JP3433703B2 - イオン源装置及び真空処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン源装置及び該
イオン源装置を備えた成膜装置等の真空処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】イオン源装置はイオン注入装置、イオン
ドーピング装置、プラズマＣＶＤとイオン照射とを併用
する成膜装置等に広く利用されている。イオン源装置に
は各種タイプのものがあるが、代表的例として、イオン
源ガスを高周波放電によりプラズマ化するイオン生成室
及び該プラズマよりイオンを引き出すイオン引出し電極
系を備えたイオン源装置が知られている。

【０００３】このタイプのイオン源装置は、イオン生成
室内に導入されるイオン源ガスのガス圧が低いときには
高周波放電開始が困難である一方、一旦放電が起こりプ
ラズマが生成され始めると比較的低ガス圧のもとでも該
プラズマが維持される。そのためこのタイプのイオン源
装置では初期放電を如何に円滑に発生させるかに工夫が
なされてきた。

【０００４】小型イオン源装置の場合には、イオン生成
室内に直接イオン源ガスを導入した場合、イオン引出し
電極系におけるイオン引出し孔による開口率は比較的低
いからイオン生成室から外部へのガス流出がそれだけ抑
制され、室内のガス圧を比較的高く維持できる。従って
該室内ガス圧を比較的高く保って放電開始させることが
できる。小型イオン源装置の場合にはこのようにして放
電開始させることが行われている。

【０００５】これに対し大型イオン源装置の場合、例え
ばイオンビーム径が６００ｍｍを超えるような大型イオ
ン源装置の場合には、イオン生成室内に直接イオン源ガ
スを導入すると、イオン引出し電極系におけるイオン引
出し孔による開口率は比較的高いからイオン生成室から
外部へガスが流出しやすく、室内のガス圧を高く維持し
難い。

【０００６】そこで大型イオン源装置の場合には、初期
放電時に直流放電を行う初期放電装置を用いることが提
案されている。図７はかかる直流放電を行う初期放電装
置１０を備えたイオン源装置例９を示している。このイ
オン源装置９は例えばプラズマＣＶＤとイオン照射とを
併用して基板上に薄膜を形成する成膜装置における成膜
室１００に連設される。

【０００７】イオン源装置９において、９１はイオン生
成室、９２はイオン引出し電極系である。イオン生成室
９１はシリンダ形状部分９１１の上端開口に絶縁部材９
１２を介して蓋体を兼ねるＲＦ電極９１３を設け、これ
にマッチングボックス９１４を介して高周波電源９１５
から高周波電力を印加できるようにしたものである。シ
リンダ形状部分９１１の下端開口にイオン引出し電極系
９２が設けられている。

【０００８】イオン引出し電極系９２はそれぞれイオン
引出し孔を形成した加速電極９２１、減速電極９２２及
び接地電極９２３がこの順序でイオン生成室側から配置
されたものである。加速電極９２１には加速電源９２１
Ｗから、減速電極９２２には減速電源９２２Ｗからそれ
ぞれ加速電圧、減速電圧を印加できる。

【０００９】初期放電装置１０はイオン生成室９１のシ
リンダ形状部分９１１に付設されている。初期放電装置
１０は放電室１０１を備えており、該放電室１０１は、
一方で絶縁性部材１０２を介してイオン生成室のシリン
ダ形状部分９１１連設され、且つ、その開口９１１ａを
介してイオン生成室９１内に連通しており、他方で絶縁
性部材１０３を介して蓋体を兼ねる電極１０１ａで閉じ
られている。蓋体１０１ａと放電室本体１０１ｂ間に放
電用電源１０４から直流電圧を印加でき、放電室本体１
０１ｂとイオン生成室９１のシリンダ形状部分９１１間
に電源１０５から電子放出のための直流バイアスを印加
できる。

【００１０】初期放電装置１０において放電室１０１に
例えばアルゴンガスのような放電開始用ガスｇ１を導入
し、イオン生成室９１には成膜室１００を介して（又は
イオン生成室に直接）イオン源ガスｇ２（成膜用ガスを
兼ねるものでもよい）を導入し、放電室１０１において
放電用電源１０４にて直流放電を起こさせて放電用ガス
をプラズマ化し、発生した電子を電源１０５からのバイ
アス電圧印加によりイオン生成室９１内へ放出させる。
また、高周波電源９１５からイオン生成室内のイオン源
ガスに高周波電力を印加する。

【００１１】すると、イオン生成室９１内のイオン源ガ
スのガス圧が低く、従って高周波電力の印加だけでは放
電及び該ガスのプラズマが発生し難いときでも、初期放
電装置１０から電子が放出されることによりイオン源ガ
スｇ２のプラズマが容易に生成される。一旦プラズマが
生じると、初期放電装置１０は停止され、高周波電力の
印加が続けられ、プラズマが維持される。かくしてイオ
ン生成室９１内に発生したイオンは引出し電極系９２の
作用で成膜室１００へ引き出され、成膜に供される。

【００１２】このような初期放電装置１０の他、イオン
生成室９１内に初期放電用の直流高電圧を印加する電極
を配置することも提案されている。さらに、イオン生成
室９１に通じる排気装置における排気流量を調整して、
初期にはイオン生成室９１内のガス圧を高くすることも
提案されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、大型イ
オン源装置で直流放電による初期放電を行わせる場合に
おいて、放電用ガスとしてアルゴンガス等の不活性ガス
を用いることができる場合はよいが、放電用ガスとして
電極材料と反応して絶縁物を形成するガスや絶縁物が堆
積するガス（例えばシランガス、ジボランガス、ホスフ
ィンガス等）を用いなければならない、或いはそのよう
なガスを用いることが推奨される等の理由でそのような
ガスを用いるときには、絶縁物の反応生成や堆積により
放電に必要な直流電圧が経時変化し、短い時間で放電不
能に陥ることがある。

【００１４】前記の直流放電装置１０のタイプの初期放
電装置を採用すると、該装置へのガス供給手段を必要と
して、それだけ装置が大型化、複雑化、高コスト化す
る。また、イオン生成室内に初期放電用の直流高電圧を
印加する電極を配置するような場合には、低いガス圧で
放電させようとするときには、直流放電を行うその箇所
に放電用ガスを導入して放電箇所におけるガス圧をすこ
しでも高く維持しなければならないところ、イオン生成
室には高圧の高周波電力が印加されるから、該放電用ガ
ス導入のためのガス系統に接地電位との絶縁を施さなけ
ればならず、それだけイオン源装置全体の大型化、複雑
化、コスト高を招くことになる。

【００１５】またイオン生成室に通じる排気装置におけ
る排気流量を調整して、初期にはイオン生成室内のガス
圧を高くする手法によると、一旦ガス圧を上げたのち、
プラズマ発生後に、ガス圧を正規の低ガス圧に戻さなけ
ればならず、その操作は手間を要し、面倒であるととも
に、特に、イオン源装置を用いる真空処理装置、特に何
物かを量産するための真空処理装置においては生産性が
低下する。

【００１６】そこで本発明は、イオン源ガスを高周波放
電によりプラズマ化するイオン生成室及び該プラズマよ
りイオンを引き出すイオン引出し電極系を備えたイオン
源装置であって、イオン生成室に導入されるイオン源ガ
スのガス圧が低い場合でも容易に高周波放電よるイオン
源ガスプラズマ化を開始させることができ、それでいて
格別の大型化、複雑化、高コスト化を招くことなく、ま
た、イオン源ガスが絶縁物を反応生成したり、絶縁物の
堆積を招くガスである場合でも長期にわたり安定して作
動するイオン源装置を提供することを課題とする。

【００１７】また本発明は、イオン源装置を備えた真空
処理装置であって、生産性の高い、その割りには低コス
トの真空処理装置を提供することを課題とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するため、イオン源ガスを高周波放電によりプラズマ化
するイオン生成室及び該プラズマよりイオンを引き出す
イオン引出し電極系を備えたイオン源装置であり、前記
イオン生成室に初期放電装置が付設されており、該初期
放電装置は永久磁石により形成される磁場内にマイクロ
波を導入して放電させる放電空間を有しており、該放電
空間が前記イオン生成室内に連通していること特徴とす
るイオン源装置、並びにかかるイオン源装置を備えた真
空処理装置を提供する。

【００１９】本発明に係るイオン源装置においては、イ
オン生成室内にイオン源ガスが導入される。導入された
ガスの一部は初期放電装置における放電空間にも入り込
む。この状態で、前記永久磁石により形成される磁場内
にマイクロ波を導入すると、マイクロ波と磁場の作用
で、その放電空間内に入り込んでいるイオン源ガスが、
たとえガス圧が低くても容易にプラズマ化し始める。こ
のようにして発生した荷電粒子がイオン生成室内へ放出
される。

【００２０】一方、イオン生成室内のイオン源ガスのプ
ラズマ化のためにイオン生成室に対する高周波電極に初
期放電装置における放電開始に先立って、又は該放電開
始とともに、又は該放電開始後に高周波電力が印加され
る。かくして初期放電装置からイオン生成室へ放出され
る荷電粒子により、イオン生成室内においても高周波電
力印加のもとにイオン源ガスが、そのガス圧が低くて
も、容易にプラズマ化し始める。

【００２１】イオン生成室内においてイオン源ガスが一
旦プラズマ化されると、その後は初期放電装置を停止し
ても高周波電力の印加だけでプラズマを維持することが
できる。そして該プラズマからイオン引出し電極系によ
りイオンを引き出すことができる。イオン生成室におい
て印加する高周波の周波数としては、既存の高周波電源
を利用でき、また、使い易い範囲として、１３．５６Ｍ
Ｈｚ以上５００ＭＨｚ以下程度を例示できる。

【００２２】以上説明したように、初期放電装置におい
てはマイクロ波電界と磁場によりイオン源ガスをプラズ
マ化させるので、イオン源ガス種によらず、換言すれば
絶縁性物質が反応生成したり、堆積するようなイオン源
ガス種である場合でも、長期にわたり初期放電装置を正
常に安定作動させることができる。また初期放電装置へ
直接ガスを導入する必要がないので、格別の大型化、複
雑化、高コスト化を招くことがなく、むしろ低コスト化
が可能である。

【００２３】このように本発明に係るイオン源装置は、
イオン生成室に導入されるイオン源ガスのガス圧が低い
場合でも容易に高周波放電よるイオン源ガスプラズマ化
を開始させることができ、それでいて格別の大型化、複
雑化、高コスト化を招くことなく、また、イオン源ガス
が絶縁物を反応生成したり、絶縁物の堆積を招くガスで
ある場合でも長期にわたり安定して作動する。

【００２４】また、かかるイオン源装置を備えた本発明
に係る真空処理装置、例えばイオン注入装置、イオンド
ーピング装置、成膜装置等は、そのイオン源装置が、絶
縁性物質が反応生成したり、堆積するようなイオン源ガ
ス種を用いる場合でも長期にわたり正常に安定作動する
ことや、プラズマ生成開始時とその後においてイオン源
ガス圧を調整する必要が無い等により、真空処理による
物品の生産性が高く、また、前記のようにイオン源装置
の格別の大型化、複雑化、高コスト化を招くことがな
く、むしろ低コスト化が可能である。

【００２５】このように本発明に係るイオン源装置を備
えた真空処理装置は、生産性が高く、その割りには低コ
ストに済む。本発明に係るイオン源装置においては、前
記マイクロ波導入のためのマイクロ波伝達経路は整合回
路を含んでいてもよいが、含んでいなくても支障はな
い。整合回路を含ませないことで、それだけ構造を簡素
化できるとともに低コストに提供できる。

【００２６】本発明に係るイオン源装置においても、従
来のイオン源装置において採用されているカスプ磁場を
採用してもよい。すなわち、前記イオン生成室が該室に
カスプ磁場を形成するカスプ磁場形成装置を備えていて
もよい。この場合には、前記初期放電装置は、前記永久
磁石により磁場が形成されるとともに該磁場内にマイク
ロ波が導入される前記放電空間が前記カスプ磁場形成装
置における同磁極の間で前記イオン生成室内に連通する
ように設けるとよい。こうすることで初期放電装置の放
電空間からイオン生成室内に放出される荷電粒子がカス
プ磁場にトラップされてしまうことを抑制できる。

【００２７】カスプ磁場形成装置は、代表的にはイオン
生成室周側壁に沿って配置される複数の磁石で形成され
る。その場合、該複数の磁石によりイオン生成室内の方
へ向けて配置される磁極列は、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置
されたものでも、同磁極が順次配置されたものでもよ
い。Ｎ極、Ｓ極が交互に配置される場合には、例えば一
つの磁石に代えて初期放電装置を設けることで、該装置
の放電空間をカスプ磁場形成装置における同磁極の間で
イオン生成室内に連通させることができる。イオン生成
室内の方へ向けて同磁極が配列されるときには、初期放
電装置を隣り合う同磁極の間に配置したり、例えば一つ
の磁石に代えて初期放電装置を設ける等すればよい。

【００２８】前記初期放電装置における前記永久磁石に
より形成される磁場は、複数の永久磁石を順次隣り合わ
せて、且つ、各隣り合う永久磁石において同磁極同士が
ギャップを介して対向するように配置されることで形成
される磁場であることが好ましい。かかる磁極配置によ
り放電空間内に磁力線を存在させることができ、且つ、
磁場強度を大きくでき、これらにより該放電空間におい
てイオン源ガスを効率よく解離させ、生成される荷電粒
子を効率良くイオン生成室へ供給できる。

【００２９】同磁極同士のギャップには非磁性体を介在
させてもよい。かかる永久磁石の磁極配置を採用する場
合、初期放電装置におけるマイクロ波導入のためのマイ
クロ波伝達経路としてマイクロ波伝達同軸線路を用い、
前記複数の永久磁石を中空体内に収納するとともに該中
空体の少なくとも一部を該マイクロ波伝達同軸線路の内
導体に導通させて、該永久磁石により形成される磁場内
にマイクロ波を導入するようにしてもよい。これによ
り、放電空間において一層効率良くイオン源ガスを解離
でき、生成される荷電粒子を一層効率良くイオン生成室
へ供給できる。

【００３０】永久磁石を収容する前記中空体の代表例と
して、筒体乃至管体を挙げることができる。前記初期放
電装置における、前記永久磁石により磁場が形成される
とともに該磁場内にマイクロ波が導入される前記放電空
間が、該放電空間からイオン生成室内への荷電粒子の移
動を許す透孔を有し、該イオン生成室内へのマイクロ波
の漏洩を抑制する導電性シールド部材を介してイオン生
成室内に臨んでいてもよい。

【００３１】かかる導電性シールド部材の電位は、例え
ばマイクロ波の導入にマイクロ波伝達同軸線路が用いら
れるときには、該マイクロ波伝達同軸線路の外導体と同
電位に設定することができる。或いは、イオン生成室側
に設けてイオン生成室と同電位に設定してもよい。かか
る導電性シールド部材により初期放電装置からイオン生
成室へのマイクロ波の漏洩、ひいてはイオン生成室から
外部へのマイクロ波の漏洩を抑制できる。また、イオン
生成室に印加される高周波と初期放電装置との好ましく
ない相互干渉も抑制できる。

【００３２】かかるシールド部材の形態については特に
制限はなく、網状又は多孔状又は格子状、導電線を複数
本張設したもの等のいずれの形態のものでもよい。初期
放電装置における放電空間からイオン生成室への荷電粒
子の供給を一層円滑化するために、初期放電装置を電気
絶縁性部材を介してイオン生成室に取り付け、該初期放
電装置における前記永久磁石により磁場が形成されると
ともに該磁場内にマイクロ波が導入される前記放電空間
からイオン生成室内へ所定の荷電粒子の移動を促す直流
バイアス印加装置を設けてもよい。

【００３３】また、初期放電装置を電気絶縁性部材を介
してイオン生成室に取り付けてフローティング電位に設
定するとともに、イオン生成室を該初期放電装置におけ
る放電開始までは接地電位に設定し、該初期放電装置に
おける放電開始後に正電位に設定する電位設定装置を設
けてもよい。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は本発明に係るイオン源
装置の１例を備えた真空処理装置例を示している。図１
に示す真空処理装置はプラズマＣＶＤとイオン照射を併
用する成膜装置である。

【００３５】図１に示すイオン源装置９０は、図７に示
す従来型のイオン源装置において初期放電装置１０に代
えて初期放電装置Ａを設けたものである。その他の点
は、後ほど説明する部分を除いて図７に示すイオン源装
置と概ね同構造である。図１中、図７に示すイオン源装
置における部分と実質上同じ部分には図７と同じ参照符
号を付してある。

【００３６】イオン源装置９０はイオン生成室９１、イ
オン引出し電極系９２を備えている。イオン生成室９１
はシリンダ形状部分９１１の上端開口に絶縁部材９１２
を介して蓋体を兼ねるＲＦ電極９１３を設け、これにマ
ッチングボックス９１４を介して高周波電源９１５から
高周波電力を印加できるようにしたものである。また電
極９１３は高周波シールド部材９１６で覆われ、該シー
ルド部材９１６はシリンダ形状部分９１１に導通してい
るとともにコイル９１７を介して電極９１３に接続され
ている。

【００３７】イオン引出し電極系９２はシリンダ形状部
分９１１の下端開口に設けられており、それぞれイオン
引出し孔を形成した加速電極９２１、減速電極９２２及
び接地電極９２３からなっている。加速電極９２１には
シリンダ形状部分９１１を介して加速電源９２１Ｗか
ら、減速電極９２２には減速電源９２２Ｗからそれぞれ
加速電圧（正電圧）、減速電圧（負電圧）を印加でき
る。

【００３８】かくしてシリンダ形状部分９１１、シール
ド部材９１６及び加速電極９２１は同電位に固定され、
シールド部材９１６と電極９１３とはコイル９１７によ
る接続にて直流的に同電位に固定される。初期放電装置
Ａは図４にも示すように、マイクロ波電源１、マイクロ
波伝達経路である同軸線路（同軸ケーブル）２、直流成
分遮断器３及び放電ヘッド４、さらに直流成分遮断器３
及び放電ヘッド４間のコネクタ５を備えている。

【００３９】マイクロ波電源１は一方で接地されてお
り、他方で同軸ケーブル２及びコネクタ５を介して放電
ヘッド４へマイクロ波を供給する。同軸ケーブル２はこ
こではそれ自体既に知られているマイクロ波伝達手段で
あり、内導体２１とこれを囲繞する（外嵌する）外導体
２２を含んでいる。直流成分遮断器３はマイクロ波の伝
達を許すが、直流成分の流通を阻止する。遮断器３を用
いることで、例えば後述するように放電用ヘッド４に電
源ＰＷ１から直流バイアスを印加するような場合でも、
マイクロ波電源１を接地電位として装置構成を簡単にで
きる。

【００４０】マイクロ波伝達経路には整合回路を設けて
もよいが、実験の結果、整合回路を設けなくても安定し
たマイクロ波放電が可能であり、従って構造の簡素化、
簡略化のために設けていない。コネクタ５は直流成分遮
断器３と放電ヘッド４とを互いに接続するが、これとと
もにイオン生成室９１のシリンダ形状部分９１１に取り
付けられ、シリンダ形状部分９１１のヘッド挿入用短筒
部９１１ｂを気密に閉じる。

【００４１】すなわち、コネクタ５は直流成分遮断器３
を介して同軸ケーブル２の内導体２１、外導体２２にそ
れぞれ接続される内導体５１、外導体５２及びそれら両
導体部分の間に充填された絶縁性を有する気密シール５
３並びに外導体５２に一体的に設けられた取付け用フラ
ンジＦを備えている。イオン生成室９１はシリンダ形状
部分９１１にイオン生成室内に開口する放電ヘッド挿入
用の短筒部９１１ｂを有しており、コネクタ５はフラン
ジＦのボルト孔ｂを用いて該ヘッド挿入用の短筒部９１
１ｂの外端に螺子固定される。ここでは、フランジＦは
絶縁性部材６を介して螺子固定される。

【００４２】放電用ヘッド４は、図４に示すように、コ
ネクタ５の内導体５１に接続される導電性筒体４１、コ
ネクタ５の外導体５２に接続される外導体４６、それら
筒体４１の根元の部分と外導体４６との間に充填された
誘電体４８を有している。筒体４１にはコネクタ側から
筒先端側へ非磁性誘電体４２、永久磁石４３及び永久磁
石４４が順次装填されている。各永久磁石４３、４４は
それには限定されないが、ここではサマリウム−コバル
ト系（Ｓｍ−Ｃｏ系）の磁石である。磁石４３と４４は
狭いギャップをおいて同磁極（ここではＮ極）同士が互
いに対向するように隔てられている。ここでは該ギャッ
プに非磁性材料からなる非磁性体４５を装填、介在させ
てある。

【００４３】かくして筒体４１の永久磁石４３、４４を
内蔵している部分の周囲に放電空間（放電領域）４９が
形成されており、この放電空間４９をシールド部材４７
が覆っている。放電空間４９には磁力線５０が形成さ
れ、磁場が形成されている。シールド部材４７は導電性
材料からなり、外導体４６に接続され、支持されてい
る。シールド部材４７は放電空間４９からイオン生成室
９１内への電子の移動を許す多数の透孔を備えている。

【００４４】またこの初期放電装置Ａに対して直流バイ
アス印加電源ＰＷ１が設けられている。この電源ＰＷ１
によりフランジＦ、外導体４６を介してシールド部材４
７に負バイアスを印加できる。なおこのようなバイアス
を印加しないときは、絶縁性部材６はなくてもよい。図
１及び図２に示すように、イオン生成室９１のシリンダ
形状部９１１の外壁面に沿って複数の磁石Ｍｇ１が配列
されており、これによりイオン生成室９１内にカスプ磁
場を形成するカスプ磁場形成装置ＭＧ１が形成されてい
る。ここでは複数の磁石Ｍｇ１によりイオン生成室９１
内の方へ向けて配置される磁極列はＮ極、Ｓ極が交互に
配置されたものである。

【００４５】初期放電装置Ａの放電ヘッド４、したがっ
てその放電空間４９は、該空間からイオン生成室９１内
へ供給される荷電粒子がカスプ磁場に捕らえられること
を抑制するため、隣り合う同極の磁極（ここでは隣り合
う磁極Ｓ）の間でイオン生成室９１内へ連通している。
なおカスプ磁場形成装置は図３に示す装置ＭＧ２でもよ
い。装置ＭＧ２では、複数の磁石Ｍｇ２がイオン生成室
９１内の方へ向けて同極の磁極（ここではＮ極）が配列
されるように設けられている。装置ＭＧ２を採用する場
合でも、放電ヘッド４、したがってその放電空間４９は
隣り合う同極の磁極（ここでは隣り合う磁極Ｎ）の間で
イオン生成室９１内へ連通させるとよい。

【００４６】図１に示すように、このイオン源装置９０
は成膜室１００の上端に連設されている。成膜室１００
には被成膜基板Ｓを支持する、接地された基板ホルダ１
０１が設置されている。また該ホルダ上の基板Ｓの周縁
部に臨む位置に筒状又はリング状の高周波電極１０２が
設けられている。電極１０２にはマッチングボックス１
０３を介して高周波電源１０４から高周波電力を印加で
きる。さらに成膜室１００には排気装置１０５及びガス
導入部１０６が付設されている。以上説明した成膜装置
では、予め基板ホルダ１０１に被成膜基板Ｓが設置さ
れ、その後排気装置１０５の運転により成膜室１００、
イオン源装置９０におけるイオン生成室９１及び初期放
電装置Ａにおける放電空間４９から排気され、減圧され
る。また、それら空間を所定の低圧に維持しつつ成膜室
１００へガス導入部１０６から所定のガスｇ３が導入さ
れる。

【００４７】成膜室１００にガスｇ３を導入すると、そ
の一部がイオン源装置９０のイオン生成室９１内へも進
入し、さらに初期放電装置Ａの放電空間４９へも進入す
る。なおイオン源ガスを直接イオン生成室内へ供給して
もよい。イオン生成室９１へは導入することなく、成膜
室１００にのみ導入して、成膜室１００におけるプラズ
マ化と、成膜室１００からイオン源装置９０へも一部進
入させて所定のイオンを得ることができる成膜用のガス
ｇ３としては、例えばシラン、ジシラン、ジボラン等の
ガスを例示できる。しかしこれらガスに限定されるもの
ではない。

【００４８】そして初期放電装置Ａにおいて、マイクロ
波電源１から同軸ケーブル２、直流成分遮断器３、コネ
クタ５を介して放電ヘッド４へマイクロ波電力を供給す
ると磁場形成領域にマイクロ波電力が供給される。すな
わち、同磁極同士が対向するように狭いギャップを介し
て対向している永久磁石４３、４４により内導体に相当
する筒体４１に垂直乃至略垂直な方向に磁場が強度大に
形成されている領域へマイクロ波電力が供給される。こ
のとき放電ヘッド４における筒体４１と外導体４６との
間の誘電体４８はマイクロ波伝達のための誘電体として
作用する他、この部分で余分なガス解離を生じさせな
い。

【００４９】これらにより、マイクロ波電力に外部から
磁場を供給する場合に比べて、該放電空間４９内のガス
が低ガス圧下でも、例えばガス圧が３×１０^-2Ｐａ程度
でも容易に、効率良くプラズマ化し、発生する荷電粒子
（ここでは電子）は、該空間内にトラップされることが
抑制される状態で、効率よくイオン生成室９１内へ供給
される。

【００５０】放電空間４９内に生成した荷電粒子は、シ
ールド部材４７の透孔からイオン生成室９１内へプラズ
マが拡散することで放出されるので、荷電粒子供給のた
めのバイアス印加は必ずしも要しないが、ここでは直流
バイアス電源ＰＷ１によるシールド部材４７への負の直
流バイアスの印加により、荷電粒子（ここでは電子）が
一層円滑にイオン生成室内へ供給される。

【００５１】なお、初期放電装置Ａにおいては、マイク
ロ波の周波数と永久磁石４３、４４により形成される磁
場強度を選択設定することでＥＣＲ放電でも、より強い
磁場を必要とするＥＣＲ−ｏｆｆ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
放電でも可能である。一方、イオン生成室９１内のガス
には初期放電装置Ａにおける放電開始に先立って、又は
該放電開始とともに、又は該放電開始後に電源９１５か
ら高周波電力が印加され始める。

【００５２】かくして初期放電装置Ａからイオン生成室
９１へ放出される荷電粒子の存在により、イオン生成室
９１内においてそこでの高周波電力印加のもとにガス
が、そのガス圧が低くても、容易にプラズマ化し始め
る。イオン生成室９１において電源９１５から印加する
高周波の周波数としては、ここでは、既存の高周波電源
を利用でき、また、使い易い範囲として、１３．５６Ｍ
Ｈｚ以上５００ＭＨｚ以下とする。

【００５３】イオン生成室９１内においてガスが一旦プ
ラズマ化されると、その後は初期放電装置を停止しても
高周波電源９１５による電極９１３への高周波電力印加
だけでイオン生成室９１内にプラズマを維持することが
できる。そして該プラズマからイオン引出し電極系９２
により成膜室１００へイオンを引き出すことができる。

【００５４】成膜室１００では、そこに導入されるガス
ｇ３が高周波電源１０４から電極１０２への高周波電力
印加によりプラズマ化され、基板ＳへのプラズマＣＶＤ
による膜形成に供される。かくして基板Ｓ上にプラズマ
ＣＶＤとイオン照射の併用によって膜が形成される。

【００５５】例えばガスｇ３としてシランガスを用い、
イオン源装置９０から照射するイオンを水素系イオン、
シラン系イオンとして、基板Ｓにシリコン膜を形成でき
る。以上説明した初期放電装置Ａにおいてはマイクロ波
放電と磁場によりガスを解離させるので、ガス種によら
ず、換言すれば絶縁性物質が反応生成したり、堆積する
ようなガス種である場合でも、長期にわたり初期放電装
置Ａを正常に安定作動させることができ、これを利用し
た真空処理装置の生産性が向上する。

【００５６】また初期放電装置Ａへは直接ガスを導入す
る必要がないので、イオン源装置９０、ひいてはそれを
備えた真空処理装置の格別の大型化、複雑化、高コスト
化を招くことがなく、むしろ低コスト化が可能である。
以上説明した初期放電装置Ａでは、その放電ヘッド４に
おける永久磁石の配置を図４に示すとおりにしたが、内
導体に相当する筒体内での永久磁石の配置は図４に示す
ものに限定されない。図６に示すように配置してもよ
い。すなわち図６に示す放電ヘッド４’では、内導体に
相当する筒体４１’内の永久磁石４３’、４４’は該筒
体の中心軸線と平行に配置され、且つ、両磁石４３’、
４４’は狭いギャップをおいて同磁極（ここではＮ極）
同士が互いに対向するように配置されている。該ギャッ
プには非磁性材料からなる非磁性体４５’を介在させて
もよい。図６において５０’は磁力線である。このよう
にしても永久磁石４３、４４の場合と同様の利点が得ら
れる。

【００５７】また初期放電装置Ａの放電空間４９を覆っ
ているシールド部材４７は必ずしも要しないが、放電空
間４９をシールド部材４７で覆っておくことで、マイク
ロ波がイオン生成室９１へ漏洩し、さらに該室を構成し
ている絶縁性部材９１２等を介して外部へ漏洩すること
を抑制できる。さらに、高周波電源９１４による印加高
周波と初期放電装置Ａとの好ましくない相互干渉を抑制
することもできる。

【００５８】なおシールド部材は初期放電装置に直接取
り付けなくてもよく、例えば図５に示すように、イオン
生成室９１に直接取り付けてもよい。図５はシリンダ形
状部９１１にシールド部材９００を直接取り付けた例を
示している。また、初期放電装置Ａでは、放電ヘッド４
に電源ＰＷ１から直流バイアス電圧を印加するようにし
ているが、装置Ａとイオン生成室９１との間に介在する
絶縁性部材６はそのままにして、装置Ａをフローティン
グ電位とし、イオン生成室９１（ここではシリンダ形状
部分９１１）に正電位を印加しても荷電粒子のイオン生
成室内への供給を円滑化できる。これを望むときは、そ
のための電源装置を設けるとよい。なお、イオン生成室
９１（ここではシリンダ形状部分９１１）を初期放電装
置Ａにおける放電開始までは接地電位に設定し、初期放
電装置Ａにおける放電開始後に正電位に設定する電源装
置（電位設定装置）を設けてもよい。かかる電源装置乃
至電位設定装置として、シリンダ形状部分９１１を正電
位又は接地電位に切り換えることができるものや、一方
で接地され、他方でシリンダ形状部９１１に接続された
電源装置であって、シリンダ形状部９１１への印加出力
を出力０と所定の正電位とで切り換えできるもの等を例
示できる。

【００５９】次にイオン源装置におけるプラズマ生成を
確認する実験を行ったのでこれについて説明する。あわ
せて比較実験例についても説明する。 〔実験例１〕図１に示すイオン源装置９０においてバイ
アス電源ＰＷ１及び絶縁部材６を採用しないイオン源装
置を用いて実験した。 ・イオン源装置のイオン引出し電極系９２ イオン引出し口の口径 ： 直径７００ｍｍ 開口率 ： ４０％ ・イオン生成室91での高周波電力： ５００Ｗ、 １３．５６ＭＨｚ ・装置Ａのマイクロ波電力 ： ２．４５ＧＨｚ 30Ｗ、70Ｗ、100 Ｗの3 種類につき実験した （マイクロ波伝送経路には整合回路を用いていない。） ・使用ガス ：次のガスそれぞれについて実験した。

【００６０】 １００％Ｈ₂ ５％ＳｉＨ₄ −９５％Ｈ₂ １００％ＳｉＨ₄ 各ガスは成膜室１００を介して導入。 ・イオン生成室内ガス圧：次のガス圧それぞれにつき実験した。

【００６１】 １×１０^-2〔Ｐａ〕 ３×１０^-2〔Ｐａ〕 ８×１０^-2〔Ｐａ〕 ５×１０^-1〔Ｐａ〕 １．５ 〔Ｐａ〕 実験結果 上記のガス圧１×１０^-2〔Ｐａ〕を除いては、他のすべ
ての条件における実験において、装置Ａでプラズマ生成
が可能であった。イオン生成室９１でのプラズマ生成に
ついては、ガス圧が１×１０^-2〔Ｐａ〕ではすべてのガ
ス種についてプラズマ生成がみられなかった。ガス圧が
３×１０^-2〔Ｐａ〕以上の条件では、１００％Ｈ₂ 以外
のガス種でプラズマ生成が可能であった。 〔比較実験例１〕図１のイオン源装置９０において初期
放電装置Ａを取り外したイオン源装置を用いた。

【００６２】他の条件は前記実験例１の場合と同様とし
た。全てのガス圧条件における実験で、イオン生成室９
１でのプラズマ生成を行えなかった。 〔実験例２〕実験例１においてイオン生成室91での高周
波電力の周波数を次のように変化させ、それ以外は実験
例１と同条件でそれぞれについて実験した。

【００６３】 １３．５６ＭＨｚ ４０ＭＨｚ ６０ＭＨｚ １００ＭＨｚ ２００ＭＨｚ ５００ＭＨｚ 全ての周波数について実験例１と同様の結果が得られ
た。 〔比較実験例２〕実験例１で用いたイオン源装置におい
て装置Ａの放電ヘッド４をカスプ磁場を形成している磁
極列のうち、隣り合う異極の間（Ｎ極とＳ極の間）、す
なわちカスプ磁場のいわゆる腹の部分に配置したイオン
源装置を用い、その他は実験例１と同じ条件で実験し
た。

【００６４】初期放電装置Ａは、ガス圧１×１０^-2〔Ｐ
ａ〕を除いては、他のすべての条件における実験におい
てプラズマ生成が可能であった。しかし、イオン生成室
９１における高周波プラズマ生成については、すべての
ガス圧でプラズマ生成が不可能であった。これは、カス
プ磁場の影響により荷電粒子の放出が十分に行われなか
ったためと考えられる。 ［実験例３］図１に示すイオン源装置９０を用い、放電
ヘッド４にバイアス電源ＰＷ１から−５０〔Ｖ〕を印加
し、その他は実験例１と同様の条件で実験した。実験例
１に対して実験例４では１００％Ｈ₂ 、３×１０^-2〔Ｐ
ａ〕の条件においても、イオン生成室９１でのプラズマ
生成が確認され、バイアスの有効性が確認された。

【００６５】〔実験例４〕図１に示すイオン源装置９０
においてバイアス電源ＰＷ１及び絶縁部材６を採用しな
いイオン源装置を用い、シリンダ形状部分９１１に２ｋ
Ｖの正電圧を印加し、その他は実験例１と同様の条件で
実験した。実験例１ではイオン生成室でのプラズマ生成
が不可能であった１００％Ｈ₂ 、３×１０^-2〔Ｐａ〕に
おいてもプラズマ生成が可能であった。 〔実験例５〕図１に示すイオン源装置９０において初期
放電装置Ａにおいてバイアス電源ＰＷ１及び絶縁部材６
を採用しないイオン源装置を用い、初期放電装置Ａを連
続運転する加速試験を次の条件で行った。 ・イオン源装置のイオン引出し電極系９２ イオン引出し口の口径 ： 直径７００ｍｍ 開口率 ： ４０％ ・イオン生成室91での高周波電力： ５００Ｗ、 １３．５６ＭＨｚ ・装置Ａのマイクロ波電力 ： ２．４５ＧＨｚ 30Ｗ、70Ｗ、100 Ｗの3 種類につき実験した （マイクロ波伝送経路には整合回路を用いていない。） ・使用ガス ： １００％ＳｉＨ₄ ガスは成膜室１００を介して導入。 ・イオン生成室内ガス圧： ５×１０^-1〔Ｐａ〕 連続運転を５時間行ったが、いずれの条件での実験でも
装置Ａ、イオン生成室９１の双方において安定したプラ
ズマ生成がみられた。 〔比較実験例３〕図７に示すイオン源装置を用いて実験
した。条件は次のとおり。 ・イオン源装置のイオン引出し電極系９２ イオン引出し口の口径 ： 直径７００ｍｍ 開口率 ： ４０％ ・イオン生成室91での高周波電力： ５００Ｗ、 １３．５６ＭＨｚ ・装置10の直流放電電圧 ： −４ｋＶから開始し−８ｋＶまで ・使用ガス ： １００％ＳｉＨ₄ ガスは成膜室１００を介して導入。 ・イオン生成室内ガス圧 ： ５×１０^-1〔Ｐａ〕 初期放電装置１０での放電維持のために時間の経過とと
もに放電電圧を大きくしていく必要があり、連続運転時
間３分後において直流放電電圧−８ｋＶを印加しても放
電維持が不可能になった。

【００６６】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によると、
イオン源ガスを高周波放電によりプラズマ化するイオン
生成室及び該プラズマよりイオンを引き出すイオン引出
し電極系を備えたイオン源装置であって、イオン生成室
に導入されるイオン源ガスのガス圧が低い場合でも容易
に高周波放電よるイオン源ガスプラズマ化を開始させる
ことができ、それでいて格別の大型化、複雑化、高コス
ト化を招くことなく、また、イオン源ガスが絶縁物を反
応生成したり、絶縁物の堆積を招くガスである場合でも
長期にわたり安定して作動するイオン源装置を提供する
ことができる。

【００６７】また本発明によると、イオン源装置を備え
た真空処理装置であって、生産性の高い、その割りには
低コストの真空処理装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るイオン源装置の１例を備えた成膜
装置の概略構成図である。

【図２】カスプ磁場形成装置に対する初期放電装置の配
置例を示す図である。

【図３】カスプ磁場形成装置に対する初期放電装置の配
置の他の例を示す図である。

【図４】初期放電装置の、一部を断面で示す側面図であ
る。

【図５】初期放電装置における放電空間を覆うシールド
部材の他の設置例を示す図である。

【図６】初期放電装置における磁場形成用永久磁石の他
の例を示す図である。

【図７】従来のイオン源装置例を備えた成膜装置の概略
構成を示す図である。

【符号の説明】

９０ イオン源装置 ９１ イオン生成室 ９２ イオン引出し電極系 ９１１ シリンダ形状部分 ９１１ｂ 放電ヘッド装着用短筒部 ９１２ 絶縁部材 ９１３ 蓋体を兼ねるＲＦ電極 ９１４ マッチングボックス ９１５ 高周波電源 ９１６ シールド部材 ９１７ コイル ９２ 引出し電極系 ９２１ 加速電極 ９２２ 減速電極 ９２３ 接地電極 ９２１Ｗ 加速電源 ９２２Ｗ 減速電源 Ａ 初期放電装置 １ マイクロ波電源 ２ マイクロ波伝達経路である同軸線路（同軸ケーブ
ル） ２１ 内導体 ２２ 外導体 ３ 直流成分遮断器 ４、４’ 放電ヘッド ４１、４１’ 内導体相当の導電性筒体 ４２ 誘電体 ４３、４４、４３’、４４’ 永久磁石 ４５、４５’非磁性体 ４６ 外導体 ４７、９００ シールド部材 ４８ 誘電体 ４９ 放電空間（放電領域） ５０、５０’ 磁力線 ５ コネクタ ５１ 内導体 ５２ 外導体 ５３ 気密シール Ｆ フランジ ｂ ボルト孔 ＰＷ１ 直流バイアス電源 ＭＧ１、ＭＧ２ カスプ磁場形成装置 Ｍｇ１、Ｍｇ２ 磁石 １００ 成膜室 １０１ 基板ホルダ １０２ 高周波電極 １０３ マッチングボックス １０４ 高周波電源 １０５ 排気装置 １０６ ガス導入部 Ｓ 被成膜基板 ｇ３ ガス ９ 従来のイオン源装置 １０ 従来の初期放電装置 ｇ１ 成膜用ガス（イオン源ガス） ｇ２ 放電用ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｃ 21/31 21/302 Ｃ Ｂ (56)参考文献 特開 平８−17378（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−78582（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−82040（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−109236（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−234562（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−349432（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−296069（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−52356（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 27/16 H01J 37/08

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源ガスを高周波放電によりプラズマ
   化するイオン生成室及び該プラズマよりイオンを引き出
   すイオン引出し電極系を備えたイオン源装置であり、前
   記イオン生成室に初期放電装置が付設されており、該初
   期放電装置は、永久磁石により形成される磁場内にマイ
   クロ波を導入して放電させる放電空間を有しており、該
   放電空間が前記イオン生成室内に連通しており、該放電
   空間に導入されるイオン源ガスを前記磁場内へのマイク
   ロ波導入による放電によりプラズマ化させ、該プラズマ
   化により発生する荷電粒子を前記イオン生成室内におけ
   るイオン源ガスの高周波放電によるプラズマ化開始に供
   すること特徴とするイオン源装置。
2. 【請求項２】前記初期放電装置におけるマイクロ波導入
   のためのマイクロ波伝達経路は整合回路を含んでいない
   請求項１記載のイオン源装置。
3. 【請求項３】前記イオン生成室は該室にカスプ磁場を形
   成するカスプ磁場形成装置を備えており、前記初期放電
   装置は、前記永久磁石により磁場が形成されるとともに
   該磁場内にマイクロ波が導入される前記放電空間が前記
   カスプ磁場形成装置における同磁極の間で前記イオン生
   成室内に連通するように設けられている請求項１又は２
   記載のイオン源装置。
4. 【請求項４】前記初期放電装置における前記永久磁石に
   より形成される磁場は、複数の永久磁石を順次隣り合わ
   せて、且つ、各隣り合う磁石において同磁極同士がギャ
   ップを介して対向するように配置されることで形成され
   る磁場である請求項１、２又は３記載のイオン源装置。
5. 【請求項５】前記初期放電装置におけるマイクロ波導入
   のためのマイクロ波伝達経路としてマイクロ波伝達同軸
   線路を用い、前記複数の永久磁石を中空体内に収納する
   とともに該中空体の少なくとも一部を該マイクロ波伝達
   同軸線路の内導体に導通させて、該永久磁石により形成
   される磁場内にマイクロ波を導入するようにした請求項
   ４記載のイオン源装置。
6. 【請求項６】前記初期放電装置における、前記永久磁石
   により磁場が形成されるとともに該磁場内にマイクロ波
   が導入される前記放電空間が、該放電空間からイオン生
   成室内への荷電粒子の移動を許す透孔を有するとともに
   該イオン生成室内へのマイクロ波漏洩を抑制する導電性
   シールド部材を介してイオン生成室内に臨んでいる請求
   項１から５のいずれかに記載のイオン源装置。
7. 【請求項７】前記初期放電装置が電気絶縁性部材を介し
   て前記イオン生成室に取り付けられており、該初期放電
   装置における前記永久磁石により磁場が形成されるとと
   もに該磁場内にマイクロ波が導入される前記放電空間か
   ら前記イオン生成室内へ所定の荷電粒子の供給を促す直
   流バイアス印加装置が設けられている請求項１から６の
   いずれかに記載のイオン源装置。
8. 【請求項８】前記初期放電装置が電気絶縁性部材を介し
   て前記イオン生成室に取り付けられてフローティング電
   位に設定されているとともに、前記イオン生成室を該初
   期放電装置における放電開始までは接地電位に設定し、
   該初期放電装置における放電開始後に正電位に設定する
   電位設定装置が設けられている請求項１から６のいずれ
   かに記載のイオン源装置。
9. 【請求項９】請求項１から８のいずれかに記載されたイ
   オン源装置を備えた真空処理装置。