JP6859840B2 - Sputtering target - Google Patents
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Description
本発明は、スパッタリングターゲットに関し、特にSi3N4とSiO2とMgOの焼結体からなるスパッタリングターゲットに関する。 The present invention relates to a sputtering target, and more particularly to a sputtering target composed of a sintered body of Si 3 N 4 and SiO 2 and Mg O.
Si3N4(窒素珪素)とSiO2(二酸化珪素)とMgO(酸化マグネシウム)の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて成膜されたスパッタ膜は、熱に対して化学的に安定で、かつ硬度が高く耐摩耗性に優れている。このため、サーマルプリントヘッドの保護膜として利用されている。 The sputtered film formed using a sputtering target consisting of a sintered body of Si 3 N 4 (silicon nitrogen), SiO 2 (silicon dioxide) and MgO (magnesium oxide) is chemically stable to heat. Moreover, it has high hardness and excellent wear resistance. Therefore, it is used as a protective film for thermal print heads.
特許文献1には、サーマルプリントヘッドの保護層形成用のスパッタリングターゲットとして、Si3N4、SiO2、および平均粒径が0.5μm以上1.0μm以下で、含有率が0.1重量%以上5.0重量%以下のMgOを具備した粉体を焼結して製造されたものが開示されている。この特許文献1では、粉体の焼結を、粉体をコールドプレスして得た粉体の成形体を1気圧の窒素雰囲気中、1700℃前後にて数時間焼成することにより行っている。なお、この特許文献1に記載されている実施例で得られている最も密度が高いスパッタリングターゲットは、2.6g/cm3(理論密度比約90%)である(実施例1)。
Patent Document 1 describes Si 3 N 4 , SiO 2 as a sputtering target for forming a protective layer of a thermal print head, an average particle size of 0.5 μm or more and 1.0 μm or less, and a content of 0.1% by weight. A powder produced by sintering a powder containing MgO of 5.0% by weight or less is disclosed. In
ところで、サーマルプリントヘッドの生産効率を向上させるために、保護膜の成膜速度を高速化させることが望まれている。スパッタリングによる成膜速度を高速化させる方法としては、スパッタリング装置のスパッタパワーを高くする方法が有効である。
しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献1に記載されている従来のスパッタリングターゲットは、スパッタパワーを高くすると、割れやクラックが発生しやすくなり、均一なスパッタ膜を成膜することが困難となる場合があった。
By the way, in order to improve the production efficiency of the thermal print head, it is desired to increase the film forming speed of the protective film. As a method of increasing the film forming speed by sputtering, a method of increasing the sputtering power of the sputtering apparatus is effective.
However, according to the study of the present inventor, in the conventional sputtering target described in
割れやクラックの発生を抑制する方法として、スパッタリングターゲットを緻密にすること、すなわち密度を高くすることが考えられる。しかしながら、本発明者が、粉体の成形体を大気雰囲気中で焼成する方法によって作製したスパッタリングターゲットは、密度は高くなったが、高いスパッタパワーでの割れやクラックの発生抑制効果は不十分であった。 As a method of suppressing the occurrence of cracks and cracks, it is conceivable to make the sputtering target denser, that is, to increase the density. However, although the sputtering target produced by the present inventor by the method of firing a compact of powder in an air atmosphere has a high density, the effect of suppressing cracks and cracks at high sputtering power is insufficient. there were.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、Si3N4とSiO2とMgOの焼結体からなるスパッタリングターゲットであって、高いスパッタパワーでも成膜しても割れやクラックが発生しにくいスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is a sputtering target composed of a sintered body of Si 3 N 4 and SiO 2 and Mg O, and cracks or cracks even if a film is formed even with a high sputtering power. It is an object of the present invention to provide a sputtering target in which
上記の課題を解決するために、本発明のスパッタリングターゲットは、Si3N4とSiO2とMgOの焼結体からなり、密度が2.70g/cm3を超え、前記Si3N4はβ分率が7%以下であることを特徴としている。Si3N4は、α相(低温相)とβ相(高温相)の二つ相を有し、熱膨張係数はα相の方が大きい。α相は三方晶系であり、β相は六方晶系である。α相からβ相への相転移は1400〜1600℃の温度で起こるとされている。 In order to solve the above problems, the sputtering target of the present invention comprises a sintered body of Si 3 N 4 and SiO 2 and Mg O, and the density exceeds 2.70 g / cm 3 , and the Si 3 N 4 is β. It is characterized in that the fraction is 7% or less. Si 3 N 4 has two phases, an α phase (low temperature phase) and a β phase (high temperature phase), and the coefficient of thermal expansion is larger in the α phase. The α phase is trigonal and the β phase is hexagonal. The phase transition from the α phase to the β phase is said to occur at a temperature of 1400 to 1600 ° C.
このような構成とされた本発明のスパッタリングターゲットは、密度が2.70g/cm3を超えており、緻密でターゲット内部に存在する空孔が少ないので、高いスパッタパワーで成膜しても、空孔を起点とした割れやクラックが生じにくくなる。また、Si3N4はβ分率が7%以下とされ、β相よりも熱膨張係数が高いα相が相対的に多く含まれているので、高いスパッタパワーで成膜しても、スパッタリングターゲットの熱膨張による割れやクラックが生じにくくなる。このように本発明のスパッタリングターゲットは、高いスパッタパワーで成膜しても割れやクラックが発生しにくいので、高いスパッタパワーで安定にスパッタ膜を成膜することが可能となる。 The sputtering target of the present invention having such a configuration has a density of more than 2.70 g / cm 3 and is dense and has few pores existing inside the target. Therefore, even if a film is formed with high sputtering power. Cracks and cracks starting from holes are less likely to occur. Further, Si 3 N 4 has a β fraction of 7% or less and contains a relatively large amount of α phase having a higher coefficient of thermal expansion than β phase, so that even if a film is formed with high sputtering power, sputtering is performed. Cracks and cracks due to thermal expansion of the target are less likely to occur. As described above, the sputtering target of the present invention is less likely to cause cracks or cracks even if a film is formed with a high sputtering power, so that a sputtering film can be stably formed with a high sputtering power.
本発明によれば、Si3N4とSiO2とMgOの焼結体からなるスパッタリングターゲットであって、高いスパッタパワーでも成膜しても割れやクラックが発生しにくいスパッタリングターゲットを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a sputtering target composed of a sintered body of Si 3 N 4 and SiO 2 and Mg O, which is less likely to crack or crack even if a film is formed even with a high sputtering power. It will be possible.
以下に、本発明の実施形態であるスパッタリングターゲットについて説明する。
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、例えばサーマルプリントヘッドの保護層をスパッタによって成膜する際に用いられるものである。
The sputtering target according to the embodiment of the present invention will be described below.
The sputtering target according to the present embodiment is used, for example, when a protective layer of a thermal print head is formed by sputtering.
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、Si3N4とSiO2とMgOの焼結体からなる。スパッタリングターゲット組織のSi3N4とMgOは、それぞれ均一に分散もしくは固溶していることが好ましい。さらに、SiO2も均一に分散もしくは固溶していることが好ましい。すなわち、スパッタリングターゲット組織中にSi3N4、SiO2、MgOの明らかな結晶粒子が見られないことが好ましい。Si3N4、SiO2、MgOの結晶粒子は、EPMA(電子線マイクロアナライザ)による元素マッピング分析によって確認することができる。スパッタリングターゲット組織が不均一であると、スパッタリングによってスパッタリングターゲットの表面の温度が上昇したときに、Si3N4とSiO2とMgOの熱膨張差に起因する熱応力によって割れやクラックが発生しやすくなるおそれがある。 The sputtering target according to this embodiment is composed of a sintered body of Si 3 N 4 and SiO 2 and Mg O. It is preferable that Si 3 N 4 and Mg O of the sputtering target structure are uniformly dispersed or solid-solved, respectively. Further, it is preferable that SiO 2 is also uniformly dispersed or solid-solved. That is, it is preferable that no clear crystal particles of Si 3 N 4 , SiO 2 , and Mg O are found in the sputtering target structure. Crystal particles of Si 3 N 4 , SiO 2 , and MgO can be confirmed by element mapping analysis by EPMA (electron probe microanalyzer). If the sputtering target structure is non-uniform, cracks and cracks are likely to occur due to thermal stress caused by the difference in thermal expansion between Si 3 N 4 and SiO 2 and Mg O when the temperature of the surface of the sputtering target rises due to sputtering. There is a risk of becoming.
また、本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、密度が2.7g/cm3を超える値とされている。ここで、密度は、スパッタリングターゲットの質量と寸法を測定し、測定した質量を、測定した寸法から求めたスパッタリングターゲットの体積で除することによって求めた実測密度である。
密度は焼結体の緻密性を指標する。すなわち、密度が高いことは、緻密で空孔が少ないことを意味する。スパッタリングターゲットの密度が2.7g/cm3以下となると、高いスパッタパワーで成膜したときに、空孔を起点とした割れやクラックが生じやすくなるおそれがある。このため、本実施形態では、スパッタリングターゲットの密度を2.7g/cm3を超える値と設定している。密度の上限は特に制限はないが、密度は、通常は、3.0g/cm3以下である。
Further, the sputtering target according to the present embodiment has a density of more than 2.7 g / cm 3. Here, the density is an actually measured density obtained by measuring the mass and dimensions of the sputtering target and dividing the measured mass by the volume of the sputtering target obtained from the measured dimensions.
Density is an index of the compactness of the sintered body. That is, high density means that it is dense and has few pores. When the density of the sputtering target is 2.7 g / cm 3 or less, cracks or cracks starting from pores may easily occur when the film is formed with high sputtering power. Therefore, in the present embodiment, the density of the sputtering target is set to a value exceeding 2.7 g / cm 3. The upper limit of the density is not particularly limited, but the density is usually 3.0 g / cm 3 or less.
本実施形態に係るスパッタリングターゲットの密度は、理論密度に対する密度比[=(実測密度/理論密度)×100]として90%以上であることが好ましい。
この場合、スパッタリングターゲットはより緻密で空孔が少ないので、高いスパッタパワーで成膜したときに、空孔を起点とした割れやクラックが生じにくくなる。
The density of the sputtering target according to the present embodiment is preferably 90% or more as a density ratio [= (measured density / theoretical density) × 100] with respect to the theoretical density.
In this case, since the sputtering target is denser and has fewer pores, cracks and cracks starting from the pores are less likely to occur when the film is formed with high sputtering power.
さらに、本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、Si3N4のβ分率が7%以下とされている。Si3N4結晶形態にはα相とβ相があり、α相は相対的に熱膨張係数が高いことが知られている。Si3N4のβ分率が7%を超えると、スパッタリングによってスパッタリングターゲットの表面の温度が上昇したときに、Si3N4とSiO2とMgOの熱膨張差に起因する熱応力によって割れやクラックが発生しやすくなるおそれがある。このため、本実施形態では、Si3N4のβ分率を7%以下と設定している。β分率の下限は特に制限はないが、β分率は、通常は、3%以上である。 Further, the sputtering target according to the present embodiment has a β fraction of Si 3 N 4 of 7% or less. Si 3 N 4 in the crystalline form has alpha phase and β-phase, alpha-phase is known to be relatively thermal expansion coefficient is high. When the β fraction of Si 3 N 4 exceeds 7%, when the temperature of the surface of the sputtering target rises due to sputtering, cracks occur due to thermal stress caused by the thermal expansion difference between Si 3 N 4 and SiO 2 and MgO. Cracks may easily occur. Therefore, in the present embodiment, the β fraction of Si 3 N 4 is set to 7% or less. The lower limit of the β fraction is not particularly limited, but the β fraction is usually 3% or more.
なお、Si3N4のβ分率は、例えば、次のようにして測定することができる。
スパッタリングターゲットのX線回折パターンから、α相とβ相のメインピークをそれぞれ3つ選び、それらの強度比から算出する。具体的には、Si3N4のα相の(101)面のピーク強度α1と(201)面のピーク強度α2と(301)面のピーク強度α3、およびβ相の(200)面のピーク強度β1と(101)面のピーク強度β2と(120)面のピーク強度β3をそれぞれ計測する。そして、β分率(%)を下記の式(1)を用いて算出する。
β分率={(β1+β2+β3)/(α1+α2+α3+β1+β2+β3)}×100・・・(1)
The β fraction of Si 3 N 4 can be measured, for example, as follows.
Three main peaks of α phase and β phase are selected from the X-ray diffraction pattern of the sputtering target, and calculated from their intensity ratios. Specifically, the peak intensity α1 on the (101) plane of the α phase of Si 3 N 4 , the peak intensity α2 on the (201) plane, the peak intensity α3 on the (301) plane, and the peak on the (200) plane of the β phase. The intensity β1, the peak intensity β2 on the (101) plane, and the peak intensity β3 on the (120) plane are measured, respectively. Then, the β fraction (%) is calculated using the following formula (1).
β fraction = {(β1 + β2 + β3) / (α1 + α2 + α3 + β1 + β2 + β3)} × 100 ... (1)
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、例えば、原料粉末を混合して原料粉末混合物を調製する原料粉末混合物調製工程と、得られた原料粉末混合物を焼成して焼結させる焼結工程と、得られた焼結体に対して機械加工を行う機械加工工程とを有する方法によって製造することができる。 The sputtering target according to the present embodiment is obtained, for example, a raw material powder mixture preparation step of mixing raw material powders to prepare a raw material powder mixture, and a sintering step of firing and sintering the obtained raw material powder mixture. It can be manufactured by a method having a machining process of machining the sintered body.
(原料粉末混合物調製工程)
原料粉末として、Si3N4粉末とSiO2粉末とMgO粉末を用意する。これらの原料粉末はそれぞれ、純度が99.9質量%以上であることが好ましい。また平均粒子径はそれぞれ、0.1μm以上10μm以下の範囲にあることが好ましい。Si3N4粉末は、α分率が95%以上であることが好ましい。
(Raw material powder mixture preparation process)
As raw material powders, preparing a Si 3 N 4 powder and SiO 2 powder and MgO powder. Each of these raw material powders preferably has a purity of 99.9% by mass or more. The average particle size is preferably in the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less, respectively. The Si 3 N 4 powder preferably has an α fraction of 95% or more.
この焼結体のSi3N4とSiO2とMgOの混合比は、全体を100%とした比率として、Si3N4が60質量%以上80質量%以下の範囲にあって、MgOが0.1質量%以上2質量%以下の範囲にあり、残部がSiO2となる割合であることが好ましい。
The mixing ratio of Si 3 N 4 and SiO 2 and Mg O of this sintered body is in the range of 60% by mass or more and 80% by mass or less of Si 3
Si3N4はSiO2やMgOと比較してスパッタリングに対する強度が高い。このため、Si3N4の混合比が60質量%以上であると、高いスパッタパワーで成膜しても割れやクラックが生じにくいスパッタリングターゲットを製造しやすくなる。一方、Si3N4の含有比が80質量%以下であると、原料粉末混合物の焼結性が向上するので、密度の高いスパッタリングターゲットを製造しやすくなる。 Si 3 N 4 has higher strength against sputtering than SiO 2 and MgO. Therefore, when the mixing ratio of Si 3 N 4 is 60% by mass or more, it becomes easy to manufacture a sputtering target in which cracks and cracks are unlikely to occur even if a film is formed with a high sputtering power. On the other hand, when the content ratio of Si 3 N 4 is 80% by mass or less, the sinterability of the raw material powder mixture is improved, so that it becomes easy to manufacture a high-density sputtering target.
MgOは、焼結助剤として作用し、スパッタリングターゲットの密度を高める効果を有する材料である。MgOの混合比が0.1質量%以上であると、密度の高いスパッタリングターゲットを製造しやすくなる。一方、MgOの混合比が高くなりすぎると、Si3N4のα相からβ相への相転移を促進させてしまうおそれがある。Si3N4のα相からβ相への相転位を抑制する観点から、MgOの混合比は2質量%以下であることが好ましい。 MgO is a material that acts as a sintering aid and has the effect of increasing the density of the sputtering target. When the mixing ratio of MgO is 0.1% by mass or more, it becomes easy to manufacture a high-density sputtering target. On the other hand, if the mixing ratio of MgO becomes too high , the phase transition of Si 3 N 4 from the α phase to the β phase may be promoted. From the viewpoint of suppressing the phase transition of Si 3 N 4 from the α phase to the β phase, the mixing ratio of MgO is preferably 2% by mass or less.
原料粉末の混合は、乾式で行ってもよいし、湿式で行ってもよい。混合装置としては、ボールミルなどの粉末の混合に用いられている通常の混合装置を用いることができる。 The raw material powder may be mixed by a dry method or a wet method. As the mixing device, a normal mixing device used for mixing powders such as a ball mill can be used.
(焼結工程)
焼結工程では、原料粉末混合物調製工程で得られた原料粉末混合物を加熱して焼結させる。原料粉末混合物の焼結法としては、ホットプレスを用いる。ホットプレス法は、原料粉末混合物を型に充填し、1軸方向に加圧しながら加熱することよって、原料粉末混合物を焼結させる方法である。Si3N4のα相からβ相への相転移は、上述のとおり、1400〜1600℃の温度で起こるとされている。従って、Si3N4のα相からβ相への相転移を抑制するためには、原料粉末混合物の加熱温度は低いことが好ましい。ホットプレスを用いることによって、加圧を行わない常圧焼結と比較して低温で原料粉末混合物を焼結させることができるので、Si3N4のα相からβ相への相転位を抑制することが可能となる。常圧焼結の場合、例えば特許文献1では1700℃前後の高温で焼結されている。
(Sintering process)
In the sintering step, the raw material powder mixture obtained in the raw material powder mixture preparation step is heated and sintered. A hot press is used as the sintering method of the raw material powder mixture. The hot press method is a method of sintering a raw material powder mixture by filling a mold with the raw material powder mixture and heating while pressurizing in the uniaxial direction. As described above, the phase transition of Si 3 N 4 from the α phase to the β phase is said to occur at a temperature of 1400 to 1600 ° C. Therefore, in order to suppress the phase transition of Si 3 N 4 from the α phase to the β phase, it is preferable that the heating temperature of the raw material powder mixture is low. By using a hot press, the raw material powder mixture can be sintered at a lower temperature than normal pressure sintering without pressurization, so that the phase transition of Si 3 N 4 from the α phase to the β phase is suppressed. It becomes possible to do. In the case of atmospheric pressure sintering, for example, in
ホットプレスは真空雰囲気で行うことが好ましい。加圧の圧力(プレス圧)は、9.8MPa以上であることが好ましい。プレス圧の上限は特に制限はないが、プレス圧は、通常、100MPa以下である。加熱温度は、1500℃以上であることが好ましい。加熱温度の上限は特に制限はないが、加熱温度は、Si3N4のα相からβ相への相転移を抑制する観点から、1600℃以下とすることが好ましい。焼結時間は、上記のプレス圧や加熱温度および原料粉末混合物の組成などの条件によって変動するため、一律に定めることはできないが、一般に1時間以上5時間以下の範囲である。 The hot press is preferably performed in a vacuum atmosphere. The pressurizing pressure (press pressure) is preferably 9.8 MPa or more. The upper limit of the press pressure is not particularly limited, but the press pressure is usually 100 MPa or less. The heating temperature is preferably 1500 ° C. or higher. The upper limit of the heating temperature is not particularly limited, but the heating temperature is preferably 1600 ° C. or lower from the viewpoint of suppressing the phase transition of Si 3 N 4 from the α phase to the β phase. The sintering time varies depending on the above-mentioned conditions such as the press pressure, the heating temperature, and the composition of the raw material powder mixture, and therefore cannot be uniformly determined, but is generally in the range of 1 hour or more and 5 hours or less.
(機械加工工程)
機械加工工程では、焼結工程で得られた焼結体に対して、切削加工又は研削加工を施すことにより、所定形状のスパッタリングターゲットに加工する。
(Machining process)
In the machining step, the sintered body obtained in the sintering step is cut or ground to be processed into a sputtering target having a predetermined shape.
以上のような工程により、本実施形態であるスパッタリングターゲットが製造される。このスパッタリングターゲットは、はんだ材を用いてバッキングプレートに接合して使用される。 The sputtering target according to the present embodiment is manufactured by the above steps. This sputtering target is used by joining it to a backing plate using a solder material.
以上のような構成とされた本実施形態であるスパッタリングターゲットによれば、密度が2.70g/cm3を超えており、緻密でターゲット内部に存在する空孔が少ないので、高いスパッタパワーで成膜しても、空孔を起点とした割れやクラックが生じにくくなる。また、Si3N4はβ分率が7%以下とされ、β相よりも熱膨張係数が高いα相が相対的に多く含まれているので、高いスパッタパワーで成膜しても、スパッタリングターゲットの熱膨張による割れやクラックが生じにくくなる。このように本実施形態のスパッタリングターゲットは、割れやクラックが発生しにくくなるので、高いスパッタパワーにおいても安定にスパッタ膜を成膜することが可能となる。 According to the sputtering target of the present embodiment having the above configuration, the density exceeds 2.70 g / cm 3 , and the density is dense and there are few pores existing inside the target, so that the sputtering power is high. Even if the film is used, cracks and cracks starting from the pores are less likely to occur. Further, Si 3 N 4 has a β fraction of 7% or less and contains a relatively large amount of α phase having a higher coefficient of thermal expansion than β phase, so that even if a film is formed with high sputtering power, sputtering is performed. Cracks and cracks due to thermal expansion of the target are less likely to occur. As described above, since the sputtering target of the present embodiment is less likely to cause cracks and cracks, it is possible to stably form a sputtering film even at a high sputtering power.
なお、本実施形態のスパッタリングターゲットのサイズは、特に限定されないが、本実施形態のスパッタリングターゲットは、強度が高いため大型とすることが可能となる。例えば、円板形スパッタリングターゲットの場合、スパッタリングされるスパッタ面の直径を150mm以上とすることができる。 The size of the sputtering target of the present embodiment is not particularly limited, but the sputtering target of the present embodiment can be made large because of its high strength. For example, in the case of a disk-shaped sputtering target, the diameter of the sputtered surface to be sputtered can be 150 mm or more.
以下に、本発明に係るスパッタリングターゲットの作用効果について評価した評価試験の結果について説明する。 The results of the evaluation test for evaluating the action and effect of the sputtering target according to the present invention will be described below.
[本発明例1]
原料粉末としてSi3N4粉末(宇部興産(株):SN−E10、平均粒子径:0.5μm、平均粒子径:0.5μm、α分率:96.6%)と、SiO2粉末((株)アドマテックス:SO−E5/24C、平均粒子径:1.8μm)と、MgO粉末((株)高純度化学研究所:MgO Powder、平均粒子径:7μm)を用意した。
用意したSi3N4粉末と、SiO2粉末と、MgO粉末とを質量%で、74.6:24.9:0.5(Si3N4:SiO2:MgO)となる混合比で、ボールミルを用いて混合した。得られた原料粉末混合物を型に充填し、真空雰囲気下にて、ホットプレスを行って、粉末混合物を焼結させた。焼結条件は、加熱温度1500℃、プレス圧34.3Mpa、加熱時間を2時間とした。
[Example 1 of the present invention]
As raw material powder, Si 3 N 4 powder (Ube Kosan Co., Ltd .: SN-E10, average particle size: 0.5 μm, average particle size: 0.5 μm, α fraction: 96.6%) and SiO 2 powder ( Admatex Co., Ltd .: SO-E5 / 24C, average particle size: 1.8 μm) and MgO powder (High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd .: MgO Powerer, average particle size: 7 μm) were prepared.
The prepared Si 3 N 4 powder, SiO 2 powder, and MgO powder are mixed in mass% at a mixing ratio of 74.6: 24.9: 0.5 (Si 3 N 4 : SiO 2 : MgO). Mixing was performed using a ball mill. The obtained raw material powder mixture was filled in a mold, and a hot press was performed in a vacuum atmosphere to sinter the powder mixture. The sintering conditions were a heating temperature of 1500 ° C., a press pressure of 34.3 Mpa, and a heating time of 2 hours.
得られた焼結体を、機械加工により、直径150mm、厚さ6mmの円板に加工して、スパッタリングターゲットを製作した。 The obtained sintered body was machined into a disk having a diameter of 150 mm and a thickness of 6 mm to produce a sputtering target.
[本発明例2〜9、比較例1〜16]
原料粉末の混合比を、下記の表1に記載の割合とし、ホットプレスによる焼結条件を下記の表1に記載の条件としたこと以外は、本発明例1と同様にしてスパッタリングターゲットを製作した。
[Examples 2 to 9 of the present invention, Comparative Examples 1 to 16]
A sputtering target was produced in the same manner as in Example 1 of the present invention, except that the mixing ratio of the raw material powder was set to the ratio shown in Table 1 below and the sintering conditions by hot pressing were set to the conditions shown in Table 1 below. did.
[比較例17〜19]
原料粉末の混合比を、下記の表1に記載の割合とした。得られた原料粉末混合物を型に充填し、プレスして成形体を得た。得られた成形体を、常圧焼結によって焼結させた。焼結条件は、大気雰囲気中、焼成温度1650℃、焼成時間を2時間とした。そして、得られた焼結体を、機械加工により、直径150mm、厚さ6mmの円板に加工して、スパッタリングターゲットを製作した。
[Comparative Examples 17 to 19]
The mixing ratio of the raw material powder was set to the ratio shown in Table 1 below. The obtained raw material powder mixture was filled in a mold and pressed to obtain a molded product. The obtained molded product was sintered by atmospheric pressure sintering. The sintering conditions were an air atmosphere, a firing temperature of 1650 ° C., and a firing time of 2 hours. Then, the obtained sintered body was machined into a disk having a diameter of 150 mm and a thickness of 6 mm to produce a sputtering target.
[評価]
本発明例1〜9および比較例1〜19で作製したスパッタリングターゲットについて、下記の評価を行った。その結果を表1に示す。
[Evaluation]
The sputtering targets prepared in Examples 1 to 9 of the present invention and Comparative Examples 1 to 19 were evaluated as follows. The results are shown in Table 1.
(理論密度)
スパッタリングターゲットの理論密度(g/cm3)を、原料粉末の密度と混合比から下記の式を用いて算出した。
理論密度=100/{(Wa/Da)+(Wb/Db)+(Wc/Dc)}
WaはSi3N4粉末の混合比(質量%)、DaはSi3N4粉末の理論密度(3.44g/cm3)、WbはSiO2粉末の混合比(質量%)、DbはSiO2粉末の理論密度(2.2g/cm3)、WcはMgO粉末の混合比(質量%)、DcはMgO粉末の理論密度(3.65g/cm3)である。
(Theoretical density)
The theoretical density (g / cm 3 ) of the sputtering target was calculated from the density and mixing ratio of the raw material powder using the following formula.
Theoretical density = 100 / {(Wa / Da) + (Wb / Db) + (Wc / Dc)}
Wa is the mixing ratio of Si 3 N 4 powder (mass%), Da is the theoretical density of Si 3 N 4 powder (3.44 g / cm 3 ), Wb is the mixing ratio of SiO 2 powder (mass%), and Db is SiO. 2 The theoretical density of the powder (2.2 g / cm 3 ), Wc is the mixing ratio (mass%) of the MgO powder, and Dc is the theoretical density of the MgO powder (3.65 g / cm 3 ).
(実測密度)
スパッタリングターゲットの質量を測定した。測定した質量を、スパッタリングターゲットの直径と厚さから求めた体積で除して実測密度を算出した。
(Actual measurement density)
The mass of the sputtering target was measured. The measured density was calculated by dividing the measured mass by the volume obtained from the diameter and thickness of the sputtering target.
(密度比)
スパッタリングターゲットの密度比(%)を、下記の式より算出した。
密度比=(実測密度/理論密度)×100
(Density ratio)
The density ratio (%) of the sputtering target was calculated from the following formula.
Density ratio = (measured density / theoretical density) x 100
(β分率)
スパッタリングターゲットのX線回折パターンを、Cu−Kα線をX線源とし、ブラッグ−ブレンターノ集中光学系を基礎としたX線回折装置を用い、θ/2θ法により測定した。
得られたX線回折パターンから、Si3N4のα相の(101)面、(201)面、(301)面のピーク強度、β相の(200)面、(101)面、(120)面のピーク強度をそれぞれ計測した。そして、Si3N4のβ分率を、上記の式(1)を用いて算出した。
(Β fraction)
The X-ray diffraction pattern of the sputtering target was measured by the θ / 2θ method using an X-ray diffractometer based on the Bragg-Brentano centralized optical system using Cu-Kα rays as the X-ray source.
From the obtained X-ray diffraction pattern, the peak intensities of the α phase (101) plane, (201) plane, and (301) plane of Si 3 N 4 and the (200) plane, (101) plane, and (120) plane of the β phase. ) The peak intensities of the surfaces were measured respectively. Then, the β fraction of Si 3 N 4 was calculated using the above formula (1).
(組織均一性)
スパッタリングターゲットのスパッタ面の組織均一性を、SEM(走査型電子顕微鏡)による観察と、EPMA(電子線マイクロアナライザ)による元素マッピング分析により評価した。スパッタ面の元素分布からMgOが偏在していることが明らかに確認できるものを「×」とし、MgOが偏在していることが明らかには確認できないものを「○」とした。
(Tissue uniformity)
The texture uniformity of the sputtered surface of the sputtering target was evaluated by observation with an SEM (scanning electron microscope) and element mapping analysis with an EPMA (electron probe microanalyzer). Those in which it can be clearly confirmed that MgO is unevenly distributed from the element distribution on the sputtered surface are marked with "x", and those in which it cannot be clearly confirmed that MgO is unevenly distributed are marked with "○".
図1に本発明例1で作製したスパッタリングターゲットのスパッタ面の元素分布図を、図2に比較例11で作製したスパッタリングターゲットのスパッタ面の元素分布図を示す。
図1の元素分布図と図2の元素分布図とを比較すると、N(窒素)、O(酸素)、Mg(マグネシウム)、Si(ケイ素)のいずれの元素についても、図1の元素分布図の方が、白黒の濃淡の差が小さい。従って、本発明例1で作製したスパッタリングターゲットは、比較例11で作製したスパッタリングターゲットと比較して、Si3N4、MgO、SiO2が均一に分散しており、組織均一性が高いことが分かる。
FIG. 1 shows an element distribution diagram of the sputtered surface of the sputtering target produced in Example 1 of the present invention, and FIG. 2 shows an element distribution diagram of the sputtered surface of the sputtering target produced in Comparative Example 11.
Comparing the element distribution map of FIG. 1 with the element distribution map of FIG. 2, the element distribution map of FIG. 1 is obtained for any of the elements N (nitrogen), O (oxygen), Mg (magnesium), and Si (silicon). Has a smaller difference in shades of black and white. Therefore, the sputtering target produced in Example 1 of the present invention, compared with the sputtering target produced in Comparative Example 11, Si 3 N 4, MgO ,
(スパッタ試験)
スパッタリングターゲットを、バッキングプレートにハンダ材を用いて接合し、スパッタリング装置(日本真空(ULVAC)製、SIH−450)のチャンバーにセットした。チャンバー内を1×10−4Paまで排気した後に、スパッタガスとしてArガスを用いて、流量50sccm、圧力0.67Paとし、スパッタ電源に高周波電源を用いて、スパッタパワーとして750W(4.2W/cm2)と1500W(8.5W/cm2)の2条件でスパッタリング試験を実施した。スパッタリング試験は、上記の条件で5時間スパッタした後、ターゲットの状態を目視で観察することで良否判断を行った。割れやクラックが見られなかったものを「○」とし、プラズマ形状に沿って細いクラックが目視で1個でも見られたものを「△」とし、ターゲット全体がばらばらに割れたものを「×」とした。
(Sputter test)
The sputtering target was joined to the backing plate using a solder material, and set in the chamber of a sputtering apparatus (manufactured by Nippon Vacuum (ULVAC), SIH-450). After exhausting the inside of the chamber to 1 × 10 -4 Pa, Ar gas was used as the sputtering gas to set the flow rate to 50 sccm and the pressure to 0.67 Pa. The sputtering test was carried out under two conditions of cm 2 ) and 1500 W (8.5 W / cm 2). In the sputtering test, after sputtering for 5 hours under the above conditions, a good or bad judgment was made by visually observing the state of the target. “○” indicates no cracks or cracks, “△” indicates that even one small crack is visually observed along the plasma shape, and “×” indicates that the entire target is broken apart. And said.
表1の結果から、密度が2.70g/cm3を超え、Si3N4のβ分率が7%以下である本発明例1〜9のスパッタリングターゲットは、スパッタパワーが750Wおよび1500Wのいずれの場合でも割れやクラックは発生せず、安定にスパッタ膜を成膜することができることが確認された。これに対して、密度が2.70g/cm3以下あるいはSi3N4のβ分率が7%を超える比較例1〜19のスパッタリングターゲットは、スパッタパワーが750Wの場合は、割れやクラックは発生しなかったが、スパッタパワーが1500Wとなると割れあるいはクラックが発生し、安定にスパッタ膜を成膜することができなかった。 From the results in Table 1, the sputtering targets of Examples 1 to 9 of the present invention having a density of more than 2.70 g / cm 3 and a β fraction of Si 3 N 4 of 7% or less have a sputtering power of either 750 W or 1500 W. It was confirmed that cracks and cracks did not occur even in the case of, and a sputter film could be stably formed. On the other hand, the sputtering targets of Comparative Examples 1 to 19 having a density of 2.70 g / cm 3 or less or a β fraction of Si 3 N 4 exceeding 7% had cracks or cracks when the sputtering power was 750 W. Although it did not occur, cracks or cracks occurred when the sputtering power became 1500 W, and the sputtering film could not be stably formed.
Claims (1)
密度が2.70g/cm3を超え、前記Si3N4はβ分率が7%以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。 It consists of a sintered body of Si 3 N 4 and SiO 2 and MgO.
Sputtering target density exceeds 2.70 g / cm 3, the Si 3 N 4 is characterized in that β fraction is less than 7%.
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