CN106536787A - 将防腐蚀性金属与Mo或Mo合金扩散接合而得到的背衬板、以及具备该背衬板的溅射靶‑背衬板组件 - Google Patents

将防腐蚀性金属与Mo或Mo合金扩散接合而得到的背衬板、以及具备该背衬板的溅射靶‑背衬板组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种背衬板，其为将防腐蚀性的金属与Mo或Mo合金接合而得到的背衬板，其中，在该Mo或Mo合金制背衬板的将要冷却的一侧(冷却面侧)的表面具备具有背衬板的总厚度的1/40～1/8的厚度的、通过接合选自Cu、Al或Ti中的一种以上金属或它们的合金而得到的包含防腐蚀性金属的层。本发明还提供将该Mo或Mo合金制背衬板与包含低热膨胀材料的靶接合而得到的溅射靶‑背衬板组件。特别是，在半导体用途中，推进微细化，溅射时的粉粒的控制变得非常严格。本申请发明的课题在于，解决在包含低热膨胀材料的溅射靶的翘曲和Mo或Mo合金制背衬板的耐腐蚀性方面产生的问题。

Description

将防腐蚀性金属与Mo或Mo合金扩散接合而得到的背衬板、以 及具备该背衬板的溅射靶-背衬板组件
技术领域
本发明涉及将低热膨胀材料作为溅射靶材时使用的背衬板，特别是，涉及能够防止溅射靶与背衬板的接合时或溅射时的翘曲(变形)的、将防腐蚀性金属与Mo或Mo合金扩散接合而得到的背衬板以及具备该背衬板的溅射靶-背衬板组件。
背景技术
近年来，在半导体器件的用途中，渐渐需要各种各样的薄膜，硅、锗、碳等低热膨胀材料的需求也渐渐增加。另外，随着作为基板的硅晶片的直径增大至200mm、300mm、450mm，溅射靶也在推进大型化，产生了使用这些低热膨胀材料制作大口径的靶的需要。
另一方面，推进半导体器件向纳米区域的微细化，要求比以往更薄的薄膜且在整个基板上以均匀的膜厚进行成膜，因此，溅射靶的翘曲的控制渐渐变得更严格。
在制作低热膨胀材料的靶的情况下，存在越是大口径则靶材料与背衬板材料的热膨胀量之差越大，从而越容易翘曲的问题。
此外，近年来，为了提高生产效率，在高功率下进行溅射。在该高功率下的溅射时成为问题的是，背衬板自身的强度与冷却能力(良热导率)以及背衬板与靶的接合强度。
特别是，在将通常使用的铜制的背衬板与低热膨胀的靶材加热至钎料的熔点以上并进行钎焊后进行冷却时，膨胀系数大的铜制的背衬板大幅收缩，因此发生靶材侧形成凸型的翘曲(变形)，这成为阻碍在溅射时形成均匀的膜的主要原因。另外，在接合界面处两种材料的收缩量之差导致接合强度下降的问题。
在对高品质的薄膜更严格要求的最近的半导体的用途中，需要解决该课题。此外，需要不仅溅射特性优良而且具有不会污染洁净室内或冷却水的耐腐蚀性优良的背衬板的溅射靶。
作为现有技术，存在若干将在金属材料中相对低热膨胀的Mo(钼)用于接合层或背衬板的例子。作为其一例，有专利文献1。该文献1的第0006段中记载了，在接合后的冷却时由于两者的热膨胀率之差而产生翘曲、由于该翘曲而产生靶构件的破裂等，因而提供翘曲小、冷却效率优良的溅射靶的目的(第0008段)。然而，其解决手段是使钼粉末等金属粉末混合在金属接合材料层中的方法，是与后述的本发明完全不同的方法。
专利文献2的第0006段中记载了考虑强度、耐腐蚀性以及传热特性来选择支撑板材料(背衬板)，为了生成更稳定的等离子体，作为降低涡电流的材料，列举了电导率低的钼作为支撑板材料的选项之一(参见第0007段、第0027段)。
然而，在使用钼背衬板并且如果以与该钼直接接触的方式流通冷却水的情况下，容易产生氧化钼的锈，会污染溅射装置的周边环境，而文献2中完全没有提及改善其耐腐蚀性的手段。
另外，专利文献3中记载了以Mo或Mo/Cu复合物作为背衬板的Si靶。另外，背衬板材料从与硅的热膨胀系数(CTE)相近的材料中选择。然而，关于Mo/Cu的复合材料的制作方法，可考虑各种各样的方法，没有关于具体的解决方法的记载。
另外，没有关于耐腐蚀性、Mo/Cu的厚度的记载，可认为仅单纯进行复合化的情况下，不能实现作为目标的溅射靶的需求规格。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3829367号公报
专利文献2：日本特表2007-534834号公报
专利文献3：WO2013/070679/A1
发明内容
发明所要解决的问题
本发明为用于与包含低热膨胀材料的靶接合Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，在对该Mo或Mo合金制背衬板进行冷却的一侧(冷却面侧)的表面具备背衬板的总厚度的1/40～1/8的、通过扩散接合选自Cu、Al或Ti中的一种以上金属或它们的合金而得到的包含防腐蚀性的金属的层。在溅射时成为问题的是，背衬板自身的强度与冷却能力、以及背衬板与靶的接合强度。
另外，不污染溅射装置的冷却水、洁净室等周边环境。
为了缓和热膨胀差而将钼用于背衬板并进行水冷时，需要防止生锈的处理。本申请发明的课题在于解决这些问题。
用于解决问题的手段
为了解决上述的课题，提供以下的发明。
1)一种Mo或Mo合金制背衬板，其为用于与靶接合的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，在该Mo或Mo合金制背衬板的将要冷却的一侧(冷却面侧)的表面具备具有背衬板的总厚度的1/40～1/8的厚度的包含防腐蚀性金属的层。
2)如1)所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，上述防腐蚀性金属为选自Cu、Al或Ti中的一种以上金属或它们的合金。
3)如上述1)～2)所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，Mo或Mo合金制背衬板的与防腐蚀性金属接合的面具有高差，且该高差为2mm以上。
4)如上述1)～3)所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，Mo或Mo合金制背衬板的与防腐蚀性金属接合的面的高差部具有R1～R3的曲面。
5)如上述1)～4)中任一项所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，Mo或Mo合金制背衬板为圆盘状，且直径为500mm以上。
6)如上述1)～5)中任一项所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，在上述扩散接合界面的Mo或Mo合金制背衬板的防腐蚀性金属的接合面具有深度0.08mm～0.4mm的槽。
7)如上述1)～6)中任一项所述的Mo合金制背衬板，其特征在于，上述Mo合金为含有80重量％以上的Mo的合金。
8)一种溅射靶-背衬板组件，其特征在于，通过将上述1)～7)中任一项所述的Mo或Mo合金制背衬板与包含低热膨胀材料的靶接合而得到。
9)如8)所述的溅射靶-背衬板组件，其特征在于，包含低热膨胀材料的靶为99.99重量％(4N)以上的硅、锗、碳中的任意一种的单一材料、或者含有95重量％以上的这些物质的复合材料。
发明效果
本发明涉及一种背衬板，其为用于与包含低热膨胀材料的靶接合的、膨胀系数小的Mo或Mo合金为主体的背衬板，并且作为容易由于冷却水而发生腐蚀的Mo的防腐蚀，在对该Mo或Mo合金制背衬板进行冷却的一侧(冷却面侧)的表面以致密且牢固的层的形式形成有具有背衬板的总厚度的1/40～1/8的厚度的防腐蚀性的金属。
在本申请发明中，由于将包含低热膨胀材料的靶与热膨胀系数接近的Mo或Mo合金制背衬板接合，因此能够尽可能减小溅射靶的翘曲。由此能够在粉粒少的情况下在整个基板上形成均匀的膜。
另外，通过在钼的冷却面侧具备包含防腐蚀性金属的层，能够解决如下问题：以往的由于钼的腐蚀而产生的黑色粉状的锈混入冷却水的问题；在靶的卸下时锈向洁净室内扩散的问题。
另外，对于在溅射时成为问题的背衬板自身的强度、耐腐蚀性、冷却能力以及背衬板与靶的接合强度而言，在保持适当厚度的情况下对低热膨胀、高热导率、高强度的钼材料进行耐腐蚀处理的方面，本申请发明也具有效果。
由此，在利用钎焊接合的溅射靶中，具有能够进行高功率下的溅射，能够利用均匀的成膜减少不良率，并且能够提高生产效率这样的巨大效果。另外，能够提供不污染装置的冷却水、洁净室等周边环境的高清洁度的溅射靶。
附图说明
图1的a)、b)是Mo或Mo合金制背衬板和在对该Mo或Mo合金制背衬板进行冷却的一侧(冷却面侧)的表面引入防腐蚀性的金属然后将溅射靶材与背衬板接合的图。
图2是Mo制背衬板与在对该Mo制背衬板进行冷却的一侧(冷却面侧)的表面扩散接合有OFC(Cu)的情况的截面说明图。
图3是Mo制背衬板与在对该Mo制背衬板进行冷却的一侧(冷却面侧)的表面扩散接合有Al的情况的截面说明图。
具体实施方式
作为溅射方法已知：在导入了氩气的溅射装置中，将靶侧作为阴极，将基板侧作为阳极，对双方施加电压，通过Ar离子对靶的撞击而将靶材敲出，利用其飞来对基板的被覆方法；或者利用由靶溅射的原子发生离子化然后进行溅射的所谓的自溅射的被覆方法。
多数情况下，溅射靶以与背衬板接合并且能够通过对该背衬板进行冷却来防止靶的异常温度上升从而进行稳定的溅射的方式构成。
在这样的溅射装置中，为了提高生产效率并能够进行高速溅射，有使溅射功率上升的趋势。通常，背衬板使用热传导性好且具有一定强度的材料。即使如此，仍存在如下问题：在靶与背衬板的接合界面间产生温度差，由于两种材料的热膨胀的差异而在接合部累积应变，产生靶的剥离或变形(翘曲)。
靶的变形(翘曲)引发如下现象：通过溅射而形成的薄膜的均匀性变差；或者发生电弧放电而引发异常粉粒产生，在极端情况下等离子体的产生停止。
为了解决这样的问题，考虑采取提高背衬板的强度、或者通过改变材质而使热应力减小等对策，但是存在与作为靶的材质的低热膨胀材料的适合性的问题，至今尚未发现适当的解决方法。
翘曲的产生在对靶和背衬板材在钎料的熔点以上的温度进行接合后进行冷却的情况下也发生。
以往，相对于线膨胀系数(CTE)在20℃为2.6×10-6/K的Si，使用铜合金、无氧铜(20℃下的CTE：约17×10-6/K)作为背衬板。因此，背衬板侧大幅收缩，在溅射材料侧变形为凸型。
作为其对策，有时采用增厚在靶构件与背衬板的接合中使用的金属铟焊料等钎料的层来使之缓和的方法，在大口径的靶的情况下存在极限，不能说对于翘曲的抑制是充分的。
因此，使用低热膨胀(20℃～100℃下的CTE：3.7～5.3×10-6/K)且热导率大的钼制的背衬板，得到了一定的效果。然而，在半导体用途的高功率的溅射中，为了抑制靶的温度上升，需要在钼制BP的背面(与溅射面相反的一侧)安装冷却夹套并使水循环。
在此产生了大问题。即，与冷却水直接接触的钼容易腐蚀，产生黑锈，因此，产生对冷却水(循环水)、周边装置造成不良影响的问题。因此，需要改善Mo的耐腐蚀性，但是在这种情况下也产生了若干问题：首先，钼是难镀敷材料，不能容易地进行镀敷；此外，由于在镀敷后进行接合，因此在大气中暴露于钎料的熔点以上的高温，镀膜发生氧化变色；另外，需要消除在镀膜中存在的针孔等。
另外，在镀敷法中，有时能够实用的镀敷厚度薄至约100μm，在残留有针孔的情况下水经由该部分到达钼，从长寿命化的意义上来说，存在难以采用充分对策的问题。
另外，在利用点焊的铜板的粘贴的情况下，存在如下问题：钼与铜板的密合存在不充分的地方(空洞)，从冷却面侧向靶面方向的冷却能力下降。
因此，用于与包含低热膨胀材料的靶接合的Mo或Mo合金制背衬板在对Mo或Mo合金制背衬板进行冷却的一侧(冷却面侧：将要接合的靶的相反侧)的表面形成具有背衬板的总厚度的1/40～1/8的厚度的、选自Cu、Al或Ti中的一种以上金属层或它们的合金层。
如此，由于包含防腐蚀性金属的层薄，因而形成作为背衬板的基质的钼的低热膨胀收缩行为的阻碍小的背衬板，因此具有能够减小与靶的接合时的翘曲的效果。
例如，这些防腐蚀性金属的防锈层可以通过对板材进行扩散接合来制作。通过进行扩散接合，具有更致密且密合性更高、因此没有针孔的产生、能够显著提高冷却面的耐腐蚀性、耐久性的效果。而且，通过扩散接合，钼与防腐蚀层完全密合，因而具有导热性好、向靶侧的冷却效率高这样的特性。本发明不依赖于上述接合方法，可以适当选择各种接合方法。
上述Mo或Mo合金制背衬板的冷却侧的面可以形成高差。将要接合的Mo或Mo合金制背衬板的高差为2mm以上时，能够有效地冷却背衬板，因而是有效的。在该高差的接合界面以总厚度的1/40～1/8的厚度接合其它层是以往不存在的技术。
另外，在背衬板的背面具有如上所述的高差的情况下，在存在高差的部分边缘部有棱角时，有时板彼此不能良好贴合，因而在Mo或Mo合金制背衬板高差部的角部可以具有R1～R3的曲面。
本申请发明的Mo或Mo合金制背衬板虽然也可以应用于矩形，但通常为圆盘状，对直径为500mm以上的大型的背衬板特别有效。这是因为，当直径这样地增大时，由于靶与背衬板的热膨胀的差异而导致的位移量之差变得更大，靶容易产生翘曲。
另外，可以在上述扩散接合界面的Mo或Mo合金制背衬板的防腐蚀性金属的接合面形成深度0.08mm～0.4mm的槽。能够利用锚固效应提高背衬板与防腐蚀性的金属的接合强度。
对于上述Mo或Mo合金而言，在合金的情况下优选包含Mo为80重量％以上的合金，另外，Mo优选处于99.999重量％(5N)的纯Mo的范围。对合金元素没有特别限制，可以使用含有0.7～1.2重量％的Cr的合金。该Mo或Mo合金是强度高且热传导性好的材料。
作为典型的Mo或Mo合金制背衬板的使用形态，为接合有包含低热膨胀材料的靶的Mo或Mo合金制背衬板，另外，包含低热膨胀材料的靶是99.99重量％(4N)以上的硅、锗、碳中的任意一种的单一材料或含有95重量％以上的这些物质的复合材料。
如此制作的本申请发明的具备包含耐腐蚀性金属的层的Mo或Mo合金制背衬板能够抑制与冷却水直接接触的钼的腐蚀，消除对排水、周边装置造成不良影响的问题。另外，能够提高背衬板自身的强度和冷却能力以及背衬板与靶的接合强度，能够有效地抑制由于溅射靶与背衬板的接合时或溅射时的热影响而产生翘曲(变形)，由此能够解决在溅射时产生粉粒这样的问题。
将如上所述制作的Mo或Mo合金制背衬板与包含低热膨胀材料的靶接合，可以得到本发明的溅射靶-背衬板接合体。包含低热膨胀材料的靶可以使用99.99重量％(4N)以上的硅、锗(20℃的CTE：5.7×10-6/K)、碳(20℃的石墨的CTE：3.1×10-6/K)或以它们作为主要成分的低热膨胀材料来形成溅射靶-背衬板接合体。
然而，将要接合的靶材不需要限于上述材料是不言而喻的。另外，靶与背衬板的接合可以使用以往公知的技术，没有特别限制。需要说明的是，上述4N表示除了氧、氮、碳等气体成分以外的金属杂质的量为0.01重量％以下。
实施例
基于实施例和比较例对本申请发明进行说明。需要说明的是，本实施例只不过为一例，并不仅限于该例。即，包含本发明中包含的其它方式或变形。
(实施例1)
使用图1、图2对本发明的具体例进行说明。将纯度3N的Mo加工成直径540mm、总厚度20mm的圆盘状，然后在一个面形成直径480mm、深度4mm的锪孔(座繰リ)，从而准备了成为背衬板的基质的凹型的材料1(参见图1的a)、b))。此时，高差部的边缘带有R1.5的圆度，并且为了在接合时具有锚固效应，在Mo整个底面上规则地形成深度0.08mm的槽(参见图2)。
接着，将作为防腐蚀性金属的无氧铜(OFC)2加工成凸部的边缘为R1.5且直径为480mm、并且外形尺寸的直径为540mm、总厚度为7mm(参见图1的a)、b))。然后，凹侧以正公差进行加工，凸侧以负公差进行加工。
将这两种材料的凹凸连接，放入SUS制的金属盒中，并进行包封使得SUS制的盒的内部能够保持真空。
接着，对该盒进行650℃-150MPa的HIP处理，进行Mo与OFC的扩散接合。顺便说一下，将相同条件的另一样品破坏并观察其接合界面的截面，结果确认到：如图2所示，在Mo的槽中无间隙地填充有OFC，Mo与OFC完全接合。
对于HIP处理结束后的材料，将盒开封，并进行机械加工成规定的背衬板形状。此时，加工后的背衬板的总厚度为18mm，因此作为防腐蚀层的OFC以达到总厚度的十五分之一的1.20mm厚度覆盖钼的底面。将加工结束后的背衬板的结构的例子示于图1的a)。
接着，将作为低热膨胀材料的硅作为靶材3，使用铟作为钎料4，在180℃与该背衬板进行接合，然后一边控制降温速度一边冷却至室温。在以往的背衬板为整个面OFC的情况下，由于与硅的热膨胀系数的差异，产生了约0.5mm的平直量具与靶面接触时的翘曲。
然而，本次以低热膨胀的钼作为基质，控制作为防腐蚀层的OFC的比率，由此翘曲量小于0.1mm。将接合结束后的溅射靶的截面结构的例子示于图1的b)。
另外，由于接合时的180℃的加热，OFC的表面发生氧化而变色，但是利用砂纸轻轻擦拭表面，由此得到了清洁的表面。接着，以冷却水与该OFC的面直接接触的方式循环水，在连续运行30天后观察表面状态。其结果是，虽然OFC的表面略微具有红色，但是基底的Mo被完全保护，没有像以往那样Mo发生腐蚀而产生黑锈。
使用这样的背衬板与低热膨胀的靶材料接合而得到的溅射靶与以往相比大幅减小了翘曲，并且即使对背衬板进行长期水冷也不会发生腐蚀，可以表现出低粉粒的特性。
(实施例2)
使用图1、图3对本发明的具体例进行说明。将纯度3N的Mo加工成直径540mm、总厚度18mm的圆盘状，然后在一个面形成直径480mm、深度3mm的锪孔，从而准备了作为背衬板的基质的凹型的材料(参见图1)。此时，高差部的边缘具备R1.5的圆度，并且为了在接合时具备锚固效应，在Mo整个底面上规则地形成深度0.12mm的槽。
接着，将作为防腐蚀性金属的铝(5052合金)以凸部的边缘为R1.5且直径为480mm、并且外径为600mm、内径为540mm、总厚度为21mm的方式加工成钵型(参见图1、图3)。
与实施例1同样地注意嵌入部分的公差。将这两种材料的凹凸连接，盖上铝盖，在真空中进行EB焊接，并进行包封使得铝容器的内部能够保持真空。
接着，对该盒进行400℃-150MPa的HIP处理，进行Mo与铝的扩散接合。顺便说一下，将相同条件的另一样品破坏并观察其接合界面的截面，结果确认到：如图3所示，铝无间隙地填充在Mo的槽中，Mo与铝完全接合。
对于HIP处理结束后的材料，将盒开封，并进行机械加工成规定的背衬板形状。此时，由于加工后的背衬板的总厚度为17mm，因此作为防腐蚀层的铝以总厚度的三十分之一的0.57mm厚度覆盖钼的底面。将加工结束后的背衬板的结构的例子示于图3。
接着，以铟作为钎料在180℃对该背衬板与作为低热膨胀材料的硅进行接合，然后一边控制降温速度一边冷却至室温。在以往的背衬板为整个面的铝的情况下，由于与硅的热膨胀系数的差异，因而产生了约0.7mm的平直量具与靶面接触时的翘曲。
然而，本次以低热膨胀的钼作为基质，并控制作为防腐蚀层的铝的比率，由此翘曲量小于0.1mm。将接合结束后的溅射靶的截面结构的例子示于图1、3。
接着，以冷却水与该铝的面直接接触的方式循环水，连续运行30天后，观察表面状态。其结果是，铝的表面几乎未观察到变化，基底的Mo被完全保护，没有像以往那样Mo发生腐蚀而产生黑锈。
使用这样的背衬板与低热膨胀的靶材料接合而得到的溅射靶与以往相比大幅减小了翘曲，并且即使对背衬板进行长期水冷也不会发生腐蚀，可以表现出低粉粒的特性。
产业实用性
本发明为用于与包含低热膨胀材料的靶接合的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，在对该Mo或Mo合金制背衬板进行冷却的一侧(与溅射面相反的一侧)的表面具备具有背衬板的总厚度的1/40～1/8的厚度的、通过接合选自Cu、Al或Ti中的一种以上金属或这些合金而得到的包含防腐蚀性金属的层。
在溅射时特别成为问题的是溅射靶的翘曲、接合强度、背衬板的耐腐蚀性，减小了靶材与背衬板的热膨胀差，减小了由于接合时或溅射时的热影响而产生的翘曲(变形)，并且抑制了接合界面的内部应变。另外，存在进行水冷的钼发生腐蚀而污染溅射装置的周边环境的问题，本申请发明具有可以克服该问题的优良效果。
而且，由此能够提供溅射的稳定性优良、粉粒少、能够在整个基板上形成均匀的薄膜的溅射靶。另外，具有如下巨大效果：即使在高功率下的溅射中，也能够使溅射装置的周边环境保持洁净，能够进行均匀的成膜，并且可以降低不良率且提高生产效率，从而在产业上极为有效。

Claims (9)

1.一种Mo或Mo合金制背衬板，其为用于与靶接合的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，在该Mo或Mo合金制背衬板的将要冷却的一侧(冷却面侧)的表面具备具有背衬板的总厚度的1/40～1/8的厚度的包含防腐蚀性金属的层。
2.如权利要求1所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，所述防腐蚀性金属为选自Cu、Al或Ti中的一种以上金属或它们的合金。
3.如权利要求1～2所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，Mo或Mo合金制背衬板的与防腐蚀性金属接合的面具有高差，且该高差为2mm以上。
4.如权利要求1～3所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，Mo或Mo合金制背衬板的与防腐蚀性金属接合的面的高差部具有R1～R3的曲面。
5.如权利要求1～4中任一项所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，Mo或Mo合金制背衬板为圆盘状，且直径为500mm以上。
6.如权利要求1～5中任一项所述的Mo或Mo合金制背衬板，其特征在于，在所述扩散接合界面的Mo或Mo合金制背衬板的防腐蚀性金属的接合面具有深度0.08mm～0.4mm的槽。
7.如权利要求1～6中任一项所述的Mo合金制背衬板，其特征在于，所述Mo合金为含有80重量％以上的Mo的合金。
8.一种溅射靶-背衬板组件，其特征在于，通过将权利要求1～7中任一项所述的Mo或Mo合金制背衬板与包含低热膨胀材料的靶接合而得到。
9.如权利要求8所述的溅射靶-背衬板组件，其特征在于，包含低热膨胀材料的靶为99.99重量％(4N)以上的硅、锗、碳中的任意一种的单一材料、或者含有95重量％以上的这些物质的复合材料。
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