JP2001011606A - 同軸型真空アーク蒸着源を有する蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高品質の薄膜を形成できる同軸型真空アーク蒸
着源を提供する。 【解決手段】同軸型真空アーク蒸着源５のアノード電極
３０の外周に筒状の磁石３１を配置する。磁石３１が形
成する磁力線に、アノード電極３０の開放口から漏れ出
た電子が巻き付き、電子雲が形成される。蒸着材料の微
小粒子は正電荷を有しているため、その電子雲に引きつ
けられ、磁力線で捕集された状態で基板２２表面に到達
し、薄膜を成長させる。巨大粒子は電荷に比して質量が
大きいため、捕集されず、薄膜中に混入しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蒸着装置に関し、特
に、同軸型真空アーク蒸着源を有する蒸着装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】金属薄膜や誘電体材料の薄膜等は、半導
体装置や液晶表示装置に用いられており、スパッタリン
グ法、蒸着法、ＣＶＤ法等の薄膜形成方法によって成膜
されている。

【０００３】それらの薄膜形成方法のうち、膜厚制御性
に優れ、高品質の薄膜を形成できることから、近年では
同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置が注目されて
いる。

【０００４】図４の符号１１０は蒸着装置であり、真空
槽１０１を有しており、その底壁側に、従来技術の同軸
型真空アーク蒸着源１０３が配置され、天井側には、基
板ホルダ１０５が配置されている。

【０００５】同軸型真空アーク蒸着源１０３の模式的な
断面図を図３(ａ)に示す。この同軸型真空アーク蒸着源
１０３は、円筒形形状のアノード電極１３０を有してい
る。

【０００６】アノード電極１３０内には、絶縁管１４１
と、トリガ電極１４２と、蒸着材料１４３と、取付台１
４５とが配置されている。

【０００７】絶縁管１４１は、円筒形形状の絶縁性材料
で構成されており、また、取付台１４５は円柱状の金属
で構成されている。取付台１４５は絶縁管１４１内に挿
入されている。

【０００８】蒸着材料１４３は、円柱形形状の薄膜材料
から成り、絶縁管１４１内の先端部分に、突出する状態
で挿入されている。この蒸着材料１４３の底面は取付台
１４５の先端部分と接触している。

【０００９】他方、トリガ電極１４２はリング形状にな
っており、絶縁管１４１の先端部分の外周に装着されて
いる。従って、トリガ電極１４２は蒸着材料１４３の近
傍に、非接触の状態で配置されている。

【００１０】真空槽１０１の外部には、トリガ電源１４
６とアーク電源１４７とが配置されている。各電源１４
６、１４７の負電位側の端子は、それぞれ取付台１４５
に共通に接続されている。他方、トリガ電源１４６の正
電位側の端子とアーク電源１４７の正電位側の端子はト
リガ電極１４２とアノード電極１３０にそれぞれ接続さ
れている。

【００１１】この蒸着装置１１０を用いて薄膜を形成す
る場合には、基板１０８を基板ホルダ１０５に保持さ
せ、真空槽１０１内部を真空排気する。

【００１２】また、基板１０８を加熱し、所定温度まで
昇温した後、先ず、アーク電源１４７により、蒸着材料
１４３に負電圧を印加しておく(１００Ｖ程度)。

【００１３】その状態でトリガ電源１４６を起動し、ト
リガ電極１４２に正のパルス電圧を印加すると、図３
(ｂ)に示すように、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３
の間の絶縁管１４１の先端部分の表面でトリガ放電(沿
面放電)が発生し、トリガ電極１４２から蒸着材料１４
３に向けてトリガ電流ｉ₁が流れる。

【００１４】トリガ電流ｉ₁が流れ、蒸着材料１４３表
面が部分的に蒸発すると蒸着材料１４３の蒸気が放出さ
れ、アノード電極１３０内の圧力が上昇する。その結
果、アノード電極１３０と蒸着材料１４３との間の絶縁
耐圧が低下し、蒸着材料１４３の側面部分と、アノード
電極１３０の内周部分の間でアーク放電が発生する。

【００１５】アーク放電によって、アノード電極１３０
内周面から蒸着材料１４３側面に向けてアーク電流が流
れると、アーク電流は大電流であるため、蒸着材料１４
３側面が溶融し、トリガ放電のときよりも大量の蒸気が
放出される。

【００１６】蒸着材料１４３と取付台１４５とは円柱形
形状に成形されているため、アーク電流は、符号ｉ₂で
示すように、蒸着材料１４３及び取付台１４５内を直線
的に流れる。直線的なアーク電流ｉ₂が流れると、正電
荷に対してアーク電流ｉ₂の向きとは反対方向、即ち、
正電荷に対し、蒸着材料１４３から遠ざける方向の力Ｆ
を及ぼすような磁界が発生する。

【００１７】蒸着材料１４３から成る蒸気中には、正に
帯電した微小粒子１５１が含まれているため、蒸着材料
１４３側面から様々な方向に飛び出した微小粒子１５１
は力Ｆの影響を受け、アノード電極１３０の開口部１４
９から真空槽１０１内に向けて放出される。

【００１８】蒸着材料１４３の延長線上には基板１０８
が位置しており、真空槽１０１内に放出された微小粒子
１５１は基板１０８方向に飛行し、その表面に到達する
と、基板１０８表面に薄膜が成長する。

【００１９】ところで、アーク放電が発生すると、蒸着
材料１４３からは微小粒子１５１の他に巨大粒子(ドロ
プレット)１５２も同時に放出される。その巨大粒子１
５２は、無電荷であるか、電荷を有していても、電荷量
に比べて質量が大きいので、力Ｆによって曲げられずら
く、その結果、巨大粒子１５２はアノード電極１３０の
内周面に衝突し、そこに付着してしまうので、真空槽１
０１内には放出されない。

【００２０】アーク電流は大電流であり(９０Ｖ、１０
００Ａ)、アーク電源１４７の消耗が大きいため、アー
ク電源１４７の出力電圧がアーク放電を維持できなくな
る程度まで低下すると、自動的にアーク放電は停止す
る。

【００２１】従って、１回のトリガ放電によって放出さ
れる微小粒子１５１の量は、アーク電源１４７の電源能
力によって決まる。１回のアーク放電によって得られる
膜厚を求めておき、繰り返しアーク放電を発生させるこ
とで、所望膜厚の薄膜を形成することができる。

【００２２】上記のような蒸着装置１１０は、アーク放
電の回数、即ち、トリガ放電の回数によって膜厚を精密
に制御することができる。また、巨大粒子１５２が基板
１０８に到達せず、良質の薄膜を形成できることから、
Ｔａ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅＭｎ等の、高性能磁
気薄膜を製造する分野で盛んに用いられている。

【００２３】ところが、巨大粒子１５２がアノード電極
１３０の内周面に衝突する場合、一部分は付着せずに反
跳し、真空槽１０１内に放出されてしまう。その巨大粒
子１５２は、基板１０８方向に向かって飛行するため、
基板１０８表面に到達すると薄膜内に取り込まれてしま
い、膜質を悪化させるという問題がある。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたものであり、その
目的は、高品質の薄膜を形成できる同軸型真空アーク蒸
着源を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、前記真空槽内に配置された
筒状のアノード電極と、中心軸線を前記アノード電極の
中心軸線と略一致させ、該アノード電極内部に配置され
た柱状の蒸着材料と、前記蒸着材料の側面近傍に非接触
の状態で配置されたトリガ電極とを有し、前記トリガ電
極と前記蒸着材料の間で発生したトリガ放電によって、
前記アノード電極内壁面と前記蒸着材料側面との間にア
ーク放電を誘起させ、前記蒸着材料側面から放出された
微小粒子を前記アノード電極の開放口から放出させる同
軸型真空アーク蒸着源であって、前記アノード電極の外
側には磁石が配置されたことを特徴とする。

【００２６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の同
軸型真空アーク蒸着源であって、前記磁石の磁極は、該
磁石が形成する磁力線が、前記アノード電極の中心軸線
方向に伸びるように配置されたことを特徴とする。

【００２７】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源であ
って、前記磁石は筒状に形成され、前記アノード電極の
外周部分に配置されたことを特徴とする。

【００２８】請求項４記載の発明は、請求項３記載の同
軸型真空アーク蒸着源であって、前記磁石の磁極は、筒
の両端部に配置されたことを特徴とする。

【００２９】請求項５記載の発明は、蒸着装置であっ
て、真空槽内に請求項１乃至請求項４のいずれか１項記
載の同軸型真空アーク蒸着源が配置されたことを特徴と
する。

【００３０】本発明の蒸着装置は上記のように構成され
ており、アノード電極の中心軸線の延長上に基板を配置
した場合、アノード電極の開放口から真空槽内に放出さ
れた蒸着材料の微小粒子が基板表面に付着し、薄膜を成
長させるようになっている。

【００３１】本発明の蒸着装置はアノード電極の外側に
配置された磁石を有しており、その磁石により、アノー
ド電極開放口と基板表面とを結ぶ磁力線が形成されるよ
うになっている。

【００３２】従って、アノード電極の開放口から放出さ
れた電子は磁力線に巻き付き、電子雲を形成する。正電
荷を有する微小粒子は、その電子雲に引きつけられ、磁
力線によって捕集された状態で基板表面に向けて飛行す
るが、巨大粒子は電荷に比して質量が大きいため、電子
雲に引き寄せられる力は小さく、様々な方向に向けて飛
行するため、基板表面には到達できないようになってい
る。従って、薄膜中には巨大粒子が含まれず、形成され
る膜質が向上する。

【００３３】

【発明の実施の形態】図１を参照し、符号１０は本発明
の蒸着装置であり、真空槽１１を有している。真空槽１
１の底壁には、同軸型真空アーク蒸着源５が配置されて
おり、天井側には、基板ホルダ２１が配置されている。

【００３４】この同軸型真空アーク蒸着源５は、円筒形
形状のアノード電極３０を有している。アノード電極３
０の内部には、絶縁管４１と、トリガ電極４２と、蒸着
材料４３と、取付台４５とが配置されている。

【００３５】絶縁管４１は、円筒形形状の絶縁性材料で
構成されており、また、取付台４５は円柱状の金属で構
成されている。取付台４５は絶縁管４１内に挿入されて
いる。

【００３６】蒸着材料４３は、金属やカーボン等の薄膜
材料が円柱形状に成形されて構成されている。蒸着材料
４３の中心軸線とアノード電極３０の中心軸線と一致す
るように配置されている。符号３２は、蒸着材料４３及
びアノード電極３０の中心軸線である。

【００３７】この蒸着材料４３は、絶縁管４１内の先端
部分に、突出する状態で挿入されている。従って、蒸着
材料４３の絶縁管４１先端から突出する部分の外周面
は、アノード電極３０の内周面と向き合っている。

【００３８】取付台４５は、絶縁管４１の奥まで挿入さ
れており、蒸着材料４３の底面が取付台４５の先端部分
と接触している。

【００３９】他方、トリガ電極４２はリング形状になっ
ており、絶縁管４１の先端部分の外周に装着されてい
る。従って、トリガ電極４２は蒸着材料４３の近傍に、
非接触の状態で配置されている。

【００４０】アノード電極３０の外周部分には、磁石３
１が配置されている。この磁石３１は円筒形形状であ
り、ヨーク３９に取り付けられた状態で、アノード電極
３０周囲に装着されている。従って、磁石３１の中心軸
線はアノード電極３０の中心軸線と一致している。この
磁石３１の場合、中心軸線位置の磁力強度は０．００８
Ｔ〜０．０１５Ｔである。

【００４１】アノード電極３０の開放口側は、基板ホル
ダ２１に向けられており、アノード電極３０及び磁石３
１の中心軸線は、基板ホルダ２１の中心を垂直に通るよ
うに構成されている。

【００４２】この磁石３１は永久磁石であり、基板ホル
ダ２１側の先端部分と、真空槽１１の底壁側の先端部分
に磁極が位置している。ここでは、基板ホルダ側がＮ
極、底壁側がＳ極になっている。

【００４３】図２(ａ)の符号３５は、磁石３１によって
形成された磁力線を模式的に示したものであり、ヨーク
３９や他の金属の影響は無視してある。アノード電極３
０と基板ホルダ２１の間には金属は配置されていないの
で、アノード電極３０の開放口と基板ホルダ２１との間
は、この磁力線３５によって結ばれている。

【００４４】真空槽１１の外部には、トリガ電源４６と
アーク電源４７とが配置されている。各電源４６、４７
の負電位側の端子は、それぞれ取付台４５に共通に接続
されている。他方、トリガ電源４６の正電位側の端子と
アーク電源４７の正電位側の端子はトリガ電極４２とア
ノード電極３０にそれぞれ接続されている。

【００４５】この蒸着装置１０を使用する場合、真空槽
１１内を真空排気し、基板ホルダ２１上に基板２２を保
持させる。そして、アーク電源４７を起動し、取付台４
５を介して蒸着材料４３に負電圧を印加する。

【００４６】その状態でトリガ電源４６を起動し、トリ
ガ電極４２に正のパルス電圧を印加し、トリガ放電を発
生させると、蒸着材料４３をカソード電極になり、アー
ク電極３０と蒸着材料４３の間にアーク放電が誘起さ
れ、蒸着材料４３を構成する物質が放出される。

【００４７】この同軸型真空アーク蒸着源５では、蒸着
材料４３と取付台４５とアノード電極３０の中心軸線は
一致しており、従って、蒸着材料４３と取付台４５内を
流れるアーク電流は、正電荷を帯びた微小粒子に対し
て、電流の向きとは逆向きの力を及ぼす磁界を形成し、
その微小粒子をアノード電極３０の開放口から放出させ
る。

【００４８】真空槽１１内部には、上述したように、基
板ホルダ２１とアノード電極３０の開口部分との間は、
磁力線３５によって結ばれており、アノード電極３０の
開放口から基板方向に発生する力Ｆによってベクトルを
与えられた電子は質量が非常に小さいため、その磁力線
に巻き付き、螺旋状に運動する。

【００４９】図２(ｂ)の符号３７は、磁力線３５に巻き
付いた電子を示しており、多量の電子が巻き付く結果、
その部分に電子雲が形成される。

【００５０】正電荷を帯びた微小粒子は電子雲に引きつ
けられ、磁力線３５によって捕集された状態で基板２２
に到達し、その表面に薄膜を成長させる。

【００５１】他方、蒸着材料４３から放出された巨大粒
子はアノード電極３０内壁に衝突し、大部分はそこに付
着するが、一部は反跳し、アノード電極３０の開放口か
ら真空槽１１内に放出される。巨大粒子は電荷を持たな
いため、電子雲に引きつけられず、アノード電極３０の
開放口から様々な方向に飛び出す結果、真空槽１１の内
壁に衝突し、基板２２表面にはごく僅かしか到達できな
い。

【００５２】このように、本発明の蒸着装置１０によれ
ば、正電荷を有する微小粒子だけを基板２２表面に到達
させられるので、膜質のよい薄膜を形成できるようにな
っている。

【００５３】そして、必要な回数だけトリガ放電を繰り
返し、所望膜厚の薄膜を形成した後、基板２２を真空槽
１１外に搬出し、未処理の基板を搬入すると、多数の基
板に連続して薄膜を形成することができる。

【００５４】なお、上記実施例の磁石３５は永久磁石で
あったが、電磁石を用いてもよい。また、複数個の磁石
を用いてもよい。要するに、アノード電極開口部と基板
とを結ぶ磁力線を形成できればよい。

【００５５】また、今回はヨーク３９を用いたが、蒸着
材料によってはヨークを用いなくてもよい。

【００５６】

【発明の効果】正電荷を有する微小粒子を捕集して基板
表面に薄膜を形成できるので、膜質が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例の蒸着装置を示す図

【図２】(ａ)：本発明の蒸着装置の磁力線を説明するた
めの図 (ｂ)：本発明の蒸着装置の磁力線と電子の運動の関係を
説明するための図

【図３】(ａ)、(ｂ)：同軸型真空アーク蒸着源の動作原
理を説明するための図

【図４】従来技術の蒸着装置を示す図

【符号の説明】

１０……蒸着装置 １１……真空槽 ５……同軸型
真空アーク蒸着源 ３０……アノード電極 ３１……磁石 ４２……ト
リガ電極 ４３……蒸着材料

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】前記真空槽内に配置された筒状のアノード
   電極と、 中心軸線を前記アノード電極の中心軸線と略一致させ、
   該アノード電極内部に配置された柱状の蒸着材料と、 前記蒸着材料の側面近傍に非接触の状態で配置されたト
   リガ電極とを有し、 前記トリガ電極と前記蒸着材料の間で発生したトリガ放
   電によって、前記アノード電極内壁面と前記蒸着材料側
   面との間にアーク放電を誘起させ、 前記蒸着材料側面から放出された微小粒子を前記アノー
   ド電極の開放口から放出させる同軸型真空アーク蒸着源
   であって、 前記アノード電極の外側には磁石が配置されたことを特
   徴とする同軸型真空アーク蒸着源。
2. 【請求項２】前記磁石の磁極は、該磁石が形成する磁力
   線が、前記アノード電極の中心軸線方向に伸びるように
   配置されたことを特徴とする請求項１記載の同軸型真空
   アーク蒸着源。
3. 【請求項３】前記磁石は筒状に形成され、前記アノード
   電極の外周部分に配置されたことを特徴とする請求項１
   又は請求項２のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸
   着源。
4. 【請求項４】前記磁石の磁極は、筒の両端部に配置され
   たことを特徴とする請求項３記載の同軸型真空アーク蒸
   着源。
5. 【請求項５】真空槽内に請求項１乃至請求項４のいずれ
   か１項記載の同軸型真空アーク蒸着源が配置されたこと
   を特徴とする蒸着装置。