JPH02305963A - イオンプレーティング装置に於ける材料蒸発速度検出装置及び材料蒸発速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はイオンプレーティング装置の基板への薄膜形成
速度の監視が好適に行える材料蒸発速度検出装置と、当
該速度検出装置を主要部とする材料蒸発速度制御装置に
関する。

（従来の技術） 周知の如く、イオンプレーティング作業では、蒸発材料
の蒸発速度の監視を行う必要がある。

一般に、イオンプレーティング作業は一回の作業で消費
された分量の蒸発材料をハース内に逐次補充しながら行
われるが、係る作業では蒸発材料の溶解、凝固の繰り返
しにより蒸発材料の酸化や窒化等が発生し、これに原因
してその熱伝導率が低下し変化する。その為、蒸発材料
を同一の電力消費条件の下で蒸発させても、蒸発材料の
ハース表面の冷却効果の変化に原因してその蒸発速度は
安定せず、作業時間が変化するに連れてその速度が増大
する現象を生じる。ところが、この現象は、基板表面へ
の成膜速度の一定化を損うために、膜厚の再現性を悪化
させ、更には薄膜の膜組成の再現性をも悪化させる要因
となるのである。

そこで、従来では、蒸発材料の蒸発速度を感知して上記
難点を解消する手段として、水晶式膜厚計が一般に用い
られていた。

すなわち、この従来の手段は、水晶式膜厚計（膜厚セン
サー）を基板近傍に配置させて、基板表面に形成される
薄膜の厚みを膜厚計によって直接検出させる手段である
。当該手段によれば、基板表面の膜厚値の変化から蒸発
材料の蒸発速度を算定できることとなる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前記従来の手段では、実用面に於いて次
の様な問題点を生じていた。

先ず、水晶式膜厚計は高温の条件下での使用には適さず
、高温の真空槽内での使用ではその測定値に誤差が発生
し易いものである。よって、その測定値の正確性に於い
て難点がある。当該難点を解消する策としては、水晶式
膜厚計を冷却するための冷却装置を別途設ければよいが
、そうすると装置構造が複雑となって、その製作費用が
高価となる問題点が発生する。

また、真空槽内の基板近傍に配置される膜厚計には蒸発
材料が付着堆積するが、その付着量が多いと水晶式膜厚
計は機能し得ない。従って、水晶式膜厚計への材料付着
を防止する策として、膜厚計への蒸発材料の付着防止用
のシャッターを設ける様な手段が余儀なく強いられてい
た。ところが、当該手段では、装置の一層の複雑化、並
びにシャッターの頻繁な開閉操作等の作業面での難点を
生じるばかりか、膜厚計を基板表面に対して長期間に渡
って継続して対面させることができない。よって、イオ
ンプレーティングの作業中の蒸発速度の計測を常時継続
して行うことが困難となる問題点をも有してい、た。

更に、従来では、上記の如くイオンプレーティング作業
中の長期間に渡って継続した蒸発速度の計測が困難で、
又真空槽内の温度上昇に伴う膜厚測定に誤差が生じる等
の難点があるために、これら蒸発速度の計測値に基づい
て蒸発材料の蒸発速度を一定速度に制御することも非常
に難しいものとなっていた。よって、結局、従来では、
膜厚や膜組成の優れた再現性を得ることは出来なかった
。

それ故、本発明は冷却装置や材料付着防止用のシャッタ
ーの如き煩雑な手段を別途設けることなく、蒸発材料の
蒸発速度の測定手段が温度上昇や材料付着によって悪影
響を受けないものとして、蒸発、速度の継続した測定を
正確に行えるものとし、又その測定値に基づく蒸発速度
の一定化を適正に行えるものにすることを、その目的と
する。

（課題を解決するための手段） 本発明は従来の如く基板表面の膜厚をセンサー類で測定
するのではなく、イオン化されて蒸発される材料の蒸発
速度をそのイオン量、電荷量で判断させるという全く新
規な発想の下に上記従来の課題を解決せんとして構成さ
れたものである。

すなわち、第１に本発明は、真空槽２内のハース１内に
収容された蒸発材料７がイオン化されて蒸発して基板３
へ到達する迄の経路位置又は該経路に対面する位置に、
イオンを吸収可能とすべ（電源１０に接続されたイオン
吸収用の電極９が設けられ、且つ該イオン吸収用の電極
９と電源１０との両者間には、イオン吸収用の電極９か
ら電源１０側に流れる電流値を測定するための電流測定
装置１１が設けられてなる、イオンプレーティング装置
に於ける材料蒸発速度検出装置である。

第２に本発明は、上記構成に於ける電流測定装置ｌ＋が
、蒸発材料７の加熱イオン化を行うためのホローカッ−
１銃５に負の電圧を印加する可変電Ｒ１４の電圧制御装
置１５に接続され、且つ該電圧制御装置１５は、前記電
流測定装置１１で測定される電流値が予め設定された所
定の値又は所定の範囲内の値に維持されるべくホローカ
ソード銃５への印加電圧値を前記電流測定装置１１の測
定電流値に基づいて自動制御すべく設定されてなる、イ
オンプレーティング装置に於ける材料蒸発速度制御装置
である。

（作用） 上記第１の構成に於いては、イオンプレーティング作業
中に真空槽２内で発生するイオン粒子を定位置に設けた
イオン吸収用の電極９で吸収させて、その吸収量を電流
測定装置１１の測定電流値によって判別できることとな
る。ここに、前記真空槽２内に於けるイオンの発生量並
びに電極９によるイオンの吸収量は、当該電極９の面積
や反応ガス流量等が同一条件の下では蒸発材料７の蒸発
速度と正確に対応するものであるから、結局、前記電流
測定装置１１による測定電流値によって蒸発材料７の蒸
発速度を正確に検出できるのである。

而して、前記イオン吸収用の電極９はイオン吸収機能を
発揮すればよいから、該電極９の表面に蒸発材料の付着
が多少性じても何らこれによってその機能が害されるこ
とはなく、又温度の上昇等によってその機能が損なわれ
ることもない。従って、前記イオン吸収用の電極９に材
料付着防止用のシャッターや冷却装置を設ける必要はな
く、真空槽２内の所定の固定位置に取付けたままでよい
。

また、上記第２の構成に於いては、電圧制御装置１５が
電流測定装置１１で測定される電流値を所定の或いは所
定範囲の電流値に維持すべくホローカソード銃５に対す
る可変電源１４の印加電圧を自動制御するために、蒸発
速度が小さくて測定電流値が過小の場合にはホローカソ
ード銃５への印加電圧値が上昇して蒸発材料７の蒸発速
度を早め、又その逆に蒸発速度が大の場合にはホローカ
ソード銃５への印加電圧値を小さくして蒸発速度を低下
させることとなって、蒸発速度の一定化が自動で図れる
こととなる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。

第１図中、１は真空槽２内に設置されたハース（蒸発る
つぼ）を示し、３はバイアス電源４に接続されて前記ハ
ース１の上方に配置された基板を示す。

５はハース１の側方に設けられたホローカソード銃で、
電源１４の陰極に接続された中空陰極６を備えて、電源
１４の陽極に接続されるハース１との間にホローカソー
ド放電を生じさせてハース１内の蒸発材料７に電子ビー
ム８を照射させるためのものである。尚、該電子ビーム
８はホローカソード銃５及びハース１の周囲に設けられ
た偏向マグネット（図示せず）の作用によってハース１
の蒸発口に導かれる様に設定されている。

９はハース１の斜め上方位置に配置されたイオン吸収用
の電極で、当該電極９はイオン吸収用の電源１０（直流
電源）の陰極側と電気接続されて該電源１０によって例
えば−３０〜−５０ｖ程度の範囲の一定電圧が印加され
ている。又、該電源１０の陽極側は接地されている。１
１は該電源１０とイオン吸収用の電極９との接続配線１
２の途中位置に介在して設けられた電流測定装置で、接
続配線１２に流れる電流値をモニター表示或いは目盛り
表示する他、その測定電流値を信号Ｓとして外部に送信
し得る樺に設定されている。

１５は電流測定装置１１からの信号Ｓを受信してホロー
カソード銃用の可変電源１４の電圧を制御する電圧制御
装置である。当該電圧制御装置１５は電流測定装置１１
で測定される電流値が予め設定した所定の値に維持され
る樺に該電流値に過不足を生じた際にそれに応じて電源
１４の電圧を自動的に増減する樺に機能するものである
。１６はハース１の上方に配置されたシャターで、ハー
ス１内から基板３側への材料蒸発を遮断する場合に使用
されるものである。

本実施例は以上の構成からなり、次にその使用例並びに
作用について説明する。

先ず、真空槽２内をアルゴンガスが導入された低圧条件
に設定した後に、電源１４をオンとし、開時に放電開始
用ヒーター１７に接続された電源１８をオンにしてホロ
ーカソード銃５の中空陰極６を加熱する。加熱された中
空陰極６からは熱電子が放出され、中空陰極６とハース
１との間にホローカソード放電が生じ、その電子ビーム
８はハース１の蒸発口に導入される。これによってハー
ス１内の蒸発材料７は加熱溶解されて蒸発し、放電は安
定な状態となる。この後電源１８をオフにするが、放電
は安定状態を持続する。

ハース１から蒸発した金属原子はハース上で電子ビーム
８に衝突しイオン化され、上方の負の電位にバイアスさ
れた基板３の表面に到達して順次成膜されることとなる
。尚、蒸発金属の窒化物。

炭化物等の金属化合薄膜を成膜する時には、放電が安定
した後に窒素、炭化水素等の反応性ガスを真空槽２内に
導入させればよい。

イオンプレーティング作業中に於いては、ハース１の直
上位置のみならず、その周辺部にも蒸発材料７のイオン
粒子が存在し、又真空槽２内に導入された反応性ガスも
電子ビーム８の影響によってイオン化されている。これ
らイオン量は蒸発材料７の蒸発速度と密接に関連し、当
該イオン量が多いほど基板３への成膜速度が高速で蒸発
速度が大きい。

ここに、イオンプレーティング中に於いて真空槽２内で
発生されるイオン粒子の一部は、陰極としての電位を有
するイオン吸収用の電極９に一部吸収されるが、このイ
オン吸収量は配線１２に流れる電流の変動値に換算され
た値として電流測定装置１１によって測定できることと
なる。即ち、蒸発材料７の蒸発速度が大となれば、電極
９が吸収するイオン量も増大して、電流測定装置１１で
測定される電流値が大となり、又反対に蒸発速度が低下
した際には前記とは逆の作用を奏する。従って、電流測
定装置１１による測定電流値の変動により蒸発材料７の
蒸発速度が的確に判定できるのである。

而して、イオン吸収用の電極９はハース１の蒸発口の近
傍に設けられているから、その表面には。

蒸発材料が多少は付着する。しかるに、該電極９は只単
にイオン粒子を吸収する機能を発揮すればよいだけであ
るから、蒸発材料の付着により直ちにその機能が損なわ
れる様なことはない。電極９はイオンプレーティング作
業の期間中常時真空槽２内の一定位置に配置させておけ
ばよく、それ専用のシャッターを設ける様な必要性はな
い。また同様に、電極９のイオン吸収作用は該電極９の
温度条件によって大きく左右されることもない。従って
、該電極９１こ冷却装置を設ける必要もなく、温度の高
低を問わず蒸発速度を常時正確に監視できることとなる
。

次に、電流測定袋＝１１はその測定した電流値の信号Ｓ
を可変電源１４の電圧制御袋！＋５に対して継続して送
信するが、該制御装置１５は受信する測定電流値に応じ
てホローカソード銃５への供給電力の電圧値を増減して
、電流値が予め設定した所定の値に維持される様に自動
制御する。具体的には、先ず蒸発材料７の蒸発速度が所
望の速度よりも遅い場合には、電流測定装置′１１の測
定電流値が所定の値よりも過少となるが、係る場合には
電圧制御装置１５は即座に電源１４の電圧を上昇させる
べく作動する。これによって、ホローカソード銃５から
の電子ビーム量が増大して蒸発材料７の蒸発速度が増速
される。これとは反対に蒸発材料７の蒸発速度が所望速
度よりも大の場合には電圧制御装置１５はホローカソー
ド銃５への印加電圧値を下げる。

電圧制御装置１５はこの様な制御を自動で行うが、これ
によって蒸発材料７の蒸発速度が一定速度に保たれて、
蒸発材料７の熱伝導のばらつきに原因する蒸発速度の不
均衡も極力解消されるのである。

尚、上記実施例では、イオン吸収用の電極９をハース１
の斜め上方近傍位置に設けたが、その具体的な配置位置
は決してこれに限定されない。電極９は、イオン粒子の
吸収が可能な様にハース１内の蒸発材料７がイオン化蒸
発して基板３へ到達する迄の経路位置或いは該経路に対
面する位置に設けられていればよい。但し、蒸発材料７
がイオン化蒸発して基板３へ到達する迄の経路に大寸法
の電極９を設けた場合等には、基板３への蒸発物質の移
動を妨げたり或いは電極９へのイオン粒子の吸収量が必
要以上に多量となる等の難点を生じる虞れがあり、実用
上は出来る限り蒸発材料の基板への蒸発経路の側方に配
置させることが好ましい。

また、本発明に係る電極９の具体的な材質やサイズ等も
特定されない。要は、イオンが吸収可能となるべく電源
１０に接続されていればよい。電極９への具体的な印加
電圧値も問わず、又電極９を複数個設けてもよいことは
勿論である。

更に、本発明は特許請求の範囲第２項に記載の蒸発速度
の制御装置を意図せず単なる蒸発速度の監視のみを行う
場合には、電流測定装置１１として単なる電流計を用い
てもよい。係る場合の電流測定装置１１は、要はイオン
吸収用の電極９と電源１゜との両者間に設けられて電極
９から電源１０側に流れる電流値を測定し得る機能を備
えたものであればよい。

更に、本発明に係る可変電源１４やその電圧制御装置１
５の具体的な構成も上記実施例の如く特定されず、例え
ば電圧制御装置１５が電源１４に対して一体的に組み込
まれたものであってもよい他、電圧制御装置１５の具体
的な回路構成等も問わない。電圧制御装置１５は、要は
電流測定装置１１で測定される電流値が予め設定された
所定の値又は所定の範囲内の値に維持されるべくホロー
カソード銃５への印加電圧値を電流測定装置１１の測定
電流値（こ基づいて自動制御すべく設定されていればよ
い。

更に、本発明はホローカソード銃５．ハース゛１゜真空
槽２等の各部の具体的な構成は任意に設計変更自在であ
り、又言う迄もなく蒸発材料７や反応性ガスの種類等を
一切問わない。

（発明の効果） 斜上の樺に、本発明は蒸発材料の蒸発速度に対応して発
生するイオン粒子を所定のイオン吸収用の電極で吸収さ
せて、その吸収量を電流測定装置で測定することにより
蒸発材料の蒸発速度を測定。

判別できる様に構成したために、真空槽内の温度上昇に
原因する測定誤差が発生せず、正確な測定が行える他、
イオン吸収用の電極に多少の１膜付着が生じてもそのイ
オン吸収及び電流測定が短期間で不可能となることもな
く、イオン吸収用の電極をシャター等でカバーリングす
る必要なく真空槽内の定位置に長期間固定状態に配置さ
せたままで常時継続して蒸発材料の蒸発速度測定を行え
ることとなった。

その結果、本発明によれば、従来の水晶式膜厚計を使用
していた手段の如く膜厚計専用冷却装置やシャッターが
不要となって装置構成の大幅な簡素化が図れ、しかもそ
れに伴って煩雑なシャターの開閉操作等を行う必要も無
くなって、蒸発速度の連続した正確な測定作業が非常に
容易に行える゛　という格別な効果を有するに至った。

また、本発明の蒸発速度制御装置は、蒸発速度測定装置
の電流測定装置をホローカソード銃への電圧印加用の可
変電源の電圧制御装置に接続して、電圧制御装置が電流
測定装置で測定される電流値を所定の或いは所定範囲の
電流値に維持すべくホローカソード銃に対する可変電源
の印加電圧を自動制御する様に構成したために、ホロー
カソード銃の印加電圧をイオン吸収用の電極で吸収され
るイオン量、即ち実際の蒸発速度に正確に対応させて増
減制御させて蒸発速度の一定化を図れることとなった。

従って、本発明では蒸発速度の制御を全自動化できて当
該制御作業が格段容易となる他、その速度制御は正確で
且つ常時継続して測定できる蒸発速度測定値に基づいて
行われるものであるから、その制御精度も非常に優れた
ものにできるという顕著な効果がある。

その結果、本発明によれば、例えばイオンプレーティン
グ作業を繰り返し行う場合に蒸発材料が酸化や窒化等に
原因してその熱伝導率に変化を来す樺な現象を生じた場
合であっても、これに原因した蒸発速度のばらつきを生
じさせず、蒸発材料の１膜の膜厚及び膜組成に優れた再
現性を具備させることができる実益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の一実施例を示す説明図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　真空槽２内のハース１内に収容された蒸発材料７が
   イオン化されて蒸発して基板３へ到達する迄の経路位置
   又は該経路に対面する位置に、イオンを吸収可能とすべ
   く電源１０に接続されたイオン吸収用の電極９が設けら
   れ、且つ該イオン吸収用の電極９と電源１０との両者間
   には、イオン吸収用の電極９から電源１０側に流れる電
   流値を測定するための電流測定装置１１が設けられてな
   ることを特徴とするイオンプレーティング装置に於ける
   材料蒸発速度検出装置。 ２　特許請求の範囲第１項記載のイオンプレーティング
   装置に於ける材料蒸発速度検出装置の電流測定装置１１
   が、蒸発材料７の加熱イオン化を行うためのホローカソ
   ード銃５に負の電圧を印加する可変電源１４の電圧制御
   装置１５に接続され、且つ該電圧制御装置１５は、前記
   電流測定装置１１で測定される電流値が予め設定された
   所定の値又は所定の範囲内の値に維持されるべくホロー
   カソード銃５への印加電圧値を前記電流測定装置１１の
   測定電流値に基づいて自動制御すべく設定されてなるこ
   とを特徴とするイオンプレーティング装置に於ける材料
   蒸発速度制御装置。