JP2021119261A

JP2021119261A - スカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法、ターゲットの製造方法及びターゲット

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Publication number: JP2021119261A
Application number: JP2020013309A
Authority: JP
Inventors: 亮太中村; Ryota Nakamura; 浩一松本; Koichi Matsumoto; 一寿高橋; Kazuhisa Takahashi
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: JP7369046B2

Abstract

【課題】スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに好適なターゲットの製造に用いられるスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法、ターゲットの製造方法及びターゲットを提供する。【解決手段】スパッタリングターゲットの製造に用いられる本発明のスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法は、スカンジウムとアルミニウムとを１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の元素比で混合して溶融させ、スカンジウムとアルミニウムとの合金を得る工程（ステップＳ１）と、前記溶融により得られた合金を粉末状に粉砕する工程（ステップＳ２）と、前記粉砕された合金を窒素含有雰囲気中で、熱変化及び重量変化の少なくとも一方を開始する温度以上に加熱して合金を窒化する工程（ステップＳ３）と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリングターゲットの製造に用いられるスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法、ターゲットの製造方法及びターゲットに関する。

携帯電話などの通信機器には、高周波フィルタが利用され、高周波フィルタの中には、圧電体膜としてスカンジウムアルミニウム窒化物膜を用いたＢＡＷフィルタが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなスカンジウムアルミニウム窒化物膜は、一般に、ターゲットをアルミニウムスカンジウム合金とし、このターゲットを窒素雰囲気中でスパッタリングして成膜される（反応性スパッタリング法）。

然し、ターゲットをスパッタリングしたとき、ターゲットの非侵食領域には反応生成物としての窒化物が付着、堆積し、次第に表面抵抗値が高くなっていく。このため、ターゲットのライフエンドまで放電の安定性よくターゲットをスパッタリングするには、ターゲットに交流（高周波を含む）電力を投入せざるを得ず、これでは、成膜速度を早めるには限界があって生産性を高めることができないという問題がある。また、上記のようにして反応性スパッタリングで成膜する場合、所望の特性を持つスカンジウムアルミニウム窒化物膜を得るための窒素分圧の制御が難しく、このとき、窒化物で覆われるターゲットの非侵食領域と窒化物で覆われない侵食領域との境界でパーティクルが発生し易くなるという問題もある。このことから、ターゲットに直流電力を投入してライフエンドまでスパッタリングするときでも、常時放電の安定性が得られ、また、複雑な窒素分圧の制御が不要でターゲットからのパーティクル発生も可及的に抑制できるようにしたスカンジウムアルミニウム窒化物膜成膜用のターゲットの開発が望まれている。

特開２０１５−９６６４７号公報

本発明は、上記の点に鑑み、スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに好適なターゲットの製造に用いられるスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法、ターゲットの製造方法及びターゲットを提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、スパッタリングターゲットの製造に用いられる本発明のスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法は、スカンジウムとアルミニウムとを１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の元素比で混合して溶融させ、スカンジウムとアルミニウムとの合金を得る工程と、前記合金を粉末状に粉砕する工程と、前記粉砕された合金を窒素含有雰囲気中で、熱変化及び重量変化の少なくとも一方を開始する温度以上に加熱して合金を窒化する工程と、を含むことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに利用されるターゲットを製造する本発明のターゲットの製造方法は、上記スカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法により製造されたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を成形する成形工程と、この成形されたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに利用される本発明のターゲットは、窒化スカンジウムと、窒化アルミニウムと、スカンジウムとアルミニウムとの合金とが混合されてなり、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の範囲内であることを特徴とする。

以上によれば、スカンジウムとアルミニウムとを準備し、これらスカンジウムとアルミニウムとを所定の元素比で混合して溶融させる。これにより、スカンジウムとアルミニウムとが均一に分散された合金が得られる。この合金には、固溶体、金属間化合物、または、固溶体と金属間混合物との混合物が含まれる。溶融により得られた合金を粉砕して粉末状にし、粉砕された粉末状の合金を窒素含有雰囲気中で所定温度以上に加熱する。そうすると、合金の一部が窒化され、結果として、窒化アルミニウムと、窒化スカンジウムと、スカンジウムとアルミニウムとの合金とが均一に混合されたスカンジウムアルミニウム窒化物が得られる。後述の実験によれば、このようにして得られるスカンジウムアルミニウム窒化物は、スカンジウムと、アルミニウムと、窒素とが均一に分散されており、また、スカンジウムとアルミニウムとの元素比は上記混合時の元素比と同等であることが確認された。このスカンジウムアルミニウム窒化物をターゲット形状に成形し、焼成することで、窒化スカンジウムと、窒化アルミニウムと、合金とが混合された三元のターゲットが得られる。ターゲット中のスカンジウムとアルミニウムとの元素比は上記混合時の元素比と同等であり、ターゲットのスパッタリングにより成膜しようとするとスカンジウムアルミニウム窒化物膜に応じて、１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の範囲内に設定される。尚、スカンジウムの元素比が１０ａｔ％よりも低いと、合金が窒化されない場合がある一方で、７０ａｔ％よりも高いと、合金の粉砕が難しくなったり、粉砕されたものの活性が上がりその取扱いが困難になったりするという問題がある。また、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が１０〜３０ａｔ％：９０〜７０ａｔ％の範囲内である場合、ターゲットにアルミニウムが更に混合されてもよい。後述の実験によれば、このターゲットは、スカンジウムと、アルミニウムと、窒素とが均一に分散されており、その表面抵抗値が低い導電性のものとなることが確認された。このターゲットをスパッタリングしてスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜すると、ターゲットの非侵食領域に反応生成物たる窒化物が付着、堆積するが、この窒化物も導電性を有するため、ターゲットに直流電力を投入してライフエンドまでスパッタリングするときでも、常時放電の安定性が得られる。このため、成膜速度を高めることができ、生産性を高めることができる。しかも、ターゲットの非浸食領域を覆う反応生成物と、ターゲットの侵食領域とは共に窒化物であるため、非浸食領域と侵食領域との境界でパーティクルが発生することも抑制できる。また、ターゲット自体が窒素を含有するため、上記従来例の如くターゲットがアルミニウムスカンジウム合金である場合のような複雑な窒素分圧の制御は不要であり、スカンジウムアルミニウム窒化物膜の成膜に好適なものとなる。

本発明において、前記合金が金属間化合物を含み、この金属間化合物がＡｌＳｃ_２である場合、合金を窒化する際の発熱量が抑制され、窒化時に合金が溶融することを抑制できる。その結果として、窒化後に、窒化された合金を粉砕する工程が不要になり、有利である。

また、本発明においては、前記成形工程の際、前記スカンジウムアルミニウム窒化物粉末に、アルミニウム粉末、窒化アルミニウム粉末、スカンジウム粉末及び窒化スカンジウム粉末から選択される少なくとも１つを混合する工程を更に含むようにすれば、ターゲットにおけるスカンジウムとアルミニウムとの元素比を調整することができる。

本発明のスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法及びスパッタリングターゲットの製造方法の実施形態を説明するフロー図。（ａ）は、溶融により得られた金属間化合物のＳＥＭ写真であり、（ｂ）は、ＥＤＸ結果であり、（ｃ）は、ＸＲＤ結果。（ａ）は、粉末状の金属間化合物を窒化する際のＴＧ−ＤＴＡ測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、窒化後（８９０℃）のＸＲＤ結果。（ａ）は、粉末状の金属間化合物を窒化する際のＴＧ−ＤＴＡ測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、窒化後（１０８０℃）のＸＲＤ結果。（ａ）は、粉末状の金属間化合物を窒化する際のＴＧ−ＤＴＡ測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、窒化後（１１５０℃）のＸＲＤ結果。（ａ）は、発明実験１で得た焼結体のＸＲＤ結果であり、（ｂ）は、その焼結体の外観を示す写真。（ａ）は、発明実験１で得た焼結体のＳＥＭ写真であり、（ｂ）〜（ｄ）は、夫々アルミニウム、スカンジウム、窒素のＥＤＸ結果。（ａ）は、発明実験２で得た焼結体のＸＲＤ結果であり、（ｂ）は、その焼結体の外観を示す写真。（ａ）は、発明実験２で得た焼結体のＳＥＭ写真であり、（ｂ）〜（ｄ）は、夫々アルミニウム、スカンジウム、窒素のＥＤＸ結果。発明実験６で得た焼結体のＸＲＤ結果。発明実験７で得た焼結体のＸＲＤ結果。

以下、図面を参照して、スパッタリングターゲットの製造に用いられるスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法、この製造方法で製造されたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を用いる、スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに利用されるターゲットの製造方法及びターゲットの実施形態について説明する。

図１を参照して、スカンジウムとアルミニウムとを準備し、これらスカンジウムとアルミニウムとを所定の元素比で混合し、溶融させて合金のインゴットを得る（ステップＳ１）。ここで、合金には、固溶体、金属間化合物、または、固溶体と金属間混合物とが混合したものが含まれる。このステップＳ１で準備するスカンジウム及びアルミニウムの形状は特に限定されず、例えば、ワイヤ状、粒状や塊状のものを利用することができる。スカンジウムとアルミニウムとの元素比は、製造しようとするターゲット（つまり、成膜しようとするスカンジウムアルミニウム窒化物膜）に応じて、１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の範囲内に設定される。尚、スカンジウムの元素比が１０ａｔ％よりも低いと、後述する窒化工程で合金の窒化反応が起こらない場合がある一方で、７０ａｔ％よりも高いと、合金の粉砕が難しくなったり、粉砕されたものの活性が上がりその取扱いが困難になったりするという問題がある。溶融法としては、例えばＡｒｃ溶解法を用いることができる。スカンジウムとアルミニウムとは比重差が少ないことから、溶融により得られる合金はスカンジウムとアルミニウムとが均一に分散されたものとなる。

次いで、溶融により得られた合金を粉砕して粉末状にする（ステップＳ２）。粉砕を行う粉砕機としては、例えばロッドミルやボールミルを用いることができる。粉砕後の合金の平均粒径は、例えば１００μｍ以下にすることが好ましい。平均粒径が１００μｍよりも大きいと、後述するステップＳ３において効率よく窒化することができない場合がある。粉砕後の合金も、スカンジウムとアルミニウムとが均一に分散されたものとなる。尚、後述する実験により、合金として得た金属間化合物の組成がＡｌ_３Ｓｃ、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃ及びＡｌＳｃ_２の何れであっても、均一な分散性を有すると共に粉砕可能であることが確認された。

次いで、粉砕された合金を窒素含有雰囲気中で加熱することで、合金を窒化する（ステップＳ３）。これにより、スカンジウムアルミニウム窒化物粉末が得られる。窒素含有雰囲気は、窒素ガスのみで形成する場合だけでなく、窒素ガスと希ガス（例えばアルゴンガス）との混合ガスで形成する場合も含まれる。このステップＳ３では、熱変化及び重量変化の少なくとも一方を開始する温度を基準温度とし、その基準温度以上に加熱する。この基準温度は、公知のＴＧ−ＤＴＡ測定結果から求めることができ、上記ステップＳ１で混合するスカンジウムとアルミニウムとの元素比、すなわち、合金におけるスカンジウムとアルミニウムとの元素比に応じて定まる。このため、混合するスカンジウムとアルミニウムとの元素比に応じて、加熱温度及び加熱時間を適宜設定することができる。

以上のスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法により製造されたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を所定のターゲット形状に成形する（ステップＳ４）。

次いで、成形されたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を焼成することで、ターゲット（焼結体）が得られる（ステップＳ５）。焼成法としては、公知の方法を用いることができるため、ここでは焼結条件を含めて詳細な説明は省略するが、例えば、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法を用いることができる。このターゲットは、窒化スカンジウムと、窒化アルミニウムと、スカンジウムとアルミニウムとの合金とが混合されてなり、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の範囲内であると共に上記ステップＳ１で混合した比率と略同一のものである。このターゲットは、スカンジウムと、アルミニウムと、窒素とが均一に分散されたものとなり、その表面抵抗値が低い導電性のものとなることが後述する実験により確認された。尚、ターゲットにおけるスカンジウムの元素比が７０ａｔ％よりも高いと、後述の如くターゲットをスパッタリングして成膜したスカンジウムアルミニウム窒化物膜が所望の圧電特性を発揮しないという問題がある。また、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が１０〜３０ａｔ％：９０〜７０ａｔ％の範囲内である場合、アルミニウムが更に混合されてもよい。

このようにして得たターゲットを公知のスパッタリング条件でスパッタリングしてスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜すると、ターゲットの非浸食領域に反応生成物としてのスカンジウムアルミニウム窒化物が付着、堆積するが、この堆積したスカンジウムアルミニウム窒化物も導電性を有するため、ターゲットに直流電力を投入してライフエンドまでスパッタリングするときでも、常時放電の安定性が得られる。このため、成膜速度を高めることができ、生産性を高めることができる。しかも、ターゲットの非浸食領域を覆う反応生成物と侵食領域（ターゲット）とは共に窒化物であるため、非浸食領域と侵食領域との境界でパーティクルが発生することを抑制することができる。また、ターゲットが窒化物で構成されるため、窒素含有雰囲気中でターゲットをスパッタリングする場合でも、不足分の窒素を真空チャンバ内に導入すればよく、上記従来例の如くターゲットがアルミニウムスカンジウム合金である場合のような複雑な窒素分圧の制御は不要である。従って、本実施形態によれば、スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに好適なターゲット及びその製造に用いられるスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を製造することができる。

次に、上記効果を確認するために、以下の実験を行った。発明実験１では、塊状のスカンジウム（商品名「不定形スカンジウム」）２ｍｏｌとワイヤ状のアルミニウム（日本軽金属株式会社製、商品名「９９．９９％Ａｌボビンワイヤー」）１ｍｏｌとを混合し（スカンジウムとアルミニウムとの元素比は６６．７ａｔ％：３３．３ａｔ％）、Ａｒｃ溶解させて、合金（インゴット）を得た。得られた合金を切断し、その切断面のＳＥＭ写真を図２（ａ）に示す。このＳＥＭ写真によれば、偏析がなく、スカンジウムとアルミニウムとが均一に分散していることが判った。また、図２（ｂ）に示すＥＤＸ結果によれば、スカンジウムとアルミニウムとが均一に分散されており、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が上記混合した比率（２：１）となっていることが確認された。また、図２（ｃ）に示すＸＲＤ結果によれば、ＡｌＳｃ_２のピークが確認された。これより、本発明実験１で得られた合金が、金属間化合物（ＡｌＳｃ_２）であることが判った。そして、この金属間化合物（ＡｌＳｃ_２）をロッドミルにより粉末状に粉砕することで、平均粒径を５３μｍ以下にした。

ここで、粉砕された金属間化合物（ＡｌＳｃ_２）を、窒素含有雰囲気（窒素流量：２００ｍｌ／ｍｉｎ）にて８９０℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温させたときの、ＴＧ−ＤＴＡ測定結果を図３（ａ）に示す。これによれば、約６４４℃（基準温度）で熱変化及び重量変化の少なくとも一方が開始することが確認され、この基準温度で窒化反応（１段階目）が開始し、窒化（１段階目）に伴う温度上昇が無いことが判った。このため、８９０℃に到達した後、冷却することで得られたもの（窒化物）は粉末状であり、そのＸＲＤ結果を図３（ｂ）に示す。これによれば、ＳｃＮとＡｌＮのピークだけでなく、金属間化合物（ＡｌＳｃ_２）のピークも確認され、金属間化合物（ＡｌＳｃ_２）の全部ではなく一部が窒化されることが判った。また、上記窒素含有雰囲気にて１０９０℃まで昇温させたときのＴＧ−ＤＴＡ測定結果を図４（ａ）に示す。これによれば、約９１０℃から２段階目の窒化反応が開始し、２段階目の窒化に伴う温度上昇も無いことが確認された。このため、１０９０℃に到達した後、冷却することで得られたもの（窒化物）も粉末状であり、そのＸＲＤ結果を図４（ｂ）に示す。これによれば、ＳｃＮのピークが強くなり、図３（ｂ）で見られたＡｌＳｃ_２のピークが無くなる代わりに、Ａｌ_２Ｓｃのピークが確認された。これは、ＡｌよりもＳｃが多く窒化されることで、ＳｃＮの割合が増加し、その結果として金属間化合物の組成がＡｌ_２Ｓｃに変化したように見えるものと考えられる。また、上記窒素含有雰囲気にて１１５０℃まで昇温させたときのＴＧ−ＤＴＡ測定結果を図５（ａ）に示す。１１５０℃に到達した後、冷却することで得られたもの（窒化物）のＸＲＤ結果を図５（ｂ）に示す。これによれば、ＳｃＮのピークが更に強くなり、ＳｃＮの割合が更に増加することが判った。

以上のＴＧ−ＤＴＡ測定結果及びＸＲＤ結果を考慮し、上記粉砕された金属間化合物（ＡｌＳｃ_２）を窒素含有雰囲気中で９００℃、１時間加熱することで窒化した。粉末状の窒化された金属間化合物をΦ３０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円筒状（ターゲット形状に対応する）に成形し、この成形したものをＳＰＳ法により焼成して焼結体（ターゲットに対応する）を得た。得られた焼結体のＸＲＤ結果を図６（ａ）に示す。これによれば、金属間化合物（Ａｌ_２ＳＣ，Ａｌ_３Ｓｃ，ＡｌＳｃ_２）、ＡｌＮ、ＳｃＮのピークが夫々確認され、これらが混合された三元のターゲットが得られることが判った。また、図６（ｂ）の写真及び図７（ａ）のＳＥＭ写真に示すように、ターゲットは、光沢を有し、偏析や色むらの無い良好な外観を有していることが確認された。また、図７（ｂ）〜（ｄ）に示すＥＤＸ結果によれば、アルミニウムとスカンジウムと窒素とが均一に分散されており、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が夫々５１．０ａｔ％：２６．０ａｔ％であり（このとき、窒素の元素比は２３．０ａｔ％）、この元素比は上記混合比率（２：１）と略同一であることが確認された。この焼結体の面内１０点で比抵抗値を測定したところ、６６．０±８．２μΩ・ｃｍであり、スカンジウム（５６．２μΩ・ｃｍ）のような低い比抵抗値を有し、その比抵抗値のばらつきが小さいことが判った。また、上記発明実験１では、合金として金属間化合物（ＡｌＳｃ_２）を得ることで、後述する発明実験３のように窒化に伴う発熱により溶融しないため、窒化後にその窒化膜を粉末状にする粉砕工程を行う必要がなく、より生産性よくスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を製造できることが判った。

次に、発明実験２として、窒化温度を１１００℃に変更した点を除き、上記発明実験１と同様の方法でスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を得て、そのスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を用いて焼結体を得た。得られた焼結体のＸＲＤ結果を図８（ａ）に示す。これによれば、金属間化合物（Ａｌ_３Ｓｃ）、ＡｌＮ、ＳｃＮのピークが確認され、これらが混合された三元のターゲットが得られることが判った。また、図８（ｂ）の写真及び図９（ａ）のＳＥＭ写真に示すように、上記発明実験１のものよりも光沢は無いが、偏析や色むらの無い良好な外観を有していることが確認された。また、図９（ｂ）〜（ｄ）に示すＥＤＸ結果によれば、アルミニウムとスカンジウムと窒素とが均一に分散されており、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が夫々３７．５ａｔ％：２３．９ａｔ％であり、この元素比（１．６：１）は上記混合比率（２：１）と異なることが確認された。この元素比のずれは、焼成する前の混合が不足することによってＡｌＮの凝集が発生したためであると考えられる。また、窒素の元素比は３８．６ａｔ％であり、上記発明実験１よりも窒素濃度が増加していることが確認された。これは、窒化反応が２段階で進むことによるものと考えられる（図４（ａ）参照）。この焼結体の面内１０点で比抵抗値を測定したところ、４３．６±１４．１μΩ・ｃｍであり、上記発明実験１よりも更に低い比抵抗値を有し、その比抵抗値のばらつきも小さいことが判った。

次に、発明実験３として、スカンジウムとアルミニウムとの混合比を１ｍｏｌ：１ｍｏｌに変更した点を除き、上記発明実験１と同様の方法で金属間化合物たるＡｌＳｃのインゴットを得た。この金属間化合物（ＡｌＳｃ）もロッドミルにより粉末状に粉砕できることが確認され、この粉砕された金属間化合物の図示省略するＳＥＭ写真及びＥＤＸ結果から、偏析が無く、スカンジウムとアルミニウムとが均一に分散していることが確認された。この粉砕された金属間化合物（ＡｌＳｃ）のＴＧ−ＤＴＡ測定結果（図示省略）によれば、上記発明実験１のＡｌＳｃ_２と同様に約６４４℃（基準温度）で窒化反応（１段階目）が開始し、この窒化に伴う温度上昇が１３９℃（このときの発熱量は２．８℃／ｍｇ）であった。また、ＡｌＳｃ_２よりも少し高い約９４７℃から２段階目の窒化反応が開始し、この窒化に伴う温度上昇が２９４℃（このときの発熱量は６．０℃／ｍｇ）であった。本発明実験３においても、上記発明実験１と同様の条件（９００℃、１時間）で窒化したところ、窒化に伴う発熱により溶融した。そこで、本発明実験３では、窒化された金属間化合物を冷却した後、粉砕してスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を得た。得られた窒化物粉末を用いて上記発明実験１と同様の方法で焼結体を得たところ、この焼結体も偏析や色むらの無い良好な外観を有していることが確認された。また、焼結体の面内１０点で比抵抗値を測定したところ、１１５±２３μΩ・ｃｍであり、低い比抵抗値を有し、その比抵抗値のばらつきも小さいことが判った。

次に、発明実験４として、スカンジウムとアルミニウムとの混合比を１ｍｏｌ：２ｍｏｌに変更した点を除き、上記発明実験１と同様の方法で金属化合物たるＡｌ_２Ｓｃのインゴットを得た。この金属間化合物（Ａｌ_２Ｓｃ）もロッドミルにより粉末状に粉砕できることが確認され、この粉砕された金属間化合物の図示省略するＳＥＭ写真及びＥＤＸ結果から、偏析が無く、スカンジウムとアルミニウムとが均一に分散していることが確認された。この粉砕された金属間化合物（Ａｌ_２Ｓｃ）のＴＧ−ＤＴＡ測定結果（図示省略）によれば、上記発明実験１のＡｌＳｃ_２と同等の約６３７℃（基準温度）で窒化反応が開始し、この窒化に伴う温度上昇が上記発明実験３のＡｌＳｃよりも大きい５３４℃（このときの発熱量は１０．８℃／ｍｇ）であった。尚、１１５０℃まで昇温したが、上記ＡｌＳｃ２やＡｌＳｃのような２段階目の窒化は起こらないことが確認された。

次に、発明実験５として、スカンジウムとアルミニウムとの混合比を１ｍｏｌ：３ｍｏｌに変更した点を除き、上記発明実験１と同様の方法で金属化合物たるＡｌ_３Ｓｃのインゴットを得た。この金属間化合物（Ａｌ_３Ｓｃ）もロッドミルにより粉末状に粉砕できることが確認され、この粉砕された金属間化合物の図示省略するＳＥＭ写真及びＥＤＸ結果から、偏析が無く、スカンジウムとアルミニウムとが均一に分散していることが確認された。この粉砕された金属間化合物（Ａｌ_３Ｓｃ）のＴＧ−ＤＴＡ測定結果（図示省略）によれば、６４０℃前後では窒化は起こらず、約１０６０℃（基準温度）で窒化反応が開始し、この窒化に伴う温度上昇が２３６℃（このときの発熱量は３．４℃／ｍｇ）であった。そこで、本発明実験５の金属間化合物（Ａｌ_３Ｓｃ）の場合、窒化温度は上記発明実験２と同様の例えば１１００℃に設定することができる。これより、金属間化合物の元素比（組成）に応じて、窒化条件（窒化温度や窒化時間）を設定できることが判った。

次に、発明実験６として、上記発明実験５で得られたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末と、アルミニウム（Ａｌ）粉末（株式会社高純度化学研究所製、商品名「アルミニウム粉末、粒径５３〜１０６μｍ」）とを混合し、この混合したもの（スカンジウムとアルミニウムとの元素比は１０ａｔ％：９０ａｔ％）を成形、焼成する点を除き、上記発明実験１と同様の方法で焼結体（ターゲット）を得た。得られた焼結体のＸＲＤ結果を図１０に示す。これによれば、金属間化合物（Ａｌ_３Ｓｃ）、ＡｌＮ、ＳｃＮのピークに加えて、Ａｌのピークが確認された。尚、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が２５ａｔ％：７５ａｔ％となるように混合した場合も同様に、Ａｌのピークが確認された。また、Ａｌ−Ｓｃ系平衡状態図では、スカンジウムの元素比が２５ａｔ％よりも高くなるとＡｌのピークは検出されないはずであるが、例えば、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が３０ａｔ％：７０ａｔ％となるように混合した場合も同様に、Ａｌのピークが確認された。これは、混合時間や焼成時間が比較的短いことに起因して焼結体にＡｌが残留したことによるものと推測される。このように、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が１０〜３０ａｔ％：９０〜７０ａｔ％の範囲内である場合（つまり、スカンジウムの元素比が小さい場合）には、金属間化合物とＡｌＮとＳｃＮとに加え、Ａｌが更に混合されたターゲットが得られることもある。このＡｌが更に混合されてなるターゲットも、スカンジウムと、アルミニウムと、窒素とが均一に分散されていることが、図示省略するＥＤＸ結果により判った。また、焼成前にアルミニウム粉末を混合することで、焼結体（ターゲット）におけるアルミニウムの元素比を調整できることが判った。また、発明実験６で得た焼結体の面内１０点で比抵抗値を測定したところ、４０．０±１９．２μΩ・ｃｍであり、上記発明実験１及び２よりも更に低い比抵抗値を有し、その比抵抗値のばらつきも小さいことが判った。

次に、発明実験７として、上記発明実験１で得られたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末と、窒化アルミニウム粉末（株式会社トクヤマ製、商品名「高純度窒化アルミニウム粉」）とを混合し、この混合したもの（スカンジウムとアルミニウムとの元素比は２８ａｔ％：７２ａｔ％）を成形、焼成する点を除き、上記発明実験１と同様の方法で焼結体（ターゲット）を得た。得られた焼結体のＸＲＤ結果を図１１に示す。これによれば、金属間化合物（Ａｌ_３Ｓｃ）、ＡｌＮ、ＳｃＮのピークが確認され、これらが混合された三元のターゲットが得られることが判った。また、焼成前に窒化アルミニウム粉末を混合することで、上記発明実験６と同様に、焼結体（ターゲット）におけるアルミニウムの元素比を調整できることが判った。また、発明実験７で得た焼結体の面内１０点で比抵抗値を測定したところ、３９．３±１２．２μΩ・ｃｍであり、上記発明実験１及び２よりも更に低い比抵抗値を有し、その比抵抗値のばらつきも小さいことが判った。

次に、上記発明実験１−７に対する比較のため比較実験１として、スカンジウムとアルミニウムとの混合比を０．０２２ｍｏｌ：１ｍｏｌ（このときの元素比は１．３ａｔ％：９８．７ａｔ％）に変更した点を除き、上記発明実験１と同様にインゴットを得て、このインゴットを粉末状に粉砕した。この粉砕したものを上記発明実験１、２と同様の条件で夫々加熱したが、いずれも窒化が起こらないことが確認された。これより、窒化させるためには、所定の元素比を有する金属間化合物を得る必要があることが判った。

尚、スカンジウムの元素比が７０ａｔ％よりも大きい場合（例えばスカンジウムとアルミニウムとの元素比が７５ａｔ％：２5ａｔ％）、窒化反応は起こるものの、得られた焼結体（ターゲット）をスパッタリングすることで成膜したスカンジウムアルミニウム窒化物膜が所望の圧電特性を有しないことが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、加熱温度を９００℃または１１００℃に設定する場合を例に説明したが、熱変化及び重量変化の少なくとも一方を開始する温度以上に設定すればよく、合金の元素比（組成）に応じて適宜設定することができる。

上記実施形態では、合金として、スカンジウムとアルミニウムとが所定の比率で化合した金属間化合物を得る場合を例に説明したが、合金として、スカンジウムとアルミニウムとの固溶体や、固溶体と金属間化合物とが混合されたものを得る場合にも本発明を適用することができる。この場合も、上記実施形態と同様に粉砕、窒化を行うことで、スカンジウムアルミニウム窒化物粉末を得ることができる。

また、上記実施形態の発明実験６では、スカンジウムアルミニウム窒化物粉末とアルミニウム粉末とを混合する場合を例に、また、発明実験７では、スカンジウムアルミニウム窒化物粉末と窒化アルミニウム粉末とを混合する場合を例に説明したが、スカンジウムアルミニウム窒化物粉末に、アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム粉末の両方を混合してもよい。また、スカンジウムアルミニウム窒化物粉末に、スカンジウム粉末及び窒化スカンジウム粉末のうち少なくとも１つを混合することで、ターゲットにおけるスカンジウムの元素比を調整してもよい。また、スカンジウムアルミニウム窒化物粉末に、アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム粉末のうち少なくとも１つと、スカンジウム粉末及び窒化スカンジウム粉末のうちの少なくとも１つとを混合することで、ターゲットにおけるアルミニウムの元素比とスカンジウムの元素比の両方を調整してもよい。

Claims

スパッタリングターゲットの製造に用いられるスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法であって、
スカンジウムとアルミニウムとを１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の元素比で混合して溶融させ、スカンジウムとアルミニウムとの合金を得る工程と、
前記合金を粉末状に粉砕する工程と、
前記粉砕された合金を窒素含有雰囲気中で、熱変化及び重量変化の少なくとも一方を開始する温度以上に加熱して合金を窒化する工程と、を含むことを特徴とするスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法。
スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに利用されるターゲットの製造方法において、
請求項１記載のスカンジウムアルミニウム窒化物粉末の製造方法で製造されたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を成形する成形工程と、この成形されたスカンジウムアルミニウム窒化物粉末を焼成する工程と、を含むことを特徴とするターゲットの製造方法。
前記成形工程の際、前記スカンジウムアルミニウム窒化物粉末に、アルミニウム粉末、窒化アルミニウム粉末、スカンジウム粉末及び窒化スカンジウム粉末から選択される少なくとも１つを混合する工程を更に含むことを特徴とする請求項２記載のターゲットの製造方法。
スパッタリング法によりスカンジウムアルミニウム窒化物膜を成膜するのに利用されるターゲットにおいて、
窒化スカンジウムと、窒化アルミニウムと、スカンジウムとアルミニウムとの合金とが混合されてなり、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が１０〜７０ａｔ％：９０〜３０ａｔ％の範囲内であることを特徴とするターゲット。
請求項４記載のターゲットであって、スカンジウムとアルミニウムとの元素比が１０〜３０ａｔ％：９０〜７０ａｔ％の範囲内であるものにおいて、
アルミニウムが更に混合されてなることを特徴とするターゲット。