JPWO2011018895A1 - スパッタリングターゲットの製造方法及びスパッタリングターゲット - Google Patents

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Abstract

【課題】結晶粒の微細化と均一化を可能とするスパッタリングターゲットの製造方法及びスパッタリングターゲットを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法は、第1の軸方向(z軸方向)及び上記第1の軸方向と直交する平面方向(xy平面方向)に応力を加えることで、金属のインゴットを鍛造する工程を含む。上記第1の軸方向と平行な方向に斜めに交差する第2の軸方向(c11、c12、c21、c22軸方向)に応力を加えることで、上記インゴットはさらに鍛造される。上記インゴットは、その再結晶温度以上の温度で熱処理される。このように、第1の軸方向及びこれと直交する平面方向だけでなく、第2の軸方向にも辷り変形を生じさせることができるため、内部応力の高密度化、均一化が図れる。【選択図】図2

Description

本発明は、金属を鍛造することで成形されるスパッタリングターゲットの製造方法及び当該方法によって製造されたスパッタリングターゲットに関する。
近年、半導体装置、太陽電池、FPD(Flat Panel Display)及びMEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術を用いた電子デバイスの製造分野において、金属層又は絶縁層の成膜にスパッタリング法が広く用いられている。スパッタリング法は、成膜材料で構成されたターゲットと基板とを対向配置した真空チャンバ内においてプラズマを形成し、プラズマ中のイオンをターゲットに衝突させることで生成されるターゲットからのスパッタ粒子を、基板上に堆積させることで成膜する。
ターゲットの安定したスパッタリング、及び、形成される薄膜の膜質は、使用されるターゲットの品質に強く依存する。すなわち、スパッタリングターゲットは、相対密度が高いこと、組成が均質であること、結晶粒が微細であること等が要求されている。例えば金属製ターゲットの製造においては、結晶性金属のインゴットに圧延や鍛造等の機械加工を施すことで、上記諸特性を得るようにしている。
例えば特許文献1には、アルミニウムと銅の合金インゴット(鋳塊)を冷間加工し、その加工材をアルゴン気流中において所定温度で焼鈍した後急冷する、アルミニウム合金スパッタリングターゲットの製造方法が記載されている。
また、特許文献2には、コバルトインゴットに対して熱間鍛造と熱間圧延により板材を製作し、この板材の厚みを均一にした後、2軸方向への同じ圧延率での冷間圧延工程と所定の温度での熱処理工程とを繰り返す、スパッタリング用コバルトターゲットの製造方法が記載されている。
特開2002−69626号公報(段落[0006]) 特開2007−297679号公報(段落[0015])
従来のスパッタリングターゲットの製造方法においては、3次元的にXYZ軸を考えたとき、インゴットに印加する応力の方向はいずれもXYZ軸に沿ったものである。したがって、結晶の辷り(すべり)変形によって生じる転位は同軸方向にしか形成されず、転位の同軸方向への集中重複が避けられないため、内部応力が不均一となるとともに、結晶粒子サイズを効率よく微細化することが困難である。
また、圧延または鍛造後に加工材を熱処理する場合において、内部応力のばらつきに起因して再結晶核が不均一に発生する。すなわち、辷り変形が頻繁に生じた領域(転位密度の高い領域)と辷り変形が比較的少ない領域(転位密度の低い領域)との間で再結晶粒の粒子サイズが大きく異なってしまい、微細組織を均一に形成することが非常に困難となる。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、結晶粒の微細化と均一化を可能とするスパッタリングターゲットの製造方法及びスパッタリングターゲットを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法は、第1の軸方向及び上記第1の軸方向と直交する平面方向に応力を加えることで、金属のインゴットを鍛造する工程を含む。上記第1の軸方向と平行な方向に斜めに交差する第2の軸方向に応力を加えることで、上記インゴットはさらに鍛造される。上記インゴットは、その再結晶温度以上の温度で熱処理される。
また、本発明の一形態に係るスパッタリングターゲットは、ターゲット本体と、被スパッタ面とを具備する。上記ターゲット本体は、金属で構成された板状を有する。上記被スパッタ面は、70μm以下の平均粒子径と、(200)面に対する(111)面のX線強度比が0.3以下である結晶方位とを有する。
本発明の第1の実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法を説明する工程図である。 上記スパッタリングターゲットの製造方法を説明する各工程の概略図である。 比較例に係るスパッタリングターゲットの製造方法を説明する概略工程図である。 X線回折結果の一例を示す図であり、(a)は実施形態に係るサンプルを示し、(b)は比較例に係るサンプルを示している。 組織写真の一例であり、(a)は実施形態に係るサンプルを示し、(b)は比較例に係るサンプルを示している。 本発明の第2の実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法を説明する概略工程図である。 図1の変形例を示す工程図である。
本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法は、第1の軸方向及び上記第1の軸方向と直交する平面方向に応力を加えることで、金属のインゴットを鍛造する工程を含む。上記第1の軸方向と平行な方向に斜めに交差する第2の軸方向に応力を加えることで、上記インゴットはさらに鍛造される。上記インゴットは、その再結晶温度以上の温度で熱処理される。
上記スパッタリングターゲットの製造方法においては、インゴットの鍛造に際して、上記第1の軸方向及びこれと直交する平面方向だけでなく、これらに交差する第2の軸方向にも応力を印加するようにしている。このように、第1の軸方向及びこれと直交する平面方向だけでなく、第2の軸方向にも辷り変形を生じさせることができるため、内部応力の高密度化、均一化が図れる。これにより、同軸方向への荷重の集中が回避され、転位密度の不均一化を抑えることができる。上記熱処理工程は、インゴットの内部歪の除去と結晶の再配列化を目的とする。インゴットをターゲット形状(板状)に形成した後に行われてもよいし、インゴットの鍛造工程の一部(例えば熱間鍛造)として行われてもよい。
上記スパッタリングターゲットの製造方法によれば、結晶粒の平均粒子径を、例えば70μm以下とすることができる。また、(200)面に対する(111)面のX線強度比が0.3以下である結晶方位を有する被スパッタ面を備えたスパッタリングターゲットを製造することができる。
上記第1の軸方向と直交する平面方向に応力を加える工程は、上記インゴットを円柱形状から直方体形状に変形させることを含んでもよい。この場合、上記第2の軸方向に応力を加える工程は、上記直方体形状のインゴットの対辺又は対角の間で上記インゴットを圧縮変形させることを含む。
これにより、直方形状のインゴットに対して、その縦、横及び高さ方向だけでなく、斜め方向にも容易に辷り変形を生じさせることができる。
上記スパッタリングターゲットの製造方法は、上記第1の軸方向と平行な方向に斜めに交差する、上記第2の軸方向とは非平行な第3の軸方向に応力を加えることで上記インゴットを鍛造する工程をさらに具備してもよい。
これにより、粒子サイズの更なる緻密化を図ることが可能となる。
上記金属は特に限定されず、また、結晶構造(面心立方、体心立方、最密六方等)も限定されない。上記金属としては、例えば、タンタル、チタン、アルミニウム、銅又はこれらの何れかを主成分とする結晶性金属(多結晶金属)あるいはその合金を用いることができる。
本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットは、ターゲット本体と、被スパッタ面とを具備する。上記ターゲット本体は、金属で構成された板状を有する。上記被スパッタ面は、70μm以下の平均粒子径と、(200)面に対する(111)面のX線強度比が0.3以下である結晶方位とを有する。
上記スパッタリングターゲットによれば、微細かつ均一な結晶組織と安定した結晶方位を有するため、スパッタリングの安定化及び膜質の均一化を図ることが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの製造方法を示す工程図である。図2は、各工程におけるインゴットの変形の様子を示す概略図である。
本実施形態のスパッタリングターゲットの製造工程は、インゴットの作製工程ST1と、第1の熱間鍛造工程ST2aと、第2の熱間鍛造工程ST2bと、冷間鍛造工程ST3aと、熱処理工程ST3bとを備える。
(インゴット作製工程)
本実施形態では、インゴット10としてAlを主体とする結晶性合金が用いられる。アルミニウム合金としては、Al−Cu合金、Al−Si合金、Al−Si−Cu合金などが適用可能である。また、インゴット10の構成金属はアルミニウム及びその合金に限られず、例えば、タンタル、チタン、銅等の純金属又はこれらの何れかを主成分とする合金が適用可能である。
アルミニウム合金のインゴット10は、アルミニウム合金の溶湯を鋳造することによって作製される。インゴット10の形状、大きさは特に限定されず、製造されるターゲットの大きさに応じて適宜設定される。例えば、直径300〜350mm、厚み20〜30mmのターゲットを製造する場合、インゴット10は、直径160〜200mm、高さ200〜250mmの円柱形状とすることができる(図2(a))。インゴット10の上面(z軸と直交する平面)の面方位は、例えば(200)である。
(第1の熱間鍛造工程)
第1の熱間鍛造工程ST2aでは、インゴット10は円柱形状から直方体形状に変形される(図2(b))。この工程では、250〜420℃に加熱されたインゴット10に対して、高さ方向であるz軸方向(第1の軸方向)に沿って圧縮応力を印加する。これとともに、z軸と直交するxy平面方向に応力を印加することで、円柱形状のインゴット10から直方体形状のインゴット11を作製する(図2(b))。
z軸方向及びxy平面方向への変形操作は同時に実施されてもよいし、交互に実施されてもよい。同時に実施する場合は、例えば所定の鍛造型を用いてもよい。一方、xy平面方向への変形操作もまた、同時に実施されてもよいし、x軸方向及びy軸方向に交互に実施されてもよい。
インゴット10の加熱温度は上記の例に限定されず、適宜の温度に設定することができる。上記加熱温度は、例えば、インゴット10の再結晶温度以上であって、鍛造時に加工割れが生じない程度の温度に設定される。この第1の熱間鍛造工程における加工率も特に限定されず、材料や加熱温度、目的とする材料特性に応じて適宜定められる。
この第1の熱間鍛造工程では、z軸方向及びxy平面方向への圧縮変形処理が繰り返し実施される。この操作は、モミ鍛造とも称される。以上のような3軸方向(x軸、y軸及びz軸方向)への変形操作により、インゴット10に内部組織に対して、上記3軸方向に沿った辷り変形を生じさせる。
第1の熱間鍛造の終了後、インゴット10は水焼入れ(WQ)される。これにより、辷り線(辷り面)に沿って結晶が元の位置へ復帰することを阻止する。そして、直方体形状のインゴット11を所定厚みに切断することで、直方体形状のインゴット片12が作製される。続いて、各インゴット片12に対して第2の熱間鍛造工程が行われる。
(第2の熱間鍛造工程)
第2の熱間鍛造工程ST2bでは、直方形状のインゴット片の対角又は対辺の間で当該インゴット片12を圧縮変形させる。すなわち、図2(c)に示すように、例えばインゴット片12の長辺方向をz軸方向に向けたときに、z軸と平行な方向に関して斜めに交差する軸方向(例えばc11、c12、c21、c22)に沿って応力を印加する。このときの処理温度は、第1の熱間鍛造工程と同様に、例えば、250〜420℃とすることができる。
ここで、c11軸は、インゴット片12の上面側の1つの頂点t1と、頂点t1と対向関係にある下面側の1つの頂点t2との間を結ぶ軸方向を示す。また、c12軸は、インゴット片12の上面側の他の1つの頂点t3と、頂点t3と対向関係にある下面側の他の1つの頂点t4との間を結ぶ軸方向を示す。勿論、上記の例に限定されず、上面側の残りの2頂点とこれらに対向する下面側の2頂点との間を結ぶ軸方向にも圧縮応力が付与されてもよい。
さらに、c21軸は、インゴット片12の上面側の1つの辺s1と、辺s1と対向関係にある下面側の1つの辺s2との間を結ぶ軸方向を示す。また、c22軸は、インゴット片12の上面側の他の1つの辺s3と、辺s3と対向関係にある下面側の他の1つの辺s4との間を結ぶ軸方向を示す。勿論、上記の例に限定されず、上面側の他の2辺とこれらに対向する下面側の他の2辺との間を結ぶ軸方向にも圧縮応力が付与されてもよい。
インゴット片12に付与する斜め方向からの圧縮応力は、インゴット片12の対角間及び対辺間のうち何れか一方でもよいし両方でもよい。全ての組の対角又は対辺間が対象とされる例に限られず、何れかの組の対角又は対辺間が対象とされてもよい。また、これら斜め方向からの圧縮処理は、同一方向につき一度だけ行う場合に限られず、複数回繰り返して行われてもよい。
以上のような鍛造処理を行うことで、直方体形状のインゴット片12から図2(d)に示すような多面体形状のインゴット片13が形成される。当該インゴット片13は、z軸方向及びxy平面方向だけでなく、c11、c12、c21、c22等の各斜め軸方向にも辷り変形が生じることで、内部応力の高密度化、均一化が図られている。したがって、z軸方向及びxy平面方向への荷重の集中を回避でき、転位密度の不均一化を抑えることが可能となる。
斜め方向からの鍛造処理が施されたインゴット片13は、その後、z軸方向及びxy平面方向へ応力を付与することにより、図2(e)に示すような円柱形状のインゴット片14に変形される。インゴット片14の大きさは特に限定されず、例えば、直径が330mm、高さが40mmである。
(冷間鍛造工程)
冷間鍛造工程ST3aでは、円柱形状のインゴット片14が図2(f)に示すような円盤形状の成形体15に変形される。成形体15は、インゴット片14をz軸方向に圧縮変形させることで形成される。成形体15の大きさは特に限定されず、例えば、直径が360mm、厚みが30mmである。成形体15の作製には、例えば、型打ち鍛造法や圧延法を採用することができる。処理温度は特に限定されず、例えば室温とすることができる。
(熱処理工程)
熱処理工程ST3bは、第1及び第2の鍛造工程ST2a,ST2bを経て作製されたインゴット片15を再結晶温度以上の所定の温度に所定時間加熱することで、成形体15の内部組織を再結晶化させる工程である。処理温度は、例えば、280℃以上350℃以下の温度とされ、処理時間は例えば1時間とされる。
成形体15の再結晶化処理により、内部歪が除去されるとともに、結晶の再配列が促進される。本実施形態では、上述の鍛造工程ST2a,ST2bにより、内部応力の高密度化、均一化が図られているため、再結晶時の核生成を均一化することができる。また、z軸方向及びxy平面方向だけでなく、これらに対して斜めに交差する方向にも辷り変形が生じているため、転位線が3次元的に幾重にも交差し、その結果、結晶粒が微細化され、かつそれが均一に分布されている。したがって、当該熱処理によって微細な再結晶粒を均一に成長させることが可能となる。再結晶粒の粒子サイズは例えば60〜70μmであり、結晶方位に関しては、(200)面に対する(111)面のX線強度比を0.3以下に抑えることができる。
熱処理後、成形体15を目的とする形状、大きさ及び厚みに加工することによって、スパッタリングターゲットが作製される。
以上のようにして作製されたスパッタリングターゲットは、結晶性金属で構成された板状のターゲット本体と、その表面の一部を構成する被スパッタ面とを備える。被スパッタ面は、70μm以下の平均粒子径と、(200)面に対する(111)面のX線強度比が0.3以下である結晶方位とを有する。このスパッタリングターゲットによれば、微細かつ均一な結晶組織と安定した結晶方位を有するため、スパッタリングの安定化及び膜質の均一化を図ることが可能となる。
図3は比較例として示すスパッタリングターゲットの一製造方法を示す工程図である。ここでは、図3(a)に示す円柱形状のインゴット20をz軸方向に沿った圧縮変形と、z軸に直交する平面方向に沿った圧縮変形とを交互に行った後(図3(b)〜(d))、円盤形状の成形体21を作製する例を示した。成形体21はその後、所定の熱処理が施された後、ターゲット形状に加工される。
図3に示した製造方法においては、インゴット20に対する鍛造処理がz軸方向及びこれと直交する平面方向に限られるため、結晶の辷り変形によって生じる転位はこれらの方向にしか形成されず、転位の同軸方向への集中が避けられない。このため、内部応力が不均一になるとともに、結晶粒子サイズを効率よく微細化することが困難である。また、転位密度の高い領域と低い領域との間で再結晶粒の粒子サイズが大きく異なってしまい、微細組織を均一に形成することが非常に困難となり、更に、結晶方位の安定化が図れない。
図4(a)は、図2に示した工程によって製造された本実施形態に係るスパッタリングターゲットの被スパッタ面のX線回折結果を示している。図4(b)は、図3に示した工程によって製造された比較例に係るスパッタリングターゲットの被スパッタ面のX線回折結果を示している。実験に用いたインゴットの組成は、いずれも、Al−0.5%Cuとした。図4の結果から、(200)面に対する(111)面のX線強度比は、比較例では0.63±0.31であったのに対して、本実施形態では0.17±0.15であった。本実施形態によれば、結晶方位を(200)面に向けて安定して配向させることが可能である。
また、平均結晶粒子は、比較例では91μm±10.3μmであったのに対して、本実施形態では62μm±5.1μmであった。図5に組織写真の一例を示す。図5(a)は本実施形態に係るスパッタリングターゲットの被スパッタ面の顕微鏡写真であり、図5(b)は比較例に係るスパッタリングターゲットの被スパッタ面の顕微鏡写真である。本実施形態においては、粒界が五角形又は六角形の様相を呈している。これは、3軸方向だけでなく斜め方向にも応力が印加されることで、結晶粒が回転するように変形されることによるものと推察される。また、このような変形を伴うことで、再結晶時の核成長が制御され、結果的に結晶方位の安定化につながるものと推察される。
[第2の実施形態]
図6は、本発明の他の実施形態を示している。本実施形態では、インゴットの向きを変えて、斜め方向からの鍛造処理を繰り返す処理方法について説明する。この鍛造処理は熱間又は温間で実施され、各工程の詳細は上述の第1の実施形態と同様であるので、ここでは重複する説明を省略する。
まず、図6(a)に示すように、円柱形状のインゴット30の上面(図中ハッチングで示す。)を水平方向に向け、z軸方向(高さ方向)及びこれと直交する平面方向に応力を加えて直方体形状にする。その後、作製された直方体形状のインゴット30の各対辺及び対角に圧縮応力を印加して、z軸方向に関して斜め方向に辷り変形を生じさせる。その後、インゴットの各側面を圧縮変形させて円柱形状のインゴット31を作製する。
次に、必要に応じて追加の熱処理を施した後、図6(b)に示すように、インゴット31の上面(図中ハッチングで示す。)を鉛直方向に向け、再び上述の動作を繰り返す。すなわち、円柱形状のインゴット31に対してz軸方向と直交する平面方向に圧縮応力を印加して直方体形状のインゴット31を作製し、そのインゴット31の各対辺及び対角に圧縮応力を印加して、z軸方向に関して斜め方向に辷り変形を生じさせる。
その後、インゴット31を円盤形状に変形させて、成形体32を得る。この工程は、冷間で行われてもよい。その後、所定の熱処理を施し、必要な機械加工を施すことで、所望のスパッタリングターゲットが得られる。
本実施形態によれば、上述の第1の実施形態と同様な特性を有するスパッタリングターゲットを製造することができる。特に本実施形態によれば、インゴットの向きを変えながら斜め方向の鍛造処理を繰り返し施しているので、結晶粒の更なる微細化と均一化を図ることが可能となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば以上の実施の形態では、斜め方向からの第2の熱間鍛造工程(ST2b)の後、冷間鍛造工程(ST3a)及び熱処理工程(ST3b)を実施した。これに代えて図7に示すように、第2の熱間鍛造工程(ST2b)の後、熱間鍛造工程(ST3c)を実施することで、板形状への圧延と再結晶化熱処理を同時に行ってもよい。
また、以上の実施形態では、第2の熱間鍛造(ST2b)を実施するときのインゴットの初期形状を四角柱としたが、これに限らず、円柱であってもよいし、他の多角柱であってもよい。
10〜14、30、31…インゴット
15、31…成形体

Claims (5)

  1. 第1の軸方向及び前記第1の軸方向と直交する平面方向に応力を加えることで、金属のインゴットを鍛造し、
    前記第1の軸方向と平行な方向に斜めに交差する第2の軸方向に応力を加えることで、前記インゴットをさらに鍛造し、
    前記インゴットをその再結晶温度以上の温度で加熱処理する
    スパッタリングターゲットの製造方法。
  2. 請求項1に記載のスパッタリングターゲットの製造方法であって、
    前記第1の軸方向と直交する平面方向に応力を加える工程は、前記インゴットを円柱形状から直方体形状に変形させることを含み、
    前記第2の軸方向に応力を加える工程は、前記直方体形状のインゴットの対辺又は対角の間で前記インゴットを圧縮変形させることを含む
    スパッタリングターゲットの製造方法。
  3. 請求項2に記載のスパッタリングターゲットであって、さらに、
    前記第1の軸方向と平行な方向に斜めに交差する、前記第2の軸方向とは非平行な第3の軸方向に応力を加えることで、前記インゴットを鍛造する
    スパッタリングターゲットの製造方法。
  4. 請求項1に記載のスパッタリングターゲットの製造方法であって、
    前記金属は、タンタル、チタン、アルミニウム、銅又はこれらの何れかを主成分とする合金である
    スパッタリングターゲットの製造方法。
  5. 金属で構成された板状のターゲット本体と、
    前記ターゲット本体の表面を形成し、70μm以下の平均結晶粒径と、(200)面に対する(111)面のX線強度比が0.3以下である結晶方位とを有する被スパッタ面と
    を具備するスパッタリングターゲット。
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