(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トータル７５％以上の冷間圧延率で冷間加工を施したチタン素材と、アルミニウムを主体とするバッキングプレート部材とを接触させた状態で、３００から４５０℃の加熱を伴う圧力５０から２００ＭＰａの静水圧プレス処理を行い、該静水圧プレス処理によりチタン素材とバッキングプレート部材とを拡散接合するとともに、チタン素材の再結晶化を行ない、平均結晶粒径１０μｍ以下の再結晶組織を有するチタンよりなるターゲット材とバッキングプレートとが拡散接合した組立体を得ることを特徴とするスパッタリング用チタンターゲット組立体の製造方法。
【請求項２】
チタン素材のバッキングプレートと接合される面に、６Ｓから１２Ｓの粗面化処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング用チタンターゲット組立体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリングによってチタンを主体とする薄膜を形成するために用いられるスパッタリング用チタンターゲット組立体の製造方法およびスパッタリング用チタンターゲット組立体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子や、パーソナルコンピュータの記録媒体として用いられる磁気ディスク、あるいは液晶ディスプレイなどの精密部品の製造分野でスパッタリング法を用いた薄膜の形成が広く行われている。
スパッタリングに用いられるターゲットは、通常ターゲット材にパッキングプレートが接合された組立体となっている。
これは、バッキングプレートが、スパッタリング装置への装着時のターゲット材の固定部材として、またスパッタリング中のターゲット材の過熱を防止するための熱伝導部材として、あるいはターゲット材にチャージアップした電荷の放散のための導電性部材として有効であるからである。
【０００３】
上述の高い熱伝導性と、高い電気伝導性とを満足するバッキングプレート用素材として、熱伝導性の観点から主として無酸素銅が用いられている。また、純アルミニウムあるいはジュラルミン等のアルミニウムを基とする合金のバッキングプレートが使用される場合もある。
通常、ターゲット材とバッキングプレートとは、インジウム系あるいはスズ系のロウ材を用いて接合されている。
最近、成膜時の効率を向上するために、チタンターゲット材は大型化し、スパッタリングのために投入される電力は、ますます増加する傾向にある。
例えば、ＬＳＩの製造プロセスで使用される純チタンターゲット材には、コリメータ使用による薄膜の堆積速度の低下を補うために、数十キロワットにもおよぶ高い電力が投入される場合がある。このため、従来よりもターゲット材の過熱が激しく、高温下でのバッキングプレートとのボンディングの信頼性の確保が大きな課題となっている。
【０００４】
高温下における接合部分の信頼性を確保する手段としては、高融点のロウ材を使用する方法があるが、ロウ材の高温化には限界があり、またロウ材を使用する際に用いられるフラックス剤により、ターゲット材が汚染されるという問題がある。
このような問題を解決するために、バッキングプレートを使用しないでターゲット材を直接装置に導入してスパッタリングを行う方法を取る場合があるが、この場合は、上述したようにスパッタリング中のターゲット材の過熱を防止できる、あるいはチャージアップした電荷の放散を容易に行えるといったバッキングプレートを装着することによる利点を得ることができない。
【０００５】
また、上述した問題を解決する新しい手法として、ターゲット材とバッキングプレートとを固相拡散により接合する方法が提案されている。
たとえば、特開平６−６５７３３号公報によれば、チタンのターゲットとアルミニウムのバッキングプレートとを５００℃で２４時間、８００トンの荷重を加えて拡散接合することにより、引張強度９．７から１１．９ｋｇｆ／ｍｍ2（９５．１から１１６．６ＭＰａ）の接合強度が得られることが開示されている。
また、特開平６−１０８２４６号公報によれば、ターゲットよりも低融点のインサート材を挿入して、拡散接合する方法が開示されている。
【０００６】
上述した拡散によりターゲット素材とバッキングプレートとを接合する方法は、通常のロウ材による接合にくらべて約１０から２０倍もの強固な接合を得ることができ、スパッタリング時も投入電力の増加に伴う温度上昇にあっても、接合部の信頼性を確保できるものとして期待されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ＬＳＩに代表される半導体素子の高集積化に伴い、半導体素子に形成するコンタクトホールの穴径は小さくなり、アスペクト比は増加する傾向にある。
このような高アスペクト比のコンタクトホール内に成膜する場合、コンタクトホール底部には膜が堆積しにくいという問題が発生している。
このため、コンタクトホール底部に十分に膜を堆積させるためには、スパッタ粒子はコンタクトホールにできるだけ垂直に揃って入射することが必要である。
従来は、ターゲット材と成膜すべき基板との間にコリメータを設けて、基板に到達するスパッタ粒子の方向を揃える方法、あるいはターゲット材と基板を引き離することにより基板に到達するスパッタ粒子の方向を揃えるした遠距離スパッタなど、装置上の改良によりスパッタ粒子の方向を揃える方法が実用化されている。
本発明者等の検討によれば、通常使用されているチタンターゲット材の組織における平均結晶粒径は５０μm程度のものであるが、平均結晶粒径を１０μm以下のきわめて微細な再結晶組織を有するチタンターゲットを用いればスパッタ粒子の方向を揃えることができることを見いだした。
【０００８】
また近年、ＬＳＩの高集積化に伴う、配線幅の微細化、積層膜の高層化により、スパッタリング成膜工程での異物、いわゆるパーティクルの発生による製品の歩留り低下が問題となっている。
例えばＬＳＩのオーミックコンタクト部を形成するために使用されるチタンターゲット材に対しては、通常純チタン層の形成するためのアルゴンスパッタと、窒化チタン（ＴｉＮ）層を形成するためのアルゴンと窒素との混合雰囲気下での反応性スパッタとを交互に適用される。
本発明者等は、このようなスパッタリング過程におけるチタンターゲット材表面の形状変化と、パーティクル発生との関連を調査した。
【０００９】
その結果、反応性スパッタの過程で、チタン表面に窒化チタン（ＴｉＮ）層が形成され、このＴｉＮ層の剥離がパーティクル発生の原因の一つであることを見いだした。
そして、ＴｉＮ層が剥離する原因の一つとして、エロージョン部に凹凸ができ、この凹凸のエッジ部がアーキングの起点となり、異常放電の衝撃によりＴｉＮ皮膜の剥離・飛散して、パーティクルが発生することが推定された。
本発明者等は、上述したパーティクルの発生は、チタンターゲット材の結晶粒径を微細なものに調整することにより低減できることを確認した。
これは、組織の結晶粒径を微細にすることにより、エロージョン部の凹凸が小さく平滑になるため異常放電が起こりにくく、ＴｉＮ層の膜応力も分散されるため、剥離によるパーティクル発生が抑えられたものと考えられる。
なお、結晶粒の小さいチタンターゲット材が、粗大な結晶粒を有するチタンターゲット材に比較してパーティクルの発生を低減できることは、特開平６−１０１０７号公報あるいは特開平６−２８０００９号公報にも報告されている。
【００１０】
本発明者は従来よりも一段と微細な結晶粒を有する組織に調整したチタンターゲット材は、スパッタ粒子の方向を揃えるという目的に対して有効であるとともに、スパッタリング期間中のパーティクルの発生の抑制に対しても効果的との結論を得た。
本発明者は、このような微細な再結晶組織を有するチタンターゲット材をスパッタリング時の大電力に耐えられるように、ロウ付けによるバッキングプレートを接合する手法に替えて、特開平６−６５７３３号に記載される拡散接合による方法でターゲット材とバッキングプレートとを接合する手法によりチタンターゲット組立体を得ることを試みた。
【００１１】
しかし、特開平６−６５７３３号に記載される手法により微細組織に調整したチタンターゲット組立体を製造すると、拡散接合の際の加熱により、ターゲット組織中の結晶粒が粗大化してしまい、コンタクトホール底部に十分な膜を形成可能な組織を維持できない場合があることがわかった。
本発明の目的は、パーティクルの発生が少なく、方向の揃ったスパッタ粒子を放出することが可能であるターゲット組立体およびそのターゲット組立体を効率良く得ることができる製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、ターゲット材を得る上で必要なチタン素材の組織調整の工程と、チタン素材とアルミニウムを主体とするバッキングプレート部材とを直接拡散接合する工程を検討した。
そして、本発明者はチタンとアルミニウムは、拡散しやすく、静水圧プレスを用いれば５００℃以下の低温での拡散接合も可能であること、チタンは冷間加工による歪みの度合いにも依存するが、５００℃以下でも再結晶を起こすことが可能であることを見いだした。
すなわち、静水圧プレスを用いる本発明の特定条件においては、チタン素材とアルミニウムとはアルミニウムの融点以下という低温においても拡散接合が可能であり、しかも同じ温度域で同時に再結晶化による組織調整も可能であることを見出したのである。この点に着目し、本発明者はチタン素材の再結晶化による組織調整のための加熱処理を、拡散接合の際の加熱処理と兼用できることを見いだしたのである。
【００１３】
すなわち、本発明はトータル７５％以上の冷間圧延率で冷間加工を施したチタン素材と、アルミニウムを主体とするバッキングプレート部材とを接触させた状態で、３００から４５０℃の加熱を伴う圧力５０から２００ＭＰａの静水圧プレス処理を行い、該静水圧プレス処理によりチタン素材とバッキングプレート部材とを拡散接合するとともに、チタン素材の再結晶化を行ない、平均結晶粒径が１０μｍ以下の再結晶組織を有するチタンよりなるターゲット材とバッキングプレートとが拡散接合した組立体を得るスパッタリング用チタンターゲット組立体の製造方法である。
【００１４】
また、接合強度をさらに高めるためにはチタン素材のバッキングプレートと接合される面に、６Ｓから１２Ｓの粗面化処理を行うことが有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、加熱を伴う静水圧プレスによって、チタン素材の組織の調整およびチタン素材とバッキングプレートとの接合を兼ねることに一つの特徴がある。
本発明者によれば、チタンの再結晶粒の大きさは、温度に大きく依存するが、時間に対しては、拡散接合を行なう数時間の範囲内においては、結晶粒の著しい粗大化は起こらないことが判明した。
したがって、加熱を伴う静水圧プレスにより、チタン素材の組織の調整およびチタン素材とバッキングプレートとの接合と同時に行うことが可能となったのである。
こうすることにより、あらかじめチタン素材の組織調整を行う必要が無くなり、工程の省略が達成でき生産効率を上げることが可能となる。
また、静水圧プレス条件をチタン素材の組織を調整する条件に設定することで、組織調整後の加熱による結晶粒の粗大化といった問題をなくすことができる。
また、拡散接合処理と再結晶を同時に起こさせるということは、従来よりも低い加熱条件を適用する場合であっても、チタンの再結晶時の歪みの解放に伴ない原子移動が容易になるため、単なる加熱の場合より拡散接合しやすくなるという利点も期待できる。
【００１６】
また、本発明においては、静水圧プレスの適用も一つの特徴である。
一軸のプレス成形においては、チタンターゲット材とバッキングプレートとの接合界面に垂直に圧力が加えられるものの、少しでも軸がずれると接合界面への圧力むらができてしまうという問題がある。
組織の粗大化を防ぐために低温域で接合を行う場合は、接合界面の原子の拡散は接合界面に付与する圧力に大きく依存する。
そのため圧力むらの発生は、直接未接合部の発生につながり、熱伝導性および電気伝導性を確保することが必要なターゲット組立体としては使用できなくなる。
これに対して、静水圧プレスは、ターゲット材とバッキングプレートに等方的な圧力が加えることができ、接合面に圧力むらが発生するのを防止することができるものである。
【００１７】
本発明において、静水圧プレスの条件として３００℃から４５０℃が好ましいとしたのは、３００℃未満であると、長時間保持しても拡散接合することが難しく、また４５０℃を越えると、結晶粒の成長により組織が粗大化しやすくなるためである。
特に平均結晶粒径１０μｍより細かい組織を得ようとする場合は、トータル７５％以上の冷間圧延率と４５０℃以下の静水圧プレス処理の条件を適用する。  また、静水圧プレスの条件として、圧力５０ＭＰａから２００ＭＰａとしたのは、５０ＭＰａより低い圧力では、良好な接合状態を得ることが難しく、一方２００ＭＰａ以上の圧力を適用することは、静水圧プレス装置の性能上、現実的ではないためである。
【００１８】
上述した方法により、再結晶組織を有するチタン素材が、アルミニウムを主体とするバッキングプレートに拡散接合されてなるスパッタリング用チタンターゲットを得ることができる。
本発明において、アルミニウムを主体とするバッキングプレートというのは、純アルミニウムあるいはジュラルミンなどのアルミニウムを基とする合金でなるバッキングプレートを意味するものである。
熱伝導性の点からは、純アルミニウムが好ましいが、ターゲットが大型化してくると、バッキングプレートには強度が要求されるため、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｍｇ,Ｃｒ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ｚｒなど強化元素を１０重量％以下添加した合金を使用することができる。
【００１９】
本発明においては、上述したように低温高圧を適用するため、静水圧プレスにおいて使用する圧力を伝達する容器としては、できる限り低温において変形し易いものが望ましい。
具体的には、変形の容易なアルミニウム製の容器を使用したり、板厚０．５ｍｍ以下の金属箔を圧力を伝達する容器として使用することが望ましい。金属箔としては、純鉄、ステンレス、アルミニウムなどの箔が使用できるほか、特にターゲット材の汚染を防止するためには、高融点金属であるニオブやモリブデンの箔を選択することも可能である。
また、容器としてアルミニウムを主体とする容器とした場合は、別にバッキングプレートを準備せずに、容器をバッキングプレート部材として、静水圧プレス処理により容器とチタン素材を拡散接合し、静水圧プレス処理の後、容器を加工してバッキングプレートとすることが可能である。
【００２０】
また、本発明においては、チタン素材のバッキングプレートと接合される面に、あらかじめ６Ｓから１２Ｓの粗面化処理を施すことが望ましい。
これはアルミニウムと比較してチタンの硬さが高いため、凹凸を形成しておくと、高圧の静水圧プレス条件の設定により接合時に凹凸部がバッキングプレートに食い込み、アンカー効果を得ることができるとともに、界面の接触面積が増加して、拡散による物質移動が容易になり、接合強度を高めることができるためである。すなわち、より低温での接合が可能となるのである。
また、このような凹凸部を形成しておくと、接合時にバッキングプレートの表面に形成されやすい酸化層を突き破り、活性な表面を露出させるため、物質移動が容易となる。これにより接合強度をさらに高めることになる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
５Ｎ(99.999%純度)グレードのチタンインゴットを冷間鍛造後、表１に示す条件で、冷間圧延を行い、チタン素材を得た。
得られたチタン素材を機械加工により、寸法φ３００×８ｍｍｔ、接合面の粗度を３．２Ｓに調整した。
一方、ＪＩＳ  合金番号１０５０の純アルミニウムの板材およびＪＩＳ  合金番号２０１７のジュラルミンから、機械加工により、寸法φ３００×２５ｔ、接合面の粗度が２Ｓのバッキングプレートを得た。
チタン素材およびバッキングプレートの接合面を、１０％フッ硝酸で洗浄を行い、表面の酸化膜や汚れを除去した。次いで純水で洗浄し、アルゴンブローにより乾燥を行った。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
次に表２に示す組み合わせで、チタン素材とバッキングプレートのそれぞれの接合面を重ね合わせ、肉厚３ｍｍの純アルミニウム製のカプセルに封入した。
このカプセルを、熱間静水圧プレス装置の炉内にいれ、５×１０マイナス３乗Ｐａまで減圧してから、カプセルを密封した。
次いで、熱間静水圧プレス装置の炉内温度を上昇していき、４００℃で、１４０ＭＰａの条件で５時間保持の処理条件で拡散接合とチタン素材の再結晶化を行った。
処理終了後、アルミニウム製のカプセルを旋盤加工で除去し、チタンターゲット材とアルミニウム製バッキングプレートとが接合したターゲット組立体を得た。
音波探傷法による測定では、いずれのターゲット試料も１００％の接合率であった。
また、機械加工の段階で、ターゲット材とバッキングプレートとの接合体から、３０ｍｍ角、厚さ１２ｍｍの引張試験片を切り出し、接合面に垂直な方向に荷重をかけて、接合強度を測定するとともに、ターゲット材の平均結晶粒径を測定した。その結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
表２に示すように、ジュラルミン製のバッキングプレートでは、純アルミニウムのバッキングプレートよりもやや接合強度が低下するものの５０ＭＰａ以上という十分に高い接合強度を得ることができた。
また表２に示すように、４００℃の条件で行った静水圧プレスによるターゲット材とバッキングプレートとの接合においては、ターゲット材組織における結晶粒の粗大化は起こらず、ターゲット材組織の調整と拡散接合を同時に達成することができた。
得られたターゲット組立体を用いて、到達真空度５×１０マイナス５乗Ｐａ、アルゴン圧力５Ｐａ、供給電力（ターゲット単位面積当たり）１５Ｗ／ｃｍ2、基板温度２００℃の条件にて行ない成膜評価を行った。結果を表３に示す。
表３に示すパーティクル数は、６インチウエハー中の０．３μｍ以上の個数で表したものである。
また、ボトムカバレージ率はホール径０．５μｍでアスペクト比１．５のコンタクトホールに成膜した際のトップ膜厚とボトム膜厚を測定し、ボトム膜厚／トップ膜厚で算出したものである。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
表３に示すように、各試料とも２０%以上のボトムカバレージを有し、パーティクル数も２０個以下を達成することができた。
このボトムカバレージが高いということは、コンタクトホールの底部に、より多くのスパッタ粒子が到達したことを意味するものであり、ターゲット材から飛び出したスパッタ粒子の方向がそろっていることを示す指標となる。
また、特にターゲット材として平均結晶粒径を１０μｍ以下に調整できたＴ１からＴ６までのターゲット材においては、平均結晶粒径が１０μｍを越えるＴ７のターゲット材に比べて、パーティクル数が少なく、ボトムカバレージも高いものとなり、好ましいものとなっていることがわかる。
【００２８】
（比較例）
実施例１の試料Ｔ１と同様にしてチタン素材を得た後、４００℃にて再結晶化の加熱処理を行い、平均結晶粒径８μｍの微細組織を有するチタンターゲット材を得た。
得られたチタンターゲット材と純アルミニウム製のバッキングプレートとを肉厚３mmの純アルミニウム製のカプセルに封入した。
５×１０マイナス３乗Ｐａまで減圧してから、カプセルを密封し、ついで熱間静水圧プレス装置の炉内温度を上昇していき、５００℃で１２０ＭＰａの条件で５時間保持の拡散接合処理を行った。
拡散接合処理後、アルミニウム製のカプセルを除去し、チタンターゲットとアルミニウム製バッキングプレートとが接合したターゲット組立体を得た。
音波探傷法による測定では、１００％の接合率であった。
【００２９】
また、機械加工の段階で、ターゲット材とバッキングプレートとの接合体から、３０mm角、厚さ１２ｍｍの引っ張り試験片を切り出し、接合面に垂直な方向に加重をかけて、接合強度を測定するとともに、拡散接合処理後のターゲット材の平均結晶粒径を測定した。
その結果、接合強度は９４ＭＰａと良好であった。しかし、平均結晶粒径は２５μmと拡散接合処理前の素材に対して粗大化していた。
比較例のターゲットの金属ミクロ組織写真を図２に示す。
このターゲットを実施例１と同様に成膜評価を行ったところ、パーティクル数は、６インチウエハー中の０．３μm以上の個数で２４個、また、ボトムカバレージ率は２０％であり、微細組織を有する実施例１に記載した本発明のターゲットに比べて、劣るものとなった。
【００３０】
（実施例２）
実施例１で用いたのと同様のチタン素材Ｔ１、Ｔ３と、実施例１と同様の純アルミニウム製のバッキングプレートを準備した。それぞれの接合面を重ね合わせ、純アルミニウム製のカプセルに封入した。
このカプセルを、熱間静水圧プレス装置の炉内にいれ、５×１０マイナス３乗Ｐａまで減圧してから、カプセルを密封した。
次いで、熱間静水圧プレス装置の炉内温度を上昇していき、圧力および温度変えて５時間保持する条件を設定することにより、静水圧プレスにおける温度と圧力の影響を確認できるようにした。
【００３１】
なお、カプセルとしては、静水圧プレスにおいて４００℃以上の温度を適用する場合は肉厚３ｍｍの純アルミニウム缶とし、４００℃未満を適用する場合は、０．１ｍｍの純モリブデンの箔を用いた。
処理終了後、アルミニウム製のカプセルを旋盤加工で除去し、チタンターゲット材とアルミニウム製バッキングプレートとが接合したターゲット組立体を得た。
音波探傷法による測定では、いずれのターゲット試料も１００％の接合率であった。
また、機械加工の段階で、ターゲット材とバッキングプレートとの接合体から、３０ｍｍ角、厚さ１２ｍｍの引張試験片を切り出し、接合面に垂直な方向に荷重をかけて、接合強度を測定するとともに、ターゲット材の平均結晶粒径を測定した。その結果を表４に示す。また、本発明の典型的な金属ミクロ組織の顕微鏡写真を図１に示す。
【００３２】
【表４】
0004367796.tif 000005
【００３３】
表４の試料１５に示すように、２８０℃では１５０MPaの圧力においてはチタン素材とバッキングプレートとを接合させることができなかった。
また、３００℃以上では、ターゲット材とバッキングプレートとの接合は良好なものとなったが、試料２０、２５に示すように５００℃にまで温度を高めると、結晶粒がかなり大きくなることがわかる。
また、試料２６に示すように、静水圧プレスの圧力が５０MPaより低いものであると、接合強度が低くなることがわかる。
表４に示すように、ターゲット材組織の調整と拡散接合を同時に達成することができ、また静水圧プレスの条件を変更することにより、接合強度およびチタン組織の平均結晶粒径を調整することができることがわかる。
【００３４】
（実施例３）
実施例１のターゲット材Ｔ１と同様のターゲット材を製造し、実施例１と同様のアルミニウム製のバッキングプレートを準備した。
ターゲット材およびバッキングプレートの接合面を表５に示す面粗度に加工した。
これらを実施例１と同様に、４００℃で、１４０ＭＰａの条件で５時間保持の処理条件で拡散接合チタン素材の再結晶化を行った。
これをアルミニウム製のバッキングプレートと同じ寸法およびグレードのチタンターゲットとアルミニウム製のバッキングプレートとを用意した。ここでは、Ｔｉについて、接合面の粗度を、表１に示すように、１Ｓ、２Ｓ、６．３Ｓ、１２Ｓと変化させ、残りの条件は実施例１と全く同様の手順により拡散接合を行ない、機械加工によりターゲットを製造した。
【００３５】
得られたターゲットにおいて、ターゲット材は、１０μｍの平均粒径となり、結晶粒の粗大化は起こっていないことを確認した。
ターゲット材の接合面に付与した面粗度と接合強度の影響を確認するため、実施例１と同様の方法で、接合強度を測定した。結果を表５に示す。
表５に示すように、ターゲット材粗さを大きくすることにより、接合強度を高めることが可能であることがわかる。
【００３６】
【表５】
0004367796.tif 000006
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、加熱を伴う静水圧プレスにより、チタン素材の組織の調整およびチタン素材とバッキングプレートとの接合と同時に行うことにより、あらかじめチタン素材の組織調整を行う必要が無くなり、工程の省略が達成でき生産効率を上げることが可能となる。
また、静水圧プレス条件をチタン素材の組織を調整する条件に設定することで、組織調整後の加熱による結晶粒の粗大化といった問題をなくすことができる。
これにより、パーティクルの発生の抑制およびスパッタ粒子の方向を揃えるという目的に対して有効である微細なチタン組織を精度良く得ることができるため、工業上有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のターゲット材の金属ミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】比較例のターゲット材の金属ミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図１】
0004367796.tif 000007
【図２】
0004367796.tif 000008