KR100876573B1 - 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체 및 막 형성 장치 - Google Patents

스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체 및 막 형성 장치 Download PDF

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닛코 킨조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

침식부 및 비침식부가 형성되는 판 형상 타겟으로서, 그 표면적이, 타겟이 평면이라고 가정했을 경우의 표면적의 100% 를 초과하고 125% 미만인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟. 침식부 및 비침식부가 형성되는 판 형상 타겟으로서, 타겟 표면 영역에 1 또는 복수의 오목부를 구비하며, 타겟이 평면이라고 가정했을 경우의 표면적의 100% 를 초과하고 125% 미만인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟. 자체 스퍼터나 하이파워 스퍼터화에 의해, 타겟의 전체 수명에 걸쳐서, 스퍼터 회로에 있어서의 전기적 변동을 가능한한 작게 억제함으로써, 용량이 작은 저렴한 전원 장치를 사용할 수 있도록 한다.

Description

스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체 및 막 형성 장치{SPUTTERING TARGET BACKING PLATE ASSEMBLY AND FILM DEPOSITION SYSTEM}
본 발명은, 스퍼터링에 있어서 스퍼터 중의 타겟 소모에 의하여 발생하는 전압이나 전류의 변화를 억제함으로써, 스퍼터 장치의 전원 설계에 여유를 갖도록 하고, 저렴한 스퍼터 장치를 제공할 수 있는 스퍼터링 타겟, 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체 및 막 형성 장치에 관한 것이다.
최근, 배선 룰의 미세화에 수반하여 어스펙트비가 큰 비아나 컨택트홀에 균일한 막을 막 형성한다는 목적을 위하여, 자체 스퍼터나 하이파워에서의 스퍼터가 주류로 되어 있다. 통상, 스퍼터에 있어서는 타겟의 소모와 함께 회로의 임피던스가 변화되기 때문에, 전력량을 일정하게 제어하여 타겟의 전체 수명에 걸쳐 균질한 막두께 분포나 막 형성 속도를 유지하도록 하고 있다.
그런데, 요즈음의 자체 스퍼터나 하이파워 스퍼터에 있어서는, 타겟의 수명에 걸쳐 전류, 전압 변동이 크고, 매우 용량이 큰 전원을 필요로 하기 때문에, 막 형성 장치가 매우 고가로 되어 버린다는 문제가 발생해 왔다.
지금까지, 막두께 분포를 개선할 목적, 또는 파티클을 저감시킬 목적으로 타 겟의 표면 형상을 가공하는 것이, 예를 들어 특허 문헌 1 이나 특허 문헌 2 에 나타내어져 있다.
그러나, 스퍼터 장치의 전류, 전압 변동이 타겟의 표면적에 의해 제어될 수 있다는 것을 다루고 있는 보고는 거의 없다. 또한, 정량적인 표면적의 영향에 대해서는, 전혀 식견이 얻어지지 않고 있는 것이 현상황이다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 소62-37369호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2004-84007
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명은, 자체 스퍼터나 하이파워 스퍼터화에 의해, 타겟의 전체 수명에 걸쳐, 스퍼터 회로에 있어서의 전기적인 변동을 가능한한 작게 억제함으로써, 용량이 작은 저렴한 전원 장치를 사용할 수 있도록 하는 스퍼터링 타겟, 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체 및 이들을 사용하는 막 형성 장치에 관한 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 과제를 해결하기 위하여, 판 형상 타겟의 형상 변경에 의한 전기 회로 특성 변화에 미치는 영향을 예의 연구한 결과, 타겟의 표면적을 적절히 억제함으로써, 캐소드 회로의 임피던스 변화를 작게 억제할 수 있다는 것을 알았다. 한편, 표면적을 크게 하는 것은, 스퍼터된 막의 유니포미티가 변화되고, 지나치게 면적이 커져 버리면 유니포미티가 악화된다는 것을 알 수 있었다.
또한 스퍼터 파워가 비교적 높은 막 형성 조건에 있어서는, 오목부에 열응력이 집중되어 타겟의 변형을 일으키고, 유니포미티 이상이나 실드와의 아킹을 발생시키는 경우가 있으며, 오목부 부분의 BP 판두께를 두껍게 함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다는 것도 판명되었다.
이상에 근거하여, 본 발명은 이하의 발명을 제공하는 것이다.
1) 침식부 (erosion portion) 및 비침식부가 형성되는 판 형상 타겟으로서, 그 표면적이, 타겟이 평면이라고 가정했을 경우의 표면적의 100% 를 초과하고 125% 미만인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
2) 침식부 및 비침식부가 형성되는 판 형상 타겟으로서, 타겟 표면 영역에 1 또는 복수의 오목부를 구비하고, 타겟이 평면이라고 가정했을 경우의 표면적의 100% 를 초과하고 125% 미만인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
3) 타겟 표면 영역에 형성된 오목부가 1 또는 복수의 환 형상 오목부인 것을 특징으로 하는 상기 2 기재의 스퍼터링 타겟.
4) 오목부가, 침식이 비교적 완만한 타겟 표면 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 2 또는 3 기재의 스퍼터링 타겟.
5) 오목부의 형상이 V 자형, 원호형, 각형의 단면을 가지는 홈인 것을 특징으로 하는 상기 2 ∼ 4 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟.
6) 침식부 및 비침식부가 형성되는 판 형상 타겟과 백킹 플레이트와의 조립체로서, 타겟 표면 영역에 1 또는 복수의 오목부를 구비하고, 타겟이 평면이라고 가정했을 경우의 표면적의 100% 를 초과하고 125% 미만이며, 또한 타겟 표면의 오목부에 상당하는 위치의 백킹 플레이트의 판두께가 다른 부분보다 두꺼운 판두께를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체.
7) 타겟 표면 영역에 형성된 오목부가 1 또는 복수의 환 형상 오목부인 것을 특징으로 하는 상기 6 기재의 스퍼터링 타겟.
8) 오목부가, 침식이 비교적 완만한 타겟 표면 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 6 또는 7 기재의 스퍼터링 타겟.
9) 오목부의 형상이 V 자형, 원호형, 각형의 단면을 가지는 홈인 것을 특징으로 하는 상기 6 ∼ 8 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟.
10) 상기 1 ∼ 5 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟을 이용한 막 형성 장치.
11) 상기 6 ∼ 9 중 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트를 이용한 막 형성 장치.
발명의 효과
본 발명은, 타겟의 표면적을 적절히 크게 함으로써, 캐소드 회로의 임피던스 변화를 작게 억제할 수 있다는 우수한 효과를 갖는다.
한편, 표면적을 크게 하는 것은, 스퍼터링한 막의 유니포미티가 변화되고, 과대한 면적은 유니포미티가 악화되므로 적당한 면적이 필요하지만, 본 발명에 있어서는, 이것을 최적으로 조정할 수 있다.
또한, 스퍼터 파워가 비교적 높은 막 형성 조건에 있어서는, 오목부에 열응력이 집중되어 타겟의 변형을 일으키고, 유니포미티 이상이나 실드와의 아킹을 발생시키는 경우가 있지만, 타겟 오목부 상당의 백킹 플레이트 (BP) 의 판두께를 두껍게 함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 홈 구비 타겟의 형상을 설명하는 단면도이다 (A : V 자형의 홈을 가지는 타겟의 단면 모식도, B : 동일 타겟과 두께를 변동시킨 백킹 플레이트 조립체의 단면 모식도).
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
일반적으로, 스퍼터링 장치 내에 Ar 가스를 도입함과 함께, 타겟과 기판 (웨이퍼) 간에 전압을 인가하고, 전리된 Ar 이온을 타겟에 충돌시켜, 충돌에 의해 튀어 나온 타겟 재료를 타겟에 대향하여 배치한 기판 상에 피복하는 방법은, 기본적인 스퍼터링 방법이다.
최근의 스퍼터링 방법으로서, 자체 스퍼터링 (self sputtering) 방법이 있다. 이 자체 스퍼터링 방법에서는, 스퍼터링된 입자를 이온화시키고, 이온화된 입자가 타겟을 다시 스퍼터링하는 현상을 이용하는 것이다. 즉, 이 자체 스퍼터링 (self sputtering) 방법에서는, Ar 이온 이외에, 타겟으로부터 스퍼터링된 원자를 이온화시키고, 이들 이온을 이용하여 스퍼터링하는 방법이다.
이 자체 스퍼터링 방법을 이용하면, 플라즈마 밀도가 높아지고, 스퍼터링 레이트 (막형성 속도) 가 향상되어, 스퍼터 입자의 직진성이 향상된다는 특징을 갖는다.
최근의 스퍼터 장치에 있어서는, 통상 수십 kwh 의 전력을 일정하게 유지하면서 타겟을 스퍼터링하면, 그에 따라 전압, 전류가 변화하여 간다.
전압에 대해서는 500V 이상으로부터 타겟의 수명에 걸쳐 경우에 따라서는 수백 V 의 전압 변동을 지지하는 전원이 필요하여, 장치에서 차지하는 전원 장치의 비용은 무시할 수 없다.
스퍼터에 사용되는 타겟은 통상, 표면이 평면 형상인 원판 형상 타겟이지만, 타겟의 소모에 따라 타겟 표면에 요철이 발생하고, 이것이 원인이 되어 전압 변동이 발생하는 것으로 생각된다.
그래서, 타겟의 소모에 수반되는 전압의 변동 거동과 타겟의 소모에 의해 형성되는 요철 형상에 대한 인과관계를 예의 연구한 결과, 타겟의 표면적 변화가 전압의 변동과 관계있다는 것이 판명되었다. 정성적으로 표현하면, 표면적의 변화가 적을수록 전압의 변동이 적어진다는 것을 찾아내었다.
그러나, 마그넷에 의해 타겟에 형성되는 요철의 성상은 여러 가지이고, 또, 타겟의 수명에 걸쳐 형상이 변화되므로, 정량적인 관계를 파악하기가 곤란했기 때문에, 어느 정도 스퍼터된 요철을 상정한 표면 형상의 타겟을 제작하고, 전압도 절대값이 아닌 전압 변화량에 주목하여 그 관계를 조사한 바, 평판 형상의 타겟을 기준으로 하여, 그 표면적이 125% 미만인 형상을 가지는 타겟의 전압 변동이 작아진다는 것을 알 수 있었다. 동시에, 타겟의 표면적이 커지면 타겟의 수명에 걸쳐 유니포미티 변화가 커져 버린다는 것도 판명되었다.
즉, 타겟의 침식부 및 비침식부를 가지는 판 형상 타겟으로, 그 표면적이 평면인 경우 (평면을 가상했을 경우) 의 100% 를 초과하고 125% 미만 이 되는 스퍼터링 타겟에 있어서, 전압 변동이 적어지고, 또한, 유니포미티의 변동도 허용할 수 있는 범위로 제어된다는 것을 알았다.
표면적의 증가는, 타겟 표면에 요철을 형성함으로써 달성할 수 있다. 또, 이 효과는, 특정 타겟 재료에 한정되는 것이 아니며, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 타겟 재료의 종류에 관계없이, 공통적으로 말할 수 있는 것이다.
요철의 형상이나 타겟의 어느 부분에 형성하는가는 전압의 변동에 대하여 그다지 영향은 미치지 않지만, 침식이 비교적 완만한 부분에 요철을 형성하는 것이 유니포미티의 변동이 작아진다는 것도 동시에 판명되었다.
또, 요철의 형상은 기계 가공에 의한 홈 형성의 비용적인 관점에서 V 자형, 원호형, 각형의 단면을 가지는 1 또는 복수의 환 형상의 홈인 것이 바람직하지만, 당연한 일이지만 V 자 이외의 홈이나, 환 형상 이외의 요철도 본 발명의 범위에 포함되는 것은 말할 필요도 없다.
또한 최근 주류가 되고 있는 이온화 스퍼터와 같이 비교적 높은 파워로 스퍼터하는 경우에는, 상기 기술한 요철 형상의 주로 오목부에 스퍼터시의 열에 의해 발생하는 열응력이 집중되어 타겟이 변형을 일으키고, 유니포미티가 악화되거나 실드와의 아킹이 일어나 이상 파티클의 발생이 발생하거나, 극단적인 경우에는 플라즈마의 발생이 멈추어 버리는 현상이 발생하였다.
문제 해결을 위하여, 백킹 플레이트의 강도를 높이거나, 혹은 재질을 변경하여 열응력을 경감시키는 등의 대책을 취하였지만, 그다지 효과적이지는 않았다.
그래서 우선, 형상에 따른 응력 집중을 경감시키는 것을 제 1 로 생각하고, 백킹 플레이트의 형상을 변경시킴으로써 문제를 해결하기 위하여 시행 착오를 계속한 결과, 응력이 집중되는 부분의 백킹 플레이트 두께를 단순히 두껍게 함으로써 변형을 큰 폭으로 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
두껍게 하는 부분은 오목부에만 한정되는 것은 아니며, 오목부를 포함하는 어느 정도의 넓이를 가지고 두껍게 하는 것이 효과적이라는 것도 알았다. 이는 응력 분포의 변화를 완만하게 했기 때문으로 생각된다.
그러나, 전술한 바와 같이 침식에 의해 생기는 요철 형상에는 마그넷에 따라 여러 가지가 있기 때문에, 오목부를 포함하는 너무 넓은 범위에서 BP 를 두껍게 하는 것은, 즉 타겟의 두께가 감소되는 것으로, 경우에 따라서는 타겟의 수명 단축으로 이어지기 때문에 바람직하지 않다고 할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 기초하여 설명한다. 또한, 본 실시예는 어디까지나 일례이며, 이 예에만 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 포함되는 다른 양태 또는 변형을 포함하는 것이다.
(실시예 4 - 7, 11 - 14, 18 - 21)
본 실시예의 타겟의 단면 형상을 도 1 의 A 에 나타낸다. 실시예에 있어서는, 시판되는 순도 6N 의 구리 타겟, 4N5 의 Ta 타겟 및 5N 의 Ti 타겟을 이용하고, 8" 웨이퍼용의 Endura 스퍼터링 장치를 사용하였다.
마그넷은 2 종류이고, 스퍼터 조건은 모두 동일하게 하고, 우선, 타겟의 표면적만을 변화시켜, 타겟의 수명에 걸친 전압 변화와 유니포미티의 변화를 조사하였다.
타겟의 수명은 타겟재에 따라 상이하나, 동일한 타겟 재질에서는 ±10% 이내에 들어가도록 조정하였다. 스퍼터 파워는 10kw 이며, 백킹 플레이트는 Cu 합금이다.
타겟의 표면적과 타겟 수명에 걸친 전압 변동을 표 1 에 정리하였다. 유니포미티는 타겟의 수명에 걸친 평균값이다.
본 실시예 4 - 7, 11 - 14, 18 - 21 에 대해서는, 전압 변화 및 유니포미티는, 모두 작고 양호한 값을 나타내었다. 스퍼터 파워가 10kw 로 낮기 때문에, 타겟의 휨은 특별히 문제가 되지 않았다.
Figure 112007036320803-pct00006
(비교예 1 - 9)
본 비교예에 대해서는, 타겟 재료 및 스퍼터 조건에 관해서는, 실시예 4 - 7, 11 - 14, 18 - 21 과 동일 조건으로 하고, 표면적만을 변화시켰다.
타겟의 표면적과 타겟 수명에 걸친 전압 변동을, 마찬가지로 표 1 에 정리하였다. 유니포미티는 타겟의 수명에 걸친 평균값이다.
본 비교예 1 - 9 에 대해서는, 전압 변화 및 유니포미티가 모두 커져 불량이 되었다. 또한, 스퍼터 파워가 10kw 로 낮기 때문에, 타겟의 휨은 특별히 문제가 되지 않았다.
(실시예 25 - 27, 31 - 33, 37 - 39)
이어서, 스퍼터 파워를 올리고, 도 1 의 B 에 나타내는 형상의 타겟을 이용하여, 전술한 것과 동일한 시험을 실시하고, 전압 변동에 가세하여, 유니포미티와 타겟의 휨을 조사하였다. 스퍼터 파워는 40kw 이다. 또, 백킹 플레이트는 구리 합금이다. 이 결과를 표 2 에 정리하였다.
본 실시예 25 - 27, 31 - 33, 37 - 39 에 대해서는, 전압 변화 및 유니포미티가 모두 작고 양호한 값을 나타내었다. 또, 스퍼터 파워가 40kw 로 높고, 타겟의 휨이 발생할 염려가 있었지만, 표 2 에 나타내는 대로, 도 1B 에 나타내는 백킹 플레이트의 형상 효과에 의하여 휨이 작고, 이에 따른 문제는 특별히 발생하지 않았다.
Figure 112007036320803-pct00007
(비교예 10 - 15)
본 비교예에 대해서는, 타겟 재료 및 스퍼터 조건에 관해서는, 실시예 27 - 3 와 동일 조건으로 하고, 표면적 및 타겟 형상을 변화시켰다. 타겟 형상은, 도 1 - A 에 나타내는 형상의 타겟을 사용하였다. 이 결과를, 마찬가지로 표 2 에 나타낸다.
본 비교예 10 - 15 에 대해서는, 전압 변화 및 유니포미티가 모두 커져, 불량이었다.
또, 스퍼터 파워가 40kw 로 높기 때문에, 타겟의 휨이 발생하였다. 이로써, 스퍼터 파워가 높은 경우에는, 두께에 대한 연구가 없는 종전의 백킹 플레이트에서는 문제가 있다는 것을 알았다.
또한, 비교예 10 - 비교예 15 는, 표면적만으로 보면, 본원 발명의 범위에 들어가는 것이다. 그러나, 스퍼터 파워를 40kw 로 높였기 때문에, 약간 휨의 발생이 높아진다는 문제가 있다. 따라서, 스퍼터 파워가 낮은 경우에는, 도 1A 의 타겟 형상으로 충분하지만, 스퍼터 파워를 높게 하여 스퍼터링 하는 경우에는, 타겟 형상을 도 1B 의 형상으로 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
타겟의 표면적을 적절히 크게 함으로써, 캐소드 회로의 임피던스 변화를 작게 억제할 수 있고, 자체 스퍼터나 하이파워 스퍼터에 있어서, 타겟의 수명에 걸쳐, 전류, 전압의 변동을 억제할 수 있으므로, 용량이 작은 저렴한 전원 장치를 사용할 수 있어, 저비용으로 효율이 높은 스퍼터링이 가능하다.
또, 스퍼터링한 막의 유니포미티를 적절히 조정할 수 있고, 더욱이 스퍼터 파워가 비교적 높은 막 형성 조건에 있어서는, 오목부에 열응력이 집중되어 타겟의 변형을 일으켜, 유니포미티 이상이나 실드와의 아킹을 발생시키는 경우가 있지만, 타겟 오목부 상당의 백킹 플레이트 (BP) 의 판두께를 두껍게 함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있어, 스퍼터링 타겟, 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체 및 막 형성 장치로서 산업상 매우 유효하다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 침식부 및 비침식부가 형성되는 판 형상 타겟과 백킹 플레이트와의 조립체로서, 타겟 표면 영역에 1 또는 복수의 오목부를 구비하고, 타겟의 표면적이 평면이라고 가정했을 경우의 표면적의 100% 를 초과하고 125% 미만이며, 또한 타겟 표면의 오목부에 상당하는 위치의 백킹 플레이트의 판두께가, 타겟의 외형을 초과하는 백킹 플레이트의 둘레 가장자리부의 판두께를 제외하고, 상기 오목부에 해당하는 위치 이외의 백킹 플레이트의 부분의 판두께보다도 두꺼운 판두께를 가지는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    타겟 표면 영역에 형성된 오목부가 1 또는 복수의 환 형상 오목부인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체.
  8. 제 6 항에 있어서,
    스퍼터링 시에 가장 가파르게 침식된 부위보다도 이격된 위치의 타겟 표면 영역에 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오목부의 형상이 V 자형, 원호형, 각형의 단면을 가지는 홈인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체.
  10. 삭제
  11. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체를 이용한 막 형성 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    스퍼터링 시에 가장 가파르게 침식된 부위보다도 이격된 위치의 타겟 표면 영역에 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체.
  13. 제 9 항에 기재된 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체를 이용한 막 형성 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    오목부의 형상이 V 자형, 원호형, 각형의 단면을 가지는 홈인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체.
  15. 제 12 항에 기재된 스퍼터링 타겟 - 백킹 플레이트 조립체를 이용한 막 형성 장치.
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