JPH089777B2 - イオンビーム発生装置および発生方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は真空蒸着の分野において、特に高機能薄膜デ
バイスの製造等に使用されるイオンビーム発生装置およ
びその発生方法に関する。

従来の技術 イオンビーム蒸着の代表的技術としてクラスタイオン
ビーム蒸着が挙げられる。

クラスタイオンビーム蒸着は、常温固体状の物質を加
熱蒸発させ被蒸着基板上に蒸着するものであり、特に高
機能薄膜の形成に利用される。

従来のクラスタイオンビーム発生装置は、例えば特公
昭54−9592号広告に示されており第４図に示す構成を有
している。

蒸着蒸気発生手段１、イオン化手段２、イオンビーム
の加速手段３、被蒸着基板14等は、所定の圧力（真空
度）Ｐに設定した真空槽（図示せず）中に配設される。

蒸着蒸気発生手段１の坩堝５内では、抵抗加熱用ヒー
タ６により蒸着物質17の加熱、蒸発が開始される。その
結果、坩堝５内部で圧力が増加した蒸着物質17の蒸気18
（以降、蒸着蒸気18と称する）は、ノズル４から図中矢
印方向に噴出し、その際に真空槽と坩堝５内部の圧力差
により断熱膨張して過冷却される。

この過程によって蒸着蒸気18は凝縮し、500〜2000個
の原子が互いに緩く結合した塊状原子集団のビームすな
わちクラスタビームとなって基板14方向に飛翔する。

坩堝内部の圧力P0と真空層の圧力Ｐの比P0/Pは、効率
よくクラスタビームを形成させるためには104〜105より
大であることが望ましく、例えば、真空槽の圧力Ｐが10
−6Torrのとき坩堝内部の圧力P0は10−２以上、一般に
はP0＝0.1〜1Torr以上となされる。

クラスタビーム発生手段１で発生したクラスタビーム
は、イオン化手段２ではグリッド11内へと至る。

イオン化手段２では、熱電子放出電極としてのフィラ
メント８が、フィラメント加熱電源９により加熱されて
熱電子を放出する。この熱電子は、電源10によってフィ
ラメント８より高電位に保たれたグリッド11へと向か
う。

この熱電子のうち、メッシュ状のグリッド11に捕捉さ
れることなくこのグリッド11を通過した熱電子は、グリ
ッド11内においてクラスタビームと衝突する。この熱電
子との衝突により、クラスタの構成原子の電子が除去さ
れて、＋極性にイオン化されたクラスタイオンビームが
形成される。

なお、12はフィラメント８を内包する様に配された熱
シールドである。

加速手段３では、加速電源15によりグリッド11に対し
て負電位に保たれた加速電極13の形成する電界で、クラ
スタイオンビームは加速されて被蒸着基板14（以下、単
に基板14と称する）上に衝突し薄膜の蒸着が行なわれ
る。

発明が解決しようとする課題 上記従来の構成では、フィラメント８で発生した熱電
子の多くは、グリッド11を通過しようとする際にグリッ
ド11で捕捉され、実際にクラスタビームと衝突する電子
量は少ないものであった。

そのため、クラスタビームの電離確率は低く、クラス
タイオンビーム蒸着が本来有する、膜の付着力、結晶
性、配向性が向上し、高密度で均質な膜が得られると言
う特徴が十分に発揮出来なかった。

あるいは、電離確率を向上させる為に、高周波や電磁
場を与えたり、イオン化手段を多段構成とした従来構成
のものでは、装置構成が複雑であった。

本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な構成で、イオン
化率が非常に高く、高品位な薄膜を得ることが可能なイ
オンビーム発生装置並びにイオンビーム発生方法を提供
することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明のイオンビーム発生装置では、イオン化手段
を、熱電子放出電極と、蒸着蒸気流を囲む様に設置した
グリッドと、グリッド内部に設けた熱電子コレクタと、
グリッドと熱電子コレクタとの間に電位差を印加する電
圧印加手段より構成する。

あるいはインオ化手段を、熱電子放出電極と、蒸発蒸
気流を囲む様に設置したグリッドから構成すると共に、
グリッドについては、熱電子放出電極側を絶縁性、蒸発
蒸気流側を導電性としたものである。

また、本発明のイオンビーム発生方法は、熱電子放出
電極で発生した熱電子を、蒸着蒸気を囲むグリッド内に
配設した熱電子コレクタに流入させる過程で蒸着蒸気に
衝突させ蒸着蒸気をイオン化するものである。

作 用 電圧印加手段により、グリッド内の熱電子コレクタ
に、グリッドに対し正の電位を与える。グリッドの外側
の熱電子放出電極から発生した熱電子は、グリッドを通
過しようとする際に、その内部にあるグリッドより高電
位の熱電子コレクタに引かれる。その結果、殆ど大半の
熱電子がグリッド内へ、即ちクラスタビームの流路内へ
と導かれ、グリッドで捕捉される熱電子は僅かな量とな
る。

また、グリッドの熱電子放出電極側を絶縁性、蒸着蒸
気側を導電性とした構成では、熱電子放出電極から引き
出された電子は、グリッドの外面から直接グリッドに飛
び込むことが不可能なため、殆ど全ての電子がグリッド
の隙間を通過してグリッドの内部に流入した後、グリッ
ドの内面からグリッドに飛び込むことになる。

そのため、クラスタビームの流路内に引き出される電
子の数（電子電流値）は、著しく大きくなる。

従ってクラスタビームに衝突する電子の数（電子電流
値）を従来に比べて非常に大きくできる。

実施例 以下に本発明の実施例を添付図面と共に説明する。

（第１実施例） 第１図は、本発明のイオンビーム発生装置の第１の実
施例を示す要部断面図である。図中、第４図の装置と同
一機能を有する部分には同一符号を付して、その説明を
省略する。

本実施例のイオン化手段２では、熱電子コレクタ22が
グリッド11内に配設されており、熱電子コレクタ２とグ
リッド11との間の電位差は可変直流電源装置19により任
意に設定可能である。本実施例では、熱電子コレクタ22
はグリッド11に対して正の電位にバイアスされている。

また、熱電子コレクタ22に流入する電子電流は、電流
検出器20により検出可能に構成されている。

さて、熱電子放出電極としてのフィラメント８から発
生した熱電子の大半は、グリッド11付近にまで至った
後、グリッド11よりも更に高電位の熱電子コレクタ22に
引かれてグリッド11内に、即ちクラスタビームの流路内
に導かれる。従って、グリッド11で捕捉される熱電子の
量は第４図に示した従来の装置に比べて大幅に減少す
る。

その結果、クラスタビームに衝突する熱電子の数（電
子電流値）は、従来例に比較して非常に大となり、クラ
スタビームのイオン化率が大幅に向上し製膜品質に優れ
たクラスタイオンビームを得ることが可能である。

更に本実施例では、基板14へのイオン電流の制御をも
行なうことが可能である。

第２図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施例装置にお
ける、熱電子コレクタ22とグリッド11間の電位差と熱電
子コレクタ22に流入する電子電流値Ic、並びに熱電子コ
レクタ22とグリッド11間の電位差と基板14に到達するイ
オン電流値Isubとの関係を示したものである。Icは、電
流検出器20により測定を行い、Isubは、破線で示す電流
検出器21を図示の位置に挿入して測定した。

同図から明かな様に、熱電子コレクタ22とグリッド11
間の電位差の増加とともに、熱電子コレクタ22に流入す
る電子電流値Ic、並びに基板14に到達するイオン電流値
Isubも著しく増加する。

この様にIcとIsubとの間には、明瞭な相関が存在する
ので、熱電子コレクタ22に流入する電子電流値を電流検
出器20を用いて検出し、この検出値に基づき熱電子コレ
クタ22とグリッド11間の電位差を制御することで、基板
14に到達するイオン量を精密に制御するが可能となる。

あるいは、電流検出器20を第１図の破線で示した位置
に接続し、この電流検出器20の測定値が一定となるよう
に熱電子コレクタ22とグリッド11との間の電位差を制御
するようにしても良い。

以上のように、本実施例では、イオン化率の制御が広
い範囲で容易に行えるので、膜質（膜の結晶性、結晶構
造、および配向性等）を膜厚方向で均一に、あるいは任
意に制御でき、従来得られなかった高機能な特性を有す
る材料の製膜を容易に行なうことが出来る。

第３図は本発明のイオンビーム発生装置の第２の実施
例を示す要部断面図である。

第１図、第４図と同一の機能を有する構成要素につい
ては、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

さて、本実施例では、イオン化部以外の部分について
は、第１図を用いて前述した実施例と同一の機能を有す
るものである。

そこで、以下、イオン化部の構成について説明する。

クラスタビームのイオン化手段は熱電子放出電極とし
てのフィラメント８と、クラスタビームの流路を囲むよ
うにフィラメント８と内側に設置したタンタル製のメッ
シュを円筒籠状に成形した、熱電子を引き出すためのグ
リッド11から構成している。

そして、グリッド11には、フィラメント８側（外面）
の面にSiO等の絶縁膜23を形成して、グリッド11のフィ
ラメント８側（外面）を絶縁性、蒸着蒸気流であるクラ
スタビーム流側（内面）を導電性としたものである。

この絶縁膜の形成は、公知の真空製膜法を用いて、円
筒状グリッド38の内部に円柱状の回転軸を挿入し、グリ
ッドを回転させながら、SiO等の絶縁膜を製膜すること
により、容易に上記構成のグリッドを製作することがで
きる。

上記の構成により、フィラメント８から引き出された
電子は、グリッド11の表面で捕捉されることが殆どな
く、図中に破線で示すように、ほぼ全ての電子がグリッ
ド11の隙間を通過してグリッド38の内部に一旦流入した
後、グリッド38の内面からグリッドに飛び込むことにな
る。

そのため、クラスタビームの流路内に引き出される電
子の数Ne（電子電流値）が著しく大きくなるのみなら
ず、電子の飛行距離Ｌも長くなることになる。

形成されるイオンの数N⁺は N⁺ ∝ Ne・Ｌ であるため、上記手段によりイオンの数、即ちイオン化
率が著しく増大する。

このようにして、クラスタの構成原子のなかの１個の
原子をイオン化したクラスタイオンのビームを形成した
後、加速電極によりクラスタイオンに電圧を印加し、ク
ラスタイオンを加速して、基板に衝突させ、基板上に蒸
着物質の高品質薄膜を形成する。

したがって本実施例によれば、イオン化部の構成を複
雑にすることなく、イオン化率が非常に高くなり、製膜
品質に優れたクラスタイオンビームを得ることが可能と
なるものである。

なお、上記各実施例においては、インオン化手段の熱
をシールド12の電位は浮遊状態であるが、これをフィラ
メント８に対し同電位もしくは負の電位にすれば、その
電界の作用によっても熱電子はクラスタビームの方向に
力を受けるため、イオン化率が向上するのは言うまでも
ない。

また、フィラメント８、グリッド11、熱電子コレクタ
22は同心円状に配置した構成としたが、各々を平面状と
し上記の順で平行に配置した場合にも、本発明は適用可
能であり、同様な効果を得ることができる。

また、グリッド11は、メッシュの他に多孔板などで形
成してもよい。

更に、熱電子との衝突による蒸着蒸気のイオン化にお
いて、外部より高周波や電磁場を加えて熱電子の飛行距
離を増大させイオン化率を高める従来構成の装置にも本
発明が適用できることは勿論である。

発明の効果 以上のように本発明によれば、大部分の電子を蒸着蒸
気の流路内に導くことができ、蒸着蒸気に衝突させる電
子の数を非常に大にでき、イオン化率を大幅に向上でき
る。またイオン化の制御性も向上でき、高品位な薄膜を
製膜できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオンビーム発生装置の実施例の要部
断面図、第２図は同実施例装置の特性図、第３図は、本
発明のイオンビーム発生装置の他の実施例の要部断面
図、第４図は従来のイオンビーム発生装置の要部断面図
である。 ４……ノズル、５……坩堝、６……抵抗加熱用ヒータ、
８……フィラメント、11……グリッド、14……被蒸着基
板、17……蒸着物質、18……蒸着蒸気、19……可変直流
電源装置、20、21……電流検出器、22……熱電子コレク
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 行天 久朗 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−62181（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−124918（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸着物質を蒸発させてその蒸気を発生する
   蒸着蒸気発生手段と、前記蒸着蒸気発生手段で発生した
   蒸気をイオン化するイオン化手段と、前記イオン化手段
   によりイオン化された蒸着蒸気を加速する加速手段とを
   備え、前記イオン化手段は、蒸着蒸気を囲むように配さ
   れたグリッドと、このグリッドの外周側に配された熱電
   子放出電極と、前記グリッドの内周部に配された熱電子
   コレクタと、前記グリッドと熱電子コレクタとの間に電
   圧を印加する電圧印加手段とから構成されたことを特徴
   とするイオンビーム発生装置。
2. 【請求項２】電圧印加手段により、グリッド内部に設け
   た熱電子コレクタをグリッドに対し正の電位に保持され
   る請求項１記載のイオンビーム発生装置。
3. 【請求項３】蒸着物質を蒸発させてその蒸気を発生する
   蒸着蒸気発生手段と、前記蒸着蒸気発生手段で発生した
   蒸気をイオン化するイオン化手段と、前記イオン化手段
   によりイオン化された蒸着蒸気を加速する加速手段とを
   備え、前記イオン化手段は、蒸着蒸気を囲むように配さ
   れたグリッドと、このグリッドの外周側に配された熱電
   子放出電極とから構成されると共に、前記グリッドは、
   前記熱電子放出電極側を絶縁性、蒸発蒸気流側を導電性
   としたことを特徴とするイオンビーム発生装置。
4. 【請求項４】蒸着物質を加熱して蒸着蒸気を発生させた
   後、前記蒸着蒸気をグリッド内に導くと共に、熱電子放
   出電極から放出され前記グリッド内に配した熱電子コレ
   クタに流入する熱電子を前記蒸着蒸気に衝突させて蒸着
   蒸気をイオン化するイオンビーム発生方法。
5. 【請求項５】熱電子コレクタに流入する電流値もしくは
   被蒸着基板に流入する電流値の少なくとも一方を検出
   し、前記検出値に基づき前記熱電子コレクタとグリット
   間の電位を制御して、被蒸着基板に到達するイオン電流
   値を制御する請求項４記載のイオンビーム発生方法。