JPH0261058A

JPH0261058A - プラズマ応用加工装置

Info

Publication number: JPH0261058A
Application number: JP21236188A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Torii; 鳥居　康弘; Iwao Watanabe; 巌渡辺; Masaru Shimada; 勝嶋田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-08-29
Filing date: 1988-08-29
Publication date: 1990-03-01
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: JP2514238B2

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】［ａ業上の利用分野］本発明は、プラズマ生成源を用いて膜形成、エツチング
、基板清浄化などを行うプラズマ応用加工装置の高性能
化にかかわり、特に装置構成の改善を図ったプラズマ応
用装置に関するものである。

［従来の技術］次世代材料の創成、材料の表面特性を改質する新プロセ
ス技術として、反応性の高い活性粒子で、しかもその運
動エネルギを制御できるプラズマ（イオン）を用いた膜
形成やエツチング技術としてプラズマ応用技術が注目さ
れている。例えば、将来の機能素子の開発のためには、
多元系の膜形成技術や膜特性の優れた膜形成技術が重要
であり、たとえば、多元系の膜形成に必要な元素の供給
源の一つとしてプラズマ生成源を用いる薄膜形成法や基
板上に薄膜を形成するのと同時にプラズマを照射するプ
ラズマ（イオン）アシスト薄膜形成法などが注目されて
いる。すなわち、プラズマは、元素の供給源や膜質の物
性制御のアシストとして有用な手段である。

このように高度で特性のすぐれた膜を加工、形成するた
めには、プラズマとほかの膜形成技術を組み合わせる方
法が今後重要になってくると予想される。このような方
法を実施する装置を構成するためには、加工目的に適合
した膜形成用の粒子、エツチング用の粒子、膜物性制御
用の粒子等の種々の粒子を、蒸発、スパッタ、放電（プ
ラズマ、イオン、電子）などの方法で供給し、これらの
粒子を加工基板上で重合わせる必要がある。

従来のこの種の装置の構成の一例を第５図に示す。これ
はＥＣＲプラズマ生成源と蒸発源とを組み合わせた構成
例である。第５図において、１はＥＣＲプラズマ生成源
、２および３は電子ビーム蒸発源、４は加熱蒸発源、５
は基板、６は基板ホルダ、７は基板加熱用のヒータであ
る。蒸発源２゜３および４から膜の構成元素を基板５に
供給し、それと同時にプラズマ生成源１からもプラズマ
８を基板５に照射している。例えば、Ｙ、ＢａおよびＣ
ｕを、それぞれ、蒸発源２．３および４を用いて蒸発さ
せるとともに、ＥＣＲプラズマ生成源１から酸素プラズ
マ８を基板５に照射すれば、高温超伝導体酸化物を形成
することができる。９は真空容器であって、プラズマ生
成源１と結合され、かつ蒸発源２〜４および基板５．基
板ホルダ６およびヒータ７を収容する。真空容器９は排
気系１０によフて真空に引かれる。

この構成でわかるように、プラズマ生成源１と蒸発源２
，３および４とは大きな角度をもって設置されているた
め、基板５に対して、互いに大きな角度をもって粒子が
供給されていた。

一般に、プラズマ生成源１は大きいため、第５図のよう
に蒸発源２．３および４とプラズマ生成源１とを同一方
向に配置することが困難であった。そのために、基板５
に対する粒子の供給源の設置位置が限定されてしまうの
で、プラズマ照射の方向と蒸発粒子の方向とは常に異な
っており、いずれの粒子の飛来する方向に対しても基板
５を垂直に置くことは困難であった。

さらに、２個以上のプラズマ生成源を用いてプラズマ流
を同時に基板に照射するためには、できるだけ小型のプ
ラズマ生成源を用いて、２つのプラズマ流のなす角度を
小さくして、供給粒子の入射角度が相互に影響しないよ
うにする必要があった。

［発明が解決しようとする課題］このように、基板に入射する粒子の方向が垂直方向をと
れず、しかも入射する粒子の方向が異なっていることは
、目的に適合した高品質膜を形成する上でおおきな制約
であった。さらに、大きなプラズマ生成源を複数個設置
した装置を構成できないことも、プラズマ応用装置の開
発、進展のために大きな制約になっていた。

すなわち、従来のプラズマ流を利用したプラズマ応用加
工装置では、直進するプラズマ流を用いていたので、他
の蒸発源（プラズマ生成源も含む）と組み合わせてプラ
ズマ応用膜形成装置を構成する場合には、プラズマ流と
他の蒸発源からの粒子流との方向を合致させることがで
きなかったので、基板とプラズマ流および粒子流との角
度を任意に定めることがで珍ず、特に基板に垂直にプラ
ズマ流や粒子流を供給できなかった。

そこで、蒸発源およびプラズマ生成源の装置に自由度が
あり、これらめ蒸発源およびプラズマ生成源からの粒子
の方向を合致させて、基板と粒子との角度を任意所望の
角度に定めることのできる装置構成が望まれていた。さ
らに加えて、複数のプラズマ生成源からのプラズマ流を
同一方向に重ね合わせることができれば、複数のプラズ
マ生成源を用いた装置を構成することが容易になり、今
後プラズマ応用装置は益々発展していくものと予想され
る。

そこで本発明の目的は、プラズマ生成源からのプラズマ
流の方向と蒸発源からの蒸発粒子の方向を同一方向にし
て、プラズマ生成源、蒸発源の設置位置の自由度を増大
させるとともに、基板に入射する粒子の角度を任意にと
れるようにしたものである。

［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、プラズマ
を生成するプラズマ生成源を少なくとも含む複数の粒子
供給源と、粒子供給源からの粒子が衝突するように基板
を配置する基板保持部材とを有するプラズマ応用加工装
置において、プラズマ生成源からの荷電粒子の流れを曲
げて基板に対して所定の角度で射突させる手段を具えた
ことを特徴とする。

［作　用］本発明では、磁場の作用でプラズマを任意所望の方向に
曲げられるようにして、蒸発源からの粒子流の方向にプ
ラズマ流の方向を合わせるようにしたので、プラズマ流
および粒子流と基板との角度を、垂直に配置する場合を
含めて、任意所望の角度に設置できる。特に、本発明は
Ｅ’ＣＲプラズマ生成源のように、プラズマ流と同一方
向に磁力線を有する磁場を用いてプラズマを生成するプ
ラズマ生成源に対して有効である。

［実施例Ｊ以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

実施例１第１図は本発明の第一の実施例の構成を示す図であって
、ここで１１はＥＣＲプラズマ生成源、１２はプラズマ
生成源１１の周囲に配置されたＥＣＲプラズマ生成用の
マグネットコイル、１３はプラズマ生成源１１にマイク
ロ波を導入するマイク、０波導入口、１４はプラズマ生
成源１１に対してプラズマ放電用のガスを導入するガス
導入口、１５はプラズマ中のイオンエネルギを低電圧で
制御するためにＥＣＲプラズマ生成源１１に電圧を印加
できるようにするための絶縁体である。以上のように構
成したプラズマ生成源１１を、排気系２５によって真空
に引かれている真空容器２６に結合する。１６および１
７は電子ビーム蒸発源、１８は加熱蒸発源（例えば、抵
抗加熱蒸発源、クヌーセンセル（にｎｕｄｓｅｎ　ｃｅ
ｌｌ）であって、これら蒸発源１６〜１８は真空容器２
６内に配置する。

１９は蒸発源１６〜１８からの粒子流、２０はプラズマ
生成源１１からのプラズマ（もしくはイオン）流である
。２１は真空容器２６内に配置された基板ホルダ２２に
取付けた基板、２３は基板２１を加熱するための加熱ヒ
ータである。２４はプラズマ生成源１１からのプラズマ
流２０を基板２１の方向に導くプラズマ流制御用磁気回
路としてのマグネットコイルである。

この構成では、ＥＣＲプラズマ生成源１１を用いた例を
示したが、ＥＣＲプラズマはマイクロ波と磁界との相互
作用でプラズマを生成するものであり、２．４５ＧＨ２
のマイクロ波に対して、磁界を８７５ガウスとすること
がＥＣＲ条件である。均一で高密度のプラズマを生成す
るためには、磁場分布が重要であり、プラズマ中のマイ
クロ波の伝播等を勘案して、８７５ガウス以上の磁界が
発生できるようにする。この磁場の磁力線の方向はマイ
クロ波の電界と直交する方向であるため、プラズマは図
示の方向に流れていく。

このように、ＥＣＲプラズマ生成源１１は、比較的高い
磁界を使用しているとともに、その磁力線の向きはプラ
ズマ流２０の流れる方向と一致しているため、この近傍
に別の磁気回路を設けることによフて、このプラズマを
容易に曲げることができる。そこで、本実施例では、第
１図に示したように、プラズマ生成源１１からのプラズ
マ流２０の出射方向とほぼ直交する方向にマグネットコ
イル２４を配置し、かつその極性とＥＣＲプラズマ生成
源１１に用いているマグネットコイル１２の極性をそれ
ぞれの磁力線が連続する方向にすれば、プラズマ流２０
は、図に示すように、基板２１の方向に曲げられ、基板
２１に垂直にプラズマを照射することができる。なお、
このとき、マグネットコイル２４の磁力線の向きを逆に
すると、プラズマ流２０は、図示とは反対の方向に曲げ
られる。

本実施例では、このようにして、他の蒸発源からの粒子
流１９の方向とプラズマ流２０の方向とを合致させるこ
とができるため、粒子の方向と基板とのなす角度を、垂
直の場合を含めて任意所望の角度に配置することができ
る。

第１図の実施例では、プラズマ制御用の磁気回路２４と
して、マグネットコイルを用いた例を示したが、ここで
、ＥＣＲプラズマ生成源１１に用いているマグネットコ
イル１２の磁力線が基板方向にくるようすればよいので
、マグネットコイル２４を設ける場合に限らず、永久磁
石を使用してもよく、さらに場合によっては、軟鉄など
を基板２１の近傍に置くことによっても同様の方向の磁
力線をプラズマ流２０に作用させることができる。

あるいはまた、第１図では、プラズマ生成源１１と基板
２１との角度が垂直に近い例を示しているが、本発明は
この角度に限定されるものではなく、角度が小さい場合
はより簡単にプラズマ流２０は曲げられる。なお、磁気
回路２４は固定の場合を示したが、マグネットコイル２
４を基板２１の近傍でその基板２１の面内方向に動かす
ことにより、基板２１に達するプラズマ流２０の空間的
均一化を図るようにすることもできる。

次に、具体的な膜形成の例について述べると、蒸発源１
６〜１８から、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、　ＡＩｌ、Ｇａ、Ｚｎ
、Ｓｉ、Ｔｉ。

Ｉｎ、Ｍｏ等を供給し、プラズマ生成源１１から、０２
゜Ｎ２．ＡＳＨ４，ＰＨ３，Ｂ２Ｈｓ、Ｋｒ、Ａｒ等の
プラズマを供給することによって、酸化物、窒化物、は
う化物、ＧａＡｓ、　Ｇａ　ｉＡｓ等の化合物半導体、
さらには不活性ガスのプラズマ照射による膜質の制御な
ど種々の膜形成が可能である。

以上のような構成の木実ｍ例によれば、蒸発源１６．１
７および１８からの粒子流１９の方向とプラズマ生成＠
ｉｌｌからのプラズマ流２０の方向とを一致させること
ができるので、基板２１も、その傾きに制限なく、垂直
を含めて任意所望の角度に設置することができる。よっ
て、プラズマ生成源を種々の粒子供給源と組み合わせて
、高度で膜品質の良い膜形成を行うことが可能になる。

特に、垂直入射にすることにより、粒子は基板２１に垂
直に射突するので、基板２１の平面内で均質な膜を形成
でき、しかも、溝などの凹部への膜形成が可能になる。

プラズマを用いた膜形成にあたっては、プラズマ中のイ
オンの衝撃で低温で高品質の膜が形成でき、垂直方向が
その効果が最も大きいと推定される。なお、一般に、基
板に垂直に粒子を入射する構成は、膜の均一性がよく、
しかも傾ける場合よりも供給される粒子密度が高くなる
ので、成長速度を早くすることができる。しかもまた、
プラズマ流２０が基板２１に垂直に射突するときに、プ
ラズマシースは基板２１の全体にわたって均一にできる
ので、高周波バイアス、直流バイアスを安定にかけるこ
とができる。

実」０」ス第２図は、本発明の実施例２の構成を示し、ここで、３
１はプラズマの進行方向に磁力線を有しなかったり、弱
い磁場でプラズマを生成しているプラズマ生成源である
。３２はプラズマ生成源３１からのプラズマを制御する
ための補助磁気回路であって、プラズマ生成源３１から
のプラズマの出射開口の近傍に配置される。３３は永久
磁石を用いたプラズマ流制御用の磁気回路であって、基
板２１の近傍に配置される。その他の構成および動作は
第１図の例と全く同様であり、磁気回路３２と３３によ
り、磁力線がプラズマ生成源３１から基板２１の方向に
なるように磁場が発生されている。したがって、プラズ
マ生成源３１で生成さ、れたプラズマは、この磁場の作
用で、プラズマ流２０で示したように、基板２１の方向
に曲げられ、蒸発源１６．１７および１８からの粒子の
方向と一致する。その結果、本実施例においても、供給
粒子の方向と基板との角度を任意所望に設定できる。

実施例３第３図は本発明の実施例３の構成を示し、この例では、
複数個のプラズマ生成源から各種のプラズマ流を発生さ
せる。本実施例の基本構成は第１図の場合と全く同様で
ある。ここで、４１はプラズマ流制御用の磁気回路であ
って、均一性を増大したり、磁場の結合を容易にするた
めに、大きな磁気回路の例を示したが、第１図または第
２図の構成と同一であっても当然よい。なお、基板２１
が磁性体のような場合には、磁力線がこの基板２１によ
って遮蔽されないように、プラズマ流制御用の磁気回路
４１を基板面より上部側、すなわち蒸発源１６〜１８の
側に設置する必要がある。

本実施例では、複数（たとえば４〜６個）のプラズマ生
成源１１を基板２１の周囲に、たとえば同一平面内ある
いは異なる平面において設置して、これらのプラズマ生
成源１１からのプラズマ流２０をいずれも基板２１の方
向に偏向させることができるようにする。

従来は、複数のプラズマ生成源を用いて、同一基板上に
複数のプラズマ流を同時に照射することが困難であった
のに対して、本実施例の構成によれば、容易に多数のプ
ラズマ生成源１１からのプラズマを重ね合わせることが
できる。このようにして、プラズマ密度や均一性を向上
させたり、種々のガス種を供給することが非常に容易に
なる。また、それぞれのプラズマ生成源１１を使用ガス
ごとに専用にするようにして、１つのプラズマ生成源を
種々のガスに対して切り換え使用する場合に残留ガスが
汚染部として混入するような汚染物の混入を阻止するよ
うにすることも有効である。

勿論、蒸発源１６．１７および１８を設置しないで、す
べてプラズマ生成源１１のみで構成してもよいことは、
いうまでもない。

各種の元素を供給する手段としては、たとえば、水素化
物、ハロゲン化物、有機金属化合物ガスなど多種のガス
が選択できる（たとえば、ＳｉＨ４，ＣＨ４，ＧｅＨ４
，ｐＨ３，ＡＳ）１３．Ｂ２Ｈ６，ＧａＲａ、ＩｎＲ３
゜Ａｊ２　Ｒ３）ので、このような装置構成で種々のガ
スを用いて、Ｓｔ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓＰ、
　Ｇａ　ＡＪ２Ａｓ、ＩｎＰ。

Ｚｎ５ｅ、ＳｉＣ，ＧａＮ、　　Ａｎ　Ｎ、　Ａ１１２
０３など種々の絶縁膜、金属膜、半導体膜薄膜、ドーピ
ング膜を形成できる。

さらにまた、本実施例では、供給源を複数個準備するこ
とが容易なので、本実施例の装置によれば、多層膜、超
格子膜などのように膜組成を精密に制御したり、異なる
膜を順次積層するような高度な膜形成が容易にできる。

同様に、本実施例では、複数個のプラズマ生成源１１お
よび蒸発源１６〜１８を用いて基板清浄、種々の膜形成
、エツチング、プラズマアシスト、ドーピングなど種々
の処理を所定のシーケンスで行うことを一つの装置で実
現することができる。しかも、各供給源をある元素の供
給の専用に使用することができるので、汚染物の混入の
少ない高品質のプラズマ加工ができる。

実施例４第４図は本発明の実施例４の構成を示し、ここでは加速
イオンビームを同時照射しながら、膜形成を行うイオン
アシストデポジション、またはイオンビームミキシング
の例を示す。この実施例では、第１図の蒸発源の代わり
に、イオン源５１を設置したものである。図示のイオン
源５１としては、ＥＣＲイオン源の構成を示しであるが
、他のイオン源でもよい。５２はイオン源５１の周囲に
配置されたＥＣＲイオン生成用のマグネットコイル、５
３はイオン源５１にマイクロ波を導波管５４を介して導
入するマイクロ波導入口、５５はイオン生成用ガスをイ
オン源５１に導くガス導入口、５６はイオン源５１から
イオンを引き出す引き出し電極系であって、ここでは３
枚電極の例が示しである。５７はマイクロ波導入窓であ
って、導入口５３から導波管５４を経て導かれてきたマ
イクロ波をイオン源５１に導く。プラズマ生成源１１か
らのプラズマ流２０は磁気回路２４の作用で、基板２１
の方向に曲げられ重ね合わされ、基板２１に対して垂直
にプラズマ流２０が照射される。

このプラズマ流２０で膜を形成しながら、イオン源５１
から、電極系５６によってエネルギ制御されたイオン流
５８を基板２１上に同時に照射することによって、機能
的な高品質膜を形成できる。

イオンビームアシストデポジションおよびダイナミック
イオンビームミキシングは、膜形成と同時にイオンを照
射する技術であって、膜の緻密性、応力、付着性などの
物性を制御したり、エネルギの比較的高いイオンを打ち
込むことにより、合金膜の形成、界面消失を起こさせて
、極めて母材と一体化した強固な膜にしたりして、特性
の優れた膜を形成する方法である。例えば、Ｔｉ、　Ａ
ｊ２などの有機金属ガス、ＳｉＬ、Ｂ２Ｈａなどの水素
化ガスのプラズマ流を基板に照射しながら、それと同時
に、イオン源５１の側からＮビームを引き出し電極系５
６の制御で、１〜４９ｋＶのエネルギで照射することに
よって、ＴｉＮ、　Ａｌ１　Ｎ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４など
が形成できる。本実施例は、特に、ＬＳＩなどを作製す
るときに溝などの凹部に金属、絶縁膜等を埋め込むのに
有効である。また、実施例３で述べたように、基板清浄
化、膜形成、エツチング、ドーピングなどの処理を真空
容器２６内の真空を破ることなく所定のシーケンスで行
うことにより、スペースおよび時間の双方共に効率化で
きる。

［発明の効果１以上説明したように、本発明では、プラズマ生成源から
のプラズマ流を基板方向に曲げて、他の蒸発源、イオン
源からの粒子の方向にプラズマ流を合わせたり、あるい
は複数のプラズマ生成源からのプラズマ流を重ね合わせ
ることかできるので、目的とする処理に応じて、種々の
加工用粒子の供給法を組み合わせ、基板と粒子との角度
を任意所望の角度に設置できる複合化装置を容易に構成
できる利点をもっている。したがって、本発明は、プラ
ズマ生成源を用いた、多元系の膜形成、プラズマ・イオ
ンアシストデポジション、イオンビームミキシング、イ
オンドーピング膜の形成などに適用してきわめて有用で
ある。さらに、また、本発明は、基板清浄化、種々の膜
形成、エツチング、ドーピング等の処理を複合化した装
置を構成するのにも有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の４実施例の構成を示す構成図
、第５図は従来のプラズマ応用装置の構成例を示す構成図
である。１．１１・・・ＥＣＲプラズマ生成源、２、３．１６．
１７・・・電子ビーム蒸発源、４．１８・・・加熱蒸発
源、５．２１・・・基板、６．２２・・・基板ホルダ、７．２３・・・基板加熱用のヒータ、１２・・・マグネットコイル、１３・・・マイクロ波導入口、１４・・・ガス導入口、１５・・・絶縁体、１９・・・粒子流、２０・・・プラズマ流、２４．３３．４１・・・プラズマ流制御用磁気回路、２
５・・・排気系、２６・・・真空容器、３１・・・プラズマ生成源、３２・・・プラズマ流制御用補助磁気回路、５１・・・
イオン源、５２・・・マグネットコイル、５３・・・マイクロ波導入口、５４・・・導波管、５５・・・ガス導入口、５６・・・イオン引き出し電極系、５７・・・マイクロ波導入窓、５８・・・イオ゛ン流。ィ足米イ列の講へ図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

１）プラズマを生成するプラズマ生成源を少なくとも含
む複数の粒子供給源と、該粒子供給源からの粒子が衝突
するように基板を配置する基板保持部材とを有するプラ
ズマ応用加工装置において、前記プラズマ生成源からの
荷電粒子の流れを曲げて前記基板に対して所定の角度で
射突させる手段を具えたことを特徴とするプラズマ応用
加工装置。