JPH02311394A - Ｗターゲット材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【技術分野） 本発明は、Ｗ（タングステン）ターゲツト材に係り、特
にＷ金属の巨大単結晶材からなる、高純度なターゲツト
材に関するものである。

（背景技術） 近年、Ｗは、自然界に存在するもののうちで最も高融点
の金属であり、また比強度に優れ、比抵抗や熱膨張係数
が小さい等の特徴を有するものであるところから、ＬＳ
Ｉの集積度が増加したＶ　ＬＳｌやＵＬＳＩの配線材料
として注目を受けている。そして、このＷの適用に際し
ては、Ｗはターゲツト材として、それから、スパッタリ
ング等の手法によって所定の基板上にＷ薄膜を形成せし
めることにより、配線とされることとなる。

しかしながら、Ｗ材料として一般に用いられているＷ粉
末の焼結晶を、ターゲツト材として利用する場合にあっ
ては、Ｗの融点が高いため、ターゲツト材の密度を高め
ることが困難であることに加えて、不純物元素の含有量
が高く、またガス成分の含有量も高い等の問題が内在し
ている。このため、Ｗターゲット埜を溶解品にて構成す
ることが望まれているが、Ｗが高融点であるために、通
常の加熱溶解法にてそれを得ることが困難であることは
勿論、そのような溶解品は、多結晶体であるために、結
晶粒界の強度が弱く、粒界クランクが発生して、材料が
割れる等の問題があり、そのために加工が困難であって
、ターゲントの作製が困難である問題を内在している。

一方、本考案者らは、先に、特願昭６３−３１８５１５
号として、電子ビーム（ＥＢ）溶解手法によって、Ｗ等
の高融点金属の単結晶を製造する方法を明らかにした。

この方法によれば、断面ザイズが数十ｍｍの巨大な単結
晶が容易に得られ、そしてそのような単結晶材料からは
、圧延や鍛造、更には機械加工によって、任意の加工製
品を得ることが出来ることとなったのである。

本発明者らは、かかるＥＢｉ解手決手法って得られるＷ
単結晶材料について、更に検討を進めた結果、そのよう
なＷ単結晶材料は、不純物元素の含有量が極めて少なく
、前述の如きターゲツト材として有用であることを見い
出し、本発明を完成するに至ったのである。

（解決課題） 従って、本発明の解決課題とするところは、加工が容易
であり、且つ不純物元素の含有量が少なく、従ってスパ
ッタリング等によって高品質のＷ薄膜を与え得る、高純
度なＷターゲット材を提供することにある。

（解決手段） そして、本発明は、そのような課題解決のために、電子
ビーム溶解にて、Ｗ金属の溶湯プールを、Ｗ金属からな
るブロック上に形成する一方、水冷モールドを用いて外
周側より冷却、凝固せしめることにより、該ブロック表
面に存在する単結晶を形成される凝固鋳塊中に成長せし
めて得られる、Ｗ単結晶にて、Ｗターゲット材を構成す
るようにしたのである。

（具体的構成） このように、本発明にあっては、ＥＢ溶解操作によって
得られるＷ金属の溶湯を用い、その凝固に際して、形成
される凝固鋳塊中に単結晶を成長せしめ、以て得られる
大きなＷの単結晶体を利用して、それをターゲット材料
として用いるようにしたものであるが、そのようなＷの
大きな単結晶は、例えば第１図に示される如くして製造
されることとなる。

すなわち、第１図において、２は、ＥＢにて溶解される
Ｗ金属からなる棒状の溶解原料である。

この棒状の溶解原料２には、公知の粉末成形手法に従っ
てＷ金属の粉末から成形して得られる焼結体を用いるこ
とが出来るが、そのような焼結体等のＷ金属材料を一旦
溶解して、凝固せしめることにより得られるものが、純
度が向上している点で好ましく用いられる。そして、そ
のような棒状の溶解原料２の下端部に対して、ＥＢ照射
装Ｗ４において発生せしめられた電子ビーム（ＥＢ、’
）を照射せしめて、その表面を溶解させ、溶解原料２の
下端から落下する溶融滴２ａを集め、それを通常の連続
鋳造に用いられている筒状の水冷モールド６を用いて連
続鋳造するのである。即ち、溶解原料２から落下する溶
融滴２ａを水冷モールド６中に置いたブロック８上に受
けて、溶湯（溶融金属）のプール１０を形成し、それを
水冷モールド６による外周部からの冷却にて凝固せしめ
る一方、ブロック８を徐々に下方に引き下げることによ
り、連続的に鋳塊１２を得るのである。

そして、この連続鋳造操作に際して、好ましくは、ブロ
ック８上に形成される溶湯プール１０の表面にも、ＥＢ
照射装置４からの電子ビーム（ＥＢ２）が照射せしめら
れ、その温度保持が行なわれることとなるのであり、ま
た水冷モールド６からの鋳塊１２の引き下げ速度も低速
とされ、好ましくは、結晶成長速度が１０ｃ＋ｎ／Ｈｒ
以下となるようにされる。このような鋳塊引き下げ速度
は、常用のＥＢ溶解設備において、その最大溶解速度の
１１５以下、好適には１／１０程度の速度で溶解−鋳造
操作を行なった時に得られる。また、ＥＢエネルギーの
分配は、単ガン方式にせよ、例示の如き複ガン方式にせ
よ、溶解原料２の下端部に当たるＥＢ、より、溶湯プー
ルｌＯに向けるＥＢ。

が多くなるようにされることとなる。また、水冷モール
ド６は、そのＥＢ溶解設備（４）において使用可能な範
囲で最大の径のものを用いるのが好ましい。それにより
、ゆっくりした鋳塊引き下げが出来ると共に、得られる
単結晶の大きさが大きくなるからである。

ところで、かくの如き連続鋳造操作において、水冷モー
ルド６中で形成される凝固鋳塊１２中において、第２図
に示される如く、単結晶１４を成長させるためには、前
記ブロック８として、溶解原料２と同種の金属からなる
ブロック、即ち溶解原料がＷである以上、ブロック８は
Ｗからなるものでなければならず、そしてそのようなＷ
金属ブロック８の溶湯プール１０に接触する接触面に存
在する単結晶が種結晶となって、該溶湯プール１０の凝
固の進行につれて、生成する凝固鋳塊中に単結晶が成長
するようになるのである。

この水冷モールド６内に置かれる、所謂スターティング
・ブロック或いはスタブと称呼される、同種金属のブロ
ック８としては、単結晶材の他、多結晶材を用いること
も出来、一般に、多結晶材である溶製材が用いられるこ
ととなるが、それもなるべく溶湯プール１０との接触面
（横断面）に存在する結晶が大きく、従って結晶の数が
少ないものを使用することが好ましい。このようなブロ
ック８上に形成された溶湯プール１０の融体は、水冷モ
ールド６による外周側よりの冷却によって凝固せしめら
れ、ブロック８の固液界面において、そこに現れている
結晶の上に順次結晶格子を形成して、結晶を成長せしめ
、鋳塊横断面において多数の細長い結晶が並んだ状態で
凝固が進行する。

その際、鋳塊横断面において、断面積の比較的大きい、
換言すれば溶湯に接する面積の大きな結晶は、隣接する
断面の小さい（溶湯に接する面積の小さな）結晶に対し
て、結晶格子の形成に関しては優位に立つものと考えら
れ、また冷却が急激であると、モールド６面に接して次
々と生成する小さな結晶が核となって凝固が進むため、
鋳塊１２内では外側から中心の上方へ向う形の小さな結
晶が多数存在するようになる。これは、溶湯と固体との
界面が鋳塊１２の中心において窪んだ形になっているた
めであると考えられる。

而して、かかる鋳塊１２の引き下げをゆっくりと行ない
、また溶湯プール１０に多量のＥＢを当てて、充分なエ
ネルギーを加えることにより、上記で生成した小さな結
晶が再溶解され、小さな結晶の核が絶えず出来る機会が
少なくなるものと考えられる。このようにすると、溶湯
と固体の界面は、鋳塊１２の中心に向って窪む度合が小
さく、深さのあまり変わらない水冷モールド６に接する
表面以外では平面に近い形となり、その結果、鋳塊１２
の横断面に存在する結晶のうち、大きなもの（１４）を
更に大きく成長せしめ得るものと考えられている。

そして、このようにして得られた凝固鋳塊１２において
、それが第２図に示される如き比較的大きな単結晶（１
４）の複数から構成されている場合において、それぞれ
の単結晶（１４）が、適当な手段によって、例えば鋳塊
１２にプレス等で応力を加えることによって、分離、採
取されることとなる。

本発明は、このようにして得られるＷの大きな単結晶材
を、Ｗ！膜を形成するために、スパッタリング等によっ
てＷ原子を叩き出し或いは飛散させる母材であるターゲ
ツト材として用いるものであり、そのような単結晶材は
、不純物元素の含有量が低く、ガス成分の含有量も低い
、高純度なものであり、しかも緻密、強靭であって、鍛
造、圧延或いは機械加工に耐え得るものであり、それ故
に通常の加工手法によって板等の目的とする形状に好適
に加工され得て、ターゲツト材として有利に用いられ得
るのである。特に、結晶粒界が存在しないために、粒界
クラックの発生等の問題を生じることなく、温間（２０
０°Ｃ以上）で塑性加工が可能であるところから、各種
形状のターゲツト材を得ることが出来るのである。

（実施例） ライボルト社製ＥＢ溶解装置（最大出力＝５００ＫＷ）
を用いて、常法に従って、Ｗ金属粉末から得られた焼結
体の棒を溶解し、再溶解用の棒状素材（単結晶製造用溶
解原料）を準備した。なお、このＥＢｉ解操作において
は、ＥＢのエネルギーは、焼結体の溶解と溶解金属プー
ルの保温とに略等分となるように振り分けられた。

次いで、かかる得られた再溶解用の素材を、上記と同様
なＥＢ溶解装置を備えた第１図の如き装置構成において
、再溶解、鋳造した。なお、水冷モールドとしては、内
径が１１５ｍｍのものを用いる一方、溶湯プールの形成
されるブロックとしては、Ｗの多結晶体を用いた。また
、ＥＢのエネルギーは、素材の溶解に４０％、溶湯プー
ルの保温に６０％となるように配分された。更に、鋳塊
の引き下げ速度を調節して、最大溶解能力での再溶解と
それより遥かに遅い再溶解操作とを行なった。

そして、得られた鋳塊にプレスにて応力を加えることに
よって、鋳塊から各単結晶を分離し、それらのサイズを
求め、その結果を、結晶成長速度（鋳塊の引き下げ速度
）との関係において、第３図に示した。

かかる第３図から明らかなように、結晶成長速度、換言
すれば鋳塊の引き下げ速度を遅くすることにより、得ら
れるＷ単結晶の大きさをより一層大きくすることが可能
となることが理解されるのである。

また、かくして得られたＥＢ溶解単結晶品について、そ
の不純物元素の含有量に関して分析を行ない（金属系不
純物元素については、ＩＣＰ分析を採用）、その結果を
、下記第１〜３表に示した。

なお、第１表は、Ｎａ、に、Ｏの含有量について、通常
の粉末焼結晶との比較を行なったものであり、また第２
表は、金属系不純物元素の分析結果であり、更に第３表
は、ガス系不純物元素の分析結果を示すものである。

第　　　１　　　表 第　　　２　　　表 （単位：ｐｐｍ） 第３表 これらの表から明らかなように、本発明に従うＥＢ溶解
単結晶品にあっては、その不純物元素の含有量が極めて
低く、殆ど検出限度以下となっているのであり、以て容
易に高純度のターゲットを得ることが出来るのである。

特に、スパッタリング等にて形成されるＷ！膜のしきい
値電流に悪影響を及ぼすとされるＮａ、Ｋ、更にはスパ
ッタリング特性に悪影響を及ぼす０の含有量が、粉末焼
結晶と比較して非常に低いレベルであり、またガス系不
純物元素の含有量も極めて低く、スパッタリング等のタ
ーゲツト材として有効であることが認められる。

さらに、上記のようにして得られたＥＢ溶解単結晶品の
塑性加工性を調べるために、加熱温度＝４００°Ｃ１荷
重：３ｏｏｔ、圧下率：５０％の条件下にて鍛造を行な
った結果、割れ等の問題を同等惹起することなく、良好
な鍛造品を得ることが出来た。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明は、ＥＢ溶解に
て形成されるＷ金属の溶湯から得られる凝固鋳塊中に、
単結晶を大きく成長せしめて得られた、Ｗの巨大単結晶
を用いて、スパッタリング等のためのターゲツト材を構
成するものであるところから、結晶粒界が全く存在せず
、それ故に低温で塑性加工が可能となって、目的とする
ターゲツト材が有利に加工され得ると共に、不純物元素
の含有量が少なく、またガス成分の含有量も低い、高純
度のものとなるところから、スパッタリング等のＷ！膜
の形成に際しての悪影響が回避され、また形成されるＷ
ｆｊＩ！膜の特性が有利に向上せしめられ得るものであ
って、そこに、本発明の大きな工業的意義が存するもの
である。

【図面の簡単な説明】

■−４ 第１図は、Ｗの巨大単結晶を製造するためのＥＢ溶解鋳
造方式を示す概念図であり、第２図は、第１図の水冷モ
ールド部分と鋳塊中の単結晶の配列の状態を示す断面説
明図であり、第３図は、実施例において得られた結晶サ
イズと結晶成長速度との関係を示すグラフである。 ２：溶解原料　　　　４：ＥＢ照射装置６：水冷モール
ド　　８ニブロック １０：溶湯プール　　１２：鋳塊 １４：単結晶

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電子ビーム溶解にて、Ｗ金属の溶湯プールを、Ｗ金属か
   らなるブロック上に形成する一方、水冷モールドを用い
   て外周側より冷却、凝固せしめることにより、該ブロッ
   ク表面に存在する単結晶を形成される凝固鋳塊中に成長
   せしめて得られる、Ｗ単結晶からなるＷターゲット材。