JP5004942B2 - 単一の直角エンドブロック - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリングのターゲットをスパッタリング装置内で回転可能に支持するために用いられるエンドブロックに関する。さらに具体的には、本発明は、全ての供給機能を１つに組み込むエンドブロックであって、エンドブロックをスパッタリング装置の壁部に取り付けるためのエンドブロックフランジに対してターゲットを実質的に平行に取り付けているエンドブロックに関する。

「スパッタ堆積」または「スパッタリング」は、運動イオンとの衝突によって、スパッタリングのターゲットから原子を離脱させ、次いで、これらの原子を基板に放出するコーティングプロセスである。イオンは、陰極のターゲットと陽極との間の電圧差によって、低圧スパッタガス（通常、アルゴンのような高原子質量を有する希ガス種）内に生成された自由電子プラズマ内で発生する。また、この電圧差によってイオンがターゲットに向かう高運動エネルギーに加速される。ターゲットの原子を離脱させるためには、イオンの運動エネルギーのわずかな部分しか用いられず、このエネルギーの大部分は熱に変換されることとなる。

プラズマを可能な限りターゲットの近傍で局部的に集中させるため、閉じられたトラック内でガスのイオン化を限定するように、磁気アレイにより発生した磁場が用いられている。そのため、このようなプロセスは「マグネトロンスパッタ堆積」と呼ばれている。その結果、好ましい場合には、ターゲットの侵食が、この局部的に集中したプラズマの真下に発生することとなる。ターゲットの材料を最適に用いるためには、プラズマとターゲットとの間の相対的な運動がなされるとよい。これは、磁気アレイを移動させて、ターゲットをスパッタリング装置に対して相対的に静止させるか、または、ターゲットを移動させて、磁気アレイをスパッタリング装置に対して固定することによって、行われることとなる。後者の解決策は、固定された磁気アレイの回りで回転する管状ターゲットを用いることによって、具体的に実施されることとなる。本発明は、このような回転式の管状マグネトロンのスパッタリング装置に関するものである。

注目すべき先行技術としては、ケルベイ（Ｋｅｌｖｅｙ）によって、一連の米国特許に記載されたものが先ず挙げられる。この中で最も注目すべきは、米国特許第４，３５６，０７３号、第４，４２２，９１６号、第４，４４３，３１８号、および第４，４４５，９９７号明細書である。これらの発想を進展させている間に、本発明者らは以下に述べるような種々の問題に直面した。

・簡単にターゲットを交換することをも可能にする適切な駆動用のシステムが必要である。

・回転可能であり、大電流（場合によっては、１００Ａを超えるもの）に耐え得る信頼性を有する電気的接続手段が必要である。

・管状ターゲット（２００ｋｇを超える質量を有することもある）を回転させる必要があるため、軸受用のシステムが必要である。

・漏れ止め冷却用のシステムが必要である。エネルギーのほとんどが熱に変換されるため、冷却用のシステムは大量の熱を放出できる必要がある。設備の大きさによるが、このエネルギーは１ｋＷ〜３００ｋＷの範囲内にある。

・真空の密閉性が維持されることが必要である。ターゲットが低圧環境（１〜１０^-4Ｐａ）内で回転するため、これは容易なことではない。

・通常、磁気アレイが回転ターゲットの内側に配置されるため、磁気アレイを回転ターゲット管内に静止して保持する手段が設けられることが必要である。

これらの問題の解決策およびその解決策の実施は、概ね２つの異なる過程をたどって発展してきた。

・米国特許第５，０９６，５６２号明細書（図２、図６）および米国特許出願公開第２００３／０１３６６７２Ａ１号明細書に開示されているような二重の直角エンドブロックでは、回転可能な支持、回転、通電、冷却および（空気、冷媒、および電気に対する）絶縁を行なう手段は、ターゲットの両端に配置された２つのブロック間で分配されている。「直角」という用語は、エンドブロックがターゲットの回転軸と平行のスパッタリング装置の壁部に取り付けられることを意味している。

・米国特許第５，２００，０４９号明細書（図１）に開示されているような単一の直線エンドブロックでは、回転可能な支持、回転、通電、冷却、および絶縁を行なう手段が、すべて１つのエンドブロックに組み込まれ、大面積塗膜機の内側に片持ち支持されている。「直線」という用語は、ターゲットの回転軸がエンドブロックを取り付ける壁部と直交することを意味する。

管状の回転マグネトロン装置は、ケルベイ（Ｋｅｌｖｅｙ）以来、あらゆる種類およびあらゆる大きさに渡って開発されてきた。これらの装置の最大のものでは、４ｍに至る長さを有するターゲットを用いるような大面積ガラス塗膜のラインが存在している。小形の設備（例えば、１ｍ未満のターゲットを有するもの）は、このような幅広い用途には用いられないが、小さい基板、例えば、液晶ディスプレイまたはプラズマディスプレイの大きさの基板の処理を改善することは可能である。このような管状ターゲットをこれらのディスプレイ塗膜機に用いる場合の欠点の１つとしては、既存の機器の変更が高価になるという点がある。

最近では細長の平面マグネトロンスパッタリングのターゲットが、ディスプレイ塗膜機に用いられている。補助具（冷却手段、磁気アレイ、電流供給部）のほとんどは、ドアの外側からアクセス可能なターゲットホルダーに取り付けられ、ターゲットは、ドアが閉じられたときに装置の内側で基板と平行に対向することとなる。基板は、約７°〜１５°の傾斜角で実質的に垂直に取り付けられ、コンベヤのシステム上にもたれるように配置されている。

管状マグネトロンをディスプレイ塗膜機に、（独自の機器として、または既存の装置の改装として）利用できるようにするには、いくつかの問題が解消されることが必要である。

・管状マグネトロン用のエンドブロックによって占有される長さが、最小限に抑えられることが必要である。

・真空漏れを最小限に抑えるために、管状マグネトロン組立体において接続部を通る供給菅の数を少なくすることが必要である。

・管状ターゲットには、ターゲットおよびエンドブロック間の「クイックコネクタ」が存在する。しかしながら、ターゲットの管が交換される場合にも、ターゲットの管に含まれる冷媒が、漏出することなく排出されることが必要である。

このような事情から、本発明者らは上記の問題を解消する新しいエンドブロックを発明した。

本発明の目的は、エンドブロックに関連して、このエンドブロックが取り付けられる壁部と平行な状態で回転可能な管状マグネトロンを独力で支持することができるエンドブロックを提供することにある。本発明の目的は、スパッタリング装置のドアまたは壁部に取り付けられることに、特に適した単一の直角エンドブロックを提供することにある。また、本発明の目的は、最小の軸長さを有するエンドブロックを提供することにある。また、本発明のエンドブロックは、ターゲットを交換する必要がある場合にも、容易に冷媒を排出できる。

本発明の第一態様はエンドブロックに関する。このようなエンドブロックは、スパッタリング装置内のスパッタリングのターゲットをスパッタリング装置の外部に連結している。このようなエンドブロックは、単一ユニットとしてスパッタリング装置の壁部、さらに好ましくはドアに取付け可能となっている。このような目的を達成するために、エンドブロックは取付けフランジを備えている。このような取付けフランジは、円形、正方形、または矩形であってもよいが、壁部に対して静止し、かつ密封して接続できる必要がある。好ましくは、これは、真空シール用ガスケットおよびドアにボルト締結されたフランジによって達成されることとなる。他の好ましい手法としては、円形のフランジをネジ付き手段によってドアに取り付けられたコネクタに対して押圧するという方法が挙げられる。エンドブロック内の圧力は、真空排気される装置におけるよりも高くなっており、好ましくは大気圧と同様になっているとよい。ターゲットの管と共に取出し可能な手段および取出し可能な磁石バー組立体は、エンドブロックに属するものとして見なされないものとする。エンドブロックの主な機能は、回転軸を中心としてターゲットを支持した状態で回転させることにある。スパッタリングは低ガス圧下で実施されるため、エンドブロックは、常に気密にされている必要があり、また回転しているときもまた、確実に気密にされている必要がある。ターゲットをスパッタリングすると、多量の熱がターゲット表面に発生するため、ターゲットは冷却される必要がある。このような冷却は、通常、水または他の適切な冷媒を用いて行われている。このような冷媒は、エンドブロックを通して供給され、かつ排出される必要がある。また、ターゲットを所定の電位以上に維持するために、電流がターゲットに供給されることが必要である。この電流もまたエンドブロックを通る必要がある。単一のエンドブロックは、これらの機能の全てを実行するために種々の手段を備えている必要がある。

・ターゲットを回転させる駆動手段。これは、好ましくは、ウオームギア−歯車システム、円筒状の歯車−歯車システム、円錐状の歯車−歯車交差軸システム、プーリ−ベルトシステム、または当該技術分野において既知であるターゲットを回転させるような任意の他の手段によって達成されることとなる。

・ターゲットに電流を供給する回転可能な電気的接続手段。これは、好ましくは、整流器リングと摺接するブラシを備える電気整流器によって達成されることとなる。ブラシ−リング装置の代わりに、互いに摺動する２つのリングが用いられてもよいし、または金属ベルトのような導体ベルト式の接続部が用いられてもよい。この摺接が大気内で行なわれることが重要となっている。この摺接が、（米国特許出願公開第２００３／０１７３２１７号明細書に開示されるように）冷媒内で行われるか、または（国際公開０２／３８８２６号パンフレットに記載されているように）真空内で行われる実施形態は、ここでは特に除かれるものとする。

・多数の軸受手段。ターゲットの重量に依存して、２つ以上の軸受手段が必要とされる場合がある。当業者であれば、周知の種々の形式の軸受、例えば、ボール軸受、ローラ軸受、すべり軸受、アキシャル軸受、または当該技術分野において既知である他の形式の軸受から、適切な形式の軸受を容易に選択できるであろう。

・多数の回転可能な冷媒シール手段。これらの冷媒シールは、エンドブロックの固定部品と回転可能な部品とが互いに対して回転している間に、冷媒がエンドブロック内に漏れること、および最悪の場合には真空装置内に漏れることを確実に防止することとなる。このようなリスクを少なくするために、多数の冷媒シールが多段接続の形態で導入されている。典型的なものでは、リップシールが当該技術分野において既知である冷媒シールとして用いられている。また、単なる例示にすぎないが、メカニカル面シールまたはラビリンスシールのような他のシールが除かれるものではない。

・多数の回転可能な真空シール手段が必要である。これらの真空シール手段は、エンドブロックの固定部品および回転部品が互いに対して回転している間に、真空の密閉性を確保することとなる。真空漏れのリスクを少なくするために、真空を段階的に防ぐ多段接続の真空シールを用いることが好ましい、ここでまた、既知の種々のシールが存在するが、その中でもリップシールが最も一般的なものである。しかしながら、他の新しい形式のシール、例えば、強磁性流体シールも用いることが可能である。

上記の手段は、全て、本発明のエンドブロック内に含まれている。本発明のエンドブロックは、取付フランジに、スパッタリング装置への取付時にスパッタリング装置における真空排気可能な空間を密閉する複数の壁面の１つに面する取付面を設けて、回転軸が取付けフランジの取付面と平行である点において、上記の先行技術と異なっている。従って、本発明のエンドブロックは、単一の直角エンドブロックとして分類されることとなる。ターゲットの回転、冷却、および通電の全ての機能が、回転軸と平行の壁部へのエンドブロックの取付けを可能すると共に、このエンドブロック内に組み込まれることとなる。

また、ターゲットがターゲット自身を容易に着脱させるための取付け手段を備えていることが意図される。このような手段は、例えば、米国特許第５，５９１，３１４号明細書、欧州特許第１，０９２，１０９号明細書、欧州特許第１，１０６，８９３号明細書、米国特許第６，３７５，８１５号明細書、および国際公開第２００４／０８５９０２号パンフレットに記載されている。これらの特許は、参照することによって、ここに含まれるものとする。このような手段は、一般的に、円錐面を有する内部溝を含む接続リングを備えている。円錐面の片側がエンドブロックの取付けフランジと嵌合し、円錐面の他の側がターゲット端のリムと嵌合している。接続リングは、ネジ、クイック連結手段、または他の手段により接線方向に締め付けられる２つ以上のセグメントから構成されることによって、周方向において短縮されてもよい。ターゲットリムとエンドブロックフランジとの間に締め付けられるＯ−リングによって、真空および冷媒に対する密封が確実に行われることとなる。

ターゲットは、単一のエンドブロックによって支持される必要があるため、エンドブロックに加えられるトルクは、エンドブロックが直立した実質的に垂直の位置で用いられるときに、最小限に抑えられることとなる。ターゲットは、エンドブロックから垂下されるかまたはエンドブロック上に起立することができる。このようにして、エンドブロックに加えられるトルクは、レバーアームが短縮されることにより、極めて小さくなっている。「実質的に垂直」という用語は、局部的な鉛直軸に対して約０°〜約１５°のずれを含む任意の方向として解釈されるとよい。この角度は、基板が取り付けられる傾斜角に対応することとなる。

エンドブロックがターゲットの下方に取り付けられる場合、冷媒がターゲットから簡単に排出できるようになる。なら、冷媒は重力によってターゲットから流出するからである。

代替的なものとして、エンドブロックは実質的に水平に取付けることもできる。この配置は短いターゲットを用いるときに好ましい。

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。このようなスパッタリング装置は、真空排気可能な空間を密閉するための壁部を備えている。スパッタリング装置におけるこれらの壁部の１つに、請求項１による本発明のエンドブロックが取り付けられている。ターゲットの回転軸は、エンドブロックが取り付けられる壁部と平行になっている。

好ましくは、スパッタリング装置のエンドブロックはターゲットを取付ける手段を備えている。

ターゲットがエンドブロックによって完全に支持される場合、回転時においてセンタリングの問題が生じることがある。この問題は、ターゲットからエンドブロックに加えられるトルク、熱によるわずかなターゲットの変形、または取付け手段のわずかな位置ずれによって発生することとなる。これらの問題を克服するために、小形のセンタリングブロックをエンドブロックと反対側のターゲットの端に設けることができる。このようなセンタリングブロックは、エンドブロックと同じ壁部に取り付けられた支持体を備えている。この支持体において、摩擦軸受（例えば、ピボット軸受）または小形の非摩擦軸受（ボール軸受、ローラ軸受など）が、ターゲットの自由端をセンタリングした状態で維持することとなる。

好ましくは、ターゲットがスパッタリング装置内において実質的に垂直に取付可能に構成されているとよい。さらに好ましくは、エンドブロックが容易に冷媒を排出できるようにするために、ターゲットの下方に取り付けられているとよい。

代替的なものとしては、ターゲットが実質的に水平に取付可能に構成されているとよい。これは、ターゲットがそれほど長くない場合に可能である。長いターゲットの場合には、水平方向に取り付けられたこのターゲットを、「ターゲットがセンタリングブロックによってセンタリングされた状態でさらに保持され、センタリングブロックがエンドブロックによって支持されるターゲットの一端と反対側のターゲットの他端に取り付けられる」ように、センタリングエンドブロックによって支持することができる。

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。

図１は、本発明のエンドブロックがいかにスパッタリング装置の壁部またはドアに取り付けられるかを示す斜視図である。エンドブロック１００は、そのエンドブロックフランジ１２０でスパッタリング装置の壁部１１０に取り付けられている。駆動手段（この場合では同期ベルト１３０）が装置の外部から取付けフランジ１７０を回転させることとなる。ターゲット（図示せず）は、このフランジに配置され、接続リング１６０によってフランジに離脱可能に取り付けられている。外側に位置する冷媒供給部１４０および冷媒排出部１５０が、フランジ孔１８０に接続されている。この孔の内側において、（この図では見えないが）冷媒供給部および冷媒排出部は互いに分離されている。磁石バー（図示せず）も、この孔内に挿入され、この孔内で保持されることとなる。

図２は、好ましい実施形態の概略的な断面図である。エンドブロック２００は、単一ハウジング２０１内に、駆動手段、回転電気接続手段、軸受手段、冷媒シール手段、および真空シール手段を組み込んでいる。エンドブロックは、エンドブロックフランジ２１１を介してスパッタリング装置の壁部またはドア２０２に取り付けられている。このフランジは、矩形の形状を有し、ガスケット２１３によって真空密封されている。ターゲット２２０は、その回転軸２２２を中心として回転可能となっている。ターゲット２２０は、接続リング２２４によってターゲット取付けフランジ２２６に接続されている。（図示しない磁石バーを支持する）ターゲット冷媒管２３０が、接続リング２３２を介して冷媒供給菅２２８に接続されている。冷媒供給菅２２８は、エンドブロックハウジング２０１に緊密に固定して取付けられている。冷媒は、冷媒送給管２３４を通って冷媒管２２８に送給されることとなる。冷媒は、冷媒管２２８と同軸の静止冷媒コレクタ２２９に集められ、管２３６を通って排出されることとなる。

ターゲット２２０は、保持リング２２６を介して歯車２０４によって回転駆動されることとなる。従って、歯車２０４は駆動手段を構成している。歯車の歯は、ウオームシャフト２０５と係合し、このウオームシャフト２０５は、例えば電動モータ（図示せず）によって駆動されることとなる。歯車２０４は主軸受リング２１４を回転させることとなる。取付けリング２０７と歯車２０４との間に保持された第２の小形軸受２０８が、さらんる回転の安定性をもたらすこととなる。取付けリング２０７も、回転可能な電気的接続手段を保持することとなり、この電気的接続手段は回転軸２２２と同軸の管状のセグメントとして取り付けられた一連のブラシ２０６から構成されている。これらのブラシ２０６は、導電リング２９０内にバネ付勢されて、スライドリング２０３に対して摺動することとなる。ブラシ２０６は導電リング２９０を介して電流を受け、導電リング２９０は電気リード線２０９によって給電されることとなる。スライドリング２０３は、歯車２０４および保持リング２２６を介してターゲット２２０と電気的に接続している。２つの回転可能な真空シール手段がリップシール２１２の形態で設けられている。回転可能な冷媒シール手段はラビリンスシールである冷媒シール２１０の形態で設けられている。冷媒シール２１０は保持リング２２６と冷媒コレクタ２２９との間に取り付けられている。

当業者であれば、例えば、ここに述べたのと異なる形式の手段を用いることによって、他の有力な実施形態を容易に達成するだろう。また、当業者であれば、エンドブロックの軸長さがさらに短縮されるように、異なる手段をエンドブロック内に再配列することができる。しかし、このような修正および代替は、全て、本発明の同じ概念の単なる変更にすぎず、特許請求の範囲に包含される本発明の真の精神および範囲内に含まれると見なされる。

本発明によるエンドブロックの斜視図である。 エンドブロックの概略的な断面図である。

Claims (5)

1. スパッタリングのターゲットをスパッタリング装置内で回転軸を中心として回転可能に支持するためのエンドブロックであって、
   エンドブロックを前記スパッタリング装置に取り付けるための取付フランジを備え、
   前記取付フランジに、前記スパッタリング装置への取付時に前記スパッタリング装置における真空排気可能な空間を密閉する複数の壁面の１つに面する取付面を設け、
   駆動手段、回転可能な電気的接続手段、軸受手段、冷媒シール手段、および真空シール手段をさらに備え、
   前記回転軸を前記取付フランジの取付面に対して実質的に平行とするような状態で取付可能に構成され、
   前記回転軸が地面に対して実質的に垂直になっており、
   エンドブロックが前記ターゲットの下方に取り付けられていることを特徴とする、エンドブロック。
2. 前記ターゲットを着脱するための取付手段をさらに備えてい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. 真空排気可能な空間を密閉する複数の壁面と、
   回転軸を有する回転可能なスパッタリングのターゲットと、
   前記ターゲットを前記ターゲットの一端で回転可能に支持するエンドブロックと
   を備えているスパッタリング装置であって、
   前記エンドブロックが、駆動手段、回転可能な電気的接続手段、軸受手段、冷媒シール手段、および真空シール手段を備え、
   前記エンドブロックが、前記回転軸を前記複数の壁面の１つと実質的に平行とするような状態で、該複数の壁面の１つに取付け可能に構成され、
   前記ターゲットが地面に対して実質的に垂直に取付可能に構成され、
   前記エンドブロックが前記ターゲットの下方に取り付けられていることを特徴とする、スパッタリング装置。
4. 前記エンドブロックが前記ターゲットを着脱するための取付け手段をさらに備えてい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。
5. 前記ターゲットがセンタリングブロックによってセンタリングされた状態でさらに保持され、
   前記センタリングブロックが前記エンドブロックによって支持される前記ターゲットの一端と反対側の前記ターゲットの他端に取り付けられていることを特徴とする、請求項３または４に記載のスパッタリング装置。

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