JP3629578B2 - Ｔｉ系材料とＣｕ系の接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、チタン（以下、Ｔｉと略称する）系材料と銅（以下、Ｃｕと略称する）系材料の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路に用いられる薄膜を形成する方法としてはスパッタリング法が公知である。この方法には、物理スパッタリング（ＰＶＤ）と反応性スパッタリングとがあるが、いずれの方法も、スパッタリングターゲットを用いる。スパッタリングターゲットは、イオンの照射されるターゲット部材と、このターゲット部材をその背部から支持するバッキングプレートとから成るもので、具体的にはＣｕ系材料、Ｔｉ系材料、あるいはアルミニウム（以下、Ａｌと略称する）系材料より成るバッキングプレートに、クロム（以下、Ｃｒと略称する）系材料、Ｔｉ系材料、あるいはＡｌ系材料より成るターゲット部材を、インジウム（以下、Ｉｎと略称する）系材料にてボンディング（ろう付）したものが知られている。例えばバッキングプレートとしてＴｉ系材料を用いる点については、特開平６−２９３９６３号公報、またＩｎ系材料を用いてターゲット部材のボンディングを行う点については上記公報、及び特開平３−１４０４６４号公報を挙げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記Ｔｉ系材料をバッキングプレートとして用い、Ｉｎ系材料にてターゲット部材をボンディングする場合について検討する。まずＴｉ系材料は、大気や水分等の存在に起因して、その表面が、薄い強固な酸化皮膜（不動態皮膜）によって覆われている。この不動態皮膜は、強固であってきわめて除去しにくいものであり、また他の金属と反応し難いものであるため、ボンディング時の濡れ性が極めて悪く、そのためＩｎ系材料等を用いたボンディング作業を著しく困難なものとしている。このような困難性を改善するため、上記特開平６−２９３９６３号公報においては、Ｔｉ系材料製のバッキングプレートの表面にＣｕを溶射し、これによりＩｎ系材料の濡れ性を向上しようとする試みがなされている。しかしながらこのようにＣｕ溶射を行うことは、当然のことながらスパッタリングターゲットの大幅なコストアップを招くことになる。また使用済みのスパッタリングターゲットにおいて、ターゲット部材を除去し、新しいターゲット部材をバッキングプレートにボンディングして再生使用する場合、つまりスパッタリングターゲットのリサイクル時にも上記同様の問題が生じる。また特開平６−１１６７０６号公報においては、Ｔｉ系材料の表面処理方法として、例えばＣｕ粉を塗布したものを真空中において７００℃で約１時間加熱し、これによってＣｕをＴｉの表面に拡散させて両者の密着強度を向上させることが提案されている。しかしながらこの反応は固相反応であるため、生成された反応層の厚さは高々数μｍであり、その反応層は、脆弱である。従ってスパッタリングターゲットのリサイクル時には、再び上記表面処理を行う必要がある。
【０００４】
以上のようにＴｉ系材料をバッキングプレートとして用いる場合には、ターゲット部材のボンディング時の濡れ性改善のために、その表面にＣｕ系材料を接合しておくのが好ましいが、その際、両者を高品質かつ低コストにて接合し得る接合方法を確立することが急務である。またこのことは、Ｃｕ系材料をバッキングプレートとして用い、Ｔｉ系材料をターゲット部材として用いようとする場合にも同様である。さらに、バッキングプレートとターゲット部材とを共にＴｉ系材料で構成する場合において、Ｃｕ系材料を介在させて両者を接合できれば実用上、有利である。
【０００５】
そこで発明者らは、Ｔｉ系材料とＣｕ系材料との接合性に関し、Ｔｉ−Ｃｕの共晶反応を利用する種々の試験を行った。まず試験１として、Ｔｉ系材料に厚さ２ｍｍのＣｕ箔を配置し、Ｔｉ−Ｃｕの共晶温度（８８７℃）よりも低い８５０℃で３０分間の加熱を行った（無加圧）。その結果、面積比率で２０％の部分にのみＴｉ−Ｃｕの反応が観察され、残る８０％の部分は未反応のままであった。従ってこの接合方法によれば、良好な接合結果を得るという目的を達成することができない。次に試験２として、Ｔｉ系材料とＣｕ系材料の間に厚さ２ｍｍの接合用Ｃｕ板を配置し、上記共晶温度よりも高い９００℃で３０分間の加熱を行った。その結果、図１に示すように、Ｔｉ系材料の上にはα、Ｔｉ_２ Ｃｕ層、ＴｉＣｕ層がまだらに混在して形成されており、接合用Ｃｕ板は、完全に溶融していた。
【０００６】
以上のように、Ｔｉ−Ｃｕの共晶反応を利用してＣｕ系の接合部を形成する方法においては、共晶温度よりも低い温度域では反応の均一性が得られず、従って均質な接合がほとんど不可能である。一方、反応の均一性を得ようとして共晶温度よりも高い温度域で処理を行うと、この温度域では液相が急速に発生するとともにＴｉとＣｕとの反応も急速に進むので、Ｃｕを含む液相中へのＴｉの侵入が顕著となり完全にＣｕが反応し終わるまで、液相が成長する。この結果、接合部には、非常に脆い金属間化合物（Ｔｉ_２ Ｃｕ、ＴｉＣｕ）が多量に残存し、良好な接合品質を得ることができない。
【０００７】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、良好な接合品質を得ることが可能なＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法を提供することにある。また上記のように接合性の改善されたＴｉ−Ｃｕ系複合プレートを提供し、これをバッキングプレートあるいはスパッタリングターゲットとして用いることにより製造コストの低減されたスパッタリングターゲットを提供することもこの発明の目的である。さらにこの発明は、スパッタリングターゲットのリサイクルコストを低減することも目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および効果】
そこで請求項１のＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法は、Ｔｉ系材料とＣｕ系材料の間に、ＴｉとＣｕとＴｉ及びＣｕ以外の第三金属との３元共晶温度または他の反応による液相発生温度がＴｉとＣｕとの２元共晶温度よりも低くなるような第三金属を成分として含むＣｕ系材料を配置し、上記２元共晶温度よりも低く、かつ３元共晶温度よりも高い温度に上記Ｔｉ系材料とＣｕ系材料とを加熱し、両者の反応によってその界面にＴｉ、Ｃｕ、上記第三金属を成分として含む接合部を形成することを特徴としている。
【０００９】
上記において用いられるＴｉ系材料とは、工業用純Ｔｉ、工業用Ｔｉ合金を含むものであり、具体的には、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ（重量％で残部は不可避不純物及びＴｉ、以下同じ）、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｚｒ−１Ｖ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ、Ｔｉ−８Ａｌ−１２Ｚｒ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−８Ｍｎ、Ｔｉ−４Ａｌ−４Ｍｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ、Ｔｉ−３Ａｌ−１１Ｃｒ−１３Ｖ等を挙げることができる。また、上記において用いられるＣｕ系材料とは、工業用純Ｃｕ、工業用Ｃｕ合金を含むものであり、具体的には、融点が本発明の接合温度以上のＣｕ系合金、すなわちりん青銅、黄銅等を含む。
【００１０】
一般的に、３種類の金属Ａ、Ｂ、Ｃの３元共晶温度は、金属Ａ、Ｂ、金属Ｂ、Ｃ又は金属Ｃ、Ａの各２元共晶温度のいずれよりも必ず低温になっている。従って、例えば請求項３のように第三金属として錫（以下、Ｓｎと略称する）を用いた場合のＴｉ、Ｃｕ及びＳｎの３元共晶温度は、ＴｉとＣｕとの２元共晶温度よりも低い。そのため上記３元共晶温度よりも高く、かつ上記２元共晶温度よりも低い温度にＴｉ系材料とＣｕ系材料とを加熱すれば、ＴｉとＣｕとの反応が急速に進行するのを回避しつつ、Ｔｉ系材料とＣｕ系材料の間に接合材の液相を生じさせることができる。そしてこのような液相が存在することにより、その表面張力によってＴｉ系材料とＣｕ系材料との間に均一な接触状態を形成するとともに、ＣｕとＳｎとの溶液中へのＴｉの侵入や、Ｔｉ中への溶液成分、すなわちＣｕやＳｎの固相拡散反応を、上記２元共晶温度よりも低い温度域で生じさせることができる。従ってＴｉ系材料とＣｕ系材料との間では、上記液相を介してＴｉとＣｕとの反応が均一に、かつ緩やかな速度で進行することとなる。そしてこれにより、Ｔｉ系材料とＣｕ系材料の間にＣｕを豊富に含む良好な接合部を均一に生成することができる。なおＴｉとＣｕとの２元共晶温度よりも低い温度で液相を発生させるためには、共晶反応以外の他の反応によるものでもよい。
【００１１】
ところで上記加熱は大気中でも可能であるが、請求項２のように真空、不活性ガス又は還元性ガス等の非酸化性雰囲気中で行うのが好ましい。それは加熱処理中において接合部に酸化皮膜が形成されるのを確実に回避し、接合品質の改善された接合を行うことが可能となるからである。
【００１２】
上記接合方法において接合用Ｃｕ系材料が含有する第三金属は、Ｔｉ、Ｃｕ及びこの第三金属で共晶反応またはその他の反応で液相を生じるものであれば、どのようなものでもよい。それは、上述のようにＴｉとＣｕとの２元共晶温度よりも、ＴｉとＣｕと第三金属との３元共晶温度の方が必ず低いからである。しかしながら上記接合用Ｃｕ系材料としては、請求項３のように第三金属としてＳｎを含有するものを用いるのが好ましい。それは、ＴｉとＣｕとＳｎとの３元共晶温度がＴｉとＣｕとの２元共晶温度よりも十分に低いものであり、加熱温度の制御を容易とすることができるためである。そしてＳｎを含有する接合用Ｃｕ系材料を用いた場合には、上記接合方法における加熱温度は、請求項４のように約７００℃〜８８７℃とするのが好ましい。約７００℃以下ではＴｉ系材料とＣｕ系材料との間に液相を生成させるためにはＳｎ量を５０ｗｔ％以上とする必要があり、接合強度が低下するし、またＴｉとＣｕとの２元共晶温度は８８７℃であり、これ以上ではＣｕを豊富に含む接合部の形成が上述のように困難となるからである。
【００１３】
上記接合方法によって生成される接合部は、請求項５のようにＣｕを主体とするものであり、好ましくは請求項６のようにＣｕを約６０重量％以上含有する。
【００１４】
また上記接合方法で用いられる接合用Ｃｕ系材料は、例えば厚さ１ｍｍ程度のものを用いることも可能ではある。しかし請求項７のように、箔又は粉末のＣｕ系材料を用いるのが好ましい。このようにすると、加熱処理後の冷却過程において、ＴｉとＣｕとの熱収縮率の相異から生じ得る材料の反りを回避できるからである。また上記接合用Ｃｕ系材料は、請求項８のようにＣｕ箔にＳｎ等の第三金属のメッキを施して成るものを用いてもよい。このようにすると、メッキ処理によってＣｕと第三成分との成分比を容易に変えられる等の利点が生じる。また請求項１にいう「第三金属を成分として含む」は、上記のようなメッキを施して成るものをも含む意味である。またＣｕ箔とＳｎ粉末とを併用する場合も同様である。
【００１５】
上記請求項１〜請求項８のいずれかのＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法によれば、接合層の均一性及び強度の格段の向上を図り、実用上問題のない十分に良好な接合部を低コストに得ることが可能となる。
【００１６】
そして上記接合方法によって、Ｃｕを豊富に含有する良質な接合部を備えたＴｉ−Ｃｕ系複合プレートが得られるが、このプレートをスパッタリングターゲットとして用いれば、接合部が非常に均質かつ良好であるために、製膜品質の向上、及びターゲット部材の剥離の可能性を低減し得る。
【００１７】
また上記Ｔｉ−Ｃｕ系複合プレートをバッキングプレートとして用いた場合には、Ｃｕ系材料によってＩｎ系材料等のボンディング材に対する表面の濡れ性が改善されることになり、この結果、非常に均質で、かつ良好なボンディングが行えることになることから、製膜品質の向上、及びターゲット部材の剥離の可能性の低減が期待できる。またこれらバッキングプレートを用いたスパッタリングターゲットにおいて、スパッタリング処理を行った後、使用済みのターゲット部材を切削、除去して新しいターゲット部材をボンディングしようとする際にも、その表面にはＣｕ系材料が残存するので、予備処理等を施すことなく、そのままＩｎ系材料を用いたボンディングを行うことができる。この結果、スパッタリングターゲットのリサイクルコストを大幅に低減することが可能である。
【００１８】
また、上記接合法で、用いられる接合用Ｃｕ系材料を用い、例えば、Ｃｕ板と、Ｔｉ板の接合が可能となる。すなわち、スパッタリングターゲットとしてＴｉ系材料、バッキングプレートとして、Ｃｕ系材料が使用される場合、通常その両者は、Ｉｎを用いたボンディングにより接合され使用されているが、本法を用い、接合する事が可能となる。すなわち本法を用いる事により、後述するようにＩｎのボンディング強度と比較して、本法は、極めて高い接合強度を示すため、本目的に使用する場合、過大な水圧等がかかった場合において、バッキングプレートの反り、歪みに起因する剥離等の課題を解決できる。一方、スパッタリングターゲットとしてＣｕ系材料、バッキングプレートとして、Ｔｉ系材料が使用される場合も、全く同様の効果が期待できる。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
ＴｉプレートとＣｕプレートの間に厚さ２５μｍのＣｕ−２０Ｓｎ（重量％、以下同じ）箔を置き、１０^−４Ｔｏｒｒの真空雰囲気下において、８００℃の温度で約３０分間保持した。
【００２０】
その結果Ｔｉプレート側より順次、３０Ｃｕ５Ｓｎ６５Ｔｉ層、１０μｍの６Ｃｕ６０Ｓｎ３３Ｔｉ層、及び２５％のＳｎを固溶する約２５μｍのＣｕ層、１００％Ｃｕ母材が均一に形成された。すなわち、接合部にはＣｕの豊富な接合部が形成されているということである。またＣｕとＴｉとのみの反応では面積比率で１５〜２０％の部分のみに接合部が生じていたのに対し、この実施例では面積比率で１００％に接合部が形成された。
【００２１】
（実施例２）
Ｔｉプレートの表面に８０Ｃｕ２０Ｓｎの粉末を０．５ｍｍの厚さに塗布し、その上に７０μｍのＣｕ箔を設置し、５ｇ／ｃｍ^２ のおもりを均一においた。本品を１０^−４Ｔｏｒｒの真空雰囲気下において、８００℃の温度で約３０分間保持した。これにより得られた接合部近傍の金属組織の顕微鏡写真を図２に、またＴｉ母材から接合部に至るライン上のＴｉ、Ｃｕ、Ｓｎの成分分布（ラインスキャン）を図３にそれぞれ示しているが、同図のように良好な接合状態が得られると共に、各成分共に良好な拡散状態となっている。そしてこの結果、Ｔｉプレートの上に均一なＣｕ箔の接合が可能となり、Ｉｎ等のハンダ付の為のＣｕ溶射等のコーティングが不要となり、さらに、Ｃｕ箔の厚さを種々変化させる事が可能となり、リサイクル性が格段に改善した（特願平９−１１５３０６号）。
【００２２】
（実施例３）
Ｔｉプレート（幅３０ｍｍ×長さ１３５ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）１とＣｕプレート（幅３０ｍｍ×長さ１３５ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）２との間にＣｕ−２０Ｓｎ、Ｃｕ−３３Ｓｎの粉末を介在させることにより両者を接合した。各プレート１、２は、図４のように配置し、両者間の接合部の長さＬは３０ｍｍとした。また上記粉末の塗布厚さは０．５ｍｍ、雰囲気は１０^−４Ｔｏｒｒの真空雰囲気とし、接合温度を種々変化させた。なお接合時間はいずれも３０分とした。
【００２３】
そして上記によって得られた接合試験片のせん断試験を行った。その結果を図５に示すが、いずれの場合にも良好な接合強度が得られている。なお接合温度の上昇と共に、せん断強度が低下する傾向が見られるが、これは接合部の液相化の進行に伴い、接合部に金属間化合物（Ｔｉ_２ Ｃｕ、ＴｉＣｕ）の残存量が増大するためと推定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣｕとＴｉとを共晶温度以上で反応させて得られた試片の接合部における金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】実施例２において得られた接合部の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】実施例２において得られた接合部近傍の成分分布状態を示すグラフである。
【図４】実施例３において用いた試験片の説明図である。
【図５】実施例３において得られた接合温度とせん断強度との関係を示すグラフである。

Claims (8)

1. Ｔｉ系材料とＣｕ系材料の間に、ＴｉとＣｕとＴｉ及びＣｕ以外の第三金属との３元共晶温度または他の反応により液相の生じる温度がＴｉとＣｕとの２元共晶温度よりも低くなるような第三金属を成分として含む接合用Ｃｕ系材料を配置し、上記２元共晶温度よりも低く、かつ固液共存の温度領域に上記Ｔｉ系材料とＣｕ系材料とを加熱し、両者の反応によって接合部を形成することを特徴とするＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。
2. 上記加熱は、真空、不活性ガス又は還元性ガス等の非酸化性雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１のＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。
3. 上記第三金属は、Ｓｎであることを特徴とする請求項１又は請求項２のＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。
4. 上記加熱温度は、約７００℃〜８８７℃であることを特徴とする請求項３のＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。
5. 上記により形成される接合部は、Ｃｕを主体とすることを特徴とする請求項４のＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。
6. 上記により形成される接合部は、Ｃｕを６０重量％以上含有することを特徴とする請求項５のＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。
7. 上記接合用Ｃｕ系材料は、箔又は粉末であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。
8. 上記接合用Ｃｕ系材料は、Ｃｕ箔に第三金属のメッキを施して成るものであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのＴｉ系材料とＣｕ系材料の接合方法。

Images