JP5696051B2 - スパッターターゲットを製造する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、米国仮特許出願第61/198,098号(2008年11月3日出願)の優先権利点を主張するものである。
本発明は、スパッターターゲットとそれを製造する方法とに関する。物理蒸着(PVD)は、蒸発した供給源物質の凝縮によって薄膜を必要な基板上に蒸着させる各種の真空蒸着技術に関係するものである。この被覆法は、化学蒸着(CVD)法におけるような化学反応を含む方法と異なり、プラズマスパッターおよび真空蒸発を含む純粋に物理的な過程からなる。
陰極スパッターリングは、基板上に材料薄膜を蒸着させるのに広く使用されているPVDの一つの形である。基本的には、スパッターリングプロセスは、所定の基板上に薄膜または薄層として蒸着すべき材料からなるターゲットのガスイオン衝撃を必要とする。そのようなプロセスにおいて、ターゲットは、ターゲットのスパッターリング面が、排気された後に不活性ガス好ましくはアルゴンが充填されたチャンバーを横断する基板に対面するように、配置される。高圧電場が、陰極として作用するターゲットとスパッターターゲットの近くに配置された陽極との間に加えられる。該電場が、陰極から引き出された電子が、不活性ガスの分子と衝突することを誘発し、その結果、ガスがイオン化する。正帯電のガスイオンは、陰極に引かれ、この陰極において、このイオンがスパッターリング面から微量の材料を叩き出す。叩き出されたターゲット材料は、排気されたチャンバー内を進んで、基板上に付着して薄膜を生じる。
タンタルは、各種のマイクロエレクトロニクスデバイス回路で使用されるCu接続線のための主要な拡散障壁材料としてますます多く使用されるようになっている。TaまたはTa/N障壁膜は、Ta供給源材料すなわちTaスパッターターゲットが高エネルギープラズマによって侵食される陰極スパッターリングプロセスによって蒸着される。
ターゲットの結晶粒径、純度および集合組織は、Taその他のスパッターターゲットによって生成される薄膜の厚さと組成との均一性を与える必要性に関して、重要な性質であると考えられている。スパッターターゲットの製造においては、必要なターゲット特性を実現することのできる効率的で低費用の方法を確立するために、いろいろな金属作業プロセスが使用されている。
一つの代表的実施形態において、本発明はbcc金属または合金でスパッターターゲットを製造する方法に関する。bcc金属または合金のインゴットを準備し、三軸鍛造する。インゴットの中心線は、インゴットの中心軸を定め、三軸鍛造中、インゴットの中心に保たれる。この方法は、さらに、第一の焼鈍ステップにおけるインゴットの真空焼鈍とインゴットのクロックローリング(clock rolling)とを含み、このとき、中心線は、インゴットの中心に保たれ、またクロックローリング中に使用される圧縮力に垂直に保たれる。このインゴットは第二の焼鈍ステップにおいてさらに真空焼鈍され、それからこのインゴットに必要な形状が与えられて、ニアネットシェイプスパッターターゲットとされる。
本発明の代替実施形態においては、インゴットが三軸鍛造ステップに先立って押出される。焼鈍ステップは、約950〜1300℃の温度で実施することができ、クロックローリングは周囲温度で実施することができる。クロックローリングは二回のクロックローリング作業を含むことができる。一つの実施形態においては、第一の作業で、少なくとも50%の断面減少率が達成される。もう一つの実施形態においては、第二のクロックローリング作業は、やはり周囲温度で実施され、さらに60%以上の断面減少率が与えられる。
本発明のもう一つの実施形態においては、ターゲットが第一と第二のクロックローリングステップの間の中間焼鈍ステップで焼鈍される。この中間焼鈍は約1000〜1200℃の温度で実施することができる。
本発明の他の側面においては、第一の焼鈍ステップはクロックローリングの前に実施され、最終焼鈍ステップは第二のクロックローリングのあとに実施される。さらに、他の実施形態においては、三軸鍛造の少なくとも一部が約800℃の加熱条件下で行われる。
bcc金属をこれらのプロセスで使用することができ、特に興味ある金属は、TaおよびNb/Ti合金である。もう一つの好ましい実施形態においては、インゴットを電子ビーム溶解し、そのあと、当該インゴットを真空アーク炉再溶解する。
bcc金属そのものを対象にした本発明のもう一つの側面においては、少なくとも99.5%好ましくは99.995%以上の純度のTa金属が使用される。このTaは、約25 ppmよりも小のCONH濃度と約50〜100μmの結晶粒径を有する。さらにこの金属は、厚さの中心に向かって勾配を有する{111}主要集合組織を特徴とする。
本発明は、その代表的実施形態の一つにおいて、ターゲットがbcc(体心立方)耐火金属からなる物理蒸着(PVD)法で使用されるタイプのスパッターターゲットの製造方法に関する。この主の金属としては、Ta、Nb、V、Moおよびそれらの合金がある。代表的合金としては、Nb/Ti合金があり、この合金には、Tiが0.5〜95 at%特に1〜65 at%の量だけ含まれる。これらのNbTi合金は、半導体分野において銅接続線に対する障壁材料として重要でありうる。本発明のその他の側面は、高純度Ta製造法およびTa製PVDターゲットに関する。
本発明の一つの側面においては、本発明の方法は、真空アーク炉で電子ビーム溶解インゴットを再溶解(VAR)して電子ビーム溶解結晶粒組織を微細化することを含む。このプロセスはインゴットの化学純度に悪影響を与えない。一つの実施形態においては、VARインゴットを押出し加工して、三軸(X、YおよびZ)すべての方向に据え込み鍛造して組織をさらに微細化する。次に、焼鈍を行う。もう一つの実施形態においては、VARインゴットを単に三軸すべての方向に据え込み鍛造してから、真空焼鈍する。これらの実施形態のどちらにおいても、加工物を時計回りにクロックローリングし、このとき、初期インゴット軸を加工物プレートの中心に保つと同時に圧延力に垂直に保つ。次に、初期クロックローリングによって少なくとも50%の断面減少率を与えたあと、インゴットを中間焼鈍する。そのあと、もう一つのクロックローリングステップによりさらに60%の断面減少率を与えてから、インゴットを最終焼鈍する。これらのプロセスにより、この産業分野において標準として確立されている公知の{100}/{111}から{111}への勾配を有する微細結晶粒均一組織が生じる。この集合組織勾配は、中間焼鈍ステップに変更を加え、また最終焼鈍ステップの前の%断面減少率を大きくすることによって、変えることができる。これにより、厚さの中心に向かって%{111}が大きくなる{111}{100}混合集合組織を有する、50〜70μm微細結晶粒のプレートが得られる。
もう一つの代表的実施形態には、20 ppmよりも小の総CONH濃度で99.5〜99.9995%のインゴット純度のVARしたTaインゴットを据え込み鍛造(多軸)して、直径210 mmで高さ400 mm以下のインゴットを直径125 mmで高さ1125 mmの棒にすることが含まれる。次に、この棒はそれぞれの寸法のビレットに切断されて、これらの各ビレットに室温での多軸据え込み鍛造ステップが繰返される。次に、ビレットは、950〜1300℃で焼鈍され、断面減少率40〜70%までプレスされ、さらに950〜1300℃で焼鈍され、少なくとも50%の断面減少率まで圧延(compression rolled)されてから、950〜1300℃で最終焼鈍される。{111}主要集合組織を有する材料(>50%{111})を製造するためには、焼鈍温度を1000℃よりも低く保たなければならない。もっと混合率の高い{111}/{100}集合組織を得るためには、焼鈍温度を、鍛造ステップにおいて、1200℃付近、プレスおよび圧延において、1100℃付近とすべきである。この方法は、すべてのbcc耐火金属を加工して、平板または3Dターゲットたとえばホロー陰極マグネトロンターゲットのどちらのためのスパッターリングターゲットブランクとするのにも役立つものである。
図1は、いろいろな代表的実施形態に含まれるステップを示す模式プロセス流れ図である。ここに示すように、電子ビーム溶解インゴット10が準備される。このインゴットは、任意のbcc金属たとえばTa、Nb、Vおよびβ型Tiならびにこれらの合金からなることができる。好ましくは、電子ビーム溶解インゴットの純度は、4〜5Nで、金属の格子間原子濃度(すなわち、存在するC、O、NおよびHの量)は、25 ppmよりも小である。次に、Taインゴットを消耗電極として使用して、電子ビーム溶解インゴットは真空アーク再溶解(VAR)される。この方法により、電子ビーム再溶解の場合に比して、より均一で微細な寸法の初期結晶粒が得られる。また、真空アーク再溶解により、均一な結晶粒径と集合組織の実現に必要な多軸方向据え込み鍛造ステップの回数が少なくなる。
本発明の一つの実施形態においては、次に、インゴットを約800℃で押出しプレスにより据え込み鍛造する。このとき、酸化防止のために、インゴットを銅合金で包囲する。そのあと、順次にプレス工程を実施して、ビレットの直径(overall diameter)が初期VARしたインゴットの直径に比して約35〜60%だけ大きくなるようにすることができる。
図1に示す実施形態の一つにおいては、次に、インゴットは20に示すように4回押出される。このとき、中心線はビレットの中心に保たれ、かつこの押出しプロセスで使用される圧縮力に垂直に保たれる。次に、ビレットは、30に示すように、約700〜1000℃の温度で、1〜4時間、真空焼鈍することができる。
次に、インゴットまたはビレットは、通常の方法たとえばのこ引き、ウォータージェット、レーザージェット、電子ビーム、その他によって、必要な長さに切断することができる。次に、三軸鍛造ステップ40が加えられ、このとき、インゴット軸はビレットの中心に保持または維持される。この三軸鍛造ステップは、インゴット軸に垂直な方向での鍛造に加えて、ビレットの中心線が鍛造ステップ中に使用される圧縮力に平行となるように、ビレットを回転させるステップを含み、このとき、ビレットを順次のインゴット軸に平行な方向での鍛造ステップ全体を通じて、軸のまわりに回転させ、このようにして、一つの実施形態では、出来上がるビレットが実質的に円形の断面となり、約12.7 cm(5インチ)の直径とされる。
次に、各々のビレットまたはターゲットブランクを、インゴット中心軸に垂直に冷間プレスして、所定の高さまで平坦にする。一つの代表的実施形態においては、中心線(CL)に沿って測ったプレス後の高さが、4.1〜4.3 cm(1.6〜1.7インチ)好ましくは4.128 cm(1.625インチ)となるようにすることができる。次に、ビレットを、50で示すように、約1100℃で1時間、真空条件下で焼鈍する。
このようにして、ターゲットブランクは、クロックローリングステップ60への準備が整ったことになる。このステップは、いろいろな角度で圧縮ロールを複数回通過させることを含む。このクロックローリングは、CLを圧縮力に垂直にして実施する。一つの実施形態においては、ターゲットブランクを圧延機でクロックローリングして、約50〜60%の厚さまたは断面減少率となるようにし、次に、約1050〜1100℃で中間焼鈍する。一つの実施形態においては、この中間焼鈍62のあと、追加のクロックローリングステップを実施する。このステップにおいては、ディスクまたはビレットを圧縮ロールを複数回通して圧延し、さらに60〜70%の断面減少率を与える。最終焼鈍は、1000℃で3時間実施することができる。
次に、ターゲットブランクは、圧延その他によってその最終使用形状とされ、通常の技術たとえば機械加工/研削、サンドブラストおよび/または酸エッチングによって清浄化される。そうすると、当該ブランクは適当なバッキングプレートに接合してターゲット/バッキングプレートアセンブリとすることができることになる。一つの実施形態においては、Taターゲットを製造し、このターゲットを約565℃でHIP加工によりアルミニウムバッキングプレートに取り付けることができる。他の接合技術たとえばはんだ付け、ろう付け、溶接、高温プレスその他を使用して、ターゲットとバッキングプレートを接合することができる。
図1に示すもう一つの実施形態においては、押出しプロセスを使用せず、140で示すように、VARインゴット12が三軸据え込み鍛造される。次に、このインゴットは、必要なビレット寸法となるように切断される。ふたたび三軸鍛造ステップ140が実施される。このとき、インゴットのCLはビレットの中心に保たれる。次に、この実施形態の場合、三軸鍛造ステップからのビレットに、1000〜1200℃の温度で、1〜4時間、真空焼鈍130が加えられる。
次に、このように鍛造されたビレットには、前述のタイプのクロックローリング160が加えられる。このとき、軸またはビレットの中心線は圧縮力に垂直に保たれる。このクロックローリングにおいては、たとえば、圧縮ローラーを6回通したあと、中間焼鈍ステップ162を実施し、それから後続のクロックローリングにより、圧縮ローラーを約10回通過させるようにすることができる。初期クロックローリングステップは、50%の断面減少率を与え、第二のクロックローリングステップにより、さらに60%の断面減少率を与えることができる。それから、ターゲットブランクには、真空条件下で、1000℃、1〜4時間、最終焼鈍164を加えることができる。
図1の右のほうに示すように、もう一つの代表的実施形態においては、第一の真空焼鈍ステップ130のあと、追加の三軸鍛造ステップ145を使用することができる。この随意の三軸鍛造ステップ145のあと、随意の真空焼鈍ステップ135を実施する。このステップにおいては、鍛造されたビレットを、真空下で、約1000〜1200℃の炉温度に、約1〜4時間保つ。
以下、本出願を以下の例を用いてさらに詳しく説明する。これらの例は本発明の実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限または限定するものと解釈してはならない。
電子ビーム溶解したTaインゴットを得た。このインゴットは、4N5以上の純度と20 ppmよりも小の格子間原子(すなわち、C、O、N、H)濃度を有する。次に、このインゴットを真空アーク炉内で真空アーク再溶解(VAR)した。アーク電圧は38 V、電流は20,000〜22,000 Aである。VARのあと、スケールと傷を除去し、インゴットを清浄化した。このインゴットから総純度(total purity)の検査のためにサンプル採取した。このインゴットは、4N5以上の総純度と20 ppmよりも小の格子間原子濃度を有していた。
VARインゴットは約226 mmの直径を有する。次に、このインゴットを押出しプレス内に配置し、酸化防止のためにCu合金層で被覆した。次にこのインゴットを据え込み鍛造した。すなわち、インゴットの中心軸(CL)を対向上部および下部ダイスに垂直に保った。このとき、インゴットを800℃の温度に保ち、インゴットの直径は約320 mmに増大した。
次に、このインゴットを酸化防止のためにCu合金で包囲したまま、800℃の温度で押出した。この押出しプロセスにおいては、インゴットのばり取りを行い、直径の小さな円筒ダイスを通過させ、インゴット直径を約170 mmまで減少させた。押出しダイスにはいるインゴットのCLは、押出しプロセス全体を通じて同じ方位に保ち、ダイスから出てくる小径のビレットが、押出しダイスに送られるインゴットのCLと同じ方位のCLを有するようにした。このCLは、押出し中に使用する圧縮力の面に垂直に配置されるようにした。
得られたビレットを清浄化して、CLに垂直にのこ引きし、直径約15.2 cm(6インチ)で長さ(CLに沿って測定)約4.76 cm(1.875インチ)の複数の円板を得た。各ビレットを、ブランクの中心にCLを保って、鍛造した。この鍛造においては、はじめに、CLがダイスに平行にダイス間に配置されるように、ブランクをその軸のまわりに回転させる初期ステップを実施した。この鍛造により、約14.0 cm(5.5インチ)の小さな直径となった。次に、各ブランクを90°回転させて、ふたたびプレスし、そのあと、交互に45°回転およびプレスと90°回転およびプレスとを実施した。ビレットを回転させて、中心線に平行にプレスすることを、約12.7 cm(5インチ)の直径となるまで、実施した。
次に、ブランクをCLに垂直にプレスし、必要な約4.128 cm(1.625インチ)の高さとなるようにした。次に、各ブランクを、1100℃で、1時間、真空焼鈍した。次に、各ターゲットブランクを圧延機でクロックローリングした。このとき、ブランクのCLをブランクの中心に保ち、かつ圧縮力に垂直に保った。このクロックローリングは、約50%の断面減少率を与えた。次に、ブランクを、1100℃の温度で、1時間、焼鈍した。ブランクをふたたびクロックローリングした。このとき、VARインゴットのCLをブランクの中心に保ち、かつ圧縮ロールに垂直に保った。このクロックローリングによる断面減少率は、60%であった。次にブランクを、1000℃で、1時間、最終焼鈍した。このように成形したブランクを機械加工してから、清浄化し、スパッターターゲットとして使用できるようにした。
この例によるブランクで作ったTaターゲットは、約50〜75μmの結晶粒径を有する。集合組織は、大体ターゲットの厚さ全体にわたって主として{111}である。しかし、厚さ全体にわたって集合組織を調べると、どちらの表面からも、表面から中間面に向かって勾配が存在する。表面に近い部分では、(100)と(111)が混在しており、中心に向かって(111)の量が増大する。集合組織勾配の存在は、圧延処理したタンタルプレートに普通のことである。通常、Ｘ線回折による単一面集合組織測定では、集合組織勾配に関する知見はほとんど得られない。SEMによる電子後方散乱回折の使用により、個々の結晶粒の方位情報が得られる。このやり方を定量的な技法とするための試みは、まだ当該科学技術分野で完全に受け入れられるにはいたっていない。
集合組織成分、厚さ全体にわたる変動(勾配とバンド形成(banding))を定量化するために、有力なタンタルスパッタープレート供給者およびユーザーによって共同開発された方法により、特性を互いに独立に測定することができる。圧延タンタルプレートの場合、集合組織は、大体において、その中間厚中心線のまわりに対称であり、各半分(上半分と下半分)を別々に調べて、比較することができる。厚さ全体にわたる試料を、電子後方散乱回折機能を有するSEMで測定して、EBSDデータファイルとして、二次元マップを収集した。‘測定のまま’の方位は横断面(transverse plan)内にあり、各データ点を回転させて、プレートに垂直な方位(ND)内の集合組織を示した。各データ点は一つの集合組織方位を有し、個々の結晶粒に指数付けすることができる。後続の解析において、ピクセルごとのデータを使用した。
元のEBSDデータを、すべての可能な集合組織を示す多色カラーマップから三つの原色に変換することができる。(EBSDカラーマップを、例として、図2B、4および5に示す)。原色を選んだのは、ディスプレイに同じコントラストで表示されるからである。解析した三つの集合組織の15°打ち切り(cut-off)範囲内で指数付けできない点は、すべてグレーカラーで示し、解析した集合組織の体積分率(Ftotal)に含めなかった。
計算のために、全データ集合を、x方向(厚さ方向)に垂直な多くの薄層に関するものに分割した。結晶集合組織を各薄層内(y方向全体にわたって)で平均した。各薄層の幅がxステップ距離である。このxステップ距離は、ピクセルマップの作成に使用するために、x方向の電子ビームのステップ最小増分の整数倍(nステップ)として指定した。通常、nステップとして1を使用する。電子ビームステップ距離が結晶粒径に比してずっと小さく設定されている場合には、大きめにとることができる。EBSDステップ寸法は、平均直線切片(ASTM E112結晶粒径法)の約1/3に設定すべきである。検査領域は、少なくとも100ステップの幅(RD圧延方向)とすべきである。
成分の強度(通常、100‖NDおよび111‖NDがタンタルプレートの主要二成分である)を、15°打ち切りを使用して、各半厚部分の面積百分率として測定した。二次元EBSDマップの解析のために、三つの集合組織成分{100}、{110}および{111}だけを調べた。EBSD入力ファイルからのデータすなわちF100、F110、F111およびFtotalの受容のために、四つの配列(それぞれ長さnカウント)が必要である。ピクセルマップの各点に関して、x位置(厚さ方向)が、計算配列の更新のための指標位置
指標=‘x位置’/‘xステップ’+1
を決定する。
オイラーの角Φおよびφ2が方位空間内のターゲット面法線(Nt)の位置を決定する。これらの二つの角は、それぞれ、0〜90°および0〜360°の範囲で変化しうる。データファイルの角ピクセルにおいて、関連集合組織成分の各方位に対してNtの角を計算する必要がある。三つの成分に関して、26の角を計算する。結晶対称性操作の使用により、Φおよびφ2の範囲を狭めることができる。見出された最小角が集合組織成分‘候補’となる。その角を“打ち切り”角(15°に選択)と比較する。この角が“打ち切り”角よりも小さい場合、候補配列が増分される(すなわち、F100(指標)=F100(指標)+1)。総カウント配列が増分される(Ftotal(指標)=Ftotal(指標)+1)。
上で略述したようにして、すべてのピクセルデータ点に関する計算が完了すると、集合組織成分の体積分率をxステップの深さ分解能で深さ方向(x)の関数として計算した。
ウィンドウを検査領域の端から端まで動かして、各ウィンドウにおいてF(hkl)を収集することにより、各集合組織成分を調べた。F(hkl)の値を、位置(ウィンドウの中心)に対してプロットした。データは、xステップよりも大きなバンドまたはウィンドウを作成し、バンドまたはウィンドウ内の体積成分を平均することにより、平滑化することができる。体積分率データを、各xステップ位置にあるバンド内の平均値としてプロットする。
面積分率F(hkl)が各ウィンドウ位置に関して知られたならば、最小二乗法を使用して、データに曲線をあてはめることができる(線形回帰)。この曲線の勾配は、面積分率/距離(%/mm)を単位とする集合組織勾配である。図3には、図2Bに示すEBSDマップのF(100)とF(111)を、最適あてはめ線とともに示す。勾配は半分の厚さに関してのみ計算すればよい。試料のどちらの半分でも、プレートの対称性の決定のための測定を行うことができる。
バンド形成について調べるために、F(hkl)曲線を4次以下の多項式にあてはめることができ、データのこの多項式からの平均ずれ(差の絶対値)を、バンド形成強度数(severity number)として使用することができる。この多項式は、勾配の非線形性を示すものであり、結果としてバンド形成の過大評価を防止するものである。ノイズもバンド形成の計算にとって一つの問題となる。
EBSD分析においては、通常の個々の面のX線回折集合組織分析に比して、非常に少数の結晶粒しか調べられない(数千対数百万)。分析に使用される結晶粒の数が割合に少数であるために、小さなSN比となる。ノイズレベルの評価のために、分析グリッドのすべての点(すべてのEBSD点)にランダムに集合組織を割り振って、同じ解析を行うことができる。すると、ゼロよりも大きなバンド形成強度数が得られる。このノイズ計算を何回も実行することにより、平均のランダムノイズを決定して、実際のデータ集合からの結果と比較することができる。このEBSD測定法は強力であるが、時間がかかる。従来のXRDの場合と同数の結晶粒からのデータを集積するのは、実用的ではない。解析の補助のために、EBSDデータファイルから自動的に計算を行うコンピュータプログラムを作成し、図3に示すようなグラフの形の結果を得ることができる。そのようなプログラムを作成し、本発明の方法の発展のために協働しているグループの成員が使用できるようにした。
タンタルプレートの場合、集合組織勾配が予想されるが、この勾配は選択した熱-機械的加工プロセスによって大きく異なりうる。表面近くの{100}{111}混合組織から中心層の{111}の多い組織に徐々に遷移するタンタルプレートは、良好なスパッターリング特性を与える。本発明の方法は、集合組織の定量測定に関して、従来の方法にまさっている。この方法は成分の存在比ではなく、成分の実際の存在量を示すからである。
110成分が100および111成分に比して少ない(例に示すように)試料の場合、この成分は無視できる。
図2Aは、前記例で作製したブランクの一つにおける{110}、{200}、{211}および{222}集合組織を示す極点図である。ターゲットブランク全体にわたって、強い{111}集合組織を示している。図2Bは、ターゲット半径中点における厚さ方向の電子後方散乱回折(EBSD)カラーマップである。図3は、実施例にしたがって作製した一つのブランクの厚さ全体にわたる{111}/{100}集合組織勾配とバンド形成率(banding factor)のグラフである。
図3における赤と青の曲線は、左から右へ厚さ全体にわたる移動平均である。厚さ全体を二つに分け、表面から中心に向かっての勾配が決定できるようにした。赤は{100}で、青は{111}である。集合組織勾配は、面積%/mm単位のS100またはS111数である。B100/B111数は、“バンド形成”計算値であり、あてはめ曲線(平滑)からのずれである。この解析からわかるように、{111}は中心で多く、{100}は全体的にかなり均一である。左側には、軽度の{100}バンド形成が見られる。
図3に示す、前述の定量測定手順によって導出された集合組織勾配およびバンド形成率に戻ると、ターゲットの中間部分が{111}主要集合組織を有するのが見られる。“中間部分”という言葉は、ターゲット全厚の約20%から約80%の部分のことであり、したがってこの部分がこの集合組織を特徴とするということである。もっとも好ましいのは、{111}集合組織が、ターゲット厚さの中央中間部分すなわちターゲット全厚の約40〜60%にわたって優勢であることである。
一つの実施形態(図3に示す)においては、ブランクが下記の集合組織勾配とバンド形成率を有することがわかった。
[例１]
第一の半厚部分
{111} S111 6.98%/mm
B111 4.616%
{100} S100 -4.72%/mm
B100 4.560%
第二の半厚部分
{111} S111 -8.78%/mm
B111 4.35%
{100} S100 0.39%/mm
B100 2.851%
例1と同じ手順で作製したもう一つの例においては、得られたブランクが下記の集合組織勾配とバンド形成率とを有することがわかった。
[例２]
第一の半厚部分
{111} S111 8.21%/mm
B111 6.619%
{100} S100 -2.64%/mm
B100 7.045%
第二の半厚部分
{111} S111 -11.78%/mm
B111 8.412%
{100} S100 4.31%/mm
B100 6.500%
ターゲットの上半厚部分全体における約4〜13%/mmの{111}集合組織均一性が好ましい、ということがわかった。一つの実施形態においては、{111}面方位におけるバンド形成率は、約0〜8%であり、上面から厚さの中心に向かってゆっくりと増大する(図3に示す)。やはり注意すべきことは、{111}集合組織均一性と{111}バンド形成率は、図3に示すように、ターゲットの上面および底面に垂直な(ターゲット厚の50%にわたる)中心面に関して実質的に対称である。言い換えると、{111}集合組織均一性とバンド形成率とのどちらも、中心面から上面に向かって見たものと、中心面から底面に向かって見たものとが、実質的に鏡像となっている。
一つの好ましい実施形態の場合、プレートの第一の半厚部分全体にわたる{111}集合組織勾配S111は、約6%〜約9%/mmの範囲にある。好ましい{111}バンド形成率B111は、この第一の半厚部分(すなわち、図3の左側)においては約7%〜0%の範囲にある。
図4は、色分けした反転(inverse)極点図とともに示す、EBSDによる多色集合組織マップである。図5は、三つの集合組織の15°打ち切り収集データ(15°collection)とともに示す、図4に示すものと同じデータ集合のEBSDカラーマップである。主要極の一つから15°以内にあるすべての結晶粒を、{111}、{100}または{110}集合組織に属すると定義した。次に、{111}(青)および{100}(赤)結晶粒を各半厚部分の厚さ全体にわたって平均して、集合組織の勾配を示すためにグラフ表示した。ここで、ブランクの厚さ全体にわたって、{100}の割合は20.5%であり、{111}の割合は28.8%である。図4と5は両方とも、例1として示すブランクに関するデータを示す。例2として示すブランクにおいては、ブランクの厚さ全体にわたって、得られた{100}の割合は25.6%であり、また得られた{111}の割合は33.5%である。
図6および7は模式プロセス流れ図であり、電子ビームおよびVAR溶解インゴットに押出しステップを実施する場合の、本発明の一つの実施形態を示す。図6においては、インゴット212は、直径約226 mmを有し、実質的に、約4N〜5Nの純度と25 ppmよりも小のCONH不純物濃度とを有するTaからなる。インゴット212には、214および216に示すように、初期据え込み鍛造を行い、このとき、鍛造ダイスはインゴットの中心線(CL)に対して垂直な方向にある。ここで、インゴットには、214に示すように、押出しプレスにより、約288 mmの直径となるまで、初期プレスが行われる。インゴットは、銅合金で被覆して酸化を防止し、約800℃に保たれた雰囲気中で加熱される。ステップ216では、インゴットをCLに垂直にさらに据え込み鍛造する。この場合にも、インゴットは、銅合金で被覆したまま、プレスされ、ステップ216の結果として、インゴットの直径は約320 mmとなる。次に、インゴットには、218に示す押出しステップが実施され、ここで、インゴットを、小さな直径のダイス開口部を強制的に通し、得られるインゴットが約200 mmの直径を有するようにする。この場合にも、この作業は約800℃で実施する。注意すべきことは、CLをインゴットと得られる押出しインゴットとの中心に保ち、押し出しで使用する圧縮力(平坦表面で示すように)は、CLに垂直である、ということである。必要であれば、インゴットには、第二の押出し作業を実施することができ、それには、さらに小さなダイス開口部を使用して、第二の押し出しから得られるインゴットが約170 mmの直径を有するようにする。
次に、図7に示すように、押出しプロセスから得られるビレットをのこ引きその他によって必要長さに切断する。ここで、のこ引きされたビレット220は、約15.2 cm(6インチ)の直径とCLに沿って測定した高さ約4.763 cm(1.875インチ)を有する。次に、やはり図7に示すように、ビレットを回転させて、242、244、246、248および250で示すいろいろな一軸鍛造ステップを実施する。これらの一軸鍛造ステップは、すべて、ビレットのCLを圧縮力に平行にして、実施され、このステップ系列において、ビレットをその軸(CL)のまわりに回転させて、プレスし、ビレットが、最終的に、250に示す、約12.7 cm(5インチ)を有する実質的に円柱形のビレットとなるようにする。次に、このビレットを回転させて、そのCLが圧縮力と垂直になるようにしてから、必要な高さまでプレスし、この場合、CLに沿って測定して、約4.128 cm(1.625インチ)となるようにする。次に、このビレットを約1100℃で1時間、焼鈍する。
さらにまた、図7に示すように、このようにプレスしたビレットに262で示すようなクロックローリングを行い、このとき、ビレットのCLが、ローラーの圧縮はさみ部(nip)に対応する平面に垂直に保たれるようにする。約50%の断面減少率に達したならば、ロールパスの間に、約1100℃で1時間、中間焼鈍ステップを実施することができる。次に、ブランクをさらにクロックローリングして、さらに60%の断面減少率を与えたならば、約1000℃で、1時間、最終焼鈍することができる。ビレットのCLは、その平坦な上面に垂直であるようにする。
以上、本発明をそのいろいろな代表的実施形態に即して説明したが、明らかに、特許請求の範囲に定める本発明の範囲を逸脱することなく、変形および変更を行うことができる。
本発明のいろいろな実施形態を示す流れ図である。 実施例において製造したブランクのうち一つのものの{110}、{200}、{211}および{222}集合組織を示す極点図である。 実施例において製造したブランクのターゲット半径中点での厚さ全体にわたる電子後方散乱回折(EBSD)カラーマップである。 実施例において製造したブランクのうち一つのものの厚さ全体にわたる{111}/{100}集合組織勾配のグラフである。 実施例において製造したブランクの色分けされた反転極点図とともに示す、EBSDによるカラー集合組織マップである。 三つの集合組織の15°打ち切り収集データを示す、図4と同じデータ集合のEBSDカラーマップである。 本発明の一つの実施形態で使用される方法ステップのいくつかを示す模式工程図である。 本発明のいろいろな実施形態で使用される他の方法ステップを示す模式工程図である。
10 電子ビーム溶解インゴット
12 VARインゴット
20 押出しステップ
30 真空焼鈍ステップ
40 三軸鍛造ステップ
50 真空焼鈍ステップ
60 クロックローリングステップ
62 中間焼鈍ステップ
64 最終真空焼鈍ステップ
130 真空焼鈍ステップ
135 真空焼鈍ステップ
140 三軸鍛造ステップ
145 三軸鍛造ステップ
160 クロックローリング
162 中間焼鈍ステップ
164 最終焼鈍ステップ
212 インゴット
214 初期据え込み鍛造ステップ
216 初期据え込み鍛造ステップ
218 押出しステップ
220 ビレット
242 一軸鍛造ステップ
244 一軸鍛造ステップ
246 一軸鍛造ステップ
248 一軸鍛造ステップ
250 一軸鍛造ステップ
260 一軸鍛造ステップ
262 クロックローリングステップ
CL 中心線

Claims (6)

  1. Ta金属またはTa金属合金からスパッターターゲットを製造する方法であって、
    a) インゴットを準備するために当該Ta金属またはTa金属合金を電子ビーム溶解し、その後、当該インゴットを真空アーク炉で再溶解してＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する真空アーク再溶解インゴットを準備し、
    b) 当該真空アーク再溶解インゴットをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って順次に据え込み鍛造することにより三軸鍛造ステップを規定し、このとき、当該真空アーク再溶解インゴットが当該真空アーク再溶解インゴットの中心軸を定める中心線(CL)を有し、当該三軸鍛造時に当該CLが当該真空アーク再溶解インゴットの中心に保たれ、ここで、当該三軸鍛造ステップの少なくとも一部は加熱された状況下で実施され、そして、当該三軸鍛造が複数回実施され、
    c) それぞれの三軸鍛造ステップの後に当該真空アーク再溶解インゴットを真空焼鈍し、
    d) 当該真空アーク再溶解インゴットをクロックローリングし、このとき、当該CLが当該真空アーク再溶解インゴットの中心に保たれ、かつ当該クロックローリング時に使用される圧縮力に垂直であり、
    e) 当該クロックローリングの後に当該真空アーク再溶解インゴットを真空焼鈍し、
    f) 当該真空アーク再溶解インゴットに当該スパッターターゲットの作製に必要な形状を与える、
    各ステップを含み、
    ここで、ある厚さ寸法と、約５０〜１００μｍの結晶粒径と、当該厚さ寸法の中間部分全体にわたって５０％以上の｛１１１｝勾配を有する｛１００｝−｛１１１｝混合集合組織と、を有するTaスパッターターゲットが形成されることを特徴とする方法。
  2. それぞれの三軸鍛造の後に実施されるそれぞれの当該真空焼鈍ステップが950〜1300℃の温度で実施され、クロックローリングの後に実施される当該焼鈍が950〜1300℃の温度で実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 当該クロックローリングが、周囲温度において少なくとも50%の断面減少率となるまで実施される第一のクロックローリングを含むことを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 当該クロックローリングが、周囲温度において少なくともさらに60%の断面減少率が与えられるまで実施される第二のクロックローリングを含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 当該第一のクロックローリングの後に、当該真空アーク再溶解インゴットが950〜1200℃で焼鈍されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  6. 焼鈍ステップが当該第二のクロックローリングの後にも実施されることを特徴とする請求項5に記載の方法。
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