JP2007534834A

JP2007534834A - 低導電率の支持板を有するスパッターリングターゲットアセンブリとその製造方法

Info

Publication number: JP2007534834A
Application number: JP2006520307A
Authority: JP
Inventors: ベイリー，ロバート，エス．; ホルコム，メルビン，ケイ．
Original assignee: トーソーエスエムディー，インク．
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2007-11-29
Also published as: KR20060033013A; WO2005007920A3; EP1644143A2; US20070107185A1; EP1644143A4; WO2005007920A2

Abstract

ターゲットと支持板とから成るアセンブリとその製造方法。前記支持板は45% IACS以下の導電率を有する材料で作られ、該材料は、Al合金、Cu合金、マグネシウム、マグネシウム合金、モリブデン、モリブデン合金、亜鉛、亜鉛合金、ニッケル、およびニッケル合金から成るグループから選択される。
【選択図】図１

Description

本発明は、先行のアメリカ仮特許出願第60/487,094号(2003年、7月14日出願)およびアメリカ仮特許出願第60/527,917号(2003年12月8日出願)の利点を主張するものである。

本発明は、スパッターターゲット/支持板アセンブリ、より詳しくは低導電率材料で作られた支持板を有するスパッターターゲット/支持板アセンブリに関する。

スパッターリングとも呼ばれる物理蒸着(PVD)では、基板上に材料を付着させるための供給源またはターゲットとして、固体金属たとえばチタンを使用する。PVDプロセスにおいては、高エネルギーイオン衝撃によってターゲットから金属原子をたたき出すことにより、金属原子を発生させる。スパッターリングを引起す高エネルギーイオンは、一般に、スパッターリングターゲット前方のプラズマ雲から出てくる。プラズマは一般に重い不活性ガスたとえばアルゴンを用いて発生させられる。基板は、ターゲットから所定の距離にくるように受け台上に配置され、電源によって生成されるプラズマに対して負の電位に保たれる。スパッターされた金属原子または原子群の主要部分は、チャンバー内が低圧力に保たれるため、ある角度分布範囲において、実質的に直線の飛跡を描く。

プラズマは、スパッターリングターゲットの背後の磁石によって生成される磁場によって維持される。通常のスパッターリングシステムの場合、該システム内でプラズマの向きを決定することを助け、ターゲットのより均一なスパッターリングが起こることを可能にする回転磁石が備えられる。進んだマグネトロンPVD設計の場合、通常、カソード磁石は、より良い均一性性能を与えるためにターゲットの中心軸のまわりに回転する小さな磁石の配列から成る。磁場の強さと磁石1回転あたりの磁場の平均滞留時間とは、ターゲット表面上の位置によって異なる。この両者が位置によって変化するため、ターゲット表面上のそれぞれの位置でのスパッターリング速度が異なり、したがってターゲットスパッターリングによる侵食輪郭(スパッターリング溝)が生じる。1回転における磁場の強さの時間積分を、時間平均磁場の強さ(T-B場)と定義する。市販のPVDシステムの場合、通常、OEMは必要なT-B場が発生するようにカソード磁石アセンブリの構造を設計する。そうすることにより、最大付着均一性性能を実現するのに適した望ましいターゲット表面侵食輪郭が生じる。望ましい磁石構成とターゲット侵食輪郭とを決定する方法は、アメリカ特許第4,995,958号、5,314,597号、5,248,402号、5,830,327号、および5,252,194号明細書を参照することによって知ることができる。

プラズマの密度、したがってターゲットのスパッターリング速度は、ターゲット表面における磁場の強さに関係する。電磁気理論によれば、磁場の垂直成分がゼロで、磁場の水平成分が最大である場合に、最大スパッターリング速度が与えられる。以下の説明においては、“磁場”という言葉は、特に明記しない限り、垂直磁場がほとんどゼロの場合の磁場の水平成分を意味するものとする。磁場の強さが小さすぎる場合には、プラズマは消滅し、ターゲット材料のスパッターリングは起こらない。

スパッターリングターゲットアセンブリは、一般に、該アセンブリに構造的な支持を与えるためにターゲットに接合された支持板を有する。一般に、支持板材料は、強度、耐食性、および伝熱特性を考慮して選択されている。強度は、スパッターリングシステムの運転時の応力に耐えることのできる構造を与え、スパッターリングプロセス時のそりを小さくすることによって粒子の生成を少なくするために必要である。腐食および伝熱特性は、アセンブリがスパッターリング時の熱を散逸させることを可能にするために重要である。一般に、ターゲットは非常に熱くなり、支持板側が水冷されるので、耐食性と熱散逸とに関する考慮が必要である。

一般に、大きな熱伝導率を有する析出硬化材料たとえばAl 6061またはCuCr(C18200)が、支持板として使用されている。一般に、支持板の冷却効率のために必要な大きな熱伝導率の材料は、大きな導電率をも有する。たとえば、CuCr合金は、約80〜85% IACSの大きな導電率を有し、Al 6061は、約46% IACSの導電率を有する。そのような高導電率の支持板においては、磁石の回転によって誘起される、支持板内に生成される渦電流のために、ターゲットアセンブリを貫通する磁場が減少する。このように磁場が減少するために、プラズマ密度が減少し、したがってスパッターリング蒸着速度が低下する。

以上のことから、明らかに、大きな磁場の貫通を可能にして、スパッターリング時により短いプロセス時間で必要厚の薄膜を蒸着するのを可能にし、したがってより効率的で経済的なスパッターリングが行われるような、ターゲットと支持板のアセンブリに対する要求が存在する。

本発明は、ターゲットと支持板とから成るスパッターリングターゲットアセンブリであって、前記支持板が45% IACS以下の導電率を有する材料で作られているアセンブリを提供する。前記支持板材料は、好ましくは、Al合金、Cu合金、マグネシウム、マグネシウム合金、モリブデン、モリブデン合金、亜鉛、亜鉛合金、ニッケル、およびニッケル合金から成るグループから選択される。別の実施形態の場合、支持板材料の導電率は、35% IACSよりも小さい。

一つの実施形態においては、支持板材料は、>20% Znの組成を有する黄銅である。別の実施形態においては、支持板材料は青銅であり、該支持材料の組成は、<1.25 wt% Snである。もう一つの実施形態では、支持板材料はアルミニウム合金、たとえば>2 wt% Mgの組成の5000 シリーズのアルミニウム合金である。もう一つの実施形態では、支持板材料はCuZn合金である。これらの材料の各々は、45% IACSよりも小の導電率を有し、したがって支持板内の渦電流生成は最小限に抑えられる。

さらに、本発明は、ターゲットと支持板とから成るスパッターリングターゲットアセンブリであって、前記支持板が35% IACS以下の導電率を有する材料で作られているような、アセンブリにも関する。

さらに、本発明は、スパッターリングターゲットアセンブリを製造する方法にも関する。この方法は、45% IACSよりも小さな導電率を有する材料から支持板を作り、前記支持板をスパッターターゲットに接合する、各ステップを含む。もう一つの実施形態においては、前記支持板材料は、Al合金、Cu合金、マグネシウム、マグネシウム合金、モリブデン、モリブデン合金、亜鉛、亜鉛合金、ニッケル、およびニッケル合金から成るグループから選択される。

本発明の前記特徴と利点およびその他の特徴と利点は、例として示す、本発明によるシステムと方法との各種実施形態に関する以下の詳細な説明において述べられ、またこの説明から明らかになるであろう。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明のシステムと方法との各種実施形態について、詳しく説明する。

図面において、対応する部品は対応する参照記号で示す。

図１は、ここで開示する発明的概念によるスパッターリングターゲットアセンブリの部分模式斜視図であり、全体を10で示す。スパッターリングターゲットアセンブリ10は、支持板14の上に重ねられたスパッターターゲット12を有する。ターゲット12は、たとえば、金属材料たとえばTi、Ni、Ti/W、W、Co、Al、および/もしくはTaまたはこれらのものの合金から成ることができる。好ましくは、ターゲット12は環状であり、最初(すなわち、スパッターリングを行う前)は、平坦なスパッターリング面22を有し、この面は、スパッターリング作業時に消耗して基板上に必要な被覆を形成する、必要な金属面を与える。ターゲットの厚さを決定する方法は、本発明と一緒に譲り受けたアメリカ特許出願10/312,050号(標題:“Target and Method of Optimizing Target Profile”(ターゲットとターゲット形状を最適化するための方法))(2002年2月20日出願)によることができる。同出願明細書の全記載事項を参照されたい。

スパッターリングターゲットアセンブリ10は、通常のスパッターリングシステム(図示せず)で使用される。スパッターリングシステムは、接地されたアノードと、負の高圧電源に接続されたカソードすなわちターゲット12とを有する。普通のスパッターリングシステムの場合、プラズマシールドを接地して、アノードとして使用する。被覆すべき基板またはウェーハ(図示せず)は、適当なウェーハ保持手段によって保持され、ウェーハの表面がターゲット12の平坦面22に平行に対面するようにされる。低圧の不活性ガスたとえば5 mTorrのアルゴンが、スパッターリング装置に導入される。一般に、スパッターリングシステムは、回転磁石を有し、該磁石は、システム内のプラズマの向きを決定し、ターゲットのより均一なスパッターリングが起こるようにする。たとえば、スパッターリングシステムは、ターゲット中心軸のまわりに回転してより良い均一性性能を与える小磁石の配列を有することができる。スパッターリング装置は、当業者には良く知られており、ここではこれ以上詳しくは述べない。

ターゲット12は、支持板14に接合されている。この接合には、たとえば、本件と一緒に譲り受けたアメリカ特許出願10/700,309号(標題:“Diffusion bonded Sputter Target Assembly and Method of Making Same”(拡散接合スパッターターゲットアセンブリとその製造方法))(2003年10月31出願)、またはアメリカ特許第6,749,103号(標題:“Low Temperature Sputter Target Bonding Method and Target Assemblies Produced Thereby”(低温スパッターターゲット接合法とそれによって製造されるターゲットアセンブリ))(2000年12月21日出願)に開示されている方法が使用される。この出願および特許の明細書の記載事項を参照されたい。ターゲット12と支持板14とを接合する他の方法、たとえばはんだ付け、ろう付け、摩擦溶接、爆発接合、または機械的接合の使用も考えられる。接合後のスパッターターゲットアセンブリ10の十分な冷却を保証し、高温条件下でアセンブリの構造的完全性を維持するために、ターゲット12と支持板14との質の高い熱的および構造的接合が望ましい。

好ましいターゲット12は、大体円錐台の形であって、上から見ると円形であり、スパッターリング面22に向かって大体直線的にすぼまっていく側壁20を有する。好ましいターゲット12と支持板14とは、全体として錐台の形状を有し、支持板14は、円錐の底面として働き、ターゲット側壁20は、該側壁20がスパッターリング面22を越えて延びたときに側壁20が円錐の頂点に近づくような、円錐の中間位置として働く。

一つの適当な実施形態においては、厚くされた領域または円形突起30がターゲット/支持板界面32に沿って形成される。この厚くされた領域30は、侵食跡の延長部その他として作用することによってターゲットの寿命を延ばすのに寄与する。ここに示す実施形態の場合、この厚くされた領域30の半径方向寸法(radial dimension)は好ましくは約7.739 cm(約3.047インチ)であり、深さは好ましくは約1.3 mm(約0.050インチ)である。

スパッターリング面22は、ターゲット12の薄い中心領域を定める浅い凹部42を包囲する、ターゲットの厚みの大きな、階段状に上げられた、または高められた外側テラス領域40を有するのが適当である。テラス40は、外壁50と内壁52とを有する。内壁52は、凹部からテラスの平坦領域または外表面54に向かって斜面を上っており、傾斜角は、ここに示す特定実施形態の場合、約13.5゜である。内壁52は、約6.4 mm(約0.25インチ)の長さまたは半径方向寸法を有する。図に示すように、テラス40の表面は、凹部表面から約1.5 mm(約0.060インチ)だけ上昇している。テラス40は、強い侵食が予想されうるスパッターリング面22の領域に追加の材料厚みを与える。

スパッターリング作業時には、磁力線が放電を環状領域に制限し、この領域では、放電する高エネルギーイオンがターゲット12に衝撃を与えて、原子を放出させることによって侵食し、これらの原子の一部がウェーハ(図示せず)の平坦表面を被覆する。注意すべきことは、スパッターリングシステムの磁石の運動によって生じるターゲット12と支持板14の渦電流が、磁場を弱め、スパッターリングプロセスに悪影響を与える、ということである。この渦電流は、ターゲット面22上方の磁場の強さを低下させる。これまで冷却効率のために選択されていた高熱伝導率の材料は、また高い導電率を有する。高い導電率の材料は大きな渦電流の生成をもたらす。容易にわかるように、支持板14内の渦電流が大きくなるほど、スパッターリングアセンブリを貫通する磁場は小さくなる。すなわち、高い導電率の材料で支持板14を作ると、ターゲット12上方の磁場が小さくなる。低熱伝導率の材料は、低導電率でもあるので、許容できる。低導電率の材料で作られた支持板14を使用することにより、渦電流効果が低下し、スパッターリングアセンブリ10を貫通する磁場を大きくすることができる。スパッターリングアセンブリ10を貫通するこの大きな磁場により、より安定なプラズマが生成される。この大きな磁場の一つの利点は、スパッター速度が大きくなるということである。

本発明においては、支持板は、約45% IACS(国際軟銅規格)以下、好ましくは40% IACSよりも小、さらに好ましくは35% IACSよりも小の導電率を有する低導電率材料から成る。好ましくは、支持板14は、約10% IACSの最小導電率よりも大の導電率を有し、導電率が、支持板の冷却性能が許容できない程度まで低下するほど低くはない材料から成る。許容される支持板材料の例としては、45% IACS以下の導電率を有する、Al合金、Cu合金たとえば黄銅および青銅、マグネシウムおよびマグネシウム合金、モリブデンおよびモリブデン合金、亜鉛および亜鉛合金、ニッケルおよびニッケル合金がある。

一つの実施形態においては、支持板材料は、2000シリーズ、5000シリーズ、または7000シリーズのアルミニウム合金から選択されるアルミニウム合金である。一つの好ましい実施形態においては、支持板材料は、>2wt% Mgの組成を有する5000シリーズの合金である。適当な5000シリーズの合金の例としては、5052、5056、5083、5086、5154、5252、5254、5356、5454、および5456がある。他の適当なAl合金の例としては、7075および7198、ならびに2014、2017、2024、および2219がある。選択される適当なAl合金の例とその導電率とを、表１に示す。

他の適当な支持板材料は、支持板の組成が約20wt% Zn以上となる黄銅である。適当な黄銅合金の例とその導電率とを、表２に示す。

他の適当な支持板14の例は、青銅から成るものである。好ましくは、この支持板の組成は、<約5.0% Sn、より好ましくは<約1.25wt% Snである。適当な青銅合金の例とその導電率とを、表３に示す。

特定の理論に束縛されることなく言えば、渦電流効果の低下により、支持板14を貫通する磁場を大きくすることができると考えられる。スパッターリングアセンブリ10を貫通する磁場が大きくなることにより、より安定なプラズマが生成され、スパッター速度が大きくなる。さらに、このより安定なプラズマにより、より低圧でのプロセスが可能である。挙げることのできる一つの利点は、ターゲット12の厚さを増大させ、同程度のスパッターリング性能で長寿命を有するようにできる、ということである。

この産業分野で広く使用されている、TaターゲットとCuCr(C18000)支持板とを有する通常の200mmスパッターリングターゲットアセンブリを入手した。本発明により、Taターゲットと低導電率の支持板とを有する新しい200mmスパッターリングターゲットアセンブリを設計した。支持板は、20℃(68Ｆ)で26% IACSの導電率を有するCuZn合金(C46400)で作った。比較すると、前記CuCrは、20℃(68Ｆ)で80% IACSの導電率を有する。このように導電率を小さくしたため、支持板内の渦電流が減少し、したがってスパッターリングシステムの回転磁石が受ける抵抗力が小さくなる、ということがわかった。この渦電流の減少により、ターゲットを貫通する磁場の強さが大きくなり、ターゲットのスパッター速度が15%増大した。

以上、本発明を特定実施形態に即して説明したが、明らかに、当業者は、多くの他の形態、組合せ、変更、および変形を考えることができる。したがって、前述の本発明の好ましい実施形態は、本発明の単なる例であり、本発明を限定するものではない。本発明の意図と範囲を逸脱することなく、多くの変形を加えることができる。

本発明によるターゲットと支持板の一つの実施形態を示す。

符号の説明

10 スパッターリングターゲットアセンブリ
12 スパッターターゲット
14 支持板
20 側壁
22 スパッターリング面、平坦面
30 円形突起、厚くされた領域
32 ターゲット/支持板界面
40 テラス
42 浅い凹部
50 外壁
52 内壁
54 外表面

Claims

ターゲットと支持板とから成るスパッターリングターゲットアセンブリであって、
前記支持板が45% IACS以下の導電率を有する材料で作られ、該材料が、Al合金、Cu合金、マグネシウム、マグネシウム合金、モリブデン、モリブデン合金、亜鉛、亜鉛合金、ニッケル、およびニッケル合金から成るグループから選択される、
ことを特徴とするアセンブリ。
当該支持板材料の当該導電率が35% IACSよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
当該支持板材料が20% Zn以上の組成を有する黄銅であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
当該支持板材料が青銅であり、該支持板材料の組成が<1.25wt% Snであることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
当該支持板材料がアルミニウム合金であり、該合金が>2wt% Mgの組成を有する5000シリーズのアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
当該支持板材料が、5000シリーズのアルミニウム合金であり、該合金が、5052、5056、5083、5086、5154、5252、5254、5356、5454、および5456から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
当該支持板材料が7000シリーズのアルミニウム合金であり、該合金が、7075および7198から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
当該支持板材料が、2000シリーズのアルミニウム合金であり、該合金が、2014、2017、2024、および2219から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
当該支持板材料の導電率が10〜45% IACSであることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
ターゲットと支持板とから成るスパッターリングターゲットアセンブリであって、
前記支持板が35% IACS以下の導電率を有する材料で作られている、
ことを特徴とするアセンブリ。
スパッターリングターゲットアセンブリを製造する方法であって、
45% IACSよりも小さな導電率を有する材料から支持板を作り、
前記支持板をスパッターターゲットに接合する、
各ステップから成ることを特徴とする方法。
当該支持板材料が、Al合金、Cu合金、マグネシウム、マグネシウム合金、モリブデン、モリブデン合金、亜鉛、亜鉛合金、ニッケル、およびニッケル合金から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。