JP2000500188A - スパッタリング装置および同装置用の液冷式ターゲット組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マグネトロンスパッタリング装置（５）は互いに隣接する圧力制御可能なチェンバ（２５）およびスパッタリングチェンバ（１０）と両者間の開口部に配置した全体として平らなターゲット組立体（２０）とを備え、前記チェンバの各々の内部の圧力を別々に制御でき前記ターゲット組立体（２０）の両側における圧力の差を低下できるように構成してある。ターゲット組立体（２０）は、スパッタリングチェンバ内部にスパッタリング面（４５）を有するターゲット板（４０）と、そのターゲット板（４０）の背面にとり付けた溝付き表面を備える冷却板とを有し、それら溝の形成する通路を流れる冷却材がターゲットを冷却できるようになっている。それら溝は効率の良い一様な冷却のために複数の互いに平行な直線状通路を有するパターンに形成してある。冷却板の溝付き表面はターゲット板（４０）に面していても、カバー板で覆われた状態でターゲット（４０）の反対側に面していてもよい。スパッタリング面（４５）とスパッタ膜形成対象物（３３）との間の距離をターゲットのスパッタリング面（４５）の消耗のあとも一定に維持するようにターゲット組立体（２０）をスパッタリング面（４５）と垂直な方向に可動にすることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】 スパッタリング装置および同装置用の液冷式ターゲット組立体 発明の背景 この発明はスパッタリング装置および同装置用のターゲット組立体に関し、よ り詳しくいうと、水などの冷却用液体で冷却するようにしたターゲット組立体付 きのマグネトロンスパッタリング装置に関する。 大規模集積回路（ＶＬＳＩ）を半導体基板またはウェーハに形成するには、一 般に、例えばアルミニウムのメタライズ層の堆積など多数の加工工程を伴う。 アルミニウム薄膜やそれ以外の層の堆積のための最も一般的な方法の一つがス パッタリング、すなわち真空チェンバ内のターゲット陰極近傍に比較的低圧の不 活性ガスのプラズマを発生させ、高エネルギーのイオンをターゲット材料の原子 の放出を生ずるようにターゲット陰極に衝突させるスパッタリングである。放出 された原子はスパッタリングチェンバ内部を進行し、その一部が半導体基板の上 に堆積する。 半導体装置の製造におけるスパッタリングの最も重要な側面の一つは半導体ウ ェーハ表面全体にわたってごく狭い許容誤差で膜を均一に堆積させる必要がある ことである。スパッタリングプロセスにおけるターゲットの消耗に伴って、ター ゲットのスパッタリング面と被膜形成対象の半導体ウェーハとの間の間隔が変わ るだけでなくターゲットの表面プロフィルも変わる。受入れ可能な均一性の達成 の難しさはデバイス製造用ウェーハ寸法の増大に伴って一貫して高まってきてお り、デバイス寸法の微小化に伴って膜厚許容誤差はさらに厳しくなってきている 。現在では直径８インチのウェーハがデバイス製造に一般に使われており、デバ イス寸法はサブミクロン水準へ縮小した。均一性の高い膜を形成するスパッタリ ング装置の開発に多大の努力が払われてきており、回転磁石利用のスパッタリン グ装置が開発された。その理由は、その装置がターゲット表面近傍で発生する磁 界がプラズマを範囲限定して強める作用をしそれによってスパッタリング装置の 効率を高めるだけでなく、膜の均一性の改善およびターゲット利用効率の改善を 達 成できたからである。 スパッタリング装置に関するもう一つの問題は近傍部品の溶融またはそれ以外 の熱の悪影響の回避のためのターゲットの冷却であった。ターゲットの上方に冷 媒を通過させる上部チェンバを設け、その下方を近真空状態のスパッタリングチ ェンバとする手法は周知である。その構成では、ターゲット下側のスパッタリン グチェンバと水またはそれ以外の液状冷却材の通る上側チェンバとの間の圧力差 がターゲットにかかる。その大きい圧力差のためにターゲットも、それに付随す る支持板がある場合はその支持板も、大きく湾曲したり変形したりする。直径の 大きい半導体基板にスパッタリングで被膜を形成するのに適合したターゲットの 場合にその問題はとくに深刻になる。 発明の概要 したがって、この発明の目的はターゲットを効率よく冷却できるスパッタリン グ装置用ターゲット組立体を提供することである。 この発明のもう一つの目的はターゲットを効率よく冷却することだけでなくタ ーゲット両側の間の圧力差を減らすこともできるマグネトロンスパッタリング装 置を提供することである。 上述の目的およびそれら以外の目的を達成できるこの発明のターゲット組立体 は、スパッタリング面と片方の面に溝を形成した冷却板付きの裏側面とを有する ターゲット板を含むものとして特徴づけられよう。ターゲットには平板状ターゲ ットの裏側にバッキングプレートを含め、複数の互いに平行な通路などのパター ンの溝を形成することができる。それら溝付きの表面または反対側の面でその冷 却板をターゲット板の裏側にとり付ける。冷却板の反対側の面をターゲット板の 背面にとり付けた場合は溝付きの表面にカバー板をとり付けて入口から出口に至 る液状冷却材の通路を形成する。ターゲットの冷却を効率よく均一にできるよう に、互いに平行な複数の直線状の通路を有しそれら通路経由の冷却材流量をほぼ 等しくする形のパターンに上記溝を形成する。 この発明を実施したマグネトロンスパッタリング装置は周知の種類のスパッタ リングチェンバおよび上述のターゲット組立体だけでなくスパッタリングチェン バ隣接の圧力可変チェンバをも含むものとして特徴づけられよう。ターゲット組 立体は通常平らであり、二つのチェンバの間にそれらチェンバを圧力可変チェン バ内圧の個別調節ができる形で個別に封止して配置される。ターゲットのスパッ タリング表面とスパッタ膜形成対象物との距離をスパッタリング表面の消耗のの ちも一定に保つように、スパッタリングチェンバおよび可変圧力チェンバを個々 に封止状態に保ちながらターゲット組立体をスパッタリング面と垂直な方向に可 動にする。 図面の簡単な説明 この明細書に組み入れられその一部をなす添付図面はこの発明の実施例を示し 、明細書の記載とともにこの発明の原理を説明する。添付図面において、 図１はこの発明によるスパッタリング装置を組み入れたシステムの横断面図で あり、 図２は図１のターゲット組立体の一部の断面図であり、 図３は図２のターゲット組立体における冷却板の底面図であり、 図４は図２のターゲットをとり付けた図３の冷却板の線４−４における断面図 であり、 図５、図６および図７はこの発明の互いに異なる実施例のターゲット組立体を それら組立体の互いに平行な溝の部分の方向に見た断面図であり、 図８はこの発明のさらに他の実施例のターゲット組立体をその組立体の溝の部 分の方向と垂直な方向にみた断面図である。 添付図面全体を通じて、等価または同一構造の構成部分は互いに異なる実施例 についても同一の参照数字を示してある。 発明の詳細な説明 図１は、この発明を実施したスパッタリング装置５を、当業者に周知の形式の 真空ポンプ系１３によって真空にできスパッタリングチェンバとも呼び得る真空 チェンバ１０を含むものとして示している。真空チェンバ１０の内部には、ター ゲット４０と、上面をスパッタ成膜しようとしている半導体ウェーハなどの基板 保持用の基板ホルダー３０とがある。ウェーハを真空ロック１７内の移送アーム １８によって真空チェンバ１０に出し入れするのに真空チェンバドア１５を用い る。アーム駆動モータ１９は、ウェーハをホルダー３０に出し入れするとともに 装着ロックドア１６経由で装着ロック１７に出し入れする移送用アーム１８を駆 動する。 ターゲット４０は真空チェンバ１０の内部に材料をスパッタする下側表面すな わちスパッタリング面４５を備え、図１に略示したターゲット組立体２０の一部 として組み入れられている。図１には電圧源は示してないが、スパッタリングプ ロセスの期間中はターゲット４０は周知の通り陰極として作用する。 圧力可変の上側チェンバ２５が真空チェンバ１０の上方に設けてあり、ターゲ ット組立体２０が真空チェンバ１０と上側チェンバ２５との間に配置されそれら チェンバ１０および２５を個別に封止している。参照数字２９は上側チェンバ２ ５の内部の圧力の制御のためのガスポンプおよび圧力計を含む圧力制御手段を記 号で示す。回転可能な磁石アレー５０（この出願と同一譲受人に譲渡された例え ば米国特許第4,995,958号に記載の適当な構成を備える）を上側チェンバ２５内 でターゲット４０のすぐ後側（上側）に配置し、磁石駆動電動機６０によって垂 直向きの駆動軸６５を通じて駆動するようにする。効率をよくするために、磁石 アレー５０をターゲット４０とほぼ同じ形状にし、駆動軸６５の周りで回転する 際にターゲット４０の裏側表面に近接ししたがってスパッタリングの生ずる真空 チェンバ１０に近接した領域（点線で図示）を掃引するようにする。 スパッタリングプロセスの進行に伴って、ターゲット４０のスパッタリング面 ４５は浸食される。スパッタリング面が消耗すると、表面プロフィールが変わる だけでなくスパッタリング面４５とウェーハ３３との間隔が変わり、一方スパッ タリング面４５と磁石アレー５０との間の距離がそれだけ小さくなる。スパッタ リング面４５とウェーハ３３との間隔の増大は堆積膜の均一性に大きく影響し、 スパッタリング面４５と磁石アレー５０との間の距離の減少はスパッタリング面 ４５近傍における磁界強度を増加させる。磁界強度の増大はスパッタリング速度 の変動を意味する。上記の点を考慮して、ターゲット２０を、双方向矢印４７で 示したとおり、基板３３に対して下向きに近づくようにまたは上向きに離れるよ うに選択的に動かせる形で支持する。そのために、ねじ付きの軸８１、すなわち 電動機駆動の親ネジ（図示してない）など駆動手段に結合されるとともに上側チ ェンバ２５の圧力制御した内部からベロー５２で分離され中空絶縁物９０取付け のもう一つのベロー５１で真空チェンバ１０の真空状態から分離された軸８１を 設けてある。 真空ポンプ装置１３で真空チェンバ１０を適度の真空度まで排気し、上側チェ ンバ２５の内部圧力をそれだけ低下させたのち少量のアルゴンまたはそれ以外の 適当なガスをガス供給源１４から真空チェンバ内に導入する。真空容器の壁から 電気的に絶縁されているターゲット４０に負の高電圧を加える。真空容器の上記 以外の部分は地気電位に保持しスパッタリング装置の陽極として作用させる。陰 極４０の負の高電圧は真空チェンバ１０の内部にプラズマ放電を生じさせ、その 放電は磁石アレー５０に伴う磁界によってターゲット４０の表面近傍に閉じこめ られる。プラズマの中の陽イオンが負電位のターゲット４０にそのターゲット４ ０のスパッタリング面４５から原子を放出させるのに十分なエネルギーで衝突す るように吸引力が作用する。放出された原子の一部が基板３３に到達して膜を形 成する。上述のスパッタリングプロセスは周知であり、したがってこれ以上詳述 しない。 図２により詳細に示すとおり、ターゲット組立体２０はターゲット４０の平ら な背面（スパッタリング面４ｂから離れた方）にクランプされ冷却材導管２６お よび２７（後者は図１には示してあるが図２には示してない）に結合された冷却 板４１を含む。クランプ部分にゴムのガスケットまたはＯリング（図示してない ）を用いることができる。冷却板４１はアルミニウム、ステンレス鋼、その他の 適当な材料で構成でき、図３および図４に示すとおり、底面に溝４２の網状配置 を設けたことを特徴とする。溝４２の網状配置は直径方向の互いに反対側の周縁 部位で二つの冷却材導管２６および２７に接続してあり、仕切り壁４３で互いに 分離された互いに平行な直線状通路４２ａを備える。これら直線状の通路４２ａ の各々は冷却板４１の周縁沿いに湾曲した円周上通路４２ｂに両端で連通してお り、この構造の冷却板をターゲット４０の平らな背面にクランプした場合に冷却 材導管２６および２７がターゲット４０と冷却板４１との間の溝４２の互いに平 行な通路経由で連通し、液状冷却材が導管２６および２７の一方から他方にこれ ら通路経由で流れてターゲット４０を冷却するようにする。溝４２の個々の通路 の断面寸法（幅および深さ）は液状冷却材が溝４２の平行通路のどれを流れるか に関わりなく二つの冷却材導管２６および２７の間の流体力学的インピーダンス が互いに等しくなるように決める。互いに平行な直線状通路４２ａのうち中心か ら離れた位置にあるものは短くなっているが、導管２６および２７の間でみた冷 却材流通距離は、単位距離あたりインピーダンスを小さくするために直線状通路 ４２ ａよりも深くした円周上通路４２ａ経由で長くなり、したがって、平行直線状通 路４２ａの幅を逐次的に変える必要はない。これら直線状通路４２ａのいずれか が不通になった場合に冷却材の代替通路を形成するためにこれら通路４２ａの互 いに隣接するものの間を連通させる横経路を設けてある。 この発明を例一つだけについて上に述べてきたが、この例は発明の範囲を限定 することを意図するものではない。この発明の範囲内で多数の改変および変形が 可能である。例えば、ターゲット組立体２０を垂直方向（すなわちスパッタリン グ面４５と垂直な方向）に動かす図１の軸８Ｌベロー５１および５２などの機構 はこの発明に不可欠の構成要素ではない。また、冷却板４１の溝付き表面をター ゲット４０の背面に直接にとり付けた実施例を図２および図４に示したが、図５ に示すように両者間にバッキングプレート４８（例えば銅製の）を挿むこともで きる。図６は冷却板４１の上面、すなわちターゲット４０と底面で強固に接触し た状態になる冷却板４１のターゲット４０と反対側の面に溝４２を形成し、その 溝付きの上面にとり付けたカバー板４９を備えたことを特徴とするもう一つのタ ーゲット組立体を示す。カバー板４９は冷却板４１との接触による悪影響のない 任意の材料で構成できる。カバー板４９と冷却板４１とは溶接、ねじ止めなど適 当な手段で一体化できる。図７は、上述の材質およびパターンを備える溝４２を ターゲット４０の上面（スパッタリング面４５と反対側）に、それら溝４２を覆 いそれによって液状冷却材の互いに独立の通路を形成する、液状冷却材導管（図 ７には２７のみを図示）と溝４２との間の連通のための開口付きのバッキングプ レート４８を添えてとり付けたことを特徴とするさらにもう一つのターゲット組 立体を示す。 平板状スパッタリング面４５を備える平板状ターゲット４０を上に述べてきた が、これはこの発明の範囲の限定を意図するものではない。図８は凹面状スパッ タリング面４５’を有する凹面状ターゲット４０’を特徴とするこの発明のもう 一つの実施例のターゲット組立体を示す。凹面状ターゲットの利点の一つはスパ ッタリングによる原子をウェーハ３３に向けて集束できることであり、もう一つ の利点は大口径ウェーハに適合した装置の場合にとくに著しい利点となる構造上 の強度である。 要するに、この発明によるターゲット組立体はスパッタリング面付きの一般に 平板状のターゲットを片側に備えるだけでなく、そのターゲットを冷却する熱交 換手段として作用する液状冷却材通路を含むことを特徴とする。液状冷却材通路 形成のためのそれら溝はスパッタリング面と反対側のターゲット表面またはター ゲット表面にとり付ける冷却板に形成でき、また、ターゲットに面する側または 溝を覆うカバー板付きの反対側に形成できる。ターゲットを均一に効率よく冷却 し、ターゲット背面全体にわたってほぼ均一な温度を維持できるように、互いに 平行で好ましくは直線状の複数の通路を含むパターンにしたがって溝を形成する 。 また、この発明によるスパッタリング装置は、スパッタリングプロセス達成用 の低圧環境の形成のために排気できるスパッタリングチェンバだけでなく、内部 圧力を制御可能な上部チェンバ、および上述のターゲット組立体、すなわち上記 二つのチェンバを連通する開口をそのターゲット組立体の両側における圧力差が 大幅に小さくなるように封止するターゲット組立体を有することを特徴とする。 上述の説明は広く解釈されることを意図するものであり、略示を意図した図面 が負の高電圧のかかるターゲット組立体と陽極側の諸構成部分との間の絶縁体な ど図示の例の詳細を示したものでないことは想起されなければならない。平板状 ターゲットは凹面状のものも含むことを意図しており、溝の互いに平行な部分は 直線状である必要はなく湾曲していても差し支えない。当業者に自明の上述の例 の改変および変形はすべてこの発明の範囲内に含めることを意図するものである 。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 にターゲット組立体（２０）をスパッタリング面（４ ５）と垂直な方向に可動にすることもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板に材料を堆積させるスパッタリング装置であって、 基板ホルダーと、 回転可能な磁石と、 前記基板ホルダーと前記回転可能な磁石との間に配置され前記基板ホルダーに 面するスパッタリング面と前記回転可能な磁石に面する背面板面とを有するとと もに、前記スパッタリング面と前記背面板面との間に位置する複数の液状冷却材 通路、すなわち平行な通路によって互いに連結された湾曲周囲通路を含む液状冷 却材通路であって、前記湾曲周囲通路の各々が前記平行な通路の各々の単位長さ あたりの流体力学的インピーダンスよりも小さい単位長さあたりの流体力学的イ ンピーダンスを備えるターゲット組立体と を含むスパッタリング装置。 ２．前記複数の液状冷却材通路が前記平行な通路のうち互いに隣接するものを互 いに連結する複数の横経路をさらに含む請求項１記載のスパッタリング装置。 ３．前記ターゲット組立体がターゲットと冷却板とを含み、前記複数の液状冷却 材通路が前記冷却板の中に形成した溝の網状配置を含む請求項１記載のスパッタ リング装置。 ４．前記複数の液状冷却材通路が前記平行な通路のうち互いに隣接するものを互 いに連結する複数の横経路をさらに含む請求項１記載のスパッタリング装置。 ５．前記冷却板が前記背面板表面から離れる方向であって前記ターゲットに向か う方向に向いた前面冷却板表面を含み、前記溝の網状配置が前記前面冷却板表面 に形成されている請求項３記載のスパッタリング装置。 ６．前記複数の通路が前記平行な通路のうち互いに隣接するものを互いに連結す る複数の横経路をさらに含む請求項５記載のスパッタリング装置。 ７．前記ターゲット組立体が、前記ターゲットと前記冷却板との間に配置され前 記平行な通路の壁を画する前記バッキングプレートをさらに含む請求項５記載の スパッタリング装置。 ８．前記複数の通路が前記平行な通路のうち互いに隣接するものを互いに連結す る複数の横経路をさらに含む請求項７記載のスパッタリング装置。 ９．前記前面冷却板表面が前記ターゲット板背面に面して接しており、前記ター ゲット板背面が前記平行な通路の一つの壁を画する請求項５記載のスパッタリン グ装置。 １０．前記複数の通路が前記平行な通路のうち互いに隣接するものを互いに連結 する複数の横経路をさらに含む請求項９記載のスパッタリング装置。 １１．前記冷却板が前記ターゲットから離れる方向であって前記背面板表面に向 かう方向に向いた背面冷却板表面を含み、前記溝の網状配置が前記背面冷却板表 面に形成されている請求項３記載のスパッタリング装置。 １２．前記複数の液状冷却材通路が前記互いに平行な通路のうち互いに隣接する ものを互いに連結する複数の横経路をさらに含む請求項１１記載のスパッタリン グ装置。 １３．前記ターゲット組立体がカバー板をさらに含み、前記冷却板が前記カバー 板と前記ターゲットとの間に配置されており、前記カバー板が前記平行な経路の 壁を画する請求項１１記載のスパッタリング装置。 １４．前記複数の液状冷却材通路が前記互いに平行な通路のうち互いに隣接する ものを互いに連結する複数の横経路をさらに含む請求項１３記載のスパッタリン グ装置。 １５．前記ターゲット組立体がターゲットを含み、前記複数の液状冷却材通路が 前記ターゲット板に形成した溝の網状配置を含む請求項１記載のスパッタリング 装置。 １６．前記ターゲット組立体がカバー板をさらに含み、前記ターゲット板が前記 カバーに面し接する背面ターゲット板表面を含み、前記溝の網状配置が前記背面 ターゲット板表面に形成されている請求項１５記載のスパッタリング装置。 １７．前記ターゲット組立体に連結した第１および第２の液状冷却材導管をさら に含み、前記平行な通路がそれら平行な通路の各々を通過する液状冷却材につい て前記第１および第２の導管の間の流体力学的インピーダンスをほぼ等しくする ように決めた断面寸法を有する請求項１記載のスパッタリング装置。