JPH01184273A

JPH01184273A - 反応性プラズマビーム製膜方法とその装置

Info

Publication number: JPH01184273A
Application number: JP809088A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nomachi; 野町　▲てつ▼也; Masanori Konno; 正則今野
Original assignee: Tobi Co Ltd
Current assignee: Tobi Co Ltd
Priority date: 1988-01-18
Filing date: 1988-01-18
Publication date: 1989-07-21

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）この発明は、差動排気プラズマビーム製膜方法とその装
置に関するものである。より詳しくは、この発明は、蒸
発源材料と気体との反応生成物の薄膜を速やかに所望の
組成で基体上に形成するプラズマビーム製膜方法とその
装置に関するものである。

（背景技術）金属、ガラス、セラミックス、プラスチック等の基体の
表面に、金属、無機化合物、有機ポリマー等の薄膜を形
成することは、半導体集積回路、磁性材料、触媒等の先
端分野において重要な技術になっている。

このような薄膜の形成方法の一つとして、いわゆるイオ
ンブレーティング法がある。このイオンブレーティング
法は、真空室内で蒸発源物質の粒子を蒸発させ、あるい
はまた、同時に真空室内に反応性の気体を導入して高周
波電源等を用いたグロー放電によりプラズマ・イオン化
し、基体上に蒸着させて薄膜を形成するものである。近
年、このイオンブレーティング法は、反射鏡、光学フィ
ルム、装飾、表示素子、絶縁膜、電子デバイス等の多様
な分野に応用されており、薄膜形成技術の中でも特に機
能性薄膜の形成技術として今後の発展が期待されている
。

しかしながら、このイオンブレーティング法には、所望
の物性や機能をもった薄膜を製造するにあたり、その反
応装置や反応プロセスに改善すべき課題がいくつか残さ
れていた。

たとえば、従来のイオンブレーティング法においては、
プラズマ・イオン化した粒子や気体の反応性を十分に制
御することが困難であるため、所望の組成や性質を有す
る薄膜を再現性よく安定的に形成することができないと
いう問題点がある。

実際、圧電素子としてＺｎＯ１光学フイルムとしてＴｉ
Ｏ２，５ｉ０２、保護膜としてＳｉ３Ｎ４、ＳｉＣ，Ａ
ｌ２Ｏ３、ＥＣ材としてＷＯ３の薄膜を形成しようとし
ても、それらの薄膜に所定の特性を安定的に付与するこ
とができず、十分実用に供し得るものとなしえない。

このように形成する薄膜を安定的に所望の組成や性質に
することができないのは、イオンブレーティング法の本
来的特質として、反応器内のプラズマ空間においてプラ
ズマ・イオン化した粒子が相互に衝突することにより新
たなエネルギー状態の粒子が生じるので、プラズマ空間
内に種々のエネルギー状態の粒子が混在してしまい、反
応の制御が困難になるということがあげられる。そして
、さらにこの方法では薄膜の組成や性質に影響を与える
因子が多いので、それらの制御が一層困難となるという
こともあげられる。すなわち、イオンブレーティング法
における反応の制御因子としては、プラズマ・イオン化
する粒子の種類やイオン化率、粒子をプラズマ・イオン
化するための電界強度や電界の種類、反応器の大きさや
形状、基体の材質や温度等種々の因子が知られている。

これらの因子の変動が上記イオンブレーティング法の特
質と相まって、反応器内のプラズマ空間に種々のエネル
ギー状態のプラズマ・イオン化した粒子を生じさせ、基
体への蒸着に先だつ種々の複雑な反応が生じるようにな
る。このため、基体上に形成する薄膜の組成や性質が容
易に安定化しない。

これに対して、プラズマビームを一定の速度で照射する
ことにより基体に到達するプラズマ・イオン化した粒子
のエネルギー状態を安定化し、生成する薄膜の組成や性
質を向上させ、均質化させる方法がある。この方法は圧
力勾配型のプラズマビーム発生装置を使用して実施され
る。

この場合、プラズマビーム発生装置と反応室との真空度
をそれぞれＩ　Ｔｏｒｒ、１０−３Ｔｏｒｒ程度とする
。

この方法によれば、確かに従来のイオンブレーティング
法よりも安定に、かつ、速やかに特性の優れた薄膜を均
一に形成することができる。

しかしながら、この方法においては、プラズマビーム発
生装置と反応室との真空度を自由に制御することができ
ないという欠点がある。そのために形成可能な薄膜の組
成や性質が限定されてしまうので、広い範囲にわたって
所望の特性の薄膜を得ることができない。

そこで、この圧力勾配型のプラズマビーム発生装置の特
徴を生かし、かつ薄膜の組成や性質を広範囲に自由に制
御でき、しかも安定的に得られるようにするための製膜
方法とその装置の開発が望まれていた。

（発明の目的）この発明は、以上の通りの従来技術の問題点を解決しよ
うとするものであって、金属、ガラス、セラミックス、
プラスチック等の基体の表面に、金属、無機化合物、有
機ポリマー等の薄膜を形成するにあたり、安定した組成
や性質の薄膜を速やかに得られるようにし、しかもその
組成や性質を所望のものに広範囲に制御できるようにす
るプラズマビーム製膜方法とそのための装置を提供する
ことを目的としている。

（発明の開示）この発明は、上記の目的を実現するために、差動排気開
口部にプラズマビームを通過させ、蒸発源にプラズマビ
ームを照射し、基体上に薄膜を形成する差動排気型反応
性プラズマビーム製膜方法とそのための装置を提供する
。

このプラズマビーム製膜方法は、蒸発源に不活性ガス、
反応性ガス等の気体をプラズマビームとして集束し照射
することを特徴としてい、ることから、これらの気体の
プラズマビームの密度、エネルギー状態等を制御するの
が容易であり、また、基体上の薄膜を所望の組成や性質
に安定的に形成することができるようになる。蒸発源と
気体との反応、およびその反応による生成物の蒸着を効
率よく行うことかできるので、基体上の薄膜形成速度を
高めることができる。

プラズマビームの照射方法としては、圧力勾配型のプラ
ズマビーム発生装置を用いてプラズマビームを発生させ
、そのプラズマビームを適当な磁石手段により反応室内
の蒸発源材料に集束させることにより実施できる。たと
えば、圧力勾配型のプラズマビーム発生装置にアルゴン
等の不活性ガスを導入してアルゴンプラズマビームを発
生させ、プラズマビーム発生装置の射出口や反応室内の
蒸発源材料の下方等に設けた磁石手段によりこのプラズ
マビームを制御し、蒸発源材料に集束させる。

この場合、プラズマビーム発生装置と反応室の真空度を
独立的に広範囲に制御できるようにするために、プラズ
マビーム発生装置と反応室とを差動排気手段、すなわち
差動排気用開口部を介して接続する。

これにより、蒸発源と気体との反応速度や基体上に形成
される薄膜の成長速度、結晶性等を広範囲に制御するこ
とができる。たとえば、プラズマビーム発生装置の真空
度をＩ　Ｔｏｒｒ程度とし、反応室の真空度を１０〜１
０−６Ｔｏｒｒの高真空にした場合には、真空室内でプ
ラズマ・イオン化した粒子相互の衝突回数が減少し、平
均自由工程が長くなる。これにより、プラズマ・イオン
化した粒子は高エネルギー状態で基体に到達するので、
基体上で十分に最配列することが可能になる。従って、
基体上には著しく結晶性の良好な薄膜を形成することが
できる。また、その際の薄膜成長速度も高くすることが
できる。

一方、プラズマビーム発生装置の真空度をＩＴｏｒｒ程
度とし、反応室の真空度を１０−１〜１Ｏ−３Ｔｏｒｒ
の低真空とした場合には、逆に反応室内でのプラズマ・
イオン化した粒子相互の衝突回数が増加する。従って、
プラズマ・イオン化した粒子間相互のプラズマ空間内で
の反応が許容または期待される場合に、その反応性を高
めることができる。

また、プラズマビームの照射により蒸発源から蒸発する
粒子の基体への直進性が低下するので、基体表面に段差
や凹凸がある場合でも基体表面上に−様な厚さで薄膜を
形成することができる。

プラズマビーム製膜方法に適用できる蒸発源や気体とし
ては、基体上に形成しようとする薄膜がそれらの反応に
より得られるものであれば特に制限はなく、形成しよう
とする薄膜や基体の種類に応じて適宜に選択することが
できる。

たとえば、蒸発源としては、金属や無機化合物、または
その酸化物、窒化物、炭化物等を使用でき、蒸発源材料
と反応させる反応性気体としては、酸素ガス、窒素ガス
、メタンガス等を使用することができる。また、これら
の蒸発源や気体の種類を薄膜形成過程において取り替え
てもよく、これにより形成する薄膜を多層化することも
できる。

また、薄膜を形成する基体としては、金属、ガラス、セ
ラミックス、プラスチックス等の基板、フィルム等を使
用することができる。

一　　８　− 以下、図面に沿ってこの発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明のプラズマビーム製膜方法を好適に
実施することができる装置の例を示した断面図である。

第１図に示した装置は、ベルジャ（１）に排気口（２）
、必要に応じて設ける不活性および／または反応性の気
体導入口（３）、圧力勾配型のプラズマビーム発生装置
（４）、必要に応じて設ける電源（５）とこれに接続し
た電＠　（６）を備え、ベルジャ（１゛）内には蒸発源
（７）および基体（８）を設置している。プラズマビー
ム発生装置（４）には不活性ガス導入口（１１）と蒸発
源に反応させる反応性気体導入口（１２）を接続し、そ
のプラズマビーム射出方向にはプラズマビームのビーム
径を絞るための磁石（１３）、差動排気用開口部（１４
）、差動排気用開口部（１４）を通過したプラズマビー
ムのビーム径を絞るための磁石（１５）、蒸発源と反応
する気体のプラズマビーム（９）の形状を制御するため
の磁石（１６）を順次設けている。また、ベルジャ（１
）内の蒸発源（７）の下方には蒸発源にプラズマビーム
（９）を集束させるための磁石（１０）を設けている。

この例として示した装置の場合には、ベルジャ（１）内
に任意の基体（８）と蒸発源（７）を設置し、排気口（
２）から排気してベルジャ（１）内を高真空にし、その
後必要に応じて気体導入口（３）からガスを導入してベ
ルジャ（１）内を所定の真空状態にする。そして、この
際の真空度や蒸発源（７）に照射するプラズマビームの
所定の速度に応じて差動排気用開口部（１４）の開口度
を適宜調整する。次に、アルゴン等の不活性ガスを不活
性ガス導入口（１１）からプラズマビーム発生装置（４
）内がＩ　Ｔｏｒｒ程度になるように導入し、約１にＶ
印加してプラズマビームを発生させる。

そして、蒸発源に反応させる気体の導入口（１２）から
蒸発源と反応させる気体を、たとえば２×１０−３Ｔｏ
ｒｒ程度導入し、その気体のプラズマビーム（９）を発
生させる。蒸発源と反応する気体のプラズマビーム（９
）は、そのビーム径を磁石（１３）により調整し、差動
排気用開口部（１４）を通過させ、さらに磁石（１５）
、（１６）、（１０）を用いて、蒸発源（７）上に所要
の速度と広がりで集束するように照射する。

このような照射の際、蒸発源と反応する気体のプラズマ
ビーム（９）は、上記のように圧力勾配型のプラズマビ
ーム発生装置（４）とベルジャ（１）との真空度に応じ
て調整した差動排気用開口部（１４）を通過するので、
圧力勾配型のプラズマビーム発生装Ｗ（４）とベルジャ
（１）との真空度はそれぞれ所定の最適状態に維持され
る。

なお、蒸発源と反応する気体のプラズマビーム（９）の
照射時に、必要に応じて電極（６）を電源（５）により
ＤＣまたはＲＦ印加することにより、プラズマビームの
照射によって蒸発源（７）から飛び出した生成物粒子を
高エネルギー状態におくことも有効である。これにより
、薄膜形成時の生成物粒子の再配列が促進され、−層結
晶性のよい薄膜を形成することができる。

このようなプラズマビーム製膜方法に従って、蒸発源（
７）としてシリコンを用い、それと反応する気体として
酸素ガスを用い、プラズマビーム発生装置（４）にアル
ゴンガスを導入し、放電電圧をＩＫＶ、アルゴンプラズ
マビームに導入する酸素ガスを２　ｘ　１０　’Ｔｏｒ
ｒ、ベルジャ（１）内を１　ｘ　１０−”Ｔｏｒｒにし
てセラミックスの基体（８）上に薄膜を形成し、結晶性
のよいシリコンオキサイドの薄膜を速やかに得る６（発明の効果）この発明によれば、基体上に効率よく安定した組成や性
質の薄膜を速やかに形成することができ、しかもその薄
膜の組成や性質を所望のものに広範囲に制御することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のプラズマビーム製膜装置を例示し
た断面図である。（１）・・・ベルジャ（４）・・・プラズマビーム発生装置（７）・・・蒸発源 −１２＝（８）・・・基　体（９）・・・プラズマビーム（１１）・・・不活性ガス導入口（１２）・・・反応性気体導入口（１４）・・・差動排気用開口部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）差動排気開口部にプラズマビームを通過させ、蒸
発源にプラズマビームを照射し、基体上に薄膜を形成す
ることを特徴とする差動排気型反応性プラズマビーム製
膜方法。
（２）圧力勾配型のプラズマビーム発生装置と、差動排
気用開口部、開口部へのビーム集束用の磁石および開口
部通過後のビームを拡張するための磁石とを有すること
を特徴とする差動排気型反応性プラズマビーム製膜装置
。