JPWO2019026955A1 - スパッタリングターゲット、酸化物半導体膜の成膜方法、およびバッキングプレート - Google Patents
スパッタリングターゲット、酸化物半導体膜の成膜方法、およびバッキングプレート Download PDFInfo
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Abstract
Description
一方で、マグネトロンスパッタの場合、スパッタリングターゲットの消耗速度は、プラズマの密度、プラズマを閉じ込める磁場の強度、形状、およびマグネットの移動方式に依存する。よって、スパッタリングターゲットの消耗速度は、ターゲット中で一様ではない。
しきい値電圧Vthのサイクル安定性は、膜の緻密化により改善できると言われている。
膜を緻密化するためには、成膜時にスパッタ電力を上げた、高パワー成膜が有効である。
しかしながら、高パワー成膜を行う場合、ターゲットにおいて、プラズマが集中する領域が、他の領域と比べて高温になるため、熱応力によるターゲットの割れが問題になる。
特に、プレーナ型の揺動式マグネトロンスパッタの場合、磁場の揺動方向に平行なターゲット端部に常にプラズマが集中するため、ターゲット端部の割れが生じないようにする必要がある。
熱応力(σ)=−E×α×ΔT ・・・(A)
ΔT=[Q×d/A]/λ ・・・(B)
式(A)および式(B)中の記号の説明は以下のとおりである。
E :スパッタリングターゲットの弾性率
α :スパッタリングターゲットの線膨張率
ΔT:板厚方向におけるスパッタリングターゲットの表裏の温度差
Q :板厚方向にスパッタリングターゲットの表から裏に通過する熱量
d :スパッタリングターゲットの板厚
A :板厚方向から見たスパッタリングターゲットの面積
λ :スパッタリングターゲットの熱伝導率
特許文献4〜6に記載の技術では、ターゲット厚を厚くすると、熱応力が大きくなるため、スパッタリングターゲットが割れやすくなるという問題があった。
特に、ITZOは、線膨張率が大きく、熱伝導率が小さいことから、マグネトロンスパッタリングでは、熱応力によりスパッタリングターゲットにクラックが発生しやすいといった課題があった。
また、特許文献11に記載のターゲットにおいては、ターゲットの両端部分が傾斜しているため、グランドシールドとターゲットとの間に隙間が生じ、その隙間にショートの原因であるパーティクルが溜まり易いという問題がある。
本発明の別の目的は、ターゲット寿命を極端に短くすることなく、成膜時における割れを防止し、さらに安定した放電が可能なスパッタリングターゲット、当該スパッタリングターゲットを用いた酸化物半導体膜の成膜方法、およびバッキングプレートを提供することを目的とする。
前記酸化物焼結体は、第1の方向に配列された複数の領域を有し、
前記複数の領域は、前記第1の方向における端部を含む領域である端部領域と、
前記端部から前記第1の方向に向けて数えて内側に2番目の領域である内側領域と、
を有し、
前記端部領域の板厚をt1、前記端部領域の前記第1の方向の幅をL1、前記内側領域の板厚をt2とした場合、t1、L1、およびt2が、以下の式(1)乃至式(4)を満たす、スパッタリングターゲット。
t2>t1 ・・・(1)
t1(mm)>L1(mm)×0.1+4 ・・・(2)
t1(mm)<9 ・・・(3)
10<L1(mm)<35 ・・・(4)
0.6<t1/t2<0.8 ・・・(5)
前記端部から前記第1の方向に向けて数えて内側に3番目の領域である中間領域を備え、
前記中間領域の厚みをt3とした場合、t1、t2、およびt3が以下の式(6)を満たす、[1]または[2]に記載のスパッタリングターゲット。
t2>t1>t3 ・・・(6)
前記酸化物焼結体を保持するバッキングプレートと、
前記酸化物焼結体と前記バッキングプレートとの間に設けられたスペーサと、を備え、
前記酸化物焼結体は、第1の方向に配列された複数の領域を有し、
前記複数の領域は、前記第1の方向における端部を含む領域である端部領域と、前記端部から前記第1の方向に向けて数えて内側に2番目の領域である内側領域と、を有し、
前記バッキングプレートは、前記端部領域および前記内側領域を保持する保持面を有し、
前記スペーサは、前記保持面に設けられ、前記端部領域を保持し、
前記端部領域は、前記保持面に対向する裏面を有し、
前記端部領域の裏面は、前記保持面に対して傾斜し、
前記端部領域の裏面の傾斜は、前記酸化物焼結体の端部から内側に向かって下り勾配であり、
前記端部領域の板厚の最大値をt11とし、
前記端部領域の前記第1の方向の幅をL11とした場合、
t11、およびL11が、以下の式(12)を満たす、
スパッタリングターゲット。
t11(mm)>L11(mm)×0.1+4 ・・・(12)
前記内側領域の裏面の一部が、前記保持面に対して傾斜し、
前記内側領域の裏面の傾斜は、前記酸化物焼結体の端部から内側に向かって下り勾配であり、
前記端部領域の板厚の最小値をt15とし、
前記内側領域の板厚であって、前記内側領域の裏面において傾斜していない領域における板厚をt12とし、
前記内側領域の幅であって、前記内側領域の裏面において傾斜している領域の前記第1の方向の幅をL13とした場合、
t11、t12、t15、L11、およびL13が、以下の式(11)、式(13)、式(14)、式(15)および式(16)を満たす、
[7]または[8]に記載のスパッタリングターゲット。
t12>t11>t15 ・・・(11)
t11(mm)<9 ・・・(13)
10<L11(mm)<35 ・・・(14)
t15(mm)>3 ・・・(15)
3<L13(mm)<35 ・・・(16)
[1]〜[17]のいずれか一つに記載のスパッタリングターゲット。
Zn2SnO4で表されるスピネル構造化合物を含む、[20]に記載のスパッタリングターゲット。
In2O3(ZnO)m[m=2〜7]で表わされる六方晶層状化合物を含む、[20]または[21]に記載のスパッタリングターゲット。
0.40≦Zn/(In+Sn+Zn)≦0.80 ・・・(7)
0.15≦Sn/(Sn+Zn)≦0.40 ・・・(8)
0.10 ≦In/(In+Sn+Zn)≦0.35 ・・・(9)
前記保持面と前記端部領域の間に設けられたスペーサと、
を備える、[3]に記載のスパッタリングターゲット。
前記保持面と前記端部領域の間に設けられるスペーサと、
を備える、バッキングプレート。
また、本発明の一態様によれば、ターゲット寿命を極端に短くすることなく、成膜時における割れを防止し、さらに安定した放電が可能なスパッタリングターゲット、当該スパッタリングターゲットを用いた酸化物半導体膜の成膜方法、およびバッキングプレートを提供することもできる。
また、本明細書等の焼結体及び酸化物半導体薄膜において、「化合物」という用語と、「結晶相」という用語は、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。
まず、図1から図3を参照して、本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲット(第一の態様に係るスパッタリングターゲットと称する場合がある。)の構造を説明する。ここでは、スパッタリングターゲットとして、酸化物半導体を成膜するための磁場揺動型のマグネトロンスパッタ装置に、膜原料として用いられるターゲットが例示されている。
図1では、スパッタリングターゲット1は、バッキングプレート5も備える。
図1から図3では酸化物焼結体3は、平面形状が長方形の板状である。以下の説明では、長方形の長辺方向をY方向(第1の方向)、板厚方向をZ方向、短辺方向をX方向(第1の方向および板厚方向に直交する方向、第2の方向)とする。また、以下の説明では、酸化物焼結体3の長方形の平面を主表面と記載し、バッキングプレート5と接する側の主表面を「裏面」、バッキングプレート5と接しない側の主表面を「おもて面」と記載する。「おもて面」は、スパッタリング面と称する場合もある。
X方向は、磁場揺動型のマグネトロンスパッタ装置において、磁場が揺動する方向である。図3に示すように、磁場Mは、ドーナツ型のループ形状となる。ループ形状は、X方向に複数個形成される場合もあり、個数は限定されない(複数個の場合のループ形状はY方向の長さは同一で、X方向の幅が狭い)。X方向の幅LMは、酸化物焼結体3のX方向の幅Lxよりも短い。
そのため、成膜時には、磁場MがX方向に揺動(往復移動)することにより、酸化物焼結体3のX方向全面にプラズマが接触するようにする。
端部領域7A、7Bは、Y方向における酸化物焼結体3の端部(焼結体端部と称する場合もある。)を含む領域である。図2では、端部領域7A、7Bは、Y方向における両端にそれぞれ設けられる。
内側領域9A、9Bは、端部からY方向に向けて数えて内側に2番目の領域である。図1では、内側領域9A、9Bは、Y方向における両端側にそれぞれ設けられる。
中間領域11は、端部からY方向に向けて数えて内側に3番目の領域である。
図1から図3では、スパッタリングターゲット1の左端部から右端部へ向かって、端部領域7A、内側領域9A、中間領域11、内側領域9B、および端部領域7Bの順番で、各領域が配置されている。端部領域7A、内側領域9A、内側領域9B、および端部領域7Bはいずれも平面形状が矩形であり、対向する2つの辺がX方向に平行で、当該辺と直交する他の2つの辺がY方向に平行である。
端部領域7A、7Bと内側領域9A、9BとのギャップG1の寸法は、特に限定されない。ギャップG1の寸法は、例えば、0.1mm〜0.5mm程度である。内側領域9A、9Bと中間領域11とのギャップG2の寸法も特に限定されない。ギャップG2の寸法は、例えば、0.1mm〜0.5mm程度である。
t2>t1 ・・・(1)
t1(mm)>L1(mm)×0.1+4 ・・・(2)
t1(mm)<9 ・・・(3)
10<L1(mm)<35 ・・・(4)
なお、端部領域7A、7B内で板厚が一定でない場合は、端部領域7A、7B内の板厚の最小値を板厚t1とする。端部領域7A、7B内でY方向の幅が一定でない場合は、領域内のY方向の幅の最大値をL1とする。内側領域9A、9B内で板厚が一定でない場合は、内側領域9A、9B内の板厚の最小値を板厚t2とする。
磁場揺動型のマグネトロンスパッタ装置において、成膜時に磁場Mは、X方向に揺動する。Y方向には、ほとんど揺動しない。そのため、内側領域9A、9Bおよび端部領域7A、7Bは、磁場Mの端部が常に近傍に位置する領域であり、内側領域9A、9Bおよび端部領域7A、7Bの上面は、他の領域の上面と比べて、磁場Mに閉じ込められたプラズマにより高温になりやすい。
そのため、端部領域7A、7Bは、他の領域と比べて、板厚方向の温度差(前記式(B)のΔT)が大きくなり、熱応力による割れが生じやすい。
よって、端部領域7A、7Bは、板厚t1が薄い方が好ましい。
一方で、内側領域9A、9Bは、端部領域7A、7Bと中間領域11との間に挟まれており、端面から熱が逃げにくいため、板厚方向の温度差は端部領域7A、7Bほど大きくならない。よって、内側領域9A、9Bは、板厚を厚くしても、端部領域7A、7Bと比べて割れが生じにくい。
よって、端部領域7A、7Bの板厚t1は、内側領域9A、9Bの板厚t2よりも薄い必要がある。
L1が長くなるほど、端部領域7A、7Bが磁場Mの端部に近づくため(図3参照)、成膜時に摩耗しやすくなる。よってL1が長くなるほどt1は厚くする必要がある(式(2))。
式(2)は、好ましくは、下記式(2A)であり、より好ましくは、下記式(2B)であり、さらに好ましくは、下記式(2C)であり、特に好ましくは、下記式(2D)である。
t1(mm)≧L1(mm)×0.1+4.25 ・・・(2A)
t1(mm)≧L1(mm)×0.1+4.5 ・・・(2B)
t1(mm)≧L1(mm)×0.1+4.75 ・・・(2C)
t1(mm)≧L1(mm)×0.1+5 ・・・(2D)
ただし、t1を厚くしすぎると、熱応力による割れが生じやすくなるため、厚さには上限がある(式(3))。
さらに、L1を長くしすぎると端部領域7A、7Bが磁場Mの端部に近づくため、L1にも上限がある(式(4))。L1を短くしすぎると端部領域7A、7Bが狭くなり過ぎ、熱応力による割れが生じやすくなるため、L1には下限もある(式(4))。
t1およびL1は、以下の式(3A)および式(4A)に示す条件を満たすのが、より好ましい。
t1(mm)<8.5・・・(3A)
12.5≦L1(mm)≦32.5・・・(4A)
t1およびL1は、以下の式(3B)および式(4B)に示す条件を満たすのが、さらに好ましい。
t1(mm)≦8・・・(3B)
15≦L1(mm)≦30・・・(4B)
0.6<t1/t2<0.8 ・・・(5)
t2>t1>t3 ・・・(6)
これは、成膜時に、磁場MのX方向位置によってはプラズマが中間領域11に接触しない時間帯があり、中間領域11は、端部領域7A、7Bおよび内側領域9A、9Bと比べて消耗が遅いので、中間領域11の板厚t3を必ずしも厚くする必要がないためである。また、中間領域11の板厚t3を薄くした方がコスト面で有利なためである。
中間領域11内で板厚が一定でない場合は、領域内の板厚の最小値を板厚t3とする。
Pの位置は、最大エロージョン深さの50%以上75%以下の消耗深さとなる位置が好ましい。50%以上の消耗深さの位置とすることにより、スパッタリングターゲット1が割れにくくなる。75%以下の消耗深さの位置とすることにより、ターゲット寿命を維持できる。
これは以下の理由による。
凸部15は、保持面13Aから突出して設けられた部材である。凸部15は、中間領域11と接触して、中間領域11を保持する部材である。凸部15は、本体13と一体であってもよいし、別体の板状部材でもよい。凸部15の平面形状は、中間領域11の平面形状に対応する形状が好ましく、本実施形態では長方形が好ましい。凸部15の厚さt4(図2参照)は、t3+t4=t2となる程度(凸部15の厚さと中間領域11の厚さとの合計が、内側領域9A、9Bの厚さと同程度)が好ましい。これは、内側領域9A、9Bのおもて面と、中間領域11のおもて面との間の段差を出来るだけ小さくするためである。
以上が本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲット1(第一の態様に係るスパッタリングターゲット)の構造の説明である。
図1〜図3では、中間領域11は、3つの領域11A、11B、11Cに分割されているが、分割する領域の数は、3に限定されない。中間領域11を構成する領域の数は、2でもよいし、4以上でもよい。
第二の態様に係るスパッタリングターゲットの一例としては、図5に示すように、4つの領域11D、11E、11F、11Gに分割された中間領域11を有するスパッタリングターゲット101が挙げられる。
例えば、第二の態様に係るスパッタリングターゲットの別の一例としては、図8に示すように、端部領域7A、7B、内側領域9A、9B、および、中間領域11が一体である構造を有するスパッタリングターゲット104が挙げられる。
また、第二の態様に係るスパッタリングターゲットの別の一例としては、図9に示すように、内側領域9A、9B、および、中間領域11が一体である構造を有するスパッタリングターゲット105が挙げられる。
また、第二の態様に係るスパッタリングターゲットの別の一例としては、図11に示すように、端部領域7A及び内側領域9Aが一体、並びに、端部領域7Bおよび内側領域9Bが一体であり、バッキングプレート5には凸部15が設けられていない構造であるスパッタリングターゲット107が挙げられる。
また、図1〜図11に示したようなスパッタリングターゲットのように、酸化物焼結体3の裏面が略平坦である態様(第一の態様および第二の態様)とは異なり、酸化物焼結体3の裏面が傾斜面である態様(第三の態様と称する。)も挙げられる。
より具体的には、第三の態様に係る酸化物焼結体において、端部領域の裏面は、前記保持面に対して傾斜し、端部領域の裏面の傾斜は、酸化物焼結体の端部から内側に向かって下り勾配である。
このように端部領域の裏面が、酸化物焼結体の端部から内側に向かって下り勾配の傾斜を有する場合、端部領域の板厚の最大値をt11とし、端部領域の前記第1の方向の幅をL11とした場合、t11、およびL11が、以下の式(12)を満たすことが好ましい。
t11(mm)>L11(mm)×0.1+4 ・・・(12)
なお、スパッタリングターゲット108は、裏面に傾斜を有するが、おもて面の形状は、スパッタリングターゲット1と同様の形状であり、図3に示すスパッタリングターゲット1の平面図で表される形状がスパッタリングターゲット108についても同様に適用できる。
スパッタリングターゲット108においては、酸化物焼結体3の外側から内側に向かって、端部領域7Aの裏面の傾斜と内側領域9Aの裏面の傾斜とが連続的に傾斜している(傾斜角度が一定である)ことが好ましい。端部領域7Bの裏面の傾斜と内側領域9Bの裏面の傾斜についても、酸化物焼結体3の外側から内側に向かって、端部領域7Bの裏面の傾斜と内側領域9Bの裏面の傾斜とが連続的に傾斜している(傾斜角度が一定である)ことが好ましい。
端部領域7A、7Bの板厚の最大値をt11とし、
端部領域7A、7Bの板厚の最小値をt15とし、
端部領域7A、7BのY方向の幅をL11とし、
内側領域9A、9Bの板厚であって、内側領域9A、9Bの裏面において傾斜していない領域における板厚をt12とし、
前記内側領域の幅であって、前記内側領域の裏面において傾斜している領域の前記第1の方向の幅をL13とした場合、
t11、t12、t15、L11、およびL13が、以下の式(11)、式(13)、式(14)、式(15)および式(16)を満たすことが好ましく、t11、t12、t15、L11、およびL13が、式(11)〜(16)を満たすことがより好ましい。
t12>t11>t15 ・・・(11)
t11(mm)<9 ・・・(13)
10<L11(mm)<35 ・・・(14)
t15(mm)>3 ・・・(15)
3<L13(mm)<35 ・・・(16)
式(16)は、好ましくは、下記式(16A)である。
5≦L13(mm)<35 ・・・(16A)
磁場揺動型のマグネトロンスパッタ装置において、成膜時に磁場Mは、X方向に揺動する。Y方向には、ほとんど揺動しない。そのため、内側領域9A、9Bおよび端部領域7A、7Bは、磁場Mの端部が常に近傍に位置する領域であり、内側領域9A、9Bおよび端部領域7A、7Bの上面(おもて面)は、他の領域の上面(おもて面)と比べて、磁場Mに閉じ込められたプラズマにより高温になりやすい。
そのため、端部領域7A、7Bは、他の領域と比べて、板厚方向の温度差(前記式(B)のΔT)が大きくなり、熱応力による割れが生じやすい。
よって、端部領域7A、7Bのt11は、薄い方が好ましい。
一方で、内側領域9A、9Bは、端部領域7A、7Bと中間領域11との間に挟まれており、端面から熱が逃げにくいため、板厚方向の温度差は端部領域7A、7Bほど大きくならない。よって、内側領域9A、9Bは、板厚を厚くしても、端部領域7A、7Bと比べて割れが生じにくい。
よって、端部領域7A、7Bの板厚t11は、内側領域9A、9Bの板厚t12よりも薄いことが好ましい。
L11が長くなるほど、端部領域7A、7Bが磁場Mの端部に近づく(図3参照。図3のL1は、スパッタリングターゲット108におけるL11と対応する)。そのため、成膜時に端部領域7A、7Bが摩耗しやすくなる。よってL11が長くなるほどt11は厚くする必要がある(式(12))。
式(12)は、好ましくは、下記式(12A)であり、より好ましくは、下記式(12B)であり、さらに好ましくは、下記式(12C)であり、特に好ましくは、下記式(12D)である。
t11(mm)≧L11(mm)×0.1+4.25 ・・・(12A)
t11(mm)≧L11(mm)×0.1+4.5 ・・・(12B)
t11(mm)≧L11(mm)×0.1+4.75 ・・・(12C)
t11(mm)≧L11(mm)×0.1+5 ・・・(12D)
ただし、t11を厚くしすぎると、熱応力による割れが生じやすくなるため、厚さには上限がある(式(13))。
さらに、L11が長すぎると端部領域7A、7Bが磁場Mの端部に近づくため、L11にも上限がある(式(14))。L11が短すぎると端部領域7A、7Bが狭くなり過ぎ、熱応力による割れが生じやすくなるため、L11には下限もある(式(14))。
t11(mm)<8.5 ・・・(13A)
12.5≦L11(mm)≦32.5 ・・・(14A)
t11(mm)≦8・・・(13B)
15≦L11(mm)≦30・・・(14B)
0.6<t11/t12<0.8 ・・・(17)
t12>t11>t13 ・・・(18)
これは、成膜時に、磁場MのX方向位置によってはプラズマが中間領域11に接触しない時間があり、中間領域11は、端部領域7A、7Bおよび内側領域9A、9Bと比べて消耗が遅いので、必ずしも厚くする必要がないためである。また、中間領域11の板厚を薄くした方がコスト面で有利なためである。
中間領域11内で板厚が一定でない場合は、領域内の板厚の最小値を板厚t13とする。
Pの位置は、最大エロージョン深さの50%以上75%以下の消耗深さとなる位置が好ましい。50%以上の消耗深さの位置とすることにより、スパッタリングターゲット108が割れにくくなる。75%以下の消耗深さの位置とすることにより、ターゲット寿命を維持できる。
次に、本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲット1の組成、および結晶構造について説明する。
スパッタリングターゲット1の組成、および結晶構造は、特に限定されない。ただし、本実施形態に係るスパッタリングターゲット1としては、磁場揺動型のマグネトロンスパッタ装置を用いた成膜の際に、割れの問題が生じるような、線膨張率が大きく、熱伝導率が小さい酸化物焼結体を含むスパッタリングターゲットが好適である。酸化物焼結体としては、インジウム元素(In)、スズ元素(Sn)、および亜鉛元素(Zn)を含有する酸化物からなり、Zn2SnO4で表されるスピネル構造化合物を含有する焼結体が効果的である。さらに、酸化物焼結体としては、In2O3(ZnO)m〔式中、mは2〜7の整数である。〕で表される六方晶層状化合物も含有する焼結体がより効果的である。
スパッタリングターゲットの結晶構造は、X線回折測定装置(XRD)により確認することができる。
酸化物焼結体は、各元素の原子比が下記式(7)を満たすのが、好ましい。
0.40≦Zn/(In+Sn+Zn)≦0.80 ・・・(7)
酸化物焼結体は、各元素の原子比が下記式(8)を満たすのが、好ましい。
0.15≦Sn/(Sn+Zn)≦0.40 ・・・(8)
0.10 ≦In/(In+Sn+Zn)≦0.35 ・・・(9)
In/(In+Sn+Zn)は、0.10以上とすることにより、得られるスパッタリングターゲットのバルク抵抗を低くできる。また、酸化物半導体膜の移動度が極端に低くなるのを抑制できる。In/(In+Sn+Zn)が0.35以下であれば、スパッタリング成膜した際に、膜が導電体になるのを抑制でき、半導体としての特性を得ることが容易になる。In/(In+Sn+Zn)は、0.10以上0.30以下であることがより好ましい。
酸化物焼結体は、抗折強度30点の最低値が200MPa以下であることが好ましく、180MPa以下であることがより好ましい。
酸化物焼結体の抗折強度は、酸化物焼結体の1タイルから均等に3mm×4mm×40mmの試験片を切り出し、JIS R 1601に準拠して3点曲げ試験を実施することにより測定できる。30個の試験片について抗折強度を測定し、その平均値および最低値を算出した。
酸化物焼結体の線膨張係数は、JIS R 1618法に準拠して、測定温度30℃〜500℃、昇温速度10K/min、大気中雰囲気で実施することにより測定できる。
酸化物焼結体の弾性率は、JIS R 1602法に準拠して、超音波探傷装置を用い、室温、大気中にて実施することにより測定できる。
酸化物焼結体の熱伝導率は、JIS R 1611法に準拠して、比熱容量をレーザーフラッシュ法(室温、真空中)で測定し、熱拡散率をレーザーフラッシュ法(室温、大気中)で測定し、熱伝導率を下記式から算出した。
λ(熱伝導率)=Cp(比熱容量)×ρ(密度)×α(熱拡散率)
ρは、酸化物焼結体の密度である。
酸化物焼結体は、(線膨張係数×弾性率)/熱伝導率が200Pa/W以上であることが好ましく、220Pa/W以上であることがより好ましい。
スパッタリングターゲット1の組成、結晶構造および物性についての説明は、第二の態様および第三の態様に係るスパッタリングターゲットにも適用できる。
次に、本実施形態に係るスパッタリングターゲット1を用いた、酸化物半導体膜の成膜方法について、簡単に説明する。
成膜方法は、特に限定されない。ただし、スパッタリングターゲット1は、磁場揺動型のマグネトロンスパッタ装置を成膜装置として用いた成膜に好適である。
具体的には、磁場Mの揺動方向をX方向とし、磁場MのY方向における端部が内側領域9Aから端部領域7A、内側領域9Bから端部領域7Bに位置するように成膜を行う。この方法によれば、最も板厚t2が厚い内側領域9A、9Bにプラズマが集中するので、ターゲット寿命を確保できる。さらに、この方法によれば、板厚が内側領域9A、9Bよりも薄い端部領域7A、7Bの熱応力が最も高くなるため、割れも防止できる。
以上が本実施形態に係るスパッタリングターゲット1を用いた、酸化物半導体膜の成膜方法の説明である。
スパッタリングターゲット1を用いた、酸化物半導体膜の成膜方法の説明は、第二の態様および第三の態様に係るスパッタリングターゲットにも適用できる。
そのため、ターゲット寿命を極端に短くすることなく、成膜時における割れを防止できる。
まず予備試験として、公知のITZO系スパッタリングターゲットを、マグネトロンスパッタに用いた場合をシミュレーションし、応力分布とエロージョン領域との関係を計算した。具体的な手順は以下の通りである。
熱応力(σ)=−E×α×ΔT ・・・(A)
ΔT=[Q×d/A]/λ ・・・(B)
式(A)および式(B)中の記号の説明は以下のとおりである。
E :スパッタリングターゲットの弾性率(GPa)
α :スパッタリングターゲットの線膨張率(10−6/K)
ΔT:板厚方向におけるスパッタリングターゲットの表裏の温度差(K)
Q :板厚方向にスパッタリングターゲットの表から裏に通過する熱量(W)
d :スパッタリングターゲットの板厚(mm)
A :板厚方向から見たスパッタリングターゲットの面積(mm2)
λ :スパッタリングターゲットの熱伝導率(W/m/K)
図13に示すように、最も熱応力の高い領域は、Y方向の端部であった。
予備試験の結果から、本発明者は、最も熱応力の高いY方向の端部の板厚を薄くすれば、熱応力を下げることができ、ターゲット寿命を極端に短くせずに割れを防止できるのではないかと考えた。
ライフは、パワー耐性に、スパッタリングターゲットの厚さが残り1mmになるまでに要した時間(ここでは単位は[hr])を乗じた値を求め、予備試験と同条件のスパッタリングターゲットのライフを、100%としたときの比率とした。
結果を表1に示す。表1には、比較例として、スパッタリングターゲットの厚さを6mmに均一にした場合(試料番号3)も示す。予備試験のスパッタリングターゲットについては、試料番号1として表1に示す。
次に、Y方向の端部の板厚を薄くしたことにより、スパッタリングターゲットの消耗の深さおよび消耗の位置が影響を受けないかを調査するため、「試料番号2」の試験開始後100時間経過後の試料について、Y方向のエロージョン深さの分布を測定した。
測定領域は、Y方向に平行な3か所(図13の上端からX方向に50mm、136mm、および222mm、図14ではX方向位置:4、5、6と記載)とし、3か所の実測値、および平均値を求めた。
結果を図14に示す。図14の横軸の「Y方向位置」とは、Y方向左端を0とした場合のY方向における位置を意味する。
図14に示すように、エロージョン深さが最も深い領域は、Y方向の端部から15mm超、30mm以下程度、内側の領域であった。これは内側領域9A、9Bの範囲内である。またY方向の端部から15mm以下の領域は、最大エロージョン深さの75%以下の消耗深さであり、大半は50%以下であった。
また、この結果から、端部領域7A、7Bは、熱応力が最も大きい一方で、エロージョン深さは内側領域9A、9Bと比べて浅いため、板厚t1を薄くしてもライフに影響し難いことが分かった。
次に、ライフを極端に短くせずにパワー耐性を向上させることができるL1、t1、およびt2の範囲を特定するため、試料番号2において、L1、t1、およびt2を変化させたスパッタリングターゲットを作製し、他の条件は試料番号2と同じ条件で、パワー耐性およびライフを評価した。ライフは、80%以上を合格とした。パワー耐性は、10kW以上を合格とした。結果を表2に示す。表2中、式(1)〜(4)のそれぞれを満たす場合を「A」と表記し、満たさない場合を「B」と表記した。
また、パワー耐性およびライフが合格であるスパッタリングターゲットの中でも、0.6<t1/t2<0.8の範囲を満たすスパッタリングターゲット(試料番号の8、9、13)において、パワー耐性が、より高かった。
図12に示すように端部領域7A、7Bおよび内側領域9A、9Bの裏面に傾斜を有し、表3に示す寸法を満たすITZO系スパッタリングターゲットを作製した。傾斜角度および表3に示す寸法以外の寸法は、前述の予備試験と同様に作製した。
作製したスパッタリングターゲットについて、実機のマグネトロンスパッタ装置にて、予備試験と同じ条件でパワー耐性およびターゲット寿命(ライフ)を測定した。
表3中、式(11)〜(16)のそれぞれを満たす場合を「A」と表記し、満たさない場合を「B」と表記した。
Claims (29)
- 板状の酸化物焼結体を備え、
前記酸化物焼結体は、第1の方向に配列された複数の領域を有し、
前記複数の領域は、前記第1の方向における端部を含む領域である端部領域と、
前記端部から前記第1の方向に向けて数えて内側に2番目の領域である内側領域と、
を有し、
前記端部領域の板厚をt1、前記端部領域の前記第1の方向の幅をL1、前記内側領域の板厚をt2とした場合、t1、L1、およびt2が、以下の式(1)乃至式(4)を満たす、
スパッタリングターゲット。
t2>t1 ・・・(1)
t1(mm)>L1(mm)×0.1+4 ・・・(2)
t1(mm)<9 ・・・(3)
10<L1(mm)<35 ・・・(4) - さらに、t1およびt2が以下の式(5)を満たす、
請求項1に記載のスパッタリングターゲット。
0.6<t1/t2<0.8 ・・・(5) - 前記複数の領域は、
前記端部から前記第1の方向に向けて数えて内側に3番目の領域である中間領域を備え、
前記中間領域の厚みをt3とした場合、t1、t2、およびt3が以下の式(6)を満たす、
請求項1または2に記載のスパッタリングターゲット。
t2>t1>t3 ・・・(6) - 前記酸化物焼結体は、前記複数の領域が互いに分離して配列されている、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、平面形状が長方形の板状であり、前記第1の方向は、長方形の長辺方向である、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、長方形の長辺が2300mm以上、3800mm以下、短辺が200mm以上、300mm以下、前記内側領域の板厚t2が9mm以上、15mm以下、L1が10mm超、35mm未満、前記内側領域の前記第1の方向の幅が170mm以上、300mm以下である、
請求項5に記載のスパッタリングターゲット。 - 板状の酸化物焼結体と、
前記酸化物焼結体を保持するバッキングプレートと、
前記酸化物焼結体と前記バッキングプレートとの間に設けられたスペーサと、を備え、
前記酸化物焼結体は、第1の方向に配列された複数の領域を有し、
前記複数の領域は、前記第1の方向における端部を含む領域である端部領域と、前記端部から前記第1の方向に向けて数えて内側に2番目の領域である内側領域と、を有し、
前記バッキングプレートは、前記端部領域および前記内側領域を保持する保持面を有し、
前記スペーサは、前記保持面に設けられ、前記端部領域を保持し、
前記端部領域は、前記保持面に対向する裏面を有し、
前記端部領域の裏面は、前記保持面に対して傾斜し、
前記端部領域の裏面の傾斜は、前記酸化物焼結体の端部から内側に向かって下り勾配であり、
前記端部領域の板厚の最大値をt11とし、
前記端部領域の前記第1の方向の幅をL11とした場合、
t11、およびL11が、以下の式(12)を満たす、
スパッタリングターゲット。
t11(mm)>L11(mm)×0.1+4 ・・・(12) - 前記端部領域の裏面と前記保持面とが成す角度が、4度以上15度以下である、
請求項7に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記内側領域は、前記保持面に対向する裏面を有し、
前記内側領域の裏面の一部が、前記保持面に対して傾斜し、
前記内側領域の裏面の傾斜は、前記酸化物焼結体の端部から内側に向かって下り勾配であり、
前記端部領域の板厚の最小値をt15とし、
前記内側領域の板厚であって、前記内側領域の裏面において傾斜していない領域における板厚をt12とし、
前記内側領域の幅であって、前記内側領域の裏面において傾斜している領域の前記第1の方向の幅をL13とした場合、
t11、t12、t15、L11、およびL13が、以下の式(11)、式(13)、式(14)、式(15)および式(16)を満たす、
請求項7または8に記載のスパッタリングターゲット。
t12>t11>t15 ・・・(11)
t11(mm)<9 ・・・(13)
10<L11(mm)<35 ・・・(14)
t15(mm)>3 ・・・(15)
3<L13(mm)<35 ・・・(16) - 前記酸化物焼結体は、平面形状が長方形の板状であり、前記第1の方向は、長方形の長辺方向である、請求項7〜9のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
- 前記酸化物焼結体は、長方形の長辺が2300mm以上、3800mm以下、短辺が200mm以上、300mm以下、前記内側領域の板厚であって、前記内側領域の裏面において傾斜していない領域における板厚t12が9mm以上、15mm以下、L11が10mm超、35mm未満、前記内側領域の前記第1の方向の幅が170mm以上、300mm以下である、請求項10に記載のスパッタリングターゲット。
- 前記端部領域および前記内側領域は、前記第1の方向における両端に設けられる、
請求項1〜11のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、2つの主表面を有する板状であり、前記複数の領域の、一方の主表面の板厚方向の高さの差が100μm以内であり、かつ算術平均粗さRaが他の主表面よりも小さい、
請求項1〜12のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、抗折強度30点の平均値が320MPa以下である、
請求項1〜13のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、抗折強度30点の最低値が200MPa以下である、
請求項14に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、線膨張係数が7.50×10−6/K以上である、
請求項1〜15のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、弾性率が150GPa以上である、
請求項1〜16のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、熱伝導率が6.5(W/m/K)以下である、
請求項1〜17のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、(線膨張係数×弾性率)/熱伝導率が200Pa/W以上である、請求項1〜18のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
- 前記酸化物焼結体は、インジウム元素(In)、スズ元素(Sn)、および亜鉛元素(Zn)を含有する酸化物からなる、
請求項1〜19のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、
Zn2SnO4で表されるスピネル構造化合物を含む、
請求項20に記載のスパッタリングターゲット。 - 前記酸化物焼結体は、
In2O3(ZnO)m[m=2〜7]で表わされる六方晶層状化合物を含む、
請求項20または21に記載のスパッタリングターゲット。 - さらに、前記酸化物焼結体が、下記式(7)を満たす、
請求項20〜22のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
0.40≦Zn/(In+Sn+Zn)≦0.80 ・・・(7) - さらに、前記酸化物焼結体が、下記式(8)を満たす、
請求項20〜23のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
0.15≦Sn/(Sn+Zn)≦0.40 ・・・(8) - さらに、前記酸化物焼結体が、下記式(9)を満たす、
請求項20〜24のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
0.10 ≦In/(In+Sn+Zn)≦0.35 ・・・(9) - 前記酸化物焼結体を保持する保持面と、前記保持面から突出して設けられ、前記中間領域を保持する凸部を有するバッキングプレートと、
前記保持面と前記端部領域の間に設けられたスペーサと、
を備える、
請求項3に記載のスパッタリングターゲット。 - 請求項1〜26のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットをターゲットとして用い、磁場揺動型のマグネトロンスパッタ装置を成膜装置として用い、磁場の揺動方向を前記第1の方向および板厚方向と直交する第2の方向とし、前記第1の方向における前記磁場の端部が前記内側領域に位置するように成膜を行う、
酸化物半導体膜の成膜方法。 - 請求項3に記載の前記酸化物焼結体を保持する保持面と、前記保持面から突出して設けられ、前記中間領域を保持する凸部と、
前記保持面と前記端部領域の間に設けられるスペーサと、
を備える、
バッキングプレート。 - 前記凸部の高さが、前記スペーサよりも高い、
請求項28に記載のバッキングプレート。
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