JP4594488B2

JP4594488B2 - Sputtering target

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Publication number: JP4594488B2
Application number: JP2000112409A
Authority: JP
Inventors: 泰郎高阪; 隆石上; 直美藤岡; 高志渡辺; 幸伸鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-04-13
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: JP2001295040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタリングターゲットに係り、特にターゲットの結晶粒を粗大化させることなく、バッキングプレート材とターゲット材とを高い接合強度で一体に接合でき、スパッタリング時におけるパーティクルの発生量を低減できるスパッタリングターゲットおよびバッキングプレート材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス等の電極，ゲート，配線，素子，保護膜等の各種膜を基板表面に形成する方法としてスパッタリング法が広く利用されている。スパッタリング法は、所定の金属成分から成るターゲットにアルゴンなどの加速粒子を衝突させて金属成分を放出せしめ、この放出成分をターゲットに対向した基板上に堆積させ成膜する方法である。
【０００３】
上記ターゲットを構成する材料としては、形成する膜の組成に対応してＡｌ，Ａｌ合金やＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂ等の高融点金属またはそれらの合金あるいはＭｏＳｉ_ｘ，ＷＳｉ_ｘなどの高融点金属シリサイドが使用されている。
【０００４】
また、上記ターゲットをスパッタリング装置内に固定するため、さらに高温度のターゲットを冷却し過熱を防止するため、およびチャージアップによる異常放電を防止するなどの目的から、ターゲットはバッキングプレートと称する裏当て材に一体に接合された状態で使用される場合が多い。
【０００５】
上記バッキングプレートを構成する材料としては、ターゲットの効率的な冷却のために、特に高い熱伝導特性と高い電気伝導性とを有する無酸素銅（ＯＦＣ）が多く使用されるが、Ｃｕ合金，Ａｌ合金，ステンレス鋼（ＳＵＳ），Ｔｉ，Ｔｉ合金などから成るバッキングプレートも使用されている。
【０００６】
従来、上記ターゲット材とバッキングプレートとの接合法としては、インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ）を含有する低融点ろう材を介して両部材を接合するろう付け法が一般的に使用されている。
【０００７】
一方、近年、半導体素子の高集積化に伴い、素子と金属配線とを接続するコンタクトホールの径はより小さくなる一方、その深さは大きくなり、コンタクトホールのアスペクト比が増加する傾向にある。このような高いアスペクト比を有するコンタクトホールの内面および底部に均一な厚さの膜を堆積させて被覆することは、通常のスパッタリング条件下では困難になっており、スパッタ粒子を可及的にコンタクトホールの垂直方向に入射させることが課題となっている。上記課題に対して、スパッタリング装置の機能改善によりスパッタ粒子の入射方向を電気的に揃えるコリメータ法やターゲットと基板との間隔を長くとり垂直成分のみを取出すロングスロースパッタ法などが実用化されている。
【０００８】
しかしながら、上記のような特殊な方法を採用した成膜プロセスにおいては、スパッタリングを実施するために投入される電力を増加させる必要があり、具体的には従来の２〜３倍である数１０ｋＷを超える高電力が投入される場合もある。このため、スパッタリング時にターゲットが従来よりも高温度に加熱されることになり、ターゲット材とバッキングプレートとの接合強度が低下しターゲットの接合部の信頼性が低下し、パーティクルの発生量が増加して成膜の特性を劣化させる問題点があった。
【０００９】
上記問題点を解決する手段としてターゲット材とバッキングプレートとを拡散接合する方法が従来から提案されている。例えば、Ｔｉターゲットの場合には、そのターゲットと接合するバッキングプレートとしては、アルミニウム合金製のバッキングプレートが一般的に使用されており、両部材を直接接合したり、あるいは、ターゲット材よりも低融点のインサート材（箔状のＣｕ，Ｎｉまたはこれらの合金）を介して拡散接合する方法が広く採用されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにアルミニウム合金製のバッキングプレートを使用した場合には、アルミニウム合金の熱伝導率が銅と比較して大幅に低いため、ターゲットの冷却効率が低く、高電力負荷条件下におけるターゲットの過熱を防止することが困難であり、高温度によりターゲットの接合強度が低下するとともにパーティクルの発生量が増加する問題点があった。
【００１１】
前記のように、ターゲットの冷却効率を考慮すると、バッキングプレート材としては熱伝導性が高い材料を使用することが、成膜の特性を改善するとともにパーティクルの発生量を低減する上で重要である。したがって、上述のＴｉターゲットの場合には、アルミニウム合金よりもさらに熱伝導率が高い無酸素銅などの銅系材料をバッキングプレート構成材として使用することが好ましい。
【００１２】
また、ターゲット材の結晶粒径を微細化することにより、スパッタリング時のパーティクル発生量を低減でき、さらにはスパッタ粒子の方向性を揃えることも容易になる。
【００１３】
しかしながら、ターゲット材であるＴｉとバッキングプレート材である無酸素銅とを低温度で拡散接合させることは困難であり、ある程度の接合強度を得るためには、高温度での接合操作が必須となる。しかしながら、高温度の接合操作はターゲットの結晶粒の粗大化を招く問題点があり、いずれの場合においてもパーティクルの発生量の増大につながり成膜の特性を劣化させる問題点があった。
【００１４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ターゲットの結晶粒を粗大化させることなく、バッキングプレートとターゲット材とを高い接合強度で一体に接合でき、スパッタリング時におけるパーティクルの発生量を低減できるスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るスパッタリングターゲットは、３層以上の金属層から成るバッキングプレート材とターゲット材とが拡散接合または溶接により一体に接合されたスパッタリングターゲットであり、前記ターゲット材がＴｉから形成されたものであり、前記バッキングプレート材の金属層は、前記ターゲット面側の金属層と、前記ターゲット面に対して反対側の表面である他方の面側の金属層とが、アルミニウムから成り、前記ターゲット面側の金属層と前記他方の面側の金属層との間の金属層が、無酸素銅から成ることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るスパッタリングターゲットは、バッキングプレート材を構成する金属層の各層間の接合および／またはバッキングプレート材とターゲット材との接合は、拡散接合および／または溶接接合であることを特徴とする。
【００１７】
また、バッキングプレート材のターゲット材側の金属層をアルミニウム（Ａｌ），アルミニウム合金，銀（Ａｇ）および銀合金の少なくとも１種から構成する一方、他の金属層を無酸素銅または銅合金から構成するとよい。
【００１８】
さらに、ターゲット材がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ａｌ，ＳＲＯ（Ｓｒ−Ｒｕ−Ｏ組成物），ＢＴＯ（Ｂａ−Ｔｉ−Ｏ組成物）およびＳＢＴＯ（Ｓｒ−Ｂａ−Ｔｉ−Ｏ組成物）の少なくとも１種から形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、バッキングプレート材が３層以上の金属層から成り、バッキングプレート材のターゲット面側と他方の面の金属層が同一材料から構成するとよい。
【００２０】
さらに、ターゲット材がＴｉから形成され、バッキングプレートが無酸素銅から成る金属層とアルミニウムから成る金属層とから成り、ターゲット面側および他方の面側の金属層がアルミニウムから成ることが好ましい。
【００２１】
また、金属層相互間およびバッキングプレート材とターゲット材との各接合面における接合強度のばらつきが±３０％の範囲内であることが好ましく、各接合面における接合強度の平均値のばらつきが±３０％の範囲内であることが好ましい。
【００２２】
さらに本発明に用いられるバッキングプレート材は、複数の金属層からなることが好ましい。このバッキングプレート材において、プレート材を構成する金属層の各層間の接合は、拡散接合および／または溶接接合であることが好ましい。
【００２３】
本発明において、バッキングプレート材のターゲット材側の金属層としては、ターゲット材の融点より低い融点を有するＡｌ，Ａｌ合金，Ａｇ，Ａｇ合金が使用され、これらの金属層は前記ターゲット材と固相拡散接合されて強固な接合体が形成される。
【００２４】
一方、バッキンクプレート材の本体側を形成する他の金属層としては、熱伝導率が高く放熱特性が良好な無酸素銅または銅合金が使用され、この金属層によってターゲットが効果的に冷却されてターゲットの過熱が防止される。
【００２５】
上記バッキングプレート材を構成する各金属層の厚さは、特に限定されないが、概略、次のような範囲が好適である。すなわち、ターゲット材側の金属層の厚さは、ターゲット材の厚さの１／１０〜３／１０の範囲が好ましい一方、高い熱伝導性を確保するための金属層の厚さは、ターゲット材の厚さの１〜２倍の範囲が好ましい。
【００２６】
上記バッキングプレート材を構成する複数の金属層およびターゲット材の接合面に酸化物等が形成されると拡散接合が困難となり十分な接合強度が得られなくなるため、接合操作に移る前に各構成材をアセトンのような有機溶媒により十分に脱脂し洗浄しておくことが肝要である。
【００２７】
上記各構成材を接合して本願発明のスパッタリングターゲットを形成する方法は概略下記の通りである。すなわち、各成分から成るインゴットを鍛造・圧延加工した後に所定形状に切削加工して得たターゲット材およびバッキングプレート材を構成する各金属層（板）を十分に脱脂・洗浄し、それらの各構成材を積層する。次に得られた積層体をホットプレス装置またはＨＩＰ炉に投入し、一般に１０^−１〜１０^−３Ｔｏｒｒの真空下で２０〜３０ＭＰａの面圧を作用させた状態で３００〜６００℃の接合温度範囲内で加熱し、各接合面において固相拡散接合することにより、本発明のスパッタリングターゲットが形成される。
【００２８】
上記製法においては、特に各構成材表面に酸化物が形成されることを防止するため、１０^−１Ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気中で上記拡散接合操作を実施することが好ましい。
【００２９】
また、上記拡散接合操作を実施する際に積層体に作用させる面圧は、接合温度や各構成材の種類によって異なる。しかしながら、各接合界面に十分な拡散を生じるように圧接するためには少なくとも２０ＭＰａの面圧（押圧力）が必要である。一方、面圧が３０ＭＰａを超えるように過大になるとターゲット材の変形や損傷を招く危険性が増大してしまう。
【００３０】
また、接合強度は３００〜６００℃と低い温度範囲に設定される。接合温度が３００℃未満と低い場合には、構成原子の拡散が不十分で、十分な密着性および接合強度が得られない。一方、接合温度が６００℃を超える場合には、ターゲット材またはバッキングプレート材の結晶組織が粗大化してパーティクルが発生し易くなったり、機械的特性が劣化し易くなる。さらにターゲット材とバッキングプレート材との熱膨張差により、反りや歪みを生じその矯正加工に過大な労力を要し加工コストを増加させたり、接合不良を生じてターゲットの信頼性が低下し易くなる。
【００３１】
上記接合操作によって発生する反りを防止するために、ターゲット材を接合する側とは反対のバッキングプレート材の裏面側に背面金属層を一体に接合することがより好ましい。上記背面金属層は、バッキングプレート材のターゲット材側の金属層と同一材料で構成される。そして、バッキングプレートの本体となる無酸素銅または銅合金で形成された金属層の表面および裏面に同一材料から成る金属層および背面金属層が接合されているため、バッキングプレート本体の拡散接合による変形や反りやが効果的に防止でき、各接合界面で発生し易い接合応力を効果的に緩和することが可能になり、各接合界面で剥離することがない強固なターゲット接合体が得られる。この場合、背面金属層は、一般にはターゲットとの接合を行った後、切削除去されるのが好ましい。
【００３２】
上記のように得られた接合体の金属層間およびバッキングプレート材の各接合面における接合強度のばらつきは±３０％の範囲内であり、剥離による損傷やパーティクルの発生量が少ないターゲットが得られる。また、各接合面における接合強度の平均値のばらつきが±３０％の範囲となり、ターゲット全体としての耐久性に優れ、長期間に亘って安定して成膜が可能なターゲットが得られる。
【００３３】
上記構成に係るスパッタリングターゲットによれば、バッキングプレート材とターゲット材とのいずれの材質とも低温度で接合可能な金属層を介してバッキングプレート本体材と拡散接合または溶接により多層化しており、さらにターゲット材と拡散接合しているため、ターゲット材の結晶粒を粗大化させることなく低温度で接合することが可能になる。したがって、粗大な結晶粒に起因するパーティクルの発生を効果的に防止でき、高品質のスパッタ膜を形成することができる。
【００３４】
また、ターゲット材とバッキングプレート本体を構成する金属層との中間の熱伝導率を有する金属層を介在させて両部材を接合しているため、スパッタリング時にターゲット材に生じた熱を傾斜的に放散させることが可能になり、接合界面における剪断応力を緩和することもでき、接合強度の低下が少なく、耐久性に優れたターゲットが得られる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照し、以下の実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３６】
実施例１〜４
表１に示すようにターゲット材として真空溶解して得られた純Ｔｉインゴット，等を冷間にて鍛造・圧延加工を施し、さらに切削加工して直径３００ｍｍの円板状Ｔｉターゲット材等を用意した。
【００３７】
一方、バッキングプレート材を構成する金属層として表１に示すように直径が３００ｍｍであり、無酸素銅（ＯＦＣ）から成る円板状の金属板と、直径が３００ｍｍであり、Ａｌ合金（Ａ６０６１）から成る円板状の金属板等を用意した。
【００３８】
上記のバッキングプレート材を構成する各金属板およびターゲット材の接合面をアセトンにより十分に洗浄した後に脱脂した後に、図１に示すように下方から順に無酸素銅製金属層２と、Ａｌ合金製金属層３とターゲット材５とを配置して積層体とした。次に各積層体を真空ホットプレス（内部の真空度１０^−１Ｔｏｒｒ）中に配置し、表１に示す面圧，温度，時間の条件下で拡散接合せしめることにより、実施例１〜４に係るスパッタリングターゲットをそれぞれ調製した。
【００３９】
各実施例に係るスパッタリングターゲット１は、図１に示すように、無酸素銅製の金属層２とＡｌ合金製の金属層３とから成るバッキングプレート材４の表面にターゲット材５が一体に拡散接合した構造を有する。
【００４０】
実施例５
実施例１において、バッキングプレート材４のターゲット材５側のＡｌ合金製金属層３を、バッキングプレート材４の裏面にも背面金属層６として配置した点以外は実施例１と同一条件で処理することにより、図２に示すような４層構造を有する実施例５に係るスパッタリングターゲット１ａを調製した。
【００４１】
比較例１
実施例１において、バッキングプレート材４のターゲット材５側のＡｌ合金製金属層３を設けず、ターゲット材５と無酸素銅から成るバッキングプレートとから成る２層構造のスパッタリングターゲットを実施例１と同一条件の拡散接合法で一体化することを試みたが、温度５００℃では十分に原子の拡散が進行せず、十分な接合強度が得られなかった。そこで接合温度を８００℃に上昇させたところ、１００ＭＰａの接合強度が得られた。しかしながら、高温度処理を実施したため、ターゲットの結晶粒が粗大化してしまったため、パーティクルの発生量を低減することは、期待できなかった。
【００４２】
上記のように調製した各実施例および比較例に係るスパッタリングターゲット１，１ａについて、ターゲットの平均結晶粒径および接合強度を測定するとともに、図１〜図２に示す第１〜第３接合面における接合強度のばらつきおよび各接合面における接合強度の平均値のばらつきを測定した。さらに各スパッタリングターゲットの中心を基準とした最大反り量を測定した。
【００４３】
また、各スパッタリングターゲット１，１ａをマグネトロンスパッタリング装置に装着し、Ａｒイオン照射によるスパッタリングを実施し、直径８インチのポリシリコンウエハー（基板）上に厚さ３００オングストロームのＴｉ薄膜等を形成した。そして、このＴｉ薄膜中に混入した粒径０．３μｍ以上のパーティクル数を測定した。各測定結果を下記表１に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
上記表１に示す結果から明らかなように、複数の金属層２，３から成るバッキングプレート材４にターゲット材５を一体に拡散接合して形成された３層構造の各実施例に係るスパッタリングターゲット１によればターゲット材５の平均結晶粒径が１０μｍ程度と微細結晶組織が得られており、パーティクルの発生量も少なくなることが確認できた。
【００４６】
また、各接合界面における接合強度も１００〜１５０ＭＰａと高く、各構成材が強固に接合されており、高いスパッタリング電力を投入しても剥離や損傷が少なく優れた耐久性が得られた。またＴｉターゲット材５とＡｌ合金製金属層３との間、およびＡｌ合金製金属層３と無酸素銅製金属層２との間の各接合面内での接合強度のばらつきはいずれも±３０％の範囲であり、また各々の接合界面における接合強度の平均値のばらつきも±１５％の範囲内であり、ターゲット全体としても強固な接合強度が得られた。そのため、各スパッタリングターゲットを使用して成膜した場合においても、パーティクルの発生量が少なく、成膜の品質を大幅に向上させることが可能となった。
【００４７】
ここで、接合強度のばらつきは、次の方法により測定される。すなわち、図３に示すように、例えば円板状ターゲットの中心部（位置１１）と、中心部を通り円周を均等に分割した４本の直線状の外周近傍位置（位置１２〜１９）およびその１／２の距離の位置（位置２０〜２７）からそれぞれ直径５ｍｍの試験片を採取し、これら１７点の試料について引張り試験を実施することにより個々の試料の接合強度求める。そして、それらの接合強度の最大値および最小値から｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×１００の計算式に基づいてばらつき（％）を求めるものとする。
【００４８】
さらに図２に示すように無酸素銅から成る金属層２の裏側にもＡｌ合金から成る金属層を背面金属層６として配置してＴｉ／Ａｌ合金／Ｃｕ／Ａｌ合金という４層構造を有する実施例５に係るスパッタリングターゲット１ａによれば、ターゲット材５の反り量は０．３ｍｍとなり、背面金属層６を有しない３層構造の実施例１に係るターゲット１と比較して、反りなどの変形が小さくなることが確認できた。
【００４９】
すなわち、実施例１のようにバッキングプレート材４の本体を無酸素銅から成る金属層２とし、Ｔｉターゲット材５との間にＡｌまたはＡｌ合金から成る金属層３を介装した３層構造のスパッタリングターゲット１では、熱膨張率が最も大きいＡｌまたはＡｌ合金から成る金属層３が介在するため、接合処理時にＡｌ金属層３にはＴｉ側およびＣｕ側の両方から大きな界面応力が作用し、ターゲット材５に反りを生じたり、Ａｌと無酸素銅の界面で剥離を生じる場合がある。
【００５０】
しかしながら、図２に示すように、無酸素銅から成る金属層２の裏面側にもＡｌまたはＡｌ合金から成る背面金属層６を配置し、Ｔｉ／Ａｌ／Ｃｕ／Ａｌという４層の積層構造に形成することにより、Ａｌ／Ｃｕ界面で発生する接合応力を緩和することが可能になり、接合界面での剥離が少なくなり強固なターゲット接合体が得られるのである。この場合、一般にはＡｌよりなる背面金属層は切削除去して使用されることが好ましい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明の通り本発明に係るスパッタリングターゲットによれば、バッキングプレート材とターゲット材とのいずれの材質とも低温度で接合可能な金属層を介してバッキングプレート本体材と拡散接合または溶接により多層化しており、さらにターゲット材と拡散接合しているため、ターゲット材の結晶粒を粗大化させることなく低温度で接合することが可能になる。したがって、粗大な結晶粒に起因するパーティクルの発生を効果的に防止でき、高品質のスパッタ膜を形成することができる。
【００５２】
また、ターゲット材とバッキングプレート本体を構成する金属層との中間の熱伝導率を有する金属層を介在させて両部材を接合しているため、スパッタリング時にターゲット材に生じた熱を傾斜的に放散させることが可能になり、接合界面における剪断応力を緩和することもでき、接合強度の低下が少なく、耐久性に優れたターゲットが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスパッタリングターゲットの一実施例を示す断面図。
【図２】本発明に係るスパッタリングターゲットの他の実施例を示す断面図。
【図３】接合強度の測定箇所を示すターゲットの平面図。
【符号の説明】
１，１ａスパッタリングターゲット
２金属層（無酸素銅）
３金属層（Ａｌ合金）
４バッキングプレート材
５ターゲット材
６背面金属層（Ａｌ合金）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering target, and in particular, a sputtering target that can integrally bond a backing plate material and a target material with high bonding strength without coarsening the crystal grains of the target, and can reduce the amount of particles generated during sputtering. It relates to a backing plate material.
[0002]
[Prior art]
Sputtering is widely used as a method for forming various films such as electrodes, gates, wirings, elements, protective films and the like of semiconductor devices on the substrate surface. The sputtering method is a method in which accelerated particles such as argon collide with a target made of a predetermined metal component to release the metal component, and deposit the deposited component on a substrate facing the target to form a film.
[0003]
The material constituting the target, corresponding to the composition of the formed film Al, Al alloy or W, Mo, Ti, Ta, Zr, refractory metals or their alloys or MoSi _x such as Nb, WSi _x, etc. Refractory metal silicides are used.
[0004]
In order to fix the target in the sputtering apparatus, to cool the target at a higher temperature to prevent overheating, and to prevent abnormal discharge due to charge-up, the target is called a backing plate. In many cases, it is used in a state where it is integrally joined to the.
[0005]
As the material constituting the backing plate, oxygen-free copper (OFC) having particularly high thermal conductivity and high electrical conductivity is often used for efficient cooling of the target. A backing plate made of an alloy, stainless steel (SUS), Ti, Ti alloy or the like is also used.
[0006]
Conventionally, as a method for joining the target material and the backing plate, a brazing method in which both members are joined via a low melting point brazing material containing indium (In) and tin (Sn) is generally used. .
[0007]
On the other hand, with the recent high integration of semiconductor elements, the diameter of the contact hole connecting the element and the metal wiring becomes smaller, while the depth thereof increases, and the aspect ratio of the contact hole tends to increase. It is difficult to deposit and coat a film with a uniform thickness on the inner and bottom surfaces of contact holes having such a high aspect ratio under normal sputtering conditions. Incident in the vertical direction of the hole is a problem. In response to the above problems, collimator methods that electrically align the incident direction of the sputtered particles by improving the function of the sputtering apparatus, and long throw sputtering methods that take away the vertical component by increasing the distance between the target and the substrate have been put into practical use. .
[0008]
However, in the film forming process adopting the special method as described above, it is necessary to increase the electric power input for performing the sputtering, and specifically, several tens of kW, which is 2 to 3 times the conventional value, is required. There may be a case where a high power exceeding the above is input. For this reason, the target is heated to a higher temperature than before during sputtering, the bonding strength between the target material and the backing plate is lowered, the reliability of the bonded portion of the target is lowered, and the amount of particles generated is increased. As a result, there is a problem of deteriorating film forming characteristics.
[0009]
As a means for solving the above problems, a method of diffusion bonding a target material and a backing plate has been proposed. For example, in the case of a Ti target, an aluminum alloy backing plate is generally used as a backing plate to be joined to the target, and both members are directly joined or have a lower melting point than the target material. The method of diffusion bonding through the insert material (foil-like Cu, Ni or alloys thereof) is widely adopted.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an aluminum alloy backing plate is used as described above, the thermal conductivity of the aluminum alloy is significantly lower than that of copper, so the cooling efficiency of the target is low, and the target under high power load conditions It is difficult to prevent overheating, and there is a problem that the bonding strength of the target is lowered and the generation amount of particles is increased due to a high temperature.
[0011]
As described above, in consideration of the cooling efficiency of the target, it is important to use a material having high thermal conductivity as the backing plate material in order to improve film forming characteristics and reduce the amount of generated particles. . Therefore, in the case of the Ti target described above, it is preferable to use a copper-based material such as oxygen-free copper having a higher thermal conductivity than the aluminum alloy as the backing plate constituent material.
[0012]
In addition, by reducing the crystal grain size of the target material, the amount of particles generated during sputtering can be reduced, and the directionality of the sputtered particles can be easily aligned.
[0013]
However, it is difficult to perform diffusion bonding of Ti, which is a target material, and oxygen-free copper, which is a backing plate material, at a low temperature, and in order to obtain a certain degree of bonding strength, a bonding operation at a high temperature is essential. . However, the high-temperature bonding operation has a problem in that the crystal grains of the target are coarsened. In any case, there is a problem that the amount of generated particles is increased and the film forming characteristics are deteriorated.
[0014]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The backing plate and the target material can be integrally bonded with high bonding strength without coarsening the target crystal grains, and particles are generated during sputtering. It aims at providing the sputtering target which can reduce quantity.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a sputtering target according to the present invention is a sputtering target in which a backing plate material composed of three or more metal layers and a target material are integrally bonded by diffusion bonding or welding , and the target material is It has been formed from Ti, the metal layer of the backing plate material, a metal layer of the target surface, and a metal layer on the other surface side which is the surface opposite to the target surface, aluminum consists is, the metal layer between the target surface of the metal layer and the metal layer of the other surface, characterized in that it consists of oxygen-free copper.
[0016]
Moreover, the sputtering target according to the present invention is characterized in that the bonding between the metal layers constituting the backing plate material and / or the bonding between the backing plate material and the target material is diffusion bonding and / or welding bonding. To do.
[0017]
Further, the metal layer on the target material side of the backing plate material is composed of at least one of aluminum (Al), aluminum alloy, silver (Ag), and silver alloy, while the other metal layer is composed of oxygen-free copper or copper alloy. Good.
[0018]
Furthermore, the target material is Ti, Zr, Hf, W, Mo, Ta, Nb, Cu, Co, Ni, Pt, Ru, Ir, Al, SRO (Sr—Ru—O composition), BTO (Ba—Ti—). O composition) and SBTO (Sr—Ba—Ti—O composition) are preferably used.
[0019]
Further, the backing plate material may be composed of three or more metal layers, and the metal layer on the target surface side and the other surface of the backing plate material may be composed of the same material.
[0020]
Further, it is preferable that the target material is made of Ti, the backing plate is made of a metal layer made of oxygen-free copper and a metal layer made of aluminum, and the metal layer on the target surface side and the other surface side is made of aluminum.
[0021]
Moreover, it is preferable that the variation in bonding strength between the metal layers and in each bonding surface between the backing plate material and the target material is within a range of ± 30%, and the variation in the average value of bonding strength in each bonding surface is ± 30. % Is preferable.
[0022]
Furthermore, the backing plate material used in the present invention is preferably composed of a plurality of metal layers. In this backing plate material, it is preferable that the bonding between the metal layers constituting the plate material is diffusion bonding and / or welding bonding.
[0023]
In the present invention, Al, Al alloy, Ag, Ag alloy having a melting point lower than the melting point of the target material is used as the metal layer on the target material side of the backing plate material. A strong bonded body is formed by diffusion bonding.
[0024]
On the other hand, as the other metal layer forming the main body side of the backing plate material, oxygen free copper or copper alloy having high thermal conductivity and good heat dissipation characteristics is used, and the target is effectively cooled by this metal layer. This prevents overheating of the target.
[0025]
Although the thickness of each metal layer which comprises the said backing plate material is not specifically limited, In general, the following ranges are suitable. That is, the thickness of the metal layer on the target material side is preferably in the range of 1/10 to 3/10 of the thickness of the target material, while the thickness of the metal layer for ensuring high thermal conductivity is A range of 1 to 2 times the thickness of is preferable.
[0026]
If an oxide or the like is formed on the bonding surfaces of the plurality of metal layers and the target material constituting the backing plate material, diffusion bonding becomes difficult and sufficient bonding strength cannot be obtained. It is important to thoroughly degrease and wash the product with an organic solvent such as acetone.
[0027]
A method of joining the above constituent materials to form the sputtering target of the present invention is as follows. In other words, each target layer obtained by forging and rolling an ingot composed of each component and then cutting into a predetermined shape and each metal layer (plate) constituting the backing plate material are sufficiently degreased and washed, and each of those components Laminate the materials. Next, the obtained laminate is put into a hot press apparatus or a HIP furnace, and generally a bonding temperature of 300 to 600 ° C. under a surface pressure of 20 to 30 MPa under a vacuum of 10 ⁻¹ to 10 ⁻³ Torr. The sputtering target of the present invention is formed by heating within the range and solid phase diffusion bonding at each bonding surface.
[0028]
In the production method described above, it is preferable to carry out the diffusion bonding operation in a vacuum atmosphere of 10 ⁻¹ Torr or less, particularly in order to prevent the formation of oxides on the surface of each constituent material.
[0029]
Further, the surface pressure applied to the laminate when performing the diffusion bonding operation varies depending on the bonding temperature and the type of each constituent material. However, a surface pressure (pressing force) of at least 20 MPa is required for pressure welding so as to cause sufficient diffusion at each bonding interface. On the other hand, when the surface pressure exceeds 30 MPa, the risk of causing deformation or damage of the target material increases.
[0030]
The bonding strength is set to a low temperature range of 300 to 600 ° C. When the bonding temperature is as low as less than 300 ° C., the diffusion of constituent atoms is insufficient, and sufficient adhesion and bonding strength cannot be obtained. On the other hand, when the bonding temperature exceeds 600 ° C., the crystal structure of the target material or the backing plate material becomes coarse and particles are likely to be generated, or the mechanical characteristics are likely to deteriorate. Furthermore, due to the difference in thermal expansion between the target material and the backing plate material, warping and distortion are generated, requiring excessive labor to correct it, increasing the processing cost, and causing poor bonding, which makes it difficult to reduce the reliability of the target. .
[0031]
In order to prevent the warp caused by the joining operation, it is more preferable to integrally join the back metal layer to the back side of the backing plate material opposite to the side to which the target material is joined. The back metal layer is made of the same material as the metal layer on the target material side of the backing plate material. Since the metal layer and the back metal layer made of the same material are bonded to the front and back surfaces of the metal layer made of oxygen-free copper or copper alloy that becomes the main body of the backing plate, the deformation due to diffusion bonding of the backing plate main body And warping can be effectively prevented, the bonding stress that easily occurs at each bonding interface can be effectively relaxed, and a strong target bonded body that does not peel off at each bonding interface can be obtained. In this case, it is generally preferable that the back metal layer is removed by cutting after joining the target.
[0032]
The variation in bonding strength between the metal layers of the bonded body obtained as described above and each bonding surface of the backing plate material is within a range of ± 30%, and a target with less damage and particle generation due to peeling can be obtained. Further, the dispersion of the average value of the bonding strength at each bonding surface is within a range of ± 30%, and a target that is excellent in durability as a whole target and can be stably formed over a long period of time can be obtained.
[0033]
According to the sputtering target according to the above configuration, the backing plate body material is multilayered by diffusion bonding or welding via the metal layer that can be joined to both the backing plate material and the target material at a low temperature. Since diffusion bonding is performed with the material, it is possible to perform bonding at a low temperature without coarsening the crystal grains of the target material. Accordingly, generation of particles due to coarse crystal grains can be effectively prevented, and a high-quality sputtered film can be formed.
[0034]
In addition, since both members are joined with a metal layer having a thermal conductivity intermediate between the target material and the metal layer constituting the backing plate body, heat generated in the target material during sputtering is dissipated in a gradient manner. It is possible to relieve the shear stress at the bonding interface, and a target having excellent durability with little decrease in bonding strength can be obtained.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be specifically described based on the following examples with reference to the accompanying drawings.
[0036]
Examples 1-4
As shown in Table 1, a pure Ti ingot obtained by vacuum melting as a target material is subjected to forging and rolling in a cold state, and further cut to prepare a disc-shaped Ti target material having a diameter of 300 mm. did.
[0037]
On the other hand, as shown in Table 1, the metal layer constituting the backing plate material has a diameter of 300 mm, a disk-shaped metal plate made of oxygen-free copper (OFC), a diameter of 300 mm, and an Al alloy (A6061) A disk-shaped metal plate made of
[0038]
After thoroughly degreasing the joint surfaces of each metal plate and target material constituting the backing plate material with acetone and then degreasing as shown in FIG. 1, the oxygen-free copper metal layer 2 and the Al alloy metal are sequentially formed from below. The layer 3 and the target material 5 were arranged to form a laminate. Next, each laminated body was placed in a vacuum hot press (internal vacuum degree: 10 ⁻¹ Torr), and diffusion bonded under the conditions of surface pressure, temperature, and time shown in Table 1 to achieve Examples 1 to 4. Each such sputtering target was prepared.
[0039]
In the sputtering target 1 according to each embodiment, as shown in FIG. 1, the target material 5 is integrally diffusion bonded to the surface of a backing plate material 4 composed of a metal layer 2 made of oxygen-free copper and a metal layer 3 made of an Al alloy. Has the structure.
[0040]
Example 5
In Example 1, the Al alloy metal layer 3 on the target material 5 side of the backing plate material 4 is processed under the same conditions as in Example 1 except that the back metal layer 3 is also arranged on the back surface of the backing plate material 4. Thus, a sputtering target 1a according to Example 5 having a four-layer structure as shown in FIG. 2 was prepared.
[0041]
Comparative Example 1
In Example 1, a sputtering target having a two-layer structure composed of a target material 5 and a backing plate made of oxygen-free copper is used instead of the Al alloy metal layer 3 on the target material 5 side of the backing plate material 4. Attempts were made to integrate by the diffusion bonding method under the same conditions. However, at a temperature of 500 ° C., the diffusion of atoms did not proceed sufficiently, and sufficient bonding strength could not be obtained. Therefore, when the bonding temperature was raised to 800 ° C., a bonding strength of 100 MPa was obtained. However, since the high temperature treatment was performed, the target crystal grains were coarsened, and it was not expected to reduce the amount of generated particles.
[0042]
For the sputtering targets 1 and 1a according to the examples and comparative examples prepared as described above, the average crystal grain size and the bonding strength of the target are measured, and the first to third bonding surfaces shown in FIGS. The variation in the bonding strength and the variation in the average value of the bonding strength at each bonding surface were measured. Furthermore, the maximum amount of warpage with respect to the center of each sputtering target was measured.
[0043]
In addition, each sputtering target 1, 1 a was mounted on a magnetron sputtering apparatus, and sputtering was performed by Ar ion irradiation to form a Ti thin film having a thickness of 300 Å on a polysilicon wafer (substrate) having a diameter of 8 inches. Then, the number of particles having a particle size of 0.3 μm or more mixed in the Ti thin film was measured. Each measurement result is shown in Table 1 below.
[0044]
[Table 1]

[0045]
As is clear from the results shown in Table 1 above, the sputtering target according to each example of the three-layer structure formed by diffusion-bonding the target material 5 integrally to the backing plate material 4 composed of the plurality of

metal layers

2 and 3. 1 shows that the average crystal grain size of the target material 5 is about 10 μm and a fine crystal structure is obtained, and it is confirmed that the generation amount of particles is reduced.
[0046]
Further, the bonding strength at each bonding interface was as high as 100 to 150 MPa, and the respective constituent materials were firmly bonded. Even when high sputtering power was applied, excellent durability was obtained with little peeling and damage. Further, the variation in bonding strength between the Ti target material 5 and the Al alloy metal layer 3 and between the Al alloy metal layer 3 and the oxygen-free copper metal layer 2 within each bonding surface is ± 30%. In addition, the dispersion of the average value of the bonding strength at each bonding interface was within a range of ± 15%, and a strong bonding strength was obtained as a whole target. Therefore, even when a film is formed using each sputtering target, the amount of generated particles is small, and the quality of film formation can be greatly improved.
[0047]
Here, the variation in bonding strength is measured by the following method. That is, as shown in FIG. 3, for example, the center part (position 11) of the disk-shaped target, four linear outer periphery positions (positions 12 to 19) that pass through the center part and are equally divided in circumference, and Test specimens each having a diameter of 5 mm are taken from the half distance positions (positions 20 to 27), and the tensile strength test is performed on these 17 samples to determine the bonding strength of each sample. Then, the variation (%) is obtained from the maximum value and the minimum value of the bonding strength based on the calculation formula of {(maximum value−minimum value) / (maximum value + minimum value)} × 100.
[0048]
Further, as shown in FIG. 2, a metal layer made of Al alloy is also arranged on the back side of the metal layer 2 made of oxygen-free copper as the back metal layer 6 to have a four-layer structure of Ti / Al alloy / Cu / Al alloy. According to the sputtering target 1a according to Example 5, the amount of warpage of the target material 5 is 0.3 mm, and deformation such as warpage is compared with the target 1 according to Example 1 having a three-layer structure without the back metal layer 6. It was confirmed that becomes smaller.
[0049]
That is, a three-layer structure in which the backing plate material 4 is made of a metal layer 2 made of oxygen-free copper and the metal layer 3 made of Al or Al alloy is interposed between the Ti target material 5 as in the first embodiment. In the sputtering target 1, since the metal layer 3 made of Al or Al alloy having the highest thermal expansion coefficient is interposed, a large interfacial stress acts on the Al metal layer 3 from both the Ti side and the Cu side during the bonding process. The material 5 may be warped or peeled off at the interface between Al and oxygen-free copper.
[0050]
However, as shown in FIG. 2, a back metal layer 6 made of Al or Al alloy is also arranged on the back side of the metal layer 2 made of oxygen-free copper, and a four-layered structure of Ti / Al / Cu / Al is formed. By forming, it becomes possible to relieve the bonding stress generated at the Al / Cu interface, and the peeling at the bonding interface is reduced, and a strong target bonded body can be obtained. In this case, it is preferable that the back metal layer made of Al is generally used after being removed by cutting.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the sputtering target according to the present invention, the backing plate body material is multilayered by diffusion bonding or welding through the metal layer that can be joined to both the backing plate material and the target material at a low temperature. In addition, since the diffusion bonding is performed with the target material, the bonding can be performed at a low temperature without coarsening the crystal grains of the target material. Accordingly, generation of particles due to coarse crystal grains can be effectively prevented, and a high-quality sputtered film can be formed.
[0052]
In addition, since both members are joined with a metal layer having a thermal conductivity intermediate between the target material and the metal layer constituting the backing plate body, heat generated in the target material during sputtering is dissipated in a gradient manner. It is possible to relieve the shear stress at the bonding interface, and a target having excellent durability with little decrease in bonding strength can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a sputtering target according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the sputtering target according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view of a target showing a bonding strength measurement point.
[Explanation of symbols]
1,1a Sputtering target 2 Metal layer (oxygen-free copper)
3 Metal layer (Al alloy)
4 Backing plate material 5 Target material 6 Back metal layer (Al alloy)

Claims

A sputtering target in which a backing plate material composed of three or more metal layers and a target material are joined together by diffusion bonding or welding,
The target material is formed from Ti,
The metal layer of the backing plate material is
The metal layer on the target surface side and the metal layer on the other surface side which is the surface opposite to the target surface are made of aluminum,
The sputtering target, wherein the metal layer between the metal layer on the target surface side and the metal layer on the other surface side is made of oxygen-free copper.

The sputtering target according to claim 1, wherein the bonding between the metal layers constituting the backing plate material and / or the bonding between the backing plate material and the target material is diffusion bonding and / or welding bonding.

The sputtering target according to claim 1, wherein variations in bonding strength between the metal layers and at each bonding surface between the backing plate material and the target material are within a range of ± 30%.

The sputtering target according to claim 3, wherein the dispersion of the average value of the bonding strength at each bonding surface is within a range of ± 30%.