JP4972299B2

JP4972299B2 - 電子ビーム蒸着装置、および、当該装置を用いて行う基板の表面への蒸着被膜の形成方法

Info

Publication number: JP4972299B2
Application number: JP2005237009A
Authority: JP
Inventors: 栄一飯島; 一也内田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2025-08-17
Also published as: JP2007051326A

Description

本発明は、電子銃を用いて蒸着被膜を基板の表面に形成するための電子ビーム蒸着装置、および、当該装置を用いて行う基板の表面への蒸着被膜の形成方法に関する。

蒸着室に、蒸着材料を充填するためのハースと、ハースに充填した蒸着材料に電子ビームを照射するためのピアス式電子銃を備え、蒸着材料に電子ビームを照射することで蒸着材料を蒸発させてハース上方の基板の表面に蒸着被膜を形成するための電子ビーム蒸着装置は、例えば、特許文献１にも記載されているように、ガラス基板の表面にＭｇＯ被膜を形成するための装置などとして広く利用されている。

しかしながら、従来の電子ビーム蒸着装置においては、所定の期間、装置を運転した後にピアス式電子銃のメンテナンスを行い、再び装置の運転を開始した場合、メンテナンスの前後でピアス式電子銃の電子ビーム発生部におけるカソードとウェネルトとの間のギャップが微妙に異なることで、ビームの直径や発散角が変化し、この変化によってビームサイズが変化して蒸着材料の蒸発速度が影響を受け、蒸着レートがメンテナンスの前後で異なるといった現象が見られる。従って、ピアス式電子銃のメンテナンスを行う都度、蒸着レートの調整や蒸着被膜の膜厚分布の条件出しが必要となることから、メンテナンス後の装置の立ち上げには所定の時間を要している。また、電子ビーム蒸着装置においては、電子ビームを構成する熱電子が蒸着室内部の水分、残留ガス、蒸発粒子などと衝突することでイオンが発生した場合、発生したイオンはカソードに向かって逆流してカソードに衝突し、カソードにはイオンが衝突したことによる衝突孔が形成され、次第に電子ビームの発生効率が低下するという問題がある。このような問題は、特許文献１にも記載されているように、カソードに向かって逆流してくるイオンを通過させるための貫通孔をカソードに予め設けておくことでイオンがカソードに衝突することを防ぐとともに、カソードの後方にカソードを通過したイオンを衝突させるためのイオンコレクタを配置するといった手段で改善を図ることができるが、それでも、カソードへのイオンの衝突を完全に阻止することはできないことから、カソードの表面角度がイオンの衝突により徐々に変化することで、ビームの直径や発散角も次第に変化し、この変化によってビームサイズが変化して蒸着材料の蒸発速度が影響を受け、蒸着レートが次第に低下するといった現象が見られる。従って、装置の運転中に、適宜、蒸着レートの調整や蒸着被膜の膜厚分布の条件出しを行う必要であるが、このような操作を行う間は、生産を中断する必要がある。
特開２００４−１４２２６号公報

そこで本発明は、装置の運転中に、生産を中断することなく、ピアス式電子銃から発せられる電子ビームの状態をリアルタイムでモニタし、その結果を電子ビームの状態を適正なものに改善や維持するためにフィードバックすることで、優れた効率性と安定性のもとに、基板の表面に蒸着被膜を形成することができる、電子ビーム蒸着装置、および、当該装置を用いて行う基板の表面への蒸着被膜の形成方法を提供することを目的とする。

上記の点に鑑みてなされた本発明の電子ビーム蒸着装置は、請求項１記載の通り、蒸着室に、蒸着材料を充填するためのハースと、ハースに充填した蒸着材料に電子ビームを照射するためのピアス式電子銃を備え、蒸着材料に電子ビームを照射することで蒸着材料を蒸発させてハース上方の基板の表面に蒸着被膜を形成するための電子ビーム蒸着装置であって、ピアス式電子銃が、電子ビームに起因乃至由来する電子を捕捉するためのセンサを電子銃から発せられる電子ビームが蒸発材料に到達する前のビームパスの近傍に備えており、センサによって捕捉された電子に基づく電流および／または電圧を検出することで、ビーム状態をモニタするようにし、ピアス式電子銃を、センサによるビーム状態のモニタ結果を集束コイルに供給される電流にフィードバックすることで、ビームの直径を制御することができるようにし、これにより蒸着レートを制御できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の基板の表面への蒸着被膜の形成方法は、請求項２記載の通り、請求項１記載の電子ビーム蒸着装置を用いて行うことを特徴とする。

本発明によれば、装置の運転中に、生産を中断することなく、ピアス式電子銃から発せられる電子ビームの状態をリアルタイムでモニタし、その結果を電子ビームの状態を適正なものに改善や維持するためにフィードバックすることで、優れた効率性と安定性のもとに、基板の表面に蒸着被膜を形成することができる、電子ビーム蒸着装置、および、当該装置を用いて行う基板の表面への蒸着被膜の形成方法が提供される。

図１は、本発明の電子ビーム蒸着装置が備えるピアス式電子銃の電子ビーム発生部の一実施形態の概略構成図である。電子ビーム発生部は、フィラメント１、カソード２、ウェネルト３、アノード４を基本としてなる。通常、フィラメント１は通電により２５００Ｋ程度にまで加熱される。フィラメント１とカソード２との間には６００〜１５００Ｖの電圧が印加されており、フィラメント１から発生した熱電子はカソード２の表面を電子衝撃する。カソード２はフィラメント１からの電子衝撃により２５００Ｋ程度にまで加熱され、表面から熱電子を発生させる。カソード２とアノード４との間には２０ｋＶ程度の電圧が印加されており、カソード２の表面から発生した熱電子はアノード４の方向に加速されて電子ビームＸが構成され、蒸発材料の蒸発ポイントなどに照射される。また、ウェネルト３はカソード２の表面から発生した熱電子をウェネルト３とアノード４との間に形成された電位勾配によってアノード４の方向に集束させる働きを担っている。

前述の通り、電子ビームＸを構成する熱電子が蒸着室内部の水分、残留ガス、蒸発粒子などと衝突するとイオンＹが発生し、このイオンＹはカソード２に向かって逆流してくる。そこで、カソード２にはカソード２に向かって逆流してきたイオンＹを通過させるための貫通孔Ａが設けられている。そして、カソード２の後方にはカソード２を通過したイオンＹを衝突させるためのイオンコレクタ５が配置され、イオンコレクタ５にはカソード２を通過したイオンＹおよびイオンコレクタ５へのイオンＹの衝突によりスパッタされたイオンコレクタ成分を捕集するための捕集孔Ｂが設けられている。これにより、カソード２に向かって逆流してきたイオンＹおよびイオンコレクタ５へのイオンＹの衝突によりスパッタされたイオンコレクタ成分はイオンコレクタ５に設けられた捕集孔Ｂの孔内に捕集される。

このピアス式電子銃には、電子ビームＸに起因乃至由来する電子を捕捉するための、複数のＳＵＳ製の薄型リングからなるセンサ６’が、電子銃のビーム発生部分と蒸着室の雰囲気との分離や圧力を調整するためのフローレジスタ７に電気的に絶縁して設置されている。ここで、電子ビームに起因乃至由来する電子とは、電子ビームから漏れ出た電子や電子ビームを構成する熱電子が周囲の残留ガスなどと衝突することでイオンとともに発生する二次電子などの少なくとも一部を意味する。そして、センサ６’によって捕捉された電子に基づく電圧を、電圧検出手段６で検出することで、電子ビームＸの状態をリアルタイムでモニタすることができる。このようにして行われたセンサ６’によるビーム状態のモニタ結果は、電子ビームＸを集束させるための集束コイル８に供給される電流にフィードバックする。これにより、例えば、検出された電圧が所定値よりも大きいので（これは電子ビームＸに起因乃至由来する電子量が所定量よりも多いことを意味する）、集束コイル８に供給される電流を増加させてビームの直径を絞るといったような、ビーム状態に応じたビームの直径の制御が可能になる。なお、センサ６’を構成する材料は、ＳＵＳの他、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉなどの導電性材料であってもよい。また、その形状は、薄型リングの他、所定の厚みを有するリングや円筒状であってもよい。

電子ビームＸに起因乃至由来する電子を捕捉するためのセンサ６’を設置する箇所は、フローレジスタ７に限定される訳ではなく、ビームパスの近傍であればどのような箇所であってもよい。但し、センサ６’によるビーム状態のモニタ結果を集束コイル８に供給される電流にフィードバックする場合には、センサ６’は集束コイル８の後段側に設置する必要があるが、センサ６’を集束コイル８の前段側に設置すれば、集束コイル８のフィードフォワード機構を構成することもできる。また、センサ６’は、捕捉された電子に基づく電流を検出するものであってもよい。モニタ回路にはバイアス機構やコンデンサやコイルなどを設置することもできる。

図２は、本発明の電子ビーム蒸着装置の一実施形態における蒸着室の概略図である。前述したようなピアス式電子銃１２から蒸着室１１の内部に向けて略水平方向に発せられた電子ビーム１３は、図略の偏向コイルによって偏向されて蒸発源であるハース１４に充填した蒸着材料の蒸発ポイントに照射され、蒸発流１５によりハース１４の上方に搬送されてきた基板２０の表面に蒸着被膜が形成される。本発明の電子ビーム蒸着装置によれば、装置の運転時間が１００時間以上にも及ぶ生産条件であっても、優れた効率性と安定性のもとに、所定の膜厚を有する蒸着被膜を基板の表面に形成することができる。

なお、本発明の電子ビーム蒸着装置においては、電子ビームに起因乃至由来する電子を捕捉するためのセンサに加え、電子ビーム発生部におけるカソードに向かって逆流してくるイオンを捕捉するためのセンサをさらに設置し、センサによって捕捉されたイオンに基づく電流や電圧を検出することで、その検出結果を電子ビームの状態を適正なものに改善や維持するためにフィードバックして利用するようにしてもよい。

また、前述したようなピアス式電子銃やそのビーム状態のモニタ方法は、電子ビーム蒸着装置の他、電子線描画装置や露光装置などに適用することもできる。

図１に記載の電子ビーム発生部を有するピアス式電子銃を備えた電子ビーム蒸着装置を運転した場合の、電子ビームに起因乃至由来する電子を捕捉するためのセンサによって検出された電圧と集束コイル電流（Ｆｏｃｕｓ電流）値との相対関係を図３に、ビームの直径と集束コイル電流値との相対関係を図４に示す。また、成膜レートと集束コイル電流値との相対関係を図５に示す。図３と図４から明らかなように、センサによって検出された電圧とビームの直径との間には相関があり、センサによって検出された電圧に基づいて、ビームの直径の絞れ具合を検知できることや、ビームの直径を制御できることがわかった。そして、これにより、図５から明らかなように、蒸着レートを制御できることがわかった。

本発明は、装置の運転中に、生産を中断することなく、ピアス式電子銃から発せられる電子ビームの状態をリアルタイムでモニタし、その結果を電子ビームの状態を適正なものに改善や維持するためにフィードバックすることで、優れた効率性と安定性のもとに、基板の表面に蒸着被膜を形成することができる、電子ビーム蒸着装置、および、当該装置を用いて行う基板の表面への蒸着被膜の形成方法を提供することができる点において産業上の利用可能性を有する。

本発明の電子ビーム蒸着装置が備えるピアス式電子銃の電子ビーム発生部の一実施形態の概略構成図。本発明の電子ビーム蒸着装置の一実施形態における蒸着室の概略図。実施例におけるセンサによって検出された電圧と集束コイル電流値との相対関係を示すグラフ。同、ビームの直径と集束コイル電流値との相対関係を示すグラフ。同、成膜レートと集束コイル電流値との相対関係を示すグラフ。

符号の説明

１フィラメント
２カソード
３ウェネルト
４アノード
５イオンコレクタ
６電圧検出手段
６’センサ
７フローレジスタ
８集束コイル
９揺動コイル
Ｘ電子ビーム
Ｙ逆流イオン
Ａ貫通孔
Ｂ捕集孔
１１蒸着室
１２ピアス式電子銃
１３電子ビーム
１４ハース
１５蒸発流
２０基板

Claims

蒸着室に、蒸着材料を充填するためのハースと、ハースに充填した蒸着材料に電子ビームを照射するためのピアス式電子銃を備え、蒸着材料に電子ビームを照射することで蒸着材料を蒸発させてハース上方の基板の表面に蒸着被膜を形成するための電子ビーム蒸着装置であって、ピアス式電子銃が、電子ビームに起因乃至由来する電子を捕捉するためのセンサを電子銃から発せられる電子ビームが蒸発材料に到達する前のビームパスの近傍に備えており、センサによって捕捉された電子に基づく電流および／または電圧を検出することで、ビーム状態をモニタするようにし、ピアス式電子銃を、センサによるビーム状態のモニタ結果を集束コイルに供給される電流にフィードバックすることで、ビームの直径を制御することができるようにし、これにより蒸着レートを制御できるようにしたことを特徴とする蒸着装置。
請求項１記載の電子ビーム蒸着装置を用いて行うことを特徴とする基板の表面への蒸着被膜の形成方法。