JP2004111980A

JP2004111980A - 電子ビーム励起プラズマ成膜装置

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Publication number: JP2004111980A
Application number: JP2003347450A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Tokai; 東海　正國; Makoto Riyuuji; 龍治　真; Masahito Ban; 伴　雅人
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-05-10
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP3689098B2

Abstract

【課題】　原料ガスの種類が変化したり、混合ガスを用いる場合でも、成膜速度の低下を防ぎ、成膜組成の均質化を図ることができる電子ビーム励起プラズマ成膜装置を提供する。
【解決手段】　電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は、高いエネルギーを持つ電子ビームを発生する電子ビーム発生装置２ａと、低いエネルギーを持つ電子ビームを発生する電子ビーム発生装置２ｂと、電子ビーム励起によってプラズマを発生するプラズマ反応装置３とを備える。高いエネルギーの電子ビームが入射すると、電離または解離に高い活性化エネルギーを必要とするガス分子から成るプラズマＰＢａを効率良く生成する。低いエネルギーの電子ビームが入射すると、低い活性化エネルギーのガス分子から成るプラズマＰＢｂを効率良く生成する。各プラズマＰＢａ，ＰＢｂは、試料Ｓ上で化学的気相成長を行って、多元素薄膜を成膜する。
【選択図】　　　図４

Description

　本発明は、電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置に関する。

　従来のプラズマＣＶＤ（化学的気相成長）装置において、真空容器内にモノシランなどの原料ガスを導入して、放電などによってプラズマを発生させて原料ガスをイオンやラジカルに活性化させ、シリコンウェハ等の試料表面に化学的気相成長を行って所望の薄膜を堆積させている。

　一方、電子加速型プラズマによる高融点金属イオンプレーテング装置が特開昭５９−４７３８０号公報に開示されている。また、圧力勾配型放電によるプラズマＣＶＤ装置が特開平１−２５２７８１号公報に開示されている。

特開昭５９−４７３８０号公報特開平１−２５２７８１号公報

　従来のプラズマＣＶＤ装置では、電子のエネルギーを制御することが困難であり、原料ガスのプラズマ中のイオン密度を任意の値に制御することができない。すなわち、プラズマが発生する場所と同じ場所で電子を発生し加速させているため、電子が徐々に加速されていく過程で、活性化エネルギーの低いガスが優先的に電離されてしまい、活性化エネルギーの高いガスが電離され難い傾向にある。

　また、ＣＶＤ装置に導入する原料ガスの種類が変わると、ガス分子の活性化エネルギーが変化するため、それに対応して電子のエネルギーを変化させる必要がある。また、原料ガスが複数種の分子から成る混合ガスである場合、電子のエネルギーに合致するガス分子が効率的に分解されるが、合致しないガス分子の分解速度は遅くなって、成膜組成がガス組成と一致しなくなる。

　本発明の目的は、原料ガスの種類が変化したり、混合ガスを用いる場合でも、成膜速度の低下を防ぎ、成膜組成の均質化を図ることができる電子ビーム励起プラズマ成膜装置を提供することである。

　本発明は、電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、
　電子ビームを発生するための複数の電子ビーム発生手段を備え、
　さらに各電子ビーム発生手段は、電子ビームを加速するための加速電極を備え、各加速電極から試料までの距離がそれぞれ異なるように配置されることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置である。

　本発明に従えば、各電子ビーム発生手段は、電子ビームを加速するための加速電極を備え、各加速電極から試料までの距離がそれぞれ異なるように配置されることによって、加速電極から試料までの距離が長い領域において、電子ビームによって励起されたラジカルのうち寿命が長いものだけが試料に到達して、寿命が短いものは途中で淘汰される。したがって、ラジカル寿命の長短に応じて、成膜成分を選択することが可能になる。

　また本発明は、電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、
　電子ビームを発生するための複数の電子ビーム発生手段を備え、
　さらに各電子ビーム発生手段は、電子ビームを加速するための加速電極を備え、さらに各加速電極と試料の間にはガス圧力調整用のオリフィスを設け、各加速電極から各オリフィスまでのガス圧がそれぞれ異なるようにオリフィス開度を調整する機構が配置されていることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置である。

　本発明に従えば、各電子ビーム発生手段は、電子ビームを加速するための加速電極を備え、さらに各加速電極と試料の間にはガス圧力調整用のオリフィスを設け、各加速電極から各オリフィスまでのガス圧がそれぞれ異なるようにオリフィス開度を調整する機構が配置されることによって、上述の加速電極から試料の距離を変えるのと同様な効果を発揮する。すなわち加速電極からオリフィスまでのガス圧が高い領域において、電子ビームによって励起されたラジカルのうち寿命の長いものだけがオリフィスを通過し、試料に到達して、寿命の短いものは通過できずに途中で淘汰される。したがって、ラジカル寿命の長短に応じて、成膜成分を選択することが可能になる。

　本発明によれば、加速電極から試料までの距離が長い領域において、電子ビームによって励起されたラジカルのうち寿命が長いものだけが試料に到達して、寿命が短いものは途中で淘汰される。したがって、ラジカル寿命の長短に応じて、成膜成分を選択することが可能になる。

　また本発明によれば、加速電極から試料までの間に設置したガス圧が高い領域において、効率よくラジカルの選別が行われる。すなわち電子ビームによって励起されたラジカルのうち寿命の長いものだけが上述領域を通過し、試料に到達し、寿命の短いものは途中で淘汰される。したがって、ラジカル寿命の長短に応じて、成膜成分を選択することが可能になる。

　図１は、本発明に係る電子ビーム励起プラズマ成膜装置の原理を示す断面図である。電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は、電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２と、電子ビーム励起によってプラズマを発生するためのプラズマ反応装置３とを備える。

　電子ビーム発生装置２は、円筒状の真空容器４内に、カソード５と、補助電極６と、放電電極７と、加速電極８とを備える。カソード５と補助電極６との間にはカソード領域２０が形成され、補助電極６と放電電極７との間には放電領域２１が形成され、放電電極７と加速電極８との間には加速領域２２が形成される。補助電極６、放電電極７および加速電極８は軸方向に対して垂直な円板形状を成し、各電極の中央部には隣接領域を連通するための連通孔が形設される。

　カソード５の両端には電源１１が接続され、カソード５のフィラメントを通電することによって、周囲に熱電子を放出する。カソード５の一端と放電電極７との間には放電用電源１３が接続され、真空容器４内のカソード５と放電電極７との間で放電させるとプラズマＰＡが発生する。放電用電源１３と放電電極７の接続線と補助電極６との間にはスイッチ１２が接続され放電開始を補助している。放電電極７と加速電極８との間には加速電源１４が接続され、放電電極７に対して正の電位を加速電極８に印加することによって、プラズマＰＡから電子だけが引出されて加速され、電子ビームＥＢを発生する。

　真空容器４にはガスの供給ポート９が形設され、カソード領域２０にアルゴンガス等の不活性ガスがプラズマ種として所定流量で供給される。カソード領域２０に供給された不活性ガスは、補助電極６の連通孔を通って放電領域２１に流入し、さらに放電電極７の連通孔を通って加速領域２２に流入し、さらに加速領域２２に形成された排気ポート１０を介して外部の排気装置へ排出される。

　放電電極７および加速電極８の周囲には、真空容器４の軸方向に沿った磁場を発生するためのコイル１５，１６が配置され、電子ビームＥＢを収束する役割を果たす。

　一方、プラズマ反応装置３は、円筒状の真空容器３１と、電子ビーム発生装置２に対向して設けられ、試料Ｓを支持するための試料テーブル３５とを備える。真空容器３１には、モノシラン等の原料ガスを供給するための供給口３２と、容器内のガスを排気するための排気口３３が形設される。試料テーブル３５は、必要に応じて回転軸３６によって所定角速度で回転駆動され、試料Ｓ上の反応ばらつきを均一化している。真空容器３１の内周面近傍には、複数の多極磁石３４が設置される。また、真空容器３１の外周面近傍には、容器軸方向に沿った磁場を発生する逆磁場コイル３７が設置される。

　電子ビーム発生装置２で発生した電子ビームＥＢがプラズマ反応装置３内に導入されると、真空容器３１内に導入されたガス分子に衝突してプラズマＰＢを生成する。また、反応ガスがモノシランなど分解性であれば、プラズマＰＢによって原子または分子に分解して、試料Ｓに到達すると表面上に膜が堆積する。この場合、異種類の原料ガスを供給口３２から交互に供給すれば、異種材の膜が交互に堆積する。

　こうして電子ビームＥＢによってプラズマＰＢを発生させて、反応ガスを活性化することによって、試料Ｓ上で化学的気相成長を行うことができる。

　図２は、図１中Ａ−Ａ線に沿った矢視図である。円筒状の真空容器３１の内周面近傍には、複数の多極磁石３４が円周方向に等間隔で設置され、多極磁石３４のＮ極とＳ極は容器半径方向に沿って配置され、隣接する多極磁石３４の極性は交互に反転している。このような配置によって、真空容器３１の中央付近で発生したプラズマＰＢを内側へ閉じ込めることができる。

　図３は、コイル１５，１６および逆磁場コイル３７によって形成される磁場の分布図である。コイル１５，１６は軸方向に沿って図中右方向の磁場を形成している。コイル１５，１６の中心付近を通過する電子は、磁力線に巻付くように螺旋運動しながらガイドされ軸方向に進行するため、拡散して壁面で衝突、ロスすることが少なく、効率良く輸送される。

　一方、逆磁場コイル３７は軸方向に沿って図中左方向の磁場を形成している。そのためコイル１５，１６の磁力線と逆磁場コイル３７の磁力線とが反発して、コイル１６を出た直後の磁力線は急激に拡がるようになる。したがって、コイル１５，１６で収束された電子ビームは、磁力線に沿って急激に拡大して、プラズマ反応装置３内にほぼ均一に電子が拡散するようになり、プラズマＰＢを広い空間に発生することが可能になる。

　図４は、本発明の前提となる構成を示す概略構成図である。この電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は、高いエネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ａと、低いエネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ｂと、電子ビーム励起によってプラズマを発生するためのプラズマ反応装置３とを備える。

　各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂは、図１と同様に、カソード５ａ，５ｂと、補助電極６ａ，６ｂと、放電電極７ａ，７ｂと、加速電極８ａ，８ｂとを備え、カソード５ａ，５ｂと放電電極７ａ，７ｂとの間の各領域で放電によるプラズマを発生させる。電子ビーム発生装置２ａでは、放電電極７ａに対する加速電極８ａの印加電圧を高く設定することによって、高いエネルギーを持つ電子ビームを発生させる。電子ビーム発生装置２ｂでは、放電電極７ｂに対する加速電極８ｂの印加電圧を低く設定することによって、低いエネルギーを持つ電子ビームを発生する。

　一方、プラズマ反応装置３は、図１と同様に、円筒状の真空容器３１と、各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂに対向して設けられ、試料Ｓを支持するための試料テーブル３５とを備える。真空容器３１には、モノシランＳｉＨ₄ やモノゲルマンＧｅＨ₄ 等の原料ガスを供給するための供給口３２と、容器内のガスを排気する排気口３３が形設される。

　電子ビーム発生装置２ａから高いエネルギーを持つ電子ビームが入射すると、真空容器３１内に導入されたガス分子に衝突して、そのうち高い活性化エネルギーを持つガス分子、たとえばモノシラン等がイオン化またはラジカル化したプラズマＰＢａを効率良く生成する。また、電子ビーム発生装置２ｂから低いエネルギーを持つ電子ビームが入射すると、真空容器３１内に導入されたガス分子に衝突して、そのうち低い活性化エネルギーを持つガス分子、たとえばモノゲルマン等がイオン化またはラジカル化したプラズマＰＢｂを効率良く生成する。各プラズマＰＢａ，ＰＢｂは、試料Ｓ上で化学的気相成長を行って、たとえばアモルファスＳｉＧｅ等を成膜する。

　こうしてエネルギーの異なる複数の電子ビームによって、組成が異なる複数種のプラズマＰＢａ，ＰＢｂを効率良く発生させことが可能になり、混合ガスを使用することによって多元素薄膜を高速で生成することができ、また混合ガスの組成比率を変えることによって成膜の組成比率を制御できる。なお、プラズマＰＢａ，ＰＢｂの分布むらを解消するため、各電子ビームが試料Ｓの中央付近に向くように、各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂを少し傾斜させるのが好ましい。

　また本構成ならびに以下の実施の形態および構成において、各電極を接続する電源回路、磁場発生機構、試料回転機構等は、図１と同様であるため、重複説明を省略する。

　また以上の説明では、２つの電子ビーム発生手段を設置する例を示したが、３つ以上の電子ビーム発生手段を設けることも可能である。

　図５は、本発明の前提となる他の構成を示す概略構成図である。この電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は、図４と同様に、高いエネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ａと、低いエネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ｂと、電子ビーム励起によってプラズマを発生するためのプラズマ反応装置３とを備える。

　一方、プラズマ反応装置３は、図１と同様に、円筒状の真空容器３１と、各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂに対向して設けられ、試料Ｓを支持するための試料テーブル３５とを備える。真空容器３１には、高い活性化エネルギーを持つ原料ガスを供給するための供給口３２ａが電子ビーム発生装置２ａのビーム出射口近傍に設けられ、低い活性化エネルギーを持つ原料ガスを供給するための供給口３２ｂが電子ビーム発生装置２ｂのビーム出射口近傍に設けられる。また、試料テーブル３５の直下部に、容器内のガスを排気する排気口３３が形設される。

　電子ビーム発生装置２ａから高いエネルギーを持つ電子ビームが入射すると、供給口３２ａから導入されたガス分子に衝突して、高い活性化エネルギーでイオン化またはラジカル化したプラズマＰＢａを生成する。また、電子ビーム発生装置２ｂから低いエネルギーを持つ電子ビームが入射すると、供給口３２ｂから導入されたガス分子に衝突して、低い活性化エネルギーでイオン化またはラジカル化したプラズマＰＢｂを生成する。なお、プラズマＰＢａ，ＰＢｂ同士の混合を防ぐために、真空容器３１内を二分するように隔壁３８が設けられる。各プラズマＰＢａ，ＰＢｂは、試料Ｓ上で化学的気相成長を行って、たとえばアモルファスＳｉＧｅ等を成膜する。

　こうしてエネルギーの異なる複数の電子ビームによって、組成が異なる複数種のプラズマＰＢａ，ＰＢｂを発生させことが可能になり、さらに各電子ビームの出射口近傍に電子エネルギーに合致する活性化エネルギーを持つガスを供給するため、ガスの電離効率をより向上できる。また、混合ガスを使用することによって多元素薄膜を生成することができ、また混合ガスの組成比率を変えることによって成膜の組成比率を制御できる。

　なお、以上の説明では２つの電子ビーム発生手段を設置する例を示したが、３つ以上の電子ビーム発生手段を設けることも可能である。

　図６は、本発明の実施の第１形態を示す概略構成図である。この電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は、図５と同様に、所定エネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ａと、所定エネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ｂと、電子ビーム励起によってプラズマを発生するためのプラズマ反応装置３とを備える。

　各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂは、図５と同様に、カソード５ａ，５ｂと、補助電極６ａ，６ｂと、放電電極７ａ，７ｂと、加速電極８ａ，８ｂとを備え、カソード５ａ，５ｂと放電電極７ａ，７ｂとの間の各領域で放電によるプラズマを発生させる。各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂでは、放電電極７ａ，７ｂに対する加速電極８ａ，８ｂの印加電圧を制御することによって、所望のエネルギーを持つ電子ビームを発生できる。また、電子ビーム発生装置２ａの加速電極８ａからプラズマ反応装置３内の試料Ｓまでの距離より、電子ビーム発生装置２ｂの加速電極８ｂから試料Ｓまでの距離の方が長くなるように設定される。

　一方、プラズマ反応装置３は、図５と同様に、円筒状の真空容器３１と、各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂに対向して設けられ、試料Ｓを支持するための試料テーブル３５とを備える。真空容器３１には、所定の活性化エネルギーを持つ原料ガスを供給するための供給口３２ａが電子ビーム発生装置２ａのビーム出射口近傍に設けられ、所定の活性化エネルギーを持つ原料ガスを供給するための供給口３２ｂが電子ビーム発生装置２ｂのビーム出射口近傍に設けられる。また、試料テーブル３５の直下部に、容器内ガスを排気する排気口３３が形設される。

　電子ビーム発生装置２ａから所定のエネルギーを持つ電子ビームが入射すると、供給口３２ａから導入されたガス分子に衝突して、イオン化またはラジカル化したプラズマＰＢａを生成する。また、電子ビーム発生装置２ｂから所定のエネルギーを持つ電子ビームが入射すると、供給口３２ｂから導入されたガス分子に衝突して、イオン化またはラジカル化したプラズマＰＢｂを生成する。なお、プラズマＰＢａ，ＰＢｂ同士の混合を防ぐために、真空容器３１内を二分するように隔壁３８が設けられる。

　電子ビーム発生装置２ｂの加速電極８ｂから試料Ｓまでの距離が長いため、プラズマＰＢｂの発生位置は試料Ｓから遠くなり、電子ビームによって励起されたラジカルのうち寿命が長いものだけが試料Ｓに到達して、寿命が短いものは途中で淘汰される。一方、プラズマＰＢａの発生位置は試料Ｓから近いため、寿命が短いラジカルも試料Ｓに到達できる。したがって、ラジカル寿命の長短に応じて、成膜成分を選択することが可能になる。

　図７は、本発明の実施の第２形態を示す概略図である。この電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は図６と同様に、所定エネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ａと所定エネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２ｂと、電子ビーム励起によってプラズマを発生するためのプラズマ反応装置３とを備える。

　各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂは、図６と同様に、カソード５ａ，５ｂと補助電極６ａ，６ｂと、放電電極７ａ，７ｂと、加速電極８ａ，８ｂとを備え、カソード５ａ，５ｂと放電電極７ａ，７ｂとの間の各領域で放電によるプラズマを発生させる、各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂでは、放電電極７ａ，７ｂに対する加速電極８ａ，８ｂの印加電圧を制御することによって、所望のエネルギーをもつ電子ビームを発生できる。

　一方、プラズマ反応装置３は、図６と同様に、円筒状の真空容器３１と、各電子ビーム発生装置２ａ，２ｂに対向して設けられ、試料Ｓを支持するための材料テーブル３５とを備える。真空容器３１には、所定の活性化エネルギーをもつ原料ガスを供給するための供給口３２ａが電子ビーム発生装置２ａのビーム出射口近傍に設けられ、所定の活性化エネルギーをもつ原料ガスを供給するための供給口３２ｂが電子ビーム発生装置２ｂのビーム出射口近傍に設けられる。

　また各原料ガス供給口と試料テーブルの間に開度調整可能なオリフィス１１ａ，１１ｂが設けられ、各ビーム出射口とオリフィス間のガス圧と試料テーブル近傍のガス圧とが異なる値になるように設定可能になっている。

　すなわち原料ガス１２ａ，１２ｂの流量が等しければ、オリフィス１１ｂのコンダクタンスを１１ａのコンダクタンスよりも小さく設定することにより、加速電極８ｂとオリフィス１１ｂ間のガス圧の方が加速電極８ａとオリフィス１１ａ間のガス圧より高くなる。

　もちろんオリフィスの開度はガス量に応じて外部より設定可能であり、上述空間のガス圧測定系、ガス量制御系と連動して所望のガス圧になるようにオリフィスの開度をフィードバック制御をすることも可能である。

　さらに、試料テーブル３５の直下部に、容器内ガスを排気する排気口３３が形設される。

　電子ビーム発生装置２ａから所定エネルギーをもつ電子ビームが入射すると、供給口３２ａから導入されたガス分子に衝突して、イオン化またはラジカル化したプラズマＰＢａを生成する。また、電子ビーム発生装置２ｂから所定エネルギーをもつ電子ビームが入射すると、供給口３２ｂから導入されたガス分子に衝突して、イオン化またはラジカル化したプラズマＰＢｂを生成する。

　電子ビーム発生装置２ｂの加速電極８ｂからオリフィス１１ｂまでのガス圧が高いため、プラズマＰＢｂの発生位置は試料Ｓから遠くなり、また多くのガス分子と衝突するために電子ビームによって励起されたラジカルのうち寿命の長いものだけが試料Ｓに到達して、寿命の短いものは途中で淘汰される。一方、プラズマＰＢａの発生位置は試料Ｓから近く、またガス分子との衝突が少ないために寿命の短いラジカルも試料Ｓに到達できる。したがって、ラジカル寿命の長短に応じて、成膜成分を選択することが可能になる。この方法は加速電極と試料との距離を変えずに済むことから装置の小型化につながり、またガス圧制御範囲を広くとれるため、ラジカルの選択範囲が広い。

　なお以上の説明では２つの電子ビーム発生手段を設置する例を示したが３つ以上の電子ビーム発生手段を設けることも可能である。

　図８は、本発明の前提となる他の構成を示す概略構成図である。この電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は、所定のエネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２と、電子ビーム励起によってプラズマを発生するためのプラズマ反応装置３とを備える。

　電子ビーム発生装置２は、図１と同様に、カソード５と、補助電極６と、放電電極と、加速電極８を備え、カソード５と放電電極７との間の各領域で放電によるプラズマを発生させる。

　本構成では、放電電極７と加速電極８との間にＤＣ電源１４ａおよびＡＣ電源１４ｂが直列接続されており、放電電極７に対する加速電極８の印加電圧が脈流状またはパルス状に時間変化している。そのため、放電によるプラズマから引出された電子ビームに印加される電界も脈流状またはパルス状に時間変化することになり、電子ビームのエネルギーも時間変化する。

　一方、プラズマ反応装置３は、図１と同様に、円筒状の真空容器３１と、電子ビーム発生装置２に対向して設けられ、試料Ｓを支持するための試料テーブル３５とを備える。真空容器３１には、モノシランＳｉＨ₄ やモノゲルマンＧｅＨ₄ 等の原料ガスを供給するための供給口３２と、容器内のガスを排気する排気口３３が形設される。

　電子ビーム発生装置２からエネルギーが時間変化する電子ビームが入射すると、真空容器３１内に導入されたガス分子に衝突して、エネルギーの変動範囲に合致する活性化エネルギーを持つガス分子がイオン化またはラジカル化してプラズマＰＢを生成する。たとえば電子ビームのエネルギーが高いときはモノシラン等の高い活性化エネルギーを必要とするガス分子が効率良く活性化するとともに、電子ビームのエネルギーが低いときは、モノゲルマン等の低い活性化エネルギーを必要とするガス分子が効率良く活性化することになる。したがって、いろいろな活性化エネルギーを持つガス分子によって生成されたプラズマＰＢは、試料Ｓ上で化学的気相成長を効率良く行って、たとえばアモルファスＳｉＧｅ等を成膜する。

　こうして電子ビームのエネルギーを時間変化させることによって、いろいろな活性化エネルギーを持つガス分子を効率良くイオン化またはラジカル化させることが可能になる。したがって、原料ガスの種類が変化したり、混合ガスを用いる場合でも、成膜対象となる原料ガスの活性化エネルギーと電子ビームのエネルギーとを広範囲で合致させることが可能になり、成膜速度の向上および成膜組成の均質化を図ることができる。

　図９は、本発明の前提となる他の構成を示す概略図である。図９は（ａ）は原料ガスＡ，Ｂの電離衝突解離断面積を示す。また（ｂ）は放電電極と加速電極間に印加するパルス波形の実施例を示す。パルスの電圧強度を各原料ガスの電子衝突電離または解離断面積の最大値をとる電子のエネルギー値に相当する値に設定することにより、混合ガスのプラズマ化が効率よく行われる。

　図１０は、本発明の前提となる他の構成を示す概略構成図である。この電子ビーム励起プラズマ成膜装置１は、所定のエネルギーを持つ電子ビームを発生するための電子ビーム発生装置２と、電子ビーム励起によってプラズマを発生するためのプラズマ反応装置３とを備える。

　電子ビーム発生装置２は、図１と同様に、カソード５と、補助電極６と、放電電極７と、加速電極８を備え、カソード５と放電電極７との間の各領域で放電によるプラズマを発生させる。

　本構成では、放電電極７と加速電極８との間に出力電圧Ｖ１のＤＣ電源１４ｃおよび出力電圧Ｖ２のＤＣ電源１４ｄが操作スイッチ１４ｅによって切換自在に接続されている。操作スイッチ１４ｅによって低い電圧Ｖ１が放電電極７に印加されると、放電によるプラズマから引出された電子ビームに低い電界が印加されるため、電子ビームのエネルギーが低くなる。また、操作スイッチ１４ｅによって高い電圧Ｖ２が放電電極７に印加されると、電子ビームに高い電界が印加されるため、電子ビームのエネルギーが高くなる。

　電子ビーム発生装置２から所定のエネルギーを持つ電子ビームが入射すると、真空容器３１内に導入されたガス分子に衝突して、該エネルギーに合致する活性化エネルギーを持つガス分子が効率良くイオン化またはラジカル化してプラズマＰＢを生成する。たとえば電子ビームのエネルギーが高いときはモノシラン等の高い活性化エネルギーを必要とするガス分子が活性化するとともに、電子ビームのエネルギーが低いときは、モノゲルマン等の低い活性化エネルギーを持つガス分子が効率良く活性化することになる。したがって、スイッチ操作によって活性化される分子が選択されたプラズマＰＢは、試料Ｓ上で化学的気相成長を行って、たとえば膜組成が交互に異なる多層膜等を成膜することができる。

　こうして電子ビームのエネルギーをスイッチ操作によって任意に切換えることが可能になり、いろいろな活性化エネルギーを持つガス分子を効率良くイオン化またはラジカル化できることになる。したがって、成膜対象となる原料ガスとの最適化が可能になり、さらに原料ガスの切換に併せて加速電極の印加電圧を切換えることによって、試料上に多層膜を形成することができる。

　本発明は、次の実施の形態が可能である。
　（１）電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、エネルギーが相異なる複数の電子ビームを発生するための複数の電子ビーム発生手段を備えることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置。

　各電子ビーム発生手段は相異なるエネルギーを持つ電子ビームを発生することによって、原料ガスの種類が変化したり、混合ガスを用いる場合でも、成膜対象となる原料ガスをイオン化またはラジカル化するのに必要な活性化エネルギーと電子ビームのエネルギーとを合致させることが可能になり、成膜速度の向上および成膜組成の均質化を図ることができる。

　（２）各電子ビーム発生手段のビーム出射口近傍に、各電子ビームのエネルギーに対応する活性化エネルギーを持つガスを供給するためのガス供給手段を備えることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置。

　また、各電子ビーム発生手段のビーム出射口近傍に、各電子ビームのエネルギーに対応する活性化エネルギーを持つガスを供給するためのガス供給手段を備えることによって、ガスの分解効率がより向上する。

　（３）電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、電子ビームを発生するための電子ビーム発生手段に、電子ビームに電界を印加して加速するための加速電極が設けられ、該電界の強度が脈流状またはパルス状に時間変化することを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置。

　（４）電子ビームによって混合ガスを励起し、プラズマを生成して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、電子ビームを発生するための電子ビーム発生手段に、電子ビームに電界を印加して加速するための加速電極が設けられ、該電界の強度がパルス的に時間変化し、その電界強度が混合ガスを構成する各ガスの電子衝突断面積の最大値に対応する電子エネルギーに設定されていることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置。

　電子ビーム発生手段には、電子ビームに電界を印加して加速するための加速電極が設けられ、該電界の強度が脈流状またはパルス状に時間変化することによって、電子ビームのエネルギーを時間変化させることが可能になる。したがって、原料ガスの種類が変化したり、混合ガスを用いる場合でも、成膜対象となる原料ガスの活性化エネルギーと電子ビームのエネルギーとを広範囲で合致させることが可能になり、成膜速度の向上および成膜組成の均質化を図ることができる。

　（５）電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、電子ビームを発生するための電子ビーム発生手段に、電子ビームに電界を印加して加速するための加速電極が設けられ、さらに前記加速電極に印加される電圧を切換えるための電圧切換手段が設けられることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置。

　電子ビーム発生手段には、電子ビームに電界を印加して加速するための加速電極が設けられ、さらに前記加速電極に印加される電圧を切換えるための電圧切換手段が設けられることによって、電子ビームのエネルギーを任意に設定することができる。したがって、成膜対象となる原料ガスとの最適化が可能になり、さらに原料ガスの切換に併せて加速電極の印加電圧を切換えることによって、試料上に多層膜を形成することができる。

本発明が適用される電子ビーム励起プラズマ発生装置の構成を示す断面図である。図１中Ａ−Ａ線に沿った矢視図である。コイル１５，１６および逆磁場コイル３７によって形成される磁場の分布図である。本発明の前提となる構成を示す概略構成図である。本発明の前提となる他の構成を示す概略構成図である。本発明の実施の第１形態を示す概略構成図である。本発明の実施の第２形態を示す概略構成図である。本発明の前提となる他の構成を示す概略構成図である。本発明の前提となる他の構成を示す概略図である。本発明の前提となる他の構成を示す概略構成図である。

符号の説明

　１　電子ビーム励起プラズマ成膜装置
　２，２ａ，２ｂ　電子ビーム発生装置
　３　プラズマ反応装置
　４　真空容器
　５，５ａ，５ｂ　カソード
　６，６ａ，６ｂ　補助電極
　７，７ａ，７ｂ　放電電極
　８，８ａ，８ｂ　加速電極
　９　供給ポート
　１０　排気ポート
　１１ａ，１１ｂ　バリアブルオリフィス
　１２ａ，１２ｂ　原料ガス
　１５，１６　コイル
　３１　真空容器
　３２，３２ａ，３２ｂ　供給口
　３３　排気口
　３４　多極磁石
　３５　試料テーブル
　３７　逆磁場コイル
　３８　隔壁

Claims

　電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、
　電子ビームを発生するための複数の電子ビーム発生手段を備え、
　さらに各電子ビーム発生手段は、電子ビームを加速するための加速電極を備え、各加速電極から試料までの距離がそれぞれ異なるように配置されることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置。
　電子ビームによって励起されるプラズマを利用して、試料上で化学的気相成長を行う電子ビーム励起プラズマ成膜装置において、
　電子ビームを発生するための複数の電子ビーム発生手段を備え、
　さらに各電子ビーム発生手段は、電子ビームを加速するための加速電極を備え、さらに各加速電極と試料の間にはガス圧力調整用のオリフィスを設け、各加速電極から各オリフィスまでのガス圧がそれぞれ異なるようにオリフィス開度を調整する機構が配置されていることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ成膜装置。