JPH0525616A - 薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】大面積基板等にも均一な薄膜を形成できる薄膜
形成装置を提供する。 【構成】本装置は、活性ガス及び／又は不活性ガスが導
入される真空槽1'と、真空槽内において蒸発物質を蒸発
させる蒸発源10と、真空槽内において蒸発源に対向して
配置され基板100 を保持する対電極13と、蒸発源と対電
極との間に配備される電子供給部11と、この電子供給部
と対電極との間に配備され蒸発物質を通過させうるグリ
ッド12と、電子供給部に対しグリッドを正電位とする手
段32と、真空槽内に所定の電気的状態を実現するための
電源手段30,31,32と、真空槽内と電源手段とを電気的に
連結する導電手段20a,20b,21a,21b,21c,22,23とを備
え、電子供給部11は、高電子放射率の熱陰極11cと該熱
陰極を加熱する手段11abとを有し、且つ熱陰極の電子放
射面を上記対電極と対向する側に、熱陰極を加熱する手
段を対電極と対向しない側に配備したことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＶＤ法の長所である
強い反応性と、ＰＶＤ法の長所である高真空中での成膜
とを同時に実現することができ、且つ、大面積基板上へ
の均一な薄膜形成をも可能とする薄膜形成装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、被薄膜形成基板（以下、基板と称
する）上に薄膜を形成する薄膜形成装置としては、ＣＶ
Ｄ法やＰＶＤ法などを利用したものが良く知られてお
り、ＣＶＤ法による装置は反応性が強く、ＰＶＤ法によ
る装置は高真空中において緻密な強い薄膜を形成できる
などの長所を有している。これら、ＣＶＤ法やＰＶＤ法
などを利用した薄膜形成装置としては従来より種々のも
のが提案されており、その方法も極めて多岐にわたって
いる。しかし、従来の薄膜形成装置にあっては、形成さ
れた膜の、基板との密着性が弱かったり、あるいは、耐
熱性の無い基板上への薄膜形成が困難であったり、ま
た、大面積基板上に一様に薄膜を形成する場合に、均一
な薄膜形成が困難であったりする等の問題があった。

【０００３】そこで、これらの問題を解決するため、本
出願人は先に薄膜形成装置として、蒸発源と蒸発源に対
向させて基板を保持させる対電極との間にグリッドを配
し、蒸発源とグリッドとの間に熱電子発生用のフィラメ
ントを配し、上記グリッドをフィラメントに対して正電
位にして薄膜形成を行なう装置を提案した（特許１５７
１２０３３号等）。この薄膜形成装置では、蒸発源から
蒸発した蒸発物質は、先ずフィラメントからの熱電子に
よりイオン化され、このようにイオン化された蒸発物質
がグリッドを通過すると、グリッドから対電極に向かう
電界の作用により加速されて基板に衝突し、基板上に密
着性の良い薄膜が形成されるという特徴を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この薄膜形成
装置では、フィラメントを通電加熱して熱電子を発生さ
せるため、大電流が必要であり、また輻射が大きく基板
温度が上昇するといった問題があった。本発明は上記事
情に鑑みてなされたものであって、基板に対して極めて
強い密着性をもった薄膜を形成でき、耐熱性の無いプラ
スチック等も基板として用いうることが可能で、尚且
つ、大面積基板上に均一な薄膜形成が可能となる、新規
な薄膜形成装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の薄膜形成装置は、活性ガス若しくは
不活性ガスあるいはこれら両者の混合ガスが導入される
真空槽と、この真空槽内において蒸発物質を蒸発させる
ための蒸発源と、上記真空槽内において上記蒸発源と対
向するように配置され被薄膜形成基板を保持する対電極
と、上記蒸発源と上記対電極との間に配備される電子供
給部と、この電子供給部と上記対電極との間に配備され
蒸発物質を通過させうるグリッドと、上記電子供給部に
対し上記グリッドを正電位とする手段と、上記真空槽内
に所定の電気的状態を実現するための電源手段と、上記
真空槽内と上記電源手段とを電気的に連結する導電手段
とを有し、上記電子供給部を、高電子放射率の熱陰極と
該熱陰極を加熱する手段とを有するものとし、且つ、熱
陰極の電子放射面を上記対電極と対向する側に、熱陰極
を加熱する手段を対電極と対向しない側に配備したこと
を特徴とする。また、請求項２記載の薄膜形成装置は、
上記薄膜形成装置において、熱陰極の電子放射面の形状
に起伏をもたせ、電子放射面の面積を増大させた電子供
給部を有することを特徴とする。

【０００６】

【作用】請求項１記載の薄膜形成装置は、上述したよう
に、真空槽と、蒸発物質を蒸発させうる蒸発源と、対電
極と、電子供給部と、グリッドと、電源手段と、導電手
段とを有する。真空槽は、その内部空間に活性ガス、あ
るいは不活性ガス、若しくは活性ガスと不活性ガスとの
混合ガスを導入しうるようになっており、蒸発源、対電
極、電子供給部、グリッドは真空槽内に配備される。上
記対電極と蒸発源とは、互いに対向するように配備され
ており、対電極は、蒸発源と対向する側に被薄膜形成基
板を保持するようになっている。上記グリッドは蒸発物
質を通過させうるものであって、蒸発源と対電極の間に
配備され、電源手段により、電子供給部に対し正電位に
される。従って、発生する電界はグリッドから電子供給
部に向かう。上記電子供給部は、高電子放射率の熱陰極
をヒータ等の加熱手段で加熱して電子を供給するもので
あり、蒸発源とグリッドの間に配備され、対電極方向へ
熱陰極材料の放射面を向け、その裏側にヒータ等の加熱
手段が設置される。電源手段は、真空槽内に所定の電気
的状態を実現するための手段であり、この電源手段と真
空槽内部が、導電手段により電気的に連結される。尚、
請求項２記載の薄膜形成装置は、電子供給部において、
熱陰極の電子放射面の形状に起伏をもたせ、電子放射面
積を大きくしたことを特徴とする。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。図１は請求項１記載の発明の一実施例を示
す薄膜形成装置の概略的構成図である。図１において、
符号１はベルジャー、符号２はベースプレート、符号３
はパッキングをそれぞれ示しており、ベルジャー１とベ
ースプレート２はパッキング３により一体化されて真空
槽１’を構成している。この真空槽１’の内部空間には
符号４で示すような公知の適宜な方法により、活性ガ
ス、及び／または不活性ガスを導入できるようになって
いる。またベースプレート２の中央部に穿設された孔２
Ａは、図示されない真空排気系に連結されており、真空
槽内を高真空状態に排気できるようになっている。ベー
スプレート２には、真空槽内部の気密性を保ち、且つベ
ースプレート２との電気的絶縁性を保ちつつ、支持体を
兼ねた電極20a，20b，21a，21b，21c，22，23が配設さ
れている。また、これら電極20a，20b，21a，21b，21
c，22，23は、真空槽内部と外側とを電気的に連結する
ものであって、他の配線具と共に導電手段を構成する。

【０００８】上記電極のうち、一対の電極20a，20bの間
には、その間にタングステン、モリブデン、タンタル等
の金属をボート状に形成した、抵抗加熱式の蒸発源10が
支持されている。尚、蒸発源の形状は、ボート状に代え
てコイル状、またはルツボ状としてもよい。また、この
ような蒸発源に代えて電子ビーム蒸発源等、従来の真空
蒸着方式で用いられている蒸発源を適宜使用することが
できる。一対の電極21a，21bの間には、電子供給部11を
構成する熱陰極加熱用のヒータ11abが支持され、電極21
cには、電子放射面を対電極13方向にし、且つ基板100へ
の蒸発物質の拡がりを遮らないような形状を有する熱陰
極11c が支持される。尚、図１の例では、熱陰極11c 、
ヒータ11ab共にドーナツ状の平板であるが、電子放射面
を少し傾けるなどしてもよく、その形状も図１の限りで
はない。図２に電子供給部11の構成例を示す。

【０００９】図２において、加熱用のヒータ11abは、従
来の熱フィラメントやセラミックヒータ等、使用状況
（使用温度等）に応じて種々のものが用いられる。ま
た、熱陰極11c に用いられる熱陰極材料は、導入ガスに
対する耐食性、耐スパッタ性、使用温度、電子放射率等
を考慮して適宜選び使用される。熱陰極の下部のベース
メタルは、熱陰極用の電極であるが、ヒータからの熱を
有効に熱陰極材料に伝導するためのものでもあり、熱伝
導率が大きく、電子放射温度より融点の高い金属が用い
られる。電極22には、グリッド12が支持されており、こ
のグリッド12は、蒸発した蒸発物質を対電極13側に通過
させうるように形状を定めるのであるが、この例におい
ては網目状である。電極23には対電極13が支持されてお
り、この対電極13の蒸発源10に対向する側の面には、被
薄膜形成基板100 が適宜の方法で保持されるようになっ
ている。

【００１０】上記蒸発源10を支持する一対の電極20a，2
0bには、加熱用の交流電源30が接続されるが、この電源
30は交流電源に代えて直流電源にしてもよく、その正負
の向きもどちらでもよい。また、熱陰極加熱用ヒータ11
abを支持する一対の電極21a，21bには、交流電源31が接
続される。尚、同電源は交流電源に代えて直流電源にし
てもよく、その正負の向きもどちらでもよい。グリッド
12を支持する電極22には、直流電圧電源32の正極側が接
続され、同電源の負極側は、熱陰極11c を支持する電極
21c に接続される。対電極13を支持する電極23は、図１
の例では電極21c に接続されているが、この間に直流電
圧電源を入れてもよく、あるいは開放状態にしてもよ
い。また、図１の例では、電極20a，21aは電極21c に接
続されているが、これは必ずしも必要ではない。また、
図中の接地も必ずしも必要ではない。従って、グリッド
12は熱陰極11c に対して正電位となり、電界はグリッド
12から熱陰極11c へ向かう。また、図１の例のように、
対電極13をグリッド12に対して負電位にした場合には、
グリッド12から対電極13へも電界が発生する。

【００１１】さて、以上の構成からなる薄膜形成装置で
は、熱陰極加熱用電源31とグリッド用直流電源32の調節
により安定なプラズマ状態を作ることができる。また、
プラズマ発生・維持のために必要な電子供給部11が、間
接加熱方式であるため、通電加熱の難しい高抵抗（高電
圧電源が必要）あるいは低抵抗（大電流電源が必要）の
熱陰極を使用することができる。従って、電子放射率の
高い熱陰極材料を用いれば、電子供給量の増大を図るこ
とができ、輻射による基板温度の上昇も抑えることがで
きる。また、導入ガス及びそのプラズマに対し劣化の少
ない熱陰極を用いれば、プラズマを再現性よく安定に発
生・維持できるようになるばかりでなく、薄膜への不純
物の混入も減少することができる。尚実際には、上記電
気的接続は、導電手段の一部を構成するスイッチを含
み、これらのスイッチ操作により蒸着プロセスを実行す
るのであるが、これらのスイッチ類は、図示を省略され
ている。

【００１２】次に、請求項２記載の発明の装置構成は、
電子供給部を除いて図１に示した請求項１の薄膜形成装
置と同様であるため、ここでは電子供給部のみについて
説明する。本発明の薄膜形成装置の電子供給部の構成例
を図３に示す。図３に示すように、この電子供給部で
は、熱陰極11c の電子放射面の形状に起伏をもたせるこ
とにより、電子放射面積を大きくし、電子供給量を増大
させることができる。尚、熱陰極11c の電子放射面の形
状は表面積を大きくするためのものであり、その形状は
図３の限りではない。

【００１３】次に、本発明の装置による薄膜形成例とし
て、図１の装置例による薄膜形成について説明する。図
１において、基板100 を図示の如く対電極13に保持させ
て、蒸発物質を蒸発源10に保持させる。尚、蒸発物質と
しては、どのような薄膜を形成するかに応じて選定され
る。基板100 及び蒸発物質のセット後、真空槽内は図示
されない真空排気系によって１／１０⁴Ｐa以下の高真空
状態に排気され、この後、真空槽内には活性ガス、もし
くは不活性ガス、あるいはこれらの混合ガスが１０〜１
／１０³Ｐaの圧力で導入される。

【００１４】この状態において電源をオンにし、グリッ
ド12−熱陰極11c 間、及びグリッド12−対電極13間に安
定なプラズマを発生させる。次に、蒸発源用の電源30を
オンにし、蒸発源10を加熱して蒸発物質を蒸発させる。
蒸発源10からの蒸発物質は基板100 に向かって拡がりつ
つ飛行するが、その一部は、グリッド12−熱陰極11c間
のプラズマ中の電子や導入ガスイオンによって正イオン
にイオン化される。このように一部イオン化された蒸発
物質は、グリッド12を通過し、グリッド12−対電極13間
のプラズマ中でさらにイオン化され、イオン化率が高め
られる。プラズマ中の導入ガスイオン、及びイオン化し
た蒸発物質は、グリッド12から対電極13へ向かう電界の
作用により加速され、適度なエネルギー（数十ｅＶ以
下）で基板100 に入射し、イオン化していない蒸発物質
とともに成膜に寄与する。このようなエネルギーで基板
100 に入射するイオンには、基板表面及び堆積中の膜表
面を活性化させる作用、加熱する作用、物理的に吸着し
ている不純物（Ｈ₂Ｏ、Ｃなど）を除去する作用などが
あり、薄膜の結晶性や密着性を向上させる。また、導入
ガスが活性ガスを含む場合には、蒸発物質を活性ガスと
反応性よく化合させることができる。

【００１５】例えば、アルゴンのような不活性ガスを導
入し、蒸発物質として、アルミニウム、あるいは金等を
選択すれば、結晶性、電気的特性に優れた金属薄膜を得
ることができる。また、不活性ガスとしてアルゴン、活
性ガスとして酸素を導入して、蒸発物質としてアルミニ
ウムを選択すれば、酸化アルミニウム絶縁性薄膜を得る
ことができる。また、蒸発物質として硅素、あるいは一
酸化硅素を選べば、二酸化硅素絶縁性薄膜を得ることが
できる。また、蒸発物質としてインジウム、あるいはス
ズを選べば、それぞれ酸化インジウム、酸化スズのよう
な透明導電性薄膜も得ることができる。また、活性ガス
として窒素、またはアンモニアをアルゴンと共に用い、
蒸発物質としてチタン、あるいはタンタルを選べば、そ
れぞれ窒化チタン、窒化タンタルの薄膜を得ることがで
きる。

【００１６】尚、本発明の薄膜形成装置においては、蒸
発物質及び導入ガスのイオン化に、電子供給部からの熱
電子が有効に寄与するので、１／１０²Ｐa以下の圧力の
高度の真空下においても蒸発物質のイオン化が可能であ
り、このため、薄膜中へのガス分子の取り込みを極めて
少なくすることができるため、高純度の薄膜を得ること
ができる。また、薄膜の構造も極めて緻密なものとする
ことが可能であり、通常、薄膜の密度はバルクの密度よ
り小さいとされているが、本発明の装置によれば、バル
クの密度に極めて近似した密度の薄膜が得られることも
大きな特徴の一つである。即ち、本発明の薄膜形成装置
は、ＩＣ、ＬＳＩなどを構成する半導体薄膜等の形成に
も極めて適しているものである。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１，請求項
２記載の薄膜形成装置においては、電子供給部からの熱
電子によって蒸発物質がイオン化し、電気的に適度なエ
ネルギーを有するので、結晶化を必要とする成膜、反応
性を必要とする成膜において、温度（結晶化温度、反応
温度）という熱エネルギーを与えずに実現できるので低
温成膜が可能となる。また、本発明の薄膜形成装置で
は、電子供給部を間接加熱方式にすることによって、通
電加熱の困難な熱陰極材料を使用することができる。従
って、輻射による基板の温度上昇、陰極劣化に伴う薄膜
への不純物混入といった問題の解決や、電子供給量の増
大化等、目的に応じて熱陰極材料を自由に選ぶことがで
きる。従って、本発明の薄膜形成装置によれば、基板に
対して極めて強い密着性をもった薄膜を形成でき、耐熱
性の無いプラスチック等も基板として用いうることが可
能で、尚且つ、大面積基板上に均一な薄膜形成が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例を示す薄膜形成
装置の概略的構成図である。

【図２】図１に示す装置の電子供給部の一構成例を示す
概略的構成図である。

【図３】請求項２記載の発明の一実施例を示す電子供給
部の概略的構成図である。

【符号の説明】

１ ・・・ベルジャー １’・・・真空槽 ２ ・・・ベースプレート ３ ・・・パッキング ４ ・・・ガス導入手段 10 ・・・蒸発源 11 ・・・電子供給部 11ab・・・ヒータ（加熱手段） 11c ・・・熱陰極 12 ・・・グリッド 13 ・・・対電極 20a,20b,21a,21b,21c,22,23・・・支持体兼用の電極（導電
手段） 30 ・・・蒸発源用電源 31 ・・・熱陰極加熱用電源 32 ・・・グリッド用直流電源 100 ・・・被薄膜形成基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】活性ガス若しくは不活性ガスあるいはこれ
   ら両者の混合ガスが導入される真空槽と、この真空槽内
   において蒸発物質を蒸発させるための蒸発源と、上記真
   空槽内において上記蒸発源と対向するように配置され被
   薄膜形成基板を保持する対電極と、上記蒸発源と上記対
   電極との間に配備される電子供給部と、この電子供給部
   と上記対電極との間に配備され蒸発物質を通過させうる
   グリッドと、上記電子供給部に対し上記グリッドを正電
   位とする手段と、上記真空槽内に所定の電気的状態を実
   現するための電源手段と、上記真空槽内と上記電源手段
   とを電気的に連結する導電手段とを有し、上記電子供給
   部を、高電子放射率の熱陰極と該熱陰極を加熱する手段
   とを有するものとし、且つ、熱陰極の電子放射面を上記
   対電極と対向する側に、熱陰極を加熱する手段を対電極
   と対向しない側に配備したことを特徴とする薄膜形成装
   置。
2. 【請求項２】請求項１記載の薄膜形成装置において、熱
   陰極の電子放射面の形状に起伏をもたせ、電子放射面の
   面積を増大させた電子供給部を有することを特徴とする
   薄膜形成装置。