(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極と蒸着材料とトリガ電極とを有し、
前記アノード電極と蒸着材料との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電を発生させ、前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電を誘起させると、前記蒸着材料から該蒸着材料を構成する物質が放出されるように構成された同軸型真空アーク蒸着源であって、
絶縁部材と、前記蒸着材料と、前記トリガ電極とを有する着脱部と、
前記着脱部を支持する基台部とが設けられ、
前記トリガ電極は、前記絶縁部材上に前記蒸着材料とは非接触の状態で固定され、
前記着脱部は前記基台部に着脱できるように構成され、
前記トリガ電極は、前記蒸着材料に含まれる１種又は２種以上の物質で構成されたことを特徴とする同軸型真空アーク蒸着源。
【請求項２】
前記絶縁部材は前記蒸着材料側面に設けられたことを特徴とする請求項１記載の同軸型真空アーク蒸着源。
【請求項３】
前記アノード電極は筒体状に形成され、
前記蒸着材料は円柱状に形成され、
前記着脱部は、前記蒸着材料の中心軸線を前記アノード電極の中心軸線に略一致させて前記アノード電極内に装着できるように構成されたことを特徴とする請求項２記載の同軸型真空アーク蒸着源。
【請求項４】
真空槽を有し、該真空槽に請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源が設けられたことを特徴とする蒸着装置。
【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、高純度の薄膜を形成できる同軸型真空アーク蒸着源、及びその同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置に関する。
【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、従来技術の蒸着装置であり、真空槽１０１を有している。真空槽１０１底面には、同軸型真空アーク蒸着源１０３が配置されており、天井側には基板ホルダ１０５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を有しており、該アノード電極１３０内には、カソード部１４０が配置されている。
【０００５】
カソード部１４０は、絶縁部材１４１と、トリガ電極１４２と、蒸着材料１４３と、取付台１４５とを有している。
絶縁部材１４１は、円筒形形状にされており、取付台１４５と蒸着材料１４３は円柱形形状に成形され、絶縁部材１４１内部に挿入されている。
【０００６】
絶縁部材１４１内部では、取付台１４５は奥側に、蒸着材料１４３は先端付近に配置されており、蒸着材料１４３の下端部は、取付台１４５の上端部に密着固定され、上端部は絶縁部材１４１先端から突き出されている。
【０００７】
絶縁部材１４１の先端には、リング形形状のトリガ電極１４２が装着されており、従って、蒸着材料１４３側面とトリガ電極１４２表面とは、非接触の状態で近接配置されている。
【０００８】
真空槽１０１の外部には、トリガ電源１４６とアーク電源１４７とが配置されている。各電源１４６、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、蒸着材料１４３に、取付台１４５を介して負電圧を印加しておく。
その状態でトリガ電源１４６を起動し、トリガ電極１４２にパルス電圧を印加すると、トリガ電極１４２と蒸着材料１４３との間でトリガ放電が発生する。
【００１１】
図３(ｂ)の符号ｉ1は、トリガ放電によって流れたトリガ電流を示しており、そのトリガ電流ｉ1により、蒸着材料１４３側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内を直線的に流れる。
アーク電流ｉ2により形成される磁界は、正電荷に対し、アーク電流ｉ2の向きとは反対方向、即ち、アノード電極１３０内から真空槽１０１内に向かう方向の力Ｆを及ぼす。
【００１４】
蒸着材料１４３から成る蒸気中には、正帯電の微小粒子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正帯電の微小粒子１５１は力Ｆの影響を受け、アノード電極１３０の開口部１４９から真空槽１０１内に向けて放出される。
【００１５】
蒸着材料１４３の中心軸線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、基板１０８に到達すると、その表面に薄膜を成長させる。
【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の構成物質から成る巨大粒子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】
このように、アーク電流ｉ2が流れている間に、微小粒子１５１が薄膜を成長させるが、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、必要な回数だけトリガ放電を繰り返し発生させることで、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、Ｃｏ、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】
ところが上記基板１０８表面に形成された薄膜を精密に分析してみると、蒸着材料１４３以外の物質が不純物として検出される場合がある。
その不純物を同定してみると、ＣｒやＮｉであった。例えば、蒸着材料１４３を高純度のＦｅで構成し、Ｆｅ薄膜を形成してみると、Ｆｅ中に微量のＣｒやＮｉが観察されるが、トリガ電極１４２はステンレスで構成されており、ＣｒやＮｉを含むため、Ｆｅ薄膜中の不純物はトリガ電極１４２に由来すると考えられる。
【００２１】
近年では、薄膜の高純度化、高品質化が増々求められているため、形成される薄膜中に上記のような不純物を混入させない蒸着装置が必要になる。
【００２２】
【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、一層高純度の薄膜を形成できる技術を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記のように、トリガ放電はアーク放電を誘起するために必要であるが、本発明の発明者等は、トリガ電流が流れる際に、トリガ電極１４２から、トリガ電極１４２を構成する物質が微少量放出されていることを見出した。
【００２４】
そのため、蒸着材料１４３から放出された微小粒子中に、トリガ電極１４２を構成する物質の微小粒子が混入し、形成される薄膜中に取り込まれると、不純物となってしまうと考えられる。
【００２５】
本発明は上記知見に基いて創作されたものであり、請求項１記載の発明は、アノード電極と蒸着材料とトリガ電極とを有し、前記アノード電極と蒸着材料との間に電圧を印加した状態で、トリガ電極と前記蒸着材料との間にトリガ放電を発生させ、前記アノード電極と前記蒸着材料との間にアーク放電を誘起させると、前記蒸着材料から該蒸着材料を構成する物質が放出されるように構成された同軸型真空アーク蒸着源であって、絶縁部材と、前記蒸着材料と、前記トリガ電極とを有する着脱部と、前記着脱部を支持する基台部とが設けられ、前記トリガ電極は、前記絶縁部材上に前記蒸着材料とは非接触の状態で固定され、前記着脱部は前記基台部に着脱できるように構成され、前記トリガ電極は、前記蒸着材料に含まれる１種又は２種以上の物質で構成されたことを特徴とする。
【００２６】
この同軸型真空アーク蒸着源によれば、トリガ電極を構成する物質が薄膜中に取り込まれても、その物質は、本来の構成物質に含まれる物質なので、薄膜中に不純物が含まれなくなる。
【００２７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の同軸型真空アーク蒸着源であって、前記絶縁部材は前記蒸着材料側面に設けられたことを特徴とする。
【００２８】
トリガ電極を蒸着材料に含まれる物質で構成した場合、蒸着材料の種類を替えるとトリガ電極の種類も替える必要がある。従って、蒸着材料とトリガ電極とが一対一に対応するように、蒸着材料とトリガ電極及び絶縁部材とで着脱部を構成させ、一体に交換可能に構成しておくとよい。
【００２９】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の同軸型真空アーク蒸着源であって、前記アノード電極は筒体状に形成され、前記蒸着材料は円柱状に形成され、前記着脱部は、前記蒸着材料の中心軸線を前記アノード電極の中心軸線に略一致させて前記アノード電極内に装着できるように構成されたことを特徴とする。
【００３０】
この構成によれば、アーク電流はアノード電極の中心軸線上を流れ、その形成する磁界により、蒸着材料から放出された正帯電の微粒子に、アノード電極の開放口に向かう力を及ぼすので、蒸着材料から放出された巨大粒子をアノード電極に付着させ、除去することが可能になる。
【００３１】
また、請求項４記載の発明は、蒸着装置であって、真空槽を有し、該真空槽に請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の同軸型真空アーク蒸着源が設けられたことを特徴とする。
【００３２】
この蒸着装置によれば、同軸型真空アーク蒸着源の開放口に成膜対象物を対向配置させると、その表面に、高純度の薄膜を形成することが可能になる。
【００３４】
このように、トリガ電極は薄膜中に混入した場合に不純物とならない物質で構成すればよい。この場合、トリガ電極から放出される微小粒子の量は微少なので、蒸着材料が２種以上の物質で構成されていれば、トリガ電極を蒸着材料と同一物質で構成する他、蒸着材料を構成する物質のうち、いずれか１種類以上の物質で構成すればよく、望ましくは含有率が最大の物質で構成すればよい。
【００３５】
【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の一例であり、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、同軸型真空アーク蒸着源３が配置されている。
同軸型真空アーク蒸着源３は、底板４８と、アノード電極３０と、カソード部４０とを有しており、底板４８は真空槽１の底壁に固定されている。
【００３６】
アノード電極３０は、円筒形形状の金属材料で構成されており、下端は底板４８上に固定され、上端の開放部分は真空槽１天井側に向けられている。
カソード部４０は、着脱部５０と基台部６０とで構成されており、基台部６０は底板４８に固定され、着脱部５０は、基台部６０に着脱自在に取り付けられている。
【００３７】
着脱部５０は、略円筒形形状の絶縁性材料から成る絶縁部材５１と、リング形形状のトリガ電極５２と、成膜対象の物質が円柱形形状に成形された蒸着材料５３とを有している。着脱部５０を図２に示す。
【００３８】
絶縁部材５１は、筒体部５１aと、該筒体部５１a下端に形成されたフランジ部５１bとで構成されており、蒸着材料５３の外径は、筒体部５１a及びフランジ部５１bの内径と略等しく形成され、両端部分が突き出された状態で、絶縁部材５１中に挿入されている。トリガ電極５２の内径は、筒体部５１aの外径と略等しく形成され、また、その長さは筒体部５１aの長さと略等しく形成されており、絶縁部材５１の筒体部５１a周囲に装着されている。
【００３９】
基台部６０は、略円筒形形状の絶縁台６１及びスペーサ６２と、円柱形形状の取付台６３とを有しおり、取付台６３の外径は、絶縁台６１及びスペーサ６２の内径と略等しくされ、該絶縁台６１及びスペーサ６２内に挿通されている。
【００４０】
絶縁台６１は底板４８に固定されており、取付台６３は、真空槽１とは絶縁された状態で、且つ真空槽１内の気密状態を維持した状態で、その下端部が真空槽１外部に導出されている。
【００４１】
取付台６３の上端部は、スペーサ６３上部表面より、やや奥側に配置されており、スペーサ６３の上端部には、蒸着材料５３の下端部が挿入され、取付台６３先端部に当接されている。
【００４２】
その状態では、絶縁部材５１のフランジ部５１b底面と、スペーサ６２の上端部表面とは密着した状態になっている。スペーサ６２上端部側面にはねじ穴が形成されており、そのねじ穴にねじ６８を螺合させ、蒸着材料５３側面のスペーサ６２内に挿入された部分を、ねじ６８先端部で押圧すると、蒸着材料５３は基材６０に固定され、従って、着脱部５０は基台部６０に取り付けられる。
【００４３】
スペーサ６２と取付台６３とは金属材料で構成されており、ねじ６８によって蒸着部５０が基台部６０に取り付けられた状態では、蒸着材料５３と取付台６３とは、互いに電気的に接続される。
【００４４】
また、蒸着部５０が基台部６０に取り付けられた状態では、蒸着材料５３の中心軸線と、取付台６３の中心軸線とは一致し、且つ、アノード電極３０の中心軸線とも一致した状態になるように構成されている。更に、蒸着材料５３上端部は、絶縁部材５１先端から突き出されているため、その部分の側面は、アノード電極３０の内周面と向き合った状態になっている。
【００４５】
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、各電源４６、４７の負電位側の端子は、真空槽１外部に導出された取付台６３に接続されている。
【００４６】
他方、トリガ電源４６の正電位側の端子はトリガ電極５２に接続され、アーク電源４７の正電位側の端子はアノード電極３０に接続されており、その結果蒸着材料５３に負電圧を、アノード電極３０とトリガ電極５２に正電圧を印加できるように構成されている。
【００４７】
上記構成の蒸着装置１０を用い、蒸着材料５３を構成する物質の薄膜を形成する場合、真空槽１内の天井側に基板(成膜対象物)８を配置し、真空槽１内部を真空排気しながら基板８を所定温度まで昇温させた後、アーク電源４７を起動し、アノード電極３０と蒸着材料５３の間に電圧を印加しておく(印加電圧の極性は、アノード電極３０側が正電圧である)。
【００４８】
その状態でトリガ電源４６を動作させ、比較的高電圧のトリガ電圧をトリガ電極５２に印加すると、トリガ電極５２と蒸着材料５３の間にトリガ放電が発生し、トリガ電極５２から蒸着材料５３に向けてトリガ電流が流れる。
【００４９】
トリガ電流が流れ、蒸着材料５３が一部蒸発すると、アノード電極３０内の圧力が上昇し、その結果、アノード電極３０と蒸着材料５３の間にアーク放電が誘起される。
【００５０】
そのアーク電流は大電流であるため、蒸着材料５３側面が溶融し、蒸着材料５３を構成する物質が蒸気となって大量に放出される。その蒸気中に含まれる正帯電の微小粒子には、アーク電流が流れる方向とは逆向きの力が加わるので、アーク電極３０の開放口から真空槽１内に放出される。
【００５１】
基板８は、同軸型真空アーク蒸着源３の開放口と対向配置されており、真空槽１内に放出された微小粒子４９は、基板８方向に向けて飛行し、その表面に付着して薄膜を成長させる。
【００５２】
ところで、カーボン(グラファイト)、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ等の物質から成る薄膜を形成する場合、蒸着材料５３はそれらの材料で構成されるが、この着脱部５０では、トリガ電極５２は、蒸着材料５３と同じ物質で構成されている。
【００５３】
従って、トリガ放電が発生した際に、トリガ電極５２を構成する物質が微小粒子となってアノード電極３０内に放出されても、その微小粒子は、蒸着材料５３から放出された蒸気と同一物質であり、アーク電流が形成する磁界によって真空槽１内に放出され、基板８表面に到達しても、薄膜の不純物になることはない。
このように、本発明の同軸型真空アーク蒸着源３を用いれば、基板８表面に高純度の薄膜を成長させることが可能になっている。
【００５４】
アーク放電が維持されている間、真空槽１内に蒸着材料５３の正に帯電した微粒子が放出され、基板８表面に薄膜が成長するが、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表面に薄膜を成長させる。
【００５５】
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、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。
【００５６】
このように、同軸型真空アーク蒸着源３では、蒸着材料５３から多量の蒸気を放出させるため、多数の基板表面に薄膜を形成すると蒸着材料５３が消耗してしまう。
【００５７】
この同軸型真空アーク蒸着源３では、ねじ６８をゆるめ、消耗した着脱部５０を取り外し、新しい着脱部を取り付けることで薄膜形成作業を再開できるようになっている。
【００５８】
以上は、トリガ電極５２を蒸着材料５３と同じ物質で構成させたが、トリガ電極５２から放出される微小粒子は微量なので、蒸着材料が２種類以上の物質で構成される場合、蒸着材料を構成する物質の１種又は２種以上の物質でトリガ電極を構成してもよく、望ましくは蒸着材料を構成する物質のうち、含有率が高い１種又は２種以上の物質で構成してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を用い、より高純度の薄膜を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の蒸着装置
【図２】本発明の同軸型真空アーク蒸着源の着脱部を説明するための図
【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】同軸型真空アーク蒸着源を用いた従来技術の蒸着装置を説明するための図
【符号の説明】
１……真空槽    ３……同軸型真空アーク蒸着源    ８……成膜対象物    １０……蒸着装置    ３０……アノード電極      ５０……着脱部    ５１……絶縁部材    ５２……トリガ電極    ５３……蒸着材料    ６０……基台部
【図１】
0004149565.tif 000002
【図２】
0004149565.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004149565.tif 000005