JP4763101B1 - スパッタリング用タンタル製コイル及び同コイルの加工方法 - Google Patents

Abstract

【要約書】
基板とスパッタリングターゲットとの間に配置するタンタル製コイルであって、該コイルの表面の表面粗さＲｚが１５０μｍ以上であり、かつ横方向が１５〜３０ＴＰＩ（Ｔｈｒｅａｄｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）、縦方向が１０〜３０ＴＰＩである凹凸を備えていることを特徴とするスパッタリング用タンタル製コイル。基板とスパッタリングターゲットとの間に配置したタンタル製コイルにおいて、コイルの表面に堆積したスパッタ粒子が剥離し、その薄片が基板表面に飛散して付着して、パーティクル発生及びアーキングの原因となることを防止するために、該コイルの表面に堆積するスパッタ粒子の剥落を抑制するための対策が講ずるものであり、これによって電子部品の品質と生産性を向上させ、半導体素子及びデバイスを、安定して提供できる技術を提供することを課題とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、パーティクル及びアーキングの発生の原因となることを防止するために、スパッタリング装置に使用するコイルの表面に堆積するスパッタ粒子の剥落を効果的に抑制できるスパッタリング用タンタル製コイル及び同コイルの加工方法に関する。
このスパッタリング用タンタル製コイルは、後述する図面に示すように湾曲した曲面を持つが、コイルの表面は内表面と外表面のいずれの表面も対象となる。したがって、以下に記述する「コイルの表面」は、コイルの内表面と外表面の双方を意味することとする。以下、同様である。

近年、膜厚や成分を容易に制御できるスパッタリング法が、電子・電気部品用材料の成膜法の一つとして多く使用されている。
このスパッタリング法は正の電極と負の電極とからなるターゲットとを対向させ、不活性ガス雰囲気下でこれらの基板とターゲットの間に高電圧を印加して電場を発生させるものであり、この時電離した電子と不活性ガスが衝突してプラズマが形成され、このプラズマ中の陽イオンがターゲット（負の電極）表面に衝突してターゲット構成原子を叩きだし、この飛び出した原子が対向する基板表面に付着して膜が形成されるという原理を用いたものである。

最近のスパッタリング技術として、スパッタリングターゲットと基板との間にコイルを配置して、プラズマの密度を高め、かつ飛翔するスパッタ粒子を極力基板方向に向かわせるようにする技術がある。この結果、スパッタリング速度が速くなり、膜の均一性が良好となり、総合的に基板へ堆積される膜の品質を高めることができるものである。
このコイルは、スパッタされる場合もあるがスパッタされない場合もある。これは、コイルへのバイアスに応じて変わるものである（特許文献１、２参照）

以上から、一般にコイルの材料はターゲット材料と同一の材料か又は基板上に堆積するスパッタ膜を構成する材料の一部を構成する材料を使用することが多い。しかし、特にコイル材が基板上の薄膜を汚染しない材料であれば、特に制限されない。また、コイルの形状も円形のものから螺旋式のものがあり（特許文献１、２、３参照）、これらを多段に配置する例もある。

このようなスパッタリング法による薄膜の形成に際し、問題となるのはパーティクルの発生である。一般に、パーティクルは、基板以外の薄膜形成装置の内壁や内部にある機器のいたるところに堆積する可能性がある。ターゲットのエロージョン部以外の面及び側面にも、スパッタ粒子が堆積することがある。そして、このような薄膜形成装置内にある部材等から剥離した薄片が直接基板表面に飛散して付着することがパーティクル発生の大きな原因の一つであると考えられている。

最近では、ＬＳＩ半導体デバイスの集積度が上がる（１６Ｍビット、６４Ｍビットさらには２５６Ｍビット）一方、配線幅が０．２５μｍ以下になるなどにより微細化されつつあるので、上記のようなパーティクルによる配線の断線や短絡と言った問題が、より頻発するようになった。
このように、電子デバイス回路の高集積度化や微細化が進むにつれてパーティクルの発生は一層大きな問題となってきた。

ところが、ターゲットと基板との間に上記のようなコイルを配置し、プラズマの密度を高め、かつ飛翔するスパッタ粒子を極力基板方向に向かわせるようにした場合には、基板以外の薄膜形成装置の内壁や内部にある機器に飛翔する量が減少するが、コイル自体に堆積するという問題がある。
このような問題を避けるために、前記特許文献３では、コイルの上端をコイルの内面側の上端を削り、内周の厚さを減少させるという提案がなされている。この場合、コイルの上端部は上に向かって鋭く尖った形状になるので、コイルの頂部に堆積するはずの堆積物が、払い落とされ溜まることがなく、また新たなスパッタ粒子が衝突するので清浄化されているという説明がなされている。

しかし、スパッタリングにより堆積する部位は、コイルの上端だけではない。コイルの表面、すなわち外表面及び内表面にも堆積する可能性がある。この場合には、スパッタ粒子が堆積したコイルの表面から剥離した薄片が直接基板表面に飛散して付着し、パーティクル発生の原因となるが、この対策が講じられていない。上記のように電子デバイス回路の高集積度化や微細化の要請から、このような箇所からのパーティクルの発生も大きな問題となる。

このような問題を解決しようとして、ターゲット側面及びバッキングプレートの近傍部分をブラスト処理し、アンカー効果により付着力を向上させる提案がある。
しかし、この場合、ブラスト材の残留による製品への汚染の問題、残留ブラスト材上に堆積した付着粒子の剥離の問題、さらには付着膜の選択的かつ不均一な成長による剥離の問題が新たに生じ、根本的解決にはならない。特に、コイルがタンタルのような硬質の材料では、ブラスト処理する程度では、凹凸を設けることすら困難であり、効果的な付着力の増強効果を得ることはできない。
また、特許文献４には、ターゲットのフランジ、側壁、シールド、カバーリング等に使用するコイルに、ダイヤモンド状又はクロスハッチ状（網目状）のパターンをナーリング加工により形成することが開示されている。この場合、深さが０．３５０ｍｍ〜１．１４３ｍｍとしているが、加工面の凹凸が単純な形状なので、充分なアンカー効果が得られない可能性がある。

特表２００５−５３８２５７号公報 特開２００１−２１４２６４号公報 特表２００８−５３４７７７号公報 ＷＯ２００９／０９９７７５（ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３１７７７）

本発明は、基板とスパッタリングターゲットとの間に配置したタンタル製コイルにおいて、コイルの表面に堆積したスパッタ粒子が剥離し、その薄片が基板表面に飛散して付着して、パーティクル及びアーキングの発生の原因となることを防止するために、該コイルの表面に堆積するスパッタ粒子の剥落を抑制するための対策を講ずるものであり、これによって電子部品の品質と生産性を向上させ、半導体素子及びデバイスを、安定して提供できる技術を提供することを課題とする。

上記から、本願発明は、
１）基板とスパッタリングターゲットとの間に配置するタンタル製コイルであって、該コイルの表面の表面粗さＲｚが１５０μｍ以上であり、かつ横方向が１５〜３０ＴＰＩ（このＴＰＩは、「Ｔｈｒｅａｄｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ」を意味する。以下、「ＴＰＩ」と記載する。）、縦方向が１０〜３０ＴＰＩである凹凸を備えていることを特徴とするスパッタリング用タンタル製コイル
２）表面粗さＲｚが２００μｍ以上であることを特徴とする上記１）記載のスパッタリング用タンタル製コイル
３）表面粗さＲｚが２５０μｍ以上であることを特徴とする上記１）記載のスパッタリング用タンタル製コイル
４）山の先端のＲが１０〜５００μｍであるか又は１０〜５００μｍ幅の平坦面を有することを特徴とする上記１）〜３）のいずれか一項に記載のスパッタリング用タンタル製コイル。
なお、前記ＴＰＩ（Ｔｈｒｅａｄｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）は、１インチ（２５．４ｍｍ）当たりの山の数（ねじ山の数）を意味する。

また、本願発明は、
５）基板とスパッタリングターゲットとの間に配置するタンタル製コイルをナーリング加工によって、該コイルの表面の表面粗さＲｚが１５０μｍ以上であり、かつ横方向が１５〜３０ＴＰＩ、縦方向が１０〜３０ＴＰＩの凹凸を形成することを特徴とするスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法
６）表面粗さＲｚが２００μｍ以上とすることを特徴とする上記５）記載のスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法
７）表面粗さＲｚが２５０μｍ以上とすることを特徴とする上記５）記載のスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法。
８）山の先端のＲを１０〜５００μｍとするか又は１０〜５００μｍ幅の平坦面とすることを特徴とする上記５）〜７）のいずれか一項に記載のスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法、を提供する。

これによって、本発明は、基板とスパッタリングターゲットとの間に配置したタンタル製コイルの表面に堆積したスパッタ粒子が剥離し、その薄片が基板表面に飛散して付着して、パーティクル発生の原因となることを防止し、アーキングの発生を抑制するために、該コイルの表面に堆積するスパッタ粒子の剥落を効果的に抑制することができ、電子部品の品質と生産性を向上させ、半導体素子及びデバイスを、安定して提供できる技術を提供することができる。

実施例１の切削式ナーリング加工を行ったコイルの外観写真（Ａ）とコイルの表面の外観写真（Ｂ）である。 実施例１の切削式ナーリング加工を行ったコイルの表面のＳＥＭ写真（Ａ）とコイル表面の深さ方向（断面）のＳＥＭ写真（Ｂ）である。 比較例１のナーリング加工を行ったコイルの外観写真（Ａ）とコイルの表面の外観写真（Ｂ）である。 比較例１のナーリング加工を行ったコイルの表面のＳＥＭ写真（Ａ）とコイルの表面の深さ方向（断面）のＳＥＭ写真（Ｂ）である。 実施例４の押し当て式ナーリング加工を行ったコイルの表面のＳＥＭ写真（Ａ）とコイル表面の深さ方向（断面）のＳＥＭ写真（Ｂ）である。

タンタル製コイルを基板とスパッタリングターゲットとの間に配置した、スパッタリング装置では、例えばタンタルターゲットを使用した場合、このタンタルターゲットからスパッタされた粒子はウエハ以外に、ターゲットの周りにあるタンタル製のコイルの表面にもデポジットし堆積する。また、このコイルはスパッタリング中に熱を受けて膨張する。

コイルの表面の堆積厚みが増すと、応力増加により膜が剥離し、これが基板に飛来して付着し、パーティクルやアーキングの原因となる。
これを防止するため、コイルにナーリング加工を行い、表面を粗化する加工を行い、耐剥離性を向上させる作業を行っていた。このナーリング加工はローレットをワークに強く押し当てることで凹凸を形成するものであるが、タンタルは硬いため形成できる粗さに限度がある。

このため、ある程度デポ膜が堆積すると、比較的短時間で膜剥がれを起こすという問題があった。薄膜の品質を向上させるためには、スパッタリング操作を停止させ、コイルを交換する必要があり、生産効率を低下させる原因となっていた。
また、ナーリング加工を行うにしても、どの程度の表面に凹凸を形成すれば、コイルの表面からスパッタ粒子の剥離を防止できるか、定かでないという問題もあった。
一般に、コイルは薄い材料を使用し、５ｍｍ程度の厚さのものを使用する場合もあるので、強度のナーリング加工を行うと、コイル自体が変形することがあり、また弱度のナーリング加工では、粗化が十分でない結果となる。
本発明は、この点を調べるために多数の試験を行い、かつナーリング加工の方法とナーリング加工の強度を変えて最適な条件を見出したものである。

この結果、基板とスパッタリングターゲットとの間に配置するタンタル製コイルに対してナーリング加工を行い、該コイルの表面の表面粗さＲｚを１５０μｍ以上とし、かつ横方向を１５〜３０ＴＰＩ、縦方向を１０〜３０ＴＰＩとする凹凸を形成することにより、デポ膜の膜剥がれを飛躍的に防止できることが分かった。ナーリング加工には、切削式ナーリング加工と押し当て式ナーリング加工があるが、条件を適宜設定することにより、いずれも適用できるものである。
本発明は、このようにして得たスパッタリング用タンタル製コイルを提供するものである。上記のいずれの条件を外れても、コイルの表面からスパッタ粒子の剥離を防止することができず、本発明の目的を達成することができない。

さらに、表面粗さＲｚが２００μｍ以上とすることがより好ましい。これはより凹凸を粗くし、強固に付着できるからである。また、山の先端のＲを１０〜５００μｍとするか又は１０〜５００μｍ幅（なお、この寸法は「直径」と言うこともできる。）の平坦面とすることが、さらに望ましい。本発明のスパッタリング用タンタル製コイルは、これらを包含する技術を提供するものである。
コイルの厚さ、幅、長さは、スパッタリング装置の設計によって任意に替えることが可能であり、またコイルを多段に設置したり、螺旋状にしたりすることも、スパッタリング装置設計上の問題であり、任意に設計できることは容易に理解できるであろう。

次に、実施例について説明する。なお、この実施例は理解を容易にするためのものであり、本発明を制限するものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲内における、他の実施例及び変形は、本発明に含まれるものである。

（実施例１）
切削式ナーリング加工により、コイルの表面の表面粗さＲｚ＝２５０μｍ、かつ横方向２０ＴＰＩ（Ｔｈｒｅａｄｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）、縦方向１３ＴＰＩ、山の先端のＲが１００μｍのタンタルコイルを作成した。
図１に、実施例１の本発明の切削式ナーリング加工を行ったコイルの外観写真（Ａ）とコイルの外側（外表面部）の外観写真（Ｂ）を示す。また、図２に、本発明の切削式ナーリング加工を行ったコイルの表面のＳＥＭ写真（Ａ）とコイルの表面の深さ方向（断面）のＳＥＭ写真（Ｂ）を示す。

これらの図１及び図２に示すように、タンタル製コイルであるにもかかわらず、凹凸の段差が大きく、凹凸が明瞭であり、タンタル製のコイルの表面に付着したデポ膜の、より強固な付着を可能とするものである。
また、このタンタル製コイルを使用してスパッタリングを実施した場合には、従来は２００ｋＷｈの使用後に、コイルの交換を行わなければならなかったが、本実施例１のタンタル製コイルを使用した場合は、３５０ｋＷｈの使用が可能であった。これにより大きな効果を得ることが可能となった。

（実施例２）
切削式ナーリング加工により、コイルの表面の表面粗さＲｚ＝１５０μｍ、かつ横方向２０ＴＰＩ、縦方向１３ＴＰＩ、山の先端のＲが２２０μｍのタンタルコイルを作成した。タンタル製コイルであるにもかかわらず、凹凸の段差が大きく、凹凸が明瞭であり、タンタル製のコイルの表面に付着したデポ膜の、より強固な付着を可能とするものである。

また、このタンタル製コイルを使用してスパッタリングを実施した場合には、従来は２００ｋＷｈ使用後に、コイルの交換を行わなければならなかったが、本実施例２のタンタル製コイルを使用した場合は、３００ｋＷｈの使用が可能であった。これにより大きな効果を得ることが可能となった。ただし、実施例１と比べて、コイルの表面の表面粗さＲｚが小さいため、使用ライフは短かった。

（実施例３）
切削式ナーリング加工により、コイルの表面の表面粗さＲｚ＝３００μｍ、かつ横方向２０ＴＰＩ、縦方向１３ＴＰＩ、山の先端のＲが５μｍのタンタルコイルを作成した。タンタル製コイルであるにもかかわらず、凹凸の段差が大きく、凹凸が明瞭であり、タンタル製のコイルの表面に付着したデポ膜の、より強固な付着を可能とするものである。

また、このタンタル製コイルを使用してスパッタリングを実施した場合には、従来は２００ｋＷｈ使用後に、コイルの交換を行わなければならなかったが、本実施例のタンタル製コイルを使用した場合は、３００ｋＷｈの使用が可能であった。これにより大きな効果を得ることが可能となった。
但し、山の先端のＲがやや小さいため、３００ｋＷｈを過ぎると山の先端部でデポ膜の剥離が生じるようになった。

（実施例４）
押し当て式ナーリング加工により、コイルの表面の表面粗さＲｚ＝２５０μｍ、かつ横方向１８ＴＰＩ、縦方向１８ＴＰＩ、山の先端に位置する平坦面の幅が２００μｍのタンタルコイルを作成した。
図５に、本実施例４の押し当て式ナーリング加工を行ったコイルの表面のＳＥＭ写真（Ａ）とコイルの表面の深さ方向（断面）のＳＥＭ写真（Ｂ）を示す。この場合、山の先端に位置する平坦面としたが、１０〜５００μｍのＲ加工面とすることもできる。
この図５に示すように、タンタル製コイルであるにもかかわらず、凹凸の段差が大きく、凹凸が明瞭であり、タンタル製のコイルの表面に付着したデポ膜の、より強固な付着を可能とするものである。

また、このタンタル製コイルを使用してスパッタリングを実施した場合には、従来は２００ｋＷｈ使用後に、コイルの交換を行わなければならなかったが、本実施例４のタンタル製コイルを使用した場合は、３５０ｋＷｈの使用が可能であった。これにより大きな効果を得ることが可能となった。

（比較例１）
押し当て式ナーリング加工により、コイルの表面の表面粗さＲｚ＝８０μｍ、かつ横方向８０ＴＰＩ、縦方向３２ＴＰI、山の先端のＲが２００μｍのタンタルコイルを作成した。図３に、比較例１のナーリング加工を行ったコイルの外観写真（Ａ）とコイルの表面の外観写真（Ｂ）を示す。また、図４に、比較例１の押し当て式ナーリング加工を行ったコイルの表面のＳＥＭ写真（Ａ）とコイルの表面の深さ方向（断面）のＳＥＭ写真（Ｂ）を示す。

これらの図３及び図４に示すように、タンタル製コイルの表面の凹凸の段差が小さく、タンタル製のコイルの表面に付着したデポ膜の、より強固な付着は不能であった。
このタンタル製コイルを使用してスパッタリングを実施した場合には、２００ｋＷｈ使用後に、コイルの交換を行わなければならなかった。

（比較例２）
押し当て式ナーリング加工により、コイルの表面の表面粗さＲｚ＝２０μｍ、かつ横方向８０ＴＰＩ、縦方向３２ＴＰＩ、山の先端のＲが５５０μｍのタンタルコイルを作成した。タンタル製コイルの表面の凹凸の段差がかなり小さく、タンタル製のコイルの表面に付着したデポ膜の、より強固な付着は不能であった。このタンタル製コイルを使用してスパッタリングを実施した場合には、１００ｋＷｈ使用後に、コイルの交換を行わなければならなかった。

本発明は、基板とスパッタリングターゲットとの間に配置したタンタル製コイルの表面に堆積したスパッタ粒子が剥離し、その薄片が基板表面に飛散して付着して、パーティクル発生の原因となることを防止し、アーキングの発生を抑制するために、該コイルの表面に堆積するスパッタ粒子の剥落を効果的に抑制することができ、電子部品の品質と生産性を向上させ、半導体素子及びデバイスを、安定して提供できる技術を提供することができるので、タンタル製コイルを用いたスパッタリング装置に有用である。

Claims (8)

1. 基板とスパッタリングターゲットとの間に配置するタンタル製コイルであって、該コイルの表面の表面粗さＲｚが１５０μｍ以上であり、かつ横方向が１５〜３０ＴＰＩ、縦方向が１０〜３０ＴＰＩである凹凸を備えていることを特徴とするスパッタリング用タンタル製コイル。
2. 表面粗さＲｚが２００μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング用タンタル製コイル。
3. 表面粗さＲｚが２５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング用タンタル製コイル。
4. 山の先端のＲが１０〜５００μｍであるか又は１０〜５００μｍ幅の平坦面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパッタリング用タンタル製コイル。
5. 基板とスパッタリングターゲットとの間に配置するタンタル製コイルをナーリング加工によって、該コイルの表面の表面粗さＲｚが１５０μｍ以上であり、かつ横方向が１５〜３０ＴＰＩ、縦方向が１０〜３０ＴＰＩの凹凸を形成することを特徴とするスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法。
6. 表面粗さＲｚが２００μｍ以上とすることを特徴とする請求項５記載のスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法。
7. 表面粗さＲｚが２５０μｍ以上とすることを特徴とする請求項５記載のスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法。
8. 山の先端のＲを１０〜５００μｍとするか又は１０〜５００μｍ幅の平坦面とすることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のスパッタリング用タンタル製コイルの加工方法。