JP2566602B2

JP2566602B2 - イオン源

Info

Publication number: JP2566602B2
Application number: JP63025603A
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: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JPH01201467A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、試料基板上に各種材料の薄膜を形成し、ま
たは薄膜表面のエッチングまたは表面改質をするための
イオンを引き出す装置に関するものであり、特に高密度
プラズマによるスパッタリングを利用して各種イオンを
高電流密度、高効率で連続して長時間安定に引き出すた
めの新規な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
引出し機構を用いて引き出すいわゆるイオン源は、各種
材料および薄膜のエッチングまたは加工に各方面で広く
用いられている。中でも第17図に示すような熱電子放出
用フィラメントを備えたカウフマン型イオン源がもっと
も一般的に用いられている。カウフマン型イオン源はプ
ラズマ生成室１の内部に熱電子放出用のフィラメント２
を有し、このフィラメント２を陰極として電磁石３によ
って発生した磁界中で放電を起こさせることによりプラ
ズマ４を発生させ、このプラズマ４中のイオンを数枚の
引き出しグリッド５を用いてイオンビーム６として引出
すものである。

従来のカウフマンイオン源に代表されるイオン源はプ
ラズマ生成用の熱電子をフィラメントを用いて取り出し
ているため、そのフィラメント材料がスパッタされ不純
物として引出されたイオンに含まれてしまう。さらにプ
ラズマ生成用ガスとして酸素等の反応性ガスを用いた場
合には、反応性ガスがフィラメントと反応し、長時間連
続したイオン引出しができないと言う大きな欠点があっ
た。しかも引出されるイオンはAr等のガスを原料とした
ものに限られていた。金属イオン源として、アンテナ型
マイクロ波金属イオン源があるが、スパッタによるアン
テナの消耗により長時間連続してイオン引出しができ
ず、しかも大面積にわたるイオン引出しができない。

また従来のイオン源においては、プラズマ中のガスや
粒子のイオン化が十分でなく、しかもプラズマに投入さ
れた電力の殆どが熱エネルギーとして消費されていま
い、投入電力にしめるプラズマ形成（電離）に用いられ
る電力の割合が低いという欠点があった。

スパッタを利用したイオン源としては電子サイクロト
ロン共鳴（ECR）を利用したマイクロ波放電によるスパ
ッタ型イオン源（特開昭62-224686号）が提案されてお
り、高効率のイオン源として種々の特徴を持っている。

スパッタを利用して、大電流イオン源を実現するには
プラズマ密度を高密度に高効率に保つ必要がある。その
ためには、ターゲットから放出される二次電子（γ電
子）を効率的に閉じ込めることが重要であるが、上記の
技術では、この二次電子の閉じ込めが不十分で、高エネ
ルギー電子のエネルギーを有効にプラズマに伝えること
ができず、大電流スパッタ型イオン源技術として十分と
は言い難い。

［発明が解決しようとする課題］イオン源として望まれる条件をまとめると、（１）大収量（大イオン電流）であること、（２）不純物が少ないこと、（３）イオンのエネルギーが広い範囲にわたって制御で
きること、（４）不活性ガスのみでなく金属イオン等の各種イオン
も取り出せること、が上げられる。

しかしこのような条件を満足するイオン源はこれまで
実現されていない。

本発明は従来の欠点を改善し、上記各条件を満たし得
るイオン源を提供することを目的とする。

［課題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、本発明はガスを導
入してプラズマを発生させるプラズマ生成室と、プラズ
マ生成室の端部に設けられたイオン引出し機構と、プラ
ズマ生成室内部の両端部に設けられたそれぞれスパッタ
リング材料よりなる第１および第２のターゲットと、第
１および第２のターゲットにそれぞれプラズマ生成室に
対して負の電位を印加する少なくとも１個の電源と、プ
ラズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつ第１および第
２のターゲットの一方から出て他方に入る磁束を生成す
る手段とを具えたことを特徴とする。

本発明はガスを導入してプラズマを発生させるプラズ
マ生成室と、プラズマ生成室の端部に設けられたイオン
引出し機構と、プラズマ生成室の内側面に沿って設けら
れたスパッタリング材料よりなる円筒状のターゲット
と、ターゲットにプラズマ生成室に対して負の電位を印
加する電源と、プラズマ生成室の内部に磁場を形成し、
かつターゲットの一端部から出て他端部に入る磁束を生
成する手段とを具えたことを特徴とする。

［作用］本発明は、低い圧力のガス中で高密度プラズマを発生
させ、そのプラズマを用いたスパッタを行い、そこで生
じたイオンを高電流密度、高効率に連続して引き出せる
ものである。すなわち本発明においては、プラズマ生成
室内の両端部にスパッタリング材料からなるターゲット
を設置し、プラズマ生成室の周囲に設けた磁石によって
ターゲットの一方から他方へ通ずる磁束を発生せしめる
と共に、ターゲットにプラズマ生成室に対して負の電位
を印加することによって、ターゲットから放出される二
次電子（γ電子）をプラズマ中に反射する電界のミラー
効果を用い、ターゲット間に形成されている磁界の閉じ
込めを利用して低加速電圧，高密度プラズマを容易に生
成できる。本発明によれば高速電子のエネルギーがさら
に有効にプラズマに伝えられ、結果として、より高効率
の高密度プラズマ生成、ひいては大電流イオン引出しが
可能となる。

［実施例］以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明によるイオン源の実施例の断面図であ
る。プラズマ生成室７にはプラズマを生成するためのガ
スが導入口８から導入されるようになっている。プラズ
マ生成室７の一端部にはイオン引出用グリッド９が設け
られている。本実施例ではグリッド９は２枚の多孔グリ
ッド9Aおよび9Bからなり、各グリッドは絶縁体10を付し
てプラズマ生成室の底部をなす壁7Aに取付けられ、グリ
ッド9Aおよび9Bには電源11Aおよび11Bから負の電圧が印
加される。プラズマ生成室７の内部の他端部には平板状
のターゲット12が、グリッド９の近傍には円筒状のター
ゲット13が設けられている。ターゲット12は水冷可能な
金属製支持体12Aに取りはずし可能に固定され、支持体1
2Aはねじ蓋12Bによってプラズマ生成室７の上部の壁7B
に固定される。支持体12Aと壁7Bとは絶縁体12Cによって
絶縁されている。同様にターゲット13は水冷可能な金属
製支持体13Aに取りはずし可能に固定され、支持体13Aは
絶縁体13Cを介してねじ蓋13Bによって壁7Cに固定され
る。支持体12Aおよび13Aのそれぞれの突出端部12Dおよ
び13Dは電極を兼ね、直流電源14および15からターゲッ
ト12および13にプラズマ生成室７に対して負の電圧を印
加することができる。プラズマ生成室７には正の正位を
印加するのが好ましい。プラズマ生成室側のグリッド9A
にはプラズマ生成室７に対して−数＋から−200Vの電圧
を印加しておくと、グリッドに加速されたイオンがグリ
ッド上に堆積した膜を取除く効果がある。

プラズマ生成室７の外周には、プラズマ生成室の内部
に磁界を形成するための電磁石16が設けられている。電
磁石16が発生する磁束17が両ターゲット面を横切り、磁
束が一方のターゲットの表面からでて他方の表面に入る
ように、電磁石16およびターゲット12と13の位置を定め
る。プラズマ生成室は水冷可能とするのが望ましい。タ
ーゲット12および13の側面をプラズマから保護するため
に、プラズマ生成室の内面にはシールド7Dおよび7Eを設
けることが好ましい。

プラズマ生成室７内を高真空に排気した後、ガス導入
口８からガスを導入して、電磁石16による磁界中でター
ゲット12,13に印加する電圧を増加すると放電を生じプ
ラズマが発生する。プラズマ中のイオンをイオンビーム
18として引き出すことができる。ターゲット間の磁束は
ターゲット表面から生成された二次電子（γ電子）が磁
界に垂直方向に散逸するのを防ぎ、さらにプラズマを閉
じ込める効果をもち、その結果低ガス圧中で高密度プラ
ズマが生成される。

第２図は第１図に示したイオン源を利用した薄膜形成
装置の一例の断面図である。イオン引出用グリッド９を
挟んで試料室19がプラズマ生成室７と結合されている。
試料室19とプラズマ生成室７とは絶縁するのがよい。試
料室19にはガス導入口20からガスを導入することがで
き、排気系21によって高真空に排気することができる。
試料室19内には基板22を保持するための基板ホルダ23が
設けられ、基板ホルダ23とイオン引出しグリッド９との
間に開閉可能なシャッタ24が設けられている。基板ホル
ダ23にはヒータを内蔵して基板を加熱できるようにする
のが好ましく、また基板22に直流あるいは交流の電圧を
印加して膜形成中の基板へのバイアス電圧の印加、基板
のスパッタクリーニングが可能なように構成するのが望
ましい。

プラズマの生成に影響を与える要因は、プラズマ生成
室のガス圧、ターゲットへの投入電力、磁場分布、ター
ゲット間距離等である。

引出したイオンのエネルギーは主にプラズマ生成室７
とイオン引出しグリッド９に印加する電圧の相対差であ
る加速電圧により制御することができる。

第３図に、第２図に示した薄膜形成装置における磁束
方向の磁場強度分布の例を示した。磁場は発散磁場であ
る。

ここで本発明のイオン源における高密度プラズマ生成
の原理を第４図により詳細に説明する。

プラズマ生成室にガスを導入し、ターゲット12,13に
負の電圧を印加して、ガス中に放電を生ぜしめ、ガスを
電離する。負電圧VaおよびVa′を印加されたターゲット
に高速イオンが衝突するとそのターゲット表面から高速
の二次電子（γ電子）25が放出される。このターゲット
から放出されたγ電子25は両ターゲットの電界で反射さ
れ、両ターゲット間に走る磁束17の回りをサイクロトン
運動しながらターゲット間を往復運動する。両ターゲッ
ト12,13の電界はγ電子に対してミラーとして作用す
る。γ電子はそのエネルギーが磁束の束縛エネルギーよ
り小さくなるまで両ターゲット間に閉じ込められ、その
間中性粒子との衝突によりイオン化が促進される。ま
た、そのターゲット間を往復する高速の電子流（電子ビ
ーム）はプラズマとの相互作用により中性粒子の電離を
一層加速する。以上のように、低いガス圧中でも高密度
のプラズマを生成できる。

本発明の装置では、10^-5Torr台のより低いガス圧でも
放電が安定に形成でき、高速イオン引出しを実現してい
る。

次に、実施例のイオン源を用いてAlイオンを引出し膜
を形成した結果について説明する。試料室19の真空度を
５×10^-7Torrまで排気した後、Arガスを毎分2.5cc,およ
び5ccのフロー速度で導入しプラズマ生成室７内のガス
の圧を５×10^-4Torrおよび１×10^-3Torrとして放電させ
た時の放電特性を第５図に示す。ここでは平板状ターゲ
ット12に印加する電圧を−300Vに固定している。いずれ
もある電圧から放電電流が雪崩的に増加する定電流放電
特性を示し、高密度プラズマの増殖が行われていること
を示している。本発明のイオン源では、円筒状ターゲッ
ト13と平板状ターゲット12に印加する電圧は第５図に示
した例のように、それらが異なる場合でも十分高密度な
プラズマ生成ができる。また、それらの電圧が同じであ
る場合でも十分高効率なプラズマ生成が実現できる。円
筒状のAlターゲット13に投入する電力を300〜600Wでス
パッタを行った。第６図にイオン引出し特性の例を示し
た。横軸のイオン引出し電圧はプラズマ生成室７とグリ
ッド9Aとの相対的な電圧差である。引出しイオンのエネ
ルギーを300eVに固定して基板ホルダは加熱しないで常
温で膜形成を行った結果、１〜10nm/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７図に本発明によるイオン源の他の実施例の断面図
を、第８図にこのイオン源を利用した薄膜形成装置の一
例の断面図を示す。

本実施例のイオン源は、スパッタを行うためのターゲ
ットが２個の円筒状ターゲット13および26である点が第
１図に示した実施例と異なっている。ターゲット26は水
冷可能な金属製支持体26Aに取りはずし可能に固定さ
れ、支持体26Aはねじ蓋26Bによって壁7Cに固定され、か
つ絶縁体26Cによって壁7Cから絶縁されている。支持体2
6Aの突出端部26Dは電極を兼ね、電源27からターゲット2
6にプラズマ生成室に対して負の電圧が印加される。電
磁石16による磁束はターゲット26および13の一方の表面
から出て他方の表面に入る。

第９図に本実施例における磁束方向の磁場強度分布の
一例を示す。磁場は発散磁場である。

第10図に示すように、本実施例においても負電圧Va,V
a′が印加されているターゲットに高速イオンが衝突す
るとそのターゲット表面から高速の二次電子（γ電子）
25が放出される。このターゲットから放出されたγ電子
25は両ターゲットの電界で反射され、両ターゲット間に
走る磁束17の回りをサイクロトン運動しながらターゲッ
ト間を往復運動する。そして先に説明したのと全く同様
に本実施例においても低いガス圧中で高密度のプラズマ
を生成することができる。

次に、本発明スパッタ型イオン源を用いてAlイオンを
引出し膜を形成した結果について説明する。試料室19の
真空度を５×10^-7Torrまで排気した後、Arガスを毎分5c
c,および1ccのフロー速度で導入しプラズマ生成室７内
のガスの圧を５×10^-3Torrおよび８×10^-4Torrとして放
電させた時の放電特性を第11図に示す。ここでは両円筒
状ターゲットに印加する電圧を同じ値にしている。いず
れもある電圧から放電電流が雪崩的に増加する定電流放
電特性を示し、高密度プラズマの増殖が行われているこ
とを示している。本発明のスパッタ型イオン源では、円
筒状ターゲット13および26に印加する電圧は第11図に示
した例のように、それらが同じ場合でも、またそれらが
異なる場合でも十分高密度なプラズマ生成ができる。

第12図にAlイオンの引出し特性の例を示す。円筒状の
Alターゲット13および26に投入する電力を300〜600Wで
スパッタを行った。引出しイオンのエネルギーを300eV
に固定して基板ホルダは加熱しないで常温で膜形成を行
った結果、１〜10nm/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13図に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例
においては、スパッタ用のターゲットは円筒状ターゲッ
ト28からなっている。このターゲット28は図示するよう
に、両端部のターゲット28Dおよび28Eを連結した形態で
ある。ターゲット28は水冷可能な金属製支持体28Aに取
りはずし可能に固定されている。支持体28Aはねじ蓋28B
によって壁7Cに固定され、かつ絶縁体28Cによって壁7C
から絶縁されている。支持体28Aの突出端部28Dは電極を
兼ね、電源15からプラズマ生成室７に対して負の電圧を
ターゲット28に印加することができる。電磁石16による
磁束17はターゲット28の一端部のターゲット28Dからで
て他端部のターゲット28Eに入る。本実施例のイオン源
は第７図に示した実施例と同様に動作する。

第14図に本発明によるイオン源のさらに他の実施例の
断面図を示す。本実施例は第７図に示したイオン源の両
端部にイオン引出しグリッド９および29を設け、イオン
ビームをイオン源の両側から引出すようにしたものであ
る。本実施例において、イオン引出しグリッド29は２枚
の多孔グリッド29A,29Bよりなり、それぞれ電源30A,30B
によって負の電圧が印加されている。

以上に示した各実施例において、電磁石16によってプ
ラズマ生成室内に形成される磁界の最大値は100G程度で
十分である。

電磁石16に替えて永久磁石を用いることもできる。第
15図は第１図に示したイオン源における電磁石を２個の
永久磁石31および32に置き替えたイオン源の断面図であ
り、第16図は第７図に示したイオン源における電磁石16
を２個の永久磁石32および33によって置き替えたイオン
源の断面図である。ターゲット12と13またはターゲット
26と13の一方の表面から出て他方の表面に入る磁束を発
生させることによって、それぞれ第１図および第７図の
実施例と同様に、高密度プラズマを生成し、大電流イオ
ン源として用いることができる。第13図および第14図に
示した実施例における電磁石を永久磁石に置きかえるこ
とも可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば高密度プラズマ
を利用したスパッタを用いて、低いガス圧中で高効率の
イオン引出しを連続して長時間安定に実現することがで
きる。本発明によるイオン源は、損傷の少ない良質の膜
を低基板温度で高速度、高安定に連続形成することおよ
び材料表面改質、あるいはエッチングに応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源の実施例の断面図、第２図は
第１図のイオン源を適用した薄膜形成装置の一例の断面
図、第３図は第２図に示した装置における磁束方向の磁場強
度分布を示す図、第４図は本発明のイオン源の高密度プラズマ生成機構を
説明する図、第５図は第１図のイオン源においてターゲットをAlとし
たときの放電特性の一例を示す図、第６図はイオン引出し特性の一例を示す図、第７図は本発明のイオン源の他の実施例の断面図、第８図は第７図のイオン源を適用した薄膜形成装置の一
例の断面図、第９図は第８図に示した装置における磁束方向の磁場強
度分布を示す図、第10図は第７図のイオン源の高密度プラズマ生成機構を
説明する図、第11図は第７図のイオン源においてターゲットをAlとし
たときの放電特性の一例を示す図、第12図はイオン引出し特性の一例を示す図、第13図ないし第16図はそれぞれ本発明の他の実施例を示
す断面図、第17図は従来のカウフマン型イオン源の概要を示す断面
図である。１…プラズマ生成室、２…フィラメント、３…電磁石、
４…プラズマ、５…イオン引出し用グリッド、６…イオ
ンビーム、７…プラズマ生成室、８…ガス導入口、9,29
…イオン引出し用グリッド、11A,11B,14,15,27,30A,30B
…電源、12…平板状ターゲット、13,26,28…円筒状ター
ゲット、16…電磁石、17…磁束、18…イオンビーム、19
…試料室、22…基板、23…基板ホルダ、25…二次電子、
31,32,33…永久磁石。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスを導入してプラズマを発生させるプラ
ズマ生成室と、前記プラズマ生成室の端部に設けられたイオン引出し機
構と、前記プラズマ生成室内部の両端部に設けられたそれぞれ
スパッタリング材料よりなる第１および第２のターゲッ
トと、該第１および第２のターゲットにそれぞれ前記プラズマ
生成室に対して負の電位を印加する少なくとも１個の電
源と、前記プラズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつ前記第
１および第２のターゲットの一方から出て他方に入る磁
束を生成する手段とを具えたことを特徴とするイオン
源。
【請求項２】ガスを導入してプラズマを発生させるプラ
ズマ生成室と、前記プラズマ生成室の端部に設けられたイオン引出し機
構と、前記プラズマ生成室の内側面に沿って設けられたスパッ
タリング材料よりなる円筒状のターゲットと、該ターゲットに前記プラズマ生成室に対して負の電位を
印加する電源と、前記プラズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつ前記タ
ーゲットの一端部から出て他端部に入る磁束を生成する
手段とを具えたことを特徴とするイオン源。