JP4158545B2 - スパッタ装置の設計方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタ装置の設計方法、詳しくは、ターゲットの裏面にボンディング材を介してバッキングプレートを接合し、バッキングプレートを介してターゲットを冷却するようにしたスパッタ装置において、スパッタカソード条件を決定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平８−１９３２６４号公報
マグネトロンスパッタ装置において、成膜レート向上の要求に伴い、ターゲットへの投入エネルギーの高密度化が進んでいる。そのため、ターゲット温度が上昇し、熱応力による変形が生じるという問題がある。
一般に、ターゲットの裏面はバッキングプレートを介して冷却されている。一方、スパッタガスイオンが入射し続けるターゲット表面はイオン入射によって加熱されており、表裏で温度差が生じる。このとき、温度差による熱膨張の違いによって、ターゲットには曲げ応力が発生する。この曲げ応力が大きくなると、ターゲットとバッキングプレートとを接合しているボンディング材に剪断応力が作用し、この応力がボンディング材の破壊強度を超えると、ターゲットがバッキングプレートから剥離してしまう。また、ボンディング材の破壊強度が高い場合には、ターゲットが割れる恐れがある。
【０００３】
特許文献１では、スパッタ放電において、電極ターゲットの蓄熱によるターゲットの割れやバッキングプレートの剥がれを防止する方法として、ターゲットをメタルボンディングで銅製のバッキングプレートに固定し、バッキングプレートの裏面に０℃以下の冷媒を流してターゲットの熱を除去する方法が開示されている。また、冷却面に凹凸を設けて冷却効率を増すことも開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記冷却方法では、０℃以下の冷媒を常にバッキングプレートの裏面に流す必要があるので、循環型の冷凍器が必要であり、また冷媒としてエチレングリコール液などの高価な冷媒が必要である。そのため、装置が大型化するとともに、コスト上昇を招く欠点がある。
また、ターゲットへの投入エネルギーが高密度化すると、バッキングプレートの裏面に０℃以下の冷媒を流しても、バッキングプレートの厚みやターゲットの厚み、バッキングプレートの材質によっては、バッキングプレートの剥がれやターゲットの割れを必ずしも確実に防止しえない。
このように、従来では、ターゲットやバッキングプレートの厚み、材質、その他の諸条件を試行錯誤しながら決定していたため、多大の時間と費用を必要としていた。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、バッキングプレートの材質、バッキングプレートの厚みやターゲットの厚みなどの最適なスパッタカソード条件を計算で求め、ターゲットの割れや剥がれを未然に防止しうるスパッタ装置を短時間でかつ低コストで決定できる設計方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ターゲットの裏面にボンディング材を介してバッキングプレートを接合し、バッキングプレートを介してターゲットを冷却するようにしたスパッタ装置において、上記バッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みを初期設定する工程と、上記ターゲット、バッキングプレートおよびボンディング材の各熱伝導率と、ターゲットおよびバッキングプレートの厚みと、ターゲット表面に投入されるエネルギー量およびエネルギー投入領域と、バッキングプレートの冷却面温度とを用いて、ダーゲットおよびバッキングプレート内の温度分布を有限要素法によって計算する工程と、上記計算された温度分布と、上記ターゲットおよびバッキングプレートの各熱膨張係数およびヤング率とから、ターゲットとバッキングプレートの接合面に生じる剪断応力を有限要素法により計算する工程と、上記計算された最大剪断応力がボンディング材の破壊強度以下となるように、上記バッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みを決定する工程と、を備えたことを特徴とするスパッタ装置の設計方法を提供する。
【０００７】
請求項１に係る発明において、まずバッキングプレートの材質、ターゲットとバッキングプレートの厚みを初期設定する。
次に、ターゲット、バッキングプレートおよびボンディング材の各熱伝導率、ターゲットおよびバッキングプレートの厚み、ターゲット表面に投入されるエネルギー量およびエネルギー投入領域、バッキングプレートの冷却面温度などのデータを用いて、ダーゲットおよびバッキングプレート内の温度分布を有限要素法によって計算する。バッキングプレートの冷却面温度は、バッキングプレートの裏面に流す冷却水の温度によって推定することができる。
上記のように計算した温度分布と、ターゲットおよびバッキングプレートの各熱膨張係数およびヤング率とから、ターゲットとバッキングプレートの接合面に生じる剪断応力を有限要素法により計算する。
次に、計算された最大剪断応力がボンディング材の破壊強度以下であるかどうかを判定し、もし最大剪断応力がボンディング材の破壊強度より大きい場合には、バッキングプレートの材質、またはターゲットとバッキングプレートの厚みを変更し、上記の工程を繰り返す。つまり、ターゲット表面に投入されるエネルギーとバッキングプレートの冷却面温度とを用いて、ダーゲットおよびバッキングプレート内の温度分布を有限要素法によって計算し、求めた温度分布と、ターゲットおよびバッキングプレートの各熱膨張係数およびヤング率とから、ターゲットとバッキングプレートの接合面に生じる剪断応力を有限要素法により計算し、計算された最大剪断応力がボンディング材の破壊強度以下であるかどうかの判定を繰り返す。
計算された最大剪断応力がボンディング材の破壊強度以下である場合には、上記設定されたバッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みであっても、ターゲットがバッキングプレートから剥離することがないので、スパッタカソード条件として最終決定する。
【０００８】
従来では、ターゲットやバッキングプレートの厚み、材質、その他の諸条件を試行錯誤で決定していたため、多大の時間と費用を必要としていたが、本発明ではターゲットの剥離の有無を計算で求めることができるので、ターゲットが剥離しない最適なスパッタカソード条件を簡単に求めることができる。そのため、良質の薄膜を効率よく製造できるスパッタ装置を簡単に設計することができる。
【０００９】
ターゲット表面に投入されるエネルギー投入領域は、実際に近い条件とするため、請求項２のようにエロージョン部に限定するのがよい。マグネトロンスパッタ装置の場合、エロージョン部はターゲット裏面に配置される磁石の磁界分布によって決定される。つまり、磁界分布から電子軌道を計算することで求めることができる。
一般に、垂直磁界強度が０±３（ｍＴ）の領域におけるイオン入射密度が高く、この領域にエネルギーが集中的に投入されると考えられる。そこで、請求項３のように、垂直磁界強度が０±３（ｍＴ）の領域を簡易的にエロージョン部つまりエネルギー投入領域とすることができる。
【００１０】
請求項４のように、有限要素法によって計算されたダーゲットおよびバッキングプレート内の温度分布から接合面の最高温度を求め、この最高温度とボンディング材の融点とを比較する工程を設け、上記接合面の最高温度がボンディング材の融点以下となるように、上記バッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みを決定するのがよい。
請求項１では、接合面に加わる剪断応力がボンディング材の強度以下になるようにスパッタカソード条件を決定したが、機械的な応力だけでなく、温度とボンディング材の融点との関係も考慮するのがよい。
そこで、請求項４では、温度分布から接合面の最高温度を求め、この最高温度がボンディング材の融点以下となるように、バッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みを決定するものである。その結果、ボンディング材の融解によるターゲットの剥離を確実に防止できる。
【００１１】
請求項５のように、ターゲットに熱応力が繰り返しかかる場合には、ボンディング材の破壊強度を繰り返し応力によるボンディング材の疲労破壊強度とするのがよい。
例えば、マグネトロンスパッタ装置において、磁石がターゲットに対して移動するなど、熱応力が繰り返しターゲットにかかる場合には、ボンディング材が金属疲労を起こすので、接合面に生じる剪断応力が破壊強度以下でもボンディング材が破壊する可能性がある。
そこで、このような熱応力が繰り返しターゲットにかかる場合には、破壊強度として疲労破壊強度を用いることで、ターゲットの割れやバッキングプレートの剥がれを確実に防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかるスパッタ装置の一例であるマグネトロンスパッタ装置を示す。
このマグネトロンスパッタ装置は、スパッタ室２を構成するチャンバ１を備えている。スパッタ室２の中は所定の真空度に保たれるとともに、Ａｒガスなどのスパッタガスが封入されている。チャンバ１の一端側（ここでは下面側）にカソード３が配置され、このカソード３にバッキングプレート４を介してターゲット５が保持されている。ターゲット５とバッキングプレート４とはボンディング材６を介して接合されている。カソード３には内部を冷却水が流れるように空洞３ａが形成されており、流入口３ｂから送り込まれた冷却水が空洞３ａの中を通り、流出口３ｃから排出されることにより、バッキングプレート４の熱を奪うようになっている。そのため、ターゲット５はその裏面側から冷却される。バッキングプレート４の背後、この例では空洞３ａの中に、ターゲット５に所望の磁界をかける永久磁石７が配置されている。
【００１３】
カソード３と対向する端部、ここではチャンバ１の天井面側には、基板８を保持した基板ホルダ９が設けられている。そして、基板ホルダ９とカソード３との間に電源１０が接続されている。
【００１４】
上記永久磁石７の磁界によって、電子がターゲット５の近傍に閉じ込められるとともに、スパッタガスとこの電子との衝突によりイオン化したガスイオンを電場で加速してターゲット５に衝突させ、スパッタ粒子を放出させる。放出されたスパッタ粒子が基板８に付着して、薄膜が形成される。このプロセスによって、ターゲット５は局部的に浸食される。この浸食をエロージョン５ａという。
【００１５】
図２はエネルギー照射範囲を図示したものである。
図示するように、一般的なマグネトロンスパッタではスパッタガスイオン１１がターゲット５に環状に入射することで、ターゲット５の表面が斜線で示すように環状に浸食される。このエロージョン部５ａの範囲は、磁界分布から電子軌道を計算することで求められ、簡易的には垂直磁界強度が０±３（ｍＴ）の領域と考えることができる。
したがって、垂直磁界強度が０±３（ｍＴ）の領域を簡易的にエロージョン部つまりエネルギー投入領域とすることができる。
【００１６】
上記スパッタ装置における実験結果を以下に説明する。
まず、ターゲット，バッキングプレート，ボンディング材の材料物性を表１のように設定した。
【表１】

【００１７】
また、解析条件を表２のように設定した。
【表２】

【００１８】
上記条件の下で、有限要素法により求めたボンディング面（接合面）の温度分布を図３に、ターゲットの表面温度分布を図４に示す。これらの図は、定常状態における温度分布である。
ボンディング面について見ると、図３から明らかなように、ターゲットの厚みが３ｍｍおよび１０ｍｍのいずれの場合も、エネルギー投入領域における温度がその他の領域に比べて２℃程度上昇しているが、殆ど差異がない。ボンディング面の最高温度はいずれも３２℃付近であり、ボンディング材の融点（１５０℃）に比べて十分低いので、ボンディング材の融解によってターゲットが剥離することはない。
一方、ターゲットの表面温度について見ると、図４のように、ターゲットの厚みが３ｍｍの場合には、バッキングプレートの冷却効果のため４０℃程度までしか上昇しないのに対し、ターゲットの厚みが１０ｍｍの場合には、１４０℃まで上昇していることがわかる。
【００１９】
図５は、上記温度分布から求めたターゲットとバッキングプレートの接合面における剪断応力分布である。
図５から明らかなように、ターゲットの厚みが１０ｍｍの場合には、３ｍｍの場合に比べて剪断応力が約３倍に増加していることがわかる。最大剪断応力も、３ｍｍ厚の場合には８ＭＰａであるのに対し、１０ｍｍ厚の場合には２１ＭＰａである。
ボンディング材としてインジウムを用いた場合、その破壊強度は１２ＭＰａであるから、１０ｍｍ厚のターゲットを使用すると、ボンディング材が破断し、ターゲットがバッキングプレートから剥離してしまう。しかし、３ｍｍ厚のターゲットを使用した場合には、ボンディング材が破断することもなく、ターゲットが剥離しない。このため、４ｋＷの電力投入が必要な場合には、ターゲット厚みを３ｍｍ以下にしておけばターゲットの剥離は生じない。
【００２０】
次に、本発明にかかるスパッタ装置の設計手順の一例を図６に従って説明する。まず、初期条件として、バッキングプレートの材質と厚みを決定するとともに（ステップＳ１）、ターゲットの厚みを設定する（ステップＳ２）。
一方、ステップＳ１，Ｓ２とは別に、エネルギー投入領域（ステップＳ３）、投入エネルギー量（ステップＳ４）、バッキングプレートの冷却面温度（ステップＳ５）、ボンディング材の材質（ステップＳ６）をそれぞれ設定する。なお、エネルギー投入領域は、マグネトロンスパッタ用永久磁石の磁界分布を測定し、ターゲット表面位置の垂直磁界強度が０±３（ｍＴ）の領域をエネルギー投入領域とした。
【００２１】
次に、上記のようなデータに基づいて、有限要素法を用いてターゲットおよびバッキングプレート内の３次元的な温度分布を計算する（ステップＳ７）。この温度分布の計算式は以下の通りである。
ΔＴ＝−（ΔＱ・Δｘ）／（Ｋ・Δｓ・ｔ）
ここで、ΔＴ：温度差 [Ｋ] 、ΔＱ：微小領域の熱流量 [Ｊ] 、Δｘ：距離 [ｍ] 、Ｋ：熱伝導率、Δｓ：断面積 [ｍ² ] 、ｔ：時間 [ｓ] である。
上記のように計算した温度分布から、ボンディング材が介在する接合面の最高温度を求め、この最高温度とボンディング材の融点とを比較する（ステップＳ８）。最高接合面温度がボンディング材の融点以上の場合には、ボンディング材が融解してターゲットがバッキングプレートから剥離してしまうので、ステップＳ１，Ｓ２の工程を再度実施する。具体的には、バッキングプレートの材質、厚みまたはターゲットの厚みの少なくとも１つを変更する。
バッキングプレートの材質、厚みまたはターゲットの厚みの少なくとも１つを変更することによって、ステップＳ８で最高接合面温度がボンディング材の融点より低くなった場合には、続いてターゲットとバッキングプレートとの接合面に生じる剪断応力を有限要素法を用いて計算する（ステップＳ９）。剪断応力を計算するため、次式のようにステップＳ７で求めた温度分布と、ターゲットおよびバッキングプレートの各熱膨張係数およびヤング率とを用いる。
Δτ＝Ｅ・α・ΔＴ
ここで、Δτ：微小領域の剪断応力、α：熱膨張係数、Ｅ：ヤング率である。
【００２２】
上記のようにして求めた剪断応力の最大値とボンディングの破壊強度とを比較する（ステップＳ１０）。実際には、所定の安全率を見込んで、破壊強度に安全率を掛けたものを最大剪断応力と比較する。もし、破壊強度と安全率との積が最大剪断応力以下の場合には、ボンディング材が破断すると考えられるので、再度ステップＳ１，Ｓ２に戻ってバッキングプレートの材質、厚みまたはターゲットの厚みの少なくとも１つを変更する。
バッキングプレートの材質、厚みまたはターゲットの厚みの少なくとも１つを変更することによって、ステップＳ１０で破壊強度と安全率との積が最大剪断応力より大きいと判定された場合には、変更された条件を最終的なスパッタカソード条件として決定する（ステップＳ１１）。
上記のスパッタカソード条件でスパッタリングを行えば、ターゲットがバッキングプレートから剥離することなく、良質の薄膜を基板上に形成できる。
【００２３】
図６のステップＳ１２，Ｓ１３はボンディング材の金属疲労を考慮したものである。ステップ１０で剪断応力の最大値とボンディングの破壊強度とを比較したが、磁石７がターゲット５に対して移動するなど熱応力が繰り返しターゲット５に掛かる場合には、ボンディング材６の金属疲労を考慮する必要があるので、破壊強度として疲労破壊強度を用いたものである。
すなわち、熱源の繰り返し移動の有無を判定し（ステップＳ１２）、熱源の繰り返し移動がある場合には、繰り返し応力によるボンディングの疲労破壊強度を破壊強度として設定する（ステップＳ１３）。この疲労破壊強度をズテップＳ１０の破壊強度として使用すれば、ボンディング材６の金属疲労を考慮したスパッタカソード条件を決定することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、スパッタカソード条件を初期設定し、その条件からダーゲットおよびバッキングプレート内の温度分布を有限要素法によって計算し、計算した温度分布と、ターゲットおよびバッキングプレートの各熱膨張係数およびヤング率とから、ターゲットとバッキングプレートの接合面に生じる剪断応力を有限要素法により計算し、計算された最大剪断応力がボンディング材の破壊強度以下であるかどうかによってターゲットの剥離の有無を判定するようにしたので、ターゲットが剥離しない最適なスパッタカソード条件を簡単に求めることができる。そのため、ターゲットが剥離しないスパッタ装置を短時間でかつ低コストで設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるスパッタ装置の一例の構造図である。
【図２】ターゲットに対するエネルギー照射範囲を示す図である。
【図３】有限要素法により求めたターゲットとバッキングプレートの接合面における温度分布図である。
【図４】有限要素法により求めたターゲットの表面温度分布である。
【図５】有限要素法により求めたターゲットとバッキングプレートの接合面における剪断応力分布図である。
【図６】本発明にかかるスパッタ装置の設計手順の一例を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１ チャンバ
３ カソード
４ バッキングプレート
５ ターゲット
６ ボンディング材
７ 永久磁石
８ 基板
１０ 電源

Claims (5)

1. ターゲットの裏面にボンディング材を介してバッキングプレートを接合し、バッキングプレートを介してターゲットを冷却するようにしたスパッタ装置において、
   上記バッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みを初期設定する工程と、
   上記ターゲット、バッキングプレートおよびボンディング材の各熱伝導率と、ターゲットおよびバッキングプレートの厚みと、ターゲット表面に投入されるエネルギー量およびエネルギー投入領域と、バッキングプレートの冷却面温度とを用いて、ダーゲットおよびバッキングプレート内の温度分布を有限要素法によって計算する工程と、
   上記計算された温度分布と、上記ターゲットおよびバッキングプレートの各熱膨張係数およびヤング率とから、ターゲットとバッキングプレートの接合面に生じる剪断応力を有限要素法により計算する工程と、
   上記計算された最大剪断応力がボンディング材の破壊強度以下となるように、上記バッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みを決定する工程と、を備えたことを特徴とするスパッタ装置の設計方法。
2. 上記ターゲット表面に投入されるエネルギーの投入領域はエロージョン部に限定されることを特徴とする請求項１に記載の設計方法。
3. 上記スパッタ装置はマグネトロンスパッタ装置であり、
   上記エロージョン部は、垂直磁界強度が０±３（ｍＴ）の領域であることを特徴とする請求項２に記載の設計方法。
4. 有限要素法によって計算された上記ダーゲットおよびバッキングプレート内の温度分布から接合面の最高温度を求め、この最高温度とボンディング材の融点とを比較する工程を有し、
   上記接合面の最高温度がボンディング材の融点以下となるように、上記バッキングプレートの材質、およびターゲットとバッキングプレートの厚みを決定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の設計方法。
5. 上記ターゲットに熱応力が繰り返しかかる場合に、上記ボンディング材の破壊強度を繰り返し応力によるボンディング材の疲労破壊強度とすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の設計方法。

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