JPH0423320A - 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〕 この発明は、イオンビームを利用して各種素材の表層を
改質し、あるいは素材の表面に薄膜を形成する薄膜形成
装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種の装置としては、第９図に示すようなイオ
ンビームミキシング装置が知られている。

導入されたガスをプラズマ化するとともに静電界の作用
でプラズマ中からイオンを引き出す１例えば低気圧放電
を利用したイオン源１　（例えば、周壁にスリットが形
成された金属容器内を、金属容器から絶縁して熱陰極線
もしくは熱陰極棒をスリットと平行に走らせ、この熱陰
極と金属容器との間に電圧を印加して金属容器内に対象
ガスのプラズマを発生させ、スリット前面のイオン引出
し電極に対熱陰極負電圧を印加してプラズマ中からイオ
ンを引き出すイオン源など）から引き出されたイオンビ
ーム２を、イオン注入プロセスチャンバ３内に設置され
た改質目的の素材４０表面に打ち込むとともに、プロセ
スチャンバ３の下部に設置された蒸着装置５１例えば蒸
着物質を電子ビームなど高エネルギ密度ビームのエネル
ギを利用する照射加熱、ジュール熱を利用する抵抗加熱
、高周波電流による渦電流発熱を利用する誘導加熱など
の手段で加熱、蒸発させる真空蒸着装置から発する金属
などの蒸気６で同時に成膜して、素材４０表面にイオン
元素と蒸気元素との両成分を含む薄膜を形成するもので
ある。イオン元素として窒素を、蒸気元素としてチタン
を用いれば、高硬度のチタンナイトライドが成膜される
。素材表面に一様に成膜するため、素材ホールダ９は、
素材を自転させるための回転機構７を備えていることが
多く、また、プロセスチャンバ３の真空を維持するため
に真空排気装置８を装備する。なお、符号２６は清浄な
蒸気が発生するようになるまで蒸着を阻止するシャッタ
を示す。

〔発明が解決しようとする！Ｊｌ１） このように構成される従来装置においては、蒸着物質を
入れるるつぼ、あるいはボートの容量を大きくすること
が、それ自身の構成に難点があるだけでなく、電源規模
も大きくなり、プロセスチャンバ内の部品機構配置も複
雑になり、経済的にも問題があるため、１回でチャージ
可能な蒸着物質の量が限られ、また、交換時の残量も比
較的多いことから、蒸着物質の減少に伴う補給がかなり
短時間周期で必要となり、このために作業が煩雑となり
、生産性向上の妨げにもなっていた。また、蒸着物質の
種類を変える場合には、蒸着物質交換のためのプロセス
チャンバの大気開放に伴う水分。

０１＋　ごみなどの侵入によるコンタミネーシッンを防
止するために、予め蒸着装置を複数個備えた大形装置と
するか、あるいは蒸着ボートの入念な清掃が必要であっ
た。さらに、化合物を成膜しようとする場合には、各々
の蒸発物質の蒸発度合いが経時変化するが、この蒸発度
合いを検出する手段が難しく、成分比の制御が困難であ
った。

この発明の目的は、蒸着物質の補給周期が長く、化合物
の成膜も容易であり、かつコンタミネーシヨンのない薄
膜形成装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明においては、薄膜
形成装置を、導入されたガスをプラズマ化するとともに
静電界の作用でプラズマ中からイオンを引き出すイオン
源と、引き出されたイオンが入射され目的とするイオン
を磁界の作用で所望の軌道へ射出する質量分析マグネッ
トと、被成膜素材が配置されるプロセスチャンバとを備
えるとともに、プラズマ中から引き出された複数種のイ
オンのうち、薄膜成分を構成するイオンが素材表面に注
入される装置運転条件のときに他種のイオンが通過する
位置に素材表面と対向するように固体ターゲットが配置
される装置とし、イオン源で複数種のイオンを生成して
薄膜成分を構成するイオンを素材表面に注入しつつ、走
行軌道が薄膜成分イオンの軌道から分離した他種のイオ
ンで固体ターゲットをスパッタしてスパッタ粒子を素材
表面に堆積させるようにするものとする。

〔作用〕

このように２種類のイオンの走行軌道を分離し、その一
方を素材表面へのイオン注入に使用し、他方を固体ター
ゲットへの打込みに使用して固体ターゲットをスパッタ
し、スパッタ粒子を素材表面に堆積させる装置とすれば
、固体ターゲットは、従来装置における蒸着物質のよう
な、１回のチャージ量が限られる細粒や細線とは異なり
、構造物を構成するから大きくすることができ、また、
交換時の残量割合を小さくすることができるため、交換
周期が長くなる。また、従来装置におけるボートのよう
な、入念な清掃を必要とする部材がなく、ターゲットの
取替えを短時間で行うことができるので、蒸着物質の変
更も容易である。また、スパッタレート　（単位時間当
りのスパッタ量）がターゲツト材の１１イオン種、イオ
ンのもつ運動エネルギ、イオン打込み角度で決定される
ので、ターゲツト材の１１イオン種、イオン打込み角度
が決まると、スパッタレートはイオンのもつ運転エネル
ギのみで決まり、このエネルギに対応するイオン電流を
検出してこれを制御することにより成膜速度の精密な制
御が可能になる。

〔実施例〕 第１図に本発明の第１の実施例による装置構成を示す、
イオン源１に注入目的のガス１１を導入して、低気圧放
電等の手段でプラズマ化する。導入ガスとして例えばＮ
３ガスを用いた場合には、Ｎ、Ｎｘ”、Ｎ”　、Ｎ”等
のイオンが生成される。これらのイオン群をプラズマの
中から引き出し、質量分析マグネット１３を通過させて
各イオンの軌道を分離し、得られた複数のイオンビーム
のうち、注入用イオンのイオンビーム１４と、ターゲッ
トスパッタ用の別のイオンのイオンビーム１５との２つ
のイオンビームを薄膜形成に用いる。プロセスチャンバ
内には被成膜基板４と対向してターゲット１６が配置さ
れ、基板４には注入目的のイオンが注入され、ターゲッ
ト１６からはイオンビーム１５によりターゲット勧賞が
スパッタされて基板表面に薄膜が形成される。なお、タ
ーゲットに打ち込まれてターゲットをスパッタするイオ
ンは、ターゲットと反応して化合物になるとスパッタレ
ートが変化するので、イオン源１にアルゴン等の希ガス
１２を追加供給し、そのイオンをスパッタに用いること
が望ましい。

第２図に本発明の第２の実施例による装置構成を示す、
２種のイオンの比電荷（イオンのもつ電荷量と質量との
比）の差が大きいときには両イオンの軌跡が離れ、基板
とターゲットとの距離が離れてしまってスパッタ原子が
育効に成膜に寄与しなくなるので、質量分析マグネット
通過後のイオンビームの一方、ここではターゲットスパ
ッタ用イオンビーム　を静電偏向部１７で偏向し、基板
近傍に設置したターゲット１６に打ち込んでいる。この
実施例では、イオンビームの偏向を静電偏向により行っ
ているが、磁気偏向により行うようにしてもよい。

第３図に第２図に示す実施例の改良実施例を示す、ター
ゲット１６をスパッタ蒸着源として有効に利用するため
に、静電偏向部１７における偏向強度を周期的に変化さ
せ、イオンビーム１５がターゲツト面を走査するように
している。

ターゲット１６をさらに有効に利用するために、図の装
置構成において、ここには特に図示しないが、ターゲッ
ト１６をイオンビームの偏向方向に垂直な方向すなわち
紙面に垂直な方向に往復動させる装置構成とすることが
好ましく、この往復動は簡単なりランク機構等により容
易に実現が可能である。また、この往復動は以下の実施
例においても並用することにより、蒸着物質の補給周期
をさらに長くすることができる。

第４図は第３図の改良実施例を示すものである。

ターゲットの交換周期を第３図の場合よりもさらに長く
するため、装置に回転駆動機構２５を装備させ、大口径
ターゲ・ントをイオン打込み軸からずれた位置を中心に
回転させることによりターゲットの長寿命化を図ってい
る０回転数はあまり制約されず、例えば数ｒｐ−と低く
てもよい。

第５図に本発明の第３の実施例による装置構成を示す。

イオン源の電離特性には経時変化があるので、複数のガ
スを用いる場合、基板４およびターゲット１６に打ち込
まれるイオン電流を、この実施例では抵抗１８の端子電
圧として取り出し、この端子電圧を制御器１９に入力し
て制御信号をマスフローコントローラ２０へ出カシ、マ
スフローコントローラを通過するガス流量を変化させ、
イオン源１から引き出される２つのイオン電流の比を制
御する。

第６図に第５図と同一目的の別の実施例を示す。

第５図のマスフローコントローラの代りにスリット２１
ａを備えた柱状体２１．２１を、質量分析マグネットを
通過したイオンビームの通路に設置し、この柱状体２１
．２１を、第５図における制御器１９からの出力信号に
より回動させるようにしてそれぞれのスリット２１ａ、
　２１ａを通過するイオンビーム量を調整し、基板４に
おけるイオン注入量と成膜量との比を制御するようにし
ている。この制御方法は。

同一ガスから得られる１価と２価のイオンを利用する場
合にも適用することができ、装置の運用幅が広がる。な
お、柱状体の形状は図示のものに限定されるものではな
い。

第７図に本発明の第４の実施例による装置構成を示す。

この実施例では、基板に対向するターゲットとして、回
転するディスク２２に異種のターゲット２３．２４が取
り付けられ、多成分系薄膜を形成することができる。

第８図に本発明の第５の実施例による装置構成を示す、
衆知のように、質量分析マグネットにおけるイオン軌道
の曲率半径ｒは、 ｒ　＝　（２ｍＶ／　ｅ）１％／　Ｂ、　ｍ　：イオン
質量■：イオンエネルギ ｅ：電子の電荷 Ｂ：磁束密度 で決定されるので、イオンエネルギあるいは磁束密度を
変化させればイオン軌道の曲率半径が変化する。従って
、イオンエネルギＶ、すなわちイオンの引出し電圧およ
びまたは磁束密度Ｂを周期的に変化させることにより、
双方のイオンビームがそれぞれ基板４およびターゲット
１６を走査する。

従って、イオンエネルギＶおよびまたは磁束密度Ｂを周
期的に変化させることができるように装置を構成するこ
とにより、ターゲットを効率よく利用できるとともに基
板にも均一にイオンを注入することができる。

以上の説明は主にターゲット側について行ったが、ター
ゲットの均一な消耗と並んで、成膜の膜厚、成分などの
均一性確保は基板側でも必要となるものであり、本説明
は基板側にもあてはまるものである。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明においては、真空容器内に
配置された素材の表面にイオンを注入しつつ真空蒸着ま
たはスパンタ蒸着により薄膜成分物質を素材の同一表面
に堆積させ、素材表面に前記イオン物質と蒸着物質とを
薄膜成分として含む薄膜を形成する薄膜形成装置を、導
入されたガスをプラズマ化するとともに静電界の作用で
プラズマ中からイオンを引き出すイオン源と、引き出さ
れたイオンが入射され目的とするイオンを磁界の作用で
所望の軌道へ射出する買置分析マグネットと、被成膜素
材が配置されるプロセスチャンバとを備えるとともに、
プラズマ中から引き出された複数種のイオンのうち、薄
膜成分を構成するイオンが素材表面に注入される装置運
転条件のときに他種のイオンが通過する位置に素材表面
と対間するように固体ターゲットが配置される装置、す
なわち、イオン源から引き出された複数種のイオンを質
量分析マグネットを通過させてそれぞれのイオンの軌道
を分離し、注入目的のイオンを素材の表面に打ち込むと
ともに他種のイオンをターゲットに打ち込んでスパッタ
蒸着する装置としたので、蒸着物質を、従来装置におけ
るるつぼやボートにチャージされる。１回のチャージ量
が限られる細粒や細線などによる蒸着物質と比べて高密
度にして直径や厚みの大きい大容積の、質量の大きい構
造物を形成する固体ターゲットとすることができ、蒸着
物質の補給周期が長く、化合物の成膜およびその成分比
の制御も容易な、かつ蒸着物質の交換時間の短縮に基づ
くコンタミネーシヨンの少ない薄膜形成装置の実現が可
能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による装置構成図、第２
図は本発明の第２の実施例による装置構成図、第３図は
第２図に示す実施例の改良実施例による装置の要部構成
図、第４図は第３図に示す実施例の改良実施例による装
置の要部構成図、第５図は本発明の第３の実施例による
装置構成図、第６図は第５図と同一目的の別の実施例に
よる装置の要部構成図、第７図は本発明の第４の実施例
による装置の要部構成図、第８図は本発明の第５の実施
例による装置構成図、第９図は従来例による装置構成図
である。 １：イオン源、２．１４．　Ｉｓ　：イオンビーム、３
：プロセスチャンバ（真空容器）　　４：基板（素材）
、５：真空蒸着装置、６：蒸気（ＩＩ膜成分物質）　、
１１．１２：ガス、１３：質量分析マグネット、１６．
２３．２４；固体ターゲット、１７：静電偏向部、１８
：抵抗、１９：制御器、２０：マスフローコントローラ
、 ２５： 回転駆動機構。 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）真空容器内に配置された素材の表面にイオンを注入
   しつつ真空蒸着またはスパッタ蒸着により薄膜成分物質
   を素材の同一表面に堆積させ、素材表面に前記イオン物
   質と蒸着物質とを薄膜成分として含む薄膜を形成する薄
   膜形成装置であって、導入されたガスをプラズマ化する
   とともに静電界の作用でプラズマ中からイオンを引き出
   すイオン源と、引き出されたイオンが入射され目的とす
   るイオンを磁界の作用で所望の軌道へ射出する質量分析
   マグネットと、被成膜素材が配置されるプロセスチャン
   バとを備えるとともに、プラズマ中から引き出された複
   数種のイオンのうち、薄膜成分を構成するイオンが素材
   表面に注入される装置運転条件のときに他種のイオンが
   通過する位置に素材表面と対向するように固体ターゲッ
   トが配置されることを特徴とする薄膜形成装置。 ２）請求項第１項に記載の薄膜形成装置において、イオ
   ン源に導入されてプラズマ化されるガスが１種類であり
   、プラズマ化によって生じ薄膜形成に用いられるイオン
   対が１価または２価の原子、分子あるいはそれらの組合
   わせであることを特徴とする薄膜形成装置。 ３）請求項第１項に記載の薄膜形成装置において、イオ
   ン源に導入されてプラズマ化されるガスが２種類であり
   、一方のガスが希ガスであることを特徴とする薄膜形成
   装置。 ４）請求項第１項に記載の薄膜形成装置において、質量
   分析マグネットからそれぞれ素材および固定ターゲット
   へ向かうイオンの一方または両方が静電的あるいは磁気
   的に偏向させられることを特徴とする薄膜形成装置。 ５）請求項第１項に記載の薄膜形成装置において、面体
   ターゲットが、該面体ターゲットに注入されるイオンの
   ビーム軸からずれた位置を中心に該固体ターゲットのイ
   オン注入面の方向を一定に維持して回転させられること
   を特徴とする薄膜形成装置。 ６）請求項第３項に記載の薄膜形成装置において、素材
   表面および固体ターゲットに注入されたイオン電流がそ
   れぞれ検出され、そのそれぞれの絶対値または両イオン
   電流の比に基づいてイオン源に導入されるそれぞれのガ
   ス量が制御されることを特徴とする薄膜形成装置。 ７）請求項第１項に記載の薄膜形成装置に おいて、素材表面および固体ターゲットに注入されたイ
   オン電流がそれぞれ検出され、そのそれぞれの絶対値ま
   たは両イオン電流の比に基づいて素材および固体ターゲ
   ットへ向かうイオンビームの一方または両方のイオンビ
   ーム量がスリットを用いて調整されることを特徴とする
   薄膜形成装置。 ８）請求項第１項に記載の薄膜形成装置に おいて、素材の表面と対向するように配置される固体タ
   ーゲットが複数の異種の面体ターゲットからなるととも
   に、該複数の固体ターゲットが軸まわりに回転する回転
   ディスクの面に周方向に取り付けられることを特徴とす
   る薄膜形成装置。 ９）請求項第１項に記載の薄膜形成装置に おいて、質量分析マグネットの磁界の強さおよびまたは
   イオン源における静電界の強さが周期的に変化して、質
   量分析マグネットから射出されるイオンビームが磁界に
   垂直な平面内で射出方向を周期的に変えることを特徴と
   する薄膜形成装置。