JP2005537391A - スパッタ陰極、製造方法およびこれに関する陰極 - Google Patents

Abstract

マグネトロン原理に従うスパッタ陰極は、陰極本体（１）と、冷却接触体（３）と、ターゲット（４）とを主に備える。動作時におけるターゲットと冷却接触体との間の冷間溶接を回避するために、ターゲット（４）と冷却接触体（３）との間の接触面に摩擦低減層（５）を設けることが提案される。上記層は、不反応金属またはその合金、４ａ〜６ａ族の金属のカーバイドや窒化物からなる硬質材料層、または非晶質のダイヤモンド状炭素層から形成され得る。

Description

この発明は、請求項１に記載の特にマグネトロン原理に従うスパッタ陰極と、請求項９に記載の製造方法と、請求項１７に記載のターゲットと、請求項２２に記載の真空コーティング装置とに関するものである。

プラズマ用途のための真空コーティング装置が一般的に公知である。真空コーティング装置は、コーティングされるべき基板を受ける真空受け部と、１つまたは複数のスパッタ陰極とから実質的に構成される。この陰極は、スパッタされるべき材料からなるターゲットと、その後方に配置された冷却接触体と、陰極本体とから実質的に構成される。陰極本体はたとえば冷却循環といった冷却手段を有し、冷却接触体およびターゲットが上記陰極本体に固定される。ターゲットという用語は、ここでおよび以下において、一体型ターゲット（一体鋳造ターゲット）であるとも、組立型ターゲット（複合ターゲット）であるとも理解される。組立型ターゲットとは、本来のスパッタ材料がたとえば蝋付け、接着、溶接、流し込みまたはその他公知の手法で裏板に固定（ボンディング）されるものである。

通常、スパッタ陰極はさらに、プラズマをターゲット表面で導く役割を有する磁石システムおよびその他の装置や（電気的）操作手段を備えるが、これらは以下の考察において重要なものではない。

上記のようなスパッタ陰極の動作時には、特にスパッタ出力が高い場合、ターゲットは強く加熱されるため適切な冷却の配慮が求められる。同時に、ターゲットは消費材料として頻繁に交換されなければならないことから、先行技術において、両方の所定事項を可能にすることを図った多種多様な解決策が公知となっている。

たとえば、剛性の冷却板として形成され、それ自体が液体の冷却循環により冷却される冷却接触体に、ターゲットを着脱可能に固定するという手法が公知である。ターゲットの交換時に上記冷却循環は閉じたままにされる。しかしこの手法の問題として、熱を均等に導くためにはターゲットと冷却板とに大きな接触面積があることが前提条件となっており、これは機械的に実現が困難である。

これに代えて、金属膜あるいは薄い金属の板金を冷却接触体として使用することが提案されている。上記金属膜は、陰極本体内に槽または溝として形成されて冷却媒体を充填させた中空の空間を閉じ、その一方でターゲット裏面と接触する。冷却媒体の圧力がターゲット裏面に対して金属膜を押圧することにより均等な熱伝達を確実にしている。ターゲットの交換時には上記冷却循環は緩められる（無圧力に保たれる）。

たとえばＤＥ４０１５３８８Ａ１に上記のような装置が示されている。ここでは加えて、ターゲット裏面と冷却接触体との間に、スパッタレートの低い材料からなる層が設けられており、スパッタの通り抜け（Durchsputtern）を防ぐことを図っている。

しかし先行技術では依然として、ターゲット（たとえばアルミニウム）に対して冷却板／金属膜（たとえば銅）の熱膨張率が異なるという問題は解決されていない。その結果、動作中に両方の金属面が互いに摩擦し合うことになる。このような周期的な横方向の相対運動は、冷却板／膜およびターゲットの縁で最も顕著であり、その一方で面の中心では最
小である。特に運動が最も強い領域では摩擦溶接（冷間溶接）が生じる場合がある。この溶接部位の領域では、周期的な熱膨張の結果として冷却板／膜に不可逆的な応力変形、場合によってひび割れが生じる。これは冷却効率を低下させ、冷却板／膜が修復不可能な損傷を受けることに繋がるものである。こうして動作時に熱伝達は局所的に異なり再現不可能となる。これにより、コーティングされる基板の品質もまた悪影響を受ける恐れがある。これに加え、冷間溶接結合によってターゲットの交換が妨げられ、これは解体の際に冷却板の損傷に繋がる恐れがある。このことは、修理／交換を伴い、より長い停止時間を要求し、かつこうして経済性を低下させるものである。

この発明は、先行技術における上記の問題を解決することを課題としてなされたものである。特に課題として、真空コーティング装置におけるスパッタ陰極の冷却板／膜の寿命を長くすること、ターゲットと冷却板／膜との冷間溶接を防ぐこと、および再現可能に良好な熱伝達を確実なものにすることがある。

この発明に従う摩擦低減層はさらにその他一連の基準を満たさなければならない。すなわち、
・ターゲットから冷却循環への熱の流出、特に熱を導く際の面均一性に対する悪影響はごく小さく抑えられなければならない
・この摩擦低減層は、磨耗安定性を有し、均等に薄くかつ硬質でなければならない
・上記層は、電気的および熱的な伝導性を有し、無毒であり、使用に問題がなく、かつ再生可能でなければならない
・上記層は、理想的には受け部の動作に対して如何なる汚染をも意味しない。たとえば層からガスが出たり、層が時間の経過に伴い変化したりしてはならない
・上記層は、２００℃を超える温度で、かつ動作状態と停止状態との間で生じる温度差の下で、ひび割れを起こしたりまたは剥げ落ちたりしてはならない
・上記層は、当該真空装置の動作条件に対して化学的に不活性でなければならない
・上記層はコスト面で有利でありかつ製造が容易でなければならない。

この発明に従うと、上述の各所定事項は、冷却接触体とターゲットとの間の接触面に摩擦低減層が設けられたスパッタ陰極によって満たされる。上記摩擦低減層は１つには不反応金属から形成され得る。「不反応（refraktaer）」という用語は技術的に公知の意味で、敏感でない、耐熱性を有する、耐火性を有すると理解される（定義についてはたとえば「レンプス化学事典（Roempps Chemie Lexikon）」、フランクシェ・フェアラークスハンドルング（Frankhsche Verlagshandlung）を参照されたい）。これにはたとえばＣｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗまたはこれらの合金が挙げられるが、これらに限定はされない。また、摩擦低減層としては、周期系における４ａ〜６ａ族の金属、たとえば４ａ族のＴｉ，Ｚｒ、Ｈｆ、５ａ族のＶ、Ｎｂ，Ｔａ、および６ａ族のＣｒ，Ｍｏ，Ｗに基づく硬質材料層も考えられる。上記の各金属のカーバイド、窒化物および炭窒化物が摩擦低減層として採用される。さらに、摩擦低減層の３番目のグループとしては、非晶質のダイヤモンド状炭素層（Diamond Like Carbon：ＤＬＣ）のグループが考えられる。これは用途に応じて純粋なＤＬＣ層であっても、または金属含有のＤＬＣ層であってもよい。

上記摩擦低減層の厚みとしては、０．１〜５μｍ、好ましくは０．５〜２．５μｍが採用される。

各従属請求項は、それぞれさらなる有利な実施の形態に係るものである。

この発明に従う方法は、スパッタ陰極の冷却接触体とターゲットとの間の接触面に摩擦低減層を付与することを特徴とする。上記摩擦低減層は不反応金属、好ましくはＣｒ、Ｍ
ｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗまたはこれらの合金から形成され得る。さらに、４ａ〜６ａ族の金属のカーバイド、窒化物もしくは炭窒化物、または純粋もしくは金属含有の形成での非晶質のダイヤモンド状炭素層も考えられる。そして、このコーティング方法は、利用可能性に応じて、スパッタ特にマグネトロンスパッタといったＰＶＤ法（物理蒸着法）や、相応の窒素、炭素または酸素含有の気体化合物での反応性の方法を含む。また、反応性を含めた蒸着法や陰極アーク法も考えられる。さらに、やはりプラズマ支援によるＣＶＤ法（化学気相堆積）も可能である。

さらなる一実施例では、上記摩擦低減層を設ける工程の前にターゲット裏面に対してプラズマ支援の前処理工程、好ましくはプラズマ洗浄あるいはプラズマエッチング工程が施される。これにより、上記層の付着力および耐用性に関し特にさらなる利点が得られる。

この発明に従う極めて好ましい変形例においては、上記摩擦低減層はターゲットの裏面に設けられる。さらに、使用目的に応じて、代替的または追加的に、冷却接触体にもまた上記のような摩擦低減層が付与される。

この発明に従いコーティングされたターゲットの利点として、上述の所定事項がいずれも満たされ、さらに、コーティングされていないターゲットに対する適合性もなお確実なものにとどまり、たとえばコーティング装置での使用時に陰極構成に何ら変更が必要ではないという利点がある。

さらに、以上より、プラズマ化学エッチングおよび洗浄プロセスで使用されるような非スパッタターゲットを有する陰極でこの発明を採用することが可能でありかつ上述の利点を同様にもたらすということを導き出すことができる。

以下、この発明を例として略図である図１を用いて説明する。

陰極本体１が概略的な断面図で示される。陰極本体１は槽状に形成され、動作時に循環させられる冷却媒体を充填させた領域２を含む。槽状部は冷却接触体３により流体密封かつ真空密封で閉じられる。冷却接触体３は剛性または半剛性の板または金属膜として形成され得る。ターゲット４は冷却接触体から間隔をあけた状態で示してあるが、これは組立の状況に対応したものである。ターゲット４の冷却接触体側の側面上にこの発明に従う層５が設けられる。動作時には、ターゲットが冷却接触体に対して定位置に保持され冷却接触体３との密接な熱伝導結合が存在するように好適な固定手段（図示せず）により陰極本体１上に層５とターゲット４が着脱可能に結合される。

コーティングされたターゲットを有する好ましい一実施形態を示す図である。

Claims (22)

1. 特にマグネトロン原理に従い、冷却手段（２）を有する陰極本体（１）と、前記冷却手段（２）およびターゲット（４）間において熱伝導するよう配置された冷却接触体（３）とから実質的に構成されるスパッタ陰極であって、前記冷却接触体（３）と前記ターゲット（４）との間の接触面に摩擦低減層（５）が付与されることを特徴とする、スパッタ陰極。
2. 前記摩擦低減層（５）が不反応金属または不反応金属含有合金から形成されることを特徴とする、請求項１に記載のスパッタ陰極。
3. 前記摩擦低減層（５）がＣｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗまたはこれらの合金から形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のスパッタ陰極。
4. 前記摩擦低減層が、４ａ族、５ａ族または６ａ族の金属のカーバイド、窒化物または炭窒化物からなる硬質材料層として形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のスパッタ陰極。
5. 前記摩擦低減層が非晶質のダイヤモンド状炭素層、特に純粋なＤＬＣ層または金属含有ＤＬＣ層として形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のスパッタ陰極。
6. 前記摩擦低減層（５）の厚みが０．１〜５μｍ、好ましくは０．５〜２．５μｍであることを特徴とする、請求項１から５に記載のスパッタ陰極。
7. 前記摩擦低減層（５）が前記ターゲット（４）の裏面に設けられることを特徴とする、請求項１から６に記載のスパッタ陰極。
8. 前記摩擦低減層（５）が前記冷却接触体（３）上に設けられることを特徴とする、請求項１から６に記載のスパッタ陰極。
9. 陰極本体（１）と、冷却接触体（３）と、ターゲット（４）とから実質的に構成されるスパッタ陰極の製造方法であって、前記冷却接触体（３）および前記ターゲット（４）間の接触面に摩擦低減層（５）が付与されることを特徴とする、方法。
10. 前記摩擦低減層（５）に不反応金属または不反応金属含有合金が使用されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記摩擦低減層（５）にＣｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗまたはこれらの合金が使用されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記層（５）がＰＶＤ法、好ましくはマグネトロンスパッタを用いて設けられることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
13. 前記摩擦低減層に４ａ族、５ａ族または６ａ族の金属のカーバイド、窒化物または炭窒化物が採用されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
14. 前記摩擦低減層に非晶質のダイヤモンド状炭素層、特に純粋または金属含有のＤＬＣ層が選択されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
15. マグネトロンスパッタ、反応性マグネトロンスパッタ、陰極アーク蒸発、蒸着、反応性
    蒸着またはプラズマ支援のＣＶＤがコーティング方法として採用されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記摩擦低減層（５）を設ける工程の前に、ターゲット裏面に対するプラズマ支援での前処理工程、好ましくはプラズマエッチング工程が行なわれることを特徴とする、請求項９から１５に記載の方法。
17. 冷却手段（２）と冷却接触体（３）とを備えたスパッタ陰極用のターゲットであって、前記冷却接触体（３）の方を向いたターゲット裏面に摩擦低減層（５）が付与されることを特徴とする、ターゲット。
18. 前記摩擦低減層（５）が不反応金属または不反応金属含有合金から形成されることを特徴とする、請求項１７に記載のターゲット。
19. 前記摩擦低減層（５）がＣｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗまたはこれらの合金から形成されることを特徴とする、請求項１８に記載のターゲット。
20. 前記摩擦低減層が４ａ族、５ａ族または６ａ族の金属のカーバイド、窒化物または炭窒化物から形成されることを特徴とする、請求項１７に記載のターゲット。
21. 前記摩擦低減層が非晶質のダイヤモンド状炭素層、特に純粋または金属含有のＤＬＣ層から形成されることを特徴とする、請求項１７に記載のターゲット。
22. 請求項１から６に記載の、基板を受けるための真空受け部と、前記受け部の排気手段と、１つ以上のスパッタ陰極とから実質的に構成される、プラズマ用途のための真空コーティング装置。

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