JP2007162039A - 真空成膜装置における装置構成部品 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却板としてのバッキングプレ−トの変形を防止し、バッキングプレ−トとタ−ゲットの熱線膨張率の差を少なくし、タ−ゲットの割れを無くす。
【解決手段】スパッタリング装置で使用するカソ−ドのバッキングプレ−トに、炭素、酸化物、金属のいずれかでなる心材と、前記心材を包み込む金属とを一体化させた構造を持たせる。このことにより、電気伝導性及び熱伝導性を損なわず、かつ心材の剛性により心材を包み込んでいる冷却板としてのバッキングプレ−トの変形を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、スパッタリング装置で使用するカソ−ド用タ−ゲットの熱変形防止用冷却板に関する。

例えば、バッキングプレ−トは、スパッタリング装置で使用するカソ−ドを構成する部材で、カソ−ドの冷却を主要な目的としている。 薄膜の形成方法の一つであるスパッタリング法では、基板とタ−ゲットを対向させておき、数Ｐａから数１０Ｐａ程度のＡｒガス雰囲気中でタ−ゲットに数ＫＶの負の高電圧を印加して放電させる。このとき、Ａｒガスは正イオンとなってタ−ゲットに衝突し、タ−ゲットの原子をたたき出す。前記原子は前記基板上に堆積し薄膜を形成する。さらに、タ−ゲット背面に磁石を置いて成膜速度を向上させるマグネトロンスパッタリング法が利用されている（図６参照）。図６のマグネトロンスパッタリング装置では、真空槽５６の内部にタ−ゲット５７とマグネット５８からなるマグネトロンカソ−ド５９を設け、タ−ゲット５７に対向したアノ−ド６０の上に基板６１を設けた。６２は排気管、６３はガス導入管である。マグネット５８が発生する磁界によって正イオンとなったＡｒガスを制御して、成膜速度を向上させる。

前記、スパッタリング装置においては、Ａｒガスが正イオンとなってタ−ゲットに衝突しタ−ゲットの原子をたたき出すので、タ−ゲットは高温となる。その熱対策として、タ−ゲットで発生する熱を速やかに逃がすためにロウ材を用いてバッキングプレ−トに貼り付けていた（特許文献１参照）。

また、従来から、バッキングプレ−トは高温となるタ−ゲットを冷却するために水冷方式を取り入れていた。さらに、その冷却水の配管を有するバッキングプレ−トとタ−ゲットの接合にあり溝勘合を使う工夫がされていた（特許文献２参照）。

しかしながら、タ−ゲット材はいずれも線膨張率がバッキングプレ−トに使用される銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）に比べて、著しく小さく操業速度をあげると電力密度が大きくなり、温度上昇が激しくなってタ−ゲットとバッキングプレ−トのバイメタル作用で両者が剥離するという問題があった。また、タ−ゲットとバッキングプレ−トのロウ付けによる加熱後の冷却時にタ−ゲットが反り返り、正確な平面度が得られないという問題があった。

そこで従来から、タ−ゲットとバッキングプレ−トの熱膨張率に差が生じないように、バッキングプレ−トを複数の熱膨張率の異なる板材を溶接または機械的固定によって張り合わせて製作する工夫をしていた（特許文献３参照）。例えば、図８に示すように、板材（モリブデン）７２−板材（チタン）７３−板材（モリブデン）７４の」順で異なる板材を張り合わせていた。

また従来から、バッキングプレ−トを複数の熱膨張率の異なる板材を張り合わせる場合に、拡散接合を用いて、接合強度を高める工夫をしていた（特許文献４参照）。

特開昭６２−６７１６８号公報（第２頁） 特許第２６１８９３５号（第２頁、図１） 特開平８−２４６１４４号公報（第３頁、図１） 特開２００１−２９５０４０号公報（第４頁、図１）

従来からバッキングプレ−トには、さまざまな工夫がなされているが、タ−ゲット材とバッキングプレ−トの線膨張率に大きな差があるため、前記工夫だけでは対応しきれずに、スパッタリング装置の運転中に加熱変形して、タ−ゲットの破壊（割れ）、タ−ゲットの剥がれ、脱落等の事故が起こっていた。従来のバッキングプレ−ト（熱膨張率０．００００２３６／Ｋ）にタ−ゲット（熱膨張率０．０００００６０７／Ｋ）を貼付けてスパッタ装置で使用した場合、タ−ゲットの破壊、剥がれ脱落等の故障が頻繁（故障率５０％）に発生していた。

また、スパッタリング装置の保守作業に室温に戻す必要がある。スパッタリング装置の使用中は、タ−ゲットの表面にアルゴン（Ａｒ）のプラスイオンが常時衝突するため、表面に凹凸や荒れが生じやすく、定期的に補修交換が必要になる。従来は、このときにもタ−ゲットの割れが発生しやすいという問題があった。これらの事故を防止するため、１０時間程度かけてゆるやかに冷却を行っていたが、それでも割れることがあった。その割合は、２個のうち１個は割れるという具合であった。しかしながら、同バッキングプレ−トはスパッタリング装置固有の形状寸法が決められており、剛性を持たせるために極端に板厚を厚くすることや、大幅な構造変更を伴うような補強をすることはできない。

また、冷却、加熱に時間がかかると保守作業毎のダウンタイムが長くなり、装置の運転効率が悪くなるという問題があった。故障による停止の場合、不生産による損失が著しい。そのため、タ−ゲットの破壊、剥がれ脱落等を防止するために、例えばスパッタ電力を下げるなど、運転効率の引き下げが行なわれていた。

また、バッキングプレ−トに求められる性質は、電気伝導性及び熱伝導性の双方が良好であること。特に、マグネトロンスパッタリング装置の場合には、前記電気伝導性及び熱伝導性に加えて、磁力線の透過が良好であることを求められる。そのため、使用できる材料は限定される。

また、変形を防止するために剛性が高い材質でバッキングプレ−トを作成し、使用すると、重量が重いために、取り扱いが困難となるという問題があった。

また、従来の方法にサンドイッチ構造がある（特許文献３、４参照）。サンドイッチ構造ではバッキングプレ−トを構成する各層の線膨張率の違いから、どうしても反りや歪が解消できないという問題があった。また、各層の線膨張率の違いを吸収するように調整するにはどうしても厚みが必要であり薄くするには限界があった。

さらに、かかる状況において、スル−プットの向上要求、あるいは製品の大面積化のため、スパッタリング装置のカソ−ドの大型化が進行し、それに伴ってスパッタリングタ−ゲットの大型化も進んでいる。

前述のように、バッキングプレ−トとタ−ゲットは磁力線を透過させる必要があるため厚さは限定されており、かつ大型化により取り扱いが困難であることから、故障を少なくして交換等の保守作業を少なくすることが望まれている。従来からさまざまな工夫がされているが完全に解決するには至ってなかった。

本発明は、カソ−ドの構成品のうちのバッキングプレ−トの改良により故障の防止を行なうことを課題としている。

本発明は、炭素、酸化物、金属のいずれかを心材とし、その周囲を冷却板としての金属材料で包むことにより電気伝導性及び熱伝導性を損なわず、かつ心材の剛性により心材を包み込んでいる冷却板の変形を防止するものである。このような方法をとることにより、従来材料で、装置制約（特にマグネトロンスパッタリング装置については、磁力線が透過する磁性材料の厚さ）がある場合の、タ−ゲット破壊、剥がれ、脱落に対する安全設計が可能になる。

バッキングプレ−トの材質は、電気伝導性と熱伝導性の特性の使用実績から、従来の材料を使用することが安全設計のため望ましい。より好ましくは、アルミニウム及びアルミニウム合金を使用する。銅及び銅合金、マグネシウム及びマグネシウム合金も使用できる。

また、心材として炭素、酸化物、金属のいずれかを選択することにより、剛性と電気伝導性、熱伝導性を目的の設計値にすることができる。炭素の形態としては、板及びその繊維及びその海綿状（スポンジ状）のもの。セラミックス（アルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカ等）の形態としては、板及びその繊維及びその海綿状（スポンジ状）のもの。金属（鉄、銅、アルミニウム、チタン等）の形態としては、板及びその繊維のもの。発泡金属もしくは海綿状（スポンジ状）のもの。

従来と同一のスパッタリング装置においても本発明のバッキングプレ−トを使用したところ、故障が発生しなくなった。そのため運転効率が著しく改善された。そりや剥がれのないバッキングプレ−トが得られた。大型のカソ−ドにも対応できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に本発明の実施の形態のバッキングプレ−ト１を示す。バッキングプレ−ト１は心材２の周囲を板材３で包んだ構造をしている。

バッキングプレ−ト１は、図２に示すように、ロウ材４を用いてタ−ゲット材５を貼り付け、背面にバックプレ−ト６を付けた状態で使用する。バッキングプレ−トとバックプレ−トの間には冷却水を通すように間隙ｓが形成されている。これらで、カソ−ド１０を構成する。バッキングプレ−ト１は、タ−ゲット材５の交換のためにバックプレ−ト６から取り外せるようにすることが望ましい。その一方で、冷却水の水圧に耐えるように、バックプレ−ト６と強固に接続されている必要がある。本実施例では、ボルトによる締結を行っているが、ロウ付けによって接続しても良い。

図３は、本発明の他の実施形態のバッキングプレ−ト１１を使用した場合を示す。バッキングプレ−ト１１の背面側には冷却効果を高める目的で表面積を増やすための溝ｍが形成されている。

本実施の形態では、バッキングプレ−ト１は溶湯鍛造法によって製造される。ここで、溶湯鍛造法について説明する。溶湯鍛造法は簡単にいえば、溶けた金属（溶湯）を金型に入れ、高い圧力を加えて凝固させる（成形するあるいは鍛える）方法である。特長としては、溶湯を短時間で凝固させるため合金組織が緻密で鋳巣の無い鋳造物をつくることが可能である。そのため、鋳造品は他の鋳造法に比べてはるかに良い性質（引張り強度、伸び、耐力）示し、展伸材（押出材、圧延材、鍛造材）に匹敵するほどである。

図４に直接加圧方式の溶湯鍛造法を、図５に間接加圧方式の溶湯鍛造法を示す。直接加圧方式では、金型は型（下型）２１とノックアウト２２により構成され、型２１の開口がパンチ２３と勘合するようになっている。パンチ２３を型２１の開口に押し込むことにより、溶湯３３を直接的に加圧するようになっている。溶湯３３が凝固した後、ノックアウト２２を下から押すことにより、金属複合材料３１が型２１から取り出せるようになっている。間接加圧方式では、金型は、上型２５、下型２６及びノックアウト２７により構成され、上型２５の開口がパンチ２８と勘合するようになっている。パンチ２８を上型２５の開口に押し込むことにより、溶湯３３を間接的に加圧するようになっている。溶湯３３が凝固した後、上型２５を取り外した後、ノックアウト２２を下から押すことにより、金属複合材料３１が下型２６から取り出せるようになっている。

バッキングプレ−ト１を溶湯鍛造法によって製造した場合、板材３となる溶湯３３を加圧して心材２をくるむので板材３と心材２の界面は密着性がよく堅固になる。また、心材２に中空部分があると、溶湯３３が入り込んで一体化して固化するため、溶接等に比べて接合強度が飛躍的に高い。

板材３としては、従来からアルミニウム合金Ａｌ６０６１を使用している。本実施の形態においても、バッキングプレ−ト１の板材３となる溶湯３３にアルミニウム合金Ａｌ６０６１を使用した。心材２ととしては、発泡カ−ボン材を使用した。前記、溶湯鍛造法により得られた金属基複合材料３１を所定の形状に加工することにより、バッキングプレ−トを得ることができる。

板材３のアルミニウム合金Ａｌ６０６１の線膨張係数は２２〜２３×１０^-6Ｋ であった。本発明の実施の形態では、カ−ボン材（発泡）を心材２として使用したことにより、バッキングプレ−ト１として線膨張係数４×１０^-6Ｋを実現した。これは、タングステンや酸化珪素と同等の線膨張率となったことを示している。

本発明の実施の形態によるバッキングプレ−ト１（図７）は、溶湯鍛造法によるもので心材２を板材３で包み込んだ後、削り出しを行なって所望する形状、厚さに加工する。
今回実験に使用したものは、タ−ゲットの寸法 Φ３８０ｍｍ×６ｍｍ
バッキングプレ−トの寸法 Φ５２０ｍｍ×２０ｍｍ（Ｈ２）
心材の寸法 Φ３７０ｍｍ×１０ｍｍ（Ｈ３）
今回実験に使用したしたものでは、削出し後の板材３（Ａｌ６０６１）の厚さ（ｔ）は５ｍｍであった（図７）。

本発明の実施形態によるバッキングプレ−ト１は、測定の結果、線膨張率がアルミニウム（Ａｌ６０６１）の２０％の線膨張係数４×１０^-6Ｋとなった。タ−ゲット材との熱線膨張率６×１０^-6に大幅に近づけることが出来た。その結果、従来、１０時間かけていた冷却時間を、大幅に短縮して１時間としても、タ−ゲット材５の割れは生じなくなった。実施後１月が経つが故障は発生していない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

バッキングプレ−ト以外に、大型装置の基板ホルダ−、基板キャリヤ−など装置構成部品に適用できる。基板ホルダ−と基板キャリア−は、いずれもスパッタリング装置の成膜対象となるガラス基板を載置して、スパッタリング装置内部でのガラス基板の保持、移動に使用される装置構成部品である。ガラス基板の外縁部分の一周を支持する方形枠部分を有する。スパッタリング成膜中、ガラス基板は、ガラス基板の表面に積層される薄膜材料が放出する熱等によって加熱される。ガラス基板の熱によって、ガラス基板の外縁部分の一周を支持する方形枠部分が変形するとガラス基板に応力がかかり、破損させる恐れがある。従って、ガラス基板と線膨張係数の差の少ないものが望まれる。勿論、スパッタリング装置だけでなく、例えば、真空蒸着装置、化学蒸着（ＣＶＤ）装置、イオンプレ−ティング装置などの他の真空成膜装置の装置構成部品にも適用することができる。

図１は、本発明のバッキングプレ−トの実施形態を示した説明図である。 図２は、本発明のバッキングプレ−トの使用方法を示した説明図である。 図３は、本発明のバッキングプレ−トの他の実施形態の例の使用方法を示した説明図 図４は、本発明に使用した溶湯鍛造法（直接加圧方式）の説明図である。 図５は、本発明に使用した溶湯鍛造法（間接加圧方式）の説明図である。 図６は、マグネトロンスパッタリング装置の説明図である。 図７は、本発明のバッキングプレ−トの実験に使用したものの説明図である。 図８は、従来のバッキングプレ−トの例の説明図である。

符号の説明

１・・・バッキングプレ−ト、２・・・心材、３・・・板材、４・・・ロウ材、５・・・タ−ゲット材、６・・・バックプレ−ト、１０・・・カソ−ド、１１・・・バッキングプレ−ト、１２・・・心材、１３・・・心材、２１・・・型（下型）、２２・・・ノックアウト、２３・・・パンチ、２５・・・上型、２６・・・下型、２７・・・ノックアウト、２８・・・パンチ、３１・・・金属基複合材料（ＭＭＣ）、３２・・・プリフォ−ム（心材）、３３・・・溶湯（板材）
５６・・・真空槽、５７・・・タ−ゲット材、５８・・・マグネット、５９・・・マグネトロンカソ−ド、６０・・・アノ−ド、６１・・・基板、６２・・・排気管、６３・・・ガス導入管、６４・・・透明導電膜、６５・・・基板ホルダ−
７１・・・バッキングプレ−ト、７２・・・板材（モリブデン）、７３・・・板材（チタン）、７４・・・板材（モリブデン）、７５・・・タ−ゲット材

Claims (14)

1. 真空成膜装置における装置構成部品であって、炭素、酸化物、金属のいずれかの心材と、前記心材を包み込む板材とを一体化させた構造を有する真空成膜装置における装置構成部品。
2. 前記装置構成部品が、スパッタリング装置用のバッキングプレ−トであることを特徴とする請求項１に記載の装置構成部品。
3. 前記装置構成部品が、基板ホルダ−であることを特徴とする請求項１に記載の装置構成部品。
4. 前記装置構成部品が、基板キャリヤ−であることを特徴とする請求項１に記載の装置構成部品。
5. 前記心材は、板及びその繊維及びその海綿状（スポンジ状）のいずれかの形態であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置構成部品。
6. 前記心材が、セラミックス又はアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載のバッキングプレ−ト。
7. 前記心材が、鉄、銅、アルミニウム、チタンのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載のバッキングプレ−ト。
8. 前記板材が、
   アルミニウム及びアルミニウム合金、銅及び銅合金、マグネシウム及びマグネシウム合金のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のバッキングプレ−ト。
9. 真空成膜装置における装置構成部品であって、炭素、酸化物、金属のいずれかの心材と心材を包み込む板材とを一体化させるようにした真空成膜装置における装置構成部品の製造方法。
10. 前記心材を前記板材で包むのに溶湯鍛造法を用いることを特徴とする請求項９に記載の装置構成部品の製造方法。
11. 前記心材は、 板及びその繊維及びその海綿状（スポンジ状）のいずれかの形態であることを特徴とする請求項９又は１０のいずれかに記載の装置構成部品の製造方法。
12. 前記心材が、
    セラミックス又はアルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカのいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載の装置構成部品の製造方法
13. 前記心材が、鉄、銅、アルミニウム、チタンのいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載の装置構成部品の製造方法。
14. 前記板材がアルミニウム及びアルミニウム合金、銅及び銅合金、マグネシウム及びマグネシウム合金であることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の装置構成部品の製造方法。

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