JP2011168807A

JP2011168807A - スパッタリング装置

Info

Publication number: JP2011168807A
Application number: JP2010031184A
Authority: JP
Inventors: Susumu Abe; 進阿部
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】ターゲットのバッキングプレートに押圧される水冷カソードの冷却効率と機械的強度を向上させる。
【解決手段】ターゲット１のスパッタされる面の反対側にバッキングプレート２をボンディングし、冷却機能を有する水冷カソード３をバッキングプレート２に押圧して成膜中のターゲット１を冷却する。水冷カソード３の表面に配置された第１の導電性シート４は、グラファイトシートからなり、その上に重ねた第２の導電性シート５は、弾性率の高いＡｌシートからなる。第２の導電性シート５は、バッキングプレート２に押圧される水冷カソード３の押圧面３ａを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットのバッキングプレートを水冷カソードによって冷却する方式のスパッタリング装置に関するものである。

近年、デジタルカメラ等に用いられるレンズ等の光学部品への反射防止膜等の形成には、スパッタリング装置が広く用いられている。デジタルカメラ等に用いられる光学部品は、コストダウンへの要求が極めて高く、そのため反射防止膜の加工に用いられているスパッタリング装置においても、低価格化や稼動率向上等の要求が大きい。

このようなスパッタリング装置への要求に対応するために、ターゲットを直接水冷することなく、水冷されたカソードユニット（水冷カソード）を、ターゲットのバッキングプレートに押圧することにより間接的にターゲットを冷却する方式が知られている。

ターゲットを間接的に冷却する構造の場合は、特に接触面の形状等による冷却効率のばらつきが大きく、大電力を印加すると、ターゲットの冷却が不十分となり、結果としてターゲットを破損するトラブルが発生する。

このような接触面の形状等のばらつきを軽減する方法として、例えば、軟質材料からなる導電性シートをバッキングプレートと水冷カソードの間に設けることにより、ターゲットの冷却を安定させる構成が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開平７−３４２３５号公報特開２０００−１６９１２６号公報

最近のデジタルカメラ等に用いられるレンズは、高画素化や小型化に対応するために低反射率と、光入射角への対応が要求されており、反射防止膜等においても多層膜構成が必要となっている。このような状況下において用いられるスパッタリング装置は、複数のターゲットを有し、真空中で随時ターゲットの切換えを行いながら成膜する。

この場合、バッキングプレートと水冷カソードの接触引離しは頻繁に生じることになるため、ターゲットの冷却を安定させるために設けられる軟質導電性シートは、数千回以上の押付引離しに耐えるだけの機械的強度が要求される。また、複数のターゲットを使用した場合は、水冷カソードに接触するバッキングプレートの形状のばらつきを考慮する必要がある。例えば、ターゲットをバッキングプレートにボンディング加工で貼合せる場合においては、ボンディング時の熱応力の影響により、バッキングプレートの平面度が最大では５０μｍ程度変形することがある。

そのため、ターゲットの冷却を安定させる軟質導電性シートは、これらの形状ばらつきを吸収できるだけの機械的な厚さが必要となる。一般的に知られている軟質導電材としては、グラファイトシートや、Ａｌ、Ａｇ等の軟質金属箔等が多く用いられている。

例えば特許文献１においては、実施例としてグラファイトシートが挙げられているが、グラファイトシートは機械的な強度が弱く、特に厚さが厚くなる程、機械的に脆くなることが知られている。実際に、軟質導電材として２０μｍのグラファイトシートを用いたスパッタリング装置で実験を行った結果、５０回程度の水冷カソードの押付引離しにより、グラファイトシートが破損して使用不可になることを確認した。

また、軟質導電性シートとして金属箔を使用した場合は、グラファイトシートに比較して弾性率が高く、例えば厚さ５０μｍのＡｌシートによる実験を行った結果、充分なターゲットの冷却効果が得られないことを実験により確認した。このように、単一の軟質導電材では、機械的強度と冷却効果を両立させることが難しい。

これらの問題を解決するためには、特許文献２に開示されたように、軟質導電材を複数積層した複合軟質導電材が知られているが、価格が高価であり、特に量産工程において導電性シートは消耗品であることから、コスト面で不利となる。

本発明は、安価な材料の導電性シートを複数用いることで、水冷カソードの機械的強度と冷却効率を向上させることができるスパッタリング装置を提供することを目的とするものである。

本発明のスパッタリング装置は、スパッタされる面の反対側に配置されたバッキングプレートを有するターゲットと、冷却手段によって冷却されるカソードと、前記カソードを前記ターゲットの前記バッキングプレートに押圧する機構と、前記カソードの表面に配置された第１の導電性シートと、前記第１の導電性シートに重ねて配置された、前記第１の導電性シートとは材質の異なる第２の導電性シートと、を有し、前記第２の導電性シートは、前記バッキングプレートに押圧される前記カソードの押圧面を形成することを特徴とする。

材質の異なる２つの導電性シートの組合せにより、機械的強度とターゲット冷却性能の両立を可能とし、しかもターゲット交換等の容易なスパッタリング装置を実現できる。

実施例１によるスパッタリング装置を説明する図である。比較例１〜３によるスパッタリング装置を説明する図である。実施例１及び比較例１〜３の接触熱抵抗評価結果を示すグラフである。

図１は、実施例１によるスパッタリング装置のターゲット周辺の構成を示す。この装置は、ターゲット１のスパッタされる面の反対側にバッキングプレート２をボンディングした構造のターゲットユニットを有する。スパッタプロセス中は、冷却手段によって冷却されるカソードである水冷カソード３を、図示しない機構により、導電性シート４、５を介してバッキングプレート２に押圧する。

スパッタプロセスによってターゲット１に発生した熱は、水冷カソード３の表面に重ねて配置した第１の導電性シート４及び第２の導電性シート５に伝導し、水冷カソード３で冷却される。実際の成膜プロセス実行時には、複数のターゲットユニットを交換しながら多層膜を成膜する。成膜工程中には、ターゲットユニットを交換する度に、水冷カソード３の押圧面３ａを形成する上層の第２の導電性シート５はバッキングプレート２への押付け（押圧）と引離しを繰返す。例えば、成膜プロセスが片面８層の反射防止膜を２面成膜する場合、１回のプロセス中でも上記の押付引離し工程が１６回繰返されることになるために、導電性シート５は機械的には１万回以上の繰返し応力印加に耐える必要がある。

単独材料からなる軟質導電性シートのみでは、機械的強度とターゲットの冷却効率を満足させることが難しいために、材質の異なる２つの導電性シート４、５を組合わせて用いる。例えばグラファイトシートと金属箔のように、一般的に広く入手できる導電性シートの組合わせにより、機械的強度と冷却効率の両立が可能となる。なお、導電性シート４、５は水冷カソード側に設ける。

冷却効率を向上させるための導電性シートの設置箇所としては、水冷カソード側への設置とバッキングプレート側への設置が考えられる。しかしながら、導電性シートをバッキングプレート側に設置した場合、各ターゲット毎に導電性シートを設ける必要があるため、導電性シートの必要枚数が増加し、消耗品のコスト上昇を招くことになる。さらに、ターゲットはスパッタリング装置においては消耗品であり、消耗時にはバッキングプレートとのボンディングを剥した上、新規ターゲット材を再ボンディングする必要がある。

この再ボンディングの過程において、バッキングプレート裏面に設置した導電性シートの汚染や破損を招く危険性があるため、ターゲットの冷却効率を高めるための導電性シートは水冷カソード側に設けることが望ましい。

水冷カソード側（下層）の第１の導電性シート４の弾性率より、上層の第２の導電性シート５の弾性率の方が高くなるように、各シートの材質を選定する。水冷カソード側に設けられる導電性シート４は、機械的な変型に晒される可能性が低いため、機械的強度よりも弾性変形による形状対応性が望まれる。逆に、バッキングプレート２との押圧面３ａを形成する導電性シート５は、複数のバッキングプレート形状に対応すると同時に、機械的強度が要求される。このため、機械的強度が高く、弾性率が水冷カソード側の導電性シート４より大きいことが望ましい。

そこで、下層の導電性シート４をグラファイトシート、上層の導電性シート５を金属箔望ましくはＡｌシート（アルミシート）で構成する。水冷カソード３の表面に配置する導電性シート４に要求される機能としては、熱伝導率が高く、弾性変形率が高いことが必要であり、逆に機械的強度はそれほど重要視されないために、材質としてはグラファイトシートが望ましい。逆に、バッキングプレート２との押圧面３ａを形成する導電性シート５は、機械的強度、特に引張強度とせん断強度が高いことが重要であり、さらに実際の量産においては頻繁に交換する必要があるから、安価で容易に手に入る材質であることが望ましい。そのために、押圧面側の導電性シート５の材質としては、機械的強度より金属シートであることが望ましく、さらに価格や弾性率、熱伝導率等を考慮した場合、Ａｌシートが最も望ましい材質である。

導電性シート５の厚さは、２０μｍ以上１００μｍ未満の範囲とするのが望ましい。導電性シート５は、金属シート、望ましくはＡｌシートであることが望ましいが、シートの厚さが薄くなった場合には機械的に破損する可能性がある。逆に、シートの厚さが厚すぎる場合は機械的変形量が少なくなり、ターゲット１の冷却が維持できなくなる。

これらの事実をふまえて、水冷カソード３をターゲット側に押付けて引離す動作を繰返し、接触熱抵抗によって冷却効率を測定する実験を行い、押圧面側に設けるＡｌシートの最適値を実験により検証した結果を表１に示す。

評価条件は、第１の導電性シートであるグラファイトシートのシート厚２０μｍ、カソード押圧０．２Ｍｐａ、バッキングプレート面精度５０μｍ以下、とした。この条件で、Ｓｉターゲットに８００Ｗ印加することを想定し、接触抵抗熱許容量は、１５Ｅ−４以下とした。

この実験結果より、Ａｌシートの厚さが２０μｍ未満では機械的強度を満足できず、逆に１００μｍを超えた場合はターゲット１の冷却効果が得られないことを確認した。

また、水冷カソード側の第１の導電性シート４の厚さは、２０μｍ以上５０μｍ未満とするのが望ましい。冷却面側の導電性シート４は、多孔質グラファイトシート（ＰＧＳ）であることが望ましいが、一般的にグラファイトシートは厚さの増加に伴い、機械的に脆くなる性質がある。逆にグラファイトシートの厚みが薄すぎる場合には、水冷カソード３やバッキングプレ−ト２の形状のばらつきを吸収できずにターゲット１の冷却効率が得られない。これらの事実をふまえて、Ａｌシートと同様の実験を行い、冷却面側に設ける多孔質グラファイトシート（ＰＧＳ）の厚さの最適値を実験により検証した結果を表２に示す。

評価条件は、第２の導電性シートであるＡｌシートのシート厚５０μｍ、カソード押圧０．２Ｍｐａ、バッキングプレート面精度５０μｍ以下、とした。この条件で、Ｓｉターゲットに８００Ｗ印加することを想定し、接触抵抗熱許容量は、１５Ｅ−４以下とした。

この実験結果より、グラファイトシートの厚さが２０μｍ未満では、バッキングプレート２の形状バラツキ５０μｍを吸収できず、ターゲット冷却効果が不十分である。また、グラファイトシートの厚みが５０μｍを超えた場合は機械的に脆くなり、水冷カソード３への取付け等の作業時にグラファイトシートを破損する危険性があることを確認した。水冷カソード押圧の範囲として、最小０．２ＭＰａの押圧でもターゲット１の冷却を維持できる。

バッキングプレート２に対して水冷カソード３を押付けて冷却を行う構成では、押圧が低すぎた場合はバッキングプレート２と水冷カソード３の接触が不十分となり、冷却効果を満足できない。逆に、水冷カソード３の押圧が高すぎた場合には、ターゲット側に必要以上の応力が印加されることになりターゲット１に機械的歪を生じることになる。このような応力の影響は、特に脆性材料であるＳｉターゲットなどに対して悪影響を及ぼして、連続運転中のターゲット破損の原因となる。

Ｓｉターゲットへの水冷カソード押圧とスパッタリング実施時の繰返し熱応力の影響をシミュレーションした結果、ターゲット応力破壊の緩和には、カソード押圧が０．１５Ｍｐａ以下であることが望ましいことが確認された。これに、大気圧等も考慮した結果、水冷カソード最小押圧が０．２Ｍｐａでも冷却効果を得られる構造を実現することができた。

実施例１では、具体的に次のような構成とした。

ターゲット：φ５インチ×ｔ厚さ７ｍｍ、ターゲット（柱状晶Ｓｉ、Ｎｂ、Ａｌ）
バッキングプレート：φ１２７ｍｍ×ｔ厚さ６ｍｍ、無酸素銅
ボンディング：Ｉｎ−Ａｇボンディング、許容温度１２０℃
水冷カソード：有効径φ１２０ｍｍ、無酸素銅、水冷、押圧０．１５Ｍｐａ
導電性シート（下層）：多孔質グラファイトシート（ＰＧＳ）、シート厚２０μｍ
導電性シート（上層）：Ａｌシート（Ａｌ）、シート厚５０μｍ

〔比較例１〕
導電性シートが１層で、ＰＧＳである場合を図２（ａ）に比較例１として示す。

ターゲット：φ５インチ×ｔ厚さ７ｍｍ、ターゲット（柱状晶Ｓｉ、Ｎｂ、Ａｌ）
バッキングプレート：φ１２７ｍｍ×ｔ厚さ６ｍｍ、無酸素銅
ボンディング：Ｉｎ−Ａｇボンディング、許容温度１２０℃
水冷カソード：有効径φ１２０ｍｍ、無酸素銅、水冷、押圧０．１５Ｍｐａ
導電性シート：多孔質グラファイトシート（ＰＧＳ）、シート厚２０μｍｍ

〔比較例２〕
導電性シートが１層で、Ａｌシートである場合を図２（ｂ）に比較例２として示す。

ターゲット：φ５インチ×ｔ厚さ７ｍｍ、ターゲット（柱状晶Ｓｉ、Ｎｂ、Ａｌ）
バッキングプレート：φ１２７ｍｍ×ｔ厚さ６ｍｍ、無酸素銅
ボンディング：Ｉｎ−Ａｇボンディング、許容温度１２０℃
水冷カソード：有効径φ１２０ｍｍ、無酸素銅、水冷、押圧０．１５Ｍｐａ
導電性シート：Ａｌシート（Ａｌ）、シート厚５０μｍｍ

〔比較例３〕
導電性シートを有しない場合を図２（ｃ）に比較例３として示す。

ターゲット：φ５インチ×ｔ厚さ７ｍｍ、ターゲット（柱状晶Ｓｉ、Ｎｂ、Ａｌ）
バッキングプレート：φ１２７ｍｍ×ｔ厚さ６ｍｍ、無酸素銅
ボンディング：Ｉｎ−Ａｇボンディング、許容温度１２０℃
水冷カソード：有効径φ１２０ｍｍ、無酸素銅、水冷、押圧０．１５Ｍｐａ
実施例１、比較例１〜３について冷却効果を評価するため、接触熱抵抗を測定した結果を図３に、また実際の運用を想定した繰返し加重の印加を含む運用評価の結果を表３に示す。

評価条件は、バッキングプレート面精度５０μｍ以下で、Ｓｉターゲットに８００Ｗ印加することを想定し、接触抵抗熱許容量は、１５Ｅ−４以下とした。

この結果、実施例１はターゲットの冷却性能、機械的強度を満足することが確認された。

１ターゲット
２バッキングプレート
３水冷カソード
３ａ押圧面
４第１の導電性シート
５第２の導電性シート

Claims

スパッタされる面の反対側に配置されたバッキングプレートを有するターゲットと、
冷却手段によって冷却されるカソードと、
前記カソードを前記ターゲットの前記バッキングプレートに押圧する機構と、
前記カソードの表面に配置された第１の導電性シートと、
前記第１の導電性シートに重ねて配置された、前記第１の導電性シートとは材質の異なる第２の導電性シートと、を有し、
前記第２の導電性シートは、前記バッキングプレートに押圧される前記カソードの押圧面を形成することを特徴とするスパッタリング装置。
前記第１の導電性シートの弾性率より前記第２の導電性シートの弾性率が高いことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
前記第２の導電性シートが金属箔であり、前記第１の導電性シートがグラファイトシートであることを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
前記金属箔の厚さが２０μｍ以上１００μｍ未満であり、前記グラファイトシートの厚さが２０μｍ以上５０μｍ未満であることを特徴とする請求項３に記載のスパッタリング装置。