KR20150053800A

KR20150053800A - Pvd 처리 방법 및 pvd 처리 장치

Info

Publication number: KR20150053800A
Application number: KR1020157008993A
Authority: KR
Inventors: 히로후미 후지이
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2015-05-18
Also published as: KR101697448B1; EP2907890A1; JP2014077185A; EP2907890A4; CN104685096A; BR112015007783A2; JP5916581B2; WO2014057608A1

Abstract

타깃의 편소모를 확실하게 억제하면서 PVD 처리를 행하는 방법 및 장치가 제공된다. PVD 처리 방법은, 진공 챔버(2) 내의 양극(3)과 음극(4) 사이에 방전을 발생시켜 음극(4)을 증발시킴으로써 PVD 처리를 행하는 것과, PVD 처리가 행해지고 있을 때에, 양극(3)과 음극(4) 중의 냉각 대상 전극에 형성된 냉각 유로에 냉각 매체를 유통시켜 당해 냉각 대상 전극을 냉각하고, 또한 그 냉각 매체의 유통 방향을 반전시키도록 전환하는 것을 포함한다.

Description

PVD 처리 방법 및 PVD 처리 장치 {PVD TREATMENT METHOD AND PVD TREATMENT DEVICE}

본 발명은 PVD 처리 방법 및 PVD 처리 장치에 관한 것이다.

종래, 절삭 공구의 내마모성의 향상이나, 기계 부품의 미끄럼 이동면의 미끄럼 이동 특성의 향상을 목적으로 하여, 기재(성막 대상물)에 대해, 물리적 증착(PVD)법에 의한 경질 피막(TiN, TiAlN, CrN 등)의 성막이 행해져 왔다. 이러한 경질 피막의 성막에 사용되는 장치로서는, 아크 이온 플레이팅 장치나 스퍼터링 장치 등의 성막 장치가 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 음극을 구성하는 타깃과, 양극을 구비한 아크 이온 플레이팅 장치가 개시되어 있다. 상기 타깃은, 상하 방향을 향하는 로드 형상을 이룬다. 상기 양극은, 상기 타깃의 주위에 당해 타깃을 둘러싸도록 배치되어 있다. 구체적으로, 당해 양극은, 타깃의 상단부로부터 외주측의 상방에 거리를 두고 형성되는 상부 링 형상 전극과, 음극의 하단부로부터 외주측의 하방에 거리를 두고 형성되는 하부 링 형상 전극과, 이들 상하의 링 형상 전극끼리를 상하 방향으로 연결하는 복수의 로드 형상 전극을 갖는다.

한편, 일반의 PVD 처리 장치에서는, 음극인 타깃의 표면 온도나, 이 타깃과의 사이에서 방전을 일으키는 양극의 표면 온도에 불균일이 있으면, 그 중 온도가 높은 부분의 전기 저항이 상대적으로 높아지므로, 온도가 낮은 부분에만 방전이 우선적으로 발생하고, 전극면 내에서 방전이 균일하게 발생하지 않게 되는 것이 알려져 있다. 이러한 방전의 치우침이 일어나면, 전극의 일부에만 방전이 일어나 타깃이 국부적으로 감소해가는 편소모를 일으키기 쉽다. 이 편소모는, 타깃의 이용 효율을 저하시킴과 함께, 타깃을 조기에 수명에 이르게 하여 당해 타깃의 교환 작업의 빈도 및 처리 비용을 증대시킨다. 또한, 타깃의 편소모는, 워크의 막 두께 분포의 편차나 재현성의 저하 등의 원인으로도 된다.

그로 인해, 상술한 특허문헌 1에 기재된 PVD 처리 장치에서도, 양극을 구성하는 전극이나 음극을 구성하는 타깃을 가능한 한 균일하게 냉각하는 것이 바람직하다. 그 수단으로서, 특허문헌 1에는, 타깃의 내부를 공동으로 하여 냉각 유로를 구성하고, 이 냉각 유로에 냉각수를 유통시키는 것이 개시되어 있다.

그러나, 상기 냉각 유로에 실제로 냉각수가 흘려지면, 유로의 입구측과 출구측 사이에서 냉각수의 온도에 큰 차가 발생해 버린다. 이 온도차는, 냉각능의 차이를 낳고, 타깃의 편소모의 원인으로 되어 버리는 경우가 있다. 예를 들어, 냉각 유로의 입구측에 가까운 부분에서는, 냉각수의 온도가 낮으므로 냉각능이 높고, 전극의 온도가 국부적으로 낮아져 방전이 촉진된다. 한편, 냉각 유로의 출구측에 가까운 부분에서는, 냉각수의 온도가 높아지므로 냉각능이 낮아지고, 전극의 온도가 고온으로 되어 방전이 적어진다. 그 결과, 타깃에 편소모가 일어나 버린다. 즉, 종래의 PVD 처리 장치에서는, 전극의 냉각이 부분적으로 불충분해져, 타깃의 편소모를 확실하게 억제할 수 없었던 것이다.

일본 특허 제3195492호 공보

본 발명은 타깃의 편소모를 확실하게 억제하면서 PVD 처리를 행할 수 있는 PVD 처리 방법 및 PVD 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 제공하는 PVD 처리 방법은, 내부가 진공으로 되는 진공 챔버와, 이 진공 챔버의 내부에 설치되는 양극 및 음극을 구비하고, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 한쪽이 냉각 대상 전극이며 당해 냉각 대상 전극에 냉각 유로의 적어도 일부가 형성된 PVD 처리 장치를 준비하는 것과, 상기 양극과 상기 음극 사이에 방전을 발생시켜 상기 음극을 증발시킴으로써 PVD 처리를 행하는 것과, 그 PVD 처리가 행해지고 있을 때에 상기 냉각 유로에 냉각 매체를 유통시켜 상기 냉각 대상 전극을 냉각하고, 또한 그 냉각 매체의 유통 방향을 반전시키도록 전환하는 것을 포함한다.

또한, 본 발명이 제공하는 PVD 처리 장치는, 내부가 진공으로 되는 진공 챔버와, 이 진공 챔버의 내부에 설치되는 양극 및 음극이며, 이들 양극과 음극 사이에 방전이 발생함으로써 상기 음극이 증발하여 PVD 처리가 행해지는 것이 가능한 것과, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 한쪽을 냉각 대상 전극으로서 냉각하는 냉각 기구를 구비하고, 상기 냉각 기구는, 상기 냉각 대상 전극에 형성되는 유로를 포함하고 있고 그 내부를 당해 냉각 대상 전극의 냉각을 위한 냉각 매체가 유통되는 것이 가능한 냉각 유로와, 상기 냉각 유로에 있어서의 냉각 매체의 유통 방향을 교대로 반전시키도록 전환하는 유통 방향 전환부를 포함한다.

도 1은 본 발명의 각 실시 형태에 관한 PVD 처리 장치의 전체 구성을 도시하는 단면 정면도이다.
도 2는 본 발명의 각 실시 형태에 관한 타깃을 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 각 실시 형태에 관한 냉각 기구를 도시하는 플로우 시트이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서 타깃을 냉각하는 냉각 기구를 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서 외측 전극을 냉각하는 냉각 기구를 도시하는 사시도이다.
도 6은 참고예에 관한 PVD 처리 장치에 형성되는 외측 전극을 냉각하는 냉각 기구를 도시하는 도면이다.

도 1은 이하에 설명하는 본 발명의 각 실시 형태에 관한 PVD 처리 장치(1)의 전체 구성을 도시한다. 이 PVD 처리 장치(1)는, PVD(Physical Vapor Deposition)법을 이용하여, 워크(W)의 표면에 성막을 행하는 장치이다. PVD법은, 성막하려고 하는 물질을 아크를 사용하여 증발시키거나 이온을 충돌시켜 튀겨 날리는 것과 같은 물리적 수단에 의해, 워크(W) 상에 성막하려고 하는 물질을 퇴적시켜 피막을 성막하는 방법이다.

이 PVD법을 행하는 PVD 처리 장치에는, 아크 이온 플레이팅법에 의해 성막을 행하는 AIP 장치(Arc Ion Plating)나, 스퍼터 장치 등이 있다. 이후에서는, AIP 장치를 염두에 두면서, 본 발명의 실시 형태에 관한 PVD 처리 장치(1)를 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, PVD 처리에 사용되는 전극 중 전위가 높은 측의 것이 「양극」, 전위가 낮은 측의 것이 「음극」이라고 불리고, 이들은, 애노드나 캐소드와 동일한 의미이다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 관한 PVD 처리 장치(1)는, 내부가 공동으로 된 진공 챔버(2)와, 이 진공 챔버(2)의 내부에 배치된 외측 전극(3)과, 동일하게 진공 챔버(2)의 내부에 배치된 타깃(4)을 구비한다. 이 중, 상기 타깃(4)이 음극을 구성하고, 「외측 전극(3)」이 양극을 구성한다. 즉, 타깃(4) 및 외측 전극(3)이 각각 PVD 처리를 위한 전극으로서 사용된다.

양극, 즉, 애노드로서 사용되는 외측 전극(3)은, 도 1에 직류 전원으로서 나타내어지는 아크 전원(5)의 플러스극에 접속되고, 음극, 즉, 애노드로서 사용되는 타깃(4)은, 상기 아크 전원(5)의 마이너스극에 전기적으로 접속된다. 상기 아크 전원(5)은, 양극인 외측 전극(3)과 음극인 타깃(4) 사이에, 아크 방전을 발생시키는 것이 가능한 전위차를 부여한다.

성막 대상인 워크(W)는, 상술한 아크 방전에 의해 증발한 타깃(4)에 의해 구성되는 성막 물질이 워크(W)의 표면에 성막되도록, 상기 외측 전극(3)의 외측에 배치되어 있다.

음극으로서 사용되는 상기 타깃(4)은, 장척 원기둥 형상의 부재이며, 상하 방향으로 연장되도록 진공 챔버(2)의 중심에 배치되고, 그 적당한 부위, 예를 들어 상하 양단부가, 상술한 아크 전원(5)의 마이너스극에 접속되어 있다. 타깃(4)은 워크(W)의 표면에 성막되어야 하는 성막 물질에 의해 구성된다. 구체적으로, 타깃(4)을 구성하는 물질로서는 Ti, Zr, Cr 등의 금속이 적합하다. 이들 금속의 사용에 의해, 워크(W) 표면에 TiN, ZrN, CrN 등의 경질 피막을 형성하는 것이 가능하다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 타깃(4)은 중공 형상, 즉, 원통 형상으로 형성되어 있다. 구체적으로, 타깃(4)은 그 축심을 따른 중공부(4a)를 갖고, 이 중공부(4a)를 냉각 매체가 유통 가능하다.

도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 양극으로서 사용되는 외측 전극(3)은, 타깃(4)의 외측에 배치되어 당해 타깃(4)을 둘러싸도록 배치되는 원통 바구니 형상을 이룬다. 구체적으로, 외측 전극(3)은, 타깃(4)의 상단부로부터 직경 외측 상방에 거리를 두고 배치되는 상부 링 형상 전극(6)과, 타깃(4)의 하단부로부터 직경 외측 하방에 거리를 두고 배치되는 하부 링 형상 전극(7)과, 이들 상부 링 형상 전극(6)과 하부 링 형상 전극(7)을 상하로 연결하는 복수의 로드 형상 전극(8)을 구비하고 있다.

상부 링 형상 전극(6) 및 하부 링 형상 전극(7)은, 상하 방향의 축을 중심으로 하는 원환상, 즉, 중앙에 원형의 공간을 둘러싸는 형상을 갖는 전극이다. 각 로드 형상 전극(8)은, 상하 방향으로 연장되는 봉 형상의 전극이며, 타깃(4)의 주위에 배열되어 있다. 구체적으로, 각 로드 형상 전극(8)은, 상기 타깃(4)을 환상으로 둘러싸도록 둘레 방향으로 등간격으로 배열되는 복수(도시예에서는 8개)의 위치에 각각 배치되어 있다. 로드 형상 전극(8)의 내부에도 그 축심을 따라 중공부가 형성되어 있다.

이 PVD 처리 장치(1)에서는, 타깃(4)의 방전면의 온도나, 타깃(4)과의 사이에서 방전을 일으키는 외측 전극(3)의 방전면의 온도에 불균일이 있으면, 온도가 높은 부분의 전기 저항이 상승하므로 저온부에 있어서 우선적으로 방전이 발생하고, 전극면 내에서 방전이 균일하게 발생하지 않게 될 우려가 있다. 이러한 방전의 치우침이 일어나면, 타깃(4)의 일부에만 방전이 일어나 타깃(4)이 국부적으로 소모되는 편소모를 일으키기 쉽다. 당해 편마모를 억제하는 수단으로서, 상술한 외측 전극(3)의 내부나 타깃(4)의 내부에 냉각 매체를 통해 외측 전극(3)이나 타깃(4)을 냉각하는 것이 유효하다. 냉각 매체로서는, 저렴하게 입수 가능한 냉각수가 바람직하다.

그러나, 상술한 외측 전극(3)이나 타깃(4), 특히 외측 전극(3)은, 매우 복잡한 구조를 하고 있으므로, 그 내부에 단순히 냉각수를 유통시키는 것만으로는 충분한 냉각 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다. 그 이유의 상세를, 참고예로서 도 6에 도시되는 장치를 참조하면서 설명한다.

도 6에 도시하는 장치는, 타깃(104)과, 양극인 전극(103)을 구비하고, 이 전극(103)은, 중공의 상부 링 형상 전극(106)과, 중공의 하부 링 형상 전극(107)과, 타깃(104)을 둘러싸는 8개의 중공의 로드 형상 전극(108A, 108B, 108C, 108D, 108E, 108F, 108G, 108H)을 구비한다. 상부 링 형상 전극(106) 및 하부 링 형상 전극(107)의 내부의 공간은 둘레 방향으로 배열되는 복수의 방으로 구획되고, 그 구획된 각 방에, 서로 이웃하는 2개의 로드 형상 전극이 접속되어 있다. 이 장치에 있어서, 냉각수는 상부 링 형상 전극(106)에 있어서 서로 구획된 방 중 1개의 방에 공급되고, 그 후, 로드 형상 전극(108A), 하부 링 형상 전극(107), 로드 형상 전극(108B), 상부 링 형상 전극(106), 로드 형상 전극(108C), 하부 링 형상 전극(107), 로드 형상 전극(108D), 상부 링 형상 전극(106), 로드 형상 전극(108E), 하부 링 형상 전극(107), 로드 형상 전극(108F), 상부 링 형상 전극(106), 로드 형상 전극(108G), 하부 링 형상 전극(107), 로드 형상 전극(108H)이라 하는 순서로 사행(蛇行)하면서 전극(103)의 내부를 흐르고, 이에 의해, 양극으로 된 전극(103)을 냉각한다.

그러나, 상기한 유로를 따라 실제로 냉각수가 흐르면, 당해 유로의 입구측과 출구측에서 냉각수의 온도에 큰 차가 발생해 버리고, 이 입구측과 출구측의 온도차가 냉각능의 차이를 낳고, 방전 상태의 치우침을 발생시키고, 나아가서는 타깃(104)의 편소모의 원인으로 되어 버리는 경우가 있다. 예를 들어, 상술한 도 6의 냉각 유로의 입구측에서는, 냉각수의 온도가 낮으므로 냉각능이 높고, 당해 입구측에 가까운 로드 형상 전극(108A)이나 로드 형상 전극(108B) 등의 온도가 국부적으로 낮아져, 방전이 촉진된다. 한편, 냉각 유로의 출구측에서는, 냉각수의 온도가 높아지므로 냉각능이 낮아지고, 당해 출구측에 가까운 로드 형상 전극(108G)이나 로드 형상 전극(108H)의 온도가 고온으로 되어 방전이 적어진다. 그 결과, 타깃(104) 중 로드 형상 전극(108A, 108B)에 가까운 부분이 다른 부분에 비해 크게 우묵하게 들어가는 편소모가 일어나 버린다고 하는 문제가 발생한다.

이에 반해 본 발명의 각 실시 형태에 관한 PVD 처리 장치(1)는, 도 3에 도시하는 바와 같은 냉각 기구를 구비한다. 이 냉각 기구는, 상기 외측 전극(3) 및 상기 타깃(4) 중 적어도 한쪽의 전극을 냉각 대상 전극(30)으로서 당해 냉각 대상 전극(30)을 냉각하는 것으로서, 상기 냉각 대상 전극(30)에 냉각 매체인 냉각수를 유통시켜 당해 냉각 대상 전극(30)을 냉각하는 냉각 유로(11)와, 냉각 유로(11)에 있어서의 냉각수의 유통 방향을 반복해서 반전시키도록 전환하는 유통 방향 전환부(24)를 구비한다. 상기 냉각 유로(11)는, 전극의 일측으로부터 타측을 향해 냉각수를 유통시켜 전극의 냉각을 행하기 위한 제1 냉각 유로(12)와, 전극의 타측으로부터 일측을 향해 냉각수를 유통시켜 전극의 냉각을 행하는 제2 냉각 유로(13)를 갖는다.

여기에서 말하는 제1 냉각 유로(12) 및 제2 냉각 유로(13)는, 물리적으로 서로 독립된 수로여도 되고, 공통의 수로가 제1 냉각 수로(12) 및 제2 냉각 수로(13)에 겸용되어도 된다. 즉, 상기한 「제1 냉각 유로(12)」는, 냉각 대상 전극(30)의 일측으로부터 타측에 냉각수를 흘리기 위한 유로로서 정의되고, 상기한 「제1 냉각 유로(12)」는, 전극의 타측으로부터 일측에 냉각수를 흘리기 위한 유로로서 정의되는 것이므로, 냉각수의 유통 방향의 전환만 행해지면 제1 냉각 유로(12) 및 제2 냉각 유로(13)에 공통의 유로가 사용되는 것이 가능하다.

상기 제1 및 제2 실시 형태에서는, 냉각 유로(11) 중 냉각 대상 전극(30)의 내부에 형성되는 유로가 제1 냉각 유로(12) 및 제2 냉각 유로로서 겸용된다. 당해 냉각수의 유통 방향의 전환, 바꿔 말하면, 제1 냉각 유로(12)와 제2 냉각 유로(13) 사이에서의 사용 유로의 전환은, 유통 방향 전환부(24)에 의해 행해진다.

상기 냉각 기구가 냉각하는 냉각 대상 전극(30)은, 외측 전극(3) 및 타깃(4) 중 어느 한쪽만이어도 되고, 양쪽이어도 된다. 제1 실시 형태에서는, 장척 원기둥 형상으로 형성된 타깃(4)이 냉각 대상 전극(30)으로서 냉각되고, 제2 실시 형태에서는 타깃(4)의 외측에 배치되는 외측 전극(3)이 냉각 대상 전극(30)으로서 냉각된다.

도 3에 도시하는 냉각 기구는, 냉각 대상 전극(30)의 상부[제1 실시 형태에서는 도 4에 도시하는 바와 같이 타깃(4)의 상단부]에 연결되는 상부 배관(14)과, 냉각 대상 전극(30)의 하부[제1 실시 형태에서는 도 4에 도시하는 바와 같이 타깃(4)의 하단부]에 연결되는 하부 배관(15)과, 공급 배관(16)과, 배수 배관(17)과, 유통 방향 전환부(24)를 구성하는 복수의 밸브인 제1, 제2 및 제3 전환 밸브(18, 19 및 20)를 갖는다. 상부 배관(14) 및 하부 배관(15)은, 냉각 대상 전극(30)의 내부[제1 실시 형태에서는 타깃(4) 내의 중공부(4a)]에 연통되어 있다. 공급 배관(16)은, 도시하지 않은 냉각수의 공급부에 접속되고, 배수 배관(17)은 도시하지 않은 냉각수의 배수부에 접속되어 있다.

상기 제1∼제3 전환 밸브(18∼20)는, 각각 3방향 밸브에 의해 구성된다. 상기 공급 배관(16)은, 냉각수의 공급부로부터 제1 전환 밸브(18)에 이르는 부분과, 이 제1 전환 밸브(18)에서 분기하여 제1 및 제2 냉각 유로(12, 13)를 각각 구성하는 부분을 갖는다.

공급 배관(16) 중 제1 전환 밸브(18)로부터 분기하여 제1 냉각 유로(12)를 구성하는 부분은, 제2 전환 밸브(19)를 통해 상기 상부 배관(14)에 접속되어 있다. 3방향 밸브로 이루어지는 제2 전환 밸브(19)의 또 하나의 포트에는 배수 배관(17)이 접속되고, 냉각수의 배수부에 이르고 있다.

상기 공급 배관(16) 중 상기 제1 전환 밸브(18)로부터 분기하여 제2 냉각 유로(13)를 구성하는 부분은, 제3 전환 밸브(20)를 통해 상기 하부 배관(15)에 접속된다. 3방향 밸브로 이루어지는 제3 전환 밸브(20)의 또 하나의 포트에는 상기 배수 배관(17)이 접속되고, 냉각수의 배수부에 이르고 있다.

이상 설명한 상부 배관(14), 하부 배관(15), 공급 배관(16), 배수 배관(17)이 냉각 유로(11)를 구성하고, 상기 제1∼제3 전환 밸브(18∼20)가 상기 냉각 유로(11)의 도중에 유통 방향을 전환하는 유통 방향 전환부(24)를 구성한다. 즉, 상기 제1∼제3 전환 밸브(18∼20)의 전환 조작에 의해, 냉각 대상 전극(30)인 외측 전극(3) 또는 타깃(4)에 있어서의 냉각수의 유통 방향을 반전시키도록 전환할 수 있다. 즉, 제1 냉각 유로(12)와 제2 냉각 유로(13)의 전환을 행할 수 있다.

구체적으로, 제1 냉각 유로(12)를 사용할 때에는, 도 3의 흑색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 공급 배관(16)을 흐르는 냉각수가 제1 전환 밸브(19)에 이르도록 제1 전환 밸브(18)가 조작되고, 당해 공급 배관(16)을 상부 배관(14)에 접속하도록 제2 전환 밸브(19)가 조작되고, 하부 배관(15)을 배수 배관(17)에 접속하도록 제3 전환 밸브(20)가 조작된다. 이에 의해, 상부 배관(14)을 흐르는 냉각수는, 냉각 대상 전극(30)의 내부에 형성된 유로[제1 실시 형태에서는 타깃(4) 내의 중공부(4a)]를 흘러 내려가고, 하부 배관(15)에 유출되고, 제3 전환 밸브(20)를 통해 배수 배관(17)으로 유도된다. 이와 같이 하여 제1 냉각 유로(12)를 흐르는 냉각수는, 냉각 대상 전극(30) 내를 상측으로부터 하측을 향해, 즉, 하향으로 흐르고, 이에 의해 당해 냉각 대상 전극(30)을 냉각한다.

한편, 제2 냉각 유로(13)를 사용할 때에는, 도 3의 백색 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 공급 배관(16)을 흐르는 냉각수가 제3 전환 밸브(20)에 이르도록 제1 전환 밸브(18)가 조작되고, 당해 공급 배관(16)을 하부 배관(15)에 접속하도록 제3 전환 밸브(20)가 조작되고, 상부 배관(14)을 배수 배관(17)에 접속하도록 제2 전환 밸브(19)가 조작된다. 이에 의해, 하부 배관(15)을 흐르는 냉각수는, 냉각 대상 전극(30)의 내부에 형성된 유로[제1 실시 형태에서는 타깃(4) 내의 중공부(4a)]를 흘러 올라가고, 상부 배관(14)에 유출되고, 제2 전환 밸브(19)를 통해 배수 배관(17)으로 유도된다. 이와 같이 하여 제2 냉각 유로(13)를 흐르는 냉각수는, 냉각 대상 전극(30) 내를 하측으로부터 상측을 향해, 즉, 상향으로 흐르고, 이에 의해 당해 냉각 대상 전극(30)을 냉각한다.

상기 제1 냉각 유로(12)의 사용 시에는, 냉각 유로(11) 중 냉각수의 입구측에 가까운 상측 부분이 하측 부분보다도 효과적으로 냉각되고, 제2 냉각 유로(13)의 사용 시에는, 냉각 유로(11) 중 냉각수의 출구측에 가까운 하측 부분이 상측 부분보다도 효과적으로 냉각된다. 그로 인해, 제1 냉각 유로(12)와 제2 냉각 유로(13)를 교대로 사용하도록 냉각수의 유통 방향을 반전시킴으로써, 냉각 대상 전극(30)을 균일하게 냉각할 수 있다. 이것은, 타깃(4)의 소모량을 균일하게 하고, 이에 의해, 당해 타깃(4)의 이용 효율을 높이고, 타깃(4)의 교환 주기를 연장시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 타깃(4)에서의 방전 집중 등에 의한 이상 방전의 가능성도 저감되어, 워크(W)에 있어서의 균일한 막 두께 분포도 실현할 수 있게 된다.

상기 실시 형태에 있어서는 양극과 음극 사이에 아크 방전이 발생되지만, 아크 방전 대신에 스퍼터 방전을 발생시키는 경우에도 마찬가지의 전극 냉각 기구를 적용할 수 있다.

상기 냉각 유로(11)에서의 냉각수의 유통 방향의 전환의 타이밍은, PVD 처리 등의 내용에 의해 적절히 선택 가능하다.

예를 들어, PVD 처리를 뱃치 처리에 의해 행하는 경우에는, 뱃치마다, 사용하는 냉각 유로를 제1 냉각 유로(12)와 제2 냉각 유로(13) 사이에서 전환하는, 즉, 외측 전극(3) 또는 타깃(4)에 있어서의 냉각수의 유통 방향을 반전시키면 좋다. 예로서, 홀수회째의 뱃치 처리에서는 제1 냉각 유로(12)를 사용하고, 짝수회째의 뱃치 처리에서는 제2 냉각 유로(13)를 사용하도록, 제1∼제3 전환 밸브(18∼20)가 조작되면 좋다.

또한, 음극으로 되는 타깃(4)의 사용 수명을 미리 알고 있거나, 혹은 추정할 수 있는 경우에는, 타깃(4)의 수명을 복수의 기간(예를 들어, 2기간)으로 분할하고, 각 기간마다, 사용하는 냉각 유로를 제1 냉각 유로(12)와 제2 냉각 유로(13) 사이에서 전환하는, 즉, 외측 전극(3) 또는 타깃(4)에 있어서의 냉각수의 유통 방향을 반전시키면 좋다. 예로서, 제1 기간에서는 제1 냉각 유로(12)를 사용하고, 제2 기간에서는 제2 냉각 유로(13)를 사용하도록, 제1∼제3 전환 밸브(18∼20)가 조작되면 좋다. 상기 타깃(4)의 사용 수명은, 아크 전극이라면 방전 전류의 적산값, 스퍼터 전극이라면 방전 전력의 적산값으로부터 예측할 수 있다.

이와 같이 함으로써, 타깃(4)의 편소모를 확실하게 억제하면서 PVD 처리를 행할 수 있다. 예를 들어, 아크 이온 플레이팅법에서는 타깃(4)으로부터의 비말(용융 입자)의 방출이 불가피하지만, 타깃(4)의 온도 상승에 의해, 그 수나 크기가 급격하게 증대되는 것이 알려져 있다. 그러나, 타깃(4)을 균일하게 냉각함으로써 비말의 증대를 방지할 수 있다. 또한, 아크 이온 플레이팅법, 스퍼터링법 모두, 타깃(4)에 온도 불균일이 있으면 불균일하게 변형되어 온도 불균일을 증장하거나, 취약한 재료를 사용한 경우 등에는 균열이 발생하는 경우도 있지만, 제1 실시 형태의 기술을 사용하여, 타깃(4)을 균일하게 냉각함으로써, 이러한 문제를 방지할 수 있다.

상기 제1 실시 형태의 냉각 기구는, 음극인 타깃(4)을 직접 냉각하지만, 제2실시 형태의 냉각 기구도, 양극인 외측 전극(3)을 냉각함으로써, 외측 전극(3) 자체의 손모 방지를 행하면서 타깃(4)을 간접적으로 냉각할 수 있다. 또한, 제2 실시 형태에서는, 냉각 기구를 사용하여 외측 전극(3)의 방전면의 온도 불균일을 없앰으로써, 아크를 양 전극간에서 보다 균일하게 발생시키는 것이 가능해지고, 타깃(4)의 편소모를 더욱 확실하게 억제할 수 있게 된다.

이 제2 실시 형태에 관한 PVD 처리 장치의 주요부를 도 5에 도시한다. 이 제2 실시 형태의 냉각 기구의 냉각 유로(11)는, 외측 전극(3) 내에 냉각수를 유통시킨다. 외측 전극(3)은, 상술한 바와 같이, 상부 링 형상 전극(6)과 하부 링 형상 전극(7)과 복수의 로드 형상 전극(8)을 구비하고 있고, 이들 전극(6∼8)은 모두 냉각수의 유통을 가능하게 하도록 중공이다. 또한, 도 6에 도시하는 장치와 달리, 상부 링 형상 전극(6) 및 하부 링 형상 전극(7)의 내부는 복수의 방으로 구획되어 있지 않다. 그로 인해, 상부 링 형상 전극(6)에 냉각수가 유입되는 경우, 그 냉각수는, 상부 링 형상 전극(6)의 내부 전체에 유통되고, 상하로 연장되는 로드 형상 전극(8)의 각각을 균등하게 흘러 내려가, 하부 링 형상 전극(7)의 내부에 유입된다. 즉, 제2 실시 형태의 냉각 기구는, 냉각 대상 전극(30)인 외측 전극(3)의 내부에서 냉각 유로(11)가 복수의 분기 유로, 즉, 각 로드 형상 전극(8) 내의 유로로 분기하고 있고, 냉각수가 각 분기 유로에 분배되도록 유통된다.

보다 구체적으로 설명하면, 제2 실시 형태의 냉각 기구에서는, 냉각 유로(11) 중 상부 링 형상 전극(6)의 내부에 형성되는 유로는 당해 상부 링 형상 전극(6)의 둘레 방향으로 연속하는 원환상을 이룬다. 이 상부 링 형상 전극(6)의 상벽에는, 당해 상부 링 형상 전극(6) 내에 냉각수를 공급하거나 배출하는 상부 접속관(22)이 설치되어 있다. 상기 각 로드 형상 전극(8)은 둘레 방향으로 동등한 간격을 두고 배열되면서 상부 링 형상 전극(6)의 저벽에 접속되어 있다. 따라서, 상부 링 형상 전극(6)의 내부의 원환상의 유로에 냉각수가 공급되는 경우에는 당해 냉각수가 각 로드 형상 전극(8) 내의 분기 유로에 분배되고, 반대로, 냉각수가 각 로드 형상 전극(8) 내의 분기 유로에 그 하측에서 분배되어 당해 분기 유로 내를 상승하는 경우에는 당해 냉각수가 상부 링 형상 전극(6) 내의 원환상의 유로 내에서 합류한다.

상기 하부 링 형상 전극(7)은, 상기 상부 링 형상 전극(6)을 상하 반전시킨 구조를 갖고 있다. 즉, 이 하부 링 형상 전극(7)도 내부에 원환상의 유로를 갖고, 상기 각 로드 형상 전극(8)은 둘레 방향으로 동등한 간격을 두고 배열되면서 하부 링 형상 전극(7)의 천장벽에 접속되어 있다. 따라서, 하부 링 형상 전극(7) 내의 유로는, 각 로드 형상 전극(8)의 하측에서 각 로드 형상 전극(8)에 냉각수를 분배하거나, 반대로 각 로드 형상 전극(8)의 상측에서 당해 로드 형상 전극(8)에 분배되어 흘러 내려가는 냉각수를 합류시키는 것을 가능하게 한다. 하부 링 형상 전극(7)의 저벽에는, 당해 하부 링 형상 전극(7) 내에 냉각수를 공급하거나 배출하는 하부 접속관(23)이 설치되어 있다.

이러한 구조를 갖는 외측 전극(3)의 내부 유로도, 제1 실시 형태에 관한 타깃(4)의 중공부(4a)와 마찬가지로, 도 3에 도시하는 바와 같은 배관 경로에 도입되는 것이 가능하다. 이 경우, 상기 상부 접속관(22)은 제2 전환 밸브(19)로부터 연장되는 상부 배관(14)에 접속되고, 하부 접속관(23)은 제3 전환 밸브(20)에 이르는 하부 배관(15)에 접속된다. 그리고, 유통 방향 전환부(24)를 구성하는 제1∼제3 전환 밸브(18∼20)의 전환 조작에 의해, 제1 냉각 유로(12)와 제2 냉각 유로(13) 사이에서의 사용 유로의 전환을 행할 수 있다. 예를 들어, 냉각수가 제1 냉각 유로(12)를 유통할 때에는, 상부 링 형상 전극(6) 내에 공급된 냉각수가 각 로드 형상 전극(8) 내의 분기 유로에 분배되고, 당해 분기 유로를 흘러 내려간 후에 하부 링 형상 전극(7)에서 합류함으로써, 외측 전극(3)을 확실하게 냉각한다. 반대로, 냉각수가 제2 냉각 유로(13)를 유통할 때에는, 하부 링 형상 전극(7) 내에 공급된 냉각수가 각 로드 형상 전극(8) 내의 분기 유로에 분배되고, 당해 분기 유로 내를 상승한 후, 상부 링 형상 전극(6)에서 합류함으로써, 외측 전극(3)을 확실하게 냉각한다.

이와 같이, 제2 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 도 3에 도시되는 유통 방향 전환부(24)를 사용하여 제1 냉각 유로(12)와 제2 냉각 유로(13)를 교대로 전환하여 외측 전극(3)을 냉각함으로써, 제1 실시 형태에 관한 타깃(4)의 냉각과 마찬가지로 외측 전극(3)을 냉각할 수 있다. 여기서, 하부 링 형상 전극(7)에 설치되는 하부 접속관(23)의 위치는, 상부 링 형상 전극(6)에 설치되는 상부 접속관(22)의 위치와 링의 중심을 사이에 두고 반대측으로 되는 위치인 것이 보다 바람직하다. 즉, 외측 전극(3)의 내부에 형성되는 냉각 유로는 상하 방향·좌우 방향에 있어서 대칭으로 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이 배치는, 제1 냉각 유로(12)를 사용하는 경우, 즉, 상부 링 형상 전극(6)으로부터 하부 링 형상 전극(7)에 냉각수를 유통시키는 경우의 냉각수의 흐름과, 제2 냉각 유로(13)를 사용하는 경우, 즉, 하부 링 형상 전극(7)으로부터 상부 링 형상 전극(6)에 냉각수를 유통시키는 경우의 냉각수의 흐름을 서로 대략 동등하게 하는 것을 가능하게 하고, 이에 의해, 냉각 유로(11) 내에서의 냉각수의 유량을 균일화하는 것을 가능하게 한다.

제2 실시 형태의 다른 구성은, 제1 실시 형태와 대략 마찬가지이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

이상 설명한, 제2 실시 형태의 기술을 사용함으로써, 외측 전극(3) 자체의 손모 방지를 행하면서 타깃(4)을 간접적으로 냉각할 수 있고, 타깃(4)의 편소모를 확실하게 억제하면서 PVD 처리를 행할 수 있게 된다.

또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 외측 전극(3)에 의해 구성되는 양극의 방전면은, 타깃(4)에 의해 구성되는 음극의 방전면보다도 워크(W)에 가까운 측에 설치되는 경우가 많고, 외측 전극(3)의 온도가 처리 중의 워크(W)의 온도에 영향을 미칠 가능성이 크다. 처리 중의 워크 온도의 변동은 막질에 영향을 미치므로, 외측 전극(3)의 온도의 균일화가 막질의 균일화에 기여하는 정도는 높다.

본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 발명의 본질을 변경하지 않는 범위에서 각 부재의 형상, 구조, 재질, 조합 등을 적절히 변경하는 것이 가능하다. 또한, 금회 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은, 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것이 아니라, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 사항을 채용하고 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 타깃의 편소모를 확실하게 억제하면서 PVD 처리를 행할 수 있는 PVD 처리 방법 및 PVD 처리 장치가 제공된다.

본 발명이 제공하는 PVD 처리 방법은, 내부가 진공으로 되는 진공 챔버와, 이 진공 챔버의 내부에 설치되는 양극 및 음극을 구비하고, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 한쪽이 냉각 대상 전극이며 당해 냉각 대상 전극에 냉각 유로의 적어도 일부가 형성된 PVD 처리 장치를 준비하는 것과, 양극과 음극 사이에 방전을 발생시켜 상기 음극을 증발시킴으로써 PVD 처리를 행하는 것과, 그 PVD 처리가 행해지고 있을 때에 상기 냉각 유로에 냉각 매체를 유통시켜 상기 냉각 대상 전극을 냉각하고, 또한 그 냉각 매체의 유통 방향을 반전시키도록 전환하는 것을 포함한다. 이 유통 방향의 반전 전환은, 냉각 대상 전극의 균일한 냉각을 가능하게 하고, 타깃의 편소모를 확실하게 억제한다.

이 방법에서는, 상기 PVD 처리 장치로서, 상기 냉각 대상 전극에 설치되는 냉각 유로가 복수의 분기 유로로 분기하는 것이 사용되고, 상기 냉각 매체가 복수의 분기 유로의 각각에 분배하여 유통됨으로써 당해 냉각 대상 전극의 냉각이 행해지는 것이 바람직하다. 이러한 각 분기 유로에의 냉각 매체의 분배는, 당해 냉각 대상 전극의 보다 균등한 냉각을 가능하게 한다.

상기 PVD 처리는 뱃치 처리에 의해 행해져도 된다. 이 경우, 예를 들어 상기 냉각 유로에 있어서의 냉각 매체의 유통 방향의 전환이 상기 각 뱃치 처리마다 행해지면 좋다.

혹은, 상기 음극의 사용 수명이 복수의 기간으로 분할되어 그 분할된 기간마다, 상기 냉각 유로에 있어서의 냉각 매체의 유통 방향의 전환이 행해져도 된다.

또한, 본 발명이 제공하는 PVD 처리 장치는, 내부가 진공으로 되는 진공 챔버와, 이 진공 챔버의 내부에 설치되는 양극 및 음극이며, 이들 양극과 음극 사이에 방전이 발생함으로써 상기 음극이 증발하여 PVD 처리가 행해지는 것이 가능한 것과, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 한쪽을 냉각 대상 전극으로서 냉각하는 냉각 기구를 구비한다. 상기 냉각 기구는, 상기 냉각 대상 전극에 형성되는 유로를 포함하고 있고 그 내부를 당해 냉각 대상 전극의 냉각을 위한 냉각 매체가 유통되는 것이 가능한 냉각 유로와, 상기 냉각 유로에 있어서의 냉각 매체의 유통 방향을 교대로 반전시키도록 전환하는 유통 방향 전환부를 포함한다.

예를 들어, 상기 냉각 유로는, 상기 냉각 대상 전극의 일단부측으로부터 타단부측을 향해 냉각 매체를 유통시켜 당해 냉각 대상 전극의 냉각을 행하는 제1 냉각 유로와, 상기 전극의 타단부측으로부터 일단부측을 향해 냉각 매체를 유통시켜 당해 전극의 냉각을 행하는 제2 냉각 유로를 갖고, 상기 유통 방향 전환부는, 냉각 매체가 유통되는 유로를 제1 냉각 유로와 제2 냉각 유로 사이에서 전환하는 것이 바람직하다.

상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 상기 양극이 상기 냉각 대상 전극이며, 상기 음극이, 상하 방향으로 연장되는 원기둥체에 의해 구성되는 경우, 상기 양극은, 상기 음극의 상단부로부터 당해 음극의 직경 방향의 외측에 거리를 두고 배치된 상부 링 형상 전극과, 상기 음극의 하단부로부터 당해 음극의 직경 방향의 외측에 거리를 두고 배치된 하부 링 형상 전극과, 상기 상부 링 형상 전극과 하부 링 형상 전극을 상하로 연결하는 복수의 로드 형상 전극을 포함하고, 상기 냉각 유로는, 상기 상부 링 형상 전극의 내부에 형성된 환상의 상측 중공부와, 상기 하부 링 형상 전극의 내부에 형성된 환상의 하측 중공부와, 상기 각 로드 형상 전극의 축심을 따라 형성된 중공부이며 상기 상측 중공부와 상기 하측 중공부를 연통하는 복수의 중간 중공부를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 양극의 구조는, 당해 양극이 그 내측에 배치되는 음극과의 사이에서 방전을 발생시키는 외측 전극으로서 기능하는 것을 가능하게 하면서, 상기 상부 링 형상 전극과 상기 하부 링 형상 전극 사이에서 냉각 매체를 유통시키는 유로를 형성하는 것을 가능하게 한다.

Claims

PVD 처리 방법이며,
내부가 진공으로 되는 진공 챔버와, 이 진공 챔버의 내부에 설치되는 양극 및 음극을 구비하고, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 한쪽이 냉각 대상 전극이며 당해 냉각 대상 전극에 냉각 유로의 적어도 일부가 형성된 PVD 처리 장치를 준비하는 것과,
상기 양극과 상기 음극 사이에 방전을 발생시켜 상기 음극을 증발시킴으로써 PVD 처리를 행하는 것과,
상기 PVD 처리가 행해지고 있을 때에 상기 냉각 유로에 냉각 매체를 유통시켜 상기 냉각 대상 전극을 냉각하고, 또한 그 냉각 매체의 유통 방향을 반전시키도록 전환하는 것을 포함하는, PVD 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 PVD 처리 장치로서, 상기 냉각 대상 전극에 설치되는 냉각 유로가 복수의 분기 유로로 분기하는 것이 사용되고, 상기 냉각 매체가 복수의 분기 유로의 각각에 분배되어 유통됨으로써 당해 냉각 대상 전극의 냉각이 행해지는, PVD 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 PVD 처리가 뱃치 처리에 의해 행해지고, 각 뱃치 처리마다, 상기 냉각 유로에 있어서의 냉각 매체의 유통 방향의 전환이 행해지는, PVD 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 음극의 사용 수명이 복수의 기간으로 분할되고, 그 분할된 기간마다, 상기 냉각 유로에 있어서의 냉각 매체의 유통 방향의 전환이 행해지는, PVD 처리 방법.
PVD 처리 장치이며,
내부가 진공으로 되는 진공 챔버와,
이 진공 챔버의 내부에 설치되는 양극 및 음극이며, 이들 양극과 음극 사이에 방전이 발생함으로써 상기 음극이 증발하여 PVD 처리가 행해지는 것이 가능한 것과,
상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 한쪽을 냉각 대상 전극으로서 냉각하는 냉각 기구를 구비하고, 상기 냉각 기구는, 상기 냉각 대상 전극에 형성되는 유로를 포함하고 있고 그 내부를 당해 냉각 대상 전극의 냉각을 위한 냉각 매체가 유통되는 것이 가능한 냉각 유로와, 상기 냉각 유로에 있어서의 냉각 매체의 유통 방향을 교대로 반전시키도록 전환하는 유통 방향 전환부를 포함하는, PVD 처리 장치.
제5항에 있어서, 상기 냉각 유로는, 상기 냉각 대상 전극의 일단부측으로부터 타단부측을 향해 냉각 매체를 유통시켜 당해 냉각 대상 전극의 냉각을 행하는 제1 냉각 유로와, 상기 전극의 타단부측으로부터 일단부측을 향해 냉각 매체를 유통시켜 당해 전극의 냉각을 행하는 제2 냉각 유로를 갖고, 상기 유통 방향 전환부는, 냉각 매체가 유통되는 유로를 제1 냉각 유로와 제2 냉각 유로 사이에서 전환하는, PVD 처리 장치.
제5항에 있어서, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 상기 양극이 상기 냉각 대상 전극이며, 상기 음극이, 상하 방향으로 연장되는 원기둥체에 의해 구성되고, 상기 양극은, 상기 음극의 상단부로부터 당해 음극의 직경 방향의 외측에 거리를 두고 배치된 상부 링 형상 전극과, 상기 음극의 하단부로부터 당해 음극의 직경 방향의 외측에 거리를 두고 배치된 하부 링 형상 전극과, 상기 상부 링 형상 전극과 하부 링 형상 전극을 상하로 연결하는 복수의 로드 형상 전극을 포함하고, 상기 냉각 유로는, 상기 상부 링 형상 전극의 내부에 형성된 환상의 상측 중공부와, 상기 하부 링 형상 전극의 내부에 형성된 환상의 하측 중공부와, 상기 각 로드 형상 전극의 축심을 따라 형성된 중공부이며 상기 상측 중공부와 상기 하측 중공부를 연통하는 복수의 중간 중공부를 포함하는, PVD 처리 장치.