JPS63190161A - 金属化合物を基板上に反応性蒸着するための方法及び装置 - 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、反応ガスより成る雰囲気中、高くとも１０−
１ミリバールの圧力で電子ビームを用いて蒸発るつぼか
ら少なくとも１種の金属を蒸発させることにより、金属
化合物を基板上に反応性蒸着するための方法に関し、そ
の際にａ）金属蒸気を、蒸発器を取囲んでいて、基板に
対して絞り口を有する内室中で発生させ、ｂ）反応ガス
を内室中に導入し、 Ｃ）金属蒸気と反応ガスを絞り口を通して基板の方向に
導き、 ｄ）電子ビームを内室中で金属蒸気及び反応ガスとイオ
ン化のために相互作用させ、その際に少なくとも２　Ｑ
　ｋＶの加速電圧を選択し、かつｅ）内室で形成された
かもしくはこの室中に封入された負の電荷キャリアを、
絞り口の後方にかつ蒸気流の外側に設けた、大地に対し
て正にバイアスをかけた電極装置により絞り口を通して
吸出し、それにより絞り口と電極の区域で激しいグロー
放電を発生させる。

殊に、金属では所謂硬質物質を生成するようなもの、例
えばチタン、ジルコニウム、タンタル、バナジウム及び
ハフニウムである。硬質物質とは、これらの金属の少な
くとも１種と窒素（窒化物）、炭素（炭化物）並びに同
時に炭素と窒素（所謂窒化炭素）との化合物が該当する
。

しかしながらこの方法は、例えば酸素と反応して酸化物
に変換される他の金属の反応性蒸発にも好適である。

従来の技術 冒頭に記載した方法は、Ｂｕｎｓｈａｈ及びＲａｇｈｕ
ｒａｍによる論文〔”化合物を高速電着するための活性
反応性蒸発法（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ
　ＥｖａｐｏｒａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　Ｈ
ｉｇｈ　Ｒａｔｅ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏ
ｍｐｏｕｎｄｓ）”：Ｊ、　Ｖａｃ、　Ｓｅｔ、　Ｔｅ
ｃｈｎｏｌ、　　”、第９巻、／１６６．１６８５〜１
６８８頁（１９７２年１１／１２月）に掲載〕から公知
である。該方法では、金属を比較的低い加速電圧（１０
ｋｖ）の電子ビームにより直接真空室中で蒸発させる。

同じく直接蒸気流中に、大地に対して正にバイアスをか
けた、例えば電圧８０〜２００ｖに印加した線材形電極
が存在する。この装置が作動すると、電子ビームは金属
の蒸発に役立つばかりでなく、電子供与体としても有用
であり、その際に正電極が負の電荷キャリアを吸引し、
それによりイオン化確率が高まり、かつ直接グロー放電
により取り囲まれている。

しかしながらこの公知の方法ないしは装置は実験室規模
での利用を上廻るものではない。それというのも蒸発速
度が大規模工業に望ましい程度には高まらないからであ
る。蒸発速度をビームの流れ、それ故ビーム出力の上昇
により高めるというすべての実験は、反応ガスを導通さ
せるためのノズルが蒸発区域の直上に開口しているにも
かかわらず、反応が化学量論的に進行しないという点で
失敗している。沈着速度は局所的に４〜９．７μｍ／分
であるが、大表面積全体にわたって分配することはでき
ず、かつ沈着層は反応に関与しない金属成分と著しく含
有していた。

それ故、大規模に工材を硬物層で被覆する際に殆んど専
ら磁界による陰極スパッター法が適用されているが、そ
の際に沈着速度は約１〜１．５μｍ／分を上廻らないか
あるいは少なくとも著しくは上廻らない。

西ドイツ国特許公開第３６２７１５１号明細書によれば
、絞り口を基本的にフレームの形状で包囲し、それ放電
極の全表面素子が常に同一の電位にある単一電極より成
る電極装置を使用する冒頭に記載した方法が技術水準に
包含される。このような方法はるつぼの長さが比較的短
い場合に優れた結果をもたらすか、放電及び電子ビーム
の挙動は蒸発るつぼの長さが増すにつれて不安定になる
ことが明らかになった。

約５０ｃＭＬ及びそれ以上の著しい長さの方形の蒸発る
つぼは広幅シートの蒸着に必要であシ、その際にシート
の移動方向は最長のるつぼ軸線に対して横方向である。

その際に最長のるつぼ軸線は、るつぼの開ロ部工延びて
いる水平軸線である。すべての場合に、この最長軸線上
で、電子ビームは周規的な偏向の間、蒸発物上を移動す
る。

前記の方法では作動の際に、比較的強力な放電は不安定
であシかつ特に未制御のままるつほの長手方向を移動す
ることが明らかになった。

それ故、ビーム進路の瞬間的な経過は偏向系の偏向電圧
もしくは偏向系の磁界による所定の経過にいつも一致す
るとは限らない。強い放電、つまり弧絡により電子ビー
ムは側方にずれて、不安定な特に制御し得ない蒸発条件
が生じる。

発明が解決しようとする問題点 それ故、本発明は冒頭に記載の方法を、蒸発るつぼの長
さが大きい場合でも、安定で再現可能な作動条件が維持
できるように改良するという課題をベースとする。

問題点を解決するための手段 本発明によりこの課題は冒頭に記載の方法において、 ｆ）電子ビームを長方形の蒸発るつぼで公知のように周
規的に最長のるつぼ軸線の方向において蒸発させるべき
金属上を移動させ、かつｇ）絞り口の後方に設けた電極
装置が最長のるつぼ軸線に対して平行の少なくとも１列
の単一電極より成り、該電極にそれぞれ各単一電極に付
属する電源から、他の単一電極に左右されずに給電する
ことにより解決される。

本発明による手段を適用する際に、個々の方法パラメー
タの相互関係はその都度るつぼの縦断面区域において強
制的に保持され、その際にるつぼの縦断面区域は単一電
極により予め決められている。従って、プラズマ放電の
局所的な経過が電子ビームの経過と異なることはなく、
それ故プラズマ放電が蒸発るつぼの１個所で発生してい
るときに、電子ビームが蒸発るつぼの他の個所に位置す
ることはあり得ない。電子ビームはプラズマ放電の重要
なエネルギー源であるので、プラズマ放電と電子ビーム
の一過性の分離はプラズマ放電の強さを短時間低下させ
ることになり、このことが、不安定な作動挙動の原因と
なっている。

この課題は本発明による手段によって排除されかつるつ
ぼの全長にわたって著しく安定な作動条件が達成され、
これはるつぼの長さにわたって、反応ガスとの化学量論
的反応を含めて一定で一様の蒸発速度を保証する。その
際に、電子ビームを各単一電極の区域で一定時間停滞さ
せると特に有利である。この局所的な停滞は、停滞位置
ではっきりと見える熱い位置、所謂“過熱点（Ｈｏｔ　
５ｐｏｔｓ　）″を発生させるには、相応する偏向周波
数で十分であり、この過熱点がこの位置のプラズマ放電
を更に安定化する要素として有用である。

更に、その際に反応ガスを多数の分配管を介して内室中
に導入すると有利であり、分配管は幾何学的に単一電極
と同じように分散配置する。

更に、本発明は真空外室及び蒸発るつぼ中に存在する蒸
発物に電子ビームを発射するための電子銃を具備する蒸
発るつぼを備えた、冒頭に記載した方法を実施する装置
に関し、その際にａ）蒸発るつぼ上の空間が、電子ビー
ムの入口及び基板の方向に絞り口を有する内室により取
シ囲まれておシ、 ｂ）内室が反応ガスの供給装置を具備し１．かつ Ｃ）絞り口の後方に、その投影面中には設けられていな
い電極装置が絶縁して固定されており、この装置が大地
に対して正の出力電圧の電源と連結している。

前記課題を解決するために本発明による装置は、 ｄ）電子銃が公知のように長方形の蒸発るつぼで、偏向
系を有し、この偏向系により電子ビームは周期的に最長
のるつぼ軸！（Ａ−Ａ）の方向において、蒸発させるべ
き金属上で可動性であり、 ｅ）絞り口の後方に配置した電極装置が最長のるつぼ軸
線（Ａ−Ａ）に対して平行のかつその両側に対をなして
設けた２列の単一電極より成り、かつ ｆ）各電極対が、その他の単一電極対の電源からは独立
している電源と連結していることを特徴とする。

本発明の他の有利な実施態様は他の特許請求の範囲から
明らかである。

実施例 次に本発明を１実施例につき添付図面により詳説する。

第１図において、真空室１は吸引接続管片２を介してポ
ンプユニット（図示せず）により排気される。外側の真
空室１中には内室３が設けられており、これは水平の床
４．４つの垂直な側壁５及び水平の上壁６を有する。床
４には蒸発るつぼ７が配置されており、このるつぼ中に
は融液状の蒸発物８が装入されており、かつこのるつぼ
の周りには冷却コイル９が設けられている。左側壁５に
は電子ビーム１１の入口１０が設けられ、ビームは円弧
形の軌跡で蒸発物８の表面上に偏向する。ビームを偏向
する手段は技術水準である。入口１０の後方には偏向系
１３を備えた電子銃１２が位置する。この偏向系１３を
通して電子ビーム１１は所定のかつプログラム制御され
る偏向パターンによシ蒸発物８の表面上で周規的に偏向
する。

上壁６は絞りとして構成され、即ちそれは内室３の全横
断面に比べて小さい断面積を有する絞り口１４を有する
。内室３の下部には、図面に対して垂直に延びておシか
つ反応ガスの供給に有用である孔付直状管より成る供給
装置が設けられている。電子ビーム１１の作用により生
じた蒸発物８の蒸気及び供給装置１５を通して供給され
たガスは絞り口１４を通して、絞り口１４の上方で定置
であるか又は移動する基板１６上に導かれる。本例では
基板１６定置である。

絞り口１４の後方、即ち上壁６と基板１６との間には、
絞り口１６の投影面外に電極装置１７が配置され、これ
は絶縁体１８により上壁６上に支持されている。絞り口
の内縁１４ａは方形を構成し、電極装置１．７の内縁１
７ａも同様である。内縁１４ａ及び１７ａは基本的に一
列に配置されており、その際に同列位置から若干ずれて
いてもかまわない。

内室３は外側の真空室１及び蒸発るつぼ７と同様にアー
スされておシ、電極装置１７は導線束２０及び絶縁プツ
シ／グ２１を介して電源２２と連結している。基板１６
を同様にアース電位に印加することが可能である場合、
第１図に図示したように、導線２３及び絶縁ブッシング
２４を介して直流電源２５に接続することができる。絞
り口１４の区域において電極装置１７と内室３との間の
電位差によシ著しく強いプラズマ放電が生じ、その上方
及び側方の限界を点線２６によりおおよそ示すことがで
きる。

例えばζ上壁６の上面と電極装置１７の上面との間隔は
３１ｍであり、かつ電極装置１７の上面と基板１６の下
面との間の間隔は６４皿である。

第１図の装置の平面図である第２図では第１図の基本的
な部材だけを図示した。蒸発るつぼ７は長方形の形状を
有し、それ故最長のるつぼ軸線Ａ−Ａは中央の点線で示
す。この軸線Ａ−Ａに沿って電子ビーム１１は偏向系１
３により所定の偏向パターンに応じて蒸発物８（金属）
上に案内され、つまり周期的に偏向周波数５〜５００　
Ｈ２、殊に１００〜２００Ｈｚで案内される。その際に
、偏向は段階的に斜線を引いた円形により示した数個の
停滞位置で一定時間保持しながら行なう。停滞位置の間
隔は同じにすると有利であるが、停滞時間は同じ長さで
ある必要はない。例えば、定期的にるつぼの端部区域に
おける停滞時間をるつぼの中はどの区域における停滞時
間より長く選択する必要があり、それによりるつぼ端部
区域における大きな熱損失並びにるつぼの上方に蒸発す
る蒸発物がその縁では主に１つの方向からだけ蒸気の負
荷を受けるという事実が補償される。

電極装置が最長のるつぼ軸線Ａ−Ａに対して平行のかつ
その両側に対をなして配置された２列の単一電極より成
るこ六は明らかである。

左側列は１７−１ａ〜１７−５ａで表わし、右側列は１
７−１ｂ〜１７−５ｂで表わす。それぞれ軸線Ａ−Ａに
対して向い合って配置されている単一電極は対をなし、
例えば１７−１ａ／１７−１ｂが対である。更に、各単
一電極対は導線（詳細には図示せず）を介して１つの電
源２２−１乃至２２−５と連結しており、それらは相互
に左右されることなく個々に一定の電流に調節すること
ができる。簡単にするために、第２図で斜線を引いて示
した停滞位置は、電子ビームが該当する停滞位置に衝突
する際に、その瞬間の衝突位置と一致するものとする。

従って、衝突位置ａは対の単一電極１７−１ａ及び１ｙ
−ｉｂに付属する。これは衝突位置ａの直近の尋−電極
対である。衝突位置すは対の単一電極１７−２ａと１７
−２ｂに対応する。一定の電極対に対してこのように衝
突位置もしくは停滞位−を空間的に配置することにより
、この系はるつぼの長手方向において単−系に区分され
、それらの作動パラメータを規定されているように制御
あるいは調節可能である。その際に、第２図によシ全部
の単一電極が軸方向に同じ長さ及び等間隔を有すると特
に有利である。しかしこれは無条件ではなく、それ故各
々の電極もしくは電極対の長さをそれぞれの停滞位置の
異なる距離に適合させることもできる。

更に、第２図から、反応ガスの供給装置が最長のるつぼ
軸Ａ−Ａに対して平行のかつその両側に対をなして設け
た２列の分配管よ構成ることは明らかである。左側列の
分配管は１５−１ａ〜１５−５ａで表わし、右側列の分
配管は１５−１ｂ〜１ｓ−ｓｂで表わす。この配置は幾
何学的に単一電極と同じ配置にし、即ち個々の分配管は
電極対並びに一定の停滞位置に対応する。その際に、分
配管１５−１ａと１５−１ｂが対をなし、以下分配管１
５−５ａと１５−５ｂが対？なす。

分配管は制御装置５０を介して対ごとにガス源５１に接
続しており、その際に制御装置５０によりそれぞれガス
供給を反応挙動の程度によるガス需要に適合させる。但
し図面では、分配管１５−５ａ及び１ｓ−ｓｂの対に対
する両方のガス導管５２及び５３だけが図示されており
、他の分配管に対するガス導管は制御装置５０の近くの
その開始部だけが図示されている。

特に第２図からは、分配管が第２図では図示していない
内室３（第１図）中で幾何学的に単一電極と同様に分散
配置されていることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の顕現図、第２図は第１図に
よる装置の平面図である。 ７・・・蒸発るつぼ、１２・・・電子銃、１３・・・偏
向系、１４・・・絞り口、１５・・・供給装置、１５−
１ａ、１５−２ａ、１５−３ａ、１５−４ａ。 １５−５ａｌ　　１５−１ｂ、１５−２ｂ、１５−３ｂ
、１５−４ｂ、１５−５ｂ・・・分配管、１７・・・電
極装置、１７−　ｉａ、１７−２ａ、１７−３　ａ、　
　１７−４　ａ、　　１７−５　ａ、　　１７−１　ｂ
。 １７−２ｂ、１７−３ｂｌ　　１７−４ｂ、１７−５ｂ
・・・単一電極、２２・・・電源 Ｉ！１面の浄書（内容に変更なし） ７・・・蒸発るつぼ　　　　１５・・・供給装置１２・
・・電子銃　　　　　　１７・・・電極装置１３・・・
偏向系　　　　　　２２・・・電源１４・・・絞り口 手続補正書（方式） （特許出願人名称更正を含む） 昭和６３年２月２３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ）金属蒸気を、蒸発器を取囲んでいて、基板に対
   して絞り口を有する内室中で発生させ、 ｂ）反応ガスを内室中に導入し、 ｃ）金属蒸気と反応ガスとを絞り口を通して基板の方向
   に導き、 ｄ）電子ビームを内室中で金属蒸気及び反応ガスとイオ
   ン化のために相互作用させ、その際に少なくとも２０ｋ
   Ｖの加速電圧を選択し、かつ ｅ）内室で形成されたかもしくはこの室中に封入された
   負の電荷キャリアを、絞り口の後方にかつ蒸気流の外側
   に設けられている、大地に対して正にバイアスをかけた
   電極装置により絞り口を通して吸出し、それにより絞り
   口と電極の区域で激しいグロー放電を発生させることに
   より、反応ガスより成る雰囲気中、高くとも１０＾−＾
   １ミリバールの圧力で電子ビームにより蒸発るつぼから
   少なくとも１種の金属を蒸発させることにより、金属化
   合物を基板上に反応性蒸着するための方法において、 ｆ）電子ビームを長方形の蒸発るつぼで公知のように周
   規的に最長のるつぼ軸線の方向において蒸発させるべき
   金属上を移動させ、かつ ｇ）絞り口の後方に設けた電極装置が最長のるつぼ軸線
   に対して平行の少なくとも１列の単一電極より成り、該
   電極にそれぞれ各単一電極に付属する電源から、他の単
   一電極に左右されずに給電することを特徴とする、金属
   化合物を基板上に反応性蒸着するための方法。 ２、電子ビームを各単一電極の区域で一定時間停滞させ
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、電極装置がるつぼ軸線の両側に対をなして配置した
   ２列の単一電極より成り、その際に、その都度一対の電
   極に、他の単一電極対の電源から独立している電源から
   給電する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４、真空外室及び、蒸発るつぼ中に存在する蒸発物に電
   子ビームを発射するための電子銃を具備する蒸発るつぼ
   を備えた、反応ガスより成る雰囲気中、高くとも１０＾
   −＾１ミリバールの圧力で電子ビームを用いて蒸発るつ
   ぼから少なくとも１種の金属を蒸発させることにより、
   金属化合物を基板上に反応性蒸着するための方法を実施
   する装置であつて、その際に ａ）、蒸発るつぼ上の空間が、電子ビームの入口及び基
   板の方向に絞り口を有する内室により取り囲まれており
   、 ｂ）内室が反応ガスの供給装置を具備し、 かつ ｃ）絞り口の後方に、その投影面中には設けられていな
   い電極装置が絶縁して固定されており、この装置が大地
   に対して正の出力電圧の電源と連結している前記装置に
   おいて、 ｄ）電子銃（１２）が公知のように長方形の蒸発るつぼ
   （７）で、偏向系（１３）を有し、この偏向系（１３）
   により電子ビームは周期的に最長のるつぼ軸線（Ａ−Ａ
   ）の方向において、蒸発させるべき金属上で可動性であ
   り、 ｅ）絞り口（１４）の後方に配置した電極装置（１７）
   が最長のるつぼ軸線（Ａ−Ａ）に対して平行のかつその
   両側に対をなして設けた２列の単一電極（１７−１ａ；
   １７−２ａ；１７−３ａ；１７−４ａ；１７−５ａもし
   くは１７−１ｂ；１７−２ｂ；１７−３ｂ；１７−４ｂ
   ；１７−５ｂ）より成り、かつ ｆ）各電極対が、その他の単一電極対の電源からは独立
   している電源（２２）と連結している ことを特徴とする、金属化合物を基板上に反応性蒸着す
   るための装置。 ５、反応ガスの供給装置（１５）が、最長のるつぼ軸線
   （Ａ−Ａ）に対して平行のかつその両側に対をなして設
   けた２列の分配管（１５−１ａ；１５−２ａ；１５−３
   ａ；１５−４ａ；１５−５ａもしくは１５−１ｂ；１５
   −２ｂ；１５−３ｂ；１５−４ｂ；１５− ５ｂ）より成る特許請求の範囲第４項記載の装置。