JP4977864B2

JP4977864B2 - 同軸型真空アーク蒸着源及びこれを用いた蒸着装置

Info

Publication number: JP4977864B2
Application number: JP2006118143A
Authority: JP
Inventors: 顕一郎栄; 敦史齋藤; 原　　泰博; 阿川　　義昭; 誠一秦; 隆介山内; 淳平桜井; 明下河邉
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Ulvac Inc
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Ulvac Inc
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: JP2007291425A

Description

本発明は蒸着装置に関し、特に、同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置に関する。

金属薄膜や誘電体材料の薄膜は、半導体装置や液晶表示装置に用いられており、このような薄膜は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等によって成膜される。
これらの薄膜形成方法のうち、膜厚制御性に優れ、高品質の薄膜を形成できることから、近年では同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、従来の同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置の全体構成を示す断面図、図７は、従来の同軸型真空アーク蒸着源の要部を示す斜視図である。
図６に示すように、この蒸着装置１０１は、図示しない真空排気系に接続された真空槽１０２を有している。
この真空槽１０２内の底壁には、同軸型真空アーク蒸着源１０３が配置され、さらに真空槽１０２内の天井側には、基板ホルダ１０４によって保持された基板１０５が配置されている。

同軸型真空アーク蒸着源１０３は、開放口側が基板ホルダ１０４に向けられた円筒形形状のアノード電極１０６を有しており、このアノード電極１０６の内部の空間には、カソード電極となる蒸着材料１０７が設けられている。
この蒸着材料１０７は、金属やカーボン等の薄膜材料を用いて円柱形状に形成されたもので、金属製の基台１１０に電気的に接続された状態で、その中心軸線がアノード電極１０６の中心軸線と一致するように配設されている。

ここで、蒸着材料１０７は、円筒形形状の絶縁部材１０８の内周面に接触した状態で先端部分が突出するように挿入固定され、この絶縁部材１０８の突出する部分の外周面が、アノード電極１０６の内周面と対向するように構成されている。

さらに、絶縁部材１０８は、円筒形形状の金属からなるトリガ電極１０９の内周面に接触するように挿入固定され、またトリガ電極１０９と基台１１０との間には絶縁碍子１１３が設けられており、これによりトリガ電極１０９は、蒸着材料１０７に対して電気的に絶縁された状態になっている。

一方、真空槽１０２の外部には、トリガ電源１１１とアーク電源１１２が配設されている。
ここで、トリガ電源１１１とアーク電源１１２の負電位側の端子は、それぞれ基台１１０に共通に接続されている。

他方、トリガ電源１１１の正電位側の端子は、トリガ電極１０９に接続され、またアーク電源１１２の正電位側の端子は、アノード電極１０６に接続されている。

このような蒸着装置１０１では、真空槽１０２内を真空排気し、蒸着材料１０７に負電圧を印加するとともに、トリガ電極１０９に正のパルス電圧を印加してトリガ放電を発生させると、蒸着材料１０７がカソード電極になり、トリガ電極１０９と蒸着材料１０７との間にアーク放電が誘起され、蒸着材料１０７を構成する粒子が放出される。そして、この粒子を基板１０５に導くことにより、基板１０５上に薄膜を形成することができる。

しかし、このような従来技術においては、アーク蒸着源を構成する蒸着材料１０７、絶縁部材１０８及びトリガ電極１０９の寸法公差により、それぞれの間（蒸着材料１０７と絶縁部材１０８との間並びに絶縁部材１０８とトリガ電極１０９との間）に隙間が形成されてしまい、その隙間によって蒸着材料１０７とトリガ電極１０９との間の絶縁抵抗値が上昇するため、トリガ放電によって誘起されるアーク放電の不安定等の不具合が発生する要因となっている。
特開２００１−１１６０６公報

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、アーク蒸着源を構成する蒸着材料、絶縁部材及びトリガ電極間の密着性を向上させることによってトリガ放電を安定化させ、アーク放電の不具合の発生を抑制可能な同軸型真空アーク蒸着源及びこれを用いた蒸着装置を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、筒状のアノード電極と、中心軸線を前記アノード電極の中心軸線と略一致させ、当該アノード電極内部に配置された柱状の蒸着材料と、前記蒸着材料の周囲に密着配置された筒状の絶縁部材と、前記絶縁部材の周囲に密着配置された筒状のトリガ電極とを有し、前記トリガ電極と前記蒸着材料の間で発生したトリガ放電によって、前記アノード電極内壁面と前記蒸着材料側面との間にアーク放電を誘起させ、前記蒸着材料側面から放出された微小粒子を前記アノード電極の開放口から放出させる同軸型真空アーク蒸着源であって、前記絶縁部材に、その軸線方向に延び当該絶縁部材を部分的に切断するように形成されたスリット部が設けられるとともに、前記トリガ電極に、その軸線方向に延び当該トリガ電極を部分的に切断するように形成されたスリット部が設けられているものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記絶縁部材に二つのスリット部を設けることにより当該絶縁部材が二つに分割された部材から構成されているものである。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記絶縁部材の直径方向に対する前記スリット部の角度が、０°以上６０°以下であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記絶縁部材の直径方向に対する前記スリット部の角度が、２０°以上６０°以下であることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発明において、前記トリガ電極に、前記スリット部の幅を狭めるように当該トリガ電極を締め付ける締付機構が設けられているものである。
請求項６記載の発明は、真空槽内に請求項１乃至５のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源が設けられている蒸着装置である。

本発明の場合、絶縁部材に、その軸線方向に延び当該絶縁部材を部分的に切断するように形成されたスリット部が設けられるとともに、トリガ電極に、その軸線方向に延び当該トリガ電極を部分的に切断するように形成されたスリット部が設けられていることから、蒸着材料と絶縁部材との間並びに絶縁部材とトリガ電極との間の隙間を極力抑えてこれらの密着性を向上させることができ、その結果、トリガ放電を安定化させ、アーク放電の不具合の発生を抑制することができる。

本発明において、絶縁部材に二つのスリット部を設けることにより当該絶縁部材が二つに分割された部材から構成されている場合には、組立時により確実にガタを吸収して蒸着材料及びトリガ電極との間の密着性を向上させることができる。

本発明において、絶縁部材の直径方向に対するスリット部の角度が、０°以上６０°以下、より好ましくは、２０°以上６０°以下である場合には、絶縁部材が破壊しにくくなり、また、よりトリガ放電の安定化が可能になる。

本発明において、トリガ電極に、スリット部の幅を狭めるように当該トリガ電極を締め付ける締付機構が設けられている場合には、蒸着材料と絶縁部材との間並びに絶縁部材とトリガ電極との間の密着性を更に向上させることができる。
そして、上述した同軸型真空アーク蒸着源を真空槽内に設けた蒸着装置によれば、安定してトリガ放電を生じさせ、基板上に蒸着を行うことができる。

本発明によれば、トリガ放電を安定化させ、アーク放電の不具合の発生を抑制することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る蒸着装置の実施の形態の構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施の形態の蒸着装置１は、図示しない真空排気系に接続された真空槽２を有している。

ここで、真空槽２内の底壁には、後述する同軸型真空アーク蒸着源３が配置され、さらに真空槽２内の天井側には、基板ホルダ４によって保持された基板５が配置されている。
同軸型真空アーク蒸着源３は、開放口側が基板ホルダ４に向けられた円筒形形状のアノード電極６を有しており、このアノード電極６の内部の空間には、カソード電極となる蒸着材料７が設けられている。

蒸着材料７は、金属やカーボン等の薄膜材料を用いて円柱形状に形成され、金属製の基台１０に電気的に接続された状態で取り付けられている。
ここで、蒸着材料７は、その中心軸線がアノード電極６の中心軸線と一致するように配置されている。

蒸着材料７の周囲には、円筒形形状の絶縁性材料（例えばＡｌ₂Ｏ₃等）からなる絶縁部材８が蒸着材料７と密着するように配設されている。
ここでは、絶縁部材８の端部から蒸着材料７の先端部が突出する状態で挿入固定され、これにより蒸着材料７の絶縁部材８から突出する部分の外周面が、アノード電極６の内周面と対向するように構成されている。

さらに、絶縁部材８の周囲には、円筒形形状の金属からなるトリガ電極９が絶縁部材８と密着するように設けられるとともに、トリガ電極９と基台１０との間には絶縁碍子１３が設けられており、これによりトリガ電極９は、蒸着材料７に対して電気的に絶縁された状態になっている。

真空槽２の外部には、トリガ電源１１とアーク電源１２が配置されている。トリガ電源１１とアーク電源１２の負電位側の端子は、それぞれ基台１０に共通に接続されている。
他方、トリガ電源１１の正電位側の端子は、トリガ電極９に接続され、またアーク電源１２の正電位側の端子は、アノード電極６に接続されている。

図２は、本実施の形態の同軸型真空アーク蒸着源の要部を示す斜視図である。図３（ａ）は、本実施の形態における絶縁部材の構成を示す平面図、図３（ｂ）は、同絶縁部材の構成を示す正面図である。
図２及び図３（ａ）（ｂ）に示すように、絶縁部材８には、その円筒の軸線方向に延び当該絶縁部材８を部分的に切断するように形成されたスリット部２０が設けられている。

本発明の場合、絶縁部材８に設けるスリット部２０の数は特に限定されることはないが、組立時により確実にガタを吸収して蒸着材料７及びトリガ電極９との間の密着性を向上させる観点からは、絶縁部材８にスリット部２０を二つ設け、これにより絶縁部材８が二つの部材８ａ、８ｂに分割されるように構成することが好ましい。

この場合、特に限定されることはないが、組立時の作業性向上の観点からは、絶縁部材８においてスリット部２０を点対称の位置に設け、二つの部材８ａ、８ｂの形状が同一となるように構成することが好ましい。

本発明の場合、スリット部２０の切断方向は特に限定されることはないが、絶縁部材８の直径方向に対するスリット部２０の角度θが、０°以上６０°以下となるように構成することが好ましく、より好ましくは、２０°以上６０°以下である。

絶縁部材８の直径方向に対するスリット部２０の角度θが２０°より小さいと、スリット部２０の長さが絶縁部材８の両端（直径方向）の縁面距離と近くなるためスリット部２０において異常放電が生ずる場合がある。

他方、絶縁部材８の直径方向に対するスリット部２０の角度θが６０°より大きいと、絶縁部材８の肉厚が部分的に薄くなって壊れやすくなるとともに、スリット部２０において異常放電が生ずるおそれがある。

なお、本発明は、絶縁部材８として、円筒の肉厚が０．３〜３．０ｍｍのものを用いた場合に特に好適となるものである。
また、本発明の場合、スリット部２０の幅Ｗ₁は、特に限定されることはないが、蒸着材料７及びトリガ電極９との間の密着性を向上させる観点からは、０．１〜５．０ｍｍとすることが好ましい。

図４（ａ）は、本実施の形態におけるトリガ電極の構成を示す平面図、図４（ｂ）は、同トリガ電極の構成を示す正面図である。
図２及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、トリガ電極９には、その円筒の軸線方向に延び当該トリガ電極９を部分的に切断するように形成されたスリット部３０が設けられている。

本発明の場合、トリガ電極９に設けるスリット部３０の数は特に限定されることはないが、組立時の作業性向上の観点からは、トリガ電極９にスリット部３０を一つ設けることが好ましい。

本発明の場合、スリット部３０の切断方向は特に限定されることはないが、後述するように締付機構４０をスリット部３０に設ける観点からは、スリット部３０をトリガ電極９の直径方向に切断することが好ましい。

また、スリット部３０の幅Ｗ₂は、特に限定されることはないが、締付作業の容易さの観点からは、０．１〜２．０ｍｍとすることが好ましい。
なお、本発明は、トリガ電極９として、円筒の肉厚が１．０〜９．０ｍｍのものを用いた場合に特に好適となるものである。

図２及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、トリガ電極９のスリット部３０には、締付機構４０が設けられている。
本実施の形態の場合、トリガ電極９のスリット部３０の両側の部位に取付凹部９ａ、９ｂが形成され、この取付凹部９ａ、９ｂ間を貫通するように設けられた孔部（図示せず）に例えばボルトとナットからなる締付機構４０が装着される。そして、この締付機構４０を締め付けることにより、スリット部３０の幅Ｗ₂を狭めてトリガ電極９の内径を小さくするように構成されている。

以上述べた本実施の形態によれば、絶縁部材８に、その軸線方向に延び当該絶縁部材８を部分的に切断するように形成されたスリット部２０が設けられるとともに、トリガ電極９に、その軸線方向に延び当該トリガ電極９を部分的に切断するように形成されたスリット部３０が設けられていることから、蒸着材料７と絶縁部材８との間並びに絶縁部材８とトリガ電極９との間の隙間を極力抑えてこれらの密着性を向上させることができ、その結果、トリガ放電を安定化させ、アーク放電の不具合の発生を抑制することができる。

特に、本実施の形態では、絶縁部材８に二つのスリット部２０を設けることにより当該絶縁部材８が二つに分割された部材８ａ、８ｂから構成されていることから、組立時により確実にガタを吸収して蒸着材料７及びトリガ電極９との間の密着性を向上させることができる。

また、本実施の形態では、トリガ電極９に、スリット部３０の幅Ｗ₂を狭めるように当該トリガ電極９を締め付ける締付機構４０が設けられていることから、蒸着材料７と絶縁部材８との間並びに絶縁部材８とトリガ電極９との間の密着性を更に向上させることができる。

そして、上述した同軸型真空アーク蒸着源３を真空槽２内に設けた本実施の形態の蒸着装置１によれば、安定してトリガ放電を生じさせ、基板５上に蒸着を行うことができる。
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。

例えば、上述の実施の形態においては、絶縁部材にスリット部を二つ設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、一つ又は三つ以上設けることも可能である。
また、トリガ電極にスリット部を一つ設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、二つ以上設けることも可能である。
さらに、トリガ電極を締め付ける締付機構としては、ボルトとナットの組み合わせの他、例えば、ばね等の付勢手段を用いることも可能である。

以下、本発明の実施例について比較例とともに説明する。
図５（ａ）〜（ｃ）は、実施例及び比較例に用いた蒸着材料、絶縁部材及びトリガ電極の寸法関係を示す説明図である。
ここでは、蒸着材料の直径Ｄ₁＝１０ｍｍ、絶縁部材の内径Ｄ₂＝１０ｍｍ、絶縁部材の外径Ｄ₃＝１２ｍｍ、トリガ電極の内径Ｄ₄＝１２ｍｍ、トリガ電極の外径Ｄ₅＝１５ｍｍ、絶縁部材のスリット部の幅Ｗ₁＝０．８ｍｍ、トリガ電極のスリット部の幅Ｗ₂＝２ｍｍとした。

＜実施例１＞
絶縁部材として、スリット部を一つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを０°としたものを用いた。

＜実施例２＞
絶縁部材として、スリット部を二つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを０°としたものを用いた。

＜実施例３＞
絶縁部材として、スリット部を一つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを２０°としたものを用いた。

＜実施例４＞
絶縁部材として、スリット部を二つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを２０°としたものを用いた。

＜実施例５＞
絶縁部材として、スリット部を一つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを３０°としたものを用いた。

＜実施例６＞
絶縁部材として、スリット部を二つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを３０°としたものを用いた。

＜実施例７＞
絶縁部材として、スリット部を一つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを６０°としたものを用いた。

＜実施例８＞
絶縁部材として、スリット部を二つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを６０°としたものを用いた。

＜比較例１＞
絶縁部材として、スリット部を設けない従来の構成のものを用いた。

＜比較例２＞
絶縁部材として、スリット部を一つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを７０°としたものを用いた。

＜比較例３＞
絶縁部材として、スリット部を二つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを７０°としたものを用いた。

上記実施例及び比較例を用い、圧力１０^-4Ｐａ〜１０^-5Ｐａの条件の下、アノード電極及びトリガ電極間に３．０〜４．０ｋＶの電圧を印加するとともに、アノード電極及び蒸着材料間に１００Ｖの電圧を印加し、絶縁不良を起こすまでのアーク放電の回数を計測した。また、絶縁部材に割れが発生したか否かを目視によって観察した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、絶縁部材として、スリット部を二つ設け、直径方向に対するスリット部の角度θを０〜６０°とした実施例２、実施例４、実施例６及び実施例８は、絶縁不良を起こすまでに１８０００回以上アーク放電が可能であり、特に直径方向に対するスリット部の角度θを２０〜６０°とした実施例４、実施例６及び実施例８については２００００回以上アーク放電が可能であった。

さらに、絶縁部材として、スリット部を一つ設け、直径方向に対するスリット部の角度θを０〜６０°とした実施例１、実施例３、実施例５及び実施例７は、絶縁部材の一部に割れが発生したが実用上問題のないレベルであり、また絶縁不良を起こすまでに１７０００回以上アーク放電が可能であった。

一方、絶縁部材として、スリット部を設けない従来構成のものを用いた比較例１については、絶縁部材に割れは生じなかったが、１００００回のアーク放電で絶縁不良が発生した。
さらに、絶縁部材として、スリット部を一つ又は二つ設けるとともに、直径方向に対するスリット部の角度θを７０°としたものを用いた比較例２及び比較例３は、異常放電により成膜ができず、また絶縁部材に割れが発生した。

本発明に係る蒸着装置の実施の形態の構成を示す断面図同実施の形態の同軸型真空アーク蒸着源の要部を示す斜視図（ａ）：同実施の形態における絶縁部材の構成を示す平面図、（ｂ）：同絶縁部材の構成を示す正面図（ａ）：同実施の形態におけるトリガ電極の構成を示す平面図、（ｂ）：同トリガ電極の構成を示す正面図（ａ）〜（ｃ）：実施例及び比較例に用いた蒸着材料、絶縁部材及びトリガ電極の寸法関係を示す説明図従来の同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置の全体構成を示す断面図従来の同軸型真空アーク蒸着源の要部を示す斜視図

符号の説明

１……蒸着装置２……真空槽３……同軸型真空アーク蒸着源６……アノード電極７……蒸着材料８……絶縁部材９……トリガ電極２０……スリット部３０……スリット部４０……締付機構

Claims

筒状のアノード電極と、
中心軸線を前記アノード電極の中心軸線と略一致させ、当該アノード電極内部に配置された柱状の蒸着材料と、
前記蒸着材料の周囲に密着配置された筒状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の周囲に密着配置された筒状のトリガ電極とを有し、
前記トリガ電極と前記蒸着材料の間で発生したトリガ放電によって、前記アノード電極内壁面と前記蒸着材料側面との間にアーク放電を誘起させ、
前記蒸着材料側面から放出された微小粒子を前記アノード電極の開放口から放出させる同軸型真空アーク蒸着源であって、
前記絶縁部材に、その軸線方向に延び当該絶縁部材を部分的に切断するように形成されたスリット部が設けられるとともに、
前記トリガ電極に、その軸線方向に延び当該トリガ電極を部分的に切断するように形成されたスリット部が設けられている同軸型真空アーク蒸着源。
前記絶縁部材に二つのスリット部を設けることにより当該絶縁部材が二つに分割された部材から構成されている請求項１記載の同軸型真空アーク蒸着源。
前記絶縁部材の直径方向に対する前記スリット部の角度が、０°以上６０°以下である請求項１又は２のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源。
前記絶縁部材の直径方向に対する前記スリット部の角度が、２０°以上６０°以下である請求項１乃至３のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源。
前記トリガ電極に、前記スリット部の幅を狭めるように当該トリガ電極を締め付ける締付機構が設けられている請求項１乃至４のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源。
真空槽内に請求項１乃至５のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源が設けられている蒸着装置。