(57)【要約】【課題】高いスパッタ電力が投入された場合であっても、ターゲットの冷却を効果的に行うことができ、最も高温になるターゲット中央部の温度上昇を飛躍的に抑えることができると共に、ターゲットの被スパッタ面全体の温度分布がより均一になるようにターゲットを冷却できるスパッタリング装置を提供する。【解決手段】ターゲットの背面側にターゲットを冷却する手段が備えられており、当該ターゲットを冷却する手段は、冷媒流入口と冷媒流出口とを備え、冷媒流入口から冷媒流出口に向かって冷媒が流動する冷媒通路であって、断面積が冷媒流入口から冷媒流出口までの間でほぼ同一である冷媒通路によって構成されている。【選択図】図１
2008255456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系を有するスパッタチャンバーと、前面側の被スパッタ面が当該スパッタチャンバー内に露出するように配置されるターゲットと、当該スパッタチャンバー内で前記ターゲットの被スパッタ面に基板を対向させて保持する基板ホルダーとを備え、前記ターゲットの被スパッタ面が臨むスパッタチャンバー内の空間に電界を設定してスパッタ放電を生じさせ、前記ターゲットから放出されるスパッタ粒子を前記基板の表面に到達させてターゲットの材料の薄膜を基板上に作成するスパッタリング装置において、
前記ターゲットの背面側にターゲットを冷却する手段が備えられており、
当該ターゲットを冷却する手段は、冷媒流入口と冷媒流出口とを備え、冷媒流入口から冷媒流出口に向かって冷媒が流動する冷媒通路であって、断面積が冷媒流入口から冷媒流出口までの間でほぼ同一である冷媒通路によって構成されていることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
冷媒通路は２系統以上配備されていることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
冷媒通路は、前記ターゲットの背面側に配置されているターゲット固定板の内部に備えられていることを特徴とする請求項１又は２記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
各冷媒通路の冷媒流入口は前記ターゲット固定板の一端部に設けられていると共に、冷媒流出口は当該冷媒流入口が設けられている前記ターゲット固定板の一端部とは異なる位置の他の端部にけられ、前記冷媒流入口から冷媒流出口に延びる各冷媒通路は、前記冷媒流入口から、前記ターゲット固定板内を、前記ターゲットの中央部に対応するターゲット固定板の中央部方向に向かって延びた後、前記ターゲット固定板内を通って、前記冷媒流出口へと延びることを特徴とする請求項３記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＳＩ（大規模集積回路）等の製造の際に使用されるスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング装置は、対象物の表面に薄膜を作成する装置として産業の各分野で盛んに使用されている。特にＬＳＩを初めとする各種電子デバイスの製造では、各種導電膜や、絶縁膜の作成にスパッタリング装置が多用されている。
【０００３】
図４は、従来のスパッタリング装置の概略構成を示す断面図である。図４に示す装置は、排気系１２を有するスパッタチャンバー６と、前面側の被スパッタ面がスパッタチャンバー６内に露出するように配置されるターゲット１と、スパッタチャンバー６内でターゲット１の被スパッタ面に基板１０を対向させて保持する基板ホルダー７とを備えている。そして、ターゲット１の被スパッタ面が臨むスパッタチャンバー６内の空間に電界を設定してスパッタ放電を生じさせ、ターゲット１から放出されるスパッタ粒子を基板１０の表面に到達させてターゲットの材料の薄膜を基板１０上に作成するものである。スパッタチャンバー６内へは、ガス導入系２によって所定のガスが導入されるようになっており、スパッタ放電を生じさせるスパッタ電源１３が備えられている。
【０００４】
また、図４に示すような、マグネトロン方式のスパッタリング装置の場合には、ターゲット１の背面側に、マグネトロンスパッタを行うために必要な複数のマグネット３が設置され、このマグネット３は、マグネット駆動用モータ４によって、例えば、５０ｒｐｍ程度の高速で回転されるようになっている。
【０００５】
スパッタ放電が行われるとき、ターゲット１には高い直流又は高周波電力が投入される。その電力はターゲット材の種類により異なるが１０ｋＷから２０ｋＷにもおよぶ。その電力はターゲット材表面の近傍にプラズマを発生させると共に、そのプラズマ発生によって生じたイオンが高いエネルギーを持ち、ターゲット表面をそのイオンで叩くことでターゲット１表面の物質が飛ばされ、基板ホルダー７に保持されている基板１０に膜が付着する。
【０００６】
ターゲット１に投入した電力の約７０％がターゲット１表面を叩くときに熱エネルギーとなり、その熱エネルギーは、７ｋＷから１４ｋＷにもおよぶ。その熱エネルギーは、ほとんどターゲット１を加熱するため、長時間（例えば、１時間程度）連続的にスパッタを行った際、ターゲット１は数百℃となる。
【０００７】
このため、通常ではターゲット１の背面側全体に水などの冷媒１１を流すことでターゲット１の冷却を行っている。冷媒１１の経路は図４に示すように、冷媒流入口８から取り入れられて、ターゲット１の背面側を流れて冷媒流出口９から出てくる。このように冷媒１１をターゲット１の背面側に流し込むことにより、ターゲット１の冷却を行っている。
【０００８】
そこで、図４に示すようなマグネトロン方式のスパッタリング装置の場合には、ターゲット背面側に配置されているマグネット３は、マグネット駆動用モータ４によって回転されつつ冷媒１１にさらされていることになる。
【特許文献１】特開２０００−２６５２６７
【特許文献２】特開２０００−２６５２６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図４図示のような従来のスパッタリング装置においては、ターゲット１の背面側を冷却する冷媒１１は、一般的に、ターゲット外周側の一端の流入口より流入し、一系統の冷媒流通路を通って、ターゲット外周側の他の一端の流出口より流出する構成となっている。しかも、流入口、流出口の断面積に比べて、冷媒流通路の中央部の断面積は、流入口、流出口からの距離の大きさに比例して大きくなっている。そこで、冷媒の流速は、流入口、流出口からの距離の大きさに反比例して遅くなる。
【００１０】
このため、ターゲット１に高いスパッタ電力を投入した場合、冷媒１１の流速がいちじるしく低下するターゲット１中央部の背面側では、ターゲットを冷却する効果がいちじるしく低下し、ターゲット１中央部の温度が高くなってしまう。
【００１１】
図６は、図４図示の従来のスパッタリング装置において、１３ｋＷという高いスパッタ電力を投入した場合、ターゲット１背面部の温度がどのようになるかをシミュレーションしたものである。
【００１２】
図６中、符号１ａで示す部分がターゲット１の中央部に相当する。
【００１３】
そして、ターゲット１及びその背面部の温度は、符号１０１で示す部分から、符号１０２で示す部分、符号１０３で示す部分、符号１０４で示す部分、符号１０５で示す部分、符号１０６で示す部分、符号１０７で示す部分へと、ターゲット１の中央部に近づくにしたがって、また、ターゲット１の前面側、すなわち被スパッタ面１ｂに近づくにしたがって次第に高温になっている。
【００１４】
この図６のシミュレーションによれば、ターゲット１背面部の温度は１００℃以上になり、ターゲット１背面部の界面は、このように高い温度の下で沸騰状態になる。このような状況下において、ターゲット１背面側で、冷媒１１の流速がいちじるしく低下するターゲット１の中央部では、冷却効果もいちじるしく低下してしまう。
【００１５】
図６図示のシミュレーションによれば、前記のように中央部の冷却効率が低下してしまうと考えられる構造では、ターゲット１に１３ｋＷ以上の高いスパッタ電力を投入した場合、特にターゲット１前面側中央部での温度が９００℃以上になってしまう場合もある。
【００１６】
ターゲット１の前面側、すなわち被スパッタ面１ｂがそのような高温になると、ターゲット１の被スパッタ面１ｂの組成が変化し、成膜した基板１０の半導体デバイスの性能が悪化してしまうおそれがある。ひどい場合には、ターゲット１の中央部が溶けてしまい、正常なスパッタリングができなくなる場合が考えられる。
【００１７】
また、図４の従来のスパッタリング装置で用いられているターゲット１の冷却方法は冷媒１１の封止のため、マグネット３が回転する摺動部に、シール機構が必要である。しかし、例えば、５０ｒｐｍ程度の高速で回転する摺動部の完全なシールは困難であり、マグネット３が回転する摺動部から冷媒１１の漏れが発生するときがあった。
【００１８】
本発明は、スパッタリング装置においてターゲットの背面側に備えられているターゲット冷却手段に改善を加え、高いスパッタ電力が投入された場合であっても、ターゲットの冷却を効果的に行うことができ、最も高温になるターゲット中央部の温度の上昇を飛躍的に抑えることができると共に、ターゲットの被スパッタ面全体の温度分布がより均一になるようにターゲットの冷却を行うことのできるターゲット冷却手段を備えたスパッタリング装置を提供することを目的としている。
【００１９】
また、前記のような冷却効果の改善されたターゲット冷却手段であって、マグネトロン方式のスパッタリング装置に採用されている場合であっても、マグネットが回転する摺動部から冷媒の漏れが発生するおそれのないターゲット冷却手段を備えたスパッタリング装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本願の発明は、排気系を有するスパッタチャンバーと、前面側の被スパッタ面が当該スパッタチャンバー内に露出するように配置されるターゲットと、当該スパッタチャンバー内で前記ターゲットの被スパッタ面に基板を対向させて保持する基板ホルダーとを備え、前記ターゲットの被スパッタ面が臨むスパッタチャンバー内の空間に電界を設定してスパッタ放電を生じさせ、前記ターゲットから放出されるスパッタ粒子を前記基板の表面に到達させてターゲットの材料の薄膜を基板上に作成するスパッタリング装置に関するものである。
【００２１】
ここで、本発明が提案するスパッタリング装置は、前述した課題を解決するために、前記ターゲットの背面側にターゲットを冷却する手段が備えられており、当該ターゲットを冷却する手段は、冷媒流入口と冷媒流出口とを備え、冷媒流入口から冷媒流出口に向かって冷媒が流動する冷媒通路であって、断面積が冷媒流入口から冷媒流出口までの間でほぼ同一である冷媒通路によって構成されていることを特徴としている。
【００２２】
なお、ここで、冷媒通路の断面積が冷媒流入口から冷媒流出口までの間でほぼ同一であるとは、冷媒が冷媒通路内を流動する流速が冷媒流入口から冷媒流出口までの間でほぼ同一であるように、同程度の大きさの断面積になっているということである。
【００２３】
本発明のスパッタリング装置によれば、ターゲットの背面側に備えられているターゲットを冷却する手段が、冷媒流入口と冷媒流出口とを備え、冷媒流入口から冷媒流出口に向かって冷媒が流動する冷媒通路であって、断面積が冷媒流入口から冷媒流出口までの間でほぼ同一である冷媒通路によって構成されていることにより、冷媒が冷媒通路内を流動する流速が、冷媒の流入口、流出口における流速に比較して、ターゲットの中央部において著しく遅くなり、ターゲットの中央部においてターゲットを冷却する効果がいちじるしく低下してしまうことを防止できる。
【００２４】
また、冷媒は、冷媒通路内周壁に接触しつつ、冷媒流入口から冷媒流出口へ向かって流動していくので、冷媒による冷却は冷媒通路の内周壁表面全体を介して行われ、広い面積を介して効果的にターゲットの冷却を行うことができる。
【００２５】
更に、冷媒は、冷媒通路内を流動するので、マグネトロン方式のスパッタリング装置に前記のターゲットを冷却する手段が採用されている場合であっても、マグネットが回転する摺動部から冷媒の漏れが発生するおそれはない。
【００２６】
前記本発明のスパッタリング装置において、冷媒通路は２系統以上配備されている形態にすることができる。
【００２７】
冷媒通路を２系統以上配備することにより、より効果的にターゲットを冷却することができる。
【００２８】
また、前記において、冷媒通路は、ターゲットの背面側に配置されているターゲット固定板の内部に備えられているようにすることができる。
【００２９】
なお、ここで、ターゲットの背面側に配置されるターゲット固定板は、ターゲットの冷却効率を上げるため、ターゲットの背面に接触させて、あるいはターゲットの背面に接着させて配置することが望ましい。
【００３０】
また、この場合、各冷媒通路の冷媒流入口は前記ターゲット固定板の一端部に設けられていると共に、冷媒流出口は当該冷媒流入口が設けられている前記ターゲット固定板の一端部とは異なる位置の他の端部にけられ、前記冷媒流入口から冷媒流出口に延びる各冷媒通路は、前記冷媒流入口から、前記ターゲット固定板内を、前記ターゲットの中央部に対応するターゲット固定板の中央部方向に向かって延びた後、前記ターゲット固定板内を通って、前記冷媒流出口へと延びている構成にすることが望ましい。
【００３１】
このようにすると、ターゲット固定板内の一端部に設けられている冷媒流入口から冷媒通路に入った冷媒によって、まず、ターゲットの中央部が冷却されることになるので、高いスパッタ電力が投入された際に最も高温になるターゲット中央部の温度の上昇を効果的に抑えることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本願発明によれば、高いスパッタ電力が投入された場合であっても、ターゲットの冷却を効果的に行うことができ、最も高温になるターゲット中央部の温度の上昇を飛躍的に抑えることができると共に、ターゲットの被スパッタ面全体の温度分布がより均一になるようにターゲットの冷却を行うことのできるターゲット冷却手段を備えたスパッタリング装置を提供することができる。
【００３３】
よって、高いスパッタ電力が投入された場合や、スパッタリングが長時間連続的に行われる場合であっても、ターゲット表面（被スパッタ面）の異常に高い温度による、ターゲット表面（被スパッタ面）の組成変化及び表面部の溶解をなくすことができ、安定したスパッタリングの膜付けが可能となる。
【００３４】
また、ターゲット表面部の溶解温度までに余裕ができることで、ターゲットヘの投入電力を増加でき、それによって、成膜レートを増加することが可能となる。よって、スループット（１時間あたりに処理できる基板枚数）を高めることが可能となる（約２０％ＵＰすることができる）。
【００３５】
更に、マグネトロン方式のスパッタリング装置においても、マグネット駆動部の冷媒漏れがなくなり、安定した装置の稼働を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、添付図面を参照して本願発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、ターゲットの冷却手段以外の実施形態は、従来公知のスパッタリング装置の構成と同じであるため、図４図示の従来のスパッタリング装置における構成部材と同一の部分には同一の参照符号をつけ、これらの詳しい説明は省略する。
【００３７】
図１は、本願発明のスパッタリング装置の好ましい実施形態の断面概略図であり、図２、図３は、それぞれ、図１図示のスパッタリング装置に採用されているターゲット冷却手段における冷媒通路を例示する平面概略図である。
【００３８】
図１図示のスパッタリング装置に採用されているターゲット冷却手段は、ターゲット１の背面側に接着されているターゲット固定板１４の内部に備えられている冷媒通路によって構成されている。
【００３９】
この場合、図２図示の実施形態では２系統の冷媒通路１５、１６、図３図示の実施形態では１系統の冷媒通路１５によってターゲット冷却手段が構成されている。
【００４０】
本発明のスパッタリング装置に採用されているターゲット冷却手段によれば、冷媒１１は、冷媒通路１５（図３）、あるいは冷媒通路１５、１６（図２）を流動していくことになるので、図４図示の従来のスパッタリング装置のように、ターゲット１の背面部全体に冷媒１１が存在することがなくなる。そこで、図１図示のようなマグネトロン方式のスパッタリング装置であっても、マグネット３を回転させる摺動部を、冷媒シールを必要としない通常の構造、例えば、ベアリング構造で構成することができる。
【００４１】
図２図示の実施形態では、各冷媒通路１５、１６の冷媒流入口８がターゲット固定板１４の一端部に設けられ、冷媒流出口９は冷媒流入口８が設けられているターゲット固定板１４の一端部とは異なる位置の他の端部にけられている。そして、冷媒流入口８から冷媒流出口９に延びる各冷媒通路１５、１６は、冷媒流入口８から、ターゲット固定板１４内を、ターゲットの中央部に対応するターゲット固定板１４の中央部方向に向かって延びた後、ターゲット固定板１４内を通って、冷媒流出口９へと延びている。
【００４２】
また、図３図示の実施形態でも、冷媒通路１５の冷媒流入口８がターゲット固定板１４の一端部に設けられ、冷媒流出口９は冷媒流入口８が設けられているターゲット固定板１４の一端部とは異なる位置の他の端部にけられている。そして、冷媒流入口８から冷媒流出口９に延びる冷媒通路１５は、冷媒流入口８から、ターゲット固定板１４内を、ターゲットの中央部に対応するターゲット固定板１４の中央部方向に向かって延びた後、ターゲット固定板１４内を通って、冷媒流出口９へと延びている。
【００４３】
図１、図２、図３図示の実施形態では、断面が一定の形状（図示の形態では、四角形断面）の溝状の冷媒通路１５、１６が、冷媒流入口８から、最初に、ターゲット固定板１４の中央部方向に向かって延び、その後、ターゲット固定板１４内部を全体的に巡って、ターゲット固定板１４の他端部に設けられている冷媒流出口９へと延びている。
【００４４】
冷媒通路１５、１６を前記のように、一定の断面形状をした通路にすることによって、水や純水などの冷媒１１の流速を、冷媒通路１５、１６のどの位置でも一定にすることが可能となる。
【００４５】
なお、冷媒通路１５、１６の断面形状を変化させることで、特定位置での冷媒１１の流速を変化させ、冷却効率を変化させることもできる。
【００４６】
冷媒通路１５、１６が、冷媒流入口８から、最初に、ターゲット固定板１４の中央部方向に向かって延びているので、冷媒流入口８から冷媒通路１５、１６に入った冷媒１１によって、まず、ターゲット１の中央部を冷却することができ、高いスパッタ電力が投入された際に最も高温になるターゲット１中央部の温度の上昇を効果的に抑えることが可能になる。
【００４７】
また、こうして、冷媒流入口８から最初にターゲット固定板１４の中央部方向に向かって延びた冷媒通路１５、１６は、図２、図３図示のように、ターゲット固定板１４内部を全体的に巡って、ターゲット固定板１４の他端部に設けられている冷媒流出口９へと延びているので、ターゲット１の中央部を効果的に冷却できるだけでなく、ターゲット１の被スパッタ面全体の温度分布がより均一になるようにターゲットの冷却を行うことができる。
【００４８】
図４図示の従来のスパッタリング装置に採用されていたターゲットの冷却手段を、図１、図２図示の本発明のスパッタリング装置に採用されているターゲットの冷却手段に変更し、その他の条件を同一にして、図６を用いて説明したシミュレーション、すなわち、１３ｋＷという高いスパッタ電力を投入した場合、ターゲット１背面部の温度がどのようになるかをシミュレーションした。この結果を図５に示す。
【００４９】
ターゲット１及びその背面部の温度は、図６を用いて説明したシミュレーションの場合と同じく、符号１０１で示す部分から、符号１０２で示す部分、符号１０３で示す部分、符号１０４で示す部分、符号１０５で示す部分へと、ターゲット１の中央部に近づくにしたがって、また、ターゲット１の前面側、すなわち被スパッタ面１ｂに近づくにしたがって次第に高温になっている。
【００５０】
このシミュレーションでは、ターゲット１中央部の表面（被スパッタ面１ｂ）の温度は約５００℃に止まった。
【００５１】
ちなみに、図４図示の従来のスパッタリング装置の構成でのシミュレーション結果を表す図６では、ターゲット１中央部の表面（被スパッタ面１ｂ）の温度は約９００℃である。
【００５２】
すなわち、本願発明の構成により、ターゲット１表面の温度、特に中央付近におけるターゲット１表面の温度は、約９００℃から約５００℃へと大幅に（約４００℃）低く抑えることが可能になる。
【００５３】
また、図５と図６の比較から明らかなように、本願発明の構成によりターゲット１の被スパッタ面全体の温度分布を、従来に比べ均一にすることができる。
【００５４】
以上、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。
【００５５】
例えば、図１、図２図示の実施形態では、２系統の冷媒通路１５、１６が備えられている場合を説明したが、３系統、４系統の冷媒通路が備えられている構成とすることもできる。また、冷媒流入口８を設けるターゲット固定板１４の一端部と、冷媒流出口９を設けるターゲット固定板１４の他端部の位置も図２図示のものに限られず、２系統以上の冷媒通路がターゲット固定板１４内部を全体的に巡る形態も図２図示のものに限られない。ターゲット固定板１４の一端部に設けられている冷媒流入口８から、まず、ターゲット１中央部を冷却するために各冷媒通路ターゲット固定板１４中央部方向に延び、続いて、ターゲット１の被スパッタ面全体の温度分布がより均一になるように、ターゲット固定板１４内部を全体的に巡って、ターゲット固定板１４の他端部に設けられている冷媒流出口９へと延びる形態であれば、図２図示の形態以外でも採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本願発明のスパッタリング装置の好ましい実施形態の断面概略図である。
【図２】図１図示のスパッタリング装置に採用されているターゲット冷却手段における冷媒通路を示す平面概略図である。
【図３】図１図示のスパッタリング装置に採用されているターゲット冷却手段における他の冷媒通路を示す平面概略図である。
【図４】従来のスパッタリング装置の断面概略図である。
【図５】図１、図２図示の実施形態の本発明のスパッタリング装置で、ターゲットに１３ｋＷの電力を消費した場合の加熱シミュレーション図である。
【図６】図４図示の従来のスパッタリング装置で、ターゲットに１３ｋＷの電力を消費した場合の加熱シミュレーション図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    ターゲット
２    ガス導入系
３    マグネット
４    マグネット駆動用モータ
５    シールド
６    スパッタチャンバー
７    基板ホルダー
８    冷媒流入口
９    冷媒流出口
１０    基板
１１    冷媒
１２    排気系
１３    スパッタ電源
１４    ターゲット固定板
１５、１６  冷媒通路
【図１】
2008255456.tif 000003
【図２】
2008255456.tif 000004
【図３】
2008255456.tif 000005
【図４】
2008255456.tif 000006
【図５】
2008255456.tif 000007
【図６】
2008255456.tif 000008