JP2003183818A

JP2003183818A - Ａｌ系スパッタリング用タ−ゲット材の製造方法

Info

Publication number: JP2003183818A
Application number: JP2002305735A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takashima; 洋高島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】組織偏析と粗大な化合物の形成を防止できる
Ａｌ系ターゲット材の製造方法を提供する。【解決手段】遷移元素から選択される元素のいずれか
１種または２種以上を１０原子％以下含み、前記遷移元
素として３Ａ族元素を必須として０．２原子％以上含有
し、残部実質的にＡｌからなる合金溶湯を急冷処理する
ことにより急冷凝固体をつくる工程と、該急冷凝固体を
熱間静水圧プレスにより加圧焼結する工程と、前記加圧
焼結体を圧延する工程を有するＡｌ系スパッタリング用
ターゲット材の製造方法を適用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌを主体とする
Ａｌ系スパッタリングターゲット材に関し、特に液晶デ
ィスプレイ（Liquid Crystal Display以下ＬＣＤと略
す）の薄膜電極、薄膜配線等に用いられるＬＣＤ用Ａｌ
系スパッタリングターゲット材の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ガラス基板上に薄膜デバイスを作製する
ＬＣＤ、薄膜センサ−等に用いる電気配線膜、電極等に
は従来から主に高融点金属である純Ｃｒ膜、純Ｔａ膜、
純Ｔｉ膜等の純金属膜またはそれらの合金膜が用いられ
ている。ＬＣＤの大型化、高精細化に伴い配線膜、電極
膜には信号の遅延を防止するために低抵抗化、低応力化
とそれら特性の安定化が要求される。たとえば、12イン
チ以上の大型カラーＬＣＤに用いられる電極用では15μ
Ωｃｍ以下にすることが要求される。しかし従来のＣ
ｒ、Ｔａ系の高融点合金膜では膜の安定性には優れる
が、抵抗値が高く、Crで約30μΩｃｍ、Taで約l80μΩ
ｃｍ、Tiで約60μΩｃｍである。このため、これら金属
より、さらに低抵抗なＡｌ系膜を用いるようになってい
る

【０００３】また、基板サイズの大型化に伴い、金属膜
を形成するためのターゲット材にも大型化が要求されて
いる。たとえば、ＬＣＤの高精細化に伴い、高品質の膜
質の金属膜を安定して製造するために、金属膜の形成に
用いられるスパッタ装置は、従来の非常に大きな基板搬
送式のインライン方式の装置から、基板を静止させて成
膜する枚葉式の装置が多く用いられるようになってき
た。この枚葉式のスパッタ装置では基板に対して静止さ
せて膜形成を行うために、基板サイズより大きなタ−ゲ
ット材が要求される。

【０００４】従来は必要なターゲット材サイズに対して
2分割や3分割の大きさで製造したタ−ゲット材を貼り合
わせて用いていたが、高精細化のために分割したタ−ゲ
ット材ではその継ぎ目から異物が発生し、不良となるた
め一体物のターゲット材が要求されている。

【０００５】現在主流である基板サイズは370×470mmで
あり、この基板に金属膜を形成するための枚葉式スパッ
タ装置用のターゲット材には550×650mm程度のスパッタ
リング面を有する大型のターゲット材を一体で製造する
必要がある。一般的なＡｌ系スパッタリング用ターゲッ
ト材は、Ａｌ合金を鋳造してインゴットを製造し、これ
を機械加工してターゲット材とする場合が多い。しか
し、Ａｌを主体とする合金は冷間での塑性加工性に優れ
るため、ＣｒやＴａ等の高融点の金属のターゲット材を
製造する場合に比較して、一体で大きなターゲット材を
製造しやすいという利点があり、鋳造インゴットに鍛
造、冷間圧延等を施しターゲット材の形状に機械加工を
行う場合もある。たとえば、550×650mmに対応する枚葉
式の0.3m^２以上のスパッタ平面積を有する大型のターゲ
ット材を製造するためにはインゴットを大きくし、冷間
で高い加工率（８０％程度以上）を適用して一体のター
ゲット材を製造できるように塑性加工、機械加工を行っ
て製造していた。

【０００６】また、ターゲット材の組成の改良に関する
提案も多くなされている。たとえば、純Ａｌ膜では比抵
抗は低いが耐熱性に問題があり、ＴＦＴ（Thin-Film-Tr
ansistor）製造プロセス上不可避である電極膜形成後の
加熱工程（250〜400℃程度）等において、ヒロックとい
われる微小な突起が表面に生じるという問題点がある。
このヒロックはストレスマイグレ−ション、サ−マルマ
イグレ−ション等により発生すると考えられ、このヒロ
ックが発生するとＡｌ配線膜上に絶縁膜や保護膜等を形
成し、さらに配線膜、電極膜等を形成しようとした場合
に電気的短絡（ショ−ト）や、このヒロックを通してエ
ッチング液等が侵入しＡｌ配線膜が腐食してしまうとい
う問題点がある。

【０００７】このため、純Ａｌではなく、これらの問題
を解決する目的で高融点の金属を添加する。たとえば、
Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｒを0.05〜1.0at%添加することが有効で
あることが述べられているものがある（例えば、特許文
献１参照）。また、Ｂを0.002〜0.5ｗｔ％、Ｈｆ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗを0.002〜0.7ｗｔ％添加する方法
や、さらにＳｉを0.5〜1.5ｗｔ％加える方法が開示され
ているものがある（例えば、特許文献２参照）。また、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａを0.2〜10at%添加することがヒロック
の発生の抑制に効果があることが述べられているものが
あり（例えば、特許文献３参照）、さらにFe、Co、Ni、
Ru、Rh、Irを0.1〜10at%、また希土類元素を0.05〜15at
%添加する方法（例えば、特許文献４、特許文献５参
照）や、Al-Si合金にCu、Ti、Pd、Zr、Hf、Y、Scを0.01
〜3ｗｔ％添加する方法が知られている（例えば、特許
文献６参照）。このような添加元素は、Ａｌと化合物を
形成しＡｌのマトリックス中に分散するが、形成した化
合物は、Ａｌと比重が異なるため、偏析を生じやすい。
そのため、偏析を防止する鋳造技術の提案もある（例え
ば、特許文献６、特許文献７参照）。

【０００８】

【特許文献１】特開平４−３２３８７２号公報

【特許文献２】特公平４−４８８５４号公報

【特許文献３】特開平５−６５６３１号公報

【特許文献４】特開平６−２９９３５４号公報

【特許文献５】特開平７−４５５５５号公報

【特許文献６】特開平５−３３５２７１号公報

【特許文献７】特開平６−３３６６７３号公報

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、これ
までのＡｌ系スパッタリング用タ−ゲット材について
は、ヒロックを防止するために添加元素を加えたもの
や、その偏析を防止する鋳造方法に重点が置かれてい
た。従来の改良法により、溶解鋳造法によってターゲッ
ト材を得る方法では、たとえばできるだけ急冷すること
によりインゴット組織におけるＡｌと添加元素とのマク
ロ的な偏析は防止できる。しかし、鋳造法の場合、組織
中に薄片状等の化合物の凝集部分が生じてミクロ的な偏
析はどうしても残留するため、ＬＣＤ配線等の微小な薄
膜にとっては、なお偏析の問題が存在している。

【００１０】ターゲット材のマクロ的な偏析を防止する
方法として、粉末を混合して焼結する方法が考えられ
る。しかし、我々の検討によれば、純Ａｌ粉末を原料と
する場合、Ａｌ粉末原料の大きさが大きいと偏析域が大
きくなる。偏析域を小さくするためには、微細な原料粉
末を使用することが考えられる。しかし、微細なＡｌ粉
末および添加元素粉末は、酸化や発火の対策という取り
扱い上の問題と、混合時の粉末の凝集といった製造上の
問題から、満足できる均一組織のターゲット材が得られ
ていない。また、溶製法を開示する特許文献４が指摘す
るようにＡｌ粉末と合金化元素粉末を混合した焼結ター
ゲット材では、各元素のスパッタ効率の違いからＡｌ膜
中の合金元素濃度が経時的に変動するという問題があ
る。

【００１１】また、Ａｌ系ターゲット材においてはイン
ゴットを大きくし、冷間で高い加工率で塑性加工を行っ
たタ−ゲット材を用いてスパッタするとターゲット材か
らスプラッシュと呼ばれる異常飛沫が発生する問題があ
る。スプラッシュとは、タ−ゲット材から発生する異常
飛沫のことであり、通常のスパッタ粒子に比較して大き
く、このスプラッシュが基板上に付着すると配線間のシ
ョ−ト、断線等を引き起こす可能性が高くなり、製造し
た液晶ディスプレイの歩留まりを大きく低下させてしま
う問題がある。

【００１２】このＡｌターゲット材からのスプラッシュ
の発生は、配線の形成に使用する場合において、不良に
直結するため重大な問題である。特に、大型のＬＣＤを
得るために必要な0.3m^２以上のスパッタ平面積を有する
大型のタ−ゲット材を適用する場合において、高価な大
型液晶ディスプレイの不良要因としてその対策が急がれ
ている。

【００１３】本発明者らは、スプラッシュの発生原因を
鋭意検討した。その結果スプラッシュの原因がターゲッ
ト材中にある微小な空隙にあることを見いだした。さら
に検討した結果、この微小な空隙の発生原因の一つは、
溶解鋳造法で大型のインゴットを製造する場合、Ａｌの
熱収縮が大きいため発生する引け巣にあることが判明し
た。また、もう一つの原因は、Ａｌの溶湯は水素を溶存
するが、冷えて固まる際には水素を放出するため、この
水素により微細な空隙が発生しやすいということであ
る。特に偏析を防止するために、できるだけ急冷して凝
固すると空隙がインゴット中に包括されやすくなる。

【００１４】また、Ａｌ以外の添加元素によって生成す
るＡｌ化合物が、ターゲット材への加工中に割れて、空
隙の原因となる場合がある。本発明者がターゲット材組
織における微小な空隙の発生を抑えるべく検討したとこ
ろ、溶解鋳造法を適用する限りは、引け巣や溶存水素に
よる空隙の発生を抑えることは困難であった。そのた
め、本発明者は粉末焼結法を適用することを試みた。粉
末焼結法を適用すると、上述した引け巣や溶存水素によ
る空隙の発生を抑制することができる。しかし、単純に
上述したようなヒロックを防止する元素の粉末をＡｌ粉
末と混合して焼結すると、Ａｌとの反応により粗大な化
合物を形成する場合があり、この化合物も、溶解鋳造法
によって生成される化合物と同様に加工中に割れやす
く、スプラッシュの原因となる空隙を形成してしまうこ
とがわかった。

【００１５】本発明の目的は、組織偏析と粗大な化合物
の形成を防止できるＡｌ系ターゲット材の製造方法を提
供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、Ａｌと薄片
状の化合物を形成しやすい３Ａ族元素を含む場合であっ
ても、ガスアトマイズ法の如き急冷処理することによ
り、均一に化合物が分散した微細組織を得ることがで
き、圧延による量産化が達成できることを見いだし、本
発明に到達した。

【００１７】すなわち、本発明は、遷移元素から選択さ
れる元素のいずれか１種または２種以上を１０原子％以
下含み、前記遷移元素として３Ａ族元素を必須として
０．２原子％以上含有し、残部実質的にＡｌからなる合
金溶湯を急冷処理することにより急冷凝固体をつくる工
程と、該急冷凝固体を熱間静水圧プレスにより加圧焼結
する工程と、前記加圧焼結体を圧延する工程を有するＡ
ｌ系スパッタリング用ターゲット材の製造方法である。
また、本発明では、前記急冷処理にガスアトマイズ法を
適用することが好ましい。また、本発明では、前記圧延
において塑性加工率が５０％以上であることが望まし
い。

【００１８】本発明者が３Ａ族元素を添加したＡｌ合金
溶製組織を検討したところ、３Ａ族元素はＡｌと薄片状
の化合物を形成しやすく、ターゲット材を製造する工程
で化合物が割れてスプラッシュの原因となる空隙を生じ
やすいことが判明した。

【００１９】そして、３Ａ族元素を必須で含むＡｌ合金
ターゲットの製造に、従来用いられていなかった急冷処
理を適用することで、３Ａ族元素を含む場合でも組織を
微細化できることを見出したのである。本発明で得られ
る組織は、具体的には、長径０．５μｍ以上のＡｌとの
化合物を含まないＡｌ域（以下Ａｌ偏在域と言う）を低
減したものとなる。さらに、分散する化合物を外接円径
で５μｍ以下と微細にすることも可能である。

【００２０】なお、本発明において遷移元素とは、Ｓ
ｃ，Ｙ，ランタノイドでなる希土類元素と称される３Ａ
族、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの４Ａ族、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの５Ａ
族、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの６Ａ族、Ｍｎ，Ｔｃ，Ｒｅの７Ａ
族、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉ
ｒ，Ｐｔの８族、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕの１Ｂ族である。こ
れらの遷移元素は、スパッタリングにより薄膜を形成
後、典型的には加熱温度１５０℃〜４００℃の熱処理を
施すことによって金属間化合物として組織に析出する。
析出した化合物は、熱や電位差によりＡｌの結晶粒の成
長、あるいは流動を抑えるピンニングポイントとなり、
薄膜にヒロックが発生するのを防止するものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明において、最大の特徴は、
ターゲット材組織を、Ａｌとの化合物を微細に分散形成
させる方法を見出したことである。この微細な組織は、
溶湯急冷法としては、たとえばガスアトマイズ法等のア
トマイズ法を用いることによりできるものである。この
溶湯急冷法の適用は、従来の溶解鋳造法によるＡｌの偏
析を防止するだけでなく、微細に分散する化合物によっ
て、まず生成薄膜の濃度分布の従来にない均一化を達成
するためである。

【００２２】そして、本発明で重要とする噴霧急冷法を
適用すれば、上述した化合物の外接円径を実質的に５μ
ｍ以下とすることができる。また、ターゲット材の断面
組織における０．５μｍ以上の化合物の長径／短径で規
定するアスペクト比を１０以下、好ましくは５未満とす
ることもできる。さらに、長径０．５μｍ以上の前記化
合物を含まないＡｌ偏在域が、前記化合物に対する内接
円径で１０μｍ以下とすることも可能である。

【００２３】Ａｌ系ターゲット材にこのようなヒロック
を防止する元素を導入する方法としては焼結法の適用が
望ましい。添加元素を粉末にしてそのまま導入すると、
焼結過程でＡｌと反応し典型的には、バラの花状の如き
粗大な薄片状の化合物あるいは樹状の粗大な化合物を形
成する場合が多い。粗大な化合物が存在すると、圧延な
どの加重により組織内で容易に割れが発生する。この割
れた部分に空隙が発生し、スパッタリング時にスプラッ
シュを発生するのである。

【００２４】本発明者の検討によれば、スプラッシュの
原因となる空隙の発生は、組織中の化合物の形態に依存
し、できるだけ微細で、好ましくはアスペクト比の１に
近い球状とすることにより、発生を防止できることを見
いだした。上述したように、本発明はターゲット材の断
面組織における０．５μｍ以上の化合物の長径／短径で
規定するアスペクト比を５未満とすることが可能であ
り、圧延等を適用してもスプラッシュの原因の空隙を生
成しにくいため好ましいのである。

【００２５】さらに検討した結果、噴霧急冷法により例
えば粉末を作製した場合、該粉末のうち、凝固速度が速
い小径、典型的には２００μｍ以下の直径の粒子は、化
合物が薄板状に成長せずに微細に凝固できており、これ
を焼結すれば、圧延などの加工によってもスプラッシュ
の原因となる空隙の発生を一段と防止できるターゲット
材が得られる。また、本発明において、化合物の外接円
径を５μｍ以下が好ましいとしたのは、これ以下の微粒
子を分散することにより、トータルの加工率が５０％以
上であっても、化合物の割れに起因する空隙は発生せ
ず、スプラッシュの増加もないことを確認したためであ
る。

【００２６】本発明の噴霧急冷法で例えば粉末を作製し
た場合には、該粉末は、４００℃以上６００℃以下で焼
結することが望ましい。４００℃未満では、焼結が進行
しにくく、６００℃を越えるとＡｌが溶解する危険があ
るためである。加圧焼結は、空隙のない緻密な焼結体と
するために、好ましくは５０ＭＰａ以上の圧力で行うも
のとする。この焼結時に空隙が残留することは、ターゲ
ット材にスプラッシュが発生する原因となるため、でき
るだけさけなければならない。

【００２７】５０％以上の加工率で圧延をする場合、加
工温度を高めることにより、加工時の割れを低減するこ
とが可能である。実質的にはＡｌの再結晶温度以上の４
００℃以上とし、また圧延等の加工による局所的な温度
上昇により、Ａｌの融点を越えない５５０℃以下とする
ことが望ましい。

【００２８】

【実施例】（実施例１）表１に示すＡｌ合金系のインゴ
ットを溶解鋳造し、このインゴットを窒素ガス雰囲気中
ガスアトマイズ法により急冷凝固粉末とした後、体積平
均径６０μmとなるよう分級した。この粉末を330mm×53
0mm×50mmの鉄製の缶に充填し、１０マイナス３乗Ｐａ
以下の圧力に排気を行いながら加熱を行い脱ガス処理を
行った。次に圧力100MPa、温度550℃の条件下でＨＩＰ
（熱間静水圧プレス）により加圧焼結した後、圧延、機
械加工を施すことにより550mm×690mm×6mmのターゲッ
ト材に加工し、ターゲット材（試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎ
ｏ．２７）を得た。

【００２９】比較例として、体積平均径６０μmの純Ａ
ｌ粉と体積平均径３５μmの添加元素金属粉をロッキン
グミキサーで混合し、この粉末を330mm×530mm×50mmの
鉄製の缶に充填し、本発明の試料と同様に脱ガス処理を
行った。次に本発明例と同様にＨＩＰにより加圧焼結し
た後、圧延、機械加工を施して550mm×690mm×6mmのタ
ーゲット材に加工し、表１に示す単体焼結ターゲット材
（試料Ｎｏ．３１、試料Ｎｏ．３２）を得た。また、別
の比較例として、合金組成を調整した溶湯を330mm×530
mm×50mmの鉄製平板形状の鋳型に鋳造し、これを圧延
し、ついで機械加工を施し550mm×690mm×6mmのターゲ
ット材に加工し、表１に示す溶製ターゲット材（試料Ｎ
ｏ．３３、試料Ｎｏ．３４、試料Ｎｏ．３５）を得た。

【００３０】本発明および比較例により得られたターゲ
ット材組織を４００倍の光学顕微鏡で組織観察を行い、
組織中に存在する化合物の最大長径(化合物の外接円径
にほぼ相当)、最大アスペクト比＝最大の（長径／短
径）値、およびＡｌ域の最大内接円径を測定した。結果
を表１に示す。また、本発明および比較例によって得ら
れた典型的な組織として、Al-2原子％Ndの組成の試料に
おいて、本発明により得られたターゲット材試料Ｎｏ．
２３の組織写真を図１に、比較例により得られた単体焼
結ターゲット材の試料Ｎｏ．３２の組織写真を図２に、
別の比較例により得られた溶製ターゲット材試料Ｎｏ．
３４の組織写真を図３にそれぞれ示す。図１〜図３は、
それぞれ４００倍の光学顕微鏡写真である。また本発明
および比較例により得られたターゲット材の表面を鏡面
研磨し、染色浸透探傷法により１μm以上の空隙を検出
しその数を表１に付記した。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１および図１〜図３より明白なように、
本発明により得られたターゲット材試料Ｎｏ．２１〜Ｎ
ｏ．２７は、微細な化合物が組織中に分散する組織とな
っている。一方、比較例により得られた単体焼結ターゲ
ット材は、粗大な化合物が存在する組織となっている。
また、この単体焼結ターゲット材は、図２の写真の黒色
部分に対応する大きな空隙が形成されている。これは、
圧延によって化合物にクラックが入り、空隙を生じたも
のである。また別の比較例により得られた溶製ターゲッ
ト材においては、単体焼結ターゲット材に比べて化合物
は微細になっているが、化合物が存在しない広いＡｌ域
が残存している。また、表１から３Ａ族元素は０．２原
子％以上を含有したときに効果があることがみてとれ
る。

【００３３】得られたターゲット材を用いてＤＣマグネ
トロンスパッタリング法により、Ａｒ圧力０．３Ｐａ、
投入電力１１ｋＷの条件下で370mm×470mm×1.1mmのガ
ラス基板上に膜厚200nmのＡｌ合金膜を形成した。全て
のターゲット材について投入電力０．５ｋＷで約１時間
使用後、約２０時間使用後のそれぞれについて成膜した
膜の組成変化を調べた。また、上記成膜条件にてターゲ
ット材１枚につき１０枚の膜を成膜し、膜表面上に認め
られた５μm以上の異物をスプラッシュと見なし、基板
１枚当たりの平均数を算出した。結果を表２に示す。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２に示すように、本発明により得られた
ターゲット材試料Ｎｏ．２１ないしＮｏ．２７は、スパ
ッタリング期間においてほとんど遷移金属の濃度は変化
しない。これに対して、比較例により得られた単体焼結
ターゲット材試料Ｎｏ．３１およびＮｏ．３２は、形成
した薄膜中の遷移金属濃度が大幅に上昇する傾向があ
り、好ましくないことが認められる。さらに、表１に示
すように、圧延の適用によりターゲット材中に多数の空
隙が発生し、これに伴ってスプラッシュ数が著しく増加
し、好ましくないことがわかる。また、別の比較例によ
り得られた溶製ターゲット材では、形成した薄膜中の遷
移金属の濃度の変動は、単体焼結ターゲット材に比べて
小さいが本発明により得られたターゲット材よりも大き
いものとなっている。また、溶製ターゲット材では、単
体焼結ターゲット材ほどではないが、本発明により得ら
れたターゲット材に比べて欠陥数が多く、これに伴って
スプラッシュの発生が多くなっていることがわかる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、スブラッシュの発生が
大きな問題であった0.3m^２以上スパッタ平面積を有する
ＬＣＤ用Ａｌ系ターゲット材に対して、膜組成の変動を
なくすとともに、欠陥を少なくでき、結果としてスプラ
ッシュを抑制することが可能となった。したがって、本
発明は今後さらに大型化が求められるＬＣＤに対応する
ターゲット材として、ＬＣＤの品質向上を達成する上で
極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用して作製したターゲット材の金属
ミクロ組織を示す写真である。

【図２】比較例の単体焼結ターゲット材の金属ミクロ組
織を示す写真である。

【図３】比較例の溶製ターゲット材の金属ミクロ組織を
示す写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】遷移元素から選択される元素のいずれか
１種または２種以上を１０原子％以下含み、前記遷移元
素として３Ａ族元素を必須として０．２原子％以上含有
し、残部実質的にＡｌからなる合金溶湯を急冷処理する
ことにより急冷凝固体をつくる工程と、該急冷凝固体を
熱間静水圧プレスにより加圧焼結する工程と、前記加圧
焼結体を圧延する工程を有することを特徴とするＡｌ系
スパッタリング用ターゲット材の製造方法。
【請求項２】前記急冷処理はガスアトマイズ法である
ことを特徴とする請求項１に記載のＡｌ系スパッタリン
グ用ターゲット材の製造方法。
【請求項３】前記圧延は塑性加工率が５０％以上であ
ることを特徴とする請求項１または２に記載のＡｌ系ス
パッタリング用ターゲット材の製造方法。