JP7293787B2

JP7293787B2 - ＴａＷＳｉターゲットおよびその製造方法

Info

Publication number: JP7293787B2
Application number: JP2019057533A
Authority: JP
Inventors: 宏明十亀; 淳福岡
Original assignee: Proterial Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: JP2020158811A

Description

本発明は、例えば、機械的特性、耐摩耗性、耐食性、軟磁性、電気的特性等に優れるＴａＷＳｉ非晶質合金薄膜を形成するために用いるＴａＷＳｉターゲットおよびその製造方法に関するものである。

摺動部品や金型等の表面には、機械的特性、耐摩耗性、耐食性の向上等を目的として、非晶質合金薄膜からなる硬質皮膜が適用されている。また、電子部品においては、軟磁性、電気的特性の向上等を目的として、基板等の表面に非晶質合金薄膜が適用されている。
そして、例えば、特許文献１においては、ＴａにＷとＳｉを含む非晶質合金薄膜を基板といった被処理材の表面に設けた部材が提案されている。特許文献１に開示のあるＴａＷＳｉ非晶質合金薄膜を具備する部材は、機械的特性、耐摩耗性、耐食性、軟磁性、電気的特性に優れているため、様々な用途に適用可能であるという点で有用な技術である。

一方、上述したＴａＷＳｉ非晶質合金薄膜を形成する手法としては、スパッタリングターゲット（以下、単に「ターゲット」ともいう。）を用いたスパッタリング法が最適である。スパッタリング法は、物理蒸着法の一つであり、他の真空蒸着やイオンプレーティングと比較して、大面積に安定して非晶質合金薄膜が形成できる方法であるとともに、上記のような添加元素の多い合金でも、組成変動が少ない優れたＴａＷＳｉ非晶質合金薄膜が得られる有効な手法である。

特公平５－８１６６８号公報

特許文献１に開示されるＴａＷＳｉターゲットは、ターゲットの形状寸法に加工する機械加工時に、ターゲット本体の割れや欠け、脱落が発生する可能性の高い、いわゆる難削材である。その上、ターゲットに局所的な高硬度の部位が存在してしまうと、切削工具のチップの摩耗や破損を招き、得られるターゲットの表面粗さが大きくなったり、場合によっては、ターゲット本体を破損させてしまうことがある。

本発明の目的は、ターゲットの機械加工において、ターゲット本体の割れや欠けの発生を抑制でき、ターゲット表面における凹凸の発生も抑制できる、ＴａＷＳｉターゲットを提供することである。

本発明のターゲットは、Ｔａ、Ｗ、およびＳｉで構成され、常温における抗折力の平均値が２８０ＭＰａ以上である。
本発明のターゲットは、相対密度が１０４％以上であることが好ましい。

また、本発明のターゲットは、Ｗを２０～４５原子％、Ｓｉを２０～４５原子％含有し、残部がＴａおよび不可避的不純物からなることが好ましい。

本発明のターゲットは、Ｔａ粉末とＷ粉末とＷＳｉ粉末を混合して混合粉末を得る工程と、焼結温度１５００～１７５０℃、加圧圧力１０～６０ＭＰａ、焼結時間１～１０時間の条件で前記混合粉末を加圧焼結して焼結体を得る工程を含む製造方法で得ることができる。

前記混合粉末を得る工程では、Ｗを２０～４５原子％、Ｓｉを２０～４５原子％含有し、残部がＴａおよび不可避的不純物となるように混合粉末を得ることが好ましい。

本発明は、ターゲットの機械加工において、ターゲット本体の割れや欠けの発生を抑制でき、ターゲット表面における凹凸の発生も抑制できるＴａＷＳｉターゲットを提供することができる。このため、上述した、機械的特性、耐摩耗性、耐食性、軟磁性、電気的特性等に優れる部材の製造に有用な技術となる。

本発明例となるターゲット表面の走査型電子顕微鏡観察写真。比較例となるターゲット表面の走査型電子顕微鏡観察写真。

本発明のターゲットは、Ｔａ、Ｗ、およびＳｉで構成され、常温（ＪＩＳＺ８７０３で規定された２０±１５℃）における抗折力の平均値が２８０ＭＰａ以上である。本発明のターゲットは、抗折力を２８０ＭＰａ以上にすることで、ターゲットの形状寸法にするための切削加工や研磨加工といった機械加工を施す際に、ターゲット本体の割れや欠けの発生と、表面が荒れることを抑制できる。このため、本発明のターゲットは、表面の凹凸発生が低減され、平滑な表面を有するターゲットとなり、異常放電の誘発や、ノジュールが飛散して被処理材に付着することを抑制できる。
尚、本発明で抗折力とは、２０ｍｍの間隔で設置された２つの支えに試験片を載せ、中央部に押し金を当てた状態で、移動速度０．５ｍｍ／分で荷重を加えて、試験片が破断したときの荷重のことをいう。そして、抗折力は、ターゲットの任意の５か所の位置から、３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの抗折力測定用試験片を切り出し、常温における抗折力を測定し、５本の平均値を採用する。

本発明の実施形態に係るターゲットは、ターゲットの形状寸法にするための切削加工や研磨加工といった機械加工を施す際の割れや欠けを抑制する観点から、相対密度が１０４％以上であることが好ましい。
尚、本発明でいう相対密度は、アルキメデス法により測定されたターゲットのかさ密度を、その理論密度で割った値を百分率で表わしたものをいう。ここで、理論密度は、組成比から得られる質量比で算出した加重平均として得られた値を用いる。

そして、相対密度の測定位置は、例えば、長方形等の矩形状のターゲットであれば、平面方向において、ターゲットの外周部のうち、長辺の中央部に相当する部位と四隅に相当する部位の合計６か所とする。また、円板状のターゲットであれば、平面方向において、ターゲットの外周部に相当する４つの部位と、中央部に相当する部位の合計５か所とする。

本発明のターゲットは、Ｔａ、Ｗ、およびＳｉで構成される。ＷおよびＳｉの含有量は、機械的特性、耐摩耗性、耐食性、軟磁性、電気的特性等を大きく損なわない範囲で適宜調整することができる。また、上記と同様の理由から、Ｗは２０～４５原子％、Ｓｉは２０～４５原子％の範囲にすることが好ましく、Ｗは２５～４２原子％、Ｓｉは２５～４２原子％の範囲にすることがより好ましい。
ここで、ターゲットのエロージョン領域に、例えば、ＴａＷＳｉマトリックス相の中に、高硬度のＷ相やＷＳｉ相が粗大化した状態で存在してしまうと、ターゲット本体の割れの起点となったり、また、高硬度の部位のみが残存したり、脱落したりする場合がある。このような状態のターゲットは、ターゲット本体の割れが誘発される上、エロージョン領域の表面が粗くなり、成膜時に異常放電の起点となりやすくなる。このため、本発明の実施形態に係るターゲットは、図２の薄灰色部で示される粗大なＷ相を含まず、図１の濃灰色部で示されるＷＳｉ相が微細に分散していることが好ましい。

本発明のターゲットは、粉末焼結法で得ることができる。具体的には、Ｔａ粉末とＷ粉末とＷＳｉ粉末を混合して混合粉末を得て、この混合粉末を焼結温度１５００～１７５０℃、加圧圧力１０～６０ＭＰａ、焼結時間１～１０時間の条件で加圧焼結して焼結体を得る。そして、加圧焼結としては、例えば、をホットプレス法（以下、「ＨＰ」という。）、熱間静水圧プレス法、通電焼結法等を適用することができる。

焼結温度は、１５００℃以上にすることで、粉末の焼結を進行させることができ、空孔の発生を抑制することができる。また、焼結温度は、１７５０℃以下にすることで、Ｗ相の粗大化が抑制され、得られる焼結体の機械加工における割れや欠けの発生を抑制することができることに加え、粉末の溶解も抑制できる。

加圧圧力は、１０ＭＰａ以上にすることで、焼結の進行を促進し、空孔の発生を抑制することができる。また、加圧圧力は、６０ＭＰａ以下にすることで、焼結時にターゲットへの残留応力の導入が抑制され、焼結後の割れや欠けの発生を抑制することができる。

焼結時間は、１時間以上にすることで、焼結の進行を促進し、空孔の発生を抑制することができる。また、焼結時間は、１０時間以下にすることで、Ｗ相の粗大化を抑制できるとともに、製造効率の低下を抑制できる。

本発明では、ターゲットの機械加工における割れや欠けの発生を抑制する観点と組織の均質性という観点から、加圧焼結に適用する原料粉末は、体積基準の累積粒度分布の５０％粒径（以下、「Ｄ５０」という。）が０．２～１００μｍの範囲の粉末を用いることが好ましい。
そして、本発明では、ＴａＷＳｉマトリックス相に高硬度のＷのみからなる相を存在させず、ＴａＷＳｉのマトリックスに微細なＷＳｉ相が分散している組織を得るために、原料粉末として、Ｔａ粉末とＷ粉末とＷＳｉ粉末を用いる。
また、混合粉末は、Ｗを２０～４５原子％、Ｓｉを２０～４５原子％含有し、残部がＴａおよび不可避的不純物となるようにすることが好ましい。

先ず、Ｄ５０が４５μｍのＴａ粉末、Ｄ５０が０．６～１．０μｍのＷ粉末、Ｄ５０が２～５μｍのＷＳｉ粉末を準備した。そして、Ｗを３０原子％、Ｓｉを４０原子％、残部がＴａおよび不可避的不純物となるように、上記で準備した各粉末を秤量した後に、クロスロータリー混合機で混合して混合粉末を得た。そして、この混合粉末をＨＰ装置のダイス内に充填して、１７００℃、３０ＭＰａ、２時間の条件で加圧焼結して、本発明例のターゲットとなるＴａＷＳｉ焼結体を得た。

Ｗを３０原子％、Ｓｉを４０原子％、残部がＴａおよび不可避的不純物となるように、上記で準備した各粉末を秤量した後に、クロスロータリー混合機で混合して混合粉末を得た。そして、この混合粉末をＨＰ装置のダイス内に充填して、１８００℃、３０ＭＰａ、２時間の条件で加圧焼結して、比較例のターゲットとなるＴａＷＳｉ焼結体を得た。

上記で得た各焼結体に機械加工を施して、直径１８０ｍｍ、厚さが４ｍｍのターゲットを作製する際に、本発明例のターゲットとなる焼結体は、機械加工の際に、割れ・欠け、凹凸が発生せず、表面が平滑な状態であることが確認できた。一方、比較例のターゲットとなる焼結体は、機械加工の際に、割れが発生し、焼結体本体が破損した。

そして、本発明例のターゲットとなる焼結体は、図１の走査型電子顕微鏡観察写真のＴａＷＳｉマトリックスに濃灰色部で示されるＷＳｉ相が微細に分散しており、Ｗ相を含まない組織であることが確認された。
一方、比較例のターゲットとなる焼結体は、図２の走査型電子顕微鏡観察写真の薄灰色部で示される粗大なＷ相が点在し、さらに濃灰色部で示されるＷＳｉ相が粗大化している組織であることが確認された。

上記で得た各ターゲットの平面方向において、ターゲットの外周部に相当する４つの部位と、中央部に相当する部位の合計５か所の位置から、機械加工により密度測定用試験片を採取し、各部位のかさ密度を測定し、上述した方法で相対密度を算出し、その平均値を表１に示す。

また、３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの抗折力測定用試験片を各焼結体の任意の位置から５本切り出し、常温（ＪＩＳＺ８７０３で規定された２０±１５℃）における各抗折力を測定し、それらの平均値を算出した。ここで、抗折力は、２０ｍｍの間隔で設置された２つの支えに試験片を載せ、中央部に押し金を当てた状態で、移動速度０．５ｍｍ／分で荷重を加えて、破断したときの荷重を測定した。その結果を表１に示す。

比較例となるターゲットは、常温での抗折力の平均値が２８０ＭＰａを下回っていた。また、比較例となるターゲットは、相対密度が１０４％を下回っていた。
これに対して、本発明例となるターゲットは、常温での抗折力の平均値が２８０ＭＰａ以上であることが確認できた。また、本発明例となるターゲットは、相対密度が１０４％であることが確認できた。
本発明のターゲットは、機械加工時に割れや欠けが発生することなく、ターゲット本体の破損が抑制され、さらにターゲット表面を平滑にすることが確認できた。これにより、本発明のターゲットは、異常放電の誘発や、ノジュールが飛散して被処理材に付着することが抑制された、ＴａＷＳｉ非晶質合金薄膜を形成するためのターゲットとして有用となることが期待できる。

Claims

Ｗを２０～４５原子％、Ｓｉを２０～４５原子％含有し、残部がＴａおよび不可避的不純物からなり、ＴａＷＳｉマトリックスにＷＳｉ相が微細に分散しており、Ｗ相を含まない組織を有し、ターゲットの平面方向において、該ターゲットの外周部に相当する４つの部位と、中央部に相当する部位の合計５か所の位置から採取した試験片から得られる常温における抗折力の平均値が２８０ＭＰａ以上であるＴａＷＳｉターゲット。
相対密度が１０４％以上である請求項１に記載のＴａＷＳｉターゲット。
Ｔａ粉末とＷ粉末とＷＳｉ粉末を混合して混合粉末を得る工程と、焼結温度１５００～１７５０℃、加圧圧力１０～６０ＭＰａ、焼結時間１～１０時間の条件で前記混合粉末を加圧焼結して焼結体を得る工程を含むＴａＷＳｉターゲットの製造方法。
Ｗを２０～４５原子％、Ｓｉを２０～４５原子％含有し、残部がＴａおよび不可避的不純物となるように前記混合粉末を得る請求項３に記載のＴａＷＳｉターゲットの製造方法。