JPH0488164A

JPH0488164A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH0488164A
Application number: JP20188290A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kinoshita; 幹夫木下; Wasaburo Ota; 太田　和三郎; Makoto Tanaka; 誠田中; Hajime Yuzurihara; 肇譲原; Tatsuya Sato; 達哉佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1990-07-30
Publication date: 1992-03-23

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、ＣＶＤ法（化学的蒸着法）の長所である強い
反応性と、ＰＶＤ法（物理的蒸着法）の長所である高真
空中での成膜とを同時に実現し得る新規な構成の薄膜形
成装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、被薄膜形成基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置
としては、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などを利用したものが良
く知られており、ＣＶＤ法による装置は反応性が強＜、
ＰＶＤ法による装置は高真空中において緻密な強い薄膜
を形成できるなどの長所を有している。

これら、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などを利用した薄膜形成装
置としては、従来より種々のものが提案され、その方法
も極めて多岐にわたっているが、何れも形成された薄膜
と被薄膜形成基板（以下、基板と称す）との密着性が弱
かったり、あるいは、耐熱性の無いプラスチックフィル
ム等の基板への薄膜形成が困難であるなどの問題があっ
た。

そこで、これらの問題を解決するため、上記方法を発展
させた薄膜形成装置として、蒸発源と被蒸着物との間に
高周波電磁界を発生させて活性あるいは不活性ガス中で
蒸発した物質をイオン化して真空蒸着を行ない被蒸着物
に蒸発物質を堆積させて薄膜を形成する、所謂イオンブ
レーティング法を利用した薄膜形成装置や、また、蒸発
源と被蒸着物との間にさらに直流電圧を印加するＤＣイ
オンブレーティング法を利用した薄膜形成装置等が提案
されている（例えば、特公昭５２−２９９７１号公報、
特公昭５２−２９０９１号公報）。

また、さらに発展さ九た薄膜形成装置としては、被薄膜
形成基板を蒸発源に対向させて対向電極に保持し、この
対向電極と蒸発源との間にグリッドを配置すると共に、
このグリッドと蒸発源との間に熱電子発生用のフィラメ
ントを配し、上記グリッドをフィラメントに対して正電
位にして薄膜形成を行なう装置が提案されている（特開
昭５９−８９７６３号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらのイオンを利用した発明は、基板との密着性に優
れる薄膜形成装置を提供し、反応性に優れる薄膜形成装
置を提供した。

しかしながら１反応性成膜においては、イオン以外に、
電気的に中性な粒子、いわゆるラジカルや励起種が重要
な役割を果たすと考えられるが、これらのラジカルや励
起種発生を促進し、密着を高めた場合、同時に高エネル
ギーイオンが基板に過度に入射し、薄膜の結晶性を損な
うなどの問題があった。

また、絶縁物を基板として用いた場合、あるいは絶縁体
薄膜を形成する場合にはイオンが基板には供給されず、
密着性に優れる薄膜や、良好な結晶性を有する薄膜を形
成することは困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、基板
に対して極めて強い密着性、あるいは良好な結晶性をも
った薄膜を形成でき、尚且つ、耐熱性の無いプラスチッ
クフィルム等をも基板として用いることができる、新規
な構成の薄膜形成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〕

上記目的を達成するため、本願の請求項１記載の発明で
は、活性ガス若しくは不活性ガス、あるいは、これら両
者の混合ガスが導入される真空槽と、この真空槽内にお
いて蒸発物質を蒸発させる蒸発源と、上記真空槽内に配
置され基板を上記蒸発源に対向するように保持させる基
板ホルダーとを有する薄膜形成装置において、上記真空槽内に電場を形成するための電気的手段と、上
記真空槽内に磁場を形成するための磁気的手段とを有し
、上記基板ホルダーから蒸発源に向かう方向に対し、直
交する方向に上記磁場と上記電場を形成し、且つ上記電
場と磁場を、上記電場と磁場との外積が基板ホルダーか
ら蒸発源に向かう方向になるように、上記電場と磁場と
を直交させ、且つ、上記蒸発物質及び上記ガスをイオン
化させたことを特徴とする。

また、本願請求項２記載の発明では、活性ガス若しくは
不活性ガス、あるいは、これら両者の混合ガスが導入さ
れる真空槽と、この真空槽内において蒸発物質を蒸発さ
せる蒸発源と、上記真空槽内に配置され基板を上記蒸発
源に対向するように保持させる基板ホルダーとを有する
薄膜形成装置において、上記真空槽内に電場を形成するための電気的手段と、上
記真空槽内に磁場を形成するための磁気的手段とを有し
、上記基板ホルダーから蒸発源に向かう方向に対し、直
交する方向に上記磁場と上記電場を形成し、且つ上記電
場と磁場を、上記電場と磁場との外積が蒸発源から基板
ホルダーに向かう方向になるように、上記電場と磁場と
を直交させ、且つ上記蒸発物質及び上記ガスをイオン化
させたことを特徴とする。

〔作　　　用〕

以下、本発明による薄膜形成装置の構成及び作用につい
て、′より詳細に説明する。

本発明による薄膜形成装置は、真空槽と、基板ホルダー
と、蒸発源と、蒸発物質、及び導入ガスをイオン化する
ためのイオン化手段と、磁気的手段と、電気的手段とを
有する。

上記真空槽内には、活性若しくは不活性ガス、あるいは
、これら両者の混合ガスが導入される。

蒸発源、対電極は真空槽内に配備され、対電極は上記基
板ホルダーを兼用し、被蒸着基板を保持しうるようにな
っている。また、蒸発源は蒸発物質を蒸発させるための
手段である。

イオン化のための手段は、蒸発粒子、及び導入ガスをイ
オン化する−ための手段で、直流電界によるもの、熱電
子を直流電界により加速するもの、交流電界によるもの
、ＲＦ零電界よるもの、マイクロ波によるもの等である
。

磁気的手段は真空槽内、又は真空槽外に設置され、蒸発
源から基板ホルダーへ向かう方向に直交する磁場を、真
空槽内部の基板近傍を含む領域に印加する。尚、磁場発
生手段は、永久磁石を用いても、電磁石を用いても良い
。

電場発生手段は、真空槽内に、陽極、及び陰極を対向さ
せ、陽極から陰極に向かう電場が、前述の磁場に直交し
、且つ基板ホルダーから蒸発源に向かう方向に直交し、
且つ、電場と磁場との外積が基板ホルダーから蒸発源に
向かう方向と一致するようにするか、あるいは、電場と
磁場との外積が蒸発源から基板ホルダーに向かう方向と
一致するようにする。尚、請求項１記載の発明と請求項
２記載の発明の違いは、上記電場と磁場との外積の方向
が逆方向となることであり、その他の構成は同じである
。

さて、上述の様な状態において、イオン化のための手段
を作動させると、蒸発源から基板ホルダーに蒸発粒子が
飛行する過程において、蒸発粒子、及び導入ガスがイオ
ン化され、プラズマ状態が真空槽内に実現する。

ここで、上記電場と磁場との外積が基板ホルダーから蒸
発源に向かう方向と一致するように構成した場合、正負
にイオン化された粒子や電子は、上述した直交する電場
と磁場との作用により、蒸発源方向にドリフトする。一
方中性の粒子やラジカルな励起種は、上述の電場と磁場
との相互作用を受けずに基板方向へ到達する。

このため、反応生成を高める目的で、イオン化のための
手段を操作し、高度にイオン化、及びラジカルや励起種
生成を促進させた場合においても、過度の高エネルギー
イオンの基板への衝突を抑制できる。従って、ラジカル
や励起種を十分に基板に到達させ、反応性を十分に促進
し、且つ過度の高エネルギー粒子衝突に起因する薄膜の
ダメージが少ない状態で薄膜形成が可能となる。

また、上記電場と磁場との外積が蒸発源から基板ホルダ
ーに向かう方向と一致するように構成した場合、正負に
イオン化された粒子や電子は、直交する電場と磁場との
作用により、基板ホルダー方向にドリフトする。

このドリフトは、電荷の正負を問わず起きるため、絶縁
体基板上、あるいは絶縁体薄膜上に、正負両電荷を供給
する。このため、基板上でのチャージアップが低減され
、十分にイオンが基板上に到達する。従って、密着性や
結晶性に優れる薄膜を形成することができる。

〔実　施　例〕

以下、図示の実施例について詳細に説明する。

図は本発明の一実施例を示す薄膜形成装置の概略構成図
である。

図において、符号１はベースプレート、符号２はバッキ
ング、符号３はペルジャーを夫々示しており、ベースプ
レート１とペルジャー３とは、バッキング２を介して一
体化され真空槽を構成し、内部空間には公知の方法によ
り、活性ガス及び／又は不活性ガスを導入できるように
なっている。

ベースプレート１には、真空槽内の気密性を保ち、且つ
ベースプレート１との電気的絶縁性を保ちつつ、支持体
兼用の電極４，６，７，８，９が貫通設置されているが
、これら電極４，６，７゜８．９は、真空槽内部と外側
とを電気的に連結するものであって、他の配線具ととも
に導電手段を構成する。更に、これら支持体兼用電極な
どの貫通部は勿論気密状態を保っている。また、ベース
プレート１の中央部に穿設された孔１Ａは、図示されて
いない真空排気系に連結されている。

上記支持体兼用の電極４，６，７，８，９のうち、一対
の支持体兼用電極４は、その間にタングステン、モリブ
デンなどの金属をボート状に形成した、抵抗加熱式の蒸
発源１１が支持されている。

また、蒸発源１１は、ボート状に代えてコイル状として
もよい。尚、このような蒸発源に替えて電子ビーム蒸発
源など、従来の真空蒸着方式で用いられている蒸発源を
適宜使用することができる。

尚、蒸発源１１を支持する電極４は、加熱用の交流電源
２１に接続されている。

支持体兼用電極７には基板ホルダー１２が支持され、こ
の基板ホルダー１２の蒸発源１１に対向する側の面に、
被蒸着基板１００が適宜の方法で保持される。

また、一対の支持体兼用電極６の間には、タングステン
などによる熱電子発生用のフィラメント１６が支持され
ている。被蒸着基板１００に大面積基板を用いる場合は
、例えば、複数本のフィラメントを平行に配列したり、
あるいは網目状にしたりするなどして、フィラメント１
６から発生する熱電子の軌跡が、蒸発源１１から蒸発し
た蒸発物質の粒子の拡がりをカバーするように定められ
ている。

尚、一対の電極６は電源２３に接続されている。

また、電極８は、直流電源２２の正極側に接続され、同
電源２２の負極側には、電極９が接続されている。従っ
て、電極８は、電極９に対して正電位となり、電極８と
電極９に夫々支持された電場形成用の電極１４と１５と
の間で、電場は電極１４から電極１５へ向かう。

真空槽内には一対の磁石１７が設置されており、真空槽
内に前記電場と直交する磁場を真空槽内に印加する。

ここで、磁場の向きとしては、請求項１記載の発明に対
する実施例では、電場と磁場との外積が、基板ホルダー
１２から蒸発源１１に向かう向きに一致するように定め
られる。即ち、図の紙面の表側から裏側に向かう磁場が
形成される。また、請求項２記載の発明に対する実施例
では、電場と磁場との外積が、蒸発源１１から基板ホル
ダー１２に向かう向きに一致するように定められる。即
ち、図の紙面の裏側から表側に向かう磁場が形成される
。尚、上記磁石１７は真空槽内に設置する他に、真空槽
を非磁性体で構成し、磁石を真空槽外に設置するように
してもよい。

さて、図示の実施例において、電源２１，２２゜２３は
電源手段を構成するものであるが、図中における接地は
必ずしも必要はない。

また、実際には、これらの電気的接続は、導電手段の一
部を構成する種々のスイッチ類を含み、これらの操作に
より、成膜プロセスを実現するのであるが、これらのス
イッチ類は図中には示されていない。

次に、上述の装置例による薄膜形成について説明する。

先ず、ペルジャー３を開き、被蒸着基板１００を図のよ
うに基板ホルダー１２に保持させると共に、蒸発物質を
蒸発源１１に保持させる。尚、蒸発物質は、勿論どのよ
うな薄膜を形成するかに応じて選定される。例えば、ア
ルミニウムや金のような金属、あるいは金属の酸化物、
弗化物、硫化物、あるいは合金等である。

基板１００及び蒸発物質を保持させた後、ペルジャー３
が閉じられ、真空槽内は真空排気系によって高真空状態
に排気され、この後、真空槽内には、予め、活性ガス、
若しくは不活性ガス、あるいは、これらの混合ガスが、
１０−”　〜１０−’Ｔｏｒｒの圧力で導入される。こ
こでは、説明の具体性のため、導入ガスは、例えばアル
ゴンなどの不活性ガスであるとする。

この雰囲気状態において装置を作動させると、蒸発源１
１に保持された蒸発物質の蒸発が開始される。この蒸発
物質、即ち蒸発物質の粒子は、被蒸着基板１００に向か
って広がりつつ飛行し、電極８，９に夫々支持された電
場形成用の電極１４と１５に挾まれた領域に到達し、電
場が電極１４から１５へ向かう領域を通過する。

一方、フィラメント１６からは熱電子が放出されるが、
発生した熱電子は、上述の電場及び磁石１７によって発
生される磁場の作用によって加速度を受け、トロコイド
状の軌跡を描きながら飛行するが、この過程で導入ガス
及び蒸発粒子と衝突し、ガスや蒸発粒子をイオン化する
。この電子の軌跡は磁場が無い場合と比較して長いため
、イオン化の効率が高く、高密度のプラズマ状態が実現
する。

このプラズマ中に存在する、イオン化された蒸発粒子、
導入ガス、及び電子は、電場と磁場との外積が、基板ホ
ルダー１２から蒸発源１１に向かう向きに一致するよう
に定められている場合には、互いに直交する電場と磁場
との相互作用により蒸発源方向にドリフトする。また、
電場と磁場との外積が、蒸発源１１から基板ホルダー１
２に向かう向きに一致するように定められている場合に
は、互いに直交する電場と磁場との相互作用により基板
ホルダ一方向にドリフトする。

これらの荷電粒子が描く軌跡はやはりトロコイドである
が、電荷の正負にかかわらず、電場と磁場との外積の方
向に応じて、蒸発源方向若しくは基板ホルダ一方向にド
リフトする。

尚、この荷電粒子の初速度がゼロである場合のトロコイ
ドの理論的な高さは、荷電粒子の質量、及び電場に比例
し、磁場の２乗に反比例するが、プラズマ中の電場は一
般に、シース部分を除き弱く、磁場を十分大きく取れば
、真空槽のデイメンジョンを超えることはない。

ところで、上述したように、プラズマ中に存在する、イ
オン化された蒸発粒子、導入ガス、及び電子は、電場と
磁場との外積が、基板ホルダー１２から蒸発源１１に向
かう向きに一致するように定められている場合には、互
いに直交する電場と磁場との相互作用により蒸発源方向
にドリフトする。しかし、このプラズマ中に存在する中
性のラジカルや励起種、蒸発粒子は、この電場と磁場と
の相互作用を受けずに基板へ到達し、基板上に到達する
。かくして基板１００上に良好な薄膜が形成される。こ
れは、高密度のラジカルや励起種を基板上に到達せしめ
、且つ薄膜の結晶性などにダメージを与える高エネルギ
ーイオンの過度の入射を抑制したことによる。

尚、本実施例においても、イオンはある程度基板へ到達
するが、適度のイオンの基板への入射は、薄膜の密着性
の向上に寄与する。また、必要に応じて基板ホルダー１
２にバイアス電位を印加し、イオンのエネルギーをコン
トロールしてもよい。

次に、電場と磁場との外積が、蒸発源１１から基板ホル
ダー１２に向かう向きに一致するように定められている
場合には、プラズマ中に存在する、イオン化された蒸発
粒子、導入ガス、及び電子は、互いに直交する電場と磁
場との相互作用により基板ホルダ一方向にドリフトする
。このため、十分にイオンを基板上に到達させることが
できる。この場合、イオンを基板に到達させるために、
高電位を印加した引出電極を必要としないため、薄膜の
結晶性にダメージを与える過度の高エネルギーイオンの
基板１００への入射を抑制できる。かくして、基板１０
０上に良好な薄膜が形成される。

尚、必要に応じて基板ホルダー１２にバイアス電位を印
加し、イオンの入射エネルギーをコントロールしてもよ
い。

以上のように、本発明の請求項１、請求項２記載の薄膜
形成装置においては、何れも良好な特性を有する化合物
薄膜を形成できる。

例えば、不活性ガスとしてアルゴン、活性ガスとして酸
素を導入して圧力を１０−３〜１０−’Ｔｏｒｒに調整
し、蒸発物質としてアルミニウムを選択すれば、基板上
にはＡ１□○、の薄膜を形成することができる。また、
この場合、蒸発物質としてＳｉまたはＳｉＯを選べば、
ＳｉＯ２の薄膜を得ることができる。また、蒸発物質と
してＩｎ、Ｚｎを選べば、Ｉｎ２Ｏ３，ＺｎＯの薄膜が
得られる。またガスとしてＨ２Ｓ、蒸発物質としてＣｄ
を選択すれば、ＣｄＳの薄膜が得られる。また、活性ガ
スとしてアンモニアをアルゴンと共に用い、蒸発物質と
してＴｉ、Ｔａを選べば、ＴｉＮ、ＴａＮなとの薄膜を
得ることも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明し九ように、従来のイオンを用いた薄膜形成法
においては、ガス分子が薄膜中に取り込まれ、薄膜の構
造を緻密でないものにすると言われているが１本発明の
請求項１．２記載の薄膜形成装置においては、薄膜中へ
のガス分子の取り込みを極めて少なくすることができる
ため、高純度の薄膜を得ることができ、また、薄膜の構
造も極めて緻密なものとすることが可能であり、通常、
薄膜の密度はバルクの其れよりも小さいとされているが
、本発明によれば、バルクの密度に極めて近似した密度
が得られることも大きな特徴の一つである。即ち、本発
明の薄膜形成装置は、ＩＣ。

ＬＳＩなどを構成する半導体薄膜の形成にも極めて適し
ているものである。

また、本発明によれば、反応性に優れ、且つ結晶性に対
する過度のダメージを与えない薄膜形成装置を提供でき
、従って、低基板温度で良好な薄膜を形成でき、耐熱性
に劣るプラスチック等をも基板として用いることができ
る。

尚１本発明の請求項１記載の薄膜形成装置では、電場と
磁場との外積が基板ホルダーから蒸発源に向かう方向と
一致するように構成されているため、正負にイオン化さ
れた粒子や電子は、上述した直交する電場と磁場との作
用により、蒸発源方向にドリフトする。一方中性の粒子
やラジカルな励起種は、上述の電場と磁場との相互作用
を受けずに基板方向へ到達する。このため、反応生成を
高める目的で、イオン化のための手段を操作し、高度に
イオン化、及びラジカルや励起種生成を促進させた場合
においても、過度の高エネルギーイオンの基板への衝突
を抑制できる。従って、ラジカルや励起種を十分に基板
に到達させ、反応性を十分に促進し、且つ過度の高エネ
ルギー粒子衝突に起因する薄膜のダメージが少ない状態
で薄膜形成が可能となる。

また、本発明の請求項２記載の薄膜形成装置では、上記
電場と磁場との外積が蒸発源から基板ホルダーに向かう
方向と一致するように構成されているため、正負にイオ
ン化された粒子や電子は、直交する電場と磁場との作用
により、基板ホルダ一方向にドリフトする。このドリフ
トは、電荷の正負を問わず起きるため、絶縁体基板上、
あるいは絶縁体薄膜上に、正負両電荷を供給する。この
ため、基板上でのチャージアップが低減され、十分にイ
オンが基板上に到達する。従って、密着性や結晶性に優
れる薄膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す薄膜形成装置の概略構成図
である。１・・・・ベースプレート、２・・・・バッキング、３
・・・ペルジャー、４，６，７，８，９・・・・支持体
兼用の電極、１１・・・・蒸発源、１２・・・・基板ホ
ルダ、１６・・・・フィラメント、１４．１５・・・・
電場形成用の電極、１７・・・・磁場形成用の磁石、２
１゜２２．２３・・・・電源、１００・・・・基板。

Claims

【特許請求の範囲】

１．活性ガス若しくは不活性ガス、あるいは、これら両
者の混合ガスが導入される真空槽と、この真空槽内にお
いて蒸発物質を蒸発させる蒸発源と、上記真空槽内に配
置され基板を上記蒸発源に対向するように保持させる基
板ホルダーとを有する薄膜形成装置において、上記真空槽内に電場を形成するための電気的手段と、上
記真空槽内に磁場を形成するための磁気的手段とを有し
、上記基板ホルダーから蒸発源に向かう方向に対し、直
交する方向に上記磁場と上記電場を形成し、且つ上記電
場と磁場を、上記電場と磁場との外積が基板ホルダーか
ら蒸発源に向かう方向になるように、上記電場と磁場と
を直交させ、且つ、上記蒸発物質及び上記ガスをイオン
化させたことを特徴とする薄膜形成装置。
２．活性ガス若しくは不活性ガス、あるいは、これら両
者の混合ガスが導入される真空槽と、この真空槽内にお
いて蒸発物質を蒸発させる蒸発源と、上記真空槽内に配
置され基板を上記蒸発源に対向するように保持させる基
板ホルダーとを有する薄膜形成装置において、上記真空槽内に電場を形成するための電気的手段と、上
記真空槽内に磁場を形成するための磁気的手段とを有し
、上記基板ホルダーから蒸発源に向かう方向に対し、直
交する方向に上記磁場と上記電場を形成し、且つ上記電
場と磁場を、上記電場と磁場との外積が蒸発源から基板
ホルダーに向かう方向になるように、上記電場と磁場と
を直交させ、且つ上記蒸発、物質及び上記ガスをイオン
化させたことを特徴とする薄膜形成装置。