JP2018188726A - スパッタリングターゲットおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターゲットの割れを抑制することが可能で、例えば、熱アシスト磁気記録媒体の軟磁性膜の成膜に適したターゲットおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 原子比における組成式がＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ}−Ｃｕ_ａ−Ｓｉ_ｂ−Ｍ_ｃ、０．１≦ａ≦５．０、１０．０≦ｂ≦２０．０、１０．０≦ｃ≦２５．０、ＭはＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素で表わされ、残部が不可避的不純物からなり、抗折力が５００ＭＰａ以上であるスパッタリングターゲットであり、６００００μｍ^２当たりで、１μｍ以上の内接円直径を有するＦｅ相が１．０個未満であることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、磁気記録媒体の軟磁性膜を成膜するために用いるスパッタリングターゲットおよびその製造方法に関するものである。

磁気記録媒体は、記録密度の高密度化のため、従来の面内磁気記録に替わり、垂直磁気記録方式が実用化されている。そして、近年は更なる高記録密度化が要求されるようになり、これを実現するためには、記録層の結晶粒径を微細化して、単位面積当たりの記録容量を増やす必要がある。
しかし、現状の垂直磁気記録媒体で使用されているＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ_２記録層の磁性粒子を微細化すると、磁気的に記録したデータが周囲の熱の影響で消える、いわゆる熱揺らぎの問題がある。これを抑制するためには、記録層に保磁力が高い材料を用いればよいが、ヘッドの書き込み磁界の限界を超えてしまうために、記録が困難になるという問題が発生する。
これらの問題を解決する方式として、例えば、熱アシスト磁気記録媒体が提案されている。熱アシスト磁気記録媒体は、書き込み時に記録層を加熱しながら記録する方式である。

この熱アシスト磁気記録媒体の記録層としては、保磁力が高い規則合金化したＦｅＰｔ系が有望である。しかし、ＦｅＰｔ系を規則合金化するためには、５００〜７００℃の加熱を伴う成膜が必要である。この加熱を伴う成膜の際には、記録層の下層に成膜された軟磁性膜も同時に加熱されてしまい、軟磁性膜に粗大な結晶粒が形成され、保磁力が増加して、記録特性が低下してしまうという問題がある。

これを抑制するために、例えば、特許文献１では、Ｆｅを主成分とし、特定量のＮｂ、Ｓｉ、ＢおよびＣｕを複合添加することで、軟磁性膜をアモルファスあるいは微結晶とし、結晶粒の粗大化を抑制し、保磁力を小さくした軟磁性膜の開示がある。
この特許文献１では、軟磁性膜をスパッタリングターゲット（以下、単にターゲットともいう。）を用いてスパッタリングにより成膜することが提案されている。そして、用いるターゲットは、純金属粉末や合金粉末を軟磁性膜の最終組成になるように混合した粉末を原料粉末とし、これを焼結することで製造されるか、溶解鋳造法で製造されている。

特開２０１３−８４３２２号公報

上述した特許文献１に開示される軟磁性膜は、Ｆｅを主成分とし、特定量のＮｂ、Ｓｉ、ＢおよびＣｕを複合添加することで、記録層の成膜温度に加熱した後においても、保磁力の増大を抑制できる点で有用な技術である。
本発明者の検討によると、特許文献１に開示のある製造方法で作製された、Ｆｅを主成分とし、特定量のＮｂ、Ｓｉ、ＢおよびＣｕを複合添加したターゲットは、機械的強度、特に抗折力が低いことを確認した。この抗折力の低下の問題は、ターゲットの切削加工やブラスト加工といった機械加工時やスパッタ装置へのチャッキング時に、衝撃を受けた場合に割れを誘発する虞がある。
本発明の目的は、ターゲットの割れを抑制することが可能で、例えば、熱アシスト磁気記録媒体の軟磁性膜の成膜に好適なターゲットおよびその製造方法を提供することである。

本発明は、原子比における組成式がＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ}−Ｃｕ_ａ−Ｓｉ_ｂ−Ｍ_ｃ、０．１≦ａ≦５．０、１０．０≦ｂ≦２０．０、１０．０≦ｃ≦２５．０、ＭはＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素で表わされ、残部が不可避的不純物からなり、抗折力が５００ＭＰａ以上であるスパッタリングターゲットである。
また、本発明のスパッタリングターゲットは、６００００μｍ^２当たりで、１μｍ以上の内接円直径を有するＦｅ相が１．０個未満であることが好ましい。

本発明のスパッタリングターゲットは、原子比における組成式がＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ}−Ｃｕ_ａ−Ｓｉ_ｂ−Ｍ_ｃ、０．１≦ａ≦５．０、１０．０≦ｂ≦２０．０、１０．０≦ｃ≦２５．０、ＭはＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素で表わされ、残部が不可避的不純物からなる原料粉末を加圧焼結することで得ることができる。

本発明は、機械加工時やチャッキング時にターゲットの割れの発生を抑制できるため、磁気記録媒体の軟磁性膜を製造するのに有用な技術となる。

本発明例１のターゲットの金属組織の模式図。 本発明例２のターゲットの金属組織の模式図。 本発明例３のターゲットの金属組織の模式図。 比較例１のターゲットの金属組織の模式図。 比較例２のターゲットの金属組織の模式図。 比較例３のターゲットの金属組織の模式図。 比較例１のターゲットの破断部の金属組織の模式図。

本発明のターゲットは、Ｃｕを０．１〜５．０原子％の範囲で含有する。Ｃｕは、Ｆｅとの混合エンタルピーが正であるため、軟磁性膜を加熱するとＣｕがクラスターを形成し、これが微結晶核の形成の起点となる。これにより、軟磁性膜中に微結晶粒を均一に分散させ、加熱後における軟磁性膜の保磁力を小さくできる。このような微結晶核の起点を形成するためには、Ｃｕは０．１原子％以上の含有が必要である。このため、本発明のターゲットは、Ｃｕの下限を０．１原子％とする。また、上記と同様の理由から、Ｃｕは０．８原子％以上にすることが好ましい。
一方、Ｃｕを５．０原子％を超えて含有すると、過剰なＣｕが軟磁性膜の表面に析出してしまい、表面粗さを増大させる。軟磁性膜の表面粗さの増大は、記録媒体のノイズを増加させる。このため、本発明のターゲットは、Ｃｕの上限を５．０原子％とする。また、上記と同様の理由から、Ｃｕは１．２原子％以下にすることが好ましい。

軟磁性膜の保磁力を小さくするためには、磁歪を小さくする必要がある。本発明のターゲットを用いて成膜された軟磁性膜は、加熱により微結晶粒が、残存アモルファス相の中に分散した組織となる。
微結晶粒は、ＦｅＳｉ固溶体からなり負の磁歪となる。一方、残存アモルファス相は、ＦｅＮｂＳｉＢからなり、正の磁歪となる。このため、本発明のターゲットで成膜された軟磁性膜は、微結晶粒と残存アモルファス相の磁歪が相殺され、磁歪を小さくすることができ、保磁力の低減が実現できる。
微結晶粒における磁歪の大きさは、Ｓｉの含有量によって調整可能である。そして、本発明のターゲットは、Ｓｉを１０．０以上にする。これにより、負の磁歪となる微結晶粒を増大させ、磁歪を小さくすることができる。また、上記と同様の理由から、Ｓｉは１３．０原子％以上にすることが好ましい。
一方、本発明のターゲットは、Ｓｉを２０．０原子％以下にする。これにより、ＦｅＳｉ固溶体の過度の生成が抑制され、磁歪を小さくすることができる。また、上記と同様の理由から、Ｓｉは１５．８原子％以下にすることが好ましい。

上述したように、本発明のターゲットで成膜された軟磁性膜は、微結晶粒が残存アモルファス相の中に分散した組織となる。ＮｂおよびＢは、残存アモルファス相を安定化し、加熱による微結晶粒の粗大化を抑制する効果を持つ。
本発明のターゲットは、Ｍ元素すなわち、ＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素を合計で１０．０原子％以上にする。これにより、微結晶粒の粗大化を抑制でき、低い保磁力の軟磁性膜を得ることができる。また、上記と同様の理由から、Ｍ元素の合計は１１．０原子％以上にすることが好ましい。そして、Ｎｂは２．５原子％以上にすることが好ましい。また、Ｂは８．５原子％以上にすることが好ましい。
一方、本発明のターゲットは、Ｍ元素の合計を２５．０原子％以下にする。これにより、高い飽和磁束密度の軟磁性膜を得ることができる。また、抗折力に影響を及ぼす脆い金属間化合物を抑制する観点から、Ｍ元素の合計は１６．０原子％以下にすることが好ましい。そして、Ｎｂは６．５原子％以下にすることが好ましい。また、Ｂは、９．５原子％以下にすることが好ましい。

本発明のターゲットは、上記で説明したＣｕ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｂ以外の残部は、Ｆｅと不可避的不純物からなる。これは、軟磁性膜として必要な特性の一つである飽和磁束密度を向上させるためである。尚、飽和磁束密度を高めるために、Ｆｅの一部をＣｏおよびＮｉから選択される一種以上の元素で置換してもよい。

本発明のターゲットは、抗折力が５００ＭＰａ以上である。これにより、ターゲットの製造工程において、機械加工時やチャッキング時に割れが発生することを抑制できる。そして、本発明のターゲットは、抗折力が８００ＭＰａ以上が好ましく、１０００ＭＰａ以上がより好ましい。
そして、本発明のターゲットは、６００００μｍ^２当たりで、１μｍ以上の内接円直径を有するＦｅ相を１．０個未満にすることが好ましい。これは、内接円直径が１μｍ以上のＦｅ相がターゲットの金属組織中に１．０個以上存在すると、Ｆｅ相の粒界がターゲットの割れの起点になりやすくなるためである。
尚、本発明でいうＦｅ相の内接円直径は、ターゲットのスパッタ面となる面の、任意の６００００μｍ^２となる視野において、走査型電子顕微鏡による反射電子像の薄灰色で示されるＦｅ相を撮影して測定することができる。そして、１μｍ以上の内接円直径を有するＦｅ相の個数は、スパッタ面となる面で６００００μｍ^２となる１視野の観察を行ない、その視野に存在する内接円直径が１μｍ以上のＦｅ相の個数をカウントすることで得られる。また、ターゲット全体の割れを抑制する観点から、１μｍ以上の内接円直径を有するＦｅ相の個数は、スパッタ面となる面で６００００μｍ^２となる視野を複数視野（例えば５視野）で観察を行ない、各視野に存在する内接円直径が１μｍ以上のＦｅ相の個数をカウントして、その平均値としてもよい。

本発明のターゲットは、原子比における組成式がＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ}−Ｃｕ_ａ−Ｓｉ_ｂ−Ｍ_ｃ、０．１≦ａ≦５．０、１０．０≦ｂ≦２０．０、１０．０≦ｃ≦２５．０、ＭはＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素で表わされ、残部が不可避的不純物からなる原料粉末を加圧焼結することで得ることができる。
上述したように、特許文献１に開示のある、純金属粉末や合金粉末を軟磁性膜の最終組成となるように混合した原料粉末を焼結したターゲットは、図７に示すターゲットの破断部における金属組織の模式図のように、粗大なＦｅ相が発現する。そして、このＦｅ相は、その領域が大きくなるに従い、粒界がターゲットの割れの起点になる。
これに対して、本発明では、原子比における組成式がＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ}−Ｃｕ_ａ−Ｓｉ_ｂ−Ｍ_ｃ、０．１≦ａ≦５．０、１０．０≦ｂ≦２０．０、１０．０≦ｃ≦２５．０、ＭはＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素で表わされ、残部が不可避的不純物からなる原料粉末、すなわちターゲットの最終組成からなる原料粉末を加圧焼結する。これにより、Ｆｅ相の発現を抑制することが可能となり、ターゲットの機械加工時やチャッキング時に割れが発生することを抑制できる。

本発明において、加圧焼結に用いるための、ターゲットの最終組成からなる原料粉末は、例えば、最終組成に調整した合金溶湯を鋳造したインゴットを粉砕する方法や、最終組成に調整した合金溶湯を用いたガスアトマイズ法によって作製することが可能である。中でも、不純物の混入が少なく、充填率が高く、加圧焼結に適した球状粉末が得られるガスアトマイズ法を用いることが好ましい。ここで、原料粉末の酸化を抑制するためには、アトマイズガスとして不可性ガスであるＡｒガスあるいは窒素ガスを用いることが好ましい。
そして、加圧焼結は、温度７００〜１０５０℃、圧力１００〜２００ＭＰａ、時間１〜１０時間の条件で行なうことが好ましい。
焼結温度は、７００℃以上にすることで、高融点金属であるＮｂを含有する原料粉末の焼結を進行させることができ、空孔の発生を抑制することができる。また、焼結温度は、１０５０℃以下にすることで、原料粉末の溶解を抑制できる。
また、圧力は、１００ＭＰａ以上にすることで、焼結の進行を促進し、空孔の発生を抑制することができる。また、圧力は、２００ＭＰａ以下にすることで、焼結時にターゲットへの残留応力の導入が抑制され、焼結体の割れの発生を抑制することができる。
また、焼結の保持時間は、１時間以上にすることで、焼結の進行を促進し、空孔の発生を抑制することができる。また、焼結の保持時間は、１０時間以下とすることで、製造効率を悪化させないで、Ｎｂを含有する脆い金属間化合物相の成長を抑制して製造できる。

純度が９９．９％以上の純金属からなる原料片を用いて、原子比における組成式で、Ｆｅ_７３．５−Ｃｕ_１．０−Ｓｉ_１３．５−Ｎｂ_３．０−Ｂ_９．０の合金組成となる合金溶湯を真空溶解して、Ａｒガスによるガスアトマイズ法で粉末を作製して、分級により粗粉を除去して、８０メッシュアンダーの原料粉末を用意した。
そして、この原料粉末を軟鋼カプセルに充填し、脱気封止した後、温度９５０℃、圧力１２２ＭＰａ、保持時間１時間の条件で熱間静水圧プレスによって焼結体を得て、この焼結体に機械加工を施して、本発明例１となるターゲットを作製した。

純度が９９．９％以上の純金属からなる原料片を用いて、原子比における組成式で、Ｆｅ_６５．５−Ｃｕ_１．０−Ｓｉ_１３．５−Ｎｂ_５．０−Ｂ_１５．０の合金組成となる合金溶湯を真空溶解して、Ａｒガスによるガスアトマイズ法で粉末を作製して、分級により粗粉を除去して、８０メッシュアンダーの原料粉末を用意した。
そして、この原料粉末を軟鋼カプセルに充填し、脱気封止した後、温度９５０℃、圧力１２２ＭＰａ、保持時間１時間の条件で熱間静水圧プレスによって焼結体を得て、この焼結体に機械加工を施して、本発明例２となるターゲットを作製した。

純度が９９．９％以上の純金属からなる原料片を用いて、原子比における組成式で、Ｆｅ_５７．０−Ｃｕ_３．０−Ｓｉ_２０．０−Ｎｂ_５．０−Ｂ_１５．０の合金組成となる合金溶湯を真空溶解して、Ａｒガスによるガスアトマイズ法で粉末を作製して、分級により粗粉を除去して、８０メッシュアンダーの原料粉末を用意した。
そして、この原料粉末を軟鋼カプセルに充填し、脱気封止した後、温度９５０℃、圧力１２２ＭＰａ、保持時間１時間の条件で熱間静水圧プレスによって焼結体を得て、この焼結体に機械加工を施して、本発明例３となるターゲットを作製した。

純度が９９．９％以上のＦｅ、Ｎｂ、Ｃｕの純金属粉末およびＳｉ、Ｂの半金属粉末を用いて、原子比における組成式で、Ｆｅ_７３．５−Ｃｕ_１．０−Ｓｉ_１３．５−Ｎｂ_３．０−Ｂ_９．０の合金組成となるように混合して原料粉末を作製した。
そして、この原料粉末を軟鋼カプセルに充填し、脱気封止した後、温度７５０℃、圧力１２２ＭＰａ、保持時間１時間の条件で熱間静水圧プレスによって焼結体を得て、この焼結体に機械加工を施して、比較例１となるターゲットを作製した。

純度が９９．９％以上のＦｅ、Ｎｂ、Ｃｕの純金属粉末およびＳｉ、Ｂの半金属粉末を用いて、原子比における組成式で、Ｆｅ_６５．５−Ｃｕ_１．０−Ｓｉ_１３．５−Ｎｂ_５．０−Ｂ_１５．０の合金組成となるように混合して原料粉末を作製した。
そして、この原料粉末を軟鋼カプセルに充填し、脱気封止した後、温度９５０℃、圧力１２２ＭＰａ、保持時間１時間の条件で熱間静水圧プレスによって焼結体を得て、この焼結体に機械加工を施して、比較例２となるターゲットを作製した。

純度が９９．９％以上のＦｅ、Ｎｂ、Ｃｕの純金属粉末およびＳｉ、Ｂの半金属粉末を用いて、原子比における組成式で、Ｆｅ_５７．０−Ｃｕ_３．０−Ｓｉ_２０．０−Ｎｂ_５．０−Ｂ_１５．０の合金組成となるように混合して原料粉末を作製した。
そして、この原料粉末を軟鋼カプセルに充填し、脱気封止した後、温度９５０℃、圧力１２２ＭＰａ、保持時間１時間の条件で熱間静水圧プレスによって焼結体を得て、この焼結体に機械加工を施して、比較例３となるターゲットを作製した。

上記で得られた各ターゲットの厚さ方向の抗折力を確認するために、３ｍｍ×４ｍｍ×２５ｍｍの抗折試験片を採取した。採取した試験片について、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分、支点間距離２０ｍｍの条件で、３点曲げ試験を行なった。得られた曲げ荷重―たわみ曲線から最大曲げ荷重を測定し、抗折力を算出した。その結果を表１に示す。

また、上記で得られた各ターゲットのスパッタ面となる面を観察するために、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの試験片を採取して、この内スパッタ面となる面を研磨した後、走査型電子顕微鏡を用いてターゲットの金属組織を観察した。観察は、各試料のスパッタ面となる面の走査型電子顕微鏡の反射電子像で、任意の視野のうち、６００００μｍ^２となる視野を１視野観察し、視野内に存在するＦｅ相の内接円直径を測定し、その内接円直径が１μｍ以上のＦｅ相の個数をカウントした。その結果を表１に示す。
また、各試料について、金属組織中にＦｅ相が存在する試料は、各Ｆｅ相の領域内に描いた内接円の直径をそれぞれ測定し、各Ｆｅ相の中で最大となる内接円の直径を、Ｆｅ相の最大内接円直径として表１に示す。また、測定例を図１〜図６に示す。

比較例１〜比較例３のターゲットは、いずれも抗折力が５００ＭＰａ未満の低い値であった。そして、比較例１〜比較例３のターゲットは、図４〜図６に示すように、任意の６００００μｍ^２という単位面積を観察すると、内接円直径が１μｍ以上のＦｅ相が２．０個以上確認された。また、比較例１〜比較例３のターゲットは、いずれのＦｅ相もその領域内に描いた最大内接円の直径が２０μｍを超えていた。
一方、本発明のターゲットは、いずれも５００ＭＰａ以上の高い抗折力を有していることが確認できた。そして、本発明のターゲットは、図１〜図３に示すように、任意の６００００μｍ^２という単位面積を観察すると、内接円直径が１μｍ以上のＦｅ相は、１．０個未満であることが確認できた。これにより、本発明のターゲットは、機械加工時やチャッキング時に割れの発生を抑制できる。

Claims (3)

1. 原子比における組成式がＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ}−Ｃｕ_ａ−Ｓｉ_ｂ−Ｍ_ｃ、０．１≦ａ≦５．０、１０．０≦ｂ≦２０．０、１０．０≦ｃ≦２５．０、ＭはＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素で表わされ、残部が不可避的不純物からなり、抗折力が５００ＭＰａ以上であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
2. ６００００μｍ^２当たりで、１μｍ以上の内接円直径を有するＦｅ相が１．０個未満であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリングターゲット。
3. 原子比における組成式がＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ}−Ｃｕ_ａ−Ｓｉ_ｂ−Ｍ_ｃ、０．１≦ａ≦５．０、１０．０≦ｂ≦２０．０、１０．０≦ｃ≦２５．０、ＭはＮｂおよびＢから選択される一種以上の元素で表わされ、残部が不可避的不純物からなる原料粉末を加圧焼結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。