JPH0860344A

JPH0860344A - 混合物薄膜作成の方法と装置

Info

Publication number: JPH0860344A
Application number: JP19260394A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yoshida; 吉田　　誠; Satoshi Okada; 智岡田; Yoshio Suzuki; 義雄鈴木; Chikashi Shinno; 史新野
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1994-08-16
Publication date: 1996-03-05
Anticipated expiration: 2014-10-04
Also published as: JP2955667B2

Abstract

(57)【要約】【目的】２種類以上の物質の混合物の薄膜を作成する
技術に関し、安定な組成の混合物薄膜を得ることのでき
る薄膜の作成技術を提供する。【構成】放電ガスの直流アーク放電プラズマを非絶縁
材料の母材に照射し、母材を加熱蒸発して基板上に向け
る第１工程と、前記第１工程と同時に、母材とは異なる
添加物質の蒸気を基板上に向ける第２工程とを含み、基
板上に母材と添加物質との混合物の薄膜を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜の作成技術に関
し、特に２種類以上の物質の混合物の薄膜を作成する技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜作成技術として抵抗加熱による蒸
着、電子ビームによる蒸着、化学気相堆積（ＣＶＤ）、
スパッタリング等が知られている。複数物質の組成物
（混合物、混晶）の薄膜を作成する場合、所望組成のソ
ース物質を溶融、蒸発させると一般的にその組成は次第
に変化してしまう。

【０００３】スパッタリングは、Ａｒ等の動作ガスをイ
オン化し、ターゲットに衝突させることによってターゲ
ットの構成分子等を飛び出させる。混合物の薄膜作成に
は、スパッタリングが広く用いられている（たとえば、
Jpn. J. Appl. Phys. 23 (1984) L280 参照）。

【０００４】スパッタリングによれば、高融点材料、絶
縁材料でも蒸気化が容易であり、ソース材料の組成に近
い組成の薄膜が得られる。また、ターゲットから材料の
蒸気が飛び出す際、分子が活性化されるため、基板温度
が比較的低温の場合にも薄膜の形成が可能であり、付着
強度が大きい。

【０００５】図４は、従来の技術によるスパッタリング
装置の構成を示す概略断面図である。気密容器である成
膜チャンバ１内には、一対の電極ＥＬ１、ＥＬ２が対向
して配置されている。これらの電極ＥＬ１、ＥＬ２は、
電源６に接続されている。電源６は、直流電源または高
周波電源を含み、導電体（非絶縁体）のスパッタリング
には直流電源を、絶縁体のスパッタリングには高周波電
源を用いる。

【０００６】スパッタリングチャンバには、供給気口３
および真空ポンプ２が接続されている。供給気口３か
ら、たとえばＡｒ等の放電ガスを供給し、真空ポンプ２
で所定の真空度まで排気することができる。一方の電極
ＥＬ２の上にターゲット４を配置し、他方の電極ＥＬ１
の表面に基板５を保持する。

【０００７】このようなスパッタリング装置を用い薄膜
をスパッタリングする方法を概略的に説明する。成膜チ
ャンバ１内にターゲット４、基板５を設置した後、成膜
チャンバを予め真空ポンプで十分に排気し、排気動作を
継続しつつ、Ａｒ等の不活性ガスを供給気口３から成膜
チャンバ１内に導入する。

【０００８】ターゲット４が導電性であり、電源６が直
流電源である場合を例にとって説明する。電極ＥＬ１、
ＥＬ２間に所定の電圧が印加された状態で、Ａｒ等の放
電ガスが成膜チャンバ１内に供給されることにより、少
なくとも電極ＥＬ１、ＥＬ２間で放電が開始する。放電
により生じたＡｒの正イオン８は、陰極であるターゲッ
ト４に向かって加速され、ターゲット４に衝突する。衝
突によってターゲットの材料がたたき出され、ターゲッ
ト粒子の蒸気９となる。このように蒸気化した材料が、
基板５表面上に堆積し、ターゲット４とほぼ同一組成の
薄膜を形成する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】スパッタリングは、混
合物ターゲットにおいてもターゲットとほぼ等しい組成
の薄膜を形成することができるが、ターゲットの構成元
素によってスパッタされ易さがわずかに異なる。たとえ
ば、スパッタされる原子、分子の重さや他の元素との結
合強度によってスパッタされ易さの差が生じる。このた
め、ターゲットの組成と、スパッタされた薄膜の組成は
わずかに異なる。最適組成の薄膜を形成するためには、
ターゲットの組成はこの薄膜の最適組成からわずかにず
らすことが望まれる。

【００１０】実際には、最適組成のターゲットを見付け
出すまで、様々な組成に調整したターゲットを交換し、
成膜を繰り返し行なう。最適化が達成されるまでには、
相当数の試し実験とターゲットが必要である。このた
め、最適化達成までに時間と費用がかかる。

【００１１】最適化を行なったターゲットを用いて成膜
を続けても、使用と共にターゲットの組成が徐々に変化
してしまう。したがって、薄膜の組成も最適値から徐々
にずれる。このため、１つのターゲットを使い切ろうと
すると、得られる薄膜の品質は安定化することができな
い。ターゲットのうち、使用できる範囲が制限されるた
め、材料費を引き上げることとなる。

【００１２】また、スパッタリングは、速い成膜速度を
達成することが難しい。本発明の目的は、安定な組成の
混合物薄膜を得ることのできる薄膜の作成技術を提供す
ることである。

【００１３】本発明の他の目的は、成膜速度が高く、安
定な組成の薄膜を作成することのできる薄膜の作成技術
を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜作成方法
は、放電ガスの直流アーク放電プラズマを非絶縁材料の
母材に照射し、母材を加熱蒸発して基板上に向ける第１
工程と、前記第１工程と同時に、母材とは異なる添加物
質の蒸気を基板上に向ける第２工程とを含み、基板上に
母材と添加物質との混合物の薄膜を作成する。

【００１５】また、本発明の薄膜作成装置は、真空排気
可能な気密容器と、前記気密容器内に配置され基板保持
部と、前記気密容器内に配置された一対の電極であっ
て、薄膜母材保持部を備えた陽極と電子発生能を有する
陰極と、前記気密容器内に放電ガスを導入するための手
段と、前記薄膜母材保持部上に添加物質のガスを供給す
るための手段とを有する。

【００１６】

【作用】母材と添加物質とを基板上で混合することによ
って混合物を成膜することにより、母材および添加物質
として純粋な材料を用いることが可能となる。

【００１７】母材を放電ガスの直流アーク放電プラズマ
で加熱蒸発させることにより、効率的に母材の蒸気を得
ることができる。この母材蒸気に必要量の添加物質蒸気
を加えることにより、基板上には混合物の薄膜を得るこ
とができる。

【００１８】母材として純粋な材料を用いれば、組成変
化は生じない。このため、母材の利用効率は向上する。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明の実施例による薄膜作成装置
の構成を概略的に示す断面図である。気密容器である成
膜チャンバ１０には、真空ポンプ１１とＡｒ等の放電ガ
スを導入するガス導入口１２が接続されている。ガス導
入口１２に連続するシリンダ内に陰極１３が配置され、
成膜チャンバ１０の中央部に蒸発源である母材１７に対
するるつぼを兼ねる陽極１４が配置されている。陽極１
４の上方には、基板１８が保持部１８ａによって保持さ
れる。また、陽極１４の側方に、添加物質の蒸気を供給
する手段が備えられている。図の構成においては、スパ
ッタリング用電源２０に接続されたスパッタリングター
ゲット１９、電源２１に接続された抵抗加熱ヒータＨお
よび所望蒸気を導入するためのガス導入口２２が示され
ている。また、陽極１４と陰極１３の間には直流電源１
５が接続されている。スパッタリング用電源２０は、導
電性添加物スパッタリング用の直流電源と、絶縁性添加
物スパッタリング用の交流電源を含む。

【００２０】薄膜を作成する場合には、図示のように母
材１７、基板１８を配置し、成膜チャンバ１０内を真空
ポンプ１１によって十分に減圧した後、Ａｒ等の放電ガ
スをガス供給口１２から一定流量供給する。この放電ガ
スは、陰極１３の大気側からチャンバ内に流れる。成膜
チャンバ１０内を所定圧力に保ち、陰極１３と陽極１４
の間に直流電源１５で電界を印加することによって、陰
極１３、陽極１４の間に放電ガスのプラズマ１６が発生
する。

【００２１】プラズマ中の荷電粒子は、陰極１３または
陽極１４に向かって加速される。陰極はプラズマによっ
て加熱され、熱電子を発生するようになる。熱電子によ
ってプラズマは密度を上げ、アーク放電プラズマを形成
する。アーク放電プラズマ１６によって母材１７は加熱
され、基板１８に向けて蒸気を供給する。

【００２２】母材１７からその蒸気が基板１８に向かっ
て供給される時、同時に母材とは異なる少なくとも一種
類以上の添加材料を蒸気化し、基板１８に向かわせる。
たとえば、プラズマ１６に沿うように近接して配置され
たスパッタリングターゲット１９にスパッタ用電源２０
から所定電圧を印加し、アルゴンイオンをスパッタリン
グターゲット１９に衝突させ、ターゲット材料の蒸気化
を行なう。

【００２３】この場合、Ａｒガスを導入して陽極、陰極
間に直流放電プラズマを形成することにより、一方で加
熱蒸発を行い、他方でスパッタリングを行なえる。同一
のプラズマを利用しつつ、２つの工程を独立に制御でき
る。

【００２４】または、ヒータＨを電源２１からの通電に
よって加熱し、ヒータＨ上に接地した添加物質を溶融、
蒸発させてもよい。また、添加物質の材料がガスで入手
できる場合は、材料ガスをガス導入口２２から導入して
もよい。ランプ加熱、レーザ加熱等、他の蒸気供給源を
用いてもよい。

【００２５】異なる２種類以上の添加物質の蒸気を基板
１８に向かわせる場合には、上述のプラズマを用いたス
パッタ、プラズマを用いない抵抗加熱等の加熱、材料ガ
ス自身の導入の任意の組み合わせを採用することができ
る。また、それぞれの蒸気発生手段を複数種類備えても
よい。

【００２６】陽極１４上の母材１７からの蒸発速度は、
直流電源１５を制御することにより調整できる。添加物
質の蒸気供給速度は、スパッタリングを用いる場合はス
パッタ用電源２０の調整、加熱を用いる場合は加熱用電
源２１の調整、材料ガスを導入する場合は、材料ガスの
導入量の調整によって達成することができる。

【００２７】これら薄膜形成材料の蒸気は、プラズマ１
６によって活性化され、基板１８表面に到達する。この
ようにして、基板１８上に混合物または化合物の薄膜を
形成する。

【００２８】薄膜形成要素のそれぞれの蒸気供給速度を
独立に制御すれば、任意の組成比を持った混合物薄膜を
基板上に形成することができる。なお、化合物の場合に
も、溶融、蒸発を行なうと組成が徐々に変化するものが
ある。このような化合物は上述の混合物と同様に扱うこ
とができる。

【００２９】以下、より具体的な実施例として酸化亜鉛
の薄膜を作成する場合を説明する。酸化亜鉛の薄膜は、
透明導電膜として液晶、電界発光素子（ＥＬ）等のディ
スプレイや太陽電池の透明電極等として用いられる。

【００３０】低抵抗の酸化亜鉛薄膜を得るためには、酸
化亜鉛に数％のアルミニウムをドーピングすることが有
効である。酸化亜鉛薄膜の格子中に、亜鉛に代わってア
ルミニウムが入り込むと、アルミニウムはイオン化され
て電子を放出し、薄膜内に電荷キャリアが発生する。

【００３１】アルミニウムがキャリアを発生するからと
いって、アルミニウムのドープ量は多ければ多いほど抵
抗が低くなるというものではない。アルミニウムをドー
プしすぎると、結晶格子が乱されて結晶性が悪くなり、
キャリアが動けなくなったり、動きにくくなって抵抗が
かえって高くなる。したがって、酸化亜鉛にドーピング
するアルミニウムの量には最適範囲が存在する。

【００３２】図１の装置を用い、添加アルミニウム量の
最適化を行なった。図１において、陽極１４上に酸化亜
鉛の母材１７を置き、直流プラズマ加熱で蒸気化し、基
板１８表面上に酸化亜鉛蒸気を向かわせると共に、アル
ミニウムをスパッタリングターゲット１９として用い、
スパッタリングによってアルミニウムを蒸気化し、アル
ミニウム蒸気を基板１８表面上に向かわせる。このよう
にして、基板１８表面上には酸化亜鉛とアルミニウムが
飛来し、ＺｎＯの格子中にＡｌが組み込まれたＺｎＯ：
Ａｌ薄膜を作成する。酸化亜鉛とアルミニウムとの比を
変化させることにより、アルミニウム添加量の最適範囲
を求める。

【００３３】なお、酸化亜鉛とアルミニウムの組み合わ
せの代わりに、他の組み合わせを用いることもできる。
たとえば、酸化亜鉛の代わりに亜鉛を用い、ガス導入口
２２から酸素ガスを導入し、成膜チャンバ１０内で酸化
亜鉛膜を酸化してもよい。また、アルミニウムの代わり
に酸化アルミニウムを母材として用い、高周波電源を用
いてスパッタリングを行なってもよい。また、これらの
任意の組み合わせを行なうこともできる。

【００３４】アルミニウムの蒸気をスパッタリングによ
って発生させる場合は、アルミニウム量はスパッタ電源
の電圧によって調整することができる。図２は、スパッ
タ電圧の変化に対する、基板上へのアルミニウムの付着
速度の変化を示す。横軸はスパッタ電圧をＶで示し、縦
軸は成膜速度をÅ／ｍｉｎで示す。アルミニウムの付着
速度は、スパッタ電圧の増加に伴って２０００Ｖ近傍ま
でリニアに増加している。

【００３５】図３は、スパッタ電圧を変化させ、アルミ
ニウムの付着量を変化させた時、酸化亜鉛薄膜の電気的
特性がどう変化するかを示すグラフである。なお、酸化
亜鉛の蒸発量は４０００Å／ｍｉｎと一定に保った。

【００３６】図３において、横軸はスパッタ電圧（Ｖ）
およびアルミニウム成膜速度（Å／ｍｉｎ）を示し、縦
軸は抵抗率（Ωｃｍ）、キャリア密度（ｃｍ^-3）、キャ
リア移動度（ｃｍ²／Ｖｓ）を示す。

【００３７】スパッタ電圧を上げ、アルミニウム付着量
を増加させると、次第に膜中のキャリア密度が増加し、
膜の抵抗率が下がっていくことが判る。膜の抵抗率はス
パッタ電圧が約６００Ｖの時に最小となり、それ以上ス
パッタ電圧を上げると抵抗率はかえって若干上昇した。
これは、Ａｌのスパッタ量が最適値を越えたため、膜中
に導入されたＡｌがＺｎＯの格子に入り切らなくなり、
キャリアの移動度が低下すること等によるものと考えら
れる。

【００３８】酸化亜鉛−アルミニウム混合物薄膜の最低
抵抗率は、スパッタ電圧６００Ｖ付近で得られ、この時
のアルミニウム付着速度は図２に示すように、約８０Å
／ｍｉｎである。

【００３９】このように、母材付着速度を一定に保ちつ
つ、添加物質の付着速度を種々に変化させ、得られた薄
膜の性質を測定することにより、種々の最適条件等を決
定することができる。薄膜の組成比の最適化が簡単にで
きるため、スパッタリングのみによって薄膜を作成する
場合に比べ、最適化に要する時間は大幅に短縮化でき、
かつ費用も低減することができる。

【００４０】また、成膜を続けても、母材組成には変化
が生じないため、母材材料を最後まで使用しても膜の品
質が安定化する。このため、材料費を低減し、低いコス
トで製品を作成することができる。

【００４１】また、母材は、加熱による蒸発で蒸気化す
るため、スパッタリングの場合と比べ、成膜速度を大幅
を高めることもできる。また、すべての蒸気が低エネル
ギ、高電離プラズマ状態になるため、低ダメージ、低温
成膜が期待できる。

【００４２】なお、上述のアーク放電プラズマによる蒸
着と電子ビーム（ＥＢ）蒸着とを比較すると、以下のよ
うな相違がある。

【００４３】

【表１】以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれ
らに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、
改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろ
う。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
母材と添加材料とを独立して制御することができるた
め、薄膜の組成を制御することが容易になる。

【００４５】また、成膜を続けても母材の組成変化を防
止することができるため、母材材料をより効率的に使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による薄膜作成装置の構成を示
す概略断面図である。

【図２】図１の構成において、スパッタ電圧を変化させ
た時のアルミニウムの成膜速度を示すグラフである。

【図３】図１の構成において、アルミニウムの成膜速度
を変化させた時の酸化亜鉛薄膜の電気的特性の変化を示
すグラフである。

【図４】従来のスパッタリング装置の構成を概略的に示
す断面図である。

【符号の説明】

１成膜チャンバ２真空ポンプ３ガス導入口４ターゲット５基板６電源７プラズマ１０成膜チャンバ１１真空ポンプ１２ガス導入口１３陰極１４陽極１５直流電源１６プラズマ１７母材１９スパッタターゲット２０スパッタ用電源２１抵抗加熱用電源２２ガス導入口

【手続補正書】

【提出日】平成６年１２月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項６

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】ターゲット４が導電性であり、電源６が直
流電源である場合を例にとって説明する。電極ＥＬ１、
ＥＬ２間に所定の電圧が印加された状態で、Ａｒ等の放
電ガスが成膜チャンバ１内に供給されることにより、少
なくとも電極ＥＬ１、ＥＬ２間で放電が開始する。放電
により生じたＡｒの正イオン８は、陰極であるターゲッ
ト４に向かって加速され、ターゲット４に衝突する。衝
突によってターゲットの材料がたたき出され、ターゲッ
トの蒸気９となる。このように蒸気化した材料が、基板
５表面上に堆積し、ターゲット４とほぼ同一組成の薄膜
を形成する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】また、本発明の薄膜作成装置は、真空排気
可能な気密容器と、前記気密容器内に配置された基板保
持部と、前記気密容器内に配置された一対の電極であっ
て、薄膜母材保持部を備えた陽極と電子発生能を有する
陰極と、前記気密容器内に放電ガスを導入するための手
段と、前記薄膜母材保持部上に添加物質のガスを供給す
るための手段とを有する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】１成膜チャンバ２真空ポンプ３ガス導入口４ターゲット５基板６電源７プラズマ８Ａｒの正イオン９ターゲット蒸気１０成膜チャンバ１１真空ポンプ１２ガス導入口１３陰極１４陽極１５直流電源１６プラズマ１７母材１８基板１８ａ基板保持部１９スパッタターゲット２０スパッタ用電源２１抵抗加熱用電源２２ガス導入口

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

フロントページの続き (72)発明者新野史茨城県つくば市天久保２−11−１コーポりぶる203号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電ガスの直流アーク放電プラズマを非
絶縁材料の母材に照射し、母材を加熱蒸発して基板上に
向ける第１工程と、前記第１工程と同時に、母材とは異なる添加物質の蒸気
を基板上に向ける第２工程とを含み、基板上に母材と添
加物質との混合物の薄膜を作成する方法。
【請求項２】前記母材は陽極上に配置される請求項１
記載の混合物の薄膜を作成する方法。
【請求項３】前記添加物質の蒸気は、添加物質をプラ
ズマを用いてスパッタリングすること、添加物質をプラ
ズマを用いずに加熱すること、または添加物質のガスを
導入することによって提供する請求項１ないし２記載の
混合物の薄膜を作成する方法。
【請求項４】前記添加物質が少なくとも２種類の物質
であり、その蒸気は、添加物質をプラズマを用いてスパ
ッタリングすること、添加物質をプラズマを用いずに加
熱すること、または添加物質のガスを導入することの少
なくとも１つによって提供する請求項１または２記載の
混合物の薄膜を作成する方法。
【請求項５】前記母材が亜鉛または酸化母鉛であり、
前記添加物質がアルミニウムまたは酸化アルミニウムで
あり、プラズマを用いたスパッタリングによって蒸気化
される請求項１または２記載の混合物の薄膜を作成する
方法。
【請求項６】真空排気可能な気密容器と、前記気密容器内に配置され基板保持部と、前記気密容器内に配置された一対の電極であって、薄膜
母材保持部を備えた陽極と電子発生能を有する陰極と、前記気密容器内に放電ガスを導入するための手段と、前記薄膜母材保持部上に添加物質のガスを供給するため
の手段とを有する混合物の薄膜を作成する装置。
【請求項７】前記添加物質のガスを供給するための手
段は、プラズマを用いたスパッタリングを行なう手段、
プラズマを用いずに加熱する手段、添加物質ガスの導入
手段のうちの少なくとも１つを有する請求項６記載の混
合物の薄膜を作成する装置。