JP5907620B2 - Backing plate and sputtering target - Google Patents
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Description
本発明は、スパッタリングターゲット材を支持するバッキングプレートと、そのバッキングプレートを有するスパッタリングターゲットに関する。なお、本明細書では、スパッタリングターゲット材を単にターゲット材ともいい、スパッタリングターゲットを単にターゲットともいう。 The present invention relates to a backing plate for supporting a sputtering target material and a sputtering target having the backing plate. Note that in this specification, a sputtering target material is also simply referred to as a target material, and a sputtering target is also simply referred to as a target.
スパッタリングターゲット材は、半導体や電子部品などの各種薄膜デバイスの製造に際し、スパッタリングによって薄膜を基板上に形成する際の成膜源となるものである。このスパッタリングターゲット材は、支持及び冷却目的のバッキングプレートと接合一体化され、スパッタリング装置においてスパッタリングターゲットとして使用される。 The sputtering target material serves as a film formation source when a thin film is formed on a substrate by sputtering when manufacturing various thin film devices such as semiconductors and electronic components. This sputtering target material is joined and integrated with a backing plate for supporting and cooling purposes, and used as a sputtering target in a sputtering apparatus.
図２はスパッタリング装置の一例を示す模式図である。また、図１は代表的なスパッタリングターゲットの模式図である。図２のスパッタリング装置は、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング法など公知のスパッタリング方法を利用してターゲット近傍に高密度のプラズマ領域を形成させる装置である。 FIG. 2 is a schematic view showing an example of a sputtering apparatus. FIG. 1 is a schematic view of a typical sputtering target. The sputtering apparatus in FIG. 2 is an apparatus that forms a high-density plasma region in the vicinity of a target using a known sputtering method such as reactive sputtering or magnetron sputtering.
チャンバ１０の内部にターゲット１１が、冷却機構の端部である台座８に直接あるいは両者間に図示しないスペーサを介して設けられている。ターゲット１１はバッキングプレート１とターゲット材２とを備え、バッキングプレート１の被スパッタ部材（スパッタリングにより薄膜が形成される部材）３側の面（第２の面）に、ターゲット材２がインジウム接着層４を介して接合されている。スパッタリング装置がマグネトロンスパッタリング装置の場合には、バッキングプレート１の前記第２の面と反対側の第１の面側（図中の冷却水９部分）に図示しないマグネットが設けられる。 A target 11 is provided inside the chamber 10 on a base 8 which is an end of the cooling mechanism, either directly or between both via a spacer (not shown). The target 11 includes a backing plate 1 and a target material 2, and the target material 2 is placed on the surface (second surface) of the backing plate 1 on the sputtering target member (member on which a thin film is formed by sputtering) 3 (second surface). 4 is joined. When the sputtering device is a magnetron sputtering device, a magnet (not shown) is provided on the first surface side (the cooling water 9 portion in the figure) opposite to the second surface of the backing plate 1.
チャンバ１０内には被スパッタ部材３が、ターゲット材２と対向するように基板ホルダ上に配置されている。 In the chamber 10, the member 3 to be sputtered is disposed on the substrate holder so as to face the target material 2.
また、チャンバ１０は、バルブ１２を介して真空排気系１３に接続される。更にチャンバ１０は、ガスノズル１４及び流量計１５を介してガス源１６に接続している。 The chamber 10 is connected to an evacuation system 13 via a valve 12. Furthermore, the chamber 10 is connected to a gas source 16 via a gas nozzle 14 and a flow meter 15.
以上のように構成されたスパッタリング装置において、減圧不活性ガス雰囲気（例えばアルゴン）中で、ターゲット材２を陰極、チャンバ１０を陽極として両電極間に直流電源１７により直流高電圧を印加すると、チャンバ１０内に放電プラズマが発生し、ターゲット材２よりその構成物質が原子又は分子の状態で放出され、被スパッタ部材３の表面に薄膜を形成する。 In the sputtering apparatus configured as described above, when a high DC voltage is applied between the two electrodes using the target material 2 as a cathode and the chamber 10 as an anode in a reduced-pressure inert gas atmosphere (for example, argon), the chamber A discharge plasma is generated in 10, and its constituent substances are released from the target material 2 in the form of atoms or molecules, and a thin film is formed on the surface of the sputtered member 3.
ターゲット材２表面は高温プラズマ中での熱負荷により温度上昇を生じるが、冷却水９を備えた冷却機構によりバッキングプレート１の第１の面側を冷却水９が流れることによりバッキングプレート２を冷却し、ターゲット材２の温度上昇を抑える。冷却機構の例として図１及び図２ではバッキングプレート１を直接冷却水９が冷却する機構を用いたが、冷却水がパイプ中を流れ、パイプを介してバッキングプレートを冷却する機構もある。また、バッキングプレート中に空隙を設けて、その中に直接冷却水を循環させる機構もある。 The surface of the target material 2 rises due to the heat load in the high-temperature plasma, but the cooling water 9 flows through the first surface side of the backing plate 1 by the cooling mechanism provided with the cooling water 9 to cool the backing plate 2. And the temperature rise of the target material 2 is suppressed. As an example of the cooling mechanism, a mechanism in which the cooling water 9 directly cools the backing plate 1 is used in FIGS. 1 and 2, but there is also a mechanism in which the cooling water flows through the pipe and cools the backing plate through the pipe. There is also a mechanism in which a gap is provided in the backing plate and the cooling water is directly circulated therein.
このように、バッキングプレート１は、おもにその第１の面側が冷却機構により冷却される。一方、ターゲット１１で最も温度が上がるのはターゲット材２表面である。よって、ターゲット１１には大きな温度勾配が生じる。それぞれの線熱膨張係数によるが、前記温度勾配によりターゲット材２はバッキングプレート１と比較して膨張が大きくなり、図１及び図２において下に凸の形状に変形する傾向が起る。そのため、ターゲット材２の材質によっては弾性変形域を超えてしまい、柔軟な材料であれば塑性変形を起こし、脆性材料であれば割れが生じる原因となる。この問題は、直流型（ＤＣ）スパッタリング装置に限らず、交流型（ＲＦ）スパッタリング装置においても同様に発生する。 Thus, the backing plate 1 is mainly cooled on the first surface side by the cooling mechanism. On the other hand, the temperature of the target 11 is highest on the surface of the target material 2. Therefore, a large temperature gradient is generated in the target 11. Depending on each linear thermal expansion coefficient, the target material 2 expands more than the backing plate 1 due to the temperature gradient, and tends to be deformed downward in FIGS. 1 and 2. Therefore, depending on the material of the target material 2, the elastic deformation range is exceeded, and if it is a flexible material, it causes plastic deformation, and if it is a brittle material, it causes cracking. This problem occurs not only in the direct current (DC) sputtering apparatus but also in the alternating current (RF) sputtering apparatus.
このようなターゲット材２の塑性変形及び割れに対する一つの解決方法としては、バッキングプレート１を縦弾性係数の大きい（一定の応力に対してより変形しにくい）材質とすることが考えられる。例えば特許文献１には、一般的に純銅（意図的に不純物を含まない高純度の銅、無酸素銅とも呼ばれる）が用いられるバッキングプレートの材質をクロム銅とした提案がなされている。クロム銅は縦弾性係数が１２５〜１３８（ＧＰａ）と純銅と比較して高く、熱伝導率も２８０〜３２０（Ｗ／ｍ・Ｋ）と比較的高い。しかし、昨今のターゲットの大型化に伴い、従来の厚さのままでは特に中央部の変形量が増すことになるために、より厚く形成する必要が生じている。厚くすることにより当然製造費用は増すことになる上に、チャンバ内の空間を圧迫するという不都合も生じる。また、ターゲット材２の材質とバッキングプレート１の材質間の線熱膨張係数の差が大きくなれば、たとえ厚さを増したとしても変形により割れが生じる危険性がある。 As one solution to such plastic deformation and cracking of the target material 2, it can be considered that the backing plate 1 is made of a material having a large longitudinal elastic modulus (more difficult to be deformed with respect to a certain stress). For example, Patent Document 1 proposes that the material of a backing plate, in which pure copper (intentionally high-purity copper not containing impurities, also called oxygen-free copper) is used, is chrome copper. Chrome copper has a longitudinal elastic modulus of 125 to 138 (GPa), which is higher than that of pure copper, and a thermal conductivity of 280 to 320 (W / m · K), which is relatively high. However, along with the recent increase in the size of the target, the amount of deformation in the central portion increases particularly with the conventional thickness, and therefore it is necessary to form the target thicker. Increasing the thickness naturally increases the manufacturing cost and also causes the disadvantage of compressing the space in the chamber. Further, if the difference in the coefficient of linear thermal expansion between the material of the target material 2 and the material of the backing plate 1 becomes large, there is a risk that cracking may occur due to deformation even if the thickness is increased.
また、特許文献２には炭素、酸化物、金属のいずれかで構成された繊維状又は海綿状（スポンジ状）の芯材をバッキングプレート内部に一体化させたバッキングプレートが開示されている。このバッキングプレートを用いることで、応力によるターゲット材の塑性変形及び割れを緩和することは可能であるが、バッキングプレート自体の熱伝導率が低下することにより、スパッタリング条件によっては使用が難しいという問題が残る。 Patent Document 2 discloses a backing plate in which a fibrous or sponge-like (sponge-like) core material made of carbon, oxide, or metal is integrated in the backing plate. By using this backing plate, it is possible to mitigate plastic deformation and cracking of the target material due to stress, but due to a decrease in the thermal conductivity of the backing plate itself, there is a problem that it is difficult to use depending on sputtering conditions. Remain.
このほかに、バッキングプレートの材質としてアルミニウム系材料、チタン系材料を使用する技術も開示されているが、これらは縦弾性係数が純銅と同程度あるいはそれより低いために、変形の問題は解決されていない。一方、バッキングプレートの材質としてタングステン材料、モリブデン材料が用いられる例もあるが、縦弾性係数は改善される一方で熱伝導率は大幅に低下する。熱伝導率が低いバッキングプレートを使用するとスパッタリング時にターゲット材の温度が高くなるために、バッキングプレートとターゲット材を接合する、主にインジウムを材質とする接着剤が軟化あるいは溶融して、ターゲット材を保持できなくなる。また、温度が上がることによりターゲット材とバッキングプレートの熱膨張差が大きくなるために、曲げ応力が発生してターゲット材に割れが生じる危険が生じる。 In addition, technologies using aluminum-based materials and titanium-based materials as backing plate materials have also been disclosed, but these have the same or lower longitudinal elastic modulus than pure copper, so that the problem of deformation is solved. Not. On the other hand, there is an example in which a tungsten material or a molybdenum material is used as the material of the backing plate, but the longitudinal elastic modulus is improved, but the thermal conductivity is greatly lowered. When a backing plate with low thermal conductivity is used, the temperature of the target material increases during sputtering, so the adhesive mainly composed of indium that bonds the backing plate and the target material softens or melts, and the target material is It cannot be held. Further, since the difference in thermal expansion between the target material and the backing plate increases as the temperature rises, there is a danger that bending stress will occur and the target material will crack.
特許文献３にはバッキングプレートの材質を銅系材料とした上で、ＷやＭｏ等を添加した材料が示されているが、ＷやＭｏの含有量は最大でも３０００ｐｐｍであり、縦弾性係数の向上には全く効果は表れない。 Patent Document 3 discloses a material in which the backing plate is made of a copper-based material and W or Mo is added, but the content of W or Mo is 3000 ppm at the maximum, and the longitudinal elastic modulus is There is no effect on improvement.
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、スパッタリングターゲット材の塑性変形や割れ、及びスパッタリングターゲット材の剥離を防止するバッキングプレート、並びにそのバッキングプレートを使用したスパッタリングターゲットを提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the above-mentioned problem, and makes it a subject to provide the sputtering target which uses the backing plate which prevents the plastic deformation and crack of sputtering target material, and peeling of a sputtering target material, and the backing plate.
本発明のバッキングプレートは、一方の面にセラミック材料からなるスパッタリングターゲット材が接合されるバッキングプレートであって、連続した開気孔を持つスケルトン構造を有する第１の材料の前記開気孔に、第２の材料が充填された構造を有し、前記第１の材料の縦弾性係数が前記第２の材料の縦弾性係数よりも高く、かつ前記第２の材料の熱伝導率が前記第１の材料の熱伝導率よりも高く、前記第１の材料がタングステン、前記第２の材料が銅であり、当該バッキングプレートの線熱膨張係数をα１（Ｋ −１ ）、前記スパッタリングターゲット材の線熱膨張係数をα２（Ｋ −１ ）と表したとき、α１＞α２の関係を満たす、バッキングプレートである。 The backing plate of the present invention is a backing plate in which a sputtering target material made of a ceramic material is bonded to one surface, and the second material of the first material having a skeleton structure having continuous open pores is secondly The material of the first material has a longitudinal elastic modulus higher than that of the second material, and the thermal conductivity of the second material is the first material. The first material is tungsten, the second material is copper, the linear thermal expansion coefficient of the backing plate is α1 (K −1 ), and the linear thermal expansion of the sputtering target material. When the coefficient is expressed as α2 (K −1 ), the backing plate satisfies the relationship of α1> α2 .
本発明において、前記第１の材料と前記第２の材料の体積比率は、２０：８０〜８０：２０の範囲にあることが好ましい In the present invention, the volume ratio of the first material to the second material is preferably in the range of 20:80 to 80:20.
本発明のスパッタリングターゲットは、前記本発明のバッキングプレートと、このバッキングプレートの一方の面に接合されたセラミック材料からなるスパッタリングターゲット材とを有するスパッタリングターゲットである。 The sputtering target of the present invention is a sputtering target having the backing plate of the present invention and a sputtering target material made of a ceramic material bonded to one surface of the backing plate.
本発明のバッキングプレートは、第１の材料による高い縦弾性係数と第２の材料による高い熱伝導率を併せ持つので、スパッタリングターゲット材の温度上昇に起因する塑性変形や割れ、及びスパッタリングターゲット材の剥離を防止することができる。 Since the backing plate of the present invention has both a high longitudinal elastic modulus due to the first material and a high thermal conductivity due to the second material, plastic deformation and cracking due to the temperature rise of the sputtering target material, and peeling of the sputtering target material Can be prevented.
表１に、第１の材料と第２の材料の複合材料からなる本発明のバッキングプレート、及び純銅、クロム銅、モリブデンなどの１種からなる従来のバッキングプレートの縦弾性係数、熱伝導率、及び線熱膨張係数の代表的な値を示す。 Table 1 shows the longitudinal elastic modulus, thermal conductivity of the backing plate of the present invention made of a composite material of the first material and the second material, and the conventional backing plate made of one kind of pure copper, chromium copper, molybdenum, etc. And representative values of the coefficient of linear thermal expansion.
表１から分かるように、本発明のバッキングプレートは、一般に用いられる純銅からなる従来のバッキングプレートと比較して大幅に縦弾性係数が高く、スパッタリング時に変形が起りにくいので、ターゲット材の破損（塑性変形や割れ）を防止することができる。また、バッキングプレートの熱伝導率が十分に高くない場合には、ターゲット材が過熱することになり、やはり破損が起りやすい。本発明のバッキングプレートは高い熱伝導率も有するので、これらの問題を大きく改善することが可能である。また、ターゲット材の破損を防ぐ以外の効果として、より大型のターゲット材を使用でき、出力の向上も容易となり、効率よくスパッタリングを行うことが可能となる。 As can be seen from Table 1, the backing plate of the present invention has a significantly higher longitudinal elastic modulus than a conventional backing plate made of pure copper and is not easily deformed during sputtering. Deformation and cracking can be prevented. In addition, if the thermal conductivity of the backing plate is not sufficiently high, the target material will be overheated, and damage is likely to occur. Since the backing plate of the present invention also has high thermal conductivity, these problems can be greatly improved. Further, as an effect other than preventing damage to the target material, a larger target material can be used, the output can be easily improved, and sputtering can be performed efficiently.
本発明のバッキングプレートにおいて、第１の材料と第２の材料の体積比率は２０：８０〜８０：２０の範囲内とすることが好ましい。第１の材料と第２の材料の体積比率によって、これらの複合材料である本発明のバッキングプレートの特性は変化する。すなわち、第１の材料が多いほど縦弾性係数は高く、熱伝導率は低下する。逆に第２の材料が多いほど縦弾性係数は低く、熱伝導率は向上する。 In the backing plate of the present invention, the volume ratio of the first material to the second material is preferably in the range of 20:80 to 80:20. Depending on the volume ratio of the first material and the second material, the characteristics of the backing plate of the present invention, which is a composite material of these, change. That is, the more the first material, the higher the longitudinal elastic modulus and the lower the thermal conductivity. Conversely, the greater the second material, the lower the longitudinal elastic modulus and the better the thermal conductivity.
第１の材料と第２の材料の複合材料である本発明のバッキングプレートは、第１の材料が連続した開気孔を持つスケルトン構造を有し、第２の材料がその開気孔に充填された構造を持つ。そのために、第１の材料はもちろん、第２の材料も連続した組織を持つために、第１の材料の利点である高い縦弾性係数をある程度維持したまま、第２の材料の利点である熱伝導率を高めることができる。前述のとおり、第１の材料と第２の材料の体積比率は、好ましくは２０：８０〜８０：２０の範囲内とする。第１の材料が２０体積％未満であれば、スケルトン構造を維持するのが難しくなり、縦弾性係数が低下する傾向となる。一方、８０体積％を超えると連続した開気孔を全体に得ることが難しくなり、一部に第２の材料が充填されない閉気孔を有するようになりやすい。 The backing plate of the present invention, which is a composite material of the first material and the second material, has a skeleton structure in which the first material has continuous open pores, and the second material is filled in the open pores. With structure. Therefore, since the second material as well as the first material has a continuous structure, the heat that is an advantage of the second material is maintained while maintaining the high longitudinal elastic modulus that is an advantage of the first material to some extent. Conductivity can be increased. As described above, the volume ratio of the first material to the second material is preferably in the range of 20:80 to 80:20. If the first material is less than 20% by volume, it becomes difficult to maintain the skeleton structure, and the longitudinal elastic modulus tends to decrease. On the other hand, when it exceeds 80 volume%, it becomes difficult to obtain continuous open pores as a whole, and it tends to have closed pores that are not filled with the second material in part.
第１の材料によるスケルトン構造中に第２の材料を充填する手段としては、溶浸法による充填が特に適している。第１の材料と第２の材料を複合する手段としては、例えば双方の粉末を混合してそのまま炉中で焼結する方法もあるが、適しているのは第１の材料で形成されたスケルトン構造中に第２の材料を充填する溶浸法である。スケルトン構造を得るためには、平均粒子径がおよそ０．５μｍ〜１０μｍの粉末状態の第１の材料をプレス成形し、非酸化雰囲気にて９００〜１５００℃程度に加熱すればよい。これにより、第１の材料の粉末粒子同士が形状を保つ程度に、また連続した開気孔を有する程度にネッキングをしたスケルトン構造の焼結体が得られる。 As means for filling the skeleton structure of the first material with the second material, filling by infiltration is particularly suitable. As a means for combining the first material and the second material, for example, there is a method in which both powders are mixed and sintered in a furnace as they are, but a skeleton formed of the first material is suitable. This is an infiltration method in which a second material is filled in the structure. In order to obtain a skeleton structure, a powdery first material having an average particle diameter of about 0.5 μm to 10 μm may be press-molded and heated to about 900 to 1500 ° C. in a non-oxidizing atmosphere. As a result, a skeleton-structured sintered body is obtained that is necked to such an extent that the powder particles of the first material maintain their shape and have continuous open pores.
第２の材料は、第１の材料のスケルトン構造の開気孔を充填する量が確保されていればどのような形状でもよく、液体状態となった第２の材料がスケルトン構造に接する状態で溶浸を行えば、毛細管現象によりスケルトン構造の開気孔全てに第２の材料が溶浸する。溶浸の条件としては、第２の材料の融点以上の温度、非酸化雰囲気にて行うことができる。例えば、純銅であればその融点が１０８４℃であるために、１１００℃〜１５００℃程度が適当な温度である。 The second material may have any shape as long as the amount of filling the open pores of the skeleton structure of the first material is ensured, and the second material in a liquid state is dissolved in contact with the skeleton structure. If soaking, the second material infiltrates all open pores of the skeleton structure by capillary action. As conditions for infiltration, it can be performed in a non-oxidizing atmosphere at a temperature equal to or higher than the melting point of the second material. For example, since pure copper has a melting point of 1084 ° C., an appropriate temperature is about 1100 ° C. to 1500 ° C.
このようにして得られた本発明のバッキングプレートの一方の面にターゲット材を一体に接合することで、本発明のターゲットが得られる。この場合、バッキングプレートの線熱膨張係数をα１（Ｋ−１）、ターゲット材の線熱膨張係数をα２（Ｋ−１）と表したとき、α１＞α２の関係を満たすように構成することが好ましい。 The target of the present invention is obtained by integrally joining the target material to one surface of the backing plate of the present invention thus obtained. In this case, when the linear thermal expansion coefficient of the backing plate is expressed as α1 (K −1 ) and the linear thermal expansion coefficient of the target material is expressed as α2 (K −1 ), the configuration may be configured to satisfy the relationship of α1> α2. preferable.
バッキングプレートとターゲット材は互いに強固に接合しているために、両者の熱膨張量（部材の温度と線熱膨張係数より求められる）の差は両者を変形させる要因となる。その変形は、ターゲット材の線熱膨張係数のほうが大きい場合（α２＞α１）は、図３（１）に示すようにターゲット材側（冷却機構と反対側）に向かって凸の形状に変形する。これは、熱膨張の長さが相対的にターゲット材側のほうが長くなるためである。前述のように、温度勾配によってもターゲット材側に向けて凸形状に変形しやすく、ターゲット材やバッキングプレートの縦弾性係数が十分高くない場合や、両者の線熱膨張係数差が大きい場合はターゲット材が破損又は剥離しやすくなる。 Since the backing plate and the target material are firmly bonded to each other, the difference in the amount of thermal expansion between them (determined from the temperature of the member and the coefficient of linear thermal expansion) causes a deformation of both. When the linear thermal expansion coefficient of the target material is larger (α2> α1), the deformation is deformed into a convex shape toward the target material side (opposite to the cooling mechanism) as shown in FIG. . This is because the length of thermal expansion is relatively longer on the target material side. As mentioned above, if the target material or backing plate is not sufficiently high in longitudinal elasticity or the linear thermal expansion coefficient difference between the two is large, the The material is easily broken or peeled off.
逆に、バッキングプレートの線熱膨張係数のほうが大きい場合（α１＞α２）は、図３（２）に示すようにバッキングプレート側（冷却機構側）に向けて凸状に変形しようとする。温度がバッキングプレートに対して高くなるターゲット材に対して、それよりも線熱膨張係数の高いバッキングプレートを使用することにより、ターゲット材とバッキングプレートの変形が抑制され、ターゲット材の破損や剥離等を防ぐためにより好ましい構造となる。 On the contrary, when the linear thermal expansion coefficient of the backing plate is larger (α1> α2), as shown in FIG. 3 (2), it tends to deform in a convex shape toward the backing plate side (cooling mechanism side). By using a backing plate with a higher coefficient of linear thermal expansion than the target material whose temperature is higher than the backing plate, the deformation of the target material and the backing plate is suppressed, and the target material is damaged or peeled off. In order to prevent this, a more preferable structure is obtained.
特に、ターゲット材の材質がセラミック材料の場合は、圧縮破壊強度に対して引張破壊強度が著しく低いために、図３（１）の中心部Ａの位置に割れが生じやすいが、図３（２）に示すように中心部が圧縮応力を受ける構造であると割れは極めて起りにくい。 In particular, when the target material is a ceramic material, the tensile fracture strength is remarkably lower than the compressive fracture strength, so that cracks are likely to occur at the position of the central portion A in FIG. ) If the structure is subjected to compressive stress at the center, cracking is very unlikely.
例として、使用時に比較的高温となるターゲット材がタングステン材料（線熱膨張係数α２＝４．４×１０−６（Ｋ−１））、比較的低温のバッキングプレートがタングステンスケルトン（タングステン材料によるスケルトン構造体）中に２０体積％の銅が充填されたバッキングプレート（線熱膨張係数α１＝８．６×１０−６（Ｋ−１））の場合は、α１＞α２の関係を満たすため、線熱膨張係数差による変形は図３（２）に示すように図３（１）の場合と比較して小さく抑えられる。 As an example, a target material that becomes relatively high in use is a tungsten material (linear thermal expansion coefficient α2 = 4.4 × 10 −6 (K −1 )), and a relatively low temperature backing plate is a tungsten skeleton (skeleton made of tungsten material). In the case of a backing plate (linear thermal expansion coefficient α1 = 8.6 × 10 −6 (K −1 )) in which 20% by volume of copper is filled in the structure), in order to satisfy the relationship of α1> α2, As shown in FIG. 3 (2), the deformation due to the difference in thermal expansion coefficient is suppressed as compared with the case of FIG. 3 (1).
なお、上に述べた変形の挙動は、実際はターゲット材とバッキングプレート双方の線熱膨張係数の差と、使用時の実温度によって決まるため、α１＞α２の場合でも図３（２）のように変形する場合と、使用前の平面状態と比較して図３（１）のような下に凸の変形が緩和される場合の両方の場合がある。いずれにしても、α１＞α２の関係を満たすことで、使用時に比較的高温となるターゲット材（線熱膨張係数α２）の熱膨張量（線熱膨張係数とそれぞれの温度により求められる）が、比較的低温のバッキングプレート（線熱膨張係数α１）の熱膨張量に対して抑えられ、両者の熱膨張量差が抑えられるので、ターゲット材の破損や剥離の防止には有効である。 Since the deformation behavior described above is actually determined by the difference in linear thermal expansion coefficient between the target material and the backing plate and the actual temperature at the time of use, even when α1> α2, as shown in FIG. There are both cases of deformation and cases where the downward convex deformation is alleviated as shown in FIG. In any case, by satisfying the relationship of α1> α2, the amount of thermal expansion of the target material (linear thermal expansion coefficient α2) that is relatively high at the time of use (determined by the linear thermal expansion coefficient and the respective temperatures) Since the thermal expansion amount of the backing plate (linear thermal expansion coefficient α1) at a relatively low temperature is suppressed, and the difference between the thermal expansion amounts of the two is suppressed, it is effective for preventing damage and peeling of the target material.
以上のとおり、本発明のバッキングプレートは、縦弾性係数が純銅や銅合金に対して高く、同時に鉄系材料、タングステン材料、モリブデン材料などと比較して熱伝導率が極めて高い複合材料からなる。したがって、応力による変形量が小さく、ターゲット材に塑性変形や割れが生じにくくする効果を奏する。更に、大型のスパッタリングターゲットに対応が容易であり、冷却水の圧力も高めることができるため、高速でのスパッタリング処理も可能となる。 As described above, the backing plate of the present invention is made of a composite material that has a higher longitudinal elastic modulus than that of pure copper or copper alloy, and at the same time has an extremely high thermal conductivity compared to iron-based materials, tungsten materials, molybdenum materials, and the like. Therefore, the amount of deformation due to stress is small, and there is an effect that plastic deformation and cracking are less likely to occur in the target material. Furthermore, since it can be easily applied to a large-sized sputtering target and the pressure of the cooling water can be increased, a high-speed sputtering process can be performed.
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、本発明のバッキングプレートを用いたターゲットの模式図である。ターゲット１１は、バッキングプレート１とこれに一体的に接合されたターゲット材２とを備える。ターゲット１１は、図２に示したスパッタリング装置で使用される。図２のスパッタリング装置の構成は先に説明したとおりである。 FIG. 1 is a schematic view of a target using the backing plate of the present invention. The target 11 includes a backing plate 1 and a target material 2 integrally joined thereto. The target 11 is used in the sputtering apparatus shown in FIG. The configuration of the sputtering apparatus in FIG. 2 is as described above.
バッキングプレート１は、第１の材料としてカリウムを３００ｐｐｍドープしたタングステンからなるスケルトン構造の開気孔中に、第２の材料として純銅が充填された構造を有する。この構造において第１の材料と第２の材料の体積比率は５０：５０である。図４には、前記タングステンからなるスケルトン構造の断面写真を示し、図５には、このスケルトン構造の開気孔に純銅を充填したバッキングプレート１の断面写真を示す。図４において、白色部がタングステン粒子、黒色部が連続した開気孔である。また、図５において、白色部がタングステン、黒色部が純銅である。なお、図４において両矢印の長さが１０μｍである。 The backing plate 1 has a structure in which pure copper is filled as a second material in an open pore of a skeleton structure made of tungsten doped with 300 ppm of potassium as a first material. In this structure, the volume ratio of the first material to the second material is 50:50. FIG. 4 shows a cross-sectional photograph of the skeleton structure made of tungsten, and FIG. 5 shows a cross-sectional photograph of the backing plate 1 in which the open pores of the skeleton structure are filled with pure copper. In FIG. 4, the white part is tungsten particles and the black part is open pores. In FIG. 5, the white portion is tungsten and the black portion is pure copper. In FIG. 4, the length of the double arrow is 10 μm.
次に、ターゲット１１の具体的構成を図１及び図２を参照して説明する。ここで、説明の便宜上、バッキングプレート１の冷却機構側の面を第１の面、ターゲット材２と接合した側の面を第２の面とする。バッキングプレート１の第２の面にはインジウム接着層４を介してターゲット材２が接合されている。バッキングプレートの第１の面は冷却水９（水ではなく、ナトリウムやスズの場合もある）が循環する通路であり、バッキングプレート１は図示しないボルトなどの固定方法により台座８に固定されている。台座８とバッキングプレート１の間は、図示しないシール材などを挟み、冷却水が漏れないように処理されている。 Next, a specific configuration of the target 11 will be described with reference to FIGS. Here, for convenience of explanation, the surface on the cooling mechanism side of the backing plate 1 is referred to as a first surface, and the surface joined to the target material 2 is referred to as a second surface. A target material 2 is bonded to the second surface of the backing plate 1 via an indium adhesive layer 4. The first surface of the backing plate is a passage through which cooling water 9 (which may be sodium or tin instead of water) circulates, and the backing plate 1 is fixed to the base 8 by a fixing method such as a bolt (not shown). . Between the pedestal 8 and the backing plate 1, a sealing material (not shown) is sandwiched so that the cooling water does not leak.
ターゲット材２はφ１４０ｍｍ、厚さ約３．５ｍｍの酸化マグネシウムを用い、バッキングプレート１はφ１６０ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。 The target material 2 was made of magnesium oxide having a diameter of 140 mm and a thickness of about 3.5 mm, and the backing plate 1 had a diameter of 160 mm and a thickness of 3 mm.
ターゲット１１を以上に述べた構成とし、図２のスパッタリング装置でスパッタリング試験を行った。 The target 11 was configured as described above, and a sputtering test was performed using the sputtering apparatus shown in FIG.
スパッタリング電流値、雰囲気（アルゴン雰囲気）、スパッタリング時間、チャンバ内温度を一定とし、試験後にターゲット材２に割れが生じるかどうかを調査した。なお、ターゲット材２である酸化マグネシウムは、脆性材料であるために、応力が高まると塑性変形することなく破壊する（割れる）。なお、酸化マグネシウムの線熱膨張係数は９．７（×１０−６Ｋ−１）である。このターゲット材２と前記バッキングプレート１（カリウムを３００ｐｐｍドープしたタングステンと純銅の複合材料）との組合せを試料１とする。なお、この試料１における前記バッキングプレート１の縦弾性係数は１８０（ＧＰａ）、熱伝導率は２０３（Ｗ／ｍ・Ｋ）、線膨張係数は１０．７（×１０−６Ｋ−１）であった。 The sputtering current value, atmosphere (argon atmosphere), sputtering time, and chamber temperature were kept constant, and it was investigated whether or not the target material 2 would crack after the test. In addition, since the magnesium oxide which is the target material 2 is a brittle material, when stress increases, it breaks (cracks) without plastic deformation. Magnesium oxide has a linear thermal expansion coefficient of 9.7 (× 10 −6 K −1 ). A combination of the target material 2 and the backing plate 1 (a composite material of tungsten and pure copper doped with 300 ppm of potassium) is defined as a sample 1. The longitudinal elastic coefficient of the backing plate 1 in this sample 1 is 180 (GPa), the thermal conductivity is 203 (W / m · K), and the linear expansion coefficient is 10.7 (× 10 −6 K −1 ). there were.
試料１によるスパッタリング試験の結果、ターゲット材に割れは生じておらず、ターゲット材とバッキングプレート間の接合についても異常なく、良好にスパッタリングを行うことができた。 As a result of the sputtering test using Sample 1, no cracks occurred in the target material, and the sputtering between the target material and the backing plate was performed without any abnormality.
次に、バッキングプレートの材質のみを表１に示す各種材料に代え、同様のスパッタリング試験を行った。その結果を表２に示す。なお、表１及び表２中で＊のついた試料は、本発明の範囲外の比較試料である。 Next, only the material of the backing plate was replaced with various materials shown in Table 1, and a similar sputtering test was performed. The results are shown in Table 2. Samples marked with * in Tables 1 and 2 are comparative samples outside the scope of the present invention.
表２に示すように、比較試料１２及び１３では、ターゲット材の表面中心付近（図３（１）のＡ部）に割れが発生した。バッキングプレートの材質は熱伝導率が極めて高いにもかかわらず、縦弾性係数が十分でないために温度変化によりターゲット材の変形量が大きくなった際にバッキングプレートを含むターゲットごと変形が起り、引張応力が強くかかる前記Ａ部に割れが発生したと考えられる。 As shown in Table 2, in Comparative Samples 12 and 13, cracks occurred near the center of the surface of the target material (part A in FIG. 3 (1)). Despite the extremely high thermal conductivity of the backing plate material, the longitudinal elastic modulus is not sufficient, so when the amount of deformation of the target material increases due to temperature changes, the target including the backing plate undergoes deformation, resulting in tensile stress. It is considered that cracks occurred in the part A, which is strongly applied.
比較試料１４及び１５は、試験中にバッキングプレートとターゲット材を接合するのに使用したインジウム接着剤が軟化、溶融してターゲット材が剥離し、試験を中止した。バッキングプレートの熱伝導率が十分でないために、ターゲット材とバッキングプレートの温度が両者を接合する接着剤の融点以上に上昇し、剥離したと考えられる。 In Comparative Samples 14 and 15, the indium adhesive used to join the backing plate and the target material during the test softened and melted, the target material peeled off, and the test was stopped. Since the thermal conductivity of the backing plate is not sufficient, it is considered that the temperature of the target material and the backing plate rises above the melting point of the adhesive that joins both, and peels off.
試料１〜５に示す、本発明のバッキングプレートを使用した実施例では、いずれの試料でも接着剤の剥離は生じず、ターゲット材の割れも発生しなかった。これは、熱伝導率が１５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上と高いために、ターゲット材及びバッキングプレートが過熱しなかったためである。同時にバッキングプレートが十分な縦弾性係数を有しており、ターゲット材及びバッキングプレートの変形量が少なく、ターゲット材に割れを生じさせなかったと考えられる。 In the examples using the backing plate of the present invention shown in Samples 1 to 5 , no peeling of the adhesive occurred in any sample, and no cracking of the target material occurred. This is because the thermal conductivity is as high as 150 (W / m · K) or higher, so that the target material and the backing plate were not overheated. At the same time, the backing plate has a sufficient longitudinal elastic modulus, the deformation amount of the target material and the backing plate is small, and it is considered that the target material was not cracked.
更に、試料１〜３及び試料５〜１１については、前記スパッタリング試験の出力を約２倍に上げた試験でも、ターゲット材の割れや、バッキングプレートとの剥離が生じることなく、良好なスパッタリングを行えた。これらの試料におけるバッキングプレートの線熱膨張係数は、ターゲット材である酸化マグネシウムの線熱膨張係数である９．７（×１０−６Ｋ−１）よりも大きく、そのため図３（１）に模式図を示すように、ターゲット材の変形が抑えられ、少なくともＡ部に過剰な引張応力がかかることなくスパッタリングを行えたと考えられる。これらの試料のバッキングプレートを用いれば、現在の処理条件よりも更に成膜速度を向上させることができる。 Furthermore, with respect to Samples 1 to 3 and Samples 5 to 11, even in the test in which the output of the sputtering test was increased approximately twice, good sputtering can be performed without causing cracking of the target material or peeling from the backing plate. It was. The linear thermal expansion coefficient of the backing plate in these samples is larger than 9.7 (× 10 −6 K −1 ), which is the linear thermal expansion coefficient of magnesium oxide as the target material, and is therefore schematically shown in FIG. As shown in the figure, it is considered that the deformation of the target material was suppressed, and the sputtering could be performed without applying an excessive tensile stress to at least part A. If these sample backing plates are used, the deposition rate can be further improved over the current processing conditions.
以上の結果から分かるように、本発明のバッキングプレートはターゲット材の冷却作用が十分であることに加え、応力による変形も少ないため、ターゲット材に塑性変形や割れが極めて生じにくい。同時にスパッタリング中の温度上昇も抑えられるため、ターゲット材とバッキングプレートの剥離も生じにくい。 As can be seen from the above results, the backing plate of the present invention has a sufficient cooling effect on the target material, and is also less susceptible to deformation due to stress, so that the target material is extremely unlikely to undergo plastic deformation or cracking. At the same time, since the temperature rise during sputtering can be suppressed, the target material and the backing plate are hardly peeled off.
１ バッキングプレート
２ ターゲット材
３ 被スパッタ部材
４ インジウム接着層
５ 接着剤
８ 台座
９ 冷却水
１０ チャンバ
１１ ターゲット
１２ バルブ
１３ 真空排気装置
１４ ガスノズル
１５ 流量計
１６ ガス源
１７ 直流電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Backing plate 2 Target material 3 Sputtered member 4 Indium adhesion layer 5 Adhesive 8 Base 9 Cooling water 10 Chamber 11 Target 12 Valve 13 Vacuum exhaust device 14 Gas nozzle 15 Flow meter 16 Gas source 17 DC power source
Claims (5)
連続した開気孔を持つスケルトン構造を有する第１の材料の前記開気孔に、第２の材料が充填された構造を有し、
前記第１の材料の縦弾性係数が前記第２の材料の縦弾性係数よりも高く、かつ前記第２の材料の熱伝導率が前記第１の材料の熱伝導率よりも高く、
前記第１の材料がタングステン、前記第２の材料が銅であり、
当該バッキングプレートの線熱膨張係数をα１（Ｋ −１ ）、前記スパッタリングターゲット材の線熱膨張係数をα２（Ｋ −１ ）と表したとき、
α１＞α２
の関係を満たす、バッキングプレート。 A backing plate to which a sputtering target material made of a ceramic material is bonded to one surface,
A structure in which the open pores of the first material having a skeleton structure with continuous open pores are filled with a second material;
The longitudinal elastic modulus of the first material is higher than the longitudinal elastic modulus of the second material, and the thermal conductivity of the second material is higher than the thermal conductivity of the first material;
The first material is tungsten, and the second material is copper;
The linear thermal expansion coefficient of the backing plate α1 (K -1), when the linear thermal expansion coefficient of the sputtering target material was expressed as α2 (K -1),
α1> α2
Backing plate that satisfies the relationship .
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