JPH09511280A - 基板をコーティングするための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 基板上にコーティングを形成するための方法及び装置。本装置（１）は、原料物質から蒸発物質（６）を生成させるための電子ビーム蒸発器（５）と、その中で磁気プラズマを発生させるプラズマ発生室（３）と、本装置（１）に磁場（１１）を与えて、磁気プラズマ（６０）を基板（１２）へ搬送するための、磁場供給手段（１０）とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】 基板をコーティングするための方法及び装置 発明の分野 本発明は、基板をコーティングするための方法及び装置に関し、より詳細には 、蒸発原料物質の近傍に磁気プラズマを生成して、与えられる磁場（磁界）の影 響下で、蒸発物質及び／又はバックグラウンド・ガスのイオンの搬送を支援し、 基板材料に対する蒸着を行うための、方法及び装置に関する。従来技術の説明 磁場によってプラズマを搬送することは、文献において周知であり、原料物質 が陰極アークである場合に、薄膜コーティングを形成するために一般に使用され ている(Aksenov et al，Soviet Journal of Plasma Physics 4(1978)，page 425 )。 磁場によるプラズマの搬送は、「大量の磁気プラズマを製造するための方法及 び装置（Method and apparatus for producing large volume magnetoplasmas） 」と題する、R W Boswellの米国特許第４８１０９３５号にも記載されている。 熱蒸発源をその近傍のプラズマと共に使用することも、「イオンめっき」法と して周知である。この周知の方法すなわちプロセスは、プラズマを基板へ搬送す るために、本発明のように、磁場及び電場を用いるのではなく、電場（電界）だ けを用いる点において、本発明とは異なる。 高エネルギイオンを用いて膜すなわち薄膜を高密度化することも、イオン支援 蒸着として、周知である。この周知のプロセスは、磁場によって搬送されない、 蒸着物質源とは別個の、衝撃イオン源（プラズマ源又はイオン源）を用いる点に おいて、本発明とは異なる。発明の概要 本発明は、上述の従来技術の方法及び装置とは異なる、基板にコーティングを 形成するための方法及び装置を提供しようとするものである。 本発明は、また、「ドープされた薄膜」、あるいは、例えば、半導体材料のよ うな種々の材料の合金の製造のような広範な用途を有する、基板上にコーティン グを形成するための方法及び装置を提供する。 １つの幅の広い形態においては、本発明は、基板上にコーティングを形成する ための装置を提供し、この装置は、 原料物質から蒸発物質を生成するための、電子ビーム蒸発器と、 上記蒸発物質から、また、（最も一般的には）バックグラウンド・ガスからも 、その中で磁気プラズマを発生させる、プラズマ発生室と、 当該装置に磁場を与えて、上記磁気プラズマを上記基板へ搬送するための、磁 場供給手段とを備えている。 上記プラズマ発生室は、上記蒸発器と上記基板との間に設けられるのが好まし い。 １０乃至３０ＭＨｚの周波数範囲を有するのが好ましい無線周波数電力によっ て、アンテナを励起するのが好ましい。 また、上記蒸発器、上記プラズマ発生室及び上記基板の各々は、軸方向におい て実質的に同心状であるのが好ましい。 上記プラズマ発生室は、実質的に垂直な形態で、上記蒸発器の上方で且つ上記 基板の下方に位置されるのが、最も好ましい。 好ましい実施例においては、上記磁場は、上記磁気プラズマの密度を増大させ ると共に、上記蒸発物質及び上記室に入る総てのバックグラウンド・ガスのイオ ン化割合を増大させる。 別の好ましい実施例においては、上記蒸発物質のイオン化割合は、低いかゼロ であり、磁場の基本的な効果は、上記バックグラウンド・ガスのイオンを表面ま で搬送して、イオン支援蒸着のプロセスを実行することである。 別の好ましい実施例においては、バックグラウンド・ガスは、前駆物質を含ん でおり、該前駆物質は、ドープされた薄膜を上記基板上に蒸着させることができ 、上記ドープされた薄膜は、上記バックグラウンド・ガスから発生し、一方、ド ープ剤は、上記蒸発物質から発生する。 上記蒸発器は、可能な限り２以上の隔室を内部に有する坩堝（るつぼ）から構 成され、各々の隔室は、異なる原料物質を収容し、これにより、上述の各々の原 料物質から蒸発物質（１つあるいはそれ以上）を発生するように制御されるのが 、最も好ましい。 好ましい形態においては、バイアス電圧（ＤＣ又はＲＦ）が上記基板に印加さ れる。 上記バイアス電圧は、最大約４ｋＶであるのが、恐らく最も好ましい。 上記基板は、加熱されるか、あるいは、冷却されるのが好ましい。 最も好ましい形態においては、プラズマの最大ポテンシャルは、上記蒸発器付 近にあり、これにより、上記蒸発物質は、上記最大ポテンシャルの位置又はその 上方の位置において、大量にイオン化される。 上記磁気プラズマは、１０¹¹／ｃｃよりも大きなイオン密度を有するのが、恐 らく最も好ましい。 上記原料物質（１又はそれ以上）は、ホウ素、チタン、ジルコニウム、炭素、 ハフニウム、タングステン、ケイ素、ゲルマニウム、クロム、タンタル、バナジ ウム、マグネシウム、アルミニウム、マンガン、ニッケル、銅、ニオブ、モリブ デン、銀、インジウム、錫、イットリウム、金、適宜な希土類金属、ガリウム、 カルシウム、ストロンチウム及びバリウムから選択されるのが好ましい。 また、上記磁気プラズマは、アルゴン、窒素、酸素、水素、メタン、アセチレ ン、ホスフィン（リン化水素）、ジボラン、アルシン（水素化砒素）、ゲルマン 、シラン（水素化ケイ素）、四塩化ケイ素、クリプトン、フッ素、トリメチルガ リウム、三塩化アルミニウム、四塩化チタン、テオス（ｔｅｏｓ）、及び、ジシ ランの気体から選択されるのが好ましい。 上記原料物質が、ホウ素であり、上記磁気プラズマが、窒素及びアルゴンの混 合物から形成され、これにより、上記基板上に形成される上記コーティングが、 立方晶系の窒化ホウ素を含むのが、恐らく最も好ましい。 上記原料物質が、ケイ素であり、上記磁気プラズマが、酸素及び／又は窒素を 含み、これにより、上記基板上に形成される上記コーティングが、二酸化ケイ素 、又は、窒化ケイ素、あるいは、これらの混合物を含むのが、恐らく最も好まし い。 上記原料物質が、ゲルマニウムであり、上記磁気プラズマが、シラン及び可能 な限り酸素の混合物を含み、これにより、上記基板上に形成される上記コーティ ングが、ゲルマニウムドープされたケイ素、又は、二酸化ケイ素を含むのが、恐 らく最も好ましい。図面の簡単な説明 本発明は、添付図面に関して説明する本発明の非制限的な好ましい実施例の以 下の詳細な説明から、より明らかとなろうが、図面において、 図１は、本発明の装置の主要な要素を概略的に表しており、 図２は、本装置の実際の実施例をより正確に且つ詳細に表しており、 図３は、図２に示す装置の詳細な側面図であり、 図４は、図２及び図３に示す装置の頂部の詳細図である。好ましい実施例の詳細な説明 特に断らない限り、図面を通して同様な符号を用いて同様な特徴部を表してい る。 図面の恐らく図１に最も良く示され、符号１でその全体を示す装置は、互いに 接続された３つの核心部、すなわち、蒸発物質生成領域２、プラズマ発生室３、 及び、蒸着室４を備えている。蒸発物質室２は、基本的に、電子ビーム蒸発器５ を備えており、該電子ビーム蒸発器の中では、電子ビームが、るつぼの中に保持 されたある量の原料物質に指向され、上記原料物質から蒸発物質６を生成させる 。 プラズマ発生室３は、該プラズマ発生室の中にガスすなわち気体を供給するた めのガス入口７と、ヘリコン波を発射するためのアンテナ９とを備えている。磁 場すなわち磁界が、フィールドコイル１０によって維持され、該フィールドコイ ルは、実質的に垂直であって装置１の両端に向かって延びている磁束線１１によ って示される磁場を形成している。プラズマは、無線周波数の誘導励起によって 、維持されている。プラズマ源の適正な構造は、円筒形の石英管を含み、該石英 管には、ヘリコン波を発射するために通常使用されるタイプの外部アンテナが取 り付けられている。 蒸着室４の中では、コーティングすべき基板１２が、プラズマ源よりも幾分上 方に位置していて、下方を向いている。フィールドコイル１３は、プラズマ発生 室３の中のフィールドコイル１０を支援して、磁束線１１によって示す磁場を発 生している。基板１２は、ＤＣ又はＲＦ電位でバイアスされ、適宜な温度まで加 熱又は冷却することができる。 本発明の重要な特徴は、プラズマにおけるプラズマの最大ポテンシャルが、蒸 発物質源５よりもある距離だけ上方に位置しており、該距離は、蒸発物質６及び ／又はバックグラウンド・ガスのイオンの大部分が、上記最大ポテンシャルにお いてあるいはその上方において分極されるように、十分小さいことである。これ は、圧力、プラズマ密度、磁場強度を最適値に制御／調節することにより、達成 される。 窒化ホウ素の立方体の相、すなわち、ｃ−ＢＮを形成するために、本発明者等 が観察したプロセス条件を下の表１に示す。 二酸化ケイ素を形成するために、本発明者等が観察したプロセス条件を下の表２ に示す。 電子ビーム源からの蒸発物質の一部をイオン化し、また、存在する総てのバッ クグラウンド・ガスをイオン化するために、次に、イオン化プロセスによって生 じた正イオン及び電子を基板の近傍に搬送する。無線周波数の電位すなわちポテ ンシャルを基板に与えて、正イオン及び電子を交互に誘引する。 上記正イオンの衝撃力を用いて、蒸着した薄膜の性質の望ましい改善を行い、 また、電子の衝撃力を用いて、上記正イオンによって薄膜に生じた電荷を総て中 和する。 正イオンの衝撃力は、物質の密度をイオンの圧密効果の結果として増大させる ことにより、有用な性質を有する形態の物質を生じさせることができる。このプ ロセスは、従来技術において、「イオン支援蒸着」として知られている。そのよ うな形態の物質、すなわち、立方晶系の窒化ホウ素を得るための本装置の用途の 例を以下に述べる。純粋なホウ素を電子ビーム蒸発器の中のホウ素蒸気源として 用いる。アルゴンガス及び窒素ガスの混合物を装置に導入する。以下の非限定的 なリストから、他の物質を選択することができる。 原料物質 バックグラウンド・ガス ホウ素 アルゴン チタン 窒素 ジルコニウム 酸素 炭素 水素 ハフニウム ホスフィン タングステン ジボラン クロム メタン、アセチレン ケイ素 アルシン ゲルマニウム ゲルマン クロム シラン タンタル 四塩化ケイ素 バナジウム クリプトン マグネシウム フッ素 アルミニウム トリメチルガリウム マンガン 三塩化アルミニウム ニッケル 四塩化チタン 銅 テオス（Ｔｅｏｓ） ニオブ ジシラン モリブデン 銀 インジウム 錫 イットリウム 金 希土類金属 ガリウム カルシウム ストロンチウム バリウム 本発明の特定の実施例を上に述べたが、本発明の装置及び方法に対する種々の 変形及び変更は明らかであろう。また、本発明の装置及び方法は、種々の特性を 有する種々のコーティングを基板材料に形成するために用いることができること も理解されよう。本発明の装置及び方法に対する総てのそのような変形及び変更 、並びに、本発明の装置及び方法により形成される種々のコーティングを含む、 本発明の装置及び方法の用途は、上述した広い意味で、かつ、以下の請求の範囲 に記載のように、本発明の範囲に入るものと考えなければならない。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９５年６月２日 【補正内容】 １． 基板上にコーティングを形成するための装置であって、 固体の原料物質から蒸発物質を生成するための電気的に独立した蒸発器と、 前記蒸発物質から、また、（通常は）バックグラウンド・ガスからも、内部で 高密度磁気プラズマを発生させる、励起アンテナを有するプラズマ発生室と、 当該装置に磁場を与えて、前記基板付近の前記磁気プラズマの密度を制御する ための、磁場供給手段とを備え、 前記プラズマ発生室が、前記蒸発器の上方で且つ前記基板の下方で、実質的に 垂直方向に且つ軸方向において同心状に設けられていることを特徴とする、装置 。 ２． 請求項１の装置において、前記電気的に独立した蒸発器が、電子ビーム 蒸発器であることを特徴とする、装置。。 ３． 請求項１又は２の装置において、前記アンテナが、無線周波数パワーで 励起され、前記無線周波数パワーが、１乃至３０ＭＨｚの周波数範囲にあること が好ましいことを特徴とする、装置。 ４． 請求項１乃至３のいずれかの装置において、前記磁場は、前記磁気プラ ズマの密度を増大させると共に、前記蒸発物質、及び、室に入った総てのバック グラウンド・ガスのイオン化割合を増大するように作用することを特徴とする、 装置。 ５． 請求項１乃至４のいずれかの装置において、前記蒸発物質のイオン化割 合は、低いかあるいはゼロであり、磁場の基本的な効果は、前記バックグラウン ド・ガスのイオンを表面に搬送して、イオン支援蒸着のプロセスを実行すること であることを特徴とする、装置。 ６． 請求項１乃至５のいずれかの装置において、前記バックグラウンド・ガ スは、前駆物質を含んでおり、該前駆物質は、ドープされた薄膜を前記基板上に 蒸着させ、前記薄膜は、バックグラウンド・ガスから発生し、一方、ドープ剤は 、蒸発物質から発生することを特徴とする、装置。 ７． 請求項１乃至６の装置において、前記蒸発器は、可能な限り２以上の隔 室を有するるつぼを備えており、各々の隔室は、異なる原料物質を収容しており 、これにより、前記蒸発器は、必要に応じて、各々の原料物質から単数又は複数 の蒸発物質を発生するように制御されることを特徴とする、装置。 ８． 請求項１乃至７のいずれかの装置において、バイアス電圧（ＤＣ又はＲ Ｆ）が、前記基板に印加されることを特徴とする、装置。 ９． 請求項８の装置において、前記バイアス電圧が、最大約４ｋＶであるこ とを特徴とする、装置。 １０． 請求項１乃至９のいずれかの装置において、前記基板は、加熱あるいは 冷却されることを特徴とする、装置。 １１． 請求項１乃至１０のいずれかの装置において、前記プラズマの最大ポテ ンシャルが、前記蒸発器付近に位置しており、これにより、前記蒸発物質は、前 記最大ポテンシャルにおいて、あるいは、該最大ポテンシャルの上方において、 大部分イオン化されることを特徴とする、装置。 １２． 請求項１乃至１１のいずれかの装置において、前記磁気プラズマは、１ ０¹¹／ｃｃよりも大きいイオン密度を有することを特徴とする、装置。 １３． 請求項１乃至１２のいずれかの装置において、単数又は複数の前記原料 物質は、ホウ素、チタン、ジルコニウム、炭素、ハフニウム、タングステン、ケ イ素、ゲルマニウム、クロム、タンタル、バナジウム、マグネシウム、アルミニ ウム、マンガン、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、銀、インジウム、錫、イ ットリウム、金、希土類金属、ガリウム、カルシウム、ストロンチウム、及び、 バリウムから選択されることを特徴とする、装置。 １４． 請求項１乃至１３のいずれかの装置において、前記磁気プラズマは、ア ルゴン、窒素、酸素、水素、メタン、アセチレン、ホスフィン、ジボラン、アル シン、ゲルマン、シラン、四塩化ケイ素、クリプトン、フッ素、トリメチルガリ ウム、三塩化アルミニウム、四塩化チタン、テオス（ｔｅｏｓ）、及び、ジシラ ンのガスすなわち気体から選択されることを特徴とする、装置。 １５． 請求項１乃至１４のいずかの装置において、前記原料物質が、ホウ素で あり、前記磁気プラズマが、窒素及びアルゴンの混合物から構成され、これによ り、前記基板に形成される前記コーティングが、立方体の窒化ホウ素であること を特徴とする、装置。 １６． 請求項１乃至１５のいずれかの装置において、前記原料物質が、ケイ素 であり、前記磁気プラズマが、酸素及び／又は窒素であり、これにより、前記基 板に形成される前記コーティングが、二酸化ケイ素、又は、窒化ケイ素、あるい は、これらの混合物であることを特徴とする、装置。 １７． 請求項１乃至１５のいずれかの装置において、前記原料物質が、ゲルマ ニウムであり、前記磁気プラズマが、シラン、及び、可能な限り酸素から成る混 合物であり、これにより、前記基板に形成される前記コーティングが、ゲルマニ ウムドープされたケイ素又は二酸化ケイ素であることを特徴とする、装置。 １８． 添付の図面を参照して実質的に説明した、基板上にコーティングを形成 するための装置。 １９． 添付の図面に関連して実質的に説明した、基板上にコーティングを形成 する方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/203 9545−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｚ (72)発明者 デュランデット・アントワーン オーストラリア国、2601、オーストラリア ン・キャピタル・テリトリー、キャンベ ラ、アクトン オーストラリアン・ナショ ナル・ユニバーシティ内 (72)発明者 マッケンジー・デイビッド オーストラリア国、2006、ニュー・サウ ス・ウェールズ、シドニー、キャンパーダ ウン、パラマタ・ロード、シドニー・ユニ バーシティ内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 基板上にコーティングを形成するための装置であって、 原料物質から蒸発物質を生成するための電子ビーム蒸発器と、 前記蒸発物質から、また、（通常は）バックグラウンド・ガスからも、内部で 磁気プラズマを発生させる、プラズマ発生室と、 当該装置に磁場を与えて、前記磁気プラズマを前記基板へ搬送するための、磁 場供給手段とを備えることを特徴とする、装置。 ２． 請求項１の装置において、前記プラズマ発生室は、前記蒸発器と前記基 板との間に設けられることを特徴とする、装置。 ３． 請求項１又は２の装置において、アンテナが、無線周波数パワーで励起 され、前記無線周波数パワーが、１０乃至３０ＭＨｚの周波数範囲にあることが 好ましいことを特徴とする、装置。 ４． 請求項１乃至３のいずれかの装置において、前記蒸発器、前記プラズマ 発生室、及び、前記基板の各々は、軸方向において実質的に同心状であることを 特徴とする、装置。 ５． 請求項１乃至４のいずれかの装置において、前記プラズマ発生室は、実 質的に垂直な形態で、前記蒸発器の上方で且つ前記基板の下方に位置することを 特徴とする、装置。 ６． 請求項１乃至５のいずれかの装置において、前記磁場は、前記磁気プラ ズマの密度を増大させると共に、前記蒸発物質、及び、室に入った総てのバック グラウンド・ガスのイオン化割合を増大するように作用することを特徴とする、 装置。 ７． 請求項１乃至６のいずれかの装置において、前記蒸発物質のイオン化割 合は、低いかあるいはゼロであり、磁場の基本的な効果は、前記バックグラウン ド・ガスのイオンを表面に搬送して、イオン支援蒸着のプロセスを実行すること であることを特徴とする、装置。 ８． 請求項１乃至７のいずれかの装置において、前記バックグラウンド・ガ スは、前駆物質を含んでおり、該前駆物質は、ドープされた薄膜を前記基板上に 蒸着させ、前記薄膜は、バックグラウンド・ガスから発生し、一方、ドープ剤は 、蒸発物質から発生することを特徴とする、装置。 ９． 請求項１乃至８の装置において、前記蒸発器は、可能な限り２以上の隔 室を有するるつぼを備えており、各々の隔室は、異なる原料物質を収容しており 、これにより、前記蒸発器は、必要に応じて、各々の原料物質から単数又は複数 の蒸発物質を発生するように制御されることを特徴とする、装置。 １０． 請求項１乃至９のいずれかの装置において、バイアス電圧（ＤＣ又はＲ Ｆ）が、前記基板に印加されることを特徴とする、装置。 １１． 請求項１０の装置において、前記バイアス電圧が、最大約４ｋＶである ことを特徴とする、装置。 １２． 請求項１乃至１１のいずれかの装置において、前記基板は、加熱あるい は冷却されることを特徴とする、装置。 １３． 請求項１乃至１２の装置において、前記プラズマの最大ポテンシャルが 、前記蒸発器付近に位置しており、これにより、前記蒸発物質は、前記最大ポテ ンシャルにおいて、あるいは、該最大ポテンシャルの上方において、大部分イオ ン化されることを特徴とする、装置。 １４． 請求項１乃至１３の装置において、前記磁気プラズマは、１０¹¹／ｃｃ よりも大きいイオン密度を有することを特徴とする、装置。 １５． 請求項１乃至１４の装置において、単数又は複数の前記原料物質は、ホ ウ素、チタン、ジルコニウム、炭素、ハフニウム、タングステン、ケイ素、ゲル マニウム、クロム、タンタル、バナジウム、マグネシウム、アルミニウム、マン ガン、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、銀、インジウム、錫、イットリウム 、金、希土類金属、ガリウム、カルシウム、ストロンチウム、及び、バリウムか ら選択されることを特徴とする、装置。 １６． 請求項１乃至１５のいずれかの装置において、前記磁気プラズマは、ア ルゴン、窒素、酸素、水素、メタン、アセチレン、ホスフィン、ジボラン、アル シン、ゲルマン、シラン、四塩化ケイ素、クリプトン、フッ素、トリメチルガリ ウム、三塩化アルミニウム、四塩化チタン、テオス（ｔｅｏｓ）、及び、ジシラ ンのガスすなわち気体から選択されることを特徴とする、装置。 １７． 請求項１乃至１６のいずかの装置において、前記原料物質が、ホウ素で あり、前記磁気プラズマが、窒素及びアルゴンの混合物から構成され、これによ り、前記基板に形成される前記コーティングが、立方体の窒化ホウ素であること を特徴とする、装置。 １８． 請求項１乃至１７のいずれかの装置において、前記原料物質が、ケイ素 であり、前記磁気プラズマが、酸素及び／又は窒素であり、これにより、前記基 板に形成される前記コーティングが、二酸化ケイ素、又は、窒化ケイ素、あるい は、これらの混合物であることを特徴とする、装置。 １９． 請求項１乃至１７のいずれかの装置において、前記原料物質が、ゲルマ ニウムであり、前記磁気プラズマが、シラン、及び、可能な限り酸素から成る混 合物であり、これにより、前記基板に形成される前記コーティングが、ゲルマニ ウムドープされたケイ素又は二酸化ケイ素であることを特徴とする、装置。 ２０． 添付の図面を参照して実質的に説明した、基板上にコーティングを形成 するための装置。 ２１． 添付の図面に関連して実質的に説明した、基板上にコーティングを形成 する方法。