JP4133296B2

JP4133296B2 - 蒸着源及び蒸着装置

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Publication number: JP4133296B2
Application number: JP2002367956A
Authority: JP
Inventors: 阿川　　義昭; 俊堀内; 沈　　国華; 原　　泰博; 繁天野; 山口　　広一
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: JP2004197176A

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、ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）や半導体の高誘電体薄膜、絶縁膜、銅薄膜、磁性薄膜、高融点金属薄膜に適した成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３の符号１０１は従来技術の蒸着装置を示している。
この蒸着装置１０１は真空槽１０２を有しており、真空槽１０２内には蒸着源１０３が配置されている。
【０００３】
蒸着源１０３は筒状のアノード電極部１３２と、棒状の放電部１３５とを有しており、アノード電極部１３２と放電部１３５は、放電部１３５がアノード電極部１３２に挿通された状態で、取り付け部１２０によって真空槽１０２内の底壁側にそれぞれ固定されている。
【０００４】
放電部１３５は蒸着材料１３１と、トリガ電極１３４と、棒状電極１３９とを有している。取り付け部１２０の取り付け台１２５上には絶縁部材１３３が配置され、トリガ電極１３４はこの絶縁部材１３３上に配置され、蒸着材料１３１は絶縁ワッシャ１３６を介してトリガ電極１３４上に配置されている。
【０００５】
蒸着材料１３１とトリガ電極１３４と絶縁部材１３３と絶縁ワッシャ１３６はそれぞれリング状に形成されており、棒状電極１３９はトリガ電極１３４と蒸着材料１３１と絶縁部材１３３と絶縁ワッシャ１３６にそれぞれ挿通された状態でその下端が取り付け部１２０に固定され、上端は蒸着材料１３１と同じ材料で構成されたキャップ１３７によって覆われている。
【０００６】
蒸着材料１３１と棒状電極１３９は電気的に接続され、他方トリガ電極１３４は棒状電極１３９と蒸着材料１３１から絶縁されている。棒状電極１３９とトリガ電極１３４はアーク電源とトリガ電源に接続されており、それらの電源を起動し、アノード電極部１３２と真空槽１０２を接地電位に置いた状態で、棒状電極１３９に負の電圧を印加し、トリガ電極１３４に正の電圧を印加すると、トリガ電極１３４と蒸着材料１３１との間にトリガ放電が起こり、該トリガ放電によってアノード電極部１３２と蒸着材料１３１との間にアーク放電が誘起され、蒸着材料１３１から蒸着材料１３１の粒子が放出される。
【０００７】
アーク電源にはコンデンサが装備され、該コンデンサには予め電荷が蓄積されており、アーク放電が起こるとアーク電流がパルス状に流れる。
蒸着材料１３１の粒子のうち、電荷質量比（電荷／質量）の大きい微小荷電粒子は、アーク電流により発生する磁界によって飛行方向が曲げられ、アノード電極部１３２の開口から放出されるが、電荷質量比の小さい巨大荷電粒子や中性粒子はアーク電流により飛行方向が曲げられる率が少なく、アノード電極部１３２の内壁に付着する。
【０００８】
真空槽１０２の天井側には基板ホルダ１０５が配置されており、アノード電極部１３２から放出された微小荷電粒子は基板ホルダ１０５に保持された基板１５１に到達すると、基板１５１表面に薄膜が成長する。
このように、基板１５１には反応性が高い微小荷電粒子のみが到達するので、基板１５１表面には膜質の良好な薄膜が形成される。
【０００９】
ところで、上述した蒸着装置１０１で成膜を続けると、トリガ電極１３４と蒸着材料１３１との間の絶縁ワッシャ１３６が徐々に汚れ、その絶縁抵抗が低下する。トリガ電極１３４と蒸着材料１３１との間の絶縁抵抗が低下すると、十分なトリガ（電子やイオン）が発生しなくなり、アーク放電が誘発されなくなるため結果として成膜が停止してしまう。
【００１０】
例えば、蒸着材料として鉄（Ｆｅ）を用いた場合は、アーク放電の回数が２００００発を超えるとアーク放電が誘発されなくなり、ハフニウム（Ｈｆ）やモリブデン（Ｍｏ）のような高融点金属材料を用いた場合はアーク放電の回数が１００００発を超えるとアーク放電が誘発されなくなる。
【００１１】
従って、膜厚の大きい膜を形成する場合や、複数の基板を連続して成膜する場合には、放電部１３５を交換する必要があり、放電部１３５の交換の度に真空槽２内が大気に晒されるため、作業効率が悪い。
【００１２】
例えば、一つの真空槽２内に複数の蒸着源３を設け、１つの蒸着源３の成膜効率が低下したら、基板ホルダを他の蒸着源３上に移動させ、成膜を行うことも可能である。しかしながら、そのような蒸着装置は蒸着源３を複数設ける分、大型であり、また基板ホルダを移動可能にする分、製造コストが高くなる。
【００１３】
【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、蒸着源の寿命を延ばす技術を提供することにある。
【００１４】
【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、アノード電極部と、前記アノード電極部の近傍に配置された放電部とを有し、前記放電部は、１本の棒状電極を有し、前記棒状電極には、複数のリング状の蒸着材料と、複数のリング状のトリガ電極とが挿通され、前記各蒸着材料は、前記棒状電極に電気的に接続された状態で、互いに離間し、前記各トリガ電極は、前記棒状電極と前記蒸着材料とから電気的に絶縁された状態で、前記蒸着材料の近傍にそれぞれ配置され、前記複数のトリガ電極のうち、少なくとも１つのトリガ電極を選択し、選択したトリガ電極に電圧を印加することで、所望の蒸着材料と前記選択したトリガ電極との間でトリガ放電が起こるように構成された蒸着源である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の蒸着源であって、前記アノード電極部は筒状に形成され、前記放電部は前記アノード電極部の内部に配置された蒸着源である。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の蒸着源であって、前記棒状電極は前記アノード電極部の中心軸線と平行に配置された蒸着源である。
請求項４記載の発明は、蒸着装置であって、真空槽と、電源装置と、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着源とを有し、前記蒸着源の前記各トリガ電極と、前記棒状電極とはそれぞれ前記電源装置に接続され、前記電源装置は切り替え装置を有し、前記切り替え装置を切り替えると、電圧を印加する前記トリガ電極が切り替わるように構成された蒸着装置である。
【００１５】
本発明は上記のように構成されており、各蒸着材料はそれぞれ同じ棒状電極に接続されているので、棒状電極に電圧を印加すると、各蒸着材料に同時に電圧が印加されるようになっている。他方、各トリガ電極は棒状電極と蒸着材料から絶縁されているだけではなく、トリガ電極同士も互いに絶縁されているので、各トリガ電極を切り替え装置を介して電源に接続すれば、トリガ電極に蒸着材料とは異なる大きさの電圧を個別に印加することが可能である。
【００１６】
蒸着源を真空雰囲気に置き、アノード電極部を接地電位に置いた状態で、棒状電極に負の電圧を印加し、選択したトリガ電極に電圧を印加すると、選択されたトリガ電極と、該トリガ電極に対応する所望の蒸着材料との間でトリガ放電が発生し、該蒸着材料から蒸着材料の粒子が放出される。
【００１７】
蒸着材料の粒子が放出されることでアノード電極部と蒸着材料との間の圧力が上昇すると放電耐性が低下し、選択された蒸着材料とアノード電極部との間に、トリガ放電よりも大きいアーク放電が発生し、選択された蒸着材料から大量の蒸着材料粒子が放出される。
【００１８】
例えば、アノード電極部が筒状にされている場合、棒状電極をアノード電極部の中心軸線と平行に配置すれば、アーク放電により発生するアーク電流は棒状電極内をアノード電極部の中心軸線と平行な方向に流れることになる。
【００１９】
蒸着材料の粒子のうち、電荷質量比の大きい微小荷電粒子は、蒸着材料からアノード電極部に向かって放出されるが、上述したアーク電流により飛行方向が曲げられ、アノード電極部の中心軸線と平行な方向であって、アーク電流とは逆方向に飛行し、アノード電極部の開口から放出される。
【００２０】
他方、電荷質量比の小さい巨大荷電粒子や中性粒子は、アーク電流により飛行方向が曲げられる量が少なく、開口から放出されずにアノード電極部の内周面に付着する。従って、アノード電極部の開口からは微小荷電粒子のみが放出されるので、該開口と対向する位置に基板を配置しておけば、微小荷電粒子のみが基板に到達し、膜質の良い薄膜が形成される。
【００２１】
トリガ電極が絶縁ワッシャによって蒸着材料から絶縁されている場合、蒸着を続けると徐々に絶縁ワッシャの表面が汚れて絶縁抵抗が低下し、アーク放電が誘起されなくなるが、アーク放電が誘起されなくなる前に、電源装置の切り替え装置を切り替え、別のトリガ電極と蒸着材料との間にトリガ放電を発生させれば、連続して成膜を行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１の符号１は本発明の蒸着装置の一例を示しており、蒸着装置１は真空槽２と蒸着源３とを有している。
図２はその蒸着源３の拡大断面図を示している。図２を参照し、蒸着源３は、アノード電極部３２と、放電部３５と、取り付け部２０とを有している。
【００２３】
アノード電極部３２は円筒状に形成されている。取り付け部２０は円盤状のスリーブ２１と、スリーブ２１周囲に設けられた台座２２とを有しており、アノード電極部３２の一端は台座２２を介してスリーブ２１に取り付けられ、他端の開口はスリーブ２１表面から高く突き出されている。
【００２４】
真空槽２内には基板ホルダ５が配置されており、蒸着源３はアノード電極部３２の突き出された開口を基板ホルダ５に向けた状態で真空槽２内に挿入され、スリーブ２１が真空槽２の底壁に気密に取り付けられている。
【００２５】
アノード電極部３２の内部には円柱状の取り付け台２５が配置されており、取り付け台２５の一端はスリーブ２１の表面に接続され、他端はアノード電極部３２の開口に向けられている。
【００２６】
放電部３５は複数個の蒸着材料３１₁〜３１₄と、複数個のトリガ電極３４₁〜３４₄とを有しており、取り付け台２５のアノード電極部３２の開口に向けられた端部には第一番目の絶縁部材３３₁が取り付けられ、その絶縁部材３３₁上には第一番目のトリガ電極３４₁が載置され、該トリガ電極３４₁上には第一番目の絶縁ワッシャ３６₁が載置され、該絶縁ワッシャ３６₁上には第一番目の蒸着材料３１₁が載置されている。
【００２７】
第一番目の蒸着材料３１₁の上には、第二番目の絶縁部材３３₂と、第二番目のトリガ電極３４₂と、第二番目の絶縁ワッシャ３６₂と、第二番目の蒸着材料３１₂とがこの順番で積み重ねられている。
【００２８】
このようにｎ番目の蒸着材料３１_nの上には、ｎ＋１番目の絶縁部材３３_n+1と、トリガ電極３４_n+1と、絶縁ワッシャ３６_n+1と、蒸着材料３１_n+1が順番に積み重ねられている。従って、蒸着材料３１と絶縁部材３３とトリガ電極３４と絶縁ワッシャとで一つの構成単位とすると、同じ構成単位が下方から上方に複数個積み重ねられた状態になっている。
【００２９】
各蒸着材料３１₁〜３１₄と、各トリガ電極３４₁〜３４₄と、各絶縁部材３３₁〜３３₄と、各絶縁ワッシャ３６₁〜３６₄はそれぞれリング状であって、各リングで囲まれた空間によって細長の空間が構成されている。棒状電極３９はその空間に挿通され、その下端は取り付け台２５に固定され、その上端は最上層に位置する構成単位の蒸着材料３１₄から突き出されている。
【００３０】
棒状電極３９の蒸着材料３１₄から突き出された上端は、蒸着材料３１と同じ材料で構成されたキャップ３７で覆われており、棒状電極３９はその側面、下端及び上端のいずれの部分も露出しないようになっているので、後述する成膜工程で棒状電極３０とアノード電極部３２との間で放電が起こらないようになっている。
【００３１】
棒状電極３９と、各蒸着材料３１₁〜３１₄はそれぞれ導電性材料で構成されている。各蒸着材料３１₁〜３１₄は、少なくともその内周面の一部が棒状電極３９の側面に密着しており、各蒸着材料３１₁〜３１₄はそれぞれ同じ棒状電極３９に電気的に接続されているので、棒状電極３９に電圧を印加すると各蒸着材料３１₁〜３１₄に同じ電圧が一斉に印加されるようになっている。
【００３２】
他方、各トリガ電極３４₁〜３４₄は互いに離間しており、絶縁部材と絶縁ワッシャによって棒状電極からも蒸着材料からも絶縁されている。従って、各トリガ電極３４₁〜３４₄には棒状電極３９とは異なる電圧を個別に印加可能になっている。
トリガ電極３４₁〜３４₄を選択して電圧を印加すると、選択されたトリガ電極３４₁〜３４₄と、該トリガ電極３４₁〜３４₄に対応する蒸着材料３１₁〜３１₄との間にトリガ放電が発生するように構成されている。
【００３３】
例えば、上述した蒸着源３のように、トリガ電極３４₁〜３４₄が上下に隣接する２個の蒸着材料３１₁〜３１₄から絶縁ワッシャ３６₁〜３６₄と絶縁部材３３₁〜３３₄によってそれぞれ絶縁されている場合、絶縁ワッシャ３６₁〜３６₄の厚みを絶縁部材３３₁〜３３₄の厚みよりも大きくすれば、絶縁ワッシャ３６₁〜３６₄によって絶縁されたトリガ電極３４₁〜３４₄と蒸着材料３１₁〜３１₄との間の距離は、絶縁部材３３₁〜３３₄で絶縁されたトリガ電極３４₁〜３４₄と蒸着材料３１₁〜３１₄との間の距離よりも小さくなり、距離が小さい分絶縁抵抗が小さくなる。
【００３４】
従って、選択されたトリガ電極３４₁〜３４₄と、該トリガ電極３４₁〜３４₄から絶縁ワッシャ３６₁〜３６₄によって絶縁された蒸着材料３１₁〜３１₄との間で発生することになる。
【００３５】
次に、この蒸着装置１を用いて薄膜を形成する工程について説明する。
真空槽２に接続された真空排気系８を起動し、真空槽２内に所定圧力の真空雰囲気を形成する。該真空雰囲気を維持したまま、成膜対象物である基板５１を真空槽２内に搬入し、基板ホルダ５に保持させる。
【００３６】
真空槽２外には電源装置４が配置されており、電源装置４は電源４１と切り替え装置４２とを有している。蒸着源３が真空槽２に取り付けられた状態では、各トリガ電極３４₁〜３４₄が切り替え装置４２を介して電源４１内のトリガ電源に接続され、棒状電極３９が取り付け台２５を介して電源４１内のアーク電源に接続されている。
【００３７】
切り替え装置４２によって、最初に選択されたトリガ電極３４₁を電源４１に接続し、アノード電極部３２と真空槽２とを接地電位に置いた状態で電源４１を起動すると、選択されたトリガ電極３４₁に正の電圧（ここでは３．４ｋＶ）が印加され、各蒸着材料３１₁〜３１₄に負の電圧（１００Ｖ）が印加される。
【００３８】
各蒸着材料３１₁〜３１₄と選択されたトリガ電極３４₁にそれぞれ電圧が印加されると、選択されたトリガ電極３４₁と、そのトリガ電極３４₁に対応する蒸着材料３１₁との間に極短い時間トリガ放電が発生し、選択された蒸着材料とアノード電極部との間の放電耐性が低下し、選択された蒸着材料３１₁とアノード電極部３２との間の空間にアーク放電が発生し、選択された蒸着材料３１₁から蒸着材料の粒子が放出されると共に、アノード電極部３２から選択された蒸着材料３１₁にアーク電流が流れる。
【００３９】
アーク電流は、所定時間経過後、電源４１内のコンデンサの放電が終了すると、流れなくなる。次に、そのコンデンサの充電が回復した後、上記と同じトリガ電極３４₁に電圧を印加し、トリガ放電を発生させると、再度アーク電流が流れる。このように、１回のトリガ放電によって１回のアーク放電が発生するようになっている。
【００４０】
膜厚の厚い薄膜を形成する場合には、成膜必要なアーク放電の放電回数が多くなるが、アーク放電の回数がある回数を超えると、選択されたトリガ電極３４₁と蒸着材料３１₁との間の絶縁ワッシャ３６が徐々に汚れて絶縁抵抗が低下し、アーク放電が誘起されなくなる。
【００４１】
アーク放電が誘起されなくなるまでのアーク放電の回数を予め求めておき、アーク放電の放電回数が設定された放電回数を超える前に、切り替え装置４２を切り替え、２番目に選択したトリガ電極３４₂を電源４１内のトリガ電源に接続し、電圧を印加すれば、２番目に選択されたトリガ電極３４₂と蒸着材料３１₂との間にアーク放電が誘起される。
【００４２】
このように、電圧を印加するトリガ電極３４₁〜３４₄を順次切り替えることで、アーク放電が停止することがなく連続して成膜を行うことが可能であり、蒸着源３を交換せずに膜厚の厚い薄膜を形成することができる。尚、各蒸着材料３１₁〜３１₄を同じ材料で構成しておけば、基板５１上に同一材料からなる膜を形成することができる。
【００４３】
以上はアーク放電の回数に基づいてトリガ電極３４₁〜３４₄を切り替える場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばアーク電流を検出し、アーク電流が流れなったときに、別のトリガ電極３４₁〜３４₄に切り替えるようにしてもよい。
【００４４】
以上は１つのトリガ電極３４₁〜３４₄を連続して用いて所定回数のアーク放電を発生させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、１回のトリガ放電毎にトリガ電極３４₁〜３４₄を切り替えてもよい。
【００４５】
また、一度に選択するトリガ電極の数も特に限定されず、例えば２個以上のトリガ電極３４₁〜３４₄を同時に選択し、電圧を印加することもできる。要するに、本発明はトリガ電極３４₁〜３４₄を選択することで、所望の蒸着材料３１₁〜３１₄にアーク放電を生じさせるものであればよい。
【００４６】
トリガ電極と蒸着材料の数は２個以上であれば特に限定されるものではない。また、トリガ電極３４₁〜３４₄と蒸着材料３１₁〜３１₄の数は同じである必要はなく、例えば１個の蒸着材料に対し、２個以上のトリガ電極を設けてもよい。
【００４７】
トリガ電極３４₁〜３４₄と蒸着材料３１₁〜３１₄の形状もリング状に限定されるものではなく、例えば、棒状のトリガ電極３４₁〜３４₄と蒸着材料３１₁〜３１₄を棒状電極３９の側面近傍に設け、放電部とすることもできる。
【００４８】
また、図１に示すように、真空槽２に反応ガス供給系９を接続し、蒸着材料の粒子と反応する反応ガスを真空槽２内に供給しながら成膜を行えば、反応ガスのガス成分と蒸着材料の反応物からなる薄膜を得ることができる。そのような反応ガスの種類も特に限定されず、メタンガス、エタンガスのような有機ガスや、モノシランガス、ジシランガスのようなケイ素系ガス等種々のガスを用いることができる。
【００４９】
蒸着材料３１を構成する物質は特に限定されず、Ｆｅ、Ｔａ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅＭｎ等を蒸着材料として用いて、これらの高性能磁気薄膜を製造する場合にも適用可能である。
【００５０】
アノード電極部３２は、例えばステンレスのような導電性材料の筒で構成することができるが、その材質や形状も特に限定されず、例えばアノード電極部の形状は角筒状でもよいし、あるいは板状に形成されていてもよい。棒状電極３９を構成する導電性材料も特に限定されるものではないが、グラファイトのような熱膨張率が小さい材料で構成することが好ましい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明はトリガ電極と蒸着材料とを複数個有しており、１つのトリガ電極と蒸着材料との間の絶縁抵抗が低下したら、電圧を印加するトリガ電極を他のトリガ電極に切り替えることで、蒸着源を取り替えなくても連続して成膜を行うことができる。このように、本発明の蒸着源は従来に比べて寿命が長い。また、本発明ではトリガ電極と蒸着材料がそれぞれ棒状電極の周囲に配置されている。従って、トリガ電極と蒸着材料は直線状に配置され、細長の放電部が構成されているので、放電部が広い設置面積を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸着装置の一例を示す断面図
【図２】本発明の蒸着源の一例を示す断面図
【図３】従来技術の蒸着装置を説明する断面図
【符号の説明】
１……蒸着装置２……真空槽３……蒸着源４……電源装置５……基板ホルダ３１₁〜３１₄……蒸着材料３２……アノード電極部
３３₁〜３３₄……絶縁部材３４₁〜３４₄……トリガ電極３５……放電部
３６₁〜３６₄……絶縁ワッシャ３９……棒状電極４１……電源４２……切り替え装置

Claims

アノード電極部と、前記アノード電極部の近傍に配置された放電部とを有し、
前記放電部は、１本の棒状電極を有し、
前記棒状電極には、複数のリング状の蒸着材料と、複数のリング状のトリガ電極とが挿通され、
前記各蒸着材料は、前記棒状電極に電気的に接続された状態で、互いに離間し、
前記各トリガ電極は、前記棒状電極と前記蒸着材料とから電気的に絶縁された状態で、前記蒸着材料の近傍にそれぞれ配置され、
前記複数のトリガ電極のうち、少なくとも１つのトリガ電極を選択し、選択したトリガ電極に電圧を印加することで、所望の蒸着材料と前記選択したトリガ電極との間でトリガ放電が起こるように構成された蒸着源。
前記アノード電極部は筒状に形成され、前記放電部は前記アノード電極部の内部に配置された請求項１記載の蒸着源。
前記棒状電極は前記アノード電極部の中心軸線と平行に配置された請求項２記載の蒸着源。
真空槽と、電源装置と、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着源とを有し、
前記蒸着源の前記各トリガ電極と、前記棒状電極とはそれぞれ前記電源装置に接続され、
前記電源装置は切り替え装置を有し、前記切り替え装置を切り替えると、電圧を印加する前記トリガ電極が切り替わるように構成された蒸着装置。