JP2018035434A - 非磁性材料分散型Fe−Pt系スパッタリングターゲット - Google Patents

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Abstract

【課題】Fe−Pt磁性相を規則化するための熱処理温度を低下させることが可能なスパッタリングターゲットであって、スパッタ時にパーティクルの発生が抑制されたスパッタリングターゲットを提供する。
【解決手段】Fe、Pt及びGeを含有する非磁性材料分散型のスパッタリングターゲットであって、Fe、Pt及びGeについて原子数比で(Fe1-αPtα1-βGeβ(α、βは、0.35≦α≦0.55、0.05≦β≦0.2を満たす数)で表される組成を満足する磁性相を有し、該磁性相は、スパッタリングターゲットのスパッタ面に対する垂直断面を研磨したときの研磨面のEPMAによる元素マッピングにおいて、Geの濃度が30質量%以上であるGe基合金相の面積比率(SGe30質量%)の平均の、スパッタリングターゲットの全体組成から計算されるGeの面積比率(SGe)に対する割合(SGe30質量%/SGe)が、0.5以下であるスパッタリングターゲット。
【選択図】なし

Description

本発明は磁気記録媒体中の磁性薄膜の形成に適した非磁性材料分散型Fe−Pt系スパッタリングターゲットに関する。
ハードディスクドライブに代表される磁気記録の分野では、記録を担う磁性薄膜の材料として、強磁性金属であるCo、Fe又はNiをベースとした材料が用いられている。例えば、面内磁気記録方式を採用するハードディスクの記録層にはCoを主成分とするCo−Cr系やCo−Cr−Pt系の強磁性合金が用いられてきた。また、近年実用化された垂直磁気記録方式を採用するハードディスクの記録層には、Coを主成分とするCo−Cr−Pt系の強磁性合金に酸化物や炭素等の非磁性粒子を分散させた複合材料が多く用いられている。磁性薄膜は、生産性の高さから、上記材料を成分とするスパッタリングターゲットをDCマグネトロンスパッタ装置でスパッタして作製されることが多い。
一方、ハードディスクの記録密度は年々急速に増大しており、現在、1Tbit/in2を超える容量のものが市販されつつある。1Tbit/in2に記録密度が達すると記録bitのサイズが10nmを下回るようになり、その場合、熱揺らぎによる超常磁性化が問題となってくると予想され、現在、使用されている磁気記録媒体の材料、例えばCo−Cr基合金にPtを添加して結晶磁気異方性を高めた材料では十分ではないことが予想される。10nm以下のサイズで安定的に強磁性として振る舞う磁性粒子は、より高い結晶磁気異方性を持っている必要があるからである。
上記のような理由から、L10構造を持つFe−Pt磁性相が超高密度記録媒体用材料として注目されている。L10構造を持つFe−Pt磁性相は高い結晶磁気異方性とともに、耐食性、耐酸化性に優れているため、磁気記録媒体としての応用に適した材料と期待されている。そしてFe−Pt磁性相を超高密度記録媒体用材料として使用する場合には、規則化したFe−Pt磁性粒子を磁気的に孤立させた状態で出来るだけ高密度に方位を揃えて分散させるという技術の開発が求められている。
このようなことから、L10構造を有するFe−Pt磁性相を酸化物、窒化物、炭化物、炭素といった非磁性材料で孤立させたグラニュラー構造磁性薄膜が熱アシスト磁気記録方式を採用した次世代ハードディスクの磁気記録媒体用に提案されている。このグラニュラー構造磁性薄膜は、磁性粒子同士が非磁性物質の介在により磁気的に絶縁される構造となっている。
Fe−Pt磁性相を有するグラニュラー構造磁性薄膜は、Fe−Pt系のスパッタリングターゲットを用いて作製されるのが一般的である。Fe−Pt膜をスパッタリング法で作製した場合、Fe原子とPt原子がランダムに並ぶ不規則相になる。従来は規則化したFe−Pt磁性相を形成するために成膜後に600℃程度で熱処理(アニール)する必要があった。しかしながら、実用性の観点からは当該熱処理の温度を極力低下できることが望ましい。この点、特許文献1にはFe−Pt合金などの合金膜の規則化に必要なアニール温度を低下させるために、残留酸素量に代表される残留ガス成分量を低減することが記載されている。しかし、非磁性材料として酸化物、炭化物、窒化物等を扱う場合、このようなガス成分量を制御することは容易ではない。
特許文献2には、Fe−Pt層をスパッタ法で堆積させ、次に、Fe−Pt層の上にシーリング層を堆積後、400〜800℃の温度範囲でアニールを行い、Fe−PtをL10相で実質的に規則化した後、シーリング層を除去することが記載されている。しかし、この方法は、高温アニールを可能とすることを目的としており、Fe−Pt磁性相を規則化するためのアニール温度を低下させる技術ではない。
特許文献3には、MgOを添加したL10型規則合金混合物薄膜は、SiO2やAl23を添加した混合物薄膜に比べ低い成膜温度で作製できることが記載されている。しかし、当該技術はMgOを添加した場合、相対的に成膜時の基板加熱温度が低いことを示すのみで、規則化温度を低下させることを意図するものではない。
特許文献4及び5には、Fe−Pt系の磁性記録媒体用スパッタリングターゲットに関する発明が記載されている。これらの発明は本出願人によってなされたものであり、非磁性材料として含有する炭素がスパッタリング時に脱落してパーティクルが発生するのを効果的に抑制できるという優れた技術であるが、規則化温度の低下について言及するものではない。
更に、特許文献6及び7にも、Fe−Pt系スパッタリングターゲットや磁気記録媒体が開示されているが、やはり規則化温度の低下について言及するものではない。
このような背景の下、本出願人は現時点で未公開の特許出願(特願2015−042309)を行っている。当該出願にはGeが規則化温度を低下させるのに有利であるとして、Geを所定の比率で添加したFe−Pt系スパッタリングターゲットが開示されている。
特開2003−313659号公報 特開2013−77370号公報 特開2002−123920号公報 WO2014/196377号 WO2014/188916号 特開2008−59733号公報 特開2012−214874号公報 特願2015−042309号(未公開先願)
特願2015−042309号に記載の技術はFe−Pt磁性相を規則化するための熱処理温度を低下させることが可能なスパッタリングターゲットを得ることができる点で有用である。しかしながら、当該文献に記載の技術では、スパッタ時にパーティクルが発生しやすいという問題があった。パーティクルはスパッタ膜の品質安定性の観点から極力抑制することが望ましい。
本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、Fe−Pt磁性相を規則化するための熱処理温度を低下させることが可能なスパッタリングターゲットであって、スパッタ時にパーティクルの発生が抑制されたスパッタリングターゲットを提供することを課題とする。
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、原料としてGe粉を使用し、焼結して得られたスパッタリングターゲットは、Fe−Pt合金に比べ導電性の低いGe粒部にノジュールが生じやすく、これがパーティクルの原因となっていることを突き止めた。そこで、原料としてGe粉ではなく、PtとGeの合金粉(以下、「Pt−Ge合金粉」という。)又はPtとGeとFeの合金粉(以下、「Pt−Ge−Fe合金粉」という。)を使用し、焼結して得られたスパッタリングターゲットはスパッタ時にノジュールが抑制され、パーティクルの発生も抑制されることが分かった。当該スパッタリングターゲットの磁性相をEPMAにより分析すると、Ge濃度が30質量%以上であるGe基合金相の面積比率が極めて小さいことが分かった。本発明は斯かる知見に基づいて完成したものである。
本発明は一側面において、Fe、Pt及びGeを含有する非磁性材料分散型のスパッタリングターゲットであって、Fe、Pt及びGeについて原子数比で(Fe1-αPtα1-βGeβ(α、βは、0.35≦α≦0.55、0.05≦β≦0.2を満たす数)で表される組成を満足する磁性相を有し、該磁性相は、スパッタリングターゲットのスパッタ面に対する垂直断面を研磨したときの研磨面のEPMAによる元素マッピングにおいて、Geの濃度が30質量%以上であるGe基合金相の面積比率(SGe30質量%)の平均の、スパッタリングターゲットの全体組成から計算されるGeの面積比率(SGe)に対する割合(SGe30質量%/SGe)が、0.5以下であるスパッタリングターゲットである。
本発明に係るスパッタリングターゲットの一実施形態においては、非磁性材料は、炭素、炭化物、酸化物及び窒化物よりなる群から選択される一種又は二種以上であり、該非磁性材料の体積比率がスパッタリングターゲットの全体積に対して10〜60vol%を占める。
本発明に係るスパッタリングターゲットの別の一実施形態においては、Au、B、Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Nb、Ni、Pd、Re、Rh、Ru、Sn、Ta、W、V及びZnよりなる群から選択される一種又は二種以上の第三元素を、Fe、Ge及びPtの合計原子数に対する第三元素の合計原子数の割合で表して10at.%以下含有する。
本発明に係るスパッタリングターゲットの更に別の一実施形態においては、酸素濃度が400質量ppm以下である。
本発明は別の一側面において、
Fe、Pt及びGeが原子数比で(Fe1-αPtα1-βGeβ(α、βは、0.35≦α≦0.55、0.05≦β≦0.2を満たす数)で表される組成を満足するように、Pt−Ge合金粉及び/又はPt−Ge−Fe合金粉と、Pt−Ge合金粉及びPt−Ge−Fe合金粉以外の金属粉と、非磁性材料粉とを、不活性ガス雰囲気下で粉砕しながら混合する工程と、
上記工程で得られた混合粉末から、加圧焼結方法により真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で前記Pt−Ge合金粉の融点未満の温度で焼結して焼結体を得る工程と、
前記焼結体を成形加工する工程と、
を含む本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法である。
本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法の一実施形態においては、前記混合する工程の前における前記Pt−Ge合金粉及び/又はPt−Ge−Fe合金粉の平均粒径が1〜50μmである。
本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法の別の一実施形態においては、Pt−Ge合金粉を使用する場合、前記混合する工程の前における前記Pt−Ge合金粉の組成が原子比で、Pt:Ge=1:0.8〜1.2である。
本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法の更に別の一実施形態においては、Pt−Ge−Fe合金粉を使用する場合、前記混合する工程の前における前記Pt−Ge−Fe合金粉の組成が原子比で、Pt:Ge:Fe=1:0.8〜1.2:0.1〜0.3である。
本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法の更に別の一実施形態においては、焼結時に20〜70MPaの範囲の圧力で加圧することを含む。
本発明に係るスパッタリングターゲットの製造方法の更に別の一実施形態においては、前記粉砕しながら混合する工程により得られる混合粉末の平均粒径が20μm以下である。
本発明により、Fe−Pt磁性相を規則化するための熱処理温度を低下させることが可能なスパッタリングターゲットであって、スパッタ時にノジュール及びパーティクルの発生が抑制されたスパッタリングターゲットが提供可能となる。本発明に係るスパッタリングターゲットを用いることにより、Fe−Pt磁性相を有するグラニュラー構造磁性薄膜を低コスト及び短時間で工業生産することが可能となるという格別の効果が得られる。
(金属相)
本発明に係るFe、Pt及びGeを含有する非磁性材料分散型のスパッタリングターゲットは一実施形態において、Fe、Pt及びGeを含有する磁性相を有する。磁性相は、スパッタリングターゲットのスパッタ面に対する垂直断面を研磨したときの研磨面のEPMAによる元素マッピングにおいて、Fe、Pt及びGeについて、原子数比で(Fe1-αPtα1-βGeβ(α、βは、0.35≦α≦0.55、0.05≦β≦0.2を満たす数)で表される組成を満たす。磁性相はFe、Pt及びGeの他、後述する第三元素を含有することができる。
αが0.35以上であることにより、磁性相が規則合金相の形態をとるという利点が得られる。αは好ましくは0.4以上であり、より好ましくは0.45以上である。また、αが0.55以下であることにより、同様に磁性相が規則合金相となるという利点が得られる。αは好ましくは0.53以下であり、より好ましくは0.52以下である。
βが0.05以上であることにより、規則化温度の低下効果を有意に発現させることができる。βは好ましくは0.06以上であり、より好ましくは0.07以上である。また、βが0.2以下であることにより、磁性薄膜としての磁気特性を十分に得ることができるという利点が得られる。βは好ましくは0.15以下であり、より好ましくは0.12以下である。
磁性相においてGe濃度が30質量%以上であるGe基合金相の面積比率(SGe30質量%)の平均の、ターゲットの全体組成から計算されるGeの面積比率(SGe)に対する割合(SGe30質量%/SGe)が、0.5以下であることが有利である。このことは、磁性相中に高濃度Geを有する領域が極めて少ないことを意味している。これにより、スパッタ時にノジュールが発生し難くなり、パーティクルの発生を抑制可能となる。当該Ge基合金相の割合(SGe30質量%/SGe)は0.5以下であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましく、0.2以下であることが更により好ましく、例えば0〜0.2とすることができる。
本発明において、磁性相におけるSGe30質量%/SGeは以下の方法によって測定される。スパッタリングターゲットのスパッタ面に対する垂直断面を切り出し、当該断面を番手がP80からP2000までの研磨布紙を用いて順番に研磨し、最終的に粒径0.3μmの酸化アルミニウム砥粒を用いたバフ研磨することで断面研磨面を得る。当該研磨面について、EPMA(電子線マイクロアナライザ)を用いて以下の条件で元素マッピングを行い、Ge濃度が30質量%以上の領域の面積比率を調べる。EPMAの観察条件は、加速電圧15kV、照射電流1〜2×10-7Aとして、観察倍率2500倍で、256×256ピクセル数(1点の測定時間1msec)の元素マッピング画像を、異なる観察視野で複数枚取得する。元素マッピングでは、特定の元素についてX線検出強度に応じたモノクロ表示またはカラー表示の画像が得られる。そこで、EPMAに付随する解析機能を用いてX線強度マップを質量濃度マップに変換する。この変換は各元素の標準サンプルを測定して用意したX線検出強度と元素濃度を関連付ける検量線(一次関数)を用いて行われる。そして変換した質量濃度マップを用いて、Ge濃度が30質量%以上の領域の面積比率(SGe30質量%)の平均を求める。一方、ICP−AES装置によりターゲットの組成分析を行う。組成分析結果から、ターゲット各成分の質量比と各成分の密度を利用してGeの面積比率SGeを求める。以上により、SGe30質量%の割合(SGe30質量%/SGe)を算出する。
(第三元素)
本発明に係るスパッタリングターゲットは、Au、B、Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Nb、Ni、Pd、Re、Rh、Ru、Sn、Ta、W、V及びZnよりなる群から選択される一種又は二種以上の第三元素を含有することができる。これらの第三元素は、Geと同様に、Fe−Pt磁性相を規則化するための熱処理温度を下げる効果があり、Geと併用することが許容される。これらの第三元素は、Fe、Ge及びPtの合計原子数に対する第三元素の合計原子数の割合で表して10at.%以下含有することができ、5at.%以下含有することもでき、1at.%以下含有することもできる。
(非磁性材料)
本発明に係るスパッタリングターゲットは、非磁性材料として、炭素、炭化物、酸化物及び窒化物よりなる群から選択される少なくとも一種又は二種以上を含有することができる。非磁性材料はスパッタリングターゲット中で磁性相とは区別可能な非磁性材料相として分散して存在することができる。炭化物の例としては、B、Ca、Nb、Si、Ta、Ti、W及びZrよりなる群から選択される元素の一種又は二種以上の炭化物が挙げられる。酸化物の例としては、Al、B、Ba、Be、Ca、Ce、Cr、Dy、Er、Eu、Ga、Gd、Ho、Li、Mg、Mn、Nb、Nd、Pr、Sc、Si、Sm、Sr、Ta、Tb、Ti、V、Y、Zn及びZrよりなる群から選択される元素の一種又は二種以上の酸化物が挙げられる。窒化物の例としては、Al、B、Ca、Nb、Si、Ta、Ti及びZrよりなる群から選択される元素の一種又は二種以上の窒化物が挙げられる。
本発明に係るスパッタリングターゲットから作製された磁性薄膜は、炭素、炭化物、窒化物、酸化物が磁性相同士の磁気的な相互作用を絶縁する構造をとるため、良好な磁気特性が期待される。非磁性材料の配合量は、磁気記録媒体に要求される特性を維持できる範囲内であれば特に制限はないが、磁気的な相互作用を絶縁する作用を効果的に発揮するという観点で、スパッタリングターゲットの全体積に対して10vol%以上であることが好ましく、20vol%以上であることがより好ましく、25vol%以上であることが更により好ましい。また、非磁性材料の配合量は、非磁性材料の割合が増えるとターゲットの導電性が低くなり、DCスパッタすることが困難となるだけでなく、パーティクルの発生源ともなるため、生産性を確保する観点から、スパッタリングターゲットの全体積に対して60vol%以下であることが好ましく、50vol%以下であることがより好ましく、40vol%以下であることが更により好ましい。非磁性材料の体積比率は、ターゲットを構成する各元素の原子数比と原子量から質量比を求め、これと各元素の密度を利用して求めることができる。
(相対密度)
本発明に係るスパッタリングターゲットは、相対密度が90%以上であることが好ましく、93%以上であることがより好ましく、95%以上であることが更により好ましい。密度の向上は、スパッタ膜の均一性を高め、また、スパッタ時のパーティクル発生の抑制に寄与する。高密度のスパッタリングターゲット(焼結体)は、原料粉末の粒径を小さくすること、原料粉末の混合を十分に行うこと、焼結体の製造時にホットプレスや熱間静水圧焼結などにより高温加圧条件を付与することなどの条件を組み合わせることにより得ることができる。スパッタリングターゲットの相対密度は、水中でのアルキメデス法で測定した実測密度の理論密度に対する比率である、(実測密度/理論密度)×100(%)から算出される。
理論密度の計算は、下記の式を用いて実施した。
式:理論密度=Σ(構成成分の分子量×構成成分のモル比)/Σ(構成成分の分子量×構成成分のモル比/構成成分の文献値密度)
ここで、Σ(シグマ)は、ターゲットの構成成分の全てについて、和をとることを意味する。
各成分の密度(文献値)を以下に例示する。
Fe:7.874(g/cm3)、Pt:21.45(g/cm3)、Ge:5.323(g/cm3)、C(グラファイト):2.260(g/cm3)、C(非晶質炭素):1.95(g/cm3)、C(ダイヤモンド):3.51(g/cm3)、Au:19.3(g/cm3)、B:2.34(g/cm3)、Co:8.9(g/cm3)、Cr:7.188(g/cm3)、Cu:8.93(g/cm3)、Mn:7.42(g/cm3)、Mo:10.2(g/cm3)、Nb:8.57(g/cm3)、Ni:8.85(g/cm3)、Pd:12.02(g/cm3)、Re:21.02(g/cm3)、Rh:12.41(g/cm3)、Ru:12.06(g/cm3)、Sn:7.28(g/cm3)、Ta:16.6(g/cm3)、W:19.3(g/cm3)、V:5.98(g/cm3)、Zn:7.14(g/cm3)、Al23:3.9(g/cm3)、B23:1.84(g/cm3)、BaO:5.06(g/cm3)、CaO:3.37(g/cm3)、CeO2:7.13(g/cm3)、Cr23:5.21(g/cm3)、Dy23:7.81(g/cm3)、Er23:8.64(g/cm3)、Eu23:7.42(g/cm3)、Ga23:6.44(g/cm3)、Gd23:7.4(g/cm3)、Ho23:8.36(g/cm3)、Li2O:2.013(g/cm3)、MgO:3.65(g/cm3)、MnO:5.43(g/cm3)、Nb25:4.6(g/cm3)、:Nd23:7.24(g/cm3)、Pr23:6.88(g/cm3)、Sc23:3.864(g/cm3)、SiO2(非晶質):2.2(g/cm3)、SiO2(石英):2.7(g/cm3)、Sm23:7.43(g/cm3)、SrO:4.7(g/cm3)、Ta25:8.73(g/cm3)、Tb47:7.8(g/cm3)、TiO2:4.26(g/cm3)、V23:4.87(g/cm3)、Y23:5.03(g/cm3)、ZnO:5.6(g/cm3)、ZrO2:5.49(g/cm3)、B4C:2.51(g/cm3)、CaC2:2.22(g/cm3)、NbC:7.82(g/cm3)、SiC:3.21(g/cm3)、TaC:14.65(g/cm3)、TiC:4.93(g/cm3)、WC:15.7(g/cm3)、ZrC:6.73(g/cm3)、AlN:3.26(g/cm3)、BN:2.27(g/cm3)、NbN:8.31(g/cm3)、Si34:3.44(g/cm3)、TaN:14.36(g/cm3)、TiN:5.43(g/cm3)、ZrN:7.35(g/cm3
(酸素濃度)
本発明に係るスパッタリングターゲットは一実施形態において、酸素濃度が400質量ppm以下である。酸素濃度が低いことで規則化が進行しやすくなるという利点が得られる。酸素濃度は300質量ppm以下であるのが好ましく、250質量ppm以下であるのがより好ましく、例えば200〜400質量ppmとすることができる。本発明において、酸素濃度は不活性ガス融解−赤外吸収法を採用した酸素分析計により測定する。
(製法)
本発明に係るスパッタリングターゲットは、粉末焼結法を用いて、例えば、以下の方法によって作製することができる。まず、金属粉として、Fe粉、Pt−Ge合金粉、Pt−Ge−Fe合金粉、Pt粉、随意に第三元素の粉末などを用意する。GeはPt−Ge合金粉(PtとGeの合金粉)又はPt−Ge−Fe合金粉(PtとGeとFeの合金粉)を原料として使用することが重要である。Pt−Ge合金粉及びPt−Ge−Fe合金粉を併用してもよい。これにより、ターゲットを構成する磁性相においてGe濃度が30質量%以上のGe基合金相の面積比率が極めて小さくなる。すると、得られたスパッタリングターゲットはスパッタ時にノジュールが抑制され、パーティクルの発生も抑制される。一方、Ge単体の粉末を原料粉末として使用して焼結すると、ターゲットを構成する磁性相においてGe濃度が30質量%以上のGe基合金相の面積比率が大きくなり、ノジュールが生じやすく、パーティクル量も多くなる。また、一般的に粒径サイズの小さい金属原料粉を使用すると、粉末表面の酸化の影響によりターゲット中の酸素量が増えてしまうが、あらかじめPt−Ge及び/又はPt−Ge−Feの合金粉としておくことで、Geの酸化を抑制することができる。さらに金属粉としてPt−Ge−Feのアトマイズ粉を用いることもできる。この場合Geを磁性相中で均一に分散させることができるという利点がある。
Pt−Ge合金粉又はPt−Ge−Fe合金粉は溶解鋳造したインゴットを粉砕して作製してもよいし、アトマイズ粉として作製してもよい。Pt−Ge合金粉の組成は粉砕性を考慮し、原子比で、Pt:Ge=1:0.8〜1.2とすることが好ましく、Pt:Ge=1:0.9〜1.1とすることがより好ましく、Pt:Ge=1:0.95〜1.105とすることが更により好ましい。Pt−Ge−Fe合金粉の組成は粉砕性を考慮し、原子比で、Pt:Ge:Fe=1:0.8〜1.2:0.1〜0.3とすることが好ましく、Pt:Ge:Fe=1:0.8〜1.2:0.1〜0.2とすることがより好ましく、Pt:Ge:Fe=1:0.9〜1.1:0.1〜0.2とすることが更により好ましい。また、Pt−Ge合金粉及びPt−Ge−Fe合金粉は、ターゲット中の組成ムラをなくすという理由により、平均粒径が50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることが更により好ましい。Pt−Ge合金粉及びPt−Ge−Fe合金粉は、これら合金粉が酸化することによる組成変化を抑制する観点から、平均粒径が1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、4μm以上であることが更により好ましい。
Ge以外の金属は、単体の金属粉を用いることもでき、合金粉を用いることもできる。合金粉は溶解鋳造したインゴットを粉砕して作製してもよいし、アトマイズ粉として作製してもよい。Ge以外の金属の粉末は、非磁性材料の均一な分散を可能とし、偏析と結晶粗大化を防止するという観点で、平均粒径が30μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることが更により好ましい。また、Ge以外の金属の粉末は、金属粉が酸化することによる組成変化を抑制する観点から、平均粒径が1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、4μm以上であることが更により好ましい。
また、非磁性材料の粉末として、炭素粉、炭化物粉、窒化物粉、酸化物粉などを用意する。非磁性材料のうち炭素粉に関しては、グラファイト(黒鉛)やナノチューブのように結晶構造を有するものと、カーボンブラックに代表される非晶質のものがあるが、いずれの炭素粉を使用することができる。非磁性材料粉末は均一分散させやすいという観点で、平均粒径が30μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることが更により好ましい。また、非磁性材料粉末は粉末同士の凝集防止という観点で、平均粒径が0.1μm以上であることが好ましく、1μm以上であることがより好ましく、2μm以上であることが更により好ましい。
本発明において、金属粉及び非磁性材料の平均粒径は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における体積値基準での積算値50%(D50)での粒径を意味する。実施例においては、HORIBA社製の型式LA−920の粒度分布測定装置を使用し、粉末をエタノールの溶媒中に分散させて測定した。屈折率は金属コバルトの値を使用した。
次いで、原料粉(金属粉及び非磁性材料粉)を所望の組成となるように秤量し、ボールミル等の公知の手法を用いて粉砕を兼ねて混合する。このとき、粉砕容器内に不活性ガスを封入して原料粉の酸化をできるかぎり抑制することが望ましい。不活性ガスとしは、Ar、N2ガスが挙げられる。また、このとき、均一な組織を実現するために混合粉の平均粒径が20μm以下になるまで粉砕することが好ましく、さらに10μm以下になるまで粉砕することが好ましく、例えば0.1〜10μmの範囲になるまで粉砕することができる。このようにして得られた混合粉末をホットプレス法で真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下において成型・焼結する。また、前記ホットプレス法以外にも、プラズマ放電焼結法など様々な加圧焼結方法を使用することができる。特に、熱間静水圧焼結法(HIP)は、焼結体の密度向上に有効であり、ホットプレス法と熱間静水圧焼結法をこの順に実施することが焼結体の密度向上の観点から好ましい。
焼結時の保持温度は、金属粉の溶融を避けるために磁性相の組成に依存するが、使用するPt−Ge合金及び/又はPt−Fe−Ge合金の融点未満とすることが好ましく、融点よりも20℃以上低い温度とすることがより好ましく、融点よりも50℃以上低い温度とすることが更により好ましい。例えばPtとGeの原子比が1:1のPt−Ge合金の場合は、1070℃以下とすることが好ましく、950℃以下とすることがより好ましく、850℃以下とすることが更により好ましい。また、焼結時の保持温度は、焼結体の密度低下を避けるために650℃以上とすることが好ましく、700℃以上とすることがより好ましく、750℃以上とすることが更により好ましい。
焼結時のプレス圧力は、焼結を促進するために20MPa以上とすることが好ましく、25MPa以上とすることがより好ましく、30MPa以上とすることが更により好ましい。また、焼結時のプレス圧力は、ダイスの強度を考慮し70MPa以下とすることが好ましく、50MPa以下とすることがより好ましく、40MPa以下とすることが更により好ましい。
焼結時間は、焼結体の密度向上のために0.3時間以上とすることが好ましく、0.5時間以上とすることがより好ましく、1.0時間以上とすることが更により好ましい。また、焼結時間は、結晶粒の粗大化を防止するために3.0時間以下とすることが好ましく、2.0時間以下とすることがより好ましく、1.5時間以下とすることが更により好ましい。
得られた焼結体を、旋盤等を用いて所望の形状に成形加工することにより、本発明に係るスパッタリングターゲットを作製することができる。ターゲット形状には特に制限はないが、例えば平板状(円盤状や矩形板状を含む)及び円筒状が挙げられる。本発明に係るスパッタリングターゲットは、グラニュラー構造磁性薄膜の成膜に使用するスパッタリングターゲットとして特に有用である。
以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、本発明が限定されることを意図するものではない。
<スパッタリングターゲットの作製>
原料粉末として、試験例に応じて表1に記載の各平均粒径をもつFe粉、Pt−Ge合金粉(又はPt−Ge−Fe合金粉)、Pt粉、非磁性材料としてのグラファイト(C)粉を用意し、表1に記載の原子数比で合計質量が2200gとなるように秤量した。原料粉末の平均粒径(D50)は先述した方法により、堀場製作所製のLA−920装置を使用して測定した。Pt−Ge合金粉はPt及びGeを原子比1:1の組成で溶解鋳造したインゴットを粉砕し、目開き90μmの篩で篩別した篩下のものである。さらに、このPt−Ge合金粉を、粉砕媒体のSUSボールと共に容量10リットルのボールミルポットに投入し、Ar雰囲気中で8時間回転させて混合、粉砕した。レーザー回折・散乱法によって粉砕後のPt−Ge合金粉の平均粒径(D50)を求めたところ、何れの試験例においても20μm程度であった。またPt−Ge−Fe合金粉は、Pt、Ge及びFeを原子数比1:1:0.2の組成になるようにガスアトマイズ法で作製したものを用いた。さらに、このPt−Ge−Feアトマイズ合金粉を、粉砕媒体のSUSボールと共に容量10リットルのボールミルポットに投入し、Ar雰囲気中で8時間回転させて混合、粉砕した。レーザー回折・散乱法によって粉砕後のPt−Ge−Fe合金粉の平均粒径(D50)を求めたところ、何れの試験例においても20μm程度であった。
非磁性材料(C)の体積比率は、各元素の原子数比と原子量から質量比を求め、これと各元素の密度を利用して求めた。例えば、実施例1及び比較例1の場合、Fe、Pt、Ge、Cの質量比をそれぞれW1、W2、W3、W4(質量%)とし、Fe、Pt、Ge、Cの密度をそれぞれD1=7.874(g/cm3)、D2=21.45(g/cm3)、D3=5.323(g/cm3)、D4=2.260(g/cm3)として以下の式に導入することで求めた。
Cの体積比率(%)=(W4/D4)÷(W1/D1+W2/D2+W3/D3+W4/D4)×100
秤量した原料粉末を、粉砕媒体のSUSボールと共に容量10リットルのボールミルポットに投入し、Ar雰囲気中で4時間回転させて混合、粉砕した。レーザー回折・散乱法によって粉砕後の混合粉の平均粒径(D50)を求めたところ、何れの試験例においても1〜5μm程度であった。次にポットから取り出した粉末をカーボン製の型に充填し、ホットプレス装置を用いて成型、焼結した。ホットプレスの条件は、真空雰囲気、昇温速度300°C/時間、保持温度750℃、保持時間2時間とし、昇温開始時から温度保持終了まで30MPaで加圧した。保持終了後はチャンバー内でそのまま自然冷却させた。次に、ホットプレスの型から取り出した焼結体に熱間静水圧焼結(HIP)を施した。熱間静水圧焼結の条件は、昇温温度300℃/時間、保持温度750℃、保持時間2時間とし、昇温開始時からArガスのガス圧を徐々に高めて、750℃保持中は150MPaで加圧した。温度保持終了後は炉内でそのまま自然冷却させた。次に、旋盤を用いて、それぞれの焼結体を直径180.0mm、厚さ5.0mmの形状に切削加工し、円盤状のスパッタリングターゲットを得た。
<SGe30質量%/SGe
上記の製造手順で得られた各試験例に係るターゲットのスパッタ面に対する垂直断面をファインカッターにより切り出し、当該断面を先述した研磨方法で研磨することで得た断面研磨面における磁性相ついて、EPMA(日本電子社製、装置名:JXA−8500F)を用いて以下の条件で元素マッピングを行い、Ge濃度が30質量%以上の領域の面積比率を調べた。EPMAの観察条件は、加速電圧15kV、照射電流1〜2×10-7Aとして、観察倍率2500倍で、256×256ピクセル数(1点の測定時間1msec)の元素マッピング画像を、異なる観察視野で10枚取得した。このときの観察視野面積の合計は40μm×40μm×10枚=約16000μm2であった。なお、元素マッピングでは、特定の元素についてX線検出強度に応じたモノクロ表示またはカラー表示の画像が得られる。そこで、EPMAに付随する基本ソフトウェアの面分析ソフトウェア(バージョン1.42)による解析機能を用いてX線強度マップを質量濃度マップに変換した。この変換は各元素の純物質の標準サンプルを測定して用意したX線検出強度と元素濃度を関連付ける検量線(一次関数)を用いて行っている。そして変換した質量濃度マップにおいて、Ge濃度が30質量%以上の領域の面積比率SGe30質量%(%)を各視野について求め、10視野の平均を算出した。そして後述のターゲットの組成分析の結果から求めたGeの面積比率SGeに対するSGe30質量%の平均の割合(SGe30質量%/SGe)を算出した。組成分析結果からのGeの面積比率SGeの計算は、体積比率の計算と同様にターゲット各成分の質量比と各成分の密度を利用して求めた。例えば、実施例1及び比較例1の場合、Fe、Pt、Ge、Cの質量比をそれぞれW1、W2、W3、W4(質量%)とし、Fe、Pt、Ge、Cの密度をそれぞれD1=7.874(g/cm3)、D2=21.45(g/cm3)、D3=5.323(g/cm3)、D4=2.260(g/cm3)として以下の式に導入することで求めた。
Geの面積比率(%)SGe=(W3/D3)÷(W1/D1+W2/D2+W3/D3+W4/D4)×100
ここでは均一に分散した相の平均面積率と体積率の間には以下の関係式が成立することを利用した(新家光雄 編:3D材料組織・特性解析の基礎と応用 付録A1項、内田老鶴圃、2014年6月)。
平均面積率 = 体積率
このようにして求めたSGe30質量%の平均のSGeに対する割合(SGe30質量%/SGe)を表1に示す。
<組成分析>
上記の製造手順で得られた各試験例に係るターゲットから切り出した小片について、不活性ガス融解−赤外吸収法を採用したLECO社製の酸素分析計(装置名TC600)によって酸素濃度を測定した。結果を表1に示す。
上記の製造手順で得られた各試験例に係るターゲットを旋盤で切削して得た切粉について、ICP−AES装置(日立ハイテクサイエンス社製(旧SII製)、装置名:SPS3100HV)により組成分析を行い、いずれのターゲットの組成も実質的に秤量組成と同じであることを確認した。ここで測定精度を高めるために、金属組成分析については内部標準法で検量線を引いて実施した。
<相対密度>
上記の製造手順で得られた各試験例に係るターゲットについて、水中でのアルキメデス法で測定した実測密度と理論密度から相対密度を算出した。結果を表1に示す。
<成膜試験>
上記の製造手順で得られた各試験例に係るスパッタリングターゲットをマグネトロンスパッタ装置(キヤノンアネルバ製C-3010スパッタリングシステム)に取り付け、スパッタリングを実施した。スパッタリング条件は、投入電力1kW、Arガス圧1.7Paとし、シリコン基板上に20秒間成膜した。基板上へ付着したパーティクル(粒径0.25〜3μm)の個数をパーティクルカウンター(KLA−Tencor社製、装置名:Surfscan6420)で測定した。結果を表1に示す。なお、成膜後のスパッタリングターゲットのスパッタ面をSEMによって観察したところ、実施例1〜23についてはノジュールの発生はほとんど見られなかったが、比較例1においてはノジュールの存在が確認された。また、成膜後、高真空炉にて、基板上の薄膜を400℃、1時間加熱した後、XRD(X線回折法)で分析した結果、いずれの試験例に係る薄膜についてもFe−Pt規則相のピークが確認された。XRDの分析条件は以下の通りである。
分析装置:株式会社リガク社製 全自動水平型多目的X線回折装置SmartLab
管球:Cu(CuKαにて測定)
管電圧:40kV
管電流:30mA
光学系:集中法型回折光学系
スキャンモード:2θ/θ
走査範囲(2θ):10°〜80°
測定ステップ(2θ):0.05°
スキャンスピード(2θ):毎分0.5°
アタッチメント:標準アタッチメント
フィルタ:CuKβフィルタ
カウンターモノクロ:無し
カウンター:D/teX Ultra
発散スリット:2/3deg.
発散縦スリット:10.0mm
散乱スリット:10.0mm
受光スリット:10.0mm
アッテネータ:OPEN
FePt規則相の超格子反射ピークが表れる角度(2θ):
24.0°(001)、32.8°(110)
測定サンプルサイズ:約10mm×10mm
得られたXRDプロファイルの解析は、株式会社リガク社製統合粉末X線解析ソフトウェア PDXLを用いて実施した。得られた測定データに対して、BG除去、Kα2除去、ピークサーチを自動モードで実施し、回折ピークを抽出した。そして(001)および(110)面からの上記回折ピーク角度の±0.5°の範囲におけるピークの有無を調べた。両範囲にそれぞれ回折ピークが存在する場合、FePt膜は規則化していると判断した。
Figure 2018035434
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Claims (10)

  1. Fe、Pt及びGeを含有する非磁性材料分散型のスパッタリングターゲットであって、Fe、Pt及びGeについて原子数比で(Fe1-αPtα1-βGeβ(α、βは、0.35≦α≦0.55、0.05≦β≦0.2を満たす数)で表される組成を満足する磁性相を有し、該磁性相は、スパッタリングターゲットのスパッタ面に対する垂直断面を研磨したときの研磨面のEPMAによる元素マッピングにおいて、Geの濃度が30質量%以上であるGe基合金相の面積比率(SGe30質量%)の平均の、スパッタリングターゲットの全体組成から計算されるGeの面積比率(SGe)に対する割合(SGe30質量%/SGe)が、0.5以下であるスパッタリングターゲット。
  2. 非磁性材料は、炭素、炭化物、酸化物及び窒化物よりなる群から選択される一種又は二種以上であり、該非磁性材料の体積比率がスパッタリングターゲットの全体積に対して10〜60vol%を占める請求項1に記載のスパッタリングターゲット。
  3. Au、B、Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Nb、Ni、Pd、Re、Rh、Ru、Sn、Ta、W、V及びZnよりなる群から選択される一種又は二種以上の第三元素を、Fe、Ge及びPtの合計原子数に対する第三元素の合計原子数の割合で表して10at.%以下含有する請求項1又は2に記載のスパッタリングターゲット。
  4. 酸素濃度が400質量ppm以下である請求項1〜3の何れか一項に記載のスパッタリングターゲット。
  5. Fe、Pt及びGeが原子数比で(Fe1-αPtα1-βGeβ(α、βは、0.35≦α≦0.55、0.05≦β≦0.2を満たす数)で表される組成を満足するように、Pt−Ge合金粉及び/又はPt−Ge−Fe合金粉と、Pt−Ge合金粉及びPt−Ge−Fe合金粉以外の金属粉と、非磁性材料粉とを、不活性ガス雰囲気下で粉砕しながら混合する工程と、
    上記工程で得られた混合粉末から、加圧焼結方法により真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で前記Pt−Ge合金粉の融点未満の温度で焼結して焼結体を得る工程と、
    前記焼結体を成形加工する工程と、
    を含む請求項1〜4の何れか一項に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
  6. 前記混合する工程の前における前記Pt−Ge合金粉及び/又はPt−Ge−Fe合金粉の平均粒径が1〜50μmである請求項5に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
  7. Pt−Ge合金粉を使用する場合、前記混合する工程の前における前記Pt−Ge合金粉の組成が原子比で、Pt:Ge=1:0.8〜1.2である請求項5又は6に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
  8. Pt−Ge−Fe合金粉を使用する場合、前記混合する工程の前における前記Pt−Ge−Fe合金粉の組成が原子比で、Pt:Ge:Fe=1:0.8〜1.2:0.1〜0.3である請求項5〜7の何れか一項に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
  9. 焼結時に20〜70MPaの範囲の圧力で加圧することを含む請求項5〜8の何れか一項に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
  10. 前記粉砕しながら混合する工程により得られる混合粉末の平均粒径が20μm以下である請求項5〜9の何れか一項に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
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