(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧チャンバーと、この減圧チャンバー内に配置されその一面にターゲットが固定される水冷カソードと、この水冷カソードに冷却水を循環させるための冷却水循環路と、前記水冷カソードのターゲット固定面とは反対側に配置された磁石とを具備し、前記水冷カソードは、２枚の金属板を貼り合わせ、前記ターゲット固定面は平坦に保ちつつ前記磁石側の金属板を膨出させることにより前記２枚の金属板の間に冷却水路が形成されたものであることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記磁石は、前記ターゲットの中央部に対応して配置された内周磁石と、この内周磁石から離間して内周磁石を取り巻くように配置された外周磁石とを具備し、前記水冷カソードの前記冷却水路は、前記内周磁石と前記外周磁石との間隙に対応して形成されていることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記水冷カソードは、前記ターゲットを固定していない状態でターゲット固定面側に凸をなすように湾曲しており、ターゲットを固定することにより弾性的に湾曲が矯正されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記水冷カソードの前記ターゲット固定面には、前記冷却水路に対応する部位に弾性変形可能部が形成され、前記冷却水路に加圧した冷却水を供給すると前記弾性変形可能部が前記ターゲットに圧接されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
減圧チャンバーと、この減圧チャンバー内で長尺フィルムを連続走行させるためのアンワインダおよびワインダと、走行経路の一部で前記フィルムの部分同士を互いに平行に対向させる反転ロールと、前記平行部分の間に配置され前記平行部分のそれぞれに対向するターゲット固定面を有する一対の水冷カソードと、これら水冷カソードに冷却水を循環させるための冷却水循環路と、前記一対の水冷カソードの間に配置された磁石とを具備し、前記水冷カソードは、２枚の金属板を貼り合わせ、前記ターゲット固定面は平坦に保ちつつ前記磁石側の金属板を膨出させることにより前記２枚の金属板の間に冷却水路が形成されたものであることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項６】
片面にターゲットを固定するためのターゲット固定面を有する水冷カソードであって、２枚の金属板を貼り合わせて、前記ターゲット固定面は平坦に保ちつつ前記磁石側の金属板を膨出させることにより前記２枚の金属板の間に冷却水路が形成されたものであることを特徴とする水冷カソード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置およびそれに使用する水冷カソードに関し、特にターゲットの冷却構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なスパッタリング装置は、内部が減圧されアルゴンガスが導入される減圧チャンバーを有し、この減圧チャンバー内に、内部に冷却水路を有するカソードと、このカソードの一面に固定されたターゲットと、このターゲットに対向して物品を保持する物品保持機構とが配置されている。ターゲットは、成膜材料で形成された板状のターゲット材料と、このターゲット材料の裏面にロウ付けされた銅製のバッキングプレートとからなり、ターゲット材料を前記物品に向けた状態でバッキングプレートがカソードにボルト等で固定される。
【０００３】
カソードは通常、銅などで形成された箱状をなし、内部には冷却水路が気密的に形成され、パイプを介して外部から冷却水が循環される。これによりアルゴンイオンの照射で発生する熱をターゲットから逃し、ターゲットの熱変形等を防止する。また、カソードの冷却水路内には、通常、複数の永久磁石が収容され、ターゲットの周囲に磁界を形成して、ターゲットに効率よくアルゴンイオンが照射されるようになっている。
【０００４】
また、一般的なものではないが、その他のターゲットの冷却構造として、特開昭６１−２３１１７１号公報、特開昭６３−１００１７５号公報、特開平１−２９８１５９号公報、特開平４−２０２６６２号公報、特開平４−２２８５６５号公報、特開平４−２９３７７１号公報、特開平７−３４２３５号公報、特開平９−１２５２４５号公報などに開示されたものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のスパッタリング装置のカソードは、銅製のブロック状本体をエンドミルで切削することなどにより冷却水路を形成し、この冷却水路を銅製の蓋で塞いだ構造を有し、しかも減圧雰囲気中に配置されるので、蓋と本体との間に高精度の真空シールが必要となり、製造コストが高かった。また、この構造では薄肉化が困難であるから、必要な配置スペースが大きく、装置構造の自由度を規制する原因となっていた。
【０００６】
また、カソードが厚いことにより、磁石をターゲットに近づけるために磁石をカソードに収容し、冷却水中に浸漬しているので、磁石が冷却水によって腐食される問題を有する上、カソードを分解しない限り磁石とターゲットとの相対位置を変化させることができないので、磁石の変位によりターゲットの消耗箇所を変更することが難しく、その分、ターゲットの消耗が局部的になって使用寿命が短いという問題も有していた。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、カソードの製造コストを低下し、スパッタリング装置の構造の自由度を高め、磁石の腐食を防ぎ、ターゲットの使用寿命を延ばすことができるスパッタリング装置を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るスパッタリング装置は、減圧チャンバーと、この減圧チャンバー内に配置されその一面にターゲットが固定される水冷カソードと、この水冷カソードに冷却水を循環させるための冷却水循環路と、前記水冷カソードのターゲット固定面とは反対側に配置された磁石とを具備し、前記水冷カソードは、２枚の金属板を貼り合わせ、前記ターゲット固定面は平坦に保ちつつ前記磁石側の金属板を膨出させることにより前記２枚の金属板の間に冷却水路が形成されたものであることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係る第２のスパッタリング装置は、減圧チャンバーと、この減圧チャンバー内で長尺フィルムを連続走行させるためのアンワインダおよびワインダと、走行経路の一部で前記フィルムの部分同士を互いに平行に対向させる反転ロールと、前記平行部分の間に配置され前記平行部分のそれぞれに対向するターゲット固定面を有する一対の水冷カソードと、これら水冷カソードに冷却水を循環させるための冷却水循環路と、前記一対の水冷カソードの間に配置された磁石とを具備し、前記水冷カソードは、２枚の金属板を貼り合わせ、前記ターゲット固定面は平坦に保ちつつ前記磁石側の金属板を膨出させることにより前記２枚の金属板の間に冷却水路が形成されたものであることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係る水冷カソードは、片面にターゲットを固定するためのターゲット固定面を有する水冷カソードであって、２枚の金属板を貼り合わせて、前記ターゲット固定面は平坦に保ちつつ前記磁石側の金属板を膨出させることにより前記２枚の金属板の間に冷却水路が形成されたものであることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るスパッタリング装置の第１実施形態を示す断面図であり、このスパッタリング装置は、内部を気密的に封止可能な減圧チャンバー１と、この減圧チャンバー１内に配置された水冷カソード２と、水冷カソード２の下面（ターゲット固定面２Ａ）に固定されたターゲット４と、水冷カソード２に冷却水を循環させるための一対の冷却水パイプ１２（冷却水循環路）と、水冷カソード２のターゲット固定面２Ａとは反対側に配置された磁石６と、成膜すべき物品２６を保持するための物品保持機構２０とを具備している。
【００１２】
この実施形態の主特徴は、図２〜図５に示すような水冷カソード２を使用したことにある。この水冷カソード２は、図４に示すように２枚の金属板２Ｂ，２Ｃを拡散接合またはロウ付け等により貼り合わせ、ターゲット固定面２Ａ側の金属板２Ｃは平坦に保ちつつ、磁石６側の金属板２Ｂを局部的に膨らませて膨出部４０を形成することにより、２枚の金属板の間に冷却水通路４６を形成したものである。
【００１３】
この実施形態の水冷カソード２では、膨出部４０の平面形状が図３に示すように略Ｕ字状であり、互いに平行な２つの直線中空部と、これら直線中空部の端部間をつなぐ曲線中空部とを有する。また、膨出部４０の断面形状は図４に示すように潰れた半楕円状または半円形をなしている。膨出部４０の両端には、図５に示すように円筒状の開口部４４が形成され、これら開口部４４内に冷却水パイプ１２が挿入されロウ付け等により気密的に固定されると共に、開口部４４と膨出部４０の間をなだらかにつなぐ傾斜部４２が形成されている。
【００１４】
水冷カソード２の製造方法は限定されないが、次のような方法が例示できる。まず２枚の金属板２Ｂ，２Ｃを用意し、一方の金属板に剥離剤を印刷等により塗布して、膨出部４０に対応した形状をなす剥離剤層を形成する。剥離剤としては、硫酸バリウム等の難溶性無機物粉末や炭素粉末を使用し、塗布時にはポリビニルアルコールや水などの液体に分散させて使用すればよい。溶媒は加熱により除去しておく。
【００１５】
次に、剥離剤層を形成した側に他方の金属板を載せ、加圧及び加熱して両者を拡散接合させる。このとき、剥離剤の粒子が金属板の表面に若干食い込むので、剥離剤の粒径や硬度を調整することにより、冷却水通路４６の内面の粗面度を調整することが可能である。接合が完了したら、剥離剤層と対応する端部をこじ開けて傾斜部４２および開口部４４を形成し、各開口部４４内に冷却水パイプ１２を接続し、形成すべき膨出部４０に対応した窪みが予め形成されている金型に複合板を入れて両面を拘束し、水などの高圧流体を注入して膨出部４０を形成する。この時、図４に示すように、膨管される側の金属板２Ｂを、膨管されない側の金属板２Ｃよりも薄くしておくことにより、膨管加工をし易くすることができる。逆に、膨管される側の金属板２Ｂを、膨管されない側の金属板２Ｃよりも相対的に厚くしておけば、冷却水通路４６とターゲット４とを接近させることができ、冷却効率をさらに高めることができる。
【００１６】
金属板２Ｂ，２Ｃの材質としては、必要であれば如何なる金属も用いることができるが、一般には銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などが熱伝導度の点から好適である。金属板２Ｂ，２Ｃの厚さは限定されないが、膨管加工のし易さおよび強度の点から金属板２Ｂは０．５〜５ｍｍ程度が好ましく、金属板２Ｃは、ターゲット４をネジ等の締結手段によって固定するために０．５〜１０ｍｍ程度が好ましい。冷却水通路４６の断面寸法は、ターゲットの冷却に必要とされる冷却水流量に応じて決定される。
【００１７】
磁石６は、図３に示すように水冷カソード２の中央部に対応して配置される直方体状の内側磁石６Ａと、この内側磁石６Ａから一定距離外方へ離れて内側磁石６Ａを取り巻いている四角い枠状に設置された外側磁石６Ｂとから構成されており、磁界は図４中矢印に示すようにターゲット４の表面から突出するように形成される。なお、磁力線の向きは限定されない。図３に示すように水冷カソード２の膨出部４０は、内側磁石６Ａと外側磁石６Ｂとの間隙に沿うように形成され、これにより、ターゲット４の表面では、内側磁石６Ａと外側磁石６Ｂの間に対応する矩形枠形状の領域にアルゴンイオンが集中して照射され、この部分が特に発熱することになる。一方、冷却水通路４６は、この矩形状の照射部分の直下に形成されているので、ターゲット４の冷却を効率的に行うことが可能である。
【００１８】
水冷カソード２の膨出部４０側の面および外周端面には、プラスチック等の絶縁体により絶縁層３Ａが水冷カソード２と一体的に形成され、その上面は平坦化されている。この絶縁層３Ａの厚さは、十分な絶縁性が得られる範囲でできるだけ薄いことが望ましい。薄いほど、磁石６とターゲット４とを近づけることが可能になるからである。
【００１９】
ターゲット４は、銅または銅合金などの熱伝導性に優れた材料で形成された板状のバッキングプレート４Ｂと、このバッキングプレート４Ｂの片面に固定された板状のターゲット材料４Ａとから一体構成され、ターゲット材料４Ａはバッキングプレート４Ｂよりも若干小さく、バッキングプレート４Ｂの外周は一定幅に亘って露出しており、この露出部分が水冷カソード２のターゲット固定面２Ａにネジ止め等により固定されている。これにより、バッキングプレート４Ｂの背面はターゲット固定面２Ａに密着しているが、さらに伝熱性を高めるために、両者の間にハンダやインジウム等の柔らかい金属箔を介装してもよい。ターゲット４のバッキングプレート４Ｂの周縁部および絶縁層３Ａの外周面を覆うように、絶縁層３Ｂが全周に亘って形成され、バッキングプレート４Ｂが消耗しないように配慮されている。
【００２０】
磁石６は、水冷カソード２に対して固定されていてもよいが、より好ましくは図示しない磁石保持機構によって水冷カソード２と平行な方向へ位置変更可能に支持されているとよい。このような保持機構を採用すれば、ターゲット４が局部的に消耗した後に、磁石６と膨出部４０との位置を変更して消耗の少ない箇所にアルゴンイオンが照射されるようにすることが容易となる。
【００２１】
減圧チャンバー１には、図１に示すように減圧ポンプ等の荒引き減圧機構２８と、液体窒素トラップや油拡散ポンプ等から構成される真空減圧機構３０とが、それぞれ弁２９を介して接続されると共に、荒引き減圧機構２８と、真空減圧機構３０との間も弁２９を介して接続されている。また、減圧チャンバー１には弁３１を介してアルゴン供給機構３２が接続され、ここから所定圧力のアルゴンガスが供給されるようになっている。
【００２２】
水冷カソード２に接続された冷却水パイプ１２は、図１に示すように外周面に絶縁層１３が形成された上、絶縁体１４を介して減圧チャンバー１を貫通し、図示しない冷却水供給手段に連結されると共に、スパッタリング電源１６に電気的に接続されている。スパッタリング電源１６は冷却水パイプ１２と減圧チャンバー１との間に交流または直流電圧を印加する。
【００２３】
ターゲット４の下方には、テーブル状の物品保持機構２０が配置され、その上に物品２６が載置されるようになっている。この実施形態の物品保持機構２０内には冷却水通路が形成され、載置された物品２６を冷却できるようになっている。また、物品２６とターゲット４との間には、シャッタ１８が配置されており、このシャッタ１８によって、ターゲット４から放出されたスパッタリング材料の粒子が物品２６に対し所望時間だけ付着させられるようになっている。
【００２４】
上記構成からなるスパッタリング装置によれば、貼り合わせた２枚の金属板２Ｂ，２Ｃの界面を膨管加工して冷却水通路４６を形成した水冷カソード２を使用しているので、水冷カソード２の作成に真空シールが必要なく、製造コストが安く済むうえ、水冷カソード２が薄いものになるので、その配置にスペースをとらず、スパッタリング装置構造の自由度を高めることが可能である。
【００２５】
また、水冷カソード２が薄いものであるから、水冷カソード２の裏側に磁石６を配置するだけで磁石６をターゲット４に近づけることができ、冷却水路中に磁石を配置した場合のように磁石が冷却水によって腐食されることがない。さらに水冷カソード２を分解しなくても磁石６とターゲット４との相対位置を変化させることができるので、磁石６の変位によりターゲット４の消耗箇所を変更することが容易で、その分、ターゲット４の使用効率も高められる。
【００２６】
［第２実施形態］
図６は本発明の第２実施形態を示している。第１実施形態では水冷カソード２の端部から冷却水パイプ１２が延びる構造であったが、この実施形態で使用している水冷カソード５０は、そのターゲット固定面２Ａと反対側の面から垂直に冷却水パイプ１２が延びる構造になっている。
【００２７】
図７は水冷カソード５０の一例を示している。この水冷カソード５０では膨出部４０が内側磁石６Ａと外側磁石６Ｂとの間隙に沿って延びるＣ字状をなし、膨出部４０の両端部は内側磁石６Ａと外側磁石６Ｂとの間隙に対応する位置に互いに隣接して形成され、これら端部のそれぞれに冷却水パイプ１２が垂直に接続されている。これら冷却水パイプ１２は絶縁層１３によって被覆され、内側磁石６Ａと外側磁石６Ｂとの間を通って上方へ延び、減圧チャンバー１を貫通して外部へ延びている。他の構成は第１実施形態と同様である。このような第２実施形態によれば、冷却水パイプ１２がターゲット４近傍を通って邪魔になることがない。なお、冷却水パイプ１２は水冷カソード５０に対して垂直に接続されていなくてもよく、傾斜した状態で接続されていてもよい。
【００２８】
［第３実施形態］
図８は、本発明の第３実施形態に使用される水冷カソード６０を示している。図３に示した水冷カソード２では、膨出部４０の両端部間において、冷却効率が相対的に低い箇所が生じていたが、この水冷カソード６０では、膨出部４０の両端部間に短絡膨出部６２が形成され、一方の冷却水パイプ１２から流入した冷却水の一部がこの短絡膨出部６２を通じて他方の冷却水パイプ１２へ流れるようになっており、短絡膨出部６２に対応する箇所での冷却効率が高められている。短絡膨出部６２の流路断面積は、膨出部４０に対応する箇所での冷却能力と短絡膨出部６２に対応する箇所での冷却能力とが均等になるように決定されている。
【００２９】
［第４実施形態］
図９および図１０は、本発明の第４実施形態に採用される水冷カソード７０を示している。この水冷カソード７０では、膨出部７２が広い面積の矩形状をなしており、その一端側に傾斜部７６および開口部７８がそれぞれ形成され、冷却水パイプ１２が接続されている。
【００３０】
この水冷カソード７０では、膨出部７２が形成される側の金属板２Ｂが厚く、ターゲット固定面２Ａ側の金属板２Ｃが薄いものとされ、冷却水通路７４と対応する箇所が弾性変形可能部７９とされている。これにより、冷却水パイプ１２から冷却水が加圧状態で供給されると、弾性変形可能部７９がターゲット４側へ変位し、弾性変形可能部７９がターゲット４に密着する。このように、この実施形態では、冷却水を供給するとターゲット４との密着がよくなるので、冷却効率を高めることができる。
【００３１】
限定はされないが、効果的な膨らみを可能とするために、金属板２Ｃの厚さは０．５〜５ｍｍ程度がよく、より好ましくは１〜３ｍｍである。また、冷却水の圧力は大気圧に０．５〜３気圧程度加えた程度が好ましい。なお、この例では、変位が容易となるように膨出部７２が幅広いものとされているが、膨出部は第１実施形態や前述した各実施形態のような形状であってもよい。
【００３２】
［第５実施形態］
第５実施形態の水冷カソード２は、図１１に示すようにターゲットを固定していない状態でターゲット固定面２Ａ側に凸をなすように湾曲しており、ターゲットを固定することにより弾性的に湾曲が矯正されるように構成されている。水冷カソード２は長手方向に湾曲していてもよいし、幅方向に湾曲していてもよく、長手方向および幅方向の両方に、すなわち球面状に湾曲していてもよい。この構成によれば、バッキングプレート４Ｂの周縁部と水冷カソード２とをボルト等で結合することにより、水冷カソード２が平面に矯正され、同時にターゲット固定面２Ａの全面がターゲットに圧接されるので、水冷カソード２とターゲットとの熱伝導を良好にすることができる。
【００３３】
水冷カソード２の適正な湾曲率は、図１１に示すように水冷カソード２の一定方向の幅Ｗ、水冷カソード２の突出量をｈ／２とした場合に、湾曲率Ｗ／ｈの値が３０〜２２００であるとよい。湾曲率が３０より小さいと水冷カソード２の変形が大きすぎてターゲット４の取付が困難になり、湾曲率が２２００より大きいと十分な効果が得られない。
【００３４】
［第６実施形態］
図１２は本発明の第６実施形態を示している。この実施形態では、減圧チャンバー１内に、長尺フィルムＦを巻回したアンワインダ８０と、一対のガイドロール８２，８４と、走行経路の一部でフィルムＦの部分同士を互いに平行に対向させる反転ロール８３と、フィルムＦを巻き取るワインダ８６とが配置されている。
【００３５】
フィルムＦの平行部分の間には、平行部分のそれぞれに対向するターゲット固定面２Ａを有する一対の水冷カソード２が互いに平行に配置され、各ターゲット固定面２Ａにはターゲット４が固定されているとともに、その反対面には絶縁層３Ｂが形成されている。また、水冷カソード２に冷却水を循環させるための冷却水循環路（図示略）が設けられている。
【００３６】
各水冷カソード２の間には、各水冷カソードから略同一距離となるように磁石６（内側磁石６Ａおよび外側磁石６Ｂ）が配置され、磁石位置調整機構８８によって支持されると共に、これら磁石６によって各ターゲット４の表面近傍に磁界が形成されている。磁石位置調整機構８８を調整すると、各磁石６は水冷カソード２と平行な方向に位置調整できるようになっている。図示しない他の構成は第１実施形態と同様である。
【００３７】
このような構成からなるスパッタリング装置によれば、フィルムＦを連続走行させつつ、第１のターゲット４から物質を付着させ、続いて第２のターゲット４から物質を付着することができる。よって、第１のターゲット４と第２のターゲット４の材質を異ならせておくことにより、１回のスパッタリング作業で２層からなる膜を形成することができる。また、同一物質を付着させる場合であっても、途中で反転ロール８３によりフィルムＦを冷却することができるから、フィルムＦに熱影響を与えずにより厚い膜を形成することが可能である。
【００３８】
また、磁石６を各ターゲット４で共通に使用することができるため、２重スパッタリングを可能としながら、装置の構成を簡略化することができるうえ、磁石位置調整機構８８を走査することにより、両方のターゲット４に対する磁石６の位置を変更できる利点がある。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るスパッタリング装置は、貼り合わせた２枚の金属板の界面を膨管加工して冷却水路を形成した水冷カソードを使用しているので、水冷カソードの作成に真空シールが必要なく、製造コストが安く済むうえ、水冷カソードが薄いものになるので、配置スペースをとらず、スパッタリング装置構造の自由度を高めることが可能である。
【００４０】
また、水冷カソードが薄いものであるから、水冷カソードの裏側に磁石を配置するだけで磁石をターゲットに近づけることができ、磁石が冷却水によって腐食されることがない。水冷カソードを分解しなくても磁石とターゲットとの相対位置を変化させることができるので、磁石の変位によりターゲットの消耗箇所を変更することが容易で、その分、ターゲットの使用効率も高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るスパッタリング装置の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】  同実施形態の水冷カソードを示す側断面図である。
【図３】  同水冷カソードの平面図である。
【図４】  同水冷カソードの正断面図である。
【図５】  同水冷カソードの部分断面図である。
【図６】  本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図７】  第２実施形態に使用される水冷カソードの平面図である。
【図８】  第３実施形態に使用される水冷カソードの平面図である。
【図９】  第４実施形態の水冷カソードを示す平面図である。
【図１０】  図９中のＸ−Ｘ線視断面図である。
【図１１】  第５実施形態の水冷カソードの側面図である。
【図１２】  本発明の第６実施形態の断面図である。
【符号の説明】
１  減圧チャンバー
２，５０，６０，７０  水冷カソード
２Ａ  ターゲット固定面
２Ｂ，２Ｃ  金属板
３Ａ，３Ｂ  絶縁体
４  ターゲット
４Ａ  ターゲット材料
４Ｂ  バッキングプレート
６  磁石
６Ａ  内側磁石
６Ｂ  外側磁石
１２  冷却水パイプ
１６  スパッタリング電源
２０  物品保持機構
４０，７２  膨出部
４６  冷却水通路
７９  弾性変形可能部
８０  アンワインダ
８３  反転ロール
８６  ワインダ
８８  磁石位置調整機構
【図１】
0004130263.tif 000002
【図２】
0004130263.tif 000003
【図３】
0004130263.tif 000004
【図４】
0004130263.tif 000005
【図５】
0004130263.tif 000006
【図６】
0004130263.tif 000007
【図７】
0004130263.tif 000008
【図８】
0004130263.tif 000009
【図９】
0004130263.tif 000010
【図１０】
0004130263.tif 000011
【図１１】
0004130263.tif 000012
【図１２】
0004130263.tif 000013