JP4919162B2 - Ｆｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材およびＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性膜を形成するためのＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材およびその製造方法に関するものである。

近年、磁気記録技術の進歩は著しく、ドライブの大容量化のために、磁気記録媒体の高記録密度化が進められている。しかしながら、現在広く世の中で使用されている面内磁気記録方式の磁気記録媒体では、高記録密度化を実現しようとすると、記録ビットが微細化し、記録ヘッドで記録できないほどの高保磁力が要求される。そこで、これらの問題を解決し、記録密度を向上させる手段として垂直磁気記録方式が検討されている。
垂直磁気記録方式とは、垂直磁気記録媒体の磁性膜を媒体面に対して磁化容易軸が垂直方向に配向するように形成したものであり、記録密度を上げて行ってもビット内の反磁界が小さく、記録再生特性の低下が少ない高記録密度に適した方法である。そして、垂直磁気記録方式においては、記録感度を高めた磁気記録膜層と軟磁性膜層とを有する記録媒体が開発されている。

このような磁気記録媒体の軟磁性膜としては、優れた軟磁気特性が要求されることから、アモルファス軟磁性合金が採用されている。代表的な軟磁性膜用アモルファス合金として、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ合金膜（例えば、特許文献１参照）、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ合金膜（例えば、非特許文献１参照）などが既に実用化されている。しかしながら、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ合金膜は耐食性が低い問題があり、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ合金膜は飽和磁束密度が低い問題が指摘されている。このため、最近では、上記合金膜の以外にＦｅ−Ｃｏ合金にＴａ、Ｎｂ等を添加したＦｅ−Ｃｏ系合金膜を用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、一般的に、軟磁性膜の成膜にはマグネトロンスパッタリング法が用いられることが知られている。マグネトロンスパッタリング法とは、ターゲット材の背後に磁石を配置し、ターゲット材の表面に磁束を漏洩させて、その漏洩磁束領域にプラズマが収束されることにより高速成膜を可能とするスパッタリング法である。このマグネトロンスパッタリング法はターゲット材のスパッタ表面にプラズマが収束され、ターゲット材背面が冷却され、かつ、ターゲット外周部がクランプ固定されているため、ターゲット材に熱膨張による応力が発生する。このため、ターゲット材には、この熱応力で破断しないことが要求されている。
特開２００４−０３０７４０号公報 特開２００６−２９４０９０号公報 Ｄ．Ｈ．Ｈｏｎｇ，Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ ａｎｄ Ｔ．Ｄ．Ｌｅｅ，"Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＣｏＺｒＮｂ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｇｒａｉｎ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＣｏＣｒＰｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ Ｍｅｄｉａ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１０，Ｐ．３１４８−３１５０，Ｏｃｔ．，２００５

本発明者らが、特許文献２に記載されている多量の添加元素を含むＦｅ−Ｃｏ系合金軟磁性膜用スパッタリングターゲット材を、成分偏析を抑制するために添加元素を含むＦｅ−Ｃｏ合金粉末を焼結させて製造したところ、スパッタリング工程における熱応力でターゲット材が破断する問題や焼結体をターゲット材形状への機械加工する際にクラックが発生するという問題が確認された。
本発明の目的は、上記の問題を解決し、垂直磁気記録媒体等に用いられる軟磁性膜形成用のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の機械加工性を向上させるとともに、軟磁性膜を安定してスパッタリング可能なＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材を提供することである。

本発明者らは、垂直磁気記録媒体等に用いられる軟磁性膜を形成するためのＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の機械的特性に関して種々の検討を行った結果、Ｆｅ−Ｃｏ合金に対して多量の添加元素を含有するＦｅ−Ｃｏ系合金ターゲットについてショア硬さを一定値以下に制御することで上記の問題を解決できることを見出し本発明に到達した。

すなわち、本発明は、原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１を含有する焼結ターゲット材であって、ショア硬さが３７ＨＳ以下であるＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材である。
また、原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１、かつIVａ族、VＩ族、IIIｂ族およびIVｂ族から選ばれる１種または２種以上の元素Ｍ２を含有する焼結ターゲット材であって、ショア硬さが３７ＨＳ以下であるＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材である。
また、元素Ｍ１の含有量は２０原子％以下、元素Ｍ２の含有量は０．１〜１０原子％であることが好ましい。

また、その他の本発明は、原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１を含有する組成を有する焼結ターゲット材の製造方法であって、元素Ｍ１からなる単体の原料粉末と、前記組成に調整する他の原料粉末とを混合した混合粉末を加圧焼結し、ショア硬さが３７ＨＳ以下の焼結体を得るＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法である。

また、原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１、かつIVａ族、VIａ族、IIIｂ族およびIVｂ族から選ばれる１種または２種以上の元素Ｍ２を含有する焼結ターゲット材の製造方法であって、元素Ｍ１からなる単体の原料粉末と、前記組成に調整する他の原料粉末とを混合した混合粉末を加圧焼結し、ショア硬さが３７ＨＳ以下の焼結体を得るＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法である。

また、前記原料粉末の少なくとも１種が、Ｆｅに対して亜共晶組成領域の元素Ｍ１を含有するＦｅ合金粉末とすることが好ましい。
また、さらに、加圧焼結方法としては、７５０〜１３００℃の温度域における熱間静水圧プレス処理が好ましい。

本発明により、安定したマグネトロンスパッタリングが行なえる垂直磁気記録媒体の軟磁性膜を形成するためのＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲットを提供でき、垂直磁気記録媒体を製造する上で極めて有効な技術となる。

原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１が含有されるＦｅ−Ｃｏ系合金は、ＦｅＣｏ合金である点で高い飽和磁化を持ち軟磁気特性に優れた薄膜を形成可能であると同時に、Ｎｂ、Ｔａの添加による耐食性向上効果により、磁気記録媒体等に軟磁性膜として利用されている。Ｎｂ、Ｔａは、特にＦｅに対する共晶点以上を含有させることが耐食性向上に効果的である。

本発明の最も重要な特徴は、上述したＦｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１を含有させた組成を有する焼結Ｆｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材のショア硬さを３７ＨＳ以下に制御した点にある。
本発明で、このＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材をショア硬さ３７ＨＳ以下に制御するのは、ショア硬さが３７ＨＳを超えると、スパッタリング工程における熱応力でターゲット材が破断する問題やターゲット材形状への機械加工の際にクラックが発生する問題が顕著に発生するためである。

また、垂直磁気記録媒体の軟磁性膜は、１００ｎｍ程度と比較的厚い膜を成膜するため、スパッタリング成膜時に投入される電力が大きく成膜時間が長い。そのため、スパッタリング成膜中にターゲット材に熱応力がかかり、熱応力による破断が発生しないようにターゲット材には高い靭性が要求され、ショア硬さを低減する必要がある。

また、本発明のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材のショア硬さは、以下に説明する金属組織の制御により可能となる。
（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１を含有させたＦｅ−Ｃｏ系合金においては、平衡状態では硬度の高い金属間化合物相が主相となるため、硬度が上がり靭性が低下する。そこで、硬度が高い元素Ｍ１とＦｅとの金属間化合物量を低減し、元素Ｍ１を単独相として残存させるように、焼結ターゲット材の金属組織を制御することによりショア硬さが低減でき、機械加工中やスパッタリング中の破断が抑制可能となる。

また、本発明の対象を特に共晶点以上の元素Ｍ１を含有するＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材としたのは、共晶点未満の元素Ｍ１を含有するＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材では、金属間化合物相が第二相となり、ＦｅあるいはＣｏの固溶体相が主相となるため、靭性の低下は大きくなく、スパッタリング工程における熱応力でターゲット材が破断する問題やターゲット材形状への機械加工の際にクラックが発生する問題の可能性が低いためである。

また、垂直磁気記録媒体の特性を改善するために、共晶点以上のＶａ族の元素Ｍ１を含有するＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材にIVａ族、VIａ族、IIIｂ族およびIVｂ族から選ばれる１種または２種以上の元素Ｍ２を含有することは有効である。

なお、ＦｅＣｏ合金に含有される元素Ｍ１の添加量の上限は、２０原子％であることが望ましい。それは、軟磁性膜の磁化が低下し、軟磁性膜としての機能が低下するからである。
また、ＦｅＣｏ合金に、さらに含有されるIVａ族、VIａ族、IIIｂ族およびIVｂ族から選ばれる１種または２種以上の元素Ｍ２は、０．１〜１０原子％の範囲であることが望ましい。それは、元素Ｍ２は、軟磁性膜の耐食性向上やアモルファス化の補助的な役割であるからである。

また、本発明におけるもう一方の重要な特徴は、（Ｔａ、Ｎｂ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１が硬度の高い金属間化合物を形成するのを抑えるように制御することで、ショア硬さが３７ＨＳ以下の焼結体を得るＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法を見出した点にある。

原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１を含有する組成を有するＦｅ−Ｃｏ系合金は、上述した通り、平衡状態で硬度の高い金属間化合物相が主相となるため、硬度が上がり靭性が低下するものと考えられる。
そこで、元素Ｍ１からなる単体の原料粉末と、前記組成に調整する他の原料粉末とを混合した混合粉末を加圧焼結することによって元素Ｍ１とＦｅとの金属間化合物量を低減することが可能となり、ショア硬さ３７ＨＳ以下のターゲット材の製造が可能になる。

また、原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、元素Ｍ１と、さらにIVａ族、VIａ族、IIIｂ族およびIVｂ族から選ばれる１種または２種以上の元素Ｍ２を含有する焼結ターゲット材においても、同様に、元素Ｍ１からなる単体の原料粉末と、前記組成に調整する他の原料粉末とを混合した混合粉末を加圧焼結することによって元素Ｍ１とＦｅとの金属間化合物量を低減することが可能となり、ショア硬さ３７ＨＳ以下のターゲット材の製造が可能になる。

また、Ｆｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の組成に調整する他の原料粉末の少なくとも１種は、Ｆｅに対して亜共晶組成領域の元素Ｍ１を含有するＦｅ合金粉末であってもよい。それは、亜共晶組成領域、すなわち、Ｆｅに対する共晶点以下の元素Ｍ１しか含有しないＦｅ合金粉末であれば、Ｆｅの固溶体が主相、金属間化合物が第二相のＦｅ合金粉末となるため、焼結後のターゲット材が金属間化合物を主相とする金属組織となることを抑制できるからである。また、上記のＦｅ合金粉末を使用することで、ターゲット材の透磁率が低下し、マグネトロンスパッタ時のターゲット材表面の漏洩磁束が大きくなるという副次的効果もある。

また、加圧焼結方法としては、ホットプレス、熱間静水圧プレス、通電加圧焼結、熱間押し出しなどの方法を適用することができる。中でも熱間静水圧プレスは加圧圧力が高く、焼結温度を低く抑えて拡散相の生成を抑制しても、相対密度９９％を超える緻密な焼結体が得られるため、特に好ましい。
なお、加圧焼結時の温度域は７５０℃以上、１３００℃の以下の温度に設定することが好ましい。それは、熱間静水圧プレス処理の処理温度は、１３００℃を超えては拡散が進行しやすいため元素Ｍ１を単体で混合しても金属間化合物が多く生成されてしまい、７５０℃未満では焼結密度が十分に上がらないためである。
また、より好ましくは、９００〜１１５０℃である。それは、相対密度が９９％を超えて金属間化合物の生成が最低限に抑制されることにより安定してショア硬さを３７ＨＳ以下にすることが可能なとなるためである。

以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
まず、表１に示す各ターゲット組成となるように、表１に示す各原料粉末の組合せで原料粉末を秤量、混合して混合粉末を作製した。得られた各混合粉末を、軟鋼カプセルに充填し脱気封止した後、それぞれ温度９５０℃、圧力１２０ＭＰａ、保持時間１時間の条件で熱間静水圧プレスによって焼結し、焼結体を作製した。
得られた各焼結体のショア硬さを、ＪＩＳ−Ｚ−２２４６に基づき測定し、その結果を表１中に示す。

次に、作製した各焼結体を、図５に示すターゲット材の形状に加工するため、旋盤切削による機械加工を行った。旋盤切削による機械加工においては、表１に示す通り、実施例１〜６の各焼結体では、機械加工の際にクラックが発生することなく加工ができたが、比較例の焼結体においては、ターゲット材の円周端部に２〜７ｍｍ程度のクラックに起因する欠けが発生した。

また、実施例１および比較例のターゲット材のミクロ組織写真をそれぞれ図１および２、実施例１および比較例のターゲット材のＸ線回折チャートをそれぞれ図３および図４に示す。
図３から実施例１のターゲット材では元素Ｍ１であるＴａ相が多く残存した金属組織であることが確認できる。また、図４から比較例のターゲット材では元素Ｍ１のＴａ相が存在しないＦｅ相、Ｃｏ相および金属間化合物相からなる金属組織であることが確認できる。
また、図１から実施例１のターゲット材は、主として黒色部、濃灰色部、薄灰色部および白色部の組成の異なる四相からなる焼結組織であることが確認できる。一方、図２から比較例のターゲット材は、ＦｅＣｏＴａＺｒ合金粉を焼結した組織であることが確認できる。

また、実施例１および比較例のターゲット材の相対密度を、相対密度＝実測密度／計算密度（Ｆｅ−３４Ｃｏ−９Ｔａ−６Ｚｒでは９．１２ｇ／ｃｍ^３）で算出したところ、ともに１００％以上であることが確認された。
以上から、Ｆｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材のショア硬さを３７ＨＳ以下とすることで、機械加工時のクラックの発生を抑制できるため、安定したターゲット材の作製が可能であることがわかる。

本発明のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材は機械的な特性に優れているため、安定した垂直磁気記録媒体の製造に適用できる。

本発明の代表例である実施例１のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の光学顕微鏡によるミクロ組織写真である。 比較例のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の光学顕微鏡によるミクロ組織写真である。 本発明の代表例である実施例１のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材のＸ線回折チャートである。 比較例のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材のＸ線回折チャートである。 本発明のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の形状の一例を示す構成図である。

Claims (8)

1. 原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１を含有する焼結ターゲット材であって、ショア硬さが３７ＨＳ以下であることを特徴とするＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材。
2. 原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１、かつIVａ族、VIａ族、IIIｂ族およびIVｂ族から選ばれる１種または２種以上の元素Ｍ２を含有する焼結ターゲット材であって、ショア硬さが３７ＨＳ以下であることを特徴とするＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材。
3. 前記元素Ｍ１の含有量が、２０原子％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材。
4. 前記元素Ｍ２の含有量が、０．１〜１０原子％であることを特徴とする請求項２に記載のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材。
5. 原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１を含有する組成を有する焼結ターゲット材の製造方法であって、元素Ｍ１からなる単体の原料粉末と、前記組成に調整する他の原料粉末とを混合した混合粉末を加圧焼結し、ショア硬さが３７ＨＳ以下の焼結体を得ることを特徴とするＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法。
6. 原子比における組成式が（Ｆｅ_Ｘ−Ｃｏ_{１００−Ｘ}）、２０≦Ｘ≦７０で表されるＦｅＣｏ合金に、Ｆｅに対する共晶点以上の（Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１種または２種の元素Ｍ１、かつIVａ族、VIａ族、IIIｂ族およびIVｂ族から選ばれる１種または２種以上の元素Ｍ２を含有する焼結ターゲット材の製造方法であって、元素Ｍ１からなる単体の原料粉末と、前記組成に調整する他の原料粉末とを混合した混合粉末を加圧焼結し、ショア硬さが３７ＨＳ以下の焼結体を得ることを特徴とするＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法。
7. 前記他の原料粉末の少なくとも１種が、Ｆｅに対して亜共晶組成領域の元素Ｍ１を含有するＦｅ合金粉末であることを特徴とする請求項５または６に記載のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法。
8. 前記加圧焼結が、７５０〜１３００℃の温度域における熱間静水圧プレス処理であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のＦｅ−Ｃｏ系合金スパッタリングターゲット材の製造方法。