JPH01180971A - 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、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、例えばイオンブレーティ
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ブレーティング法があ
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イオンブレーティング法もある。これらのイオン
ブレーティング法は、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。

また、本出願人により既に提案されている特開昭５９−
８９７６３号公報に示されるような薄膜蒸着装置もある
。これは、まず、被蒸着用の基板を保持する対向電極と
、この対向電極に対向する蒸発源との間にグリッドを設
け、このグリッドを対向′電極に対して正電位とする。

更に、グリッド・蒸発源間に熱電子発生用のフィラメン
トを設ける。このような構成により、蒸発源から蒸発し
た蒸発物質はフィラメントから放出される熱電子により
イオン化される。このイオンはグリッドを通過すると、
グリッド側から対向電極へ向かう状態の電界の作用によ
り加速され、基板に衝突することにより、密着性のよい
薄膜が基板上に形成されるというものである。

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か弱がったり、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。特に
、前述した特開昭５９−８９７６３号公報方式による場
合、薄膜形成時の導入ガス圧が低い、或いはグリッドと
基板との距離が短い場合には周囲のガスやイオン等によ
る蒸発粒子の散乱が不十分の状態で基板へ到達すること
になり、グリッドを構成する材質の射影部分て膜厚が不
十分となる。即ち、基板上に形成される薄膜にグリッド
の幾何学的模様等に起因する膜厚ムラが生じてしまうも
のである。

目的 本発明は、このような点に鑑みなされたもので、膜厚の
均一性に優れ、かつ、基板−ヒ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はプラスチックス板なとをも用いる
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
物質が通過する開口部を有し単位面積当たりのこの開口
部面積をグリッド面内で変化させたグリッドと、このグ
リッドと前記蒸発源との間に配置させた熱電子発生用の
フィラメントと、前記グリッドの電位に対しフィラメン
トの電位が負電位となる電位関係とさせる電源手段とか
らなることを特徴とするものである。

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をパラキング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。

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５とグリッド６とフィラメント７と蒸発
源８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９，１０，１１．１２
により水平状態に支持されている。これらの電極９〜１
２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９〜１２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２０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１２により支持された蒸発源８
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、ボート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
あってもよい。

また、電極９に支持された対向電極５には、前記蒸発源
８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１３が適宜の方法により保持されている。

さらに、一対の電極１１により支持されたフィラメント
７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、前記蒸発源８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１０により支持されたグリッド６は、蒸発
物質が通過する開口部６ａを有する形状、例えば網目状
に形成されている。ここに、特徴的な点は、グリッド６
における開口部面積の分布であり、グリッド面内におい
て単位面積当たりの開口部６ａの面積が変化している。

具体的には、グリッド６の中心部の開口部面積が周辺部
側の開口部面積に比して小さくなるように形成されてい
る（図面上は、このような開口部面積の変化を誇張して
示すものである）。

また、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、蒸発源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１４が真空槽１外に
設けられ、前記各電極９〜１２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８は電極１２を介して加熱用の交流電源１
５に接続されている。次に、直流電源２１が設けられ、
この直流電源１６の正極側は電極１０を介してグリッド
６に接続されている。フィラメント７は一対の電極１１
を介して直流電源１７の両端に接続されている。なお、
図示の状態ではこの直流電源１７の正極側が接地されて
いるが、負極側を接地してもよく、或いは交流電源を用
いてもよい。しかし、その電位はグリッド電位以下とな
るように設定されている。また、対向電極５用の電極９
は接地されている。グリッド６との関係でみると、直流
電源１６の負側に接続されている。これにより、グリッ
ド６の電位に対してフィラメント７の電位及び対向電極
５の電位が負電位となる電位関係が確保されている。こ
れらの電源１５〜１７により電源手段１４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
。

また、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１３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１３を対向電極５に保持セットさせる一方、蒸発源８
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内には予め活性
ガス又は不活性ガス或いはこれらの混合ガスが１０〜１
Ｏ−３Ｐａの圧力で導入される。ここでは、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、本装置を作動させると、蒸　ｉｏ　
− 発源８に保持された蒸発物質が加熱により蒸発する。蒸
発源８から蒸発した物質、即ち蒸発物質の粒子は上方の
基板１３に向かって広がりつつ飛行し、グリッド６を通
過する。

一方、直流電源１５により加熱されたフィラメント７か
らは熱電子が放出される。フィラメント７から発生した
熱電子は、グリッド６の電位がフィラメント７の電位よ
り高電位にあるので、その大部分は電界により加速され
、グリッド６とフィラメント７との電位差に応じたエネ
ルギーを持ってグリッド６近傍へ到達する。

これにより、熱電子はグリッド６の近傍の空間に存在す
る前述の蒸発物質と導入ガスの粒子とに衝突し、この粒
子をイオン化する。このようにして、グリッド６の近傍
の空間に密度の高いプラズマ状態が実現する。

このようにイオン化された蒸発物質は、このグリッド６
から対向電極５へ向かう電界の作用により、加速されつ
つ飛行し、高速で基板１３に衝突し、基板１３上に所望
の薄膜が形成されることになる。このような薄膜は蒸発
物質のイオン化によるため、基板５への密着性に優れ、
結晶性、配向性の良好なるものとなる。また、本実施例
のグリッド６は単位面積当たりの開口部面積が面内で変
化しているので、グリッド６を通過し基板１３へと向か
う蒸発粒子の密度が調整されることになり、基板１３−
ヒに形成される薄膜の膜厚分布の一様性に優れたものと
なる。

この点について、さらに詳細に説明する。いま、説明に
具体性を持たせるため、基板１３及びグリッド６は平面
円板状であり、蒸発源８は点状蒸発源であるとする。ま
た、グリッド６の単位面積当たりの開口部６ａの面積を
グリッド面内で一様にした場合に形成される薄膜の等膜
厚線は同心円状であるとする。即ち、膜厚をｔとし、そ
の分布を表わす関数は基板１３の中心からの距離ｒのみ
の関数であり、ｔ（ｒ）−ｆ（ｒ）で表わされるものと
する。このような分布関数は装置構成により固有な関数
である。そこで、グリッド６の単位面積当たりの開口部
６ａの面積をρ、グリッド６の中心からの距離をＲ，ａ
及びＣを装置構成に固有な定数としたとき、ρ（Ｒ）＝
ａ／ｆ（Ｒ／Ｃ）を満足するように開口部面積に変化を
持たせれば膜厚ムラを大幅に低減させることができる。

そして、これでも微小なる膜厚ムラが存在し、それが問
題となる場合であれば、その膜厚ムラを与える膜厚分布
関数をｆ’　（ｒ）とし、グリッド６の単位面積当たり
の開口部面積をρ′としたとき、ｐ’　（Ｒ）−ｐ（Ｒ
）（ａ／ｆ′（Ｒ／ｃ））を満足するように開口部面積
に変化を持たせれば膜厚ムラをさらに低減させることが
できる。

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、この化合しこよる
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Ａｒ、活性ガスとし
て酸素０２を導入し、真空槽１内の圧力を１０−１〜１
Ｏ−２Ｐａに調整し、蒸発物質としてアルミニウムＡＲ
を選択すれば、基板１３上にＡΩ２０３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ＳｉＣ
を用いれば５１０２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、各々工ｎ２０３．Ｚ
ｎ○の薄膜を得ることができる。一方、ガスとしてＨ２
Ｓ　、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Ｔ１又
はＴａを用いれば、各々ＴｉＮ又はＴａＮなとの薄膜を
得ることも可能である。

−］４− ところで、本実施例においては、蒸発物質及び導入ガス
のイオン化には、フィラメント７による熱電子が有効に
寄与するので、ｌｏ”Ｐａ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る。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。従って、基板１３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。さらには、膜厚の均一性に優れたものとなる
。よって、ＩＣ，ＬＳｌ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。

効果 本発明は、上述したように、蒸発源からの蒸発物質のイ
オン化がフィラメントからの熱電子によって極めて高い
状態で行なわれるので、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、また、グリッドがそのグリッド面内において
単位面積当たりの開口部面積が変化しているので、グリ
ッドを通過する蒸発粒子の密度を調整でき、よって、基
板上に形成される薄膜の膜厚分布の一様性を向上させる
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、６　グリッド、６ａ　開口
部、７　フィラメント、８　・蒸発源、１３　基板、１
４　・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開口部を有し単位面
   積当たりのこの開口部面積をグリッド面内で変化させた
   グリツドと、このグリッドと前記蒸発源との間に配置さ
   せた熱電子発生用のフィラメントと、前記グリッドの電
   位に対しフィラメントの電位が負電位となる電位関係と
   させる電源手段とからなることを特徴とする薄膜形成装
   置。