説明

MoCrターゲット材の製造方法およびMoCrターゲット材

【課題】低コストで、に第三元素を添加しない、低酸素MoCrターゲット材を製造する方法およびMoCrターゲット材を提供すること。
【解決手段】Crを0.5〜50原子%含有し残部Moおよび不可避的不純物からなるMoCrターゲット材の製造方法であって、(1)Mo焼結体を平均粒径20〜500μmに粉砕してMo粉末を作製する工程と、(2)該Mo粉末を還元性雰囲気中で熱処理して還元処理Mo粉末を作製する工程と、(3)平均粒径20〜500μmのCr原料粉末を準備する工程と、(4)前記還元処理Mo粉末と前記Cr原料粉末とを混合した混合粉末を作製する工程と、(5)該混合粉末を加圧焼結してMoCr焼結体を作製する工程とを有するMoCrターゲット材の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スパッタリング等の物理蒸着技術に用いられるMoCrターゲット材の製造方法およびこれにより得られるMoCrターゲット材に関するものである。
【背景技術】
【0002】
現在、平面表示装置の一種である液晶ディスプレイ等の薄膜電極および薄膜配線等には、電気抵抗の小さいMo等の高融点金属膜が広く利用されている。そして、これら薄膜電極および薄膜配線等には、薄膜形成の製造工程中での、耐熱性、耐食性の要求があるため、例えば、Cr、W、Nb等を添加したMo合金の適用が進んでいる。
【0003】
上記のMo合金を配線として形成する方法としては、同一組成のターゲット材をスパッタリングによって形成する方法が一般的に利用されている。そして、Mo合金のターゲット材に関しては、成分構成やターゲット材に含まれる不純物の低減等に関して様々な提案がなされている。
【0004】
ターゲット材に含まれる不純物の中で特に問題となるものとして酸素が挙げられる。特にMoCrターゲット材においては、酸素値が高い場合、CrはMoよりも酸素との親和力が強いため、ミクロ組織においてCr中に酸素濃化相が形成される。この酸素濃化相は他の箇所と比較してスパッタレートが遅いため、そこにノジュールとよばれる小さな突起が形成され、これが起因となりパーティクルやスプラッシュ等の問題が多発する場合がある。また、薄膜の電気抵抗が高くなるという問題も発生する。これらの事象からMoCrターゲット材は酸素含有量を低くする必要がある。
【0005】
上記問題点を解決するため、所定の粒径を有するCr原料粉末を固形化したものと、真空中で電子ビーム溶解あるいは不活性ガス雰囲気中でアーク溶解等によって得られるMo溶解品を用いることによって低酸素のMoCrターゲットを製造する方法が提案されている。(特許文献1)
【0006】
一方、別の方法として、炭素を脱酸素剤として添加することによって酸素含有量を低減させる方法が提案されている。(特許文献2)
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平10−168564号公報
【特許文献2】特開2002−194536号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献1に開示されるMoCrターゲットの製造方法は、先ず粒径の大きいCr原料粉末を熱間静水圧プレスによって固形化し、一方Moは真空中で電子ビーム溶解あるいは不活性ガス雰囲気中でアーク溶解等によって溶解して、それぞれ低酸素なバルク体を作製する。次いで作製したCrとMoそれぞれのバルク体を機械加工して、所定形状のターゲットおよびチップとし、これらを狙いの合金組成となるような面積比で配置するという製造方法である。また、特許文献1には、上記で作製したCrバルク体とMoバルク体を交互に多数枚重ね合わせ、引き続いてホットプレスによってこれらを圧着し複合体を得るという製造方法も提案されている。このような製造方法は、複雑且つ高コストであるため経済的に不利である。
【0009】
また、特許文献2に開示されるMoCrターゲット材の製造方法は、脱酸素剤として炭素を添加するため、MoCrターゲット中に添加した炭素が残留する場合があり、この残留炭素を起因としたノジュールによりパーティクルやスプラッシュが誘発されるおそれがある。
【0010】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、単純且つ低コストで、さらに第三元素を添加しない方法で低酸素なMoCrターゲット材を製造する方法およびMoCrターゲット材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
すなわち本発明は、
Crを0.5〜50原子%含有し残部Moおよび不可避的不純物からなるMoCrターゲット材の製造方法であって、
(1)Mo焼結体を平均粒径20〜500μmに粉砕してMo粉末を作製する工程と、
(2)該Mo粉末を還元性雰囲気中で熱処理して還元処理Mo粉末を作製する工程と、
(3)平均粒径20〜500μmのCr原料粉末を準備する工程と、
(4)前記還元処理Mo粉末と前記Cr原料粉末とを混合した混合粉末を作製する工程と、
(5)該混合粉末を加圧焼結してMoCr焼結体を作製する工程と、
を有するMoCrターゲット材の製造方法である。
【0012】
本発明においては、前記混合粉末に、還元処理Mo粉末の平均粒径よりも小さく且つ平均粒径5〜100μmのMo原料粉末をさらに混合してもよい。
また、本発明における加圧焼結は、焼結温度800〜1800℃、圧力10〜200MPaで1〜10時間行うことが好ましい。
また、本発明のMoCrターゲット材は、Crを0.5〜50原子%含有し残部Moおよび不可避的不純物からなるMoCrターゲット材であって、Cr粒周囲に酸素濃化相が連続して存在しないMoCrターゲット材である。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、パーティクルやスプラッシュが誘発されるおそれの少ない低酸素のMoCrターゲットを単純な工程でかつ低コストで提供できるため、その工業的価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明例1で作製したターゲット材の断面のミクロ組織および元素分布を示す図面代用写真である。(a)は光学顕微鏡によって撮影されたミクロ組織写真である。(b)〜(d)は(a)と同一視野においてエネルギー分散型X線分析装置によって撮影された元素分布を示す写真であり、(b)はMo、(c)はCr、(d)は酸素の分布をそれぞれ示している。
【図2】本発明例2で作製したターゲット材の断面のミクロ組織および元素分布を示す図面代用写真である。(a)〜(d)の記号の意味は図1と同一である。
【図3】本発明例3で作製したターゲット材の断面のミクロ組織および元素分布を示す図面代用写真である。(a)〜(d)の記号の意味は図1と同一である。
【図4】本発明例4で作製したターゲット材の断面のミクロ組織および元素分布を示す図面代用写真である。(a)〜(d)の記号の意味は図1と同一である。
【図5】本発明例5で作製したターゲット材の断面のミクロ組織および元素分布を示す図面代用写真である。(a)〜(d)の記号の意味は図1と同一である。
【図6】比較例1で作製したターゲット材の断面のミクロ組織および元素分布を示す図面代用写真である。(a)〜(d)の記号の意味は図1と同一である。
【図7】比較例2で作製したターゲット材の断面のミクロ組織および元素分布を示す図面代用写真である。(a)〜(d)の記号の意味は図1と同一である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明における最大の特徴は、MoCrターゲット材のミクロ組織に存在するCr粒周囲の酸素濃化相を低減するために、焼結前のMo粉末中の酸素含有量を極力低減する方法を採用した点にある。
【0016】
本発明者は、Mo粉末とCr粉末を混合し焼結する際に、焼結容器内に多量に含まれる酸素が、酸素との親和力がMoよりも高いCr粒付近に移動し、Cr粒周囲に酸素濃化相を形成して固定されることを確認した。そして、このCr粒周囲に形成される酸素濃化相が、パーティクルやスプラッシュ等の発生の原因であると考えた。
【0017】
そこで、本発明者は、MoCrターゲット材の製造にあたり、Cr粒周囲に形成される酸素濃化相を低減するために鋭意検討した結果、以下の工程を有する製造方法を確立した。以下に本発明に係る製造方法を工程ごとに説明する。
【0018】
(1)Mo焼結体を粉砕して平均粒径20〜500μmのMo粉末を作製する工程
本発明においては、先ずMo焼結体を準備する。これは、例えば三酸化Moを還元したMo原料粉末を一度焼結体とした後に平均粒径20〜500μmに粉砕してMo粉末を作製することで、市販される化学製法によって製造される微細なMo原料粉末に比べて、表面積が小さくなりMo粉末表面に存在する酸素量を低減することが可能となるためである。なお、Mo原料粉末を焼結して得られる焼結体は、相対密度80%以上であることが好ましい。焼結手段としては、Mo焼結体の酸素含有量を300質量ppm以下に低減するために、真空脱気した焼結雰囲気でホットプレス、熱間静水圧プレス等の加圧焼結を実施することが望ましい。また、還元性雰囲気中での常圧焼結も望ましい。
そして、Mo焼結体を粉砕してMo粉末を作製する。これは、Mo中にCrが微細に分散したMoCr焼結体を作製するため、Cr原料粉末と十分に混合が可能な粉末形状に再度戻す必要があるためである。本発明では、例えばボールミル、インパクトミル、ジョークラッシャー等の機械的作用により粉砕することで平均粒径20〜500μmのMo粉末にする。
また、平均粒径20〜500μmに調整するのは、20μm未満にまで小さくしようとすると、コストが著しく増加するとともに、生成時にMo粉末の酸化が進みすぎるためである。一方、500μmを越えると、粉末3重点ポアの発生頻度が高くなり、MoCr焼結体の高密度化が達成できにくくなるためである。
【0019】
(2)Mo粉末を還元性雰囲気中で熱処理して還元処理Mo粉末を作製する工程
次に、Mo粉末を還元性雰囲気中で熱処理して還元処理Mo粉末を作製する。
Mo焼結体の状態で酸素含有量が300質量ppm以下であったものを粉砕すると、その後のハンドリングや保管等の時間経過により、Mo粉末の表面に酸素が吸着される。そのため、本発明では、Mo粉末表面に存在する酸素を除去するために、Mo粉末を還元性雰囲気で熱処理をする。本発明での還元性雰囲気としては、例えば水素雰囲気や減圧雰囲気等が利用可能である。また、還元性雰囲気中での熱処理の温度条件としては、概ね500〜1500℃とすることが望ましい。それは、500℃未満では酸素低減効果が極めて小さいためである。一方、1500℃を超えると粉砕したMo粉末同士の接触部分が拡散結合を開始するため、再度の粉砕が必要な場合があるためである。
この熱処理により、本発明は、粉砕後に500質量ppm以上であったMo粉末の酸素含有量を、100質量ppm以下に低減することが可能となる。
【0020】
(3)平均粒径20〜500μmのCr原料粉末を準備する工程
本発明で適用できるCr原料粉末としては、純度99%以上で、平均粒径20〜500μmのCr粉末を使用することができる。ここでCr原料粉末の平均粒径をMo粉末と同じく20〜500μmとするのは、Mo粉末とCr原料粉末との粒径差が大き過ぎると、焼結体組織にムラが発生しやすくなり、ターゲットで均一なスパッタリングが行えなくなるためである。
また、本発明で適用するCr原料粉末の酸素含有量は、400質量ppm以下であることが好ましい。これにより、混合粉末の酸素含有量を低く抑えることができ、MoCrターゲット材中のCr粒周囲に形成される酸素濃化相を低減させることが可能となる。
【0021】
(4)還元処理Mo粉末とCr原料粉末とを混合した混合粉末を作製する工程
次に、熱処理された還元処理Mo粉末とCr原料粉末とを混合した混合粉末を加圧焼結してMoCr焼結体を作製する。
MoにCrを添加するのは、薄膜にしたときの耐食性を向上させるためであり、Cr含有量が0.5原子%未満であると十分な耐食性が得られない。一方、Crの含有量を50原子%より多くすると、電気抵抗が高くなり過ぎる。よってCr含有量は、0.5〜50原子%とする。
本発明では、還元処理Mo粉末とCr原料粉末とをV型混合機やクロスロータリー混合機等で混合することで均一な混合粉末を得ることができる。粉末の混合は還元性雰囲気中で行うことが好ましい。
また、本発明では、還元処理Mo粉末とCr原料粉末との混合粉末に、還元処理Mo粉末の平均粒径よりも小さく且つ平均粒径5〜100μmのMo原料粉末をさらに混合することが好ましい。これにより焼結性が増し、焼結体密度を向上させることができる。このとき、Mo原料粉末の酸素含有量は、700質量ppm以下が好ましい。また、Mo原料粉末は、Mo粉末の全量に対して50%以下の範囲で添加することが好ましい。
【0022】
(5)混合粉末を加圧焼結してMoCr焼結体を作製する工程
混合粉末の加圧焼結には、熱間静水圧プレスやホットプレスが適用可能であり、焼結温度1000〜1800℃、圧力10〜200MPaで1〜10時間行うことが好ましい。
これらの条件の選択は、加圧焼結設備に依存する。例えば熱間静水圧プレスでは、低温高圧の条件が適用しやすく、ホットプレスでは高温低圧の条件が適用しやすい。
なお、焼結温度が1000℃未満では、焼結が進みにくく現実的ではなく、1800℃を超えると、耐え得る装置が限られること、焼結体の組織における結晶成長が著しくなって均一微細な組織が得にくい場合がある。
また、圧力は、10MPa以下では焼結が進みにくく現実的ではなく、200MPaを超えると耐え得る装置が限られるという問題がある。
また、焼結時間は、1時間以下では焼結を十分に進行させるのが難しく、10時間を超えると製造効率において避ける方がよい。
【0023】
なお、熱間静水圧プレスやホットプレスで加圧焼結をする際には、混合粉末を加圧容器や加圧用ダイスに充填した後に、加熱しながら減圧脱気をすることが望ましい。減圧脱気は、加熱温度100〜600℃の範囲で、1kPaよりも低い減圧を行うことが望ましい。これは、得られる焼結体の酸素含有量をより低減することが可能となるためである。
【実施例】
【0024】
以下に、本発明の実施例について説明する。
先ず、三酸化Moを還元した市販の平均粒径が6μmのMo原料粉末(酸素含有量523質量ppm)を軟鋼製加圧容器に充填した。充填後、加圧容器に脱気口を有する上蓋を溶接した後に450℃の温度下で10Paまで真空脱気し、熱間静水圧プレスで加圧焼結しMo焼結体を得た。なお、熱間静水圧プレスは、1250℃、147MPaの条件下で5時間保持した。このとき、Mo焼結体の相対密度は、99.1%であった。
得られたMo焼結体から軟鋼製加圧容器を剥がしたのち、インパクトミルで粉砕し分級することで、平均粒径100μmと200μmのMo粉末をそれぞれ得た。得られた各Mo粉末は、水素気流中にて1200℃で2時間保持する熱処理を施して酸素を低減する処理を行い、還元処理Mo粉末を得た。このとき、還元処理Mo粉末の酸素含有量は、平均粒径100μmの還元処理Mo粉末が72質量ppm、平均粒径200μmの還元処理Mo粉末が55質量ppmであった。
【0025】
続いて、上記で得られた各還元処理Mo粉末と各Cr原料粉末とを表1に示す割合で配合し、配合された還元処理Mo粉末とCr原料粉末とを原子%で97%Mo−3%Crとなるように配合した後、クロスロータリー混合機で混合し、これを軟鋼製加圧容器に充填した後、該加圧容器に脱気口を有する上蓋を溶接した。このとき、平均粒径65μmのCr粉末の酸素含有量は261質量ppm、平均粒径140μmのCr粉末の酸素含有量は134質量ppmであった。
次いで、上記加圧容器を450℃の温度下で10Paまで真空脱気し、温度1250℃、圧力147MPaの条件下で5時間保持する熱間静水圧プレス処理によって、本発明例1〜本発明例4に係るMoCr焼結体を得た。
【0026】
また、上記で得られた平均粒径100μmの還元処理Mo粉末と三酸化Moを還元した市販の平均粒径6μmのMo原料粉末(酸素含有量586質量ppm)とを表1に示す割合で配合し、クロスロータリー混合機を用いて混合した。次いで、この混合Mo粉末と平均粒径65μmのCr原料粉末(酸素含有量261質量ppm)を、原子%で97%Mo−3%Crとなるように配合した後、クロスロータリー混合機で混合し、これを軟鋼製加圧容器に充填した後、該加圧容器に脱気口を有する上蓋を溶接した。次いで、上記加圧容器を450℃の温度下で10Paまで真空脱気し、温度1250℃、圧力147MPaの条件下で5時間保持する熱間静水圧プレス処理によって、本発明例5に係るMoCr焼結体を得た。
【0027】
比較例として、三酸化Moを還元した市販の平均粒径6μmのMo原料粉末(酸素含有量586質量ppm)と平均粒径65μmのCr原料粉末(酸素含有量261質量ppm)を、原子%で97%Mo−3%Crとなるように配合した後、クロスロータリー混合機で混合し、これを軟鋼製加圧容器に充填した後、該加圧容器に脱気口を有する上蓋を溶接した。次いで、上記加圧容器を450℃の温度下で10Paまで真空脱気し、温度1250℃、圧力147MPaの条件下で5時間保持する熱間静水圧プレス処理によって、比較例1に係るMoCr焼結体を得た。
【0028】
また、別の比較例として、三酸化Moを還元した市販の平均粒径6μmのMo原料粉末(酸素含有量586質量ppm)と市販の平均粒径3μmのMo原料粉末(酸素含有量1102質量ppm)とを表1に示す割合で配合し、クロスロータリー混合機で混合した。次いで、この混合Mo粉末と平均粒径65μmのCr原料粉末(酸素含有量261質量ppm)を、原子%で97%Mo−3%Crとなるように配合した後、クロスロータリー混合機で混合し、これを軟鋼製加圧容器に充填した後、該加圧容器に脱気口を有する上蓋を溶接した。次いで、上記加圧容器を450℃の温度下で10Paまで真空脱気し、温度1250℃、圧力147MPaの条件下で5時間保持する熱間静水圧プレス処理によって、比較例2に係るMoCr焼結体を得た。
【0029】
【表1】

【0030】
上記で得た各MoCr焼結体から機械加工により試験片を採取し、酸素含有量を不活性ガス融解赤外線吸収法により測定した。また、焼結体密度をアルキメデス法により測定した。その結果を表2に示す。
表2に示すように、本発明例1〜本発明例5は、いずれも還元処理Mo粉末を使用することで、MoCr焼結体の酸素値が低くなることがわかる。また、焼結体密度においては、混合粉末にさらにMo原料粉末を混合した本発明例5の焼結体で高密度になっていることがわかる。
【0031】
【表2】

【0032】
上記で得た各焼結体の光学顕微鏡によって観察したミクロ組織、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)によって観察したMo、Cr、酸素の元素分布をそれぞれ図1〜図7に示す。なお、各図の(a)が光学顕微鏡によるミクロ組織を示す図面代用写真、(b)が同一視野におけるMoの元素分布を黒色で示す図面代用写真、(c)が同一視野におけるCrの元素分布を灰色で示す図面代用写真、(d)が同一視野における酸素の元素分布を白色で示す図面代用写真である。
これらの結果から、本発明の製造方法で得た焼結体では、Cr粒周囲に酸素濃化相[(d)に示す白色部]が殆んど存在しないことがわかる。一方、比較例1においては、Cr粒周囲の少なくとも一部に酸素濃化相が連続して存在していることがわかる。また、比較例2においては、Cr粒周囲の全周にわたって酸素濃化相が連続して存在していることがわかる。
【0033】
上記で作製した各ターゲット材をDCマグネトロンスパッタ装置(キャノンアネルバ株式会社製 型式:C3010)のチャンバ内に配置し、チャンバ内を2.0×10−5Pa以下となるまで減圧した後、Arガス圧0.6Pa、投入電力1500Wの条件にて120秒ずつ放電試験を行った。このとき、0.1秒ごとの印加電圧の変化を記録し、印加電圧差の絶対値が統計的管理基準として異常値の監視に利用される、中央値(平均値)に標準偏差の3倍を加えた値以上となった回数を異常放電が発生した回数として測定した。
ターゲット材から発生するパーティクルの量と異常放電の回数の間には強い正の相関があるため、異常放電の回数を測定することでスパッタリングの際に発生するパーティクルの多少を評価することが可能である。上記の方法によって異常放電の回数を測定し、試料比較例2を基準(100%)として、得た異常放電発生比率の結果を表3に示す。
表3に示すように、本発明の製造方法によれば、従来の製造方法に比べてMoCrターゲット材中の酸素含有量を大幅に低減でき、パーティクルの発生量を抑制する効果があることが確認できた。
【0034】
【表3】


【特許請求の範囲】
【請求項1】
Crを0.5〜50原子%含有し残部Moおよび不可避的不純物からなるMoCrターゲット材の製造方法であって、
(1)Mo焼結体を平均粒径20〜500μmに粉砕してMo粉末を作製する工程と、
(2)該Mo粉末を還元性雰囲気中で熱処理して還元処理Mo粉末を作製する工程と、
(3)平均粒径20〜500μmのCr原料粉末を準備する工程と、
(4)前記還元処理Mo粉末と前記Cr原料粉末とを混合した混合粉末を作製する工程と、
(5)該混合粉末を加圧焼結してMoCr焼結体を作製する工程と、
を有することを特徴とするMoCrターゲット材の製造方法。
【請求項2】
前記混合粉末に、還元処理Mo粉末の平均粒径よりも小さく且つ平均粒径5〜100μmのMo原料粉末をさらに混合して作製した混合粉末を加圧焼結することを特徴とする請求項1に記載のMoCrターゲット材の製造方法。
【請求項3】
加圧焼結を焼結温度800〜1800℃、圧力10〜200MPaで1〜10時間行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のMoCrターゲット材の製造方法。
【請求項4】
Crを0.5〜50原子%含有し残部Moおよび不可避的不純物からなるMoCrターゲット材であって、Cr粒周囲に酸素濃化相が連続して存在しないことを特徴とするMoCrターゲット材。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−237056(P2012−237056A)
【公開日】平成24年12月6日(2012.12.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−65262(P2012−65262)
【出願日】平成24年3月22日(2012.3.22)
【出願人】(000005083)日立金属株式会社 (2,051)
【Fターム(参考)】