JP5558066B2 - ターゲット - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリングやイオンプレーティング等のＰＶＤ法に用いるターゲットに関し、特に薄膜の成膜中において、ターゲットにおけるアーキングの発生を抑制する技術に関するものである。

近年、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＦＰＤ（Flat Panel Display）、太陽電池等のエレクトロニクス分野や、耐食性、耐摩耗材料や装飾といった分野等、さまざまな分野で金属やセラミックスの薄膜が用いられている。

薄膜形成には、真空蒸着、スパッタリングやイオンプレーティングといった物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法）や、ガス反応で成膜する化学蒸着法（ＣＶＤ法）が知られている。電極材として用いるようなエレクトロニクス分野の場合、ｎｍオーダーで緻密な膜形成が望まれることから、スパッタリング法が多く用いられている。

このような薄膜において、成膜中に不純物が混入することが問題となっている。例えば、数百ｎｍの積層配線を形成しようとする際に、直径数μｍの異物が混入すると、絶縁バリア層を貫いて導通させたり、異物が酸化物の場合には配線の導通不良を起こしてしまう等の不具合を起こしてしまう。

ＰＶＤ法による成膜中に発生する不純物とは、イオンプレーティングにおけるドロップレットであり、スパッタリングにおけるスプラッシュであり、またＰＶＤ法全般で見られる、剥れた膜によるゴミであるパーティクルである。これらを低減させるべく、ＰＶＤ法においては、装置の改善はもちろん、ターゲットにも改善の研究が多くなされてきた。

ドロップレットやスプラッシュのメカニズムとして、ターゲット内の空隙や不純物、突起といったものが原因となって、空隙や不純物との界面近傍や突起部で電荷集中が起こり、その部分が赤熱化して放電現象（アーキング）を起こし、ドロップレットやスプラッシュが飛び出すことが知られている。このようなドロップレットやスプラッシュの発生を抑制するためには、ターゲットの密度を上げる、純度を上げる、表面粗度を小さくするといった方策が一般的であった。さらに、スパッタリング法においては、ターゲットを構成する結晶粒の粒径や結晶面方位を制御することで、アーキングの発生を抑えようとする検討が多数行なわれてきた。

特許文献１には、結晶粒の粒径を均一化して、アーキングの発生を抑えることが記載されている。

また、特許文献２には、結晶組織を微細かつ均一にしてアーキングの発生を抑えることが記載されている。特許文献２には、さらに結晶方位を揃えることで、アーキングの発生を抑えることが可能となることが記載されている。

また、特許文献３には、逆に結晶方位をランダムにすることで、アーキングの発生を抑えることが可能となることが記載されている。

特許文献４には、スプレイフォーミング法によって結晶方向を揃えて、最密方位の結晶を多くして原子密度の低い方位の結晶を少なくすることで、成膜速度が大きく、アーキングの少ないスパッタが可能となることが記載されている。

しかしながら、上述の特許文献いずれにおいてもターゲットのアーキングを十分に抑制することはできなかった。

特開２０００−２３４１６７号公報 特表２００２−５１８５９３号公報 特開２００９−１９７３３２号公報 特開２００８−１２７６２３号公報

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであり、成膜中におけるアーキングの発生が抑制され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。

上記課題を解決するために、本発明者らは以下の手段を創成した。

（１）スパッタリングターゲットのスパッタ面における結晶粒界にて隣接する２つの結晶の内、一方の結晶の前記スパッタ面の法線方向の結晶方位を＜h₀ k₀ l₀＞とし、他方の結晶の前記スパッタ面の法線方向の結晶方位を＜h₁ k₁ l₁＞とした場合において、少なくとも前記スパッタリングターゲットのエロージョンが発生しうる領域の前記結晶粒界の８割以上が、＜h₀ k₀ l₀＞と＜h₁ k₁ l₁＞の成す角度が３０度以下となる関係を満たすことを特徴とするスパッタリングターゲット。

（２）スパッタリングターゲットのスパッタ面における結晶粒界にて隣接する２つの結晶の内、一方の結晶の前記スパッタ面の法線方向の結晶方位を＜h₀ k₀ l₀＞とし、他方の結晶の前記スパッタ面の法線方向の結晶方位を＜h₁ k₁ l₁＞とした場合において、前記スパッタ面の結晶粒界の８割以上が、＜h₀ k₀ l₀＞と＜h₁ k₁ l₁＞の成す角度が３０度以下となる関係を満たすことを特徴とするスパッタリングターゲット。

本発明によれば、成膜中におけるアーキングの発生が抑制されたスパッタリングターゲットを提供することができる。

スパッタターゲットの断面の模式図で、結晶粒の結晶方位と、隣接結晶粒同士の結晶方位差ψの定義を示した図である。 図１に示すスパッタターゲットのスパッタリングを行った後の断面の模式図である。

本発明者は、アーキングの発生を抑える方法を検討した結果、スパッタリングターゲットのスパッタ面における結晶粒界にて隣接する結晶粒同士のスパッタ面の法線方向の結晶方位の差を所定の値より小さくすることで、アーキングの発生を抑えて均一な成膜を行うことを可能とするターゲットを得ることができることを見出した。

これは、結晶粒界を介して隣接する結晶粒同士のスパッタ面の法線方向の結晶方位の差を、所定の条件を満たすように制御することで、スパッタの過程で生じる隣接結晶粒同士の段差を小さくすることができるためであると考えられる。

以下、図面を参照して本実施の形態を説明する。

図１は、スパッタターゲットの断面の模式図で、隣接する結晶粒同士の結晶粒の結晶方位と、隣接結晶粒同士の結晶方位差ψの定義を示した図である。図１に示すように、本実施の形態においては、ターゲットの表面のスパッタ面の法線方向を基準とした場合の各結晶粒の向き（結晶方位）を、＜h_i k_i l_i＞と定義する。基準とする任意の１つの結晶粒の向きを＜h₀ k₀ l₀＞とし、結晶粒界を介して隣接する結晶粒の向きを＜h₁ k₁ l₁＞とした場合に、これらの結晶方位の差ψは、以下に示す式（１）で表せる。

なお、上述した結晶方位は、ターゲットをＥＢＳＰ（Electron Back Scattering Pattern）解析することにより求めることができる。ＥＢＳＰは、傾斜させたターゲット表面に電子線を入射させ、このときに発生する反射電子から得られた菊池線回折図形を解析することにより、電子線入射位置での結晶方位を求めるものである。

また、金属もしくは合金ターゲットとして用いられる材料の多くが立法晶系を取ることから、任意の結晶粒の結晶方位を＜h k l＞として表すことができる。

本実施形態のターゲットは、スパッタ面における結晶粒界にて隣接する結晶粒同士のスパッタ面の法線方向の結晶方位差が、３０度以下であることが好ましい。これは、例えば、図１において、＜h₀ k₀ l₀＞と＜h₁ k₁ l₁＞とで結晶方位差が３０度以下である場合、図２に示すように、スパッタの過程で生じる結晶粒間での段差が小さくなることで、アーキングが起こり難くなるためである。

例えば、隣接する結晶の向きが＜111＞と＜211＞の場合、結晶方位差は１９．５度となるが、この場合にはスパッタを行っても殆ど段差が生じることはなく、アーキングは起こらなかった。

一方、結晶方位差が３０度を越えると、アーキングが起こり易くなる。具体的には、例えば、図１において、＜h₀ k₀ l₀＞と＜h₂ k₂ l₂＞との結晶方位差が３０度より大きい場合、スパッタリングを行うと、図２のように結晶粒間での段差が大きくなり、その段差部分でアーキングが発生し易くなってしまう。以上の理由から、結晶方位差は３０度以下が望ましい。

一方、スパッタ面の全ての隣接結晶粒同士のスパッタ面の法線方向の結晶方位差を３０度以下とする場合、製造過程において、非常に複雑な制御を行う必要があり、コストも増大してしまう。結晶粒界の８割以上を、結晶方位差が３０度以下とする場合には、一般的なターゲットの製造方法で製造可能であるため、コストを抑えることができるという効果も得られる。

本実施の形態のターゲットは、スパッタ面における全ての隣接結晶粒同士のスパッタ面の法線方向の結晶方位差を３０度以下とする必要はなく、スパッタの際にスパッタ面における少なくともエロージョンが発生しうる領域（以下、「エロージョン対象領域」とも呼ぶ）に存在する結晶粒界の８割以上が、結晶方位差が３０度以下であればよい。このエロージョン対象領域に存在する結晶粒界の８割以上が、結晶方位差が３０度以下であることで、アーキングを十分に抑制することができるためである。一方、上述の条件を満たす領域が８割未満になると、アーキングが発生する回数が増大してしまい、好ましくない。

ここで、エロージョン対象領域とは、スパッタを行った場合に、ターゲットのスパッタに寄与する部分のことであり、成膜の過程において、ターゲットから原子が弾き飛ばされる領域のことである。

なお、ターゲットの製造には大きなブロックを製造し、そこから所定サイズのターゲットを切出すことが多い。どこから切出しても良いように、板面方向にも板厚方向も結晶方位等の性状が均一であるように作製する。従って、スパッタ面全体に存在する結晶粒界の８割以上が結晶方位差３０度以下であるという条件を満たすターゲットであれば、エロージョン対象領域が成膜装置によって異なったとしても、必ずアーキングを抑制するという効果を得ることができる。

ここで、本実施の形態のターゲットの製造方法は、溶融法やＨＩＰを含む粉末冶金法等で製造したブロックを製造する工程と、加熱したブロックを圧延等で塑性変形させる工程と、熱処理する工程と、さらに圧延等で塑性変形を与える工程と、さらに熱処理する工程から構成される製造方法が好ましい。圧延してから熱処理を施す工程が１回ずつでは、隣接結晶粒同士の結晶方位差が大きなものが多数存在することから、圧延してから熱処理を施すという工程を少なくとも２回以上繰り返すことで、隣接結晶粒同士の結晶方位差が大きなものを少なくすることができる。

なお、圧延率は５０〜９０％、圧延温度は材料に依るが、例えばMoで７００〜８５０℃、Crで１１５０〜１２５０℃、熱処理温度は１１００〜１２００℃が好ましい。

なお、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

なお、実施例では、Mo、Crのターゲットを例に挙げるが、本願発明はMo、Crに限定されるものではなく、結晶方位が測定可能な金属もしくは合金のターゲットすべてに適用可能なものである。

本発明のターゲットは、Mo、Crの焼結板を圧延し、その後熱処理を施した方法により作製したものである。隣接結晶粒の結晶方位差については、圧延条件より、その後の熱処理条件に大きく依存することが分かった。ここでは、圧延板の熱処理条件を変えて作製した板から、スパッタターゲットと結晶方位測定用の試料を切り出し、前者でスパッタ実験を行いアーキングを測定し、後者で隣接結晶粒との結晶方位差を測定した。スパッタ実験には、キャノンアネルバ製マグネトロンスパッタ装置SPF-430HSを用い、厚み５ｍｍの４インチターゲットにDC600Wの電力を投入し、アーキングは原田産業製FS-1000を用いて測定を行った。ここでは、１μｍの膜を成膜する際のアーキングの発生回数の測定を１０回実施した。

結晶方位は、ターゲットを切り出す元の材料である、上述した製造方法で製造したブロックから、所定のサイズに切り出した試料をEBSP解析により求めている。

隣接結晶粒との結晶方位差は、FE-SEMに附属したTSLソリューション製のＥＢＳＰ解析装置を用いて測定を行った。具体的には、まず、ＥＢＳＰデータを画像解析し、ＳＥＭデータから結晶粒の粒界位置を認識させ、逆極点図データから、結晶粒界にて隣接する結晶粒の方位をそれぞれ解析して、＜h₀ k₀ l₀＞と＜h₁ k₁ l₁＞の値を得た。この値から式（１）を用いて、結晶方位差ψを算出する。この解析を、ＥＢＳＰスキャン方向に沿って設定される任意のライン上に存在する結晶粒界それぞれについて行い、１ラインの解析が終了すると、別途求めた結晶粒の平均粒径の長さ分、測定したラインに対して垂直方向にずらした位置に次のラインを設定して、同様の解析を行うという操作を繰り返し行うことで、測定対象領域における各結晶方位差を求めた。この解析方法による結晶方位差の測定対象領域は、結晶粒の粒径の１０〜２０倍程度の範囲で行い、測定している粒界が１００個を超えるようにした。このようにして得られた各結晶方位差について、結晶方位差が２５度以下である割合と３０度以下である割合を算出した。

なお、１００点を超える処理を行うこのような解析方法であれば、測定対象領域に存在する全ての結晶粒界について解析した場合と比較して統計学上差が殆どなくなる。

また、実際に結晶方位差を測定する場合には、ターゲット全体の代表として、ターゲットの一部分のサンプルについて測定を行うが、ターゲットは、通常、スパッタ面全体において結晶の配向など性状の差が小さいため、一部について測定を行うことでスパッタ面全体に対して推定可能な有効な結晶方位差についてのデータが得られる。

以下、上述の製造方法により製造した各実施例と、比較例について、実際にスパッタを行った際のアーキングの回数と、そのターゲットにおける結晶方位差が３０度以下である結晶粒界の割合の測定結果について説明する。表１に、圧延条件及び圧延後の熱処理条件と、隣接結晶粒の結晶方位差が２５度以下と３０度以下の結晶粒界の割合、さらにスパッタ中に測定したアーキングの回数を１０回測定したデータと１０回の平均回数を示す。なお、圧延後の熱処理は、１回目の圧延後及び２回目の圧延後にそれぞれ２時間ずつ行った。

圧延したままの比較例１及び３では、３０度以下の結晶粒の割合は低くなり、スパッタ中のアーキングも１０回の成膜中全てで２回以上観測された。

圧延後の熱処理を１１００℃から１２００℃で２時間実施したものについては、隣接結晶粒との結晶方位差が３０度以下の割合が８０％を越えて、アーキングが殆ど観測されず、良好な膜が形成できた。

特に、圧延後の熱処理が１１２５℃から１１７５℃で２時間実施したものについては、隣接結晶粒との結晶方位差が２５度以下の割合が８０％を越えて、１０回の成膜中に一度もアーキングが観測されず、より好適な膜を形成することができた。即ち、隣接結晶粒との結晶方位差が２５度以下の割合が８０％を越える場合がより好適な範囲となる。

圧延後の熱処理を１２５０℃で２時間実施したものについては、隣接結晶粒との結晶方位差が大きくなってしまい、３０度以下の割合が８０％を割り込んでしまった。スパッタ中のアーキング回数も１０回の成膜中すべてで３回以上観測され、いずれのスパッタ膜表面にも数μｍの異物が付いている箇所が多く観察され、良好な膜とはいえなかった。

Claims (3)

1. モリブデンまたはクロムの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のスパッタ面における結晶粒界にて隣接する２つの結晶の内、一方の結晶の前記スパッタ面の法線方向の結晶方位を＜h₀ k₀ l₀＞とし、他方の結晶の前記スパッタ面の法線方向の結晶方位を＜h₁ k₁ l₁＞とした場合において、前記スパッタ面の結晶粒界の８割以上１０割未満が、＜h₀ k₀ l₀＞と＜h₁k₁ l₁＞の成す角度が３０度以下となる関係を満たすことを特徴とするスパッタリングターゲット。
2. 焼結した金属板に対して圧延処理と前記圧延処理後の熱処理とを少なくとも２回以上施すことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリングターゲットを製造する製造方法。
3. 請求項２の製造方法において、前記熱処理を１１００〜１２００℃で行うことを特徴とするスパッタリングターゲットを製造する製造方法。