イオンビームミキシング方法

【目的】イオンビームミキシング方法で基板上に成膜する場合、成膜速度、膜質、基板と膜の付着力の改善を目的とする。
【構成】ミキシングチャンバー１７内のターゲット７にＡｒ⁺イオンビーム６を入射させてスパッタ原子８を放出せしめ、一方基板１１にはＮ₂⁺イオンビーム９を走査しながら照射すると共に、ミキシングチャンバー１７内には反応ガス１５を導入し、かつ光源１３から光１３ａ（主として紫外線）を基板１１の表面、反応ガス１５及びスパッタ原子８に照射して基板１１上にスパッタ原子８による成膜と同時にミキシングされたミキシング膜１６を成長させるように構成したものである。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はイオンビームミキシング方法に関し、特にガス及び光を使用したイオンビームミキシングを行う成膜法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、基板上に薄膜を形成する場合、スパッタリング又は真空蒸着による薄膜の形成後、イオンビームを薄膜上に照射して薄膜と基板の付着力を強化することが行われていた。
【０００３】この方法の一つとして図３に示すように真空チャンバー２１の内部にターゲット２４を装着したターゲットホルダー２５と試料２２を装着した試料ホルダー２３が互いに対向して配置され、ターゲット２４及び試料２２のそれぞれの表面にイオンビームを照射するイオン銃２７、２６が設けられているが、２個のイオン銃が必要であり、装置が複雑で大型となる欠点がある。
【０００４】これを改良したものとして、本出願人が提案した特願昭６３−３３４０９３号（複合イオンビーム照射方法及び照射装置）がある。この装置は図２に示すように、複合イオンビーム３を発生するイオン源１と、このイオン源１から放出された複合イオンビーム３を分離する質量分析器４と、この質量分析器４で分離された各イオンの進行方向を平行にせしめる複合イオンビーム偏向装置５と、分離された一方のイオンビームを走査させるビームスキャナー１０と、前記分離された各イオンビームを導入し、かつ薄膜を形成させる基板１１及びターゲット７を配置したミキシングチャンバー１２とよりなる。
【０００５】前記イオン源１には２種類のイオン源ガス（例えばＡｒ、Ｎ₂）を導入するガス導入管１ａ、１ｂが設けられており、イオン放出口１ｃの外側には放出されたイオン（Ａｒ⁺、Ｎ₂⁺）を加速して複合イオンビーム３とする加速電極２が設けられている。
【０００６】この加速電極２の出力側に設けられている前記質量分析器４は約１／４円周に沿って湾曲した円筒形で、横方向から一定の磁場が印加されて、通過するイオンビームをその質量及び荷電数に応じて湾曲せしめるように構成されている。
【０００７】この質量分析器４の出力端には分離されたそれぞれのイオンビームの軌跡を別個に微調整するために２組の対向する電極で構成された複合イオンビーム偏向装置５が設けられている。この各組の電極にはそれぞれ別個の電源により電圧Ｖ₁、Ｖ₂が印加されてそれぞれ独立した電場を構成するものである。
【０００８】この複合イオンビーム偏向装置５を通過したイオンビームのうち、一方の質量の大きいＡｒ⁺ビーム６はそのまま直進してミキシングチャンバー１２内のターゲット７を照射してスパッタ原子８を発生させ、他方の質量の小さいＮ₂⁺ビーム９はビームスキャナー１０を通過して基板１１を走査しながら照射する。
【０００９】上述の質量分析器４にはイオンビームの軌跡と垂直方向に磁場が印加されているので、この磁場を通過するイオンビームは加速された電圧が同じであれば、その原子特有の原子量（質量数）とイオンの荷電数との比に対応した曲率半径ρで湾曲した軌跡を描く
【００１０】例えば、Ａｒ⁺（ρ₁）とＮ₂⁺（ρ₂）の場合には
【数１】

となり、Ａｒ⁺ビーム６とＮ₂⁺ビーム９の軌跡は分離する。
【００１１】なお、上述のターゲット７のＡｒ⁺ビーム６による照射面は基板１１の方向に傾斜しており、Ａｒ⁺ビーム６の照射により発生するスパッタ原子８により基板１１に薄膜が形成される。
【００１２】上述のイオン源１からターゲット７、基板１１までのイオンビームの軌跡は図示しない容器内に収容されて１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒの真空に保持されているものである。
【００１３】次にこの動作について説明する。先ず、イオン源１のガス導入管１ａ、１ｂからそれぞれ異なったガスを導入する。上述の例ではＡｒガスとＮ₂ガスを使用している。この結果イオン源１の内部でＡｒ⁺とＮ₂⁺のイオンが混在した複合イオンが生成され、この複合イオンを加速電極２で加速して複合イオンビーム３として出力される。
【００１４】この複合イオンビーム３は質量分析器４に入力され、そこに印加されている磁場により各イオン原子の原子量及び荷電されている電子数に応じて磁場方向と垂直方向に湾曲された軌跡を描くことになる。
【００１５】この場合、各イオンの受ける力ＦはＦ＝ｑｖＢ＝ｍ（ｄ²ｘ／ｄｔ²）
ｑ：イオンの荷電量で１荷イオンでは１．６×１０^-19クーロン２荷イオンでは２×１．６×１０^-19クーロンｖ：イオンビームの速度（ｍ／ｓｅｃ）
Ｂ：磁場の強さ（Ｗｐ／ｍ²）
ｍ：イオンの質量で、Ｎ⁺ではｍ＝１４×９３８ＭｅＶＮ₂⁺ではｍ＝２８×９３８ＭｅＶＡｒ⁺ではｍ＝４０×９３８ＭｅＶ
【００１６】この力Ｆにより、イオンビームはその原子特有の上記の荷電数／質量数に対応した曲率半径で湾曲した軌道を描くので、同一点から入力した２種類のイオンビームの軌跡は分離され、異なった点から出力する。
【００１７】このように分離されたＡｒ⁺ビーム６及びＮ₂⁺ビーム９は複合イオンビーム偏向装置５のそれぞれの電場によって軌道が修正され、重い方のＡｒ⁺ビーム６は直進してターゲット７を照射し、ターゲット７の材質のスパッタ原子８を放射せしめる。このスパッタ原子８は基板１１の表面に薄膜を形成する。
【００１８】一方、同じく軌道を修正された軽い方のＮ₂⁺ビーム９はビームスキャナー１０で基板１１の全面に走査するように偏向され、基板１１の全面を照射する。
【００１９】この場合、Ａｒ⁺ビーム６によるターゲット７の照射と、Ｎ₂⁺ビーム９による基板１１の照射とは同時に行われているので、スパッタ原子８による基板１１上の成膜は、成膜が進行しながら同時にミキシングが行われている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の各方法でも成膜速度、膜質、基板との付着強度等で改善を必要とする点がある。特に改善された後者の場合では、装置等ではほぼ満足すべき状態であるが、成膜そのものに、なお上述のような改善すべき点がある。
【００２１】本発明は上述の問題を解決して、装置も簡単で、かつ成膜も理想的な膜質となるような成膜方法を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するために、スパッタリング又は真空蒸着による粒子と注入イオンを基板表面で混合させて薄膜を形成せしめる方法において、前記粒子と反応するガスを導入し、前記反応ガス及び前記粒子の両方、又は何れか一方に光を照射しつつ薄膜を形成するものである。なお、前記照射する光が紫外線であるものがある。
【００２３】
【実施例】図１は本発明の成膜方法を実施するためのミキシングチャンバーである。このミキシングチャンバーは上述の特願昭６３−３３４０９３号の複合イオンビーム照射装置（図２に示す）のミキシングチャンバー１２に代わるもので、それより前側のイオンビームの生成過程は同じであるので、主としてミキシングチャンバー部分の説明をする。
【００２４】図１のミキシングチャンバー１７にはスパッタ原子８と反応する反応ガス１５を導入する反応ガス導入管１４が設けられており、更に基板１１の表面、反応ガス１５及びスパッタ原子８を照射する光１３ａを発生する光源１３が設けられている。
【００２５】実験例−１イオン源１にガス導入管１ａ、１ｂからそれぞれＡｒガス０．１ＣＣＭとＮ₂ガス０．０６ＣＣＭを導入し、Ａｒ⁺とＮ₂⁺の複合イオンを生成する。この複合イオンを２０ｋＶの電圧を印加した加速電極２でイオン放出口１ｃから引出して複合イオンビーム３とし、質量分析器４の電磁石に電流１３Ａを通電して磁場を発生させ、Ａｒ⁺ビーム６とＮ₂⁺ビーム９とに分離する。このうちＡｒ⁺ビーム６（ビーム電流３００μＡ）をターゲット７のＴｉ表面に照射し、Ｔｉのスパッタ原子８を放出させる。
【００２６】一方、Ｎ₂⁺ビーム９（ビーム電流８０μＡ）をビームスキャナー１０で走査してアルミナの基板１１の全面に照射する。この場合、反応ガス導入管１４から反応ガス１５としてＮ₂ガスをミキシングチャンバー１７内に０．４ＣＣＭ導入し、同時に基板１１の表面、反応ガス１５及びスパッタ原子８に重水素ランプよりなる光源１３から紫外線（波長１１２ｎｍ）を照射する。
【００２７】この状態で４時間照射後、基板１１上にミキシング膜１６としてＴｉＮが２２８ｎｍの厚さに成膜されていた。この成膜速度は、ミキシングチャンバー１２内でＮ₂ガスを導入せず、紫外線も照射しない以外は上述と同じ条件で成膜した場合に比べて２倍速かった。
【００２８】実験例−２イオン源１にガス導入管１ａ、１ｂからそれぞれＡｒガス０．２ＣＣＭとＮ₂ガス０．１ＣＣＭを導入し、Ａｒ⁺とＮ₂⁺の複合イオンを生成する。この複合イオンを２０ｋＶの電圧で加速した加速電極２でイオン放出口１ｃから引出して複合イオンビーム３とし、質量分析器４の電磁石に電流１３．５Ａを通電して磁場を発生させ、Ａｒ⁺ビーム６とＮ^{2 +}ビーム９とに分離する。このうちのＡｒ⁺ビーム６（ビーム電流３００μＡ）をターゲット７のＴｉ表面に照射し、Ｔｉのスパッタ原子８を放出させる。
【００２９】一方、Ｎ₂⁺ビーム９（ビーム電流３００μＡ）をアルミナの基板１１に照射する。この場合、反応ガス導入管１４から反応ガス１５としてＮ₂ガスをミキシングチャンバー１７内に０．８ＣＣＭ導入し、同時に基板１１の表面、反応ガス１５及びスパッタ原子８に重水素ランプよりなる光源１３から紫外線（波長１１２ｎｍ）を照射する。
【００３０】この状態で４時間照射後、基板１１上にミキシング膜１６としてＴｉＮが３５０ｎｍの厚さに成膜されていた。この成膜速度はミキシングチャンバー１２内でＮ₂ガスを導入せず、紫外線も照射しない以外は上述と同じ条件で成膜した場合に比べて２．４倍速かった。
【００３１】
【発明の効果】上述のように、反応ガス１５を導入し、かつ紫外線を照射することにより、スパッタ原子８による成膜と同時にミキシング膜１６となるので、付着力の強いミキシング膜１６の生成が可能である。
【００３２】又、一旦成膜してからミキシングする従来方法と比べて成膜速度を２倍以上早くすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオンビームミキシング方法を実施するためのミキシングチャンバーの構成図である。
【図２】従来の改良された複合イオンビーム照射装置の構成図である。
【図３】従来のイオンビームミキシング装置の構成図である。
【符号の説明】
１イオン源
２加速電極
３複合イオンビーム
４質量分析器
５複合イオンビーム偏向装置
６Ａｒ⁺ビーム
７ターゲット
８スパッタ原子
９Ｎ₂⁺ビーム
１０ビームスキャナー
１１基板
１３光源
１３ａ光
１４反応ガス導入管
１５反応ガス
１６ミキシング膜
１７ミキシングチャンバー

【特許請求の範囲】
【請求項１】スパッタリング又は真空蒸着による粒子と注入イオンを基板表面で混合させて薄膜を形成せしめる方法において、前記粒子と反応するガスを導入し、前記反応ガス及び前記粒子の両方、又は何れか一方に光を照射しつつ薄膜を形成することを特徴とするイオンビームミキシング方法。
【請求項２】前記照射する光が紫外線であることを特徴とする請求項１のイオンビームミキシング方法。

【図１】