JPH0774435B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は基板上に膜厚及び膜質の均一な薄膜を形成する
薄膜形成装置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、クラスタ・イオンビーム源による薄膜形成装置
は、真空槽内に例えば特公昭54−9592号公報に示された
クラスタ・イオンビーム源を設置し、これにより基板上
に薄膜を形成するものである。第６図はその従来の薄膜
形成装置を示す断面構成図である。図において（１）は
所定の真空度に保持された真空槽で、排気を行なうため
の排気口（２）が設けられており、これは図示しない真
空排気装置に接続されている。（３）はクラスタイオン
ビーム源であり、蒸気発生源（４），イオン化機構（1
0），加速電極（15）の３つの部分で構成されている。
蒸気発生源（４）には直径1mm〜2mmのノズル（５）を有
する密閉型るつぼ（６）が設けられており、基板（18）
上に成膜されるべき材料（７）が収容される。密閉型る
つぼ（６）に熱電子を照射し、これの加熱を行なうボン
バード用フイラメント（８）の外側には輻射熱を遮断す
る熱シールド板（９）が設けられている。

イオン機構（10）に設けられたイオン化フイラメント
（11）は、熱せられてイオン化用の熱電子（12）を放出
する。熱電子（12）は電子引き出し電極（13）により加
速される。熱シールド板（14）は、イオン化フイラメン
ト（11）からの輻射熱を遮断する。

加速電極（15）はイオン化されたクラスタ・イオン（1
6）を加速してこれをイオン化されていない中性クラス
タ（17）とともに基板（18）に衝突させて薄膜を形成さ
せるものである。又、化合物薄膜を形成するためにクラ
スタイオンと基板（18）上で反応するガスイオンを発生
する反応ガスイオン源（19）が設けられており、反応ガ
スイオン源（19）は、イオン形成室（20），イオン引き
出し電極（24），質量分離マグネツト（26），イオン照
射機構（27）から構成されている。イオン形成室（20）
には反応ガス導入口（21）が設けられ、この反応ガス導
入口（21）を通して導入された反応ガス（22）はイオン
形成室（20）内で放電を起こし、プラズマが生成する。
イオン形成室（20）に設けられたイオン引き出し口（2
3）の先端に配置されたイオン引き出し電極（24）によ
りプラズマ中からイオン（25）が引き出される。引き出
されたイオン（25）は質量分離マグネツト（26）により
必要なイオンのみが分離された後、イオン照射機構（2
7）内に設けられた減速電極（28）及び偏向電極（29）
により基板（18）上に照射される。

以上の構成により、基板（18）に硅素（Si）薄膜を形成
する場合について説明する。まず成膜材料（７）として
硅素（Si）を密閉型るつぼ（６）内に充填し、真空排気
装置により真空槽（１）内を高真空に保つ。次いで、る
つぼ（６）内のSiの蒸気圧が数Torr程度になる温度に昇
温する。そうすると、ノズル（５）から噴出したSi蒸気
は多数の原子が緩く結合したクラスタ（17）を形成し、
このクラスタ（17）はイオン化機構（10）によりイオン
化されてクラスタ・イオン（16）となる。このクラスタ
・イオン（16）は加速電極（15）により適度に加速さ
れ、イオン化されていない中性クラスタ（17）と共に基
板（18）に衝突する。この結果、基板（18）上では硅素
（Si）薄膜が形成される。又、化合物薄膜、例えば窒化
硅素（Si₃N₄）薄膜を形成する場合にはこの時同時に、
窒素（N₂）ガスを反応ガス導入口（21）よりイオン形成
室（20）に導入し、窒素プラズマ（25）を生成した後イ
オン引き出し電極（27），質量分離マグネツト（29）を
通して高純度な窒素イオンが分離される。次に減速電極
（31）により窒素イオンは適当なエネルギーに減速さ
れ、偏向電極（32）により基板（18）上のSiクラスタ
（17）及びSiクラスタ・イオン（16）が衝突している広
い面積にわたり照射される。この結果、基板（18）上で
はシリコンと窒素とが反応を起こし、窒化硅素（Si
₃N₄）の薄膜が形成される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の薄膜形成装置は以上のように構成されているの
で、薄膜を形成する場合、クラスタ・イオンビーム源か
ら発生されるビームは基板に対し、常に一定方向から照
射されているので、基板上に形成される膜の膜厚の分布
はビームの噴出量の角度分布によって決まる分布とな
り、広い面積にわたり均一性を確保することが困難であ
るという問題点があつた。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、基板上に膜厚及び膜質の均一な薄膜を形成でき
る薄膜形成装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の薄膜形成装置は、噴出ノズルから成膜すべき物
質の蒸気を真空槽内に噴出して上記蒸気中の多数の原子
が緩く結合したクラスタを発生する蒸気発生源、並びに
上記クラスタをイオン化するためのイオン化機構及びイ
オン化されたクラスタ・イオンを加速し、上記真空槽内
に設けられた基板に衝突させて薄膜を形成する加速電極
を有するクラスタ・イオンビーム源を備えるものにおい
て、上記蒸気発生源を上記クラスタが上記基板方向に照
射できるように形成した複数の噴出ノズルを有する環状
とし、上記基板中心を通り基板に垂直な延長線を囲むよ
うに配置したものである。

〔作用〕

環状の蒸気発生源を基板中心を通り基板に垂直な延長線
を囲むように配置し、複数の噴出ノズルをクラスタが基
板方向に照射できるように形成したので、膜厚及び膜質
の均一な薄膜を制御性良く形成できる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図に基いて説明する。第２図
はこの発明の一実施例の薄膜形成装置を示す断面構成
図、第２図（ａ）（ｂ）はこの発明の一実施例の一部分
の蒸気発生源を示すもので、（ａ）は一部断面で示す正
面図、（ｂ）は一部断面で示す側面図である。第１図に
おいて、（103）はクラスタ・イオンビーム源であり、
環状の蒸気発生源（104），イオン化機構（110），加速
電極（115）で構成されている。蒸気発生源（104）は基
板（18）中心を通り基板（18）に垂直な延長線を囲むよ
うに配置され、第２図に示すように噴出ノズル（105）
を有する密閉形るつぼ（106）が設けられており、噴出
ノズル（105）はクラスタが基板（18）方向に照射でき
るよう適当な角度を持つて形成されている。また成膜材
料（７）は密閉形るつぼ（106）の端部に設けられた材
料供給機構（133）から連続的に供給される。

その他、従来と同一機能の部分は同一符号で示してい
る。

以上の構成により、基板（18）に硅素（Si）薄膜を形成
する場合について説明する。まず成膜材料（７）として
硅素（Si）を材料供給機構（133）に充填し、真空排気
装置により真空槽（１）内を高真空に保つ。次いで、材
料供給機構（133）内のSiが溶融状態になる温度まで材
料供給機構（133）を加熱すると同時にるつぼ（106）内
のSiの蒸気圧が数Torr程度になる温度にるつぼ（106）
を昇温する。そうすると、ノズル（105）から噴出したS
i蒸気はクラスタ（17）を形成し、このクラスタ（17）
はイオン化機構（110）によりイオン化されてクラスタ
・イオン（16）となる。このクラスタ・イオン（16）は
加速電極（115）により適度に加速されて、イオン化さ
れていない中性クラスタ（17）と共に基板（18）に衝突
する。この時、ノズル（105）はクラスタ（17）が基板
（18）へ適当な角度を持つて入射できるよう設けられて
いるので、第３図に示すように、基板（18）上で均一な
膜厚分布を得ることができる。第３図はこの実施例によ
り形成される薄膜の基板上での膜厚分布を示す説明図
で、（105A）は噴出ノズルＡ、（105B）は噴出ノズル
Ｂ、破線（Ａ）はノズルＡ（105A）による膜厚分布、破
線（Ｂ）はノズルＢ（105B）による膜厚分布、実線
（Ｃ）はノズルA,B（105A）（105B）両者による膜厚分
布を表わしている。また、従来、蒸気発生源の密閉形る
つぼ内への成膜材料の充填量には限界があるため、長時
間連続に薄膜形成を行なうことは不可能であつたが、こ
の実施例では材料供給機構（133）により溶融状態の成
膜材料を連続的に供給できるので、クラスタ・イオン源
を真空を破らずに長時間連続で運転できる。さらに、複
数の噴出ノズル（105）を有する円環状の蒸気発生源を
１台用いているだけなので、蒸気発生源加熱用電源及び
イオン化電源も各１台用いるだけで薄膜形成が可能とな
り、溶融金属を供給する材料供給機構も１台設けるだけ
で、環状の蒸気発生源全体に材料が充填できる。従っ
て、装置が小型化するだけでなく、電源、制御系、供給
源等を各１台用いるだけでよくなり、それぞれ複数台を
ばらつきがないよう精度良く調整する必要がないので、
制御性が良く簡便に製造できる。

第４図はこの発明の他の実施例の化合物膜を形成するた
めの薄膜形成装置を示す断面構成図で、図において、
（119）はクラスタイオンと基板上で反応するガスイオ
ンを発生する反応ガスイオン源であり、基板（18）中心
を通り基板（18）に垂直な延長線上がガスイオンの噴出
中心となるように配置され、円環状の蒸気発生源（10
4）が周設されている。その他は従来及び第1,2図と同様
である。

以上の構成において、基板（18）に窒化硅素（SiN₄）薄
膜を形成する場合、第１図の動作説明で述べたようにク
ラスタ・イオンビーム源（103）によりSiクラスタ（1
7）及びSiクラスタ・イオン（16）を基板（18）に衝突
させる。この時同時に、窒素（N₂）ガスを中央に設置さ
れた反応ガスイオン源（119）の反応ガス導入口（21）
よりイオン形成室（20）に導入し、窒素プラズマを生成
した後イオン引き出し電極（24），質量分離マグネツト
（26）を通して高純度な窒素イオンが分離される。次に
減速電極（28）により窒素イオンは適当なエネルギーに
減速され、偏向電極（29）により基板（18）上のSiクラ
スタ（17）及びSiクラスタ・イオン（16）が衝突してい
る広い面積にわたり照射する。この結果、基板（18）上
ではシリコンと窒素とが反応を起こし、窒化硅素（Si₃N
₄）の薄膜が形成される。この時、N₂ガスイオンは基板
（18）に対し、垂直方向より照射可能であるため、基板
（18）上で均一なイオン電流密度分布が得られ、均質な
Si₃N₄薄膜を形成することが可能となる。従つて、この
実施例によれば膜厚及び膜質が均一な化合物薄膜を形成
できるとともに、長時間連続運転も可能となりその効果
は大きい。

なお、上記実施例では、蒸気発生源（104）が円環状で
あるものを示したが、第５図に示すように矩形環状であ
つてもよく、噴出ノズル（105）からのクラスタの噴射
角を適当に調節すれば、同等の効果が得られる。なお、
第５図（ａ），（ｂ）はこの発明の一部分の蒸気発生源
を示すもので、（ａ）は一部断面で示す正面図、（ｂ）
は一部断面で示す側面図である。

また上記実施例では、材料供給機構（133）は蒸気発生
源（104）内るつぼ（106）の一端に設置しているが、両
端に設置してもよく同等の効果が得られる。

さらにまた、上記実施例では、反応ガスイオン源（11
9）から発生するイオンはクラスタ・イオンと反応し化
合物薄膜を形成するガスイオンの場合について説明した
が、反応ガスイオン源（119）から発生するガスイオン
が形成薄膜表面のクリーニング用のものであつても同等
の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、噴出ノズルから成膜す
べき物質の蒸気を真空槽内に噴出して上記蒸気中の多数
の原子が緩く結合したクラスタを発生する蒸気発生源、
並びに上記クラスタをイオン化するためのイオン化機構
及びイオン化されたクラスタ・イオンを加速し、上記真
空槽内に設けられた基板に衝突させて薄膜を形成する加
速電極を有するクラスタ・イオンビーム源を備えるもの
において、上記蒸気発生源を上記クラスタが上記基板方
向に照射できるように形成した複数の噴出ノズルを有す
る環状とし、上記基板中心を通り基板に垂直な延長線を
囲むように配置することにより膜厚及び膜質が均一な薄
膜を形成できる薄膜形成装置が得られるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の薄膜形成装置を示す断面
構成図、第２図（ａ），（ｂ）は第１図の一部分の蒸気
発生源を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面
図、第３図は薄膜の基板上での膜厚分布を示す説明図、
第４図はこの発明の他の実施例の薄膜形成装置を示す断
面構成図、第５図（ａ）（ｂ）はこの発明の一部分の蒸
気発生源の他の実施例を示すもので、（ａ）は正面図、
（ｂ）は側面図、第６図は従来例の薄膜形成装置を示す
断面構成図である。 図において、（１）は真空槽、（18）は基板、（103）
はクラスタ・イオンビーム源、（104）は蒸気発生源、
（105）は噴出ノズル、（106）は密閉形るつぼ、（11
0）はイオン化機構、（115）は加速電極、（119）は反
応ガスイオン源、（133）は材料供給機構である。 なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】噴出ノズルから成膜すべき物質の蒸気を真
   空槽内に噴出して上記蒸気中の多数の原子が緩く結合し
   たクラスタを発生する蒸気発生源、並びに上記クラスタ
   をイオン化するためのイオン化機構及びイオン化された
   クラスタ・イオンを加速し、上記真空槽内に設けられた
   基板に衝突させて薄膜を形成する加速電極を有するクラ
   スタ・イオンビーム源を備えるものにおいて、上記蒸気
   発生源を上記クラスタが上記基板方向に照射できるよう
   に形成した複数の噴出ノズルを有する環状とし、上記基
   板中心を通り基板に垂直な延長線を囲むように配置する
   ようにしたことを特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】蒸気発生源の一端部又は両端部に成膜材料
   を連続的に供給する材料供給機構が設けられていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成装
   置。