JP2016151043A - セラミックス製ターゲット材の製造方法および円筒形スパッタリングターゲット - Google Patents

セラミックス製ターゲット材の製造方法および円筒形スパッタリングターゲット Download PDF

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Abstract

【課題】焼成時の歪みの発生を抑制することで使用する原料の歩留まりがよく、安価に作製し得るセラミックス製ターゲット材の製造方法および円筒形スパッタリングターゲットの提供。
【解決手段】成形工程S11と、第1焼成工程S12と、第2焼成工程S13とを含み、成形工程S11では筒状の成形体を成形し、第1焼成工程S12では成形体を焼成および冷却し、成形体よりも密度の高い1次焼成体を作製し、第2焼成工程S13では1次焼成体を焼成するセラミックス製ターゲット材の製造方法。
【選択図】図7

Description

開示の実施形態は、セラミックス製ターゲット材の製造方法および円筒形スパッタリングターゲットに関する。
円筒形スパッタリングターゲットの内側に磁場発生装置を有し、このターゲットを内側から冷却しつつ、さらにこのターゲットを回転させながらスパッタリングを行うマグネトロン型回転カソードスパッタリング装置が知られている。このようなスパッタリング装置では、ターゲット材の外周表面の全面がエロージョンとなり均一に削られる。このため、従来の平板型マグネトロンスパッタリング装置では使用効率が20〜30%であるのに対し、マグネトロン型回転カソードスパッタリング装置では70%以上の格段に高い使用効率が得られる。
また、マグネトロン型回転カソードスパッタリング装置では、円筒形のターゲット材を回転させながらスパッタリングを行うことにより、平板型マグネトロンスパッタリング装置に比べて単位面積当たりに大きなパワーを投入できることから、高い成膜速度が得られ、成膜時の生産効率を向上させることができる。
近年、フラットパネルディスプレイや太陽電池で使用されるガラス基板が大型化され、この大型化された基板上に効率よく薄膜を形成するために、たとえば3mを超えるような長尺の円筒形スパッタリングターゲットが必要となっている。それに伴い、円筒形スパッタリングターゲットを構成するセラミックス製ターゲット材の長さも、さらに長くすることが求められている。
セラミックス製ターゲット材の長さを長くする方法として、複数のセラミックス製ターゲット材を積み重ねて使用する方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。しかしながら、セラミックス製ターゲット材の間には該ターゲット材の熱膨張による衝突割れを防ぐため依然として分割部があり、この分割部に起因したアーキングやパーティクルが発生する。こうしたアーキングやパーティクルの発生を抑制するためには、分割部そのものをなくすか、分割部の数を減らすために積み重ねて使用するセラミックス製ターゲット材の個々の長さを長くすることが必要である。
特許文献2には、長さが500mm以上のセラミックス製ターゲット材を割れや変形などが発生しないよう製造することについて記載されている。
特開2010−100930号公報 特開2013−147368号公報
しかしながら、上記した従来技術では依然として、セラミックス製ターゲット材を作製するための焼成時における歪みの発生が不可避であるため、さらなる改善の余地がある。
円筒形のセラミックス製ターゲット材は、長さ方向に立設した状態で焼成を行う。しかし、円筒形のセラミックス製ターゲット材は一般的な外径が160mmφ前後とその長さに比較して径が小さく、さらに焼成時の加熱により軟化してしまうため、長尺になるほど長さ方向の歪みを発生させることなく焼成することが困難である。また、焼成時には15%以上収縮するため、立設状態のまま単に焼成時の治具を追加する等の工夫によっては、かかる不具合を解消することが困難であった。
また、焼成により得られた焼成体は焼成後に後工程で目的の寸法に加工されるが、焼成時に一定以上に歪んでしまうと、目的の寸法にまで加工することができず、ターゲット材として利用できなくなる。また、大きく歪んだ焼成体についても目的とした寸法に加工できるように、予め肉厚な成形体を成形しようとすると、目的とする寸法よりも必要以上に大きな成形体が必要となり、原料コストが高くなるという問題がある。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、焼成時の歪みの発生を抑制することで使用する原料の歩留まりがよく、安価に作製し得るセラミックス製ターゲット材の製造方法および円筒形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。
実施形態に係るセラミックス製ターゲット材の製造方法は、成形工程と、第1焼成工程と、第2焼成工程とを含む。成形工程では、筒状の成形体を成形する。第1焼成工程では、前記成形体を焼成および冷却し、前記成形体よりも密度の高い1次焼成体を作製する。第2焼成工程では、前記1次焼成体を焼成する。
実施形態の一態様によれば、焼成時の歪みの発生を抑制することで使用する原料の歩留まりがよく、安価に作製し得るセラミックス製ターゲット材の製造方法および円筒形スパッタリングターゲットを提供することができる。
図1Aは、円筒形スパッタリングターゲットの構成の概要を示す模式図である。 図1Bは、図1AのA−A’断面図である。 図2は、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材の製造方法の概要を示す説明図である。 図3は、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材の製造方法の概要を示す説明図である。 図4Aは、長さ方向の歪みについて説明するための図である。 図4Bは、径方向の歪みについて説明するための図である。 図5Aは、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材の製造方法の概要を示す説明図である。 図5Bは、図5Aの上面図である。 図6は、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材の製造方法の概要を示す説明図である。 図7は、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材の製造方法の一例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するセラミックス製ターゲット材の製造方法および円筒形スパッタリングターゲットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
まず、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材の製造方法により作製されたセラミックス製ターゲット材を適用し得る円筒形スパッタリングターゲットについて、図1A、図1Bを用いて説明する。
図1Aは、実施形態に係る円筒形スパッタリングターゲットの構成の概要を示す模式図であり、図1Bは、図1AのA−A’断面図である。なお、説明を分かりやすくするために、図1Aおよび図1Bには、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするZ軸を含む3次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後述の説明に用いる他の図面でも示す場合がある。
図1Aおよび図1Bに示すように、円筒形スパッタリングターゲット(以下、「円筒形ターゲット」と称する)1は、円筒形のセラミックス製ターゲット材2と、バッキングチューブ3とを備える。セラミックス製ターゲット材2およびバッキングチューブ3は、接合材4により接合される。
ここで、セラミックス製ターゲット材2は、円筒形状に加工されたセラミックス製材料で構成されており、後述する製造方法により作製される。かかるセラミックス製ターゲット材2を作製することができるセラミックス製材料としては、たとえば、In、Zn、Al、Ga、Zr、Ti、Sn、Mg、Siのうち少なくとも1種を含有する酸化物等を挙げることができる。具体的には、Snの含有量がSnO換算で1〜10質量%であるITO(In−SnO)、Al含有量がAl換算で0.1〜5質量%であるAZO(Al−ZnO)、Inの含有量がIn換算で10〜60質量%、Gaの含有量がGa換算で10〜60質量%、Znの含有量がZnO換算で10〜60質量%であるIGZO(In−Ga−ZnO)およびZn含有量がZnO換算で1〜15質量%であるIZO(In−ZnO)などの組成を有するものを例示することができるが、これらに限定されない。
また、セラミックス製ターゲット材2の相対密度は、好ましくは95%以上であり、より好ましくは98%以上であり、さらに好ましくは99%以上である。セラミックス製ターゲット材2の相対密度が95%以上だと、たとえばスパッタリング時の熱膨張などに起因するセラミックス製ターゲット材2の割れを防止または抑制することができる。また、パーティクルおよびアーキングの発生が低減し、平滑性などの点において良好な膜質を得ることができる。ここで、セラミックス製ターゲット材2の相対密度の測定方法について、以下に説明する。
セラミックス製ターゲット材2の相対密度は、アルキメデス法に基づいて測定される。具体的には、セラミックス製ターゲット材2の空中重量を体積(=セラミックス製ターゲット材2の水中重量/計測温度における水比重)で除し、下記式(X)に基づく理論密度ρ(g/cm)に対する百分率の値を相対密度(単位:%)とする。
Figure 2016151043
上記式(X)中、C〜Cはそれぞれセラミックス製ターゲット材2を構成する構成物質の含有量(質量%)を示し、ρ〜ρはC〜Cに対応する各構成物質の密度(g/cm)を示す。
また、バッキングチューブ3としては、従来使用されているものを適宜選択して使用することができる。このようなバッキングチューブ3として、たとえば、ステンレス、チタン、チタン合金等を適用することができるが、これらに限定されない。
また、接合材4としては、従来使用されているものを適宜選択し、従来と同様の方法によりセラミックス製ターゲット材2およびバッキングチューブ3を接合することができる。このような接合材4として、たとえば、インジウムやインジウム−スズ合金等が挙げられるが、これらに限定されない。
なお、上記では、円筒形ターゲット1は、1つのバッキングチューブ3の外側に、1つのセラミックス製ターゲット材2が接合された例について説明したが、これに限定されない。たとえば、1または2以上のバッキングチューブ3の外側に2以上のセラミックス製ターゲット材2を同一軸線上に並べて接合材4により接合されたものを円筒形ターゲット1として使用してもよい。複数のセラミックス製ターゲット材2を並べて接合する場合、隣り合うセラミックス製ターゲット材2間の隙間、つまり分割部の長さは好ましくは0.05〜0.5mmである。分割部の長さが短いほどスパッタリング時にアーキングが発生しにくいが、分割部の長さが0.05mm未満だと接合工程やスパッタリング中の熱膨張によりセラミックス製ターゲット材2同士がぶつかり、割れることがある。
次に、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法の一例について説明する。セラミックス製ターゲット材2は、セラミックス原料粉末および有機添加物を含有するスラリーを造粒し、顆粒体を作製する造粒工程と、この顆粒体を成形し、筒状の成形体を作製する成形工程とを経て作製される。なお、成形体の作製方法は、上記したものに限定されず、目的とする円筒形の成形体が得られるものであればよい。
上記した成形体は、セラミックス製ターゲット材2よりも密度が低い。このため、成形体は、セラミックス製ターゲット材2として予め設計された寸法よりも肉厚に作製され、また長さ方向の寸法はセラミックス製ターゲット材2の全長よりも長い。なお、成形体12の密度は、セラミックス製ターゲット材2の密度の概ね60〜70%程度である。
また、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法は、第1焼成工程と、第2焼成工程とをさらに含む。従来1回で行っていた焼成を2段階に分けて実施することにより、成形体の焼成時に生じる歪みが低減し、原料歩留まりの良いセラミックス製ターゲット材2を製造することができる。なお、必要に応じて第1焼成工程の前に700℃程度で熱処理を行い、成形体中の有機物を除去しても良い。以下では、第1焼成工程および第2焼成工程の一例について、図2、図3を用いて順に説明する。
まず、第1焼成工程について説明する。図2は、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法のうち、第1焼成工程の概要を示す説明図である。第1焼成工程では、筒状に成形された成形体12を焼成し、1次焼成体を作製する。具体的には、図2に示すように上面6が略水平の平板状のセッター5の上に成形体12を立てて、すなわち成形体12の長さ方向の両端面のうち、一方がセッター5に接触するように載置させた状態で所定の温度に加熱して焼成し、その後冷却することで成形体12よりも密度の高い1次焼成体を作製する。1次焼成体の冷却温度は特に規定するものではなく、次の第2焼成工程の準備ができる程度、たとえば100℃以下であればよい。
第1焼成工程により得られる1次焼成体は、寸法比でたとえば20%程度収縮し、成形体12よりも密度が高くなる。より具体的には、1次焼成体の相対密度は、たとえば98%〜100%と、セラミックス製ターゲット材2の相対密度と同程度となるまで高密度化される。
また、成形体12を立てて焼成することで、1次焼成体に発生する径方向の歪みが低減されるが、1次焼成体には、長さ方向の歪みが不可避的に生じうる。このため、第1焼成工程を完了した1次焼成体に対し、生じた歪みを低減する第2焼成工程を行う。ここで、1次焼成体の「長さ方向の歪み」および「径方向の歪み」について、図4A、図4Bを用いてそれぞれ説明する。
まず、1次焼成体の「長さ方向の歪み」について説明する。図4Aは、1次焼成体の長さ方向の歪みについて説明するための図である。図4Aに示すように、円筒形状として仮想された、歪みのない理想的な形状である1次焼成体を、両端面をXZ平面に、長さ方向をY軸に、それぞれ平行となるように3次元の直交座標系上に配置する。このとき、仮想した1次焼成体をX軸方向から見た矩形の外観形状Lにおいて、1次焼成体の長さ方向に延びる長辺のうち少なくとも一部が、Y軸に平行な状態からX軸側および/またはZ側に反る、あるいは折れ曲がるように外観形状Lが変形することを「長さ方向に歪む」といい、その変形の程度を「長さ方向の歪み」という。なお、外観形状Ldは、1次焼成体の長さ方向がZ軸方向に歪んだ様子を例示したものである。
次に、1次焼成体の「径方向の歪み」について説明する。図4Bは、1次焼成体の径方向の歪みについて説明するための図である。図4Bに示すように、円筒形状として仮想された、歪みのない理想的な形状である1次焼成体を、図4Aと同様に3次元の直交座標系上に配置する。このとき、仮想した1次焼成体をY軸方向から見た環状の外観形状Rにおいて、外径および/または内径のうち、少なくとも一部が、X軸側および/またはZ側に外力を受けて変形することを「径方向に歪む」といい、その変形の程度を「径方向の歪み」という。また、「径方向の歪み」のうち、外径が径方向に歪むことを「外径歪み」と規定し、内径が径方向に歪むことを「内径歪み」として区別してもよい。なお、外観形状Rdは、1次焼成体の一端面または断面形状がZ軸方向に圧縮されたように外径および内径が歪んだ様子を例示したものである。
なお、成形体12を立てて焼成することで1次焼成体の長さ方向の歪みが生じる理由としては、たとえば、成形体12の成形密度が個所ごとにわずかに相違すること、焼成時に成形体12の個所ごとに温度差が生じること、および焼成炉内での対流の影響などが想定される。以下では、第2焼成工程について図3を用いて説明する。
図3は、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法のうち、第2焼成工程の概要を示す説明図である。図3に示すように、断面V字形状の載置部8を有するいわゆるV字セッター7を用いて、1次焼成体22を横に寝かせた、すなわち1次焼成体22の長さ方向が略水平となるように載置させた状態とする。ここで円筒形の成形体を焼成する性質上、たとえば1次焼成体の端部が凸状となる等により1次焼成体を水平に載置できない場合が生じうる。この場合、1次焼成体を水平に載置するために1次焼成体の端部を切断する等の処理を行ってもよい。なお、図3では、V字セッター7の要部である載置部8の形状に着目して図示しており、V字セッター7の全体構成等については図示を省略している。
1次焼成体22をこの姿勢として、第1焼成工程よりも低い焼成温度、好ましくは第1焼成工程よりも50℃以上低い温度で焼成する第2焼成工程を行うことにより、1次焼成体22の長さ方向の歪みが低減された2次焼成体が得られる。
このように第1焼成工程に続いて第2焼成工程を実施することで1次焼成体22に生じた歪みが低減される理由としては、たとえば以下のことが考えられる。まず、第1焼成工程では、セラミックス製ターゲット材2とほぼ同等の密度となるまで十分に収縮させた1次焼成体22を形成する。
そして、第2焼成工程では、1次焼成体22が軟化する程度の、第1焼成工程よりも低い焼成温度で1次焼成体22を焼成する。この第2焼成工程では、V字セッター7の載置部8の形状および軟化した1次焼成体22の自重に応じて変形することで1次焼成体22の長さ方向の歪みが低減された2次焼成体が作製できる。
また、第2焼成工程では、焼成温度が第1焼成工程よりも低いため、収縮を伴う密度の変化は起きづらい。このため、1次焼成体22の径方向の歪みは、第2焼成工程においてもほぼ同等に維持されたままとなり、また、長さ方向は全体として1次焼成体22よりも歪みが低減された2次焼成体が得られる。
ここで、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法は、作製されるセラミックス製ターゲット材2の全長が好ましくは500mm以上、より好ましくは600mm以上、さらに好ましくは750mm以上、最も好ましくは1000mm以上の場合に適用される。セラミックス製ターゲット材2の全長が500mm未満の場合には、本製造方法を適用しなくても成形体12の焼成により生じる歪みは小さい。ただし、全長が500mm未満のセラミックス製ターゲット材2に対して本製造方法を使用した場合にも、後工程での加工が軽減されるため、適用可能である。また、セラミックス製ターゲット材2の全長の上限値は特に定めるものではないが、スパッタリング装置内部に設置するものであることから通常4000mm以下である。
また、第1焼成工程および第2焼成工程において使用される焼成炉には特に制限はなく、セラミックス製ターゲット材2の製造に従来使用されている焼成炉を使用することができる。
また、第1焼成工程において使用されるセッター5の材質としては、たとえば、載置させて焼成する成形体12と同じ材質のもの、またはアルミナ等が挙げられる。
また、作製されるセラミックス製ターゲット材2がITOの場合、第1焼成工程における焼成温度は好ましくは1500℃〜1700℃であり、より好ましくは1500℃〜1650℃であり、さらに好ましくは1500℃〜1600℃である。また、作製されるセラミックス製ターゲット材2がAZOの場合、第1焼成工程における焼成温度は好ましくは1300℃〜1500℃であり、より好ましくは1300℃〜1450℃であり、さらに好ましくは1350℃〜1450℃である。また、作製されるセラミックス製ターゲット材2がIGZOの場合、第1焼成工程における焼成温度は好ましくは1350℃〜1550℃であり、より好ましくは1400℃〜1500℃、さらに好ましくは1400℃〜1450℃である。そして、作製されるセラミックス製ターゲット材2がIZOの場合、第1焼成工程における焼成温度は好ましくは1350℃〜1550℃であり、より好ましくは1400℃〜1500℃、さらに好ましくは1400℃〜1450℃である。第1焼成工程における焼成温度が低すぎると、得られた1次焼成体22において密度を十分に上げることができず、第2焼成工程においてさらに収縮して歪みが増加することがある。一方、第1焼成工程における焼成温度が高すぎると、成形体12の焼結組織が肥大化して割れやすくなる。
また、第1焼成工程における昇温速度は、好ましくは50℃/h〜500℃/hである。昇温温度が50℃/h未満だと、焼成温度に到達するまでの時間が長くなり、作業時間が長くなる。また、昇温温度が500℃/hを超えると、成形体12の部分ごとの温度差が大きくなり、割れが生じやすくなる。
さらに、第1焼成工程における焼成温度での保持時間は、好ましくは3〜30時間であり、より好ましくは5〜20時間であり、さらに好ましくは8〜16時間である。保持時間が長いほど1次焼成体は高密度化しやすいが、長すぎると1次焼成体の焼結組織が肥大化して割れやすくなる。
次に、第2焼成工程において使用されるV字セッター7の材質としては、たとえばアルミナ等が挙げられる。また、載置部8のV字形状の端面の角度θは、たとえば45°〜70°とすることができる。この角度θは、1次焼成体22の外径寸法や質量、さらに焼成温度や焼成時間などに応じて変更することができる。なお、1次焼成体とV字セッター7との反応を抑制するため、1次焼成体とV字セッター7とが当接する箇所に、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末やシート等を付着させてもよい。
また、製造されるセラミックス製ターゲット材2がITOの場合、第2焼成工程における焼成温度は好ましくは1300℃〜1550℃であり、より好ましくは1300℃〜1500℃であり、さらに好ましくは1350℃〜1450℃である。また、製造されるセラミックス製ターゲット材2がAZOの場合、第2焼成工程における焼成温度は好ましくは1200℃〜1400℃であり、より好ましくは1200℃〜1350℃であり、さらに好ましくは1250℃〜1350℃である。また、製造されるセラミックス製ターゲット材2がIGZOの場合、第2焼成工程における焼成温度は好ましくは1200℃〜1400℃であり、より好ましくは1250℃〜1400℃であり、さらに好ましくは1250℃〜1350℃である。そして、製造されるセラミックス製ターゲット材2がIZOの場合、第2焼成工程における焼成温度は好ましくは1200℃〜1400℃であり、より好ましくは1250℃〜1400℃であり、さらに好ましくは1250℃〜1350℃である。第2焼成工程における焼成温度が低すぎると、1次焼成体22の軟化が不十分となり、1次焼成工程で発生した歪みを十分に低減することができないことがある。また、第2焼成工程における焼成温度が高すぎると、過度に軟化が進み、意図しない2次焼成体の歪み、特に径方向の歪みを生じることがある。
また、第2焼成工程における昇温速度は、好ましくは50℃/h〜150℃/hである。昇温温度が50℃/h未満だと、焼成温度に到達するまでの時間が長くなり、作業時間が長くなる。また、昇温温度が150℃/hを超えると、1次焼成体22が割れることがある。
さらに、第2焼成工程における焼成温度での保持時間は、好ましくは3〜30時間であり、より好ましくは5〜20時間であり、さらに好ましくは8〜16時間である。焼成温度での保持時間が短いと歪みを十分に低減することができないことがあり、また長すぎると2次焼成体の焼結組織が肥大化して割れやすくなる。
また、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法は、仕上加工工程をさらに含む。本工程における加工方法は、たとえば、まず円筒研削盤に2次焼成体をセットし、外周面の加工を行う。次に、2次焼成体の外周面を基準にして、内周面の加工を行う。最後に2次焼成体の外周面の加工を再度行い、目標の寸法に研削する。また、長さ方向の加工は、切断および/または研削で行うことができる。かかる各仕上加工により、外径、内径および長さが、予め設計された寸法に加工されたセラミックス製ターゲット材2が製造される。なお、同様の加工精度を有するセラミックス製ターゲット材2を製造することが可能であれば上記した加工方法に制限されない。
なお、上記した実施形態では、第2焼成工程において1次焼成体22をV字セッター7の載置部8に横設して焼成させる例について説明したが、1次焼成体22の長さ方向の歪みを低減することができるものであれば上記した例に限定されない。以下では、第2焼成工程の変形例について図5A、図5Bを参照して説明する。
図5Aは、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法において、特に第2焼成工程の変形例の概要を示す説明図、図5Bは、図5Aの上面図である。V字セッター7に代えてセッター33,34を用いて吊るされるように、1次焼成体22とは形状の異なる1次焼成体32が支持されることを除き、第2焼成工程の焼成条件等は図3を用いて説明したものと同じとすることができる。
図5A、図5Bに示すように、1次焼成体32の長さ方向の一端31側には、外周部分の外側に張り出したフランジ32aが形成されている。このような形状を有する1次焼成体32を、所定の間隔を隔てて配置した平板状の2枚のセッター33,34の間に挟み、フランジ32aをセッター33,34の各上面に引っ掛けるようにして支持する。セッター33,34は、1次焼成体32がセッター33,34以外のものには接触しないように配置され、第2焼成工程が行われる。
なお、1次焼成体32の一端31側にフランジ32aを形成させる方法としては、たとえば、成形体12の一端側から所定の幅(たとえば、50mm)だけ離れた位置から成形体12の外周側に張り出した形状を有するように外径をある部分だけ大きくした筒状の成形体12を作製する。そして、外径が大きい方の端部が下になるように成形体12をセッター5の上に立てて第1焼成工程を実施し、下端部分にフランジ32aが形成された1次焼成体32を作製する。ただし、本方法は一例であり、フランジ32aを有する1次焼成体32が作製されるものであれば他の方法を採用してもよい。
ここで、セッター33,34の材質としては、たとえばアルミナ等が挙げられる。
また、フランジ32aの外径は、第2焼成工程において1次焼成体32が落下しない程度であれば制限はない。また、セッター33,34の間隔についても同様である。そして、フランジ32aの形状についても図示したものに限定されない。
上記したように、第2焼成工程では、たとえば1次焼成体32が軟化する程度の、第1焼成工程よりも低い焼成温度で1次焼成体32を焼成させる。本実施形態では、第2の焼成で軟化した1次焼成体32が径方向の形状を維持したまま、かつセッター33,34に懸架されているため、その自重により矯正されることで1次焼成体32の長さ方向の歪みが低減された2次焼成体が作製される。
なお、1次焼成体32においてフランジ32aが形成された部分は、2次焼成体を仕上加工する際に他の部分と外径が同じになるように切削または研削することで、廃棄すること無くセラミックス製ターゲット材2として利用することができる。
図5A、図5Bを用いて説明した実施形態では、予め成形体12の形状を変更する必要があったが、成形体12の形状を変更しないようにすることもできる。以下では、成形体12の形状の変更を要しない変形例について図6を用いて説明する。
図6は、第2焼成工程のさらなる変形例の概要を示す説明図である。なお、第2焼成工程の焼成条件等は図5A、図5Bを用いて説明したものと同じとすることができる。
図6に示すように、1次焼成体42の長さ方向の一端41側には、径方向に貫通する貫通孔43a,43bが形成されている。貫通孔43a,43bに耐熱性を有する棒44を挿入し、この棒44を図示しない保持部材で保持することにより、1次焼成体42は、棒44で吊されるように支持される。そして、1次焼成体42は、棒44以外のものには接触しないように配置され、第2焼成工程が行われる。
なお、1次焼成体42の一端41側に貫通孔43a,43bを形成させる方法としては、たとえば、成形体12の一端側からの幅が所定の長さ(たとえば、50mm)だけ離れた位置に、径方向に対面する2か所に穴をあける。そして、この穴のあいた一端側が上になるように成形体12をセッター5の上に立てて第1焼成工程を実施し、上端側に貫通孔43a,43bが形成された1次焼成体42を作製する。ただし、本方法は一例であり、たとえば穴のあいていない成形体12を焼成した1次焼成体22に穴をあけ、貫通孔43a,43bを形成するようにしてもよい。
ここで、棒44の材質としては、アルミナ等が挙げられる。また、棒44と貫通孔43a,43bとの間に、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ等のターゲット材と反応しにくいもので形成されたシート状の部材(図示せず)を挟むと、棒44として他のセラミックス材料(たとえば、窒化ケイ素、ムライトなど)を使用することも可能となる。
また、貫通孔43a,43bの大きさは、第2焼成工程において棒44の熱膨張を阻害しない程度であれば制限はないが、大きすぎると強度が低下し、焼成が完了するまで1次焼成体42および/または2次焼成体の保持ができない場合がある。また、貫通孔43a,43bの数は、1次焼成体42を適切に吊るすことができる配置であれば3以上であってもよい。
なお、1次焼成体42において貫通孔43a,43bが形成された部分より長さ方向端部側の部分は、2次焼成体を仕上加工する際に切断および/または切削により除去される。
このように、1次焼成体42を吊るして焼成することで、軟化した1次焼成体42がその自重により変形し、1次焼成体42の長さ方向の歪みが低減された2次焼成体が作製される。
なお、本実施形態に係る第2焼成工程において、1次焼成体を吊るして焼成する方法としては、上記したものに限らず、他の方法であってもよい。たとえば、1次焼成体22の外周部分をセラミックス製ブロックで挟んで固定し、この1次焼成体22を吊るすようにしてもよい。
次に、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2の製造方法について、図7を用いて説明する。図7は、実施形態に係るセラミックス製ターゲット材2を作製する処理手順の一例を示すフローチャートである。
図7に示すように、まず、筒状の成形体12を成形する(ステップS11)。次いで、成形体12を焼成および冷却し、成形体12よりも密度の高い1次焼成体22を作製する(ステップS12)。さらに、1次焼成体22を焼成し、1次焼成体22の長さ方向の歪みを低減した2次焼成体を作製する(ステップS13)。
続いて、2次焼成体の外周面および内周面を研削するとともに両端面を切断および/または研削する(ステップS14)。以上の各工程により、所望の寸法を有するセラミックス製ターゲット材2が製造される。
[実施例1]
BET(Brunauer−Emmett−Teller)法により測定された比表面積(BET比表面積)が5m/gのSnO粉末10質量%と、BET比表面積が5m/gのIn粉末90質量%とを配合し、ポット中でジルコニアボールによりボールミル混合して、原料粉末を調製した。
このポットに、原料粉末100質量%に対して0.3質量%のポリビニルアルコールと、0.2質量%のポリカルボン酸アンモニウムと、0.5質量%のポリエチレングリコールと、50質量%の水とをそれぞれ加え、ボールミル混合してスラリーを調製した。次に、このスラリーをスプレードライ装置に供給し、アトマイザ回転数14,000rpm、入口温度200℃、出口温度80℃の条件でスプレードライを行い、顆粒体を調製した。
この顆粒体を、外径157mmの円柱状の中子(心棒)を有する内径220mm(肉厚10mm)、長さ730mmの円筒形状のウレタンゴム型にタッピングさせながら充填し、ゴム型を密閉後、800kgf/cm(約78.5MPa)の圧力でCIP(Cold Isostatic Pressing)成形して、略円筒形の成形体12を作製した。この成形体12を600℃で10時間加熱して有機成分を除去した。昇温速度は50℃/hとした。
さらに、有機成分を除去した成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体22を作製した。第1の焼成は、酸素雰囲気中で、アルミナ製のセッター5の上面6の上に成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1550℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1550℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体22を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、酸素雰囲気中で、角度θが60°となるように載置部8が形成されたV字セッター7に1次焼成体22を横にして載置し、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1500℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1500℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、V字セッター7と1次焼成体22との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。以上の工程により、ITOセラミックスターゲット材を得た。
[実施例2]
円筒形状のウレタンゴム型の長さを1000mmに変更したことを除き、実施例1と同様の工程により2次焼成体を作製し、ITOセラミックスターゲット材を得た。
[実施例3]
BET比表面積が4m/gのZnO粉末25.9質量%と、BET比表面積が7m/gのIn粉末44.2質量%と、BET比表面積が10m/gのGa粉末29.9質量%とを配合し、ポット中でジルコニアボールによりボールミル混合して、原料粉末を調製した。
このポットに、上記原料粉末100質量%に対し、0.3質量%のポリビニルアルコールと、0.4質量%のポリカルボン酸アンモニウムと、1.0質量%のポリエチレングリコールと、50質量%の水とをそれぞれ加え、ボールミル混合してスラリーを調製した。
次いで、実施例1と同様の方法で顆粒体の調製、成形体12の作製および成形体12からの有機成分の除去を行った。
さらに、有機成分を除去した成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体22を作製した。第1の焼成は、アルミナ製のセッター5の上面6の上に成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1400℃まで加熱し10時間保持する条件により行った。降温速度は1400℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体22を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、角度θが60°となるように載置部8が形成されたV字セッター7に1次焼成体22を横にして載置し、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1300℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1300℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、V字セッター7と1次焼成体22との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。以上の工程により、IGZOセラミックスターゲット材を得た。
[実施例4]
BET比表面積が4m/gのZnO粉末95質量%と、BET比表面積が5m/gのAl粉末5質量%とを配合し、ポット中でジルコニアボールによりボールミル混合して原料粉末を調製した。
このポットに、上記原料粉末100質量%に対し、0.3質量%のポリビニルアルコールと、0.4質量%のポリカルボン酸アンモニウムと、1.0質量%のポリエチレングリコールと、50質量%の水とをそれぞれ加え、ボールミル混合してスラリーを調製した。
次いで、実施例1と同様の方法で顆粒体の調製、成形体12の作製および成形体12からの有機成分の除去を行った。
さらに、有機成分を除去した成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体22を作製した。第1の焼成は、アルミナ製のセッター5の上面6の上に成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1400℃まで加熱し10時間保持する条件により行った。降温速度は1400℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体22を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、角度θが60°となるように載置部8が形成されたV字セッター7に1次焼成体22を横にして載置し、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1300℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1300℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、V字セッター7と1次焼成体22との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。以上の工程により、AZOセラミックスターゲット材を得た。
[実施例5]
BET比表面積が4m/gのZnO粉末10.7質量%と、BET比表面積が7m/gのIn粉末89.3質量%とを配合し、ポット中でジルコニアボールによりボールミル混合して原料粉末を調製した。
このポットに、上記原料粉末100質量%に対し、0.3質量%のポリビニルアルコールと、0.4質量%のポリカルボン酸アンモニウムと、1.0質量%のポリエチレングリコールと、50質量%の水とをそれぞれ加え、ボールミル混合してスラリーを調製した。
次いで、実施例1と同様の方法で顆粒体の調製、成形体12の作製および成形体12からの有機成分の除去を行った。
さらに、有機成分を除去した成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体22を作製した。第1の焼成は、アルミナ製のセッター5の上面6の上に成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1400℃まで加熱し10時間保持する条件により行った。降温速度は1400℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体22を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、角度θが60°となるように載置部8が形成されたV字セッター7に1次焼成体22を横にして載置し、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1300℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1300℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、V字セッター7と1次焼成体22との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。以上の工程により、IZOセラミックスターゲット材を得た。
[実施例6]
成形体12の一端から50mmの位置まで張り出し部分を形成したことを除き、実施例1と同様の方法により成形体12を作製した。この成形体12を600℃で10時間加熱して有機成分を除去した。昇温速度は、常温から400℃までの温度範囲では20℃/h、400℃から600℃までは50℃/hとした。
さらに、有機成分を除去した成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体32を作製した。第1の焼成は、酸素雰囲気中で、アルミナ製のセッター5の上面6の上に、張り出し部分が下になるように成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1550℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1550℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体32を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、酸素雰囲気中で、16cmの間隔を有するように配置した高純度のアルミナ製のセッター33,34の間にフランジ32aを引っ掛け、セッター33,34以外には接触しないように1次焼成体32を吊るして行った。また、第2の焼成は、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1500℃まで加熱して12時間保持する条件により行った。また、降温速度は1500℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、V字セッター7と1次焼成体22との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。以上の工程により、ITOセラミックスターゲット材を得た。
[実施例7]
成形体12の一端から50mmの位置まで張り出し部分を形成したことを除き、実施例3と同様の方法により成形体12を作製した。この成形体12を600℃で10時間加熱して有機成分を除去した。昇温速度は、常温から400℃までの温度範囲では20℃/h、400℃から600℃までは50℃/hとした。
さらに、有機成分を除去した成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体32を作製した。第1の焼成は、アルミナ製のセッター5の上面6の上に、張り出し部分が下になるように成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1400℃まで加熱し10時間保持する条件により行った。降温速度は1400℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体32を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、16cmの間隔を有するように配置した高純度のアルミナ製のセッター33,34の間にフランジ32aを引っ掛け、セッター33,34以外には接触しないように1次焼成体32を吊るして行った。また、第2の焼成は、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1300℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1300℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。以上の工程により、IGZOセラミックスターゲット材を得た。なお、セッター33,34と1次焼成体32との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
[実施例8]
成形体12の一端から50mmの位置まで張り出し部分を形成したことを除き、実施例4と同様の方法により成形体12を作製した。この成形体12を600℃で10時間加熱して有機成分を除去した。昇温速度は、常温から400℃までの温度範囲では20℃/h、400℃から600℃までは50℃/hとした。
さらに、有機成分を除去した成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体32を作製した。第1の焼成は、アルミナ製のセッター5の上面6の上に、張り出し部分が下になるように成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1400℃まで加熱し10時間保持する条件により行った。降温速度は1400℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体32を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、16cmの間隔を有するように配置した高純度のアルミナ製のセッター33,34の間にフランジ32aを引っ掛け、セッター33,34以外には接触しないように1次焼成体32を吊るして行った。また、第2の焼成は、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1300℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1300℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。以上の工程により、AZOセラミックスターゲット材を得た。なお、セッター33,34と1次焼成体32との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
[実施例9]
実施例1と同様の方法により成形体12を作製した。この成形体12の端から50mmの付近にあらかじめ30mmφの穴を2ヶ所あけておき、次いで600℃で10時間加熱して有機成分を除去した。昇温速度は、常温から400℃までの温度範囲では20℃/h、400℃から600℃までは50℃/hとした。
さらに、穴をあけた成形体12を焼成して(第1の焼成)、1次焼成体42を作製した。第1の焼成は、酸素雰囲気中で、アルミナ製のセッター5の上面6の上に、穴があいた方が上になるように成形体12を立てて載置し、常温からの昇温速度を300℃/hとし、焼成温度1550℃まで加熱し10時間保持する条件により行った。降温速度は1550℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。なお、セッター5と成形体12との接触部には、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製の粉末を付着させた。
次に、上記工程により得られた1次焼成体42を焼成して(第2の焼成)、2次焼成体を作製した。第2の焼成は、酸素雰囲気中で、99%以上のAlを含有する高純度アルミナ製のシートを巻き付けた直径20mmのアルミナ製の棒44を貫通孔43a,43bに挿入し、この棒44を焼成炉内に保持させることで1次焼成体42を吊るして行った。また、第2の焼成は、常温からの昇温速度を50℃/hとし、焼成温度1500℃まで加熱し12時間保持する条件により行った。降温速度は1500℃から800℃までを50℃/h、800℃から常温までを30℃/hとした。以上の工程により、ITOセラミックスターゲット材を得た。
[比較例1]
第2の焼成を行わないことを除き、実施例1と同様に行い、焼成体(1次焼成体22に相当)を作製した。
[比較例2]
第2の焼成を行わないことを除き、実施例3と同様に行い、焼成体(1次焼成体22に相当)を作製した。
[比較例3]
第2の焼成を行わないことを除き、実施例4と同様に行い、焼成体(1次焼成体22に相当)を作製した。
各実施例および比較例において、同様にして作製した合計10本の2次焼成体または焼成体について、歪みの評価を行った。具体的には、2次焼成体の外周面に、2次焼成体の長さ方向に沿うようにストレートゲージを当てて、2次焼成体の外周面とストレートゲージの隙間を測定した。円周方向に対して等間隔に8か所測定し、一番大きい値を2次焼成体の長さ方向の歪みとした。また、両端面の内径をそれぞれ円周方向に対して等間隔に8か所、ノギスを用いて測定し、各端面で測定された内径の最大値と最小値との差を求めた。両端面で求めた内径の上記差のうち、大きい方の値を内径歪みと規定し、2次焼成体の径方向の歪みの指標とした。
また、各実施例および比較例において作製した合計10本の2次焼成体または焼成体を仕上加工し、外径153mm、内径135mm、長さ500mm(実施例2においては800mm)の円筒形のセラミックス製ターゲット材2を製造した。得られた焼成体の相対密度の平均値およびセラミックス製ターゲット材2を製造することができた本数(加工可能本数)について、歪みの評価とともに表1に示す。なお、表1に示す歪みの評価は、作製した10本の2次焼成体または焼成体においてそれぞれ測定した値のうち、最大となる値を代表値としたものである。
Figure 2016151043
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
1 円筒形スパッタリングターゲット
2 セラミックス製ターゲット材
3 バッキングチューブ
4 接合材
5,33,34 セッター
6 上面
7 V字セッター
8 載置部
12 成形体
22,32,42 1次焼成体
31,41 一端
32a フランジ
43a,43b 貫通孔
44 棒

Claims (14)

  1. 筒状の成形体を成形する成形工程と、
    前記成形体を焼成および冷却し、前記成形体よりも密度の高い1次焼成体を作製する第1焼成工程と、
    前記1次焼成体を焼成する第2焼成工程と、を含むこと
    を特徴とするセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  2. 前記第2焼成工程の焼成温度が、前記第1焼成工程の焼成温度よりも低いことを特徴とする請求項1に記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  3. 前記第2焼成工程の焼成温度と前記第1焼成工程の焼成温度との差が50℃以上であることを特徴とする請求項2に記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  4. 前記第1焼成工程が、前記成形体を立設して焼成させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  5. 前記第2焼成工程が、前記1次焼成体の長さ方向の歪みを低減した2次焼成体を生成する工程であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  6. 前記第2焼成工程が、前記1次焼成体を横設して焼成させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の焼成方法。
  7. 前記第2焼成工程が、前記1次焼成体を吊設して焼成させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の焼成方法。
  8. 前記セラミックス製ターゲット材がIn、Zn、Al、Ga、Zr、Ti、Sn、MgおよびSiのうち1種以上を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  9. 前記セラミックス製ターゲット材がITOであり、
    前記第1焼成工程における焼成温度が1500℃〜1700℃であり、
    前記第2焼成工程における焼成温度が1300℃〜1550℃であること
    を特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  10. 前記セラミックス製ターゲット材がAZOであり、
    前記第1焼成工程における焼成温度が1300℃〜1500℃であり、
    前記第2焼成工程における焼成温度が1200℃〜1400℃であること
    を特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  11. 前記セラミックス製ターゲット材がIGZOであり、
    前記第1焼成工程における焼成温度が1350℃〜1550℃であり、
    前記第2焼成工程における焼成温度が1200℃〜1400℃であること
    を特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  12. 前記セラミックス製ターゲット材がIZOであり、
    前記第1焼成工程における焼成温度が1350℃〜1550℃であり、
    前記第2焼成工程における焼成温度が1200℃〜1400℃であること
    を特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  13. 前記第1焼成工程における昇温速度が50℃/h〜500℃/hであり、
    前記第2焼成工程における昇温速度が50℃/h〜150℃/hであること
    を特徴とする請求項9〜12のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法。
  14. 請求項1〜13のいずれか1つに記載のセラミックス製ターゲット材の製造方法により製造されたセラミックス製ターゲット材と、
    接合材を介して前記セラミックス製ターゲット材と接合されるバッキングチューブと、を備えること
    を特徴とする円筒形スパッタリングターゲット。
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