JP4086964B2 - 補助アノード電極を有する同軸型真空アーク蒸着源及び蒸着装置 - Google Patents
補助アノード電極を有する同軸型真空アーク蒸着源及び蒸着装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同軸型真空アーク蒸着源、及びその同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置にかかり、特に、複数のカソード部材を有する同軸型真空アーク蒸着源、及びその同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置に関する。
【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。
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。
【０００３】
図３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底壁側には、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。
【０００４】
この同軸型真空アーク蒸着源１０３は、円筒形状のアノード電極１１１を有しており、該アノード電極１１１内には、複数(ここでは３個)のカソード部材１１２1〜１１２3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４(ａ)に示す。
各カソード部材１１２1〜１１２3は、蒸着材料１１５1〜１１５3と、絶縁管１１６1〜１１６3と、トリガ電極１１７1〜１１７3とを有している。
【０００６】
各蒸着材料１１５1〜１１５3は円柱形形状に成形されており、一端を各絶縁管１１６1〜１１６3の先端部分にそれぞれ挿入されている。ここでは各蒸着材料１１５1〜１１５3は同じ金属材料で構成されているものとする。
【０００７】
トリガ電極１１７1〜１１７3はリング形形状に成形されており、各絶縁管１１６1〜１１６3の先端部外周に装着されている。各絶縁管１１６1〜１１６3は、絶縁性材料で構成されており、従って、各蒸着材料１１５1〜１１５3と各トリガ電極１１７1〜１１７3は電気的には絶縁されている。
【０００８】
各カソード部材１１２1〜１１２3は、アノード電極１１１と非接触で、且つ互いに非接触で配置されており、各カソード部材１１２1〜１１２3は、アノード電極１１１内で、各蒸着材料１１５1〜１１５3の中心軸線がアノード電極１１１の中心軸線と平行になるように配置されている。
【０００９】
真空槽１０１の外部には、アーク放電発生装置１３１とトリガ放電発生装置１３２とが配置されている。アーク放電発生装置１３１内には、３台のアーク電源１３１1〜１３１3が配置されており、同様に、トリガ放電発生装置１３２内には、３台のトリガ電源１３２1〜１３２3が配置されている。
【００１０】
アーク電源１３１1〜１３１3は、正電圧側がアノード電極１１１に接続され、グラウンド電位に接地されている。負電圧側は各カソード部材１１２1〜１１２3内の蒸着材料１１５1〜１１５3にそれぞれ接続されており、蒸着材料１１５1〜１１５3に負電圧をそれぞれ印加できるように構成されている。
【００１１】
トリガ電源１３２1〜１３２3は、正電圧側が、各カソード部材１１２1〜１１２3内のトリガ電極１１７1〜１１７3にそれぞれ接続され、負電圧側が、各カソード部材１１２1〜１１２3内の蒸着材料１１５1〜１１５3にそれぞれ接続されている。
【００１２】
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。
【００１３】
基板１０８が所定温度まで昇温した後、先ず、１台目のカソード部材１１２1に接続されたアーク電源１３１1を起動し、そのカソード部材１１２1内の蒸着材料１１５1に負電圧を印加しておく。
【００１４】
その状態で、同じカソード部材１１２1に接続されたトリガ電源１３２1を起動し、そのカソード部材１１２1内のトリガ電極１１７1に正のパルス電圧を印加する。
【００１５】
すると、図４(ｂ)に示すように、トリガ電極１１７1と蒸着材料１１５1の間の絶縁管１１６1先端部表面でトリガ放電(沿面放電)が発生し、１台目のカソード部材１１２1内で、トリガ電極１１７1から蒸着材料１１５1に向けてトリガ電流ｉTが流れる。
そのトリガ電流ｉTが流れると蒸着材料１１５1表面が部分的に蒸発し、蒸着材料１１５1を構成する微小粒子が蒸気となって放出される。
【００１６】
その結果、アノード電極１１１と蒸着材料１１５1の間の絶縁耐圧が低下し、アーク放電発生器１３１によって電圧が印加されている蒸着材料１１５1(１台目のカソード部材１１２1の蒸着材料１１５1)の側面と、アノード電極１１１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１１１内周面から蒸着材料１１５1側面に向けてアーク電流ｉAが流れると、そのアーク電流ｉAは大電流であるため、蒸着材料１１５1側面が溶融し、トリガ電流ｉTが流れたときよりも大量の蒸気が放出される。
【００１８】
アーク電流ｉAは、１台目のカソード部材１１２1内で、その中心軸線上を先端部から奥方向に向けて直線的に流れるため、アーク電流ｉAが形成する磁界は、正電荷に対してアーク電流ｉAの向きとは反対方向、即ち、カソード部材１１２1の奥方向から先端方向に向かう力Ｆ1を及ぼす。
【００１９】
蒸着材料１１５1から放出された微小粒子中には、正に帯電した微小粒子１５１が含まれているため、その正帯電の微小粒子１５１は力Ｆ1の影響を受ける。従って、蒸着材料１１５1側面から放出された正帯電の微小粒子１５１はアノード電極１１１の開口部方向に軌道が曲げられ、真空槽１０１内に放出される。
【００２０】
アノード電極１１１の中心軸線の延長方向には、基板１０８が配置されており、真空槽１０１内に放出された正帯電の微小粒子１５１は基板１０８方向に向けて飛行し、その表面に付着すると、蒸着材料１１５1を構成する物質の薄膜を成長させる。
【００２１】
アーク電流ｉAが流れると、微小粒子１５１の他に、蒸着材料１１５1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Ｆ1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１１１の内周面に付着し、真空槽１０１内には放出されない。
【００２２】
アーク電流ｉAは大電流であるため、アーク電源１３１1中のコンデンサが電荷を放電してしまうと、その出力がアーク放電を維持できなくなる電圧まで低下し、自動的にアーク放電は消灯する。
【００２３】
次に、２台目のカソード部材１１２2に接続されているアノード電源１３１2を起動し、そのカソード部材１１２2内の蒸着材料１１５2とアノード電極１１１との間に電圧を印加し、その状態でトリガ電源１３２2を動作させ、２台目のカソード部材１１２2内のトリガ電極１１７2と蒸着材料１１５2の間にトリガ放電を発生させ、アノード電極１１１と蒸着材料１１５2との間にアーク放電を誘起させ、微小粒子を大量に放出させる。
【００２４】
この場合も、蒸着材料１１５2内を流れるアーク電流ｉAによって磁界が形成され、力Ｆ2によって正帯電の微小粒子の軌道は曲げられ、真空槽１０１内に放出された微小粒子が基板１０８表面に付着すると薄膜が成長する。
２台目のカソード部材１１２2に接続されたアーク電源１３１2のアーク電圧が下がったら、３台目のカソード部材１１２3を用いて薄膜を成長させる。
【００２５】
このように、上記蒸着装置１１０によれば、微小粒子だけで薄膜が成長し、しかも、複数のカソード部材１１２1〜１１２3を用い、広い範囲から微小粒子が放出されることから、基板１０８表面に形成される薄膜の膜厚均一性が良く、Ｔａ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅＭｎ等の、高性能磁気薄膜を製造する場合に用いられている。
【００２６】
しかしながら上記の同軸型真空アーク蒸着源１０３では、アーク放電は、各蒸着材料１１５1〜１１５3側面のうち、アノード電極１１１内周面と近接した位置で頻繁に発生し、アノード電極１１１内周面から離間した位置では発生しにくくなっている。
【００２７】
そのため、同軸型真空アーク蒸着源１０３の使用回数が増えると、各蒸着材料１１５1〜１１５3は部分的に消耗してしまい、蒸着材料１１５1〜１１５3の交換頻度が高くなり、装置稼働率が低下してしまう。
また、アーク放電がアノード電極１１１内周面に近接した位置だけで発生すると、アノード電極１１１の中心付近から微小粒子が放出されなくなり、基板１０８表面に形成される薄膜の膜厚分布が悪化してしまう。
【００２８】
【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、均一なアーク放電を発生させられる同軸型真空アーク蒸着源を提供することにある。
【００２９】
【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、中空の主アノード電極内に複数のカソード部材が配置され、前記各カソード部材は、柱状の蒸着材料の一端が絶縁管の先端内に挿入され、トリガ電極が前記絶縁管先端部分の外周に配置されて構成された同軸型真空アーク蒸着源であって、前記主アノード電極は多角形状に形成され、前記各カソード部材の間に、前記主アノード電極と電気的に接続された補助アノード電極が設けられ、前記主アノード電極は六角形状の小区画に区分けされ、前記カソード部材は前記小区画内に一個ずつ配置されたことを特徴とする。
【００３０】
請求項２記載の発明は、蒸着装置であって、真空槽を有し、該真空槽に、請求項１記載の同軸型真空アーク蒸着源が配置されたことを特徴とする。
【００３２】
本発明は上記のように構成されており、中空の主アノード電極内に複数のカソード部材が配置されが同軸型真空アーク蒸着源である。各カソード部材は、蒸着材料とトリガ電極と絶縁管とを有しており、蒸着材料は柱状に形成され、その一端が絶縁管の先端内に挿入されている。また、トリガ電極は絶縁管先端部分の外周に配置されており、主アノード電極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るとアーク放電が誘起されるようになっている。
【００３３】
この同軸型真空アーク蒸着源では、各カソード部材の間に、主アノード電極と電気的に接続された補助アノード電極が設けられており、従って、アーク放電は主アノード電極と蒸着材料の間だけでなく、補助アノード電極と蒸着材料との間にも発生するため、蒸着材料外周面から均等に微小粒子が放出される。
【００３４】
その結果、蒸着材料が片寄って消耗することはなく、また、アノード電極から不均一に微小粒子が放出されることもない。
【００３５】
この場合、各蒸着材料周囲には主アノード電極又は補助アノード電極が配置され、各蒸着材料が主アノード電極又は補助アノード電極で囲まれるようにしておくと、アーク放電は一層均一に発生するようになる。
【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の底壁側には同軸型真空アーク蒸着源３が配置されており、天井側には基板ホルダ５が配置されている。
【００３７】
この同軸型真空アーク蒸着源３は、円筒形形状の金属から成る主アノード電極１１を有しており、該主アノード電極１１内には、複数(ここでは３個)のカソード部材１２1〜１２3が配置されている。
【００３８】
この同軸型真空アーク蒸着源３を基板ホルダ５側から見た模式的な平面図を図１(ａ)に示す。また、模式的な断面図を図２に示す。
各カソード部材１２1〜１２3は、蒸着材料１５1〜１５3と、絶縁管１６1〜１６3と、トリガ電極１７1〜１７3とを有している。
【００３９】
各蒸着材料１５1〜１５3は、形成したい薄膜材料が円柱形形状に成形されて構成されており、下端部は各絶縁管１６1〜１６3の先端部分内にそれぞれ挿入され、上端部は各絶縁管１６1〜１６2の先端部分から突き出されている。
【００４０】
トリガ電極１７1〜１７3はリング形形状に成形されており、各絶縁管１６1〜１６3の先端部外周に、蒸着材料１５1〜１５3とは非接触の状態で装着されている。各絶縁管１６1〜１６3は絶縁性材料で構成されており、従って、各蒸着材料１５1〜１５3と各トリガ電極１７1〜１７3とは電気的に絶縁されている。
【００４１】
主アノード電極１１内には、主アノード電極１１の長手方向に沿って、板状の補助アノード電極１３1〜１３3が立設されており、各補助アノード電極１３1〜１３3の一方の側部は主アノード電極１１の内周面に固定され、他方の側部は、主アノード電極１１の中心軸線上で互いに固定されている。
【００４２】
従って、主アノード電極１１内は、３個の小区画１４1〜１４3が形成されており、３個のカソード部材１２1〜１２3は、各小区画１４1〜１４3内に、それぞれ１個ずつ配置されている。
【００４３】
各カソード部材１２1〜１２3は、各小区画１４1〜１４3の中心に位置し、主アノード電極１１や補助アノード電極１３1〜１３3と略等距離になるように配置されており、また、各カソード部材１２1〜１２3は、各蒸着材料１５1〜１５3の中心軸線がアノード電極１１の中心軸線と平行になるようにされている。
【００４４】
真空槽１の外部には、アーク放電発生装置３１とトリガ放電発生装置３２とが配置されている。アーク放電発生装置３１内には、３台のアーク電源３１1〜３１3が配置されており、同様に、トリガ放電発生装置３２内には、３台のトリガ電源３２1〜３２3が配置されている。
【００４５】
アーク電源３１1〜３１3は、正電圧側がアノード電極１１に接続され、グラウンド電位に接地されている。負電圧側は、各カソード部材１２1〜１２3内の蒸着材料１５1〜１５3にそれぞれ接続されており、各蒸着材料１５1〜１５3に個別に負電圧を印加できるように構成されている。
【００４６】
補助アノード電極１３1〜１３3は、主アノード電極１１と同じ金属材料で構成されており、また、主アノード電極１１に電気的に接続されているため、主アノード電極１１に印加された電圧は補助アノード電極１３1〜１３3にも印加される。
【００４７】
トリガ電源３２1〜３２3は、正電圧側が各トリガ電極１７1〜１７3にそれぞれ接続されており、負電圧側は、そのトリガ電極１７1〜１７3が設けられた蒸着材料１５1〜１５3にそれぞれ接続されており、各カソード部材１２1〜１２3内のトリガ電極１７1と蒸着材料１５1〜１５3との間に個別に電圧を印加できるように構成されている。
【００４８】
この蒸着装置１０を用いて薄膜を形成する場合には、基板８を基板ホルダ１０５に保持させ、真空槽１内部を真空排気しながら基板８を加熱する。
【００４９】
基板８が所定温度まで昇温した後、上記従来技術の蒸着装置１０１と同様に、１台目のカソード部材１２1に接続されたアーク電源３１1を起動し、蒸着材料１５1に負電圧を印加する。
【００５０】
その状態で、１台目のカソード部材１２1に接続されたトリガ電源３２1を起動し、トリガ電極１７1に正のパルス電圧を印加し、トリガ放電を発生させ、主アノード電極１１と蒸着材料１５1の間にアーク放電を誘起させる。
【００５１】
蒸着材料１７1の周囲には、主アノード電極１１だけではなく、２枚の補助アノード電極１３1、１３3が配置されており、アーク放電は、主アーク電極１１と蒸着材料１５1の間で発生するか、又は、補助アノード電極１３1、１３3と蒸着材料１５1との間で発生する。
【００５２】
その場合、主及び補助アノード電極１１、１３1、１３3と蒸着材料１５1との間の距離は略等しくされているので、アーク放電は主及び補助アノード電極１１、１３1、１３3において、ほぼ等しい確率で発生する。
【００５３】
蒸着材料１５1内を流れるアノード電流が形成する磁界は、蒸着材料１５1から放出された正帯電の微小粒子に対し、電流の向きとは逆向きの力Ｆ1を及ぼし、その結果、正帯電の微小粒子は、小区画１４1内から真空槽１内に向かって放出され、基板８表面に付着すると薄膜を成長させる。
【００５４】
他方、蒸着材料１５1から放出された中性粒子や巨大粒子はアノード電流が形成する磁界の影響を受けないため、主又は補助アノード電極１１、１３1、１３3に付着し、真空槽１内には放出されない。
【００５５】
アーク電源３１1の電圧が低下し、アーク放電を維持できなくなると、２台目のカソード部材１２2に接続されたアーク電源３１2を起動し、主及び補助アノード電極１１、１３1、１３2と蒸着材料１５2の間に電圧を印加し、その状態でトリガ電源３２2を起動し、トリガ放電を発生させ、アーク放電を誘起させる。このとき形成される磁界により、正帯電の微小粒子は力Ｆ2を受け、真空槽１内に放出される。
【００５６】
この蒸着源１５2は、主及び補助アノード電極１１、１３1、１３2と蒸着材料１５2との間の距離はほぼ等しくされており、蒸着材料１５2側面で均等にアーク放電が生じるようになっている(３台目の蒸着源１５3も同様である)。
【００５７】
２台目のカソード部材１２2のアーク放電が終了したら、３台目のカソード部材１２3でアーク放電を発生させ、次に、１台目のカソード部材１２1に戻り、薄膜形成作業を続行する。
【００５８】
このように、各蒸着材料１５1〜１５3と主及び補助アノード電極１１、１３1〜１３3の間に繰り返しアーク放電を発生させるため、この同軸型真空アーク蒸着源３では、各蒸着材料１５1〜１５3外周面から均等に微小粒子が放出されるため、蒸着材料１５1〜１５3が片寄って消耗することはない。
【００５９】
また、各蒸着材料１５1〜１５3外周面から均等に微小粒子が放出される結果、アノード電極１１の中心付近からも真空槽１内に多量の微小粒子が放出され、その結果、基板８表面に膜厚分布の良い薄膜を形成することができる。
【００６０】
以上は、円筒状の主アノード電極１１内に板状の補助アノード電極１３1〜１３3を３枚設けた場合を説明したが(補助アノード電極１３1〜１３3が互いに成す角度は１２０°)、図１(ｃ)に示すように、多角形形状の主アノード電極２１内に３枚の補助アノード電極２３1〜２３3を設け、それらで六角形形状の小区画２４1〜２４3を形成し、上記各カソード部材１２1〜１２3を各小区画２４1〜２４3内に配置して同軸型真空アーク蒸着源４を構成してもよい。
【００６１】
この場合、円筒形形状の主アノード電極１１を用いた場合よりも、各蒸着材料１５1〜１５3と主及び補助アノード電極２１、２３1〜２３3との間の距離が均一になるので、アーク放電も一層均一に発生するようになる。
【００６２】
なお、以上は３個のカソード部材１２1〜１２3を用いたが、２個又は４個以上のカソード部材を用いた場合でも、主アノード電極内に補助アノード電極を配置し、上記同軸型真空アーク蒸着源３、４と同様に小区画を形成し、各カソード部材を小区画内に１個ずつ配置することができる。
【００６３】
小区画を形成する場合、補助アノード電極により、小区画間を完全に遮蔽しても良いし、アーク放電が発生し得る部分にだけ補助アノード電極を配置しても良い。
【００６４】
また、上記同軸型真空アーク蒸着源３では、各カソード部材１２1〜１２3内に同じ金属から成る蒸着材料１５1〜１５3を配置したが、それらを異なる物質で構成し、各カソード部材１２1〜１２3から順番に微小粒子を放出させると、多層薄膜を形成することが可能になる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、多数のカソード部材から均一に微小粒子が放出されるので、カソードの局所的な消耗をさけ、寿命を長くするとともに膜厚分布の良好な薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明の一例の蒸着装置 (ｂ)：その蒸着装置に用いられる同軸型真空アーク蒸着源の一例の平面図 (ｃ)：同軸型真空アーク蒸着源の他の例の平面図
【図２】本発明の同軸型真空アーク蒸着源の模式的な断面図
【図３】従来技術の蒸着装置を説明するための図
【図４】その蒸着装置に用いられる同軸型真空アーク蒸着源の模式的な断面図
【符号の説明】
１０……蒸着装置 １……真空槽 ３、４……同軸型真空アーク蒸着源 １１、２１……主アノード電極 １３1〜１３3、２３1〜２３3……補助アノード電極 １５1〜１５3……蒸着材料
【発明の属する技術分野】
本発明は同軸型真空アーク蒸着源、及びその同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置にかかり、特に、複数のカソード部材を有する同軸型真空アーク蒸着源、及びその同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置に関する。
【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。
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。
【０００３】
図３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底壁側には、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。
【０００４】
この同軸型真空アーク蒸着源１０３は、円筒形状のアノード電極１１１を有しており、該アノード電極１１１内には、複数(ここでは３個)のカソード部材１１２1〜１１２3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４(ａ)に示す。
各カソード部材１１２1〜１１２3は、蒸着材料１１５1〜１１５3と、絶縁管１１６1〜１１６3と、トリガ電極１１７1〜１１７3とを有している。
【０００６】
各蒸着材料１１５1〜１１５3は円柱形形状に成形されており、一端を各絶縁管１１６1〜１１６3の先端部分にそれぞれ挿入されている。ここでは各蒸着材料１１５1〜１１５3は同じ金属材料で構成されているものとする。
【０００７】
トリガ電極１１７1〜１１７3はリング形形状に成形されており、各絶縁管１１６1〜１１６3の先端部外周に装着されている。各絶縁管１１６1〜１１６3は、絶縁性材料で構成されており、従って、各蒸着材料１１５1〜１１５3と各トリガ電極１１７1〜１１７3は電気的には絶縁されている。
【０００８】
各カソード部材１１２1〜１１２3は、アノード電極１１１と非接触で、且つ互いに非接触で配置されており、各カソード部材１１２1〜１１２3は、アノード電極１１１内で、各蒸着材料１１５1〜１１５3の中心軸線がアノード電極１１１の中心軸線と平行になるように配置されている。
【０００９】
真空槽１０１の外部には、アーク放電発生装置１３１とトリガ放電発生装置１３２とが配置されている。アーク放電発生装置１３１内には、３台のアーク電源１３１1〜１３１3が配置されており、同様に、トリガ放電発生装置１３２内には、３台のトリガ電源１３２1〜１３２3が配置されている。
【００１０】
アーク電源１３１1〜１３１3は、正電圧側がアノード電極１１１に接続され、グラウンド電位に接地されている。負電圧側は各カソード部材１１２1〜１１２3内の蒸着材料１１５1〜１１５3にそれぞれ接続されており、蒸着材料１１５1〜１１５3に負電圧をそれぞれ印加できるように構成されている。
【００１１】
トリガ電源１３２1〜１３２3は、正電圧側が、各カソード部材１１２1〜１１２3内のトリガ電極１１７1〜１１７3にそれぞれ接続され、負電圧側が、各カソード部材１１２1〜１１２3内の蒸着材料１１５1〜１１５3にそれぞれ接続されている。
【００１２】
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。
【００１３】
基板１０８が所定温度まで昇温した後、先ず、１台目のカソード部材１１２1に接続されたアーク電源１３１1を起動し、そのカソード部材１１２1内の蒸着材料１１５1に負電圧を印加しておく。
【００１４】
その状態で、同じカソード部材１１２1に接続されたトリガ電源１３２1を起動し、そのカソード部材１１２1内のトリガ電極１１７1に正のパルス電圧を印加する。
【００１５】
すると、図４(ｂ)に示すように、トリガ電極１１７1と蒸着材料１１５1の間の絶縁管１１６1先端部表面でトリガ放電(沿面放電)が発生し、１台目のカソード部材１１２1内で、トリガ電極１１７1から蒸着材料１１５1に向けてトリガ電流ｉTが流れる。
そのトリガ電流ｉTが流れると蒸着材料１１５1表面が部分的に蒸発し、蒸着材料１１５1を構成する微小粒子が蒸気となって放出される。
【００１６】
その結果、アノード電極１１１と蒸着材料１１５1の間の絶縁耐圧が低下し、アーク放電発生器１３１によって電圧が印加されている蒸着材料１１５1(１台目のカソード部材１１２1の蒸着材料１１５1)の側面と、アノード電極１１１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１１１内周面から蒸着材料１１５1側面に向けてアーク電流ｉAが流れると、そのアーク電流ｉAは大電流であるため、蒸着材料１１５1側面が溶融し、トリガ電流ｉTが流れたときよりも大量の蒸気が放出される。
【００１８】
アーク電流ｉAは、１台目のカソード部材１１２1内で、その中心軸線上を先端部から奥方向に向けて直線的に流れるため、アーク電流ｉAが形成する磁界は、正電荷に対してアーク電流ｉAの向きとは反対方向、即ち、カソード部材１１２1の奥方向から先端方向に向かう力Ｆ1を及ぼす。
【００１９】
蒸着材料１１５1から放出された微小粒子中には、正に帯電した微小粒子１５１が含まれているため、その正帯電の微小粒子１５１は力Ｆ1の影響を受ける。従って、蒸着材料１１５1側面から放出された正帯電の微小粒子１５１はアノード電極１１１の開口部方向に軌道が曲げられ、真空槽１０１内に放出される。
【００２０】
アノード電極１１１の中心軸線の延長方向には、基板１０８が配置されており、真空槽１０１内に放出された正帯電の微小粒子１５１は基板１０８方向に向けて飛行し、その表面に付着すると、蒸着材料１１５1を構成する物質の薄膜を成長させる。
【００２１】
アーク電流ｉAが流れると、微小粒子１５１の他に、蒸着材料１１５1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Ｆ1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１１１の内周面に付着し、真空槽１０１内には放出されない。
【００２２】
アーク電流ｉAは大電流であるため、アーク電源１３１1中のコンデンサが電荷を放電してしまうと、その出力がアーク放電を維持できなくなる電圧まで低下し、自動的にアーク放電は消灯する。
【００２３】
次に、２台目のカソード部材１１２2に接続されているアノード電源１３１2を起動し、そのカソード部材１１２2内の蒸着材料１１５2とアノード電極１１１との間に電圧を印加し、その状態でトリガ電源１３２2を動作させ、２台目のカソード部材１１２2内のトリガ電極１１７2と蒸着材料１１５2の間にトリガ放電を発生させ、アノード電極１１１と蒸着材料１１５2との間にアーク放電を誘起させ、微小粒子を大量に放出させる。
【００２４】
この場合も、蒸着材料１１５2内を流れるアーク電流ｉAによって磁界が形成され、力Ｆ2によって正帯電の微小粒子の軌道は曲げられ、真空槽１０１内に放出された微小粒子が基板１０８表面に付着すると薄膜が成長する。
２台目のカソード部材１１２2に接続されたアーク電源１３１2のアーク電圧が下がったら、３台目のカソード部材１１２3を用いて薄膜を成長させる。
【００２５】
このように、上記蒸着装置１１０によれば、微小粒子だけで薄膜が成長し、しかも、複数のカソード部材１１２1〜１１２3を用い、広い範囲から微小粒子が放出されることから、基板１０８表面に形成される薄膜の膜厚均一性が良く、Ｔａ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅＭｎ等の、高性能磁気薄膜を製造する場合に用いられている。
【００２６】
しかしながら上記の同軸型真空アーク蒸着源１０３では、アーク放電は、各蒸着材料１１５1〜１１５3側面のうち、アノード電極１１１内周面と近接した位置で頻繁に発生し、アノード電極１１１内周面から離間した位置では発生しにくくなっている。
【００２７】
そのため、同軸型真空アーク蒸着源１０３の使用回数が増えると、各蒸着材料１１５1〜１１５3は部分的に消耗してしまい、蒸着材料１１５1〜１１５3の交換頻度が高くなり、装置稼働率が低下してしまう。
また、アーク放電がアノード電極１１１内周面に近接した位置だけで発生すると、アノード電極１１１の中心付近から微小粒子が放出されなくなり、基板１０８表面に形成される薄膜の膜厚分布が悪化してしまう。
【００２８】
【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、均一なアーク放電を発生させられる同軸型真空アーク蒸着源を提供することにある。
【００２９】
【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、中空の主アノード電極内に複数のカソード部材が配置され、前記各カソード部材は、柱状の蒸着材料の一端が絶縁管の先端内に挿入され、トリガ電極が前記絶縁管先端部分の外周に配置されて構成された同軸型真空アーク蒸着源であって、前記主アノード電極は多角形状に形成され、前記各カソード部材の間に、前記主アノード電極と電気的に接続された補助アノード電極が設けられ、前記主アノード電極は六角形状の小区画に区分けされ、前記カソード部材は前記小区画内に一個ずつ配置されたことを特徴とする。
【００３０】
請求項２記載の発明は、蒸着装置であって、真空槽を有し、該真空槽に、請求項１記載の同軸型真空アーク蒸着源が配置されたことを特徴とする。
【００３２】
本発明は上記のように構成されており、中空の主アノード電極内に複数のカソード部材が配置されが同軸型真空アーク蒸着源である。各カソード部材は、蒸着材料とトリガ電極と絶縁管とを有しており、蒸着材料は柱状に形成され、その一端が絶縁管の先端内に挿入されている。また、トリガ電極は絶縁管先端部分の外周に配置されており、主アノード電極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るとアーク放電が誘起されるようになっている。
【００３３】
この同軸型真空アーク蒸着源では、各カソード部材の間に、主アノード電極と電気的に接続された補助アノード電極が設けられており、従って、アーク放電は主アノード電極と蒸着材料の間だけでなく、補助アノード電極と蒸着材料との間にも発生するため、蒸着材料外周面から均等に微小粒子が放出される。
【００３４】
その結果、蒸着材料が片寄って消耗することはなく、また、アノード電極から不均一に微小粒子が放出されることもない。
【００３５】
この場合、各蒸着材料周囲には主アノード電極又は補助アノード電極が配置され、各蒸着材料が主アノード電極又は補助アノード電極で囲まれるようにしておくと、アーク放電は一層均一に発生するようになる。
【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の底壁側には同軸型真空アーク蒸着源３が配置されており、天井側には基板ホルダ５が配置されている。
【００３７】
この同軸型真空アーク蒸着源３は、円筒形形状の金属から成る主アノード電極１１を有しており、該主アノード電極１１内には、複数(ここでは３個)のカソード部材１２1〜１２3が配置されている。
【００３８】
この同軸型真空アーク蒸着源３を基板ホルダ５側から見た模式的な平面図を図１(ａ)に示す。また、模式的な断面図を図２に示す。
各カソード部材１２1〜１２3は、蒸着材料１５1〜１５3と、絶縁管１６1〜１６3と、トリガ電極１７1〜１７3とを有している。
【００３９】
各蒸着材料１５1〜１５3は、形成したい薄膜材料が円柱形形状に成形されて構成されており、下端部は各絶縁管１６1〜１６3の先端部分内にそれぞれ挿入され、上端部は各絶縁管１６1〜１６2の先端部分から突き出されている。
【００４０】
トリガ電極１７1〜１７3はリング形形状に成形されており、各絶縁管１６1〜１６3の先端部外周に、蒸着材料１５1〜１５3とは非接触の状態で装着されている。各絶縁管１６1〜１６3は絶縁性材料で構成されており、従って、各蒸着材料１５1〜１５3と各トリガ電極１７1〜１７3とは電気的に絶縁されている。
【００４１】
主アノード電極１１内には、主アノード電極１１の長手方向に沿って、板状の補助アノード電極１３1〜１３3が立設されており、各補助アノード電極１３1〜１３3の一方の側部は主アノード電極１１の内周面に固定され、他方の側部は、主アノード電極１１の中心軸線上で互いに固定されている。
【００４２】
従って、主アノード電極１１内は、３個の小区画１４1〜１４3が形成されており、３個のカソード部材１２1〜１２3は、各小区画１４1〜１４3内に、それぞれ１個ずつ配置されている。
【００４３】
各カソード部材１２1〜１２3は、各小区画１４1〜１４3の中心に位置し、主アノード電極１１や補助アノード電極１３1〜１３3と略等距離になるように配置されており、また、各カソード部材１２1〜１２3は、各蒸着材料１５1〜１５3の中心軸線がアノード電極１１の中心軸線と平行になるようにされている。
【００４４】
真空槽１の外部には、アーク放電発生装置３１とトリガ放電発生装置３２とが配置されている。アーク放電発生装置３１内には、３台のアーク電源３１1〜３１3が配置されており、同様に、トリガ放電発生装置３２内には、３台のトリガ電源３２1〜３２3が配置されている。
【００４５】
アーク電源３１1〜３１3は、正電圧側がアノード電極１１に接続され、グラウンド電位に接地されている。負電圧側は、各カソード部材１２1〜１２3内の蒸着材料１５1〜１５3にそれぞれ接続されており、各蒸着材料１５1〜１５3に個別に負電圧を印加できるように構成されている。
【００４６】
補助アノード電極１３1〜１３3は、主アノード電極１１と同じ金属材料で構成されており、また、主アノード電極１１に電気的に接続されているため、主アノード電極１１に印加された電圧は補助アノード電極１３1〜１３3にも印加される。
【００４７】
トリガ電源３２1〜３２3は、正電圧側が各トリガ電極１７1〜１７3にそれぞれ接続されており、負電圧側は、そのトリガ電極１７1〜１７3が設けられた蒸着材料１５1〜１５3にそれぞれ接続されており、各カソード部材１２1〜１２3内のトリガ電極１７1と蒸着材料１５1〜１５3との間に個別に電圧を印加できるように構成されている。
【００４８】
この蒸着装置１０を用いて薄膜を形成する場合には、基板８を基板ホルダ１０５に保持させ、真空槽１内部を真空排気しながら基板８を加熱する。
【００４９】
基板８が所定温度まで昇温した後、上記従来技術の蒸着装置１０１と同様に、１台目のカソード部材１２1に接続されたアーク電源３１1を起動し、蒸着材料１５1に負電圧を印加する。
【００５０】
その状態で、１台目のカソード部材１２1に接続されたトリガ電源３２1を起動し、トリガ電極１７1に正のパルス電圧を印加し、トリガ放電を発生させ、主アノード電極１１と蒸着材料１５1の間にアーク放電を誘起させる。
【００５１】
蒸着材料１７1の周囲には、主アノード電極１１だけではなく、２枚の補助アノード電極１３1、１３3が配置されており、アーク放電は、主アーク電極１１と蒸着材料１５1の間で発生するか、又は、補助アノード電極１３1、１３3と蒸着材料１５1との間で発生する。
【００５２】
その場合、主及び補助アノード電極１１、１３1、１３3と蒸着材料１５1との間の距離は略等しくされているので、アーク放電は主及び補助アノード電極１１、１３1、１３3において、ほぼ等しい確率で発生する。
【００５３】
蒸着材料１５1内を流れるアノード電流が形成する磁界は、蒸着材料１５1から放出された正帯電の微小粒子に対し、電流の向きとは逆向きの力Ｆ1を及ぼし、その結果、正帯電の微小粒子は、小区画１４1内から真空槽１内に向かって放出され、基板８表面に付着すると薄膜を成長させる。
【００５４】
他方、蒸着材料１５1から放出された中性粒子や巨大粒子はアノード電流が形成する磁界の影響を受けないため、主又は補助アノード電極１１、１３1、１３3に付着し、真空槽１内には放出されない。
【００５５】
アーク電源３１1の電圧が低下し、アーク放電を維持できなくなると、２台目のカソード部材１２2に接続されたアーク電源３１2を起動し、主及び補助アノード電極１１、１３1、１３2と蒸着材料１５2の間に電圧を印加し、その状態でトリガ電源３２2を起動し、トリガ放電を発生させ、アーク放電を誘起させる。このとき形成される磁界により、正帯電の微小粒子は力Ｆ2を受け、真空槽１内に放出される。
【００５６】
この蒸着源１５2は、主及び補助アノード電極１１、１３1、１３2と蒸着材料１５2との間の距離はほぼ等しくされており、蒸着材料１５2側面で均等にアーク放電が生じるようになっている(３台目の蒸着源１５3も同様である)。
【００５７】
２台目のカソード部材１２2のアーク放電が終了したら、３台目のカソード部材１２3でアーク放電を発生させ、次に、１台目のカソード部材１２1に戻り、薄膜形成作業を続行する。
【００５８】
このように、各蒸着材料１５1〜１５3と主及び補助アノード電極１１、１３1〜１３3の間に繰り返しアーク放電を発生させるため、この同軸型真空アーク蒸着源３では、各蒸着材料１５1〜１５3外周面から均等に微小粒子が放出されるため、蒸着材料１５1〜１５3が片寄って消耗することはない。
【００５９】
また、各蒸着材料１５1〜１５3外周面から均等に微小粒子が放出される結果、アノード電極１１の中心付近からも真空槽１内に多量の微小粒子が放出され、その結果、基板８表面に膜厚分布の良い薄膜を形成することができる。
【００６０】
以上は、円筒状の主アノード電極１１内に板状の補助アノード電極１３1〜１３3を３枚設けた場合を説明したが(補助アノード電極１３1〜１３3が互いに成す角度は１２０°)、図１(ｃ)に示すように、多角形形状の主アノード電極２１内に３枚の補助アノード電極２３1〜２３3を設け、それらで六角形形状の小区画２４1〜２４3を形成し、上記各カソード部材１２1〜１２3を各小区画２４1〜２４3内に配置して同軸型真空アーク蒸着源４を構成してもよい。
【００６１】
この場合、円筒形形状の主アノード電極１１を用いた場合よりも、各蒸着材料１５1〜１５3と主及び補助アノード電極２１、２３1〜２３3との間の距離が均一になるので、アーク放電も一層均一に発生するようになる。
【００６２】
なお、以上は３個のカソード部材１２1〜１２3を用いたが、２個又は４個以上のカソード部材を用いた場合でも、主アノード電極内に補助アノード電極を配置し、上記同軸型真空アーク蒸着源３、４と同様に小区画を形成し、各カソード部材を小区画内に１個ずつ配置することができる。
【００６３】
小区画を形成する場合、補助アノード電極により、小区画間を完全に遮蔽しても良いし、アーク放電が発生し得る部分にだけ補助アノード電極を配置しても良い。
【００６４】
また、上記同軸型真空アーク蒸着源３では、各カソード部材１２1〜１２3内に同じ金属から成る蒸着材料１５1〜１５3を配置したが、それらを異なる物質で構成し、各カソード部材１２1〜１２3から順番に微小粒子を放出させると、多層薄膜を形成することが可能になる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、多数のカソード部材から均一に微小粒子が放出されるので、カソードの局所的な消耗をさけ、寿命を長くするとともに膜厚分布の良好な薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明の一例の蒸着装置 (ｂ)：その蒸着装置に用いられる同軸型真空アーク蒸着源の一例の平面図 (ｃ)：同軸型真空アーク蒸着源の他の例の平面図
【図２】本発明の同軸型真空アーク蒸着源の模式的な断面図
【図３】従来技術の蒸着装置を説明するための図
【図４】その蒸着装置に用いられる同軸型真空アーク蒸着源の模式的な断面図
【符号の説明】
１０……蒸着装置 １……真空槽 ３、４……同軸型真空アーク蒸着源 １１、２１……主アノード電極 １３1〜１３3、２３1〜２３3……補助アノード電極 １５1〜１５3……蒸着材料
Claims (2)
- 中空の主アノード電極内に複数のカソード部材が配置され、
前記各カソード部材は、柱状の蒸着材料の一端が絶縁管の先端内に挿入され、トリガ電極が前記絶縁管先端部分の外周に配置されて構成された同軸型真空アーク蒸着源であって、
前記主アノード電極は多角形状に形成され、
前記各カソード部材の間に、前記主アノード電極と電気的に接続された補助アノード電極が設けられ、
前記主アノード電極は六角形状の小区画に区分けされ、前記カソード部材は前記小区画内に一個ずつ配置されたことを特徴とする同軸型真空アーク蒸着源。 - 真空槽を有し、該真空槽に、請求項１記載の同軸型真空アーク蒸着源が配置されたことを特徴とする蒸着装置。
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