JPS581186B2

JPS581186B2 - イオンプレ−テイング装置

Info

Publication number: JPS581186B2
Application number: JP52148869A
Authority: JP
Inventors: 高木俊宜; 森本清; 渡辺寛
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1977-12-13
Filing date: 1977-12-13
Publication date: 1983-01-10
Also published as: JPS5481780A; US4213844A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、蒸着物質の蒸気をイオン化して電界により加
速し、基板表面に射突させることによって皮膜形成を行
うイオンプレーテイング装置に関するものである。

真空中で、金属、絶縁体、あるいは半導体材料からなる
基板の表面に、皮膜を形成する技術として、従来より真
空蒸着法、スパッタリング法あるいはイオンプレーテイ
ング法などが知られている。

これらの技術のうち、イオンプレーテイング法は、基板
上へ被着すべき蒸着物質の蒸気をプラズマ中に導入した
り、電子衝撃等によりイオン化し、電界を付与して加速
した後、基板上へ高エネルギーで射突させて皮膜を形成
する技術である。

したがって、このイオンプレーテイング法では、高エネ
ルギーのイオン化粒子による基板表面のスパッタリング
と被着工程とが同時に進行し、基板の表面が常に清浄に
保たれるために、きわめて密着度の高い強固な皮膜が得
られるという特長があり、さらに形成される皮膜も緻密
となり、ピンホールなどもきわめて少ない。

また、皮膜の形成は、一般に１０−２Ｔｏｒｒ以下の高
真空雰囲気中で行われるため、形成された皮膜に蒸着物
質以外の物質の影響がほとんど現われず、良質の皮膜が
得られ、さらに、蒸着速度もスパッタリング法などに比
べて大きくなるという特長がある。

さらに、１０−４Ｔｏｒｒ以下のいわゆる高真空中で電
子衝撃によりイオン化する場合は膜はさらに緻密となり
、かつ結晶性の良い皮膜が形成出来、又加速電圧を低く
して基板温度の上昇を防ぐという効果もある。

ところで、このイオンプレーテイング法を実現する装置
としては、蒸着物質のイオン化の方法により種々の装置
があるが、例えば第１図に示すような装置が知られてい
る。

この第１図において、１は基板表面に被着すべき蒸着物
質２が充てんされる蒸気源としてのボートであり、この
ボート１内に充てんされた蒸着物質２は、図示しない加
熱手段、例えば抵抗加熱手段や電子ビーム衝撃などによ
って加熱され、蒸気化される。

しかして、蒸気化された蒸着物質は、イオン化室３内に
入り、ここでイオン化される。

このイオン化室３は、例えばコイル状に巻回され、加熱
電源１２の通電により加熱されて熱電子を放出するフィ
ラメント４と、このフィラメント４を他の領域から区切
るじゃへい板５とから構成されており、前記フィラメン
ト４とボート１との間に挿入されたイオン化電源１１に
より、前記フィラメント４から放出された熱電子がボー
ト１方向に向って加速され、その途中において前記蒸着
物質２と衝突してイオン化を行うものである。

また６は、不要時に前記蒸着物質２のイオン化粒子が基
板上に突入するのを防止するためのシャッターであり、
７は、加速電源１３により、前記イオン化室３に対して
負の高電位が付与されて前記イオン化粒子に基板方向に
向う運動エネルギーを付与する引出し電極を兼ねた基板
ホルダである。

この基板ホルダ７に基板８が保持され、基板８の表面に
前記蒸着物質２のイオン化粒子が高エネルギーで射突し
、皮膜９が形成されるようになる。

さらに１０は、加熱電源１４の通電により加熱され、例
えば基板８を単結晶の基板とし、この単結晶の基板８上
に蒸着物質２をエビタキシャル成長させる場合などに、
前記基板８をエビタキシャル温度以上に加熱するための
加熱装置である。

なお、第１図中の各電源部を除く領域は、図示しない
真空容器などにより一般に１０−２Ｔｏｒｒ以下に排気
された高真空雰囲気に保持されるようになっている。

しかして、このイオンプレーテイング法により得られる
皮膜９は、前述したように基板８との密着性がきわめて
良く、緻密で良質の皮膜が得られるなどの種々の特長を
有しており、金属材料、あるいは絶縁材料の表面に対す
るコーティング技術としてのみでなく、半導体や誘電体
、あるいは磁性体の薄膜素子を形成する技術としても近
時各方面から大いに注目されており、装置やイオンプレ
ーテイング法そのものにも種々の検討が加えられている
。

例えば、蒸着物質のイオン化を効率よく行う方法として
、コイル状に巻回されたフィラメントの中心に、フィラ
メントから放出される電子を加速し、かつ捕集する集電
用のアノードを配置してイオン化を行う方法、あるいは
、コイル状に巻回されたフィラメントの内側に、このフ
ィラメントと同心状に円筒状メッシュからなる電子加速
用のグリッドを配置して、フィラメントとグリッドとの
間で加速されて、グリッドのメッシュを透過し、グリッ
ドの内側に突入してきた電子により蒸着物質のイオン化
を行う方法などが提案されている。

またイオンプレーテイング法そのものに対しても、一般
のイオンプレーテイング法が一個の原子あるいは分子を
イオン化して電界により加速し、基板表面に射突させて
皮膜を形成しているのに対して、少なくとも一個以上の
ノズルを有する密閉形のるつぼ内で加熱した蒸着物質の
蒸気を高真空中に噴出させ、噴出時の断熱膨張に基づく
過冷却現象を利用して、ファンデルワールスカで１００
〜２，０００個程度の原子がゆるく結合した塊状原子集
団、いわゆるクラスタを生成し、このクラスタ中の少な
くとも一個以上の原子をイオン化してクラスタイオンと
し、電界により前記クラスタイオンを加速して基板表面
に射突させ皮膜を形成するクラスタイオンビーム蒸着法
が提案され、実用化されるようになってきている。

このクラスタイオンビーム蒸着法では、通常のイオンプ
レーテイング法のもつ特長に加えて、クラスタイオンが
基板射突時に壊れて原子状の粒子となり、基板表面をこ
ろがりながら皮膜形成にあずかる、いわゆる表面マイグ
レーション効果に助けられて結晶性のよい、かつ基板に
対して、及び各原子間において結合力の強い皮膜が得ら
れるという特長がある。

また比電荷ｅ／ｍが小さいので絶縁材料の基板に対して
も効率よく皮膜形成を行うことができるという特長をも
有するものである。

このように、イオンプレーテイング技術における装置及
び方法について種々の検討及び改良が加えられ、各種薄
膜素子の製造が行われるようになってきているが、その
一つとして、化合物の薄膜を製造する方法である。

第２図に、上述したクラスタイオンビーム蒸着法により
二元の化合物を製造する装置の蒸気源及びイオン化室の
概略構成を示す。

ここで２１及び２２は、それぞれノズル２１ａ及び２２
ａを有する密閉形のるつぼであり、このるつぼ２１及び
２２内には、化合物を構成する成分元素の蒸着物質２３
及び２４が各別に充てんされ、図示しない加熱装置によ
り加熱されて前記蒸着物質の蒸気が生成される。

また、このるつぼ２３及び２４が配設される空間は、る
つぼ２３及び２４内の蒸気の圧力よりも、少なくとも１
／１００以下の高真空雰囲気に保持されており、前記ノ
ズル２１ａ及び２２ａから噴出する蒸着物質２３及び２
４は、噴出時の断熱膨張による過冷却過程をへてクラス
タＣ１及びＣ２を形成する。

一方、前記ノズル２１ａ及び２２ａの近傍にはそれぞれ
通電加熱により熱電子を放出するフィラメント２５及び
２６と、しやへい板２７及び２８よりなるイオン化室２
９及び３０が各別に設けられており、このイオン化室２
９及び３０とるつぼ２１及び２２間にそれぞれイオン化
電源を接続することにより、フィラメント２５及び２６
より放出されて加速された電子により、前記ノズル２１
ａ及び２２ａから噴出して各イオン化室２９及び３０に
入る蒸着物質２３及び２４のクラスタＣ１及びＣ２中の
少なくとも一個以上の原子がイオン化され、クラスタイ
オンＣ３及びＣ４が形成されるしかして、加速電界によ
ってクラスタイオンＣ３及びＣ４が加速され、高エネル
ギーをもって基板表面に射突し、化合物の皮膜の形成が
行われるのである。

しかしながら、上述したクラスタイオンビーム蒸着法も
含めて、イオンプレーテイング法により化合物を製造す
る場合は、化合物を構成する各成分元素のイオン化電圧
がそれぞれ異なることから従来は前記各成分元素の蒸気
源に対してそれぞれイオン化室を設ける必要があるとさ
れていた。

したがって、多元の化合物を製造する場合は、その化合
物の成分元素数に応じた数のイオン化室をそれぞれ設け
ることが必要であり、さらに、化合物に例えばドーパン
トとなる不純物を添加する場合は、この不純物用のイオ
ン化室も必要となり装置が大形、かつ複雑になるという
問題点がある。

また、イオンプレーテイング法により半導体あるいは磁
性体を製造する場合は、結晶性や膜厚などに対して蒸着
物質のイオン化率が大きく影響することが通られている
。

例えば、イオン化室として、前述した第１図、あるいは
第２図に示すようなイオン化室を円筒状にした場合は、
中心部と周辺部とでイオン化用の電子流の密度に差異が
でき、イオン化室に導入された蒸着物質のイオン化率に
も中心部と周辺部とで差異が生じてしまう。

したがって、基板表面においても、イオン化された蒸着
物質によるスパツタ効果等に差異が生じ、膜厚が不均一
になったり、あるいは付着力に差異が生じることになる
。

さらに、結晶性にも差異が生じ、結晶性の良い均一な皮
膜ができにくいという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するものであり、本発
明者が行った種々の実験から得られた以下の結果に基づ
き、多元の化合物を製造する場合、あるいは蒸着速度を
向上させるためなどに、単元の元素を複数個の蒸気源で
蒸気化してイオンプレーテイングを行う場合などの装置
の簡略化を図り、またイオン化室内でのイオン化用の電
子流の密度を均一とし、イオン化率の分布のむらをなく
して、結晶性や膜厚、あるいは基板に対する付着力など
が均一で、きわめて良質の皮膜の得られるイオンプレー
テイング装置を提供することを目的とするものである。

すなわち本発明者が、複数個の蒸気源を用いてイオンプ
レーテイング法を行う場合、イオン化電圧が最も高い蒸
着物質の蒸気をイオン化するのに十分な電圧をイオン化
電圧として設定すれば、複数個の蒸気源に対して共通の
イオン化室を用いて、各蒸着物質のイオン化を効率よく
行うことが可能となること、及び、前記蒸着物質の蒸気
が導入されるイオン化室を、平行に配設された電子放出
用のフィラメントと、このフィラメントの内側に設けら
れた平行な格子状の電子加速用の電極とにより構成する
ことにより、蒸着物質のイオン化をきわめて均一に且つ
効果的に行うことができるようになること、の二点を実
験結果として得て、この結果に基づき、簡略化され、か
つ良質の皮膜の得られるイオンプレーテイング装置を提
供しようとするものである。

以下、図面を参照して、本発明によるイオンプレーテイ
ング装置の一実施例を、クラスタイオンピーム蒸着法に
より、二元の化合物を製造する場合の装置を例として説
明する。

第３図は、本発明によるイオンプレーテイング装置の一
実施例を示す概略構成図であり、４１及び４２は、それ
ぞれノズル４１ａ及び４２ａを有する密閉形のるつぼで
ある。

このるつぼ４１及び４２内には、それぞれ化合物を構成
する成分元素の蒸着物質４３及び４４が充てんされてお
り、図示しない加熱手段、例えば抵抗加熱法、あるいは
電子衝撃法などの適宜の手段により加熱されて、前記蒸
着物質４３及び４４が蒸気化される。

ところで、図示はしていないが、前記るつぼ４０及び４
２を含むこの装置の主要部は、前記るつぼ４１及び４２
内の蒸気の圧力よりも少なくとも１／１００以下の高真
空雰囲気に排気された真空容器内に配設されるようにな
っている。

しかして、前記加熱されて蒸気化された蒸着物質４３及
び４４の蒸気が、ノズル４１ａ及び４２ａから高真空雰
囲気中に噴出する場合に、断熱膨張による過冷却過程を
へてクラスタＣ１及びＣ２を形成し、噴出時のエネルギ
ーによりイオン化室４５に入る。

このイオン化室４５は、加熱電源４７により通電加熱さ
れて電子を放出する対向して平行に張られたフィラメン
ト４６と、このフィラメント４６の内側に平行に配設さ
れ、イオン化電源４８により、前記フィラメント４６に
対して正の電位が付与される格子状、梯子状、ストライ
プ状等の電子加速用電極（以下アノードケージという）
４９、及びしやへい板５１とにより構成されている。

なお上記フィラメント４６は線状のものを図示したがコ
イル状のものを使用しても良いことはもちろんである。

このイオン化室４５の具体的な構造は、蒸気源の大きさ
や個数などにより種々選定できるものであるが、一例と
して第４図に示す構造のものについて説明する。

この第４図に示す構造のものでは、左右平行に張られた
二本のフィラメント４６．４６の内側に６導電材料から
なる上下一対の枠体４９ａ，４９ａを配置し、この枠体
４９ａの前記フィラメント４６と対面する二側面に、上
下方向に導電材料からなるワイヤ４９ｂを平行格子状に
配夕１ルでアノードケージ４９としたものであり、この
フィラメント４６とアノードケージ４９とをしやへい板
５０で他の領域と区分してイオン化室４５としたもので
ある。

この場合、前記フィラメント４６から放出される電子を
アノードケージ４９内に有効に取入れるためには、前記
アノードケージ４９を構成するワイヤ４９ｂの配列間隔
ｌ１に対して、フイラメント４６とワイヤ４９ｂとの間
隔ｔ２を、前記間隔ｌ１と等しいか、もしくは小さく設
定するのがよい。

しかして、前記フィラメント４６に加熱電源４７を接続
してフィラメント４６から電子が放出されるように通電
加熱する。

また、フィラメント４６とアノードケージ４９との間に
、前記蒸着物質４３及び４４の蒸気をイオン化するのに
十分な電源電圧を有するイオン化電源４８を接続すれば
、前記イオン化電源４８によりフィラメント４６とアノ
ードケージ４９との間に形成される電界によりフィラメ
ント４６から放出された電子が加速され、アノードケー
ジ４９のワイヤ４９ｂの配列間隔を通り抜けて、アノー
ドケージ４９内に加速される。

この場合、アノードケージ４９を構成するワイヤ４９ｂ
の配列方向は、フィラメント４６に平行しており、また
ワイヤ４９ｂは導電材料からなる枠体４９Ｈによりすべ
て同電位となっている。

したがって、フィラメント４６の配設方向に沿って電界
は均一となり、アノードケージ４９によって加速され、
この加速される電子は、フィラメント４６の配列方向に
沿って均一な密度をもつようになる。

したがって、前記るつぼ４１及び４２から噴出し、この
イオン化室４５に入るクラスタＣ１及びＣ２は、前記フ
ィラメント４６の配列方向において均一な密度をもつ電
子流により均一にイオン化されて、クラスタイオンＣ３
及びＣ４となる。

しかして、蒸着不要時に基板に対するイオン化粒子の突
入を防止するためのシャツタ５１が開かれると、クラス
タイオンＣ３及びＣ４の加速電極を兼ねる基板ホルダ５
２と、前記イオン化室４５との間に接続された加速電源
５３が形成する電界により、前記クラスタイオンＣ３及
びＣ４が加速され、運動エネルギーが付与されて、基板
５４の表面に高エネルギーをもって射突し、前述したイ
オンプレーテイング技術、あるいはクラスタイオンビー
ム蒸着法のもつ特有の効果により、基板５４の表面に、
付着力や膜厚、あるいは結晶性などに分布のむらのない
、均質な化合物の皮膜５５が形成されるようになるので
ある。

すなわち、イオン化室４５のアノードケージ４９内の電
子流の密度が均一になることから、ここに導入されるク
ラスタＣ１及びＣ２が均一に、かつ効率よくイオン化さ
れるようになる。

したがって、クラスタイオンＣ３及びＣ４が射突する基
板５４の表面の各部分におけるスパッタリング効果や加
熱効果、あるいはイオン注入効果や表面マイグレーショ
ン効果などが基板５４の表面全体にわたって均一に生じ
、得られた化合物の皮膜５５の膜厚や付着力の分布にむ
らの生ずることがない、また、加熱電源５６が接続され
、前記基板５４の近傍に設けられた加熱装置５７により
、前記基板５４を加熱して、基板５４上に化合物の薄膜
をエビタキシャル成長させる場合などにあっても、クラ
スタＣ１及びＣ２が均一にイオン化されて基板５４の表
面に射突するので、表面全体にわたって均一な結晶性を
有するエピタキシャル層が得られるようになるのである
。

さらに、複数個のるつぼ４１及び４２に対してイオン化
室４５は一個でよいので、装置がきわめて簡略化され、
その製作及び保守点検作業等も容易に行えるようになる
特長を有するのである。

ところで、上述した実施例では、クラスタイオンビーム
蒸着法を例にとって本発明の装置を説明しているが、蒸
発源としてボート、あるいは一端開放形のるつぼを用い
た通常のイオンプレーテイング法を行う場合にも、また
、酸化物や窒化物の皮膜を製造する場合のように蒸着物
質の一つが気体であるようないわゆるイオンプレーテイ
ング法を行う場合にも、本発明は適用できるものである
ことはもちろんである。

また、本発明は化合物を製造する場合のみでなく、蒸着
速度を向上させたり、広い表面積を有する基板上に皮膜
を形成するために、同一の蒸着物質を複数個の蒸気源よ
り蒸発させてイオン化し、基板上に皮膜を形成する場合
にも同様に適用できるものである。

さらに、イオン化室は、第４図に示した構造に限定する
ものではなく対向して平行に配設されたフィラメントの
内側に、これと平行する網目状の格子によりアノードケ
ージを形成するようにしてもよい。

そのほか本発明は、上記しかつ図面に示した実施例に限
定されることなく、その要旨を変更しない範囲で種々変
形して実施できるものである。

以上述べたように、本発明によるイオンプレーテイング
装置は、複数の蒸気源に対して共通のイオン化室を設け
、しかもこのイオン化室を、通電加熱により電子を放出
する対向して平行に配設されたフィラメントと、このフ
ィラメントの内側に前記蒸気源から導入される蒸着物質
の蒸気の通路を挾むようにして、導電材料を格子状に配
列した一対の平行なアノードケージを設け、前記フィラ
メントに対してアノードケージ側が正電位になるように
してイオン化電圧を供給する構成になるものである。

したがって、アノードケージ内に加速される電子流の密
度がフライメントの配設方向で均一となり、複数の蒸気
源からこのアノードケージ内に導入される蒸着物質の蒸
気のイオン化が均一に、かつ効率よく行われるようにな
ることにより、基板上に射突するイオン化粒子の分布が
基板全面にわたって均一となり、化合物の場合にあって
も、全面均質な化合物皮膜が形成でき、膜厚や付着強度
が均一なきわめて高品質の皮膜が得られるというすぐれ
た特多を有するものである。

また、本発明によるイオンプレーティング装置を用いて
結晶性の薄膜を得る場合も、上述したように蒸着物質の
イオン化が均一に行われ、しかもイオン化効率も向上す
るので、基板全面にわたって結晶性のよい、均一な薄膜
が得られ、とくに結晶性の良否が素子性能に影響を及ぼ
す電子材料を製造する上で、得られる効果はきわめて大
である。

さらに本発明によるイオンプレーテイング装置は、複数
個の蒸気源に対して、イオン化室は一個設ければよいの
で、装置の構造が簡略化され、その製作が容易になると
ともに、また保守点検の上からも取扱いが容易となり、
装置の製作あるいは保守上からもすぐれた特長を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のイオンプレーテイング装置を示す概略
構成図、第２図は、クラスタイオンビーム蒸着法を用い
て化合物の製造を行う装置の要部概略構成図、第β図は
、本発明によるイオンプレーテイング装置の一実施例を
示す概略構成図、第４図は、同実施例の要部の概略構成
図である。４１及び４２・・・・・・るつぼ、４５・・・・・・イ
オン化室、４６・・・・・・フィラメント、４７・・・
・・・加熱電源、４８・・・・・・イオン化電源、４９
・・・・・・電子引出し用電極、５３・・・・・・加速
電源、５４・・・・・・基板、５５・・・・・・皮膜。

Claims

【特許請求の範囲】

１複数個の蒸気源から供給される蒸着物質をイオン化
して電界により加速し、基板表面に射突させてこの基板
の表面に蒸着物質の皮膜を形成するイオンプレーテイン
グ装置において、前記複数個の蒸気源に対して共通に配
設されて、通電加熱により電子を放出する対向する位置
に張架されたフイラメントと、このフィラメントの内側
に前記複数個の蒸気源から供給される蒸着物質の通路を
挾むようにしてほぼ平行に配設された格子状の電子加速
用電極とからなるイオン化室を有し、前記フィラメント
に対して電子加速用電極に正電位を付与して前記複数個
の蒸気源から供給される蒸着物質のイオン化を行うこと
を特徴とするイオンプレーテイング装置。