JP4490257B2 - コーティングプロセスのためのスパッタ陰極 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内のコーティングプロセスのためのスパッタ陰極であって、少なくとも１つの一体的なターゲットプレートが設けられており、該ターゲットプレートが、金属のダイアフラムに組み付けられており、該ダイアフラムの、ターゲットプレートとは逆の側に、冷却液体のための流入管路および流出管路を備えた冷却媒体通路と、少なくとも１つの磁石システムのための中空室とが存在し、この場合、磁石システムが、ダイアフラムに対してシールされた支持槽内に配置されていて、冷却液体に晒されておらず、かつ全装置が支持構造体上に配置されている形式のものに関する。

このような形式のスパッタ陰極は高出力・スパッタ陰極であり、マグネトロン陰極とも呼ばれる。この場合、ターゲットプレートの後方に磁石システムが配置されている。この磁石システムは、反対の側に位置するスパッタ面上に、閉じた磁気的なトンネルを生ぜしめる。このトンネル内には、スパッタプロセスのために必要とされる、イオン化されたガスから成るプラズマが閉じ込められている。このことによって、一方では、磁石なしの陰極に比べてスパッタ率が２０倍〜３０倍の値だけ高められるが、他方では、エネルギ集中が前記磁気的なトンネルの下方の領域へ集中され、ひいてはターゲットプレートの材料の除去率（Abtragungsrate）およびターゲットプレート内への入熱も高められる。これにより、ターゲットプレートの短期の交換リズムと極めて効果的な冷却とが強要される。これらの問題は、スパッタ陰極の大きさと共に増大する。

ヨーロッパ特許第０４７６６５２号明細書には、真空・コーティング室に比べて比較的に小さい、磁石システムが格納されている円形の陰極ケーシングを、比較的に厚い陰極プレート（６〜７ｍｍ）によって閉鎖することが公知である。この陰極プレートと環状の円形コードシール部材とによって、磁石の周りを流れる冷却液体が内部に存在する陰極ケーシングは、コーティング室に対して閉鎖されている。コーティング室内への冷却液体の侵入が、コーティング雰囲気−不活性ガスかまたは反応性ガス−を妨害するので、製品スクラップを生ぜしめる結果となることが、明示されている。冷却液体としては、例えば水およびエチレングリコールが示されている。陰極プレートは同質にまたは積層して形成されていてよく、アルミニウムから成るベースプレートと、本来のターゲットと、銅から成る補強層とから成っていてよく、場合によってはさらに、コーティング前に陰極を脱ガスするための加熱層によって補足される。記載の陰極直径は２９０ｍｍにまで達する。しかしながら本質的な欠点は、再運転開始が逆方向で行われ得るようになる前に、著しい時間損失を伴って、陰極プレートの交換のために冷却液体が取り除かれなければならず、かつシール部材が取り外されて洗浄されなければならないことにある。

同明細書には、−スパッタしたいターゲット材料のすぐ後方に−閉じた冷却媒体通路が配置されているベースプレートも開示されている。しかしながらこの場合、監視を怠ると、ターゲット材料が貫通されるようにエッチングされ、かつベースプレートが冷却媒体通路に達するまでエッチングされるという危険が存在する。このことは、またもや、コーティング室内への冷却媒体の侵入の危険を伴う。冷却媒体通路を製作しかつ周囲に接続するための手段は、開示されていない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３０１５１６号明細書によって、冒頭に記載した形式のスパッタ陰極が公知である。この場合、冷却媒体通路は、弾性的なダイアフラムと中実の槽との間に、環状の１つの中空室と環状の２つのシール部材とを備えて形成されている。ダイアフラムには、全面にわたってターゲットまたはターゲット部材が載設されている。冷却媒体通路と単数または複数のターゲットとの固定は、交互に配置された複数のねじによって下方および上方から行われる。これらのねじは、一方では、クローまたはナットを介して、ダイアフラムと槽とに作用し、他方では、ターゲット縁部に作用する。この場合、磁石は冷却媒体の外側に位置する。しかしながら、全スパッタ陰極が真空チャンバ（図示せず）内に配置されているので、例えば、流出した冷却媒体が真空チャンバ内に侵入する恐れがあり、コーティングプロセスに不利な影響を与える恐れがある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６２２６０５号明細書およびドイツ連邦共和国特許第１９６２２６０６号明細書によって、磁石システムおよびターゲットプレートとの間に、磁気伝導性の材料から成る少なくとも１つの薄板ブランク（Blechzuschnitt）を配置することが公知である。この配置は、スパッタを引き起こすプラズマのための磁気的なトンネルを形成している磁界線に、比較的に平坦な経過を強制し、これにより、ターゲットプレートにおけるエロージョン溝が拡幅されかつ材料効率が高められるようにすることを目的とする。ドイツ連邦共和国特許第１９６２２６０６号明細書には、付加的にさらに、ターゲットを支持する支持ベースプレートが開示されている。
ヨーロッパ特許第０４７６６５２号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３０１５１６号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６２２６０５号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９６２２６０６号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭に述べた形式のスパッタ陰極を改良して、ターゲットから冷却媒体への熱移行が、簡単で効果的なかつ安価な形式で改善され、真空チャンバ内への冷却媒体またはその蒸気の侵入の危険とコーティングプロセスへの不都合な影響とが回避される、コーティングプロセスのためのスパッタ陰極を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式のスパッタ陰極において、
ａ）当該スタッパ陰極のための支持構造体が中空体を有しており、該中空体が、真空チャンバの内室に対してガス密に閉鎖されており、前記中空体が、さらに、磁石システムを取り囲んでいる中空室を、真空チャンバの外部に存在する雰囲気に接続しており、
ｂ）冷却媒体通路が、その横断面周囲にわたって閉じた導管として、少なくとも１つの平坦面を備えて形成されており、該平坦面がダイアフラムと熱伝導的に結合されており、かつ
ｃ）ダイアフラムと、導管の、ダイアフラムとは逆の側の表面とが、前記支持構造体を介して、真空チャンバの外部の雰囲気圧力に晒されているようにした。

本発明によって、冒頭に述べた形式のスパッタ陰極において、ターゲットから冷却媒体への熱移行が、簡単で効果的なかつ安価な形式で改善され、真空チャンバ内への冷却媒体またはその蒸気の侵入の危険とコーティングプロセスへの不都合な影響とが回避される。

この場合、本発明のさらなる構成の展開において、以下のイ、ロ、ハ、ニ、ホ、ヘの特徴を単独でかまたは組合せで有していること、および／または以下のトの特徴を有していることが、特別に有利である。

イ 冷却液体のための導管が方形横断面を有していて、該方形横断面の一方の長辺側で、ダイアフラムと熱伝導的に結合されている；
ロ 冷却液体のための導管が接合プロセスによってダイアフラムと結合されている；
ハ 支持構造体の中空体が保持プレートに固定されており、該保持プレートが真空チャンバの壁に固定されており、該壁が、保持プレートの結合箇所の内側に、周囲雰囲気に対する開口を有している；
ニ 導管の両端部に、垂直な管片が接続されており、該管片がベンドにおいて終わっており、前記管片から接続管路が、支持構造体の中空体を通り抜けて周囲雰囲気まで案内されている；
ホ 当該スパッタ陰極の支持槽が、全周にわたって閉じた支持体を介して、支持構造体の中空体と真空密に結合されている；
ヘ 当該スパッタ陰極の支持槽と、前記単数または複数のターゲットプレートのための保持部とが、ケーシングによって取り囲まれており、該ケーシングが、第１のフレームによって、前記単数または複数のターゲットプレートの保持部を上方から覆っていて、第２のフレームによって、支持槽を支持体の近くまで下方から覆っている；
ト 導管が、当該スパッタ陰極の内側でほぼ中央に、磁石システムの異なる極の間に延びている。

以下に、本発明対象の１実施例およびその作用形式および利点を、図１〜図６に示した方形陰極を用いて詳しく説明する。

以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。

予め強調しておきたいのは、当該スパッタ陰極が方形陰極として図示してあり、この方形陰極の長さが、ガラスからの相対的な長手方向運動による大面コーティングのために、数メートルになることがあり得るが、構造原理は、任意の大きさの円形陰極のためにも極めて良好に使用されることができることである。この使用は、逆の姿勢、すなわち「逆さま姿勢」でも、または例えばローラにおけるシートコーティングに際しての任意の傾斜姿勢でも、当然のことながら可能である。

図１には、スパッタ陰極１を示してある。このスパッタ陰極１の機能本質的な部分は、ターゲットプレート２である。このターゲットプレート２は、運転中、方法が不活性の雰囲気（例えばアルゴン）中で実施されるかまたは反応性の雰囲気（例えば酸素または窒素）中で実施されるかに応じて、コーティング材料またはその成分を供給する。ターゲットプレート２はモノリシックに形成されていてよいかまたは複数の層から形成されていてよいが、このことは公知である。

ターゲットプレート２の後方には、まず、金属から成る弾性的なダイアフラム３が存在する。このダイアフラム３も単層または多層に形成されていてよい。例えば、複数の層のうちの１つの層３ａは、鉄および／または鋼および／または特殊鋼から成っていてよく、別の層３ｂは銅から成っていてよい。層３ａは、ターゲットプレートにおけるエロージョン溝を拡幅しかつ材料効率を高める目的で、磁気的なトンネルを成している磁界線の弓状の経過を平坦化するために働く。熱伝導的に層３ｂと結合されているのは、導管４から成るほぼＵ字形の冷却媒体通路である。導管４の横断面は方形に形成されており、導管４の上側の平坦面４ａは、ターゲットプレート２と良好に熱伝導的に結合されている。この結合部は、有利には、ろう接、溶接または熱伝導性の接着剤による接着の群からの１つの接合方法によって製作される。この後方で所定の間隔を置いて、磁石システム５（図４）が配置されている。この磁石システム５は、ここでは、外側の磁石列５ａだけを図示してある。層３ａ，３ｂは２〜４ｍｍの全厚さを有しているが、有利には、相対的な移動可能性によって弾性をできるだけ大きく維持するために、互いに堅固に結合されてはいない。

ダイアフラム３および磁石システム５は、支持槽６によって保持される。この支持槽６は、対応成形された段状の中空室７と、冷却液体用の流入管路９および流出管路１０のための貫通開口８とを有している。全装置は、全周にわたって閉じた支持体１１を介して、支持構造体１２上に保持されている。この支持構造体１２は中空体１３を有していて、上側の開口１４ａを備えた直方体形の中空室１４を包囲している。この中空室１４は、以下にさらに詳しく説明する形式で、外部の雰囲気に接続されている。ダイアフラム３および導管４の方に向けられた短く太い矢印は、支持槽６の中空室７内まで侵入する外部の雰囲気圧力による圧着力を示している。

管路９，１０は管片９ａ，１０ａとして形成されていて、ベンド１５において終わっている。このベンド１５には別の管路（ここには図示せず）が接続されている。該別の管路は長手方向で中空室１４を通り抜けて、外部の雰囲気まで案内されている。管片９ａ，１０ａ間の間隔を維持するために、緊締装置１６，１７が用いられる。コーティング雰囲気と外部の大気との間を真空密に閉鎖するためのシール部材は、黒い方形によって示してあり、ここでは詳しく符号を付けていない。

これまでに説明した装置は、真空チャンバ１８内に格納されている。この真空チャンバ１８は、ここでは、一部および底部１８ａしか図示していない。前記目的のために、支持構造体１２の中空体１３は保持プレート１９に固定されている。この保持プレート１９は真空チャンバ１８の壁に真空密に固定されている。この壁は、保持プレート１９もしくは結合箇所の内側に、周囲もしくは外部雰囲気に対する開口（図示せず）を有している。

さらに、支持槽６を備えたスパッタ陰極１がケーシング２０によって取り囲まれていることを示してある。このケーシング２０は、上側の第１のフレーム２０ａによって、ターゲットプレート２の保持部および縁部を上方から覆っていて、下側の第２のフレーム２０ｂによって、支持槽６を支持体１１の近くまで下方から覆っている。

図２〜図６には、これまでの符号付けを踏襲して、拡大した図示で以下のことを示してある。

すなわち図２には、陰極システムの、冷却媒体供給用の管片９ａ，１０ａが導管４に接続されている端部を、支持構造体１２なしで部分的で鉛直な長手方向断面図で示してある。この長手方向断面は、これまで図示しなかった真ん中の磁石列５ｂと、緊締装置１６を通る引張りねじ２１（Zugschraube）と、複数のシール部材のうちの１つのシール部材２２の部分周囲と、導管４の接続側の端部間の分離壁２３と、外部の雰囲気まで案内されている水平な複数の接続管路のうちの１つの接続管路２４（破線で示す）とを通って延びている。

図３には、図２に対して陰極システムの、導管４が１８０度だけ転向させられている他方の端部を示してある。段状の切欠２５は、支持構造体１２に対する支持装置（ここには図示せず）を収容するために用いられる。

図４には、ターゲットプレート２を取り外した後の磁石システム５；５ａ，５ｂの平面図を示してある。この磁石システムは、弓状の磁界線とレーストラックに似た構成とを備えた、ターゲットプレート２を透過する磁界を生ぜしめる。この磁界は、一様なプラズマを閉じこめている。このプラズマは、スパッタ陰極１と陽極（図示せず）との間の電位差によって形成される。前記陽極は、陽極体によってかつ／またはアース電位にある基板ホルダ（同じく図示せず）によって励起される。前記プラズマは高いエネルギ入力（Energieeintrag）下でターゲットプレート２の材料をスパッタし、スパッタ放出された（abgestaeubt）材料またはこの材料から成る化合物を基板上に凝結させるために働く。しかしながら、効果的な冷却を前提とする前記のような原因関連は公知であるので、これ以上詳しくは説明しない。

図５には、陰極システムの一方の端部の平面図を示してある。ターゲットプレート２は、分離接合部のＺ字形の構成に基づいて、支持槽６にねじ固定されたクローストリップ（Pratzleisten）２６から成るフレームによって保持される。さらに、クローストリップ２６はダイアフラム３を支持槽６に対して緊締している。

図６には、−図１に比べて拡大して−、図２、図３および図５による陰極システムの垂直な横断面図を示してある。太く黒い矢印によって、再度、ダイアフラム３と導管４とに対する外部の雰囲気圧力の力作用を図示してある。外側の磁石列５ａは、内側の磁石列５ｂに対して鏡面対称的に配置されている。中間スペース（中空室）７内には、外側の磁石列５ａと真ん中の磁石列５ｂとに対して間隔を置いて、導管４の両脚部が配置されている。これにより、ダイアフラム３およびターゲットプレート２は極めて効果的な方式で冷却されることができ、加熱後には、一定の温度に維持されることができる。さらに、強調しておきたいのは、磁石列５ａ，５ｂの上側の制限面の間にも間隔もしくはエアギャップが存在することである。

陰極長手方向軸線に対して垂直な切断平面で、真空チャンバの一部の内側の、支持構造体を備えた完全な陰極システムを示す鉛直断面図である。

陰極システムの、冷却媒体供給用の導管が接続されている端部を、支持構造体なしで拡大して示す部分的で鉛直な長手方向断面図である。

図２に対して陰極システムの、導管が１８０度だけ転向させられている他方の端部を示す図である。

ターゲットプレートを取り外した後の磁石システムを縮尺して示す平面図である。

陰極システムの一方の端部を示す平面図である。

図２、図３および図５による陰極システムを示す垂直な横断面図である。

符号の説明

１ スパッタ陰極、 ターゲットプレート、 ３ ダイアフラム、 ３ａ 層、 ３ｂ 層、 ４ 導管、 ４ａ 平坦面、 ５ 磁石システム、 ５ａ 外側の磁石列、 ５ｂ 内側の磁石列、 ６ 支持槽、 ７ 中空室、 ８ 貫通開口、 ９ 流入管路、 ９ａ 管片、 １０ 流出管路、 １０ａ 管片、 １１ 支持体、 １２ 支持構造体、 １３ 中空体、 １４ 中空室、 １４ａ 開口、 １５ ベンド、 １６ 緊締装置、 １７ 緊締装置、 １８ 真空チャンバ、 １８ａ 底部、 １９ 保持プレート、 ２０ ケーシング、 ２０ａ フレーム、 ２０ｂ フレーム、 ２１ 引張りねじ、 ２２ シール部材、 ２３ 分離壁、 ２４ 接続管路、 ２５ 切欠、 ２６ クローストリップ

Claims (8)

1. 真空チャンバ（１８）内のコーティングプロセスのためのスパッタ陰極であって、少なくとも１つの一体的なターゲットプレート（２）が設けられており、該ターゲットプレート（２）が、金属の弾性的なダイアフラム（３）に組み付けられており、該ダイアフラム（３）の、ターゲットプレート（２）とは逆の側に、冷却液体のための流入管路（９）および流出管路（１０）を備えた冷却媒体通路と、少なくとも１つの磁石システム（５）のための中空室（７）とが存在し、この場合、磁石システム（５）が、ダイアフラム（３）に対してシールされた支持槽（６）内に配置されていて、冷却液体に晒されておらず、かつ全装置が支持構造体（１２）上に配置されている形式のものにおいて、
   ａ）当該スパッタ陰極（１）のための支持構造体（１２）が中空体（１３）を有しており、該中空体（１３）が、真空チャンバ（１８）の内室に対してガス密に閉鎖されており、前記中空体（１３）が、さらに、磁石システム（５）を取り囲んでいる中空室（７）を、真空チャンバ（１８）の外部に存在する雰囲気に接続しており、
   ｂ）冷却媒体通路が、その横断面周囲にわたって閉じた導管（４）として、少なくとも１つの平坦面（４ａ）を備えて形成されており、該平坦面（４ａ）がダイアフラム（３）と熱伝導的に結合されており、かつ
   ｃ）ダイアフラム（３）と、導管（４）の、ダイアフラム（３）とは逆の側の表面とが、前記支持構造体（１２）を介して、真空チャンバ（１８）の外部の雰囲気圧力に晒されていることを特徴とする、コーティングプロセスのためのスパッタ陰極。
2. 冷却液体のための導管（４）が方形横断面を有していて、該方形横断面の一方の長辺側で、ダイアフラム（３）と熱伝導的に結合されている、請求項１記載のスパッタ陰極。
3. 冷却液体のための導管（４）が接合プロセスによってダイアフラム（３）と結合されている、請求項１記載のスパッタ陰極。
4. 支持構造体（１２）の中空体（１３）が保持プレート（１９）に固定されており、該保持プレート（１９）が真空チャンバ（１８）の壁に固定されており、該壁が、保持プレート（１９）の結合箇所の内側に、周囲雰囲気に対する開口を有している、請求項１記載のスパッタ陰極。
5. 導管（４）の両端部に、垂直な管片（９ａ，１０ａ）が接続されており、該管片（９ａ，１０ａ）がベンド（１５）において終わっており、前記管片（９ａ，１０ａ）から接続管路が、支持構造体（１２）の中空体（１３）を通り抜けて、周囲雰囲気まで案内されている、請求項４記載のスパッタ陰極。
6. 当該スパッタ陰極（１）の支持槽（６）が、全周にわたって閉じた支持体（１１）を介して、支持構造体（１２）の中空体（１３）と真空密に結合されている、請求項１記載のスパッタ陰極。
7. 当該スパッタ陰極（１）の支持槽（６）と、前記単数または複数のターゲットプレート（２）のための保持部とが、ケーシング（２０）によって取り囲まれており、該ケーシング（２０）が、第１のフレーム（２０ａ）によって、前記単数または複数のターゲットプレート（２）の保持部を上方から覆っていて、第２のフレーム（２０ｂ）によって、支持槽（６）を支持体（１１）の近くまで下方から覆っている、請求項６記載のスパッタ陰極。
8. 導管（４）が、当該スパッタ陰極（１）の内側でほぼ中央に、磁石システム（５）の異なる極の間に延びている、請求項１記載のスパッタ陰極。

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