JPH06128731A - Production of thin-film oxide - Google Patents

Production of thin-film oxide

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JPH06128731A
JPH06128731A JP4281918A JP28191892A JPH06128731A JP H06128731 A JPH06128731 A JP H06128731A JP 4281918 A JP4281918 A JP 4281918A JP 28191892 A JP28191892 A JP 28191892A JP H06128731 A JPH06128731 A JP H06128731A
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JP
Japan
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plasma
cathode
thin film
substrate
pressure
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Pending
Application number
JP4281918A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Sasagawa
孝市 笹川
Toshiro Umeda
俊郎 梅田
Katsuhide Kawamata
克英 川又
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To efficiently form a thin-film oxide at the time of vapor-depositing an oxide on a substrate by ion plating by utilizing an arc discharge-type ion plating device having a pressure-gradient plasma producing means. CONSTITUTION:A vessel 6 having a rotary holder 18 as a cathode to which a specularly polished quartz glass substrate 12 is fixed and a vapor-deposition source holding means 7 as an anode contg. Si is evacuated to about 5X10<-4>Torr. An inert gas such as Ar as a discharge gas and a gaseous O2 reactant are supplied from a gas inlet 1 in the cathode part of an electron gun 50 as a plasma producing means, a plasma producing space 51 is controlled to about 1Torr, an Ar plasma current 13 is developed by the arc discharge of the electron gun 50, Si is irradiated with the current through a plasma converging magnet 8 and vaporized, and an SiO2 film is formed on the substrate 12 by the reaction with the gaseous O2. The pressure in the vessel 6 is held lower than that in the space 51 to efficiently form the SiO2 film on the substrate 12.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、圧力勾配型プラズマ生
成手段から発生したプラズマを用いたアーク放電型イオ
ンプレーティングを利用した薄膜状酸化物の製造(成
膜)方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing (depositing) a thin film oxide using arc discharge type ion plating using plasma generated by a pressure gradient type plasma generating means.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、反射防止膜や反射増加膜という光
学薄膜を製造(成膜)する際は、真空蒸着によって薄膜
を形成していた。この真空蒸着は、真空内で蒸着源を加
熱して蒸発した分子を基板上に吸着(堆積)させること
で成膜を行なうものである。また、より高品質な(耐久
性や光学特性が良い等)光学薄膜を得るために、プラズ
マ雰囲気中で蒸着を行なうイオンプレーティング法を用
いる場合もあった。この方法は真空蒸着の一種であり、
蒸着源から蒸発した原子をイオン化してプラズマを生成
すると共に、電界を与えてこのイオンを基板に衝突させ
ることで基板上に成膜を行なうものである。このイオン
プレーティング法には、プラズマの発生方法と蒸発源の
構成によりいくつかの方式がある。例えば、真空容器内
に高周波励起電圧を印加してグロー放電を起こすことで
薄膜の性質を改善する高周波型イオンプレーティング法
や、チャンバー内にホローカソードを導入してアーク放
電を起こすホローカソード型イオンプレーティング法な
どが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, when manufacturing (forming) an optical thin film such as an antireflection film or a reflection increasing film, the thin film is formed by vacuum vapor deposition. In this vacuum vapor deposition, a vapor deposition source is heated in a vacuum to adsorb (deposit) vaporized molecules on a substrate to form a film. Further, in order to obtain a higher quality optical thin film (having excellent durability and optical characteristics), an ion plating method in which vapor deposition is performed in a plasma atmosphere is sometimes used. This method is a type of vacuum deposition,
Atoms evaporated from the vapor deposition source are ionized to generate plasma, and an electric field is applied to cause the ions to collide with the substrate to form a film on the substrate. There are several types of this ion plating method depending on the plasma generation method and the configuration of the evaporation source. For example, a high-frequency ion plating method that improves the properties of the thin film by applying a high-frequency excitation voltage in a vacuum container to cause glow discharge, or a hollow cathode ion that causes a hollow discharge by introducing a hollow cathode into the chamber. The plating method and the like are known.

【0003】さらに、他の薄膜製造法として、イオンを
ターゲットに衝突させてこれにより生じるターゲット材
料のスパッタリング作用を用いて成膜を行なうスパッタ
リング法が用いられる場合もあった。このスパッタリン
グ法としては、電界と磁界とが直交するように印加する
マグネトロン型スパッタリング法が知られている。
Further, as another thin film manufacturing method, there is a case where a sputtering method is used in which ions are made to collide with a target to form a film by using a sputtering action of a target material generated thereby. As this sputtering method, a magnetron type sputtering method in which an electric field and a magnetic field are applied so as to be orthogonal to each other is known.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の方法
では耐久性の良い光学薄膜(例えば、酸化珪素(SiO2
や酸化チタン(TiO2)からなる薄膜等)を効率良く成膜
することができなかった。例えば、真空蒸着において、
蒸着源の加熱方法として抵抗加熱あるいは電子ビーム加
熱方式を用いた場合、高真空(低い圧力)下での成膜は
可能であるが成膜速度が遅くなる。また、蒸着物質がイ
オン化しないため、形成された膜が低密度の膜質になり
易い。さらに、形成された薄膜中に含まれる水分を減ら
して耐久性を向上させるためには、成膜時に基板を 200
〜300 ℃程度に加熱しなければならない。そのため、薄
膜を成膜する基板等の材質に耐熱性が要求され、使用で
きる材質が制限されていた。
However, according to the conventional method, an optical thin film (for example, silicon oxide (SiO 2 )) having good durability is used.
And a titanium oxide (TiO 2 ) thin film) could not be formed efficiently. For example, in vacuum deposition,
When the resistance heating or the electron beam heating method is used as the heating method of the vapor deposition source, the film formation under high vacuum (low pressure) is possible, but the film formation speed becomes slow. Further, since the vapor deposition material is not ionized, the formed film is likely to have a low density. Furthermore, in order to reduce the moisture contained in the formed thin film and improve the durability, the substrate is not
Must be heated to ~ 300 ° C. Therefore, heat resistance is required for the material of the substrate on which the thin film is formed, and the usable material is limited.

【0005】イオンプレーティング法では基板がプラズ
マによって洗浄されるので、この基板を加熱しなくても
密着性の優れる薄膜が形成され易い。しかし、前述のよ
うな高品質の薄膜を成膜する場合はやはり基板を加熱す
る必要があった。また、この方法では低真空(比較的高
い圧力)下で成膜が進行するので、形成された薄膜中に
水分や不純物等が含まれて薄膜の純度が低くなり、耐環
境性に劣っていた。また、大気中で薄膜の特性が変化し
易いという問題もあった。さらに、圧力が高いため、薄
膜の成膜レート(成膜速度)が前記真空蒸着に比べて遅
いという問題もあった。
In the ion plating method, since the substrate is cleaned by plasma, it is easy to form a thin film having excellent adhesion without heating the substrate. However, when forming a high quality thin film as described above, it was necessary to heat the substrate. Further, in this method, since the film formation proceeds under a low vacuum (relatively high pressure), the formed thin film contains water, impurities, etc., and the purity of the thin film becomes low, resulting in poor environment resistance. . There is also a problem that the characteristics of the thin film are likely to change in the atmosphere. Further, since the pressure is high, there is a problem that the film forming rate (film forming rate) of the thin film is slower than that of the vacuum evaporation.

【0006】マグネトロン型スパッタリング法は、比較
的高密度の薄膜を形成することができるので、耐久性の
優れた薄膜を得ることができる。しかし、ターゲットの
使用効率が低く成膜速度も遅いため、高効率で成膜する
ことができなかった。本発明は、このような課題を解決
することを目的とする。
Since the magnetron type sputtering method can form a thin film having a relatively high density, a thin film having excellent durability can be obtained. However, since the use efficiency of the target is low and the film formation rate is slow, it was not possible to form a film with high efficiency. The present invention aims to solve such problems.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、所定の圧力に設定された第1の真空空間中でア
ーク放電によりプラズマを生成し、該プラズマを前記第
1の真空空間よりも低い圧力に設定された第2の真空空
間に設置された蒸着源に照射することで該第2の真空空
間中で成膜を行うアーク放電型イオンプレーティングに
よる薄膜状酸化物の製造方法において、前記第2の真空
空間の成膜時の圧力を5×10-4Torr以下に設定した。
To achieve the above object, in the present invention, plasma is generated by arc discharge in a first vacuum space set to a predetermined pressure, and the plasma is generated in the first vacuum space. Method for producing thin film oxide by arc discharge type ion plating in which film deposition is performed in the second vacuum space by irradiating a vapor deposition source installed in the second vacuum space set to a lower pressure In, the pressure during film formation in the second vacuum space was set to 5 × 10 −4 Torr or less.

【0008】[0008]

【作用】本発明者らの研究によると、所定の圧力に設定
された第1の真空空間中でアーク放電によりプラズマを
生成し、このプラズマを前記第1の真空空間よりも低い
圧力に設定された第2の真空空間に導入する圧力勾配型
プラズマ生成手段を用いたアーク放電型イオンプレーテ
ィングによって薄膜状の酸化物を製造する際に、前記第
2の真空空間の成膜時の圧力を5×10-4Torr以下に設定
すると、効率良く耐久性の良い薄膜状酸化物が形成され
ることが分かった。これは、前記プラズマ生成手段によ
って前記第2の真空空間中に生成したプラズマの密度が
高いこと、および第2の真空空間内で薄膜を形成する位
置(基板を設置する位置)付近の電離度が高いことに起
因すると考えられる。また、前記第2の真空空間内が高
真空であるため、形成する薄膜状酸化物の膜中への不純
物(薄膜構成物以外の粒子等)の混入が抑制され、該薄
膜状酸化物が所望の酸化物のバルク密度に近い値を有す
る(所望の酸化物に近い膜質が得られる)ためと考えら
れる。
According to the research conducted by the present inventors, plasma is generated by arc discharge in the first vacuum space set to a predetermined pressure, and the plasma is set to a pressure lower than that of the first vacuum space. In producing a thin film oxide by arc discharge type ion plating using a pressure gradient type plasma generating means introduced into the second vacuum space, the pressure during film formation in the second vacuum space is set to 5 It was found that a thin-film oxide having a good efficiency and a good durability was formed by setting it to be not more than × 10 -4 Torr. This is because the density of the plasma generated in the second vacuum space by the plasma generating means is high, and the ionization degree near the position where the thin film is formed (the position where the substrate is installed) in the second vacuum space is high. It is thought to be due to the high price. In addition, since the second vacuum space has a high vacuum, the inclusion of impurities (particles other than the thin film constituents) in the film of the thin film oxide to be formed is suppressed, and the thin film oxide is desired. It is thought that this is because the oxide has a value close to the bulk density of the oxide (which provides a film quality close to that of the desired oxide).

【0009】また、本発明によれば、成膜時に基板を加
熱する必要がないので、薄膜状酸化物を形成させる基板
等の材質が耐熱性による制限を受けない。そのため、基
板の材質を選択の幅が広がる。なお、本発明の成膜時に
は、前記第1の真空空間から導入されるプラズマ生成手
段の放電ガスとして用いるAr、Heなどの不活性ガスと、
反応ガス(O2ガス等)とが第2の真空空間に導入され
る。従って、前記成膜時の第2の真空空間の圧力は、こ
れら放電ガスの分圧と反応ガスの分圧の和に依存して決
定されることになる。
Further, according to the present invention, since it is not necessary to heat the substrate during film formation, the material of the substrate on which the thin film oxide is formed is not limited by heat resistance. Therefore, the range of selection of the substrate material is widened. During the film formation of the present invention, an inert gas such as Ar or He used as a discharge gas of the plasma generating means introduced from the first vacuum space,
A reaction gas (O 2 gas or the like) is introduced into the second vacuum space. Therefore, the pressure in the second vacuum space during the film formation is determined depending on the sum of the partial pressures of the discharge gas and the reaction gas.

【0010】蒸着源としては、珪素(Si)やチタン(T
i)等の単体を用いることができる。そして、これら蒸
発源から蒸発した粒子と反応ガス(O2)との反応によっ
て、酸化珪素(SiO2)や酸化チタン(TiO2)等の薄膜を
製造することができる。
As the vapor deposition source, silicon (Si) or titanium (T
A simple substance such as i) can be used. Then, by reacting the particles evaporated from these evaporation sources with the reaction gas (O 2 ), a thin film of silicon oxide (SiO 2 ) or titanium oxide (TiO 2 ) can be manufactured.

【0011】[0011]

【実施例】図1は、本発明を実施する際に使用した薄膜
形成装置(アーク放電型イオンプレーティング装置)の
概略構成図である。以下、図1に従って本発明のイオン
プレーティング方法を説明する。この薄膜形成装置は、
蒸着源を載置する蒸着源保持手段7、この保持手段7近
傍に設置されたプラズマ収束用永久磁石8、基板12を
支持する回転可能な基板ホルダ18、基板12上に形成
された薄膜の膜厚を測定する水晶振動子からなる膜厚モ
ニタ17、蒸着源からの蒸発粒子が基板12に到達する
のを防ぐシャッタ15およびこれら各構成要件が設置さ
れた空間を真空状態にするステンレス(SUS304)製の真
空容器6とを備えている。さらに、真空容器6に取り付
けられた前記蒸着源を加熱する電子を含むプラズマを生
成するプラズマ生成手段(電子銃)50と、この生成手
段50と真空容器6との接続部に配置されたプラズマに
外部から磁場を与えるための空芯コイル14と、基板ホ
ルダ18およびこれに載置される基板12の電位が蒸着
源保持手段7の電位に対して負の電位となるように設定
するバイアス電源11と、を備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a thin film forming apparatus (arc discharge type ion plating apparatus) used for carrying out the present invention. Hereinafter, the ion plating method of the present invention will be described with reference to FIG. This thin film forming device
A vapor deposition source holding means 7 for mounting a vapor deposition source, a plasma focusing permanent magnet 8 installed in the vicinity of this holding means 7, a rotatable substrate holder 18 for supporting the substrate 12, and a thin film formed on the substrate 12. A film thickness monitor 17 made of a quartz oscillator for measuring the thickness, a shutter 15 for preventing vaporized particles from the vapor deposition source from reaching the substrate 12, and a stainless steel (SUS304) for vacuumizing the space in which these constituent elements are installed. And a vacuum container 6 made of metal. Further, a plasma generating means (electron gun) 50 for generating plasma containing electrons for heating the vapor deposition source attached to the vacuum container 6 and a plasma arranged at a connecting portion between the generating means 50 and the vacuum container 6 Bias power supply 11 for setting the air-core coil 14 for applying a magnetic field from the outside, the substrate holder 18 and the substrate 12 mounted thereon to have a negative potential with respect to the potential of the vapor deposition source holding means 7. And are equipped with.

【0012】蒸着源保持手段7は、図示していない水冷
機構を有すると共に、プラズマ生成手段50の陽極を兼
ねている。また、前述のようにバイアス電源11によっ
て基板ホルダ18よりも高電位となるように構成され
る。真空容器6には、容器6内を所望の圧力に設定する
ための排気手段(図示せず)と、反応ガス供給口10と
が設けられている。この反応ガス供給口10には、反応
ガスを容器6内に導入するための反応ガス供給手段(図
示せず)が接続されている。また、容器6の壁面にはプ
ラズマ生成手段50が設置され、この生成手段50によ
って生成されたプラズマ流が容器6内の空間に導入され
るようになっている。
The vapor deposition source holding means 7 has a water cooling mechanism (not shown) and also serves as an anode of the plasma generating means 50. Further, as described above, the bias power supply 11 is configured to have a higher potential than that of the substrate holder 18. The vacuum container 6 is provided with an exhaust means (not shown) for setting the inside of the container 6 to a desired pressure, and a reaction gas supply port 10. A reaction gas supply means (not shown) for introducing the reaction gas into the container 6 is connected to the reaction gas supply port 10. A plasma generating means 50 is installed on the wall surface of the container 6, and the plasma flow generated by the generating means 50 is introduced into the space inside the container 6.

【0013】前記排気手段は、真空容器6に設けられた
排気口9とこの排気口6に接続されたトラップを備えた
油拡散ポンプと油回転ポンプ、補助バルブ、粗引きバル
ブ(共に図示せず)およびメインバルブ16等から構成
される。図2は、本実施例で用いた薄膜形成装置のプラ
ズマ生成手段50の概略構成図である。プラズマ生成手
段50としては、「真空第25号第10巻」に記載されてい
るような、複合陰極を用いた圧力勾配型プラズマ生成装
置を使用した。
The exhaust means is an oil diffusion pump provided with an exhaust port 9 provided in the vacuum container 6 and a trap connected to the exhaust port 6, an oil rotary pump, an auxiliary valve, and a roughing valve (both not shown). ) And the main valve 16 and the like. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the plasma generating means 50 of the thin film forming apparatus used in this embodiment. As the plasma generating means 50, a pressure gradient type plasma generating device using a composite cathode as described in "Vacuum No. 25, Vol. 10" was used.

【0014】このプラズマ生成手段50は、一端に配置
された陰極部、石英管22、環状の永久磁石52を内蔵
した第1の中間電極3、第2の空芯コイル53を内蔵し
た第2の中間電極4、テフロン製の絶縁リング26、蒸
着源保持手段を兼ねる陽極7(図1参照)、および主放
電電源5(図1参照)とを有している。永久磁石52と
第2の空芯コイル53には、図示していない冷却手段
(冷却水の水路等)が設けられ、過度の加熱を防止する
ようになっている。
The plasma generating means 50 has a cathode portion arranged at one end, a quartz tube 22, a first intermediate electrode 3 having a ring-shaped permanent magnet 52 built therein, and a second air core coil 53 having a second air core coil 53 built therein. It has an intermediate electrode 4, an insulating ring 26 made of Teflon, an anode 7 also serving as a vapor deposition source holding means (see FIG. 1), and a main discharge power source 5 (see FIG. 1). The permanent magnet 52 and the second air-core coil 53 are provided with a cooling means (such as a cooling water channel) not shown in the figure to prevent excessive heating.

【0015】両中間電極3、4はリング状に形成されて
おり、この両中間電極3、4と絶縁リング26と石英管
22とによって、真空容器6に接続する空間が形成され
る。この空間のうち、特に陰極部に接する石英管22内
の空間をプラズマ生成室(第1の真空空間)51とす
る。プラズマ生成手段50と真空容器6とは、第1の中
間電極3、第2の中間電極4、および真空容器6に設け
られたフランジ27とを中間電極取付けボルト29によ
って固定することにより接続される。なお、この取付け
ボルト29には絶縁被覆を形成してショートを防ぐよう
にしている。
Both the intermediate electrodes 3 and 4 are formed in a ring shape, and a space connected to the vacuum container 6 is formed by the intermediate electrodes 3 and 4, the insulating ring 26 and the quartz tube 22. Of this space, a space inside the quartz tube 22 which is in contact with the cathode portion is defined as a plasma generation chamber (first vacuum space) 51. The plasma generating means 50 and the vacuum container 6 are connected by fixing the first intermediate electrode 3, the second intermediate electrode 4, and the flange 27 provided on the vacuum container 6 with intermediate electrode mounting bolts 29. . An insulating coating is formed on the mounting bolt 29 to prevent a short circuit.

【0016】絶縁リング26は、第1の中間電極3と第
2の中間電極4との間、および第2の中間電極4とフラ
ンジ27との間にそれぞれOリング28を介して配置さ
れる。また、前記陰極部と石英管22、および石英管2
2と第1の中間電極3との接続部にもOリング28を配
置してある。これにより、プラズマ生成室51を密閉状
態を維持できるようになっている。
The insulating ring 26 is arranged between the first intermediate electrode 3 and the second intermediate electrode 4 and between the second intermediate electrode 4 and the flange 27 via O-rings 28, respectively. In addition, the cathode part, the quartz tube 22, and the quartz tube 2
An O-ring 28 is also arranged at a connecting portion between the second intermediate electrode 3 and the second intermediate electrode 3. As a result, the plasma generation chamber 51 can be maintained in a sealed state.

【0017】前記陰極部は、熱容量の小さいTa(タンタ
ル)からなるパイプ状の補助陰極23、LaB6(六ホウ化
ランタン)からなる円板状の主陰極2、両陰極をプラズ
マから保護するためのW(タングステン)からなる円板
状の陰極保護板25、両陰極を収納するMo(モリブデ
ン)からなる円筒(陰極管)24、冷却手段(冷却水の
水路)21からなり、陰極マウント20により支持され
ている。補助陰極23は、ガス導入口1に接続されてい
る。
The cathode part protects the pipe-shaped auxiliary cathode 23 made of Ta (tantalum) having a small heat capacity, the disc-shaped main cathode 2 made of LaB 6 (lanthanum hexaboride), and both cathodes from plasma. A disk-shaped cathode protection plate 25 made of W (tungsten), a cylinder (cathode tube) 24 made of Mo (molybdenum) for housing both cathodes, and a cooling means (cooling water channel) 21. It is supported. The auxiliary cathode 23 is connected to the gas inlet 1.

【0018】ここで、プラズマ生成手段50による放電
過程を説明する。前記陰極部のガス導入口1から放電ガ
ス(キャリアガス)としてArガスを導入し、陰極部の近
傍領域(前記第1の真空空間)のガス圧を1Torr程度に
維持する。一方、前記排気手段により、真空容器6内の
陽極(蒸着源保持手段)7の近傍領域の圧力が2×10 -3
Torr程度となるように設定する。そして、この状態で主
放電電源5により前記陰極部と陽極7との間に600 V前
後の直流電圧を印加する。これにより、まず、補助陰極
23の先端にグロー放電(1A以下)を発生させる。こ
のグロー放電(初期放電)によって、補助陰極23の先
端がArガスの電離による逆流イオンの衝突によって加熱
される。その結果、補助陰極23先端は熱電子を放出す
るようになり、放電電圧が徐々に低下して放電電流が増
加する。補助陰極23の先端が2000℃以上に加熱される
と、放電電圧は70V前後、放電電流は30A以上に達する
ことが可能となる。この状態で2〜3分すると、補助陰
極23先端の放射熱により主陰極2が1700℃程度に間接
的に加熱される。加熱された主陰極2からは大電流の熱
電子放出が発生するため、この主陰極2が放電を生じさ
せる陰極として機能するようになる。この時点で、放電
はアーク放電(最大250 A程度)となり、補助陰極23
の温度は低下する。そのため、この補助陰極23の熱に
よる損傷(消耗)は回避される。
Here, the discharge by the plasma generating means 50
Explain the process. Discharge gas from the gas inlet 1 of the cathode part
Ar gas is introduced as a carrier (carrier gas) so that it is close to the cathode.
The gas pressure in the side area (the first vacuum space) is set to about 1 Torr
maintain. On the other hand, by the exhaust means,
The pressure in the region near the anode (deposition source holding means) 7 is 2 × 10. -3
Set it to about Torr. And in this state
600 V between the cathode part and the anode 7 by the discharge power source 5
The subsequent DC voltage is applied. With this, first, the auxiliary cathode
Glow discharge (1 A or less) is generated at the tip of 23. This
Of the auxiliary cathode 23 by the glow discharge (initial discharge) of
Edge heated by ionization of Ar gas by collision of countercurrent ions
To be done. As a result, the tip of the auxiliary cathode 23 emits thermoelectrons.
The discharge voltage gradually decreases and the discharge current increases.
Add The tip of the auxiliary cathode 23 is heated to 2000 ° C or higher.
And the discharge voltage is around 70V and the discharge current reaches over 30A.
It becomes possible. After 2-3 minutes in this state, the auxiliary shadow
The main cathode 2 is indirectly heated to about 1700 ° C by the radiation heat at the tip of the pole 23.
Is heated. A large amount of heat is generated from the heated main cathode 2.
Since the electron emission occurs, the main cathode 2 is not discharged.
To function as a cathode. At this point, discharge
Arc discharge (up to about 250 A), and the auxiliary cathode 23
The temperature will drop. Therefore, the heat of the auxiliary cathode 23
Damage (wear) caused by this is avoided.

【0019】始めから主陰極2をグロー放電のAr逆流イ
オンによって直接加熱しない理由は、主陰極2を構成す
るLaB6が低密度物質(比重4.6 )で、高速逆流イオンに
よってスパッタリングされてしまう恐れがあるからであ
る。しかし、LaB6は熱電子放射特性が極めて良く、融点
より著しく低い温度でも大電流密度の熱電子放出ができ
るため、大電流放電でも熱的消耗が小さく、長寿命であ
るという利点を有する。これに対し補助陰極23を構成
するTaは、高密度物質(比重16.7)で前記初期放電によ
って生じるスパッタリング作用に対する耐久性を有する
が、最終的な大電流密度の熱電子放射による温度上昇に
は極めて弱い。そのため、熱的消耗が激しく、短寿命で
あるという欠点を有する。そこで、本実施例で用いたプ
ラズマ生成手段50では、陰極部を、初期放電時のスパ
ッタリング作用に強いTaからなる補助陰極23と、最終
の熱電子放射温度に強いLaB6からなる主陰極2とを組合
わせた複合型LaB6陰極とした。
The reason why the main cathode 2 is not directly heated by Ar countercurrent ions of glow discharge from the beginning is that LaB 6 constituting the main cathode 2 is a low density substance (specific gravity 4.6) and may be sputtered by the fast countercurrent ions. Because there is. However, LaB 6 has very good thermoelectron emission characteristics and can emit thermoelectrons with a large current density even at a temperature significantly lower than the melting point, so that it has the advantages of small thermal consumption and long life even with a large current discharge. On the other hand, Ta, which constitutes the auxiliary cathode 23, is a high-density material (specific gravity: 16.7) and has durability against the sputtering action caused by the initial discharge, but is extremely resistant to the temperature rise due to the thermionic emission with a large current density. weak. Therefore, it has a drawback that it is thermally consumed and has a short life. Therefore, in the plasma generating means 50 used in the present embodiment, the cathode portion includes the auxiliary cathode 23 made of Ta which is strong against the sputtering action at the time of initial discharge, and the main cathode 2 made of LaB 6 which is strong against the final thermionic emission temperature. To form a composite LaB 6 cathode.

【0020】このような複合型LaB6陰極は、効率的で簡
単な構成の放電用陰極として既に提案(特開平2−5057
7 号公報)されているものであり、イオンの集積効率が
良いという利点も有する。また、本実施例のプラズマ生
成手段50は、陰極部と陽極7との間に中間電極3、4
を配置することでこれら陰極と陽極間の空間を陰極側と
陽極側とに分けると共に、陰極側の圧力を陽極側よりも
高い圧力に維持した状態でプラズマを生成するように構
成されている。そのため、例えば、陰極側の圧力を1To
rr程度、陽極側の圧力を10-1〜10-4Torr程度の希望する
値に設定してプラズマを生成することが可能である。こ
のような構成のプラズマ生成手段は、圧力勾配型プラズ
マ生成手段と呼ばれている。この圧力勾配型プラズマ生
成手段を用いると、成膜が行われる真空容器6内を高真
空(低い圧力)に保ちながら、プラズマ生成のために安
定な放電を行なうことができる。また、圧力差により主
陰極2に対するイオンの逆流がほとんど無いため、イオ
ンの衝突による陰極の損傷を防止できる。また、陰極か
らの熱電子放出が低下し難い、陰極の寿命が長くなる、
大電流放電が可能となる等の利点を有する。さらに、真
空容器6内に反応ガスを導入してもこのガスがプラズマ
生成室51に入り込む恐れがない。
Such a composite type LaB 6 cathode has already been proposed as an efficient and simple discharge cathode (Japanese Patent Laid-Open No. 5057/1990).
No. 7), which also has the advantage of good ion accumulation efficiency. Further, the plasma generating means 50 of the present embodiment has the intermediate electrodes 3, 4 between the cathode part and the anode 7.
Is arranged to divide the space between the cathode and the anode into the cathode side and the anode side, and generate plasma while maintaining the pressure on the cathode side higher than that on the anode side. Therefore, for example, the pressure on the cathode side is 1 To
It is possible to generate plasma by setting the pressure on the anode side to a desired value of about 10 -1 to 10 -4 Torr or about rr. The plasma generating means having such a configuration is called a pressure gradient type plasma generating means. By using this pressure gradient type plasma generation means, stable discharge can be performed for plasma generation while maintaining a high vacuum (low pressure) in the vacuum container 6 in which film formation is performed. Further, since there is almost no backflow of ions to the main cathode 2 due to the pressure difference, damage to the cathode due to collision of ions can be prevented. Further, thermionic emission from the cathode is less likely to decrease, and the life of the cathode is extended,
It has an advantage that a large current can be discharged. Furthermore, even if a reaction gas is introduced into the vacuum container 6, there is no possibility that this gas will enter the plasma generation chamber 51.

【0021】次に、本薄膜形成装置での薄膜形成過程に
ついて説明する。まず、メインバルブ16の開度を調整
しながら前記排気手段によって真空容器6内(第2の真
空空間)の圧力が1×10-6Torrになるように設定する。
そして、蒸着源保持手段(陽極を兼ねる)7に蒸着源を
載置し、主放電電源5により前記陰極部と陽極7との間
に600 V程度の直流電圧を印加してプラズマを生成す
る。この時、前述のようにプラズマ生成手段(電子銃)
50においては、前記陰極部のガス導入口1からの放電
ガス(Ar)の導入により、陰極部の近傍領域(前記第1
の真空空間)のガス圧は1Torr程度に維持される。ま
た、陽極(蒸着源保持手段)7の近傍領域の圧力が約2
×10-3Torrとなるように、前記排気手段によって真空容
器6内の圧力を設定する。これにより、プラズマ生成手
段(電子銃)50の陰極部付近でアーク放電が生じ、前
記放電ガスがプラズマ化される。生成されたプラズマ
は、第1の中間電極3および第2の中間電極4によりプ
ラズマ生成室51から陽極7側(真空容器6内部側)に
引き出される。このプラズマは、中間電極に内蔵された
永久磁石52と第2の空芯コイル53および空芯コイル
14によって円柱状に収束され、プラズマ流13として
真空容器6内に導かれる。そして、このプラズマ流13
は、陽極(蒸着源保持手段)7の下部近傍に設置された
プラズマ収束用永久磁石8の磁場によって進路を変えら
れて蒸着源保持手段7中の蒸着源に達し、この蒸着源を
蒸発させる。この時、メインバルブ16の開度を調整し
て前記排気手段により真空容器6内の圧力が5×10-4To
rrとなるように制御する。一方、前記反応ガス供給手段
により反応ガス供給口10から反応ガス(O2ガス)を所
望の流量で導入し、蒸着源からの蒸発した物質と反応さ
せる。なお、反応ガスの導入後も真空容器6内の圧力が
5×10-4Torrに維持されるように、メインバルブ16の
開度を調整しておく。その後、シャッタ15を開くと、
前記蒸発した物質はプラズマ13中を通ることによりイ
オン化されて、バイアス電源11により負の電位に保た
れた基板12上に到達する。その結果、この基板12表
面には薄膜状の酸化物が形成される。この薄膜の形成中
は、膜厚モニタ17によって薄膜の膜厚と膜圧レート
(蒸発速度)を測定できるので、所定の膜厚となった時
点で成膜をめればよい。
Next, a thin film forming process in this thin film forming apparatus will be described. First, while adjusting the opening of the main valve 16, the pressure in the vacuum container 6 (second vacuum space) is set to 1 × 10 −6 Torr by the exhaust means.
Then, the vapor deposition source is placed on the vapor deposition source holding means (also serving as the anode) 7, and a DC voltage of about 600 V is applied between the cathode portion and the anode 7 by the main discharge power source 5 to generate plasma. At this time, as described above, the plasma generating means (electron gun)
In No. 50, the discharge gas (Ar) was introduced from the gas inlet 1 of the cathode part, so that the region near the cathode part (the first part
The gas pressure in the vacuum space) is maintained at about 1 Torr. Further, the pressure in the region near the anode (deposition source holding means) 7 is about 2
The pressure in the vacuum container 6 is set by the exhaust means so that the pressure becomes × 10 -3 Torr. As a result, arc discharge is generated near the cathode portion of the plasma generating means (electron gun) 50, and the discharge gas is turned into plasma. The generated plasma is drawn from the plasma generation chamber 51 to the anode 7 side (inside the vacuum container 6) by the first intermediate electrode 3 and the second intermediate electrode 4. This plasma is cylindrically converged by the permanent magnet 52 built in the intermediate electrode, the second air-core coil 53, and the air-core coil 14, and is introduced into the vacuum container 6 as the plasma flow 13. And this plasma flow 13
Is changed in course by the magnetic field of the plasma focusing permanent magnet 8 installed near the lower part of the anode (deposition source holding means) 7, reaches the evaporation source in the evaporation source holding means 7, and evaporates this evaporation source. At this time, the opening of the main valve 16 is adjusted so that the pressure in the vacuum container 6 is 5 × 10 −4 To by the exhaust means.
Control to be rr. On the other hand, the reaction gas supply means introduces a reaction gas (O 2 gas) from the reaction gas supply port 10 at a desired flow rate to react with the substance evaporated from the vapor deposition source. The opening of the main valve 16 is adjusted so that the pressure in the vacuum container 6 is maintained at 5 × 10 −4 Torr even after the introduction of the reaction gas. After that, when the shutter 15 is opened,
The evaporated substance is ionized by passing through the plasma 13 and reaches the substrate 12 kept at a negative potential by the bias power source 11. As a result, a thin oxide film is formed on the surface of the substrate 12. During the formation of this thin film, the film thickness and the film pressure rate (evaporation rate) of the thin film can be measured by the film thickness monitor 17, so that the film formation can be completed when the predetermined film thickness is reached.

【0022】本実施例では基板12として鏡面研磨した
直径30mmの円形の石英ガラスを用意し、この基板12上
にSiO2の薄膜(膜厚0.3 μm )を製造(成膜)した。そ
の時の成膜条件を以下に示す。 真空容器内の到達圧力(真空度) :1×10-6Torr 成膜時の真空容器内の圧力(真空度):5×10-4Torr アーク放電電圧 :70V アーク放電電流 :93A 放電ガスAr流量 :20 SCCM (CC/
分) 反応ガスO2流量 :85 SCCM (CC/
分) 蒸着源 :Si 基板温度 :120 ℃ 成膜速度 :0.6 nm/sec 本実施例で製造(成膜)されたSiO2薄膜の(O-H )結合
の吸収帯(約3400cm-1)近傍のスペクトルを、パーキン
・エルマー製の赤外分光光度計(PERKIN ELMER983G INF
RAND SPECTROPHOTOMETER )により測定した。この測定
結果を図3に示す。本実施例で得られたSiO2薄膜は、測
定領域では殆ど水分による吸収の影響は見られなかっ
た。
In this embodiment, a mirror-polished circular quartz glass having a diameter of 30 mm was prepared as the substrate 12, and a thin film of SiO 2 (film thickness 0.3 μm) was produced (formed) on the substrate 12. The film forming conditions at that time are shown below. Ultimate pressure (vacuum degree) in the vacuum vessel: 1 × 10 -6 Torr Pressure (vacuum degree) in the vacuum vessel during film formation: 5 × 10 -4 Torr Arc discharge voltage: 70 V Arc discharge current: 93 A Discharge gas Ar Flow rate: 20 SCCM (CC /
Min) Reaction gas O 2 flow rate: 85 SCCM (CC /
Min) Evaporation source: Si substrate temperature: 120 ° C. Film formation rate: 0.6 nm / sec The spectrum near the absorption band (about 3400 cm −1 ) of the (OH) bond of the SiO 2 thin film produced (formed) in this example. Infrared spectrophotometer (PERKIN ELMER983G INF
RAND SPECTROPHOTOMETER). The measurement result is shown in FIG. The SiO 2 thin film obtained in this example showed almost no influence of absorption by water in the measurement region.

【0023】〔比較例〕比較例として、電子銃加熱方式
の真空蒸着装置を用い、下記の成膜条件を設定して実施
例と同様の基板上に真空蒸着によりSiO2の薄膜(膜厚0.
3 μm )を製造(成膜)した。 真空容器内の到達圧力(真空度) :5×10-5Torr 成膜時の真空容器内の圧力(真空度):3×10-4Torr 蒸着源 :SiO2 基板温度 :320 ℃ 成膜速度 :0.6 nm/sec 本比較例で製造(成膜)されたSiO2薄膜の(O-H )結合
の吸収帯(約3400cm-1)近傍のスペクトルを、実施例と
同様にして測定した。この測定結果を図3に示す。本比
較例で得られたSiO2薄膜は、図3に示すように3400〜35
00cm-1付近に薄膜中の水分が原因と考えられる著しい吸
収が見られる。
[Comparative Example] As a comparative example, an electron gun heating type vacuum vapor deposition apparatus was used, the following film forming conditions were set, and a thin film of SiO 2 (film thickness 0 .
3 μm) was manufactured (film formation). Ultimate pressure (vacuum degree) in the vacuum container: 5 × 10 -5 Torr Pressure (vacuum degree) in the vacuum container during film formation: 3 × 10 -4 Torr Deposition source: SiO 2 Substrate temperature: 320 ℃ Deposition rate : 0.6 nm / sec The spectrum in the vicinity of the absorption band (about 3400 cm -1 ) of the (OH) bond of the SiO 2 thin film produced (formed) in this comparative example was measured in the same manner as in the example. The measurement result is shown in FIG. The SiO 2 thin film obtained in this comparative example has a thickness of 3400-35 as shown in FIG.
At around 00 cm -1 , there is remarkable absorption, which is thought to be due to the moisture in the thin film.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、膜中の
水分が殆ど無い薄膜状の酸化物を製造(成膜)すること
ができるので、該薄膜の耐久性を向上させることが可能
となる。そのため、この薄膜状酸化物を光学薄膜として
光学素子上に成膜することにより、この素子の耐久性も
向上させることができる。
As described above, according to the present invention, a thin film oxide having almost no water in the film can be produced (formed), so that the durability of the thin film can be improved. It will be possible. Therefore, by forming this thin film oxide as an optical thin film on an optical element, the durability of this element can be improved.

【0025】また、成膜時に基板を加熱する必要がない
ため、熱に弱い材料からなる基板上にも酸化物の薄膜を
形成することができる。さらに、成膜に用いる薄膜形成
装置の構成が簡単になるという利点も有する。
Further, since it is not necessary to heat the substrate at the time of film formation, the oxide thin film can be formed on the substrate made of a material weak against heat. Further, there is an advantage that the structure of the thin film forming apparatus used for film formation becomes simple.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】は、本発明を実施する際に使用した薄膜形成装
置(アーク放電型イオンプレーティング装置)の概略立
断面構成図である。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional configuration diagram of a thin film forming apparatus (arc discharge type ion plating apparatus) used for carrying out the present invention.

【図2】は、図1の薄膜形成装置に用いたプラズマ生成
手段の概略立断面構成図である。
FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional configuration diagram of a plasma generating means used in the thin film forming apparatus of FIG.

【図3】は、実施例と比較例により得られたSiO2薄膜の
それぞれの赤外線吸収スペクトルを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing infrared absorption spectra of SiO 2 thin films obtained in Examples and Comparative Examples.

【主要部分の符号の説明】[Explanation of symbols for main parts]

1 ガス導入口 2 主陰極 3 第1の中間電極 4 第2の中間電極 5 主放電電極 6 真空容器 7 蒸着源保持手段(兼陽極) 8 プラズマ収束用永久磁石 9 排気口 10 反応ガス供給口 11 バイアス電源 12 基板 14 空芯コイル 15 シャッタ 16 メインバルブ 17 膜厚モニタ 18 基板ホルダ 20 陰極マウント 21 冷却手段 22 石英管 23 補助陰極 24 円筒(陰極管) 25 陰極保護板 26 絶縁リング 27 フランジ 28 Oリング 29 中間電極取付けボルト 50 プラズマ生成手段(電子銃) 51 プラズマ生成室 52 永久磁石 53 第2の空芯コイル 1 Gas Inlet 2 Main Cathode 3 First Intermediate Electrode 4 Second Intermediate Electrode 5 Main Discharge Electrode 6 Vacuum Container 7 Deposition Source Holding Means (Also Anode) 8 Plasma Focusing Permanent Magnet 9 Exhaust Port 10 Reactive Gas Supply Port 11 Bias power supply 12 Substrate 14 Air core coil 15 Shutter 16 Main valve 17 Film thickness monitor 18 Substrate holder 20 Cathode mount 21 Cooling means 22 Quartz tube 23 Auxiliary cathode 24 Cylinder (cathode tube) 25 Cathode protection plate 26 Insulation ring 27 Flange 28 O-ring 29 Intermediate electrode mounting bolt 50 Plasma generation means (electron gun) 51 Plasma generation chamber 52 Permanent magnet 53 Second air-core coil

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所定の圧力に設定された第1の真空空間
中でアーク放電によりプラズマを生成し、 該プラズマを前記第1の真空空間よりも低い圧力に設定
された第2の真空空間に設置された蒸着源に照射するこ
とで該第2の真空空間中で成膜を行うアーク放電型イオ
ンプレーティングによる薄膜状酸化物の製造方法におい
て、 前記第2の真空空間の成膜時の圧力を5×10-4Torr以下
に設定したことを特徴とする薄膜状酸化物の製造方法。
1. A plasma is generated by arc discharge in a first vacuum space set to a predetermined pressure, and the plasma is transferred to a second vacuum space set to a pressure lower than that of the first vacuum space. In the method for producing a thin film oxide by arc discharge type ion plating for forming a film in the second vacuum space by irradiating an installed vapor deposition source, the pressure during the film formation in the second vacuum space. Is set to 5 × 10 −4 Torr or less.
【請求項2】 前記酸化物が酸化珪素(SiO2)であるこ
とを特徴とする請求項1記載の薄膜状酸化物の製造方
法。
2. The method for producing a thin film oxide according to claim 1, wherein the oxide is silicon oxide (SiO 2 ).
JP4281918A 1992-10-20 1992-10-20 Production of thin-film oxide Pending JPH06128731A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6087276A (en) * 1996-10-29 2000-07-11 National Science Council Method of making a TFT having an ion plated silicon dioxide capping layer
US20110033634A1 (en) * 2009-08-07 2011-02-10 Jinichi Kasuya Production method of optical element and optical element

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