JPH089774B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

薄膜形成装置

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JPH089774B2
JPH089774B2 JP2164184A JP16418490A JPH089774B2 JP H089774 B2 JPH089774 B2 JP H089774B2 JP 2164184 A JP2164184 A JP 2164184A JP 16418490 A JP16418490 A JP 16418490A JP H089774 B2 JPH089774 B2 JP H089774B2
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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/221Ion beam deposition
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、薄膜形成装置に関し、特に、イオンビー
ムおよび電子ビームを用いて薄膜を形成する物理的蒸着
法(PVD法)により薄膜を蒸着形成する薄膜形成装置に
関するものである。
[従来の技術] 従来から、半導体、光学薄膜、磁性膜、絶縁膜などの
高品質な薄膜がスパッタリング法もしくは低エネルギー
イオンビームアシスト蒸着法により形成されている。
第3図は、例えばジャーナル、バキューム、サイエン
スアンドテクノロジー(J.Vac.Sci.Techno1.B2(3),
(1984年7月〜9月)に示された従来の薄膜形成装置を
模式的に示したものであり、図において、密閉形のルツ
ボ(3)は、図示しない所定の真空度に保持された真空
槽内に置かれたイオン源装置の蒸気発生源(7)の内部
に設けられている。このルツボ(3)の上部にはオリフ
ィス(4)が形成されており、ルツボ(3)内には蒸着
物質(5)が収容されている。ヒータ(6)はルツボ
(3)を加熱する。これらルツボ(3)、オリフィス
(4)およびヒータ(6)により蒸気発生源(7)が構
成されている。
電子ビームを放出するカソード(フィラメント)(1
0)、このカソード(10)から電子を引き出すアノード
(11)によりイオン化手段(12)が構成されている。
加速電極(16)およびアース電極(17)は、イオン化
手段(12)によってイオン化された蒸着物質を電界で加
速し、運動エネルギーを付与する加速手段(19)を構成
している。
以上の構成により、真空槽を10-6Torr程度以下の真空
度になるまで真空排気系によって排気した後、ヒータ
(6)によってルツボ(3)を加熱すると、ルツボ
(3)内の蒸着物質(5)は蒸発し、オリフィス(4)
よりイオン化手段(12)に輸送される。この蒸着物質
(5)の蒸気は、カソード(10)から放出される電子ビ
ームと衝突してイオン化される。このイオン化された蒸
着物質(5)の蒸気は、加速手段(19)の加速電極(1
6)およびアース電極(17)で印加される電界により加
速され、基板表面に衝突して薄膜が形成される。
[発明が解決しようとする課題] 以上のような従来の薄膜形成装置では、シリコン(S
i)もしくはアルミニウム(Al)等のルツボ材料との濡
れ性のよい蒸着物質を使うと、熔融した蒸着物質がオリ
フィス側にはい上がったり、ルツボ側面に沿ってしみ出
したりする現象が起こり、イオン源を安定的に稼働でき
ないという問題点があつた。またこれらの熔融金属は、
イオン源を構成する材料と激しい反応性を示すため、熔
融金属と濡れた部分が腐食され、寿命が極端に短くなる
という問題点があった。
また、従来の低エネルギー(20eV〜500eV)のイオン
を用いる蒸着法では、生成されるイオンビームの蒸気中
に占める割合(イオン化効率)がせいぜい5%以下で、
利用できるイオンの割合が小さく、基板上に成膜される
デバイスの性能向上に限界があるという問題点があつ
た。
さらに、加速電圧によって薄膜の性質をコントロール
しようとしても、特に加速電圧を小さくすると基板に到
達するイオン量が非常に小さくなり、低エネルギーイオ
ンの特性を生かした高品質な薄膜が形成できないという
問題点があつた。
また、加速電圧が0に近付くと、カソード(フィラメ
ント)より飛び出す電子が基板に入射するようになり、
これが基板に損傷を与えるという問題点があった。
この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、濡れ性のよい蒸着物質を使用しても安定的
に稼働できるばかりでなく、イオン化効率70%以上の高
いイオン生成を実現し、加速電圧を変えても一定のイオ
ンを基板に照射することを可能にし、低エネルギーイオ
ンがもつ特性を十分引き出せるようにしただけでなく、
フィラメントから飛び出す電子が基板に衝突して基板に
損傷を与えることがない高品質でしかも均質な薄膜を成
膜できる薄膜形成装置を得ることを目的としている。
[課題を解決するための手段] この発明に係る薄膜形成装置の金属イオンのイオン源
は、真空槽の中央部に配置したカソードであるフィラメ
ントとこのフィラメントの外側に配置したアノードとか
らなるグロー放電により蒸着物質を電離してイオンを生
成するイオン化手段と、カソードの下部に設けられ加熱
されるルツボを有し前記ルツボが加熱されるとともに前
記カソードから放出される電子の一部がルツボの上部を
照射してルツボの上部が高温になるようになっている蒸
気発生源と、前記イオン化手段によってイオン化された
前記蒸着物質を前記基板に向けて運動エネルギーを付与
して衝突させるための加速手段とを備えてなるものであ
る。
また、この発明の別の発明に係る薄膜形成装置の金属
イオンのイオン源は、真空槽の中央部に配置したカソー
ドであるフィラメントとこのフィラメントの外側に配置
したアノードとからなるグロー放電により蒸着物質を電
離してイオンを生成するイオン化手段と、前記アノード
の外側に配置されグロー放電部のプラズマ密度を増加さ
せる磁界印加手段と、前記カソードの下部に設けられた
加熱されるルツボを有している蒸気発生源と、前記イオ
ン化手段によってイオン化された前記蒸着物質を前記基
板に向けて運動エネルギーを付与して衝突させるための
加速手段とを備えてなるものである。
[作 用] この発明においては、カソードであるフィラメントの
熱によりルツボ上部が加熱されるようにしたので、濡れ
性のよい熔融金属のはい上がりが抑えられ、また、イオ
ン化部に設けた加熱されるルツボからの熱によりアノー
ドの温度が蒸着物質の融点より高く保たれるので、蒸着
物質がアノードに付着することがない。
また、カソードからの電子を直接ルツボから噴出する
蒸気に照射すると共に、イオン化手段にグロー放電のプ
ラズマ密度を増加させる磁界印加手段を設ければ、非常
に高効率でイオン化を行うことができる。
さらに、加速電極とアース電極間に負にバイアスされ
た引出電極を設ければ、基板に損傷を与える熱電子の基
板への衝突を抑制すると共に、加速電圧を変化させても
基板に入射するイオンをある必要レベル以上に保つこと
ができる。
[実施例] 以下、この発明の一実施例を第1図について説明す
る。図において、ルツボ(3)はイオン化手段(12)内
部のスパイラル形状のカソード(10)下部に設けられ、
ヒータ(6)が付設されている。蒸気発生源(7)はル
ツボ(3)とヒータ(6)により構成され、またカソー
ド(10)、円筒状のアノード(11)によって構成される
イオン化手段(12)の内部に設けられている。また、イ
オン化手段(12)の外部には磁界印加手段(13)が設け
られている。加速電極(16)と、これに対して負にバイ
アスされた引出電極(18)およびアース電極(17)によ
って加速手段(19)が構成されている。
次に作用について説明する。上述した従来装置と同様
に、加熱された蒸気発生源(7)のルツボ(3)内で蒸
着物質(5)の蒸気が形成される。このときカソード
(10あであるフィラメントからの熱によりルツボ(3)
上部を加熱し、ルツボ(3)下部より高温に保たれるよ
うにしたので、濡れ性のよい熔融金属のはい上がりが抑
えられ安定的にイオン源を稼働させることができる。ま
た、イオン化手段(12)に設けた蒸気発生源(7)を構
成する加熱されたルツボ(3)からの熱により、アノー
ド(11)の温度が蒸着物質(5)の融点より高く保たれ
るので、蒸着物質(5)が凝縮してアノード(11)に付
着することがなく、したがって蒸着物質(5)とイオン
源材料の反応によって腐食され、寿命が短くなるという
問題がない。さらに、カソード(10)からの電子を直接
ルツボ(3)から噴出する蒸気に照射してイオン化する
と共に、イオン化手段(12)にグロー放電のプラズマ密
度を増加させる磁界印加手段(13)を設けて、電子がア
ノード(11)とカソード(10)の間で回転できるように
数百ガウスの磁束密度を印加することにより、70%以上
の非常に高いイオン化効率を達成することができる。つ
まり、装置の軸方向に磁界を印加しておくと、カソード
(10)から放出される電子は半径方向平面内で回転運動
しながらアノード(11)方向に移動するためアノード
(11)に到達するまでの飛行工程が増加する。この結
果、電子がアノード(11)内の蒸気と衝突する確率が増
加し、非常に高いイオン化効率を達成することができ
る。
このイオンは、加速手段(19)によって加速され、基
板表面に蒸着されて薄膜が形成されるわけであるが、こ
の際引出電極(18)は、加速電極(16)に対して負にバ
イアスされているので、引き出されたイオンはこの間で
加速された後、アース電極(17)で減速される。結局、
イオンは、加速電極(16)とアース電極(17)間の電位
差(加速電圧)に等しい運動エネルギーで基板に入射す
ることになる。したがって加速電極(16)と引出電極
(18)間の電圧を一定にすれば、加速電圧を変化させて
も、引き出されるイオンの量はある必要レベル以上が確
保できるので、小さい加速電圧の場合でも低エネルギー
イオンの特性を生かした薄膜の形成が可能となる。ま
た、引出電極(18)は、接地されている基板に対して、
常に負にバイアスされているので、カソード(10)から
飛び出る電子が基板に入射するのを抑制する効果もあ
る。
なお、上記実施例ではヒータ(6)によってルツボ
(3)を加熱する場合を示したが、他の実施例として第
2図に示すように、ルツボ(3)の加熱はカソード(フ
ィラメント)(10)から放出される電子ビームによって
蒸着物質(5)を熔融して蒸気化しても、同じような効
果が得られるばかりではなく装置も簡単になる。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、カソードであるフ
ィラメントの熱によりルツボ上部が加熱されるようにし
たので、濡れ性のよい熔融金属のはい上がりが抑えら
れ、Al、Si、Ti等の高融点材料の蒸気が安定的に生成す
ることが可能となる。また、この発明の別の発明によれ
ば、磁界印加手段によりカソードから放出される電子は
半径方向平面内で回転運動しながらアノード方向に移動
するためアノードに到達するまでの飛行工程が増加し、
この結果、電子がアノード内の蒸気と衝突する確率が増
加し、非常に高いイオン化効率を達成することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例の立断面図、第2図は他の
実施例の立断面図、第3図は従来の薄膜形成装置の立断
面図である。 (3)……ルツボ、(7)……イオン化手段(12)内部
に設けられた蒸気発生源、(10)……カソード、(11)
……アノード、(13)……磁界印加手段、(19)……加
速電極(16),アース電極(17)および引出電極(18)
で構成される加速手段。 なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の真空度に保持された真空槽と、この
    真空槽内に配置された基板と、この基板に対向して設け
    られ、この基板に向けて蒸着物質の金属イオンを照射し
    ながら薄膜を形成する薄膜形成装置において、 前記金属イオンのイオン源は、 前記真空槽の中央部に配置したカソードであるフィラメ
    ントと、このフィラメントの外側に配置したアノードと
    からなるグロー放電により蒸着物質を電離してイオンを
    生成するイオン化手段と、 前記カソードの下部に設けられ加熱されるルツボを有
    し、前記ルツボが加熱されるとともに前記カソードから
    放出される電子の一部がルツボの上部を照射してルツボ
    の上部が高温になるようになっている蒸気発生源と、 前記イオン化手段によってイオン化された前記蒸着物質
    を前記基板に向けて運動エネルギーを付与して衝突させ
    るための加速手段と、 を備えてなることを特徴とする薄膜形成装置。
  2. 【請求項2】所定の真空度に保持された真空槽と、この
    真空槽内に配置された基板と、この基板に対向して設け
    られ、この基板に向けて蒸着物質の金属イオンを照射し
    ながら薄膜を形成する薄膜形成装置において、 前記金属イオンのイオン源は、 前記真空槽の中央部に配置したカソードであるフィラメ
    ントと、このフィラメントの外側に配置したアノードと
    からなり、グロー放電により前記蒸着物質を電離してイ
    オンを生成するイオン化手段と、 前記アノードの外側に配置されグロー放電部のプラズマ
    密度を増加させる磁界印加手段と、 前記カソードの下部に設けられた加熱されるルツボを有
    している蒸気発生源と、 前記イオン化手段によってイオン化された前記蒸着物質
    を前記基板に向けて運動エネルギーを付与して衝突させ
    るための加速手段と、 を備えてなることを特徴とする薄膜形成装置。
  3. 【請求項3】加速手段は、アノードと同電位である加速
    電極と、この加速電極に対して負にバイアスされた引出
    電極と、接地されたアース電極とからなる請求項1また
    は請求項2記載の薄膜形成装置。
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