JP4257728B2 - スパッターターゲット集成体の形成法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッターターゲットの分野に関する。特に、本発明は、支持板をスパッターターゲットに取り付けるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスパッターターゲット集成体では、スパッターターゲットは非磁性の支持板に取り付けられる。支持板はスパッターターゲットをスパッタリング室に保持し、そしてスパッターターゲットに対して構造用支持体も提供する。これに加えて、スパッターターゲットは、冷却チャンネルを含むことができる。スパッタリング中に、水がこれらの冷却チャンネルを流通してスパッターターゲットの過熱を防止する。スパッターターゲットを過熱させると、ターゲット中での結晶粒成長やターゲットそれ自体の変形が引き起こされる可能性がある。結晶粒成長及びターケット変形の両方とも、均一なスパッタリングの達成を阻害する。
【０００３】
これらの事情にかんがみて、スパッターターゲットは、優秀な伝熱性と共に強力な結合を含有することが必須要件である。スパッターターゲットを固着するのに使用される結合技術としては、はんだ付け、ろう付け、拡散接合、爆発接合、機械的締結及びエポキシ接合が挙げられる。工業的製造業者はこれらの技術のすべてを使用してスパッターターゲット集成体を製造しているけれども、これらの技術の各々はある種の不利益を有し、そしてそのどの技術もすべてのスパッターターゲット材料及び形状寸法に対して受け入れ可能な一般的な解決策を提供するものはない。
【０００４】
ろう付けは、冷却チャンネルを含む支持板とスパッターターゲットとの間に強力な接合を形成するのに使用される最も一般的な技術である。不幸にして、この技術は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されたスパッターターゲットでは受け入れ不可能である。というのは、ろう付けに付随する高い温度はターゲットの結晶粒度を数ｍｍに増大させるからである。同様に、チタンターゲットをアルミニウム合金支持体にろう付けすると、熱膨張係数の大きな差違によって縁に空隙が生じる場合がしばしばである。
【０００５】
米国特許５９８５１１５において、ハートソーフ氏他は、エポキシ接合を使用してチャンネル付支持板をスパッターターゲットに取り付けることについて説明しており、即ち、支持板にチャンネルを形成すると、全接合面積を５０％程容易に減少させることができる。このエポキシ接合技術は小形のターゲットほど有用であるけれども、それは、大形のスパッターターゲット集成体に要求される強度を欠いている。ありそうもないことが万一エポキシ接合がスパッタリング中に剥層した場合には、それは、進行中のウエファー及び該ウエファーを支持する静電チャックの両方を破壊させる。不適切な接合に付随するこの大きなコストにかんがみ、チップ製造業者は、チャンネル付支持板に３００ｍｍウエファーのためのスパッターターゲットを取り付けるのに厄介なエポキシ接合に依存している。
【０００６】
スパッターターゲットを固着させるための次に一般的な他の技術としては、爆発及び拡散接合が挙げられる。爆発接合は、アルミニウム及びアルミニウム合金ターゲットの如き低温融点スパッターターゲットをろう付けするのに付随する有害な結晶粒成長を回避する。しかしながら、爆発接合は、冷却チャンネル特にアルミニウム合金から構成した冷却チャンネルを変形したり崩壊する傾向がある。米国特許５８０３３４２において、コードクス氏他が例示しているように、拡散接合はいくつかのスパッターターゲット集成体の組み合わせに対して有用である。不幸にして、拡散接合は過度の温度をしばしば必要とし、そして有害な結晶粒成長をもたらす。これに加えて、拡散接合に要求される圧縮力は、軟質のターゲット材料を支持板の冷却チャンネル中に圧入させる可能性がある。
【０００７】
米国特許５６９３２０３において、オオハシ氏他は、拡散接合に典型的に要求される高い圧力及び温度を回避するために固相接合を使用することを開示している。この特許は、支持板とスパッターターゲットとの間で金属箔をプレスして固相接合を形成することについて記載している。この技術は比較的強い結合を生じるけれども、冷却チャンネルは支持板をスパッターターゲットに接合させるのに有効な表面積を制限する可能性があり、そして表面の酸化物又は他の不純物が結合強度に有意義な影響を及ぼす場合がある。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５９８５１１５号明細書
【特許文献２】
米国特許第５８０３３４２号明細書
【特許文献３】
米国特許第５６９３２０３号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、インサートと複数の冷却チャンネルを有する支持板との間に強力な結合を有するスパッターターゲット集成体及びその形成法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
本発明は、スパッターターゲット集成体を形成する方法を提供する。この方法は、スパッターターゲットをインサートに取り付けそしてインサートと支持板との間に結合金属層を適用することを包含する。次いで、インサート及び支持板を一緒にプレスすると、結合金属層を有する固相結合が形成され、インサートが支持板に結合され、そしてインサートと支持板との間に少なくとも１個の冷却チャンネルが形成される。スパッターターゲットのスパッタリング中に冷却チャンネルからの漏れを排除するために、充填剤金属によってインサートの外周を支持板に固着させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明の具体的な説明
ここに本発明において、ターゲットインサートを支持板に固相結合して固着することを、冷却板又は支持板の周囲を包囲する充填材金属と組み合わせると、スパッターターゲット集成体を製作するのに最も困難である強力な結合が形成されることが見い出された。例えば、高純度アルミニウム及びアルミニウム合金ターゲットは、微細ミクロ構造を保持するのに十分なだけ低い温度でアルミニウム合金冷却板に結合することをしばしば要件とする。加えて、接合中の圧力は、スパッターターゲット集成体の冷却チャンネルをそのままに維持するのに十分なだけ低いままに留まらなければならず、しかもタ−ゲットの剥離を引き起こす危険性なしに高い動力密度でスパッタリングを許容するのに十分な強度を有しなければならない。スパッターターゲット集成体を形成するのが困難な他の組み合わせは、チタンスパッターターゲットとアルミニウム支持板との組み合わせである。この組み合わせは、ろう付けされた接合部の冷却時に縁に苛酷な空隙の形成を引き起こす可能性のある熱膨張係数の大きな不整合を有する。これらの空隙は冷却チャンネルを通る水漏れをもたらす可能性があるので、それらは、アルミニウム合金支持板に形成した冷却チャンネルを有するすべてのチタンスパッターターゲットに対して受け入れ不可能である。
【００１２】
特に、本法は、スパッターターゲットをインサートに取り付けることによってスパッターターゲット集成体を形成する。スパッターターゲット対インサートの結合は、スパッターターゲットのスパッタリング特性を破壊しない任意のタイプの接合に依存することができる。スパッターターゲットをインサートに取り付けるための受け入れ可能な結合技術としては、はんだ付け、ろう付け、拡散接合、固相接合、爆発接合、機械的締結及びエポキシ接合が挙げられる。チタンスパッターターゲットでは、ターゲットをインサート内の凹みに拡散接合させるのが最も有益である。アルミニウム及びアルミニウム合金スパッターターゲットでは、インサートとスパッターターゲットとの間の固相結合が最も有益である。というのは、これらの結合は、アルミニウムベースターゲット中での未制御の結晶粒成長を防止する低温加工処理を必要とするからである。
【００１３】
インサートと支持板との間に結合金属層を適用すると、固相結合を形成するための機構が提供される。受け入れ可能な結合金属としては、次の貴金属、即ち、金、銀、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム及びオスミウムが挙げられる。コストの面で、銀が固相結合を形成するための最も有益な金属に相当する。結合金属層を被覆するための受け入れ可能な技術としては、箔及び電着技術の使用の両方が挙げられる。銀では、被覆は、固相結合で接合される各表面上に同等の厚さの銀を電着することから生じるのが最も有益である。有益には、各電着側は、少なくとも１５μｍの厚さを有する。最も有益には、固相結合層は、約４０〜１００μｍの全厚を有する。もしも結合層が薄すぎると、それは、インサート又は支持板中に含まれる表面粗さを補うのに十分な容量を有しないかもしれない。もしも結合層が厚すぎると、それは強度を失う。随意として、５μｍ未満の銅ストライク被覆は銀のために各表面を準備し、そしてターゲット集成体の結合強度を向上させる。この銅ストライク層は約１μｍの典型的な厚さを有し、これは基体に対する結合強度を向上させるのに十分なものである。
【００１４】
インサート及び支持板をインサートと支持板との間にサンドイッチされた結合金属層と一緒にプレスすると、インサートを支持板に結合させる固相結合が形成される。このプレス作業は、スパッターターゲットの上面に対して垂直の方向で行われる。スパッターターゲット集成体がインサート対支持板及びインサート対スパッターターゲットの結合の如き２つの固相結合に依存するときには、これらの結合を同時にホットプレスするのが最も有益である。更に、スパッターターゲット集成体を積重ねそしてプレス成形を使用していくつかのターゲットにおいて固相結合を同時に形成することが可能である。熱間一軸プレス又は熱等圧プレス成形のどちらも、ターゲット集成体の部材と部材との間に固相結合を形成するための最も有益な方法である。加えて、たいていの結合金属による固相結合では、その結合部をスパッターターゲットの結晶粒成長温度よりも低い温度に加熱すると、固相結合の一体性が向上される。
【００１５】
もしもインサート及び支持板がアルミニウム合金であるならば、プレス成形は、約７０ＭＰａ以下の圧力及び約３２０℃以下の温度で行われるのが有益である。一般には、プレス温度を上げると、結合強度が向上するが、しかしスパッターターゲット中での有害な結晶粒成長の可能性が増加する。最も有益には、プレス成形は、約２６０〜３２０℃の温度及び約３５ＭＰａ以下の圧力で行われる。これらの条件下に、冷却チャンネルはそのままにされ、そしてアルミニウム及びアルミニウム合金スパッターターゲットのミクロ構造は未変化のままである。即ち、プロセスの温度は、Ａｌ−０．５重量％Ｃｕの如きアルミニウム合金スパッターターゲットのミクロ構造を変化させない。インサートを支持板に固相結合させると、インサートと支持板との間に少なくとも１個の冷却チャンネルが形成される。有益には、固相結合は、複数の冷却チャンネルを形成する。冷却チャンネルをインサート、支持板、又は支持板及びインサートの両方に機械加工することが可能である。しかしながら、実用上の目的に対しては、支持板にのみ溝を機械加工するのが一般的には最も有益である。
【００１６】
充填材金属がインサートの外周を支持板に固着させる。ろう付け又は溶接のいずれかによって充填材金属を付着させた後、充填材金属は固化してインサートの外周を支持板に固着させる。充填材金属は、スパッターターゲットのスパッタリング中に冷却チャンネルからの漏れを排除する。加えて、インサートは、有益には、ろう付け又は溶接中にスパッターターゲットの希釈を防止し且つスパッターターゲットの結晶粒成長を制限するためにスパッターターゲットを溶融金属のビーズとの直接接触から保護する。最も有益には、溶接は、インサート及び充填材金属の酸化を制限するために制御した雰囲気の保護下に又はフラックスの下に単流で行われる。保護雰囲気の例としては、アルゴン、二酸化炭素、ヘリウム、水素及びそれらの混合物が挙げられる。加えて、アルミニウム合金支持板をアルミニウム合金インサートに固着させるときには、アルミニウム合金充填材金属を付着させて熱膨張係数を整合させ亀裂を最小限にするのが最も有益である。
【００１７】
随意として、溝をインサート、インサートと支持板との間の固相結合、及び支持板に機械加工して、充填材金属のための周囲溝が形成される。最も有益には、周囲溝は、Ｖ−形横断面を有するチャンネルを形成する。Ｖ−形横断面の形態は、最小限の空隙形成で固相結合を確保する。別法として、スパッターターゲットと支持板との間に形成されるギャップを満たす直径を小さくしたインサートを使用して、ターゲット集成体を簡単に構成することが可能である。しかしながら、この方法は、典型的には、溶接向きのＶ−形横断面の溝を形成しない。この方法は、充填材金属とスパッターターゲットとの間で直接接触を可能にするという不利益を有する。ターゲットの外周付近でスパッタリングが行われないようないくつかの円筒形ターゲットでは、スパッターターゲットの性能に悪影響を及ぼさずにターゲットそれ自体に直接溶接することが受け入れ可能である。
【００１８】
ここで図１を説明すると、スパッターターゲット集成体１０は、一緒に接合されたスパッターターゲット１２、インサート１４及び支持板１６を含有する。支持板１６は、スパッターターゲット１２をスパッタリング操作中に水冷するための複数冷却チャンネル１８を含有する。有益には、インサート１４及び支持板１６をアルミニウム又は銅合金のいずれかから構成すると、向上した水冷を得るための優秀な伝導性が提供される。最も有益には、インサート１４及び支持板１６を合金６０６１の如きアルミニウム合金から構成すると、ターゲットを支持するための強度とターゲットを冷却するための伝導性との良好な組み合わせが提供される。
【００１９】
図２を説明すると、固相（ソリッドステート）結合２０及び２２が、支持板１６をインサート１４にそしてインサート１４をスパッターターゲット１２にそれぞれ固着させる。低温で結合する任意の金属が固相結合を形成することができる。有益には、結合金属が固相結合層２０及び２２の両方を形成する。例えば、銀をスパッターターゲット１２の背面２４、インサート１４の上面２６及び背面２８、並びに支持板１６の上面３０に電着させると、各部材を低温で一緒にプレス成形した後に優れた結合が提供される。
【００２０】
固相結合の他に、充填材金属３２が支持板１６の周囲をインサート１４に固着させる。インサート１４は、充填材金属３２を溝３４に付着させることから生じる熱からスパッターターゲット１２を保護する。このことに加えて、インサート１４は、溶融した充填材金属がスパッターターゲット１２を汚染するのを防止する。このプロセスでは、充填材金属を付着させるのにろう付け又は溶接技術のいずれも使用することができる。最も有益には、充填材金属は、支持板の組成と密接に整合する組成を有する。
【００２１】
図３を説明すると、１つの別法では、スパッターターゲット５２、支持板５４、及びスパッターターゲット５２の側部に結合したインサート５６含むスパッターターゲット集成体５０が形成される。インサート５６は、スパッターターゲット５２を支持するための凹み５８を含む。この側部結合配置は、チタンスパッターターゲットをアルミニウム合金支持板に連結させるのに最も有益である。スパッターターゲット５２及び凹み５８の接合面を粗面化すると、側部結合の強度が有益に向上される。最も有益には、スパッターターゲット５２を凹み５８に高められた温度で圧入させると、スパッターターゲットと支持板との間に強い拡散接合が形成される。
【００２２】
図４を説明すると、インサート５６はスパッターターゲット５２に結合され、そして固相結合層６０は支持板５４をインサート５６に連結させる。インサート５６を支持板５４に連結させると、冷却チャンネル６２が形成される。支持板５４、結合６０及びインサート５６に溝を機械加工すると、周囲溝６４が形成される。次いで、充填材金属６６を周辺溝６４に付着させると、インサート５６が支持板５４に固着され、そしてスパッターターゲット５２のスパッタリング中に冷却チャンネル６２を通る漏れが防止される。
【００２３】
【実施例】
例１
０．５重量％の銅を含有するアルミニウムターゲットブランク、０．２０インチ（０．５１ｃｍ）厚の６０６１アルミニウム合金インサート、及び０．６４インチ（１．６ｃｍ）離して配置された０．０８インチ（０．２０ｃｍ）の幅、０．１０インチ（０．２５ｃｍ）深さの冷却チャンネルを有する６０６１アルミニウム合金支持板を１μｍの銅及び２５μｍの銀でメッキし、次いで２０４℃で２２時間焼付けを行った。次いで、３枚のブランクを一緒に３１６℃の温度及び３５ＭＰａの圧力で４時間熱間等温プレスすることによって単一のサイクルで接合させた。
【００２４】
浸漬超音波試験によれば、冷却チャンネルと冷却チャンネルとの間の平面領域で１００％の接合が示され、これに対してＸ線による画像形成では、冷却チャンネルそれ自体はそのままに保たれたことが示された。即ち、冷却チャンネルは、６０６１アルミニウム合金インサートを使用しない上記の条件下でプレス中にターゲット材料で満たされた。光学検鏡法を使用してＡＳＴＭ標準Ｅ１１２−９６当たり４２μｍのターゲットブランク粒度が測定された。このことは、その粒度が接合プロセス中に変化しなかったことを示していた。
【００２５】
結合界面から５インチ（１２．７ｃｍ）長さ×１インチ（２．５ｃｍ）幅の試料を取り出し、一端から０．６２５インチ（１．６ｃｍ）の貫通孔を形成し、そして穴の領域において結合界面を取り除き、これによって穴を２個の穴に分割することによって固相結合を評価した。穴を軽くたたきそしてその中にネジ付棒を挿入することによって穴をしっかり固定し、そして反対側に向けた力を棒に適用することによって各層を引き離した。２，１４０ポンド（９７１ｋｇ）の最大荷重において結合の分離が生じた。
【００２６】
固相結合の後、ターゲット集成体のインサート、結合層及び支持板に深さが０．１５インチ（０．３８ｃｍ）でそして７４度の頂点角度を有する三角形又はＶ−形溝を機械加工した。次いで、その溝全体に４０４７アルミニウム合金の連続ビーズをタングステン不活性ガスアーク溶接によって単流で充填させた。特に、その溶接は、５０％のヘリウム及び５０％のアルゴンを含有するシールドガスを２５０Ａの電流で使用する「Ｍｉｌｌｅｒ Ａｅｒｏｗａｖｅ」溶接機に依存していた。Ｖ形溝は、スパッターターゲットを希釈から、また溶接によって発生される過剰の熱から保護した。最後に、機械加工によって、ターゲット集成体の側面を平滑化した。
【００２７】
例２
この例では、チタニウムスパッターターゲットを６０６１アルミニウム合金インサート中に含まれる凹みに４５０℃の温度及び１０３ＭＰａの圧力で側部結合させることによって該インサートに拡散接合させた。インサート及びターゲットの側面を１５０μインチＲａの表面粗度まで粗面化すると、結合強度が向上された。この副集成部品、及び０．６４インチ（１．６ｃｍ）離して配置した０．０８インチ（０．２０ｃｍ）幅、０．１０インチ（０．２５ｃｍ）深さの冷却チャンネルを有する６０６１アルミニウム合金支持板を例１の条件下に銅及び銀でメッキし、焼き付けしそして接合させて固相結合を形成した。浸漬超音波試験によれば、冷却チャンネルと冷却チャンネルとの間で１００％の接合が示され、そしてＸ線による画像形成では、冷却チャンネルそれ自体はそのままに保たれたことが示された。光学検鏡法を使用してＡＳＴＭ標準Ｅ１１２−９６当たり１０μｍのターゲットブランク粒度が測定された。このことは、その粒度が接合プロセス中に変化しなかったことを示していた。
【００２８】
固相結合の後、ターゲット集成体のインサート及び支持板に例１に記載の如くして三角形の溝を機械加工した。次いで、その溝全体に４０４７アルミニウム合金の連続ビーズを、例１に記載の条件下に溶接することによって充填させた。最後に、機械加工によって、ターゲット集成体の側面を平滑化し、しかして充填材金属を残して冷却チャンネルからの漏れを防止した。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の方法は、ターゲット集成体を製作するのが困難であるチャンネル付支持板を結合させるための改良法を提供するものである。固相結合は、インサートを支持板に結合させて少なくとも１個の冷却チャンネルを形成し、そして周囲充填材金属は、インサートを支持板に結合させてスパッタリング中に冷却チャンネルからの漏れを防止し、且つインサートに対する支持板の結合強度を向上させる。また、この設計によって、冷却チャンネルの横断面をそのままに残しながら熱的に不整合のスパッターターゲットから縁の空隙形成が排除される。
【００３０】
本明細書の目的に対して、「固相結合」は、結合金属をベース金属に又はベース金属を結合金属に有意量で拡散させずに、典型的には１０μｍ未満そして最もしばしばには５μｍ未満でしか拡散させずに形成される結合を表わす。加えて、特に記していなければ、本明細書では、すべての組成を重量％によって記載している。
【００３１】
焼付け及び結合パラメーターは、冷却板の材料、所望のミクロ構造及び形状寸法に依存して変動させることができる。本発明は、純アルミニウム、種々のアルミニウム合金、又は種々のアルミニウム若しくは銅合金の支持板又は冷却板に結合したチタニウムを使用して実施されることができる。
【００３２】
本発明をある種の好ましい具体例に関して詳細に記載したけれども、当業者には、本発明の精神及び特許請求の範囲内に本発明の他の具体例が存在することが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの固相結合及び周囲溶接で固着されたチャンネル付スパッターターゲット集成体の概略断面図である。
【図２】図１のチャンネル付スパッターターゲット集成体の一部分の拡大した概略断面図である。
【図３】単一の固相結合、側部拡散接合及び周囲溶接で固着されたチャンネル付スパッターターゲット集成体の概略断面図である。
【図４】図３のチャンネル付スパッターターゲット集成体の一部分の拡大した概略断面図である。
【符号の説明】
１０、５０ スパッターターゲット集成体
１２、５２ スパッターターゲット
１４、５６ インサート
１６、５４ 支持板
１８、６２ 冷却チャンネル
２０、２２、６０ 固相結合層
３４、６４ 溝
３２、６６ 充填材金属

Claims (3)

1. スパッターターゲットをインサートに取り付け、
   インサートと支持板との間に結合金属層を適用し、ここでインサートは外周を有し、
   インサート及び支持板を一緒にプレスして結合金属層を有する固相結合を形成し、ここで固相結合はインサートを支持板に結合させると共に、インサートと支持板との間に少なくとも１個の冷却チャンネルを形成し、そして
   インサートの外周を支持板に結合させ且つスパッターターゲットのスパッタリング中にその少なくとも１個の冷却チャンネルからの漏れを排除する充填材金属によって、インサートの外周を支持板に固着させる、各工程を含み、前記充填材金属による固着の工程は、前記インサートと前記支持板の周部の会合部に前記スパッターターゲットには至らない周溝を形成し、該周囲溝に前記充填材金属を充填するものであることを特徴とするスパッターターゲット集成体の形成法。
2. スパッターターゲットをインサートに取り付け、
   インサートと支持板との間に結合金属層を適用し、ここでインサートは外周を有し、
   インサート及び支持板を一緒にプレスして結合金属層を有する固相結合を形成し、ここで固相結合はインサートを支持板に結合させると共に、インサートと支持板との間に少なくとも１個の冷却チャンネルを形成し、そして
   インサートの外周を支持板に結合させ且つスパッターターゲットのスパッタリング中にその少なくとも１個の冷却チャンネルからの漏れを排除する充填材金属を付着させることによって、インサートの外周を支持板に固着させ、ここでインサートは、充填材金属の付着中にスパッターターゲットを溶融金属のビーズとの直接接触から保護してスパッターターゲットの汚染を防止すると共にスパッターターゲット中の結晶粒成長を制限するようにする、各工程を含み、前記充填材金属による付着の工程は、前記インサートと前記支持板の周部の会合部に前記スパッターターゲットには至らない周溝を形成し、該周囲溝に前記充填材金属を充填するものであることを特徴とする、スパッターターゲット集成体の形成法。
3. インサートとスパッターターゲットとの間に、及びインサートと支持板との間に結合金属層を適用し、ここでインサートは外周を有し、
   スパッターターゲット、インサート及び支持板を一緒にプレスして結合金属層を有する固相結合を形成し、ここで固相結合はスパッターターゲットをインサートにそしてインサートを支持板に結合させると共に、インサートと支持板との間に少なくとも１個の冷却チャンネルを形成し、そして
   インサートの外周を支持板に結合させ且つスパッターターゲットのスパッタリング中にその少なくとも１個の冷却チャンネルからの漏れを排除すべく固化する充填材金属を付着させることによって、インサートの外周を支持板に固着させ、ここでインサートは、充填材金属の付着中にスパッターターゲットを溶融金属のビーズとの直接接触から保護してスパッターターゲットの希釈を防止すると共にスパッターターゲット中の結晶粒成長を制限するようにする、各工程を含み、前記充填材金属による付着の工程は、前記インサートと前記支持板の周部の会合部に前記スパッターターゲットには至らない周溝を形成し、該周囲溝に前記充填材金属を充填するものであることを特徴とする、スパッターターゲット集成体の形成法。

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