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JPH0154430B2 - - Google Patents
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JPH0154430B2 - - Google Patents

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JPH0154430B2
JPH0154430B2 JP21518785A JP21518785A JPH0154430B2 JP H0154430 B2 JPH0154430 B2 JP H0154430B2 JP 21518785 A JP21518785 A JP 21518785A JP 21518785 A JP21518785 A JP 21518785A JP H0154430 B2 JPH0154430 B2 JP H0154430B2
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JP
Japan
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voltage
evaporation source
activation
nozzle
vapor
Prior art date
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Application number
JP21518785A
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Japanese (ja)
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JPS6277457A (en
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Kazuhiro Watanabe
Kazuya Saito
Ichiro Tanaka
Konosuke Inagawa
Akio Ito
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Ulvac Inc
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Ulvac Inc
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Publication date
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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、化合物膜や単体膜等を形成するのに
有利に用いられる活性化ノズルを用いた蒸着法に
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a vapor deposition method using an activated nozzle, which is advantageously used to form compound films, single films, and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、炭化物や窒化物等の化合物膜或いはSiC
膜等を形成するのに活性化反応性蒸着法が利用さ
れている。この活性化反応性蒸着法は、反応効率
を高めるために反応ガスをイオン化して化合物蒸
着を行なう方法であり、その従来例としては特開
昭48―60088号公報、特開昭49―52186号公報、特
公昭57―2271号公報および特公昭58―41351号公
報等に記載のものを挙げることができる。
Conventionally, compound films such as carbides and nitrides, or SiC
Activated reactive deposition methods are used to form films and the like. This activated reactive vapor deposition method is a method in which a reaction gas is ionized to perform compound vapor deposition in order to increase reaction efficiency. Conventional examples thereof include JP-A-48-60088 and JP-A-49-52186. Examples include those described in Japanese Patent Publication No. 57-2271 and Japanese Patent Publication No. 58-41351.

例えば特開昭49―52186号公報には、基体と金
属源との間の空間内で、活性化された金属蒸気お
よび炭化水素ガスの原子を蒸気相で反応性蒸着す
ることによつて炭化物被膜を蒸着する方法につい
て開示されており、蒸発源金属は電子ビームによ
つて加熱され、真空室内で蒸発し、反応区域へ金
属蒸気電子を供給する。そして反応区域内に炭化
水素ガスを導入すると共に反応区域に設けられた
偏向電極からの低電圧電界により反応区域へ偏向
された金属加熱用電子ビームの幾分かの電子で金
属蒸気およびガスの原子を活性化している。反応
物質の活性化により反応の確率を高め、金属蒸気
と炭化水素ガスとの反応が高い効率で行なわれる
ようにしている。
For example, JP-A No. 49-52186 discloses that a carbide coating is formed by reactively depositing activated metal vapor and hydrocarbon gas atoms in the vapor phase in the space between the substrate and the metal source. A source metal is heated by an electron beam and vaporized in a vacuum chamber, providing metal vapor electrons to a reaction zone. Then, a hydrocarbon gas is introduced into the reaction zone, and some electrons of the metal heating electron beam are deflected into the reaction zone by a low voltage electric field from a deflection electrode provided in the reaction zone, and the atoms of the metal vapor and gas are heated. is activating. Activation of the reactants increases the probability of reaction, allowing the reaction between metal vapor and hydrocarbon gas to occur with high efficiency.

また上記で挙げた特公昭58―41351号公報には
基板上に金属炭化物の窒化物の被膜を形成する活
性化反応蒸着法について記載されており、この場
合には電子銃として中空熱陰極型の電子銃を使用
し、基板の温度および反応ガスの圧力を制御して
化学量論的に安定した被膜を高能率で得るように
している。
Furthermore, the above-mentioned Japanese Patent Publication No. 58-41351 describes an activated reaction vapor deposition method for forming a nitride film of metal carbide on a substrate, and in this case, a hollow hot cathode type electron gun is used. An electron gun is used to control the temperature of the substrate and the pressure of the reaction gas to obtain a stoichiometrically stable coating with high efficiency.

さらに、特公昭57―2271号公報には基板上に金
属の炭化物または窒化物の被膜を形成する活性化
反応蒸着装置について記載されており、この場合
には、雰囲気ガスと反応ガスとの別個の供給制御
の煩雑さを避けるため反応ガスを中空熱陰極型の
電子銃を介して処理室内へ導入するようにしてい
る。
Furthermore, Japanese Patent Publication No. 57-2271 describes an activated reaction vapor deposition apparatus for forming a metal carbide or nitride film on a substrate, and in this case, separate atmospheric gas and reactive gas are used. In order to avoid the complexity of supply control, the reaction gas is introduced into the processing chamber via a hollow hot cathode type electron gun.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

このように化合物膜を形成するのに反応をより
促進させるためにプラズマを用いて蒸発物質や反
応ガスを活性させる方法においては、プラズマ密
度が高くなるような条件で行なわなければ効果が
少ないため、反応系内のガス圧力は高い値(5×
10-1Pa以上)に設定する必要がある。この状態
で蒸着を行なうと、ガス分子・原子による散乱が
多くなるため、膜質が低下し、析出速度も下が
る。また、上述のような従来の方法では、窒化ホ
ウ素,窒化ケイ素のように反応しにくい化合物膜
に関して化学量論組成比を得ることは非常に困難
である。
This method of using plasma to activate evaporated substances and reaction gases in order to accelerate the reaction to form a compound film has little effect unless it is carried out under conditions that increase the plasma density. The gas pressure in the reaction system is a high value (5×
10 -1 Pa or higher). If vapor deposition is performed in this state, scattering by gas molecules and atoms will increase, resulting in a decrease in film quality and a decrease in deposition rate. Furthermore, with the conventional methods described above, it is very difficult to obtain a stoichiometric composition ratio for films of compounds that are difficult to react with, such as boron nitride and silicon nitride.

そこで、本発明の目的は、低圧で高密度のプラ
ズマ状態を形成でき、高速で良質な膜を形成でき
る活性化ノズルを用いた蒸着法を提供することに
ある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a vapor deposition method using an activated nozzle that can form a high-density plasma state at low pressure and form a high-quality film at high speed.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記の目的を達成するために、本発明による活
性化ノズルを用いた蒸着法は、高圧電子ビーム、
レーザ、抵抗加熱、高周波加熱等を用いて蒸発物
質を加熱蒸発させるようにした蒸発源および熱陰
極から放出される熱電子を、直流正または交流電
圧を印加して活性化作用をもたせたガス導入用の
活性化ノズルのガス吹き出し口に引き込み上記活
性化ノズルの先端部に放電を起こさせ、上記活性
化ノズルを介して導入するガスおよび上記蒸発源
からの蒸発物質をイオン化、励起させると共に、
蒸着処理すべき被処理物に直流負または高周波電
圧を印加して、放電により生成したイオンを上記
被処理物に引き込ませ反応を効率的に行なわせる
ことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a vapor deposition method using an activated nozzle according to the present invention uses a high-voltage electron beam,
Introducing a gas that activates thermoelectrons emitted from an evaporation source and a hot cathode using laser, resistance heating, high-frequency heating, etc. to heat and evaporate the evaporated substance by applying a positive DC or AC voltage. A discharge is caused at the tip of the activation nozzle to ionize and excite the gas introduced through the activation nozzle and the evaporated substance from the evaporation source,
The method is characterized in that a negative direct current or high frequency voltage is applied to the object to be vapor-deposited, and ions generated by discharge are drawn into the object to efficiently carry out a reaction.

〔作用〕[Effect]

このように構成した本発明の方法においては、
高圧電子ビーム、レーザ、抵抗加熱、高周波熱等
を用いて蒸発物質を加熱蒸発させるようにした蒸
発源により、所要の材料物質が安定して蒸発さ
れ、活性化ノズルからは形成すべき膜の生成に必
要な反応ガスと共に適当な放電基体ガスが導入さ
れる。また熱陰極からは直接通電または間接加熱
により熱電子が放出される。活性化ノズルに直流
正または交流電圧を印加することにより、熱陰極
および蒸発源から出る熱電子は活性化ノズルに引
き込まれ、活性化ノズルの先端部近傍は系全体に
対して圧力(分子・原子密度)が高いため系全体
の圧力を上げることなしに活性化ノズルの先端部
近傍に高密度のプラズマが発生され得る。従つ
て、プラズマで発生したオン種および励起種は中
性ガス種等によつて散乱される頻度も下がり、そ
れと共に蒸着処理すべき被処理物に印加される直
流負または高周波電圧バイアスにより、高密度プ
ラズマからのイオンは効率良く蒸着処理すべき被
処理物に入射する。これによりイオン種または励
起種が蒸発物質と反応して所要の膜が形成され得
る。
In the method of the present invention configured as described above,
The required material is stably evaporated by an evaporation source that heats and evaporates the evaporation substance using a high-pressure electron beam, laser, resistance heating, high-frequency heat, etc., and the film to be formed is generated from the activation nozzle. A suitable discharge substrate gas is introduced along with the necessary reactive gases. Further, thermoelectrons are emitted from the hot cathode by direct current application or indirect heating. By applying a positive DC or AC voltage to the activation nozzle, thermionic electrons emitted from the hot cathode and evaporation source are drawn into the activation nozzle, and the vicinity of the tip of the activation nozzle creates pressure (molecules/atomic Since the plasma density is high, a high-density plasma can be generated near the tip of the activation nozzle without increasing the pressure of the entire system. Therefore, the frequency with which the ON species and excited species generated in the plasma are scattered by neutral gas species, etc., decreases, and at the same time, due to the direct current negative or high frequency voltage bias applied to the workpiece to be vapor-deposited, Ions from the density plasma efficiently enter the object to be vapor-deposited. This allows ionic or excited species to react with the evaporated material to form the desired film.

〔実施例〕〔Example〕

以下、添附図面を参照して本発明の一実施例に
ついて説明する。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1図には、本発明による方法を実施している
反応蒸着装置の一例を概略的に示し、1は真空容
器で、この真空容器1内には蒸発物質の入つた蒸
発源2が配置されており、この蒸発源2は高圧電
子ビーム、レーザ、抵抗加熱、高周波加熱等を用
いて蒸発物質を加熱蒸発させるように構成されて
おり、加熱手段は蒸発すべき物質やその他の条件
に応じて適当に選定され得る。蒸発源2に対向し
た位置には蒸着処理すべき被処理物を成す基板3
が配置されている。また真空容器1内には熱陰極
4、活性化ノズル5および基板加熱用ヒータ6が
示されており、熱陰極4は直流または交流電源7
に接続され、活性化ノズル5は直流正または交流
電圧を印加するため直流または交流電源8に接続
され、また基板3は直流負または高周波電圧を印
加するため高周波電源9または直流電源9′に接
続される。
FIG. 1 schematically shows an example of a reactive vapor deposition apparatus implementing the method according to the present invention, in which numeral 1 is a vacuum vessel, and an evaporation source 2 containing an evaporative substance is arranged in the vacuum vessel 1. The evaporation source 2 is configured to heat and evaporate the evaporation substance using a high-pressure electron beam, laser, resistance heating, high frequency heating, etc. The heating means is configured to heat and evaporate the evaporation substance depending on the substance to be evaporated and other conditions. can be selected appropriately. At a position facing the evaporation source 2, there is a substrate 3 which is a workpiece to be vapor-deposited.
is located. Also shown in the vacuum container 1 are a hot cathode 4, an activation nozzle 5, and a substrate heating heater 6, and the hot cathode 4 is connected to a DC or AC power source 7.
The activation nozzle 5 is connected to a DC or AC power source 8 for applying a DC positive or AC voltage, and the substrate 3 is connected to a high frequency power source 9 or a DC power source 9' for applying a DC negative or high frequency voltage. be done.

このように構成した図示装置を用いて窒化ホウ
素膜を形成する場合について説明する。
A case will be described in which a boron nitride film is formed using the illustrated apparatus configured as described above.

蒸発源2としては高圧電子ビーム蒸発源を使用
し、ホウ素を蒸発させ、活性化ノズル5から窒素
を導入して基板3上に窒化ホウ素膜を形成した。
この場合他の成膜条件は次の通りである。
A high-pressure electron beam evaporation source was used as the evaporation source 2 to evaporate boron, and nitrogen was introduced from the activation nozzle 5 to form a boron nitride film on the substrate 3.
In this case, other film forming conditions are as follows.

窒 素 分 圧 ……0.1Pa 活性化ノズル電圧・電流……0V〜70V、0A〜5A 電子ビーム電力 ……1.5KW 基板バイアス電圧 ……−100V 基 板 温 度 ……300℃ 活性化ノズル5の放電電流を変化させた場合の
膜組成の変化を第2図に示す。第2図から明らか
なように、活性化ノズル5に電流が流れていない
時、即ち通常の電界蒸着を行なつた場合には、組
成比(N/B)は0.03程度であるのに対して、活
性化ノズル5の電流を増していくに従い組成比は
上がり、化学量論的な組成(N/B=1)が得ら
れる。この場合組成はX線マイクロアナライザで
測定した。
Nitrogen partial pressure...0.1Pa Activation nozzle voltage/current...0V to 70V, 0A to 5A Electron beam power...1.5KW Substrate bias voltage...-100V Substrate temperature...300℃ Activation nozzle 5 FIG. 2 shows the change in film composition when the discharge current is changed. As is clear from Fig. 2, when no current flows through the activation nozzle 5, that is, when normal field evaporation is performed, the composition ratio (N/B) is about 0.03; As the current of the activation nozzle 5 is increased, the composition ratio increases and a stoichiometric composition (N/B=1) is obtained. In this case, the composition was determined using an X-ray microanalyzer.

なお、図示実施例において蒸着処理すべき被処
理物に掛けるバイアスを直流負電圧にするかまた
は高周波電圧にするかは成膜すべき物質に応じて
適宜選択され得る。
In the illustrated embodiment, whether the bias applied to the object to be vapor-deposited is a negative DC voltage or a high-frequency voltage can be appropriately selected depending on the substance to be deposited.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上、説明してきたように、本発明の方法によ
れば、高圧電子ビーム、レーザ、抵抗加熱、高周
波加熱等を用いて蒸発物質を加熱蒸発させるよう
にした蒸発源および熱陰極から放出される熱電子
を、直流正または交流電圧を印加して活性化作用
をもたせたガス導入用の活性化ノズルのガス吹き
出し口に引き込み上記活性化ノズルの先端部に放
電を起こさせ、上記活性化ノズルを介して導入す
るガスおよび上記蒸発源からの蒸発物質をイオン
化、励起させると共に、蒸着処理すべき被処理物
に直流負または高周波電圧を印加して、放電によ
り生成したイオンを上記被処理に引き込ませ反応
を効率的に行なわせるように構成しているので、
活性化ノズルの先端部の圧力が系全体に対して高
くなるため高密度なプラズマが容易に得られ、し
かも系全体としては低圧力のまま保つことがで
き、その結果、プラズマによつて生成されたイオ
ン種および励起種の被処理物への入射密度が増大
し、大きな面積に良質な膜を形成することができ
る。従つて本発明の方法を適用することにより、
窒化ホウ素、窒化ケイ素のように反応しにくい化
合物膜の形成においても容易に化学量論的な組成
を得ることができる。
As explained above, according to the method of the present invention, heat is emitted from the evaporation source and the hot cathode, which heat and evaporate the evaporation substance using a high-voltage electron beam, laser, resistance heating, high-frequency heating, etc. Electrons are drawn into the gas outlet of an activation nozzle for gas introduction which has an activation effect by applying a direct current or alternating current voltage, causing a discharge at the tip of the activation nozzle, and passing through the activation nozzle. In addition to ionizing and exciting the gas introduced by the evaporation source and the evaporated substance from the evaporation source, a negative DC or high frequency voltage is applied to the object to be vapor-deposited, and the ions generated by the discharge are drawn into the object to undergo a reaction. Because it is configured to perform efficiently,
Because the pressure at the tip of the activation nozzle is higher than that of the entire system, it is easy to obtain a high-density plasma, and the system as a whole can maintain a low pressure. The density of ion species and excited species incident on the object to be processed increases, and a high-quality film can be formed over a large area. Therefore, by applying the method of the present invention,
A stoichiometric composition can be easily obtained even when forming a film of a compound that is difficult to react with, such as boron nitride or silicon nitride.

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

第1図は本発明の方法を実施している反応蒸着
装置の一例を示す概略線図、第2図は第1図の装
置を用いて形成した種々な成膜条件における窒化
ケイ素膜の組成を示すグラフである。 図中、1:真空容器、2:蒸発源、3:基板、
4:熱陰極、5:活性化ノズル、6:基板加熱用
ヒータ、7:直流または交流電源、8:直流また
は交流電源、9:高周波電源、9′:直流電源。
Fig. 1 is a schematic diagram showing an example of a reactive vapor deposition apparatus implementing the method of the present invention, and Fig. 2 shows the composition of silicon nitride films formed using the apparatus shown in Fig. 1 under various film formation conditions. This is a graph showing. In the figure, 1: vacuum container, 2: evaporation source, 3: substrate,
4: hot cathode, 5: activation nozzle, 6: heater for heating the substrate, 7: DC or AC power supply, 8: DC or AC power supply, 9: high frequency power supply, 9': DC power supply.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 高圧電子ビーム、レーザ、抵抗加熱、高周波
加熱等を用いて蒸発物質を加熱蒸発させるように
した蒸発源および熱陰極から放出される熱電子
を、直流正または交流電圧を印加して活性化作用
をもたせたガス導入用の活性化ノズルのガス吹き
出し口に引き込み上記活性化ノズルの先端部に放
電を起こさせ、上記活性化ノズルを介して導入す
るガスおよび上記蒸発源からの蒸発物質をイオン
化、励起させると共に、蒸着処理すべき被処理物
に直流負または高周波電圧を印加して、放電によ
り生成したイオンを上記被処理物に引き込ませ反
応を効率的に行なわせることを特徴とする活性化
ノズルを用いた蒸着法。
1. Thermionic electrons emitted from the evaporation source and hot cathode are heated and evaporated by using high-voltage electron beams, lasers, resistance heating, high-frequency heating, etc., and are activated by applying a positive DC or AC voltage. ionizes the gas introduced through the activation nozzle and the evaporated substance from the evaporation source by causing a discharge at the tip of the activation nozzle, which has a An activation nozzle characterized by applying a negative direct current or high frequency voltage to the object to be vapor-deposited to draw ions generated by discharge into the object to efficiently carry out a reaction. Vapor deposition method using
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