JP2024030381A - スパッタリングターゲット材 - Google Patents

Abstract

【課題】その材質がＡｇと高融点金属との合金であるにもかかわらず、均質でかつ強度に優れた、スパッタリングターゲット材２の提供。【解決手段】スパッタリングターゲット材２の材質は、Ａｇと１又は２以上の高融点金属元素とを含む合金である。この合金におけるＡｇの含有率は、５質量％以上３０質量％以下である。この合金の金属組織は、（１）分散する多数の高融点金属相４及び（２）これら高融点金属相４に挟まれた銀相６を有する。高融点金属相同士で形成される界面の数密度は、０．１ｍｍ四方のゾーン内で５個以下である。銀相６の、下記数式で算出される指標ＴＩは、１．５以下である。ＴＩ ＝ （Ｔｍａｘ－ Ｔｍｉｎ） ／ Ｔａｖｅ【選択図】図１

Description

本明細書は、金属薄膜を形成するためのスパッタリングに用いられるターゲット材を開示する。

薄膜の形成方法として、スパッタリングが知られている。スパッタリングでは、ターゲットが用いられる。スパッタリングでは、プラズマ中の陽イオンがターゲットに衝突する。この衝突によってターゲットから原子が飛び出す。この原子が基板に付着して、薄膜が形成される。

スパッタリングターゲットの一例が、特開２００５－９７６９７公報に開示されている。この公報に開示されたターゲットは、粉末の焼結によって得られる。この粉末は、Ｍｏ－Ｗ合金のような高融点金属の粉末と、Ａｌ粉末とを含む。

特開２００５－９７６９７公報

高融点及び高密度であり、かつ強度に優れたターゲット材として、Ａｇと高融点金属との合金が例示される。このターゲット材のための製造方法として、溶解法及び焼結法が挙げられる。

溶解法では、Ａｇの融点が他の元素の融点に比べて著しく低いこと、及びＡｇと高融点金属とが固溶し合わないことに起因して、凝固時に偏析が生じる。偏析のあるターゲット材からは、高品質な薄膜は得られにくい。

焼結法において、Ａｇの融点以下の温度にて粉末が加圧されると、高融点金属の粉末の焼結は不十分である。この焼結で得られたターゲット材の密度は、低い。焼結法において、Ａｇの融点以上の温度にて粉末が加圧されてＡｇが溶融すると、Ａｇと高融点金属との固溶がなされないことに起因して、Ａｇが偏析し、かつ凝固時にポアが生じる。この焼結で得られたターゲット材の密度も、低い。密度が低いターゲット材は、強度に劣る。密度が低いターゲット材が用いられたスパッタリングは、効率に劣る。

本出願人の意図するところは、その材質がＡｇと高融点金属とを含む合金であるにもかかわらず、均質でかつ強度に優れた、スパッタリングターゲット材の提供にある。

本明細書が開示するスパッタリングターゲット材の材質は、Ａｇと１又は２以上の高融点金属元素とを含む合金である。この合金におけるＡｇの含有率は、５質量％以上３０質量％以下である。この合金の金属組織は、
（１）分散する多数の高融点金属相
及び
（２）これら高融点金属相に挟まれた銀相
を有する。高融点金属相同士で形成される界面の数密度は、０．１ｍｍ四方のゾーン内で５個以下である。銀相の、下記数式で算出される指標ＴＩは、１．５以下である。
ＴＩ ＝ （Ｔｍａｘ － Ｔｍｉｎ） ／ Ｔａｖｅ
この数式において、Ｔｍａｘは無作為に抽出された１０の高融点金属相ペアの間の銀相の厚さの最大値であり、Ｔｍｉｎはこれらの高融点金属相ペアの間の銀相の厚さの最小値であり、Ｔａｖｅはこれらの高融点金属相ペアの間の銀相の厚さの平均値である。

好ましくは、高融点金属元素の融点は、２０００℃以上である。

好ましくは、合金は、高融点金属元素として、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択された１又は２以上を含む。

本明細書が開示するスパッタリングターゲット材の製造方法は、
Ｓ１：多数の粒子を有しており、それぞれの粒子が、高融点金属元素からなるコアと、Ａｇからなりこのコアの表面に付着した被覆層とを有する粉末を、準備するステップ、
並びに
Ｓ２：上記粉末を加熱及び加圧して、焼結体を得るステップ
を含む。

好ましくは、ステップＳ２において、Ａｇの融点よりも低い温度下にて、粉末が加圧される。

このスパッタリングターゲット材では、Ａｇと高融点金属相とが均一に分布しうる。このターゲット材の相対密度は、高い。このターゲット材は、強度に優れる。

図１は、一実施形態に係るスパッタリングターゲット材の一部が模式的に示された拡大断面図である。 図２は、図１のスパッタリングターゲット材の他の部分が模式的に示された断面図である。 図３は、図１のスパッタリングターゲット材の製造に使用される粒子が示された断面図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態が詳細に説明される。

図１に、スパッタリングターゲット材２の断面が、模式的に示されている。このスパッタリングターゲット材２の材質は、合金である。この合金は、Ａｇと、１又は２以上の高融点金属元素とを含む。好ましくは、残部は不可避的不純物である。

このターゲット材２の金属組織は、多数の高融点金属相４と、銀相６とを有している。本実施形態では、銀相６は、マトリックスを形成している。高融点金属相４は、このマトリックスに分散している。本実施形態では、高融点金属相４は、実質的に球形状を有している。従って図１では、高融点金属相４は、実質的に円形状に画かれている。高融点金属相４が、歪な形状を有してもよい。

高融点金属相４の主成分は、１又は２以上の高融点金属元素である。これら高融点金属元素の融点は、２０００℃以上が好ましい。典型的な高融点金属元素として、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａが例示される。これらの元素の融点は、以下の通りである。
Ｍｏ：２６２３℃
Ｗ：３４２２℃
Ｎｂ：２４６８℃
Ｔａ：２９８５℃

高融点金属相４を含むターゲット材２が用いられたスパッタリングにより、高融点金属元素を含む薄膜が形成されうる。この薄膜は、耐熱性及び耐食性に優れる。高融点金属元素を含む薄膜は、低抵抗でもある。ターゲット材２がＡｇを含むので、この薄膜はさらに低抵抗である。

図１には、第一高融点金属相４ａと、第二高融点金属相４ｂとが示されている。第一高融点金属相４ａの面積重心と第二高融点金属相４ｂの面積重心とを結ぶ線Ｌ１の上には、他の高融点金属相４は存在しない。換言すれば、第一高融点金属相４ａと第二高融点金属相４ｂとは、隣接している。第一高融点金属相４ａと第二高融点金属相４ｂとは、高融点金属相ペア８ａを形成する。図１では、銀相６は、第一高融点金属相４ａと第二高融点金属相４ｂとに挟まれている。図１において符号Ｔｈは、高融点金属相ペア８ａの間の銀相６の、線Ｌ１上の厚さを表す。

図２には、スパッタリングターゲット材２の他の部分が示されている。図２には、第三高融点金属相４ｃと、第四高融点金属相４ｄとが示されている。第三高融点金属相４ｃの面積重心と第四高融点金属相４ｄの面積重心とを結ぶ線Ｌ２の上には、他の高融点金属相４は存在しない。換言すれば、第三高融点金属相４ｃと第四高融点金属相４ｄとは、隣接している。第三高融点金属相４ｃと第四高融点金属相４ｄとは、高融点金属相ペア８ｃを形成する。図２では、第三高融点金属相４ｃと第四高融点金属相４ｄとが、銀相６を挟まず直接に接触している。この接触により、この高融点金属相ペア８ｃに界面１０が形成されている。線Ｌ２の上には銀相６が存在しないので、この高融点金属相ペア８ｃにおける銀相６の厚さＴｈは、ゼロである。

このスパッタリングターゲット材２の製造では、まず原料粉末が準備される。この原料粉末の主たる材質は、高融点金属である。この原料粉末は、好ましくは、アトマイズ法によって得られる。ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心アトマイズ法等が、採用される。好ましいアトマイズは、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。アトマイズによって得られた粉末に、メカニカルミリング等が施されてもよい。原料粉末が、粉砕法等によって得られてもよい。

この原料粉末に、Ａｇのコーティング処理がなされる。このコーティング処理により、被覆層を有する多数の粒子からなる粉末が得られる。図３に、この粒子１２が示されている。この粒子１２は、コア１４と被覆層１６とを有している。コア１４の主たる材質は、高融点金属元素である。被覆層１６の主たる材質は、Ａｇである。被覆層１６は、コア１４に付着している。被覆層１６は、コア１４の表面を覆っている。本実施形態では、被覆層１６は、コア１４の表面の全体を覆っている。被覆層１６が、コア１４の表面の一部を覆ってもよい。典型的なコーティング処理は、メッキである。

この粉末が、型に充填される。型の中における粉末では、粒子１２の被覆層１６が、この粒子１２に隣接する粒子１２の被覆層１６と当接する。この粉末が、焼結（典型的には熱間静水圧プレス法）に供される。焼結では、粉末が加圧及び加熱される。この加圧及び加熱により、被覆層１６で塑性変形が生じる。この塑性変形により、被覆層１６同士の接触面積が増加する。加熱により、被覆層１６とこれに当接する被覆層１６との間で銀原子の拡散が生じる。この拡散により、被覆層１６同士が結合される。この結合により、コア１４同士が被覆層１６を介して結合される。この焼結により、焼結体が得られる。この焼結体がスライス、裁断等されて、図１及び２に示された金属組織を有するターゲット材２が完成する。ターゲット材２の高融点金属相４（図１及び２参照）は、粒子１２のコア１４に由来する。ターゲット材２の銀相６は、粒子１２の被覆層１６に由来する。

好ましくは、焼結温度は、Ａｇの融点（すなわち９６２℃）よりも低い。この焼結では、被覆層１６が溶融しない。従って、Ａｇの溶融及び凝固に起因する凝固偏析が生じない。このターゲット材２が用いられたスパッタリングにより、高品質な薄膜が得られうる。焼結温度が低くても、高融点金属相４同士が銀相６を介して結合しているので、このターゲット材２は強度にも優れる。銀の融点と焼結温度との差は、３０℃以上が好ましく、５０℃以上がより好ましく、６０℃以上が特に好ましい。焼結温度は、９３０℃以下が好ましく、９１０℃以下がより好ましく、９００℃以下が特に好ましい。Ａｇが十分に拡散するとの観点から、焼結温度は７００℃以上が好ましく、７３０℃以上がより好ましく、７５０℃以上が特に好ましい。

隣り合う高融点金属相４同士が銀相６を挟まず、これら金属相４の一部同士が直接に接触することは、ターゲット材２の強度の観点から、好ましくない。換言すれば、高融点金属相４同士で形成される界面１０の数密度が多いターゲット材２は、強度に劣る。強度の観点から、０．１ｍｍ四方のゾーン内での界面１０の数は５個以下が好ましく、４個以下がより好ましく、３個以下が特に好ましい。理想的な数密度は、ゼロである。

数密度の測定では、ターゲット材２から、無作為に断面が選択される。この断面から、無作為に、一辺が０．１ｍｍである正方形のゾーンが選択される。この断面が走査型顕微鏡で観察されて、このゾーンに含まれる界面１０の数がカウントされる。

本明細書では、下記の数式よって指標ＴＩが算出される。
ＴＩ ＝ （Ｔｍａｘ－ Ｔｍｉｎ） ／ Ｔａｖｅ
指標ＴＩの決定では、ターゲット材２から、無作為に断面が選択される。この断面から、無作為に、一辺が０．１ｍｍである正方形のゾーンが選択される。この断面が走査型顕微鏡で観察されて、このゾーンから、無作為に１０個の高融点金属相ペア８が選択される。これらのペア８において、高融点金属相４に挟まれた銀相６の厚さＴｈが測定される。高融点金属相ペア８が界面１０を形成する場合の厚さＴｈは、前述の通りゼロである。厚さＴｈに関する１０個の測定値から、最大値Ｔｍａｘ及び最小値Ｔｍｉｎが決定される。厚さＴｈに関する１０個の測定値から、平均値Ｔａｖｅが算出される。この最大値Ｔｍａｘ、最小値Ｔｍｉｎ及び平均値Ｔａｖｅが上記数式に代入されて、指標ＴＩが算出される。

指標ＴＩは、厚さＴｈのばらつきと相関する。ＴＩが大きいターゲット材２では、厚さＴｈのばらつきが大きい。ＴＩが小さいターゲット材２では、厚さＴｈのばらつきが小さい。強度の観点から、指標ＴＩは１．５以下が好ましく、１．２以下がより好ましく、１．０以下が特に好ましい。理想的には、指標ＴＩはゼロである。

十分な銀相６が生成するとの観点、及び薄膜の導電性の観点から、合金におけるＡｇの含有率は５質量％以上が好ましく、７質量％以上がより好ましく、１０質量％以上が特に好ましい。ターゲット材２の強度の観点から、合金におけるＡｇの含有率は３０質量％以下が好ましく、２５質量％以上がより好ましく、２０質量％以上が特に好ましい。

本明細書は、スパッタリングターゲット材２の製造方法にも向けられる。この製造方法は、
Ｓ１：多数の粒子１２を有しており、それぞれの粒子１２が、高融点金属元素からなるコア１４と、Ａｇからなりこのコア１４の表面に付着した被覆層１６とを有する粉末を、準備するステップ、
並びに
Ｓ２：上記粉末を加熱及び加圧して、焼結体を得るステップ
を含む。

以下、実施例に係るスパッタリングターゲット材の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本明細書で開示された範囲が限定的に解釈されるべきではない。

［実施例１］
多数の粒子を含む粉末を準備した。この粒子は、材質がＭｏであるコアと、材質がＡｇである被覆層とを有していた。この粉末における、Ａｇの含有率は３０質量％であり、Ｍｏの含有率は７０質量％であった。この粉末を、直径が２００ｍｍであり、長さが１０ｍｍであり、材質が炭素鋼である缶に充填した。この粉末に真空脱気を施したのち、ＨＩＰにてビレットを作成した。ＨＩＰの条件は、以下の通りである。
焼結温度：７５０℃
圧力：１５０ＭＰａ
保持時間：２時間
このビレットをスライスし、実施例１のスパッタリングターゲット材を得た。

［実施例２－９並びに比較例２及び３］
粉末の組成と焼結温度とを下記の表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、実施例２－９並びに比較例２及び３のスパッタリングターゲット材を得た。

［比較例１］
材質がＡｇである第一粉末と、材質がＴａである第二粉末とを混合し、混合粉末を得た。この混合粉末における、Ａｇの含有率は３０質量％であり、Ｔａの含有率は７０質量％であった。この混合粉末を、直径が２００ｍｍであり、長さが１０ｍｍであり、材質が炭素鋼である缶に充填した。この粉末に真空脱気を施したのち、ＨＩＰにてビレットを作成した。ＨＩＰの条件は、以下の通りである。
焼結温度：７５０℃
圧力：１５０ＭＰａ
保持時間：２時間
このビレットをスライスし、比較例１のスパッタリングターゲット材を得た。

［比較例４及び５］
混合粉末の組成と焼結温度とを下記の表１に示される通りとした他は比較例１と同様にして、比較例４及び５のスパッタリングターゲット材を得た。

［顕微鏡観察］
スパッタリングターゲット材の断面を顕微鏡で観察し、前述の方法にて、界面の数をカウントした。さらに、前述の方法で、指標ＴＩを算出した。この結果が、下記の表１に示されている。

［抗折強度］
スパッタリングターゲット材から、試験片を得た。この試験片を、ＪＩＳ Ｚ ２２４８の規定に準拠した抗折試験に供し、抗折強度（３点曲げ強度）を得た。この結果が、下記の表１に示されている。

表１から明らかな通り、各実施例のスパッタリングターゲット材は、強度に優れる。この評価結果から、このスパッタリングターゲット材の優位性は明らかである。

以上説明されたスパッタリングターゲット材から、種々の用途の薄膜が製造されうる。

２・・・スパッタリングターゲット材
４・・・高融点金属相
６・・・銀相
８・・・高融点金属相ペア
１０・・・界面
１２・・・粒子
１４・・・コア
１６・・・被覆層

Claims (5)

1. その材質がＡｇと１又は２以上の高融点金属元素とを含む合金である、スパッタリングターゲット材であって、
   上記合金におけるＡｇの含有率が５質量％以上３０質量％以下であり、
   上記合金の金属組織が、
   （１）分散する多数の高融点金属相
   及び
   （２）これら高融点金属相に挟まれた銀相
   を有しており、
   上記高融点金属相同士で形成される界面の数密度が、０．１ｍｍ四方のゾーン内で５個以下であり、
   上記銀相の、下記数式で算出される指標ＴＩが、１．５以下であるターゲット材。
   ＴＩ ＝ （Ｔｍａｘ－ Ｔｍｉｎ） ／ Ｔａｖｅ
   （この数式において、Ｔｍａｘは無作為に抽出された１０の高融点金属相ペアの間の銀相の厚さの最大値であり、Ｔｍｉｎはこれらの高融点金属相ペアの間の銀相の厚さの最小値であり、Ｔａｖｅはこれらの高融点金属相ペアの間の銀相の厚さの平均値である。）
2. 上記高融点金属元素の融点が２０００℃以上である、請求項１に記載のターゲット材。
3. 上記合金が、上記高融点金属元素として、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択された１又は２以上を含む、請求項１又は２に記載のターゲット材。
4. Ｓ１：多数の粒子を有しており、それぞれの粒子が、高融点金属元素からなるコアと、Ａｇからなりこのコアの表面に付着した被覆層とを有する粉末を、準備するステップ、
   並びに
   Ｓ２：上記粉末を加熱及び加圧して、焼結体を得るステップ
   を含む、スパッタリングターゲット材の製造方法。
5. 上記ステップＳ２において、Ａｇの融点よりも低い温度下にて上記粉末が加圧される、請求項４に記載の製造方法。

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