JP4902860B2 - 長寿命スパッタ用ターゲット - Google Patents

Description

本出願は、嵌め込み形スパッタ用ターゲット（ｒｅｃｅｓｓｅｄ ｓｐｕｔｔｅｒ ｔａｒｇｅｔｓ）の技術分野に関し、詳細には、嵌め込み形スパッタ用ターゲットを製造する方法に関する。

スパッタ用ターゲット製造の技術分野では、ターゲット材料が様々な方法でバッキングプレート（ｂａｃｋｉｎｇ ｐｌａｔｅ）に結合される。従来は、ターゲット製造業者は、ターゲットをバッキングプレートに半田付けしていた。図１を参照すると、従来のスパッタリングターゲット組立体１０は、バッキングプレート１４にターゲットインサート１２を結合することにより形成される。スパッタリング温度が上昇するに従い、及びターゲットの寸法が大きくなるに従い、半田付けは以下の不都合な点から必要な結合を提供できなくなった：１）低い融解温度はチャンバ運転温度を制限した；２）半田の高い蒸気圧がチャンバ内に不純物をもたらした；及び、３）低い結合強度が、特に高温において、偶発的結合不良をもたらした。デボンドデッド（ｄｅｂｏｎｄｅｄ）ターゲットはウェーハだけでなく、それを支持する静電気チャックも破壊し得ることから、結合不良を回避することは最も重要である。実際に、結合の完全さはスパッタ用ターゲット製造業者にとって非常に重要であり、Ｈｕｎｔらによる米国特許出願第６，０９２，４２７号では、結合境界面評価サンプルを準備し試験する特別な方法が開発されている。この方法は、スパッタ用ターゲットとバッキングプレート間の結合の強度を評価する。材料のサンプルは、一端に形成される第１開口及び第１開口を２つの開口に分割するために形成されたネジ切り開口から取り出す。これらの開口をネジ切りし、ネジ切り開口を引っ張ることで結合強度を測定する。

上述の問題点を考慮して、商業目的の製造業者は、確実な結合を達成するためいくつかの解決策を提案している。例えば、Ｈ．Ｚｈａｎｇによる米国特許出願第６，０７１，３８９号では、コバルトターゲットのアルミニウム或いは銅バッキングプレートへの拡散接合にチタン中間層を利用することが開示されている。その工程は、チタン中間層を電気メッキ、スパッタリング、化学メッキ或いはプラズマ溶射により堆積させる。堆積されたチタンは、コバルトとバッキングプレート材料の両者を結合する。この工程は、更に改良された結合のためにターゲット及びバッキングプレートに機械加工された溝にも依存する。

Ｈｕｎｔらによる米国特許出願第５，８３６，５０６号及び第６，０７３，８３０号では、円筒形ターゲットの背面及び側面を粗面化し、ターゲットの背面及び側面をバッキングプレートに拡散接合する方法が開示されている。この方法は、固相接合（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）を形成し、ターゲットをバッキングプレートに固定するのに最も効果的であることが示されている。あいにく、ターゲットは中心から優先的にスパッタリングするため、スパッタリング中の円筒形ターゲットの歩留まり又は使用は、１００％にははるかに及ばない。中心領域を優先的にスパッタリングすることによりもたらされる低い歩留まりは、ターゲット利用率を改善する余地を残す。

従って、改良された歩留まり及びターゲットインサートとバッキングプレートの必要な結合を有するスパッタ用ターゲットを開発するため、本発明の目的は、スパッタ用ターゲット材料の利用率を改良し、スパッタリング装置内のスパッタ用ターゲット組立体の一般的な設計、製造、及び変更に関連する、全体のコストを減少させることである。

本発明のその他の目的は、満足できる構成を有し、かつ半導体産業の全般的な要求を満たす、スパッタ用ターゲット組立体を提供することである。

本発明の更なる目的は、類似する或いは異なる材料からなるターゲットインサート及びバッキングプレート間の満足できる固相接合を提供することである。

本発明のその他の目的及び利点は、明細書、図面及び添付の特許請求の範囲を当業者が参照することにより明らかになるであろう。

上述の目的は、本発明の方法及び装置により達成される。本発明の第１の態様によると、スパッタ用ターゲット組立体の製造方法が提供される。本方法はバッキングプレートを製造するステップを含み、前記バッキングプレートは、平坦な上面及び前記平坦な上面上に深さと直径を有する円筒形状凹部を備える。かつ前記バッキングプレートは降伏強度を有する。次に、最終形状に近いターゲットインサートが製造される。前記ターゲットインサートは、前記バッキングプレートの前記円筒形状凹部に対応する円錐台背面、及び前面を有する。前記ターゲットインサートは前記バッキングプレートの降伏強度よりも大きな降伏強度を有し、かつ前記バッキングプレートの前記円筒形状凹部の深さよりも大きな高さをさらに有する。その後、前記バッキングプレートへ前記ターゲットインサートを拡散接合し、ターゲット組立体を形成するために、塑性変形の状態まで前記ターゲットを前記バッキングプレートの前記円筒形状凹部へ加温圧縮する。前記ターゲットインサートは前記バッキングプレートの前記平坦な上面上に突出する。

本発明のその他の態様では、スパッタ用ターゲット組立体が提供される。前記ターゲット組立体は、平坦な上面と前記平坦な上面に凹部を有するバッキングプレートと、ターゲットインサートを含む。前記ターゲットインサートは、前記バッキングプレートの前記凹部の深さよりも大きな高さを有する。前記ターゲットインサートは、前面と背面を有し、前記背面はその面積の少なくとも約５０％が円錐形であり、かつ前記ターゲットインサートが前記バッキングプレートに固定されるよう前記背面が前記バッキングプレートに結合されている。前記凹部が前記ターゲットインサートの前記形状に塑性的に（ｐｌａｓｔｉｃａｌｌｙ）変形され、前記ターゲット組立体を形成し、前記ターゲットインサートは前記バッキングプレートの前記平坦な上面上に突出する。

本発明のさらに他の態様では、スパッタ用ターゲット組立体が提供される。前記組立体は、平坦な上面と前記平坦な上面に凹部を有する円筒形バッキングプレートと、前記バッキングプレートの前記凹部内で前記バッキングプレートへ結合されたターゲットインサートを有する。前記ターゲットインサートが円錐台の形状の前面及び円錐台の形状の背面を有し、前記背面はその面積の少なくとも約６０％が円錐形であり、かつ前記ターゲットインサートが前記バッキングプレートに固定されるよう前記背面が前記バッキングプレートに結合されている。前記凹部が前記ターゲットインサートの前記形状に塑性的に変形され、前記ターゲット組立体を形成する。

本発明の目的及び利点は、本発明の好ましい実施例の以下の説明及び添付図面により明らかになるであろう。

本発明は、固相接合されたスパッタ用ターゲット組立体を形成する方法を提供する。図２を参照すると、円錐形背面２４を有するターゲットインサート２２、及び部分的に円筒形状凹部２８と結合を有するバッキングプレート２６に、本発明の工程は依存する。好ましくは、ターゲットインサート２２の高さは、凹部２８の深さよりも高く、従ってバッキングプレート２６の平面２５上にターゲットインサートが突出する。この態様において、スパッタ用ターゲット材料の利用される率が、関連するターゲット組立体よりも約５０〜１００％向上する。

スパッタ用ターゲット組立体の組み立ての間に、インサート２２は円筒形状凹部２８に押し付けられ、ターゲット／バッキングプレート組立体２０を形成しながら、バッキングプレート２６を変形させる。このステップにおいて、円錐台表面２４はその形状を維持し、結合を形成する。この結合は、ターゲットインサート２２の円錐形あるいは円錐台背面２４をバッキングプレート２６に固定する。ターゲット組立体のスパッタ用寿命は、約１，４００〜約１，６００ｋＷｈに延長される一方で、従来のターゲット組立体のスパッタ用寿命が約１，０００〜約１，２００ｋＷｈである。

傾斜した或いは角度をつけた表面２９を製造する生産方法は、それらに限定されないが、機械加工、鍛造、加圧成形、鋳造、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）粉末、紡績（ｓｐｉｎｎｉｎｇ）を含み得る。有利には、その工程は、機械加工により受ける材料の損失を除去するため、ターゲットインサートをその円錐或いは部分的に円錐形状に直接加圧されることを含む。最も適した方法は、ターゲット材料に依存する。多くのターゲット材料は、ターゲットを形状に加温圧縮成形、あるいは常温圧縮成形さえすることに適している。このことは機械加工のステップを回避し、歩留まりを向上させる。高い歩留まりは、高純度のタングステンやタンタル等の高コストのターゲット材料にとって、本質的に重要である。これらの材料にとっては、ターゲット組立体をそのインサート形状に直接加圧することは、ターゲットを製造するために最も有利な方法である。これらの材料にとって、傾斜したターゲットインサートを、傾斜したバッキングプレートに対応した表面に機械加工することによるコスト及び時間を明らかに削減することを本方法は示す。

さらに、タングステン粉末等の高純度粉末の使用は、製造業者が粉末を直接加圧して最終形状に近いターゲットインサートとすることを可能にする。

有利には、加圧の間、ターゲットインサート及びバッキングプレートを２００℃以上の温度で少なくとも１時間維持することは結合強度を向上させる。最も有利には、少なくとも４００℃の温度で加圧すると、ターゲットインサートの背面とバッキングプレートの間の結合を更に向上させる。

バッキングプレート２６は、バッキングプレートを機械加工することにより形成される円筒形状凹部２８を含む。最も有利には、アルミニウム、銅、アルミニウム合金、銅合金等の延性金属、あるいは合金でバッキングプレートを形成する。アルミニウム合金、例えば６０６１合金は、必要な延性を示す。加えて、加圧の間にターゲット材料の降伏強さよりも小さな降伏強さをバッキングプレートは有する必要がある。選択的には、バッキングプレート凹部２８は、四角形の、傾斜した或いは面取りした角を有する。凹部２８は、傾斜したインサート２２の容積とほぼ等しい容積である。このことは、バッキングプレートの過度の変形を引き起こすことなく十分な結合を提供する。有利には、凹部２８は少なくとも傾斜したインサート２２の容積の少なくとも９０％の容積を有し、傾斜したインサート２２が凹部２８へ加圧される間の過度の変形を回避する。同様に、有利には、凹部２８は傾斜したインサート２２の１００％よりも少ない容積を有し、十分な加圧を実現する。最も有利には、傾斜したターゲットインサートの容積とほぼ等しい容積を凹部２８は有し、応力を制限しかつ結合を最大化する。

傾斜したターゲットインサートを凹部に加圧することが、ターゲット組立体を形成する。加圧した後、ターゲット材料はもともとの円錐台形状を維持する。このステップは加温圧縮成形、例えば真空加温圧縮成形やＨＩＰプロセス等に依存して最終組立体を形成する。組立体を加圧状態で加熱するとき、バッキングプレート材料は強固な固相接合の形成を促進する塑性変形状態に到達する。高温加圧は、ターゲット材料とバッキングプレートの反応を促進する。いくつかのシステムにおいては、即ちチタンターゲット及びアルミニウムバッキングプレートにおいては、材料をともに拡散し反応させ、結合強度に貢献する反応物を形成することは、有利である。

加圧後、ターゲット組立体は、最終仕上機械加工、研磨、洗浄、及びネジ切り取り付け開口をバッキングプレートに加工する等の、仕上げ作業への準備が整う。

図３を参照すると、ターゲット組立体３０は円錐表面３４及び円錐台表面３６に沿ってバッキングプレート３８に結合されたターゲットインサート３２を含む。円錐台表面３６は直径Ｄを有し、円錐表面は長さＬの環を形成する。長さＬは円錐台表面３６に平行に延在する。円錐台表面３６は、ターゲットインサートとバッキングプレートの間の結合表面面積の少なくとも約５０％を構成する。最も有利には、ターゲットインサートの全結合表面面積の少なくとも約６０％を構成する。ターゲットは最大概ね約１５％で、２０％と同程度の少ない材料を使用して、製造コストを減少させ、標準的なターゲット組立体と同じ利用率及び設定を達成することができる。

図４には代替実施例が例示されている。ターゲットインサート４２は、前面と背面の両面にターゲット組立体４０の円錐台表面３６を有する。

結合界面は結合用の機械加工された溝の使用に適しない。機械加工された溝はバッキングプレートの塑性変形に影響を及ぼしうるためである。しかしながら、有利には表面処理ステップは、ターゲットインサートの側面及び傾斜する表面、及び円筒形状凹部を粗面化し、結合される表面に不均一な表面の形状を形成する。許容可能な粗面処理技術は、それに限定されないが、粒子ブラスト（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ）、ショットピーニング、及びエッチングを含む。粒子ブラストで使用される粒子は、それに限定されないが、小砂、砂、ガラスビーズ及び鋼ショットを含む可能性がある群から選択され得る。構成部品が加圧中に加熱されたとき、この工程は関連する結合表面の微細な破壊をもたらす。最も有利には、この工程は、ターゲットインサートを粗面化する粒子ブラストを使用し、望ましい固相接合の形成を促進する。

最終形状に近いターゲットインサート４２は、前述した界面５０に沿ってバッキングプレート４８と結合する円錐台背面を有する。本実施例によれば、最終形状に近いターゲットインサート４２は、傾斜した或いは角度をつけた前面４４を有する。前面は好ましくは円錐台である。加えて、ターゲットインサート４２はバッキングプレート４８の降伏強さより大きな降伏強さを有し、かつバッキングプレート４８の円筒形状凹部の深さよりも大きな高さを有している。上述したように、バッキングプレート及びターゲットインサートに利用される材料は、前記実施例に関して述べられたもののうちの一つでもよい。加温圧縮工程（例えば、真空加温圧縮成形やＨＩＰプロセス）によって、ターゲットインサート４２をバッキングプレート４８に加圧することで、バッキングプレート材料は、そこに強固な結合を形成する塑性変形の状態に達する。最終スパッタ用ターゲット組立体はバッキングプレート４８の平坦面４９上に突出するターゲットインサートを有する。従って、ターゲットのスパッタ用寿命が約１，０００〜１，２００ｋＷｈである従来のターゲット組立体に対して、そのターゲットのスパッタ用寿命は、約２，４００ｋＷｈに延長される。本発明の方法およびスパッタ用ターゲット組立体は、次の例を参照しながらさらに詳細に述べられている。一方、次の例が本発明を限定すると解釈すべきでない。

「実施例」
直径３４．５ｃｍ（１３．５７２インチ）×厚さ１．９ｃｍ（０．７５インチ）の寸法を有する市販の純度９９．９９％チタンディスクは背結合面において加工された３度の角度を有した。ディスクの背結合面は円錐の形状に成形された。６０６１−Ｔ６アルミニウムディスクに加工された円筒形状凹部にチタンディスクが配置された。凹部はチタンターゲットインサートの容積と等しい容積を有した。１０３ＭＰａ（１５ｋｓｉ）、温度５１０℃で２時間のＨＩＰプロセスによりバッキングプレートにインサートを結合させた。アルミニウムディスクは、ＨＩＰサイクルの間に可塑性になり、傾斜されたチタンターゲットの３度の角度の形状に適合する。ＨＩＰプロセスの間に起こる塑性変形は、強固な固相接合を確保した。この結合を超音波試験、引張り試験及びメタログラフィック法による評価で、結合の完全さ及び強度を確認した。

ＨＩＰ後の超音波試験は、バッキングプレートとターゲット間の１００％の結合を明らかにした。加えて、超音波試験はターゲットの端の領域で小さな空隙を示した。

メタログラフィック評価（ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ）は、十分に押し出さず、あるいは変形させない凹部を形成されたバックプレートの直角の角から生じる一つの小さな空隙を備えた状態で確実な結合界面を示した。この空隙の位置と寸法はターゲットの性能に影響を与えないであろう。さらに、底及び側壁の結合は拡散接合法で達成される全体の固相接着と等しかった。加えて、凹部の側壁に位置するすみ肉は、空隙を取り除くことを続く試験は示した。

２つのネジ切り開口サンプル法（ｔｈｒｅａｄｅｄ ｏｐｅｎｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ｍｅｔｈｏｄ）に基づく２つの引張り試験によって、優れた結合が確認された。結合境界を横切って切断された両サンプルは、アルミニウム破壊を示した。第１のサンプルは、１３．２ＭＰａ（１，９２０ｌｂｓ．）で破壊された。第２のサンプルは、１２．６ＭＰａ（１，８３０ｌｂｓ．）で破壊された。

チタンターゲットの実施例においては、以下の点に注目すべきである。即ち、この工程は、アルミニウム、チタン、銅、クロム、コバルト、ニッケル、タンタル等の、スパッタ用ターゲットとして使用するのに適した、いかなる合金或いは組成のスパッタ用ターゲットと同等の効率を示す。加えて、類似する或いは異なる合金からなるターゲット材料或いはバッキングプレートによって、この工程は操作される。例えば、アルミニウムバッキングプレートあるいは銅バッキングプレートにアルミニウム合金ターゲットを備えることも可能である。

傾斜されたターゲットの設計は、対応するバッキングプレートに凹部を設けるのに製造容易な工程を使用し、様々なタイプの製造装置に容易に適用できる。加工していないバッキングプレートの非常にコストが集中する（ｓｐｅｃｉａｌ−ｃｏｓｔ−ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ）機械加工の必要性を取り除くこともでき、機械加工に必要な時間も削減することができる。さらには、スパッタ用ターゲットの端部で減少させた厚さ（典型的には２０％−３５％）を有するスパッタ用ターゲットの製造を可能にする。このターゲット組立体は中心から優先的にスパッタリングするため、このターゲットは標準的な運転条件の変更を必要としない。選択的には、従来の円筒形ターゲットインサートと比較して、スパッタリングシステムの標準的なスパッタ手順の変更をすることなく、ターゲット材料の厚みをこの設計は増す。さらには、必要とされるターゲット材料の量を減少させることにより、スパッタ用装置の生産性を高め、それによりコストを減少させる。最後に、この工程は、強い真空に耐えられる結合の形成も促進する。これらの結合は、実際のバッキングプレート自体よりも強い強度を持つ。最後に、この工程は、新しい設計及び製品のために必要とされる設計及び製造の時間を短縮する。

本発明の範囲から逸脱することなく、様々な具体例及びスパッタ用ターゲットの構成を採用することが可能であると考えられ、したがってここで述べた全ての事項が例示として解釈され、なんら限定をするものでないことを理解されたい。

従来のスパッタ用ターゲット組立体を製造する工程を表す概略図である。 長寿命スパッタ用ターゲット組立体を製造する工程を表す概略図である。 図２のターゲット組立体の概略断面図である。 他の実施例による長寿命スパッタ用ターゲット組立体を製造する工程を表す概略図である。

Claims (9)

1. ａ）平坦な上面及び前記平坦な上面に深さと直径を有する円筒形状凹部を備えるバッキングプレートであって、かつ降伏強度を有する前記バッキングプレートを製造するステップと、
   ｂ）前記バッキングプレートの前記円筒形状凹部に対応する円錐台背面、及び前面を有する最終形状に近いターゲットインサートを製造するステップであって、
   前記前面が円錐台形状になっており、前記ターゲットインサートが前記バッキングプレートの降伏強度よりも大きな降伏強度を有し、かつ前記バッキングプレートの前記円筒形状凹部の深さよりも大きな高さを有する、前記ターゲットインサートを製造するステップと、
   ｃ）前記バッキングプレートへ前記ターゲットインサートを拡散接合し、ターゲット組立体を形成するために、塑性変形の状態まで前記ターゲットインサートを前記バッキングプレートの前記円筒形状凹部へ加温圧縮するステップであって、前記ターゲットインサートの円錐台形状の前面が前記バッキングプレートの前記平坦な上面上に突出するステップと、を有するスパッタ用ターゲット組立体を製造する方法。
2. 前記円錐台背面の少なくとも５０％が前記バッキングプレートに結合している請求項１に記載の方法。
3. 前記ターゲットインサート及び前記バッキングプレートの温度を少なくとも１時間２００℃以上に維持し、前記ターゲットインサートの前記円錐台背面と前記バッキングプレートの結合を向上させるステップを更に含む請求項１に記載の方法。
4. 前記円筒形状凹部が容積を有し、かつ前記ターゲットインサートが容積を有し、前記円筒形状凹部が前記ターゲットインサートの前記容積の９０％と１００％の間の容積を有する請求項１に記載の方法。
5. 平坦な上面及び前記平坦な上面に凹部を有する円筒形バッキングプレートと、
   前記バッキングプレートの前記凹部の深さよりも大きな高さを有するターゲットインサートであって、前記ターゲットインサートが前面と、背面を有し、前記背面はその面積の少なくとも５０％が円錐形であり、前記前面が円錐台形状になっており、かつ前記ターゲットインサートが前記バッキングプレートに固定されるように前記背面が前記バッキングプレートに結合されており、前記凹部が前記ターゲットインサートの形状に塑性的に変形され前記ターゲット組立体を形成し、前記円錐台の形状の前面が前記バッキングプレートの前記平坦な上面上に突出する前記ターゲットインサートと、を含むスパッタ用ターゲット組立体。
6. 前記凹部が前記ターゲットインサートの前記形状に適合する形状を有する請求項５に記載のスパッタ用ターゲット組立体。
7. 前記ターゲットインサートと前記バッキングプレートとの結合境界が円錐形である請求項５に記載のスパッタ用ターゲット組立体。
8. 平坦な上面及び前記平坦な上面に凹部を有する円筒形バッキングプレートと、
   前記バッキングプレートの前記凹部内で前記バッキングプレートへ結合されたターゲットインサートであって、前記ターゲットインサートが前記バッキングプレートの前記平坦な上面上に突出する円錐台の形状の前面及び円錐台の形状の背面を有し、前記背面はその面積の少なくとも６０％が円錐形であり、かつ前記ターゲットインサートが前記バッキングプレートに固定されターゲット組立体を形成するよう前記背面が前記バッキングプレートに結合されており、前記凹部が前記ターゲットインサートの形状に塑性的に変形され前記ターゲット組立体を形成する前記ターゲットインサートと、を含むスパッタ用ターゲット組立体。
9. 前記凹部が前記ターゲットインサートの前記形状に適合する形状を有する請求項８に記載のスパッタ用ターゲット組立体。