JP2008081763A - Target assembly unit and sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターゲット組立ユニットおよびスパッタリング装置に係り、更に詳しくは、スパッタリング装置の稼動時の、冷却板によるターゲットの冷却能力を適切に制御する技術に関する。 The present invention relates to a target assembly unit and a sputtering apparatus, and more particularly to a technique for appropriately controlling the cooling capacity of a target by a cooling plate during operation of the sputtering apparatus.
ターゲットに真空中でイオン(例えば、Arイオン)が衝突することにより、ターゲットの原子を飛び出させ、ターゲットに対向配置された基板に、この原子を付着させるというスパッタリング技術は、従来から良く知られ、半導体素子やLCD等の製造プロセスに使用される基盤技術になっている。 Sputtering techniques in which ions (for example, Ar ions) collide with a target in a vacuum to cause the target atoms to jump out and adhere to a substrate disposed opposite to the target are well known in the past. It is a fundamental technology used in the manufacturing process of semiconductor elements and LCDs.
スパッタリング技術に用いられるアルミ製やクロム製のターゲットの裏面には、通常、ターゲットの電極機能および冷却機能を兼ねる銅製の裏板(以下、「バッキングプレート」という)が設けられている。 A copper back plate (hereinafter referred to as “backing plate”) that also serves as an electrode function and a cooling function of the target is usually provided on the back surface of the aluminum or chromium target used in the sputtering technique.
ところで、バッキングプレートの変形度合いがターゲットの寸法精度に重大な影響を及ぼすことから、バッキングプレートには当該変形を極力抑える各種の工夫が従来からなされている。 By the way, since the degree of deformation of the backing plate has a significant effect on the dimensional accuracy of the target, various ideas have been conventionally made on the backing plate to suppress the deformation as much as possible.
例えば、バッキングプレートの裏面側の大気圧とその表面側の真空圧との差圧に基づくバッキングプレートの変形を抑止する目的で、この差圧に抗する向きにバッキングプレートの中央をボルトにより引っ張る技術がある(特許文献1参照)。 For example, in order to suppress the deformation of the backing plate based on the differential pressure between the atmospheric pressure on the back side of the backing plate and the vacuum pressure on the front side, a technique for pulling the center of the backing plate with a bolt in the direction against this differential pressure (See Patent Document 1).
また、バッキングプレートの裏面側をその表面側と同様に真空圧にすることにより、バッキングプレートの変形をもたらす差圧を無くし、バッキングプレート変形の要因を排除した技術がある(特許文献2参照)。 In addition, there is a technique that eliminates the cause of the deformation of the backing plate by eliminating the pressure difference that causes the deformation of the backing plate by making the back surface side of the backing plate the same as the surface side, thereby eliminating the pressure difference that causes the deformation of the backing plate (see Patent Document 2).
また、ターゲットとバッキングプレートとの間に緩衝層を設けターゲットとバッキングプレートを半田接合することにより、ターゲットの変形、割れおよび剥離を抑制する技術がある(特許文献3参照)。 In addition, there is a technique for suppressing deformation, cracking, and peeling of the target by providing a buffer layer between the target and the backing plate and soldering the target and the backing plate (see Patent Document 3).
更に、バッキングプレートとターゲットとの間のボンディング接合時の両者間の熱収縮率の差に起因するバッキングプレートの反り量を見越して、予めバッキングプレートの面を凹曲面にする技術がある(特許文献4および特許文献5参照)。 Furthermore, there is a technology for making the surface of the backing plate a concave curved surface in advance in anticipation of the amount of warping of the backing plate caused by the difference in thermal contraction rate between the backing plate and the target at the time of bonding and bonding (Patent Document). 4 and Patent Document 5).
なお「バッキングプレート」という用語は、ターゲット材料の裏面に半田付けや接着等によりボンディング接合され、ターゲット材料と一体的に出荷(交換)される部材として通用されているが、本明細書の「バッキングプレート」には、ターゲットの裏面に螺子止め等により着脱可能に別体的に固定される板部材をも含むものとする。 Note that the term “backing plate” is commonly used as a member that is bonded and bonded to the back surface of the target material by soldering or bonding, and is shipped (exchanged) integrally with the target material. The “plate” includes a plate member that is detachably fixed to the back surface of the target by screwing or the like.
ターゲットと別体に螺着される上記「バッキングプレート」としての板部材を記載した公知文献例としては、特許文献6、特許文献7、特許文献8および特許文献9がある。
本件発明者は、エロージョンのデットスペースであるターゲットの中央部を、例えば螺子止めにより、ターゲット冷却用のバッキングプレート(冷却板)に着脱可能に連結するとともに、バッキングプレートの周縁部を支持部材に固定すれば、ターゲットの交換作業効率化、ターゲットの面内方向熱歪防止化、バッキングプレート再利用化およびターゲットのワイドエロージョン容易化を図れて好適であると考えている。 The inventor detachably connects the center portion of the target, which is a dead space for erosion, to the backing plate (cooling plate) for cooling the target, for example, by screwing, and fixes the peripheral portion of the backing plate to the support member. In this case, it is considered preferable to improve the efficiency of target replacement work, prevent in-plane thermal distortion of the target, reuse the backing plate, and facilitate wide erosion of the target.
ところでこの場合、バッキングプレートによるターゲットの冷却能力を適切に確保する観点で、スパッタリング装置の稼働時(真空槽内の減圧時)のバッキングプレートの変形を如何様に制御するかという、バッキングプレート周辺の機構の設計指針が必要になる。そこで、先ずは、このような設計指針を決めるに当たり、特許文献1〜5記載のバッキングプレートの変形抑制技術について参酌の可否を検討した。 By the way, in this case, from the viewpoint of appropriately securing the cooling capacity of the target by the backing plate, how to control the deformation of the backing plate during the operation of the sputtering apparatus (during decompression in the vacuum chamber) Mechanism design guidelines are required. Therefore, first, in determining such a design guideline, whether or not to consider the buckling plate deformation suppressing technology described in Patent Documents 1 to 5 was examined.
特許文献1記載のターゲットの周辺構造では、ボルトがマグネットを貫通する構造になり、マグネットを回転や揺動させ難いことから、ターゲットのワイドエロージョン化に不利である。また、特許文献2記載のターゲットの周辺構造は、真空排気すべき内容積を増すことになり、頻繁に真空槽内を大気開放するバッチ式の装置に使いづらく、真空シール箇所の増加やバルブ機器設置に伴うコストアップという問題もある。従って、特許文献1および特許文献2のバッキングプレート周辺構造では上述のような短所が目立ち魅力に欠ける。 The peripheral structure of the target described in Patent Document 1 is disadvantageous for wide erosion of the target because the bolt penetrates the magnet and it is difficult to rotate or swing the magnet. Further, the peripheral structure of the target described in Patent Document 2 increases the internal volume to be evacuated, and is difficult to use in a batch-type apparatus that frequently releases the inside of the vacuum chamber to the atmosphere. There is also the problem of increased costs associated with installation. Therefore, the above-mentioned disadvantages are conspicuously lacking in the backing plate peripheral structures of Patent Document 1 and Patent Document 2.
一方、特許文献3、4および5記載の技術は、ターゲットを真空槽に装着する以前の、ターゲットとバッキングプレートとを半田等でボンディング接合する場合の不都合に対処するものである。よって、これらの技術は、ターゲットをバッキングプレートに着脱自在に連結する機構を前提として、スパッタリング装置の稼働時のバッキングプレートの変形を制御する手法にはそのまま適用できない。
On the other hand, the techniques described in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ターゲットの適所を連結部にして冷却板に着脱可能にターゲットを連結することにより、ターゲットの交換作業効率化、ターゲットの面内方向熱歪防止化、バッキングプレート再利用化およびターゲットのワイドエロージョン容易化を図りつつ、スパッタリング装置の稼働時(減圧時)の冷却板によるターゲットの冷却能力を適切に確保可能な、ターゲット組立ユニットおよびスパッタリング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and by connecting the target detachably to the cooling plate with the appropriate place of the target as a connecting portion, the target replacement work efficiency is improved, the in-plane direction of the target Target assembly unit and sputtering that can appropriately secure the cooling capacity of the target by the cooling plate when the sputtering apparatus is operating (at the time of decompression) while preventing thermal strain, reusing the backing plate, and facilitating wide erosion of the target An object is to provide an apparatus.
上記課題を解決するため、本発明によるターゲット組立ユニットは、スパッタリング用のターゲットと、第1連結手段を介して前記ターゲットを固定するとともに、第2連結手段を介してケーシングに支持される冷却板と、を備え、前記ターゲットは、前記第1連結手段の外力に基づいて前記冷却板の表面に沿うように弾性変形されるものである。 In order to solve the above-described problems, a target assembly unit according to the present invention includes a sputtering target, a cooling plate that is fixed to the target via first connection means and supported by the casing via second connection means. The target is elastically deformed along the surface of the cooling plate based on the external force of the first connecting means.
なおここで、前記ターゲットの変形の一例として、前記冷却板の表面は湾曲状に形成され、平らな状態の前記ターゲットが湾曲状に弾性変形されても良い。 Here, as an example of the deformation of the target, the surface of the cooling plate may be formed in a curved shape, and the target in a flat state may be elastically deformed into a curved shape.
また、前記ターゲットの他の変形例として、前記冷却板の表面は平らに形成され、湾曲した状態の前記ターゲットが平らに弾性変形されても良い。 As another modification of the target, the surface of the cooling plate may be formed flat, and the curved target may be elastically deformed flat.
これにより、例えば、スパッタリング装置の稼動時(減圧時)に冷却板の裏面に負圧と大気圧との間の差圧が与えられ、この差圧の分布荷重により冷却板が撓んだとしても、弾性変形されたターゲットの戻りにより、ターゲットと冷却板との間の密着性が保てる。よって、スパッタリング装置の稼動時の冷却板によるターゲットの冷却能力(冷却効率)が適切に確保される。 Thereby, for example, even when the sputtering apparatus is in operation (at the time of depressurization), even if a differential pressure between negative pressure and atmospheric pressure is given to the back surface of the cooling plate, By returning the elastically deformed target, the adhesion between the target and the cooling plate can be maintained. Therefore, the cooling capacity (cooling efficiency) of the target by the cooling plate during operation of the sputtering apparatus is appropriately ensured.
なお、前記第1連結手段は、前記冷却板および前記ターゲットの幅方向の略中央部に位置し、前記第2連結手段は、前記冷却板の周縁部に位置しても良い。 The first connecting means may be located at a substantially central portion in the width direction of the cooling plate and the target, and the second connecting means may be located at a peripheral portion of the cooling plate.
また、前記冷却板の表面の形状は、前記第2連結手段で前記冷却板をケーシングに固定支持させた場合に、前記冷却板の裏面に与えられる荷重に基づく前記冷却板の撓みにより、前記表面が平らになるようにして設定されても良い。 Further, the shape of the surface of the cooling plate is determined by the bending of the cooling plate based on the load applied to the back surface of the cooling plate when the cooling plate is fixedly supported on the casing by the second connecting means. May be set to be flat.
これにより、ターゲットのスパッタリング時にターゲットを水平にできるとともに、スパッタリング装置の稼動時に、ターゲットの裏面とバッキングプレートの表面との間の密着性を適切に保てる。 Accordingly, the target can be leveled during sputtering of the target, and adhesion between the back surface of the target and the surface of the backing plate can be appropriately maintained during operation of the sputtering apparatus.
また、前記冷却板は、湾曲して構成されても良い。 The cooling plate may be configured to be curved.
前記冷却板の表面が、前記湾曲状に削られても良い。 The surface of the cooling plate may be cut into the curved shape.
前記冷却板の表面が減圧された内部空間に曝される場合、前記荷重は、前記内部空間の圧力と大気圧との間の差圧による分布荷重であっても良い。 When the surface of the cooling plate is exposed to a reduced internal space, the load may be a distributed load due to a differential pressure between the pressure of the internal space and atmospheric pressure.
また、本発明によるスパッタリング装置は、真空排気手段により減圧された内部空間を有する真空槽と、絶縁部材を介して前記真空槽の壁部に装着され、かつ、前記ターゲットおよび前記冷却板の表面を前記内部空間に気密に曝すように配置される、上記ターゲット組立ユニットと、前記冷却板の裏面側に配置される磁界発生手段と、を備えた装置である。 Further, the sputtering apparatus according to the present invention is mounted on the wall of the vacuum chamber through an insulating member and a vacuum chamber having an internal space depressurized by a vacuum exhaust means, and the surface of the target and the cooling plate is attached to the surface of the target. It is an apparatus provided with the said target assembly unit arrange | positioned so that it may expose to the said interior space airtight, and the magnetic field generation | occurrence | production means arrange | positioned at the back surface side of the said cooling plate.
本発明によれば、ターゲットの適所を連結部にして冷却板に着脱可能にターゲットを連結することにより、ターゲットの交換作業効率化、ターゲットの面内方向熱歪防止化、バッキングプレート再利用化およびターゲットのワイドエロージョン容易化を図りつつ、スパッタリング装置の稼働時(減圧時)の冷却板によるターゲットの冷却能力を適切に確保可能な、ターゲット組立ユニットおよびスパッタリング装置が得られる。 According to the present invention, by connecting the target detachably to the cooling plate with the appropriate place of the target as a connecting portion, the target replacement work efficiency, the target in-plane thermal strain prevention, the backing plate reuse, and It is possible to obtain a target assembly unit and a sputtering apparatus that can appropriately ensure the cooling capacity of the target by the cooling plate when the sputtering apparatus is operating (at the time of decompression) while facilitating the wide erosion of the target.
まず、本件発明者は、スパッタリング装置の稼働時とベント時(大気開放時)のバッキングプレートによるターゲットの冷却能力の変化の有無を検証した。これにより、後記のバッキングプレートの設計指針が得られた。 First, the inventor of the present invention verified whether or not the cooling capacity of the target was changed by the backing plate when the sputtering apparatus was in operation and when it was vented (when the atmosphere was opened). As a result, the following guidelines for designing the backing plate were obtained.
この検証実験は、図1および図2に示したスパッタリング装置により実行され、本検証実験により得られた結果は、図3に示されている。 This verification experiment is performed by the sputtering apparatus shown in FIG. 1 and FIG. 2, and the result obtained by this verification experiment is shown in FIG.
図1は、スパッタリング装置の稼働時とベント時のバッキングプレートによるターゲットの冷却能力の測定に用いたスパッタリング装置のターゲット組立ユニット周辺の断面図である。図2は、図1に示したターゲット組立ユニットの裏面側を平面視した図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of the periphery of a target assembly unit of a sputtering apparatus used for measuring the cooling ability of the target by a backing plate during operation and venting of the sputtering apparatus. FIG. 2 is a plan view of the back side of the target assembly unit shown in FIG.
なお、図1の図示において、便宜上、直方形のターゲット10の短辺方向(幅方向)を左右方向とし、ターゲット10の長辺方向(長手方向)を紙面に垂直な方向とし、ターゲット10の厚み方向を上下方向としている。
In the illustration of FIG. 1, for convenience, the short side direction (width direction) of the
スパッタリング装置100は、主として、真空ポンプV(真空排気手段)により適宜の真空度に減圧される内部空間Sを有する真空槽40と、真空槽40の下壁に形成された壁孔40aに対し、減圧される内部空間Sの気密を保つように挿入されるターゲット組立ユニットTと、ターゲット組立ユニットTの背面側(大気側)に配置される磁石ユニットM(磁界発生手段)と、ターゲット組立ユニットTの上方に位置して、ターゲット材料を堆積する基板(不図示)を保持する基板組立ユニット(不図示)と、ターゲット電極として機能するターゲット組立ユニットTに対し、適宜のプラズマ放電用の電力を給電する電力供給手段(不図示)と、真空槽40内に放電ガス(例えばArガス)を導く放電ガス供給手段(不図示)と、を備える。
The sputtering
ターゲット組立ユニットTは、図1に示す如く、減圧される内部空間Sに存在する直方形のアルミ製の平らなターゲット10と、ターゲット10の裏面に配置され、ターゲット10の外形より平面視から見て若干大きめに構成された、直方形の銅製の平らなバッキングプレート11(冷却板)と、バッキングプレート11の周縁部を支持する環状の金属製のケーシング13と、を備える。
As shown in FIG. 1, the target assembly unit T is disposed on a rectangular aluminum
なおここで、後記の真空シールにより、バッキングプレート11の表面(ターゲット10との当接面)は、減圧された内部空間Sに曝され、バッキングプレート11の裏面(上記当接面と反対側の面)は、大気に曝されている。このため、スパッタリング装置100の稼動時(減圧時)のバッキングプレート11には、必然的に、バッキングプレート11の表面側の減圧された内部空間Sの圧力と、バッキングプレート11の裏面側の大気圧との間の差圧が与えられる。
Here, due to the vacuum seal described later, the surface of the backing plate 11 (the contact surface with the target 10) is exposed to the reduced internal space S, and the back surface of the backing plate 11 (the side opposite to the contact surface). Surface) is exposed to the atmosphere. For this reason, the
ターゲット10の幅方向(左右方向)の中央部には、ターゲット10の長手方向(図1の紙面に垂直な方向)に延びる中心線Lに沿って、複数の貫通孔が形成されている。また、バッキングプレート11の幅方向の中央部には、バッキングプレート11の長手方向に延びる中心線Lに沿って、上記貫通孔に面した箇所が螺子切りされている。これにより、ターゲット10の幅方向の中央部とバッキングプレート11の幅方向の中央部とが、貫通孔に嵌って螺着されたボルト19(例えば、六角穴付ボルト;第1連結手段)により上記中心線Lにおいて複数個に亘り点連結され、中心線Lに沿って密着固定される。このため、ターゲットの面内方向(特にターゲット10の幅方向)の熱歪を防止できるとともに、当該ボルト19の連結解除によりバッキングプレート11からターゲット10を容易に取り外せて、ターゲット10の交換時の作業効率化を図れる。
A plurality of through holes are formed in the center of the
またここでは、ボルト19の頭が内部空間Sに曝されているが、このボルト19がプラズマ放電形成に悪影響を及ぼすことが懸念される場合には、このボルト19をターゲット10の内側に引っ込めて、これをターゲット10と同じアルミ材料からなるキャップ(不図示)で覆っても良い。
Here, the head of the
バッキングプレート11の周縁部には、複数の貫通孔が形成されている。また、ケーシング13の環状のバッキングプレート当接面13aには、上記貫通孔に面した箇所が螺子切りされている。これにより、バッキングプレート11の周縁部とケーシング13の上記バッキングプレート当接面13aとが、貫通孔に嵌って螺着されたボルト15(例えば、六角穴付ボルト;第2連結手段)により適切に固定される。また、ケーシング13のバッキングプレート当接面13aには、Oリング16を嵌める環状の細長いOリング溝が、上記ボルト15に隣接するようにして形成され、これにより、ボルト15によるバッキングプレート11とケーシング13間の固定時の真空シールが適切になされる。このように、適宜の方法(後記)により冷却されるバッキングプレート11に対し、ターゲット10を機械的に連結する間接冷却方式のスパッタリング装置100おいては、バッキングプレート11とケーシング13との間に真空シールを施すため、スパッタリング装置100の稼動時にターゲット10に直接真空圧が作用しないという効果を奏する。
A plurality of through holes are formed in the peripheral portion of the
ケーシング13は、上記バッキングプレート当接面13aから下方に延びる筒部13bと、この筒部13bの下端付近から外側に広がる環状の鍔部13cと、からなる。ターゲット組立ユニットTが壁孔40aに挿入される際、壁孔40aに内周面を位置合わせさせた環状の絶縁フランジ23がこの鍔部13cと真空槽40の下壁とに挟まれて両者に当接することになる。これにより、接地状態の真空槽40との間のターゲット組立ユニットTの絶縁、および、ターゲット組立ユニットTの壁孔40aへの挿入時の、ターゲット組立ユニットTの上下方向の位置決めがなされる。また、真空槽40の下壁の絶縁フランジ当接面および鍔部13cの絶縁フランジ当接面には、それぞれOリング17、18を嵌める環状の細長いOリング溝が形成され、これにより、適宜の固定手段(不図示)によるケーシング13および絶縁フランジ23間の固定時や真空槽40および絶縁フランジ23間の固定時の真空シールが適切になされる。
The
なお、真空槽40の下壁の内面(絶縁フランジ当接面と反対側の面)には、ターゲット10の周囲近傍に位置して、バッキングプレート11の周縁部を覆うように接地状態の環状の金属製シールド板12が配置されても良い。これにより、ターゲット10上のArガスによるプラズマ放電時の異常放電防止やターゲット材料のバッキングプレート11への堆積汚染防止がなされる。
Note that the inner surface of the lower wall of the vacuum chamber 40 (the surface opposite to the insulating flange contact surface) is located in the vicinity of the periphery of the
磁石ユニットMは、平面視においてターゲット10と略同一形(正確には相似形)の直方形の強磁性のヨーク22を有し、このヨーク22の上には、ターゲット10の表面近傍の上方にプラズマ閉じ込め用のトンネル状の漏れ磁界Bを作る、1個の棒状の中央磁石20と2個の棒状の外側磁石21とが、互いに磁気モーメントの向きを逆向きにして配置されている。例えば、本実施形態では、中央磁石20のN極側が、ターゲット組立ユニットTの裏面に対向する一方、外側磁石21のS極側が、ターゲット組立ユニットTの裏面に対向している。
The magnet unit M has a rectangular
ターゲット10は、基板に被膜させる薄膜の母材であり、放電プラズマ中のイオン(Ar+)を引き付ける電界Eを形成する目的で、直流の定電力電源(不図示)より陰極になるように、一定の電力を供給されている。なお、真空槽40が、定電力電源の陽極側に接続されている。そして、ターゲット10のスパッタリングの過程において、漏れ磁界Bと電界Eとが直交することで生じたArガス放電(マグネトロンスパッタリング放電)により、ターゲット10の表面付近には多数の荷電粒子(Ar+および電子)からなる高密度の放電プラズマが形成される。
The
このAr+は、定電力電源からターゲット10に印加された定電力の電界Eによりターゲット10に引き付けられる。これにより、ターゲット10の構成原子(ここではアルミ原子)が、Ar+の衝突エネルギーによりターゲット10の表面から叩き出され、叩き出されたアルミ原子は基板に堆積される。その結果、ターゲット10が局所的に削られ、ターゲット10のエロージョンCが進行するが、本実施形態では、磁石ユニットMを左右方向に容易に揺動できることから、エロージョンCのワイド化が図れ、ターゲット10の利用効率を高めることができる。
The Ar + is attracted to the
バッキングプレート11の裏面には、図1および図2に示す如く、バッキングプレート11との間で略U字形のウォータージャケット14a(2重構造空間)を形成する冷却水ガイド板14が配置されている。このため、図2の矢印で示したように、ウォータージャケット14aに沿って、適宜の冷却手段(不図示)により冷却された冷却水が、冷却水の入口から出口に向かってバッキングプレート11の裏面に接しながら略U字状に流れる。このような略U字形のウォータージャケット14aによれば、バッキングプレート11への冷却水の水圧がかかる範囲を必要かつ最小限に設定でき、バッキングプレート11の水圧による変形を抑えることができ好適である。
As shown in FIGS. 1 and 2, a cooling
なお、本検証実験では、バッキングプレート11を流れる冷却水の温度を監視する目的で、図2に示す如く、冷却水の入口温度を検知する冷却水入口側温度計T1と、冷却水の出口温度を検知する冷却水出口側温度計T2と、が配設されている。
In this verification experiment, for the purpose of monitoring the temperature of the cooling water flowing through the
次に、スパッタリング装置の稼働時とベント時のバッキングプレートによるターゲットの冷却能力の変化の有無を検証した結果について図3を参照しながら説明する。 Next, the result of verifying whether or not there is a change in the cooling capacity of the target by the backing plate when the sputtering apparatus is operating and when venting will be described with reference to FIG.
図3は、横軸にスパッタリング放電開始から経過した時間をとり、左縦軸に冷却水の温度をとり、右縦軸に真空槽圧力をとって、冷却水入口温度、冷却水出口温度および真空槽圧力の経時変化の一例を示した図である。 In FIG. 3, the horizontal axis represents the time elapsed since the start of sputtering discharge, the left vertical axis represents the cooling water temperature, the right vertical axis represents the vacuum tank pressure, and the cooling water inlet temperature, cooling water outlet temperature, and vacuum It is the figure which showed an example of the time-dependent change of a tank pressure.
本検証実験の結果、冷却水入口温度は、図3の一点鎖線で示すように、スパッタリング装置100の稼動時(スパッタリング期間)およびベント時(ベント終了)に関係無く、全期間に亘り緩やかな変化を示すにも拘らず、冷却水出口温度は、図3の実線で示すように、ベント終了後のR領域における不測の急激な昇温が生じることが分かった。なお、スパッタリング期間中の冷却水出口温度の昇温は、スパッタリングによるターゲット10の高熱化に起因し、スパッタリング終了からベント開始までの間の冷却水出口温度の緩やかな下降は、スパッタリング終了によるターゲット10の放置冷却に起因するものと考えられる。
As a result of this verification experiment, the cooling water inlet temperature gradually changes over the entire period, regardless of whether the
ここで、本件発明者は、上記R領域における冷却水出口温度の昇温の要因を、以下の如く、推定している。 Here, the inventor of the present invention estimates the cause of the temperature rise of the cooling water outlet temperature in the R region as follows.
図4は、図1に示したターゲット組立ユニットのターゲットおよびバッキングプレートの幅方向中央部周辺を示した断面図であり、図3に示したR領域における冷却水出口温度の昇温を説明する図である。図4(a)には、スパッタリング装置のベント時のターゲットおよびバッキングプレートの予測形態が描かれ、図4(b)には、スパッタリング装置の稼動時のターゲットおよびバッキングプレートの予測形態が描かれている。 4 is a cross-sectional view showing the periphery of the center in the width direction of the target and the backing plate of the target assembly unit shown in FIG. 1, and is a diagram for explaining the temperature rise of the coolant outlet temperature in the R region shown in FIG. It is. FIG. 4A illustrates a predicted form of the target and the backing plate when the sputtering apparatus is vented, and FIG. 4B illustrates a predicted form of the target and the backing plate when the sputtering apparatus is operated. Yes.
スパッタリング装置100のベント時には、真空槽40の内部空間S(図1)は大気圧P1の状態にある。この状態では、バッキングプレート11の表面11a(ターゲット10との当接面)と、バッキングプレート11の裏面11b(磁石ユニットM側の面)との間には、差圧が生まれず、その結果、図4(a)に示す如く、平らなターゲット10の裏面と平らなバッキングプレート11の表面11aとが、略全域に亘り密着する。
When the
一方、スパッタリング装置100の稼動時には、真空槽40の内部空間Sは負圧P2の状態にある。この状態では、バッキングプレート11の表面11aと、バッキングプレート11の裏面11bとの間には、大気圧P1と負圧P2に基づく差圧ΔP(P1−P2)が生まれる。ところで、バッキングプレート11の周縁部は、図1に示したように、ボルト15によりケーシング13に螺子止めされている。このため、当該ボルト15による螺子止め部(バッキングプレート11の周縁部)は、バッキングプレート11の差圧ΔPによる変形を想定した場合の4辺支持固定部になる。よって、バッキングプレート11の裏面11bに、図4(b)に示すように、大気圧P1と負圧P2との間の差圧ΔPによる分布荷重が与えられることになり、当該分布荷重によりバッキングプレート11は撓み、ターゲット10の裏面とバッキングプレート11の表面11aとの間の隙間Gが生じる。例えば、バッキングプレートの4辺単純支持を想定した、幅250mm×長さ1300mm×厚み15mmの銅製のバッキングプレートに大気圧分の分布荷重が与えられた場合には、バッキングプレートの中心部の撓み量(最大撓み量)は、公知の最大撓み式から、約0.14mmになると予測される。
On the other hand, when the
以上に述べた考察によれば、図3に示したR領域における冷却水出口温度の昇温は、バッキングプレート11の撓み変形に起因するターゲット10の裏面とバッキングプレート11の表面11a間の隙間Gの形成を裏付ける現象であると考えられる。つまり、スパッタリング装置100の稼動時には、図4(b)に示した如く、ターゲット10の裏面とバッキングプレート11の表面11a間の隙間Gの存在により、両者間の接触面積が減り、高温のターゲット10とバッキングプレート11の伝熱特性が劣化していたにも拘らず、スパッタリング装置100のベントにより、ターゲット10の裏面とバッキングプレート11の表面11aとの間の密着性が高まる。その結果、ターゲット10の熱が、バッキングプレート11を介して冷却水に伝わり易くなり、冷却水出口温度が高くなったと推定される。
According to the above-described consideration, the temperature increase of the cooling water outlet temperature in the R region shown in FIG. 3 is caused by the gap G between the back surface of the
そして、このような隙間Gの存在は、スパッタリング装置100の稼動時の高温状態のターゲット10とバッキングプレート11を流れる冷却水との熱交換を阻害するように作用して、バッキングプレート11によるターゲット10の冷却能力を低下させる。よって、この隙間Gを極力無くすようにバッキングプレート11を設計することが、スパッタリング装置100の高い冷却効率を達成する観点から必要である。
The existence of such a gap G acts so as to inhibit heat exchange between the
以下、このようなバッキングプレート11の設計指針に基づいた、本発明の実施形態によるターゲット組立ユニットおよびスパッタリング装置の構成を説明する。
Hereinafter, the configuration of the target assembly unit and the sputtering apparatus according to the embodiment of the present invention based on the design guideline of the
但し、本実施形態のスパッタリング装置の構成は、ターゲット組立ユニットTのターゲット10およびバッキングプレート11の形態を除き、図1に示したスパッタリング装置100の構成と同じである。このため、両者に共通する構成の説明および図示を省略する。また、便宜上、ターゲットおよびバッキングプレート以外の構成については、図1に示した各構成の参照符号と同じ符号を用いて説明する。
However, the configuration of the sputtering apparatus of the present embodiment is the same as the configuration of the
図5は、本発明の実施形態によるターゲット組立ユニットのターゲットおよびバッキングプレートの幅方向中央部周辺を示した断面図である。図5(a)には、スパッタリング装置のベント時のターゲットおよびバッキングプレートの予測形態が描かれ、図5(b)には、スパッタリング装置の稼動時のターゲットおよびバッキングプレートの予測形態が描かれている。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing the periphery of the center in the width direction of the target and the backing plate of the target assembly unit according to the embodiment of the present invention. FIG. 5A illustrates a predicted form of the target and the backing plate when the sputtering apparatus is vented, and FIG. 5B illustrates a predicted form of the target and the backing plate when the sputtering apparatus is in operation. Yes.
図5(a)に示すように、バッキングプレート111の表面111aは、湾曲状(凹面)に削り加工されている。そして、平らな状態(初期状態)のターゲット110が、ボルト19によるバッキングプレート111とターゲット110間の固定変形力(外力)に基づいて、バッキングプレート111の表面111aに沿うように湾曲状に弾性変形される。この場合、バッキングプレート111の表面111aの湾曲の曲率(湾曲形状)は、ボルト15(図1参照)でバッキングプレートを固定支持した場合に、スパッタリング装置100の稼動時にバッキングプレート111の裏面111bへの差圧ΔP(P1−P2)によるバッキングプレート111の分布荷重撓みにより、バッキングプレート111の表面111aが平らになるようにして設定される(図5(b)参照)。このようにすれば、スパッタリング装置100の稼動時には、バッキングプレート111の表面111aが平らになり、弾性変形されたターゲット110は、上記外力が取り除かれて、平らな初期の状態に戻れる。これにより、ターゲット110のスパッタリング時にターゲット110を水平にできるとともに、スパッタリング装置100の稼動時に、ターゲット110の裏面とバッキングプレート111の表面111aとの間の密着性を適切に保てる。但し、図5(b)では、バッキングプレート111の分布荷重撓みによりバッキングプレート111の表面111aを平らに戻すことを例示したが、当該表面111aが必ずしも平らな状態にまで戻る必要はなく、凹状に湾曲させた状態にあっても良い。つまり、バッキングプレート111の表面111aが平らな状態を越えて逆方向に凸状に湾曲しなければ、ターゲット110の裏面とバッキングプレート111の表面111aとの間の密着性を適切に保てる。
As shown in FIG. 5A, the
なお、バッキングプレート111の表面111aの具体的な湾曲度(曲率)は、公知の最大撓み式から簡易的に導いても良いが、仮にバッキングプレートが複雑な形態であれば(例えば、バッキングプレート内に冷却水を流す中空空間を形成する場合等)、構造解析シミュレーション技術により数値計算しても良い。また、バッキングプレート111を、スパッタリング装置100に配置することにより、実機レベルでバッキングプレート111の撓み量を確認しても良く、このようなスパッタリング装置100の稼動中または同じ撓みを得られる模擬装置の稼動中に、平らなバッキングプレート111の表面111aに削り加工を施しても良い。
Note that the specific curvature (curvature) of the
このように、本実施形態のターゲット組立ユニットTおよびスパッタリング装置100によれば、スパッタリング装置100の稼動時にターゲット110の裏面とバッキングプレート111の表面111aとの間の密着性が改善され、スパッタリング装置100の稼動時のバッキングプレート111によるターゲット110の冷却能力(冷却効率)が適切に確保される。
(変形例1)
図6は、本発明の変形例1によるターゲット組立ユニットのターゲットおよびバッキングプレートの幅方向中央部周辺を示した断面図である。図6(a)には、スパッタリング装置のベント時のターゲットおよびバッキングプレートの予測形態が描かれ、図6(b)には、スパッタリング装置の稼動時のターゲットおよびバッキングプレートの予測形態が描かれている。
As described above, according to the target assembly unit T and the
(Modification 1)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the periphery of the center in the width direction of the target and the backing plate of the target assembly unit according to the first modification of the present invention. FIG. 6A illustrates a predicted form of the target and the backing plate when the sputtering apparatus is vented, and FIG. 6B illustrates a predicted form of the target and the backing plate when the sputtering apparatus is operated. Yes.
上記実施形態では、バッキングプレート111の表面111aを、湾曲状の凹面に削り加工する例を述べたが、本変形例の銅製のバッキングプレート211は、初期状態において、例えば塑性変形により湾曲して構成されている。
In the above embodiment, the example in which the
平らな状態(初期状態)のアルミ製のターゲット210は、図6(a)に示すように、ボルト19によるバッキングプレート211とターゲット210間の固定変形力(外力)に基づいて、バッキングプレート211の表面211aに沿うように湾曲状に弾性変形される。そして、この場合、バッキングプレート211の湾曲の曲率(湾曲形状)は、ボルト15(図1参照)でバッキングプレートを固定支持した場合に、スパッタリング装置100の稼動時にバッキングプレート211の裏面211bへの差圧ΔP(P1−P2)によるバッキングプレート211の分布荷重撓みにより、バッキングプレート211の表面211aが平らになるようにして設定される(図6(b)参照)。このようにすれば、スパッタリング装置100の稼動時には、バッキングプレート211の表面211aが平らになり、弾性変形されたターゲット210は、上記外力が取り除かれて、平らな初期の状態に戻れる。これにより、ターゲット210のスパッタリング時にターゲット210を水平にできるとともに、スパッタリング装置100の稼動時に、ターゲット210の裏面とバッキングプレート211の表面211aとの間の密着性を適切に保て、その結果、上記実施形態で述べた効果と同等の効果が得られる。但し、図6(b)では、バッキングプレート211の分布荷重撓みによりバッキングプレート211の表面211aを平らに戻すことを例示したが、当該表面211aが必ずしも平らな状態にまで戻る必要はなく、凹状に湾曲させた状態にあっても良い。つまり、バッキングプレート211の表面211aが平らな状態を越えて逆方向に凸状に湾曲しなければ、ターゲット210の裏面とバッキングプレート211の表面211aとの間の密着性を適切に保てる。
As shown in FIG. 6A, the flat target (initial state)
なお、図6では、ターゲット210およびバッキングプレート211は、同じような厚みに図示されているが、ターゲット210の厚みを大気圧に曝されるバッキングプレート211の厚みよりも薄くすれば、ターゲット210を弾性変形させ易く好適である。但し、本変形例のアルミ製のターゲット210のヤング率は、本変形例の銅製のバッキングプレート211のヤング率よりも小さいため、両者が同じ厚みであっても、ターゲット210を適切に弾性変形できる。
(変形例2)
図7は、本発明の変形例2によるターゲット組立ユニットのターゲットおよびバッキングプレートの幅方向中央部周辺を示した断面図である。
In FIG. 6, the
(Modification 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the periphery of the center in the width direction of the target and the backing plate of the target assembly unit according to the second modification of the present invention.
図7に示すように、本変形例の銅製のバッキングプレート311は平らに構成される一方で、本変形例のアルミ製のターゲット310は、例えば塑性変形により湾曲して構成されている。このため、湾曲した状態(初期状態)のターゲット310が、ボルト19によるバッキングプレート311とターゲット310間の固定変形力(外力)に基づいて、バッキングプレート311の表面311aに沿うように平らに弾性変形される。そして、この場合、ターゲット310の湾曲の曲率(湾曲形状)は、ボルト15(図1参照)でバッキングプレートを固定支持した場合に、スパッタリング装置100の稼動時にバッキングプレート311の裏面311bへの差圧によるバッキングプレート311の分布荷重撓みによるバッキングプレート311の表面311aの湾曲の曲率と同一になるように設定される。このようにすれば、スパッタリング装置100の稼動時には、弾性変形されたターゲット310は、上記外力が取り除かれて、初期の状態に戻れる。これにより、スパッタリング装置100の稼動時に、ターゲット310の裏面とバッキングプレート311の表面311aとの間の密着性を適切に保て、その結果、上記実施形態で述べた効果と同等の効果が得られる。但し、ここでは、バッキングプレート311の分布荷重撓みによるバッキングプレート311の表面311aの湾曲の曲率と、初期状態のターゲット310の湾曲の曲率と、を同一にすることを例示したが、当該表面311aの曲率が、必ずしもターゲット310の湾曲の曲率と同一である必要はない。つまり、バッキングプレート311の表面311aの曲率が、ターゲット310の湾曲の曲率より大きければ、ターゲット310の裏面とバッキングプレート311の表面311aとの間の密着性を適切に保てる。
As shown in FIG. 7, the
なお、図7では、ターゲット310およびバッキングプレート311は、同じような厚みに図示されているが、ターゲット310の厚みを大気圧に曝されるバッキングプレート311の厚みよりも薄くすれば、ターゲット310を弾性変形させ易く好適である。但し、本変形例のアルミ製のターゲット310のヤング率は、本変形例の銅製のバッキングプレート311のヤング率よりも小さいため、両者が同じ厚みであっても、ターゲット310を適切に弾性変形できる。
(変形例3)
上記実施形態および上記変形例1、2では、バッキングプレートの裏面に与えられる荷重として、バッキングプレートの裏面側の大気圧とバッキングプレートの表面側の負圧との間の差圧による分布荷重を例示したが、バッキングプレートの裏面に与えられる荷重はこれに限らない。
In FIG. 7, the
(Modification 3)
In the embodiment and the first and second modified examples 1 and 2, as the load applied to the back surface of the backing plate, a distributed load due to the differential pressure between the atmospheric pressure on the back surface side of the backing plate and the negative pressure on the front surface side of the backing plate is illustrated. However, the load applied to the back surface of the backing plate is not limited to this.
例えば、冷却水を溜めた冷却水容器(不図示)の中に磁石ユニットMの全体を浸け、当該冷却水容器の蓋としてバッキングプレートを兼用させた形態の冷却構造を採用する場合には、冷却水の水圧が、バッキングプレートの裏面に分布荷重として重畳的に与えられる。
(変形例4)
ターゲットとバッキングプレートとの間の連結方法として、ここまで、両者間の着脱容易性に配慮してボルトによる螺子止めを例示した。しかし、両者間の連結法はこれに限らず、螺子止め固定に代えて、他の点連結法(リベット止めやスポット溶接)を用いても良い。
For example, when a cooling structure in which the entire magnet unit M is immersed in a cooling water container (not shown) in which cooling water is stored and a backing plate is also used as a lid of the cooling water container is used, The water pressure of the water is superimposed on the back surface of the backing plate as a distributed load.
(Modification 4)
As a connecting method between the target and the backing plate, screwing with a bolt has been exemplified so far in consideration of easy attachment / detachment between the two. However, the connection method between the two is not limited to this, and other point connection methods (riveting or spot welding) may be used instead of screw fixing.
本発明のターゲット組立ユニットによれば、ターゲットの交換作業効率化、ターゲットの面内方向熱歪防止化、バッキングプレート再利用化およびターゲットのワイドエロージョン容易化を図りつつ、スパッタリング装置の稼働時(減圧時)の冷却板によるターゲットの冷却能力を適切に確保可能である。よって、本発明は、例えば、半導体素子やLCD等の製造プロセスに使用されるスパッタリング装置用のターゲット組立ユニットとして利用できる。 According to the target assembly unit of the present invention, while the sputtering apparatus is in operation (depressurization) while improving the efficiency of target replacement, preventing in-plane thermal distortion of the target, reusing the backing plate, and facilitating wide erosion of the target. The cooling capacity of the target by the cooling plate can be appropriately secured. Therefore, the present invention can be used as a target assembly unit for a sputtering apparatus used in a manufacturing process of, for example, a semiconductor element or an LCD.
10、110、210、310 ターゲット
11、111、211、311 バッキングプレート
11a、111a、211a、311a 表面
11b、111b、211b、311b 裏面
12 金属製シールド板
13 ケーシング
13a バッキングプレート当接面
13b 筒部
13c 鍔部
14 冷却水ガイド板
14a ウォータージャケット
15 第2連結手段(ボルト)
19 第1連結手段(ボルト)
16、17、18 Oリング
20 中央磁石
21 外部磁石
22 ヨーク
23 絶縁フランジ
40 真空槽
40a 壁孔
100 スパッタリング装置
B 漏れ磁界
C エロージョン
E 電界
T ターゲット組立ユニット
T1 冷却水入口側温度計
T2 冷却水出口側温度計
L 中心線
M 磁石ユニット
P1 大気圧
P2 負圧
ΔP 差圧
S 内部空間
V 真空ポンプ
10, 110, 210, 310
19 1st connection means (bolt)
16, 17, 18 O-
Claims (9)
第1連結手段を介して前記ターゲットを固定するとともに、第2連結手段を介してケーシングに支持される冷却板と、を備え、
前記ターゲットは、前記第1連結手段の外力に基づいて前記冷却板の表面に沿うように弾性変形される、ターゲット組立ユニット。 A sputtering target;
Fixing the target via the first connecting means, and a cooling plate supported by the casing via the second connecting means,
The target assembly unit, wherein the target is elastically deformed along the surface of the cooling plate based on an external force of the first connecting means.
平らな状態の前記ターゲットが湾曲状に弾性変形される請求項1記載のターゲット組立ユニット。 The surface of the cooling plate is formed in a curved shape,
The target assembly unit according to claim 1, wherein the target in a flat state is elastically deformed into a curved shape.
湾曲した状態の前記ターゲットが平らに弾性変形される請求項1記載のターゲット組立ユニット。 The surface of the cooling plate is formed flat,
The target assembly unit according to claim 1, wherein the curved target is elastically deformed flat.
絶縁部材を介して前記真空槽の壁部に装着され、かつ、前記ターゲットおよび前記冷却板の表面を前記内部空間に気密に曝すように配置される、請求項1乃至8の何れかに記載のターゲット組立ユニットと、
前記冷却板の裏面側に配置される磁界発生手段と、
を備えたスパッタリング装置。 A vacuum chamber having an internal space decompressed by a vacuum exhaust means;
It is attached to the wall part of the vacuum chamber via an insulating member, and is disposed so as to airtightly expose the surface of the target and the cooling plate to the internal space. A target assembly unit;
Magnetic field generating means disposed on the back side of the cooling plate;
A sputtering apparatus comprising:
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