか一項に記載の焼結体ターゲット
10.熱伝導率が3.4W/mK以上であることを特徴とする上記1〜7のいずれか一項に記載の焼結体ターゲットを、提供する。
本発明は、また
11.上記1〜10のいずれか一項に記載の焼結体ターゲットを用いて、直流スパッタリングにより基板上に成膜することを特徴とする成膜方法を、提供する。
従来、カルコゲナイド元素(A)とVb族元素(B)又はこれらにさらにIVb族元素又はIIIb族元素(C)を原料粉末として用いて焼結体ターゲットを作製した場合、例えば、これらの代表例であるGe22.2−Sb22.2−Te55.6at%焼結体では、電気抵抗率が0.30mΩ・cmを超えるもの、熱伝導率が2.5W/mK未満のものしか得られず、スパッタリング成膜時にDCスパッタリングができず、アーキング発生、パーティクル発生の大きな原因となっていた。
また、上記の通り熱伝導率が低いために、ターゲット内部に熱がこもり易いので、蒸気圧の高い成分の揮発が生じ、スパッタリングの進行に伴う成膜組成の変動や揮発成分に起因するパーティクルの発生が避けられなかった。
本願発明は、先行技術で示された結果とは逆に、焼結体の原料の組成、処理および焼結条件を工夫し、そのメカニズムは現時点では必ずしも明らかにはなっていないが、粒界に低抵抗の結晶相が形成されること、或いは粒界に低抵抗な微細粒が形成されることなどで焼結体全体を低抵抗とすることにより、焼結体の電気伝導率および熱伝導率を高くすることができることを突き止め、熱伝導率については2.5W/mK以上の焼結体ターゲットを実現したものである。また、電気抵抗率については、0.30mΩ・cm以下を実現することが可能となった。
熱伝導率を高くすること、さらには電気抵抗を低減することが可能となった本発明のターゲットを用いることにより、安定したDCスパッタリングが可能となり、熱のこもりや揮発成分の飛散がなく、かつ高電力を印加して高速スパッタリングができ、またスパッタリング時のアーキングを低減させ、パーティクルが少ないという優れた効果を得ることができる。
焼結体の酸素濃度と電気抵抗率の相関を示す図である。 焼結体の酸素濃度と熱伝導率の相関を示す図である。
本願発明の対象となる焼結体ターゲットの基本的成分は、(A)S、Se、Teから選択したカルコゲナイド元素の一種以上、(B)Bi、Sb、As、P、Nから選択したVb元素の一種以上、(C)Ge、Si、C、Ga、Inから選択したIVb族元素又はIIIb族元素の一種以上である。
好ましいターゲット材料として、カルコゲナイド元素としてTe、Vb族元素としてSb、IVb族元素としてGeを使用することができる(GSTターゲット)。以下の説明においては、理解及び説明のし易さから、代表例であるGSTターゲットを中心に説明する。但し、本願発明は、このGSTターゲットに限定されるものでないことは理解されるべきことである。
上記ターゲットには、さらにAg、Al、Au、B、O、P、Pd、Pt、S、Ti、Zn、Zrの何れか1種以上の元素をドーパントとして含有させることができる。通常、カルコゲナイド元素を10〜90at%、Vb族元素を10〜90at%、IVb族元素又はIIIb族元素を5〜30at%、ドーパントを0.5〜2at%の範囲とする。
上記カルコゲナイド元素の代表例としてTeを挙げたが、これ以外にS、Seを同時添加させることができる。また、Vb族元素としてSb以外に、Bi、As、P、Nを同時添加させることができる。さらに、IVb族元素としても、Ge以外にC、Si、Sn、Pbを同時添加させることができる。
本願発明の焼結体ターゲットの著しい特徴は、熱伝導率を2.5W/mK以上に、また3.0W/mK以上に、また3.2W/mK以上に、さらには3.4W/mK以上を達成することができること、またターゲットの電気抵抗率を0.30mΩ・cm以下に、また0.26mΩ・cm以下に、また0.24mΩ・cm以下に、さらに0.22mΩ・cm以下にすることができることである。
本願発明の低抵抗焼結体ターゲットの上記高熱伝導率と低電気抵抗率は、成分組成と酸素濃度の調整により、達成することができる。
この組成の焼結体で、酸素濃度と電気抵抗率の相関を図1に、酸素濃度と熱伝導率の相関を図2に示す。この図1に示すように、酸素濃度が400〜5000wtppmにかけて急激に電気抵抗率が下がることが見出された。さらに酸素濃度の上昇と共に、電気抵抗率の低下が観察された。
これらの図1及び図2では、酸素濃度の上限値を14000wtppm〜15000wtppmまでの記載に留めているが、この点で熱伝導率の上昇と電気抵抗率の低下は、ほぼ飽和状態に達し、この値は、酸素濃度が30000wtppm未満まで持続する。それ以上の酸素濃度となると焼結性の悪化により焼結体の密度が著しく低下し、熱伝導率の悪化と電気抵抗の上昇が生じる。
図1から、電気抵抗率0.26mΩ・cm以下を達成するためには、酸素濃度を5000wtppm以上とすることが望ましいことが分かる。さらに、酸素濃度10000wtppm以上で電気抵抗率が0.22mΩ・cm以下とすることが可能となった。
また、図2に示すように、酸素濃度が1000〜5000wtppmにかけて熱伝導率が上昇した。熱伝導率を2.5W/mK以上を達成するためには、やはり酸素濃度を5000wtppm以上とすることが好ましいことが分かる。そして、酸素濃度10000wtppm以上で熱伝導率が3.2W/mK以上を達成することが可能となる。
通常、ターゲットに酸素を導入すると、特許文献1に記載されている通り、構成成分の酸化物ができ、抵抗が増大するのが普通である。このため、例えばSb−Te系ターゲット、Ge−Sb−Te系ターゲットでは、GeO、SbOなどの不導体物質が形成されるので、酸素の導入は避けるのであるが、全く逆の現象が生じることが判った。
この現象が生ずる原因として、例えばGe−Sb−Te合金の組成及びその酸化物又は亜酸化物の半導体的性質の影響、あるいは結晶粒の周囲に低抵抗の結晶相などが新たに形成されていること等が考えられる。本願発明は、従来考えられていなかった、このような現象を多数の実験により確認した。
その傾向は、本願明細書で代表例として記載しているGe22。2Sb22。2Te55.6を挙げたが、他の組成、さらには異なる合金系においても同様であることを確認した。したがって、この技術がGe22。2Sb22。2Te55.6に限定されるものではないことは容易に理解できることである。
結晶粒の周囲に低抵抗の結晶相などが生じる原因として、酸素濃度がやや高い領域で、結晶粒の周囲にGeOなどの亜酸化物が形成され、組成バランスがずれることが考えられる。
なお、酸素濃度の上昇と共に電気抵抗率が減少する傾向は、酸素濃度が30000wtppm(5%)未満までは、電気抵抗率0.40mΩ・cm以下とすることができるが、それを超える酸素濃度では電気抵抗率が高くなる。酸素濃度が30000wtppm未満では化学量論組成からずれた亜酸化物のGe−Oxは酸素欠損状態で存在し、低抵抗状態になっているものと考えられる。
このようにして得られた電気抵抗率の低い焼結体ターゲットは、直流スパッタリングにより基板上に成膜することが可能となる。通常、この場合には、特にスパッタリング条件を変えない限り、ターゲットと同一成分組成の膜を基板上に形成することが可能である。しかし、スパッタリング条件を変化させて、成膜の組成を変化させることも可能である。これらは、成膜の目的に応じて調節することができる。
このスパッタリング方法としては、直流マグネトロンスパッタリング装置を使用することができることは当然であるが、必要に応じて高周波スパッタリングやその他のスパッタリング方法を使用できることは言うまでもない。
スパッタリングは通常アルゴンガス雰囲気で行うが、必要に応じてアルゴンガスに酸素ガス、窒素ガス等の反応性ガスを導入してスパッタリングを行うことも当然可能である。これらを否定するものでないことは、容易に理解されるべきことである。
上記のターゲットを製造するに際しては、目的とする成分組成および電気伝導度、熱伝導率のターゲットを得るために、カルコゲナイド元素を10〜90at%、Vb族元素を10〜90at%、IVb族元素を5〜30at%、ドーパントを0.5〜2at%の範囲で、原料粉末を混合し、好ましくは、大気もしくは酸素雰囲気で加熱処理を行い、酸素含有量が5000wtppm以上で30000wtppmには至らない程度とする処理を行い、当該混合粉末を(式)P(圧力)≦{Pf/(Tf−T)}×(T−T)+P、(Pf:最終到達圧力、Tf:最終到達温度、P:大気圧、T:加熱温度、T:室温、温度は摂氏温度)を満たす条件でホットプレスする。
上記製造条件を調節することによって、熱伝導率が2.5W/mK以上、また3.0W/mK以上、また3.2W/mK以上、さらには3.4W/mK以上に、一方ターゲットの電気抵抗率を0.30mΩ・cm以下に、また0.26mΩ・cm以下、0.24mΩ・cm以下、さらには0.22mΩ・cm以下の、例えばGe−Sb−Te系焼結体を製造することができる。
以上の効果を得るためには、原料粉の比表面積BETが0.6m/g以上であることが好ましく、かつホットプレスを上記の条件で行うことが肝要である。上記の製造条件は、好適な本願発明のターゲットの製造条件と確認したものであるが、ターゲットとしての特性が失われない限り下記に示す以外の原料粉調製方法および焼結方法を用いてもよい。本願発明はこれらを包含するものである。
得られたターゲットの焼結組織は、平均粒径が1μm〜100μmであり、抗折強度が40MPa以上、相対密度が98%以上であり、さらに焼結体表面の面内密度の標準偏差が1%未満である例えばGe−Sb−Te系焼結体が得られる。
この抗折強度、相対密度の向上は、本願発明の直接的な目的ではないが、付加的に生ずる好ましい効果である。これによって、2000W以上の電力を印加した場合であってもターゲットの割れが防止でき、また異常放電やパーティクルの発生を抑制する効果がある。
以上により、本願発明の熱伝導率および電気伝導率の高い焼結体ターゲットは、発生する熱がこもることによる蒸気圧の高い成分の揮発を防ぎ、かつ、DCスパッタリングが可能となって成膜効率を高くすることができ、アーキングの発生、さらにはターゲット上面へのリデポ(再付着物)膜剥離によるパーティクル発生も効果的に抑制できる。このようにスパッタリングの際の、膜組成の不安定、パーティクルの発生、異常放電、ノジュールの発生等を効果的に抑制することができる。
本発明の実施例について説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲内で、実施例以外の態様あるいは変形を全て包含するものである。
以下の実施例は、下記の試験条件で行った。
(イオンプレーティング粉処理条件)
真空度: 1×10−5Pa以下
イオン化電圧: 40V
ワーク電圧: −500V
電流値: 200mA
(ターゲット材の電気抵抗率の測定方法)
4端子法
(ターゲット材の熱伝導率の測定方法)
レーザーフラッシュ法
(原料粉の酸素含有量の測定方法)
不活性ガス融解−赤外線吸収法
(実施例1)
ガス成分を除くそれぞれの純度が、それぞれ99.999%(5N)であるTe、Sb、Geの各原料粉を、Ge22。2Sb22。2Te55.6(at%)の組成になるようにして溶解し、炉内徐冷で鋳造インゴットを作製した。
溶解する前に各元素の原料を酸洗、純水洗浄して、特に表面に残留している不純物を十分除去した。
これによって、純度99.999%(5N)を維持した高純度Ge22。2Sb22。2Te55.6のインゴットを得た。次に、高純度Ge22。2Sb22。2Te55.6のインゴットを、ボールミルで粉砕して、平均粒径約30μm、最大粒径約90μmである原料粉を作製した(粒径の一桁は四捨五入した)。
この原料粉を大気中(酸素濃度:20.90%)、350°Cで、6時間熱処理し酸化した。酸素含有量は5000wtppmとなった。
次に、この原料粉を直径400mmのグラファイトダイスに充填して、8×10−2 Pa以下の真空雰囲気中、昇温速度5°C/minで、最終昇温温度600°Cとし、最終プレス圧力を150kgf/cmとすることにより、Ge22Sb22Te56の中間焼結体を作製した。得られた直径400mmの中間焼結体について、さらにPHIP=1000kgf/cmの条件でHIP処理を実施した。
得られた焼結体を切削加工してターゲット材に仕上げた。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は3.1W/mKとなり、電気抵抗率は、0.26mΩ・cmとなった。
上記のターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとしたところ、良好なボンディング性を有していた。この他に、アルミニウム合金製バッキングプレートに接合した場合についても良好なボンディング性を有することを確認した。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは容易であり、スパッタリング速度も大きかった。従来よりも大きな2000Wの電力を印加した場合においても、アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は18個以下となり、極めて少なかった。また、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
(実施例2)
粉砕工程までは実施例1と同一の原料粉を利用し、この原料粉を大気中(酸素濃度:20.90%)、350°Cで、12時間熱処理し酸化した。原料粉の酸素含有量は7500wtppmとなった。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例1と同一としスパッタリングターゲットを製造した。
このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は3.2W/mKとなり、電気抵抗率は、0.24mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例1に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も大きくなった。
アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は20個以下となり、パーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。このように、DC(直流)マグネトロンスパッタリングは、酸素の増加と共に容易になり、成膜速度も高くなる傾向があった。
(実施例3)
粉砕工程までは実施例1と同一の原料粉を利用し、この原料粉を高酸素(大気の酸素濃度を高めて、酸素濃度を50%とした)雰囲気中、350°Cで、24時間熱処理した。原料粉の酸素含有量は10000wtppmとなった。
その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例1と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は3.5W/mKとなり、電気抵抗率は、0.22mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例1及び実施例2に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も非常に大きくなった。
アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は15個以下となり、パーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
(実施例4)
粉砕工程までは実施例1と同一の原料粉を利用し、この原料粉を高酸素(大気の酸素濃度を高めて、酸素濃度を50%とした)雰囲気中、350°Cで、48時間熱処理した。原料粉の酸素含有量は15000wtppmとなった。
その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例1と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は3.7W/mKとなり、電気抵抗率は、0.21mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例1、実施例2、実施例3に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も非常に大きくなった。
アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は13個以下となり、パーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
(実施例5)
ガス成分を除くそれぞれの純度が、それぞれ99.999%(5N)であるIn、Sb、Geの各原料粉を、In33。3Sb22。2Te44。5(at%)の組成になるように混合して溶解し、炉内徐冷で鋳造インゴットを作製した。溶解する前に各元素の原料を酸洗、純水洗浄して、特に表面に残留している不純物を十分除去した。
これによって、純度99.999%(5N)を維持した高純度In33。3Sb22。2Te44。5のインゴットを得た。次に、この高純度In33。3Sb22。2Te44。5のインゴットを、ボールミルで粉砕して、平均粒径約30μm、最大粒径約90μmである原料粉を作製した(粒径の一桁は四捨五入した)。
この原料粉を大気中(酸素濃度:20.90%)、300°Cで、6時間熱処理し酸化した。酸素含有量は5000wtppmとなった。
次に、この原料粉を直径400mmのグラファイトダイスに充填して、8×10−2 Pa以下の真空雰囲気中、昇温速度5°C/minで、最終昇温温度600°Cとし、最終プレス圧力を150kgf/cmとすることにより、In33。3Sb22。2Te44。5の中間焼結体を作製した。得られた直径400mmの中間焼結体について、さらにPHIP=1000kgf/cmの条件でHIP処理を実施した。
得られた最終焼結体を切削加工してターゲット材に仕上げた。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は2.8W/mKとなり、電気抵抗率は、0.33mΩ・cmとなった。
上記のターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとしたところ、良好なボンディング性を有していた。この他に、アルミニウム合金製バッキングプレートに接合した場合についても良好なボンディング性を有することを確認した
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは容易であり、スパッタリング速度も大きかった。従来よりも大きな2000Wの電力を印加した場合においても、アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は25個以下となり、極めて少なかった。また、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
(実施例6)
粉砕工程までは実施例5と同一の原料粉を利用し、この原料粉を大気中(酸素濃度:20.90%)、300°Cで、12時間熱処理し酸化した。原料粉の酸素含有量は7500wtppmとなった。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例5と同一としスパッタリングターゲットを製造した。
このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は3.0W/mKとなり、電気抵抗率は、0.32mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例5に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も大きくなった。
アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は23個以下となり、パーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。このように、DC(直流)マグネトロンスパッタリングは、酸素の増加と共に容易になり、成膜速度も高くなる傾向があった。
(実施例7)
粉砕工程までは実施例5と同一の原料粉を利用し、この原料粉を高酸素(大気の酸素濃度を高めて、酸素濃度を50%とした)雰囲気中、300°Cで、24時間熱処理した。原料粉の酸素含有量は10000wtppmとなった。
その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例5と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は3.2W/mKとなり、電気抵抗率は、0.29mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例5及び実施例6に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も非常に大きくなった。
アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は18個以下となり、パーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
(実施例8)
粉砕工程までは実施例5と同一の原料粉を利用し、この原料粉を高酸素(大気の酸素濃度を高めて、酸素濃度を50%とした)雰囲気中、300°Cで、48時間熱処理した。原料粉の酸素含有量は15000wtppmとなった。
その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例5と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は3.4W/mKとなり、電気抵抗率は、0.27mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例5、実施例6、実施例7に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も非常に大きくなった。
アーキングの発生率は1回/分未満、パーティクル発生率は19個以下となり、パーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
(参考例1)
ガス成分を除くそれぞれの純度が、それぞれ99.999%(5N)であるTe、Sb、Geの各原料粉を、Ge22。2Sb22。2Te55.6(at%)の組成になるようにし、さらにドーパントとしてAgを0.5at%混合して溶解し、炉内徐冷で鋳造インゴットを作製した。溶解する前に各元素の原料を酸洗、純水洗浄して、特に表面に残留している不純物を十分除去した。
これによって、純度99.999%(5N)を維持したAgドープ高純度Ge22。2Sb22。2Te55.6のインゴットを得た。次に、このAgドープ高純度Ge22。2Sb22。2Te55.6のインゴットを、ボールミルで粉砕して、平均粒径約30μm、最大粒径約90μmである原料粉を作製した(粒径の一桁は四捨五入した)。
次に、この原料粉を直径400mmのグラファイトダイスに充填して、8×10−2 Pa以下の真空雰囲気中、昇温速度5°C/minで、最終昇温温度600°Cとし、最終プレス圧力を150kgf/cmとすることにより、AgドープGe22Sb22Te56の中間焼結体を作製した。得られた直径400mmの中間焼結体について、さらにPHIP=1000kgf/cmの条件でHIP処理を実施した。得られた最終焼結体を切削加工してターゲット材に仕上げた。
この結果、参考例1においては、焼結体の平均粒径が30μm、最大粒径が90μmであり、良好なターゲット材が得られた。
上記のターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。このようにして製造したターゲットの電気抵抗率は、0.26mΩ・cmとなった。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは容易であり、スパッタリング速度も大であった。従来よりも大きな2000Wの電力を印加した場合においてもアーキングの発生及びパーティクル発生率は、1回/分未満、18個以下と、極めて少なかった。また、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
この参考例1において、上記実施例に比べてターゲットの特性自体は問題となるものではないが、Agドープという付加的な工程が必要であり、実施例に比べ生産コスト的に、不利であるという面を有している。
(参考例2)
粉砕工程までは参考例1と同一の原料粉を利用し、この原料粉を大気中で熱処理して酸素含有量6000ppmとし、原料を作製した。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の電気抵抗率は、0.24mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、参考例1に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も大きくなった。また、パーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。このように、DC(直流)マグネトロンスパッタリングは、酸素の増加と共に容易になり、成膜速度も高くなる傾向があった。
しかし、この参考例2では、参考例1と同様に、Agドープという付加的な工程が必要であり、実施例に比べ生産コスト的に、不利であるという面を有している。
(参考例3)
粉砕工程までは参考例1と同一の原料粉を利用し、この原料粉を上記の条件で高酸素大気中で熱処理して酸素含有量10000ppmとし、原料を作製した。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の電気抵抗率は、0.22mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、参考例1及び参考例2に比べて、さらに容易となり、スパッタリング速度も非常に大きくなった。またパーティクル発生率が極めて少なく、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
しかし、この参考例3では、参考例1、2と同様に、Agドープという付加的な工程が必要であり、実施例に比べ生産コスト的に、不利であるという面を有している。
(参考例4)
ガス成分を除くそれぞれの純度が、それぞれ99.999%(5N)であるTe、Sb、Geの各原料粉を、Ge22。2Sb22。2Te55。6(at%)の組成になるように混合して溶解し、炉内徐冷で鋳造インゴットを作製した。溶解する前に各元素の原料を酸洗、純水洗浄して、特に表面に残留している不純物を十分除去した。これによって、純度99.999%(5N)を維持した高純度Ge22。2Sb22。2Te55。6のインゴットを得た。
次に、この高純度Ge22。2Sb22。2Te55。6のインゴットを、ボールミルで粉砕して、平均粒径約30μm、最大粒径約90μmである原料粉を作製した(粒径の一桁は四捨五入した)。次に、この原料粉を上記の条件でAgを1%含むようにイオンプレーティングした。そして、参考例1と同様のホットプレス保持温度のみ420°Cと変更した焼結条件、すなわち8×10‐2 Pa以下の真空ホットプレス及びHIPにより、5Nの純度を持つGe22。2Sb22。2Te55。6組成の焼結体を得た。この結果、焼結体の平均粒径が32μmであり、良好な焼結体が得られた。
このようにして製造したターゲット材の電気抵抗率は、0.24mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは容易であり、スパッタリング速度も大であった。従来よりも大きな2000Wの電力を印加した場合においてもアーキングの発生及びパーティクル発生率は、1回/分未満、19個以下と、発生率が極めて少なかった。また、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も全くなかった。
しかし、この参考例4では、参考例1、2、3と同様に、Agドープという付加的な工程が必要であり、実施例に比べ生産コスト的に、不利であるという面を有している。
(参考例5)
参考例1と同一の原料粉に、さらにドーパントとしてInを3wt%添加して混合し、この混合粉を大気中300°Cで12時間焼成し、焼結条件である中間焼結及び最終HIP処理の条件を参考例1と同様のまま行い、同様のスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の電気抵抗率は、0.55mΩ・cmとなった。また、このときの酸素含有量を測定したところ1900wtppmであった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用して従来よりも大きな2000Wの電力でDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行なったところ、パーティクル発生率が高く、スパッタリング時に導電性のない酸化物粒子に起因する脱粒やノジュールの発生もスパッタリング初期から見られた。また、スパッタ後のターゲット表面にマクロ模様が発生し、温度上昇が原因と考えられた。
このように、DC(直流)マグネトロンスパッタリングは、本願発明の原料粉末の処理を行わない場合は、電気伝導および熱伝導が低く、課題が解決されなかった。
(比較例1)
ガス成分を除くそれぞれの純度が、それぞれ99.999%(5N)であるTe、Sb、Geの各原料粉を、Ge22。2Sb22。2Te55。6の組成になるように溶解し、鋳造インゴットを作製した。この場合、元素のドーピング(例えばAg等)は行われていない。溶解する前に各元素の原料を酸洗、純水洗浄して、特に表面に残留している不純物を十分除去した。
これによって、純度99.999%(5N)を維持した高純度Ge22。2Sb22。2Te55。6のインゴットを得た。次に、この高純度Ge22。2Sb22。2Te55。6のインゴットを、不活性雰囲気中、ボールミルで粉砕して、平均粒径約30μm、最大粒径約90μmである原料粉を作製した(粒径の一桁は四捨五入した)。以上の条件は実施例1と同様である。
次に、この原料粉を水素還元した後直径400mmのグラファイトダイスに充填して、不活性雰囲気中、昇温速度15°C/minで、最終昇温温度600°Cとし、最終プレス圧力を150kgf/cmとすることにより、Ge22。2Sb22。2Te55。6の中間焼結体を作製しさらにHIPにより最終焼結体を作製した。この焼結体の酸素濃度は350ppmであった。この結果、焼結体の平均粒径が30μmである焼結体が得られた。
このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は2.4W/mKとなり、電気抵抗率は、0.50mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。このスパッタリングターゲットを使用して従来よりも大きな2000Wの電力でDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行なったところ、アーキングが平均3回/分発生し、課題を解決することは出来なかった。
(比較例2)
粉砕工程までは実施例1と同一の原料粉を利用し、この原料粉を水素還元処理して酸素含有量280ppmとし、原料を作製した。この場合、酸素以外の元素(例えばAg等の)ドーピングは行われていない。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は2.2W/mKとなり、電気抵抗率は、0.42mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行なったところ、アーキングが平均1回/分発生し、スパッタ後のターゲット表面の一部にマクロ模様が発生し、温度上昇が原因と考えられた。
(比較例3)
粉砕工程までは実施例4と同一の原料粉を利用し、この原料粉を酸素雰囲気中、450°Cで24時間、熱処理して酸素含有量10%とし、原料を作製した。この場合、酸素以外の元素(例えばAg等の)ドーピングは行われていない。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例4と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は1.2W/mKとなり、電気抵抗率は、10mΩ・cmとなった。また、相対密度も79%と低くなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行ったが、ターゲットの抵抗が高いために安定せず、途中でアーキングが10回/分と多発した後、スパッタリングを継続するのが困難な状態に陥ったため、スパッタリングを途中で中止せざるを得なかった。その後、スパッタリングターゲットをスパッタリング装置から取り外して観察すると、ターゲット材は割れていた。パーティクル発生率は100個となり、パーティクル発生率が極めて多く、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も著しく多く見られた。
(比較例4)
粉砕工程までは実施例1と同一の原料粉を利用し、この原料粉を大気中(酸素濃度:20.90%)、350°Cで、1時間熱処理し酸化した。原料粉の酸素含有量は4000wtppmとなった。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例1と同一としスパッタリングターゲットを製造した。
このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は2.4W/mKとなり、電気抵抗率は、0.31mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例1に比べて、スパッタリング速度が低下した。
アーキングの発生率は2回/分、パーティクル発生率は29個となり、パーティクル発生率が高く、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も見られた。このように、DC(直流)マグネトロンスパッタリングは、酸素含有量が規定量に達していないと難しくなり、成膜速度も低くなる傾向が見られた。
(比較例5)
粉砕工程までは実施例4と同一の原料粉を利用し、この原料粉を高酸素(大気の酸素濃度を高めて、酸素濃度を50%とした)雰囲気中、350°Cで、60時間熱処理した。原料粉の酸素含有量は30000wtppmとなった。
その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例4と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は2.1W/mKとなり、電気抵抗率は、0.36mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例4に比べて、むしろ悪くなり、スパッタリング速度が低下した。
アーキングの発生率は2回/分未満、パーティクル発生率は33個以下となり、パーティクル発生率が多く、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も見られた。
(比較例6)
粉砕工程までは実施例5と同一の原料粉を利用し、この原料粉を大気中(酸素濃度:20.90%)、300°Cで、1時間熱処理し酸化した。原料粉の酸素含有量は4000wtppmとなった。その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例5と同一としスパッタリングターゲットを製造した。
このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は2.3W/mKとなり、電気抵抗率は、0.38mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例5に比べて難しく、スパッタリング速度が低下した。
アーキングの発生率は3回/分、パーティクル発生率は30個となり、パーティクル発生率が多く、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も見られた。このように、DC(直流)マグネトロンスパッタリングは、酸素の低下と共に困難になり、成膜速度も低くなる傾向があった。
(比較例7)
粉砕工程までは実施例8と同一の原料粉を利用し、この原料粉を高酸素(大気の酸素濃度を高めて、酸素濃度を50%とした)雰囲気中、300°Cで、60時間熱処理した。原料粉の酸素含有量は30000wtppmとなった。
その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例8と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は2.1W/mKとなり、電気抵抗率は、0.4mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行った。このDC(直流)マグネトロンスパッタリングは、実施例8に比べて、むしろ難しくなり、スパッタリング速度も低下した。
アーキングの発生率は10回/分、パーティクル発生率は80個となり、パーティクル発生率が極めて多く、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も認められた。
(比較例8)
粉砕工程までは実施例8と同一の原料粉を利用し、この原料粉を酸素雰囲気中、350°Cで、24時間熱処理した。原料粉の酸素含有量は10wt%となった。
その後の焼結条件及び最終HIP処理の条件は、実施例8と同一としスパッタリングターゲットを製造した。このようにして製造したターゲット材の熱伝導率は1W/mKとなり、電気抵抗率は、0.56mΩ・cmとなった。このターゲット材を銅合金製バッキングプレートに接合し、スパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットを使用してDC(直流)マグネトロンスパッタリングを行ったが、ターゲットの抵抗が高いために安定せず、途中でアーキングが15回/分と多発した後、スパッタリングを継続するのが困難な状態に陥ったため、スパッタリングを途中で中止せざるを得なかった。
その後、スパッタリングターゲットをスパッタリング装置から取り外して観察すると、ターゲット材は割れていた。パーティクル発生率は250個となり、パーティクル発生率が極めて多く、スパッタリング時にマイクロポアに起因する脱粒やノジュールの発生も著しく多く見られた。
本願発明は、例えばGe−Sb−Te系材料ターゲットの焼結体を製造するにあたって、原料の処理および焼結条件を工夫し、粒界に低抵抗の結晶相を形成することで焼結体を低抵抗とすることにより、熱伝導率を2.5W/mK以上とし、電気抵抗率を0.30mΩ・cm以下とすることを可能にして、電気伝導率および熱伝導率の高い焼結体ターゲットを実現したものである。
このような低抵抗スパッタリングターゲットは、相変化記録用材料として、すなわち相変態を利用して情報を記録する媒体として例えばGe−Sb−Te系材料の薄膜形成する場合に、ターゲット内部の熱のこもりがなく、揮発成分の飛散がないターゲットを得ることができ、安定したDCスパッタリングが可能であって、かつ高電力を印加して高速スパッタリングができ、スパッタリング時のアーキングを低減させ、パーティクルが少なくすることが可能となり、成膜の品質を向上させると共に、生産効率を上昇させ、材質の均一性を備えた相変化記録用材料を成膜することが可能となるという優れた有用性がある。

Claims (11)

  1. 下記(A)の元素、(B)の元素及び(C)の元素を主成分とする焼結体ターゲットであって、熱伝導率が2.5W/mK以上、酸素濃度が5000ppm以上であることを特徴とする焼結体ターゲット。
    (A)S、Se、Teから選択したカルコゲナイド元素の一種以上
    (B)Bi、Sb、As、P、Nから選択したVb族元素の一種以上
    (C)Ge、Si、C、Ga、Inから選択したIVb族元素又はIIIb族元素の一種以上
  2. 酸素濃度が5000ppm以上30000ppm未満であることを特徴とする請求項1記載の焼結体ターゲット。
  3. 酸素濃度が5000ppm以上15000ppm以下であることを特徴とする請求項1記載の焼結体ターゲット。
  4. 下記(A)の元素がTeであり、(B)の元素がSbであり、(C)の元素がGeであって、Ge22.2Sb22.2Te55.6(at%)の組成であり、電気抵抗率が0.30mΩ・cm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の焼結体ターゲット。
  5. 電気抵抗率が0.26mΩ・cm以下であることを特徴とする請求項4記載の焼結体ターゲット。
  6. 電気抵抗率が0.24mΩ・cm以下であることを特徴とする請求項4記載の焼結体ターゲット。
  7. 電気抵抗率が0.22mΩ・cm以下であることを特徴とする請求項4記載の焼結体ターゲット。
  8. 熱伝導率が3.0W/mK以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の焼結体ターゲット。
  9. 熱伝導率が3.2W/mK以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の焼結体ターゲット。
  10. 熱伝導率が3.4W/mK以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の焼結体ターゲット。
  11. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の焼結体ターゲットを用いて、直流スパッタリングにより基板上に成膜することを特徴とする成膜方法。
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