JP2020143327A - スパッタリングターゲット及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、スパッタリング時において基板パーティクル増加につながる微細ノジュールの発生量を抑制できるスパッタリングターゲット及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、かつレーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であるセラミックス系スパッタリングターゲット。【選択図】図1

Description

本発明は、スパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。
半導体デバイスの薄膜形成方法の一つにスパッタリングがある。スパッタリングに使用される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。)として、セラミックス製のものが知られている。セラミックス製のターゲット材は、たとえば金属酸化物などのセラミックス成分を含む粉末または粒子を成形し、焼結させた焼結体を、切削や研磨などにより所定の大きさに機械加工して得られる。
近年、ナノ領域への微細化が進み、スパッタリングにおいては基板パーティクルの管理が益々厳しくなっている。そのため、長年実施されてきた方法についても改めて見直し、スパッタ中の基板パーティクル低減に繋がる対策を打つ必要がある。
スパッタリングターゲット材の加工精度は基板表面に形成される薄膜(スパッタ膜)の品質に影響することが知られている。このため、セラミックス製のスパッタリングターゲット材の加工に関し、薄膜の品質を向上させるための対策が検討されてきた。
特許文献1には、スパッタリングに供されるスパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以上1.5μm以下であり、 前記スパッタ面に形成されたクラックの最大深さが15μm以下の平板状のセラミックスであるターゲット材が開示されている。Raが0.5μm未満だと、スパッタリング中にターゲット材で生じたノジュールがターゲット材にとどまらずにスパッタ膜にパーティクルとして付着し、スパッタ膜の品質が低下しやすくなると記載されている。また、クラックの最大深さが15μmを超えると、スパッタリング中にノジュールが発生しやすくなり、また、ターゲット材の機械的強度に影響を及ぼす場合もあると記載されている。
国際公開第2016/027540号
スパッタリングターゲットのスパッタ面を形成するには、平面研削盤と呼ばれる加工機を用いてセラミックス焼結体を加工することが知られている。ここで平面研削によりスパッタ面にマイクロクラックが存在する場合がある。このマイクロクラックは、使用初期の基板パーティクル量に影響することが確認された。
特許文献1では、セラミックス焼結体を平面研削する代わりに、セラミックス焼結体を切断して、この切断面をスパッタ面とするなどしてマイクロクラックの発生を抑制している。一方、セラミックス焼結体を平面研削する場合におけるマイクロクラックの抑制についての検討は不十分である。また、スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以上では、必ずしも基板パーティクルの低減に資するとは言えない。
ほかにも、表面粗さ、残留ダスト量などを評価し、スパッタリング時のアーキング発生量、ノジュール発生量、基板パーティクル量で評価している技術が複数存在している。しかしながら、それらの評価のみでは、使用初期に生じるような微細ノジュールの発生、基板パーティクル量との相関性が十分ではなかった。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであって、スパッタリング時において基板パーティクル増加につながる微細ノジュールの発生量を抑制できるスパッタリングターゲット及びその製造方法を提供することを課題とするものである。
本発明者が鋭意検討した結果、スパッタリングターゲットのスパッタ面の表面粗さRa及びレーザー顕微鏡で測定されるSvk値は、基板パーティクル増加につながるノジュール発生と密接な関係にあるとの知見を得た。特にSvk値で表されるターゲット表面に残留した窪み部分(機械加工時の応力によって小片が脱離した部分)は、使用初期の微細ノジュール発生に影響することが判明した。そのため、上記Ra及びSvk値を制御することが重要である。そこで、本発明は以下のように特定される。
(1)スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、かつレーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であるセラミックス系スパッタリングターゲット。
(2)前記スパッタ面において、電子顕微鏡による×10,000倍視野の断面組織観察から確認されるマイクロクラックの本数が20個/mm以下である(1)に記載のセラミックス系スパッタリングターゲット。
(3)Snの含有量がSnO2換算で1〜10質量%のITOである(1)又は(2)に記載のセラミックス系スパッタリングターゲット。
(4)前記スパッタ面の表面粗さRaが0.1μm以上である(1)〜(3)の何れか一項に記載のセラミックス系スパッタリングターゲット。
(5)セラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法であって、
セラミックス焼結体を準備する工程、及び前記セラミックス焼結体を平面研削してスパッタ面を形成する工程を含み、
平面研削後の前記スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、かつレーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であるセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
(6)前記セラミックス焼結体を平面研削するにおいて最後に使用する砥石は、番手#400以上500未満且つ砥粒集中度125以上である、又は、番手#500以上800未満且つ砥粒集中度90以上である、又は、番手#800以上且つ砥粒集中度75以上である(5)に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
(7)平面研削後の前記スパッタ面において、電子顕微鏡による×10,000倍視野の断面組織観察から確認されるマイクロクラックの本数が20個/mm以下である(5)又は(6)に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
(8)Snの含有量がSnO2換算で1〜10質量%のITOである(5)〜(7)のいずれか一項に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
(9)前記スパッタ面の表面粗さRaが0.1μm以上である(5)〜(8)の何れか一項に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
本発明によれば、スパッタリング時において基板パーティクル増加につながる微細ノジュールの発生量を抑制できるスパッタリングターゲット及びその製造方法を提供できる。
本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法を示すプロセスフローである。 実施例2及び比較例1のスパッタ評価の結果を示す図である。 実施例2及び比較例1のスパッタ評価の結果を示す図である。 マイクロクラックの観察方法を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
(1.スパッタリングターゲット)
本実施形態において、スパッタリングターゲットの形状は特に限定されず、スパッタ面を有する限り、平板状、円筒状など、任意の形状であってもよい。好ましくは平板状である。スパッタ面とは、製品としてスパッタリングが行われるべき面である。
スパッタリングターゲットが平板状である場合、これを担持するバッキングプレートを有するのが通常である。バッキングプレートとしては、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。たとえば、ステンレス、チタン、チタン合金、銅等を適用することができるが、これらに限定されない。バッキングプレートは、通常接合材を介してスパッタリングターゲットと接合するが、接合材としては、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。たとえば、インジウム金属等が挙げられるが、これに限定されない。
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、セラミックス焼結体からなるものであればよく、その組成が特に限定されない。
スパッタリングターゲットを構成するセラミックスの組成は特に限定されないが、例えば、Snの含有量がSnO2換算で1〜10質量%のITO(酸化インジウムスズ)が好適である。
なお、セラミックス焼結体は、通常、焼結後に平面研削などの加工が行われる。この明細書において、平面研削前のものをセラミックス焼結体といい、平面研削後のものをスパッタリングターゲットという。
スパッタリングターゲットのスパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、好ましくは0.4μm以下であり、より好ましくは0.3μm以下である。スパッタ面の表面粗さRaが0.5μmを大きく超えると、使用初期のスパッタリング現象の際に機械加工面の先端部分が脱離し、基板パーティクル、またはノジュール発生の原因となる。ここで、表面粗さRaは、JIS B0601:2013の「算術平均粗さRa」を意味する。測定には触針式の表面粗さ計を使用する。
一方で、スパッタリングターゲットのスパッタ面にはエロージョンされない部分(非エロージョン部分)が存在するところ、スパッタ中に非エロージョン部分に付着した膜又は粉を剥離又は飛散させないことが望ましい。この観点で、スパッタリングターゲットのスパッタ面と膜又は粉との密着性を考慮すると、平滑すぎる状態は好ましくないと考えられる。実際、Raが0.1μm以下になると、非エロージョン部分に付着した膜又は粉が容易に剥離、飛散して、基板パーティクル量に影響することが確認されている。そこで、スパッタリングターゲットのスパッタ面の表面粗さRaは好ましくは0.1μm以上であり、より好ましくは0.2μm以上である。
スパッタリングターゲットのスパッタ面において、レーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であり、好ましくは1.0μm以下であり、より好ましくは0.5μm以下である。本発明者の知見によれば、スパッタ面のSvk値はマイクロクラックと密接な関係にあり、Svk値を制御することでマイクロクラックの発生を抑制し、基板パーティクル増加につながる微細ノジュールの発生を抑制することができる。Svk値には特段下限は設定されないが、作り込みの難易度が上がりコスト高となるため、通常は0.2μm以上であり、典型的には0.4μm以上である。
Svk値はISO 25178で規定される面粗さのパラメータの一つであり、負荷曲線の突出谷部の平均深さを表す。セラミックス焼結体を平面研削する際、セラミックス焼結体の表層組織の一部が削り取られることがあり(以下これを「剥離」という)、それが谷部形成の原因となりSvk値が上昇する。機械加工時の応力によって表層組織の一部が削り取られ、更に機械加工ダメージとしてターゲット内部にマイクロクラックが伸展する。そのため、マイクロクラックの発生を抑制するには平面研削の条件を制御して谷部の発生を抑制する必要がある。平面研削の条件について後述する。
Svk値とマイクロクラックの関係をより具体的に説明すると、平面研削時のダメージとして、研削面の一部が剥離した状態がSvk値増加として評価される。また、剥離に至らなかった状態がマイクロクラックして検出される。それぞれの影響として、Svk値増加として評価される剥離面については、スパッタリング現象の初期に微細ノジュール発生として、基板パーティクル量増加に影響する。一方、マイクロクラック発生個所は、スパッタリング時の熱履歴などによって、剥離状態まで進み、例えば数μmサイズの基板パーティクルとして検出される。そのため、本発明において、スパッタ面のマイクロクラック数の制御は必ずしも必須ではないが、剥離に至る可能性を最小限にする観点からマイクロクラックの数を制御することが好ましい。
以上のことから、本実施形態のスパッタリングターゲットは、スパッタ面において、電子顕微鏡による×10,000倍視野の断面組織観察から確認されるマイクロクラックの本数が20個/mm以下であることが好ましい。マイクロクラックの本数は当該断面組織観察におけるスパッタ面側の上端部分の長さ1mm当たりの本数として表す。また、マイクロクラックは、機械加工面(研削面)=スパッタ面に起点があるものであって、最大幅が0.1μm以内、長さが0.1μm以上のものをカウントする。より詳細には、電子顕微鏡による×10,000倍視野の断面組織観察をスパッタ面に沿って10個のマイクロクラックが観察されるまで繰り返し、スパッタ面側の上端部分の長さ1mm当たりのマイクロクラック数に換算する。但し、80視野を観察してもマイクロクラックの本数が10個に到達しない場合は、80視野までの結果に基づいてスパッタ面側の上端部分の長さ1mm当たりのマイクロクラック数を算出する。マイクロクラックの本数が20個/mm以下であれば、前述のように、基板パーティクル増加につながる微細ノジュールの発生を抑制することができる。
(2.スパッタリングターゲットの製造方法)
次に、ITOスパッタリングターゲットを例として、本発明のスパッタリングターゲットの製造方法について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法を示すプロセスフローである。
まず、焼結体を構成する原材料を準備する。本実施形態では、酸化インジウムの粉末と酸化スズの粉末を準備する(S301、S302)。これらの原料の純度は、通常2N(99質量%)以上、好ましくは3N(99.9質量%)以上、さらに好ましくは4N(99.99質量%)以上であるとよい。純度が2Nより低いと焼結体120に不純物が多く含まれてしまうため、所望の物性を得られなくなる(例えば、形成した薄膜の透過率の減少、抵抗値の増加、アーキングに伴うパーティクルの発生)という問題が生じ得る。
次に、これら原材料の粉末を粉砕し混合する(S303)。原材料の粉末の粉砕混合処理は、ジルコニア、アルミナ、ナイロン樹脂等のボールやビーズ(いわゆるメディア)を用いた乾式法を使用したり、前記ボールやビーズを用いたメディア撹拌式ミル、メディアレスの容器回転式ミル、機械撹拌式ミル、気流式ミルなどの湿式法を使用したりすることができる。ここで、一般的に湿式法は、乾式法に比べて粉砕及び混合能力に優れているため、湿式法を用いて混合を行うことが好ましい。
原材料の組成については特に制限はないが、目的とする焼結体の組成比に応じて適宜調整することが望ましい。
次に、原材料の粉末のスラリーを乾燥、造粒する(S303)。このとき、急速乾燥造粒を用いてスラリーを急速乾燥してもよい。急速乾燥造粒は、スプレードライヤを使用し、熱風の温度や風量を調整して行えばよい。
次に、上述した混合及び造粒して得られた混合物(仮焼結を設けた場合には仮焼結されたもの)を加圧成形して平板形状の成形体を形成する(S304)。この工程によって、目的とする焼結体に好適な形状に成形する。成形処理では、成形圧力を制御して、54.5%以上58.0%以下の相対密度を有する成形体を形成することができる。成形体の相対密度を上記の範囲にすることで、その後の焼結によって得られる焼結体の相対密度を99.7%以上99.9%以下にすることができる。
次に、成形工程で得られた平板形状の成形体を焼結する(S305)。焼結には電気炉を使用する。焼結条件は焼結体の組成によって適宜選択することができる。例えばSnO2を10質量%含有するITOであれば、酸素ガス雰囲気中において、1400℃以上1600℃以下の温度下に10時間以上30時間以下置くことにより焼結することができる。焼結温度が下限よりも低い場合、焼結体の相対密度が低下してしまう。一方、1600℃を超えると電気炉や炉材へのダメージが大きく頻繁にメンテナンスが必要となるため、作業効率が著しく低下する。また、焼結時間が下限よりも短いと焼結体120の相対密度が低下してしまう。
次に、焼結体のスパッタ面を形成するために、平面研削盤で研削する。平面研削盤では、加工したい面(スパッタ面に対応する面)が上面になるように焼結体をテーブルの上に置き、砥石を用いて表面加工が行われる。
ここで、平面研削加工において最後に使用する砥石は、番手#400以上500未満且つ砥粒集中度125以上である、又は、番手#500以上800未満且つ砥粒集中度90以上である、又は、番手#800以上且つ砥粒集中度75以上であることが好ましい。これにより、スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、かつレーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であるスパッタリングターゲットを得ることが容易になる。砥石の番手や砥粒集中度に合わせて、砥石回転数、送り速度などの加工条件を適正化できることはいうまでもない。ここで、番手はJIS R6001−2:2017に規定する粒度を指す。砥粒集中度はJIS B4131:1998に規定するコンセントレーションを指す。
また、製造されるスパッタリングターゲットの他の物性は前述と同様である。
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)
<粗研処理>
酸化スズ含有量10質量%組成のITO板状セラミックス焼結体を用意した。このセラミックス焼結体の一面を、株式会社岡本工作機械製作所製平面研削装置で番手#80の砥石を使用して、砥石回転数1800rpm、切込み量50μm/pass、スパークアウト4passの条件で、粗研処理した。
<精研処理>
次いで、粗研処理した面について株式会社岡本工作機械製作所製平面研削装置で番手#400、砥粒集中度125の砥石を使用して、砥石回転数1250rpm、切込み量10μm/pass、総切込み量170μm、スパークアウト6passの条件で、精研処理した。その後、同じ砥石を使用して、砥石回転数1250rpm、切込み量1μm/pass、総切込み量30μm、スパークアウト6passの条件で更に精研処理した。
(実施例2〜3、比較例1)
精研処理における砥石回転数を1400rpmに替え、更に、砥石番手及び砥粒集中度を表1のように変更した以外の他の条件は実施例1と同様とした。
(実施例4)
実施例1と同じ条件で粗研処理及び精研処理を行った後、表1に記載の砥石番手及び砥粒集中度の砥石を使用して、砥石回転数2300rpm、切込み量2μm/pass、総切込み量100μm、スパークアウト6passの条件で更に精研処理した。
(比較例2)
なお、比較例2については、比較例1と同じ条件で粗研処理及び精研処理を行った後、さらに#800スポンジ砥石(φ300mm)を装着した三和ダイヤ工販株式会社製 型式SDK−P1000NC湿式研磨装置(ポリッシャー)で精研処理した。研削条件は、砥石回転数210rpm、切り込み量12μm/pass(総切り込み量:150μm)であった。
(表面粗さ計による表面粗さRaの測定)
精研処理又はポリッシャー装置で研磨処理された各ITOスパッタリングターゲットから200mm×300mmサイズのサンプルを切り出し、5分間超音波洗浄した後、ミツトヨ製触針式の表面粗さ計(Surftest SJ−301)を使用して、下記の表2の条件に従い、5カ所のRaを測定し、その平均値を算出した。なお、上記5カ所は、四隅近辺の4カ所と、中央の1カ所である。
(レーザー顕微鏡によるSvk値の測定)
精研処理又はポリッシャー装置で研磨処理された各ITOスパッタリングターゲットから20mm×20mmサイズのサンプルを切り出し、5分間超音波洗浄した後、キーエンス製レーザー顕微鏡VK−9700を使用して、Svk値を測定した。測定は波長408nmの紫色レーザーを使用し、×50倍の視野で測定領域を指定した状態で行われた。
(断面マイクロクラック個数評価)
精研処理又はポリッシャー装置で研磨処理された各ITOスパッタリングターゲットから20mm×20mmサイズのサンプルを切り出し、5分間超音波洗浄した後、JEOL社製電子顕微鏡JSM−6700Fにてスパッタ面に垂直な断面を組織観察し、×10,000倍視野において、スパッタ面側の上端部分の長さ1mm当たりのマイクロクラック個数を確認した(図4参照)。マイクロクラックの判定は、機械加工面(研削面)に起点があるものであって、最大幅が0.1μm以内、長さが0.1μm以上という基準で行われた。また、機械加工面に起点がない内部のクラックはマイクロクラックとして算入せず、一つのマイクロクラックに複数のつながった枝分かれがある場合でも、一つのマイクロクラックとして計算した。なお、観察視野内に機械加工面に起点が観察されないものであっても、観察視野以外の場所で機械加工面に起点があると認められるものは、マイクロクラックとして算入した。
各評価結果は表3に示す。
実施例に関しては、本発明が規定する平面研削の条件により平面研削加工を行ったので、スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、かつレーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であった。そのため、断面マイクロクラック個数評価においてよい結果を得られた。
(初期スパッタ評価)
精研処理又はポリッシャー装置で研磨処理された各実施例及び比較例の各ITOスパッタリングターゲットを用いて、ターゲットライフが0.8kWhrとなるまでスパッタした後、以下のスパッタリング試験を行った。成膜条件は、出力2.0kW、圧力0.67Pa、ガス流量145sccm、膜厚55nm、雰囲気Ar 100%であった。そして、基板(ウエハー)に発生したパーティクルの発生量を単位面積当たりで評価した。
上記スパッタリング試験におけるパーティクル発生量の評価結果を表4に示す。表4から分かるように、基板パーティクルの発生量に関しては、実施例は比較例より明らかに少なかった。なお、「≧1,100nm」、「≧5,000nm」の欄は、パーティクルのサイズを示すものである。
また、実施例2及び比較例1を取り上げて、ターゲットライフにおける基板パーティクルの発生量及び粒子(機械加工面のダメージ層から脱離した小片)を評価し、結果を図2及び図3に示す。図2及び図3から分かるように、実施例2の場合、スパッタリング初期に検出される基板パーティクルは、数100nm〜2000nm前後の粒子とスパッタリング現象によって生じる200nmサイズの微細粒子から構成されているのに対して、比較例1の場合は、数100nmから6000nmサイズの粒子で構成されている。また、基板パーティクルの発生量に関しても、実施例2と比較例1では、3倍以上の差異が生じており、液晶パネル生産ラインにおける不良率にも大きく影響することが推測される。

Claims (9)

  1. スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、かつレーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であるセラミックス系スパッタリングターゲット。
  2. 前記スパッタ面において、電子顕微鏡による×10,000倍視野の断面組織観察から確認されるマイクロクラックの本数が20個/mm以下である請求項1に記載のセラミックス系スパッタリングターゲット。
  3. Snの含有量がSnO2換算で1〜10質量%のITOである請求項1又は2に記載のセラミックス系スパッタリングターゲット。
  4. 前記スパッタ面の表面粗さRaが0.1μm以上である請求項1〜3の何れか一項に記載のセラミックス系スパッタリングターゲット。
  5. セラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法であって、
    セラミックス焼結体を準備する工程、及び前記セラミックス焼結体を平面研削してスパッタ面を形成する工程を含み、
    平面研削後の前記スパッタ面の表面粗さRaが0.5μm以下であり、かつレーザー顕微鏡で測定されるSvk値が1.1μm以下であるセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
  6. 前記セラミックス焼結体を平面研削するにおいて最後に使用する砥石は、番手#400以上500未満且つ砥粒集中度125以上である、又は、番手#500以上800未満且つ砥粒集中度90以上である、又は、番手#800以上且つ砥粒集中度75以上である請求項5に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
  7. 平面研削後の前記スパッタ面において、電子顕微鏡による×10,000倍視野の断面組織観察から確認されるマイクロクラックの本数が20個/mm以下である請求項5又は6に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
  8. Snの含有量がSnO2換算で1〜10質量%のITOである請求項5〜7の何れか一項に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
  9. 前記スパッタ面の表面粗さRaが0.1μm以上である請求項5〜8の何れか一項に記載のセラミックス系スパッタリングターゲットの製造方法。
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