(57)【要約】  金属材料の円筒形スパッタリングターゲットであって、パーティクルを低減させたスパッタリングターゲットを提供すること。スパッタリングターゲットは、円筒形スパッタリングターゲットであって、スパッタリングターゲットは、ターゲット材を少なくとも備え、ターゲット材は、１又は複数の金属元素からなり、結晶粒径が５０μｍ以下であり、酸素濃度が１０００質量ｐｐｍ以下である。
2020066957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形スパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットは、ターゲット材を少なくとも備え、
前記ターゲット材は、１又は複数の金属元素からなり、
結晶粒径が５０μｍ以下であり、
酸素濃度が１０００質量ｐｐｍ以下である、該スパッタリングターゲット。
【請求項２】
請求項１のスパッタリングターゲットであって、前記結晶粒径が１０μｍ超である、該スパッタリングターゲット。
【請求項３】
請求項１又は２のスパッタリングターゲットであって、前記ターゲット材がシームレスである、該スパッタリングターゲット。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパッタリングターゲットであって、前記金属元素がチタンである、該スパッタリングターゲット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項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、
１又は複数の金属元素からなる円柱形ビレットを円筒形ビレットに加工する工程と、
前記円筒形ビレットに対して塑性加工を行う工程と
を含む、該方法。
【請求項６】
請求項５の方法であって、塑性加工を行う工程が、
前記円筒形ビレットに芯棒を通し、鍛造を行うこと
を含む、該方法。
【請求項７】
請求項６の方法であって、塑性加工を行う工程が、
５００℃〜８５０℃の範囲で一次鍛造を行うことと、
２５０℃〜６００℃の範囲で二次鍛造を行うことと
を含む、該方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、スパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。より具体的には、本開示は、円筒形スパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの分野では、より高いレベルでの集積化及び小型化が要求されている。例えば、半導体デバイスを製造する際に、各種薄膜を形成する。薄膜の材料としては、モリブデン、タングステン、チタン等が挙げられる。そして、薄膜の形成方法として、スパッタリングが用いられる。【０００３】
スパッタリングの原理は以下の通りである。まず、真空中で不活性ガス（例えば、Ａｒガス）を導入しながら基板とスパッタリングターゲットとの間に高電圧を印加する。そして、イオン化したＡｒ+などのイオンをスパッタリングターゲットに衝突させる。この衝突エネルギーでスパッタリングターゲット中の原子を放出させて基板上に堆積させる。これにより、薄膜を形成することができる。【０００４】
スパッタリングターゲットの形状として、平板又は円筒形等が挙げられる。特許文献１では、アルミニウム、銀、銅、チタンおよびモリブデンからなる群より選択される少なくとも１種の金属からなる円筒型スパッタリングターゲットを開示している。更に特許文献１は、円筒型スパッタリングターゲットの製造工程を開示している。具体的には、金属系のスパッタリングターゲットの場合は、円柱状のスパッタリングターゲットの材料を押出加工に供したり、中心部をくり貫いたりして円筒形状に加工すること、又は、鋳造によって円筒形状に成型することを開示している。特許文献２では、粉末を焼結して円筒型粗形材を形成し、その後、１０００℃以上の温度で、芯棒上で鍛造することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−０５３３６６号公報
【特許文献２】特表２０１７−５１０７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、半導体デバイスの分野では、より高いレベルでの集積化及び小型化が要求されている。スパッタリングを行う際にパーティクルが発生すると、製品に対して様々な不具合をもたらすため望ましくない。そこで、本開示は、金属材料の円筒形スパッタリングターゲットであって、パーティクルを低減させたスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らが鋭意検討したところ、別のアプローチで円筒形スパッタリングターゲットを製造することに成功した。より具体的には、円柱形ビレットを、ＢＴＡ（Ｂｏｒｉｎｇ  ＆  Ｔｒｅｐａｎｎｉｎｇ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）方式深孔明け加工等により加工することで、円筒形ビレットを形成した。しかし、円筒形ビレット自体の組織が大きな結晶粒径を有するため、この工程だけでは、ターゲット材の結晶粒径が粗大な状態となる。そこで、円筒形ビレットに対して更に塑性加工を施して、円筒形のターゲット材とした。これにより組織内に多くの歪を導入させた。このようにして得られた円筒形のターゲット材は、必要に応じて再結晶熱処理が更に行われ、微細な結晶粒径を実現することができた。【０００８】
上記知見に基づいて完成された発明は、一側面において、以下の発明を包含する。
（発明１）
円筒形スパッタリングターゲットであって、
前記スパッタリングターゲットは、ターゲット材を少なくとも備え、
前記ターゲット材は、１又は複数の金属元素からなり、
結晶粒径が５０μｍ以下であり、
酸素濃度が１０００質量ｐｐｍ以下である、該スパッタリングターゲット。
（発明２）
発明１のスパッタリングターゲットであって、前記結晶粒径が１０μｍ超である、該スパッタリングターゲット。
（発明３）
発明１又は２のスパッタリングターゲットであって、前記ターゲット材がシームレスである、該スパッタリングターゲット。
（発明４）
発明１〜３のいずれか１つに記載のスパッタリングターゲットであって、前記金属元素がチタンである、該スパッタリングターゲット。
（発明５）
発明１〜４のいずれか１つ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、
１又は複数の金属元素からなる円柱形ビレットを円筒形ビレットに加工する工程と、
前記円筒形ビレットに対して塑性加工を行う工程と
を含む、該方法。
（発明６）
発明５の方法であって、塑性加工を行う工程が、
前記円筒形ビレットに芯棒を通し、鍛造を行うこと
を含む、該方法。
（発明７）
発明６の方法であって、鍛造を行う工程が、
５００℃〜８５０℃の範囲で一次鍛造を行うことと、
２５０℃〜６００℃の範囲で二次鍛造を行うことと
を含む、該方法。
【発明の効果】
【０００９】
一側面において、本開示のスパッタリングターゲットは、結晶粒径が５０μｍ以下である。これにより、スパッタリングの際のパーティクルの発生を、抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態における円筒形スパッタリングターゲットの組織の写真を示す。
【図２】一実施形態における円筒形スパッタリングターゲットの製造工程の一部を示す。
【図３】一実施形態における円筒形スパッタリングターゲットの組織の写真を示す。
【図４】一実施形態における円筒形スパッタリングターゲットの組織の写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の発明を実施するための具体的な実施形態について説明する。以下の説明は、本開示の発明の理解を促進するためのものである。即ち、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【００１２】
１．スパッタリングターゲット
１−１．構造
一実施形態において、本開示の発明は、スパッタリングターゲットに関する。スパッタリングターゲットは、少なくともターゲット材を備え、該ターゲット材は、直接スパッタされる部位である。また、スパッタリングターゲットは、基材（バッキングチューブ）を更に備えてもよい。そして、必要に応じて、基材とターゲット材の間には、更にボンディング層を設けてもよい。基材及びボンディング層については、公知の材料を使用することができる。
【００１３】
一実施形態において、スパッタリングターゲット（及びターゲット材）の形状は円筒形である。大きさは特に限定されない。
【００１４】
１−２．ターゲット材の構成元素
一実施形態において、ターゲット材は、１又は複数の金属元素から構成される。金属元素の例としては、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｏ、及びＷ等が挙げられるがこれらに限定されない。また、１金属元素に限定されず、ターゲット材は、複数の金属元素の合金から構成されてもよい。合金の例としては、Ｔｉ合金、Ｎｂ合金、Ｔａ合金、Ｃｕ合金、Ｃｏ合金、Ｍｏ合金、及びＷ合金等が挙げられるがこれらに限定されない。Ｔｉ合金の例としては、ＴｉＡｌ合金、及びＴｉＮｂ合金等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００１５】
ターゲット材が１金属元素から構成される場合（例えばＴｉ）、純度は、３Ｎ（９９．９質量％）以上、好ましくは４Ｎ（９９．９９質量％）以上、より好ましくは４Ｎ５（９９．９９５質量％）以上、さらに好ましくは５Ｎ（９９．９９９質量％）以上、最も好ましくは５Ｎ５（９９．９９９５質量％）以上である。上限値は特に限定されないが、８Ｎ以下である。上記の純度については、グロー放電質量分析法（ＧＤＭＳ）にて組成分析して得られる数値を意味する。例えば、４Ｎ以上の場合、チタン以外の元素（例えば、Ｎａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒなど）の合計量が０．０１質量％（１００質量ｐｐｍ）未満であることを意味する。
【００１６】
ターゲット材は、不可避的不純物を含んでもよい。不可避的不純物の例として、Ｏ、Ｃ等が挙げられる。含有量は特に限定されないが、Ｏの場合、例えば、１０００質量ｐｐｍ以下であってもよく、好ましくは２５０質量ｐｐｍ以下であってもよく、最も好ましくは１００質量ｐｐｍ以下であってもよい。Ｃの場合、例えば、２０質量ｐｐｍ以下であってもよい。
【００１７】
本開示のターゲット材において、上記のような不純物濃度を達成できる理由として、粉末焼結（原料粉末を型に入れて、プレスし、焼結する）によってターゲット材を製造しておらず、溶解法によって得られたビレットを用いてターゲット材を製造していることが挙げられる。金属の種類に依存するが、原料粉末中の酸素濃度は高く、１０００質量ｐｐｍを超える場合が多い。従って、粉末焼結によって形成されたターゲット材は、酸素濃度が高くなる。また、原料粉末中の酸素濃度が低かったとしても、粉砕等の工程により酸素濃度が上昇し、１０００質量ｐｐｍを超える蓋然性が高い。しかし、本開示のターゲット材は、粉末焼結による方法ではなく、円柱形ビレットを円筒形ビレットに加工し、その後鍛造等の塑性加工をするという方法を採用しているため、酸素濃度が高くなることを回避できる。
【００１８】
１−３．ターゲット材の結晶粒径
一実施形態において、ターゲット材を構成する金属は、特定の結晶粒径を有する。より具体的には、前記結晶粒径が５０μｍ以下である。好ましくは、前記結晶粒径が４０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。下限値は特に限定されないが、１０μｍ超であってもよい。結晶粒径が５０μｍ以下であることにより、即ち、結晶粒径が微細であることにより、パーティクルの発生を抑制することができる。
【００１９】
なお、ここで述べる結晶粒径は、以下の手順で測定して得られる。ＪＩＳ  Ｇ０５５１：２０１３の切断法に準拠し、スパッタリングターゲットの表面（スパッタリング面）において結晶粒内を横切る試験線の１結晶粒当たりの平均線分長から求める。この方法における結晶粒の観察には、光学顕微鏡（領域５００μｍ×５００μｍ）などを用いることができる。
【００２０】
本開示のターゲット材において、上記のような結晶粒径を達成できる理由として、粉末焼結によってターゲット材を製造しておらず、溶解法によって得られたビレットを用いてターゲット材を製造していることが挙げられる。粉末焼結すると、原料粉末と同等の結晶粒径が、熱処理によりそれ以上の結晶粒径に成長する。しかし、本開示のターゲット材は等の塑性加工を、粉末焼結による方法ではなく、円柱形ビレットを円筒形ビレットに加工し、その後鍛造等の塑性加工をするという方法を採用しているため、結晶粒径が大きくなることを回避できる。
【００２１】
また、本開示のターゲット材において、上記のような結晶粒径を達成できる別の理由として、金属材料を押し出し法によって成型しておらず、溶解法によって得られたビレットを用いてターゲット材を製造していることが挙げられる。押し出し法の場合、金属材料を溶融させる必要がある等の理由で、材料に対して熱処理が行われる。これにより、材料内の結晶粒が粗大化してしまう（例えば、材料がＴｉの場合、押し出し加工の温度は１０００℃程度になり、結晶粒は数百μｍになる）。しかしながら、押し出し法によって成型する場合、熱処理が不可避である。本開示のターゲット材は、押し出し法による方法ではなく、円柱形ビレットを円筒形ビレットに加工し、その後鍛造等の塑性加工をするという方法を採用しているため、結晶粒径が大きくなることを回避できる。
【００２２】
１−４．ターゲット材のシームレス
一実施形態において、ターゲット材は、シームレスである。「シームレス」とは、複数のターゲット材同士が接合された痕跡部分が存在しないを指す。より具体的には、エッチング後に組織を観察したときに、特定の特徴を持つ部位が観察されないことを「シームレス」と呼ぶ。ここで述べる、「特定の特徴を持つ部位」とは、例えば、溶接などにより結晶粒が粗大化して、材料全体の結晶粒径より２０％以上大きくなった部位を意味する。ここで、粒径の測定方法は、上記材料全体の結晶粒径の測定方法と同様である。また、シームレスかどうかを判定する際には、ターゲット材の表面ではなく、内部（例えば、深さ２ｍｍより深い位置）にて、組織を観察することによって行うことが好ましい。理由として、ターゲット材を表面加工することにより（例えば研削することにより）、ターゲット材表面上に観察される接合された痕跡部分を消すことができるからである。その点、ターゲット材内部の組織であれば、表面加工によって、接合された痕跡部分が消失することはないので、正確な判定が可能となる。
【００２３】
２．製造方法
一実施形態において、本開示の発明は、スパッタリングターゲットの製造方法に関する。前記方法は、少なくとも以下の工程を含む。
１又は複数の金属元素からなる円柱形ビレットを円筒形ビレットに加工する工程。
前記円筒形ビレットに対して塑性加工を行う工程。
【００２４】
また、上記方法では、必要に応じて、アニーリングする工程、及び／又は機械加工を行う工程を更に含んでもよい。以下、詳細に説明する。
【００２５】
２−１．円筒形ビレットに加工する工程
以下ではチタンを例に説明する。まず、チタンの円柱形ビレットを準備する。チタンインゴットの純度は、３Ｎ（９９．９質量％）以上、好ましくは４Ｎ（９９．９９質量％）以上、より好ましくは４Ｎ５（９９．９９５質量％）以上、さらに好ましくは５Ｎ（９９．９９９質量％）以上、最も好ましくは５Ｎ５（９９．９９９５質量％）以上である。
【００２６】
次に、円柱形ビレットに対して穿孔加工することで、円筒形のターゲット材の素材になる円筒形ビレットを形成する。穿孔加工については、特に限定されないが、ガンドリル加工、旋盤加工、ＢＴＡ方式深孔明け加工などが挙げられる。
【００２７】
２−２．塑性加工を行う工程
上記工程で得られた円筒形ビレットに対して塑性加工を行う。これにより、最終的に微細な結晶粒を実現することができる。
【００２８】
塑性加工は円筒形ビレットに歪を導入できるものであれば、その具体的な手法は特に限らないが、たとえば、鍛造や圧延を挙げることができる。ここでは、鍛造を例として以下に具体的に説明する。
【００２９】
２−２−１．鍛造
円筒形ビレットに対して鍛造を行う際には、内側に芯棒を挿入して実施する。好ましくは、鍛造は二段階に分けて行うことが好ましい（本明細書では、それぞれ、一次鍛造、二次鍛造と称する）。鍛造後、円筒形ターゲット材が得られる。
【００３０】
なおここで、穿孔加工する前の円柱形のビレットに対して鍛造を行う方法も考えられる。しかし、この方法だと、厚みのある材料に対してプレスを行う必要があり、加工機械に力が必要になる（特にＴｉの場合には硬いため、大きな力が必要となる）。一方で、穴を空けて芯棒を通して鍛造を行う場合、厚さの薄い材料に対して鍛造を行うので、加工機械に必要とされる力が小さくて済む。このような理由から、後述の一次鍛造及び二次鍛造のうち、少なくとも二次鍛造は、穿孔加工後の円筒形ビレットに対して行うことが好ましい。一次鍛造については、穿孔加工前の円柱形ビレットに対して実施することも可能であるが、以下には例として、穿孔加工後の円筒形ビレットに対して一次鍛造及び二次鍛造の両方を行う場合を述べる。
【００３１】
２−２−１−１．一次鍛造
まずは、上記工程で得られた円筒形ビレットに対して、一次鍛造を行うことができる。一次鍛造の目的は、円筒形ビレット内の組織の偏りをなくすこと、及び、鍛伸することである。温度条件としては、５００℃〜８５０℃で行うことができる。５００℃未満だと、円筒形ビレットが硬くて、鍛造を行った際に割れる可能性があり、ニアネットシェイプから離れた形に変形するリスクがあり、伸びが悪くなるからである。一方で、８５０℃超だと、結晶粒の粗大化が進むため好ましくない。また、チタンの場合には、８５０℃超だと、α相からβ相へ変態するため、その後良好な金属組織が得られない。温度の下限値として、好ましくは、５５０℃以上であってもよい。温度の上限値として、好ましくは、７００℃未満であってもよい。
【００３２】
この一次鍛造は、円筒形ビレットの内側に芯棒を挿入した状態で、上記温度範囲で円筒形ビレットを熱して行う。芯棒の材料は特に限定されないが、ＣｒＭｏ鋼製であることが好ましい。また、鍛造プレスは一軸方向であるため、円筒形ビレットを、芯棒を中心に回転させながら、鍛造を繰り返すことが好ましい（図２）。
【００３３】
２−２−１−２．二次鍛造
一次鍛造工程の後、円筒形ビレットに対して二次鍛造工程を行うことができる。二次鍛造工程の目的は、円筒形ビレットの組織に歪を加えることである。温度条件としては、２５０℃〜６００℃で行う。より好ましくは、一次鍛造工程の時よりも低い温度条件で二次鍛造を行う。２５０℃未満だと、円筒形ビレットが硬くて、歪を導入しにくい、組織のムラも発生しやすい。一方で、６００℃超だと、動的再結晶により歪が解放されてしまうため粒径を細かくできない。また、６００℃超だと、後の熱処理工程で良好な再結晶組織が得られない。温度の下限値として、好ましくは、３００℃以上であってもよい。温度の上限値として、好ましくは、５００℃以下であってもよい。
【００３４】
二次鍛造も、一次鍛造の時と同様、円筒形ビレットの内側に芯棒を挿入した状態で行う。また、二次鍛造も、一次鍛造の時と同様、芯棒を中心に円筒形ビレットを回転させながら、鍛造を繰り返すことが好ましい。また、鍛造を繰り返すと、断面から見た時の円形のゆがみが大きくなるため、二次鍛造の最終段階では、真円に近い形になるように鍛造することが好ましい。
【００３５】
２−３．アニーリング（再結晶化）
二次鍛造の後は、芯棒を除去し、円筒形ターゲット材に対してアニーリングを施すことが好ましい。これにより、歪を加えた組織において、微細な再結晶組織の形成を促すことができる。温度条件としては、３００℃〜６００℃で行う。３００℃未満だと、再結晶組織の形成が不十分となる。一方で、６００℃超だと、結晶粒の粗大化が進むため好ましくない。温度の下限値として、好ましくは、４２０℃以上であってもよい。温度の上限値として、好ましくは、５５０℃以下であってもよい。また、時間についても、円筒形ターゲット材のサイズに応じて適宜調節すればよいが、例えば、０．５ｈ〜２ｈであってもよい。
【００３６】
２−４．機械加工
アニーリングの後は、円筒形ターゲット材に対して機械加工を行い、所望の形状及びサイズに仕上げることができる。機械加工としては、切削、及び研削等が挙げられるがこれらに限定されない。また、この段階で、所望の真円度、偏芯度等を実現できるように、機械加工の条件を調節してもよい。
【００３７】
２−５．基材、及びボンディング層
上述したターゲット材は、基材（バッキングチューブ）と接合させてもよい。これにより、基材とターゲット材を備えるスパッタリングターゲットを得ることができる。また、ろう材を用いて接合することにより、基材とターゲット材との間にボンディング層が形成されてもよい。
【００３８】
３．スパッタリングターゲットの利用
上述したスパッタリングターゲットは、薄膜形成に利用することができる。薄膜形成の手段としてスパッタリングが用いられるが、スパッタリングの条件は特に限定されず、当分野で設定される条件でスパッタすることができる。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
純度が４Ｎ５以上のチタンからなるビレットを準備した（φ２００×５００Ｌ）。このビレットに対して、ＢＴＡによりφ１１０の穴を開けた。これにより、円筒形ビレットを形成した。次に、円筒形ビレットを５５０℃で加熱し、ＣｒＭｏ鋼製の芯棒を通した。前記温度の下で、芯棒を中心に、円筒形ビレットを回転させながら、一次鍛造を繰り返した。【００４０】
次に、温度を３５０℃に下げ、芯棒を中心に、円筒形ビレットを回転させながら、二次鍛造を繰り返した。これにより円筒形ターゲット材を得た。【００４１】
そして、温度６００℃、１ｈでアニーリングを行い、円筒形ターゲット材の結晶組織の再結晶を促した。【００４２】
その後、結晶組織を光学顕微鏡で観察した。結果を図１に示す。上記の方法で結晶粒径を測定したところ、４０μｍであった。【００４３】
（実施例２）
鍛造の条件を適宜変更したことを除いて、実施例１と同様にして円筒形ターゲット材を作製した。
この円筒形ターゲット材の結晶組織を光学顕微鏡で観察した。その結晶組織を図３に示す。また、円筒形ターゲット材の結晶粒径を、先述したように光学顕微鏡（領域５００μｍ×５００μｍ）による観察で切断法により測定したところ、結晶粒径は３６μｍであった。【００４４】
（実施例３）
鍛造の条件を適宜変更したことを除いて、実施例１と同様にして円筒形ターゲット材を作製した。
この円筒形ターゲット材の結晶組織を光学顕微鏡で観察した。その結晶組織を図４に示す。また、円筒形ターゲット材の結晶粒径を、先述したように光学顕微鏡（領域５００μｍ×５００μｍ）による観察で切断法により測定したところ、結晶粒径は２９μｍであった。【００４５】
以上、本開示の発明の具体的な実施形態について説明してきた。上記実施形態は、具体例に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上述の実施形態の１つに開示された技術的特徴は、他の実施形態に適用することができる。また、特記しない限り、特定の方法については、一部の工程を他の工程の順序と入れ替えることも可能であり、特定の２つの工程の間に更なる工程を追加してもよい。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。
【図１】
2020066957.tif 000003
【図２】
2020066957.tif 000004
【図３】
2020066957.tif 000005
【図４】
2020066957.tif 000006
【国際調査報告】
2020066957.tif 000007
2020066957.tif 000008
2020066957.tif 000009
2020066957.tif 000010