JPH059714A - 電子ビーム蒸発源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子ビーム蒸発源に用いられるハースライナ
の、熱衝撃による破損を防止する。 【構成】 蒸発させる原料２は、坩堝３の内側に設置さ
れる皿状のハースライナ９内に収容されるようになって
いる。そのハースライナ９は高い断熱性を有する材料か
らなるもので、その外径は坩堝３の内径よりやや小さく
され、ハースライナ９の外側面と坩堝３の内側面との間
に空隙１０が形成されるようにして坩堝３の底面上に設
置される。ハースライナ９の坩堝３に対向する面を多孔
質層とするようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空蒸着法やイオンプ
レーティング法などに用いられる電子ビーム蒸発源に関
するもので、特に、水冷坩堝の内側にハースライナを設
置し、そのハースライナ内に蒸発させる原料を収容する
ようにした電子ビーム蒸発源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子を製造する場合には、
極めて純度の高い薄膜を形成することが求められる。一
般に、そのような薄膜は、電子ビーム蒸発源を用いて真
空中で固体原料を蒸発させ、それを基体に付着させるこ
とによって形成される。電子ビーム蒸発源は、ハースと
呼ばれる銅製の水冷坩堝内に原料を収容し、その原料に
電子ビームを照射することによって原料を直接加熱する
ようにしたものである。このような電子ビーム蒸発源に
よれば、坩堝が水冷されることによってその温度上昇が
抑制されるので、形成される薄膜への坩堝材料の混入が
防止され、純度の高い薄膜を形成することができる。

【０００３】ところで、このような電子ビーム蒸発源に
おいては、原料をそのまま坩堝内に収容するようにする
と、坩堝の水冷によって原料の熱が奪われるので、熱損
失が大きくなり、消費電力が増大するという問題があ
る。また、原料は融点よりも高い温度にまで加熱される
のに対し、坩堝は水冷されることによって１００℃程度
に抑えられるので、原料の表面部分の温度と坩堝に接触
する部分の温度との間には極めて大きな差が生じること
になり、突沸が生じてスプラッシュが発生するという問
題もある。

【０００４】そこで、このような問題に対処するため
に、坩堝の内側にハースライナと呼ばれる内坩堝を設置
し、そのハースライナ内に原料を収容するということが
行われている。ハースライナは、断熱性の高い材料によ
って形成された側壁と底壁とからなる皿状のものであ
る。このようなハースライナを用いれば、原料から坩堝
への伝熱が軽減されるようになるので、熱損失を低下さ
せるとともに、溶解した原料の温度の均一化を図ること
ができる。

【０００５】従来は、そのハースライナは均質な材料に
よって形成され、坩堝に密着するようにして設置するも
のとされていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ハース
ライナには、断熱性及び耐熱性のほかに、原料と化合し
たり蒸発したりすることのないものであることが求めら
れる。また、溶解した原料を保持することのできるもの
でなければならない。したがって、そのハースライナに
は、グラファイトやボロンナイトライド、あるいはモリ
ブデン、タングステン、タンタルなどの特殊な材料が用
いられる。そのような材料は高価であり、しかも、比較
的脆い。一方、ハースライナは、融点以上に加熱される
蒸発原料と水冷坩堝との間に設けられるので、その内外
面間には大きな温度勾配が形成される。例えばシリコン
を蒸発させる場合には、そのシリコンは２０００℃程度
にまで加熱される。したがって、ハースライナの内面も
その程度の温度となる。これに対して、ハースライナの
外面は坩堝に接するので、その面は上述のように１００
℃程度に抑えられる。その結果、ハースライナの内外面
間に著しい温度差が生じることになり、その間の温度勾
配が極めて大きくなる。そして、そのように大きな温度
勾配のために、ハースライナには非常に大きな熱衝撃が
加わる。その場合、ハースライナが坩堝の内面に密着し
ていると、その熱衝撃のために、応力が集中しやすい角
部にクラックが発生することがある。特にハースライナ
の材料としてグラファイトやボロンナイトライドが用い
られている場合には、そのようなクラックが発生しやす
い。

【０００７】そして、そのようにハースライナにクラッ
クが生じると、内部に収容されている溶解した原料がそ
のクラックを通して流出し、坩堝の表面に接触するの
で、原料の熱が水冷坩堝に奪われることになる。その結
果、原料の蒸発量が急減し、成膜速度が急激に低下して
しまう。したがって、そのハースライナは交換すること
が必要となる。

【０００８】このように、従来の電子ビーム蒸発源で
は、ハースライナを頻繁に交換することが必要となって
いる。しかしながら、ハースライナは上述のように特殊
な材料によって形成されるので、極めて高価である。そ
のために、薄膜の形成にかかるコストが非常に高くなる
という問題がある。

【０００９】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、熱衝撃によってもハース
ライナが破損することの少ない電子ビーム蒸発源を得る
ことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明では、水冷坩堝の内面に対向するハースライ
ナの外面部分に、熱衝撃を吸収し得る層を設けるように
している。すなわち、ハースライナの外側面と坩堝の内
側面との間に空隙を設けるか、あるいはハースライナの
坩堝に接触する面の近傍を多孔質層とするようにしてい
る。

【００１１】

【作用】このようにハースライナの外側面と坩堝の内側
面との間に空隙を設けることにより、ハースライナに生
ずる温度勾配は、側方にはほとんど解消され、底壁部分
のみとなる。したがって、最も応力が集中するハースラ
イナの側壁と底壁との間の角部における熱衝撃が小さく
なり、クラックの発生が防止される。また、ハースライ
ナの坩堝に接触する面、すなわちその外面の近傍を多孔
質層とすれば、熱衝撃はその多孔質層によって吸収され
るようになる。したがって、熱衝撃によるハースライナ
の破損が防止される。そして、ハースライナの内面は緻
密質層としておくことにより、溶解した原料がハースラ
イナ内に染み込んだりハースライナの材料と反応したり
するようなことは防止される。したがって、ハースライ
ナの機能が損なわれることもない。

【００１２】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図中、図１は本発明による電子ビーム蒸発源の一実
施例を示す全体構造の概略断面図であり、図２はその要
部の拡大断面図である。また、図３〜５はその異なる実
施例を示す要部の拡大断面図である。なお、これらの実
施例の説明において、対応する部分には同一の符号を付
すことにより、重複する説明は省略する。

【００１３】図１から明らかなように、電子ビーム蒸発
源１は、蒸発させる原料２を収容する銅製の坩堝３を備
えている。その坩堝３の下面側にはウォータジャケット
４が設けられており、冷却水給排口５を通してそのウォ
ータジャケット４と外部との間で循環する冷却水によっ
て、坩堝３が水冷されるようにされている。坩堝３はア
ース接続されている。また、坩堝３の側方にはフィラメ
ント６が設けられ、電源７によりそのフィラメント６に
負電位が印加されるようになっている。更に、図示され
ていない磁極により、紙面に直交する磁場が形成される
ようになっている。こうして、フィラメント６によって
電子ビーム８が形成され、その電子ビーム８が湾曲し
て、坩堝３内の蒸発原料２に直接当たるようにされてい
る。

【００１４】坩堝３の内側には、皿状のハースライナ９
が設置されている。そのハースライナ９は断熱性の高い
グラファイト等の緻密質材料からなるもので、蒸発原料
２はそのハースライナ９内に収容されるようになってい
る。図２に示されているように、ハースライナ９は坩堝
３の内面とほぼ同形状であるが、その外径は坩堝３の内
径よりわずかに小さいものとされている。そして、その
ハースライナ９は、その外側面と坩堝３の内側面との間
に小さな空隙１０が形成されるようにして、坩堝３の底
面上に設置されている。その空隙１０の大きさは、０．
１mm以上で１０mm以下とされている。

【００１５】次に、このように構成された電子ビーム蒸
発源１の作用について説明する。アルミニウムやシリコ
ン等の薄膜を形成しようとするときには、この電子ビー
ム蒸発源１を真空チャンバ内の下部に配設する。また、
その真空チャンバ内の上部には基体を配置する。そし
て、薄膜の原料２をハースライナ９内に入れ、そのハー
スライナ９を坩堝３の底面上に載置する。このとき、そ
のハースライナ９の外側面と坩堝３の内側面との間には
全周にわたって小さな空隙１０が形成されるようにす
る。この状態で、フィラメント６に負電位を印加して、
坩堝３内側のハースライナ９内に収容されている原料２
に電子ビーム８を照射する。すると、その原料２が加熱
され、その蒸気が発生する。そして、その原料蒸気が真
空チャンバ内の上部に配置されている基体に付着する。
こうして、基体表面に原料２の薄膜が形成される。

【００１６】この間において、原料２は電子ビーム８に
よって直接加熱される。また、その原料２を収容するハ
ースライナ９は断熱性の高い材料によって形成されてい
るので、そのハースライナ９を通して原料２の熱が放出
されることは少ない。しかも、そのハースライナ９の側
面は坩堝３から離されているので、そのハースライナ９
から坩堝３への伝熱はほとんどその底面を介してのみと
なる。したがって、坩堝３が水冷されているにもかかわ
らず、原料２の熱が坩堝３の水冷によって奪われること
が軽減され、原料２は極めて効率よく加熱される。

【００１７】ハースライナ９内の原料２は、このように
加熱されることによって溶解する。しかしながら、その
ハースライナ９はグラファイト等の緻密な材料によって
形成されているので、溶解した原料２が漏れたりハース
ライナ９に染み込んだりするようなことはない。また、
その原料２がハースライナ９の材料と化合するようなこ
ともない。したがって、原料２はその状態で確実に保持
される。そして、坩堝３は水冷されているので、その坩
堝３の材料である銅が蒸発して原料２の蒸気に混入する
ようなことはない。また、ハースライナ９は蒸発しにく
い材料によって形成されているので、そのハースライナ
９の材料が原料蒸気に混入することもほとんどない。し
たがって、この電子ビーム蒸発源１を用いて形成される
薄膜は極めて純度の高いものとなる。

【００１８】ところで、ハースライナ９内に収容されて
いる原料２が加熱されて溶解することにより、そのハー
スライナ９の内面は溶解した原料２と同程度の温度とな
る。一方、ハースライナ９の底壁外面は坩堝３に接触し
ているので、その面の温度は坩堝３の表面温度とほぼ等
しくなる。そのために、ハースライナ９の底部において
は、その内面と外面との間に大きな温度勾配が生ずるこ
とになる。しかしながら、ハースライナ９の側壁外面は
坩堝３の内側面から離れており、その間には輻射熱が伝
わるのみであるので、その間の空隙１０に大きな温度勾
配が形成される。したがって、ハースライナ９の側壁の
内外面間における温度勾配はほとんどなくなる。こうし
て、ハースライナ９に生ずる温度勾配は、側方には解消
され、底壁部分のみとなる。その結果、熱衝撃もその底
壁に沿って発生するのみとなり、側壁との間の角部にお
ける応力集中が低減されるようになる。

【００１９】このように、この電子ビーム蒸発源１にお
いては、ハースライナ９に生ずる熱衝撃がその側部にお
いて吸収されるようになるので、その角部にクラック等
が発生することが防止される。したがって、そのハース
ライナ９を繰り返して使用することが可能となり、薄膜
形成のコストを低減させることができる。

【００２０】実際に、従来のもののように坩堝に密着す
るハースライナとそれよりやや小径のハースライナとを
用いて、電子ビーム蒸発源によりシリコンを蒸発させる
実験を行った。その電子ビーム蒸発源の坩堝の内径は６
０mm、電子ビームのパワーは２KWであった。また、ハー
スライナとしてはグラファイト製のものを用いた。その
結果、坩堝に密着するハースライナを用いた場合には、
わずかに３回使用しただけでクラックが生じたが、やや
小径のハースライナを用い、その外側面と坩堝の内側面
との間に空隙を設けるようにした場合には、１０回の使
用でもクラックが生じないことが確認された。

【００２１】図３は、このような電子ビーム蒸発源１を
更に改良した実施例を示すものである。この実施例の場
合には、ハースライナ９は、断熱性を有する薄板１１を
介して坩堝３の底面上に設置されている。その薄板１１
は、厚さが０．１〜１０mm程度のもので、ハースライナ
９よりも多孔質の材料によって形成されている。その他
の構成は図１，２の実施例と同様である。このように構
成することにより、原料２の熱がハースライナ９の底壁
を通して坩堝３に伝わることも抑制されるようになるの
で、原料２の加熱効率が更に向上する。また、ハースラ
イナ９に加わる熱衝撃が多孔質の薄板１１によって吸収
されるようになるので、クラックの発生が一層防止され
る。

【００２２】図４の実施例においては、ハースライナ９
は従来のものと同様に坩堝３の内面に密着するようにし
て設置されている。しかしながら、そのハースライナ９
は、緻密質材料からなる内側層１２と多孔質材料からな
る外側層１３とによって二層構造に構成されている。こ
のように構成することにより、ハースライナ９の内面は
緻密質となるので、溶解した原料２もそのハースライナ
９によって確実に保持される。また、外側層１３は多孔
質とされるので、その外側層１３に大きな温度勾配を持
たせることができる。したがって、熱衝撃はその外側層
１３によって吸収されるようになり、内側層１２にクラ
ック等が発生することは防止される。

【００２３】図５は、ハースライナ９を、内面側から外
面側に向かって緻密質から多孔質へと連続的に変化する
傾斜機能材によって形成した実施例を示すものである。
このようなものにおいても、図４の実施例と同様の作用
効果を得ることができる。したがって、ハースライナ９
を坩堝３に密着させて設置しても、そのハースライナ９
が熱衝撃によって破損することは防止される。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ハースライナと坩堝との間に空隙を設ける
か、あるいはハースライナの坩堝に接触する面を多孔質
層とするようにしているので、ハースライナに生じる熱
衝撃を吸収させることができる。したがって、ハースラ
イナの繰り返し使用が可能となり、薄膜形成のコストを
低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される電子ビーム蒸発源の全体構
造を示す概略縦断面図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す電子ビーム蒸発源の
要部の拡大断面図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す図２と同様の拡大断
面図である。

【図４】本発明の第３実施例を示す同様の拡大断面図で
ある。

【図５】本発明の第４実施例を示す同様の拡大断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 電子ビーム蒸発源 ２ 蒸発原料 ３ 坩堝 ８ 電子ビーム ９ ハースライナ １０ 空隙 １１ 薄板 １２ 内側層 １３ 外側層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸発させる原料とその原料を収容する水
   冷坩堝との間に皿状のハースライナを設置し、前記原料
   に電子ビームを照射することによりその原料を蒸発させ
   るようにした電子ビーム蒸発源において； 前記ハースライナの外側面と前記坩堝の内側面との間に
   空隙が設けられていることを特徴とする、 電子ビーム蒸発源。
2. 【請求項２】 前記ハースライナが断熱性を有する薄板
   を介して前記坩堝の底面上に設置されている、 請求項１記載の電子ビーム蒸発源。
3. 【請求項３】 蒸発させる原料とその原料を収容する水
   冷坩堝との間に皿状のハースライナを設置し、前記原料
   に電子ビームを照射することによりその原料を蒸発させ
   るようにした電子ビーム蒸発源において； 前記ハースライナが、緻密質材料からなる内側層と多孔
   質材料からなる外側層とによって形成されていることを
   特徴とする、電子ビーム蒸発源。
4. 【請求項４】 蒸発させる原料とその原料を収容する水
   冷坩堝との間に皿状のハースライナを設置し、前記原料
   に電子ビームを照射することによりその原料を蒸発させ
   るようにした電子ビーム蒸発源において； 前記ハースライナが、内側から外側に向かって緻密質か
   ら多孔質へと連続的に変化する傾斜機能材によって形成
   されていることを特徴とする、電子ビーム蒸発源。