JP7018055B2 - スパッタリングターゲット及び、その製造方法 - Google Patents

Description

この明細書は、スパッタリングターゲット及び、その製造方法に関する技術を開示するものである。

半導体素子の配線の微細化が進む近年では、その微細化の進展に伴い、当該配線の材料として、これまで用いられていたアルミニウムに代えて、より抵抗の低い銅が用いられるに至っている。この種の銅配線の形成は、たとえば、コンタクトホール又は配線溝の凹部にＴａ／ＴａＮ等からなる拡散バリア層を形成した後、銅の電気めっきを施すことにより行われることがある。ここで、この電気めっきの下地層として通常は、スパッタリングにより銅または銅合金の薄膜を形成する。
このようなスパッタリングに用いられ得る銅ないし銅合金のスパッタリングターゲットやその製造方法としては、たとえば特許文献１～５に記載されたもの等がある。

ところで、上記の銅ないし銅合金等からなるスパッタリングターゲットは一般に、スパッタリングに使用されるスパッタ面を有するターゲット材、及び、スパッタリング時のターゲット材の冷却やスパッタ電極等の機能を有するバッキングプレートで構成される。かかるスパッタリングターゲットを製造するには、バッキングプレートと、それとは別個に、また異なる所定の材質で溶解鋳造等により作製したターゲット材とを、接合剤の使用等により相互に接合する。
しかるに、上述したように、個別に作製したバッキングプレートとターゲット材を接合してスパッタリングターゲットを製造する場合は、バッキングプレート及びターゲット材を個々に作製することや、それらを接合することに起因して製造工数が増加する他、バッキングプレートの厚みの分だけターゲット材が薄くなって寿命が短い。

これに対しては、特許文献６、７等に記載されているように、ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも同様の銅ないし銅合金からなる一体型のスパッタリングターゲット、いわゆるモノリシックターゲットが提案されている。このような一体型のスパッタリンターゲットによれば、ターゲット部及びバッキングプレート部を一体として同時に作製することができるので、相互の接合も不要になり、製造工数の削減、またスパッタリング時の使用時間の増加によるターゲット使用者のコスト削減に寄与することができる。

特開２０１５－６１９４３号公報 米国特許出願第２０１４／０１５８５３２号明細書 特許第４１１８８１４号公報 米国特許出願第２００５／０１２１３２０号明細書 特許第５２７７８０８号公報 特許第４９７６０１３号公報 米国特許出願第２００４／００７２００９号明細書

ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも銅もしくは銅合金からなる一体型のスパッタリングターゲットでは、バッキングプレート部は必然的に、スパッタリングにより所定の薄膜を形成可能にするための所定の材質や性質を有するターゲット部と同じ材料及び性質になる。そのため、別材質の高硬度のバッキングプレートを用いることができる別体型のスパッタリングターゲットに比して硬度が低下する。

このようなターゲット硬度の低下により、スパッタリングターゲットはスパッタリング中に反りが発生しやすくなる。
現に特許文献６、７では、「本発明による銅合金スパッタリングターゲットは、少なくとも約４０ＨＢのブリネル硬さを有し得る。場合によっては、本発明のターゲットは、約６０ＨＢ以上の硬さを有し得る。」と記載されており、この程度の低い硬度のスパッタリングターゲットは、スパッタリング中に反りが発生して、それ以降の継続使用が困難となる可能性がある。

この明細書は、このような問題を解決するため、ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも同様の、銅及び不可避的不純物からなる一体型のものや、所定の元素を含有し残部が銅及び不可避的不純物からなる一体型のもので、スパッタリング時の反りの発生をもたらし得るターゲット硬度の低下を有効に防止することのできるスパッタリングターゲット及び、その製造方法を提案するものである。

発明者は、ターゲット部とバッキングプレート部が一体型のスパッタリングターゲットで、硬度を高める手法について鋭意検討した結果、溶解鋳造により得られるインゴットに対し、鍛造、圧延及び熱処理を順次に施すこととしていたこれまでの製造方法で、熱処理後にさらに所定の冷間の塑性加工を施すことにより、歪が導入されて、製造されるスパッタリングターゲットの硬度を増加できることを見出した。

このような知見に基き、この明細書で開示するスパッタリングターゲットは、ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも銅及び不可避的不純物からなる一体型のものであって、ビッカース硬さＨｖが９０以上であり、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．６５以下であるものである。

この明細書で開示するスパッタリングターゲットの製造方法は、ターゲット部及びバッキングプレート部がいずれも銅及び不可避的不純物からなる一体型のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、原料を溶解して、銅及び不可避的不純物からなるインゴットを鋳造すること、並びに、前記インゴットに対し、熱間鍛造と、第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造と、熱処理と、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造とをこの順序で施すことを含み、前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を２０％～４０％の変化率で行い、前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造により、結晶粒を厚み方向に押し潰し、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率を変化させ、前記熱処理を、２００℃～５００℃の温度で０．５時間～３時間にわたって行う、というものである。

また、この明細書で開示するスパッタリングターゲットは、ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも、アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を０．１質量％～８質量％で含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる一体型のものであって、ビッカース硬さＨｖが９０以上であり、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．８５以下であるものである。

また、この明細書で開示するスパッタリングターゲットの製造方法は、ターゲット部及びバッキングプレート部がいずれも、アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を０．１質量％～８質量％で含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる一体型のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、原料を溶解して、前記元素を含有し銅及び不可避的不純物からなるインゴットを鋳造すること、並びに、前記インゴットに対し、熱間鍛造と、第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造と、熱処理と、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造とをこの順序で施すことを含み、前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を２０％～６０％の変化率で行い、前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造により、結晶粒を厚み方向に押し潰し、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率を変化させ、前記熱処理を、２００℃～５００℃の温度で０．５時間～３時間にわたって行う、というものである。

上記のスパッタリングターゲットによれば、ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも同様の、銅及び不可避的不純物からなる一体型のものまたは、所定の元素を含有し残部が銅及び不可避的不純物からなる一体型のもので、所定のビッカース硬さＨｖとしたことにより、スパッタリング中の反りの発生を有効に防止することができる。また、上記のスパッタリングターゲットの製造方法によれば、熱処理後に第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を施し、この第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を所定の範囲とすることにより、高い硬度のスパッタリングターゲットを製造することができる。

平均結晶粒径及び結晶粒の扁平率の測定方法を示す模式図である。

以下に、この明細書で開示する発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第一実施形態のスパッタリングターゲット及び製造方法＞
この実施形態のスパッタリングターゲットは、円板状等のターゲット部と、ターゲット部とほぼ同一形状で該ターゲット部と一体をなすバッキングプレート部とを備え、それらのターゲット部及びバッキングプレート部がいずれも同様の銅及び不可避的不純物からなる一体型のものであり、ビッカース硬さＨｖが９０以上であり、スパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．６５以下である。なおこの実施形態では、スパッタリングターゲットは一般に円板等の板形状を有するが、これ以外の形状のものも含まれる。一体型のものであるかどうかについては、スパッタリングターゲットの表面と裏面の素材が同一であるか否かを確認することにより判別することができ、銅からなるものであるので導電率を測ることにより確認可能である。

（組成）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、ターゲット部及びバッキングプレート部がともに、銅を主成分として含み、少なくとも、詳細については後述するビッカース硬さＨｖが９０以上を保つ範囲で、それ以外の元素を含むものであってもよい。ターゲット部及びバッキングプレート部の銅の含有量は、９９．９９質量％以上であることが好ましく、さらに９９．９９９９質量％以上であることがより一層好ましい。銅の含有量が少なすぎると、半導体製品に使用した際、重大な欠陥を発生させることが懸念される。

ターゲット部及びバッキングプレート部はいずれも、銅のみからなるものとすることもできるが、上記の不純物として、たとえばＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｓ及びＰからなる群から選択される一種以上の元素を合計で、たとえば０．０１質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下で含有することができる。上記の元素の合計含有量が、０．０１質量％を超える場合、半導体製品に使用した際に、重大な欠陥を発生させるおそれがある。
但し、ここで列挙した元素に限らず、９０以上のビッカース硬さＨｖを確保できるのであれば、その他の元素を含むことも可能である。

（ビッカース硬さ）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、ビッカース硬さＨｖが９０以上である。それにより、ターゲット部と同様に主として銅からなるバッキングプレート部を備えるスパッタリングターゲットであっても、また、このようなスパッタリングターゲットで、たとえば直径が４００ｍｍを超えるサイズのものであっても、スパッタリング中の反りの発生を抑制することができる。その結果として、スパッタリングターゲットの寿命の後半まで有効なスパッタリングを行うことが可能になる。この観点から、スパッタリングターゲットのビッカース硬さＨｖは９０以上とし、特に９７以上であることが好ましい。
一方、硬さが高すぎると、スパッタリング中、スパッタリングによる熱で再結晶が起こり、軟化を起こしてしまうことが懸念される。それ故に、ビッカース硬さＨｖは、たとえば１２５以下とすることができ、好ましくは１１８以下である。

ビッカース硬さＨｖは、ＪＩＳ Ｚ２２４４（２００９）に準拠して測定するものとする。ターゲット部及びバッキングプレート部が一体型のスパッタリングターゲットでは、ターゲット部及びバッキングプレート部のビッカース硬さＨｖはほぼ同程度の大きさとなる。
このようなビッカース硬さＨｖは、たとえば後述する製造方法に従って製造することにより得ることができる。

（平均結晶粒径）
この実施形態のスパッタリングターゲットでは、平均結晶粒径が、１０μｍ以上かつ６０μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径が１０μｍ未満である場合、スパッタリング時のエロージョンレートが低下する可能性があり、また、６０μｍを超える場合、スパッタリング時の膜の均一性が悪化するという不都合がある。そのため、平均結晶粒径は、より好ましくは２０μｍ以上かつ５０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以上かつ４５μｍ以下である。
平均結晶粒径は、光学顕微鏡により観測して測定する。具体的には、スパッタ面について、図１に示すように、縦方向及び横方向のそれぞれの方向に直線を２本ずつ引いて、合計４本の直線を引き（図１の「表面組織」参照）、その直線と交わる粒界数より、ターゲット厚み方向の平均粒径及び、ターゲット厚み方向と直角な方向の平均粒径を測定し、それらの各方向の平均粒径を平均した値を平均結晶粒径とする。

（結晶粒の扁平率）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、スパッタ面に直交する平面に沿う断面に存在する結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．６５以下である。
この扁平率は、光学顕微鏡を用いて、当該断面に観察される結晶粒の、ターゲット厚み方向及びターゲット厚み方向と直角な方向に任意の直線を２本、合計４本引き（図１の「断面組織」参照）、その直線と交わる粒界数をカウントすることで、ターゲット厚み方向の平均粒径及び、ターゲット厚み方向と直角な方向の平均粒径を測定する。そして、前記ターゲット厚み方向の平均粒径を短辺とし、前記ターゲット厚み方向と直角な方向の平均粒径を長辺としたときに、扁平率＝（１－短辺／長辺）により算出される扁平率として求めたものである。

上記の扁平率が０．３５未満である場合は、再結晶組織への加工変形が足りないことによる強度不足となると考えられ、この一方で、０．６５を越える場合は、厚み方向の粒径が微細すぎることによるエロージョンレートの低下が発生する可能性がある。また純銅において偏平率が０．６５を超える場合は加工変形による再結晶温度の低下により、スパッタリング中、スパッタリング熱による軟化を起こしてしまうことが懸念される。
したがって、この実施形態のスパッタリングターゲットでは、スパッタ面に直交する平面に沿う断面に存在する結晶粒の扁平率は、０．３５以上かつ０．６５以下であり、好ましくは０．４０以上かつ０．６０以下、より好ましくは０．４５以上かつ０．５５以下である。
このような断面の結晶粒の扁平率は、たとえば後述する製造方法に従って製造することにより得ることができる。

（製造方法）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、たとえば、以下のようにして製造することができる。
はじめに、純度が４Ｎや６Ｎの高純度の銅を、１０８０℃～１２８０℃で０．５時間～６時間にわたって溶解し、これを所定の鋳型内で冷却硬化させ、それにより、ターゲット部及びバッキングプレート部が一体型のスパッタリングターゲットの素材として、銅及び不可避的不純物からなるインゴットを鋳造する。

次いで、このインゴットに対し、熱間鍛造、第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造、熱処理及び、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を施す。
ここで、熱間鍛造は、３００℃～９００℃の温度の下で行うことが好ましい。鍛造時の温度を３００℃未満とすれば、鍛造時にインゴットに割れが生ずる危険があり、一方、９００℃超えとすれば、銅が異常に軟化し危険である他、高温により鍛造時異常粒成長が発生することが考えられるからである。

またここで、第一冷間圧延・第一冷間鍛造は、鋳造組織を十分に破壊するとの観点より、変化率を７０％以上とすることが好適である。なお、この変化率Ｒ（％）とは、圧延もしくは鍛造前のターゲット素材の厚みをＴ１とし、圧延もしくは鍛造後のターゲット素材の厚みをＴ２としたとき、Ｒ＝（Ｔ１－Ｔ２）／Ｔ１×１００の式で表される、厚み方向の寸法変化の比率を意味する。特に圧延とする場合、上記の変化率は、いわゆる圧下率に相当し、この圧下率もまた同様の式により算出されるものである。後述の第二冷間圧延・第二冷間鍛造の変化率についても同様である。変化率を算出する際のターゲット素材の厚みの測定は、ベースとなる平坦な棒で円板状等のターゲット素材の表面が十分に平面となっていることを確認した上で、ターゲット素材の周縁から５０ｍｍ中央側の位置で周方向に四箇所の厚みを測ることにより行う。 第一冷間圧延ないし第一冷間鍛造の温度は、たとえば１０℃～１００℃程度とする。

第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造後の熱処理は、２００℃～５００℃の温度で０．５時間～３時間にわたって行うことが好ましい。これは、２００℃未満の低温では再結晶を十分に促進させられず、部分的に歪が残ることが考えられ、一方、５００℃超えの高温では粒が異常に粗大化することが考えられるからである。また熱処理時間が短い場合は再結晶を十分に促進させられず、部分的に歪が残ることが懸念され、また時間が長い場合は粒が異常に粗大化する可能性がある。

そして熱処理の後、さらに第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を行う。この第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率は２０％～４０％とする。それにより、ターゲット素材に歪が導入されて、製造されるスパッタリングターゲットの硬度を有効に高めることができる。また、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を行うことにより、結晶粒が厚み方向に押し潰される結果として、スパッタリングターゲットの先述した断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．６５以下となる。

第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を２０％未満とした場合は、スパッタリングターゲットの硬度を十分に高めることができず、スパッタリング時の反りの発生のおそれを取り除くことができない。この一方で、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を４０％より大きくした場合は、歪の導入による再結晶温度の低下が顕著になり、スパッタリング時の熱によりスパッタリングターゲットが軟化して、この場合もまたスパッタリングターゲットが反ることが懸念される。
このような観点より、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率は２０％～４０％とし、特に２５％～３５％とすることが好ましい。
第二冷間圧延・第二冷間鍛造の温度は、たとえば１０℃～１００℃程度とする。
第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造では、圧延もしくは鍛造の加工熱による導入歪の緩和を防ぐ目的で、圧延もしくは鍛造の１パスないし１回ごとに水冷を行うことが好適である。

その後は、所要に応じて切削等の仕上げ加工を施して、スパッタリングターゲットを製造することができる。

＜第二実施形態のスパッタリングターゲット及び製造方法＞
この実施形態のスパッタリングターゲットは、円板状等のターゲット部と、ターゲット部とほぼ同一形状で該ターゲット部と一体をなすバッキングプレート部とを備え、それらのターゲット部及びバッキングプレート部がいずれも同様の銅合金からなる一体型のものであり、ビッカース硬さＨｖが９０以上であり、スパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．８５以下である。なおこの実施形態では、スパッタリングターゲットは一般に円板等の板形状を有するが、これ以外の形状のものも含まれる。一体型のものであるかどうかについては、スパッタリングターゲットの表面と裏面の素材が同一であるか否かを確認することにより判別することができ、銅からなるものであるので導電率を測ることにより確認可能である。

（組成）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、ターゲット部及びバッキングプレート部がともに、銅を主成分として含有するとともに、アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を副成分として、０．１質量％～８質量％で含有し、さらに、少なくとも、詳細については後述するビッカース硬さＨｖが９０以上を保つ範囲で、それ以外の元素を含むものであってもよい。ターゲット部及びバッキングプレート部はいずれも同じ組成の銅合金からなる。

ターゲット部及びバッキングプレート部を構成する銅合金の副成分の含有量は、複数種類の元素である場合はその合計で、０．１質量％～８質量％とする。副成分の含有量が多すぎると、導電率が大幅に低下し配線材としての使用が困難になる。一方、副成分の含有量が少なすぎると、合金成分が均一分散したターゲット作製が困難となることが懸念される。この観点から、副成分の含有量は、０．１質量％～８質量％とし、好ましくは０．１質量％～６質量％とし、より好ましくは０．２質量％～６質量％とする。副成分の含有量は、下限として０．１質量％以上、好ましくは０．２質量％以上とし、また上限として８質量％以下、好ましくは６質量％以下、より好ましくは５質量％以下とし、特に４質量％以下とすることがより一層好適である。副成分が二種以上である銅合金のスパッタリングターゲットとしては、マンガン及びアルミニウムを含有するもの等がある。

ターゲット部及びバッキングプレート部はいずれも、さらに、不純物として、たとえばＦｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｓ及びＰからなる群から選択される一種以上の元素を合計で、たとえば０．０１質量％以下、好ましくは０．００５質量％以下で含有することができる。上記の元素の合計含有量が、０．０１質量％を超える場合、半導体製品に使用した際に、重大な欠陥を発生させるおそれがある。
但し、ここで列挙した元素に限らず、９０以上のビッカース硬さＨｖを確保できるのであれば、その他の元素を含むことも可能である。

（ビッカース硬さ）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、ビッカース硬さＨｖが９０以上である。それにより、ターゲット部と同様の銅合金からなるバッキングプレート部を備えるスパッタリングターゲットであっても、また、このようなスパッタリングターゲットで、たとえば直径が４００ｍｍを超えるサイズのものであっても、スパッタリング中の反りの発生を抑制することができる。その結果として、スパッタリングターゲットの寿命の後半まで有効なスパッタリングを行うことが可能になる。この観点から、スパッタリングターゲットのビッカース硬さＨｖは９０以上とし、特に９７以上であることが好ましい。
なおスパッタリングターゲットに反りが発生すると、成膜される薄膜の均一性が低下し、またプラズマが落ちる等といった問題を招くが、この実施形態では、上述したビッカース硬さＨｖを有することから、このような問題が生じない。

ビッカース硬さＨｖは、ＪＩＳ Ｚ２２４４（２００９）に準拠して測定するものとする。ターゲット部及びバッキングプレート部が一体型のスパッタリングターゲットでは、ターゲット部及びバッキングプレート部のビッカース硬さＨｖはほぼ同程度の大きさとなる。
このようなビッカース硬さＨｖは、たとえば後述する製造方法に従って製造することにより得ることができる。

（平均結晶粒径）
この実施形態のスパッタリングターゲットでは、平均結晶粒径が、５μｍ以上かつ５０μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径が５μｍ未満である場合、スパッタリング時のエロージョンレートが低下する可能性があり、また、５０μｍを超える場合、スパッタリング時の膜の均一性が悪化するという不都合がある。そのため、平均結晶粒径は、より好ましくは２０μｍ以上かつ５０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以上かつ４５μｍ以下である。
平均結晶粒径は、光学顕微鏡により観測して測定する。具体的には、スパッタ面について、図１に示すように、縦方向及び横方向のそれぞれの方向に直線を２本ずつ引いて、合計４本の直線を引き（図１の「表面組織」参照）、その直線と交わる粒界数より、ターゲット厚み方向の平均粒径及び、ターゲット厚み方向と直角な方向の平均粒径を測定し、それらの各方向の平均粒径を平均した値を平均結晶粒径とする。

（結晶粒の扁平率）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、スパッタ面に直交する平面に沿う断面に存在する結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．８５以下である。
この扁平率は、光学顕微鏡を用いて、当該断面に観察される結晶粒の、ターゲット厚み方向及びターゲット厚み方向と直角な方向に任意の直線を２本、合計４本引き（図１の「断面組織」参照）、その直線と交わる粒界数をカウントすることで、ターゲット厚み方向の平均粒径及び、ターゲット厚み方向と直角な方向の平均粒径を測定する。そして、前記ターゲット厚み方向の平均粒径を短辺とし、前記ターゲット厚み方向と直角な方向の平均粒径を長辺としたときに、扁平率＝（１－短辺／長辺）により算出される扁平率として求めたものである。

上記の扁平率が０．３５未満である場合は、再結晶組織への加工変形が足りないことによる強度不足となると考えられ、この一方で、０．８５を越える場合は、スパッタリングを行った際に、スパッタリングターゲットの大きな内部応力の故に電圧が高くなりすぎて、スパッタリングターゲットの寿命が短くなる可能性が考えられる。
したがって、この実施形態のスパッタリングターゲットでは、スパッタ面に直交する平面に沿う断面に存在する結晶粒の扁平率は、０．３５以上かつ０．８５以下であり、好ましくは０．４０以上かつ０．６０以下、より好ましくは０．４５以上かつ０．５５以下である。
このような断面の結晶粒の扁平率は、たとえば後述する製造方法に従って製造することにより得ることができる。

（製造方法）
この実施形態のスパッタリングターゲットは、たとえば、以下のようにして製造することができる。はじめに、上述したような所定の組成になるように、純度が４Ｎや６Ｎの高純度の銅に、アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を添加し、１０８０℃～１２８０℃で０．５時間～６時間にわたって溶解し、これを所定の鋳型内で冷却硬化させ、それにより、ターゲット部及びバッキングプレート部が一体型のスパッタリングターゲットの素材として、前記元素を含有し銅及び不可避的不純物からなるインゴットを鋳造する。

次いで、このインゴットに対し、熱間鍛造、第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造、熱処理及び、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を施す。
ここで、熱間鍛造は、３００℃～９００℃の温度の下で行うことが好ましい。鍛造時の温度を３００℃未満とすれば、鍛造時にインゴットに割れが生ずる危険があり、一方、９００℃超えとすれば、銅が異常に軟化し危険である他、高温により鍛造時異常粒成長が発生することが考えられるからである。

またここで、第一冷間圧延・第一冷間鍛造は、鋳造組織を十分に破壊するとの観点より、変化率を７０％以上とすることが好適である。なお、この変化率Ｒ（％）とは、圧延もしくは鍛造前のターゲット素材の厚みをＴ１とし、圧延もしくは鍛造後のターゲット素材の厚みをＴ２としたとき、Ｒ＝（Ｔ１－Ｔ２）／Ｔ１×１００の式で表される、厚み方向の寸法変化の比率を意味する。特に圧延とする場合、上記の変化率は、いわゆる圧下率に相当し、この圧下率もまた同様の式により算出されるものである。後述の第二冷間圧延・第二冷間鍛造の変化率についても同様である。変化率を算出する際のターゲット素材の厚みの測定は、ベースとなる平坦な棒で円板状等のターゲット素材の表面が十分に平面となっていることを確認した上で、ターゲット素材の周縁から５０ｍｍ中央側の位置で周方向に四箇所の厚みを測ることにより行う。 第一冷間圧延ないし第一冷間鍛造の温度は、たとえば１０℃～１００℃程度とする。

第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造後の熱処理は、２００℃～５００℃の温度で０．５時間～３時間にわたって行うことが好ましい。これは、２００℃未満の低温では再結晶を十分に促進させられず、部分的に歪が残ることが考えられ、一方、５００℃超えの高温では粒が異常に粗大化することが考えられるからである。また熱処理時間が短い場合は再結晶を十分に促進させられず、部分的に歪が残ることが懸念され、また時間が長い場合は粒が異常に粗大化する可能性がある。

そして熱処理の後、さらに第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を行う。この第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率は２０％～６０％とする。それにより、ターゲット素材に歪が導入されて、製造されるスパッタリングターゲットの硬度を有効に高めることができる。また、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を行うことにより、結晶粒が厚み方向に押し潰される結果として、スパッタリングターゲットの先述した断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．８５以下となる。さらに、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造でのターゲット素材への歪の導入量をコントロールすることにより、スパッタリング時の内部応力に起因するスパッタ電圧上昇を抑えて、スパッタリングターゲットをより長く使用することが可能になる。

第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を２０％未満とした場合は、スパッタリングターゲットの硬度を十分に高めることができず、スパッタリング時の反りの発生のおそれを取り除くことができない。この一方で、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を６０％より大きくした場合は、スパッタリングを行った際に、スパッタリングターゲットの大きな内部応力の故に電圧が高くなりすぎて、スパッタリングターゲットの寿命が短くなる。
このような観点より、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率は２０％～４０％とし、特に２５％～３５％とすることが好ましい。
第二冷間圧延・第二冷間鍛造の温度は、たとえば１０℃～１００℃程度とする。
第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造では、圧延もしくは鍛造の加工熱による導入歪の緩和を防ぐ目的で、圧延もしくは鍛造の１パスないし１回ごとに水冷を行うことが好適である。

その後は、所要に応じて切削等の仕上げ加工を施して、スパッタリングターゲットを製造することができる。

次に、スパッタリングターゲットを試作し、その効果を確認したので説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。

（試験例１）
純度６Ｎの高純度銅を、ルツボ内にて、１１００℃の温度で１時間溶解した後、この溶湯を鋳型内に鋳込んで、直径２２０ｍｍで厚み２１０ｍｍのインゴットを鋳造した。次いで、このインゴットを、５００℃の温度で熱間鍛造し、直径１６０ｍｍで厚み２５０ｍｍの寸法とし、その後、第一冷間鍛造もしくは第一冷間圧延を施して、直径４７０ｍｍで厚み４５ｍｍのターゲット素材を得た。このターゲット素材に対し、３００℃で１時間にわたって熱処理を施して冷却した後、表１に示す変化率による第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を行った。さらにこれに対して切削加工を施して、ターゲット部とバッキングプレート部が一体型のスパッタリングターゲットを作製した。

実施例１－１～１－３ならびに比較例１－１及び１－２は、表１に示すように、熱処理後の第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を異なるものとしたことを除いて、同様の条件の下で製造したものである。
これらの各実施例１－１～１－３ならびに比較例１－１及び１－２について、作製したスパッタリングターゲットの試作品のビッカース硬さ、当該試作品をさらに１４０℃で１時間加熱した後のビッカース硬さ、平均結晶粒径、断面結晶粒の扁平率を求めた。
また、実施例１－１～１－３ならびに比較例１－１及び１－２のスパッタリングターゲットを用いて、推奨レシピにて２５００ｋＷｈｒまでスパッタリングを行い、スパッタリング終了時のターゲット反りを測定した。ここで、ターゲット反りは、ターゲットの裏面を三次元測定機にて計測することにより求めた。
これらの結果も表１に示す。

表１に示す結果より、熱処理後の第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を変化率が２０％～４０％の範囲内で行った実施例１－１～１－３は、ビッカース硬さの測定値が大きく、その結果として、スパッタリング中の反りの発生が有効に抑制されたことが解かる。
一方、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を２０％未満とした比較例１－１は、ビッカース硬さの測定値が小さくなり、これに起因して、スパッタリング中に大きな反りが発生した。

第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を４０％より大きくした比較例１－２は、ビッカース硬さの測定値は大きくなったものの、スパッタリング中に比較的大きな反りが発生した。比較例１－２の加熱後ビッカース硬さが低下していることを考慮すると、比較例１－２は、歪を導入していくと再結晶温度が低下するところ、変化率が５０％程度の大きな歪を加えた場合、スパッタリング時の熱による軟化が起こり、それにより、大きな反りが発生したと考えられる。

（試験例２）
純度６Ｎの高純度銅と、所定の組成になるようにアルミニウムもしくはマンガンをルツボ内に添加し、ルツボ内にて、１１００℃の温度で１時間溶解した後、この溶湯を鋳型内に鋳込んで、直径２２０ｍｍで厚み２１０ｍｍのインゴットを鋳造した。次いで、このインゴットを、５００℃の温度で熱間鍛造し、直径１６０ｍｍで厚み２５０ｍｍの寸法とし、その後、第一冷間鍛造もしくは第一冷間圧延を施して、直径４７０ｍｍで厚み４５ｍｍのターゲット素材を得た。このターゲット素材に対し、３００℃で１時間にわたって熱処理を施して冷却した後、表２に示す変化率による第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を行った。さらにこれに対して切削加工を施して、ターゲット部とバッキングプレート部が一体型のスパッタリングターゲットを作製した。

実施例２－１～２－９ならびに比較例２－１～２－６は、表２に示すように、熱処理後の第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を異なるものとしたことを除いて、同様の条件の下で製造したものである。

これらの各実施例２－１～２－９ならびに比較例２－１～２－６について、作製したスパッタリングターゲットのビッカース硬さ、平均結晶粒径、断面結晶粒の扁平率を求めた。
また、実施例２－１～２－９ならびに比較例２－１～２－６のスパッタリングターゲットを用いて、推奨レシピにて３２００ｋＷｈｒまでスパッタリングを行い、ターゲットＬｉｆｅ、スパッタリング終了時のターゲット反りを測定した。

ここで、ターゲットＬｉｆｅは、スパッタリング時の消費電力量（パワー×時間）として求めたものである。この消費電力量が多ければ多いほど、長時間にわたって高パワーでスパッタリングすることができて、スパッタリングターゲットの寿命が長いことを意味する。また、ターゲット反りは、ターゲットの裏面を三次元測定機にて計測することにより求めた。
これらの結果も表２に示す。なお、ターゲットＬｉｆｅは、スパッタ条件に大きく依存することから、表２には実施例２－１を基準として規格化した指数も示している。

表２に示す結果より、熱処理後の第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を変化率が２０％～６０％の範囲内で行った実施例２－１～２－９は、ビッカース硬さの測定値が大きく、その結果として、スパッタリング中の反りの発生が有効に抑制されたことが解かる。
一方、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を２０％未満とした比較例２－１、２－３、２－５は、ビッカース硬さの測定値が小さくなり、これに起因して、スパッタリング中に大きな反りが発生した。

第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造の変化率を６０％より大きくした比較例２－２、２－４、２－６は、ビッカース硬さの測定値は大きくなったものの、断面の結晶粒の扁平率が大きくなった。これにより、内部応力の増大に起因してスパッタリング時の電圧が高くなり、ライフ後半で装置限界に達してしまう結果となった。

以上の実施例によれば、低コストで製造可能な一体型のスパッタリングターゲットで、ターゲット硬度を高めて、スパッタリング中の反りを有効に抑制できることが解かった。

Claims (16)

1. ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも銅及び不可避的不純物からなる一体型のスパッタリングターゲットであって、
   ビッカース硬さＨｖが９０以上であり、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．６５以下であるスパッタリングターゲット。
2. 平均結晶粒径が、１０μｍ以上かつ６０μｍ以下である請求項１に記載のスパッタリングターゲット。
3. ターゲット部及びバッキングプレート部が、不可避的不純物として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｓ及びＰからなる群から選択される一種以上の元素を、合計０．０１質量％以下で含有してなる請求項１又は２に記載のスパッタリングターゲット。
4. ターゲット部及びバッキングプレート部がいずれも銅及び不可避的不純物からなる一体型のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
   原料を溶解して、銅及び不可避的不純物からなるインゴットを鋳造すること、並びに、前記インゴットに対し、熱間鍛造と、第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造と、熱処理と、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造とをこの順序で施すことを含み、
   前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を２０％～４０％の変化率で行い、前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造により、結晶粒を厚み方向に押し潰し、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率を変化させ、
   前記熱処理を、２００℃～５００℃の温度で０．５時間～３時間にわたって行う、スパッタリングターゲットの製造方法。
5. 前記第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造を７０％以上の変化率で行う、請求項４に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
6. 前記熱間鍛造を３００℃～９００℃の温度下で行う、請求項４又は５に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
7. インゴットが、不可避的不純物として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｓ及びＰからなる群から選択される一種以上の元素を、合計０．０１質量％以下で含有する請求項４～６のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
8. ターゲット部とバッキングプレート部がいずれも、アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を０．１質量％～８質量％で含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる一体型のスパッタリングターゲットであって、
   ビッカース硬さＨｖが９０以上であり、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率が、０．３５以上かつ０．８５以下であるスパッタリングターゲット。
9. 平均結晶粒径が、５μｍ以上かつ５０μｍ以下である請求項８に記載のスパッタリングターゲット。
10. ターゲット部及びバッキングプレート部が、不可避的不純物として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｓ及びＰからなる群から選択される一種以上の元素を、合計０．０１質量％以下で含有してなる請求項８又は９に記載のスパッタリングターゲット。
11. アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を０．１質量％～６質量％で含有してなる請求項８～１０のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
12. ターゲット部及びバッキングプレート部がいずれも、アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を０．１質量％～８質量％で含有し、残部が銅及び不可避的不純物からなる一体型のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
    原料を溶解して、前記元素を含有し銅及び不可避的不純物からなるインゴットを鋳造すること、並びに、前記インゴットに対し、熱間鍛造と、第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造と、熱処理と、第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造とをこの順序で施すことを含み、
    前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造を２０％～６０％の変化率で行い、前記第二冷間圧延もしくは第二冷間鍛造により、結晶粒を厚み方向に押し潰し、スパッタリングに使用されるスパッタ面に直交する断面の結晶粒の扁平率を変化させ、
    前記熱処理を、２００℃～５００℃の温度で０．５時間～３時間にわたって行う、スパッタリングターゲットの製造方法。
13. 前記第一冷間圧延もしくは第一冷間鍛造を７０％以上の変化率で行う、請求項１２に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
14. 前記熱間鍛造を３００℃～９００℃の温度下で行う、請求項１２又は１３に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
15. インゴットが、不可避的不純物として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｓ及びＰからなる群から選択される一種以上の元素を、合計０．０１質量％以下で含有する、請求項１２～１４のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。
16. アルミニウム、マンガン、ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の元素を０．１質量％～６質量％で含有してなるスパッタリングターゲットを製造する、請求項１２～１５のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットの製造方法。

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