JP2022042859A - Production of copper target for thin film coating by sputtering from hot extrusion process - Google Patents
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Abstract
Description
関連技術
本発明は、熱間押出プロセスからのスパッタリング法による薄膜コーティングのための銅冶金の分野における金属科学及び技術の分野にある。
Related Techniques The present invention is in the field of metal science and technology in the field of copper metallurgy for thin film coating by sputtering from a hot extrusion process.
現在、コーティングのほとんどは、電気めっきなどの化学的方法を使用している。しかし、この方法は、コーティングの品質が低いという欠点を有し、かつ環境問題も有するため、真空コーティングなどの新しいコーティング技術の研究開発に換わっている。真空コーティングは真空中でのみ行われ、コーティングプロセスにおいて環境問題を引き起こす化学物質を使用することはない。真空コーティングでは、また、「薄膜」として知られている非常に薄いコーティングにすることもできる。「薄膜」とは、厚さが5ミクロン以下の膜である。真空中の薄膜コーティングは、化学的プロセスによる薄膜コーティング及び物理的プロセスによる薄膜コーティングの2種類に分けられる。
1.化学蒸着プロセス(CVD)は、ガスの化学的コーティングであり、化学反応は、プラズマCVD及びレーザーCVD法などの基板材料の新しいコーティングとなる。
2.物理的蒸着プロセス(PVD)は、コーティングの原子が表面から除去され、これらが、蒸発及びスパッタリング法などで、基板材料の表面に拡散または飛散するプロセスである。
Currently, most coatings use chemical methods such as electroplating. However, this method has the disadvantage of low coating quality and also has environmental problems, so it has replaced the research and development of new coating techniques such as vacuum coating. Vacuum coating is done only in vacuum and does not use chemicals that cause environmental problems in the coating process. Vacuum coatings can also be very thin coatings known as "thin films". A "thin film" is a film having a thickness of 5 microns or less. Thin film coating in vacuum is divided into two types: thin film coating by chemical process and thin film coating by physical process.
1. 1. Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical coating of gas, and the chemical reaction is a new coating of substrate material such as plasma CVD and laser CVD methods.
2. 2. Physical vapor deposition (PVD) is a process in which atoms in a coating are removed from the surface and these are diffused or scattered on the surface of the substrate material, such as by evaporation and sputtering.
スパッタリング技術は、一部のタイプの膜製品の研究開発に最適な真空膜コーティング技術のうちの1つである。このプロセスでは、膜、金属、合金、ガラス、セラミック、半導体膜など、様々な膜コーティングを使用する。膜の厚さは、正確に制御でき、かつ膜の特性が調整され得る。マイクロエレクトロニクス、半導体、膜、導体及び膜抵抗器、ハードディスクドライブ、自動車用ガラス、光ファイバー建物、太陽光発電テレビ画面、及びモバイル画面などのスパッタリング技術を使用する産業 Sputtering technology is one of the most suitable vacuum film coating techniques for research and development of some types of film products. This process uses a variety of membrane coatings such as membranes, metals, alloys, glass, ceramics and semiconductor membranes. The thickness of the membrane can be precisely controlled and the properties of the membrane can be adjusted. Industries that use sputtering technologies such as microelectronics, semiconductors, films, conductors and film resistors, hard disk drives, automotive glass, fiber optic buildings, photovoltaic TV screens, and mobile screens.
スパッタリングプロセスでは、コーティングから空気塊を吸収することにより、コーティング室内に雰囲気を作り出すことから開始する。圧力が1x10-6ミリグラムを超えないように制御し、次いで、アルゴンなどの不活性ガスをコーティングに適切な圧力になるまで加える。次に、磁場を用いてアルゴンガスのイオンを形成することによって、コーティングが開始する。電場では、これにより、イオンがターゲットコーティングに衝突し、これによりターゲットの表面上のコーティングの粒子がワークピースの表面に飛散し、必要に応じて薄膜を形成するようになる。 The sputtering process begins by creating an atmosphere in the coating chamber by absorbing air parcels from the coating. The pressure is controlled so that it does not exceed 1x10-6 milligrams, then an inert gas such as argon is added until the pressure is appropriate for the coating. The coating is then initiated by forming ions of argon gas using a magnetic field. In the electric field, this causes the ions to collide with the target coating, which causes the particles of the coating on the surface of the target to scatter to the surface of the workpiece, forming a thin film if necessary.
これまで、1958年のスパッタリングプロセスでは、半導体特性の表面層にアルミニウム(Al)金属としてターゲット材料を使用していた(米国特許第5598285号明細書Liquid crystal display deviceを参照)。アルミニウムの抵抗は、最低値ではないが、技術の制限により用いられる。 So far, in the 1958 sputtering process, a target material has been used as an aluminum (Al) metal for the surface layer of semiconductor properties (see Liquid crystal display device of US Pat. No. 5,598,285). Aluminum resistance is not the lowest, but is used due to technical limitations.
しかし、1980年代のIBMの開発では、銅(Cu)及び銀(Ag)がターゲット金属として使用された。これは、これらの金属の抵抗が両方とも、アルミニウムよりもはるかに低く、アルミニウムよりも優れたエレクトロマイグレーション耐性を有しているためである(Handbook of Thin Film Deposition、P.193~195)。 However, in the development of IBM in the 1980s, copper (Cu) and silver (Ag) were used as target metals. This is because both of these metals have much lower resistance than aluminum and have better electromigration resistance than aluminum (Handbook of Thin Film Deposition, pp. 193-195).
薄膜の品質は、チャンバー内の大気圧、ターゲット材料に当たるガスイオンの数、使用するガスの種類など、スパッタリング機の動作条件によって異なる。また、ターゲット材料の性質にも依存する。ターゲット材料の性質は、次のようにスパッタリング中の品質に直接影響する。
1.ターゲット材料の精製
2.誘電体含有物の量:酸化物(Alターゲットの場合はAl2O3、Cuターゲットの場合はCuO)。
3.気孔率、スパッタリング中のガスによるボイドボリューム
4.ターゲット材料の結晶粒度
5.ターゲット材料の表面粗さ
6.ターゲット材料の機械的強度または硬度。
The quality of the thin film depends on the operating conditions of the sputtering machine, such as the atmospheric pressure in the chamber, the number of gas ions hitting the target material, and the type of gas used. It also depends on the properties of the target material. The nature of the target material directly affects the quality during sputtering as follows.
1. 1. Purification of
3. 3. Porosity, void volume due to gas during
これまで、ターゲット材料の特性に影響を与える材料の特性、製造方法、及び製造条件に関する多くの研究が行われてきた。研究は以下のように要約できる。 Much research has been done on material properties, manufacturing methods, and manufacturing conditions that affect the properties of the target material. The study can be summarized as follows.
特許:米国特許出願公開第2000/6139701号(応用材料):硬度が45ロックウェルを超える銅ターゲットは、柔らかい銅ターゲットより少ないスプラットになるか、または硬度が低くなる。75ロックウェルまでの高硬度の銅ターゲット試験でも同じ効果を有する。硬度が上昇すると、スプラットが少なくなった。硬度を制御するには、結晶粒度(銅の結晶粒度)が50ミクロン未満である必要がある(結晶粒度が25ミクロン未満であればより好ましい)。鍛造、圧延及び他のプロセスなどの成形技術により結晶粒度が小さい場合、硬度が高くなる。一方で、結晶粒度が大きい銅のスパッタリングターゲット材は、表面粗さの増大及び強度の低下に影響を及ぼす。 Patent: US Patent Application Publication No. 2000/6139701 (Applicable Material): Copper targets with hardness greater than 45 Rockwell will have fewer splats or lower hardness than soft copper targets. High hardness copper target tests up to 75 rockwells have the same effect. As the hardness increased, the splats decreased. In order to control the hardness, the grain size (copper grain size) needs to be less than 50 microns (more preferably, the grain size is less than 25 microns). When the crystal grain size is small due to molding techniques such as forging, rolling and other processes, the hardness is high. On the other hand, a copper sputtering target material having a large crystal grain size affects an increase in surface roughness and a decrease in strength.
特許:米国特許出願公開第2004/6746553号明細書(Honeywell International Inc):スパッタリング法により基板上に形成される薄膜の品質は、表面粗さに依存する。ターゲットの表面から突出しているものがある場合はいずれも、スパッタリング中に異常放電を引き起こす。これは、マイクロアーキングと呼ばれることもあり、大きな粒子(マクロ粒子)がターゲットの表面から飛散し、基板に付着する。膜層内の大きい粒子は、半導体デバイスにおいて短絡を引き起こし得る。大きい粒子の付着は、「粒子」または「スプラット」と呼ばれる。この研究により、表面粗さがターゲットの結晶粒度に関係することが明らかになった。ターゲットの結晶粒度が小さく、細かく変化している場合、表面がより滑らかになる。したがって、ターゲットの結晶粒度を減少させることで、「粒子」の問題を防ぐこともできる。結晶粒度が小さいターゲットによって生成された薄膜の品質は、結晶粒度の大きいものよりも優れている。この研究における、鍛造プロセスを用いる、ターゲット材料を形成する際の結晶粒度の減少及びばらつきに関する調査。 Patent: US Patent Application Publication No. 2004/6746553 (Honeywell International Inc): The quality of the thin film formed on the substrate by the sputtering method depends on the surface roughness. Anything that protrudes from the surface of the target causes an abnormal discharge during sputtering. This is sometimes called micro-arcing, and large particles (macro particles) are scattered from the surface of the target and adhere to the substrate. Large particles in the membrane layer can cause short circuits in semiconductor devices. Adhesion of large particles is called "particles" or "splats". This study revealed that surface roughness is related to the grain size of the target. If the grain size of the target is small and finely varied, the surface will be smoother. Therefore, reducing the grain size of the target can also prevent the problem of "particles". The quality of the thin film produced by the target with a small grain size is superior to that with a large grain size. A study of the reduction and variability of crystal grain size during the formation of target materials using the forging process in this study.
特許:特開2010ー065252公報(Mitsubishi Material Corp):銅ターゲット材料は、少なくとも99.99%の銅純度を有する必要があり、多軸鍛造プロセスでは、結晶粒度が20ミクロン未満である必要がある。 Patent: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-06252 (Mitsubishi Materials Material Corp.): The copper target material must have a copper purity of at least 99.99%, and the grain size must be less than 20 microns in the multiaxial forging process. ..
特許:特開-A11-158614公報:従来の銅ターゲットは、80ミクロン未満の平均結晶粒度を有するため、結果として粗いクラスター及び異常放電の問題が減少する。結果として結晶粒度がより小さくなることは、銅ターゲットの製造プロセスにおける再結晶メカニズムによって生じる。 Patent: JP-A11-158614: Conventional copper targets have an average grain size of less than 80 microns, resulting in less problems with coarse clusters and abnormal discharges. The resulting smaller grain size is caused by the recrystallization mechanism in the copper target manufacturing process.
特許:米国特許出願公開第2011/0139615号明細書(Hitachi Cable Ltd):結晶粒度が大きい結果として、表面粗さが増大し、結晶粒度が小さい結果として、表面粗さが少なくなる。冷間圧延プロセスでの成形量が増えることにより、より小さい結晶粒度となる。冷間加工の削減は、冷間圧延プロセスにおいては40~70%であり、結晶粒度が、30~100ミクロンとなる。銅ターゲットは、加熱処理されて、再結晶メカニズムが引き起こされる。熱処理温度により再結晶された結晶粒度が増大する。熱処理温度は、(好ましくは)300~400℃である。熱処理温度が400℃を超えると結晶粒度は大きくなる。熱処理温度は300℃以下であるが、再結晶粒では、結晶粒度は生じない。この研究での銅ターゲットの製造プロセスは、以下のとおりである。
鋳造→熱間圧延→冷間圧延→熱処理→最終圧延
Patent: US Patent Application Publication No. 2011/0139615 (Hitachi Cable Ltd): As a result of the large crystal size, the surface roughness increases, and as a result of the small crystal size, the surface roughness decreases. As the amount of molding in the cold rolling process increases, the grain size becomes smaller. The reduction in cold working is 40-70% in the cold rolling process and the grain size is 30-100 microns. The copper target is heat treated to trigger a recrystallization mechanism. The recrystallized grain size increases with the heat treatment temperature. The heat treatment temperature is (preferably) 300 to 400 ° C. When the heat treatment temperature exceeds 400 ° C., the crystal grain size becomes large. The heat treatment temperature is 300 ° C. or lower, but the recrystallized grains do not have a grain size. The manufacturing process for copper targets in this study is as follows:
Casting → Hot rolling → Cold rolling → Heat treatment → Final rolling
特許:特開2012-046771号公報(Furukawa Electric Co.,Ltd):熱間加工前の制御温度で銅ターゲットを製造する。50~200ミクロンの範囲で結晶粒度を制御するために、最終圧延後の熱間圧延及び冷却速度の減少率を制御する。本研究における銅ターゲットの製造プロセスは、以下のとおりである。
Cuを含む銅スラブ=99.99%以上→熱間圧延→冷間加工→熱処理。
Patent: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-046771 (Furukawa Electric Co., Ltd): A copper target is manufactured at a controlled temperature before hot working. In order to control the crystal grain size in the range of 50 to 200 microns, the rate of decrease in hot rolling and cooling rate after final rolling is controlled. The manufacturing process of the copper target in this study is as follows.
Copper slab containing Cu = 99.99% or more → hot rolling → cold working → heat treatment.
銅スラブは、熱間圧延プロセス前に700~1,000℃まで加熱させる。熱間圧延の各パスのサイズが5~30%減少する。最終圧延の最後のパスでは、減少は10~25%である。銅は、最終熱間圧延後60秒以内に少なくとも50℃/秒の冷水で冷却される。 The copper slab is heated to 700-1,000 ° C. before the hot rolling process. The size of each hot-rolled pass is reduced by 5-30%. In the final pass of the final rolling, the reduction is 10-25%. Copper is cooled with cold water at least 50 ° C./sec within 60 seconds after final hot rolling.
特許:特許第4974197号公報(Furukawa):結晶粒度は、スパッタリング特性に影響を及ぼす。この発明の結晶粒度は、100~200であり、110~190ミクロンが好ましく、120~180ミクロンがより好ましい。結晶粒が小さい場合には、粒界が大きくなる。境界層の粒子または原子が妨げられる。コーティングの原子が銅ターゲットから除去され、スパッタリングプロセス中に基板材料に不規則に(不均一に)拡散する。大きい結晶粒度のスパッタリングには、高エネルギーが必要であり、その結果、粗いクラスターの原子が形成され、かつ不均一な膜コーティングが形成される。この研究における銅ターゲットは、熱間圧延プロセス及び熱間押出プロセスの2つの熱間加工プロセスによって生成される。製造プロセスは、以下のとおりである。
銅インゴット(Cu=99.99%以下)→熱(温度=700~1,050℃)→熱間圧延または熱間押出→水冷(冷却速度=50℃/秒以下)→冷間圧延
Patent: Japanese Patent No. 4974197 (Furukawa): The crystal grain size affects the sputtering characteristics. The crystal size of the present invention is 100 to 200, preferably 110 to 190 microns, more preferably 120 to 180 microns. When the crystal grains are small, the grain boundaries are large. Particles or atoms in the boundary layer are disturbed. Atoms of the coating are removed from the copper target and diffuse irregularly (non-uniformly) into the substrate material during the sputtering process. Sputtering with a large grain size requires high energy, resulting in the formation of coarse cluster atoms and the formation of a non-uniform film coating. The copper target in this study is produced by two hot working processes, a hot rolling process and a hot extrusion process. The manufacturing process is as follows.
Copper ingot (Cu = 99.99% or less) → Heat (Temperature = 700 to 1,050 ° C) → Hot rolling or hot extrusion → Water cooling (Cooling rate = 50 ° C / sec or less) → Cold rolling
熱間圧延プロセス用:銅ケーク(厚さ150x幅220mm)→約1,000℃の温度で加熱→熱間圧延(複数のパスによる)→熱間圧延の最後のパスでの水冷(冷却速度=60秒以内で50℃/秒以下)→銅板(厚さ23x幅220mm)→表面酸化物の加工(0.5mm/側面)→銅板(厚さ22x幅220mm)→冷間圧延→銅板(厚さ20x幅200mm)。 For hot rolling process: Copper cake (thickness 150 x width 220 mm) → heating at a temperature of about 1,000 ° C → hot rolling (by multiple passes) → water cooling in the last pass of hot rolling (cooling rate = 50 ° C / sec or less within 60 seconds) → Copper plate (thickness 23 x width 220 mm) → Surface oxide processing (0.5 mm / side surface) → Copper plate (thickness 22 x width 220 mm) → Cold rolling → Copper plate (thickness) 20 x width 200 mm).
熱間押出プロセス用:銅インゴット(直径300mmx長さ800mm)→約1,000℃の温度で加熱→熱間押出→水冷(冷却速度=20秒以内で100℃/秒以下)→銅板(厚さ22x幅200mm)→冷間圧延→銅板(厚さ20x幅200mm) For hot extrusion process: Copper ingot (diameter 300 mm x length 800 mm) → heating at a temperature of about 1,000 ° C → hot extrusion → water cooling (cooling rate = 100 ° C / sec or less within 20 seconds) → copper plate (thickness) 22 x width 200 mm) → cold rolling → copper plate (thickness 20 x width 200 mm)
結果は、熱間圧延及び熱間押出の両方の結晶粒度を所望の寸法に制御できることを示した。しかし、押出プロセスの銅の結晶粒度の均一性(長さに沿った頭部エンド位置及び幅に沿った中央ーエッジ位置)は、熱間圧延プロセスよりも低くなる。 The results show that the grain size of both hot rolling and hot extrusion can be controlled to the desired dimensions. However, the uniformity of the copper crystal grain size in the extrusion process (head end position along the length and center-edge position along the width) is lower than in the hot rolling process.
特許:特許第4974198号公報(Furukawa):特許第4974197号公報の調査後、結晶粒の均一性についてさらに研究している。発明者らは、熱間圧延によるプロセス中に動的再結晶が生じることを見出した。銅ターゲットが大気中で冷却されると、銅ターゲットの幅及び長さ全体において不規則な結晶粒度の問題が発生する。この発明では、結晶粒度は、50℃/秒を超える冷却速度で水冷を行うことによって制御される。熱間圧延プロセスでは、銅ターゲットは水中で60秒以内に冷却させる。熱間押出プロセスでは、銅ターゲットは、押出ダイを介してプレスした後10秒以内に水で冷却させる。厚さ1/2及び1/4での結晶粒度は100~200ミクロン(+/-10ミクロン)である。製造プロセスは、以下のとおりである。
鋳造→熱間圧延または熱間押出→冷間圧延→熱処理(冷間圧延及び熱処理は、繰返されてもよい)。
Patent: Japanese Patent No. 4974198 (Furukawa): After the search of Japanese Patent No. 4974197, the uniformity of crystal grains is further studied. The inventors have found that dynamic recrystallization occurs during the process of hot rolling. When the copper target is cooled in the atmosphere, the problem of irregular grain size arises over the width and length of the copper target. In the present invention, the crystal grain size is controlled by water cooling at a cooling rate exceeding 50 ° C./sec. In the hot rolling process, the copper target is cooled in water within 60 seconds. In the hot extrusion process, the copper target is cooled with water within 10 seconds after being pressed through the extrusion die. The crystal grain size at
Casting-> hot rolling or hot extrusion-> cold rolling-> heat treatment (cold rolling and heat treatment may be repeated).
特許:特開2013-019010号公報(Furukawa Electric Co.,Ltd):スパッタリングプロセスでの異常放電を低減するため、スパッタリングターゲット材料は、少なくとも99.99%の銅純度を含み、ボイド及びインクルージョンの欠陥は、30ミクロンを超えない、欠陥は10ポイント/mm2を超えない、結晶粒度は、50~200ミクロンの範囲であり、硬度は、60~100HVの範囲であるものとする。製造プロセスは、以下のとおりである。
銅スラブ(Cu=99.99%以上)→700~1,000℃で加熱→熱間圧延(総熱間加工率%=20%以上及び最終熱間圧延での熱間加工率%=温度400~600℃で10%以上)→熱間圧延の最後のパスでの水冷(冷却速度=50℃/秒以上)→酸化物表面加工→冷間圧延
Patent: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-019010 (Furukawa Electric Co., Ltd): In order to reduce abnormal discharge in the sputtering process, the sputtering target material contains at least 99.99% copper purity and has void and inclusion defects. Is not more than 30 microns, defects are not more than 10 points / mm2, the grain size is in the range of 50-200 microns and the hardness is in the range of 60-100 HV. The manufacturing process is as follows.
Copper slab (Cu = 99.99% or more) → Heated at 700 to 1,000 ° C → Hot rolling (total hot working rate% = 20% or more and hot working rate% in final hot rolling = temperature 400 (10% or more at ~ 600 ° C) → Water cooling at the last pass of hot rolling (cooling rate = 50 ° C / sec or more) → Oxide surface treatment → Cold rolling
特許:特開2013-133491号公報(Hitachi Cable Ltd):銅ターゲットには、少なくとも99.9%の銅純度及び100~200ミクロンの範囲の結晶粒度を含むものとする。製造プロセスは、以下のとおりである。
銅スラブ(Cu=99.9%以上)→熱間圧延→冷間圧延(冷間加工率%=5~30%)
Patent: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-133491 (Hitachi Cable Ltd): The copper target shall contain a copper purity of at least 99.9% and a crystal grain size in the range of 100 to 200 microns. The manufacturing process is as follows.
Copper slab (Cu = 99.9% or more) → Hot rolling → Cold rolling (Cold working rate% = 5 to 30%)
特許:特開2014-025129号公報(SH Copper Product Corp(Hitachi)):銅ターゲットは、少なくとも99.9%の純度、及び70~200ミクロン及び100~150ミクロンの結晶粒度を有するグレードの銅であるものとする。製造プロセスは、以下のとおりである。
銅スラブ(Cu=99.9%以上)→800~900℃で加熱→熱間圧延(厚み減少率%=85~90%及び熱間圧延後の温度=600~700℃)
Patent: Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-025129 (SH Copper Product Corp (Hitachi)): The copper target is a grade of copper having a purity of at least 99.9% and a crystal grain size of 70 to 200 microns and 100 to 150 microns. Suppose there is. The manufacturing process is as follows.
Copper slab (Cu = 99.9% or more) → Heated at 800 to 900 ° C → Hot rolling (thickness reduction rate% = 85 to 90% and temperature after hot rolling = 600 to 700 ° C)
特許:特開2015-017299号公報(SH Copper Product Corp(Hitachi)):銅ターゲットは、少なくとも99.9%の純度、及び70~200ミクロン及び100~150ミクロンの結晶粒度を有するグレードの銅であるものとする。製造プロセスは、以下のとおりである。
銅スラブ(Cu=99.9%以上)→800~900℃で加熱→熱間圧延(厚み減少率%=85~90%及び熱間圧延後の温度=600~650℃)→冷間圧延→熱処理(冷間圧延及び熱処理は、繰返されてもよい)→最終冷間圧延(減少率%=5~7%)。
Patent: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-017299 (SH Copper Product Corp (Hitachi)): The copper target is a grade of copper having a purity of at least 99.9% and a crystal grain size of 70 to 200 microns and 100 to 150 microns. Suppose there is. The manufacturing process is as follows.
Copper slab (Cu = 99.9% or more) → Heat at 800 to 900 ° C → Hot rolling (thickness reduction rate% = 85 to 90% and temperature after hot rolling = 600 to 650 ° C) → Cold rolling → Heat treatment (cold rolling and heat treatment may be repeated) → final cold rolling (decrease rate% = 5 to 7%).
以前の研究に基づいて、ほとんどの銅ターゲットプロセスは1)鍛造、2)熱間圧延、及び3)熱間押出であることが見い出された。通常、鍛造プロセスでは、少量の銅ターゲットが製造される。したがって、ほとんどの銅ターゲットは、小さいサイズから大きいサイズまでの銅ターゲットを製造できるため、熱間圧延または熱間押出プロセスから製造される。しかし、現在の流行では、熱間圧延プロセスによって製造される。 Based on previous studies, it was found that most copper target processes are 1) forging, 2) hot rolling, and 3) hot extrusion. Usually, the forging process produces a small amount of copper target. Therefore, most copper targets can be manufactured from small to large size copper targets and are therefore manufactured from hot rolling or hot extrusion processes. However, in the current fashion, it is manufactured by a hot rolling process.
近年、熱間押出による銅ターゲットの研究が行われている(2012年、Furukawa Electric)。熱間圧延プロセス及び熱間押出の銅ターゲット製造の比較により、熱間押出プロセスによる銅ターゲットの製造プロセスは、熱間圧延プロセスよりも少ないことがわかった。
熱間圧延プロセスによる銅ターゲット製造プロセス:
1)銅スラブ→2)1,000℃での加熱→3)熱間圧延(複数のパス)→4)水冷→5)銅板→6)酸化物表面加工→7)銅板→8)冷間圧延→9)熱処理→10)銅ターゲット(注記:ステップ8及び9は所望のサイズまで再現され得る)。
熱間押出プロセスによる銅ターゲット製造プロセス:
1)銅インゴット→2)1,000℃での加熱→3)熱間押出(1つのパスのみ)→4)水冷→5)銅板→5)冷間圧延または冷間引抜→6)銅ターゲット
In recent years, research on copper targets by hot extrusion has been carried out (2012, Furukawa Electric). A comparison of the hot rolling process and the hot extrusion copper target manufacturing shows that the hot extrusion process produces less copper targets than the hot rolling process.
Copper target manufacturing process by hot rolling process:
1) Copper slab → 2) Heating at 1,000 ° C → 3) Hot rolling (multiple paths) → 4) Water cooling → 5) Copper plate → 6) Oxide surface treatment → 7) Copper plate → 8) Cold rolling → 9) Heat treatment → 10) Copper target (Note: steps 8 and 9 can be reproduced to the desired size).
Copper target manufacturing process by hot extrusion process:
1) Copper ingot → 2) Heating at 1,000 ° C → 3) Hot extrusion (only one pass) → 4) Water cooling → 5) Copper plate → 5) Cold rolling or cold drawing → 6) Copper target
さらにFurukawa Electricの特許(特許第4974197号公報及び特許第4974198号公報)では、銅ターゲットの特性を、特に熱間圧延と熱間押出との結晶粒度比較の観点から研究している。この調査では、熱間圧延及び熱間押出の結晶粒度を所望のサイズまで制御できることが明らかになった。しかし、押出プロセスの銅の結晶粒度の均一性(長さに沿った頭部エンド位置と幅に沿った中央ーエッジ位置)は、熱間圧延プロセスよりも低くなる。これは、熱間押出プロセスは、熱間圧延プロセスよりも粒度が均一であることを意味している。 Further, Furukawa Electric's patents (Patent Nos. 4974197 and Patent No. 4974198) study the characteristics of copper targets, especially from the viewpoint of comparing the crystal grain size between hot rolling and hot extrusion. This study revealed that the grain size of hot rolling and hot extrusion can be controlled to the desired size. However, the uniformity of the copper crystal grain size in the extrusion process (head end position along the length and center-edge position along the width) is lower than in the hot rolling process. This means that the hot extrusion process has a more uniform particle size than the hot rolling process.
さらに、様々な調査研究により、ターゲットの表面粗さがスパッタリング中の異常放電に関連しており、これが「粒子」または「スプラット」として知られる問題を引き起こすことが結論付けられている。調査によれば、銅ターゲットは、非常に小さい結晶粒度であり、その結果表面がより滑らかになる。したがって、銅ターゲットの結晶粒度を減少させることで、「粒子」の問題を防ぐこともできる。したがって、銅ターゲット材料によって製造された薄膜の品質は、大きい結晶粒度よりも小さい結晶粒度の方が優れている。しかし、Furukawa Electricによる近年の調査(特許第4974197号公報及び特許第4974198号公報)により、銅ターゲットに関する熱間押出プロセスの結晶粒度は、100~200ミクロンであることが明らかになった。薄膜用途での使用に好適である銅ターゲットは、結晶粒度が100ミクロン未満の熱間押出プロセスによって製造される。そのため、Vatchakran Taechachoonhakij(Oriental Copper)が率いる現在の研究では、50~100ミクロンの範囲の小さい結晶粒度を有する熱間押出用の銅ターゲットを開発した。銅ターゲットを製造するための要約方法及び過去の研究及び現在の研究から得た結晶粒度を表1に示す。 In addition, various research studies have concluded that the surface roughness of the target is associated with anomalous discharges during sputtering, which causes a problem known as "particles" or "splats". Studies have shown that copper targets have a very small grain size, resulting in a smoother surface. Therefore, reducing the grain size of the copper target can also prevent the problem of "particles". Therefore, the quality of the thin film produced by the copper target material is better with a smaller grain size than with a larger grain size. However, recent research by Furukawa Electric (Patent Nos. 4974197 and 4974198) has revealed that the crystal grain size of the hot extrusion process for copper targets is 100-200 microns. Suitable for use in thin film applications, copper targets are manufactured by a hot extrusion process with a grain size of less than 100 microns. Therefore, the current study, led by Vatchakran Taechachoonhakij (Oriental Copper), has developed a copper target for hot extrusion with a small grain size in the range of 50-100 microns. Table 1 shows the summarization method for producing copper targets and the crystal grain size obtained from past and present studies.
発明の性質及び目的
過去の研究の調査では、銅のターゲット材料によって製造された薄膜の品質は、結晶粒度が大きい場合よりも結晶粒度が小さい方が優れていると結論付けることができる。熱間押出プロセスでは、熱間圧延プロセスよりも銅の結晶粒度の均一性(長さに沿った頭部エンド位置及び幅に沿った中央エッジ位置)が高い。したがって、本発明は、スパッタリング法による薄膜コーティング用の銅ターゲットを製造することを目的とする。本発明は、コーティング層または薄膜が良好な品質になるように、銅の結晶粒度を100ミクロン未満に制御する熱間押出プロセスによって製造される。銅粒子の結晶粒度及び均一性に影響を与える熱間押出プロセスでの変数は次のとおりである。
1.熱間押出プロセスにおける押出比
2.熱間押出プロセス前の銅インゴットの温度
3.熱間押出プロセスでの押出速度(メインram速度)
Properties and Purposes of the Invention From the investigation of past studies, it can be concluded that the quality of the thin film produced by the copper target material is better with a smaller grain size than with a larger grain size. In the hot extrusion process, the uniformity of the crystal grain size of copper (head end position along the length and center edge position along the width) is higher than in the hot rolling process. Therefore, an object of the present invention is to manufacture a copper target for thin film coating by a sputtering method. The present invention is manufactured by a hot extrusion process that controls the grain size of copper to less than 100 microns so that the coating layer or thin film is of good quality. The variables in the hot extrusion process that affect the grain size and uniformity of the copper particles are:
1. 1. Extrusion ratio in
熱間押出プロセスにおいて銅が押出ダイから押し出された後、銅は水中に晒されるまで急速に冷却される(水中押出)。これは、図5に示すとおり、銅の粒子成長を防ぐ重要な手法である。 After the copper is extruded from the extrusion die in the hot extrusion process, the copper is rapidly cooled until exposed to water (underwater extrusion). This is an important technique for preventing copper particle growth, as shown in FIG.
図6に示すとおり、熱間押出プロセス後、次のプロセスは、51~100ビッカース(HV)の寸法及び硬度を得るための冷間引抜プロセスである。 As shown in FIG. 6, after the hot extrusion process, the next process is a cold drawing process to obtain dimensions and hardness of 51-100 Vickers (HV).
発明の開示
少なくとも99.99%の銅の純度を有し、かつ酸素含有量が5ppmを超えない銅インゴットは、熱間押出プロセスによって加工する。これは、寸法及び銅の結晶粒度の均一性を制御するために、最も重要なプロセスである。調査し、制御される変数は、1)押出比、2)インゴット温度及び3)押出速度である。
1.押出比:この研究では、押出ダイから押し出される熱間押出において使用される銅インゴットの断面積または直径は可変である。調査する銅インゴットの直径は、10インチ及び12インチである。
2.インゴット温度:熱間押出プロセス前の銅インゴットの温度は、750℃、800℃、及び850℃である。
3.押出速度:銅インゴットを押出ダイから押し出すのに使用される油圧シリンダーの速度によって測定された押出速度。この調査は、5、10、20mm/秒の速度で研究を行う。
Disclosure of the Invention Copper ingots having a copper purity of at least 99.99% and an oxygen content of no more than 5 ppm are processed by a hot extrusion process. This is the most important process for controlling the uniformity of size and grain size of copper. The variables investigated and controlled are 1) extrusion ratio, 2) ingot temperature and 3) extrusion rate.
1. 1. Extrusion ratio: In this study, the cross-sectional area or diameter of the copper ingot used in the hot extrusion extruded from the extrusion die is variable. The diameters of the copper ingots investigated are 10 inches and 12 inches.
2. 2. Ingot temperature: The temperature of the copper ingot before the hot extrusion process is 750 ° C, 800 ° C, and 850 ° C.
3. 3. Extrusion speed: The extrusion speed measured by the speed of the hydraulic cylinder used to push the copper ingot out of the extrusion die. This study will be conducted at speeds of 5, 10, 20 mm / sec.
制御変数は銅の冷却である。通常、熱間押出プロセスにおいて銅が変形した後、動的再結晶として公知であるメカニズムにより、結晶粒度が小さくなる。熱間押出プロセス後、大気中で銅を通常どおり冷却した場合、銅の結晶粒度が大きくなる。 The control variable is copper cooling. Usually, after the copper is deformed in the hot extrusion process, the grain size is reduced by a mechanism known as dynamic recrystallization. After the hot extrusion process, if the copper is cooled normally in the atmosphere, the grain size of the copper will increase.
他の研究では、熱間押出プロセス中に加熱した銅が押出ダイから押し出された後10秒以内に、銅を水で冷却する。短い時間、再結晶プロセスが粒子成長プロセスに進むことができるように十分に銅を冷却し、その結果、結晶粒度が大きくなり、不均一な結晶粒度となる。 In another study, the copper is cooled with water within 10 seconds after the heated copper is extruded from the extrusion die during the hot extrusion process. For a short period of time, the copper is sufficiently cooled so that the recrystallization process can proceed to the particle growth process, resulting in a large grain size and a non-uniform grain size.
この研究では、銅の冷却の制御は、熱間押出プロセスにおいて押出ダイから銅が押し出された直後に銅を冷却する他の研究の制御とは異なる。銅は、押出ダイの後にある水トンネル(水中押出)に即座に移動する。銅は即座に冷却され、結晶粒度が小さく均一であるため、粒子成長プロセスは行われない。次に、銅を冷間引抜プロセスに通して、次のプロセスで製造する前に、仕様内のターゲット材料の寸法及び硬度が50~100ビッカース(HV)であるようにする。 In this study, the control of copper cooling differs from the control of other studies in which the copper is cooled immediately after it is extruded from the extrusion die in the hot extrusion process. Copper immediately moves to the water tunnel (underwater extrusion) behind the extrusion die. Since copper is cooled immediately and the grain size is small and uniform, no particle growth process is performed. The copper is then passed through a cold drawing process to ensure that the dimensions and hardness of the target material within the specifications are 50-100 Vickers (HV) prior to production in the next process.
熱間押出プロセスの前に、750℃、800℃、850℃で加熱した銅インゴット(直径10インチ、長さ643mm、直径12インチ、長さ471mm)を調製する。加熱した銅のインゴットは、即座に、押出ダイから水トンネルに押し出される(水中押出)。表2に示すとおり、押出速度は5mm/秒、10mm/秒、20mm/秒である。押出ダイからプレスした後の銅の寸法は、幅188mm、厚さ24mm、及び長さ6,000mmである。次に、銅は冷間引抜プロセスで引抜ダイを通して引き抜く。冷間引抜プロセスの削減率は14%である(30%を超えない)。引抜ダイを通って引い抜いた後の銅の寸法は、幅185mm、厚さ21mm、長さ7,000mmである。微細構造試験のサンプルは、図7に示すとおり、銅棒の長さに応じて頭部、中央部、及び尾部の位置から切断される。 Prior to the hot extrusion process, a copper ingot (10 inches in diameter, 643 mm in length, 12 inches in diameter, 471 mm in length) heated at 750 ° C., 800 ° C., 850 ° C. is prepared. The heated copper ingot is immediately extruded from the extrusion die into the water tunnel (underwater extrusion). As shown in Table 2, the extrusion speeds are 5 mm / sec, 10 mm / sec, and 20 mm / sec. The dimensions of copper after pressing from an extrusion die are 188 mm wide, 24 mm thick and 6,000 mm long. The copper is then drawn through a drawing die in a cold drawing process. The reduction rate of the cold drawing process is 14% (does not exceed 30%). The dimensions of the copper after being drawn through the drawing die are 185 mm in width, 21 mm in thickness, and 7,000 mm in length. As shown in FIG. 7, the sample of the microstructure test is cut from the positions of the head, the center, and the tail according to the length of the copper rod.
図8に示すとおり、すべてのサンプル(頭部、中央部、及び尾部)は、エッジの幅と表面での幅の中心、厚みの1/4及び厚みの1/2で微細構造について確認される。 As shown in FIG. 8, all samples (head, center, and tail) are confirmed for microstructure at edge width and center of width at the surface, 1/4 of thickness and 1/2 of thickness. ..
銅インゴットの各位置の直径10インチの微細構造の結果を図9~35及び表3に示す。及び銅インゴットの各位置の直径12インチの微細構造の結果を図36~62及び表4に示す。 The results of the 10-inch diameter microstructure at each position of the copper ingot are shown in FIGS. 9-35 and Table 3. And the results of the 12 inch diameter microstructure at each position of the copper ingot are shown in FIGS. 36-62 and Table 4.
ベストモード
発明の開示ですでに明らかにしている。
Best Mode Already clarified in the disclosure of the invention.
Claims (10)
4.1)水中熱間押出、
4.2)冷間引抜、
4.3)延伸、を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の銅ターゲット。 Next process:
4.1) Hot extrusion in water,
4.2) Cold withdrawal,
4.3) The copper target according to any one of claims 1 to 3, which comprises stretching.
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