JP4627693B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

この発明は電子ビームを用いた薄膜形成装置に関するものであり、特に光学薄膜作成に適した装置に係るものである。

この発明の理解を助けるため、従来から行われている薄膜形成法について以下説明する。従来より広く産業界で用いられている真空蒸着法は、真空チャンバ内にて所望の蒸着材料を加熱、蒸発させ基板上に薄膜を形成している。蒸着材料の加熱方法としては、電子ビームを蒸着材料に照射する方法（ＥＢ蒸着）や、高融点材料にて構成されるるつぼに蒸着材料を収納し、るつぼに通電して抵抗加熱を行う方法（ＲＨ蒸着）などがある。また、蒸着材料には、加熱により溶融した後蒸発を開始する溶融性材料と、加熱による溶融を生じることなく昇華、蒸発を開始する材料があり、前者には例えばＡｌ、Ｃｒ、ＭｇＦ２、ＴｉＯ２等が、後者として例えば、ＺｒＯ２、ＺｎＳ等がある。

前記ＲＨ蒸着法には蒸着材料として昇華性材料を、またＥＢ蒸着法には溶融性材料を用いることが適当である。前者の理由は、るつぼを介して蒸着材料全体を加熱するので、緩やかに安定した蒸着が行え、また昇華性材料がるつぼとの反応を生じる可能性が少ないことが挙げられる。一方逆に、昇華性材料をＥＢ蒸着しようとする場合、急激な昇華により蒸着速度が速くなり蒸発がやや不安定となる傾向がある。
次に、溶融性材料がＥＢ蒸着を適当とする理由は、表面加熱であるため、高融点材料であっても蒸着が可能であり、また通常るつぼは水冷機構等により冷却されていることから、るつぼ構成材が蒸着材料に混入する可能性が低く、高品質な薄膜作成が可能となるからである。このように、ＲＨ蒸着法、ＥＢ蒸着法はそれぞれ長、短所を有しているが、成膜される薄膜の材料、要求される性能に合わせて、好適とされる蒸着法が採用されている。

なお、ＥＢ蒸着、ＲＨ蒸着ともに、蒸着を安定させるために蒸着材料は固体であることが好ましい。例えば、粉体の材料をＥＢにて加熱すると、粉体の材料のうち、ＥＢ照射された部分のみが加熱されるため、加熱部が火の玉状態（スプラッタ）となってるつぼから飛び出す現象が生じる。このようなスプラッタは形成される膜中に混入し、膜欠陥を形成するため高品質な膜形成を阻害する要因となる。一方、粉体の昇華性材料をＲＨ蒸着する場合には、るつぼ下部の材料が先に加熱・昇華することになるため、上部に存在する未加熱の粉状蒸着材料が昇華した材料により吹き飛ばされ、蒸着が不安定になるとともに、膜質が低下する。従ってＭｇＦ２やＴｉＯ２のような化合物は、通常は粉体として製造されるが、これら材料を蒸着するためには、通常、加圧・加熱成型により、柱状（ペレット状）に成形される。

次に、従来の電子ビームを用いた薄膜作成方法を図に基づき説明する。図６に示す従来の薄膜作成方法においては、真空チャンバ１内に配置された電子ビーム発生装置２から電子ビーム３が放出され、るつぼ４内に保持された溶融性の蒸着材料５を照射する。るつぼ４はＣｕ材にて形成され、水冷された基台（図示せず）上に設置されている。溶融性の蒸着材料５に電子ビーム３が照射されると電子７は蒸着材料５上に一定時間留まる事によりそのエネルギを蒸着材料５の表面に伝達し、蒸着材料５を溶融させる。このようにして溶融部１１が形成される。溶融部１１が形成された後も蒸着材料５は電子ビーム３の照射を受け、最後には蒸着材料５全体が溶融する。溶融した蒸着材料５はさらに温度上昇し、蒸発開始温度に到達する。蒸着材料５が蒸発開始温度に到達すると蒸着材料５が蒸発し始め、チャンバ１の上方に配置された基板ホルダ９に保持された基板１０上に膜が形成されることになる。

図７は、昇華性材料を用いた場合の従来の薄膜作成方法を示す図である。蒸着材料５は柱状（ペレット状）に成形されている。柱状に成形された昇華性の蒸着材料５に電子ビーム３が照射されると、表面に溶融部は形成されず、加熱部６が形成され、蒸着材料５は溶融することなく蒸発温度まで表面加熱されることになる。加熱部６が蒸発開始温度に到達すると蒸着材料５が蒸発（昇華）し始め、チャンバ１の上方に配置された基板ホルダ９に保持された基板１０上に蒸着し膜が形成される。

以上説明した電子ビーム蒸着の場合には、従来からよく知られているように蒸着材料または基板への電子によるチャージアップのため、薄膜にクラック状の欠陥が発生する。この問題点を解決するため、基体上にＮｉＣｒ材料またはＣｒＳｉ材料による蒸着膜をアンダコートした後に、Ｎｉ材料を電子ビーム蒸着することが示されている（例えば、特許文献１）。

特開昭６３−０９３８５３号公報

しかしながら、前記特許文献１は、基板上の電子のチャージアップについてのみ開示されているにすぎず電子ビームが照射される蒸着材料への電子のチャージアップについては何ら示されておらず、後述する発明者の経験した蒸着材料に電子ビームを照射した場合に生じるチャージアップによって、蒸着材料への電子ビームのエネルギが伝達されなくなり、蒸着が行えなくなるという問題点について、前記特許文献１からは解決策は見い出せない。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、ＥＢ蒸着を行う際に蒸着材料上の電子チャージアップ発生を抑制した薄膜形成装置を提供することを目的とする。

この発明に係る薄膜形成装置は、真空チャンバ内に設置された電子ビーム発生装置および柱状をなすとともにその中央部に上面から下面に達する貫通孔が設けられた蒸着材料を収納したるつぼとを備え、電子ビーム発生装置の出射する電子ビームを蒸着材料に照射して加熱、蒸発させ、真空チャンバ内に設けられた基板上に薄膜を形成するものである。

この発明の薄膜形成装置は、柱状でその中央部に上面から下面に達する貫通孔が設けられた蒸着材料に電子ビーム発生装置の出射する電子ビームを照射して加熱、蒸発させ、基板上に薄膜を形成するので、蒸着材料上での電子チャージアップ現象が抑制されて安定した真空蒸着が行える。

実施の形態１．
実施の形態１の具体的説明の前に、この発明を創出するに到った経過を図１、図２に基づいて述べる。発明者は前述した図７の構成と同様の薄膜形成装置を使用した赤外用光学薄膜作成実験において、昇華性材料の蒸着の際にはＥＢ蒸着が不安定になり、場合によっては蒸着が進展しない場合を経験した。これは例えば、柱状（ペレット状）ＨｆＦ４を用いたような場合や柱状（ペレット状）ＺｒＦ４を用いたような場合である。これらＨｆＦ４、ＺｒＦ４は赤外域、特に波長５μｍ以上のいわゆる遠赤外域用の光学薄膜の作成に重要な材料で、波長９．０μｍから１０．６μｍのＣＯ２レーザ用光学薄膜の作成に用いたものである。このような場合の蒸着機構の推定を図１に示す。すなわち、真空チャンバ１内に配置された電子ビーム発生装置２から出射された電子ビーム３が蒸着材料５に照射されるが、蒸着材料５の蒸発温度が高く、蒸着開始までに多量の電子ビーム３の照射を必要とすると、電子７が滞留しマイナスの強い電場が形成される。このマイナスの強い電場が形成されると、その後に蒸着材料５に照射される電子ビームは蒸着材料５の表面に到達することなく、外部に弾き飛ばされることになる。発明者の実験において、電子ビーム発生装置２の加速条件を上昇させると、るつぼ４近傍の構造材が青白い発光を示し、電子ビーム３がるつぼ周辺に弾かれる様子が確認された。そのため、このマイナスの強い電場が形成されると、つまり電子のチャージアップ現象が発生すると、蒸着材料５の表面には電子ビーム３のエネルギが伝達されなくなり、表面の加熱は進展せず、蒸着が進展しない。

このような現象が生じるための条件は以下の通りである。すなわち、蒸着材料５が昇華性の材料であり、図６に示したような溶融部１１が形成されないこと、蒸着材料５の蒸発温度が高いため、蒸着開始までに多量の電子ビームの照射を必要とすると、電子が滞留し、蒸着材料表面がチャージアップし易いことの２点の条件が満たされた場合に、蒸着材料５表面にマイナスの強い電場が形成され、電子ビーム３が蒸着材料５表面から弾かれ、蒸着が進展しない現象が発現する。蒸着材料５が溶融性の材料であれば、表面がチャージアップする前に表層に溶融部が形成され、材料特性が変化し、電荷の滞留が解消される場合が多いが、昇華性材料の場合、表層での材料特性の変化が生じないため、表面がチャージアップし易いものと考えられる。

実際に観察された状態により近い機構を図２に基づいて説明する。図２において、蒸着材料５の表面にて電子７が滞留し、チャージアップを生じる。このことにより蒸着材料５の表面近傍に強いマイナスの電場が形成され、蒸着材料５の中心部に照射された電子３Ａは蒸着材料５の表面に到達することなく外部に弾き飛ばされる。しかしながら、蒸着材料５の周辺部に照射された電子３Ｂは蒸着材料５の側面からるつぼ４側へと伝達するため、表面中央部ほど強いマイナスの電場が形成されない。そのため、蒸着材料５の表面周辺部には加熱部６が形成される。このように、蒸着材料５の周辺で電子の滞留が生じ難いのは蒸着材料５の表面を電子が流れることにより電子の滞留が抑制されるためであると思われる。これに対し、蒸着材料５の中心部では表面を伝達する電子の数に比べ、照射される電子の数が勝るため、電子の滞留が生じ易く、強いマイナスの電場が形成される。発明者らの実験では周辺部に生じた加熱部６は電子ビーム３の加速条件を通常の条件の約１．５倍の印加電流（エミッション電流）とした場合に認められたが、図６に示した通常の溶融部１１に比べると、加熱の進展がかなり抑制された不安定なもので、蒸着速度も小さいことが観察されている。

このような従来技術を用いると発生する不安定な蒸着に対し、蒸着材料表面への強いマイナス電場の形成を抑制することにより安定した蒸着が実現可能と考え、以下に説明するような実施例にてその検証を行った。

図３に示すように薄膜形成装置１００は、真空チャンバ１内に設置された電子ビーム発生装置２とるつぼ４とで構成されている。使用したるつぼはＣｕ製で最大外形Φ３５ｍｍ、最大内径２７ｍｍ、深さ約１０ｍｍである。るつぼ４には蒸着材料５が収納されており、この蒸着材料５は柱状（ペレット状）に形成され、その中央部には上面５Ａから下面５Ｂに達する小径の貫通孔８が設けられている。ペレットはΦ１５ｍｍ、高さ１２ｍｍとした。また真空チャンバ１内には基板ホルダ９上に基板１０が設置されている。
このような構成の薄膜形成装置１００でＨｆＦ４やＺｒＦ４のような昇華性で蒸発温度の高い材料を蒸着材料５として用い、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等の高屈折率を有する透明基板１０上に多層膜の薄膜を形成した。電子ビーム発生装置２からの電子ビーム３は蒸着材料５の上面５Ａに照射されるが、蒸着材料５の中央部には小径の貫通孔８が設けてあるため、電子ビーム３照射の蒸着材料５上の電子７は、貫通孔８の内壁を伝わって上面５Ａから下面５Ｂ、るつぼ４と流れる。
従って、蒸着材料５の表面（上面）中央部における電子チャージアップが緩和されて、強いマイナスの電場が形成されない。その結果、蒸着材料５の表面に加熱部６が形成され、蒸発開始温度に達すると蒸発（昇華）し始め、真空チャンバ１の上方に配置された基板１０上に成膜される。

ここで貫通孔８は電子をるつぼ４側に伝達させるためのもので、その径は蒸着材料５の表面にチャージアップが生じない程度で、できるだけ小さな径が好ましい。具体的には、孔径はΦ１０μｍ程度以上であればよく、好ましくはΦ１００μｍ乃至１ｍｍ以下であればよい。また、Φ１０μｍ以下の微細な孔であっても蒸着材料５の表面に複数の貫通孔８を設けることにより同様の効果が得られることは言うまでもない。貫通孔８があまりにも大きい場合、例えば、蒸着材料５のビームが照射される面（上面）の表面積の半分の大きさを有するとした場合、蒸着材料５に照射される電子ビーム３の半分は蒸着に寄与することがなく、エネルギーロスが増大し、好ましくない。このエネルギーロスを配慮しない場合には、孔径がΦ１ｍｍ以上であっても構わない。

前記ＨｆＦ４やＺｒＦ４等の蒸着材料５は、粉体を柱状に成形したものであるが、これらの貫通孔８は粉状の蒸着材料５を加圧・加熱成型する際に金型を利用して形成してもよく、粉状の蒸着材料５を加圧・加熱成型後、ドリルやレーザによって機械的もしくは物理的に加工することにより形成してもよい。この実施例においては、Φ０．５ｍｍのドリルにより孔形成を行っている。さらに、粉状の蒸着材料５を加圧・加熱成型後蒸着時初期に電子ビーム３を細く絞り、強い加速条件（例えば、１０Ｋｖ以上の加速電圧条件）にて蒸着材料表面に照射することにより形成することも柱状形状の大きさによっては可能である。なお、この実施例のＨｆＦ４、ＺｒＦ４とも、１トン／平方センチの加圧条件によりΦ１５ｍｍ、高さ１０ｍｍのペレット状に成型し、８００℃１時間の加熱条件にて焼成を行ったものであるが、形状は必ずしもこのような円筒状でなくてもよい。

この実施の形態１の薄膜形成装置１００による薄膜形成は前記したように赤外域、特に遠赤外域用の光学薄膜を形成する際に有効であり、また、基板１０上には前記したＨｆＦ４やＺｒＦ４等の低屈折率膜、その上に例えばＺｎＳなどの高屈折率膜と、低、高屈折率膜が交互に成膜される多層膜構造に適用すると、多層膜間の密着性が向上し、安定した膜構造が得られる。

実施の形態２．
実施の形態２を図４、図５に基づいて説明する。この実施の形態２の薄膜形成装置１００は、前述した実施の形態１の図３の構成に真空チャンバ１内にプラスイオンビーム発生装置１２を追加設置したものである。動作を以下に説明する。
図４において、プラスイオンビーム発生装置１２により、例えばプラスイオンであるＡｒイオンビーム１３を蒸着材料５の表面に照射する。この照射により図５に示すように蒸着材料５表面の電子が中和されて、電子ビーム３によって加熱部６が形成され、蒸発、基板１０上の蒸着が進展する。このプラスイオンビーム１３の照射は、蒸着が開始した後も、電子ビーム３の照射による電子チャージアップ抑制のため、適宜照射を行うことが望ましい。なおプラスイオンビーム発生装置１２に用いるガスとしてはプラスのイオンを生成できるものであればよく、例えば、Ａｒガス、Ｘｅガス、Ｏ２ガス、Ｎ２ガス等を用いることができるが希ガスであるＡｒガスやＸｅガスが適当である。

プラスイオンビーム発生装置１２からのプラスイオンビーム１３の照射のタイミングは、電子ビーム発生装置２の電源を制御し、蒸着材料５へ電子ビーム３の照射が停止している時に照射を行うと、蒸着材料５の表面における電子の中和がより効率的に行われる。また、このプラスイオンビーム発生装置１２のプラスイオンビーム出射口に図示省略した、例えば偏向コイルまたは偏向電磁石等のビーム偏向手段を設け、このビーム偏向手段の励磁電源を制御することにより、プラスイオンビーム１３を基板１０と蒸着材料５とに照射するようにしてもよい。この照射は基板１０と蒸着材料５と交互に、あるいはそれぞれに連続に行ってもよい。基板１０へのプラスイオンビーム１３の照射は、いわゆるイオンアシストであり、基板１０の表面の活性化と、基板１０の電子チャージアップが抑制され蒸着される薄膜の膜質改善や密着性の向上等の効果を奏する。
またさらに、真空チャンバ１内に複数、例えば２台のプラスイオンビーム発生装置１２を設置し、蒸着材料５の照射専用、基板１０へのイオンアシスト用の照射専用とした構成であってもよい。また、プラスイオンビーム発生装置１２と、イオンビーム発生装置とを設置し、蒸着材料５にはプラスイオンビーム発生装置１２からのイオンビームを、基板１０にはイオンビーム発生装置からのイオンビームを照射するようにしてもよい。

さらに、この実施の形態２によるプラスイオンビーム発生装置１２の出射による照射は、蒸着材料５へのスパッタリングを目的としておらず、１０ＫＶ以下好ましくは３ＫＶ以下の加速電圧でもって行われるが、スパッタリングを伴うプラスイオン照射によって電子の中和を行ってもよく、このようなスパッタリングにより薄膜形成が促進される効果がある。

実施の形態３．
この実施の形態３は、前記実施の形態１、実施の形態２の電子ビーム発生装置２に図示省略のビーム走査手段を設けたものである。このビーム走査手段を制御することにより電子ビーム３を蒸着材料５の表面全体に照射することが可能となる。すなわちビーム走査手段によって電子ビーム３を走査することにより、プラスイオンビーム１３との組み合わせを含めてより蒸着材料全面にわたりチャージアップを中和でき、加熱、蒸発の効率化が図れる。またプラスイオンビーム発生装置１２に同様にビーム走査手段を設けるようにしてもよく、効果的なチャージアップ抑制、基板１０の活性化がはかれる。

この発明の実施の形態１〜３は、電子ビームを用いた薄膜形成装置に利用すると安定した薄膜が形成される。

この発明の実施の形態１の薄膜形成装置の創出に到る実験の蒸着機構を推定する図である。 この発明の実施の形態１の薄膜形成装置の創出に到る実験結果を説明する図である。 この発明の実施の形態１の薄膜形成装置を示す図である。 この発明の実施の形態２の薄膜形成装置を示す図である。 この発明の実施の形態２による蒸着材料上の電荷状態を示す図である。 従来の溶融性材料を用いた薄膜作成方法を示す図である。 従来の昇華性材料を用いた薄膜作成方法を示す図である。

１ 真空チャンバ、２ 電子ビーム発生装置、３ 電子ビーム、４ るつぼ、
５ 蒸着材料、８ 貫通孔、１０ 基板、１２ プラスイオンビーム発生装置、
１３ プラスイオンビーム。

Claims (5)

1. 真空チャンバ内に設置された電子ビーム発生装置および柱状をなすとともにその中央部に上面から下面に達する貫通孔が設けられた蒸着材料と、前記蒸着材料を収納したるつぼとを備え、前記電子ビーム発生装置の出射する電子ビームを前記蒸着材料に照射して加熱蒸発させ、前記真空チャンバ内に設けられた基板上に薄膜を形成することを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記電子ビーム発生装置には、ビーム走査手段が設けられており、該ビーム走査手段を制御し前記電子ビームを前記蒸着材料に走査照射することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記蒸着材料が昇華性材料であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
4. 前記基板上には多層の薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
5. 前記昇華性材料がＨｆＦ４またはＺｒＦ４であることを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成装置。

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