JPH06275545A

JPH06275545A - ガスクラスターイオン援用による化合物薄膜の形成方法

Info

Publication number: JPH06275545A
Application number: JP5088223A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamada; 公山田
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1993-03-22
Filing date: 1993-03-22
Publication date: 1994-09-30
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JP3386175B2

Abstract

(57)【要約】【構成】気相蒸着による薄膜形成において、ガスクラ
スターイオンビームを蒸着域に照射して化合物薄膜を形
成する。【効果】ガスクラスターイオンの低エネルギー性と高
い化学反応性を利用し、エレクトロニクス、オプトエレ
クトロニクス等において有用な、イオン損傷を抑え、高
品質の化合物薄膜を形成することを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスクラスターイオ
ン援用による化合物薄膜の形成方法に関するものであ
る。さらに詳しくは、この発明は、ガスクラスターイオ
ンの低エネルギー性と高い化学反応性を利用し、エレク
トロニクス、オプトエレクトロニクス等において有用
な、イオン損傷を抑え、高品質の化合物薄膜を形成する
ことを可能とする新しい化合物薄膜の形成方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、エレクトロニク
ス、オプトエレクトロニクス等の諸分野において酸化
物、窒化物、炭化物等の各種の化合物薄膜の形成が試み
られ、実用的にも様々な方法によって実施されるに至っ
ている。これらの化合物薄膜の製造法としては、いわゆ
る気相蒸着方法が最も注目されており、この気相蒸着法
としては、真空蒸着、ＣＶＤ、ＭＢＥ等の方法ととも
に、蒸着源物質を励起して薄膜形成するプラズマＣＶ
Ｄ、イオンプレーティング、光ＣＶＤ等の方法も知られ
ている。

【０００３】しかしながら、前者の真空蒸着、ＣＶＤ等
の方法においては、薄膜生成の効率は高くなく、また薄
膜の組織の均質性、付着強度等の特性について所望のも
のが得られにくいという欠点がある。このような欠点を
解消するものとして、蒸着源物質をグロー放電プラズマ
やレーザー光等によって励起して薄膜形成する方法が開
発されてきているが、プラズマ励起方法の場合には、薄
膜形成のための効率や、組織の均質性、付着強度の向上
等が図られるという特徴があるものの、イオンによる損
傷が避けられないという問題がある。またレーザー光等
による励起の場合には、イオン損傷は抑えられるもの
の、どうしても膜生成効率に劣り、実用技術としては生
産性に問題がある。

【０００４】そして、これら従来の方法においては、化
合物薄膜としての化学反応の選択にも制約が多く、この
反応選択性の拡大の点においても改善が望まれていた。
そこでこの発明は、プラズマ励起方法に見られる高効率
での薄膜形成を実現しつつ、しかも従来方法の欠点を解
消し、イオン損傷を抑え、かつ、化学反応の選択性も大
きい改善された新しい気相蒸着方法を提供することを目
的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、気相蒸着による薄膜形成におい
て、ガスクラスターイオンビームを蒸着域に照射して化
合物薄膜を形成することを特徴とするガスクラスターイ
オン援用による化合物薄膜の形成方法を提供する。

【０００６】

【作用】すなわち、この発明は、蒸発源物質の蒸発、あ
るいはガス成分の導入等による薄膜形成物質の気相蒸着
において、その蒸着域にガスクラスターイオンビームを
照射することを特徴としている。このガスクラスターイ
オンビームは、常温で気体の塊状原子集団または分子
集団であるガスクラスターに電子を浴びさせて生成させ
たイオンを加速電圧によって加速したものであって、こ
れまでに、このイオンビームを利用した固体表面のクリ
ーニングやスール原子層レベルの極めて浅い表面表層部
のイオン注入のための新しい方法がこの発明の発明者に
よって提案されてもいる。

【０００７】この発明は、以上のガスクラスターイオン
ビームについてのこれまでの検討を踏まえてなされたも
のであって、ガスクラスターイオンビームの持つ低エネ
ルギー特性と、高い化学反応性に着目してなされてい
る。つまり、クラスターは、通常数百個程度の原子によ
って構成されているので、たとえ印加電圧が１ｋＶでも
それぞれの原子は、１０ｅＶ以下の超低速、超低エネル
ギーのビームとして利用されることになる。しかも、ガ
スとしてその原子がイオン化励起されているので高い化
学反応活性を有している。

【０００８】このため、各種の、たとえば酸素、炭素、
窒素等の原子を含有するガスのクラスターから生成され
るイオンビームを蒸着域に照射することによって、蒸発
された原子、分子、あるいはガスとして導入された反応
分子と反応して基板上に高品質で、エネルギー損傷の少
ない化合物薄膜を効率的に形成することが可能となる。
しかも、ガスクラスターの選択によって化学反応の態様
は様々に選択可能となる。

【０００９】薄膜形成するための蒸着源物質は、抵抗加
熱、電子ビーム照射等の各種の手段によって蒸発させる
か、あるいはガスとして蒸着域へ導入してもよい。この
ようにして蒸着域に導入、供給された気相状態の蒸着源
物質は、前記のガスクラスターイオンビーム照射によっ
てエネルギー付与され、かつ反応して基板表面に化学物
薄膜を形成することになる。

【００１０】添付した図面の図１は、ガスクラスターイ
オンビームの生成のための装置を例示したものである。
また、図２は、これを用いた薄膜形成装置の一例を示し
たものである。まず、図１に沿ってクラスターイオンビ
ームの生成について説明すると、Ｏ₂、Ｎ₂、ＣＯ、Ｃ
Ｏ₂、ＮＨ₃、アルコール、アミン、さらにはＳｉＨ₄
などの気体状のガスを導入孔（１）を通してガスソース
（２）にガス圧力が数気圧になるまで導入する。次い
で、導入したガスをガスソース（２）の先端に設けられ
たノズル（３）から噴射する。この時断熱膨張によって
数百個の原子から成るクラスター、すなわち塊状原子集
団あるいは塊状分子集団が形成される。このクラスター
をスキマー（４）を通じイオン化部（５）に導く。イオ
ン化部（５）を通過するときにそのクラスターの一部は
イオン化されクラスターイオンとなる。次いで、このク
ラスターイオンは加速電極（６）及び基板ホルダー
（７）に印加された負の加速電圧によって加速され、基
板（８）表面域に照射される。１個のクラスターは数百
個の原子から構成されているので、印加電圧が１ｋＶで
もそれぞれの原子は１０ｅＶ以下の超低速超低エネルギ
ービームとなる。また、この場合、必要に応じて、イオ
ン化した後に、図２に示したように、エネルギーアナラ
イザー／加速電極系（６０）などの質量分離手段によっ
て特定の大きさのクラスターイオンビームを取り出して
利用することも有効である。この分離手段としてのアナ
ライザーは、孔の開いた電極板を複数組合せ、各々の電
極に適当に電圧を与えることによって可能となる。これ
により、たとえばクラスターサイズの小さなものが除去
可能となる。

【００１１】ノズル（３）の形状は各種のものが可能で
ある。また、ノズルの長さや直径は、ガスの種類によっ
て異なり、断熱膨張によってクラスターが形成される寸
法にする。ノズルの材料はガラス製以外の金属製でもよ
い。また、実際の装置構成としては、ノズル（３）の置
かれている空間は、差動排気ポンプによって排気するこ
とが好ましい。

【００１２】この装置により生成されたガスクラスター
イオンビームは、通常、ビームが中心に偏よった指向性
ビームとなっており、その指向性はガス供給圧力の増大
とともに大きくなる。このようなガスクラスターイオン
を用いることにより、基板表面への入射エネルギーは表
面の原子を変位させるために必要なエネルギーより小さ
くできるため、基板はもちろんのこと生成化合物薄膜に
は欠陥は発生しない。また、ビームのガス成分原子は化
学的に活性であるため、それぞれの原子が持っている運
動エネルギーと併せ、化学物薄膜の生成を促す。なお、
クラスターイオンは、必要であれば、さらに各種の電界
や磁界等を用いて質量分離して照射してもよい。

【００１３】図３は、成膜装置として例示したものであ
るが、たとえばこの図３に例示したように、真空槽（１
０）内に設けたハース（１１）に固体状の蒸着源物質
（１２）を装入し、これをヒーター（１２）による抵抗
加熱によって蒸発させるか、あるいは電子ビームガン
（１３）による電子ビーム照射によって蒸発させる。そ
して、基板（８）近傍、もしくはその表面に前記のガス
クラスターイオンビームが照射されるようにする。

【００１４】このようにして化合物薄膜を生成させるこ
とができる。ガスクラスターイオンビームの形成につい
ては、この発明の方法においてもさらに様々な態様が可
能でもある。化合物薄膜の形成方法だけでなく、エッチ
ングや、スパッター方法等のための手段としても有効な
以下の態様が考慮される。

【００１５】１）大型クラスタービームの発生この方法は、複数のノズル（３）を、たとえば図４
（ａ）（ｂ）のように、円形状、直線状、あるいは任意
の形状に配置し、それぞれのノズル（３）に対応してス
キマーを配置するものである。この方法によって大型ビ
ームが形成されるとともに、クラスター形成のためのガ
スの消費量を節約し、小型の真空ポンプの使用を可能と
する。また、大面積基板への薄膜形成等が可能となる。
この場合、イオン化加速電極は、大きくしてもよいし、
多数の小電極系としてノズル、スキマーの前に配置して
もよい。

【００１６】２）シート状クラスタービームの発生また、図５に例示したように断面がラーバルノズル、コ
ニカルノズルの形状で、それと直角方向に長いスリット
状のノズルとこれに対応したスキマーからなる装置を採
用することができる。これによって、均一なシート状イ
オンビームが形成され、大型基板の処理に有効である。

【００１７】３）クラスターイオンビームのイオン化ノズルとスキマーとの間に高電圧を印加し、安定なプラ
ズマを形成し、このプラズマ中をクラスターが通過する
ようにしてイオン化することも有効である。たとえば具
体的には、ノズルの一部を金属で形成し、簡便にはネオ
ントランスや高周波電源を用いて電圧印加する。

【００１８】クラスターイオンビーム装置のイオン化に
は電子ビーム衝突による方法が用いられているが、イオ
ン化効率をあげるために、比較的密度の高いプラズマを
発生させて、この中を生成したクラスターを通過させ
て、プラズマ中の電子の衝突によってイオン化させるも
ので、大電流クラスターイオンビームの形成に利用する
ことができる。

【００１９】４）混合ガスクラスターの発生基板や薄膜への不純物の導入、あるいは薄膜形成そのも
のに有用な方法として混合ガスクラスターの発生があ
る。これは、たとえばＢＦ₃、Ｂ₂Ｈ₆、ＰＨ₃、Ｓｉ
Ｈ₄などの毒性、引火性の高いガスのクラスターを発生
させるために、これらをＡｒ、Ｈｅ等の希ガスに少量混
入させ、ノズルから噴出させる方法である。

【００２０】これは断熱膨張による温度差で、選択的に
上記のガスのみのクラスターを発生させることを原理と
している。たとえば１０％程度にまで希釈し、２〜５気
圧で噴出させる。もちろん、これ以外にも各種の態様が
採用される。以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。

【００２１】

【実施例】図３の構成の装置を用い、Ｓｉを蒸着しなが
らＮ₂ガスクラスターイオンを照射してＳｉＮ膜を作製
した。Ｎ₂の供給ガス圧力を２〜５気圧とし、生成され
たＮ₂ガスクラスターのイオン化のための電子電流（Ｉ
ｅ）、電子電圧（Ｖｅ）をそれぞれＩｅ＝２００ｍＡ、
Ｖｅ＝１００Ｖとしてイオン化を行なった。Ｎ₂ガスク
ラスターイオンを質量分離して、クラスターサイズを１
００以上のクラスターイオンを用いた。クラスターイオ
ンの加速電圧（Ｖａ）は０〜３ｋＶとした。一方、Ｓｉ
は２０００℃に加熱して蒸着した。蒸着速度は１００Å
／分である。

【００２２】添付した図６は、Ｎ₂の供給ガス圧力を３
気圧にして生成したＮ₂ガスクラスターイオンの加速電
圧を０〜３ｋＶと変化させて作製したＳｉＮ膜の屈折率
を示す。Ｖａ＝３ｋＶでは屈折率は２．１となり、Ｓｉ
Ｎ膜が形成されていることがわかる。Ｎ₂分子１個あた
りの入射エネルギーは３０ｅＶ以下であり、Ｎ₂ガスイ
オンの照射損傷は小さく、良質なＳｉＮ膜が得られた。

【００２３】

【発明の効果】この発明によって、イオン損傷を抑え、
高品質の化合物薄膜を形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスクラスターイオンビームの形成のための装
置例を示した断面図である。

【図２】質量分離手段を組込んだ装置例を示した断面図
である。

【図３】薄膜形成装置の構成例を示した概要図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は、大型クラスタービーム発生の
ためのノズル配置例を示した斜視図である。

【図５】シート状クラスタビーム発生のノズルを例示し
た斜視図である。

【図６】実施例としての薄膜ＳｉＮ形成の加速電圧相関
図である。

【符号の説明】

１ガス導入孔２ガスソース３ノズル４スキマー５イオン化部６加速電極７基板ホルダー８基板６０エネルギーアナライザー／加速電極系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気相蒸着による薄膜形成において、ガス
クラスターイオンビームを蒸着域に照射して化合物薄膜
を形成することを特徴とするガスクラスターイオン援用
による化合物薄膜の形成方法。