JPH0390567A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、クラスターネオンビーム蒸着法を用いた薄膜
形成装置に関するものである。

［従来の技術］ 第３図は従来のクラスターイオンビーム蒸着装置の概略
構成図である。図中、１０は蒸発源であり、蒸着物質１
１を入れたるつぼ１２を、加熱用フィラメント１３にて
加熱し、蒸着物質１１を蒸発させてノズル１４から噴射
することにより、断熱膨張による過冷却現象を利用して
数百〜数千個の緩く結合された原子集団よりなるクラス
ターを形成する。なお、るつぼ１２は（ｉ）加熱温度が
低いときは加熱用フィラメント１３の輻射熱を利用し、
（ｉｉ）加熱温度が高いときは、加熱用フィラメント１
３の輻射熱と、フィラメント１３からの熱電子によるる
つぼ１２への電子衝撃を利用して、加熱される。２０は
イオン化室であり、フィラメント２１から放出された電
子をクラスターに浴びせることによりクラスターの一部
をイオン化する。

原子集団の一部がイオ〉・化されたクラスターイオンは
、加速電極３０にて加速されて、基板４０に射突され、
蒸着される。この場合、原子１個あたりの運動エネルギ
ーが膜形成に適した大きさとなるので、良質の膜を形成
することができる。また、蒸着物質の一部は中性原子の
まま基板４０に射突される。図中、５０は真空チャンバ
ーであり、高真空状ＦＥ！ｆ（１０−４〜１０−’Ｔｏ
ｒｒ程度）に排気されている。

このような蒸着装置において、従来、蒸着ビームＢの経
路上に、蒸着ビームＢの方向とは垂直方向に偏向電圧を
印加し、静電気力によりイオン化クラスターを蒸着ビー
ムＢから分離し、イオン化クラスターのみを基板４０に
導くことが提案されている。この場合、中性クラスター
は蒸着に利用されない（特開昭６２−９８７１７号公報
、実開昭６２−８０３２４号公報参照）。

一方、クラスターサイズの分布を測定する方法として、
リターディング法〈京都大学臼井博明氏博士論文参照）
が提案されている。これは、蒸着ビームの経路における
イオンガンと基板との間に、蒸着ビームと同方向に減速
電圧を印加し、基板に到達するイオン電流の変化を測定
することにより、クラスターサイズの分布を解析するも
のである。

しかしながら、この文献ではクラスターサイズの分布を
測定する技術が記述されているに過ぎず、減速電圧を印
加して蒸着を行うという発想は全く示唆されていない。

［発明が解決しようとする課題］ クラスターイオンビーム蒸着装置において、蒸発源で形
成されるクラスターのサイズ（緩く結合した総原子数二
〇）は、第４図に示すような分布となり、成るサイズ付
近でピークを持つものであるが、同時にうまくクラスタ
ーになれなかった単原子も多く存在する。これらの一部
は＋１価にイオン化され、数ＫＶで加速され、数ＫｅＶ
のエネルギーを持って基板に達する。数ＫｅＶのエネル
ギーを持ったイオン化クラスターは、基板表面でマイグ
レーション効果が期待できるが、数ＫｅＶのエネルギー
を持った単原子イオンは、スパッタ作用を起こすことに
なる。また、イオン化した残留ガスなども高エネルギー
で基板に達するため、不純物として膜中に取り込まれや
すくなる。したがって、結晶性を向上させるためには、
これらの単原子イオンや残留ガスイオン等が基板に達す
ることを防ぐ必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、クラスターイオンビーム蒸着法
を用いた薄膜形成装置におい文、単原子イオンや残留ガ
スイオン等が基板に達することを防止できるようにする
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る薄膜形成装置にあっては、上記の課題を解
決するために、第１図又は第２図に示すように、クラス
ターイオンビーム蒸着装置において、蒸着ビームＢの経
路に蒸着ビームＢと同方向に減速電圧を印加できる減速
電極６０を備えたものである。

ここで、減速電極６０は第１図に示すように加速電極３
０よりも基板４０側に設けても良いし、第２図に示すよ
うにグリッド電極２２と加速電極３０との間に設けても
良い。

［作用１ 本発明にあっては、このように、クラスターイオンビー
ム蒸着法を用いた薄膜形成装置において、蒸着ビームＢ
の経路に蒸着ビームＢと同方向に減速電圧を印加できる
減速電極６０を設けたので、イオン化された原子のうち
、単原子イオンや残留ガスイオン等の運動エネルギーの
小さいものを除去することができる。一方、イオン化ク
ラスターは運動エネルギーが大きいので、減速電極６０
を通過し、基板４０に到達する。なお、中性クラスター
は減速電極６０によっては減速されないので、基板４０
に達して、蒸着に利用される。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例の概略構成図である。

本実施例にあっては、基板４０及び加速電極３０が接地
された通常のクラスターイオンビーム蒸着装置（第３図
参照）において、加速電極３０の上方（基板側〉に減速
電極６０を設け、この減速電極６０に正の電圧■「を印
加できるようにしたものである。また、減速電極６０の
上方（基板側）に再加速電極３１を設けて、これを接地
し、基板４０及び加速電極３０と同電位としている。各
電極３０３１．６０には、図中破線で示すように、メツ
シュを設けても良い。その他の構成は第３図に示す従来
例と同様である。

本実施例にあっては、るつぼ１２から噴出された蒸着物
質はクラスターを形成し、イオン化室２０でイオンｆヒ
され、さらに加速電４１１ｉｉ３０に印加された加速電
圧Ｖａにより加速された後、減速電極６０に印加された
減速電圧Ｖｒにより一旦減速される。このとき、イオン
化クラスターよりも運動エネルギーが小さい単原子イオ
ンや残留ガスイオンは、減速電極６０を通過できず、イ
オン化クラスターは通過できるように電圧Ｖｒを設定す
る。

減速電極６０を通過できたイオン化クラスターは、再加
速電極３１により再び元の運動エネルギーまで加速され
、基板４０に達する。

今、Ｔ　（”　Ｋ　）で加熱されたるつぼ１２から噴出
された蒸発原子の運動エネルギーを（３／２）ｋＴ（ｋ
：ボルツマン定数）とする。断熱膨張による過冷却現象
により蒸発原子がｎ個（ｎ≧１）のクラスターを形成す
ると、そのクラスターの運動エネルギーは（３／２）ｎ
ｋＴとなり、サイズの大きいクラスター程大きい運動エ
ネルギーを持つことになる。クラスターの一部は、イオ
ン化室２０でイオン化されて、＋１価のイオン化クラス
ターとなる。イオン化クラスターは、加速電圧−Ｖ　ａ
　（Ｖ　ａ≧０）で加速されて、基板４０に向かい、通
常のクラスターイオンビーム蒸着では（３／　２　）ｎ
ｋＴ　＋ｅＶａの運動エネルギーで基板４０に達する。

ここで、減速電極６０を設け、加速電圧Ｖａよりも大き
い減速電圧Ｖ　ｒ−Ｖ　ａ＋　Ｖ　（Ｖ　＞　Ｏ）を印
加すると、イオン化クラスターの基板方向の運動エネル
ギーは、（３／　２　）ｎｋＴ　−ｅＶにまで減少し、
（３／　２　）ｎｋＴ　−ｅＶ≦０になれば、そのイオ
ン化クラスターは減速型ｆ！６０を通過できない。つま
り、減速電圧ＶｒＶａ＋Ｖを印加することにより、ｎ≦
（２ｅＶ／３ｋＴ）の大きさのイオン化クラスターを除
去できる。

また、電圧■が数ポルトル数十ボルトの小さい電圧であ
っても、クラスターにならなかった単原子のイオンや残
留ガス等のイオンを除去することができ、スパッタ作用
や不純物の混入を抑えることができる０例えば、計算に
よれば、Ｖ＝５ポル１〜でサイズｎ≦１０のイオン化ク
ラスターを十分除去できることになる。

減速型ｆｉ６０を通過することができたサイズｎの大き
いイオン化クラスターは、再加速電圧＝（Ｖ　ａ＋Ｖ）
により再び（３／　２　＞ｎｋＴ　＋　ｅＶ　ａの運動
エネルギーを得て基板４０に達する。結果的には、通常
のクラスターイオンビーム蒸着用のビームから、任意の
大きさより小さいイオン化クラスターや単原子イオン、
残留ガスイオン等を除去することになり、イオン化クラ
スターのマイグレーション効果を有効に得ることができ
る。また、中性粒子は減速電圧には全く影響を受けない
ので、蒸着レートは十分に高く保たれる。

第２図は本発明の他の実施例の概略構成図である。本実
施例にあっては、グリッド電１２２と加速電極３０の間
に減速電極６０を設けて、グリッド電極２２に対して正
の電圧Ｖｒを印加できるようにしたものである。このよ
うに、減速電極６０を加速電極３０よりも前に配置する
と、蒸着物質がクラスターを形成し、イオン（ヒされた
後、加速電圧Ｖａにより加速される前に噴射エネルギー
のみを持った状態でイオン化クラスターは減速電圧Ｖｒ
により一旦減速される。このとき、イオン化クラスター
上りも運動エネルギーが小さい単原子イオンや残留ガス
イオンは減速電極６０を通過できず、イオン化クラスタ
ーは通過できるように減速電圧Ｖ「を設定する。通過で
きたイオン化クラスターは、加速電圧Ｖａにより加速さ
れ、基板４０に達する。

今、Ｔ　（’　Ｋ　）で加熱されたるつぼ１２から噴出
された蒸発原子の運動エネルギーを（３／２）ｋＴとす
ると、ｎ個（ｎ≧１）のクラスターの運動エネルギーは
（３／２）ｎｋＴとなる。クラスターは、イオン化室２
０でイオン化され、＋１価のイオン化クラスターとなる
。ここで、減速電極６０に減速電圧Ｖｒ＝Ｖ（Ｖ＞Ｏ）
を印加すると、イオン化クラスターの基板方向の運動エ
ネルギーは、（３／２）ｎｋＴ−ｅＶにまで減少し、（
３／　２　）ｎｋＴ−ｅＶ≦０になれば、そのイオン化
クラスターは減速電極６０を通過できない。数ポルトル
数十ポルｌ−の小さい電圧Ｖでも、クラスターにならな
かった単原子のイオンや残留ガス等のイオンを除去でき
る。戎速電極６０を通過することができたサイズの大き
いイオン化クラスターは、加速重圧−（Ｖａ十Ｖ）によ
り、（３／　２　）ｎｋＴ　＋　ｅＶ　ａの運動エネル
ギーを得て基板４０に達する。

上記いずれの実施例においても、減速電圧Ｖｒを印加す
ることにより、蒸着ビームＢから単原子イオンや残留ガ
スイオンを除去することができ、それらによるスパッタ
作用や不純物の取り込み等を防ぐことができる。また、
イオン化クラスターは基板に達するので、そのマイグレ
ーション効果を有効に利用することができる。それ故、
比較的低温においても、結晶性の良い蒸着膜が得られる
。

また、中性クラスターも基板に達するので、蒸着レート
は十分に保つことができる。さらに、減速電圧Ｖｒは蒸
着ビームＢと同方向に印加するために、蒸着ビームの方
向は通常のクラスターイオンビーム蒸着装置と変わらず
、偏向電圧型の従来例と比べてｍ造が非常に簡単となる
。

［発明の効果］ 本発明にあっては、クラスターイオンビーム蒸着法を用
いた薄膜形成装置において、蒸着ビームの経路に蒸着ビ
ームと同方向に減速電圧を印加できる減速電極を備える
ので、クラスターになれなかった単原子のイオンや残留
ガスのイオンを除去でき、それらによるスパッタ作用や
不純物混入を抑えることができるという効果がある。こ
のため、イオン化クラスターによるマイグレーション効
果を有効に得ることができ、比較的低温においても薄膜
の結晶性向上が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略構成図、第２図は本
発明の第２実施例の概略構成図、第３図は従来例の概略
構成図、第４図は同上の動作説明図である６ １０は蒸発源、２０はイオン化室、３０は加速電極、４
０は基板、５０は真空チャンバー、６０は減速電極であ
る。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　クラスターイオンビーム蒸着装置において、蒸
   着ビームの経路に蒸着ビームと同方向に減速電圧を印加
   できる減速電極を備える薄膜形成装置。
2. （２）　減速電極は加速電極よりも基板側に設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
3. （３）　減速電極はクラスターイオンビーム蒸着装置に
   おけるクラスターのイオン化のためのグリッド電極と加
   速電極との間に設けたことを特徴とする請求項１記載の
   薄膜形成装置。