JPH0488166A - 真空成膜装置における冷却機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、真空成膜装置、例えば低融点材料を含む複合
材料をイオンビームスパッタリング法などによりスパッ
タして成膜するスパッタリング装置などにおけるターゲ
ットあるいは基板の冷却機〔従来の技術〕 スパッタリング法は高エネルギーイオンによるターゲツ
ト材のスパフタリングを用いた成膜技術であるため、原
理的に、スパッタ中にターゲットはスパッタリングイオ
ンの運動エネルギーの一部を吸収して必ず加熱され、こ
の加熱のために、ターゲットの形状変化あるいは割れな
どを引き起こしたり、更にはこのターゲットからの輻射
熱により基板が加熱され、形成された膜の再蒸発を引き
起こす場合がある。

特に、複合材料をターゲットとして成膜する場合にはタ
ーゲットの温度上昇により、成膜された膜の組成変化を
生じることも多い。

このような問題を解決するため、第４図に示すように、
ターゲットＴをバッキングプレートと呼ばれる熱伝導度
の高い平板Ｂに接着し、このバッキングプレートの裏面
を循環する冷水Ｗなどによって冷却するという熱伝導を
利用した間接的な冷却方法が従来から行われているが、
このような間接的な冷却方法ではターゲット上面から冷
水までの間に温度勾配がなければターゲット上面からの
熱輸送が行われず、したがって、ターゲット表面の温度
はバッキングプレートの裏面の温度からこの温度勾配に
よる温度差を差引いた温度以下にすることができないの
で、カルコゲン化合物などの熱伝導性があまり高くない
低融点の材料のスパッタリングには、このような現状の
冷却方式は極めて不充分である。

第５図は、この第４図に示したような従来のターゲット
冷却機構を備えるＡｒイオンビーム・スパッタ装置を用
いて基板上に成膜された低融点のＢ１−Ｔｅ−３ｂ−３
ｅ系複合材料薄膜の組成の時間的変化をターゲットの組
成に対比して示した図であり、図中Ａ、Ｂはこの時間順
序で成膜したことを示している。なお、成膜時のＡｒガ
ス圧は２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、また、イオン電圧・
イオン電流はそれぞれ１２００Ｖ、３０ＩＩＩＡである
。

この第５図に示すように、時間Ａで成膜された膜におい
ては、Ｔｅの割合がターゲットよりも若干増加している
点とＢｉとｓｂの割合がターゲットよりも若干減少して
いる点とを除けばほぼターゲットに近い割合の組成とな
っている。

しかしながら、その後の時間Ｂに形成された膜において
は、ｓｂとＳｅとの割合は僅かながらターゲットでの割
合よりも減少しているにしても大きな変化はないが、Ｔ
ｅの割合は約４５％以下となっていてターゲットにおけ
る５５％よりも１０数パーセント減少しており、逆にＢ
ｉの割合は約３０％となっていてターゲットにおける１
５％に比し１０数パーセントも増加している。

このように時間Ｂに形成された膜においてその組成がタ
ーゲットの組成から大きくずれているのは、イオンビー
ムでスパッタリングされたターゲットが次第に加熱され
た結果、このターゲットからＴｅが優先的に蒸発し、Ｂ
ｉの相対的濃度がターゲット内で相対的に上昇したこと
によるものであり、このような膜組成の時系列的な変化
は成膜を繰返えすほど助長される傾向にある。

ここで各元素の蒸気圧を比較すると、Ｔｅ、５ｅＢｉ、
Ｓｂの蒸気圧が１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒ台となる温度はそ
れぞれ２７７．１７０，５２０．４２５℃であるから、
平衡論的な議論からの類推で、上記のような時系列的な
膜組成のずれはターゲットの表面温度が成膜中に２００
℃付近まで上昇したために生じたものと推測される。

このように、熱伝導だけを利用した従来からのターゲッ
トの冷却方法では、ターゲット上面がバッキングプレー
ト下面の水冷部分に対して充分高い温度に保たれない限
りターゲット上面に加えられた熱量が水冷部分に効果的
に輸送されないためにターゲット材料の上面の温度が上
昇し、ターゲット材料として複合材料、特に低融点の複
合材料を使用する場合には成膜するのに極めて不都合で
ある。

仮に、上記のような従来の冷却方法を用いてカルコゲン
化合物などの熱伝導性が高くない低融点の材料をターゲ
ットとする場合、ターゲットの上面温度をこの融点に比
して充分低い温度に保っためには、イオン電流とイオン
加速電圧との積で与えられるイオンエネルギーを充分低
い値としなければならず、その結果、成膜時間が長くな
るばかりでなく、スパッタリングに必要な安定したプラ
ズマを形成させることすら困難になる。

一方、ターゲット材料がスパッタリングされる基板につ
いてみると、ターゲットからの輻射熱などによって基板
が加熱される状況にある場合にはターゲットの温度上昇
によって基板上に一度形成された膜が再び蒸発して目標
組成からのずれを生じるばかりでなく、実効的な膜の形
成速度が減少することにもなる。

また、熱力学的に準安定な構造の膜を基板上に形成する
ためには、基板に向かって飛んで来るイオン粒子の運動
エネルギーを基板を低温にすることによって急速に奪う
ことが必要であるが、上記したような従来技術によって
は基板の温度を充分に低下させることが困難なために、
このような構造の膜を得ることはできない場合も多い。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記したような問題点を解決するために、ター
ゲットあるいは基板を効果的に冷却する冷却機構を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図１ａ）の原理図に示すように、スパッタリング装
置のターゲットＴを載置するターゲットホルダーＨの下
面に、ペルチェ効果などを利用した電子冷却素子Ｃを設
けて上記ターゲットを冷却するようにした。

また、同図（ｂ）に示すように、スパッタリング装置で
ターゲット材料がスパッタリングされる側である基板Ｂ
を載置する基板ホルダーＨの下面に上記したような電子
冷却素子Ｃを設けて上記基板を冷却するようにした。

なお、ターゲフｌ−Ｔの冷却あるいは基板Ｂの冷却のい
ずれの場合でも冷却のための構成は同一であるので、タ
ーゲットホルダと基板ホルダとには符号Ｈを、また、両
者の電子冷却素子および後述する導電部材には同一の符
号ＣおよびＰを付して示しである。

電子冷却素子にはターゲットホルダあるいは基板ホルダ
側から水冷部分などのヒートシンク側に熱が輸送される
ように適切な極性で直流電源から電力を供給する。

〔作　用〕

第１図（ａ）、　（ｂ）に示したように、ターゲットＴ
あるいは基板Ｂの熱はその表面温度にかがゎらず、それ
らの下面にボンディングされたターゲットホルダあるい
は基板ホルダであるホルダＨを介してその下面に接して
設けられた電子冷却素子Ｃによって水冷部分などのヒー
トシンク側に強制的に輸送される。

したがって、ターゲットを冷却する場合には、このター
ゲ−／　）を構成する複合材料の中で比較的低融点の物
質が優先的に蒸発するのを防止して、ターゲットの組成
と基板上に成膜された膜の組成との間にずれが生じるの
を防止することができる。

また、ターゲットの冷却能力を向上させることにより、
ターゲットに照射するイオンのエネルギー密度を上げて
成膜速度の実質的な向上を図ることもできる。

また、基板を冷却する場合には、再蒸発の防止によって
実効的な膜の形成速度が向上するとともに目標組成から
のずれを防止することができるばかりでなく、電子冷却
素子の冷却能力が大きいこととあいまって基板を低温に
維持することができるので、熱力学的に準安定な構造の
膜を基板上に形成しやすいという格別の効果が得られる
。

さらに、ホルダ、電子冷却素子およびバッキングプレー
トなどの水冷部材を一体にしたアタッチメントとして冷
却機構を構成し、これを既存のスパッタリング装置など
の真空成膜装置に装着することによっても本発明を容易
に実施することができる。

なお、本発明によってターゲットとして使用し得る材料
としては金属などの単体、複合材料など適宜の材料を使
用することができるが、特に低融点の複合材料を挙げれ
ば、Ｇ　ａ　＊　　Ｓ　ｅ　ｒ　Ｔ　ｅ　＋　　Ｚ　ｎ
　。

Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｐｂ、ＴＩ等の金属がら構成
される合金、低融点ハンダ合金、溶融メツキ用のＳｎ、
Ｚｎ合金などの合金、さらにはカルコゲン化合物等の非
金属材料がある。

したがって、本発明は、薄膜を用いる各種の材料や素子
、具体的な例としては、Ｂｅ−Ｔｅ系などの熱電変換素
子、光電変換素子、光記録媒体などの製造に広く適用す
ることができる。

〔実施例〕

第２図は、ターゲットの冷却のために本発明を適用した
スパッタリング装置におけるターゲット冷却機構の実施
例の構成を示す断面図である。

１個あたりの最大吸熱量が３０Ｗの４個の電子冷却素子
２Ｉ、２□、２３．２．（図では単に２として示した）
をターゲットホルダ１とバフキングプレート３との間に
挟み、ビス４によって締めっけることによって、これら
ターゲットホルダ１、電子冷却素子２３，２□、２ｘ、
２４およびバッキングプレ−ト３は一体に組立てられる
。

ワッシャー５は、電子冷却素子２によりバッキングプレ
ート３に輸送された熱がビス４を介して逆流するのを防
止するため熱伝導度の小さいプラスチック製のものを使
用している。また、ターゲットホルダ１は、このホルダ
にボンディングされるターゲットＴのスパッタリングの
際のチャージアンプを避けるために接地する。

７はターゲット装置本体であって、前記バッキングプレ
ート３と接触して冷却水を循環させるための空間部を含
んでおり、冷却水は矢印で示すようにこの空間部内を循
環しながらバッキングプレート３から熱を吸収し、吸収
した熱はこの冷却水を介して外部に放出される。

第３図は、この実施例のターゲット冷却機構を用いたＡ
ｒイオンビームスパンタ装置によって第５図について図
示説明したと同じ組成のターゲットを、成膜中にターゲ
ットホルダの温度が水温に相当する２６℃以上にならな
いように電子冷却素子２に供給する電力を調整しながら
他はすべて同じ成膜条件でスパツクして成膜したときの
膜の組成の時系列的な変化を示す図であり、図中Ｃ，Ｄ
は第５図のＡ、Ｂに対応する時間であって、ＣＤの順に
成膜したことを示している。

この図から明らかなように、時間Ｃで成膜された膜およ
び時間りで成膜された膜の組成はいずれもターゲットの
組成とほとんど変わっておらず、また、第５図に示され
ているような時系列的な組成の変化もほとんど認められ
ない。このように形成された膜の組成がターゲットの組
成とほぼ同一で、その時系列的な変゛化も認められない
ことは、電子冷却素子による冷却効果が充分なために成
膜中にターゲットの組成が変化しないことを示している
。

また、上記のターゲットに代えて基板を冷却すれば、−
旦成膜された膜の再蒸発を防止できるので実効的な膜の
形成速度が向上するとともに目標とした組成からのずれ
を防止することができ、さらに、電子冷却素子の冷却能
力が大きいことから基板を低温に維持して熱力学的に準
安定な構造の膜を基板上に形成する能力が向上する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電子冷却素子によって充分な冷却効果
が得られるため、ターゲットとして低融点の複合材料を
使用しても時系列的な変化なしにターゲットと同様な組
成を持つ膜を基板上に安定して形成することができ、ま
た、冷却能力の向上にともなって、ターゲットに照射す
るイオンのエネルギー密度を上げて成膜速度の実質的な
向上を図ることもできる。

また、電子冷却素子による冷却能力が大きいことから基
板を低温に冷却・維持することによって、再蒸発による
膜の組成ずれを抑え、実効的な膜の形成速度を向上させ
られるばかりか、蒸着粒子の運動エネルギーを迅速に奪
って熱力学的に準安定な構造の膜を基板上に形成しやす
いという格別の効果が達成される。

第１図は本発明の原理図を示す図、 第２図は本発明の冷却機構の実施例を示す図、第３図は
上記実施例の冷却機構を用いて成膜した膜の組成を示す
図、 第４図は従来のターゲット冷却機構を示す図、第５図は
従来のターゲット冷却機構を用いて成膜した膜の組成を
示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターゲットを載置するターゲットホルダーの下面
   に電子冷却素子を設けて上記ターゲットを冷却するよう
   にしたことを特徴とする真空成膜装置におけるターゲッ
   ト冷却機構。
2. （２）基板を載置する基板ホルダーの下面に電子冷却素
   子を設けて上記基板を冷却するようにしたことを特徴と
   する真空成膜装置における基板冷却機構。