JPS60100421A - イオンビ−ム装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、イオンビームを用いる装置に係り、特にイオ
ンビームを応用して成膜する装置において、イオンビー
ムの電荷を利用してこれを集束し、必要部分に選択的に
成膜するに好適な装置に関する。

〔発明の背景〕

第１図は従来技術のイオンブレーティングの一例である
。排気バイブ１から真空ポンプ（図示せず）により減圧
できるようにした真空容器２の中に蒸着物質３を入れた
坩堝４と蒸着される基板５が納められている。坩堝４と
基板５を支える基板ホルダ６ａの間には電圧を印加する
ようにしである。蒸着を行う場合、蒸着物質３を加熱装
置７ａにより加熱し、蒸発させる。蒸着物質５と基板５
０間には坩堝４と基板ホルダ６ａを介して電圧が印加さ
れているため、蒸着物質の蒸気ｐａは電荷をもらいイオ
ンとなって基板に飛んでいって付着する。これは、蒸気
としての熱エネルギーとイオンとしての加速エネルギー
の両方をもって基板に衝突して付着するイオンブレーテ
ィングである。この場合、蒸着物質３は基板５の全面に
一様に付着するため、特定の場所にイオンブレーティン
グが必要な場合、この方法で全面的に付着させ、次に光
露光によるパタニング等を用い不要部分を選択的に除去
し所望の部分に蒸着物質を残すという複雑で長い工程が
必要である。

第２図は従来技術のクラスタビーム蒸着技術の一例であ
る。排気パイプ１から真空ポンプ（図示せず）により減
圧できるようにした真空容器２の中に蒸着物質３を入れ
た坩堝４と蒸着される基板５が納められている。基板ホ
ルダ６ｂは通電加熱により高温に保つことができるよう
になっておシ、またアースとの間に電圧を印加し、基板
５を高電圧に保つようにしである。坩堝４け電子ビーム
照射等の加熱手段（図示せず）により加熱できるように
なっており、蒸着物質６を溶融蒸発させることができる
。坩堝４には蒸着物質の蒸気を吹き出すノズル７ｂが設
けられており、ノズル形状寸法と坩堝の内外の数桁の圧
力差によシ、ノズル７ｂから吹き出された蒸気は数十〜
数千個の原子のゆるい結合したクラスター８ｂとなり、
基板に飛んでいく。その途中で電子のシャワーをあびせ
ると、クラスターの一部がイオン化し、高電位に保たれ
た基板５に向って加速され高いエネルギで基板に付着す
る。従って、ノズル７ｂから吹き出されたままの大部分
のクラスターは１ｅＶ程度の低いエネルギーで付着堆積
し、イオン化されたクラスターは数ＫｅＶの加速エネル
ギがカあって基板に付着する。このようにして蒸着物質
３を加熱された基板５に付着させることによシ、膜質の
よい膜を制御性よく形成することができる。

この場合、第１図の例と同様、基板全面に一様に付着す
るため、特定の場所に蒸着させたいときは、先ず全面に
付着させ、次に光露光によるパタニング等を用い、不要
部分を選択的に除去し１所望の部分に蒸着物質を残す等
の複雑で長い工程が必要である。

第３図は、従来技術のクラスタビーム蒸着技術の他の一
実施例である。排気パイプ１から真空ポンプ（図示せず
）により減圧できるようにした真空容器２の中に、蒸着
物質６を入れた複数の坩堝４と基板５が納められている
。基板５を取付ける基板ホルダ６ｂは通電加熱により高
温に保つことができるようになっており、またアースと
の間に電圧を印加し、基板５を高電圧に保つようにしで
ある。複数の坩堝４は電子ビーム加熱等の手段にょシ加
熱し、蒸着物質６を溶融蒸発させることができる。坩堝
４には蒸着物質３の蒸気を吹き出すノズル７ｂが設けら
れており、ノズル形状寸法と坩堝の内外の数桁の圧力差
により、ノズル７ｂから吹き出す蒸気は数十〜数千個の
原子がゆるい結合をしたクラスター８ｂとなシ、基板の
同一部分に飛んでいく。その途中で電子シャワーをあび
せると、クラスターの一部がイオン化し、高電位に保た
れた基板５に向って加速され、高いエネルギで基板に付
着する。イオン化されなかったクラスターはそのまま１
ｅＶ前後の低いエネルギーで付着する。蒸着物質３を坩
堝４によって例えば、Ｇａ　、！：ＡＳのように変える
と、ＧａＡｓというように、化合物の膜を形成すること
ができ、また同じ物を入れておくと膜形成速度を坩堝が
１つの時より早くすることができる。

この場合も、第１図及び第２図と同様全面成膜であり、
選択的に所望の部分に成膜するには多くの追加工程が必
要である。

第４図は従来のクラスタイオンビーム蒸着技術の他の一
実施例である。排気パイプ１から真空ポンプ（図示せず
）によシ減圧できるようにした真空容器２の中に蒸着物
質３を入れた坩堝９と坩堝内で生じた蒸気を誘導し、吹
出させる多孔ノズル１０が設けられている。またこの多
孔ノズル１０に対向して通電加熱機能を有した基板ホル
ダ６があり、蒸着される基板５が取付けられている。

坩堝３は電子ビーム照射装置１１により加熱され、蒸着
物質ろは溶融蒸発する。そして、多孔ノズル１０の各ノ
ズルの形状寸法と坩堝内外の数桁の圧力差によ沙ノズル
１０から吹き出す蒸気は数十〜数千個の原子がゆるい結
合をしたクラスターとなり１ｅＶ前後の低いエネルギで
基板７に飛んでいき、付着する。この途中で電子ビーム
シャワーをクラスタに浴びせるとその一部がイオン化し
、高電位に保たれた電極１２によって加速され、数Ｋｅ
Ｖの高いエネルギで基板５に付着する。

この場合、第１図乃至第６図と同様全面成膜であり、選
択的に所望の部分に成膜する１こは多くの追加工程が必
要である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記のようなりラスタイオンビーム蒸着
技術の欠点をなくシ、所要の部分ζこ選択的に成膜する
集束クラスタタイプのイメーンビーム装置を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

所要の部分に選択的にクラスタイオンビームをつける方
法として、イオン化したクラスタビームを静電レンズに
よシ集束し、または集束してこれを偏向させて所要部分
に導き付着させる。

このようにすることによりビーム密度すなわち蒸着密度
は所要部分で高くなり、他の部分は低くナル。従ッて軽
くエツチングすることにより、所要部分のみに蒸着膜を
残すことができ、ノ＜タニングのだめの多くの工程を省
略することができる。

〔発明の実施例〕

第５図は本発明のクラスタイオンビーム装置の一実施例
を示す図である。真空容器（図示せず）の中に蒸着物質
３を入れた坩堝４と基板５が入っている。基板５を取付
ける基板ホルダ６ｂは通電加熱（ランプ加熱も可）によ
り高温に保つようになっており、ルツボと基板ホルダの
間に電圧を印加し基板例を高電圧に保てるようになって
いる。坩堝４は電子ビーム等の手段（図示せず）で加熱
し、蒸着物質３を溶融蒸発させる。坩堝４には蒸着物質
３の蒸気を吹き出すノズル７１）が設けられており、ノ
ズル形状寸法と坩堝の内外の数桁の圧力差により、ノズ
ル７ｂから吹き出す蒸気は数十〜数千個の原子がゆるい
結合をしたクラスター８ｂとなシ基板に飛んでいく。

この途中で電子シャワーを浴びせるとクラスターの一部
がイオン化し、高電位に保たれた基板５に向って加速さ
れ、高いエネルギで基板に付着する。このとき基板表面
をたたいて清浄化するとともに、ゆるい結合が破れて基
板にそって蒸着物質ろの原子が移動し、安定な位置に停
止する。またイオン化しないクラスターはそのまま低い
エネルギで基板に付着し、ゆるい結合が破れて同様に基
板にそって原子が移動し安定な位置に停止する。このノ
ズル７ｂと基板５０間で、イオン化のあとの部分に静電
し／ズ１３を配置するとイオン化したクラスターはこの
静電レンズ１３により集束され、高エネルギの微小スポ
ットとなって基板に到着し、そこで同上と同様の過程で
最も安定な位置に停止する。この場合、基板５上の集束
された微小スポット部分と、そのままの拡散角で付着す
る中性のクラスタビームによる部分では得られる膜の厚
さが著しく異なる。

いま、１００ｍｍ＃でビームが基板に付着するとし、こ
れをイオン化した５％のクラスタビームを１朋φに絞っ
て付着した膜と比較すると成膜速度は約０．２チである
。従って、所要の場所に１００％付着した基板の他の部
分には０．２％の厚さで不要部分に蒸着物質３が付着す
る。よってこの０２％をエツチングすることにより、所
要部分のみに膜をつけた基板を得ることができ、複雑な
工程を要するリソグラフィーエツチング工程を不要にす
ることができる。

また、偏向電極１４を一対用いるとイオン化したビーム
、を左右に走査することができ、固定の点だけでなく、
直線状に所望の箇定に成膜することができる。これを２
対用いると前後左右にビームを走査することができ所望
の形状に成膜することができる。偏向電極を用いる代り
に、基板ホルダをＸ、Ｙに移動しても同様のことができ
るが、実用上は偏向電極１４を用いるとはるかに取扱い
が容易で、走査速度も高くできる。

偏向を高速ｌこ大きな角度で行うことにより、ビームを
外してしまｂ成膜を中断するブランキングを行うことも
でき、自由度が著しく向上する。

基板を高電位に保つと都合の悪い場合は、別に加速用電
極１５を設ければよい。以後のすべての実施例でも同様
である。

第６図乃至第８図は本発明の装置に用いる静電レンズの
実施例を示したものである。第６図（ａ）は、円板の中
心に穴をあけたものでルツボ４ツノスルフｂを出たクラ
スタビームのうチ、イ茅ン化されたものは円孔レンズ１
６に印加された電圧ｖ１によシその周辺に構成された電
場分布１７によってまげられ、焦点面１８に集束される
。第６図（ｂ）杜、円孔の代りに円筒電極１９と円孔電
極２゜を組合せ電圧Ｖ、とｖ２を印加するようにした、
パイポテンシャルレンズの例である。第６図（Ｃ）は、
２つの円筒を同軸にならべ、＋Ｖ１と−Ｖ、に印加する
ようにした円筒加速レンズの場合の実施例である。

また、第７図（ａ）は、円筒の代りに２つの円板を＋Ｖ
１と−■、に印加した円板加速レンズの実施例である。

また第７図（Ｉ））は、幾何収差を最小にするような等
電位面になるように曲面を構成した、２枚パトラ−加速
レンズの実施例で、（Ｖ、と−■、に印加している。ま
た第７図（Ｃ）は円筒を３と用い−Ｖ１．→、Ｖ、　、
　−Ｖ、の電圧を印加した円筒３枚アインツエルレンズ
型の実施例である。また第７図（ｄ）は３枚の円筒にＶ
、　、　Ｖ２．　Ｖ、の三種類の電圧を印加するように
した円筒３枚非対称レンズの実施例である。

また第８図（ａ）は、−Ｖ、　、　＋Ｖ２．−Ｖｌ　に
印加した３枚の円孔を組合せた円板３枚アインツエルレ
ンズの実施例である。また第８図（ｂ）はＶ、　、　Ｖ
２゜ｖ３に印加した６枚の円孔を組合せた円板３枚非対
称レンズの実施例である。また第８図（ｄ）は−■、。

＋Ｖ、　、−Ｖｌに電圧印加した３枚対称パトラ−レン
ズの実施例である。

以上のように種々の静電レンズを用いることができる。

第９図は第５図によシ形成された付着膜の形状を示ＬＪ
：ものである。基板５の中央部には集束されたクラスタ
ビームによシ厚い膜２１が形成され、周辺の中性ビーム
のみがくる部分は薄い膜２２となっている。これを軽く
エツチングすると薄い膜部分と厚い膜の表面が除去され
、必要な中心部のみの膜２５が残されて目的の工程が°
完了する。

第１０図は本発明の他の一実施例である。蒸着物質６け
坩堝４に入れられ電子ビーム等の加熱手段（図示せず）
で加熱され、ノズル７ｂから真空容器（図示せず）の中
に断熱膨張で噴出され、クラスター８ｂとなり、電子シ
ャワーにより一部イオン化される。そして偏向電極２４
によりイオン化したクラスター２５はまげられて静電レ
ンズ１！Ｉの方向に導かれる。そして絞られて高電圧に
保たれた基板５の上に加速集束照射され成膜される。一
方イオン化されなかった中性クラスター２６はビームス
トッパー２７に達し、そこでブロックされる。このよう
にすると最初から必要ケ所のみ蒸着物質３を付着させる
ことができ、周辺の不要部をエツチングする手間が不要
となる。

第１１図は第５図の応用例で、クラスタビーム源を複数
個設けたものである。ビーム源２８と２９の材料を同じ
ものにすると成膜速度を上げることができる。また異な
る物質（例えばＧａとＡｓ）とすると化合物や合金膜を
マイクロに形成することができる〇 第１２図は本発明の他の一実施例である。坩堝（図示せ
ず）より生じた蒸着物質の蒸気５０は導管３１を通って
複数個の一列に設けられたノズル３２４こ導かれ、断熱
膨張状態で真空中に噴出され、クラスターとなる。そし
て各ノズルごとに設けられた電子ビーム照射部分６３に
よシ、一部はイオン化される。そしてやはシ各ノズルご
とに設けられた静電レンズ１３によりイオン化クラスタ
は集束され、紙面に直角方向に移動中の基板５の上に照
射され必要部分に蒸着される。蒸着位置は偏向電極１４
の印加電圧、極性の制御により、任意に選べる。このよ
うにするととにより、移動中の基板に連続的に選択的に
極部成膜をすることができる。またイオン化クラスタの
加速はレンズ１５の一■、の高電圧を利用している。

第１６図は上記第１２図の実施例によって得られた基板
５の上の蒸着膜２１の断面で、軽くエツチングすること
により、下図の如く必要な部分のみに必要な厚さの膜２
３を残すことができる。

第１４図は本発明のマルチノズルビームソースにおける
実施例である。ルツボ（図示せず）から発生した蒸着物
質の蒸気３０は導管３１を導かれて複数のノズル３２よ
シ断熱膨張状態で高真空中に吹出し、クラスタビームに
なす、電子ビーム照射部３５で一部がイオン化さ第１、
静電柱状レンズ６６により一方向のみが集束され、基板
５に付着する。基板５はノズルの並んでいる方向に移動
するため、基板を高速で送っても十分必要な膜厚がえら
れる。仁のように軸対称の円形レンズでなく、柱状のレ
ンズを用いることＩこより狭い巾の基板をマルチノズル
方式で高速に成Ｈｆることかできる。イオン化クラスタ
の加速ｊｃ／／′ｉ柱状静電レンズの一方の一■、の高
電圧を利用している。

第１５図は本発明の他の一実施例である。蒸着物質３を
入れた坩堝４は電子ビーム等の加熱手段（図示せず）で
加熱されて高温になり蒸着物質５の蒸気がノズル７６よ
＃）断熱膨張の状態で吹き出しクラスタを形成する。ぞ
して電子ビーム照射部４０で一部がイオン化され、＃電
しンズ１３でイオン化したり２スタのみが曲げられて集
束する。そこにピンホール４１を有する空間フィルター
４２を設けて、おくと中性化したクラスタの大部分は空
間フィルター４２で遮ぎられ、ピンホール４１を通過す
るのは大部分がイオン化クラスタビームである。このよ
うにして通過したビームを基板５に付着させることによ
り、加速エネルギを有するクラスタのみによる成膜が可
能となり、非常に高品質で緻密な膜が得られるようにな
った。ここで静電レンズ１３の第１電極−■、と第３電
極−■１および空間フィルター４２は負の高圧に保ち、
加速用電極として作用している。

第１６図は空間フィルター４２のあとに第２段の集束レ
イズ４６を設けた本発明の実施例である。

このようにすることにより、基板５上の所要部分に選択
的にイオン化クラスタのみを用いた高品質の膜を形成す
ることができる。

第１７図は本発明の他の実施例である。空間フィルター
４２の直後にフィルム状の基板４４を配して連続的に巻
き取ることにより従来得られなかった高品質の膜をイオ
ン化クラスタのみを用いることによシ得られるようにな
った。

更に本発明の実施例として第１８図に示すことが考えら
れる。４５は出入り可能ｉこ形成されたシャッタ、４６
は電子シャワーである。４７はスクリーンで拡縮できる
ように構成されている。４８は坩堝４を加熱段を示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によればイオン化したクラ
スタビームを静電レンズにより集束させることにより成
膜位置のマイクロ化、選択化が可能となりイオン化クラ
スタの割合増化による膜質向上がはかれるようζこなっ
た。また、空間フィルタで中性クラスタの大部分を除く
ことにより一段と膜質が向上し、ビームの制御性が上り
、周辺のエツチングｌこよる除去という後工程も不要と
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は従来技術の説明図、第５図は本発明
の一実施例を示す構成図、第６図乃至第８図は本発明に
用いた静電レンズの各実施例を示す図、第９図は第５図
１こ示す装置により形成された付着膜の形状を説明する
ための図、第１０図は本発明の他の一実施例を示した図
、第１１図は第５図の応用例を示した図、第１２図は更
に本発明の他の一実施例を示した図、第１３図は第１２
図の示す実施例によって得られた基板上蒸着膜の断面を
示す図、第１４図は本発明のマルチノズルビームンース
における実施例を示した図、第１５図は更に本発明の他
の一実施例を示した図、第１６図、第１７図、及び第１
８図は各々更に本発明の他の一実施例を示した図である
。 ４・坩堝、　５・・・基板、 ６ｂ　基板ホルダ、　７ｂ　ノズル、 ８ｂ・・・クラスター、１３・・・静電レンズ、１４　
偏向電極、１５・・・加速用電極。 第　Ｉ　図　２ 簡　２　図 第３図 第　５図 第６図 （ｂ） 拓　７１１Ｄ 第１２え 閉　／３　月 （Ｏ−） 第ｔｓ　ｒ２Ｎ 第７６０ 第１’７　Ｉ２８ 磐

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　高真空領域内に物質蒸気発生炉、電子放射源とイ
   オン引出し電極および薄膜を被着すべき基板を配置し、
   前記炉と前記引出電極との間には前者が正、後者が負と
   なるように加速電圧が印加され、前記物質蒸気発生炉内
   の蒸着物質は加熱により蒸気化され、その蒸気圧と前記
   高真空領域との間に圧力差を保持すると共に前記炉に設
   けられた小孔より前記蒸気を高真空中に噴射して断熱膨
   張による過冷却状態によって発生した塊状原子集団（ク
   ラスター）に対し、前記電子放射源より電子ビームを照
   射してクラスターを部分的にイオン化し、これを加速し
   て前記基板に薄膜を付着させる装置であって、クラスタ
   ーをイオン化する部分と基板との間にイオンの軌道を変
   える静電光学系を配置し、クラスターイオンを集束させ
   て薄膜を基板に付着させることを特徴とするイオンビー
   ム装置。 ２、　偏向電極により中性クラスタからイオン化クラス
   ターを分離し、これを集束させて基板１こ付着させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオンビー
   ム装置。 ６　集束させたクラスタイオンの集束部分に開口を有す
   る空間フィルターを設け、集束したクラスタイオンを選
   択的に取り出してこれを基板に付着させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のイオンビーム装置。