JP2013036061A - ハースライナ、電子ビーム加熱源及び電子ビーム蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れ、高い成膜レートが実現可能なハースライナと、それを用いた電子ビーム加熱源、電子ビーム蒸着装置を提供する。
【解決手段】電子ビーム加熱源１０は、ハース３と、ハースライナ４と、電子銃５とを有する。ハースライナ４は、ハース３の凹部３１に装着され、被加熱材料Ｍを収容することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスで形成される。電子銃５は、ハースライナ４に収容された被加熱材料Ｍに照射され、被加熱材料Ｍを加熱するための電子ビームＢを発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム加熱源のハースに装着されるハースライナと、それを用いた電子ビーム加熱源、電子ビーム蒸着装置に関する。

従来より、電子ビーム蒸着装置等の蒸発源に用いられるハースライナが知られている。ハースライナは、蒸着材料を収容することが可能な容器であり、ハースの凹部に密接して装着される。

ハースライナを形成する材料としては、一般的には、高融点の導電体が用いられる。すなわち、蒸着の際の加熱に対する耐性を備えているとともに、蒸着材料からハースへの電子の流れを発生させ、電子ビーム照射時における蒸着材料の帯電を抑制できるような材料である。このような材料として、例えば、二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）と窒化ホウ素（ＢＮ）の混合物等の材料で形成されたハースライナが知られている（特許文献１の特に段落［００５０］参照）。

特開２００６−３３８９８３号公報（段落[００５０]）

しかしながら、上記の材料は、高価であり、かつ耐久性が低くて割れやすいという問題があった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、耐久性に優れたハースライナと、それを用いた電子ビーム加熱源、電子ビーム蒸着装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るハースライナは、電子ビーム加熱源のハースに装着されるハースライナであって、被加熱材料を収容することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスで形成される。

本発明の一形態に係る電子ビーム加熱源は、ハースと、ハースライナと、電子銃とを具備する。
上記ハースは、凹部を有する。
上記ハースライナは、上記凹部に装着され、被加熱材料を収容することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスで形成される。
上記電子銃は、上記ハースライナに収容された上記被加熱材料に照射され、上記被加熱材料を加熱するための電子ビームを発生させる。

本発明の一形態に係る電子ビーム蒸着装置は、蒸発源と、チャンバとを具備する。
上記蒸発源は、ハースと、ハースライナと、電子銃とを有する。
上記ハースは、凹部を有する。
上記ハースライナは、蒸着材料を収容することが可能であり、上記凹部に装着され窒化ケイ素系セラミックスで形成される。
上記電子銃は、上記蒸着材料に照射され、上記蒸着材料を加熱するための電子ビームを発生させる。
上記チャンバは、上記蒸発源を収容する。

本発明の一実施形態に係る電子ビーム蒸着装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るハースライナの構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る電子ビーム加熱源を用いてアルミニウム（Ａｌ）を加熱した様子を示す写真である。 本発明の一実施形態に係る実施例及び比較例について、成膜レートが１５Å／ｓとなるように制御しつつＡｌの蒸着を行った場合に、Ａｌ蒸着中の実際の成膜レートを示したグラフであり、横軸は蒸着開始からの時間、縦軸は実際の成膜レートを示している。 本発明の一実施形態に係る実施例及び比較例について、成膜レートが１５Å／ｓとなるように制御しつつＡｌの蒸着を行った場合に、電子銃が消費する電力の値を示したグラフであり、横軸は蒸着開始からの時間、縦軸は電力を示している。

本発明の一実施形態に係るハースライナは、電子ビーム加熱源のハースに装着されるハースライナであって、被加熱材料を収容することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスで形成される。

このようなハースライナは、高温下でも耐久性が高い窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）系セラミックスによって形成されている。このことから、電子ビームによる加熱で高温となった被加熱材料を収容し、長時間連続的に使用した場合であっても、破損が少なく安定的に使用することができる。また、窒化ケイ素系セラミックスは、蒸着材料として広く用いられ比較的活性な金属であるＡｌ等とも反応性が低く、蒸着材料への汚染も抑制することができる。さらに、窒化ケイ素系セラミックスは熱伝導率が比較的低いため、被加熱材料の温度を保持することができ、消費電力も抑制することができる。

上記窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）系セラミックスとして、例えばサイアロンを用いることができる。
サイアロンは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）系セラミックスのうち、Ｓｉ_３Ｎ_４にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等を加えて形成されたセラミックス材料である。サイアロンは、Ｓｉ_３Ｎ_４と比較しても耐熱性や機械的強度が高い。さらに、Ｓｉ_３Ｎ_４よりも低廉である。このことから、上述の作用効果に加えて、より安定的かつ低コストに使用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る電子ビーム加熱源は、ハースと、ハースライナと、電子銃とを具備する。
上記ハースは、凹部を有する。
上記ハースライナは、上記凹部に装着され、被加熱材料を収容することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスで形成される。
上記電子銃は、上記ハースライナに収容された上記被加熱材料に照射され、上記被加熱材料を加熱するための電子ビームを発生させる。

本発明の一実施形態に係る電子ビーム蒸着装置は、蒸発源と、チャンバとを具備する。
上記蒸発源は、ハースと、ハースライナと、電子銃とを有する。
上記ハースは、凹部を有する。
上記ハースライナは、蒸着材料を収容することが可能であり、上記凹部に装着され窒化ケイ素系セラミックスで形成される。
上記電子銃は、上記蒸着材料に照射され、上記蒸着材料を加熱するための電子ビームを発生させる。
上記チャンバは、上記蒸発源を収容する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子ビーム蒸着装置を示す概略構成図である。図２は、本発明の一実施形態に係るハースライナの構成を示す概略断面図である。本実施形態の電子ビーム蒸着装置１は、チャンバ２と、蒸発源（電子ビーム加熱源）１０とを有する。チャンバ２は、内部に蒸発源１０を収容し、基板Ｗが配置される。蒸発源１０は、基板Ｗ上に蒸着材料（被加熱材料）Ｍを蒸着させる。

チャンバ２は、典型的には真空チャンバであり、本実施形態では真空排気機構９によって内部の真空度が調整可能に構成されている。チャンバ２の内部に収容された蒸発源１０は、本実施形態において、チャンバ２の下方に設置されている。基板Ｗは、蒸発源１０と対向するよう、チャンバ２の上部に配置される。図１に示した蒸着装置は、蒸発源の上方に基板Ｗを通過させつつその基板Ｗの表面に薄膜を形成する、いわゆる通過成膜方式の蒸着装置である。そのため、チャンバ２の上方には基板搬送機構８が設けられている。基板搬送機構８として、基板Ｗを支持するキャリア８１と、そのキャリア８１が内部を移動する通路８２とを備えている。なお、蒸発源の直上で基板を静止させて成膜する、いわゆる固定成膜方式でもよい。

蒸発源１０は、ハース３と、ハースライナ４と、電子銃５と、偏向コイル６とを有する。ハース３は、凹部３１を有し、凹部３１には、ハースライナ４が密接して装着される。ハースライナ４の内部には、蒸着材料Ｍが充填される。本実施形態において、蒸着材料Ｍは、アルミニウム（Ａｌ）である。蒸着材料Ｍは、電子銃５から照射された電子ビームＢによって、加熱され、融解し、蒸着される。

電子銃５は、例えば隔壁７を介してハース３の側方に配置される。電子銃５は、本実施形態において、トランスバース式の電子銃で構成される。電子銃５は、カソード５１とアノード５２と、これらの間の電子ビーム発生空間５３から構成される。電子銃５から照射された電子ビームＢは、偏向コイル６によって軌道を曲げられ、ハースライナ４内部の蒸着材料Ｍに上方から照射される。

なお、電子銃５の配置は上記に限られず、ハース３の下方に配置することも可能である。また、偏向コイル６の配置についても、電子ビームＢの軌道を、電子銃５から蒸着材料Ｍに照射されるように調節できれば特に限られず、複数配置することも可能である。

ハース３は、例えば略円錐台形状に形成され、上面３２の中央に凹部３１が形成されている。凹部３１は、略円形の底面を有し、側面は開口から底面に向かってテーバ状の曲面で構成されている。また、ハース３の上面３２は、周縁から凹部３１の開口に向かうテーパ面で構成することもできる。凹部３１は、本実施形態において、ハースライナ４を介して蒸着材料Ｍが充填される。

ハース３を構成する材料は、例えば銅（Ｃｕ）が採用され、図２に示すように接地されている。さらに、ハース３は、図示しない冷却機構を有している。冷却機構は、電子ビームＢの熱によるハース３の破損を抑制するために設けられる。また、ハースライナ４が何らかの理由によって破損した際に、ハース３自体が電子ビームＢによって加熱され、融解して蒸着材料Ｍを汚染すること等を防ぐためにも有効である。冷却機構は、典型的には、冷却水を循環させることでハース３を冷却する熱交換器が採用されるが、これに限られない。

ハースライナ４は、内部に蒸着材料Ｍを充填することが可能な、開口を有する容器である。本実施形態において、ハースライナ４は、ハース３の凹部３１に密接して装着することが可能に構成されている。すなわち、凹部３１と同様に、略円形の底部と、開口から底面に向かってテーパ状の曲面で構成されている。本実施形態において、ハース３の凹部３１の開口と、凹部３に装着した状態のハースライナ４の開口とは、ほぼ同じ高さになるよう構成されている。また、ハースライナ４の底部の径は約４０ｍｍであり、開口の径は約５０ｍｍであり、容積は約２０ｍｍ^３である。また、厚みは約３ｍｍである。

なお、ハースライナ４の形状は、凹部３１に装着可能であれば上記に限らない。例えば、凹部３１に密接せずとも、熱変形、公差等を考慮して若干の隙間があってもよい。さらに、ハースライナ４の開口の高さに関しても、凹部３１の開口より若干高くても、低くても使用することができる。

ハースライナ４は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）系セラミックスで形成されている。窒化ケイ素系セラミックスは、高温化でも高い耐久性を有する絶縁性材料である。また、比較的活性の高い金属であるＡｌとの反応性も低いという特性を有する。本実施形態のハースライナ４は、窒化ケイ素系セラミックスの一種であるサイアロンで形成されている。サイアロンは、Ｓｉ_３Ｎ_４にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等を加えて形成される。サイアロンは、上述の窒化ケイ素系セラミックスの特性に加えて、Ｓｉ_３Ｎ_４と比較しても高い耐熱性、硬度、耐磨耗性を有する。さらに、Ｓｉ_３Ｎ_４よりも低コストで形成することが可能である。

ここで、電子ビーム加熱用に用いられるハースライナは、一般的には導電性材料で形成されていた。これは、蒸着材料に電子ビームを照射することによって、チャージアップ現象等が起こらないようにするためである。チャージアップ現象とは、電子ビームの照射によって蒸着材料が帯電し、電子ビームが蒸着材料へ照射されにくくなる現象である。このことによって、電子ビームによる加熱が進まず、蒸着材料が融解しないという問題が生じる。このため、従来は、導電体のハースライナを用い、導電体のハースを接地し、蒸着材料からハースライナを介してハースへと至る電子の流れを発生させ、この現象を防いでいた。

一方、本実施形態において、上述のようにハース３は導電体のＣｕで形成され、接地されているが、ハースライナ４は、絶縁性材料であるサイアロンで形成されている。しかしながら、チャージアップ現象等は起こらず、電子ビーム照射によるＡｌの加熱を問題なく行うことができる。

図３は、本実施形態に係るハース３とハースライナ４を用いて、電子ビーム照射によってＡｌを加熱した様子を示す写真である。図３から、Ａｌが加熱され、融解している様子が示される。このことから、本実施形態に係るハースライナ４についても、電子ビーム照射による加熱及び融解が可能であることが示された。

絶縁性のサイアロンで形成されたハースライナ４を用いても電子ビーム蒸着が可能であることについては、いくつかの理由が考えられる。例えば、蒸着材料Ｍから、ハースライナ４の開口を介して、ハース３の上面３２へ電子が流れたことが考えられる。また、ハースライナ４に、破損等しない程度の電子が流れる微小な通路が形成され、それを介して電子がハース３へ流れることも考えられる。

また、サイアロンは高い耐熱性、硬度を有するため、連続した使用に関しても十分耐えることができる。例えば、発明者らは、本実施形態に係るハースライナ４について、所定のＡｌ蒸着を数十回連続して行った際にも、破損等がないことを見出している。また、蒸着材料の交換等に伴うハース３やハースライナ４の清掃時にも、ハースライナ４の割れや欠けが低減でき、取り扱い性を高めることができる。

さらに、サイアロンを含む窒化ケイ素系セラミックスは熱伝導性が低いことから、蒸着の際に、ハース３が冷却されることによって蒸着材料が冷却されることを抑制できる。このことによって、蒸着材料の温度を保持しやすくなり、成膜レートも安定して維持することが可能となる。また、低い電力でも効率的に蒸着材料の加熱が可能となる。

図４及び図５は、本実施形態に係る実施例及び比較例について、成膜レートが１５Å／ｓとなるよう制御しつつＡｌの蒸着を行った場合の実験結果を示すグラフである。実施例は、ハースライナ４をハース３に装着し、ハースライナ４にＡｌを充填して蒸着を行った。一方、比較例は、ハースライナを用いずに、本実施形態と同じ銅製のハースの凹部に直接Ａｌを充填して蒸着を行った。

図４は、実施例及び比較例について、Ａｌ蒸着中の実際の成膜レートを示したグラフであり、横軸は蒸着開始からの時間、縦軸は実際の成膜レートを示している。比較例では、時間Ｔ１で１５Å／ｓの成膜レートに到達し、時間Ｔ２までこの成膜レートを維持するよう制御されている。実施例では、時間Ｔ３で１５Å／ｓの成膜レートに到達し、時間Ｔ４までこの成膜レートを維持するよう制御されている。図４から、実施例では、Ｔ３〜Ｔ４間で約１５Å／ｓの比較的安定した成膜レートを維持しているのに対し、比較例では、Ｔ１〜Ｔ２間において約１１〜２２Å／ｓの範囲で成膜レートが大きく変動している。このことから、実施例は、比較例よりもより安定した成膜レートを維持できることが示された。なお、Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ３〜Ｔ４間の時間は、ほぼ等しくなるよう、制御されている。

図５は、図４で示すように成膜レートを制御した際の、電子銃が消費する電力の値を示したグラフであり、横軸は蒸着開始からの時間、縦軸は電力を示している。図５から、実施例では、成膜レートが１５Å／ｓに制御されているＴ３〜Ｔ４間で、約1000Ｗを維持しているが、比較例では、Ｔ１〜Ｔ２間において約5000〜5500Ｗの範囲で変動している。すなわち、同じ成膜レートとなるよう制御した際に、サイアロン製のハースライナを用いた実施例では、ハースライナを用いなかった比較例の約５分の１程度の電力で蒸着が可能であることが示された。

この理由として、サイアロンの熱伝導率が低いことが考えられる。ハースは、冷却装置によって蒸着中に冷却されている。そのため、本実施形態に係るハースライナを用いない場合は、ハースに蒸着材料が直接充填されることから、冷却されたハースによって温度が下がりやすい。この蒸着材料の温度を保持するために、大きな電力を投入して蒸着材料を加熱する必要が生じる。さらに、蒸着材料の温度が不安定なため、成膜レートも不安定になりやすい。一方、本実施形態に係るハースライナを用いた場合は、サイアロンの熱伝導率が低いため、ハースによって蒸着材料が冷却されにくく、蒸着材料の温度を保持しやすくなる。その結果、低電力で効率の良い蒸着が可能となり、安定した成膜レートを維持することができる。

なお、図４において、実施例の方が比較例より目標成膜レートに遅れて到達しているが（Ｔ１＜Ｔ３）、このことは図５で示した投入電力によって説明できる。すなわち、上述のように、比較例では蒸着材料の冷却を抑制するため大きな電力を投入して蒸着材料を加熱する必要があるが、実施例ではその必要がなく、初期に投入する電力が少なくて済む。このことから、実施例では蒸発材料の温度が緩やかに上昇し、目標成膜レートへの到達が比較例よりも遅くなった。しかしながら、実施例においても、初期投入電力を制御することによって、目標成膜レートへの到達を制御することが可能である。

以上の結果から、本実施形態に係るハースライナ及びそれを用いた電子ビーム加熱源、電子ビーム蒸着装置について、高い省エネ効果が実証された。また、上述のように、耐久性が高く、取り回し性にも優れている。

さらに、高い成膜レートでの蒸着も期待できる。成膜レートを高めるためには、高い電力で電子ビームを照射し、蒸着材料の温度を高めることが必要である。このため、高温環境下において耐久性が低い材料では成膜レートに限界があり、効率のよい蒸着ができなかった。しかしながら、本実施形態に係るハースライナは、高温環境下における耐久性が高いことから、成膜レートを高めることも可能である。そして、省エネ効果も高いことから、低電力で高レートの、生産性が高い蒸着が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

以上の実施形態では、ハースライナを形成する材料がサイアロンであるとして説明したが、窒化ケイ素系セラミックスであれば特に限られない。例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４でも可能である。また、蒸着材料としてＡｌを用いて説明したが、これに限られず、例えばＮｉ等でも適用可能である。さらに、ハースを形成する材料もＣｕに限られない。

ハースライナ及びハースの形状も特に限られない。例えば、ハースは円柱状でも、角柱状でも、角錐台状でも可能である。また、ハースライナの形状も、ハースに形成された凹部に装着でき、電子ビームの照射により充填された材料に対して所望の加熱効果が得られれば特に限られない。

以上の実施形態では、電子ビームを発生させる電子銃としてトランスバース式の電子銃を用いると説明したが、これに限られず、例えばピアス式の電子銃を用いることも可能である。

また、以上の実施形態では、電子ビーム蒸着装置がいわゆる通過成膜方式の蒸着装置であると説明したが、勿論これに限られない。蒸発源と基板との配置も、所望の蒸着が可能であれば特に限られない。

以上の実施形態で説明した蒸発源（電子ビーム加熱源）は、電子ビーム蒸着に用いられることのみに限られない。例えば、電子ビーム加熱源としてＡｌ等の融解を行うために用いることも可能である。

１・・・電子ビーム蒸着装置
２・・・チャンバ
３・・・ハース
４・・・ハースライナ
５・・・電子銃
６・・・偏向コイル
１０・・・蒸発源（電子ビーム加熱源）
Ｍ・・・蒸着材料（被加熱材料）
Ｗ・・・基板

Claims (4)

1. 電子ビーム加熱源のハースに装着されるハースライナであって、
   被加熱材料を収容することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスで形成される
   ハースライナ。
2. 請求項１に記載のハースライナであって、
   前記窒化ケイ素系セラミックは、サイアロンである
   ハースライナ。
3. 凹部を有するハースと、
   前記凹部に装着され、被加熱材料を収容することが可能であり、窒化ケイ素系セラミックスで形成されるハースライナと、
   前記ハースライナに収容された前記被加熱材料に照射され、前記被加熱材料を加熱するための電子ビームを発生させる電子銃と
   を具備する電子ビーム加熱源。
4. 凹部を有するハースと、蒸着材料を収容することが可能であり、前記凹部に装着され窒化ケイ素系セラミックスで形成されたハースライナと、前記蒸着材料に照射され、前記蒸着材料を加熱するための電子ビームを発生させる電子銃とを有する蒸発源と、
   前記蒸発源を収容するチャンバと
   を具備する電子ビーム蒸着装置。

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