特開 2023-66486 マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びマグネトロンスパッタリング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023066486

(43)【公開日】2023-05-16

(54)【発明の名称】マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びマグネトロンスパッタリング装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20230509BHJP

   C23C 14/35 20060101ALI20230509BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 C

C23C14/35 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021177108

(22)【出願日】2021-10-29

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】弁理士法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 康司

(72)【発明者】

【氏名】長嶋 英人

(72)【発明者】

【氏名】原 勝弥

(72)【発明者】

【氏名】又賀 秀輝

【テーマコード（参考）】

4K029

【Ｆターム（参考）】

4K029CA05

4K029DA04

4K029DC25

4K029DC39

4K029DC45

(57)【要約】

【課題】ターゲットから効率良く奪熱するという機能を損なうことなく、バッキングプレートと磁石ユニットとの干渉を確実に防止することができるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを提供する。
【解決手段】真空チャンバ１内を臨む姿勢で設置されるターゲット３のスパッタ面３ａと背向する上側に接合されるバッキングプレート４と、バッキングプレートの上方に間隔を存して配置される磁石ユニット５とを備え、バッキングプレート内に冷媒の流通が可能な冷媒通路４３が形成されるマグネトロンスパッタリング装置ＳＭ用のカソードユニットＣＵおいて、冷媒を流通させたときにバッキングプレートの上内面４２ａに加わる圧力Ｐ１と同等の面圧Ｐ２をバッキングプレートの上方からこのバッキングプレートの上外面４２ｂに向けて印加する面圧印加手段７，８を設けた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空チャンバ内を臨む姿勢で設置されるターゲットのスパッタ面と背向する上側に接合されるバッキングプレートと、バッキングプレートの上方に間隔を存して配置される磁石ユニットとを備え、バッキングプレート内に冷媒の流通が可能な冷媒通路が形成されるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットおいて、
冷媒を流通させたときにバッキングプレートの上内面に加わる圧力と同等の面圧をバッキングプレートの上方からこのバッキングプレートの上外面に向けて印加する面圧印加手段を設けたことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。

【請求項2】

前記面圧印加手段は、前記バッキングプレートの上面に連設されて磁石ユニットを格納する密閉構造のマグネットケースと、マグネットケース内に流体の供給を可能とする流体供給手段とを備えることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。

【請求項3】

前記マグネットケース内に供給される流体を循環させる循環手段を設けたことを特徴とする請求項２記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットと、カソードユニットのターゲットがその内部を臨む姿勢で設置されると共にスパッタ面の前方空間に被処理基板が配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、真空雰囲気中の真空チャンバ内へのスパッタガスの導入を可能とするガス導入手段とを備えることを特徴とするマグネトロン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、真空チャンバ内を臨む姿勢で設置されるターゲットのスパッタ面と背向する上側に接合されるバッキングプレートと、バッキングプレートの上方に間隔を存して配置される磁石ユニットとを備え、バッキングプレート内に冷媒の流通が可能な冷媒通路が形成されるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びこのカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

上記種のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットでは、ターゲットのスパッタリング中に発生するプラズマからの輻射熱などがターゲット表面から内部に伝わり、これに接合されるバッキングプレートを介してその内部を流通する冷却水などの冷媒により奪熱される構造となっている。このような所謂ジャケット型のバッキングプレートは、一般に、ターゲットのスパッタ面と背向する側に接合される支持板と、この支持板の上側に設けられて支持板との間で冷媒通路を形成するカバー板（ジャケット）とで構成される（例えば、特許文献１参照）。このとき、バッキングプレートの上方に磁石ユニットが配置されるため、冷媒通路を流れる冷媒の流量を確保しながら、スパッタ面の下方空間に漏洩磁場を効果的に作用させようとすると、バッキングプレートを構成する支持板やカバー板の板厚を然程厚くすることはできない。

【0003】

ところで、近年では、生産性の更なる向上のため、この種のスパッタリング装置にはより速い成膜速度が要求され、成膜時には、ターゲットに例えば２０ｋＷを超える高電力が投入されるようになっており、これに伴って、ターゲットからより効率よく奪熱できることが求められている。このような場合、冷媒通路への冷媒の供給圧を高くすることが考えられるが、バッキングプレートを構成するカバー板の板厚が薄いと、冷媒通路に冷媒を流通させたときにカバー板に加わる圧力で上方に向けて膨らむように変形し、場合によっては、磁石ユニットに干渉する虞がある。このようなバッキングプレートの変形を抑制するために、カバー板（特に、中央領域）が支持板に向けて引っ張られるように冷媒通路を横切るボルトで支持板とカバー板とを固定することも考えられるが、これでは、冷媒通路内で冷媒の流れが変わり、却って、ターゲットから効率よく奪熱できない場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７－３３１４２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットから効率良く奪熱するという機能を損なうことなく、バッキングプレートと磁石ユニットとの干渉を確実に防止することができるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びマグネトロンスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバ内を臨む姿勢で設置されるターゲットのスパッタ面と背向する上側に接合されるバッキングプレートと、バッキングプレートの上方に間隔を存して配置される磁石ユニットとを備え、バッキングプレート内に冷媒の流通が可能な冷媒通路が形成されるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットおいて、冷媒を流通させたときにバッキングプレート上内面に加わる圧力と同等の面圧をバッキングプレートの上方からこのバッキングプレートの上外面に向けて印加する面圧印加手段を設けたことを特徴とする。なお、本発明において、「同等」には、バッキングプレートの上内面に加わる圧力と上外面に印加される面圧とが厳密に一致する場合だけでなく、流体通路の断面積が小さくなるようにバッキングプレートの上面（またはその一部）が下方に向けて膨らむように変形しない範囲で面圧を加える場合を含む。

【0007】

本発明において、前記面圧印加手段は、前記バッキングプレートの上面に連設されて磁石ユニットを格納する密閉構造のマグネットケースと、マグネットケース内に流体の供給を可能とする流体供給手段とを備える構成を採用することができる。この場合、前記マグネットケース内に供給される流体を循環させる循環手段を設けておけば、マグネットケース内を循環する流体とバッキングプレート内の冷媒通路を流れる冷媒との熱交換により冷媒通路を流れる冷媒の昇温を抑制することができ、ターゲットからより効率良く奪熱することができる。

【0008】

以上によれば、スパッタリング中にターゲットを冷却するために、バッキングプレート内に所定の供給圧で冷媒を流通させたとき、バッキングプレートの上内面に圧力が加わってもバッキングプレートの上方から上外面に向けて面圧が印加されているので、バッキングプレートが上方に向けて膨らむように変形することが可及的に抑制され、結果として、バッキングプレートが磁石ユニットに干渉するといった不具合が生じない。しかも、冷媒通路内に冷媒の流通を阻害するボルトなどの部品もないことで、バッキングプレート内の冷媒通路に冷媒を滞りなく流通させることができるため、ターゲットから効率良く奪熱するという機能も損なわれない。従って、本発明は、スパッタリングによる成膜時、ターゲットに高電力を投入するものに適したものとなる。

【0009】

また、本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、上記カソードユニットと、カソードユニットのターゲットがその内部を臨む姿勢で設置されると共にスパッタ面の前方空間に被処理基板が配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、真空雰囲気中の真空チャンバ内へのスパッタガスの導入を可能とするガス導入手段とを備えることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明のカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置の構成を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、冷媒を所定温度の冷却水とし、本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びこのカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置の実施形態について説明する。以下において、上、下といった方向を示す用語は、図１を基準とする。

【0012】

図１を参照して、マグネトロンスパッタリング装置ＳＭは、真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、排気管１１を介して真空ポンプＶｐが接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０^－５Ｐａ）に真空排気することができる。真空チャンバ１の側壁には、マスフローコントローラ１２が介設されたガス管１３が接続され、流量制御されたスパッタガスとしての希ガス（例えばアルゴンガス）を真空チャンバ１内に導入することができる。マスフローコントローラ１２が本実施形態のガス導入手段を構成する。

【0013】

真空チャンバ１の下部には、ステージ２が設けられ、その成膜面を上に向けた姿勢でシリコンウエハなどの被処理基板（以下「基板Ｓｗ」という）を保持することができる。ステージ２は、絶縁体２ａを介して真空チャンバ１の下壁に設けられる基台２１と、基台２１上に設けられて静電チャック用の電極（図示省略）を内蔵するチャックプレート２２とを備え、図外のチャック用電源により電極に通電することで、基板Ｓｗを吸着することができる。

【0014】

真空チャンバ１の上部には、本実施形態のカソードユニットＣＵが設けられている。カソードユニットＣＵは、基板Ｓｗに一致する輪郭（例えば、円形）を持つターゲット３と、ターゲット３のスパッタ面３ａと背向する側に接合される熱伝導率の良い金属製のバッキングプレート４と、バッキングプレート４の上方に間隔ｄ１を存して配置され、スパッタ面３ａの下方空間に漏洩磁場を作用させる磁石ユニット５とを備える。ターゲット３は、アルミニウム、銅や窒化チタンなど、基板Ｓｗに成膜しようとする薄膜の組成に応じて作製されている。ターゲット３にはスパッタ電源Ｐｓからの出力が接続され、ターゲット種に応じて、負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力を投入することができる。

【0015】

バッキングプレート４は、熱伝導率の良い金属製の一対の支持板４１，４２を接合して構成され、絶縁体４ａを介して他方の支持板４２の外周縁部を真空チャンバ１の側壁上端に取り付けることで、スパッタ面３ａが真空チャンバ１内を臨み且つ基板Ｓｗと対向する姿勢でバッキングプレート４に接合されたターゲット３が設置される。一方の支持板４１は、ターゲット３より一回り大きな面積を有し、ターゲット３のスパッタ面３ａと背向する側に接合されている。カバー板としての他方の支持板４２は、一方の支持板４１より一回り大きな面積及び板厚ｄ２を有する。一方の支持板４１に対峙する他方の支持板４２の下面には、例えば、径方向一方からその他方に向けてのびる複数の凹溝４３ａが形成され、一対の支持板４１，４２を接合したときに、各凹溝４３ａによって冷却水が流れる冷媒通路４３が区画されるようにしている。

【0016】

バッキングプレート４の外側面には、互いに対峙させて第１流入口４４ａと第１流出口４４ｂとが設けられている。そして、ターゲット３のスパッタリング中には、真空チャンバ１外に設置されるチラーユニットに６より冷却水を所定の供給圧で第１流入口４４ａに供給し、冷媒通路４３を流れた冷却水を第１流出口４４ｂからチラーユニット６に戻すことで、バッキングプレート４内を所定温度の冷却水が循環されるようにしている。他方の支持板４２の板厚ｄ２と、凹溝４３ａが存する箇所での支持板４２の板厚ｄ３とは、磁石ユニット５からの漏洩磁場をスパッタ面３ａの下方空間に効果的に作用させることができるようにターゲット３と磁石ユニット５との間の上下方向における距離に応じて設定される。この場合、凹溝４３ａが存する箇所での支持板４２の下面部分４２ａ（バッキングプレート４の上内面に相当）には、冷媒通路４３に冷却水を流通させたときの圧力（以下、「第１圧力Ｐ１」という）が作用することになる。

【0017】

他方の支持板４２の上面４２ｂには、シール部材７ａを介して密閉構造のマグネットケース７が連設され、その内部に磁石ユニット５が格納されている。磁石ユニット５は、ヨーク５１とヨーク５１の下面に設けられた複数の磁石体５２とを備え、ヨーク５１には、液密シール兼用の軸受Ｂｒを介してマグネットケース７の上壁部７１を貫通してのびる回転軸５３が連結されている。そして、モータＭｔにより回転軸５３を回転させると、磁石ユニット５がその軸回りに所定速度で回転駆動される。マグネットケース７の側壁部７２にはまた、互いに対峙させて第２流入口７３ａと第２流出口７３ｂとが設けられている。ターゲット３のスパッタリング中には、上記と同様、チラーユニット８により流体としての冷却水を所定の供給圧で第２流入口７３ａに供給し、第２流出口７３ｂからチラーユニット８に戻すことでマグネットケース７内を冷却水が循環されるようにしている。このとき、冷却水が接する他方の支持板４２の上面４２ｂ（バッキングプレート４の上外面に相当）には、マグネットケース７内に導入されている冷却水の重量及び圧力に応じて面圧（以下、「第２圧力Ｐ２」という）が作用することになる。

【0018】

このように冷却水の重量及び圧力に応じて面圧を作用させる各部品が本実施形態の面圧印加手段を構成し、例えば、チラーユニット８からの冷却水の循環流量を制御することで第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２とが同等となるようにしている。なお、「同等」には、バッキングプレート４の上内面４２ａに加わる第１圧力Ｐ１と上外面４２ｂに印加される第２圧力Ｐ２とが厳密に一致する場合だけでなく、冷媒通路４３の断面積が小さくなるようにバッキングプレート４の上面４２ｂ（またはその一部）が下方に向けて膨らむように変形しない範囲で第２圧力Ｐ２を加える場合を含む。また、チラーユニット８が本実施形態の流体供給手段と循環手段を構成し、マグネットケース７内に供給される冷却水を循環させることで、マグネットケース７内を循環する冷却水とバッキングプレート４内の冷媒通路４３を流れる冷却水との熱交換により冷媒通路４３を流れる冷却水の昇温を抑制することができる。

【0019】

上記スパッタリング装置ＳＭにより基板Ｓｗ表面に所定の薄膜を成膜するのに際しては、真空雰囲気の真空チャンバ１内にスパッタガスを所定流量で導入し、スパッタ電源Ｐｓからターゲット３に電力投入する。すると、真空チャンバ１内にプラズマが発生し、プラズマ中で電離したイオンによりターゲット３がスパッタリングされ、基板Ｓｗ表面に所定の薄膜が成膜される。スパッタリング中には、チラーユニット６から所定の供給圧でバッキングプレート４の冷媒通路４３を通して冷却水を循環させると共に、チラーユニット８から所定の供給圧でマグネットケース７内を通して冷却水を循環させる。このとき、バッキングプレート４の上内面４２ａに加わる第１圧力Ｐ１に応じて、バッキングプレート４の上外面４２ａに同等の第２圧力Ｐ２が加わるように、マグネットケース７内に導入されている冷却水の流量を制御する。これにより、ターゲット３のスパッタリング中に発生するプラズマからの輻射熱などがターゲット３表面から内部に伝わり、これに接合されるバッキングプレート４を介してその内部を流通する冷却水により奪熱されてターゲット３が一定の温度以下に調整される。この場合、例えば、マグネットケース７内に導入される冷却水の温度を冷媒通路４３に供給される冷却水の温度と同等以下にしておけば、マグネットケース７内を循環する冷却水とバッキングプレート４内の冷媒通路４３を流れる冷却水との熱交換により冷媒通路４３を流れる冷却水の昇温を抑制することができ、ターゲット３からより効率良く奪熱することができる。

【0020】

このように本実施形態によれば、スパッタリング中に冷媒通路４３に冷媒を流通させることでバッキングプレート４の上内面４２ａに第１圧力Ｐ１が加わっても、バッキングプレート４の上方から上外面４２ｂに向けて第２圧力Ｐ２が印加されているため、バッキングプレート４の支持板４２が上方に向けて膨らむように変形することが抑制され、結果として、支持板４２が磁石ユニット５に干渉するといった不具合が生じない。しかも、冷媒通路４３を横切るボルトなどで支持体４１と支持板４２とを固定しないため、冷媒通路４３内に冷却水の流通を阻害するボルトなどの部品もないことで、冷媒通路４３に冷却水を滞りなく流通させることができるため、ターゲット３から効率良く奪熱できるという機能も損なわれない。

【0021】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、バッキングプレート４として熱伝導率の良い金属製の一対の支持板４１，４２を接合して構成されるものを例に説明したが、このようなバッキングプレート４の形態に限定されるものではなく、スパッタリング中にバッキングプレート４が上方に向けて膨らむように変形して磁石ユニット５に干渉する虞があるような場合に、一体ものか否かを問わず、本発明は広く適用することができる。また、上記実施形態では、マグネットケース７内に供給される流体として冷却水を用いる場合を例に説明したが、支持板４２の上外面４２ｂに面圧を印加できるものであれば、これに限定されない。流体として例えばアルゴンガスなどの気体を用いることができ、この場合には、マグネットケース７内に気体を導入してその内部を大気圧より高い圧力に加圧してバッキングプレート４の上面４２ｂに面圧を加えればよい。他方で、マグネットケース７内で回転駆動される磁石ユニットと干渉しないように配置した、バッキングプレート４の上面４２ｂに当接する押圧板を設け、エアーシリンダ等を用いて機械的にバッキングプレート４の上面４２ｂに面圧を加えることもできる。

【符号の説明】

【0022】

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓｗ…基板（被処理基板）、１…真空チャンバ、１２…マスフローコントローラ（ガス導入手段の構成要素）、３…ターゲット、３ａ…スパッタ面、４…バッキングプレート、４２ａ…バッキングプレートの上内面、４２ｂ…バッキングプレートの上外面、４３…冷媒通路、５…磁石ユニット、６…チラーユニット、７…マグネットケース（面圧印加手段の構成要素）、８…チラーユニット（面圧印加手段の構成要素、流体供給手段、循環手段）、Ｐｓ…スパッタ電源。

【図1】