JP2023018812A - スパッタリング装置用の回転式カソードユニット - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒循環通路をその全体に亘って確実に冷媒が循環していることを判断できる構造を持つスパッタリング装置用の回転式カソードユニットを提供する。【解決手段】真空雰囲気中に配置される筒状のターゲットＴｇと、ターゲットを回転駆動する駆動ブロックＤｂと、ターゲットを回転自在に支持する支持ブロックＳｂとを備えるスパッタリング装置用の回転式カソードユニットは、駆動ブロックと支持ブロックのいずれか一方から筒状のターゲットの径方向内側を通って駆動ブロックと支持ブロックのいずれか他方に達する第１通路Ｆｐ１と、駆動ブロックと支持ブロックのいずれか他方から第１通路の更に径方向内側を通って駆動ブロックと支持ブロックのいずれか一方に達する第２通路Ｆｐ２とを有する冷媒循環通路を備え、第１通路の終端Ｆｐ１ｅから第２通路の始端Ｆｐ２ｓに向かって流れる冷媒を検知する検知手段Ｗｓを設けたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、真空雰囲気中に配置される筒状のターゲットと、ターゲットを回転駆動する駆動ブロックと、ターゲットを回転自在に支持する支持ブロックとを備えるスパッタリング装置用の回転式カソードユニットに関する。

この種の回転式カソードユニットは、例えば特許文献１で知られている。このような回転式カソードユニットを真空チャンバ内に配置し、プラズマ雰囲気中にてターゲットに電力投入してスパッタリングする場合、投入電力の大部分が熱に変わってターゲットが高温となる。このため、ターゲットが融解し、または、割れないように、通常は、駆動ブロックから、筒状のターゲットの内面に接するようにターゲットの径方向内側を通って支持ブロックに達する第１通路と、支持ブロックから、第１通路（往路）の更に径方向内側を通って駆動ブロックに達する第２通路（復路）とを有する冷媒循環通路が設けられている。スパッタリング中には、例えば、真空チャンバ外に設けられる冷却器を持つ冷媒循環装置によって冷媒循環通路に冷媒（冷却水）を循環させてターゲットが間接的に除熱される構造としている。通常は、冷媒循環装置に備えられるフローメータにより冷媒の流量や温度が管理される。

ところで、ターゲット自体は所謂消耗品である。このため、この種の回転式カソードユニットでは、駆動ブロックや支持ブロックからターゲットが着脱自在に構成され、このとき、冷媒循環通路の水密性を確保するため、ターゲットの着脱箇所には冷媒用のシール部材を配置することが一般である。ここで、回転式カソードユニット内の冷媒循環通路の構造によっては、シール部材が経年劣化し、または、ターゲット交換後の再組付時にシール部材を付け忘れると、往路と復路とが途中でバイパスされて冷媒が流れることがある。特に、筒状のターゲットがその軸方向を鉛直方向に一致させた起立姿勢で配置される縦型のスパッタリング装置の場合、往路と復路とがバイパスされると、重力によりターゲットの軸方向上端側まで冷媒が行き渡らず、局所的なターゲットの冷却不足を招き易い。このような場合、上記のように冷媒の流量や温度だけを管理していると、ターゲットが十分に冷却されず、結局、ターゲットの融解や割れを招くという問題がある。

国際公開第２０１６／１８５７１４号

本発明は、以上の点に鑑み、冷媒循環通路をその全体に亘って確実に冷媒が循環していることを判断できる構造を持つスパッタリング装置用の回転式カソードユニットを提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、真空雰囲気中に配置される筒状のターゲットと、ターゲットを回転駆動する駆動ブロックと、ターゲットを回転自在に支持する支持ブロックとを備える本発明のスパッタリング装置用の回転式カソードユニットは、駆動ブロックと支持ブロックのいずれか一方から筒状のターゲットの径方向内側を通って駆動ブロックと支持ブロックのいずれか他方に達する第１通路と、駆動ブロックと支持ブロックのいずれか他方から第１通路の更に径方向内側を通って駆動ブロックと支持ブロックのいずれか一方に達する第２通路とを有する冷媒循環通路を備え、第１通路の終端から第２通路の始端に向かって流れる冷媒を検知する検知手段を設けたことを特徴とする。この場合、前記駆動ブロックと前記支持ブロックのいずれか一方に供給する冷媒の流量を検知する流量検知手段を更に備える構成を採用することができる。

以上によれば、プラズマ雰囲気中にてターゲットに電力投入してスパッタリングする間、例えば、冷媒循環装置によって駆動ブロックを介して第１通路の始端に冷却水などの冷媒が供給され、第１通路を流れる。この第１通路を流れた冷媒が第１通路の終端を経て支持ブロックに達する。つまり、ターゲットの軸方向一端からその他端に亘って筒状のターゲットの内面に接するように冷媒が流通する。支持ブロックに達した冷媒は、支持ブロックに形成される折返連通路などを介して、第２通路の始端へと供給され、第２通路を流れる。この第２通路を流れた冷媒が第２通路の終端を経て駆動ブロックを介して冷媒循環装置へと戻る。このとき、ターゲット内側に冷媒循環通路を形成するために適宜設けた冷媒用のシール部材が経年劣化により、または、シール部材の付け忘れにより、第１通路（往復）と第２通路（復路）とが途中でバイパスされたような場合には、検知手段がもはや冷媒を検知しないことで、ターゲットの軸方向一端からその他端に亘って筒状のターゲットの内面に接するように冷媒が流通していないことが判る。これにより、流量検知手段を設けたことと相俟って、冷媒循環通路をその全体に亘って確実に冷媒が循環していることを判断できる。

本発明のスパッタリング装置用の回転式カソードユニットをスパッタリング装置に取り付けた状態を説明する部分断面図。 本発明のスパッタリング装置用の回転式カソードユニットの駆動ブロック及び支持ブロックの構成を説明する部分断面図。

以下、図面を参照して、被処理基板を矩形のガラス基板（以下、「基板Ｓ」という）とし、基板Ｓの一方の面に所定の薄膜を成膜するためのスパッタリング装置に、本発明の回転式カソードユニットを適用した場合を例にその実施形態を説明する。

図１を参照して、Ｓｍは、縦型のスパッタリング装置であり、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、特に図示して説明しないが、アルゴンなどの希ガスや、反応性スパッタリング法により成膜する際の酸素ガスなど反応ガスといったスパッタガスの導入を可能とするガス導入手段と、真空チャンバ１内を所定の実行排気速度で真空排気する真空ポンプと、基板Ｓを起立姿勢で図１の紙面に直交する方向に搬送する搬送手段とが設けられている。そして、本実施形態の回転式カソードユニットＲＣが真空チャンバ１の側壁１ａ，１ｂに、後述の筒状のターゲットの軸方向を鉛直方向に一致させた起立姿勢で配置される。以下においては、鉛直方向をＺ軸方向とし、「上」、「下」等の方向を示す用語は図１を基準とする。

図２も参照して、回転式カソードユニットＲＣは、真空チャンバ１内に起立姿勢で搬送されてくる基板Ｓに対向配置される円筒状のターゲットＴｇを備える。ターゲットＴｇは、円筒状のバッキングチューブ２１と、バッキングチューブ２１の外筒面にインジウムやスズなどのボンディング材（図示せず）を介して接合される円筒状のターゲット材２２とを有する。ターゲット材２２としては、基板Ｓに成膜しようとする膜の組成に応じて金属や金属化合物の中から適宜選択されたものが用いられる。バッキングチューブ２１の下端には、クランプＣｐ１を介してターゲットＴｇを回転駆動する駆動ブロックＤｂが連結されると共に、バッキングチューブ２１の上端には、クランプＣｐ２を介してターゲットＴｇを回転自在に支持する支持ブロックＳｂが連結される。なお、上記連結に利用されるクランプＣｐ１，Ｃｐ２としては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

また、バッキングチューブ２１には、真空チャンバ１内と隔絶された空間を画成する内管としての磁石ケース３がターゲットＴｇの略全長に亘って内挿されている。磁石ケース３内には、ターゲット材２２の外表面に漏洩磁場を作用させる磁場発生手段（図示省略）が設けられる。磁場発生手段としては、磁石ユニット等の公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

磁石ケース３内には、その略全長に亘ってのびる冷媒通路３１が形成される。冷媒通路３１は、磁石ケース３のＺ軸方向上端で、磁石ケース３の外周面とバッキングチューブ２１の内周面との間の隙間３２に連通されて、冷媒循環通路Ｆｐが形成される。本実施形態の冷媒循環通路Ｆｐは、ターゲットＴｇの径方向内側を通る隙間３２が第１通路Ｆｐ１を構成し、第１通路Ｆｐ１の更に径方向内側を通る冷媒通路３１が第２通路Ｆｐ２を構成し、磁石ケース３のＺ軸方向上端と支持ブロックＳｂの下端との間の隙間３３が折返連通路Ｆｐ３を構成する。

駆動ブロックＤｂは、互いに同心状に配置される、中空管４と、中空管４に外挿される第１内筒体５と、第１内筒体５に外挿される第２内筒体６と、外筒体７とを備える。中空管４は、磁石ケース３のＺ軸方向下端からＺ軸方向下方に向けてストレート状にのびるように形成される。中空管４の下端部には、歯車機構４１を介してサーボモータ４２が設けられ、中空管４、ひいては、磁石ケース３内の磁場発生手段（図示省略）がＺ軸線周りに所定の回転角の範囲（例えば、±数十度以下の範囲）で回転される。

第１内筒体５は、そのＺ軸方向下端側に肉厚部５１を有する。肉厚部５１と中空管４との間には軸受Ｂｒ１が設けられ、軸受Ｂｒ１よりＺ軸方向上側には冷媒用のシールＳｗ１が設けられている。冷媒用のシールＳｗ１のＺ軸方向上側に位置する中空管４と第１内筒体５との隙間５２が、冷媒循環通路Ｆｐの第２通路Ｆｐ２に連通される。また、第１内筒体５のＺ軸方向上端は、磁石ケース３のＺ軸方下端に樹脂製のリングＳｗ２を介して外嵌されている。この樹脂製のリングＳｗ２は、軸受の機能を有すると共に、冷却水をシールする機能を有する。

第２内筒体６は、そのＺ軸方向下端側に、Ｚ軸方向に対して直交する方向にのびるフランジ壁部６１を有し、第１内筒体５と第２内筒体６との隙間６３が、冷媒循環通路Ｆｐの第１通路Ｆｐ１に連通される。そして、第２内筒体６は、真空チャンバ１の下方隔壁１ａに形成した取付孔Ｉｈ１に、取付部品Ａｐ１を介して取り付けられる。この場合、取付部品Ａｐ１は、一端にフランジ部Ａｐ１１を設けた筒状部材で構成され、フランジ部Ａｐ１１のＺ軸方向上下の面には、Ｏリングなどの真空用のシールＳｖ１が夫々取り付けられ、両シールＳｖ１が下方隔壁１ａの外面と第２内筒体６のＺ軸方向の端面とに圧接して気密保持するようになっている。

外筒体７は、第２内筒体６のＺ軸方向にのびるストレート部６２に外嵌される軸受Ｂｒ２を介して設けられ、軸受Ｂｒ２より磁石ケース３側に位置するストレート部６２と外筒部７との間には冷媒用のシールＳｗ３が設けられている。また、バッキングチューブ２１のＺ軸方向一端には小径の取付段差部２１ａが設けられ、取付段差部２１ａに外筒体７のＺ軸方向上端がＯリングなどの真空用のシールＳｖ２を介して外嵌され、この状態でクランプＣｐ１により外筒体７とバッキングチューブ２１とが連結されている。

外筒体７の外周面と取付部品Ａｐ１の内周面との間には、外筒体７の回転を許容しながら外筒体７の内側空間を気密保持する、オイルシール、ダブルリップシールまたは磁性流体シールで構成される真空用のシールＳｖ３が設けられている。

外筒体７の外筒面には、下方隔壁１ａの大気側に位置させて歯７１が設けられ、これに噛み合う歯車８１が配置されている。歯車８１には、モータ８２の駆動軸８２ａが連結され、モータ８２より歯車８１を所定回転数で回転させて外筒体７を回転駆動することで、ターゲットＴｇのスパッタリング時、これに連結されたターゲットＴｇを所定の回転数で回転できるようになっている。また、外筒体７には、図外のスパッタ電源からの出力ケーブル（図示省略）が接続され、ターゲット材２２に、例えば負の電位を持った所定電力を投入できるようになっている。

支持ブロックＳｂは、真空チャンバ１の側壁１ｂにブラケットＢｔを介して取り付けられている。支持ブロックＳｂには軸受Ｂｒ３が設けられるとともに、軸受Ｂｒ３の径方向内側に、電気的絶縁性を有する樹脂製のブッシュＢｓ１が内設される。支持部材９の先端部９ａが軸受Ｂｒ３に回転自在に軸支され、支持ブロックＳｂと支持部材９とがブッシュＢｓ１により電気的に絶縁される。支持部材９は、クランプＣｐ２を介してバッキングチューブ２１に固定され、支持部材９の外周面とバッキングチューブ２１との内周面との間には、ＯリングＳｗ４が介設される。また、支持部材９には、樹脂や金属製のブッシュＢｓ２が設けられ、ブッシュＢｓ２により磁石ケース３の被動軸３ａが支承され、バッキングチューブ２１のＺ軸方向上端が回転自在に支持部材９に支持される。なお、本実施形態では、支持部材９の先端部９ａが軸受Ｂｒ３に支承されるものを例に説明するが、軸受Ｂｒ３を省略してブッシュＢｓ１が先端部９ａを支承する構成としてもよい。また、本実施形態では、磁石ケース３の被動軸３ａがブッシュＢｓ２に支承されるものを例に説明するが、ブッシュＢｓ２の代わりにベアリングと冷媒用シール部材とを用いて被動軸３ａを支承する構成としてもよい。

また、駆動ブロックＤｂの大気雰囲気に位置するフランジ壁部６１と肉厚部５１との間の空間には、Ｚ軸方向にのびる軸部を持つ２個の継手部１０ａ，１０ｂが設けられる。各継手部１０ａ，１０ｂには、冷媒循環装置としてのチラーユニットＣｈから給水管１１ａと排水管１１ｂとが夫々接続される。そして、チラーユニットＣｈの給水管１１ａから供給される冷却水（冷媒）は、駆動ブロックＤｂの継手部１０ａ、隙間６３、第１通路Ｆｐ１（隙間３２）を通って、折返連通路Ｆｐ３（隙間３３）に達する。そして、折返連通路Ｆｐ３（即ち、支持ブロックＳｂの下端）に達した冷却水は、第２通路Ｆｐ２（冷媒通路３１）、駆動ブロックのＤｂの隙間５２、継手部１０ｂを介して排水管１１ｂから排水される。このように、冷媒循環通路Ｆｐ内を所定温度の冷却水を循環させることで、ターゲットＴｇのスパッタリング時、ターゲット材２２を冷却することができる。なお、継手部１０ａ，１０ｂやチラーユニットＣｈは、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

また、第１通路Ｆｐ１の終端Ｆｐ１ｅから第２通路Ｆｐ２の始端Ｆｐ２ｓに向けて冷却水が流れる折返連通路Ｆｐ３には、冷却水の有無を検知する検知手段Ｗｓが設けられている。検知手段Ｗｓは、筒体内に一対の電極を内蔵したセンサヘッドＷｓ１と、磁石ケース３内の空間に配置される制御回路Ｗｓ２とを備える。センサヘッドＷｓ１は、一対の電極が存するセンサヘッドＷｓ１の先端部分が折返連通路Ｆｐ３内に突出するように磁石ケース３に配置され、制御回路Ｗｓ２から一対の電極間に電圧を印加したとき、折返連通路Ｆｐ３内の冷却水が電極間に接触し導通することで冷却水の有無を検知する。また、センサヘッドＷｓ１の外周面と磁石ケース３との間には、冷媒用シールとしてのＯリングＳｗ５が設けられている。検知手段Ｗｓとしては、これに限定されるものではなく、フロートスイッチ式のものや光学式のものを利用することもできる。一方、真空チャンバ１外に位置する、給水管１１ａ及び排水管１１ｂの部分には、冷却水の流量を検知する流量検知手段Ｗｍ１，Ｗｍ２が設けられる。流量検知手段としては、公知のフローメータを利用することができる。なお、冷媒循環通路Ｆｐ内を循環する冷却水の流量を検知できるものであれば、これに限定されず、チラーユニットＣｈに備えられているフローメータを利用することもできる。なお、検知手段Ｗｓ及び流量検知手段Ｗｍ１，Ｗｍ２は、特に図示して説明しないが、スパッタリング装置Ｓｍの作動を統括制御する制御ユニットに通信自在に接続され、検知手段Ｗｓ及び流量検知手段Ｗｍ１，Ｗｍ２からの出力に応じて、制御ユニットは、スパッタリング装置Ｓｍをエラー停止し、これをディスプレイやスピーカから報知するようになっている。

以上の実施形態によれば、プラズマ雰囲気中にてターゲットＴｇに電力投入してスパッタリングする間、チラーユニットＣｈによって駆動ブロックＤｂを介して第１通路Ｆｐ１の始端に冷却水が供給され、第１通路Ｆｐ１を流れる。この第１通路Ｆｐ１を流れた冷却水が第１通路Ｆｐ１の終端Ｆｐ１ｅを経て支持ブロックＳｂに達する。つまり、ターゲットＴｇの軸方向一端からその他端に亘ってターゲットＴｇの内面に接するように冷却水が流通する。支持ブロックＳｂに達した冷却水は、支持ブロックＳｂに形成される折返連通路Ｆｐ３を介して、第２通路Ｆｐ２の始端Ｆｐ２ｓへと供給され、第２通路Ｆｐ２を流れる。この第２通路Ｆｐ２を流れた冷媒が第２通路Ｆｐ２の終端を経て駆動ブロックＤｂを介してチラーユニットＣｈへと戻る。このとき、ターゲットＴｇ内側に冷媒循環通路Ｆｐを形成するために適宜設けた冷媒用のシール部材Ｓｗ２等が経年劣化により、または、シール部材Ｓｗ２等の付け忘れにより、第１通路Ｆｐ１と第２通路Ｆｐ２とが途中でバイパスされたような場合には、検知手段Ｗｓが冷媒を検知しないことで、ターゲットＴｇの内面に接するように冷媒が流通していないことが判る。これにより、流量検知手段Ｗｍ１，Ｗｍ２を設けたことと相俟って、冷媒循環通路Ｆｐをその全体に亘って確実に冷却水が循環していることを判断できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、磁石ケース３のＺ軸方向上端に検知手段Ｗｓを設けるものを例に説明したが、第１通路Ｆｐ１の終端Ｆｐ１ｅと第２通路Ｆｐ２の始端Ｆｐ２ｓとの間を流れる冷媒を検知するものであれば、検知手段の設置位置や検知手段の種類はこれに限定されない。例えば冷媒通路３１のＺ軸方向上端側の内周面から、冷媒通路３１内にセンサヘッドＷｓ１が突出するよう設けることもでき、また検知手段Ｗｓとして例えばフローメータを用いることもできる。

上記実施形態では、駆動ブロックＤｂに継手部１０ａ，１０ｂを設け、駆動ブロックＤｂから冷却水を供給して、支持ブロックＳｂに達した冷却水を駆動ブロックＤｂから排出するものを例に説明したが、支持ブロックＳｂに継手部を設け、支持ブロックＳｂから冷却水を供給して、駆動ブロックＤｂに達した冷却水を支持ブロックＳｂから排出するように構成することもできる。また、上記実施形態では、回転式カソードユニットＲＣを鉛直方向に起立姿勢で配置するものを例に説明したが、回転式カソードユニットＲＣを垂直方向に水平姿勢や所定の角度で傾斜した姿勢で配置するものにも、本発明を適用することができる。また、上記実施形態では、冷媒用のシール部材Ｓｗ１～Ｓｗ５を設置するものを例に説明したが、冷媒用のシール部材の設置個所や個数はこれらに限定されず、冷媒循環通路Ｆｐの水密性を確保するため、必要に応じて冷媒用のシール部材を適宜設置してもよい。

Ｓｍ…スパッタリング装置、ＲＣ…回転式カソードユニット、Ｔｇ…ターゲット、Ｄｂ…駆動ブロック、Ｓｂ…支持ブロック、Ｆｐ…冷媒循環通路、Ｆｐ１…第１通路、Ｆｐ１ｅ…第１通路の終端、Ｆｐ２…第２通路、Ｆｐ２ｓ…第２通路の始端、Ｗｓ…検知手段、Ｗｍ１，Ｗｍ２…流量検知手段。

Claims (2)

1. 真空雰囲気中に配置される筒状のターゲットと、ターゲットを回転駆動する駆動ブロックと、ターゲットを回転自在に支持する支持ブロックとを備えるスパッタリング装置用の回転式カソードユニットであって、
   駆動ブロックと支持ブロックのいずれか一方から筒状のターゲットの径方向内側を通って駆動ブロックと支持ブロックのいずれか他方に達する第１通路と、駆動ブロックと支持ブロックのいずれか他方から第１通路の更に径方向内側を通って駆動ブロックと支持ブロックのいずれか一方に達する第２通路とを有する冷媒循環通路を備えるものにおいて、
   第１通路の終端から第２通路の始端に向かって流れる冷媒を検知する検知手段を設けたことを特徴とするスパッタリング装置用の回転式カソードユニット。
2. 前記駆動ブロックと前記支持ブロックのいずれか一方に供給する冷媒の流量を検知する流量検知手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置用の回転式カソードユニット。
   
   

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