JPH11246964A - 蒸着源及び蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】同軸型真空アーク蒸着源を用いて形成する薄膜
の品質を向上させる。 【解決手段】同軸型真空アーク蒸着源５のアノード電極
１３内で露出する蒸着材料１４の先端に、絶縁性物質で
構成された遮蔽物１５を設け、蒸着材料１４先端表面２
２が露出しないようにする。蒸着材料１４の先端表面２
２では蒸発が生じないため、基板１９には、側面２１か
ら放出され、磁場で飛行方向を曲げられた荷電微粒子３
１だけが到達するので、基板１９表面に形成される薄膜
の膜質が向上する。また、本発明の別の蒸着源５５で
は、アノード電極６３の内壁には、凸部９０が設けられ
ているので、荷電微粒子９６以外の中性粒子９５や巨大
粒子９７が飛散してアノード電極６３の内壁に衝突して
も、凸部９０に付着するので、蒸着源５５から外部へは
放出されずに、基板６９表面に形成される薄膜の膜質が
向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蒸着源及び蒸着装置
に係り、特に、同軸型真空アーク蒸着源と、その蒸着源
を用いた蒸着装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜は、従来より、半導体装置や液晶表
示装置等の種々の分野に用いられており、スパッタリン
グ装置や蒸着装置等の薄膜形成装置によって、金属薄膜
や磁性薄膜等の多種の薄膜が形成されている。それらの
うち、同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置は、高
真空雰囲気で薄膜を形成できることから、近年注目され
ている技術である。

【０００３】図４(ａ)を参照し、符号１０５は、従来技
術の同軸型真空アーク蒸着源の一例であり、該蒸着源１
０５は、円柱形形状のカソード電極１１１と、円筒形形
状の絶縁部材１１０とを有している。カソード電極１１
１の先端には、導電性材料が円柱形形状に成形されて成
る蒸着材料１１４が固定されており、カソード電極１１
１と蒸着材料１１４は、先端部分から蒸着材料１１４だ
けが突き出されるように、絶縁部材１１０内に挿入され
ている。

【０００４】絶縁部材１１０の先端部分の外周には、リ
ング形状のトリガ電極１１２が設けられており、蒸着材
料１１４を中心として、絶縁部材１１０やトリガ電極１
１２の周囲には、トリガ電極１１２とは非接触の状態
で、円筒形形状のアノード電極１１３が配置されてい
る。

【０００５】上記のような構成の蒸着源１０５は、図示
しないチャンバー内に配置され、蒸着装置が構成されて
おり、基板表面に薄膜を形成する場合には、先ず、その
チャンバー内に基板を搬入し、高真空雰囲気にする。

【０００６】次いで、アノード電極１１３とカソード電
極１１１との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極１
１２にパルス状の電圧を印加すると、トリガ電極１１２
と蒸着材料１１４との間でトリガ放電が発生し、それに
よって、アノード電極１１３と蒸着材料１１４との間に
アーク放電が誘起される。

【０００７】そのアーク放電により、蒸着材料１１４が
蒸発すると、図４(ｂ)の符号１３１に示すような正電荷
を有する荷電微粒子が、蒸着材料１１４の側面１２１か
らアノード電極１１３に向けて大量に放出される。

【０００８】蒸着材料１１４とカソード電極１１１とは
直線状に配置されているため、アーク放電によって生じ
たアーク電流ｉは、蒸着材料１１４及びカソード電極１
１１内を直線的に流れ、アノード電極１１３内に磁場を
形成する。

【０００９】その磁場は、正電荷を有する粒子に対し、
アノード電極１１３の開口部１１８方向に押しやる力Ｆ
を及ぼすので、アノード電極１１３に向けて放出された
荷電微粒子１３１は、飛行方向が開口部１１８側に曲げ
られ、チャンバー内に放出される。開口部１１８には基
板１１９が対面して配置されており、チャンバー内に放
出された微小粒子１３１は、基板１１９表面に到達する
と、薄膜を成長させる。

【００１０】蒸着材料１１４の側面１２１からは、荷電
微粒子１３１の他、電荷を有さない中性粒子１３２や、
正電荷を有していても電荷量に比べて質量が大きい巨大
粒子１３３もアノード電極１１３に向けて放出される
が、それらの粒子１３２、１３３には、力Ｆが加わらな
いか、加わっても影響が小さいため、そのまま直進し、
アノード電極１１３の内周面に衝突し、そこに付着する
と、チャンバー内には放出されない。従って、基板１１
９表面には、巨大粒子１３３は到達しにくくなり、質量
が小さい荷電微粒子１３１が到達できるので、その結
果、基板１１９表面に、結晶性の優れた薄膜を形成でき
るようになっている。

【００１１】しかしながら、上記のようなアーク放電
は、蒸着材料１１４の側面１２１とアノード電極１１３
との間だけではなく、低頻度であっても蒸着材料１１４
の先端部表面１２２とアノード電極１１３との間にも発
生する。

【００１２】先端部表面１２２上でアーク放電が発生す
ると、先端部表面１２２から基板１９側に向け、中性又
は電荷を有する巨大粒子１３５、１３６が放出されてし
まう。そのような巨大粒子１３５、１３６は、アノード
電極１１３とは衝突しないため、チャンバー内に放出さ
れると基板１１９表面に到達してしまう。そのような巨
大粒子１３５、１３６は、いわゆる液滴となって成長中
の薄膜内に混入し、得られる薄膜の膜質が悪化してしま
うという問題がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたものであり、その
目的は、同軸型真空アーク蒸着源を用いて形成する薄膜
の品質を向上させる技術を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、カソード電極と、前記カソ
ード電極の先端に取り付けられた蒸着材料と、前記蒸着
材料と密着して設けられた絶縁部材と、前記絶縁部材に
密着配置されたトリガ電極と、前記蒸着材料近傍に配置
されたアノード電極とを有し、前記アノード電極と前記
カソード電極との間に電圧を印加した状態で、前記トリ
ガ電極に電圧を印加すると、該トリガ電極と前記蒸着材
料との間にトリガ放電が発生し、前記アノード電極と前
記蒸着材料との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材
料の構成物質が放出されるように構成された蒸着源であ
って、前記蒸着材料の先端部分には、絶縁性物質で構成
された遮蔽物が設けられていることを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の発明は、筒状に形成された
アノード電極と、前記アノード電極の内部に設けられ、
先端が前記アノード電極の開口よりも内側にあるように
配置されたカソード電極と、前記カソード電極の先端に
取り付けられた蒸着材料と、前記蒸着材料と密着して設
けられた絶縁部材と、前記絶縁部材に密着配置されたト
リガ電極とを有し、前記アノード電極と前記カソード電
極との間に電圧を印加した状態で、前記トリガ電極に電
圧を印加すると、該トリガ電極と前記蒸着材料との間に
トリガ放電が発生し、前記アノード電極と前記蒸着材料
との間にアーク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成物
質が、前記開口から放出されるように構成された蒸着源
であって、前記カソード電極の先端と前記アノード電極
の開口との間の、前記アノード電極の内壁には、凸部が
設けられてなることを特徴とする。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項２記載の蒸
着源であって、前記凸部は、前記カソード電極側へと傾
けて設けられたことを特徴とする。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項２又は請求
項３記載の蒸着源であって、前記凸部は、前記アノード
電極の内壁に沿って環状に設けられたことを特徴とす
る。

【００１８】請求項５記載の発明は、蒸着装置であっ
て、真空排気可能なチャンバーを有し、該チャンバー
に、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の蒸着源
が設けられたことを特徴とする。

【００１９】本発明は上述のように構成されており、カ
ソード電極と、カソード電極の先端に取り付けられた蒸
着材料と、蒸着材料と密着して設けられた絶縁部材と、
絶縁部材に密着配置されたトリガ電極と、蒸着材料近傍
に配置されたアノード電極とを有しており、トリガ電極
とカソード電極とが絶縁部材によって非接触状態にされ
ているので、アノード電極とカソード電極との間に電圧
を印加した状態で、トリガ電極に電圧を印加すると、該
トリガ電極と蒸着材料との間にトリガ放電が発生し、ア
ノード電極と蒸着材料との間にアーク放電が誘起される
ように構成されている。

【００２０】そのアーク放電は大電流であるので、蒸着
材料の構成物質が蒸発によって外部に放出されるが、蒸
着材料の先端部分には、絶縁性物質で構成された遮蔽物
が設けられているので、蒸着材料の先端部分では、トリ
ガ放電やアーク放電は発生せず、従って、蒸着材料の先
端部分からは、粒子は放出されず蒸着材料の側面からだ
け粒子が放出される。

【００２１】この場合、側面から放出された荷電微粒子
は磁場によって曲げられ、チャンバー内に放出された基
板表面に到達できるが、巨大粒子は磁場の影響を受け
ず、また、受けても影響は小さいので、曲げられず、通
常は基板に到達できないので、いわゆる液滴が基板表面
に形成される薄膜中に混入することがない。

【００２２】また、アーク放電により発生した荷電微粒
子、中性粒子、巨大粒子のうち、中性粒子と巨大粒子
は、磁場の影響を受けずにアノード電極の内周壁面に向
かって直進するが、本発明の別の蒸着源では、カソード
電極の先端とアノード電極の開口との間の、アノード電
極の内壁に凸部を設けているので、アノード電極の内壁
に衝突した中性粒子と巨大粒子は、開口方向に進行して
も凸部に衝突して付着するか、あるいは凸部との衝突に
よって開口方向と逆方向へと散乱されるため、開口から
蒸着源の外へ放出されなくなる。

【００２３】他方、荷電微粒子は、磁場によって曲げら
れて蒸着源の開口から放出されるので、中性粒子や巨大
粒子は基板表面へと到達せず、荷電微粒子のみが、基板
表面に到達して薄膜を成長させるので、中性粒子や巨大
粒子が薄膜中に混入せず、均一な膜質の薄膜を成膜する
ことが可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。図１(ａ)の符号１は本発明の蒸着
装置であり、チャンバー１７を有している。チャンバー
１７内部には、基板ホルダー２０と、同軸型真空アーク
方式の蒸着源５とが配置されている。

【００２５】この蒸着源５は、それぞれ金属材料で構成
されたアノード電極１３、カソード電極１１、トリガ電
極１２と、アルミナ等の絶縁性材料で構成された絶縁部
材１０、遮蔽部材１５を有している。カソード電極１１
は円柱形形状に成形され、他方、絶縁部材１０は円筒形
形状に成形されており、カソード電極１１は、絶縁部材
１０内に挿入されている。

【００２６】トリガ電極１２は、リング形状に成形され
ており、絶縁部材１０の外周に密着固定されている。ま
た、絶縁部材１０内部には、金属材料が円柱形形状に成
形されて成る蒸着材料１４が挿入され、その底面が、絶
縁部材１０内で、カソード電極１１の先端部分に固定さ
れており、先端部分が絶縁部材１０の先端から突き出さ
れている。

【００２７】アノード電極１３は円筒形形状に成形され
ており、上述したカソード電極１１、蒸着材料１４、絶
縁部材１０、トリガ電極１２は、アノード電極１３とは
非接触の状態で、その内部に配置されている。

【００２８】チャンバー１７の外部には、トリガ電源５
１とアーク電源５２とが設けられており、各電源５１、
５２の正電位側の端子が、それぞれトリガ電極１２とア
ノード電極１３に接続され、負電位側の端子は、それぞ
れカソード電極１１に接続されている。

【００２９】基板ホルダー２０は、チャンバー１７内
で、アノード電極１３の開口部１８と平行に対向して配
置されており、上記構成の蒸着装置１を用いて薄膜を形
成する場合には、まず薄膜形成対象である基板１９をチ
ャンバー１７内に搬入し、基板ホルダー２０に保持させ
る。

【００３０】次に、不図示の真空排気系によって、チャ
ンバー１７内を１０^-8Ｐａ程度の高真空雰囲気にした
後、アーク電源５２を起動し、アノード電極１３に、蒸
着材料１４に対して正電圧を印加する。

【００３１】その状態でトリガ電源５１を起動し、トリ
ガ電極１２に正のパルス電圧を印加すると、蒸着材料１
４の側面２１とトリガ電極１２との間でトリガ放電(沿
面放電)が発生し、側面２１から蒸着材料１４の蒸気が
発生する。

【００３２】その蒸気によってアノード電極１３内の圧
力が上昇し、アノード電極１３と蒸着材料１４の間の絶
縁耐圧が低下すると、蒸着材料１４とアノード電極１３
との間でアーク放電が発生する。

【００３３】この蒸着源５では、蒸着材料１４の先端部
分には、遮蔽板１５が配置され、その底面１６を先端部
表面２２に密着して固定されており、この蒸着材料１４
では、先端部表面２２が、アノード電極１３内に露出し
ないようにされている。そのため、アーク放電は、蒸着
材料１４の先端部表面２２とアノード電極１３との間で
は発生せず、蒸着材料１４の側面２１とアノード電極１
３との間でだけ発生するようになっている。その結果、
側面２１からは、荷電微粒子３１や巨大粒子３３がアノ
ード電極１３に向けて放出されるのに対し、先端部表面
２２からは粒子は放出されない。

【００３４】側面２１からは、荷電微粒子３１、中性粒
子３２、巨大粒子３３がアノード電極１３に向けて放出
されるが、中性粒子３２や巨大粒子３３は、アーク電流
ｉが形成する磁場の影響を受けないか、受けても影響は
小さいため、アノード電極１３に向けて直進し、その内
周面に衝突し、その部分に付着する。他方、正電荷を有
する荷電微粒子３１は、磁場によって力Ｆを受け、電流
が流れる方向とは逆方向に曲げられ、蒸着源５の開口１
８からチャンバー１７内に放出される。そして、基板１
９表面に到達すると、薄膜が成長する。

【００３５】このように、本発明の蒸着源５、その蒸着
源５を有する蒸着装置１では、蒸着材料１の先端部表面
２２が電気絶縁性の遮蔽板１５によって覆われており、
アノード電極１３内に露出しないようになっている。従
って、先端部分表面２２では、アーク放電が生じず、粒
子は放出されないので、磁場で曲げられた荷電微粒子３
１だけで、基板１９表面に薄膜を形成することが可能と
なっている。

【００３６】上記アーク電流は大電流であるため、アー
ク電流が流れ始めるとアーク電源５２の出力電圧が低下
し、アーク放電が停止する。１回のアーク放電で放出さ
れる荷電微粒子３１は、薄膜形成に必要な量と比べると
少量なので、アーク電源５２の回復を待って所望回数だ
けトリガ放電を発生させ、繰り返しアーク放電を誘起さ
せることで基板１９表面に所望膜厚の薄膜を形成するこ
とが可能となっている。

【００３７】なお、上記蒸着源５と遮蔽板１５は、同径
の円柱であったが、図２(ａ)に示した蒸着源５aのよう
に、蒸着材料１４よりも大径の遮蔽板１５aを先端部分
表面２２に固定してもよい。

【００３８】また、図２(ｂ)に示す蒸着源５bのよう
に、キャップ状の遮蔽板１５bを、蒸着材料１４の先端
部分にねじ込んで被せ、先端部分表面２２がアノード電
極１３内に露出しないようにしてもよい。

【００３９】このようにして、図１の蒸着源５では、遮
蔽板を配置する構成をとることで、中性粒子や巨大粒子
が基板表面に付着することを防いでいたが、アノード電
極に直進する中性粒子や巨大粒子がアノードの内周壁面
に付着せずに、蒸着源の開口方向に散乱して、開口から
放出され、基板表面に到達してしまうことがまれにあ
る。

【００４０】以下で、本発明の別の実施形態について説
明する。図３(ａ)の符号８１は本発明の蒸着装置であ
り、チャンバー６７を有している。チャンバー６７内部
には、基板ホルダー７０と、同軸型真空アーク方式の蒸
着源５５とが配置されている。

【００４１】この蒸着源５５は、それぞれ金属材料で構
成されたアノード電極６３、カソード電極６１、トリガ
電極６２と、アルミナ等の絶縁性材料で構成された絶縁
部材６０を有している。カソード電極６１は円柱形形状
に成形され、他方、絶縁部材６０は円筒形形状に成形さ
れており、カソード電極６１は、絶縁部材６０内に挿入
されている。

【００４２】トリガ電極６２は、リング形状に成形され
ており、絶縁部材６０の外周に密着固定されている。ま
た、絶縁部材６０内部には、金属材料が円柱形形状に成
形されて成る蒸着材料６４が挿入され、その底面が、絶
縁部材６０内で、カソード電極６１の先端部分に固定さ
れており、先端部分が絶縁部材６０の先端から突き出さ
れている。

【００４３】アノード電極６３は円筒形形状に成形され
ており、その内周壁面には、内周壁面に沿ってリング状
の凸部９０が設けられている。凸部９０は、アノード電
極６３の開口６８と、カソード電極６１の先端との間に
複数設けられており、各凸部９０は、カソード電極６１
の先端側へと傾けられて設けられている。上述したカソ
ード電極６１、蒸着材料６４、絶縁部材６０、トリガ電
極６２は、アノード電極６３とは非接触の状態で、その
内部に配置されている。

【００４４】チャンバー６７の外部には、トリガ電源７
１とアーク電源７２とが設けられており、各電源７１、
７２の正電位側の端子が、それぞれトリガ電極６２とア
ノード電極６３に接続され、負電位側の端子は、それぞ
れカソード電極６１に接続されている。

【００４５】基板ホルダー７０は、チャンバー６７内
で、アノード電極６３の開口部６８と平行に対向して配
置されており、上記構成の蒸着装置８１を用いて薄膜を
形成する場合には、まず薄膜形成対象である基板６９を
チャンバー６７内に搬入し、基板ホルダー７０に保持さ
せる。

【００４６】次に、不図示の真空排気系によって、チャ
ンバー６７内を１０^-8Ｐａ程度の高真空雰囲気にした
後、アーク電源７２を起動し、アノード電極６３に、蒸
着材料６４に対して正電圧を印加する。

【００４７】その状態でトリガ電源７１を起動し、トリ
ガ電極６２に正のパルス電圧を印加すると、蒸着材料６
４の側面９１とトリガ電極６２との間でトリガ放電(沿
面放電)が発生し、側面９１から蒸着材料６４の蒸気が
発生する。

【００４８】その蒸気によってアノード電極６３内の圧
力が上昇し、アノード電極６３と蒸着材料６４の間の絶
縁耐圧が低下すると、蒸着材料６４とアノード電極６３
との間でアーク放電が発生する。

【００４９】このとき側面９１や、先端部表面９２から
は、荷電微粒子９６、中性粒子９５、巨大粒子９７がア
ノード電極６３に向けて放出される。正電荷を有する荷
電微粒子９６は、アーク電流ｉによって生じる磁場によ
って力Ｆを受け、電流ｉが流れる方向とは逆方向に曲げ
られ、蒸着源５５の開口６８からチャンバー６７内に放
出される。そして、基板６９表面に到達すると、薄膜が
成長する。他方、中性粒子９５や巨大粒子９７は、アー
ク電流が形成する磁場の影響を受けないか、受けても影
響は小さいため、アノード電極６３に向けて直進する。

【００５０】図３の蒸着源５５では、アノード電極６３
の内壁に凸部９０が複数個設けられているので、アノー
ド電極６３に向けて直進した中性粒子９５や巨大粒子９
７が、アノード電極６３の内壁に衝突した後に開口方向
へと散乱しても、これらの粒子９５、９７は凸部９０に
衝突し、凸部９０に付着するか、もしくは開口６８方向
と反対方向に散乱されるため、開口６８方向へは散乱さ
れず、基板表面まで到達しない。

【００５１】従って、磁場で曲げられた荷電微粒子９６
だけで、基板６９表面に薄膜を形成することができるの
で、従来に比して膜質が良くなる。上記アーク電流は大
電流であるため、アーク電流が流れ始めるとアーク電源
７２の出力電圧が低下し、アーク放電が停止する。１回
のアーク放電で放出される荷電微粒子９６は、薄膜形成
に必要な量と比べると少量なので、アーク電源７２の回
復を待って所望回数だけトリガ放電を発生させ、繰り返
しアーク放電を誘起させることで基板６９表面に所望膜
厚の薄膜を形成することが可能となっている。

【００５２】なお、図３の蒸着源５５では、アノード電
極６３の内壁に沿ってリング状の凸部９０を複数設けて
いるが、本発明はこれに限らず、複数の突起をアノード
電極６３の内壁に散在するように設けてもよい。

【００５３】また、図３の蒸着源５５において、リング
状の凸部９０は、カソード電極６１の先端側へと傾けら
れて配置されているが、本発明はこれに限らず、カソー
ド電極６１の内壁と垂直に配置されていてもよい。

【００５４】

【発明の効果】巨大粒子(液滴)が基板方向に放出されな
いので、膜質のよい薄膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(ａ)：本発明の一実施形態の蒸着装置 (ｂ)：本発明の一実施形態の蒸着源

【図２】(ａ)、(ｂ)：本発明の他の実施形態の蒸着源

【図３】(ａ)：本発明においてアノード電極内周壁面に
凸部を設けた実施形態の蒸着装置 (ｂ)：本発明においてアノード電極内周壁面に凸部を設
けた実施形態の蒸着源

【図４】(ａ)、(ｂ)：従来技術の同軸型真空アーク蒸着
装置

【符号の説明】 １、８１……蒸着装置 ５、５５……蒸着源 １
０、６０……絶縁部材 １２、６２……トリガ電極 １３、６３……アノード
電極 １４、６４……蒸着材料 １５、１５a、１５b
……遮蔽物 １７、６７……チャンバー ９０……凸
部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カソード電極と、 前記カソード電極の先端に取り付けられた蒸着材料と、 前記蒸着材料と密着して設けられた絶縁部材と、 前記絶縁部材に密着配置されたトリガ電極と、 前記蒸着材料近傍に配置されたアノード電極とを有し、 前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印
   加した状態で、前記トリガ電極に電圧を印加すると、該
   トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電が発生
   し、前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放
   電が誘起され、前記蒸着材料の構成物質が放出されるよ
   うに構成された蒸着源であって、 前記蒸着材料の先端部分には、絶縁性物質で構成された
   遮蔽物が設けられていることを特徴とする蒸着源。
2. 【請求項２】筒状に形成されたアノード電極と、 前記アノード電極の内部に設けられ、先端が前記アノー
   ド電極の開口よりも内側にあるように配置されたカソー
   ド電極と、 前記カソード電極の先端に取り付けられた蒸着材料と、 前記蒸着材料と密着して設けられた絶縁部材と、 前記絶縁部材に密着配置されたトリガ電極とを有し、 前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印
   加した状態で、前記トリガ電極に電圧を印加すると、該
   トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電が発生
   し、前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放
   電が誘起され、前記蒸着材料の構成物質が、前記開口か
   ら放出されるように構成された蒸着源であって、 前記カソード電極の先端と前記アノード電極の開口との
   間の、前記アノード電極の内壁には、凸部が設けられて
   なることを特徴とする蒸着源。
3. 【請求項３】前記凸部は、前記カソード電極側へと傾け
   て設けられたことを特徴とする請求項２記載の蒸着源。
4. 【請求項４】前記凸部は、前記アノード電極の内壁に沿
   って環状に設けられたことを特徴とする請求項２又は請
   求項３記載の蒸着源。
5. 【請求項５】真空排気可能なチャンバーを有し、該チャ
   ンバーに、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の
   蒸着源が設けられたことを特徴とする蒸着装置。