JPH02159369A

JPH02159369A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH02159369A
Application number: JP31353088A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kinoshita; 幹夫木下; Wasaburo Ota; 太田　和三郎; Tatsuya Sato; 達哉佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-12-12
Filing date: 1988-12-12
Publication date: 1990-06-19

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】（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（化学的
蒸着法）の長所である強い反応性と、ＰＶＤ法（物理的
蒸着法）の長所である高真空中での成膜とを同時に実現
し、磁性体合金薄膜、酸化物超伝導体薄膜、半導体薄膜
等の多元系薄膜の形成をも有効に行ない得る薄膜形成装
置に関する。

（従来の技術）従来、薄膜形成装置としては、ＣＶＤ法やｐｖＤ法など
を利用したものが良く知られており、ＣＶＤ法による装
置は反応性が強く、ＰＶＤ法による装置は高真空中にお
いて緻密な強い薄膜を形成できるなどの長所を有してい
る。

これら、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などを利用した薄膜形成装
置としては、従来より種々のものが提案されているが、
何れも形成された薄膜と基板との密着性が悪いという問
題がある。

そこで、この問題を解決するため、上記方法を発展させ
た薄膜形成装置として、蒸発源と被蒸着物との間に高周
波電磁界を発生させて活性あるい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い被蒸着物に蒸
発物質を堆積させて薄膜を形成する、所謂イオンブレー
ティング法を利用した薄膜形成装置や、また、蒸発源と
被蒸着物との間にさらに直流電圧を印加するＤＣイオン
ブレーティング法を利用した薄膜形成装置等が知られて
いる（例えば、特公昭５２−２９９７１号公報、特公昭
５２−２９０９１号公報）。

また、さらに発展された薄膜形成装置としては。

被薄膜形成基板を蒸発源に対向させて対向電極に保持し
、この対向電極と蒸発源との間にグリッドを配置すると
共に、このグリッドと蒸発源との間に熱電子発生用のフ
ィラメントを配し、上記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なう装置が提案されている
（特開昭５９−８９７６３号公報）、この薄膜形成装置
では、蒸発源から蒸発した蒸発物質は、先ず、フィラメ
ントからの熱電子によりイオン化され、このイオン化さ
れた蒸発物質は、グリッドを通過することにより、グリ
ッドから対向電極に向かう電界の作用により加速されて
被薄膜形成基板に衝突し、密着性の良い薄膜が形成され
るという特徴を有している。

（発明が解決しようとする課題）ところで、上記従来の薄膜形成装置にあっては、形成さ
れた膜の、被薄膜形成基板との密着性が改善され比較的
強くはなっているが、まだ不十分であり、また、プラス
チック等の耐熱性の弱い基板への膜形成が困難であるな
どの問題があった。

また、従来の薄膜形成装置においては、磁性体合金薄膜
や酸化物超伝導体薄膜、半導体薄膜等の種々の多元系薄
膜の形成、特にＩＴＯ膜や酸化亜鉛膜等、その特性が微
量元素のドーピングにより大きく変化する性質の薄膜を
形成する場合、この微量元素の膜中への取り込みを効果
的に行なう事が困難であり、所望の組成比の薄膜を得に
くいという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、被薄
膜形成基板に対して、極めて強い密着性を持った薄膜を
形成でき、且つ、耐熱性の弱い樹脂性基板等をも被薄膜
形成基板として用いることができ、さらには、磁性体合
金薄膜や酸化物超伝導体薄膜、半導体薄膜等の種々の多
元系薄膜の形成をも有効に行なうことができる。新規な
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、本発明による薄膜形成装置は
、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、この真空槽内に設置され
たターゲットと、上記真空槽内に配置され薄膜形成用の
基板を上記ターゲットに対向するように保持する対電極
と、上記ターゲットと上記対電極との間に配備され上記
ターゲットからの粒子を通過させつるグリッドと、この
グリッドと上記ターゲットとの間に配置され上記ターゲ
ットからの粒子の一部をイオン化するためのフィラメン
トと、上記グリッドの電位を上記フィラメントの電位に
対して正電位とし且つ上記ターゲットの電位を上記フィ
ラメントの電位に対して負電位とする手段とを有するこ
とを特徴とする。

（作　　　用）本発明による薄膜形成装置において、上記グリッドは、
ターゲットからの粒子を通過させうるちのであって、タ
ーゲットと対電極との間に配備され、対電極及びフィラ
メントの電位に対して正電位におかれるため、真空槽内
には、グリッドから基板に向かう電界と、グリッドから
ターゲットに向かう電界とが逆向きに形成される。

また、熱電子発生用のフィラメントは、真空槽内の上記
グリッドとターゲットとの間に配備され、このフィラメ
ントにより発生する熱電子は、ターゲットからの粒子の
一部をイオン化するのに供される。

また、ターゲットからの粒子は、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、このよう
に一部イオン化されたターゲットからの粒子は、グリッ
ドを通過し、さらに、イオン化されたガスにより正イオ
ンにイオン化を促進され、上記電界の作用により基板の
方へと加速される。

ここで、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持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
、これを通過し、この後上記グリッドによるクーロン力
により引き戻され、更に、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り返し、遂に
はグリッドに吸収される。このため、フィラメントから
の熱電子は基板へは達せず、基板は電子衝撃を受けない
ため、それにより基板が加熱されることがなく、基板の
温度上昇が防止される。したがって、基板材料として耐
熱性の低い材質のものでも使用することができる。

上記ターゲットは導電性を有する母材（単体。

合金、または化合物あるいはその組合せ）で構成され、
その電位はフィラメント電位及びグリッド電位より低電
位にある。従って、ターゲットの電位はグリッドとフィ
ラメント間の電位より低電位に有る。したがって、フィ
ラメントとグリッドとの間を飛行する熱電子により正イ
オン化されたイオンは上記グリッドとフィラメントとの
間の電界によりターゲットの表面へと拡散し、高速でタ
ーゲットの表面に衝突し、ターゲットの表面をスパッタ
する。このイオンによりスパッタされたターゲットから
の粒子は基板へと向けて拡散し、基板へ到達し、薄膜を
形成する。

（実　施　例）以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する
。

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
を示しており、図において、ベースプレート１とペルジ
ャー２とは、バッキング２１を介して一体化され真空槽
を形成しており、この真空槽内には、活性若しくは不活
性ガス、あるいは、これら両者の混合ガスが導入される
。

上記ベースプレート１は、支持体兼用の電極５゜７．９
．１１により貫通されているが、これら支持体兼用′を
極５，７，９．１１の各貫通部は当然ながら気密状態で
あり、さらにこれら支持体兼用電極５．７，９．１１と
ベースプレート１とは電気的に絶縁されている。また、
ベースプレート１の中央部に穿設された孔ＩＡは図示さ
れていない真空排気系へ連結されている。

さて、支持体兼用電極５には薄膜形成材料を母材とした
ターゲット６が支持されている。また。

一対の支持体兼用電極７の間には、タングステンなどに
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、あるいは網目状にしたりするなど
して、ターゲット６から発生した粒子の拡がりをカバー
するように定められている。

支持体兼用電＠、９には、グリッドＩＯが支持されてお
り、このグリッド１０は、ターゲット６からの粒子を通
過させうる形状に、その形状が定められているが、この
例では、網目状である。

支持体兼用電ｗｉ４１１には対電極１２が支持されてお
り、その下位、すなわちターゲット６との対向面側には
ターゲット６から発生された粒子が付着され薄膜が形成
される基板１３が適宜の方法で保持されている。尚、こ
の状態をターゲット６側から見れば、基板１３の背後に
対電極１２が配備されている事となる。

さて、上記各支持体兼用電極５，７，９，１１は導電体
によって形成され電極としての役割を兼ねており、これ
ら支持体兼用電［５，７，９，１１の真空槽外へ突出し
た端部間には図示のように種々の電［１８，１９，２０
が接続されている。

先ず、図示の例の場合には、グリッドｌＯを支持する支
持体兼用電極９が直流電圧電源１８の正端子に、対電極
１２及び基板１３を支持する支持体兼用電極１１が直流
電圧電源１８の負端子に夫々接続されている。また、フ
ィラメント８を支持する一対の支持体兼用電極７の両端
には直流電源１９が接続されている６尚、図示の例の場
合は直流電源１９の正極を接地しているが、直流電源１
９の負極を接地しても良く、また、直流電源１９の替わ
りに交流電源を使用しても良い。ターゲット６を支持す
る支持体兼用電極５には、直流電源２０の負極が接続さ
れており、この直流電源２０の正極はフィラメント用の
直流電源１９の一端に接続されている。

尚１図中の接地は必ずしも必要としない、また、実際に
は、これらの電気的接続には種々のスイッチ類を含み、
これらスイッチ類の操作により、成膜プロセスを実現す
るのであるが、これらスイッチ類は図中には示されてお
らず、省略されている。

以上、本発明による薄膜形成装置の一構成例を図に基づ
いて説明したが、以下、この装置を用いての薄膜形成に
ついて説明する。

図において、先ず基板１３を対電極１２に図示のように
セットする。

尚、ターゲット６を構成する母材、及び真空槽内に導入
されるガス種の組合せは、どのような薄膜を形成するか
に応じて定められる。

例えばターゲット６としてアルミニュウム（Ａｌ）導入
ガスとして酸素（ｏ２）を選べばＡ１□０．膜が、ター
ゲット６としてチタン（Ｔｉ）　、導入ガスとして窒素
（Ｎ２）を選べばＴｉＮ膜が、ターゲラ１−６としてＦ
ｅ−Ｎｉ合金、導入ガスとしてＡｒを選べばＦｅ−Ｎｉ
合金磁性膜が得られる。また、ターゲット６としてイン
ジウム（Ｉｎ）及び［（Ｓｎ）、導入ガスとして酸素（
０□）を選べばＩＴＯ膜が得られる６さて、真空槽内は予めｌＯ″″５〜１０−’ｔｏｒｒの
圧力にされ、これに、必要に応じて、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１０−２〜１
０−’ｔｏｒｒの圧力で導入される。ここでは、説明の
具体性のため、導入ガスは、例えばアルゴン（Ａｒ）な
どの不活性ガスであるとする。

この状態において、電源を作動させると、グリッド１０
に正の電位が印加され、フィラメント８には電流が流さ
れる。そして、フィラメント８は抵抗加熱により加熱さ
れ、熱電子を放出する。

真空槽内のアルゴン分子は、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、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。

このイオンは上記グリッド１０−フィラメント８間の電
界により、ターゲット６の表面へ到達する。

一方、ターゲット６には負電位が印加されているので、
ターゲット６の表面には高速のイオンが衝突し、ターゲ
ット６の母材をスパッタする。そして、このようにして
スパッタされターゲット６から放出された粒子は、基板
１３へと向かって飛行する。

このターゲット６から放出された粒子は拡がりをもって
基板１３の側へと向かって飛行するが、その一部、及び
前記導入ガスは、フィラメント８より放出された熱電子
との衝突によって外殻電子がはじきだされ、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ターゲット６からの粒
子はグリッド１０を通過するが、その際、グリッド１０
の近傍において上下に振動運動する熱電子及び前記イオ
ン化された導入ガスとの衝突により、さらにイオン化が
促進される。そして、グリッドｌＯを通過したターゲッ
ト６からの粒子中、いまだイオン化されていない部分は
、更に、グリッドＩＯと基板１３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。

このようにして、正イオンにイオン化されたターゲット
６からの粒子は、グリッド１０から対電極１２に向う電
界の作用により基板１３に向かって加速され、基板１３
に高エネルギーを持って衝突し付着する。これによって
、非常に密着性の良い緻密な薄膜が基板上に形成される
。

尚、フィラメント８から放出された熱電子は、最終的に
はその大部分がグリッド１０に吸収され。

一部の熱電子はグリッド１０を通過するが、グリッドｌ
Ｏと基板１３との間には直流電源１８による電界が作用
しているため、グリッドｌＯを通過した熱電子はグリッ
ドｌＯと基板１３との間で上記電界の作用によって減速
され、グリッド１０側に引き戻される。

したがって、仮りに、熱電子の一部が基板１３に到達し
ても、熱電子は上記電界の作用によって減速されている
ため、基板１３を加熱するには到らない。

このため１本発明による薄膜形成装置においては、基Ｆ
ｉ１３として耐熱性の弱い基板をも使°用することがで
きる。

また、本発明による薄膜形成装置においては、ターゲッ
ト６からの粒子のイオン化が極めて高いため、真空槽内
に活性ガスを単独で、あるいは、不活性ガスと共に導入
して成膜を行なうことによリ、ターゲット６からの粒子
と活性ガスとを化合させ、この化合により化合物薄膜を
形成する場合にも、所望の物性を有する薄膜を容易に得
ることができる。

尚、真空槽内のガスのイオン化にはツイラメントによる
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ターゲット６からの粒子のイ
オン化が可能であり、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り、通常、薄膜の密度は
バルクの其れより小さいとされているが、本発明の装置
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。

さらにまた、このような高度の真空下で成膜を行なうこ
とにより、薄膜中へのガス分子の取り込みを極めて少な
くすることができ、高純度の薄膜を得ることが可能とな
る。

したがって本発明による薄膜形成装置は、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も適している。

また、磁性体合金薄膜や、多元化合物薄膜の形成にも適
しており、なかでも、微量元素の存在により特性が変化
するＩＴＯ膜等の半導体薄膜の形成に適している。

尚、図に示した本発明の薄膜形成装置において、例えば
、グリッド１０と対電極１２との間に高周波電磁界を発
生させうる高周波電極を設置すれば、前記イオン化はこ
の高周波電磁界によってさらに促進され、前記種々の効
果が増大され、より効果的である。

（発明の効果）以上１図示の実施例に基づいて説明したように、本発明
によれば、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（緻密な強い薄膜の形
成）とを同時に実現し得る薄膜形成装置を提供すること
ができる。

また５本発明による薄膜形成装置においては、ターゲッ
トからの粒子がイオン化し、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、結晶化を必要とする成膜を温
度（反応温度、結晶化温度）という熱エネルギーを与え
ずに実現できるので、低温での成膜が可能となり、した
がって、耐熱性の弱いプラスチック等なども基板材料と
して使用することができる。

また１本発明による薄膜形成装置においては、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系磁性体合金膜、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物超伝導
薄膜等の多元系薄膜形成を有効に行なうことができる。

特に、酸化インジウム系半導体膜中への錫のドーピング
（ＩＴＯ）や、酸化亜鉛膜中へのアルミニュウムのドー
ピング等、薄膜の特性に大きく影響する微量元素の薄膜
中へのドーピングを効果的に行なうことができる。

【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・・・・ベースプレート２・・・・ペルジャー５．７，９，１１・・・・支持体兼用電極６・・・・タ
ーゲット８・・・・フィラメント１０・・・・グリッド１２・・・対電極１３・・・・基板１８、１９．２０・・・・直流電源２１・・・・バッキング。

Claims

【特許請求の範囲】

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、この真空槽内に設置された
ターゲットと、上記真空槽内に配置され薄膜形成用の基
板を上記ターゲットに対向するように保持する対電極と
、上記ターゲットと上記対電極との間に配備され上記タ
ーゲットからの粒子を通過させうるグリッドと、このグ
リッドと上記ターゲットとの間に配置され上記ターゲッ
トからの粒子の一部をイオン化するためのフィラメント
と、上記グリッドの電位を上記フィラメントの電位に対
して正電位とし且つ上記ターゲットの電位を上記フィラ
メントの電位に対して負電位とする手段とを有すること
を特徴とする薄膜形成装置。