JP2015129331A

JP2015129331A - 磁性材スパッタリングターゲット及びその製造方法

Info

Publication number: JP2015129331A
Application number: JP2014001509A
Authority: JP
Inventors: 雄斗森下; Yuto MORISHITA
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: JP6279326B2

Abstract

【課題】Ｂを含有する磁性材スパッタリングターゲットの製造において、亀裂や割れ等を発生させることなく、漏洩磁束密度を向上させたマグネトロンスパッタリングによる良好な成膜を可能にするターゲットの提供。
【解決手段】Ｂを１０〜３０ａｔ％含有し、Ｃｏを３０〜５０ａｔ％含有し、Ｆｅを３０〜５０ａｔ％含有するスパッタリングターゲット及びその製造方法であって、原料を溶解後、５〜３０℃／分で冷却してインゴットを作製したターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内に長径が２μｍ以下のＢプア粒子が平均２０個以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶解鋳造法によって製造される磁性材スパッタリングターゲットであって、特に漏洩磁束密度が高い磁性材スパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。

次世代の高速記録素子として、磁気記録素子（ＭＲＡＭ）の研究開発が進められており、そのＭＲＡＭを構成する層に用いられる材料として、ホウ素（Ｂ）を含有する磁性材料が用いられている。例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等とＢからなる組成、すなわち、Ｃｏ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、あるいは、これらにＮｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ等を添加した組成が知られている。

一般に、これらのＭＲＡＭを構成する磁性材層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等とＢとからなる組成を有するスパッタリングターゲットを用いて作製される。しかし、このような組成のスパッタリングターゲットは、Ｂを含有しているため非常に脆く、ターゲット元材となるインゴットの鋳造や加工をする際に、亀裂や割れが生じることがあった。

このようなことから、本出願人は以前、溶解鋳造物を３０〜６０℃／分で急冷することにより、ターゲットの亀裂の発生などを低減する技術を提供した（特許文献１）。しかし、このような方法を用いてもなお、脆性を十分に改善することができず、冷間加工が困難で、冷間加工による漏洩磁束密度（ＰＴＦ）を向上させるのが困難という問題があった。

特許第４８３７８０５号

本発明は、Ｂを含有する磁性材スパッタリングターゲットにおいて、溶解鋳造工程での鋳造条件を制御することにより、亀裂や割れ等を発生させることなく、漏洩磁束密度を向上させたターゲットを提供することを課題とする。これにより、マグネトロンスパッタリングによる良好な成膜を可能にすることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明者は鋭意研究を行った結果、溶解鋳造物の冷却速度を遅くすることで、合金インゴットの組織を改変することができ、これにより、漏洩磁束密度を向上できるとの知見を得た。

本発明はこの知見に基づき、下記の発明を提供する。
１）Ｂを１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下含有し、Ｃｏを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、Ｆｅを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有するスパッタリングターゲットであって、ターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内に長径が２μｍ以下のＢプア粒子が平均２０個以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
２）Ｂを１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下含有し、Ｃｏを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、Ｆｅを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有する原料を溶解・鋳造してインゴットを作製し、これを機械加工してターゲットを作製するスパッタリングターゲットの製造方法であって、原料を溶解鋳造後、５〜３０℃／分で冷却してインゴットを作製することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。

Ｂを含有する磁性材スパッタリングターゲットは、脆性が高いため、冷間加工が困難で、冷間加工によって漏洩磁束密度を向上させにくいということがあったが、本発明によれば、冷却速度の低下によりターゲットの組織が変化して、漏洩磁束密度が向上するという優れた効果を有する。

本発明の実施例１のスパッタリングターゲットの組織写真（低倍）を示す。本発明の実施例１のスパッタリングターゲットの組織写真（高倍）を示す。本発明の実施例４のスパッタリングターゲットの組織写真（高倍）を示す。本発明の比較例１のスパッタリングターゲットの組織写真（高倍）を示す。

本発明のスパッタリングターゲットは、Ｂ含有量が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下、Ｃｏ含有量が３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下、Ｆｅ含有量が３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下から構成される。本発明のターゲットは、ＭＲＡＭなどにおける磁性材層を形成するために使用されるものであるが、ターゲットの成分組成は、所望する磁気特性に応じて、上記の数値範囲内で適宜選択される。

これらの原料を調合した後、溶解鋳造してインゴットを作製する。このインゴットを、スパッタリング装置の中でターゲットとしての機能を発揮できるように、ターゲット形状の調整やターゲット面の研磨等の機械加工を行い、スパッタリングターゲットを作製する。溶解温度等の溶解条件は、合金種と配合割合で当然変わってくるが、およそ１１００℃〜１５００℃の範囲で溶解する。

上記の製造工程において特に重要なことは、上記溶解後、溶湯が入った坩堝から鋳型へ出湯し、そのインゴットを５〜３０℃／分で冷却することである。インゴットの冷却速度を制御する方法としては、鋳型の肉厚や材質を変化させたり、鋳型を保温や断熱したり、また、後述するように溶湯を振動させながら冷却する方法が挙げられる。これによって、共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内に長径が２μｍ以下のＢプア粒子が平均２０個以下のターゲットを得ることができる。そして、このような組織を有するターゲットは、漏洩磁束密度が向上するという優れた効果を有する。

図１に、後述する実施例１のスパッタリングターゲットの組織写真（倍率：１０倍）を示す。通常、溶融合金を冷却していくと、最初に初晶が晶出し、さらに冷却が進んでいくと、ある温度で残りの溶融合金が凝固する。そして、このときの凝固する組織が共晶組織と呼ばれる。図１に示す通り、本発明のターゲットは初晶と共晶組織から構成されており、前記共晶組織は、Ｂリッチ相とＢプア相から構成されている。ここで、Ｂリッチ相とは、Ｂの含有量が１５ａｔ％以上の相を意味し、Ｂプア相とは、Ｂの含有量が１５ａｔ％未満の相を意味する。

鋳型には、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏなどの金属製やカーボン製のものを使用することができる。カーボン製の鋳型は、金属製のものに比べて熱伝導性が低いため、より好ましい。また、現時点ではメカニズムが不明であるが、冷却時に振動を与えることで、冷却速度を遅くすることができ、組織が変化するという効果があると推測される。振動方法は、振動子や超音波振動子などの公知の手段を利用することができ、また、その周波数に特に制限はない。

以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。

（実施例１）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ、約１２００℃で加熱溶解し、金属製鋳型直下の振動機を３０Ｈｚで作動させた後、溶湯を金属製鋳型に移し、５〜３０℃／分で冷却し、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚さ４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。ターゲットの組織写真（倍率：３００倍）を図２に示す。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所観察した結果、長径が２μｍ以下（直径２μｍの円の中に収まるサイズ）のＢプア粒子は平均２個と少なかった。また、このターゲットの漏洩磁束密度を測定した結果、３０．４％と後述する比較例１に比べて向上した。以上の結果を表１に示す。
なお、ターゲットのどの部分を観察しても、共晶組織に関しては、粒子径に大きな変化はなく、そのばらつきは小さいが、初晶に関しては、ターゲットの端の方が小さく、中心の方が大きいという傾向にある。

なお、漏洩磁束密度は、ＡＳＴＭＦ２０８６−０１（Standard Test Method for Pass Through Flux of Circular Magnetic Sputtering Targets, Method 2）に準拠した。具体的には、ターゲットの中心を固定し、０度、３０度、６０度、９０度、１２０度と回転させて漏洩磁束密度を測定し、それぞれの測定値をＡＳＴＭで定義されているreference filedの値で割り返し、１００を掛けてパーセントで表わし、これら５点の平均値から平均漏洩磁束密度（％）を求めた。以下の実施例、比較例においても同様とした。

（実施例２）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ、約１２００℃で加熱溶解し、金属製鋳型直下の振動機を１５０Ｈｚで作動させた後、溶湯を金属製鋳型に移し、５〜３０℃／分で冷却し、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚さ４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所観察した結果、長径が２μｍ以下のＢプア粒子は平均２個と少なかった。また、このターゲットの漏洩磁束密度を測定した結果、３２．４％と後述する比較例１に比べて向上した。

（実施例３）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ、約１２００℃で加熱溶解し、溶湯を予め８００℃に加温した金属製鋳型に移し、５〜２０℃／分で冷却し、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚さ４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所観察した結果、長径が２μｍ以下のＢプア粒子は平均１個と少なかった。また、このターゲットの漏洩磁束密度を測定した結果、３１．０％と後述する比較例１に比べて向上した。

（実施例４）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ、約１２００℃で加熱溶解した後、溶湯をカーボン製鋳型に移し、５〜３０℃／分で冷却し、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚さ４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。ターゲットの組織写真（倍率：３００倍）を図３に示す。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所観察した結果、長径が２μｍ以下のＢプア粒子は平均０個と少なかった。また、このターゲットの漏洩磁束密度を測定した結果、３１．７％と後述する比較例１に比べて向上した。

（比較例１）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ約１２００℃で加熱溶解した後、金属製鋳型に移し、振動せずに、３０〜５０℃／分で冷却し、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚み４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。ターゲットの組織写真（倍率：３００倍）を図４に示す。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所に観察した結果、長径が２μｍ以下のＢプア粒子は平均５６個であった。また、このターゲットの漏洩磁束密度を測定した結果、１５．７％であった。

本発明のスパッタリングは、溶解鋳造したインゴットから製造されたものであり、脆性が高いため、冷間加工が困難で、冷間加工によって漏洩磁束密度を向上させにくいということがあったが、本発明によれば、冷却速度の低下によりターゲットの組織が変化し、漏洩磁束密度が向上するという優れた効果を有する。本発明は、ＭＲＡＭ用の磁性材層を形成するための磁性材スパッタリングターゲットとして、有用である。

Claims

Ｂを１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下含有し、Ｃｏを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、Ｆｅを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有するスパッタリングターゲットであって、ターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内に長径が２μｍ以下のＢプア粒子が平均２０個以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
Ｂを１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下含有し、Ｃｏを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、Ｆｅを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有する原料を溶解・鋳造してインゴットを作製し、これを機械加工してターゲットを作製するスパッタリングターゲットの製造方法であって、原料を溶解後、５〜３０℃／分で冷却してインゴットを作製することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。