JPH0448869B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、クラスタイオンビーム蒸着法のイオ
ンビーム蒸着装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、るつぼの加熱によつて蒸気化した物質を
基板に蒸着する蒸着膜形成装置として、イオンプ
レーデイング法、イオンビーム蒸着法、クラスタ
イオンビーム蒸着法等のイオンビーム蒸着装置が
ある。

これらの蒸着装置は蒸着膜を形成する物質を蒸
気化した後イオン化し、これに加速電圧を加えて
運動エネルギを与え、あるいはイオンの持つ電荷
の効果を併用して膜の結晶性や物理的諸性質を制
御する。

そして、クラスタイオンビーム蒸着法の装置の
場合、るつぼの加熱されて蒸気化された物質（蒸
気化物質）は基板に向つて噴射され、このときク
ラスタが形成される。

このクラスタのうちの少なくとも一部はイオン
化され、このイオン化されたクラスタ（以下イオ
ン化クラスタという）は、加速されて運動エネル
ギが付与される。

そして、加速後のイオン化されたクラスタがイ
オン化されない蒸気化物質に混在して基板に輸送
され、基板上に蒸着して蒸着膜が形成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記従来のクラスタイオンビーム蒸着法の蒸着
装置の場合、基板に向つて飛行するクラスタのう
ちの一部がイオン化されて加速電極で加速される
のみであるため、この加速後のイオン化クラスタ
の混在の分布に依存する蒸着膜のイオン分布は、
クラスタのイオン化特性、加速特性に依存したば
らつき（むら）が生じるとともに、加速電極の集
束レンズ特性等に依存したばらつきも生じる。

なお、集束レンズ特性とは加速電極の電界がイ
オン化クラスタに対して集束レンズとして作用す
る特性であり、この特性に基づき、イオン化クラ
スタは加速後にビーム中心方向に飛行するように
なる。

そのため、基板に輸送される蒸気化物質中にイ
オン化クラスタが均一に混在するようにクラスタ
のイオン化が行われても、加速電極での集束化に
依存してイオン化クラスタの分布がばらつき、基
板全体の蒸着膜のイオン分布にむらが生じる。

そして、イオン化特性、加速特性及び集束レン
ズ特性等に依存したイオン化クラスタの混在のば
らつきが補正されないため、基板に形成する蒸着
膜のイオン分布を所望の濃度分布に制御して基板
の所望の部分に所望の特性の膜を精度よく形成す
ることができず、また、イオン分布が一様な均一
な膜質等の所望の膜質の膜を得ることができない
問題点がある。

本発明は、イオン化特性、加速特性及び集束レ
ンズ特性に依存したイオン化クラスタの混在のば
らつきを排除して基板に形成される膜のイオン分
布を所望の分布に精度よく制御し、イオン分布が
一様で均一な膜質の蒸着膜、あるいはイオン分布
を偏在させて基板上の所定の部分を所望の膜質に
した蒸着膜等の種々の膜を精度よく自在に形成で
きるイオンビーム蒸着装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するために、本発明のイオン
ビーム蒸着装置においては、蒸着する物質を加熱
して蒸気化し基板に向つて噴射するるつぼと、こ
のるつぼから噴射された蒸気化物質のうちのクラ
スタの少なくとも一部をイオン化するイオン化電
極と、イオン化電極によりイオン化されたクラス
タを加速して該クラスタに運動エネルギを付与す
る加速電極とを備え、イオン化されて加速された
クラスタが混在した蒸気化物質を基板に輸送して
蒸着させるクラスタイオンビーム蒸着法のイオン
ビーム蒸着装置において、 前記加速電極と基板との間に、加速後のイオン
化されたクラスタの飛行を偏向制御し、イオン化
されたクラスタの蒸着分布を制御する偏向電極を
設ける。

〔作用〕

前記のように構成された本発明のイオンビーム
蒸着装置の場合、るつぼから基板に向つて噴射さ
れた蒸気化物質のうちのクラスタの少なくとも一
部は、イオン化電極によりイオン化されてイオン
化クラスタになる。

このイオン化クラスタは加速電極で加速されて
運動エネルギが付与された後、イオン化されない
蒸気化物質に混在した状態で偏向電極を介して基
板に輸送される。

このとき、偏向電極によりイオン化クラスタの
飛行が偏向制御されてその混在状態が自在に制御
されるため、前記偏向制御に基づき、イオン化特
性、加速特性及び集束レンズ特性に依存したイオ
ン化クラスタの混在の分布のばらつきを排除して
基板上に蒸着形成される膜のイオン分布が精度よ
く制御され、基板上の広い面積にイオン分布の一
様な均一な膜質の膜を形成したり、イオン分布を
偏在させて基板上の所定の部分に所望の特性の膜
を形成することができる。

〔実施例〕

実施例について第１図ないし第７図を参照して
説明する。

（第１の実施例） まず、第１の実施例について第１図を参照して
説明する。

第１図に示すように噴射ノズル１を有するるつ
ぼ２には蒸発させて蒸着する物質３が挿入され、
るつぼ加熱用電子放出フイラメント４からの電子
放出によつてるつぼ２が電子衝撃形加熱方式で衝
撃加熱されることにより、物質３が蒸発して蒸気
化される。

ところで、るつぼ２はアースされて基準電位に
保持され、フイラメント４はるつぼ２に陽極が接
続された電源１５によつて負電位に直流バイアス
されている。

そして、フイラメント４の両端間の加熱用の電
源１６により、フイラメント４が加熱されて前述
の衝撃加熱が行われる。

なお、るつぼ２の加熱は、るつぼ２の炉壁に直
接大電流を流す直接加熱方式や、るつぼ２の周囲
にヒータを配設して加熱するヒータ加熱方式や、
それらの組み合わせ方式で行うこともできる。

そして、るつぼ２で蒸気化されて10^-2〜数トー
ル程度の高圧蒸気となつた蒸気化物質は、ノズル
１から高真空中へ噴射され、このとき、断熱膨張
に基づく過冷却現象により500〜2000個の塊状原
子集団（クラスタ）が形成され、これらのクラス
タが噴射時のエネルギをもつクラスタ流６のビー
ムとして、電源１４の負電圧が基板ホルダ１２を
介して印加された上方の基板５に向つて飛行す
る。

勿論、この場合において、るつぼ２内で蒸気化
されたすべての物質がクラスタ化される訳ではな
く、一部は原子、分子の形態でノズル１から噴射
されて基板５に向つて飛行する。

さらに、ノズル１の上方にはイオン化用電子放
出フイラメント７、それより電子を引き出すため
のメツシユ状イオン化用電子引出グリツド８、遮
蔽電極９が形成するイオン化電極が設けられてい
る。

そして、イオン化用電子引出グリツド８に印加
された電子引出用正電圧（200V〜1KV程度）の
制御に基づき、イオン化電極によつて電子シヤワ
のイオン化領域１０が形成され、この領域１０に
おいて、イオン化用電子放出フイラメント７と同
電位の遮蔽電極９の助けをかりて効率よく、ノズ
ル１から噴射されたクラスタ流６に電子シヤワが
照射され、クラスタの一部がイオン化され、イオ
ン化クラスタが形成される。

なお、イオン化用電子放出フイラメント７の加
熱は図示しない適当な電源で行われ、電子の引き
出しは電源１７で行われる。

ところで、クラスタのイオン化の場合、イオン
化と云つても500〜2000個のクラスタ構成原子の
うちの１個の原子しかイオン化されない。

すなわち、もし１個の中性クラスタ中の２個の
原子が電子シヤワによつて同時にイオン化される
と、イオンがもつ正電荷どうしの反発力により１
個の中性クラスタは２個のイオン化クラスタに分
割される。

これは、正電荷どうしの反発力がクラスタの各
構成原子を相互に引き付けているフアンデルワー
ルス力に基づく引力より大きいためである。

したがつて、イオン化クラスタは500〜2000個
の構成原子のうちの１個がイオン化された状態で
存在する。

そして、これらのイオン化クラスタのビームが
イオン化されなかつた中性クラスタ等の残りの蒸
気化物質に混在した状態で基板５に向つて飛行す
る。

さらに、イオン化電極の上方に電源１４によつ
て負の加速電圧が印加された加速電極１１が設け
られ、この電極１１の電界がイオン化領域１０の
方へ浸み出してきて集束レンズ系を形成する。

そして、イオン化クラスタは加速電極１１によ
り加速されて運動エネルギが付与され、かつ、飛
行が集束レンズの作用でビーム中心に集束化され
る。

そのため、イオン化クラスタは加速されるとと
もに、中心軸の方に集束されながら基板５に向つ
て飛行する。

このとき、後述の偏向制御を行わなければ、イ
オン化特性等でのばらつき（むら）が生じなくて
も、基板５に飛行する蒸気化物質中のイオン化ク
ラスタの混在量（濃度）は前記中心軸に近い部分
で多くなり、遠くなる程少なくなり、イオン化ク
ラスタの混在の分布に集束レンズ特性に応じたば
らつきが生じる。

そして、基板５に形成される蒸着膜を例えば基
板全体に一様にイオン化された均一な膜質にしよ
うとしても、イオン化クラスタの分布のばらつき
に基づき、膜中のイオン分布が基板５上での前記
中心軸からの距離によつて変化し、均一な膜質に
できない。

なお、加速電圧等が変わると、特性条件が変わ
つてイオン化クラスタの分布のばらつきの状態も
変わる。

そこで、この実施例においては加速電極１１と
基板５との間に偏向電極１３を設け、この電極１
３によりイオン化クラスタの飛行を偏向制御し、
イオン化クラスタの混在のばらつきを排除する。

すなわち、偏向電極１３はトランス１８の１次
巻線（図示省略）の交流電圧が２次巻線１９を介
して印加され、このとき、２次巻線１９の中間タ
ツプ２０が電源１４の可変タツプ２１に接続さ
れ、このタツプ２１の位置によつて偏向電極１３
の基準電位が接地電位と加速電極１１の電位との
間の適当な基準電位に選択して調整される。

そのため、偏向電極１３に前記基準電位を中心
とする交流の偏向電圧が印加され、このとき、基
板５に飛行する物質中のイオン化クラスタのみが
偏向電圧に感応し、フアンデルワールス力で結合
したクラスタ全体として、その飛行方向に前記基
準電位を中心とするその時々の偏向電圧に応じた
偏向補正が加わる。

この偏向補正によりイオン化クラスタの混在の
分布が変わり、例えばこの分布が均一化するよう
に基準電位等を設定すると、基板５に形成される
蒸着膜のイオン分布は、イオン化特性、加速特性
及び集束レンズ特性等に基づくばらつきが排除さ
れて一様になり、均一な膜質の蒸着膜が得られ
る。

また、基準電位等の設定によつてはイオン化特
性、加速特性及び集束レンズ特性等に基づくばら
つきを排除してイオン化クラスタの分布に所望の
偏りをもたせ、基板５のイオン分布を偏在させて
所望の特性の蒸着膜を形成することもできる。

すなわち、基板５上における膜形成の初期にお
いては、基板５に飛行する物質中のイオンがスパ
ツタリング、核形成、イオン注入、自己加熱効果
を発揮して基板５上の結晶成長を促進する。

したがつて、例えば基板５に飛行する蒸気化物
質中にイオン化クラスタが均一に混在すると、結
晶性の均一な蒸着膜が基板５に形成され、イオン
化クラスタの混在に所定の偏りをもたせると、所
望の特性の蒸着膜が基板５に形成される。

なお、偏向電極１３の偏向周波数は、商用電源
の60Hzのほか、60Hzより低くても、また高くても
よい。

また、偏向電極１３の偏向電圧は、第２図ａに
示す鋸歯状波のスイープ波形にしてもよく、ある
いは、同図ｂに示すように意識的に半分だけスイ
ープして基板５の蒸着面の残り半分にイオンを移
送しないようにしてもよい。

さらに、偏向電圧を同図ｃに示すように、周期
的に電圧が変化するスイープ波形にしてもよい。

一方、基板５、加速電極１１の電位及び前記基
準電位は、電源１４の電圧を自動又手動で可変し
て調整される。

そして、予め設定した成膜制御に基いて偏向電
極１３の偏向周波数、偏向電圧波形を変えると、
制御プログラムにしたがつてイオン化クラスタの
混在の分布が自在に制御され、例えば部分的にイ
オン化クラスタの混在量を増、減して蒸着膜のイ
オン分布に任意の濃淡をつけることができ、基板
５上の広域にわたつてイオン分布が一様な均一な
特性の膜を形成したり、あるいはイオン分布の偏
りに基づき、固有の物性的諸性質、結晶性又は組
成比を有する特定の膜質の蒸着膜を得ることがで
きる。

なお、クラスタ発生部、イオン化部、加速部等
の設計が適当でなく、イオン化特性、加速特性に
依存してイオン化クラスタが一様に混在していな
いような場合でも、これらを排除して一様に混在
させることができるのは勿論である。

つぎに、前記実施例の実験結果の１例について
説明する。

るつぼ２にMgF₂を挿入し、イオン化用電子放
出フイラメント７及び電子引出グリツド８間の電
流を100ｍＡ、加速電極１１の印加電圧を1KV、
対向した偏向電極１３の周波数を商用周波数、ト
ランス１８への印加電圧を単相150V、中間タツ
プ２０の電位を接地電位、基板ホルダ１２の温度
を321℃、基板５をガラス基板とし、15分間蒸着
した結果、イオン分布が一様な均一膜質の弗化マ
グネシウム膜が得られた。

なお、同一条件で偏向電極１３を用いない場合
は、イオン分布にむらのある極めて不均一な膜し
か得られなかつた。

（第２の実施例） つぎに、第２の実施例について、第３図を参照
して説明する。

第３図は、第１図のトランス１８の代りに正弦
波、三角波、鋸歯状波等を発生する関数電圧発生
器２２を用いたものであり、基準電位は電圧調整
器２３によつて接地電位から加速電極１１の電位
までの間の電位としている。

（第３の実施例） つぎに、第３の実施例について、第４図を参照
して説明する。

第４図は、第１図、第２図の偏向電極１３の代
わりにＸ軸、Ｙ軸それぞれの対向する偏向電極２
４，２５を配設し、Ｘ軸の偏向電極２４にＸ軸偏
向電圧発生部２６から第５図ａに示す出力を印加
し、Ｙ軸の偏向電極２５にＹ軸偏向電圧発生部２
７から第５図ｂに示す出力を印加し、イオン化ク
ラスタのビームをジグザク状に振るようにしたも
のである。

（第４の実施例） つぎに、第４の実施例について、第６図を参照
して説明する。

第６図は、Ｘ軸の偏向電極２８及びＹ軸の偏向
電極２９にそれぞれ第７図ａ，ｂに示す90°位相
差の異なる正弦波を印加し、かつ、その波高値を
漸次増大させるようにしたものである。

ところで、イオンビームの偏向制御手段として
の偏向電極には、前記各実施例の電界発生用の電
極のほか、磁界発生用の偏向電極を用いることも
可能である。

なお、前記実施例の弗化マグネシウム膜は、た
とえばレーザ反射鏡のオプテイカルコーテイング
に用いられる。

そして、本発明は、MgF₂のほか、ZnO、Si、
Au、Ag、GaAs、BeO、GaP等のすべての物質
の蒸着膜の形成に対して有効に適用でき、例え
ば、ZnOに適用してそのイオン化クラスタの混在
量を変えると、結晶性が変り、イオンの量が多い
程ガラス基板上に形成された蒸着膜はＣ軸優先方
位をもつ特性になり、この場合、光の減衰率を部
分的に制御でき、オプテイカルウエーブガイドを
作るのに新技術を提供できる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されている
ため、以下に記載する効果を奏する。

イオン化電極と基板との間に設けた偏向電極に
より、イオン化されたクラスタの飛行を加速電極
での加速後に自在に偏向制御し、基板に飛行する
物質中のイオン化されたクラスタの混在の分布
（濃度）を制御したため、イオン電極でのイオン
化特性、加速電極での加速特性及び集束レンズ特
性等に基づくイオン化されたクラスタの混在のば
らつきを排除してこの分布を自在に制御し、基板
に形成される蒸着膜のイオン分布を精度よく所望
の分布に制御することができ、加速電極の電界の
集束レンズ作用に基づくイオン化されたクラスタ
のビーム中心への集束を補正して基板全体にイオ
ン分布が均一な膜を精度よく形成したり、イオン
化されたクラスタを偏在させて基板上のイオン分
布を所望の濃度分布に制御し、基板の所定の部分
に所望の特性の膜を精度よく形成したりすること
ができ、基板の全体又は一部に所望の特性の膜を
精度よく自在に形成することができ、イオンビー
ム蒸着装置の性能を著しく向上することができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明のイオンビーム蒸着装置の実施例
を示し、第１図は第１の実施例の正面図、第２図
ａ，ｂ，ｃは第１図の偏向電圧波形図、第３図は
第２の実施例の一部の正面図、第４図は第３の実
施例の一部の平面図、第５図ａ，ｂは第４図の偏
向電圧波形図、第６図は第４の実施例の一部の平
面図、第７図ａ，ｂは第６図の偏向電圧波形図で
ある。 １……噴射ノズル、２……るつぼ、５……基
板、７……イオン化電子放出用フイラメント、８
……イオン化用電子引出グリツド、９……遮蔽電
極、１０……イオン化領域、１１……加速電極、
１３，２４，２５，２８，２９……偏向電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蒸着する物質を加熱して蒸気化し基板に向つ
   て噴射するるつぼと、前記るつぼから噴射された
   蒸気化物質のうちのクラスタの少なくとも一部を
   イオン化するイオン化電極と、前記イオン化電極
   によりイオン化されたクラスタを加速して該クラ
   スタに運動エネルギを付与する加速電極とを備
   え、イオン化されて加速されたクラスタが混在し
   た蒸気化物質を基板に輸送して蒸着させるクラス
   タイオンビーム蒸着法のイオンビーム蒸着装置に
   おいて、 前記加速電極と前記基板との間に、加速後のイ
   オン化されたクラスタの飛行を偏向制御し、イオ
   ン化されたクラスタの蒸着分布を制御する偏向電
   極を設けたことを特徴とするイオンビーム蒸着装
   置。