DE69603382T2

DE69603382T2 - Bogentypsverdampfer

Info

Publication number: DE69603382T2
Application number: DE69603382T
Authority: DE
Inventors: Akira Doi; Haruo Hiratsuka; Takaya Ishii; Tadashi Kitagawa; Hiroshi Murakami; Koji Okamoto
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2016-01-24
Also published as: US5843293A; DE69603382D1; JPH08199346A; JP3287163B2; EP0725424B1; EP0725424A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer vom Bogentyp der eine Bogenentladung in seiner Kathode verwendet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der in einem Vakuumbogenverdampfer zum Verdampfen einer Kathodensubstanz auf einem Substrat zur Herstellung eines Dünnfilms, in einem Gerät zur Herstellung eines Dünnfilms zum Verdampfen einer Kathodensubstanz auf einem Substrat in Kombination mit Bestrahlen des Substrats mit Ionen um einen Dünnfilm auszubilden, oder in anderen ähnlichen Geräten verwendet wird.
Solch ein Verdampfer vom Bogentyp ist bereits aus der Druckschrift US-A4 929 322 bekannt. Dieser aus dem Stand der Technik bekannte Verdampfer schließt eine feste Kathode ein, eine Vakuumkammer und einen Gasversorgungsbereich, der einen ringförmigen Raum um die seitliche Peripherie der Kathode mit Gas versorgt.
Ein Verfahren bei dem ein solcher Verdampfer vom Bogentyp verwendet wird, um einen Dünnfilm auf die Oberfläche eines Substrats zu formen, wobei eine Biasspannung angewandt wird, wird als Ionenimplantationsverdampfungsverfahren vom Bogentyp beschrieben, das vorteilhaft im Hinblick auf dichten Kontakt und Produktivität der Filme ist, aber eine schlechte Oberflächenrauhigkeit der auszubildenden Filme mit sich bringt, was bedeutet, daß die Filmoberfläche in großem Maß uneben ist und so nicht flach und glatt ist.
Beim Verdampfer vom Bogentyp wird die Kathodenfläche lokal auf hohe Temperaturen von der Bogenentladung aufgeheizt und der aufgeheizten Kathodenflächenbereich wird dadurch geschmolzen, so daß bewirkt wird, daß die Kathodensubstanz verdampft. Dabei werden zusammen mit feiner Kathodensubstanz auch große Klumpen der Kathodensubstanz verdampft, die dann auf der Oberfläche des Substrats anhaften und somit wiederum die Oberflächenrauhigkeit des ausgebildeten Films verschlechtern.
Im Hinblick auf die obigen Umstände zeigt die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. Sho 63-18056 einen Verdampfer vom Bogentyp, der das obige Problem lösen kann.
Das bedeutet, wie in Fig. 10 gezeigt ist, daß in diesem Verdampfer 10 vom Bogentyp eine rohrförmige Triggerelektrode 30 verwendet wird, und während ein reaktives Gas 36 von dem Gasauslaß 32 der Triggerelektrode 30 zu der Oberfläche 12a der Kathode 12 gebracht wird, zwischen der Kathode 12 und einem Vakuumbehälter 22, der auch als Anode des Verdampfers 10 dient, eine Bogenentladung erzeugt wird, wodurch verursacht wird, daß eine Kathodensubstanz 14 verdampft wird. Das reaktive Gas 36 ist ein Gas, das mit einer Substanz, das die Kathode 12 bildet, reagiert, um eine chemische Verbindung herzustellen.
Bei dieser Verdampfung wird, während ein Bogen gezündet wird, die Triggerelektrode 30 mechanisch durch eine Felddurchführung 34 in Richtung des Pfeils A wie in Fig. 10 gezeigt wird, getrieben. Die Kathode 12 ist auf einem Flansch 16 befestigt und eine Energiequelle 24 ist zwischen dem Flansch 16 und dem Vakuumbehälter 22 verbunden. In der Peripherie der Kathode 12 gibt es eine Abschirmplatte 26, die verwendet wird um den Bogen auszubreiten. In Fig. 10 bezeichnet das Bezugszeichen 18 einen Magneten; 20, ein Isolationsteil und 28 und 38 jeweils Widerstände.
Wenn eine Bogenentladung in der Kathode 12 erzeugt wird, während reaktives Gas von dem Gasauslaß 32 der Triggerelektrode 30 zu der Vorderfläche 12a der Kathode 12 gebracht wird, dann reagieren das reaktive Gas 36 und die Substanz, die die Kathode 12 bildet, miteinander um eine chemische Verbindung mit einem hohen Schmelzpunkt auf der Vorderfläche 12a der Kathode 12 herzustellen, so daß eine große Anzahl von Kathodenpunkten infolge der Bogenentladung auf der Vorderfläche 12a der Kathode 12 hergestellt werden und ein Bogenstrom so auf eine große Anzahl von Kathodenpunkten verteilt werden kann. Folglich hat die Kathodensubstanz 14 die von den jeweiligen Kathodenpunkten verdampft werden soll, eine feine Größe, so daß die Erzeugung von großen Klumpen der Kathodensubstanzen verhindert werden kann.
Da in den zuvor genannten konventionellen Verdampfer 10 vom Bogentyp die Triggerelektrode 30 auch als Gasversorgungsrohr dient und der Gasauslaß 32, der am Vorderendbereich der Triggerelektrode 30 ausgebildet ist, immer vor der Kathode 12 liegt, haften die Kathodensubstanzen 14 am Gasauslaß 32 und verstopfen diesen, wenn der Verdampfer vom Bogentyp 10 verwendet wird. Dies macht es schwierig das reaktive Gas 36 gleichmäßig zuzuführen und aus diesem Grund muß die Triggerelektrode 30 häufig ausgewechselt werden.
Es dauert eine Zeit um die Triggerelektrode 30 durch eine neue zu ersetzen und der Verdampfer vom Bogentyp 10 kann während des Austauschens der Triggerelektrode 30 nicht betrieben werden, was zur Folge hat, daß die Produktivität der Dünnfilme demgemäß herabgesetzt wird. Wenn die Triggerelektrode 30 mit dem verstopften Gasauslaß 32 nicht ausgewechselt wird, dann kann das reaktive Gas 36 nicht ausreichend auf die Vorderfläche 12a der Kathode 12 gebracht werden, was zur Folge hat, daß es große Klumpen von Kathodensubstanz 14 gibt. Als Folge ist es unmöglich, einen Dünnfilm zu erhalten, der eine gute Oberflächenrauhigkeit aufweist (das bedeutet, der eine flache und glatte Oberfläche aufweist).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Verdampfer vom Bogentyp bereitzustellen, der nicht erfordert, Teile wie etwa eine Triggerelektrode und Ähnliches auszuwechseln, um somit das Verdampfen von großen Klumpen von Kathodensubstanz zu verhindern, und der gleichzeitig Filme mit exzellenten Oberflächeneigenschaften bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Da gemäß dem Verdampfer vom Bogentyp der vorliegenden Erfindung, das reaktive Gas von dem Gasauslaß des Gasversorgungsrohrs in einen Bereich gefördert wird, der die Vorderfläche der Kathode einschließt, ist es möglich zu verhindern, daß große Klumpen der Kathodensubstanzen verdampfen. Dies eliminiert die Notwendigkeit, daß die Triggerelektrode in einer Rohrform ausgebildet ist und das reaktive Gas von der rohrförmigen Triggerelektrode gefördert wird, wodurch das Problem gelöst wird, daß der Vorderendteil der Triggerelektrode durch Kathodensubstanzen verstopft werden kann.
Da darüber hinaus der Gasauslaß des Gasversorgungsrohrs in der Nähe des Seitenbereichs oder rückwärtigen Seitenbereichs der Kathode angeordnet ist, wobei eine Position vor der Kathode vermieden wird, ist es unwahrscheinlich, daß Kathodensubstanzen, die von der Vorderfläche der Kathode infolge von Bogenentladung verdampft worden sind an dem Gasauslaß anhaften und diesen verstopfen.
Deshalb kann das reaktive Gas gleichmäßig gefördert werden, wobei es nicht notwendig ist, die Triggerelektrode und das Gasversorgungsrohr auszutauschen und darüber hinaus kann auch das Verdampfen von großen Klumpen der Kathodensubstanzen verhindert werden.
Es ist gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, nicht nur die Zeit zu reduzieren, die für die Wartung nötig ist, sondern auch die Anzahl der Teile, die ausgewechselt werden müssen. Wenn der vorliegende Verdampfer vom Bogentyp weiter für die Herstellung von Dünnfilmen verwendet wird, kann ein Dünnfilm mit guter Oberflächenrauhigkeit in stabiler Weise hergestellt werden, wobei es nicht notwendig ist, Teile wie etwa die Triggerelektrode, das Gasversorgungsrohr usw. auszutauschen, wodurch die Produktivität des Dünnfilms verbessert werden kann.
In den folgenden Zeichnungen ist,
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verdampfers vom Bogentyp gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels eines Gasversorgungsrohrs, das einen ringförmigen Bereich einschließt;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verdampfers vom Bogentyp gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung von noch einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verdampfers vom Bogentyp gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Geräts zur Herstellung eines Dünnfilms, das einen Verdampfer vom Bogentyp, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, darin einschließt;
Fig. 6 ein optisches mikroskopisches Bild der Oberfläche eines Films ist, der bei der ersten Verwendung eines Verdampfers vom Bogentyp gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet worden ist, wobei die Vergrößerung 400 beträgt;
Fig. 7 ein optisches mikroskopisches Bild der Oberfläche eines Films ist, der bei der ersten Verwendung eines herkömmlichen Verdampfers vom Bogentyp hergestellt worden ist, wobei die Vergrößerung 400 beträgt;
Fig. 8 ein optisches mikroskopisches Bild der Oberfläche eines Films ist, der bei der zehnten Verwendung eines Verdampfers vom Bogentyp gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, wobei die Vergrößerung 400 beträgt;
Fig. 9 ein optisches mikroskopisches Bild der Oberfläche eines Films ist, der bei der zehnten Verwendung eines herkömmlichen Verdampfers vom Bogentyp hergestellt worden ist, wobei die Vergrößerung 400 beträgt;
Fig. 10 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines herkömmlichen Verdampfers vom Bogentyp ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme der begleitenden Zeichnungen wie folgt beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verdampfers vom Bogentyp gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 werden die gleichen oder äquivalente Teile wie im herkömmlichen Verdampfer vom Bogentyp, wie er in Fig. 10 gezeigt ist, mit den gleichen Bezeichnungen beschrieben und deshalb erfolgt die nachfolgende

Beschreibung hauptsächlich für Unterschiede zwischen dem vorliegenden Verdampfer vom Bogentyp und dem herkömmlichen Verdampfer vom Bogentyp.

Bei dem Verdampfer vom Bogentyp 40 gemäß der vorliegenden Erfindung dient im Gegensatz zum herkömmlichen Verdampfer vom Bogentyp 10, eine Triggerelektrode 46 nicht als Gasversorgungsrohr, sondern hat nur die Funktion einer Triggerelektrode, wohingegen ein Gasversorgungsrohr 54 angebracht ist, das das zuvor genannte reaktive Gas 36 zu der Kathode 12 bringt. Das Gasversorgungsrohr 54 schließt im Vorderendbereich eine Vielzahl von Gasauslassen 56 ein, die jeweils in der Umgebung des Seitenbereichs oder des rückwärtigen Seitenbereichs der Kathode 12 gelegen sind und zwar so, daß sie zu der Kathode 12 hingewandt sind. Das reaktive Gas 36 wird in einen Bereich geleitet, der die Vorderfläche 12a der Kathode 12 einschließt.
Die Kathode 12 ist aus einem beliebigen Metall geformt, wie etwa: Zr, Hf, Nb, Ta, V, W, Cr, Mo, Al, Cu, Si, und typischerweise Ti.
Das reaktive Gas 36 kann mit einer Substanz, die die Kathode 12 bildet, reagieren um eine chemische Verbindung zu bilden und insbesondere eine chemische Verbindung, die einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als der der Kathodensubstanz ist. Das reaktive Gas 36 kann z. B. ein Stickstoffgas, ein Kohlenwasserstoffgas, ein Sauerstoffgas oder Ähnliches sein. Bei einem typischen Beispiel ist die Kathode 12 aus Titan gebildet und das reaktive Gas 36 ist Stickstoff, wobei in diesem Fall Titan und Stickstoff miteinander reagieren, um Titannitrid (TiN) zu bilden.
Das reaktive Gas 36 wird zu dem Gasversorgungsrohr 54 durch einen MFC (Massendurchflußregier) 58 von einer Gasversorgungsquelle (nicht gezeigt) gefördert.
Die Kathode 12 ist auf einem Flansch 16 angebracht, der aus nichtmagnetischem Metall geformt ist, wobei der Flansch 16 wiederum durch ein Isolationsteil 20 auf einer Befestigungsplatte 42 befestigt ist. Die Befestigungsplatte R ist auch aus nichtmagnetischem Metall geformt.
Auf dem Rückseitenbereich des Flansches 16 ist ein Magnet (insbesondere ein Dauermagnet) 18 angeordnet, der ein magnetisches Feld herstellt um die Bedingung des Bogens in der Umgebung der Vorderfläche der Kathode 12 zu steuern.
Die Befestigungsplatte 42 ist durch ein Isolationsteil 44 an einem Vakuumbehälter 22 angebracht, der auch als Anode des Verdampfers 40 dient. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Vakuumbehälter 22 geerdet.
Mit dem Flansch 16, d. h., zwischen der Kathode 12 und dem Vakuumbehälter 22, ist eine DC Bogenstromquelle 24 mit der Kathodenseite 12 als negative Seite verbunden.
Die Triggerelektrode 46 ist am Vorderendbereich eines Schafts 48 befestigt, der sich durch die Befestigungsplatte 42 durch ein Felddurchführungsteil 50 erstreckt, wobei die Triggerelektrode 46 über eine Antriebseinrichtung 52 in einer Vor- und Zurückrichtung in Bezug zur Kathode 12, wie durch den Pfeil A dargestellt, angetrieben werden kann. Mit dem Schaft 48, d. h., zwischen der Triggerelektrode 46 und dem Vakuumbehälter 22 ist ein Widerstand 38 verbunden, der verwendet wird, um den Strom zu limitieren, während der Bogen gezündet wird.
Die Peripherie des Seitenbereichs der Kathode 12 ist mit einer ringförmigen Abschirmplatte 26 bedeckt, um den Bogen auszubreiten, d. h. um eine Bogenentladung zwischen der Kathode 12 und dem Vakuumbehälter 12 durchzuführen, der einen bestimmten Abstand von der Kathode 12 beabstandet ist. Die Abschirmplatte 26 ist mit dem Vakuumbehälter 22 durch ein Trägerteil 27 und einen Widerstand 28 verbunden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Abschirmplatte 26 auch aus einem nichtmagnetischen Metall gebildet.
Das Gasversorgungsrohr 54 ist mit der Befestigungsplatte 42 über einen Leiter 59 verbunden und ist so ausgelegt, daß es das gleiche Potential wie die Abschirmplatte 26 aufweist. Dies kann verhindern, daß eine abnormale Entladung zwischen der Kathode 12 und dem Gasversorgungsrohr 54 auftritt. Da insbesondere bei Verwendung dieser Anordnung der Widerstand 28 zwischen der positiven Seite (das ist die Seite des Vakuumbehälters 22, der auch als Anode des Verdampfers 40 dient) der Bogenstromquelle 24 und dem Gasversorgungsrohr 54 liegt, wird selbst wenn die Entladung von der Kathode 12 zu dem Gasversorgungsrohr 54 erfolgen sollte, solch eine Entladung durch den Widerstand 28 verhindert.
Nachdem bei dem vorliegenden Verdampfer vom Bogentyp 40 die Triggerelektrode 46 mit der Vorderfläche 12a der Kathode 12 kontaktiert wird, um zu bewirken, daß ein erster Funke entsteht, wird dann, wenn die Triggerelektrode 46 von der Kathode 12 getrennt wird, eine Bogenentladung zwischen der Frontfläche 12a der Kathode 12 und dem Vakuumbehälter 22, der auch als Anode des Verdampfers 40 dient, erzeugt, und die Bogenentladung dauert fort und schmilzt die Vorderfläche 12a der Kathode 12, so daß die Kathodensubstanz 14 aus dem geschmolzenen Bereich verdampft wird.
Wenn die Bogenentladung in der Kathode hergestellt wird, während das reaktive Gas 36 von den Gasauslassen 56 des Gasauslaßrohrs 54 in den Bereich, der die Vorderfläche 12 der Kathode 12 einschließt, gefördert wird, dann reagiert zur gleichen Zeit das reaktive Gas 36 mit der Substanz, die die Kathode 12 bildet, um eine chemische Verbindung auf der Vorderfläche 12a der Kathode 12 herzustellen, die einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Aus diesen Gründen, werden eine große Anzahl von Kathodenpunkten infolge der Bogenentladung auf der Vorderfläche 12a der Kathode 12 hergestellt, so daß der Bogenstrom auf die große Zahl der Kathodenpunkte verteilt wird. Als Folge davon bekommen die Kathodensubstanzen 14, die von den entsprechenden Kathodenpunkten verdampfen, eine feine Größe und verhindern so, daß große Klumpen an Kathodensubstanzen 14 hergestellt oder verdampft werden.
Wie zuvor beschrieben, ist es bei dem vorliegenden Verdampfer vom Bogentyp 40 im Gegensatz zum herkömmlichen Verdampfer vom Bogentyp 10 nicht notwendig, die Triggerelektrode 46 rohrförmig auszubilden und so das reaktive Gas von der rohrförmigen Triggerelektrode zu fördern, und deswegen, wird das Problem eliminiert, daß der Vorderendbereich der Triggerelektrode mit Kathodensubstanzen 14 verstopft werden kann.
Da der Gasauslaß 56 des Gasversorgungsrohrs 54 in der Umgebung des Seitenbereichs oder Rückseitenbereichs der Kathode 12 gelegen ist, wobei eine Position vor der Kathode 12 vermieden wird, besteht nur eine geringe Möglichkeit, daß die Kathodensubstanz 14, die von der Vorderfläche 12a der Kathode 12 verdampft wird, an dem Gasauslaß 56 anhaften kann, um ihn dadurch zu verstopfen.
Aus diesem Grund kann das reaktive Gas gleichmäßig gefördert werden, ohne daß es notwendig ist, die Triggerelektrode 46 und das Gasversorgungsrohr 54 auszutauschen, wobei es möglich ist, zu verhindern, daß große Klumpen der Kathodensubstanzen 14 verdampfen.
Da Operationen wie das Ersetzen von Teilen, das Reinigen des Gasauslasses 56 usw. ausgeräumt worden sind, kann auch die notwendige Zeit für die Wartung des Verdampfers vom Bogentyp reduziert werden, und auch die Anzahl von auswechselbaren Teilen kann reduziert werden.
Wenn der vorliegende Verdampfer vom Bogentyp 40 zur Herstellung eines Dünnfilms verwendet wird, kann weiter ein Dünnfilm mit einer Oberflächenrauhigkeit, die so gut wie in dem konventionellen Verdampfer vom Bogentyp 10 ist, in stabiler Weise gebildet werden, ohne daß es nötig ist, daß Teile wie etwa die Triggerelektrode 46, das Gasversorgungsrohr 54 usw., ersetzt werden müssen. Dies reduziert die Häufigkeit des Abschaltens des Verdampfers vom Bogentyp 40 bedingt durch Auswechseln von Teilen, wobei die Produktivität der Filmproduktion gesteigert wird.
Wenn hier der Durchmesser und die Länge der Kathode 12 jeweils durch D und L ausgedrückt werden, kann die Position des Gasauslasses 56 des Gasversorgungsrohrs 54 vorzugsweise in dem Bereich von 2D (ohne 0) lateral von der Vorderfläche 12a der Kathode 12 gesetzt werden und in einem Bereich von 2L (in diesem Fall einschließlich 0) rückwärts von der Vorderfläche 12a der Kathode 12. Durch diese Anordnung kann das reaktive Gas 36 effizient zu der Vorderfläche 12a der Kathode 12 von der Position, wobei die Position vor der Kathode 12 vermieden wird, gefördert werden, so daß das reaktive Gas 36 von dem Gasversorgungsrohr 54 effizient genutzt werden kann.
Weiter ist es noch bevorzugter, daß die Position des Gasauslasses 56 des Gasversorgungsrohrs 54 folgende Beziehung erfüllt: 0 < Y ≤ 2D und -L ≤ X ≤ L, wobei D der Durchmes ser der Kathode ist, L die Länge der Kathode, Y ein Abstand lateral von der Seitenfläche der Kathode und X ein Abstand nach hinten von der Vorderfläche der Kathode.
Die Anzahl der Gasauslasse 56, die in dem Gasversorgungsrohr 54 ausgebildet sind, können einer, zwei oder mehrere sein. Wenn zwei oder mehrere Gasauslasse 56 ausgebildet sind, dann kann das reaktive Gas 36 zu der Vorderfläche 12a der Kathode 12 gleichmäßiger gefördert werden, was wiederum eine große Anzahl von Kathodenpunkten auf der Oberfläche der Kathode gleichmäßiger verteilen kann, um so das Verdampfen von großen Klumpen von Kathodensubstanzen 14 noch besser zu verhindern.
Wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist in dem vorderen Endbereich des Gasversorgungsrohrs 54 ein ringförmiger Bereich 60 vorgesehen, der die Peripherie des Seitenbereichs der Kathode 12 umrundet, wobei in dem ringförmigen Bereich 60 eine Vielzahl von Gasauslassen 56 dispers angeordnet sind, und vorzugsweise fast gleichmäßig dispers angeordnet sein können, was es möglich macht, das reaktive Gas 36 auf die Vorderfläche 12a der Kathode 12 gleichmäßiger zu fördern. Folglich können eine große Anzahl von Kathodenpunkten gleichmäßiger auf der Oberfläche der Kathode verteilt werden um somit noch besser verhindern zu können, daß große Klumpen der Kathodensubstanzen 14 verdampft werden.
Alternativ dazu, wie in Fig. 3 gezeigt, kann der ringförmige Bereich 60 auch auf der inneren Peripherie der zuvor genannten Abschirmplatte durch Schweißen oder Hartlöten oder Ähnlichem befestigt werden. Dies kann die Anzahl der Teile reduzieren, um so die Struktur des Verdampfers des Bogentyps zu vereinfachen und auch das Zusammenbauen des Verdampfers vom Bogentyp zu vereinfachen, im Vergleich zu dem Fall, wenn der ringförmige Bereich 60 von der Halteplatte 42 allein gehalten wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist vorzugsweise ein Masseflußregler 58 in der Mitte des Gasversorgungsrohrs 54 angeordnet, um so die totale Flußmenge des reaktiven Gases 36, das aus dem Gasauslassen 56 des Gasversorgungsrohrs 54 in einem Bereich von 0,01 l/min bis 1 l/min geblasen werden soll, zu steuern. Das bedeutet, daß wenn die totale Flußmenge des reaktiven Gases 36 weniger als 0,01 l/min ist, dann das reaktive Gas 36 nicht ausreichend auf die Vorderfläche 12a der Kathode 12 gefördert werden kann, und so das Auftreten von großen Klumpen der Kathodensubstanzen 14 nicht effektiv verhindert werden kann. Wenn andererseits die totale Flußmenge des reaktiven Gases 36 mehr als 1 l/min beträgt, dann wird das reaktive Gas 36 exzessiv gefördert, wodurch das Vakuum in der Umgebung verschlechtert wird, was andere schwere Probleme mit sich bringt.
Wenn das Gasversorgungsrohr 54 aus einem Leiter geformt wird, wie einem Metall oder Ähnlichem, ist es wünschenswert, daß, wie in Fig. 1 gezeigt ist, das Gasversorgungsrohr elektrisch mit dem Vakuumbehälter 22, der auch als Anode des Verdampfers 40 vom Bogentyp dient durch den Widerstand 28 verbunden wird. Diese Verbindung kann nicht nur verhindern, daß das Gasversorgungsrohr 54 elektrisch floatet, sondern kann auch aus den zuvor genannten Gründen verhindern, daß eine abnormale Entladung zwischen der Kathode 12 und dem Gasversorgungsrohr 54 entsteht. In diesem Fall kann der Leiter 59 selbst auch so gewählt werden, daß er einen hohen Widerstand hat. Das bedeutet, daß es wichtig ist, daß der Vakuumbehälter 22, der auch als Anode des Verdampfers dient und das Gasversorgungsrohr 54 miteinander über einen Widerstand verbunden sind.
Alternativ dazu, kann das Gasversorgungsrohr 54 auch aus einem isolierenden Material anstatt eines Leiters wie etwa einem Metall oder Ähnlichem gebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel muß man nicht befürchten, daß eine abnormale Entladung zwischen dem Gasversorgungsrohr 54 und der Kathode 12 auftritt, und deshalb, ist es nicht nötig das Gasversorgungsrohr 54 elektrisch mit anderen Elemente durch Verwendung eines Leiters 59 oder Ähnlichem zu verdrahten, um das Auftreten einer abnormalen Entladung zu verhindern.
Wenn der Magnet 18 in der Nachbarschaft der Rückfläche der Kathode 12 angeordnet ist, kann das Gasversorgungsrohr 54 vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material gebildet werden. So muß man nicht befürchten, daß das magnetische Feld des Magneten 18 von dem Gasversorgungsrohr 54 gestört wird, selbst wenn das Gasversorgungsrohr 54 in der Nachbarschaft der Kathode 12 ist, so daß der Bogen leicht und besser über das magnetische Feld des Magneten 18 gesteuert werden kann.
Der Magnet 18 kann aus einer Vielzahl von N Polen und S Polen einer Vielzahl von Permanentmagneten gebildet sein, einem Magnet bei dem ein N Pol und S Pol konzentrisch angeordnet sind, und drei Elektromagneten mit dreiphasigen Wechselstrom (AC).
Alternativ dazu kann, wie in Fig. 4 gezeigt ist, in Kombination mit der Bereitstellung des zuvor genannten Gasversorgungsrohrs 54, der Seitenflächenbereich der Kathode 12 mit einem Isolierteil 62 bedeckt sein. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Isolierteil 62 in einer zylindrischen Form gebildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, das Auftreten von der abnormalen Entladung in dem Seitenflächenbereich der Kathode 12 noch besser zu verhindern. Das Isolierteil 62 kann sich auch vorwärts von der Vorderfläche 12a der Kathode 12 aus erstrecken.
In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Geräts zur Herstellung eines Dünnfilms gezeigt das einen Verdampfer des Bogentyps 40, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, einschließt. Beim vorliegenden Gerät zur Filmherstellung ist ein Halter 66, zum Halten eines Substrats 68 darauf, in einem Vakuumbehälter 22 angeordnet, der mit Hilfe einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) über einen Vakuumauslaß 64 evakuiert werden kann, wobei der zuvor genannte Verdampfer 40 vom Bogentyp auf dem Seitenflächenbereich des Vakuumbehälters 22 in solcher Weise befestigt ist, daß er zu dem Substrat 68, das auf dem Halter 66 gehalten wird, zugewandt ist. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dient in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Vakuumbehälter 22 auch als Anode des Verdampfers vom Bogentyp.
Die negative Seite der Biasspannungsquelle 72 ist mit dem Halter 66 verbunden, was es möglich macht, eine negative Biasspannung von z. B. annähernd einigen hundert Volt an das Substrat 68, das von dem Halter 66 gehalten wird, anzulegen. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 70 ein Isolierteil.
Der Vakuumbehälter 22 ist derart aufgebaut, daß ein reaktives Gas 76 von einer Gasversorgungsquelle (nicht gezeigt) durch eine Gaszuleitung 74, die in der Wandfläche des Vakuumbehälters 22 ausgebildet ist, zugeführt werden kann. Das reaktive Gas 76 ist von der gleichen Art wie das reaktive Gas 36, das in den Verdampfer vom Bogentyp 40 gefördert werden soll.
Nachdem das Innere des Vakuumbehälters 22 ausreichend evakuiert worden ist (z. B. im Bereich von 133,3 · 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup5; Torr), wird das reaktive Gas 76 in den Vakuumbehälter 22 über die Gaszuleitung 74 und gleichzeitig das reaktive Gas 36 zu dem Verdampfer 40 vom Bogentyp gefördert, wobei das Innere des Vakuumbehälters 22 auf einen bestimmten Druck gehalten wird (z. B. im Bereich von 133,3 · 10&supmin;² - 10&supmin;¹ Pa (10&supmin;² - 10&supmin;¹ Torr)). Unter solch einer Bedingung wird, während solch eine negative Biasspannung wie zuvor genannt an das Substrat 68 von der Biasspannungsquelle angelegt wird, der Verdampfer vom Bogentyp 40 so betrieben, daß die Kathodensubstanz 14 verdampft.
Ein Teil der Kathodensubstanz 14, der durch die Bogenentladung verdampft wird, wird ionisiert. Die ionisierte Kathodensubstanz 14 wird von dem Substrat 68 mit der daran angelegten negativen Biasspannung angezogen und wird dadurch dazu gebracht gegen das Substrat 68 zu stoßen und gleichzeitig verbindet sich die Kathodensubstanz 14 mit dem reaktiven Umgebungsgas, mit der Folge, daß ein Dünnfilm einer chemischen Verbindung auf der Oberfläche des Substrats 68 gebildet wird. Wenn z. B. die Kathode 12 aus Titan gebildet ist und das reaktive Gas 36 und 76 jeweils aus Stickstoff bestehen, dann wird ein Dünnfilm von Titannitrid gebildet.
Das Verfahren zur Filmherstellung, das das zuvor beschriebene Gerät verwendet, wird wie zuvor beschrieben, als Ionenimplantierverfahren vom Bogentyp bezeichnet. Gemäß diesem Verfahren kann ein hochdichter kontaktierbarer Dünnfilm mit hoher Filmherstellungsgeschwindigkeit erzeugt werden (d. h., mit einer hohen Produktivität), da die ionisierte Kathodensubstanz 14 zu dem Substrat 68 über die Biasspannung beschleunigt werden kann.
Als nächstes wird nachfolgend ein konkreteres Ausführungsbeispiel beschrieben, in dem ein Dünnfilm hergestellt worden ist, wobei das zuvor beschriebene Gerät zur Filmherstellung verwendet worden ist.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel war die Kathode 12 aus Titan (Ti) mit einer Reinheit von 3N, die reaktiven Gases 36 und 76 waren jeweils Stickstoff (N&sub2;) Gas, und eine flache Edelstahlplatte wurde auf den Halter 66 als Substrat 68 befestigt. Nachdem das Innere des Vakuumbehälters 22 ausreichend tief oder noch tiefer als 1 · 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert worden ist, wurde die Flußmenge des Stickstoffgases, das in den Vakuumbehälter 22 durch die Gaszuführung 74 eingeführt werden sollte und die Flußmenge des Stickstoffgases, das in die Nachbarschaft der Kathode 12 von der Gaszuführung 54 zugeführt werden sollte, jeweils auf 250cc und 20cc geregelt und ein variables Ventil (nicht gezeigt), das in dem Vorderendbereich des Vakuumauslasses 64 vorgesehen wurde, wurde so gesteuert, daß der Druck im Inneren des Vakuumbehälters in einem Bereich von 30 m Torr lag. In diesem Fall, waren die Gasauslasse 56 des Gasversorgungsrohrs 54, 1 cm von der Seitenfläche der Kathode 12 angeordnet, während die Flußmenge des Stickstoffes, der aus den Gasauslassen 56 geblasen werden sollte, über den Massenflußregler 58 gesteuert wurde.
Während ein Bogenstrom (das bedeutet ein Strom, der in der Bogenenergiequelle 24 während der Bogenentladung fließt) in dem Verdampfer 40 vom Bogentyp auf 70A gesetzt wurde, und eine Biasspannung, die an das Substrat 68 angelegt werden sollte, auf -200 V gesetzt wurde, wurde eine Entladung für eine Stunde ausgeübt, um einen Dünnfilm von Titannitrid (TiN) auf der Oberfläche der flachen Edelstahlplatte herzustellen.
Eine derartige Filmproduktion wurde 10 mal durchgeführt, wobei der Verdampfer 40 vom Bogentyp, wie er in den obigen Ausführungsbeispielen gezeigt wurde, verwendet wurde. Zum Zwecke des Vergleichs wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Verdampfers vom Bogentyp 10, wie in Fig. 10 gezeigt, anstelle des Verdampfers vom Bogentyp 40 eine Filmabscheidung 10 mal unter den gleichen Bedingungen wie bei dem obigen Experiment unter der Verwendung des Verdampfers des Bogentyps 40 durchgeführt.
In Fig. 6 bis 9, sind die optischen mikroskopischen Bilder der Oberflächen der Filme gezeigt, die auf diese Weise erhalten wurden. Die Vergrößerung der Bilder beträgt jeweils 400.
Fig. 6 zeigt die Beschaffenheit der Oberfläche des Films, der bei der ersten Verwendung des Verdampfers vom Bogentyp 40 gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel hergestellt worden ist, und Fig. 7 zeigt die Beschaffenheit der Oberfläche des Films, der beim erstenmal hergestellt wurde, und zwar unter der Verwendung des herkömmlichen Verdampfers vom Bogentyps 10. In beiden Bildern, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, sind granulare Substanzen gezeigt, die als Tröpfchen bezeichnet werden, d. h., es gibt Klumpen von Kathodensubstanzen. In beiden Fällen weisen die Tröpfchen eine kleine Größe auf, was zeigt, daß selbst wenn der Verdampfer vom Bogentyp 40 gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel verwendet wird, die gleiche Oberflächenrauhigkeit wie mit dem herkömmlichen Verdampfer vom Bogentyp 10 erhalten werden kann.
Nun zeigt Fig. 8 die Beschaffenheit der Oberfläche des Films, der bei zehnter Verwendung des Verdampfers vom Bogentyp 40 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, während Fig. 9 die Oberflächenbedingung des Films, der bei zehnter Verwendung des herkömmlichen Verdampfers vom Bogentyp 10 hergestellt wurde. In dem Fall bei dem der Verdampfer vom Bogentyp 40 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, unterscheidet sich die Größe der Tropfen von denen, die beim erstenmal erhalten wurden, nicht großartig (Fig. 8). Wenn der herkömmliche Verdampfer 10 dagegen verwendet wird, weisen die erhaltenen Tröpfchen eine viel größer Größe als die beim erstenmal auf (Fig. 9). Das bedeutet, daß, wenn der Verdampfer vom Bogentyp 40 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Film ohne Verschlechterung der Oberflächenrauhigkeit hergestellt werden kann, selbst wenn der Verdampfer vom Bogentyp 40 über eine lange Zeit verwendet wird. Das bedeutet, daß ein Dünnfilm mit einer guten Oberflächenrauhigkeit stabil und ohne der Notwendigkeit Teile wie etwa die Triggerelektrode, das Gaszuführungsrohr oder Ähnliches auszutauschen, hergestellt werden kann.

Claims

1. Verdampfer vom Bogentyp umfassend:

eine Anode (22) und eine Kathode (12) zum Erzeugen einer Bogenentladung;

eine Triggerelektrode (46), die mit der Kathode (12) kontaktiert wird, um einen ersten Funken zu erzeugen, und dann von der Kathode (12) getrennt wird, damit die Bogenentladung zwischen der Anode (22) und der Kathode (12) erfolgt; und

eine Gasversorgungseinrichtung (56, 54), die unabhängig von der Triggerelektrode (46) vorgesehen ist, zum Zuführen des kathodenreaktiven Gases, das mit einer Substanz reagiert, die die Kathode bildet, um eine chemische Verbindung herzustellen, wobei die Gasversorgungseinrichtung (56, 54) einen Gasauslaß (56) einschließt, der in der Umgebung des Seitenbereichs oder Rückseitenbereichs der Kathode (12) gebildet ist, so daß er der Kathode zugewandt ist;

wobei das reaktive Gas von dem Gasauslaß (56) in einen Bereich gefördert wird, der die Vorderfläche der Kathode einschließt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Gasversorgungseinrichtung (54, 56) einen ringförmigen Bereich (60) einschließt, der die Peripherie des Seitenbereichs der Kathode (12) umrundet, und daß der ringförmige Bereich eine Vielzahl von Gasauslassen (56) einschließt, die dispers in dem ringförmigen Bereich angeordnet sind.

2. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, wobei die Position des Gasauslasses (56) der Gasversorgungseinrichtung (56, 54) die Bedingung erfüllt: 0 < Y ≤ 2D und 0 ≤ X ≤ 2L, wobei D der Durchmesser der Kathode ist, L die Länge der Kathode ist, Y der laterale Abstand von der Seitenfläche der Kathode ist, und X ein Abstand rückliegend von der Vorderfläche der Kathode ist.

3. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, der weiter eine Abschirmplatte (26) umfaßt, die die Peripherie des Seitenbereichs der Kathode (12) bedeckt, wobei der ringförmige Bereich der Gasversorgungseinrichtung (60) auf dem inneren Umfangsbereich der Abschirmplatte 26 befestigt ist.

4. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, der weiter eine Massenflußreglereinrichtung (58) umfaßt, zur Steuerung der totalen Flußmenge des reaktiven Gases, das von den Gasauslassen des Gasversorgungsrohrs geblasen werden soll, in einem Bereich von 0,01 l/min bis 1 l/min.

5. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, wobei die Gasversorgungseinrichtung (54, 56) aus einem Leiter gebildet ist und die Gasversorgungseinrichtung (54, 56) elektrisch über einen Widerstand mit der Anode (22) verbunden ist.

6. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, wobei die Gasversorgungseinrichtung (54, 56) aus einem isolierenden Material gebildet ist.

7. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, der weiter einen Magneten (18) umfaßt, der in der Umgebung der Rückfläche der Kathode angeordnet ist, wobei die Gasversorgungseinrichtung aus einem nichtmagnetischen Material gebildet ist.

8. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, der weiter ein Isolierteil umfaßt, das den Seitenoberflächenbereich der Kathode bedeckt.

9. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 1, wobei die Position des Gasauslasses der Gasversorgungseinrichtung die Bedingung erfüllt: 0 < Y ≤ 2D und -L ≤ X ≤ L, wobei D der Durchmesser der Kathode ist, L die Länge der Kathode ist, X ein Abstand lateral von der Seitenfläche der Kathode ist und X ein Abstand rückliegend von der Vorderfläche der Kathode ist.

10. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 7, wobei der Magnet aus einer Vielzahl von N Polen und S Polen einer Vielzahl von Parmanentmagneten gebildet ist.

11. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 7, wobei der Magnet ein Magnet ist, bei dem ein N Pol und S Pol konzentrisch angeordnet sind.

12. Verdampfer vom Bogentyp nach Anspruch 7, wobei der Magnet aus drei Elektromagneten für einen dreiphasigen Wechselstrom gebildet ist.