JP2016023320A - スパッタリングターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリング時におけるターゲット材の割れを防止し、さらにパーティクルの発生を防止することができるスパッタリングターゲットを提供する。【解決手段】複数の分割ターゲット材を平面状に並べて長尺状に形成したターゲット材２０と、バッキングプレート３０とを接合したスパッタリングターゲット１であって、分割ターゲット材のうち、少なくともターゲット材２０の長手方向の中央部分を形成する分割ターゲット材２１は、平面視が一定幅の細長い帯板状に形成されており、分割ターゲット材２１の短手方向の一端に配置される側面を突き合せて互いに平行に並べた一対の分割ターゲット材２１，２１を、分割ターゲット材２１の長手方向の一端に配置される端面を突き合せて複数組組み合わせることにより形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜形成のためのスパッタリング法で用いられるターゲット材とバッキングプレートとをボンディング材で接合してなるスパッタリングターゲットに関する。

一般に、スパッタリングターゲットは、薄膜を形成するための材料であるターゲット材を、導電性及び熱伝導性に優れた材料で形成されたバッキングプレートと呼ばれる裏当て板に、ボンディング材を介して積層されている。このターゲット材は、スパッタリング時において、プラズマ状態の不活性ガス等による衝撃を受け続けるため、その内部に熱が蓄積して高温となるが、バッキングプレートを介して冷却されるようになっている。

近年では、薄膜形成を行う基板の大型化に伴い、スパッタリングターゲットも大型化の要望があり、その対応のため、例えば特許文献１に記載されているように、分割されたターゲット材を複数並べて大型のスパッタリングターゲットとすることが提案されている。

特許文献１には、バッキングプレートが厚肉部の中央部と薄肉部の外周部とで段差を有する凸状に形成されるとともに、分割ターゲット材のうち、端部に配置される分割ターゲット材がバッキングプレートの段部に当接するように断面Ｌ字状に形成され、他の分割ターゲット材は平板状に形成され、これらが並べられることにより、スパッタリングターゲットの表面が略面一となるようにしたものが開示されている。

特開２００９‐５７５９８号公報

ところが、複数の分割ターゲット材により構成される大面積、長尺のスパッタリングターゲットにおいては、スパッタリング時において高温となるターゲット材側と、水冷等により冷却されるバッキングプレートとの間で温度差を生じやすい。このため、各分割ターゲット材の材質の熱膨張率と、バッキングプレートの材質の熱膨張率との差による反りが発生しやすい。特にシリコン等の脆性材料からなるターゲット材においては、スパッタリング時にターゲット材の表面に割れが発生したり、剥離を生じたりしやすく、その部分からパーティクルが発生して、被処理基板に付着したり、異常放電が発生したりすることがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、スパッタリング時におけるターゲット材の割れを防止し、さらにパーティクルの発生を防止することができるスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。

本発明は、複数の分割ターゲット材を平面状に並べて長尺状に形成したターゲット材と、バッキングプレートとを接合したスパッタリングターゲットであって、前記分割ターゲット材のうち、少なくとも前記ターゲット材の長手方向の中央部分を形成する前記中央分割ターゲット材は、平面視が一定幅の細長い帯板状に形成されており、前記中央分割ターゲット材の短手方向の一端に配置される側面を突き合せて互いに平行に並べた一対の中央分割ターゲット材を、該中央分割ターゲット材の長手方向の一端に配置される端面を突き合せて複数組組み合わせることにより形成されていることを特徴とする。

このように、本発明のスパッタリングターゲットは、少なくともターゲット材の長手方向の中央部分を形成する個々の中央分割ターゲット材の長手方向を、ターゲット材の長手方向に合わせて配置するとともに、これら中央分割ターゲット材が対となるように短手方向の側面を突き合せて配置している。このため、スパッタリング時においてスパッタリングターゲットに反りが生じた場合であっても、中央分割ターゲット材が撓みやすくなっていることから、ターゲット材の表面に割れ等が生じにくくなっている。したがって、ターゲット材の表面の割れ等に起因するパーティクルの発生を防止することができる。

本発明のスパッタリングターゲットにおいて、前記ターゲット材の長手方向の中心位置に、前記中央分割ターゲット材の前記端面を重ねた合わせた位置が配置されているとよい。
バッキングプレートの撓みが最も大きくなる長手方向の中央位置に、中央分割ターゲット材の長手方向の端面を突き合せた位置を配置する、すなわちターゲット材の分割面を配置することで、耐割れ性をより向上させることができる。

本発明のスパッタリグターゲットにおいて、前記ターゲット材は、スパッタリング時において浸食されない外周部の角部を除去した形状とされているとよい。
ターゲット材からスパッタされた粒子が、浸食されないターゲット材の角部の非エロージョン領域に付着して、その付着物が脱落することで生じるパーティクルの発生を防止することができる。

本発明のスパッタリングターゲットにおいて、前記ターゲット材は、マイクロクラックを除去するための表面処理が施されているとよい。
加工時において形成されたマイクロクラックを除去するための表面処理を予め施すことで、マイクロクラックを起因とする割れの発生を回避することができる。

本発明によれば、スパッタリング時におけるターゲット材の割れを防止し、さらにパーティクルの発生を防止することができる。

本発明の第１実施形態のスパッタリングターゲットを示す平面図である。 本発明のスパッタリングターゲットが使用されるスパッタリング装置の例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態のスパッタリングターゲットを示す平面図である。 分割ターゲット材の突き合わせ部と処理基板との配置を説明する模式図である。 水圧試験を説明する模式図である。 バッキングプレートの材質の違いによる水圧と変位との関係を示すグラフであり、（ａ）が直径１６０ｍｍのバッキングプレート、（ｂ）が直径２４０ｍｍのバッキングプレートの結果である。 バッキングプレートの材質の違いによるスパッタリグターゲットの水圧と変位との関係を示すグラフである。 ターゲット材の表面処理の有無による強度の違いを示すグラフであり、（ａ）が曲げ試験の結果、（ｂ）が水圧試験の結果である。 実施例及び比較例のターゲット材の分割状態を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明のスパッタリングターゲットが使用されるマグネトロンスパッタリング装置の一例を示している。このマグネトロンスパッタリング装置１００は、真空チャンバ１０内に、その下部で処理基板１１を載置状態に保持するステージ１２と、真空チャンバ１０の上部でスパッタリングターゲット１を保持するターゲットホルダー１３とが設けられており、これら処理基板１１とスパッタリングターゲット１（ターゲット材２０）との表面が相互間隔をおいて上下に対向させられるようになっている。また、ターゲットホルダー１３の内部には、スパッタリングターゲット１の背面側に配置されるマグネット１４ａ，１４ｂが設けられている。また、ターゲットホルダー１３は、真空チャンバ１０の壁に絶縁状態で取り付けられており、スパッタリングターゲット１に電圧を印加するための外部電源１５に接続されている。また、真空チャンバ１０には、Ａｒガス等の不活性ガスを導入するガス導入口１６と、排気及び真空引きの為のガス排出口１７とが形成されている。そして、スパッタリングターゲット１は、後に詳述するが、バッキングプレート３０上にターゲット材２０を接合して形成されたものである。

このスパッタリング装置１００では、真空チャンバ１０内を真空状態にしておき、外部電源１５からスパッタリングターゲット１と処理基板１１との間に電圧を印加して、真空チャンバ１０内に不活性ガスを導入すると、スパッタリングターゲット１の背部のマグネット１４ａ，１４ｂからの磁界が二点鎖線で示すようにターゲット材２０の表面２０ａに漏洩することにより、破線で示すように放電プラズマがターゲット材２０の表面２０ａに高密度に収束し、そのプラズマ中で不活性ガスのイオンが加速されてターゲット材２０に入射し、これによりターゲット材２０の表面２０ａからたたき出されたスパッタ原子が処理基板１１に到達して、その表面に薄膜を形成する。

このスパッタリング装置１００に用いられるターゲット材２０は、薄膜の材料となる金属、酸化物等により作製され、本実施形態においては、柱状晶シリコンを用いて作製される。そして、ターゲット材２０は、図１に示すように、複数の分割ターゲット材２１（本発明でいう、中央分割ターゲット材）を平面状に並べて長尺状の矩形状に形成されている。
各分割ターゲット材２１は、平面視が一定幅の細長い帯板状に形成されている。そして、ターゲット材２０は、これらの分割ターゲット材２１の短手方向の一端に配置される側面を突き合せて互いに平行に並べた一対の分割ターゲット材２１，２１を、その分割ターゲット材２１の長手方向の一端に配置される端面を突き合せて複数組（図示例では４組）組み合わせることにより形成されている。また、このターゲット材２０の長手方向の中心位置に、分割ターゲット材２１の端面を重ねた合わせた位置が配置され、ターゲット材２０の中心位置を境に各分割ターゲット材２１が対称に配置されている。

また、ターゲット材２０は、加工時において形成されたマイクロクラックを除去するために予め表面処理が施されており、マイクロクラックを起因とする割れの発生を回避することができる。表面処理としては、ターゲット材２０のスパッタ面２０ａに対して、研削砥石の荷重や回転速度などを厳しくコントロールした精密研磨、スパッタリング処理、レーザー処理、エッチング処理などを施す方法が挙げられる。
そして、これら分割ターゲット材２１は、バッキングプレート３０にボンディング材（図示略）によって一体に接合されている。

バッキングプレート３０は、無酸素銅や銅合金、モリブデン等の導電性及び熱伝導性に優れた材料により作製され、図１に示すように、平面視がターゲット材２０よりも一回り大きい矩形状に形成されている。そして、このバッキングプレート３０上に接合された各分割ターゲット材２１の表面は面一となるように揃えられ、この面一に揃えられた表面がスパッタ面２０ａとされたスパッタリングターゲット１が構成される。
なお、バッキングプレート３０の表面には、ブラスト処理が施されており、スパッタリング時において反応生成物が固化して付着した際に、この反応生成物が脱落するのを防止して、パーティクルとなることを防止できるようになっている。

このスパッタリングターゲット１の寸法の一例を示せば、バッキングプレート３０の幅Ｗ１が１３０ｍｍ、長さＬ１が６１０ｍｍ、厚みが６ｍｍに形成され、分割ターゲット材２１は、いずれも幅Ｗ２が６０ｍｍ、長さＬ２が１５０ｍｍ、厚みが５ｍｍに形成されている。

このように構成されたスパッタリングターゲット１は、バッキングプレート３０が設けられていない側のスパッタ面２０ａを処理基板１１に対向させた状態でスパッタリング装置１００のターゲットホルダー１３に取り付けられる。
スパッタリング時においてターゲット材２０に発生する熱は、バッキングプレート３０を介して放熱される。この際、高温となるターゲット材２０側と、水冷等による冷却されるバッキングプレートとの間で温度差を生じ易く、各分割ターゲット材の材質の熱膨張率と、バッキングプレートの材質の熱膨張率との差により、スパッタリングターゲット１に反りが発生しやすい。

ところが、本実施形態のスパッタリングターゲット１においては、個々の分割ターゲット材２１の長手方向を、ターゲット材２０の長手方向に合わせて配置するとともに、これら分割ターゲット材２１が対となるように短手方向の側面を突き合せて配置している。このため、スパッタリング時においてスパッタリングターゲット１に反りが生じた場合であっても、分割ターゲット材２１が撓みやすくなっていることから、ターゲット材２０の表面に割れ等が生じにくくなっている。また、各分割ターゲット２１は、加工時において形成されたマイクロクラック等を除去するために予め表面処理が施されており、これらのマイクロクラック等を起因として、割れの発生を助長することを回避することができる。
したがって、ターゲット材２０の表面の割れ等に起因するパーティクルや異常放電の発生を防止することができる。

また、バッキングプレート３０の撓みが最も大きくなる長手方向の中央位置に、分割ターゲット材２１の長手方向の端面を突き合せた位置を配置する、すなわちターゲット材２０の分割面を配置することで、耐割れ性をより向上させることができる。

なお、第１実施形態のスパッタリングターゲット１においては、ターゲット材２０全体を、平面視が一定幅の細長い帯板状とされる同一形状の分割ターゲット材２１により形成したが、図３に示す第２実施形態のスパッタリングターゲット４０のように、ターゲット材２５の両端部分を矩形状の端部分割ターゲット材２３で構成し、少なくともターゲット材２５の長手方向の中央部分を形成する中央分割ターゲット材２２を、平面視が一定幅の細長い帯板状に形成して、これら中央分割ターゲット材２２の短手方向の一端に配置される側面を突き合せて互いに平行に並べた一対の中央分割ターゲット材２２，２２を、その中央分割ターゲット材２２の長手方向の一端に配置される端面を突き合せて複数組を組み合わせる構成としてもよい。

このように、第２実施形態のスパッタリングターゲット４０においては、スパッタリング時においてスパッタリングターゲット４０に反りが生じた場合であっても、ターゲット材２５の反り量が最も大きくなる中央部分を形成する個々の中央分割ターゲット材２２の長手方向を、ターゲット材２５の長手方向に合わせて配置するとともに、これら中央分割ターゲット材２２が対となるように短手方向の側面を突き合せて配置している。このため、スパッタリング時においてターゲット材２５の中央部分の中央分割ターゲット材２２が撓みやすくなっていることから、ターゲット材２５の表面に割れ等が生じにくくなっている。したがって、第１実施形態のスパッタリングターゲット１と同様に、ターゲット材２５の表面の割れ等に起因するパーティクルや異常放電の発生を防止することができる。

なお、複数の分割ターゲット材により形成されるスパッタリングターゲットを用いて複数の処理基板に薄膜を形成する場合においては、図４に示すように、ターゲット材２８の分割面、すなわち個々の分割ターゲット材２９の短手方向の側面どうし及び長手方向の端面どうしの突き合せ部を、処理基板１９と対向する位置を避けて配置することが望ましい。これにより、分割ターゲット材２９の短手方向の側部どうし及び長手方向の端面どうしの突き合せ部から発生するおそれがあるパーティクルの影響を最小限に抑えることができる。

また、上記実施形態において、分割ターゲット材により構成されるターゲット材は平面視を矩形状とする形態のものを用いて説明をおこなったが、ターゲット材の形状はこれに限定されるものではなく、図３に二点鎖線で示すように、スパッタリング時において浸食されない外周部の角部２４を除去した形状とすることもできる。この場合、ターゲット材からスパッタされた粒子が、スパッタリング時において浸食されない領域（非エロージョン領域）の角部２４に付着して、その付着物が脱落することで生じるパーティクルの発生を防止することができる。

（実施例及び比較例）
本発明の効果を確認するために、種々の試験を行った。
［バッキングプレートについて］
まず、バッキングプレートの材質による違いを確認するため、無酸素銅（ＯＦＣ）、銅合金（ＣｒＺｒ銅：Ｃｒ １ａｔ％，Ｚｒ ０．１ａｔ％）、モリブデン（Ｍｏ）のそれぞれの材料からなる直径１６０ｍｍ又は直径２４０ｍｍ、厚み６ｍｍの円板状のバッキングプレートを形成し、各バッキングプレートについて「水圧試験」を行った。
「水圧試験」は、図５に示すように、各バッキングプレート６０の周縁部全周を水圧試験機５０に取り付けた状態で、水圧試験機５０の内部５１の水圧を上昇させて、その際のバッキングプレート６０の変位量を測定して評価を行った。
直径１６０ｍｍのバッキングプレートの結果を図６（ａ）に、直径２４０ｍｍのバッキングプレートの結果を図６（ｂ）に示す。

図６（ａ）及び（ｂ）からわかるように、バッキングプレートの直径の大きさにかかわらず、水圧と変位量との関係は、材質によって傾向が決定されていることがわかる。また、無酸素銅（ＯＦＣ）が最も撓みやすく、モリブデンが最も撓みにくいことがわかる。

次に、無酸素銅（ＯＦＣ）、銅合金（ＣｒＺｒ銅：Ｃｒ １ａｔ％，Ｚｒ ０．１ａｔ％）からなる２１０×１３５ｍｍで厚みが５ｍｍ又は７ｍｍのバッキングプレートに、２００×１２５×５ｍｍの柱状晶シリコン（Ｂ（ボロン）ドープ：比抵抗３〜１０ｍΩ・ｃｍ）からなるターゲット材をインジウムはんだ（０．２ｍｍ厚み）によりボンディングしたスパッタリングターゲットの試料を作製し、これらの試料について、図５に示すバッキングプレート単体の水圧試験機と同様の構成で、「水圧試験」を行った。

この場合、図５に示すように、各試料のバッキングプレート６０の全周を水圧試験機５０に取り付けた状態で、水圧試験機５０の内部５１の水圧を上昇させて、ターゲット材６１の表面に割れが生じたり、バッキングプレートから剥離したりするまでの破壊到達圧を評価するものであり、破壊到達圧の評価とともに、ターゲット材６１の破壊時の反り量を測定して評価を行った。図７に結果を示す。

図７からわかるように、バッキングプレートの厚みを増すことにより、破壊到達圧が大きくなる結果となった。

［ターゲット材について］
次に、ターゲット材への表面処理の有無によるターゲット材の強度の違いを確認するため、加工時に形成されたターゲット材表面のマイクロクラック等をエッチング処理することにより除去したターゲット材（未処理）と、加工後に表面処理を施さずにマイクロクラック等が形成されたままのターゲット材（処理済）とを用意し、「曲げ試験」及び「水圧試験」を行った。また、各ターゲット材は、２００×１２５×５ｍｍの柱状晶シリコン（Ｂ（ボロン）ドープ）を用いた。

「曲げ試験」は、ターゲット材それぞれについてＪＩＳ Ｒ １６０に規定される４点曲げ試験により行った。
「水圧試験」は、図５に示すように、無酸素銅（ＯＦＣ）からなる２１０×１３５×５ｍｍのバッキングプレートに、ターゲット材をインジウムはんだ（０．２ｍｍ厚み）によりボンディングしたスパッタリングターゲットの試料を作製し、これらの試料について行った。この場合、「水圧試験」は、各試料のバッキングプレート６０の全周を水圧試験機５０に取り付けた状態で、水圧試験機５０の内部５１の水圧を上昇させて、ターゲット材６１の表面に割れが生じたり、完全に分断されたりするまでの破壊到達圧（耐圧）を評価するものであり、破壊到達圧の評価とともに、ターゲット材６１の破壊時の反り量を測定して評価を行った。
「曲げ試験」の結果を図８（ａ）、「水圧試験」の結果を図８（ｂ）に示す。

図８（ａ）及び（ｂ）からわかるように、表面処理を行ったターゲット材（処理済）では、表面処理をしていないターゲット材（未処理）に比べて、曲げ強度及び破壊到達圧が大きく、良好な結果が得られた。

次に、ターゲット材の形状を変更したスパッタリングターゲットの試料を作製し、分割ターゲット材の形状の違いによる割れの発生しやすさを確認するための試験を行った。
スパッタリングターゲットの試料を構成するバッキングプレートは、銅合金（Ｃｕ‐１ｗｔ％Ｃｒ-０．１ｗｔ％Ｚｒ）により形成し、いずれも幅が１３５ｍｍ、長さが２１０ｍｍ、厚みが５ｍｍとされる矩形状のものを用いた。
また、各試料のターゲット材は、柱状晶シリコン（Ｂ（ボロン）ドープ）により形成し、いずれも幅が１２５ｍｍ、長さが２００ｍｍ、厚みが１０ｍｍとされる矩形状のものを用いた。また、比較例１は図９（ａ）に示すように分割面を有さないターゲット材２０Ａ、比較例２は図９（ｂ）に示すように長手方向に三分割したターゲット材２０Ｂ、実施例１は図９（ｃ）に示すように短手方向に二分割したターゲット材２０Ｃにより構成した。
そして、バッキングプレート３１に各ターゲット材２０Ａ〜２０Ｃをボンディングしたスパッタリングターゲットの各試料を作製し、これら各試料を用いて、「水圧試験」と「スパッタリング試験」を行った。

「水圧試験」は、図５に示すように、各試料のバッキングプレート３１の全周を水圧試験機５０に取り付けた状態で、水圧試験機５０の内部５１の水圧を上昇させて、ターゲット材２０Ａ〜２０Ｃの表面に割れが生じたり、バッキングプレート３１から剥離したりするまでの破壊到達圧を評価するものであり、破壊到達圧の評価とともに、ターゲット材２０Ａ〜２０Ｃの破壊時の反り量を測定して評価を行った。水圧試験は、試料ごとに３回（ｎ１〜ｎ３）行った。
表１に結果を示す。

「スパッタリング試験」は、水圧試験を行った各試料とは別に、同条件のスパッタリングターゲットを作製し、それらを用いて行った。このスパッタリング試験は、各スパッタリングターゲットを、ＤＣスパッタリング装置によるスパッタ時間１時間、電力密度１０Ｗｈ／ｃｍ^２、積算電力量１０ＷＨｒ／ｃｍ^２のスパッタリングを行うものである。なお、各スパッタリングターゲットは、ボンディング後に、予めＸ線透過像によりボンディング欠陥、クラック等がないことを確認した。そして、スパッタリング時の異常放電の発生回数、ターゲット材への割れの発生数、ターゲット材に発生した割れの最大サイズを確認した。
結果を表２に示す。

表１からわかるように、短手方向に二分割したターゲット材により構成した実施例１が、破壊時の変位量が大きかった。そして、表２からわかるように、スパッタリング試験においても、実施例１のスパッタリングターゲットは、スパッタリング時において割れ等を生じることなく、異常放電も確認されなかった。
このように、短手方向に二分割したターゲット材、すなわち個々の分割ターゲット材の長手方向を、ターゲット材の長手方向に合わせて配置するとともに、これら分割ターゲット材が対となるように短手方向の側面を突き合せて配置することで、ターゲット材の表面に割れ等が生じにくくなっており、ターゲット材の表面の割れ等に起因するパーティクルや異常放電の発生を防止できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１，４０ スパッタリングターゲット
１０ 真空チャンバ
１１ 処理基板
１２ ステージ
１３ ターゲットボルダ―
１４ａ，１４ｂ マグネット
１５ 外部電源
１６ ガス導入口
１７ ガス排出口
２０，２０Ａ〜２０Ｃ，６１ ターゲット材
２０ａ スパッタ面
２１ 分割ターゲット材
２２ 中央分割ターゲット材（分割ターゲット材）
２３ 端部分割ターゲット材（分割ターゲット材）
２４ 非エロージョン部
３０，３１，６０ バッキングプレート
５０ 水圧試験機
５１ 内部
１００ マグネトロンスパッタリング装置

Claims (4)

1. 複数の分割ターゲット材を平面状に並べて長尺状に形成したターゲット材と、バッキングプレートとを接合したスパッタリングターゲットであって、
   前記分割ターゲット材のうち、少なくとも前記ターゲット材の長手方向の中央部分を形成する前記中央分割ターゲット材は、平面視が一定幅の細長い帯板状に形成されており、
   前記中央分割ターゲット材の短手方向の一端に配置される側面を突き合せて互いに平行に並べた一対の中央分割ターゲット材を、該中央分割ターゲット材の長手方向の一端に配置される端面を突き合せて複数組組み合わせることにより形成されていることを特徴とするスパッタリングターゲット。
2. 前記ターゲット材の長手方向の中心位置に、前記中央分割ターゲット材の前記端面を重ねた合わせた位置が配置されていることを特徴とする請求項１記載のスパッタリングターゲット。
3. 前記ターゲット材は、スパッタリング時において浸食されない外周部の角部を除去した形状とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリングターゲット。
4. 前記ターゲット材は、マイクロクラックを除去するための表面処理が施されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。

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