蒸着装置
【課題】同軸型真空アーク蒸着源を用いる薄膜の形成において欠陥の無い薄膜を形成する。
【解決手段】カソード電極４３を筒状のアノード電極３１の開口よりも外側に配置し、カソード電極４３から放射方向に飛び出す巨大ドロップレットをアノード電極３１の壁面に衝突させず、小ドロップレットを生成させない。ホルダ１２の方向に飛び出した巨大ドロップレットは回転する羽根部材２２に衝突し、フィルタ装置２０を通過できず、微小粒子だけが通過し、成膜対象物５の表面に欠陥の無い薄膜が形成される。
【解決手段】カソード電極４３を筒状のアノード電極３１の開口よりも外側に配置し、カソード電極４３から放射方向に飛び出す巨大ドロップレットをアノード電極３１の壁面に衝突させず、小ドロップレットを生成させない。ホルダ１２の方向に飛び出した巨大ドロップレットは回転する羽根部材２２に衝突し、フィルタ装置２０を通過できず、微小粒子だけが通過し、成膜対象物５の表面に欠陥の無い薄膜が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜を形成する技術にかかり、特に、同軸型真空アーク蒸着源を用いて薄膜を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８の符号１０１は、従来技術の蒸着装置を示している。
この蒸着装置１０１は真空槽１１１を有しており、該真空槽１１１の内部には同軸型真空アーク蒸着源１３０が配置されている。
【０００３】
同軸型真空アーク蒸着源１３０は、円筒形のアノード電極１３１と、アノード電極１３１の内部に配置されたカソード電極１４３と、カソード電極１４３の近傍に配置されたトリガ電極１４２とを有している。トリガ電極１４２とカソード電極１４３との間にはアルミナ製の円板形状の碍子１４１がはさみこまれ、図中には示されていないがネジで固定されている。アノード電極１３１は接地され、カソード電極１４３とトリガ電極１４２は電源１４０に接続されている。
【０００４】
真空槽１１１には、真空排気系１１９が接続されている。真空排気系１１９を動作させ、真空槽１１１内を真空排気し、電源１４０によってアノード電極１３１とカソード電極１４３の間に電圧を印加した状態でトリガ電極１４２にパルス状のトリガ電圧を印加すると、トリガ電極１４２とカソード電極１４３の間に碍子１４１側面を介して側面放電が発生する。これをトリガ放電と呼ぶ。
【０００５】
トリガ放電が発生すると、それによって発生した電子の一部がアノード電極側に飛行し、耐電圧が低下し、カソード電極１４３とアノード電極１３１との間にアーク放電が誘起される。
【０００６】
そのアーク放電により、カソード電極１４３に大きなアーク電流が流れ、それによってカソード電極１４３が溶融すると、カソード電極１４３を構成する蒸着材料の粒子がアノード電極１３１の内部に放出される。
【０００７】
アノード電極１３１の内部に放出された粒子は、アーク電流が形成する磁場や、放電によって形成されるプラズマ中の電子から力を受け、真空槽１１１の内部に放出される。
【０００８】
放出された粒子の飛行方向には、ホルダ１１２が配置されている。該ホルダ１１２には、半導体ウェハ等の成膜対象物１１５が配置されており、成膜対象物１１５表面に蒸着材料粒子が到達すると、薄膜が成長する。
【０００９】
アーク電流はコンデンサの放電によって供給されるので短時間で消滅するため、放電後はコンデンサを充電させ、アーク放電を繰り返し発生させると、所望膜厚の薄膜を成長させることができる。膜成長の際、ホルダ１１２は、モータ１１７と回転軸１２１によって回転され、成膜対象物５の表面に薄膜が均一な厚みの薄膜が成長するようにされている。
【００１０】
上記のような同軸型真空アーク蒸着源１３０では、１回のアーク放電によって形成される薄膜の膜厚はコンデンサの充電量によって制御でき、また、得られる薄膜の膜厚は、アーク放電一回当たりの膜厚と放電回数によって制御することができる。従って、成膜される膜が１〜２ｎｍ程度の非常に薄い膜であっても、膜厚精度が高い。
【００１１】
また粒子の飛行速度は、最大１００００ｍ／秒（文献Ｊ，Ｖａｃ．Ｓｅｃ．Ｊｐｎ．（真空Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．９，２００４ ｐ１３）と早いため非常に平坦な膜を形成することができる（Ｕｌｖａｃ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏ．４９ １９９８ ｐ９）。
【００１２】
この特徴は磁性デバイス特にＭＲＡＭ等の磁性、非磁性材料をｎｍの薄膜で積層させていくプロセスに向いている。例えば、Ｃｏ・ＦｅＮｉ／Ｔａ／Ｐｙ／Ｉｒ・Ｍｎ等をｎｍで積層させなければならず、この時に４つの蒸着源を搭載した蒸着装置を用いれば積層させることができる。特に同軸型真空アーク蒸着源ではカソード材の合金に比率が成膜しても膜内でカソード材料の合金比率を保存することが確認されているので非常に容易に合金を成膜することができる。
【００１３】
同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置や、後述するフィルタ装置等は、例えば下記文献に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２８２５５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１８８９９号公報
【特許文献３】特開平１０−３０１６９号公報
【特許文献４】特開平８−１７６８０５号公報
【特許文献５】特開２００２−２２０６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の同軸型真空アーク蒸着源１３０ではｎｍの厚みで制御良く成膜できるものの、ドロプレットが多量に発生し、薄膜中にドロプレットが混入する問題があった。これでは、デバイスとして機能しない。
【００１５】
同軸型真空アーク蒸着源１３０から放出される粒子には、原子状態に近い微小粒子の他、カソード材から液層で発生する巨大粒子（約φ５０〜１００μｍ）が含まれており、巨大粒子が成長中の薄膜に混入すると欠陥の原因になる。
【００１６】
図９の符号１０２は、上記蒸着装置１０１を改良した蒸着装置であり、同軸型真空アーク蒸着源１３０とホルダ１１２の間にフィルタ装置１２０が配置されている。
このフィルタ装置１２０は、回転中心１２５を中心とし、一定厚みの板状の羽根部材１２２が複数本放射状に配置されている。
【００１７】
同軸型真空アーク蒸着源１３０から放出される粒子は、質量が小さい程高速に飛行するため、フィルタ装置１２０を回転させると、蒸気などの微小粒子は羽根部材１２２と羽根部材１２２との間を通って成膜対象物１１５に到達するのに対し、低速の巨大粒子は羽根部材１２２の厚み方向を飛行する間に、羽根部材１２２に衝突する。
【００１８】
羽根部材１２２の両面のうち、回転方向の前方に向かう面は、同軸型真空アーク蒸着源１３０側に向けて傾けられており、羽根部材１２２と衝突した巨大粒子は、羽根部材１２２表面に付着するか、同軸型真空アーク蒸着源１３０方向に跳ね返される。
【００１９】
従って、巨大粒子は成膜対象物１１５には到達せず、蒸着材料の蒸気などの原子に近い状態の微小粒子だけで薄膜が成長する。
しかしながら、上記蒸着装置１０２では、巨大ドロップレットは除けるものの、それよりも小さい小ドロップレットが薄膜中に混入し、欠陥が生じることが発見された。
【００２０】
本発明は、上記蒸着装置１０２の問題を解決するために創作されたものであり、その目的は、欠陥の無い薄膜を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本願発明者等の研究によると、図１０に示すように、蒸着材料の蒸気１３４は原子程度の大きさであり、羽根部材１２２間を通過するのに対し、巨大ドロップレット１３５は通過できないが、巨大ドロップレット１３５がアノード電極１３１に衝突すると、直径１〜５μ程度の小ドロップレット１３６が生成され、その小ドロップレット１３６がフィルタ装置１２０の羽根部材１２２間を通過してしまい、薄膜中に混入していることが判明した。
【００２２】
従って、小ドロップレット１３６を発生せないために、巨大ドロップレット１３５がアノード電極１３１に衝突しないようにすればよい。
【００２３】
上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、前記蒸着源は、筒状のアノード電極と、蒸着材料で構成されたカソード電極と、前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、前記カソード電極は、前記アノード電極の先端であって、前記アノード電極で囲まれた領域の外部に配置された蒸着装置である。
また、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、前記蒸着源は、筒状のアノード電極と、蒸着材料で構成されたカソード電極と、前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、前記アノード電極は網で構成された蒸着装置である。
また、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、前記蒸着源は、アノード電極と、蒸着材料で構成されたカソード電極と、前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、前記アノード電極は一乃至複数本の棒状電極で構成された蒸着装置である。
また、本発明は、前記蒸着源と前記ホルダとの間に細長の羽根部材を複数有するフィルタ装置を配置し、前記羽根部材を移動させ、飛行速度が遅い蒸着材料粒子を前記羽根部材に付着させ、飛行速度が速い蒸着材料粒子を通過させ、前記成膜対象物表面に到達させるように構成された蒸着装置である。
また、本発明は、前記蒸着源を複数有し、前記各蒸着源から放出された前記蒸着材料粒子は前記同じ成膜対象物に到達するように配置された蒸着装置であって、前記各蒸着源の開口の中心軸線は互いに所定角度で傾き、前記各蒸着源から前記成膜対象物には、異なる角度で前記蒸着材料粒子が入射するように前記各蒸着源は配置され、前記各蒸着源と前記成膜対象物との間には、前記フィルタ装置がそれぞれ配置された蒸着装置である。
また、本発明は、前記羽根部材は回転軸を中心に放射状に配置され、前記回転軸を中心に回転するように構成された蒸着装置である。
また、本発明は、前記蒸着材料粒子が衝突する前記羽根部材の衝突表面は、前記回転軸の回転軸線に対して傾けられ、前記衝突表面に衝突して反射した蒸着材料粒子は、前記蒸着源側に戻されるように構成された蒸着装置である。
【００２４】
本発明は上記のように構成されており、巨大ドロップレットがアノード電極に衝突せず、小ドロップレットが発生しないか、又は発生する確率が低い。
カソード電極を構成する物質の粒子の飛行経路と交差するように羽根部材を移動させ、飛行速度の遅い粒子を羽根部材に衝突させる場合、小ドロップレットが羽根部材間に進入せず、成膜対象物に到達しない。
【発明の効果】
【００２５】
微小粒子だけが成膜対象物に到達するので、ドロップレットによる欠陥の無い膜を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１の符号１は、本発明の蒸着装置である。
この蒸着装置１は、真空槽１１と、該真空槽１１内に配置された一乃至複数台の同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂとを有してる(ここでは同じ構造の蒸着源が二台配置されている)。真空槽１１はステンレス等の合金で作成されている。
【００２７】
同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂの内部構造を図２に示す。
同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂは、円筒形の金属板から成るアノード電極３１と、蒸着材料が円柱状に成形されて成るカソード電極４３と、リング状の金属から成るトリガ電極４２とを有している。
【００２８】
アノード電極３１の底面には底壁５０が取りつけられており、該底壁５０上には絶縁性の碍子４１が配置されている。碍子４１は円柱形であり、カソード電極４３は碍子４１の先端に取りつけられている。トリガ電極４２は碍子４１に嵌め込まれており、トリガ電極４２は碍子４１の外周に装着されている。従って、トリガ電極４２の方がカソード電極４３よりも底壁５０に近い。カソード電極４３とトリガ電極４２の間は所定距離だけ離間され、絶縁性が確保されている。
【００２９】
カソード電極４３の中心軸線と、トリガ電極４２の中心軸線と、アノード電極３１の中心軸線とは、相互に一致するように配置されている。符号４９は、その中心軸線を示している。
【００３０】
カソード電極４３は、アノード電極３１の先端よりも外側に配置されており、カソード電極４３の周囲はアノード電極３１によって覆われていない。
図２の符号Ｔは、カソード電極４３の底面と、アノード電極３１の先端との間の距離を示しており、Ｔ≧０である。
【００３１】
碍子４１の内部には、直線状配線４５が中心軸線４９に沿って配置されている。該直線状配線４５の上端はカソード電極４３に接続されている。下端は底壁５０の下部に突き出され、アノード電源４７の負電圧側端子が接続されている。
【００３２】
アノード電極３１の外部であって、アノード電極３１の開口３２と面する位置には、フィルタ装置２０とホルダ１２とがこの順序で配置されている。
即ち、ホルダ１２と同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂの間にフィルタ装置２０が配置されており、カソード電極２４の中心軸線４９の延長線はフィルタ装置２０とホルダ１２の両方に交差するように配置されている。
【００３３】
図３は、同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂとフィルタ装置２０とホルダ１２を説明するための斜視図である。
ホルダ１２は円盤状であり、フィルタ装置２０に面する表面は、一乃至複数枚の成膜対象物をホルダ１２の中心と重ならない位置に保持できるように構成されている。図３の符号５は、ホルダ１２に保持された状態の成膜対象物(基板)を示している。
【００３４】
ホルダ１２の裏面側であって、ホルダ１２の中心位置には中空回転軸１３が接続されている。中空回転軸１３の中心軸線２５は、ホルダ１２の表面に対して垂直にされており、中心軸線２５を回転軸線として中空回転軸１３を回転させるとホルダ１２が回転し、ホルダ１２に保持された基板は、中心軸線２５と垂直な平面と平行に旋回移動するように構成されている。即ち、各成膜対象物５は、ホルダ１２の中心を中心として回転する。
【００３５】
フィルタ装置２０は回転翼型であり、回転軸２１と、細長の複数の板状の羽根部材２２と、リング２３とを有している。
回転軸２１は、リング２３の中心を通っており、回転軸２１のリング２３の中心上の位置には、各羽根部材２２の一端が、直接又は不図示のハブを介して固定されている。
【００３６】
各羽根部材２２の他端は、リング２３に接続され、リング２３を支持している。リング２３が位置する平面は回転軸２１に対して垂直になるように配置されている。従って、回転軸２１の回転軸線とリング２３の中心軸線とは一致し、各羽根部材２２は、該回転軸２１を中心とする放射状に配置されている。隣接する羽根部材２２と羽根部材２２の間には扇状の隙間２４が形成されている。
【００３７】
回転軸２１は、中空回転軸１３に挿通されており、中空回転軸１３の中心軸線２５は、回転軸２１の回転軸線、及びリング２０の中心軸線にもなっている。回転軸２１と中空回転軸１３とは、同一方向にも異なる方向にも回転できるようにされており、また、同じ回転速度でも、異なる回転速度でも回転できるようにもされている。図１の符号１７と符号１４は、回転軸２１と中空回転軸１３をそれぞれ別個に回転させるモータである。
【００３８】
同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂは、そのアノード電極３１の開口３２、及び開口３２の外部に配置されたカソード電極４３が、回転移動する成膜対象物５に向の移動経路上に向けられている。特に、ホルダ１２が回転したときに、各成膜対象物５の中心は、カソード電極４３の中心軸線４９の延長線と交差する位置を通過するように配置されている。
そして、ホルダ１２が回転すると、ホルダ１２上の成膜対象物５は、二台の同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂと面する位置を交互に通過する。
【００３９】
真空槽１１の外部には電源装置４０が配置されている。電源装置４０は、アーク電源４７とトリガ電源４６とコンデンサユニット４８とを有している。アノード電極３１と真空槽１１とは接地電位に接続されており、アノード電極３１は、アーク電源４７に接続され、トリガ電極４２はトリガ電源４６に接続されている。
アーク電源４７とトリガ電源４６により、アノード電極３１には負電圧が印加され、トリガ電極４２には正電圧が印加されるように構成されている。
【００４０】
上記蒸着装置１を用い、成膜対象物５の表面に薄膜を形成する工程について説明する。下記例では、二台の同軸側アーク蒸着源３０ａ、３０ｂを一緒に動作させるが、一台だけ動作させてもよい。
【００４１】
先ず、真空槽１１に接続された真空排気系１９を動作させ、真空槽１１内を所定圧力まで真空排気し、真空雰囲気を維持した状態で真空槽１１内に成膜対象物を搬入し、ホルダ１２に保持させる。
符号５はホルダ１２に保持された成膜対象物であり、該成膜対象物５は、例えば半導体ウェハである。
【００４２】
電源４０内のアノード電源４７やトリガ電源４６を動作させ、カソード電極４３に負電圧(−１００Ｖ)を印加した状態で、トリガ電極４２にパルス状のトリガ電圧(＋３．４ｋＶ)を印加すると、トリガ電極４２とカソード電極４３の間の碍子４１表面にトリガ放電(沿面放電)が生じ、カソード電極４３と碍子４１の交叉点から電子が発生する。
【００４３】
その電子は碍子４１の沿面を走るが、一部は碍子４１の表面から離れ、カソード電極４３の周囲に放出される。
カソード電極４３の周囲に放出された電子により、アノード電極３１とカソード電極４３の間の放電耐圧が低下すると、アノード電極３１とカソード電極４３の間にアーク放電が発生する。
【００４４】
アーク放電が発生するとカソード電極４３に大きなアーク電流が流れ、カソード電極４３が溶融し、アノード電極３１内部に、カソード電極４３を構成する蒸着材料の荷電粒子や中性粒子、電子が多量に放出される。
コンデンサユニット４８内のコンデンサ(８８００μＦ)の放電により、１４００Ａ〜２０００Ａのアーク電流が１ｍ秒程度維持される。
カソード電極４３の周囲に放出された粒子のうち、電子はアノード電極３１に引き寄せられ、正の荷電粒子はアノード電極３１から反発力を受ける。
【００４５】
他方、アーク電流が直線状配線４５を流れると磁場が発生し、カソード電極４３の周囲に放出された電子及び荷電粒子はその磁場からローレンツ力を受け、電荷／質量の値が大きな正の微小荷電粒子はフィルタ装置２０が位置する方角に飛行方向が曲げられる。
【００４６】
正電荷を有していても質量が大きな巨大ドロップレット(電荷／質量の値が小さな荷電粒子)や、中性のドロップレットは、飛行方向が曲がらず、カソード電極４３から飛び出した方向、即ち、中心軸線４９と垂直な放射方向に飛行する。
【００４７】
図４は、カソード電極４３からの粒子放出を説明するための図であり、符号３５ａは、アノード電極３１から放出された粒子のうち、放射方向に飛び出した巨大ドロップレットを示している。
【００４８】
カソード電極４３はアノード電極３１の開口３１の外部に位置しているため、それらのドロップレットはアノード電極３１の壁面に衝突せず、カソード電極４３から遠い位置まで飛行し、真空槽１１の内壁に配置された防着板に衝突し、そこに付着する。衝突によって小ドロップレットが発生しても成膜対象物５には到達せず、薄膜中に混入しない。
【００４９】
カソード電極４３から生成されれた粒子のうちには、放射方向ではなく、フィルタ装置２０に向かって飛び出した巨大ドロップレットもある。図４の符号３５ｂは、その巨大ドロップレットを示している。
回転軸２１と中空回転軸１３とは別個独立に回転させられており、ホルダ１２はゆっくり、フィルタ装置２０はホルダ１２よりも早く回転している。
【００５０】
アノード電極３１の中心軸線２５の延長線上にはフィルタ装置２０とホルダ１２が位置しており、真空槽１１内に放出された微小粒子３４や巨大ドロップレット３５ｂはフィルタ装置２０に向かって飛行するため、それらの粒子３４、３５ｂは羽根部材２２間の隙間２４に侵入する。
【００５１】
各羽根部材２２は、アノード電極３０ａ、３０ｂやカソード電極４３の中心軸線４９に沿った方向に、一定の長さＬを有している。この長さＬは羽根部材２２間の隙間２４の厚みであり、フィルタ装置２０は一定速度で回転しているので、隙間２４内に侵入した粒子３４、３５ｂが。長さＬの距離を通過する間に、羽根部材２２に衝突しなければフィルタ装置２０の裏面位置の成膜対象物５表面に到達する。他方、羽根部材２２の衝突すると、衝突した粒子３４、３５ｂは羽根部材２２に付着し、又は跳ね返され、成膜対象物５には到達できない。
【００５２】
質量が小さい微小粒子３４は高速に飛行するため、微小粒子３４の大部分はフィルタ装置２０を通過し、成膜対象物５に到達する。それに対し、質量が大きな巨大ドロップレット３５ｂは飛行速度が遅く、羽根部材２２に衝突しやすい。
【００５３】
飛行速度と質量とは相関関係にあり質量が小さい程高速である。従って、羽根部材２２の回転速度を設定することにより、所望の飛行速度未満、即ち、所望の質量未満の微小粒子３４だけを成膜対象物５に到達させることができる。
【００５４】
ここでは、フィルタ装置２０の回転は、低速の巨大ドロップレット３５ｂが羽根部材２２の厚み方向を飛行する間に羽根部材２２に衝突する回転速度に設定されている。
【００５５】
羽根部材２２の両面のうち、回転方向の前方に向かう面は、同軸型真空アーク蒸着源３０側に向けて傾けられており、羽根部材２２と衝突した巨大ドロップレット３５ｂは、羽根部材２２表面に付着するか、同軸型真空アーク蒸着源３０方向に跳ね返される。
【００５６】
従って、巨大ドロップレット３５ｂは成膜対象物５には到達せず、蒸着材料の蒸気などの原子に近い状態の微小粒子３４だけが隙間２４を通過し、成膜対象物５の表面に到達する。
【００５７】
巨大ドロップレット３５ｂが羽根部材２２の進行方向前方に向いた面に衝突したとき、巨大ドロップレット３５ｂの全部が羽根部材２２に付着するとは限らず、一部が羽根部材２２から離脱したり、反跳粒子が生じたりする。
【００５８】
同図符号θは、羽根部材２２の進行方向前方に向いた面と、羽根部材２２の回転の平面とが成す角度を示しており、θ＝９０°でもよいが、０＜θ＜９０°に設定しておくと、衝突によって生じた粒子は蒸着源３０ａ、３０ｂ側に跳ね返され、成膜対象物５に到達することはない。
【００５９】
微小粒子３４の飛行速度は１００００ｍ／秒であり、質量の大きな巨大ドロップレット３５ｂの飛行速度は４０〜５０ｍ／秒である。羽根部材２２を３０００ｒｐｍで回転させると、微小粒子３４だけが通過し、巨大ドロップレット３５ｂを羽根部材２２に衝突させ、付着させることができる。付着物は羽根部材２２の向心力により、中心に向かって移動する。
【００６０】
アーク電流はコンデンサユニット４８から供給されており、コンデンサの放電が終了するとアーク電流は消滅する。従って、アーク電流が流れる時間は短い。コンデンサユニット４８は放電後、アーク電源４７によって充電される。
【００６１】
コンデンサユニット４８が所定電圧まで充電された後、トリガ電極４２でのトリガ放電によって再度放電させ、アーク電流を流すと、成膜対象物５の表面に薄膜が積層される。従って、コンデンサユニット４８の充電とトリガ放電を所望回数繰り返し行うことで、成膜対象物５の表面に所望膜厚の薄膜を成長させることができる。
【００６２】
なお、カソード電極４３は、タングステン、タンタル、アルミニウム、チタン等の金属、それらの合金等のトリガ放電やアーク放電が生じ得る導電性物質を用いることができる。
【００６３】
真空槽１１の内部やアノード電極３１の内部に反応性ガスを導入し、反応生成物の薄膜を形成することもできる。例えば、酸素、窒素等の他、メタン等の化合物ガスも用いることができる。
【００６４】
上記アノード電極３１は円筒形状であったが、四角や六角形の筒であってもよい。
また、アノード電極３１は筒でなくてもよい。
【００６５】
図５(ａ)の符号６０は、網状のアノード電極６２の内部にカソード電極４３とトリガ電極４２が配置された同軸型真空アーク蒸着源６０である。放射方向に飛び出した巨大ドロップレットはアノード電極６２の網目を通過するため、アノード電極６２と衝突する確率が低く、小ドロップレットの発生が少ない。
【００６６】
また、図５(ｂ)の符号６１は、カソード電極４３とトリガ電極４２が、一乃至複数個の棒状のアノード電極６３1〜６３4で囲まれた同軸型真空アーク蒸着源６１である。ここでは、アノード電極６３1〜６３4は四本であり、正方形の頂点上に垂直に配置されている。
【００６７】
この同軸型真空アーク蒸着源６１でも、放射方向に飛び出した巨大ドロップレットはアノード電極６３1〜６３4の間を通過するため、アノード電極６２と衝突する確率が低く、小ドロップレットの発生が少ない。
【００６８】
また、上記例では、二台の同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂを中心軸線２５の両側に、片側一個ずつ配置したが、大型基板には、より多数の同軸型真空アーク蒸着源を用いることができる。
また、凹凸がある成膜対象物に対しても、多数の同軸型真空アーク蒸着源を複数配置することができる。
【００６９】
図６に示した成膜装置２は、真空槽５１を有しており、該真空槽５１の内部には、ホルダ５２が配置され、成膜対象物６が、該ホルダ５２に保持されている。
真空槽５１の内部のホルダ５２とは反対側の位置には、図２と同じ構造、又は図５(ａ)、(ｂ)と同じ構造を有する複数台の同軸型真空アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄが配置されている。
各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄの開口は、それぞれ成膜対象物６に向けられている。
【００７０】
カソード電極４３から放射方向に飛び出した巨大ドロップレットは、真空槽５１内の防着板に衝突し、小ドロップレットは成膜対象物６には到達しないようにされている。
【００７１】
各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄと成膜対象物６の間には、上記実施例のフィルタ装置２０と同じ構造のフィルタ装置２０ｃ、２０ｄが配置されている。
複数の同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄから粒子が放出されると、各フィルタ装置２０ｃ、２０ｄの回転によって質量の大きな粒子が除去され、質量の小さな微小粒子だけが成膜対象物６に到達できるようになっている。
【００７２】
各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄの中心軸線は、互いに平行になっておらず所定角度傾けられている。従って、各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄから放出され、フィルタ装置２０ｃ、２０ｄを通過した質量の小さな粒子は、異なる角度で成膜対象物６に入射する。
【００７３】
ここでは各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄのカソード電極４３は、同じ蒸着材料で構成されており、均一な膜質の薄膜が形成される。但し、異なる材料で構成してもよい。
【００７４】
図７の符号３は、本発明の他の例の成膜装置を示している。該成膜装置３のし空走５５の内部にはホルダ５６が配置されている。
同図の符号７は、凸型レンズを作成するための凸型金型から成る成膜対象物であり、ホルダ６２によって保持されている。
ホルダ６２と対向する位置にはフィルタ装置２０ｇが配置されており、ホルダ５６の側方にも、一乃至複数台のフィルタ装置２０ｅ、２０ｆが配置されている。
【００７５】
各フィルタ装置２０ｅ、２０ｆ、２０ｇの後方には、図２と同じ構造、又は図５(ａ)、(ｂ)と同じ構造を有する一乃至複数台の同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2、３０ｇ、３０ｆが配置されている。ここではフィルタ装置は側面に二カ所、底面に一カ所配置され、底面のフィルタ装置２０ｅの後方に二台の同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2が配置されている。
【００７６】
各同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2、３０ｆ、３０ｇの開口は、ホルダ６２上の成膜対象物７に向けられており、各同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2、３０ｇ、３０ｆから放出された蒸着材料粒子のうち、放射方向に飛び出した巨大ドロップレットは真空槽５５の内壁に配置された防着板に衝突し、ホルダ５６方向に飛び出した粒子は、回転するフィルタ装置２０ｅ、２０ｇ、２０ｆに入射し、それを通過した質量の小さな微小粒子が成膜対象物７に多方向から到達し、成膜対象物７表面に薄膜が形成される。
【００７７】
なお、上記各例では、筒状、網状、又は棒状のアノード電極３１、６２、６３1〜６３4を配置したが、真空槽がアノード電極と同電位の場合、アノード電極を配置せず、真空槽とカソード電極の間に電圧を印加するようにしてもよい。この場合も、上記と同様に、真空槽内部に防着板を配置し、巨大ドロップレットを防着板に衝突させるようにするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、半導体のゲート電極やゲート絶縁膜、トレンチのバリア層、磁性デバイスの磁性材料の成膜、更に機械部品のコーティング等に使用することができる。また、カーボンナノチューブの触媒層を形成することもできる。
【００７９】
特に、小ドロップレットの発生が少なく、巨大ドロップレットはフィルタ装置で除去できるので、欠陥のない単層あるいは複数の積層された薄膜を形成するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の蒸着源を説明するための図
【図２】同軸型真空アーク蒸着源の構造を説明するための断面図
【図３】フィルタ装置と蒸着源の位置関係を説明するための斜視図
【図４】蒸着源とフィルタ装置の動作を説明するための部分拡大図
【図５】(ａ)：網状のアノード電極を有する蒸着源 (ｂ)：棒状のアノード電極を有する蒸着源
【図６】本発明の他の例の蒸着装置を説明するための図
【図７】本発明の他の例の蒸着装置を説明するための図
【図８】従来技術の蒸着源
【図９】カソード電極がアノード電極で囲まれた蒸着装置を説明するための図
【図１０】その蒸着源とフィルタ装置の動作を説明するための部分拡大図
【符号の説明】
【００８１】
１、２、３……蒸着装置
５、６、７……成膜対象物
１１、５１、５５……真空槽
１２、５２、５６……ホルダ
２０、２０ａ〜２０ｇ……フィルタ装置
２１……回転軸
２２……羽根部材
２５……回転軸線
３０、６０、６１……同軸型真空アーク蒸着源
３１、６２、６３1〜６３4……アノード電極
４２……トリガ電極
４３……カソード電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜を形成する技術にかかり、特に、同軸型真空アーク蒸着源を用いて薄膜を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８の符号１０１は、従来技術の蒸着装置を示している。
この蒸着装置１０１は真空槽１１１を有しており、該真空槽１１１の内部には同軸型真空アーク蒸着源１３０が配置されている。
【０００３】
同軸型真空アーク蒸着源１３０は、円筒形のアノード電極１３１と、アノード電極１３１の内部に配置されたカソード電極１４３と、カソード電極１４３の近傍に配置されたトリガ電極１４２とを有している。トリガ電極１４２とカソード電極１４３との間にはアルミナ製の円板形状の碍子１４１がはさみこまれ、図中には示されていないがネジで固定されている。アノード電極１３１は接地され、カソード電極１４３とトリガ電極１４２は電源１４０に接続されている。
【０００４】
真空槽１１１には、真空排気系１１９が接続されている。真空排気系１１９を動作させ、真空槽１１１内を真空排気し、電源１４０によってアノード電極１３１とカソード電極１４３の間に電圧を印加した状態でトリガ電極１４２にパルス状のトリガ電圧を印加すると、トリガ電極１４２とカソード電極１４３の間に碍子１４１側面を介して側面放電が発生する。これをトリガ放電と呼ぶ。
【０００５】
トリガ放電が発生すると、それによって発生した電子の一部がアノード電極側に飛行し、耐電圧が低下し、カソード電極１４３とアノード電極１３１との間にアーク放電が誘起される。
【０００６】
そのアーク放電により、カソード電極１４３に大きなアーク電流が流れ、それによってカソード電極１４３が溶融すると、カソード電極１４３を構成する蒸着材料の粒子がアノード電極１３１の内部に放出される。
【０００７】
アノード電極１３１の内部に放出された粒子は、アーク電流が形成する磁場や、放電によって形成されるプラズマ中の電子から力を受け、真空槽１１１の内部に放出される。
【０００８】
放出された粒子の飛行方向には、ホルダ１１２が配置されている。該ホルダ１１２には、半導体ウェハ等の成膜対象物１１５が配置されており、成膜対象物１１５表面に蒸着材料粒子が到達すると、薄膜が成長する。
【０００９】
アーク電流はコンデンサの放電によって供給されるので短時間で消滅するため、放電後はコンデンサを充電させ、アーク放電を繰り返し発生させると、所望膜厚の薄膜を成長させることができる。膜成長の際、ホルダ１１２は、モータ１１７と回転軸１２１によって回転され、成膜対象物５の表面に薄膜が均一な厚みの薄膜が成長するようにされている。
【００１０】
上記のような同軸型真空アーク蒸着源１３０では、１回のアーク放電によって形成される薄膜の膜厚はコンデンサの充電量によって制御でき、また、得られる薄膜の膜厚は、アーク放電一回当たりの膜厚と放電回数によって制御することができる。従って、成膜される膜が１〜２ｎｍ程度の非常に薄い膜であっても、膜厚精度が高い。
【００１１】
また粒子の飛行速度は、最大１００００ｍ／秒（文献Ｊ，Ｖａｃ．Ｓｅｃ．Ｊｐｎ．（真空Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．９，２００４ ｐ１３）と早いため非常に平坦な膜を形成することができる（Ｕｌｖａｃ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏ．４９ １９９８ ｐ９）。
【００１２】
この特徴は磁性デバイス特にＭＲＡＭ等の磁性、非磁性材料をｎｍの薄膜で積層させていくプロセスに向いている。例えば、Ｃｏ・ＦｅＮｉ／Ｔａ／Ｐｙ／Ｉｒ・Ｍｎ等をｎｍで積層させなければならず、この時に４つの蒸着源を搭載した蒸着装置を用いれば積層させることができる。特に同軸型真空アーク蒸着源ではカソード材の合金に比率が成膜しても膜内でカソード材料の合金比率を保存することが確認されているので非常に容易に合金を成膜することができる。
【００１３】
同軸型真空アーク蒸着源を用いた蒸着装置や、後述するフィルタ装置等は、例えば下記文献に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２８２５５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１８８９９号公報
【特許文献３】特開平１０−３０１６９号公報
【特許文献４】特開平８−１７６８０５号公報
【特許文献５】特開２００２−２２０６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の同軸型真空アーク蒸着源１３０ではｎｍの厚みで制御良く成膜できるものの、ドロプレットが多量に発生し、薄膜中にドロプレットが混入する問題があった。これでは、デバイスとして機能しない。
【００１５】
同軸型真空アーク蒸着源１３０から放出される粒子には、原子状態に近い微小粒子の他、カソード材から液層で発生する巨大粒子（約φ５０〜１００μｍ）が含まれており、巨大粒子が成長中の薄膜に混入すると欠陥の原因になる。
【００１６】
図９の符号１０２は、上記蒸着装置１０１を改良した蒸着装置であり、同軸型真空アーク蒸着源１３０とホルダ１１２の間にフィルタ装置１２０が配置されている。
このフィルタ装置１２０は、回転中心１２５を中心とし、一定厚みの板状の羽根部材１２２が複数本放射状に配置されている。
【００１７】
同軸型真空アーク蒸着源１３０から放出される粒子は、質量が小さい程高速に飛行するため、フィルタ装置１２０を回転させると、蒸気などの微小粒子は羽根部材１２２と羽根部材１２２との間を通って成膜対象物１１５に到達するのに対し、低速の巨大粒子は羽根部材１２２の厚み方向を飛行する間に、羽根部材１２２に衝突する。
【００１８】
羽根部材１２２の両面のうち、回転方向の前方に向かう面は、同軸型真空アーク蒸着源１３０側に向けて傾けられており、羽根部材１２２と衝突した巨大粒子は、羽根部材１２２表面に付着するか、同軸型真空アーク蒸着源１３０方向に跳ね返される。
【００１９】
従って、巨大粒子は成膜対象物１１５には到達せず、蒸着材料の蒸気などの原子に近い状態の微小粒子だけで薄膜が成長する。
しかしながら、上記蒸着装置１０２では、巨大ドロップレットは除けるものの、それよりも小さい小ドロップレットが薄膜中に混入し、欠陥が生じることが発見された。
【００２０】
本発明は、上記蒸着装置１０２の問題を解決するために創作されたものであり、その目的は、欠陥の無い薄膜を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本願発明者等の研究によると、図１０に示すように、蒸着材料の蒸気１３４は原子程度の大きさであり、羽根部材１２２間を通過するのに対し、巨大ドロップレット１３５は通過できないが、巨大ドロップレット１３５がアノード電極１３１に衝突すると、直径１〜５μ程度の小ドロップレット１３６が生成され、その小ドロップレット１３６がフィルタ装置１２０の羽根部材１２２間を通過してしまい、薄膜中に混入していることが判明した。
【００２２】
従って、小ドロップレット１３６を発生せないために、巨大ドロップレット１３５がアノード電極１３１に衝突しないようにすればよい。
【００２３】
上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、前記蒸着源は、筒状のアノード電極と、蒸着材料で構成されたカソード電極と、前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、前記カソード電極は、前記アノード電極の先端であって、前記アノード電極で囲まれた領域の外部に配置された蒸着装置である。
また、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、前記蒸着源は、筒状のアノード電極と、蒸着材料で構成されたカソード電極と、前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、前記アノード電極は網で構成された蒸着装置である。
また、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、前記蒸着源は、アノード電極と、蒸着材料で構成されたカソード電極と、前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、前記アノード電極は一乃至複数本の棒状電極で構成された蒸着装置である。
また、本発明は、前記蒸着源と前記ホルダとの間に細長の羽根部材を複数有するフィルタ装置を配置し、前記羽根部材を移動させ、飛行速度が遅い蒸着材料粒子を前記羽根部材に付着させ、飛行速度が速い蒸着材料粒子を通過させ、前記成膜対象物表面に到達させるように構成された蒸着装置である。
また、本発明は、前記蒸着源を複数有し、前記各蒸着源から放出された前記蒸着材料粒子は前記同じ成膜対象物に到達するように配置された蒸着装置であって、前記各蒸着源の開口の中心軸線は互いに所定角度で傾き、前記各蒸着源から前記成膜対象物には、異なる角度で前記蒸着材料粒子が入射するように前記各蒸着源は配置され、前記各蒸着源と前記成膜対象物との間には、前記フィルタ装置がそれぞれ配置された蒸着装置である。
また、本発明は、前記羽根部材は回転軸を中心に放射状に配置され、前記回転軸を中心に回転するように構成された蒸着装置である。
また、本発明は、前記蒸着材料粒子が衝突する前記羽根部材の衝突表面は、前記回転軸の回転軸線に対して傾けられ、前記衝突表面に衝突して反射した蒸着材料粒子は、前記蒸着源側に戻されるように構成された蒸着装置である。
【００２４】
本発明は上記のように構成されており、巨大ドロップレットがアノード電極に衝突せず、小ドロップレットが発生しないか、又は発生する確率が低い。
カソード電極を構成する物質の粒子の飛行経路と交差するように羽根部材を移動させ、飛行速度の遅い粒子を羽根部材に衝突させる場合、小ドロップレットが羽根部材間に進入せず、成膜対象物に到達しない。
【発明の効果】
【００２５】
微小粒子だけが成膜対象物に到達するので、ドロップレットによる欠陥の無い膜を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１の符号１は、本発明の蒸着装置である。
この蒸着装置１は、真空槽１１と、該真空槽１１内に配置された一乃至複数台の同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂとを有してる(ここでは同じ構造の蒸着源が二台配置されている)。真空槽１１はステンレス等の合金で作成されている。
【００２７】
同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂの内部構造を図２に示す。
同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂは、円筒形の金属板から成るアノード電極３１と、蒸着材料が円柱状に成形されて成るカソード電極４３と、リング状の金属から成るトリガ電極４２とを有している。
【００２８】
アノード電極３１の底面には底壁５０が取りつけられており、該底壁５０上には絶縁性の碍子４１が配置されている。碍子４１は円柱形であり、カソード電極４３は碍子４１の先端に取りつけられている。トリガ電極４２は碍子４１に嵌め込まれており、トリガ電極４２は碍子４１の外周に装着されている。従って、トリガ電極４２の方がカソード電極４３よりも底壁５０に近い。カソード電極４３とトリガ電極４２の間は所定距離だけ離間され、絶縁性が確保されている。
【００２９】
カソード電極４３の中心軸線と、トリガ電極４２の中心軸線と、アノード電極３１の中心軸線とは、相互に一致するように配置されている。符号４９は、その中心軸線を示している。
【００３０】
カソード電極４３は、アノード電極３１の先端よりも外側に配置されており、カソード電極４３の周囲はアノード電極３１によって覆われていない。
図２の符号Ｔは、カソード電極４３の底面と、アノード電極３１の先端との間の距離を示しており、Ｔ≧０である。
【００３１】
碍子４１の内部には、直線状配線４５が中心軸線４９に沿って配置されている。該直線状配線４５の上端はカソード電極４３に接続されている。下端は底壁５０の下部に突き出され、アノード電源４７の負電圧側端子が接続されている。
【００３２】
アノード電極３１の外部であって、アノード電極３１の開口３２と面する位置には、フィルタ装置２０とホルダ１２とがこの順序で配置されている。
即ち、ホルダ１２と同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂの間にフィルタ装置２０が配置されており、カソード電極２４の中心軸線４９の延長線はフィルタ装置２０とホルダ１２の両方に交差するように配置されている。
【００３３】
図３は、同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂとフィルタ装置２０とホルダ１２を説明するための斜視図である。
ホルダ１２は円盤状であり、フィルタ装置２０に面する表面は、一乃至複数枚の成膜対象物をホルダ１２の中心と重ならない位置に保持できるように構成されている。図３の符号５は、ホルダ１２に保持された状態の成膜対象物(基板)を示している。
【００３４】
ホルダ１２の裏面側であって、ホルダ１２の中心位置には中空回転軸１３が接続されている。中空回転軸１３の中心軸線２５は、ホルダ１２の表面に対して垂直にされており、中心軸線２５を回転軸線として中空回転軸１３を回転させるとホルダ１２が回転し、ホルダ１２に保持された基板は、中心軸線２５と垂直な平面と平行に旋回移動するように構成されている。即ち、各成膜対象物５は、ホルダ１２の中心を中心として回転する。
【００３５】
フィルタ装置２０は回転翼型であり、回転軸２１と、細長の複数の板状の羽根部材２２と、リング２３とを有している。
回転軸２１は、リング２３の中心を通っており、回転軸２１のリング２３の中心上の位置には、各羽根部材２２の一端が、直接又は不図示のハブを介して固定されている。
【００３６】
各羽根部材２２の他端は、リング２３に接続され、リング２３を支持している。リング２３が位置する平面は回転軸２１に対して垂直になるように配置されている。従って、回転軸２１の回転軸線とリング２３の中心軸線とは一致し、各羽根部材２２は、該回転軸２１を中心とする放射状に配置されている。隣接する羽根部材２２と羽根部材２２の間には扇状の隙間２４が形成されている。
【００３７】
回転軸２１は、中空回転軸１３に挿通されており、中空回転軸１３の中心軸線２５は、回転軸２１の回転軸線、及びリング２０の中心軸線にもなっている。回転軸２１と中空回転軸１３とは、同一方向にも異なる方向にも回転できるようにされており、また、同じ回転速度でも、異なる回転速度でも回転できるようにもされている。図１の符号１７と符号１４は、回転軸２１と中空回転軸１３をそれぞれ別個に回転させるモータである。
【００３８】
同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂは、そのアノード電極３１の開口３２、及び開口３２の外部に配置されたカソード電極４３が、回転移動する成膜対象物５に向の移動経路上に向けられている。特に、ホルダ１２が回転したときに、各成膜対象物５の中心は、カソード電極４３の中心軸線４９の延長線と交差する位置を通過するように配置されている。
そして、ホルダ１２が回転すると、ホルダ１２上の成膜対象物５は、二台の同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂと面する位置を交互に通過する。
【００３９】
真空槽１１の外部には電源装置４０が配置されている。電源装置４０は、アーク電源４７とトリガ電源４６とコンデンサユニット４８とを有している。アノード電極３１と真空槽１１とは接地電位に接続されており、アノード電極３１は、アーク電源４７に接続され、トリガ電極４２はトリガ電源４６に接続されている。
アーク電源４７とトリガ電源４６により、アノード電極３１には負電圧が印加され、トリガ電極４２には正電圧が印加されるように構成されている。
【００４０】
上記蒸着装置１を用い、成膜対象物５の表面に薄膜を形成する工程について説明する。下記例では、二台の同軸側アーク蒸着源３０ａ、３０ｂを一緒に動作させるが、一台だけ動作させてもよい。
【００４１】
先ず、真空槽１１に接続された真空排気系１９を動作させ、真空槽１１内を所定圧力まで真空排気し、真空雰囲気を維持した状態で真空槽１１内に成膜対象物を搬入し、ホルダ１２に保持させる。
符号５はホルダ１２に保持された成膜対象物であり、該成膜対象物５は、例えば半導体ウェハである。
【００４２】
電源４０内のアノード電源４７やトリガ電源４６を動作させ、カソード電極４３に負電圧(−１００Ｖ)を印加した状態で、トリガ電極４２にパルス状のトリガ電圧(＋３．４ｋＶ)を印加すると、トリガ電極４２とカソード電極４３の間の碍子４１表面にトリガ放電(沿面放電)が生じ、カソード電極４３と碍子４１の交叉点から電子が発生する。
【００４３】
その電子は碍子４１の沿面を走るが、一部は碍子４１の表面から離れ、カソード電極４３の周囲に放出される。
カソード電極４３の周囲に放出された電子により、アノード電極３１とカソード電極４３の間の放電耐圧が低下すると、アノード電極３１とカソード電極４３の間にアーク放電が発生する。
【００４４】
アーク放電が発生するとカソード電極４３に大きなアーク電流が流れ、カソード電極４３が溶融し、アノード電極３１内部に、カソード電極４３を構成する蒸着材料の荷電粒子や中性粒子、電子が多量に放出される。
コンデンサユニット４８内のコンデンサ(８８００μＦ)の放電により、１４００Ａ〜２０００Ａのアーク電流が１ｍ秒程度維持される。
カソード電極４３の周囲に放出された粒子のうち、電子はアノード電極３１に引き寄せられ、正の荷電粒子はアノード電極３１から反発力を受ける。
【００４５】
他方、アーク電流が直線状配線４５を流れると磁場が発生し、カソード電極４３の周囲に放出された電子及び荷電粒子はその磁場からローレンツ力を受け、電荷／質量の値が大きな正の微小荷電粒子はフィルタ装置２０が位置する方角に飛行方向が曲げられる。
【００４６】
正電荷を有していても質量が大きな巨大ドロップレット(電荷／質量の値が小さな荷電粒子)や、中性のドロップレットは、飛行方向が曲がらず、カソード電極４３から飛び出した方向、即ち、中心軸線４９と垂直な放射方向に飛行する。
【００４７】
図４は、カソード電極４３からの粒子放出を説明するための図であり、符号３５ａは、アノード電極３１から放出された粒子のうち、放射方向に飛び出した巨大ドロップレットを示している。
【００４８】
カソード電極４３はアノード電極３１の開口３１の外部に位置しているため、それらのドロップレットはアノード電極３１の壁面に衝突せず、カソード電極４３から遠い位置まで飛行し、真空槽１１の内壁に配置された防着板に衝突し、そこに付着する。衝突によって小ドロップレットが発生しても成膜対象物５には到達せず、薄膜中に混入しない。
【００４９】
カソード電極４３から生成されれた粒子のうちには、放射方向ではなく、フィルタ装置２０に向かって飛び出した巨大ドロップレットもある。図４の符号３５ｂは、その巨大ドロップレットを示している。
回転軸２１と中空回転軸１３とは別個独立に回転させられており、ホルダ１２はゆっくり、フィルタ装置２０はホルダ１２よりも早く回転している。
【００５０】
アノード電極３１の中心軸線２５の延長線上にはフィルタ装置２０とホルダ１２が位置しており、真空槽１１内に放出された微小粒子３４や巨大ドロップレット３５ｂはフィルタ装置２０に向かって飛行するため、それらの粒子３４、３５ｂは羽根部材２２間の隙間２４に侵入する。
【００５１】
各羽根部材２２は、アノード電極３０ａ、３０ｂやカソード電極４３の中心軸線４９に沿った方向に、一定の長さＬを有している。この長さＬは羽根部材２２間の隙間２４の厚みであり、フィルタ装置２０は一定速度で回転しているので、隙間２４内に侵入した粒子３４、３５ｂが。長さＬの距離を通過する間に、羽根部材２２に衝突しなければフィルタ装置２０の裏面位置の成膜対象物５表面に到達する。他方、羽根部材２２の衝突すると、衝突した粒子３４、３５ｂは羽根部材２２に付着し、又は跳ね返され、成膜対象物５には到達できない。
【００５２】
質量が小さい微小粒子３４は高速に飛行するため、微小粒子３４の大部分はフィルタ装置２０を通過し、成膜対象物５に到達する。それに対し、質量が大きな巨大ドロップレット３５ｂは飛行速度が遅く、羽根部材２２に衝突しやすい。
【００５３】
飛行速度と質量とは相関関係にあり質量が小さい程高速である。従って、羽根部材２２の回転速度を設定することにより、所望の飛行速度未満、即ち、所望の質量未満の微小粒子３４だけを成膜対象物５に到達させることができる。
【００５４】
ここでは、フィルタ装置２０の回転は、低速の巨大ドロップレット３５ｂが羽根部材２２の厚み方向を飛行する間に羽根部材２２に衝突する回転速度に設定されている。
【００５５】
羽根部材２２の両面のうち、回転方向の前方に向かう面は、同軸型真空アーク蒸着源３０側に向けて傾けられており、羽根部材２２と衝突した巨大ドロップレット３５ｂは、羽根部材２２表面に付着するか、同軸型真空アーク蒸着源３０方向に跳ね返される。
【００５６】
従って、巨大ドロップレット３５ｂは成膜対象物５には到達せず、蒸着材料の蒸気などの原子に近い状態の微小粒子３４だけが隙間２４を通過し、成膜対象物５の表面に到達する。
【００５７】
巨大ドロップレット３５ｂが羽根部材２２の進行方向前方に向いた面に衝突したとき、巨大ドロップレット３５ｂの全部が羽根部材２２に付着するとは限らず、一部が羽根部材２２から離脱したり、反跳粒子が生じたりする。
【００５８】
同図符号θは、羽根部材２２の進行方向前方に向いた面と、羽根部材２２の回転の平面とが成す角度を示しており、θ＝９０°でもよいが、０＜θ＜９０°に設定しておくと、衝突によって生じた粒子は蒸着源３０ａ、３０ｂ側に跳ね返され、成膜対象物５に到達することはない。
【００５９】
微小粒子３４の飛行速度は１００００ｍ／秒であり、質量の大きな巨大ドロップレット３５ｂの飛行速度は４０〜５０ｍ／秒である。羽根部材２２を３０００ｒｐｍで回転させると、微小粒子３４だけが通過し、巨大ドロップレット３５ｂを羽根部材２２に衝突させ、付着させることができる。付着物は羽根部材２２の向心力により、中心に向かって移動する。
【００６０】
アーク電流はコンデンサユニット４８から供給されており、コンデンサの放電が終了するとアーク電流は消滅する。従って、アーク電流が流れる時間は短い。コンデンサユニット４８は放電後、アーク電源４７によって充電される。
【００６１】
コンデンサユニット４８が所定電圧まで充電された後、トリガ電極４２でのトリガ放電によって再度放電させ、アーク電流を流すと、成膜対象物５の表面に薄膜が積層される。従って、コンデンサユニット４８の充電とトリガ放電を所望回数繰り返し行うことで、成膜対象物５の表面に所望膜厚の薄膜を成長させることができる。
【００６２】
なお、カソード電極４３は、タングステン、タンタル、アルミニウム、チタン等の金属、それらの合金等のトリガ放電やアーク放電が生じ得る導電性物質を用いることができる。
【００６３】
真空槽１１の内部やアノード電極３１の内部に反応性ガスを導入し、反応生成物の薄膜を形成することもできる。例えば、酸素、窒素等の他、メタン等の化合物ガスも用いることができる。
【００６４】
上記アノード電極３１は円筒形状であったが、四角や六角形の筒であってもよい。
また、アノード電極３１は筒でなくてもよい。
【００６５】
図５(ａ)の符号６０は、網状のアノード電極６２の内部にカソード電極４３とトリガ電極４２が配置された同軸型真空アーク蒸着源６０である。放射方向に飛び出した巨大ドロップレットはアノード電極６２の網目を通過するため、アノード電極６２と衝突する確率が低く、小ドロップレットの発生が少ない。
【００６６】
また、図５(ｂ)の符号６１は、カソード電極４３とトリガ電極４２が、一乃至複数個の棒状のアノード電極６３1〜６３4で囲まれた同軸型真空アーク蒸着源６１である。ここでは、アノード電極６３1〜６３4は四本であり、正方形の頂点上に垂直に配置されている。
【００６７】
この同軸型真空アーク蒸着源６１でも、放射方向に飛び出した巨大ドロップレットはアノード電極６３1〜６３4の間を通過するため、アノード電極６２と衝突する確率が低く、小ドロップレットの発生が少ない。
【００６８】
また、上記例では、二台の同軸型真空アーク蒸着源３０ａ、３０ｂを中心軸線２５の両側に、片側一個ずつ配置したが、大型基板には、より多数の同軸型真空アーク蒸着源を用いることができる。
また、凹凸がある成膜対象物に対しても、多数の同軸型真空アーク蒸着源を複数配置することができる。
【００６９】
図６に示した成膜装置２は、真空槽５１を有しており、該真空槽５１の内部には、ホルダ５２が配置され、成膜対象物６が、該ホルダ５２に保持されている。
真空槽５１の内部のホルダ５２とは反対側の位置には、図２と同じ構造、又は図５(ａ)、(ｂ)と同じ構造を有する複数台の同軸型真空アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄが配置されている。
各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄの開口は、それぞれ成膜対象物６に向けられている。
【００７０】
カソード電極４３から放射方向に飛び出した巨大ドロップレットは、真空槽５１内の防着板に衝突し、小ドロップレットは成膜対象物６には到達しないようにされている。
【００７１】
各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄと成膜対象物６の間には、上記実施例のフィルタ装置２０と同じ構造のフィルタ装置２０ｃ、２０ｄが配置されている。
複数の同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄから粒子が放出されると、各フィルタ装置２０ｃ、２０ｄの回転によって質量の大きな粒子が除去され、質量の小さな微小粒子だけが成膜対象物６に到達できるようになっている。
【００７２】
各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄの中心軸線は、互いに平行になっておらず所定角度傾けられている。従って、各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄから放出され、フィルタ装置２０ｃ、２０ｄを通過した質量の小さな粒子は、異なる角度で成膜対象物６に入射する。
【００７３】
ここでは各同軸型アーク蒸着源３０ｃ、３０ｄのカソード電極４３は、同じ蒸着材料で構成されており、均一な膜質の薄膜が形成される。但し、異なる材料で構成してもよい。
【００７４】
図７の符号３は、本発明の他の例の成膜装置を示している。該成膜装置３のし空走５５の内部にはホルダ５６が配置されている。
同図の符号７は、凸型レンズを作成するための凸型金型から成る成膜対象物であり、ホルダ６２によって保持されている。
ホルダ６２と対向する位置にはフィルタ装置２０ｇが配置されており、ホルダ５６の側方にも、一乃至複数台のフィルタ装置２０ｅ、２０ｆが配置されている。
【００７５】
各フィルタ装置２０ｅ、２０ｆ、２０ｇの後方には、図２と同じ構造、又は図５(ａ)、(ｂ)と同じ構造を有する一乃至複数台の同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2、３０ｇ、３０ｆが配置されている。ここではフィルタ装置は側面に二カ所、底面に一カ所配置され、底面のフィルタ装置２０ｅの後方に二台の同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2が配置されている。
【００７６】
各同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2、３０ｆ、３０ｇの開口は、ホルダ６２上の成膜対象物７に向けられており、各同軸型アーク蒸着源３０ｅ1、３０ｅ2、３０ｇ、３０ｆから放出された蒸着材料粒子のうち、放射方向に飛び出した巨大ドロップレットは真空槽５５の内壁に配置された防着板に衝突し、ホルダ５６方向に飛び出した粒子は、回転するフィルタ装置２０ｅ、２０ｇ、２０ｆに入射し、それを通過した質量の小さな微小粒子が成膜対象物７に多方向から到達し、成膜対象物７表面に薄膜が形成される。
【００７７】
なお、上記各例では、筒状、網状、又は棒状のアノード電極３１、６２、６３1〜６３4を配置したが、真空槽がアノード電極と同電位の場合、アノード電極を配置せず、真空槽とカソード電極の間に電圧を印加するようにしてもよい。この場合も、上記と同様に、真空槽内部に防着板を配置し、巨大ドロップレットを防着板に衝突させるようにするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、半導体のゲート電極やゲート絶縁膜、トレンチのバリア層、磁性デバイスの磁性材料の成膜、更に機械部品のコーティング等に使用することができる。また、カーボンナノチューブの触媒層を形成することもできる。
【００７９】
特に、小ドロップレットの発生が少なく、巨大ドロップレットはフィルタ装置で除去できるので、欠陥のない単層あるいは複数の積層された薄膜を形成するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の蒸着源を説明するための図
【図２】同軸型真空アーク蒸着源の構造を説明するための断面図
【図３】フィルタ装置と蒸着源の位置関係を説明するための斜視図
【図４】蒸着源とフィルタ装置の動作を説明するための部分拡大図
【図５】(ａ)：網状のアノード電極を有する蒸着源 (ｂ)：棒状のアノード電極を有する蒸着源
【図６】本発明の他の例の蒸着装置を説明するための図
【図７】本発明の他の例の蒸着装置を説明するための図
【図８】従来技術の蒸着源
【図９】カソード電極がアノード電極で囲まれた蒸着装置を説明するための図
【図１０】その蒸着源とフィルタ装置の動作を説明するための部分拡大図
【符号の説明】
【００８１】
１、２、３……蒸着装置
５、６、７……成膜対象物
１１、５１、５５……真空槽
１２、５２、５６……ホルダ
２０、２０ａ〜２０ｇ……フィルタ装置
２１……回転軸
２２……羽根部材
２５……回転軸線
３０、６０、６１……同軸型真空アーク蒸着源
３１、６２、６３1〜６３4……アノード電極
４２……トリガ電極
４３……カソード電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、
前記蒸着源は、
筒状のアノード電極と、
蒸着材料で構成されたカソード電極と、
前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、
前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、
前記カソード電極は、前記アノード電極の先端であって、前記アノード電極で囲まれた領域の外部に配置された蒸着装置。
【請求項２】
真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、
前記蒸着源は、
筒状のアノード電極と、
蒸着材料で構成されたカソード電極と、
前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、
前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、
前記アノード電極は網で構成された蒸着装置。
【請求項３】
真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、
前記蒸着源は、
アノード電極と、
蒸着材料で構成されたカソード電極と、
前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、
前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、
前記アノード電極は一乃至複数本の棒状電極で構成された蒸着装置。
【請求項４】
前記蒸着源と前記ホルダとの間に細長の羽根部材を複数有するフィルタ装置を配置し、
前記羽根部材を移動させ、飛行速度が遅い蒸着材料粒子を前記羽根部材に付着させ、飛行速度が速い蒸着材料粒子を通過させ、前記成膜対象物表面に到達させるように構成された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着装置。
【請求項５】
前記蒸着源を複数有し、前記各蒸着源から放出された前記蒸着材料粒子は前記同じ成膜対象物に到達するように配置された蒸着装置であって、
前記各蒸着源の開口の中心軸線は互いに所定角度で傾き、前記各蒸着源から前記成膜対象物には、異なる角度で前記蒸着材料粒子が入射するように前記各蒸着源は配置され、
前記各蒸着源と前記成膜対象物との間には、前記フィルタ装置がそれぞれ配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着装置。
【請求項６】
前記羽根部材は回転軸を中心に放射状に配置され、前記回転軸を中心に回転するように構成された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の蒸着装置。
【請求項７】
前記蒸着材料粒子が衝突する前記羽根部材の衝突表面は、前記回転軸の回転軸線に対して傾けられ、前記衝突表面に衝突して反射した蒸着材料粒子は、前記蒸着源側に戻されるように構成された請求項６記載の蒸着装置。
【請求項１】
真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、
前記蒸着源は、
筒状のアノード電極と、
蒸着材料で構成されたカソード電極と、
前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、
前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、
前記カソード電極は、前記アノード電極の先端であって、前記アノード電極で囲まれた領域の外部に配置された蒸着装置。
【請求項２】
真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、
前記蒸着源は、
筒状のアノード電極と、
蒸着材料で構成されたカソード電極と、
前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、
前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、
前記アノード電極は網で構成された蒸着装置。
【請求項３】
真空槽と、前記真空槽内に配置された蒸着源と、成膜対象物が配置されるホルダとを有し、
前記蒸着源は、
アノード電極と、
蒸着材料で構成されたカソード電極と、
前記カソード電極近傍に配置されたトリガ電極とを有し、
前記カソード電極と前記トリガ電極との間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させ、前記カソード電極を蒸発させ、前記蒸気を前記ホルダに配置された成膜対象物表面に到達させ、前記成膜対象物表面に薄膜を成長させる成膜装置であって、
前記アノード電極は一乃至複数本の棒状電極で構成された蒸着装置。
【請求項４】
前記蒸着源と前記ホルダとの間に細長の羽根部材を複数有するフィルタ装置を配置し、
前記羽根部材を移動させ、飛行速度が遅い蒸着材料粒子を前記羽根部材に付着させ、飛行速度が速い蒸着材料粒子を通過させ、前記成膜対象物表面に到達させるように構成された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着装置。
【請求項５】
前記蒸着源を複数有し、前記各蒸着源から放出された前記蒸着材料粒子は前記同じ成膜対象物に到達するように配置された蒸着装置であって、
前記各蒸着源の開口の中心軸線は互いに所定角度で傾き、前記各蒸着源から前記成膜対象物には、異なる角度で前記蒸着材料粒子が入射するように前記各蒸着源は配置され、
前記各蒸着源と前記成膜対象物との間には、前記フィルタ装置がそれぞれ配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着装置。
【請求項６】
前記羽根部材は回転軸を中心に放射状に配置され、前記回転軸を中心に回転するように構成された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の蒸着装置。
【請求項７】
前記蒸着材料粒子が衝突する前記羽根部材の衝突表面は、前記回転軸の回転軸線に対して傾けられ、前記衝突表面に衝突して反射した蒸着材料粒子は、前記蒸着源側に戻されるように構成された請求項６記載の蒸着装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３１２７６４（Ｐ２００６−３１２７６４Ａ）
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３５８５４（Ｐ２００５−１３５８５４）
【出願日】平成１７年５月９日（２００５．５．９）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月９日（２００５．５．９）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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