TWI787546B - 濺鍍靶及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種為金屬材料之圓筒形濺鍍靶且使顆粒（particle）減少之濺鍍靶。本發明之濺鍍靶係圓筒形濺鍍靶，濺鍍靶至少具備靶材，靶材由1種或多種金屬元素構成，結晶粒徑為50 μm以下，氧濃度為1000質量ppm以下。

Description

濺鍍靶及其製造方法

本揭示係關於一種濺鍍靶及其製造方法。更具體而言，本揭示係關於一種圓筒形濺鍍靶及其製造方法。

近年來，於半導體元件之領域，要求更高水準之積體化及小型化。例如，於製造半導體元件時，會形成各種薄膜。作為薄膜之材料，可列舉鉬、鎢、鈦等。而且，使用濺鍍作為薄膜之形成方法。

濺鍍之原理如下所述。首先，於真空中一面導入非活性氣體（例如，Ar氣體），一面對基板與濺鍍靶之間施加高電壓。然後，使離子化之Ar⁺ 等離子撞擊濺鍍靶。藉由該撞擊能量使濺鍍靶中之原子釋出而堆積於基板上。藉此，可形成薄膜。

作為濺鍍靶之形狀，可列舉平板或圓筒形等。於專利文獻1中，揭示有由選自由鋁、銀、銅、鈦及鉬組成之群中之至少1種金屬構成的圓筒型濺鍍靶。進而，專利文獻1揭示有圓筒型濺鍍靶之製造步驟。具體而言，揭示當為金屬系濺鍍靶之情形時，將圓柱狀濺鍍靶之材料供至擠出加工或將中心部挖通而加工成圓筒形狀，或者藉由鑄造而成型為圓筒形狀。於專利文獻2中，揭示有將粉末燒結而形成圓筒型粗製型材，然後，於1000℃以上之溫度下，於芯棒上進行鍛造。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2018－053366號公報 [專利文獻2]日本特開2017－510701號公報

[發明所欲解決之課題]

如上述，於半導體元件之領域，要求更高水準之積體化及小型化。若於進行濺鍍時產生顆粒（particle），則會對製品帶來各種不良情形，故較不理想。因此，本揭示之目的在於提供一種為金屬材料之圓筒形濺鍍靶且使顆粒減少之濺鍍靶。 [解決課題之技術手段]

發明人等經潛心研究後，結果成功地藉由另外之方法製造了圓筒形濺鍍靶。更具體而言，藉由利用BTA（Boring ＆ Trepanning Association）方式深孔鑽削加工等對圓柱形小胚進行加工，而形成圓筒形小胚。但，由於圓筒形小胚本身之組織具有大的結晶粒徑，故僅藉由該步驟，靶材之結晶粒徑會成為粗大之狀態。因此，進而對圓筒形小胚實施塑性加工而製成圓筒形靶材。藉此，於組織內導入大量應變。以此方式獲得之圓筒形靶材可視需要進而進行再結晶熱處理，而實現微細之結晶粒徑。

基於上述見解而完成之發明於一態樣中，包含以下之發明。 （發明1） 一種濺鍍靶，其係圓筒形濺鍍靶， 該濺鍍靶至少具備靶材， 該靶材係由1種或多種金屬元素構成， 結晶粒徑為50 μm以下， 氧濃度為1000質量ppm以下。 （發明2） 如發明1所述之濺鍍靶，其中，該結晶粒徑超過10 μm。 （發明3） 如發明1或2所述之濺鍍靶，其中，該靶材無縫。 （發明4） 如發明1至3中任一項所述之濺鍍靶，其中，該金屬元素為鈦。 （發明5） 一種方法，其係發明1至4中任一項所述之濺鍍靶之製造方法，包括下述步驟： 將由1種或多種金屬元素構成之圓柱形小胚加工成圓筒形小胚之步驟；及 對該圓筒形小胚進行塑性加工之步驟。 （發明6） 如發明5所述之方法，其中，進行塑性加工之步驟包括： 將芯棒穿過該圓筒形小胚而進行鍛造。 （發明7） 如發明6所述之方法，其中，進行鍛造之步驟包括： 於500℃～850℃之範圍內進行一次鍛造；及 於250℃～600℃之範圍內進行二次鍛造。 [發明之效果]

於一態樣中，本揭示之濺鍍靶之結晶粒徑為50 μm以下。藉此，可抑制於濺鍍時產生顆粒。

以下，對用以實施本揭示之發明之具體實施形態進行說明。以下之說明係用以促進理解本揭示之發明者。即，並非意圖限定本發明之範圍。

1. 濺鍍靶 1 － 1. 構造 於一實施形態中，本揭示之發明係關於一種濺鍍靶。濺鍍靶至少具備靶材，該靶材係直接被濺射之部位。又，濺鍍靶亦可進而具備基材（背管）。而且亦可視需要，於基材與靶材之間進而設置接合層。關於基材及接合層，可使用公知之材料。

於一實施形態中，濺鍍靶（及靶材）之形狀為圓筒形。大小並無特別限定。

1 － 2. 靶材之構成元素 於一實施形態中，靶材係由1種或多種金屬元素構成。作為金屬元素之例，可列舉Ti、Nb、Ta、Cu、Co、Mo及W等，但並不限定於該等。又，並不限定於1種金屬元素，靶材亦可由多種金屬元素之合金構成。作為合金之例，可列舉Ti合金、Nb合金、Ta合金、Cu合金、Co合金、Mo合金及W合金等，但並不限定於該等。作為Ti合金之例，可列舉TiAl合金及TiNb合金等，但並不限定於該等。

於靶材由1種金屬元素構成之情形時，（例如Ti）、純度為3N（99.9質量%）以上，較佳為4N（99.99質量%）以上，更佳為4N5（99.995質量%）以上，進而較佳為5N（99.999質量%）以上，最佳為5N5（99.9995質量%）以上。上限值並無特別限定，但為8N以下。關於上述純度，係指藉由輝光放電質量分析法（GDMS）進行組成分析所得之數值。例如，於4N以上之情形時，係指鈦以外之元素（例如，Na、Al、Si、K、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr等）之合計量未達0.01質量%（100質量ppm）。

靶材亦可含有無法避免之雜質。作為無法避免之雜質之例，可列舉O、C等。含量並無特別限定，但於O之情形時，例如，亦可為1000質量ppm以下，亦可較佳為250質量ppm以下，亦可最佳為100質量ppm以下。於C之情形時，例如亦可為20質量ppm以下。

作為於本揭示之靶材中可達成如上述之雜質濃度之原因，可舉不藉由粉末燒結（將原料粉末放入模具中進行壓製並進行燒結）製造靶材，而是使用藉由熔解法獲得之小胚製造靶材。雖然取決於金屬之種類，但原料粉末中之氧濃度高，大多超過1000質量ppm。因此，藉由粉末燒結形成之靶材之氧濃度變高。又，即便原料粉末中之氧濃度低，亦會因粉碎等步驟使氧濃度上升，超過1000質量ppm之機率高。但，本揭示之靶材並非利用粉末燒結之方法，而是採用將圓柱形小胚加工成圓筒形小胚然後進行鍛造等塑性加工之方法，因此可避免氧濃度變高。

1 － 3. 靶材之結晶粒徑 於一實施形態中，構成靶材之金屬具有特定之結晶粒徑。更具體而言，上述結晶粒徑為50 μm以下。較佳為上述結晶粒徑為40 μm以下，更佳為30 μm以下。下限值並無特別限定，但亦可超過10 μm。藉由結晶粒徑為50 μm以下，亦即藉由結晶粒徑微細，可抑制顆粒之產生。

再者，此處所述之結晶粒徑係按照以下之順序進行測定所得。依據JIS G0551：2013之切斷法，根據濺鍍靶之表面（濺鍍面）上橫穿晶粒內之試驗線之每1個晶粒的平均線段長求出。該方法中之晶粒之觀察可使用光學顯微鏡（區域500 μm×500 μm）等。

作為於本揭示之靶材中可達成如上述之結晶粒徑之原因，可舉不藉由粉末燒結製造靶材，而是使用藉由熔解法獲得之小胚製造靶材。若進行粉末燒結，則與原料粉末同等之結晶粒徑會因熱處理而生長為原料粉末之結晶粒徑以上之結晶粒徑。但，本揭示之靶材並非利用粉末燒結之方法，而採用將圓柱形小胚加工成圓筒形小胚然後進行鍛造等塑性加工之方法，因此可避免結晶粒徑變大。

又，作為於本揭示之靶材中可達成如上述之結晶粒徑之另外原因，可舉不藉由擠出法使金屬材料成型，而是使用藉由熔解法獲得之小胚製造靶材。於擠出法之情形時，因必須使金屬材料熔融等原因，而對材料進行熱處理。因此而會導致材料內之晶粒粗大化（例如，於材料為Ti之情形時，擠出加工之溫度成為1000℃左右，晶粒成為數百μm）。然而，於藉由擠出法進行成型之情形時，無法避免熱處理。本揭示之靶材並非利用擠出法之方法，而是採用將圓柱形小胚加工成圓筒形小胚然後進行鍛造等塑性加工之方法，因此可避免結晶粒徑變大。

1 － 4. 靶材之無縫 於一實施形態中，靶材無縫。「無縫」係指不存在多個靶材彼此接合之痕跡部分。更具體而言，將蝕刻後對組織進行觀察時，觀察不到具有特定特徵之部位的情形稱作「無縫」。此處所述之「具有特定之特徵之部位」係指例如因焊接等使晶粒粗大化而成為較材料整體之結晶粒徑大20%以上之部位。此處，粒徑之測定方法與上述材料整體之結晶粒徑之測定方法相同。又，於判定是否無縫時，較佳為藉由在靶材之內部（例如，較深度2 mm更深之位置）對組織進行觀察而進行，而非靶材表面。其原因在於：藉由對靶材進行表面加工（例如藉由進行研磨），可消除於靶材表面上觀察到之接合之痕跡部分。於該方面，只要為靶材內部之組織，則不會因表面加工而使接合之痕跡部分消失，因此，可進行準確之判定。

2. 製造方法 於一實施形態中，本揭示之發明係關於一種濺鍍靶之製造方法。上述方法至少包括以下之步驟。 將由1種或多種金屬元素構成之圓柱形小胚加工成圓筒形小胚之步驟。 對上述圓筒形小胚進行塑性加工之步驟。

又，於上述方法中，亦可視需要進而包括進行退火之步驟及／或進行機械加工之步驟。以下，進行詳細說明。

2 － 1. 加工成圓筒形小胚之步驟 以下，以鈦為例進行說明。首先，準備鈦之圓柱形小胚。鈦鑄錠之純度為3N（99.9質量%）以上，較佳為4N（99.99質量%）以上，更佳為4N5（99.995質量%）以上，進而較佳為5N（99.999質量%）以上，最佳為5N5（99.9995質量%）以上。

然後，對圓柱形小胚進行穿孔加工，藉此形成成為圓筒形靶材之素材之圓筒形小胚。關於穿孔加工，並無特別限定，可列舉槍鑽（gun drill）加工、車床加工、BTA方式深孔鑽削加工等。

2 － 2. 進行塑性加工之步驟 對藉由上述步驟獲得之圓筒形小胚進行塑性加工。藉此，最終可實現微細之晶粒。

塑性加工只要為可於圓筒形小胚導入應變者即可，其具體方法並無特別限定，例如，可列舉鍛造或壓延。此處以鍛造為例於以下進行具體說明。

2 － 2 － 1. 鍛造 於對圓筒形小胚進行鍛造時，於內側***芯棒而實施。較佳為鍛造分為兩個階段進行（於本說明書中，分別稱作一次鍛造、二次鍛造）。鍛造後，獲得圓筒形靶材。

再者，此處，亦考慮對進行穿孔加工前之圓柱形小胚進行鍛造之方法。但，若為該方法，則必須對具有厚度之材料進行壓製，而加工機械需要力（尤其於Ti之情形時，由於較硬，故而需要較大之力）。另一方面，於挖孔後將芯棒穿過而進行鍛造之情形時，由於對厚度較薄之材料進行鍛造，故而加工機械所需之力較小即可。根據此種原因，較佳為對穿孔加工後之圓筒形小胚進行下述一次鍛造及二次鍛造中之至少二次鍛造。亦可對穿孔加工前之圓柱形小胚實施一次鍛造，但以下，作為例，對針對穿孔加工後之圓筒形小胚進行一次鍛造及二次鍛造兩者之情況進行說明。

2 － 2 － 1 － 1. 一次鍛造 首先，可對藉由上述步驟獲得之圓筒形小胚進行一次鍛造。一次鍛造之目的在於消除圓筒形小胚內之組織之偏差及進行初鍛。作為溫度條件，可於500℃～850℃進行。其原因在於：若未達500℃，則圓筒形小胚較硬，而有可能於進行鍛造時斷裂，存在變形為偏離近淨形（near net shape）之形狀之風險，伸長率變差。另一方面，若超過850℃，則晶粒之粗大化會進行，故而不佳。又，於鈦之情形時，若超過850℃，則會自α相向β相變態，因此，然後無法獲得良好之金屬組織。作為溫度之下限值，亦可較佳為550℃以上。作為溫度之上限值，亦可較佳為未達700℃。

該一次鍛造係於將芯棒***於圓筒形小胚之內側之狀態下，於上述溫度範圍內將圓筒形小胚加熱而進行。芯棒之材料並無特別限定，但較佳為CrMo鋼製。又，鍛造壓製為單軸方向，因此，較佳為一面使圓筒形小胚以芯棒為中心旋轉，一面反覆進行鍛造（圖2）。

2 － 2 － 1 － 2. 二次鍛造 一次鍛造步驟之後，可對圓筒形小胚進行二次鍛造步驟。二次鍛造步驟之目的在於對圓筒形小胚之組織施加應變。作為溫度條件，係於250℃～600℃進行。更佳為於較一次鍛造步驟時低之溫度條件下進行二次鍛造。若未達250℃，則圓筒形小胚較硬，而難以導入應變，亦容易產生組織之不均。另一方面，若超過600℃，則會因動態再結晶導致應變解除，因此無法使粒徑較細。又，若超過600℃，則於之後的熱處理步驟中無法獲得良好之再結晶組織。作為溫度之下限值，亦可較佳為300℃以上。作為溫度之上限值，亦可較佳為500℃以下。

二次鍛造亦與一次鍛造之時同樣，於將芯棒***於圓筒形小胚之內側之狀態下進行。又，二次鍛造亦與一次鍛造之時同樣，較佳為一面以芯棒為中心使圓筒形小胚旋轉，一面反覆進行鍛造。又，若反覆進行鍛造，則自截面進行觀察時之圓形之應變變大，因此，較佳為於二次鍛造之最終階段，以成為接近正圓之形狀之方式進行鍛造。

2 － 3. 退火（再結晶化） 較佳為二次鍛造之後，將芯棒去除，對圓筒形靶材實施退火。藉此，可促進於施加有應變之組織中，形成微細之再結晶組織。作為溫度條件，係於300℃～600℃進行。若未達300℃，則再結晶組織之形成變得不充分。另一方面，若超過600℃，則晶粒之粗大化會進行，故而不佳。作為溫度之下限值，亦可較佳為420℃以上。作為溫度之上限值，亦可較佳為550℃以下。又，關於時間，亦根據圓筒形靶材之尺寸適當調節即可，例如，亦可為0.5小時～2小時。

2 － 4. 機械加工 退火之後，可對圓筒形靶材進行機械加工，而精加工為期望之形狀及尺寸。作為機械加工，可列舉切削及研磨等，但並不限定於該等。又，於該階段，亦可以可實現期望之正圓度、偏心度等之方式調節機械加工之條件。

2 － 5. 基材及接合層 亦可使上述靶材與基材（背管）接合。藉此，可獲得具備基材及靶材之濺鍍靶。又，亦可藉由使用焊料進行接合，而於基材與靶材之間形成接合層。

3. 濺鍍靶之利用 上述濺鍍靶可用於形成薄膜。雖可使用濺鍍作為形成薄膜之手段，但濺鍍之條件並無特別限定，可於該領域中設定之條件下進行濺鍍。 [實施例]

（實施例1） 準備由純度為4N5以上之鈦構成之小胚（

200×500 L）。藉由BTA對該小胚挖

110之孔。藉此，形成圓筒形小胚。然後，於550℃對圓筒形小胚進行加熱，並將CrMo鋼製之芯棒穿過。於上述溫度之下，一面以芯棒為中心使圓筒形小胚旋轉，一面反覆進行一次鍛造。

然後，使溫度下降至350℃，一面以芯棒為中心使圓筒形小胚旋轉，一面反覆進行二次鍛造。藉此，獲得圓筒形靶材。

然後，於溫度600℃進行1小時退火，促進圓筒形靶材之結晶組織之再結晶。

然後，利用光學顯微鏡觀察結晶組織。將結果示於圖1。藉由上述方法測定結晶粒徑，結果為40 μm。

（實施例2） 除了適當變更鍛造之條件以外，以與實施例1相同之方式製作圓筒形靶材。 利用光學顯微鏡觀察該圓筒形靶材之結晶組織。將其結晶組織示於圖3。又，如上述，藉由利用光學顯微鏡（區域500 μm×500 μm）之觀察，藉由切斷法測定圓筒形靶材之結晶粒徑，結果結晶粒徑為36 μm。

（實施例3） 除了適當變更鍛造之條件以外，以與實施例1相同之方式製作圓筒形靶材。 利用光學顯微鏡觀察該圓筒形靶材之結晶組織。將其結晶組織示於圖4。又，如上述，藉由利用光學顯微鏡（區域500 μm×500 μm）之觀察，藉由切斷法測定圓筒形靶材之結晶粒徑，結果結晶粒徑為29 μm。

以上，對本揭示之發明之具體實施形態進行了說明。上述實施形態僅為具體例，本發明並不限定於上述實施形態。例如，上述實施形態之一所揭示之技術特徵可應用於其他實施形態。又，只要未特別說明，則關於特定之方法，亦可將一部分之步驟與其他步驟之順序進行調換，亦可於特定之2個步驟之間追加另外之步驟。本發明之範圍係由申請專利範圍規定。

無

圖1表示一實施形態中之圓筒形濺鍍靶之組織的照片。 圖2表示一實施形態中之圓筒形濺鍍靶之製造步驟的一部分。 圖3表示一實施形態中之圓筒形濺鍍靶之組織的照片。 圖4表示一實施形態中之圓筒形濺鍍靶之組織的照片。

Claims (6)

1. 一種濺鍍靶，其係圓筒形濺鍍靶，該濺鍍靶至少具備靶材，該靶材係由1種或多種金屬元素構成，結晶粒徑為50μm以下，氧濃度為1000質量ppm以下，該1種或多種金屬元素係Ti、Nb、Ta、Cu、Co、Ti合金、Nb合金、Ta合金、Cu合金或Co合金。
2. 如請求項1所述之濺鍍靶，其中，該結晶粒徑超過10μm。
3. 如請求項1或2所述之濺鍍靶，其中，該靶材無縫。
4. 一種濺鍍靶之製造方法，其係請求項1至3中任一項所述之濺鍍靶之製造方法，包括下述步驟：將由1種或多種金屬元素構成之圓柱形小胚加工成圓筒形小胚之穿孔加工步驟；及對該圓筒形小胚於將芯棒***於圓筒形小胚之內側之狀態下進行塑性加工之步驟。
5. 如請求項4所述之濺鍍靶之製造方法，其中，進行塑性加工之步驟包括：將芯棒穿過該圓筒形小胚而進行鍛造。
6. 如請求項5所述之濺鍍靶之製造方法，其中，進行塑性加工之步驟包括：於500℃~850℃之範圍內進行一次鍛造；及於250℃~600℃之範圍內進行二次鍛造。

Images