JP4233332B2 - 蒸着装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸着装置に関し、特に、ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）や半導体の高誘電体薄膜、絶縁膜、銅薄膜、磁性薄膜、高融点金属薄膜に適した成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６の符号１０１は従来技術の蒸着装置を示している。
この蒸着装置１０１は真空槽１０２を有しており、真空槽１０２内部には蒸着源１０３が配置されている。
【０００３】
蒸着源１０３は筒状のアノード電極１３２と、放出部１３０とを有しており、アノード電極１３２と放出部１３０は、該放出部１３０がアノード電極１３２に配置された状態で、取り付け部１２０によって真空槽１０２内部の底壁側にそれぞれ固定されている。
【０００４】
放出部１３０は蒸着材料１３１と、トリガ電極１３４と、棒状電極１３５とを有している。トリガ電極１３４はリング状であって、棒状電極１３５はトリガ電極１３４に挿通された状態で、その下端が取り付け部１２０に取り付けられている。棒状電極１３５の先端はトリガ電極１３４から突き出され、蒸着材料１３１は棒状電極１３５の先端を覆っている。
【０００５】
蒸着材料１３１と棒状電極１３５は電気的に接続され、他方トリガ電極１３４は絶縁部材１３７、１３８によって棒状電極１３５と蒸着材料１３１から絶縁されている。棒状電極１３５とトリガ電極１３４は真空槽２外部に配置された電源装置１０４にそれぞれ接続されており、電源装置１０４を起動し、アノード電極１３２と真空槽１０２とを接地電位に置いた状態で、トリガ電極１３４に正の電圧を印加すると共に、棒状電極１３５に負の電圧を印加すると、トリガ電極１３４と蒸着材料１３１との間にトリガ放電が起こり、該トリガ放電によって蒸着材料１３１の側面とアノード電極１３２内周面との間でアーク放電が誘起される。
【０００６】
アーク放電が誘起されると、アーク電流が流れ、該アーク電流により蒸着材料１３１の側面から蒸着材料の粒子が放出される。
蒸着材料の粒子のうち、電荷質量比（電荷／質量）の大きい微小な荷電粒子は、アーク電流により発生する磁界によって飛行方向が曲げられ、アノード電極１３２の開口から放出されるが、電荷質量比の小さい巨大な荷電粒子や中性粒子はアーク電流により飛行方向が曲げられる率が少なく、アノード電極１３２の内壁に衝突する。
【０００７】
アノード電極１３２の開口の上方には基板ホルダ１１７が配置されており、予め基板ホルダ１１７のアノード電極１３２開口と対向する面には基板１０７が保持されているので、アノード電極１３２の開口から放出された荷電粒子は基板１０７表面に付着し、薄膜が成長する。このように、基板１０７には反応性が高い荷電粒子のみが到達するので、膜質の良い薄膜を形成することができる。
【０００８】
ところで、中性粒子や巨大荷電粒子がアノード電極１３２の内周面に付着する際に、一部は衝突の際砕け散り、微小荷電粒子よりも大きな小滴（直径２０μｍ程度）が形成されることがある。
【０００９】
この小滴の飛散方向は特定の方向性が見られず、カソード電極１３５を中心としてほぼ半球面内に飛散するので、一部はアノード電極１３２の開口から放出されてしまう。開口から放出された小滴が、成膜中の膜に取り込まれると、薄膜の膜質が劣化するという問題があった。
【００１０】
【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により、小滴が成膜中の薄膜に混入することなく成膜を行える技術を提供することである。
【００１１】
【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、真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源とを有し、前記蒸着源は筒状のアノード電極と、前記アノード電極内に配置され、一の軸線方向に蒸着材料の荷電粒子を放出する放出部と、前記アノード電極の開口であって、前記荷電粒子が前記真空槽内に放出される放出口とを有する蒸着装置であって、前記アノード電極の内壁面を放出口方向に延長した場合の延長線が囲む放出領域の外側に位置し、第一の磁極が前記一の軸線方向に向けられた磁石と、少なくとも一部が前記磁石の第二の磁極に向けられ、終端部が前記アノード電極に向けられたヨークとを有し、前記放出領域外部には基板ホルダが配置され、前記基板ホルダの前記一の軸線に向けられた面には基板が保持されるように構成され、前記磁石により、前記第一の磁極と、前記基板ホルダと、前記放出口と、前記ヨークの内部と、前記第二の磁極との間を通る磁力線が形成され、前記荷電粒子は、前記放出口から放出された後、前記磁力線に巻きついて移動し、前記基板ホルダに保持された前記基板に到達する蒸着装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の蒸着装置であって、前記終端部は前記アノード電極の外周を取り囲むように構成された蒸着装置である。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着装置であって、前記アノード電極の近傍位置であって、前記磁石側には反射板が配置され、前記反射板の一端部が前記放出口よりも前記一の軸線方向に高く突き出された蒸着装置である。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着装置であって、前記蒸着源を少なくとも２つ有し、前記ヨークは、前記終端部が前記各蒸着源の前記アノード電極にそれぞれ向けられ、前記基板ホルダは、前記各蒸着源の前記放出領域外部に位置し、前記基板ホルダの前記各蒸着源の前記一の軸線に向けられた面に、前記基板が配置されるように構成され、前記磁石により、前記第一の磁極と、前記基板ホルダと、一方の前記蒸着源の前記放出口と、前記ヨークの内部と、前記第二の磁極との間を通る前記磁力線と、前記第一の磁極と、前記基板ホルダと、他方の前記蒸着源の前記放出口と、前記ヨークの内部と、前記第二の磁極との間を通る前記磁力線とが形成され、前記各蒸着源の前記放出口から放出された前記荷電粒子は、同じ前記基板に到達する蒸着装置である。
【００１２】
本発明は上記のように構成されており、放出口から放出される荷電粒子は磁力線に巻き付いて移動するので、荷電粒子は放出口と第一の磁極とを結ぶ経路を通る磁力線によって第一の磁極方向に運ばれる。
従って、第一の磁極の近傍であって、磁力線の通る位置に基板を配置すれば、第一の磁極方向に運ばれた荷電粒子は基板に到達し、基板表面に蒸着材料の薄膜が成長する。
【００１３】
荷電粒子が放出される際に、放出口から小滴が放出されたとしても、小滴は磁力線によってその飛行方向が曲げられることなく直進するので、基板を放出領域の外部であって、小滴が到達しない位置に配置しておけば、小滴が基板に到達することなく、荷電粒子のみを基板に到達させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１の符号１は本発明の蒸着装置の一例を示しており、蒸着装置１は真空槽２と蒸着源３とを有している。
【００１５】
蒸着源３はアノード電極３２を有している。ここでは、アノード電極３２はステンレス製の円筒で構成され、取り付け部２０によってその一端が真空槽２の底壁に気密に取り付けられ、他端が真空槽２の天井に向けられている。アノード電極３２内には、蒸着材料の荷電粒子を放出する放出部３０が配置されている。
【００１６】
放出部３０は棒状電極３５と、トリガ電極３４と、蒸着材料３１とを有している。トリガ電極３４はリング状であって、棒状電極３５はトリガ電極３４に挿通され、その下端が取り付け部２０に固定されている。
【００１７】
棒状電極３５の先端はトリガ電極３４から突き出されており、棒状電極３５のトリガ電極３４から突き出された部分は蒸着材料３１で覆われている。
【００１８】
真空槽２外部には電源装置４が配置され、棒状電極３５はその電源装置４に接続されている。蒸着材料３１は導電性材料で構成されており、棒状電極３５に電気的に接続されているので、電源装置４を起動し、棒状電極３５に電圧を印加するとその電圧が蒸着材料３１に印加されるようになっている。
【００１９】
トリガ電極３４は絶縁部材３７、３８によって棒状電極３５と蒸着材料３１から絶縁されている。トリガ電極３４は配線３６によって電源装置４に接続されており、アノード電極３２と真空槽２とを接地電位に置いた状態で電源装置４を起動すると、トリガ電極３４とアノード電極３２との間、及びトリガ電極３４と蒸着材料３１との間に電圧が印加されるようになっている。
【００２０】
真空槽２には真空排気系８が接続されており、該真空排気系８を起動し、真空槽２内部に真空雰囲気を形成した後、トリガ電極３４に正、蒸着材料３１に負の電圧を印加すると、蒸着材料３１の側面とトリガ電極３４との間にトリガ放電が起こり、該トリガ放電により蒸着材料３１の側面とアノード電極３２の内壁面との間にアーク放電が誘起され、一軸線方向にアーク電流が流れ、蒸着材料３１の側面から蒸着材料の粒子が放出される。
【００２１】
図１の符号１３はその一軸線である放出軸線を示しており、アーク電流は棒状電極３５内を流れるので、放出軸線１３は棒状電極３５の中心軸線と平行になっている。蒸着材料３１から放出される粒子のうち、電荷質量比（電荷／質量）の大きい微小な荷電粒子はアーク電流によりその飛行方向が放出軸線１３方向に曲げられ、アノード電極３２の開口である放出口３９から真空槽２内部に放出される。
【００２２】
他方、蒸着材料の粒子のうち、中性粒子や電荷質量比の小さい巨大粒子はアーク電流により進行方向が曲げられず、アノード電極３２の内周面に衝突するが、衝突の際に小滴が発生し、その小滴の一部が放出口３９から真空槽２の内部に飛散する。
【００２３】
図１の符号１５は、アノード電極３２の内壁面を放出口３９方向に延長した場合の延長線が囲む領域である放出領域を示しており、衝突によって形成された小滴がこの放出領域１５に放出されるとすると、真空槽２内部の放出領域１５外側には磁石５１が配置されている。
【００２４】
磁石５１は後述する円筒状の磁石部材５２と、板状の磁石部材５３とで構成されており、各磁石部材５２、５３の磁極は同じ方向を向けられているので、磁石５１全体の磁極は一方向に向けられている。
【００２５】
磁石５１のＳ極とＮ極のうち、一方の磁極を第一の磁極５６とし、他方の磁極を第二の磁極５７とすると、磁石５１は第一の磁極５６が放出軸線１３に向き、第二の磁極５７が放出軸線１３とは反対側の真空槽２の内壁面に向くように配置されており、第一、第二の磁極５６、５７間に形成される磁力線の少なくとも一部が放出口３９と第一の磁極５６とを結ぶ経路を通っている。
【００２６】
図１の符号５は放出口３９と第一の磁極５６とを結ぶ経路を通る磁力線を示しており、放出口３９から放出される荷電粒子はその磁力線５に巻き付いて移動する。放出領域１５外部であって、磁力線５が通る位置には基板ホルダ１７が配置されており、予め基板ホルダ１７には成膜対象物である基板７が保持されている。従って、磁力線５に巻き付いて移動する荷電粒子は、この基板７の表面に付着することになる。
【００２７】
真空槽２内にはヨーク５５が配置されている。ヨーク５５は細長の金属板で構成されており、その一端部が磁石５１の第二の磁極５７側に密着し、中央部分が折り曲げられることで、その他端部がアノード電極３２の外周近傍まで延ばされている。
【００２８】
アノード電極３２はヨーク５５の構成材料よりも磁力線を通し難い材料で構成されているので、放出口３９を通って第一の磁極５６に戻る磁力線５は、ヨーク５５内を走行し、ヨーク５５の終端部から放出口３９を通って真空槽２内の空間に出る。即ち、磁力線５はヨーク５５内に収束されてから放出口３９を通る磁力線５の密度は高くなる。
【００２９】
図２に示すように、ヨーク５５のアノード電極３２近傍に延ばされた端部には、アノード電極３２の外径よりも大径の開口５９が形成されており、アノード電極３２の上端部はその開口５９に挿通されている。
【００３０】
即ち、アノード電極３２は開口５９の内壁面で構成されるヨーク５５の終端部５８で囲まれた状態になっており、放出口３９は磁力線密度が均一な磁力線５で取り囲まれた状態になるので、放出口３９から放出される荷電粒子が効率良く基板７に運ばれ、基板７表面に蒸着材料の薄膜が成長する。他方、衝突により発生する小滴は磁力線５の影響を受けずに直進するので、その飛行方向が基板７側に曲げられることがない。
【００３１】
また、放出口３９近傍位置であって、磁石５１が配置された側には反射板２５が配置されており、反射板２５の一端部である上端は、放出口３９よりも放出軸線１３方向に高く突き出されているので、基板７方向に飛散した小滴が放出口３９から真空槽２内に放出されたとしても、反射板２５に付着し、基板７に到達することがない。従って、成膜中に小滴が混入しないので、膜質の良い薄膜を得ることができる。
【００３２】
尚、真空槽２に反応ガス供給系９を接続し、該反応ガス供給系９により、蒸着材料３１と反応する反応ガスを供給しながら成膜を行えば、反応ガスと荷電粒子とが反応し、反応ガスと蒸着材料との反応物の薄膜を得ることができる。
【００３３】
【実施例】
蒸着材料３１を銅又はアルミニウムで構成し、上述した蒸着装置１に基板７を搬入し、基板７表面に銅又はアルミニウムの薄膜をそれぞれ形成した。
【００３４】
ここでは、磁石５１として、幅１０ｃｍ、長さ１５ｃｍ、厚み１０ｍｍの板状の磁石部材５３（フェライト製）の片面に、外径４０ｍｍ、厚み２０ｍｍ、磁束密度２０００Ｇａｕｓｓの円板状の磁石部材５２（サマリウム・コバルト製）の一端が接続されたものを用い、ヨーク５５として幅１０ｃｍ、厚み４ｍｍ、長さ２０ｃｍの純鉄製金属板が９０°に折り曲げられたものを用いた。
【００３５】
基板７表面に成膜された薄膜を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、小滴混入の有無を確認した。その結果を、トリガ放電の数（パルス数）と、成膜された薄膜の膜厚と、成膜速度と、速度エリア（成膜速度を測定した範囲）の直径と共に下記表１に記載する。
【００３６】
【表１】

【００３７】
上記表１を見ると、蒸着材料３１としてアルミニウムと銅を用いた場合には成膜された薄膜に小滴が混入しておらず、本発明の蒸着装置１を用いれば膜質の良い薄膜が得られることが確認された。
【００３８】
＜その他の実施例＞
以上は、真空槽２内に蒸着源３が１つ配置された場合について説明したが本発明はこれに限定されるものではない。
【００３９】
図３の符号６は本発明の蒸着装置の他の例を示している。この蒸着装置６は真空槽２を有しており、真空槽２内には図１に示した蒸着装置１と同様の蒸着源３が２つ配置されている。ここでは、各蒸着源３の同じ部材にはそれぞれ添え字ａ、ｂを付して区別する。
【００４０】
各蒸着源３ａ、３ｂは放出口３９が真空槽２内に向けられた状態で、真空槽２の側壁に配置されている。真空槽２内には上述した蒸着装置１と同様の構造の磁石５１が配置されており、該磁石５１は各放出領域１５ａ、１５ｂの外側であって各放出口３９ａ、３９ｂの上方位置で、第一の磁極５６を下側へ向けて配置されているので、第一の磁極５６は各蒸着源３ａ、３ｂの放出軸１３ａ、１３ｂに向けられた状態になっている。
【００４１】
ヨーク９５は細長の金属板で構成されており、その中央部分は磁石５１の第二の磁極５７の近傍に位置し、両端は磁石５１と各放出口３９ａ、３９ｂとを結ぶようにそれぞれ折り曲げられている。従って、磁石５１によって、ヨーク５５の終端部５８ａ、５８ｂから各放出口３９ａ、３９ｂを通って真空槽２内を走行し、第一の磁極５６に戻る磁力線５が形成されるようになっている。
【００４２】
ヨーク５５の両端部には開口５９ａ、５９ｂがそれぞれ形成されており、アノード電極３２ａ、３２ｂは開口５９ａ、５９ｂにそれぞれ挿通されているので、放出口３９ａ、３９ｂは磁力線５で取り囲まれた状態になり、各放出口３９ａ、３９ｂから放出される荷電粒子は効率良く同じ第一の磁極５６側へ移動する。
【００４３】
各放出領域１５ａ、１５ｂの外部であって、各放出口３９ａ、３９ｂから第一の磁極５６へ向かう各磁力線５が通る位置には基板ホルダ１７が配置されており、基板ホルダ１７の各放出軸１３ａ、１３ｂに向けられた面には基板７が保持されるので、各放出口３９ａ、３９ｂから第一の磁極５６へ向かう荷電粒子は同じ基板７に到達する。
【００４４】
従って、各放出部３９ａ、３９ｂに異なる種類の蒸着材料３１を配置し、各放出部３９ａ、３９ｂから蒸着材料の荷電粒子を同時に放出させれば、図４に示すように、基板７表面に２種類の蒸着材料が混合した薄膜７１を形成することができる。
【００４５】
また、各放出部３９ａ、３９ｂから交互に荷電粒子を放出させれば、図５に示すように、基板７上に、異なる蒸着材料の膜７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂを交互に形成され、多層膜７５が形成される。
【００４６】
以上は、１つの磁石５１に対し、蒸着源３を２つ設ける場合について説明したが、蒸着源３の数は特に限定されるものではなく、磁石５１により形成される磁力線が各蒸着源の放出口を通るのであれば、１つの磁石５１に対し３つ以上の蒸着源を設けることもできる。
【００４７】
また、各蒸着源の蒸着材料は異なる物質で構成しても良いし、それぞれ同じ物質で構成してもよい。例えば、各蒸着源の蒸着材料を同じ物質で構成し、各蒸着源の放出部から同時に荷電粒子を放出させれば、短時間に膜厚の大きい薄膜を得ることができる。
【００４８】
以上は蒸着材料としてアルミニウムや銅を用いる場合について説明したが、蒸着材料の種類も特に限定されず、チタン、ジルコウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデンやタングステンなどの高融点金属材料、コバルト、鉄、ニッケル等の磁性材料、グラファイト等種々の材料を用いることができる。
【００４９】
基板ホルダ１７に回転軸を設け、基板７を水平面内で回転させながら成膜を行うように構成すれば、形成される薄膜の膜厚分布が均一になる。
また、磁石５１はフェライト磁石のような永久磁石で構成された場合に限定されず、例えば磁石５１を電磁石で構成することもできる。
アノード電極３２の形状は円筒状に限定されず、例えば角筒状でもよいし、あるいは板状に形成されていてもよい。
【００５０】
以上は、磁石５１の第二の磁極５７が放出軸線１３とは反対側を向くように構成された場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第一、第二の磁極５６、５７間に形成される磁力線が放出口３９を通るように構成されているのであれば、例えば第二の磁極５７が放出軸線１３と直交する軸線方向に向けられていてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の蒸着装置によれば、成膜中の薄膜に小滴が混入しないので、膜質の良い薄膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸着装置の一例を説明する断面図
【図２】ヨークの開口とアノード電極の位置関係とを説明する平面図
【図３】本発明の蒸着装置の他の例を説明する断面図
【図４】本発明の蒸着装置により成膜された薄膜の一例を説明する断面図
【図５】本発明の蒸着装置により成膜された薄膜の他の例を説明する断面図
【図６】従来技術の蒸着装置を説明する断面図
【符号の説明】
１、６……蒸着装置 ２……真空槽 ３……蒸着源 ５……磁力線 ７……基板 １３……放出軸線（一の軸線） １５……放出領域 １７……基板ホルダ ３０……放出部 ３２……アノード電極 ３４……トリガ電極 ３１……蒸着材料 ５１……磁石 ５５、９５……ヨーク ５８……終端部

Claims (4)

1. 真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源とを有し、
   前記蒸着源は筒状のアノード電極と、前記アノード電極内に配置され、一の軸線方向に蒸着材料の荷電粒子を放出する放出部と、
   前記アノード電極の開口であって、前記荷電粒子が前記真空槽内に放出される放出口とを有する蒸着装置であって、
   前記アノード電極の内壁面を放出口方向に延長した場合の延長線が囲む放出領域の外側に位置し、第一の磁極が前記一の軸線方向に向けられた磁石と、
   少なくとも一部が前記磁石の第二の磁極に向けられ、終端部が前記アノード電極に向けられたヨークとを有し、
   前記放出領域外部には基板ホルダが配置され、
   前記基板ホルダの前記一の軸線に向けられた面には基板が保持されるように構成され、
   前記磁石により、前記第一の磁極と、前記基板ホルダと、前記放出口と、前記ヨークの内部と、前記第二の磁極との間を通る磁力線が形成され、
   前記荷電粒子は、前記放出口から放出された後、前記磁力線に巻きついて移動し、前記基板ホルダに保持された前記基板に到達する蒸着装置。
2. 前記終端部は前記アノード電極の外周を取り囲むように構成された請求項１記載の蒸着装置。
3. 前記アノード電極の近傍位置であって、前記磁石側には反射板が配置され、前記反射板の一端部が前記放出口よりも前記一の軸線方向に高く突き出された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着装置。
4. 前記蒸着源を少なくとも２つ有し、
   前記ヨークは、前記終端部が前記各蒸着源の前記アノード電極にそれぞれ向けられ、
   前記基板ホルダは、前記各蒸着源の前記放出領域外部に位置し、
   前記基板ホルダの前記各蒸着源の前記一の軸線に向けられた面に、前記基板が配置されるように構成され、
   前記磁石により、前記第一の磁極と、前記基板ホルダと、一方の前記蒸着源の前記放出口と、前記ヨークの内部と、前記第二の磁極との間を通る前記磁力線と、
   前記第一の磁極と、前記基板ホルダと、他方の前記蒸着源の前記放出口と、前記ヨークの内部と、前記第二の磁極との間を通る前記磁力線とが形成され、
   前記各蒸着源の前記放出口から放出された前記荷電粒子は、同じ前記基板に到達する請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着装置。

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