圆筒状靶及其制造方法

摘要

得到一种增大靶材料和支持此靶材料的衬底管的选材可能性、并且制造简单和可再利用的圆筒状靶。将碳毡等缓冲部件52位于内筒为金属制衬底管和外筒为圆筒状靶材料之间，将两者接合形成圆筒状靶。

说明书

                             技术领域

本发明涉及一种圆筒状靶的构造以及其制造方法。此圆筒状靶适用于薄膜形成等用的磁控管溅射装置(尤其是直流磁控管溅射装置)中。

                             背景技术

人们知道磁控管溅射法，它是作为在玻璃或塑料等基板上形成薄膜的一种技术。在1993年日本公表特许公报第501587号里公开了使用旋转的圆筒状靶的磁控管溅射系统。此装置是在圆筒状靶内侧具有磁铁，从靶的内侧进行冷却，同时使靶旋转而进行溅射。圆筒状靶和平板形状(平面型)的靶相比，有使用效率高、能高速成膜的优点。

作为圆筒状靶的制造方法，在1993年日本公开特许公报214525号里公开了通过等离子喷镀法将靶材料附着形成在不锈钢或钛等的衬底管外表面上的方法，此靶材料是要以溅射来形成膜的材料。另外，还知道有在衬底管外表面周围上配置制成圆筒状的靶材料、并将铟等金属插入在这两者之间将其接合的方法，或用靶材料一体形成相当于衬底管部分的方法等。

但是，采用喷镀法的缺点是，由于能够喷镀的材料和衬底管的材料的性能(例如，热膨胀不同)，靶材料或衬底管材料受到限制。用铟等进行接合的方法，不仅需要将衬底管的外围表面和靶材料的内周表面进行表面处理，而且为了使铟熔入到接合部，还需要加热装置，并且还要设法不使熔化的铟泄漏。再者，在靶材料为陶瓷制的情况下，因为一般此靶材料的热膨胀率比金属制衬底管以及接合材料的铟要小，所以由于在接合后冷却时的收缩差，从而产生了在接合部形成了空隙的弊端。

另外，在因溅射而使靶材料消耗时，虽然可以更换靶，但是，在用喷镀法或铟接合法所制成的靶的情况下，很难将衬底管和靶材料分离，也不适合衬底管的再利用(recycle)。

另一方面，虽然也可以用靶材料将一体形成相当于衬底管的部分，但是，由于陶瓷或一部分金属材料的强度不够或抗机械冲击性差等原因，所以一体型靶作为构造体就缺乏可靠性。另外，因一体形成高价靶材料，所以在制造成本上也有问题。

本发明借鉴上述情况，目的在于提供能扩大靶材料以及衬底管材料的选材可能性、同时使制造简单并可以提高再利用性圆筒状靶以及其制造方法。

                             发明内容

为了达到上述目的，本发明有关的圆筒状靶，其特征在于，在圆筒状的衬底管的外围配置中空圆筒状的靶材料，并同时在上述衬底管和上述靶材料之间隔着缓冲部件，使上述衬底管和上述靶材料接合起来。

                             附图说明

图1是采用本发明圆筒状靶的圆筒状磁控管溅射系统的构成图。

图2是本发明实施例的圆筒状靶的立体图。

图3是沿图2的3-3线的截面图。

图4是本例圆筒状靶在制造时的分解立体图。

图5所示为碳毡以及碳片的初始物理性质值一个例子的图表。

图6所示为将多个靶材料接合的实施例的截面图。

图7是插入耐热性O形密封圈的圆筒状靶的截面图。

图8所示将多个靶材料接合的其他例子的截面图。

符号说明

10密闭反应室

12基板

14圆筒状靶

16衬底管

17锥形导杆

18磁铁单元

20靶材料

20A台阶部分

22靶驱动装置

24、26、28磁极

30直流电源

32电源线

34滑动触点

36出口管

38真空泵

40第1供气管

44、50喷咀

46第2供气管

52导电性毡(缓冲部件)

53耐热性O形密封圈

                           具体实施方式

根据本发明，因为将缓冲部件隔在构成成膜材料的靶材料和支持此靶材料的衬底管(靶支持体)之间，所以，可以通过缓冲部件将由于该两者热膨胀之差而造成的体积变化消除。从而，靶材料和衬底管材质组合的自由度增大，能更适当地进行选材。另外，也容易完成将消耗的靶材料从衬底管上分离的操作，衬底管能够再利用。

作为一种在靶材料和衬底管之间配置缓冲部件的形态，最好是将可以压缩变形的片状缓冲部件压缩填充在衬底管和靶材料之间。另外，也可以将片状缓冲部件预先加工为圆筒状使用。

作为上述缓冲部件，可以用导电性毡或导电性片。根据本发明的一种形态，可以采用碳毡来作为上述导电性毡。此碳毡，从缓冲性的角度看，压缩填充前的初始状态(以下简称为初始状态)的密度最好为0.05～0.5g/cm³。

本发明所用的碳毡，初始状态的厚度最好为0.5～10mm，压缩填充时的压缩率最好为10～80％。另外，从导电性角度看，该碳毡在初始状态时厚度方向的体积固有电阻最好为0.1～100Ω·cm。

为了提供制造上述构成的圆筒状靶的方法，本发明的圆筒状靶的制造方法，其特征在于：于在具有中空圆筒状的靶材料的内表面配置缓冲部件，在此缓冲部件内插入嵌进衬底管，通过该插入动作，使上述缓冲部件位于上述衬底管的外围表面和上述靶材料的内表面之间，将上述靶材料和上述衬底管接合，从而得到圆筒状靶。

作为上述制造方法的一种形态，是在上述靶材料的内表面配置可以压缩变形的片状缓冲部件，通过将上述衬底管的插入动作，将上述缓冲部件压缩，而使上述缓冲部件填充于上述衬底管的外围表面和上述靶材料的内表面之间。

再者，碳毡等上述缓冲部件，由于压缩填充，容易产生灰尘，为了在溅射时防止产生灰尘，在上述靶材料的两端内表面部分，最好配置耐热性O形密封圈等密封部件。

以下根据附图，就本发明的圆筒状靶以及其制造方法的最好实施例进行说明。

首先，就采用本发明的圆筒状靶的磁控管溅射系统构成，引用1993年日本特许发表第501587号公报来加以概述。图1是圆筒状磁控管溅射系统的构成图。在图1中，由符号14表示的圆筒状靶，为了显示其内部构造，画成剖面图。在生成有等离子的密闭反应室10内，保持真空，并设置有成膜靶的基板12。在本发明的圆筒状靶14，在衬底管16的外围，配置有中空圆筒状的靶材料20，同时在衬底管16和靶材料20之间，压缩填充有如图2所示的可以压缩变形的片状缓冲部件(在本例中为导电性毡52)，从而将衬底管16和靶材料20接合。另外，如图1所示，在衬底管16的内部装有磁铁单元18。通以水或其他冷却液，对衬底管16进行冷却。

保持有靶材料20的衬底管16利用靶驱动装置22可以绕长度方向的轴旋转，并加以支持。在图1中，平板状基板12保持水平，圆筒状靶14的长度方向的轴也保持水平，但是，基板12和圆筒状靶14的配置关系不受此限制。

磁铁单元18含有沿着衬底管16的轴平行的3排磁极24、26和28。磁极24、26以及28这样配置，使得分别形成N极、S极以及N极，磁力线贯穿衬底管16，进入具有相反极性的邻近的磁极。利用该磁极配置，就生成磁场隧道，以达到溅射速度的高速化。

为了产生溅射所需的阴极电位V，是通过电源线32及滑动触点34从直流电源30提供给衬底管16。另外，为了得到溅射必要的低气压，密闭反应室配备有和未图示的真空泵相连接的出口管36。

密闭反应室10，设置有为提供溅射所需气体用的供气手段。第1供气管40从未图示的惰性气体源配置到密闭反应室10内。和第1供气管40相连接的喷咀44，将惰性气体(例如氩气)分布在圆筒状靶14的上部空间。被引入到密闭反应室的惰性气体被电离子，在磁场空间内和电场影响下，撞击靶材料20的表面。

第2供气管46从未图示的反应气体源配置到密闭反应室10内。和第2供气管46相连接的喷咀50将反应性气体(例如纯氧气)分布在基材12附近的整个其宽度方向。作为反应性气体的分子与离子碰撞的结果，则与从靶表面溅射出的分子化合，生成附着在基材12表面的固定分子。

图2是本发明实施例的圆筒状靶的立体图，图3是沿图2的3-3线的剖面图，图4是制造靶时的分解立体图。如这些图中所示，圆筒状靶14是这样构成的，即通过将作为缓冲部件的导电性毡52压缩填充在金属制内筒的衬底管16和外筒为圆筒状的靶材料20之间，将两者接合。另外，也可以用导电性片来代替导电性毡52，但是，在以下的说明中，是以毡为例进行说明。

靶材料20是由成膜材料构成的金属制或陶瓷制的中空圆筒形状。例如可以用长度为0.4～4m、外径为φ80～150mm、内径为φ60～130mm、厚度为5～10mm的物体。具体的材料为：锡、铝、锌、钛、银、钼、硅-锆、硅-锡等金属，或ITO、碳化硅、掺铝的氧化锌、掺锡的氧化锌等导电性陶瓷。尤其最好为导电性陶瓷。支持靶材料20的衬底管16与靶材料20的尺寸对应，可以用例如长度为0.4～4m、外径为φ60～130mm、内径为φ50～120mm、厚度为2～5mm的物体。作为衬底管16的材质，可以使用不锈钢、铜、钛、钼等金属。导电性毡52是由具有导电性纤维构成的毡性片材，例如可以采用由碳纤维构成的碳毡(或片)。

如图4所示，靶材料20的内表面配置导电性毡52(卷绕)，采用专用夹具(未图)插入嵌进衬底管16的外侧，这样导电性毡52被压缩，将靶材料20和衬底管16接合。另外，在衬底管16的端部，安装使得插入容易的锥形导杆17。

在图5中所示为本实施例中能够使用的碳毡或碳片的初始物理性质值的例子。作为导电性毡(或片)52的初始物理性质值(压缩填充前的状态的物理性质值)，可以使用厚度大于靶材料20内径和衬底管16外径的空隙的材料。在靶材料20和衬底管16之间空隙尺寸误差较大的情况下，通过使用比碳片的缓冲性更好的碳毡，可以将导电性物质填充于整个空隙。

例如，通过将初始厚度为0.5～10mm(最好为1～5mm)的碳毡压缩填充于空隙为0.1～8mm(最好为0.5～2.5mm)中，从而将衬底管16和靶材料20接合。如果初始厚度比0.5mm小，则压缩时的缓冲效果没有充分地发挥。相反，如果初始厚度比10mm厚，则因为毡有过大的隔热效果的特征，所以在作为靶使用时，成为靶材料20因温度异常上升而造成损坏等问题的原因，再者，靶材料20的外径因为过大，所以会产生因装置尺寸的限制而不能利用等问题。

压缩填充时毡的压缩率为10～80％(最好为30～60％)。如果压缩率比10％小，则因为填充密度过低，接合的强度变得不够。相反，如压缩率比80％大，则构成毡的纤维被切断，使接合强度变得不够，或由于填充密度变得过大，使得接合操作变得困难。

碳毡(或碳片)可以从例如宽度为1m、长度为5m的卷筒毡(或片)按照靶材料20内侧面积尺寸切断来使用。形成的靶材料20的长度比衬底管16长度略短。靶材料20没有必要是具有超出图1中说明的基材12宽度方向的长度尺寸的整体材料，也可以采用将其分割成容易制造的适当长度，再将数条这样的靶材料20进行连接的构造。例如，有如图6所示的形态，即对于长度为3m的衬底管16，将10条长度为295mm的靶材料20接合起来构成。

如上所述制成的圆筒状靶14，虽然金属制的衬底管16和陶瓷制的靶材料20在热膨胀率上有很大的差异，但是通过将导电性毡52位于两者之间，可以由导电性毡52将因热膨胀之差而产生的尺寸上的变化吸收。由此，对于衬底管16和靶材料20材质组合的自由度增大，可以更适当地选择材料。

在消耗了靶材料20时，将靶材料20从衬底管16上分离，用新的靶材料20进行更换。本实施例的圆筒状靶14也很容易完成将消耗的靶材料20进行分离的操作，衬底管16能够再利用。

另外，在碳化硅(SiC)等其他陶瓷制的中空圆筒状靶材料20的情况下，在中空内表面很难加工、所谓烧结表面的状态下，尺寸精度不是很好。但是，本例的圆筒状靶14，因为在靶材料20和衬底管16之间压缩填充有缓冲性的导电性毡52，将两者接合，所以对于靶材料20的内表面尺寸不要求有高精度。由此，不需要对内周表面进行二次加工等，从而使制造容易。

实施例1

以下，通过实施例就本发明的更具体的形态进行说明。

如下所述来制造用直流磁控管溅射装置形成二氧化硅薄膜用的圆筒状靶。

作为靶材料20，是制成具有外径为φ152mm、内径为φ138mm和长度为220mm这样尺寸的中空圆筒状含硅的碳化硅烧结体，然后通过将此6条烧结体连接而成为全长为1320mm的靶材料。还有，靶材料20的内周表面及外周表面仍为烧结表面，切断加工烧结体的两端面，使其长度为220mm。由于在制造烧结体时有变形等，内外径的尺寸精度约为±0.5mm。

用市面上的SUS304制管(根据JIS 63459：135A(外径)×Sch40(厚度))加工成外径为φ136mm、内径为φ127mm和长度为1377mm的尺寸，制成支持靶材料20的衬底管16。

在外筒的靶材料20和内筒的衬底管16的空隙处，通过压缩填充厚度(初始状态的厚度)为2mm的碳毡(初始状态的密度为0.12g/cm³、初始状态的厚度方向的体积固有电阻为8Ω·cm)而将其接合。因为空隙平均为1mm，所以此时碳毡的压缩率为50％。

使用市面上的宽度为1m、长度为5m的卷筒毡，按照靶材料20的内表面面积尺寸，即430mm×220mm，将其切断而制成缓冲的碳毡。

对于接合工序，中将切断的碳毡配置于靶材料20的内表面(卷绕)，用专用夹具将其插入衬底管16的外侧，对6条靶材料20重复此操作，就完成了全长1320mm的靶材料的接合工序。

接合工序用的专用夹具是将内周表面配置了碳毡的靶材料20的外表周面固定，安装衬底管16使其和靶材料20同轴，并通过液压将衬底管16插入靶材料20。

另外，在接合时，通过在衬底管16的前端安装锥状导杆(在图4中用符号17表示的部件)，可以使接合顺利进行，在接合后，将此锥状导杆17取出。

将如上述所得的圆筒状靶安装在直流磁控管溅射装置中进行溅射。此时的背压为1.3×10^-3Pa，溅射压力为0.4Pa。另外，用氧/氩＝1/1(体积比)的混合气体来作为溅射气体。在溅射进行中，确认有稳定的放电，并确认在玻璃基板(相当于图1的基板12)上形成所希望的氧化硅薄膜。

再者，由于溅射而消耗了的靶材料20，因为利用上述的接合专用夹具，可以从衬底管16容易取下，所以衬底管16可以再利用。

下面，就本发明的其他的实施例进行说明。

图7是本发明其他实施例的圆筒状靶的剖面图。在图7中，对于和图3相同或类似部件加上相同符号，并省略其说明。如图7所示，为了确实防止缓冲部件的导电性毡52产生灰尘，最好在靶材料20的两端内表面进行台阶加工，在台阶部分20A配置耐热性O形密封圈53。作为耐热性O形密封圈53材质，可以采用丁晴橡胶、丁二烯橡胶、乙丙橡胶、聚丙烯酸橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。尤其是耐热性好的硅橡胶或氟橡胶为最好。耐热性O形密封圈内径最好比衬底管16的外径稍微小一些，粗细最好为2～5mm。

以下，就使用上述的耐热性O形密封圈53的形态的具体的实施例加以阐述。

实施例2

如下所述来制造用直流磁控管溅射装置形成二氧化硅薄膜用的圆筒状靶。

作为靶材料20，是制成具有外径为φ152mm、内径为φ138mm和长度为220mm尺寸的中空圆筒状含硅的碳化硅烧结体，然后通过将此6条烧结体连接而成为全长为1320mm的靶材料。靶材料20的内周表面仍为烧结表面，但将外围表面进行磨削加工，切断加工烧结体两端面，使其长度为220mm，再对两端内表面部分进行台阶加工。由于在制造烧结体时有变形等，内径的尺寸精度约为±0.5mm。

用市面上的SUS304制管(根据JIS G3459：135A(外径)×Sch40(厚度))加工成外径为φ136mm、内径为φ127mm和长度为1377mm的尺寸，制成支持靶材料20的衬底管16。

在外筒的靶材料20和内筒的衬底管16的空隙处，通过压缩填充厚度(初始状态的厚度)为2mm的碳毡(初始状态的密度为0.12g/cm³、初始状态的厚度方向的体积固有电阻为8Ω·cm)而将其接合。因为空隙平均为1mm，所以此时碳毡的压缩率为50％。

使用市面上的宽度为1m、长度为5m的卷筒毡，按照靶材料20的内表面面积尺寸将其切断而制成缓冲的碳毡。考虑到配置在靶材料20的两端内表面部分的耐热性O形密封圈53的粗细，可以使用在长度方向上比靶材料20的长度尺寸(220mm)稍微小一点的碳毡。

在本实施例2中，采用由硅橡胶形成的粗为3mm、内径为φ129mm的耐热性O形密封圈53，此种情况下，要使台阶部分20A的尺寸比耐热性O形密封圈53的粗细略大一些，为5mm。与此相应，使用的碳毡的尺寸为430mm×210mm。

在接合工序中，将切断的碳毛配置于靶材料20的内表面(卷绕)，和实施例1相同，通过专用夹具将其插入到衬底管16的外侧。另外，在靶材料20的两端内表面部分配置耐热性O形密封圈53，如图8所示，对6条靶材料20重复此操作，就完成了全长1320mm的靶材料的接合工序。

这样所得的圆筒状靶可以和实施例1一样进行溅射，同时，由于有耐热性O形密封圈53的密封效果，有可以长期进行防尘的优点。

                      产业上利用的可能性

如上述说明，根据本发明的圆筒状靶以及其制造方法，因为其构造是在中空圆筒状的靶材料和支持此靶材料的衬底管之间，隔着碳毡等缓冲部件而将两者接合，所以对于靶材料和衬底管材质的组合限制减少，可以更适当地选择材料。另外，因为本发明对靶材料和衬底管的接合操作和将靶材料从衬底管上分离的操作容易，衬底管也能够再利用，所以通过降低制造成本也使本发明经济效益增大。

另外，本发明的圆筒状靶，因为通过缓冲部件可以填满靶材料和衬底管之间，使其没有空隙，所以具有在接合部不产生空隙的效果。再者，本发明的圆筒状靶的制造方法容易实施，并可以降低圆筒状靶的成本。