JP3174313B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜形成装置に関し、特に、CVD法の長所で
ある強い反応性と、PVD法の長所である高真空中での成
膜（これは緻密な強い膜が形成できる）とを同時に実現
でき、尚且つ、大面積基板上への均一な薄膜形成をも可
能とする薄膜形成装置に関する。

〔従来の技術〕 従来、被薄膜形成基板上に薄膜を形成する薄膜形成装
置（方法）としては、CVD（Chemical Vapor Depositio
n）法や、PVD（Physical Vapor Deposition）法による
ものなど多数のものが提案され、その方法も多岐にわた
っている。

しかし、従来の薄膜形成装置にあっては、形成された
膜の被薄膜形成基板（以下、基板という）との密着性が
弱かったり、あるいは、耐熱性の無い基板上への薄膜形
成が困難であったり、また、大面積基板上に一様に薄膜
を形成する場合に、均一な薄膜形成が困難であったりす
る等の問題があった。

そこで、本出願人は先に薄膜形成装置として、蒸発源
と蒸発源に対向させて基板を保持させる対電極との間に
グリッドを配置すると共に、蒸発源とグリッドとの間に
熱電子発生用のフィラメントを配置し、グリッドをフィ
ラメントに対して正電位にして、薄膜形成を行う装置を
提案した（特公平１−53351号公報参照）。

この薄膜形成装置では、蒸発源から蒸発した蒸着物質
は、先ずフィラメントからの熱電子によりイオン化さ
れ、そして、このようにイオン化された蒸着物質は、グ
リッドを通過する際にグリッドから対電極に向かう電界
の作用により加速され、基板に衝突し付着する。したが
って、基板上には密着性の良い膜が形成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、一般的に薄膜形成に有効な基板へのイオン
の入射エネルギーは数eV〜数十eVと考えられている。こ
れは、基板表面に物理的に付着した不純物（H₂Oな
ど）の除去ができること、成膜中に基板上での被蒸着
物質の表面拡散が促進されること、基板表面あるいは
成膜中の膜表面に大きなダメージを与えないこと、被
蒸着物質が大きな自己スパッタリングを持たないこと、
といった点から見積もられた値である。

しかしながら、前述の薄膜形成装置では、イオンをこ
の様な低エネルギー（数eV〜数十eV）で十分に入射させ
ることが必ずしも容易ではなく、高エネルギーイオンの
入射を嫌う薄膜形成には十分な対応ができなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、基
板に対して極めて強い密着性を持った薄膜を形成でき、
耐熱性の小さいプラスチック等も基板として用いうるこ
とが可能で、尚且つ、大面積基板上にも均一で緻密な薄
膜形成が可能となる、新規な構成の薄膜形成装置を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明の薄膜形成装置は、
活性ガス若しくは不活性ガスあるいはこれら両者の混合
ガスが導入される真空槽と、この真空槽内において蒸着
物質を蒸発させるための蒸発源と、この蒸発源と対向す
るように配置され基板を保持する第一対電極と、この第
一対電極と同一面内において第一対電極を囲むように配
備される第二対電極と、これらの対電極と上記蒸発源と
の間に配備された熱電子発生用のフィラメントと、この
フィラメントと上記対電極との間に配備され蒸発物質を
通過させうるグリッドと、真空槽内に所定の電気的状態
を実現するための電源手段と、この電源手段と真空槽内
の蒸発源、フィラメント、グリッド、第二対電極とを電
気的に連結する導電手段とを有し、上記電源手段によ
り、上記グリッドを上記フィラメントに対し正電位に
し、且つ、上記第二対電極をグリッドに対し負電位にす
ると共に、フィラメント電流、グリッド電位、第二対電
極電位、及び導入ガス圧力の調整により、第一対電極に
隣接するプラズマ状態を調節することによって、上記第
一対電極の浮動電位を調節し、基板へのイオンの入射エ
ネルギー及び入射量を、薄膜形成に有効な低エネルギー
領域で調整可能となるようにしたことを特徴とする。

〔作用〕

以下、本発明の構成及び作用について説明する。

本発明の薄膜形成装置は、真空槽と、蒸発源と、第一
対電極及び第二対電極と、フィラメントと、グリッド
と、電源手段と、導電手段とを有する。

真空槽は、その内部空間に活性ガス若しくは不活性ガ
スあるいは活性ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入し
うるようになっており、蒸発源、第一対電極及び第二対
電極、フィラメント、グリッドは、この真空槽内に配備
される。

蒸発源は蒸着物質を蒸発させうるものであり、第一対
電極は基板保持用であって、両者は互いに対向するよう
に配備される。

第二対電極は、イオンの基板への入射エネルギー及び
入射量調節用であって、第一対電極と同一面内において
第一対電極を囲むように配備される。

フィラメントは、熱電子発生用であって、蒸発源と第
一対電極の間に配備される。

グリッッドは、蒸着物質を通過させうるものであっ
て、フィラメントと第一対電極の間に配備される。

電源手段は、真空槽内に所定の電気的状態を実現する
ための手段であり、この電源手段と真空槽内の蒸発源、
フィラメント、グリッド、第二対電極が、導電手段によ
り電気的に連結される。そして、この電源手段により、
上記グリッドは上記フィラメントに対し正電位にされ、
上記第二対電極はグリッドに対し負電位にされる。ま
た、上記第一対電極は、通常、浮動電位にして使用され
る。

従って、本発明の装置では、グリッドから第二対電
極、並びにグリッドからフィラメントに向かって電界が
形成されるが、プラズマ中の荷電粒子の拡散により、グ
リッドと第一対電極及び第二対電極、並びにグリッドと
フィラメントの空間に安定なプラズマが発生する。

また、第一対電極（及び基板）の電位は、隣接するこ
のプラズマによって、イオンと電子の入射量が等しい状
態、すなわち、プラズマの浮動電位にバイアスされ、通
常、プラズマの空間電位に対し、数〜数十Ｖ程度低い値
となる。

本装置の場合、空間電位はグリッド電位とほぼ等しい
電位となるため、基板へのイオンの入射エネルギーは、
薄膜形成に有効な数〜数十eV程度のエネルギーとなる。
また、フィラメント電流、グリッド電位、第二対電極電
位、及び導入ガス圧力の調整により、第一対電極に隣接
するプラズマパラメータ（プラズマ密度、電子温度、空
間電位、浮動電位等）の調節が可能であり、このプラズ
マ状態を調節することによって、上記第一対電極の浮動
電位を調節し、基板へのイオンの入射エネルギー及び入
射量を、薄膜形成に有効な低エネルギー領域（数〜数十
eV）で自由に制御することができる。

尚、本発明の装置におけるプラズマ放電の発生・維持
は、フィラメント（陰極）、グリッド（陽極）、第二対
電極（陰極）、並びにガス圧の制御でなされる。また、
第一対電極（基板）へのイオンの入射エネルギーは、空
間電位（≒グリッド電位）と基板電位（浮動電位）の電
位差に等しく、その電位差は、電極電位ではなく、主に
ガス圧の調整のみで行うことが可能である。

〔実 施 例〕

以下、本発明による薄膜形成装置の実施例について、
図面を参照して詳細に説明する。

図において、ベルジャー１とベースプレート２をパッ
キング３により一体化して真空槽を構成しており、この
真空槽の内部空間には、符号４で示す流量コントローラ
等の公知の適宜の方法により、活性ガス、及び／または
不活性ガスが導入できるようになっている。また、ベー
スプレート２の中央部に穿設された孔2Aは、図示されな
い真空排気系に連結されている。

上記ベースプレート２には、真空槽内部の気密性を保
ち、且つ、ベースプレート２との電気的絶縁性を保ちつ
つ、支持体を兼ねた電極10,11,12,13,14が配設されてい
る。これら支持体兼用の電極10,11,12,13,14は、真空槽
内部と外側とを電気的に連結するものであって、他の配
線具と共に導電手段を構成する。

上記電極のうち、一対の電極14の間には、タングステ
ン、モリブデン、タンタル等の金属をボート状に形成し
た抵抗加熱式の蒸発源９が支持されている。この蒸発源
の形状は、ボート状に代えてコイル状、またはルツボ状
としてもよい。尚、このような蒸発源に代えて電子ビー
ム蒸発源等、従来の真空蒸着方式で用いられている蒸発
源を適宜使用することができる。

一対の電極13の間には、タングステン等による熱電子
発生用のフィラメント８が支持されており、このフィラ
メント８の形状は、複数本のフィラメントを平行に配列
したり、網目状にしたりするなどして、蒸発源９から蒸
発した蒸着物質の粒子の拡がりをカバーするように定め
られる。

また、電極12にはグリッド７が支持されており、この
グリッド７は、蒸発源９から蒸発した蒸着物質を第一対
電極５側へ通過させうるように形状を定めるのである
が、この例においては網目状である。

また、電極10の先端部には第一対電極５が支持され、
この第一対電極５の蒸発源９に対向する側の面に基板10
0が適宜の方法で保持される。

また、電極11には、第一対電極５と同一面内において
第一対電極５を囲むように配備される第二対電極６が支
持されている。

蒸発源９を支持する一対の電極14は加熱用の交流電源
24に接続されており、その片側の電極（以下、共通電極
という）は図示の例では接地されている。尚、この電源
24は交流電源に代えて直流電源にしても良く、その正負
の向きはどちらでも良い。また、図中の接地も必ずしも
必要ではない。

フィラメント８を支持する一対の電極13は交流電源23
に接続され、その片側の電極は上記共通電極に接続され
る。尚、この電源23は上記電源24と同様に交流、直流の
どちらを用いても良い。

グリッド７を支持する電極12は直流電圧電源22の正極
側に接続され、同電源の負極側は共通電極に接続され
る。

第一対電極５を支持する電極10は、通常、開放（浮
動）状態で使用するが、バイアスを与えて使用しても良
い。

第二対電極６を支持する電極11は、図示の例では直流
電圧電源22の正極側と直流電圧電源21の負極側との間に
連結されるスライド抵抗（以下、スライダックという）
20に接続され、電源21の正極側は共通電極に接続され
る。但し、第二対電極６の電位がグリッド７に対して負
電位になるように接続されていれば、その電気的接続の
方法は図示例の限りではない。

さて、以上のような電気的接続により、グリッド７
は、フィラメント８及び第二対電極６に対して正電位と
なり、グリッド７からフィラメント８及び第二対電極６
に向かって電界が形成されるが、プラズマ中の荷電粒子
の拡散により、グリッド７と第一対電極５及び第二対電
極６、並びにグリッド７とフィラメント８の空間に安定
なプラズマが発生する。

第一対電極５（及び基板）の電位は、隣接する上記プ
ラズマによって、イオンと電子の入射量が等しい状態、
すなわち、プラズマの浮動電位にバイアスされ、通常、
プラズマの空間電位に対し、数〜数十Ｖ程度低い値とな
り、空間電位はグリッド７電位とほぼ等しい電位となる
ため、結局、グリッド−第一対電極間の電位差は、数〜
数十Ｖ程度となる。

また、プラズマパラメータ（プラズマ密度、電子温
度、空間電位、浮動電位等）は、グリッド７電位、フィ
ラメント８電流、第二対電極６電位、導入ガス圧力の調
節によって調整可能であるから、フィラメント加熱用電
源23、グリッド用電源22、第二対電極用スライダック2
0、導入ガスの流量コントローラ４の調節により、基板1
00へのインオンの入射エネルギー及び入射量を、薄膜形
成に有効な低エネルギー（数〜数十eV）で自由に制御す
ることができる。

尚、実際には、上記電気的接続は導電手段の一部を構
成するスイッチ類を含み、これらのスイッチ操作により
蒸着プロセスを実行するのであるが、これらのスイッチ
類は図示を省略されている。

以下、図示の装置例による薄膜形成について説明す
る。

先ず、被薄膜形成基板100を図の如く第一対電極５に
保持させると共に、蒸着物質を蒸発源９に保持させる。
尚、蒸着物質は勿論どのような薄膜を形成するかに応じ
て選定される。

次に、真空槽内を真空排気系（図示せず）によって高
真空状態に排気した後、真空槽内には、流量コントロー
ラ４を介して活性ガス若しくは不活性ガスあるいはこれ
らの混合ガスが10〜10^-3Paの圧力で導入される。ここで
は例として、導入ガスをアルゴンのような不活性ガスと
する。

この状態において装置を作動させ、蒸発源９を加熱し
蒸着物質を蒸発させる。この蒸着物質の粒子は、基板10
0に向かって拡がりつつ飛行するが、その一部及び前記
導入ガスが、フィラメント８より放出された熱電子との
衝突によって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着物質はグリッド
７を通過するが、その際、グリッド７近傍において上下
に振動運動する熱電子、及び上記イオン化された導入ガ
スとの衝突により、さらにイオン化される。

また、グリッド７を通過した蒸着物質中、未だイオン
化されていない部分は、さらに上記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。

そして、正イオンにイオン化された蒸着粒子は、グリ
ッド７−第一対電極５間の電界の作用により、薄膜形成
に有効なエネルギー（数〜数十eV）に加速され、基板10
0に衝突し付着する。

以上のように、本発明の薄膜形成装置では、イオンに
電界方向の力が作用するので、薄膜の膜厚分布の均一化
及び物性の均一化がはかられ、大面積基板上にも均一な
薄膜形成を行うことができる。また、入射イオンの入射
エネルギー及び入射量の調節が可能であり、低エネルギ
ーイオンを用いた成膜が行えるため、基板等にダメージ
を与えることなく、電荷の存在が及ぼす効果及び運動エ
ネルギーの効果を有効に利用して、基板との密着性や結
晶性に優れた薄膜を得ることができる。

また、本発明の薄膜形成装置では、成膜中の蒸着物質
のイオン化率が極めて高く、且つ安定しているため、導
入ガスとして活性ガスを単独で、あるいは不活性ガスと
共に導入して成膜を行うと、蒸着物質を活性ガスと反応
性良い化合させ、所望の物性を持つ化合物薄膜を、容易
且つ確実に得ることができる。

例えば、不活性ガスとしてアルゴン、活性ガスとして
酸素を導入して、圧力を10〜10^-2Paに調整し、蒸着物質
としてアルミニウムを選択すれば、酸化アルミニウム絶
縁性薄膜を、また、蒸着物質としてインジウム、スズを
選択すれば、それぞれ酸化インジウム、酸化スズのよう
な導電性薄膜を、また、蒸着物質としてイットリウム及
びバリウム及び銅を選択すれば、超伝導薄膜を得ること
ができる。

また、本発明の薄膜形成装置では、蒸着物質及び導入
ガスのイオン化には、フィラメントによる熱電子が有効
に寄与するので、10^-2Pa以下の圧力の高度の真空下にお
いても蒸着物質のイオン化が可能であり、このため、薄
膜中への余分なガス分子の取り込みを極めて少なくする
ことができるため、高純度の薄膜を得ることができる。
また、薄膜の構造も極めて緻密なものとすることが可能
であり、通常、薄膜の密度はバルクの其れよりも小さい
とされているが、本発明によれば、バルクの密度に極め
て近似した密度の薄膜が得られることも大きな特徴の一
つである。従って、本発明の薄膜形成装置は、IC,LSIな
どを構成する半導体薄膜等の形成にも極めて適している
ものである。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明の薄膜形成装置によれば、
大面積基板上に金属薄膜等のような単一元素にて構成さ
れる薄膜ばかりでなく、化合物薄膜なども密着性良く、
化学量論的薄膜により近い状態で且つ、均一な膜厚、及
び均一な物性を有するように作成することができるた
め、大量生産にも十分対応することができる。

また、本発明の薄膜形成装置によれば、蒸着物質及び
導入ガスが活性化されるので、反応性を必要とする成
膜、結晶化を必要とする成膜において、温度（反応温
度、結晶化温度）という熱エネルギーを与えずに成膜を
実現でき、薄膜の低温成長が可能となり、耐熱性の小さ
いプラスチック等も基板として用いうることが容易に可
能となる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す薄膜形成装置の概略構成図
である。 １……ベルジャー、２……ベースプレート、３……パッ
キング、４……ガス導入手段、５……第一対電極、６…
…第二対電極、７……グリッド、８……フィラメント、
９……蒸発源、10,11,12,13,14……電極、20……スライ
ド抵抗、21,22……直流電圧電源、23,24……交流（また
は直流）電源、100……基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 平１−53351（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭58−47465（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】活性ガス若しくは不活性ガスあるいはこれ
   ら両者の混合ガスが導入される真空槽と、この真空槽内
   において蒸着物質を蒸発させるための蒸発源と、この蒸
   発源と対向するように配置され基板を保持する第一対電
   極と、この第一対電極と同一面内において第一対電極を
   囲むように配備される第二対電極と、これらの対電極と
   上記蒸発源との間に配備された熱電子発生用のフィラメ
   ントと、このフィラメントと上記対電極との間に配備さ
   れ蒸発物質を通過させうるグリッドと、真空槽内に所定
   の電気的状態を実現するための電源手段と、この電源手
   段と真空槽内の蒸発源、フィラメント、グリッド、第二
   対電極とを電気的に連結する導電手段とを有し、上記電
   源手段により、上記グリッドを上記フィラメントに対し
   正電位にし、且つ、上記第二対電極をグリッドに対し負
   電位にすると共に、フィラメント電流、グリッド電位、
   第二対電極電位、及び導入ガス圧力の調整により、第一
   対電極に隣接するプラズマ状態を調節することによっ
   て、上記第一対電極の浮動電位を調節し、基板へのイオ
   ンの入射エネルギー及び入射量を、薄膜形成に有効な低
   エネルギー領域で調整可能となるようにしたことを特徴
   とする薄膜形成装置。