JP3237001B2

JP3237001B2 - スパッタ装置

Info

Publication number: JP3237001B2
Application number: JP33435291A
Authority: JP
Inventors: 重敏保坂; 忠利須田; 正道原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH05148641A

Description

【発明の詳細な説明】

【００１０】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタ装置に係り、
より詳細にはターゲット冷却及び保持機構の改良に関す
る。

【００２０】

【従来の技術】スパッタリングは、陰極側のターゲット
（蒸着材料）の表面にプラズマのイオンを衝突させ、そ
こからはじき飛ばされた粒子を対向する陽極側の被処理
体上に堆積させて膜を形成する成膜技術である。スパッ
タリング時、ターゲットにはプラズマのイオンが衝突す
るため、ターゲット表面は相当な高温になる。ターゲッ
トを高温状態にしておくと、ターゲットが熱歪みで変形
し、スパッタ効率や成膜品質に影響するので、通常のス
パッタ装置にはターゲットを冷却する機構が設けられて
いる。

【００３０】この種の冷却機構には、直接冷却方式と間
接冷却方式とがある。直接冷却方式は、ターゲットの裏
側に熱伝導板を介して間近に冷却水を導く方式で、大き
な冷却効率が得られるが、冷却水が漏れやすい欠点があ
る。これに対して、間接冷却方式は、冷却ジャケットと
称されるターゲット保持及び冷却部材の中に冷却水を流
してこれを冷やし、この冷えた冷却ジャケットにターゲ
ットを接触させることでターゲットを冷却する方式であ
る。今日、多くのスパッタ装置が間接冷却方式を採用し
ている。冷却ジャケットは概してターゲットの外周面お
よび裏面を包むような冷却面を有し、この冷却面にター
ゲットが着脱可能に装着されるようになっている。

【００４０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スパッタ装
置においては、処理容器内が高真空に排気され、ターゲ
ットと冷却ジャケットとの間に気体が介在しないため、
両者が密着しないと、良好な冷却効果が得られない。と
ころが、一般の冷却ジャケットは、ターゲットの外周面
および裏面を包むようにしてターゲットと接触するもの
の、外周側と裏側とで接触具合が同じではなく、ターゲ
ット外周側においては、ターゲットの熱膨張によってタ
ーゲット外周面が冷却ジャケットの内周面に圧接するの
で、接触具合が良く、冷却効果も大きいのに対して、タ
ーゲット裏側においては、ターゲットの表側と裏側の温
度差によってターゲット裏面が冷却ジャケットの底面に
押し付けられるような力が働くが、その接触圧が従来の
スパッタ装置では小さく、したがって冷却効果が小さか
った。

【００５０】このように、間接冷却方式を採る従来のス
パッタ装置においては、ターゲットの裏側からの冷却が
効かないために、ターゲットが変形しやすかった。

【００６０】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、間接冷却方式によるターゲット冷却機能を向上
させて、ターゲットの熱歪み・変形を小さくするように
したスパッタ装置を提供することを目的とする。

【００７０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のスパッタ装置は、被処理基板と対向して
ターゲットを保持し、かつ前記ターゲットの裏面に冷却
面を接触させることによって前記ターゲットを冷却する
ターゲット保持及び冷却部材を備え、前記被処理基板と
前記ターゲットとの間にプラズマを誘起して前記ターゲ
ットの表面をスパッタし、前記被処理基板に膜を形成す
るスパッタ装置において、前記ターゲット保持及び冷却
部材の冷却面の半径方向略中央部に、前記ターゲットの
裏面に密着するための円周方向に連続的または離散的に
延在する１個または複数個の凸面部を設け、前記ターゲ
ットの表面付近に高密度のプラズマリングを生成するた
めのプラズマリング閉じ込め用磁界発生手段を前記ター
ゲット保持及び冷却部材の裏側で半径方向において前記
凸面部と略対応する位置で回転移動させる構成とした。

【００８０】本発明のスパッタ装置において、好ましく
は、前記プラズマリング閉じ込め用磁界発生手段の回転
速度を１００ｒｐｍ以上としてよい。

【００９０】

【０１００】

【０１１０】

【作用】ターゲットがターゲット冷却及び保持部材に装
着されると、ターゲットの裏面はターゲット保持及び冷
却部材の冷却面の凸面部と接触する。該凸面部は、ター
ゲット保持及び冷却部材の半径方向略中央部にて円周方
向に連続的または離散的に延在しており、大きな密着圧
力で大きな熱伝導性を確保するとともに、位置的にター
ゲット保持及び冷却部材の裏側のプラズマリング閉じ込
め用磁界発生手段と対応し、ひいてはターゲット表面側
のプラズマリングとも対応している。これにより、ター
ゲット保持及び冷却部材は、プラズマに近接した該凸面
部を介してターゲットを裏側から効果的に冷却すること
ができる。

【０１２０】また、プラズマ閉じ込め用磁界発生手段を
高速度たとえば１００ｒｐｍ以上で回転移動させて、タ
ーゲット表面上で高密度のプラズマを同速度で回転移動
させることにより、ターゲット内の熱歪みを均一化する
ことができるので、ターゲット冷却効果を一層高めるこ
とができ、さらにはターゲットの回転移動を防止するこ
とができる。

【０１３０】

【実施例】以下、添付図を参照して本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の一実施例による間接冷却方式
のプレーナ形マグネトロンスパッタ装置の構成を示す。

【０１４０】このマグネトロンスパッタ装置において、
処理容器１０の上面にスパッタガン１２が下向き（内向
き）に取付され、スパッタガン１２の下方に対向して配
設された加熱機構５０の載置台上に被処理体として、た
とえば半導体ウエハ５２が載置される。加熱機構５０の
周囲の板５４はカバー板である。スパッタガン１２と半
導体ウエハ５２との間にはシャッタ５６が設けられ、こ
のシャッタ５６はスパッタリング期間中はスパッタガン
１２の前面（スパッタ面）から退避するようになってい
る。５８はシャッタ駆動軸、６０はシャッタ駆動モータ
である。

【０１５０】スパッタガン１２は円筒状のケーシング１
４を有する。このケーシング１４の内側下端部にリング
状の絶縁材１６を介して円盤状の冷却ジャケット１８が
固定取付され、この冷却ジャケット１８に皿状のターゲ
ット２０がターゲット表面２０ａを下に向けてネジ２２
により着脱可能に装着される。冷却ジャケット１８内に
は冷却水を通すための水路１８ａが設けられている。

【０１６０】ケーシング１４の上部には円盤状の絶縁基
板２４がケーシング上端開口を閉塞するようにして取付
され、この絶縁基板２４の中央部の下方に円筒部２６が
冷却ジャケット１８の肉厚中央部の裏側に固定されてい
る。この円筒部２６内に給電棒２８が冷却ジャケット１
８の肉厚中央部の裏面まで通されている。給電棒２８は
８００〜１０００ボルト程度の負電圧電源（図示せず）
に接続されており、その負電圧がカソード電圧として給
電棒２８および冷却ジャケット１８内の導体を介してタ
ーゲット２０に印加される。

【０１７０】円筒部２６の外周側には軸受３０を介して
ドライブリング３２が回転可能に取付されている。ドラ
イブリング３２の上部の歯車３４は駆動モータ３６の出
力軸に結合された歯車３８と歯合しており、駆動モータ
３６の回転駆動力によってドライブリング３２が円筒部
２６を中心軸として一定の回転速度で回転するようにな
っている。ドライブリング３２の下部の円盤状の支持板
４０には、支持棒４２を介して磁石ユニット４４が取付
されている。

【０１８０】処理容器１０には、気体たとえば不活性ガ
スを導入するためのガス供給系１００、および処理容器
１０内を所定の圧力に減圧するための排気系１１０が接
続されている。

【０１９０】図２に示すように、磁石ユニット４４は、
磁性体からなるリング状のポールピース４４ａの内周面
にほぼ９０゜間隔で４個の永久磁石片４４ｂを固着した
ものである。この磁石ユニット４４から出る磁束によっ
て、ターゲット２０の表面上には、プラズマ閉じ込め用
磁界Ｂが与えられる。カソード電極であるターゲット２
０の表面付近にはほぼ垂直方向に電界Ｅが印加されてお
り、この電界Ｅと磁界Ｂとのベクトル積Ｅ×Ｂがループ
状に閉じる場所に高密度のプラズマが閉じ込められ、図
３に示すような、いわゆるプラズマリングＲが形成され
る。このプラズマリングＲは、磁石ユニット４４の回転
移動に伴って、ターゲット表面をなぞるようにして矢印
方向に一定速度で回転移動する。これによって、ターゲ
ット２０の表面（スパッタ面）に高密度プラズマが均等
に作用し、スパッタ面が均等にスパッタされるようにな
っている。

【０２００】次に、図４の部分拡大断面図および図５の
斜視図につき本実施例における冷却ジャケット１８の構
成と作用を詳細に説明する。冷却ジャケット１８は、熱
伝導率が高くかつ真空中でアウトガスの少ない無酸素銅
等の銅合金からなり、ターゲット２０の段状外周面２０
ｃを受ける内周面１８ｂと、ターゲット２０の裏面２０
ｂを受ける底面１８ｃとを冷却面として有する。そし
て、底面１８ｃの中心部にターゲット取付用の凹部１８
ｄが設けられ、この凹部１８ｄの底の中心位置にネジ穴
１８ｅが形成され、その両側にターゲット回転防止用の
一対のピン１８ｆが突設されている。以上のジャケット
各部は従来のものと共通した部分であるが本実施例で
は、底面１８ｃの半径方向中央部に、ターゲット裏側の
冷却効果を高めるためのリング状凸面部１８ｇが設けら
れている。ターゲット２０が冷却ジャケット１８に装着
されると、ターゲット２０の裏面は冷却ジャケット１８
の底面１８ｃの凸面部１８ｇと接触する。

【０２１０】スパッタリング時、ターゲット２０が半径
方向に熱膨張して、その外周面２０ｃが冷却ジャケット
１８の内周面１８ｂに圧接し密着するため、ターゲット
２０は外周側から冷却ジャケット１８によって効果的に
冷却される。

【０２２０】また、スパッタリング時、プラズマの存在
するターゲット表面側と冷却ジャケット１８が存在する
ターゲット裏側との間には大きな温度差があるため、タ
ーゲット２０には冷却ジャケット１８側へ押し付けるよ
うな圧力がかかり、ターゲット２０の裏面２０ｂが冷却
ジャケット１８の底面１８ｃの凸面部１８ｇに圧接す
る。凸面部１８ｇの面積は底面１８ｃの全面積のほぼ１
／３程度であるから、ターゲット２０の裏面２０ｂに対
して底面１８ｃ全体で接触するよりも凸面部１８ｇだけ
でターゲット２０の裏面２０ｂと接触したほうが大きな
（約３倍の）密着圧力が得られ、ひいては大きな熱伝導
性が得られる。また、プラズマの最も近いところで冷却
されており、冷却効果は大きい。このように、ターゲッ
ト２０の裏面２０ｂがプラズマの近くで、かつ冷却ジャ
ケット底面１８ｃの凸面部１８ｇと大きな圧力で密着す
ることにより、ターゲット２０は裏側からも冷却ジャケ
ット１８によって効果的に冷却される。

【０２３０】このように、ターゲット２０は、外周側か
らだけでなく裏側からも冷却ジャケット１８によってし
っかり冷却されるので、熱歪みの発生が少なく、変形し
にくくなる。なお、この実施例では、１つのリング状凸
面部１８ｇを設けたが、この形態に限らず、凸面部を任
意の形状、配置構成とすることが可能であり、たとえば
図６に示すように多数の小さな凸面部１８ｈを離散的に
配置したようなものでもよい。

【０２４０】上述したように、本実施例によれば、ター
ゲット保持及び冷却機構の改善によってターゲット冷却
効果を向上させ、ターゲットの熱歪み・変形を抑制する
ことができる。

【０２５０】ところで、本実施例のように、ターゲット
２０の表面上でプラズマリングＲを回転移動させる場
合、従来のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲット
２０に強い回転力が作用し、回転防止ピン１８ｆが曲が
ったり破損することがあった。このターゲット２０に作
用する回転力は、プラズマリングＲの回転によってター
ゲット２０内で熱歪みが不均一になり回転方向の応力が
発生するためのものと考えられる。上述したような本実
施例の冷却ジャケット１８によれば、ターゲット２０内
の熱歪みを小さくできるので、回転応力を小さくするこ
とができる。

【０２６０】しかし、本発明者は、別の効果的なターゲ
ット回転防止方法を見い出した。それは、プラズマ閉じ
込め用磁界発生手段（磁石ユニット）を高速度で回転移
動させる方法である。従来のこの種マグネトロンスパッ
タ装置では磁石ユニットを３０ｒｐｍ程度の速度で回転
移動させていた。これに対して、本実施例のマグネトロ
ンスパッタ装置では、磁石ユニット４４を従来速度の数
倍の回転速度、好ましくは１００ｒｐｍ以上の回転速度
で回転させる。このような高速度で磁石ユニット４４ひ
いてはプラズマリングＲを回転移動させると、ターゲッ
ト２０内で熱歪みが均一化され、回転方向の応力が発生
しなくなることが判明した。

【０２７０】図７のグラフは、磁石ユニットの回転速度
に対するターゲットの回転移動量を示す実験結果の一例
である。この実験は、通常のマグネトロンスパッタ装置
において、ターゲットを回転可能な状態にして、磁石ユ
ニットの回転速度を変化させたものである。この図から
判るように、磁石ユニットの回転速度を１００ｒｐｍ程
度まで上げると、ターゲットには回転力がほとんど作用
しなくなる。

【０２８０】このように、磁石ユニット４４を高速回転
させることにより、ターゲット２０の回転ずれを効果的
に防止することができるので、冷却ジャケット１８のタ
ーゲット回転防止ピン１８ｆが曲がったり破損するおそ
れはない。さらに、磁石ユニット４４の高速回転によっ
てターゲット２０内の熱歪みを均一化することができる
ので、冷却ジャケット１８による冷却効果を一層高める
ことができる。

【０２９０】なお、上述した実施例のスパッタ装置は、
直流バイアスをかけるプレーナ式のマグネトロンスパッ
タ装置であったが、本発明は他の方式のスパッタ装置に
も適用可能である。

【０３００】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のスパッタ
装置によれば、スパッタの均一化をはかるようターゲッ
ト表面付近で高密度のプラズマリングを円周方向に回転
移動させつつ、プラズマリングと対応する位置にてター
ゲットを裏側から効果的に冷却するようにしたので、タ
ーゲットの熱歪み・変形を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるプレーナ形マグネトロ
ンスパッタ装置の構成を示す縦断面図である。

【図２】実施例のスパッタ装置におけるプラズマ閉じ込
め用磁界発生手段としての磁石ユニットの構成を示す斜
視図である。

【図３】実施例のスパッタ装置におけるターゲット表面
上のプラズマリングを示す平面図である。

【図４】実施例のスパッタ装置における冷却ジャケット
の構成を示す部分拡大断面図である。

【図５】実施例のスパッタ装置における冷却ジャケット
の構成を示す斜視図である。

【図６】実施例のスパッタ装置における冷却ジャケット
の一変形例の構成を示す斜視図である。

【図７】磁石ユニットの回転速度に対するターゲット回
転移動量を示す特性図である。

【符号の説明】

１２スパッタガン１８冷却ジャケット１８ｃ冷却ジャケット底面１８ｇ凸面部１８ｆターゲット回転防止ピン２０ターゲット４４磁石ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−134169（ＪＰ，Ａ) 特開平３−134170（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−21308（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−135572（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板と対向してターゲットを保持
し、かつ前記ターゲットの裏面に冷却面を接触させるこ
とによって前記ターゲットを冷却するターゲット保持及
び冷却部材を備え、前記被処理基板と前記ターゲットと
の間にプラズマを誘起して前記ターゲットの表面をスパ
ッタし、前記被処理基板に膜を形成するスパッタ装置に
おいて、前記ターゲット保持及び冷却部材の冷却面の半径方向略
中央部に、前記ターゲットの裏面に密着するための円周
方向に連続的または離散的に延在する１個または複数個
の凸面部を設け、前記ターゲットの表面付近に高密度のプラズマリングを
生成するためのプラズマリング閉じ込め用磁界発生手段
を前記ターゲット保持及び冷却部材の裏側で半径方向に
おいて前記凸面部と略対応する位置で回転移動させるこ
とを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】前記プラズマリング閉じ込め用磁界発生
手段の回転速度を１００ｒｐｍ以上とすることを特徴と
する請求項１に記載のスパッタ装置。