JPH06264233A - Ｔｆｔ製造用スパッタリングタ−ゲット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機械的強度や耐熱応力性に優れていて取り扱
いが良好な上に、スパッタリング時のパ−ティクル発生
が少なく、かつ膜厚や膜特性の均一な薄膜を安定して形
成することができるＴＦＴ製造用のモリブデン又はモリ
ブデン合金製スパッタリングタ−ゲットを提供する。 【構成】 ＴＦＴ製造用スパッタリングタ−ゲットを、
合計のガス成分含有量が１００ppm 以下である“溶製し
たモリブデン又はモリブデン合金の塑性加工材”にて構
成するか、或いは更に結晶粒径（平均結晶粒径）が１mm
以下に調整されて成る如き構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、欠陥の発生が少なく
て膜厚，膜特性の均一なゲ−ト電極及び配線用低抵抗薄
膜を安定して形成することができるＴＦＴ（Thin Film
Transister：薄膜トランジスタ）製造用のモリブデン又
はモリブデン合金製スパッタリングタ−ゲットに関する
ものである。

【０００２】

【従来技術とその課題】近年、ＴＦＴに代表されるＭＯ
Ｓ−ＬＳＩの高集積化に伴って電気配線抵抗の遅延が問
題となり、ゲ−ト電極や配線用薄膜の材料として電気抵
抗値がより低い高融点金属（モリブデン又はモリブデン
合金等）を利用する技術が注目を集めている。

【０００３】しかし、実際には、例えばモリブデン又は
モリブデン合金にてＴＦＴのゲ−ト電極や配線用の薄膜
を形成した場合を例に取っても、得られる薄膜に理論か
ら推し量れる十分な特性が得られにくい上、薄膜形成時
の作業性にも難があり、そのためモリブデン又はモリブ
デン合金の薄膜形成技術に問題があるのではないかとの
認識が高まっていた。

【０００４】即ち、通常、ＴＦＴの薄膜ゲ−ト電極や配
線の形成にはスパッタリング法が適用されるが、モリブ
デン又はモリブデン合金にて上記ゲ−ト電極や配線を形
成する場合は、モリブデンが２６００℃を超える高融点
金属であるため、使用するスパッタリングタ−ゲットは
モリブデンや合金成分の高純度粉末を焼結する粉末冶金
の手法で製造されるのが一般的である。ところが、様々
な観点からの検討により、このようにして製造されたモ
リブデン又はモリブデン合金タ−ゲットは機械的強度や
耐熱応力性が十分でなくて取り扱いが面倒な上に、スパ
ッタリング時のパ−ティクル発生が比較的多く、しかも
得られる薄膜は均一性の点でも劣るきらいがあるとの指
摘がなされるようになったのである。

【０００５】そこで、このような問題は、使用するスパ
ッタリングタ−ゲットに起因するものであり、特にスパ
ッタリングタ−ゲットが焼結材であるが故に生じるもの
であると考えた本発明者等は、高純度モリブデン粉末を
焼結して得られた焼結インゴットを電子ビ−ム溶解して
モリブデン溶製材を作り、これを鍛造してスパッタリン
グタ−ゲットを製造する試験を行った。ところが、この
ようにして製造されたモリブデン製スパッタリングタ−
ゲットでは、前述した問題が多少は緩和されるものの、
それでも問題の解決は十分でなく、依然として満足でき
る結果が得られなかった。

【０００６】このようなことから、本発明が目的とした
のは、機械的強度や耐熱応力性が十分に高くて取り扱い
の点で格別な問題がない上に、スパッタリング時のパ−
ティクル発生が少なく、かつ膜厚や膜特性の均一な薄膜
を安定して形成することができるＴＦＴ製造用のモリブ
デン又はモリブデン合金製スパッタリングタ−ゲットを
提供することである。

【０００７】本発明者等は、上記目的を達成すべく鋭意
研究を重ねたところ、次のような知見を得ることができ
た。 a) 粉末原料を焼結して作成した“焼結タ−ゲット”に
前記不都合が指摘される最大の原因は不純物の混入防止
に限界がある点にあり、タ−ゲットの製造を粉末冶金法
で行う場合には、特にＯ，Ｎ，Ｃ，Ｓ，Ｈ等のガス成分
の混入が多くなるのを十分に阻止することは実際上不可
能である。そして、この不純物たるガス成分がタ−ゲッ
トの機械的強度や耐熱応力性に微妙な悪影響を及ぼして
スパッタリング作業性を悪化させる上、高真空中でのス
パッタリング時に環境へ放出されてパ−ティクル発生の
大きな要因となる。しかも、粉末原料から一旦“焼結イ
ンゴット”を作成し、これを電子ビ−ム溶解して溶製材
とした場合でも、通常の電子ビ−ム溶解法では上述した
悪影響が出なくなる程度にまで十分な不純物除去が行わ
れないので、これを加工して得たスパッタリングタ−ゲ
ットであっても、依然として不純物に起因した上記問題
の解消は叶わない。その上、素材金属がモリブデンやモ
リブデン合金の場合には大気中で非常に活性であり、特
に高温に加熱すると大気中の酸素や窒素等のガス成分と
激しく反応して表面及び表面近傍が汚染されてしまう。
そのため、前記溶製材からタ−ゲットを作成すべく鍛造
等の熱間加工を施すとこの時点でのガス成分による汚染
も加わって前述した問題が顕著化するばかりか、ガス成
分で汚染されたモリブデン又はモリブデン合金は加工性
に乏しいので、これらに鍛造等の塑性加工を施すと低い
加工度でも割れ等の欠陥を生じることが多い。

【０００８】b) ところが、モリブデン又はモリブデン
合金製スパッタリングタ−ゲットを製造するための素材
として特に“電子ビ−ムコ−ルドハ−スリメルト法”を
適用し、鋳造インゴットを造ると共に、その後の加工処
理での不純物ガス汚染の適切な防止策を講じると、材料
中に含有されるガス成分の合計含有量を１００ppm 以下
という極めて低い値にまで低減することができ、上述し
た問題の十分なる解消が期待できるようになる。

【０００９】c) そして、モリブデン又はモリブデン合
金の鋳造インゴットに鍛造等の熱間加工を施す際、該鋳
造インゴットに対して、従来は粉末材等の成型加工に用
いられていた“キャニング”を特に適用し、別材で鋳造
インゴットの全面をシ−ルしてから加工を実施すると、
大気中においてもガス成分による汚染の懸念なく安定し
た作業を行えるようになると同時に、欠陥（割れ等）発
生が極力抑えられて十分な加工度での加工が可能とな
る。

【００１０】d) しかも、キャニングしたモリブデン又
はモリブデン合金の鋳造インゴットに熱間加工を施した
場合には、得られる加工材は強度や変形能の点で非常に
有利な組織状態を有したものとなり、この加工材に対し
ては通常の温間間又は熱間圧延や冷間圧延が適用できる
ため、これを素材とすればより安定した機械的特性や良
好な耐熱応力性能を有するモリブデン又はモリブデン合
金製スパッタリングタ−ゲットを得ることができ、これ
を使用した場合には安定した作業性の下で優れた性能を
発揮するＴＦＴのゲ−ト電極や配線の形成が可能とな
る。

【００１１】e) 更に、上記工程でモリブデン又はモリ
ブデン合金製スパッタリングタ−ゲットを製造するに際
し、使用する鋳造インゴットの結晶粒径，加工条件（加
熱温度，加工度，中間熱処理条件）等を制御することで
得られるタ−ゲットの平均結晶粒径を特定の値以下に調
整すると、スパッタリングによって形成される薄膜の均
一性が一層改善され、製造されるＴＦＴの性能が一段と
向上する。

【００１２】本発明は、上記知見事項等に基づいて完成
されたもので、「ＴＦＴ製造用スパッタリングタ−ゲッ
トを、 合計のガス成分含有量が１００ppm 以下である
“溶製したモリブデン又はモリブデン合金の塑性加工
材”にて構成するか、 或いは更に結晶粒径（平均結晶粒
径）が１mm以下に調整されて成る如くに構成した点」に
大きな特徴を有するものである。

【００１３】なお、本発明に係るモリブデン又はモリブ
デン合金（モリブデンシリサイドを含むことは言うまで
もない）製のスパッタリングタ−ゲットは、例えば次の
方法によって製造することができる。即ち、電子ビ−ム
溶解した原料溶湯を一旦水冷式のコ−ルドハ−ス内に保
持して不純物を真空環境へ逸散させ、これをモ−ルド内
へオ−バ−フロ−させて連続的に凝固させつつインゴッ
トとして下方から引き抜く「電子ビ−ムコ−ルドハ−ス
リメルト法」にて得たモリブデン又はモリブデン合金の
鋳造インゴットを出発材とし、これをシ−ス材でキャニ
ングしてから熱間鍛造するか、或いはこの鍛造の後に更
に温間又は熱間圧延及び／又は冷間圧延を施してから機
械加工により所要寸法のタ−ゲットとする方法である。

【００１４】つまり、「電子ビ−ムコ−ルドハ−スリメ
ルト法」にて得られる不純物含有量が極めて少ない鋳造
インゴットの使用は、諸性能（機械的強度，耐熱応力
性，特に非ガス放出性に裏付けられる非パ−ティクル発
生性，形成薄膜の均一性等）がより優れたモリブデン又
はモリブデン合金製スパッタリングタ−ゲットを得る上
で極めて好ましいことである。特に、一度溶解された溶
製材は熱歪に強く、耐熱応力性が著しく向上する。

【００１５】しかも、「電子ビ−ムコ−ルドハ−スリメ
ルト法」により不純物含有量を極力低減し、かつキャニ
ングを施してガス汚染を防止して塑性加工を施すことで
特にガス成分含有量を合計で１００ppm 以下に調整した
モリブデン又はモリブデン合金製スパッタリングタ−ゲ
ットでは、高真空中での使用時におけるガスの放出量が
極めて少なく、パ−ティクルの発生が激減する。

【００１６】なお、出来ればタ−ゲット中に含有される
各ガス成分やその他の不純物成分は次のレベルにまで低
減することが好ましく、これは「電子ビ−ムコ−ルドハ
−スリメルト法」と「キャニングを施しての塑性加工」
の採用によって実現することが可能である。 〈ガス成分〉 Ｏ：５０ppm 以下， Ｎ：５０ppm 以下， Ｃ：５０pp
m 以下，Ｓ：１０ppm 以下， Ｈ：１０ppm 以下。 〈その他の不純物成分〉 Nb：0.01wt％以下， Ta：0.01wt％以下， Ｗ：0.05wt
％以下，Fe：0.01wt％以下， Al：0.01wt％以下， N
i：0.01wt％以下。

【００１７】そして、更に推奨されるのは、結晶粒径
（鋳造方向とは垂直の断面における平均結晶粒径）が３
０mm以下、好ましくは１０mm以下に抑えられた高純度イ
ンゴットの使用である。モリブデン又はモリブデン合金
鋳造インゴットの結晶粒径が３０mm以下（好ましくは１
０mm以下）になると、結晶粒の微細化によって粒界の総
面積が著しく増大するので結晶粒界におけるガス成分等
の偏析が小さくなり、結晶粒界における粒界面積当りの
不純物偏析量は極めて少ない値となる。そして、これが
著しい加工性の向上に結び付いて鍛造や圧延等の加工が
一段と容易化する。また、最終製品たるタ−ゲット中に
存在する不純物ガス量の低減や最終製品の結晶粒微細化
にも大きく寄与する。

【００１８】ただ、このような微細結晶インゴットは、
既知の“電子ビ−ムコ−ルドハ−スリメルト法”をその
まま適用したとしても安定に得ることはできない。前記
インゴットは、モリブデン又はモリブデン合金材を電子
ビ−ムコ−ルドハ−スリメルト法にて溶製すると共に、
その際、モ−ルド内の溶湯プ−ルに振動を加えるか、該
溶湯プ−ルにモリブデン又はモリブデン合金の粒を添加
するか、或いはこれら両方の手立てを同時に実施しつつ
凝固を進行させて結晶粒の微細化を図り、かつモ−ルド
から引き抜かれる凝固材を二次冷却して冷却を促進させ
ることで結晶粒の成長・粗大化を防止することによって
得ることができる。

【００１９】モリブデン又はモリブデン合金鋳造インゴ
ットのキャニングは、加熱・加工中の表面汚染による割
れ等の欠陥を防止し、かつ静水圧効果による３軸圧縮加
工を可能にして変形能が改善された組織を実現するため
に行われる。そして、この加工に有利な組織を有したモ
リブデン又はモリブデン合金では、比較的容易に温間又
は熱間圧延や冷間圧延を行うことができる。

【００２０】なお、従来より粉末材等の成型加工に用い
られてきたキャニングを、特にモリブデン又はモリブデ
ン合金鋳造インゴットに適用して加工した場合の主な作
用効果をまとめると、次のようになる。

【００２１】(A) 大気中においてもガス成分による汚染
の懸念なく成形加工を行えるようになる。 (B) 比較的強度が高くて厚肉のキャニング材を用いる
と、１軸方向の圧縮荷重のみではなく３軸方向の圧縮荷
重を被加工材（鋳造インゴット）に負荷できる静水圧効
果も加わって、加工（鍛造）時における欠陥（割れ等）
発生が効果的に抑えられる（モリブデン又はモリブデン
合金のような難加工性材料に対して前記の如き静水圧効
果は特に有効である）。

【００２２】(C) 更に、高温に加熱した被加工材をハン
マ−又はプレス等の如き鍛造装置で加工する場合には、
冷えた金敷等の工具で支持して圧縮荷重を被加工材に負
荷するため被加工材の熱が工具に奪われ、被加工材の表
面温度が低下して欠陥発生の原因となるが、キャニング
を施しておくことでこのような温度低下も効果的に防止
され健全な加工を行うことが可能になる。なお、高温加
工中の温度低下を防止し、一定温度でしかも歪速度（加
工速度）を低く保ちつつ加工を行う方法として“恒温鍛
造法”が知られているが、この恒温鍛造法ではやはり高
価な装置を必要とする上、品質面からは好ましい加工法
ではあるが歪速度を低く保つことから生産能率面で好ま
しい方法とは言えない。

【００２３】(D) つまり、上述した 「ガス成分の汚染防
止」, 「静水圧効果による３軸圧縮」及び 「表面温度の低
下防止」 の３つの効果を醸し出す“キャニング法”の採
用により、モリブデン又はモリブデン合金鋳造インゴッ
トを工業的に極めて有利な手段で板材，棒材，線材等へ
容易に成形加工することが可能になる。

【００２４】キャニングは、例えば図１で示すように、
円柱状の被加工材たるモリブデン又はモリブデン合金イ
ンゴット１を被覆するため、市販の耐熱鋼（ＳＵＳ３１
６，ＳＵＳ３１０等）製のチュ−ブを適当な長さに切断
したシ−ス２とその両端面を被覆する２枚の円板３（シ
−スと同材質が好ましい）とを用いて行えば良い。な
お、円筒状のシ−ス２と円板３とはＴＩＧ等の適当な溶
接方法で接合・密封される。図１における符号４は、こ
の溶接部を示す。

【００２５】シ−ス２内径とモリブデン又はモリブデン
合金インゴット１との隙間（クリアランス）は小さいほ
ど良いが、このクリアランスが大きい場合でも残留する
ガス成分を除去するための脱気処理を行う必要はない。
ただ、クリアランスの容積が５％を超えると、モリブデ
ン又はモリブデン合金インゴット１の表面と接触するガ
ス成分量が多くなる結果となり、そのため加熱・加工が
終了した後に余分な皮剥きを必要とするので加工歩留が
低下することになる。

【００２６】キャニング後の被加工材においてシ−ス材
が占める断面積は全体の１０〜４０％が適切であり、材
質に応じてこの範囲でシ−スの肉厚を調整するのが良
い。即ち、シ−ス断面積が１０％未満であると、前述し
たキャニングの３つの効果のうち「静水圧効果による３
軸圧縮」及び「表面温度の低下防止」が十分でなく、一
方、シ−ス断面積が４０％を超えると溶接等による接合
が困難となる上、キャニング材質によっては材料代が嵩
むことになる。

【００２７】なお、シ−スの寸法及び材質は鍛造，押出
し前の加熱温度やインゴットの材質により決定される
が、静水圧効果をより期待する場合には肉厚は厚い方が
良く、材質は被加工材であるモリブデン又はモリブデン
合金インゴットの変形抵抗に近い特性を持つものが望ま
しい。一般的には、先に例示した市販の３１６ステンレ
ス鋼や３１０ステンレス鋼といった耐熱鋼がキャニング
材として望ましいが、より安価な炭素鋼でも厚肉とする
ことでキャニング材として用いることができる。

【００２８】以上のキャニングを行ったモリブデン又は
モリブデン合金鋳造インゴットは、既に述べたように大
気中でも鍛造加工することが可能となり、これにより健
全な組織及び変形能を持った加工材を容易に得ることが
できる。つまり、このような手法によって得られた加工
材（鍛造材）には、一般の温間又は熱間圧延又は冷間圧
延、或いはこれら双方を施すことが可能で、優れた特性
を持ったより小さい寸法のモリブデン又はモリブデン合
金製板材等にまで容易かつ安定に成形加工することがで
きる。

【００２９】鍛造等の熱間加工後に圧延（温間又は熱間
圧延及び／又は冷間圧延）を施して板材を得る場合に
は、次の加工条件を選ぶのが良い。即ち、まず温間又は
熱間圧延については、加熱温度５００〜１２００℃にて
圧下率５０％以上の条件で行う。なぜなら、温間又は熱
間圧延に際しての加熱温度が５００℃未満であると被圧
延材のエッジ部に割れを発生することが多くなり、一
方、１２００℃を超える温度にまで加熱すると組織が粗
大化したり、表面汚染が激しくなるためである。また、
温間又は熱間圧延の圧下率が５０％未満であると不均一
な断面組織となることが多く、均一な断面組織を得るた
めには５０％以上、好ましくは６０％以上の圧下率が必
要となる。

【００３０】冷間圧延については、適当な処理によって
表面のスケ−ル層を除去した後に実施されるが、冷間圧
延での圧下率は３０％以上とするのが良い。なぜなら、
圧下率が３０％未満であると均一な断面組織を得ること
が困難な上に、冷間加工材特有の優れた表面性状を確保
することができないからである。また、冷間圧延におい
て、圧延方向を途中で変更しクロスさせて圧延すると、
面内異方性の小さな組織及び機械的特性を持ったモリブ
デン又はモリブデン合金板を得ることができ、これを素
材とするスパッタリングタ−ゲットの性能向上につなが
る。なお、温間又は熱間圧延や冷間圧延の際、必要に応
じて歪取り熱処理（真空熱処理）を施して良いことは言
うまでもない。

【００３１】鍛造，温間又は熱間圧延或いは冷間圧延を
施して得られたモリブデン又はモリブデン合金板は、更
に８００〜１２００℃で 0.5〜４時間の真空熱処理を行
うことでより安定で均一な組織の焼鈍材とすることがで
き、スパッタリングタ−ゲットの素材として一層良好な
結果を期待できるようになる。この場合、８００℃未満
の加熱温度では加工歪の除去が不十分であり、溶接等の
加熱で変形することがある。また、１２００℃を超える
加熱温度では、結晶粒が成長粗大化して脆化を引き起こ
すことがある。加熱時間については、 0.5時間よりも短
いと歪の除去が不十分となり易く、一方、４時間を超え
る長時間加熱では結晶粒の粗大化を起こすことがあるた
め、加熱温度と相関した加熱時間が選ばれる。なお、上
記真空熱処理は10^-4torr以上の真空下で実施するのが良
い。つまり、真空度が10^-4torrよりも低いと表面のガス
汚染（Ｏ，Ｎとの反応）が懸念されるからである。

【００３２】そして、これらの処理を経て得られたモリ
ブデン又はモリブデン合金の塑性加工材は機械加工によ
り所要形状・寸法のスパッタリングタ−ゲットに加工さ
れ、使用に供される。

【００３３】この場合、上記モリブデン又はモリブデン
合金製のスパッタリングタ−ゲットは、前述したよう
に、より均一な薄膜形成のため平均結晶粒径を１mm以下
に調整しておくことが好ましい。平均結晶粒径が１mm以
下とすることで、形成する薄膜の均一性は著しく向上す
る。この結晶粒径の調整は、鋳造インゴットの結晶粒
径，加工条件（加熱温度，加工度，熱処理条件）等の制
御により可能である。

【００３４】続いて、本発明を実施例により更に具体的
に説明する。

【実施例】まず、電子ビ−ムコ−ルドハ−スリメルト法
を適用した溶解・鋳造により、何れも結晶粒径が３０mm
以下のモリブデンインゴット（直径：１２０mm）を製造
した。

【００３５】なお、得られたモリブデンインゴットの化
学分析値は次の通りであった。 〔モリブデンインゴットの化学分析値〕 Al：0.0003wt％，Fe： 0.001wt％，Ti：0.01wt％以下，
Ｗ：0.02wt％，Ｏ：４ppm, Ｎ：1ppm以下，Ｃ：25ppm
，Ｓ：1ppm以下，Ｈ：1ppm以下，Mo： 99.95wt％以
上。

【００３６】次に、このモリブデンインゴットを、ＳＵ
Ｓ３１６鋼製のチュ−ブ（肉厚２０mm）と厚さ３０mmの
円板とを使用して図１で示す如くにキャニングした後
（キャニング材は外径Ｄ:150mm，長さＬ:450mm）、これ
らを１２００℃に加熱し加工率９０％で熱間鍛造した。

【００３７】次いで、上記鍛造板から機械加工によって
スパッタリングタ−ゲット材を切出し、これに１２００
℃で１hrの真空熱処理を施してＴＦＴ製造用スパッタリ
ングタ−ゲットを作成した。このようにして作成された
スパッタリングタ−ゲットのガス成分含有量は鋳造イン
ゴットのそれと実質的に同じであり、平均結晶粒径は
0.5mmであった。ところで、図２は、上記スパッタリン
グタ−ゲット断面の組織写真図を示しているが、欠陥の
無い非常に均一な再結晶組織となっていることが確認で
きる。

【００３８】そして、このスパッタリングタ−ゲットを
用いたスパッタリングによりＴＦＴのゲ−ト電極及び配
線となる薄膜の形成を試みたところ、パ−ティクルを殆
ど発生することなく厚さや性能の均一な電極，配線が形
成され、得られたＴＦＴは優れた性能を示すことが確認
された。

【００３９】また、このスパッタリングタ−ゲットは十
分な強度を有している上、“室温”と“スパッタリング
時の高温”間の加熱冷却を繰り返しても割れを発生しな
い優れた耐熱応力性を備えていて、この点からもスパッ
タリング作業の安定化に大きく寄与することが分かっ
た。なお、この実施例では、鍛造加工を施して得たモリ
ブデン製スパッタリングタ−ゲットの例のみを示した
が、モリブデン合金を用いた場合や、塑性加工が“鍛造
のみ", "鍛造と熱間圧延のみ”更には“鍛造と冷間圧延
のみ”の場合にも、従来品に比べて著しく優れた結果が
得られることは確認済である。

【００４０】

【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、機械的強度や耐熱応力性に優れ、しかもスパッタリ
ング時のパ−ティクル発生が少なく、かつ膜厚や膜特性
の均一な導電薄膜を安定して形成することができるＴＦ
Ｔ製造用のモリブデン又はモリブデン合金製スパッタリ
ングタ−ゲットを比較的安価に提供することができ、Ｔ
ＦＴの性能を一段と向上させ安定化することが可能にな
るなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】インゴットのキャニング手法例を説明した概念
図である。

【図２】実施例で製造された本発明係るモリブデン製ス
パッタリングタ−ゲット断面の金属組織写真図である。

【符号の説明】

１ モリブデン又はモリブデン合金インゴット ２ シ−ス（円筒状） ３ 円板 ４ 溶接部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合計のガス成分含有量が１００ppm 以下
   であるところの、溶製したモリブデン又はモリブデン合
   金の塑性加工材から成ることを特徴とするＴＦＴ製造用
   スパッタリングタ−ゲット。
2. 【請求項２】 結晶粒径が１mm以下に調整されて成るこ
   とを特徴とする、請求項１に記載のＴＦＴ製造用スパッ
   タリングタ−ゲット。