JP6170066B2 - セラミックス材料及びスパッタリングターゲット部材 - Google Patents
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Description
調合工程では、市販のMgO原料、ZrO2原料及びLi2CO3原料を、表1に示す質量%となるように秤量し、イソプロピルアルコールを溶媒とし、ナイロン製のポット、玉石を直径20mmの鉄芯入ナイロンボールとし、4時間湿式混合した。混合後、スラリーを取り出し、窒素気流中110℃で乾燥した。その後、30メッシュの篩に通し、混合粉末とした。成形工程では、混合粉末を100kgf/cm2の圧力で一軸加圧成形し、直径35mm、厚さ10mm程度の円盤状成形体を作製し、その後冷間静水等方圧プレス(CIP)により3000kgf/cm2でプレスした。焼成工程では、円盤状成形体をMgO製のサヤに入れて密閉し、大気雰囲気にて所定の温度で焼成した。表1に示す最高温度で焼成を行い、最高温度での保持時間は2時間とした。
上記と同様の方法で混合粉末を作製した後、混合粉末を、100kgf/cm2の圧力で一軸加圧成形し、直径50mm、厚さ20mm程度の円盤状成形体を作製し、焼成用黒鉛モールドに収納した。焼成工程では、円盤状成形体をホットプレス焼成することによりセラミックス材料を得た。ホットプレス焼成では、プレス圧力を200kgf/cm2とし、表1に示す焼成温度(最高温度)で焼成し、焼成終了までN2雰囲気とした。焼成温度での保持時間は4時間とした。
ホットプレス焼成で得られたセラミックス材料を、更に大気中でアニール処理を行った。ホットプレス焼成で得られた実験例15のセラミックス材料を、更に、1350℃、焼成温度での保持時間を5時間とし、MgO製のサヤに入れて密閉し、大気中でアニール処理し、得られたセラミックス材料を実験例16とした。同様の方法で、実験例17のセラミックス材料を大気中でアニール処理したものを実験例18とした。
また、実験例13、14の組成にて作製した焼結体を用いてスパッタリングターゲットを作製し、スパッタ成膜を実施した。スパッタリングターゲットは、サイズを変更して実験例13、14の方法で焼成し、加工により直径100mm×厚さ3mmの焼結体を得たあと、バッキングプレートに接合することによって得た。スパッタ成膜は、マグネトロンRFスパッタを用い、到達真空度5×10-4Pa、スパッタガス圧0.1Pa、スパッタガスAr/O2=99.5/0.5の割合で合計20sccm(25℃基準)、スパッタ出力400W、常温で120minスパッタし、基板はシリコン基板とした。
実験例1〜19で得られた各材料を各種評価用に加工し、以下の評価を行った。各評価結果を表1に示す。
純水を媒体としたアルキメデス法により測定した。
材料を乳鉢で粉砕し、X線回折装置により結晶相を同定した。測定条件はCuKα、40kV、40mA、2θ=10−70°とし、封入管式X線回折装置(ブルカー・エイエックスエス製 D8 ADVANCE)を使用した。なお、スパッタ膜については測定条件はCuKα、50kV、300mA、2θ=10−70°とし、X線回折装置(リガク製 RINT2000)を使用した。測定のステップ幅は0.02°とし、粉末試料でピークトップの回折角を特定する場合は内部標準としてNIST製Si標準試料粉末(SRM640C)を3質量%添加し、ピーク位置補正した。酸化マグネシウムのピークトップの回折角は、ICDD78−0430の値とした。MgO−ZrO2−Li2O固溶体のピーク位置、及びピーク面積は下記のとおり求めた。
MgO−ZrO2−Li2O固溶体中の酸化ジルコニウム及び酸化リチウム固溶量を相対比較するため、MgO−ZrO2−Li2O固溶体の(200)面のピーク位置を求めた。測定結果より、ICDD78−0430で示されるようなMgO(111)面(36.93°)、(200)面(42.90°)、(220)面(62.29°)付近にそれぞれ回折ピークが検出されることを確認したあと、(200)面の回折角のピークをMgO−ZrO2−Li2O固溶体自身の(200)面としてピーク位置を求めた。
セラミックス材料に含まれる、副相のマグネシウムジルコニウム複合酸化物(MgxZr1-xO2-x(0<x<0.25))及び酸化ジルコニウム(ZrO2)の全体に対する割合を相対比較するべく、以下の方法によってXRDピーク面積を算出した。MgO−ZrO2−Li2O固溶体の(200)面のXRDピーク面積をA、MgxZr1-xO2-xの(111)面のXRDピーク(Mg0.2Zr0.8O1.8であれば2θ=30.49°近傍)の面積をB、ZrO2の(111)面のXRDピーク(2θ=31.46°近傍)の面積をCとしたときの、(B+C)/A値を求めた。ここでは、XRDピーク面積A、B及びCは市販のソフトウエアMDI社製JADE7のピークサーチ機能から求められたそれぞれの上記角度のピーク面積とした。JADE7のピークサーチ条件は、フィルタータイプについては放物線フィルタ、ピーク位置定義についてはピークトップ、しきい値と範囲については、しきい値σ=3.00、ピーク強度%カットオフ=0.1、BG決定の範囲=1.0、BG平均化のポイント数=7、角度範囲=10.0〜70.0°とし、可変フィルタ長(データポイント)ON、Kα2ピークを消去ON、現存のピークリストを消去ONとした。
EPMAを用いて、構成元素の検出及び同定と、各構成元素の濃度分析を行った。また、得られた焼結体の一部について、乳鉢で粉砕したのち、化学分析を行った。Mg、Zr及びLiについては試料を溶解させたあと、Mgはキレート滴定法で、Zr及びLiは誘導結合プラズマ原子発光分析法にて測定を行った。Oについては全体を100質量%とし、そこからMgとZrとLiの質量%を除いてOの質量%として求めた。それぞれの元素について各元素の原子量で除算したあと、全体を100at%としてそれぞれの元素のat%を求め、Zrに対するLiの比(Li/Zr比)を求めた。また実験例13のスパッタ膜については、焼結体とスパッタ膜について、SIMS測定にてMg、Zr、Liの二次イオン強度を求めた。焼結体とスパッタ膜で測定条件は同一とした。
Li2CO3を添加した実験例2〜11、13、15〜18のセラミックス材料は、結晶相評価の結果、酸化マグネシウムの(111)面、(200)面及び(220)面のXRDピークが低角側にシフトしていることがわかった。表1に代表例として42.90°近辺の(200)面となるXRDピークのピーク位置を示す。代表例として図2に実験例1と実験例3のXRD解析チャート、図3にその(200)面付近の拡大図を示す。なお、それ以外の実験例については、MgO−ZrO2−Li2O固溶体、MgxZr1-xO2-x、ZrO2及びunknown相(物質が同定できなかった相)の含有量が変化したものであり、図示を省略する。図2、3に示すように、Li2CO3未添加の実験例1ではピーク位置がICDD78−0430と同一の位置に見られるのに対し、Li2CO3を添加した系では低角側にシフトしていた。これは岩塩型構造時に予想される6配位時のMg2+のイオン半径(0.72Å)に対し、Zr4+がほぼ等しく(0.72Å)、Li+(0.76Å)が大きいためであり、Mg2+の位置にZr4+とLi+とが置換固溶し格子が膨張したためと考えられる。MgO−ZrO2−Li2O固溶体では、電気的中性を保つため、酸化ジルコニウムに対し酸化リチウムが等モル固溶することが予想される。したがって、モル比Li/Zrをおよそ2モルまたはそれ以上で加えた実験例3、5〜7、13、15〜18については酸化ジルコニウムが全て固溶し副相が存在せず、Li/Zrが2モルより小さかった実験例2では余剰の酸化ジルコニウム由来の副相が生成したものと考えられた。また、実験例8〜11ではモル比Li/Zrがおよそ2モルにも関わらず副相が生成した。これは、酸化ジルコニウムと酸化リチウムの添加量が多く、MgOの固溶限界を超えたものと考えられた。また実験例4でもモル比Li/Zrが2モルにも関わらず副相が生成した。これは焼成温度が低く、MgO、ZrO2、Li2Oが十分に反応しなかったためと考えられる。なお、実験例7では、ZrO2に対しLi2Oを余剰に加えた際、特に副相が見られていないが、これは余剰のLi2Oは揮発してセラミックス材料の中に残らなかったためと考えられた。なお、主相とは、体積割合において50%以上を有する成分をいい、副相とは、主相以外でXRD解析にて同定できた相、および同定されていないが明確にピークが検出された相をいう。断面観察における面積比は体積割合を反映すると考えられるため、主相はSEM観察やEPMA元素マッピング像で50%以上の面積を有する領域とする。
Claims (13)
- マグネシウム、ジルコニウム、リチウム及び酸素を主成分とするセラミックス材料であって、酸化マグネシウムに酸化ジルコニウム及び酸化リチウムが固溶した固溶体の結晶相を主相とし、
出発原料に含まれるマグネシウム、ジルコニウム、リチウムを含む化合物をそれぞれ酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO 2 )、酸化リチウム(Li 2 O)に換算し、これらの合計を100mol%としたときに、酸化マグネシウムが60.0mol%以上99.8mol%以下、酸化ジルコニウムが0.1mol%以上20.0mol%以下、酸化リチウムが0.1mol%以上20.0mol%以下の範囲である、
セラミックス材料。 - 前記固溶体は、CuKα線を用いたときの(200)面のXRDピークが酸化マグネシウムの立方晶のピークより小さい2θ=42.89°以下に現れる、請求項1に記載のセラミックス材料。
- 前記固溶体の(200)面のXRDピークが2θ=42.38°〜42.89°に現れる、請求項1又は2に記載のセラミックス材料。
- 前記固溶体の(200)面のXRDピークが2θ=42.82°〜42.89°に現れる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミックス材料。
- 前記固溶体の(200)面のXRDピーク面積をA、副相であるMgxZr1-xO2-x(0<x<0.25)の(111)面のXRDピーク面積をB、及びZrO2の(111)面のXRDピーク面積をCとしたとき、(B+C)/Aが0.11より小さい、請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックス材料。
- 前記セラミックス材料は、LiとZrとのモル比Li/Zrが1.96以上2.33以下の範囲にある、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミックス材料。
- 前記セラミックス材料は、出発原料に含まれるマグネシウム、ジルコニウム、リチウムを含む化合物をそれぞれ酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化リチウム(Li2O)に換算し、これらの合計を100mol%としたときに、酸化マグネシウムが90.0mol%以上99.8mol%以下、酸化ジルコニウムが0.1mol%以上5.0mol%以下、酸化リチウムが0.1mol%以上5.0mol%以下の範囲である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のセラミックス材料。
- 前記固溶体は、CuKα線を用いて測定したXRDピークが、CuKα線を用いて測定した酸化マグネシウムのXRDピークに比して低角側にシフトしている、請求項1〜7のいずれか1項に記載のセラミックス材料。
- 前記固溶体は、CuKα線を用いて測定したXRDピークが、CuKα線を用いて測定した酸化マグネシウムのXRDピークに比して0.01°以上0.10°以下の範囲で低角側にシフトしている、請求項1〜8のいずれか1項に記載のセラミックス材料。
- 膜状に形成されている、請求項8又は9に記載のセラミックス材料。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載のセラミックス材料からなる、スパッタリングターゲット部材。
- 磁気トンネル接合素子のトンネル障壁の作製に使用される、請求項11に記載のスパッタリングターゲット部材。
- ハードディスクの磁気ヘッド及び磁気抵抗ランダムアクセスメモリのうち少なくとも1つの前記磁気トンネル接合素子の作製に使用される、請求項12に記載のスパッタリングターゲット部材。
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