CN105209657A - 溅射靶/背衬板组件 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种溅射/背衬板组件，其特征在于，溅射靶包含具有150～200MPa的0.2％屈服应力的Ta，背衬板包含具有60～200MPa的0.2％屈服应力的Cu合金。本发明的课题在于，尽量减少由于以双金属的形式热膨胀与收缩而产生的溅射靶的塑形变形，提高膜厚的均匀性，提高成膜速度且提高生产率。

Description

溅射靶/背衬板组件
技术领域
本发明涉及具有在磁控溅射中所需要的特性的溅射靶/背衬板组件。
背景技术
一直以来，作为电子电气部件用材料的成膜方法之一，经常使用可以容易控制膜厚、成分的溅射法。另外，为了提高该溅射的成膜速度，尤其经常使用通过电磁力控制等离子体的磁控溅射装置。另外，为了提高成膜速度而使溅射靶的输入功率尽可能大，然而在这种情况下，通过阳离子对靶表面的撞击而进行加热，随着输入功率增加，靶的温度有升高的倾向。
通常，溅射靶的结构是，与由铜等热传导性优良的材料制作的背衬板接合，将该背衬板利用水冷等手段进行冷却，将如上所述被加热的溅射靶间接冷却。背衬板在多数情况下会被再利用，因此该溅射靶与背衬板经常以能够更换溅射靶的方式用焊接材料、胶粘剂接合。
通常，磁控溅射装置中的磁铁采用在冷却装置中使其旋转的结构。在这样的装置中，在冷却装置中使磁铁旋转时产生涡电流，随着旋转速度的增加，涡电流也增大。而且，由于该涡电流而产生逆磁场，其作用是减少有效磁通量。这样的有效磁通量的减少结果会对膜的均匀性产生大的影响，产生的问题是使成膜速度变化。
接下来，介绍现有技术。
在专利文献1中公开了一种靶/背衬板组件，其为用于磁控溅射的铜或铜合金靶/铜合金背衬板组件，铜合金背衬板为铍铜合金、Cu-Ni-Si合金。
另外，在专利文献2中记载了一种将铜、铝、钽等溅射靶与比电阻值为3.0μΩ·cm以上且拉伸强度为150MPa以上的铜合金或铝合金制背衬板接合而成的组件。
在专利文献3中公开了一种将包含具有200MPa以上的0.2％屈服应力的Cu合金的溅射用背衬板与溅射靶接合而成的组件。另外，在专利文献4中记载了一种将包含具有200MPa以上的0.2％屈服应力的Al合金的溅射用背衬板与溅射靶接合而成的组件。
在专利文献5中公开了一种即使在靶与背衬板的热膨胀率之差大的情况下扩散接合后的变形也小，经由铝或铝合金的插层材料扩散接合的组件。另外，在专利文献6中记载了一种强度与涡电流特性优良、具有在靶的中央部的背衬板位置上埋入有纯铜的结构的溅射靶/背衬板组件。
但是，以往的溅射靶/背衬板组件存在以下问题。即，由于对溅射靶施加对应于输入功率(溅射功率)的热，因此开关溅射电源时，反复对靶进行加热与冷却。因此，溅射靶/背衬板组件如图1所示反复发生由于以双金属的形式热膨胀与收缩而引起的变形，在靶上产生塑性变形。而且，这样的靶的变形存在的问题是，引起膜厚的均匀性、成膜速度的变化、与磁铁接触等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4331727号
专利文献2：日本特开2001-329362号公报
专利文献3：日本特开平11-236665号公报
专利文献4：日本特开平10-330929号公报
专利文献5：国际公开第2010/134417号
专利文献6：国际公开第2011/018970号
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的课题在于，通过尽量减少溅射靶/背衬板组件由于以双金属的形式反复热膨胀与收缩而引起的溅射靶的塑形变形，提供一种能够提高膜厚的均匀性、且能够提高成膜速度、提高生产率的溅射靶/背衬板组件。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明人等进行了深入研究，结果发现：通过适当选择具有规定的0.2％屈服应力的材料作为溅射靶、背衬板，即使在溅射靶与背衬板的热膨胀系数之差大的情况下，也能够抑制由反复的热膨胀与收缩引起的溅射靶的塑性变形。
本发明基于该发现而提供：
1)一种溅射/背衬板组件，其为将溅射靶与热膨胀率大于该溅射靶的背衬板接合而得到的溅射靶/背衬板组件，其特征在于，溅射靶包含具有150～200MPa的0.2％屈服应力的Ta，背衬板包含具有60～200MPa的0.2％屈服应力的Cu合金。
2)如权利要求1所述的溅射靶/背衬板组件，其特征在于，背衬板包含具有100～150MPa的0.2％屈服应力的Cu合金。
3)如权利要求1所述的溅射靶/背衬板组件，其特征在于，背衬板包含Cu合金，所述Cu合金含有30～40原子％的Zn，且余量为Cu。
发明效果
本发明的溅射靶/背衬板组件通过尽量减少由于以双金属的形式热膨胀与收缩而产生的溅射靶的塑形变形，具有以下优良效果：能够提高膜厚的均匀性、且能够提高成膜速度、提高生产率。
附图说明
图1为表示溅射靶的翘曲产生过程的示意图。
图2为表示测定膜的薄层电阻的晶片面内49个位置的图。
具体实施方式
通常，在与热膨胀率(热膨胀系数)大的背衬板接合的溅射靶中，背衬板的屈服应力比溅射时的扩散接合界面处的应力强时，在溅射时在背衬板的溅射面侧在弹性变形区域内产生凹的变形。另一方面，溅射结束后将靶冷却时，由于收缩而在溅射靶上在溅射面侧产生凸的翘曲的塑形变形。因此，反复开关(运行、停止)溅射时，溅射靶变形逐渐进行，对于膜厚的均匀性、成膜速度的降低产生影响。
本发明为了解决上述课题，其特征在于，在将包含Ta的溅射靶与包含Cu合金的背衬板扩散接合而成的溅射/背衬板组件中，将该溅射靶的0.2％屈服应力调节为150～200MPa、将该背衬板的0.2％屈服应力调节为60～200MPa。
用作溅射靶构件的Ta的热膨胀系数在273K～373K的范围内为约6.1～约6.5μ/K，用作背衬板构件的Cu合金的热膨胀系数在273K～373K的范围内为约16.8～约17.6μ/K，然而即使在将这样的热膨胀率差异很大的溅射靶与背衬板接合的情况下，也能够有效地抑制溅射后的靶的塑形变形，降低溅射膜的面内变动。
在本发明中，将溅射靶(钽)的0.2％屈服应力调节为150MPa以上且200MPa以下。如果0.2％屈服应力小于150MPa，则溅射中容易发生塑性变形，另外，如果超过200MPa，则在制造方面变得困难，还花费成本，因此不优选。
在本发明中，将背衬板(铜合金)的0.2％屈服应力调节为60MPa以上且200MPa以下。如果0.2％屈服应力小于60MPa，则溅射后的靶的翘曲量增大，会超过允许范围。而且，这样的翘曲量的增大会降低溅射时的膜厚的均匀性并且降低成膜速度，因此不优选。另一方面，如果超过200MPa，则在制造方面变得困难，而且还花费成本，因此不优选。优选地，将背衬板(铜合金)的0.2％屈服应力调节为60～150MPa，进一步调节为100～150MPa。
就本发明的溅射/背衬板组件而言，作为背衬板优选使用含有Zn(锌)的Cu(铜)合金。Zn-Cu合金从抑制磁控溅射中的涡电流的方面出发是优选的，另外从强度、耐腐蚀性、强度的观点出发也是优选的。作为Zn-Cu合金的组成，优选含有30～40原子％的Zn，余量为Cu。
接着，以下对本发明的溅射靶/背衬板的制造方法的一例进行说明。需要说明的是，以下的说明是为了容易理解本发明，并不是以此限制本发明的范围。即，即使是其它制造方法，只要能够实现本发明，就包含在本发明中。
通常，即使材料的成分组成相同，0.2％屈服应力根据由锻造、轧制等引起的塑形变形、特别是热处理历史的不同而不同，因此，在本发明中尤其重要的是，通过控制锻造、退火、轧制、热处理等条件而进行加工，使得溅射靶、背衬板的0.2％屈服应力达到规定的范围。
在制作溅射靶时，首先将钽原料进行电子束熔炼，通过对其进行铸造而制成直径195mmφ的钽锭。就钽原料的纯度而言，为了防止由杂质引起的电特性的劣化，优选使用高纯度原料。例如，可以使用纯度约99.995％的钽原料。锭的尺寸可以根据期望的靶尺寸进行适当变化。
接着，对该锭在室温下进行压锻而制成直径150mmφ，然后将其在1100～1400℃的温度下进行再结晶退火。再次将其在室温下锻造而制成厚度100mm、直径150mmφ(一次锻造)，之后，在再结晶温度～1400℃的温度下进行再结晶退火。再次将其在室温下锻造而制成厚度70～100mm、直径150～185mmφ(二次锻造)，之后，在再结晶温度～1400℃的温度下进行再结晶退火。
之后，对其以压下率80～90％进行轧制，然后在真空中在850～950℃的温度下进行热处理。由此，可以得到0.2％屈服应力为150～200MPa的Ta溅射靶。需要说明的是，所述锻造的程度、次数、压下率以及退火温度、热处理温度受到溅射靶尺寸等的影响，因此需要进行适当调节，本发明不限于上述的制造条件。
在制作背衬板时，例如对于Zn比率为34％、37％的Zn-Cu合金坯，进行700～800℃的65～70％的镦锻。然后，通过进行旋压加工而将其成形，之后对其在大气中在300～600℃的温度下进行热处理，由此能够得到0.2％屈服应力为60～200MPa的Cu合金背衬板。
镦锻(热锻)的温度、锻造的程度以及热处理温度，受到背衬板尺寸等的影响，因此需要进行适当调节，本发明不受上述制造条件任何限制。另外，上述的Cu合金中的Zn比率为一例，本发明不受该组成限制。
实施例
接着，对于实施例进行说明。需要说明的是，本实施例用于说明发明的一例，本发明并不限于这些实施例。即，本发明还包含本发明的技术构思所包含的其它方式及变形。
(实施例1)
使用0.2％屈服应力为181.7MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为142.2MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。需要说明的是，0.2％屈服应力测定按照JISZ2241(以下的实施例、比较例也同样)。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在以下的成膜条件下在8英寸的硅晶片上进行成膜，对经过靶寿命的膜厚均匀性进行评价。即，每300kWh进行溅射，求出图2所示的各晶片的面内49个部位的薄层电阻Rs的平均值，用其计算出晶片间的平均值与标准偏差，由此求出相对于靶寿命的溅射膜的面内变动(％)＝(晶片间的薄层电阻的标准偏差)/(晶片间的薄层电阻的平均值)×100。其结果是，膜厚的面内变动为2.0％。
(成膜条件)
电源：直流方式
功率：15kW
极限真空度：5×10-8托
气氛气体：Ar
溅射气体压力：5×10-3托
溅射时间：15秒
接着，进行溅射至以寿命计约1300kWh，然后从溅射装置中取出溅射靶/背衬板组件，并测定靶的翘曲量。翘曲设定为在溅射面上设置有平直量具时的溅射面的中心部与外周部的高度差。即，求出翘曲＝(溅射面中心部的高度)-(溅射面外周部的高度)。其结果是，翘曲为0.5mm。将以上的结果汇总示于表1。
(实施例2)
使用0.2％屈服应力为177.5MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：34.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为117.6MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为2.5％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为0.5mm。
(实施例3)
使用0.2％屈服应力为173.3MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为98.0MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为3％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为1mm。
(实施例4)
使用0.2％屈服应力为158.4MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：34.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为78.4MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为3.0％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为1.5mm。
(实施例5)
使用0.2％屈服应力为173.8MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：34.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为68.6MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为3.5％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为2.0mm。
(实施例6)
使用0.2％屈服应力为177.7MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为68.6MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为4.0％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为2.0mm。
(比较例1)
使用0.2％屈服应力为162.7MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为59.8MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为4.5％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为3.0mm。
(比较例2)
使用0.2％屈服应力为163.8MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：34.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为57.8MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为5.0％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为3.0mm。
(比较例3)
使用0.2％屈服应力为167.9MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为52.0MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为5.4％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为3.0mm。
(比较例4)
使用0.2％屈服应力为165.0MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：34.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为50.0MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为6.0％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为3.5mm。
(比较例5)
使用0.2％屈服应力为170.7MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为42.2MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为6.0％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为3.5mm。
(比较例6)
使用0.2％屈服应力为171.0MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：34.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为39.2MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为6.5％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为3.5mm。
(比较例7)
使用0.2％屈服应力为148.0MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为140.0MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为6.6％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为3.9mm。
(比较例8)
使用0.2％屈服应力为145.0MPa的钽，制作直径450mm、厚度13mm的溅射靶。作为背衬板，使用组成为Zn：37.0重量％、余量为Cu且0.2％屈服应力为40.0MPa的Cu合金，制作直径540mm、厚度13mm的背衬板。通过将该溅射靶与背衬板扩散接合而制作溅射靶/背衬板组件。
使用该溅射靶/背衬板组件，通过磁控溅射装置在与实施例1同样的条件下进行成膜，利用薄层电阻对膜厚均匀性进行评价。其结果是，如表1所示，膜厚的面内变动为6.9％。溅射后，从装置中取出组件，测定靶的翘曲量，结果为4.5mm。
如上所述，在任意的实施例中，通过使用具有150～200MPa的0.2％屈服应力的Ta作为溅射靶，并使用具有60～200MPa的0.2％屈服应力的Cu合金作为背衬板，能够抑制溅射靶的翘曲，而且能够减小溅射膜的面内变动。由此可知，溅射靶与背衬板的0.2％屈服应力的组合对于减小靶的翘曲起到重要的作用。
产业实用性
本发明具有以下优良效果：能够减小由溅射时的加热与冷却引起的靶的翘曲，而且由此可以提供能够提高膜厚均匀性且提高成膜速度的溅射靶/背衬板组件。本发明尤其可用于磁控溅射装置。

Claims (3)

1.一种溅射/背衬板组件，其为将溅射靶与热膨胀率大于该溅射靶的背衬板接合而得到的溅射靶/背衬板组件，其特征在于，溅射靶包含具有150～200MPa的0.2％屈服应力的Ta，背衬板包含具有60～200MPa的0.2％屈服应力的Cu合金。
2.如权利要求1所述的溅射靶/背衬板组件，其特征在于，背衬板包含具有100～150MPa的0.2％屈服应力的Cu合金。
3.如权利要求1所述的溅射靶/背衬板组件，其特征在于，背衬板包含Cu合金，所述Cu合金含有30～40原子％的Zn，且余量为Cu。
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