JPH11256315A - 蒸着源及び蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】薄膜を形成する際に用いる蒸着源が絶縁破壊に
至るまでの時間を長くできる技術を提供する。 【解決手段】本発明では、トリガ放電又は主放電によっ
て蒸着材料の構成粒子２１が飛散する際に、トリガ電極
１２と蒸着材料１１とを絶縁する絶縁部材１３の沿面
に、蒸着材料１１から放出され、直線的に飛来する蒸着
材料の構成粒子２１が到達できない非付着面１３ｂが設
けられるように構成されている。この非付着面１３ｂに
は、蒸着材料の構成粒子２１は直接的には堆積しないの
で、トリガ電極１２と蒸着材料１１との間に蒸着材料の
構成粒子２１が付着することで絶縁耐圧が低下し、ひい
ては絶縁破壊が生じて蒸着源１０が使用できなくなるま
での時間を従来に比して長くすることが可能になる。

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、特に磁性薄膜の形成等に適した高真空の蒸着装
置や、それに用いる蒸着源の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、薄膜は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、金属薄膜の他
に、絶縁性薄膜や磁性薄膜などの種々の薄膜が形成され
ている。

【０００３】以下で説明する従来技術の蒸着装置は、同
軸型真空アーク蒸着源(特開平９−１６５６７３)と呼ば
れる蒸着源を用いており、蒸着材料を高真空雰囲気下で
蒸発させ、放出される微小粒子によって基板表面に薄膜
を形成するものである。

【０００４】その蒸着源を説明すると、図４(ａ)を参照
し、符号１０９は同軸型真空アーク蒸着源を模式的に示
した断面図であり、カソード電極１０５を有している。
該カソード電極１０５の先端には、金属などから成る蒸
着材料１０１が設けられている。

【０００５】この蒸着材料１０１は円柱状に形成されて
おり、周囲に円筒形形状の絶縁管１０３が密着して設け
られている。絶縁管１０３の周囲にはリング状のトリガ
電極１０２が設けられており、これら全体を取り囲むよ
うに円筒形形状のアノード電極１０４が配置されてい
る。

【０００６】上記の蒸着源１０９を高真空雰囲気に置
き、アノード電極１０４に正電圧を印加し、蒸着材料１
０１に負電圧を印加した状態で、トリガ電極１０２に正
のパルス電圧を印加すると、絶縁管１０３の端部表面で
トリガ放電(沿面放電)が発生し、トリガ電極１０２から
蒸着材料１０１に向けてトリガ電流が流れる。

【０００７】そのトリガ電流によって蒸着材料１０１が
蒸発し、その表面からイオン化した微小粒子が放出され
ると、アノード電極１０４と蒸着材料１０１との間の絶
縁耐圧が低下し、この間にアーク放電が誘起され、蒸着
材料１０１にアーク電流が流れ始める。

【０００８】そのアーク電流は大電流であるため、蒸着
材料が多量に蒸発し、蒸着材料を構成する物質の微小粒
子が様々な方向に放出される。

【０００９】上記のアーク電流は、蒸着材料１０１内を
流れるが、そのアーク電流によってカソードの周囲に形
成される磁界は、正電荷を帯びた荷電粒子に対し、アー
ク電流が流れる向きとは逆向きの方向、即ち、蒸着材料
１０１の中心軸線方向に沿って、蒸着材料１０１から微
小粒子を遠ざける方向の力を及ぼす。

【００１０】従って、蒸着材料１０１の微小粒子は、ア
ノード電極１０４の開口部から基板１１５に向けて直線
的に放出され、その表面に堆積することにより薄膜が形
成される。

【００１１】一般に、トリガ放電によってアーク放電を
誘起させる場合には、トリガ放電が高電圧を必要とする
が、上記蒸着源１０９では、トリガ放電は沿面放電であ
り、トリガ電極１０２の端面１０２aから、絶縁管１０
３の沿面１０３a上を電流が走るため、トリガ放電電圧
は比較的低い電圧(約２ｋＶ)になっている。

【００１２】しかしながら、上述の蒸着材料１０１から
微小粒子が放出される際、基板１１５方向に飛行するも
のの他、一部は絶縁管１０３に向かって飛行し、沿面１
０３a上に堆積する。

【００１３】トリガ放電を発生させるためには、トリガ
電極１０２と蒸着材料１０１との間に高電圧を印加でき
ることが前提であるのに、放電回数を重ねると、図４
(ｂ)に示すように沿面１０３aやカソード電極１０２の
端面１０２a上に堆積した蒸着材料１０１bによって、蒸
着材料１０１とトリガ電極１０２の間の絶縁耐圧が低下
し、トリガ電圧に必要な電圧を印加できなくなるという
問題がある。

【００１４】実例として蒸着材料１０１にグラファイト
を用いた場合は、約５０００回の放電で絶縁耐圧が極度
に低くなり、トリガー放電電圧(２ｋＶ)を印加できなく
なってしまっていた。

【００１５】このような問題が生じないようにするに
は、トリガ電極１０２を絶縁管１０３から離間させる方
法もあるが、その場合には、トリガ放電は沿面放電では
なくなるため、トリガ放電電圧が非常に大きくなってし
まう(約１０ｋＶ)。

【００１６】

【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、蒸着材料とトリガ電極との間の絶縁耐圧を低下
させない技術を提供することにある。

【００１７】

【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、前記蒸着材料とは非接
触の状態で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、前記蒸着材料と前記アノード電極との間にアー
ク放電が誘起され、前記蒸着材料の構成粒子を放出させ
るように構成された蒸着源であって、前記絶縁材の沿面
には、前記蒸着材料から放出され、直線的に飛来する前
記蒸着材料の構成粒子が到達できない非付着面が設けら
れたことを特徴とする。

【００１８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の蒸着源であり、前記絶縁部材は、前記蒸着材料の周
囲を取り囲むように設けられたことを特徴とする。

【００１９】さらに、請求項３記載の発明は、真空排気
可能に構成されたチャンバーを有し、請求項１又は請求
項２のいずれか１項記載の蒸着源が、前記チャンバー内
に配置されたことを特徴とする蒸着装置である。

【００２０】上述の発明の構成によれば、トリガ放電等
によって蒸着材料の構成粒子が飛散しても、この構成粒
子が直接衝突しない非付着面が絶縁部材に設けられてい
る。

【００２１】この非付着面は、絶縁部材の沿面(沿面放
電の発生経路)の一部であって、蒸着材料から見て陰と
なる面であり、蒸着材料から微小粒子が直線的に飛来し
ても、その微小粒子が直接衝突し得ない面である。

【００２２】このように、沿面放電が生じる経路中に非
付着面を設けると、トリガ電極と蒸着材料との間の絶縁
耐圧はその非付着面で確保されるので、蒸着源の寿命を
長くすることができる。

【００２３】蒸着材料の微小粒子を均一に放出させるた
めに、蒸着材料は円柱形等の柱状に成形され、トリガ電
極はリング形状にされるので、絶縁部材を円筒形等の筒
体に成形し、蒸着材料の周囲を取り囲むように配置する
とよい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下で、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。図１(ａ)は、本発明
の第１の実施形態の蒸着装置の構成を示す図である。

【００２５】図１(ａ)で符号８は、本発明の一例の蒸着
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、同軸型真空アーク方式の蒸着源１０が設
けられており、蒸着源１０の開口と対向する位置に、基
板ホルダー１６が配置されている。

【００２６】蒸着源１０は、アノード電極４と、カソー
ド電極５と、トリガ電極２と、絶縁部材３とを有してい
る。アノード電極４と、カソード電極５と、トリガ電極
２とは、それぞれ金属材料で構成されており、絶縁部材
３は、絶縁性材料で構成されている。

【００２７】カソード電極５は円柱形形状に成形されて
おり、円筒形形状の絶縁部材３内部に挿入されている。
トリガ電極２は、リング形状に成形されており、絶縁部
材３の外周面に密着固定されている。また、カソード電
極５の先端部分には、金属材料から成る蒸着材料１の底
面が固定されており、絶縁部材３の先端からは、蒸着材
料１の先端部分だけが突き出されている。

【００２８】アノード電極４は円筒形形状に成形されて
おり、カソード電極５、蒸着材料１、絶縁部材３、トリ
ガ電極２が、アノード電極４とは非接触の状態で、その
内部に配置されている。

【００２９】チャンバー１７の外部には、トリガ電源６
とアーク電源７とが設けられており、各電源６、７の正
電位側の端子は、それぞれトリガ電極２とアノード電極
４に接続され、負電位側の端子は、それぞれカソード電
極５に接続されている。

【００３０】上記構成の蒸着装置８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１５をチャ
ンバー１７内に搬入し、基板ホルダー１６に保持させ
る。

【００３１】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７を起動し、蒸着材料１に対してアノード電
極４に正電圧を印加する。

【００３２】その状態でトリガ電源６を起動し、トリガ
電極２に正のパルス電圧を印加すると、絶縁部材３の表
面のうち、トリガ電極２と蒸着材料１との間で露出する
沿面１３上でトリガ放電が発生し、トリガ電極２から蒸
着材料１に向けてトリガ電流が流れる。

【００３３】そのトリガ電流が流れると、蒸着材料１の
表面から蒸着材料１を構成する物質が蒸発し、アーク電
極４内の圧力が上昇し、アーク電極４内の絶縁耐圧が低
下し、アーク電極４と蒸着材料１の間にアーク放電が誘
起される。

【００３４】アーク放電によって蒸着材料１とカソード
電極５内を流れるアーク電流ｉは大電流であり、蒸着材
料１を構成する物質が大量に蒸発し、微小粒子２０とな
って大量に放出される。その微小粒子２０は蒸発の際に
イオン化されており、正電荷が付与されているため、ア
ーク電流ｉが形成する磁場によって、アーク電流が流れ
る方向とは逆向きの力Ｆを受け、蒸着源１０の開口から
チャンバー１７内に放出される。

【００３５】微小粒子２０の飛行方向には基板１５が位
置しており、チャンバー１７内に放出された微小粒子が
基板１５の表面に付着すると薄膜が形成される。

【００３６】他方、無電荷の微小粒子２１や、電荷を有
していても質量の大きい巨大粒子２２は、磁場の影響を
受けないので、蒸着材料１から放出されると様々な方向
に直線的に飛行し、それら粒子２１、２２の大部分は、
アノード電極４に到達し、その部分に付着するが、一部
分は、絶縁部材３やトリガ電極２にも到達する。

【００３７】この蒸着源１０では、図１(ｂ)に示すよう
に、絶縁部材３の先端がトリガ電極２の先端よりも１mm
だけ突き出されており、従って、絶縁部材３の表面のう
ち、蒸着材料１とトリガ電極２の間で露出する沿面１３
は、蒸着材料１と直角を成す先端部表面１３aと、蒸着
材料１とは平行で、蒸着材料１から見て陰となる外周部
表面１３bとで構成されている。

【００３８】トリガ放電を発生させるために必要なトリ
ガ電圧は、従来の蒸着源と同様に比較的低電圧(約２．
５ｋＶ)であるようにされたまま、外周部表面１３bは、
蒸着材料１の外周表面と平行になっている。そのため、
沿面１３に向けて直線的に飛来する粒子２１、２２は、
先端部表面１３aには到達できるが、外周部表面１３bは
蒸着材料１から見て陰となるため、到達できない。

【００３９】このように、外周部表面１３bが、蒸着材
料１から放出された微小粒子に対する非付着面となるた
め、先端部表面１３aに蒸着材料１を構成する物質が堆
積し、導電性の薄膜が形成されても、非付着面には薄膜
は形成されないので、非付着面によって、トリガ電極２
と蒸着材料１との間の絶縁耐圧は確保される。

【００４０】上記微小粒子２０〜２２を放出させたアー
ク電流ｉは大電流であるため、アーク電源７の電圧は低
下する。そして、アーク電源７の出力電圧が、アーク放
電を維持できなくなるまで低下するとアーク電流ｉは停
止する。

【００４１】１回のアーク放電で放出される微小粒子２
０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７の回復を待ってトリガ放電を繰り返し発生さ
せ、アーク放電を所望回数誘起させると、基板１５表面
に所望の膜厚の薄膜を形成することができる。

【００４２】このように、基板１５表面に所望膜厚の薄
膜が形成された後、その基板１５をチャンバー１７外に
搬出し、未成膜の基板を搬入して基板ホルダ１６に保持
させ、薄膜形成作業を続行する。

【００４３】以上説明したように、本発明の蒸着源１
０、及びその蒸着源１０を設けた蒸着装置８によれば、
非付着面によってトリガ電極２と蒸着材料１の間の絶縁
耐圧が確保されるので、従来の蒸着源では、５０００回
の放電(トリガ放電及びアーク放電)で、トリガ電極にト
リガ放電を発生させるための電圧(トリガ電圧)を印加で
きなくなっていたのに対し、本発明では、倍以上の回数
のトリガ放電を発生させることが可能となった（蒸着材
料１にグラファイトを用いた場合、約１２０００回)。
従って、本発明によれば、多数の基板の連続処理が可能
となり、装置稼働率が向上する。

【００４４】なお、多数の基板に対して薄膜を形成した
場合にトリガ放電を印加できなくなる原因は、処理枚数
が多くなると、本来は非付着面である外周部表面１３b
にも薄膜が堆積してしまうためと推測される。

【００４５】次に、本発明の蒸着源の他の形態について
説明する。その蒸着源は、上記蒸着源１０と同じ構成の
アノード電極、蒸着材料、カソード電極、トリガ電極を
有しているため、それらについては、同じ符号を付して
説明する。

【００４６】図２(ａ)に示す蒸着源５１は、本発明の第
２の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状
に成形されて成る絶縁部材３１を有しており、その絶縁
部材３１が、上記蒸着源１０と同様に、蒸着材料１及び
カソード電極５の周囲に設けられている。

【００４７】この蒸着源５１でも、絶縁部材３１の端部
は、リング形状のトリガ電極２の端部よりも突き出され
ており、絶縁部材３１の先端である先端部表面４１a
は、蒸着材料１との成す角度が９０度未満で傾斜するよ
うに成形されている。

【００４８】従って、絶縁部材３１の表面のうち、カソ
ード電極１からトリガ電極２との間で露出する沿面４１
は、傾斜した先端部表面４１aと外周部表面４１bとで構
成されている。

【００４９】従って、外周部表面４１bは、蒸着材料１
から見て庇の陰になり、従って、蒸着材料１から直線的
に飛散する粒子が到達せず、非付着面となる。これによ
り、この蒸着源５１は、上記蒸着源１０と同様に長寿命
である。

【００５０】実際にこの蒸着源５１を用いて蒸着装置を
構成すると、トリガ放電電圧は約２．７ｋＶであり、ト
リガ放電を発生させられる回数は約１２０００回となっ
た。

【００５１】図２(ｂ)に示す蒸着源５２は、本発明の第
３の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状
に成形されて成る絶縁部材３２を有しており、その絶縁
部材３２が、上記蒸着源１０、５１と同様に、蒸着材料
１及びカソード電極５の周囲に設けられている。

【００５２】その絶縁部材３２の端部の断面は、先端に
向かう程厚みが増すように成形されており、それによ
り、リング状の突起３２aが形成されている。そして、
トリガ電極２は、絶縁部材３２表面で、突起３２aより
も後退した位置に配置されており、トリガ放電は突起３
２aを超えて流れるように構成されている。

【００５３】従って、絶縁部材３２の表面のうち、トリ
ガ電極２と蒸着材料１との間で露出する沿面４２は、蒸
着材料１と直角を成す先端部表面４２aと、傾斜した外
周部表面４２bとで構成されている。

【００５４】リング状の突起３２aが存在するため、外
周部表面４２bは、蒸着材料１から見て陰になるので、
その部分が非付着面となり、この蒸着源５２は、上記蒸
着源１０、５１と同様に長寿命となる。

【００５５】実際にこの蒸着源５２を用いて蒸着装置を
構成すると、トリガ放電電圧は約３ｋＶとなり、トリガ
放電を発生させることができる回数は、約１３０００回
となった。

【００５６】図３(ａ)に示す蒸着源５３は、本発明の第
４の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状
に成形されて成る絶縁部材３３を有しており、その絶縁
部材３３が、上記蒸着源１０、５１、５２と同様に、蒸
着材料１及びカソード電極５の周囲に設けられている。

【００５７】絶縁部材３３の端部表面には、リング状の
凹条３３aが形成され、それによって形成されるリング
状の凸条３３bが、蒸着材料周囲に配置されており、ト
リガ電極２は、凸条３３bよりも後退して配置されてい
る。

【００５８】従って、蒸着源５３では、凸条３３bがト
リガ電極２の端面よりも突き出されており、絶縁部材３
３の表面のうち、トリガ電極２と蒸着材料１との間で露
出する沿面４３は、凸条３３bの側面４３aと、絶縁部材
３３の外周部表面４３bとで構成されている。

【００５９】この絶縁部材３３bでは、外周部表面４３b
が非付着面となる他、凸条３３bの側面４３aのうち、蒸
着材料１から見て陰となる部分が存する場合には、その
部分も非付着面となるため、上記蒸着源１０、５１、５
２と同様に、長寿命となる。

【００６０】実際にこの装置を用いたときに、絶縁抵抗
が破壊されるまでの放電回数は約１３０００回となっ
た。またトリガ放電電圧は約３ｋＶになり、比較的低い
放電電圧を維持できた。

【００６１】図３(ｂ)に示す蒸着源５４は、本発明の第
５の実施形態の蒸着源であり、絶縁性材料が円筒形形状
に成形されて成る絶縁部材３４を有しており、その絶縁
部材３４が、上記蒸着源１０、５１〜５３と同様に、蒸
着材料１及びカソード電極５の周囲に設けられている。

【００６２】この蒸着源５４では、絶縁部材３４の先端
部に、リング状の凹条３４aが形成され、蒸着材料１は
凹条３４a内に位置している。従って、絶縁部材３４の
沿面４４は、先端部表面４４aと、凹条３４aの内周面４
４bで構成されている。

【００６３】この蒸着源５４の場合、蒸着材料１から直
線的に飛来した微小粒子は、凹条３４aの内周面４４bの
深い部分には付着できないので、その部分が非付着面と
なり、上記蒸着源１０、５１〜５３と同様に、長寿命と
なる。

【００６４】なお、上記各蒸着源１０、５１〜５４にお
いては、いずれも、沿面距離は１mm程度になるように構
成されており、それにより、約２ｋ〜３ｋＶ以下という
比較的低い電圧でトリガ放電を発生させることが可能に
なっている。

【００６５】なお、本実施形態は、上記蒸着源１０、５
１〜５４に限定されるものではなく、絶縁部材の沿面
が、直線的に飛散する導電材料の微小粒子が直接付着し
ない非付着面を有していればよい。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、低いトリガ放電電圧を
維持しつつ、蒸着源の寿命を長くすることができる。従
って、蒸着装置の長時間の連続運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(ａ)：本発明の蒸着装置と本発明の第１の実施
形態の蒸着源を説明するための図 (ｂ)：その蒸着源の部分拡大図

【図２】(ａ)：本発明の第２の実施形態の蒸着源を示す
図 (ｂ)：本発明の第３の実施形態の蒸着源を示す図

【図３】(ａ)：本発明の第４の実施形態の蒸着源を示す
図 (ｂ)：本発明の第５の実施形態の蒸着源を示す図

【図４】(ａ)：従来の蒸着源の先端部の構造を説明する
ための図 (ｂ)：従来の問題点を説明するための図

【符号の説明】

１……蒸着材料 ２……トリガ電極 ３、３１〜３
４……絶縁部材 ４……アノード電極 ５……カソード
電極 １０、５１〜５４……蒸着源 １３b、４１b
〜４４b……非付着面 １７……チャンバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000001144 工業技術院長 東京都千代田区霞が関１丁目３番１号 (74)上記１名の復代理人 弁理士 石島 茂男 （外２ 名） (72)発明者 阿川 義昭 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内 (72)発明者 山本 佳宏 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内 (72)発明者 茶谷原 昭義 大阪府池田市緑丘１丁目８番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 藤井 兼栄 大阪府池田市緑丘１丁目８番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内

Claims (3)

【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、 前記蒸着材料とは非接触の状態で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、前記蒸着材料と前記アノード電極との間にアーク放
   電が誘起され、前記蒸着材料の構成粒子を放出させるよ
   うに構成された蒸着源であって、 前記絶縁材の沿面には、前記蒸着材料から放出され、直
   線的に飛来する前記蒸着材料の構成粒子が到達できない
   非付着面が設けられたことを特徴とする蒸着源。
2. 【請求項２】前記絶縁部材は、前記蒸着材料の周囲を取
   り囲むように設けられたことを特徴とする請求項１記載
   の蒸着源。
3. 【請求項３】真空排気可能に構成されたチャンバーを有
   し、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着源
   が、前記チャンバー内に配置されたことを特徴とする蒸
   着装置。