JPS6393870A - Thin film forming device - Google Patents

Thin film forming device

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JPS6393870A
JPS6393870A JP23843586A JP23843586A JPS6393870A JP S6393870 A JPS6393870 A JP S6393870A JP 23843586 A JP23843586 A JP 23843586A JP 23843586 A JP23843586 A JP 23843586A JP S6393870 A JPS6393870 A JP S6393870A
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JP
Japan
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grid
substrate
thin film
material vapor
vapor
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JP23843586A
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Japanese (ja)
Inventor
Wasaburo Ota
太田 和三郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To form a thin film which has high adhesiveness onto a substrate, is dense and has high purity on the substrate, by disposing a thermoelectron generating filament between a part for introducing a thin film forming material in the form of vapor or mist (material vapor) and grid so that the ionization of the material vapor even under a high vacuum is permitted. CONSTITUTION:An inert gas or the like is introduced into a vacuum vessel consisting of a base plate 1, a bell-jar 2, etc., and a power supply is operated to impress positive potential to the grid 8 and negative potential to a counter electrode 12 for holding the substrate 1. Electric current is conducted to the thermoelectron generating filament 6. Molecules of Ar, etc., which are the gas introduced into the vessel are ionized positive by the bombardment against the thermoelectrons from the filament 6. Part of the material vapor introduced from the introducing part 3 are ionized positive by the above-mentioned Ar ions or thermoelectrons. The partly ionized material vapor is further accelerated in the ionization as the vapor passes the grid 8, by which even the unionized parts are ionized positive between the grid 8 and the substrate 13. The material vapor, thus, collide against and stick onto the substrate 13 with high energy and the thin film having the good adhesiveness is formed.

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は薄膜形成装置に関し、特に基板に対して極めて
強い密着性を有し、かつ耐熱性のないプラスチック等の
基板にも適用し得る薄膜形成装置に係る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film forming apparatus, and more particularly to a thin film forming apparatus that has extremely strong adhesion to a substrate and can be applied to substrates made of plastic or the like that are not heat resistant.

丈來技豆 従来、薄膜を形成するPVD法の代表的な手段として、
導入部と被蒸着物(基板)との間に高周波電磁界を発生
させて、活性あるい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う、所謂イオンプレーテインク
方法がある。また、導入部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ク方法が特公昭52
−29971号公報、特公昭52−29091号公報等
において提案されている。これらの方法によれば被蒸着
物である基板表面がイオン衝撃で清浄化かつ活性化され
、作製した膜の何首力は大きくとれるものの、所定のイ
オン化を図るためにはある程度の量の活性あるいは不活
性ガスを真空槽内に導入しなければならず、得られる薄
膜のII!a質があまりよくないという欠点を有するも
のである。
Traditionally, PVD is a typical method for forming thin films.
There is a so-called ion plate ink method in which vacuum deposition is performed by generating a high-frequency electromagnetic field between an introduction part and an object to be deposited (substrate) to ionize a substance evaporated in an active or inert gas. In addition, a DC ion plate ink method in which a DC voltage is applied between the introduction part and the object to be deposited was published in 1983.
This method has been proposed in Japanese Patent Publication No. 29971, Japanese Patent Publication No. 52-29091, etc. According to these methods, the surface of the substrate to be deposited is cleaned and activated by ion bombardment, and although the strength of the produced film can be increased, a certain amount of activation or activation is required to achieve the desired ionization. An inert gas must be introduced into the vacuum chamber, and the resulting thin film II! It has the disadvantage that its a-quality is not very good.

これに対し、CVD法はPVD法に比べて比較的簡単な
設備により成膜でき、強い反応性を有するものではある
が、基板を所定温度にまで昇温しなければならず、従っ
てプラスチック等の耐熱性を有しない基板には適用でき
ないという欠点を有するものである。
On the other hand, the CVD method can form a film using relatively simple equipment compared to the PVD method, and although it has strong reactivity, the substrate must be heated to a predetermined temperature, and therefore This method has the disadvantage that it cannot be applied to substrates that do not have heat resistance.

■−−五 本発明は、上記したPVD法およびCVD法の利点を同
時に実現するものであり、基板に対して極めて強い密着
性を有し、かつ耐熱性のないプラスチック等の基板にも
適用し得る薄膜形成装置を提供することを目的とするも
のである。
■--5 The present invention simultaneously realizes the advantages of the above-mentioned PVD method and CVD method, and has extremely strong adhesion to the substrate, and can also be applied to substrates made of plastic, etc., which are not heat resistant. The object of the present invention is to provide a thin film forming apparatus that can obtain the desired results.

青−一双 本発明に係る薄膜形成装置は、主として真空槽と、蒸気
もしくは霧状とした薄膜化材料(以下、材料蒸気という
)を真空槽内に導入する導入部と、対電極と、グリッド
と、熱電子発生用のフィラメントとを具えてなるもので
ある。
The thin film forming apparatus according to the present invention mainly includes a vacuum chamber, an introduction section for introducing vapor or atomized thin film material (hereinafter referred to as material vapor) into the vacuum chamber, a counter electrode, and a grid. , and a filament for generating thermoelectrons.

真空槽内には、活性もしくは不活性ガス、あるいは、こ
れら両者の混合ガスが導入される。
An active gas, an inert gas, or a mixture of both gases is introduced into the vacuum chamber.

本発明における対電極は真空槽内に配備され、基板を保
持し、かつ上記基板は材料蒸気導入部と対向させられて
いる。また、材料蒸気導入部と対電極とは同電位かもし
くは対電極が負の電位におかれる。
The counter electrode in the present invention is arranged in a vacuum chamber and holds a substrate, and the substrate is opposed to the material vapor introduction section. Further, the material vapor introducing portion and the counter electrode are placed at the same potential, or the counter electrode is placed at a negative potential.

グリッドは、材料蒸気を通過させうるちのであって、材
料蒸気導入部と対電極間に配置され、対電極及びフィラ
メントの電位にたいして正電位におかれる。従って、真
空槽内においては、グリッドから基板に向かう電界と、
グリッドから材料蒸気導入部に向かう電界とが逆向きに
形成される。
The grid, which allows material vapor to pass through, is placed between the material vapor inlet and the counter electrode and is at a positive potential with respect to the potentials of the counter electrode and the filament. Therefore, in the vacuum chamber, the electric field from the grid toward the substrate,
An electric field is formed in the opposite direction from the grid toward the material vapor introduction section.

また熱電子発生用のフィラメントは、真空槽内の、上記
グリッドに関し、材料蒸気導入部側に配置され、このフ
ィラメントにより発生する熱電子は、材料蒸気の一部を
正イオンにイオン化するのに供される。このように一部
イオン化された材料蒸気は、グリッドを通過し、さらに
、イオン化されたガスにより正イオン化を促進され、上
記電界の作用により基板の方へと加速される。
Further, a filament for generating thermionic electrons is placed on the side of the material vapor introduction part with respect to the grid in the vacuum chamber, and the thermionic electrons generated by this filament are used to ionize a part of the material vapor into positive ions. be done. The partially ionized material vapor passes through the grid, is positively ionized by the ionized gas, and is accelerated toward the substrate by the action of the electric field.

なお、フィラメントからの電子は、フィラメント温度に
対応する運動エネルギーをもってフィラメントから放射
されるので、正電位のグリッドに直ちに吸引されずにこ
れを通過し、グリッドによるクーロン力により引き戻さ
れ、さらにグリッドを通過し、というように、グリッド
を中心として振動運動を繰返し、遂にはグリッドに吸収
されるので、基板へは達せず、基板は電子衝撃を受けな
いので、それによる加熱がなく基板の温度上昇が防止で
きる。従って、プラスチックスのような耐熱性の無い材
質のものでも、基板とすることが出来る。
Note that electrons from the filament are emitted from the filament with kinetic energy that corresponds to the filament temperature, so they pass through the positive potential grid without being immediately attracted to it, are pulled back by the Coulomb force of the grid, and then pass through the grid. As the vibrational motion is repeated around the grid, it is finally absorbed by the grid, so it does not reach the substrate, and the substrate is not subjected to electron impact, so there is no heating caused by it, and the temperature rise of the substrate is prevented. can. Therefore, even materials without heat resistance such as plastics can be used as the substrate.

以下、図示の実施例について説明する。The illustrated embodiment will be described below.

第1図において、ベースプレート1とペルジャー2とは
、バッキング21を介して一体化され真空槽を形成して
いる。ベースプレート1は。
In FIG. 1, the base plate 1 and the Pelger 2 are integrated via a backing 21 to form a vacuum chamber. Base plate 1.

支持体兼用の電極5,7.11により貫通されているが
、これら支持体兼用電極などの貫通部はもちろん気密状
態にあり、さらにこれら支持体兼用゛な極5,7.11
とベースプレート1とは電気的に絶縁されている。また
ベースプレート1の中央部に穿設された孔IAは図示さ
れていない真空排気系へ連結されている。
The electrodes 5, 7.11 which also serve as supports pass through the electrodes 5, 7.11, but the penetrating portions of these electrodes which also serve as supports are of course in an airtight state, and the electrodes 5, 7.11 which also serve as supports
and base plate 1 are electrically insulated. Further, a hole IA formed in the center of the base plate 1 is connected to a vacuum exhaust system (not shown).

材料蒸気導入部3は、ステンレススチールなどにより一
端が真空槽内に開口するノズル状に形成されており、グ
リッド8の電位に対して負の電位の端子に接続されてい
る(図の場合はアース)、他端は図示されない、薄膜形
成材料を収納するボンベなどに接続され、形成すべき薄
膜の組成によっては複数のボンベにガス混合器等を介し
て接続されている。
The material vapor introduction section 3 is made of stainless steel or the like and is formed into a nozzle shape with one end opening into the vacuum chamber, and is connected to a terminal with a negative potential with respect to the potential of the grid 8 (in the case of the figure, it is connected to a terminal with a negative potential relative to the potential of the grid 8). ), and the other end is connected to a cylinder (not shown) containing a thin film forming material, and depending on the composition of the thin film to be formed, it is connected to a plurality of cylinders via a gas mixer or the like.

一体の支持体兼用電極5の間には、タングステンなどに
よる、熱電子発生用のフィラメント6が支持されている
。このフィラメント6の形状は、複数本のフィラメント
を平行に配列したり、あるいは網目状にしたりするなど
して、材料蒸気導入部からの材料蒸気の拡がりをカバー
するように定められている。支持体兼用電極7には、グ
リッド8が支持されている。このグリッドは、材料蒸気
を通過させうる形状にその形状が定められているが、こ
の例では網目状である。支持体11には対電極12が支
持され、その下位には基板13が適宜の方法で保持され
る。この状態を材料蒸気導入部3の側から見れば、基板
13の背後に対電極12が配置される事となる。
A filament 6 made of tungsten or the like for generating thermionic electrons is supported between the integrated support electrodes 5. The shape of the filament 6 is determined by arranging a plurality of filaments in parallel or forming a mesh to cover the spread of the material vapor from the material vapor introduction section. A grid 8 is supported on the support electrode 7 . The grid has a shape that allows the material vapor to pass through, and in this example it has a mesh shape. A counter electrode 12 is supported on the support 11, and a substrate 13 is held below it by an appropriate method. If this state is viewed from the side of the material vapor introduction section 3, the counter electrode 12 will be placed behind the substrate 13.

支持体兼用電極5,7.11は導電体であって電極とし
ての役割を兼ねており、それらの、真空槽外へ突出した
端部間は図示のように種々の電源に接続されている0図
示例の場合は、支持体兼用電極7が、直流電圧電源16
の正端子に、支持体兼用電極11が、直流電圧電流17
の負端子に、そして支持体兼用電極5は熱電子発生用電
源15にそれぞれ接続されている0図中の接地は必ずし
も必要ない。
The supporting electrodes 5, 7.11 are conductors that also serve as electrodes, and their ends protruding outside the vacuum chamber are connected to various power sources as shown in the figure. In the case of the illustrated example, the support electrode 7 is
A support electrode 11 is connected to the positive terminal of the DC voltage and current 17.
The support electrode 5 is connected to the negative terminal of the support electrode 5, and the grounding shown in FIG.

実際には、これら電気的接続は、種々のスイッチ類を含
み、これらの操作により、成膜プロセスを実現するので
あるが、これらスイッチ類は図中に示されていない。
Actually, these electrical connections include various switches, and the operation of these switches realizes the film forming process, but these switches are not shown in the figure.

以下、このような装置を用いて薄膜を形成する場合につ
いて説明する。
The case where a thin film is formed using such an apparatus will be described below.

基板13を図の様にセットして、真空槽内はあらかじめ
、10−’〜10−’Torrの圧力にされ、これに必
要に応じて、活性ガスもしくは不活性ガス、あるいはこ
れらの混合ガスが1O−2〜10−4丁orrの圧力で
導入される。ここでは、説明の具体性のため、導入ガス
は1例えば、アルゴンなどの不活性ガスであるとする。
The substrate 13 is set as shown in the figure, and the inside of the vacuum chamber is brought to a pressure of 10-' to 10-' Torr in advance, and if necessary, active gas, inert gas, or a mixture thereof is added. It is introduced at a pressure of 10-2 to 10-4 orr. Here, for the sake of concreteness of explanation, it is assumed that the introduced gas is an inert gas such as argon.

この状態において、電源を作動させグリッド8に正の電
位が、対電極12には負の電位が印加され、フィラメン
ト6には電流が流される。真空槽内の導入ガスであるア
ルゴン分子はフィラメント6より放出された熱電子との
衝突によってその外殻電子がはじきだされ、正イオンに
イオン化される。このようにして、導入された材料蒸気
の一部は、前期イオン化されたアルゴンイオンまた、熱
電子によって正にイオン化される。このように、一部イ
オン化された材料蒸気はグリッド8を通過するが、その
際、前記のように、グリッド近傍において上下に振動運
動する。熱電子および、前期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。
In this state, the power source is activated, a positive potential is applied to the grid 8, a negative potential is applied to the counter electrode 12, and a current is applied to the filament 6. Argon molecules, which are the gas introduced into the vacuum chamber, collide with thermionic electrons emitted from the filament 6, causing their outer shell electrons to be ejected and ionized into positive ions. In this way, a portion of the introduced material vapor is positively ionized by the previously ionized argon ions and also by thermionic electrons. In this way, the partially ionized material vapor passes through the grid 8, and as it does so, it vibrates up and down in the vicinity of the grid, as described above. Ionization is further promoted by the collision of thermionic electrons and the previously ionized introduced gas.

グリッド8を通過した材料蒸気中、いまだイオン化され
ていない部分は、更に、グリッドと基板の間に於いて、
前期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。
The unionized portion of the material vapor that has passed through the grid 8 is further ionized between the grid and the substrate.
Due to the collision with the previously ionized introduced gas, it is ionized into positive ions and the ionization rate is increased.

このようにして、正イオンにイオン化された材料蒸気は
、グリッド8から対電極12に向かう電界の作用により
基板13に向かって加速され、基板に高エネルギーを持
って衝突付着する。これによって、非常に密着性の良い
薄膜が形成される。
In this way, the material vapor ionized into positive ions is accelerated toward the substrate 13 by the action of the electric field directed from the grid 8 toward the counter electrode 12, and collides with the substrate with high energy. This forms a thin film with very good adhesion.

熱電子は最終的には、その大部分がグリッド8に吸収さ
れ、一部の熱電子はグリッド8を通過するが、グリッド
8と基板13との間で、前期電界の作用によって、減速
されるので、仮に基板13に到達しても、同基板13を
加熱するには到らない。
Most of the thermoelectrons are eventually absorbed by the grid 8, and some of the thermoelectrons pass through the grid 8, but are decelerated by the action of the electric field between the grid 8 and the substrate 13. Therefore, even if it reaches the substrate 13, it will not heat the substrate 13.

本発明においては、材料蒸気のイオン化が極めて高いた
め、真空槽内に活性ガスを単独で、あるいは不活性ガス
とともに導入して成膜を形成する場合にも、所望の物性
を有する薄膜を容易に得ることが出来る。
In the present invention, since the ionization of the material vapor is extremely high, even when forming a film by introducing an active gas alone or together with an inert gas into a vacuum chamber, it is possible to easily form a thin film with desired physical properties. You can get it.

例えば、不活性ガスとしてアルゴン、活性ガスとして酸
素を導入して、圧力を10−’Torrに調整し、材料
蒸気としてSiH,を選択すれば、基板上にはSin、
の薄膜を形成することができる。
For example, if argon is introduced as an inert gas and oxygen is introduced as an active gas, the pressure is adjusted to 10-' Torr, and SiH is selected as the material vapor, then Si,
can form a thin film of

材料蒸気としては、どんな組成の薄膜を形成させるかに
よって決定されるが、例えば、シリコーンの薄膜を成膜
させるのであれば、SiH4あるいは、 S x C1
4+ 282などが導入される。
The material vapor is determined depending on the composition of the thin film to be formed. For example, if a silicone thin film is to be formed, SiH4 or S x C1 is used as the material vapor.
4+282 etc. will be introduced.

また、SiO2の薄膜を成膜させるのであれば、S i
 H、+ 02が導入される。 また、カーボンの薄膜
を成膜させるのであれば、炭素を含む殆どの有機物質が
使用出来、アルコール類、ベンゼン類、アルコール水溶
液、メタンガス等の有機ガス等々が使用される。また、
金属薄膜の成膜をさせるのであれば、金属ハロゲン化物
(Cuの成膜ならばCuC14,Alの成膜ならばAI
CL)あるいは金属塩(Alの成膜には、Al(CH,
−CH)(CH3)i、Nxの成膜には、N1(Co)
4)、合金の成膜であれば、それぞれの成分金属の塩化
物の混合ガスが使用される。また、ガリウム砒素の成膜
であれば、 Ga(CH,)、+AsH,の混合ガスが
使用される。ここに例示した以外の成分、あるいは化合
物・元素より成るガスによっても、成膜可能なことは勿
論である。
Moreover, if a thin film of SiO2 is to be formed, Si
H,+02 is introduced. Furthermore, if a thin film of carbon is to be formed, most organic substances containing carbon can be used, such as alcohols, benzenes, aqueous alcohol solutions, and organic gases such as methane gas. Also,
If a metal thin film is to be formed, metal halide (CuC14 is used for Cu film formation, AI is used for Al film formation).
For film formation of Al(CL) or metal salt (Al(CH,
-CH)(CH3)i, N1(Co) is used to form the Nx film.
4) When forming an alloy film, a mixed gas of chlorides of each component metal is used. Further, in the case of forming a film of gallium arsenide, a mixed gas of Ga(CH,) and +AsH is used. Of course, it is possible to form a film using gases made of components or compounds/elements other than those exemplified here.

なお、本発明装置に於いて、例えば、グリッド8と対電
極12との間に高周波電磁界を発生させつる高周波電極
を設置すれば、前記イオン化はこの高周波電磁界によっ
て、さらに促進され、前記種々の効果が増大され、効果
的である。
In the device of the present invention, for example, if a high-frequency electrode that generates a high-frequency electromagnetic field is installed between the grid 8 and the counter electrode 12, the ionization will be further promoted by this high-frequency electromagnetic field, and the various effect is increased and effective.

効   果 以上のような本発明によれば、材料蒸気導入口とグリッ
ドとの間に配置した熱電子発生用のフィラメントが配置
されており、このフィラメントによる熱電子が真空槽内
のガスのイオン化に有効に寄与し、10−’Torr以
下の圧力の高真空下に於いても材料蒸気のイオン化が可
能であり、このため、薄膜の構造も極めて緻密なものと
することが可能であり、通常、薄膜の密度はバルクのそ
れより小さいとされているが、本発明によれば、バルク
の密度に極めて近似した密度が得られる。さらに、この
ような高度の真空下で成膜を行えることにより、薄膜中
へのガス分子の取り込みを極めて少なくすることができ
、高純度の薄膜を得ることが可能となる。また、本発明
によれば、材料蒸気がイオン化し、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、結晶化を必要とする成膜を温度(反応温度
、結晶化温度)という熱エネルギーを与えずに実現出来
るので低温成膜が可能となり、従って、耐熱性の弱いプ
ラスチックスなどを基板に使用することができる。すな
わち、本発明の薄膜形成装置はIC。
Effects According to the present invention as described above, a filament for generating thermionic electrons is disposed between the material vapor inlet and the grid, and thermionic electrons generated by the filament ionize the gas in the vacuum chamber. It is possible to ionize the material vapor even under a high vacuum with a pressure of 10-' Torr or less, and therefore, the structure of the thin film can be extremely dense, and usually, Although the density of a thin film is said to be lower than that of a bulk film, according to the present invention, a density very close to that of a bulk film can be obtained. Furthermore, by performing film formation under such a high degree of vacuum, the incorporation of gas molecules into the thin film can be extremely reduced, making it possible to obtain a highly pure thin film. In addition, according to the present invention, material vapor is ionized and has high electrical energy (electron/ion temperature), so film formation that requires reactivity or crystallization can be performed at high temperature (reaction temperature). Since it can be realized without applying thermal energy (temperature, crystallization temperature), low-temperature film formation is possible, and therefore, materials such as plastics with low heat resistance can be used for the substrate. That is, the thin film forming apparatus of the present invention is an IC.

LSIなどを構成する半導体薄膜や、その電極としての
高純度の金属薄膜の形成に極めて好適なものである。
It is extremely suitable for forming semiconductor thin films constituting LSI etc. and high purity metal thin films as electrodes thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明装置の一実施例を示す断面概略説明図で
ある。 1・・・ベースプレート  2・・・ペルジャー3・・
・材料蒸気導入部  5 、7.11・・・支持体兼用
電極6・・・フィラメント   8・・・グリッド12
・・・対電極      13・・・基 板15・・・
熱電子発生用電源 16.17・・・直流電圧電源21
・・・パツキン
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of the device of the present invention. 1...Base plate 2...Pelger 3...
・Material vapor introduction part 5, 7.11... Electrode that also serves as support 6... Filament 8... Grid 12
...Counter electrode 13...Substrate 15...
Power source for thermoelectron generation 16.17...DC voltage power source 21
... Patsukin

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、活性ガスもしくは不活性ガス、あるいはこれら両者
の混合ガスが導入される真空槽と、この真空槽内に薄膜
化材料を蒸気あるいは霧状として導入する導入部と、前
記真空槽内に配置され、基板を前記導入部に対向するよ
うに保持し、導入部と同電位あるいは負電位におかれる
対電極と、前記導入部と対電極との間に配置されて対電
極および導入部に対して正電位におかれ、材料蒸気を通
過させうるグリッドと、このグリッドと導入部との間に
配置され、熱電子発生用のフィラメントとを具えたこと
を特徴とする薄膜形成装置。
1. A vacuum chamber into which an active gas, an inert gas, or a mixture of both gases is introduced, an introduction section into which a thin film forming material is introduced in the form of vapor or mist into the vacuum chamber, and a vacuum chamber arranged in the vacuum chamber. , the substrate is held so as to face the introduction part, a counter electrode is placed at the same potential or a negative potential as the introduction part, and a counter electrode is placed between the introduction part and the counter electrode and is placed with respect to the counter electrode and the introduction part. 1. A thin film forming apparatus comprising: a grid placed at a positive potential and capable of passing material vapor; and a filament disposed between the grid and an introduction section for generating thermionic electrons.
JP23843586A 1986-10-07 1986-10-07 Thin film forming device Pending JPS6393870A (en)

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JP23843586A JPS6393870A (en) 1986-10-07 1986-10-07 Thin film forming device
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JP (1) JPS6393870A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4982696A (en) * 1988-01-08 1991-01-08 Ricoh Company, Ltd. Apparatus for forming thin film
WO2018135220A1 (en) * 2017-01-19 2018-07-26 日立オートモティブシステムズ株式会社 Electronic device

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