JP2008101236A - 蒸着源、蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード電極の使用効率の高い蒸着源を提供する。
【解決手段】本発明の蒸着源３は保持装置４０を有しており、カソード電極３５は保持装置４０に着脱可能にされている。所定回数のアーク放電を発生させ、カソード電極３５の先端が後退したら、一旦保持装置４０と共にカソード電極３５を台座３２から取り外し、保持装置４０を緩め、蒸発によって減少した分だけカソード電極３５を保持装置４０から繰り出し、その状態でカソード電極３５を保持装置４０に固定し、再び台座３２に取り付けると、再度アーク放電によって、所定量の蒸着材料の蒸気を放出できる状態になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸着源と、その蒸着源を使用した蒸着装置に係り、特に、蒸着材料を効率的に使用できる蒸着源と蒸着装置に関する。

同軸型真空アーク蒸着源は、成膜対象物を加熱せずに、金属間化合物薄膜や炭素薄膜が容易に得られることから、注目されている技術である。

図５の符号１０３は、従来技術の同軸型真空アーク蒸着源を示している。
この蒸着源１０３は、成膜装置の真空槽内に配置されており、円筒形のアノード電極１３１を有している。
アノード電極１３１の内部底面には導電性の台座１３２が配置されており、台座１３２の上部には凹部１３３が形成され、該凹部１３３内には、蒸着材料が柱状に成形されて成るカソード電極１３５が挿入されている。

カソード電極１３５の周囲には、絶縁円筒１３８と、リング状のトリガ電極１３７とが、この順序で環装されており、トリガ電極１３７は、絶縁円筒１３８の表面のカソード電極１３５とは離間した位置に配置されている。
カソード電極１３５と台座１３２とは電気的に接続されている。トリガ電極１３７と台座１３２との間は絶縁部材１３９によって絶縁されている。

真空槽（不図示）の外部には電源装置１０５が配置され、トリガ電極１３７と台座１３２はこの電源装置１０５に接続されており、カソード電極１３５には、台座１３２を介して電圧が印加されるように構成されている。
カソード電極１３５の先端は、絶縁円筒１３８先端から突出されており、突出された部分の側面と先端はアノード電極１３１内部で露出されている。

この蒸着源１０３によって成膜対象物表面に薄膜を形成する工程を説明すると、真空槽内を真空雰囲気にし、成膜対象物（不図示）を真空槽内に配置する。アノード電極１３１は接地されており、電源装置１０５により、台座１３２に負の高電圧を印加した状態で、トリガ電極１３７に、台座１３２の電圧よりも接地電位に近い負電圧を印加すると、アノード電極１３１内で露出するカソード電極１３５先端の側面とトリガ電極１３７の間にトリガ放電が発生し、トリガ放電によって、カソード電極１３５とアノード電極１３１の間にアーク放電が誘起される。

アーク放電により、カソード電極１３５の露出する側面に大電流のアーク電流が流れ、その部分が溶融、蒸発すると、カソード電極１３５の蒸気がアノード電極１３１の内部に放出される。
アーク電流が流れると、アーク放電によって生成された電子は、アーク電流が形成する磁界によってアノード電極１３１の外部に放出される。

アノード電極１３１内部に放出された蒸着材料の蒸気のうち、正電荷の微小粒子はその電子に引き付けられ、アノード電極１３１の外部に放出される。
放出された微小荷電粒子の飛行方向には成膜対象物が配置されており、蒸着材料の微小荷電粒子が成膜対象物表面に到達するとそこに付着し、蒸着材料の薄膜が形成される。
しかし、カソード電極１３５は、露出した側面のうち、一部分しか溶融せず、カソード電極１３５の極一部しか活用できない。

図６の符号１０９は、蒸着材料の放出により、カソード電極１３５の側面に形成されたリング状の凹部を示しており、アーク放電が維持できない程消耗すると、そのカソード電極１３５は使用できなくなる。
この場合、カソード電極１３５を台座１３２から抜去し、上下入れ替え、消耗した部分を台座１３２の凹部１３３に挿入し、消耗していない部分をアノード電極１３１内に露出させると、再使用できるが、再使用は一回限りであり、カソード電極１３５の大部分は使用することがでない。
同軸型アーク蒸着源は、例えば下記特許文献に記載されている。
特開２００６−８３４３１

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、カソード電極の使用効率の高い蒸着源と、その蒸着源を使用した蒸着装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は筒状のアノード電極と、前記アノード電極の内部に配置された棒状のカソード電極と、前記カソード電極の先端の外周に着脱可能に配置された絶縁部材と、前記絶縁部材に配置されたトリガ電極とを有し、前記トリガ電極と前記カソード電極の間に生じたトリガ放電によって、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電が誘起され、前記カソード電極から蒸着材料の蒸気が生成され、前記蒸着材料の蒸気が前記アノード電極の開口から放出される蒸着源であって、前記アノード電極内には台座が配置され、前記カソード電極は、前記アノード電極内で前記アノード電極の中心軸線と平行に配置され、前記カソード電極の一端部は、先端が前記開口に向けられ、他端部は、保持装置に着脱可能に保持され、前記保持装置は、前記台座に着脱可能に保持され、前記保持装置と前記台座は密着され、前記カソード電極と前記保持装置とは、前記中心軸線と平行な方向に、アノード電流が流れるのに必要な最短長さ以上密着された蒸着源である。
本発明は蒸着源であって、前記保持装置と前記台座を密着させる第一の締結装置と、前記カソード電極と前記保持装置を密着させる第二の締結装置を有する蒸着源である。
本発明は蒸着源であって、前記保持装置は、分離可能な第一、第二の保持部を有し、前記第一、第二の保持部は前記カソード電極の側面に密着され、前記カソード電極を挟んで保持するように構成された蒸着源である。
本発明は蒸着源であって、前記カソード電極は、柱状の蒸発部と、前記蒸発部よりも小径の柱状の支持部を有し、前記第一、第二の保持部は、前記支持部の側面に密着されるように構成された蒸着源である。
本発明は蒸着装置であって、真空槽と、前記蒸着源とを有し、前記蒸着源から前記真空槽内に、前記蒸着材料の蒸気が放出されるように構成された蒸着装置である。

蒸着材料を少しずつ繰り出して使用することができるから、蒸着材料の使用効率が高い。

本発明の蒸着装置を図面を用いて説明する。
図１の符号１は、本発明の蒸着装置を示している。この蒸着装置１は、真空槽２を有しており、真空槽２内部には、本発明の一例の蒸着源３が配置されている。
図２(ｂ)は、この蒸着源３の平面図であり、同図(ａ)は、同図(ｂ)のＡ−Ａ線截断面図に相当する。

この蒸着源３は、筒状のアノード電極３１を有している。アノード電極３１の一端には板状のアノードベース３４が配置され、他端は開放され、開口３９が形成されている。
アノードベース３４のアノード電極３１内部側の表面には、絶縁性のベース碍子４９が配置されており、該ベース碍子４９上には台座３２が配置されている。
アノード電極３１の内部には、蒸着材料が棒状に成形されて成るカソード電極３５が配置されている。

台座３２は、アノード電極３１の開口３９側の面に凹部３３が形成されている。カソード電極３５の一端は、保持装置４０に保持されており、カソード電極３５の他端がアノード電極３１の開口３９に向けられた状態で、保持装置４０は、台座３２の凹部３３内に配置されている。

カソード電極３５とアノード電極３１の中心軸線は一致されており、カソード電極３５の保持装置４０とは反対側の端部は開口３９に向けられている。カソード電極３５の周囲には、絶縁部材である絶縁円筒４４が環装されており、カソード電極３５は絶縁円筒４４の内部に挿入された状態になっている。カソード電極３５の先端は、絶縁円筒４４の端部と同程度の高さに配置されている。カソード電極３５の先端は、アノード電極３１内に位置している。
絶縁円筒４４の外周には、トリガ電極３７が配置されている。ここではトリガ電極３７は円筒であり、絶縁円筒４４の外周に環装されている。

図３(ａ)〜(ｄ)は、カソード電極３５と保持装置４０を説明するための図面である。同図(ｂ)は、カソード電極３５を示しており、同図(ａ)は、カソード電極３５が保持装置４０内に挿入された状態を示している。

カソード電極３５は、円柱形状の蒸発部４５と、蒸発部４５よりも小径の円柱形状の支持部４６を有している。蒸発部４５と支持部４６の中心軸線は一致するようにして、支持部４６の上端が蒸発部４５の底面に接続されている。蒸発部４５と支持部４６は、蒸着材料で構成されている。

保持装置４０の構造を説明すると、保持装置４０は、分離可能な第一、第二の保持部４１、４２を有している。第一、第二の保持部４１、４２は、カソード電極３５の側面にそれぞれ当接可能な形状に成形されており、ここでは、第一、第二の保持部４１、４２は、カソード電極３５の支持部４６の外周と同程度の半径の円周に沿った曲面６５、６６をそれぞれ有しており、第一、第二の保持部４１、４２がカソード電極３５の支持部４６に当接されると、互いに密着するように構成されている。

第一、第二の保持部４１、４２のカソード電極３５の支持部４６の円周に沿った方向の合計長さは、カソード電極３５の外周よりも短く、第一、第二の保持部４１、４２は、両方一緒にカソード電極３５に密着できる。
第一、第二の保持部４１、４２の、カソード電極３５の中心軸線に沿った方向の長さは、蒸発部４５の長さと同じか、それよりも長くされており、後述するようにカソード電極３５を繰り出したときに、蒸発部４５を可及的に使用可能にされている。

図３(ｃ)は、第一、第二の保持部４１、４２を分離した状態の保持装置４０を示している。第一、第二の保持部４１、４２の一方には、ねじ穴５１が形成されて、他方には、ねじ溝の無い貫通孔５２が形成されている。
第一、第二の保持部４１、４２をカソード電極３５の支持部４６に密着させ、第一、第二の保持部４１、４２のねじ穴５１と貫通孔５２を連通させた状態で、貫通孔５２側からねじ５５を挿入し、ねじ頭を貫通孔５２の内部の突出部（不図示）に当接させた状態で、ねじ５５先端をねじ穴５１にねじ込むと、第一、第二の保持部４１、４２は、互いに逆方向から、カソード電極３５の支持部４６を圧縮するように押圧し、カソード電極３５の支持部４６の側面と第一、第二の保持部４１、４２の側面とが密着する。従って、この蒸着源３では、貫通孔５２と、貫通孔５２内部の突出部と、ねじ穴５１と、ねじ５５とで、カソード電極３５を保持装置４０に密着させる第二の締結装置が構成される。

カソード電極３５が保持装置４０に密着した状態では、カソード電極３５と保持装置４０の間は、電気的に低抵抗である。
第一、第二の保持部４１、４２の外周も円形に湾曲しており、第一、第二の保持部４１、４２によってカソード電極３５の支持部４６を保持した状態では、外形は円柱形状になっている。

保持装置４０は、台座３２の凹部３３と同形状であって、凹部３３内に挿入可能な支持台４３を有している。ここでは、台座３２の凹部３３は円柱形状であり、支持台４３も円盤形状を含む円柱形状である。

第一、第二の保持部４１、４２のうち、一方(ここでは第一の保持部４１)が、保持部のカソード電極３５と密着する曲面６５の円の中心軸線が、支持台４３の中心軸線と一致するように、支持台４３の表面上に立設されている。

第一、第二の保持部４１、４２をねじ止め固定するねじ５５は、ねじ頭が貫通孔５２内に位置しており、従って、第一、第二の保持部４１、４２の外周からはねじ５５が突出しないようにされている。

第一、第二の保持部４１、４２がカソード電極３５を挟んだ状態では、第一、第二の保持部４１、４２の外形の直径は、支持台４３の直径と同じ大きさであり、従って、側面に突出部の無い一個の円柱が形成される。

台座３２の凹部３３は、その円柱と略同径の円柱状の穴であり、カソード電極３５を保持した状態の保持装置４０は、台座３２の凹部３３内に配置されている。カソード電極３５は、アノード電極３１の開口３９側に向けられている。
台座３２の凹部３３が形成された位置には、凹部３３の壁面を厚み方向に貫通するねじ穴５９が形成されている。ねじ穴５９の延長線上には、保持装置４０の支持台４３が位置しており、ねじ穴５９にねじ５８の先端部をねじ込むと、ねじ５８の先端部は支持台４３の側面に当接され、更にねじ込むと、支持台４３を押圧するようになっている。

押圧された支持台４３は、ねじ５８先端が当接された場所とは反対側の面が、台座３２の凹部３３の内周側面に押圧され、台座３２と保持装置４０は密着するように構成されている。従って、この蒸着源３では、ねじ５８とねじ穴５９とを有する第一の締結装置によって保持装置４０と台座３２とが密着する。
台座３２と保持装置４０は、金属等の導電性を有する材料で形成されており、互いに密着された状態では、台座３２と保持装置４０の間は電気的に低抵抗である。
真空槽２の外部には電源装置５が配置されている。

台座３２の裏面側には、配線部材３６が接続されており、配線部材３６は、絶縁部材６１、６２によって真空槽２と絶縁された状態で、真空槽２の外部に気密に導出され、電源装置５に接続されている。従って、カソード電極３５は、配線部材３６と、台座３２と、保持装置４０を介して、電源装置５に接続されている。

真空槽２とアノードベース３４には、外周がセラミックスで絶縁被覆された配線６４が気密に挿通されており、トリガ電極３７は、この配線６４により、真空槽２やアノードベース３４とは絶縁された状態で、電源装置５に接続されている。
アノード電極３１は真空槽２と共に接地電位に接続されており、電源装置５により、カソード電極３５にはアノード電極３１に対して負の高電圧が印加され、トリガ電極３７にはカソード電極３５よりも接地電位に近い負電圧が印加されるように構成されている。

真空槽２には真空排気系９が接続されており、真空排気系９によって真空槽２内を真空雰囲気にし、電源装置５によって、カソード電極３５に負の高電圧を印加した状態で、トリガ電極３７に、負電圧をパルス状に印加すると、トリガ電極３７とカソード電極３５の先端の間にトリガ放電が発生し、それにより、アノード電極３１の内周面とカソード電極３５の先端の間にアーク放電が誘起され、カソード電極３５にアーク電流が流れる。

カソード電極３５を構成する蒸着材料はアーク電流によって溶融・蒸発し、カソード電極３５の先端から蒸着材料の蒸気と電子が放出される。
このとき、カソード電極３５と、保持装置４０と、台座３２を流れるアノード電流によって磁場が形成され、アノード電極３１内の電子は、アーク電流が形成する磁場から力を受け、アノード電極３１の開口３９から真空槽２内に放出される。蒸着材料の蒸気中に含まれる電荷質量比(電荷質量比＝電荷／質量)が大きな正電荷の微小粒子は、電子に引き付けられてアノード電極３１の開口３９から真空槽２内に放出されるが、電荷質量比が小さな巨大粒子や中性粒子は、アノード電極３１の内周面に衝突し、アノード電極３１の開口３９から放出されない。

真空槽２内のアノード電極３１の開口３９に面する位置には基板ホルダ８が配置されている。基板ホルダ８には、成膜対象物である基板７が配置されており、真空槽２の内部に放出された微小荷電粒子は、基板７表面に到達すると、基板７表面に薄膜が成長する。

真空槽２内に磁力線形成装置（不図示）が配置されており、アノード電極３１の開口３９から放出された電子の飛行方向が曲げられる場合は、曲げられた電子の飛行方向に基板ホルダ８が配置されており、正電荷の微小粒子は電子に引き付けられ、基板ホルダ８に配置された基板７表面に到達し、薄膜を成長させる。

アーク電流は、電源装置５内のコンデンサ(２２００μＦ)から供給されており、コンデンサの放電が終了するとアーク電流は停止する。アーク電流の大きさは、ピーク値が１４００〜２０００Ａ、流れる時間は１ミリ秒程度である。
コンデンサを再充電した後、トリガ放電を発生させると、アーク電流が再度流れ、薄膜が成長する。
このように、アーク電流を複数回流し、基板７表面に薄膜を成長させると、カソード電極３５の先端が蒸発により後退し、絶縁円筒４４の先端から離れると、蒸気発生量は次第に減少する。

カソード電極３５から蒸着材料蒸気が放出される前の状態では、第一、第二の保持部４１、４２と、カソード電極３５との密着部分の、カソード電極３５の中心軸線に平行な方向の長さＬ₀は、アノード電流が流れるために必要な長さ以上の長さであり、所定回数のアーク放電を発生させたら、一旦保持装置４０と共に台座３２から取り外し、保持装置４０を緩め、蒸発によって減少した分だけカソード電極３５を保持装置４０から繰り出し、その状態で保持装置４０を締め、カソード電極３５を保持装置４０に固定する。図３(ｄ)はその状態を示している。

保持装置４０を、繰り出したカソード電極３５と共に台座３２の凹部３３に装着し、ねじ止め固定すると、図４に示すように、カソード電極３５の先端は絶縁円筒４４と略同程度の高さに戻り、再度アーク放電によって、所定量の蒸着材料の蒸気を放出できる状態になる。

第一、第二の保持部４１、４２とカソード電極３５とが密着する部分の長さを、カソード電極３５の中心軸線に平行な方向の長さで定義すると、更にカソード電極３５を使用し、カソード電極３５の先端が蒸発して後退した場合には、再度、保持装置４０と共にカソード電極３５を取り外し、カソード電極３５の蒸発部４５が無くなるか、支持部４６と第一、第二の保持部４１、４２の接触長さが減少して最短保持長さＬ_minになるまでカソード電極３５を保持装置４０から繰り出して使用することができる。

要するに、本発明では、蒸発部４５が無くなるか、繰り出し後の密着部分の長さＬが、アノード電流が流れるのに必要な最短保持長さＬ_min(Ｌ_min＜Ｌ₀)になるまで、カソード電極３５を繰り出して使用することができる(Ｌ_min＜Ｌ＜Ｌ₀)。繰り出した場合、支持部４６と支持台４３の間に隙間が形成される。

このように、本発明によれば、カソード電極３５は、側面を絶縁円筒４４によって覆われており、カソード電極３５は側面ではなく、先端から蒸気を発生させるようになっている。

そして、保持装置４０とカソード電極３５との間を緩め、そして台座３２に保持装置４０を装着したときに、カソード電極３５の先端が、消耗前と同じ位置にあるように、カソード電極３５を繰り出した後に締め付け、保持装置４０で保持すると、カソード電極３５は、最大繰り出し可能な長さ(Ｌ₀−Ｌ_min)だけ使用することができるので、使用効率が向上し、カソード電極３５の寿命が長くなる。

本発明は、蒸着材料が金や白金等の高価な材料の場合は特に有効である。
なお、上記カソード電極３５では、蒸発部４５に接続された小径の支持部４６を保持装置４０が保持したが、カソード電極３５の全体を径が一定の蒸発部４５で構成し、蒸発部４５を保持装置４０が保持するようにしてもよい。

上記例では保持装置４０は台座３２の凹部３３内に配置したが、台座３２に貫通孔を設け、保持装置４０を貫通孔内に配置してもよい。要するに、保持装置４０を台座３２に着脱可能に密着固定してアーク電流を流せればよい。

カソード電極３５と保持装置４０の間、及び、保持装置４０と台座３２の間は、ねじ５８によって密着させていたが、本発明では、それに限定されるものではなく、高温に耐え、カソード電極３５、保持装置４０、台座３２を着脱可能に固定でき、アノード電流を流せる程度に、カソード電極３５、保持装置４０、台座３２を互いに密着させる締結装置を広く用いることができる。

また、上記例では、アノード電極３１は円筒形であったが、本発明はそれに限定されるものではなく、多角筒状でもよい。
蒸着材料は円柱形状であったが、それに限定されるものではない。保持装置４０、台座３２についても、上記実施例で説明した形状に限定されるものではない。

本発明の蒸着装置を説明するための図面 (ａ)：本発明の蒸着源の内部構造を説明するための図２（ｂ）のＡ−Ａ線截断面図、（ｂ）：その蒸着源の平面図 (ａ)〜(ｄ)：保持装置とカソード電極を説明するための図 カソード電極を繰り出した状態を説明するための図 従来技術の蒸着源を説明するための図 その蒸着源のカソード電極が消耗した状態を説明するための図

符号の説明

１……蒸着装置 ２……真空槽 ３……蒸着源 ３１……アノード電極 ３２……台座 ３５……カソード電極 ３７……トリガ電極 ３９……開口 ４０……保持装置 ４４……絶縁部材（絶縁円筒）

Claims (5)

1. 筒状のアノード電極と、
   前記アノード電極の内部に配置された棒状のカソード電極と、
   前記カソード電極の先端の外周に着脱可能に配置された絶縁部材と、
   前記絶縁部材に配置されたトリガ電極とを有し、前記トリガ電極と前記カソード電極の間に生じたトリガ放電によって、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電が誘起され、前記カソード電極から蒸着材料の蒸気が生成され、前記蒸着材料の蒸気が前記アノード電極の開口から放出される蒸着源であって、
   前記アノード電極内には台座が配置され、
   前記カソード電極は、前記アノード電極内で前記アノード電極の中心軸線と平行に配置され、
   前記カソード電極の一端部は、先端が前記開口に向けられ、
   他端部は、保持装置に着脱可能に保持され、
   前記保持装置は、前記台座に着脱可能に保持され、
   前記保持装置と前記台座は密着され、
   前記カソード電極と前記保持装置とは、前記中心軸線と平行な方向に、アノード電流が流れるのに必要な最短長さ以上密着された蒸着源。
2. 前記保持装置と前記台座を密着させる第一の締結装置と、
   前記カソード電極と前記保持装置を密着させる第二の締結装置を有する請求項１記載の蒸着源。
3. 前記保持装置は、分離可能な第一、第二の保持部を有し、
   前記第一、第二の保持部は前記カソード電極の側面に密着され、前記カソード電極を挟んで保持するように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着源。
4. 前記カソード電極は、柱状の蒸発部と、前記蒸発部よりも小径の柱状の支持部を有し、前記第一、第二の保持部は、前記支持部の側面に密着されるように構成された請求項３記載の蒸着源。
5. 真空槽と、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の蒸着源とを有し、前記蒸着源から前記真空槽内に、前記蒸着材料の蒸気が放出されるように構成された蒸着装置。

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