JP2008517151A - 回転可能なターゲットスパッタリング装置用エンドブロック - Google Patents

Abstract

真空被覆設備において回転可能な管状ターゲットに給電させるエンドブロックが開示されている。このエンドブロックは、交流モードで運転される場合におけるジュール加熱の影響を低減させる電気的回転接触部を有している。周知のエンドブロックと比較すると、このジュール加熱の低減は、接触リング（４１０）と周方向に沿って取り付けられた複数の導電シュー（４５０）との間の接触領域の数を多くすることによって達成される。また、導電シューは、弾性要素により接触リングに対向して半径方向外方に押圧されている。

Description

本発明は、薄膜の堆積に現在一般的に用いられている回転管状スパッタリングターゲットを有するスパッタリング装置の技術分野に関する。さらに詳細には、本発明は、とりわけ、電力を回転スパッタリング装置に供給するためのエンドブロックに関する。

管状の回転ターゲットを用いる大面積真空堆積機器は、薄膜を大面積基板、例えば、窓ガラスに堆積する有力な方法となりつつある。これらの設備では、プラズマによって回転ターゲットから材料がスパッタ除去される。これらの大きな設備の処理能力によって経済的な採算性が決定される。この処理能力は、稼働時間のような他の因子を別にして、基板への材料の物理的な堆積速度によって決定される。一方、この堆積速度は、堆積される材料やライン速度のような多数の因子に依存するが、とりわけ、ターゲットに供給される電圧と電流に依存する。実際、プラズマの正イオンは、高電圧によってターゲットの方に加速され、ターゲットの表面に衝突する際に材料を放出させる。この電圧は、これらのイオンをターゲットに衝突させるエネルギーを決定し、ターゲットに供給される電流は、衝突するイオンの数に比例するので、ターゲットに供給される電力（すなわち、電流と電圧の積）が堆積速度に大きな影響を与える。すなわち、電力が高いほど、ターゲット材料がより速く侵食されて基板に堆積される。

初期の回転ターゲット設備（米国特許第４，３５６，０７３号を参照）では、ターゲットへの給電は直流であったが、このＤＣ給電は、反応雰囲気内で材料を堆積するときに、いくつかの深刻な欠点、すなわち、誘電性の反応生成物が、ターゲットおよび正にバイアスされた真空設備壁（アノードとして作用）を被覆（汚損）し、さらなるスパッタリングを妨げるという欠点を有することが次第に明らかになってきた。ターゲットに生成される誘電体によって「アーク放電」が生じることが大きな問題である。「アーク放電」は、負にバイアスされた未被覆領域と、正イオンの衝撃によって正に帯電した汚損領域との間で、火花が生じることである。２つの離れたターゲット間に交流を供給することによって、この「汚損」の問題および関連するアーク放電の問題を軽減すると共に、真空筐体の壁が電気的に非活性であることによって安定したプラズマを維持することができることが、やがて見出された（米国特許第５，１６９，５０９号を参照）。

ＡＣスパッタリングは、ターゲットに供給される電力の更なる増大を可能にするが、新たな問題も引き起こした。ＡＣスパッタリングに用いられる典型的な周波数は、３００Ａの印加電流で、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間にある。この場合の電圧は、典型的には、３００〜５００Ｖである。これらの周波数では、電流の殆どが、電流導体の外側の領域を流れる。この現象は、スキン効果としてよく知られている。電流密度は、以下の式で表される厚みδ（単位：ｍ）内において、１／ｅ（ｅは、自然対数の底）倍、低下する。

δ＝（πνμσ）^-1/2

上式で、νは、電流の周波数（単位：Ｈｚ）であり、μは、透磁率（単位：Ｈ／ｍ）であり、σは、材料の導電率（単位：Ｓ／ｍ）である。

銅の場合、この式によれば、１０ｋＨｚにおけるスキン深さは、６７０μｍであり、ここで想定されている形式のスパッタリング装置に用いられると、導体の外面に極めて局部的な電流密度とジュール加熱をもたらすことになる。

大抵の場合、電源側とターゲット側との間の回転可能な電気接触部が決定的に重要な場所であることが分かっている。この領域外では、マルチフィラメントの導線を用いることによって、この問題を大幅に克服することができる。多くの回転電気接続部が、当技術分野、例えば電動モータや発電機において知られているが、エンドブロック用の回転電気接続部に求められる要件は、これらとは全く異なっている。前述したように、典型的なエンドブロックが２０ｃｍ×１５ｃｍ×１５ｃｍの寸法しか有さないという事実を考慮すると、使用される電流と電圧は比較的大きいものとなる。また、周波数が周知の回転接続部と比較して大きくなる。一方、回転接続部の作動時の回転数は中程度であり、最大でも１００ｒｐｍほどである。これまでに回転可能なスパッタリングターゲット用のエンドブロックにおいて、このジュール加熱を克服し、その影響に対処するための２〜３の解決策が提案されている。

米国特許出願公開第２００３／０１３６６７２Ａ１号は、ターゲットと共に回転するシャフトを付勢して囲む４つの部分円筒形の静止接触ブラシの使用を記載している。電流は、ブラシブロックからシャフトを通ってターゲット管に至る経路に沿って流れる。また、シャフト内を水が流れることによって、電流の抵抗加熱による温度上昇を抑制する。

米国特許出願公開第２００３／０１７３２１７Ａ１号は、回転カソード装置内に配置された電導部材としての冷媒導管の使用を記載している。この電導部材に接続され冷媒内に浸漬された静止ブラシは、回転カソードの全体に電流を流す。冷媒が電導部材内を流れることにより抵抗加熱の影響が抑えられる。

上記従来技術は、ジュール加熱の結果を軽減させるが、問題の根本原因、すなわち、スキン効果による導通領域の制約を低減できていない。

従って、本発明の目的は、高レベルの電力をターゲットに供給可能とすることによって、大面積被覆設備の処理能力を高めることにある。本発明の他の目的は、エンドブロックの内側の回転可能な電気接触部のジュール加熱を低減させることにある。本発明の利点は、従来技術の解決策におけるような冷却の改良によるジュール加熱（すなわち、温度上昇）への対処よりは、むしろ、ジュール加熱の根本原因、すなわち、スキン効果の大きさを低減させる点にある。本発明のさらに他の目的は、磨耗し難い、より具体的には筋溝が生じにくい回転可能な電気接触部を有するエンドブロックを提供することにある。

本発明の第１態様によれば、回転可能なターゲットに給電するエンドブロックが提供される。エンドブロックは、当技術分野において知られている。エンドブロックは、ターゲット管を回転可能に保持し、ターゲット管を回転させながら給電すると共に、ターゲット管に冷却液を供給し、ターゲット管から冷却液を排出させる働きをする。加えて、プラズマプロセスは、通常、低圧で行なわれるので、エンドブロックは、真空の完全な状態を維持しなければならない。現在、２種類のターゲット支持構造が利用されている。１つのシステムでは、例えば、米国特許第５，０９６，５６２号に開示されているように、ターゲット管の両端がエンドブロックによって保持され、他のシステムでは、米国特許第５，２００，０４９号に開示されているように、ターゲット管が一端のみで片持ち支持されている。後者の場合、単一のエンドブロックによって必要な機能（支持、回転、給電、真空保持、および冷媒供給）の全てが賄われる。前者の場合、各側のエンドブロックに異なる機能が分配される。例えば、第１のエンドブロックによって冷媒が供給されるとともにターゲットに通電され、第２のエンドブロックによってターゲットが回転される。本発明は、これらの２種類のターゲット支持構成のいずれかにおいて、電源と回転可能なターゲットとの間に回転可能な電気接続部をもたらすエンドブロックに関する。

回転可能な接続部を有するこのようなエンドブロックは、ソケットと、このソケットの内側に同軸に配置されたスピンドルとを備えている。スピンドルとソケットは、ボール軸受、すべり軸受、または当技術分野において周知の他の手段によって、相対的に回転可能である。ソケットは、第１の電気的端部に接続される少なくとも１つの電気接触リングを備えている。このような電気接触リングは、すべり磨耗に充分に耐える導電性材料から作製される。この目的に最も適した材料は、銅、真鍮、または青銅である。

本発明のエンドブロック（独立請求項１）は、スピンドルが、一連の導電シューを備えることによって、すなわち、これらの導電シューが、ソケットの内側に配置されたスピンドルと共に運動することによって特徴付けられている。このような導電シューは、ブラシとも呼ばれる。スピンドルへの機械的な力のバランスを保つために、これらの導電シューは、スピンドルの周囲に均等に分配して取り付けられねばならない。従って、スピンドルへの半径方向の力を均等にするためには、少なくとも２つの導電シューが配置されなければならない。これらの導電シューは、１つまたは複数のリングの内面に、電気的かつ機械的にすべり接触する。この接触を常に維持するために、これらの導電シューは、それぞれが半径方向外方に、すなわち、１つまたは複数のリングの内面に対向して、弾性要素によって押圧される。これらのシューの全てが、第２の電気的端部、すなわち、スピンドルに、電気的に接続されている。

２つの導電シューのみでも本発明を充分に機能させるが、電気的騒音を低くする接続部を確保するには、４から１６の間の整数のシューを用いることが、より好適である（従属請求項２）。シューの数が少なすぎると、騒音が充分に平均化されない。逆に導電シューを１７以上に増やしても騒音抑制にそれほど効果がない。

導電シューが互いに独立して移動できる充分に広い間隙がシュー間に存在する。これらの間隙は、電気接触リングが、導電シューを通過した後、冷却され得るように設定される。ソケットの１つまたは複数の内面リングの周囲の７０％未満が導電シューによって覆われることが好適である。これは、より具体的には、導電シューの円弧長の合計がソケットの１つまたは複数の内面リングの周長の０．７０倍未満であることを意味する。導電シューが、スピンドルの周囲の５０％未満を占めることがさらに好適である。１つまたは複数のリングへの導電性のつや（patina）の生成を可能にするために、シューと１つまたは複数のリングとの間の接触は、実質的に乾燥環境（すなわち、液体が存在しない環境）において、なされねばならない。

導電シューは、好ましくは、スピンドルの軸と直交する１つの面内に取り付けられるが、偶数番号のシューが第１の面内に配置され、奇数番号のシューが第２の面内に配置され、第１の面が第２の面から軸方向にわずかにずれているような他の構成も、この構成をエンドブロック内の空間が許容する限り、同様に充分に可能である。

第１の電気接触部をなすリングの数が従属請求項３の要件である。スキン効果が、ＡＣ電流を導体の外側の領域に局在化させるので、いくつかのリングを互いに平行に積層することによって、より多くの導通面を導電シューにもたらす。この積層された各リングは、互いに離隔されていなければならない。この目的には、充分な高温に耐える誘電材料が好適である。一例として、シートの形態で容易に入手できるポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはポリフェノールポリマー材料が挙げられる。積層体は、接着、ボルト止め、またはクランプによって、結合されねばならない。

導電シューの全体的な給電能力を増大させるには、各導電シューが、少なくとも１つのリングと接触しなければならない。スピンドルへの導電シューの正確な位置決めにもよるが、例えば、いくつかの導電シューが、残りの導電シューと軸方向にずれて配置された場合、これらの導電シューがいくつかのリングと接触しない場合がある。これは、リングとシューの熱負荷を低減させる上で有利である。一方、接触領域の数は、スキン効果を抑制するために可能な限り大きくなければならない。接触点の最大数は、導電シューの各々が全てのリング単体と接触するときに得られる。

全てのリングは、電気的端部に並列に接続される。これは、好ましくは、リングごとに１つの導線を用いることによって得られる。各導線は、好ましくは、マルチフィラメントワイヤから作製され、各導線は、互いに絶縁される。

１つまたは複数のリングとすべりシューとの間の連続的な電気的接触を確実に得るために、シューは、弾性要素によってリングに対して押圧される（従属請求項４）。好ましくは、シューは、スピンドルの取り付けを容易にするために、シューの外面によって形成される半径がリングの内面の半径よりも僅かに大きい位置に当接するように組付けられる。シューをリングに対して押圧するのに、原則として、シューごとに１つの弾性要素で充分であるが、良好な接触を得るために、２つ、３つ、さらに４つのスプリング要素が互いに独立して作用するなら、さらに好ましい。シューによってリングに加えられる接触圧力は、重要である。何故なら、余りにも低い圧力の場合、リングとシューの両方の過剰な電気的侵食が生じ、余りにも高圧の場合、リングとシューの両方の機械的磨耗が大きくなる。弾性要素は、スピンドルへの導線として作用することができる。または、一端がシューに接続され、他端が第２の電気的端部に接続される別の多心線を介して導通させてもよい。後者の場合においても、スキン効果を軽減させるために、２つ、３つ、４つ、またはそれよりも多い接続部が設けられることが好ましい。

用いられる弾性要素の種類が、従属請求項５，６の要件である。弾性要素のいくつかの例として、螺旋コイルのワイヤスプリングまたは板バネのような多くの周知の形態にある金属スプリングを用いることができる。また、エラストマースプリングも除外されるものではないが、この場合、高温に耐えるものである必要がある。すなわち、高性能ポリマーが使用される必要がある。このようなポリマーの１つは、デュポン・ダウ・エラストマ社によって製造されているハイパロン（Ｈｙｐａｌｏｎ、登録商標、クロロスルホン化ポリエチレン）である。

シューの設置領域、すなわち、ソケットと接触するシューの形状の少なくとも１つは、台形状をなしている（従属請求項７）。このような形状は、シューから生じる可能性のある磨耗粒子または埃を排出するのに有益である。この磨耗粒子は、電気的なすべり接触に付随して生じる。このような設置領域を有する少なくとも１つのシューを設けることによって、この磨耗の残滓が接触軌道の外側に移動する。

接触リングの片側に空洞をミリング加工で形成することにより、磨耗粒子を、エンドブロックの他の部分と干渉させることなく、この空洞内に堆積させることができる（従属請求項８）。これにより、従来のエンドブロックの回転電気接触部において生じる筋溝の形成が抑止される。

接触シューを形成する材料は、金属が追加された黒鉛の混合物を含んでいる。金属としては、銅および銀が好適に用いられる。金属の含有量は、材料の導電率を調整する目的で設定される。導電率が低いほど、所定の周波数において、電流がより深く導体内に入り込む、すなわち、スキン深さがより大きくなる。しかし、導体の全体的な抵抗が大きくなるのでジュール加熱が大きくなる。従って、導電率の最適な選択は、実験によって決められる。摩擦を低減させるために、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）のような他の成分が加えられる。

これまで、ソケットとスピンドルは、互いに相対的に移動すると考えられてきた。ここで、エンドブロックがスパッタリング室に対して固定される場合、ソケットとスピンドルは、以下の２つのいずれかの態様で取り付けられることになる。
（１）ソケットが、エンドブロックに接続され、従って、電気的に回転可能な接触部のステータとして作用する。スピンドルは、回転可能なターゲットに電気的に接続され、ロータとして作用する（従属請求項１０）。
（２）スピンドルがエンドブロックに接続され、ターゲットがソケットに電気的に接続される（従属請求項１１）。従って、ソケットがロータになり、スピンドルがステータとなる。
いずれの場合も、接触シューは、前述したように、半径方向外方に押圧される。

本発明の第２態様によれば、スパッタリング装置が提供される（請求項１２）。このスパッタリング装置は、前述したように、請求項１〜１１のいずれか１項に記載される回転可能な電気接触部を有する本発明のエンドブロックを備えることによって特徴付けられている。
以下、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明は、図１において断面で示されているエンドブロック１００に関する。このエンドブロックは、管（ターゲット）の一端を回転可能に支持する機能と、冷媒、通常、水をターゲットに送給すると共にターゲットから回収する機能と、電流をターゲットに送給する機能とを具備している。本発明は、主に、後者の機能に関し、他の機能の実施形態については、本発明の主旨を理解するのに重要ではないので、ここでは詳述しない。ターゲット（図示せず）は、クランプリング１３０内に挿入され、このクランプリング１３０によって保持される。エンドブロック１００は、保持部１４０をスパッタリング装置（図示せず）に係合する簡易脱着連結器（図示せず）によって保持される。ソケット１１０にはスピンドル１２０が収容されており、後者は前者に対して回転可能である。

図２は、円筒ソケット２１０とスピンドル２２０が互いに分離して示される斜視図である。両部品は同一の回転軸２２２を共有している。図示例では、１つの接触リング２３０がソケット２１０の内側に配置されている。ソケット２１０全体が雌電気コネクタ２２４に電気的に接続されている。ソケットをネジによってエンドブロックの残余の部分に固定するための孔２２６が、ソケットの前面に示されている。

スピンドルの構造的特徴は、図３の分解図に最も明瞭に示されている。スピンドル３００は、複数の凹部３５５が機械加工によって形成されている保持リング３５０から構成されている。総計で８つの凹部の各々が、３１０，３１０’のような導電シューを保持している。これらシュー３１０，３１０’の各々は、４個１組の螺旋金属スプリングによって外方に付勢されている。これら螺旋金属スプリングのうちの１つが、３２０で示されている。組み立て状態のスピンドル３００では、導電シューは、その接触面からスピンドルの軸線方向外方に延出したリム３１４によって適所に保持される。シューの反対側にも同じリムが存在する（図示せず）。取付け状態において、シューは、３６２のようなリテーナピンとクランプリング３６０によって適所に保持される。シュー３１０，３１０’が一旦押下げられた後に解放されると、リム３１４が、それぞれリテーナピン３２６とクランプリング３６０とに当接する。クランプリング３６０は、３６６のような一連の穴付き平頭ネジによって保持リング３５０に取付けられる。シュー３１０，３１０’と保持リング３５０との間の電気的な接触は、シューごとに３３０のような４本のマルチフィラメントワイヤ束によって確実に得られる。これらの束は、クランプリング３６０の下に差し込まれるネジ３３２によって保持リング３５０に密着した状態で保持される。孔付きネジ３６４は、ワッシャー３６５と共に、スピンドル３００を、ターゲットに電気的に接続する更なる部品（図示せず）に固着する。

シュー３１０’は、標準のシュー３１０と比べて台形の接触面を有していることに、留意すべきである。これによって、磨耗粒子は、電気的すべり接触領域から効率的に隔離される。シュー３１０’の半径方向の反対側に位置するシュー（図示せず）も、このような形状を有している。

最後に、図４は、３つの接触リング４１０，４１０’，４１０”を備える円筒状ソケットを示している。これらの接触リングの各々は、４５０で示されるような導電シューの各々と接触する。接触リング４１０，４１０’，４１０”は、ＰＴＦＥの薄いシートから作製される隔離リング４２０，４２０’によって互いに隔離されている。接触リング４１０，４１０’，４１０”の各々は、電流源（図示せず）に至る個々の導線４３０，４３０’，４３０”を有している。これらの３つの接触リングは、隔離リング４２０，４２０’を介して互いに接着された状態で、複数の穴付き平頭ネジ４４０によって互いに固定されている。穴付き平頭ネジ４４０は、最後の接触リング４１０”内にねじ込まれ、４４５のような（ここでも、ＰＴＦＥから作製される）隔離ブッシュによって、他の２つの接触リング４１０，４１０’から隔離される。台形の接触面を有するシューによって側方に掃き出される磨耗粒子を集めるための空洞４６０がリング４１０内に形成されている。この実施形態では、接触領域の数が、８つから３×８まで増加し、スキン効果を低減させる上で有利である。

当業者であれば、形態および細部に関する種々の修正が、特許請求の範囲において定義される本発明の範囲を超えることなく、前述の実施形態に対してなされてもよいことを容易に理解するだろう。

回転電気接触部を備えたエンドブロックを示す断面図である。 スピンドルおよび収容ソケットと共に、電気的回転接触部の主要部分を示す図である。 回転電気接触部の分解斜視図である。 互いに積層された多層接触リングを有するソケットを示す図である。

Claims (12)

1. 回転可能なスパッタリングターゲットへの給電用エンドブロックであって、円筒状のソケットと、前記ソケットの内側に同軸に配置されたスピンドルとを備え、前記ソケットと前記スピンドルとが相対的に回転可能であり、前記ソケットが、電気的端部をなす少なくとも１つの電気接触リングを備えているようなエンドブロックにおいて、
   前記スピンドルが、少なくとも２つの導電シューを備え、前記各導電シューが、前記スピンドルと電気的に並列に接続され、かつ、前記各導電シューの各々が、少なくとも１つの弾性要素によって、前記電気接触リングの内面に対向して半径方向外方に押圧され、前記内面と電気的にすべり接触していることを特徴とするエンドブロック。
2. 前記導電シューの数が、４から１６の間の任意の数であることを特徴とする請求項１に記載のエンドブロック。
3. 前記ソケットが、前記電気接触リングを少なくとも２つ備え、該各電気接触リングは、互いに電気的に絶縁された状態で同軸に取り付けられており、前記各導電シューのそれぞれが、前記各電気接触リングのうちの少なくとも１つの前記内面と電気接触し、前記電気接触リングの全てが、前記電気的端部に並列に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンドブロック。
4. 前記各導電シューのそれぞれが、１、２、３または４個の弾性要素によって、前記電気接触リングに対して押圧されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンドブロック。
5. 前記弾性要素が、金属製スプリングであることを特徴とする請求項４に記載のエンドブロック。
6. 前記弾性要素が、エラストマースプリングであることを特徴とする請求項４に記載のエンドブロック。
7. 前記導電シューの少なくとも１つが、前記電気接触リングの少なくとも１つの前記内面と接触する台形の接触面を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンドブロック。
8. 前記ソケットが、前記各電気接触リングのうちの少なくとも１つの内側に、前記導電シューから磨耗粒子を回収するための空洞を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンドブロック。
9. 前記導電シューが、銀、銅、黒鉛、または二硫化モリブデンを含む材料から作製されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のエンドブロック。
10. 前記ソケットが、前記エンドブロックに固定した状態で取り付けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のエンドブロック。
11. 前記スピンドルが、前記エンドブロックに、固定した状態で取り付けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のエンドブロック。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のエンドブロックを備えたスパッタリング装置。

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