KR102621462B1 - 프로파일형 스퍼터링 타겟 및 이의 제조 방법 - Google Patents

프로파일형 스퍼터링 타겟 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 원형 형상을 갖는 비-평탄 스퍼터링 표면을 구비하고 스퍼터링 재료를 포함하며, 중심축 영역에서 오목 만곡 특징부를 포함하는 중심축 영역을 포함하는 스퍼터링 타겟. 제1 기울기를 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면을 포함하는 돌출부를 포함하는, 1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 후의 마모 프로파일을 갖는 중심축 영역. 동일 시간 동안의 스퍼터링 사용 후의 기준 타겟의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부는 제2 기울기를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면을 포함한다. 돌출부는 기준 돌출 볼록 만곡 특징부에 비해 감소된 섀도잉을 갖는 스퍼터링된 타겟을 제공하며, 제1 기울기는 제2 기울기보다 덜 가파르다.

Description

프로파일형 스퍼터링 타겟 및 이의 제조 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2017년 4월 20일자로 출원된 미국 가출원 제62/487,617호의 이익을 주장하는, 2018년 4월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/947,586호에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술분야
본 주제의 분야는 더 긴 타겟(target) 수명 및 균일한 필름 침착을 제공하기 위한 중심축 영역 기하학적 구조를 갖는 타겟을 포함하는 스퍼터링 시스템(sputtering system)의 설계 및 사용이다.
전자 및 반도체 구성요소들은 점점 증가하는 수량의 소비자 및 상업용 전자 제품들, 통신 제품들 및 데이터 교환 제품들에 사용된다. 이들 소비자 및 상업용 제품들 중 일부의 예는 텔레비전, 컴퓨터, 휴대폰, 페이저(pager), 핸드헬드 오거나이저(handheld organizer), 휴대용 음악 플레이어 및 라디오, 자동차 스테레오, 및 원격 제어기이다. 이들 소비자 및 상업용 전자장치에 대한 요구가 증가함에 따라, 그들 동일한 제품이 소비자 및 사업체를 위해 점점 더 소형으로 되고 더 휴대용이 되는 요구가 또한 있다.
이들 제품의 크기 감소의 결과로서, 이 제품들을 구성하는 구성요소들은 또한 더 작아지고/지거나 더 얇아져야 한다. 크기가 감소되거나 축소될 필요가 있는 그들 구성요소 중 일부의 예는 마이크로전자 칩 상호접속부, 반도체 칩 구성요소, 저항기, 커패시터, 인쇄 회로 또는 배선 기판, 배선, 키보드, 터치 패드, 및 칩 패키징이다.
전자 및 반도체 구성요소가 크기가 감소되거나 축소될 때, 더 큰 구성요소에 존재하는 임의의 결함은 축소된 구성요소에서 과장될 것이다. 따라서, 더 큰 구성요소에 존재하거나 존재할 수 있는 결함은, 구성요소가 더 작은 전자 제품을 위해 축소되기 전에, 가능하다면, 확인되고 정정되어야 한다.
전자, 반도체 및 통신 구성요소들 내의 결함들을 확인하고 정정하기 위하여, 그들 구성요소의 제조를 위한 사용 재료들 및 제조 공정들이 나누어지고 분석되어야 한다. 전자, 반도체 및 통신/데이터-교환 구성요소들은, 일부 경우에, 금속, 금속 합금, 세라믹, 무기 재료, 중합체, 또는 유기금속 재료와 같은 재료의 층으로 구성된다. 재료의 층은 종종 (두께가 수십 옹스트롬 미만 정도로) 얇다. 재료의 층의 품질을 개선하기 위하여, 층을 형성하는 공정 - 예를 들어, 금속 또는 다른 화합물의 물리 증착 - 이 평가되어야 하고, 가능하다면 수정되고 개선되어야 한다.
재료의 층을 침착시키는 공정을 개선하기 위하여, 표면 및/또는 재료 조성이 측정되고 정량화되며 결함 또는 불완전성이 검출되어야 한다. 재료의 층 또는 층들의 침착의 경우에, 이는 모니터링되어야 하는 재료의 실제 층 또는 층들이 아니라 기재(substrate) 또는 다른 표면 상에 재료의 층을 생성하는 데 사용되는 재료 및 그 재료의 표면이다. 예를 들어, 금속을 포함하는 타겟을 스퍼터링함으로써 표면 또는 기판 상에 금속 층을 침착시킬 때, 타겟으로부터 편향되거나 유리되는 원자들 및 분자들은 고르고 균일한 침착을 허용할 기재 또는 다른 표면으로의 경로를 지나가야 한다. 타겟으로부터의 편향 및/또는 유리 후에 자연적이고 예상된 경로들을 지나가는 원자들 및 분자들은 표면 또는 기재 내에 트렌치(trench)들 및 구멍들을 포함하는 표면 또는 기재 상에 불균일하게 침착될 수 있다. 특정 표면 및 기재의 경우, 표면 또는 기재 상의 더욱 균일한 침착, 코팅 및/또는 필름을 달성하기 위해, 타겟을 떠나는 원자들 및 분자들을 방향전환시키는 것이 필요할 수 있다.
DC 마그네트론 스퍼터링 시스템에서, 불량 침식 레이스 트랙(poorly eroding race track) 상에서의 절연 층의 축적 및 그러한 층 상에서의 후속 아크 발생은 공정 엔지니어 및 타겟 제조자 둘 모두에 대한 중요한 문제였다. 자석 구성의 특성으로 인해, 양호 침식 및 불량 침식 "레이스 트랙"들이 발생한다. 불량 침식 레이스 트랙 상에, 타겟 사용에 따라 절연 층이 서서히 축적된다(즉, Al, Ta, 및 Ti 타겟을 위한 산화물 또는 질화물 필름). 결국, 유전체 층 상에서의 전하 축적은 아크 발생 및 입자 생성으로 이어진다. 아크 발생의 경향은 유전체 층의 축적으로 인해 타겟 사용에 따라 증가한다.
예시적인 물리 증착 장치(10)의 일부분의 개략도가 도 1에 예시되어 있다. 스퍼터링 조립체(10)는 스퍼터링 타겟(14)이 접합되어 있는 배킹 플레이트(backing plate)(12)를 포함한다. 스퍼터링 타겟(14)은 평탄 스퍼터 표면(16)을 갖는다. 반도체 재료 웨이퍼(18)가 조립체(10) 내에 있으며 타겟(14)의 스퍼터링 표면(16)으로부터 이격되도록 제공된다. 작동시, 입자 또는 스퍼터링되는 재료(22)가 타겟(14)의 표면(16)으로부터 변위되어 웨이퍼(18) 상에 코팅(또는 박막)(20)을 형성하는 데 사용된다.
전형적으로, 타겟은 아르곤과 같은 공정 가스를 수용하는 PVD 챔버 내의 캐소드(cathode) 조립체의 일부를 형성한다. 챔버 내의 애노드(anode)(전형적으로, PVD 장치의 측벽)와 캐소드 조립체 사이에 전기장이 인가되고, 그 결과, 캐소드의 표면으로부터 방출된 전자들과의 충돌에 의해 가스가 이온화된다. 이는 음으로 하전된 타겟 표면을 향해 가속되는 양으로 하전된 가스 이온들의 플라즈마를 발생시킨다. 양의 가스 이온들이 타겟에 충돌하고 타겟 재료로부터 입자들을 내보낸다. 일단 타겟으로부터 유리되면, 이들 변위된 (그리고 본질적으로 중성인) 입자가 플라즈마를 가로질러 이동하고, 그들 자체를 박막으로서 웨이퍼 기재 상에 침착시킨다.
스퍼터링의 유효성을 지배하는 몇몇 중요한 파라미터들이 있다. 이들은 침착 및 타겟 수명 동안의 침착되는 박막의 균일성 및 반사율, 기재 상의 결함들의 개수(외래 입자), 침착률, 전류-전압(I-V) 특성을 포함한다.
스퍼터링에 의한 침착은 다양한 이유로 불균일할 수 있다. 플라즈마 밀도는 PVD 장비의 기하학적 구조에 의해 영향을 받을 수 있다. 자기장은 움직이고 있는 자석들 사이에서의, 또는 타겟에 대한 자석들의 관계에서의 변동으로 인해 불균일하게 변할 수 있다. 스퍼터링 챔버 내의 전자에 의해 취해지는 경로에 영향을 미치기 위해, 가스의 충돌률을 증가시키기 위해 그리고 더 양호한 스퍼터링률 및 침착되는 박막의 균일성을 달성하기 위해 타겟 배면 후방에 위치된 자석들의 최적 배열 및 회전 속도를 찾는 것은 난제일 수 있다. 일부 경우에, 타겟 상의 상이한 위치들에서의 온도 변동뿐만 아니라 타겟 재료의 그레인 크기(grain size) 및 텍스처가 또한 불균일한 침착을 초래할 수 있다.
일반적으로, 넓은 분포의 각도로 타겟 표면으로부터 원자들이 방출된다. 그러나, 다른 입자와의 충돌 및 가스 산란은 타겟과 웨이퍼 사이의 총 이동 거리에 대한 방출된 금속 원자의 작은 평균 경로로 인해 원자의 궤적(trajectory)을 랜덤화한다. 따라서, 충돌 횟수를 제한하고 랜덤화를 감소시키도록 낮은 압력(높은 진공)이 구현되었다.
불균일한 침착의 다른 원인은 타겟이 스퍼터링 동안에 침식됨에 따라 타겟 표면의 변화하는 형상에서 비롯된다. 이러한 침식 프로파일은 또한 자석 배열 및 이동에 의해 영향을 받을 수 있다. 수명 시작시의 종래의 타겟 설계는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 스퍼터링 타겟의 중심에서 평탄 표면 기하학적 구조를 포함한다. 박막 균일성을 개선하기 위해 타겟 수명을 연장시키기 위한 필요성이 존재한다.
이들 및 다른 필요성은 본 발명의 다양한 태양, 실시 형태, 및 구성에 의해 다루어진다.
본 발명의 실시 형태들은, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 원형 형상을 갖는 비-평탄 스퍼터링 표면을 구비하고 스퍼터링 재료를 포함하는 스퍼터링 타겟으로서, 중심축을 갖는 중심축 영역; 중심축 영역에 있는 오목 만곡 특징부(concave curvature feature)로서, 오목 만곡 특징부는 중심축과 일치하는 제1 점을 갖고 중심축을 중심으로 대칭으로 배치되며, 오목 만곡 특징부는 1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 이후의 그리고 중심축과 일치하는, 기준 스퍼터링 타겟의 침식 프로파일의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부에 대응하고, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하며, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면을 추가로 포함하는, 상기 오목 만곡 특징부를 포함하고, 중심축 영역은 제1 높이, 및 제1 기울기를 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면을 포함하는 돌출부(protuberance)를 포함하는, 1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 후의 마모 프로파일을 가지며, 기준 돌출 볼록 만곡 특징부는 제2 높이, 및 제2 기울기를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면을 포함하고, 돌출부는 기준 돌출 볼록 만곡 특징부에 비해 감소된 섀도잉(shadowing)을 갖는 스퍼터링된 타겟을 제공하며, 제1 높이는 제2 높이보다 작고, 제2 높이를 갖는 기준 돌출 볼록 만곡 특징부는 중심축을 향해 반경방향 내향으로 지향되는 궤적들을 갖고 타겟 상에 재침착되는 더 많은 스퍼터링된 원자들을 차단하며, 제1 기울기는 제2 기울기보다 덜 가파르고, 제2 기울기를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면은 중심축에 대해 반경방향 외향인 궤적들을 갖는 더 많은 스퍼터링된 원자들을 웨이퍼로부터 멀어지게 지향시키는, 스퍼터링 타겟을 포함한다.
단락 [0016]에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 제1 기울기와 제2 기울기 사이의 백분율 감소는 약 40% 이상인, 스퍼터링 타겟.
단락 [0016] 또는 단락 [0017]에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 제1 기울기와 제2 기울기 사이의 백분율 감소는 약 40% 내지 약 100%인, 스퍼터링 타겟.
단락 [0016] 내지 단락 [0018] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 중심축 영역은 중심축에서 총 타겟 두께를 추가로 포함하고, 총 타겟 두께는 침식 전의 평탄 스퍼터링 표면을 포함하는 기준 스퍼터링 타겟의 중심축에서의 총 타겟 두께보다 약 10% 내지 약 30% 더 작은, 스퍼터링 타겟.
단락 [0016] 내지 단락 [0019] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 총 타겟 두께는 기준 스퍼터링 타겟의 중심축에서의 총 타겟 두께보다 약 15% 내지 약 25% 더 작은, 스퍼터링 타겟.
단락 [0016] 내지 단락 [0020] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 스퍼터링 타겟은 주변 영역 내에 적어도 하나의 만입 홈(recessed groove)을 추가로 포함하는, 스퍼터링 타겟.
단락 [0016] 내지 단락 [0021] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 스퍼터링 재료는 Ti, Al, Cu, Ta, Ni, Co, Mo, Au, Ag, Pt, W, Cr, Ti 합금, Al 합금, Cu 합금, Ta 합금, Ni 합금, Co 합금, Mo 합금, Au 합금, Ag 합금, Pt 합금, W 합금, 및 Cr 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 스퍼터링 타겟.
단락 [0016] 내지 단락 [0022] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 타겟은 모놀리식(monolithic)인, 스퍼터링 타겟.
단락 [0016] 내지 단락 [0023] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 타겟은 확산 접합되는(diffusion bonded), 스퍼터링 타겟.
본 발명의 실시 형태들은 또한 스퍼터링 챔버 내에서 사용하기 위한 스퍼터링 타겟을 설계하는 방법으로서, 상기 방법은 스퍼터링 타겟의 중심축을 중심으로 대칭으로 오목 만곡 특징부를 갖는 표면 프로파일을 구비하는 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계; 1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 챔버 내에서의 스퍼터링 후 스퍼터링 타겟의 스퍼터링된 프로파일을 측정하는 단계; 스퍼터링 타겟의 중심축 영역에서 섀도잉을 감소시키기 위해, 스퍼터링된 프로파일의 측정들에 기초하여, 변경된(revised) 표면 프로파일을 설계하는 단계; 및 변경된 표면 프로파일을 갖는 변경된 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계를 포함하는, 방법을 포함한다.
단락 [0025]에 따른 방법으로서, 1000 kWhr 이상 동안의 사용 후에 기준 스퍼터링 타겟의 스퍼터링된 프로파일을 측정하는 단계를 추가로 포함하고, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하며, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면을 추가로 포함하고, 스퍼터링 타겟의 측정된 스퍼터링된 프로파일은 제1 기울기를 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면을 포함하며, 측정된 기준 스퍼터링 타겟은 제2 기울기를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면을 포함하고, 제1 기울기는 제2 기울기보다 덜 가파른, 방법.
단락 [0025] 또는 단락 [0026]에 따른 방법으로서, 제1 기울기와 제2 기울기 사이의 백분율 감소는 약 40% 이상인, 방법.
단락 [0025] 또는 단락 [0027]에 따른 방법으로서, 변경된 스퍼터링 타겟을 측정, 설계 및 형성하는 단계들이 반복되어 변경된 표면 프로파일을 최적화하는, 방법.
본 발명의 실시 형태들은, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 원형 형상을 갖는 비-평탄 스퍼터링 표면을 구비하는 스퍼터링 재료를 포함하는 스퍼터링 타겟으로서, 중심축을 갖는 중심축 영역으로서, 중심축 영역은 중심축과 일치하는 제1 점을 가지고 중심축을 중심으로 대칭으로 배치되는 적어도 하나의 비-돌출 오목 만곡 특징부를 포함하고, 적어도 하나의 비-돌출 오목 만곡 특징부는 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 이후의 그리고 중심축과 일치하는, 기준 스퍼터링 타겟의 침식 프로파일의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부에 대응하고, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하며, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면을 추가로 포함하는, 상기 중심축 영역; 중심축에 수직이고, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전의 기준 스퍼터링 타겟 평탄 스퍼터링 표면과 동일 선 상에 있는 선으로서, 제1 점은 상기 선으로부터 제1 축방향 거리에 있는, 상기 선; 중심축 영역 주위에 배치된 주변 영역으로서, 주변 영역은 상기 선과 일치하고 중심축으로부터 제1 반경방향 거리에 있는 제2 점을 포함하는, 상기 주변 영역을 포함하며, 중심축 영역은 중심축과 일치하고 상기 선으로부터 제2 축방향 거리에 있는 제3 점 및 중심축으로부터 제1 반경방향 거리에 그리고 상기 선으로부터의 제3 축방향 거리에 있는 제4 점을 갖는 돌출부를 포함하는, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 후의 마모 프로파일을 가지며, 제3 축방향 거리는 제1 축방향 거리 및 제2 축방향 거리 이상인, 스퍼터링 타겟을 포함한다.
단락 [0029]에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 기준 스퍼터링 타겟은 상기 선으로부터 제4 축방향 거리에서 중심축과 일치하는 제5 점을 포함하는, 사용 후의 마모 프로파일을 가지며, 제1 축방향 거리 및 제2 축방향 거리는 제4 축방향 거리보다 큰, 스퍼터링 타겟.
단락 [0029] 또는 단락 [0030]에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 돌출부는 제1 기울기를 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면을 포함하고, 기준 돌출 볼록 만곡 특징부는 제2 기울기를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면을 포함하며, 제1 기울기는 제2 기울기보다 덜 가파른, 스퍼터링 타겟.
단락 [0029] 내지 [0031] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 적어도 하나의 비-돌출 오목 만곡 특징부는 내측 원주방향 표면, 및 제1 점을 포함하는 저부 표면을 포함하는, 스퍼터링 타겟.
단락 [0029] 내지 [0032] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 저부 표면은 평평하거나 둥글거나 오목하거나 볼록한, 스퍼터링 타겟.
단락 [0029] 내지 [0033] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 스퍼터링 타겟은 총 타겟 반경 및 총 타겟 두께를 가지고, 제1 반경방향 거리는 총 타겟 반경에 대해 약 5% 내지 약 40%이고, 제1 축방향 거리는 총 타겟 두께의 약 5% 내지 약 50%인, 스퍼터링 타겟.
단락 [0029] 내지 [0034] 중 어느 한 단락에 따른 스퍼터링 타겟으로서, 스퍼터링 재료는 Ti, Al, Cu, Ta, Ni, Co, Mo, Au, Ag, Pt, W, Cr, Ti 합금, Al 합금, Cu 합금, Ta 합금, Ni 합금, Co 합금, Mo 합금, Au 합금, Ag 합금, Pt 합금, W 합금, 및 Cr 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는, 스퍼터링 타겟.
첨부 도면은 본 발명의 몇몇 예를 예시하기 위해 본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 형성한다. 이들 도면은, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께, 본 발명의 원리를 설명한다. 도면은 단순히 본 발명이 제조 및 사용될 수 있는 방법의 바람직한 그리고 대안적인 예들을 예시하며, 본 발명을 예시되고 기술된 예들만으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 추가의 특징들 및 이점들이, 아래에서 참조되는 도면들에 의해 예시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 태양, 실시 형태, 및 구성의 하기의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 물리 증착 장치(10)의 일부분을 예시하는 개략도.
도 2는 타겟 수명 시작(beginning of target life, BOL)시 및 타겟 수명 종료(end of target life, EOL)시에 도시된, 종래 기술에서와 같이 조준기(collimator)를 사용하는 시스템을 예시하는 개략도.
도 3은 약 2000 kWhr 사용 후의, 종래 기술의 스퍼터링 타겟의 표면 프로파일을 도시하는 도면.
도 4a는 본 발명의 실시 형태에 따른 타겟의 중심 영역에서 수정된(modified) 프로파일을 갖는 스퍼터링 타겟에 대한 BOL시의 프로파일을 도시하는 도면.
도 4b는 약 1500 kWhr 스퍼터링 사용 후의, 도 4a의 스퍼터링 타겟의 표면 프로파일을 도시하는 도면.
도 5는 1500 kWhr 사용 후의, 종래 기술의 스퍼터링 타겟의 표면 프로파일을 도시하는 도면.
도 6은 약 1500 kWhr 사용 후의, 중심 영역에서 수정된 프로파일을 갖는 스퍼터링 타겟의 표면 프로파일을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른, 수정된 중심축 영역을 포함하는 타겟을 형성하기 위한 방법을 예시하는 흐름도.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른, 수정된 프로파일을 갖는 스퍼터링 타겟을 예시하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 3950 kWhr 스퍼터링 사용 전후의, 도 8의 스퍼터링 타겟의 표면 프로파일을 예시하는 도면.
도 10a는 기준 타겟의 표면 프로파일과 도 8에 도시된 바와 같은 수정된 프로파일, 및 3000 kWhr 스퍼터링 사용 후의 동일한 것의 비교 표면 프로파일들을 도시하는 도면.
도 10b는 기준 타겟의 표면 프로파일과 도 8에 도시된 바와 같은 수정된 프로파일, 및 3500 kWhr 스퍼터링 사용 후의 동일한 것의 비교 표면 프로파일들을 도시하는 도면.
도 10c는 기준 타겟의 표면 프로파일과 도 8에 도시된 바와 같은 수정된 프로파일, 및 3950 kWhr 스퍼터링 사용 후의 동일한 것의 비교 표면 프로파일들을 도시하는 도면.
도 11a는 스퍼터링 사용 전의 본 발명의 실시 형태에 따른 개질된 프로파일 및 종래 기술의 프로파일을 갖는 스퍼터링 타겟들의 표면 프로파일들을 예시하는 도면.
도 11b는 3950 kWhr 스퍼터링 사용 전후의, 도 10a의 스퍼터링 타겟들의 표면 프로파일들을 예시하는 도면.
도 12a는 기준 타겟의 표면 프로파일과 도 11a에 도시된 바와 같은 수정된 프로파일, 및 3000 kWhr 스퍼터링 사용 후의 동일한 것의 비교 표면 프로파일들을 도시하는 도면.
도 12b는 기준 타겟의 표면 프로파일과 도 11a에 도시된 바와 같은 수정된 프로파일, 및 3500 kWhr 스퍼터링 사용 후의 동일한 것의 비교 표면 프로파일들을 도시하는 도면.
도 12c는 기준 타겟의 표면 프로파일과 도 11a에 도시된 바와 같은 수정된 프로파일, 및 3950 kWhr 스퍼터링 사용 후의 동일한 것의 비교 표면 프로파일들을 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수정된 프로파일 및 기준 프로파일을 갖는 스퍼터링 타겟을 예시하는 도면.
도 14는 1650 kWhr 및 1860 kWhr 스퍼터링 사용 후의, 도 13에 도시된 바와 같은 수정된 프로파일의 표면 프로파일들 및 1350 kWhr 스퍼터링 사용 후의 기준 프로파일을 도시하는 도면.
도 15는 본 발명의 실시 형태에 따른, 수정된 중심축 영역을 포함하는 타겟을 설계하기 위한 방법을 예시하는 흐름도.
물리 증착("PVD") 방법은 다양한 기재 위에 재료의 박막을 형성하기 위하여 널리 사용된다. 예를 들어, Al, Ti, Cu, Ta, Ni, Mo, Au, Ag, Pt 및 이들 원소의 합금을 포함하는 다양한 금속 및 합금이 PVD 기술을 사용하여 침착될 수 있다. 스퍼터 침착 또는 스퍼터링으로 알려진 한 가지 PVD 공정에서, 입자들이 플라즈마와 같은 가스 이온에 의한 충격(bombardment)에 의해 스퍼터링 타겟의 표면으로부터 방출된다. 따라서, 스퍼터링 타겟은 반도체 웨이퍼와 같은 기재 상에 침착되는 입자들을 위한 공급원이다. 타겟이 스퍼터링 사용 동안에 침식됨에 따라, 표면 기하학적 구조가 변경된다. 타겟 표면 기하학적 구조의 변화는 스퍼터링에 의해 균일한 박막을 침착시키는 데 어려움으로 이어지며, 그러한 마모는 타겟 수명을 제한한다.
이전에는, 균일한 박막의 침착 및/또는 연장된 타겟 수명과 관련된 문제가 다양한 방식으로 다루어져 왔다. 이들은 i) 특정 방출 각도를 갖는 소정 원자들만이 웨이퍼에 도달하게 하기 위해 타겟과 웨이퍼 사이의 거리의 증가; ii) 특정 궤적들을 갖는 원자들만을 선택하기 위해 조준기 또는 플럭스 최적화기(flux optimizer)로도 불리는 여과 장치의 사용; iii) 새로운 설계, 배열 및 이동을 갖는 자석의 사용; iv) 웨이퍼에서의 음전하의 생성을 가능하게 하고 금속 이온들이 웨이퍼 법선에 근접한 각도로 침착되게 강제하는, 웨이퍼에서의 RF 바이어스의 인가. 모든 상기 해결책은 제한을 갖는다. 예를 들어, 타겟 공급원과 기재 사이의 거리의 증가 또는 조준기의 사용은 덜 비효율적이며, 챔버 내에 또는 조준기의 벽 상에 부착된 방출된 원자들의 더 많은 낭비로 이어진다. 또한, 무선 주파수(RF) 바이어스의 적용은 웨이퍼 구성요소들에 전기 응력을 초래할 수 있다.
조준기 및/또는 새로운 자석 설계 및 이동을 사용하는 가장 최근의 시스템은 또한 문제에 직면한다. 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 종래 기술에서처럼 조준기를 사용하는 예의 경우, 수명에 걸쳐 박막 균일성의 감소(또는 동등하게 불균일성의 증가)가 있다. 전형적으로, 스퍼터링 타겟의 수명 시작(BOL)부터 수명 종료(EOL)까지, 침착은 에지에 비해 웨이퍼의 중심에서의 박화를 특징으로 한다. 이는 BOL에서의 타겟 중심(14a)부터 EOL에서의 타겟 중심(14b)까지에서의 타겟 침식 프로파일의 변화에 적어도 부분적으로 기인한다. 이는 조준기 벽(24)의 위치에 대한, 원자들이 수명에 걸쳐 스퍼터링 타겟으로부터 방출되는 방향에 영향을 미친다. 새로운 자석 설계 및 이동을 사용하는 예의 경우, I-V 스퍼터링 특성의 열화가 있다. 구체적으로 전압은 타겟 수명의 증가에 따라 2개의 경향을 따른다: i) 침식 타겟 프로파일과 자석 사이의 간격의 변화로 인한 전압의 증가; 사실상, 타겟 표면은 타겟 배면 부근에 위치된 자석에 평균적으로 더 가깝게 됨; ii) 더 깊은 또는 더 얕은 침식 홈을 갖는 타겟의 영역 아래에서의 인(in) 위치와 아웃(out) 위치 사이에서 자석이 이동함에 따라 야기되는 전압 변동의 증가. 수명이 증가함에 따라, 타겟 침식 프로파일은 덜 균일해지고, 이는 전압의 국소적 차이를 악화시킨다.
본 발명의 실시 형태는, 타겟 중심 프로파일을 다루고 타겟의 중심 영역에서 스퍼터링 타겟을 위한 새로운 기하학적 구조를 제안함으로써, 박막을 균일하게 침착시키는 문제를 다룬다. 본 발명에 따르면, 초기(즉, 스퍼터링 전) 타겟 표면이 타겟의 중심에서 전략적으로 수정된다. 전략적으로 수정된 타겟의 중심은 본 명세서에서 중심 영역, 중심축 영역, 수정된 중심축 영역, 및 중심축 영역을 포함하는 수정된 프로파일로서 상호 교환가능하게 지칭된다. 스퍼터링은 타겟 형상 및 표면 프로파일에 민감하다. 플라즈마 방전 부근에서의 전기장 분포는 타겟 형상 및/또는 표면 프로파일에 의존하는데, 그 이유는 타겟 프로파일이 공지의 전자기학 법칙들에 의해 기술되는 자기장 및 전기장에 대한 경계 조건을 나타내기 때문이다. 그 결과, 타겟 형상은 전자기장 선들의 국부적 강도 및 분포에 영향을 미칠 것이며, 전자기장 선들은 이어서 결국 방출된 원자들의 침착률 및 배향을 좌우한다.
또한, 스퍼터링 타겟과 전자기장 사이의 상호 영향 및 상호작용은, 재료가 침식되어 나감에 따라 타겟 표면의 프로파일이 변화하기 때문에, 타겟 수명 동안에 끊임없이 발생한다. 이는 전자기장의 국부적 강도의 계속 진행되는 재분포를 초래하고, 스퍼터링된 원자들의 방향의 변화를 야기한다.
스퍼터링 타겟의 수명에 걸쳐, 웨이퍼의 중심에 침착된 필름의 박화의 원인이 되는 메커니즘이, 사용 동안에 국소적으로 매우 적게 침식되었고 중심에서의 낮은 스퍼터링률에 대응하는 타겟의 중심에 적어도 부분적으로 영향을 받는다는 것이 발견되었다. 결과적으로, 25.4 mm(1 인치)의 두께 및 221 mm(8.7 인치)의 반경을 갖는 종래의 평탄(즉, 평평 또는 비-프로파일형(non-profiled) 표면) 300 mm 타겟은 중심에서 거의 동일한 높이를 보유하는 반면, 중심 부근의 그러나 전형적으로 중심으로부터 약 25 내지 약 50 mm(1 내지 2 인치) 이상 떨어져 있는 주변 영역에서의 침식은 전형적으로 높으며, 수명 종료에서 타겟에 깊게 침식된 홈을 초래한다. 예를 들어, 깊이가 약 7.6 mm 내지 약 12.7 mm(0.3 내지 0.5 인치)인 홈이 수명 종료시에 존재할 수 있다. 초기에 평평한 또는 평탄한 표면을 갖는 300 mm 스퍼터링 타겟의 예시적인 수명 종료시 침식 프로파일(26)이 도 3에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 타겟의 마모 프로파일로도 지칭되는 침식 프로파일(26)은 약 2000 kWhr 사용 후에 중심 영역(28)에서 현저한 돌출부(험프(hump) 또는 범프(bump)로도 지칭됨)(30)를 갖는다. 중심 영역(28)은 약 50 mm(2 인치)의 반경을 갖는다. 본 명세서에서 300 mm 타겟은 타겟이 상부로 스퍼터링되는 웨이퍼 크기를 지칭한다.
돌출부(30)는 타겟의 수명 전체에 걸쳐 발달한다. 약 10 mm(0.4 인치) 또는 원래의 타겟 두께의 약 40%를 갖는 중심 범프(30)는 스퍼터링 동안에 적어도 일부의 원자, 예를 들어 제1 세트의 화살표(32)들로 나타내어지는 궤적을 갖는 것들을 불리하게 차단하는데, 그 이유는 그들의 궤적이 중심 프로파일을 가로지르기 때문이다. 이는 타겟의 중심 영역에의 원자들의 바람직하지 않은 재침착을 초래한다. 침식 홈의 저부(36) 또는 측부(38)에 대응하는, 돌출부(30)에 인접한 주변 영역으로부터 내보내진 그들 원자가 가장 영향을 받는다.
중심 범프(30)가 침식에 의해 형성됨에 따라, 중심 범프(30)의 기울기(40)는 도 3의 침식 프로파일(26)에 예시된 바와 같이 추가의 스퍼터링 사용에 의해 가파름(steepness)이 증가한다. 결과적으로, 제2 세트의 화살표(34)들에 의해 나타내어지는 적어도 일부의 원자는, 중심 영역 내의 원래의 평탄 타겟 표면으로부터 있을 웨이퍼를 향하는 방향으로라기보다는, 축(42)으로부터 멀어지는 방향으로 스퍼터링된다. 따라서, 원래의 타겟 표면으로부터 웨이퍼 중심 영역에 도달해야 하는 제2 세트의 화살표(34)들의 방향으로 이동하는 원자들이 이제 웨이퍼 기재의 측부를 향해 스퍼터링된다. 궤적(32, 34)들은 스퍼터링에서 바람직하지 않다.
또한, 타겟 표면과 조준기 사이의 국소적인 기하학적 관계 및 간격은, 타겟 수명 시작시의 타겟 표면(16a) 및 타겟 수명 종료시의 표면(16b)을 보여주는 도 2를 다시 참조하면, 침식에서의 국소 최대치와 국소 최소치 사이에 가장 큰 차이를 갖는 프로파일의 영역들에서 가장 많이 변화한다. 이러한 차이는 중심 범프 부근에서 가장 높으며, 수명 시작과 수명 종료 사이에서 스퍼터링 방향의 변화를 갖는 더 많은 원자들을 생성하며; 그 결과, 보다 큰 비율의 원자들이 도 2에 도시된 바와 같이 조준기(24)의 중심 부분(25)에서 포획되는 것으로 관찰된다. 따라서, 조준기에 의해 포획되고 조준기 벽에 부착되는 적어도 그들 원자는 웨이퍼에 도달하지 않고 웨이퍼 박화의 원인이 된다.
웨이퍼 박화의 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 적어도 일부 실시 형태는 타겟의 중심 영역의 프로파일을 수정한다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 타겟은, a) 수명 종료시의 비교 침식 프로파일의 중심 범프가 높이가 더 작고, b) 수명 종료시의 중심 범프의 양측의 기울기가 기준 타겟과 비교하여 가파른 것이 아닌 방식으로, 중심 영역에서 수정된다. 적어도 일부 실시 형태에서, 이는 도 4a의 타겟 프로파일(100)의 중심 부분에서, 본 명세서에서 상호 교환가능하게 "오목 만곡부" 또는 "오목 특징부"로도 지칭되는 공동(cavity)(150)을 제조함으로써 달성된다. 프로파일(60)은 동일한 타겟 재료로 제조되지만 중심 영역에서 평탄 프로파일을 갖는 기준 프로파일이다. 수정된 타겟 프로파일(100) 및 기준 타겟 프로파일(60)이 도시된 바와 같이 중심 부분에서 상이하지만, 나머지 부분에서, 즉 약 ± 58.4 mm(약 2.3 인치)를 초과하는 반경방향 거리에서 중첩하거나 일치한다는 것에 주목한다. 25.4 mm(1 인치) 두께의 타겟의 경우, 공동을 위한 깊이(d1)는 약 1.3 mm 내지 약 12.7 mm(약 0.050 인치 내지 약 0.5 인치) 사이에서 변할 수 있다. 다시 말하면, 공동 깊이는 총 타겟 두께의 약 5% 내지 약 50%, 또는 총 타겟 두께의 약 10% 내지 약 30%, 또는 총 타겟 두께의 약 15% 내지 약 20%일 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서, 공동(150)은 4.6 mm(약 0.18 인치)의 최대 깊이(d1)를 갖는다. 중심 부분이 수정되는 경우에서의 절대값으로의 반경은 특정 초기 타겟 프로파일, 타겟 공급원 재료, 및 치수에 좌우된다. 전형적으로, 수정된 중심 영역은 221 mm(8.7 인치)의 전체 타겟 반경을 갖는 타겟을 위해 약 1.27 mm 내지 최대 약 89 mm(약 0.050 인치 내지 최대 약 3.50 인치)의 범위의 반경을 포함한다. 도 4a에서, 중심 타겟 프로파일이 변경된 최대 반경(rmax)은 예를 들어 약 58.4 mm(약 2.3 인치)이다. 다시 말하면, 공동 반경은 총 타겟 반경에 대해 5% 내지 약 40%, 또는 총 타겟 반경에 대해 20% 내지 약 30%, 또는 총 타겟 반경에 대해 약 23% 내지 약 27%일 수 있다. 공동의 특정 프로파일은 변할 수 있지만, 도 4b에 도시된 바와 같은 수명 종료시에서의 침식 프로파일의 중심 형상에 의해 주로 결정된다.
도 4b는 본 발명의 실시 형태에 따른, 약 1500 kWhr 스퍼터링 사용 후의, 도 4a의 프로파일(100)에 대응하는 수정된 프로파일(110)을 예시한다. 1500 kWhr 후의 프로파일(110)은, 통상적인 타겟의 경우에 약 2000 kWhr인 수명 종료 부근에 대응한다. 비교를 위해, (초기에 평탄 중심 프로파일(60)을 갖는) 기준 타겟을 위한 프로파일(70)이 도 4b에 도시되어 있다. 특히, 프로파일(110)은, 프로파일(110)의 돌출부(120)가 폭 및 높이 둘 모두에서 기준 프로파일(70)의 돌출부(80)보다 상당히 덜 현저한 중심 영역을 제외하고는, 1500 kWhr 후의 기준 프로파일(70)과 유사하다.
1500 kWhr 사용 후의 스퍼터링된 원자들의 궤적에 관한, 도 4a의 수정된 프로파일(100)을 사용하는 것의 이득이 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 사용 후의 기준 타겟 프로파일이 비교를 위해 도 5에 예시되어 있다. 1500 kWhr 후의 종래 기술의 기준 타겟 프로파일(70)에 대해 도 5에 도시된 바와 같이, 도 3에 대해 유사하게 논의된 바와 같이, (웨이퍼의 측부들로 지연적으로 향하는) 웨이퍼의 중심 영역으로부터 멀어지게 지향되는 원자들 및 재침착된 원자들을 비롯한 원자들은 화살표(32, 34)들에 의해 나타내어진 바와 같은 문제가 있는 궤적들을 포함한다. 이는 타겟의 중심 영역으로부터 웨이퍼의 중심 영역으로 원자들을 안내할 원하는 궤적을 차단하는 현저한 돌출부(80)로 인한 것이다. 대조적으로, 도 6은 1500 kWhr 후의 수정된 프로파일(110)을 도시하며, 여기서 높이 및 폭 둘 모두에서 더 작은 돌출부(120)는 화살표(62, 64)들에 의해 나타내어지는 바와 같이 원하는 궤적들을 차단하지 않아, 타겟의 중심 영역으로부터의 스퍼터링된 원자들이 웨이퍼의 중심 영역으로 지향되도록 한다. 다시 말하면, (도 4a에 도시된 바와 같이) 중심 영역 내에 배치된 공동(150)을 포함하는 수정된 프로파일(100)은 타겟 수명이 진행됨에 따라 중심의 스퍼터링된 원자들의 궤적에 관한 2가지 유익한 효과를 제공한다: (a) (도 4b 및 도 5의) 기준 돌출부(80)와 비교할 때 범프(120)가 높고 넓은 것이 아니기 때문에 (도 4b 및 도 6의) 중심 범프(120)에 의해 더 적은 원자들이 그들의 궤적에서 방해되어, 웨이퍼의 중심에 도달할 가능성이 더 높은 더 많은 개수의 원자들을 초래한다; 그리고 (b) 중심 범프(120)의 형상은 스퍼터링된 원자들의 전체 분포 및 그들의 궤적의 각도 방향을 변화시키는데, 다시 말하면, 범프 영역(120)을 떠나는 스퍼터링된 원자들은 중심 범프의 각각의 측부에서의 덜 가파른 기울기로 인해 웨이퍼의 중심을 향해 더욱 지향되어, 중심 원자들의 더욱 수직으로 배향된 배출을 초래하고, 플럭스 조준기를 통과하는 중심 원자들의 더 높은 비율로 이어진다. 이들 효과 둘 모두는 중심에서의 웨이퍼 박화를 감소시키고 웨이퍼 상으로의 보다 균일한 침착을 촉진하여, 수명 종료시의 개선된 웨이퍼 필름 균일성으로 이어진다.
도 4a, 도 4b 및 도 6을 다시 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 비-평탄 스퍼터링 표면을 갖는 스퍼터링 재료를 포함한다. 비-평탄 스퍼터링 표면은 원형 형상을 가지며, 중심축(42)을 갖는 중심축 영역(152)을 포함한다. 중심축 영역(152)은 중심축(42)을 중심으로 대칭으로 배치되고 중심축과 일치하는 제1 점(점 1)을 갖는 적어도 하나의 비-돌출 오목 만곡 특징부(150)를 포함한다. 적어도 하나의 비-돌출 오목 만곡 특징부(150)는 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 이후의 그리고 중심축(42)과 일치하는, 기준 스퍼터링 타겟의 침식 프로파일(70)의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부(72)에 대응하고, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하며, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면(60)을 추가로 포함한다. 선(35)은 중심축(42)에 수직이고, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전의 기준 스퍼터링 타겟 평탄 스퍼터링 표면(60)과 동일 선 상에 있다. 점 1은 선(35)으로부터 제1 축방향 거리(44)에 있다. 주변 영역(155)이 중심축 영역(152) 주위에 배치되는데, 다시 말하면 주변 영역은 중심축(42)으로부터 더 멀리 있고 중심축 영역(152)과 중첩되지 않는다. 주변 영역(155)은 선(35)과 일치하고 중심축(42)으로부터 제1 반경방향 거리(156)에 있는 제2 점(점 2)을 포함한다. 중심축 영역(152)은 중심축(42)과 일치하고 선(35)으로부터 제2 축방향 거리(46)에 있는 제3 점(점 3) 및 중심축(42)으로부터 제1 반경방향 거리(156)에 그리고 선(35)으로부터의 제3 축방향 거리(48)에 있는 제4 점(점 4)을 갖는 돌출부(115)를 포함하는, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 후의 마모 프로파일(110)을 가지며, 여기서 제3 축방향 거리(48)는 제1 축방향 거리(44) 및 제2 축방향 거리(46) 이상이다.
사용 후의 마모 프로파일(70)을 갖는 기준 스퍼터링 타겟은 선(35)으로부터의 제4 축방향 거리(50)에서 중심축(42)과 일치하는 제5 점(점 5)을 포함하며, 여기서 제1 축방향 거리(44) 및 제2 축방향 거리(46)는 제4 축방향 거리(50)보다 크다. 돌출부(115)는 기울기 m 1 을 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면(118)을 포함하고, 침식 후의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부(72)는 기울기 m 2 를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면(78)을 포함하며, m 1 은 m 2 보다 덜 가파르다. 본 발명의 적어도 일부 실시 형태에서, 비-돌출 오목 만곡 특징부(150)는 내측 원주방향 표면(145), 및 점 1을 포함하는 저부 표면(148)을 포함한다. 저부 표면(148)은 평평할 수 있다. 대안적으로, 저부 표면(148)은 둥글거나 오목하거나 볼록할 수 있다. 다른 예에서, 저부 표면(148)은 뾰족하거나 각질 수 있다(도시되지 않음).
스퍼터링 타겟의 비-돌출 오목 만곡 특징부(150)는 총 타겟 반경 및 총 타겟 두께를 갖는다. 비-돌출 오목 만곡 특징부의 형상 및 치수는 변할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 반경방향 거리(156)는 총 타겟 반경에 대해 약 5% 내지 약 40%이고, 제1 축방향 거리(44)는 총 타겟 두께의 약 5% 내지 약 50%이다. 다른 실시 형태에서, 제1 반경방향 거리(156)는 총 타겟 반경에 대해 약 20% 내지 약 30%이고, 제1 축방향 거리(44)는 총 타겟 두께의 약 10% 내지 약 30%이다. 또 다른 실시 형태에서, 제1 반경방향 거리(156)는 총 타겟 반경에 대해 약 23% 내지 약 27%이고, 제1 축방향 거리(44)는 총 타겟 두께의 약 15% 내지 약 20%이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 스퍼터링 타겟은 주변 영역 내의 적어도 하나의 만입 홈, 예를 들어 도 4a에 도시된 바와 같은 홈(82 및/또는 84)을 추가로 포함할 수 있다. 주변 영역은 타겟의 반경방향 에지(86)에 도달하는, 중심축 영역(152) 사이의 영역을 포함할 수 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 6을 다시 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 재료를 포함하고 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 비-평탄 스퍼터링 표면을 가지며, 비-평탄 스퍼터링 표면은 중심축(42)을 갖는 중심축 영역(152)을 포함하고 원형 형상을 갖는다. 중심축 영역(152)은 중심축(42)을 중심으로 대칭으로 배치되고 중심축(42)과 일치하는 제1 점(점 1)을 갖는 오목 만곡 특징부(150)를 포함한다. 오목 만곡 특징부(150)는 1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 이후의 그리고 중심축(42)과 일치하는, 기준 스퍼터링 타겟의 침식 프로파일(70)의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부(72)에 대응하고, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하며, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면(60)을 추가로 포함한다. 중심축 영역(152)은 돌출부(115)를 포함하는, 적어도 1000 kWhr 동안의 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 후의 마모 프로파일(110)을 갖는다. 돌출부(115)는 거리(46)보다 작은 거리(48)로서 도 4b에 도시된 제1 높이를 포함한다. 돌출부(115)는 제1 기울기(m1)를 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면(118)을 추가로 포함한다. 기준 돌출 볼록 만곡 특징부(72)는 거리(50)보다 작은 거리(48)로서 도 4b에 도시된 제2 높이를 포함한다. 기준 돌출 볼록 만곡 특징부(72)는 제2 기울기(m2)를 갖는 제2 외측 원주 방향 마모 표면(78)을 추가로 포함한다. 돌출부(115)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 기준 돌출 볼록 만곡 특징부(72)에 비해 감소된 섀도잉을 갖는 스퍼터링된 타겟을 제공한다. 제1 높이(도 4b 상에서, 거리(48)에서 거리(46)를 감함)는 제2 높이(도 4b 상에서, 거리(48)에서 거리(50)를 감함)보다 작은데, 그 이유는 제2 높이를 갖는 기준 돌출 볼록 만곡 특징부(72)가 중심축(42)을 향해 반경방향 내향으로 지향되는 궤도들을 갖고 타겟 상에 재침착되는 더 많은 스퍼터링된 원자들을 차단하기 때문이다. 또한 도시된 바와 같이, 제1 기울기(m1)는 제2 기울기(m2)보다 덜 가파라서, 제2 외측 원주방향 마모 표면(78)이 중심축(42)에 대해 반경방향 외향인 궤적들을 갖는 더 많은 스퍼터링된 원자들을 웨이퍼로부터 멀어지게 지향시킨다. 스퍼터링 재료는 Ti, Al, Cu, Ta, Ni, Co, Mo, Au, Ag, Pt, W, Cr, Ti 합금, Al 합금, Cu 합금, Ta 합금, Ni 합금, Co 합금, Mo 합금, Au 합금, Ag 합금, Pt 합금, W 합금, 및 Cr 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 타겟은 당업계에 공지된 바와 같이 모놀리식이다. 다른 실시 형태에서, 타겟은 당업계에 알려진 바와 같이 확산 접합된다. 본 발명의 실시 형태들 중 적어도 일부에서, 본 개시 내용의 본 발명의 타겟의 외측 원주방향 마모 표면의 기울기(예컨대, 도 4b에서와 같은 제1 기울기(m1))와 기준 타겟의 외측 원주방향 표면의 기울기(예컨대, 도 4b에서와 같은 제2 기울기(m2)) 사이의 백분율 감소는 약 40% 이상이다. 다른 실시 형태에서, 본 개시 내용의 본 발명의 타겟의 외측 원주방향 마모 표면의 기울기와 기준 타겟의 외측 원주방향 표면의 기울기 사이의 백분율 감소는 약 45% 이상, 또는 약 50% 이상, 또는 약 55% 이상, 또는 약 60% 이상, 또는 약 65% 이상, 또는 약 70% 이상, 또는 약 75% 이상, 또는 약 80% 이상, 또는 약 85% 이상, 또는 약 90% 이상, 또는 약 95% 이상이다. 적어도 일부 실시 형태에서, 제1 기울기와 제2 기울기 사이의 백분율 감소는 약 40% 내지 약 100%이다. 본 발명의 이들 및 다른 실시 형태에서, 중심축 영역(152)은, 중심축 영역에서 평탄 표면을 갖는 기준 타겟의 총 타겟 두께(tT)보다 작은, 거리(tT)에서 거리(44)를 감한 것으로서 도 4a에 도시된, 스퍼터링 사용 전의 타겟의 중심축 영역(150)에서의 중심축(42)에서의 총 타겟 두께를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 본 발명의 타겟의 총 타겟 두께는 침식 전의 평탄 스퍼터링 표면을 포함하는 기준 스퍼터링 타겟의 중심축에서의 총 타겟 두께보다 약 10% 내지 약 30% 더 작다. 다른 실시 형태에서, 총 타겟 두께는 기준 스퍼터링 타겟의 중심축에서의 총 타겟 두께보다 약 15% 내지 약 25% 더 작다. 또 다른 실시 형태에서, 총 타겟 두께는 기준 스퍼터링 타겟의 중심축에서의 총 타겟 두께보다 약 18% 내지 약 22% 더 작다. 일부 실시 형태에서, 스퍼터링 타겟은 주변 영역(155) 내에 적어도 하나의 만입 홈을 추가로 포함한다.
본 발명의 적어도 일부 실시 형태는 수정된 중심축 영역을 포함하는 타겟을 형성하기 위한 도 7의 흐름도에 예시된 방법을 포함한다. 본 방법은 원하는 바에 따라 특정 타겟 구성 및 공급원 재료에 맞춤될 수 있다. 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 원형 형상을 갖는 비-평탄 스퍼터링 표면을 구비하는 스퍼터링 재료를 포함하는 스퍼터링 타겟을 제조하는 방법은 도 7에 도시된 바와 같은 단계들을 포함한다. 단계(1000)에서, 중심축 영역을 갖는 타겟이 형성된다. 중심축 영역은 중심축과 일치하는 제1 점(도 4a의 점 1)을 갖고 중심축을 중심으로 대칭으로 배치되는 비-돌출 오목 만곡 특징부를 포함하는데, 여기서 적어도 하나의 비-돌출 오목 만곡 특징부는, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 이후의 그리고 중심축과 일치하는 기준 스퍼터링 타겟의 침식 프로파일의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부에 대응한다. 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하고, 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면을 추가로 포함한다. 제1 점은, 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 기준 스퍼터링 타겟 평탄 스퍼터링 표면과 동일 선 상에 있고 중심축에 직각인 선으로부터, 제1 축방향 거리에 있다. 단계(1010)는 중심축 영역 주위에 배치된 주변 영역을 형성하는 단계를 포함하고, 주변 영역은 상기 선과 일치하고 중심축으로부터 제1 반경방향 거리에 있는 제2 점(도 4a의 점 2)을 포함한다. 본 방법은 제1 축방향 거리 및 제1 반경방향 거리를 최적화하는 단계를 추가로 포함한다. 단계(1020)에서, 기준 스퍼터링 타겟의 대응하는 중심축 영역 및 대응하는 주변 영역에 대한 침식률이 측정된다. 다시 말하면, 프로파일을 따른 다양한 반경에서의 생명에 걸친 침식률이, 타겟의 전체 수명에 걸쳐 기준 타겟을 스퍼터링함으로써 실험적으로 측정 및 기록된다. 적어도 일부 실시 형태에서, 측정치는 타겟 표면의 에지로부터 에지까지 약 2.54 mm(0.100 인치) 증분으로 취해진다. 단계(1020)에서, 임의의 잠재적인 새로운 후보 프로파일의 수명에 걸친 침식률이 종래 기술의 타겟과 유사한 것으로 가정된다. 이러한 가정은, 특히 대부분의 타겟 설계에 대해 스퍼터링이 낮은 타겟의 중심 영역에 대하여, 일급으로 허용가능한 것으로 유지된다. 잠재적인 새로운 후보 타겟 및 기준 타겟은 동일한 재료 또는 합금으로 제조된다. 단계(1030)는 단계(1020)에서 결정된 바와 같은 상기 침식률에 기초하여 비-돌출 오목 만곡 특징부에 대한 수명 종료시의 침식 프로파일을 계산하는 단계를 포함한다. 단계(1030)에서와 같은 계산하는 단계는 단계(1040)에서와 같이 프로파일 데이터 세트를 생성하기 위해 복수의 비-돌출 오목 특징부 후보에 대한 수명 종료시의 복수의 침식 프로파일을 계산하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 단계(1050)에서와 같이 프로파일 데이터 세트에 기초하여 복수의 비-돌출 오목 특징부 후보로부터 선택되는 바와 같은 최선의 후보가 사용되어, 단계(1060)에서와 같이 중심축과 일치하는 점을 포함하는 오목 특징부를 갖는 최적화된 타겟 중심축 영역을 형성한다. 본 방법의 실시 형태에 따르면, 스퍼터링 타겟은 총 타겟 반경 및 총 타겟 두께를 가질 수 있고, 여기서 제1 반경방향 거리는 총 타겟 반경에 대해 약 5% 내지 약 40%이고, 제1 축방향 거리는 총 타겟 두께의 약 5% 내지 약 50%이다. 다른 실시 형태에서, 제1 반경방향 거리는 총 타겟 반경에 대해 약 20% 내지 약 30%이고, 제1 축방향 거리는 총 타겟 두께의 약 10% 내지 약 30%이다. 또 다른 실시 형태에서, 제1 반경방향 거리는 총 타겟 반경에 대해 약 23% 내지 약 27%이고, 제1 축방향 거리는 총 타겟 두께의 약 15% 내지 약 20%이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 스퍼터링 타겟에 적합한 재료는 순수한 원소 및 합금을 포함한다. 예를 들어, 스퍼터링 타겟을 위한 적합한 스퍼터링 재료는 Ti, Al, Cu, Ta, Ni, Co, Mo, Au, Ag, Pt, W, Cr, Ti 합금, Al 합금, Cu 합금, Ta 합금, Ni 합금, Co 합금, Mo 합금, Au 합금, Ag 합금, Pt 합금, W 합금, 및 Cr 합금으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 원소 Ti, Al, Cu, Ta, Ni, Co, Mo, Au, Ag, Pt, W 및 Cr로부터 선택된 재료와 같은 단일 원소로 제조된 타겟에 대해, 스퍼터링 타겟은 순수하거나 실질적으로 순수하다. 실질적으로 순수는 거의 순수하거나 99.9 중량% 이상의 원소 함량을 의미한다. 예를 들어, 스퍼터링 타겟을 위한 적합한 스퍼터링 재료는 Ti, Al, Cu, Ta, Ni, Co, Mo, Au, Ag, Pt, W, 및 Cr로부터 선택된 적어도 하나의 실질적으로 순수한 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료는 합금이다. 합금은 주기율표로부터 적어도 하나의 다른 원소와 혼합된 주 원소를 포함하며, 여기서 스퍼터링 재료는 주 원소가 혼합되는 하나 이상의 원소보다 더 많은 양의 주 원소를 함유한다. 표준 명명 규약에 따라, 합금은 주 원소의 합금으로 언급될 수 있다. 예를 들어, 주 원소가 Al인 합금은 Al 합금으로서 언급된다. 스퍼터링 타겟에 적합한 스퍼터링 재료는 Ti, Al, Cu, Ta, Ni, Co, Mo, Au, Ag, Pt, W, 및 Cr로부터 선택된 적어도 하나의 주 원소를 포함할 수 있다. 그러한 재료는 Ti 합금, Al 합금, Cu 합금, Ta 합금, Ni 합금, Co 합금, Mo 합금, Au 합금, Ag 합금, Pt 합금, W 합금, 및 Cr 합금으로 각각 지칭될 수 있다.
단계(1020)에서, 후보 설계들을 나타내는 중심 영역에서의 복수의 다양한 프로파일이 설계된다. 단계(1020)는 단계 1000에서 결정된 바와 같은 사용 시간의 함수로서의 침식률의 실험 측정치들에 의해 결정되는 바와 같은 기준 타겟의 대응하는 복수의 수명 단계에 대한 기준 계산을 사용하여, 복수의 다양한 프로파일에 대한 (kWhr 단위의 사용 시간과 계속 관련되는) 복수의 수명 단계들에서 후보 설계들의 중심 영역에서의 프로파일을 예측하는 단계를 추가로 포함한다. 단계(1030)에서, 후보 설계들의 수명에 걸친 예측된 프로파일들이 평가되고, 최선 후보 설계는 수명 종료를 향한 프로파일의 중심 부분의 치수 및 형상에 기초하여 선택된다. 게다가, 단계(1040)는 선택적으로 타겟 중심에서의 스퍼터링된 원자들의 각도 분포를 확인하기 위해 국소 전자기장과 타겟 표면 사이의 상호작용의 모델링을 포함한다.
유리하게는 그리고 본 발명의 적어도 일부예에 따르면, 중심 영역 공동을 갖는 수정된 프로파일은 모놀리식 타겟 설계 또는 확산 접합된 타겟 설계와 함께 유용하다.
일부 실시 형태에서, 본 발명에 따른 비-돌출 오목 만곡 특징부를 포함하는 스퍼터링 타겟은 모놀리식이다. 다시 말하면, 중심 영역 공동을 갖는 스퍼터링 타겟은 하나의 단일의 단편(piece)으로부터 형성될 수 있다. 이들 타겟은 본 명세서에서 모놀리식 및/또는 모노블록 조립체로 상호 교환가능하게 지칭된다. 단일 재료로 구성되는 모놀리식 설계는 스퍼터링 타겟 내의 전압 변동을 포함한 전자기 특성의 더 양호한 제어를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시 형태에서, 스퍼터링 타겟들이 예를 들어 확산 접합에 의해 배킹 플레이트에 결합되거나 부착된다. 본 발명의 적어도 일부 실시 형태는 타겟이 확산 접합된 것을 포함한다. 스퍼터링 타겟은 배킹 플레이트를 추가로 포함할 수 있다. 확산 접합된 타겟과 같이 배킹 플레이트의 사용은 스퍼터링 공정 동안 스퍼터링 타겟을 위한 지지를 제공하여, 예를 들어 타겟의 수명에 걸쳐 스퍼터링 타겟의 뒤틀림을 유리하게 감소시킬 수 있다. 스퍼터링 타겟을 배킹 플레이트에 부착하는 방법의 하나의 비제한적인 예는 열간 등압 프레싱(hot isotactic pressing)("힙핑"(HIPing or hipping))이다. 힙핑은 스퍼터링 타겟과 배킹 플레이트를 힙핑 온도로 가열한 후에 함께 가압함으로써 스퍼터링 타겟을 배킹 플레이트에 확산 접합하는 데 사용될 수 있다. Ti로 제조된 타겟은 중심 영역 공동을 갖는 확산 접합된 타겟의 예이다. 확산 접합된 설계의 경우에, 배킹 플레이트 재료는 코어 타겟 재료와 상이하며, 따라서 상이한 전자기 및 다른 물리적 특성들, 예를 들어 CTE, 전기 저항률 및 열전도율을 가질 수 있다. 코어와 배킹 플레이트 재료들 사이의 이들 차이는 국소 전압 차이를 악화시킬 수 있다. 따라서, 배킹 플레이트 선택은 전자기 및 물리적 특성들을 고려하여 주의 깊게 취해져, 타겟 코어 재료의 전자기 및 물리적 특성들을 보완하여야 한다. 전형적으로, 확산 접합된 설계에서의 침식 동안의 국부적인 변동을 제어하고 예측하는 것은 모놀리식 설계와 비교하여 더욱 어렵다. 스퍼터링 타겟은 홈-형성된 플랜지를 포함하는 배킹 플레이트를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 홈-형성된 플랜지는 예를 들어 냉각을 제공하도록 추가로 만입될 수 있다.
모놀리식 설계 및 배킹 플레이트 설계 둘 모두에 대해, 타겟 재료는 타겟의 강도를 향상시키기 위해, 예를 들어 열-기계(thermo-mechanical, TMP) 공정으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 그레인 크기가 클 때(전형적으로 30 내지 100 마이크로미터) 낮은 강도를 갖는 Al, Al 합금, Cu 및 Cu 합금은 TMP 공정으로 처리되어 재료의 강도를 증가시킬 수 있다.
하나의 특히 효과적인 TMP 공정은 등통로각 압출(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE)이며, 그 기술들이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제5,850,755호, 미국 특허 제7,191,630호 및 미국 특허 제7,767,043호에 개시되어 있다. 본 발명의 적어도 일부 실시 형태에 따르면, ECAE는 유리하게는 금속 및 합금의 벌크 단편에서 심각한 소성 변형을 부여하고 이들 재료에 추가의 강도를 제공하는 데 유리하게 사용될 수 있다. ECAE는 압출 기술이며, 이는 약 90° 내지 약 140°의 범위인 소정 각도에서 만나는 대략 동일한 단면의 2개의 채널로 이루어진다. 일 실시 형태에서, 각도는 90°이다. 빌렛(billet) 및 벽의 양호한 윤활을 제공하는 조건 하에서, 균일한 간단한 전단 변형이 2개의 채널 사이의 교차 평면에서 층별로 일어난다. ECAE의 주 공정 특성들은 하기이다: (i) 통과(pass)당 높은 변형(90°에서, 진변형률(true strain)은 1.17 임); (ii) 다중 통과 ECAE는 각각의 통과 후에 빌렛의 형상 및 체적을 변경함이 없이 극단적인 수준의 변형에 도달할 수 있음; (ii) 각각의 통과 사이의 빌렛의 회전 또는 플리핑(flipping)이 그레인 형상 및 결정학적 텍스처를 제어하기 위한 다양한 변형률 경로를 달성할 수 있음. ECAE 동안 강화를 위한 2개의 주 메커니즘이 본 명세서에서 기술된다. 첫째로, 구조 단위, 예를 들어 셀(cell), 서브그레인(sub-grain) 및 그레인의 서브미크론(submicron) 수준으로의 세분(refinement). 이는 또한 홀 페치 강화(Hall Petch strengthening)로 지칭된다:
상기 식에서, σ y 는 항복 응력이고, σ o 는 전위 이동(dislocation movement)에 대한 시작 응력(또는 전위 운동에 대한 격자의 저항)에 대한 재료 상수이고, k y 는 강화 계수(각각의 재료에 특이적인 상수)이고, d는 평균 그레인 직경이다. 이 식에 기초하면, 강화는 그레인 직경(d)이 1 마이크로미터 미만일 때 특히 효과적이다. ECAE 동안 강화하기 위한 제2 주 메커니즘은 높은 변형률로 인한 셀, 서브그레인, 및 그레인 내의 복수의 전위의 존재이다.
재료에 강도를 부여하기 위한 다른 효과적인 TMP 공정은 재결정화 열처리 단계 후에 재료에서 수행되는 압연(rolling), 인발(drawing), 압출 또는 단조(forging)와 같은 통상적인 방법에 의한 경질화(hardening) 단계를 포함한다. 본 발명의 일부 실시 형태에서, 경질화는 약 30 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 범위인 평균 그레인 크기를 갖는 중심 영역 공동을 구비하는 타겟을 생성하고; 그러한 타겟은 Al 합금 및 Cu 합금을 포함하며, 실제로 달성가능한 강도는 낮은 강도의 완전히 재결정화된 재료와 고강도 서브미크론 ECAE 재료 사이의 중간 범위에 있다. 일부 Al 및 특히 Cu 합금뿐만 아니라 Ti, Ta, Co, Cr, W, Ni와 같은 더 경질인 재료의 경우, 일정 해결책이 모놀리식 설계를 위해 충분한 강도를 제공할 수 있다.
일반적으로, 예를 들어 ECAE를 통해 얻어지는 것과 같은 고강도 재료는, 더 강한 재료가 더 깊게 그리고 따라서 더 길게 스퍼터링될 수 있기 때문에, 모놀리식 설계에서 특히 유리하다. 예를 들어, 설계에 따라, 200mm/300mm 모놀리식 타겟의 수명은 전형적으로 ECAE 재료를 사용할 때 표준의 확산 접합된 타겟에 비해 20% 내지 100%만큼 연장될 수 있다.
서브미크론 그레인 구조를 구비하는 그리고 보다 적은 정도로, 통상적으로 경질화된 재료를 갖는 고강도 ECAE 재료는 전압 변동의 감소를 제공할 수 있다. 이들 전압 변동의 감소는 약간 더 높은 전기 저항으로 인한 와전류(eddy current)의 감소를 포함할 수 있다. 이는 전압 변동, 플라즈마 불안정성 및 DC 전력 결함의 감소에 긍정적으로 기여한다. 또한, 전압 변동의 감소는 수명에 걸친 타겟 뒤틀림에 대항한 더 양호한 저항, 수명에 따라 증가하는 현상을 포함할 수 있다. 더 적은 뒤틀림은 자석과 수명에 걸친 침식 프로파일 사이의 거리의 더 양호한 일관성을 허용하는데, 이는 이어서 국소 전압과 직접 관련된다. 따라서, 전압 변동의 더 양호한 제어가 얻어질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 형태들 중 적어도 일부에 따른 타겟 프로파일에서의 중심 영역 공동의 사용이 타겟 조립체의 전체적인 기계적 강도를 약화시킴에 또한 주목해야 한다. 따라서, 타겟 물질에서 더 높은 강도를 촉진시키는 것은 타겟 편향을 제한하기 위해 훨씬 더 중요하고 유익해진다.
본 발명의 실시 형태들 중 적어도 일부에서, 타겟 조립체의 배면의 다양한 기하학적 구조가 적합하다. 예를 들어, 타겟 조립체의 배면은 냉각 효율을 개선하고 타겟 편향의 감소에 기여하는 채널들을 포함할 수 있다. 타겟 배면에서의 채널들과 같은 특징부들의 다른 이점은 와전류의 감소이며, 이는 또한 플라즈마 불안정성을 감소시키는 것을 돕는다.
본 발명의 적어도 일부 실시 형태가 하기의 비제한적인 예에 의해 예시된다.
실시예 1: 도 8은 기준 타겟(프로파일(90)), 및 본 발명의 적어도 일부 실시 형태에 따른 중심 공동 영역을 포함하는 수정된 프로파일(프로파일(130))을 갖는 타겟에 대한 수명 시작시 표면 프로파일이다. 기준 타겟 및 수정된 프로파일을 갖는 타겟은 둘 모두 동일한 조성을 갖는 300 mm Cu 합금 모놀리식 타겟이었으며, 동일한 ECAE 처리 조건에 처하였다. 타겟들은 표면 프로파일들에서 상이하였다. 프로파일(130)의 중심 부분은 반경 +/- 58.4 mm(2.3 인치) 내에 4.57 mm(0.18 인치) 깊이의 공동을 갖는다. 프로파일(130)을 갖는 타겟의 총 타겟 두께는 17.8 mm(0.7 인치)이며, 이는 기준 프로파일(90)을 갖는 타겟과 비교하여 18.9% 두께 감소이다. 프로파일(130)을 갖는 타겟은 기계적 안정성의 제공을 허용하기 위해 고강도 서브미크론 ECAE Cu 합금을 갖는 모놀리식 설계 구성을 사용하였다. 중심 영역에서 변형이 없는 표준 기준 프로파일(90)이 또한 비교를 위해 도시되어 있다.
프로파일(130) 타겟은 3,950 kWhr에 도달하였는데, 이는 전형적으로 최대 3300 내지 3500 kWhr까지 실행되는 프로파일(90)을 갖는 ECAE Cu 합금 모놀리식 타겟과 비교하여 수명에서 추가의 450 내지 650 kWhr를 나타낸다. 이러한 실질적인 수명 연장에 대한 하나의 이유는 개선된 필름 균일성이다. 이론에 의해 구애됨이 없이, 중심 영역에서 수정된 프로파일(130)이 더 많은 원자들이 웨이퍼의 중심 부분에 도달하게 하는 것으로 여겨지며, 여기서 스퍼터링된 원자들의 궤적들은 표준 타겟의 과도한 돌출부에 의해 방해되지 않는다.
동일한 챔버 구성에 대해 표준의 확산 접합된 타겟의 수명과 비교할 때 프로파일(130)을 갖는 타겟에 대한 수명 개선은 약 2200 내지 2400 kWhr이며, 이에 의해 약 65% 내지 약 80%만큼 연장된 타겟 수명을 나타낸다.
스퍼터링 전 및 후의 침식 프로파일들이 각각 프로파일(130) 및 프로파일(140)로서 도 9에 예시되어 있다. 3950 kWhr 스퍼터링 사용 후에 프로파일(140)을 기록하였다. 가장 깊은 침식 영역은 타겟 두께의 89%를 스퍼터링하였는데, 즉 가장 깊은 홈에 약 2.79 내지 3.05 mm(0.11 내지 0.12 인치)만이 남겨졌다. 이는 이러한 설계의 타겟 수명에 대한 최대 달성가능 한계에 가까운 것을 나타낸다. 수명이 연장된 이러한 거의 최적의 경우에 대해서도, 전체 타겟 뒤틀림은 자석을 향해 0.69 mm(0.027 인치)의 최대치를 갖고서 낮았고, 타겟과 자석 사이의 접촉의 증거는 발견되지 않았다.
도 10a 내지 도 10c는 수명 시작(BOL)시에 기준 프로파일(90) 및 수정된 프로파일(130)을 갖는 도 8에 도시된 바와 같은 타겟들에 대한 수명의 다양한 시간에서의 기준 타겟 및 수정된 타겟에 대한 프로파일들의 진전을 예시한다. 도 10a는 BOL(0 kWhr)시 기준 프로파일(90) 타겟 및 3000 kWhr 후의 대응하는 프로파일(90A); 및 BOL(0 kWhr)시 수정된 프로파일(130) 타겟 및 스퍼터링의 3000 kWhr 후의 대응하는 프로파일(130A)을 예시한다. 도 10b는 BOL(0 kWhr)시 기준 프로파일(90) 타겟 및 3500 kWhr 후의 대응하는 프로파일(90B); 및 BOL(0 kWhr)시 수정된 프로파일(130) 타겟 및 스퍼터링의 3500 kWhr 후의 대응하는 프로파일(130B)을 예시한다. 도 10c는 BOL(0 kWhr)시 기준 프로파일(90) 타겟 및 3950 kWhr 후의 대응하는 프로파일(90C); 및 BOL(0 kWhr)시 수정된 프로파일(130) 타겟 및 스퍼터링의 3950 kWhr 후의 대응하는 프로파일(140)을 예시한다. BOL 프로파일(90)(기준) 및 프로파일(130)(실시예 1에 따라 수정됨)을 갖는 타겟들이 침식됨에 따라, 중심 공동 영역의 높이 및 기울기에 차이가 있다. 도 10c에 예시된 바와 같이, 프로파일(90C)의 기울기(M2)는 프로파일(140)의 기울기(M1)보다 더 가파른데, 각각의 기울기는 스퍼터링의 3950 kWhr 후에 취해진다. 표 1은 2500, 3000, 3500, 및 3950 kWhr를 포함한, 수명의 다양한 시간에 계산된 기울기(M1 및 M2)에 대한 데이터를 포함한다. 프로파일(130) 타겟의 기울기는 2500 내지 3950 kWhr 범위의 스퍼터링 시간에서의 프로파일(90) 기준 타겟의 기울기와 비교하여 약 -43% 내지 약 -50%만큼 상당히 감소되었다.
[표 1]
실시예 2: 본 발명의 적어도 일부 실시 형태에 따른 중심 공동 영역을 포함하는 수정된 프로파일을 갖는 300 mm Cu 합금 타겟이 스터퍼링 전의 도 11a에 도시된 바와 같은 프로파일(160)로서 그리고 도 11b에서의 3950 kWhr 후의 프로파일(170)로서 제공된다. 실시예 1에 기술된 프로파일(130)과 비교하여, 프로파일(160)은, 프로파일(160)이 약 7.6 mm(약 0.3 인치)의 더 깊은 중심 공동을 포함한다는 점에서, 중심 영역에서 적어도 하나의 수정을 포함한다. 프로파일(160)은 또한 반경 88.9 mm(3.5 인치)와 139.7 mm(5.5 인치) 사이에서의 그리고 대칭에 의해 -88.9 mm(-3.5 인치)와 -139.7 mm(-5.5 인치) 사이에서의 프로파일의 변화를 포함한다.
도 12a 내지 도 12c는 수명 시작(BOL)시에 기준 프로파일(90) 및 수정된 프로파일(160)을 갖는 타겟들에 대한 스퍼터링 수명에서의 다양한 시간에서의 프로파일들의 진전을 예시한다. 도 12a는 BOL(0 kWhr)시 기준 프로파일(90) 타겟 및 3000 kWhr 후의 대응하는 프로파일(90A); 및 BOL(0 kWhr)시 수정된 프로파일(160) 타겟 및 3000 kWhr 후의 대응하는 프로파일(160A)을 예시한다. 도 12b는 BOL(0 kWhr)시 기준 프로파일(90) 타겟 및 3500 kWhr 후의 대응하는 프로파일(90B); 및 BOL(0 kWhr)시 수정된 프로파일(160) 타겟 및 스퍼터링의 3500 kWhr 후의 대응하는 프로파일(160B)을 예시한다. 도 12c는 BOL(0 kWhr)시 기준 프로파일(90) 타겟 및 3950 kWhr 후의 대응하는 프로파일(90C); 및 BOL(0 kWhr)시 수정된 프로파일(160) 타겟 및 스퍼터링의 3950 kWhr 후의 대응하는 프로파일(170)을 예시한다. BOL 프로파일(90)(기준) 및 프로파일(160)(실시예 2에 따라 수정됨)을 갖는 타겟들이 침식됨에 따라, 중심 공동 영역의 높이 및 기울기에 차이가 있다. 표 2는 3000, 3500, 및 3950 kWhr를 포함한, 수명의 다양한 시간에 계산된 기울기(M2 및 M3)에 대한 데이터를 포함한다. 프로파일(160) 타겟의 기울기는 3000 내지 3950 kWhr 범위의 스퍼터링 시간에서의 프로파일(90) 기준 타겟의 기울기와 비교하여 약 -77% 내지 약 -96%만큼 극적으로 감소되었다.
[표 2]
프로파일(160)은 수명 종료시에 타겟 중심에서 훨씬 더 두꺼운 필름을 제공하며, 이는 프로파일(130)보다 수명 종료시에 더 양호한 웨이퍼 필름 균일성을 초래하는 것으로 여겨진다. 이는 프로파일(140)과 비교할 때 프로파일(170)의 중심 범프의 각각의 측부에서의 급격한 기울기의 부재뿐만 아니라 중심 범프의 높이의 감소로 인한 것이다.
또한, 새로운 프로파일(160)은 전압 변동에 대항한 더 양호한 저항 및 궁극적으로 DC 전력 결함을 제공한다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 새로운 프로파일은 수명 종료시의 절대값에 있어서 88.9 mm(3.5")와 139.7 mm(5.5") 사이의 반경에서의 국부적으로 덜 침식된 영역의 높이를 감소시킨다. 사실상 이는 그 위치와 더 많은 침식을 갖는 인접 영역들 사이에서 높이의 차이를 감소시키고 더 적은 전압 변동을 초래한다.
실시예 3: 도 13은 기준 타겟(프로파일(190)), 및 본 발명의 적어도 일부 실시 형태에 따른 중심 공동 영역을 포함하는 수정된 프로파일(프로파일(230))을 갖는 타겟에 대한 수명 시작시 표면 프로파일이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 프로파일(230)의 중심 부분은 반경 +/- 40.6 mm(1.6 인치) 내에 3.30 mm(0.13 인치) 깊이의 공동을 갖는다. 프로파일(230)은 또한 주변 영역에서 최대 두께 26.7 mm(1.05 인치)를 포함하며, 이는 25.4 mm(1.0 인치)의 프로파일(190)의 최대 두께보다 크다. 프로파일(230)은 타겟의 원주방향 외측 에지에서 감소된 두께를 추가로 포함한다.
도 14는 타겟들의 스퍼터링 수명 내의 다양한 시간에서의 프로파일들의 진전을 도시한다. 수명 종료인 1350 kWhr 후의 프로파일(195)은 수명 시작(BOL)시에 기준 프로파일(190)을 갖는 타겟에 대응한다. 프로파일(240, 250)들은 BOL(0 kWhr)에서 프로파일(230) 타겟을 갖는 수정된 타겟에 대해 각각 1650 kWhr 및 1850 kWhr 후의 프로파일들을 나타낸다. 1350 kWhr에서의 프로파일(195) 및 1850 kWhr에서의 프로파일(250)은 초기 프로파일(190, 230)들을 각각 갖는 기준 타겟 및 수정된 타겟에 대한 수명 종료를 나타낸다. 프로파일(190)과 비교하여, 초기 프로파일(230)을 갖는 수정된 타겟에 대한 수명의 개선은 더 양호한 웨이퍼 균일성으로 인한 것이다.
본 발명의 적어도 일부 실시 형태는 수정된 중심축 영역을 포함하는 타겟을 설계하기 위한 도 15의 흐름도에 예시된 방법을 포함한다. 본 방법은 원하는 바에 따라 특정 타겟 구성 및 공급원 재료에 맞춤될 수 있다. 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 원형 형상을 갖는 비-평탄 스퍼터링 표면을 구비하는 스퍼터링 재료를 포함하는 스퍼터링 타겟을 설계하는 방법은 도 15에 도시된 바와 같은 단계들을 포함한다. 단계(2000)는 스퍼터링 타겟의 중심축을 중심으로 대칭으로 오목 만곡 특징부를 갖는 프로파일형 표면을 구비하는 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계를 포함한다. 단계(2010)는 스퍼터링 챔버 내에서 스퍼터링 후 스퍼터링 타겟의 스퍼터링된 프로파일을 측정하는 단계를 포함한다. 단계(2020)는 스퍼터링 타겟의 중심축 영역에서 섀도잉을 감소시키기 위해, 스퍼터링된 프로파일의 측정에 기초하여, 변경된 표면 프로파일을 설계하는 단계를 포함한다. 단계(2030)는 변경된 표면 프로파일을 갖는, 변경된 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계를 포함한다. 필요하다면, 단계(2010) 내지 단계(2030)가 반복되어 표면 프로파일을 최적화할 수 있다.
상기에서, 달리 지시되지 않는다면, 모든 온도는 섭씨 온도로 정정되지 않은 채로 기술되며, 모든 부 및 백분율은 중량 기준이다.
전술한 설명으로부터, 당업자는 본 발명의 본질적인 특징을 용이하게 확인할 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이, 본 발명의 다양한 변경 및 수정을 이루고 이를 다양한 용도 및 조건에 적응시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 스퍼터링 시스템(sputtering system)에서의 사용에 의한 침식(erosion) 전에 원형 형상을 갖는 비-평탄 스퍼터링 표면을 구비하고 스퍼터링 재료를 포함하는 스퍼터링 타겟(target)으로서,
    중심축을 갖는 중심축 영역;
    상기 중심축 영역에 있는 오목 만곡 특징부(concave curvature feature)로서, 상기 오목 만곡 특징부는 상기 중심축과 일치하는 제1 점을 갖고 상기 중심축을 중심으로 대칭으로 배치되며, 상기 오목 만곡 특징부는 1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 이후의 그리고 상기 중심축과 일치하는, 기준 스퍼터링 타겟의 침식 프로파일(profile)의 기준 돌출 볼록 만곡 특징부에 대응하고, 상기 기준 스퍼터링 타겟은 상기 스퍼터링 타겟의 상기 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하며, 상기 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면을 추가로 포함하는, 상기 오목 만곡 특징부
    를 포함하고,
    상기 중심축 영역은 제1 높이, 및 제1 기울기를 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면을 포함하는 돌출부(protuberance)를 포함하는, 1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 후의 마모 프로파일을 가지며, 상기 기준 돌출 볼록 만곡 특징부는 제2 높이, 및 제2 기울기를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면을 포함하고, 상기 돌출부는 상기 기준 돌출 볼록 만곡 특징부에 비해 감소된 섀도잉(shadowing)을 갖는 스퍼터링된 타겟을 제공하며,
    상기 제1 높이는 상기 제2 높이보다 작고, 상기 기준 돌출 볼록 만곡 특징부는 상기 제2 높이를 갖고,
    상기 제1 기울기는 상기 제2 기울기보다 덜 가파르고, 상기 제2 외측 원주방향 마모 표면은 상기 제2 기울기를 갖는, 스퍼터링 타겟.
  2. 스퍼터링 챔버 내에서 사용하기 위한 스퍼터링 타겟을 설계하는 방법으로서,
    상기 스퍼터링 타겟의 중심축을 중심으로 대칭으로 오목 만곡 특징부를 갖는 표면 프로파일을 구비하는 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계;
    1000 kWhr 이상 동안의 스퍼터링 챔버 내에서의 스퍼터링 후 스퍼터링 타겟의 스퍼터링된 프로파일을 측정하는 단계;
    상기 스퍼터링 타겟의 중심축 영역에서 섀도잉을 감소시키기 위해, 상기 스퍼터링된 프로파일의 측정들에 기초하여, 변경된(revised) 표면 프로파일을 설계하는 단계; 및
    상기 변경된 표면 프로파일을 갖는 변경된 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 측정하는 단계는 1000 kWhr 이상 동안의 사용 후에 기준 스퍼터링 타겟의 스퍼터링된 프로파일을 측정하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 기준 스퍼터링 타겟은 상기 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 재료와 동일한 조성을 갖는 스퍼터링 재료를 포함하며, 상기 기준 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 시스템에서의 사용에 의한 침식 전에 평탄 스퍼터링 표면을 추가로 포함하고,
    상기 스퍼터링 타겟의 측정된 스퍼터링된 프로파일은 제1 기울기를 갖는 제1 외측 원주방향 마모 표면을 포함하며,
    측정된 기준 스퍼터링 타겟은 제2 기울기를 갖는 제2 외측 원주방향 마모 표면을 포함하고, 상기 제1 기울기는 상기 제2 기울기보다 덜 가파른, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 기울기와 상기 제2 기울기 사이의 백분율 감소는 40% 이상인, 스퍼터링 타겟.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 기울기와 상기 제2 기울기 사이의 백분율 감소는 40% 이상인, 방법.
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