TWI634223B - Rotary cathode unit for magnetron sputtering device - Google Patents

Abstract

本發明是在提供一種磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元(RC)，其係以能夠將殘留於標靶(Tg)內的冷卻水儘可能快速且確實地排出之方式所構成。

將旋轉驅動標靶之驅動區塊(Db)的內筒體(42)的內部空間作為流體循環通路(Fp)的第1往路(45)，將內筒體與外筒體(43)之間的空間作為第1復路(46)，於標靶內的管體(23、24)，設有：與第1往路連通的第2往路(26)、以及與第1復路連通的第2復路(27)。於外筒體的左側部分，固定有將標靶之右端開口予以封閉之圓盤狀的限制板(48)，於限制板右側的面上形成有：從限制板的外緣起至面臨第1復路的位置止之朝向徑向延伸的連通路(48e)，藉由該連通路來限制流體在第2復路與第1復路之間的流動。並具備檢測手段(64)，用以檢測連通路之徑向前端為指向鉛垂方向下方之限制板的姿勢。

Description

磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元

本發明，是關於使用在磁控濺鍍裝置的旋轉式陰極單元。

此種的旋轉式陰極單元，周知有例如專利文獻1者。該先前例者，係具有：圓筒狀的標靶、及旋轉驅動該標靶的驅動區塊、以及具有使冷卻水或是壓縮空氣等流體循環之流體循環通路的流體循環手段。於驅動區塊，設有流體的流入口與流出口，於其內部，設有：連通於流入口之流體循環通路的第1往路、以及連通於流出口之流體循環通路的第1復路。另一方面，於標靶內設有管體，使標靶與管體之間的空間構成連通於第1往路之流體循環通路的第2往路，並且，使管體的內部空間構成連通於第1復路之流體循環通路的第2復路。

於標靶之驅動區塊側的端部，安裝有將標靶的端部開口封閉的蓋體。於蓋體內形成有流體通路，於其外緣，局部地形成許容流體從第2往路朝流體通路流入的流入開口，並使第2往路與第2復路得以連通。而且，在 電力投入於標靶來濺鍍標靶的期間，以使標靶內的第2往路與第2復路充滿冷卻水之方式對流體循環通路供給冷卻水，並透過：隨著由驅動區塊所驅動之標靶的旋轉而與之一體地進行旋轉之蓋體的流入開口，利用與從第2往路朝第2復路流動的冷卻水的熱交換來冷卻標靶。

然而，由於標靶受到濺鍍會不斷被侵蝕下去，所以必須定期更換，此時，在考慮維修性等的話，必須確實地事先將殘留於標靶內的冷卻水予以排水(除水)。在上述先前例者中，是與濺鍍時相同樣地，使標靶一面旋轉，並一面對冷媒循環路徑內供給壓縮空氣來取代冷卻水，以將殘留於標靶內的冷卻水予以排水之方式進行(除水操作)。在此，當標靶的軸線在以成為水平之姿勢的情形下來進行除水操作時，藉由從第2復路的上游端所供給的壓縮空氣使殘留於第2往路內的冷卻水首先被排擠，該被排擠的冷卻水從蓋體的流入開口流入至蓋體內的流體通路，經過該流體通路往第2復路的下游端流動而從標靶被排水。隨著此排水使第2往路內的水位朝鉛垂方向下方不斷降低。此時，在上述先前例者中，由於進行旋轉之蓋體的流入開口只有在沒於水中的期間，才可以使冷卻水經過蓋體的流體通路往第2復路流動，故隨著水位降低之情形，冷卻水的排水速度會降低，因而造成冷卻水在排水時需要花費時間的問題。

〔先前技術文獻〕

〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕美國專利公開第2010/243428號

本發明，有鑑於以上的問題點，作為其課題者係在於提供一種磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元，其係以能夠將殘留於標靶內的冷卻水儘可能快速且確實地排出之方式所構成。

為了解決上述課題，具備：筒狀的標靶、及旋轉驅動該標靶的驅動區塊、以及具有使流體循環之流體循環通路的流體循環手段之本發明的磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元，其特徵為：驅動區塊，是具有：沿著標靶之軸線方向而延伸的內筒體、及與該內筒體同心配置並連結於標靶之軸線方向一端的外筒體、以及旋轉驅動該外筒體的驅動手段；內筒體的內部空間是構成流體循環通路的第1往路，並且內筒體與外筒體之間的空間是構成流體循環通路的第1復路；標靶是外插在：及於其軸線方向而延伸的管體，於管體內，設有：與第1往路連通之流體循環通路的第2往路、以及與第1復路連通之流體循環通路的第2復路，並以從標靶朝向驅動區塊之側作為右側，以從驅動區塊朝向標靶之側作為左側，於外筒體的左側部分， 固定有將標靶之右端開口予以封閉之圓盤狀的限制板，於限制板右側的面上形成有：從限制板的外緣至面臨第1復路的位置為止之朝向徑向延伸的連通路，藉由該連通路來限制流體在第2復路與第1復路之間的流動，並具備檢測手段，用以檢測連通路之徑向前端為指向鉛垂方向下方之限制板的姿勢。

根據本發明，於真空處理腔設置旋轉式陰極單元，在真空環境雰圍中透過驅動區塊以預定的旋轉速度一面旋轉驅動標靶，一面對標靶投入帶有負的電位的電力，藉此使標靶被濺鍍。在濺鍍中，使作為流體之冷卻水循環於流體循環通路，利用與冷卻水的熱交換來使標靶冷卻。而且，為了進行包含更換標靶之維修等，要將旋轉式陰極單元從真空處理腔拆卸時，在此之前先進行標靶內的除水操作。

在此，在本發明中，由於具備檢測手段，用以偵測連通路之徑向前端為指向鉛垂方向下方之限制板的姿勢，故當藉由驅動區塊而停止標靶的旋轉驅動停止時、或是即將進行除水操作時，依據檢測手段的檢測結果，以使連通路之徑向前端為指向鉛垂方向下方的方式來改變限制板的姿勢，並保持在該狀態。然後，對該第1往路供給壓縮空氣來取代冷卻水對第1往路的供給。藉此，流體循環通路內的冷卻水依序被壓縮空氣擠壓，經過驅動區塊內的第1往路、標靶內的第2往路、標靶內的第2復路、以及驅動區塊內的第1復路而被排水。此時，標靶內之第2 復路內的水位雖朝向鉛垂方向下方降低下去，但由於往限制板的連通路之流體的流入口(亦即，限制板的外緣)為恆常位在鉛垂方向的最下方位置，所以直到第2復路內的冷卻水全都被擠壓出為止是不會形成只有壓縮空氣優先通過的路徑，使流體循環通路內的冷卻水被確實地除去。而且，由於即使標靶內之第2復路內的水位降低，連通路的流入口仍大致沒於水中，故可以將冷卻水與壓縮空氣一同儘可能快速地往第1復路進行排水。如此地在本發明中，由於在旋轉驅動標靶之驅動手段的構成部件中設置限制流體流動的限制板，並且在除水操作時，採用了可以控制其姿勢的構成，所以可以將殘留於標靶內的冷卻水儘可能快速且確實地予以排出。

於本發明，上述驅動手段，為具備：馬達、以及繞掛在該馬達的驅動軸與外筒體的外周面之間的皮帶，並藉由附設在後述之皮帶輪上的感測器來構成上述檢測手段即可，該皮帶輪是設置於該驅動軸並供皮帶所繞掛。藉此，可以簡單地實現：用以在進行除水操作時使限制板的前端始終朝向鉛垂方向下方之姿勢的構成。

Cp‧‧‧夾頭

Ch‧‧‧冷卻單元

RC‧‧‧旋轉式陰極單元

Db‧‧‧驅動區塊

Fp‧‧‧流體循環通路

Fu‧‧‧流體循環手段

Sb‧‧‧支撐區塊

Tg‧‧‧標靶

W‧‧‧基板

5‧‧‧支撐構件

6‧‧‧驅動手段

7‧‧‧本管

8‧‧‧壓縮機

9‧‧‧輸出纜線

12‧‧‧被動軸

21‧‧‧背襯管

22‧‧‧靶材

23‧‧‧外管(管體)

24‧‧‧內管(管體)

25‧‧‧蓋體

25a‧‧‧通孔

26‧‧‧第2往路

27‧‧‧第2復路

41‧‧‧外殼

42‧‧‧內筒體

43‧‧‧外筒體(筒體)

43a‧‧‧凹部

44‧‧‧電刷

44a‧‧‧貫通孔

45‧‧‧第1往路(流體循環通路)

46‧‧‧第1復路(流體循環通路)

47‧‧‧凸緣

48‧‧‧限制板

48a‧‧‧中央開口

48b‧‧‧通孔

48c‧‧‧缺口

48d‧‧‧溝部

48e‧‧‧連通路(流體循環通路)

51‧‧‧軸承

52‧‧‧油封

61‧‧‧馬達(驅動手段)

62‧‧‧皮帶輪

63‧‧‧皮帶

64‧‧‧感測器(檢測手段)

71‧‧‧本往路

72‧‧‧本復路

82‧‧‧開閉閥

第1圖是用以說明本發明之濺鍍裝置用的旋轉陰極單元之構成的圖面。

第2圖是放大顯示旋轉陰極單元之要部的部分斷面 圖。

第3圖是用以說明限制板的立體圖。

以下，參照圖面，說明本發明之磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元的實施形態。於以下中，是以第1圖所示之旋轉式陰極單元的水平姿勢設置在圖外的真空處理腔者，並以此為基準，使用作為鉛垂方向的「上」、「下」以及「右」、「左」為顯示方向之用語來說明。

參照第1圖，旋轉式陰極單元RC，於圖面外的真空處理腔內具備有：與作為成膜對象物的基板W以上下方向對向配置之圓筒狀的標靶Tg、及透過夾頭Cp連結於標靶Tg右端的驅動區塊Db、以及透過夾頭Cp連結於標靶Tg左端的支撐區塊Sb。於支撐區塊Sb，設有由軸承11所支承的被動軸12，而可將標靶Tg的一端旋轉自如地予以支撐。標靶Tg，是由筒狀的背襯管(backing tube)21、以及透過銦或錫等之黏合材(圖示省略)接合於背襯管21之筒狀的靶材22所構成。作為靶材22者，是使用：從可因應欲成膜於基板W之膜組成的金屬或金屬化合物之中所適當選擇者。

背襯管21，是外套在：作為跨及於標靶Tg之作為軸向的左右方向大致全長而延伸之管體的外管23，並於外管23內同心地設有作為管體的內管24。外管23之左右方向兩端的開口是以蓋體25分別封閉，於蓋體25 分別開設有軸向的通孔25a。而且，內管24的內部空間，於靶材22濺鍍中或是除水操作時，是構成為流體循環通路Fp的第2往路26，該流體循環通路Fp是構成使作為冷卻水或是壓縮空氣的流體循環的流體循環手段Fu；外管23及內管24之間的空間，是構成為流體循環通路Fp的第2復路27。又，雖並沒有特別地圖示說明，例如可在外管23與內管24之間的空間組入具有周知之構造的磁石單元，於靶材22濺鍍中，通過磁場的垂直成分為零之位置的線，在基板W與標靶Tg之間，以沿著靶材22之軸向大致全長而延伸並封閉成環形軌道狀方式產生磁漏。又，作為管體者，在此雖是例示出將內管24與外管23配置成同心的雙重管構造者，但並非限定於此，只要可以支撐標靶Tg同時又設置第2往路26與第2復路27者即可，並不限定其形態。

驅動區塊Db，如第2圖所示，係具備有外殼41，並於外殼41的右內壁，立設有延伸於左右方向的內筒體42，內筒體42的左端為具有液密性地連結於內管24。於固定在外殼41之內筒體42的周圍，配置有與該內筒體42呈同心的外筒體43。於外筒體43的內周面，形成有於徑向凹陷的環狀凹部43a，於該凹部43a，嵌著有：分別與內筒體42的外表面及外筒體43的內表面接觸並將該兩者電性接連的電刷44。此情形時，內筒體42的內部空間形成流體循環通路Fp的第1往路45，內筒體42與外筒體43之間的空間構成流體循環通路Fp的第1復路 46。又，於電刷44開設有貫通於左右方向的貫通孔44a，而得以構成第1復路46的一部分。

外筒體43，是透過複數個軸承51可旋轉自如地被內插於外殼41的支撐構件5所支撐。於外筒體43，位在軸承51之左右方向兩側外套有油封52。又，於驅動區塊Db設有驅動手段6，用以旋轉驅動外筒體43進而旋轉驅動與之連結的標靶Tg。驅動手段6，係具備馬達61及皮帶63，該皮帶63是繞掛於：設在馬達61之驅動軸的皮帶輪62與外筒體43的外周面之間。又，於皮帶輪62，附設有作為檢測手段的感測器64，藉由感測器64，如後述般地，得以檢測出連通路48e之徑向前端的缺口48c指向鉛垂方向下方之限制板48的姿勢。由於作為感測器64者可以利用周知之物，所以包含限制板48之姿勢的檢測方法，在此將其詳細說明省略之。又，作為檢測手段者，為檢測馬達的旋轉角或是原點位置者，亦即，亦可以依照所使用之馬達61的種類來使用周知的感測器或是編碼器等，例如，當馬達61的旋轉驅動停止時，是在回復至原點位置的狀態下使馬達61停止，此時，亦可以以使限制板48的姿勢成為其缺口48c指向鉛垂方向下方的方式來設定。

又，於外筒體43的左端，液密性地安裝有導電性的凸緣47，經由該凸緣47並藉由夾頭Cp而與背襯管21連結。藉此，當驅動馬達61而旋轉驅動外筒體43時，標靶Tg與該外筒體43成一體以預定的旋轉數被旋轉 驅動。於外筒體43的左端還安裝有限制板48，該限制板48是緊貼於凸緣47的左側並以封閉背襯管21的右端開口的方式所安裝。亦請參照第3圖，於限制板48，開設有供內筒體42插通的中央開口48a，於其周圍開設有3個通孔48b。並且，限制板48與凸緣47透過該通孔48b一同藉由螺栓(圖示省略)固定於外筒體43的左端。

又，於限制板48的外緣，局部性地形成：用以在與背襯管21的內周面之間形成預定之間隙的缺口48c，並由該缺口48c劃分出流體的流入口。於限制板48之右側的面，凹設有從缺口48c至面臨第1復路46的位置為止於徑向延伸的溝部48d，並在該溝部48d與凸緣47的左側面之間形成連通路48e。此情形時，缺口48c的長度、與背襯管21的內周面之間的間隙、以及溝部48d的寬幅，是因應在濺鍍中所循環之冷卻水的流量、或者後述之除水操作之壓縮空氣的供給壓力等作適當設定，又，溝部48d的寬幅，亦可以形成為從外緣朝向第1復路46呈前端較細的錐狀。藉由該限制板48來限制位在第2復路27與第1復路46之間之流體的流動。

在外殼41，於內部分別設置有本往路71與本復路72，並設置有前端接連於內筒體42的導電性本管7。而且，本往路71連通於內筒體42內的第1往路45，本復路72連通於第1復路46，本管7接連於冷卻單元Ch。又，在本管7接連有分岐管81，經由開閉閥82而接連於具有周知之構造的壓縮機8。此情形時，由流體循環 通路Fp、冷卻單元Ch、以及壓縮機8構成本實施形態的流體循環手段Fu。又，在本管7，接連有來自圖面外之濺鍍電源的輸出纜線9。內筒體42，是透過電刷44而與外筒體43導通，該外筒體43，是透過凸緣47而與背襯管21導通，進而導通至靶材22(亦即，內筒體42與靶材22成為等電位)。藉此，藉由馬達61旋轉驅動外筒體43而一面旋轉驅動標靶Tg，一面透過來自濺鍍電源的輸出纜線9對靶材22例如投入帶有負的電位的預定電力，藉此將靶材22濺鍍，於濺鍍中，藉由冷卻單元Ch使冷卻水在流體循環通路Fp內循環，並藉由與冷卻水的熱交換將靶材22冷卻。

在此，由於上述靶材22會受濺鍍而侵蝕下去，所以必須定期地拆卸更換旋轉式陰極單元RC，在該更換前先將殘留於標靶Tg內的冷卻水進行排水的操作(除水操作)。在本實施形態中，是當馬達61停止時，因應來自感測器64的檢測結果，以使限制板48的姿勢成為：作為連通路48e之徑向前端的缺口48c為指向鉛垂方向下方。並且，在進行除水操作時，是停止來自冷卻單元Ch的供水，將開閉閥82開閥使來自壓縮機8的壓縮空氣對本往路71進行供給。藉此，經過驅動區塊Db內的第1往路45、標靶Tg內的第2往路26、標靶Tg內的第2復路27及驅動區塊Db內的第1復路46再經由本復路72而被排水。

此時，第2復路27內的水位雖朝鉛垂方向下 方降低下去，但由於使作為限制板48的缺口48c之流體的流入口一直保持位在鉛垂方向最下方位置，故在第2復路27內的冷卻水全部被擠壓出為止之前，並不會形成只有壓縮空氣優先通過的通路，而可確實地除去流體循環通路Fp內的冷卻水。而且，即使第2復路27內的水位降低，由於連通路的流入口是大致沒於水中，故可以將冷卻水與壓縮空氣儘可能快速地經過連通路48e而往第1復路46進行排水。因此，可以將殘留於標靶Tg內的冷卻水儘可能快速且確實地排出。又，由於在驅動區塊Db側是將限制板48固定於外筒體43，故即使將夾頭Cp卸下再將標靶Tg從驅動區塊Db拆卸下時，限制板48仍然保持安裝在外筒體43。因此，於更換標靶等之維修結束後，可以不用進行例如藉由感測器64的檢測位置以使限制板48成為其缺口48c指向鉛垂方向下方的姿勢之所謂再調整限制板48之位置的作業，故可以提昇維修性。

以上，是對於本發明的實施形態進行了說明，但本發明並非受上述的內容所限定者。在上述實施形態中，雖是以馬達61在回復至原點位置之狀態下停止時，使限制板48的姿勢成為：作為連通路48e之徑向前端的缺口48c為指向鉛垂方向下方之方式來設定為例進行了說明，但亦可以是在集中控制濺鍍裝置之動作的控制單元有除水操作之指示的情形時，就因應檢測手段64的檢測值使馬達61旋轉以進行使其缺口48c指向鉛垂方向下方之限制板48的姿勢。

Claims (2)

1. 一種磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元，是具備：筒狀的標靶、及旋轉驅動該標靶的驅動區塊、以及具有使流體循環之流體循環通路的流體循環手段等構成的磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元，其特徵為：該驅動區塊，是具有：沿著標靶之軸線方向而延伸的內筒體、及與該內筒體同心配置並連結於標靶之軸線方向一端的外筒體、以及旋轉驅動該外筒體的驅動手段；內筒體的內部空間是構成流體循環通路的第1往路，並且內筒體與外筒體之間的空間是構成流體循環通路的第1復路；標靶是外插在：及於其軸線方向而延伸的管體，於管體內，設有：與第1往路連通之流體循環通路的第2往路、以及與第1復路連通之流體循環通路的第2復路，於此構成中，以從標靶朝向驅動區塊之側作為右側，以從驅動區塊朝向標靶之側作為左側，於外筒體的左側部分，固定有將標靶之右端開口予以封閉之圓盤狀的限制板，於限制板右側的面上形成有：從限制板的外緣至面臨第1復路的位置為止之朝向徑向延伸的連通路，藉由該連通路來限制流體在第2復路與第1復路之間的流動，並具備檢測手段，用以檢測連通路之徑向前端為指向鉛垂方向下方之限制板的姿勢。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍裝置用的旋轉式陰極單元，其中，上述驅動手段，是具備：馬達、以及繞掛在該馬達的驅動軸與外筒體的外周面之間的皮帶，藉由附設在皮帶輪上的感測器來構成上述檢測手段，該皮帶輪是設置於該驅動軸並供皮帶所繞掛。