JPH04308079A - クラスターイオンビーム蒸着装置およびクラスターイオンビーム蒸着方法ならびに導電性薄膜 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高機能薄膜デバイスの
製造等に利用されるクラスターイオンビーム蒸着装置お
よびクラスターイオンビーム蒸着方法ならびにそれらを
用いて合成される導電性薄膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、製膜物質を蒸発させ、イオン化し
たクラスター状態にして基板上に蒸着するクラスターイ
オンビーム蒸着装置は、例えば、特公昭５４−９５９２
号公報に示されているように、図３に示すような構成を
有していた。すなわち、クラスタービームの発生部１、
クラスタービームのイオン化部２、クラスターイオンビ
ームの加速部３および蒸着基板部４から構成されている
。また、クラスタービームの発生部１はノズル５が形成
された坩堝６と坩堝加熱用ヒータ７より構成される。 坩堝６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。つぎにイオン化部２の構成につい
て説明する。８はイオン化フィラメント、９はメッシュ
状の熱電子引き出し用グリッド、１０はフィラメントか
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。また、クラスターイオンビ
ームの加速部３では、加速電極１１とイオン化部電子引
き出しグリッド９との間に電圧を印加し、クラスターイ
オンを加速できる構成としている。蒸着基板部４は基板
１２の他に主としてマスク１３、基板ホルダー１４と基
板加熱ヒータ１５で構成され、電流計１８によって飛来
するクラスターイオンによってもたらされた電流を計測
できる構成となっている。

【０００３】従来の蒸着装置を用いた製膜方法は以下の
通りである。坩堝加熱用ヒータ７によって加熱した坩堝
６内部の蒸着物質１９をノズル５より噴出させる。蒸着
物質１９はノズル部を通過する間に断熱膨張し、５００
〜１８００個の原子が互いに緩く結合したクラスタービ
ームとなる。

【０００４】イオン化部２において、このクラスタービ
ームにグリッド９を通過した電子のシャワーを照射する
ことにより、クラスターを正にイオン化したクラスター
イオンのビームとなる。つぎに、加速電極１１により形
成した電場により、クラスターイオンを加速して、基板
１２に衝突させ、基板１２上に蒸着物質１９の薄膜を形
成する。

【０００５】このクラスターイオンビーム製膜法では、
飛来するクラスターイオンの高い運動エネルギーおよび
正イオンの有する高い化学的反応性等の結果、一般的に
膜の付着力が向上し、高密度で均質な膜が形成できるも
のである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のクラ
スターイオンビーム製膜法において、より機能的な薄膜
、例えば物理的性質に異方性をもった薄膜を形成しよう
とすると、坩堝温度、イオン化電流、加速電圧などの従
来の装置構成による製膜パラメータの制御だけを行なう
製膜法では困難であった。

【０００７】そこで本発明では、より機能的な薄膜や、
物理的異方性をもった薄膜を形成する製膜法と、その製
膜法を実現することのできる蒸着装置ならびに本発明の
製膜法を用いて製膜できる導電性薄膜のうち、とくに新
規で性能向上の著しい導電性に異方性を有する導電性薄
膜を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、クラスターイオンビーム蒸着中に蒸着薄膜
自身にイオン化された蒸着物質からもたらされる電流と
は別の電流を強制的に流す製膜法と、そのための蒸着装
置として従来のクラスターイオンビーム蒸着装置の構成
に加えて、蒸着中の薄膜に電気的に接触できる一対以上
の導電性電極を基板上に設けた構造、もしくは電磁誘導
によって薄膜中に誘導電流を誘起する誘導コイルなどを
基板周辺に設けた構造のクラスターイオンビーム蒸着装
置である。

【０００９】

【作用】上記のような製膜法、蒸着装置の構成によって
得られる作用と導電製薄膜の構造は次の通りである。

【００１０】蒸着時には、５００〜１８００個の原子が
互いに緩く結合したクラスターイオンや中性のクラスタ
ーが次々に基板上の薄膜に衝突し、薄膜表面をマイグレ
ーションする。その間、有している運動エネルギーを徐
々に失いながら、クラスターを構成していた原子は比較
的安定な位置にトラップされ続け、ついにはクラスター
を構成していたすべての原子が薄膜を構成するようにな
る。しかしながら、そうなってもなおしばらくは原子の
振動振幅は大きく、熱力学的に不安定で次々に衝突して
くるクラスターによってその位置を移動して行くことに
なる。そして、さらに膜の堆積が進むと温度も膜の成長
面と比較して低くなり、安定となる。

【００１１】このような状態の薄膜中に電流を通じると
、衝突直後の非常に動き易い原子は電子の衝突によって
、電流を通じていない状態とは違った安定位置に落ちつ
くことになる（すなわち、エレクトロマイグレーション
効果）。その電流を通じた時に落ちつく安定位置とは、
電子やホールの移動をできるだけ妨げない位置である。 すなわち、蒸着時に電流を通じながら製膜された薄膜は
、電流を通じない薄膜に比べて、電流方向の電導度は格
段に高くなる。また、製膜後の薄膜が電気絶縁性の薄膜
であったり、電導度の極めて低い半導体薄膜においても
衝突直後のイオン化した原子の移動に方向性が生じたり
、高温状態の膜の成長面では電導度が高くなるので、製
膜後の薄膜の電導度に異方性を生じる。

【００１２】また、電流を流すための構造としては、基
板上に設けた蒸着中の薄膜に直接電気的に接触した導電
性電極も可能であるし、誘導コイルによって薄膜には非
接触で薄膜中に交流電流を通じることによっても電流が
流れやすくなる方向は同じであるので、電導度に異方性
のある薄膜を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下に本発明によるクラスターイオンビーム
蒸着装置の一実施例を説明する。図３における蒸着基板
部４以外のクラスタービームの発生部１、クラスタービ
ームのイオン化部２、クラスターイオンビームの加速部
３は図３の従来例とほぼ同一であるので、ここでは本発
明によって実施した蒸着基板部を図１に基づいて詳述し
、同時に製膜方法についても説明する。

【００１４】（実施例１）図１は電流導入端子を基板上
に直接形成した本発明の実施例の構成図である。ステン
レス製の基板ホルダー１４の内部に基板加熱ヒータ１５
を埋め込み、基板温度を可変とした。製膜中の電流導入
端子となる一対の白金電極１６は石英ガラス基板１２上
にあらかじめスパッタリングによって薄膜形成した。白
金電極１６の厚さは約１ミクロンである。白金電極１６
へは白金リード線１７より電流を導入した。石英ガラス
基板１２を固定するマスク１３は白金電極１６より導入
した電流を効率的に蒸着薄膜中を流すために電気絶縁性
のアルミナ焼結体を用いた。

【００１５】蒸着は、図３で示した蒸着基板部を除くク
ラスターイオンビーム発生装置を２基用い、蒸着材料と
してはそれぞれＢｉとＴｅを用い、Ｂｉ／Ｔｅ比を０．
６とした。蒸着中、Ｂｉ側坩堝は５００度〜１０００度
、Ｔｅ側坩堝は４００度〜８００度に設定した。また、
真空槽の圧力Ｐは１０−６Ｔｏｒｒで一定となるように
した。製膜は加速電圧３ｋＶで基板温度を約１００度に
保って１時間行い、膜厚は７００ｎｍ〜１３００ｎｍで
あった。また、基板温度は輻射温度計にて非接触で測定
した。種々の条件で製膜した蒸着薄膜２１の諸物性のう
ち、このＢｉ−Ｔｅ膜では電気的物性としてゼーベック
係数と電導度を選び測定した。

【００１６】（表１）に蒸着中に流す電流の線密度を変
えたときのゼーベック係数と薄膜の電導度の異方性を表
した。

【００１７】

【表１】

【００１８】（表１）から蒸着中に薄膜に電流を流すと
電流を流さないときに比べ、その比電導度に異方性が現
れ、流した電流に垂直な方向では電導度が低くなり、平
行な方向では飛躍的に高くなることが分かった。また、
ゼーベック係数も若干の改善がみられた。したがって、
このＢｉ−Ｔｅ薄膜を熱電材料として用いた場合、その
性能指数Ｚは大幅に改善できることが分かった。ここで
はＢｉ−Ｔｅ膜の物性としてゼーベック係数と電導度と
に注目して測定したが、他の物性（磁気的、熱的、力学
的物性など）にも異方性が出現している可能性があるこ
とは言うまでもない。さらに本発明者は熱電材料として
Ｂｉ−Ｔｅ系材料のほかにＦｅ−Ｓｉ系材料についても
、同様の実験を行いほぼ同様な結果を得た。

【００１９】（実施例２）つぎに蒸着中に薄膜に電流を
流す手段として、誘導コイルによる薄膜に非接触で交流
電流を通じる方法を試みた。図２にその蒸着基板部の構
成図を示す。その他のクラスタービームの発生部１など
は同一である。加熱ヒーター１５を設けた基板ホルダー
１４は誘導電圧を効率的に発生させるため窒化ほう素を
用いた。石英ガラス基板１２はアルミナ焼結体でできた
マスク１３で固定した。この石英ガラス基板１２に近接
して、クラスターイオンビームを遮蔽しないように誘導
コイル２０を配設し、蒸着薄膜２１に交流磁場が発生す
るようにした。実施例１と同様にＢｉとＴｅとを用い、
製膜条件もほぼ同じにして製膜を行った。

【００２０】誘導コイル２０に通じる交流電流の電流値
と周波数についてはいろいろ変えて製膜した薄膜の物性
を、実施例１と同様にゼーベック係数と電導度で評価し
た。その結果、実施例１と同様に蒸着中に誘導電流を流
すと膜の電気的性質に異方性が現れ、薄膜の熱電性能指
数Ｚが改善されることが明らかになった。また、蒸着中
に通じた交流電流と平行な方向、すなわち誘導コイル２
０と垂直な方向の電導度が高くなるためには交流周波数
の最適値があることも分かった。

【００２１】実施例１、実施例２とも材料として、Ｂｉ
−Ｔｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系などのいわいる熱電材料を選ん
だが、超電導材料、磁気記録材料など他の電気的、磁気
的薄膜材料の製膜においても有効である。

【００２２】

【発明の効果】上記実施例から明らかなように本発明に
よれば、従来のクラスターイオンビーム蒸着装置では困
難であった物理的異方性をもった導電性薄膜を形成する
ことができる。また本発明による製膜法によって得るこ
とのできる熱電材料薄膜などの電気的、磁気的薄膜は機
能性に優れ、その工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電流導入端子を基板上に直接形成した
蒸着基板部の正面断面図

【図２】本発明の誘導コイルによって非接触で蒸着薄膜
に交流電流を通じる蒸着装置の要部正面断面図

【図３】
従来のクラスターイオンビーム蒸着装置の概略断面構成
図

【符号の説明】

１　　クラスタービームの発生部 ２　　クラスタービームのイオン化部 ３　　クラスターイオンビームの加速部４　　蒸着基板
部 １２　　基板 １６　　白金電極（導電性電極） １８　　電流計 １９　　蒸着物質 ２０　　誘導コイル ２１　　蒸着薄膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】製膜材料をイオン化したクラスター状態に
   して基板上に蒸着するクラスターイオンビーム蒸着装置
   において、イオン化された蒸着物質によってもたらされ
   る電流とは別の電流を蒸着中に蒸着薄膜自身に流す構造
   を備えたことを特徴とするクラスターイオンビーム蒸着
   装置。
2. 【請求項２】電流を流す構造が、基板上に構成され蒸着
   薄膜と電気的に接触した一対以上の導電性電極とその導
   電性電極間に外部より電圧を印加する構造であることを
   特徴とする請求項１記載のクラスターイオンビーム蒸着
   装置。
3. 【請求項３】製膜中に、基板上の導電性の蒸着薄膜に交
   流磁場を印加することによって前記蒸着薄膜に誘導電流
   を流す構造を備えたことを特徴とする請求項１記載のク
   ラスターイオンビーム蒸着装置。
4. 【請求項４】製膜材料をイオン化したクラスター状態に
   して基板上に蒸着するクラスターイオンビーム蒸着方法
   において、イオン化された蒸着物質によってもたらされ
   る電流とは別の電流を蒸着中に外部から強制的に蒸着薄
   膜自身に流すことを特徴とするクラスターイオンビーム
   蒸着方法。
5. 【請求項５】製膜材料をイオン化したクラスター状態に
   して基板上に蒸着するクラスターイオンビーム蒸着方法
   によって製膜された導電性の蒸着薄膜のうち、イオン化
   された蒸着物質によってもたらされる電流とは別の電流
   を蒸着中に外部から強制的に蒸着薄膜自身に流して製膜
   されたことを特徴とする導電性薄膜。