JPH0251827A - スパッタ型イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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たり、
または薄膜表面のエツチング、あるいは表面改質をする
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
料や薄膜のエツチングや加工に各方面で広く用いられて
いる。中でも第１３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を陰極としてプラズマ安定化磁界発
生用の電磁石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出しグリッド５を用いてイオンビ
ーム６として引き出すものである。

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ｊ１・かスパッタされ不
純物として引出し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、その反応ｈ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いう大きな欠点があ
った。しかも引出しイオンは計等のガスを原着としたも
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型金屈イオ
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、ブラ°ズマ中のガスや
粒子のイオン化が十分でなかった。

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２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２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す
、大電流スパッタ型イオン源技術として十分とは言い難
［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、 か挙げられる。

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にある。

［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
マ生成室の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設けられたプラズマ制御用電極と
、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のターゲラｌ−のうち一方のターゲットから出て
もう片方のターゲットに入る磁束を生成する手段とを備
えたことを特徴とずる。

出しが可能となる。

［作　用］ 木発明は、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、そこで生し
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１ｉｆｔ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２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
の閉じ込め効果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［実施例］ 以下に図面を参照して木発明の詳細な説明する。

第１図は本発明によるスパッタ型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
か導入口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し用グリッド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
を介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１１
８から電圧が印加される。そのとき９八にはプラズマ生
成室７から負の電位を、９Ｂには接地電位から負の電位
を与えた方が望ましい。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。タケソト
１２は水冷可能な金属製支持体１２Ａに゛取り外し可能
に固定され、支持体１２八はねじＭ１２Ｂ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１２
Ａ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
に取り外し可能に固定され、支持体＋３Ａは絶縁体１３
Ｂを介してねじＭ１３Ｇ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１２０
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
には電源２８からの正の電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
た膜を取り除く効果がある。

プラズマ生成室７の内側には、プラズマ制御用電極とし
ての円筒状のアノード電極３０を設け、このアノード３
０には電源２９からプラズマ生成室７に対して正の電位
を与えておく。３０Ａは絶縁体である。このアノード３
０の印加電位によってプラズマ電位が制御でき、結果と
してイオンの引出し効率を改善できる。

プラズマ生成室７の外周には、プラズマ生成室の内部に
６１１界を形成するためのＭＪ、　６ｉ１石１６か設け
られている。電磁石１６が発生する磁束１７が両ターケ
ッ１−面を横切り、磁束が一方のターケラ１への表ｍｊ
′からでて他方の表面に入るように、１Ｅ１石１６およ
びターゲット１２と１３の位否を定める。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
し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２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。イオン引出し用グリッド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かもガスを導入するこ
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Ｆ’ｌｌを与える要因は、プラズマ生
成室のガス圧、ターゲットへの没入電力、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、ある
いは円筒状アノードに印加した電位である加速電圧によ
り制御することかできる。

第３図に、第２図に示した＠膜形成装置における磁束方
向の磁場分布の例を示した。ＦＩＩｌ場は発１１ｋｂｎ
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２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か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−’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。

次に、実施例のイオン源を用いてへβ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内のガス圧を５　ｘ　１０−’Ｔｏ
ｒｒおよび１　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ラ
］・１２に印加する電圧を一３００Ｖ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、それらか異なる場合でも
十分高密度なプラズマ生成が・できる。また、それらの
電圧が同し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。円筒状のへ℃ターゲット１３に没入する電
力を３００〜６００Ｗとしてスパッタを行った。第６図
にイオン３出し特性の例を示した。このとき円筒状アノ
ード３０にはプラズマ生成室に対して＋７０Ｖの電位を
印加している。横軸のイオン引出し電圧はプラズマ生成
室７に印加した電圧に円筒状アノードに印加した電圧を
加えた値である。引出しイオンのエネルギーを３００ｅ
Ｖに固定し、基板ホルダを加熱しないで常温で膜形成を
行った結果、１〜１２ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度で長時間
連続して安定に効率よ＜　ｌ膜を堆積できた。

このときアノードに電圧を印加しない場合に・くらべて
イオン引出し量がおよそ２０％向上した。また、アノー
ドに印加する電圧のみによっても引出しイオンのエネル
ギーが１１４御できることがら、イオンエネルギーの制
御性によりすぐれている。

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
、′１ｉＪ８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。

未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に取外し可能に固定さ
れ、支持体２８Ａはねじ蓋２６Ｂによって壁７Ｃに固定
され、かつ絶縁体２６Ｇによって壁７Ｃから絶縁されて
いる。支持体２６Ａ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。

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
、　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２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、本実施例のスパッタ型イオン源を用いてＡ℃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
ｉ１９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５ｘ　１０−
’Ｔｏｒｒ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。

第１２図にＡＩｌイオンの引出し特性の例を示す。

円筒状のＡ、１２ターゲツト１３および２６に投入する
電力を３００〜６００Ｗとしてスパッタを行った。この
とぎ円筒状アノード３０にはプラズマ生成室に対して＋
７０Ｖの電位を印加している。横軸のイオン引出し電圧
はプラズマ生成室７に印加した電圧に円筒状アノードに
印加した電圧を加えた値である。引出しイオンのエネル
ギーを３００ｅＶに固定し、基板ホルダを加熱しないで
常温で膜形成を行った結果、１〜１２ｒ＋＋ｎ／ｍｉｎ
の堆積速度で長時間連続して安定に効率よ＜　　ｉ膜を
堆積できた。

このときアノードに電圧を印加しない場合にくらべてイ
オン引出し量がおよそ２０％向上した。また、アノード
に印加する電圧のみによっても引出しイオンのエネルギ
ーが制御できることから、イオンエネルギーの制御性に
よりすぐれている。

また導入するガスとしてほとんどの反応性ガスを用いる
ことかできるため、それにより反応スパッタを利用した
イン引出しにより化合物膜の形成も実現できる。

またターゲットとしては平板状ターゲットや円筒状ター
ゲットの代わりにリング状ターゲットを用いることもで
きる。

さらに、以上示した実施例では、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が５００Ｇ以
上の値としているが、これは１００Ｇ程度でも十分高密
度なプラズマ生成が実現できる。

以上の実施例では必要な磁場を電磁石によって得ている
が、これは種々の永久磁石を用いて、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。

一方、上記各実施例では、プラズマ制御用のアノード電
極として円筒状のアノードを用いているが、これは平板
状や線状のアノードを用いてもよく、同様の効果をもち
その形状によらない。

［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や材
料表面改質、あるいはエツチングにも応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスパッタ型イオン源の実施例の断面図
、 ！ｉＳ２図は第１図のスパッタ型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図に示された本発明のスパッタ型イオン源
の実施例における磁束方向の磁場強度分布を示す図、 第４図は本発明のスパッタ型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図のスパッタ型イオン源においてターゲッ
トを八λ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
発明のスパッタ型イオン源の他の実施例の断面図、 第８図は第７図のスパッタ型イオン源を適用した７ｔ９
膜形成装置の一例の断面図、 第９図は第８図に示されたスパッタ型イオン源の実施例
における磁束方向の磁場強度分布を示す図、 第１０図は本発明のスパッタ型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図のスパッタ型イオン源においてターゲ
ットをＡｊ２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
は従来のカウフマン型イオン源の概要な示す断面図であ
る。 １・・・プラズマ生成室、 ２・・・フィラメンｌ−１ ３・・・プラズマ安定化ｌＩｆ＆　６，１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・・・イオン引出し用グリッド、 １０・・・絶縁体、 目Ａ、１１Ｂ、＋４．１５，２７，２８．２９・・・電
源、１２・・・平板状ターゲット、 １３、２６・・・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・・・基板ボルダ− ２４・ｔ・シャッター ２５−・−２次電子、 ３０・・・円筒状アノード。

Claims (1)

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の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設けられたプラズマ制御用
   電極と、 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のターゲットのうち一方のターゲットから
   出てもう片方のターゲットに入る磁束を生成する手段と
   を備えたことを特徴とするスパッタ型イオン源。