JP4629394B2 - 蒸着源と蒸着装置 - Google Patents

Description

本発明は蒸着装置に関し、特に、膜中への液滴の混入が少なく、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、高融点金属薄膜を形成するのに適した成膜装置に関するものである。

図３の符号１１０は従来技術の蒸着装置を示している。

この蒸着装置１１０は真空槽１１１を有しており、真空槽１１１内部には蒸着源１１２とヨーク１１５が配置されている。
蒸着源１１２は円筒状のアノード電極１２１を有しており、該アノード電極１２１の内部であって、アノード電極１２１の中心軸線上には、棒状電極１２９が配置されている。

棒状電極１２９には、リング状のトリガ電極１２６が挿通されており、また、棒状電極１２９の先端には、蒸着材料１２８が取りつけられている。
棒状電極１２９の基部は、台座１２４に取りつけられており、台座１２４は絶縁碍子１３１によって真空槽１１１の槽壁に取りつけられている。

真空槽１１１には、真空排気系１３２が接続されており、真空槽１１１内部を真空排気し、アノード電極１２１と真空槽１１１とを接地電位に接続し、蒸着材料に負電圧を印加した状態で、トリガ電極１２６に負電圧パルスを印加すると、蒸着材料１２８とトリガ電極１２６の間にトリガ放電が発生し、蒸着材料１２８の側面とアノード電極１２１の間にアーク放電が誘起される。

アーク放電によって蒸着材料１２８の側面から粒子が放出されると、その粒子中に含まれる微小な荷電粒子はアーク電流のローレンツ力によってアノード電極１１２の開口に向けて飛行方向が曲げられ、その開口から真空槽１１１内に放出される。

基板１１３は、アノード電極１１２の下方に配置されており、アノード電極１１２の開口は、基板１１３とは異なる方向に向けられている。
基板１１３の裏面には磁石１１６が配置されており、磁石１１６による磁力線１１７は、アノード電極１２１の開口と基板１１３の間を通るように形成されている。

アノード電極１２１の開口から放出された微小な荷電粒子は磁力線１１７に巻き付きながら移動するため、飛行方向が基板１１３方向に曲げられ、基板１１１３の表面に到達してそこに薄膜が成長する。

他方、巨大な荷電粒子や中性粒子に対するローレンツ力の影響は小さく、アノード電極１２１の壁面に衝突し、そこに付着する。

巨大荷電粒子や中性粒子がアノード電極１２１の壁面に衝突する際、その一部は衝突の際砕け散り、微小荷電粒子よりも大きな小滴（直径２０μｍ程度）が形成されることがある。

形成された小滴の一部はアノード電極１２１の開口から真空槽１１１の内部に放出されるが、小滴の電荷質量比は微小荷電粒子よりも小さく、磁力線に巻き付くよりも、むしろ直線的に飛行し真空槽１１１の槽壁や防着板などに付着する。

従って、上記のような蒸着装置１１０では、基板１１３表面には巨大な粒子は到達せず、微小荷電粒子による緻密な薄膜が形成される。
特開２００４−２２５１０７号

しかしながら、上記のような蒸着装置１１０でもまれに薄膜中に小滴が混入する場合がある。
本願発明の発明者等がその原因を調査したところ、巨大荷電粒子や中性粒子の衝突位置により、小滴が直線的に飛行しても基板１１３に到達する場合があることが見いだされた。

符号１１９は、アノード電極１２１の内壁面のうち、基板１１３から見える上側の部分を示しており、この部分１１９に巨大荷電粒子や中性粒子が斜めに衝突し、小滴が発生する場合、その小滴が直線的に飛行しても基板１１３方向に向かうと、基板１１３の表面に到達してしまうことになる。

上記課題を解決するため、本発明は、筒状のアノード電極と、前記電極内に配置された蒸着材料と、前記蒸着材料に近接する位置に配置されたトリガ電極とを有し、前記蒸着材料と前記トリガ電極との間にトリガ放電を生じさせ、前記蒸着材料と前記アノード電極との間にアーク放電を誘起させ、前記蒸着材料から蒸着材料の粒子を放出させ、前記アーク放電によって流れるアーク電流により、前記粒子中に含まれる微小荷電粒子にローレンツ力を及ぼし、前記微小荷電粒子を前記アノード電極の開口から放出させる蒸着源であって、前記アノード電極の先端部分に切り欠き部分が設けられ、前記切り欠き部分で前記蒸着材料が露出するようにされた蒸着源である。
また、本発明は、真空槽内にヨークと磁石と基板ホルダが配置され、前記ヨークには、前記蒸着源の前記アノード電極が挿通され、前記磁石が形成する磁力線が前記ヨークと前記基板ホルダと前記アノード電極内を通るように構成された蒸着装置であって、前記基板ホルダは前記切り欠き部分とは反対側に配置された蒸着装置である。
また、本発明は、前記基板ホルダ上に配置された基板と前記蒸着材料とを結ぶ仮想的な直線は、前記アノード電極の壁面を貫通するように構成された蒸着装置である。
また、本発明は、前記ヨークは、前記基板ホルダの裏面に配置された第一の板と、前記第一の板と交差し、前記蒸着源のアノード電極が挿通された第二の板とを有する蒸着装置である。
また、本発明は、前記切り欠き部分と前記蒸着材料は、前記第二の板の、前記基板ホルダが配置された側に配置された蒸着装置である。
また、本発明は、前記トリガ電極は、前記第二の板の前記基板ホルダが配置された側に配置された蒸着装置である。

本発明は上記のように構成されており、基板から見えるアノード電極の内壁面が存在しないように、アノード電極の上端部分を除去し、切り欠き部分を形成している。従って、基板から見える部分では小滴が発生せず、小滴が基板に到達することがない。

本発明の蒸着装置によれば、成膜中の薄膜に小滴が混入しないので、膜質の良い薄膜を成膜することができる。

図１を参照し、符号１０は本発明の蒸着装置の一例を示している。
この蒸着装置１０は、真空槽１１と蒸着源１２とを有している。
蒸着源１２は、アノード電極２１を有している。アノード電極２１は筒状(ここでは円筒形)であり、その一端部が除去され、切り欠き部分が設けられている。符号２２は、アノード電極２１が除去された部分である切り欠き部分を示している。

アノード電極２１の両端のうち、切り欠き部分２２が設けられている方を上部、それとは反対側の方を下部とすると、アノード電極２１の下部には、台座２４が配置されている。台座２４には、先端が、アノード電極２１の上部に向けられた棒状電極２９の基部が取り付けられている。

台座２４上には第一の絶縁リング２５を介してリング形状のトリガ電極２６が配置され、トリガ電極２６上には第二の絶縁リング２５’が配置されている。
棒状電極２９は、第一の絶縁リング２５と、トリガ電極２６と、第二の絶縁リング２５’とに挿通されており、該棒状電極２９の先端には、蒸着材料２８が取り付けられている。

台座２４と棒状電極２９と蒸着材料２８は導電性を有しており、蒸着材料２８は棒状電極２９によって台座２４に電気的に接続されている。
トリガ電極２６と台座２４の間、蒸着材料２８とトリガ電極２６との間は、第一、第二の絶縁リング２５、２５’によってそれぞれ絶縁されている。棒状電極２９とトリガ電極２６の間にも絶縁物質２７が配置されており、棒状電極２９とトリガ電極２６の間も絶縁されており、トリガ電極２６と蒸着材料２８には、それぞれ異なる電圧を印加できるように構成されている。

この蒸着源１２の互いに異なる方向から見た斜視図を図２(ａ)、(ｂ)に示す。二点差線は切り欠き部分２２を示しており、符号２３の一点鎖線はアノード電極２１の中心軸線を示している。

蒸着材料２８は円柱形状であり、トリガ電極２６の中心軸線や蒸着材料２８の中心軸線は、アノード電極２１の中心軸線２３と一致している。
また、切り欠き部分２２とアノード電極２１の長さ方向の境界、即ち、切り欠き部分２２の端部はトリガ電極２６の真上にある。従って、蒸着材料２８の長さ方向は、その全部が切り欠き部分２２で露出されている。

他方、切り欠き部分２２の円周方向の大きさはアノード電極２１の半円の大きさであり、蒸着材料２８の側面は、円周の半分だけアノード電極２１と対向しており、従って、円周方向の残り半分が、切り欠き部分２２で露出されている。

この蒸着源１２では、アノード電極２１の上部は蒸着材料２８の先端よりも突き出されており、従って、蒸着材料２８は、アノード電極２１の内部に納められている。
台座２４の底部には、絶縁碍子３１が取り付けられている。
蒸着源１２の取り付け向きは、アノード電極２１が横向きであり、切り欠き部分２２は上側を向けられている。

蒸着源１２は、横向きの状態で絶縁碍子３１とアノード電極２１の下部が真空槽１１の壁面に取り付けられている。
アノード電極２１の上部は真空槽１１の内部に向けられており、真空槽１１の内部の蒸着源１２よりも低位置、即ち、切り欠き部分２２が向けられた方向(ここでは天井側)とは反対側の位置に、基板１３が配置されている。

真空槽１１の内部には、ヨーク１５が配置されている。
ヨーク１５はＬ字形状であり、Ｌ字形状は、高透磁率の二枚の板１５ａ、１５ｂによって形成されている。その二枚の板１５ａ、１５ｂのうち、一方の板１５ａは底壁上に水平に配置されており、基板ホルダ１４は、その上に配置される基板１３が、この板１５ａと平行になるように配置されている。

また、この板１５ａ上の基板１５の裏面位置には、一乃至複数個の荷電粒子収集磁石１６が配置されている。
他方の板１５ｂは鉛直に立設されており、二枚の板１５ａ、１５ｂは一辺で接続されている。

鉛直な板１５ｂの上端部分には孔が形成されており、蒸着源１２のアノード電極２１は、その孔内に挿通されている。従って、荷電粒子収集磁石１６から発せられる磁力線は、Ｌ字形状のヨーク１５の内部と、蒸着源１２の内部を通り、基板１３を貫く形に形成される。

なお、荷電粒子収集磁石１６はＳ極とＮ極のうち、一方の磁極が基板裏面側に向けられ、他方の磁極がヨーク１５の基板１３と平行な板１５ａに向けられており、磁力線１７が可及的に強くなるように構成されている。

真空槽１１の外部には電源装置３４が配置されている。台座２４は、電源装置３４の第１の負電圧端子に接続されており、蒸着材料２８には、台座２４と棒状電極２９を介して、負の最大電圧が印加されるように構成されている。

トリガ電極２６は、配線３０によって電源装置３４の第２の負電圧端子に接続されており、トリガ電極２６には蒸着材料２８よりも小さいパルス状の負電圧が印加されるように構成されている。

アノード電極２１と真空槽１１とは接地電位に接続されている。
真空槽１１には真空排気系３２が接続されており、該真空排気系３２を動作させ、真空槽１１内部に真空雰囲気を形成し、蒸着材料２８に大きな負電圧を印加した状態でトリガ電極２６に負電圧パルスを印加すると、蒸着材料２８の側面とトリガ電極３４の側面との間第二の絶縁リング２７の沿面放電によってトリガ放電が生じ、蒸着材料２８を構成する物質の粒子が少量だけ蒸着材料２８周囲に放出される。

放出された粒子により、蒸着材料２８周囲の絶縁耐圧が低下し、蒸着材料２８の側面とアノード電極２１の内壁面との間にアーク放電が誘起される。
このアーク放電により、蒸着材料２８の側面が溶融し、蒸着材料２８を構成する物質の蒸気が多量に放出される。

棒状電極２９はアノード電極２１の中心軸線上に配置されており、アーク放電を維持するアーク電流はこの棒状電極２９を流れるから、アーク電流はアノード電極２１の中心軸線と平行に流れる。

蒸着材料３１から放出された粒子には、電荷質量比（電荷／質量）の大きい微小な荷電粒子の他、中性の粒子や電荷質量比の小さい巨大な荷電粒子が含まれているが、アーク電流が形成する磁界は、荷電粒子に対して、アーク電流が流れる方向とは逆向きのローレンツ力(アノード電極の上端方向に向かうローレンツ力)を及ぼす。
電荷質量比の大きい微小荷電粒子は、そのローレンツ力の影響を強く受け、飛行方向の軌道が曲げられ、アノード電極２１の上部に向かう。

トリガ電極２６と蒸着材料２８は、蒸着源１２が挿通されたヨーク１５の板１５ｂよりも基板１３側に位置するように配置されており、アノード電極２１内を磁力線１７が通るように構成されている。

微小荷電粒子は、荷電粒子収集磁石１６が形成する磁力線１７に巻き付きながら飛行し、アノード電極２１の上部から真空槽１１の内部に放出されると、磁力線１７に沿って基板１３方向に向けて飛行が曲げられ、基板１３表面に入射する。

他方、蒸着材料２８の側面から放出された粒子のうち、中性粒子や電荷質量比の小さい巨大荷電粒子は、アーク電流が形成するローレンツ力では進行方向を曲げられず、色々な方向に向かって飛行する。

アノード電極２１は、蒸着材料２８の側面の任意の点と基板１３の表面上の任意の点とを結ぶ直線が、アノード電極２１を貫くような長さにされており、アーク放電によって放出された中性粒子や巨大粒子は基板１３の表面に直接到達しないようにされている。

アノード電極２１の内壁面に向かった粒子は、アノード電極２１の壁面に衝突し、大部分はそこに付着するが、一部は反射し、切り欠き部分２２方向に向かう。
切り欠き部分２２には、中性粒子や巨大荷電粒子が反射する電極は存在しないため、最初から切り欠き部分２２方向に飛行する粒子や、又は反射して切り欠き部分２２方向に飛行する粒子は、切り欠き部分２２から真空槽１１の内部に飛び出す。

切り欠き部分２２は、基板１３とは反対側に向けて配置されており、真空槽１１の内部空間に飛び出した中性粒子や荷電粒子は、真空槽１１の天井や側壁の壁面や、その壁面付近に設けられた防着板等の、アノード電極２１よりも基板１３から遠く離れた部材に衝突し、そこに付着する。

従って、中性粒子や巨大荷電粒子が基板１３に到達することがなく、基板１３から見える部分は切り欠き部分２２となっており、アノード電極２１の内壁面等の巨大荷電粒子や中性粒子が衝突する部材が無い。従って、基板１３から見える部分では小滴が発生せず、基板１３の表面に小滴が到達することがない。

なお、真空槽１１に反応ガス供給系を接続し、該反応ガス供給系により、蒸着材料２８と反応する反応ガスを真空槽１１内に供給しながら成膜を行えば、反応ガスと荷電粒子とが反応し、反応ガスと蒸着材料との反応物の薄膜を得ることができる。図１の符号３３は、その反応ガス供給系を示している。

また、上記の蒸着材料２８は、銅、アルミニウム等の配線材料の他、チタン、ジルコウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデンやタングステンなどの高融点金属材料、コバルト、鉄、ニッケル等の磁性材料、グラファイト等、種々の材料を用いることができる。

アノード電極２１は、インコネル等の透磁率の小さい金属を用いることができる。その形状は円筒状に限定されず、例えば角筒状でもよいし、あるいは板状に形成されていてもよい。
荷電粒子収集磁石１６としては、フェライト製の磁性材料やサマリウム・コバルト製の磁性材料、それらを複合した永久磁石の他、電磁石で構成することもできる。

微小荷電粒子が到達している間、基板１３を水平面内で回転させ、均一に成膜させることもできる。
アノード電極２１は円筒の他、四角の角筒や多角形の角筒も含まれる。

本発明の蒸着装置の一例を説明する断面図 (ａ)、(ｂ)：本発明の蒸着源の斜視図 従来技術の蒸着装置の一例

符号の説明

１０……蒸着装置
１１……真空槽
１２……蒸着源
１３……基板
１４……基板ホルダ
１５……ヨーク
１５ａ、１５ｂ……板
１６……磁石
１７……磁力線
２１……アノード電極
２６……トリガ電極
２８……蒸着材料

Claims (6)

1. 筒状のアノード電極と、
   前記電極内に配置された蒸着材料と、
   前記蒸着材料に近接する位置に配置されたトリガ電極とを有し、
   前記蒸着材料と前記トリガ電極との間にトリガ放電を生じさせ、前記蒸着材料と前記アノード電極との間にアーク放電を誘起させ、前記蒸着材料から蒸着材料の粒子を放出させ、
   前記アーク放電によって流れるアーク電流により、前記粒子中に含まれる微小荷電粒子にローレンツ力を及ぼし、前記微小荷電粒子を前記アノード電極の開口から放出させる蒸着源であって、
   前記アノード電極の先端部分に切り欠き部分が設けられ、前記切り欠き部分で前記蒸着材料が露出するようにされた蒸着源。
2. 真空槽内にヨークと磁石と基板ホルダが配置され、
   前記ヨークには、請求項１記載の蒸着源の前記アノード電極が挿通され、前記磁石が形成する磁力線が前記ヨークと前記基板ホルダと前記アノード電極内を通るように構成された蒸着装置であって、
   前記基板ホルダは前記切り欠き部分とは反対側に配置された蒸着装置。
3. 前記基板ホルダ上に配置された基板と前記蒸着材料とを結ぶ仮想的な直線は、前記アノード電極の壁面を貫通するように構成された請求項２記載の蒸着装置。
4. 前記ヨークは、前記基板ホルダの裏面に配置された第一の板と、前記第一の板と交差し、前記蒸着源のアノード電極が挿通された第二の板とを有する請求項２乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着装置。
5. 前記切り欠き部分と前記蒸着材料は、前記第二の板の、前記基板ホルダが配置された側に配置された請求項４記載の蒸着装置。
6. 前記トリガ電極は、前記第二の板の前記基板ホルダが配置された側に配置された請求項５記載の蒸着装置。

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