JP4074704B2

JP4074704B2 - 蒸着源及び蒸着装置

Info

Publication number: JP4074704B2
Application number: JP08270298A
Authority: JP
Inventors: 阿川　　義昭; 佳宏山本; 昭義茶谷原; 兼栄藤井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Ulvac Inc
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JPH11256315A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸着源及び蒸着装置に係り、特に磁性薄膜の形成等に適した高真空の蒸着装置や、それに用いる蒸着源の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、薄膜は半導体装置や液晶表示装置等の種々の分野に用いられており、金属薄膜の他に、絶縁性薄膜や磁性薄膜などの種々の薄膜が形成されている。
【０００３】
以下で説明する従来技術の蒸着装置は、同軸型真空アーク蒸着源(特開平９−１６５６７３)と呼ばれる蒸着源を用いており、蒸着材料を高真空雰囲気下で蒸発させ、放出される微小粒子によって基板表面に薄膜を形成するものである。
【０００４】
その蒸着源を説明すると、図４(ａ)を参照し、符号１０９は同軸型真空アーク蒸着源を模式的に示した断面図であり、カソード電極１０５を有している。該カソード電極１０５の先端には、金属などから成る蒸着材料１０１が設けられている。
【０００５】
この蒸着材料１０１は円柱状に形成されており、周囲に円筒形形状の絶縁管１０３が密着して設けられている。絶縁管１０３の周囲にはリング状のトリガ電極１０２が設けられており、これら全体を取り囲むように円筒形形状のアノード電極１０４が配置されている。
【０００６】
上記の蒸着源１０９を高真空雰囲気に置き、アノード電極１０４に正電圧を印加し、蒸着材料１０１に負電圧を印加した状態で、トリガ電極１０２に正のパルス電圧を印加すると、絶縁管１０３の端部表面でトリガ放電(沿面放電)が発生し、トリガ電極１０２から蒸着材料１０１に向けてトリガ電流が流れる。
【０００７】
そのトリガ電流によって蒸着材料１０１が蒸発し、その表面からイオン化した微小粒子が放出されると、アノード電極１０４と蒸着材料１０１との間の絶縁耐圧が低下し、この間にアーク放電が誘起され、蒸着材料１０１にアーク電流が流れ始める。
【０００８】
そのアーク電流は大電流であるため、蒸着材料が多量に蒸発し、蒸着材料を構成する物質の微小粒子が様々な方向に放出される。
【０００９】
上記のアーク電流は、蒸着材料１０１内を流れるが、そのアーク電流によってカソードの周囲に形成される磁界は、正電荷を帯びた荷電粒子に対し、アーク電流が流れる向きとは逆向きの方向、即ち、蒸着材料１０１の中心軸線方向に沿って、蒸着材料１０１から微小粒子を遠ざける方向の力を及ぼす。
【００１０】
従って、蒸着材料１０１の微小粒子は、アノード電極１０４の開口部から基板１１５に向けて直線的に放出され、その表面に堆積することにより薄膜が形成される。
【００１１】
一般に、トリガ放電によってアーク放電を誘起させる場合には、トリガ放電が高電圧を必要とするが、上記蒸着源１０９では、トリガ放電は沿面放電であり、トリガ電極１０２の端面１０２aから、絶縁管１０３の沿面１０３a上を電流が走るため、トリガ放電電圧は比較的低い電圧(約２ｋＶ)になっている。
【００１２】
しかしながら、上述の蒸着材料１０１から微小粒子が放出される際、基板１１５方向に飛行するものの他、一部は絶縁管１０３に向かって飛行し、沿面１０３a上に堆積する。
【００１３】
トリガ放電を発生させるためには、トリガ電極１０２と蒸着材料１０１との間に高電圧を印加できることが前提であるのに、放電回数を重ねると、図４(ｂ)に示すように沿面１０３aやカソード電極１０２の端面１０２a上に堆積した蒸着材料１０１bによって、蒸着材料１０１とトリガ電極１０２の間の絶縁耐圧が低下し、トリガ電圧に必要な電圧を印加できなくなるという問題がある。
【００１４】
実例として蒸着材料１０１にグラファイトを用いた場合は、約５０００回の放電で絶縁耐圧が極度に低くなり、トリガー放電電圧(２ｋＶ)を印加できなくなってしまっていた。
【００１５】
このような問題が生じないようにするには、トリガ電極１０２を絶縁管１０３から離間させる方法もあるが、その場合には、トリガ放電は沿面放電ではなくなるため、トリガ放電電圧が非常に大きくなってしまう(約１０ｋＶ)。
【００１６】
【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、蒸着材料とトリガ電極との間の絶縁耐圧を低下させない技術を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、円筒状のアノード電極と、カソード電極と、前記カソード電極に取り付けられた蒸着材料と、前記蒸着材料と密着して設けられた絶縁部材と、前記蒸着材料とは非接触の状態で前記絶縁部材に密着配置されたトリガ電極と、前記カソード電極と前記蒸着材料と前記絶縁部材と前記トリガ電極は前記アノード電極の内部に配置され、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加した状態で、前記トリガ電極に電圧を印加すると、該トリガ電極と前記蒸着材料との間の前記絶縁部材表面にトリガ放電電流が流れ、前記トリガ放電電流によって前記蒸着材料の蒸気が放出されて前記アノード電極内部の絶縁耐圧が低下し、前記蒸着材料と前記アノード電極との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成粒子を放出させるように構成された蒸着源であって、前記絶縁部材表面の前記トリガ放電電流が流れる経路の一部領域に、前記絶縁部材の一部によって遮蔽物を設け、前記蒸着材料から見て影となる非付着面を形成し、前記非付着面には、前記蒸着材料から放出され、直線的に飛来する前記蒸着材料の構成粒子が到達できないように構成したことを特徴とする蒸着源である。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の蒸着源であり、前記絶縁部材は、前記蒸着材料の周囲を取り囲むように設けられたことを特徴とする。
【００１９】
さらに、請求項３記載の発明は、真空排気可能に構成されたチャンバーを有し、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着源が、前記チャンバー内に配置されたことを特徴とする蒸着装置である。
【００２０】
上述の発明の構成によれば、トリガ放電等によって蒸着材料の構成粒子が飛散しても、この構成粒子が直接衝突しない非付着面が絶縁部材に設けられている。
【００２１】
この非付着面は、絶縁部材の沿面(沿面放電の発生経路)の一部であって、蒸着材料から見て陰となる面であり、蒸着材料から微小粒子が直線的に飛来しても、その微小粒子が直接衝突し得ない面である。
【００２２】
このように、沿面放電が生じる経路中に非付着面を設けると、トリガ電極と蒸着材料との間の絶縁耐圧はその非付着面で確保されるので、蒸着源の寿命を長くすることができる。
【００２３】
蒸着材料の微小粒子を均一に放出させるために、蒸着材料は円柱形等の柱状に成形され、トリガ電極はリング形状にされるので、絶縁部材を円筒形等の筒体に成形し、蒸着材料の周囲を取り囲むように配置するとよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１(ａ)は、本発明の第１の実施形態の蒸着装置の構成を示す図である。
【００２５】
図１(ａ)で符号８は、本発明の一例の蒸着装置であり、チャンバー１７を有している。チャンバー１７内部には、同軸型真空アーク方式の蒸着源１０が設けられており、蒸着源１０の開口と対向する位置に、基板ホルダー１６が配置されている。
【００２６】
蒸着源１０は、アノード電極４と、カソード電極５と、トリガ電極２と、絶縁部材３とを有している。アノード電極４と、カソード電極５と、トリガ電極２とは、それぞれ金属材料で構成されており、絶縁部材３は、絶縁性材料で構成されている。
【００２７】
カソード電極５は円柱形形状に成形されており、円筒形形状の絶縁部材３内部に挿入されている。トリガ電極２は、リング形状に成形されており、絶縁部材３の外周面に密着固定されている。また、カソード電極５の先端部分には、金属材料から成る蒸着材料１の底面が固定されており、絶縁部材３の先端からは、蒸着材料１の先端部分だけが突き出されている。
【００２８】
アノード電極４は円筒形形状に成形されており、カソード電極５、蒸着材料１、絶縁部材３、トリガ電極２が、アノード電極４とは非接触の状態で、その内部に配置されている。
【００２９】
チャンバー１７の外部には、トリガ電源６とアーク電源７とが設けられており、各電源６、７の正電位側の端子は、それぞれトリガ電極２とアノード電極４に接続され、負電位側の端子は、それぞれカソード電極５に接続されている。
【００３０】
上記構成の蒸着装置８を用いて薄膜を形成する場合には、まず薄膜形成対象である基板１５をチャンバー１７内に搬入し、基板ホルダー１６に保持させる。
【００３１】
次に、不図示の真空排気系によってチャンバー１７内を１０^-8Ｐa程度の高真空雰囲気にした後、アーク電源７を起動し、蒸着材料１に対してアノード電極４に正電圧を印加する。
【００３２】
その状態でトリガ電源６を起動し、トリガ電極２に正のパルス電圧を印加すると、絶縁部材３の表面のうち、トリガ電極２と蒸着材料１との間で露出する沿面１３上でトリガ放電が発生し、トリガ電極２から蒸着材料１に向けてトリガ電流が流れる。
【００３３】
そのトリガ電流が流れると、蒸着材料１の表面から蒸着材料１を構成する物質が蒸発し、アーク電極４内の圧力が上昇し、アーク電極４内の絶縁耐圧が低下し、アーク電極４と蒸着材料１の間にアーク放電が誘起される。
【００３４】
アーク放電によって蒸着材料１とカソード電極５内を流れるアーク電流ｉは大電流であり、蒸着材料１を構成する物質が大量に蒸発し、微小粒子２０となって大量に放出される。その微小粒子２０は蒸発の際にイオン化されており、正電荷が付与されているため、アーク電流ｉが形成する磁場によって、アーク電流が流れる方向とは逆向きの力Ｆを受け、蒸着源１０の開口からチャンバー１７内に放出される。
【００３５】
微小粒子２０の飛行方向には基板１５が位置しており、チャンバー１７内に放出された微小粒子が基板１５の表面に付着すると薄膜が形成される。
【００３６】
他方、無電荷の微小粒子２１や、電荷を有していても質量の大きい巨大粒子２２は、磁場の影響を受けないので、蒸着材料１から放出されると様々な方向に直線的に飛行し、それら粒子２１、２２の大部分は、アノード電極４に到達し、その部分に付着するが、一部分は、絶縁部材３やトリガ電極２にも到達する。
【００３７】
この蒸着源１０では、図１(ｂ)に示すように、絶縁部材３の先端がトリガ電極２の先端よりも１mmだけ突き出されており、従って、絶縁部材３の表面のうち、蒸着材料１とトリガ電極２の間で露出する沿面１３は、蒸着材料１と直角を成す先端部表面１３aと、蒸着材料１とは平行で、蒸着材料１から見て陰となる外周部表面１３bとで構成されている。
【００３８】
トリガ放電を発生させるために必要なトリガ電圧は、従来の蒸着源と同様に比較的低電圧(約２．５ｋＶ)であるようにされたまま、外周部表面１３bは、蒸着材料１の外周表面と平行になっている。そのため、沿面１３に向けて直線的に飛来する粒子２１、２２は、先端部表面１３aには到達できるが、外周部表面１３bは蒸着材料１から見て陰となるため、到達できない。
【００３９】
このように、外周部表面１３bが、蒸着材料１から放出された微小粒子に対する非付着面となるため、先端部表面１３aに蒸着材料１を構成する物質が堆積し、導電性の薄膜が形成されても、非付着面には薄膜は形成されないので、非付着面によって、トリガ電極２と蒸着材料１との間の絶縁耐圧は確保される。
【００４０】
上記微小粒子２０〜２２を放出させたアーク電流ｉは大電流であるため、アーク電源７の電圧は低下する。そして、アーク電源７の出力電圧が、アーク放電を維持できなくなるまで低下するとアーク電流ｉは停止する。
【００４１】
１回のアーク放電で放出される微小粒子２０は、薄膜形成に必要な量と比べると少量なので、アーク電源７の回復を待ってトリガ放電を繰り返し発生させ、アーク放電を所望回数誘起させると、基板１５表面に所望の膜厚の薄膜を形成することができる。
【００４２】
このように、基板１５表面に所望膜厚の薄膜が形成された後、その基板１５をチャンバー１７外に搬出し、未成膜の基板を搬入して基板ホルダ１６に保持させ、薄膜形成作業を続行する。
【００４３】
以上説明したように、本発明の蒸着源１０、及びその蒸着源１０を設けた蒸着装置８によれば、非付着面によってトリガ電極２と蒸着材料１の間の絶縁耐圧が確保されるので、従来の蒸着源では、５０００回の放電(トリガ放電及びアーク放電)で、トリガ電極にトリガ放電を発生させるための電圧(トリガ電圧)を印加できなくなっていたのに対し、本発明では、倍以上の回数のトリガ放電を発生させることが可能となった（蒸着材料１にグラファイトを用いた場合、約１２０００回)。従って、本発明によれば、多数の基板の連続処理が可能となり、装置稼働率が向上する。
【００４４】
なお、多数の基板に対して薄膜を形成した場合にトリガ放電を印加できなくなる原因は、処理枚数が多くなると、本来は非付着面である外周部表面１３bにも薄膜が堆積してしまうためと推測される。
【００４５】
次に、本発明の蒸着源の他の形態について説明する。その蒸着源は、上記蒸着源１０と同じ構成のアノード電極、蒸着材料、カソード電極、トリガ電極を有しているため、それらについては、同じ符号を付して説明する。
【００４６】
図２(ａ)に示す蒸着源５１は、本発明の第２の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状に成形されて成る絶縁部材３１を有しており、その絶縁部材３１が、上記蒸着源１０と同様に、蒸着材料１及びカソード電極５の周囲に設けられている。
【００４７】
この蒸着源５１でも、絶縁部材３１の端部は、リング形状のトリガ電極２の端部よりも突き出されており、絶縁部材３１の先端である先端部表面４１aは、蒸着材料１との成す角度が９０度未満で傾斜するように成形されている。
【００４８】
従って、絶縁部材３１の表面のうち、カソード電極１からトリガ電極２との間で露出する沿面４１は、傾斜した先端部表面４１aと外周部表面４１bとで構成されている。
【００４９】
従って、外周部表面４１bは、蒸着材料１から見て庇の陰になり、従って、蒸着材料１から直線的に飛散する粒子が到達せず、非付着面となる。これにより、この蒸着源５１は、上記蒸着源１０と同様に長寿命である。
【００５０】
実際にこの蒸着源５１を用いて蒸着装置を構成すると、トリガ放電電圧は約２．７ｋＶであり、トリガ放電を発生させられる回数は約１２０００回となった。
【００５１】
図２(ｂ)に示す蒸着源５２は、本発明の第３の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状に成形されて成る絶縁部材３２を有しており、その絶縁部材３２が、上記蒸着源１０、５１と同様に、蒸着材料１及びカソード電極５の周囲に設けられている。
【００５２】
その絶縁部材３２の端部の断面は、先端に向かう程厚みが増すように成形されており、それにより、リング状の突起３２aが形成されている。そして、トリガ電極２は、絶縁部材３２表面で、突起３２aよりも後退した位置に配置されており、トリガ放電は突起３２aを超えて流れるように構成されている。
【００５３】
従って、絶縁部材３２の表面のうち、トリガ電極２と蒸着材料１との間で露出する沿面４２は、蒸着材料１と直角を成す先端部表面４２aと、傾斜した外周部表面４２bとで構成されている。
【００５４】
リング状の突起３２aが存在するため、外周部表面４２bは、蒸着材料１から見て陰になるので、その部分が非付着面となり、この蒸着源５２は、上記蒸着源１０、５１と同様に長寿命となる。
【００５５】
実際にこの蒸着源５２を用いて蒸着装置を構成すると、トリガ放電電圧は約３ｋＶとなり、トリガ放電を発生させることができる回数は、約１３０００回となった。
【００５６】
図３(ａ)に示す蒸着源５３は、本発明の第４の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状に成形されて成る絶縁部材３３を有しており、その絶縁部材３３が、上記蒸着源１０、５１、５２と同様に、蒸着材料１及びカソード電極５の周囲に設けられている。
【００５７】
絶縁部材３３の端部表面には、リング状の凹条３３aが形成され、それによって形成されるリング状の凸条３３bが、蒸着材料周囲に配置されており、トリガ電極２は、凸条３３bよりも後退して配置されている。
【００５８】
従って、蒸着源５３では、凸条３３bがトリガ電極２の端面よりも突き出されており、絶縁部材３３の表面のうち、トリガ電極２と蒸着材料１との間で露出する沿面４３は、凸条３３bの側面４３aと、絶縁部材３３の外周部表面４３bとで構成されている。
【００５９】
この絶縁部材３３bでは、外周部表面４３bが非付着面となる他、凸条３３bの側面４３aのうち、蒸着材料１から見て陰となる部分が存する場合には、その部分も非付着面となるため、上記蒸着源１０、５１、５２と同様に、長寿命となる。
【００６０】
実際にこの装置を用いたときに、絶縁抵抗が破壊されるまでの放電回数は約１３０００回となった。またトリガ放電電圧は約３ｋＶになり、比較的低い放電電圧を維持できた。
【００６１】
図３(ｂ)に示す蒸着源５４は、本発明の第５の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状に成形されて成る絶縁部材３４を有しており、その絶縁部材３４が、上記蒸着源１０、５１〜５３と同様に、蒸着材料１及びカソード電極５の周囲に設けられている。
【００６２】
この蒸着源５４では、絶縁部材３４の先端部に、リング状の凹条３４aが形成され、蒸着材料１は凹条３４a内に位置している。従って、絶縁部材３４の沿面４４は、先端部表面４４aと、凹条３４aの内周面４４bで構成されている。
【００６３】
この蒸着源５４の場合、蒸着材料１から直線的に飛来した微小粒子は、凹条３４aの内周面４４bの深い部分には付着できないので、その部分が非付着面となり、上記蒸着源１０、５１〜５３と同様に、長寿命となる。
【００６４】
なお、上記各蒸着源１０、５１〜５４においては、いずれも、沿面距離は１mm程度になるように構成されており、それにより、約２ｋ〜３ｋＶ以下という比較的低い電圧でトリガ放電を発生させることが可能になっている。
【００６５】
なお、本実施形態は、上記蒸着源１０、５１〜５４に限定されるものではなく、絶縁部材の沿面が、直線的に飛散する導電材料の微小粒子が直接付着しない非付着面を有していればよい。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、低いトリガ放電電圧を維持しつつ、蒸着源の寿命を長くすることができる。
従って、蒸着装置の長時間の連続運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明の蒸着装置と本発明の第１の実施形態の蒸着源を説明するための図
(ｂ)：その蒸着源の部分拡大図
【図２】(ａ)：本発明の第２の実施形態の蒸着源を示す図
(ｂ)：本発明の第３の実施形態の蒸着源を示す図
【図３】(ａ)：本発明の第４の実施形態の蒸着源を示す図
(ｂ)：本発明の第５の実施形態の蒸着源を示す図
【図４】(ａ)：従来の蒸着源の先端部の構造を説明するための図
(ｂ)：従来の問題点を説明するための図
【符号の説明】
１……蒸着材料２……トリガ電極３、３１〜３４……絶縁部材４……アノード電極５……カソード電極１０、５１〜５４……蒸着源１３b、４１b〜４４b……非付着面１７……チャンバー

Claims

円筒状のアノード電極と、
カソード電極と、
前記カソード電極に取り付けられた蒸着材料と、
前記蒸着材料と密着して設けられた絶縁部材と、
前記蒸着材料とは非接触の状態で前記絶縁部材に密着配置されたトリガ電極と、
前記カソード電極と前記蒸着材料と前記絶縁部材と前記トリガ電極は前記アノード電極の内部に配置され、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加した状態で、前記トリガ電極に電圧を印加すると、該トリガ電極と前記蒸着材料との間の前記絶縁部材表面にトリガ放電電流が流れ、
前記トリガ放電電流によって前記蒸着材料の蒸気が放出されて前記アノード電極内部の絶縁耐圧が低下し、前記蒸着材料と前記アノード電極との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成粒子を放出させるように構成された蒸着源であって、
前記絶縁部材表面の前記トリガ放電電流が流れる経路の一部領域に、前記絶縁部材の一部によって遮蔽物を設け、前記蒸着材料から見て影となる非付着面を形成し、前記非付着面には、前記蒸着材料から放出され、直線的に飛来する前記蒸着材料の構成粒子が到達できないように構成したことを特徴とする蒸着源。
前記絶縁部材は、前記蒸着材料の周囲を取り囲むように設けられたことを特徴とする請求項１記載の蒸着源。
真空排気可能に構成されたチャンバーを有し、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着源が、前記チャンバー内に配置されたことを特徴とする蒸着装置。