JPH03247756A - クラスタイオンビーム発生方法およびその装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は真空蒸着法に係わり、特に高機能薄膜デバイス
の製造等に利用されるクラスタイオンビーム蒸着におけ
るクラスタイオンビームの発生方法およびその装置の改
良に関する。

従来の技術 従来　常温固体状の物質を加熱蒸発させて被蒸着基板上
に蒸着して高機能薄膜の形成を行うクラスタイオンビー
ム蒸着に用いるクラスタイオンビーム発生装置（よ　第
３図に示す従来例のような構成を有してい九　すなわ板
　クラスタビームの発生部１１　　前記クラスタビーム
のイオン化部２、およびクラスタイオンビームの加速部
３から構成されている。

まずミ　クラスタビームの発生部１について説明する。

ノズル４をその上面中央部に形成した円筒状の坩堝（ク
ヌーセンセル）５内の蒸着物質１７（よ　坩堝５の外周
に設置された抵抗加熱用ヒータ６により加熱される。　
７は抵抗加熱用ヒータ６に電圧を印加し加熱するための
坩堝加熱用電源である。坩堝５はカーボン、タングステ
ン等の単層構造を有するものが一般的である。

装置　クラスタビームのイオン化部２について説明する
。　８はイオン化フィラメント、　９はイオン化フィラ
メント８に電圧を印加し加熱するためのイオン化フィラ
メント加熱用電樵　１０は熱電子引き出し用グリッド１
１とイオン化フィラメント８の間に電圧を印加して高温
に加熱したイオン化フィラメント８から熱電子を引き出
し　電子シャワーを形成するための熱電子引き出し用電
源である。　１２はイオン化フィラメント８を内包する
様に配された熱シールドである。

装置　クラスタイオンビームの加速部３について説明す
る。　１３は上記イオン化したクラスタの加速手段とし
ての加速電極であり、加速電源１５によりイオン化部電
子引き出しグリッド１２との間に電圧を印加できる構成
としている。この加速電極により加速されたクラスタは
基板１４上に衝突して薄膜が蒸着される。な抵　基板１
４は基板ホルダー１６により保持される。

上記構成の装置における動作は下記の通りである。坩堝
５の内部に蒸着物質１７を挿入した後、坩堝５を内包す
る真空槽（図示せず）を所定の真空度に設定し　抵抗加
熱用ヒータ６の加熱により蒸着物質１７を蒸発させ、坩
堝内部の蒸着物質１７の蒸気１８の圧力を増加させる。

この蒸着物質１７の蒸気１８はノズル４から図中矢印方
向に噴出する際鳳　真空槽と坩堝内部の圧力差により断
熱膨張し　過冷却される。このため蒸気１８は凝縮し　
５００〜２０００個の原子が互いに緩く結合した塊状原
子集団のビームずなわちクラスタビームとなり基板方向
に飛翔する。

このクラスタビームにイオン化部２において、イオン化
フィラメント８から引き出した電子シャワーを浴びせて
、クラスタの構成原子のながの１個の原子をイオン化し
たクラスタイオンのビームを形成する。そして、加速電
極Ｉ３によりクラスタイオンに電圧を印加し　クラスタ
イオンを加速して、基板１４に衝突させ、基板上に蒸着
物質の薄膜を形成する。

クラスタイオンビーム製膜法によれば　−船釣に膜の付
着力　結晶性、配向性が向上し　高密度で均質な膜が得
られるものである力丈　その場合クラスタイオンビーム
製膜法の特徴であるクラスタ化およびイオン化が重要な
因子であると考えられる。

しかしながら、従来の構成で（よ　蒸着物質の蒸気を噴
出する坩堝ノズル部のすぐ上部にイオン化部が存在する
。そして、クラスタビームはこのイオン化部中央の開口
部を通過する際に電子シャワーを浴びてイオン化される
のであム　このイオン化部（よ　ノズルから噴出直後の
クラスタのビーム状の流れに対して障害物となり、流動
抵抗が大きくなってい九 また　ノズル部から噴出したクラスタイオンのビームは
ノズル径よりも大きく広がるたべ　イオン化部に衝突し
遮られるクラスタがあった　さら艮　クラスタビームが
広がったクラスタの疎らなところでイオン化を行ってい
るたべ　電離確率が低くなってい九　そして、クラスタ
に電子ジャワを浴びせてクラスタをイオン化する構成で
あるた八　−皮形成したクラスタイオン（１荷のイオン
）にも再度電子が衝突する。その結果生じる２荷のイオ
ンは不安定であるた敦　クラスタは分裂する。この過程
が繰り返し起こり、クラスタ径（クラスタ構成原子数に
相当する）の分布が広いものとなってい九 発明が解決しようとする課題 この様な理由により従来技術では （１）イオン化部がクラスタの流動を阻害するた八　ク
ラスタの流動抵抗が犬となり製膜速度が非常に遅い。

（２）イオン化部に衝突したクラスタは分裂し再蒸発す
るた八　クラスタ化率が低い。

（３）クラスタ径（構成原子数に相当する）の分布が広
いものとなるたム　製膜時に蒸着原子のもつエネルギの
分布も幅広いものとなってい九　その結果　膜質の不均
一性を招く。

（４）イオン化の際の電離確率が低いたム　クラスタの
イオン化率を高めることができない。

等の問題点かあっ池 本発明（よ　上記問題点に鑑みてなされたもので、製膜
速度、イオン化取　クラスタ化率が高く、高品位な薄膜
を得ることができるクラスタイオンビーム発生方法およ
びその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 本発明によるクラスタイオンビーム発生方法は蒸着物質
を収容した坩堝の温度を上昇させて蒸着物質を蒸発せし
八　坩堝内部の蒸気の圧力を高教坩堝内部に設けた電極
と、それに対する対向電極を形成する坩堝の間で放電を
生じさせることにより、坩堝容器内で蒸着物質のガスプ
ラズマを発生させ、前記坩堝に設けたノズルから高真空
の真空槽内へ蒸着物質のガスプラズマを噴出させるもの
である。

また　本発明のクラスタイオンビーム発生装置ζよ　蒸
着物質を収容した坩堝と、前記蒸着物質を加熱するため
の加熱手段と、前記坩堝内部に設は蒸着物質の蒸気をプ
ラズマ化するための電極と、前記蒸着物質のガスプラズ
マを噴出させる、前記坩堝に設けたノズルから構成され
るものである。

作用 上記の手段によって得られる作用は次の通りである。

坩堝内の蒸着物質を加熱手段により加熱して蒸着物質を
蒸発させ、用鍋内部の蒸着物質の蒸気の圧力を増加させ
る。この後、坩堝内部に設けた電極と、対向電極とする
坩堝の間に電位差を設けることにより両電極間に放電を
生じさせれば　坩堝容器内に蒸着物質のガスプラズマが
発生し　蒸気の一部はイオン化される。イオン化率は　
電極と坩堝の間の電位差を大きくすることで容易に高め
ることが可能となる。また　電位差を制御することによ
ってイオン化率を容易に変化させられるた取　イオン化
率の制御性が向上する。

この蒸着物質のガスプラズマ（主　坩堝に設けたノズル
から噴出する際　坩堝容器内の圧力（例えば１０−１〜
数Ｔｏ　ｒ　ｒ）と容器外の圧力（例えば１０−６〜１
０−８Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ）との圧力差により断熱膨張し　
過冷却される。このため蒸気は凝縮しクラスタイオンビ
ームが形成される。

従って上記手段によれば　坩堝内でクラスタがイオン化
されるた八　従来の様に電子放射手段（イオン化部）を
必要とせ哄　クラスタ化した蒸着物質はイオン化部の障
害物による影ｇ（流動抵抗の増力ｌ　およびクラスタの
再蒸発）を受けることなく、そのまま基板方向に飛翔す
ることが可能となる。その結果　容易に効率良くイオン
化したクラスタビームを得ら株　製膜速度、イオン化取
りラスタ化率が高く、製膜品質に優れたクラスタ９− イオンビームを得ることが可能となるものである。

実施例 以下に本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明によるクラスタイオンビーム発生装置の
構造を示す要部断面図である。　１９は直径１ｍｍ程度
のノズル２０を坩堝上面に形成したカーボン製の単層構
造を有する坩堝（クヌーセンセル）である。坩堝１９の
底面にはネジ加工が施され　それにネジ係合するパイプ
状のカーボン製坩堝支持棒２１により坩堝１９は固定さ
れている。

円筒状外周面に絶縁部材２２を形成した円柱状の電極２
３（友　上記パイプ状の坩堝支持棒２１の中央部を通し
て、坩堝１９の内部に挿入されている。そして、電極２
３の電極面（円柱状の電極の上面）力（蒸着物質２４に
埋もれないように、　　蒸着物質２４を坩堝１９の内部
に充填している。

蒸着物質２４（よ　その加熱手段として坩堝１９の外周
に設置した抵抗加熱用ヒータ２５により加熱されも　２
６は抵抗加熱用ヒータ２５に電圧を０− 印加し加熱するための坩堝加熱用電源である。そして、
可変電源装置２７により、坩堝内部に設けた電極２３を
陰極とし　導電性の材料で構成した坩堝１９を陽極とす
るように電位差を与える。この電極２３とその対向電極
である坩堝１９の間に流れる電流値は検出器２８を用い
て検出する。

本実施例のクラスタイオンビーム発生装置を用いたクラ
スタイオンビームの形成過程は次のようになる。

坩堝１９内の蒸着物質２４を抵抗加熱用ヒータ２５によ
り加熱することで蒸着物質２４を蒸発させ、坩堝内部の
蒸着物質２４の蒸気３３の圧力を増加させる。坩堝内部
の蒸着物質２４の蒸気３３の圧力を約ＩＴｏｒｒに設定
した後、坩堝内部に設けた電極（陰極）２３と、対向電
極とする坩堝（陽極）１９の間に電位差を設（す、グロ
ー放電を生じさせる。放電により、坩堝容器内に蒸着物
質２４のガスプラズマが発生し　蒸気３３の一部はイオ
ン化される。この時、坩堝底部に設けた電極２３を陰極
　坩堝１９を陽極としたことにより、１ ガスプラズマを坩堝内の」二部近傍に形成することがで
きる。

このた八　坩堝上面に形成したノズル２０から噴出する
蒸気３３はイオン化率の高いものである。

また　イオン化率（主　電極２３と坩堝１９の間の電位
差を大きくし　電極２３と坩堝１９の間に流れる電流値
を太きくすることで容易に高めることが可能となる。ま
た　電位差を制御することによってイオン化率を容易に
変化させられるた人　イオン化率の制御性が向」ニする
。

ただし　一方向に電流値を増加させていくとプラズマが
収縮しアーク放電への移行が発生する。

その場合、プラズマが収縮するたべ　ノズル２０から噴
出する蒸気にはイオン化されていない中性のものが多く
含まれるようになり、イオン化率が低下する。そこで、
本実施例では電極２３と坩堝１９の間に流れる電流値の
検出器２８と上記検出器からの信号に基づき両電極間の
電位差を制御する可変電源装置２７を設（す、坩堝内で
発生する放電をグロー放電に制御するようになしており
、最２− も効率的にイオン化・を行うことができる。

坩堝内部で発生した蒸着物質２４のガスプラズマ（よ　
坩堝１９の上面に設けたノズル２０から噴出する限　坩
堝容器内の圧力（ＩＴｏｒｒ）と容器外の圧力（１０−
’Ｔｏｒｒに設定）との圧力差により断熱膨張し　過冷
却される。このため蒸気は凝縮し　クラスタイオンビー
ム、が形成される。

本発明によれば　イオン化するための電子放射手段（イ
オン化部）をなくすることができるたへクラスタ化した
蒸着物質はイオン化部の障害物による影響（流動抵抗の
増力ｌ　およびクラスタの再蒸発）を受けることなく、
そのまま基板方向に飛翔する。この結果　クラスタの流
量（製膜速度）が増加し　クラスタ化率も向上する。

ノズルから噴出したクラスタ（よ　以下の様にして加速
部により加速され基板３０に向は飛翔する。

２９は坩堝１９の上面に形成したノズル２０から噴出す
るイオン化したクラスタを加速して、基板３０に衝突さ
せて薄膜を蒸着させる加速手段すなわち加速電極であり
、加速電源３１により加速３− 電極２９と坩堝１９との間に電圧を印加できる構成とし
ている。な抵　基板３０は基板ホルダー３２により保持
されている。

そして、このクラスタイオンを加速して、基板に衝突さ
＋ｉ（基板上に蒸着物質の薄膜を形成する。

この時、電子シャワーによるイオン化でないため、クラ
スタを構成する原子数について、その分布を狭くするこ
とができ、製膜した膜は均質なものとなる。

上記構成によるクラスタイオンビーム発生装置を用いて
ガラス基板上にＳｉＯのクラスタイオンビーム蒸着を行
った結果　坩堝温度１３００℃の場合、クラスタ流量す
なわち製膜速度は従来装置に比べ２倍以上であり、製膜
の品質も従来に比べ高品質のものが得られ九 このように　本発明によれ（ｆ、、坩堝内でクラスタの
イオン化が行えるた敢　坩堝のノズルの上部にイオン化
のための手段を設ける必要がなく、容易に効率良くイオ
ン化したクラスタビームを得られ　製膜速度、イオン化
取　クラスタ化率が高く４ 製膜品質の優れたクラスタイオンビームを得ることが可
能となる。

な抵　上記実施例で（戴　カーボン製の単層構造の坩堝
の場合を示しため（坩堝材質はＴａ、Ｗ等の導電性を有
する高融点金属の場合にもこの発明は適用できる。また
　蒸着物質は導電性、非導電性いずれの場合でも良い。

第２図は本発明の他の実施例であるクラスタイオンビー
ム発生装置における坩堝部周辺の構造を示す要部断面図
である。坩堝部近辺以外の部分についてＵ　　第１図を
用いて前述した実施例と同じである。な飄　この実施例
（よ　蒸着物質が導電性である場合を示すものである。

３４は直径１ｍｍ程度のノズル３５を坩堝蓋３６の中央
部に形成したカーボン製の坩堝（クヌーセンセル）であ
る。坩堝蓋３６の内面を除き、坩堝３４の内面には絶縁
膜３７を形成している。坩堝３４の底面にはネジ加工を
行（＼　坩堝３４は前記ネジ加工にネジ係合するパイプ
状のカーボン製坩堝支持棒３８に固定されている。

５− 坩堝支持棒３８と電気的に絶縁した円柱状の電極３９を
、上記パイプ状の坩堝支持棒３８の中央部を通して、坩
堝３４の底面と同一面となるよう？へ　坩堝３４の内部
に挿入している。すなわち、坩堝３４の底面の一部を電
極３９の電極面（円柱状の電極の上面）としている。そ
して、導電性の蒸着物質４０を坩堝３４の内部＋’ｙ　
　坩堝蓋３６と接触しないように充填している。蒸着物
質４０（友坩堝３４の外周に設置した抵抗加熱用ヒータ
４１により加熱される。

本実施例のクラスタイオンビーム発生装置を用いたクラ
スタイオンビームの形成過程は次のようになる。坩堝３
４内の導電性の蒸着物質４０を抵抗加熱用ヒータ４１に
より加熱することで導電性の蒸着物質４０を溶融　蒸発
させ、坩堝内部の蒸着物質４０の蒸気４２の圧力を増加
させる。坩堝内部の蒸着物質４０の蒸気４２の圧力を約
ＩＴ。

ｒｒに設定した後、坩堝内の電極（陰極）３９と、対向
電極とする坩堝（陽極）３４の間に電位差を設ければ　
溶融した蒸着物質４０は導電性である６− た八　溶融した蒸着物質４０の湯面と坩堝蓋３６の間で
グロー放電かを生じる。放電により、坩堝容器内に蒸着
物質４０のガスプラズマが発生し蒸気４２の一部はイオ
ン化される。この際　坩堝底部に設けた電極３９を陰檄
　坩堝３４を陽極としている。

坩堝内部で発生した蒸着物質４０のガスプラズマ（よ　
坩堝３４の上面に設けたノズル３５から噴出する際　坩
堝容器内の圧力（ＩＴｏｒｒ）と容器外の圧力（１０−
’Ｔｏｒｒに設定）との圧力差により断熱膨張し　過冷
却される。このため蒸気は凝縮し　クラスタイオンビー
ムが形成される。

本実施例では　溶融した蒸着物質４０の湯面全面が電極
面となるため、陰極の面積を広くすることが可能となる
。したがって、坩堝内に形成するプラズマの領域を著し
く拡大できる。このた八本実施例では　坩堝内で発生す
るプラズマ中のイオンの量、すなわちノズル３５を通過
するイオンの量を多くすることが可能となり、クラスタ
のイオン化率を高めることができる。

７− ざらへ　従来　坩堝のすぐ上部に設けていたイオン化部
をなくすることができるたム　クラスタの流量（製膜速
度）が増加し　クラスタ化率も向上する。また　本実施
例は電子シャワーによるイオン化でないた秩　クラスタ
を構成する原子数の分布を狭くすることができ、製膜し
た膜は均質なものとなる。

以上の実施例で（よ　坩堝が対向電極を兼ねるものであ
っため丈　もちろん　刻向電極を坩堝上分離することも
可能である。例えは　坩堝の内周面に沼って円筒状の電
極を配設する様になしてもよシモ発明の効果 以上のように本発明によれば　坩堝容器内で蒸着物質の
ガスプラズマを発生させ、前記坩堝の上面に設けたノズ
ルから高真空の真空槽内へ蒸着物質のガスプラズマを噴
出させることが可能となり、坩堝のノズルの上部にイオ
ン化のための手段を配設する必要がなくなり、製膜速度
、イオン化取りラスタ化率が高く、高品位な薄膜を製膜
できるという効果が得られる。

８

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のクラスタイオンビーム発生
装置の要部断面図　第２図は本発明の他の実施例の坩堝
部近辺の要部断面＠　第３図は従来例のクラスタイオン
ビーム発生装置の要部断面図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）坩堝内の蒸着物質を加熱して蒸着物質を蒸発せし
   めると共に坩堝内部に設けた電極と前記電極の対向電極
   を形成する前記坩堝との間で発生させた放電により、前
   記坩堝容器内において前記蒸着物質のガスプラズマを発
   生させ、前記ガスプラズマを坩堝より噴出させるクラス
   タイオンビーム発生方法。
2. （２）坩堝内部に設けた電極と対向電極である坩堝の間
   に流れる電流値を検出し、前記検出値に基づき両電極間
   の電位差を制御することにより坩堝内で発生する放電を
   グロー放電に保持する請求項１記載のクラスタイオンビ
   ーム発生方法。
3. （３）蒸着物質を収容する坩堝と、前記蒸着物質の加熱
   手段と、前記坩堝内部に配設され蒸着物質の蒸気を放電
   によりプラズマ化するための電極と、前記プラズマ化さ
   れた蒸着物質が噴出する、前記坩堝に設けたノズルとを
   具備したクラスタイオンビーム発生装置。
4. （４）坩堝内部に設けた電極と対向電極である坩堝の間
   に流れる電流値の検出器と、前記検出器からの信号に基
   づき両電極間の電位差を制御する可変電源装置とを有す
   る請求項３記載のクラスタイオンビーム発生装置。