JPH11349381A

JPH11349381A - 窒化ケイ素焼結体およびそれからなるスパッタターゲット

Info

Publication number: JPH11349381A
Application number: JP10158906A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Imamura; 寿之今村; Masahisa Sofue; 昌久祖父江; Hiroshi Fukuzawa; 宏福沢
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】スパッタターゲットの洗浄および作業能率の
点で効果が大きい緻密質であるとともに、スパッタ時の
熱応力割れの発生を著しく軽減させうる窒化ケイ素焼結
体を提供する。【解決手段】マグネシウム（Ｍｇ）またはイットリウ
ム（Ｙ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化イッ
トリウム（Ｙ₂Ｏ₃）換算で、その合計量が０．３〜４０
ｍｏｌ％含有し、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ
・Ｋ）以上、常温における３点曲げ強度が６００ＭＰａ
以上、真密度を１００％としたときの相対密度が９６％
以上であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタターゲッ
トをはじめとしてパワー半導体用基板、発熱素子用ヒー
トシンクなどの電子部品用部材や、一般機械器具用部
材、溶融金属用部材、熱機関用部材などの構造部品用部
材として幅広く利用できる、高い強度と熱伝導率を有す
る窒化ケイ素焼結体に関するものである。特に、その窒
化ケイ素焼結体からなるスパッタターゲットに関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ケイ素焼結体は強度や靭性に優れる
ため機械部品への適用が進んでいるが、一方でサーマル
ヘッドなどの保護膜の形成に用いられるスパッタターゲ
ットなど電子部品用素材にも適用されている。

【０００３】従来の窒化ケイ素焼結体製のスパッタター
ゲットとして、例えば特開平３−２４８８６１号公報に
開示されたものがある。一般に、スパッタターゲットは
緻密質であることが望ましい。その主な理由は、ターゲ
ット内部に気孔を持つものに比べて洗浄が容易で塵など
の不純物を除去しやすいため、またスパッタ装置に取り
付けた後、装置内の雰囲気を短時間で高真空にでき作業
能率が良くなるためである。

【０００４】しかしながら、窒化ケイ素焼結体製のスパ
ッタターゲットは、緻密質にするとスパッタ時の熱入力
によりターゲットが割れやすい問題があった。前記公報
によれば、ターゲットの密度が理論密度の９５％を超え
ると、ターゲットを貼り付けたバッキングプレートとの
熱膨張差により熱応力割れが発生しやすくなることが記
載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの問題に鑑
みてなされたものであり、スパッタターゲットの洗浄お
よび作業能率の点で効果が大きい緻密質であるととも
に、スパッタ時の熱応力割れの発生を著しく軽減させう
る窒化ケイ素焼結体を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の窒化
ケイ素焼結体は、マグネシウム（Ｍｇ）またはイットリ
ウム（Ｙ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化イ
ットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）換算で、その合計量が０．３〜４
０ｍｏｌ％含有し、常温における熱伝導率が４０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）以上、常温における３点曲げ強度が６００Ｍ
Ｐａ以上、真密度を１００％としたときの相対密度が９
６％以上であることを特徴とする。

【０００７】本発明において、熱伝導率は６０Ｗ／（ｍ
・Ｋ）以上がより好ましい。また、３点曲げ強度は７０
０ＭＰａ以上がより好ましい。

【０００８】また、酸化マグネシウムを含有するととも
に、酸化イットリウムを０．１ｍｏｌ％以上含有するこ
とが望ましい。さらには、アルミニウム（Ａｌ）を酸化
アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）換算で、０．１ｍｏｌ％以下
に抑えることが望ましい。

【０００９】上記本発明の窒化ケイ素焼結体からなるス
パッタターゲットは、後述の効果を発揮し本発明の特徴
を活かした好適な部材である。

【００１０】

【作用】スパッタターゲットはスパッタ表面に粒子が衝
突して発熱する。この熱による過熱を防止するため、通
常、スパッタターゲットの裏面に貼り付けた銅製のバッ
キングプレートを水冷することが行われている。このよ
うな熱の発生と冷却に伴いスパッタターゲットには熱応
力が発生し、これが大きくなるとスパッタターゲットが
割れることがある。

【００１１】割れの発生にはスパッタ時の入熱量、スパ
ッタターゲットの相対密度、スパッタターゲットとバッ
キングプレートとの熱膨張率の差、スパッタ雰囲気のガ
スの種類および圧力など多くの因子が関与している。こ
れらの因子を考慮して個々のケースについて試行しなが
ら割れの発生しづらい条件を設定していたのが実情であ
る。前述のとおり、窒化ケイ素焼結体製のスパッタター
ゲットでは、その素材を比較的多孔質にすることが割れ
の防止に効くのは知られている。

【００１２】本発明者らは窒化ケイ素焼結体製のスパッ
タターゲットにおいて、その熱伝導率、強度および相対
密度が熱応力割れに及ぼす影響を調査した。その結果、
常温において熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点
曲げ強度が６００ＭＰａ以上あれば、緻密質のものでも
熱応力割れが起きないのが判った。

【００１３】熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満では、
スパッタターゲット内部の温度勾配が大きくなって割れ
やすくなる。また、３点曲げ強度が６００ＭＰａ未満で
は熱応力割れが生じやすい。

【００１４】熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点曲
げ強度６００ＭＰａ以上の特性を兼備する窒化ケイ素焼
結体製のスパッタターゲットは、従来では不都合とされ
た相対密度９６％以上であっても、通常のスパッタの条
件では熱応力割れを生じないことが多くの試験で明らか
となった。

【００１５】相対密度が９６％未満であると、スパッタ
ターゲット中に存在する気孔が連通した孔となりやす
い。この連通孔は、スパッタターゲットの研削加工時に
発生する細かな加工砥石の塵や研削液成分の溜り場とな
る。このため、スパッタターゲットの研削加工後に水や
有機溶媒に浸漬して超音波洗浄しても、気孔内部に滞留
した塵や不純物成分を完全に除去しきれない。塵や不純
物成分を完全に除去しきれない状態でスパッタすると、
不純物が雰囲気中に放出され、純度の高い良質な被膜を
形成することが難しくなる。

【００１６】さらに、スパッタターゲットをスパッタ装
置に取り付けた後、装置内を真空引きする際に、スパッ
タターゲットに連通孔が存在すると、真空度を高めるこ
とが困難であったり、長時間を要したりする不具合を生
じる。

【００１７】本発明のスパッタターゲットは、相対密度
が９６％以上であるため連通孔が殆ど存在せず、塵や不
純物成分による汚染や真空引きの際の不具合は生じな
い。

【００１８】本発明のスパッタターゲットを製造する方
法は、特に制限はなく通常の窒化ケイ素の製造に用いら
れる成形、焼結、機械加工などのプロセスを適用でき
る。また、バッキングプレートに貼り付ける方法も公知
の手段を適用すればよい。

【００１９】本発明の窒化ケイ素焼結体は高い熱伝導率
を有することが最大の特徴である。高い熱伝導率を達成
するには、マグネシウムまたはイットリウムを酸化マグ
ネシウムまたは酸化イットリウム換算で、その合計量が
０．３〜４０ｍｏｌ％含有するのが好ましい。

【００２０】マグネシウムおよびイットリウムは、焼結
助剤として用いられ、窒化ケイ素原料粉末の緻密焼結に
有効である。これらの元素は、窒化ケイ素焼結体を構成
する第１のミクロ組織成分である窒化ケイ素結晶（Ｓｉ
₃Ｎ₄結晶）に対する固溶度が小さいので、窒化ケイ素結
晶、ひいては窒化ケイ素焼結体の熱伝導率を高い水準に
保つことができる。

【００２１】窒化ケイ素結晶に対する固溶度が小さく、
焼結助剤としての効果があれば、マグネシウムやイット
リウムに限らず本発明を実現するための元素として使用
することができる。

【００２２】好ましくない含有元素として、例えばアル
ミニウム（Ａｌ）が挙げられる。アルミニウムは窒化ケ
イ素結晶に固溶しやすく、熱伝導率を低下させる。酸化
物（Ａｌ₂Ｏ₃）換算で０．１ｍｏｌ％以下に抑えるのが
望ましい。

【００２３】マグネシウムまたはイットリウムを酸化マ
グネシウムまたは酸化イットリウム換算で、その合計量
が０．３ｍｏｌ％未満では、焼結時の緻密化作用が不十
分となり、相対密度９６％以上を得られない。４０ｍｏ
ｌ％を超えると、窒化ケイ素焼結体の第２のミクロ組織
成分である熱伝導率の低い粒界相の量が過剰となり、ス
パッタターゲットの熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満
となる。したがって、これらの酸化物はその合計量で
０．３〜４０ｍｏｌ％含有することが好ましい。

【００２４】酸化イットリウムの添加量は、０．１ｍｏ
ｌ％未満ではミクロ組織が粗大化して強度が低下するた
め、０．１ｍｏｌ％を下まわらないことがより好まし
い。

【００２５】本発明の窒化ケイ素焼結体製のスパッタタ
ーゲットは、例えば磁気記録装置のＭＲヘッドやＧＭＲ
ヘッドなどに用いられる電気絶縁膜や、熱転写プリンタ
のサーマルヘッドなどに用いられる耐摩耗性被膜の形成
に好適である。

【００２６】スパッタして得られる被膜は、本質的に高
熱伝導の特性をもつとともに、スパッタレートも十分高
くでき、被膜の電気的絶縁耐圧が高いものとなる。この
ため、本発明のスパッタターゲットで形成したＭＲヘッ
ドやＧＭＲヘッド用の電気絶縁性被膜は、高熱伝導、高
耐電圧の特性を有するので、素子の高発熱密度化や絶縁
性被膜の薄膜化が図れる。また、本発明のスパッタター
ゲットで形成したサーマルヘッド用の耐摩耗性被膜は、
窒化ケイ素の特性により耐摩耗性が良好であることはも
とより、高熱伝導性のため熱抵抗が小さくできるので印
字速度を高めることができる。

【００２７】本発明の窒化ケイ素焼結体は、スパッタタ
ーゲットとしてスパッタ時に生じる熱応力割れに対して
高い耐性を示すことを述べたが、これは本発明の窒化ケ
イ素焼結体自体が熱応力に対して高い耐性を示すもの
で、スパッタターゲット以外にも耐熱衝撃性の高い材料
として幅広く利用できるものである。

【００２８】電子部品用部材としては、高熱伝導・高強
度の特性を生かして、パワー半導体用基板、マルチチッ
プモジュール用基板などの各種基板、あるいはペルチェ
素子用伝熱板、各種発熱素子用ヒートシンク部材などに
適用できる。

【００２９】構造部品用部材としては、アルミニウムや
亜鉛などの金属溶解の分野で用いられるヒータチュー
ブ、ストーク、ダイカストスリーブ、溶湯攪拌用回転イ
ンペラ、ラドル、熱電対保護管などに適用できる。ま
た、アルミニウム、亜鉛などの溶融金属連続めっきライ
ンで用いられるシンクロール、サポートロール、軸受、
軸などに適用することにより、急激な加熱や冷却に対し
て割れづらい部材となり得る。また、鉄鋼あるいは非鉄
の加工分野では、圧延ロール、スキーズロール、ガイド
ローラ、線引きダイスなどに用いれば、被加工物との接
触時の熱拡散性が良好なため、摩耗を少なく、熱応力割
れを生じづらくできる。その他、各種の熱交換器部品や
熱機関用部品などに適用できる。

【００３０】

【発明の実施の形態】第１の実施例焼結助剤として平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム
（ＭｇＯ）粉末、平均粒径０．３μｍの酸化イットリウ
ム（Ｙ₂Ｏ₃）粉末および平均粒径０．３μｍの酸化アル
ミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末のなかから選ばれる１種ない
し２種以上の焼結助剤用粉末の所定量を、平均粒径０．
５μｍの窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末に添加し、エタノ
ール中でボールミルにより粉砕、混合した。ついで真空
乾燥後、ふるいを通して造粒し、黒鉛型に充填して、こ
れを１７００℃、２気圧、窒素ガス雰囲気中で３時間、
ホットプレス焼結した。

【００３１】得られた窒化ケイ素焼結体から直径１０２
ｍｍ×厚さ８ｍｍのスパッタターゲットを研削加工など
により作製した。また、同じ焼結体から直径１０ｍｍ×
厚さ３ｍｍの熱伝導率および密度測定用の試験片、縦３
ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの３点曲げ試験片を採取
した。

【００３２】熱伝導率はレーザフラッシュ法により室温
での熱伝導率を測定した。密度はマイクロメータによる
寸法測定と重量測定の結果から求めた。３点曲げ強度は
室温での３点抗折試験を行い測定した。

【００３３】また、密度測定用試験片を水中に浸漬した
ときの浮力変化の有無より連通孔の有無を調べた。すな
わち、浮力が時間経過とともに減少する場合、浸水が有
り連通孔の存在が判定できる。

【００３４】窒化ケイ素焼結体製のスパッタターゲット
のスパッタ時の熱応力割れに対する耐性を評価するた
め、ターゲットを銅製のバッキングプレートに低融点合
金を用いて接合し、高周波マグネトロン型のスパッタ装
置に取り付け、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中にて、出力２
ｋＷでスパッタを行った。そして、スパッタ後のスパッ
タターゲットを観察して割れの有無を調査した。

【００３５】また、比較例として、熱伝導率、３点曲げ
強度、相対密度の異なる窒化ケイ素焼結体の評価を同様
に行った。本発明の実施例および比較例について、表１
に焼結助剤の添加量（ｍｏｌ％）を示す。表１におい
て、焼結助剤を除く残部は窒化ケイ素である。表２に測
定結果を示す。表２において、浸水が無しは○、有りは
×、またスパッタ後の割れが無しは○、有りは×で示
す。

【００３６】

【００３７】

【００３８】本発明の実施例１〜３は、いずれも熱伝導
率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点曲げ強度が６００Ｍ
Ｐａ以上、相対密度が９６％以上を満足するものであ
る。これらはスパッタによる割れが発生せず、浸水テス
トでの浸水を認めず連通孔がなく良好であった。

【００３９】比較例１〜３では焼結助剤として酸化アル
ミニウムを添加したものを用いた。このため、熱伝導率
は低下し、いずれも２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。こ
れらはスパッタにより割れを生じた。比較例１および比
較例２のように３点曲げ強度が６００ＭＰａを超えたも
のでも熱伝導率が低いと割れを生じた。

【００４０】第２の実施例焼結助剤として平均粒径０．２μｍの酸化マグネシウム
粉末、平均粒径０．３μｍの酸化イットリウム粉末の所
定量を、平均粒径０．５μｍの窒化ケイ素粉末に添加
し、その後の処理を第１の実施例と同様に行うことによ
り、焼結助剤の添加量が異なる窒化ケイ素焼結体を作製
し、同じく第１の実施例と同様の試験・評価を行った。
ただし、第２の実施例では、スパッタ時の出力を第１の
実施例の２ｋＷに加え、より大きな熱応力が発生する３
ｋＷについても実施した。

【００４１】表３に焼結助剤の添加量（ｍｏｌ％）を示
す。表３において、焼結助剤を除く残部は窒化ケイ素で
ある。表４に測定結果を示す。表４において、浸水が無
しは○、有りは×、またスパッタ後の割れが無しは○、
有りは×で示す。

【００４２】

【００４３】表４熱伝導率曲げ強度相対密度浸水割れ割れ (W/m・K) (MPa) (%) 出力2kW 出力3kW 実施例２１８０７１０９６ ○ ○ ○ 実施例２２７０８００９８ ○ ○ ○ 実施例２３６０１０００９８ ○ ○ ○ 実施例２４６０８００９７ ○ ○ ○ 実施例２５１００１０１０９９ ○ ○ ○ 実施例２６１２０９５０９９ ○ ○ ○ 実施例２７１００９６０９９ ○ ○ ○ 実施例２８５０６１０９９ ○ ○ × 比較例２１８３８０７５ × ○ × 比較例２２６５６８０９４ × ○ × 比較例２３３８５９０９９ ○ × × 比較例２４２５５１０９９ ○ × ×

【００４４】酸化マグネシウムおよび酸化イットリウム
焼結助剤の添加量の合計量を０．３〜４０ｍｏｌ％の範
囲内にした本発明の実施例２１〜２８は、いずれも熱伝
導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点曲げ強度が６００
ＭＰａ以上、相対密度が９６％以上満足するものであ
る。これらは浸水テストでの浸水を認めず連通孔がなか
った。また、出力２ｋＷのスパッタ後に割れの発生は認
められなかった。出力を３ｋＷに高めたときには、実施
例２８のみが割れを生じた。実施例２１〜２７は熱伝導
率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、３点曲げ強度が７１０Ｍ
Ｐａ以上、相対密度が９６％以上を有し特に熱応力に対
して耐性が高いことが示される。

【００４５】酸化イットリウムを０．１ｍｏｌ％含有す
る実施例２３での３点曲げ強度は１０００ＭＰａあり、
酸化イットリウムを含有しない実施例２４での３点曲げ
強度に比較して２５％高く、酸化イットリウムと酸化マ
グネシウムの同時添加がより好ましいことが判る。

【００４６】比較例２１〜２４は、焼結助剤の添加量の
合計量が０．３ｍｏｌ％未満であったり、４０ｍｏｌ％
を超えるものであるが、浸水またはスパッタ後に割れを
生じ不具合な結果であった。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、高熱伝導・高強度・緻
密質の窒化ケイ素焼結体をうることができ、これによ
り、熱応力割れを生じずらい窒化ケイ素焼結体ならびに
窒化ケイ素スパッタターゲットを提供することができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マグネシウム（Ｍｇ）またはイットリウ
ム（Ｙ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化イッ
トリウム（Ｙ₂Ｏ₃）換算で、その合計量が０．３〜４０
ｍｏｌ％含有し、常温における熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ
・Ｋ）以上、常温における３点曲げ強度が６００ＭＰａ
以上、真密度を１００％としたときの相対密度が９６％
以上であることを特徴とする窒化ケイ素焼結体。
【請求項２】酸化マグネシウムを含有するとともに、
酸化イットリウムを０．１ｍｏｌ％以上含有することを
特徴とする請求項１に記載の窒化ケイ素焼結体。
【請求項３】アルミニウム（Ａｌ）を酸化アルミニウ
ム（Ａｌ₂Ｏ₃）換算で、０．１ｍｏｌ％以下含有するこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ケイ素焼
結体。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化
ケイ素焼結体からなることを特徴とするスパッタターゲ
ット。