(57)【要約】【課題】連続して多数の電子ビームパルスを発生することが可能なパルス電子ビーム発生装置およびこの装置を用いたパルス電子ビーム成膜装置を得る。【解決手段】パルス状の電子ビームを発生するためのパルス電子ビーム発生部（８a）と、絶縁材料で構成された中空のチューブであって、パルス電子ビーム発生部（８a）に連結され、発生させた電子ビームをターゲット表面に案内するためのガイドチューブ（８ｂ）とを備えるパルス電子ビーム発生装置（８）において、ガイドチューブ側面の少なくとも一部を被覆する筒状構造物（８ｃ）を、ガイドチューブ（８ｂ）表面と空隙を設けて取り付ける。【選択図】図１
2009043613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状の電子ビームを発生するためのパルス電子ビーム発生部と、
絶縁材料で構成された中空のチューブであって、前記パルス電子ビーム発生部に連結され、前記発生させた電子ビームをターゲット表面に案内するためのガイドチューブと、を備えるパルス電子ビーム発生装置において、
前記ガイドチューブ側面の少なくとも一部を被覆する筒状構造物を、前記ガイドチューブ表面と空隙を設けて取り付けたことを特徴とする、パルス電子ビーム発生装置。
【請求項２】
パルス状の電子ビームを発生するためのパルス電子ビーム発生部と、
絶縁材料で構成された中空のチューブであって、前記パルス電子ビーム発生部に連結され、前記発生させた電子ビームをターゲット表面に案内するためのガイドチューブと、を備えるパルス電子ビーム発生装置において、
前記ガイドチューブ側面の一部を繊維性のシート状構造体で被覆したことを特徴とする、パルス電子ビーム発生装置。
【請求項３】
請求項１に記載のパルス電子ビーム発生装置であって、前記シート状構造体はガラスウールまたはセラミッククロスで構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のパルス電子ビーム発生装置。
【請求項４】
パルス状の電子ビームを発生するためのパルス電子ビーム発生部と、
絶縁材料で構成された中空のチューブであって、前記パルス電子ビーム発生部に連結され、前記発生させた電子ビームをターゲット表面に案内するためのガイドチューブと、を備えるパルス電子ビーム発生装置において、
前記ガイドチューブ側面を加熱する加熱機構を設けたことを特徴とする、パルス電子ビーム発生装置。
【請求項５】
請求項４に記載のパルス電子ビーム発生装置であって、前記加熱機構は前記ガイドチューブを構成する側壁部材中に埋め込まれたヒータであることを特徴とする、パルス電子ビーム発生装置。
【請求項６】
真空槽と、
前記真空槽内に設けられ、パルス電子ビームが照射されるターゲットを保持するためのターゲット保持台と、
前記真空槽内に設けられ、前記ターゲットへのパルス電子ビームの照射によって蒸発したターゲット材料により成膜される基板を保持するための基板保持台と、
前記ターゲット保持台に保持されたターゲットにパルス電子ビームを照射するためのパルス電子ビーム発生装置と、を備えるパルス電子ビーム成膜装置において、
前記パルス電子ビーム発生装置を請求項１乃至５の何れか１項に記載のパルス電子ビーム発生装置で構成したことを特徴とする、パルス電子ビーム成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス電子ビームを安定して発生することが可能なパルス電子ビーム発生装置およびこのパルス電子ビーム発生装置を用いた成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス電子ビーム堆積法（ＰＥＤ法）とは、基板に対向して設置されたターゲットの表面にパルス化された電子ビームを照射することにより、ターゲット表面の一部をアブレージョンし、これによって生じたプラズマ流を基板に付着させることによって、基板上にターゲットと同一物質の膜を形成する方法である。この方法は、ターゲットのアブレージョンに連続した電子ビームを使用する通常の電子ビーム蒸着法とは異なって、高い出力密度を得ることが可能なパルス状の電子ビームを用いている。そのため、ターゲット物質の融点あるいは比熱といった熱力学的特性に大きく依存することなくアブレージョンを行いうるので、ターゲット物質が複合材料の場合に特に有用な成膜方法である。また、ナノコンポジット材料の開発に当たって有用な手段を提供するものとして、その将来が期待されている。
【０００３】
パルス電子ビーム堆積法は理論としては比較的以前から提案されている。例えば、特許文献１は、パルス電子ビーム成膜装置に使用されるパルス電子ビーム発生装置の基本的な構造を開示している。この装置では、プラズマ源に電界を印加することによって取り出した電子ビームを誘電体のガイドチューブによってターゲット上に導き、ターゲット成分を蒸発させるようにしている。電子ビームは、誘電体のガイドチューブに設けた磁石によって曲げられ、ターゲット表面上に誘導される。
【０００４】
また、特許文献２はパルス電子ビーム発生の原理と構成を記載している。特に、高品質の電子ビームを高い発射回数で出射することを意図して改良を行ったパルス電子ビーム発生装置を開示している。なお、現在市販されているパルス電子ビーム発生装置としては、Ｎｅｏｃｅｒａ社製のＰＥＢＳ−２０が存在するのみである。
【０００５】
【特許文献１】特表平０７−５０１６５４号
【特許文献２】特表２００５−５１８６３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、パルス電子ビーム堆積法は理論としては比較的以前から提案されているが、成膜装置として製品化されたのは最近のことである。その重要な原因として、パルス電子ビーム発生装置を安定して長時間連続駆動することが難しいことがある。成膜中にパルス電子ビーム発生装置が異常停止すると、必要な厚さの成膜を行うことができない。パルス電子ビームの励起電圧にもよるが、現在入手可能な装置の場合、数百〜数千程度のパルス電子ビームを発射することにより装置が異常停止し、その結果成膜作業が不完全なまま終了する。
【０００７】
したがって、実用に耐えうるパルス電子ビーム成膜装置を得るためには、安定して長時間作動し、成膜の途中で異常停止しないパルス電子ビーム発生装置を得ることが必須である。なお、ここで、長時間作動するとは、連続して発射可能な総パルス数が大きいことを意味している。
【０００８】
本発明は、従来のパルス電子ビーム発生装置の上記のような問題を解決するためになされたもので、安定して長時間動作可能なパルス電子ビーム発生装置および実用に耐えうるパルス電子ビーム成膜装置を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１のパルス電子ビーム発生装置は、パルス状の電子ビームを発生するためのパルス電子ビーム発生部と、絶縁材料で構成された中空のチューブであって、前記パルス電子ビーム発生部に連結され、前記発生させた電子ビームをターゲット表面に案内するためのガイドチューブとを備えるパルス電子ビーム発生装置において、前記ガイドチューブ側面の少なくとも一部を被覆する筒状構造物を、前記ガイドチューブ表面と空隙を設けて取り付けている。
【００１０】
パルス電子ビーム発生装置を使用して成膜を行う場合、ターゲット表面から蒸発したターゲット物質がパルス電子ビーム発生装置の方向に飛散し、その先端部に設けられたガイドチューブに付着して徐々に堆積する。ターゲット物質が導電性である場合、ガイドチューブへのターゲット物質の堆積によってガイドチューブの絶縁性が破壊される。堆積の進行と共に絶縁性の破壊が進行し、ガイドチューブ先端部からパルス電子ビーム発生部に到る導電路が形成されると、ガイドチューブ先端より放出されてターゲット表面へ向かうべき電荷がガイドチューブ表面を伝わって、パルス電子ビーム発生部および真空槽本体へ逃げてしまう。その結果、パルス電子ビーム装置の正常な動作が損なわれ、装置が異常停止するものと考えられる。
【００１１】
また、パルス電子ビームの発生中、ガイドチューブは例えば３００℃近くの高温になり、ターゲット材料がＭｇのような蒸発し易いものである場合、付着したターゲット成分が再蒸発し易い。パルス電子ビームの発生には低圧の不活性ガス雰囲気が不可欠であり、蒸発したターゲット成分の分圧が高くなると、パルス電子ビームの発生に悪影響を及ぼす。
【００１２】
ところが上記本発明の第１のパルス電子ビーム発生装置では、筒状構造体によってガイドチューブの少なくとも一部分が被覆されているので、成膜中、ガイドチューブ表面へのターゲット成分の付着が部分的に防止され、ガイドチューブの絶縁性の低下が抑制される。また、ガイドチューブ側面に取り付けた筒状構造体は、ガイドチューブと熱的に離間されているので、パルス電子ビームの発生中であってもその温度は低く維持される。そのため、ガイドチューブ表面より再蒸発したターゲット成分は筒状構造体に接触して冷やされ凝結するので、ターゲット成分の分圧上昇に寄与することはない。
【００１３】
本発明の上記第１のパルス電子ビーム発生装置では、以上のような理由により、多数の電子ビームパルスを連続して発生することができるようになる。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第２のパルス電子ビーム発生装置は、パルス状の電子ビームを発生するためのパルス電子ビーム発生部と、絶縁材料で構成された中空のチューブであって、前記パルス電子ビーム発生部に連結され、前記発生させた電子ビームをターゲット表面に案内するためのガイドチューブとを備えるパルス電子ビーム発生装置において、前記ガイドチューブ側面の一部を繊維性のシート状構造体で被覆している。なお、このシート状構造体は、ガラスウールあるいはセラミッククロスで構成されていても良い。
【００１５】
上記第２のパルス電子ビーム発生装置では、ガイドチューブの少なくとも一部分が、絶縁性のシート状構造体で被覆されているので、ガイドチューブ表面へのターゲット成分の付着を部分的に抑制することができる。また、繊維性のシート状構造体表面はガイドチューブ表面と比較して充分に低い温度に維持されるので、シート表面に付着したターゲット成分の再蒸発を抑制することができる。この結果、多数の電子ビームパルスを連続して発生することが可能な、パルス電子ビーム発生装置を実現することができる。
【００１６】
さらに、成膜作業の終了後、シート状構造体をガイドチューブ表面から剥ぎ取り、新しいものと交換するのみで、表面に付着したターゲット成分を除去することができる。そのため、成膜作業の終了後の定期的なガイドチューブの洗浄あるいは交換が不要となり、装置のメインテナンス性が向上する。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の第３のパルス電子ビーム発生装置は、パルス状の電子ビームを発生するためのパルス電子ビーム発生部と、絶縁材料で構成された中空のチューブであって、前記パルス電子ビーム発生部に連結され、前記発生させた電子ビームをターゲット表面に案内するためのガイドチューブとを備えるパルス電子ビーム発生装置において、前記ガイドチューブ側面を加熱する加熱機構を設けている。この加熱機構は、前記ガイドチューブを構成する側壁部材中に埋め込まれたヒータで構成されていても良い。
【００１８】
上記第３のパルス電子ビーム発生装置によれば、成膜作業の終了後、真空槽内に酸素を含むガスを導入して加熱機構を作動させることにより、ガイドチューブ表面に付着した、例えば金属等のターゲット成分を酸化させて絶縁体とすることができる。ターゲット成分が絶縁体となれば、ガイドチューブの絶縁性は損なわれない。そのため、ガイドチューブを洗浄しあるいは交換することなく再生して、次の成膜作業に使用することができるので、多数の電子ビームパルスを連続して安定的に発生することが可能なパルス電子ビーム発生装置を得ることができる。また、このパルス電子ビーム発生装置を用いた成膜装置のメインテナンス性が向上する。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明のパルス電子ビーム成膜装置は、真空槽と、前記真空槽内に設けられ、パルス電子ビームが照射されるターゲットを保持するためのターゲット保持台と、前記真空槽内に設けられ、前記ターゲットへのパルス電子ビームの照射によって蒸発したターゲット材料により成膜される基板を保持するための基板保持台と、前記ターゲット保持台に保持されたターゲットにパルス電子ビームを照射するためのパルス電子ビーム発生装置とを備えるパルス電子ビーム成膜装置において、前記パルス電子ビーム発生装置を前記第１乃至第３のいずれかのパルス電子ビーム発生装置で構成する。
【００２０】
上記構造のパルス電子ビーム成膜装置では、ガイドチューブの絶縁性の低下が抑制され、かつガイドチューブ等に付着したターゲット成分の再蒸発が抑制されるので、パルス電子ビーム発生装置が連続して安定的に多くの電子ビームパルスを発生することができるようになる。その結果、実用に耐えうる成膜作業を実行することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上に述べたように、本発明のパルス電子ビーム発生装置では、成膜中のガイドチューブの絶縁性の低下が抑制され、また、ガイドチューブ等に付着したターゲット成分の再蒸発も抑制されるので、多数の電子ビームパルスを連続して安定的に発生することができる。また、このパルス電子ビーム発生装置を用いた成膜装置では、実用に耐えうる成膜作業を実施することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１にかかるパルス電子ビーム成膜装置の概略構成を示す図である。図において、１は真空槽であって、ターボ分子ポンプなどの排気装置を連結するための連結部２およびマスフローコントローラなどのガス導入装置を連結するための連結部３を有している。真空槽１内には、ターゲット４を保持するターゲット保持部５、成膜するための基板６を保持する基板保持部７が設けられている。８は、ターゲット４にパルス電子ビームを照射するためのパルス電子ビーム発生装置である。
【００２３】
図２は、図１の成膜装置による基板６上への成膜の原理、およびパルス電子ビーム発生装置８の詳細構造を示す拡大図である。図１の装置では、図２に示すように、パルス電子ビーム発生装置８からターゲット４に対して、例えば角度４０°でパルス状の電子ビームを照射することにより、ターゲット物質を蒸発、アブレージョンさせ、プラズマ流９を生成する。このプラズマ流が基板６に達して堆積することにより、ターゲットと同一物質の膜が基板６上に形成される。
【００２４】
パルス電子ビーム発生装置８は、図２に示すように、パルス電子ビーム発生部８ａと絶縁性のガイドチューブ８ｂで構成されている。ガイドチューブ８ｂは、パルス電子ビーム発生部８ａで生成されフォーカスされたパルス電子ビームを、ターゲット４の表面にガイドするために設けられたものである。本実施形態ではガイドチューブ８ｂを絶縁性材料で構成された円筒形のチューブとしている。ガイドチューブ８ｂが絶縁体である必要性については諸説あり、パルス電子ビーム発生部８ａからフローティングされていれば金属性であっても良いとする説もあるが、しかしながらパルス電子ビーム発生部８ａおよび真空槽１とは絶縁されていなければならない。
【００２５】
パルス電子ビーム発生装置８は、図２に示すように、ガイドチューブ８ｂの先端付近にガイドチューブ８ｂの一部を覆うように円筒状構造物８ｃを設けた構造を有する。円筒状構造物８ｃは熱容量の大きな絶縁性材料で構成されることが好ましく、ガイドチューブ８ｂへの取り付け構造は特に規定しないが、ガイドチューブ８ｂの熱が円筒状構造物８ｃに伝わり難い構造が好ましい。
【００２６】
図３の（ａ）に円筒状構造物８ｃを取り付けた状態のガイドチューブ８ｂの側面図を示し、（ｂ）にその断面図を示す。図（ｂ）に示すように、円筒状構造物８ｃは、固定具８ｄ、８ｅによってガイドチューブ８ｂに２点で固定されている。そのため、ガイドチューブ８ｂの熱が円筒状構造物８ｃに伝わり難い。固定具８ｄ、８ｅは、熱伝導性の低い材料で構成されることが好ましい。
【００２７】
図２に示すように、パルス電子ビーム発生器８によってパルス電子ビームをターゲット４に照射すると、ターゲット成分が蒸発しプラズマ流９となって基板６の方向へ飛散するが、一部はガイドチューブ８ｂの方向に向かい、ガイドチューブ８ｂの表面に付着して堆積する。円筒状構造物８ｃはガイドチューブ８ｂの一部分をカバーしているので、ターゲット成分のガイドチューブ８ｂ表面への付着が部分的に防止される。また、ガイドチューブ８ｂの先端部分は、パルス電子ビームの照射中、２００〜３００℃程度の高温となるが、円筒状構造物８ｃは熱伝導性の低い固定具８ｄ、８ｅによりガイドチューブ８ｂの表面とは離れて固定されているため、ガイドチューブ８ｂの熱が伝わり難く、成膜作業中、ガイドチューブ８ｃよりかなり低温に維持される。
【００２８】
さらに、パルス電子ビーム発生装置の動作中、真空槽内は数ｍＴｏｒｒまで減圧されているので、Ｍｇ、Ｚｎ等の蒸気圧の高い元素がガイドチューブ８ｂに付着した場合、これらの物質の再蒸発が起こる。［課題を解決するための手段］の項でも説明したように、パルス電子ビームの発生には低圧の不活性ガス雰囲気が不可欠であり、蒸発したターゲット成分の分圧が高くなると、パルス電子ビームの発生に悪影響を及ぼす。
【００２９】
ところが、図２、３に示す本実施形態のガイドチューブ８ｂでは、パルス電子ビーム発生装置８の動作中であっても、円筒状構造物８ｃが低温に維持されるので、ガイドチューブ８ｂから再蒸発したターゲット成分は、低温の円筒状構造物８ｃに接触することにより凝結されてこれに付着する。これにより、真空槽内のターゲット成分の分圧をパルス電子ビームの発生に悪影響を及ぼすことがない程度に低く保つことができる。
【００３０】
なお、本実施形態において、図３に示した円筒状構造物８ｃは必ずしも円筒状である必要はなく、ガイドチューブ８ｂの側面の周囲を被覆することができる筒状であれば、どのような形状でも良い。
【００３１】
［実施形態２］
図４は、本発明の実施形態２にかかるパルス電子ビーム発生装置の、特にガイドチューブ先端部分の構造を示す図である。本実施形態では、ガイドチューブ８ｂの先端付近にシート状構造体８ｆを巻きつけた構成を特徴とする。シート状構造体８ｆは、ガラス、セラミックス等の高温に耐える絶縁性材料で構成された、繊維状あるいは織物状の構造体、即ち、ガラスウールあるいはセラミッククロスであり、ガイドチューブ８ｂに巻きつけあるいは剥がすことができるようにシート状とされている。このようなシート状構造体８ｆでは、ガイドチューブ８ｂに巻きつけた場合、シートの表面温度はガイドチューブ８ｂの表面と比較して充分に低くなり、そのためシート表面に付着したターゲット成分の再蒸発を抑制することができる。
【００３２】
また、成膜作業の終了後、成膜装置のメインテナンスを行う場合、シート状構造体８ｆをガイドチューブ８ｂから剥がして新しいシート状構造体と取り替えることにより、シート表面に付着したターゲット成分を容易に除去することができる。そのため、成膜装置のメインテナンスの一環として必要であったガイドチューブの洗浄が不要となる効果がある。
【００３３】
［実施形態３］
図５は、本発明の実施形態４にかかるパルス電子ビーム発生装置の、特にガイドチューブの先端部分の構造を示す断面図である。本実施形態では、ガイドチューブ８ｂに加熱機構を付与したことを特徴とする。即ち、図５（ａ）に示すように、ガイドチューブ８ｂの側壁を構成する部材８１内にヒータ８２を埋め込み、あるいは図（ｂ）に示すように、ガイドチューブ８ｂの側面上にヒータ８２を埋め込んだ加熱部材８３を取り付ける。
【００３４】
成膜中、パルス電子ビームの照射によって蒸発したターゲット成分がガイドチューブ８ｂへ付着することを完全に防止することはできない。ターゲット成分の付着が少なく、成膜作業の終了時までガイドチューブ８ｂの絶縁性が保持されている場合であっても、次の成膜作業を行う場合にはガイドチューブ８ｂを洗浄し、あるいはガイドチューブ８ｂを新しいものと交換して、前回の成膜作業時にガイドチューブ８ｂに付着したターゲット成分の影響を取り除かなければならない。
【００３５】
しかしながら、本実施形態のガイドチューブ８ｂを用いる場合、一回の成膜作業が終了した時点で、真空槽内に酸素を含んだガスを充填しヒータ８２に通電してガイドチューブ８ｂを充分高温に加熱する。これによって、ガイドチューブ８ｂの表面に付着し堆積した金属のような導電性物質は酸化されて絶縁体となり、ガイドチューブの絶縁性破壊の要因となることはない。そのため、ガイドチューブ８ｂを洗浄しあるいは交換することなく再利用することが可能となる。
【００３６】
なお、図５では、加熱機構を設けたガイドチューブ８ｂを単独で示しているが、このようなガイドチューブ８ｂを、上述した本発明の実施形態１または２に示すガイドチューブとして用いることも可能である。即ち、図３または４に示すガイドチューブに、図５に示すような加熱機構を設けてガイドチューブのメインテナンス性を向上させることができる。
【００３７】
［発明の効果の検証］
図６は、本発明を適用したパルス電子ビーム成膜装置と、従来のパルス電子ビーム成膜装置とを用いて成膜実験を行った結果を比較する表である。実験は、真空槽内に配置するターゲット材料としてＭｇを用い、アルミナ製の基板をターゲット材料に対して対向配置して行った。パルス電子ビーム発生装置は、ターゲットに対して４０度の角度となるように配置した。パルス電子ビーム発生部は、Ｎｅｏｃｅｒａ社製のＰＥＢＳ−２０を使用し、本発明の装置ではガイドチューブとして図３に示す構造のものを取り付けた。従来の装置では、円筒状構造物８ｃを設けないガイドチューブを使用した。実験例１、２、３は、ガイドチューブの径、フィンの径、フィン間の間隔等を変えて行ったものである。
【００３８】
実験条件は次の通りである。
ガス導入前真空槽内圧力：３×１０−８ｔｏｒｒ以下
導入ガス種：Ａｒ−１％Ｈ２
ガス導入量：１．５５ｃｃ／分
ガス導入後真空槽内圧力：５×１０−３ｔｏｒｒ
パルス電子ビーム発生装置における加速電圧：図６に示す２水準
パルス電子ビーム発生装置におけるパルス周波数：５Ｈｚ
ガイドチューブ先端／ターゲット表面距離：図６に示す３水準
【００３９】
図６の、「パルス電子ビーム発生装置が異常を検知して停止するまでの総パルス数」の項を参照することによって明らかなように、従来の装置では、数百パルスを発生することによってパルス電子ビーム発生装置が異常停止するが、本発明の装置では、ターゲット材料として蒸気圧の高いＭｇを用いたにもかかわらず、実験例１、２、３の何れでも、１０，０００パルス以内では装置が異常停止することはなかった。これにより、本発明の顕著な効果を理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態１にかかるパルス電子ビーム成膜装置の概略構造を示す図。
【図２】図１に示す装置による成膜原理を説明するための図。
【図３】図２に示すガイドチューブの構造を示す図。
【図４】本発明の実施形態２にかかるパルス電子ビーム発生装置のガイドチューブ部分の構成を示す図。
【図５】本発明の実施形態３にかかるパルス電子ビーム発生装置のガイドチューブ部分の構成を示す図。
【図６】本発明にかかる成膜装置と従来の成膜装置の動作結果を比較した表。
【符号の説明】
【００４１】
１    真空槽
４    ターゲット
５    ターゲット保持台
６    基板
７    基板保持台
８    パルス電子ビーム発生装置
８ａ    パルス電子ビーム発生部
８ｂ    ガイドチューブ
８ｃ    円筒状構造物
８ｄ、８ｅ    結合具
８ｆ    シート状構造体
８１    ガイドチューブ側壁部材
８２    ヒータ
８３    加熱部材
【図１】
2009043613.tif 000003
【図２】
2009043613.tif 000004
【図３】
2009043613.tif 000005
【図４】
2009043613.tif 000006
【図５】
2009043613.tif 000007
【図６】
2009043613.tif 000008