JP7110749B2

JP7110749B2 - ＭｏＮｂターゲット材

Info

Publication number: JP7110749B2
Application number: JP2018115830A
Authority: JP
Inventors: 淳福岡; 大輔青木; 和也斉藤; 英上野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-06-19
Also published as: TW201907023A; TWI674325B; CN109207941A; KR102161580B1; CN109207941B; JP2019065383A; KR20190005120A

Description

本発明は、例えば、平面画像表示装置の配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜となるＭｏＮｂ薄膜の形成に用いるＭｏＮｂターゲット材に関するものである。

平面画像表示装置の一種である薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」という。）型液晶ディスプレイ等の配線薄膜や電極薄膜は、低い電気抵抗値（以下、「低抵抗」という。）を有するＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の純金属からなる薄膜や、それらの合金からなる薄膜が用いられている。これらの配線薄膜や電極薄膜は、製造工程によっては加熱工程を伴う場合があり、配線や電極として要求される耐熱性、耐食性、密着性のいずれかが劣るという問題や、上記の合金を構成する元素間で拡散層を形成してしまい、必要な電気的特性が失われる等の問題が生じる場合がある。

これらの問題を解決するために、上記の配線薄膜や電極薄膜に対する下地膜やカバー膜として、高融点金属である純ＭｏやＭｏ合金が使用されるようになってきている。特に、Ａｌ系の配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜には、ＭｏＮｂ等のＭｏ合金薄膜が使用されており、このＭｏ合金薄膜を形成するためのターゲット材に関しては、例えば、特許文献１のような提案がなされている。
この特許文献１は、機械加工時に、割れや欠けが発生する可能性の高い、Ｍｏ合金ターゲットにおいて、硬さのばらつきを低減することが提案されており、切削工具のチップの摩耗や破損を抑制しつつ、Ｍｏ合金ターゲット材本体の破損を抑制することができるという点で有用な技術である。

特開２０１６－１８８３９４号公報

本発明者は、特許文献１に記載のあるＭｏ合金としてＭｏＮｂを採用し、ＭｏＮｂターゲット材（以下、単に「ターゲット材」ともいう。）を用いてＭｏＮｂ薄膜を形成すると、そのＭｏＮｂ薄膜の比抵抗が高くなる（以下、「高抵抗」という。）という新たな問題が生じる場合があることを確認した。そして、この高抵抗という問題は、上記した配線薄膜や電極薄膜が具備する低抵抗という本来の機能を阻害してしまい、ＴＦＴ特性の不安定化といった平面画像表示装置の信頼性に悪影響を及ぼす場合がある。

また、本発明者は、成膜速度の向上を目的に、上記のターゲット材を用いて高電力でスパッタリングをすると、積算電力の増大に伴い、ターゲット材の表面粗さが大きくなり、ターゲット材のスパッタリング面にノジュールが生成される場合があることも確認した。そして、このノジュールの問題は、得られるＭｏＮｂ薄膜にパーティクルが付着してしまい、ＴＦＴ特性の不安定化といった平面画像表示装置の信頼性に悪影響を及ぼす場合がある。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜に生じる高抵抗の問題と、スパッタリングにおけるターゲット材の表面粗さに起因するノジュールの問題を解決し、低抵抗で安定したＴＦＴ特性が得られる平面画像表示装置に好適なＭｏＮｂ薄膜を形成可能なターゲット材を提供することである。

本発明のＭｏＮｂターゲット材は、Ｎｂを５原子％～３０原子％含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなる組成を有し、スパッタリング面の２０００００μｍ^２当たりで、７０μｍを超える最大長を有するＮｂ相が１．０個未満である。

また、本発明のＭｏＮｂターゲット材は、前記スパッタリング面の２０００００μｍ^２当たりで、Ｎｂ相の平均円相当径が１５μｍ～６５μｍであることが好ましい。

本発明のターゲット材は、形成されるＭｏＮｂ薄膜の比抵抗が高くなることを抑制できる。また、本発明のターゲット材は、高電力でのスパッタリング後においても、スパッタリング面が平滑であるため、ノジュールの生成を抑制することができる。
これにより、本発明は、パーティクルの付着が抑制され、低抵抗で平面画像表示装置の配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜に好適なＭｏＮｂ薄膜が形成可能となり、例えば、ＴＦＴ型液晶ディスプレイ等の製造に有用な技術となる。

スパッタリング前の本発明例１となるターゲット材のスパッタリング面を走査型電子顕微鏡で観察した写真。スパッタリング前の本発明例２となるターゲット材のスパッタリング面を走査型電子顕微鏡で観察した写真。スパッタリング前の比較例となるターゲット材のスパッタリング面を走査型電子顕微鏡で観察した写真。スパッタリング後の本発明例１となるターゲット材のスパッタリング面を光学顕微鏡で観察した写真。スパッタリング後の本発明例２となるターゲット材のスパッタリング面を光学顕微鏡で観察した写真。スパッタリング後の比較例となるターゲット材のスパッタリング面を光学顕微鏡で観察した写真。

本発明のターゲット材は、スパッタリング面の２０００００μｍ^２当たりで、７０μｍを超える最大長を有するＮｂ相を１．０個未満とする。すなわち、本発明のターゲット材は、Ｍｏよりもスパッタリング率の低いＮｂを、最大長が７０μｍ以下という粗大化していない状態でターゲット材の組織中に存在させている。これにより、本発明のターゲット材は、得られるＭｏＮｂ薄膜の比抵抗が高くなることを抑制できるという効果を奏する。そして、本発明のターゲット材は、成膜速度の向上を目的に、高電力でスパッタリングした際にも、ＭｏとＮｂが均一にスパッタリングされるため、スパッタリング面の表面粗さの増大が抑制され、ノジュールの生成を抑制できるという効果も奏する。
また、上記と同様の理由から、本発明のターゲット材は、そのスパッタリング面の２０００００μｍ^２当たりで、５０μｍを超える最大長を有するＮｂ相が１．０個未満であることが好ましく、４０μｍを超える最大長を有するＮｂ相が１．０個未満であることがより好ましい。

ここで、本発明でいうＮｂ相の最大長および平均円相当径は、ターゲット材のスパッタリング面の任意の２０００００μｍ^２当たりの視野において、走査型電子顕微鏡によりＭｏ相とＮｂ相を高コントラストで撮影し、その画像を画像解析ソフト（例えば、ＯＬＹＭＰＵＳＳＯＦＴＩＭＡＧＩＮＧＳＯＬＵＴＩＯＮＳＧＭＢＨ製の「Ｓｃａｎｄｉｕｍ」）を用いて測定することができる。また、本発明では、複数のＮｂ相が連結しているような場合のＮｂ相の最大長は、連結したＮｂ相の最外周で構成される最大長を採用する。

そして、本発明のターゲット材は、ターゲット材の組織中に、スパッタリング率がＭｏよりも低いＮｂを微細に分散させる観点から、スパッタリング面の２０００００μｍ^２当たりで、Ｎｂ相の平均円相当径を１５μｍ～６５μｍにすることが好ましい。これにより、本発明のターゲット材は、成膜速度の向上を目的に、高電力でスパッタリングした際にも、ＭｏとＮｂを均一にスパッタリングすることができ、ターゲット材の成分に近似した成分のＭｏＮｂ薄膜を得ることができる点で好ましい。また、上記と同様の理由から、Ｎｂ相の平均円相当径は、５０μｍ以下であることがより好ましく、４５μｍ以下がさらに好ましい。
また、原料粉末の調整等といった生産性の観点からは、Ｎｂ相の平均円相当径は、２０μｍ以上であることがより好ましく、２５μｍ以上がさらに好ましい。

本発明のターゲット材は、Ｎｂを５原子％～３０原子％含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなる組成を有する。Ｎｂの含有量は、配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜としてＭｏＮｂ薄膜を使用した際に、低抵抗性やエッチャントに対する耐エッチング性等の特性を維持することができる、平面画像表示装置の製造が可能な範囲として規定する。そして、上記と同様の理由から、Ｎｂの含有量は、７原子％以上が好ましく、９原子％以上がより好ましい。また、上記と同様の理由から、Ｎｂの含有量は、２０原子％以下が好ましく、１５原子％以下がより好ましい。

本発明のターゲット材の製造方法の一例を説明する。本発明のターゲット材は、例えば、Ｍｏ粉末とＮｂ粉末を原料粉末として用意し、この原料粉末を混合して加圧容器に充填し、この加圧容器を加圧焼結して焼結体を作製し、この焼結体に機械加工および研磨を施して得ることができる。ここで、原料粉末に用いるＭｏ粉末は、平均粒径（累積粒度分布のＤ５０、以下「Ｄ５０」という。）が２μｍ～１０μｍのＭｏ粉末や、このＭｏ粉末とＤ５０が２５μｍ～５５μｍのＭｏ粉末を混合した混合Ｍｏ粉末を用いることで、ターゲット材中のＭｏ相の偏析を抑制できる点で好ましい。

原料粉末に用いるＮｂ粉末は、Ｄ５０が２５μｍ～６５μｍのＮｂ粉末を篩にかけて、得られる７０μｍアンダーのＮｂ粉末を使用することで、最大長が７０μｍを超える粗大なＮｂ相がなく、Ｎｂ相の平均円相当径が１５μｍ～６５μｍの範囲にある、均一で微細な組織を有するターゲット材を得ることができる点で好ましい。
また、成膜速度の向上を目的に、より高電力でのスパッタリングを想定し、ノジュールの生成を抑制するためには、Ｄ５０が２５μｍ～６５μｍのＮｂ粉末を篩にかけて、得られる４５μｍアンダーのＮｂ粉末を使用することがより好ましい。
そして、本発明のターゲット材を得るには、上記の原料粉末を加圧焼結する前に、上記の加圧容器を４００℃～５００℃に加熱して真空脱気してから封止をすることにより、次工程の加圧焼結でＮｂが粒成長することを抑制できる点で好ましい。

加圧焼結は、例えば、熱間静水圧プレスやホットプレスを適用することが可能であり、１０００℃～１５００℃、８０ＭＰａ～１６０ＭＰａ、１時間～１５時間の条件で行なうことが好ましい。これらの条件の選択は、得ようとするターゲット材の成分、サイズ、加圧焼結装置等に依存する。例えば、熱間静水圧プレスは、低温高圧の条件が適用しやすく、ホットプレスは、高温低圧の条件が適用しやすい。本発明では、長辺が２ｍ以上の大型のターゲット材を得ることが可能な熱間静水圧プレスを用いることが好ましい。

ここで、焼結温度は、１０００℃以上にすることで、焼結が促進され、緻密なターゲット材を得ることができる点で好ましい。また、焼結温度は、１５００℃以下にすることで、Ｎｂの粒成長が抑制され、均一で微細な組織を得ることができる点で好ましい。
加圧力は、８０ＭＰａ以上にすることで、焼結が促進され、緻密なターゲット材を得ることができる点で好ましい。また、加圧力は、１６０ＭＰａ以下にすることで、汎用の加圧焼結装置を用いることができる点で好ましい。
焼結時間は、１時間以上にすることで、焼結が促進され、緻密なターゲット材を得ることができる点で好ましい。また、焼結時間は、１５時間以下にすることで、製造効率を阻害することなく、Ｎｂの粒成長が抑制された、緻密なターゲット材を得ることができる点で好ましい。

Ｄ５０が４μｍのＭｏ粉末と、Ｄ５０が５５μｍのＮｂ粉末に篩を用いて７０μｍアンダーとしたＮｂ粉末とを、Ｎｂを１０原子％含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなる組成となるように、クロスロータリー混合機で混合して混合粉末を用意した。
次に、軟鋼製の加圧容器に上記で用意した混合粉末を充填して、脱気口を有する上蓋を溶接した。そして、この加圧容器を４５０℃の温度で真空脱気をして封止をした後、１２５０℃、１４５ＭＰａ、１０時間の条件で熱間静水圧プレス処理を行ない、本発明例１のターゲット材の素材となる焼結体を得た。

Ｄ５０が４μｍのＭｏ粉末と、Ｄ５０が３５μｍのＮｂ粉末に篩を用いて４５μｍアンダーとしたＮｂ粉末とを、Ｎｂを１０原子％含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなる組成となるように、クロスロータリー混合機で混合して混合粉末を用意した。
次に、軟鋼製の加圧容器に上記で用意した混合粉末を充填して、脱気口を有する上蓋を溶接した。そして、この加圧容器を４５０℃の温度で真空脱気をして封止をした後、１２５０℃、１４５ＭＰａ、１０時間の条件で熱間静水圧プレス処理を行ない、本発明例２のターゲット材の素材となる焼結体を得た。

Ｄ５０が４μｍのＭｏ粉末とＤ５０が１１５μｍのＮｂ粉末とを、Ｎｂを１０原子％含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなる組成となるように、クロスロータリー混合機で混合して混合粉末を用意した。
次に、軟鋼製の加圧容器に上記で用意した混合粉末を充填して、脱気口を有する上蓋を溶接した。そして、この加圧容器を４５０℃の温度で真空脱気をして封止をした後、１２５０℃、１４５ＭＰａ、１０時間の条件で熱間静水圧プレス処理を行ない、比較例のターゲット材の素材となる焼結体を得た。

上記で得た各焼結体に、機械加工および研磨を施して、それぞれ、直径１８０ｍｍ×厚さ５ｍｍのターゲット材を作製した。
上記で得た各ターゲット材のスパッタリング面を走査型電子顕微鏡の反射電子像で、任意の横：５９１μｍ×縦：４３５μｍ（面積：２５７０８５μｍ^２）の視野のうち、２０００００μｍ^２となる視野を３視野観察して、各視野内に存在する各Ｎｂ相の最大長を測定し、最大長が７０μｍを超えるＮｂ相の個数を計測した。また、各視野に存在するＮｂ相の円相当径を測定し、３視野の平均円相当径を算出した。
ここで、計測は、走査型電子顕微鏡によりＭｏ相とＮｂ相を高コントラストで撮影し、その画像について、ＯＬＹＭＰＵＳＳＯＦＴＩＭＡＧＩＮＧＳＯＬＵＴＩＯＮＳＧＭＢＨ製の画像解析ソフト（Ｓｃａｎｄｉｕｍ）を用いて行なった。その結果を表１に示す。
また、スパッタリング前の各ターゲット材のスパッタリング面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図１～図３に示す。

各ターゲット材について、キヤノンアネルバ株式会社製のＤＣマグネトロンスパッタ装置（型式：Ｃ３０１０）を用いて、Ａｒ雰囲気、圧力０．５Ｐａ、電力５００Ｗの条件で、厚さが３００ｎｍのＭｏＮｂ薄膜をガラス基板上に形成して、比抵抗測定用の試料を３枚ずつ得た。そして、比抵抗の測定は、株式会社ダイヤインスツルメント製の４端子薄膜抵抗率測定器（ＭＣＰ－Ｔ４００）を用いた。その結果を表１に示す。

各ターゲット材について、キヤノンアネルバ株式会社製のＤＣマグネトロンスパッタ装置（型式：Ｃ３０１０）を用いて、Ａｒ雰囲気、圧力０．５Ｐａ、電力１０００Ｗ、スパッタリング時間３０分の条件でスパッタリングを実施した。
そして、各ターゲット材について、スパッタリング前後におけるスパッタリング面の表面粗さを測定した。表面粗さは、株式会社ミツトヨ製の小形表面粗さ測定機（ＳＵ－２１０）を用いて、研磨方向に対して直角方向におけるＪＩＳＢ０６０１：２００１で規定される算術平均粗さ（Ｒａ）を測定した。その結果を表１に示す。
また、スパッタリング後の各ターゲット材のスパッタリング面を光学顕微鏡で観察した結果を図４～図６に示す。

本発明のターゲット材は、図１および図２に示すように、基地となるＭｏ相１に微細なＮｂ相２が分散していることがわかる。そして、本発明のターゲット材は、いずれの視野においても、Ｎｂ相の平均円相当径が３０μｍ～４９μｍであった。また、最大長が７０μｍを超えるＮｂ相は１個も確認されず、その３視野の平均個数は１．０個未満であることが確認できた。
また、本発明のターゲット材は、確認した３視野で、Ｎｂ相の最大長が、最大値であっても６８μｍであることが確認できた。

また、本発明のターゲット材は、図４および図５に示すように、スパッタリング後の算術平均粗さＲａが２．００μｍ未満であり、高電力の継続スパッタリングによるノジュールの生成、すなわち配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜へのパーティクルが付着する問題に対して有用なターゲット材であることが確認できた。
また、本発明のターゲット材を用いて形成したＭｏＮｂ薄膜は、比抵抗が１５．２μΩ・ｃｍ以下であり、配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜として低抵抗で有用な薄膜であることが確認できた。

一方、比較例のターゲット材は、図３に示すように、基地となるＭｏ相１に粗大なＮｂ相２が分散していることがわかる。そして、比較例のターゲット材は、いずれの視野においても、Ｎｂ相の平均円相当径が６５μｍを超えていた。また、最大長が７０μｍを超えるＮｂ相が２個以上確認され、その３視野の平均個数は４．３個であった。また、比較例のターゲット材は、確認した３視野で、Ｎｂ相の最大長が、最大値で１１７μｍもあった。

また、比較例のターゲット材は、図６に示すように、スパッタリング後の算術平均粗さＲａが２．２０μｍを超えており、高電力の継続スパッタリングにより、ノジュールの生成の虞があることが確認された。
また、比較例のターゲット材を用いて形成したＭｏＮｂ薄膜は、比抵抗が１５．５μΩ・ｃｍを超えており、配線薄膜や電極薄膜の下地膜やカバー膜として、高抵抗であり、不適であることが確認された。

１Ｍｏ相
２Ｎｂ相

Claims

Ｎｂを５原子％～３０原子％含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなる組成を有し、基地となるＭｏ相にＮｂ相が分散している組織を有し、スパッタリング面の２０００００μｍ^２当たりで、７０μｍを超える最大長を有するＮｂ相が１．０個未満であり、Ｎｂ相の平均円相当径が２５μｍ～６５μｍであるＭｏＮｂターゲット材。