JP2021171787A - イットリウムインゴット及びそれを用いたスパッタリングターゲット - Google Patents
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Abstract
【課題】パーティクルの少ないイットリウムインゴット及びそれを用いたスパッタリングターゲットを提供する【解決手段】イットリウムインゴット内の100μm以上の直径のポア数が0.1個/cm2以下であり、相対密度が96%以上であること特徴とするイットリウムインゴット。【選択図】 なし
Description
本発明は、薄膜形成用イットリウムインゴット及びそれを用いたスパッタリングターゲットに関するものである。
半導体デバイス製造において、フッ素系や塩素系などの腐食性の高いハロゲン系ガスやこれらのプラズマを用いたドライエッチングによる微細加工が重要な工程の一つである。これら腐食性のガスやプラズマは半導体製造装置の構成部材を腐食、損傷させ、その結果発生するパーティクルによってデバイスの品質低下を引き起こすことが知られている。半導体製造装置の構成部材の多くが消耗品であり、上記損傷による歩留まり低下や品質低下を防ぐために定期的な交換が行われる。部材交換、装置メンテナンスに伴う停止時間のため装置稼働率が低下し、生産性が悪化することも問題となっており、半導体製造工程においては耐プラズマ性および耐ガス腐食性に優れた構成部材の開発が求められている。
半導体素子の微細化に伴い、ドライエッチング工程において使用されるプラズマは高密度化されており、このような高密度なプラズマに耐えうる材料として酸化イットリウムが注目されている。酸化イットリウムを含む部材の製造方法としては、製造コストや大型化の観点から特許文献1のように基材に溶射法により酸化イットリウム膜を形成する方法が工業プロセスとして主流である。しかしながら、溶射法はセラミックス粉末を溶融し急冷凝固させて膜形成を行うため、膜表面に表面欠陥やボイドが存在する。このような欠陥が存在するとプラズマ耐性が悪化するほか、パーティクルの発生原因となるため、緻密な酸化イットリウム膜を高効率で形成する方法が求められている。
ここで、溶射法以外の薄膜形成方法の一つとしてスパッタ法が挙げられる。スパッタ法はカソードに設置したターゲットにArイオンなどの陽イオンを物理的に衝突させ、その衝突エネルギーでターゲットを構成する材料を放出させ、対面する位置に設置した基板上に膜を堆積する方法であり、直流スパッタリング法(DCスパッタリング法)と高周波スパッタリング法(RFスパッタリング法)と交流型スパッタリング法(ACスパッタリング法)などがある。一般に、スパッタ法による薄膜形成は溶射法での薄膜形成と比較して低温度のプロセスでの成膜が可能であり、ボイドなどの欠陥生成を抑制し、より緻密な膜を形成可能であると考えられる。またスパッタ法での成膜においては、酸素や窒素などのガスをスパッタチャンバーに導入する反応性スパッタリングで成膜を行うことにより、酸化物や窒化物を成膜することも可能である。例えば非特許文献1のように、イットリウムターゲットをDC放電し、スパッタ中に酸素を導入する反応性DCスパッタにより酸化イットリウム膜を基板上に成膜することが可能であるが、スパッタ条件により形成される膜の品質が大きく異なる。ところで、非特許文献1においては純度99.5%のイットリウムターゲットを用いて成膜を行っているが、密度や純度などのスパッタリングターゲットの物性とスパッタ特性との相関およびスパッタにより形成された膜の品質との関係については十分な検討がなされていない。そのため、イットリウムターゲットの物性とスパッタ特性および形成される膜の特徴に関して更なる検討が必要であった
P.Lei et al. Surface & Coatings Technology 276(2015)39−46
本発明の目的は、パーティクルの少ないイットリウムインゴット及びそれを用いたスパッタリングターゲットを提供することである。
本発明者らは、イットリウムスパッタリングターゲットに望ましいイットリウムインゴットについて鋭意検討を行った結果、パーティクルの発生の少ないイットリウムスパッタリングターゲットが得られるイットリウムインゴットを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の態様は以下の通りである。
(1)イットリウムインゴット内の100μm以上の直径のポア数が0.1個/cm2以下であり、相対密度が96%以上であること特徴とするイットリウムインゴット。
(2)平均粒子径(D50)が3000μm以下であることを特徴とする(1)に記載のイットリウムインゴット。
(3)ターゲットとした際のスパッタ面の表面粗さが10nm以上2μm以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のイットリウムインゴット。
(4)希土類元素の含有量をREwt%、希土類以外の金属元素の含有量をMwt%としたとき、98≦100−RE−M<99.999であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のイットリウムインゴット。
(5)(1)〜(4)のいずれかに記載のイットリウムインゴットからなることを特徴とするイットリウムスパッタリングターゲット。
(6)パッキングプレートとイットリウムインゴットからなる(5)に記載のスパッタリングターゲット。
(7)バッキングプレートとイットリウムインゴットの接着率が90%以上であることを特徴とする(5)又は(6)のイットリウムスパッタリングターゲット
(8)(5)〜(7)のいずれかに記載のイットリウムスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする酸化イットリウム膜の製造方法。
(1)イットリウムインゴット内の100μm以上の直径のポア数が0.1個/cm2以下であり、相対密度が96%以上であること特徴とするイットリウムインゴット。
(2)平均粒子径(D50)が3000μm以下であることを特徴とする(1)に記載のイットリウムインゴット。
(3)ターゲットとした際のスパッタ面の表面粗さが10nm以上2μm以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のイットリウムインゴット。
(4)希土類元素の含有量をREwt%、希土類以外の金属元素の含有量をMwt%としたとき、98≦100−RE−M<99.999であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のイットリウムインゴット。
(5)(1)〜(4)のいずれかに記載のイットリウムインゴットからなることを特徴とするイットリウムスパッタリングターゲット。
(6)パッキングプレートとイットリウムインゴットからなる(5)に記載のスパッタリングターゲット。
(7)バッキングプレートとイットリウムインゴットの接着率が90%以上であることを特徴とする(5)又は(6)のイットリウムスパッタリングターゲット
(8)(5)〜(7)のいずれかに記載のイットリウムスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする酸化イットリウム膜の製造方法。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のイットリウムインゴットは、100μm以上の直径のポア数が0.1個/cm2以下であり、相対密度が96%以上であることを特徴とするイットリウムインゴットである。
本発明のイットリウムインゴットは、100μm以上の直径のポア数が0.1個/cm2以下であり、好ましくは0.01個/cm2以下であり、さらに好ましくは0.005個/cm2以下である。100μm以上の直径のポアが0.1個/cm2より多い場合、スパッタ時に異常放電やパーティクルの原因となりうる。
また、相対密度が96%以上であり、好ましくは98%以上、より好ましくは99%以上、さらに好ましくは99.8%以上である。96%未満では特に大型のインゴットでは割れ易く、歩留りよくインゴットを製造することができない。また、このようなインゴットを用いて、スパッタリングで高パワーを投入した場合、放電中に割れが発生し易く、成膜工程の生産性を低下させる原因となるため、好ましくない。
イットリウムインゴットの平均粒子径(D50)は3000μm以下であり、好ましくは、1μm以上2000μm以下、更に好ましくは、1μm以上1500μm以下、特に好ましくは1μm以上1000μm以下である。
本発明のイットリウムインゴットの表面粗さは、スパッタリングターゲットとした際のスパッタ面の表面粗さが重要であり、ターゲットとした際のスパッタ面の表面粗さは10nm以上2μm以下であることが好ましく、更に好ましくは10nm以上1μm以下であり、更に好ましくは10nm以上0.3μm以下である。スパッタ面とは実際にスパッタ粒子が放出される(エロージョン部)箇所を指す。2μm以下とすることで表層の比表面積を低減し、酸化しやすいイットリウムの表面酸素を軽減することで成膜時のアーキングの発生、抵抗率増加による異常放電を防止することができる。また、10nm以上とすることでスパッタ時に微量ながら発生するパーティクルをターゲット表面に再付着させ、膜へのパーティクル付着を抑制することが可能となる。
次に本発明におけるイットリウムインゴットは、体積抵抗率が0.00001Ω・cm以上1Ω・cm以下であることが好ましく、より好ましくは0.00001Ω・cm以上0.001Ω・cm以下である。イットリウムは非常に酸化しやすく、大気中で自然に酸化が進行する。酸化により形成する酸化イットリウムは絶縁体であるため、特にDC放電により成膜をする場合などスパッタ放電時において異常放電の原因となる。体積抵抗率を上記範囲内とすることでDCスパッタ、RFスパッタ、ACスパッタいずれにおいても安定した放電特性を得ることが可能である。
次にイットリウムインゴット不純物含有量に関して、希土類元素の含有量をREwt%、希土類以外の金属元素の含有量をMwt%としたとき、98≦100−RE−M<99.999であり、より好ましくは99≦100−RE−M<99.999であり、さらに好ましくは、99.9≦100−RE−M<99.999である。不純物量を少なくし、よりイットリウムターゲットの純度を高純度化すること異常放電やパーティクル発生を抑制することが可能である。より高純度にする場合、純化におけるプロセスが複雑となり作製コストが高くなり好ましくない。本発明者らは上記範囲内において不純物量と放電特性との相関を検討し、スパッタ成膜にて好適に用いることができる純度を決定した。
本発明のイットリウムインゴットは、平面研削盤、円筒研削盤、旋盤、切断機、マシニングセンター等の機械加工機を用いて、板状形状に研削加工することできる。
本発明のイットリウムインゴットは特に製造方法は特に限定はなく、真空溶解やEB溶解のような高純度化のための溶解固化では溶解時の気化により100μm以上の直径のポアが発生しやすいため、そのままではポアの少ないインゴットを得ることは難しい。そこで、溶解法により作製したインゴットを熱間等方圧加圧法(HIP法)により圧縮し、ポアをつぶすことが好ましい。ただし、イットリウムは酸化されやすい材料であるため、外周を金属で封止することが好ましい。HIP温度は1000℃以下であることが好ましい。また、イットリウムは比較的脆いため圧力は100MPa以下であることが好ましい。そうすることで100μm以上の直径のポアが少ないイットリウムインゴットを得ることが可能となる。
本発明のイットリウムインゴットは、イットリウムインゴットからなるスパッタリングターゲットとすることができる。スパッタリングターゲットの製造方法としては、必要に応じて無酸素銅やチタン等からなるバッキングプレート、バッキングチューブにインジウム半田等を用いて接合(ボンディング)することにより、スパッタリングターゲットを得ることができ、その中でもパッキングプレートとイットリウムインゴットからなるスパッタリングターゲットとすることが好ましい。
イットリウムインゴットとバッキングプレート接着面のイットリウムインゴット側の表面粗さ(接着部表面粗さ)は10nm以上2μm以下であることが好ましく、更に好ましくは10nm以上1μm以下であり、更に好ましくは10nm以上0.3μm以下である。2μm以下とすることで表層の比表面積を低減し、酸化しやすいイットリウムの表面酸素を軽減することで接着時の酸化部分での剥離を防止することができる。また、酸化状態での接着表面の処理では酸化層の剥離により処理ができず、最終的に接着率が低下する。10nm以上とすることで表面と下地処理面の噛み込みを良好にし、より接着力を向上させ高いパワーの放電が可能となる。
バッキングプレートはスパッタリングターゲットの薄膜材料部分であるインゴットを効率的にスパッタ装置へ取り付けるためのものであり、また、スパッタリング時にインゴット部分が過熱されるのを防ぐためバッキングプレート部分を水冷などで冷却している。その接着する材料は熱伝導率が高くハンダとして利用しやすいインジウムやインジウム合金が用いられる。
またバッキングプレートの材質は特に制限はなく、銅やステンレス、チタンなどを使用することができる。
また、好ましく用いられるパッキングプレートとイットリウムインゴットからなるスパッタリングターゲットでは、イットリウムインゴットとバッキングプレートとの接着率が90%以上であり、より好ましくは95%以上であり、さらに好ましくは98%以上である。接着率を上記とすることにより、スパッタ中に発生するターゲットの熱を速やかに拡散し、スパッタリングターゲットが過度に加熱されハンダ材料が溶け出すことを防止することが可能となる。
ボンディングする際において、イットリウムインゴットを研磨し、速やかに表面処理を実施することが好ましい。イットリウムインゴットは時間とともに表面が酸化するため、その酸化膜によりハンダ材との接着が困難となる。そこで、ボンディング前にイットリウム表面の酸化層を除去し、速やかに表面処理を行う。処理方法は特に限定しないが、ハンダ材料と密着の良い金属を蒸着、めっき処理、超音波ハンダこてによる処理等を施すことが好ましい。そうすることでハンダとイットリウムが剥離することなく接着が可能となる。酸化物処理からの表面処理までは好ましくは3時間以内が望ましい。
また、得られたイットリウムスパッタリングターゲットを用いスパッタリングすることにより薄膜を製造することもできる。
本発明のイットリウムインゴットは高強度を有し、スパッタリングターゲットとして用いた場合、高出力下においても割れが無く、高い生産性を得ることが可能である。
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、本実施例における各測定は以下のように行った。
(1)相対密度
相対密度は、JIS R 1634に準拠して、アルキメデス法によりかさ密度を測定し、金属イットリウムの真密度(4.47g/cm3)で割ることで相対密度を求めた。
(2)ポア率測定
X線透過像にて全体像を測定、その中で100μm以上のポアの箇所を抽出しその数と大きさを測定、測定面積から個/cm2に換算した。
(3)体積抵抗率
4探針法により3か所以上を測定し、平均することで得た。
(4)平均粒子径(D50)
鏡面研磨し、電解エッチングを行った後、光学顕微鏡で観察し、得られた組織画像から直径法で平均粒子径(D50)を測定した。少なくとも任意の3点以上を観察し、300個以上の粒子の測定を行った。ここでの平均値とは50%粒子径を指す。
(5)接着率の測定方法
超音波探傷装置にて測定し、接着率を算出した。
(6)表面粗さ(Ra)の測定
ミツトヨ製表面粗さ測定装置を利用し、表面粗さRaを測定した。
(7)金属不純物量の分析
焼成後のイットリウムインゴット表面より1mm以上研削した後の任意の部分より切り出したサンプルの分析値を測定データとした。
(1)相対密度
相対密度は、JIS R 1634に準拠して、アルキメデス法によりかさ密度を測定し、金属イットリウムの真密度(4.47g/cm3)で割ることで相対密度を求めた。
(2)ポア率測定
X線透過像にて全体像を測定、その中で100μm以上のポアの箇所を抽出しその数と大きさを測定、測定面積から個/cm2に換算した。
(3)体積抵抗率
4探針法により3か所以上を測定し、平均することで得た。
(4)平均粒子径(D50)
鏡面研磨し、電解エッチングを行った後、光学顕微鏡で観察し、得られた組織画像から直径法で平均粒子径(D50)を測定した。少なくとも任意の3点以上を観察し、300個以上の粒子の測定を行った。ここでの平均値とは50%粒子径を指す。
(5)接着率の測定方法
超音波探傷装置にて測定し、接着率を算出した。
(6)表面粗さ(Ra)の測定
ミツトヨ製表面粗さ測定装置を利用し、表面粗さRaを測定した。
(7)金属不純物量の分析
焼成後のイットリウムインゴット表面より1mm以上研削した後の任意の部分より切り出したサンプルの分析値を測定データとした。
測定手法:グロー放電質量分析(GDMS)
(実施例1)
ポア低減処理を行ったイットリウムインゴットを用意し、測定を行ったところ良好な結果を得た。イットリウムインゴット特性を以下に示す。
(実施例1)
ポア低減処理を行ったイットリウムインゴットを用意し、測定を行ったところ良好な結果を得た。イットリウムインゴット特性を以下に示す。
相対密度:100.3%
ポア率:0.004個/cm2
表面粗さ:430nm(#400のやすりを利用)
ボンディング前にボンディング面を#400のやすりを利用して表面研磨し所定の表面粗さとした上で、一時間後に超音波はんだごてを利用しインジウムはんだを塗布、表面処理を行った。
ポア率:0.004個/cm2
表面粗さ:430nm(#400のやすりを利用)
ボンディング前にボンディング面を#400のやすりを利用して表面研磨し所定の表面粗さとした上で、一時間後に超音波はんだごてを利用しインジウムはんだを塗布、表面処理を行った。
(実施例2〜3)
表面処理の方法を変更した以外は実施例1と同様の方法でイットリウムインゴット、並びにイットリウムターゲットを作製した。イットリウムのインゴット特性を表1に示す。実施例2は#1000、実施例3は#3000のやすりで行い、表1の表面粗さとなった。
(比較例1)
所定のイットリウムインゴットを用意しポア低減処理を実施しないこと以外は実施例1と同様の処理を行った。得られたインゴットの特性を表1に示す。
(比較例2)
溶射法によりイットリウムインゴットを作製した。得られたインゴットの特性を表1に示す。
表面処理の方法を変更した以外は実施例1と同様の方法でイットリウムインゴット、並びにイットリウムターゲットを作製した。イットリウムのインゴット特性を表1に示す。実施例2は#1000、実施例3は#3000のやすりで行い、表1の表面粗さとなった。
(比較例1)
所定のイットリウムインゴットを用意しポア低減処理を実施しないこと以外は実施例1と同様の処理を行った。得られたインゴットの特性を表1に示す。
(比較例2)
溶射法によりイットリウムインゴットを作製した。得られたインゴットの特性を表1に示す。
Claims (8)
- イットリウムインゴット内の100μm以上の直径のポア数が0.1個/cm2以下であり、相対密度が96%以上であること特徴とするイットリウムインゴット。
- 平均粒子径(D50)が3000μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のイットリウムインゴット。
- ターゲットとした際のスパッタ面の表面粗さが10nm以上2μm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のイットリウムインゴット。
- 希土類元素の含有量をREwt%、希土類以外の金属元素の含有量をMwt%としたとき、98≦100−RE−M<99.999であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のイットリウムインゴット。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のイットリウムインゴットからなることを特徴とするイットリウムスパッタリングターゲット。
- パッキングプレートとイットリウムインゴットからなる請求項5に記載のスパッタリングターゲット。
- バッキングプレートとイットリウムインゴットの接着率が90%以上であることを特徴とする請求項5又は6に記載のイットリウムスパッタリングターゲット。
- 請求項5〜7のいずれかに記載のイットリウムスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする酸化イットリウム膜の製造方法。
Priority Applications (7)
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---|---|---|---|
JP2020076659A JP2021171787A (ja) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | イットリウムインゴット及びそれを用いたスパッタリングターゲット |
EP21791619.6A EP4141139A4 (en) | 2020-04-23 | 2021-04-19 | YTTRIUM BLOCK AND SPUTTER TARGET |
PCT/JP2021/015798 WO2021215376A1 (ja) | 2020-04-23 | 2021-04-19 | イットリウムインゴット及びそれを用いたスパッタリングターゲット |
KR1020227032552A KR20230007314A (ko) | 2020-04-23 | 2021-04-19 | 이트륨 잉곳 및 그것을 사용한 스퍼터링 타깃 |
US17/996,718 US20230212734A1 (en) | 2020-04-23 | 2021-04-19 | Yttrium ingot and sputtering target in which the yttrium ingot is used |
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2020
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