JPH10147860A - Ａｌ系スパッタリング用タ−ゲット材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 希土類元素を添加したＡｌ系ターゲット材に
おいてスプラッシュの原因となる微小な空隙の発生を防
止したターゲット材およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 あらかじめ調整されたＡｌと希土類元素
（Ｓｍ，Ｎｄ，Ｙ等）の化合物粒子をＡｌマトリックス
中に分散した組織とする。特に圧延等の塑性加工を施し
た0.3ｍ²以上の大スパッタ面積のターゲットのスプラッ
シュ発生を抑制する。ターゲットは、体積平均径が１５
０μｍ以下であるＡｌ粉末と、体積平均径が５０μｍ以
下であるＡｌと希土類元素との化合物の粉末を混合し、
400℃以上600℃以下で加圧焼結後、圧延することにより
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌを主体とする
Ａｌ系スパッタリングターゲット材に関し、特に液晶デ
ィスプレイ（Liquid Cristal Display 以下ＬＣＤと略
す）の薄膜電極、薄膜配線等に用いられるＬＣＤ用Ａｌ
系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。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上に薄膜デバイスを作成する
ＬＣＤ、薄膜センサ−等に用いる電気配線膜、電極等に
は従来から主に高融点金属である純Ｃｒ膜、純Ｔａ膜、
純Ｔｉ膜等の純金属膜またはそれらの合金膜が用いられ
ている。ＬＣＤの大型化、高精細化に伴い配線膜、電極
膜には信号の遅延を防止するために低抵抗化、低応力化
とそれら特性の安定化が要求される。たとえば、12イン
チ以上の大型カラーＬＣＤに用いられる電極用では15μ
Ωｃｍ以下にすることが要求される。しかし従来のＣ
ｒ、Ｔａ系の高融点合金膜では膜の安定性には優れる
が、抵抗値が高く、Crで約30μΩｃｍ、Taで約l80μΩ
ｃｍ、Tiで約60μΩｃｍである。このため、これら金属
より、さらに低抵抗なＡｌ系膜を用いるようになってい
る

【０００３】また、基板サイズの大型化に伴い、金属膜
を形成するためのターゲット材にも大型化が要求されて
いる。たとえば、ＬＣＤの高精細化に伴い、高品質の膜
質の金属膜を安定して製造するために、金属膜の形成に
用いられるスパッタ装置は、従来の非常に大きな基板搬
送式のインライン方式の装置から、基板を静止させて成
膜する枚様式の装置が多く用いられるようになってき
た。この枚様式のスパッタ装置では基板に対して静止さ
せて膜形成を行うために、基板サイズより大きなタ−ゲ
ット材が要求される。

【０００４】従来は必要なタ−ゲットサイズに対して2
分割や3分割の大きさで製造したタ−ゲット材を貼り合
わせて用いていたが、高精細化のために分割したターゲ
ット材ではその継ぎ目から異物が発生し、不良となるた
め一体物のターゲット材が要求されている。

【０００５】現在主流である基板サイズは370×470mmで
あり、この基板に金属膜を形成するための枚様式スパッ
タ装置用のターゲット材には550×650mm程度のスパッタ
リング面を有する大型のターゲット材を一体で製造する
必要がある。一般的なＡｌ系スパッタリング用ターゲッ
ト材は、Ａｌ合金を鋳造してインゴットを製造し、これ
を機械加工してターゲット材とする場合が多い。しか
し、Ａｌを主体とする合金は冷間での塑性加工性に優れ
るため、ＣｒやＴａ等の高融点の金属のターゲット材を
製造する場合に比較して、一体で大きなタ−ゲット材を
製造しやすいという利点があり、鋳造インゴットに鍛
造、冷間圧延等を施しタ−ゲットの形状に機械加工を行
なう場合もある。たとえば、550×650mmに対応する枚様
式の0.3ｍ²以上のスパッタ平面積を有する大型のタ−ゲ
ット材を製造するためにはインゴットを大きくし、冷間
で高い加工率（８０％程度以上）を適用して一体のター
ゲット材を製造できるように塑性加工、機械加工を行っ
て製造していた。

【０００６】また、ターゲット材の組成の改良に関する
提案も多くなされている。たとえば、純Ａｌ膜では比抵
抗は低いが耐熱性に問題があり、ＴＦＴ（Thin-Film-Tr
ansistor）製造プロセス上不可避である電極膜形成後の
加熱工程（250〜400℃程度）等において、ヒロックとい
われる微小な突起が表面に生じるという問題点がある。
このヒロックはストレスマイグレ−ション、サ−マル
マイグレ−ション等により発生すると考えられ、このヒ
ロックが発生するとＡｌ配線膜上に絶縁膜や保護膜等を
形成し、さらに配線膜、電極膜等を形成しようとした場
合に電気的短絡（ショ−ト）や、このヒロックを通して
エッチング液等が侵入しＡｌ配線膜が腐食してしまうと
いう問題点がある。

【０００７】このため、純Ａｌではなく、これらの問題
を解決する目的で高融点の金属を添加する。たとえば、
特開平4-323872号ではＭｎ、Ｚｒ、Ｃｒを0.05〜1.0at%
添加することが有効であることが述べられている。ま
た、特公平4-48854号では、Ｂを0.002〜0.5ｗｔ％、Ｈ
ｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗを0.002〜0.7ｗｔ％添加する
方法や、さらにＳｉを0.5〜1.5ｗｔ％加える方法が開示
されている。

【０００８】また、特開平5-65631号ではＴｉ、Ｚｒ、
Ｔａを0.2〜10at%添加することがヒロックの発生の抑制
に効果があることが述べられている。さらに特開平7-45
555号で述べられているようにFe、Co、Ni、Ru、Rh、Ir
を0.1〜10at%、また希土類元素を0.05〜15at%添加する
方法（20）や、特開平5-335271号のようにAl-Si合金にC
u、Ti、Pd、Zr、Hf、Y、Scを0.01〜3ｗｔ％添加する方
法が知られている。このような添加元素は、Ａｌと化合
物を形成しＡｌのマトリックス中に分散するが、形成し
た化合物は、Ａｌと比重が異なるため、偏析を生じやす
い。そのため特開平5-335271号、特開平6-336673号に記
載されるように、偏析を防止する鋳造技術の提案もあ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、これ
までのＡｌ系スパッタリング用タ−ゲット材について
は、ヒロックを防止するために添加元素を加えたもの
や、その偏析を防止する鋳造方法に重点が置かれてい
た。しかし、Ａｌ系ターゲット材においてはインゴット
を大きくし、冷間で高い加工率で塑性加工を行ったタ−
ゲット材を用いてスパッタするとターゲット材からスプ
ラッシュと呼ばれる異常飛沫が発生する問題がある。ス
プラッシュとは、ターゲット材から発生する異常飛沫の
ことであり、通常のスパッタ粒子に比較して大きく、こ
のスプラッシュが基板上に付着すると配線間のショ−
ト、断線等を引き起こす可能性が高くなり、製造した液
晶ディスプレイの歩留まりを大きく低下させてしまう問
題がある。

【００１０】すなわち、このＡｌターゲット材からのス
プラッシュの発生は、配線の形成に使用する場合におい
て、不良に直結するため重大な問題である。特に、大型
のＬＣＤを得るために必要な0.3ｍ²以上のスパッタ平面
積を有する大型のタ−ゲット材を適用する場合におい
て、高価な大型液晶ディスプレスの不良要因としてその
対策が急がれている。

【００１１】本発明者らは前記問題を解決するために、
スプラッシュの発生原因を鋭意検討した。その結果スプ
ラッシュの原因がターゲット材中にある微小な空隙にあ
ることを見いだした。さらに検討した結果、この微小な
空隙の発生原因の一つは、溶解鋳造法で大型のインゴッ
トを製造する場合、Ａｌの熱収縮が大きいため発生する
引け巣にあることが判明した。また、もう一つの原因
は、Ａｌの溶湯は水素を溶存するが、冷えて固まる際に
は水素を放出するため、この水素により微細な空隙が発
生しやすいということである。特に偏析を防止するため
に、急冷凝固すると空隙がインゴット中に包括されやす
くなる。また、Ａｌ以外の添加元素によって生成するＡ
ｌ化合物が、ターゲット材への加工中に割れて、空隙の
原因となる場合も確認された。

【００１２】さらに、Ａｌ以外に添加する添加元素のう
ち特に希土類元素は、希土類元素単体の微細な粒子が得
にくいため、製造過程で粗大なＡｌ−希土類元素の化合
物領域が形成される。そのためサイズの大きなターゲッ
ト材を得るために適する圧延工程において、生成した化
合物にクラックが生じ、この部分が微小空間となって、
スブラッシュの発生を増加させることがわかった。本発
明の目的は、特に希土類元素を添加したＡｌ系ターゲッ
ト材においてスプラッシュの原因となる微小な空隙の発
生を防止したターゲット材およびその製造方法を提供す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者がターゲット材
組織における微小な空隙の発生を抑えるべく検討したと
ころ、溶解鋳造法を適用する限りは、引け巣や溶存水素
による空隙の発生を抑えることは困難であった。そのた
め、本発明者は粉末焼結法を適用することを試みた。粉
末焼結法を適用すると、上述した引け巣や溶存水素によ
る空隙の発生を抑制することができる。そして、さらに
粉末焼結法の改良を進めたところ、特にＡｌと化合物を
形成しやすい希土類元素を添加する場合には、焼結原料
として希土類元素単体で導入するのではなく、あらかじ
め調整されたＡｌと希土類元素との化合物粒子として導
入すれば、粉末焼結課程において希土類元素が反応して
粗大な化合物となるのを防ぐことでき、結果としてスプ
ラッシュの原因となる微小空隙の発生を抑制できること
を見いだし本発明に到達した。

【００１４】すなわち本発明は、あらかじめ調整された
Ａｌと希土類元素との化合物粒子をＡｌマトリックス中
に分散したＡｌ系スパッタリング用ターゲット材であ
る。好ましくは、0.3ｍ²以上のスパッタ平面積を有する
ターゲット材とする。希土類元素としては、Ｙ，Ｓｃを
含む希土類元素を適用することが可能である。Ａｌに添
加する希土類元素量は、形成する薄膜に許容される比抵
抗による添加上限と、要求されるヒロック抑制のために
必要な下限値の間に設定される。好ましくは０．１〜１
０原子％の範囲内である。

【００１５】上述した本発明のターゲット材は、たとえ
ば体積平均径が１５０μｍ以下であるＡｌ粉末と、体積
平均径が５０μｍ以下であるＡｌと希土類元素との化合
物の粉末を混合し、400℃以上600℃以下で加圧焼結後、
圧延することにより得ることができる。好ましくは、圧
延は400℃以上550℃以下で行うものとする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の最大の特徴の一つは、タ
ーゲット材組織をあらかじめ調整されたＡｌと希土類元
素との化合物粒子が分散した組織にしたことである。す
なわち、本発明においては希土類元素をＡｌとの化合物
粒子として導入するものである。このように希土類元素
をあらかじめ化合物として導入することにより、希土類
元素単体で導入した場合に問題であった製造過程で反応
生成する化合物の粗大化を防止することが可能になる。
そして、粗大な化合物が組織中に分散することによって
生ずる圧延加工時の化合物の割れに起因したスプラッシ
ュを低減できるのである。本発明においては、希土類元
素以外を、さらに添加することも可能である。この場合
も、金属単体よりも、Ａｌとの化合物として添加するこ
とが望ましい。

【００１７】また、希土類元素とＡｌとの化合物は粉砕
性に優れるため、希土類元素単体では製造が難しい１０
０μｍ以下の微粒子を容易に得ることができる。このよ
うな微粒子を分散できることも、化合物が圧延工程中に
割れるのを防止するのに有効である。好ましいターゲッ
ト材組織は、Ａｌマトリックス中に体積平均径５０μｍ
以下のＡｌと希土類の化合物粒子が分散した組織であ
る。スプラッシュの原因となるターゲット材中の微小空
隙は、ターゲット材を鏡面研磨した後、色素含有浸透液
に浸漬し、表面に白色微粉を塗布し表面に現れる色点を
観察する染色浸透探傷法によって、１μｍ以上の空隙で
あれば存在を確認することができる。本発明のターゲッ
ト材は、0.3ｍ²以上の平面積を圧延を適用して得た場合
であっても、上述した方法によって特定される欠陥数は
好ましくは２０個以下とすることができる。

【００１８】上述した本発明のターゲット材を得る具体
的な好ましい方法としては、体積平均径が１５０μｍ以
下であるＡｌ粉末と、体積平均径が５０μｍ以下である
Ａｌと希土類元素との化合物の粉末を使用する。Ａｌ粉
末の平均体積径を１５０μｍ以下としたのは、１５０μ
ｍを越える場合は、混合する化合物粉末が偏在しやすく
なり、好ましくないからである。好ましくは平均粒径を
６０μｍ以下とする。また、化合物の平均体積径を５０
μｍ以下としたのは、できるだけ微細にすることによ
り、５０％以上の圧延時に割れが発生するのを防ぐこと
が可能となるからである。

【００１９】上述した粉末原料を混合し、４００℃以上
６００℃以下で焼結する。４００℃未満では、焼結が進
行しにくく、６００℃を越えるとＡｌが溶解する危険が
あるためである。加圧焼結は、空隙のない緻密な焼結体
とするために、好ましくは５０ＭＰａ以上の圧力で行な
うものとする。この焼結時に空隙が残留することは、タ
ーゲット材にスプラッシュが発生する原因となるためで
きるだけ避けなければならない。

【００２０】本発明においては、好ましくは、0.3ｍ²以
上のスパッタ平面積を有するようにするために、得られ
た加圧焼結体に圧延を施す。５０％以上の加工率で圧延
をする場合、加工温度を高めることにより、加工時の割
れを低減をすることが可能である。実質的にはＡｌの再
結晶温度以上の４００℃以上とし、また圧延による局所
的な温度上昇により、Ａｌの融点を越えない５５０℃以
下とすることが望ましい。

【００２１】

【実施例】

（実施例）ガスアトマイズにより得た体積平均径５５μ
ｍの純Ａｌ粉末を準備した。次に、溶解法により、Ａｌ
−Ｙ，Ａｌ−Ｎｄ，Ａｌ−Ｓｍのそれぞれのインゴット
を鋳造し、機械粉砕して体積平均径３５μｍの化合物粉
末を調整した。 このとき、化合物粉末の組成は、希土
類元素２５原子％残部Ａｌとした。また付加的な添加元
素として、体積平均径３５μmのＡｌ−Ｔｉの化合物粉
末を調整した。この加的な化合物粉末の組成は、Ｔｉ２
５原子％残部Ａｌである。また、比較例としてガスアト
マイズ法により得た、体積平均径３５μｍの純Ｎｄ粉末
を準備した。

【００２２】これらをＶ型ブレンダーで表１の組成にな
るように混合した。次に鉄製の缶に充填し、１０マイナ
ス４乗Ｐａより真空に引きながら加熱して脱ガス処理を
行った後に封止した。なお、原料粉末を充填した缶の大
きさは８０mm×３５０mm×３５０mmである。その後５２
０℃、１００ＭＰａの圧力で熱間静水圧プレス装置を用
いて焼結を行いインゴット製造した。このインゴットを
圧延により、加工率 ７０％で８００mm×７００mm×８
mmの板材に加工した後、機械加工により６５０mm×５５
０mm×６mmのターゲット材を製造した。

【００２３】ターゲット材の表面を鏡面研磨し、染色浸
透探傷法により１μｍ以上の空隙を検出した。結果を表
２に示す。またターゲット材組織をエッチングして確認
される化合物粒子の体積平均径を表２に示す。このとき
クラックが入った化合物粒子は一つの粒子とした。これ
らのターゲット材を用いてＡｒ圧力0.3Pa、ターゲット
印加電力は８Ｗ／cｍ²として、実験用100mm×100mmサイ
ズのガラス基板に150nmの膜厚の薄膜を形成した。この
とき形成した薄膜上に認められる５μｍ以上の異物をス
プラッシュとしてカウントした。その結果を表１に付記
した。表１の試料１〜５に示すように、本発明のターゲ
ット材は、比較例のターゲット材試料６に比較して、欠
陥が少なくスプラッシュの発生が少ないことがわかる。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】また、ターゲット材を切り出した板材か
ら、試験片を採取し、４００倍のミクロ観察した典型的
な本発明のターゲット材の組織として試料２を図１に示
す。また比較例の組織として試料７を図２に示す。図１
および図２を比較すれば明らかなように、図２に示す比
較例においては、単体で添加した希土類元素がＡｌと反
応して大きな化合物となっている。そして化合物にクラ
ックがはいっており、スプラッシュの原因となる微小空
隙が形成されていることが確認される。これに対して、
図１では化合物が微細に分散しており、化合物にクラッ
クの発生が認められないものである。

【００２７】（実施例２）Ａｌ−２５原子％Ｎｄの化合
物粉末も用いＡｌ−２．０原子％Ｎｄの組成を有するタ
ーゲット材を作製した。このとき原料の粒径、圧延率、
圧延温度を表３に示すように変えで、ターゲット材を作
製した。表３に示すように、原料粒径においては、特に
添加する化合物粒子の細かいものほど欠陥の発生が少な
く、スプラッシュの発生も少なくできたことがわかる。
また圧延温度はできるだけ高い方がよいことがわかる。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】（実施例３）Ａｌ−２５原子％Ｓｍの化合
物粉末用いＡｌ−３．０原子％Ｓｍの組成を有するター
ゲット材を作製した。このとき原料の粒径、圧延率、圧
延温度を表３に示すように変えで、ターゲット材を作製
した。表５および表６に示すように、Ａｌ−Ｓｍを添加
する場合でも、原料粒径においては、特に添加する化合
物粒子の細かいものほど欠陥の発生が少なく、スプラッ
シュの発生も少なくできたことがわかる。また、圧延温
度はできるだけ高い方が望ましいことがわかる。

【００３１】

【表５】

【００３２】

【表６】

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、スブラッシュの発生が
大きな問題であった0.3ｍ²以上スパッタ平面積を有する
ＬＣＤ用Ａｌ系ターゲット材に対して、あらかじめ調整
した希土類元素とＡｌの化合物粒子を組織中に残留させ
ることにより、欠陥を少なくでき、結果としてスプラッ
シュを抑制することが可能となった。したがって、本発
明は今後さらに大型化が求められるＬＣＤに対応するタ
ーゲット材として、ＬＣＤの品質向上を達成する上で極
めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のターゲット材の典型的な金属ミクロ組
織を示す写真である。

【図２】比較例のターゲット材の典型的な金属ミクロ組
織を示す写真である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 あらかじめ調整されたＡｌと希土類元素
   との化合物粒子をＡｌマトリックス中に分散したことを
   特徴とするＡｌ系スパッタリング用ターゲット材。
2. 【請求項２】 0.3ｍ²以上の平面積を有することを特徴
   とする請求項１に記載のＡｌ系スパッタリング用ターゲ
   ット材。
3. 【請求項３】 体積平均径が１５０μｍ以下であるＡｌ
   粉末と、体積平均径が５０μｍ以下であるＡｌと希土類
   元素との化合物の粉末を混合し、400℃以上600℃以下で
   加圧焼結後、圧延することを特徴とするＡｌ系スパッタ
   リング用ターゲット材の製造方法
4. 【請求項４】 圧延は400℃以上550℃以下で行うことを
   特徴とする請求項３に記載のＡｌ系スパッタリング用タ
   ーゲット材の製造方法。