JP4049891B2 - トランスを用いてトリガ放電を発生させる蒸着装置 - Google Patents
トランスを用いてトリガ放電を発生させる蒸着装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸着装置に関し、特に、同軸型真空アーク蒸着源を有する蒸着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属や誘電体材料等の薄膜は、半導体装置や液晶表示装置に不可欠なものとなっており、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等の種々の薄膜形成方法が開発されている。
【０００３】
それらの形成方法のうち、膜厚制御性に優れ、高品質の薄膜を形成できることから、近年では同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置が注目されている。
【０００４】
図４を参照し、符号１１０は、従来技術の蒸着装置であり、真空槽１０１を有している。真空槽１０１底面には、同軸型真空アーク蒸着源１０３が配置されており、天井側には基板ホルダ１０５が配置されている。
【０００５】
同軸型真空アーク蒸着源１０３の模式的な断面図を図３(ａ)に示す。
この同軸型真空アーク蒸着源１０３は、円筒形形状のアノード電極１３０を有しており、該アノード電極１３０内には、カソード部１４０が配置されている。
カソード部１４０は、絶縁管１４１と、トリガ電極１４２と、蒸着材料１４３と、取付台１４５とを有している。
【０００６】
絶縁管１４１は、円筒形形状にされており、取付台１４５と蒸着材料１４３は円柱形形状に成形され、絶縁管１４１内部に挿入されている。
絶縁管１４１内部では、取付台１４５は奥側に、蒸着材料１４３は先端付近に配置されており、蒸着材料１４３の下端部は、取付台１４５の上端部に密着固定され、上端部は絶縁管１４１先端から突き出されている。
【０００７】
絶縁管１４１の先端には、リング形形状のトリガ電極１４２が装着されており、従って、蒸着材料１４３側面とトリガ電極１４２表面とは、非接触の状態で近接配置されている。
【０００８】
真空槽１０１の外部には、トリガ電源１２０とアーク電源１４７とが配置されている。各電源１２０、１４７の負電位側の端子は、それぞれ取付台１４５に共通に接続されている。他方、トリガ電源１２０の正電位側の端子はトリガ電極１４２に接続されており、アーク電源１４７の正電位側の端子はアノード電極１３０に接続されている。
【０００９】
この蒸着装置１１０を用いて薄膜を形成する場合には、基板１０８を基板ホルダ１０５に保持させ、真空槽１０１内部を真空排気しながら基板１０８を加熱する。
【００１０】
基板１０８が所定温度まで昇温した後、アーク電源１４７を起動し、アノード電極１３０に正電圧を印加し、蒸着材料１４３に、取付台１４５を介して負電圧を印加する。
【００１１】
トリガ電源１２０内には、直流電圧源１２１とコンデンサ１２２と抵抗１２３とスパークギャップ１２４が設けられており、コンデンサ１２２の一端とスパークギャップ１２４の一端は互いに接続され(直列接続)、スパークギャップ１２４の他端はトリガ電源１２０の正電位側の端子にされ、コンデンサ１２２の他端は負電位側の端子にされている。
【００１２】
従って、コンデンサ１２２から見た場合、スパークギャップ１２４が有するギャップと、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間のギャップとは直列になっている。
【００１３】
トリガ電源１２０内では、直流電圧源１２１と定刻１２３とが直列接続された回路が、コンデンサ１２２に対して並列接続されており、直流電圧源１２１は、抵抗１２３で電流制限された状態で、コンデンサ１２２を充電するように構成されている。
【００１４】
トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間のギャップは絶縁管１４１の厚みと等しく、非常に小さい。しかも、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間の耐圧は絶縁管１４１表面で沿面放電が生じる電圧であるから、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間の耐圧は、スパークギャップ１２４の耐圧に比べて非常に低い。
【００１５】
従って、直流電圧源１２１が起動され、コンデンサ１２２への充電が開始され、コンデンサ１２２の電圧が次第に上昇し、スパークギャップ１２４の耐圧以上の電圧になると、スパークギャップ１２４内で放電が発生し、それに伴ってトリガ電極１４２と蒸着材料１４３の間にトリガ放電が発生する。
【００１６】
図３(ｂ)の符号ｉ1は、トリガ放電によって流れたトリガ電流を示しており、そのトリガ電流ｉ1により、蒸着材料１４３側面が部分的に蒸発し、蒸着材料１４３の蒸気が放出され、アノード電極１３０内の圧力が上昇する。
その結果、アノード電極１３０と蒸着材料１４３との間の絶縁耐圧が低下し、蒸着材料１４３の側面と、アノード電極１３０との間でアーク放電が発生する。
【００１７】
アーク放電によって、アノード電極１３０内周面から蒸着材料１４３側面に向けてアーク電流ｉ2が流れると、アーク電流ｉ2は大電流であるため、蒸着材料１４３側面が溶融し、トリガ放電のときよりも大量の蒸気が放出される。
【００１８】
蒸着材料１４３と取付台１４５とは円柱形形状に成形されているため、アーク電流ｉ2は、カソード部１４０内を直線的に流れる。
アーク電流ｉ2が流れることにより磁界が形成されると、その磁界は、正電荷に対してアーク電流ｉ2の向きとは反対方向、即ち、真空槽１内に向ける方向の力Ｆを及ぼす。
【００１９】
蒸着材料１４３から成る蒸気中には、正に帯電した微小粒子１５１が含まれているため、蒸着材料１４３側面から様々な方向に飛び出した微小粒子１５１は力Ｆの影響を受け、アノード電極１３０の開口部１４９から真空槽１０１内に向けて放出される。
【００２０】
蒸着材料１４３の延長線上には基板１０８が位置しており、真空槽１０１内に放出された微小粒子１５１は基板１０８方向に飛行し、基板１０８に到達すると、その表面に薄膜を成長させる。
【００２１】
ところで、アーク電流ｉ2が流れると、微小粒子１５１の他に、蒸着材料１４３の構成物質から成る巨大粒子１５２も同時に放出されるが、その巨大粒子１５２は、無電荷であるか、電荷を有していても、電荷量に比べて質量が大きいので、力Ｆによる曲げ量が少なく、その結果、巨大粒子１５２はアノード電極１３０の内周面に付着し、真空槽１０１内には放出されない。
【００２２】
このように、アーク電流ｉ2が流れている間に、微小粒子１５１が薄膜を成長させるが、アーク電流ｉ2は大電流であるため、アーク電源１４７の消耗が大きく、アーク電源１４７の出力電圧がアーク放電を維持できなくなる程度まで低下すると、自動的にアーク放電は停止する。
【００２３】
従って、１回のトリガ放電によって放出される微小粒子１５１の量は、アーク電源１４７の電源能力によって決まるので、必要なだけトリガ放電を繰り返し発生させることで、所望膜厚の薄膜を形成できる。
【００２４】
上記のような蒸着装置１１０は、トリガ放電の回数によって膜厚を精密に制御することができ、しかも、巨大粒子１５２が基板１０８に到達せず、良質の薄膜を形成できることから、Ｔａ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅＭｎ等の、高性能磁気薄膜を製造する場合に盛んに用いられている。
【００２５】
ところが上記基板１０８表面に形成された薄膜を精密に分析してみると、蒸着材料１４３以外の物質が不純物として検出される場合がある。
その不純物を同定してみると、トリガ電極１４２を構成している金属物質と同じ金属物質であり、従って、不純物はトリガ電極１４２に由来すると考えられる。近年では、薄膜の高純度化、高品質化が増々求められているため、形成される薄膜中に上記のような不純物を混入させない蒸着装置が求められている。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、同軸型真空アーク蒸着源により、高純度の薄膜を形成できる技術を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記のように、トリガ放電はアーク放電を誘起するために必要であるが、従来のようなトリガ電源１２０では、トリガ放電が発生した後、コンデンサ１２２の電圧が低下し、一旦トリガ電流がゼロになると、トリガ放電は終了するものと考えられていた。
【００２８】
本発明の発明者等は、コンデンサ１２２やスパークギャップ１２４を用いたトリガ電源１２０には、コンデンサ１２２の容量性成分の他、配線が有する誘導性成分により、トリガ電極１４２とトリガ電源１２０の間に共振回路が形成されてしまい、トリガ電極１４２に交流電流が流れていることを見出した。
【００２９】
交流電流が流れる場合、電流がトリガ電極１４２から蒸着材料１４３に向けて流れる間は、蒸着材料１４３が蒸発するが、それとは逆に、電流がトリガ電極１４２に流れ込むと、トリガ電極１４２を構成する物質が放出され、アーク電流が形成する磁界により、基板１０８方向に飛ばされ、薄膜中に混入してしまうことが分かった。
上記のような不都合を防止するためには、共振回路が形成されないようにすればよく、そのためにはコンデンサ１２２を用いないトリガ電源が必要となる。
【００３０】
本発明は上記知見に基いて創作されたものであり、請求項１記載の発明は、アノード電極と蒸着材料との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電を発生させ、前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電を誘起させ、前記蒸着材料を蒸発させ、成膜対象物表面に薄膜を形成する蒸着装置であって、一次巻線と二次巻線とが磁気結合されたトランスと、パルス電圧を発生させるパルス電源とを有し、前記一次巻線に前記パルス電圧を印加し、前記二次巻線に誘起された電圧を前記トリガ電極と前記蒸着材料との間に印加し、前記トリガ放電を発生させるように構成されたことを特徴とする。
【００３１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の蒸着装置であって、前記一次巻線と前記二次巻線の巻数比は、前記二次巻線が、前記一次巻線に印加された電圧を増幅するように設定されていることを特徴とする。
【００３２】
本発明は上記のように構成されており、アノード電極と蒸着材料との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極と蒸着材料との間にトリガ放電を発生させ、アノード電極と蒸着材料との間にアーク放電を誘起させ、アーク電極と対向する蒸着材料の側面部分を蒸発させ、アーク電極に向けて飛行する正のイオンをアーク電流が形成する磁界で曲げ、アーク電極の開放口から真空槽内に放出させ、成膜対象物表面に到達させて薄膜を成長させるようになっている。
【００３３】
そして、本発明の蒸着装置は、一次巻線と二次巻線とが磁気結合されたトランスと、パルス電圧を発生させるパルス電源とを有しており、一次巻線にパルス電圧を印加し、二次巻線に誘起された電圧をトリガ電極と蒸着材料との間に印加することでトリガ放電を発生させるように構成されている。
【００３４】
従って、トリガ電流が流れる経路中に容量性成分が存在せず、共振回路が形成されないので、トリガ電極に交流電流は流れず、トリガ電極を構成する物質が真空槽内に放出されないようになっている。
【００３５】
また、トランス内では、一次巻線の巻数と二次巻線の巻数が、二次巻線が、一次巻線に印加された電圧を増幅するように比率が設定されている。従って、パルス電源の負担が少なく、容易にトリガ放電を発生させられるようになっている。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、符号１０は本発明の蒸着装置であり、真空槽１を有している(真空槽１の全体は図示しない)。真空槽１の底壁には、同軸型真空アーク蒸着源３が配置されている。
同軸型真空アーク蒸着源３は、底板４８と、アノード電極３０と、カソード部４０とを有しており、底板４８は真空槽１の底壁に固定されている。
【００３７】
アノード電極３０は、円筒形形状の金属材料で構成されており、下端を底板４８上に固定され、上端の開放部分を真空槽１天井側に向けられている。
カソード部４０は、絶縁管４１と、取付台４５と、蒸着材料４３と、トリガ電極４２とを有している。絶縁管４１は、円筒形形状にされており、取付台４５と蒸着材料４３は円柱形形状に成形され、絶縁管４１内部に挿入されている。
【００３８】
絶縁管４１内部では、取付台４５は奥側に、蒸着材料４３は先端付近に配置されており、蒸着材料４３の下端部は、取付台４５の上端部に密着固定され、上端部は、絶縁管４１先端から突き出されている。
【００３９】
トリガ電極４２は、リング形形状に形成されており、絶縁管４１の先端に装着されている。従って、蒸着材料４３側面とトリガ電極４２表面とは、非接触の状態で近接配置されている。
【００４０】
真空槽１の外部には、トリガ電源２０とアーク電源４７が配置されており、各電源２０、４７の負電位側の端子は、取付台４５を介して蒸着材料４３に共通に接続され、トリガ電源２０の正電位側の端子はトリガ電極４２に接続され、アーク電源４７の正電位側の端子はアノード電極３０に接続されている。
【００４１】
トリガ電源２０は、パルス電圧を発生させるパルス電源２１と、トランス２２(パルストランス)を有している。トランス２２内には、一次巻線２２aと、該一次巻線２２aと磁気結合した二次巻線２２bとが設けられており、一次巻線２２aの両端はパルス電源２１の正電位側の端子と負電位側の端子にそれぞれ接続されている。
【００４２】
他方、二次巻線２２bの一端は、トリガ電源２０の正電位側の端子にされており、従って、トリガ電極４２に接続されている。二次巻線２２bの他端はパルス電源２１の負電位側の端子と接続され、その部分がトリガ電源２０の負電位側の端子にされており、従って、二次巻線２２bの他端は、取付台４５を介して蒸着材料４３に接続されている。
【００４３】
上記のような構成の蒸着装置１０を用い、蒸着材料４３を構成する物質の薄膜を形成する場合、真空槽１内に基板８を配置し、内部を真空排気しながら基板８を所定温度まで昇温させた後、アーク電源４７を起動し、アノード電極３０と蒸着材料４３の間に１００Ｖ程度の電圧を印加しておく(印加電圧の極性は、アノード電極３０側が正電圧である)。
その状態でパルス電源２１を動作させ、一次巻線２２aの両端にパルス電圧を印加する。
【００４４】
トランス２２内では、一次巻線２２aと二次巻線２２bの巻数比は１０倍に設定されており、一次巻線２２aの両端に印加された電圧の１０倍の電圧が二次巻線２２bの両端に現れるようになっている。
【００４５】
一次巻線２２aに印加されたパルス電圧のピーク値が２００Ｖであった場合、二次巻線２２bには、２ｋＶの電圧が現れ、その電圧がトリガ電極４２と蒸着材料４３の間に印加される(極性はトリガ電極４２側が正電圧である)。
【００４６】
２ｋＶの電圧値は、トリガ電極４２と蒸着材料４３との間で、絶縁管４１表面上で沿面放電を発生させるのに十分な大きさであり、従って、二次巻線２２bに現れた電圧により、トリガ電極４２と蒸着材料４３との間にトリガ放電が発生し、トリガ電極４２から蒸着材料４３に向けてトリガ電流が流れる。
【００４７】
トリガ電流が流れ、蒸着材料４３が一部蒸発すると、アノード電極３０内の圧力が上昇し、その結果、アノード電極３０と蒸着材料４３の間にアーク放電が誘起される。
【００４８】
アーク放電によって流れるアーク電流は１０００〜１５００Ａ程度の大電流であり、そのアーク電流によって蒸着材料４３側面が溶融し、蒸着材料４３を構成する物質が蒸気となって大量に放出される。その蒸気中に含まれる正に帯電した微小粒子５１には、アーク電流が流れる方向とは逆向きの力が加わるので、アーク電極３０の開放口から真空槽１内に放出され、基板８方向に向けて飛行し、その表面に付着して薄膜を成長させる。
アーク電源４７が消耗し、アーク放電が終了すると、アーク電源４７の回復を待ってトリガ放電を発生させ、アーク放電を誘起させて薄膜を成長させる。
【００４９】
このように、必要な回数だけ繰り返しトリガ放電を発生させ、薄膜が所望の膜厚に形成された後、基板８を真空槽１外に搬出し、他の基板を搬入すると、薄膜形成作業を続行することができる。
【００５０】
上記のトリガ電源２０を用いてトリガ放電を発生させる場合、トリガ電源２０内にはコンデンサは設けられておらず、共振回路は形成されていない。従って、トリガ放電が生じた際に、トリガ電極４２に交流電流は流れず、トリガ電極４２を構成する物質が蒸発することもない。
【００５１】
図２(ａ)は、上記トリガ電源２０を用いた場合にトリガ電極４２に流れる電流を示したグラフである。トリガ電極４３には、交流電流は流れていない。
同図(ｂ)は、従来技術のトリガ電源１２０を用いた場合のトリガ電極１４２に流れる電流を示したグラフである。コンデンサ１２２の容量の影響で共振回路が形成され、トリガ放電の発生初期に、ごく短時間の間、トリガ電極１４２に交流電流が流れていることが分かる。
【００５２】
以上説明したように、本発明の蒸着装置を用いれば、トリガ電極４３に交流電流が流れず、形成される薄膜中にトリガ電極４３を構成する物質が混入することはない。
【００５３】
なお、上記トランス２２にはパルストランスを用いた。通常の電源用トランスは、一次巻線に印加された正弦波を二次巻線に伝達するために設計されているのに対し、パルストランスは、一次巻線２２aに印加されたパルス電圧の波形を歪めずに二次巻線２２bに伝達できるように設計されている。従って、トリガ電極４２に加えられるパルス電圧のｄＶ／ｄｔの値が大きく、トリガ放電が発生しやすくなっている。
【００５４】
また、このトランス２２では、二次巻線２２bにトリガ電流が流れるため、大電流を流せる設計になっている。
このように、本発明のトランス２２では、トリガ電極４２に高電圧のパルス電圧を印加でき、大電流のトリガ電流を流せるものが適している。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を用い、より高純度の薄膜を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の蒸着装置
【図２】(ａ)：本発明の蒸着装置のトリガ電極に流れる電流を示すグラフ
(ｂ)：従来技術の蒸着装置のトリガ電極に流れる電流を示すグラフ
【図３】(ａ)、(ｂ)：同軸型真空アーク蒸着源の動作原理を説明するための図
【図４】同軸型真空アーク蒸着源を用いた従来技術の蒸着装置を説明するための図
【符号の説明】
１……真空槽 ３……同軸型真空アーク蒸着源 ８……成膜対象物 １０……蒸着装置 ２０……トリガ電源 ２１……パルス電源 ２２……トランス ２２a……一次巻線 ２２b……二次巻線 ３０……アノード電極
４２……トリガ電極 ４３……蒸着材料
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸着装置に関し、特に、同軸型真空アーク蒸着源を有する蒸着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属や誘電体材料等の薄膜は、半導体装置や液晶表示装置に不可欠なものとなっており、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等の種々の薄膜形成方法が開発されている。
【０００３】
それらの形成方法のうち、膜厚制御性に優れ、高品質の薄膜を形成できることから、近年では同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置が注目されている。
【０００４】
図４を参照し、符号１１０は、従来技術の蒸着装置であり、真空槽１０１を有している。真空槽１０１底面には、同軸型真空アーク蒸着源１０３が配置されており、天井側には基板ホルダ１０５が配置されている。
【０００５】
同軸型真空アーク蒸着源１０３の模式的な断面図を図３(ａ)に示す。
この同軸型真空アーク蒸着源１０３は、円筒形形状のアノード電極１３０を有しており、該アノード電極１３０内には、カソード部１４０が配置されている。
カソード部１４０は、絶縁管１４１と、トリガ電極１４２と、蒸着材料１４３と、取付台１４５とを有している。
【０００６】
絶縁管１４１は、円筒形形状にされており、取付台１４５と蒸着材料１４３は円柱形形状に成形され、絶縁管１４１内部に挿入されている。
絶縁管１４１内部では、取付台１４５は奥側に、蒸着材料１４３は先端付近に配置されており、蒸着材料１４３の下端部は、取付台１４５の上端部に密着固定され、上端部は絶縁管１４１先端から突き出されている。
【０００７】
絶縁管１４１の先端には、リング形形状のトリガ電極１４２が装着されており、従って、蒸着材料１４３側面とトリガ電極１４２表面とは、非接触の状態で近接配置されている。
【０００８】
真空槽１０１の外部には、トリガ電源１２０とアーク電源１４７とが配置されている。各電源１２０、１４７の負電位側の端子は、それぞれ取付台１４５に共通に接続されている。他方、トリガ電源１２０の正電位側の端子はトリガ電極１４２に接続されており、アーク電源１４７の正電位側の端子はアノード電極１３０に接続されている。
【０００９】
この蒸着装置１１０を用いて薄膜を形成する場合には、基板１０８を基板ホルダ１０５に保持させ、真空槽１０１内部を真空排気しながら基板１０８を加熱する。
【００１０】
基板１０８が所定温度まで昇温した後、アーク電源１４７を起動し、アノード電極１３０に正電圧を印加し、蒸着材料１４３に、取付台１４５を介して負電圧を印加する。
【００１１】
トリガ電源１２０内には、直流電圧源１２１とコンデンサ１２２と抵抗１２３とスパークギャップ１２４が設けられており、コンデンサ１２２の一端とスパークギャップ１２４の一端は互いに接続され(直列接続)、スパークギャップ１２４の他端はトリガ電源１２０の正電位側の端子にされ、コンデンサ１２２の他端は負電位側の端子にされている。
【００１２】
従って、コンデンサ１２２から見た場合、スパークギャップ１２４が有するギャップと、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間のギャップとは直列になっている。
【００１３】
トリガ電源１２０内では、直流電圧源１２１と定刻１２３とが直列接続された回路が、コンデンサ１２２に対して並列接続されており、直流電圧源１２１は、抵抗１２３で電流制限された状態で、コンデンサ１２２を充電するように構成されている。
【００１４】
トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間のギャップは絶縁管１４１の厚みと等しく、非常に小さい。しかも、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間の耐圧は絶縁管１４１表面で沿面放電が生じる電圧であるから、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間の耐圧は、スパークギャップ１２４の耐圧に比べて非常に低い。
【００１５】
従って、直流電圧源１２１が起動され、コンデンサ１２２への充電が開始され、コンデンサ１２２の電圧が次第に上昇し、スパークギャップ１２４の耐圧以上の電圧になると、スパークギャップ１２４内で放電が発生し、それに伴ってトリガ電極１４２と蒸着材料１４３の間にトリガ放電が発生する。
【００１６】
図３(ｂ)の符号ｉ1は、トリガ放電によって流れたトリガ電流を示しており、そのトリガ電流ｉ1により、蒸着材料１４３側面が部分的に蒸発し、蒸着材料１４３の蒸気が放出され、アノード電極１３０内の圧力が上昇する。
その結果、アノード電極１３０と蒸着材料１４３との間の絶縁耐圧が低下し、蒸着材料１４３の側面と、アノード電極１３０との間でアーク放電が発生する。
【００１７】
アーク放電によって、アノード電極１３０内周面から蒸着材料１４３側面に向けてアーク電流ｉ2が流れると、アーク電流ｉ2は大電流であるため、蒸着材料１４３側面が溶融し、トリガ放電のときよりも大量の蒸気が放出される。
【００１８】
蒸着材料１４３と取付台１４５とは円柱形形状に成形されているため、アーク電流ｉ2は、カソード部１４０内を直線的に流れる。
アーク電流ｉ2が流れることにより磁界が形成されると、その磁界は、正電荷に対してアーク電流ｉ2の向きとは反対方向、即ち、真空槽１内に向ける方向の力Ｆを及ぼす。
【００１９】
蒸着材料１４３から成る蒸気中には、正に帯電した微小粒子１５１が含まれているため、蒸着材料１４３側面から様々な方向に飛び出した微小粒子１５１は力Ｆの影響を受け、アノード電極１３０の開口部１４９から真空槽１０１内に向けて放出される。
【００２０】
蒸着材料１４３の延長線上には基板１０８が位置しており、真空槽１０１内に放出された微小粒子１５１は基板１０８方向に飛行し、基板１０８に到達すると、その表面に薄膜を成長させる。
【００２１】
ところで、アーク電流ｉ2が流れると、微小粒子１５１の他に、蒸着材料１４３の構成物質から成る巨大粒子１５２も同時に放出されるが、その巨大粒子１５２は、無電荷であるか、電荷を有していても、電荷量に比べて質量が大きいので、力Ｆによる曲げ量が少なく、その結果、巨大粒子１５２はアノード電極１３０の内周面に付着し、真空槽１０１内には放出されない。
【００２２】
このように、アーク電流ｉ2が流れている間に、微小粒子１５１が薄膜を成長させるが、アーク電流ｉ2は大電流であるため、アーク電源１４７の消耗が大きく、アーク電源１４７の出力電圧がアーク放電を維持できなくなる程度まで低下すると、自動的にアーク放電は停止する。
【００２３】
従って、１回のトリガ放電によって放出される微小粒子１５１の量は、アーク電源１４７の電源能力によって決まるので、必要なだけトリガ放電を繰り返し発生させることで、所望膜厚の薄膜を形成できる。
【００２４】
上記のような蒸着装置１１０は、トリガ放電の回数によって膜厚を精密に制御することができ、しかも、巨大粒子１５２が基板１０８に到達せず、良質の薄膜を形成できることから、Ｔａ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅＭｎ等の、高性能磁気薄膜を製造する場合に盛んに用いられている。
【００２５】
ところが上記基板１０８表面に形成された薄膜を精密に分析してみると、蒸着材料１４３以外の物質が不純物として検出される場合がある。
その不純物を同定してみると、トリガ電極１４２を構成している金属物質と同じ金属物質であり、従って、不純物はトリガ電極１４２に由来すると考えられる。近年では、薄膜の高純度化、高品質化が増々求められているため、形成される薄膜中に上記のような不純物を混入させない蒸着装置が求められている。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、同軸型真空アーク蒸着源により、高純度の薄膜を形成できる技術を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記のように、トリガ放電はアーク放電を誘起するために必要であるが、従来のようなトリガ電源１２０では、トリガ放電が発生した後、コンデンサ１２２の電圧が低下し、一旦トリガ電流がゼロになると、トリガ放電は終了するものと考えられていた。
【００２８】
本発明の発明者等は、コンデンサ１２２やスパークギャップ１２４を用いたトリガ電源１２０には、コンデンサ１２２の容量性成分の他、配線が有する誘導性成分により、トリガ電極１４２とトリガ電源１２０の間に共振回路が形成されてしまい、トリガ電極１４２に交流電流が流れていることを見出した。
【００２９】
交流電流が流れる場合、電流がトリガ電極１４２から蒸着材料１４３に向けて流れる間は、蒸着材料１４３が蒸発するが、それとは逆に、電流がトリガ電極１４２に流れ込むと、トリガ電極１４２を構成する物質が放出され、アーク電流が形成する磁界により、基板１０８方向に飛ばされ、薄膜中に混入してしまうことが分かった。
上記のような不都合を防止するためには、共振回路が形成されないようにすればよく、そのためにはコンデンサ１２２を用いないトリガ電源が必要となる。
【００３０】
本発明は上記知見に基いて創作されたものであり、請求項１記載の発明は、アノード電極と蒸着材料との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電を発生させ、前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電を誘起させ、前記蒸着材料を蒸発させ、成膜対象物表面に薄膜を形成する蒸着装置であって、一次巻線と二次巻線とが磁気結合されたトランスと、パルス電圧を発生させるパルス電源とを有し、前記一次巻線に前記パルス電圧を印加し、前記二次巻線に誘起された電圧を前記トリガ電極と前記蒸着材料との間に印加し、前記トリガ放電を発生させるように構成されたことを特徴とする。
【００３１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の蒸着装置であって、前記一次巻線と前記二次巻線の巻数比は、前記二次巻線が、前記一次巻線に印加された電圧を増幅するように設定されていることを特徴とする。
【００３２】
本発明は上記のように構成されており、アノード電極と蒸着材料との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極と蒸着材料との間にトリガ放電を発生させ、アノード電極と蒸着材料との間にアーク放電を誘起させ、アーク電極と対向する蒸着材料の側面部分を蒸発させ、アーク電極に向けて飛行する正のイオンをアーク電流が形成する磁界で曲げ、アーク電極の開放口から真空槽内に放出させ、成膜対象物表面に到達させて薄膜を成長させるようになっている。
【００３３】
そして、本発明の蒸着装置は、一次巻線と二次巻線とが磁気結合されたトランスと、パルス電圧を発生させるパルス電源とを有しており、一次巻線にパルス電圧を印加し、二次巻線に誘起された電圧をトリガ電極と蒸着材料との間に印加することでトリガ放電を発生させるように構成されている。
【００３４】
従って、トリガ電流が流れる経路中に容量性成分が存在せず、共振回路が形成されないので、トリガ電極に交流電流は流れず、トリガ電極を構成する物質が真空槽内に放出されないようになっている。
【００３５】
また、トランス内では、一次巻線の巻数と二次巻線の巻数が、二次巻線が、一次巻線に印加された電圧を増幅するように比率が設定されている。従って、パルス電源の負担が少なく、容易にトリガ放電を発生させられるようになっている。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、符号１０は本発明の蒸着装置であり、真空槽１を有している(真空槽１の全体は図示しない)。真空槽１の底壁には、同軸型真空アーク蒸着源３が配置されている。
同軸型真空アーク蒸着源３は、底板４８と、アノード電極３０と、カソード部４０とを有しており、底板４８は真空槽１の底壁に固定されている。
【００３７】
アノード電極３０は、円筒形形状の金属材料で構成されており、下端を底板４８上に固定され、上端の開放部分を真空槽１天井側に向けられている。
カソード部４０は、絶縁管４１と、取付台４５と、蒸着材料４３と、トリガ電極４２とを有している。絶縁管４１は、円筒形形状にされており、取付台４５と蒸着材料４３は円柱形形状に成形され、絶縁管４１内部に挿入されている。
【００３８】
絶縁管４１内部では、取付台４５は奥側に、蒸着材料４３は先端付近に配置されており、蒸着材料４３の下端部は、取付台４５の上端部に密着固定され、上端部は、絶縁管４１先端から突き出されている。
【００３９】
トリガ電極４２は、リング形形状に形成されており、絶縁管４１の先端に装着されている。従って、蒸着材料４３側面とトリガ電極４２表面とは、非接触の状態で近接配置されている。
【００４０】
真空槽１の外部には、トリガ電源２０とアーク電源４７が配置されており、各電源２０、４７の負電位側の端子は、取付台４５を介して蒸着材料４３に共通に接続され、トリガ電源２０の正電位側の端子はトリガ電極４２に接続され、アーク電源４７の正電位側の端子はアノード電極３０に接続されている。
【００４１】
トリガ電源２０は、パルス電圧を発生させるパルス電源２１と、トランス２２(パルストランス)を有している。トランス２２内には、一次巻線２２aと、該一次巻線２２aと磁気結合した二次巻線２２bとが設けられており、一次巻線２２aの両端はパルス電源２１の正電位側の端子と負電位側の端子にそれぞれ接続されている。
【００４２】
他方、二次巻線２２bの一端は、トリガ電源２０の正電位側の端子にされており、従って、トリガ電極４２に接続されている。二次巻線２２bの他端はパルス電源２１の負電位側の端子と接続され、その部分がトリガ電源２０の負電位側の端子にされており、従って、二次巻線２２bの他端は、取付台４５を介して蒸着材料４３に接続されている。
【００４３】
上記のような構成の蒸着装置１０を用い、蒸着材料４３を構成する物質の薄膜を形成する場合、真空槽１内に基板８を配置し、内部を真空排気しながら基板８を所定温度まで昇温させた後、アーク電源４７を起動し、アノード電極３０と蒸着材料４３の間に１００Ｖ程度の電圧を印加しておく(印加電圧の極性は、アノード電極３０側が正電圧である)。
その状態でパルス電源２１を動作させ、一次巻線２２aの両端にパルス電圧を印加する。
【００４４】
トランス２２内では、一次巻線２２aと二次巻線２２bの巻数比は１０倍に設定されており、一次巻線２２aの両端に印加された電圧の１０倍の電圧が二次巻線２２bの両端に現れるようになっている。
【００４５】
一次巻線２２aに印加されたパルス電圧のピーク値が２００Ｖであった場合、二次巻線２２bには、２ｋＶの電圧が現れ、その電圧がトリガ電極４２と蒸着材料４３の間に印加される(極性はトリガ電極４２側が正電圧である)。
【００４６】
２ｋＶの電圧値は、トリガ電極４２と蒸着材料４３との間で、絶縁管４１表面上で沿面放電を発生させるのに十分な大きさであり、従って、二次巻線２２bに現れた電圧により、トリガ電極４２と蒸着材料４３との間にトリガ放電が発生し、トリガ電極４２から蒸着材料４３に向けてトリガ電流が流れる。
【００４７】
トリガ電流が流れ、蒸着材料４３が一部蒸発すると、アノード電極３０内の圧力が上昇し、その結果、アノード電極３０と蒸着材料４３の間にアーク放電が誘起される。
【００４８】
アーク放電によって流れるアーク電流は１０００〜１５００Ａ程度の大電流であり、そのアーク電流によって蒸着材料４３側面が溶融し、蒸着材料４３を構成する物質が蒸気となって大量に放出される。その蒸気中に含まれる正に帯電した微小粒子５１には、アーク電流が流れる方向とは逆向きの力が加わるので、アーク電極３０の開放口から真空槽１内に放出され、基板８方向に向けて飛行し、その表面に付着して薄膜を成長させる。
アーク電源４７が消耗し、アーク放電が終了すると、アーク電源４７の回復を待ってトリガ放電を発生させ、アーク放電を誘起させて薄膜を成長させる。
【００４９】
このように、必要な回数だけ繰り返しトリガ放電を発生させ、薄膜が所望の膜厚に形成された後、基板８を真空槽１外に搬出し、他の基板を搬入すると、薄膜形成作業を続行することができる。
【００５０】
上記のトリガ電源２０を用いてトリガ放電を発生させる場合、トリガ電源２０内にはコンデンサは設けられておらず、共振回路は形成されていない。従って、トリガ放電が生じた際に、トリガ電極４２に交流電流は流れず、トリガ電極４２を構成する物質が蒸発することもない。
【００５１】
図２(ａ)は、上記トリガ電源２０を用いた場合にトリガ電極４２に流れる電流を示したグラフである。トリガ電極４３には、交流電流は流れていない。
同図(ｂ)は、従来技術のトリガ電源１２０を用いた場合のトリガ電極１４２に流れる電流を示したグラフである。コンデンサ１２２の容量の影響で共振回路が形成され、トリガ放電の発生初期に、ごく短時間の間、トリガ電極１４２に交流電流が流れていることが分かる。
【００５２】
以上説明したように、本発明の蒸着装置を用いれば、トリガ電極４３に交流電流が流れず、形成される薄膜中にトリガ電極４３を構成する物質が混入することはない。
【００５３】
なお、上記トランス２２にはパルストランスを用いた。通常の電源用トランスは、一次巻線に印加された正弦波を二次巻線に伝達するために設計されているのに対し、パルストランスは、一次巻線２２aに印加されたパルス電圧の波形を歪めずに二次巻線２２bに伝達できるように設計されている。従って、トリガ電極４２に加えられるパルス電圧のｄＶ／ｄｔの値が大きく、トリガ放電が発生しやすくなっている。
【００５４】
また、このトランス２２では、二次巻線２２bにトリガ電流が流れるため、大電流を流せる設計になっている。
このように、本発明のトランス２２では、トリガ電極４２に高電圧のパルス電圧を印加でき、大電流のトリガ電流を流せるものが適している。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を用い、より高純度の薄膜を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の蒸着装置
【図２】(ａ)：本発明の蒸着装置のトリガ電極に流れる電流を示すグラフ
(ｂ)：従来技術の蒸着装置のトリガ電極に流れる電流を示すグラフ
【図３】(ａ)、(ｂ)：同軸型真空アーク蒸着源の動作原理を説明するための図
【図４】同軸型真空アーク蒸着源を用いた従来技術の蒸着装置を説明するための図
【符号の説明】
１……真空槽 ３……同軸型真空アーク蒸着源 ８……成膜対象物 １０……蒸着装置 ２０……トリガ電源 ２１……パルス電源 ２２……トランス ２２a……一次巻線 ２２b……二次巻線 ３０……アノード電極
４２……トリガ電極 ４３……蒸着材料
Claims (2)
- アノード電極と蒸着材料との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電を発生させ、前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電を誘起させ、前記蒸着材料を蒸発させ、成膜対象物表面に薄膜を形成する蒸着装置であって、
一次巻線と二次巻線とが磁気結合されたトランスと、
パルス電圧を発生させるパルス電源とを有し、
前記一次巻線に前記パルス電圧を印加し、前記二次巻線に誘起された電圧を前記トリガ電極と前記蒸着材料との間に印加し、前記トリガ放電を発生させるように構成されたことを特徴とする蒸着装置。 - 前記一次巻線と前記二次巻線の巻数比は、前記二次巻線が、前記一次巻線に印加された電圧を増幅するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の蒸着装置。
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