JP4307989B2 - スパッタリング用ターゲット組立体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、凹形スパッタリング用ターゲットの分野に関し、とりわけ、凹形スパッタリング用ターゲットの製造方法に関するものである。

スパッタリング用ターゲット製造の分野では、様々な手段によりターゲット材料を支持板に接合する。歴史的には、ターゲット製造業者は、ターゲットを支持板にはんだ付けした。スパッタリング温度が高くなり、ターゲット寸法が大きくなるにつれて、以下の欠点により、はんだ付けでは必要な接合が得られなくなった。すなわち、１）溶融温度が低いのでチャンバ作動温度が制限された、２）はんだの蒸気圧が高いのでチャンバ中に不純物が導入された、そして３）特に高い温度では、接合強度が小さくなるので時々、接合不良が生じた。剥離したターゲットは、ウエハだけでなく、その支持用静電チャックをも破壊することがあるので、接合不良を回避することが最も重要である。事実、完全な接合はスパッタリング用ターゲット製造業者にとって非常に重要であり、ハント（Ｈｕｎｔ）他は、米国特許第６０９２４２７号において、接合界面評価試料を調製し、試験するための専用方法を開発した。この方法はスパッタリング用ターゲットと支持板の間の接合強度を評価するものである。試料材料を、一端に形成された第１の開口部から取り除き、第１の開口部を２つの開口部に分割するようにねじ切り開口部が形成される。これらの開口部をねじ切りし、ねじ切りされた開口を引くことにより接合強度を測定する。

上記の問題に関して、民間のターゲット製造業者は固体接合を達成するためのいくつかの解決策を提案している。例えば、エイチ・チャン（Ｈ．Ｚｈａｎｇ）は、米国特許第６０７１３８９号において、チタン中間層を使用してコバルト・ターゲットをアルミニウムまたは銅の支持板に拡散接合することを開示している。この方法は電気めっき、スパッタリング、無電界めっきまたはプラズマ溶射によってチタン中間層を付着させる。付着したチタンはコバルトと支持板材料の両方に接合する。この方法では、また、接合をさらに改善するためにターゲットおよび支持板中に溝を機械加工することも行なっている。

フント（Ｈｕｎｔ）他は、米国特許第５８３６５０６号および第６０７３８３０号において、円筒形ターゲットの背面および側面を粗面化し、ターゲットの背面および側面を支持板に拡散接合する方法を開示している。この方法は、固相接合を形成するものであり、ターゲットを支持板に固定するのに最も有効であることが証明されている。残念ながら、ターゲットは優先的に中心からスパッタリングするので、スパッタリング処理中の円筒形ターゲットの歩留りまたは使用率は１００パーセントよりもはるかに小さい。中心領域の優先的なスパッタリングに起因する低い歩留りは、ターゲット利用性改善の余地を残している。

本方法は、スパッタリング用ターゲット組立体を製造するものである。本方法は、最初にターゲット・インサートを製造する段階を含む。ターゲット・インサートは、降伏強さ、直径、高さ、平坦な上面および円錐形裏面を有する。次いで支持板を製造する。支持板はターゲット・インサートの直径に対応する円筒形凹部を有する。円筒形凹部はターゲット・インサートの高さよりも小さい深さを有し、かつターゲット・インサートの降伏強さよりも小さい降伏強さを有する。最後に、ターゲット・インサートを支持板の円筒形凹部にプレスすることによりターゲット・インサートを支持板に接合してターゲット組立体を形成する。プレスされたターゲット組立体は、円錐形裏面をもつターゲット・インサートを含有する。

スパッタリング用ターゲット組立体は円筒形支持板を含む。円筒形支持板は平坦な上面、および上面に形成された凹部を有する。ターゲット・インサートは支持板の凹部内で支持板に接合する。ターゲット・インサートは平坦な上面および裏面を有する。裏面はそれの表面積の少なくとも約５０パーセントが円錐形または傾斜になっている。裏面は支持板と接合されて、ターゲット・インサートを支持板に固定し、ターゲット組立体を形成する。

本発明は、固相接合を有するスパッタリング用ターゲット組立体を形成する方法を提供する。図１を参照すると、本方法は、円形裏面１２を有するターゲット・インサート１０と、部分的に対合する円筒形凹部２２を有する支持板２０とを基にしている。ターゲット・インサート１０を円筒形凹部２２中にプレスすると支持板２０が変形し、ターゲット／支持板組立体３０が形成される。この工程中、切頭円錐形面１２はそれの形状を維持して接合を形成する。この接合は、ターゲット・インサート１０の円錐形または切頭円錐形背面１２を支持板２０に固定する。この際、円錐形裏面１２の少なくとも約５０パーセントが支持板２０に接合される。

傾斜面または角度付き面１２を生産する製造方法としては、限定はしないが、機械加工、鍛造、プレス、鋳造、粉末の高温静水圧プレス（ＨＩＰ）およびスピニングなどがある。機械加工によって受ける材料損失を無くするために、処理工程は、有利にはターゲット・インサートをその円錐形または部分円錐形形状に直接プレスすることを含む。最も適切な方法は、ターゲット材料に依存する。多数のターゲット材料は、ターゲットをこの形状に熱間プレス、さらには冷間プレスするのに適している。これは機械加工段階を回避し、歩留りを高める。高い歩留りは、高純度タングステンやタンタルなどの高価なターゲット材料にとって本質的に重要である。これらの材料の場合、ターゲット組立体をインサート形状に直接プレスすることは、ターゲット生産にとって最も有利な手段である。これらの材料の場合、傾斜付き支持板に対応する傾斜付きターゲット・インサートの面を機械加工することに対して、明らかな費用および時間の節約を示している。

さらに、タングステン粉末などの高純度粉末を使用すると、製造業者は粉末をほぼ最終形状のターゲット・インサートに直接圧縮することが可能になる。

有利には、ターゲット・インサートおよび支持板をプレス中に約２００℃の温度に少なくとも１時間、保持すると接合が改善される。最も有利には、プレスを少なくとも約４００℃の温度で行うと、ターゲット・インサートの裏面と支持板の間の接合がさらに改善される。

支持板２０は、支持板を機械加工することによって形成される円筒形凹部２２を含有する。最も有利には、アルミニウム、銅、アルミニウム基合金または銅基合金などの延性金属または合金により支持板を形成する。合金６０６１などのアルミニウム基合金は、必要な延性が得られる。さらに、支持板は、プレス中にターゲット材料の降伏強さよりも小さい降伏強さを有しなければならない。任意的に、支持板凹部２２は角形、傾斜または丸い角部を含有することができる。凹部２２は傾斜付きインサート１２の体積にほぼ等しい体積を有する。これにより支持板の過度の変形を誘起せずに十分な接合が得られる。有利には、凹部２２は、傾斜付きインサート１２を凹部２２中にプレスする間の過度の変形を防ぐために、傾斜付きインサート１２の体積の少なくとも９０パーセントの体積を有する。同様に、凹部２２は有利には、良好なプレスを可能にし、支持板材料の消耗を防ぐために傾斜付きインサート１２の約１２０パーセントよりも小さい体積を有する。最も有利には、凹部２２は、応力を制限し、接合を最大化するために傾斜付きインサートの体積にほぼ等しい体積を有する。

傾斜付きインサートを凹部中にプレスすることによりターゲット組立体が形成される。プレス後、ターゲット材料はそれの元の切頭円錐形形状を保持する。この段階では、最終組立体を形成するために真空熱間プレスまたはＨＩＰ処理などの熱間プレスによる。組立体を圧力下で加熱すると、支持板材料は、強力な固相接合の形成を容易にする塑性変形状態に達する。高温プレスは、ターゲット材料と支持板との反応を促進する。いくつかの系では、すなわちチタン・ターゲットおよびアルミニウム支持板の場合、材料を拡散させ、同時に反応させて、接合強度に寄与する反応生成物を形成することが有利である。

プレス後、ターゲット組立体は、ターゲットの最終機械加工、研磨、清浄化および支持板中へのねじ切り口の機械加工などの仕上げ作業がなされる。図２〜図４のとおり、最終機械加工工程は、一般にターゲット・インサートの側壁に隣接する支持板を取り除く。スパッタリング・チャンバの仕様によって、上面から取り除かれる支持板の量が決まる。

図２は、円形支持板４４に接合された円形ターゲット４２から形成される標準的なターゲット組立体４０を示す。図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、ターゲット組立体５０は、有利には切頭体界面５６および円錐界面５４に沿って支持板５８に接合されたターゲット・インサート５２を含有する。切頭体界面は直径Ｄを有し、円錐界面は長さＬのリングを形成する。長さＬは円錐界面５４に対して平行に延びる。円錐界面５４はターゲット・インサートと支持板の間の接合表面積の少なくとも約５０パーセントからなる。最も有利には、円錐界面はターゲット・インサートの全接合表面積の少なくとも約６０パーセントからなる。ターゲットは、製造コストを削減するために最高でほぼ約１５パーセントおよび２０パーセントもの材料使用を削減し、かつ、標準のターゲット組立体と同じ利用率および設定を達成する。

図４に、ターゲット組立体６０の任意の円錐形の構成を示す。この設計では、円形ターゲット・インサート６２は、円錐形接合界面６６に沿って円形支持板６４に接合する。図４は図３Ａと同じ平面図（図示せず）を有する丸いターゲットを表す。（図４の平面図と図３Ａの間の唯一の差異は、部材６０、６２および６４を示すことである。）

本発明の接合界面では、機械加工された溝が支持板の塑性変形を妨害することがあるので、対合する機械加工された溝の使用には適さない。しかしながら、有利には、表面処理工程により、ターゲット・インサートおよび円筒形凹部の側面および傾斜面を粗面化して、接合すべき面に不均一な表面構造を形成する。容認できる表面粗面化技術としては、限定はしないが、ショットブラスト、ショット・ピーニングおよびエッチングがある。ショット・ブラストで使用される粒子は、限定はしないが、グリット、サンド、ガラス・ビーズおよびスチール・ショットなどのグループから選択することができる。この工程により、構成要素がプレス中に加熱されるときに、系合する接合面のわずかな破壊を引き起こす。最も有利には、この工程は所望の固相接合の形成を促進するためにグリット・ブラストを使用してターゲット・インサートを粗面化する。

直径１３．５７２”（３４．５ｃｍ）×厚さ０．７５０”（１．９ｃｍ）の寸法を有する市販の９９．９９パーセント純チタン製ディスクの裏接合面に３°の角度に機械加工を施すことにより、ディスクの裏接合面に円錐状の形状を形成した。チタンのディスクを、６０６１−Ｔ６アルミニウム・ディスクに機械加工された円筒形凹部に配置した。凹部の体積は、チタン・ターゲット挿入体の体積と等しくした。２時間、１５ｋｓｉ（１０３ＭＰａ）、温度５１０℃ののＨＩＰ処理工程によりインサートを支持板に接合した。アルミニウム・ディスクは、ＨＩＰサイクル中に塑性変形され、３°角の傾斜をつけたチタン・ターゲットの形状に一致した。ＨＩＰ処理工程中に起こった塑性変形により安全な固体状態接合が保証された。この接合を超音波試験、引張り試験および金属組織試験によって評価することにより接合の完全性および強度が確認された。

ＨＩＰ後の超音波試験分析により、支持板とターゲットの間の１００パーセントの接合が明らかになった。さらに、超音波試験ではターゲットの縁部の領域に小さい空隙が示された。

金属組織試験では、凹形支持板の角部が十分に突出または変形していないことから生じる１つの小さい空隙と一致した界面が明らかになった。この空隙の位置および大きさはターゲットの性能に影響を及ぼさないものである。さらに、底壁および側壁の接合は、拡散接合技術で達成された一体化された固相接合と同等であった。さらに、後続の試験では、凹部の側壁に位置する隅肉が空隙を無くすことが示された。

２つのねじ切り開口試料方法に従って行なった２つの引張りテストでは優れた接合が確認された。接合界面で切断した両試料では、アルミニウムが破断していた。第１の試料は１９２０ｌｂｓ（１３．２ＭＰａ）で破断し、第２の試料は１８３０ｌｂｓ（１２．６ＭＰａ）で破断した。

チタン・ターゲットについて実施例を揚げたが、この方法は、アルミニウム、チタン、銅、クロム、コバルト、ニッケルおよびタンタルなどのスパッタリング用ターゲットとしての使用に適した全ての合金または組成のスパッタリング用ターゲットに対して、同様の有効性をもって作用することに注目すべきである。さらに、この工程は、ターゲット材料と支持板材料とが同じでも、異なる合金でも適用できる。例えば、アルミニウムの支持板または銅の支持板中にアルミニウム合金ターゲットを配置することが可能である。

傾斜付きターゲットの設計に対応する支持板を凹形にするためには、製造に容易な方法を使用でき、様々な種類の製造装置に容易に適合する。本工程は、また、支持板の半加工品を特別に費用の高い機械により加工すること不要とし、製造に必要な時間を削減する。さらに、本工程は、縁部の厚さを小さく（典型的には２０〜３５％）したスパッタリング用ターゲットの製造が可能である。このターゲット組立体は、優先的にその中心からスパッタリングするので、このターゲットは標準の作動条件を変更する必要がない。従来の円筒形ターゲット・インサートと比較すると、スパッタリング装置の標準のスパッタリング手順の修正なしに、随意にターゲット材料の厚さを増大する設計ができる。さらに、必要なターゲット材料の量を少なくすることによってスパッタリング部品の生産性を増大させ、それによってコストを削減する。最後に、本工程により真空に耐える強い接合の形成が容易になる。これらの接合は実際の支持板自体よりも大きい強度を有することができる。最後に、本工程は、新設計および新製品に必要な、設計時間および製造時間を削減する。

本発明はその範囲から逸脱せずに多数の可能な実施例およびスパッタリング用ターゲット構成が可能であり、したがって本明細書に記載されたすべての事項は限定的な意味ではなく例示的なものとして解釈すべきことを理解されたい。

傾斜付きターゲット・インサートを支持板中にプレスする工程を示す概略図。 標準の円形ターゲット組立体の概略断面図。 円形支持板中に埋め込まれた円形切頭円錐形ターゲットの概略平面図。 線１−１に沿った図３Ａのターゲットの概略断面図。 円形支持板中に埋め込まれた円錐形ターゲットの概略平面図。

Claims (9)

1. スパッタリング用ターゲット組立体（３０）の製造方法において、該方法が、
   ａ）降伏強さ、直径、高さ、平坦な上面および円錐形裏面（１２）を有し、ほぼ最終形状を有するターゲット・インサート（１０）を製造する段階と、
   ｂ）前記ターゲット・インサート（１０）の直径に一致し、前記ターゲット・インサート（１０）の高さよりも小さい深さを有し、前記ターゲット・インサート（１０）の降伏強さよりも小さい降伏強さを有する円筒形凹部（２２）を有する支持板（２０）を製造する段階と、
   ｃ）前記ターゲット・インサート（１０）を前記支持板（２０）の前記円筒形凹部（２２）中に、塑性変形状態でプレスすることにより、前記ターゲット・インサート（１０）を前記支持板（２０）に拡散接合して、前記円錐形裏面（１２）を有する前記ターゲット・インサート（１０）を含む前記ターゲット組立体（３０）を形成する段階とを含む、スパッタリング用ターゲット組立体の製造方法。
2. 前記ターゲット・インサート（１０）の前記円錐形裏面（１２）と前記支持板（２０）との接合を改善するために、前記ターゲット・インサート（１０）および前記支持板（２０）を約２００℃より高い温度に少なくとも１時間保持する追加の段階を含む請求項１に記載されたスパッタリング用ターゲット組立体の製造方法。
3. スパッタリング用ターゲット組立体（３０）の製造方法であって、該方法が、
   ａ）降伏強さ、直径、高さ、平坦な上面および切頭円錐形裏面（１２）を有するターゲット・インサート（１０）をほぼ最終形状にプレスする段階と、
   ｂ）前記ターゲット・インサート（１０）の直径に一致し、前記ターゲット・インサート（１０）の高さよりも小さい深さを有し、前記ターゲット・インサート（１０）の降伏強さよりも小さい降伏強さを有する円筒形凹部（２２）を有する支持板（２０）を製造する段階と、
   ｃ）前記ターゲット・インサート（１０）を前記支持板（２０）の前記円筒形凹部（２２）中に、塑性変形状態で熱間プレスすることにより、前記ターゲット・インサート（１０）を前記支持板（２０）の前記円筒形凹部（２２）に拡散接合して、切頭円錐形裏面（１２）を有する前記ターゲット・インサート（１０）を含む前記ターゲット組立体（３０）を形成する段階とを含む、スパッタリング用ターゲット組立体の製造方法。
4. 前記円筒形凹部（２２）がある体積を有し、前記ターゲット・インサート（１０）がある体積を有し、前記円筒形凹部（２２）の体積が前記ターゲット・インサート（１０）の体積の９０〜１２０パーセントである請求項３に記載されたスパッタリング用ターゲット組立体の製造方法。
5. 前記円筒形凹部（２２）がある体積を有し、前記ターゲット・インサート（１０）がある体積を有し、前記円筒形凹部（２２）の体積が前記ターゲット・インサート（１０）の体積にほぼ等しい請求項３に記載されたスパッタリング用ターゲット組立体の製造方法。
6. 円筒形支持板（２０）とターゲット・インサート（１０）とを含むスパッタリング用ターゲット組立体において
   前記支持板（２０）が、平坦な上面を有し、該上面に凹部（２２）を有し、
   前記ターゲット・インサート（１０）が、前記支持板（２０）の前記凹部（２２）で前記支持板（２０）に接合され、
   前記ターゲット・インサート（１０）が、ほぼ最終形状を有し、平坦な上面および裏面（１２）を有し、
   前記裏面（１２）の表面積の少なくとも約５０パーセントが円錐形であり、
   前記裏面（１２）が、前記支持板（２０）に接合されることにより、前記ターゲット・インサート（１０）を前記支持板（２０）に固定し、
   前記凹部が、前記ターゲット・インサートの形状に塑性変形して、ターゲット組立体（３０）を形成するスパッタリング用ターゲット組立体。
7. 前記凹部（２２）が前記ターゲット・インサート（１０）の形状に一致する形状を有する請求項６に記載されたスパッタリング用ターゲット組立体。
8. 前記ターゲット・インサート（１０）と前記支持板（２０）との間の反応生成物が、前記ターゲット・インサート（１０）を前記支持板（２０）に接合する請求項６に記載されたスパッタリング用ターゲット組立体。
9. 円錐形界面が前記ターゲット・インサート（１０）を前記支持板（２０）に接合する請求項６に記載されたスパッタリング用ターゲット組立体。

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