JP2008231548A - 真空蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課題】成膜速度が速い蒸着装置を提供する。
【解決手段】カソード電極３１の先端とアノード電極２１の先端とを揃え、アーク放電によって生じたプラズマがアノード電極２１に接触しないようにする。プラズマ中に微小荷電粒子が電荷を失い、中性粒子となることが防止されるので、磁界形成装置１５によって成膜対象物１７方向に曲げられる粒子が増加し、成膜速度が速くなる。アノード電極２１の先端の成膜対象物１７が配置された側に遮蔽電極２７を設けておくと、巨大粒子が成膜対象物１７に到達せず、膜質が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同軸型真空アーク蒸着源とその蒸着源を用いた真空蒸着装置に係り、特に、磁場によって蒸着粒子を偏向させ、液滴混入のない薄膜を形成できる同軸型真空アーク蒸着源とその蒸着源を用いた真空蒸着装置に関する。

従来より、カーボンナノチューブの下地膜や、燃料電池の触媒金属担持には図５に示す真空蒸着装置１０２が用いられている。
この真空蒸着装置１０２は、真空槽１１０を有しており、真空槽１１０の内部には、同軸型真空アーク蒸着源１１１が配置されている。
同軸型真空アーク蒸着源１１１の筒状のアノード電極の内部には、棒状の蒸着源本体１２２が配置されている。

蒸着源本体１２２は、絶縁筒１３４の上端に蒸着材料から成るカソード電極１３１が配置されており、絶縁筒１３４の内部には、一端がカソード電極１３１と接続された状態で棒状電極１３２が挿通されている。絶縁筒１３４の外周の、カソード電極１３１に近い位置には、カソード電極１３１とは非接触の状態でトリガ電極１３３が取り付けられている。

アノード電極１２１の両端のうち、一端は真空槽１１０の内部に向けられ、蒸気を放出する放出口１３６にされており、他端は真空槽１１０の底壁に取り付けられている。
蒸着源本体１２２は、アノード電極１２１の内部でカソード電極１３１が設けられた方の端部が放出口１３６に向けられている。
カソード電極１３１は、棒状電極１３２に電気的に接続されている。トリガ電極１３３は棒状電極１３２やカソード電極１３１から絶縁されている。

真空槽１１０内を真空排気し、アノード電極１２１と真空槽１１０を接地電位に接続した状態で、アーク電源１２４によって、棒状電極１３２を介してカソード電極１３１に負電圧を印加し、トリガ電源１２５によって、トリガ電極１３３にアノード電極１２１に対して正電圧となる負電圧を印加すると、カソード電極１３１の側面とトリガ電極１３３の間にトリガ放電が起こり、トリガ放電によって、アノード電極１２１とカソード電極１３１の側面との間にアーク放電が誘起される。アーク電流は大電流であり、カソード電極１３１の側面から蒸着材料の粒子が放出される。

蒸着源本体１２２は、アノード電極１２１の放出口１３６よりもアノード電極１２１内部側に配置されており、カソード電極１３１の側面から放出された蒸着材料蒸気には、電荷質量比(電荷／質量)が大きな微小荷電粒子の他、電荷質量比が小さい巨大粒子や、電荷を有さない中性粒子が含まれている。

アーク電流が棒状電極１３２内部を流れ、アノード電極１２１内部に磁界を形成すると、アーク放電によって放出された電子は、アーク電流が形成する磁界からローレンツ力を受け、飛行方向が曲げられ、アノード電極１２１の放出口１３６から真空槽１１０内に放出される。

電荷質量比の大きな微小荷電粒子はプラス電荷をもっているため電子に引き付けられてアノード電極１２１の放出口１３６から真空槽１１０内に放出されるが、巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極１２１の側面に衝突し、そこに付着し、真空槽１１０内に放出されない。

巨大荷電粒子や巨大中性粒子がアノード電極１２１の側面に衝突した際には、衝突によって二次粒子が生成され、真空槽１１０内に放出されるが、真空槽１１０内に放出された微小荷電粒子や二次粒子の飛行方向には、磁界形成装置１１５が配置されており、放出口１３６から真空槽１１０内に放出された電子は磁界形成装置１１５が形成する磁界によって飛行方向が曲げられ、成膜対象物１１７が配置された方向に飛行する。図５の符号１２９は、電子の飛行軌跡を示している。

微小荷電粒子は、電子に引き付けられて磁界形成装置１１５内を電子と同方向に曲げられ、成膜対象物１１７の表面に到達するのに対し、二次粒子は中性であり、電子に引き付けられず、磁界形成装置１１５内を直進して成膜対象物１１７表面には到達しないように構成されている。その結果、成膜対象物１１７の表面に、微小荷電粒子によって薄膜が形成される。

アーク電源１２４の内部には、コンデンサユニットが配置されており、アーク電流はコンデンサユニットの放電によって供給されるため、コンデンサユニットに蓄積された電荷が放電によって消滅すると、アーク電流は停止する。
コンデンサユニットが充電された後、トリガ放電を発生させると、アーク放電が再び流れ、薄膜が成長する。

しかしながら、上記従来技術の真空蒸着装置１０２では、１回のアーク放電によって成長する薄膜の膜厚が薄く(要するに、成膜速度が遅く)、解決が望まれている。
磁界形成装置と同軸型真空アーク蒸着源を用いて薄膜を形成する技術は、例えば下記文献に記載されている。
特開２００６−８３４３１号公報 特開２００６−３１２７６４号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、その目的は、成膜速度が速い同軸型真空アーク蒸着源と、その蒸着源を用いた真空成膜装置を提供することにある。

本発明の発明者等は、従来技術の同軸型真空アーク蒸着源の成膜速度が遅い原因を突き止めるため、真空槽内に蒸着材料蒸気が到達する範囲を調査したところ、磁界形成装置によって荷電粒子を曲げた進行方向よりも、むしろ、同軸型真空アーク蒸着源から直進方向に粒子が多量に到達し、その位置に薄膜が形成されており、同軸型真空アーク蒸着源から放出された微小粒子は、中性粒子が多いことが判明した。

その原因は、アーク放電によって形成されたプラズマがアノード電極に接触し、プラズマ中の微小荷電粒子から電荷が失われことに起因すると推測された。
そうだとすると、プラズマをアノード電極に接触させなければよい。加えて、膜質を向上させるためには、成膜対象物が配置された方向に、巨大粒子が飛行しないようにするとよい。

本発明は上記知見に基づいて創作されており、筒状のアノード電極と、前記アノード電極内に配置されたカソード電極と、前記アノード電極内で前記カソード電極とは絶縁して配置されたトリガ電極と、前記アノード電極の中心軸線の延長線上に配置され、荷電粒子の飛行方向を曲げる磁界を形成する磁界形成装置とを有し、前記アノード電極の先端の放出口から放出された電子が前記磁界形成装置を通過し、曲げられた後の飛行方向と交叉する位置に成膜対象物を配置すると、前記カソード電極の材料蒸気によって、前記成膜対象物表面に薄膜が形成される真空蒸着装置であって、前記カソード電極は、その先端が前記アノード電極の先端と同一平面上に位置するように配置された真空蒸着装置である。
また、本発明は、前記アノード電極の先端の前記成膜対象物が配置された側には、前記アノード電極と電気的に接続された遮蔽電極が配置された真空蒸着装置である。
また、本発明は、前記アノード電極の先端の前記成膜対象物が配置された側とは反対側の位置に、前記アノード電極に電気的に接続された網状電極が配置された真空蒸着装置である。

成膜速度が速い。
薄膜中に液滴の混入がない。

図１の符号１は、本発明の一例の真空蒸着装置１を示している。
この真空蒸着装置１は、真空槽１０を有しており、該真空槽１０の内部には、同軸型真空アーク蒸着源１１が配置されている。
この同軸型真空アーク蒸着源１１は、アノード電極２１と、蒸着源本体２２を有している。

アノード電極２１は筒状(ここでは円筒状)であり、蒸着源本体２２は棒状であり、蒸着源本体２２はアノード電極２１の内部に配置されている。
蒸着源本体２２は、蒸着材料から成るカソード電極３１と、棒状電極３２と、トリガ電極３３と、絶縁筒３４とを有している。この蒸着源本体２２の斜視図を図３(ａ)に示す。

カソード電極３１は円柱状であり、絶縁筒３４は円筒形状である。カソード電極３１は絶縁筒３４の先端に配置されており、棒状電極３２は絶縁筒３４の内部に挿入されている。
トリガ電極３３はリング状であり、絶縁筒３４の外周のカソード電極３１に近く、カソード電極３１とは離間した位置に嵌め込まれている。

アノード電極２１は、一端の開口が放出口３６として真空槽１０の内部に向けられており、蒸着源本体２２は、アノード電極２１内部で、カソード電極３１側が放出口３６に向けられている。
アノード電極２１と、カソード電極３１と、絶縁筒３４と、棒状電極３２の中心軸線は一致するように配置されている。符号３９はその中心軸線を示している。

真空槽１０の外部には、アーク電源２４とトリガ電源２５が配置されており、アノード電極２１と真空槽１０を接地電位に接続され、カソード電極３１は、棒状電極３２を介してアーク電源２４に接続され、トリガ電極３３はトリガ電源２５に接続されている。

真空槽１０には真空排気系１９が接続されており、真空排気系１９によって真空槽１０内を所定圧力(１０〜５Ｐａ以下)に真空排気し、アーク電源２４によってカソード電極３１に負電圧を印加し、トリガ電極３３にアノード電極２１に対して正電圧となる負電圧を印加すると、カソード電極３１の側面とトリガ電極３３の間にトリガ放電が起こり、カソード電極３１の側面から蒸着材料蒸気が放出される。

蒸着材料蒸気によってアノード電極２１内の圧力が上昇すると、アノード電極２１とカソード電極３１の側面との間にアーク放電が誘起され、大きなアーク電流が流れ、カソード電極３１の側面から蒸着材料の粒子が放出され、カソード電極３１周囲にプラズマが形成される。

カソード電極３１のリング状の側面は、アノード電極２１の内周面と対面しており、トリガ放電によって誘起されたアーク電流がカソード電極３１の側面とアノード電極２１の内周面の間を流れると、カソード電極３１の側面が溶融し、蒸着材料の粒子が上記となって放出され、カソード電極３１の周囲にプラズマが形成される。

アーク電流は棒状電極３２の内部を中心軸線３９に沿って流れ、アノード電極２１の内部に磁界を形成する。アーク放電によってアノード電極２１の壁面方向に放出された電子は、アーク電流が形成する磁界からローレンツ力を受け、放出口３６方向に飛行方向が曲げられ、アノード電極２１の放出口３６から真空槽１０内に放出される。

プラズマ中に含まれる蒸着材料の粒子は、正電荷を有するか中性粒子であり、電荷質量比の大きな微小荷電粒子は電子に引き付けられて放出口３６から真空槽１０内に放出される。
電荷質量比が小さな巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極２１の側面に衝突し、そこに付着する。

本発明の同軸型真空アーク蒸着源１１では、アノード電極２１の先端の一部に遮蔽電極２７が接続されている。
遮蔽電極２７は、ここでは、アノード電極２１を構成する円筒形の金属材料が、円周に沿った方向に中心角度θ、中心軸線３９に沿った方向に長さＤ(全長１００ｃｍに対してＤ＝６０ｃｍ)だけ切り欠かれ、金属材料の残りの部分で、円周に沿った方向に中心角度２π−θ、中心軸線３９に沿った方向に長さＤの遮蔽部材が形成されている。
ここではθ＝π(１８０°)であり、切り欠き部分と遮蔽電極２７の部分の、円周方向に沿った長さは半円周になるようにされている。

切り欠きが形成された部分とは反対側の部分の先端はアノード電極２１の先端であり、カソード電極３１の先端とアノード電極２１の先端は同一平面に位置するようにされている。従って、遮蔽電極２７は、その長さＤだけ、カソード電極３１の先端から突き出されている。

遮蔽電極２７とアノード電極２１(及び、カソード電極３１とトリガ電極３３)は、導電性を有しており、遮蔽電極２７はアノード電極２１と電気的に接続されている。
遮蔽部材が配置されない部分では、プラズマが拡がってもアノード電極２１と同電位の部材には接触せず、微小荷電粒子が中性粒子化しない。従って、微小荷電粒子を多く含む蒸気がアノード電極２１の放出口３６から真空槽１０内に放出される。
アノード電極２１の中心軸線３９の延長線上には磁界形成装置１５が配置されている。

磁界形成装置１５の内部には磁界が形成されている。図４は、図１の同軸型真空アーク蒸着源１１を、切り欠きが位置する方向から見た図である。同図に示すように、磁界形成装置１５の内部には、平行な磁力線が生成されるような磁界が形成されており、アノード電極２１の内部を通り、アノード電極２１の中心軸線３９と平行な直線は、磁界形成装置１５内部の磁力線と垂直に交叉しており、飛行方向が中心軸線３９と平行な微小荷電粒子は、磁界形成装置１５から大きなローレンツ力を受け、飛行方向が曲げられる。

磁界形成装置１５は、例えばＮ極とＳ極が向き合わされた磁石で構成することができる。図４の符号３７ａ、３７ｂは、その磁石を示している。一例として、磁石の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍ、中心磁束密度１５６〜１６０Gaussである。

磁界形成装置１５の内部を通過した後の電子は直進する。その電子の飛行方向には、基板ホルダ１８が配置されており、基板ホルダ１８上には、半導体基板等の成膜対象物１７が配置されている。図１、４の符号２９は、磁界形成装置１５に入射し、飛行方向が曲げられて通過した電子の軌跡を示している。図４では、電子の軌跡２９は紙面手前側から紙面奥方向に向かって湾曲している。

微小荷電粒子は電子に引き付けられて電子と同じ方向に起動が曲げられ、成膜対象物１７表面に到達すると、薄膜が成長する。
同軸型真空アーク蒸着源１１からは微小荷電粒子が多量に放出され、磁界形成装置１５によって成膜対象物１７に照射されるから、成膜速度が速い。

遮蔽電極２７は、アノード電極２１の先端の成膜対象物１７が配置された側に配置されており、遮蔽電極２７は、カソード電極３１の側面と成膜対象物１７表面を結ぶ直線が、遮蔽電極２７と交叉する大きさに形成されている。

アーク放電によってカソード電極３１表面から巨大粒子が飛び出し、成膜対象物１７に向けて飛行しても、遮蔽電極２７と衝突し、そこに付着し、成膜対象物１７に到達しない。また、遮蔽電極２７に衝突した巨大粒子から二次粒子が生成されても、その二次粒子は成膜対象物１７とは反対側に飛行するし、アノード電極２１と衝突した巨大粒子から生成された二次粒子は遮蔽電極２７によって遮蔽されるから、成膜対象物１７表面には二次粒子は到達せず、微小荷電粒子によって薄膜が形成される。

図３(ｂ)は、本発明の真空蒸着装置１に用いることができる同軸型真空アーク蒸着源１１’の他の例の斜視図であり、切り欠き部分に、網状電極２８が配置されており、カソード電極３１の先端上の空間は、遮蔽電極２７と網状電極２８で取り囲まれている。

網状電極２８はアノード電極２１に電気的に接続されており、カソード電極３１とアノード電極２１の間の他、カソード電極３１の成膜対象物１７側では、カソード電極３１と遮蔽電極２７との間にもアーク放電が発生するのに対し、カソード電極３１の成膜対象物１７とは反対側ではカソード電極３１と網状電極２８の間でもアーク放電が発生するから、カソード電極３１が均一に消耗できるようになる。

カソード電極３１側面から飛び出し、網状電極２８に向かって飛行する巨大粒子は網状電極２８の網の目を通過するから、網状電極２８で発生する二次粒子はごく僅かであり、膜質のよい薄膜を形成することができる。

上記実施例では、遮蔽電極２７を設けたが、図２に示すように、遮蔽電極２７を設けず、アノード電極２１の先端を全周に亘って露出させ、カソード電極３１の先端とアノード電極２１の先端を同一平面に位置するように配置した真空蒸着装置２の場合には、プラズマが遮蔽電極２７とも接触せず、微小荷電粒子を更に大量に放出させ、高速成膜を行なうことができる。

なお、本発明で用いたアーク電源２４は１００Ｖ数アンペア、その中のコンデンサユニットの容量は８８００μＦで充電時間は１秒、アーク放電の周期は１Ｈｚである。トリガ電圧は３．４ｋＶである。アノード電極２１やトリガ電極３３はステンレス製である。

本発明の第一例の蒸着装置 本発明の第二例の蒸着装置 (ａ)：本発明に用いることができる蒸着源本体の一例 (ｂ)：他の例 電子の飛行軌跡を説明するための図面 従来技術の蒸着装置を説明するための図面

符号の説明

１、２……真空蒸着装置
１０……真空槽
１５……磁界形成装置
１７……成膜対象物
２１……アノード電極
２２……蒸着源本体
２７……遮蔽電極
２８……網状電極
３１……カソード電極
３３……トリガ電極
３９……中心軸線

Claims (3)

1. 筒状のアノード電極と、
   前記アノード電極内に配置されたカソード電極と、
   前記アノード電極内で前記カソード電極とは絶縁して配置されたトリガ電極と、
   前記アノード電極の中心軸線の延長線上に配置され、荷電粒子の飛行方向を曲げる磁界を形成する磁界形成装置とを有し、
   前記アノード電極の先端の放出口から放出された電子が前記磁界形成装置を通過し、曲げられた後の飛行方向と交叉する位置に成膜対象物を配置すると、前記カソード電極の材料蒸気によって、前記成膜対象物表面に薄膜が形成される真空蒸着装置であって、
   前記カソード電極は、その先端が前記アノード電極の先端と同一平面上に位置するように配置された真空蒸着装置。
2. 前記アノード電極の先端の前記成膜対象物が配置された側には、
   前記アノード電極と電気的に接続された遮蔽電極が配置された請求項１記載の真空蒸着装置。
3. 前記アノード電極の先端の前記成膜対象物が配置された側とは反対側の位置に、前記アノード電極に電気的に接続された網状電極が配置された請求項２記載の真空蒸着装置。

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