JP6205527B2 - マグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニット - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置に用いられる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。この従来例のものは、円筒状のターゲットと、このターゲットを回転駆動する駆動ブロックと、冷却水または圧縮空気たる流体を循環させる流体循環通路を有する流体循環手段とを備える。駆動ブロックには、流体の流入口と流出口とが設けられ、その内部には、流入口に通じる流体循環通路の第１往路と流出口に通じる流体循環通路の第１復路とが設けられている。他方、ターゲット内には管体が設けられ、ターゲットと管体との間の空間が第１往路に通じる流体循環通路の第２往路を構成すると共に、管体の内部空間が第１復路に通じる流体循環通路の第２復路を構成するようにしている。

ターゲットの駆動ブロック側の端部にはターゲットの端部開口を閉塞するキャップ体が装着されている。キャップ体内には流体通路が形成され、その外縁には、第２往路から流体通路への流体の流入を許容する流入開口が部分的に形成され、第２往路と第２復路とが連通するようにしている。そして、ターゲットに電力投入してターゲットをスパッタリングする間、ターゲット内の第２往路と第２復路とが冷却水で満たされるように流体循環通路に冷却水が供給され、駆動ブロックによるターゲットの回転に伴ってこれと一体に回転するキャップ体の流入開口を通して第２往路から第２復路へと流れる冷却水との熱交換でターゲットが冷却される。

ところで、ターゲットはスパッタリングにより侵食されていくため、定期的に交換する必要があり、このとき、メンテナンス性等を考慮すれば、ターゲット内に残留する冷却水を確実に排水（水抜き）しておく必要がある。上記従来例のものでは、スパッタリング時と同様、ターゲットを回転させながら、冷媒循環路内に冷却水にかえて圧縮空気を供給し、ターゲット内に残留する冷却水を排水するようにしている（水抜き操作）。ここで、ターゲットの軸線が水平となる姿勢である場合において水抜き操作を行うと、第２復路の上流端から供給される圧縮空気により第２往路内に残留する冷却水が先ず押され、この押された冷却水がキャップ体の流入開口からキャップ体内の流体通路に流入し、この流体通路を経て第２復路の下流端へと流れてターゲットから排水される。これに伴って第２往路内の水位が鉛直方向下方へと低下していく。このとき、上記従来例のものでは、回転するキャップ体の流入開口が水没している間だけしか、冷却水がキャップ体の流体通路を経て第２復路へと流れないため、水位が低下するのに従い、冷却水の排水速度が低下し、冷却水の排水に時間を要するという問題がある。

米国特許公開２０１０／２４３４２８号

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲット内に残留する冷却水を可及的速やかかつ確実に排出することができるように構成したマグネトロン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ものである。

上記課題を解決するために、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、流体を循環させる流体循環通路を有する流体循環手段とを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニットは、駆動ブロックが、ターゲットの軸線方向に沿ってのびる内筒体と、内筒体と同心に配置されてターゲットの軸線方向一端が連結される外筒体と、この外筒体を回転駆動する駆動手段とを有し、内筒体の内部空間が流体循環通路の第１往路を構成すると共に、内筒体と外筒体との間の空間が流体循環通路の第１復路を構成し、ターゲットがその軸線方向に亘ってのびる管体に外挿され、管体内に、第１往路に連通する流体循環通路の第２往路と、第１復路に連通する流体循環通路の第２復路とが設けられ、ターゲットから駆動ブロックに向かう側を右側、駆動ブロックからターゲットに向かう側を左側として、外筒体の左側部分に、ターゲットの右端開口を閉塞する円盤状の規制板が固定され、規制板の右側の面に規制板の外縁から第１復路を臨む位置まで径方向にのびる連通路が形成されてこの連通路により第２復路と第１復路との間における流体の流れが規制され、連通路の径方向先端が鉛直方向下方を指向する規制板の姿勢を検出する検出手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、真空チャンバに回転式カソードユニットをセットし、真空雰囲気中で駆動ブロックを介して所定の回転速度でターゲットを回転駆動させながら、ターゲットに負の電位を持った電力を投入することでターゲットがスパッタリングされる。スパッタリング中、流体循環通路に流体としての冷却水を循環させ、冷却水との熱交換でターゲットが冷却される。そして、ターゲット交換を含むメンテナンス等のため、真空チャンバから回転式カソードユニットを取り外す場合、これに先立ってターゲット内の水抜き操作が行われる。

ここで、本発明では、連通路の径方向先端が鉛直方向下方を指向する規制板の姿勢を検知する検出手段を備えるため、駆動ブロックによりターゲットの回転駆動を停止するときや、水抜き操作を行う直前に、検出手段の検出結果に基づいて連通路の径方向先端が鉛直方向下方を指向するように規制板の姿勢が変えられ、この状態で保持される。そして、第１往路への冷却水の供給に代えて、この第１往路に圧縮空気を供給する。これにより、圧縮空気で流体循環通路内の冷却水が順次押され、駆動ブロック内の第１往路、ターゲット内の第２往路、ターゲット内の第２復路及び駆動ブロック内の第１復路を経て排水される。このとき、ターゲット内の第２復路内の水位が鉛直方向下方へと低下していくが、規制板の連通路への流体の流入口（即ち、規制板の外縁）が常時鉛直方向最下方に位置しているため、第２復路内の冷却水の全てが押し出されるまで圧縮空気のみが優先的に通過する経路が形成されることがなく、流体循環通路内の冷却水が確実に除去される。しかも、ターゲット内の第２復路内の水位が低下しても、連通路の流入口はほぼ水没しているため、冷却水を圧縮空気と共に可及的速やか第１復路へと排水することができる。このように本発明では、ターゲットを回転駆動する駆動手段の構成部品に流体の流れを規制する規制板を設けると共に、水抜き操作に際してはその姿勢を制御できる構成を採用したため、ターゲット内に残留する冷却水を可及的速やかかつ確実に排出することができる。

本発明において、前記駆動手段は、モータとこのモータの駆動軸と外筒体の外周面との間に巻き掛けられるベルトとを備え、この駆動軸に設けられてベルトが巻き掛けられるプーリ―に付設したセンサで前記検知手段を構成すればよい。これにより、水抜き操作を行うときには常に規制板の先端が鉛直方向下方を向く姿勢にするための構成が簡単に実現できる。

本発明のスパッタリング装置用の回転カソードユニットの構成を説明する図。 回転カソードユニットの要部を拡大して示す部分断面図。 規制板を説明する斜視図。

以下、図面を参照して、本発明のマグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニットの実施形態を説明する。以下において、図１に示す回転式カソードユニットの水平姿勢で図外の真空チャンバに設置されるものとし、これを基準として鉛直方向としての「上」、「下」並びに「右」、「左」と言った方向を示す用語を用いるものとする。

図１を参照して、回転式カソードユニットＲＣは、図外の真空チャンバ内で成膜対象物たる基板Ｗに上下方向で対向配置される円筒状のターゲットＴｇと、ターゲットＴｇの右端にクランプＣｐを介して連結される駆動ブロックＤｂと、ターゲットＴｇの左端にクランプＣｐを介して連結される支持ブロックＳｂとを備えている。支持ブロックＳｂには、軸受１１で支承された被動軸１２が設けられ、ターゲットＴｇの一端を回転自在に支持するようになっている。ターゲットＴｇは、筒状のバッキングチューブ２１と、バッキングチューブ２１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筒状のターゲット材２２とで構成される。ターゲット材２２としては、基板Ｗに成膜しよう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は、ターゲットＴｇの軸方向たる左右方向略全長に亘ってのびる管体としての外管２３に外挿され、外管２３内には同心に管体としての内管２４が設けられている。外管２３の左右方向両端の開口はキャップ体２５で夫々閉塞され、キャップ体２５には軸方向の透孔２５ａが夫々開設されている。そして、内管２４の内部空間が、ターゲット材２２のスパッタリング中や水抜き操作の際に、冷却水または圧縮空気たる流体を循環させる流体循環手段Ｆｕを構成する流体循環通路Ｆｐの第２往路２６を構成し、外管２３と内管２４との間の空間が流体循環通路Ｆｐの第２復路２７を構成する。なお、特に図示して説明しないが、例えば外管２３と内管２４との間の空間に公知の構造を持つ磁石ユニットを組み込み、ターゲット材２２のスパッタリング中、基板ＷとターゲットＴｇとの間の間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がターゲット材２２の軸方向略全長に沿ってのびてレーストラック状に閉じるように漏洩磁場を発生させるようにしている。また、管体として、内管２４と外管２３とを同心に配置した二重管構造のものを例示したが、これに限定されるものではなく、ターゲットＴｇを支持しつつ第２往路２６と第２復路２７とを設けることができるものであればその形態は問わない。

駆動ブロックＤｂは、図２に示すように、ハウジング４１を備え、ハウジング４１の右内壁には左右方向にのびる内筒体４２が立設され、内筒体４２の左端が内管２４に液密に連結されている。ハウジング４１に固定の内筒体４２の周囲には、この内筒体４２と同心に外筒体４３が配置されている。外筒体４３の内周面には、径方向にくぼむ環状の凹部４３ａが形成され、この凹部４３ａには、内筒体４２の外表面と外筒体４３の内表面とに夫々接触して両者を電気的に接続するブラシ４４が嵌着されている。この場合、内筒体４２の内部空間が流体循環通路Ｆｐの第１往路４５を形成し、内筒体４２と外筒体４３との間の空間が流体循環通路Ｆｐの第１復路４６を構成する。なお、ブラシ４４には左右方向に貫通する貫通孔４４ａが開設され、第１復路４６の一部を構成するようにしている。

外筒体４３は、複数の軸受５１を介してハウジング４１に内挿された支持部材５で回転自在に支持されている。外筒体４３には、軸受５１の左右方向両側に位置させてオイルシール５２が外挿されている。また、駆動ブロックＤｂには、外筒体４３を回転駆動してこれに連結されるターゲットＴｇを回転駆動する駆動手段６が設けられている。駆動手段６は、モータ６１と、モータ６１の駆動軸に設けたプーリ―６２と外筒体４３の外周面との間に巻き掛けられるベルト６３とを備える。また、プーリ―６２には、検知手段としてのセンサ６４が付設され、センサ６４により、後述するように、連通路４８ｅの径方向先端である切欠き４８ｃが鉛直方向下方を指向する規制板４８の姿勢が検出されるようにしている。センサ６４としては公知のものが利用できるため、規制板４８の姿勢の検出方法を含め、詳細な説明は省略する。なお、検知手段としては、モータの回転角や原点位置を検出するもの、即ち、使用されるモータ６１の種類に応じて公知のセンサやエンコーダ等を用いることもでき、例えば、モータ６１の回転駆動が停止されると、原点位置に復帰した状態でモータ６１が停止され、このとき、切欠き４８ｃが鉛直方向下方を指向する規制板４８の姿勢になるように設定してもよい。

また、外筒体４３の左端には、導電性のフランジ４７が液密に取り付けられ、このフランジ４７を介してクランプＣｐによりバッキングチューブ２１と連結されている。これにより、モータ６１を駆動して外筒体４３を回転駆動すると、この外筒体４３と一体にターゲットＴｇが所定の回転数で回転駆動される。外筒体４３の左端にはまた、フランジ４７の左側に密着させてバッキングチューブ２１の右端開口を閉塞するように規制板４８が取り付けられている。図３も参照して、規制板４８には、内筒体４２が挿通される中央開口４８ａが開設され、その周囲に３個の透孔４８ｂが開設されている。そして、この透孔４８ｂを通して規制板４８がフランジ４７と共にボルト（図示せず）により外筒体４３の左端に固定されている。

また、規制板４８の外縁には、バッキングチューブ２１の内周面との間で所定の隙間を形成する切欠き４８ｃが部分的に形成され、この切欠き４８ｃで流体の流入口が区画される。規制板４８の右側の面には、切欠き４８ｃから第１復路４６を臨む位置まで径方向にのびる溝部４８ｄが凹設され、この溝部４８ｄとフランジ４７の左側面との間で連通路４８ｅを形成するようにしている。この場合、切欠き４８ｃの長さ、バッキングチューブ２１の内周面との間の隙間及び溝部４８ｄの幅とは、スパッタリング中に循環させる冷却水の流量や後述の水抜き操作の圧縮空気の供給圧等に応じて適宜設定され、また、溝部４８ｄの幅は、外縁から第１復路４６に向かって先細りなテーパ状に形成してもよい。この規制板４８により第２復路２７と第１復路４６との間における流体の流れが規制される。

ハウジング４１には、内部に元往路７１と元復路７２とが夫々設けられ、先端が内筒体４２に接続される導電性の元管７が設けられている。そして、元往路７１が内筒体４２内の第１往路４５に連通し、元復路７２が第１復路４６に連通し、元管７がチラーユニットＣｈに接続されている。また、元管７には分岐管８１が接続され、開閉弁８２を介して公知の構造を持つコンプレッサー８に接続されている。この場合、流体循環通路Ｆｐ、チラーユニットＣｈ並びにコンプレッサー８が本実施形態の流体循環手段Ｆｕを構成する。また、元管７には、図外のスパッタ電源からの出力ケーブル９が接続されている。内筒体４２が、ブラシ４４を介して外筒体４３と導通し、この外筒体４３が、フランジ４７を介してバッキングチューブ２１、ひいてはターゲット材２２に導通している（つまり、内筒体４２とターゲット材２２とが同電位となる）。これにより、モータ６１により外筒体４３を回転駆動してターゲットＴｇを回転駆動しながら、スパッタ電源からの出力ケーブル９を介してターゲット材２２に例えば負の電位を持った所定電力を投入することでターゲット材２２をスパッタリングすることができ、スパッタリング中には、チラーユニットＣｈにより流体循環通路Ｆｐ内に冷却水を循環させ、冷却水との熱交換でターゲット材２２が冷却される。

ここで、上記ターゲット材２２はスパッタリングにより侵食されていくため、定期的に回転式カソードユニットＲＣを取り外して交換する必要があり、この交換に先立ってターゲットＴｇ内に残留する冷却水を排水する操作（水抜き操作）が行われる。本実施形態では、モータ６１が停止されるとき、センサ６４からの検出結果に応じて、連通路４８ｅの径方向先端である切欠き４８ｃが鉛直方向下方を指向する規制板４８の姿勢になるようにしている。そして、水抜き操作に際しては、チラーユニットＣｈからの給水が停止され、開閉弁８２を開弁してコンプレッサー８からの圧縮空気が元往路７１に供給する。これにより、駆動ブロックＤｂ内の第１往路４５、ターゲットＴｇ内の第２往路２６、ターゲットＴｇ内の第２復路２７及び駆動ブロックＤｂ内の第１復路４６を経て元復路７２を介して排水される。

このとき、第２復路２７内の水位が鉛直方向下方へと低下していくが、規制板４８の切欠き４８ｃとしての流体の流入口を常時鉛直方向最下方に位置させているため、第２復路２７内の冷却水の全てが押し出されるまで圧縮空気のみが優先的に通過する経路が形成されることがなく、流体循環通路Ｆｐ内の冷却水が確実に除去される。しかも、第２復路２７内の水位が低下しても、連通路の流入口はほぼ水没しているため、冷却水を圧縮空気と共に可及的速やかに連通路４８ｅを経て第１復路４６へと排水することができる。従って、ターゲットＴｇ内に残留する冷却水を可及的速やかかつ確実に排出することができる。また、駆動ブロックＤｂ側にて外筒体４３に規制板４８を固定しているため、クランプＣｐを外して駆動ブロックＤｂからターゲットＴｇを取り外しても、規制板４８は外筒体４３に取り付けられたままである。このため、ターゲット交換等のメンテナンス終了後に、例えばセンサ６４の検出位置にて切欠き４８ｃが鉛直方向下方を指向する規制板４８の姿勢になるように規制板４８の位置を再調節するといった作業を不要にでき、メンテナンス性を向上できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、原点位置に復帰した状態でモータ６１が停止されたとき、連通路４８ｅの径方向先端である切欠き４８ｃが鉛直方向下方を指向する規制板４８の姿勢になるように設定されているものを例に説明したが、スパッタリング装置の作動を集中制御する制御ユニットに水抜き操作の指示があった場合に、検出手段６４の検出値に応じてモータ６１を回転させて切欠き４８ｃが鉛直方向下方を指向する規制板４８の姿勢にするようにしてもよい。

ＲＣ…回転式カソードユニット、Ｄｂ…駆動ブロック、Ｆｐ…流体循環通路、Ｆｕ…流体循環手段、Ｔｇ…ターゲット、４２…内筒体、４３…外筒体（筒体）、４５…第１往路（流体循環通路）、４６…第１復路（流体循環通路）、４８…規制板、４８ｅ…連通路（流体循環通路）、２３…外管（管体）、６１…モータ（駆動手段）、６４…センサ（検出手段）。

Claims (2)

1. 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、流体を循環させる流体循環通路を有する流体循環手段とを備えるマグネトロン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、
   駆動ブロックが、ターゲットの軸線方向に沿ってのびる内筒体と、内筒体と同心に配置されてターゲットの軸線方向一端が連結される外筒体と、この外筒体を回転駆動する駆動手段とを有し、内筒体の内部空間が流体循環通路の第１往路を構成すると共に、内筒体と外筒体との間の空間が流体循環通路の第１復路を構成し、ターゲットがその軸線方向に亘ってのびる管体に外挿され、管体内に、第１往路に連通する流体循環通路の第２往路と、第１復路に連通する流体循環通路の第２復路とが設けられるものにおいて、
   ターゲットから駆動ブロックに向かう側を右側、駆動ブロックからターゲットに向かう側を左側として、外筒体の左側部分に、ターゲットの右端開口を閉塞する円盤状の規制板が固定され、規制板の右側の面に規制板の外縁から第１復路を臨む位置まで径方向にのびる連通路が形成されてこの連通路により第２復路と第１復路との間における流体の流れが規制され、連通路の径方向先端が鉛直方向下方を指向する規制板の姿勢を検出する検出手段を備えることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニット。
2. 前記駆動手段は、モータとこのモータの駆動軸と外筒体の外周面との間に巻き掛けられるベルトとを備え、この駆動軸に設けられてベルトが巻き掛けられるプーリ―に付設したセンサで前記検知手段を構成したことを特徴とする請求項１記載のマグネトロン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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