JP6227419B2

JP6227419B2 - 磁性材スパッタリングターゲットの製造方法

Info

Publication number: JP6227419B2
Application number: JP2014001536A
Authority: JP
Inventors: 雄斗森下
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: JP2015129332A

Description

本発明は、溶解鋳造法によって製造される磁性材スパッタリングターゲットであって、特に組織が微細化した磁性材スパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。

次世代の高速記録素子として、磁気記録素子（ＭＲＡＭ）の研究開発が進められており、そのＭＲＡＭを構成する層に用いられる材料として、ホウ素（Ｂ）を含有する磁性材料が用いられている。例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等とＢからなる組成、すなわち、Ｃｏ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、あるいは、これらにＮｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ等を添加した組成が知られている。

一般に、これらのＭＲＡＭを構成する磁性材層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等とＢとからなる組成を有するスパッタリングターゲットを用いて作製される。しかし、このような組成のスパッタリングターゲットは、Ｂを含有しているため非常に脆く、ターゲット元材となる鋳造インゴットを熱間加工や機械加工をする際に、亀裂や割れが生じることがあった。

このようなことから、本出願人は以前、溶解鋳造物を３０〜６０℃／分で急冷することにより、ターゲットの亀裂の発生などを低減する技術を提供した（特許文献１）。しかし、このような方法を用いてもなお、脆性を十分に改善することができず、熱間加工が困難で、熱間加工による組織微細化が困難という問題があった。

特許第４８３７８０５号

本発明は、Ｂを含有する磁性材スパッタリングターゲットにおいて、溶解鋳造工程での鋳造条件を制御することにより、亀裂や割れ等を発生させることなく、組織を微細化させたターゲットを提供することを課題とする。これにより、マグネトロンスパッタリングによる均一な成膜を可能にすることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明者は鋭意研究を行った結果、溶解鋳造物を特定の温度領域において急冷することで、合金インゴットの組織を改変することができ、これにより、組織を微細化できるとの知見を得た。

本願はこの知見に基づき、下記の発明を提供する。
１）Ｂを１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下含有し、Ｃｏを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、Ｆｅを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有する原料を溶解、鋳造してインゴットを作製し、これを機械加工してターゲットを作製するスパッタリングターゲットの製造方法であって、原料を溶解後、１０００℃まで６０〜８０℃／分で冷却して、１０００℃から４００℃まで１〜５℃／分で冷却して、インゴットを作製することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。

Ｂを含有する磁性材スパッタリングターゲットは、脆性が高いため、熱間加工が困難で、熱間加工によって組織を微細化させにくいということがあったが、本発明によれば溶解鋳造物を特定の温度領域において急冷することにより、ターゲット組織を改変することができ、組織の微細化を可能とするという優れた効果を有する。また、これにより、膜厚均一性に優れたスパッタ成膜を実現することができる。

本発明の実施例１のスパッタリングターゲットの組織写真（低倍）を示す。本発明の実施例１のスパッタリングターゲットの組織写真（高倍）を示す。本発明の比較例１のスパッタリングターゲットの組織写真（高倍）を示す。

本発明のスパッタリングターゲットは、Ｂ含有量が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下、Ｃｏ含有量が３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下、Ｆｅ含有量が３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下
から構成される。本発明のターゲットは、ＭＲＡＭなどにおける磁性材層を形成するために使用されるものであるが、ターゲットの成分組成は、所望する磁気特性に応じて、上記の数値範囲内で適宜選択される。

これらの原料を調合した後、溶解鋳造してインゴットを作製する。このインゴットを、スパッタリング装置の中でターゲットとしての機能を発揮できるように、ターゲット形状の調整やターゲット面の研磨等の機械加工を行い、スパッタリングターゲットを作製する。溶解温度等の溶解条件は、合金種と配合割合で当然変わってくるが、およそ１１００℃〜１５００℃の範囲で溶解する。

上記の製造工程において重要なことは、上記溶解後、溶湯が入った坩堝から鋳型へ出湯し、そのインゴットを１０００℃まで６０〜８０℃／分で冷却して、その後、１０００℃から４００℃まで１℃〜５℃／分で冷却することである。このような温度条件で冷却することでＢプア粒子相の粒成長が抑制され、共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内に長径が２μｍ以下のＢプア粒子が平均２０個以上のターゲットを得ることができ、これにより、熱間加工によらず、組織を微細化することができるという優れた効果を有する。
なお、１０００℃までは鋳型への熱の放冷で冷却し、１０００℃から４００℃までは炉の温度制御プログラムにより冷却することができる。また、４００℃以下になった時点でインゴットを炉から取り出し、大気中で常温まで放冷することができる。

図１に、後述する実施例１のスパッタリングターゲットの組織写真（倍率：１０倍）を示す。通常、溶融合金を冷却していくと、最初に初晶が晶出し、さらに冷却が進んでいくと、ある温度で残りの溶融合金が凝固する。そして、このときの凝固する組織が共晶組織と呼ばれる。図１に示す通り、本発明のターゲットは初晶と共晶組織から構成されており、前記共晶組織は、Ｂリッチ相とＢプア相から構成されている。ここで、Ｂリッチ相とは、Ｂの含有量が１５ａｔ％以上の相を意味し、Ｂプア相とは、Ｂの含有量が１５ａｔ％未満の相を意味する。

鋳型には、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏなどの金属製やカーボン製のものを使用することができる。このとき、鋳型の材質、肉厚や水冷速度を変えることで、冷却速度を適宜調整することができる。すなわち、鋳型に熱伝導性の高い材料を使用したり、鋳型の肉厚を厚くしたり、また、水冷速度を速めたりすることで、冷却速度を速くすることができる。

以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。

（実施例１）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ、約１２００℃で加熱溶解した後、溶湯を金属製鋳型に移し、このインゴットを１０００℃までは６０〜７０℃／分で冷却し、その後インゴットを鋳型から取り外した後、インゴットを１０００℃から４００℃まで１〜５℃／分で冷却して、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚さ４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。ターゲットの組織写真（倍率：３００倍）を図２に示す。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所観察した結果、長径が２μｍ以下（直径２μｍの円の中に収まるサイズ）のＢプア粒子は平均５６個と、微細なＢプア粒子が多く点在する微細な組織が得られた。
なお、ターゲットのどの部分を観察しても、共晶組織に関しては、粒子径に大きな変化はなく、そのばらつきは小さいが、初晶に関しては、ターゲットの端の方が小さく、中心の方が大きいという傾向にある。

（実施例２）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ、約１２００℃で加熱溶解した後、溶湯を流量１０ｍｌ／秒で水冷された金属製鋳型に移し、このインゴットを１０００℃までは７０〜８０℃／分で冷却し、その後インゴットを鋳型から取り外した後、インゴットを１０００℃から４００℃まで１〜５℃／分で冷却して、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚み４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所に観察した結果、長径が２μｍ以下のＢプア粒子は平均６０個と、微細なＢプア粒子が多く点在する微細な組織が得られた。

（比較例１）
原料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを使用し、これをＣｏ：４０ａｔ％、Ｆｅ：４０ａｔ％、Ｂ：２０ａｔ％に調合した。次に、これをセラミックス製坩堝に入れ、約１２００℃で加熱溶解した後、溶湯をカーボン製鋳型に移し、このインゴットを１０００℃まで５〜３０℃／分で冷却し、その後、インゴットを鋳型から取り外した後、インゴットを１０００℃から４００℃まで１〜５℃／分で冷却し、炉から取り出した。次に、これを直径１６４ｍｍ、厚み４ｍｍの形状へ切削加工して、スパッタリングターゲットとした。ターゲットの組織写真（倍率：３００倍）を図３に示す。このターゲットの共晶組織中の視野２５μｍ×２５μｍ内をランダムに４箇所に観察した結果、長径が２μｍ以下のＢプア粒子は平均０個と、微細な組織は得られなかった。

本発明のスパッタリングターゲットは、溶解鋳造したインゴットから製造されたものであり、脆性が高いため、熱間加工が困難で、熱間加工によって組織を微細化させにくいということがあったが、本発明によれば、特定の温度領域において急冷することでターゲットの組織を微細化することができる。そして、このような微細な組織を備えたターゲットは、膜厚均一性に優れた成膜を可能にするという優れた効果を有する。本発明は、ＭＲＡＭ用の磁性材層を形成するための磁性材スパッタリングターゲットとして、有用である。

Claims

Ｂを１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下含有し、Ｃｏを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、Ｆｅを３０ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有する原料を溶解、鋳造してインゴットを作製し、これを機械加工してターゲットを作製するスパッタリングターゲットの製造方法であって、原料を溶解後、１０００℃まで６０〜８０℃／分で冷却して、１０００℃から４００℃まで１〜５℃／分で冷却して、インゴットを作製することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。