JPH0849074A - 薄膜製造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体、導体、絶縁体、誘電体等の電子分野
および耐摩耗、耐食、耐熱等の機械分野に適用される薄
膜製造技術に関するもので、イオンビームアシスト蒸着
法において、薄膜の組成に関する最適条件の条件出し
を、試行回数も少なく容易に制御性も良く行なうことを
目的としている。 【構成】 真空装置内に設置した基材２に対し蒸発源３
より薄膜材料４を蒸着すると同時に、または交互にイオ
ン源６より反応ガス、希ガスもしくは両者の混合ガスイ
オン７を照射する。この結果基材２上に薄膜が成長し、
またそれと同時に成長表面よりスパッタ原子、二次イオ
ン１０が飛び出し、これが質量分析器１１に入り組成比
がその場で分析される。この結果を基に基材２への薄膜
材料の付着速度、単位時間当りの照射されるイオン粒子
数を膜厚計８、イオン電流測定器９でモニターしながら
蒸発源３、イオン源６を目標の組成比となるよう調整す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体、導体、絶縁体、
誘電体等の電子分野及び耐摩耗、耐食、耐熱等の機械分
野に適用される薄膜製造装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来電子分野、機械分野等において使用
される部品、部材等の表面の薄膜製造方法として真空蒸
着法、スパッタ法、イオンプレーティング法が広く知ら
れている。

【０００３】真空蒸着法は装置全体の構成が比較的簡単
であり、膜の成膜速度が大きい利点があるが膜の密着性
が弱い欠点がある。

【０００４】また、スパッタ法は真空蒸着法で製造不可
能な高融点かつ低蒸気圧の元素や化合物の薄膜の形成が
可能であるが、膜の成膜速度が遅い欠点がある。

【０００５】さらに、イオンプレーティング法は膜の形
成速度が早く、膜の密着性も真空蒸着法に比べ強いが、
それでも密着力は充分満足できるほど弱くはない。

【０００６】これら従来方法の不具合点を解消するため
近年基材に対して薄膜原料の蒸着と、反応ガス、希ガス
もしくは両者の混合ガスイオン照射を交互または同時に
行なう薄膜製造方法（以後、イオンビームアシスト蒸着
法と略す）が開発されており、該蒸着法によれば、種々
の金属、化合物膜が容易に作製出来、成膜速度も早く、
特に最大数１００ｋｅＶのエネルギーを持ったイオン照
射が可能で、イオンと蒸着原子との衝突、反跳により、
イオンとともに蒸着原子が基材表面層の内部に打ち込ま
れ新たな混合層が基材と薄膜との間に形成され密着性が
大きく向上するという利点も有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで前述のよう
に、イオンビームアシスト蒸着は種々の材料の薄膜を高
速で製造することが出来、密着性にも優れており、また
蒸発源、イオン源を独立してコントロール出来るため再
現性にも優れているが、合金膜、化合物膜を作製する場
合は複数の構成元素の組成比をいかに目標通りにするか
ということが問題となる。

【０００８】これに対しては個々の材料の蒸着速度、イ
オンビームの電流密度を変え薄膜を作製し、作製後にオ
ージュ電子分光分析装置、Ｘ線光電子分光分析装置等
で、元素の組成を分析し、作製条件を定める必要があ
る。

【０００９】この作製条件を定める条件出しは、多くの
試行回数が必要な困難な試験である。特に元素の蒸気圧
が大きく異なれば最も蒸気圧の高い元素が再蒸発し、さ
らにスパッタ率が異なれば最もスパッタされ易い元素が
イオンビームにより選択的にスパッタされ個々の元素の
蒸発速度から予想される組成と大きく異なる。

【００１０】また化合物膜を作製する場合は特に反応ガ
スイオンの薄膜内の反応量は作製後の分析でしか把握す
ることが出来ない。

【００１１】以上薄膜の組成比制御に関して述べたが、
密着性向上に重要な混合層の形成も特に組成比を最適な
ものとすることが重要で条件出しに多くの試行を必要と
する。

【００１２】これに対する改善策としては分析装置をイ
オンビームアシスト蒸着装置に組み込み薄膜製造と同時
に組成を分析する方法が考えられ。

【００１３】しかし、オージュ電子分光分析法、Ｘ線光
電子分光法等の分析法では１×１０^-5Ｐａ以下の真空度
が必要で薄膜製造中の真空度が１×１０^-3Ｐａ以上のイ
オンビームアシスト蒸着装置に組み込むことは出来な
い。

【００１４】本発明の目的はイオンビームアシスト蒸着
法において、薄膜表面の組成を製造と同時に１×１０^-3
Ｐａ以上の圧力においても分析可能で、合金膜化合物膜
の組成に関する最適条件を見つける条件出しが、試行回
数も少なく非常に容易でなおかつ制御性に優れた薄膜製
造装置および方法を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の構成として本発明の薄膜製造装置は、真空槽内に設置
した基材に対して、該真空槽内において薄膜材料を加
熱、蒸発させ基材表面に薄膜材料物質の薄膜を蒸着させ
る蒸発源と、基材表面にイオンを照射するイオン源と、
製造中の薄膜表面より飛び出すスパッタ原子、二次イオ
ンを検出可能な位置に設置され、スパッタ原子、二次イ
オンを検出することにより製造中の薄膜表面の組成の分
析が可能なエネルギー分析の出来る質量分析器から成る
組成分析器とを具備したことを特徴としている。

【００１６】そして、前記構成よりなる薄膜製造装置を
用いて薄膜を製造する方法としては、真空槽内に設置し
た基材に対して真空槽内において薄膜材料の蒸着と反応
ガス、希ガスもしくは両者の混合ガスイオン照射を交互
または同時に行ない、かつ薄膜表面の組成を薄膜製造と
同時にその場分析をすることを特徴としている。

【００１７】

【作用】上記構成よりなる本発明において、真空槽内の
設置した蒸発源により薄膜材料を加熱して基材に蒸着す
ると同時に、または交互に、イオン源より反応ガス、希
ガスもしくは両者の混合ガスイオンを照射すると、基材
上に薄膜が成長する。

【００１８】またそれと同時にエネルギーを持ったイオ
ンが固体表面に衝突することによりその成長表面より、
二次電子、スパッタ原子、二次イオンが飛び出す。

【００１９】イオンビームアシスト蒸着法は薄膜製造時
に常にイオンを照射しているため、常に薄膜成長表面よ
りこれらの粒子が飛び出している。

【００２０】これら飛び出す粒子のうちスパッタ原子、
二次イオンは薄膜の組成の情報をもたらすものである。

【００２１】この成長表面より飛び出したスパッタ原
子、二次イオンが質量分析器に入る。そして、このスパ
ッタ原子、二次イオンの種類（元素の種類）、量すなわ
ち粒子数をエネルギー分析の可能な質量分析器により分
析し、薄膜成長表面の組成に変換することにより薄膜製
造中に薄膜成長表面の組成をその場で分析することが出
来る。

【００２２】またここで、エネルギー分析の必要な理由
はスパッタ原子、二次イオンは１０〜３０ｅＶでその数
が最大となるためである。

【００２３】この分析結果を基に蒸発源からの基材への
薄膜材料の蒸着速度、イオン源からの基材へのイオンの
照射量を変化させ目標の組成比と成るよう調整を行う。

【００２４】また密着性向上に重要な混合層の形成も同
様な手法により制御することが出来る。

【００２５】以上説明したように本発明は、種々の金
属、化合物膜が容易に作製出来成膜速度も早く、特に最
大数１００ｋｅＶのエネルギーを持ったイオン照射が可
能で、イオンと蒸着原子との衝突、反跳により、イオン
とともに蒸着原子が基材表面層の内部に打ち込まれ新た
な混合層が基材と薄膜との間に形成され密着性が大きく
向上するという利点を持つイオンビームアシスト蒸着法
において、薄膜製造と同時に質量分析法により薄膜成長
表面の組成を同時にその場分析することにより、薄膜の
組成に関する最適条件の条件出しを試行回数も少なく非
常に容易に制御性も良く行うことが出来る。

【００２６】

【実施例】以下、本発明にかかる薄膜製造装置の代表的
な実施例を挙げるとともにこれに基づいて薄膜製造方法
の実施例について具体的に説明をする。

【００２７】図１は薄膜製造装置の一例を示す説明図
で、真空装置内（図示せず）において、ホルダー１に基
材２が固定されている。

【００２８】この基材２の下方には電子ビーム、レーザ
ー線または高周波等により高温に加熱することのできる
蒸発源３が設けられている。そしてこの蒸発源３の中に
は薄膜材料４が入れられている。またこの蒸発源３は必
要に応じて複数個設ける場合もある。

【００２９】基材２に正対する位置にはカウフマン型や
ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型等のイオン源６が
設けられている。このイオン源６は反応ガス、希ガスも
しくは両者の混合ガスをイオン化し、イオン７として基
材２の表面に照射する装置である。

【００３０】さらに真空装置内には、膜厚計８とイオン
電流測定器９が配置されている。この膜厚計８は、基材
２の表面に蒸着積層される薄膜材料４の膜厚ならびに粒
子数を計測する水晶振動子を使用した振動型膜厚計等で
ある。また、イオン電流測定器９は、基材２に照射され
るイオン７の粒子数を計測するファラデーカップのよう
な２次電子抑制電極を持つカップ型構造のイオンビーム
電流量測定器等である。

【００３１】１１は質量分析器で成膜中に薄膜成長表面
より飛び出すスパッタ原子、二次イオン１０の種類、量
を分析するための装置である。

【００３２】図２は質量分析器の詳細図で、図におい
て、同分析器に流入するスパッタ原子、二次イオン１１
はまずイオン化部１３を通過する。このイオン化部１３
はスパッタ原子等の電気的に中性な粒子のイオン化を行
なう部分でフィラメントから放出される熱電子もしくは
光等でイオン化を行う。二次イオンを測定する場合はこ
の部分は作動させない。

【００３３】次にイオン化されたスパッタ粒子、二次イ
オンはエネルギーフィルター１４を通過する。エネルギ
ーフィルター１４は電場を利用した円筒鏡型エネルギー
フィルター等であり、１〜十数ｅＶのエネルギーを持っ
たイオンのみを選択的に通過させる。

【００３４】こうしてエネルギーの揃ったイオンは、検
出部１５により、イオンの種類（元素の種類）、量すな
わち粒子数を四重極型質量分析計、ファラデーカップ、
二次電子増倍管等で分析する。この結果は演算部１６に
送られ、薄膜成長表面の組成に変換される。

【００３５】また質量分析器全体にはバイアス電源１２
を用いバイアス電圧が印加可能で検出するスパッタ原
子、二次イオンのエネルギー分布を求めることが出来、
粒子数が最大となるエネルギーに設定することが出来
る。

【００３６】上記図１，図２に示すような構成におい
て、蒸発源３の加熱により薄膜原料４を基材２に蒸着す
ると同時、または交互にイオン源６より反応ガス、希ガ
スもしくは両者の混合ガスイオン７を基材表面に照射す
る。

【００３７】その結果基材２表面上に薄膜が成長し、ま
たそれと同時に成長表面よりスパッタ原子、二次イオン
１０が飛び出し、これが質量分析器１１に入り組成比が
その場で分析される。

【００３８】この結果を基に基材２への薄膜材料の付着
速度、イオンの単位時間当りに照射されるイオンの粒子
数を膜厚計８、イオン電流測定器９でモニターしながら
蒸発源３、イオン源６を目標の組成比と成るよう調整を
行う。

【００３９】また密着性向上に重要な混合層の形成も同
様な手法により制御することが出来る。

【００４０】つぎに上記本発明の薄膜製造装置を使用し
た本発明の薄膜製造方法のいくつかの実施例について具
体的に説明する。

【００４１】〔実施例１〕図１に示して説明した装置に
おいてステンレス鋼よりなる基材２をホルダーに固定し
た後に、チタン（純度９９．９９％）を第１薄膜材料４
として、第１蒸発源３に配置し、ニッケル（純度９９．
９９％）を第２薄膜材料４′として第２蒸発源３′に配
置して真空装置の内部を２×１０^-4Ｐａ以下の高真空に
保持した。

【００４２】そして、蒸発源３，３′を電子ビームで加
熱して薄膜材料４，４′を基材２の表面に蒸着させると
同時に、ＥＣＲ型のイオン源６にアルゴンガス（純度９
９．９９９％）を導入してアルゴンイオン７を基材２の
表面に照射した。この時の真空装置内の圧力は１×１０
^-2Ｐａである。

【００４３】この方法にてチタン５０原子％、ニッケル
５０原子％の金属薄膜の製造を目的とし実施した。

【００４４】このときイオン７の照射エネルギーを１ｋ
ｅＶとし、イオン電流密度をイオン電流測定器９で測定
しながら制御し、０．２ｍＡ／ｃｍ² とした。

【００４５】またチタンから成る第１薄膜材料の蒸着速
度を０．１ｎｍ／ｓ、ニッケルからなる第２薄膜材料の
蒸着速度を０．１ｎｍ／ｓとし薄膜製造を開始した。

【００４６】また組成のその場分析は質量分析器１１を
用い、スパッタ原子、二次イオン１０のうちの二次イオ
ンを計測し行なった。

【００４７】図３に目標である組成（チタン５０原子
％、ニッケル５０原子％）を得るために行なった、それ
ぞれの材料の蒸着速度の変化のパターン及びそれに伴う
薄膜成長表面の組成の変化を示す。

【００４８】薄膜製造開始後２分は一定の蒸着速度を保
ち、薄膜成長表面の組成はチタン６８原子％、ニッケル
３２原子％であった。

【００４９】そこでニッケルの蒸着速度は０．１ｎｍ／
ｓに保ち、チタンの蒸着速度を徐々に減少させた。する
と、チタンの組成は減少し、ニッケルの組成は増加し、
６分後、チタンの蒸着速度０．０５５ｎｍ／ｓで目標の
チタン５０原子％、ニッケル５０原子％を示した。

【００５０】そこで次に基材２を入れ換え製造開始より
チタン蒸着速度を０．０５５ｎｍ／ｓ、ニッケル０着速
度を０．１ｎｍ／ｓとし質量分析器によりチタン５０原
子％、ニッケル５０原子％を確認しながら５００ｎｍの
薄膜を製造した。

【００５１】この薄膜をオージュ電子分光分析法により
組成分析した結果、チタン５０．６原子％、ニッケル４
９．４原子％という組成を示し、目標通りの組成が得ら
れたことが確認出来た。

【００５２】〔実施例２〕図１に示した装置において、
シリコン単結晶ウエターよりなる基材２をホルダー１に
固定した後にホウ素（純度９９．９％）を薄膜材料４と
して、蒸発源３に配置して真空装置内を１×１０^-4Ｐａ
以下に保持した。

【００５３】そして蒸発源３を加熱し、薄膜材料４を基
材２の表面に蒸着させると同時に、イオン源６に窒素ガ
ス（純度９９．９９９％）を導入して窒素イオン７を基
材２の表面に照射した。この時の圧力は２×１０^-2Ｐａ
である。

【００５４】この方法にてホウ素６０原子％、窒素４０
原子％から成る窒化ホウ素膜の製造を目的とし実施し
た。

【００５５】このときイオン７の照射エネルギーを３ｋ
ｅＶとし、イオン電流密度を０．１ｍＡ／ｃｍ² ホウ素
の蒸着速度を０．１ｎｍ／ｓとし薄膜製造を開始した。
組成のその場分析は質量分析器１１を用い、スパッタ原
子を計測し行なった。

【００５６】図４に目標である組成（ホウ素６０原子
％、窒素４０原子％）を得るために行なった、イオン電
流密度の変化パターン及びそれに伴う薄膜成長表面の組
成の変化を示す。

【００５７】なおホウ素蒸着速度は０．１ｎｍ／ｓで一
定とした。

【００５８】薄膜製造開始後２分は一定の電流密度を保
ち、薄膜成長表面の組成はホウ素７５原子％、窒素２５
原子％であった。

【００５９】そこで窒素から成るイオン７の電流密度を
イオン源６を調整し徐々に増加させると、ホウ素の組成
は減少し、窒素の組成は増加し２分後０．３２ｍＡ／ｃ
ｍ²で目標のホウ素６０原子％、窒素４０原子％を示し
た。

【００６０】そこで次に基材２を入れ換え製造開始より
ホウ素蒸着速度を０．１ｎｍ／ｓ、イオン電流密度を
０．３２ｍＡ／ｃｍ² とし、質量分析器で組成を確認し
ながら２００ｎｍの薄膜を製造した。

【００６１】この薄膜をオージュ電子分光分析法により
組成分析した結果、ホウ素６０．４原子％、窒素３９．
６原子％という組成を示し、目標通りの組成が得られた
ことが確認出来た。

【００６２】〔実施例３〕図１に示す装置において、ス
テンレス鋼よりなる基材２をホルダー１に固定した後に
チタン（純度９９．９９％）を薄膜材料４として蒸発源
３に配置し、真空装置内を２×１０^-4Ｐａ以下に排気し
た。そしてチタンを基材２に蒸着させると同時にイオン
源６に窒素ガス（純度９９．９９９％）を導入して窒素
イオン７を基材２の表面に照射した。この時の真空装置
内の圧力は２．５×１０^-2Ｐａであった。

【００６３】この方法にて基材２上にチタン５０原子
％、窒素５０原子％の窒化チタン膜を基材と薄膜との間
に基材材料と、薄膜材料が混じり合った混合層も形成し
た状態で製造し、密着性の優れた薄膜を得ることを目的
とし実施した。

【００６４】イオン７の照射エネルギーを２０ｋｅＶと
イオン電流密度を０．６ｍＡ／ｃｍ² とした。チタンの
蒸着速度は０．１ｎｍ／ｓとし薄膜製造を開始した。

【００６５】組成のその場分析は質量分析器１１を用い
基材材料の大部分を占める鉄、薄膜材料のチタン、窒素
のスパッタ原子を計測し行なった。

【００６６】図５にチタンの蒸着速度の変化パターン及
びそれに伴う成長表面の基材材料、薄膜の組成の変化を
示す。イオン電流密度は０．６ｍＡ／ｃｍ² で一定であ
る。

【００６７】薄膜製造開始後２分はチタン蒸着速度を
０．１ｎｍ／ｓ一定とした。極くわずかにチタン、窒素
が検出されるが多部分は鉄でありまた時間的な変化はな
く、チタンの蒸気による供給量以上にイオンによって削
り取られる量が多いため混合層、薄膜共に形成していな
い。

【００６８】次に製造時間２分〜４分ではチタン蒸着速
度０．２ｎｍ／ｓ、４分〜６分では０．３ｎｍ／ｓと増
加させてもこの傾向は同じで混合層、薄膜共に形成して
いない。しかし、６分以後チタン蒸着速度を０．６ｎｍ
／ｓとすると、鉄の組成が減少し始め、それに伴いチタ
ン、窒素の組成が増加し、１０分以後鉄の組成はほぼ０
原子％となり、チタン、窒素はそれぞれ５０．２原子
％、４８．８原子％の一定値を示した。

【００６９】このことより製造時間６分〜１０分に混合
層が形成しており、１０分以後にチタン５０原子％、窒
素５０原子％の窒化チタン膜が形成していると予測され
る。

【００７０】そこで次に基材２を入れ換え製造開始より
ホウ素蒸着速度０．４ｎｍ／ｓイオン電流密度０．６ｎ
ｍ／ｃｍ² とし、質量分析器１１で組成を確認しながら
３００ｎｍの薄膜を製造した。

【００７１】この薄膜をオージュ電子分光分析法により
深さ方向の組成分析を行った結果チタン５０．４原子
％、窒素４９．６原子％の組成の薄膜が形成し、また基
材と薄膜との間に基材材料と薄膜材料が傾斜を持って混
じり合った混合層が形成していることが確認出来た。

【００７２】また以上述べた実施例を質量分析器を用い
ず、薄膜製造、製造後の組成分析による最適条件の見出
しを行なった結果、本実施例では１回の試行で見出しが
可能であるのに対し１０回以上の試行を必要とした。

【００７３】以上本発明のいくつかの実施例について縷
々説明したが、本発明は上記実施例に限定されるもので
なく、本発明技術思想の範囲内において種々変更が可能
であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に属する。

【００７４】

【発明の効果】以上述べたように本発明の薄膜製造装置
および方法によれば、種々の金属、化合物膜が容易に作
製出来、成膜速度も早く、密着性に優れたイオンビーム
アシスト蒸着法において、薄膜の組成に関する最適条件
の条件出しを試行回数も少なく非常に容易に制御性も良
く行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる薄膜製造装置の説明
図である。

【図２】同装置における質量分析器の詳細図である。

【図３】本発明の実施例１におけるチタン、ニッケルの
蒸着速度の変化のパターン及びそれに伴う薄膜成長表面
の組成の変化を示す説明図である。

【図４】本発明の実施例２における窒素イオン電流密度
の変化パターン及びそれに伴う薄膜成長表面の組成の変
化を示す説明図である。

【図５】本発明の実施例３におけるチタンの蒸着速度の
変化パターン及びそれに伴う成長表面の基材材料、薄膜
の組成の変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１ ホルダー ２ 基材 ３ 蒸発源 ４ 薄膜材料 ５ 蒸発粒子 ６ イオン源 ７ イオン ８ 膜厚計 ９ イオン電流測定器 １０ スパッタ原子、二次イオン １１ 質量分析器 １２ バイアス電源 １３ イオン化部 １４ エネルギーフィルター １５ 検出部 １６ 演算部 １８ フランジ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空槽内に設置した基材に対して該真空
   槽内において薄膜材料を加熱、蒸発させ基材表面に薄膜
   材料物質の薄膜を蒸着させる蒸発源と、基材表面にイオ
   ンを照射するイオン源と、製造中の薄膜表面より飛び出
   すスパッタ原子、二次イオンを検出可能な位置に設置さ
   れ、スパッタ原子、二次イオンを検出することにより製
   造中の薄膜表面の組成の分析が可能なエネルギー分析の
   出来る質量分析器から成る組成分析器とを具備したこと
   を特徴とする薄膜製造装置。
2. 【請求項２】 前記請求項１記載の薄膜製造装置を用い
   て、真空槽内に設置した基材に対して、該真空槽内にお
   いて薄膜材料の蒸着と、反応ガス、希ガスもしくは両者
   の混合ガスイオン照射を交互または同時に行い、かつ薄
   膜表面の組成を薄膜製造と同時にその場分析をすること
   を特徴とする薄膜製造方法。