JP2509221B2

JP2509221B2 - スパッタ型イオン源

Info

Publication number: JP2509221B2
Application number: JP62131716A
Authority: JP
Inventors: 茂登松岡; 堅一小野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1996-06-19
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: JPS63298939A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、金属イオンや各種化合物イオンを有効に引
き出して薄膜形成やエッチング等に用いるスパッタ型イ
オン源に関し、より詳細には高効率のイオン化とイオン
の引き出しをすることのできるスパッタ型イオン源に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来から、プラズマ中で生じたイオンをグリッド等の
イオン引き出し機構で選択的に引き出すイオン源はエッ
チングや各種表面処理に利用されている。また、金属イ
オンを取り出すためのイオン源としてスパッタ型イオン
源あるいは液体金属イオン源が用いられている。一般に
それらのイオン源は、第６図に示すように、プラズマ生
成室11と、プラズマ生成室11の外周に配設された磁界発
生用電磁石８とを備え、プラズマ生成室11内に熱電子放
出用フィラメント14を有するカウフマン型イオン源に代
表される装置、または金属粒子を取り出すイオン源に金
属粒子放出源としてのアンテ型ターゲットを用いた装置
によって実現されている。

従来のイオン源で、イオンを取り出すイオン引き出し
機構13を有する第６図に示したカウフマン型イオン源で
は、熱電子放出用フィラメント14を用いているため反応
ガスを用いるとそのフィラメント14が劣化し、アルゴン
等の不活性ガスイオンしか取り出すことができない。ま
た、金属イオンも取り出すことはできない。これに対し
て、アンテナ型ターゲットを用いたスパッタ型イオン源
では、各種金属イオンを取り出すことはできるが、ター
ゲットとしてのアンテナがプラズマ生成用の電力供給源
にもなっており、スパッタの持続によるアンテナの消耗
によりイオンを長時間にわたって安定に取り出すことは
できない。しかも、大面積にわたるイオンの引き出しは
できない。また、液体金属イオン源は、金属を溶融する
までの温度にまで加熱する必要があるため対象材料が限
定されていたい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上述のような従来の問題点を解消
し、高密度プラズマによるスパッタリングを利用して高
効率のイオン化とそのイオンの引き出しをすることので
きるスパッタ型イオン源を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明のスパッタ
型イオン源は、プラズマ生成室と、プラズマ生成室に結
合され、内部に基板ホルダーを有する試料室とを備えた
ガス導入口を有する真空槽と、プラズマ生成室の外周に
設けられ、プラズマ生成室の側壁と平行に磁界を形成
し、かつ基板ホルダーに向って拡散する磁界を形成する
磁石と、一端がマイクロ波導入窓を介してマイクロ波導
波管に結合され、他端がプラズマ生成室の端部に磁石に
よってプラズマ生成室内に形成される磁束と直角方向に
結合されている真空導波管と、プラズマ生成室の内部上
端に磁石により形成される磁束に対してほぼ直交する向
きに設置され、負電圧を印加するターゲットと、プラズ
マ生成室と試料室の間に設置され、プラズマ生成室内で
生じたイオンの一部を取り出すイオン引き出し機構とを
備えたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、高い活性度の高密度プラズマを発生させ、
そのプラズマを利用したスパッタによって生じた粒子
を、そのプラズマ中でイオン化し、そのイオンを選択的
に引き出すことのできるスパッタ型イオン源に関するも
のである。すなわち本発明は、発散磁界中で電子サイク
ロトロン共鳴（ECR）によりプラズマを生成および加熱
し、その最も高密度のプラズマの前面に配置したターゲ
ットに負電圧を印加し、イオンを有効に引き込むことに
よって高効率のスパッタを実現する。この時、プラズマ
生成室はマイクロ波空洞共振器として作用するため、タ
ーゲットは共振の妨げにならないようプラズマ生成室の
内部上端に設置されている。また、磁束に対し直交する
向きにターゲット面を配置すれば、ターゲットに引き込
まれるプラズマ粒子が磁束を横切ることはほとんどなく
最も効率よく引き込むことができる。そこで生じた粒子
をプラズマ中でイオン化し、そのイオンをグリッド等の
イオン引き出し機構で引き出すことによって高効率で金
属イオンを得ている。しかも、真空導波管はプラズマ生
成室の回りに配設した電磁石による磁束に直交させて配
置しており、プラズマが磁束の直角方向に拡散すること
はないため、マイクロ波導入窓がプラズマにさらされる
ことが防止される。また、マイクロ波導入窓がプラズマ
生成室の側壁よりも外側に設置されているために、プラ
ズマの一部が真空導波管方向にしみ出すことによるマイ
クロ波導入窓の汚れが低減される。さらに、真空導波管
を例えばＬ字型に形成し、プラズマ生成室内からはマイ
クロ波導入窓が直接見えないようにすれば、プラズマに
拘束されずに拡散する粒子が微量存在しても、その拡散
粒子がマイクロ波導入窓へ付着することを防止できる。
そのため、本発明によれば、金属等の導電性材料膜をス
パッタする場合にもマイクロ波導入窓がくもることはな
く、連続して長時間安定に引き出すことを可能とする。

〔実施例〕

以下、図面に基づき本発明の実施例について説明す
る。

第１図は本発明の実施例であるスパッタ型イオン源の
構成概要図である。真空槽４は真空導波管10,プラズマ
生成室11および試料室９からなる。また真空槽４にはマ
イクロ波導入窓６を通して順にマイクロ波導波管７、更
に図示しない整合器、マイクロ波電力計、アイソレータ
等のマイクロ波導入機構に接続されたマイクロ波源から
マイクロ波を供給する。真空導波管10は、プラズマ生成
室11の周囲に配置した磁界発生用電磁石８によって発生
する磁界の磁束方向に対し直交するようにプラズマ生成
室11に結合される。また、プラズマ生成室11内に設置さ
れた円板状ターゲット12から直接見えない部分に配置さ
れたマイクロ波導入窓６には石英ガラス板を用い、マイ
クロ波源としては、例えば2.45GH_zのマグネトロンを用
いている。

プラズマ生成室11および真空導波管10はプラズマ生成
による温度上昇を防止するために、水冷される。図示し
ないガス導入系がプラズマ生成室11に直接接続される。
そのプラズマ生成室11に接して基板２を有する試料室９
が配置されている。基板２の上にはイオンを遮断するこ
とができるように図示しないシャッタを配置している。
またその基板２を支持する基板ホルダーはヒータを内蔵
しており基板２を加熱することができる。さらに基板２
には直流あるいは交流の塩圧を印加することができ、膜
形成中の基板バイアスや基板のスパッタクリーニングを
行うことができる。

プラズマ生成室11は、マイクロ波空洞共振器の条件と
して、一例として、円形空洞共振モードTE₁₁₃を採用
し、内のりで直径20cm高さ20cmの円筒形状を用いてマイ
クロ波の電界強度を高め、マイクロ波放電の効率を高め
るようにした。プラズマ生成室11の下端、すなわち、試
料室９へ通じる面には10cm径の穴があいており、その面
に２枚のグリッドからなるイオン引き出し機構13を備え
ている。その面はマイクロ波に対する反射面ともなり、
プラズマ生成室11は空洞共振器として作用している。

プラズマ生成室11内には、負の電圧を印加できるター
ゲット12を配置し、そのターゲット12は水冷されたター
ゲットホルダーに接着されている。またターゲット12は
プラズマ生成室11内のマイクロ波放電の妨げにならない
ようプラズマ生成室11内部上端に設置されている。本実
施例ではターゲット12へイオンを有効に引き込むよう
に、ターゲット面を磁束方向と直交するように、イオン
引き出し口と対向する面に10cm径の円板状ターゲット12
を配置している。ECRによって得られた最も高密度のプ
ラズマ中のイオンをターゲット12に負の電圧を印加する
ことにより有効に引き込み、高効率のスパッタを実現す
る。

プラズマ生成室11の外周には、電磁石８を配設し、こ
れによって発生する磁界の強度をマイクロ波による電子
サイクロトロン共鳴（ECR）の条件がプラズマ生成室11
の内部で成立するように決定する。例えば周波数2.45GH
_zのマイクロ波に対しては、ECRの条件は磁束密度875Gで
あるため、その磁束密度875Gがプラズマ生成室11の内部
のどこかで実現されている。そのECRによって、効率よ
く電子にエネルギーが与えられ、結果として低ガス圧中
で高密度プラズマが生成される。

第２図は、本発明のスパッタ型イオン源の位置に対応
する磁束密度を示し、図中破線は磁束中心軸を示す。一
方、プラズマ生成室11へのマイクロ波の進入方向である
真空導波管10の方向は、その真空導波管10の方向が電磁
石８によって発生する磁界の磁束方向に対して直交して
いるため、プラズマが磁束を横切って磁束の直交方向に
拡散することはなく、真空導波管10の中にプラズマが拡
散してゆくことがない。ターゲット12からスパッタされ
た粒子はほとんどが中性であるが、その一部分はプラズ
マ生成室11内の高密度、高温プラズマ中でイオン化さ
れ、そのイオンをグリッド等のイオン引き出し機構13で
選択的に引き出す。

第３図に本発明のスパッタ型イオン源におけるプラズ
マの生成状態概要図を示す。第１図と同じ符号は同じ部
分を示している。本図では、プラズマ生成用のガスとし
てArを用いる。ここで、プラズマを生成する際のパラメ
ータは、プラズマ生成室のガス圧、マイクロ波のパワ
ー、ターゲットでのスパッタ電力、磁場の勾配等であ
る。ここで、例えば2.45GH_zの周波数のマイクロ波に対
しては、前述のように共鳴条件である磁束密度875Gがプ
ラズマ生成室内のいずれかの部分で達成されていればよ
く、基板２方向へ磁場強度がゆるやかに減少する発散磁
場勾配か、あるいは基板２とプラズマ生成室11との間で
磁場強度の最小値が存在するミラー磁場勾配の磁場分布
が達成されている。ここで、そのプラズマの前面に配置
されたターゲット12に負の電圧を印加し高効率のスパッ
タを実現することによりプラズマ中に放出されたターゲ
ットの構成粒子M⁰の一部はそのプラズマ３中でイオン化
されM⁺となり、そのイオンM⁺をグリッド等のイオン引き
出し機構13で選択的に引き出すことができる。この結
果、数eVから数keVの比較的低いエネルギーを持った各
種金属イオンM⁺を引き出すことができる。また、プラズ
マが活性であるため、10^-5Torr台のより低いガス圧でも
放電が安定に形成できる。またイオンの原料放出源とし
てターゲット12を用いているため、そのターゲット12の
面積を大きくし、イオン引き出し用グリッドの開口面積
を大きくすることも容易であることから、大面積のイオ
ンビーム引き出しを容易に実現できる。

さらに、第１図に示した本発明の構成のように、真空
導波管10が電磁石８により形成される磁束方向に対して
直交してプラズマ生成室11に結合していると、プラズマ
が磁束に直交して拡散することはないため、結果として
プラズマはマイクロ波導入方向に加速されることはな
い。すなわち、本発明実施例のスパッタ型イオン源では
真空導波管10を使用し、しかもマイクロ波導入窓６をプ
ラズマ生成室11内に設置されたターゲット12から直接見
えない位置に配置しているために、生成イオンの種類に
よらず、またそのイオン電流にもよらず、マイクロ波導
入窓６の曇りがなく、ほとんどの材料のイオンを連続し
て長時間安定に引き出すことを可能としている。

次に、本発明実施例のスパッタ型イオン源を用いてAl
イオンを引き出し、Al膜のイオンビーム堆積をした結果
について説明する。試料室９の真空度を５×10^-7Torrの
真空止まで排気した後、Arガスを毎分3ccのフロー速度
で導入しプラズマ生成室11内のガス圧を１×10^-4Torrと
してマイクロ波電力100〜500W、円板状のAlターゲット
への投入電力100〜500W、イオン引き出し電圧100V〜1kV
の条件下で膜を形成した。このとき試料台は加熱しない
で常温で膜形成を行った。この結果、Alのイオン電流と
して5mA〜100mA、Al膜の堆積速度として0.3〜5nm/minの
堆積速度で長時間連続して安定に効率よくAl膜を堆積で
きた。

第４図は、横軸にターゲット印加電圧（加速電圧）を
取り、縦軸にターゲット放電電流を取り、両者の関係を
示したものであり、ガス圧は0.01Pa（パスカル）、マイ
クロ波パワーが85W,160W,250Wおよび330Wの場合につい
て示した。この図よりターゲット放電電流は、マイクロ
波パワーに依存し、ターゲット印加電圧を一定にしてマ
イクロ波パワーを変化させることにより、スパッタ効率
が抑制できることがわかる。

また、第５図はイオン引き出し用のグリッド印加電圧
と引き出しイオン電流との関係を示したものであり、ガ
ス圧0.01Pa、マイクロ波パワーが160W,250Wおよび330W
の場合について示した。この図よりグリッド印加電圧と
引き出しイオン電流とは比例しており、またその傾きは
マイクロ波パワーにより変化する。つまり引き出される
イオンの量は、グリッド印加電圧を一定にした場合にマ
イクロ波パワーにより制御できる。

以上説明したように、第４図および第５図から、本発
明の装置を用いて金属イオンを取り出す場合、スパッタ
効率およびイオン引き出し量は、ターゲット印加電圧お
よびグリッド印加電圧を変化させることなくマイクロ波
パワーにより制御できる。一方、このときの引き出し粒
子のうち90％がイオンであった。

本発明のスパッタ型イオン源は、Al膜のイオンビーム
堆積のみならず、ほとんどすべての薄膜の形成とイオン
の引き出しに用いることができ、また導入するガスとし
てほとんどの反応性ガスを用いて、反応性スパッタを実
現することにより化合物のイオンビーム堆積も実現出来
る。さらに、磁場勾配は、単純な発散磁場勾配にかぎら
ず、ミラー磁場勾配を用いてもよい。

また、本発明の装置の実施例では、ターゲットに対し
て特に磁場を印加していないが、ターゲット表面に適当
な磁束を交差させてターゲット表面に電子を効率よく拘
束することによりマグネトロン放電と組み合わせてより
高速のスパッタ型イオン源として用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、プラズマ生成に電子
サイクロトロン共鳴によるマイクロ波放電を用い、磁場
強度がゆるやかに変化する発散磁場勾配あるいはミラー
磁場勾配中でスパッタを行い、そこで生じたイオンを高
効率で引き出すことを実現するものであり、イオンの種
類や量によらず、大面積に連続して長時間安定な金属イ
オン引き出しを実現するものである。

本発明ではECRに必要な磁場を電磁石によって得てい
るが、これを種々の永久磁石やヨークを用いて、あるい
はそれらを組み合わせて形成しても全く同様の効果をも
つことは明らかである。

また、本発明は円板状ターゲットを用いており、従来
用いていた特殊な形状のターゲットと比較して、ターゲ
ット交換等が容易に行えるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のスパッタ型イオン源の構成概
要図、第２図は第１図に示した本発明の実施例のスパッタ型イ
オン源の磁束密度分布図、第３図は本発明のスパッタ型イオン源におけるプラズマ
の生成状態概要図、第４図は本発明の実施例のスパッタ型イオン源における
ターゲットでの放電特性図、第５図は本発明の実施例のスパッタ型イオン源における
イオン引き出し電圧に対するイオン電流の変化特性図、第６図はカウフマン型イオン源の構成図である。２……基板、３……プラズマ、４……真空槽、５……磁束、６……マイクロ波導入窓、７……マイクロ波導波管、８……磁界発生用電磁石、９……試料室、 10……真空導波管、 11……プラズマ生成室、 12……円板状ターゲット、 13……イオン引き出し機構、 14……熱電子放出用フィラメント。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ生成室と、該プラズマ生成室に結合され、内部に基板ホルダーを有
する試料室とを備えたガス導入口を有する真空層と、前記プラズマ生成室の外周に設けられ、前記プラズマ生
成室の側壁と平行に磁界を形成し、かつ前記基板ホルダ
ーに向って拡散する磁界を形成する磁石と、一端がマイクロ波導入窓を介してマイクロ波導波管に結
合され、他端が前記プラズマ生成室の端部に前記磁石に
よって前記プラズマ生成室内に形成される磁束と直角方
向に結合されている真空導波管と、前記プラズマ生成室の内部上端に前記磁石により形成さ
れる磁束に対してほぼ直交する向きに設置され、負電圧
を印加するターゲットと、前記プラズマ生成室と前記試料室の間に設置され、前記
プラズマ生成室内で生じたイオンの一部を取り出すイオ
ン引き出し機構とを備えたことを特徴とするスパッタ型
イオン源。