JPH11350113A - 加熱装置を有する同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高純度の半導体材料の薄膜を形成する。 【解決手段】本発明の蒸着装置１０は、蒸着材料４３を
配置する取付台４５が真空槽１外に導出され、その部分
が加熱装置２０によって加熱されるように構成されてい
る。取付台４５は金属で構成されており、熱伝導率が高
いので、蒸着材料４３が昇温する。蒸着材料４３が高純
度の半導体材料の場合、昇温すると抵抗値が小さくなる
ので、アーク放電を発生させ、蒸着材料４３の微小粒子
４９を真空槽１内に放出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】本発明は蒸着装置に関し、特
に、同軸型真空アーク蒸着源を有する蒸着装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】金属や誘電体材料等の薄膜は、半導体装
置や液晶表示装置に不可欠なものとなっており、スパッ
タリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等の種々の薄膜形成方法
が開発されている。それらの形成方法のうち、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。

【０００３】図４を参照し、符号１１０は、従来技術の
同軸型真空アーク蒸着源１０３を有する蒸着装置であ
る。この蒸着装置１１０は、真空槽１０１を有してお
り、その真空槽１０１底面には、上記同軸型真空アーク
蒸着源１０３が配置され、天井側には、基板ホルダ１０
５が配置されている。

【０００４】同軸型真空アーク蒸着源１０３の模式的な
断面図を図３(ａ)に示す。この同軸型真空アーク蒸着源
１０３は、円筒形形状のアノード電極１３０を有してい
る。

【０００５】アノード電極１３０内には、絶縁管１４１
と、トリガ電極１４２と、蒸着材料１４３と、取付台１
４５とを有するカソード部１４０が配置されている。絶
縁管１４１は、円筒形形状の絶縁性材料で構成されてお
り、また、取付台１４５は円柱状の金属で構成され、絶
縁管１４１の内の奥側に挿入されている。蒸着材料１４
３は、薄膜材料が円柱形形状に成形されて構成されてお
り、絶縁管１４１内の先端付近に挿入されている。ま
た、蒸着材料１４３の底面は取付台１４５と接触し、上
端部は絶縁管１４１の先端部分から突き出されている。

【０００６】他方、トリガ電極１４２は、リング形状に
され、絶縁管１４１の先端の外周部分に装着されてい
る。従って、トリガ電極１４２は蒸着材料１４３の近傍
に、非接触の状態で配置されている。

【０００７】真空槽１０１の外部には、トリガ電源１４
６とアーク電源１４７とが配置されている。各電源１４
６、１４７の負電位側の端子は、それぞれ取付台１４５
に共通に接続されている。他方、トリガ電源１４６の正
電位側の端子はトリガ電極１４２に接続されており、ア
ーク電源１４７の正電位側の端子はアノード電極１３０
に接続されている。

【０００８】この蒸着装置１１０を用いて薄膜を形成す
る場合には、基板１０８を基板ホルダ１０５に保持さ
せ、真空槽１０１内部を真空排気しながら基板１０８を
加熱する。

【０００９】基板１０８が所定温度まで昇温した後、ア
ーク電源１４７を起動し、アノード電極１３０に正電圧
を印加し、取付台１４５を介して蒸着材料１４３に負電
圧を印加する。

【００１０】その状態でトリガ電源１４６を起動し、ト
リガ電極１４２に正のパルス電圧を印加すると、図３
(ｂ)に示すように、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３
の間の絶縁管１４１表面上でトリガ放電(沿面放電)が発
生し、トリガ電極１４２から蒸着材料１４３に向けてト
リガ電流ｉ₁が流れる。

【００１１】そのトリガ電流ｉ₁が流れると蒸着材料１
４３表面が部分的に蒸発し、蒸着材料１４３の蒸気が放
出され、アノード電極１３０内の圧力が上昇する。その
結果、アノード電極１３０と蒸着材料１４３との間の絶
縁耐圧が低下し、蒸着材料１４３の側面と、アノード電
極１３０との間でアーク放電が発生する。

【００１２】アーク放電によって、アノード電極１３０
内周面から蒸着材料１４３側面に向けてアーク電流ｉ₂
が流れると、アーク電流ｉ₂は大電流であるため、蒸着
材料１４３側面が溶融し、トリガ放電のときよりも大量
の蒸気が放出される。

【００１３】蒸着材料１４３と取付台１４５とは円柱形
形状に成形されているため、アーク電流ｉ₂は、カソー
ド部１４０内で直線的に流れる。アーク電流ｉ₂が流れ
ると、正電荷に対してアーク電流ｉ₂の向きとは反対方
向、即ち、正電荷に対し、蒸着材料１４３から遠ざける
方向の力Ｆを及ぼすような磁界が発生する。

【００１４】蒸着材料１４３から成る蒸気中には、正に
帯電した微小粒子１５１が含まれているため、蒸着材料
１４３側面から様々な方向に飛び出した微小粒子１５１
は力Ｆの影響を受け、アノード電極１３０の開口部１４
９から真空槽１０１内に向けて放出される。

【００１５】蒸着材料１４３の延長線上には基板１０８
が位置しており、真空槽１０１内に放出された微小粒子
１５１は基板１０８方向に飛行し、その表面に到達する
と、基板１０８に薄膜が成長する。

【００１６】ところで、アーク電流ｉ₂が流れると、微
小粒子１５１の他に、蒸着材料１４３から成る巨大粒子
１５２も同時に放出されるが、その巨大粒子１５２は、
無電荷であるか、電荷を有していても、電荷量に比べて
質量が大きいので、力Ｆによる曲げ量が少なく、その結
果、巨大粒子１５２はアノード電極１３０の内周面に付
着し、真空槽１０１内には放出されない。

【００１７】アーク電流ｉ₂は大電流であるため、アー
ク電源１４７の消耗が大きく、アーク電源１４７の出力
電圧がアーク放電を維持できなくなる程度まで低下する
と、自動的にアーク放電は停止する。

【００１８】従って、１回のトリガ放電によって放出さ
れる微小粒子１５１の量は、アーク電源１４７の電源能
力によって決まるので、１回のアーク放電によって得ら
れる膜厚を求めておき、所望回数トリガ放電を発生さ
せ、それによってアーク放電をその回数誘起させると、
所望膜厚の薄膜を形成することができる。

【００１９】上記のような蒸着装置１１０は、トリガ放
電の回数によって膜厚を精密に制御することができ、し
かも、巨大粒子１５２が基板１０８に到達せず、良質の
薄膜を形成できることから、Ｔａ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｃ
ｏ、ＦｅＭｎ等の、高性能磁気薄膜を製造する場合に盛
んに用いられている。

【００２０】ところで、上記のような同軸型真空アーク
蒸着源１０３では、蒸着材料１４３とアノード電極１３
０との間にアーク電流ｉ₂が流れることが前提である。
従って、蒸着材料１４３は電気良導体である必要があ
る。

【００２１】しかしながら近年では、上記のような同軸
型真空アーク蒸着源１０３を用い、真性半導体に近い高
純度の半導体材料の薄膜を形成したいという要望がある
が、高純度の単結晶シリコンで蒸着材料を構成するとア
ーク放電によって割れてしまうという問題がある。

【００２２】そこで高純度の多結晶シリコンで蒸着材料
を形成し、アーク放電を発生させようとしたところ、ア
ーク放電が発生しないことが明らかになった。

【００２３】

【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、高純度の半導
体材料の薄膜を形成できる技術を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者等は、不
純物を含まない高純度の半導体材料では、抵抗値が高
く、そのためアーク放電が発生しにくくなっていること
を見出した。従って、多結晶シリコンであっても、不純
物を添加すればアーク放電を発生させることができる
が、それでは真性半導体に近い高純度の薄膜を形成する
ことができなくなってしまう。

【００２５】そこで半導体の抵抗値と温度との関係に着
目し、本発明を創作するに至ったものであり、請求項１
記載の発明は、蒸着材料と、アノード電極と、トリガ電
極とを有する同軸型真空アーク蒸着源が真空槽内に配置
され、前記蒸着材料をカソード電極とし、該蒸着材料と
前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記蒸
着材料と前記アノード電極との間にアーク放電を誘起さ
せ、前記アーク放電によって流れるアーク電流で前記蒸
着材料表面から微粒子を放出させ、前記アーク電流が形
成する磁界により、前記微粒子のうちの帯電した微粒子
の飛行方向を曲げ、前記真空槽内に配置された成膜対象
物表面に到達させ、薄膜を成長させる蒸着装置であっ
て、前記蒸着材料を昇温させる加熱装置が設けられたこ
とを特徴とする。

【００２６】請求項２記載の発明は、前記同軸型真空ア
ーク蒸着源は取付台を有し、前記蒸着材料は前記取付台
に密着配置された請求項１記載の蒸着装置であって、前
記加熱装置は、前記取付台を介して前記蒸着材料を昇温
させるように構成されたことを特徴とする。

【００２７】請求項３記載の発明は、請求項２記載の蒸
着装置であって、前記取付台の一部は前記真空槽外に導
出され、前記加熱装置は前記真空槽外に配置されたこと
を特徴とする。

【００２８】本発明は上記のように構成されており、真
空槽内に同軸型真空アーク蒸着源が配置されている。そ
の同軸型真空アーク蒸着源は、蒸着材料とアノード電極
とトリガ電極とを有しており、蒸着材料をカソード電極
とし、蒸着材料に負電圧、アノード電極に正電圧を印加
した状態で、蒸着材料とトリガ電極との間にトリガ放電
を発生させると蒸着材料とアノード電極の間にアーク放
電が誘起され、アーク電流が流れる。

【００２９】同軸型真空アーク蒸着源中では、アーク電
流は直線的に流れるようになっており、アーク電流が形
成する磁界は正電荷に対し、アーク電流が流れる方向と
は逆向きの力を加える。その力の方向には、成膜対象物
が配置されており、蒸着材料側面から放出された正イオ
ンは、成膜対象物方向に向けて曲げられ、真空槽内に放
出され、成膜対象物に到達し、薄膜を成長させる。

【００３０】従って、蒸着材料は、アーク電流を流せる
程度の電気導電性が必要である。本発明の蒸着装置で
は、蒸着材料を加熱し、昇温させる加熱装置が設けられ
ているので、昇温すると電気抵抗が小さくなる材料(例
えば真性半導体に近い高純度の半導体材料)を蒸着材料
として用いることが可能となる。この場合、蒸着材料か
らは微小粒子が放出されるため、蒸着材料を直接加熱す
ることは困難である。

【００３１】一般に、同軸型真空アーク蒸着源は、蒸着
材料と中心軸線が一致した取付台を有しており、蒸着材
料は取付台に密着配置されている。従って、加熱装置は
取付台を加熱するように配置し、蒸着材料は取付台を介
して昇温されるように構成するとよい。

【００３２】また、真空槽内に加熱装置を配置すると、
真空槽内の真空雰囲気を悪化させたり、清掃作業が面倒
になる等の問題があるため、真空槽外に加熱装置を配置
し、取付台の一部を真空槽外に導出し、その部分を加熱
するようにすると良い。

【００３３】

【発明の実施の形態】図１を参照し、符号１０は本発明
の蒸着装置であり、真空槽１を有している(真空槽１の
全体は図示しない)。真空槽１の底壁には、底板４８
と、アノード電極３０と、カソード部４０とを有する同
軸型真空アーク蒸着源３が配置されている。

【００３４】底板４８は、絶縁物で構成されており、底
板４８と真空槽１の底壁には、同径の孔が形成されてい
る。底板４８は、それらの孔が連通するように、真空槽
１の底壁上に配置されている。

【００３５】アノード電極３０は、円筒形形状の金属材
料で構成され、下端を底板４８上に固定され、上端の開
放部分を真空槽１の天井側に向けられている。カソード
部４０は、絶縁管４１と、トリガ電極４２と、蒸着材料
４３と、取付台４５とを有しており、アノード電極３０
内に配置されている。

【００３６】絶縁管４１は、その内径が、底板４８及び
真空槽１の底壁に設けられた孔と略同径の円筒形形状の
絶縁性材料で構成されており、内部が底板４８及び底壁
の孔と連通するように、底板４８上に固定されている。
その状態では絶縁管４１の開放部分は真空槽１の天井側
に向けられる。

【００３７】また、取付台４５は、絶縁管４１内径と同
程度の外径の円柱状の金属で構成されており、絶縁管４
１内に挿入されている。取付台４５の上端部４５ａは、
絶縁管４１の内部に位置し、その先端部分に取付台４５
と同径の円柱形形状の蒸着材料４３が密着配置されてい
る。

【００３８】他方、取付台４５の下端部４５ｂは、底板
４８及び真空槽１底壁に形成された孔内に挿通され、真
空槽１と電気的に絶縁された状態で、また、真空槽１内
の気密性を維持した状態で、真空槽１外部に導出されて
いる。

【００３９】真空槽１外には、抵抗発熱体２２を有する
加熱装置２０が配置されており、取付台４５の下端部４
５ｂには、加熱装置２０が取り付けられ、抵抗発熱体２
２が下端部４５ｂの周囲に巻回されている。

【００４０】真空槽１外部には、加熱用電源２３が配置
されており、該加熱用電源２３を起動し、上記の抵抗発
熱体２２に通電すると、抵抗発熱体２２が発熱し、取付
台４５の下端部４５ｂが加熱されるように構成されてい
る。

【００４１】蒸着材料４３は、不純物を含まない真性半
導体のシリコン多結晶で構成されており、その底部は、
取付台４５先端部分と密着した状態にされている。取付
台４５は熱導電性が高い金属で構成されているため、下
端部４５ｂが加熱されると上端部４５ａに熱が伝達さ
れ、蒸着材料４３が取付台４５と同程度の温度まで昇温
する。蒸着材料４３は真性半導体に近い高純度にされて
おり、温度が上昇すると抵抗値が低下する。

【００４２】蒸着材料４３下端部は絶縁管４１内に位置
しているが、上端部分は、絶縁管４１先端から突き出さ
れている。トリガ電極４２は、内径が絶縁管４１外形と
略同径のリング形状の金属で構成されており、絶縁管４
１の先端の外周部分に装着されている。従って、蒸着材
料４３の側面は、トリガ電極４２と互いに非接触の状態
で近接しており、また、蒸着材料４３の側面は、アノー
ド電極３０の内周面と向き合っている。

【００４３】真空槽１の外部には、トリガ電源４６とア
ーク電源４７が配置されており、真空槽１内に基板８を
配置し、内部を高真空雰囲気にし、基板８を所定温度ま
で昇温させた後、抵抗発熱体２２に通電して発熱させ、
蒸着材料４３を所定温度まで昇温させておく。

【００４４】そして、アーク電源４７を起動し、蒸着材
料４３をカソード電極とし、アノード電極３０に正電
圧、取付台４５を介して蒸着材料４３に負電圧を印加し
ておく。その状態でトリガ電源４６を起動し、トリガ電
極４２に正のパルス電圧を印加し、トリガ放電を発生さ
せる。

【００４５】このとき、蒸着材料４３が十分昇温してお
り、アーク電流を流せる程度の電気導電性があると、ア
ーク電極３０と蒸着材料４３の間にアーク放電が誘起さ
れ、蒸着材料４３を構成する高純度の多結晶シリコンか
ら、シリコンの微小粒子４９が陽イオンとなって放出さ
れる。

【００４６】この同軸型真空アーク蒸着源３では、蒸着
材料４３と取付台４５とアノード電極３０の中心軸線は
一致しており、従って、蒸着材料４３と取付台４５内を
流れるアーク電流が、陽イオンに対し、電流の向きとは
逆向きの力を及ぼす磁界を形成すると、蒸着材料４３側
面から放出された正帯電の微小粒子４９の飛行方向を曲
げ、アノード電極３０に到達させず、アノード電極３０
の開口部分から真空槽１内に放出させる。

【００４７】同軸型真空アーク蒸着源３と対向する位置
には基板８が配置されており、微小粒子４９は基板８方
向に飛び、その表面に付着すると、不純物を含まない高
純度のシリコン薄膜が成長する。

【００４８】アーク放電が維持されている間、真空槽１
内に、正に帯電したシリコンの微小粒子４９が放出さ
れ、基板８表面上で薄膜が成長するが、アーク電流は大
電流であるため、アーク電源４７が消耗し、出力電圧が
低下するとアーク放電は終了する。そして、アーク電源
４７の回復を待ってトリガ放電を発生させ、再びアーク
放電を誘起させ、同様に、基板８表面に高純度シリコン
薄膜を成長させる。

【００４９】このように、必要な回数だけ繰り返しトリ
ガ放電を発生させ、高純度シリコン薄膜が所望の膜厚に
形成された後、基板８を真空槽１外に搬出し、他の基板
を搬入すると、薄膜形成作業を続行することができる。

【００５０】以上は、加熱装置２０を真空槽１外に配置
した場合を説明したが、図２の加熱装置５０のように、
アノード電極３０内に配置し、取付台４５の周囲に抵抗
発熱体５２を巻き回すこともできる。この場合、絶縁管
４１は、加熱装置５０に固定すると良い。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、常温では同軸型真空ア
ーク蒸着源の蒸着材料に不向きな材料を使用することが
可能になる。特に、高純度の半導体材料の薄膜を形成す
るのに適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例の蒸着装置

【図２】本発明の他の例の蒸着装置

【図３】(ａ)、(ｂ)：同軸型真空アーク蒸着源の動作原
理を説明するための図

【図４】従来技術の蒸着装置

【符号の説明】

１０……蒸着装置 １……真空槽 ３……同軸型真
空アーク蒸着源 ３０……アノード電極 ４３……蒸着材料 ４５
(４５ａ、４５ｂ)……取付台 ２０、５０……加熱装
置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸着材料と、アノード電極と、トリガ電極
   とを有する同軸型真空アーク蒸着源が真空槽内に配置さ
   れ、 前記蒸着材料をカソード電極とし、該蒸着材料と前記ト
   リガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記蒸着材料
   と前記アノード電極との間にアーク放電を誘起させ、 前記アーク放電によって流れるアーク電流で前記蒸着材
   料表面から微粒子を放出させ、 前記アーク電流が形成する磁界により、前記微粒子のう
   ちの帯電した微粒子の飛行方向を曲げ、前記真空槽内に
   配置された成膜対象物表面に到達させ、薄膜を成長させ
   る蒸着装置であって、 前記蒸着材料を昇温させる加熱装置が設けられたことを
   特徴とする蒸着装置。
2. 【請求項２】前記同軸型真空アーク蒸着源は取付台を有
   し、前記蒸着材料は前記取付台に密着配置された請求項
   １記載の蒸着装置であって、 前記加熱装置は、前記取付台を介して前記蒸着材料を昇
   温させるように構成されたことを特徴とする蒸着装置。
3. 【請求項３】前記取付台の一部は前記真空槽外に導出さ
   れ、前記加熱装置は前記真空槽外に配置されたことを特
   徴とする請求項２記載の蒸着装置。