JPH03134166A - スパッタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スパッタ装置に関する。

（従来の技術） 一般に、スパッタ装置はイオン化するスパッタガスを導
入した気密容器内で、プラズマ中のイオンが負電圧の電
極であるターゲットに衝突してスパッタが行われ、陽極
側に設けられた半導体ウェハ等の試料の表面に薄膜を形
成するものである。

この種のスパッタ装置では、電極であるターゲットの母
材の種類によっても相違するが、プラズマ発生時の昇温
によりターゲットが例えば１５０℃を越えると、ターゲ
ット等に種々の弊害が発生し、適正な薄膜の形成を阻害
することになっていた。特に、生産性の向上を目的とし
て、スパッタリングスピードを上げるため、より多くの
電力をターゲットに供給しようとする時の大きな障害と
なっていた。

そこで、従来より前記ターゲットが所定温度例えば１０
０℃を越えないように、ターゲットを冷却することが行
われている。

このターゲットの冷却方法としては、従来よりターゲッ
トを支持する熱伝導性の良好な保持部材に沿って冷却媒
体を循環させる直接冷却法と、ターゲット側部にクーリ
ングジャケットを配置し、この中に冷水管を設けた間接
冷却法等があった。

（発明が解決しようとする課題） ターゲットは、そのプラズマエロージョン領域外で保持
部材と締結される。

この締結状態で、ターゲットのスパッタが進行するに従
い加熱されるため、その際の熱膨張によってターゲット
に反りが発生し、ターゲット裏面と保持部材の対向する
面との間の密着性が悪化することがあった。この密着性
の悪化は、ターゲットの冷却が保持部材との熱伝導を利
用するため効率良く放熱することができず、したがって
ターゲットの有効な冷却を実施することができなかった
。

そこで、本発明の目的とするところは、披スパッタ材料
体のプラズマエロージョンエリアでの冷却ブロックとの
間の熱交換を良好とし、披スパ・ツタ材料体内部の温度
勾配を著しく減少させることができるスパッタ装置を提
供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、披スパッタ材料体を冷却ブロックに装着して
スパッタリングを行なうスパッタ装置において、 上記披スパッタ材料体のプラズマエロージョン領域を締
結具により上記冷却ブロックに固定したことを特徴とす
る。

（作　用） 本発明は、スパッタ実行中の温度上昇が特に著しく反り
が発生し易い披スパッタ材料体のプラズマエロージョン
エリアにて、締結具により冷却ブロックと固定している
。従って、披スパッタ材料体自体の温度上昇があっても
この披スパッタ材料体は締結具によって冷却ブロックに
支持されているので、披スパッタ材料体の反りを規制す
ることができ、この領域の密着性を確保することができ
、披スパッタ材料体と冷却ブロックとの間の熱交換を維
持することができる。

（実施例） 以下、本発明スパッタ装置の一実施例について図面を参
照して具体的に説明する。

第１図は、スパッタ装置の一例としてマグネトロン形ス
パッタ装置を示すもので、図示しない真空容器内には、
半導体ウェハ１とターゲット２とが対向して配置されて
いる。前記半導体ウェハ１は、ウェハ加熱機構３を含む
試料台４に支持されている。

前記ウェハ１の上方に配置される前記ターゲット２は、
保持部材５によって保持されている。このターゲット２
は、ウェハ１に形成すべき材料に応じてその母材が選択
され、例えばアルミニウム。

シリコン、タングステン、チタン、モリブデン。

クロム、コバルト、ニッケル等、あるいはこれらを素材
とする合金で形成され、場合によっては焼結金属等の熱
伝導性の悪い材料も用いられる。その形状も、断面段付
形状１円板状９円錐状、角板状、角錐状等向れでもよい
。このターゲット２には、負の直流電圧が印加され、カ
ソード電極を構成するものである。

前記保持部材５のさらに上方には、この保持部材５を支
持し、かつ、後述するマグネット１０を回転自在に支持
するための基台６が設けられている。この基台６の中央
部には、中空筒状の円筒部６ａが形成されている。そし
て、前記円筒部６ａの周囲にはベアリング７が配置され
、このベアリング７によって回転円盤８が回転自在に支
持されている。そして、この回転円盤８の偏心した位置
に前記マグネット１０が固着されている。一方、前記基
台６の上面にはマグネット回転用モータ１１が固定され
、このモータ１１の出力軸には第１のギア１２が固着さ
れている。また、前記回転円盤８と同心にて第２のギア
１３が固着され、この第１．第２のギア１２．１３が噛
合するようになっている。この結果、前記マグ木ット回
転用モータ１１を駆動することで、この回転出力は第１
のギア１２．第２のギア１３を介して前記回転円盤８に
伝達され、前記マグネット１０を回転駆動することにな
る。

前記保持部材５は、ターゲット２を冷却可能に保持し、
かつ、ターゲット２に負の直流電圧を印加する電極とし
て作用するものである。このために、保持部材５には複
数の冷却ジャケット１５が配置されている。そして、こ
の冷却ジャケット１５内に冷却媒体例えば冷却水を循環
させることで、保持部材５を冷却し、この保持部材５と
ターゲット２との間の熱交換によってプラズマ発生時の
ターゲット２の昇温を抑制するようになっている。また
、上記保持部材５は前記基台６の円筒部６ａに挿通され
、この基台６に絶縁して支持された給電部材２３の一端
にネジ止め固定されることで、ターゲット２への電圧印
加を可能としている。

尚、前記ターゲット２の周囲には、絶縁体１６を介して
アノード電極１７が設けられ、さらに、ウェハ１とター
ゲット２との間を必要に応じて遮ぎることが可能なよう
にシャッタ１８が設けられ、このシャッタ１８をシャッ
タ駆動機構１９によって駆動可能としている。

前記ターゲット２は、−段又は複数段例えば−段の段付
きの円板状に形成され、第２図に示すようにスパッタリ
ング面を有する大径部２１と、この大径部２１の裏面側
中央にて突出形成された小径部２２とから構成されてい
る。尚、上記大径部２１の周縁部２１ａの直径をｌＩと
し、小径部２２の周縁部２２ａの直径を１２とする。一
方、前記ターゲット２を保持するための保持部材５は段
付き穴形状となっていて、前記ターゲット２の大径部２
１に対応する大径穴２４と、前記小径部２２に対応する
小径穴２５とを有している。尚、大径穴２４の内周面２
４ａの直径を！、とし、小径穴２５の内周面２５ａの直
径を１４とする。そして、上記ターゲット２及び保持部
材５の大きさについては、常温下にあっては！、−１４
の関係が以下のようになっている。

！、＜１．、１２　＜１４ ここで、前記大径部２１と大径穴２４との直径方向のギ
ャップ及び小径部２２と小径穴２２との直径方向のギャ
ップは、それぞれ以下のように設定されている。

すなわち、ターゲット２はプラズマ発生時の昇温により
熱膨張するため、前記大径部２１の直径方向の熱膨張長
さが、前記大径部２１．大径穴２４の直径方向の間隙と
ほぼ同一となっている。

同様に、ターゲット２の熱膨張による前記小径部２２の
熱膨張長さは、この小径部２２．小径穴２５の直径方向
の間隙とほぼ同一となっている。

したがって、ターゲット２の熱膨張により、大径部２１
の周縁部２１ａ及び小径部２２の周縁部２２ａがそれぞ
れ膨張し、前記大径穴２４．小径穴２５のそれぞれの内
周面２４ａ、２５ａにほぼ同様の密閉度で密着すること
になる。尚、同一温度の下にあっては、前記大径部２１
と小径部２２の膨張長さが相違するため、これらの周縁
部２１ａ、２２ａとこれに対向する穴部の内周面２４ａ
、２５ａ間のギャップ距離はそれぞれ相違している。

上記ターゲット２のスパッタ面側は、スパッタ粒子の飛
翔方向を考慮してその中心側のテーパ面３１と周縁側の
テーパ面３２とを有し、かつ、昇温の激しいターゲット
２の中央部を保持部材５にクランプするようにしている
。このクランプは例えば第３図に示すように、ターゲッ
ト２の中心に段付き孔３４を形成し、この段付き孔３４
に締結具４０を挿通して保持部材５のねじ孔２７と連結
することで実現している。この段付き孔３４は凹部３６
と、その底面３６ａよりターゲット２の裏面に貫通する
貫通孔３８から成る。また、前記締結具４０は、中空筒
状スペーサ４２と、これに挿通されて前記保持部材５の
ねじ孔２７に螺合されるボルト４４から成る。そして、
前記スペーサ４２は、前記底面３６ａに当接しない位置
にフランジ４２ａを有している。なお、このフランジ４
２ａが前記底面３６ａと対向する面が、ターゲット２の
反り規制面として作用する。

さらに、前記ターゲット２の小径部２２には、その中心
より偏心した位置に２つのストッパ用孔３９．３９を有
している。そして、このストッパ用孔３９．３９と対向
する位置であって、前記保持部材５の小径穴２５の底面
には、回転防止用ピン２６．２６が突出形成されている
。

次に、作用について説明する。

このスパッタ装置にてスパッタリングを行うために、ウ
ェハ１及びターゲット２をそれぞれ支持した状態で、こ
れらが配置される真空容器（図示せず）内の真空度を例
えば１０−１〜１０−’Ｔｏｒｒに荒引きする。次に、
上記真空容器内の真空度を１０−５〜１０−’Ｔｏｒｒ
台に高真空引きし、その後この真空容器内にスパッタガ
ス例えばＡｒガスを導入し、真空容器内を１０−２〜１
０−’Ｔｏｒｒ台に設定する。ここで、ターゲット２に
給電部材２３及び保持部材５を介して負電圧を印加する
と、このターゲット２のスパッタリング面側にプラズマ
が形成され、さらにこのターゲット２の裏面側にてマグ
ネット１０を回転駆動することにより、このプラズマを
磁界によって閉込めたプラズマリング３０を形成するこ
とができる。このプラズマリング３０の形成によりイオ
ン化率が向上し、ターゲット２のスパッタリング面での
所定二ローションエリアにてスパッタが実行されること
になる。

ここで、ウェハ１に対する付着速度（デポジションレー
ト）を上げると、ターゲット２の表面温度が著しく上昇
し、所定温度を越えると適正な薄膜形成に支障が生じて
しまう。そこで、このターゲット２を有効に冷却する必
要があるが、本実施例では下記のようにしてその冷却を
実行している。

ターゲット２を構成する大径部２１及び小径部２２のそ
れぞれの周縁部２１ａ、２２ａの直径！、、１２は、こ
れに対向する保持部材５の大径穴２４．小径穴２５の内
周面２４ａ、２５ａの直径１．．１４よりも常温下で小
さくなっているが、ターゲット２に負電圧を印加し、プ
ラズマの生成を行うことによりターゲット２が昇温する
と、上記大径部２１．小径部２２が熱膨張し、それぞれ
の周縁部２１ａ、２２ａが保持部材５の対向する内周面
２４ａ、２５ａに密着することになる。この領域の密着
性は、スパッタリング実行中にあってはターゲット２の
温度が所定温度以上を維持するため損われることがなく
、従ってターゲット２の周縁部２１ａ、２２ａと保持部
材５の内周面２４ａ、２５ａとの接触面にて効率の良い
熱交換を実施することが可能となる。しかも、ターゲッ
ト２の大径部２１が保持部材５と接触する領域は、ター
ゲット２の比較的外周領域に近い領域の熱を放熱するこ
とに利用され、一方、ターゲット２の小径部２２の接触
部分は、ターゲット２の中心領域の熱を保持部材５に放
熱することに利用されることになる。したがって、ター
ゲット２の直径方向の熱勾配を効率良く除去することが
でき、従来困難であったターゲット２の中心部の熱を効
率良く放熱することができるので、この部分の反りの発
生を低減することができる。

このように、ターゲット２及び保持部材５との確実な接
触を確保できる結果、前記保持部材５を負電圧の印加用
電極として兼用しても、その電気的接触を確実に確保で
きることになる。

尚、本実施例のターゲット２の構成のように、段部を形
成することによってターゲット２の中央領域の放熱効果
を増大させる効果があるが、さらに加えて従来の平板形
状のターゲットと比べれば段部の周縁の接触面積を確保
することにより、より広い冷却面を確保できる点でも優
れている。

また、上記のようにターゲット２を段付き形状とするこ
とにより、下記のような効果を奏することも可能である
。すなわち、ターゲット２のエロージョンエリアの外、
内の境界よりそれぞれ外側。

内側に存在する大径部２１．小径部２２の周縁部２１ａ
、２２ａでの冷却を促進することによって、上記エロー
ジョンエリアに対向する領域である前記保持部材５の冷
却領域５ａ（第１図参照）の厚さを薄くすることができ
る。従って、ターゲットスパッタ面とマグネット１０と
の距離を変えることなく、ターゲット２の上記大径部２
１の肉厚を前記冷却領域５ａの厚さを薄くした分だけ厚
く確保することが可能となり、このためターゲット２の
寿命を延ばすことが可能となる。また、このようにして
も、保持部材５とターゲット２との全体の厚さは従来と
同様に維持できるので、マグネット１０の磁界を高める
必要もない。

さらに、第１図に示すようにターゲット２の中心部裏面
側に位置する箇所と、ターゲット２の周縁部に対応する
位置に冷却ジャケットを設けることにより効果的に冷却
できる。従来はターゲットの裏面全域に亘って冷却媒体
を循環させ、マグネット１０を冷却媒体中で回転させる
構成を採用せざるを得なかった。本実施例では、第１図
のように配置するのみでよいので、ターゲット２の裏面
に近接したマグネット１０及びこのマグネット１０を回
転駆動するための構造体を大気中にさらすことが可能と
なり、このため、冷却水等による腐蝕が発生することな
く信頼性を向上することができる。

さらに、本実施例ではターゲット２の中央側を締結具４
０を介して保持部材５に対してクランプすることによっ
て、特に昇温の著しいターゲット２の中央一部の反りを
規制している。ここで、本実施例では、ターゲット２の
中央凹部３６の底面３６ａが、スペーサ４２のフランジ
４２ａに当接するまで、ターゲット２の反りを許容する
ことで、ターゲット２がさらに熱によって膨張しようと
する場合の逃げ場を確保している。このようにしても、
ターゲット２と保持部材５との主な冷却面の密着性を確
保できるので、十分な冷却効果を期待でき、しかも反り
の自由度を与えることで、ターゲット２の破損を防止で
き、その長寿命化を図れる。あるいは、第４図に示すよ
うに、締結具４゜によってターゲット２の反りを完全に
防止するものであってもよい。

また、上記マグネット１０の回転速度としては、その磁
界の均一性を高めるためには１０ｒｐｍ以上で回転する
ことが好ましいが、２　Ｏｒｐｍを越えるとターゲット
１０に生ずる渦電流により、ターゲット２が回転するこ
とが確認された。本実施例では、上記の回転速度以上で
マグネット１ｏをたとえ回転させても、回転防止用ピン
２６とストッパ用孔３９との係合によりターゲット２の
回転を防止できる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

締結具４０としては、ターゲット２の中央部を保持部材
５に締結するものであれば、上記実施例の部材に限らず
、他の種々の締結手段として構成できる。また、ターゲ
ット２と冷却ブロックとしての保持部材５との冷却手段
としても、上記実施例に限定されるものではない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、披スパッタ材料
体の中央部を冷却ブロックと締結でき、披スパッタ材料
体の反りを規制することで冷却ブロックとの間の熱交換
を促進でき、しかも、その締結具によりスパッタリング
動作に支障を生ずることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用したスパッタ装置の一例を示ｔ
ｔｉ略断面図、 第２図は、ターゲット、保持部材の取付は構造を説明す
るための概略斜視図、 第３図はターゲットと保持部材との連結構造を示す概略
断面図、 第４図は、締結部材の変形例を示す概略断面図である。 ２・・・披スパッタ材料体、 ５・・・冷却ブロック、 ２１・・・大径部、２１ａ・・・周縁部、２２・・・小
径部、２２ａ・・・周縁部、２４・・・大径穴、２５・
・・小径穴、２４ｇ、２５ａ・・・内周面、 ３６・・・凹部、３８・・・貫通孔、 ４０・・・締結具。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被スパッタ材料体を冷却ブロックに装着してスパ
   ッタリングを行なうスパッタ装置において、上記披スパ
   ッタ材料体のプラズマエロージョン領域を締結具により
   上記冷却ブロックに固定したことを特徴とするスパッタ
   装置。
2. （２）請求項（１）において、 上記被スパッタ材料体のスパッタ表面中心部に凹部を形
   成し、この凹部の底面より被スパッタ材料体の裏面に通
   ずる貫通孔を形成し、上記凹部に収まる頭部を有する締
   結具を上記貫通孔を介して上記冷却ブロックに固定する
   ことで、上記被スパッタ材料体を上記冷却ブロックに装
   着したスパッタ装置。
3. （３）請求項（２）において、 上記凹部の底面と、これと対向する上記締結具の反り規
   制面との間にクリアランスを設けたスパッタ装置。