JP2756158B2 - スパッタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スパッタ装置に関する。

（従来の技術） 一般に、スパッタ装置はイオン化するスパッタガスを
導入した気密容器内で、プラズマ中のイオンが負電圧の
電極であるターゲットに衝突してスパッタが行われ、陽
極側に設けられた半導体ウエハ等の試料の表面に薄膜を
形成するものである。

この種のスパッタ装置では、電極であるターゲットの
母材の種類によっても相違するが、プラズマ発生時の昇
温によりターゲットが例えば150℃を越えると、ターゲ
ット等に種々の弊害が発生し、適正な薄膜の形成を阻害
することになっていた。特に、生産性の向上を目的とし
て、スパッタリングスピードを上げるため、より多くの
電力をターゲットに供給しようとする時の大きな障害と
なっていた。

そこで、従来より前記ターゲットが所定温度例えば10
0℃を越えないように、ターゲットを冷却することが行
われている。

このターゲットの冷却方法としては、従来よりターゲ
ットを支持する熱伝導性の良好な保持部材に沿って冷却
媒体を循環させる直接冷却法と、ターゲット側部にクー
リングジャケットを配置し、この中に冷水管を設けた間
接冷却法等があった。

（発明が解決しようとする課題） ターゲットは、そのプラズマエロージョン領域外で保
持部材と締結される。

この締結状態で、ターゲットのスパッタが進行するに
従い加熱されるため、その際の熱膨張によってターゲッ
トに反りが発生し、ターゲット裏面と保持部材の対向す
る面との間の密着性が悪化することがあった。この密着
性の悪化は、ターゲットの冷却が保持部材との熱伝導を
利用するため効率良く放熱することができず、したがっ
てターゲットの有効な冷却を実施することができなかっ
た。

そこで、本発明の目的とするところは、被スパッタ材
料体のプラズマエロージョンエリアでの冷却ブロックと
の間の熱交換を良好とし、被スパッタ材料体内部の温度
勾配を著しく減少させることができるスパッタ装置を提
供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 請求項１に記載の発明に係るスパッタ装置は、被スパ
ッタ材料体を冷却ブロックに装着してスパッタリングを
行うスパッタ装置において、前記被スパッタ材料体のス
パッタ表面中心部に形成された凹部と、前記凹部の底面
より前記被スパッタ材料体の裏面に向けて貫通形成され
た貫通孔と、前記凹部に収まる頭部を有し、前記貫通孔
を介して前記被スパッタ材料体と前記冷却ブロックを締
結固定する締結手段と、を有し、前記凹部の底面と、該
底面と対向する前記締結手段の前記頭部の反り規制面と
の間にクリアランスを設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明に係るスパッタ装置は、請求項
１において、上記貫通孔に挿通され、上記締結手段の反
り規制面より前記被スパッタ材料体の裏面までの長さを
有するスペーサを、上記締結手段の周囲に設けたことを
特徴とする。

（作用） 請求項１に記載の発明によれば、スパッタ実行中の温
度上昇が特に著しく反りが発生し易い被スパッタ材料体
の中心部に凹部を設け、該凹部に、頭部を有する締結手
段を設け、被スパッタ材料体と冷却ブロックと固定して
いる。

しかも、この凹部の底面と、該底面と対向する締結手
段の頭部の反り規制面との間にクリアランスを設けてい
る。このため、被スパッタ材料体の反りをクリアランス
の分だけ許容することで、被スパッタ材料体が熱によっ
て膨張する場合の逃げ場を確保できる。また、反りの自
由度をある程度与えることで被スパッタ材料体の破損を
防止できる。

さらに、ある程度の反りの自由度を与えながらも、中
心部領域の密着性を確保して、被スパッタ材料体と冷却
ブロックとの間の熱交換を促進でき、しかも、クリアラ
ンスを設けても締結手段が凹部内に収まるので、締結手
段を構成する部材がスパッタされて被処理基板に不純物
が成膜されることも防止できる。

請求項２に記載の発明によれば、スペーサを設けるこ
とで、締結手段の反り規制面の位置を一定位置に位置決
めでき、機械的に上記クリアランスを確保できる。

（実施例） 以下、本発明スパッタ装置の一実施例について図面を
参照して具体的に説明する。

第１図は、スパッタ装置の一例としてマグネトロン形
スパッタ装置を示すもので、図示しない真空容器内に
は、半導体ウエハ１とターゲット２とが対向して配置さ
れている。前記半導体ウエハ１は、ウエハ加熱機構３を
含む試料台４に支持されている。

前記ウエハ１の上方に配置される前記ターゲット２
は、保持部材５によって保持されている。このターゲッ
ト２は、ウエハ１に形成すべき材料に応じてその母材が
選択され、例えばアルミニウム，シリコン，タングステ
ン，チタン，モリブデン，クロム，コバルト，ニッケル
等、あるいはこれらを素材とする合金で形成され、場合
によっては焼結金属等の熱伝導性の悪い材料も用いられ
る。その形状も、断面段付形状，円板状，円錘状，角板
状，角錐状等何れでもよい。このターゲット２には、負
の直流電圧が印加され、カソード電極を構成するもので
ある。

前記保持部材５のさらに上方には、この保持部材５を
支持し、かつ、後述するマグネット10を回転自在に支持
するための基台６が設けられている。この基台６の中央
部には、中空筒状の円筒部6aが形成されている。そし
て、前記円筒部6aの周囲にはべアリング７が配置され、
このべアリング７によって回転円盤８が回転自在に支持
されている。そして、この回転円盤８の偏心した位置に
前記マグネット10が固着されている。一方、前記基台６
の上面にはマグネット回転用モータ11が固定され、この
モータ11の出力軸には第１のギア12が固着されている。
また、前記回転円盤８と同心にて第２のギア13が固着さ
れ、この第1,第２のギア12,13が噛合するようになって
いる。この結果、前記マグネット回転用モータ11を駆動
することで、この回転出力は第１のギア12,第２のギア1
3を介して前記回転円盤８に伝達され、前記マグネット1
0を回転駆動することになる。

前記保持部材５は、ターゲット２を冷却可能に保持
し、かつ、ターゲット２に負の直流電圧を印加する電極
として作用するものである。このために、保持部材５に
は複数の冷却ジャケット15が配置されている。そして、
この冷却ジャケット15内に冷却媒体例えば冷却水を循環
させることで、保持部材５を冷却し、この保持部材５と
ターゲット２との間の熱交換によってプラズマ発生時の
ターゲット２の昇温を抑制するようになっている。ま
た、上記保持部材５は前記基台６の円筒部6aに挿通さ
れ、この基台６に絶縁して支持された給電部材23の一端
にネジ止め固定されることで、ターゲット２への電圧印
加を可能としている。

尚、前記ターゲット２の周囲には、絶縁体16を介して
アノード電極17が設けられ、さらに、ウエハ１とターゲ
ット２との間を必要に応じて遮ぎることが可能なように
シャッタ18が設けられ、このシャッタ18をシャッタ駆動
機構19によって駆動可能としている。

前記ターゲット２は、一段又は複数段例えば一段の段
付きの円板状に形成され、第２図に示すようにスパッタ
リング面を有する大径部21と、この大径部21の裏面側中
央にて突出形成された小径部22とから構成されている。
尚、上記大径部21の周縁部21aの直径をl₁とし、小径部2
2の周縁部22aの直径をl₂とする。一方、前記ターゲット
２を保持するための保持部材５は段付き穴形状となって
いて、前記ターゲット２の大径部21に対応する大径穴24
と、前記小径部22に対応する小径穴25とを有している。
尚、大径穴24の内周面24aの直径をl₃とし、小径穴25の
内周面25aの直径をl₄とする。そして、上記ターゲット
２及び保持部材５の大きさについては、常温下にあって
はl₁〜l₄の関係が以下のようになっている。

l₁＞l₃，l₂＜l₄ ここで、前記大径部21と大径穴24との直径方向のギャ
ップ及び小径部22と小径穴22との直径方向のギャップ
は、それぞれ以下のように設定されている。

すなわち、ターゲット２はプラズマ発生時の昇温によ
り熱膨張するため、前記大径部21の直径方向の熱膨張長
さが、前記大径部21,大径穴24の直径方向の間隙とほぼ
同一となっている。同様に、ターゲット２の熱膨張によ
る前記小径部22の熱膨張長さは、この小径部22,小径穴2
5の直径方向の間隙とほぼ同一となっている。したがっ
て、ターゲット２の熱膨張により、大径部21の周縁部21
a及び小径部22の周縁部22aがそれぞれ膨張し、前記大径
穴24,小径穴25のそれぞれの内周面24a,25aにほぼ同様の
密閉度で密着することになる。尚、同一温度の下にあっ
ては、前記大径部21と小径部22の膨張長さが相違するた
め、これらの周縁部21a,22aとこれに対向する穴部の内
周面24a,25a間のギャップ距離はそれぞれ相違してい
る。

上記ターゲット２のスパッタ面側は、スパッタ粒子の
飛翔方向を考慮してその中心側のテーパ面31と周縁側の
テーパ面32とを有し、かつ、昇温の激しいターゲット２
の中央部を保持部材５にクランプするようにしている。
このクランプは例えば第３図に示すように、ターゲット
２の中心に段付き孔34を形成し、この段付き孔34に締結
具40を挿通して保持部材５のねじ孔27と連結することで
実現している。この段付き孔34は凹部36と、その底面36
aよりターゲット２の裏面に貫通する貫通孔38から成
る。また、前記締結具40は、中空筒状スペーサ42と、こ
れに挿通されて前記保持部材５のねじ孔27に螺合される
ボルト44から成る。そして、前記スペーサ42は、前記底
面36aに当接しない位置にフランジ42aを有している。な
お、このフランジ42aが前記底面36aと対向する面が、タ
ーゲット２の反りの規制面として作用する。

さらに、前記ターゲット２の小径部22には、その中心
より偏心した位置に２つのストッパ用孔39,39を有して
いる。そして、このストッパ用孔39,39と対向する位置
であって、前記保持部材５の小径穴25の底面には、回転
防止用ピン26,26が突出形成されている。

次に、作用について説明する。

このスパッタ装置にてスパッタリングを行うために、
ウエハ１及びターゲット２をそれぞれ支持した状態で、
これらが配置される真空容器（図示せず）内の真空度を
例えば10^-1〜10^-3Torrに荒引きする。次に、上記真空容
器内の真空度を10^-5〜10^-7Torr台に高真空引きし、その
後この真空容器内にスパッタガス例えばArガスを導入
し、真空容器内を10^-2〜10^-3Torr台に設定する。ここ
で、ターゲット２に給電部材23及び保持部材５を介して
負電圧を印加すると、このターゲット２のスパッタリン
グ面側にプラズマが形成され、さらにこのターゲット２
の裏面側にてマグネット10を回転駆動することにより、
このプラズマを磁界によって閉込めたプラズマリング30
を形成することができる。このプラズマリング30の形成
によりイオン化率が向上し、ターゲット２のスパッタリ
ング面での所定エロージョンエリアにてスパッタが実行
されることになる。

ここで、ウエハ１に対する付着速度（デポジションレ
ート）を上げると、ターゲット２の表面温度が著しく上
昇し、所定温度を越えると適正な薄膜形成に支障が生じ
てしまう。そこで、このターゲット２を有効に冷却する
必要があるが、本実施例では下記のようにしてその冷却
を実行している。

ターゲット２を構成する大径部21及び小径部22のそれ
ぞれの周縁部21a,22aの直径l₁,l₂は、これに対向する保
持部材５の大径穴24,小径穴25の内周面24a,25aの直径
l₃,l₄よりも常温下で小さくなっているが、ターゲット
２に負電圧を印加し、プラズマの生成を行うことにより
ターゲット２が昇温すると、上記大径部21,小径部２が
熱膨張し、それぞれの周縁部21a,22aが保持部材５の対
向する内周面24a,25aに密着することになる。この領域
の密着性は、スパッタリング実行中にあってはターゲッ
ト２の温度が所定温度以上を維持するため損われること
がなく、従ってターゲット２の周縁部21a,22aと保持部
材５の内周面24a,25aとの接触面にて効率の良い熱交換
を実施することが可能となる。しかも、ターゲット２の
大径部21が保持部材５と接触する領域は、ターゲット２
の比較的外周領域に近い領域の熱を放熱することに利用
され、一方、ターゲット２の小径部22の接触部分は、タ
ーゲット２の中心領域の熱を保持部材５に放熱すること
に利用されることになる。したがって、ターゲット２の
直径方向の熱勾配を効率良く除去することができ、従来
困難であったターゲット２の中心部の熱を効率良く放熱
することができるので、この部分の反りの発生を低減す
ることができる。

このように、ターゲット２及び保持部材５との確実な
接触を確保できる結果、前記保持部材５を負電圧の印加
用電極として兼用しても、その電気的接触を確実に確保
できることになる。

尚、本実施例のターゲット２の構成のように、段部を
形成することによってターゲット２の中央領域の放熱効
果を増大させる効果があるが、さらに加えて従来の平板
形状のターゲットと比べれば段部の周縁の接触面積を確
保することにより、より広い冷却面を確保できる点でも
優れている。

また、上記のようにターゲット２を段付き形状とする
ことにより、下記のような効果を奏することも可能であ
る。すなわち、ターゲット２のエロージョンエリアの
外，内の境界よりそれぞれ外側，内側に存在する大径部
21,小径部22の周縁部21a,22aでの冷却を促進することに
よって、上記エロージョンエリアに対向する領域である
前記保持部材５の冷却領域5a（第１図参照）の厚さを薄
くすることができる。従って、ターゲットスパッタ面と
マグネット10との距離を変えることなく、ターゲット２
の上記大径部21の肉厚を前記冷却領域5aの厚さを薄くし
た分だけ厚く確保することが可能となり、このためター
ゲット２の寿命を延ばすことが可能となる。また、この
ようにしても、保持部材５とターゲット２との全体の厚
さは従来と同様に維持できるので、マグネット10の磁界
を高める必要もない。

さらに、第１図に示すようにターゲット２の中心部裏
面側に位置する箇所と、ターゲット２の周縁部に対応す
る位置に冷却ジャケットを設けることにより効果的に冷
却できる。従来はターゲットの裏面全域に亘って冷却媒
体を循環させ、マグネット10を冷却媒体中で回転させる
構成を採用せざるを得なかった。本実施例では、第１図
のように配置するのみでよいので、ターゲット２の裏面
に近接したマグネット10及びこのマグネット10を回転駆
動するための構造体を大気中にさらすことが可能とな
り、このため、冷却水等による腐蝕が発生することなく
信頼性を向上することができる。

さらに、本実施例ではターゲット２の中央側を締結具
40を介して保持部材５に対してクランプすることによっ
て、特に昇温の著しいターゲット２の中央部の反りを規
制している。ここで、本実施例では、ターゲット２に中
央凹部36の底面36aが、スペーサ42のフランジ42aに当接
するまで、ターゲット２の反りを許容することで、ター
ゲット２がさらに熱によって膨張しようとする場合の逃
げ場を確保している。このようにしても、ターゲット２
と保持部材５との主な冷却面の密着性を確保できるの
で、十分な冷却効果を期待でき、しかも反りの自由度を
与えることで、ターゲット２の破損を防止でき、その長
寿命化を図れる。あるいは、第４図に示すように、締結
具40によってターゲット２の反りを完全に防止するもの
であってもよい。

また、上記マグネット10の回転速度としては、その磁
界の均一性を高めるためには10rpm以上で回転すること
が好ましいが、20rpmを越えるとターゲット10に生ずる
渦電流により、ターゲット２が回転することが確認され
た。本実施例では、上記の回転速度以上でマグネット10
をたとえ回転させても、回転防止用ピン26とストッパ用
孔39との係合によりターゲット２の回転を防止できる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

締結具40としては、ターゲット２の中央部を保持部材
５に締結するものであれば、上記実施例の部材に限ら
ず、他の種々の締結手段として構成できる。また、ター
ゲット２と冷却ブロックとしての保持部材５との冷却手
段としても、上記実施例に限定されるものではない。

［発明の効果］ 請求項１の発明によれば、被スパッタ材料体が熱によ
って膨張する場合の逃げ場をクリアランスにより確保し
て、被スパッタ材料体の破損等を防止できる。

請求項２の発明によれば、スペーサを設けることで、
締結手段の反り規制面の位置を一定位置に位置決めでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用したスパッタ装置の一例を示す
概略断面図、 第２図は、ターゲット，保持部材の取付け構造を説明す
るための概略斜視図、 第３図はターゲットと保持部材との連結構造を示す概略
断面図、 第４図は、締結部材の変形例を示す概略断面図である。 ２……被スパッタ材料体、５……冷却ブロック、21……
大径部、21a……周縁部、22……小径部、22a……周縁
部、24……大径穴、25……小径穴、24a,25a……内周
面、36……凹部、38……貫通孔、40……締結具。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被スパッタ材料体を冷却ブロックに装着し
   てスパッタリングを行うスパッタ装置において、 前記被スパッタ材料体のスパッタ表面中心部に形成され
   た凹部と、 前記凹部の底面より前記被スパッタ材料体の裏面に向け
   て貫通形成された貫通孔と、 前記凹部に収まる頭部を有し、前記貫通孔を介して前記
   被スパッタ材料体と前記冷却ブロックと締結固定する締
   結手段と、 を有し、 前記凹部の底面と、該底面と対向する前記締結手段の前
   記頭部の反り規制面との間にクリアランスを設けたこと
   を特徴とするスパッタ装置。
2. 【請求項２】請求項（１）において、 上記貫通孔に挿通され、上記締結手段の反り規制面より
   前記被スパッタ材料体の裏面までの長さを有するスペー
   サを、上記締結手段の周囲に設けたことを特徴とするス
   パッタ装置。