JPH04202767A - イオンビーム発生装置および発生方法 - 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 本発明は真空蒸着の分野において、特に高機能薄膜デバ
イスの製造等に使用されるイオンビーム発生装置および
その発生方法に関すム 従来の技術 イオンビーム蒸着の代表的技術としてクラスタイオンビ
ーム蒸着が挙げられる。

クラスタイオンビーム蒸着（主　常温固体状の物質を加
熱蒸発させ被蒸着基板上に蒸着するものであり、特に高
機能薄膜の形成に利用される。

従来のクラスタイオンビーム発生装置は　例えば特公昭
５４−９５９２号公報に示されており第４図に示す構成
を有している。

蒸着蒸気発生手段１、イオン化手段２、イオンビームの
加速手段３、被蒸着基板１４等は　所定の圧力（真空度
）Ｐに設定した真空槽（図示せず）中に配設される。

蒸着蒸気発生手段１の坩堝５内では、　抵抗加熱用ヒー
タ６により蒸着物質１７の加熱　蒸発が開始されも　そ
の結果　坩堝５内部で圧力が増加した蒸着物質１７の蒸
気１８（以艮　蒸着蒸気１８と称する）（′！、ノズル
４から図中矢印方向に噴出し　その際に真空槽と坩堝５
内部の圧力差により断熱膨張して過冷却される。

この過程によって蒸着蒸気１８は凝縮り、　　５００〜
２０００個の原子か互いに緩く結合した塊状原子集団の
ビームすなわちクラスタビームとなって基板１４方向に
飛翔すム 坩堝内部の圧力ＰＯと真空槽の圧力Ｐの比ＰＯ／Ｐ（主
　効率よくクラスタビームを形成させるためには１０４
〜１０５より犬であることが望ましく、例えは真空槽の
圧力Ｐが１Ｏ−６Ｔｏｒｒのとき坩堝内部の圧力ＰＯは
１０−２以五　一般にはＰ　Ｏ＝　０．１〜Ｉ　Ｔｏｒ
ｒ以上となされる。

クラスタビーム発生手段１で発生したクラスタビームは
　イオン化手段２ではグリッド１１内へと至る。

イオン化手段２では　熱電子放出電極としてのフィラメ
ント８力丈　フィラメント加熱電源９により加熱されて
熱電子を放出する。この熱電子（表電源１０によってフ
ィラメント８より高電位に保たれたグリッド１１へと向
かう。

この熱電子のう板　メツシュ状のグリッド１１に捕捉さ
れることなくこのグリッド１］を通過した熱電子（飄　
グリッド１１内においてクラスタビームと衝突する。こ
の熱電子との衝突により、クラスタの構成原子の電子が
除去されて、十極性にイオン化されたクラスタイオンビ
ームが形成される。

な耘１２はフィラメント８を内包する様に配された熱シ
ールドである。

加速手段３で（表　加速電源１５によりグリッド１１に
対して負電位に保たれた加速電極１３の形成する電界で
、クラスタイオンビームは加速されて被蒸着基板１４（
以下、単に基板１４と称する）上に衝突し薄膜の蒸着が
行なわれる。

発明が解決しようとする課題 上記従来の構成で（表　フィラメント８で発生した熱電
子の多く　ＩＬ　　グリッド１１を通過しようとする際
にグリッド１１で捕捉され　実際にクラスタビームと衝
突する電子量は少ないものであっ通そのだへ　クラスタ
ビームの電離確率は低く、クラスタイオンビーム蒸着が
本来有すへ　膜の付着力　結晶法　配向性が向上し　高
密度で均質な膜が得られると言う特徴が十分に発揮出来
なかっあるいは　電離確率を向上させる為に　高周波や
電磁場を与えたり、イオン化手段を多段構成とした従来
構成のものでは、　装置構成が複雑であっｆミ 本発明は　上記問題点に鑑べ　簡単な構成で、イオン化
率が非常に高く、高品位な薄膜を得ることが可能なイオ
ンビーム発生装置並びにイオンビーム発生方法を提併す
ることを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明のイオンビーム発生装置で（ヨイオン化手段を、
熱電子放出電極と、蒸着蒸気流を囲む様に設置したグリ
ッドと、グリッド内部に設けた熱電子コレクタと、グリ
ッドと熱電子コレクタとの間に電位差を印加する電圧印
加手段より構成する。

あるいはイオン化手段を１．熱電子放出電極と、蒸発蒸
気流を囲む様に設置したグリッドから構成すると共に　
グリッドについては　熱電子放出電極側を絶縁法　蒸発
蒸気流側を導電性としたものであム また　本発明のイオンビーム発生方法は　熱電子放出電
極で発生した熱電子を、蒸着蒸気を囲むグリッド内に配
設した熱電子コレクタに流入させる過程で蒸着蒸気に衝
突させ蒸着蒸気をイオン化するものであム 作用 電圧印加手段により、グリッド内の熱電子コレクタに　
グリッドに対し正の電位を与えも　グリッドの外側の熱
電子放出電極から発生した熱電子は　グリッドを通過し
ようとする際に　その内部にあるグリッドより高電位の
熱電子コレクタに引かれる。その結果　殆ど大半の熱電
子がグリッド内へ　即ちクラスタビームの流路内へと導
かれグリッドで捕捉される熱電子は僅かな量となる。

また　グリッドの熱電子放出電極側を絶縁体蒸着蒸気側
を導電性とした構成で（友　熱電子放出電極から引き比
された電子は、　グリッドの外面から直接グリッドに飛
び込むことが不可能なた玖殆ど全ての電子がグリッドの
隙間を通過してグリッドの内部に流入した後、グリッド
の内面からグリッドに飛び込むことになも そのた教　クラスタビームの流路内に引き出される電子
の数（電子電流値）（ヨ　　著しく大きくなム 従ってクラスタビームに衝突する電子の数（電子電流値
）を従来に比べて非常に大きくできる。

実施例 以下に本発明の実施例を添付図面と共に説明する。

（第１実施例） 第１図は、　本発明のイオンビーム発生装置の第１の実
施例を示す要部断面図てあム　図中、第４図の装置と同
一機能を有する部分には同一符号を付して、その説明を
省略する。

本実施例のイオン化手段２では、　熱電子コレクタ２２
がグリッドｌｌ内に配設されており、熱電子コレクタ２
とグリッド１１との間の電位差は可変直流電源装置１９
により任意に設定可能であム　本実施例で１友　熱電子
コレクタ２２はグリッド１１に対して正の電位にバイア
スされている。

また　熱電子コレクタ２２に流入する電子電流１表電流
検出器２０により検出可能に構成されている。

さて、熱電子放出電極としてのフィラメント８から発生
した熱電子の大半１表　　グリッド１１付近にまで至っ
た後、グリッド１１よりも更に高電位の熱電子コレクタ
２２に引かれてグリッド１１内に　即ちクラスタビーム
の流路内に導かれも　従って、グリッド１１で捕捉され
る熱電子の量は第４図に示した従来の装置に比べて大幅
に減少すム その結果　クラスタビームに衝突する熱電子の数（電子
電流値）は　従来例に比較して非常に大となり、クラス
タビームのイオン化率が大幅に向上し製膜品質に優れた
クラスタイオンビームを得ることが可能である。

更に本実施例では　基板１４へのイオン電流の制御をも
行なうことが可能である。

第２図（ａ）、（ｂＨよ　それぞれ本実施例装置におけ
Ｌ　熱電子コレクタ２２とグリッド１１間の電位差と熱
電子コレクタ２２に流入する電子電流値ＩＣ，並びに熱
電子コレクタ２２とグリッド１１間の電位差と基板１４
に到達するイオン電流値１ｓｕｂとの関係を示したもの
である。Ｉｃｉ；Ｌ　　電流検出器２０により測定を行
（Ｘ　ｌ５ｕｂｌ＆　　破線で示す電流検出器２１を図
示の位置に挿入して測定し旭 同図から明かな様に　熱電子コレクタ２２とグリッド１
１間の電位差の増加とともに　熱電子コレクタ２２に流
入する電子電流値１ｃ、　　並びに基板１４に到達する
イオン電流値１ｓｕｂも著しく増加する。

この様にＩｃと１ｓｕｂとの間にｉｌ　　明瞭な相関が
存在するので、熱電子コレクタ２２に流入する電子電流
値を電流検出器２０を用いて検出し　この検出値に基づ
き熱電子コレクタ２２とグリッド１１間の電位差を制御
することで、基板１４に到達するイオン量を精密に制御
するが可能となも あるいは　電流検出器２０を第１図の破線で示した位置
に接続し　この電流検出器２０の測定値が一定となるよ
うに熱電子コレクタ２２とグリッド１１との間の電位差
を制御するようにしても良１．％以上のように　本実施
例で（表　イオン化率の制御が広い範囲で容易に行える
ので、膜質（膜の結晶法　結晶構逃　および配向性等）
を膜厚方向で均一に　あるいは任意に制御でき、従来得
られなかった高機能な特性を有する材料の製膜を容易に
行なうことが出来る。

第３図は本発明のイオンビーム発生装置の第２の実施例
を示す要部断面図であム 第１＠　第４図と同一の機能を有する構成要素について
は、　同一の符号を付し　その詳細な説明を省略すも さて、本実施例で１１　イオン化部以外の部分について
は　第１図を用いて前述した実施例と同一の機能を有す
るものである。

そこで、以下、イオン化部の構成について説明する。

クラスタビームのイオン化手段は熱電子放出電極として
のフィラメント８と、クラスタビームの流路を囲むよう
にフィラメント８の内側に設置したタンタル製のメツシ
ュを円筒篭状に成形した熱電子を引き出すためのグリッ
ド１１から構成していも そして、　グリッド１１には　フィラメント８側（外面
）の面にＳｉＯ等の絶縁膜２３を形成して、グリッド１
１のフィラメント８側（外面）を絶縁性蒸着蒸気流であ
るクラスタビーム流側（内面）を導電性としたものであ
４ この絶縁膜の形成ｆ；Ｌ　　公知の真空製膜法を用いて
、円筒状グリッド３８の内部に円柱状の回転軸を挿入し
　グリッドを回転させながら、　ＳｉＯ等の絶縁膜を製
膜することにより、容易に上記構成のグリッドを製作す
ることができる。

上記の構成により、フィラメント８から引き出された電
子は、　グリッド１１の表面で捕捉されることが殆どな
く、図中に破線で示すよう（二　はぼ全ての電子がグリ
ッド１１の隙間を通過してグリッド３８の内部に一旦流
入した後、グリッド３８の内面からグリッドに飛び込む
ことになる。

そのた塩　クラスタビームの流路内に引き出される電子
の数Ｎｅ（電子電流値）が著しく大きくなるのみならず
、電子の飛行距離りも長くなることになる。

形成されるイオンの数Ｎ３は Ｎ″−Ｎｅ−Ｌ であるた教　上記手段によりイオンの数、即ちイオン化
率か著しく増大すム このようにして、クラスタの構成原子のなかの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した後
、加速電極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、基板に衝突させ、基板上に蒸着
物質の高品質薄膜を形成すも したがって本実施例によれは　イオン化部の構成を複雑
にすることなく、イオン化率が非常に高くなり、製膜品
質に優れたクラスタイオンビームを得ることが可能とな
るものであム な耘　上記各実施例においては、　イオン化手段の熱シ
ールド１２の電位は浮遊状態である力交　これをフィラ
メント８に対し同電位もしくは負の電位にすれ（、ｉ　
その電界の作用によっても熱電子はクラスタビームの方
向に力を受けるたべ　イオン化率が向上するのは言うま
でもなｔ、％ また　フィラメント８、グリッド１１、熱電子コレクタ
２２は同心円状に配置した構成とした力交　各々を平面
状とし上記の順で平行に配置した場合にＬ　本発明は適
用可能であり、同様な効果を得ることができる。

また　グリッド１１は、　メツシュの他に多孔板などで
形成してもより、％ 更に　熱電子との衝突による蒸着蒸気のイオン化におい
て、外部より高周波や電磁場を加えて熱電子の飛行距離
を増大させイオン化率を高める従来構成の装置にも本発
明が適用できることは勿論であも 発明の効果 以上のように本発明によれ（Ｌ　大部分の電子を蒸着蒸
気の流路内に導くことができ、蒸着蒸気に衝突させる電
子の数を非常に大にでき、イオン化率を大幅に向上でき
も　またイオン化の制御性も向上でき、高品位な薄膜を
製膜できるという効果が得られも

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオンビーム発生装置の実施例の要部
断面図　第２図は同実施例装置の特性図第３図は　本発
明のイオンビーム発生装置の他の実施例の要部断面図　
第４図は従来のイオンビーム発生装置の要部断面図であ
る。 ４・・・ノズ／ｌ、、　　５・・・坩ａ　６・・・抵抗
加熱用ヒー久８・・・フィラメント、１１・・・グリッ
ド′、１４・・・被蒸着基板　１７・・・蒸着物質、１
８・・・蒸着蒸気、１９・・・可変直流電源装置ｔ２０
．２１・・・電流検出器　２２・・・熱電子コレクタ。 代理人の氏名　弁理士　小鍜冶　明　ほか２名１−Ｘ＊
酊滴廿技 ！イλし化１に ３−加えキ谷 ｇ−−７＋フｉノｌＪ’！ｔ４−椛電ｆｋ）１＾−籾４
％１稙 １ｚ　１１几 ｌｑ、−、ｕｌ’ｌすＪ１ジ＾−１Ｃシ譜、１◇】ずＰ
ＩＪＩ−電邊ｉｔヱ番 ２１　欠！を手〕Ｌクタ 第　２　図 車重 う噌）ｔｊ−」レグ９と７°す・ノＹの釘イｉ夕１４１
．）学ト′会＝妄］Ｌフタ）フリッＶ／）ｔ″イ立秀Ｖ
）第３図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸着物質を蒸発させてその蒸気を発生する蒸着蒸
   気発生手段と、前記蒸着蒸気発生手段で発生した蒸気を
   イオン化するイオン化手段と、前記イオン化手段により
   イオン化された蒸着蒸気を加速する加速手段とを備え前
   記イオン化手段は、蒸着蒸気を囲むように配されたグリ
   ッドと、このグリッドの外周側に配された熱電子放出電
   極と、前記グリッドの内周部に配された熱電子コレクタ
   と、前記グリッドと熱電子コレクタとの間に電圧を印加
   する電圧印加手段とから構成されたことを特徴とするイ
   オンビーム発生装置。
2. （２）電圧印加手段により、グリッド内部に設けた熱電
   子コレクタをグリッドに対し正の電位に保持される請求
   項１記載のイオンビーム発生装置。
3. （３）蒸着物質を蒸発させてその蒸気を発生する蒸着蒸
   気発生手段と、前記蒸着蒸気発生手段で発生した蒸気を
   イオン化するイオン化手段と、前記イオン化手段により
   イオン化された蒸着蒸気を加速する加速手段とを備え前
   記イオン化手段は、蒸着蒸気を囲むように配されたグリ
   ッドと、このグリッドの外周側に配された熱電子放出電
   極とから構成されると共に前記グリッドは、前記熱電子
   放出電極側を絶縁性、蒸発蒸気流側を導電性としたこと
   を特徴とするイオンビーム発生装置。
4. （４）蒸着物質を加熱して蒸着蒸気を発生させた後、前
   記蒸着蒸気をグリッド内に導くと共に熱電子放出電極か
   ら放出され前記グリッド内に配した熱電子コレクタに流
   入する熱電子を前記蒸着蒸気に衝突させて蒸着蒸気をイ
   オン化するイオンビーム発生方法。
5. （５）熱電子コレクタに流入する電流値もしくは被蒸着
   基板に流入する電流値の少なくとも一方を検出し、前記
   検出値に基づき前記熱電子コレクタとグリッド間の電位
   を制御して、被蒸着基板に到達するイオン電流値を制御
   する請求項４記載のイオンビーム発生方法。