JP2009512788A - 固定式又は可動磁石アセンブリと組み合わせて回転式ターゲットを組み込むカソード及び応用 - Google Patents

Abstract

固定されるか又は中心軸回りに回転可能である中空円筒状スパッタターゲット、並びに前記スパッタターゲット内で軸回転される内部磁石アセンブリを有する、スパッタリングカソード装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物理的蒸着カソードの分野に属する。

物理的蒸着は、さまざまな方法で達成されうる。基本的に、このプロセスは、所与の原材料又は材料から所望の蒸着を実施するため、特定の気体の導入がありうる真空環境において実行される。原材料は、蒸発、プラズマ・アーク蒸着、スパッタ被覆及び他の技術分野に周知の物理的蒸着の方法を加えられうる。定型的な蒸発アプリケーションにおいて、被覆される部品は、真空容器内でパーツを保持する固定具上にロードされる。容器を閉じ、空気を排出する。原材料は、典型的には、それが真空容器内で蒸発して、容器及び容器内に固定された部品を被覆する温度まで、種々の技法により加熱される。

均一性及び他の特性を向上するために、部品固定具は原料又は蒸発源の回りに動きうる。プロセスにおいては、コーティング特性に影響をもたせるためにも、他の気体を容器内に導入する。定型的なスパッタ・アプリケーションにおいて、アルゴン等の気体を容器内に導入し、カソードアセンブリが気体をイオン化してプラズマとし、そのプラズマを原材料又はターゲットの近くに位置させる。これにより、原料ターゲットから被覆を望む真空容器内の物品に、ターゲット材料を移動しうる、効率的なスパッタ過程を作り出せる。カソード設計及び容器構成は、物品が所望の薄膜特性を有して被覆される速度、被覆の均一度、及び被覆組成に影響しうる。加えて、真空容器内には、複数の蒸着源及び／又は被覆プロセスに組み合わせる蒸着技術を持たせうる。

蒸発アプリケーションにおいては、大きな容器内に置かれた部品を均一に被覆できるよう、複数の蒸発源を有することが望ましい。これは、典型的には、蒸発用の材料を供給するプロセスを保持するために、サービス及び／又はオペレータの相互作用を増加させうる。定型的な蒸発源は、蒸発する所望の材料片を取り付けるコイルを含んでもよい。材料片は全サイクルともコイルアセンブリ上に配置されなければならず、連続プロセスの可能性が制限される。加えて、同時又は連続被覆操作により複数の材料の被覆を望む時には、被覆成分の制御が困難になりうる。

被覆される物品、関連する物理特性、及び被覆後に生じる特性により、種々の物理的蒸着プロセスには、相対的な差異及び後からの利点が数多くある。加えて、経済性、環境性の考慮及び被覆特性／組成もまた、所望のアプリケーションに正しいプロセスを適合させる点において肝要である。

多くの蒸発被覆システムが存在し、現在、物理的蒸着産業において稼動している。加えて、種々の寸法及び構成のスパッタリングカソードを有する真空容器が数多く生産されている。これらのスパッタリング・システムは、通常は平面ターゲット材料を有する平面型カソードを用いる。真空容器内で材料を共蒸着又は被覆物品上に積層する、複数の蒸発源又はカソードを同時に又は連続的に使用可能なシステムもある。いかなるアプリケーションにおいても、被覆物品の近傍、その関連備品、及び蒸着源に対する動きのある場合は、被覆領域全体の均一性等の被覆特性に影響がある。

真空容器内の物品をコーティングするためには、材料の能率が高く、サービス期間の長い、効率的なターゲット源を用いることが望ましい。できるだけ多量のターゲット材料を効率的に用いることで能率を達成する一方、蒸着に利用可能なターゲット材料の量を増やすことにより、サービス期間は延長しうる。備品、容器壁、シールド、又は被覆物品の所望の箇所であれ、最終的にとにかく当たったものを被覆するまで、被覆物品が蒸着源表面を通過して、容器内の真空を移動するよう、その方向を制御できることも望ましい。すなわち、これが、被覆アプリケーションによっては、精巧な部品が複数の蒸着源と共に惑星のような決まった動きをする理由である。

蒸発源の配置及び部品の移動により、原材料の能率は大いに改善しうる。しかしながら、蒸発源、アーク源、又はカソードは、加熱及び又はスパッタ・パワーを変化させて蒸着速度を制御しなければ、所与のプロセス中は一定で直ちに変更されない放射パターンを有する。特定の方向に好適な被覆をするには、被覆をフォーカスしうること、及び当該プロセス中にその方向を制御しうることが望ましい。加えて、通常はカソード及びアプリケーションに依存するが、平面スパッタターゲット能率は３５％から６０％である。できるだけ多くの原材料を利用することが望ましい。他の利点は、準備期間の間のプロセス時間が増すことである。これは、ターゲット利用の改良よりもむしろ金銭の節約になる場合がある。

回転ターゲット及び関連するカソード構成は、ガラス及び噴霧コーティング産業において周知である。他のタイプの製品のためのアプリケーションも開発されている。回転カソードは固定磁石アセンブリを用いる一方、円筒状のターゲットが固定磁石アセンブリの回りを回転する。磁石パックのマグネトロン作用により、確実に、回転ターゲットの限られた表面でスパッタリングが起こり、当該ターゲット材料が当該ターゲット表面領域から放出する。このように、回転ターゲットが材料方向にスパッタリングしながら材料を通過すると、被覆物品のひと回り分に外側から、又は真空容器に対する内部に当たって被覆される。通過するガラス板がカソードを通り過ぎる時に、同じ状況が発生する。中心の磁石棒の周囲で円筒状のターゲットが回転することにより、新しいターゲット材料が常に表面からスパッタして、より体積の大きな材料（円筒対平面ターゲット）への能率を向上し、当該スパッタリングプロセスにこの円筒全体を用いうることから、ターゲット交換時間を長くする。このようにして、回転ターゲットは、平面カソード技術に対して顕著な効果を達成しうる。

平面ターゲットを用いるスパッタ・アプリケーションにおいては、蒸着分布は典型的にはガウス分布であり、マグネトロン設計及び／又はターゲット被覆基材距離により調節しうる。複数の蒸着源を、個々の蒸着分布が重複して互いに重畳するように配置することも可能である。これらの方法の任意の１つ又は組み合わせを利用することにより、所与の被覆構成成分の厚み特性に関し、より均一な又は計画的な被覆が可能である。しかしながら、典型的にはこれらの解決法は、特に装置稼動中には、直ちに再構成又は交換可能ではない固定ハードウェアを用いて設計されているという問題がある。被覆分布が、たとえプロセス期間中でも変更できるよう、スパッタ蒸着の主軸を変更しうるスパッタ源を有することが望ましい。プロセス稼動中に磁石及び／又は磁石パックアセンブリの基本特性を変更することも望ましい。

全ての被覆アプリケーションにおいて、定常状態の被覆プロセスが達成されるまで、蒸着プロセスの最初の開始を制御することが望ましい。これは「バーンイン」として公知である。バーンイン・プロセスの間に析出する原材料は、物品の被覆には望ましくない。通常、バーンイン・プロセス由来の材料は、最終的に被覆される物品を存在させず、目下露出している、チャンバ壁、シールド及び移動部材に被覆させる。このため、メンテナンス及び清掃の必要性が増す。被覆を意図しない容器内の付随構成物よりも、むしろシールド又はチャンバ壁へ、析出を生じるフォーカス期間中にバーンインが可能な蒸着源を有することが望ましい。

本発明は、固定又は回転する円筒ターゲット、及び前記円筒ターゲット内で前記円筒ターゲット軸の中心回りに回転可能な中心磁石構成を用いる、カソードアセンブリである。前記磁石構成は、ターゲット表面にマグネトロン効果を発生し、前記円筒ターゲットの長さ方向の直線領域内でターゲット材料をスパッタするよう構成するか、又は磁石パックアセンブリ（１個又は複数）の設計に依存して前記ターゲットの複数の位置でスパッタするよう構成しうる。複数の磁石棒を、前記円筒ターゲットの長さ方向に長さをオフセットして組立及び配列するか、又は、前記ターゲットの内周部周辺の異なる半径位置に配置することが可能である。これにより、スパッタするターゲット領域を完全に制御し、その表面の任意箇所における浸食を制御でき、プロセス特性及び前記ターゲット材料の能率を最適化しうる。

回転式カソードの典型的な関連技術には、円筒ターゲットの長さ方向に固定して配列する、磁石の直線配列がある。このターゲットは、磁石パック周囲の中心軸回りに回転する。ターゲット長に沿った直線状のスパッタ領域がターゲットの新しい断片により一定に置換され、これによりターゲット表面の全体は均一に浸食を受ける。放射領域は、固定磁石棒により定義される位置の円筒壁から一方向にある。これは、ガラス又は噴霧コーティング等、被覆物品がターゲット円筒の片側のみを通過するには良好な配置である。上述のような多くの既存アプリケーションにおいて、真空容器及び関連する物品固定具は、トロイダル平面ターゲット又は蒸発コイルアセンブリ等の、放射源が中央に位置するものに最適化設計されている。これらのアプリケーションにおいて、片側のみからの回転式カソードスパッタリングは効果的ではない。本発明のカソード設計は、ターゲット内部周辺で磁石アセンブリ（１又は複数）を回転させ、最高３６０度の全体及び／又はスパッタリングが発生する所望の方向に、ターゲット周辺のスパッタ領域を移動することにより、この課題を解決する。磁石棒が回転全体において連続的には回転しないアプリケーションにおいては、ターゲットは、ターゲット材料を確実に完全利用するために回転することも可能である。これら及び他の特徴、態様及び本発明の効果は、以下の記載、図面及び特許請求の範囲を参照することにより、より理解されよう。

本発明の主要な実施形態は、中心磁石アセンブリの回転により円筒ターゲットの表面周辺にスパッタプラズマを移動しうることである。ターゲットからのスパッタリング方向は、内部磁石アセンブリ回転に従う。例えば、１のカソードを構成し、添付図面に回転メカニズムと共に図示する。この特定の実施例は、１８０度離して組み立てられる２本の磁石棒を示す。図１Ａ及び図１Ｂに、カソード／ターゲットアセンブリの横断面及び端面図を示す。回転メカニズムは、モータ１０２が駆動する歯付きベルト１０４と、順次回転する中心磁石アセンブリ１０６を含みうる。他の装置を用いてもよい。モーター１０２を制御することにより、磁石アセンブリ１０６は連続的に回転するか、又は特定の位置まで回転して磁石アセンブリ１１６の移動が所望されるまで当該位置に保持される。このように、磁石アセンブリ位置は経時的に完全にプログラム可能であり、制御可能な回転メカニズムができる。磁石スタック１１２ａ、１１２ｂは、磁石アセンブリ１０６の構成部分である。スパッタ蒸着は、連続的にターゲット１０８の表面全体を掃引するか、又は所与の角度の範囲で前後に掃引するか、又はターゲットのひとつの表面から他へとジャンプすら可能である。本発明の重要な実施形態は、この柔軟性及びプログラム可能な制御である。中央駆動軸１１０は、磁石パックアセンブリ１０６を冷却するための水チューブと、一定した水流を有するターゲット１０８の内部とを兼務する。ワークピース１１４を、スパッタ容器内部でカソードと離間した関係に示す。ワークピースは、特定のスパッタリング作業においては、オペレータの選択により、回転してもよく、回転しなくてもよい。

図２に、水シール、ベアリング、容器と電力供給の電気的絶縁及び取付ハードウェア・インタフェースを詳述する、回転メカニズム駆動アセンブリの立体図を示す。

図３に、３６０度の連続回転を目的とするアプリケーションのための、磁石棒アセンブリ１０６の分解図を示す。シリンダ表面上で１８０度離れた位置のターゲットシリンダをスパッタするために、２本の磁石棒１１２ａ、１１２ｂを、中心の水チューブ１１０に添着する。これは要件ではなく、ターゲットシリンダの範囲内で磁石アセンブリを回転させることを特定の被覆アプリケーションに最適化しうる方法の実施例である。図６乃至図９に、他の構成を示す。

図４及び図５に、ターゲットアダプタ１１６、及びターゲットをカソードに取り付けるエンドキャップアセンブリ１１８を示す。本発明の別の実施例は、ターゲットシリンダの縦軸に沿って磁石棒１１２ａ、１１２ｂをオフセットすることである。これは磁場強度及びシリンダ端に伴うターゲット浸食を低減し、さらにターゲット寿命及びサービス間隔の延長に寄与する。

磁石アセンブリを回転させ、スパッタされた材料の方向をターゲットの任意の表面に変化しうることにより、本発明のさらなる実施形態が可能になる。磁石パックは、スパッタされた材料が、ターゲットの燃焼中にシールドアセンブリに向かうように回転しうる。この場合、ターゲットもターゲットの全表面において燃焼するために回転する。

更なる実施例は、スパッタ角度の特定の範囲にわたって前後に蒸着域を掃引しうることである。このようにして、カソードを通過して移動する部材の「後追い」が可能であり、スパッタ方向を変化することにより、特定の領域により厚い被覆を配置し、又は他の掃引カソードと協働して所望の厚み特性を達成しうる。このようにして均一度の最適化が可能であり、ある被覆領域を、より厚い被覆とすることも可能である。本発明の更なる実施例は、直線状の平面カソードを回転磁石アセンブリ及び回転ターゲットで置き換え、静止又は低速移動する被覆部材上で磁石アセンブリを掃引することにより、高い均一度の被覆を達成することである。磁石アセンブリの特定の角度位置におけるスパッタ時間をプログラムすることにより、表面被覆を最適化しうる。

更なる実施例として、磁石アセンブリの回転は、通過する際の部材に角度を付けることにより、部材が蒸着源を通過移動する速度を変えることなく、被覆特性を変化させるためにも用いうる。このアプリケーションの可能性は、アプリケーションによっては静止又は回転のいずれかがありうる、円筒ターゲット内における回転磁石アセンブリの使用を通じ、被覆特性が変化しうることの例にすぎない。

図６乃至図９に、更なる実施例として、固有のプロセスの可能性を達成するために用いうる、不平衡磁石棒アセンブリを表す。２つの磁石棒アセンブリ間の不平衡領域は、回転又は固定の円筒ターゲットの表面上に、２つのアセンブリにわたってより幅広いスパッタ領域を生じる磁場を分配しうる。磁場強度は、特定アプリケーション用にスパッタ特性を最適化するよう設計しうる。

図面は、本発明の第１の実施を表し、発明をこの特定の構成に限定せず、発明が現実世界の応用においていかに実施されうるかを例示するものである。多くの被覆アプリケーションにおける回転ターゲットの使用は、本発明まで可能ではなかったか、可能でさえなかった。内部磁石アセンブリを回転させることにより、回転又は固定ターゲットを中心軸回りの任意の方向にスパッタでき、新規なアプリケーション及び被覆の可能性を開拓し、そのいくつかは上に記載の通りである。

本願明細書において、本発明の好適な実施例を記載したが、上述の記載は単に例示のみのものである。当業者にとっては、本願明細書に開示の本発明にはさらなる変更が起こりうる。並びに、全てのそうした変更は、特許請求の範囲に定義される本発明の範囲内であると見なされる。

本発明に係るカソード及びターゲットアセンブリの横断面図であり、容器及び作用部材を示す。 図１Ａの本発明の側面図である。 駆動アセンブリの立体図である。 本発明の磁石アセンブリの分解図である。 ターゲットアダプタアセンブリの分解図である。 エンドキャップアセンブリの立体図である。 不平衡磁石棒の例を示す。 不平衡磁石棒の例を示す。 不平衡磁石棒の例を示す。 不平衡磁石棒の例を示す。

Claims (20)

1. 固定され又は中心軸回りに回転可能である中空円筒状のスパッタターゲットと、
   前記スパッタターゲット内で軸回転できる内部磁石アセンブリと、
   を含む、スパッタリングカソード装置。
2. 前記磁石アセンブリは、１以上の半径方向においてスパッタリングを誘導するための複数の磁石棒を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記磁石アセンブリは不平衡である、請求項１に記載の装置。
4. 前記磁石アセンブリは連続回転できる、請求項１に記載の装置。
5. プラズマを前記ターゲット表面上に移動して前記カソードを通過する部品のコーティングを最適化するための、前記内部磁石アセンブリを移動する機構をさらに含む、請求項１に記載の装置。
6. プラズマを前記ターゲット表面上に移動して真空容器内の静止部品のコーティングを最適化するための、前記内部磁石アセンブリを移動する機構をさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記磁石アセンブリは、意図したスパッタ位置に復帰する前に、バーンイン位置に移動させられる、請求項１に記載の装置。
8. ターゲットの腐食を減少するためのオフセットされた磁石棒を前記ターゲットシリンダ端に有する、請求項１に記載の装置。
9. 中空円筒状のスパッタターゲットと、
   前記スパッタターゲット内に実質的に同軸に配列される磁石アセンブリと、
   前記磁石アセンブリと操作可能に結合される回転機構と、を含み、これにより前記磁石アセンブリは前記スパッタリング工程中に回転できる、スパッタリングカソード装置。
10. 前記磁石アセンブリは、前記磁石アセンブリの軸からオフセットした共線の磁石スタックを含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記磁石アセンブリは、前記磁石アセンブリの軸回りに非対称に配列される複数の共線の磁石スタックを含む、請求項９に記載の装置。
12. 前記磁石スタックは、縦軸方向に互いにオフセットし、これにより前記スタック端における磁場を減少させ、前記ターゲットシリンダ端におけるターゲット腐食を低減させる、請求項１１に記載の装置。
13. 前記磁石アセンブリは、前記磁石アセンブリの軸回りに非対称に配置される、複数の共線の磁石スタックを含む、請求項９に記載の装置。
14. 前記磁石スタックは、縦軸方向に互いにオフセットし、これにより前記スタック端における磁場を減少させ、前記ターゲットシリンダ端におけるターゲット腐食を低減させる、請求項１３に記載の装置。
15. 前記回転機構は制御可能な回転機構である、請求項９に記載の装置。
16. 前記回転機構は、
    モータと、
    前記モータと操作可能に結合される歯付ベルトと、を含む、請求項９に記載の装置。
17. ターゲット内部で磁石アセンブリを制御可能に回転するステップと、
    前記ターゲット表面にわたってスパッタ蒸着物を掃引するステップと、
    を含む、スパッタリングの方法。
18. 前記掃引は連続的である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記掃引は、所与の角度の範囲で往復掃引する、請求項１７に記載の方法。
20. さらに、中空円筒状ターゲットを制御回転に回転するステップを含む、請求項１７に記載の方法。

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