JPH0645871B2 - 反応性イオンプレーティング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は反応性イオンプレーティング方法とりわけ磁界
を利用した熱陰極放電形イオンプレーティング方法に関
する。

〔従来の技術及びその技術的課題〕

ワークの表面に金属の窒化物、酸化物、炭化物の薄膜を
形成する方法のひとつに反応性イオンプレーティング法
がある。

この反応性イオンプレーティング法については従来下記
のような提案がなされている。

蒸発源の上方にガスを導入する一方、蒸発源の近傍に
イオン化電極を配して正電圧を与えることによりアーク
放電を行せ、蒸発源からの蒸発粒子をイオン化する方法
(特公昭５７−５７５５３号公報参照) アーク放電形イオンプレーティング法すなわち、蒸発
源の近傍にイオン化電極を配し、さらにそれら蒸発源と
イオン化電極との間に熱電子放射フィラメントを配置
し、この熱電子放射フィラメントから熱電子を放射させ
る方法(実公昭５９−４０４５号公報参照) 蒸発源の近傍に熱電子放射フィラメントを配置して熱
電子を放射すると共に、これと反対側位置に正電圧を印
加した活性化ノズルを配してイオン化ガスを導入する方
法(活性化ノズルを用いた反応性蒸着法) 蒸発源の近傍上方に熱電子放射フィラメントとイオン
化電極を対向状に配し、これと別位置からガスを導入す
る方法(アークライクプラズマイオンプレーティング方
法) しかしながら、これらの先行技術はいずれもプラズマ発
生機構を蒸発源近傍に設け、かつ蒸発とプラズマ形成が
連動関係にある。このため、イオンプラズマの任意の制
御が困難であるばかりか、イオンと電子による再結合に
よりイオンが消失したり、電子ビームの偏向磁界により
プラズマが封じ込められてワークに入射するイオンが減
少し、高いイオン密度が得られないという問題があっ
た。また、導入ガスのみの放電では１×１０^-3Torr程度
以上の圧力にしないとプラズマを安定して形成すること
ができず、放電電流もせいぜい１０Ａ程度しか流れなか
ったり、プラズマが局所的になるという問題があった。

ところで、薄膜としてｃＢＮ(立方晶系窒化ほう素)が最
近注目されている。これはｃＢＮがダイヤモンドに次ぐ
硬度を有し、しかもダイヤモンドと違って鉄と反応性の
ない安定した性質であり、また、熱伝導率が良く、絶縁
性、化学的安定性も良好であるなどの特性を備えている
からである。ところがこのｃＢＮは、ダイヤモンドと同
様に高温高圧相であり、イオン化が困難な材料である。
このため、先行技術ではかかるｃＢＮの薄膜を工業的に
作成することが実際上困難であつた。この対策として
は、蒸発源と基板間距離を近接させて基板に入射するイ
オンの減少を防止したり、熱電子放射フィラメントとイ
オン化電極を蒸発源から離したり、プラズマ空間を広く
するため電極間距離を広げる方法が考えられる。

しかしこのような方法をとっても、磁界がないため数ア
ンペアの放電電流を得るには、圧力を１×１０^-3Torr以
上の低真空としなければならない。だが、１×１０^-3To
rr以上の圧力で成膜を行う場合、排気系と蒸発源に特別
な配慮が必要となる。すなわち、前者は、油拡散ポンプ
をこのような高圧で作動させることができないため、途
中にコンダクタンスバルブを入れてコンダクタンスを小
さくしなければならないということである。後者は、高
圧下で蒸発源として電子銃を使用すると異常放電が生じ
やすくなり、また、ガスの拡散により蒸発速度が低下
し、ことにほう素は絶縁物であるから蒸発レートを上げ
るため大パワーを投入すると突沸を起こすということで
ある。

本発明は前記のような問題点を解消するために創案され
たもので、その目的とするところは、排気系や蒸発源に
特別な配慮を要さず、高真空中において容易に高密度プ
ラズマを形成することができ、ｃＢＮで代表される高性
能薄膜を容易にかつ比較的高速で得ることができる反応
性イオンプレーティング方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、単純な熱陰極放電で
なく、これによる電界に平行磁界を重畳させてプラズマ
形成を行うようにしたものである。

すなわち、本発明の特徴とするところは、反応性イオン
プレーティング方法において、真空槽内にガスを導入
し、蒸発源と基板を結ぶ距離の中間又は基板寄りの領域
で、熱電子放射用のカソードとこれと対峙され正の電圧
を印加したアノード間に平行な磁界を利用してプラズマ
を形成し、このプラズマ中に蒸発源から蒸発した材料粒
子を通過させると共に、基板に負の電圧または高周波を
与えてプラズマ中で生成したイオンを引出し、ワーク上
に衝突させることにある。

本発明は、ｃＢＮで代表される高温高圧相の化合物膜の
作成に効果的であるほか、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣなど
の各種高性能薄膜の作成に適用し得る。

以下本発明を添付図面に基いて詳細に説明する。

第１図は本発明の実施のための装置の一例とこれによる
イオンプレーティング法の概要を示している。

１は真空槽であり、底部に排気通路１０が設けられ図示
しない真空ポンプにより排気され、高真空にされるよう
になっている。

２は真空槽１の内部下方に設けられた蒸発源であり、金
属等の蒸発材料Ｔを収容するるつぼ２０と、これを加熱
して蒸発させる手段たとえば電子銃や抵抗加熱ヒータ２
１を備えている。前記蒸発源は必ずしも単数でなく、た
とえば複数ポイント式電子銃や単ポイント電子銃を複数
使用した多元蒸発機構としてもよい。

３はワークを取付ける基板であり、真空槽１内の上方に
前記蒸発源２（るつぼ部分）と対面するように配置され
ている。この基板３と前記蒸発源２との間隔ｌ_１は、ほ
う素を安定に０．２〜１．５nm/secの成膜速度で蒸発さ
せるために、一般に２５０〜６００mmとすべきである。
基板３は外部のバイアス電源３０に接続され、負の直流
電圧または高周波電圧が印加される。前記基板３は加熱
用ヒータ３１により加熱され、また、必要に応じアクチ
ュエータにつながる回転軸により回転される。

４はガスノズルであり、真空槽１内の所望部位たとえば
蒸発源２の側方に配され、真空槽１外に伸びる導入管４
０に設けた流量調整弁４１によりアルゴン、窒素ガス、
水素ガス、酸素あるいはそれら２種以上の混合ガスを真
空槽１内に導入する。

５は本発明で特徴とするプラズマ発生機構である。該プ
ラズマ発生機構は、熱電子放射用のカソード６と、これ
に対向するアノード７と、これらカソード６とアノード
７と同一水平面内の位置にしかもカソード６とアノード
７が形成する電界の方向と同じ向きに水平磁界が形成さ
れるように配置された一対の磁石８ａ，８ｂとからな
り、好ましくはアノード側に補助アノード９が配され
る。

前記プラズマ発生機構５の全体は、真空槽１内に、蒸発
源２と基板間の中間すなわち少なくとも蒸発源２から１
５０mm以上離間した位置に設けられる。好適には基板３
の近傍部位、具体的には第１図において、基板３の下面
から垂直距離ｌ_２で５〜１５０mmの位置とする。これは
電子銃を使用した場合に電子ビームの偏向磁界の影響を
避けることと、ｃＢＮのような高温高圧相の薄膜形成に
おいてはできるだけ基板３への入射イオン量を多くする
ためである。ただ、基板３に近すぎることはかえって好
ましくないため、上記範囲とすべきである。また、カソ
ード６とアノード７の間隔はプラズマ空間を広くするた
め広げることが好ましく、その例としては２００mm〜５
００mmである。

カソード６はＷ、Ｔａ、Ｗ/Thなどの熱陰極材料で作ら
れたフィラメントからなり、電源６０により通電加熱さ
れることで熱電子を放出する。アノード７は、第１図の
ようにカソード６と対向する側の磁石８ｂに結線して磁
石そのものを電極としてもよいし、第１ａ図のように磁
石８ｂの前面側に電極７０を別に設置することで構成し
てもよい。いずれの場合も、アノード７には接地電位に
対して正の直流又は交流の電圧たとえば４０〜７０Ｖの
直流電圧が電源７１によって印加される。

磁石８ａ，８ｂは正対しており、その磁界の強さは、高
密度のプラズマを形成させるため、両磁石の中間地点で
２０〜４０Oeとすることが好ましい。下限を２０Oeとし
たのは、これより磁界が弱いと熱電子を十分に加速する
ことができないからであり、上限を４０Oeとしたのは電
子銃への影響を避けるためである。

本発明はカソード６とアノード７間を結ぶ線分上に平行
(水平)磁界を形成するものであり、カソード６とアノー
ド７間を結ぶ線分に対し直角な方向に磁界を発生させる
のではない。後者の方法ではガスによるイオンボンバー
ドは可能でも、磁界発生装置が蒸発源と基板をつなぐ線
分に位置するため蒸発粒子の拡散が妨げられ、成膜を行
えない。

なお、磁石８ａ，８ｂの磁界をより確実に平行化する方
法として、第４図のように、マグネットケース８０ａ，
８０ｂの前面に鉄板、軟質鋼板、けい素鋼板などの磁性
体８１ａ，８１ｂを配置してもよく、これも本発明に含
まれる。

補助アノード９は放電の安定化(プラズマの着火)を図る
ために使用され、電源９０によりアノードの５倍程度の
電圧が印加される。この補助アノード９はプラズマの形
成に伴い電圧が低下するような回路が組まれることが望
ましい。

次にこの装置により化合物薄膜を形成する工程を説明す
る。

まず基板３にワークを取付け、加熱ヒータ３１によりワ
ークを所要温度に加熱しながら、真空ポンプを作動しつ
つ排気通路１０により真空槽１内を真空排気する。その
後、加熱ヒータ３１を止め、真空槽１内にガスノズル４
からアルゴン等のガスを導入し、前処理としてイオンボ
ンバードを所要時間行った後、成膜を行う。

この成膜工程は、ガスノズル４により真空槽１内に所定
成分のガスを導入し、補助アノード９に高い正電圧を印
加し、カソード６を通電すると共に、アノード７に正電
圧を印加する。これにより磁石８ａ，８ｂの平行磁界と
あいまってプラズマＰｌが形成される。この状態で蒸発
源２の加熱手段２１を作動して蒸発材料Ｔを蒸発させ
る。

この蒸発粒子は上昇し、プラズマＰｌを通過してワーク
に付着させられる一方、基板２に印加した負の電圧又は
高周波により生ずるセルフバイアス電圧によりプラズマ
内で生成したガスイオンが引付けられ、ワーク上に衝突
される。これによりワークに反応生成膜が付着堆積され
る。

本発明においては、プラズマ発生機構５としてカソード
６とアノード７に加え一対の磁石８ａ，８ｂを同一平面
内に配しており、これにより第２図(a)(b)のような平行
磁界が形成される。カソード６とアノード７は平行磁界
に設置されているため、その磁界と電界により、カソー
ド６から放出された熱電子ｅは第３図(a)(b)のように磁
界の方向とは別方向の速度成分によりサイクロトロン運
動をしながら電界の方向すなわちアノード７に向かって
加速される。真空槽１内には予めガスが導入されてお
り、そのガスの分子が上記のように加速された電子と衝
突することにより電離が起り、ガス分子がイオン化され
プラズマが形成される。

このプラズマは第２図(a)(b)のような平行磁界により高
密度化され、これにより熱電子放出によるカソード付近
の負の空間電荷を打消し、ほぼ熱陰極(フィラメント)の
飽和電流値Ｉ＝ＡＴ²exp(-eψ/KT)(但し、〔Ｉ〕＝Ａmp
/cm²、Ａ：物質によって異なる常数、Ｔ：絶対温度、
ｅ：電子の負荷、ｋ：ボルツマン定数、ψ：仕事関数)
の電流がカソードからアノードに流れる。放熱電流はカ
ソードの温度に比例するため、容易に２０Ａ程度流すこ
とができ、この時の電子の流れは熱電子の初速度が磁界
及び電界に比べ充分に小さいため、第３図(a)(b)のよう
にほぼシートビーム状となり従って、磁石８ａ，８ｂ間
に高密度のプラズマ空間を安定的に形成することができ
るのである。

前記プラズマ発生機構は蒸発源２の蒸発手段等と独立し
ているため、プラズマの制御を任意かつ容易に行うこと
ができる。しかもプラズマ発生領域が蒸発源２から十分
に離間した位置にあるため、イオンと電子による再結合
の問題が生じず、軽イオンでも電子ビームの磁界に影響
を受けない。さらに平行磁界を利用するため広い空間に
導入ガスによる高密度プラズマを形成することができ、
イオン化しにくい蒸発物との化合物を容易に形成するこ
とができる。

なお、第４図のような磁界機構とした場合には磁界のミ
ラー状化が抑制され、より良好な平行磁界が創生される
ため、プラズマ密度が平均化する。これにより膜の均一
度が向上され、かつ化合物の含有率も高くすることがで
きる。

また、補助アノード９を用い、アノード７の５倍程度の
電圧を印加した場合には、放電開始圧力を、使用しない
場合の約２．５×１０^-4Torrに対し約１×１０^-4Torrに
下げることができるため、より高真空中での成膜が可能
となる。

なお前記成膜工程においては、母材との密着性を高める
ため、ワークと化合物薄膜との中間層として蒸発成分リ
ッチの膜を形成することなども適宜行われることは言う
までもない。

成膜条件は膜材質等にもよるが、一般に下記条件から適
宜選択すればよい。

圧力：２〜８×１０^-4Torr 基板温度：２５０℃以上 アノード電圧：４０〜７０Ｖ アノード電流：２〜２０Ａ カソード加熱電流：３０〜５０Ａ バイアス電源パワー：５００Ｗ以下 電子銃電力：１．７〜２．３ＫＷ 〔実施例〕 本発明によりｃＢＮ薄膜を作成した。

Ｉ．装置として第１図に示すものを用いた。プラズマ発
生機構は基板から１０mmの位置、蒸発源から400mmの位
置に設けた。

磁石は１対のフェライト磁石を用いた。磁石間間隔は22
0mmとした。磁石間中間地点での磁界強さは40Oeであ
る。アノードは磁石の前面に配置した。カソードは直径
１mm、全長150mm程度のタングステン線フィラメントを
用いた。蒸発材料として純度99.9%のほう素を用いた。

II．まず基板に治具によりシリコンウエハを取付け、加
熱ヒータで３００℃に加熱しながら、槽内を１×１０^-5
Torrの圧力まで真空排気し、その後加熱ヒータを止め、
アルゴンイオンボンバードを５分間行った。ボンバード
条件は、圧力：５×１０^-4Torr、基板高周波電力：３０
０Ｗ、アノード電圧・電流：６０Ｖ・５Ａとした。

III．ボンバード終了後、Ａr/Ｎ₂の混合ガスを導入して
プラズマを形成させた後、電子銃によりほう素を蒸発さ
せた。膜の密着性をよくするためガス流量を変化させ、
Ｂ膜、Ｂリッチ膜、ｃＢＮ膜と成長させた。このときの
成膜条件を下記第１表に示す。

そして、アノード電圧・電流：６０Ｖ・１４Ａ、電子
銃：−８．５ＫＶ、２７０mＡ、カソード加熱電流：４
４Ａとした。これらパラメータは成膜中一定とした。ほ
う素の蒸発速度は０．５〜０．６nm/secであり、槽内温
度は成膜初期で３００℃で、成膜中はこれよりも昇温し
たものの全体として低温域で実施できた。

IV．得られた薄膜を赤外吸収分光法により分析した結果
を第５図に、またＸ線回析法により分析した結果を第６
図に示す。第５図から１１００cm^-1に吸収帯が見られる
ことからｃＢＮと同定される。また、第６図から明らか
なようにｃＢＮの１１１に相当するピークが出現してい
る。

得られた薄膜は硬度Ｈv４０００以上であり、かつ中間
にＢリッチの膜を形成しているため密着性がよく、３０
Ｗの超音波振動を５時間与えても剥離は生じなかった。

Ｖ．なお、マグネットケース前面に軟鋼板を置いて成膜
を行ってみた。その結果、膜の厚さの均一度が向上し、
かつｃＢＮ含有率(Ｒc)も基板のＲＦパワー３５０Ｗで
７２％と大きく増加することができた。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、熱陰極放電の両電極を蒸
発源から離し、かつ電極間距離も十分にとった条件下で
かつ１．５×１０^-4Torr以上の高真空においても容易に
２０Ａ程度の放電電流が流れ、高密度のプラズマを形成
でき、その高密度プラズマを広い空間に形成できる。こ
のため、イオン化しにくい物質との化合物を容易に作成
することができ、たとえば作成の困難な高温高圧相であ
るｃＢＮを容易にかつ比較的高速で得ることができる。
また、高真空においても高密度プラズマを形成できるた
め、排気系や蒸発源に特別な配慮を必要とせず、装置構
成も比較的簡単で済むなどのすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオンプレーティング法とその実施に
用いる装置の概略構成図、第１ａ図はアノードの他の例
を示す部分的説明図、第２図(a) はプラズマ発生部の磁
界分布を示す平面図、第２図(b)は同じくその側面図、
第３図(a)はプラズマ発生部の電子の流れを模式的に示
す平面図、第３図(b)は同じくその側面図、第４図はプ
ラズマ発生機構の他の実施例を示す平面図、第５図は本
発明により得られた薄膜の赤外吸収分光線図、第６図は
同じくＸ線回折図である。 １……真空槽、２……蒸発源、３……基板、４……ガス
ノズル、５……プラズマ発生機構、６……カソード、７
……アノード、８ａ，８ｂ……磁石、９……補助アノー
ド、Ｗ……ワーク、Ｐｌ……プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−20084（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−221271（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空槽内に蒸発材の蒸発源とこれと対面す
   る基板を配置し、反応性ガスの存在下で前記蒸発源から
   蒸発した材料粒子を熱陰極放電を利用してイオン化しワ
   ークに反応生成膜を付着させる形式のイオンプレーティ
   ング方法において、真空槽内にガスを導入し、蒸発源と
   基板を結ぶ距離の中間又は基板寄りの領域で、熱電子放
   射用のカソードとこれと対峙され正の電圧を印加したア
   ノード間に平行な磁界を利用してプラズマを形成し、こ
   のプラズマ中に蒸発源から蒸発した材料粒子を通過させ
   ると共に、基板に負の電圧または高周波を与えてプラズ
   マ中で生成したイオンを引出し、ワーク上に衝突させる
   ことを特徴とする反応性イオンプレーティング方法。
2. 【請求項２】熱電子放射用カソードとこれと対峙するア
   ノード間に平行な磁界を形成する手段として、それら電
   極が形成する電界の方向と同じ向きに磁界が形成される
   ように配置された一対の磁石を用いる特許請求の範囲第
   １項記載の反応性イオンプレーティング方法。
3. 【請求項３】アノードの近くに正電圧を印加した補助ア
   ノードを配してプラズマの着火を行うことを含む特許請
   求の範囲第１項記載の反応性イオンプレーティング方
   法。