KR20150023767A - 스퍼터링 타겟 - Google Patents
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Abstract
450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체로서, 스퍼터링 중의 타겟의 휨 발생에 의한 휨량이 4 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체. 450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체의 제조 방법으로서, 구리, 티탄, 탄탈, 니켈, 코발트, 텅스텐 또는 이들의 합금에서 선택한 스퍼터링 타겟 재료와 구리제, 구리 합금제, 알루미늄 합금, 티탄제 또는 티탄 합금제의 백킹 플레이트를 온도 200 ∼ 600 ℃ 에서 접합함으로써, 스퍼터링 중의 타겟의 휨 발생에 의한 휨량을 4 ㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체의 제조 방법. 대형의 스퍼터링 타겟에서 발생하는 휨 발생을 억제함으로써, 타겟과 백킹 플레이트의 박리나 균열의 발생을 억제함과 함께, 성막 특성의 균일화를 도모하는 것을 과제로 한다.
Description
본 발명은 450 ㎜ 웨이퍼에 대응할 수 있는 대형의 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.
반도체 장치를 제작할 때, 배선폭의 미세화에 수반하여 LSI 로직이나 메모리의 제조 비용은 급격하게 상승한다. 이 제조 비용을 저감시키기 위해서는 「Moor 의 법칙」에 따른 웨이퍼의 대구경화가 필요하고, 지금까지도 10 년마다 대구경화가 생산 기술 혁신을 가져왔다.
웨이퍼의 대형 450 ㎜ 화는 새로운 이노베이션의 원동력으로, 각 반도체 메이커, 웨이퍼 메이커, 각종 장치 메이커가 450 ㎜ 화에 대한 시도가 개시되고 있다. 스퍼터링 타겟의 형상은 스퍼터링 장치 메이커의 디자인에 좌우되는 바가 크지만, 웨이퍼 직경이 현 상황의 300 ㎜ 에서 450 ㎜ 로 대구경화되면, 그에 적합한 스퍼터링 타겟은, 단순한 비례 계산에서도 직경은 1.5 배의 크기가 되고, 중량은 2 배 이상이 되는 것이 예상된다.
또, 양호한 성막 특성을 달성하기 위해서 요구되는 타겟 특성은, 1) 고순도 또한 파티클이나 아킹의 발생원이 되는 개재물이 없는 것, 2) 막의 균일성을 확보하기 위한 균일하며 또한 미세 조직을 갖는 것, 3) 번-인 시간 (Burn-in time) 을 단축하기 위한 타겟 표면의 청정화 및 변형층이 제거되어 있는 것 등을 들 수 있다.
특히, 스퍼터링 중에는 타겟에 고에너지가 부하되기 때문에, 타겟의 스퍼터링 표면은 수 100 ℃ 의 고온이 되어, 타겟 자체가 변형되는 문제가 있다.
본원 발명에 있어서는, 이들의 문제를 해명함과 함께, 스퍼터링 타겟의 대구경화에 수반하는 상기 품질의 유지 및 제조 프로세스상의 제언과 개량을 실시하는 것이다.
종래 기술을 보면, 타겟과 백킹 플레이트의 접합 강도를 향상시키기 위한 연구가 몇 가지 제안되어 있다. 이하에, 이들을 열거하여 소개한다.
1) 특허문헌 1 에는, 예를 들어, Al 또는 Al 합금의 타겟재와 백킹 플레이트를 접합할 때, 인서트재로서 Ag 또는 Ag 합금을 사용하고, 이들을 장입한 후, 고상 확산시키는 기술이 개시되어 있다.
2) 특허문헌 2 에는, 스퍼터링 타겟과 백킹 플레이트의 접합면에, 동심원상의 요철을 형성하고, 서로 끼워 맞춘 상태에서 HIP, 핫프레스, 고상 확산 접합법에 의해 접합하는 기술이 개시되어 있다.
3) 특허문헌 3 에는, 1000 ℃ 이상의 융점을 갖는 타겟재와 백킹 플레이트를 접합할 때, 타겟보다 융점이 낮은 인서트재 (Al, Cu, Ni 및 이들의 합금) 를 개재하여 고상 확산 접합하는 기술이 개시되어 있다.
4) 특허문헌 4 에는, 스퍼터링 타겟과 백킹 플레이트 사이에 구리의 미분을 개재시켜, 저온에서 접합하는 방법이 개시되어 있다.
5) 특허문헌 5 에는, 스퍼터링 타겟과 백킹 플레이트 사이에 Al 또는 Al 합금의 스페이서를 개재하여, 폭발 압착 또는 핫 롤에 의해 접합하는 기술이 개시되어 있다.
6) 특허문헌 6 에는, 백킹 플레이트의 냉각면에 요철을 형성하여 표면적을 증대시킨 스퍼터링 장치가 개시되어 있다.
7) 특허문헌 7 에는, 탄탈 또는 텅스텐-구리 합금제 백킹 플레이트 조립체로, 두께 0.8 ㎜ 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 인서트재를 개재하여 확산 접합하는 기술이 개시되어 있다.
8) 특허문헌 8 에는, 고순도 코발트와 구리 합금제 백킹 플레이트의 확산 접합 조립체로, 두께 0.8 ㎜ 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 인서트재를 개재하여 확산 접합하는 기술이 개시되어 있다.
9) 특허문헌 9 에는, 복수의 금속층 (2, 3) 으로 이루어지는 백킹 플레이트재 (4) 와 타겟재 (5) 가, 확산 접합 또는 용접에 의해 일체 접합된 스퍼터링 타겟이 기재되어 있다.
10) 특허문헌 10 에는, 타겟과 백킹 플레이트를 인서트재를 개재하여 고상 확산 접합할 때, 쌍방 또는 편방의 면을 조도 (Ra) 0.01 ∼ 3.0 ㎛ 가 되도록 평탄화 처리를 실시하는 것이 기재되어 있다.
11) 특허문헌 11 에는, 타겟과 백킹 플레이트를 접합할 때, 엘라스토머 수지를 사용하고, 그 수지 중에 금속 메시를 개재시킨 접합 방법이 기재되어 있다.
12) 특허문헌 12 에는, 타겟과 백킹 플레이트 사이에 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금박을 사이에 두고 스퍼터링하는 것이 기재되어 있다.
이상의 특허문헌은 스퍼터링 타겟과 백킹 플레이트의 접합 강도를 높이기 위한 접합 방법의 연구가 이루어지고 있지만, 타겟을 대형화한 경우의 변형 발생의 문제점 및 그 해결하는 수단의 개시는 없다.
450 ㎜ 웨이퍼에 대한 대응에 따라, 스퍼터링 타겟 형상의 대구경화가 필요해지지만, 이에 따른 타겟 품질에 대한 영향 및 성막 중의 타겟 변형에 대해 검토한 결과, 타겟 품질로서 중요한 재료 순도, 조직, 결정 배향, 타겟 표면 성상 등에서는 대구경화에 의한 영향은 없고, 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟과 동일한 품질의 타겟을 제작할 수 있는 것을 확인할 수 있었지만, 성막 중의 타겟 변형 거동에 대해서는, 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟에서는 문제가 되지 않았던 휨이, 450 ㎜ 용에서는 무시할 수 없는 레벨로 휘는 것이 판명되었다. 본원 발명은 이 점을 극복하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해 이하의 발명을 제공하는 것이다.
1) 450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체로서, 스퍼터링 중의 타겟의 휨의 발생에 의한 휨량이 4 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체.
2) 타겟 전체의 평균 결정 입경에 대한 각 부위의 평균 결정 입경의 편차가 ±20 ％ 이내인 것을 특징으로 하는 상기 1) 에 기재된 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체.
3) 타겟 각 부위의 투자율의 편차가 ±5 ％ 이내인 것을 특징으로 하는 상기 1) 에 기재된 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체.
4) 납땜 또는 확산 접합된 타겟-백킹 플레이트 접합체인 것을 특징으로 하는 상기 1) ∼ 3) 에 기재된 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체.
5) 스퍼터링 타겟이 구리, 티탄, 탄탈, 텅스텐 또는 이들의 합금에서 선택한 재료인 것을 특징으로 하는 상기 1) ∼ 4) 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체.
6) 구리제, 구리 합금제, 알루미늄 합금, 티탄제 또는 티탄 합금제의 백킹 플레이트인 것을 특징으로 하는 상기 1) ∼ 5) 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체.
7) 450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체의 제조 방법으로서, 구리, 티탄, 탄탈, 텅스텐 또는 이들의 합금에서 선택한 스퍼터링 타겟 재료와 구리제, 구리 합금제, 알루미늄 합금, 티탄제 또는 티탄 합금제의 백킹 플레이트를 온도 200 ∼ 600 ℃ 에서 접합함으로써, 스퍼터링 중의 타겟의 휨의 발생에 의한 휨량을 4 ㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체의 제조 방법.
대형의 스퍼터링 타겟에서 발생하는 휨의 발생을 억제함으로써, 타겟과 백킹 플레이트의 박리나 균열의 발생을 억제함과 함께, 균일한 성막을 가능하게 하고, 불량률을 저감시키며, 또한 생산 효율을 높일 수 있다는 큰 효과를 갖는다.
도 1a 는 300 ㎜ 웨이퍼용과 450 ㎜ 웨이퍼용의, 각각의 구리제 타겟, 티탄제 타겟 및 니켈제 타겟의 결정 조직을 나타내는 도면이다.
도 1b 는 300 ㎜ 웨이퍼용과 450 ㎜ 웨이퍼용의, 각각의 탄탈제 타겟 및 텅스텐제 타겟의 결정 조직을 나타내는 도면이다.
도 2 는 300 ㎜ 웨이퍼용과 450 ㎜ 웨이퍼용의, 각각의 구리제 타겟, 티탄제 타겟, 탄탈제 타겟, 니켈제 타겟, 코발트제 타겟 및 텅스텐제 타겟 (모두 무산소 구리 백킹 플레이트를 사용) 의 중심부의 휨을 나타내는 도면이다.
도 3 은 구리제 타겟에 대해 백킹 플레이트에 구리-크롬 합금을 사용한 경우의 타겟 중심부의 휨을 나타내는 도면이다.
도 4 는 타겟의 직행 좌표 상, 외주, r/2, 중심의 합계 9 개 지점의 샘플링 위치를 나타내는 도면이다.
도 1b 는 300 ㎜ 웨이퍼용과 450 ㎜ 웨이퍼용의, 각각의 탄탈제 타겟 및 텅스텐제 타겟의 결정 조직을 나타내는 도면이다.
도 2 는 300 ㎜ 웨이퍼용과 450 ㎜ 웨이퍼용의, 각각의 구리제 타겟, 티탄제 타겟, 탄탈제 타겟, 니켈제 타겟, 코발트제 타겟 및 텅스텐제 타겟 (모두 무산소 구리 백킹 플레이트를 사용) 의 중심부의 휨을 나타내는 도면이다.
도 3 은 구리제 타겟에 대해 백킹 플레이트에 구리-크롬 합금을 사용한 경우의 타겟 중심부의 휨을 나타내는 도면이다.
도 4 는 타겟의 직행 좌표 상, 외주, r/2, 중심의 합계 9 개 지점의 샘플링 위치를 나타내는 도면이다.
Ar 가스를 도입한 스퍼터링 장치에 있어서, 타겟측을 캐소드로 하고 기판측을 애노드로 하여 쌍방에 전압을 인가하고, Ar 이온에 의한 타겟에 대한 충격에 의해 타겟재를 때려서 나오게 하고, 그 날아옴에 의한 기판에 대한 피복 방법, 또는 타겟으로부터 스퍼터된 원자가 이온화되고, 다시 스퍼터를 실시하는 이른바 자기 스퍼터에 의한 피복 방법이 스퍼터링 방법으로서 이미 알려져 있다.
대개의 경우, 스퍼터링 타겟은 백킹 플레이트에 접합하고, 또한 그 백킹 플레이트를 냉각하여, 타겟의 이상 (異常) 온도 상승을 방지하여, 안정적인 스퍼터링이 가능하도록 구성되어 있다.
이와 같은 스퍼터 장치에 있어서, 생산 효율을 높여 고속의 스퍼터링이 가능해지도록, 스퍼터링 파워를 상승시키는 경향이 있다. 통상, 백킹 플레이트는 열전도성이 양호한 재료이고, 또한 일정한 강도를 갖는 재료가 사용된다.
또한, 스퍼터링 장치 중에서, 백킹 플레이트를 냉각하고, 이 백킹 플레이트를 개재하여 타겟에 가해지는 열충격을 흡수시키고 있다. 그러나, 그 냉각에도 한계가 있다. 특히 문제가 되는 것은, 타겟과 백킹 플레이트의 열팽창의 차이 에 의한 박리 또는 타겟의 변형이다.
또, 타겟은 이로전 (erosion) 을 받아 형상에 요철이 발생하지만, 높은 파워로 스퍼터링을 실시하는 경우에는, 주로 오목부에 스퍼터시의 열에 의해 발생하는 열응력이 집중되어 타겟이 변형을 일으켜 유니포미티가 악화되는 것이나, 혹은 실드와의 아킹이 일어나 이상 파티클 발생이 생겨, 극단적인 케이스에서는 플라즈마의 발생이 멈춘다는 현상이 발생한다.
이와 같은 문제의 해결을 위해 백킹 플레이트의 강도를 높이거나, 혹은 재질을 변경하여 열응력을 경감시키거나 하는 등의 대책을 취하는 것을 생각할 수 있지만, 타겟의 재질과의 적합성의 문제가 있어, 지금까지 적절한 해결 방법을 찾을 수 없었다.
이상의 점으로부터, 본 발명은 이하의 발명을 제공하는 것이다.
본 발명의 450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체는, 스퍼터링 중의 타겟의 휨의 발생에 의한 휨량이 4 ㎜ 이하인 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체에 관한 것이다. 휨량은 바람직하게는 3 ㎜ 이하이다.
상기 450 ㎜ 웨이퍼에 사용하는 스퍼터링 타겟은 이것보다 더욱 크고, 타겟 형상은 거의 φ600 ㎜ 의 사이즈에 달한다. 그러나, 이 수치 (φ600 ㎜) 에 한정되는 것은 아니고, 450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟으로서 사용할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없다. 대체로, 이 수치를 50 ％ 의 범위에서 증감시키는 것은 가능하다. 또, 타겟의 휨의 최대는 거의 타겟의 중심부에서 발생하지만, 휨의 최대값이 4 ㎜ 이하 (바람직하게는 3 ㎜ 이하) 인 것을 의미한다.
막의 유니포미티에 대하여, 타겟 전체의 평균 결정 입경에 대한 각 부위의 평균 입경의 편차를 ±20 ％ 이내로 하는 것은, 편차가 ±20 ％ 를 초과하면 타겟 각 부위의 스퍼터 속도의 차이가 현저화되어 유니포미티의 불량이 발생하기 때문이다.
또, Cu 에서는 타겟의 각 부위에서의 평균 결정 입경을 100 ㎛ 이하, Ti 타겟에서는 타겟의 각 부위에서의 평균 결정 입경을 50 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
각각, 평균 결정 입경이 100 ㎛, 50 ㎛ 를 초과하는 조대 결정립에서는 각 결정립으로부터의 원자의 방출 특성의 차이가 현저화되어, 유니포미티의 불량이 발생하기 쉽기 때문이다. 각각, 타겟의 각 부위에서의 평균 결정 입경을 50 ㎛ 이하, 20 ㎛ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다.
타겟-백킹 플레이트는 납땜 또는 확산 접합에 의해 접합하는 것이 좋지만, 접합체의 접합 계면의 접착 강도를 3 kgf/㎟ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 접합 계면에는 Ni, Zn, Ag, Cu, Al, Cr, In, Sn 또는 이들을 주성분으로 하는 합금의 개재층을 개재하여 접합하는 것도 가능하다. 이것은 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체의 변형의 발생을 억제하는 데에 유효하다.
또, 스퍼터링 타겟으로는 구리, 티탄, 탄탈, 니켈, 코발트, 텅스텐 또는 이들의 합금에서 선택한 재료를 사용할 수 있다. 또한, 백킹 플레이트로는 구리제, 구리 합금제, 알루미늄 합금, 티탄제 또는 티탄 합금제를 사용할 수 있다.
하기의 실시예에서 설명하는 바와 같이, 타겟의 휨은 많은 경우, 스퍼터링 중의 플라즈마의 발생에 의해, 타겟 표면의 온도가 상승하는 것에서 기인한다. 백킹 플레이트는 냉각되어 있지만, 타겟과 백킹 플레이트의 열팽창의 차이에 의해 발생한다.
따라서, 타겟의 휨을 효과적으로 억제하기 위해서는, 타겟과 백킹 플레이트의 열팽창률의 차가 작고, 또한 기계적 강도가 높은 재료를 선택하여 조합할 필요가 있다. 바람직하게는, 냉각 효율이 양호한 백킹 플레이트를 사용하는 것이 좋다. 이들의 조합은, 상기에 설명한 재료에서 적절히 선택함으로써 달성할 수 있다.
450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체를 제조할 때에는, 상기의 구리, 티탄, 탄탈, 니켈, 코발트, 텅스텐 또는 이들의 합금에서 선택한 스퍼터링 타겟 재료와 구리제, 구리 합금제, 알루미늄 합금, 티탄제 또는 티탄 합금제의 백킹 플레이트를 온도 200 ∼ 600 ℃ 에서 접합함으로써, 스퍼터링 중의 타겟의 휨의 발생에 의한 휨량을 3 ㎜ 이하로 할 수 있다.
실시예
본원 발명을 실시예 (실험예) 에 기초하여 설명한다. 또한, 본 실시예는 어디까지나 일례로, 이 예에만 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 포함되는 다른 양태 또는 변형을 포함하는 것이다.
(450 ㎜ 웨이퍼용 타겟의 제작과 평가)
타겟의 대구경화에 의한 품질의 유지를 확인하기 위해, φ600 ㎜ 의 Cu, Ti, Ta, Ni, Co, W 타겟을 제작하였다. 타겟 제작은 출발 원료로서 순도 6N-Cu, 4N5-Ti, 4N5-Ta, 5N-Ni, 5N-Co, 5N-W 의 각 잉곳 또는 분말을 사용하였다.
각 재료의 제조 공정 조건은 300 ㎜ 용 타겟을 제작하는 조건에 따라 실시하였다.
단, 결정 입경의 편차를 억제하기 위해, 압연시에 균일한 가공 변형이 발생되는 조건, 온도 분포를 균일하게 하는 열처리 조건을 선택하였다. 예를 들어, Ti 잉곳을 750 ℃ 에서 열간 가공하고, 그 후, 400 ℃ 에서 가공비를 1.5 로 하여 온간 가공을 실시하고, 600 ℃ 에서 1 시간 타겟 전체에 균일한 열처리를 실시하였다.
이들 조건은 재료의 종류나 가공 이력에 따라 약간 상이한 것이지만, 기본적인 조건을 설정하고, 그것에 기초하여 조건폭을 바꿈으로써, 본원 발명에 적합한 스퍼터링 타겟을 제작할 수 있다.
각 타겟을 도 4 에 나타내는 바와 같이, 직행 좌표상, 외주, r/2, 중심의 합계 9 개 지점으로부터 샘플링하여, 에칭면의 광학 현미경 관찰에 의해 조직 평가를 실시하였다. 또, X 선 회절 측정에 의한 결정 배향의 평가도 실시하였다.
(열을 받는 타겟의 변형 거동)
스퍼터링 중, 타겟에는 고에너지가 조사되기 때문에, 타겟 표면은 고온으로 가열된다. 한편, 백킹 플레이트측은 수냉되어 있기 때문에, 타겟 표면과 백킹 플레이트 냉각 수면에 큰 온도차가 발생하여 열팽창차로부터 타겟에 휨이 발생한다. 그래서, 스퍼터링시에 타겟이 받는 열 영향 (가열과 냉각) 을 재현하여, 이 상황하에서, 변형 거동을 조사하여 300 ㎜ 웨이퍼 대응 타겟과 450 ㎜ 웨이퍼 대응 타겟의 비교를 실시하였다.
타겟 재질을 6N-Cu 및 4N5-Ti, 백킹 플레이트 재질을 무산소 구리 (OFC) 및 Cu-Cr 합금으로 하고, 450 ㎜ 웨이퍼 대응 타겟의 형상을 φ600 ㎜ × 12.7 ㎜t, 백킹 플레이트 형상은 φ750 ㎜ × 12.7 ㎜t 로 하였다. 300 ㎜ 웨이퍼 대응 타겟 형상은 φ400 ㎜ × 12.7 ㎜t, 백킹 플레이트 형상 φ500 ㎜ × 12.7 ㎜t 로 하였다.
또한, 참고로 나타내면, 스퍼터링할 때의 투입 파워는 통상 300 ㎜ 웨이퍼 대응에 대해서는 10 kW 로 하고, 450 ㎜ 웨이퍼 대응에서는 300 ㎜ 웨이퍼와 동일한 파워 밀도가 되는 22.5 kW 로 하고, 또한 스퍼터링의 ON-OFF 는 ON : 10 초, OFF : 30 초를 1 사이클로 하여, 15 사이클 후를 계산하여 실시하는 것이 보통이다. 동일하게, 냉각수는 온도 25 ℃, 3.0 기압으로 설정하여 실시한다.
(이상의 결과와 고찰)
(450 ㎜ 웨이퍼 대응 스퍼터링 타겟의 형상과 중량)
스퍼터링 타겟의 형상은, 각 스퍼터링 장치 메이커의 디자인에 좌우되는 바가 크지만, 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟의 경우, 타겟의 형상은 대체로 φ400 ㎜ ∼ 450 ㎜ × 6 ㎜ ∼ 12 ㎜t 이다.
여기서, 300 ㎜ 대응 타겟의 형상을 φ400 ㎜ 로 하고 웨이퍼 직경에 비례한다고 가정한 경우, 450 ㎜ 웨이퍼 대응 타겟의 형상은 φ600 ㎜ 가 되고, 백킹 플레이트의 직경은 약 φ750 ㎜ 가 된다.
표 1 에 Cu, Ti, Ta, Ni, Co, W 타겟의 중량 변화를 나타낸다. 이하, 450 ㎜ 웨이퍼 대응 타겟의 형상은 φ600 ㎜ 의 사이즈에 대해 설명한다.
300 ㎜ 웨이퍼용 타겟에서는, 어느 재료도 50 kg 이하 (백킹 플레이트 중량 포함) 이지만, 450 ㎜ 웨이퍼용 타겟 대응에서는 100 kg 가까운 중량이 되어, 타겟 제조 프로세스나 타겟을 사용할 때의 핸들링 방법은 연구가 필요해진다.
(450 ㎜ 웨이퍼 대응 스퍼터링 타겟의 품질)
(순도)
타겟 소재의 순도는 성막된 막의 특성에 큰 영향을 주는 중요한 인자이다. Na, K 등의 알칼리 금속이나 Fe, Cu, Ni 등의 천이 금속은 Si 중에 확산되면 전기적 특성이 변화되기 때문에 디바이스 안정화의 방해가 된다. 또, U, Th 등의 방사성 원소는 α 선에 의한 디바이스의 오조작의 원인이 될 가능성이 있는 것이 알려져 있다.
Cu 나 Ti 와 같은 용해 프로세스에 의해 제작되는 재료에서는, 전해 혹은 진공 용해 공정에서 불순물의 정제가 실시된다. 진공 용해에 의해 제작되는 잉곳은 통상, 타겟을 복수 장 제작할 수 있는 중량이기 때문에, 타겟 형상이 450 ㎜ 웨이퍼 대응이 되어도 순도에 대한 영향은 없다고 생각된다. 이번 시험에 사용한 재료의 불순물 분석값을 표 2 에 나타낸다.
(조직)
타겟의 조직이나 결정 배향은 스퍼터링 성막시의 성막 속도나 막의 유니포미티에 큰 영향을 준다. 특히 결정면 방위에 따라 성막 속도는 상이하기 때문에, 유니포미티의 양호한 성막을 실시하기 위해서는, 타겟의 면 방위가 모아져 있거나, 랜덤으로 균일하게 분산되어 있는 것이 바람직하고, 결정 입경은 미세하고 균일할 것이 요구된다. 또, 자성을 갖는 타겟의 경우 그 투자율도 영향을 주는 인자이다.
그래서, 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟의 제조 조건에 따라, 450 ㎜ 웨이퍼 대응 타겟을 제작하여, 결정 조직, 결정 배향 및 투자율의 평가를 실시하였다. 단, 결정 입경의 편차를 억제하기 위해, 압연시에 균일한 가공 변형이 발생되는 조건 및 온도 분포를 균일하게 하는 열처리 조건을 선택하였다.
샘플을 에칭한 후, 광학 현미경 관찰을 실시한 결과를 도 1a 및 도 1b 에 나타낸다. 또한, 도 1a 에는, 비교를 위해서 통상 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟의 조직도 나타낸다. 또한, 300 ㎜ 웨이퍼용 Cu 타겟의 평균 결정 입경은 35 ㎛, 300 ㎜ 웨이퍼용 Ti 타겟의 평균 결정 입경은 8 ㎛, 300 ㎜ 웨이퍼용 Ni 타겟의 평균 결정 입경은 30 ㎛, 300 ㎜ 웨이퍼용 W 타겟의 평균 결정 입경은 20 ㎛ 였다.
450 ㎜ 웨이퍼용 Cu 타겟에 있어서, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 직행 좌표상, 외주, r/2, 중심의 합계 9 점, A, B, C, D, E, F, G, H, I 의 광학 현미경 관찰을 실시하여 결정 입경을 측정한 결과, 각각 35 ㎛, 37 ㎛, 35 ㎛, 33 ㎛, 36 ㎛, 34 ㎛, 35 ㎛, 34 ㎛, 36 ㎛ 가 되어 편차는 ±20 ％ 이내이며, 평균 입경은 35 ㎛ 였다. 또한, 각 부위에서의 평균 결정 입도의 측정은 JIS·H0501 에 기재되는 절단법에 의해 실시하였다.
동일하게 XRD 측정에 의한 결정 배향을 확인했는데, 300 ㎜ 용 타겟과의 차는 없고 샘플링 위치에 의한 변동도 없었다.
450 ㎜ 웨이퍼용 Ti 타겟에 있어서, 동일하게 결정 입경을 측정한 결과, 각각 7 ㎛, 8 ㎛, 7 ㎛, 9 ㎛, 8 ㎛, 7 ㎛, 8 ㎛, 9 ㎛, 9 ㎛ 가 되어 편차는 ±20 ％ 이내이며, 평균 입경은 8 ㎛ 였다. 또한, 각 부위에서의 평균 결정 입도의 측정은 JIS·H0501 에 기재되는 절단법에 의해 실시하였다.
동일하게 XRD 측정에 의한 결정 배향을 확인했는데, 300 ㎜ 용 타겟과의 차는 없고 샘플링 위치에 의한 변동도 없었다.
450 ㎜ 웨이퍼용 Ta 타겟에 있어서, 동일하게 결정 입경을 측정한 결과, 각각 90 ㎛, 92 ㎛, 89 ㎛, 90 ㎛, 93 ㎛, 92 ㎛, 88 ㎛, 89 ㎛, 90 ㎛ 가 되어 편차는 ±20 ％ 이내이며, 평균 입경은 90 ㎛ 였다. 또한, 각 부위에서의 평균 결정 입도의 측정은 JIS·H0501 에 기재되는 절단법에 의해 실시하였다.
동일하게 XRD 측정에 의한 결정 배향을 확인했는데, 300 ㎜ 용 타겟과의 차는 없고 샘플링 위치에 의한 변동도 없었다.
450 ㎜ 웨이퍼용 Ni 타겟에 있어서, 동일하게 결정 입경을 측정한 결과, 각각 30 ㎛, 32 ㎛, 29 ㎛, 30 ㎛, 33 ㎛, 32 ㎛, 28 ㎛, 29 ㎛, 30 ㎛ 가 되어 편차는 ±20 ％ 이내이며, 평균 입경은 30 ㎛ 였다. 또한, 각 부위에서의 평균 결정 입도의 측정은 JIS·H0501 에 기재되는 절단법에 의해 실시하였다.
동일하게 XRD 측정에 의한 결정 배향을 확인했는데, 300 ㎜ 용 타겟과의 차는 없고 샘플링 위치에 의한 변동도 없었다.
450 ㎜ 웨이퍼용 Co 타겟에 있어서, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 직행 좌표상, 외주, r/2, 중심의 합계 9 점, A, B, C, D, E, F, G, H, I 의 투자율 측정을 측정한 결과, 각각 6.1, 6.2, 6.0, 6.0, 6.3, 6.2, 6.0, 6.1, 6.2 가 되어 평균 투자율은 6.1 이며, 편차는 ±5 ％ 이내였다.
450 ㎜ 웨이퍼용 W 타겟에 있어서, 동일하게 결정 입경을 측정한 결과, 각각 20 ㎛, 22 ㎛, 19 ㎛, 20 ㎛, 23 ㎛, 22 ㎛, 18 ㎛, 19 ㎛, 20 ㎛ 가 되어, 편차는 ±20 ％ 이내이며, 평균 입경은 20 ㎛ 였다. 또한, 각 부위에서의 평균 결정 입도의 측정은 JIS·H0501 에 기재되는 절단법에 의해 실시하였다.
동일하게 XRD 측정에 의한 결정 배향을 확인했는데, 300 ㎜ 용 타겟과의 차는 없고 샘플링 위치에 의한 변동도 없었다.
이상으로부터, 450 ㎜ 웨이퍼 대응을 위한 타겟 대구경화를 실시해도, 현재 사용되고 있는 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟과 동등한 조직을 얻는 것이 가능한 것을 알았다. 단, 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟과 동 조건에서 대구경화된 타겟을 단조, 압연하기 위해서는 300 ㎜ 웨이퍼용 타겟 제작시에 비해 보다 큰 파워가 필요하고, 그에 대응한 설비를 준비할 필요가 있는 것은 말할 필요도 없다. 또, 압연 후의 열처리에서는 로 내 온도의 균일성이나 유지 시간의 조정을 보다 엄격화할 필요가 있다.
(타겟 표면의 청정성, 변형층)
기계 가공 후의 타겟 표면에는 미세한 가공 찌꺼기나 가공 공구로부터의 오염, 표면 근방의 가공 변형층이 잔류한다. 이와 같은 타겟 표면의 오염, 변형층의 잔류는 스퍼터링 초기의 성막 특성에 큰 영향을 미쳐, 특성이 안정될 때까지의 번-인 시간을 길게 한다.
따라서, 번-인 시간의 단축에 타겟 표면의 청정화, 변형층 제거가 중요해진다. 타겟 표면의 청정화, 변형층 제거 방법은, 통상, 표면의 연마 및 초음파 세정에 의해 실시되고 있다. 타겟의 대구경화에 수반하여 연마 조건이나 초음파 세정의 조건을 최적화할 필요가 있지만, 기술적인 곤란함은 비교적 작다고 생각된다.
(타겟의 변형 거동)
타겟으로서 Cu, Ti, Ta, Ni, Co, W 를 사용하고, 백킹 플레이트 재질에 무산소 구리 (OFC) 를 사용했을 때의, 스퍼터링시에 타겟이 받는 열 영향 (가열과 냉각) 을 재현하여, 이 상황하에서, 변형 거동 즉 휨의 거동을 조사하였다. 도 2 에 타겟의 휨을 측정한 결과를 나타낸다.
한편, 휨은 300 ㎜ 웨이퍼용 Cu 타겟의 경우, 중심 부분에서 약 1 ㎜ 인 데에 반해, 450 ㎜ 웨이퍼용 타겟에서는 약 5 ㎜ 에 휨이 확대되었다. 스퍼터링 중의 휨은 타겟-기판간 거리의 변동을 가져와 성막 특성에 영향을 미친다. 이하에, 각 타겟에 대해 휨량을 기술한다.
Ti 타겟의 경우에는, 300 ㎜ 웨이퍼 대응에서는, 중심 부분에서 약 0.7 ㎜ 인 데에 반해 450 ㎜ 웨이퍼 대응에서는 약 2.6 ㎜ 였다.
Ta 타겟의 경우에는, 300 ㎜ 웨이퍼 대응에서는, 중심 부분에서 약 0.5 ㎜ 인 데에 반해 450 ㎜ 웨이퍼 대응에서는 약 1.7 ㎜ 였다.
Ni 타겟의 경우에는, 300 ㎜ 웨이퍼 대응에서는, 중심 부분에서 약 0.6 ㎜ 인 데에 반해 450 ㎜ 웨이퍼 대응에서는 약 2.1 ㎜ 였다.
Co 타겟의 경우에는, 300 ㎜ 웨이퍼 대응에서는, 중심 부분에서 약 0.6 ㎜ 인 데에 반해 450 ㎜ 웨이퍼 대응에서는 약 2.0 ㎜ 였다.
W 타겟의 경우에는, 300 ㎜ 웨이퍼 대응에서는, 중심 부분에서 약 0.3 ㎜ 인 데에 반해 450 ㎜ 웨이퍼 대응에서는 약 1.0 ㎜ 였다.
또, 큰 휨은 타겟-백킹 플레이트의 접합을 파괴하고, 타겟이 탈락하는 위험을 가져온다. 이와 같이 300 ㎜ 웨이퍼 대응에서는 문제가 되지 않았던 현상이 450 ㎜ 웨이퍼 대응에서 대구경화됨으로써 새로운 문제가 현재화될 가능성이 있다.
스퍼터링 중에 발생하는 타겟의 휨은, 플라즈마에서 이온화된 Ar 입자의 충돌에 의해 타겟 표면의 온도가 상승하는 것, 및 타겟재와 백킹 플레이트재의 열팽창률차에 의해 일어난다.
휨 발생을 억제하기 위해서는, 타겟재와의 열팽창률차가 작고, 기계적 강도가 높은 백킹 플레이트재를 사용하는 것이 유효하다. 상기에서 사용한 백킹 플레이트재의 OFC 보다 기계적 강도가 높은 Cu-Cr 합금을 사용한 경우의 중심부의 휨의 크기는 약 3.2 ㎜ 가 되어, OFC 를 사용한 경우에 비해 휨이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.
산업상 이용가능성
대형의 스퍼터링 타겟에서 발생하는 휨의 발생을 억제함으로써, 타겟과 백킹 플레이트의 박리나 균열의 발생을 억제함과 함께, 균일한 성막을 가능하게 하여, 불량률을 저감시키며 또한 생산 효율을 높일 수 있다는 큰 효과를 갖기 때문에, 산업상 매우 유효하다.
Claims (7)
- 450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체로서, 스퍼터링 중의 타겟의 휨의 발생에 의한 휨량이 4 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체.
- 제 1 항에 있어서,
타겟 전체의 평균 결정 입경에 대한 각 부위의 평균 결정 입경의 편차가 ±20 ％ 이내인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체. - 제 1 항에 있어서,
타겟 각 부위의 투자율의 편차가 ±5 ％ 이내인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
납땜 또는 확산 접합된 타겟-백킹 플레이트 접합체인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
스퍼터링 타겟이 구리, 티탄, 탄탈, 니켈, 코발트, 텅스텐 또는 이들의 합금에서 선택한 재료인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
구리제, 구리 합금제, 알루미늄 합금, 티탄제 또는 티탄 합금제의 백킹 플레이트인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체. - 450 ㎜ 웨이퍼용 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체의 제조 방법으로서, 구리, 티탄, 탄탈, 니켈, 코발트, 텅스텐 또는 이들의 합금에서 선택한 스퍼터링 타겟 재료와 구리제, 구리 합금제, 알루미늄 합금, 티탄제 또는 티탄 합금제의 백킹 플레이트를 온도 200 ∼ 600 ℃ 에서 접합함으로써, 스퍼터링 중의 타겟의 휨의 발생에 의한 휨량을 4 ㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟-백킹 플레이트 접합체의 제조 방법.
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