JP4594455B2

JP4594455B2 - 蒸着源及び蒸着装置

Info

Publication number: JP4594455B2
Application number: JP08270198A
Authority: JP
Inventors: 博之深沢; 阿川　　義昭; 佳宏山本; 原　　泰博; 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: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JPH11256314A

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蒸着源や、この蒸着源を用いた蒸着装置に関する。
【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】
図４の符号１００に従来の高真空成膜装置の断面図を示す。
この高真空成膜装置１００は、同軸型真空アーク蒸着源（特開平９−１６５６７３）を用いた高真空成膜装置であり、チャンバー１０１を有している。このチャンバー１０１の内部には薄膜形成対象である基板１０３を保持するための基板ホルダー１０２が設けられている。また、チャンバー１０１内には、この基板ホルダー１０２に対向して蒸着材料を蒸発させるための蒸着源１０５が設けられている。
【０００４】
上記の蒸着源１０５は、先端に蒸着材料が装填された円柱状のカソード電極１０５ａと、その周囲に密着して形成された絶縁性の材料から成る絶縁管１０５ｄと、その周囲に密着して形成されたリング状のトリガ電極１０５ｃと、これらを取り囲むように配置された円筒状のアノード電極１０５ｂとを有する。
【０００５】
チャンバー１０１の外部には、カソード電極１０５ａとトリガ電極１０５ｃとの間にトリガ電圧を印加するトリガ電源１６１と、カソード電極１０５ａとアノード電極１０５ｂとの間にアーク放電を発生させるための電圧を印加するアーク電源１６２とが設けられている。
【０００６】
上記の高真空成膜装置１００で薄膜を形成するには、まず、チャンバー１０１の不図示の搬入口より基板１０３をチャンバー１０１内に導入し、基板ホルダー１０２に保持させる。
【０００７】
次に搬入口を密閉し、排気系１０７を用いてチャンバー１０１内を真空排気し、チャンバー１０１内部の圧力が１０^-5Ｐａ程度になるまで真空排気を続ける。この圧力に達したら、蒸着源１０５に接続するトリガ電源１６１を起動してトリガ電極１０５ｃとカソード電極１０５ａとの間にトリガ電圧を印加し、蒸着源１０５と基板ホルダー１０２の間に設けられたシャッター１０４を開く。
【０００８】
すると、トリガ電極１０５ｃとカソード電極１０５ａとの間にトリガ放電（沿面放電）が生じ、アーク電源１６２によってアノード電極１０５ｂとカソード電極１０５ａとの間にパルス状の電圧を印加すると、これらの間でアーク放電が生じる。
【０００９】
このアーク放電の発生によりカソード電極１０５ａの表面に装填された蒸着用の金属材料が瞬間的に蒸発し、余弦則に従って、アノード電極１０５ｂに向けて放出される。その蒸発の際に蒸着材料表面から蒸発した微小粒子はイオン化され、正電荷が付与される。
【００１０】
蒸発の際に流れるアーク電流は大電流であり、アーク電流が形成する磁場は、正電荷に電流が流れる向きとは逆向きの力を及ぼすから、正電荷を有する微小粒子は、その力によって、蒸着材料中を流れるアーク電流の向きとは逆向きの力を受け、基板方向に曲げられ、蒸着源１０５の開口からチャンバー１０１内に放出される。
【００１１】
他方、微小粒子が放出される際、電荷を持たない中性粒子も放出されるが、これら中性粒子は磁場の影響を受けないため、基板方向へは飛行できない。また、質量が大きく、電荷を持った巨大粒子も放出されるが、巨大粒子は質量に対する電荷量が小さいため、磁場の影響が小さく、放出された方向に飛行し、アノード電極１０５ｂに付着する。
【００１２】
蒸着源１０５の開口と対向配置された基板１０３は、通常チャンバーと同電位の接地電位に置かれており、正電荷を有する微小粒子は、基板１０３に引きつけられ、その表面に堆積することにより薄膜が形成される。
【００１３】
基板１０３の表面に形成された薄膜が所定の膜厚に達したら、シャッター１０４を閉じ、蒸着源１０５の駆動を停止させる。その後大気をチャンバー１０１内に導入し、チャンバー１０１内を大気圧に戻して扉を開けて基板１０３を取り出す。
【００１４】
以上説明した高真空成膜装置１００を用いれば、放電で生じる磁界により、微小粒子だけが基板１０３に到達でき、巨大粒子は基板１０３に到達できないことから、液滴となる巨大粒子が薄膜中に混入せず、高品質の薄膜を形成することが可能となっている。また、上記高真空成膜装置１００では、蒸着材料の直径が９mmの場合、Ф２０mmの基板に対し、±１０％程度の膜厚のばらつきで薄膜を形成することができる。
【００１５】
しかし、上記の高真空成膜装置１００では、微小粒子が基板方向に直進するため、成膜可能な薄膜面積は、蒸着源１０５の側面の大きさに依存してしまい、大面基板へ薄膜を形成できないという問題がある。
【００１６】
そこで、図５の符号１１０で示す蒸着装置のように、大口径のカソード電極１０５ｅを設けることが考えられる。このような大口径のカソード電極１０５ｅでは、表面積が増大しており、放電によって発生する微小粒子が広範囲から放出されるため、薄膜形成可能な面積も広くなる。
【００１７】
しかし、アーク放電は、アノード電極１０５ｂの内周面と、カソード電極１０５ｅ先端の蒸着材料の外周側面との間で発生するため、微小粒子はカソード電極１０５ｅの外周側面から放出され、磁場で曲げられて基板１０３方向に飛行するため、カソード電極１０５ｅの中心軸線の延長線上では、到達できる微小粒子の量が少なくなるため、基板１０３中心部分の膜厚が薄くなってしまう。図６の横軸に、基板中心からの距離ｒ、縦軸に形成される薄膜の膜厚ｄをとり、上記大口径カソード１０５ｅを用いた場合の薄膜の膜厚分布を示す。この蒸着源でも、Ф５０mmという比較的大きい基板では、面内膜厚分布は±５０％程度になってしまい、より面内膜厚分布のばらつきが小さい蒸着源が求められている。
【００１８】
【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、大面積基板に対し、膜厚のばらつきの小さい薄膜を形成する技術を提供するものである。
【００１９】
【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、カソード電極と、前記カソード電極の先端に設けられた蒸着材料と密着して設けられた絶縁管と、前記蒸着材料とは非接触の状態で前記絶縁管に密着配置されたトリガ電極とを具備し、前記カソード電極は、前記絶縁管内に挿入され、前記絶縁管からは、蒸着材料だけが突き出されており、前記トリガ電極は、リング形状に形成され、前記絶縁管の先端部分外周表面の蒸着材料と近接した位置に配置されているカソード部と、円筒形形状に成形された金属材料で構成されたアノード電極を具備し、前記蒸着材料近傍に配置されたアノード部とを有し、前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ電圧を印加するトリガ電源と、前記アノード電極と前記カソード電極との間にアーク放電を誘起する電圧を印加するアーク電源とを有し、前記アノード電極と前記カソード電極との間にアーク電圧を印加した状態で、前記トリガ電極にトリガ電圧を印加すると、該トリガ電極と前記蒸着材料との間の前記絶縁管の沿面でトリガ放電が発生し、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、３本のカソード部が、円筒状のアノード電極の内部でアノード電極中心軸線を中心とした正三角形頂点位置に配置されており、前記トリガ電源及び前記アーク電源は、前記３本のカソード部のうち、各々のカソード部ごとに、前記トリガ電圧及び前記アーク電圧を順次印加することを特徴とする蒸着源である。
また、請求項２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、先端に蒸着材料が設けられたカソード電極を有するカソード部が、筒状のアノード部に囲まれた領域内に複数個設けられている。このため、放出される蒸着材料の微小粒子の量が増大するので、成膜速度が上昇し、大面積の蒸着対象にも容易に対応することが可能になる。
【００２１】
また、本発明では、複数のカソード部の間隙からも蒸着材料の構成粒子が蒸着対象に向けて飛行するので、大口径で１個のカソード電極を用いた場合に蒸着材料の構成粒子の量が少なかった箇所（例えば蒸着源開口の中心部）からも、他の箇所とほぼ同量の構成粒子が基板に向けて飛び出す。
【００２２】
蒸着源全体として蒸着対象表面に形成される薄膜の膜厚分布は、個々のカソード電極より形成される薄膜の膜厚分布を重ね合わせた値になり、個々のカソード部による薄膜の膜厚のばらつきが相互に相殺されるので、大口径のカソード電極を１個だけ用いた蒸着源に比して、膜厚のばらつきをさらに低減することが可能になる。
【００２３】
さらに、放電で蒸着材料が蒸発する際には、微小粒子として放出されるほかに、巨大な液滴粒子も飛び出す。この液滴粒子は電荷を有していてもその質量が大きいため、放電によって生じる磁場による影響を受けず、蒸着材料の表面から直線的に飛行する。
【００２４】
本発明ではカソード電極がアノード部内に複数設けられているため、飛び出した液滴粒子の一部は隣接する他のカソード電極の蒸着材料に再び付着する。これにより、１本のカソード電極のみを用いていた従来に比して、蒸着材料の消耗が少なくなるので、カソード電極の寿命を長くすることが可能になる。
【００２５】
【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の符号１０は、本発明の一実施形態の蒸着装置であり、図２はそのＡ−Ａ線截断面図である。
【００２６】
この蒸着装置１０は、真空気密構造のチャンバー１を有しており、チャンバー１内には成膜対象である基板３を保持する基板ホルダー２が設けられており、この基板ホルダー２と対向して、蒸着材料を蒸発させる蒸着源５０が設けられている。
【００２７】
蒸着源５０は、アノード電極５４と、第１のカソード部５１と、第２のカソード部５２と、第３のカソード部５３とを有している。
【００２８】
第１〜第３のカソード部５１〜５３は、それぞれ、第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａと、第１〜第３の絶縁管５１ｂ〜５３ｂと、第１〜第３のトリガ電極５１ｃ〜５３ｃを有している。
【００２９】
第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａは、先端に金属製の蒸着材料が固定されており、それぞれの全体形状が円柱形を呈するように成形されている。
【００３０】
第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａは、第１〜第３の絶縁管５１ｂ〜５３ｂ内にそれぞれ挿入され、第１〜第３の絶縁管５１ｂ〜５３ｂの先端からは、蒸着材料だけが突き出されており、第１〜第３のトリガ電極５１ｃ〜５３ｃは、リング形状に成形され、絶縁管５１ｂ〜５３ｂの先端部分外周表面の蒸着材料と近接した位置に配置されている。
【００３１】
アノード電極５４は、円筒形形状に成形された金属材料で構成されており、第１〜第３のカソード部５１、５２、５３は、図２に示すように、いずれもアノード電極５４の中に納められ、アノード電極５４の中心軸線を中心とする同心円上の正三角形頂点位置に配置されている。
【００３２】
チャンバー１の外部には、第１〜第３のトリガ電源６１₁〜６１₃と、第１〜第３のアーク電源６２₁〜６２₃が設けられている。
【００３３】
第１〜第３のトリガ電源６１₁〜６１₃は、第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａと、第１〜第３のトリガ電極５１ｃ〜５３ｃとの間にそれぞれ接続されており、第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａに負電圧を、第１〜第３のトリガ電極５１ｃ〜５３ｃに正電圧を印加するように構成されている。
【００３４】
第１〜第３のアーク電源６２₁〜６２₃は、一端が第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａにそれぞれ接続され、他端が共通してアノード電極５４に接続されており、第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａに負電圧を、アノード電極５４に正電圧を印加するように構成されている。
【００３５】
上記のように構成された蒸着装置１０を用いて薄膜を形成する場合には、先ず、基板３をチャンバー１内に搬入し、基板ホルダー２に保持させる。
【００３６】
次に、不図示の真空排気系によってチャンバー１内を１０^-8Ｐａ程度の高真空雰囲気にした後、基板３近傍に配置されたシャッター４を開け、第１のアーク電源６２₁を起動し、第１のカソード電極５１ａに対してアノード電極５４に正電圧を印加する。
【００３７】
その状態で第１のトリガ電源６１₁を起動し、第１のトリガ電極５１ｃに正のパルス電圧を印加すると、第１の絶縁管５１ｂの沿面上でトリガ放電が発生し、第１のトリガ電極５１ｃから、第１のカソード電極５１ａの先端に設けられた蒸着材料に向けてトリガ電流が流れる。
【００３８】
蒸着材料中をトリガ電流が流れると、その表面から蒸着材料を構成する物質が蒸発し、その結果、第１のカソード電極５１ａの蒸着材料とアノード電極５４との間の絶縁耐圧が低下し、これらの間にアーク放電が誘起される。
【００３９】
アーク放電によって流れるアーク電流は大電流であって、蒸着材料を構成する物質が蒸発し、正電荷を有する微小粒子が大量に放出される。その微小粒子は、アーク電流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方向に曲げられ、蒸着源の開口からチャンバー１内に放出され、電界で加速され、基板ホルダー２上の基板３の表面に付着する。
【００４０】
この放電によって蒸着材料から放出される粒子には、前述した荷電微小粒子の他、巨大な液滴粒子も飛び出すが、液滴粒子が蒸着材料表面から余弦則に従って放出されると、電荷に比して質量が大きいため、アーク電流が形成する磁場の影響をほとんど受けずに直線的に飛行し、アノード電極５４の内周面に付着する他、隣接する第２、第３のカソード電極５２ａ、５３ａ先端の蒸着材料に付着する。
【００４１】
第１のアーク電源６２₁の出力電圧が低下し、アーク放電が停止した後、第１のアーク電源６２₁の出力電圧をゼロにし、替わりに第２のアーク電源６２₂を起動し、第２のカソード電極５２ａとアノード電極５４との間に電圧を印加した状態で、第２のトリガ電源６１₂を起動し、第２のトリガ電極５２ｃに正のパルス電圧を印加する。
【００４２】
そのパルス電圧により、第２のトリガ電極５２ｃと、第２のカソード電極５２ａ先端の蒸着材料との間にトリガ放電が発生し、第２のカソード電極５２ａとアノード電極５４との間のアーク放電が誘起されると、第２のカソード電極５２ａの先端に取り付けられた蒸着材料から荷電微小粒子と液滴粒子が放出される。
【００４３】
第２のカソード電極５２ａ先端の蒸着材料から放出された荷電微小粒子中には、第２のカソード電極５２ａ先端の蒸着材料に付着していた第１のカソード電極５１ａ先端の蒸着材料も含まれており、その結果、液滴粒子が荷電微小粒子に再生され、有効に利用される。
【００４４】
他方、この第２のカソード電極５２ａ先端の蒸着材料から放出された液滴粒子は、アノード電極５４内周面の他、第１又は第３のカソード電極５１ａ、５３ａ先端の蒸着材料にも付着し、それらのカソード電極５１ａ、５３ａでアーク放電が誘起される際に、荷電微小粒子として再生され、有効に利用される。
【００４５】
第２のアーク電源６２₂の出力電圧が低下し、アーク放電が停止した後、第２のアーク電源６２₂の出力電圧をゼロにし、替わりに第３のアーク電源６２₃を起動し、第３のカソード電極５３ａとアノード電極５４との間に電圧を印加した状態で、第３のトリガ電源６１₃を起動し、第３のトリガ電極５３ｃに正のパルス電圧を印加し、第３のカソード電極５３ａ先端の蒸着材料から微小粒子を放出させる。
【００４６】
そして、第３のアノード電源６２₃の出力電圧が低下し、アーク放電が停止すると、再度第１〜第３のアノード電源６２₁〜６２₃を順次起動し、荷電微小粒子を放出させる。
【００４７】
以上説明したように、本発明の蒸着装置１０によれば、複数のカソード部５１〜５３から微小粒子が放出されるので、図４に示した小口径のカソード電極部に比べ、薄膜を形成可能な面積が大きくなっており、また、図５に示した大口径のカソード電極部に比べ、蒸着源５０の中心部分からも荷電微小粒子が放出されるので、面内膜厚分布のばらつきが小さくなっている。
【００４８】
図３の横軸に、基板中心からの距離ｒ、縦軸に形成される薄膜の膜厚ｄをとり、上記の蒸着源５０を用いた場合の薄膜の膜厚分布を示す。
【００４９】
この蒸着源５０では、基板３に形成される薄膜の膜厚は、第１〜第３のカソード電極５１ａ〜５３ａの各々で形成される薄膜の膜厚を重ね合わせたものになるが、３本のカソード部５１、５２、５３を円筒状のアノード電極５４の内部でアノード電極５４中心軸線を中心とし、正三角形頂点位置に配置されているので、個々のカソード部５１、５２、５３で成膜される膜厚のばらつきが相殺されるようになっている。
【００５０】
従って、膜厚ｄは基板からの距離ｒに関係なくほぼ一定になっており、図３に示したグラフは、図６のグラフとは異なり、膜厚の最大値と最小値との差が小さくなっている。
【００５１】
実際にФ７５mmの基板を用いた場合には、膜厚のばらつきを±５％程度まで低減することができており、また、４インチの基板を用いた場合でも、膜厚のばらつきを±１０％程度にまで低減できることが確認できた。
【００５２】
さらに、微小粒子とともに飛び出した液滴粒子は、近接するカソード側に飛行すると、そのカソード電極先端の蒸着材料に付着し、再利用されるので、１本のカソード電極のみを用いていた従来に比して、カソード電極の消耗が少なくなり、寿命を長くすることが可能になっている。
【００５３】
なお、本実施形態では、トリガ電源６１₁〜６１₃とアーク電源６２₁〜６２₃を、カソード部の本数に対応して３台ずつ設けているが、本発明はこれに限らず、１台の電源を設け、順次第１〜第３のカソード部５１〜５３に所定の電圧を印加するような構成にしてもよい。
【００５４】
また、上記蒸着装置１０では、３つのカソード部５１、５２、５３を用いているが、本発明はこれに限らず、さらに大面積の基板に対応する目的で、カソード部の本数をさらに増やしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、膜厚のばらつきが少ない薄膜を、大面積の蒸着対象に形成することが可能になる。また、カソード電極先端の蒸着材料の消耗を少なくして、蒸着源の寿命を長く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の構成図
【図２】蒸着源の構造を説明する上面図
【図３】本実施形態の蒸着装置によって形成された薄膜の分布状態を示すグラフ
【図４】従来の蒸着装置の構成図
【図５】大口径の蒸着源を用いた従来の蒸着装置の構成図
【図６】大口径の蒸着源を用いた従来の蒸着装置によって形成された薄膜の分布状態を示すグラフ
【符号の説明】
１……チャンバー５０……蒸着源５１、５２、５３……カソード部５１ａ、５２ａ、５３ａ……カソード電極５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ……絶縁管（絶縁物）５１ｃ、５２ｃ５３ｃ……トリガ電極５４……アノード電極６１₁、６１₂、６１₃……トリガ電源６２₁、６２₂、６２₃……アーク電源

Claims

カソード電極と、
前記カソード電極の先端に設けられた蒸着材料と密着して設けられた絶縁管と、
前記蒸着材料とは非接触の状態で前記絶縁管に密着配置されたトリガ電極とを具備し、
前記カソード電極は、前記絶縁管内に挿入され、前記絶縁管からは、蒸着材料だけが突き出されており、前記トリガ電極は、リング形状に形成され、前記絶縁管の先端部分外周表面の蒸着材料と近接した位置に配置されているカソード部と、
円筒形形状に成形された金属材料で構成されたアノード電極を具備し、前記蒸着材料近傍に配置されたアノード部とを有し、
前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ電圧を印加するトリガ電源と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間にアーク放電を誘起する電圧を印加するアーク電源とを有し、
前記アノード電極と前記カソード電極との間にアーク電圧を印加した状態で、前記トリガ電極にトリガ電圧を印加すると、該トリガ電極と前記蒸着材料との間の前記絶縁管の沿面でトリガ放電が発生し、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、
３本のカソード部が、円筒状のアノード電極の内部でアノード電極中心軸線を中心とした正三角形頂点位置に配置されており、
前記トリガ電源及び前記アーク電源は、前記３本のカソード部のうち、各々のカソード部ごとに、前記トリガ電圧及び前記アーク電圧を順次印加することを特徴とする蒸着源。
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。