JP2021085080A - 電子ビーム蒸発源、真空蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビーム加熱式の真空蒸着装置においては、広範囲の方向に飛散する高エネルギーの反射電子を高い効率で捕捉することができる電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置が求められていた。【解決手段】蒸着材料と、前記蒸着材料に電子ビームを照射する電子ビーム源と、前記蒸着材料で反射される高エネルギーの反射電子を、第１の収束方向に収束させる第１の反射電子収束用磁気回路と、前記高エネルギーの反射電子を、前記第１の収束方向と交差する第２の収束方向に収束させる第２の反射電子収束用磁気回路と、前記第１の反射電子収束用磁気回路および前記第２の反射電子収束用磁気回路により収束された前記高エネルギーの反射電子を捕捉する反射電子捕捉電極と、が真空容器の内部に配置されている、ことを特徴とする電子ビーム蒸発源である。【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム蒸発源、及びそれを備えた真空蒸着装置に関する。すなわち、電子ビーム加熱により蒸着材料を蒸発させる装置、及びそれを備えた真空蒸着装置に関する。
特に、蒸着材料に電子ビームを照射した際に生じる反射電子を捕捉する機能を有する電子ビーム蒸発源、及びそれを備えた真空蒸着装置に関する。

近年、デジタルカメラ等の光学製品の高性能化に伴い、光学製品に組み込まれる光学部品の高機能化及び高精度化が要求されてきている。光学部品としては、例えば、基体に光学薄膜が形成された反射防止レンズやバンドパスフィルタなどがある。これらの光学部品の光学薄膜中にパーティクルが混入すると、光学部品としての性能が大幅に劣化するため、パーティクルの低減が重要な課題となっている。特に、高機能化のために多層化された光学薄膜になるほど、微小なパーティクルによる欠陥でも性能に大きな影響を及ぼすため、パーティクル低減に対する要求が高くなる。

こうした光学部品用の光学薄膜は、一般的に真空蒸着法などにより形成される。真空蒸着法は、薄膜を効率良く形成する方法として幅広い分野で用いられている。薄膜を形成する材料（蒸着材料、蒸発材料と呼ばれる）を蒸発させるための加熱方法として、電子ビーム照射、ヒータ抵抗加熱、電磁誘導加熱、イオンビーム照射、等が用いられる。電子ビーム照射による加熱は、高融点金属や酸化物等の多くの材料に適用され、蒸着材料を直接加熱できるので、坩堝に付着した他の蒸着材料等によるコンタミネーションが少ないという利点がある。このような理由から、電子ビーム加熱方式は、複数の蒸着材料を一つの真空蒸着装置内に収容して、これらの蒸着材料からなる積層膜を形成する場合等にも用いられる。

図６は、従来から知られた電子ビーム加熱型の真空蒸着装置の模式図である。真空蒸着装置は、排気系（不図示）が接続された真空容器５１０と、基体部５２０と、蒸発源５３０と、反射電子偏向捕捉部５４０とを備える。
基体部５２０は、蒸着膜を被覆する対象物である基体５２１を保持する基体保持部５２２と、基体５２１を加熱する基体加熱手段５２３と、膜厚モニタ手段５２４とで構成される。

蒸発源５３０は、蒸着材料５３１が収納された坩堝５３２と、坩堝５３２を設置するハース５３３と、熱電子を発生するフィラメント５３５と、発生した熱電子を加速するアノード５３６とを有する。さらに、蒸発源５３０は、加速された熱電子よりなる電子ビーム５３４の軌道を偏向し蒸着材料５３１に入射せしめる電子ビーム偏向用磁気回路５３７を備える。電子ビーム偏向用磁気回路５３７は、永久磁石や電磁石やポールピースで構成される。電子ビーム偏向用磁気回路５３７により生じる磁場の作用により、進行方向を例えば１８０°から２７０°に偏向された電子ビーム５３４は、蒸着材料５３１の表面に照射され、蒸着材料５３１を加熱・蒸発させる。蒸発した蒸着材料５３１は、基体保持部５２２に保持された基体５２１の表面に到達して堆積し、蒸着材料５３１からなる薄膜が形成される。

上記のように電子ビーム５３４が蒸着材料５３１に入射した際に、蒸着材料５３１の表面において、電子ビーム５３４と同等の高い運動エネルギーをもつ反射電子５３８が反射される。反射電子の発生量は、投入パワーや材料特性に依存する。反射電子が基体に到達すると、基体上に形成される蒸着膜の膜質を低下させる。

これを抑制するため、蒸着に支障のない範囲で反射電子偏向用磁気回路５４１を設置して基体５２１への反射電子５３８の入射を一定程度抑制したり、反射電子捕捉電極５４２を設置して反射電子５３８の一部を捕捉する対策がとられていた。

例えば、特許文献１には、基体に反射電子が到達するのを防ぐための反射電子トラップを備えた真空蒸着装置が開示されている。

特開２０１０−１０６２８９号公報

電子ビーム加熱により蒸発した蒸着材料は、その全てが基体５２１に到達して所望の蒸着膜になるわけではなく、真空容器５１０内の基体５２１以外の各所にも飛翔して付着する。こうした付着物が剥離して微小パーティクルとなって舞い上がると、基体５２１の表面に成膜中の薄膜に混入して、薄膜の特性の劣化を招く可能性がある。また、付着物が剥離して坩堝５３２内に落下して蒸着材料５３１に混入して再蒸発すると、形成される蒸着膜にコンタミネーションが発生する可能性がある。

こうした付着物を剥離させる原因の一つとして、高エネルギーな反射電子の衝突が挙げられる。電子ビームがターゲットである蒸着材料に衝突した際に生ずる高運動エネルギーの反射電子は、飛翔方向がさまざまであり、真空容器内の蒸着材料が付着した箇所にも衝突する。

真空容器内の蒸着材料が付着した箇所に反射電子が衝突すると、その衝撃力により蒸着材料が剥離するばかりではなく、反射電子が照射された箇所の温度が上昇し、熱膨張により蒸着材料が剥離する可能性もある。また、反射電子が衝突した箇所にチャージアップが生じ、静電気力やチャージアップに起因した放電の衝撃により蒸着材料が剥離する可能性もある。
また、真空容器内の反射電子が衝突した箇所にチャージアップが生じると、加熱用の電子ビームの軌道に影響を与え、加熱動作を不安定化させる懸念もある。

特許文献１に記載された反射電子トラップは、反射電子が基体に到達するのを防止する効果は一定程度はあったが、基体以外の箇所への反射電子の到達を有効に防止できるものではなかった。このため、特許文献１の方法では、上述した蒸着材料の剥離や、チャージアップの発生による不具合を抑制することは、困難であった。

そこで、広範囲の方向に飛散する高エネルギーの反射電子を、高い効率で捕捉することができる電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置が求められていた。

本発明は、蒸着材料と、前記蒸着材料に電子ビームを照射する電子ビーム源と、前記蒸着材料で反射される高エネルギーの反射電子を、第１の収束方向に収束させる第１の反射電子収束用磁気回路と、前記高エネルギーの反射電子を、前記第１の収束方向と交差する第２の収束方向に収束させる第２の反射電子収束用磁気回路と、前記第１の反射電子収束用磁気回路および前記第２の反射電子収束用磁気回路により収束された前記高エネルギーの反射電子を捕捉する反射電子捕捉電極と、が真空容器の内部に配置されている、ことを特徴とする電子ビーム蒸発源である。

本発明によれば、広範囲の方向に飛散する高エネルギーの反射電子を、高い効率で捕捉することができる電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置を提供することができる。

実施形態１に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置の模式図。 実施形態２に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置の模式図。 実施形態３に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置の模式図。 実施形態４に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置の模式図。 実施形態２に係る電子ビーム蒸発源の反射電子軌道のシミュレーション結果を示す図。 従来の蒸着装置の模式図。

図面を参照して、本発明の実施形態である電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた蒸着装置について説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた真空蒸着装置を示す模式図である。本実施形態の真空蒸着装置は、排気装置（不図示）が接続された真空容器１１０と、基体部１２０と、蒸発源１３０と、反射電子収束捕捉部１４０とを備える。

基体部１２０は、蒸着膜を被覆する対象物である基体１２１を交換可能に保持し、回転させる基体保持部１２２と、基体加熱手段１２３と、膜厚モニタ手段１２４とで構成される。基体保持部１２２は、例えばシンバルのような略円形状の部材であり、複数の基体１２１を保持することが可能に構成される。基体保持部１２２は、中心軸周りに公転させる図示しない駆動部を有する。これにより、複数の基体１２１上に均一性の高い薄膜を形成することができる。膜厚モニタ手段１２４は、例えば光学干渉や水晶振動子などを利用した方式が用いられる。

蒸発源１３０は、蒸着材料１３１が収納された坩堝１３２と、坩堝１３２を設置するハース１３３と、熱電子を発生するフィラメント１３５と、発生した熱電子を加速するアノード１３６とを有する。フィラメント１３５とアノード１３６を合わせて電子ビーム源と呼ぶこともできる。さらに、蒸発源１３０は、加速された熱電子よりなる電子ビーム１３４の軌道を偏向し、蒸着材料１３１に入射せしめる電子ビーム偏向用磁気回路１３７を備える。電子ビーム偏向用磁気回路１３７は、永久磁石や電磁石や磁性体で構成される。

ハース１３３は、例えば略円盤状に形成され、周方向に沿って３〜２０個の坩堝１３２が配置される。各坩堝１３２は凹状に形成され、内部に蒸着材料１３１が収容されているが、坩堝毎に異なる蒸着材料を収容してもよい。ハース１３３は、略円盤状の回転軸まわりに回転する図示しない駆動機構を有し、所定位置で停止可能に構成される。これにより、ハース１３３は電子ビーム１３４の照射による加熱が可能な位置に所望の坩堝１３２を停止させ、蒸発させる蒸着材料１３１を変化させることができる。

電子ビーム偏向用磁気回路１３７により生じる磁場の作用により、進行方向を１８０°から２７０°偏向された電子ビーム１３４は、蒸着材料１３１に照射され、蒸着材料１３１を加熱して蒸発させる。蒸発した蒸着材料１３１は、基体保持部１２２に保持された基体１２１の表面に到達して堆積し、蒸着材料１３１からなる薄膜が形成される。

上記のように電子ビーム１３４が蒸着材料１３１を照射した際に、蒸着材料１３１の表面において、加速エネルギーや蒸着材料特性に依存して、電子ビーム１３４と同等の高い運動エネルギー（高エネルギー）をもつ反射電子１３８が広範囲の角度に放出される。

反射電子収束捕捉部１４０は、反射電子収束用磁気回路１４１ａ及び反射電子収束用磁気回路１４１ｂと、反射電子捕捉電極１４２とを備える。反射電子収束用磁気回路１４１ａ及び反射電子収束用磁気回路１４１ｂは、例えば直方体状の一対の永久磁石と磁性体とで構成され、図１の紙面に垂直な方向の磁界を発生する。永久磁石としては、例えば、フェライト磁石、ネオジム磁石、アルニコ磁石等を適宜適用することができる。磁性体の材質は軟磁性材料であり通常は鉄を含む材料を用いる。

反射電子収束用磁気回路１４１ａと反射電子収束用磁気回路１４１ｂを異なる角度に配置することにより、互いに収束方向が交差する収束磁界を形成することができる。すなわち、第１の収束方向に収束させる第１の反射電子収束用磁気回路と、第２の収束方向に収束させる第２の反射電子収束用磁気回路を設け、第１の収束方向と第２の収束方向を交差させる。これにより、３次元的に広範囲の方向に飛散しようとする反射電子を、狭い範囲（局所）に収束させることが容易になる。

一つの態様としては、２つの反射電子収束用磁気回路の収束方向が直交するように収束方向を交差させる。特に好ましい態様としては、一方の反射電子収束用磁気回路の収束方向を鉛直方向とし、他方の反射電子収束用磁気回路の収束方向を水平方向にする。

本実施形態では、反射電子収束用磁気回路１４１ａは反射電子を鉛直方向に収束できる位置および向きに、反射電子収束用磁気回路１４１ｂが反射電子を水平方向に収束できる位置および向きに、それぞれ設置されている。それぞれの磁気回路の収束位置は、１点に一致させるのが望ましいが、反射電子捕捉電極１４２で捕捉できる範囲内に収束できれば、必ずしも厳密に一致させなくともよい。

こうして、真空容器１１０内の広範囲に飛散しようとする反射電子１３８は、反射電子収束用磁気回路１４１ａ及び反射電子収束用磁気回路１４１ｂの作用により局所に収束される。反射電子１３８が収束される局所には、反射電子捕捉電極１４２が設置されている。

本実施形態によれば、互いに収束方向が交差する収束磁界を形成することにより、３次元的に見て反射電子の収束性が向上するので、従来に比べ捕捉効率を飛躍的に向上することが可能になる。例えば、図６に示した従来の装置では２次電子の捕捉率は３０％程度であったが、本実施形態では２次電子の捕捉率を例えば９５％に向上させることができる。

このようにして、反射電子１３８の大部分を捕捉できるので、反射電子１３８の衝突に起因して生じる微小パーティクルは激減し、微小パーティクルの混入により発生する薄膜の特性劣化を抑制することができる。また、反射電子１３８の衝突により蒸着装置内の各所に生じた不測のチャージアップに起因する放電破壊や電子ビーム軌道の不安定化による弊害を、大幅に低減することができる。

［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた真空蒸着装置を示す模式図である。本実施形態の真空蒸着装置は、排気装置（不図示）が接続された真空容器２１０と、基体部２２０と、蒸発源２３０と、反射電子収束捕捉部２４０とを備える。図２においては、実施形態１と共通する要素については、図１で付した参照番号に１００を加えて示している。例えば、図１では真空容器の参照番号は１１０としたが、実施形態２を説明するための図２では真空容器の参照番号は２１０としている。他の要素についても、同様の規則で参照番号を付している。

本実施形態は、反射電子収束用磁気回路および反射電子捕捉電極を配置する向きと位置が、実施形態１とは異なる。実施形態１では、図１に示したように、反射電子捕捉電極１４２の外面のうち、電子ビーム１３４で加熱される蒸着材料１３１から見える位置にある面に反射電子を誘導して捕捉した。

これに対して、本実施形態では、図２に示すように、反射電子捕捉電極２４２の外面のうち、電子ビーム２３４で加熱される蒸着材料２３１から見えない位置にある面に反射電子を誘導する。電子ビームで加熱される蒸着材料から見える位置にある面には、蒸着処理を継続するうちに蒸着材料が付着する可能性がある。蒸着材料が絶縁性材料である場合には、付着した蒸着材料がチャージアップしてしまう可能性がある。また、絶縁性の材料ではない場合であっても、反射電子捕捉電極に付着した蒸着材料に反射電子が衝突すると、パーティクルを発生させる等の弊害を生じる可能性もある。

本実施形態では、反射電子捕捉電極２４２の外面のうち、電子ビーム２３４で加熱される蒸着材料２３１から見えない位置にある面に反射電子を誘導するように、反射電子収束用磁気回路２４１ａ、反射電子収束用磁気回路２４１ｂを設置する。

本実施形態によれば、実施形態１と同様に反射電子の大部分（例えば９５％）を捕捉できるうえ、実施形態１よりもさらに微小パーティクルの発生を減少させることができる。このため、微小パーティクルの混入により発生する薄膜の特性劣化を、さらに抑制することができる。また、実施形態１と同様に反射電子の衝突により蒸着装置内の各所に生じた不測のチャージアップに起因する放電破壊や電子ビーム軌道の不安定化による弊害を、大幅に低減することができる。さらには、反射電子捕捉電極自身のチャージアップも抑制することができる。

図５に、実施形態２の一例について、反射電子軌道のシミュレーション結果を示す。解析条件については、反射電子収束用磁気回路に用いる磁石の着磁密度は、高弾道用と低弾道用を含む鉛直方向収束用が０．５Ｔ、水平方向収束用が０．４５Ｔとした。反射電子が出射される出射位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、ハースの中心位置（９７，２８，０）と、中心位置からｘ方向またはＺ方向に＋３ｍｍ、−３ｍｍ、＋１０ｍｍ、−１０ｍｍ移動した各位置と、を用いた。出射角は、ｙ軸基準でｘ方向に５°間隔で−３０〜＋３０°の範囲とし、出射する反射電子のエネルギーは６ｋｅＶとした。

図５に示すように、本実施形態によれば、反射電子は広範囲に拡散しようとするが、垂直方向用の反射電子収束用磁気回路、及び水平方向用の反射電子収束用磁気回路により局所に収束され、その殆どが反射電子捕捉電極により捕捉される様子が確認できる。

［実施形態３］
図３は、本発明の実施形態３に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた真空蒸着装置を示す模式図である。本実施形態の真空蒸着装置は、排気装置（不図示）が接続された真空容器３１０と、基体部３２０と、蒸発源３３０と、反射電子収束捕捉部３４０とを備える。図３においては、実施形態２と共通する要素については、図２で付した参照番号に１００を加えて示している。例えば、図２では真空容器の参照番号は２１０としたが、実施形態３を説明するための図３では真空容器の参照番号は３１０としている。他の要素についても、同様の規則で参照番号を付している。

本実施形態は、反射電子収束用磁気回路および反射電子捕捉電極を配置する向きと位置が、実施形態２とは異なる。図２から判るように、実施形態２では、反射電子捕捉電極２４２の外面のうち反射電子を捕捉する面は、当該面からの垂線が基体保持手段２２２と交差する向きに配置されていた。実施形態２のように当該面からの垂線が基体保持手段と交差するような配置だと、チャンバ内で微少量ながらパーティクルが発生して反射電子捕捉電極に衝突した場合に、パーティクルが反跳して基体に堆積した蒸着膜に付着してしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態では、図３に示すように、反射電子捕捉電極３４２の外面のうち反射電子を捕捉する面は、当該面に対する法線が基体保持手段３２２と交差しない向きになるように配置されている。このような構成を採用することにより、実施形態２と同様に反射電子の大部分（例えば９５％）を捕捉できる。さらには、真空チャンバ内に微小パーティクルが発生して反射電子捕捉電極に衝突した場合であっても、それが反跳して基体に堆積した蒸着膜に付着するのを抑制することができる。このため、微小パーティクルの混入により発生する薄膜の特性劣化を、さらに抑制することができる。

［実施形態４］
図４は、本発明の実施形態４に係る電子ビーム蒸発源、およびそれを備えた真空蒸着装置を示す模式図である。本実施形態の真空蒸着装置は、排気装置（不図示）が接続された真空容器４１０と、基体部４２０と、蒸発源４３０と、反射電子収束捕捉部４４０とを備える。図４においては、実施形態３と共通する要素については、図３で付した参照番号に１００を加えて示している。例えば、図３では真空容器の参照番号は３１０としたが、実施形態４を説明するための図４では真空容器の参照番号は４１０としている。他の要素についても、同様の規則で参照番号を付している。

本実施形態は、反射電子捕捉電極の電位が正バイアスに維持されるように反射電子捕捉電極に電圧源を接続していることが実施形態３とは異なる。反射電子捕捉電極４４２は、電気的に接地してもよいが、反射電子の捕捉効率を高めるため、正バイアスを印加するのがさらに望ましいのである。

本実施形態では、反射電子の捕捉効率を、例えば９９％以上に高めることができるので、反射電子の衝突に起因して生じる微小パーティクルは激減し、微小パーティクルの混入により発生する薄膜の特性劣化をさらに抑制することができる。また、反射電子の衝突により蒸着装置内の各所に生じた不測のチャージアップに起因する放電破壊や電子ビーム軌道の不安定化による弊害を、さらに低減することができる。

［他の実施形態］
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
本発明は、光学素子に光学薄膜を形成する真空蒸着装置に好適に適用できるが、それ以外の対象物に蒸着膜を形成する真空蒸着装置に適用しても差し支えない。例えば、半導体素子、表示素子、その他の素子に、導電膜、半導体膜、絶縁膜や、その他の機能性膜を堆積させるための真空蒸着装置に適用しても差し支えない。

１１０・・・真空容器／１２０・・・基体部／１２１・・・基体／１２２・・・基体保持部／１２３・・・基体加熱手段／１２４・・・膜厚モニタ手段／１３０・・・蒸発源／１３１・・・蒸着材料／１３２・・・坩堝／１３３・・・ハース／１３４・・・電子ビーム／１３５・・・フィラメント／１３６・・・アノード／１３７・・・電子ビーム偏向用磁気回路／１３８・・・反射電子／１４０・・・反射電子収束捕捉部／１４１ａ、１４１ｂ・・・反射電子収束用磁気回路／１４２・・・反射電子捕捉電極

Claims (7)

1. 蒸着材料と、
   前記蒸着材料に電子ビームを照射する電子ビーム源と、
   前記蒸着材料で反射される高エネルギーの反射電子を、第１の収束方向に収束させる第１の反射電子収束用磁気回路と、
   前記高エネルギーの反射電子を、前記第１の収束方向と交差する第２の収束方向に収束させる第２の反射電子収束用磁気回路と、
   前記第１の反射電子収束用磁気回路および前記第２の反射電子収束用磁気回路により収束された前記高エネルギーの反射電子を捕捉する反射電子捕捉電極と、が真空容器の内部に配置されている、
   ことを特徴とする電子ビーム蒸発源。
2. 前記第１の収束方向と前記第２の収束方向は直交する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム蒸発源。
3. 前記第１の収束方向は鉛直方向で、前記第２の収束方向は水平方向である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム蒸発源。
4. 前記第１の反射電子収束用磁気回路および前記第２の反射電子収束用磁気回路は、
   前記反射電子捕捉電極の外面のうち、前記蒸着材料から見えない位置にある面に前記反射電子を誘導する、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電子ビーム蒸発源。
5. 前記反射電子捕捉電極は、電気的に接地されているか、または正バイアスが印加されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電子ビーム蒸発源。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電子ビーム蒸発源と、
   前記電子ビーム源から前記電子ビームを照射されて蒸発した蒸着材料を堆積させる基体を交換可能に保持する基体保持部と、を備える、
   ことを特徴とする真空蒸着装置。
7. 前記第１の反射電子収束用磁気回路および前記２の反射電子収束用磁気回路が前記反射電子を誘導する前記反射電子捕捉電極の面からの法線が、前記基体保持部と交差しない、
   ことを特徴とする請求項６に記載の真空蒸着装置。

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