(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象物が設置され、真空雰囲気を維持可能な処理室と、
前記処理室に隣接して設置され、前記処理対象物を加熱する電子ビームを出射する電子銃と、
前記処理室内に設けられ、前記電子銃から出射した前記電子ビームを集束する電子ビーム集束機構と
を具備し、
前記電子ビーム集束機構は、少なくとも１つの集束コイルと、前記電子ビームの通過点における温度を測定する少なくとも１つの熱電対と、前記熱電対による測定結果を基に前記集束コイルに供給する電流値を制御する制御部とを有する
真空処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の真空処理装置であって、
前記電子ビーム集束機構は、複数の集束コイルを有し、
前記熱電対は、前記複数の集束コイルの各々に対応して配置された複数の熱電対を含む
真空処理装置。
【請求項３】
処理対象物が設置され、真空雰囲気を維持可能な処理室と、
前記処理室に隣接して設置され、前記処理対象物を加熱する電子ビームを出射する電子銃と、
前記処理室内に設けられ、前記電子銃から出射した前記電子ビームを集束する電子ビーム集束機構と
を具備し、
前記電子ビーム集束機構は、少なくとも１つの集束コイルと、前記電子ビームの一通過点における温度を測定する少なくとも１つの熱電対と、前記熱電対による測定結果を基に前記電子ビーム集束機構内の圧力を制御する制御部とを有する
真空処理装置。
【請求項４】
請求項１または請求項３に記載の真空処理装置であって、
前記電子銃はピアス式電子銃である
真空処理装置。
【請求項５】
請求項１または請求項３に記載の真空処理装置であって、
前記電子銃は第１の揺動コイルを有し、
前記電子ビーム集束機構は第２の揺動コイルを有し、
前記電子ビームは、前記第１の揺動コイル及び前記第２の揺動コイルによって偏向され前記処理対象物に照射される
真空処理装置。
【請求項６】
請求項１または請求項３に記載の真空処理装置であって、
前記処理対象物は蒸発材料であり、
前記電子銃は、前記電子ビームにより前記蒸発材料を加熱する加熱源である
真空処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載の真空処理装置であって、
前記蒸発材料は、金属または金属酸化物である
真空処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃を用いた真空処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームは、エネルギー源が電子であり、容易に揺動、偏向、及び高密度化が可能である。また、加熱対象物へのコンタミネーションが少ないため、電子ビームは、真空蒸着装置、表面処理装置、真空熱処理装置、真空溶解炉、真空精製炉などの加熱源として幅広く利用されている（例えば非特許文献１参照）。【０００３】
電子銃、例えばピアス式電子銃を用いた電子ビーム蒸着装置は、ビーム発生源であるピアス式電子銃と、蒸発源及び被蒸着対象部材が設置される真空蒸着室とを具備する（例えば特許文献１参照）。電子ビーム蒸着装置では、蒸発源に収容された蒸発材料が、電子銃から発せられる電子ビームの照射によって加熱され、被蒸着対象部材に蒸着されることにより、蒸着膜が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１５９７１号公報（段落[００１８]、[００１９]、図  ）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「真空ハンドブック  141ページ  4・5・1  電子ビームによる加熱、4・5・2  電子ビームによる金属の溶解」  平成４年11月30日  株式会社オーム社発行  日本真空技術株式会社編
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電子ビーム蒸着装置において、ピアス式電子銃から発射される高密度な電子は、高真空中を通過する間に空間電荷効果によりビームが発散する傾向がある。このため、電子ビーム照射点となる蒸発源で十分なパワー密度を確保できず、蒸発材料の蒸発レートが大幅に低下する場合があるという問題がある。特に、フラットパネルディスプレイを構成する大型基板上に金属配線膜等を成膜する場合、高真空雰囲気で大面積の成膜となり、また装置設計上、蒸発源とピアス式電子銃との距離を長くする必要がある。このため、ピアス式電子銃から蒸発源に到達するまでの間に電子ビームが発散し、蒸発レートが低下してしまうため、大面積の成膜を実現することが困難であった。更に、電子ビームの集束状態はビームの出力（電流値）、真空蒸着室の圧力や雰囲気のインピーダンス等によって変化するため、蒸発レートが変動し、安定した成膜を行うことができないという問題がある。【０００７】
これらの問題を解決するために、電子の加速電圧を高くして、ビームの発散を抑えることも可能である。しかしながら、電子銃の高電圧印加部の絶縁強化、電子銃電源から電子銃までの高電圧配線の絶縁強化、電子銃電源の高電圧発生部の絶縁強化、電子ビームと雰囲気中の気体及び被照射物との衝突によるＸ線の発生、また被照射物及び生成物へのダメージなど新たな問題が発生する可能性がある。【０００８】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高真空領域においても電子ビームの発散を抑え、最適な電子ビームの密度で、安定した処理を行うことができる真空処理装置装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態に係る真空処理装置は、処理室と、電子銃と、電子ビーム集束機構とを有する。上記処理室は、処理対象物が設置され、真空雰囲気を維持可能である。上記電子銃は、上記処理室に隣接して設置され、上記処理対象物を加熱する電子ビームを出射する。上記電子ビーム集束機構は、上記処理室内に設けられ、上記電子銃から出射した上記電子ビームを集束する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る一実施形態のインライン式電子ビーム蒸着装置の概略部分斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´で切断した概略断面図である。
【図３】２段集束コイルを具備するピアス式電子銃の概略断面図である。
【図４】真空蒸着室内圧力と成膜レートとの関係を示すものである。
【図５】プロセス室圧力と電子ビームの直径との関係を示すものである。
【図６】中和作用の効果が全くない場合のビームの拡がり状態を示すものである。
【図７】電子銃から発射された電子ビームの状態を示す図である。
【図８】図２に示す構成において電子銃に設置した第１の集束コイルと電子ビーム集束機構に設置した第２の集束コイルに所定の値の電流を流したときの磁束密度分布を示すものである。
【図９】図２に示す構成において電子銃に設置した第１の集束コイルに所定の値の電流を流し、電子ビーム集束機構に設置した第２の集束コイルに流す電流値を変化させたときの電子ビームの状態を示すものである。
【図１０】電子ビーム集束機構に設置した第２の集束コイルに供給される電流値と熱電対で測定した温度との関係を示すものである。
【図１１】図２に示す構成において、電子銃に設置した第１の集束コイル及び電子ビーム集束機構に設置した第２の集束コイルにそれぞれ所定の値の電流を流し、電子ビーム集束機構に設置した第３の集束コイルに流す電流値を変化させたときの電子ビームの状態を示すものである。
【図１２】電子ビーム集束機構に設置した第３の集束コイルに供給される電流値と熱電対で測定した温度との関係を示すものである。
【図１３】電子銃の集束コイル、電子ビーム集束機構に設置した第２の集束コイル及び第３の集束コイルそれぞれに所定の電流を流したときの電子ビームの状態を示す図である。
【図１４】本発明による蒸着装置における投入パワーとスタティックレートとの関係を示すものである。
【図１５】本発明による蒸着装置における成膜レートと成膜時間との関係を示すものである。
【図１６】本発明の一実施形態及び変形例における蒸着装置の概略断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一形態に係る真空処理装置は、処理室と、電子銃と、電子ビーム集束機構とを有する。上記処理室は、処理対象物が設置され、真空雰囲気を維持可能である。上記電子銃は、上記処理室に隣接して設置され、上記処理対象物を加熱する電子ビームを出射する。上記電子ビーム集束機構は、上記処理室内に設けられ、上記電子銃から出射した上記電子ビームを集束する。【００１２】
この真空処理装置によれば、電子銃から出射される電子ビームは、処理室内に設けられる電子ビーム集束機構によって集束された後、処理対象物に照射されるので、真空雰囲気の処理室内を通過することによる電子ビームの発散は抑制される。従って、最適な電子ビーム密度を確保でき、処理対象物に対する安定した処理を確保することができる。【００１３】
上記電子ビーム集束機構は、集束コイルを有する。この構成により、集束コイルによって電子ビームを集束することができる。【００１４】
上記電子ビーム集束機構は、熱電対と、制御部とを更に有してもよい。上記熱電対は、上記電子ビームの通過点における温度を測定する。上記制御部は、上記熱電対による測定結果を基に上記集束コイルに供給する電流値を制御する。
上記構成においては、熱電対により測定された電子ビームの通過点における温度を基に集束コイルに供給する電流値が制御される。従って、集束コイル電流の制御により所望の電子ビーム形状が得られる。【００１５】
上記電子ビーム集束機構は、複数の集束コイルを有していてもよい。上記熱電対は、上記各集束コイルに対応して複数配置されてもよい。
熱電対を少なくとも集束コイルに対応して設けることにより、電子ビームを所望の形状に制御することができる。【００１６】
上記電子ビーム集束機構は、熱電対と、制御部とを更に有していても良い。上記熱電対は、上記電子ビームの一通過点における温度を測定する。上記制御部は、上記熱電対による測定結果を基に上記電子ビーム集束機構内の圧力を制御する。
上記構成によれば、熱電対により測定された電子ビームの通過点における温度を基に電子ビーム集束機構内の圧力が制御される。従って、電子ビームの拡がり及び縮みは圧力によって変化するので、圧力制御により所望の電子ビーム形状が得られる。【００１７】
上記電子銃は第１の揺動コイルを有し、上記電子ビーム集束機構は第２の揺動コイルを有してもよい。上記電子ビームは、上記第１の揺動コイル及び上記の第２揺動コイルによって偏向され上記処理対象物に照射される。
これにより、第１の揺動コイル及び第２の揺動コイルを用いて電子ビームを偏向するため、電子銃及び電子ビーム集束機構以外に、電子ビームを偏向する偏向手段が不要となる。従って、蒸発材料に照射される電子ビームの制御性に優れる。【００１８】
上記処理対象物は、蒸発材料であってもよい。この場合、上記電子銃は、上記電子ビームにより上記蒸発材料を加熱する加熱源を構成する。これにより、蒸発材料上で十分なパワー密度を確保でき、蒸発レートの低下を防止できる蒸着装置を提供することができる。【００１９】
上記蒸発材料は、金属または金属酸化物とすることができる。
上記真空処理装置によれば、高真空下における電子ビームの発散が著しい金属膜の成膜であっても、電子ビーム集束機構によって電子ビームの発散は集束される。従って、蒸発源で十分なパワー密度を確保でき、蒸発レートの低下を防止することができる。【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。【００２１】
［蒸着装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る真空処理装置としてのインライン式電子ビーム蒸着装置１の概略部分斜視図である。図１では、真空蒸着室における被処理部材としてのガラス基板の搬送方向と、電子ビーム発生装置としての電子銃２０と、電子ビーム集束機構１５０との位置関係を示す。【００２２】
図２は、図１のＡ−Ａ´で切断した概略断面図である。ピアス式電子銃から発せられる電子ビームは、真空蒸着室内で偏向手段としての偏向コイル（図示しない）により偏向し蒸発源に照射されるが、図２においては、図面をわかりやすくするため、電子ビームを偏向させず直線的に蒸発材料（ターゲット）３１に照射されるように示している。【００２３】
図１に示すように、インライン式電子ビーム蒸着装置１は、ガラス基板１０が搬送、収容される処理室としての真空蒸着室５０と、真空蒸着室５０と隣接して配置される電子銃２０と、真空蒸着室５０内に設けられた電子ビーム集束機構１５０とを具備する。インライン式電子ビーム蒸着装置１では、電子銃２０から照射された電子ビーム４０によって、蒸発材料３１が加熱され、蒸発して、ガラス基板１０に蒸着膜として形成される。【００２４】
真空蒸着室５０は、ガラス基板１０の搬送方向と垂直な方向の断面が矩形状の真空チャンバ５１と、真空チャンバ５１の底面に配置された蒸発材料３１が収容された回転式リングハース３０（蒸発源）とを備える。ガラス基板１０は、真空チャンバ５１の上方で水平方向に搬送可能に設計されている。真空蒸着室５０内は真空維持可能に設計されている。【００２５】
電子銃２０は、ガラス基板１０の搬送方向からみて真空チャンバ５１の両側外壁面それぞれに取付フランジ７０により複数固設されている。電子銃２０の内部と真空蒸着室５０の内部とは連通している。【００２６】
図２に示すように、電子銃２０は、筐体２１と、筐体２１の内部に設けられたカソード室１２０と、矢印７１のようにカソード室１２０内を真空排気する真空排気系を具備する。電子銃２０は、イオンコレクタ２２と、フィラメント２３と、カソード２５と、ウェネルト２４と、アノード２６と、フローレジスタ２７と、第１の集束コイル２８と、第１の揺動コイル２９とを具備する。【００２７】
フィラメント２３は、交流電流が流されることにより、ジュール熱で発熱され、熱電子を放出するものである。【００２８】
カソード２５は、フィラメント２３に対して正の電圧を印加することによりフィラメント２３で発生し、加速された電子を受けることで加熱され、熱電子を放出するものである。【００２９】
ウェネルト２４は、フォーカス電極とも呼ばれ、カソード２５と同電位で、アノード２６との間に、電子がアノード２６の中心に向かうような電界を形成し、効率よく電子ビームを発生させるものである。【００３０】
アノード２６は、カソード２５に対し正の電位にあり、カソード２５で発生した熱電子を加速するものである。アノード２６はグランド電位７４に置かれており、カソード２５には負の電圧を印加している。アノード２６の中心部にある孔を電子ビームが通過する。【００３１】
電子ビームと雰囲気中の残留気体との衝突等で発生したイオンはアノード２６とカソード２５の電圧で加速され、カソード２５をスパッタして孔を形成する。長時間の使用によりカソード２５を貫通する孔が形成されたときに、イオンビームを受け、筐体２１にダメージを与えないように、イオンコレクタ２２が設けられている。【００３２】
フローレジスタ２７は、コンダクタンスを小さくし、カソード室２０内の圧力を低く保つものである。【００３３】
第１の集束コイル２８は、発生する磁場により、アノード２６を通過したビームをリングハース３０に収容される蒸発材料３１上で集束させるものである。集束コイル２８は、例えば５２０ターンのコイルであり、カソード２５の表面から例えば１００ｍｍ離れた位置に設置されている。【００３４】
第１の揺動コイル２９は、リングハース３０に収容される蒸発材料３１上で電子ビームをスキャン又はスイープさせるものである。【００３５】
フィラメント２３はフィラメント電源７０に接続され、フィラメント２３及びカソード２５はカソード電源７２に接続されている。フィラメント電源７０からフィラメント２３に通電すると、フィラメント２３が加熱されて熱電子を発生させる。また、カソード電源７２によりフィラメント２３とカソード２５との間には電圧が印加される。この熱電子の衝突及びフィラメント２３からの輻射熱により、カソード２５が加熱されて、カソード２５の表面から熱電子を放出するようになっている。カソード２５及びウェネルト２４とアノード２６とは、加速電源７３に接続されている。この加速電源７３によりカソード２５とアノード２６との間に電圧を印加し、カソード２５の表面から放出された熱電子をアノード２６に向かって加速することにより電子ビームが形成される。なお、ウェネルト２４とアノード２６との間の電位勾配により、カソード２５の表面から放出された熱電子はアノード２６に向かって集束するようになっている。【００３６】
電子ビーム集束機構１５０は、ガラス基板１０の搬送方向からみて真空チャンバ５１の両側内壁面それぞれに、各電子銃２０と対応して複数設置されている。【００３７】
電子ビーム集束機構１５０は、外形が円筒型の筐体６０と、筐体６０内に設けられたビーム輸送管５５と、筐体６０内に設けられビーム輸送管５５の周りに設けられた第２の集束コイル５２（電子ビーム集束機構の第１集束コイル）と、第３の集束コイル５３(電子ビーム集束機構の第２集束コイル)と、第２の揺動コイル５４と、ビーム輸送管５５に設けられた熱電対５６〜５９とを具備する。【００３８】
ビーム輸送管５５は例えばＣｕ製の円筒構造を有し、図示しない冷却手段により冷却可能となっている。【００３９】
第２の集束コイル５２、第３の集束コイル５３は、例えば５００ターンのコイルであり、３Ａまでの電流が流せる構造となっている。本実施形態においては、第２の集束コイル５２及び第３の集束コイル５３は、カソード２５の表面から、それぞれ３００ｍｍ、５００ｍｍ離れた位置に設置されている。【００４０】
第１の集束コイル２８、第２の集束コイル５２及び第３集束コイル５３は、それぞれ電子ビーム４０が発散状態にあるときに対応して設けられ、各集束コイルにより発散状態の電子ビームは集束される。電子ビームの進行方向をｙ軸とし、電子ビームの広がり方向をｚ軸としたときに、電子ビームのｄｚ／ｄｙの値が小さく、電子ビームの直径が所定の値以下となるような位置に対応して集束コイルが設けられる。【００４１】
第２の揺動コイル５４は、第１の揺動コイル２９と同一の構成とすることができる。例えば、電子銃２０から見たｘ軸の揺動周波数は５００Ｈｚ、ｙ軸の揺動周波数は２２２Ｈｚ、ポジションの移動周波数はそれぞれ５０Ｈｚ〜１００Ｈｚである。【００４２】
熱電対５６〜５９は電子ビーム４０のビームパスに沿って複数配置される。熱電対５６〜５９は、電子ビーム４０のその通過点における温度を検知するセンサである。熱電対５６は第２の集束コイル５２に対応して、熱電対５７は第３の集束コイル５３に対応して配置されている。熱電対５８は第２の集束コイル５２と第３の集束コイル５３の間に対応して配置され、熱電対５９は電子ビーム集束機構１５０の電子ビームが出射される側の端部付近に配置される。【００４３】
本実施形態においては熱電対を４つ設けたが、熱電対を少なくとも集束コイルに対応した位置に配置すればよく、例えば２つの集束コイルを設ける場合には熱電対を２つ設ければよい。また、集束コイルの数に限定されずに電子ビーム４０のビームパスに沿って、集束コイルの数より多い数を設けてもよく、熱電対が多いほど、より正確な電子ビーム形状を把握することができる。【００４４】
熱電対５６〜５９による測定結果は制御部６１に入力され、その結果を基に制御部６１によって、第１の集束コイル２８、第２の集束コイル５２及び第３の集束コイル５３、または第２の集束コイル５２及び第３の集束コイル５３に供給する電流がそれぞれ設定される。制御部６１は、真空チャンバ５１の外部に設置されている。【００４５】
本実施形態においては、熱電対の温度測定結果を基に集束コイルに供給する電流を設定して、蒸発材料３１における電子ビーム４０の照射点で十分なパワー密度が確保できるように電子ビーム４０の集束状態を制御しているが、これに限定されるものではない。例えば、熱電対５６〜５９の温度測定結果を基に、制御部（図示せず）によって、ビーム輸送管５５内の圧力を調整、設定してもよい。すなわち、電子ビームの拡がり方及び縮み方は真空度によって変化するため、真空度を調整することによって、電子ビーム４０の集束状態を制御することができる。具体的には、第２の集束コイル５２と第３の集束コイル５３との間に真空排気系を設け、更に圧力調整のためにＡｒ等の不活性ガスを供給する機構を設け、熱電対の温度測定結果から、これら真空排気系及び不活性ガス供給機構を用いて真空度を調整することが考えられる。あるいは、第１の集束コイル２８と第２の集束コイル５２との間、または第１の集束コイル２８と第２の集束コイル５２との間及び第２の集束コイル５２と第３の集束コイル５３との間の両方に真空排気系を設けてもよい。【００４６】
本実施形態において、真空蒸着室５０内に電子ビーム集束機構１５０を設けることにより、カソード室１２０から照射された電子ビーム４０は、電子ビーム集束機構１５０を通過した後、蒸発材料３１に照射される。これにより、高真空中の真空蒸着室５０内での電子ビーム４０の発散は電子ビーム集束機構１５０により集束されるので、電子ビーム４０の照射点となる蒸発材料３１で十分なパワー密度を確保でき、発散による蒸発レートの低下を防止することができる。また、フラットパネルディスプレイを構成する大型基板上に例えばＡｌからなる配線を形成するためＡｌの金属膜を成膜する場合、大面積の成膜となるため、設計上、蒸発源とピアス式電子銃との距離を長くする必要がある。しかし、このような場合においても、電子ビーム集束機構１５０を設けることにより、蒸発レートの低下が防止されるので、大面積での蒸着成膜を実現することが可能となる。【００４７】
ここで、酸化物の成膜ではプロセスガスを導入するため電子ビームの発散の問題が著しくないが、金属膜の成膜では電子ビームの発散の問題が著しい。そのため、本実施形態のような電子ビーム集束機構１５０を備えた蒸着装置１は、金属膜の蒸着の際、特に有効である。【００４８】
上述の実施形態において、電子銃２０として集束コイルを１つ設けた構成を示したが、図３に示すように、集束コイルを２つ設けた電子銃２２０を用いてもよい。図３において、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、その説明を省略する。また、図３においては、真空蒸着室５０及び電子ビーム集束機構１５０等の図示を省略している。【００４９】
図３におけるピアス式電子銃２２０は、第１のフローレジスタ２２７、第２のフローレジスタ２２８、集束コイル２２１及び２２２、揺動コイル２２３、及び矢印２７１で示されるように中間室を真空排気する排気系を更に具備する。図３においては、２段排気系となっているが、これは真空蒸着室との差圧を確保するためである。一般的にピアス式電子銃の電子放出源には間接加熱式のタングステン製カソードを使用する。カソード表面からの単位面積あたりの熱電子放出量は、リチャードソン−ダッシュマンの式で示されるように温度により決まる。大きなビーム電流値を得るためには大きな直径のカソードが必要になるので、アノードの孔の直径及びフローレジスタの孔の直径は大きくなる。このため、コンダクタンスが大きくなり、真空蒸着室との差圧を確保するために２段排気系が必要になる。【００５０】
また、上述の実施形態において、電子ビーム集束機構１５０に第２の揺動コイル５４を設けたが、電子銃２０、電子ビーム集束機構１５０及びビーム照射点の位置関係により省略してもよい。また、集束コイル５２と集束コイル５３との間に第２の揺動コイル５４を配置してもよい。【００５１】
上述の実施形態において、電子ビーム集束機構１５０の集束コイルを２段としたが、これに限定されるものではなく、電子ビームの輸送距離、電子ビーム４０のパワー密度及び真空蒸着室５０雰囲気により、１段にしてもよく、また３段以上としてもよい。【００５２】
蒸着材料３１としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏなどの金属や、ＭｇＯなどの金属酸化物が適用可能である。特に、上述したように、金属膜の成膜では高真空下で電子ビームを輸送するために、電子ビームの発散の問題が著しいため、大面積の基板上に電極を形成するために、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏなどの金属膜を蒸着する際、本実施形態の蒸着装置１に示すような電子ビーム集束機構１５０を使用することは特に有効である。【００５３】
［比較例に係る蒸着装置］
ここで、比較例として、電子ビーム集束機構１５０を具備しない従来の蒸着装置について説明する。【００５４】
図４は、従来の蒸着装置における電子銃の投入パワーを１２．８ｋＷとした場合の、真空蒸着室圧力と酸化マグネシウムの成膜レートとの関係を示す図である。図５は、加速電圧３０ｋＶのピアス式電子銃を使用し、ビーム電流４００ｍＡの電子ビームを、カソード表面から７５０ｍｍの距離に設置したＷ製ターゲット表面へ照射したときの、プロセス室圧力と電子ビーム直径との関係を示す図である。【００５５】
図４に示すように、１．０×１０−２Ｐａ前後の圧力領域では、ピアス式電子銃から発射された電子は、真空蒸着室の残留気体と衝突し、衝突により発生した正イオンが電子ビームを中和し、電子の負電荷同士の反発を中和し、電子ビームは集束状態を維持する。３×１０−３Ｐａ以下の圧力では、真空蒸着室の残留気体の量が少なく、負電荷同士の反発により電子が発散し、パワー密度が低下し成膜レートは低くなる。一方、３×１０−２Ｐａ以上の圧力では、真空蒸着室の残留気体の量が多いため、電子はこの残留気体との衝突による損失で蒸発源に到達する電子電流が減少し、成膜レートは低くなる。【００５６】
図５に示すように、プロセス圧力が１．０×１０−２Ｐａより低くなると、残留気体による負電荷同士の反発に対する中和作用の効果が減少し、電子ビームが発散していることが確認できる。【００５７】
図６に、加速電圧３０ｋＷ、ビーム電流を１Ａ及び２Ａとしたときの中和作用の効果が全くない場合のビームの拡がり状態をシミュレーションした結果を示す。ビーム電流１Ａのときカソード表面から７５０ｍｍの距離ではビーム直径は約１２０ｍｍになる。これらから、加速電圧３０ｋＶの電子銃ではプロセス圧力が約５×１０−３Ｐａ〜５×１０−２Ｐａの領域では、電子銃から発射された電子は、図７（ａ）に示すように集束した状態でターゲットに照射され、１×１０−３Ｐａより低い圧力領域では電子は図７（ｂ）に示すように発散し、パワー密度が低下し蒸発レートは大幅に低下する。【００５８】
このように、従来の蒸着装置においては、真空蒸着室の圧力、電子ビームの電流値（電子の密度）及び雰囲気のインピーダンス（残留気体の種類）等によって電子ビームの集束状態が変化し、成膜レートが大幅に変動する。このため、安定した成膜を行うことが困難である。【００５９】
［本実施形態における蒸着装置の評価］
次に、上述した本発明の一実施形態における、電子ビーム集束機構１５０を備えた蒸着装置１について説明する。【００６０】
上述したように、蒸着装置１では、電子銃２０の第１の集束コイル２８、電子ビーム集束機構１５０の第２の集束コイル５２及び第３の集束コイル５３は、カソード２５の表面から、それぞれ１００ｍｍ、３００ｍｍ、５００ｍｍ離れた位置に設置されている。図８は、第１の集束コイル２８に２．５Ａ，第２の集束コイル５２に２．０Ａの電流を流した場合の磁束密度分布である。更に、第３の集束コイル５３に２．０Ａの電流を流した場合、図８に示す磁束密度分布に、更にカソードからの距離５００ｍｍの位置に約２３０ガウスのピークが現れた磁束密度分布を持つ集束磁場を発生させることができる。【００６１】
図９は、上述に示す蒸着装置１の構成において、真空蒸着室５０内の圧力を１．５×１０−５Ｐａとし、第１の集束コイル２８に２．５Ａの電流を流し、第３の集束コイル５３には電流を流さず、第２の集束コイル５２に流す電流値を変化させたときの電子ビームの状態をシミュレーションした結果である。図１０は、同じ条件下での、第３の集束コイル５３に対応して配置された熱電対５７による温度測定結果を示す。図９において、縦軸の半径ｒとは、電子ビームの進行方向と垂直な平面における円形状の電子ビームの半径ｒである。【００６２】
図１０に示すように、第２の集束コイル５２に流す電流値が２．５Ａのときに、温度は最小値を示した。【００６３】
図１１は、上述に示す蒸着装置１の構成において、真空蒸着室５０内の圧力を１．５×１０−５Ｐａとし、第１の集束コイル２８に２．５Ａの電流を流し、第２の集束コイル５２に２．０Ａの電流を流し、第３の集束コイル５３に流す電流値を変化させたときの電子ビームの状態をシミュレーションした結果である。図１２は、同じ条件下での、熱電対５９による温度測定結果を示す。【００６４】
図１１に示すように、電子銃２０のカソード２５から７５０ｍｍの位置に蒸発材料３１を配置する場合、蒸発材料３１上で最も電子ビームが絞れた時の第３の集束コイル５３に流す電流値は２．０Ａであった。【００６５】
また、図１０及び図１２に示すように、電子ビーム４０の拡がり状態は、熱電対による温度で把握できることが確認された。すなわち、電子ビーム４０の直径が大きいと、熱電対で測定される温度が高くなる。また、熱電対による温度測定により、Ｃｕ製のビーム輸送管５５を損傷させるような異常温度を検出できるため、Ｃｕ製のビーム輸送管に孔があくのを防止するように制御することができる。【００６６】
以上のシミュレーション結果から、第１の集束コイル２８に流す電流を２．５Ａ、第２の集束コイル５２に流す電流を２．０Ａ、第３の集束コイル５３に流す電流を２．０Ａとし、この場合における電子ビームの状態を図１３に示す。【００６７】
図１３に示すように、電子ビーム４０が発散（ｒが増加）する状態部分に対応して集束コイルを配置することにより電子ビーム４０は集束される。【００６８】
上述した蒸着装置１において、第１の集束コイル２８、第２の集束コイル５２及び第３の集束コイル５３を、カソード２５から、それぞれ１００ｍｍ、３００ｍｍ、５００ｍｍ離れた位置に設置し、カソード２５から蒸発材料３１までの距離を７５０ｍｍとし、蒸発材料としてＭｏを用い、Ｍｏ膜を成膜した。図１４に、投入パワーとスタティックレートとの関係を示す。スタティックレートは、蒸発材料３１から６５０ｍｍの真上に設置したＣＲＴＭ（水晶振動子）で測定した。【００６９】
まず、従来の蒸着装置と同様に電子ビーム集束機構１５０がない状態を想定して、電子ビーム集束機構１５０の第２の集束コイル５２及び第３の集束コイル５３に電流を流さずに真空蒸着室５０の圧力を１．０×１０−２Ｐａに設定して成膜した。１．０×１０−２Ｐａでは正イオンによる中和作用により電子ビームは集束するため、投入パワー１０．３ｋＷで６５．８オングストローム／ｓｅｃ、１４ｋＷで１３７．９オングストローム／ｓｅｃのスタティックレートになった。【００７０】
次に、真空蒸着室５０の圧力を１．５×１０−５Ｐａとし、電子ビーム集束機構１５０の第２の集束コイル５２及び第３の集束コイル５３に電流を流さずに、蒸発材料３１に電子ビーム４０を照射した。正イオンによる中和作用が少ないため、２４ｋＷを投入してもＭｏはほとんど蒸発しなかった。【００７１】
そこで、真空蒸着室５０内を圧力１．５×１０−５Ｐａという高真空雰囲気とし、電子ビーム集束機構１５０の第２の集束コイル５２に２．０Ａ、第３の集束コイル５３に２．０Ａの電流を流し、かつ、電子ビームの集束状態を熱電対でモニタしながら成膜した。その結果、投入パワー１０ｋＷで７１オングストローム／ｓｅｃ、１５ｋＷで１５７．９オングストローム／ｓｅｃのスタティックレートという、好ましい成膜レートが得られた。すなわち、高真空雰囲気下であっても、電子ビーム集束機構１５０を設け、該機構１５０で電子ビームの集束を行うことにより、電子ビーム集束機構１５０がない状態であって真空蒸着室５０内の圧力が１．０×１０−２Ｐａの時とほぼ同等の成膜レートを達成することができた。【００７２】
また、蒸発材料３１上の電子ビーム４０の直径が約２０ｍｍとなっていることを目視で確認でき、充分集束していることが確認された。【００７３】
更に、投入パワー１５ｋＷで電子ビームの集束状態を熱電対でモニタし、且つ熱電対で測定した温度が、設定した範囲になるように第２の集束コイル５２、第３の集束コイル５３の電流値を調整しながら２２０時間の成膜を行った。その結果、図１５に示すように、長時間の連続運転において安定した成膜レートが得られた。【００７４】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。【００７５】
図１６は、本発明における蒸着装置における電子銃２０、電子ビーム集束機構１５０、偏向コイル８０及び蒸発材料３１との位置関係を示す概略断面図である。図１６（ａ）は、上述した図１及び図２に示す一実施形態における蒸着装置１に係る概略断面図であり、図１６（ｂ）〜（ｅ）は変形例である。【００７６】
図１及び図２においては図示を省略したが、図１６（ａ）に示すように、上述の実施形態における蒸着装置１では、偏向コイル８０を蒸発材料３１の近傍に配置している。偏向コイル８０により、電子銃２０から出射し、電子ビーム集束機構１５０を通過した電子ビームは、偏向コイル８０により偏向され、蒸発材料３１に照射される。なお、偏向コイル８０の他に、永久磁石を用いることもできる。【００７７】
図１６（ｂ）は変形例１を示す。変形例１では、偏向コイル８０に加え、電子ビーム集束機構１５０´に設置した第２の揺動コイル５４も使用して電子ビームを偏向させている。正イオンによる中和作用が多少見込める雰囲気で使用できる。【００７８】
図１６（ｃ）は変形例２を示す。変形例２では、変形例１の構成に加え、電子銃２０´に設置した第１の揺動コイル２９も偏向に使用した。電子ビーム集束機構１５０´内部への着膜が課題となるが、電子ビーム形状の制御が容易になるため、蒸発量の少ないプロセスや連続運転時間が短いプロセスに使用できる。【００７９】
図１６（ｄ）は変形例３を示す。上述の実施形態では、電子銃２０（２０´）は、長手方向が水平となるように配置されている。これに対し、変形例３では、電子銃２０´及び電子ビーム集束機構１５０´を蒸発材料３１に向けて斜めに傾けて設置している。電子ビーム形状の制御が容易になるため、蒸発量の少ないプロセスや連続運転時間が短いプロセスに使用できる。【００８０】
図１６（ｅ）は変形例４を示す。変形例４では、電子ビーム集束機構１５０´に設置した第２の揺動コイル５４と、電子銃２０´に設置した第１の揺動コイル２９とを偏向に使用し、偏向コイル８０を使用していない。偏向コイル８０を使用しないため、電子ビーム直径がかなり絞れ、蒸発材料３１でのビーム制御性に優れる。また、強磁性体の成膜プロセスに適用できる。【００８１】
また、以上の実施形態では、第２の集束コイル５２、第３の集束コイル５３の設置位置を上述したような距離に設定したが、これらの条件はあくまでも一例であり、電子ビームの出力や所望とするビーム径、蒸発材料３１の設置場所等に応じて、適宜変更可能である。図１ではインライン式蒸着装置を使用して本発明に係る実施形態を説明したが、基板を静止させて成膜する蒸着装置、基板を回転して成膜する蒸着装置に本発明を適用してもよい。また、インライン式に限らず、ロードロック式蒸着装置やバッチ式蒸着装置に本発明を適用してもよい。【００８２】
さらに、以上の実施形態では、真空処理装置として電子ビーム蒸着装置を例に挙げて説明したが、これに限られず、電子ビームを用いた各種処理装置、例えば、表面処理装置、真空熱処理装置、真空溶解炉、真空精製炉などにも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１…蒸着装置
２０…電子銃
５０…真空蒸着室
２８…第１の集束コイル
２９…第１の揺動コイル
５４…第２の揺動コイル
３１…蒸発材料
４０…電子ビーム
５２…第２の集束コイル
５３…第３の集束コイル
５６〜５９…熱電対
６１…制御部
１５０…電子ビーム集束機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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