JP2572270B2 - Ultra-high purity film forming equipment - Google Patents

Ultra-high purity film forming equipment

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JP2572270B2
JP2572270B2 JP63244200A JP24420088A JP2572270B2 JP 2572270 B2 JP2572270 B2 JP 2572270B2 JP 63244200 A JP63244200 A JP 63244200A JP 24420088 A JP24420088 A JP 24420088A JP 2572270 B2 JP2572270 B2 JP 2572270B2
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film forming
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forming apparatus
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徹 佐竹
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Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、超高純度の薄膜を作成する装置、特に四
重極質量分析器により、特定のイオンのみを超高真空下
で対象物表面に堆積させて高純度の薄膜を作成する装置
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial application field) The present invention relates to an apparatus for forming an ultra-high-purity thin film, in particular, a quadrupole mass spectrometer, which allows only specific ions to be applied to the surface of an object under ultra-high vacuum. The present invention relates to an apparatus for forming a high-purity thin film by depositing on a thin film.

(従来の技術) 現在、種々の成膜方法が提案され、実用化されている
が、近年、イオン化蒸着法が他の方法では作成できない
優れた性質を持つ膜の作成が可能であると考えられ、注
目されている。
(Prior art) At present, various film forming methods have been proposed and put into practical use, but in recent years, it is considered that a film having excellent properties that cannot be formed by ionization vapor deposition using other methods can be formed. ,Attention has been paid.

その中で、最近、稀に見られるものに、質量分離され
たイオンビームによる薄膜作製の試みがある。この方法
は、特定のイオンのみを選択堆積させることができるの
で、極めて純度の高い薄膜の作製に適した方法といえ
る。それらの方法に使用される装置の1例を第5図に示
すが、その主要部のほとんどは、従来の二次イオン質量
分析計(SIMS)のイオン照射系の機構や技術を利用した
ものであり、薄膜作製に利用する場合、以下の問題点が
ある。
Among them, recently, there has been a rare attempt to prepare a thin film using a mass-separated ion beam. Since this method can selectively deposit only specific ions, it can be said that this method is suitable for producing a thin film having extremely high purity. Fig. 5 shows an example of the equipment used in these methods. Most of the main parts use the mechanism and technology of the ion irradiation system of the conventional secondary ion mass spectrometer (SIMS). Yes, when used for thin film production, there are the following problems.

(この発明が解決しようとする問題点) (1)質量分離器として扇磁場型が使用されている。従
って大型で重量も大きく、イオンの輸送距離が長い。
(Problems to be Solved by the Invention) (1) A fan magnetic field type is used as a mass separator. Therefore, it is large, heavy, and has a long ion transport distance.

(2)イオンビームのエネルギー(数100eV〜数10keV)
が比較的高く、膜質の制御が難しい。膜質の制御を行う
のには低エネルギー領域(100eV以下)のイオンを利用
し、その制御を行うことが重要である。
(2) Energy of ion beam (several 100 eV to several tens keV)
Is relatively high, and it is difficult to control the film quality. In order to control the film quality, it is important to use ions in the low energy region (100 eV or less) and control the ions.

(3)イオン源として高輝度の複雑なものが流用されて
いる。従って汎用性に乏しく、生成されるイオン種が制
限される。
(3) A high-intensity complicated ion source is used. Therefore, the versatility is poor, and the generated ionic species are limited.

(4)イオン輸送系が長く(1mを越えるものが多い)、
また、精密なレンズ系が2〜3組必要となる。
(4) Long ion transport system (often over 1m)
Also, two or three sets of precise lens systems are required.

(5)全体として大型で、かつ複雑であり、操作が難し
く、また高価である。
(5) As a whole, it is large, complicated, difficult to operate, and expensive.

SIMSのイオン照射系と異なる方式の装置においても薄
膜作製装置としての考慮がされておらず(例えば真空度
が悪い等)、これを利用して高純度な膜を作製するには
不向きである。
An apparatus using a method different from that of the SIMS ion irradiation system is not considered as a thin film manufacturing apparatus (for example, the degree of vacuum is low), and is not suitable for manufacturing a high-purity film using the apparatus.

(問題点を解決するための手段) この発明は、上記問題を含まぬ成膜装置を得ようとす
るもので、質量分析器として四重極質量分離器を採用し
たイオン化蒸着装置とすると共に、膜成長室を超高真空
(10-7Pa以下)にして、超高純度の薄膜作製を可能にし
たものである。
(Means for Solving the Problems) The present invention seeks to obtain a film forming apparatus that does not include the above-described problems, and provides an ionization vapor deposition apparatus that employs a quadrupole mass separator as a mass analyzer. An ultra-high vacuum (10 −7 Pa or less) is set in the film growth chamber to enable production of an ultra-high-purity thin film.

(実施例) 実施例1 第1図にこの発明の超高純度成膜装置の概要図を示
す。この装置は、イオン生成室1、質量分離室2、膜成
長室3から構成され、それにガス導入系4、および排気
系が取り付けられている。
(Example) Example 1 Fig. 1 shows a schematic view of an ultra-high purity film forming apparatus of the present invention. This apparatus comprises an ion generation chamber 1, a mass separation chamber 2, and a film growth chamber 3, to which a gas introduction system 4 and an exhaust system are attached.

イオンの生成法としては各種のプラズマ生成法、電子
衝撃法、表面電離法等が利用可能である。特に電子サイ
クロトロン共鳴放電、又は電子ビーム励起放電法を使用
する場合、イオン生成室1の圧力は、10-2Pa以下と他の
プラズマ生成法(1Pa程度)に比べて、導入気体の圧力
を二桁程度低くできるので、差動排気が容易になり、膜
成長室3を超高真空にするのに有利である。
As a method for generating ions, various plasma generation methods, electron impact methods, surface ionization methods, and the like can be used. In particular, when the electron cyclotron resonance discharge or the electron beam excitation discharge method is used, the pressure in the ion generation chamber 1 is 10 −2 Pa or less, which is lower than that of other plasma generation methods (about 1 Pa). Since it can be lowered by about an order of magnitude, differential evacuation is facilitated, which is advantageous for making the film growth chamber 3 into an ultra-high vacuum.

質量分離室2には四重極質量分析器6が納められてい
る。
The mass separation chamber 2 contains a quadrupole mass analyzer 6.

イオン生成室で発生したイオンは孔5を通って四重極
質量分析器で質量分離され、予め任意に設定された質量
電荷比(m/n、但しmはイオン質量、nは電荷数)のイ
オンのみが膜成長室との間の孔7を通過し、基板8上に
堆積して膜10となる。孔5及び孔7には、必要に応じて
簡単な円筒レンズ等を取り付けることにより、イオンビ
ームの制御が容易となる。
The ions generated in the ion generation chamber pass through the hole 5 and are mass-separated by a quadrupole mass spectrometer, and have a predetermined mass-to-charge ratio (m / n, where m is the ion mass and n is the number of charges). Only the ions pass through the hole 7 between the film growth chamber and deposit on the substrate 8 to form the film 10. By attaching a simple cylindrical lens or the like to the holes 5 and 7 as necessary, the control of the ion beam becomes easy.

装置を以上の構造とすることにより、以下のような従
来に比べて有利な点が生じる。
When the apparatus has the above structure, the following advantages are obtained as compared with the related art.

(1)イオン生成室1と膜成長室3の間の距離を従来の
1/5以下(20cm以下)にすることができる。
(1) The distance between the ion generation chamber 1 and the film growth chamber 3 is increased
It can be reduced to 1/5 or less (20cm or less).

(2)イオン生成法としては種々の方法が利用可能なの
で、種々のイオンの生成が容易となり応用分野が広が
る。また、特別のイオン源(例えばデュオプラズマトロ
ン)を必要としない。さらに、イオンの引出し、加速の
ための高圧電源を必要としないので安全でかつ操作が容
易となる。
(2) Since various methods can be used as an ion generation method, generation of various ions is facilitated, and an application field is expanded. Further, no special ion source (for example, Duoplasmatron) is required. Furthermore, since a high-voltage power supply for extracting and accelerating ions is not required, the operation is safe and easy.

(3)質量分離室に大排気速度の排気系を取り付けるこ
とが容易となる。従って差動排気が容易となり、膜成長
室の真空を10-7Pa以下の超高真空にすることが比較的容
易となる。さらに、必要に応じて10-8Pa以下の極高真空
とすることも可能となる。従って、超高純度の成膜が可
能である。
(3) It becomes easy to attach an exhaust system with a large exhaust speed to the mass separation chamber. Accordingly, differential pumping becomes easy, and it becomes relatively easy to make the vacuum in the film growth chamber an ultra-high vacuum of 10 −7 Pa or less. Further, if necessary, it is possible to make an ultra-high vacuum of 10 −8 Pa or less. Therefore, ultra-high-purity film formation is possible.

(4)精密なレンズ系を必要としない。具体的には、孔
5に簡単な円筒レンズを1組取り付ける程度で充分であ
る。
(4) No precise lens system is required. Specifically, it is sufficient to attach one set of a simple cylindrical lens to the hole 5.

(5)低エネルギー領域(100ev以下)におけるイオン
エネルギー制御が基板に電位をかけることにより簡単に
できる。
(5) The ion energy in the low energy region (100 ev or less) can be easily controlled by applying a potential to the substrate.

(6)構造が簡単で軽量かつ、安価にすることができ
る。また操作が容易となる。例えば重量では従来のよう
な扇型磁場を使用する場合に比べて1/50以下にできる。
(6) The structure is simple, lightweight and inexpensive. Also, the operation becomes easy. For example, the weight can be reduced to 1/50 or less as compared with the case where a conventional fan-shaped magnetic field is used.

(7)正のイオンだけでなく、負のイオンによる成膜も
容易となる。これは四重極質量分析器がイオンの正負に
無関係に質量分離することが可能であるからである。従
って正負イオンの切り替え、さらに正、負のイオンを交
互に用いる成膜も容易となる。
(7) Not only positive ions but also negative ions can be easily formed. This is because the quadrupole mass spectrometer can perform mass separation regardless of the sign of the ion. Therefore, it is easy to switch between positive and negative ions, and to form a film using positive and negative ions alternately.

(8)小型軽量に出来るので、イオン生成室1と質量分
離室2を容易に、他の表面分析器に取り付けることがで
き、膜成長の様子をその場で調べることが容易となる。
(8) Since it can be made small and lightweight, the ion generation chamber 1 and the mass separation chamber 2 can be easily attached to another surface analyzer, and the state of film growth can be easily checked on the spot.

実施例2 第2図に別の実施例を示す。1つの膜成長室3に二組
のイオン生成室1a、質量分離室2aおよびイオン生成室1
b、質量分離室2bを取り付けたものである。その他、第
1図に示す実施例と対応する部材は、同一の符号で示し
てある。
Embodiment 2 FIG. 2 shows another embodiment. One set of the ion generation chamber 1a, the mass separation chamber 2a, and the ion generation chamber 1
b, with a mass separation chamber 2b attached. In addition, members corresponding to the embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

このような構造にすることにより、(1)異なるイオ
ン種および正負のイオンを同時に又は交互に基板上で堆
積させることができる。従って、イオン間の静電引力を
利用して(2)成長が困難とされている化合物の成膜
や、(3)より低温でのエピタキシャル成長が可能にな
る。これは重要で新しいエピタキシャルの方法となるも
のである。(4)同様の方法で膜成長室3に4〜5組の
イオン生成室1、質量分離室2を取り付けることがで
き、4〜5種類の元素の同時又は複数の組合せによる交
互の成膜が可能となる。
With such a structure, (1) different ion species and positive and negative ions can be simultaneously or alternately deposited on the substrate. Therefore, (2) film formation of a compound which is difficult to grow and (3) epitaxial growth at a lower temperature can be performed by utilizing the electrostatic attraction between ions. This is an important new epitaxial method. (4) Four to five sets of ion generation chambers 1 and mass separation chambers 2 can be attached to the film growth chamber 3 by the same method, and alternate film formation by simultaneous or plural combinations of 4 to 5 types of elements can be performed. It becomes possible.

実施例3 第3図は膜成長室3に、電子シャワー源11を配設した
例を示す。これにより絶縁物上でのイオンの堆積または
絶縁物膜成長時におけるチャージアップ効果を制御する
ことが可能となる。
Third Embodiment FIG. 3 shows an example in which an electron shower source 11 is provided in the film growth chamber 3. This makes it possible to control the charge-up effect at the time of depositing ions on the insulator or growing the insulator film.

第4図は、簡単な円筒レンズ12と組み合わせてイオン
ビーム偏向電極13をイオンの入射孔7の膜成長室3内側
に取り付けた場合の例を示す。このようにすることによ
り、膜成長時におけるイオン生成室1又は質量分離室2
から直接入射する不純物気体の混入を防ぐことができ
る。
FIG. 4 shows an example in which the ion beam deflecting electrode 13 is mounted inside the film growth chamber 3 at the ion entrance hole 7 in combination with a simple cylindrical lens 12. By doing so, the ion generation chamber 1 or the mass separation chamber 2 during film growth can be obtained.
And mixing of impurity gas directly incident from the substrate.

(発明の効果) この発明の成膜装置は上記のように質量分離器として
四重極質量分析器を用いたイオン化蒸着装置である。本
方法により、イオン輸送距離を従来の1/5と短縮するこ
とができ、扇型磁場による質量分離器に比べて重量で1/
50以下にできる。
(Effect of the Invention) As described above, the film forming apparatus of the present invention is an ionization vapor deposition apparatus using a quadrupole mass analyzer as a mass separator. By this method, the ion transport distance can be shortened to 1/5 of the conventional one, and the weight is 1/1 compared to the mass separator using the fan-shaped magnetic field.
Can be less than 50.

また、同一成膜装置で正負イオンの切り換えが容易に
でき、種々の薄膜製作方法が使用可能となり応用分野が
広がる。さらに低エネルギーでの成膜が可能なので、膜
質に影響を与えると考えられるイオンエネルギーの制御
が容易となり、全体として小型で、安価で、より操作性
のよい装置とすることができるという従来例を見ない効
果を得ることが出来たものである。
Further, switching of positive and negative ions can be easily performed by the same film forming apparatus, and various thin film manufacturing methods can be used, so that the application field is expanded. Furthermore, since the film can be formed with low energy, it is easy to control the ion energy, which is considered to affect the film quality, and it is possible to provide a small, inexpensive, and more operable device as a whole. It was possible to obtain an effect that was not seen.

また本装置により、従来とは全く異なった、正負イオ
ンの静電引力を利用した新しいエピタキシャル膜成長の
方法が可能となる等、極めて顕著な特徴を生じた。
In addition, the present apparatus has extremely remarkable features, such as a new method of growing an epitaxial film utilizing electrostatic attraction of positive and negative ions, which is completely different from the conventional method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の超高純度成膜装置の実施例1の本体
の構成を示す概念図、第2図は実施例2の二元素同時成
膜装置の概念図、第3図、第4図は膜成長室の変形例を
示す部品配置の概念図、第5図は従来の質量分離器を備
えたイオン化蒸着装置の構成例を示す概念図である。 1:イオン生成室、2:質量分離室 3:膜成長室、4:気体導入系 5、7:孔、6:四重極質量分析器 8:基板、9:イオン 10:膜、11:電子シャワー源 12:円筒レンズ、13:偏向電極
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a main body of an ultrahigh-purity film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram of a two-element simultaneous film forming apparatus according to the second embodiment, FIG. FIG. 5 is a conceptual diagram of a component arrangement showing a modification of the film growth chamber, and FIG. 5 is a conceptual diagram showing a configuration example of an ionization vapor deposition apparatus provided with a conventional mass separator. 1: Ion generation chamber, 2: Mass separation chamber 3: Membrane growth chamber, 4: Gas introduction system 5, 7: Hole, 6: Quadrupole mass analyzer 8: Substrate, 9: Ion 10: Membrane, 11: Electron Shower source 12: cylindrical lens, 13: deflection electrode

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】イオン生成室、質量分離室および膜成長室
からなり、上記イオン生成室からのイオン中、上記質量
分離室内の四重極質量分析器により分離された特定のイ
オンのみを、上記膜成長室中で、超高真空下で対象物表
面に堆積させることを特徴とする超高純度成膜装置
An ion generation chamber, a mass separation chamber, and a membrane growth chamber, wherein only specific ions separated by a quadrupole mass analyzer in the mass separation chamber among the ions from the ion generation chamber are separated from each other. An ultra-high-purity film forming apparatus characterized in that it is deposited on an object surface under ultra-high vacuum in a film growth chamber.
【請求項2】イオン生成室中のイオン生成法として電子
サイクロトロン共鳴放電を利用する第1項記載の超高純
度成膜装置
2. The ultra-high-purity film forming apparatus according to claim 1, wherein an electron cyclotron resonance discharge is used as a method for generating ions in the ion generation chamber.
【請求項3】イオン生成室中のイオン生成法として電子
ビーム励起放電を利用する第1項記載の超高純度成膜装
3. An ultra-high-purity film forming apparatus according to claim 1, wherein an electron beam-excited discharge is used as an ion generation method in the ion generation chamber.
【請求項4】正の電荷と負の電荷を持つイオンを交互に
又は同時に堆積させることを特徴とする第1項ないし第
3項の何れかに記載された超高純度成膜装置
4. An ultra-high purity film forming apparatus according to claim 1, wherein ions having a positive charge and a negative charge are alternately or simultaneously deposited.
【請求項5】正の電荷と負の電荷を持つイオンを交互に
又は同時に堆積させて超格子膜を作成することを特徴と
する第4項記載の超高純度成膜装置
5. An ultra-high purity film forming apparatus according to claim 4, wherein ions having a positive charge and a negative charge are alternately or simultaneously deposited to form a superlattice film.
【請求項6】正のイオンと負のイオンを交互に又は同時
に基板上に堆積させてエピタキシャル成長をさせること
を特徴とする第4項記載の超高純度成膜装置
6. An ultra-high-purity film forming apparatus according to claim 4, wherein positive ions and negative ions are alternately or simultaneously deposited on the substrate for epitaxial growth.
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