JP2015190017A - 軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】酸化物を添加してＣｏＦｅ合金相の微細化を図り、透過磁束密度（ＰＴＦ）を向上し、高周波領域での磁気特性に優れた軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲットの提供。【解決手段】ＣｏＦｅ合金相と、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれか１種以上からなる酸化物相とを含む組織を有し、ＣｏＦｅ合金相における比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ）が０．４７〜０．７であり、ＣｏＦｅ合金相の面積率が５０．０〜９０．０％であり、且つ、ＣｏＦｅ合金相の分割幅が１．０〜５．０μｍである軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲット。【選択図】なし

Description

本発明は、酸化物を添加してＣｏＦｅ合金相の微細組織化を図り、マグネトロンスパッタリング時における透過磁束密度（ＰＴＦ）を向上させた軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲットに関する。

近年、電子機器の小型化、軽量化の要請に対応するために、回路素子の小型化、薄型化、高周波数化が進められている。例えば、薄膜インダクタの場合には、小型化の要請に伴って、高周波領域においても高い透磁率を持つ軟磁性膜が求められている。この軟磁性膜として、微細結晶質相と非晶質相とが混在した組織を有する合金を使用することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

前記軟磁性膜における微細結晶質相は、ｂｃｃ構造、ｈｃｐ構造、ｆｃｃ構造のうちの１種以上の混成構造から構成されたＦｅ又はＣｏを主体とし、前記非晶質相は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｐ、Ｃ、Ｂ、Ｇａ、Ｇｅ及び希土類元素のうちの少なくとも１種又は２種以上からなる元素の酸化物を主体としている。前記軟磁性膜では、微細結晶質相と非晶質相とが混在した組織を有する合金とすることにより、比抵抗を高めて軟磁性膜の渦電流損失の抑制を図り、高周波領域における透磁率を向上させている。

一方、ハードディスク用の磁気記録媒体に使用される軟磁性膜をスパッタリング成膜するためのＦｅ−Ｃｏ系ターゲットが知られている（例えば、特許文献２を参照）。このＦｅ−Ｃｏ系ターゲットの製造には、組成比が異なる２種類のＦｅＣｏ合金粉末が原料に使用され、これらのＦｅＣｏ合金粉末に、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ及びＨｆの１種以上を添加して得た混合粉末をホットプレス（ＨＰ）や加圧熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）してターゲットとしている。組成比が異なる２種類のＦｅＣｏ粉末を使用することにより、ターゲットの透磁率が低減され、ＰＴＦが向上するというものである。

２０００−１１４０４５公報 ２００７−２９７６８８公報

上述した軟磁性膜のスパッタリング成膜には、一般に、マグネトロンスパッタリング法が用いられている。ターゲットの背面に磁石を設置し、ターゲットの表面に磁束を透過させて、その領域にプラズマを集中させることによりスパッタ効率を向上させ、高速成膜を可能とする方法である。

前記特許文献１で提案された薄膜インダクタ用の軟磁性膜は、Ｆｅターゲット上に、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｐ、Ｃ、Ｂ、Ｇａ、Ｇｅ及び希土類元素のうちから選択された各元素のペレットを配置し、Ａｒ＋Ｏ_２雰囲気中でスパッタ成膜されている。しかしながら、透磁率の高いＦｅターゲットを使用しているので、該ターゲット表面側への透過磁束密度（ＰＴＦ）が不十分となり、スパッタ効率が低下して安定したスパッタが困難となる場合があった。

また、前記特許文献２で提案されたＦｅ−Ｃｏ系ターゲットは、ハードディスク用の磁気記録媒体に用いられる軟磁性膜をスパッタするためのものであって、高周波領域で使用される薄膜インダクタでは十分な磁気特性を有する軟磁性膜が得られない場合があった。

本発明は、高周波領域で使用される薄膜インダクタ用の軟磁性膜のスパッタリングに適した、ＰＴＦの高いＦｅ−Ｃｏ系ターゲットを提供することを目的とする。

本発明者らは、薄膜インダクタに用いることができる軟磁性膜の材料としてＣｏＦｅ合金を採用し、その軟磁性膜をマグネトロンスパッタリング法により成膜するためのＣｏＦｅ合金ターゲットを開発した。その合金中に、非磁性金属、特に、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれかの酸化物を分散させると、ＣｏＦｅ合金相が微細化してターゲットの透磁率を低くでき、ターゲット表面におけるＰＴＦを増大させることができるので、スパッタ効率が向上することが確かめられた。

本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
（１）本発明の軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲットはＣｏＦｅ合金相と、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれか１種以上からなる酸化物相とを含む組織を有する焼結体であることを特徴とする。
（２）前記（１）の軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲットにおいて、前記ＣｏＦｅ合金相における比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ）が、０．４７〜０．７であり、前記ＣｏＦｅ合金相の面積率が、５０．０〜９０．０％であり、且つ、前記ＣｏＦｅ合金相の分割幅が、１．０〜５．０μｍであることを特徴とする。

本発明において、ターゲットを構成する焼結体はＣｏＦｅ合金相と、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれか１種以上からなる酸化物相とを含む組織を有している。非磁性金属であるＡｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれか１種以上の酸化物は、電気抵抗が高く、安定な化合物であるため、焼結体はＣｏＦｅ合金相と金属酸化物相からなる組織になり、ＣｏＦｅ合金相が細分化されて微細化することによって、ターゲットの透磁率が低下し、ＰＴＦが向上する。

ここで、Ｈｆ酸化物を添加した場合の例として、Ｃｏ粉末：３８．９重量％と、Ｆｅ粉末：１５．８重量％と。Ｈｆ酸化物（ＨｆＯ_２）粉末：４５．３重量％との混合粉末を加圧焼結した焼結体によるターゲットを作製した。このターゲットについて電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により取得した組成像（ＣＯＭＰＯ像）を図１に示した。この組成像において、白い領域が、ＣｏＦｅ合金相を、そして、黒い領域が、Ｈｆ酸化物相を示しており、ターゲットの組織には、ＣｏＦｅ合金相とＨｆ酸化物相からなり、ＣｏＦｅ合金相が微細化していることが分かる。なお、ここでは、非磁性金属として、Ｈｆの場合を例示したが、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｉのいずれの場合でも、ＣｏＦｅ合金相が金属酸化物相により微細化することを確認している。

さらに、本発明によるターゲットではＣｏＦｅ合金相における比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ）が、０．４７〜０．７であり、ＣｏＦｅ合金相の面積率が、５０．０〜９０．０％であり、且つ、ＣｏＦｅ合金相の分割幅が、１．０〜５．０μｍであることを特徴としているが、比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ）は、ターゲットの組成分析値から算出され、その値が０．４７未満であると、スパッタ膜にＦｅ酸化物の不純物相が生成しやすくなる。一方、０．７を超えると、スパッタ膜のＣｏＦｅ合金相の磁気異方性が増加して、透磁率が低下しやすくなる。

また、本発明のターゲット中におけるＣｏＦｅ合金相については、その面積率が、５０％未満であると、スパッタ時に異常放電が発生しやすくなる。９０％を超えると、ターゲットのＰＴＦが低下する。さらに、そのＣｏＦｅ合金相の分割幅が、１．０μｍ未満であると、ターゲット密度が低下しやすくなり、５．０μｍを超えると、ターゲットのＰＴＦが低下しやすくなる。ターゲットのＰＴＦは４０％以上、密度比は９０％以上が好ましい。

以上の様に、本発明によれば、ターゲット中において、ＣｏＦｅ合金相と、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれか１種以上からなる酸化物相とが混在する組織にしたので、ＣｏＦｅ合金相が細分化されて微細化されることによって、ターゲットの透磁率が低下し、ＰＴＦが増加してスパッタ効率が向上する。特にＣｏＦｅ合金相の比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ）が、０．４７〜０．７であり、ＣｏＦｅ合金相の面積率が、５０．０〜９０．０％の範囲内とし、且つ、その分割幅が、１．０〜５．０μｍの範囲内とすることでＣｏＦｅ合金相の微細化が実現される。本発明のスパッタリングターゲットを用いて得られたた軟磁性膜は、高周波領域においても、透磁率が低下することがないので、薄膜インダクタ等の用途に好適である。

Ｈｆ酸化物を添加したＣｏＦｅ合金ターゲットについて、ＥＰＭＡにより取得した組成像（ＣＯＭＰＯ像）である。 Ｔｉ酸化物を添加したＣｏＦｅ合金ターゲットについて、ＥＰＭＡにより取得した組成像（ＣＯＭＰＯ像）である。 Ｓｉ酸化物を添加したＣｏＦｅ合金ターゲットについて、ＥＰＭＡにより取得した組成像（ＣＯＭＰＯ像）である。 図１のＨｆ酸化物を添加したＣｏＦｅ合金ターゲットにおけるＣｏＦｅ合金相の分割幅の測定について説明するＣＯＭＰＯ像である。

次に、本発明のターゲットについて、以下に、実施例により具体的に説明する。

〔実施例〕
先ず、平均粒径：０．８〜４．５μｍ、純度３ＮのＣｏ粉末と、平均粒径：５０〜２００μｍ、純度３ＮのＦｅ粉末と、平均粒径：０．５〜３．０μｍの酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２）粉末を用意し、これらの粉末を表１に示された配合比率になるように秤量した。秤量された各粉末と５ｍｍφジルコニアボールとをボールミル装置に投入し、Ａｒガス雰囲気中で、２〜１６時間混合し、実施例１〜１４の混合粉を得た。これらの混合粉を、真空雰囲気中で、保持温度：９５０〜１１５０℃、保持時間：３〜６時間、圧力：３５０ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件で加圧焼結して、実施例１〜１４の焼結体を得た。これらの焼結体を、直径１２５ｍｍ×厚さ５ｍｍに機械加工し、バッキングプレートを貼り付けて、実施例１〜１４のターゲットを作製した。なお、加圧焼結をホットプレス（ＨＰ）によって行ったが、他の方法として、ＨＩＰ法（熱間等方加圧式焼結法）等を採用しても構わない。

〔比較例〕
比較例では、実施例との比較のため、上記のＣｏ粉末、Ｆｅ粉末を表１に示された配合比率になるように秤量し、実施例と同様の手順に従って、比較例１、２の混合粉を得た後、これらの混合粉を加圧焼結して焼結体を作製した。これらの焼結体を、機械加工し、バッキングプレートを貼り付けて、比較例１、２のターゲットを作製した。

次に、上記実施例１〜１４及び比較例１、２のターゲットについて、ＩＣＰ法により金属成分の組成分析を行った。その結果を表２に示した。

次に、実施例１〜１４及び比較例１、２のスパッタリングターゲットについて、ＣｏとＦｅとの割合（Ｃｏ比）、ＣｏＦｅ合金相の面積率、ＣｏＦｅ合金相の分割幅、透過磁束密度（ＰＴＦ）及び相対密度を測定した。

＜Ｃｏ比＞
表２のターゲット組成に基づいて、実施例１〜１４及び比較例１、２のターゲット中のＣｏとＦｅとの割合（Ｃｏ比）を、Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ）の式を用いて算出した。ここで、「Ｃｏ」は、Ｃｏの原子％値であり、「Ｆｅ」は、Ｆｅの原子％値である。
その結果を、表３の「Ｃｏ比」欄に示した。

＜ＣｏＦｅ相の面積率＞
例示として、図１には、実施例２のターゲットについて、ＥＰＭＡにより取得した組成像（ＣＯＭＰＯ像）が示されており、この像中で、白い領域は、ＣｏＦｅ合金相を示し、黒い領域は、Ｈｆ酸化物相を示している。同様に、図２は、実施例４のターゲットに係るＣＯＭＰＯ像であり、白い領域は、ＣｏＦｅ合金相を示し、黒い領域は、Ｔｉ酸化物相を示し、そして、図３は、実施例５のターゲットに係るＣＯＭＰＯ像であり、白い領域は、ＣｏＦｅ合金相を示し、黒い領域は、Ｓｉ酸化物相を示している。
ここで、ＣｏＦｅ合金相の面積率の測定にあたっては、各実施例及び各比較例のターゲットについて取得したＣＯＭＰＯ像を利用し、各ターゲット上の異なる５箇所で、一辺３０μｍの正方形内における白い領域が占める割合を読み取った。それらの割合の平均値をＣｏＦｅ合金相の面積率とした。その測定結果を、表３の「ＣｏＦｅ相面積率（％）」欄に示した。なお、各ターゲットにおける酸化物相の面積率は、１００％から前記ＣｏＦｅ合金相の面積率を引いた値である。

＜ＣｏＦｅ合金相の分割幅＞
上述した各実施例及び各比較例のターゲットについて取得したＣＯＭＰＯ像を利用し、図４に示されるように、ターゲット上の異なる５箇所におけるＣＯＭＰＯ像の一辺を１１等分する１０本の直線（図４では、白線で示した）を描き、この１０本の直線が通過するＣｏＦｅ合金相（白い領域）の数をカウントした。ターゲット組織の微細化の程度を表す指標として、次式により求めた値をＣｏＦｅ合金相の分割幅として定義した。各実施例及び各比較例のターゲットについて測定した結果を、表３の「ＣｏＦｅ相分割幅（μｍ）」欄に示した。なお、図４では、Ｈｆ酸化物を添加した場合のＣＯＭＰＯ像を例にして示されている。
（ＣｏＦｅ合金相の分割幅）＝（画像上の１０本の線分の長さを実際の長さに補正した値）／（１０本の線分が通過する白い領域の数）

＜透過磁束密度（ＰＴＦ）＞
ＰＴＦの測定は、ＡＳＴＭＦ２０８６−０１の規定に基づいて実施した。測定結果を、表３の「ＰＴＦ（％）」欄に示した。

＜相対密度＞
相対密度は、各実施例及び比較例の焼結体を所定寸法に機械加工した後、重量を測定し嵩密度を求めた後、これを理論密度ρ_Ｃａｌで割ることで、算出した。相対密度の測定結果を、表３の「相対密度（％）」欄に示した。
なお、理論密度ρ_Ｃａｌは、原料Ｃｏ及びＦｅの重量に基づいて、下記の式により求めた。式中のρ_Ｃａｌは、ｉ種の酸化物が添加された場合を示しており、ρ_ｏｘｉ及びＣ_ｏｘｉに関して、例えば、添加された酸化物が１種類の場合には、ρ_ｏｘ１項及びＣ_ｏｘ１項で計算し、２種類の場合には、ρ_ｏｘ１項及びＣ_ｏｘ１項と、ρ_ｏｘ２項及びＣ_ｏｘ２項とで計算される。

以上の様に、上記の表３によれば、実施例１〜１４のスパッタリングターゲットはいずれも、ＣｏＦｅ合金相の面積率が、５０．０〜９０．０％の範囲内にあって、しかも、ＣｏＦe合金相の分割幅も、１．０〜５．０μｍの範囲内にあり、酸化物が添加されたことにより、ＣｏＦｅ合金相が微細に形成されている。ＰＴＦの値は４０％以上となり、スパッタ効率が向上することが分かった。

一方、比較例１、２の場合では、ＣｏＦｅ合金相の面積率が高く、分割幅が大きいことから、ターゲット組織が微細になっておらず、ＰＴＦが小さい。

以上のように、本発明によれば、軟磁性薄膜形成用のＦｅＣｏ合金ターゲット中に、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれか１種以上からなる酸化物を添加することにより、ＣｏＦｅ合金相が微細化し、４０％以上のＰＴＦが得られることが確認できた。特に、前記ＣｏＦｅ合金相について、その面積率を、５０．０〜９０．０％の範囲内とし、且つ、その分割幅を、１．０〜５．０μｍの範囲内にすることが、ＰＴＦ向上に効果的である。

Claims (2)

1. ＣｏＦｅ合金相と、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＳｉのいずれか１種以上からなる酸化物相とを含む組織を有する焼結体であることを特徴とする軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲット。
2. 前記ＣｏＦｅ合金相における比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ）が、０．４７〜０．７であり、
   前記ＣｏＦｅ合金相の面積率が、５０．０〜９０．０％であり、且つ、前記ＣｏＦｅ合金相の分割幅が、１．０〜５．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性薄膜形成用スパッタリングターゲット。