JP2016523315A - 冷却プレートを有する、間接冷却装置に適合するターゲット - Google Patents

Abstract

本発明は、冷却ダクトを有する部品と、前記部品の冷却サイドに取り外し可能に締結された別な熱伝導プレートとを有し、前記冷却サイドは、冷却ダクトがその冷却作用を及ぼすサイドである、ターゲット用冷却装置であって、前記別な熱伝導プレートと前記部品の冷却サイドとの間に、第１粘着性炭素膜が設けられ、該第１粘着性炭素膜は、前記冷却サイドに面する前記別な熱伝導プレートの一方のサイドに広範囲かつ粘着質に接着する、ことを特徴とするターゲット用冷却装置に関する。【選択図】図８

Description

本発明は、その表面がＰＶＤプロセスにおいて、特に真空条件下で材料源として使用されるターゲットに関する。本発明は特に、スパッタリング（すなわち、ドイツ語で「Zerstaeuben」と呼ばれるＰＶＤプロセス）に使用されるこの種のターゲットに関する。使用に際して、この種のターゲットは通常、ターゲットを冷却するための手段が設置された源ホルダーによって保持される。本発明は特にこのようなターゲットを含むコーティング源に関する。

スパッタリングでは、ターゲットの表面は真空条件下でイオンにより衝撃を与えられる。衝撃は、この目的のために設けられた、ターゲット表面の視野に配置された基板に析出される物質をターゲット表面から取り除く（吹き飛ばす）。このために必要とされるイオンは、ターゲット表面上に形成されるプラズマによって与えられる。負の電圧をターゲットに適用することで、イオンはそこに向かって加速される。より多くのイオンが単位時間当たり流れると、より高いコーティング率が達成される。より高い電圧がターゲットに適用されると、ターゲット表面に対するイオンの衝撃速度がより高くなり、ターゲットから取り除かれるスパッタされる物質のエネルギーはより高くなる。ゆえに、より高いパワー入力が望ましい。スパッタされる物質の電離度（イオン化の程度）とパワー密度の依存性は既に知られている。これらの効果はＨＩＰＩＭＳプロセスで使用される。

このようなスパッタリングターゲットに適用される中間パワー密度は一般的に、５Ｗ／ｃｍ^２〜３０Ｗ／ｃｍ^２の範囲である。

しかしながら、スパッタリングは、少ないエネルギー効率のＰＶＤコーティング法である。これは、ターゲットに与えられるエネルギーの大部分が熱に変換され、ターゲットが加熱することを意味する。この熱は冷却プロセスにより除去されねばならない。従来技術にはこれを実現するための様々なアプローチがある。これを以下に簡単に略述する。

ａ）直接冷却されるターゲット
図１に概略的に示すように、直接冷却されるターゲット１によって、ターゲット表面３において熱に変換されたパワーは、熱伝導によりターゲット物質内をターゲット裏面７に伝達される。水ダクト９内を流れる冷却液１１は、その熱容量と流れ条件に従って熱の流れを運び去る。ターゲット裏面７と冷却液１１の間には非常に良好な熱接触がある。しかしながら、この場合、ねじ１３によってターゲットを基体１５に固着する必要がある。加えて、冷却液１１（例えば、水）から真空に密閉するシール１７が設けられねばならない。供給ライン６もまた図１に概略で描かれている。他には、図は概略的な描写である。例えば冷却液の真空製造、分離、供給及び除去のための他の部品が当業者には既知であり、ゆえにここでは示さない。

この直接冷却されるターゲットはその非常に良好な冷却性能のために実際に魅力的であるが、冷媒−真空シールの存在とターゲットを変えるときの水−ターゲット結合の必要な破壊のために著しい不都合を有する。従って、例えば冷却液の漏れが生じる危険がある。この危険性は、ターゲット物質の頻繁な変更が必要とされるときに特に高くなる。

ｂ）間接冷却されるターゲット
図２に示すように、間接冷却されるターゲットによって、ターゲット２０１の裏面２０３は源ホルダー２０５に（例えばねじやクランプにより）締結され、本質的に閉鎖された冷却プレート２０７は源ホルダー２０５に一体化される。例えば、冷却プレート２０７は、移動する液が熱を運び去る、冷媒が流れる冷却ダクト２０９を有する。

この場合、冷却液ダクトは、硬い固定カバーにより境界を定められる。冷却と電気接触のために、ターゲットは、例えば周囲を又は場合によりターゲットの中央でねじによりこのカバーに締結される。この方法は、とりわけ、２つの問題を生じる。

熱伝達は、ターゲット裏面の表面と冷却プレートの表面を介して創出される。特定の手段なしに、これら２つの表面は、理想的な滑らかな接触ペアから急激に偏向する境界面を構成する。この状況は図３に示されている。この場合の熱伝達は急激に減少し、圧力依存になる。しかし、接触圧力は例えば締結ねじにより与えられるだけであり、言い換えれば熱伝達は局所的に改善されるだけである。

この状況は２つの表面の間に接触膜を設けることで改善できる。この膜は例えば、インジウム、錫又はグラファイトから作られる。それらの展性のために、これら膜はターゲット裏面と冷却プレートの表面の間の凸凹を補償することができる。さらに、接触圧力はその領域にわたってより一様に加わることになる。

この方法の不都合は、特に垂直に設置されたターゲットにおいて接触膜を設けることが不便で、難しい点である。これは特に、ターゲット物質を頻繁に変更する必要があるときに関連する。グラファイト膜の場合、横の熱伝導率は実際に良好であるが、縦方向（transverse）の熱伝導率は小さい。ゆえに、膜の縦方向の熱伝導率が冷却プロセスを妨げないように、グラファイト膜は一方で薄くなければならない。他方で、取り付けの際の膜への損傷を防ぐために、或る膜厚みが必要である。この理由のために、０．５ｍｍ程度の厚みのグラファイト膜が使用される。

従って、従来技術から公知の装置と比べて、特にターゲット物質の変更を改善する、ターゲット用の改良された冷却装置の必要性がある。

本発明は、先に概要を述べた間接冷却装置の改良に基づく。本発明によれば、この課題は、粘着性炭素膜（接着剤付き炭素膜）がターゲット本体の裏面に取り付けられ、ターゲット本体にしっかり結合されることにより解決される。ターゲット本体が設置される前に、当該膜は、ターゲット本体の裏面との間隙無しに一様に接着される。これにより、ターゲット本体の裏面と炭素膜との間で非常に良好な熱接触が保証される。そのとき、ターゲット本体は源ホルダーに容易に設置できる。それゆえ、ターゲットに取り付けられた炭素膜は、冷却プレートの表面とターゲット本体の裏面との接触膜の機能を果たす。

この粘着性炭素膜の使用は真空技術の分野では習慣的ではない。粘着性炭素膜を製造するのに使用される接着剤は真空条件下でかなりのガス放出（outgasing）を受け、従って真空にマイナスの効果を与えるため、また対応する揮発性成分が真空下で処理すべき基板の汚染を生じるため、このような物質は使用されない。

対照的に、本発明者等は大変驚くべきことに、前述したように使用される粘着性膜がいかなる知覚可能な態様でも先に記述した不都合を受けないことを発見した。このための説明は、ターゲット面の裏面との密着と、炭素膜によるメンブランとの接触とにより、接着剤のガス放出が徹底的に遅くなり、従って関係が無くなるという事実にあろう。

本発明を、図面に則して、また様々な例示の実施形態に関連して詳細に説明する。

直接冷却を用いた従来のコーティング源を示す図である。 間接冷却を用いた従来のコーティング源を示す図である。 図２に係る冷却を用いたコーティング源における制限された熱接触を示す図である。 取り付けられた粘着性炭素膜を有する本発明に係るターゲットの実施形態を通る断面図である。 第１実施形態の間接冷却によるコーティング源に一体化された、本発明に係るターゲットを示す図である。 第２実施形態のコーティング源に一体化された、本発明に係るターゲットを示す図である。 差し込みプロフィールを有するターゲットを示す図である。 別な実施形態の対応する設計を概略的に描く図である。

図４ａは、ターゲット４０１を対応的に示し、そのターゲット裏面４０３はそこに設けられた炭素膜（カーボンフィルム）４０７を有する。炭素膜は一方の面が粘着性であって、０．１ｍｍから０．５ｍｍ未満の厚みを有する。好ましくは、この実施例で選択されている炭素膜の厚みは０．１２５ｍｍである。実施例では、製造識別番号ＫＵ−ＣＢ１２０５−ＡＶのＫｕｎｚｅ社製の接触膜（コンタクトフィルム）が使用された。

図４は、ターゲット裏面と粘着性炭素膜の間の境界面のより拡大した詳細図である。ここで、炭素膜は、炭素膜を粘着性膜に変質させる粘着膜（粘着フィルム）４０９と、炭素膜（炭素フィルム）４１１を含む。

図４に従うターゲットは、図５に示すように、間接冷却を用いたコーティング源に容易に一体化できる。粘着性炭素膜５０７を備えたターゲット５０１は、ねじ５１３によって源ホルダー５０５の前面に締結されている。冷却ダクト５０９を有する冷却プレートが源ホルダーに一体化しており、炭素膜５０７は冷却プレートの裏面５０３に対して押圧され、冷却プレートとの良好な熱接触を創出している。本発明によれば、炭素膜がターゲット裏面に接着するという事実のため、ターゲットがコーティング室において垂直に設置されていてもターゲットを変えることは非常に容易である。

間接冷却の改良された変形例は、図６に示すように移動メンブランを用いた間接冷却である。その設計は図に示されたものと似ており、粘着性炭素膜６０７を有するターゲット６０１、源ホルダー６０５及び冷却ダクト６０９を有する。しかし、この好ましい実施形態では、冷却ダクト６０９を炭素膜６０７から分離する冷却プレートの壁は、可撓性メンブラン６０３として具体化されている。冷媒は例えば水である。ターゲットの変更においては、水シール（ウォーターシール）を除去する必要はない。ターゲット６０１が適切な手段（例えばクランプ６１３やねじによって）源ホルダー６０５に締結された場合、次に冷却ダクト６０９内に広がる静水圧が、メンブラン６０３をターゲット裏面に対して、従って粘着性炭素膜６０７に対して一様に押圧し、良好な広範囲の熱接触が創出される。

この場合、粘着性炭素膜が重要な役割を果たすという事実が以下の表１から見事に実証されている。表１は、様々なスパッタリングパワーと２つの異なる材料組成に対して粘着性炭素膜を有する又は有しない場合のターゲット温度を比較している。

表１の測定番号１にあるように、本発明に係る粘着性炭素膜を有しないターゲットは、機械的理由のために２．５ｋＷのスパッタリングパワーまで安全に操作できる。本発明に係る粘着性炭素膜を有するターゲットを用いることで、パワー適合性が２倍以上になる。

様々なターゲット物質、即ち他のＡｌＴｉ又はＡｌＣｒ比を有するもの及び純粋なアルミニウム、チタン及び／又はクロムターゲットを有するものは同様の品質イメージをもたらす。６ｍｍ〜１８ｍｍのターゲット厚みが使用されるとき、本発明は特に良好な効果を実証する。好ましくは、ターゲット厚みは６ｍｍ〜１２ｍｍである。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、ターゲット７０１が、ターゲット裏面７０３に粘着性炭素膜７０５と図７に従う差し込みプロフィール（bayonet profile）７０７を有するターゲットの形態で具体化される。この実施形態に係る好ましいコーティング源は、メンブランと差し込みアタッチメント用の片割れ要素とを有する、図６に示す間接冷却を有する。これにより、高くて均一な接触圧力の創出が可能となる。この好ましい実施形態は、粉末冶金ターゲットに関連して特に有利である、というのもこれらターゲットは１５０℃の温度以上で機械的に弱まり、熱膨張が増大するからである。この熱応力は、ターゲット温度と、差し込みアタッチメントによりもたらされる機械的間隙とを減少させることで、著しく低減される。クロムターゲットに対して、例えば１００Ｗ／ｃｍ^２までのパワー密度（出力密度）が可能である。

気相からの析出プロセスのために使用される材料源として具体化され、前面及び裏面を有するターゲットであって、粘着性炭素膜が裏面に接着されることを特徴とするターゲットが開示される。

ターゲットは、スパッタリングプロセス及び／又はアーク蒸発放電のための材料源として具体化されてもよい。粘着性炭素膜は例えば０．１２５ｍｍ〜０．５ｍｍの厚み、好ましくは０．１２５ｍｍの厚みを有する。

前述したタイプのターゲットを有し、源ホルダー上に位置決めされるコーティング源であって、冷却ダクトを用いた間接冷却が一体化したコーティング源が開示される。

コーティング源には、好ましくは、冷却ダクトを粘着性炭素膜から分離する壁が可撓性メンブランの形態で具体化され、壁により粘着性炭素膜はメンブランと広範囲に接触する。

コーティング源のターゲットの周囲は好ましくは、差し込みアタッチメントの形態の源ホルダーと協働するように具体化され、よってより高くより均一な接触圧力が創出される。

間接冷却されるコーティング源では、冷却ダクトをターゲットの裏面から分離する壁に粘着性炭素膜を接着することも可能である。これは、当該壁がメンブランとして具体化されても可能である。しかしながらこれは、膜が損傷した場合に、膜が源ホルダーから除去され（これは労働集約的である）、次いで交換されねばならないという不都合を有する。粘着性炭素膜が十分薄い場合、ターゲット裏面と、冷却ダクトをターゲットの裏面から分離する壁との両方に、粘着性炭素膜を取り付けることも可能である。

本発明の別な実施形態によれば、高熱伝導率を有する別なプレートが、ターゲットと、熱を運び去るための冷却ダクトを有する部品の間に設けられる。このプレートは例えばモリブデンプレートや銅プレートである。前記別なプレートは、冷却ダクトを含む部品に取り外し可能に接触してもよい。再び、非常に良好な広範囲の熱接触が得られることが重要である。本発明によれば、前記別なプレートが設けられるサイドには、粘着性炭素膜が設けられる。この場合、前述したように、粘着性炭素膜がターゲット裏面に設けられることも重要である。好ましくは、このようにして具体化されたプレートは、両サイドに粘着性炭素膜を具備している。これにより、ターゲットサイドでの良好な広範囲の熱接触と、冷却ダクトを含む部品との良好な熱接触の両方が得られる。従って、このようにして具体化された前記別なプレートは、両サイドを粘着性炭素膜で覆われる。この別なプレートは、それが十分な安定性を有する十分な厚みになるように容易に選択でき、そのためターゲットを変更する際に必要な操作・取り扱いによって何ら問題が生じない。この実施形態は、冷却ダクト部品やターゲットのような高価な部品がそれらに接着される膜を有する必要が無いという利点を有する。少なくとも銅が別なプレートのために使用される場合、これは非常に安価な変形例である。２つの粘着性炭素膜のうちの１つが損傷した場合でも、この別なプレートの交換は費用がかからない。

図８は、この実施形態の対応する設計を概略的に描いている。図面は、熱が最終的に運び去られる冷却ダクト８０７を有する部品８０５を示す。それに載置されているのは、別な熱伝導プレート８０３であり、その一方のサイドは第１粘着性炭素膜８１１を具備し、他方のサイドはターゲット８０１が配置される第２粘着性炭素膜８０９を具備している。

４０１ ターゲット
４０３ ターゲット裏面
４０７ 炭素膜（カーボンフィルム）
４０９ 粘着膜（粘着フィルム）
４１１ 炭素膜（炭素フィルム）

Claims (9)

1. 冷却ダクトを有する部品と、前記部品の冷却サイドに取り外し可能に締結された別な熱伝導プレートとを有し、
   前記冷却サイドは、前記冷却ダクトがその冷却作用を及ぼすサイドである、ターゲット用冷却装置であって、
   前記別な熱伝導プレートと前記部品の冷却サイドとの間に、第１粘着性炭素膜が設けられ、該第１粘着性炭素膜は、前記冷却サイドに面する前記別な熱伝導プレートの一方のサイドに広範囲かつ粘着質に接着されている、ことを特徴とするターゲット用冷却装置。
2. 前記別な熱伝導プレートの他方のサイドに、広範囲で粘着質に接着する第２粘着性炭素膜が設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載のターゲット用冷却装置。
3. 前記別な熱伝導プレートがモリブデン及び／又は銅を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記粘着性炭素膜に簡単な操作に対して十分な安定性を与えるように、前記別な熱伝導プレートが十分な厚みになるように選択される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記別な熱伝導プレートが少なくとも３ｍｍ、好ましくは５ｍｍ、特に好ましくは少なくとも１ｃｍの厚みを有する、ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却装置を有するターゲットであって、
   スパッタリングプロセス及び／又はアーク蒸発放電のための材料源として具体化される、ことを特徴とするターゲット。
7. 前記粘着性炭素膜は０．１２５ｍｍから０．５ｍｍ未満の厚み、好ましくは０．１２５ｍｍの厚みを有する、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置を有するターゲットを有するコーティング源。
9. 前記ターゲットの周囲は、高くて均一な接触圧力を創出する差し込みアタッチメントの形態の源ホルダーと協働する、ことを特徴とする請求項８に記載のコーティング源。

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