JP5467735B2 - 円筒形スパッタリングターゲット - Google Patents

Description

本発明はマグネトロン型回転カソードスパッタリング装置等に用いられる円筒形スパッタリングターゲットに関するものである。

マグネトロン型回転カソードスパッタリング装置は、円筒形スパッタリングターゲットの内側に磁場発生装置を有し、ターゲットの内側から冷却しつつ、ターゲットを回転させながらスパッタを行うものであり、ターゲット材の全面がエロージョンとなり均一に削られるため、従来の平板型マグネトロンスパッタリング装置の使用効率（２０〜３０％）に比べて格段に高いターゲット使用効率（６０％以上）が得られる。さらに、ターゲットを回転させることで、従来の平板型マグネトロンスパッタリング装置に比べて単位面積当り大きなパワーを投入できることから高い成膜速度が得られる（特許文献１参照）。

マグネトロン型回転カソードスパッタリング装置に用いられる円筒形ターゲットのターゲット材としては、金属材料が主に使用されている。セラミックス材料としては、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等の開発が強く望まれているが、未だ実用化に至っていない。その理由の１つとして、スパッタ中の円筒形ターゲット材と円筒形バッキングチューブとの熱膨張量の違いに起因する円筒形ターゲット材の割れの発生が挙げられる。これはセラミックス材料の熱膨張係数が、一般に円筒形バッキングチューブの材料として使用される金属の熱膨張係数より小さいことに起因する。割れが発生すると、パーティクルが発生し膜質に悪影響を与えたり、成膜を中止せざるを得なくなったりすることがある。

熱膨張量の違いに起因する割れとターゲット材の研削方向との関係に関しては、平板状ターゲットについては特許文献２に記載の技術が知られている。特許文献２には、平板状ターゲット材の長手方向（即ち平板状ターゲット材と平板状基材の膨張量の差が大きくなる方向）と平行な方向に研削することにより、割れを防止できると記載されている。

特表昭５８−５００１７４号公報 特許第３６２８５５４号公報

本発明の課題は、スパッタ中の割れを著しく低減できる円筒形スパッタリングターゲットを提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、以下のことを見出した。即ち、円筒形ターゲット材が受ける熱膨張量の違いに起因する応力としては、ターゲット材とバッキングチューブの膨張量の差が大きくなる円筒軸に平行な方向の応力と、円筒軸に垂直な方向の応力との２種類がある。例えば、外径１５０ｍｍ、長さ２．５ｍの円筒形ＩＴＯターゲット材をＳＵＳ３０４製の円筒形バッキングチューブに接合した場合、使用時の円筒形ターゲット材と円筒形バッキングチューブとの膨張量を比較すると、円筒軸に平行な方向の膨張量は円筒軸に垂直な方向の膨張量よりも約１７倍大きい。しかしながら、円筒軸に平行な方向の応力よりも、円筒軸に垂直な方向の応力の方が、割れの発生に大きく影響していることを本発明者らは見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、セラミックス材料からなる円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１（前記角度のうち、０°以上９０°以下のものをθ_１とする）が、４５°＜θ_１≦９０°であり、かつ、前記円筒形ターゲット材の外周面の表面粗さＲａが３μｍ以下であることを特徴とする、円筒形スパッタリングターゲットである。

また本発明は、セラミックス材料からなる円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_２（前記角度のうち、０°以上９０°以下のものをθ_２とする）が、ｔａｎθ_２＞πＲ／Ｌ（Ｒは円筒形ターゲット材の外径、Ｌは円筒形ターゲット材の長さ）であり、かつ、前記円筒形ターゲット材の外周面の表面粗さＲａが３μｍ以下であることを特徴とする、円筒形スパッタリングターゲットである。以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の円筒形スパッタリングターゲットに用いられる円筒形ターゲット材としては、種々のセラミックス材料が使用可能であるが、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉの少なくとも１種を主成分とする酸化物等が挙げられ、より具体的には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２等が挙げられ、中でもＩＴＯまたはＡＺＯが好ましい。

円筒形ターゲット材の素材は、焼結法、ＨＩＰ法、溶射法等の公知のセラミックス作製技術で準備できる。一般にこれらの製法では製品の寸法を厳密に制御することは困難であるため、製造後に外周面、内周面等の研削をする必要がある。本発明において、研削とは研磨の意味をも包含する。本発明において外周面の研削には、旋盤、円筒研削機、マシニングセンター、コアドリル、サンドペーパー等の公知の研削技術を用いることができる。例えば旋盤を用いる場合、円筒形ターゲット材の回転速度と研削工具の送り速度を変化させることにより、研削方向を変化させることができ、それにより本発明において規定した範囲内の研削方向にすることができる。他の研削技術を用いる場合も、前記のような研削方法を適宜用いればよい。

本発明において、研削方向とは研削時の研削工具の刃先の移動方向であり、具体的には、例えば、円筒形ターゲット材表面に形成された筋状の研削痕の方向である。

本願第一の発明では、図１に示すように、セラミックス材料からなる円筒形ターゲット材（１）の外周面の研削方向（２）と円筒軸に平行な直線（３）とのなす角度θ_１（前記角度のうち、０°以上９０°以下のものをθ_１とする）が、４５°＜θ_１≦９０°となるように研削することが必要である。円筒軸に垂直な方向の応力による割れは、円筒形ターゲット材の外周面の研削方向を円筒軸に垂直な方向に近づけることで著しく低減することができるからである。好ましくは８５°≦θ_１≦９０°であり、更に好ましくは８９°≦θ_１≦９０°である。更に円筒形ターゲット材の外周面の表面粗さＲａを３μｍ以下とすることで、研削方向を上記としたことにより相対的に大きくなった円筒軸に平行な方向の応力に対する割れ易さを補完し、総合的にも割れを著しく低減することができる。

また本願第二の発明では、図２に示すように、セラミックス材料からなる円筒形ターゲット材（４）の外周面の研削方向（５）と円筒軸に平行な直線（６）とのなす角度θ_２（前記角度のうち、０°以上９０°以下のものをθ_２とする）が、ｔａｎθ_２＞πＲ／Ｌ（Ｒは円筒形ターゲット材の外径（７）、Ｌは円筒形ターゲット材の長さ（８））となるように研削することが必要である。円筒軸に垂直な方向の応力による割れは、このような条件を満たすことで著しく低減することができるからである。研削方向をこのようにすることにより、円筒形ターゲット材の一方の端から始まった研削痕は、円筒形ターゲット上を３６０°周回してももう一方の端に到達せず、その結果、割れを低減することができる。更に円筒形ターゲット材の表面粗さＲａを３μｍ以下とすることで、研削方向を上記としたことにより相対的に大きくなった円筒軸に平行な方向の応力に対する割れ易さを補完し、総合的にも割れを著しく低減できる。

本願第一の発明および第二の発明ともに、外周面の表面粗さＲａは３μｍ以下である場合に、割れ低減効果が認められるが、好ましくは１μｍ以下であり、更に好ましくは０．５μｍ以下である。なお本発明において、表面粗さＲａの測定は円筒軸に平行な方向で実施する。その他の条件等については、表面粗さＲａの測定はＪＩＳＢ０６０１に準拠する。

また本発明において、円筒形ターゲット材の外周面の研削は複数回実施してもよいが、その場合、円筒形ターゲット材の外周面に最終的に研削痕が残るときの研削方向が本発明の研削方向となるようにすることが必要である。

円筒形ターゲット材がＩＴＯまたはＡＺＯである場合、円筒形ターゲット材の相対密度が高いほど割れ低減効果が認められる。好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上、とりわけ好ましくは９９％以上である。本発明において、相対密度は、ターゲット材料の理論密度とアルキメデス法を用いて測定した密度とから算出することができる。

本発明によれば、スパッタ中の割れを著しく低減できる円筒形スパッタリングターゲットを提供することができる。

以下、本発明の実施例をもって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
外径１５２ｍｍφ、内径１２８ｍｍφ、長さ２０２ｍｍ、アルキメデス法での測定による相対密度が９９．５％の円筒形ＩＴＯターゲット材１個と、外径１２８ｍｍφ、内径１２２ｍｍφ、長さ４００ｍｍのＳＵＳ３０４製円筒形バッキングチューブ１個を用意した。円筒形ＩＴＯターゲット材は外径１５０ｍｍφ、内径１３０ｍｍφ、長さ２００ｍｍとなるように加工し、その際外周面に関しては、最終的に円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と、円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１、θ_２が８９°（ｔａｎθ_２＝５７．３＞πＲ／Ｌ＝２．４）となるように、円筒形ターゲット材の回転速度と研削工具の送り速度を調整し、旋盤で研削した。研削後の表面粗さＲａは１．２μｍであった。この円筒形ＩＴＯターゲット材を円筒形バッキングチューブにインジウム半田を用いて接合し、円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットを得た。

この円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットを、回転数６ｒｐｍ、スパッタリング圧力０．４Ｐａ、パワー密度２．０Ｗ／ｃｍ^２の条件で放電評価を実施した。放電開始５時間後、放電を停止し、円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットの状況を確認したところ、割れは認められなかった。

（実施例２）
円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１、θ_２が９０°（ｔａｎθ_２＝∞＞πＲ／Ｌ＝２．４）となるように旋盤で研削し、更に外周面をサンドペーパー（＃８００）でθ_１が９０°となるように研削を施した以外は実施例１と同様にして、円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットを作製した。この表面粗さＲａは０．１μｍであった。この円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットの放電評価を実施例１と同様に行った結果、割れは認められなかった。

（実施例３）
円筒形ターゲット材の相対密度が９０．２％であること以外は実施例２と同様にし、円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットを作製した。この表面粗さＲａは０．７μｍであった。この円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットの放電評価を実施例１と同様に行った結果、割れは認められなかった。

（実施例４）
相対密度が９９．２％の円筒形ＡＺＯターゲット材を用いたこと以外は実施例１と同様にして、円筒形ＡＺＯスパッタリングターゲットを作製した。この表面粗さＲａは１．３μｍであった。この円筒形ＡＺＯスパッタリングターゲットの放電評価を実施例１と同様に行った結果、割れは認められなかった。

（比較例１）
円筒形ＩＴＯターゲット材の外周面を、円筒軸に平行な方向に研削して、即ち円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１、θ_２が０°（ｔａｎθ_２＝０＜πＲ／Ｌ＝２．４）となるようにマシニングセンターを用いて研削したこと以外は実施例１と同様にして、円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットを作製した。この円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットの放電評価を実施例１と同様に行った結果、割れが発生した。

（比較例２）
サンドペーパーを＃６０とすること以外は実施例２と同様にして円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットを作製した。表面粗さＲａは３．１μｍであった。この円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットの放電評価を実施例１と同様に行った結果、割れが発生した。

（比較例３）
円筒形ＩＴＯターゲット材の外周面を、円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１、θ_２が９０°（ｔａｎθ_２＝∞＞πＲ／Ｌ＝２．４）となるように円筒研削盤を用いて研削し、その後、円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１、θ_２が０°（ｔａｎθ_２＝０＜πＲ／Ｌ＝２．４）となるようにマシニングセンターを用いて研削したこと以外は実施例１と同様にして、円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットを作製した。このとき最終的に残った研削痕は、円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１、θ_２が０°（ｔａｎθ_２＝０＜πＲ／Ｌ＝２．４）のもののみであった。この円筒形ＩＴＯスパッタリングターゲットの放電評価を実施例１と同様に行った結果、割れが発生した。

本願第一の発明による研削方向を示す図である。 本願第二の発明による研削方向を示す図である。

符号の説明

１．円筒形ターゲット材
２．研削方向
３．円筒軸に平行な直線
４．円筒形ターゲット材
５．研削方向
６．円筒軸に平行な直線
７．円筒形ターゲット材の外径Ｒ
８．円筒形ターゲット材の長さＬ

Claims (4)

1. セラミックス材料からなる円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_１（前記角度のうち、０°以上９０°以下のものをθ_１とする）が、４５°＜θ_１≦９０°であり、かつ、前記円筒形ターゲット材の外周面の表面粗さＲａが３μｍ以下であることを特徴とする、円筒形スパッタリングターゲット。
2. セラミックス材料からなる円筒形ターゲット材の外周面の研削方向と円筒軸に平行な直線とのなす角度θ_２（前記角度のうち、０°以上９０°以下のものをθ_２とする）が、ｔａｎθ_２＞πＲ／Ｌ（Ｒは円筒形ターゲット材の外径、Ｌは円筒形ターゲット材の長さ）であり、かつ、前記円筒形ターゲット材の外周面の表面粗さＲａが３μｍ以下であることを特徴とする、円筒形スパッタリングターゲット。
3. 円筒形ターゲット材がＩＴＯまたはＡＺＯからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の円筒形スパッタリングターゲット。
4. ＩＴＯまたはＡＺＯからなる円筒形ターゲット材の相対密度が９０％以上であることを特徴とする、請求項３に記載の円筒形スパッタリングターゲット。

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