JP5301531B2 - パーティクルの発生の少ないスパッタリングターゲット - Google Patents

Description

本発明は、パーティクルの発生の少ないスパッタリングターゲット及びその表面加工方法に関する。

スパッタリング法は薄膜の形成手段として、すでに広く知られた技術である。その基本原理は、アルゴン等の希薄ガス中で、薄膜が形成される基板（陽極側）とそれに少し距離をおいて対向させた薄膜形成物質からなるターゲット（陰極側）の間に電圧を印加し、それによってアルゴンガスをプラズマ化するものであり、そこで発生したアルゴンイオンが陰極物質であるターゲットに衝突し、そのエネルギーによってターゲットの物質を外部に飛翔させ（叩き出し）、それによって対向する基板面に、その飛翔した物質を積層するものである。

このスパッタリングの原理を利用した薄膜形成装置は、２極バイアススパッタリング装置、高周波スパッタリング装置、プラズマスパッタリング装置などの、多くの工夫がなされているが、基本原理は同様である。
薄膜を形成する物質は、アルゴンイオンの標的になることからターゲットと称されるものであるが、イオンの衝突エネルギーによるものであるため、ターゲットを構成する薄膜形成物質が原子状又はその原子が集合したクラスター状として基板に積層されるので、微細かつ緻密な薄膜が形成される特徴があり、今日様々な電子部品に広範囲に適用されている理由である。

このような薄膜形成に利用されるスパッタリングは、最近では非常に高度な成膜法が要求されるようになり、作成された薄膜に欠陥が少ないことが大きな課題となっている。
スパッタリングにおけるこのような欠陥の発生は、スパッタリング法によるだけでなく、ターゲットそのものに起因することが多い。このようなターゲットに起因する欠陥の発生原因としてパーティクルやノジュールの発生がある。
本来ターゲットからスパッタされた（飛翔した）物質が対向する基板に付着するのであるが、必ずしも垂直にスパッタされるとは限らず、様々な方向に飛来する。このような飛来物質は基板以外のスパッタ装置内の機器に付着するが、それがある時、剥落かつ浮遊し、それが基板に再付着したものである。

このような物質をパーティクルと称しているが、本来の予定された薄膜物質ではなく、また大きなクラスター状として付着することが多いので、例えば電子機器の微細な配線膜においては、短絡の原因となり、不良品発生の原因となる。このようなパーティクル発生は、ターゲットからの物質の飛来に原因し、すなわちターゲットの表面状態によって増減することが分かっている。

また、一般にスパッタリングによってターゲット面の物質が均一に減っていく（エロージョンされる）のではなく、構成物質とスパッタリング装置の固有の特性、電圧のかけ方等により、特定の領域、例えばリング状にエロージョンされるという傾向がある。また、ターゲット物質の種類又はターゲットの製造方法により、ターゲットにぶつぶつ状の突起物質が無数に残存した、いわゆるノジュールと称する物質が形成されることがある。
これは薄膜形成物質の一つであるので、直接薄膜に影響を与えるものではないが、このノジュールの突起に微小なアーク（マイクロアーキング）を発生し、これが原因でパーティクルが増大する原因となっていることが観察される。

また、ノジュールが多量に発生すると、スパッタレートが変化（遅延）し、成膜のコントロールができなくなる。時としてこの粗大なノジュールが剥れ、基板に付着するということもある。
この場合は、ノジュールそのものが、大きな障害要因となる。このようなことから、一旦スパッタリングを停止し、ノジュールを除去する作業を行うことがある。これは、作業能率の低下になるという問題がある。

最近、ターゲットは均一な物質からなるのではなく、延性のあるマトリックス相に金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の物質が混在した状態で使用されることが多い。このような場合には、特にノジュールやパーティクルの発生が多くなるという問題が発生する。
従来技術としては、高融点金属合金用スパッタリングターゲットの表面部に、機械加工時に発生する微小クラック又は欠陥部などの加工欠陥層（破砕層）を除去したスパッタリングターゲット（特許文献１参照）あるいはスパッタリングターゲットの表面粗さを調節し、残留汚染物の量、表面の水素含有量及び加工変質層の厚さを減少させ、膜の均一化、ノジュール及びパーティクル発生の抑制する技術が開示されている（特許文献２参照）。
しかし、これらはノジュールやパーティクルの発生がターゲットの表面状態に大きく影響することが予想されるが、問題の解決に至っていないのが現状である。
特開平３−２５７１５８号公報 特開平１１−１７６６号公報

本発明は、延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が多く存在するターゲット表面を改善し、スパッタリングの際にノジュールやパーティクルの発生を防止又は抑制できる表面特性に優れたスパッタリングターゲット及びその表面加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、１）延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が体積比率で１〜５０％存在するターゲットの表面であって、中心線平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚが０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲが１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷが１５００μｍ以上であることを特徴とするパーティクルの発生の少ないスパッタリングターゲット、２）延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が、少なくとも平均粒径で０．５〜５０μｍのサイズを有することを特徴とする１）記載のスパッタリングターゲット、を提供する。

また、本発明は、３）延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が体積比率で１〜５０％存在するターゲットの表面を、予め切削加工による一次加工を行い、次に研磨による仕上げ加工を行うことによって、中心線平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚが０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲが１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷが１５００μｍ以上のなだらかな表面に形成することを特徴とするパーティクルの発生の少ないスパッタリングターゲットの表面加工方法、４）切削加工による一次加工により、ターゲット素材の表面から１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲を切削することを特徴とする３）記載のスパッタリングターゲットの表面加工方法、５）研磨による仕上げ加工により、切削加工による一次加工後の表面から１μｍ〜５０μｍの範囲を研磨することを特徴とする３）又は４）記載のスパッタリングターゲットの表面加工方法、を提供する。

本発明は、延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が体積比率で１〜５０％存在するターゲットの表面を、予め切削加工による一次加工を行い、次に研磨による仕上げ加工することにより、なだらかな表面の表面特性に優れたターゲットが得られ、このターゲットを用いてスパッタリングすることにより、パーティクルの発生及びターゲット使用後のノジュールの発生が著しく減少するという優れた効果を有する。

本発明の表面加工の対象となるターゲットは、延性に富むマトリックス相とその中に体積比率で１〜５０％の金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が混在しているターゲットである。このようなターゲットの典型的なものは、磁性材料であるが、例えば、延性のある材料としては、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｂなどが挙げられる。しかし、本願発明は、これらの材料に限られることはなく、他の同様な材料に適用できることは言うまでもない。
このような延性のない物質が混在しているターゲット素材を、例えばバイトによる切削加工を行うと、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が存在する場所を起点として、クラック、抜け落ちによる窪み、場合によってはかけらが窪みに残存したような形の疵（きず）が形成される。

このような表面欠陥は、延性のない材料の部分が平均粒径で０．５〜５０μｍ以上のサイズに均一に微細分散していても発生し易い。また、その場合の硬度を測定すると、延性に富むマトリックス相のビッカース硬度が４００以下であり、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質のビッカース硬度が４００以上であり、その硬度差が１．５倍である場合が多い。
したがって、このような場合に、本発明の表面加工方法が、特に効力を発揮する。

本発明は、切削加工による一次加工により、ターゲット素材の表面から、好ましくは１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲を切削する一次加工を行った後に、研磨による仕上げ加工を行う。１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲を切削する理由は、それ以前に形成されたターゲット素材表面の欠陥を効果的に除去するためのものである。切削は、バイト又はチップを用いた旋盤加工により行うことが望ましい。
この切削加工（一次加工）により、上記のように、クラック、抜け落ちによる窪み等の欠陥が発生するが、これを例えば＃８０〜＃４００の粗い砥粒のサンドペーパー又は砥石を用いて研磨する。これによって、上記のクラック、抜け落ちによる窪み等の欠陥が消去され、平滑なターゲット面が形成される。
＃８０〜＃４００の粗い砥粒のサンドペーパー又は砥石は、切削加工によって生じた金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質を起点とした欠陥を効率良く除去し、延性に富んだマトリックス相を含め、平滑な面を作製できる最適範囲である。この場合、鏡面研磨の必要は無く、クラックの抜け落ち、くぼみが除去できれば良い。

平滑でクラック、抜け落ちによる窪み等の表面欠陥のないターゲットを作製する場合に、ターゲット素材を最初から＃８０〜＃４００の粗い砥粒のサンドペーパー又は砥石を用いて研磨することが考えられる。しかし、この場合は研磨加工に要する時間が膨大となり、また延性に富んだマトリックスの物質が砥石に付着して砥石のメンテナンス頻度が高くなるという問題が発生する。
しかも、特に手加工による研磨加工では、表面粗さでは差がない場合でも、外周と中心部が多く研磨されるということが起こり易く、ターゲット表面にうねりが生じるという問題が発生する。したがって、切削加工を行わずに研磨加工のみでターゲットの表面加工を行うことは現実としては、実施不能である。
次に、本願発明は、旋盤を用いた切削による一次加工を行ってターゲット形状に仕上げた後、純水滴下による湿式一次研磨→アルミナ研磨剤滴下による湿式二次研磨の工程からなるＳＳＰ（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工を行う。これによって、中心線平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚが０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲが１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷが１５００μｍ以上を達成することができ、ターゲットの表面は平滑かつ非常になだらかな表面を得ることができる。
なお、中心線平均表面粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲ及びうねりモチーフ平均長さＡＷについては、ＪＩＳで規格化された表面粗さの定義（ＪＩＳ Ｂ０６０１、ＪＩＳ Ｂ０６３１参照）なので、説明は省略する。

本発明において、重要なことは、中心線平均表面粗さＲａを０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚを０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲを１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷを１５００μｍ以上として、なだらかな表面のスパッタリングターゲットを得るということである。
これによって、延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が多く存在するターゲットの表面を改善することが可能となり、スパッタリングの際にノジュールやパーティクルの発生を防止又は抑制できる大きな効果を得ることができる。

実施例及び比較例

次に、実施例について説明する。なお、本実施例は発明の一例を示すためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。

（実施例１）
本実施例１では、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｂを原料とし、溶解及び圧延からなる製造工程で製造したターゲット原材料を、旋盤を用いた切削による一次加工を行ってターゲット形状に仕上げた後、純水滴下による湿式一次研磨→アルミナ研磨剤滴下による湿式二次研磨の工程からなるＳＳＰ（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工を行って表面を調整し、ターゲットを得た。
この表面粗さを調整したターゲットの、平均表面粗さ、すなわち中心線平均表面粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲ、うねりモチーフ平均長さＡＷの、測定結果を表１に示す。測定点は、ターゲット表面の３点で、表１に示す数値は、３点の平均値である。
この表１に示すように、Ｒａ：０．０５３μｍ、Ｒｚ：０．３３７μｍ、ＡＲ：１１９．８７μｍ、ＡＷ：１５６７．４０μｍとなった。いずれも、本願発明の、中心線平均表面粗さＲａ：０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚ：０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲ：１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷ：１５００μｍ以上の範囲にあり、表面の粗さが小さく、かつ非常になだらかなターゲット表面を得ることができた。

次に、このターゲットを使用し、Ａｒ１．５Ｐａ雰囲気中、３０ｗ／ｃｍ^２のＤＣスパッタリング条件で基板上にスパッタ膜を形成した。
スパッタリングを行った場合のパーティクルを、観察すると、パーティクルの寸法は２０μｍ×２０μｍ（「長径×短径」以下同様。）程度以下であり、１０μｍ×１０μｍ程度の酸化物粒径との差異が少なく、剥がれ率が大きく減少した。この結果も、同様に表１に示す。また、パーティクル起因の不良率発生を１．８％にまで、低減することができた。

（比較例１）
比較例１では、実施例１と同様にＣｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｂを原料とし、溶解及び圧延からなる製造条件で製造したターゲットを使用し、旋盤を用いた切削による一次加工を行った。この場合の切り込み量は０．５ｍｍである。この後研磨加工を行ってはいない。
このターゲットの、平均表面粗さ、すなわち中心線平均表面粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲ、うねりモチーフ平均長さＡＷの、測定結果を同様に、表１に示す。測定点は、ターゲット表面の３点で、表１に示す数値は、３点の平均値である。
この表１に示すように、Ｒａ：１．６３３μｍ、Ｒｚ：７．３９７μｍ、ＡＲ：１８０．４０μｍ、ＡＷ：１１１５．４７μｍとなった。いずれも、本願発明の、中心線平均表面粗さＲａ：０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚ：０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲ：１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷ：１５００μｍ以上の範囲から大きく外れ、表面の粗さが大きく、かつ凹凸の激しいターゲット表面であった。

次に、このターゲットを使用し、Ａｒ１．５Ｐａ雰囲気中、３０ｗ／ｃｍ^２のＤＣスパッタリング条件で基板上にスパッタ膜を形成した。
このスパッタリングを行った場合のパーティクルを、観察すると、２０μｍ×１００μｍ程度のサイズのパーティクルが発生し、剥がれが多数発生した。この結果も、同様に表１に示す。また、パーティクル起因の不良率発生が２０％程度まで、増加した。

（比較例２）
比較例１での旋盤を用いた切削による一次加工を行った後、平研加工してターゲットを作製した。他は比較例と同様である。
このターゲットの、平均表面粗さ、すなわち中心線平均表面粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲ、うねりモチーフ平均長さＡＷの、測定結果を同様に、表１に示す。測定点は、ターゲット表面の３点で、表１に示す数値は、３点の平均値である。
この表１に示すように、Ｒａ：０．３３３μｍ、Ｒｚ：２．０４７μｍ、ＡＲ：１７１．１０μｍ、ＡＷ：１２１５．００μｍとなった。旋盤加工のみの場合と比べ、若干の改善はあるが、いずれも、本願発明の、中心線平均表面粗さＲａ：０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚ：０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲ：１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷ：１５００μｍ以上の範囲から大きく外れており、表面の粗さが大きく、かつ凹凸の激しいターゲット表面であった。

次に、このターゲットを使用し、Ａｒ１．５Ｐａ雰囲気中、３０ｗ／ｃｍ^２のＤＣスパッタリング条件で基板上にスパッタ膜を形成した。
このスパッタリングを行った場合のパーティクルを、観察すると、２０μｍ×（４０〜１００）μｍ程度のサイズのパーティクルが発生し、剥がれが多数発生した。この結果も、同様に表１に示す。また、パーティクル起因の不良率発生が１５％程度まで、増加した。

上記の実施例１と比較例１−２の対比から明らかなように、実施例では、表面粗さが著しく小さく、またなだらかな表面を形成しており、薄膜の形成において、特に問題となるターゲットのスパッタリング使用後のノジュール発生数及びパーティクルのサイズが小さくなり、パーティクルの剥がれが少なく、パーティクルの発生に起因する不良率が低下しているのが確認できる。
したがって、本発明の切削加工と研磨加工による表面加工方法は、延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が体積比率で１〜５０％存在するターゲットの表面加工において、優れた効果を有することが分かる。

本発明は、ターゲットの表面を、中心線平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚが０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲが１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷが１５００μｍ以上とすることにより、表面特性に優れたターゲットが得ることができ、このターゲットを用いてスパッタリングすることにより、パーティクルの発生及びターゲット使用後のノジュールの発生が著しく減少するという優れた効果を有するので、特に延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が体積比率で１〜５０％存在するターゲットに有効である。

Claims (5)

1. 延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が体積比率で１〜５０％存在するターゲットの表面であって、中心線平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚが０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲが１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷが１５００μｍ以上であることを特徴とするパーティクルの発生の少ないスパッタリングターゲット。
2. 延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が、少なくとも平均粒径で０．５〜５０μｍのサイズを有することを特徴とする請求項１記載のスパッタリングターゲット。
3. 延性に富むマトリックス相内に、金属間化合物、酸化物、炭化物、炭窒化物、その他の延性のない物質が体積比率で１〜５０％存在するターゲットの表面を、予め切削加工による一次加工を行い、次に純水滴下による湿式一次研磨を行い、さらに、アルミナ研磨剤滴下による湿式二次研磨を行うことによって、中心線平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下、十点平均粗さＲｚが０．４μｍ以下、局部山頂間距離（粗さモチーフ）ＡＲが１２０μｍ以下、うねりモチーフ平均長さＡＷが１５００μｍ以上のなだらかな表面に形成することを特徴とするパーティクルの発生の少ないスパッタリングターゲットの表面加工方法。
4. 切削加工による一次加工により、ターゲット素材の表面から１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲を切削することを特徴とする請求項３記載のスパッタリングターゲットの表面加工方法。
5. 研磨による仕上げ加工により、切削加工による一次加工後の表面から１μｍ〜５０μｍの範囲を研磨することを特徴とする請求項３又は４記載のスパッタリングターゲットの表面加工方法。