JPH01117019A - 薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、薄膜形成装置に関する。

従来技術 従来、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、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等がある。これ
らは種々の文献等により公知であり、例えば日刊工業新
聞社発行の「薄膜作成の基礎」　（麻蒔立男著）等によ
り知られている。

ここに、ＣＶＤ法にあっては強い反応性を持つ点が長所
であり、ＰＶＤ法にあっては高真空中での成膜が可能で
緻密な強い膜を形成できるという長所を持つ。しかるに
、何れの文献等によっても、ＣＶＤ法にあっては基板温
度を高温にする必要がある。上記文献によれば、第１９
０頁ないし第１９１頁において、その旨が記載されてい
る。又、ＰＶＤ法の場合には一部のイオンブレーティン
グ法を除くと反応性の薄膜形成が困難であることが当業
者間ではよく知られている。

この結果、従来の薄膜形成方式によると、形成された膜
の基板に対する密着性が弱かったり、あるいは耐熱性の
ない基板への成膜は困難である等の問題がある。

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薄膜を形成することができ、
かつ、基板として耐熱性のない例えばプラスチックス板
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
性ガス或いはこれらの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、この真空槽内に薄膜化材料を
蒸気又は霧状としてなる材料蒸気を導入させる材料蒸気
発生部と、前記真空槽内に配置されて基板を前記材料蒸
気発生部にほぼ等間隔となる状態で対向保持する面形状
の基板配置面を備えて前記材料蒸気発生部と同電位又は
負電位に設定した対向電極と、前記材料蒸気発生部と前
記対向電極との間に配置されて材料蒸気の通過する隙間
を備え前記基板配置面に対して等間隔となる面形状に形
成されたグリッドと、このグリッドを前記対向電極と材
料蒸気発生部との双方の電位に対し正電位とする電源手
段と、前記真空槽内で前記グリッドより前記材料蒸気発
生部側に配設され前記材料蒸気の一部をイオン化するた
めの熱電子発生用のフィラメントとからなることを特徴
とするものである。

即ち、本発明による薄膜形成装置は、まず、真空槽と対
向電極とグリッドと熱電子発生用のフィラメントと材料
蒸気発生部とを備える。

ここに、真空槽内には活性ガス又は不活性ガス或いはこ
れらの活性ガスと不活性ガスとの混合ガスが導入される
。又、対向電極は真空槽内に配設されてその基板配置面
が基板を材料蒸気発生部からほぼ等間隔となる状態で保
持し、かつ、この基板を材料蒸気発生部に対向させる。

この際、材料蒸気発生部と対向電極とは同電位又は対向
電極側が負電位となるように設定される。次に、グリッ
ドは材料蒸気を通過させ得るものであって、基板配置面
に対して等間隔となる面形状、例えば同心球面状や平行
曲面状に形成されて、材料蒸気発生部と対向電極との間
に配設され、かつ、対向電極の電位に対して正電位とさ
れている。従って、真空槽内には、グリッドから基板へ
向かう電界と、グリッドから材料蒸気発生部に向かう電
界とが逆向きに形成される。同時に、グリッドは基板配
置面に対し等間隔となる面形状とされているので、グリ
ッドから基板へ向かう電界は基板配置面に対しほぼ垂直
に発生する。

一方、熱電子発生用のフィラメントは真空槽内でグリッ
ドよりも材料蒸気発生部側に設定され、フィラメントよ
り発生する熱電子が、材料蒸気の一部をイオン化させる
ために供される。即ち、材料蒸気発生部からの材料蒸気
は、その一部がフィラメントからの電子により正イオン
にイオン化される。このように一部イオン化された材料
蒸気はグリッドを通過し、更に、イオン化されたガスに
より正イオンにイオン化が促進される。そして、上述し
た電界の作用により基板へ向けて加速される。この際、
グリッドから基板へ向かう電界は基板配置面に対してほ
ぼ垂直に発生し、かつ、材料蒸気は電荷を持っているの
で、電界によりその進路を電界に沿うように変える。即
ち、基板配置面に対しほぼ垂直に入射する。従って、基
板上に成６一 膜される薄膜はその膜厚及び膜特性（電気的、工学的、
その他の特性）が均一となり、従来方法の一般的蒸着で
は極めて困難であった薄膜の均一化を容易に実現できる
。

ここに、フィラメントからの電子はフィラメント温度に
対応する運動エネルギーをもってフィラメントから放射
されるので、正電位のグリッドに直ちに吸引されずに、
これを−旦通過し、グリッドによるクーロン力により引
き戻され、更に、再びグリッドを通過し、というように
、グリッドを中心として振動運動を繰返し、遂にはグリ
ッドに吸収されるので、基板へは達しない。よって、基
板は電子衝撃を受けず、これによる加熱がないので基板
温度の上昇を防止でき、プラスチックス等の耐熱性のな
い材質のものでも基板とし得る。

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上にベルジャ３をバッキング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、図示しない真空
排気系に連結され、真空槽１内の気密性が維持されてい
る。

又、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５とグリッド６とフィラメント７と材料蒸気
発生部８とが適宜間隔をあけて設けられている。これら
の部材５，６．７は、各々支持体を兼用する電極９，１
０．１１により支持されている。これらの電極９〜１１
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９〜１１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。

又、前記材料蒸気発生部８は通常の真空蒸着において用
いられる蒸発源、即ち抵抗加熱蒸発源、電子ビーム蒸発
源でよく、更には、この他、ステンレススチール等によ
るパイプ構成の先端側をノズル状に形成してなる材料蒸
気射出部であってもよい。このノズル方式場合には、他
端側か薄膜形成材料を収納したボンベ（図示せず）など
に接続され、形成すべき薄膜の組成によっては複数のボ
ンベにガス混合器等を介して接続される。又、グリッド
６に対して負の電位の端子に接続される。

この蒸気発生部８は薄膜化材料を蒸気（気体）又は霧状
状態として導入させるものである。

又、前記真空槽１に対しては０２等の活性ガスを収納し
たボンベ１２がバルブ１３を介して連結されているとと
もに、Ａｒ等の不活性ガスを収納したボンベ１４がバル
ブ１５を介して連結されている。

又、電極９に支持された対向電極５は、図示の如く、そ
の下面の基板配置面５ａが前記材料蒸気部８をほぼ中心
として等間隔となる球面状（又は平行曲面状）などの面
形状に形成されている。このような形状の基板設置面５
ａには、前記蒸気発生ｆ！ＶＩ８に対向させて、薄膜を
形成すべき基板１６が適宜の方法により保持されている
。

更に、一対の電極１１により支持されたフィラメント７
は材料蒸気の一部をイオン化させるために用いる熱電子
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。このフィラメント７の形状としては、例えば複
数本のフィ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、前記蒸気発生部８から吐出導入される材
料蒸気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１０により支持されたグリッド６は材料蒸
気を通過させ得る隙間を有する構造、例えば網目状に形
成されている。ここに、このグリッド６は前記基板設置
面５ａに対し何れの位置でも等間隔となるような面形状
、例えば同心球面状や平行曲面状に形成されている。本
実施例では、基板設置面５ａに対応させて同心球面なる
網目状に形成されている。

更に、このように真空槽１内に設けた対向電極５、グリ
ッド６、フィラメント７、蒸気発生部８等の部材を電位
的に所定の電気的な関係とする電源手段１７が真空槽１
外に設けられ、前記各電極９〜１１を利用してこれらの
各部材に接続されている。まず、直流電源１８．１９が
設けられ、この直流電源１８の正極側は電極１０を介し
てグリッド６に接続され、負極側は接地され、直流電源
１９の正極側は接地され、負極側は電極９を介して対向
電極５に接続されている。即ち、グリッド６の電位は対
向電極５及び蒸気発生部８に対して正電位となるように
設定されている。従って、真空槽１内にはグリッド６か
ら対向電極５側へ向かう電界と、グリッド６から蒸気発
生部８側へ向かう電極とが逆向きに形成される。又、フ
ィラメント７は一対の電極１１を介して交流電源２０の
両端に接続されている。なお、交流電源２０に代えて直
流電源を用いてもよい。これらの電源１８゜１９．２０
により電源手段１７が構成されるものであるが、図中に
示す接地は必ずしも必要ではない。

又、実際的なこれらの電気的な接続には、種々のスイッ
チ類を含み、これらの操作により、基板１６上への成膜
プロセスを実施するわけであるが、これらのスイッチ類
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１６を対向電極５に保持セットさせる。又、真空槽１
内は予め１ｏ−６〜１Ｏ−６Ｔ　ｏｒｒの圧力状態に引
かれ、必要に応じて活性ガス又は不活性ガスあるいはこ
れらの混合ガスが１０−２〜１Ｏ−ＳＴｏｒｒの圧力で
導入される。ここでは、例えばアルゴンなどの不活性ガ
スが導入されているものとする。

このような状態で、電源手段１７を作動させると、グリ
ッド６には正電位、対向電極５には負電位が印加され、
かつ、フィラメント７には電流が流れる。これにより、
フィラメント７は自己の抵抗加熱により加熱され、熱電
子を放射する。真空槽１内のアルゴン分子はフィラメン
ト７より放射された熱電子との衝突によって、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。

このような状態において、蒸気発生部８から材料蒸気が
蒸発又は射出され、真空槽１内に導入される。

このように蒸気発生部８から真空槽１内に導入され、活
性化された材料蒸気の一部は、前述の如くイオン化され
たアルゴンイオン又は熱電子によって正イオン化される
。このように一部イオン化された材料蒸気はグリッド６
を通過する。この際、グリッド６近傍において上下に振
動運動する熱雷−１３＝ 子及びイオン化された導入ガスの衝突によりイオン化が
更に促進される。なお、フィラメント７からの熱電子は
フィラメント温度に対応する運動エネルギーをもってフ
ィラメント７から放射されるので、正電位のグリッド６
に直ちには吸引されず、これを−旦通過し、グリッド６
によるクーロン力により引き戻され、更にグリッド６を
再度通過するというようにグリッド６を中心として前述
した振動運動を繰返すものである。

グリッド６を通過した材料蒸気中のまだイオン化されて
いない部分は、更にグリッド６と基板１６との間におい
て、前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。

このように正イオンにイオン化された材料蒸気は、グリ
ッド６から対向電極５に向かう電界の作用により基板１
６に向けて加速され、高エネルギーを持って基板１６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１６に形成される。

ここに、本実施例においては、特にグリッド６が基板配
置面５ａに対して等間隔となるような面形状、例えば同
心球面状に形成されているので、対向電極５へ向かう電
界が基板配置面５ａに対してほぼ垂直に発生しており、
イオン化されて電荷を持つ材料蒸気もこのような電界方
向に従い、基板１６に対してほぼ垂直に入射して良好な
る薄膜が形成されることになる。

一方、フィラメント７から放射された熱電子は最終的に
は大部分のものがグリッド６に吸収され、一部の熱電子
のみが通過する。グリッド６を通過した熱電子もグリッ
ド６と基板１６との間で電界の作用によって減速される
。よって、熱電子は殆ど基板１６へは達せず、仮に基板
１６に到達したとしても基板１６に電子衝撃を与えず、
熱電子による加熱がなく基板１６の温度上昇を防止でき
る。

従って、基板１６としてはプラスチックスのような耐熱
性の低い材質のものでも使用できる。

このように、本実施例によれば、材料蒸気のイオン化が
極めて高いため、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
、材料蒸気と活性ガスとを化合させ、その反応による化
合物薄膜を形成する場合であっても、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、活性ガスとして酸素を導入し、真空槽
１内の圧力を１０−’Ｔｏｒｒに調整し、材料蒸気発生
部８より金属、例えば亜鉛、アルミニウム、錫、インジ
ウム、その他の酸化可能な金属を蒸発させれば、基板１
６上にこれらの金属の酸化物、即ち酸化亜鉛、酸化アル
ミニウム、酸化錫、酸化インジウムなどの薄膜を作るこ
とができる。又、同様にして、金属としてチタン、クロ
ム、鉄などを用い、活性ガスとして窒素、アンモニアガ
スなどを導入させれば、金属の窒化物、即ち窒化チタン
、窒化クロム、窒化鉄などを作ることもできる。更には
、不活性ガスとしてアルゴンを導入し、材料蒸気として
ガス状のＳ　ｉ　Ｈ，を射出させれば、基板１６上にＳ
ｉＣ２の薄膜を形成することができる。

ところで、材料蒸気としては、どのような組成の薄膜を
形成するかにより決定されるが、例えばシリコン薄膜を
形成する場合であればＳｉＨ４或いは５ｉＣ１２４＋２
Ｈ２などを用いればよい。又、Ｓｉｎ、の薄膜を形成す
る場合にはＳｉＨ４＋０２が導入される。カーボン薄膜
形成時には炭素を含む殆どの有機物質を用いることがで
き、例えばアルコール類、ベンゼン類、アルコール水溶
液、メタンガス等の有機ガス等が使用される。金属薄膜
の成膜時には金属ハロゲン化物（例えばＣｕの成膜時に
はＣｕＣＱ４．ＡＱの成膜時にはＡ　ｆｌ　ＣＬ）或い
は金属塩（例えばＡＱの成膜時であればＡｆｌ（ＣＨ，
−ＣＨ）・（ＣＨ３）、、Ｎｉの成膜時であればＮｉ（
ＣＯ）−）が用いられる。合金の成膜時であれば、各々
の成分金属の塩化物の混合ガスが使用される。又、ガリ
ウム砒素の成膜の場合にはＧａ（ＣＨ，）３＋Ａ　ｓ　
Ｈ，の混合ガスが使用される。これら以外の成分、化合
物或いは元素よりなるガスによっても同様に成膜可能な
ことは勿論である。

ところで、真空槽１内において材料蒸気ガスのイオン化
に、フィラメント７による熱電子が有効に寄与するので
、１０−’Ｔｏｒｒ以下の圧力の高真空下においても材
料蒸気のイオン化が可能である。

このため、薄膜の構造も極めて緻密なものとすることが
可能である。この結果、通常、薄膜の密度はバルクの密
度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のものとして得ることが
できる特徴を持つ。更に、本実施例によれば、高度の真
空下で成膜が行なえるので、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、高純度の薄膜を形成
できる。即ち、本実施例方式の薄膜形成装置は、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、材料蒸気はイオン化され、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。従って、基板１６とし
ては耐熱性の弱いプラスチックス板などであってもよい
ものとなる。又、物理的特性（電気的特性、光学的特性
、結晶性、緻密性、基板密着性等）の優れた薄膜を形成
できる。

なお、グリッド６・対向電極５間に高周波電磁界を発生
させる高周波電極を設置すれば、材料蒸気のイオンはこ
の高周波電磁界によって更に促進され、上述した種々の
効果は、更に増大される。

効果 本発明は、上述したように構成したので、材料蒸気発生
部から吐出される材料蒸気のイオン化がフィラメントか
らの熱電子やグリッド前後の電界により極めて高い状態
で行なわれることにより、極めて安定したプラズマ状態
とさせることができ、かつ、グリッド形状が対向電極の
基板設置面に対して等間隔となる面形状とされているこ
とによりグリッドからの電界方向が基板にほぼ垂直とな
りこの電界方向に従いイオン化させて電荷を持つ材料蒸
気が進行してほぼ垂直に基板に加速衝突することになり
、よって、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、基板としては耐熱
性の劣るプラスチックス板等をも用いることができるも
のである。

【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、５・・・対向電極、５ａ・・・基板設
置面、６・・・グリッド、７・・・フイラメト、８・・
・蒸気発生部、１６・・・基板、１７・・・電源手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　活性ガス又は不活性ガス或いはこれらの活性ガスと不
   活性ガスとの混合ガスが導入される真空槽と、この真空
   槽内に簿膜化材料を蒸気又は霧状としてなる材料蒸気を
   導入させる材料蒸気発生部と、前記真空槽内に配置され
   て基板を前記材料蒸気発生部にほぼ等間隔となる状態で
   対向保持する面形状の基板配置面を備えて前記材料蒸気
   発生部と同電位又は負電位に設定した対向電極と、前記
   材料蒸気発生部と前記対向電極との間に配置されて材料
   蒸気の通過する隙間を備え前記基板配置面に対して等間
   隔となる面形状に形成されたグリッドと、このグリッド
   を前記対向電極と材料蒸気発生部との双方の電位に対し
   正電位とする電源手段と、前記真空槽内で前記グリッド
   より前記材料蒸気発生部側に配設され前記材料蒸気の一
   部をイオン化するための熱電子発生用のフィラメントと
   からなることを特徴とする薄膜形成装置。