JP4397979B2 - 自立回転ロッド供給源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電子ビーム蒸発システムに関し、特に、低圧力で電子ビームによって加熱されたときに昇華するロッド材料を使用する電子ビーム蒸発システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビーム蒸発システムは、電子ビームをインゴット材料に当てて、この材料を蒸発させ、基板をコーティングするのに使用される。電子ビーム技術については、R. Hill編「物理的蒸着(Physical Vapor Deposition)」という本（１９８６年、第２版）の第１７〜１０６ページに記載されている。図１は、「Physical Vapor Deposition」の第６４ページから引用したもので、従来の電子ビーム蒸発システムを示すものである。システム１０には電子ビーム源１２が含まれ、電子ビーム源１２は、るつぼ１６内に置かれたインゴット材料に当てる電子ビーム１４を供給する。蒸発したインゴット材料は、処理チャンバ２０内の基板１８の上に堆積する。
【０００３】
図２は、「Physical Vapor Deposition」の第３９ページから引用した従来のシステムを示す図である。この引例では、水冷るつぼ２６に接触するフィードストック２４を使用する。フィードストックの材料が蒸発するにつれて、そのフィードストックは押し上げられて、フィードストックが連続的に供給されるようになっている。この図において、フィードストックは昇華しない材料であるので、液溜り２４ａが形成される。電子ビーム源２８には、陰極ブロック２８ａ、フィラメント２８ｂ、陽極２８ｃが含まれる。電子ビーム３０がロッド２４の材料に当たるように、永久磁石が電子ビーム３０を２７０°偏向する。
液溜り２４ａを形成しないで昇華する材料を使用することも可能である。昇華する材料では、液溜りができないので、インゴット表面にホットスポット（熱い点）ができる可能性がある。電子ビームはインゴット材料のホットスポットの位置で穴を掘ることがあり、インゴット表面からの浸食が均一でないことがありうる。その場合、インゴットのわずかの部分だけが使用された時点でそのインゴットを取り替えなければならなくなることもある。この問題の幾分かを回避するために、スイープ（掃引）機構が使用される。スイープ機構の一つのタイプはｘ-ｙスイープと呼ばれる。長手方向および横方向の軸の振幅と周波数を変化させて、各方向のビームの位置を変化させるからである。これによって電子ビームスポットは、源寸法の広い範囲にわたって、より均一にスイープされる。ｘ-ｙスイープは、連続的なロッドの回転と供給とともに使用される。TemescalモデルSRIHS-270-2ロッド供給電子銃は、そのようなロッド供給と回転の機構と、ｘ-ｙスイープ機構とを使用する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のロッド供給システムの欠点は、出力（電力）密度とロッド先端からの蒸発率の均一性を保つことが困難なことである。その意味で、電子ビーム蒸発システムの改良が望まれている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明では、インゴットロッドが先端付近でるつぼに接触しないように自立姿勢を取るインゴットロッドを使用する。インゴットロッドは、冷却るつぼに全く接触しないのが好ましい。発明者らは、インゴットロッドが昇華するとき、るつぼに接触しない方が有利であることを見出した。ロッドを自立姿勢にしておくことによって、電子ビーム蒸発システムの運転を、焦点が合わない状態で行うことができる。電子ビーム源からの電子ビームは、２７０°磁気偏向によっておよその焦点合わせがなされる。典型的な従来システムでは、電子ビームの焦点がロッドの先端近くになるように設定される。これにより比較的高いエネルギ密度が得られる。インゴットロッドが自立姿勢にあるときは、電子ビームの焦点がインゴットロッドの先端よりも下方になるようにインゴットロッドを位置決めすることが可能である。
【０００６】
従来のシステムでは、インゴットロッドの先端がるつぼに近いため、電子ビームでるつぼを照射しないでしかもインゴット先端の縁をスイープするためには、その電子ビームは少なくともほとんど焦点が合っていなければならない。この発明では、先端が自立しているので、焦点のずれたビームがインゴットロッドの先端の縁を少し超えてスイープすることができる。焦点がずれていることによって、電子ビームエネルギをより平坦にすることが可能であり、ホットスポットの発生を避けることもできる。
ロッドの先端の縁を超えて電子ビームエネルギをスイープすることができるのは、そのインゴットロッドの自立姿勢によってもたらされるもう一つの利点である。インゴットロッドが自立しているので、スイープがインゴットロッド先端の縁を超えていったときにも、電子ビームがるつぼに接触することがない。
【０００７】
この発明によって、インゴットロッドは焦点とずれた位置にあってもよいので、電子ビームが縁を超えてスイープするときにも、電子ビームがるつぼに接触しない。これは、電子ビームが、インゴットロッドの先端の下方のロッド内部の点に焦点を合わせてあるからである。したがって、電子ビームエネルギがロッドをそれてるつぼに照射されることがない。
電子ビームエネルギを、インゴットロッドの縁を超えてスイープできるので、縁での出力密度を増大させることができる。これは、それによってインゴット先端の半径方向のスイープが可能になるという意味で利点である。インゴットロッドの先端の半径に沿って電子ビームをスイープすることは、スイープ面積が小さくなるという利点がある。半径に沿うスイープの潜在的な欠点は、縁の近くの出力密度が比較的低くなる可能性があることである。それによって、先端の縁に比べて中心部分から、より多くの材料が蒸発する可能性がある。先端の縁にリッジ（畝）が形成されることもありうる。
【０００８】
ロッド先端の縁を超えてスイープすることによって、縁の部分から材料が余分に蒸発し、それによって比較的平坦な蒸発パタンを得ることができる。
比較的平坦な蒸発パタンを持つことは、それによってインゴットロッドの有効利用を図れるので重要である。もしも電子ビームが１個所に穴を開けてしまうと、電子ビームが押上げ機構（プッシャ）の材料に接触する可能性があり、インゴットロッドを取り替えなければならなくなる。インゴットロッドは比較的高価である。たとえば、クロムロッドは、現在約５００米国ドルである。インゴットロッド１本ずつをなるべく使い切ることが大切である。
この発明の概念にはさらに、この装置を焦点が合わない状態で運転することと、インゴットロッドの先端の縁を超えて電子ビームエネルギをスイープすることと、インゴットロッドの半径にほぼ沿って電子ビームエネルギをスイープすることを含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の、以上に述べた特徴およびその他の特徴は、以下の詳細な説明と添付する図面によって、より明らかになる。
図３はこの発明に係る電子ビーム蒸発システム３０を示し、二つの電子ビームスイープ位置３２、３２'を示す。システム３０はロッド３４を示す。ロッド３４は先端部３４ａと、側部３４ｂと、底部３４ｃとを含む。ロッド３４の底部は回転機構３６内に設置され、さらにフィード機構（図示せず）にも接続されている。好ましい実施の形態では、ロッド材料は昇華する材料である。好ましい実施の形態では、このロッドはクロム製である。この発明では、他の昇華材料、たとえば二酸化シリコン、二酸化チタン、イットリアで安定化させたジルコニア、ＨfＯ₂、Ｎd₂Ｏ₃も使用できる。図示のように、ロッド３４は自立しており、
ロッドの先端近くの側面はるつぼ３８に接触していない。好ましい実施の形態では、ロッド全体が冷却るつぼ３８に接触していない。ロッドを冷却るつぼに接触させないのは従来の常識に反する。後述するように、ロッドが自立していることにより多数の利点がある。電子ビーム源４０は、好ましくは、永久磁石（図示せず）によって２７０°の偏向があるものであり、偏向コイル（図示せず）に電流を通すことによってｘ-ｙ走査偏向ができるものである。好ましい実施の形態では、電子ビームエミッタは、米国カリフォルニア州フェアフィールド市のＢＯＣコーティングテクノロジー社から市販されているTemescal高性能エミッタ（タイプSFIH-270-2）である。
【００１０】
電子ビーム３２は、二つの位置３２と３２'を示す。位置３２'では、電子ビームはインゴット先端の縁を超えてインゴットロッド側面までスイープする。これにより、ロッドの側面から材料が蒸発する。先端部近くのロッド側面がるつぼに接触している場合は、電子ビームは、インゴットロッドの側面をスイープすることができず、るつぼの上に当たることになる。
インゴットロッド３４が自立しているために、システムは、焦点が合っていない位置で使用することができる。焦点が合っていない位置であるがゆえに、電子ビームは、ロッドの側面をスイープするが、るつぼには当たらないということを保証することができる。さらに、焦点の合わない位置であるため、インゴットロッドのスイープがより均一になる。好ましい実施の形態では、インゴットロッド３４の先端は、電子ビーム３２の焦点よりも上方に位置している。インゴットロッド３４の先端は、好ましくは前になされたよりも約１．５インチ高い。図３に示すように、電子ビーム３２は、点Ａに焦点を持つ。電子ビーム３２'は、点Ｂに焦点を持つ。
【００１１】
インゴットロッドの側面の電子ビームによるスイープの重要性は、図４に最も良く表されている。図４は、インゴットロッド先端５０を示す図である。インゴットロッド先端５０は矢印５２に示すように回転する。
好ましい実施の形態では、電子ビームは、おおむね、先端５０の半径５０ａの周りをスイープする。先端の一つの半径の周りをスイープするように制御することは、インゴットロッドの先端全体をスイープするよりも容易である。比較的小さな領域をスイープすればよいので、出力密度を比較的均一に維持することができる。しかし、もしも、供給された電子ビームの出力が、直線的な半径５０ａに沿って完全に均一だとすると、先端５０の縁５０ｂの出力密度は、先端５０の中心５０ｃの出力密度よりも小さくなる。その結果として縁５０ｂの周りにリッジ（畝）が形成されることになる。縁５０ｂの材料が、中心５０ｃの材料ほどには速く蒸発しないからである。スイープパタン５４に示すように縁をスイープすることによって、縁５０ｂの材料はより速く蒸発し、先端５０で、比較的均一な蒸発パタンが実現される。
【００１２】
焦点の合わない位置で運転すると、中心での出力密度を低下させることになり、それによって、より均一な浸食パタンができる。スイープパタン５４は、電子ビームの一部分だけが、先端５０の中心５０ｃをスイープするようにすることが可能である。そうすることによって、縁５０ｂに比べて中心５０ｃからの蒸発の量を減らすことが可能である。
この発明の好ましい実施の形態によれば、源の上方５８インチの位置で、出力３キロワットのとき、クロムの蒸発率として毎秒３０オングストロームが得られる。これは、後述する従来技術の堆積率よりもはるかに良い。好ましい実施の形態では、電子ビームから供給される出力は、約２〜３キロワットに設定される。この発明では、ロッドの先端が均一に浸食されるので、クロムロッドのほとんど全部を使い切ることができる。この発明の電子ビーム蒸発システムにより、他の昇華材料も、比較的均一に蒸発する。
【００１３】
図５は、従来の電子ビーム蒸発システムで使用されるクロムインゴットの摩耗パタンを示す。インゴット６０はクロム材料からできている。上述のように、クロムは、電子ビームで加熱されたときに昇華する。電子ビーム蒸発は高真空中で行われるので、クロムは溶融状態にならず、浸食は極めて局所的である。浸食があまり局所的になるのを防ぐために、高周波数で、しかも大きな振幅で、クロム表面全体をカバーするように、電子ビームをスイープする必要がある。ある６７ｃｃのるつぼ源からのクロム蒸発率は、源から４２インチの高さで、５．５キロワットの場合に毎秒３〜４オングストロームであった。６７ｃｃインゴットの場合、電子ビームはほとんど４平方インチをスイープしなければならないので、そのような広い領域で電子ビームの強さはどうしても均一でなく、蒸発率は各点で相違する。結局、蒸発はある点で比較的厳しくなり、電子ビームがクロムの中に穴を穿つことになる。プラズマ焦点化は蒸発をさらに局所化させる。これは、インゴット６０の領域６０ａとして示されている。より小さな領域から蒸発が生じているので、蒸発率は低下し、やがてクロムロッドを交換しなければならなくなる。図５で示すロッドでなくて供給するインゴット源については、インゴットロッドの他の部分を廃棄する前には、初期の体積のわずかに１５％しか消費されていないだろう。
【００１４】
図６Ａは、この発明の一実施の形態で使用されたクロムロッドの摩耗を示す図である。ロッド７０の先端７０ａはほとんど平坦であることがわかる。ロッドは先端部に小さなリッジを有する。この平坦な形状は、クロムロッドが距離ｄだけ蒸発した後も維持されている。クロムロッド７０のほとんど全部を使用できるということがわかる。さらに、位置７０ｂで、この発明の蒸発システムは、インゴットロッド７０の側面の周りが摩耗し、先端７０ａからの比較的均一な蒸発を起こさせる助けになっていることもわかる。
図６Ｂは、この発明の電子ビーム蒸発システムで使用される摩耗前のクロムロッド７２を示す。好ましい実施の形態では、クロムロッド７２の直径は約１．２５インチである。
【００１５】
図７は、この発明の電子ビーム蒸発システムの好ましい実施の形態で使用の一部分を示す。この図には、るつぼと電子ビーム源は示していない。モータマウント８２に取り付けられたモータ８０は歯車８４を駆動し、６角形の駆動ロッド８６を回転させる。この回転は、６角形のスリーブ８８からクランプ９０へ、そしてインゴットロッドへと伝達される。モータ８０は、クランプ９０内に固定されたロッド（図示せず）の回転速度を制御する。６角形スリーブ８８の鉛直方向の位置がどこにあっても、６角形駆動ロッド８６に回転が伝えられる。６角形スリーブ８８が、６角形駆動軸８６に摺動可能に適合するからである。モータ９２は、ロッドクランプ９０を含むユニット９４の鉛直位置を制御する。このようにして、ロッドは、モータ９２を使用してるつぼ（図示せず）に対して上向きに供給されて位置決めされ、モータ８０を使用して回転される。回転速度とロッド供給速度は、それぞれ、モータ８０および９２へ供給される電力によって制御される。るつぼ（図示せず）は位置９６で取り付けられる。るつぼは後述の図８Ａおよび図８Ｂに示される。図９に示すその他の要素は駆動ベース天板９８の上に置かれる。
【００１６】
一つの好ましい実施の形態では、モータ８０は米国オハイオ州デイトン市のグローブモータ社から市販されているグローブモータ「部品番号M319M118」である。一つの好ましい実施の形態では、蒸発プロセスの間、ロッドは毎分約３０回転（３０ｒｐｍ）で回転する。その他の回転速度でもよい。
図８Ａは、この発明で使用されるるつぼ１００の断面図である。るつぼには開口１００ａがあって、これを通してロッドが供給される。好ましい実施の形態では、領域１００ｂでるつぼはＶ字形に広がっているのがわかる。図８Ｂに示すように、るつぼ１００は管１０２と１０４を通じて水冷される。前述のように、好ましい実施の形態では、るつぼ内に置かれたロッドはるつぼに接触しない。したがって、穴１００ａの直径はインゴットロッドよりも幅広である。一つの好ましい実施の形態では、インゴットロッドの直径は約１．２５インチである。
【００１７】
図９は、この発明に係る電子ビーム蒸発システムの一つの実施の形態の付加的要素を示す。図９に示す要素は図７の駆動ベース天板９８の上に配置される。電子ビーム銃１００は、好ましくはTemescal高性能エミッタSFIH-270-2である。高電圧フィラメントリード線１１２が、電子銃１１０のエミッタに接続されている。るつぼ１１４には貫通孔１１４ａがあって、その中をロッド１１６が供給される。電子ビーム銃１００は関連する偏向コイル１１８を有し、これによって、ロッド１１６の上の電子ビームスイープのＸ，Ｙ位置決めができる。一つの好ましい実施の形態では、長手方向のスイープは、０．５〜０．７アンペアの振幅でスイープ周波数が４ヘルツの信号によって駆動される。一方、横方向のスイープは、−０．２〜＋０．１アンペアの振幅でスイープ周波数は４ヘルツをである。
【００１８】
この発明の電子ビーム蒸発システムは、モニタ装置とともに使用することもできる。従来のモニタ装置は、生成される堆積物の量を表す指示を出すために基板とほぼ同じ位置に配置されて使用される。この方法によれば、検出器信号を、システムパラメータ（好ましくは電子ビーム銃への電力供給）の制御にフィードバックすることにより、蒸発率の閉ループ制御が可能である。これにより、一定の堆積率を維持することができる。一つの好ましい実施の形態では、検出器は表面波結晶検出器であって、その周波数は、堆積物が増えるにつれて変化する。
さらに、図９に示すように、この発明とともにプール高さモニタを使用することも可能である。プール高さモニタについては、特許出願中の「プール高さモニタのロッド供給源」（発明者：P.A. Joel SmithとPing Chang）に記載されている。簡単に説明すると、図９に示すように、プール高さモニタ１２０は、結晶ホルダ１２２と、シャッタ１２４と、シャッタアクチュエータ１２６と、照準管（コリメータ管）１２８を有する。これらの要素はブラケット１３０に取り付けられている。ロッドがるつぼ表面よりも少しだけ高い位置にあるときを検出するように、検出器は、るつぼの表面とほぼ同レベルの位置を見る。これが生じたとき、蒸発した材料が、照準管１２８を通じた直線上で検出器１２２に到達する。信号が検出されると、システムは、ロッド１１６の先端がるつぼ１１４の表面よりもわずか上方の位置にあるということを知る。このようにして、基板がコーティングされる前に、ロッド１１６の位置決めをすることができる。コーティングされてしまう可能性のある窓や、掃き出すためのガスは必要でない。ロッド１１６の位置がいったん決まればシャッタ１２４を閉じることができる。このようにして、検出器１２２の余分なコーティングを防ぐことができる。
【００１９】
図９には、冷却管と電線１３２及びシールディング１３４も示されている。
以上、この発明の装置と方法の実施の形態の例を詳細に記載した。発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載のみによって限定されるものであって、細部での種々の修正はこの範囲に入るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の真空処理チャンバ内電子ビーム蒸発システムの図である。
【図２】 従来の電子ビーム蒸発システムの図である。
【図３】 本発明に係る電子ビーム蒸発システムの図であって、二つの電子ビーム走査位置を示す図である。
【図４】 インゴットロッドの先端の図であって、インゴットロッドの回転を表し、掃引パタンを示す図である。
【図５】 従来のクロムインゴットの摩耗パタンを表す図である。
【図６Ａ】 本発明の電子ビーム蒸発システムにおけるクロムロッドの摩耗を表す図であり、
【図６Ｂ】 本発明の電子ビーム蒸発システムで使用されるべきクロムロッドの摩耗前の状態を表す図である。
【図７】 本発明の電子ビーム蒸発システムの一部分を示す図である。
【図８Ａ】 本発明の電子ビーム蒸発システムで使用されるるつぼの断面図である。
【図８Ｂ】 図８Ａのるつぼの平面図である。
【図９】 本発明の電子ビーム蒸発システムの一部分を示す図である。
【符号の説明】
１０ システム
１２ 電子ビーム源
１４ 電子ビーム
１６ るつぼ
１８ 基板
２０ 処理チャンバ
２４ フィードストック、ロッド
２４ａ 液溜り
２６ 水冷るつぼ
２８ 電子ビーム源
２８ａ 陰極ブロック
２８ｂ フィラメント
２８ｃ 陽極ブロック
３０ 電子ビーム
３２、３２' 電子ビーム掃引位置
３４ ロッド
３４ａ 先端部
３４ｂ 側面部
３４ｃ 底部
３６ 回転機構
３８ るつぼ
４０ 電子ビーム源
５０ インゴットロッド先端
５０ａ 直線半径
５０ｂ 縁
５０ｃ 中心
５２ 矢印
５４ スイープ（掃引）パタン
６０ インゴット
６０ａ 領域
７０ クロムロッド
７０ａ 先端
７０ｂ 位置
７２ クロムロッド
８０ モータ
８２ モータマウント
８４ 駆動歯車
８６ 駆動ロッド
８８ スリーブ
９０ クランプ
９２ モータ
９４ ユニット
９６ 位置
９８ 駆動ベース天板
１００ るつぼ
１００ａ 開口、穴
１００ｂ 領域
１０２、１０４ 管
１１０ 電子銃
１１２ フィラメントリード線
１１４ るつぼ
１１４ａ 貫通孔
１１６ ロッド
１１８ 偏向コイル
１２０ プール高さモニタ
１２２ 結晶ホルダ、検出器
１２４ シャッタ
１２６ シャッタアクチュエータ
１３０ ブラケット
１３２ 冷却管と電線
１３４ シールディング

Claims (9)

1. 底部（３４ｃ）と先端部（３４ａ、５０）と側面部（３４ｂ）とを有するインゴットロッド（３４、５０）と、
   そのインゴットロッド（３４）を蒸発させるための電子ビーム蒸発源（４０）と、
   前記電子ビーム蒸発源（４０）が前記インゴットロッド（３４）の先端部（３４ａ、５０）に作用している間、そのインゴットロッド（３４）を回転させるべく、そのインゴットロッド（３４）の底部（３４ｃ）に取り付けられた、回転機構（３６）と、
   を有する電子ビーム蒸発システムであって、
   前記インゴットロッド（３４）は、そのインゴットロッドの先端部（３４ａ）付近のインゴットロッドの側面部（３４ｂ）で冷却るつぼ（３８、１００）に接触しないように自立し、
   前記電子ビーム蒸発源（４０）は、前記インゴットロッドの先端部（３４ａ、５０）の半径にほぼ沿って電子ビームをスイープするものであり、そのスイープは、前記インゴットロッドの側面部（３４ｂ）から蒸発させるように、先端部の縁（５０ｂ）を超えて動くものであることを特徴とする電子ビーム蒸発システム。
2. 前記電子ビーム蒸発源（４０）は電子ビームの焦点を形成するものであり、前記インゴットロッドの先端部（３４ａ、５０）が前記焦点よりも上方に位置していることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム蒸発システム。
3. 前記インゴットロッド（３４）は、低圧力下で電子ビームによって加熱されるときに昇華する材料からなることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム蒸発システム。
4. 前記インゴットロッド（３４）は長手方向の中心軸を定義する円柱部を有し、前記回転手段（３６）はその長手方向の中心軸の周りにインゴットロッドを回転させるものであることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム蒸発システム。
5. 前記電子ビーム蒸発源（４０）は、電子ビームを生成する電子ビーム銃（４０、１１０）と、その電子ビームを約２７０°の弧状に偏向させる磁石とを有することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム蒸発システム。
6. 前記電子ビーム蒸発源（４０）はさらに、前記インゴットロッドの上にスイープパタンを形成するように電子ビームを変更させることができる磁気コイル（１１８）を有することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム蒸発システム。
7. 前記電子ビーム蒸発源（４０）は、前記インゴットロッド（３４）の前記半径（５０ａ）にほぼ沿って電子ビームをスイープするものであることを特徴とする請求項６記載の電子ビーム蒸発システム。
8. 前記回転機構（３６）はモータ（９２）を有することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム蒸発システム。
9. ロッド供給機構（８０〜８８）をさらに有することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム蒸発システム。

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