JPH01201467A - Ion source - Google Patents

Ion source

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JPH01201467A
JPH01201467A JP63025603A JP2560388A JPH01201467A JP H01201467 A JPH01201467 A JP H01201467A JP 63025603 A JP63025603 A JP 63025603A JP 2560388 A JP2560388 A JP 2560388A JP H01201467 A JPH01201467 A JP H01201467A
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plasma generation
generation chamber
plasma
target
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Shigeto Matsuoka
茂登 松岡
Kenichi Ono
小野 堅一
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Abstract

PURPOSE:To stably and efficiently extract ions over a long time by installing means of impressing negative potential on targets and a means of forming a magnetic field in a plasma generation chamber and generating magnetic flux between the targets. CONSTITUTION:A flat plate-shaped target 12 is placed at the upper part of a plasma generation chamber 7, a cylindrical target 13 near a grid 9 for extracting ions and negative potential is impressed on the targets 12, 13 from DC power sources 14, 15 in comparison with the chamber 7. An electromagnet 16 is placed around the chamber 7 and an electric field is formed. The electromagnet 16 and the targets 12, 13 are positioned so that magnetic flux generated from the electromagnet 16 intersects the targets 12, 13, emerges from the surface of one of the targets and enters the surface of the other. Plasma is generated in the magnetic field and ions in the plasma are extracted as ion beams 18.

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
は薄膜表面のエツ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。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to an apparatus for extracting ions for forming thin films of various materials on a sample substrate, or for etching or surface modification of the thin film surface. In particular, it relates to a new sputter-type ion source that utilizes sputtering using high-density plasma to continuously and stably extract various ions at high current density and with high efficiency over a long period of time.

[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7G膜のエツ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。
[Prior Art] Conventionally, so-called ion sources that extract ions generated in plasma using an extraction mechanism such as a grid have been widely used in various fields for etching or processing various materials and 7G films. Among these, a Kauffman type ion source equipped with a filament for emitting thermionic electrons as shown in FIG. 17 is most commonly used. The Kaufman type ion source has a filament 2 for emitting thermionic electrons inside a plasma generation chamber 1, and generates plasma 4 by causing discharge in a magnetic field generated by an electromagnet 3 using the filament 2 as a cathode. Ions in the plasma 4 are extracted as an ion beam 6 using several extraction grids 5.

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。
Since ion sources such as the conventional Kaufmann ion source use a filament to extract thermal electrons for plasma generation, the filament material is sputtered and included in the extracted ions as impurities. Furthermore, when a reactive gas such as oxygen is used as the plasma generating gas, there is a major drawback in that the reactive gas reacts with the filament, making it impossible to extract ions continuously for a long time. Moreover, the extracted ions are limited to those made from a gas such as Ar. As a metal ion source, there is an antenna-type microwave metal ion source, but ions cannot be extracted continuously for a long time because the antenna is worn out by sputtering, and furthermore, ions cannot be extracted over a large area.

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1III)に用いら
れる電力の割合が低いという欠点があった。
Furthermore, in conventional ion sources, gases and particles in the plasma are not sufficiently ionized, and most of the power input to the plasma is consumed as thermal energy.
There was a drawback that the ratio of the power used for plasma formation (electron 1III) to the input power was low.

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[1% (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。
As an ion source using sputtering, there is a sputtering type ion source using microwave discharge using electron cyclotron [1% (ECR) (Japanese Patent Application Laid-open No. 224686/1986).
has been proposed and has various features as a highly efficient ion source.

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。
To realize a high-current ion source using sputtering, it is necessary to maintain plasma density at high density and with high efficiency. For this purpose, secondary electrons (γ electrons) emitted from the target
It is important to efficiently confine secondary electrons, but with the above techniques, the confinement of these secondary electrons is insufficient and the energy of high-energy electrons cannot be effectively transferred to the plasma, making it difficult to use high-current sputter-type ion sources. It is hard to say that the technology is sufficient.

[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。
[Problems to be solved by the invention] Desirable conditions for an ion source are summarized as: (1) high yield (large ion current), (2) few impurities, (3) wide range of ion energy. (4) The ability to extract not only inert gas but also various ions such as metal ions.

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。
However, an ion source that satisfies these conditions has not been realized to date.

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。
The present invention aims to improve the conventional drawbacks and provide an ion source that can satisfy each of the above conditions.

[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。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the present invention includes a plasma generation chamber that introduces gas to generate plasma, an ion extraction mechanism provided at an end of the plasma generation chamber, and , first and second targets each made of a sputtering material provided at both ends inside the plasma generation chamber;
and at least one power source that applies a negative potential with respect to the plasma generation chamber to the second target, respectively;
and means for generating magnetic flux exiting one of the targets and entering the other.

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、一端部にマイクロ波導入窓を有し、他端部に
おいてプラズマ生成室に結合された真空導波管と、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。
The present invention includes a plasma generation chamber for introducing gas to generate plasma, a vacuum waveguide having a microwave introduction window at one end and connected to the plasma generation chamber at the other end, and an end of the plasma generation chamber. a cylindrical target made of sputtering material provided along the inner surface of the plasma generation chamber; a power supply that applies a negative potential to the target with respect to the plasma generation chamber; The present invention is characterized by comprising means for forming a magnetic field inside the generation chamber and for generating magnetic flux that exits from one end of the target and enters the other end of the target.

[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。
[Function] The present invention generates high-density plasma in a low-pressure gas, performs sputtering using the plasma, and continuously extracts the generated ions with high current density and high efficiency. That is, in the present invention, a target made of a sputtering material is installed at both ends of the plasma generation chamber, and a magnet provided around the plasma generation chamber generates a magnetic flux that passes from one side of the target to the other. By applying a negative potential to the target, secondary electrons (γ electrons) emitted from the target are reflected into the plasma using the mirror effect of the electric field, and the confinement of the magnetic field formed between the targets is utilized. can easily generate low acceleration voltage and high density plasma. According to the present invention, the energy of high-speed electrons is more effectively transmitted to the plasma, and as a result, it is possible to generate high-density plasma with higher efficiency and to extract large current ions.

[実施例] 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。[Example] The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

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11^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。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of an ion source according to the invention. Gas for generating plasma is introduced into the plasma generation chamber 7 through an inlet 8. An ion extraction grid 9 is provided at one end of the plasma generation chamber 7. In this embodiment, the grid 9 consists of two porous grids 9A and 9B, each grid is attached with an insulator 10 to the wall 7A forming the bottom of the plasma generation chamber, and the grids 9A and 9B are connected to a power source 11^. and 11B
A negative voltage is applied from A flat target 12 is provided at the other end inside the plasma generation chamber 7 , and a cylindrical target 13 is provided near the grid 9 .

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12八はねじ蓋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。
The target 12 is removably fixed to a water-coolable metal support 12A, and the support 128 is fixed to the upper wall 7B of the plasma generation chamber 7 by a screw cap 12B.

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を介してねし蓋13Bによって壁7Cに
固定される。支持体12^および13Aのそれぞれの突
出端部120および130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
対して一数十から一200v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。
The support body 12A and the wall 7B are insulated by an insulator 12C. Similarly, the target 13 is removably fixed to a water-coolable metal support 13A.
is fixed to the wall 7C by a tie-cover 13B via an insulator 13c. The protruding ends 120 and 130 of the supports 12^ and 13A also serve as electrodes, and are connected to the DC power source 14.
A negative voltage can be applied to the targets 12 and 13 from 15 and 15 with respect to the plasma generation chamber 7 . It is preferable to apply a positive voltage to the plasma generation chamber 7. When a voltage of 10 to 1200 V is applied to the grid 9A on the plasma generation chamber side with respect to the plasma generation chamber 7,
The ions accelerated by the grid have the effect of removing the film deposited on the grid.

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。
An electromagnet 16 is provided around the outer periphery of the plasma generation chamber 7 for forming a magnetic field inside the plasma generation chamber. Electromagnet 16 and targets 12 and 13 are positioned so that magnetic flux 17 generated by electromagnet 16 crosses both target surfaces, with the magnetic flux exiting the surface of one target and entering the surface of the other. It is desirable that the plasma generation chamber can be cooled with water. In order to protect the side surfaces of targets 12 and 13 from plasma, shields 7D and 7E are preferably provided on the inner surface of the plasma generation chamber.

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。
After the inside of the plasma generation chamber 7 is evacuated to a high vacuum, gas is introduced from the gas introduction port 8, and when the voltage applied to the target 12, 13 is increased in the magnetic field by the electromagnet 16, discharge occurs and plasma is generated. Ions in the plasma can be extracted as an ion beam 18. The magnetic flux between the targets prevents the secondary electrons (γ electrons) generated from the target surface from dissipating in the direction perpendicular to the magnetic field, and has the effect of confining the plasma, resulting in the generation of high-density plasma in low gas pressure. be done.

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。
FIG. 2 is a sectional view of an example of a thin film forming apparatus using the ion source shown in FIG. A sample chamber 19 is connected to a plasma generation chamber 7 with an ion extraction grid 9 in between.

試料室19とプラズマ生成室7とは絶縁するのがよい。The sample chamber 19 and the plasma generation chamber 7 are preferably insulated.

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。
Gas can be introduced into the sample chamber 19 through a gas inlet 20, and the sample chamber 19 can be evacuated to a high vacuum using an exhaust system 21. A substrate holder 23 for holding a substrate 22 is provided in the sample chamber 19, and a shutter 24 that can be opened and closed is provided between the substrate holder 23 and the ion extraction grid 9.

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。
It is preferable that the substrate holder 23 has a built-in heater to heat the substrate, and also applies DC or AC voltage to the substrate 22 to apply a bias voltage to the substrate during film formation, and for sputter cleaning of the substrate. It is desirable to configure the system so that it is possible to do so.

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、ターゲットへの役人電力、磁場分布、ターゲ
ット間距離等である。
Factors that affect plasma generation include gas pressure in the plasma generation chamber, power supplied to the target, magnetic field distribution, and distance between targets.

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。
The energy of the extracted ions can be controlled mainly by the acceleration voltage, which is the relative difference between the voltages applied to the plasma generation chamber 7 and the ion extraction grid 9.

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
FIG. 3 shows an example of the magnetic field strength distribution in the magnetic flux direction in the thin film forming apparatus shown in FIG. The magnetic field is a divergent magnetic field.

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。
Here, the principle of high-density plasma generation in the ion source of the present invention will be explained in detail with reference to FIG.

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
0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。
Introduce gas into the plasma generation chamber and target 12.13
A negative voltage is applied to create an electrical discharge in the gas, ionizing the gas. When high-speed ions collide with a target to which negative voltages Va and Va' are applied, high-speed secondary electrons (γ electrons) 25 are emitted from the target surface. The γ electrons 25 emitted from this target are reflected by the electric field of both targets, and the γ electrons move back and forth between the targets while making a cycloton movement around the magnetic flux 17 running between the two targets. acts as a mirror for The γ electrons are confined between the two targets until their energy becomes smaller than the binding energy of the magnetic flux, during which time their ionization is promoted by collisions with neutral particles. Furthermore, the high-speed electron flow (electron beam) that travels back and forth between the targets further accelerates the ionization of neutral particles through interaction with plasma. As described above, high-density plasma can be generated even at low gas pressure.

本発明の装置では、10””Torr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。
In the apparatus of the present invention, a discharge can be stably formed even at a lower gas pressure on the order of 10"" Torr, and high-speed ion extraction can be achieved.

次に、実施例のイオン源を用いてAj2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 X 10−’Torr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 X 10−’T
orrおよびI X 1O−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に印加する電圧を一300vに固定している。
Next, the results of forming a film by extracting Aj2 ions using the ion source of the example will be described. After evacuating the sample chamber 19 to a vacuum level of 5 X 10-' Torr, Ar gas was introduced at flow rates of 2.5 cc and 5 cc per minute to reduce the gas pressure in the plasma generation chamber 7 to 5 X 10-' Torr. T
FIG. 5 shows the discharge characteristics when discharged at 10-3 Torr and 10-3 Torr. Here, the voltage applied to the flat target 12 is fixed at -300V.

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A1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〜lonm/minの堆積速度で長時間連続して安定
に効率よく 八で膜を堆積できた。
All of them exhibit constant current discharge characteristics in which the discharge current increases like an avalanche from a certain voltage, indicating that high-density plasma is multiplying. In the ion source of the present invention, sufficiently high-density plasma can be generated even when the voltages applied to the cylindrical target 13 and the flat target 12 are different, as in the example shown in FIG. 5. Further, even when those voltages are the same, sufficiently highly efficient plasma generation can be realized. Sputtering was performed with a power input to the cylindrical A1 target 13 of 300 to 600 W. FIG. 6 shows an example of ion extraction characteristics. The ion extraction voltage on the horizontal axis is the relative voltage difference between the plasma generation chamber 7 and the grid 9A. As a result of fixing the energy of the extracted ions at 300 eV and forming the film at room temperature without heating the substrate holder,
The film could be deposited stably and efficiently continuously for a long time at a deposition rate of 1 to 100 m/min.

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。
FIG. 7 shows a sectional view of another embodiment of the ion source according to the present invention, and FIG. 8 shows a sectional view of an example of a thin film forming apparatus using this ion source.

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M26B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26^の突出端部26Dは電極を兼ね
、電源27からターゲット26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。
The ion source of this embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that the targets for sputtering are two cylindrical targets 13 and 26. target 26
is removably fixed to a water-coolable metal support 26A, which is fixed to wall 7C by screw M26B and insulated from wall 7C by insulator 26C. The protruding end 26D of the support 26^ also serves as an electrode, and a negative voltage is applied to the target 26 from the power source 27 with respect to the plasma generation chamber. The magnetic flux due to electromagnet 16 exits one surface of targets 26 and 13 and enters the other surface.

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。
FIG. 9 shows an example of the magnetic field strength distribution in the magnetic flux direction in this embodiment. The magnetic field is a divergent magnetic field.

第10図に示すように、本実施例−おいても負電圧Va
、Va’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。
As shown in FIG. 10, also in this embodiment, the negative voltage Va
When high-speed ions collide with a target to which , Va' are applied, high-speed secondary electrons (γ electrons) 25 are emitted from the target surface. The γ electrons 25 emitted from the targets are reflected by the electric fields of both targets, and reciprocate between the targets while making a cycloton movement around the magnetic flux 17 running between the targets. In the same way as described above, high-density plasma can be generated in a low gas pressure in this embodiment as well.

次に、本発明スパッタ型イオン源を用いてA4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 X 10−’Torrまで排気した後、
A「ガスを毎分5cc、およびlccのフロー速度で導
入しプラズマ生成室7内のガス圧を5×1O−3Tor
rおよび8 x 10−’Torrとして放電させた時
の放電特性を第11図に示す。ここでは両日筒状ターゲ
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。
Next, the results of forming a film by extracting A4 ions using the sputter type ion source of the present invention will be described. Sample chamber 19
After evacuating the vacuum to 5 x 10-'Torr,
A: Gas is introduced at a flow rate of 5 cc and lcc per minute, and the gas pressure in the plasma generation chamber 7 is set to 5 x 1 O-3 Torr.
FIG. 11 shows the discharge characteristics when discharged at 8×10 Torr and 8×10 Torr. Here, the voltage applied to the cylindrical target on both days is set to the same value. All of them exhibit constant current discharge characteristics in which the discharge current increases like an avalanche from a certain voltage, indicating that high-density plasma is multiplying. In the sputter type ion source of the present invention, sufficiently high-density plasma can be generated even when the voltages applied to the cylindrical targets 13 and 26 are the same as in the example shown in FIG. 11, or when they are different. can.

第12図にA1イオンの引出し特性の例を示す。FIG. 12 shows an example of the extraction characteristics of A1 ions.

円筒状のA文ターゲット13および2B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30θev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、1〜1Onn+/
minの堆積速度で長時間連続して安定に効率よく へ
f膜を堆積できた。
Sputtering was performed at a power input of 300 to 600 W to the cylindrical A pattern targets 13 and 2B. The energy of extracted ions was fixed at 30θev and the film was formed at room temperature without heating the substrate holder.
The F film could be deposited stably and efficiently continuously for a long time at a deposition rate of min.

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1個の円筒状タ
ーゲット28からなっている。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の一端部の表面から出て他端
部の表面に入る。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。
FIG. 13 shows still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the sputtering target consists of one cylindrical target 28. The target 28 is removably fixed to a water-coolable metal support 28A. Support 28A is fixed to wall 7C by screw cap 28B and insulated from wall 7C by insulator 28C. The protruding end 28D of the support 28A also serves as an electrode,
A negative voltage can be applied to the target 28 from the power source 15 with respect to the plasma generation chamber 7 . The magnetic flux 17 generated by the electromagnet 16 exits from the surface of one end of the target 28 and enters the surface of the other end. The ion source of this embodiment operates in the same manner as the embodiment shown in FIG.

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30^、30Bによって負の電圧が印加されている
FIG. 14 shows a sectional view of still another embodiment of the ion source according to the present invention. In this embodiment, ion extraction grids 9 and 29 are provided at both ends of the ion source shown in FIG. 7, so that the ion beam is extracted from both sides of the ion source. In this embodiment, the ion extraction grid 29 consists of two porous grids 29A and 29B, to which a negative voltage is applied by power supplies 30^ and 30B, respectively.

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。
In each of the embodiments described above, it is sufficient for the maximum value of the magnetic field formed within the plasma generation chamber by the electromagnet 16 to be approximately 100G.

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1
3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。
A permanent magnet can also be used instead of the electromagnet 16. FIG. 15 is a cross-sectional view of an ion source in which the electromagnets in the ion source shown in FIG. 1 are replaced with two permanent magnets 31 and 32, and FIG. 3 is a cross-sectional view of an ion source in which the ion source is replaced by two permanent magnets 32 and 33. FIG. Target 12 and 1
By generating magnetic flux exiting one surface of targets 26 and 13 and entering the other surface, a high-density plasma is generated and a high-current ion beam is generated, similar to the embodiments of FIGS. 1 and 7, respectively. It can be used as a source. It is also possible to replace the electromagnets in the embodiments shown in FIGS. 13 and 14 with permanent magnets.

[発明の効果コ 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、あるいはエツチングに応用できる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, high-efficiency ion extraction can be achieved continuously and stably for a long time in low gas pressure by using sputtering using high-density plasma. . The ion source according to the present invention can be applied to continuous formation of high-quality films with little damage at high speed and high stability at low substrate temperatures, material surface modification, or etching.

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

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+l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1θ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AI
L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、11
B、14,15,27.3OA、30ト・・電源、12
・・・平板状ターゲット、 !3,21t、2B・・・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。 特許出願人  日本電信電話株式会社
FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the ion source of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of an example of a thin film forming apparatus to which the ion source of FIG. A diagram showing the magnetic field strength distribution in the magnetic flux direction. Figure 4 is a diagram explaining the high-density plasma generation mechanism of the ion source of the present invention. Figure 5 is a diagram showing the discharge characteristics of the ion source in Figure 1 when the target is set to +l. FIG. 6 is a diagram showing an example of ion extraction characteristics, FIG. 7 is a cross-sectional view of another embodiment of the ion source of the present invention, and FIG. 8 is a diagram showing an example of the ion source of FIG. 7. A cross-sectional view of an example of a thin film forming apparatus, FIG. 9 is a diagram showing the magnetic field strength distribution in the magnetic flux direction in the apparatus shown in FIG. 8, and FIG. 1θ illustrates the high-density plasma generation mechanism of the ion source shown in FIG. 7. Figure 11 shows the target in the ion source of Figure 7 using AI.
Figure 12 is a diagram showing an example of the discharge characteristics when L, Figure 12 is a diagram showing an example of ion extraction characteristics, Figures 13 to 16 are
The figures are cross-sectional views showing other embodiments of the present invention, and FIG. 17 is a cross-sectional view showing an outline of a conventional Kauffman type ion source. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Plasma generation chamber, 2... Filament, 3... Electromagnet, 4... Plasma, 5... Ion extraction grid, 6... Ion beam, 7... Plasma generation chamber, 8... Gas inlet, 9.29... Grid for ion extraction, 11A, 11
B, 14, 15, 27.3OA, 30t...Power supply, 12
...Flat-shaped target! 3, 21t, 2B...Cylindrical target, 16...
- Electromagnet, 17... Magnetic flux, 18... Ion beam, 19... Sample chamber, 22... Substrate, 23... Substrate holder, 25... Secondary electron, 31.32.33. ··permanent magnet. Patent applicant Nippon Telegraph and Telephone Corporation

Claims (1)

【特許請求の範囲】 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
。 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。
[Claims] 1) A plasma generation chamber that introduces gas to generate plasma; an ion extraction mechanism provided at an end of the plasma generation chamber; and an ion extraction mechanism provided at both ends inside the plasma generation chamber. first and second targets each made of a sputtering material; at least one power source that applies a negative potential to the first and second targets, respectively, with respect to the plasma generation chamber; and an interior of the plasma generation chamber. and means for generating a magnetic field at the target and generating a magnetic flux exiting one of the first and second targets and entering the other. an ion extraction mechanism provided at an end of the plasma generation chamber; a cylindrical target made of a sputtering material provided along an inner surface of the plasma generation chamber; an ion source, comprising: a power source for applying a potential of .
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