JP6619921B2 - 蒸発源 - Google Patents
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Description
本発明は、独立請求項１の前文による、特にスパッタリングプロセス又は真空蒸発プロセス、好ましくは、陰極真空蒸発プロセスで用いる蒸発源に関する。
一連の非常に多くの異なる化学的、機械的、及び物理的技術は、最も多様な基板上の各層又は各層システムの応用に関する従来技術から知られている。それぞれの技術は有効であると共に、需要及び使用領域に依存した対応する利点及び欠点を有している。
各プロセスは比較的薄い層又は膜の応用に対して特に共通している。これらの薄い層又は膜では、ターゲットの表面がアークの中の蒸気状態に変化させられるか、又はターゲットの表面からの原子がイオン化した粒子によって蒸気状態に変化させられる。この際、こうして形成された蒸気は、次いでコーティングとして基板上に被着できるようになっている。
陰極原子化の従来の実施例では、ターゲットは、スパッタリングプロセスでは負の非パルス状ＤＣ電圧源に、又は例えば単極性又は双極性のパルス源に接続されるか、或いはＨＩＰＩＭＳモードで動作するか又は無線周波数電源に接続されている。放電は概して磁石システムによって増幅される。次いで、マグネトロン原子化について述べる。基板はコートすべき材料であり、例えば、ターゲットに対抗して位置している。基板は接地したり、浮いたり、バイアスしたり、加熱したり、冷却したりすることができるか、或いはこれらの組合せで処理されたりすることができる。プロセスガスをプロセスチャンバーに導入し、このプロセスチャンバーは特にプロセス電極及び基板を備え、ガス雰囲気を生成するようになっている。このガス雰囲気中では、グロー放電がトリガーされると共に維持することができる。ガス圧は、印加に依存して１０分の数Ｐａから数Ｐａの範囲に及ぶ。アルゴンガスはよく使用されるアトマイザーガスである。
グロー放電が引き起こされると、陽イオンがターゲットの表面に衝突し、衝撃力の伝達によって中性のターゲット原子が主に解放される。中性のターゲット原子は基板上に凝集して薄膜を形成する。ターゲットによって発生し、全てが膜形成特性を有する付加的な他の微粒子及び放射物（二次電子及びイオン、脱離ガス及び光量子）がある。電子及び陰イオンは基板のプラットホームに向かって加速され、この基板のプラットホーム及び成長薄膜と衝突する。場合によっては、成長薄膜が陽イオンとの衝撃に晒されるように、バイアス電位を、例えば基板ホルダーに印加する。このプロセスはバイアス原子化又はイオンめっきとしても知られている。
場合によっては、アルゴンだけでなく、他のガス又はガス混合物が使用される。このことは典型的に何らかの反応アトマイザープロセスを含んでいる。この反応アトマイザープロセスでは、少なくとも部分的に反応性の反応ガス中で金属ターゲット（例えば、Ｂ、 Ｔｉ）の原子化によって組成物が合成されて、金属と反応ガスの型式の合成物（例えば、チタン酸化物）を形成する。原子化集率は、入射イオン当たりのターゲット表面から放出された原子の数として定義される。この原子化集率は、アトマイザープロセスを特徴付ける本質的なパラメーターである。
ターゲット表面に入射するエネルギーの推定１％は、原子化された微粒子の放出に使われ、入射エネルギーの７５％はターゲットを加熱する結果となり、残りは、例えば、基板に衝突してこれを加熱し得る二次電子によって浪費される。マグネトロン原子化として知られる改良式プロセスは、電子を基板表面から離すための磁界を使用することによって、加熱効果を低減する。
あるターゲット材料にとって、堆積量及び均一性は、とりわけシステム形状、ターゲット電圧、アトマイザーガス、ガス圧、及びプロセス電極に印加される電力によって影響される。
１つの使用された物理的コーティングプロセスは、その多くの実施例における既知のアーク蒸発である。
アーク蒸発において、ターゲット材料は真空アークの効果によって蒸発されられる。ターゲット源材料は、アーク回路における陰極である。既知のアーク蒸発の基本の構成要素は、真空チャンバー、陰極及びアーク電流接続部、陰極表面にアークを点火させるための部品、陽極、基板、及び基板バイアス電圧のための電力接続部を含んでいる。アークは、使用されるターゲット陰極材料に応じて１５から５０Ｖの範囲の電圧によって維持される。典型的なアーク電流は３０から４００Ａの範囲にある。アークの点火は、当業者にとって知られている通常の点火プロセスによって起こる。
ターゲットを形成する陰極からのターゲット材料の蒸発は、陰極アークスポットの結果として生成される。この陰極アークスポットは、最も簡単な場合、典型的に１０ｍ/ｓの速度で陰極表面上を不規則に移動する。しかしながら、アークスポットの移動は、この点において、適切な閉じ込め制限及び/又は磁界の助けにより制御することもできる。ターゲット陰極材料は、例えば金属又は金属合金であることができる。
アークコーティングプロセスは、他の物理的蒸気コーティングプロセスとは相当異なる。既知の各アークプロセスの中核は、材料プラズマを発生するアークスポットである。陰極表面によって蒸発される材料の高い百分率、例えば、３０％から１００％は一般にイオン化する。この場合、イオンはプラズマ中の異なる荷電状態、例えば、Ｔｉ＋、Ｔｉ２ ＋、Ｔｉ３ ＋等で存在できる。この点において、イオンの運動エネルギーは、例えば１０から１００Ｖの範囲で変わることができる。
これらの特徴は、非常に高品質であり得ると共に、他の物理的蒸気コーティングプロセスによって適用されるそれらの各コーティングと比較して特有の利点を得ることができる各コーティングをもたらす。
アーク蒸発を使用して適用される各層は通常、広範囲のコーティング条件に亘って高品質を示す。例えば、非常に高い粘着性及び高密度を有する化学量論的合成物膜はこうして製造することができ、広範囲の反応ガス圧に亘って優れたコーティング均一性を有する金属、合金、及び合成物に対して高いコーティング品質を供給する。とりわけ、更なる利点はまた化合物膜に関しての比較的低い基板温度と相対的に簡易な製造である。
陰極アークは、陰極表面から解放された材料蒸気内にプラズマ放電をもたらす。アークスポットは通常、数マイクロメータの大きさで、マイクロメータの２乗当たり１０Ａの電流密度を有する。この高い電流密度は、出発材料の光を発する高速蒸発を引き起こす。発生した蒸気は、電子、イオン、中性の蒸気原子、及び微液滴から構成される。電子は陽イオンのクラウドに向かって加速される。陰極光スポットの発光は、陰極スポットが複数のドットに分割されるとき広範囲のアーク電流に亘って比較的一定である。ドット当たりの平均電流は陰極材料の性質に依存する。
この点において、蒸発源の形状はまたしばしば実質的な役割を果たす。矩形形状及び円筒形状の蒸発源の双方を使用することがこうして知られている。この点で、蒸発源の形状に関する選択は、特定のコーティング応用に関する複数のパラメーター及び限界条件に依存し得る。
国際公開番号第９０/０２２１６によるコーティング設備及びプロセスの欠点はとりわけ、コーティングの均一な品質が特に確保されないということである。適用された層の品質は、方法パラメーターが複雑及び/又は費用のかかるやり方で監視されなければ、陰極の消耗が増加するにつれて変化する。このことは特に知られているように、矩形形状陰極が不均一に消費されるという事実に起因する。即ち、同一のプロセスパラメーターでも、アーク蒸発において、例えば、層への悪影響を有し妨げになる液滴が次第に増大するため、陰極の浸食が増大するにつれてコーティング蒸気の品質がますます悪化する。これらの悪影響を制限内に留めるために、時期を早めて陰極を交換しなければならず、このことは相応に費用がかさみ、複雑である。
陰極の不規則な浸食に加えての更なる欠点は、陰極上へのアークの制御は仮に可能でも非常に難しく複雑なことである。
従って、円筒形状の陰極を使用することはより有益であることが多く、このことは既知のように、円筒形状の陰極はシリンダ軸の回りに回転可能であると共に、こうしてターゲット材料の消費をより良好に扱うことができるという利点を有する。これらの諸問題は欧州特許第２ １５９ ８２１号明細書において既に先に詳細に論じられてきている。欧州特許第２ １５９ ８２１号明細書による蒸発源を使用することによって、適用された各層の品質は、陰極の増大する消費と共に変化することはなく、複雑及び/又は費用のかかるやり方で方法パラメーターを監視する必要がない。このことはとりわけ円筒形状の陰極が均一に消費されることに起因する。即ち、同一のプロセスパラメーターにおいて、陰極の浸食が増大してもコーティング蒸気の品質はそのままであり、従って、例えば、アーク蒸発において、層への悪影響を有し妨げになる液滴が生じ、コーティング蒸気の品質が悪化することがないということである。これらの悪影響は、欧州特許第２ １５９ ８２１号明細書による蒸発源においてももはや実用上起こらないことから、陰極ももはや時期を早めて交換する必要がなく、このことは対応する重要なコスト削減をもたらす。
しかしながら、実際に十分に解決されていない円筒形状の陰極の問題は、それらの冷却である。最初に述べたように、蒸発源に導入されるエネルギーの大部分は当然蒸発源から再度奪われるべきものである熱に変換される。この目的のために、多数の提案が従来技術から知られている。
例えば、旧東ドイツ国特許出願公開明細書第２１７ ９６４Ａ３号は、蒸発源のシリンダ軸に本質的に極めて接近して冷却が行われる円筒形状の蒸発源について述べている。欧州特許発明明細書第１ １７３ ６２９Ｂ１号は同様の解法を示している。こういった解法の実質的な欠点は次の通りである。即ち、冷却が蒸発源の内部において相当の空間を占め、この空間は、当業者が有益に蒸発源の内部に確保したいとしばしば思っている磁石システム等の更に必要な装置に対して使用可能ではない。また、熱を奪うことがこのような冷却システムにおいて十分効果的ではないことがよくあり、装置は複雑化して頻繁な保守を必要とし、このことは全体としてコストを釣り上げることにもなると示された。
従って、本発明の目的は、特にスパッタリングプロセス又は真空アーク蒸発プロセス、特に、従来技術から知られている冷却についての問題がもはや生じない、陰極アーク蒸発プロセスに用いる改良された蒸発源を提供することである。
この目的を満たす本発明の主題は独立請求項１の特徴によって特徴付けされる。
各従属請求項は本発明の特に有益な各実施例に関する。
本発明は、特にスパッタリングプロセス又は真空アーク蒸発プロセス、好ましくは、陰極真空アーク蒸発プロセスに使用される蒸発源に関する。この蒸発源は、外側キャリア体に配置されると共に、入口及び出口と流れの連通した冷却空間が内側ベース体及び前記キャリア体の間に形成されるように前記外側キャリア体に配置された、前記内側ベース体を具備している。本発明によれば、前記冷却空間は流入空間及び流出空間を備える。前記流入空間は、前記流入空間、オーバーフロー接続部、及び前記流出空間を介して冷却流体を前記出口に運ぶことができるように、前記蒸発源の冷却用のオーバーフロー接続部を介して前記流出空間と流体連通している。
円筒形状の前記蒸発源の極めて効率的な冷却は、こうして本発明によって確保される。それは、前記蒸発源に導入された熱は冷却流体によって吸収され、前記蒸発源への注入サイトまで効率的に実際直接的に運ばれるからである。この冷却流体は好ましくは水であり、外側キャリア体に隣接する冷却空間の配置によって冷却空間中で循環する。
蒸発空間の内部だけでなく、場合により磁石システム、電線又は電子デバイス等の蒸発空間の内部に収容された構成要素が、過度の熱注入及び過剰な温度から効率的に保護される。冷却はまた実質的に何ら空間を占めることがないか、又は内部で非常に小さな空間しか占めることはない。即ち本発明による蒸発源においては、かなり自由な空間が、磁石システム、この磁石システムを調節するキャリアシステム、又は他の電気的、電子的或いは機械的デバイス等の必要な構成要素を収容するために内部で使用可能である。前述した構成要素（例えば、磁石及びヨーク）が冷却流体と接触するのを回避していることにより腐食攻撃は生じないため、前述の構成要素を複雑及び/又は費用のかかるやり方で腐食に対して保護する必要がなく、これによって相当により長い耐用年数を有する。
本発明による蒸発源の好ましい実施例において、外側キャリア体は円筒形状のターゲットキャリアであり及び/又は内側キャリア体は円筒形状のベース冷却体である。この点において、外側キャリア体は好ましくは蒸発器軸についてベース体と同軸に配置され、及び/又はキャリア体及び/又はベース体は蒸発器軸の回りに回転可能に配置される。この場合、キャリア体はモノリシックキャリア体であることができ、即ち、キャリア体は蒸発すべきターゲット材料から製造することができる。外側キャリア体自身はこうして文字通りの意味でターゲットを形成することができる。この点において、キャリア体はまた、ターゲット材料を本来知られているやり方で外側キャリア体に適用できることは説明を要しない。内側ベース体及び外側キャリア体はこの点において任意の適切な材料から生成することができる。例えば、内側ベース体はステンレス鋼から、また外側キャリア体はアルミニウムからそれぞれ生成できる。この点で、特に、内側ベース体は、特別の場合には円筒形状とは異なる形状を当然有することもできる。
実用上、ベース体は、特に有益にも冷却流体のない磁石システム空間を囲んでおり、この場合、流入空間は隔壁によって流出空間から分離することができる。
多くの実施例では、共通の固定板はこの点でキャリア体をベース体に固定する。この場合、この固定板は特に好ましくは固定要素によって、特に、ねじによってベース体に固定される。外側キャリア体及び内側ベース体の異なる熱膨張を相殺するために、膨張要素、特に、渦巻きばね又は別のばねとしての膨張要素を特に有益に設けることができるので、温度変化が起こった場合には、蒸発源の構成要素間には熱的に誘発された機械的変形が生じず、また特にキャリア体及びベース体への機械的変形が回避される。
この点で、２つ以上、即ち、複数の流入空間及び/又は流出空間及び/又は流入空間及び流出空間の間の対応するオーバーフロー接続部を設けることができ、また特定の実施例では、流入空間及び/又は流出空間及び/又はオーバーフロー接続部に乱流要素を設けて、冷却流体に乱流を発生させることができるのは自明のことである。入口及び/又は出口は、冷却流体に乱流を発生させる乱流体を備えることもできる。この点において、入口及び/又は出口は同様にして要求に応じて特別な幾何学的な特徴を有することができる。例えば、入口及び/又は出口は意味のあるやり方、特に、キャリア体の回りを蛇行して形成することができる。
この点で、これらの対策は全て主として冷却効率を上げる働きをする。
実際面では、本来当業者に知られている、本発明による蒸発源において実用上要求される更なる構成要素を設けることができることが分かる。磁石システムは、例えば、特に、磁石システム空間に配置することができる。この場合、磁界の強度及び/又は形状を、従来技術から当業者によく知られているような予め定義可能なスキームに従って予め定義可能な範囲に設定することができるように、磁石システムを特に好ましくは移動可能なキャリアシステムに設けることができる。
本発明は以下に示される概略図面を参照して以下においてより詳細に説明されよう。
図１aは概略的表現にて参照番号１によって以下において全体として示される本発明による蒸発源の簡易な実施例を示しており、この場合、図１ｂは更なる理解のために図１aによる線I-Iに沿った断面を示している。
図１ａ及び図１ｂによる本発明の蒸発源１は、スパッタリングプロセス又は真空アーク蒸発プロセスに用いるために、好ましくは陰極真空アーク蒸発プロセスに用いるために特に設計されている。蒸発源１は内側ベース体３を備えている。この内側ベース体３は、外側キャリア体２に配置されると共に、入口４及び出口５と流体連通する冷却空間６がベース体３及び外側キャリア体２の間に形成されるようにして、外側キャリア体２に関して配置されている。本発明によれば、この特別な例において冷却空間６は、例えば、特に明瞭に図１ｂから分かり得るようなおのおのが円筒形状の半リング体を形成することができる流入空間６１及び流れ空間６２を備えている。この点において、流入空間６１は、冷却流体７を流入空間６１、オーバーフロー接続部６３、及び流出空間６２を介して入口４から出口５に運ぶことができるようにして、オーバーフロー接続部６３を介して流出空間６２と流体連通している。図１ａにおいて、オーバーフロー接続部６３は固定板１０の存在によってマスクされているため直接見ることはできない。しかしながら、原理的に、オーバーフロー接続部６３は以下に論ずるべき図３ａの実施例と同様の設計である。
図１ａ及び図１ｂの蒸発源において、外側キャリア体２は円筒形状のターゲットキャリアであり、内側キャリア体３は円筒形状のベース冷却体である。この場合、外側キャリア体２は蒸発器軸Ａに関してベース体３と同軸に配置されている。
ベース体３は磁石システム空間８を囲んでいる。この磁石システム空間８には冷却流体７がなく、また実際上、調整可能な磁石システムが非常に頻繁に設けられている。
流入空間６１は図１ｂによる隔壁９によって流出空間６２と分離されている。実際上、好ましくは、単に水が冷却流体として使用される。しかしながら、特別の場合には、オイル等の異なる流体を冷却流体として考えることもでき、或いは特別の場合には恐らくガス状の流体も考えることもできる。
キャリア体２は図面による蒸発源の上端で固定板１０によってベース体３に固定されている。この場合、固定板１０は固定要素１０１によって、本願ではねじによってベース体３に固定されている。例えばアルミニウムから成ると共に、その上にターゲット材料１３が設けられている外側キャリア体２と、例えば、ステンレス鋼から成る内側ベース体３との異なる熱膨張を相殺するために、熱膨張係数によるキャリア体２とベース体３との機械的変形を回避することができるように、膨張要素１１が渦巻きばねとして設けられている。
図２は、固定板１０に膨張要素１１を有する本発明による蒸発源１の第２の実施例を、幾分より正確な表現で示している。固定板１０は、本願では共通のねじ、例えば、Ｍ６級８．８ねじの合計４個の固定要素１０１によって固定されている。それぞれのばねは膨張要素としてそれぞれのねじに設けられている。また、それぞれのばねは、例えば、長さで略５ｍｍの目標で典型的には選択され、略２ｍｍのばねの移動距離によって、例えば、１２０Ｎの予負荷及び略２４０Ｎの名目負荷を有することができる。ばねの移動距離は、より長いかより短い目標に適宜、適合させることができる。この点において、Ｍ６級８．８ねじには９０００Ｎで容易に予負荷を加えることができる。この点で、３個のねじのみが図２において取り付けられている。
図３ａは線状に伸びる冷却供給部を有する第３の実施例を示すのに対して、図３ｂは外側キャリア体２の周りに巻き付けられた環状の供給部を有する図３ａによる実施例を示している。この点において、図３ａ及び図３ｂは、或る構成要素を透明に示すか或いは全く示していない点で非常に概略的なので、隔壁９の配置が特に明瞭に分かり、それによって生み出された冷却空間６を通過する冷却流体７の流れが良好に観察できる。
この点で、各図に概略的に示した前述の実施例の変形例もまた、有益なように相互に組み合わせて、実用上特定の要求を満たす更なる実施例を形成することができることには説明を要しない。当業者にとって自明な簡単な更なる改良も本発明によって必然的に更にカバーされる。
１ 蒸着源
２ 外側キャリア体
３ 内側キャリア体
４ 入口
５ 出口
６ 冷却空間
７ 冷却流体
８ 磁石システム空間
９ 隔壁
１０ 固定板
１１ 膨張要素
１３ ターゲット材料
６１ 流入空間
６２ 流出空間
６３ オーバーフロー接続部
１０１ 固定要素
Ａ 蒸着器軸
２ 外側キャリア体
３ 内側キャリア体
４ 入口
５ 出口
６ 冷却空間
７ 冷却流体
８ 磁石システム空間
９ 隔壁
１０ 固定板
１１ 膨張要素
１３ ターゲット材料
６１ 流入空間
６２ 流出空間
６３ オーバーフロー接続部
１０１ 固定要素
Ａ 蒸着器軸
Claims (15)
- 陰極真空アーク蒸発プロセスを含むスパッタリングプロセス又は真空アーク蒸発プロセスに用いる蒸発源であって、該蒸発源は円筒形状の外側キャリア体（２）内に配置された円筒形状の内側ベース体（３）を具備し、前記外側キャリア体（２）は蒸着軸（Ａ）に関して前記内側ベース体（３）と同軸に配置されており、
前記内側ベース体（３）は、入口（４）及び出口（５）と流体連通する冷却空間（６）が前記内側ベース体（３）及び前記外側キャリア体（２）の間に形成されるように配置され、前記内側ベース体（３）は冷却流体（７）のない磁石システム空間（８）を囲んでおり、
前記冷却空間（６）が、流入空間（６１）及び流出空間（６２）を具備すると共に、前記流入空間（６１）は、前記蒸発源を冷却する前記オーバーフロー接続部（６３）を介して前記流出空間（６２）と流体連通しているので、前記冷却流体（７）を、前記流入空間（６１）、オーバーフロー接続部（６３）、及び前記流出空間（６２）を介して前記入口（４）から前記出口（５）に運ぶことができるようにされている前記蒸発源において、
前記流入空間（６１）と前記流出空間（６２）は、前記オーバーフロー接続部（６３）から前記入口（４）及び前記出口（５）まで前記蒸着軸（Ａ）に沿って延在した隔壁（９）によって外周方向に分離され、それぞれが円弧状の断面を有して共通の円筒形状の本体を構成している
ことを特徴とする前記蒸発源。 - 請求項１に記載の蒸発源において、前記外側キャリア体（２）は円筒形状のターゲットキャリアであり、前記内側ベース体（３）は円筒形状のベース冷却体である前記蒸発源。
- 請求項１に記載の蒸発源において、前記キャリア体（２）は蒸発すべきターゲット材料から構成されている前記蒸発源。
- 請求項１〜３の何れか１つに記載の蒸発源において、前記キャリア体（２）及び／又は前記ベース体（３）は前記蒸発器軸（Ａ）の回りに回転可能に配置されている前記蒸発源。
- 請求項１〜４の何れか１つに記載の蒸発源において、固定板（１０）は前記キャリア体（２）を前記ベース体（３）に固定する前記蒸発源。
- 請求項５に記載の蒸発源において、前記固定板（１０）は固定要素（１０１）により、前記ベース体（３）に固定されている前記蒸発源。
- 請求項１〜６の何れか１つに記載の蒸発源において、前記外側キャリア体（２）と前記内側ベース体（３）の異なる熱膨張を相殺するために、膨張要素（１１）が設けられている前記蒸発源。
- 請求項７に記載の蒸発源において、前記膨張要素（１１）が、渦巻きばねとして設けられている前記蒸発源。
- 請求項１〜８の何れか１つに記載の蒸発源において、複数の流入空間（６１）及び／又は流出空間（６２）及び／又はオーバーフロー接続部（６３）が設けられている前記蒸発源。
- 請求項１〜９の何れか１つに記載の蒸発源において、前記冷却空間（７）に乱流を発生させるために、前記流入空間（６１）及び/又は前記流出空間（６２）及び／又は前記オーバーフロー接続部（６３）に乱流要素を設けた前記蒸発源。
- 請求項１〜１０の何れか１つに記載の蒸発源において、前記入口及び／又は前記出口（５）は乱流体（１２）を備えて、前記冷却流体（７）に乱流を発生させるようになっている前記蒸発源。
- 請求項１〜１１の何れか１つに記載の蒸発源において、前記入口（４）及び／又は前記出口（５）が蛇行するように形成されている前記蒸発源。
- 請求項１２に記載の蒸発源において、前記入口（４）及び／又は前記出口（５）が前記キャリア体（２）の周りを蛇行するように形成されている前記蒸発源。
- 請求項１〜１３の何れか１つに記載の蒸発源において、前記磁石システム空間（８）に磁石システムが設けられている前記蒸発源。
- 請求項１４に記載の蒸発源において、磁界の強度及び／又は形状を、予め定義可能なスキームに従って予め定義可能な範囲に設定できるようにして、前記磁石システムが移動可能なキャリアシステムに設けられている前記蒸発源。
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