JP5246542B2 - 真空成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸着性材料からなる薄膜を被成膜体上に形成する真空成膜装置に係り、とりわけ蒸発しにくい高融点の金属材料または非昇華性材料からなる蒸着性材料を確実に蒸発させて、この蒸発した蒸着性材料を被成膜体上に製膜させることが可能な真空成膜装置に関する。

従来より被成膜体上に蒸着性材料からなる薄膜を形成するため、被成膜体が配置された真空チャンバーと、プラズマビームを生成し、このプラズマビームを真空チャンバー内に送るプラズマガンと、プラズマガンから生成されたプラズマビームを収束させる収束コイルとを備えた真空成膜装置が用いられている。

このような真空成膜装置において、プラズマガンから生成されたプラズマビームは真空チャンバー内に送られ、真空チャンバー内に設置されたるつぼ内の蒸着性材料に照射される。プラズマビームが照射された蒸着性材料は蒸発し、その後、被成膜体上に蒸着して薄膜を形成する。
特開平０５−３３１２４号公報 特開２０００−２１９９６１号公報 特開２００６−１２４７３１号公報

ところで従来の真空成膜装置において、蒸着性材料として、チタンまたはシリコン等のような比較的蒸発しにくい高融点の金属材料、あるいは酸窒化シリコン、窒化チタン、または窒化アルミニウム等のような非昇華性材料を用いることは難しい。すなわちこのような蒸着性材料を用いて被成膜体上に薄膜を形成しようとした場合、蒸着性材料が十分に蒸発しない。あるいは、蒸着性材料を急激に蒸発させようとすると、蒸着性材料に突沸が生じてしまう。このため被成膜体上に蒸着性材料からなる薄膜を安定して形成することは難しい。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、蒸発しにくい高融点の金属材料または非昇華性材料からなる蒸着性材料であっても確実に蒸発させることが可能であり、このような蒸着性材料の薄膜を被成膜体上に安定して形成することが可能な真空成膜装置を提供することを目的とする。

本発明は、薄膜を形成する被成膜体が内部に配置され、外方に突出する短管部を有する真空チャンバーと、真空チャンバー内に設けられ、蒸着性材料を収納するるつぼと、真空チャンバーの短管部に取付けられるとともに、プラズマビームを生成し、このプラズマビームをるつぼ内に収納された蒸着性材料に向けて照射する圧力勾配型プラズマガンと、真空チャンバーの短管部を包囲し、プラズマビームの軌道および／または形状を制御する収束コイルとを備え、蒸着性材料を収納するるつぼに、蒸着性材料を１５０℃乃至２０００℃の範囲内で加熱できる加熱機構を設け、真空チャンバー内であって、るつぼ近傍に、るつぼ内に蒸着性材料を供給する材料供給装置を設け、プラズマビームを真空チャンバー内のるつぼに収納した蒸着性材料の表面に導き、真空チャンバー内の被成膜体上に薄膜を形成することを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、加熱機構は、赤外線ヒーター、ＬＥＤランプ、キセノンランプ、または重水素ランプからなることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、加熱機構は、電気的に浮遊状態であることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、収束コイルから生じる磁場の磁力が１００ガウス以上、好ましくは２００ガウス以上、更に好ましくは３００ガウス以上であることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、蒸着性材料は、材料供給装置からるつぼに１ｇ／分乃至２５０ｇ／分の量で供給されることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、材料供給装置からるつぼに供給される蒸着性材料の量を監視するモニター装置が設けられていることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、るつぼ下方にアノード電極が設けられ、蒸着性材料は絶縁性材料からなり、るつぼは融点２０００℃以上の材料からなり、るつぼとアノード電極とが直接接触していることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、るつぼ下方にアノード電極が設けられ、蒸着性材料は導電性材料からなり、るつぼは融点２０００℃以上の非導電性材料からなるとともに、るつぼの底部に開口部が設けられ、るつぼとアノード電極との間にグラファイトからなる下敷き層が設けられていることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、材料供給装置からるつぼに供給される蒸着性材料が粉末形状を有し、その粒径が１ｍｍ以下、またはその嵩密度が５０％以下であることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明は、蒸着性材料が、チタン、シリコン、酸窒化シリコン、窒化チタン、または窒化アルミニウムからなることを特徴とする真空成膜装置である。

本発明によれば、蒸着性材料を収納するるつぼに、蒸着性材料を１５０℃乃至２０００℃の範囲内で加熱できる加熱機構を設けたので、蒸着性材料に対して直接的に高い熱エネルギーを加えることができ、蒸着性材料を確実に蒸発させ、蒸着性材料からなる薄膜を被成膜体に対して安定して形成することができる。

また本発明によれば、加熱機構は、電気的に浮遊状態であるので、帯電したプラズマ粒子が加熱機構に向かうことを防止し、加熱機構が電気的に破損することを防止できる。

さらに本発明によれば、収束コイルから生じる磁場の磁力が１００ガウス以上、好ましくは２００ガウス以上、更に好ましくは３００ガウス以上なので、圧力勾配型プラズマガンから引き出されるプラズマが収束し、プラズマ密度を高くすることができる。

さらにまた本発明によれば、蒸着性材料は、材料供給装置からるつぼに１ｇ／分乃至２００ｇ／分の量で供給されるので、蒸着性材料をるつぼに少量ずつ供給することができ、蒸着性材料の突沸を確実に防止することができる。

さらにまた本発明によれば、材料供給装置からるつぼに供給される蒸着性材料の量を監視するモニター装置が設けられているので、蒸着性材料の供給量を適切にコントロールすることができ、蒸着性材料の突沸を更に確実に防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。
ここで、図１は、本発明の一実施の形態による真空成膜装置を示す図であり、図２は、真空チャンバー内のるつぼ周辺を示す拡大図であり、図３は、るつぼの変形例を示す図である。

まず、図１により、本実施の形態による真空成膜装置の概略について説明する。

図１に示すように、真空成膜装置１０は、薄膜２０ａを形成する基板（被成膜体）１３が内部に配置され、側部外方に突出する短管部１２Ａを有する真空チャンバー１２と、真空チャンバー１２内に設けられ、蒸着性材料２０を収納するるつぼ１９とを備えている。また真空チャンバー１２の短管部１２Ａに、プラズマビーム２２を生成し、このプラズマビーム２２をるつぼ１９内に収納された蒸着性材料２０に向けて照射する圧力勾配型プラズマガン１１が取付けられている。

さらに真空チャンバー１２に真空ポンプ３０が接続され、真空チャンバー１２内は真空ポンプ３０によって吸引されて所定の減圧状態（例えば５×１０^-5Ｐａ乃至１．５×１０^-3Ｐａ）に保たれている。

図１に示すようにプラズマガン１１は、放電電源１４のマイナス側に接続された環状の陰極１５と、放電電源１４のプラス側に抵抗を介して接続された環状の第１中間電極１６および第２中間電極１７とを有している。また陰極１５側から放電ガス（Ａｒ）が供給され、プラズマガン１１は、この放電ガスをプラズマ状態にして第２中間電極１７から真空チャンバー１２内に向けて流出させるようになっている。

また、真空チャンバー１２と第２中間電極１７との間の短管部１２Ａの外側には、この短管部１２Ａを包囲するように収束コイル１８が設けられている。この収束コイル１８はプラズマビーム２２を磁場により軌道および／または形状を制御するものである。なおこのような制御としては、プラズマビーム２２の横断面の収束、平らな形状にすること、およびるつぼ１９内に引込む等の制御が考えられる。この収束コイル１８から生じる磁場の磁力は１００ガウス以上であり、好ましくは２００ガウス以上、更に好ましくは３００ガウス以上となっている。これにより、圧力勾配型プラズマガン１１から引き出されるプラズマが収束し、プラズマ密度を高くなる為に、蒸着性材料２０に照射される単位面積あたりのエネルギーを向上することができるという効果が得られる。また真空チャンバー１２内の下部には、上述したようにるつぼ１９が配置されており、このるつぼ１９には、上述したように薄膜２０ａの材料となる蒸着性材料２０が収納されている。

また図１に示すように、短管部１２Ａ内にプラズマガン１１の出口部から絶縁管３１が突設されている。この絶縁管３１はプラズマビーム２２の周囲を取り囲み、プラズマガン１１から電気的に浮遊状態となっている。また真空チャンバー１２に連結された短管部１２Ａ内に、絶縁管３１の外周側を取巻くとともに、放電電源１４のプラス側に接続され、プラズマガン１１の出口部よりも高い電位状態となる電子帰還電極３２が設けられている。なお、前記絶縁管３１としては、たとえば、セラミック製短管が採用される。

次に、図２を用いて、真空チャンバー１２内に設けられたるつぼ１９周辺部の構成について説明する。図２に示すように、るつぼ１９下方に例えば銅からなるアノード電極２３が設けられ、このアノード電極２３は、上述した放電電源１４のプラス側に接続されている。またアノード電極２３内部に、プラズマビーム２２をるつぼ１９内の蒸着性材料２０に引込むためのるつぼ用磁石２１が埋設されている。

また、アノード電極２３の上方であって、るつぼ１９の周囲に、蒸着性材料２０を加熱する加熱機構４０が設けられている。加熱機構４０は、るつぼ１９周囲を取り囲むように配置されたリング形状の赤外線ヒーターからなり、るつぼ１９をるつぼ１９外周から略均一に加熱できるようになっている。あるいは、加熱機構４０としては、ＬＥＤランプ、キセノンランプ、または重水素ランプ等が用いられても良い。また加熱機構４０は、蒸着性材料２０の沸点以上の温度であって、るつぼ１９の融点以下である所定の温度まで加熱できる構造となっていることが好ましく、例えば、蒸着性材料２０を１５０℃乃至２０００℃の範囲内で加熱できるもの、更に好ましくは８００℃乃至１８００℃の範囲内で加熱できるものが用いられる。ここで、電気的に浮遊状態、とはアースに接続していないことを表す。また加熱機構４０は、電気的に浮遊状態とすることが好ましい。このように加熱機構４０が電気的に浮遊状態となることにより、プラズマ粒子の影響によるダメージを受けなくなり、ヒーター温度が変調したり破損したりせずに温度が安定するという効果が得られる。

さらに図２において、真空チャンバー１２内であって、るつぼ１９近傍に、るつぼ１９内に蒸着性材料２０を少量ずつ供給するための材料供給装置５０が設けられている。材料供給装置５０は、蒸着性材料２０を貯蔵するタンク４１と、タンク４１からの蒸着性材料２０をるつぼ１９に供給する材料供給パイプ４３とを有している。このうち材料供給パイプ４３は、一端がバルブ（接続部）４２を介してタンク４１に接続されるとともに、他端がるつぼ１９上に配置されている。

また材料供給装置５０のタンク４１からるつぼ１９に供給される蒸着性材料２０の量を監視するため、材料供給パイプ４３の一端とるつぼ１９上面との間に、例えば赤外線センサーからなるモニター装置４４が設けられている。このモニター装置４４および上述したバルブ（接続部）４２は、それぞれ真空チャンバー１２外方に設けられた制御装置４５に電気的に接続されている。制御装置４５は、モニター装置４４から送信された蒸着性材料２０の供給量に関する信号に基づき、バルブ４２を制御して、るつぼ１９内に供給される蒸着性材料２０の量を調整する。なお、このようにして材料供給装置５０のタンク４１からるつぼ１９に供給される蒸着性材料２０の量は、比較的少量、真空成膜装置１０の大きさにも依存するが、例えば１ｇ／分乃至２５０ｇ／分程度とすることが好ましい。

なお、上述したタンク４１および材料供給パイプ４３は、表面が絶縁材料によりコーティングされ、これによりプラズマ粒子がタンク４１及び材料供給パイプ４３に向かうことなく、安定したプラズマ放電が得られるという効果が得られる。

ところで、るつぼ１９は、例えばグラファイト（Ｃ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、タングステン（Ｗ）、またはニオブ（Ｎｂ）等、融点が２０００℃以上の材料からなっている。一方、蒸着性材料２０は、例えばチタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）等の金属材料、あるいは酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の非昇華性材料等からなっている。また蒸着性材料２０は、粉末形状を有することが好ましい。さらに、蒸着性材料２０の粉末の粒径を１ｍｍ以下とし、あるいはその嵩密度を５０％以下とすることが好ましい。なおここでいう嵩密度とは、理論密度に対するＪＩＳＫ１２０１−１の３．１に記載された手法で測定された数値の割合を意味する。このように粒径または嵩密度を小さくすることにより、蒸着性材料２０をるつぼ１９に少量ずつ供給することができ、蒸着性材料２０を高温で加熱した際に突沸が生じることを確実に防止することができる。

なお蒸着性材料２０が絶縁性材料（例えば、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム等）からなる場合、図２に示すように、るつぼ１９を融点２０００℃以上の導電性材料（例えばグラファイト、タングステン、ニオブ等）から構成し、かつるつぼ１９とアノード電極２３とを直接接触させることが好ましい。

これに対して、蒸着性材料２０が導電性材料（例えばチタン、シリコン等）からなる場合、図３に示すように、るつぼ１９を融点２０００℃以上の非導電性材料（例えば窒化ホウ素）から構成するとともに、るつぼ１９の底部に開口部１９ａを設け、るつぼ１９とアノード電極２３との間にグラファイトからなる下敷き層２４を設けても良い。

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
まず、予め材料供給装置５０のタンク４１内に粉末形状を有する蒸着性材料２０を収容しておく。次に、真空ポンプ３０を用いて真空チャンバー１２内を減圧し、真空チャンバー１２内を所定の圧力とする。

次に基板１３を真空チャンバー１２内に導入する。また、材料供給装置５０のタンク４１からるつぼ１９内に粉末形状を有する蒸着性材料２０を少量ずつ供給する。この間、タンク４１からの蒸着性材料２０は、材料供給パイプ４３を介して１ｇ／分乃至２５０ｇ／分ずつるつぼ１９内に少量ずつ継続的に供給される。この場合、モニター装置４４は、材料供給パイプ４３からるつぼ１９内に供給される蒸着性材料２０の量を測定し、この（単位時間当たりの）供給量を信号として制御装置４５に送信する。制御装置４５は、この信号を受けてバルブ４２を制御し、蒸着性材料２０の供給量を一定量に保持する。

次に放電電源１４によってプラズマガン１１が作動して、プラズマガン１１の第２中間電極１７から蒸着性材料２０に向けてプラズマビーム２２が形成される。プラズマガン１１からのプラズマビーム２２は、蒸着性材料２０の表面に導かれ、蒸着性材料２０に照射される。

プラズマビーム２２が蒸着性材料２０に照射されるのと同時に、加熱機構４０によってるつぼ１９が加熱される。これによりるつぼ１９内の蒸着性材料２０が所定の温度、例えば１５０℃乃至２０００℃まで加熱される。このようにして、るつぼ１９内の蒸着性材料２０が蒸発する。蒸発した蒸着性材料２０は、イオン化して基板１３の下面に蒸着し、基板１３の下面に蒸着性材料２０からなる薄膜２０ａが形成される。この間収束コイル１８は、プラズマビーム２２に対してプラズマビーム２２の横断面を収縮させる作用を行ない、またるつぼ用磁石２１は、プラズマビーム２２の焦点合わせおよびプラズマビーム２２を曲げさせる作用を行なう。

このようにして基板１３上に蒸着性材料２０の薄膜２０ａを形成することができる。

このように、本実施の形態によれば、蒸着性材料２０を収納するるつぼ１９に、蒸着性材料２０を１５０℃乃至２０００℃の範囲内で加熱できる加熱機構４０を設けている。これにより、蒸着性材料２０に対して直接的に高い熱エネルギーを加えることができ、蒸着性材料２０を確実に蒸発させることができる。このようにして、蒸着性材料２０からなる薄膜２０ａを基板１３上に安定して形成することができる。とりわけ蒸着性材料２０が、チタン、シリコン等からなる高融点の金属材料、または酸窒化シリコン、窒化チタン、窒化アルミニウム等からなる非昇華性材料からなる場合であっても、薄膜２０ａを基板１３上に安定して形成することができる。

また、本実施の形態によれば、蒸着性材料２０は、材料供給装置５０のタンク４１からるつぼ１９に１ｇ／分乃至２５０ｇ／分の量で供給されるので、蒸着性材料２０を少量ずつ供給し、これにより蒸着性材料２０の突沸を確実に防止することができる。またモニター装置４４がタンク４１からるつぼ１９に供給される蒸着性材料２０の量を監視するとともに、制御装置４５がバルブ４２を制御して蒸着性材料２０の供給量を調整するので、蒸着性材料２０の供給量を適切にコントロールすることができる。

本発明による真空成膜装置の一実施の形態を示す図。 本発明による真空成膜装置における真空チャンバー内のるつぼ周辺を示す拡大図。 るつぼの変形例を示す図。

符号の説明

１０ 真空成膜装置
１１ プラズマガン
１２ 真空チャンバー
１２Ａ 短管部
１３ 基板（被成膜体）
１８ 収束コイル
１９ るつぼ
２０ 蒸着性材料
２０ａ 薄膜
２１ るつぼ用磁石
２２ プラズマビーム
２３ アノード電極
３０ 真空ポンプ
４０ 加熱機構
４４ モニター装置
４５ 制御装置
５０ 材料供給装置

Claims (9)

1. 薄膜を形成する被成膜体が内部に配置され、外方に突出する短管部を有する真空チャンバーと、
   真空チャンバー内に設けられ、蒸着性材料を収納するるつぼと、
   真空チャンバーの短管部に取付けられるとともに、プラズマビームを生成し、このプラズマビームをるつぼ内に収納された蒸着性材料に向けて照射する圧力勾配型プラズマガンと、
   真空チャンバーの短管部を包囲し、プラズマビームの軌道および／または形状を制御する収束コイルとを備え、
   蒸着性材料を収納するるつぼに、蒸着性材料を１５０℃乃至２０００℃の範囲内で加熱できる加熱機構を設け、
   真空チャンバー内であって、るつぼ近傍に、るつぼ内に蒸着性材料を供給する材料供給パイプを有する材料供給装置を設け、
   材料供給パイプの一端とるつぼ上面との間に、材料供給装置からるつぼに供給される蒸着性材料の量を監視する、赤外線センサーからなるモニター装置が設けられ、
   プラズマビームを真空チャンバー内のるつぼに収納した蒸着性材料の表面に導き、真空チャンバー内の被成膜体上に薄膜を形成することを特徴とする真空成膜装置。
2. 加熱機構は、赤外線ヒーター、ＬＥＤランプ、キセノンランプ、または重水素ランプからなることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。
3. 加熱機構は、電気的に浮遊状態であることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。
4. 収束コイルから生じる磁場の磁力が１００ガウス以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の真空成膜装置。
5. 蒸着性材料は、材料供給装置からるつぼに１ｇ／分乃至２５０ｇ／分の量で供給されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の真空成膜装置。
6. るつぼ下方にアノード電極が設けられ、蒸着性材料は絶縁性材料からなり、るつぼは融点２０００℃以上の材料からなり、るつぼとアノード電極とが直接接触していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の真空成膜装置。
7. るつぼ下方にアノード電極が設けられ、蒸着性材料は導電性材料からなり、るつぼは融点２０００℃以上の非導電性材料からなるとともに、るつぼの底部に開口部が設けられ、るつぼとアノード電極との間にグラファイトからなる下敷き層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の真空成膜装置。
8. 材料供給装置からるつぼに供給される蒸着性材料が粉末形状を有し、その粒径が１ｍｍ以下、またはその嵩密度が５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項記載の真空成膜装置。
9. 蒸着性材料が、チタン、シリコン、酸窒化シリコン、窒化チタン、または窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。

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