JP2989432B2 - 凝集ビームの発生装置 - Google Patents

凝集ビームの発生装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は高沸点材料の数百ない
し数千個の原子から成る凝集塊の強力なビームを発生さ
せるための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】特にイオン化されかつ電気的に加速され
た凝集塊を含む原子凝集塊のビームの利用は、薄膜の析
出のためにこの技術分野でかなり前から研究されている
（タカギ（T. Takagi ）、ヤマダ（I. Yamada ）、クノ
イ（M. Kunoi）、コビヤマ（S.Kobiyama ）の論文、
「イオン源についての第２回国際会議議事録」ウィー
ン、１９７２年、第７９０〜７９６ページ及びドイツ連
邦共和国特許出願公告第2547552 号明細書参照）。
【０００３】個々の原子から成るビームに比べて凝集塊
ビームは、比較的高いマスフロー密度を特に加速されイ
オン化された凝集塊によって供給し、また衝突の運動エ
ネルギーが適当な場合には基板温度が低いときでも基板
との特に密接な結合をもたらすことが期待される。
【０００４】ドイツ連邦共和国特許出願公告第2547522
号明細書から、被覆しようとする材料が高真空中でノズ
ル開口を除いて閉じられたるつぼに入れて加熱され、そ
して蒸発させられ、ノズルからの噴出の際に断熱膨張に
基づき冷却され、原子凝集塊となるように凝縮されるよ
うな蒸着装置が知られている。ドイツ連邦共和国特許第
2628366 号又は同第3502902 号明細書には、その際約１
０-2ｈＰａないし数ｈＰａのノズル前圧がるつぼ内で用
いられることが記載されている。
【０００５】しかしながら相応の市販もされている設備
により発生させられるビームの最近の研究により、これ
らのビームは実際上約２５個以上の原子を含む凝集塊の
検出限界を超える割合を含まないことが明らかとなった
（ブラウン（W.L. Brown）、ジャロルド（M.S. Jarrol
d）、マクイーチャン（R.L. McEachern）、ソスノフス
キー（M. Sosnowski）、タカオカ（G. Takaoka）、ウス
イ（H. Usui ）、ヤマダ（I. Yamada ）の論文、「ニュ
ークレア インストルーメンツ アンド メソッズ イ
ン フィジックス リサーチ（Nuclear Instruments an
d Methods in Physics Research ）」第Ｂ５９／６０
巻、１９９１年、第１８２〜１８９ページ及びターナ
（D. Turner ）、シャンクス（H. Shanks ）の論文、
「ジャーナル オブ アプライド フィジックス（Jour
nal of Applied Physics）」第７０巻、１９９１年、第
５３８５〜５４００ページ参照）。従ってこの種のビー
ムのイオン化及び加速の析出層に対する効果はイオン化
された個々の原子だけに由来するにすぎないであろう。
このことは、達成された被覆速度が毎秒０．１ｎｍの層
厚の範囲内にあるにすぎず、従って従来の分子線エピタ
キシーにより達成可能な被覆速度に相応する、という事
実と一致している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、可
能な被覆速度を数桁上昇できかつ基板表面上への凝集塊
衝突の期待される有利な作用を実現できるような、凝集
塊の強力なビームを発生させる装置を提供することにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するた
め、この発明によれば、凝集させようとする物質の蒸気
を加熱したるつぼから数ｍｍないし数十ｍｍの長さの発
散形の出口部分を有する一つ又は複数のノズルを通して
膨張させることにより、高沸点物質の約１０００個程度
の原子を含む凝集塊のビームを発生させる装置におい
て、ノズルの出口部分は貫通孔を有するキャップによ
り、るつぼを囲む加熱要素と結合される。
【０００８】また上述の課題を解決するため、この発明
によれば、発散形のノズル出口部分の開口角σが約３°
〜３０°の範囲にあり、ノズルの最も狭い内法Ｗが約
０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲にあり、るつぼの蒸気圧力ｐ
が少なくとも２００ｈＰａであり、ｐ、Ｗ及び１／σの
積が少なくとも２０ｈＰａ・ｍｍ／°に設定される。
【０００９】この値の調節のためには常に従来技術に基
づき通常用いられるより明らかに高いるつぼ温度が必要
である。従って温度の４乗で増加する熱放散損もまた特
にノズル領域で著しく増大する。他方ではるつぼ材料を
介しての温度補償は、数少ない十分に高融点のるつぼ材
料の比較的悪い熱伝導率のゆえに困難であるので、側面
のるつぼ壁からノズル喉の範囲へのかなりの温度低下が
生じるおそれがある。
【００１０】この種の温度勾配は、最も狭いノズル断面
への到達前にノズル内壁での蒸気の早すぎる部分的な凝
縮を招くおそれがある。例えばビーム材料としての多く
の金属とノズル材料としての黒鉛との場合に起こるよう
に、融解ビーム材料がノズル材料を濡らさないときに
は、ノズル内壁に沈積する蒸気がｍｍ域以内の半径を有
する小さい滴を形成し、この滴は蒸気密度が比較的高い
場合に蒸気によりノズルから運び出される（グスパン
（J. Gspann ）の論文、「ニュークレア インストルー
メンツ アンド メソッズ（Nuclear Instruments and
Methods ）」第Ｂ３７／３８巻、１９８９年、第７７５
〜７７８ページ参照）。基板上へのこの種の滴の沈積は
成長する層の均一性を破壊して層を使用不能にする。
【００１１】従ってこの発明の有利な構成では融解材料
により濡らされるノズル材料が選ばれる。例えば亜鉛蒸
気の膨張のためのタンタル製ノズルにより、黒鉛製ノズ
ルによるより著しく少ない滴形成が観察された。
【００１２】この発明の有利な構成においては、ノズル
領域が蒸発する材料の表面温度以上である温度に常に保
持される。るつぼ底は同様にヒートシンクであるので、
このことは例えばるつぼの適当な充填高さにより達成す
ることができる。
【００１３】加熱要素の上縁がるつぼと同じ電位に置く
ことができる。加熱要素そのものの上部がキャップとし
て形成され、ノズルの出口部分と結合されるように構成
することもできる。
【００１４】ノズルの出口部分が場合によっては全長に
わたり前記加熱要素を囲む貫通孔付きキャップと結合さ
れる。この構成はヒータ上縁の電位がどこもノズルの電
位と等しくないときに選択される。ノズル喉の範囲のた
めの放射シールドとしての作用のほかに、キャップはこ
の場合に凝集塊を含みノズル開口から放出されるビーム
をヒータから熱的に放出される電子に対し遮蔽する。ノ
ズルに対する電位差に基づき電子は自由な原子又は凝集
塊をイオン化するのに十分なエネルギーを得ることがで
きる。生じるプラズマは強力な凝集塊ビームの発生に対
して有害であると思われる。
【００１５】加熱を、キャップ、ノズル及びるつぼを通
して直接電流を流すことにより行うこともできる。
【００１６】ノズルの断面は円形でなくともよい。有効
な喉内法としてこの場合には断面の最も狭い内法を用い
ることができる（亜鉛凝集塊ビームが既に正方形断面の
ノズルにより発生させられている）。円形でないノズル
断面はノズル加工の際に特に非常に小さい開口角を有す
るノズルの場合に利点を提供する。
【００１７】この発明に基づく装置の特に有利な構成で
は、ノズルを通って流れる蒸気に十分な膨張空間を提供
するために、ノズル開口と後置されたビーム絞りとの間
にノズルの発散性出口部分の長さの約３倍の比較的大き
い距離が設定される。ビーム絞りの孔は、ノズルの開口
角により幾何学的に決定されるビーム円錐が絞りの位置
で許すような広さに選ぶことができる。絞りの過度の被
覆を防止するか又は減少させるために、絞りは場合によ
っては別個に加熱することもできる。
【００１８】
【実施例】次にこの発明に基づく凝集塊ビーム発生装置
の複数の実施例を示す図面により、この発明を詳細に説
明する。
【００１９】高真空室中には薄膜析出のために強力な凝
集塊ビームを発生させるための図１に示された設備が設
けられる。設備は凝集塊ビーム発生のための装置１、可
動な基板保持体上に設けられた基板２、及び円錐形ビー
ム絞り４を備え冷却されたターゲット面３を備える。基
板の前では別のビーム絞り５及びビームシャッタ６をビ
ーム中へ送り込むことができる。絞り５を含む基板保持
装置は、放射凝集塊のサイズ及び速度を測定できる飛行
時間形質量分析計７により置き替えることができる。凝
集塊のイオン化及び加速のための従来技術による装置を
用いることができるが、図１には示されていない。
【００２０】蒸発させようとする材料８はこの場合には
黒鉛から成るるつぼ９の中に入れられ、るつぼは黒鉛又
は高融点金属例えばタンタルから成りねじ止め可能なノ
ズル１０により閉鎖される。ヒータ１１はこの場合には
加熱電流を通す二重の黒鉛コイルから成る。コイルの上
縁の電位はこの場合には大地電位に等しいるつぼの電位
に設定できる。同様に黒鉛から成り孔の開いたキャップ
１２がヒータ上に載せられ、熱的及び電気的にノズル１
０の出口部分への結合を形成するが、この結合では電位
が同じであるゆえに電流は生じない。
【００２１】キャップ１２と共に加熱装置１１は、高融
点の放射シールド並びに水冷の外被の多層の装置により
囲まれている。図１ではこの装置は著しく簡略化して放
射シールド２２として示されている。このシールド２２
の上側部分は約８０°〜１５０°の開口角を備えて円錐
状に開いている。ノズル１０の開口と円錐形絞り４の入
口孔との間には約９０ｍｍ（少なくとも約２０ｍｍ）の
距離が設定される。ノズル１０を通って膨張する蒸気の
主な量は冷却された面３、４上に沈積する。
【００２２】ビーム絞り４の孔はノズル１０の開口角に
より幾何学的に決定されるビーム円錐を通過させるよう
に選ばれている。
【００２３】図２は、飛行時間形質量分析計７により記
録された亜鉛凝集塊ビームの飛行時間信号を示す。約２
μｓ間の凝集塊の電子衝撃イオン化は、電子層１３とタ
ーゲット１４との間の経路上を種々の凝集塊速度に基づ
き時間的にばらばらに走る凝集塊団パルスをもたらし
た。加速経路１５で電気的に加速されなければ上側の飛
行時間信号が生じ、この信号から約１ｋｍ／ｓの平均の
凝集塊速度を計算でき、他方では負の加速電圧は凝集塊
をより速く（中央の信号）、また正の加速電圧はより遅
く（下側の信号）ターゲットへぶつからせる。信号移動
から計算された平均のクラスタサイズは中央の曲線から
下側の曲線へフランクリン当たり２３４０個から４４８
０個の原子へ上昇している。なぜならばるつぼ温度従っ
てノズル前圧が測定中に増したからである。
【００２４】図３には、ノズル開口から３００ｍｍの距
離を置いてスリット絞り５の後方を通過させたシリコン
ウェーハ上に析出された亜鉛層の測定層厚が示されてい
る。ウェーハの移動速度は層がそれぞれ１０秒で析出さ
れるように選ばれた。従って図３から約０．１μｍ／ｓ
の平均被覆速度が推論され、この被覆速度は従来の技術
に相応する設備の場合に通常得られる速度より約３桁大
きい。
【００２５】図４には、加熱要素がノズル１０の出口部
分と直接結合され加熱コイルのスリットが加熱要素１１
のキャップ部分で初めて終わるような、この発明に基づ
く装置の一実施例が示されている。それによりこのキャ
ップ部分も電流により貫流され加熱される。図示の有利
な実施例ではキャップ部分のスリットは、ノズル喉の範
囲から放射がるつぼ軸線に対し平行に漏れ出るおそれが
ないようにるつぼ軸線に対し傾けて導かれる。
【００２６】図５には、加熱要素の上縁の電位がどこも
るつぼの電位と等しくない場合のための、この発明に基
づく装置の一実施例が示されている。この場合にはヒー
タはノズル１０の出口部分に接触する貫通孔付きキャッ
プ１６により囲まれ、キャップ１６は加熱要素の軸方向
全長にわたり延びることができる。この発明に基づく装
置のこの構成は、例えばるつぼ加熱が特に電子衝撃を介
して行われ、従って大きい電圧がこの場合には電子エミ
ッタとして働く加熱コイルとつるぼとの間に印加される
ときにも用いられる。キャップの下側部分の温度上昇を
低減するために、電子エミッタ１７の電位に置かれた反
射カバー１８を用いることができる。
【００２７】複数のノズルを備える装置の場合には中心
のビーム方向を相互に傾けることができ、それによりビ
ーム方向は例えば扇形に広がって延びるか又は強度向上
のために一つの焦点で交差する。この種のノズル装置に
より同時に基板上への凝集塊の種々の衝突角度を実現す
ることができ、それによりパターン縁により覆い隠され
た場合に利点が生じる。三角形断面を備え流れ方向が集
中する四つのノズルにより実現される装置の一例が図６
に示されている。ノズルはノズル喉から深くなっていく
切欠き１９として僅かに円錐形の芯部２０に切り込ま
れ、この芯部２０上に滑らかなテーパ付きカバー２１が
押しはめられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に基づく凝集塊ビーム発生装置の一実
施例の構成配置図。
【図２】この発明により得られた亜鉛凝集塊ビームの飛
行時間信号線図。
【図３】図１に示す装置の基板上に蒸着された亜鉛層の
一例の厚さ分布線図。
【図４】凝集塊ビーム発生装置の異なる実施例の側面
図。
【図５】凝集塊ビーム発生装置の異なる実施例の断面
図。
【図６】凝集塊ビーム発生装置の異なる実施例の部分破
断部を含む斜視図。
【符号の説明】
３ 面 ４ ビーム絞り ８ 高沸点物質 ９ るつぼ １０、１９ ノズル １１、１７ 加熱要素 １２、１６ キャップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/203

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 凝集させようとする物質の蒸気を加熱し
    たるつぼ（９）から数ｍｍないし数十ｍｍの長さの発散
    形の出口部分（１０）を有する１つ又は複数のノズルを
    通して膨脹させることにより、高沸点物質の約１０００
    個程度の原子を含む凝集塊のビームを発生させるための
    装置において、ノズルの出口部分（１０）は貫通孔を有
    するキャップ（１２）により、るつぼ（９）を囲む加熱
    要素（１１）と結合されていることを特徴とする凝集塊
    ビームの発生装置。
  2. 【請求項２】 加熱要素（１１）の上縁がるつぼ（９）
    と同じ電位に置かれていることを特徴とする請求項１記
    載の装置。
  3. 【請求項３】 加熱要素（１１）そのものの上部がキャ
    ップとして形成され、ノズルの出口部分（１０）と結合
    されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 ノズルの出口部分（１０）が貫通孔を有
    するキャップ（１６）と結合され、このキャップ（１
    ６）は全面的に加熱要素を囲むことを特徴とする請求項
    １記載の装置。
  5. 【請求項５】 加熱がキャップ（１２、１６）、ノズル
    及びるつぼ（９）を通して直接電流を流すことにより行
    われることを特徴とする請求項１、３及び４のいずれか
    １つに記載の装置。
  6. 【請求項６】 ノズル、又は複数のノズルの内の少なく
    とも一つが円ではない断面を有することを特徴とする請
    求項１記載の装置。
  7. 【請求項７】 複数のノズルの軸線が一つの焦点で交差
    するように相互に傾けられていることを特徴とする請求
    項１記載の装置。
  8. 【請求項８】 ノズルのための材料として、蒸発させよ
    うとする物質の融解物により濡らされるものが選択され
    ることを特徴とする請求項１記載の装置。
  9. 【請求項９】 ノズルを通って流れる蒸気を捕捉する冷
    却されたターゲット面（３）が設けられ、ノズルの開口
    とターゲット面（３）に設けられたビーム絞り（４）の
    入口孔との間に少なくとも発散形のノズルの出口部分
    （１０）の長さの距離が設定されることを特徴とする請
    求項１記載の装置。
  10. 【請求項１０】 発散形のノズルの出口部分（１０）の
    開口角σが約３°〜３０°の範囲にあり、ノズルの最も
    狭い内法Ｗが約０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲にあり、るつ
    ぼ（９）の蒸気圧力ｐが少なくとも２００ｈＰａであ
    り、ｐ、Ｗ及び１／σの積が少なくとも２０ｈＰａ・ｍ
    ｍ／°に設定されることを特徴とする請求項１記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】 蒸発する材料（８）の表面の温度が常
    にノズルの喉部の温度以下にあるようにるつぼ（９）内
    の充填レベルが選定されることを特徴とする請求項１記
    載の装置。
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