JP2005298965A - 高電力スパッタリングのための電力結合器 - Google Patents

Abstract

【課題】基板にコーティングするためのシステムと方法に関し、電流が軸受け内を流れないような電力結合器を整える。
【解決手段】一実施形態は、回転可能なターゲットに電力を伝送するように構成された電力結合器を有する高電力スパッタリングシステムを含む。この電力結合器は、軸受けを流れる電流を制限するために真空チャンバ内に、または真空チャンバの外側で軸受けと回転可能なターゲットとの間に配置される。
【選択図】図１４

Description

本発明は、物質をコーティング（被覆）するためのシステムと方法とに関する。特に、限定としてではなく、本発明は、回転マグネトロンシステムを使用して基板に材料をスパッタリングするためのシステムと方法とに関する。

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ガラスは、窓ガラス、自動車のグレイジング、表示装置、テレビまたはコンピュータのモニタ管といった広範囲の応用において、代替物がない。ガラスは、透明であり、寸法的化学的に安定であり、高い耐スクラッチ（引っ掻き）性があり、非汚染性であり、環境上有益である、といった諸性質の独特の組合せを持っている。それにもかかわらずガラスは、特にその光学的および熱的性質を改良できる。

真空コーティングは、特殊化された要求条件や要求の厳しいアプリケーションに合うようにガラス表面その他の表面を適合させるための選択の技術である。真空コーティングは、大面積の基板に極薄い均一な膜を堆積することができる。真空コーティング技術はまた、現在のコーティング技術の中で最も汚染が少ないものである。注目すべきことに、真空コーティングは、プラスチックと金属とを含む、ガラス以外の材料にコーティングするために使用できる。

一般の真空コーティングシステムは、ガラス、プラスチックまたは金属といった基板上に導電性誘電体材料を回転マグネトロンからスパッタする。直流（ＤＣ）によって駆動される回転マグネトロンは数年間知られてきた。また最近、高電圧交流（ＡＣ）によって駆動されるマグネトロンが導入された。これらのＡＣシステムは有利ではあるが、高電力ＡＣシステム特有の性質に起因する信頼性の問題と費用の問題とによって悩まされてきた。

例えば高電力ＡＣシステムは、誘導加熱として知られるプロセスを通じて熱を生成する。この熱は、真空コーティングシステム内の従来の軸受けとシールとに障害を発生させる。

誘導加熱は、金属といった導電性材料に交流が流れるときに発生する。この電流は、二通りの仕方で近隣および隣接の材料に影響を及ぼす電磁場を発生させる。第一に磁性材料は変動する電磁場に対して磁気抵抗を作り出す。この抵抗が材料を熱くする。第二にこの電磁場は、導電性材料内に電子流（電流）を発生させる。これらの電流に対する内部抵抗が熱を発生させる。非導電性材料は、電流を作り出す自由電子を持たないので発熱しない。

ＤＥ １０２ １３ ０４９ Ａ１から基板にコーティングするためのシステムが知られており、このシステムは真空チャンバと、この真空チャンバ内の回転可能な管と、この回転可能な管に接続され、部分的にこの真空チャンバの外側に在るシャフトと、を備えている。このシステムはまた、真空チャンバの外に配置され、前記シャフトと回転可能に係合するように構成された軸受けを備えている。更に軸受けと真空チャンバとの間にシールが設けられる。電流は、シール部分と軸受けとを通らなくてはならない。

更にＵＳ ２００２／０１８９９３９ Ａ１から真空チャンバ内の交流回転可能スパッタ陰極が知られている。前記スパッタチャンバ内に配置された前記陰極の少なくとも一部を有する一つ以上のスパッタ陰極が設けられ、前記陰極の一部分は、ハウジングの内部に配置される。前記陰極と前記ハウジングとの間に真空シールが動作可能に配置され、スパッタチャンバの内部の回転スパッタ陰極に電流を供給するための手段が設けられ、それによって真空シールの誘導加熱を回避している。

電流が軸受け内を流れないような電力結合器を整えることは、本発明の目標である。

この目標は、請求項１、１２、１４または１７の主題によって達成される。

技術者等は、高電力ＡＣコーティングシステムにおける誘導過熱の影響を最小にするために幾つかの設計を開発してきた。しかしながらこれらの設計は、サービス提供が困難であり、実施が高価につくことが判明している。したがって現在の技術のこの欠点および他の欠点に取り組み、他の新しい革新的な特徴を提供するシステムと方法が必要とされている。
ＤＥ １０２ １３ ０４９ Ａ１ ＵＳ ２００２／０１８９９３９ Ａ１

図面に示される本発明の例示的実施形態は、下記に要約される。これらおよび他の実施形態は、詳細説明の部分で更に詳細に説明される。しかしながら本発明はこの要約または詳細説明に記述された形に本発明を限定する意図が全く存在しないことは、理解されるべきである。本技術に精通する人は、請求項に表現されたような本発明の精神と範囲に入る多数の修正、同等手段および代替構造が存在することを認めることが可能である。

本発明は、基板にコーティングするためのシステムと方法とを提供することができる。一実施形態は、回転可能なターゲットに電力を伝送するように構成された電力結合器を有する高電力スパッタリングシステムを含む。この電力結合器は、軸受け、シールおよび／またはウォータ・ユニオン（水管継手）における誘導加熱の発生を最小にするように配置される。他の実施形態は、液体金属の電気コネクタ、高電力電気システムに関連する誘導加熱に耐えるように設計された乾式軸受け、および／または回転ユニオンを含む。

前述のように、上記の実施形態および実現手段は単に例示目的のためである。本発明の多数の他の実施形態、実現手段および詳細事項は、下記の説明と請求項から本技術に精通する人々によって容易に認められる。

さて図面を参照すると、同様または類似の要素は数図を通して同じ参照数字で表されており、特に図１を参照すると、図は従来技術の片持ち梁式回転マグネトロンシステム１００を示している。このシステム１００は、駆動システム１１０によって回転駆動される２個の回転円筒管１０５を含んでいる。これらの管１０５は、真空チャンバ１１５内に形成されたプラズマを使用してスパッタされるターゲット材料でコーティングされている。このスパッタされるターゲット材料は、基板１２０上に堆積される。

ある幾つかの実施形態ではこれらの管は、ターゲット材料でコーティングされるよりはむしろ、実際にターゲット材料で構成される。例えば管は、ターゲット材料でもあるチタンで構成できる。したがって「管」という用語は、ターゲット材料で被覆された管、あるいは部分的または全体的にターゲット材料で構成された管を指すことがあり得る。

プラズマは、入口１２５から真空チャンバ１１５内に導入され、出口１３０から排出されるガスを励起することによって形成される。スパッタリング効果は、回転管内に取り付けられた静止磁石システム１３５を使用して焦点合わせされる。例示的システムは、旭硝子に譲渡された、「高効率交流マグネトロン・スパッタリング装置」なる名称の特開平６−１７２４７に記載されている。この出願の内容は、本明細書に組み入れられる。

さて図２を参照すると、この図は従来技術の両端支持式回転マグネトロンシステム１４０の図である。このシステムは、真空チャンバ１１５と、ガス入口１２５と、ガス出口１３０と、駆動システム１１０と、電力システム（図示せず）と、ターゲット材料で被覆された２本の回転管１０５とを含んでいる。このターゲット材料は、基板駆動モータ１４５によって真空チャンバ内を移動させられつつある基板１２０上にスパッタされる。

さて図３を参照すると、この図は従来技術の回転マグネトロンシステム１５０のブロック図である。このシステムは、シャフト１６０に接続された回転管１５５を含む。このシャフト１６０は、軸受けシール・アセンブリ１６５と、電力結合器１７０と、回転駆動装置１７５とに接続されている。シャフト１６０はまた、水がシャフト１６０を通してポンプ給送されて、軸受けシール・アセンブリ１６５とターゲット管１５５とを導電的に冷却するために使用できるように給水装置１８０に連結されている。水は、ある幾つかのシステムでは軸受け１８５とシール１８７とを冷却するのに十分であるが、高電力システムでは必ずしもそうではない。これらの高電力システムでは、軸受け１８５は過熱して潤滑剤を失い、焼き付く傾向がある。

シール１８７は、外界と真空チャンバ１１５内部との間の圧力差を維持するために使用される。伝統的にこれらのシールは、鉄・流体シールであって、これらは高価で、保守が困難である。特にシール内の鉄・流体は、高電力ＡＣシステムにおいて誘導加熱を受ける。これらのシールが故障するのを防止するために、これらはしばしば、両者ともシールにかなりの複雑さと費用とを付加する水冷却と高温鉄流体とを必要とする。

図４は、本発明の実施形態にしたがって構成された両端支持式回転マグネトロンシステム１９０のブロック図である。このシステム１９０は、両端で等しく支持された回転管１９５を含む。この回転管１９５は、軸受けシール・アセンブリ２０５と、電力結合器２１０と、回転駆動装置２１５と、給水装置２２０とに連結されたシャフト２００に接続されている。この回転管の反対側の端部は、支持アーム２２５と軸受け（支持アーム２２５と共に図示されている）とによって支持されている。この管１９５は、水平位置に示されているが、垂直に配置することもできる。電力結合器２１０は、電力を電力源からシャフトを介して、あるいは直接この回転管に結合する任意の手段、例えばブラシである。このようにして電流は、電力結合器からシャフトを介して、あるいは直接、回転管１９５に流れる。電流は、実質的に交流電流を意味するが、理由は交流だけが渦電流を発生させるからである。

軸受けシール・アセンブリ２０５内の軸受け２３０は、高電力ＡＣシステムにおいて誘導加熱効果を受ける。過熱と故障とを防止するために軸受け２０５は、セラミックといった非金属材料で作ることができる。しかしながらセラミック軸受けは一般に高価であり、入手までにかなりのリードタイム（調達期間）を必要とする。コストを制限するために金属レース（軌道輪）とセラミック・ボールとを有する軸受けが使用できる。これらのハイブリッド軸受けは一般に、レース（軌道輪）の冷却を必要とする。本発明では、冷却は給水システム２２０によって与えられる。

代替の実施形態では、乾式で動作する高温金属軸受けがセラミック軸受けの代わりに使用できる。これらの軸受けは、通常の軸受けのように発熱するが高温でも潤滑剤を失わない。このような軸受けの一つは、Ｍｐ３５Ｎとして知られるコバルト合金で構成され、カリフォルニア州、Ｃａｐｏ ＢｅａｃｈのＩｍｐａｃｔ Ｂｅａｒｉｎｇから販売されている。この軸受けは現在、５２０℃で動作するように定格化されており、セラミック軸受けよりかなり安価である。本発明で使用できる他の金属軸受けは、おそらく二硫化モリブデン（Ｍｏｌｙｄｉｓｕｌｆｉｄｅ）またはＴｉＮをコーティングされた標準の鋼軸受けである。これらの軸受けは現在３００℃で動作するように定格化されている。

再び図４を参照すると、電力は、電力結合器２１０を介してシャフト２００と回転管１９５とに伝送される。電力結合器は典型的には、通常の磨耗と破砕屑のために時間とともに劣化する回転ブラシで作られる。伝統的な回転ブラシはまた、電気信号に有害な電気雑音を招く。本発明の実施形態では、これらの伝統的電力結合器は、電気接続を形成するために接点に結合された、水銀といった液体金属を使用する液体金属コネクタで置き換えられる。例示的な液体金属コネクタは、カリフォルニア州、カールスバッド（Ｃａｒｌｓｂａｄ）のマーコタック社（Ｍｅｒｃｏｔａｃ）によって製造されている。

さて図５を参照すると、これは本発明の代替実施形態２３５である。この実施形態は、回転駆動システム２１５が管１９５の反対側の端部に移動していることを除いて、図４に示す実施形態と類似している。回転駆動システム２１５と支持軸受け（図示せず）は、真空チャンバ１１５の外側に在る空洞内に配置されている。

図６は、本発明の更に他の実施形態２４０である。この実施形態は、真空チャンバ１１５の外側の空洞内に配置された電力結合器２１０を含む。支持軸受け（図示せず）は、誘導加熱を受け易い可能性があり、非金属物質または加熱に耐え得る材料で作ることができる。

図７は、チャンバ１１５の底部を介する電力結合器２１０を有する代替の回転マグネトロンシステム２４５のブロック図である。このシステムの電力結合器２１０は、真空チャンバ１１５の内部に在る。電力供給手段２１０は、典型的なスリップリングまたは流体金属回転コネクタを含むことができる。

図８、９は本発明の代替実施形態である。図８は、チャンバ壁を介する回転駆動手段２１５を有する回転マグネトロンシステム２５０のブロック図である。図９は、チャンバ壁を介する電力供給手段２１０を有する回転マグネトロンシステム２５５のブロック図である。

図１０は、前部電力結合器２１０を有する回転マグネトロンシステム２６０のブロック図である。この実施形態では、電力結合器２１０は軸受け２３０の前であるがシール２３２の後に位置する。電流がこの電力結合システム２１０内に導入されると、電流は回転管１９５を流れるが、軸受け２３０を完全には流れない。このようにして軸受け２３０は、電流によって引き起こされる誘導加熱を全部は受けないので、金属で作ることができる。ある幾つかのケースでは軸受け２３０は、副次的加熱を受けることがあり、軸受けは高温軸受けであることが必要になるであろう。

この実施形態におけるシールは、誘導加熱を受けるであろう。したがって導電性部品は最小限にされるか、除去されることが必要であろう。以下に論じられる図１２は、一つの受入れ可能なシール設計を示す。

図１１は、真空チャンバ１１５内に電力結合器２１０を有する回転マグネトロンシステム２６５のブロック図である。電流がこの電力結合器２１０内に導入されると、電流は回転管１９５を流れるが、軸受け２３０またはシール２３２には流れない。したがって両部品は、通常の材料で作ることができ、それによって複雑さとコストとを削減できる。

図１２は、真空シール・アセンブリ２６８のブロック図である。この実施形態では、シャフト２００に対して、２対のバンド装填シール２７０、２７５が配置されている。バンドシールの代わりに、スプリング装填シールが使用できるであろう。シール２７０／２７５の開放端は、シール・アセンブリ２６８の高圧力側に向けられている。バンドシール２７０／２７５は、ヴィトン、ブナゴムまたはテフロン（登録商標）といった密封部品を含む。これらの密封部品には、金属といった負荷構造体によって支持が加えられる。誘導加熱を制限するために負荷構造体は、ステンレス鋼で形成できるであろう。

さて図１３を参照するとこの図は、給水システム２２０からシャフト２００と管１９５（図４に示す）とに水を供給するために使用できる回転ユニオン２８５の概略図である。この実施形態は、給水システム２２０に接続され得る水入口２９０を含む。水は、入口２９０を通って外側シャフト２００内の内側シャフト（図示せず）内に流入する。それからこの水は、外側シャフト２００または管１９５の端部まで流れて、管１９５とシャフト２００の内面に沿って戻り、水戻り口３２０から外に出る。

水入口２９０は、コネクタ３０５を介して内側シャフトに連結される。このコネクタ３０５は、外側シャフト２００と一緒に回転するのを防止するような形に作ることができる。これはまた、Ｏリング用の溝３１０とキーまたは止めネジ用のスロット３１５とを含むこともできる。

外側シャフト２００は、クイックカプラー、ボルトまたはその他のコネクタによってフランジ・アセンブリ３３０に接続される。例えばクイックカプラーが解放されると、回転ユニオン２８５は、管１９５が迅速に交換できるように外側シャフト２００と内側シャフト（図示せず）から解放できる。

外側シャフト２００は回転するので、フランジ・アセンブリ３３０は軸受け３３５上で回転するように構成される。また水がフランジ・アセンブリ３３０から漏れるのを防止するために、端面シール３４０を使用して水密接続を形成する。端面シール３４０は、炭化珪素で形成できる。例示的端面シールは、ニューヨーク州、パルミラ（Ｐａｌｍｙｒａ）のガーロック シーリング テクノロジーズ社（Ｇａｒｌｏｃｋ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）によって製造されている。

ある幾つかの実施形態では、端面シールの代わりにリップシールが使用できる。しかしながらリップシールは、粒子や破砕屑の影響を大きく受けやすい。もしリップ（ゴム）とシャフトとの間に粒子が挟まると、粒子は両方ともシャフト内で磨耗させ、ゴムのリップを破損して漏れを引き起こし、時期尚早のシャフト交換という結果を招くであろう。このタイプの損傷を防止するためにリップシールは、最小５０ミクロンの水濾過システムと組み合わされることが多い。この濾過は、フィルタを洗浄または交換する毎月の保守を含むかなりの費用を必要とする。

軸受け３３５とシール３４０と入口２９０と戻り口３２０は、ステンレス鋼のハウジング３４５内に収容される。このハウジング３４５は、他の材料でも形成でき、例えばデルリン、テフロン（登録商標）および／またはプラスチックで作られた電気的および／または熱的に絶縁性のケーシング３５０に入れられる。このケーシング３５０は、凝結を防止し、それによって直接の電気ショックおよび電気ショートを劇的に減少させる。凝結と漏洩は、伝統的回転ユニオン設計に伴う問題である。一部の製造業者等は如何なる余分な水も排出し、他の業者等はこの問題に取り組むために漏れ検出ハードウエアを提供している。

図１４は、電気コネクタ２１０の一実施形態の横断面図である。このコネクタ２１０は、潤滑のために真空チャンバ内に湿気が存在しなくても真空チャンバ１１５内で動作できるスリップリング型コネクタである。

このコネクタ２１０は、非導電性材料３６５をコーティング、あるいは被覆された外側ハウジング３６０内に配置された複数のブラシ３５５を含む。これらのブラシ３５５は、銀グラファイトといった低抵抗材料で形成できる。例示的ブラシは、カリフォルニア州、ヘイワード（Ｈａｙｗａｒｄ）のアドバンス カーボン プロダクツ社（Ａｄｖａｎｃｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）によって製造されている。ブラシ３５５は、回転シャフト２００に係合して、外側ハウジング３６０からシャフト２００に電力を転送する。電力は、一般に銅で形成された水入口３７０および／または水戻り口３７５を介して外側ハウジング３６０に伝送される。

水入口３７０と水戻り口３７５は、外側ハウジング３６０を通して水を循環させる。この水は、外側ハウジング３６０とブラシ３５５とを冷却する。これらのブラシ３５５を低温に保持することによって、コネクタ２１０の寿命は延長される。

一実施形態では外側ハウジング３６０は、絶縁された支持構造体３８０によって支持される。支持構造体３８０は、アーク放電を防止するために非導電性材料をコーティングされる。代替として支持構造体３８０は非導電性材料で形成できる。支持部材３８０と外側ハウジング３６０は、シール・アセンブリ３８５を介して接続される。

図１５は、図１４に示すスリップリング・アセンブリの側面図である。この図は、更なる細部を示している。例えばこの実施形態は、ブラシ３５５とシャフト２００との間の係合圧力を制御するために調整できるブラシスプリング３９０を示している。この実施形態はまた、ブラシ３５５に横圧力を与える接点アセンブリ４００を含んでおり、これによって冷却能力と導電性とを増強している。

結論として、本発明は特に、マグネトロンシステムを構成して動作させるためのシステムと方法とを提供する。本技術に精通する人々は、ここに説明された実施形態によって達成されるものと実質的に同じ結果を達成するために、本発明とその用法とその構成において多数の変形と代替とが行われ得ることを直ちに認めることが可能である。したがってここに開示された例示的形式に本発明を限定する意図は存在しない。多くの変形と修正と代替構成は、請求項に表現されたように、ここに開示された本発明の範囲と精神のうちに入るものである。

本発明の種々の目的と利点と、より完全な理解は、下記の付属図面に関連して取られるときに、下記の詳細な説明と付属の請求項とを参照することによって明らかであり、より容易に認められる：
従来技術の片持ち梁式回転マグネトロンシステムの図である。 従来技術の両端支持式回転マグネトロンシステムの図である。 従来技術の回転マグネトロンシステムのブロック図である。 両端支持式回転マグネトロンシステムのブロック図である。 チャンバの底部を介する回転駆動手段を有する回転マグネトロンシステムのブロック図である。 チャンバの底部を介する電力供給手段を有する回転マグネトロンシステムのブロック図である。 チャンバの底部を介する電力供給手段を有する代替の回転マグネトロンシステムのブロック図である。 チャンバの壁を介する回転駆動手段を有する回転マグネトロンシステムのブロック図である。 チャンバの壁を介する電力供給手段を有する回転マグネトロンシステムのブロック図である。 前部供給手段を有する回転マグネトロンシステムのブロック図である。 真空チャンバの内部に電力供給手段を有する回転マグネトロンシステムのブロック図である。 真空シール・アセンブリのブロック図である。 回転水ユニオンの概略図である。 本発明の一実施形態にしたがって設計されたスリップリングの横断面図である。 本発明の一実施形態にしたがって設計されたスリップリングの側面図である。

Claims (20)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に配置された回転可能な管と、
   前記回転可能な管に接続され、部分的に前記真空チャンバの外側に在るシャフトと、
   前記真空チャンバの外側に配置され、前記シャフトと回転可能に係合するように構成された軸受けと、
   前記軸受けと前記真空チャンバとの間に配置され、前記真空チャンバと前記シャフトとの間にシール（密封）を与えるシールと、
   前記回転可能な管に電力を伝送するように構成され、前記軸受けと前記シールとの間に配置され、それによって前記軸受けに流れる電流を制限する電力結合器と、を備えることを特徴とする、基板にコーティング（被覆）するためのシステム。
2. 前記電力結合器は真空チャンバ内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記回転可能な管と前記シャフトは一体化されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記シャフトを回転させるように構成された駆動システムを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記軸受けはセラミック・ボールを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
6. 前記軸受けはセラミック・ニードルを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
7. 前記軸受けはＭｐ３５Ｎを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
8. 前記電力結合器は前記真空チャンバの外側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
9. 前記電力結合器は水冷式スリップリング・コネクタを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
10. 前記電力結合器は液体金属コネクタを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
11. 前記真空チャンバ内に配置される支持体を更に含み、前記回転可能な管は前記支持体によって連続的に支持されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
12. 回転可能なマグネトロンと、
    前記回転可能なマグネトロンを収容するように構成された真空チャンバと、
    前記回転可能なマグネトロンと回転可能に係合するように構成された軸受けと、
    前記軸受けと前記真空チャンバとの間に配置されたシールと、
    前記回転可能なマグネトロンに電力を伝送するように構成された電力結合器と、を備えており、前記電力結合器は前記軸受けと前記シールとの間に配置されることを特徴とする、基板にコーティングするためのシステム。
13. 前記電力結合器は真空チャンバ内に配置されることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
14. 真空チャンバと、
    前記真空チャンバ内に配置された回転可能な管と、
    前記回転可能な管に接続され、部分的に前記真空チャンバの外側に在るシャフトと、
    前記真空チャンバの外側に配置され、前記シャフトと回転可能に係合するように構成された軸受けと、
    前記シャフトに係合し、前記回転可能な管に電力を伝送するように構成された液体金属の電気コネクタと、を備えることを特徴とする、基板にコーティングするためのシステム。
15. 前記軸受けは非金属軸受けであることを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記液体金属の電気コネクタは前記軸受けと前記回転可能な管との間に配置されることを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
17. 回転可能なターゲットと、
    前記回転可能なターゲットと回転可能に係合するように構成された軸受けと、
    前記回転可能なターゲットに電力を伝送するように構成された液体金属の電気コネクタと、を備えることを特徴とする、基板にコーティングするためのシステム。
18. 前記液体金属の電気コネクタは、前記軸受けを流れる電流を制限するために前記軸受けと前記回転可能なターゲットとの間に配置されることを特徴とする、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記電力結合器または電気コネクタは交流源に接続されることを特徴とする、請求項１、１２、１４および１７に記載のシステム。
20. 前記交流源は１ｋＨｚと１０ｋＨｚの間の周波数を有することを特徴とする、請求項１９に記載のシステム。

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