JPH0718432A

JPH0718432A - スパッタリング用カソードとその製造方法

Info

Publication number: JPH0718432A
Application number: JP5166833A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Tani; 典明谷; Ikuo Suzuki; 郁生鈴木; Chiyuuretsu Haku; 忠烈白; Michio Ishikawa; 道夫石川; Kyuzo Nakamura; 久三中村
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1993-07-06
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミックスのスパッタリング用カソードに
これを破壊することなく高いスパッタリングパワーを印
加可能として高い成膜速度が得られるスパッタリングカ
ソードを提供すること、これに適したスパッタリングカ
ソードの製造方法を提供すること【構成】セラミックスターゲット板１の底面及び／又
は側面の全面に厚さ０．１ｍｍ以上の金属材２を強固に
接着する。圧縮応力を保有しているセラミックスターゲ
ット板の底面及び／又は側面の全面に厚さ０．１ｍｍ以
上の金属材を強固に接着する。該セラミックスターゲッ
ト板よりも熱膨張係数が大きい厚さ０．１ｍｍ以上の金
属材を室温よりも高い温度雰囲気で強固に接着する。金
属化合物原料粉体を厚さ０．１ｍｍ以上の金属型材上に
ホットプレス法により強固に接着する。【効果】成膜速度が向上する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基材に金属化合物膜を
形成するために使用されるスパッタリング用カソードで
あって、高速でこれを成膜するに適したカソードに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属の酸化物などの金属化合物膜
をスパッタリング法で作製する場合、広く行なわれてい
るのは次の２通りの方法である。その一つは、目的とす
る化合物膜を構成するための金属ターゲットを、バッキ
ングプレートにインジュウム等の低融点金属のボンディ
ング材で接着したカソードを用い、該バッキングプレー
トを冷却しながらのスパッタ成膜中にＡｒなどのスパッ
タガスに酸素等の反応性ガスを混入させて成膜するいわ
ゆるリアクティブスパッタ法であり、もう一つは、目的
とする化合物膜の材料のセラミックスの固まりをターゲ
ットとし、これをバッキングプレートに低融点金属ボン
ディング材で接着したカソードを用い、該バッキングプ
レートを冷却しながら不活性ガスのスパッタガスでスパ
ッタ成膜する方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者の金属ターゲット
の場合、スパッタ方法として簡単な直流方式が使え、比
較的高速に成膜を行なえる利点を有するが、ターゲット
の組成に対し得られる膜の組成ズレが大きく、また、そ
の組成に活性な金属材料を含む場合安定で均質な合金タ
ーゲットが作製できない等の欠点がある。一方、後者の
セラミックスの固まりをターゲットとするスパッタ法
は、若干の反応ガスの追加が必要になる場合があるが、
殆ど組成ズレがなく、所望組成のターゲットの作製には
支障がないが、一般にこの種のターゲットは電気抵抗が
高く、高周波スパッタ方式を使う必要があり、成膜速度
が前者に比べて遅いのが欠点である。

【０００４】カソードに印加するスパッタリングパワー
と成膜速度は、一般に比例関係にある。従って、成膜速
度を速くするには、可能な限り印加パワーを大きくすれ
ばよい。パワーを大きくするにつれターゲットの表面は
プラズマ衝撃によって加熱されるが、前者の場合、ター
ゲットが金属材料であるので熱伝導が良く、バッキング
プレートの冷却が十分であればボンディング材料が溶け
ることがなく、また、ターゲットの剛性や脆性も良好な
ので、ターゲットの上面と下面に多少の温度差が生じて
も破壊しないから高いパワーを印加できる。一方、後者
の場合、ターゲットとして用いるセラミックスの固まり
は、熱伝導が前者の場合に比べて悪く、パワーを印加し
すぎるとターゲットの上面と下面に大きな温度差が生じ
やすく、上面と下面で熱膨脹量が異なり且つターゲット
材の剛性も低く脆性が高いので、ターゲットにひびが入
り破壊されてしまう。更にこの場合、ターゲットの径方
向にも温度上昇によりターゲットが延びようとしてひび
割れが生じがちである不都合を伴う。また、ひび割れ部
分からボンディング材がしみ出し、膜中にボンディング
材が混入するので膜特性が悪くなる場合があった。従っ
て、ターゲットとしてセラミックスを用いるときには、
高いパワーを印加することができず、そのため、高い成
膜速度が得られなかった。

【０００５】本発明の第１の目的は、ターゲット材とし
てセラミックスを用いるスパッタリング用カソードにこ
れを破壊することなく高いスパッタリングパワーを印加
可能として高い成膜速度が得られるスパッタリングカソ
ードを提供することであり、これに適したスパッタリン
グカソードの製造方法を提供することをその第２の目的
とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、セラミック
スターゲット板の底面及び／又は側面の全面に厚さ０．
１ｍｍ以上の金属材を強固に接着することにより、或い
は圧縮応力を保有したセラミックスターゲットの底面及
び／又は側面の全面に厚さ０．１ｍｍ以上の金属材を強
固に接着することにより、上記第１の目的を達成するよ
うにした。上記第２の目的は、セラミックスターゲット
板の底面及び／又は側面の全面に、該セラミックスター
ゲット板よりも熱膨張係数が大きい厚さ０．１ｍｍ以上
の金属材を室温よりも高い温度雰囲気で強固に接着する
ことにより、或いは金属化合物原料粉体を厚さ０．１ｍ
ｍ以上の金属型材上にホットプレス法により強固に接着
することにより、達成される。

【０００７】

【作用】セラミックスターゲット板の底面及び／又は側
面の全面に金属材を強固に接着した構成のカソードを使
用してスパッタリングを行なうと、ターゲット自体が組
成調整されているので、形成される膜の組成ズレがな
く、所望の組成の金属酸化物膜を基材に成膜できること
は従来の場合と変わりがないが、スパッタリングパワー
を高めて成膜速度を上げ、これに伴ってターゲット板が
高温に加熱されても、該ターゲット板は金属材に強固に
接着されており、該金属材はバッキングプレート等によ
り冷却されて該ターゲット板よりも熱伸び量が少なくな
り、その結果、該ターゲット板は圧縮応力を保有し、タ
ーゲット板が高温化してもひび割れ等の破損を生じにく
くなる。すなわち、セラミックスターゲット板は、発明
者等の知見では、圧縮応力に対しては非常に強い強度を
示すが、引張応力に対しては弱く、ひび割れを生じやす
いものであるが、本発明の構成では、該ターゲット板は
その温度の上昇で圧縮応力を持つので、熱による破損が
生じにくく、スパッタリングパワーを高めて成膜速度を
上げることができる。

【０００８】該セラミックスターゲット板が予め圧縮応
力を保有している場合には、スパッタリング時にターゲ
ット板が高温化しても、熱膨張による引張応力の発生が
減殺され、熱によるターゲットの破壊が防止される。

【０００９】該セラミックスターゲット板及びこの板よ
りも熱膨脹係数が大きい厚さ０．１ｍｍ以上の金属材を
室温よりも高い温度雰囲気に置き、該セラミックスター
ゲット板の底面及び／又は側面に該金属材を強固に接着
してターゲットに作製すると、金属材が該ターゲット板
よりも熱伸び量が大きい状態で接着され、その後に温度
が下がると該金属材がターゲット材よりも大きく収縮
し、該ターゲット材は圧縮応力を蓄積した状態になり、
また、ホットプレス法により金属化合物原料粉体を厚さ
０．１ｍｍ以上の金属型材上に接着しても、該金属材が
ターゲット材よりも大きく収縮して該ターゲット材に圧
縮応力を付与した状態で強固な接着が行なえる。

【００１０】

【実施例】板状のセラミックスターゲットは、発明者ら
の鋭意検討の結果、圧縮応力に対しては非常に強い強度
を示すが、引張応力に対しては弱くひび割れを生じやす
いということを知見し、これに基づき、図１及び図２に
示す如く、セラミックスターゲット板１の底面の全面に
厚さ０．１ｍｍ以上の金属材２を強固に接着することを
試みたところ、ターゲット板１が受ける引張応力すなわ
ちターゲット板１が径方向の外方へ伸びようとする力に
その底面に接着した金属材２の強度が対抗し、該ターゲ
ット板１は圧縮応力を蓄え、高いスパッタパワーを印加
してもターゲットが非常に割れにくくなる結果が得られ
た。また図３及び図４のように、セラミックスターゲッ
ト板１の側面に該金属材２を強固に接着したものでも同
様の結果が得られた。

【００１１】これらターゲット板１と金属材２の接着
に、従来用いられているインジュウムやスズ合金のよう
な低融点金属からなるボンディング材を使用すると、こ
れらの金属が比較的柔らかいので、上記ターゲット板の
引張応力に耐えられず、ターゲットと金属材が遊離して
必要な効果が得られない。従って、後述のようにターゲ
ットを成形する際、ターゲットと金属材とを金属学的に
反応させて強固に接着するか、塑性変形しにくいボンデ
ィング材で強固に接着する必要がある。バッキングプレ
ートに該金属材をボンディングする場合、従来のような
低融点で柔らかいボンディング材を使用しても、該金属
材が引張応力に対抗する構造であるので、ターゲット板
の割れが起こりにくくなる。接着されたターゲット板１
及び金属材２は、通常、図５に示すようにバッキングプ
レート３に接着し、カソードとして構成されるが、該金
属材が５ｍｍ以上の厚さを有するならば、そのまま該金
属材をバッキングプレートの代わりに利用できる。該金
属材はターゲット板の膨脹力に耐え得る強さが要求さ
れ、これを満足するには０．１ｍｍ以上が必要であっ
た。

【００１２】以上の結果からの発展に於いて、該金属材
としてターゲット板の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を
有するものを使用すると、更にターゲット板が割れにく
くなる結果が得られた。セラミックスターゲット板１と
金属材２の強固な接着を行なう場合、一般には該ターゲ
ット板１と金属材２の間にボンディング材や金属シート
を介在させて室温より高い１００℃以上の温度下で両者
の接着が行なうか、後記実施例のように、数百度℃の温
度下で両者を押し付け、両者の界面が金属学的に反応し
て直接接着することにより行なわれる。このような接着
方法では、該ターゲット材１も金属材２も室温より高い
温度雰囲気下にあるので、両者共熱膨張しており、金属
材２の熱膨張係数がセラミックスターゲット板１のそれ
よりも大きいと、該金属材２の熱伸び量が大きい状態で
接着され、この後、両者の温度が下がると金属材２の方
が収縮する割合が大きいのでセラミックスターゲット板
１の内部に圧縮応力が保存される。そのため、このセラ
ミックスターゲット板１と金属材２から成るカソードを
用いて高いパワーでスパッタリングを行なった場合、該
ターゲット板１が加熱されて伸びようとしても、その内
部に圧縮応力が蓄積されているため、高温になっても引
張応力に転じず、割れに対して非常に強くなり、高速で
成膜を行なえる。

【００１３】以下に本発明の具体的実施例を説明する。（実施例１）ＳｒＴｉＯ₃の粉末を焼成した外形４イン
チ、厚さ６ｍｍの図１に示すような円板状のセラミック
スターゲット板１の底面の全面に、厚さ０．１ｍｍのス
テンレス板の金属材２をＡｇＳｎ系合金を使用して強固
に接着し、更に該金属材２を銅のバッキングプレート３
にインジュウムを使用してボンディングした。これをカ
ソードとしてバッチ式のスパッタリング装置の真空室内
に取り付け、該真空室内を１×１０^-4Ｐａ以下に排気し
たのち、Ａｒを０．１Ｐａ、Ｏ₂ガスを０．０１Ｐａ導
入しながらＲＦマグネトロン方式でＳｉ基板上に成膜し
た。カソードのパワーを徐々に増大させたときの成膜速
度との関係を図６に示した。この場合、１２８０Ｗ以下
ではターゲット板１の表面には変化がなく、２０ｎｍ／
ｍｉｎの成膜速度が得られたが、１６００Ｗを印加する
と、該ターゲット板１の表面にはひび割れが入り、エッ
ジの部分が多少欠けているのが認められた。これとの比
較のために、ＳｒＴｉＯ₃の粉末を焼成した外形４イン
チ、厚さ６ｍｍのセラミックスターゲット板を銅のバッ
キングプレートにインジュウムを用いて直接ボンディン
グし、これをカソードとして上記の装置の真空室に取り
付け、上記実施例と同条件でスパッタリングを行なっ
た。このカソードに投入するパワーを増大していくと、
４００Ｗでターゲット板が割れ、ひび割れの一部からイ
ンジュウムが滲み出していた。このときの成膜速度は約
５ｍｎ／ｍｉｎであった。

【００１４】（実施例２）実施例１と材料と寸法が同一
のセラミックスターゲット板１の側面に、図１に示すよ
うなステンレスのリング状の金属材２を取り付け、これ
をバッキングプレートにインジュウムを使用してボンデ
ィングした。これをカソードとして実施例１と同じ装置
で同じ条件でスパッタを行なった。該金属材の厚さは１
ｍｍである。カソードへの投入パワーの増大と成膜速度
の関係は図６と略同じであったが、ターゲット板が割れ
たときのパワーは２１００Ｗにまで増大した。

【００１５】（実施例３）金属材２として図７及び図８
に示すようなターゲット外周部のフランジの厚さ３ｍ
ｍ、底部の厚さ５ｍｍ、直径が４インチで深さ６ｍｍの
皿型の金属材を用意し、これに通常のインジュウムを使
用して実施例１と材料、寸法が同一のセラミックスター
ゲット板１をボンディングした。これをバッキングプレ
ートを使わずにそのまま実施例１と同じ装置にカソード
として取り付け、実施例１と同条件で投入パワーを増大
しながらスパッタを行なった。カソードへの投入パワー
の増大と成膜速度の関係は図６と略同じであったが、タ
ーゲット板が割れたときのパワーは２５００Ｗにまで増
大した。

【００１６】（実施例４）Ｂａ₀.₅Ｓｒ₀.₅・ＴｉＯ₃の
粉体を焼結した外径４インチ、厚さ６ｍｍの円板状のタ
ーゲット板の複数枚を用意し、その夫々に厚さ１０ｍｍ
のＣｕ、Ｔｉ、Ｍｏの金属材を接着した。その接着は、
該ターゲット板と金属材の間に厚さ０．３ｍｍのＴｉシ
ートを挟み、両者に力を加えながら約９００℃まで加熱
して行なった。そして実施例１と同様に該金属材をバッ
キングプレートにボンディングし、これをカソードとし
てスパッタを行なった。スパッタパワーを徐々に上げて
いき、該ターゲット板にひび割れが生じたときのパワー
とその時の成膜速度は表１の通りであった。（実施例５）Ｂａ₀.₅Ｓｒ₀.₅・ＴｉＯ₃の粉体を焼結す
る際、図７、図８に示した形状のＴｉの金属材を用意
し、これの凹部に該粉体を入れて上方から力を加えなが
らホットプレス法により該粉体を焼結し、これをそのま
まカソードとした。該カソードに印加したスパッタパワ
ーと成膜速度を図９に示した。３５００Ｗ印加した時に
は５７ｎｍ／ｍｉｎの非常に高い成膜速度が得られた
が、ターゲット板の表面に微細なひび割れが入ってい
た。その後も引き続き印加パワーを増加させると、成膜
速度は４０００Ｗで７５ｎｍ／ｍｉｎ、４５００Ｗで８
７ｎｍ／ｍｉｎとなり、次第に割れが大きくなってい
き、５０００Ｗでは放電が安定せず、成膜速度が６０ｎ
ｍ／ｍｉｎに低下し、ターゲットが粉々に砕けていた。

【００１７】上記の比較例１の場合、ＳｉＴｉＯ₃から
なるセラミックスターゲット板で高印加パワーのスパッ
タを行なうと、ターゲット板の表面が高温になり、熱膨
張しようとする。該ターゲット板とバッキングプレート
は、柔らかいインジュウムでボンディングされているの
で、ターゲット板は自由に伸びることができる。セラミ
ックスターゲットは引張応力に対し脆いため、割れが生
じ、場合によっては低融点のインジュウムが割れ部から
しみ出してターゲット板の表面まで達するため、膜中に
インジュウムが混入して膜特性の劣化を引き起こす。こ
れに対し、実施例１では、セラミックスターゲット板が
強固にステンレスの金属材に接着されているので、該タ
ーゲット板が熱膨張によって伸びようとしても、冷却さ
れた金属材の伸び量はそれよりも小さいので、該ターゲ
ット板の内部に圧縮応力が発生して大きなパワーを印加
しても割れにくくなり、その結果、高い成膜速度が得ら
れる。また、実施例２では、同様に、セラミックスター
ゲット板の伸びを外周リングの金属材が抑制し、実施例
３では底面と側面を囲んだ金属材が該ターゲット材の伸
びを抑制するので、ターゲット板が割れにくくなり、高
い成膜速度が得られる。更に、実施例４では、金属材の
材質が各種であり、夫々の熱膨張係数が異なっているた
めにセラミックスターゲット板の内部に蓄積される圧縮
応力に大小はあるものの、いずれも室温状態のときにす
でに圧縮応力を保有しているので、印加パワーを大きく
してターゲット板の温度が上昇し、熱伸びをしようとし
ても、引張応力は生じず、割れやひびが入りにくくなっ
ている。また、実施例５では、セラミックスターゲット
板の底面および側面から圧縮を受ける構造になってお
り、しかも該ターゲット板とＴｉの金属材はその界面で
反応をおこし強固に接着しているため、非常に割れにく
い構造になっている。これの金属材として用いているＴ
ｉはターゲット板を構成している元素でもあるので、タ
ーゲット板が割れても不純物が混入する恐れがなく、あ
る程度までの割れであるならば、成膜を続行できる利点
がある。

【００１８】以上の実施例に於いては、セラミックスタ
ーゲット板の材料にＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔｉ
Ｏ₃を用いたが、その代わりに、（Ｐｂ，Ｚｒ）Ｔｉ
Ｏ₃、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂、ＬｉＮｂＯ₃、Ｔａ₂Ｏ₅等の酸
化物ターゲット板、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮなどの窒化物ター
ゲット板を用いても良い。また、金属材として、上記の
実施例に記載のもの以外に、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂやこれらの
合金等を用いても良い。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明によるときは、セラ
ミックスターゲット板が用いられるスパッタリングカソ
ードに於いて、該ターゲット板の底面又は／及び側面の
全面を強固に厚さ０．１ｍｍ以上の金属材に接着するこ
とにより、スパッタパワーを大きくした時のターゲット
板の熱膨張を抑制してこれに引張応力が発生することを
防止できるので、大きなスパッタパワーを安定して印加
でき、その結果、高い成膜速度が得られる等の効果があ
り、また該ターゲット板に圧縮応力を保有させておくこ
とによってもその熱膨張による引張応力の発生を防止で
きて同様の効果が得られる。更に、該金属材を該セラミ
ックスターゲット板よりも熱膨張係数が大きく厚さ０．
１ｍｍ以上のものとし、これを室温よりも高い温度雰囲
気で該ターゲット板に強固に接着する方法や、金属化合
物原料粉体を厚さ０．１ｍｍ以上の金属型材上にホット
プレス法により強固に接着することで、該ターゲット板
に圧縮応力を保有させたカソードを簡単に製造すること
が出来る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の斜視図

【図２】図１の２−２線断面図

【図３】本発明の他の実施例の斜視図

【図４】図３の４−４線断面図

【図５】図１の実施例の金属材を接着したセラミック
スターゲット板をバッキングプレートに取り付けた状態
の斜視図

【図６】図１の実施例のカソードのスパッタリングパ
ワーと成膜速度の関係図

【図７】金属材の変形例の斜視図

【図８】図７の８−８線断面図

【図９】図７に示した金属材を使用した実施例のカソ
ードのスパッタリングパワーと成膜速度の関係図

【符号の説明】

１セラミックスターゲット板２金属材３バッキングプレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川道夫千葉県山武郡山武町横田523 日本真空技術株式会社千葉超材料研究所内 (72)発明者中村久三千葉県山武郡山武町横田523 日本真空技術株式会社千葉超材料研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックスターゲット板の底面及び／
又は側面の全面に厚さ０．１ｍｍ以上の金属材を強固に
接着したことを特徴とするスパッタリング用カソード。
【請求項２】圧縮応力を保有しているセラミックスタ
ーゲット板の底面及び／又は側面の全面に厚さ０．１ｍ
ｍ以上の金属材が強固に接着されていることを特徴とす
るスパッタリング用カソード。
【請求項３】上記金属材をスパッタリング中に冷却さ
れるバッキングプレートにボンディングしたことを特徴
とする請求項１又は２に記載のスパッタリング用カソー
ド。
【請求項４】セラミックスターゲット板の底面及び／
又は側面の全面に、該セラミックスターゲット板よりも
熱膨張係数が大きい厚さ０．１ｍｍ以上の金属材を室温
よりも高い温度雰囲気で強固に接着したことを特徴とす
るスパッタリング用カソードの製造方法。
【請求項５】金属化合物原料粉体を厚さ０．１ｍｍ以
上の金属型材上にホットプレス法により強固に接着した
ことを特徴とするスパッタリング用カソードの製造方
法。