JP2648799B2 - 金属化合物を基板上に反応性蒸着するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、反応ガスより成る雰囲気中、高くとも10^-1
ミリバールの圧力で電子ビームを用いて蒸発るつぼから
少なくとも１種の金属を蒸発させることにより、金属化
合物を基板上に反応性蒸着するための方法に関し、その
際に ａ）金属蒸気を、蒸発器を取囲んでいて、基板に向きあ
って絞り口を有する内室中で発生させ、 ｂ）反応ガスを内室中に導入し、 ｃ）金属蒸気と反応ガスを絞り口を通して基板の方向に
導き、 ｄ）電子ビームを内室中で金属蒸気及び反応ガスとイオ
ン化のために相互作用させ、その際に少なくとも20kVの
加速電圧を選択し、かつ ｅ）内室で形成されたかもしくはこの室中に封入された
負の電荷キヤリアを、絞り口の上方にかつ蒸気流の外側
に設けた、アースに対して正にバイアスをかけた電極装
置により絞り口を通して吸出し、それにより絞り口と電
極の区域で激しいグロー放電を発生させる。

殊に、金属では所謂硬質物質を生成するようなもの、
例えばチタン、ジルコニウム、タンタル、バナジウム及
びハフニウムである。硬質物質とは、これらの金属の少
なくとも１種と窒素（窒化物）、炭素（炭化物）並びに
同時に炭素と窒素（所謂窒化炭素）との化合物が該当す
る。しかしながらこの方法は、例えば酸素と反応して酸
化物に変換される他の金属の反応性蒸発にも好適であ
る。

従来の技術 冒頭に記載した方法は、Bunshah及びRaghuramによる
論文〔“化合物を高速電着するための活性反応性蒸発法
（Activated Reactive Evaporation Process for High
Rate Deposition of Compounds）":“J.Vac.Sci.Techno
l."、第９巻、No.6、1385〜1388頁（1972年11/12月）に
掲載〕から公知である。該方法では、金属を比較的低い
加速電圧（10kV）の電子ビームにより直接真空室中で蒸
発させる。同じく直接蒸気流中に、アースに対して正に
バイアスをかけた、例えば電圧80〜200Vに印加した線材
形電極が存在する。この装置が作動すると、電子ビーム
は金属の蒸発に役立つばかりでなく、電子供与体として
も有用であり、その際に正電極が負の電荷キヤリアを吸
引し、それによりイオン化確率が高まり、かつ直接グロ
ー放電により取り囲まれている。

しかしながらこの公知の方法ないしは装置は実験室規
模での利用を上廻るものではない。それというのも蒸発
速度が大規模工業に望ましい程度には高まらないからで
ある。蒸発速度をビームの流れ、それ故ビーム出力の上
昇により高めるというすべての実験は、反応ガスを導通
させるためのノズルが蒸発区域の直上に開口しているに
もかかわらず、反応が化学量論的に進行しないという点
で失敗している。沈着速度は局所的に４〜9.7μm/分で
あるが、大表面積全体にわたつて分配することはでき
ず、かつ沈着層は反応に関与しない金属成分と著しく含
有していた。

それ故、大規模に工材を硬物層で被覆する際に殆んど
専ら磁界による陰極スパツター法が適用されているが、
その際に沈着速度は約１〜1.5μm/分を上廻らないかあ
るいは少なくとも著しくは上廻らない。

特開昭63−45365号公報（特願昭62−199263号明細
書；西ドイツ国特許公開第3627151号明細書）によれ
ば、絞り口を基本的にフレームの形状で包囲し、それ故
電極の全表面素子が常に同一の電位にある単一電極より
成る電極装置を使用する冒頭に記載した方法が技術水準
に包含される。このような方法はるつぼの長さが比較的
短い場合に優れた結果をもたらすが、放電及び電子ビー
ムの挙動は蒸発るつぼの長さが増すにつれて不安定にな
ることが明らかになつた。

約50cm及びそれ以上の著しい長さの方形の蒸発るつぼ
は広幅シートの蒸発に必要であり、その際にシートの移
動方向は最長のるつぼ軸線に対して横方向である。その
際に最長のるつぼ軸線は、るつぼの開口部で延びている
水平軸線である。すべての場合に、この最長軸線上で、
電子ビームは周規的な偏向の間、蒸発物上を移動する。

前記の方法では作動の際に、比較的強力な放電は不安
定でありかつ特に未制御のままるつぼの長手方向を移動
することが明らかになつた。それ故、ビーム進路の瞬間
的な経過は偏向系の偏向電圧もしくは偏向系の磁界によ
る所定の経過にいつも一致するとは限らない。強い放
電、つまり弧絡により電子ビームは側方にずれて、不安
定な特に制御し得ない蒸発条件が生じる。

発明が解決しようとする問題点 それ故、本発明は冒頭に記載の方法を、蒸発るつぼの
長さが大きい場合でも、安定で再現可能な作動条件が維
持できるように改良するという課題をベースとする。

問題点を解決するための手段 本発明によりこの課題は冒頭に記載の方法において、 ｆ）電子ビームを長方形の蒸発るつぼで公知のように周
期的に最長のるつぼ軸線の方向において蒸発させるべき
金属上を移動させ、かつ ｇ）絞り口の上方に設けた電極装置が最長のるつぼ軸線
に対して平行の少なくとも１列の単一電極より成り、該
電極にそれぞれ各単一電極に付属する電源から、他の単
一電極に左右されずに給電することにより解決される。

本発明による手段を適用する際に、個々の方法パラメ
ータの相互関係はその都度るつぼの縦断面区域において
強制的に保持され、その際にるつぼの縦断面区域は単一
電極により予め決められている。従つて、プラズマ放電
の局所的な経過が電子ビームの経過と異なることはな
く、それ故プラズマ放電が蒸発るつぼの１個所で発生し
ているときに、電子ビームが蒸発るつぼの他の個所に位
置することはあり得ない。電子ビームはプラズマ放電の
重要なエネルギー源であるので、プラズマ放電と電子ビ
ームの一過性の分離はプラズマ放電の強さを短時間低下
させることになり、このことが不安定な作動挙動の原因
となつている。

この課題は本発明による手段によつて排除されかつる
つぼの全長にわたつて著しく安定な作動条件が達成さ
れ、これはるつぼの長さにわたつて、反応ガスとの化学
量論的反応を含めて一定で一様の蒸発速度を保証する。
その際に、電子ビームを各単一電極の区域で一定時間停
滞させると特に有利である。この局所的な停滞は、停滞
位置ではつきりと見える熱い位置、所謂“過熱点（Hot
Sports）”を発生させるには、相応する偏向周波数で十
分であり、この過熱点がこの位置のプラズマ放電を更に
安定化する要素として有用である。

更に、その際に反応ガスを多数の分配管を介して内室
中に導入すると有利であり、分配管は幾何学的に単一電
極と同じように分散配置する。

更に、本発明は真空外室及び蒸発るつぼ中に存在する
蒸発物に電子ビームを発射するための電子銃を具備する
蒸発るつぼを備えた、冒頭に記載した方法を実施する装
置に関し、その際に ａ）蒸発るつぼ上の空間が、電子ビームの入口及び基板
の方向に絞り口を有する内室により取り囲まれており、 ｂ）内室が反応ガスの供給装置を具備し、かつ ｃ）絞り口の後方に、その投影面中には設けられていな
い電極装置が絶縁して固定されており、この装置が大地
に対して正の出力電圧の電源と連結している。

前記課題を解決するために本発明による装置は、 ｄ）電子銃が公知のように長方形の蒸発るつぼで、偏向
系を有し、この偏向系により電子ビームは周期的に最長
のるつぼ軸線（Ａ−Ａ）の方向において、蒸発させるべ
き金属上で可動性であり、 ｅ）絞り口の上方に配置した電極装置が最長のるつぼ軸
線（Ａ−Ａ）に対して平行のかつその両側に対をなして
設けた２列の単一電極より成り、かつ ｆ）各電極対が、その他の単一電極対の電源からは独立
している電源と連結している ことを特徴とする。

本発明の他の有利な実施態様は他の特許請求の範囲か
ら明らかである。

実施例 次に本発明を１実施例につき添付図面により説明す
る。

第１図において、真空室１は吸引接続管片２を介して
ポンプユニツト（図示せず）により排気される。外側の
真空室１中には内室３が設けられており、これは水平の
床４、４つの垂直な側壁５及び水平の上壁６を有する。
床４には蒸発るつぼ７が配置されており、このるつぼ中
には融液状の蒸発物８が装入されており、かつこのるつ
ぼの周りには冷却コイル９が設けられている。左側壁５
には電子ビーム11の入口10が設けられ、ビームは円弧形
の軌跡で蒸発物８の表面上に偏向する。ビームを偏向す
る手段は技術水準である。入口10の外側方には偏向系13
を備えた電子銃12が位置する。この偏向系13を通して電
子ビーム11は所定のかつプログラム制御される偏向パタ
ーンにより蒸発物８の表面上で周期的に偏向する。

上壁６は絞りとして構成され、即ちそれは内室３の全
横断面に比べて小さい断面積を有する絞り口14を有す
る。内室３の下部には、図面に対して垂直に延びており
かつ反応ガスの供給に有用である孔付直状管より成る供
給装置が設けられている。電子ビーム11の作用により生
じた蒸発物８の蒸気及び供給装置15を通して供給された
ガスは絞り口14を通して、絞り口14の上方で定置である
か又は移動する基板16上に導かれる。本例では基板16定
置である。

絞り口14の上方、即ち上壁６と基板16との間には、絞
り口16の投影面外に電極装置17が配置され、これは絶縁
体18により上壁６上に支持されている。絞り口の内縁14
aは方形を構成し、電極装置17の内縁17aも同様である。
内縁14a及び17aは基本的に一列に配置されており、その
際に同列位置から若干ずれていてもかまわない。

内室３は外側の真空室１及び蒸発るつぼ７と同様にア
ースされており、電極装置17は導線束20及び絶縁ブツシ
ング21を介して電源22と連結している。基板16を同様に
アース電位に印加することが可能である場合、第１図に
図示したように、導線23及び絶縁ブツシング24を介して
直流電源25に接続することができる。絞り口14の区域に
おいて電極装置17と内室３との間の電位差により著しく
強いプラズマ放電が生じ、その上方及び側方の限界を点
線26によりおおよそ示すことができる。

例えば、上壁６の上面と電極装置17の上面との間隔は
31mmであり、かつ電極装置17の上面と基板16の下面との
間の間隔は34mmである。

第１図の装置の平面図である第２図では第１図の基本
的な部材だけを図示した。蒸発るつぼ７は長方形の形状
を有し、それ故最長のるつぼ軸線Ａ−Ａは中央の点線で
示す。この軸線Ａ−Ａに沿つて電子ビーム11は偏向系13
により所定の偏向パターンに応じて蒸発物８（金属）上
に案内され、つまり周期的に偏向周波数５〜500Hz、殊
に100〜200Hzで案内される。その際に、偏向は段階的に
斜線を引いた円形により示した数個の停滞位置で一定時
間保持しながら行なう。停滞位置の間隔は同じにすると
有利であるが、停滞時間は同じ長さである必要はない。
例えば、定期的にるつぼの端部区域における停滞時間を
るつぼの中ほど区域における停滞時間より長く選択する
必要があり、それによりるつぼ端部区域における大きな
熱損失並びにるつぼの上方に蒸発する蒸発物がその縁で
は主に１つの方向からだけ蒸気の負荷を受けるという事
実が補償される。

電極装置が最長のるつぼ軸線Ａ−Ａに対して平行のか
つその両側に対をなして配置された２列の単一電極より
成ることは明らかである。

左側列は17−1a〜17−5aで表わし、右側列は17−1b〜
17−5bで表わす。それぞれ軸線Ａ−Ａに対して向い合つ
て配置されている単一電極は対をなし、例えば17−1a/1
7−1bが対である。更に、各単一電極対は導線（詳細に
は図示せず）を介して１つの電源22−１乃至22−５と連
結しており、それらは相互に左右されることなく個々に
一定の電流に調節することができる。簡単にするため
に、第２図で斜線を引いて示した停滞位置は、電子ビー
ムが該当する停滞位置に衝突する際に、その瞬間の衝突
位置と一致するものとする。従つて、衝突位置ａは対の
単一電極17−1a及び17−1bに付属する。これは衝突位置
ａの直近の単一電極対である。衝突位置ｂは対の単一電
極17−2aと17−2bに対応する。一定の電極対に対してこ
のように衝突位置もしくは停滞位置を空間的に配置する
ことにより、この系はるつぼの長手方向において単一系
に区分され、それらの作動パラメータを規定されている
ように制御あるいは調節可能である。その際に、第２図
により全部の単一電極が軸方向に同じ長さ及び等間隔を
有すると特に有利である。しかしこれは無条件ではな
く、それ故各々の電極もしくは電極対の長さをそれぞれ
の停滞位置の異なる距離に適合させることもできる。

更に、第２図から、反応ガスの供給装置が最長のるつ
ぼ軸Ａ−Ａに対して平行のかつその両側に対をなして設
けた２列の分配管より成ることは明らかである。左側列
の分配管は15−1a〜15−5aで表わし、右側列の分配管は
15−1b〜15−5bで表わす。この配置は幾何学的に単一電
極と同じ配置にし、即ち個々の分配管は電極対並びに一
定の停滞位置に対応する。その際に、分配管15−1aと15
−1bが対をなし、以下分配管15−5aと15−5bが対をな
す。

分配管は制御装置50を介して対ごとにガス源51に接続
しており、その際に制御装置50によりそれぞれガス供給
を反応挙動の程度によるガス需要に適合させる。但し図
面では、分配管15−5a及び15−5bの対に対する両方のガ
ス導管52及び53だけが図示されており、他の分配管に対
するガス導管は制御装置50の近くのその開始部だけが図
示されている。

特に第２図からは、分配管が第２図では図示していな
い内室３（第１図）中で幾何学的に単一電極と同様に分
散配置されていることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の原現図、第２図は第１図に
よる装置の平面図である。 ７……蒸発るつぼ、12……電子銃、13……偏向系、14…
…絞り口、15……供給装置、15−1a,15−2a,15−3a,15
−4a,15−5a,15−1b,15−2b,15−3b,15−4b,15−5b……
分配管、17……電極装置、17−1a,17−2a,17−3a,17−4
a,17−5a,17−1b,17−2b,17−3b,17−4b,17−5b……単
一電極、22……電源

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）蒸発器を取囲んでいて、基板に向きあ
   って絞り口を有する内室中で金属蒸気を発生させ、 ｂ）反応ガスを内室中に導入し、 ｃ）金属蒸気と反応ガスとを絞り口を通して基板の方向
   に導き、 ｄ）電子ビームを内室中で金属蒸気及び反応ガスとイオ
   ン化のために相互作用させ、その際に少なくとも20kVの
   加速電圧を選択し、かつ ｅ）内室で形成されたかもしくはこの室中に封入された
   負の電荷キャリアを、絞り口の上方にかつ蒸気流の外側
   に設けられている、アースに対して正にバイアスをかけ
   た電極装置により絞り口を通して吸出し、それにより絞
   り口と電極の区域で激しいグロー放電を発生させること
   により、反応ガスより成る雰囲気中、高くとも10−１ミ
   リバールの圧力で電子ビームにより蒸発るつぼから少な
   くとも１種の金属を蒸発させることにより、金属化合物
   を基板上に反応性蒸着するための方法において、 ｆ）電子ビームを長方形の蒸発るつぼで周期的に最長の
   るつぼ軸線の方向において蒸発させるべき金属上を移動
   させ、かつ ｇ）絞り口の上方に設けた電極装置が最長のるつぼ軸線
   に対して平行の少なくとも１列の単一電極より成り、該
   電極にそれぞれ各単一電極に付属する電源から、他の単
   一電極に左右されずに給電する ことを特徴とする、金属化合物を基板上に反応性蒸着す
   るための方法。
2. 【請求項２】電子ビームを各単一電極の区域で一定時間
   停滞させる特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. 【請求項３】電極装置がるつぼ軸線の両側に対をなして
   配置した２列の単一電極より成り、その際に、その都度
   一対の電極に、他の単一電極対の電源から独立している
   電源から給電する特許請求の範囲第１項記載の方法。
4. 【請求項４】真空外室及び、蒸発るつぼ中に存在する蒸
   発物に電子ビームを発射するための電子銃を具備する蒸
   発るつぼを備えた、反応ガスより成る雰囲気中、高くと
   も10−１ミリバールの圧力で電子ビームを用いて蒸発る
   つぼから少なくとも１種の金属を蒸発させることによ
   り、金属化合物を基板上に反応性蒸発着するための方法
   を実施する装置であって、その際に ａ）蒸発るつぼ上の空間が、電子ビームの入口及び基板
   の方向に絞り口を有する内室により取り囲まれており、 ｂ）内室が反応ガスの供給装置を具備し、かつ ｃ）絞り口の上方に、その投影面中には設けられていな
   い電極装置が絶縁して固定されており、この装置がアー
   スに対して正の出力電圧の電源と連結している 前記装置において、 ｄ）電子銃（12）が長方形の蒸発るつぼ（７）で、偏向
   系（13）を有し、この偏向系（13）により電子ビームは
   周期的に最長のるつぼ軸線（Ａ−Ａ）の方向において、
   蒸発させるべき金属上で可動性であり、 ｅ）絞り口（14）の上方に配置した電極装置（17）が最
   長のるつぼ軸線（Ａ−Ａ）に対して平行のかつその両側
   に対をなして設けた２列の単一電極（17−1a;17−2a;17
   −3a;17−4a;17−5aもしくは17−1b;17−2b;17−3b;17
   −4b;17−5b）より成り、かつ ｆ）各電極対が、その他の単一電極対の電流からは独立
   している電源（22）と連結している ことを特徴とする、金属化合物を基板上に反応性蒸着す
   るための装置。
5. 【請求項５】反応ガスの供給装置（15）が、最長のるつ
   ぼ軸線（Ａ−Ａ）に対して平行のかつその両側に対をな
   して設けた２列の分配管（15−1a;15−2a;15−3a;15−4
   a;15−5aもしくは15−1b;15−2b;15−3b;15−4b;15−5
   b）より成る特許請求の範囲第４項記載の装置。