磁性材料溅射靶

摘要

本发明提供一种磁性材料溅射靶，通过熔炼、铸造法得到且含有B，其特征在于，B的含量为10原子%以上且50原子%以下，其余包含选自Co、Fe和Ni的一种以上元素。通过本发明的方法，得到气体成分杂质少，没有龟裂和破裂，主要成分元素的偏析少的溅射靶，结果，具有如下显著的效果：在用具备DC电源的磁控溅射装置进行溅射时，可以抑制粉粒的产生，提高薄膜制作时的成品率。

权利要求

1.一种磁性材料溅射靶，通过熔炼、铸造法得到且含有B，其特征在于，B的含量为10原子％以上且50原子％以下，其余包含选自Co、Fe和Ni的一种以上元素，靶中的氧含量为100重量ppm以下，没有龟裂和破裂，将靶中任意1mm见方内的主要成分元素、硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下。

2.如权利要求1所述的磁性材料溅射靶，其特征在于，

含有0.5原子％以上且10原子％以下的选自Al、Cu、Mn、Nb、Ta和Zr的一种以上元素。

3.一种磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，

将B的含量为10原子％以上且50原子％以下、其余包含选自Co、Fe和Ni的一种以上元素的原料熔炼、铸造而制作锭，并将其切割和机械加工而制成靶，熔炼后，以30～60℃/分钟骤冷而制作锭，在B为30原子％以下的情况下，将骤冷后的锭在800～1100℃的范围进一步进行热处理，在B超过30原子％的情况下，将骤冷后的锭在850～1150℃的范围进一步进行热处理。

4.如权利要求3所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，热处理后，进行切割和机械加工而制成靶。

5.如权利要求3或4所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，靶中的氧含量为100重量ppm以下。

6.如权利要求3或4所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，含有0.5原子％以上且10原子％以下的选自Al、Cu、Mn、Nb、Ta和Zr的一种以上元素。

7.如权利要求5所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，含有0.5原子％以上且10原子％以下的选自Al、Cu、Mn、Nb、Ta和Zr的一种以上元素。

8.如权利要求3或4所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，将靶中任意1mm见方内的主要成分元素、硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下。

9.如权利要求5所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，将靶中任意1mm见方内的主要成分元素、硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下。

10.如权利要求6所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，将靶中任意1mm见方内的主要成分元素、硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下。

11.如权利要求7所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，将靶中任意1mm见方内的主要成分元素、硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下。

说明书

磁性材料溅射靶

技术领域

[0001] 本发明涉及如下靶，为通过熔炼、铸造法制造且含有硼(B)的溅射靶，气体成分杂质少，组成偏析少，且不存在破裂等机械的特性的问题，用于磁头、磁阻元件(MRAM)等用途。

背景技术

[0002] 作为新一代高速存储元件，正在进行磁阻元件(MRAM)的开发，作为用于构成该MRAM的层的材料，使用含有硼(B)的磁性体。已知例如由Co、Fe、Ni等和硼构成的组成、Co-B、Co-Fe-B、或在它们中添加有Al、Cu、Mn、Ni等的组成。

[0003] 通常，将具有由Co、Fe、Ni等和硼构成的组成的溅射靶进行溅射来制作构成这些MRAM的磁性体层。

[0004] 这样的磁性材料溅射靶以B为主要成分，因此，特别是B的组成比过量，高于10%时，形成具有非常脆的特性的Co3B、Co2B、CoB化合物相，结果，在锭中产生破裂、龟裂，难以制成溅射靶。

[0005] 为了防止这些的发生，在通过缓慢冷却来制作锭时，虽然能够抑制破裂和龟裂，但存在组成偏析增加的问题。因此，虽然对粉末进行烧结成形而制成靶，但因粉末的表面积大，吸附的气体难以脱离，所以气体成分、特别是氧杂质量增加，结果，存在通过溅射得到的膜的特性不稳定这样的问题。

[0006] 在此，溅射装置中有各种方式的装置，但是在上述的磁性体膜的成膜中，从生产率高的观点来看，广泛使用具备DC电源的磁控溅射装置。溅射法使用如下原理：将作为正电极的基板与作为负电极的靶对置，在惰性气体气氛下，在该基板和靶间施加高电压产生电场。

[0007] 此时，惰性气体电离，形成包含电子和阳离子的等离子体，该等离子体中的阳离子在靶(负电极)的表面撞击时，击出构成靶的原子，该飞出的原子附着在对置的基板表面形成膜。通过这样的一连串动作从而构成靶的材料在基板上成膜。

[0008] 如上所述，在使用通过原料粉末的烧结而制造的溅射靶的情况下，与熔炼铸造材料相比，具有大量含有氧气，密度也低这样的显著缺陷。氧气等气体成分的大量存在，是在靶溅射时产生粉粒，并且磁性体膜的磁特性不稳定的要因。因此，提出了在磁性体原料中添加B而进行脱氧的方法(参考专利文献1)。

[0009] 但是，该方法是通过在以Co系为主体的合金中添加B进行熔炼而脱氧，并对其进行骤冷凝固处理使之粉末化，再对该粉末进行烧结而制成粉末烧结靶。在专利文献1中，硼终究是为了从Co等金属原料中去除氧气而添加10%以下，且在中间工序通过添加B实现脱氧，但是由于最终采用粉末烧结方法，因此，如专利文献1的实施例、比较例所示，与熔炼铸造法相比，在氧量和密度方面差，且不能用于制造需要控制B的组成的靶。

[0010] 通常，用粉末烧结法得到的氧含量为150重量ppm以上。为了使之进一步降低，必须进行昂贵的设计，在实际生产中并不优选。

[0011] 专利文献1：日本特开2001-107226号公报

发明内容

[0012] 本发明的课题在于，制造通过熔炼、铸造法制造的B-过渡金属系溅射靶，提高密度并降低组成偏析，不产生破裂、龟裂等，并且使氧气等气体成分显著下降，抑制气体成分混入造成的成膜品质下降和减少溅射时产生的粉粒。

[0013] 为了解决上述问题，本发明人进行专心研究，结果，发现通过设计以往被认为难以应用的熔炼、铸造法，能够制造出溅射靶。

[0014] 基于这样的发现，本发明提供一种磁性材料溅射靶，

[0015] 1)通过熔炼、铸造法得到且含有B，其特征在于，B的含量为10原子%以上且50原子%以下，其余包含选自Co、Fe和Ni的一种以上元素，靶中的氧含量为100重量ppm以下，没有龟裂和破裂。

[0016] 2)上述靶还可以提供进一步添加有0.5原子%以上且10原子%以下的选自Al、Cu、Mn、Nb、Ta和Zr的一种以上元素的靶。

[0017] 3)上述靶可以提供靶的成分组成均匀性优秀的上述1)或2)中任一项所述的磁性材料溅射靶，将靶中任意1mm见方内的主要成分元素，特别是将硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下。

[0018] 4)本申请发明提供磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，将B的含量为10原子%以上且50原子%以下，其余包含选自Co、Fe和Ni的一种以上元素的原料熔炼、铸造而制作锭，并将其切割和机械加工而制成靶。

[0019] 5)在上述4)的制造方法中，熔炼后，以30~60℃/分钟骤冷制作锭，可以制造磁性材料溅射靶，本申请发明提供该制造方法。

[0020] 6)在上述5)的制造方法中，可以将骤冷后的锭进一步在800~1150℃的范围内进行热处理。本申请发明提供该制造方法。

[0021] 7)在上述6)的制造方法中，在热处理后可以进行切割和机械加工而制成靶。本申请发明还提供该制造方法。

[0022] 8)本发明提供上述4)~7)中任一项所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，靶中氧含量为100重量ppm以下。

[0023] 9)本发明提供上述4)~8)中任一项所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，含有0.5原子%以上且10原子%以下的选自Al、Cu、Mn、Nb、Ta和Zr的一种以上元素。

[0024] 10)本发明提供上述4)~9)中任一项所述的磁性材料溅射靶的制造方法，其特征在于，将靶中任意1mm见方内的主要成分元素，特别是硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下。

[0025] 发明效果

[0026] 本申请发明的溅射靶可以得到如下优良效果：由于是由熔炼铸造的锭制造，因此可以得到高密度的靶，另外由于是熔炼品，因此与现有的粉末烧结靶相比，可以显著降低氧含量。具有如下效果：同样可以使其它气体成分降低，可以抑制氧气等气体成分引起的组织不均匀性和粉粒产生。

具体实施方式

[0027] 构成本发明的溅射靶的成分为B的含量为10原子%以上且50原子%以下，其余包含选自Co、Fe和Ni的一种以上元素。如上所述，还可以添加0.5原子%以上且10原子%以下的选自Al、Cu、Mn、Nb、Ta和Zr的一种以上元素。它们是为了提高作为磁阻元件的特性而根据需要添加的元素。

[0028] B的含量设为10原子%以上的理由如下。小于10原子%时，虽然制造比较容易，组成偏析少，未发现破裂、龟裂等产生，但无法得到作为磁头和MRAM用的期望的特性。通常，在发挥作为磁头和MRAM用的特性方面优选B含量15原子%以上，但在制造上不产生破裂和龟裂，且没有组成偏析这样的效果，在以往难以实现的B的含量为10原子%以上时发挥出来，所以下限值设定为至少10原子%。

[0029] 另外，将B含量的上限值设定为50原子%，这是因为，若为超过此设定的B的含量，则融点增高，不能熔融原料。因此，上限值设定为50原子%。另外，磁头和MRAM中通常是35原子%以下的B含量，基本上不需要超过该设定的量。

[0030] 在配合这些原料后，进行熔炼铸造制作锭，再对其进行切割和机械加工而制成靶。这些机械加工中，当然含有靶形状的调节和靶面的研磨加工，以便在溅射装置中能够充分发挥作为靶的功能。

[0031] 上述成分，根据合金成分其配合比率不同，但都能够维持作为磁头和MRAM的特性。另外，作为磁头和MRAM之外的用途，对于作为符合上述组成范围的一般的磁性膜的用途，也能够维持其特性，因此是有用的技术。

[0032] 另外，熔炼温度等熔炼条件根据合金种类和配合比率而自然变化，但大体在1100~1500°C的范围内进行熔炼。

[0033] 在本申请的发明中，进行上述熔炼后，从装入熔炼液的坩埚到入铸模。将该铸模以30~60°C/分钟骤冷制作锭，可以制造磁性材料溅射靶。这是在抑制成分偏析方面有效的方法。通常，为了抑制锭的破裂，建议在炉内进行缓慢冷却，但这会产生组成的偏析，故而不予优选。因此，上述骤冷对于本申请发明是优选的方法。

[0034] 由此，可以得到将靶中任意1mm见方的主要成分元素，特别是将硼(B)的组成设定为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A为0.01以下的靶。

[0035] 另外，在通过这样的熔炼法制造靶的情况下，氧浓度可以调节为100重量ppm以下。另外，可以将其调节为50重量ppm以下，进一步调节为10重量ppm以下。

[0036] 另外，成为杂质的气体的成分的氮气，可以调节为10重量ppm以下，碳可以调节为200重量ppm以下。

[0037] 另外，在B为30原子%以下的情况下，可以将骤冷后的锭进一步在800~1100℃的范围进行热处理，在B超过30原子%的情况下，可以将骤冷后的锭进一步在850~1150℃的范围进行热处理。该热处理温度当然可以根据合金种类和配合比率而变化，因此，可以在上述的温度范围内适当选择。

[0038] 通过该热处理具有去除“铸造后”的组织的应变，使其均匀化的效果。另外，通过该热处理具有可以抑制靶的破裂的效果。快速的热处理因抑制破裂而优选。热处理取决于被处理的锭的大小等，可以进行2小时以上，即使长时间也不会有问题，但从成本的方面考虑，没有必要进行超过20小时的处理。

[0039] 如上所述，通常以30~60℃/分钟对铸造物进行冷却，至室温附近实施处理时，因锭的表面和内部的温度差造成的应变，锭可能产生破裂。为了防止该情况，有效的策略是在冷却中途对锭实施热处理。

[0040] 该热处理后，还可以进行轧制加工。由此，可以破坏铸造组织，保持组织的均匀性。该轧制加工后，进一步进行再次热处理，从而也可以形成再结晶化的组织。上述工序之后，进行切割和机械加工而制成靶。B的含量增多时，难以进行加工，因此优选使用作为铸造品的靶。在热处理后进行切割的情况下，不会产生破裂问题。

[0041] 实施例

[0042] 下面，基于实施例和比较例进行说明。另外，本实施例终究是一例，本发明不受该例任何限制。即，本发明只受权利要求的范围的限制，含有包含于本发明的实施例以外的各种变形。

[0043] (实施例1)

[0044] 使用Co、Fe、B作为原料，将它们配合为Co：60原子%、Fe：20原子%、B：20原子%。接着，将它们放进坩埚，在1180℃加热熔炼。对它进行铸造形成锭，以50℃/分钟骤冷，在其途中以1000℃进行5小时热处理，然后以50℃/分钟进行冷却。

[0045] 接着，用车床将其切削加工成直径164.0mm、厚度4.0mm的形状而制成靶。表1表示该靶的杂质的分析值。

[0046] 上述表示了Co：60原子%、Fe：20原子%、B：20原子%的实施例，但B的含量为10原子%以上且50原子%以下，其余包含选自Co、Fe和Ni的一种以上元素的情况都可得到同样的结果。

[0047] 表1(重量ppm)

[0048]Al Cu Ni Si C O N
实施例1 ＜10 10 90 44 150 ＜10 ＜10
比较例1 ＜10 20 110 77 160 180 ＜10
实施例2 - ＜10 86 40 160 20 ＜10
实施例3 ＜10 - 92 38 150 10 ＜10
实施例4 ＜10 ＜10 80 45 160 20 ＜10
实施例5 ＜10 15 82 48 140 ＜10 ＜10
实施例6 ＜10 24 77 50 150 10 ＜10
实施例7 ＜10 23 72 46 160 30 ＜10

[0049] 如该表1所示，Al：小于10重量ppm，Cu：10重量ppm、Ni：90重量ppm、Si：44重量ppm、C：150重量ppm、O：小于10重量ppm、N：小于10重量ppm。

[0050] 实施例1的靶的密度为7.83g/cm3。另外，作为磁特性的饱和磁化：4πls(G)为15170，最大导磁率：μmax为25.7。

[0051] 作为表示靶内的组成偏差的指标，将靶中任意1mm见方的主要成分元素，特别是硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A，在本实施例1的靶中硼的组成相对于整体的组成20原子%，集中在19.8原子%~20.2原子%的范围，即使组成特别偏差的部分也为(Am-A)/A＝0.01，在靶的任意点中(Am-A)/A都为0.01以下。

[0052] (比较例1)

[0053] 对原料进行粉末化加工，得到平均粒径150μm的Co：60原子%、Fe：20原子%、B：20原子%的合金粉末。在1050℃对它们进行烧结，用车床将其切削加工成直径165.1mm、厚度6.35mm的形状而制成靶。表1同样表示该靶的杂质的分析值。

[0054] 如该表1所示，Al：小于10重量ppm、Cu：20重量ppm、Ni：110重量ppm、Si：77重量ppm、C：160重量ppm、O：180重量ppm、N：小于10重量ppm。

[0055] 另外，靶的密度为7.73g/cm3。另外，作为磁特性的饱和磁化：4πls(G)为14780，最大导磁率：μmax为24.7。

[0056] 另外，作为指示靶内的组成偏差的指标，在将靶中任意的1mm见方的主要成分元素，特别是将硼(B)的组成设为Am时的Am与整个靶的该成分的组成A的偏差(Am-A)/A在本比较例1的靶中为0.01以内。

[0057] (实施例1和比较例1的靶的对比)

[0058] 如上述表1所示，实施例1与比较例1相比，可知大部分的杂质降低。特别是，氧显著降低。与此相对，比较例中尽管使用了雾化粉，但氧仍为180重量ppm，作为靶具有气体成分多这样的问题。

[0059] 关于靶的密度，实施例1与比较例1相比，靶的密度增高，可以说是当然的结果。密度低意味着空穴的存在，因此其会助长飞弧的产生和粉粒的产生。

[0060] 因此，密度的提高具有抑制飞弧产生和粉粒产生的功能。在该含义方面实施例1也是有效的。

[0061] 得到作为磁特性的饱和磁化：4πls(G)和最大导磁率：μmax大体同等这种效果。表2表示实施例1和比较例1的杂质的分析值之外的特性的比较。

[0062] 表2

[0063]

[0064] (Am-A)/A：表示将硼(B)的组成设为Am时，Am与整个靶的该成分的组成A的偏差。

[0065] 4πls(G)、μmax都表示磁特性。

[0066] (比较例2)

[0067] 使用Co、Fe、B作为原料，将它们按Co：60原子%、Fe：20原子%、B：20原子%进行配合。接着，将它们放入坩埚加热熔炼至1180℃。对它们进行铸造制作锭，以20℃/分钟冷却至室温，不进行热处理。这时，从1180℃开始的以冷却速度20℃/分钟的结果，是表示靶内的组成偏差的指标(Am-A)/A大到0.03。

[0068] (比较例3)

[0069] 使用Co、Fe、B作为原料，并将它们以Co：60原子%、Fe：20原子%、B：20原子%进行配合。接着，将它们放入坩埚加热熔炼至1180℃。对它们进行铸造制成锭。这时，从1180℃以冷却速度40℃/分钟骤冷至室温，不实施热处理。在取出的锭中上出现龟裂。

[0070] (实施例2-实施例7)

[0071] 下面，以Co、Fe：20原子%、B：20原子%为基本成分，再以在实施例2中添加Al：0.5原子%，在实施例3中添加Cu：1原子%，在实施例4中添加Mn：2原子%，在实施例5中添加Nb：5原子%，在实施例6中添加Ta：7原子%，在实施例7中添加Zr：10原子%，其余为Co的成分进行调节。

[0072] 接着，分别将它们放入坩埚，加热熔炼至1180℃。而且，再对其进行铸造，制作锭，以30~60℃/分钟骤冷，在其中途以900~1100℃进行2~20小时热处理后，以30~60℃/分钟冷却。

[0073] 接着，利用车床切削加工成直径164.0mm、厚度4.0mm的形状而制成靶。表1表示该情况的靶的杂质的分析结果。

[0074] (实施例2的杂质分析结果)

[0075] 如表1所示，实施例2中Cu：小于10重量ppm、Ni：86重量ppm、Si：40重量ppm、C：160重量ppm、O：20重量ppm、N：小于10重量ppm。另外，实施例2中因添加Al，因此不计为杂质。

[0076] 如上述表1所示，实施例2与比较例1相比，可知大部分杂质降低。特别是可以确认到氧的降低显著。

[0077] (实施例3的杂质分析结果)

[0078] 如表1所示，实施例3中，Al：小于10重量ppm、Ni：92重量ppm、Si：38重量ppm、C：150重量ppm、O：10重量ppm、N：小于10重量ppm。另外，实施例3中因添加Cu，因此不计为杂质。

[0079] 如上述表1所示，实施例3与比较例1相比，可知大部分杂质降低。特别是可以确认到氧的降低显著。

[0080] (实施例4的杂质分析结果)

[0081] 如表1所示，实施例4中，Al：小于10重量ppm、Cu：小于10重量ppm、Ni：80重量ppm、Si：45重量ppm、C：160重量ppm、O：20重量ppm、N：小于10重量ppm。

[0082] 如上述表1所示，实施例4与比较例1相比，可知大部分杂质降低。特别是可以确认到氧的降低显著。

[0083] (实施例5的杂质分析结果)

[0084] 如表1所示，实施例5中，Al：小于10重量ppm、Cu：15重量ppm、Ni：82重量ppm、Si：48重量ppm、C：140重量ppm、O：小于10重量ppm、N：小于10重量ppm。

[0085] 如上述表1所示，实施例5与比较例1相比，可知大部分杂质降低。特别是可以确认到氧的降低显著。

[0086] (实施例6的杂质的分析结果)