JP2007247065A - スパッタリング源用固定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】スパッタリング空間内のスパッタリングに用いる固定装置が、スパッタリング源に電流を伝えるための電気および熱伝導性材料の送電手段２、１０、１３、１５、１６、１７、１８と、送電手段がスパッタリング空間から電気絶縁され得るように、スパッタリング空間から送電手段を遮蔽するための遮蔽手段１、４、５、６、１２とを含み、最高１１５０℃までの固定装置の耐熱性および電気放電に対する抵抗性を保証するために、耐熱手段１、５を設けて成る。
【選択図】図１

Description

ガス流スパッタリング法としても知られているＨＳ−ＰＶＤ被覆法用のスパッタリング源は、真空状態下の作動中、温度９００℃〜１１５０℃に曝される。この種のスパッタリング源は閉鎖可能な容器内に固定され、スパッタリング空間が形成される。この閉鎖可能な容器が真空室を形成し、真空室内にスパッタリング源が配置される。スパッタリング源は、被覆材料を含む少なくとも１つのターゲットまたは１つのターゲット部片を含む。このターゲットまたはターゲット部片は冷却胴に取り付けられる。ターゲットまたはターゲット部片の取り付けは、ねじ結合またはプラグ結合または両者組合せて行われる。冷却胴は、内部に冷却剤用循環通路を設けた熱伝導材料製塊体として形成される。この冷却胴は、ターゲットまたはターゲット部片とは反対側で対面する外壁に固定される。この外壁はスパッタリング源の外側境界である。スパッタリング源内に電流を導入するために、固定装置が外壁に取り付けられる。この種の固定装置は、請求項１の前段に記載されるとおりである。スパッタリング源内に電流を供給するための検出器は、スパッタリング源に電流を伝えるための導電性材料製送電手段、および、真空室の外でスパッタリング空間から送電手段を遮蔽するための遮蔽手段（送電手段をスパッタリング空間から電気絶縁する）も含む。

固定装置を有するガス流スパッリング源は従来技術で知られており、該固定装置は、硬質樹脂材料で形成された、遮蔽手段としてのカバー状雌型コネクタを含む。この遮蔽手段は、具体的にはＰＯＭで作られる。ＰＯＭは、ＢＡＳＦによってＵｌｔｒａｆｏｒｍ（登録商標）と名づけられている。このＵｌｔｒａｆｏｒｍの標準品は、１６４°〜１６８℃の狭い範囲の溶融温度を有する。Ｕｌｔｒａｆｏｒｍ製モールド成形品は、前記溶融温度範囲に近い温度まで、材料に損傷を起こすことなく、短時間の熱応力を印加し得る。これから結果として起こる問題点は、目標とされる温度範囲で、この等級の樹脂の熱的安定性が最早存在しないことである。この材料を遮蔽手段として使用すると、炭化する結果になり、また絶縁材が溶融することになる。その結果、高エネルギー・グロー放電が発生し、固定装置の破壊に繋がることになるだろう。

従来技術による固定装置の別の問題は、真空条件下での動作によって示される。被覆が真空中で行われるのに対して、固定装置の設置は大気圧領域で行われる。送電手段および遮蔽手段が、真空条件下で互いに分離する可能性がある。この原因は、一方では、前記熱的負荷、および、異なる熱膨張係数の使用材料の組合せにあり、また、真空発生装置の吸気効果によって生じる吸気圧力によってもたらされることもある。

もしも、最大４０／ｃｍ^２ターゲットの電流密度で最大４０Ａの電流をスパッタリング源に加えると、従来技術による遮蔽手段は、作動中、前記問題が発生する可能性があるため、短時間被覆に対してのみ適するに過ぎない。

したがって本発明の目的は、特にＨＳ−ＰＶＤ被覆方法またはガス流スパッタリング法での使用における、固定装置の、特に高熱負荷および／または高電力密度での、スパッタリング源用の遮蔽手段の寿命を増大させることである。

ガス流スパッタリング法は、部品の金属層による被覆のみならず、セラミック層による被覆にも使用できる。そのような金属層および／またはセラミック層は、ガスタービン用の部品（例えば、タービン翼）等の、使用時に１０００℃を超える温度に曝される部品用として特に必要である。ガス流スパッタリング法では、被覆源から被覆材料をスパッターさせるために、層形成の成分に応じて不活性ガスまたは反応性ガスを必要とする。このガス原子が、被覆源のいわゆるターゲット上に設けられる被覆材料を高速で叩く。このガスは、高エネルギー状態（とりわけ、イオン化したプラズマ）で存在し、ガスイオンがターゲット表面から原子を叩き出す。この原子は、ガス流と共に動き、被覆対象部品方向に導かれる。反応性ガス流スパッタリング法では、前記原子を、構成部品への途中で反応性ガス（特に、酸素含有ガス）と接触させることができ、それによって、ガス相内および／または部品表面上で化学反応が行われる。

前記目的を満足する前記手段は、高温に耐える手段を具備する導電性固定装置による、スパッタリング源のエネルギー源に対する電気的な接続を含む。

前記目的を満足する前記手段は、結果として、特に最大２２０Ｗ／ｃｍ^２の電力密度で最高１１５０℃までの温度範囲での被覆源の使用を保証する耐熱手段を具備する固定装置にある。

したがって、固定装置は、エネルギー源（特に、スパッタリング源の電流供給源）、特に該エネルギー源からのエネルギーを有する中空カソード・スパッタリング源への接続器を含む。したがって、固定装置の必須の特徴は、スパッタリング源の固定のための固定装置として、エネルギー源への電気的接続による導電接続器として、および、前記導電接続を除き、スパッタリング空間で電気的、熱的にスパッタリング源を遮蔽し且つ絶縁する遮蔽手段としての、その多機能性である。この電気的かつ熱的な遮蔽は、暗黒部遮蔽、短絡に対する遮蔽、および熱過負荷に対する遮蔽と絶縁を含む。

この耐熱手段は、充填可能な中空体および／または少なくとも１つの電気絶縁層を含む。有利な一実施形態では、この種の中空体はステンレス鋼で作られる。

有利な一実施形態によれば、この絶縁層は中空体内に配置され、それによって送電手段が少なくとも部分的に包囲される。中空体は、中空シリンダー（円筒体）として形成することができるが、立方形または平行６面体形状の表面、または多角形（特に、６角形）の外皮表面を有することもできる、また、工具用の係合表面として形成することもでき、または、ハンドルとして形成することもできる。この送電手段は中実体（特に、中実シリンダー）を含み、該中実体は、スパッタリング源の外壁に一端で固定可能な手段を含む。この固定可能な手段は、ねじ結合手段を含むことができる。この中実体は中空体内に挿入され、次いで絶縁層が中実体と中空体の間に注入される。中実体の反対側端部には、特にねじ結合部を含む導電性ロッド用の接続部が配置される。導電性ロッドは、少なくとも部分的に樹脂ホースによって取り囲まれる。導電性ロッドの、ねじ結合部と反対側の端部は、プラグ部分として形成される。プラグ部分は、雌型コネクタの導電性コア内に係合する。導電性コアは、同様に非導電性材料層によって包囲されている。接続部材、アングル・プラグ、別のケーブルおよび別の雌型コネクタが、この雌型コネクタに接続される。

この絶縁層は、石粉（特に、ステアタイトが使用される）と共に、或る割合のセラミック粉と接着剤を含み、この接着剤はエポキシ樹脂接着剤（特に、２成分接着剤）を含み、および／または、セラミック粉と接着剤の割合は約５０重量％の範囲である。

ステアタイトは、天然原材料を基礎にしたセラミック材料であり、主成分セッケン石（Ｍｇ（Ｓｉ_４Ｏ_１０）（ＯＨ）_２）、天然ケイ酸マグネシウム、および粘土と長石または炭酸バリウムの添加物から構成される。通常、ステアタイトは、緻密に焼結される。このフラックスの性質は、材料の電気特性に影響し、通常のステアタイトと高周波ステアタイトとも呼ばれる特殊ステアタイトの間の区別に繋がる。国際規格では、特殊ステアタイトは、低損失係数を有するステアタイトとして記載され、低損失高周波部品用に適するのみならず、その良好な機械加工性により、薄く且つ均一な壁厚さを有する部品の製造用としても非常に良好である。このようにすると、特に熱によって引き起こされる機械的応力を克服することができる。その低い収縮により、この材料は厳しい許容誤差を有する部品の経済的な製造、および、原材料基材が工具に対して低摩耗で優しいことの結果として、乾式プレス方法に、特に適する。この低収縮性により、特にガス流スパッタリング法での高温負荷の故に、ステアタイトは、変化する温度負荷に曝される部品用に特に適する材料であることを示した。接着剤との組合せで耐久性のある接合が実現され、その低収縮によって接着剤とステアタイトの構造変化は全く存在せず、したがって、微小割れによる固定装置の破壊は存在しない。前記中空体と中実体は、絶縁層によって耐久性のある方法で互いに接合されるだけでなく、それらは厳しい許容誤差で製造することもできる。

スパッタリング源の外壁は長期効果で加熱され、短期放電は絶縁層の炭化につながる場合があるので、合成樹脂とステアタイト粉の選ばれた混合物が特に有利であることが立証されている。

スパッタリング源の電流受け入れは、説明した固定装置を用いる時、具体的には最大１５０Ａに達する。

このスパッタリング源の電力密度は、前記固定装置を使用する時、具体的にはターゲット面積当り最大２２０Ｗ／ｃｍ^２に達する。

この固定装置の送電手段は、電流を被覆源の冷却胴に伝えるケーブルを接続するための接点スリーブを含み、この接点スリーブは、被覆源の冷却胴と直接的に電気接触している冷媒接続部に装着される。

この固定装置は被覆プラントに用いられ、金属および反応性ガス流スパッタリング用被覆プラント用に特に適する。

図１によれば、ＨＳ−ＰＶＤ被覆法用のスパッタリング源は、スパッタリング空間を形成するように、閉鎖可能な容器２０の内部に固定される。閉鎖可能な容器２０は、通常、真空室として形成される。スパッタリング源２１が、この真空室内に配置される。このスパッタリング源は、被覆材料を含む少なくとも１つのターゲットまたはターゲット部片２２を含む。このターゲットまたはターゲット部片２２は、冷却胴２３に装着される。ターゲットまたはターゲット部片の装着は、ねじ結合２４またはプラグ結合２５または両者の組合せによって行われる。冷却胴２３は導電性材料製塊体として設計され、内部に冷媒循環用通路２６が設けられる。冷却胴は、ターゲットまたはターゲット部片とは遠い側の側面で外壁２７に固定される。この外壁がスパッタリング源の外側境界である。本発明による固定装置は、スパッタリング源２１内に電流を導入するために、この外壁上に装着される。スパッタリング源２１は、絶縁帯域２８によってスパッタリング空間から電気的に遮蔽されている。絶縁帯域２８は、図１に、プレート状部材に隣接して示されている。絶縁帯域２８は真空として形成することができ、中空空間の向かい合って配設された壁の間の空所が、スパッタリング源２１と真空室（２０）の容器壁との間での放電発生を防ぐ。このスパッタリング源と容器壁との間の距離は、具体的には数ミリメートルであり、あらゆる箇所で、この値以下にすべきではない。この理由は、局所的な電圧ピークが正に小間隔点に集中し、これが自然発生的な放電に繋がって、真空容器またはスパッタリング源に損傷を与える可能性があるからである。

スパッタリング空間内におけるスパッタリング源２１用の固定装置は、図２によると、スパッタリング源２１への導電用の電気的かつ熱的伝導材料から成る送電手段（２、１０、１３、１５、１６、１７、１８）、および、送電手段をスパッタリング空間から遮蔽するための遮蔽手段（１、４、５、６、１２）も含む。この送電手段は、スパッタリング空間から電気的に絶縁することができる。耐熱手段（１、５）が、特に最高１１５０℃までの固定装置の耐熱性を保証するために設けられる。この耐熱手段は、中空体１および／または少なくとも１つの電気絶縁層５を含む。この種の中空体は、有利な一例としてステンレス鋼で作られる。有利な一例として、絶縁層５が中空体１の内部に配置され、該絶縁層によって、少なくとも部分的に送電手段（２、１０、１３、１５、１６、１７、１８）を包囲することができる。この送電手段は、中実体、特に、一端部でスパッタリング源のターゲット保持器用の固定可能手段３を収容する中実シリンダー２を含む。中実シリンダー２は、ターゲットまたはターゲット部片に対する電流がターゲット保持器に搬送され得るように、ターゲット保持器との電気的接触がなされる。最初に、樹脂ホース４と共に中実シリンダー２がターゲット保持器にねじ結合される。

固定可能手段３は、ねじ結合部を含むことができる。中実シリンダー２は、少なくとも部分的に中空体１内に挿入され、次いで絶縁層５が中実シリンダー２と中空体１の間に注入される。組立補助具（８、９）が、組立てのため、かつ、接着剤および粉体で満たすために用いられ、この組立補助具が、その大きな粘性の故に流れ特性の劣る接着剤と粉体の混合物の充填を可能にする。しかしながら、接着剤の硬化が生じる前に、中空体内部への充填作業と接着剤の分配を完了させなければならない。中空体１を越えて伸張する中実シリンダー２の部分は、少なくとも部分的に樹脂ホース４内に収容される。この樹脂ホースは、具体的には、ポリアミドで形成される。スパッタリング源のターゲット保持器全体が水冷され、かつ、ねじ結合部がスパッタリング源の後ろ側に、換言すれば高温範囲の外側に配置される（すなわち、両者とも熱的に完全に絶縁され且つ冷却されている）ので、この結合部で電気的グロー放電の発生を排除できる時、樹脂ホースの使用が許容される。

具体的には、ねじ結合を含む導電性ロッド１０用の結合部７は、中実シリンダー２の反対側端部に位置する。導電性ロッド１０は、少なくとも部分的に樹脂ホース６に収容されている。このねじ結合部の反対側にある導電性ロッドの端部は、プラグ部分１４として形成されている。プラグ部分１４は、雌型コネクタ１１の導電性コア１３内に係合する。雌型コネクタ１１の導電性コア１３は、非導電性材料層１２によって包囲されている。ケーブルとして形成できる接続部材１５、アングル・プラグ１６、別のケーブル１７、および別の雌型コネクタ１８が雌型コネクタ１１に接続される。具体的には、Ｍ８ねじとして形成されるねじ結合部３が、スパッタリング源２１の外壁２７に確実に螺合される。被覆材料がなくなり、ターゲットまたはターゲット部片２２が交換される時、または、保守処置が必要な時の、スパッタリング源２１の組立て、および／または、取り外し中、このアングル・プラグ（１５、１６）が雌型コネクタ（１１、１２、１３）内に差し込まれ、または雌型コネクタから引き離される。或る状況下で、スパッタリング源が完全に真空室内に配設されるため、ケーブル１７は、真空室の内側で、長さ約１．５〜３メートルのケーブルによって、とりわけ確実に雌型コネクタ１８に接続される。雌型コネクタ１８は、真空室の内側に配置される真空貫通電流供給手段（ａ ｖａｃｕｕｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）に接続され、したがって、発電機から来る電流を真空室２０内に伝える働きをする。この構造は、多大の時間と労力なしに、いつでも電気的接続または分離を行なうことができる利点がある。

中空体１および大型のシリンダー２は、好適には汚染物質を含まない十分な機械的強度の材料で作られる。例えば、Ｚｎ、ＳｎおよびＰｂ等の汚染物質は、溶融点の低下に繋がる可能性がある。したがって、中空体１および中実シリンダー２は、ステンレス鋼またはハステロイ製が好適である。

固定装置に関する別の実施例が図３に示されている。この実施例による電流接続は、既に存在する冷媒接続部３１で行われる。この冷媒接続部３１は、図１に示される冷却胴２３の冷媒入口２９または冷媒出口３０に配置される。この冷却胴６は、良好な熱および電気伝導性を有する材料（特に、銅、低合金銅、ニッケル、または、銅および／またはニッケルを含む合金で作られる。この既存の冷媒接続部３１は、この冷媒接続部３１が被覆源の冷却胴内への電流の供給のためにも使用できるように、同じく良好な電気伝導性を有する耐熱材料で作られる。この目的のために、同じく金属材料から成る接続部材３２がねじコネクター３３に対して螺合せしめられる。この接続部材３２は、ねじコネクターに把持されている端部と反対側にある端部３４に、接点スリーブ３６を受けるための内側ねじ３５を有する。この接点スリーブ３６は、盲穴３７内に差し込むことのできる図示されない接点プラグを受ける働きを有する。この接点プラグから被覆源を収容する真空容器の容器壁の別の雌型コネクタにケーブルが繋がる。真空室の外に位置する電流源への接続が、この雌型コネクタを介して行われる。

図４は、電流接続部を全く有しない固定装置の別例を示す。図４による固定装置は、スパッタリング源への電流伝達に適する電気および熱伝導性材料から成る送電手段（２）と、送電手段（１、４、５）をスパッタリング室から電気的に絶縁することのできる送電手段用遮蔽手段（１、４、５）とを含む。耐熱手段（１、５）が、特に最高１１５０℃までの固定装置の耐熱性を保証するために設けられる。

この耐熱手段は、中空体１および／または少なくとも１つの電気絶縁層５を含む。中空体１は、有利な一実施例ではステンレス鋼から製造される。電気絶縁層５は、有利な一態様では、中空体１内に配置され、送電手段２を完全に包囲することができる。送電手段２は、中空体１と電気的に接触せず、この場合、中空体１は送電手段に対して絶縁可能である。この送電手段は、一端にスパッタリング源の構成部品であるターゲット保持器用の固定可能手段３を有する中実体、特に中実シリンダー２を含む。この中実シリンダー２は、ターゲット保持器と電気接触し、ターゲット保持器に配設されるターゲットまたはターゲット部片に電流が送られる。この中実シリンダー２は、樹脂ホース４と共に最初にターゲット保持器に螺合せしめられる。この固定可能手段３は、ねじ結合部を含むことができる。中実シリンダー２は、少なくとも部分的に中空体１内に挿入され、次いで絶縁層５が中実シリンダー２と中空体１の間に注入される。組立てのため、および、接着剤と粉末で満たすために、図示されない組立補助具が、本実施例で使用され、もって、その高い粘性の故に流れ特性の劣る用意された接着剤と粉体の混合物の充填が可能になる。接着剤の硬化が生じる前に、中空体の内部への、この充填工程および接着剤の分配を完了させなければならない。中実シリンダー２の、中空体１を越えて伸張する部分は、少なくとも部分的に樹脂ホース４によって包囲される。この樹脂ホースは、具体的にはポリアミドで形成される。スパッタリング源のターゲット保持器全体が水冷され、かつ、ねじ結合部がスパッタリング源の後ろ側に、換言すれば高温領域の外に配置される（すなわち、両者は完全に熱絶縁され且つ冷却される）ので、先の例におけるがごとく、グロー放電の発生を除外できる時、樹脂ホースの使用が許される。

スパッタリング空間内における固定装置の配置図。 固定装置の断面図。 別例に係わる固定装置を示す。 別例に係わる固定装置を示す。

符号の説明

１ 中空体
２ 十分大きな部材
３ ねじ結合部
５ 硬化可能な接着剤混合物
６ 樹脂チューブ
７ 結合部
８ 組立補助具
９ 組立補助具
１０ 結合部を含む導電性ロッド
１１ メス型コネクタ
１２ メス型コネクタの非導電性層
１３ メス型コネクタの導電性コア
１４ プラグ部分
１５ 接続部材
１７ ケーブル
１８ メス型コネクタ
１９ ねじ
２０ 容器、真空室
２１ スパッタリング源
２２ ターゲットまたはターゲット部片
２３ 冷却胴
２４ ねじ結合部
２５ プラグ結合部
２６ 通路
２７ 外壁
２８ 絶縁層
２９ 冷媒入口
３０ 冷媒出口
３１ 冷媒接続部
３２ 接続部材
３３ ねじコネクター
３４ 端部
３５ 内側ねじ
３６ 接点スリーブ

Claims (10)

1. スパッタリング源に電流を伝えるための電気および熱伝導性材料から成る送電手段（２、１０、１３、１５、１６、１７、１８）と、
   前記送電手段が前記スパッタリング空間から電気絶縁され得るように、前記スパッタリング空間から前記送電手段を遮蔽するための遮蔽手段（１、４、５、６、１２）とを含むスパッタリング空間内のスパッタリング源用の固定装置において、
   特に最高１１５０℃までの前記固定装置の耐熱性を保証するために、耐熱手段（１、５）を設けて成る、スパッタリング源用固定装置。
2. 前記耐熱手段が充填可能な中空体（１）を含む請求項１に記載されたスパッタリング源用固定装置。
3. 前記耐熱手段が少なくとも１つの電気絶縁層（５）を含む請求項１に記載されたスパッタリング源用固定装置。
4. 前記絶縁層（５）が前記充填可能な中空体（１）の内部に設けられ、それによって、前記送電手段（２、１０、１３、１５、１６、１７、１８）が少なくとも部分的に包囲されている請求項３に記載されたスパッタリング源用固定装置。
5. 前記絶縁層（５）が、セラミック粉末および接着剤を含み、前記セラミック粉が特にステアタイトを含み、前記接着剤がエポキシ樹脂接着剤、特に２成分接着剤を含み、および／または、セラミック粉末と接着剤の割合が、特に、それぞれ５０重量％である請求項４に記載されたスパッタリング源用固定装置。
6. スパッタリング源の電力受け入れが、特に、最大１５０Ａである請求項１に記載されたスパッタリング源用固定装置。
7. 電流密度が、特に最大２２０Ｗ／ｃｍ^２である請求項１に記載されたスパッタリング源用固定装置。
8. 前記送電手段が、被覆源の冷却胴（２３）に電流を伝えるためのケーブル接続用の接点スリーブ（３６）を含み、前記接点スリーブが、前記被覆源の前記冷却胴（２３）と直接電気接触する冷媒接続部（３１）に取着されて成る請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載されたスパッタリング源用固定装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された固定装置を有する被覆プラント。
10. 反応性ガス流スパッタリングおよび／または金属ガス流スパッタリング用の被覆プラントにおける前記固定装置の使用。

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