JP2716715B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

薄膜形成装置

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JP2716715B2 JP63024829A JP2482988A JP2716715B2 JP 2716715 B2 JP2716715 B2 JP 2716715B2 JP 63024829 A JP63024829 A JP 63024829A JP 2482988 A JP2482988 A JP 2482988A JP 2716715 B2 JP2716715 B2 JP 2716715B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、金属薄膜或いはIC,LSIなどを構成する半導
体薄膜などの形成に適した薄膜形成装置に関する。
従来技術 従来、被薄膜形成基板上に薄膜を形成する手段として
は、種々のものが提案され、その方法も極めて多岐にわ
たっている。主なものとしても、例えばイオンプレーテ
イング法やCVD法やPVD法などがある。
例えば、蒸発源と被蒸着物の間に高周波電磁界を発生
させて、活性ガス又は不活性ガス中で蒸発した物質をイ
オン化して真空蒸着を行なうイオンプレーテイング法が
ある。また、蒸発源と被蒸着物との間に直流電圧を印加
するDCイオンプレーテイング法もある。これらのイオン
プレーテイング法は、例えば特公昭52−29971号公報や
特公昭52−29091号公報等により知られている。
この他、各種の薄膜形成方法・装置がある。
しかし、従来の薄膜形成方式による場合には、形成さ
れた薄膜の基板に対する密着性が弱かつたり、耐熱性の
ない基板への膜形成が困難という欠点を有している。
目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、基板
上に極めて強い密着性を持つ緻密な薄膜を形成すること
ができ、この際、基板として耐熱性のない例えばプラス
チツクス板などをも用いることができる薄膜形成装置を
得ることを目的とする。
構成 本発明は、上記目的を達成するため、活性ガス又は不
活性ガス或いは活性ガスと不活性ガスとの混合ガスが導
入される真空槽と、この真空槽内において蒸発物質を蒸
発させる蒸発源と、前記真空槽内に配設されて前記蒸発
源に対向する状態で薄膜形成用の基板を保持する対向電
極と、前記蒸発源と対向電極との間に配置されて前記蒸
発物質が通過する隙間を有するグリツドと、このグリツ
ドと前記蒸発源との間に配置させた熱電子発生用のフイ
ラメントと、前記対向電極の電位を前記蒸発源の電位に
対し同電位又は負電位とし前記グリツドの電位を交流電
位とすることにより前記グリツドと前記基板との間の電
界と前記グリツドと前記蒸発源との間の電界とを逆向き
に形成する電源手段とからなることを特徴とする。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
まず、真空槽1が設けられている。この真空槽1はベー
スプレート2上にベルジヤ3をパツキング4を介して一
体化することにより構成されている。ここに、ベースプ
レート2の中央部には孔2aが形成されて図示しない真空
排気系に連結され、真空槽1内の気密性を維持しつつ、
周知の方法により真空槽1内に活性ガス又は不活性ガス
或いは活性ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入し得る
ように構成されている。例えば、真空槽1に対してはO2
等の活性ガスを収納したボンベ6がバルブ7を介して連
結され、Ar等の不活性ガスを収納したボンベ8がバルブ
9を介して連結されている。
そして、このような真空槽1内には上方から下方に向
けて順に対向電極10とグリツド11とフイラメント12と蒸
発源13とが適宜間隔をあけて設けられている。これらの
部材は、各々支持体を兼用する電極14,15,16,17により
水平状態に支持されている。これらの電極14〜17は何れ
もベースプレート2との電気的な絶縁性を保つ状態でベ
ースプレート2を貫通して真空槽1外部に引出されてい
る。即ち、これらの電極14〜17は真空槽1の内外の電気
的な接続・給電を行なうためのもので、その他の配線具
とともに導電手段となり得るものであり、ベースプレー
ト2の貫通部等においては気密性が確保されている。
ここで、一対の前記電極17により支持された蒸発源13
は蒸発物質を蒸発させるためのものであり、例えばタン
グステン、モリブデンなどの金属をコイル状に形成して
なる抵抗加熱式として構成されている。もつとも、コイ
ル状に代えて、リボン状に形成したものでもよい。更に
は、このような蒸発源に代えて、電子ビーム蒸発源など
のように従来の真空蒸着方式で用いられている蒸発源で
あつてもよい。
また、電極14に支持された対向電極10には、前記蒸発
源13に対向する面(下面)側に位置させて、薄膜を形成
すべき基板18が適宜の方法により保持されている。
さらに、一対の電極16により支持されたフイラメント
12は熱電子発生用のものであり、タングステンなどによ
り形成されている。このフイラメント12の形状として
は、例えば複数本のフイラメントを平行に配列させた
り、網目状に配列させてなり、前記蒸発源13から蒸発し
た蒸発物質の粒子の広がりをカバーし得るように設定さ
れている。
そして、電極15により支持されたグリツド11は、蒸発
物質が通過する隙間を有する形状、例えば網目状に形成
されている。
また、このように真空槽1内に設けた対向電極10、グ
リツド11、フイラメント12、蒸発源13等の部材を電位的
に所定の電気的な関係とする電源が真空槽1外に設けら
れ、前記各電極14〜17を利用してこれらの各部材に接続
されている。
まず、蒸発源13は電極17を介して電源手段の一つとな
る加熱用の交流電源19の両端に接続されている。次に、
フイラメント12は電極16を介して交流電源20の両端に接
続されている。さらに、グリツド11は電極15を介して電
源手段の一つとしての交流電源21の一端に接続されてい
る。これにより、グリツド11は交流電位におかれる。即
ち、グリツド11の電位は交流電源21の周波数に従い時間
的に変化するものとなる。また、対向電極10用の電極14
は電源手段の一つとしての直流電源22の負側に接続され
ている。もつとも、この直流電源22は必ずしもなくても
よい。何れにしても、対向電極10の電位は蒸発源13の電
位に対し同電位又は負電位となるように設定される。
なお、図中に示す接地は必ずしも必要ではない。ま
た、実際的なこれらの電気的な接続には、種々のスイツ
チ類を含み、これらの操作により、基板18上への成膜プ
ロセスを実施するわけであるが、これらのスイツチ類に
ついては省略する。
このような薄膜形成装置の構成による薄膜形成動作に
ついて説明する。まず、図示の如く、薄膜を形成すべき
基板18を対向電極10に保持セツトさせる一方、蒸発源13
には蒸発物質を保持させる。用いる蒸発物質はどのよう
な薄膜を形成するかに応じて定められるものであるが、
例えば、アルミニウムや金などの金属、或いは金属の酸
化物、弗化物、硫化物、或いは合金等が用いられる。ま
た、真空槽1内は予め10-5〜10-6Torrの圧力とされ、こ
れに必要に応じて、活性ガス又は不活性ガス或いはこれ
らの混合ガスが10-2〜10-4Torrの圧力で導入される。こ
こでは、説明の具体性のため、例えばアルゴンArなどの
不活性ガスが導入されているものとする。
このような状態で、本装置の電源を作動させ、グリツ
ド11に交流電位、対向電極10に負の電位を印加させ、フ
イラメント12に電流を流す。フイラメント12は抵抗加熱
により加熱され、熱電子を放射する。ここに、真空槽1
内のアルゴン分子はこのフイラメント12から放出された
熱電子との衝突によりその外殻電子がはじき出され、正
イオンにイオン化される。一方、蒸発源13に保持された
蒸発物質は加熱により蒸発する。蒸発源13から蒸発した
物質、即ち蒸発物質の粒子は上方の基板18に向かつて広
がりつつ飛行する。この際、その一部及び前述した導入
ガスもフイラメント12からの熱電子との衝突により外殻
電子がはじき出され、やはり正イオンにイオン化され
る。
このように一部イオン化された蒸発物質はグリツド11
に到達する。この際、グリツド11と基板18との間の電界
と、グリツド11と蒸発源13との間の電界が逆向きに形成
され、それが、グリツド11には交流電源21により交流が
印加されていることによりグリツド電位の周波数に従い
時間的に変化するものとなつている。よつて、このよう
な蒸発物質はグリツド11とフイラメント12との間におい
てグリツド11に印加された交流電圧により振動運動す
る。これにより、熱電子及び前述の如くイオン化された
導入ガスの衝突により、さらにイオン化が促進される。
グリツド11を通過した蒸発物質中、いまだイオン化さ
れていない部分は、さらにグリツド11と基板18との間に
おいて、前述の如くイオン化された導入ガスとの衝突に
より、正イオンにイオン化され、イオン化率が高められ
る。
このようにして正イオンにイオン化された蒸発物質は
基板18に向かつて飛翔するが、その質量が電子のそれよ
り著しく大きいため(最も質量の軽い水素イオンでも電
子の約1800倍)、グリツド11と基板18との間の電位の変
化には急速には応答することなく、遂には高いエネルギ
ーを持つて基板18に衝突付着する。これにより、非常に
密着性のよい薄膜が基板18上に形成される。
熱電子は最終的には、その大部分がグリツド11に吸収
される。即ち、フイラメント12からの熱電子はフイラメ
ント温度に対応する運動エネルギーを持つてフイラメン
トから放射されるので、グリツド電位が正の場合にはグ
リツド11に吸引され、負の場合にはグリツド11に反発さ
れ、フイラメント12とグリツド11との間で往復運動を行
なう。この間において、蒸発物質や導入ガスをイオン化
し、グリツド11・フイラメント12間で振動運動を繰返
し、遂にはグリツド11に吸引されるので、基板18へは達
しない。よつて、基板18は熱電子による衝撃を受けず、
熱電子の入射による加熱もなく、基板18の温度上昇も防
止できる。従つて、プラスチツクス等の耐熱性のない材
質のものでも基板18として用い得る。
このように、本実施例によれば、蒸発物質のイオン化
が極めて高いので、真空槽1内に活性ガスを単独で、或
いは不活性ガスとともに導入して成膜を行なうことによ
り、蒸発物質と活性ガスとを化合させ、この化合による
化合物薄膜を形成する場合であつても、所望の物性を有
する薄膜を容易に得ることができる。
例えば、不活性ガスとしてアルゴンAr、活性ガスとし
て酸素O2を導入し、真空槽1内の圧力を10-4Torrに調整
し、蒸発物質としてアルミニウムAlを選択すれば、基板
18上にAl2O3の薄膜を形成することができる。また、蒸
発物質としてSi又はSiOを用いればSiO2の薄膜を得るこ
とができる。蒸発物質としてInやZnを選択すれば、各々
In2O3,ZnOの薄膜を得ることができる。一方、ガスとし
てH2S、蒸発物質としてCdを選択すればCdSの薄膜を得る
ことができる。さらに、活性ガスとしてアンモニアをア
ルゴンとともに用い、かつ、蒸発物質としてTi又はTaを
用いれば、各々TiN又はTaNなどの薄膜を得ることも可能
である。
ところで、本実施例においては、真空槽1内のガスの
イオン化には、フイラメント12による熱電子が有効に寄
与するので、10-4Torr以下の圧力の高真空下においても
蒸発物質のイオン化が可能である。このため、薄膜中へ
のガス分子の取込みを極めて少なくすることができるた
め、高純度かつ緻密な薄膜を得ることができる。即ち、
通常は薄膜の密度はバルクのそれより小さいとされてい
るが、本実施例によれば、バルクの密度に極めて近似し
た密度が得られるという特徴を持つ。この結果、本実施
例方式の薄膜形成装置によれば、薄膜の膜厚、抵抗値等
が均一となるので、IC,LSIなどを構成する半導体薄膜
や、その電極としての高純度な金属薄膜の形成、さらに
は光学薄膜の形成に極めて適したものとなる。
結局、本発明は、強い反応性を持たせることができる
というCVD法の長所と、緻密な強い膜形成を可能とする
高真空中で成膜するというPVD法の長所とを同時に実現
する、従来に無い画期的な薄膜形成装置といえる。そし
て、蒸発物質がイオン化し、高いエネルギーを電気的に
有する(電子・イオン温度)ので、反応性を必要とする
成膜や結晶化を必要とする成膜を、温度(反応温度や結
晶化温度)という熱エネルギーを与えることなく実現で
き、低温成膜が可能となる。従つて、基板18としては耐
熱性の弱いプラスチツクス板などであつてもよいものと
なる。よつて、IC,LSI等の生産性の向上、光学薄膜など
の品質の向上等を達成することができ、半導体分野や光
学分野に応用し得るものとなる。
なお、グリツド11に印加する交流電位を高周波交流電
位とさせる高周波電源を交流電源として用いれば、前述
したイオン化はこの高周波電位により、さらに促進さ
れ、前述した種々の効果は増大され、一層効果的なもの
となる。
効果 本発明は、上述したように、グリツドには交流電圧を
印加し、逆向きに設定されたグリツド・基板間の電界及
びグリツド・蒸発源間の電界がグリツド電位の周波数に
従い時間的に変化させるようにしたので、蒸発源からの
蒸発物質のイオン化をフイラメントからの熱電子によつ
て極めて高い状態で行なわせることができ、基板上に付
着力、膜表面の平滑性或いは結晶性に優れた薄膜を成膜
することができ、この際、高イオン化により高いエネル
ギーを有するので、熱エネルギーを付与しない低温成膜
も可能となり、イオン化に寄与するフイラメントからの
熱電子は、フイラメントとグリツドとの間で往復運動を
繰り返して遂にはグリツドに吸収されるため、基板に熱
電子が衝突することがなく、これにより、基板としては
耐熱性の劣るプラスチツクス板等をも用いることができ
る。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の一実施例を示す概略正面図である。 1……真空槽、10……対向電極、11……グリツド、12…
…フイラメント、13……蒸発源、18……基板、19,21,22
……電源手段

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】活性ガス又は不活性ガス或いは活性ガスと
    不活性ガスとの混合ガスが導入される真空槽と、この真
    空槽内において蒸発物質を蒸発させる蒸発源と、前記真
    空槽内に配設されて前記蒸発源に対向する状態で薄膜形
    成用の基板を保持する対向電極と、前記蒸発源と対向電
    極との間に配置されて前記蒸発物質が通過する隙間を有
    するグリツドと、このグリツドと前記蒸発源との間に配
    置させた熱電子発生用のフイラメントと、前記対向電極
    の電位を前記蒸発源の電位に対し同電位又は負電位とし
    前記グリツドの電位を交流電位とすることにより前記グ
    リツドと前記基板との間の電界と前記グリツドと前記蒸
    発源との間の電界とを逆向きに形成する電源手段とから
    なることを特徴とする薄膜形成装置。
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