JP7303393B2 - 回転式カソードユニット用の駆動ブロック - Google Patents

Description

本発明は、真空雰囲気中に配置される筒状のターゲットと、このターゲットに内挿されて真空雰囲気と隔絶された空間を形成する内管とを有し、ターゲットと内管との間及び内管内に冷媒循環路が設けられる回転式カソードユニットのターゲットの軸線方向一端に連結されて、ターゲットを軸線回りに回転駆動する回転式カソードユニット用の駆動ブロックに関する。

従来、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は例えば特許文献１で知られている。このものは、ターゲットを軸線回りに回転駆動する駆動手段を有する駆動ブロックを備える。駆動ブロックには、固定配置される内筒体と、この内筒体の周囲に配置される外筒体とが設けられ、内筒体と外筒体との間にはこれらを導通するブラシが設けられている。そして、ターゲットに連結される外筒体が、これに巻き掛けられた駆動手段としてのモータからの歯車またはベルトにより回転駆動されるようにしている。

内筒体の内部空間は内管内の冷媒循環路の第１通路に連通し、また、内筒体と外筒体との間の空間がターゲットと内管との間の冷媒循環路の第２通路に連通している。そして、ブラシを介してターゲットに所定電力を投入してターゲットをスパッタリングする場合には、冷媒循環路に冷媒としての冷却水を循環させてターゲットが所定温度を超えて加熱されないようにしている。また、内管内には、ターゲットの外表面に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、この磁石ユニットをターゲットの外表面に対して近接離間方向に移動させるモータなどの電動式の移動手段とが設けられている。

ここで、上記従来例のものでは、駆動ブロックの内筒体の内部空間が、内管内の第１通路に連通しているので、内管内に位置するモータに電力供給しようとすると、駆動ブロックの内筒体を通して電気配線することになる。このような場合、内筒体の内部空間には冷却水が通水されるため、電気配線やコネクタ等に防水加工を施す必要があり、これでは、配線工程が複雑になるばかりか、部品点数が増加してコストアップを招来するといった問題がある。

国際公開第２０１６／１８５７１４号

本発明は、以上の点に鑑み、スパッタリング時にターゲットを冷却するという機能を損なうことなく、内管内に設けられる電動式の部品に、例えば特段の防水加工を施すことなく電力供給することができるようにした回転式カソードユニットの駆動ブロックを提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、真空雰囲気中に配置される筒状のターゲットと、このターゲットに内挿されて真空雰囲気と隔絶された空間を形成する内管とを有し、ターゲットと内管との間及び内管内に冷媒循環路が設けられる回転式カソードユニットのターゲットの軸線方向一端に連結されて、ターゲットを軸線回りに回転駆動する回転式カソードユニット用の駆動ブロックであって、ターゲットに回転力を付与する第１駆動手段を更に備え、ターゲットの軸線方向一端から軸線方向他端に向かう方向をＸ軸方向後方、ターゲットの軸線方向他端から軸線方向一端に向かう方向をＸ軸方向前方とし、内管に内挿されて当該内管の内周面との間の隙間で内管内の冷媒循環路が形成されると共に、内管からＸ軸方向前方に延長してのびるストレート部を持つ中空管と、中空管のストレート部に外挿されると共にその軸線方向後方側の端部を内管に連結して当該中空管との間の隙間で内管内の冷媒循環路に連通する第１通路を画成する第１内筒体と、第１内筒体に外挿されて、当該第１内筒体の外周面との間の隙間でターゲットと内管との間の冷媒循環路に連通する第２通路を画成する第２内筒体と、第２内筒体に軸受を介して外挿され、前記ターゲットの軸線方向一端に連結されて駆動手段からの動力が伝達される外筒体と、を備え、内管と中空管との内部空間を真空雰囲気から隔絶する隔絶手段を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、駆動ブロックに、ターゲットのスパッタリング時、このターゲットの冷却に必要なターゲット内の冷媒循環路に対して冷却水（冷媒）を供給し及び排出する通路（第１通路及び第２通路）の内側に更に、回転式カソードユニットの内管の一端に気密に接続される中空管が存在する構成を採用したため、殊更、中空管に冷却水を通水する必要はない。このため、例えば、内管と中空管との内部空間を互いに連通する大気雰囲気とすることが可能になり、しかも、スパッタリング時にターゲットを冷却するという機能も損なわれない。

本発明においては、前記内管内に、前記ターゲットの外表面に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、この磁石ユニットをターゲットの外表面に対して近接離間方向に移動させる電動式の移動手段とを備える場合には、前記内管と前記中空管との内部空間を互いに連通する大気雰囲気とし、この中空管を通して、磁石ユニットの移動とその位置検知に必要な部品に対する電気配線することが好ましい。これによれば、大気雰囲気の中空管を通して電気配線することができるため、中空管内に配線されるケーブルやコネクタ等に防水加工を施すことを不要にでき、有利である。

ここで、内管内に、モータなどの電動式の移動手段を設けた場合、その作動に伴う熱が内管内にこもり、移動手段の動作不良を誘発したりする虞がある。本発明においては、前記中空管内に、前記内管に向けて気体を導入する気体導入管が設けられることが好ましい。これによれば、内管内に気体（圧縮空気等）を供給し、例えば中空管を通して排出することで（この場合、中空管内に気体の供給通路と排出通路とを設ければよい）、内管にこもる熱を内管から排出でき、熱による移動手段の動作不良を抑制することが可能になる。

ところで、上記回転式カソードユニットにより、漏洩磁場を作用させた状態でターゲットをスパッタリングする場合に、例えば、ターゲットと被処理基板との間の空間にレーストラック状のプラズマを発生させると、このプラズマ形状が転写されるかの如く、ターゲットの外表面がスパッタリングされていく。そして、真空雰囲気中でターゲットに対向配置される被処理基板には、スパッタリングによりターゲットの外表面から所定の余弦則に従い飛散したスパッタ粒子が付着する。このとき、被処理基板表面に成膜される薄膜の膜厚分布や膜質分布を調整しようとすると、ターゲットの周方向に磁石ユニットを傾けて姿勢変更できる構成が好ましい。本発明では、前記中空管をその軸線周りに所定の回転角の範囲で回転させる第２駆動手段を備える構成を採用することができる。これによれば、中空管を所定の回転角の範囲で回転させれば、これに伴って内管も回転されるため、簡単な構成でその内部に固定配置される磁石ユニットの姿勢を変更することができ、有利である。

本発明の駆動ブロックを持つ回転式カソードユニットをスパッタリング装置に取り付けた状態で示す部分断面図。 図１の回転式カソードユニットの要部を拡大して示す断面図。 回転式カソードユニットの変形例を説明する部分断面図。

以下、図面を参照して、被処理基板を矩形のガラス基板（以下、「基板Ｓ」という）とし、基板Ｓの一方の面に所定の薄膜を成膜するため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Ｒｃに本発明の駆動ブロックＤＢを適用した場合を例にその実施形態を説明する。

図１を参照して、回転式カソードユニットＲｃは、真空雰囲気Ｖｐ中で基板Ｓに対向配置される円筒状のターゲットＴｇを備える。以下において、ターゲットＴｇの母線方向をＸ軸方向、駆動ブロックＤＢが設けられる方向をＸ軸方向前（図１中、右）、その逆方向をＸ軸方向後（図１中、左）とする。ターゲットＴｇは、円筒状のバッキングチューブ１１と、バッキングチューブ１１の外筒面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円筒状のターゲット材１２とを有する。ターゲット材１２としては、基板Ｓに成膜しようと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。なお、ターゲットＴｇとしては、母材金属を直接切削加工して形成したものを用いることができ、この場合にはバッキングチューブ１１が省略されることになる。

バッキングチューブ１１には、真空雰囲気Ｖｐ内と隔絶された空間を画成する内管としての磁石ケース３がターゲットＴｇの略全長に亘って内挿されている。磁石ケース３内には、その略全長に亘ってのびる冷媒通路３１が形成されている。そして、特に図示して説明しないが、磁石ケース３のＸ軸方向後端にて冷媒通路３１が、磁石ケース３の外周面とバッキングチューブ１１の内周面との間の隙間３２に連通して冷媒通路３１と隙間３２とで冷媒循環路Ｆｐが形成されるようにしている。本実施形態では、隙間３２が冷媒循環路Ｆｐの往路Ｆｐ１を、冷媒通路３１が冷媒循環路Ｆｐの復路Ｆｐ２を構成する。

磁石ケース３内には、ターゲット材１２の外表面に漏洩磁場を作用させる磁石ユニット３３と、磁石ユニット３３をターゲット材１２の外表面に対して近接離間方向に移動させる電動式の移動手段３４とが固定配置されている。磁石ユニット３３は、ターゲットＴｇのＸ軸方向長さと同等の長さを持つヨーク３３ａを備える。ヨーク３３ａは、特に図示して説明しないが、基板Ｓに平行な頂面と、頂面から夫々下方に向けて傾斜する一対の傾斜面とを形成した磁性材料製の板状部材で構成され、その頂面には棒状の中央磁石３３ｂが、両傾斜面には棒状の周辺磁石３３ｃが夫々配置され、漏洩磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がＸ軸方向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作用させるようになっている。磁石ユニット３３としては、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

移動手段３４は、磁石ケース３内に配置される直動モータ３４ａを備え、直動モータ３４ａの駆動軸３４ｂが、支持枠３４ｃを介して、中央磁石３３ｂと周辺磁石３３ｃとが配置された面と背向するヨーク３３ａの面に連結されている。これにより、直動モータ３４ａを作動させることで、Ｘ軸方向に対して直交する方向（図１中、上下方向）で磁石ユニット３３がターゲット材１２の外表面に対して近接離間方向に移動自在となる。この場合、直動モータ３４ａには、ターゲット材１２の表面に対する磁石ユニット３３の位置を検出するセンサまたはエンコーダ等の検出手段３４ｄが付設されている。本実施形態では、単一の直動モータ３４ａで磁石ユニット３３を一体に移動させるものを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、磁石ユニット３３がＸ軸方向で複数個の部分に分割されているような場合には、各部分に対応させて複数個の直動モータ３４ａが設けられる。そして、真空チャンバ内で回転式カソードユニットＲｃを回転自在に支持するために、本実施形態の駆動ブロックＤＢが備えられている。この場合、特に図示して説明しないが、真空雰囲気Ｖｐ中には、ターゲットＴｇのＸ軸方向後端側を回転自在に支持する支持ブロックが配置されるが、これ自体は公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明は省略する。

図２も参照して、ターゲットＴｇのＸ軸方向前端に設けられる駆動ブロックＤＢは、互いに同心状に配置される、中空管４と、中空管４に外挿される第１内筒体５と、第１内筒体５に外挿される第２内筒体６と、外筒体７とを備える。中空管４は、磁石ケース３のＸ軸方向前端からＸ軸方向前方に向けてストレート状にのびるように形成されたものである。中空管４と磁石ケース３とは一体に形成することができるが、中空管４は、例えば、Ｘ軸方向に所定の間隔で配置される連結部材Ｌｍを介して磁石ケース３と連結して構成してもよく、中空菅４と磁石ケース３とが一体に回転されるようにしている。なお、連結部材Ｌｍとしては、公知の方法が利用できるため、これ以上の説明は省略する。本実施形態では、磁石ユニット３３と移動手段３４とが配置される磁石ケース３内の内部空間と中空管４内の内部空間とは、常時、大気雰囲気となっている。そして、直動モータ３４ａに対して電力供給するための電源ケーブルＫ１や検出手段３４ｄと通信するための通信ケーブルＫ２は、駆動ブロックＤＢの外側から中空管４を通して配線されるようになっている。

第１内筒体５は、そのＸ軸方向前端側に肉厚部５１を有し、肉厚部５１と中空管４との間には軸受Ｂｒ１が設けられている。この場合、中空管４の前端部には、歯車機構４１を介して第２駆動手段としてのサーボモータ４２が設けられ、中空管４、ひいては、磁石ケース３内の磁石ユニット３３をＸ軸線周りに所定の回転角の範囲（例えば、±数十度以下の範囲）で回転させることができるようにしている。なお、歯車機構４１に代えてベルト機構を利用することもできる。また、第１内筒体５のＸ軸方向後端は、磁石ケース３のＸ軸方前端に樹脂製のリングＳｗ３を介して外嵌されている。この樹脂製のリングＳｗ３は、軸受の機能を有すると共に、冷却水をシールする機能を有する。また、肉厚部５１と中空管４との間には、軸受Ｂｒ１よりＸ軸方向後側に位置させて冷却水用のシールＳｗ１が設けられている。そして、冷却水用のシールＳｗ１のＸ軸方向後側に位置する中空管４と第１内筒体５との隙間が冷媒循環路Ｆｐの復路Ｆｐ２に連通する第１通路Ｆｐ３を画成するようになっている。

第２内筒体６は、そのＸ軸方向前端側に、Ｘ軸方向に対して直交する方向にのびるフランジ壁部６１を有し、第１内筒体５と第２内筒体６との隙間が、冷媒循環路Ｆｐの往路Ｆｐ１に連通する第２通路Ｆｐ４を画成するようになっている。そして、真空雰囲気Ｖｐを画成する隔壁Ｉｐ（例えば、真空チャンバの壁面）に形成した取付孔Ｉｈに、取付部品Ａｐを介して取り付けられる。この場合、取付部品Ａｐは、一端にフランジ部Ａｐ１を設けた筒状部材で構成され、フランジ部Ａｐ１のＸ軸方向前後の面には、Ｏリングなどの真空用のシールＳｖ１が夫々取り付けられ、両シールＳｖ１が隔壁Ｉｐの外面と第２内筒体６のＸ軸方向の端面とに圧接して気密保持するようになっている。また、大気雰囲気に位置するフランジ壁部６１と肉厚部５１との間の空間には、Ｘ軸方向にのびる軸部を持つ２個の継手部８ａ，８ｂが設けられ、各継手部８ａ，８ｂには、図外のチラーユニットから図外の吸水管と排水管とが夫々接続されている。これにより、チラーユニットにより冷媒循環路Ｆｐに所定温度の冷却水を循環させることで、ターゲットＴｇのスパッタリング時、ターゲット材１２を冷却することができる。

外筒体７は、第２内筒体６のＸ軸方向にのびるストレート部６２に外嵌される軸受Ｂｒ２を介して設けられている。この場合、バッキングチューブ１１のＸ軸方向一端には小径の取付段差部１１ａが設けられ、取付段差部１１ａに外筒体７のＸ軸方向後端がＯリングなどの真空用のシールＳｖ２を介して外嵌され、この状態でクランプＣｐにより外筒体７とバッキングチューブ１１とが連結されている。なお、上記連結に利用されるクランプＣｐとしては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。また、スパッタリングに伴うターゲット材１２の侵食によりターゲットＴｇを交換するような場合には、Ｘ軸方向後側の支持ブロックからターゲットＴｇを脱離し、クランプＣｐを取り外した後に、Ｘ軸方向後方に向けてターゲットＴｇを引き抜けば、ターゲットＴｇを取り外すことができる。

外筒体７の外周面と取付部品Ａｐの内周面との間には、外筒体７の回転を許容しながら外筒体７の内側空間を気密保持する、オイルシール、ダブルリップシールまたは磁性流体シールで構成される真空用のシールＳｖ３が設けられている。本実施形態では、上記各真空用のシールＳｖ１～Ｓｖ３が、内管としての磁石ケース３と中空管４との内部空間を真空雰囲気Ｖｐから隔絶する隔絶手段を構成する。そして、外筒体７により、ストレート部６２と、ストレート部６２からＸ軸方向後端側に突出してのびる第１内筒体５の部分とを覆って往路Ｆｐ１と第２通路Ｆｐ４とを液密に完全に連通させるようになっている。この場合、軸受Ｂｒ２より磁石ケース３側に位置するストレート部６２と外筒部７との間にも冷却水用のシールＳｗ２が設けられている。

外筒体７の外筒面には、隔壁Ｉｐの大気側に位置させて歯７１が設けられ、これに噛み合う歯車９１が配置されている。歯車９１には、モータ９２の駆動軸９２ａが連結され、モータ９２より歯車９１を所定回転数で回転させて外筒体７を回転駆動することで、ターゲットＴｇのスパッタリング時、これに連結されたターゲットＴｇを所定の回転数で回転できるようになっている。本実施形態では、これらがターゲットＴｇに回転力を付与する第１駆動手段を構成する。また、外筒体７には、図外のスパッタ電源からの出力ケーブル（図示省略）が接続され、ターゲット材１２に、例えば負の電位を持った所定電力を投入できるようになっている。

以上の実施形態によれば、駆動ブロックＤＢに、スパッタリング時のターゲットＴｇの冷却に必要なターゲットＴｇ内の冷媒循環路Ｆｐ２，Ｆｐ１に対して冷却水（冷媒）を供給し及び排出する通路（第１通路Ｆｐ３及び第２通路Ｆｐ４）の内側に更に、中空管４が存在する構成を採用したため、殊更、中空管４に冷却水を通水する必要はない。そして、磁石ケース３と中空管４との内部空間を互いに連通する大気雰囲気とし、この中空管４を通して電気配線する構成を採用したため、中空管４内に配線されるケーブルＫ１，Ｋ２やコネクタ等に防水加工を施すことを不要にでき、しかも、スパッタリング時にターゲットＴｇを冷却するという機能も損なわれない。また、中空管４をその軸線周りに所定の回転角の範囲で回転させるサーボモータ４２を備える構成を採用したため、簡単な構成でその内部に固定配置される磁石ユニット３３をターゲットＴｇの周方向に傾けてその姿勢を変更し、基板Ｓ表面に成膜される薄膜の膜厚分布や膜質分布を調整することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、中空管４がその全長に亘ってストレート状のものを例に説明したが、磁石ケース３から少なくとも第１内筒体５が外挿される箇所までがストレート状であれば、これに限定されるものではない。

ところで、磁石ケース３内に、直動モータ３４ａを設けた場合、その作動に伴う熱が磁石ケース３内にこもり、直動モータ３４ａの動作不良を誘発したりする虞がある。図３に示すように、大気雰囲気の中空管４に可撓性を持つチューブ状の気体導入管１０を配置し、磁石ケース３内に圧縮空気や窒素ガスといった気体を導入できるようにしてもよい。これによれば、磁石ケース３内に中空管４内に設けた気体導入管１０を介して圧縮空気等を供給し、排出通路１０ａを通して排出することで、磁石ケース３にこもる熱を磁石ケース３から排出でき、熱による直動モータ３４ａの動作不良を抑制することが可能になる。

ＤＢ…駆動ブロック、Ｂｒ２…軸受、Ｆｐ…冷媒循環路、Ｆｐ３…第１通路、Ｆｐ４…第２通路、Ｋ１…電源ケーブル（電気配線）、Ｋ２…通信ケーブル（電気配線）、Ｒｃ…回転式カソードユニット、Ｔｇ…ターゲット、Ｖｐ…真空雰囲気、３…磁石ケース（内管）、３３…磁石ユニット、３１…冷媒通路（内管内の冷媒循環路）、３２…隙間（ターゲットと内管との間の冷媒循環路）、３４…移動手段（電動式の移動手段）、４…中空管、４２…サーボモータ（第２駆動手段）、５…第１内筒体、６…第２内筒体、７…外筒体、９２…モータ（第１駆動手段）、Ｓｖ１～Ｓｖ３…真空用のシール（隔絶手段）、１０…気体導入管。

Claims (4)

1. 真空雰囲気中に配置される筒状のターゲットと、このターゲットに内挿されて真空雰囲気と隔絶された空間を形成する内管とを有し、ターゲットと内管との間及び内管内に冷媒循環路が設けられる回転式カソードユニットのターゲットの軸線方向一端に連結されて、ターゲットを軸線回りに回転駆動する回転式カソードユニット用の駆動ブロックであって、ターゲットに回転力を付与する第１駆動手段を更に備えるものにおいて、
   ターゲットの軸線方向一端から軸線方向他端に向かう方向をＸ軸方向後方、ターゲットの軸線方向他端から軸線方向一端に向かう方向をＸ軸方向前方とし、
   内管に内挿されて当該内管の内周面との間の隙間で内管内の冷媒循環路が形成されると共に、内管からＸ軸方向前方に延長してのびるストレート部を持つ中空管と、中空管のストレート部に外挿されると共にその軸線方向後方側の端部を内管に連結して当該中空管との間の隙間で内管内の冷媒循環路に連通する第１通路を画成する第１内筒体と、
   第１内筒体に外挿されて、当該第１内筒体の外周面との間の隙間でターゲットと内管との間の冷媒循環路に連通する第２通路を画成する第２内筒体と、
   第２内筒体に軸受を介して外挿され、前記ターゲットの軸線方向一端に連結されて駆動手段からの動力が伝達される外筒体と、を備え、
   内管と中空管との内部空間を真空雰囲気から隔絶する隔絶手段を更に備えることを特徴とする回転式カソードユニット用の駆動ブロック。
2. 
   請求項１記載の回転式カソードユニット用の駆動ブロックであって、
   
   前記内管内に、前記ターゲットの外表面に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットと、この磁石ユニットをターゲットの外表面に対して近接離間方向に移動させる電動式の移動手段とを備えるものにおいて、
   
   前記内管と前記中空管との内部空間を互いに連通する大気雰囲気とし、この中空管を通して、磁石ユニットの移動とその位置検知に必要な部品に対する電気配線することを特徴とする回転式カソードユニット用の駆動ブロック。
   
3. 
   前記中空管内に、前記内管に向けて気体を導入する気体導入管が設けられることを特徴とする請求項２記載の回転式カソードユニット用の駆動ブロック。
   
4. 
   前記中空管をその軸線周りに所定の回転角の範囲で回転させる第２駆動手段を備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の回転式カソードユニット用の駆動ブロック。

Images