JPS63270458A - 化合物薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、化合物薄膜形成装置、特にクラスターイオ
ンビーム蒸着法（ＩＣＢ法）にエキシマレーザ装置を適
用して、化合物薄膜を蒸着形成する化合物薄膜形成装置
に関するものである。

［従来の技術］ 従来から、ＴｉＮ、Ａｌ□Ｏ１、ＳｉＣ等の化合物薄膜
がスパッタリング、ＣＶＤ等の方法で種々の部品表面に
被覆されている。しかし、このような方法で部品表面に
被覆された化合物薄膜は、硬度が不十分であり付着力が
弱く、また、化合物薄膜の形成速度が遅いという欠点が
あった。

そこで、反応性ガス雰囲気中でＩ　−ＣＢ法により蒸着
物質の蒸気を噴出させて化合物薄膜を形成するＲ−ＩＣ
Ｂ法が行われている。

第２図は、「プロシーディンゲス・オブ・ザ・インター
ナショナル・イオン・エンジニアリング・コンブレス（
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎ
ａｔｉｏｎａｌＩｏｎ　　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　
Ｃｏｎｇｒｅｓｓ）　」　（Ｉ　　Ｓ　　Ｉ　　ＡＴ　
　’　　８　３＆ＩＦＡＴ’　８３）に掲載されている
Ｒ−ＩＣ１３装置を模式的に示す概略構成図である。図
において、真空槽（１）内は真空排気系（２）によって
所定の真空度に保持されており、この真空槽（１）内の
下方に密閉型のルツボ（３）が設けられている。このル
ツボ（３）の上部には少なくとも一つのノズル（４）が
設けられ、ルツボ（３）内には蒸着物質（５）が充填さ
れている。ルツボ（３）は加熱用フィラメント（６）に
よって加熱され、加熱によって蒸着物質（５）の蒸気を
ノズル（４）から噴出し、クラスター（塊状原子集団）
（７）を形成する。この時、加熱用フィラメント（６）
の熱は熱シールド板（８）によって遮られる。なお、ル
ツボ（３）、加熱用フィラメント（６）および熱シール
ド板（８）によって蒸気発生源（９）が構成される。

ルツボ（３）のノズル（４）の上方には、ノズル（４）
から噴射される蒸着物質（５）の蒸気の噴出路を取り巻
くように電子ビーム放出手段例えばイオン化フィラメン
ト（１０）が環状に配置されている。

また、その内側には電子ビーム引き出し電極（１１）が
同心状に環状に配置されており、電子ビーム放出手段（
１０）と電子ビーム引き出し電極（１１）との間に高電
圧を加えることによって電子ビーム放出手段（１０）よ
り電子ビームが放出される。放出された電子ビームは、
電子ビーム引き出し電極（１１）によって引き出され加
速される。なお、電子ビーム放出手段（１０）の熱は熱
シールド板（１２）によって遮られる。電子ビーム放出
手段（１０）、電子ビーム引き出し電極（１１）および
熱シールド板（１２）によってクラスター（８）のイオ
ン化手段（１３）が構成される。

クラスター（７）はこのイオン化学Ｍ（１３）によって
正電荷にイオン化されてクラスターイオン（１４）とな
り、このクラスターイオン（１４）は電子ビーム引き出
し電極（１１）と基板（１６）との間で電子ビーム引き
出し電極（１１）に近接して配置された加速電極（１５
）による電界で加速され運動エネルギーを付与される。

ルツボ（３）のノズル（４）の上方において、環状の電
子ビーム引き出し電極（１１）には、一端をガスボンベ
（１８）に接続されたバイブ（２０）の他端から酸素、
窒素、炭化水素等を含む反応性ガスが導入される。この
反応性ガスは、上述したようにイオン化手段（１３）に
よって生成されたクラスターイオン（１４）と共に加速
を極（１５）によって加速されて基板（１６）に到達し
、化学反応により基板（１６）の表面に蒸着薄膜（１７
）を形成する。反応性ガスはガスボンベ（１８）から真
空ｆｆ（１）内に導入される際、流量調整バルブ（１９
）によってその流量が調整される。なお、ガスボンベ（
１８）、流量調整バルブ（１９）およびパイプ（２０）
によって反応性ガス導入系（２１）が構成される。

加熱用フィラメント（６）は第１交流電源（２２）によ
って加熱され、電子ビーム放出手段（１０）は第２交流
電源（２３）によって加熱される。また、ルツボ（３）
の電位は第１直流電源（２４）によって正にバイアスさ
れ、電子ビーム放出手段（１０）は第２直流電源（２５
）によって負の電位にバイアスされ、さらに、電子ビー
ム引き出し電極（１１）およびルツボ（３）は第３直流
電源（２６）によってアース電位にある加速電極（１５
）に対して正の電位にバイアスされている。なお、第１
交流電源（２２）、第２交流電源（２３）、第１直流電
源（２４）、第２直流電源（２５）および第３直流電源
（２６）によって電源装置（２７）が構成される。

従来の化な物薄膜形成装置は上述したように構成され、
真空槽（１）をＩ　Ｘ　１０−”ｍｍＨｇ程度の真空度
になるまで真空排気系（２）によって排気する６加熱用
フイラメント（６）から放出された電子を第１直流電源
（２４）で印加される電界によって加速し、この加速さ
れた電子をルツボ（３）に衝突させ、ルツボ（３）内の
蒸気圧が数ｍｍＨｇになる温度まで加熱する。この加熱
によってルツボ（３）内の蒸着物質（５）は蒸発し、ノ
ズル（４）から真空槽（１）中に噴射される。この蒸着
物質（５）の蒸気は、ノズル（４）を通過する際、ルツ
ボ（３）と真空槽（１）との圧力差による断熱膨張によ
って過冷却状態となり、１００個ないし１０００個程度
０原子が結合してクラスター（７）と呼ばれる塊状原子
集団となる。このクラスター（７）は、電子ビーム放出
手段（１０）から放出された電子ビームによって一部が
イオン化されることにより、クラスターイオン（１４）
となる、このクラスターイオン（１４）は、イオン化さ
れていない中性のクラスタ−（慇）と共に、第３直流電
源（２６）により加速量！（１５）と電子ビーム引き出
し電極（１１）との間に形成される電界によって加速制
御され、基板く１６）表面に衝突する。一方、基板（１
６）付近には反応性ガス導入系（２１）から導入された
反応性ガスが存在する。基板（１６）付近で蒸着物質（
５）のクラスター（７）およびクラスターイオン（１４
）と反応性ガスとの反応が進行して化合物の薄膜が基板
（１６）面に蒸着し、蒸着薄膜（１７）が形成される。

なお、各直流電源の機能は次の通りである。第１直ＰＬ
ｔ源（２４）は、加熱用フィラメント（６）に対してル
ツボ（３）の電位を正にバイアスし、加熱用フィラメン
ト（６）から放出された熱電子をルツボ（３）に衝突さ
せる。第２直流電源（２５）は、電子ビーム引き出し電
１（１１）に対して、第２交流電源（２３）で加熱され
た電子ビーム放出手段（１０）を負の電位にバイアスし
、電子ビーム放出手段（１０）から放出された熱電子を
電子ビーム引き出し電極（１１）内部に引き出す。第３
直流電源（２６）は、アース電位にある加速電極〈１５
）に対して電子ビーム引き出し電極（１１）およびルツ
ボ（３）を正の電位にバイアスする。

［発明が解決しようとする問題点コ 上述したような化合物薄膜形成装置では、真空槽（１）
内の反応性ガスは分子状態であり活性度が低く、この反
応性ガスの一部がイオン化手段（１３）により励起、解
離もしくは活性化されたとしても、その寿命が短いもの
は基板（１６）付近で活性度の低い状態に戻るため、基
板（１６）表面付近の反応性ガスは全体として反応度が
低く、反応性ガスの大部分はクラスターイオン（１４）
と化学反応を生じることなく排気され、ｒｆｔ膜形成に
あずかる反応性ガスは非常に少ないという問題点があっ
た。

この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、基板の表面に、能率よく安定して質のよい化
合物薄膜を蒸着することができる化合物薄膜装置を得る
ことを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る化合物薄膜形成装置は、真空槽内に蒸着
物質の蒸気発生源とは独立に反応性ガスを基板に向けて
照射する内部槽を設け、この内部槽内に、電子ビーム引
き出し電極および電子ビーム放出手段を配置して反応性
ガスを活性化させると共に、基板近傍の反応性ガスをさ
らに活性化させるためにエキシマレーザ光をこの反応性
ガスに照射する手段を設けたものである。

［作　用］ この発明においては、エキシマレーザ光を基板近傍の反
応性ガスに照射することにより反応性ガスを励起、解離
もしくはイオン化させた状態ですぐに蒸着物質のクラス
ターおよび蒸気と高効率で化学反応させることができ、
この結果、高蒸着速度で効率よく安定して良質な蒸着薄
膜が成膜できる。

［実施例コ 第１図はこの発明の一実施例を模式的に示す概略構成図
であり、（１）〜（２０）は上述した従来の化合物薄膜
形成装置におけるものと同一であり、同様に動作する０
図において、蒸気発生源（９）およびイオン化手段（１
３）は基板（１６）に対して斜め下方に配置されており
、電源装！（２７＞の図示は省略しである。

真空槽（１）内には、上述した従来装置と同様の蒸気発
生源（９）と、この蒸気発生源く９）から独立して別個
に形成された反応性ガス供給手段とが設けられている。

以下、反応性ガス供給手段の構成について説明する。ま
ず、真空Ｍ（１）内には内部槽（２８）が設けられてお
り、この内部槽（２８）内の下部にはバイブ（２０）の
先端に接続された、反応性ガスのガス噴射ノズル（２９
）が配置されている。このガス噴射ノズル（２９）の上
部には、そこから噴射される反応性ガスの噴射通路を取
り囲むように、電子ビームを放出する第２′：ｒｉ子ビ
ーム放出手段例えばフィラメント（３０）が設けられて
いる。この第２電子ビーム放出手段（３０）とガス噴射
ノズル（２９）との間には、第２電子ビーム放出手段（
３０）から放出された電子ビームを引き出すグリッド状
の第２を子ビーム引き出し電極（３１）が設けられてい
る。電界シールド板（３２）はこれら第２電子ビーム放
出手段（３０）および第２電子ビーム引き出し電極（３
１）を囲み、ガス噴射ノズル（２９）から噴射された反
応性ガスの通路となる部分に設けられている。内部槽く
２８）の上部に設けられた開口部分（２８ａ）には、電
界シールド板（３２）内で形成された反応性ガスイオン
を加速する第２加速電極（３３）が設けられている。第
２電子ビーム放出手段（３０）、第２電子ビーム引き出
し電極（３１）、第２加速電極（３３）および内部槽（
２８）によってガスイオン源（３４）が構成される。

ガスイオン源（３４）の電源は、次のように設けろれて
いる。すなわち、第３交流電源（３５）は第２電子ビー
ム放出手段（３０）を加熱し、第４直流電源（３６）は
第２電子ビーム引き出し電極（３１）を第２を子ビーム
放出手段（３０）に対して正の電位にバイアスする。第
５直流電源（３７）は、第２加速電１（３３）を第２電
子ビーム放出手段（３０）および第２電子ビーム引き出
し電極（３１）に対して負の電位にバイアスする。これ
ら第３交流電源（３５）、第４直流電源（３６）および
第５直流電源（３７）によって第２電源装置（３８）が
構成される。

真空槽（１）の外部にはエキシマレーザ光を発生させる
ためのエキシマレーザ装置（３９）が設けられている。

このエキシマレーザ装Ｗ（３９）から照射されたエキシ
マレーザ光（４０）は集光レンズ（４１）によって収束
された後、真空槽〈１）の壁面に設けられた窓（４２）
を透過して、基板（１６）の近傍に照射される。

上述したように構成された化合物薄膜形成装置において
は、真空排気系（２）によって高真空に保たれた真空槽
（１）内に、ガスボンベ（１８）と真空槽（１）との間
に設けられている流量調整バルブ（１９）を調整するこ
とにより、反応性ガスをガス噴射ノズル（２９）から導
入し、真空槽（１）内のガス圧を１０−５〜１０−’ｍ
ｍＨｇ程度になるように調整する。このとき、内部槽（
２８）はその上部の開口部分（２８ａ）を介して真空槽
（１）の内部と連通しているので内部槽（２８）内のガ
ス圧は真空槽（１）よりも高く保たれる。一方、第３交
流電源（３４）によって２０００℃程度に加熱された第
２電子ビーム放出手段（３０）から、ガス噴射ノズル（
２９）の下流に設けられている第２電子ビーム引き出し
電１１Ｋ（３１）に電子ビームが放出されるように第４
直流電源（３６）によって第２電子ビーム放出手段（３
０）と第２電子ビーム引き出し電極（３１）との間にバ
イアス電圧を印加し、ＩＡ〜５Ａ程度の電子を放出させ
る。同時に、集光レンズ（４１）および窓（４２）を通
してエキシマレーザ装置（３９）からエキシマレーザ光
（４０）を基板（１６）近傍に照射することによって、
基板（１６）の表面近くの反応性ガスを励起、解離およ
び一部イオン化して非常に活性化された状態とする。な
お、エキシマレーザ光（４０）による励起等は、反応性
ガスおよびクラスター（７）共に可能であるが、クラス
ターく７）の励起等には大きなエネルギーを必要とする
ので、反応性ガスの励起等が主として起こる。

次いで、ルツボ（３）内の蒸気圧が数ｍｍＨｇになる温
度まで加熱用フィラメント（６）でルツボ（３）を加熱
すると、蒸着物質（５）は蒸発してノズフィラメント（
１０）から放出された電子によって一部イオン化されて
クラスターイオン（１４）となり、第１加速電極（１５
）［（以下加速電極（１５）を第１加速電極（１５）と
する、第１１子ビーム引き出し電極（１１）も同様、］
で形成される電界による加速を受けることにより、イオ
ン化されていない蒸着物質（５）の蒸気もしくはクラス
ター（ａ）と共に、基板（１６）に衝突させられる。

一方、基板（１６）およびその近傍には、エキシマレー
ザ光（４０）およびガスイオン源（３４）によって励起
、解離および一部イオン化された反応性ガスが存在し、
蒸着物質（５）の蒸気もしくはクラスター（＠）と衡突
して反応が進行し、化合物の蒸着薄膜（１７）が基板（
１６）に形成される。また、第１加速電極（１５）およ
び第１電子ビーム引き出し電１（１１）間並びに第２加
速電極（３３）および第２電子ビーム引き出し電極（３
１）間に、第３直流電源（２６）および第５直流電源（
３６）によってそれぞれ０〜数ＫＶ程度の電圧を印加す
ると、上述したクラスターイオン（１４）およびイオン
化された反応性ガスは加速されて基板（１６〉に到達す
る。

従って、このときの加速電圧を第１加速電極（１５）と
第２加速電極（３３）とでそれぞれ独立に変えることに
よって、基板（１６）に噴射される反することが可能で
ある。これにより、基板（１６）上に形成される化合物
薄膜の結晶性（単結晶、多結晶、アモルファス等）や付
着力などの膜質をコントロールすることができる。

［発明の効果コ この発明は、以上説明したとおり、真空槽内に設けられ
蒸着物質の蒸気を基板に向けて噴出させるための蒸気発
生源と、この蒸気発生源とは独立に真空槽内に設けられ
、反応性ガスを基板に向けて噴射するための内部槽内と
を設け、この内部槽の内部に電子ビーム引き出し電極お
よび電子ビーム放出手段等を配置して反応性ガスを活性
化させ、さらに、基板近傍の反応性ガスをさらに活性化
させるエキシマレーザ光を照射するためのエキシマレー
ザ光照射手段を備えたので、加速電極に印加する電位を
蒸気発生源と内部槽とでそれぞれ独立に制御することに
より基板上に形成される蒸着薄膜の結晶性や付着力など
の膜質を制御することができると共に、基板表面近くの
反応性ガスをエキシマレーザ光により活性化させること
により、反応性ガスと蒸着物質の蒸気もしくはクラスタ
ーとの化学反応を極めて活性度の高い状態で進行させる
ことができるので、高蒸着速度で効率よく安定して良質
な蒸着薄膜が成膜ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成図、第２図
は従来の化合物薄膜形成装置を示す概略構成図である。 図において、（１）は真空槽、（３）はルツボ、（５）
は蒸着物質、（６）は加熱用フィラメント、（７）はク
ラスター、（８）、（１２＞は熱シールド板、（９）は
蒸気発生源、（１０）は第１電子ビーム放出手段、（１
１）は第１１子ビーム引き出し電極、（１３）はイオン
化手段、（１４）はクラスターイオン、（１５）は第１
加速電極、（１６）は基板、（１７）は蒸着薄膜、（２
８）は内部槽−（２８ａ）は開口部分、（２９）はガス
噴射ノズル、（３ｏ）は電子ビーム放出手段、（３１）
は第２電子ビーム引き出し電極、（３２）は電界シール
ド板、（３３）は第２加速電極、（３４）はガスイオン
源、（３９）はエキシマレーザ装置、く４０）はエキシ
マレーザ光、（４１）は集光レンズ、（４２）は窓であ
る。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、この基板に向けて蒸着物質の蒸
   気を噴出し、前記蒸着物質のクラスターを発生させるた
   めの蒸気発生源と、この蒸気発生源と前記基板との間に
   配置され、前記クラスターの少なくとも一部をイオン化
   するためのイオン化手段と、このイオン化手段と前記基
   板との間に配置され、前記イオン化手段によってイオン
   化されたクラスター並びにイオン化されていない蒸着物
   質のクラスターおよび蒸気を前記基板に向けて衝突させ
   るための加速電極と、前記真空槽内に設けられた内部槽
   と、この内部槽の内側に設けられ、反応性ガスを噴射す
   るためのガス噴射ノズルと、このガス噴射ノズルの反応
   性ガス噴射方向に設けられ、電子ビームを引き出すため
   の電子ビーム引き出し電極と、この電子ビーム引き出し
   電極の反応性ガス噴射方向に設けられ、電子ビームを放
   出するための電子ビーム放出手段と、前記内部槽内で前
   記電子ビーム引き出し電極および前記電子ビーム放出手
   段の外側に設けられ、これら電子ビーム引き出し電極お
   よび電子ビーム放出手段を電位的にシールドするための
   電界シールド板と、この電界シールド板と前記基板との
   間に設けられ、前記電子ビーム引き出し電極および前記
   電子ビーム放出手段を正の電位にバイアスしかつ前記反
   応性ガスを加速するための加速電極と、前記基板近傍に
   向けてエキシマレーザ光を照射するためのエキシマレー
   ザ光照射手段とを備えたことを特徴とする化合物薄膜形
   成装置。
2. （２）エキシマレーザ光照射手段は、真空槽の外部に設
   けられエキシマレーザ光を発生させるためのエキシマレ
   ーザ装置と、このエキシマレーザ装置から照射されたエ
   キシマレーザ光を収束させるための集光レンズと、前記
   真空槽の壁面に設けられ、前記集光レンズによって収束
   されたエキシマレーザ光を透過させるための窓とから成
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の化合物
   薄膜形成装置。