JP2768960B2 - Thin film forming equipment - Google Patents

Thin film forming equipment

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JP2768960B2
JP2768960B2 JP31694288A JP31694288A JP2768960B2 JP 2768960 B2 JP2768960 B2 JP 2768960B2 JP 31694288 A JP31694288 A JP 31694288A JP 31694288 A JP31694288 A JP 31694288A JP 2768960 B2 JP2768960 B2 JP 2768960B2
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evaporation source
thin film
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substrate
potential
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幹夫 木下
和三郎 太田
政志 中沢
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Ricoh Co Ltd
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Ricoh Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、金属薄膜或いはIC,LSIなどを構成する半導
体薄膜などの形成に適した薄膜形成装置に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film forming apparatus suitable for forming a metal thin film or a semiconductor thin film constituting an IC, LSI, or the like.

従来の技術 従来、被薄膜形成基板上に薄膜を形成する手段として
は、種々のものが提案され、その方法も極めて多岐にわ
たつている。主なものとしても、例えばイオンプレーテ
イング法やCVD法やPVD法などがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, various means have been proposed for forming a thin film on a substrate on which a thin film is to be formed, and the methods thereof are also extremely diverse. The main ones include, for example, an ion plating method, a CVD method and a PVD method.

例えば、蒸発源と被蒸着物の間に高周波電磁界を発生
させて、活性ガス又は不活性ガス中で蒸発した物質をイ
オン化して真空蒸着を行なうイオンプレーテイング法が
ある。また、蒸発源と被蒸着物との間に直流電圧を印加
するDCイオンプレーテイング法もある。これらのイオン
プレーテイング法は、例えば特公昭52−29971号公報や
特公昭52−29091号公報等により知られている。
For example, there is an ion plating method in which a high-frequency electromagnetic field is generated between an evaporation source and a deposition target to ionize a substance evaporated in an active gas or an inert gas to perform vacuum deposition. There is also a DC ion plating method in which a DC voltage is applied between an evaporation source and an object to be deposited. These ion plating methods are known, for example, from JP-B-52-29971 and JP-B-52-29091.

また、本出願人により既に提案されている特開昭59−
89763号公報に示されるような薄膜蒸着装置もある。こ
れは、まず、被蒸着用の基板を保持する基板ホルダと、
この基板ホルダに対向する蒸発源との間にグリツドを設
け、このグリツドを基板ホルダに対して正電位とする。
更に、グリツド・蒸発源間に熱電子発生用のフイラメン
トを設ける。このような構成により、蒸発源から蒸発し
た蒸発物質はフイラメントから放出される熱電子により
イオン化される。このイオンはグリツドを通過すると、
グリツド側から基板ホルダへ向かう状態の電界の作用に
より加速され、基板に衝突することにより、密着性のよ
い薄膜が基板上に形成されるというものである。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No.
There is also a thin film deposition apparatus as disclosed in JP-A-89763. This is, first, a substrate holder that holds the substrate for evaporation,
A grid is provided between the substrate holder and the evaporation source facing the substrate holder, and the grid is set at a positive potential with respect to the substrate holder.
Further, a filament for generating thermoelectrons is provided between the grid and the evaporation source. With such a configuration, the evaporated substance evaporated from the evaporation source is ionized by thermions emitted from the filament. When this ion passes through the grid,
The film is accelerated by the action of an electric field directed from the grid side to the substrate holder, and collides with the substrate, whereby a thin film having good adhesion is formed on the substrate.

この他、各種の薄膜形成方法・装置がある。 In addition, there are various thin film forming methods and apparatuses.

発明が解決しようとする課題 しかし、従来の薄膜形成方式による場合には、形成さ
れた薄膜の基板に対する密着性が弱かつたり、耐熱性の
ない基板への膜形成が困難という課題がある。特に、前
述した特開昭59−89763号公報方式による場合におい
て、高融点物質を用いた場合には、電子銃による蒸発源
を用いる必要がある。この結果、装置の機能、コスト面
で大掛かりのものとなつてしまう。また、電子銃を用い
た場合には、その電子が空間に飛び出してしまい、かと
ついて、蒸発物質がらなる蒸発源を用いた場合でも、蒸
発源加熱用電源の片端子を接地電位にすると、蒸発物質
と同時に熱電子も飛び出してしまい、プラズマ状態に影
響を与え、制御しにくくなる等の課題がある。
Problems to be Solved by the Invention However, in the case of the conventional thin film forming method, there are problems that the formed thin film has weak adhesion to the substrate and that it is difficult to form a film on a substrate having no heat resistance. In particular, in the case of the above-mentioned JP-A-59-89763, when a high melting point substance is used, it is necessary to use an evaporation source by an electron gun. As a result, the function and cost of the apparatus become large. In addition, when an electron gun is used, the electrons jump out into the space, and even when an evaporation source that emits evaporating substances is used, if one terminal of the power supply for heating the evaporation source is set to the ground potential, evaporation occurs. There is a problem that thermoelectrons also fly out simultaneously with the substance, affecting the plasma state and making it difficult to control.

よつて、基板上に極めて強い密着性を持つ緻密な薄膜
を形成することができ、この際、基板として耐熱性のな
い例えばプラスチツクス板などをも用いることができ、
高融点物質及びその化合物薄膜であつても安価に形成す
ることができる薄膜形成装置が要望されている。
Therefore, a dense thin film having extremely strong adhesion can be formed on the substrate, and in this case, a plastic plate having no heat resistance, such as a plastic plate, can be used as the substrate.
There is a demand for a thin film forming apparatus that can form a high melting point substance and its compound thin film at low cost.

課題を解決するための手段 請求項1記載の発明では、活性ガス又は不活性ガス或
いは活性ガスと不活性ガスとの混合ガスの導入口を備え
た真空槽を設け、この真空槽内において蒸発物質を蒸発
させる蒸発源を設け、前記真空槽内に配設されて前記蒸
発源に対向する状態で薄膜形成用の基板を保持する基板
ホルダを電気的絶縁性を有する材質により形成して設
け、前記蒸発物質が通過する隙間を有するグリツドを前
記蒸発源とこの基板ホルダとの間に配置させて設け、熱
電子発生用のフイラメントをこのグリツドと前記蒸発源
との間に配置させて設け、前記グリツドの電位を前記フ
イラメントの電位に対し正電位となるよう所定の電位関
係とさせる電源手段を設ける。
Means for Solving the Problems According to the invention as set forth in claim 1, a vacuum chamber provided with an inlet for an active gas or an inert gas or a mixed gas of an active gas and an inert gas is provided, and the evaporating substance is provided in the vacuum chamber. An evaporation source for evaporating the substrate, a substrate holder disposed in the vacuum chamber and holding a substrate for forming a thin film in a state facing the evaporation source is formed by providing an electrically insulating material, and A grid having a gap through which the evaporating substance passes is provided between the evaporation source and the substrate holder; a filament for generating thermoelectrons is provided between the grid and the evaporation source; And a power supply means for setting the potential of the filament to a predetermined potential so as to be positive with respect to the potential of the filament.

また、請求項2記載の発明では、請求項1記載発明中
の基板ホルダに代えて、電気的導電性を有する材質によ
り形成された基板ホルダとし、この基板ホルダを前記真
空槽内に介在部材を介して電気的絶縁状態で配置させ
る。
According to a second aspect of the present invention, a substrate holder made of a material having electrical conductivity is used instead of the substrate holder according to the first aspect of the present invention, and the substrate holder is provided with an intervening member in the vacuum chamber. And placed in an electrically insulated state.

さらに、請求項3記載の発明では、請求項1記載発明
中の基板ホルダに代えて、請求項2記載の発明と同様
に、対向電極により基板を保持させ、かつ、電気的に他
部から浮いた状態で蒸発源を加熱させる加熱電源手段を
設ける。
Further, in the third aspect of the invention, instead of the substrate holder in the first aspect of the invention, similarly to the second aspect of the invention, the substrate is held by the counter electrode and electrically floated from the other part. A heating power supply means for heating the evaporation source in the state of being heated.

作用 蒸発源からの蒸発物質のイオン化がフイラメントから
の熱電子によつて極めて高い状態で行なわれるので、基
板上に付着力、膜表面の平滑性或いは結晶性に優れた薄
膜が成膜される。この際、高イオン化により高いエネル
ギーを有するので、熱エネルギーを付与しない低温成膜
も可能となる。よつて、基板としては耐熱性の劣るプラ
スチツクス板等でもよい。さらには自身が電気的絶縁性
を有する材質により形成され、又は、自身は電気的導電
性を有する材質により形成されるが介在部材を介して電
気的絶縁状態とされることにより、電気的に絶縁状態に
ある基板ホルダにより基板を保持させ、基板の電位が浮
動電位であるので、基板近傍での電位差が比較的小さ
く、正イオンによるイオン衝撃が極めて減少し、緻密で
欠陥の少ない薄膜が形成される。
Since the ionization of the evaporated substance from the evaporation source is performed in a very high state by thermionic electrons from the filament, a thin film having excellent adhesion, smoothness of the film surface, or crystallinity is formed on the substrate. At this time, since high energy is obtained by high ionization, low-temperature film formation without applying heat energy is also possible. Therefore, the substrate may be a plastic plate or the like having low heat resistance. Furthermore, it is formed of an electrically insulating material itself, or is formed of an electrically conductive material but is electrically insulated through an intervening member, thereby being electrically insulated. The substrate is held by the substrate holder in a state, and the potential of the substrate is a floating potential. Therefore, the potential difference near the substrate is relatively small, ion bombardment by positive ions is extremely reduced, and a thin film with a small number of defects is formed. You.

また、請求項3記載の発明によれば、蒸発源に対する
加熱電源手段が電気的に他部から浮いた状態にあり、蒸
発源からの熱電子の放出がなく、フイラメントにより放
出される熱電子のみとなり、安定したプラズマ状態とし
て良質の薄膜形成を行なわせることができるものとな
る。
According to the third aspect of the present invention, the heating power supply means for the evaporation source is in a state of being electrically floating from the other portion, so that there is no emission of thermoelectrons from the evaporation source, and only the thermoelectrons emitted by the filament are emitted. Thus, a high-quality thin film can be formed in a stable plasma state.

実施例 以下、本発明の第一の実施例を第1図に基づいて説明
する。まず、真空槽1が設けられている。この真空槽1
はベースプレート2上にベルジヤ3をパツキング4を介
して一体化することにより構成されている。ここに、ベ
ーストプレート2の中央部には導入口としての孔2aが形
成されて図示しない真空排気系に連結され、真空槽1内
の気密性を維持しつつ、周知の方法により真空槽1内に
活性ガス又は不活性ガス或いは活性ガスと不活性ガスと
の混合ガスを導入し得るように構成されている。
First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, a vacuum chamber 1 is provided. This vacuum tank 1
Is constructed by integrating a bell jewel 3 on a base plate 2 via a packing 4. Here, a hole 2a as an introduction port is formed in the center of the base plate 2 and connected to a vacuum exhaust system (not shown), and the airtightness in the vacuum chamber 1 is maintained by a known method while maintaining the airtightness in the vacuum chamber 1. It is configured such that an active gas, an inert gas, or a mixed gas of an active gas and an inert gas can be introduced into the apparatus.

そして、このような真空槽1内には上方から下方に向
けて順に基板ホルダ5とグリツド6とフイラメント7と
蒸発源8とが適宜間隔をあけて設けられている。これら
の部材中、基板ホルダ5は介在部材として支持体9を介
し、他のグリツド6、フイラメント7、蒸発源8は各々
支持体を兼用する電極10,11,12を介して真空槽1内に水
平状態に支持されている。これらの支持体9及び電極10
〜12は何れもベースプレート2との電気的な絶縁性を保
つ状態でベースプレート2を貫通して真空槽1外部に引
用されている。即ち、これらの電極10〜12は真空槽1の
内外の電気的な接続・給電を行なうためのもので、その
他の配線具とともに導電手段となり得るものであり、ベ
ースプレート2の貫通部等においては気密性が確保され
ている。
In such a vacuum chamber 1, a substrate holder 5, a grid 6, a filament 7, and an evaporation source 8 are provided at appropriate intervals in this order from top to bottom. Among these members, the substrate holder 5 is provided as an intervening member via the support 9, and the other grid 6, the filament 7, and the evaporation source 8 are placed in the vacuum chamber 1 via the electrodes 10, 11, 12 which also serve as the support. It is supported horizontally. These supports 9 and electrodes 10
Reference numerals 12 to 12 are cited outside the vacuum chamber 1 through the base plate 2 in a state of maintaining electrical insulation from the base plate 2. That is, these electrodes 10 to 12 are used to electrically connect and supply power to the inside and outside of the vacuum chamber 1 and can serve as conductive means together with other wiring tools. Is ensured.

ここで、一対の前記電極12により支持された蒸発源8
は蒸発物質を蒸発させるためのものであり、例えばタン
グステン、モリブデンなどの金属をコイル状に形成して
なる抵抗加熱式として構成されている。もつとも、コイ
ル状に代えて、ボート状、棒状又は線状に形成したもの
でもよい。更には、このような蒸発源に代えて、電子ビ
ーム蒸発源などのように従来の真空蒸着方式で用いられ
ている蒸発源であつてもよい。
Here, the evaporation source 8 supported by the pair of electrodes 12
Is for evaporating an evaporating substance, and is configured as a resistance heating type in which a metal such as tungsten or molybdenum is formed in a coil shape. In addition, instead of the coil shape, it may be formed in a boat shape, a rod shape or a linear shape. Further, instead of such an evaporation source, an evaporation source used in a conventional vacuum evaporation method such as an electron beam evaporation source may be used.

また、一対の電極11により支持されたフイラメント7
は熱電子発生用のものであり、タングステンなどにより
形成されている。このフイラメント7の形状としては、
例えば複数本のフイラメントを平行に配列させたり、網
目状に配列させてなり、前記蒸発源8から蒸発した蒸発
物質の粒子の広がりをカバーし得るように設定されてい
る。
The filament 7 supported by the pair of electrodes 11
Is for generating thermoelectrons and is made of tungsten or the like. As the shape of the filament 7,
For example, a plurality of filaments are arranged in parallel or in a mesh pattern, and are set so as to cover the spread of particles of the evaporated substance evaporated from the evaporation source 8.

そして、電極10により支持されたグリツド6は、蒸発
物質が通過する隙間を有する形状、例えば網目状に形成
されている。
The grid 6 supported by the electrode 10 is formed in a shape having a gap through which the evaporated substance passes, for example, in a mesh shape.

さらに、支持体9を介して支持された基板ホルダ5に
は、前記蒸発源8に対向する面(下面)側に位置させ
て、薄膜を形成すべき基板13が適宜の方法により保持さ
れている。
Further, a substrate 13 on which a thin film is to be formed is held by an appropriate method on the surface (lower surface) of the substrate holder 5 which is supported via the support body 9 and which faces the evaporation source 8. .

また、このように真空槽1内に設けたグリツド6、フ
イラメント7、蒸発源8等の部材を電位的に所定の電気
的な関係とする電源手段14が真空槽1外に設けられ、前
記各電極10〜12を利用してこれらの各部材に接続されて
いる。
Further, a power supply means 14 for electrically connecting members such as the grid 6, the filament 7, the evaporation source 8 and the like provided in the vacuum chamber 1 to a predetermined electrical relationship is provided outside the vacuum chamber 1. These members are connected using electrodes 10 to 12.

まず、蒸発源8は電極12を介して加熱用の交流電源15
に接続されている。次に、直流電源16が設けられ、この
直流電源16の正極側は電極10を介してグリツド6に接続
されている。フイラメント7は一対の電極11を介して直
流電源17の両端に接続されている。なお、図示の状態で
はこの直流電流17の正極側が接地されているが、負極側
を接地してもよく、或いは交流電源を用いてもよい。何
れにしても、グリツド電位側がフイラメント電位に対し
正電位となるように電位関係に設定されている。これに
より、真空槽1内にはグリツド6から基板13に向かう電
界と、グリツド6から蒸発源8に向かう電界とが逆向き
に形成される。
First, the evaporation source 8 is supplied with an AC power supply 15 for heating through the electrode 12.
It is connected to the. Next, a DC power supply 16 is provided, and the positive electrode side of the DC power supply 16 is connected to the grid 6 via the electrode 10. The filament 7 is connected to both ends of a DC power supply 17 via a pair of electrodes 11. Although the positive side of the DC current 17 is grounded in the illustrated state, the negative side may be grounded, or an AC power supply may be used. In any case, the potential relationship is set so that the grid potential side is positive with respect to the filament potential. Thus, an electric field from the grid 6 to the substrate 13 and an electric field from the grid 6 to the evaporation source 8 are formed in the vacuum chamber 1 in opposite directions.

しかして、本実施例の基板ホルダ5はベースプレート
2と電気的絶縁状態にある支持体9に接続されているの
で、アルミニウムなどの電気的導電性を有する材質によ
り形成したもの(即ち、電極10等と同等材料)でもよい
が、テフロン、ガラスなどの電気的絶縁性を有する材質
により形成したものでもよい。電気的絶縁性材質による
場合には絶縁性を有する支持体9は必ずしも必要ではな
い。何れにしても、基板ホルダ5に支持される基板13の
電位は浮動電位状態にある。
Since the substrate holder 5 of this embodiment is connected to the support 9 which is electrically insulated from the base plate 2, the substrate holder 5 is made of an electrically conductive material such as aluminum (that is, the electrode 10 or the like). Or a material having electrical insulation such as Teflon or glass. When using an electrically insulating material, the insulating support 9 is not necessarily required. In any case, the potential of the substrate 13 supported by the substrate holder 5 is in a floating potential state.

これらの電源15〜17により電源手段14が構成されるも
のであるが、図中に示す接地は必ずしも必要ではない。
また、実際的なこれらの電気的な接続には、種々のスイ
ツチ類を含み、これらの操作により、基板13上への成膜
プロセスを実施するわけであるが、これらのスイツチ類
については省略する。
The power supply means 14 is constituted by these power supplies 15 to 17, but the grounding shown in the figure is not necessarily required.
Actually, these electrical connections include various switches, and by these operations, a film forming process on the substrate 13 is performed. However, these switches are omitted. .

このような薄膜形成装置の構成による薄膜形成動作に
ついて説明する。まず、図示の如く、薄膜を形成すべき
基板13を基板ホルダ5に保持セツトさせる一方、蒸発源
8には蒸発物質を保持させる。用いる蒸発物質はどのよ
うな薄膜を形成するかに応じて定められるものである
が、例えば、アルミニウムや金などの金属、或いは金属
の酸化物、弗化物、硫化物、或いは合金等が用いられ
る。また、真空槽1内は予め10-4〜10-7Paの圧力とさ
れ、必要に応じて活性ガス又は不活性ガス或いはこれら
の混合ガスが10〜10-2Paの圧力で導入される。ここで
は、例えばアルゴンArなどの不活性ガスが導入されてい
るものとする。
A thin film forming operation by such a thin film forming apparatus will be described. First, as shown in the drawing, a substrate 13 on which a thin film is to be formed is set on the substrate holder 5 while the evaporation source 8 holds an evaporation substance. The evaporating substance to be used is determined according to the type of thin film to be formed. For example, a metal such as aluminum or gold, or an oxide, fluoride, sulfide, or alloy of the metal is used. The pressure in the vacuum chamber 1 is previously set at 10 -4 to 10 -7 Pa, and an active gas, an inert gas, or a mixed gas thereof is introduced at a pressure of 10 to 10 -2 Pa as necessary. Here, it is assumed that an inert gas such as argon Ar is introduced.

このような状態で、本装置を作動させると、グリツド
6には正極の電位が印加され、フイラメント7の一端に
は負極の電位が印加され、フイラメント7には電流が流
れる。これにより、フイラメント7は抵抗加熱されて熱
電子を放射する。真空槽1内のアルゴン分子はこのフイ
ラメント7から放射された熱電子との衝突により、その
外殻電子がはじき出され、正イオンにイオン化される。
When the apparatus is operated in such a state, the potential of the positive electrode is applied to the grid 6, the potential of the negative electrode is applied to one end of the filament 7, and a current flows through the filament 7. Thus, the filament 7 is heated by resistance and emits thermoelectrons. When the argon molecules in the vacuum chamber 1 collide with thermions emitted from the filament 7, the outer shell electrons are repelled and ionized into positive ions.

一方、蒸発源8に保持された蒸発物質は加熱により蒸
発する。蒸発源8から蒸発した物質で、即ち蒸発物質の
粒子は上方の基板13に向かって広がりつつ飛行する。こ
の際、その一部及び前記導入ガスはフイラメント7から
放出された熱電子との衝突により外殻電子がはじき出さ
れ、正イオンにイオン化される。即ち、フイラメント7
より発生する熱電子は蒸発物質の一部をイオン化するの
に供される。
On the other hand, the evaporation material held in the evaporation source 8 evaporates by heating. The substance evaporated from the evaporation source 8, that is, particles of the evaporated substance fly while spreading toward the upper substrate 13. At this time, part of the gas and the introduced gas collide with thermionic electrons emitted from the filament 7, so that outer shell electrons are repelled and ionized into positive ions. That is, the filament 7
The resulting thermoelectrons serve to ionize some of the evaporant.

このように一部イオン化された蒸発物質は、グリツド
6を通過し、さらにイオン化されたガスにより正イオン
にイオン化を促進され、グリツド6から基板13へ向かう
電界の作用により基板13側へ加速される。この際、本実
施例にあつては基板ホルダ5が電気的に絶縁状態にあ
り、基板13の電位が浮動電位であるため、イオンの大部
分は基板13の表面の原子をスパツタリングするために必
要な最低エネルギー(数10eV)以下のエネルギーで基板
表面に衝突する。なお、このような基板13の浮動電位は
プラズマの空間電位に対し低電位であるので、基板13近
傍の電界はやはりグリツド6から基板13へと向かうた
め、この電界は基板13側へ向かうイオンの運動を阻止す
るものではない。従つて、イオンは十分に基板13表面に
向かうことになる。また、基板13近傍に存在する電子は
蒸発物質や導入ガスをイオン化する際に発生したもので
あるが、その一部は基板13近傍の電界に逆らつて基板13
へ到達する。このように、本実施例によると、薄膜を損
傷させる高エネルギーのイオンの入射は極めて少なく、
かつ、低エネルギーのイオンは十分に基板13へと供給さ
れるので、基板13に対し極めて密着性の強い薄膜を形成
でき、耐熱性のない基板13をも使用できる。
The vaporized material partially ionized in this way passes through the grid 6 and is further ionized by the ionized gas into positive ions, and is accelerated toward the substrate 13 by the action of an electric field from the grid 6 to the substrate 13. . At this time, in this embodiment, since the substrate holder 5 is in an electrically insulated state and the potential of the substrate 13 is a floating potential, most of the ions are necessary for sputtering atoms on the surface of the substrate 13. It collides with the substrate surface with energy less than the minimum energy (several tens of eV). Since the floating potential of the substrate 13 is lower than the space potential of the plasma, the electric field in the vicinity of the substrate 13 also travels from the grid 6 to the substrate 13. It does not prevent movement. Therefore, the ions are sufficiently directed to the surface of the substrate 13. The electrons existing in the vicinity of the substrate 13 are generated when ionizing the evaporating substance or the introduced gas, and a part of the electrons is generated against the electric field in the vicinity of the substrate 13.
To reach. Thus, according to the present embodiment, the incidence of high-energy ions that damage the thin film is extremely small,
In addition, since low-energy ions are sufficiently supplied to the substrate 13, a thin film having extremely strong adhesion to the substrate 13 can be formed, and a substrate 13 having no heat resistance can be used.

なお、フイラメント7からの熱電子はフイラメント温
度に対応する運動エネルギーを持つてフイラメント7か
ら放射されるので、正電位のグリツド6に直ちには吸引
されずに、これを一旦通過した後、グリツド6によるク
ーロン力により引き戻され、再度グリツド6を通過す
る、というように、グリツド6を中心として振動運動を
繰返し、大部分はグリツド6に吸収されることになる。
Since the thermoelectrons from the filament 7 have kinetic energy corresponding to the filament temperature and are radiated from the filament 7, they are not immediately attracted to the positive potential grid 6, but once pass through the grid 6, The vibrating motion is repeated around the grid 6, such as being pulled back by the Coulomb force and passing through the grid 6 again, and most of the vibration is absorbed by the grid 6.

従つて、一部イオン化されてグリツド6を通過する蒸
発物質は、上述の如くグリツド6の近傍において上下に
振動運動する熱電子及び前述の如くイオン化された導入
ガスの衝突により、さらにイオン化が促進される。ま
た、グリツド6を通過した蒸発物質中で未だにイオン化
されていない部分は、さらにグリツド6と基板13との間
において、前述の如くイオン化された導入ガスとの衝突
により、正イオンにイオン化され、イオン化率が高めら
れる。
Therefore, the ionized material that is partially ionized and passes through the grid 6 is further ionized by the collision of the thermoelectrons that vibrate up and down in the vicinity of the grid 6 and the introduced gas that has been ionized as described above. You. The portion of the evaporated substance that has not passed through the grid 6 and has not yet been ionized is further ionized into positive ions between the grid 6 and the substrate 13 due to the collision with the ionized introduced gas as described above. The rate is raised.

このように、本実施例によれば、蒸発物質のイオン化
が極めて高いので、真空槽1内に活性ガスを単独で、或
いは不活性ガスとともに導入して成膜を行なうことによ
り、蒸発物質と活性ガスとを化合させ、この化合による
化合物薄膜を形成する場合であつても、所望の物性を有
する薄膜を容易に得ることができる。
As described above, according to this embodiment, since the ionization of the evaporating substance is extremely high, the active substance is introduced into the vacuum chamber 1 alone or together with the inert gas to form a film. Even in the case where a gas is combined with a gas to form a compound thin film, a thin film having desired physical properties can be easily obtained.

例えば、不活性ガスとしてアルゴンAr、活性ガスとし
て酸素O2を導入し、真空槽1内の圧力を10-2Paの調整
し、蒸発物質としてアルミニウムAlを選択すれば、基板
13上にAl2O3の薄膜を形成することができる。また、蒸
発物質としてSi又はSiOを用いればSiO2の薄膜を得るこ
とができる。蒸発物質としてInやZnを選択すれば、各々
In2O3,ZnOの薄膜を得ることができる。一方、ガスとし
てH2S、蒸発物質としてCdを選択すればCdSの薄膜を得る
ことができる。さらに、活性ガスとしてアンモニアをア
ルゴンとともに用い、かつ、蒸発物質としてTi又はTaを
用いれば、各々TiN又はTaNなどの薄膜を得ることも可能
である。
For example, by introducing argon Ar as an inert gas and oxygen O 2 as an active gas, adjusting the pressure in the vacuum chamber 1 to 10 −2 Pa, and selecting aluminum Al as an evaporating substance,
A thin film of Al 2 O 3 can be formed on 13. If Si or SiO is used as the evaporating substance, a thin film of SiO 2 can be obtained. If you select In or Zn as evaporating substance,
A thin film of In 2 O 3 and ZnO can be obtained. On the other hand, if H 2 S is selected as the gas and Cd is selected as the evaporating substance, a CdS thin film can be obtained. Furthermore, if ammonia is used together with argon as the active gas and Ti or Ta is used as the evaporating substance, a thin film of TiN or TaN can be obtained, respectively.

ところで、本実施例においては、蒸発物質及び導入ガ
スのイオン化には、フイラメント7による熱電子が有効
に寄与するので、10-2Pa以下の圧力の高真空下において
も蒸発物質のイオン化が可能である。このため、薄膜中
へのガス分子の取込みを極めて少なくすることができる
ため、高純度の薄膜を得ることができる。また、薄膜の
構造も極めて緻密なものとすることが可能である。即
ち、通常の薄膜の密度はバルクのそれよりも小さいとさ
れているが、本実施例によればバルクの密度に極めて近
似した密度のものが得られることも大きな特徴の一つで
ある。この結果、本実施例方式の薄膜形成装置によれ
ば、IC,LSIなどを構成する半導体薄膜や、その電極とし
ての高純度な金属薄膜の形成、さらには光学薄膜の形成
に極めて適したものとなる。
By the way, in the present embodiment, since the thermoelectrons by the filament 7 effectively contribute to the ionization of the vaporized substance and the introduced gas, the vaporized substance can be ionized even under a high vacuum at a pressure of 10 -2 Pa or less. is there. Therefore, the incorporation of gas molecules into the thin film can be extremely reduced, and a high-purity thin film can be obtained. Further, the structure of the thin film can be extremely dense. That is, although the density of a normal thin film is assumed to be smaller than that of a bulk, one of the major features is that according to the present embodiment, a thin film having a density very close to the bulk density can be obtained. As a result, according to the thin film forming apparatus of the present embodiment, it is extremely suitable for forming a semiconductor thin film constituting an IC, an LSI, etc., a high-purity metal thin film as an electrode thereof, and further forming an optical thin film. Become.

結局、本発明は、強い反応性を持たせることができる
というCVD法の長所と、緻密な強い膜形成を可能とする
高真空中で成膜するというPVD法の長所とを同時に実現
する、従来に無い画期的な薄膜形成装置といえる。そし
て、蒸発物質がイオン化し、高いエネルギーを電気的に
有する(電子・イオン温度)ので、反応性を必要とする
成膜や結晶化を必要とする成膜を、温度(反応温度や結
晶化温度)という熱エネルギーを与えることなく実現で
き、低温成膜が可能となる。従つて、基板13としては耐
熱性の弱いプラスチツクス板などであつてもよいものと
なる。特に、基板の電位を浮動電位としているため、基
板近傍での電位差が比較的小さく、正イオンによるイオ
ン衝撃が極めて小さいため、緻密で欠陥の少ない薄膜を
形成できる。よつて、IC,LSI等の生産性の向上、光学薄
膜などの品質の向上等を達成することができ、半導体分
野や光学分野に応用し得るものとなる。
As a result, the present invention simultaneously realizes the advantages of the CVD method, which can provide strong reactivity, and the advantages of the PVD method, which forms a film in a high vacuum, which enables formation of a dense and strong film. It can be said that this is an epoch-making thin film forming apparatus that is not available. Then, since the evaporating substance is ionized and has high energy electrically (electron / ion temperature), a film that requires reactivity or a film that requires crystallization is subjected to temperature (reaction temperature or crystallization temperature). ) Can be realized without giving thermal energy, and low-temperature film formation is possible. Therefore, the substrate 13 may be a plastic plate having low heat resistance. In particular, since the potential of the substrate is a floating potential, the potential difference in the vicinity of the substrate is relatively small, and ion bombardment by positive ions is extremely small, so that a dense thin film with few defects can be formed. As a result, it is possible to improve the productivity of ICs and LSIs, the quality of optical thin films, and the like, and it can be applied to the semiconductor field and the optical field.

つづいて、本発明の第二の実施例を第2図により説明
する。前記実施例で示した部分と同一部分は同一符号を
用いて示す。まず、本実施例では、前記実施例の基板ホ
ルダ5に相当する基板支持部材として対向電極18が設け
られている。この対向電極18は支持体9を介した電極19
により支持されており、この電極19は電極10〜12と同様
にベースプレート2との電気的な絶縁性を保つ状態でベ
ースプレート2を貫通して真空槽1外部に引出されてい
る。電極19に支持された対向電極5には、前記蒸発源8
に対向する面(下面)側に位置させて、薄膜を形成すべ
き基板13が適宜の方法により保持されている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals. First, in this embodiment, a counter electrode 18 is provided as a substrate support member corresponding to the substrate holder 5 of the above embodiment. This counter electrode 18 is an electrode 19 via the support 9.
The electrode 19 is pulled out of the vacuum chamber 1 through the base plate 2 while maintaining electrical insulation with the base plate 2 like the electrodes 10 to 12. The counter electrode 5 supported by the electrode 19 has the above-mentioned evaporation source 8
A substrate 13 on which a thin film is to be formed is held by an appropriate method so as to be positioned on the surface (lower surface) facing the substrate.

また、蒸発源8は前記実施例と同様であるが、例えば
タングステン、モリブテン、タンタルなどの高融点かつ
昇華性金属等をコイル状に形成してなる抵抗加熱式とし
て構成されている。
The evaporation source 8 is the same as that of the above embodiment, but is configured as a resistance heating type in which a high melting point and sublimable metal such as tungsten, molybdenum and tantalum are formed in a coil shape.

また、このように真空槽1内に設けたグリツド6とフ
イラメント7との電位関係につき、フイラメント電位に
対しグリツド電位が正電位とさせる電源手段としての直
流電源16,17が設けられている。なお、フイラメント7
用の電極11間には直流電源17が接続されているが、この
電源は交流電源であつてもよい。また、前記直流電源16
の負極側は直接接地されているが、接地との間に直流電
源を介在させ、フイラメント7にバイアスをかけるよう
にしてもよい。
Further, regarding the potential relationship between the grid 6 and the filament 7 provided in the vacuum chamber 1 as described above, DC power supplies 16 and 17 are provided as power supply means for making the grid potential positive with respect to the filament potential. In addition, filament 7
A DC power supply 17 is connected between the electrodes 11 for use, but this power supply may be an AC power supply. The DC power supply 16
Although the negative electrode side is directly grounded, a DC power supply may be interposed between the negative electrode side and the ground to bias the filament 7.

一方、蒸発源8には電極12間に接続された交流電源15
が加熱電源手段とされている。この電源は交流に限ら
ず、直流電源であつてもよい(正負の極性も任意)。こ
のような電源15は図示の如く、電源12により蒸発源8に
のみ接続され、電気的に他部(接地を含む)から浮いた
配線状態とされている。これにより、蒸発源8から蒸発
物質が蒸発する場合においても、熱電子が殆ど放出され
ないように設定されている。
On the other hand, the evaporation source 8 has an AC power supply 15 connected between the electrodes 12.
Are heating power means. This power supply is not limited to the AC, but may be a DC power supply (positive and negative polarities are also arbitrary). As shown, such a power supply 15 is connected only to the evaporation source 8 by the power supply 12, and is in a wiring state electrically floating from other parts (including ground). Thereby, even when the evaporating substance evaporates from the evaporating source 8, the setting is made so that thermions are hardly emitted.

なお、対向電極5は電極19を介して直接接地されてい
るが、接地との間に直流電源を介在させ、バイアスをか
けるようにしてもよい。また、図中に示す接地は必ずし
も必要ではない。
Although the counter electrode 5 is directly grounded via the electrode 19, a DC power supply may be interposed between the counter electrode 5 and the ground to apply a bias. The grounding shown in the figure is not always necessary.

このような薄膜形成装置の構成による薄膜形成動作に
ついて説明する。基本的には、前記実施例に準ずる。ま
ず、図示の如く、薄膜を形成すべき基板13を対向電極5
に保持セツトさせる一方、蒸発源8には蒸発物質を保持
させる。用いる蒸発物質はどのような薄膜を形成するか
に応じて定められるものであるが、例えば、タングステ
ン、モリブデン、タンタル、クローム等の金属や、炭化
チタン、炭化タンタル等の金属化合物又は合金等が適宜
用いられる。また、真空槽1内には予め活性ガス又は不
活性ガス或いはこれらの混合ガスが10〜10-3Paの圧力で
導入される。ここでは、説明の具体性のため、例えば酸
素等の活性ガスが導入されているものとする。
A thin film forming operation by such a thin film forming apparatus will be described. Basically, it is based on the above embodiment. First, as shown in FIG.
While the evaporation source 8 holds the evaporation material. The evaporating substance to be used is determined depending on what kind of thin film is formed.For example, metals such as tungsten, molybdenum, tantalum, chrome, and metal compounds or alloys such as titanium carbide and tantalum carbide are appropriately used. Used. Further, an active gas, an inert gas, or a mixed gas thereof is previously introduced into the vacuum chamber 1 at a pressure of 10 to 10 −3 Pa. Here, for the sake of specificity, it is assumed that an active gas such as oxygen is introduced.

このような状態で、本装置を作動させると、蒸発源8
に保持された蒸発物質が電源15による加熱で蒸発する。
蒸発源8から蒸発した物質、即ち蒸発物質の粒子は上方
の基板13に向かつて広がりつつ飛行し、グリツド6を通
過する。
When the apparatus is operated in such a state, the evaporation source 8
Is evaporated by heating by the power supply 15.
The substance evaporated from the evaporation source 8, that is, particles of the evaporated substance, fly while spreading toward the upper substrate 13, and pass through the grid 6.

一方、直流電源17により加熱されたフイラメント7か
らは熱電子が放出される。このようにフイラメント7か
ら発生した熱電子は、グリツド6の電界により加速され
つつ、グリツド6へ向かつて飛行し、導入ガス分子及び
蒸発源8からの蒸発粒子に衝突して、これらを陽イオン
にイオン化する。このようにして、グリツド6の近傍の
空間にプラズマ状態が生ずる。この際、熱電子の放出は
フイラメント7からのみであり、蒸発源8からは放出し
ないため、電源16,17の調整のみで安定したプラズマ状
態とすることができる。
On the other hand, thermions are emitted from the filament 7 heated by the DC power supply 17. The thermoelectrons generated from the filament 7 fly toward the grid 6 while being accelerated by the electric field of the grid 6 and collide with the introduced gas molecules and the evaporated particles from the evaporation source 8 to convert them into cations. Ionize. In this way, a plasma state is generated in the space near the grid 6. At this time, thermal electrons are emitted only from the filament 7 and not emitted from the evaporation source 8, so that a stable plasma state can be obtained only by adjusting the power supplies 16 and 17.

このようにイオン化された蒸発粒子或いはガス分子
は、グリツド6から対向電極5へ向かう電界の作用によ
り、加速されつつ飛行し、高速で基板13に衝突し、基板
13上に所望の薄膜が形成されることになる。このような
薄膜は蒸発物質をイオン化してなるイオン粒子の衝突に
よるため、基板5への密着性に優れ、結晶性、配向性の
良好なものとなる。
The vaporized particles or gas molecules ionized in this way fly while being accelerated by the action of the electric field from the grid 6 to the counter electrode 5 and collide with the substrate 13 at high speed,
A desired thin film will be formed on 13. Such a thin film has excellent adhesion to the substrate 5 and good crystallinity and orientation, due to the collision of ion particles formed by ionizing the evaporated substance.

このように、本実施例によれば、蒸発物質のイオン化
が極めて高いので、真空槽1内に活性ガスを単独で、或
いは不活性ガスとともに導入して成膜を行なうことによ
り、蒸発物質と活性ガスとを化合させ、この化合による
化合物薄膜を形成する場合であつても、所望の物性を有
する薄膜を容易に得ることができる。
As described above, according to this embodiment, since the ionization of the evaporating substance is extremely high, the active substance is introduced into the vacuum chamber 1 alone or together with the inert gas to form a film. Even in the case where a gas is combined with a gas to form a compound thin film, a thin film having desired physical properties can be easily obtained.

例えば、不活性ガスとしてアルゴンAr、活性ガスとし
て酸素O2を導入し、真空槽1内の圧力を10〜10-2Paに調
整し、蒸発物質としてタングステンを選択すれば、基板
13上には酸化タングステンの薄膜を形成することができ
る。また、蒸発物質としてモリブデンを用いれば酸化モ
リブデンの薄膜を得ることができる。さらに、蒸発物質
としてタンタルやクロームを選択すれば、各々酸化タン
タル、酸化クロームの薄膜を得ることができる。一方、
活性ガスとしてアンモニアをアルゴンとともに用い、蒸
発物質としてタンタルを選択すれば窒化タンタルの薄膜
を得ることができる。
For example, by introducing argon Ar as an inert gas and oxygen O 2 as an active gas, adjusting the pressure in the vacuum chamber 1 to 10 to 10 -2 Pa, and selecting tungsten as an evaporating substance,
A thin film of tungsten oxide can be formed on 13. When molybdenum is used as the evaporation substance, a thin film of molybdenum oxide can be obtained. Furthermore, if tantalum or chrome is selected as the evaporating substance, thin films of tantalum oxide and chromium oxide can be obtained, respectively. on the other hand,
If ammonia is used together with argon as the active gas and tantalum is selected as the evaporating substance, a thin film of tantalum nitride can be obtained.

本実施例においても、バルクの密度に極めて近似した
密度のものとして得られるという特徴が維持され、高融
点かつ昇華性物質等の化合物薄膜についても、良質な薄
膜を形成することができ、IC,LSIなどを構成する半導体
薄膜等の形成に極めて適したものとなる。
Also in the present embodiment, the characteristic that the density is very close to the bulk density is maintained, and a high-quality thin film can be formed for a compound thin film such as a high melting point and a sublimable substance. This is extremely suitable for forming a semiconductor thin film or the like constituting an LSI or the like.

発明の効果 本発明は、上述したように構成したので、蒸発源から
の蒸発物質のイオン化がフイラメントからの熱電子によ
つて極めて高い状態で行なわれるため、基板上に付着
力、膜表面の平滑性或いは結晶性に優れた薄膜を成膜す
ることができ、この際、高イオン化により高いエネルギ
ーを有するので、熱エネルギーを付与しない低温成膜も
可能となり、基板としては耐熱性の劣るプラスチツクス
板等をも用いることができ、高融点物質やその化合物の
薄膜であつても簡単・安価にして良好に形成することが
でき、さらには電気的に絶縁状態にある基板ホルダによ
り基板を保持させ、基板の電位を浮動電位としたので、
基板近傍での電位差を比較的小さくし、正イオンによる
イオン衝撃を極めて減少させ、緻密で欠陥の少ない薄膜
を形成でき、さらに、請求項3記載の発明によれば、蒸
発源に対する加熱電源手段が電気的に他部から浮いた状
態にあり、蒸発源からの熱電子の放出がなく、フイラメ
ントにより放出される熱電子のみとなり、安定したプラ
ズマ状態として良質の薄膜形成を行なわせることができ
るものである。
Effect of the Invention Since the present invention is configured as described above, the ionization of the evaporated substance from the evaporation source is performed in an extremely high state by thermionic electrons from the filament, so that the adhesive force on the substrate and the smoothness of the film surface are obtained. A thin film having excellent heat resistance or crystallinity can be formed. At this time, since high energy is obtained by high ionization, low temperature film formation without applying heat energy is also possible, and as a substrate, a plastic plate having poor heat resistance is used. And the like can be used, and even a thin film of a high melting point substance or its compound can be easily and inexpensively formed well, and furthermore, the substrate is held by an electrically insulated substrate holder, Since the potential of the substrate is a floating potential,
The potential difference in the vicinity of the substrate is made relatively small, ion bombardment by positive ions is extremely reduced, and a thin film having a small number of defects can be formed. It is electrically floating from the other part, without the emission of thermoelectrons from the evaporation source, only the thermoelectrons emitted by the filament, and can form a high-quality thin film as a stable plasma state. is there.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第一の実施例を示す概略正面図、第2
図は本発明の第二の実施例を示す概略正面図である。 1……真空槽、5……基板ホルダ、6……グリツド、7
……フイラメント、8……蒸発源、9……介在部材、13
……基板、14……電源手段、15……加熱電源手段、18…
…対向電極
FIG. 1 is a schematic front view showing a first embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a schematic front view showing a second embodiment of the present invention. 1 ... vacuum chamber, 5 ... substrate holder, 6 ... grid, 7
... filament, 8 ... evaporation source, 9 ... interposed member, 13
... board, 14 ... power supply means, 15 ... heating power supply means, 18 ...
... Counter electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−171666(JP,A) 特開 昭59−89763(JP,A) 特開 昭63−86866(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/00 - 14/58──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-57-171666 (JP, A) JP-A-59-89763 (JP, A) JP-A-63-86866 (JP, A) (58) Field (Int. Cl. 6 , DB name) C23C 14/00-14/58

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】活性ガス又は不活性ガス或いは活性ガスと
不活性ガスとの混合ガスの導入口を備えた真空槽と、こ
の真空槽内において蒸発物質を蒸発させる蒸発源と、前
記真空槽内に配設されて前記蒸発源に対向する状態で薄
膜形成用の基板を保持する電気的絶縁性を有する材質に
より形成された基板ホルダと、前記蒸発源とこの基板ホ
ルダとの間に配置されて前記蒸発物質が通過する隙間を
有するグリツドと、このグリツドと前記蒸発源との間に
配置させた熱電子発生用のフイラメントと、前記グリツ
ドの電位を前記フイラメントの電位に対し正電位となる
よう所定の電位関係とさせる電源手段とからなることを
特徴とする薄膜形成装置。
A vacuum chamber provided with an inlet for an active gas or an inert gas or a mixed gas of an active gas and an inert gas; an evaporation source for evaporating an evaporating substance in the vacuum chamber; A substrate holder formed of an electrically insulating material for holding a substrate for forming a thin film in a state facing the evaporation source, and disposed between the evaporation source and the substrate holder. A grid having a gap through which the evaporating substance passes, a filament for generating thermoelectrons arranged between the grid and the evaporation source, and a predetermined potential so that the potential of the grid is positive with respect to the potential of the filament. A thin film forming apparatus comprising: a power supply means for establishing a potential relationship between the two.
【請求項2】活性ガス又は不活性ガス或いは活性ガスと
不活性ガスとの混合ガスの導入口を備えた真空槽と、こ
の真空槽内において蒸発物質を蒸発させる蒸発源と、前
記蒸発源に対向する状態で薄膜形成用の基板を保持する
電気的導電性を有する材質により形成された基板ホルダ
と、この基板ホルダを前記真空槽内に電気的絶縁状態で
配置させた介在部材と、前記蒸発源と基板ホルダとの間
に配置されて前記蒸発物質が通過する隙間を有するグリ
ツドと、このグリツドと前記蒸発源との間に配置させた
熱電子発生用のフイラメントと、前記グリツドの電位を
前記フイラメントの電位に対し正電位となるよう所定の
電位関係とさせる電源手段とからなることを特徴とする
薄膜形成装置。
2. A vacuum chamber provided with an inlet for an active gas or an inert gas or a mixed gas of an active gas and an inert gas; an evaporation source for evaporating an evaporant in the vacuum chamber; A substrate holder made of an electrically conductive material for holding a substrate for forming a thin film in an opposed state, an intervening member having the substrate holder arranged in the vacuum chamber in an electrically insulated state, and A grid having a gap through which the evaporating substance passes, which is disposed between the source and the substrate holder; a filament for generating thermoelectrons, which is disposed between the grid and the evaporation source; A thin-film forming apparatus comprising: a power supply unit for setting a predetermined potential relationship to a positive potential with respect to a filament potential.
【請求項3】活性ガス又は不活性ガス或いは活性ガスと
不活性ガスとの混合ガスの導入口を備えた真空槽と、こ
の真空槽内において蒸発物質を蒸発させる蒸発源と、前
記真空槽内に配設されて前記蒸発源に対向する状態で薄
膜形成用の基板を保持する対向電極と、前記蒸発源と対
向電極との間に配置されて前記蒸発物質が通過する開口
部を有するグリツドと、このグリツドと前記蒸発源との
間に配置させた熱電子発生用のフイラメントと、前記フ
イラメントの電位に対し前記グリツドの電位が正電位と
なる電位関係とさせる電源手段と、電気的に他部から浮
いた状態で前記蒸発源を加熱させる加熱電源手段とから
なることを特徴とする薄膜形成装置。
3. A vacuum chamber provided with an inlet for an active gas or an inert gas or a mixed gas of an active gas and an inert gas; an evaporation source for evaporating an evaporating substance in the vacuum chamber; A counter electrode which is disposed at a position and which holds a substrate for forming a thin film in a state facing the evaporation source; and a grid which is disposed between the evaporation source and the counter electrode and has an opening through which the evaporation substance passes. A filament for generating thermoelectrons disposed between the grid and the evaporation source; power supply means for causing the potential of the grid to be a positive potential with respect to the potential of the filament; And a heating power supply means for heating the evaporation source while floating from the surface.
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