JPS63290262A - 薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、各種材料表面への薄膜形成等に用いられる複
合型表面処理装置に関するものである。

［従来の技術］ 例えば、金腐ヤ化合物の薄膜形成方法としでは真空蒸着
やスパッタリング等の物理的蒸着法（ＰＶＤ法）又は化
学蒸着法（ＣＶＤ法）が採用されている。

近年、ＰＶＤ法とイオン注入法とを組合わせ、基板との
密着性の向上、新物質の合成等が試みられている。かか
るイオン注入法には、イオン源で発生したイオンのうち
特定のイオンを分離し、該イオンを数１０〜数１００ｋ
ｅＶに加速して基板へ衝突させる方式と、質量分離せず
にイオン源で発生したイオンを数〜数１０ｋ　ｅ　Ｖに
加速して基板へ衝突させる方式とが知られている。

前者のイオン注入では、注入深さを数１０００人と比較
的深くできるものの、イオン電流値が低く、著しく注入
速度が遅いなどの問題と共に、注入時間が長くなるため
に残留ガス等が混入して基板表面に成膜された薄膜中の
不純物量が増大する問題があった。また、後者のイオン
注入法ではイオン電流値を大ぎくとれるが、加速電圧が
数１０ｋ　ｅ　Ｖと小さく、基板への注入深さが数１０
０人と浅くなり基板表面に成膜された１膜の密着性等に
問題があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、不純物の混入がなく、かつ基板との密着性の優
れた多１１ｉ！１等を簡単に形成しｊｑる表面改質複合
装置を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、質量分離型イオン注入機構、買出非分離型イ
オン注入機構、−真空蒸着機構及びイオンビームスパッ
タリング懇構を同一真空チャンバに設置したことを特徴
とする複合型表面処理装置である。

前記質量分離型イオン注入門構は、そのイオン源として
フリーマン型、マイクロ波型、ビームプラズマ型及び冷
陰極型等の種々のイオン源を用いることか可能で、該イ
オン源の後段にイオンビーム引出し系、質量分離系、イ
オン加速系を協え、化学周期律表に記載された元素を質
量分前した形で高純度のイオンビームとして引出し、数
１０〜数１００ｋｅＶに加速させてイオン注入する機構
である。

前記買出非分離型イオン注入機構は、バケツ１〜型やデ
ュオビガトロン型、カウフマン型等の大口径イオン源を
用い、主としてガス状又は低融点材料をイオン化し、数
〜数１０ｋｅＶに加速し、多聞にイオンを注入する機構
である。

前記真空蒸着機構は、単一金属の成膜に主に用いられる
。しかし、かかる真空蒸着数構により合金や化合物を成
膜させる場合には一般に蒸気圧が異なり、蒸発の最初と
Ｒ後では成膜される膜組成が異なるなどの問題が起きる
恐れがある。但し、蒸気圧が同じ元素の組合わせの場合
には、真空蒸着機構を用いることができ、その蒸着速度
はイオンビームスパッタリングに比べて高くできる。

前記イオンビームスパッタリング機構は、前記各イオン
注入機構の作動に必要な前記真空チャンバ内の真空度で
ある１０→〜１０’　ｔｏｒｒに合致した真空度で合金
や化合物を成膜できるため、前記各イオン注入機構との
複合化、システム化が簡単となる。これに対し、他のス
パッタリング機構であるマグネトロンスパッタリング機
構では動作真空度が１０′２〜１０°３　ｔｏｒｒで前
記各イオン注入ｔｌ　Ｉｔの動作真空度に比べて低いた
め、それらイオン注入機構との複合化、システム化が困
難となる。

［作用］ 本発明によれば、買出分離型イオン注入機構、真ｍ井ガ
＠Ｔイオンび人顆憫、真空蒸着機構及びイオンビームス
パッタリング機構を同一真空チャンバに、＆Ｒした構成
になっているため、例えば次のような多層膜の形成が可
能となる。即ち、質量分前型イオン注入機構により加速
電圧が数１００ｋｅＶの特定の元素によるイオンを真空
チャンバ内に配置した基板に予め注入してイオン注入層
を形成し、その後真空蒸着機構又はイオンビームスパッ
タリングｍ構により前記イオン注入層上への蒸着と同時
に質量非分離型イオン注入機構により加速電圧が数１０
ｋ　ｅ　Ｖのイオンを注入してダイナミックミキシング
を行なうことにより、不純物等の混入のない膜特性の良
好な多層膜を基板表面に成ＩＩＩできる。この場合、予
め基板表面に質Ｍ分Ｍ型イオン注へＲ４ｍからのイオン
注入によるイオン注入層を形成することによって、ダイ
ナミックミキシングのみを行なって成膜する方法に比べ
てｌ板に対して密着性の高い多層膜を成膜できる。この
際、′ｉ３聞分離型イオン注入機構によるイオン注入に
先立って質量非分離型イオン注入凹溝からエツチング性
の高いイオンを基板表面に注入してエツチングを行なう
ことによって、基板表面に高純度の多層膜を密着性よく
成膜できる。

また、基板表面又は多ＩＩ膜間の界面に真空蒸着Ｒ＃ｌ
又はイオンビームスパッタリング機構による蒸着と同時
に質量分離型イオン注入機構によるイオン注入を行なっ
てイオン注入層を形成した後、前記と同様に真空蒸着機
構又はイオンビームスパッタリング機構によりイオン注
入層上への蒸着と同時に買出非分離型イオン注入機構に
より加速電圧が数１０ｋｅＶのイオンを注入するダイナ
ミックミキシングを行なうことによって、より密着性が
良好で膜特性の優れた多層膜を成膜できる。

以上、本発明の複合型表面処理装置によれば各イオン注
入機構と真空蒸着機構、イオンビームスパッタリング機
構との組合わせ、並びにイオン注入元素と蒸着元素の組
合わせを最適化することによって、従来の表面処理装置
では実現できなかったｖＪＴ規な特性や高機能性を有す
る多層１９を成膜できる。

［発明の実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図及び第２図を参照して詳
細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す複合型表面処理装置の
概略図、第２図は第１図のの各種イオン源の配置状態を
示す側面図である。図中の１は、円筒型の真空チャンバ
である。このチャンバ１の側壁には、開閉バルブ２を介
してイオン導入管３が連結されている。このイオン導入
管３には、差＃Ｊ排気系４が連結されている。前記イオ
ン導入管３には、質量分離型イオン注入機構５が連結さ
れている。このイオン注入機構５は、注入元素をイオン
化するためのイオン源６と、このイオンｒＡ６に連結さ
れ、イオン化された元素を引出すための引出し電極７と
、この引出し電極７に連結され、特定のイオンのみを選
択的に取出すための質量分離器８と、一端側が前記分離
器１に連結され、他端側が前記イオン導入管３に開閉バ
ルブ９を介して連結され、特定のイオンを高エネルギー
で加速するための加速器１０とから構成されている。前
記マビーム型、マイクロ波型等の種々の型式のものが利
用可能である。また、前記チャンバ１の側壁の下部付近
には、質量非分離型である高電圧型イオン′ａ１１及び
低電圧型イオン源１２が夫々連結されている。

前記チャンバ１内の下部付近には、真空蒸着機構１３が
設置されている。また、前記チャンバ１の上部側壁には
スパッタイオン源１４が設けられており、かつ該イオン
源１４からイオン照射方向にＱｆｆｉする前記チャンバ
１内にはターゲット１５が配置されている。これらスパ
ッタイオン源１４及びターゲット１５によりイオンビー
ムスパッタリング機構１６を構成している。

前記チャンバ１には、基板ホルダ１７が挿着されている
。なお、図中の１８はチャンバ１に連結された排気系で
ある。

このような構成によれば、真空チャンバ１内の基板ホル
ダ１７に所定の基板１９を保持させ、真空排気系１８を
作動してチャンバ１内を１０４〜１０′３ｔｏｒｒの真
空度に設定する。　こうした真空状態で、賀う分離型イ
オン注入機構５のイオン源６から所定元素のイオンを発
生させることにより、引出し電極７でイオン化された元
素がイオンビームとして質量分離器８に引出され、この
分離器８で特定のイオンのみを選択して加速器１０に送
られ、ここで特定のイオンが高エネルギーに加速され、
開閉バルブ９、差動排気系４で作動排気されたイオン導
入管３、開閉バルブ２を通してチャンバ１内の基板１９
にイオン注入される。前記真空状態において、高電圧イ
オン源１１や低電圧イオン源１２を作動することにより
それらイオンＦＡ１１．１２から所定のイオンをチャン
バ１内の基板１９に注入される。また、同真空状態で真
空蒸着機構の図示しないヒータ等で蒸着元素等を加熱す
ることにより該元素をチャンバ１内の基板７９表面への
蒸着がなされる。更に、前記真空度を何等変更すること
なくスパッタイオン源１４から所定のイオンをチャンバ
１内のターゲット１５に衝突させることにより、ターゲ
ットの構成材料がチャンバ１内の基板１９表面に蒸着さ
れる。

しかして、本発明の複合型表面処理装置によれば真空チ
ャンバ１内の真空度を例えば１０′４〜１０うｔｏｒｒ
に設定することにより、前述した質量分離型イオン注入
、質（至）非分離型イオン注入、真空蒸着、イオンビー
ムスパッタリング蒸着という一連のイオン注入、蒸着操
作を行なうことができるため、チャンバ１に質量分離型
イオン注入機構５を連結するための差動排気系４の設計
が容易となり、しかもこれら操作の組合わせによりダイ
ナミックミキシングが可能となり、多元素のイオン注入
、成膜を行なうことができる。

次に、前述した複合型表面処理装置による薄膜の成膜に
ついて説明する。

実験例１ まず、真空チャンバ１内の基板ホルダ１７に５ＵＳ３０
４からなる基板１９を保持させた後、チャンバ１連結し
た真空排気系１８を作動して該チャンバ内の真空度を１
０４〜１０−６ｔｏｒｒとした。つづいて、質ω分離型
イオン注入機構５により７ｉイオンを加速電圧１８０ｋ
ｅＶ、ドース吊２Ｘ１０１７１ｏｎｓ／ｃｄの条件で基
板１９にイオン注入し、ひきつづき同質量分離型イオン
注入機構５によりＮイオンを加速電圧１００ｋｅＶ、ド
ーズｆｆ１２　Ｘｌ０Ｉ　？１ｏｎｓ／ｃｍの条件で基
板１９にイオン注入してＴｉＮ注入層を予め形成した。

次いで、真空蒸着機構１３によりＴｉを基板１９に蒸着
すると共に高電圧イオン源１１からＮイオンを加速電圧
２０ｋ　ｅ　Ｖの条件で基板１９に注入してダイナミッ
クミキシングを行なうことにより、予めＴｉＮ注入層が
形成された基＃１１９表面に厚さ約３μｍのＴｉ　ＮＨ
を成膜した。

比較例 質量分離型イオン注入機構により５ＵＳ３０４からなる
基板表面に予めＴｉＮ注入層を形成しない以外、前記実
験例１と同様な方法により同基板表面にＴｉＮ層を形成
した。

しかして、本実験例１及び比較例により成膜されたＴｉ
Ｎ層について、スクラッチ速度（ｄｘ／ｄｔ）：　１０
ｍ／’ｍｆｎ　、負荷速度（ｄ　Ｌ／ｄｔ）　：　１０
０　Ｎ／ｍｉｎ、感度係数１．２の条件でスクラッチ試
験を行なったところ、夫々第３図及び第４図に示す臨界
れら第３図及び第４゛図から明らかなように、本実験例
１で成膜されたＴｉＮ層（第３図）は比較例のＴｉＮ層
（第４図）のような明確なＡＥ倍信号得られず、基板と
ＴｉＮ層の間の密着強度が明らかに向上していることが
わかる。

実験例２ まず、真空チャンバ１内の基板ホルダ１７に５ＵＳ３０
４からなる基板１９を保持させた後、チャンバ１連結し
た真空排気系１８を作動して該チャンバ内の真空度を１
０″４〜１０−　’　ｔｏｒｒとした。つづいて、質量
分離型イオン注入機構５によりＴｉイオンを加速電圧１
６０ｋｅＶ、ドーズ５ｉ２　ｘｌｏｌ　７ｉ０ｎｓ、／
ｃＩｉの条件で基板１９にイオン注入し、ひきつづき同
質量分離型イオン注入機構５によりＣイオンを加速電圧
５５ｋｅＶ、ドーズｆｆ１ｌ　ｘｉ（ｌ　Ｔ　１ｏｎｓ
／　ｃｉの条件で基板１９にイオン注入してＴｉ　Ｃ注
入層を予め形成した。

次いで、イオンビームスパッタリング機構１６のスパッ
タイオン１Ｉｉ１４アルゴン中にＣ２Ｈ２を含むガスイ
オンをチャンバ１内のＴｉからなるターゲット１５に衝
突させて基板１９表面にスパッタリング蒸着すると同時
に、高電圧イオン源１１からＮイオンを基板１９に注入
するいわゆるデュアルビーム成膜を行なうことにより、
予めＴｉＣ注入層が形成された基板１９表面に厚さ０．
５〜１μｍのＴｉ　ＣＮ層を成膜した。

次いで、真空蓋＠ＩＮ横１３によりＡ℃を基板１９に蒸
着すると共に高電圧イオン源１１からＣイオンを加速電
圧１０ｋ　ｅ　Ｖ　、イオン電流２０　ｍＡの条件で基
板１９に注入してダイナミックミキシングを行なうこと
により、Ｔ１ＣＮ層が形成された基板１９表面に厚さ約
３μｍのＡ２２０３層を成膜した。

しかして、　本実験例２により形成された八λ２０３　
ｍは基板に対して極めて密着性の良好なものであること
が確みΣされた。これに対し、５ＵＳ３０４からなる基
板表面に予めＴｉＣ注入層及びＴｉ　ＣＮ層の形成を行
なわずに、該基板表面に直接Ａμの蒸着と０イオンの注
入によるダイナミックミキシングを行なっても基板に対
して密着性の良好なＡｆｆ２０３１を形成することがで
きなかった。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明の複合型表面処理装置によれ
ば各イオン注入機構と真空蒸着機構、イオンビームスパ
ッタリング機構との組合わせ、並びにイオン注入元素と
蒸着元素の組合わせを最適化することによって、従来の
表面処理装置では実現できなかった新規な特性や高機能
性を有する多層膜を成膜できる等顕著な効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す複合型表面処理装置の
概略図、第２図は第１図の複合型表面処理装置の各種イ
オン源の配置状態を示す側面図、第３図は本発明の実験
例１により成膜されたＴｉＮ層のスクラッチ試験結果を
示す特性図、第４図は比較例により成膜されたＴｉ　Ｎ
Ｗのスクラッチ試験結果を示す特性図である。 １・・・真空チャンバ、４・・・差動排気系、５・・・
質量分離型イオン注入機構、１１・・・質量非分離型の
高電圧型イオン源、１２・・・質量非分離型の低電圧型
イオン源、１３・・・真空蒸着機構、１４・・・スパッ
タイオン源、１５・・・ターゲット、１６・・・イオン
ビームスパッタリング關構、１７・・・基板ホルダ、１
８・・・真空排気系、１９・・・基板。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 質量分離型イオン注入機構、質量非分離型イオン注入機
   構、真空蒸着機構及びイオンビームスパッタリング機構
   を同一真空チャンバに設置したことを特徴とする複合型
   表面処理装置。