JPS63278218A

JPS63278218A - 化合物薄膜形成装置

Info

Publication number: JPS63278218A
Application number: JP62056686A
Authority: JP
Inventors: Hiromoto Ito; 弘基伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-03-13
Filing date: 1987-03-13
Publication date: 1988-11-15
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: JPH0779085B2

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）で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、Ｔ　ｉ　Ｎ　、　Ａ　１２０３、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、また付着力が弱いという欠点があった。

そこで、反応性ガス雰囲気中でＩＣＢ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−ＩＣＢ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（
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｒ＋８ｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌＩｏｎ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ
ｎｇｒｅｓｓ）」（Ｉ　Ｓ　Ｉ　ＡＴ’　８３＆ＩＰＡ
Ｔ’　８３）に掲載されているＲ−ＩＣＢ装置を模式的
に示す概略構成図である。図において、（１）は所定の
真空度に保持された真空槽、（２）はこの真空槽（１）
内のガスを排気する真空排気系、（３）は真空槽（１）
内の下方に設けられた、密閉型のルツボ、（４）はこの
ルツボ（３）の上部に設けられた少なくとも一つのノズ
ル、（５）はルツボ（３）内に充填された蒸着物質、（
６）はルツボ（３）を加熱する加熱用フィラメント、（
７）はこの加熱用フィラメント（６）の熱を遮る熱シー
ルド板、（８）はルツボ（３）のノズル（４）から蒸着
物質（５）の蒸気を噴出させて形成したクラスター（塊
状原子集団）、くっ）はルツボ（３）、加熱用フィラメ
ント（６）および熱シールド板（７）によって構成され
た蒸気発生源である。

（１０）は電子ビームを放出するイオン化フィラメント
、（１１）はこのイオン化フィラメント（１０）からイ
オン化用電子を引き出して加速する電子ビーム引き出し
電極、（１２）はイオン化フィラメント（１０）の熱を
遮る熱シールド板、（１３）はこれらイオン化フィラメ
ント（１０）、電子ビーム引き出し電極（１１）および
熱シールド板（１２）によって構成された、クラスター
（８）のイオン化手段である。

（１４）はこのイオン化手段（１３）によって正電荷に
イオン化されたクラスターイオン、（１５）はこのクラ
スターイオン（１４）を電界で加速し、運動エネルギー
を付与する加速電極、（１６）は基板、（１７）はこの
基板（１６）の表面に形成された蒸着薄膜である。

（１８）は化合物を組成する元素例えば酸素、窒素、炭
化水素等を含む反応性ガスが充填されているガスボンベ
、（１９）はこのガスボンベ（１８）からの反応性ガス
を真空槽（１）内に導入する際の流量を調整する流量調
整バルブ、（２０）はこの流量調整バルブ（１つ）を通
って導入された反応性ガスをルツボ（３）のノズル（４
）上方に導くためのパイプ、（２１）はこれらガスボン
ベ（１８）、流量調整バルブ（１９）およびパイプ（２
０）によって構成された反応性ガス導入系である。

（２２）は加熱用フィラメント（６）を加熱する第１交
流電源、（２３）はルツボ（３）の電位を正にバイアス
する第１直流電源、（２４）はイオン化フィラメント（
１０）を加熱する第２交流電源、（２５）はイオン化フ
ィラメント（１０）を負の電位にバイアスする第２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第３直流電源、（２７）
はこれら第１交流電源（２２）、第１直流電源（２３）
、第２交流電源（２４）、第２直流電源（２５）および
第３直流電源（２６）によって構成された電源装置であ
る。

従来の化合物薄膜形成装置は上述したように構成され、
真空槽（１）をＩＸｌ　０−’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。加熱用フ
ィラメント（６）から放出された電子を第１直流電源（
２３）から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ないし１０００個程度の
原子が結合してクラスター（８）と呼ばれる塊状原子集
団となる。このクラスター（８）は、イオン化フィラメ
ント（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ー（８）と共に加速電極（１
５）で形成される電界によって加速制御され、基板（１
６）表面に衝突する。

一方、基板（１６）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（８）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直流電
源（２３）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極
（１１）に対して、第２交流電源（２４）で加熱された
イオン化フィラメント（１０）を負の電位にバイアスし
、イオン化フィラメント（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（１
５）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］上述したような化合物薄膜形成装置では、真空槽（１）
内の反応性ガスが分子状態にあって活性度が低く、イオ
ン化手段（１３）付近で形成される励起、解離もしくは
活性化された元素であっても、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。従って、得
られる薄膜の反応度が低く、反応性ガスの大部分は排気
され、薄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。

−７＝［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、真空槽内に設け
られた内部槽内に、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基板との間に設けられ
、電子ビーム引き出し電極および電子ビーム放出手段を
正の電位にバイアスする加速電極とを備えたものである
。

［作　用］この発明においては、電子ビーム引き出し電極および電
子ビーム放出手段と同電位である電界シールド板により
、放出された電子ビームがこの電界シールド板内に閉じ
込められ、特に、反応性ガス通路近傍に集中するため、
励起、解離もしくはイオン化が高効率で行える。

［実施例］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全く同一であり、同様に動作す
る。蒸気発生源（９）およびイオン化手段（１３）は基
板（１６）に対して斜め下方に配置されており、電源装
置の図示は省略しである。

（２８）は真空槽（１）内に設けられた内部槽、（２９
）はこの内部槽（２８）内に設けられかつパイプ（２０
）の先端に接続された、反応性ガスのガス噴射ノズル、
（３０）は内部槽（２８）内に設けられて電子ビームを
放出する電子ビーム放出手段例えばフィラメント、（３
１）はこの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第２電子ビーム引き出し電極、（
３２）は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）を囲み、ガス噴射ノズル（２
つ）からの反応性ガスの通路となる部分に設けられた電
界シールド板、（３３）はこの電界シールド板（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
極である。（２１Ａ）はガスボンベ（１８）、流量調整
バルブ（１９）、パイプ（２０）、ガス噴射ノズル（２
９）、内部槽（２８）、電子ビーム放出手段（３０）、
第２電子ビーム引き出し電極（３１）、電界シールド板
（３２）および第２加速電極（３３）によって構成され
た反応性ガス導入系である。

（３４）は電子ビーム放出手段（３０）を加熱する第３
交流電源、（３５）は第２電子ビーム引き出し電極（３
１）を電子ビーム放出手段（３０）に対して正の電位に
バイアスする第４直流電源、（３６）は第２加速電極（
３３）を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［１（３１）に対して負の電位にバイア
スする第５直流電源、（３７）はこれら第３交流電源（
３４）、第４直流電源（３５）および第５直流電源（３
６）によって構成された第２電源装置である。

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（２つ）から導
入し、真空槽（１）内のガス圧を１０−５〜１０−３ｍ
ｍＨｇ程度になるように調整する。このとき、内部槽（
２８）内のガス圧はさらに高く保たれる。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極
（３１）に電子ビームが放出されるように第４直流電源
（３５）によってバイアス電圧を印加し、ＩＡ〜５Ａ程
度の電子を放出させて反応性ガスを励起、解離もしくは
イオン化して非常に活性化された状態とする。電子ビー
ム放出手段（３０）は電界シールド板（３２）と同電位
であるため、放出された電子ビームは電界シールド板（
３２）内に閉じ込められ、特に反応性ガス通路近傍に集
中する。従って、反応性ガスの励起、解離もしくはイオ
ン化が高効率で行われる。

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）は蒸発してノズル（４）から噴
射される。この噴射する蒸着物質（５）の蒸気もしくは
クラスター（８）は、イオン化フィラメント（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）となリ、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］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〈８）と共に、基板（１６）に衝突させられる。

一方、基板（１６）およびその付近には励起、解離もし
くは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（８）と衝突して反応が進
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２加速電
極（３３）に、第３直流電源く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独立に変えることによっ
て、基板（１６）に噴射される反応性ガスイオン並びに
蒸着物質（５）の蒸気もしくはクラスター（８）の運動
エネルギーを独立に制御することがかのうである。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。基板（１６）に
射突するイオンもしくは電子ビームは、基板（１６）付
近に存在する反応性ガスを励起、解離もしくはイオン化
するため、基板（１６）に入射してくるクラスターイオ
ン（１４）ビームとの反応性が促進されて効率よく化合
物薄膜が形成される。

なお、上述した実施例では、電子ビーム放出手段（３０
）と電界シールド板（３２）とを同電位とした場合につ
いて説明したが、電子ビーム放出手段（３０）に対して
電界シールド板（３２）を負の電位にバイアスしてもよ
く、この場合、電子ビーム放出手段（３０）から放出さ
れる電子ビームがさらに反応性ガスの通路に集中し、ガ
スの活性化が促進されることになる。

［発明の効果］この発明は、以上説明したとおり、真空槽内に設けられ
た内部槽内に、電子ビーム引き出し電極および電子ビー
ム放出手段を電位的にシールドずるための電界シールド
板と、この電界シールド板と基板との間に設けられ、電
子ビーム引き出し電極および電子ビニム放出手段を正の
電位にバイアスする加速電極とを備えたので、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、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）、（
１２）は熱シールド板、（８）はクラスター、くっ）は
蒸気発生源、（１０）はイオン化フィラメント、（１１
）は電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、（２１Ａ）
は反応性ガス導入系、（２８）は内部槽、（２９）はガ
ス噴射ノズル、（３０）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。昂１図９、莱気発生源　　　　　　　　　３０．電子ビーへ旅
比呼段１０　、イノ５化フィラメコト　　　　　　　　
　　　３１　・牙２ｔ：５−ビ°−へ５ノ走呂ｔｔ羽話
１４、クラスターイオン手続補正書昭和６２年１０月２０日

Claims

【特許請求の範囲】

（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を備えたことを特
徴とする化合物薄膜形成装置。
（２）電界シールド板は、電子ビーム放出手段と同電位
もしくは電子ビーム放出手段に対して負の電位にバイア
スされていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の化合物薄膜形成装置。