JP2013227619A - バッキングプレート及びスパッタリングターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリングターゲット材の塑性変形や割れ、及びスパッタリングターゲット材の剥離を防止するバッキングプレート、並びにそのバッキングプレートを使用したスパッタリングターゲットを提供すること。
【解決手段】スパッタリングターゲット材２が接合されるバッキングプレート１を、連続した開気孔を持つスケルトン構造を有する第１の材料の前記開気孔に、第２の材料が充填された構造とし、前記第１の材料は、その縦弾性係数が前記第２の材料の縦弾性係数よりも高い材料とし、前記第２の材料は、その熱伝導率が前記第１の材料の熱伝導率よりも高い材料とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリングターゲット材を支持するバッキングプレートと、そのバッキングプレートを有するスパッタリングターゲットに関する。なお、本明細書では、スパッタリングターゲット材を単にターゲット材ともいい、スパッタリングターゲットを単にターゲットともいう。

スパッタリングターゲット材は、半導体や電子部品などの各種薄膜デバイスの製造に際し、スパッタリングによって薄膜を基板上に形成する際の成膜源となるものである。このスパッタリングターゲット材は、支持及び冷却目的のバッキングプレートと接合一体化され、スパッタリング装置においてスパッタリングターゲットとして使用される。

図２はスパッタリング装置の一例を示す模式図である。また、図１は代表的なスパッタリングターゲットの模式図である。図２のスパッタリング装置は、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング法など公知のスパッタリング方法を利用してターゲット近傍に高密度のプラズマ領域を形成させる装置である。

チャンバ１０の内部にターゲット１１が、冷却機構の端部である台座８に直接あるいは両者間に図示しないスペーサを介して設けられている。ターゲット１１はバッキングプレート１とターゲット材２とを備え、バッキングプレート１の被スパッタ部材（スパッタリングにより薄膜が形成される部材）３側の面（第２の面）に、ターゲット材２がインジウム接着層４を介して接合されている。スパッタリング装置がマグネトロンスパッタリング装置の場合には、バッキングプレート１の前記第２の面と反対側の第１の面側（図中の冷却水９部分）に図示しないマグネットが設けられる。

チャンバ１０内には被スパッタ部材３が、ターゲット材２と対向するように基板ホルダ上に配置されている。

また、チャンバ１０は、バルブ１２を介して真空排気系１３に接続される。更にチャンバ１０は、ガスノズル１４及び流量計１５を介してガス源１６に接続している。

以上のように構成されたスパッタリング装置において、減圧不活性ガス雰囲気（例えばアルゴン）中で、ターゲット材２を陰極、チャンバ１０を陽極として両電極間に直流電源１７により直流高電圧を印加すると、チャンバ１０内に放電プラズマが発生し、ターゲット材２よりその構成物質が原子又は分子の状態で放出され、被スパッタ部材３の表面に薄膜を形成する。

ターゲット材２表面は高温プラズマ中での熱負荷により温度上昇を生じるが、冷却水９を備えた冷却機構によりバッキングプレート１の第１の面側を冷却水９が流れることによりバッキングプレート２を冷却し、ターゲット材２の温度上昇を抑える。冷却機構の例として図１及び図２ではバッキングプレート１を直接冷却水９が冷却する機構を用いたが、冷却水がパイプ中を流れ、パイプを介してバッキングプレートを冷却する機構もある。また、バッキングプレート中に空隙を設けて、その中に直接冷却水を循環させる機構もある。

このように、バッキングプレート１は、おもにその第１の面側が冷却機構により冷却される。一方、ターゲット１１で最も温度が上がるのはターゲット材２表面である。よって、ターゲット１１には大きな温度勾配が生じる。それぞれの線熱膨張係数によるが、前記温度勾配によりターゲット材２はバッキングプレート１と比較して膨張が大きくなり、図１及び図２において下に凸の形状に変形する傾向が起る。そのため、ターゲット材２の材質によっては弾性変形域を超えてしまい、柔軟な材料であれば塑性変形を起こし、脆性材料であれば割れが生じる原因となる。この問題は、直流型（ＤＣ）スパッタリング装置に限らず、交流型（ＲＦ）スパッタリング装置においても同様に発生する。

このようなターゲット材２の塑性変形及び割れに対する一つの解決方法としては、バッキングプレート１を縦弾性係数の大きい（一定の応力に対してより変形しにくい）材質とすることが考えられる。例えば特許文献１には、一般的に純銅（意図的に不純物を含まない高純度の銅、無酸素銅とも呼ばれる）が用いられるバッキングプレートの材質をクロム銅とした提案がなされている。クロム銅は縦弾性係数が１２５〜１３８（ＧＰａ）と純銅と比較して高く、熱伝導率も２８０〜３２０（Ｗ／ｍ・Ｋ）と比較的高い。しかし、昨今のターゲットの大型化に伴い、従来の厚さのままでは特に中央部の変形量が増すことになるために、より厚く形成する必要が生じている。厚くすることにより当然製造費用は増すことになる上に、チャンバ内の空間を圧迫するという不都合も生じる。また、ターゲット材２の材質とバッキングプレート１の材質間の線熱膨張係数の差が大きくなれば、たとえ厚さを増したとしても変形により割れが生じる危険性がある。

また、特許文献２には炭素、酸化物、金属のいずれかで構成された繊維状又は海綿状（スポンジ状）の芯材をバッキングプレート内部に一体化させたバッキングプレートが開示されている。このバッキングプレートを用いることで、応力によるターゲット材の塑性変形及び割れを緩和することは可能であるが、バッキングプレート自体の熱伝導率が低下することにより、スパッタリング条件によっては使用が難しいという問題が残る。

このほかに、バッキングプレートの材質としてアルミニウム系材料、チタン系材料を使用する技術も開示されているが、これらは縦弾性係数が純銅と同程度あるいはそれより低いために、変形の問題は解決されていない。一方、バッキングプレートの材質としてタングステン材料、モリブデン材料が用いられる例もあるが、縦弾性係数は改善される一方で熱伝導率は大幅に低下する。熱伝導率が低いバッキングプレートを使用するとスパッタリング時にターゲット材の温度が高くなるために、バッキングプレートとターゲット材を接合する、主にインジウムを材質とする接着剤が軟化あるいは溶融して、ターゲット材を保持できなくなる。また、温度が上がることによりターゲット材とバッキングプレートの熱膨張差が大きくなるために、曲げ応力が発生してターゲット材に割れが生じる危険が生じる。

特許文献３にはバッキングプレートの材質を銅系材料とした上で、ＷやＭｏ等を添加した材料が示されているが、ＷやＭｏの含有量は最大でも３０００ｐｐｍであり、縦弾性係数の向上には全く効果は表れない。

特開平０４−４８０７２号公報 特開２００７−１６２０３９号公報 特開平０１−１８０９７５号公報

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、スパッタリングターゲット材の塑性変形や割れ、及びスパッタリングターゲット材の剥離を防止するバッキングプレート、並びにそのバッキングプレートを使用したスパッタリングターゲットを提供することを課題とする。

本発明のバッキングプレートは、一方の面にスパッタリングターゲット材が接合されるバッキングプレートであって、連続した開気孔を持つスケルトン構造を有する第１の材料の前記開気孔に、第２の材料が充填された構造を有し、前記第１の材料の縦弾性係数が前記第２の材料の縦弾性係数よりも高く、かつ前記第２の材料の熱伝導率が前記第１の材料の熱伝導率よりも高いバッキングプレートである。

本発明において、前記第１の材料と前記第２の材料の体積比率は、２０：８０〜８０：２０の範囲にあることが好ましい

また、前記第１の材料としては、タングステン、タングステン合金、炭化タングステン、超硬合金、アルカリ金属ドープタングステン、モリブデン、モリブデン合金、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタン、及び炭窒化チタンから選択される１種又は２種以上が特に適しており、前記第２の材料としては、純銅、銅合金、純銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ベリリウム合金、黄銅、コバルト、コバルト合金、グラファイト、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、及び窒化アルミニウムから選択される１種又は２種以上が特に適している。

本発明のスパッタリングターゲットは、前記本発明のバッキングプレートと、このバッキングプレートの一方の面に接合されたスパッタリングターゲット材とを有するスパッタリングターゲットである。

本発明のスパッタリングターゲットは、前記バッキングプレートの線熱膨張係数をα１（Ｋ^−１）、前記スパッタリングターゲット材の線熱膨張係数をα２（Ｋ^−１）と表したとき、α１＞α２の関係を満たすように構成することが好ましい。

本発明のバッキングプレートは、第１の材料による高い縦弾性係数と第２の材料による高い熱伝導率を併せ持つので、スパッタリングターゲット材の温度上昇に起因する塑性変形や割れ、及びスパッタリングターゲット材の剥離を防止することができる。

本発明のバッキングプレートを実装したスパッタリングターゲットの模式図である。 スパッタリング装置の模式図である。 熱膨張によるスパッタリングターゲットの変形の模式図で、（１）はスパッタリングターゲット材の熱膨張がバッキングプレートの熱膨張よりも大きい場合、（２）はバッキングプレートの熱膨張が、スパッタリングターゲット材の熱膨張よりも大きい場合である。 第１の材料からなるスケルトン構造の断面例を示す。 図４のスケルトン構造の開気孔に第２の材料を充填したバッキングプレートの断面を示す。

表１に、第１の材料と第２の材料の複合材料からなる本発明のバッキングプレート、及び純銅、クロム銅、モリブデンなどの１種からなる従来のバッキングプレートの縦弾性係数、熱伝導率、及び線熱膨張係数の代表的な値を示す。

表１から分かるように、本発明のバッキングプレートは、一般に用いられる純銅からなる従来のバッキングプレートと比較して大幅に縦弾性係数が高く、スパッタリング時に変形が起りにくいので、ターゲット材の破損（塑性変形や割れ）を防止することができる。また、バッキングプレートの熱伝導率が十分に高くない場合には、ターゲット材が過熱することになり、やはり破損が起りやすい。本発明のバッキングプレートは高い熱伝導率も有するので、これらの問題を大きく改善することが可能である。また、ターゲット材の破損を防ぐ以外の効果として、より大型のターゲット材を使用でき、出力の向上も容易となり、効率よくスパッタリングを行うことが可能となる。

本発明のバッキングプレートにおいて、第１の材料と第２の材料の体積比率は２０：８０〜８０：２０の範囲内とすることが好ましい。第１の材料と第２の材料の体積比率によって、これらの複合材料である本発明のバッキングプレートの特性は変化する。すなわち、第１の材料が多いほど縦弾性係数は高く、熱伝導率は低下する。逆に第２の材料が多いほど縦弾性係数は低く、熱伝導率は向上する。

第１の材料と第２の材料の複合材料である本発明のバッキングプレートは、第１の材料が連続した開気孔を持つスケルトン構造を有し、第２の材料がその開気孔に充填された構造を持つ。そのために、第１の材料はもちろん、第２の材料も連続した組織を持つために、第１の材料の利点である高い縦弾性係数をある程度維持したまま、第２の材料の利点である熱伝導率を高めることができる。前述のとおり、第１の材料と第２の材料の体積比率は、好ましくは２０：８０〜８０：２０の範囲内とする。第１の材料が２０体積％未満であれば、スケルトン構造を維持するのが難しくなり、縦弾性係数が低下する傾向となる。一方、８０体積％を超えると連続した開気孔を全体に得ることが難しくなり、一部に第２の材料が充填されない閉気孔を有するようになりやすい。

第１の材料によるスケルトン構造中に第２の材料を充填する手段としては、溶浸法による充填が特に適している。第１の材料と第２の材料を複合する手段としては、例えば双方の粉末を混合してそのまま炉中で焼結する方法もあるが、適しているのは第１の材料で形成されたスケルトン構造中に第２の材料を充填する溶浸法である。スケルトン構造を得るためには、平均粒子径がおよそ０．５μｍ〜１０μｍの粉末状態の第１の材料をプレス成形し、非酸化雰囲気にて９００〜１５００℃程度に加熱すればよい。これにより、第１の材料の粉末粒子同士が形状を保つ程度に、また連続した開気孔を有する程度にネッキングをしたスケルトン構造の焼結体が得られる。

第２の材料は、第１の材料のスケルトン構造の開気孔を充填する量が確保されていればどのような形状でもよく、液体状態となった第２の材料がスケルトン構造に接する状態で溶浸を行えば、毛細管現象によりスケルトン構造の開気孔全てに第２の材料が溶浸する。溶浸の条件としては、第２の材料の融点以上の温度、非酸化雰囲気にて行うことができる。例えば、純銅であればその融点が１０８４℃であるために、１１００℃〜１５００℃程度が適当な温度である。

このようにして得られた本発明のバッキングプレートの一方の面にターゲット材を一体に接合することで、本発明のターゲットが得られる。この場合、バッキングプレートの線熱膨張係数をα１（Ｋ^−１）、ターゲット材の線熱膨張係数をα２（Ｋ^−１）と表したとき、α１＞α２の関係を満たすように構成することが好ましい。

バッキングプレートとターゲット材は互いに強固に接合しているために、両者の熱膨張量（部材の温度と線熱膨張係数より求められる）の差は両者を変形させる要因となる。その変形は、ターゲット材の線熱膨張係数のほうが大きい場合（α２＞α１）は、図３（１）に示すようにターゲット材側（冷却機構と反対側）に向かって凸の形状に変形する。これは、熱膨張の長さが相対的にターゲット材側のほうが長くなるためである。前述のように、温度勾配によってもターゲット材側に向けて凸形状に変形しやすく、ターゲット材やバッキングプレートの縦弾性係数が十分高くない場合や、両者の線熱膨張係数差が大きい場合はターゲット材が破損又は剥離しやすくなる。

逆に、バッキングプレートの線熱膨張係数のほうが大きい場合（α１＞α２）は、図３（２）に示すようにバッキングプレート側（冷却機構側）に向けて凸状に変形しようとする。温度がバッキングプレートに対して高くなるターゲット材に対して、それよりも線熱膨張係数の高いバッキングプレートを使用することにより、ターゲット材とバッキングプレートの変形が抑制され、ターゲット材の破損や剥離等を防ぐためにより好ましい構造となる。

特に、ターゲット材の材質がセラミック材料の場合は、圧縮破壊強度に対して引張破壊強度が著しく低いために、図３（１）の中心部Ａの位置に割れが生じやすいが、図３（２）に示すように中心部が圧縮応力を受ける構造であると割れは極めて起りにくい。

例として、使用時に比較的高温となるターゲット材がタングステン材料（線熱膨張係数α２＝４．４×１０^−６（Ｋ^−１））、比較的低温のバッキングプレートがタングステンスケルトン（タングステン材料によるスケルトン構造体）中に２０体積％の銅が充填されたバッキングプレート（線熱膨張係数α１＝８．６×１０^−６（Ｋ^−１））の場合は、α１＞α２の関係を満たすため、線熱膨張係数差による変形は図３（２）に示すように図３（１）の場合と比較して小さく抑えられる。

なお、上に述べた変形の挙動は、実際はターゲット材とバッキングプレート双方の線熱膨張係数の差と、使用時の実温度によって決まるため、α１＞α２の場合でも図３（２）のように変形する場合と、使用前の平面状態と比較して図３（１）のような下に凸の変形が緩和される場合の両方の場合がある。いずれにしても、α１＞α２の関係を満たすことで、使用時に比較的高温となるターゲット材（線熱膨張係数α２）の熱膨張量（線熱膨張係数とそれぞれの温度により求められる）が、比較的低温のバッキングプレート（線熱膨張係数α１）の熱膨張量に対して抑えられ、両者の熱膨張量差が抑えられるので、ターゲット材の破損や剥離の防止には有効である。

以上のとおり、本発明のバッキングプレートは、縦弾性係数が純銅や銅合金に対して高く、同時に鉄系材料、タングステン材料、モリブデン材料などと比較して熱伝導率が極めて高い複合材料からなる。したがって、応力による変形量が小さく、ターゲット材に塑性変形や割れが生じにくくする効果を奏する。更に、大型のスパッタリングターゲットに対応が容易であり、冷却水の圧力も高めることができるため、高速でのスパッタリング処理も可能となる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１は、本発明のバッキングプレートを用いたターゲットの模式図である。ターゲット１１は、バッキングプレート１とこれに一体的に接合されたターゲット材２とを備える。ターゲット１１は、図２に示したスパッタリング装置で使用される。図２のスパッタリング装置の構成は先に説明したとおりである。

バッキングプレート１は、第１の材料としてカリウムを３００ｐｐｍドープしたタングステンからなるスケルトン構造の開気孔中に、第２の材料として純銅が充填された構造を有する。この構造において第１の材料と第２の材料の体積比率は５０：５０である。図４には、前記タングステンからなるスケルトン構造の断面写真を示し、図５には、このスケルトン構造の開気孔に純銅を充填したバッキングプレート１の断面写真を示す。図４において、白色部がタングステン粒子、黒色部が連続した開気孔である。また、図５において、白色部がタングステン、黒色部が純銅である。なお、図４において両矢印の長さが１０μｍである。

次に、ターゲット１１の具体的構成を図１及び図２を参照して説明する。ここで、説明の便宜上、バッキングプレート１の冷却機構側の面を第１の面、ターゲット材２と接合した側の面を第２の面とする。バッキングプレート１の第２の面にはインジウム接着層４を介してターゲット材２が接合されている。バッキングプレートの第１の面は冷却水９（水ではなく、ナトリウムやスズの場合もある）が循環する通路であり、バッキングプレート１は図示しないボルトなどの固定方法により台座８に固定されている。台座８とバッキングプレート１の間は、図示しないシール材などを挟み、冷却水が漏れないように処理されている。

ターゲット材２はφ１４０ｍｍ、厚さ約３．５ｍｍの酸化マグネシウムを用い、バッキングプレート１はφ１６０ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。

ターゲット１１を以上に述べた構成とし、図２のスパッタリング装置でスパッタリング試験を行った。

スパッタリング電流値、雰囲気（アルゴン雰囲気）、スパッタリング時間、チャンバ内温度を一定とし、試験後にターゲット材２に割れが生じるかどうかを調査した。なお、ターゲット材２である酸化マグネシウムは、脆性材料であるために、応力が高まると塑性変形することなく破壊する（割れる）。なお、酸化マグネシウムの線熱膨張係数は９．７（×１０^−６Ｋ^−１）である。このターゲット材２と前記バッキングプレート１（カリウムを３００ｐｐｍドープしたタングステンと純銅の複合材料）との組合せを試料１とする。なお、この試料１における前記バッキングプレート１の縦弾性係数は１８０（ＧＰａ）、熱伝導率は２０３（Ｗ／ｍ・Ｋ）、線膨張係数は１０．７（×１０^−６Ｋ^−１）であった。

試料１によるスパッタリング試験の結果、ターゲット材に割れは生じておらず、ターゲット材とバッキングプレート間の接合についても異常なく、良好にスパッタリングを行うことができた。

次に、バッキングプレートの材質のみを表１に示す各種材料に代え、同様のスパッタリング試験を行った。その結果を表２に示す。なお、表１及び表２中で＊のついた試料は、本発明の範囲外の比較試料である。

表２に示すように、比較試料１２及び１３では、ターゲット材の表面中心付近（図３（１）のＡ部）に割れが発生した。バッキングプレートの材質は熱伝導率が極めて高いにもかかわらず、縦弾性係数が十分でないために温度変化によりターゲット材の変形量が大きくなった際にバッキングプレートを含むターゲットごと変形が起り、引張応力が強くかかる前記Ａ部に割れが発生したと考えられる。

比較試料１４及び１５は、試験中にバッキングプレートとターゲット材を接合するのに使用したインジウム接着剤が軟化、溶融してターゲット材が剥離し、試験を中止した。バッキングプレートの熱伝導率が十分でないために、ターゲット材とバッキングプレートの温度が両者を接合する接着剤の融点以上に上昇し、剥離したと考えられる。

試料１〜１１に示す、本発明のバッキングプレートを使用した実施例では、いずれの試料でも接着剤の剥離は生じず、ターゲット材の割れも発生しなかった。これは、熱伝導率が１５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上と高いために、ターゲット材及びバッキングプレートが過熱しなかったためである。同時にバッキングプレートが十分な縦弾性係数を有しており、ターゲット材及びバッキングプレートの変形量が少なく、ターゲット材に割れを生じさせなかったと考えられる。

更に、試料１〜３及び試料５〜１１については、前記スパッタリング試験の出力を約２倍に上げた試験でも、ターゲット材の割れや、バッキングプレートとの剥離が生じることなく、良好なスパッタリングを行えた。これらの試料におけるバッキングプレートの線熱膨張係数は、ターゲット材である酸化マグネシウムの線熱膨張係数である９．７（×１０^−６Ｋ^−１）よりも大きく、そのため図３（１）に模式図を示すように、ターゲット材の変形が抑えられ、少なくともＡ部に過剰な引張応力がかかることなくスパッタリングを行えたと考えられる。これらの試料のバッキングプレートを用いれば、現在の処理条件よりも更に成膜速度を向上させることができる。

以上の結果から分かるように、本発明のバッキングプレートはターゲット材の冷却作用が十分であることに加え、応力による変形も少ないため、ターゲット材に塑性変形や割れが極めて生じにくい。同時にスパッタリング中の温度上昇も抑えられるため、ターゲット材とバッキングプレートの剥離も生じにくい。

１ バッキングプレート
２ ターゲット材
３ 被スパッタ部材
４ インジウム接着層
５ 接着剤
８ 台座
９ 冷却水
１０ チャンバ
１１ ターゲット
１２ バルブ
１３ 真空排気装置
１４ ガスノズル
１５ 流量計
１６ ガス源
１７ 直流電源

Claims (6)

1. 一方の面にスパッタリングターゲット材が接合されるバッキングプレートであって、
   連続した開気孔を持つスケルトン構造を有する第１の材料の前記開気孔に、第２の材料が充填された構造を有し、
   前記第１の材料の縦弾性係数が前記第２の材料の縦弾性係数よりも高く、かつ前記第２の材料の熱伝導率が前記第１の材料の熱伝導率よりも高いバッキングプレート。
2. 前記第１の材料と前記第２の材料の体積比率が、２０：８０〜８０：２０の範囲にある請求項１に記載のバッキングプレート。
3. 前記第１の材料が、タングステン、タングステン合金、炭化タングステン、超硬合金、アルカリ金属ドープタングステン、モリブデン、モリブデン合金、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタン、及び炭窒化チタンから選択される１種又は２種以上からなる請求項１又は請求項２に記載のバッキングプレート。
4. 前記第２の材料が、純銅、銅合金、純銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ベリリウム合金、黄銅、コバルト、コバルト合金、グラファイト、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、及び窒化アルミニウムから選択される１種又は２種以上からなる請求項１から請求項３のいずれかに記載のバッキングプレート。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のバッキングプレートと、このバッキングプレートの一方の面に接合されたスパッタリングターゲット材とを有するスパッタリングターゲット。
6. 前記バッキングプレートの線熱膨張係数をα１（Ｋ^−１）、前記スパッタリングターゲット材の線熱膨張係数をα２（Ｋ^−１）と表したとき、
   α１＞α２
   の関係を満たす請求項５に記載のスパッタリングターゲット。