JP2015515544A - 真空蒸着ソース加熱システムと真空蒸着システム - Google Patents

Abstract

【課題】真空蒸着ソースのためのソース加熱システムと、柔軟性のあるデザインを可能にしつつも非常に高い温度においても十分な電力接触を有する、真空蒸着システムとを提供することにある。【解決手段】本発明は真空蒸着ソース加熱システムと、そのような加熱システムを持つ真空蒸着システムとに関する。真空蒸着ソース加熱システムは、真空蒸着システムに搭載可能であって、蒸着ソースを加熱するよう設計された加熱素子（１）と、加熱素子（１）に電力を供給するために加熱素子に電気的に接続された電力供給素子（２）と、電力供給素子（２）を加熱素子に電気的に接続する接続部材（３）と、を含み、電力供給素子は弾性的に接続部材に機械的に搭載され、接続部材は弾性炭素材料でできたばね素子（３１）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、真空蒸着ソース加熱システムと、そのような加熱システムを持つ真空蒸着システムとに関する。

真空蒸着はソース材料の加熱に依存しており、ソース材料は特定の蒸発温度で蒸発し、ソースと共に真空内に配置される基板の上で凝結する。ソース材料はフィラメントで加熱される坩堝（crucible）の中に入れてもよいし、フィラメント自体がソース材料を入れる容器（receptacle）として成形されてもよい。フィラメントは通常は耐熱性の導電材料から作られ、電流源に接続される。ソース材料を加熱するためにはその他のデザインが採用されてもよい。しかしながら全てのケースで、電流を電力源素子（power source element）から供給される加熱素子が存在しており、電力源素子は導線、あるいはその他の硬質のリード線（rigid lead）であってもよい。

加熱素子と電力源素子の間の硬質の接触部分（rigid contact）に通常起きる問題は、それらの間の温度差に由来する。通常、電力源素子は、加熱素子に対する接触点、あるいはその近傍に至るまで絶縁部材で覆われている。しかしながら、接触部分自体が加熱素子よりも冷たかった場合、蒸発したソース材料も接触部分か電力源素子で凝結し、短絡を発生させる可能性がある。一方、接触部分が高温に保たれた場合、接触部分は熱膨張によって信頼性が低下し、アーチング（arching）に至る可能性がある。

このような問題の一つの解決策は、上述したように電力源素子を加熱素子への接触部分に至るまで、絶縁部材（isolating member）で保護し、同時に電力源素子が露出した接触部分自身を加熱することである。温度は７００℃から１５００℃までのいずれであってもよく、またそれ以上であってもよい。さらに、熱膨張によるいかなる接触の喪失をも避けるため、電力源素子と加熱素子の間の接触は、接触部分に圧力をかけるばねによって保持されており、それによりいかなる温度膨張効果をも補償している。

このようなデザインの一つは特許文献１に記載されている。ここに記載されたシステムは、金属製のパワーストラップを通じて電流を供給されるヒーターを含んでいる。パワーストラップは接触ワッシャーと導電ワッシャーに挟まれている。パワーストラップと２つのワッシャーはともに、圧力ピンによってヒーターに押し付けられる。十分な（reliable）接触圧を加えるために、圧力ピンは、熱分解性窒化ホウ素（pyrolythic boron nitride）製の板ばね（flat spring）によって装着されている。

国際公開第２０１０／０１９２１８号

特許文献１に開示の構成では、窒化ホウ素のばねは、ヒーターの接触部分に対してパワーストラップを押し付けるための、非直接的な圧力素子としてのみ使用することができる。窒化ホウ素自身は導電材料でないので、熱分解性窒化ホウ素でできたばね自体は、電流を通すためには使用できない。このことは、加熱システムの設計に対する柔軟性の低下をもたらす。

タングステンのばねを有し、電力線とヒーターの間のばねに支持される接触部分を持つ、異なったデザインを考えることは可能である。しかしながらタングステンは、圧力下で一定の温度の上まで加熱されると、クリープを起こす（creep）という問題がある。従って、高温下では、タングステンばねは、急速にその弾力性（springiness）と融通性（elasticity）を失う。この場合、ばねは電力線とヒーターの間で十分な接触を維持することはできなくなる。

本発明の目的は、真空蒸着ソースのためのソース加熱システムと、柔軟性のあるデザインを可能にしつつも非常に高い温度においても十分な（reliable）電力接触を有する、真空蒸着システムとを提供することにある。

本発明によると、この目的は、請求項１の特徴を有する真空蒸着ソース加熱システムと、請求項１１の特徴を有する真空蒸着システムによって実現される。本発明の好適な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明は、電力源（power supply）と真空蒸着ソースの加熱素子との間の弾性接続を担うばね素子を、弾性炭素材料より作る、という思想に基づいている。弾性炭素材料は、好適には、弾性黒鉛材料の形を取る。接続部材は多数の要素から構成されることができ、また電力供給素子（power supply element）を加熱素子に対し電気的に接続する役割を担う存在である。ばね素子は接続部材の一部であり、接続部材の電力供給素子との機械的（mechanical）接続が弾性的になることを可能にする役割を担う。炭素繊維などの炭素材料から作られたばね素子は、高温においてさえも電気的接触の圧力を保たせる。このようにして、十分な電気的接続が形成される。ばね素子が曝される温度は７００℃から１５００℃、またはその上にまで広がってもよい。

真空蒸着システムは、電力源と加熱素子の間のこのような弾性接続部分を少なくとも１つ備えた真空蒸着ソース加熱システムを含む。しかしながら好適には、このような接続部分は加熱素子に対して２つ、電力源のそれぞれの端子に１つずつ形成される。好適には、真空蒸着システム内には２つ以上のヒーターが設けられ、この場合には１または全てのヒーターの１または全ての電力端子の各々は、上で説明し、また以下でも説明するばね素子を含んだ弾性接続部分によって、対応する電力供給素子に接触させてもよい。

加熱素子は坩堝、坩堝を固定する手段、電力供給素子から坩堝に電力を送る導線を含んでいてもよい。接続部材はばね素子に加えて、ねじ、締め具（clamp）、留め具（fastener）などの、電力供給素子に機械的に係合し、加熱素子への電気的接続を形成するための固定素子を含んでもよい。接続部材は加熱素子の容器（holder）自体を含んでもよい。

接続部材のばね素子は、棒（rod）あるいは板の形状を有することができる。ばね素子は、少なくとも２０、３０、４０、５０ｍｍまたはそれ以上の長さの程度（length dimension）を有することができる。好適には２０ｍｍと１５０ｍｍの間、有利には４０ｍｍと１２０ｍｍの間の長さの程度を持つ。ばね素子は、４０ｍｍから１２０ｍｍの長さに対して少なくとも１ｍｍから３ｍｍ撓むような弾性を有するように作成することができる。

ばね素子は弾性力を働かせるために曲げてもよい。例えば、ばね素子が棒または矩形板の形状を有しているときは、長さ方向（elongated direction）に折り曲げることができる。これに代えて、あるいはこれに加えて、ばね素子は弾性力を働かせるために圧縮してもよい。後者の場合、圧縮は最小の寸法（smallest dimension）に平行に、即ちばね素子の厚さに平行に発生させてもよい。このような圧縮を起こさせるために、ばね素子は例えば泡状炭素（carbon foam）、または炭素フェルト（carbon felt）で作ってもよい。

好適な実施形態では、ばね素子は炭素繊維／ＣＦＣ（炭素繊維強化炭素）および／または熱分解炭素で作られる。このような熱分解性炭素は、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）などの蒸着工程で作ることができる。

好適な実施形態によるばね素子は、泡状炭素または炭素フェルトから作られる。このことは、弾性力が上述のようなばね素子の圧縮ではなく、ばね素子が曲がることによって働く場合においても同様としてよい。

先の請求項（previous claims）の一つによる真空蒸着ソース加熱システムは、ばね素子が少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％、の炭素を含むこと、あるいは実質上完全に炭素でできているということによって特徴づけられる。ここでいう「実質上（substantially）」という言葉は、ばね素子が完全に炭素から出来ており、あらゆる意図しない不純物、または製造工程に由来する不純物をも除外していることを意味する。

ある好適な実施形態においては、電力供給素子はばね素子を介して加熱素子に電気的に接続される。このような実施形態においては、電流はばね部材を通ってヒーターに到達する。しかしながら別の実施形態においては、電流はばね部材を通らなくてもよい。

接続部材を使って加熱素子に電気的に接続される電力供給素子は、電力源（power source）から加熱素子へ電力を供給するよう設計される。電力供給素子は、ワイヤー、リボン（ribbon）、ストリップ、ストラップ、棒の形状、あるいはその他の適切な形状をした導線とすることができる。さらに電力供給素子は、柔軟であっても硬質であっても、またはその組み合わせであってもよい。つまり、柔軟な部分と硬質な部分を備えていてもよい。

好適には、電力供給素子は延長された（elongated）形状をもっている。好適な実施形態では電力供給素子は、平面、矩形、正方形、楕円、あるいは円形の断面をもつロッド（rod）形状を有している。電力供給素子は、好適には炭素、特に黒鉛の形をとるものよりできている。

特に信頼できる（reliable）実施形態では、電力供給素子は、電気絶縁材料の絶縁カバーで少なくとも部分的に覆われている。絶縁カバーは、好適な実施形態では酸化アルミニウム、例えば少なくとも３．５０ｇ／ｃｍ３またはそれ以上の密度を持つ稠密な酸化アルミニウムよりなる。特に、接続素子を使って加熱素子に機械的に接続されるか、接続素子自体に機械的に接続される電力供給素子の部分は、電力供給素子の残りの部分が絶縁カバーに覆われている一方で、好適には露出させることができる。電力供給素子自身は、電力源への電気的な接続を形成する電力供給部材に接続されてもよいし、当該電力供給部材の一部であってもよい。

以下、本発明は例示用の実施形態に基づく図面を参照して説明される。

好適な一実施形態による接続部材を用いた、加熱素子と電力供給素子の間の接続部分の分解図である。 他の好適な実施形態による接続部材を用いた、加熱素子と電力供給素子の間の接続部分の分解図である。

図１は、加熱素子１と電力供給素子２との間の接続部分の分解図である。加熱素子１がシリンダーの形状を有していることが示されており、そのシリンダーにはソース材料を満たした坩堝を加熱するための、あるいはソース材料を直接加熱するための様々な部品が配置されている。

電力供給素子２は加熱素子１を稼働させるための電流を運ぶ。加熱素子１と電力供給素子２の間の機械的接続だけでなく電気的接続も、それらの間に置かれる接続部材３によってなされる。別の実施形態では、接続部材３は部分的に、電力供給素子２の加熱素子１から見て遠い方の側に配置されてもよい。例えば電力供給素子２は、接続部材３によって部分的にあるいは完全に囲まれても、あるいは包まれてもよい。

図１の接続部材３は、以下に説明するように３つの部分を含む。接続部材３の中央部分は、加熱素子１と電力供給素子２との間の接続部分における機械的弾性（mechanic elasticity）を担う、弾性炭素材料でできたばね素子３１である。さらに、接続部材３はばね素子３１のための固定素子３２と、電力供給素子２への取り付けのためのアダプター３３を含む。固定素子３２はブラケットの形状を持っており、平面状のばね素子３１の隔たった両端部を支持し、ばね素子３１がこれらの隔たった両端部の間の中間領域で曲がるのを可能にする。固定素子３２自身は、加熱素子１に取り付けられた導電ワッシャーに固定される。

アダプター３３はばね素子３１の折り曲げ領域に取り付けられ、電力供給素子２を支える。アダプター３３は、電力供給素子２の圧力をばね素子３１上により均等に分散させるために設けられる。電力供給素子２自身は棒の形状を持ち、硬質である。電力供給素子２は先端部を除いて絶縁カバー２１で覆われており、先端部はアダプター３３との接触の形成を可能にするために露出している。絶縁カバー２１は、熱に耐えて絶縁性を維持させるために、酸化アルミニウムで作られてもよい。

図１に図示の設定では、電力供給素子２を通る電流は、導電ワッシャー４に届いて最終的に加熱素子１に到達する前に、引き続いてアダプター３３も通り、ばね素子３１を通り、ブラケット形状の固定素子３２を通る。電流経路内に置かれる代わりに、ばね素子３１は加熱素子１から見た、電力供給素子２の反対側（遠い側）に置いてもよい。この場合、ばね素子３１は電力供給素子２を押し、そこからの電流を伝えない。

図２は、加熱素子１と電力供給素子２との間の電気的・機械的な接続を形成するための接続部材３の異なる実施形態の分解図である。ここではばね素子３１は、短いシリンダーまたは錠剤（pill）の形状を持っている。この形状で圧縮可能であるために、ばね素子３１は泡状炭素または炭素フェルトで作ることができる。従って、この実施形態でのばね素子３１の弾力性と融通性は、その圧縮可能性に由来する。

本実施形態における固定素子３２とアダプター３３は、ばね素子３１を包むピルボックス（pill box）の形状になっている。しかしばね素子３１は、アダプター３３が固定素子３２に接触する前に十分な圧縮長さ（compression length）を持つよう、その縦軸に沿って十分高さを有する。図１による実施形態と同様に、ここでも電力供給素子２からの加熱素子１に流れる電流は、ばね素子３１を通って流れる。

１ 加熱素子、２ 電力供給素子、２１ 絶縁カバー、３ 接続部材、３１ ばね素子、３２ 固定素子（ブラケット）、３３ アダプター、４ 導電ワッシャー。

Claims (11)

1. 真空蒸着システムに搭載可能な真空蒸着ソース加熱システムであって、
   蒸着ソースを加熱するよう設計された加熱素子（１）と、
   前記加熱素子（１）に電力を供給するために前記加熱素子に電気的に接続された電力供給素子（２）と、
   前記電力供給素子（２）を前記加熱素子に電気的に接続する接続部材（３）と、
   を含み、
   前記電力供給素子は弾性的に前記接続部材に機械的に搭載され、
   前記接続部材（３）は弾性炭素材料でできたばね素子（３１）を含む、
   真空蒸着ソース加熱システム。
2. 前記ばね素子が炭素繊維／ＣＦＣ（炭素繊維強化炭素）および／または熱分解性炭素で形成されていることを特徴とする、
   請求項１に記載の真空蒸着ソース加熱システム。
3. 前記ばね素子が泡状炭素または炭素フェルトで形成されていることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の真空蒸着ソース加熱システム。
4. 前記ばね素子が少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％の炭素を含み、または、実質上完全に炭素から形成されていることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の真空蒸着ソース加熱システム。
5. 前記電力供給素子（２）が前記ばね素子を介して前記加熱素子（１）に電気的に接続されていることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれかに記載の真空蒸着ソース加熱システム。
6. 前記電力供給素子（２）が延長された形状を有していることを特徴とする、
   請求項１〜５のいずれかに記載の真空蒸着ソース加熱システム。
7. 前記電力供給素子（２）が平面、矩形、正方形、楕円、あるいは円形の断面をもつロッド形状を有することを特徴とする、
   請求項６に記載の真空蒸着ソース加熱システム。
8. 前記電力供給素子（２）が炭素で形成されていることを特徴とする、
   請求項１〜７のいずれかに記載の真空蒸着ソース加熱システム。
9. 前記電力供給素子（２）が電気絶縁材料の絶縁カバー（２１）で少なくとも部分的に覆われていることを特徴とする、
   請求項１〜８のいずれかに記載の真空蒸着ソース加熱システム。
10. 前記絶縁カバー（２１）が酸化アルミニウムで形成されていることを特徴とする、
    請求項１〜９のいずれかに記載の真空蒸着ソース加熱システム。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の真空蒸着ソース加熱システムを含む、
    真空蒸着システム。

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