JP2899310B2 - るつぼを有する蒸発源組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高真空において材料を蒸発させる分野、特
に基板への蒸着コーティングの分野において使用するた
めの電子ビーム加熱による蒸発源組立体に関するもので
ある。

（従来技術） 電子ビーム加熱による蒸発源装置は、しばしば真空コ
ーティング装置で使用される。このような蒸発源装置
は、Robert L. SchraderとKazumi N. Tsujimotoに付与
され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第3710072
号に記載されている。この蒸発源装置は、１つのるつぼ
と、１つの電子ビームガンと、電子ビームガンからるつ
ぼに至るアーチ状の経路を通って電子ビームを偏向させ
るための磁気装置とから構成されている。当該磁気偏向
装置は、電子ビームガンの反対側に配置され、るつぼの
反対側に延びている２つの大きな平行の磁性材料からな
る平板を有している。当該平板は、電子ビームガンから
遠い側にある端部近くで１つの永久磁石に相互に連結さ
れることによって極性を与えられている。上記電子ビー
ムは、極片の間で生じる磁場により偏向させられる。３
つの電磁コイルは略Ｕ型に配置され、上記ビームがるつ
ぼ全体を掃射できるようにしている。この従来の蒸発源
装置のるつぼは、蒸発させる材料を入れるための円錐台
形の壁を有する銅ブロックである。当該壁は、鉛直から
約15°の角度で上方に拡がっている。第２番目の円錐台
形断面は、材料を入れた壁の上側のリムから延びてお
り、蒸気の流れを方向付けし、装置の他の部分における
蒸気の凝結を防止するために上部コーンを形成してい
る。この上部断面は、大きな角度（約45°が典型的）で
拡がっており、溶融してゆるく固まった材料のためのホ
ッパーを備えている。米国特許第3710072号の明細書
は、本明細書において参考として組み入れられている。

異なる材料を蒸発させるために複数のるつぼを有する
電子ビーム加熱による蒸発源装置についても公知であ
る。当該装置は、本出願の譲受人のエドワード・ハイ・
バキューム・インターナショナル・ディビィジョン（Ed
wards High Vacuum International Division）によって
販売されているSTIH−270−1 4炉床源装置モデルであ
る。この源装置は、蒸発させる材料のための４つの分離
した小室を有する炉床組立体、及び前記組立体を軸線を
中心に回転させるための手段を備え、前記各小室が電子
ビームの経路に配置されるようになっている。

銅や銅合金のるつぼに入れたアルミニウムやアルミニ
ウム合金のような材料を蒸発させる際、材料がるつぼに
補充された後に、しばしば問題が生じる。電子ビーム出
力に対する蒸発率は連続補充によって減少することもあ
る。これは、溶融している溜りメニスカス（液体表面の
凸凹面）がるつぼの壁の上で以前に凝結した材料とぶつ
かる領域が存在するために生ずると考えられている。こ
の現象は、ビーム出力の一部が蒸発からるつぼの冷却水
へ転換することから『熱短絡』と呼ばれている。極端な
場合には、かなりの出力が壁の特定箇所へと方向転換
し、るつぼの壁が分解して、その結果、溜りから溶融し
た材料が損失する。

（発明の構成） 本発明は、るつぼの壁に沿って正のメニスカスを形成
する材料の真空蒸発のための蒸発源装置に関するもので
ある。当該装置は電子ビームガンと、蒸発させる材料を
入れたるつぼとから構成される。蒸発源装置は、電子ビ
ームガンからるつぼに至るまでビームを偏向させるため
の磁石と、一対の平行極板とを有している。本発明は、
特に電子ビームガンとるつぼの間の約240°から約300°
の範囲の角度でビームが偏向させられるような蒸発源装
置に対して向けられている。上記るつぼは、鉛直から約
35°よりも大きな角度（45°以上が好ましく、50°がさ
らに好ましい）をなす壁を有する。蒸発させる材料の溶
融した溜りは、90°よりも大きな角度で壁に接触する正
のメニスカスを有している。当該正のメニスカスは、メ
ニスカスのちょうど上方の壁の領域を、凝結した材料が
ない状態に維持することができる。上記源装置は、メニ
スカスを所定の範囲に維持するために溶融した溜りに溶
融した材料を加えるための装置も含んでいる。もし、当
該溜りの高さが十分調節されるならば、メニスカスは、
凝結した材料がない領域に維持されることができ、それ
故、熱短絡が始まるのを避けることができる。

（実施例） 本発明の好ましい実施例を、第１図から第３図に示
す。この蒸発源装置10は、るつぼ組立体30と、電子ビー
ムガン50と、電子ビームガンから炉床に至るまで電子ビ
ームを偏向させるための磁気装置とから構成される。こ
の磁気偏向装置は、一次偏向装置60と、電磁掃射組立体
70と、一対の調節可能な極ロッド組立体80と、上記ポー
ルロッドの長さを調節するための装置とから構成されて
いる。材料供給装置100は、蒸発される材料をるつぼに
供給する。

蒸発源装置10に対する支持構造体は、底板11と、天板
20と、一対の極片61、62とを包含する。底板11は、２つ
の極片の間に拡がる非磁性材料、好ましくはステンレス
からなる矩形板である。上記底板は、真空室の壁である
基板12上に支持されている。底板11と基板12は、ボルト
14によって適所に取り付けられたスペーサー13によって
分離されている。

天板20も、平行極板61,62の頂部の間に拡がる非磁性
材料、好ましくは銅でできた矩形板である。上記天板
は、電子ビームが当該天板の下方に配置された電子ビー
ムガンから出て当該天板を通過できるようにするために
略矩形の開口21を有している。上記天板は、ビームを再
び天板を通過させ、天板の下方に配置されたるつぼの炉
床へと進ませるための円形の開口22を有している。上記
開口21、22は、電子ビームガンを覆い、落下する破片か
ら電子ビームガンを保護するブリッジ23によって分離さ
れている。保護ブリッジ23の広がりを最大限にするため
に、矩形の開口21は、傾斜した壁断面24を有しており、
円形開口22は、円錐台形断面26を有している。この好ま
しい実施例は、高い電子ビーム出力によって操作するよ
うに設計されているので、天板20は、入口と出口の冷却
水接続部28と、天板20の内部に冷却水が循環させるため
の通路（図示せず）とを有する。

蒸発作用によって蒸発させる材料は、電子ビームの経
路にあるるつぼに入れられている。この好ましい実施例
は、４つのるつぼ31ないし34を有しており、各るつぼ
は、天板の円形開口22に整列させることができる。複数
のるつぼは、一体の材料で形成されてもよいが、この好
ましい実施例では、４つの分離したるつぼを使用し、各
るつぼはくぼみ16と、フランジ18を有するシリンダー型
の支持部材17とから構成されている。当該くぼみと支持
部材は、冷却水のための流路19を囲んでいる。各るつぼ
の構成と寸法は、蒸発させる材料の量や物理的及び化学
的性質によって選択される。るつぼ材料としては銅が好
ましいが、モリブテンやグラファイトあるいは他の材料
を用いてもよい。

各るつぼのくぼみは、平坦で円形底を有し、下部の円
錐台形壁断面35が鉛直から小さな角度ｆをなし、上部断
面38は、鉛直から角度ｄをなしていることが望ましい。
るつぼ内の材料の溶融溜りは表面37を有する。円錐台形
の壁38において、溶融溜りは正のメニスカス39を形成
し、メニスカスがるつぼの壁38と接触する点における接
線は90°よりも大きい角度ａをなす。

メニスカス39と壁38の接触の詳細を第４図に示す。第
１次近似として、メニスカスは、溶融溜りの水平高さ37
と、円の接線92が壁と角度ａをなす壁38での点91との間
の、半径Ｒの円弧として表わすことができる。電子ビー
ム加熱による蒸発源装置が高い効率で操作されるとき、
蒸気は、溶融溜りの表面37の上方距離Ｖだけ離れた点96
における仮想発生点から発生するように見える。それ
故、壁38に沿った距離Ｓに延在する領域は、正のメニス
カス39によって有効に遮られる。この距離Ｓは、接線92
の交点である点91から延び、点95でメニスカス39に接し
て仮想発生点96を通る直線94との交点である点93に至
る。接線94は、鉛直から角度ｅをなす。第４図に示すよ
うに、メニスカスを近似する円弧部分は、点91から95ま
での角度ｂをなし、壁38と角度ｃをなす。距離Ｓの鉛直
線上への投影長さは、Ｈ＝Ｓ・cosdとなる。簡単な三角
関数を用いて以下のことがわかる。

ここでｃ＝ｅ−ｄ ｂ＝ａ−ｃ＝ａ−ｅ−ｄ ４つのるつぼ31ないし34は、軸線43の回りに回転する
ためのシャフト42の端部に据え付けられた支持板41を有
する円形コンベアー40に据え付けられている。好ましく
は、真空装置の外部に配置されている駆動装置によって
るつぼを回転することができるように、回転式のフィー
ルドスルー45を使用する。回転シャフト42は好ましく
は、空洞でありかつ同軸内部パイプ44を囲んでおり、該
パイプ44は、冷却水が入口接続部46から入り、内部通路
によって支持板41とるつぼ31ないし34に接続されている
パイプ47の内部を通過して、パイプの外側の通路48を経
由して冷却水の出口接続部49に戻ってくることができる
ようにする。

従来の電子ビームガン50は、底板11の延長上に据え付
けられている。当該ガンは、フィラメント51と、ビーム
フォーマー52と、通常はアースされているアノード53と
によって構成されている。フィラメント51の反対側は、
従来の電子ビーム電源の負極端子に接続することができ
る電極54と55に接続されている。

一次磁場偏向装置60は、磁性材料からなる一対の平行
板61、62を包含する。これらの平行板は、底板11に取り
付けられている永久磁石63に反対側と密着している。よ
り強い磁場が必要であれば、第２の永久磁石64を設置し
てもよい。ビームの領域での磁場強度を増大させるため
には、各々の極板にるつぼ組立体30が突き出るような開
口66を設けることによって、極板の間の間隔を縮小させ
る。一対のカバープレート68は、落下する破片から突き
出ているるつぼを保護するために配置される。

電子ビームの経路は、第２図において点線58、59によ
って示されている。当該ビームは、最初は通常るつぼか
ら離れる方向に水平に電子ビームガンから打ち出され
る。磁場は当初当該ビームを約90°の角度で偏向させ、
そのビームは矩形の開口21を経由し天板20を上方に通過
する。当該ビームはさらに天板に平行になるように偏向
させられ、さらに円形開口22を通って下側に曲げられ、
当該開口22の下に整列して設置されたるつぼ内の材料の
所定高さ37上のある領域57に到達する。

いくつかの応用例においては、接触面積がるつぼの断
面積とほぼ等しいか小さい衝突面積を有する幅の広い拡
散ビームを用いることが望ましい。好ましい実施例にお
いては、平行板61、62の間の磁場強度は、このような拡
散ビームが得られるように選択される。他の応用例とし
ては、るつぼに入ったときに小さな衝突面積をもつ幅の
狭いビームを使用することが望まれる。このような狭い
ビームは、ビームの経路に沿って領域の磁場強度を増大
させてビームを集束させることによって得ることができ
る。このようなビームの集束を達成するために、好まし
い実施例ではポールロッド81、82を有する二つのポール
ロッド組立体80を含んでいる。本発明の譲受人に譲渡さ
れた米国特許第4,728,772号に記載されているように、
各ロッドは極板の一つにおいてあけられた逃げ穴85を通
り、電子ビームが通過する近傍における極板間の領域へ
延びている。

蒸発源装置の応用においては、るつぼのより大きな面
積にわたって幅の狭い電子ビームの衝突領域を繰り返し
掃射することが望ましい。好ましい実施例は、３つの電
磁石71ないし73を包含する通常のビーム掃射組立体70を
有し、該コイル71ないし73は、略Ｕ型の組立体を形成
し、通常のXYビーム回路に接続されている四つの電極74
に接続されている。蒸気遮蔽体76は、落下する破片から
これらの電極を保護する。

るつぼ内の溶融した材料の高さは、溶融溜りに蒸発さ
せる材料を加えることによって所望の範囲に維持され
る。第２図は、遠隔操作されるモーター、及び、スプー
ルからワイヤー103を巻き戻し、曲がったガイドチュー
ブ104を通って溶融溜りに押し出す駆動装置を含む通常
のワイヤーフィーダー102を示す。パウダーや、ペレッ
トや，インゴットや、液体を供給することによって溶融
溜りに補充する通常の手段を使用してもよい。

作動では、るつぼに材料の最初の補充を行い、蒸発源
装置組立体を入れた真空室（図示せず）を真空にする。
当該材料は電子ビームによって溶融され蒸気化され、そ
して蒸発源装置の上方に配置された基板上にコーティン
グとして蒸着される。もしロードロック装置が使用され
るならば、蒸発源装置を真空に維持したままコーティン
グされた基板を取りはずし、まだコーティングされてい
ない基板と入れ替えることができる。蒸発させる材料
は、基板を交換するときに補充することができる。蒸着
をモニターするため及び各ステップの順序を指示するた
めに自動調整装置を使用してもよい。合金のコーティン
グを蒸着するときは、蒸着されるべき合金組成の小さな
変動を避けるため、各蒸着の間のるつぼの消耗をるつぼ
体積の約10％以下に維持する。

１つの態様として、第３図に示したようなるつぼは、
底面の直径が4.1cmで、体積は約67cm³であった。くぼみ
は、ステンレス鋼304製の支持部材17にはんだ付けされ
た銅であった。当該るつぼには18％の銅を含む約200gの
アルミ合金を満たした。蒸発源装置組立体は、作動によ
り約20gの材料を蒸発させた。これによって溶融溜りの
高さが約0.25cm低下した。材料は、真空のままでワイヤ
ーフィダーを作動させて供給し、蒸着・補充のサイクル
を繰り返した。

結果は、第５図の曲線１で示されており、第５図は電
子ビーム出力を関数とした相対蒸着率のグラフである。
曲線１は、30回の蒸着サイクル後の相対蒸着率を示して
いる。蒸発源装置組立体は、各蒸着サイクルに対してほ
ぼ同じ相対蒸着率を示した。縦軸の数値は、溶融溜りの
中心線から41cm離れた溶融溜りの表面から約108cm離れ
た点で観測された蒸着率（Å/sec）を示している。

比較のため、第５図には、第３図のものに類似する
が、溶融溜りがるつぼの壁と接する領域において鉛直と
15°の角度をなしていないるつぼに同じ合金を入れた場
合の蒸着サイクルに対するデータを示す。曲線２ないし
４は、各々１回、５回、10回の蒸着サイクルの後の相対
蒸着率を示している。これらのデータは、蒸着サイクル
が増加するにつれて相対蒸着率が実質的に減少すること
を示している。このことは、本発明による蒸発源装置で
得られた結果が優れていることを示しているものであ
る。

蒸着プロセスにおける材料と電子ビームの各種の幾何
学的パラメータは、相互に関連する。特別な状況のもと
で得られる蒸着パラメータは、実験と反復によって容易
に得られる。a,R,e,Vの近似値は、観測によって得られ
る。溶融溜りの高さ及びるつぼの水平寸法の許容変動値
は、材料が補充される前に蒸発させることができる材料
の体積を決定する。信頼できる作動を求めるならば、溶
融溜りの高さの実際の変動値は、最大許容変動値以下が
好ましい。

第４図のパラメータの典型的な値は、ａ＝110°,d＝4
5°,e＝115°,R＝0.25cm,V＝1.2cm,S＝0.3cmである。こ
れらのパラメータで操作可能範囲は、正確にはわからな
い。次に示した値は、いくつかの状況においては可能性
があるとされている。すなわち、ａは10°から150°,d
は30°から60°,eは150°から90°,Rは0.08cmから0.5c
m,Vは0cmから4cm,Sは0.1cmから2cmである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による蒸発源装置組立体の平面図であ
る。 第２図は、第１図の蒸発源装置の側面図である。 第３図は、本発明によるるつぼ部分の側面の断面図であ
る。第４図は、メニスカスがるつぼに接触する領域の詳
細図である。 第５図は、２つの蒸発源装置に対して電子ビーム出力を
関数とした場合の蒸着率を示す比較図である。 10……蒸発源装置 11……底板 12……基板 20……天板 21……矩形開口 22……円形開口 23……保護ブリッジ 30……るつぼ組立体 31ないし34……るつぼ 50……電子ビームガン 61,62……極片 70……電磁掃射組立体 80……ポールロッド組立体 100……材料供給装置 16……くぼみ 19……冷却水通路 35……下部円錐台形断面 38……上部円錐台形断面 37……メニスカス 40……円形コンベアー 44……同軸内部パイプ 45……フィールドスルー 51……フィラメント 52……ビームフォーマー 53……アノード 54,55……電極 58,59……ビーム経路 63,64……永久磁石 66……開口 68……カバープレート 71ないし73……電磁石 76……蒸着遮蔽体 102……ワイヤーフィーダー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−2845（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−93855（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−143853（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭49−33271（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許3710072（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】るつぼ内に材料を入れるステップと、 壁と接する正のメニスカスを有する材料の溶融溜りが形
   成されるように電子ビームを上記材料へ導き、蒸発した
   材料が上記メニスカスの上方の壁のある領域で凝結し、
   上記メニスカスの直上の部分において実質的に凝結しな
   いようにするステップと、 メニスカスの接触点を、蒸発した材料が凝結する壁の領
   域より下であるよう維持するため、溶融溜りに材料を補
   充するステップと からなるるつぼの壁に沿って正のメニスカスを形成する
   材料を蒸発させる方法。
2. 【請求項２】上記壁と上記メニスカスの間の接触する角
   度が、鉛直から35°以上の角をなす請求項（１）記載の
   方法。
3. 【請求項３】上記壁と上記メニスカスの間の接触する角
   度が、45°よりも大きい請求項（２）記載の方法。
4. 【請求項４】上記材料がアルミニウムあるいはアルミニ
   ウム合金である請求項（３）記載の方法。
5. 【請求項５】上記るつぼが銅あるいは銅合金である請求
   項（４）記載の方法。
6. 【請求項６】材料が自動調節の下で一定間隔で蒸発され
   補充される請求項（１）記載の方法。
7. 【請求項７】電子ビームガンと、 鉛直から35°以上の角度を有する領域で、蒸発する溶融
   材料を収容するための壁を有するるつぼと、 上記電子ビームを、るつぼ内の材料の上に導くための装
   置と、さらに、 所定の操作において、正のメニスカスをの影によって材
   料が凝結しない壁領域の部分で、溶融した材料が接触を
   保つように、るつぼに材料を補充する装置と からなるるつぼの壁に沿って正のメニスカスを形成する
   材料の蒸発源装置。
8. 【請求項８】上記材料を補充する装置が、当該材料が真
   空を絶つことなく補充できるよう遠隔操作される請求項
   （７）記載の蒸発源装置。
9. 【請求項９】上記領域が鉛直と45°以上の角度をなす請
   求項（８）記載の蒸発源装置。
10. 【請求項１０】上記壁が鉛直から０°から20°の角度を
    なす下側の壁領域を有する請求項（９）記載の蒸発源装
    置。
11. 【請求項１１】上記るつぼが銅あるいは銅合金である請
    求項（10）記載の蒸発源装置。
12. 【請求項１２】溶融した材料がアルミニウムあるいはア
    ルミニウム合金である請求項（11）記載の蒸発源装置。