(57)【要約】本明細書では、合金元素としてスカンジウムを含むアルミニウム合金が開示される。合金は、本明細書に記載されるように、原子パーセンテージで測定して高いスカンジウム含量を有し、非常に均一である。これらの合金から物品を形成する方法も開示され、そのような物品には、多量のスカンジウムを含有する薄膜を形成するのに使用することができるスパッタリングターゲットが含まれる。前記合金は、１２ａｔ％から５０ａｔ％までのスカンジウム（Ｓｃ）と、残分としてのアルミニウム（Ａｌ）とを含有し得る。
2020514551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スカンジウム（Ｓｃ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む合金から形成されたスパッタリングターゲットであって、水平方向および垂直方向の両方で表面の全半径にわたって最大で±０．５ｗｔ％のスカンジウムの差により示されるように、前記スパッタリングターゲットの表面全体にわたり、前記スカンジウムが均一に分布されるスパッタリングターゲット。
【請求項２】
前記合金が、１２ａｔ％から５０ａｔ％までのスカンジウム（Ｓｃ）と、残分としてのアルミニウム（Ａｌ）とを含有する、請求項１に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項３】
前記スパッタリングターゲットが、４００ｐｐｍ未満の酸素を含有する、請求項２に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項４】
１０ａｔ％よりも多くから５０ａｔ％までのスカンジウム（Ｓｃ）と、残分としてのアルミニウム（Ａｌ）とを含む合金から形成されたスパッタリングターゲットであって、水平方向および垂直方向の両方で表面の全半径にわたって最大で±０．５ｗｔ％のスカンジウムの差により示されるように、前記スパッタリングターゲットの表面全体にわたり、前記スカンジウムが均一に分布されるスパッタリングターゲット。
【請求項５】
前記合金が、１２ａｔ％から１７ａｔ％のスカンジウムを含有する、請求項４に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項６】
前記合金の断面積が、金属Ａｌ母材中に４０％から６８％の金属間Ａｌ−Ｓｃ粒を含有する、請求項５に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項７】
前記合金が、１７ａｔ％から２５ａｔ％未満のスカンジウムと、残分としてのアルミニウム（Ａｌ）とを含有する、請求項４に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項８】
前記合金の断面積が、金属Ａｌ母材中に６８％から１００％未満の金属間Ａｌ−Ｓｃ粒を含有する、請求項７に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項９】
前記金属間Ａｌ−Ｓｃ粒が、１００ミクロンよりも小さい平均粒径を有する、請求項６から８のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１０】
前記金属間Ａｌ−Ｓｃ粒が、前記スパッタリングターゲットの厚みの端から端まで均一に分布される、請求項６から９のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１１】
前記スパッタリングターゲットが、４００ｐｐｍ未満の酸素を含有する、請求項４から１０のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１２】
前記合金が、２５ａｔ％から３３．３ａｔ％未満のスカンジウムと、残分としてのアルミニウム（Ａｌ）とを含有し、前記合金が、１つまたは２つの金属間Ａｌ−Ｓｃ相の形態である、請求項４に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１３】
前記合金が、３３．３ａｔ％から５０ａｔ％のスカンジウムと、残分としてのアルミニウム（Ａｌ）とを含有し、前記合金が、１つまたは２つの金属間Ａｌ−Ｓｃ相の形態である、請求項４に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１４】
前記１つまたは２つの金属間Ａｌ−Ｓｃ相が、３００ミクロンよりも小さい、または１００ミクロンよりも小さい平均粒径を有する、請求項１２から１３のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１５】
前記１つまたは２つの金属間Ａｌ−Ｓｃ相が、前記スパッタリングターゲットの表面全体にわたって、かつ前記スパッタリングターゲットの厚みの端から端まで均一に分布される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１６】
前記スパッタリングターゲットが、４００ｐｐｍ未満の酸素を含有する、請求項１２から１５のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１７】
１０ａｔ％よりも多くのスカンジウム（Ｓｃ）と、残分としてのアルミニウム（Ａｌ）とを含む合金から形成されたスパッタリングターゲットであって、水平方向および垂直方向の両方で表面の全半径にわたって最大で±０．５ｗｔ％のスカンジウムの差により示されるように、前記スパッタリングターゲットの表面全体にわたり、前記スカンジウムが均一に分布され、前記スパッタリングターゲットが３００ｐｐｍ未満の酸素を含有する、スパッタリングターゲット。
【請求項１８】
前記合金が、１２ａｔ％から５０ａｔ％のスカンジウムを含有する、請求項１７に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１９】
請求項１に記載のスパッタリングターゲットにイオンを衝突させて、材料を基板上に堆積することによって形成された薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の引用
本願は、米国仮特許出願第６２／４７０，６４６号（２０１７年３月１３日出願）に対する優先権を主張する。この米国仮特許出願の全体は、本明細書中に参考として完全に援用される。
【０００２】
背景
本開示は、アルミニウムおよび第２の元素を含有する合金に関する。特定の実施形態では、第２の元素がスカンジウムである（Ａｌ−Ｓｃ合金）。合金は、その５０ａｔ％までの、多量のスカンジウムを含有していてよい。スパッタリングターゲットなど、Ａｌ−Ｓｃ合金から形成される物品も開示される。特に、スカンジウムは、Ａｌ−Ｓｃ物品／スパッタリングターゲットの表面全体にわたって均一に分布される。そのようなＡｌ−Ｓｃ合金、物品、およびスパッタリングターゲットを作製し使用するためのプロセスも開示される。
【背景技術】
【０００３】
窒化アルミニウムスカンジウム（ＡｌＳｃＮ）は、様々な適用例に向けた薄膜圧電材料の製作で非常に興味が持たれているものである。
【０００４】
これらの圧電薄膜を製造するための従来の方法は、反応性スパッタ堆積を使用することによる。スパッタリングターゲット、典型的には金属または金属合金は、スパッタリングされる材料で構築される。スパッタリングターゲットおよび基板は、チャンバ内で互いに近接して配置され、ターゲットに荷電粒子またはイオンを衝突させる。高エネルギーイオンは、スパッタリングターゲットの一部を取り出して基板上に再度堆積させる。スパッタリングは、被膜の組成制御を可能にし、被膜内の残留応力の制御を行い、薄膜の高速堆積を可能にし、基板の制御された加熱に容易に順応し、かつ薄膜の製作でこのプロセスを使用する強固な歴史が既にあるので、有利である。
【０００５】
薄膜の、得られる特性は、Ａｌ−Ｓｃ合金の均一な堆積に強力に依存する。これは、スパッタリングターゲットの特性に、かなりの要求を課す。薄膜の圧電応答は、被膜のＳｃ含量（化学量論）に強力に依存し、したがってスパッタリングターゲットの全体的な化学的化学量論が極めて重要である。均一な化学的化学量論を持つスパッタリングターゲットを提供できることが望ましいと考えられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡単な説明
本開示は、アルミニウムおよびスカンジウムから形成されるアルミニウム合金と、それから形成される、高い均一性を有する物品とに関する。一部の実施形態では、合金は、１２原子百分率から５０原子百分率（ａｔ％）のスカンジウムを含有する。合金は、スパッタリングターゲットの表面全体にわたってかつその厚みの端から端まで高い化学的均一性を有する、スパッタリングターゲットなどの物品を作製するのに使用することができる。
【０００７】
下記は、本明細書に開示される例示的な実施形態を示す目的で提示され、かつそれを限定することを目的とせずに提示された、図面の簡単な説明である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、粉末加工を介して作製された、かつ酸化物の包有を示す、Ａｌ−Ｓｃスパッタリングターゲットの断面図である。
【０００９】
【図２Ａ】図２Ａは、アルミニウムおよびスカンジウムの状態図である。ｙ軸は温度（℃）であり、０℃から１６００℃まで２００℃の間隔で目盛が振られている。ｙ軸は、アルミニウムの融点である６６０℃で記号も含む。
【００１０】
【図２Ｂ】図２Ｂは、０ａｔ％から３０ａｔ％のスカンジウムに関する、図２Ａの状態図の拡大図である。
【００１１】
【図３】図３は、Ａｌ母材中にＡｌ３Ｓｃ粒を有するミクロ構造の顕微鏡写真である。
【００１２】
【図４】図４Ａ〜４Ｃは、鋳造物の厚みの端から端までミクロ構造を示す、顕微鏡写真である。図４Ａは、型の壁に沿って撮影される。図４Ｂは、鋳造物のさらに内部である。図４Ｃは、鋳造物の中心で撮影される。
【００１３】
【図５】図５は、全鋳造プロセス中の冷却速度の制御なしに作製されたスパッタリングターゲットに関する、Ｓｃのｗｔ％対半径のグラフである。ｙ軸は、Ｓｃのｗｔ％であり、ｙ軸に沿って増大する。ｘ軸は、インチを単位とする半径であり、ターゲットの中心で値０である。
【００１４】
【図６Ａ】図６Ａは、Ｓｃが１０ａｔ％から１５ａｔ％の間にあるターゲットを表すスパッタリングターゲットの断面図であり、均一なミクロ構造および金属間粒度を示す。
【００１５】
【図６Ｂ】図６Ｂは、Ｓｃが１８ａｔ％から２３ａｔ％の間にあるターゲットを表すスパッタリングターゲットの断面図であり、均一なミクロ構造を示す。
【００１６】
【図７】図７は、全鋳造プロセス中の冷却速度を制御して作製されたスパッタリングターゲットに関する、Ｓｃのｗｔ％対半径のグラフである。ｙ軸はＳｃのｗｔ％である。ｘ軸は、インチを単位とする半径であり、−８インチから＋８インチまで２の間隔で目盛が振られている。全半径にわたるＳｃのｗｔ％の差は、水平および垂直の両方向で０．５ｗｔ％であり、均一である。
【００１７】
【図８Ａ】図８Ａは、Ｓｃが２５ａｔ％から３３ａｔ％の間にあるターゲットを表すスパッタリングターゲットの断面図であり、均一な金属間ミクロ構造を示す。
【００１８】
【図８Ｂ】図８Ｂは、Ｓｃが３３ａｔ％から５０ａｔ％の間にあるターゲットを表すスパッタリングターゲットの断面図であり、均一な微粒二相金属間ミクロ構造を示す。
【００１９】
【図９】図９は、スパッタリングターゲットの第１の面上の、従来のスパッタリングターゲットに関するＳｃのｗｔ％対半径のグラフである。スパッタリングターゲットは、５インチの半径および０．２５インチの厚さを有し、１０ｗｔ％のＳｃを含有する。ｙ軸は、Ｓｃのｗｔ％であり、４から１２まで１の間隔で目盛が振られている。ｘ軸は、インチを単位とする半径であり、−２．５インチから＋２．５インチまで０．５の間隔で目盛が振られている。ここに見られるように、全半径にわたるＳｃのｗｔ％の差は、水平および垂直の両方向で約４ｗｔ％である。
【００２０】
【図１０】図１０は、スパッタリングターゲットの第２の面上の、図９の従来のスパッタリングターゲットに関するＳｃのｗｔ％対半径のグラフである。ｙ軸はＳｃのｗｔ％であり、４から１２まで１の間隔で目盛が振られている。ｘ軸は、インチを単位とする半径であり、−２．５インチから＋２．５インチまで０．５の間隔で目盛が振られている。ここに見られるように、全半径にわたるＳｃのｗｔ％の差は、水平および垂直の両方向で約２ｗｔ％である。
【００２１】
【図１１】図１１は、第１の面上の、図９の従来のスパッタリングターゲットのミクロ構造を示す、顕微鏡写真である。
【００２２】
【図１２】図１２は、第２の面上の、図９の従来のスパッタリングターゲットのミクロ構造を示す、顕微鏡写真である。
【００２３】
【図１３】図１３は、スパッタリングターゲットの第１の面上の、従来のスパッタリングターゲットに関するＳｃのｗｔ％対半径のグラフである。スパッタリングターゲットは、５インチの半径および０．２５インチの厚さを有し、１２ｗｔ％のＳｃを含有する。ｙ軸は、Ｓｃのｗｔ％であり、６から１４まで１の間隔で目盛が振られている。ｘ軸は、インチを単位とする半径であり、−２．５インチから＋２．５インチまで０．５の間隔で目盛が振られている。ここに見られるように、全半径にわたるＳｃのｗｔ％の差は、水平および垂直の両方向で約３ｗｔ％である。
【００２４】
【図１４】図１４は、スパッタリングターゲットの第２の面上の、図１３の従来のスパッタリングターゲットに関するＳｃのｗｔ％対半径のグラフである。ｙ軸は、Ｓｃのｗｔ％であり、６から１４まで１の間隔で目盛が振られている。ｘ軸は、インチを単位とする半径であり、−２．５インチから＋２．５インチまで０．５の間隔で目盛が振られている。ここに見られるように、全半径にわたるＳｃのｗｔ％の差は、水平および垂直の両方向で約２．５ｗｔ％である。
【００２５】
【図１５】図１５は、１４の異なるスパッタリングターゲットの、基準からの偏差を示す、ＩＭＲチャートである。ｙ軸は、基準からの偏差を示し、その単位はＳｃのａｔ％である。ｙ軸は、−１．０から＋１．０まで０．５の間隔で目盛が振られている。各スパッタリングターゲットごとに３回の観察を行い、ｘ軸はその観察である。垂直線は、それぞれ個別のスパッタリングターゲットを示す。各スパッタリングターゲットごとに、ＵＣＬは信頼上限を示し、ＬＣＬは信頼下限を示す。観察４０〜４２は、基準１５ａｔ％のスカンジウム含量を有するスパッタリングターゲットに関する。
【００２６】
【図１６】図１６は、本開示により作製されたスパッタリングターゲットに関する、Ｓｃのｗｔ％対半径のグラフである。ｙ軸はＳｃのｗｔ％であり、ｙ軸に沿って増大する。ｘ軸は、インチを単位とする半径であり、ターゲットの中心で値０である。Ｓｃのｗｔ％は、手持ち式ＸＲＦユニットで、ターゲットの縁部から縁部に至る一本線に沿ったスポットで決定され、次いで第１の線に直交する別の線の端から端までで決定された。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
詳細な説明
本明細書に開示される構成成分、プロセス、および装置のより完全な理解は、添付図面を参照することによって得ることができる。これらの図は、本開示を実証するのに都合の良い容易さに基づいた、単なる概略図であり、したがって、デバイスまたはその構成成分の相対的なサイズおよび寸法を示すものではなく、かつ／または例示的な実施形態の範囲を画定するものでも限定するものでもない。
【００２８】
特定の用語が、明瞭にするために以下の記載で使用されるが、これらの用語は、図面に例示するために選択される実施形態の特定の構造のみ指すものとし、本開示の範囲を画定するものでも限定するものでもない。図面および以下に続く記載では、同様の数値表示が同様の機能の構成成分を指すことを理解されたい。
【００２９】
単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が他に明示しない限り、複数の指示対象を含む。
【００３０】
本明細書および特許請求の範囲で使用される「含む」という用語は、「〜からなる」および「〜から本質的になる」実施形態を含んでいてもよい。本明細書で使用される「含む（comprise（s））」、「含む（include（s））」、「有する（having）」、「有する（has）」、「できる（can）」、「含有する（contain（s））」という用語、およびこれらの変形例は、指名された成分／ステップの存在を必要としかつその他の成分／ステップの存在が可能である、オープンエンドな移行句、用語、または単語であるものとする。しかし、そのような記載は、列挙された成分／ステップ「からなる」および「から本質的になる」として組成物またはプロセスも記載すると解釈されるべきであり、そのことが、それらからもたらされ得る任意の不純物と共に、指名された成分／ステップのみの存在を可能にし、その他の成分／ステップを除外する。
【００３１】
本出願の、本明細書および特許請求の範囲における数値は、同じ有効桁数に減じたときに同じになる数値、および値を決定するために本出願に記載されるタイプの従来の測定技法の実験誤差未満だけ、記載される値とは異なる数値を含むと理解されるべきである。
【００３２】
本明細書に開示される全ての範囲は、記載される端点を含み、独立して組合せ可能である（例えば、「２グラムから１０グラム」の範囲は、端点である２グラムおよび１０グラムと、全ての中間値とを含む。）。
【００３３】
「約（about）」および「およそ（approximately）」という用語は、値の基本機能を変更することなく変動させることができる、任意の数値を含むように使用することができる。ある範囲と共に使用されるとき、「約」および「およそ」は、２つの端点の絶対的な値によって画定された範囲も開示し、例えば「約２から約４」は、「２から４」の範囲も開示する。一般に、「約」および「およそ」という用語は、指示される数値のプラスまたはマイナス１０％を指し得る。
【００３４】
本開示は、平均粒径を有する金属間粒を指す。平均粒径は、粒子の総数の５０％（体積による）の累積パーセンテージが実現される、粒子直径と定義される。言い換えれば、粒子の５０％は、平均粒径よりも大きい直径を有し、粒子の５０％は平均粒径よりも小さい直径を有する。
【００３５】
本開示は、スパッタリングターゲットの表面全体にわたって均一に分布された、および／またはスパッタリングターゲットの厚みの端から端まで均一に分布された、スカンジウムにも言及する。スカンジウムは、水平方向および垂直方向の両方で測定して、表面の全半径にわたるその分布の差が最大で±０．５ｗｔ％である場合に（即ち、表面上で、合計で最大１ｗｔ％の差）、均一に分布されたと見なされる。水平方向および垂直方向は、互いに直交している。
【００３６】
本開示は、ある特定のプロセスステップに関する温度に言及し得る。これらは一般に、熱源（例えば、炉、オーブン）が設定される温度を指し、熱に曝露される材料によって実現されなければならない温度を必ずしも指すものではないことに留意されたい。「室温」という用語は、２０℃から２５℃の範囲を指す。
【００３７】
本開示は、スカンジウムを含有するアルミニウム合金（即ち、Ａｌ−Ｓｃ合金）に関する。Ａｌ−Ｓｃ合金は、高い均一性を有するスパッタリングターゲットなどの物品を製造するのに使用することができる。一部の実施形態では、Ａｌ−Ｓｃ合金は、１２ａｔ％またはそれよりも多くのスカンジウムを含めた１０ａｔ％を上回るスカンジウムおよび５０ａｔ％までのスカンジウムと；残分としてのアルミニウムとを含有することができる（不可避の不純物と一緒に）。これらのＡｌ−Ｓｃ合金は、それらの表面全体にわたりかつ厚みの端から端まで、高い化学的均一性を有するスパッタリングターゲットを作製するのに使用される。
【００３８】
このことに関し、スパッタリングターゲットは、薄膜を基板上に堆積するのに使用される。基板上の個々のデバイスの圧電特性は、個々のデバイス内に含有される被膜の局所化学量論に極度に依存する。したがって、Ａｌ−Ｓｃスパッタリングターゲットを通したスカンジウムの分布は、スパッタリングターゲットの平面内（即ち、表面上）および厚さを通した両方で、可能な限り均一であるべきである。表面および厚さを通した両方のこの化学的均一性は必要であるが、それはターゲットからスパッタリングされるスカンジウムの量がターゲットの寿命にわたって変化し、かつ堆積された被膜の圧電特性がターゲットの寿命にわたって変化し、その結果、デバイス性能のむらがもたらされ、かつ生成物収率の損失がもたらされるからである。
【００３９】
スパッタリングターゲットのミクロ構造は、ターゲット（典型的には、直径が５インチから１８インチまたは約１２５ｍｍから約４５０ｍｍのディスク）の表面積全体にわたってかつその全厚（典型的には、およそ４分の１インチ、すなわち１／４インチ、または約６ｍｍから約７ｍｍ）の端から端まで均一でなければならない。スパッタリングターゲットにおけるミクロ構造の規模も重要である。細孔、難燃性（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）または誘電性包有物、および大きな金属間相粒などの欠陥は、典型的には、ミクロアーク放電および粒子化などの望ましくない事象に関連付けられ、被膜の特性に極めて有害であるので、回避されるべきである。２５ａｔ％未満のスカンジウムを含有する合金の場合、その合金は通常、第１の母材相内で金属間第２相の形態である。それらの合金において、第２の相は可能な限り微細であることが望ましく、より詳細には平均粒径が１００ミクロン未満である。
【００４０】
スパッタリングターゲットは、高純度のものであるべきであり、可能な限り少ない汚染物質を含有すべきである。例えば、酸素は、母材に優先的に結合することによりかつその他の非圧電相を安定化させることにより、圧電被膜の特性に極めて有害である。したがってスパッタリングターゲットは、可能な限り少ない酸素を含有すべきである。その他の遷移金属元素、例えば鉄（Ｆｅ）の存在も、最小限であるべきである。
【００４１】
典型的には、スパッタリングターゲットを形成するための粉末加工は、１０００ｐｐｍよりも多い酸素含量をもたらす。図１は、粉末加工により作製されたＡｌ−Ｓｃターゲットの断面図である。暗部領域は、誘電性酸化物を含む。これらは、この断面図の表面積の有意な量を構成することがわかり、これは望ましくない。
【００４２】
図２Ａは、アルミニウムおよびスカンジウムに関する状態図である。ｘ軸は、原子百分率（ａｔ％）でスカンジウムの量を示し、この状態図の最も左ではスカンジウムがゼロ／アルミニウムが１００ａｔ％である。Ａｌ−Ｓｃ状態図の検査は、０から２５ａｔ％のＳｃで、平衡合金が、金属Ａｌ母材中の金属間Ａｌ３Ｓｃ相からなることを明らかにする。より高いＳｃ含量では、合金は、１つの金属間相または金属間相の組合せのいずれかからなることになる。
【００４３】
図２Ｂは、０ａｔ％から３０ａｔ％のスカンジウムに関する、図２Ａの状態図の拡大図である。この状態図は、融解物の冷却時に＜２５ａｔ％のＳｃを含有する合金に関し、溶体から凝固する第１の相がＡｌ３Ｓｃであることを示す。冷却を継続するにつれ、この相の量が徐々に増加し、一方、アルミニウム相は液体のままである。６６０℃よりも下の温度でのみ、アルミニウム相は凝固する。アルミニウム相内で、Ｓｃの比較的低い溶解度があることに留意されたい。得られるミクロ構造は、１０ａｔ％未満のＳｃを含有するスパッタリングターゲットに関して図３に見られるように、Ａｌ母材中に埋め込まれたＡｌ３Ｓｃ粒からなる。
【００４４】
この状態図は、Ｓｃが合金に添加されるにつれて、Ａｌ３Ｓｃ相が融解物から凝固し始める温度（いわゆる液相線温度）が上昇するが、アルミニウム相が凝固し始める温度（固相線温度）は６６０℃で一定のままであることも明らかにする。液相線と固相線との間のこのギャップは、５ａｔ％のＳｃを含有する合金に関する３５０℃から、１０ａｔ％のＳｃでの４９０℃、２０ａｔ％のＳｃでの６３０℃まで増大する。
【００４５】
本発明の合金は、鋳造プロセスで使用することができる。例えば鋳造経路を介する融解加工は、酸素含量が粉末加工よりも非常に低い、典型的には４００ｐｐｍよりも低く、３００ｐｐｍよりも低くおよび２００ｐｐｍよりも低くを含み、一般には１００ｐｐｍ未満の酸素を含む生成物も生成する。したがって、アルミニウム−スカンジウム合金の鋳造は、そのような材料の製作に適している。
【００４６】
典型的な鋳造プロセスでは、合金構成要素は、高温の坩堝内で一緒に融解され、次いで型に注がれ、そこで合金溶体を凝固させてインゴットにする。凝固は、典型的には、型の壁から中心に向かって進行する。状態図に基づけば、＜２５ａｔ％のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金の場合、最外領域が鋳造物の中心部分よりも非常に速く冷却されると予測することができ、その結果、Ａｌ３Ｓｃ粒は、中心領域におけるよりも微細な粒度を示すと予測される。このことは、図４Ａ〜４Ｃに見られる。図４Ａは、型の壁近く／鋳造物の外面上であり、多くの微細な金属間粒を含有する。図４Ｂは、鋳造物の中心により近く、図４Ｃは、鋳造物の中心である。第２の相の粗大化／金属間粒の低減が、明らかである。
【００４７】
金属間Ａｌ３Ｓｃの量が増加するにつれ、固相線凝固の欠如に起因して鋳造物はますます脆弱になると予測される。このため、特に後続の加工中に、鋳造物で亀裂がより生じ易くなる。
【００４８】
合金の母材相、アルミニウムは、凝固中および凝固後に素早く収縮する。その結果、型の壁から容易に離脱し、鋳造物からの熱流を妨げ、比較的厚い形状の鋳造物の中心を冷却する能力が制限される。これは、融解合金溶体の全てが型内に完全に注がれる前に、型の壁に接する材料が凝固しかつ型の壁から抜け出す可能性があるので問題である。したがって、最初に凝固する材料と最後に凝固する材料との間の冷却速度に大きな差がある可能性がある。このことは、鋳造物の表面全体および厚みの端から端まで、かつその後に製造されるスパッタリングターゲットにおいて、Ｓｃ含量に大きな変動をもたらす。図５は、全鋳造プロセスで冷却速度を制御しなかったときの、Ａｌ−Ｓｃスパッタリングターゲットを通る垂直および水平の対角線の端から端までのスカンジウム（Ｓｃ）含量の変動を示すグラフである。試験は、スパッタリングターゲット全体にわたる水平および垂直方向で行った。ここに見られるように、スパッタリングターゲットにわたるＳｃ含量に約３．５ｗｔ％の変動があった。
【００４９】
金属間負荷が大きい鋳造物の高い冷却速度は、大きい内部応力の蓄積を引き起こすことになり、それが鋳造物に亀裂を生じさせる可能性がある。さらに、多くの鋳造生成物は、後続の熱機械的加工（例えば、塑性変形および／または熱処理）に供されて、鋳造に関連付けられた特徴的な構造を破壊し、ターゲットの厚みの端から端まで均一なミクロ構造をもたらす。脆弱な鋳造物は、一般に、そのような熱機械的加工ステップにさほど耐えられない。
【００５０】
本開示において、多量のスカンジウムを含有する合金は、特有のミクロ構造および化学的均一性を備えた高品質のスパッタリングターゲットを作製するのに使用することができる。それらは多量のスカンジウムを含有するが、予期されるほど脆弱ではない。本明細書に記載される鋳造プロセスは、スパッタリングターゲットを得るのに使用される。
【００５１】
特定の実施形態では、合金は、アルミニウムおよびスカンジウム（および不可避の不純物）のみを含有する。Ａｌ−Ｓｃ合金は、１０ａｔ％よりも多くから５０ａｔ％までのスカンジウム、または１２ａｔ％から５０ａｔ％のスカンジウム、または１０ａｔ％よりも多くから１７ａｔ％のスカンジウム、または１５ａｔ％から５０ａｔ％のスカンジウム、または１７ａｔ％から２５ａｔ％未満のスカンジウム、または１７ａｔ％から５０ａｔ％のスカンジウム、または２５ａｔ％から３３．３ａｔ％未満のスカンジウム、または３３．３ａｔ％から５０ａｔ％のスカンジウムを含有し得る。
【００５２】
一般に、アルミニウムおよびスカンジウムは、例えば誘導溶融によって融解して、高温で均質な溶融合金溶体を形成する。次いで合金溶体を、マクロ偏析なしに合金溶体が型に完全に満たされることを可能にする、鋳込みプロトコールおよびスケジュールを使用して型に注ぐ。型は、（ａ）マクロ偏析が生じ得る前に型の充填を可能にし；（ｂ）偏析を阻害するのに十分に速い冷却速度であるが、鋳造物の凝固および冷却が部品の亀裂なしに行われることを可能にするよう十分遅い冷却速度を可能にし；かつ（ｃ）鋳造プロセスで多量のスカンジウムを容易にする、デザインのものである。これは鋳造物またはインゴットの形成をもたらす。
【００５３】
次いで鋳造物／インゴットは、熱機械的に加工されて鋳放し構造を壊しかつ／または鋳造欠陥を治すことにより、スパッタリングターゲットが得られる。熱機械的加工の例には、熱間圧延、熱間静水圧プレス（ＨＩＰｉｎｇ）、一軸ホットプレス、および熱間鍛造が含まれる。
【００５４】
熱間圧延は、加熱されたインゴットをロール間に通して、インゴットの厚さを低減させるプロセスである。高温圧延は、典型的には、合金の再結晶温度よりも高い温度で行われる。このため粒が変形し再結晶して、等軸ミクロ構造が得られる。熱間鍛造では、インゴットは、圧縮力（例えば、ハンマーまたはダイ）を使用して成形される。高温鍛造も、典型的には合金の再結晶温度よりも高い温度で行われる。高温圧延およびホットプレスは共に、変形した粒を完全に再結晶させかつ等軸粒構造を生成するために追加のアニーリングステップを必要とする可能性がある。
【００５５】
ホットプレスは、力の方向によって熱間静水圧プレス（ＨＩＰｉｎｇ）と区別することができる。静水圧は全方向性であり、ターゲットを、軸圧力とは全く異なる加圧環境に供する。両方のプロセスは、脆いターゲット材料の亀裂を誘発させることなく、高温クリープおよび鋳造インゴットの変形をもたらす。
【００５６】
＜２５ａｔ％のＳｃを含有するターゲットの場合、得られるスパッタリングターゲットは、金属Ａｌ母材中の金属間Ａｌ−Ｓｃ粒から形成されたミクロ構造を有する。金属間Ａｌ−Ｓｃ粒の量／数は、粒によって占有される断面積によって定量することができる。実施形態では、断面積は、４０％から６８％の金属間粒を含有していてよく、その残分は金属Ａｌ母材である。他の実施形態では、断面積は、６８％から１００％未満の金属間相を含有していてよく、その残分は金属Ａｌ母材である。
【００５７】
＞２５ａｔ％のＳｃを含有するスパッタリングターゲットでは、鋳造材料は、１つまたは複数の脆性金属間相からなる。鋳造インゴットは、熱応力に起因して冷却中に容易に亀裂を生じさせる。それにも関わらず、鋳造条件、型のデザイン、および熱機械的加工の適切な操作によって、スパッタリングターゲットを、制御されたミクロ構造を持たせてかつ残留鋳造欠陥なしに、製作することができる。
【００５８】
得られたスパッタリングターゲットは、一般に約１２５ミリメートル（ｍｍ）から約４５０ｍｍの直径を有し、一般に約５ｍｍから約１０ｍｍの厚さ（即ち、高さ）を有する。他の実施形態では、スパッタリングターゲットは、約１５０ｍｍから約３５０ｍｍの直径、および約６ｍｍから約７ｍｍの厚さを有し得る。
【００５９】
下記の実施例は、本開示のスパッタリングターゲットおよび特性を例示するために提示する。実施例は単なる例示であり、本開示を、そこに記載される材料、条件、またはプロセスパラメーターに限定するものではない。
【実施例】
【００６０】
図６Ａは、１０ａｔ％（または１２ａｔ％）から１５ａｔ％の間のＳｃを含む、鋳造され加工されたスパッタリングターゲットのミクロ構造を示す顕微鏡写真である。図６Ｂは、１８ａｔ％から２３ａｔ％の間のＳｃを含む、鋳造され加工されたスパッタリングターゲットのミクロ構造を示す、顕微鏡写真である。いずれの場合も、Ａｌ３Ｓｃ相は均一に分布される。図６Ａのターゲットの場合、Ａｌ３Ｓｃ粒は、１００ミクロン未満の平均粒径を有する。図６Ｂのターゲットの場合、Ａｌ３Ｓｃ粒は、１００ミクロンよりも大きい平均粒径を有する。
【００６１】
図７は、１０ａｔ％未満のスカンジウムを含有するスパッタリングターゲットの、Ｓｃ含量対ターゲットの半径を示すグラフである。ここに見られるように、垂直方向および水平方向の両方において、差が０．５ｗｔ％以内であり、したがってＳｃ含量は、均一に分布されたと見なすことができる。
【００６２】
図８Ａは、２５から３３ａｔ％のＳｃを含有するターゲットの、鋳造され、かつ熱機械的に加工されたミクロ構造を示す。図８Ｂは、３３ａｔ％から５０ａｔ％のＳｃを含有するターゲットのミクロ構造を示す。共に、本質的に欠陥がないことを示し、化学的分析は、製作されたターゲットの化学的均一性が、最適な＜２５ａｔ％Ｓｃターゲットの場合に近付くことを明らかにした。
【００６３】
１０ａｔ％から１５ａｔ％の間（１２ａｔ％から１５ａｔ％の間を含む）のＳｃ濃度を有するスパッタリングターゲットを生成した。得られた酸素濃度は７６ｐｐｍである。平均粒径は２０ミクロンであり；粒子（即ち、粒）面積は、断面積の６１％である。
【００６４】
１０ａｔ％から１５ａｔ％の間（１２ａｔ％から１５ａｔ％の間を含む）のＳｃ濃度を有する別のスパッタリングターゲットを生成した。得られた酸素濃度は９４ｐｐｍである。平均粒径は１９ミクロンであり；粒子面積は、断面積の６５％である。
【００６５】
比較の目的で、本開示により生成しなかった従来のスパッタリングターゲットを得、それらのスカンジウム（Ｓｃ）濃度を、それらの表面全体にわたって測定した。従来のスパッタリングターゲットは、１０ｗｔ％から１２ｗｔ％のＳｃ（６．３ａｔ％から７．６ａｔ％のＳｃ）を含有した。図９および図１０は、半径５インチおよび厚さ０．２５インチおよび基準１０ｗｔ％のＳｃ（６．３ａｔ％のＳｃ）を有する従来のスパッタリングターゲットで得られた測定値を示す。Ｓｃのｗｔ％を、ＸＲＦを使用して測定し、スパッタリングターゲットの両面の４本の異なる線に沿って正規化した。これら２つの図に見られるように、従来の１０ｗｔ％のＳｃスパッタリングターゲットは、両面において表面の全半径にわたり±０．５ｗｔ％よりも大きく変動し（垂直破線によって示される）、したがってスカンジウムは、表面全体にわたって均一に分布されたとは見なされない。図１１および図１２は、スパッタリングターゲットの両面のミクロ構造を示す顕微鏡写真である。酸素含量も両面で測定し、３９６ｐｐｍおよび５５３ｐｐｍの値が得られた。
【００６６】
図１３および図１４は、半径５インチおよび厚さ０．２５インチ、および基準１２ｗｔ％のＳｃ（７．６ａｔ％のＳｃ）を有する従来のスパッタリングターゲットで得られた測定値を示す。Ｓｃのｗｔ％を、ＸＲＦを使用して測定し、スパッタリングターゲットの両面の４本の異なる線に沿って正規化した。これら２つの図に見られるように、従来の１２ｗｔ％Ｓｃスパッタリングターゲットは、両面において表面の全半径にわたり±０．５ｗｔ％よりも大きく変動し（垂直破線によって示される）、したがってスカンジウムは、表面全体にわたって均一に分布したとは見なされない。酸素含量も両面で測定し、５８３ｐｐｍおよび１０８０ｐｐｍの値が得られた。
【００６７】
図１５は、本開示により作製された１４のスパッタリングターゲットの基準からの偏差を示すＩＭＲチャートである。分析を、各試料を塩酸に溶解することによって行った。次いで各試料を、認定された参照標準溶体から作製された酸母材一致Ｓｃ較正曲線に対してＩＣＰ−ＯＥＳ（誘導結合プラズマ発光分析）により流した。較正曲線は、ブランクと、１５ｐｐｍ以下の最高標準を持つ３点とで構成した。ＩＣＰ−ＯＥＳで使用したＳｃ波長は、３６１３．８４オングストロームであった。３回の観察を、各スパッタリングターゲットごとに行った。結果は、基準からの偏差を使用して示され、スパッタリングターゲットの均一性を示している。観察４０〜４２を、１５ａｔ％のＳｃを含有するスパッタリングターゲット上で行った。
【００６８】
図１６は、１０ａｔ％未満のＳｃを含有する別のスパッタリングターゲットの、Ｓｃ含量対半径を示すグラフである。ここに見られるように、垂直方向および水平方向の両方において、差は０．７５ｗｔ％以内であり、したがってＳｃ含量は、均一に分布されたと見なすことができる。
【００６９】
本開示について、例示的な実施形態を参照しながら記載してきた。先行する詳細な記載を読みかつ理解することによって、他の部分に修正および変更が行われることになる。上記の開示された構成成分、プロセス、および装置、ならびにその他の特徴および機能の変形例、またはこれらの代替例を、多くのその他の異なるシステムまたは適用例に組み合わせてもよい。本開示は、添付される特許請求の範囲またはその均等物の範囲内にある限り、全てのそのような修正および変更を含むと解釈されるものとする。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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