JPH06256943A - 高インピーダンスプラズマイオン注入方法および装置 - Google Patents

高インピーダンスプラズマイオン注入方法および装置

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JPH06256943A
JPH06256943A JP5275832A JP27583293A JPH06256943A JP H06256943 A JPH06256943 A JP H06256943A JP 5275832 A JP5275832 A JP 5275832A JP 27583293 A JP27583293 A JP 27583293A JP H06256943 A JPH06256943 A JP H06256943A
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plasma
target
chamber
pulse
voltage
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Pending
Application number
JP5275832A
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English (en)
Inventor
Robert W Schumacher
ロバート・ダブリュ・シューマッハー
Jesse N Matossian
ジェシー・エヌ・マトッシアン
Dan M Goebel
ダン・エム・ゴーベル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32412—Plasma immersion ion implantation

Abstract

(57)【要約】 【目的】別個のプラズマ形成システムが不要とするとと
もに、従来のイオンサージ電流の発生を防いで高い注入
イオンドーズレートを得る。 【構成】上方及び下方チャンバ部を形成するチャンバ壁
を有するプラズマチャンバ２と、プラズマチャンバ２内
にイオン化ガスを導入するガス源７と、プラズマチャン
バ２内に設けられたターゲット支持台４と、ターゲット
６に負の電圧信号を印加して、ターゲット６とチャンバ
壁との間にイオン化グロー放電を発生させる高電圧パル
ス発生器８とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はプラズマイオン注入に関
し、特に、ターゲットに高電圧を印加するのと同一のパ
ルス電力システムによってプラズマが生成される高電圧
注入方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】プラズマイオン注入は、不規則な形状の
ターゲットをプラズマ内に配置し、このターゲットを負
にバイアスしてプラズマから正のイオンを吸引し、十分
なエネルギでこの正のイオンをターゲットに衝突させて
注入する工程である。その目的は磨耗特性を改善したり
堅さを増大してターゲットの表面特性を改善することに
ある。イオン注入には多くの応用が考えられている。そ
の利点は鉄などの金属材料を短時間に処理して、比較的
低コストでかつダイ当たりの重量が小さい良好な磨耗特
性の工業用ツールを製造できることにある。
【０００３】０．１ミクロン以上の十分な注入深さを得
るために、概して５０ｋＶより大きい高電圧をターゲッ
トに印加してプラズマイオンを十分な速度で加速させな
ければならない。従来の注入システムは連続的なプラズ
マを生成しかつターゲットをバイアスするために独立し
た機構を使用した。米国特許４７６４３９４（Conrad)
はプラズマチャンバに挿入されたカソードと（アノード
として機能する）チャンバ壁との間の放電を使用してバ
ックグラウンドガスの体積イオン化（volumeionizatio
n) によって連続的なプラズマを生成している。イオン
注入のために別個にバイアスされたターゲットがプラズ
マ内に挿入される。バックグラウンドガス圧は概して１
０-5乃至１０-4トールである。プラズマはターゲットの
表面のすべての不規則さを包み込み、ターゲットは、プ
ラズマ生成システムから独立した高電圧変調システムに
よってプラズマに関して負の高電位（２０乃至１００ｋ
Ｖの）にパルスバイアスされる。ターゲットをパルスバ
イアスすることによってアークを減少させ、プラズマシ
ースの膨脹を制限し、ターゲット表面全体に渡って全方
向の均一なプラズマイオンの注入を達成できる。この方
法の主な欠点は別のプラズマ生成システムが必要なこと
である。また、ターゲットにパルスバイアスを与えてい
る間に、連続的にプラズマを維持するので、電圧パルス
の上昇時に大きなイオンサージ電流が発生することであ
る。さらに、短時間に高いイオンドーズ量を得るため
に、ターゲットパルス変調器の高周波動作（１ｋＨｚ程
度）を要するのでアークが発生してしまう。さらに、プ
ラズマ密度を上昇させるためにガス圧を１０-6トール以
上に上げることによってイオン注入レートを増大するこ
とができるが、これによってアークが形成されてしま
う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】Conrad特許において
は、プラズマシースは最初はターゲット表面に近い
（２、３デバイ長）。注入電圧パルスを印加したとき、
プラズマイオンがプラズマから除去されてシースが膨脹
する。注入電圧パルスのオフ時間の間、プラズマシース
は部品の表面に向かって移動する。従来の技術では注入
電圧パルスの周波数に上限（１ｋＨｚまで）があり、そ
れ以上の周波数ではプラズマシースは次のパルスが印加
される前にターゲット表面に一致すべく時間内に戻るこ
とができない。さらに、注入電圧パルスが印加される前
にプラズマが存在する場合、注入電圧が印加されたとき
に大変大きな電界（５０乃至１００ｋＶ／ｃｍ以上）が
プラズマシースを横切って発生する。この高電界ととも
に高イオン電流スパイクが発生して、高反復レート（１
ｋＨｚ以上）かつ高ガス圧（１０-4トール以上）でアー
クが発生する。
【０００５】プラズマイオン注入のための他のプラズマ
生成システムが特許出願Ｎｏ．０７／５９５１２３に開
示されている。この出願はMatossian とGoebelによって
１９９０年１０月１０日に出願され、本発明の譲り請け
人であるHughes AircraftCompany に譲渡されている。
この出願においては、プラズマはイオン化チャンバ内部
でのバックグラウンドガスの体積イオン化(volume ioni
zation) によってではなく、真空システムに取り付けら
れた局部化プラズマ発生器内で生成される。この方法で
は、注入作業空間内での均一さが得られるとともに、１
種以上から種を選択してプラズマ生成を行うことが可能
である。さらに、米国特許Ｎｏ．４７６４３９４の方法
で使用されるフィラメントの蒸発又はスパッタリングに
よって表面汚染の問題が除去されるとともに、２原子作
業ガスに対する種混合の制御が得られる。しかしなが
ら、このシステムは、高電圧変調器を必要とする上に、
別個の放電及びカソードヒータパワーサプライを使用し
ており、イオンチャンバの多数の貫通を必要とする。ま
た、連続的プラズマ生成システムを使用しているのでタ
ーゲットパルスの上昇時間の間、高いサージ電流が発生
する。
【０００６】ターゲットにイオンを注入するのではなく
ターゲットを塗布するために、上記した電圧領域よりも
はるかに低い電圧領域、概して１ｋＶ以下で動作する他
のイオンシステムが知られている。このようなシステム
の１つとして、特許Ｎｏ．５０１５４９３（Gruen)は、
ガス内にイオンを生成するためにグロー放電が使用され
る。このイオンはグロー放電を生成するのに使用するの
と同じ電圧信号によってターゲット表面に吸引される。
約０．１ｋＶと１ｋＶの間の負の電圧パルスがターゲッ
トに印加され、このときのパルス周期は約１乃至１０ｋ
Ｈｚの反復周波数で約１０乃至１００マイクロ秒であ
る。ターゲット表面近くのプラズマの欠乏、アークの発
生、堆積中のターゲット表面の過熱を避けるために、連
続的信号よりもパルスが使用される。この特許は“１０
０Ｐａ以下”（０．７３トール）であることを開示して
いるが特定のガス圧については述べていない。
【０００７】Gruen 特許はイオン化された蒸気によって
加工物を塗布するのには効果的であるが、その動作原理
はイオン注入に要するはるかに高い電圧には適用できな
い。これは、Gruen 特許で使用されているタイプのグロ
ー放電が、プラズマを維持するのに要するイオンを生成
すべく、ターゲットから放出された２次電子と周囲のガ
ス原子との直接衝突に依存しているためである。イオン
注入に使用されるはるかに高い電圧、例えば５０ｋＶ程
度以上の電圧で、２次電子ははるかに長い平均自由行程
を持ち、ガス原子とイオン化衝突する確率が低くなる。
すなわち、２次電子衝突からのイオン濃度は高い電圧レ
ベルではるかに低くなる。このことは、H.Tawara及びT.
Katoによる“電子注入による電子及びイオンの全体的及
び部分的イオン化断面”（原子データ及び原子核データ
テーブル、Academic Press Vol.36,No.2,March 1987 ,1
67-353 ページ）に開示されている。この文献は２０ｋ
ｅＶよりも大きいエネルギでの希ガスのイオン化断面は
１００乃至２００ｅＶで３０倍以下であることが示され
ている。このように低いイオン化断面では濃度の大きな
プラズマを生成しかつ維持することが困難である。１０
０ｋｅＶでのイオン化降下はより大きく、この電圧で多
くのイオン注入が行われる。
【０００８】パルスグロー放電がイオン窒化に使用され
ており、イオン化窒素ガスからターゲット表面で窒化物
が生成される。この技術は例えば、Kwon et al.)による
“ブラインドホールをもつ試料内におけるパルス及び直
流のイオン窒化作用の比較研究”（イオン窒化に関する
国際会議の議事録、１９８７年、７７乃至８１ページ）
に開示されている。この方法でのガス圧は高く、１乃至
１０トール程度であり、グロー放電を起こすのに使用さ
れる電圧レベル（概して１ｋＶ以下）はイオン注入で使
用される電圧よりもはるかに低い。
【０００９】他のパルスイオンシステムが知られてい
る。特許Ｎｏ．３７３２１５８（Przybszewski) では、
２乃至５ｋＶの直流電圧源が初めに物体に接続され、グ
ロー放電を起こしてこの物体をスパッタ清浄している。
続いて、ガス圧を約１０-2トールに低下させ、電圧源を
パルス化してターゲット上にスパッタリングされるフィ
ルム材料にＲＦ電力を印加している。特許Ｎｏ．３４７
９２６９(Byrnes,Jr.et al. ）では、負の１．５ｋＶの
パルス列をターゲットに印加してプラズマを生成すると
ともに、ターゲットにイオンを吸引させている（図５参
照）。しかしながら、Gruen 特許と同様、これらの２つ
の特許に開示されたシステムはより高い電圧のイオン注
入技術に適用できない。
【００１０】本発明の高インピーダンスプラズマイオン
注入方法および装置はこのような課題に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、別個のプラズ
マイオン形成システムを不要とし、従来のイオンサージ
電流の発生を防ぐととともに高い注入イオンドーズ量を
得て、５０ｋＶを越える高いイオン注入電圧でプラズマ
を維持できる高インピーダンスプラズマイオン注入方法
および装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、本発明の高インピーダンスプラズマイオ
ン注入方法は、プラズマチャンバ内にターゲットを提供
する工程と、前記プラズマチャンバ内にイオン化ガスを
導入する工程と、各パルスの少なくとも一部の間、ビー
ムプラズマ不安定相互作用によってプラズマを周囲のガ
ス内で維持するとともに、各パルスの少なくとも一部の
間、前記プラズマからのイオンを前記ターゲットに注入
するのに十分高い電圧レベルと一定の時間間隔をもつ一
連の負の電圧パルスを前記ターゲットに印加する工程と
を具備する。
【００１２】また、本発明のプラズマイオン注入方法
は、プラズマチャンバ内にターゲットを提供する工程
と、前記プラズマチャンバ内にイオン化ガスを導入する
工程と、電子ガス衝突によって前記ターゲットの隣接部
にバックグラウンドパルスプラズマを発生させるととも
に、２次電子と前記バックグラウンドパルスプラズマ間
のビームプラズマ不安定相互作用によって、前記ターゲ
ットの隣接部に１次パルスプラズマを発生させる２次電
子を放出するとともに、前記１次プラズマから前記ター
ゲットへのイオンのパルス注入を発生させるべく、前記
ターゲットを電気的に励起する工程とを具備する。
【００１３】さらに、本発明のプラズマイオン注入装置
は、上方及び下方チャンバ部を形成するチャンバ壁を有
するプラズマチャンバと、前記プラズマチャンバ内にイ
オン化ガスを導入する手段と、前記プラズマチャンバ内
に設けられたターゲット支持構造と、前記ターゲット支
持構造に負の電圧信号を印加することによって前記支持
構造によって支持されたターゲットに負の電圧信号を印
加して、前記ターゲットと前記チャンバ壁との間にイオ
ン化グロー放電を発生させる手段とを具備し、前記ター
ゲット支持構造がターゲットを支持すべく前記放電チャ
ンバ内に配置され、前記ターゲットの表面が、前記支持
構造と前記下方チャンバ部との距離の少なくとも２倍の
距離をおいて上記上方チャンバ部から離して配置されて
いる。
【００１４】
【実施例】まず、本実施例の概略を説明する。
【００１５】本実施例においては、従来のグロー放電プ
ラズマを達成するには高すぎる電圧レベルでイオン注入
ターゲットに負の電圧パルス列を印加する。少なくとも
各パルスの一部におけるビームプラズマ不安定相互作用
によって、パルスプラズマがターゲットの回りに形成さ
れる。これは、Hughes Aircraft Company に譲渡された
Schumacher et.alによる米国特許Ｎｏ．４９１２３６７
に記載されたPASOTRON（Hughes Aircraft Company の商
標) マイクロ波源において、スローウエ−ブ構造を満た
すのに使用されるのと同一のプラズマ発生機構である。
ターゲットから放出された２次電子は直接グロー放電を
起こすのには不十分であるが、２次電子とバックグラウ
ンドプラズマとの間のビームプラズマ不安定相互作用に
よって１次パルスプラズマを形成するのに使用されるバ
ックグラウンドプラズマを形成することができる。プラ
ズマはターゲットに電圧パルスを印加することによって
生成され、各電圧パルスの初期におけるイオン電流サー
ジの発生を防いでいる。
【００１６】本実施例の注入方法によれば、短時間内に
高いドーズ量でターゲットに注入することができる。動
作パラメータとしての電圧レベルは５０ｋＶ以上、好ま
しくは１００ｋＶ以上であり、パルス周期は１０ミリ秒
以下、周波数は秒当たり５０乃至１０００パルスであ
る。また、ガス圧は約１×１０-4乃至１×１０-3トール
である。低圧では１つ以上の補助電極がイオンチャンバ
内に配置される。ターゲットパルスが印加されたとき、
ビームプラズマ放電を開始する種電子が補助電極によっ
て生成される。ターゲットパルスはビームプラズマ不安
定相互作用によってプラズマを維持する。高圧では補助
電極を必要としないがプラズマ状態を制御かつ調整する
ために使用される。
【００１７】図１は本発明の方法を実現するのに使用さ
れるプラズマイオン注入システムの簡略化された構成図
である。このシステムは密閉されたプラズマチャンバ２
と、イオンが注入されるターゲット物体６をチャンバ２
内で支持する台４とから構成される。窒素等のガスがガ
ス源７からチャンバ２内に導入される。チャンバとター
ゲット支持構造は後述するように従来の設計によるもの
ではない。高電圧パルス発生器（電源）８の出力は、絶
縁された真空貫通接続部１０を介してターゲット６に接
続され、このターゲット６は電源８の出力と同電位に上
昇される。電源８及びチャンバ２の壁にはアース電位が
供給される。パルスを形成するためには高速の高電圧ス
イッチを必要とする。本発明の出願人に譲渡された米国
特許４２４７８０４(Harvey)、４５９６９４５(Schumac
her 及びHarvey) 、５０１９７５２(Schumacher)に記載
されたCROSSATRONスイッチが高電圧スイッチとして適当
である。
【００１８】電源８からターゲット６に供給される電圧
パルスはイオン注入を行なうのに十分大きく、例えば５
０ｋＶ以上、好ましくは少なくとも１００ｋＶである。
上記したように、この電圧領域において従来のグロー放
電をターゲットの回りで発生させることは困難である。
また、ターゲット電圧源から分離されたプラズマ形成シ
ステムが通常使用される。しかしながら、このような高
電圧レベルにおいては通常のグロー放電とは全く異なる
機構によってプラズマを維持できることが見出された。
このようなプラズマ発生機構はビームプラズマ不安定相
互作用と呼ばれ、電子ビームに関連してのみ観察され
た。このような形のプラズマ発生は、Liuによる論文、
“ビームプラズマ放電によるプラズマ生成”（Stevens
Instituteof Technology 、１９７４、１乃至２ペー
ジ）と、Schmidt による論文、“高温度プラズマの物
理”（第２版、Academic Press 1979 、２２０乃至２２
２ページ）と、Ishikawa et alによる論文、“ビームプ
ラズマイオン源のイオン空間電荷補償によるイオンビー
ム抽出”( Journal of Applied Physics、５３巻、No.
9、１９８２年９月、６０１８乃至６０２８ページ）
と、Rosing et alによる論文、“ビームプラズマイオン
源の放電及びイオン抽出特性”（Journal ofApplied Ph
ysics, ５７巻、No.3, １９８５年２月、８１６乃至８
１８ページ）と、Demirkhanov et al による論文“ビー
ムプラズマ放電からのイオン放出”（Soviet Physics-T
echnical Physics, １５巻、No.7、１９７１年１月、１
０４７乃至１０５０ページ）に開示されている。
【００１９】これらの工程において、カソードから離れ
る電子は印加電圧によって加速され、周囲のガス原子と
イオン化衝突を起こす。しかしながら、これらの１次電
子によって生成されたバックグラウンドプラズマは、比
較的少数でありその平均自由行程は放電チャンバの長さ
よりもはるかに長いので稀薄である。１次電子（電子ビ
ーム）とバックグラウンドプラズマとの混合物は密度変
動に関して不安定である。このビームプラズマ相互作用
により強い高周波プラズマ波がプラズマ内で励起され
る。この高周波プラズマ波はバックグラウンドプラズマ
電子を加熱するとともに、電子速度分布の後端部が密閉
ガスをイオン化して、プラズマ濃度を基の高エネルギ電
子ビームのイオン化レートに基づいて計算されるレベル
よりもはるかに高いレベルに増大させる。プラズマ濃度
は次第に増大し、１次プラズマ濃度は、ビームプラズマ
とプラズマ生成とがチャンバ壁に対する粒子損失によっ
て均等になる安定状態値に到達する。プラズマ生成を開
始するビームを提供する電子ビーム銃は多くの種類のも
のが使用されており、例えば、米国特許Ｎｏ．４９１２
３６７に記載された空洞カソードプラズマ電子銃があ
る。
【００２０】本発明では１次元の電子ビーム銃を使用す
るのではなく、注入ターゲットの露出された全表面が電
子源として使用され、電子ビームはバックグラウンドガ
スに２次電子が流入して３次元分布となる。しかしなが
ら、電子ビームと同一タイプのビームプラズマ不安定相
互作用が起こることが発見された。この特徴あるプラズ
マ生成機構は従来のグロー放電の代わりに、イオン注入
に要する高電圧レベル（５０乃至１００ｋＶ）で注入タ
ーゲット６の回りにパルスプラズマを発生するために使
用される。
【００２１】１００ｋＶ程度の電圧パルスと５０乃至５
００アンペアの電流を使用した場合、各パルスの間、タ
ーゲット表面を囲むプラズマシースの両端に２ｋオーム
乃至０．２ｋオーム程度の高インピーダンスが発生され
る。パルス周期は、ビームプラズマ不安定機構を介して
作業チャンバ内にプラズマを発生するのに十分なほど長
くする必要がある。一方、パルス周期は、注入中にプラ
ズマシースがターゲット表面から過度に移動しないよう
にすべく十分短くする必要がある。さもないと、プラズ
マシースがターゲット表面の小さな特徴(feature) に一
致しないようになってしまう。この要件は、プラズマシ
ースが注入電圧パルスの印加の前にターゲット表面の回
りに発生する従来のConrad特許の技術と異なるものであ
る。パルス周期は発生するシースの膨脹量を決定する。
パルスがＯＦＦである間、プラズマシースはターゲット
表面に向かって移動し、次の電圧パルスが印加される前
に以前の位置を決定する。
【００２２】本発明においては、注入電圧パルスの印加
以前に発生されるプラズマまたはプラズマシースは存在
しない。電圧パルスが印加された後はプラズマがビーム
プラズマ不安定を介して形成され、プラズマシースが形
成されてパルス周期中にターゲット表面に向かって移動
する。プラズマ濃度が増大するときシースがターゲット
表面に一致し、イオンが注入工程中にプラズマ欠乏とな
るときにターゲット表面から離れる。従って、本発明で
はパルス周期は、ビームプラズマ不安定を介して作業チ
ャンバ内にプラズマを形成するのに十分長い時間である
とともに、注入中にブラズマシースがターゲット表面か
ら余分に移動しないように十分短い時間にする必要があ
る。これらの要件を同時に満たすためにパルス周期は１
ミリ秒より長くする必要がある。好ましい実施例では、
７乃至８マイクロ秒のパルス周期が使用される。パルス
周期が長いとターゲット表面とプラズマとの間のプラズ
マシースを横切ってアークを発生する。パルス反復周波
数は概して５０乃至１０００Ｈｚの間に保持される。パ
ルス周期が約５ミリ秒でかつ、パルス周波数が８０乃至
２００Ｈｚの間のときに好ましい結果が得られた。チャ
ンバ内のガス圧は注入工程に対する他の重要なパラメー
タである。圧力を増大させるとプラズマ濃度が増大して
より急速にイオンが注入される。しかしながら、圧力が
高すぎるときはアークが発生する。１００ｋＶのパルス
では約５×１０-3トール以上の圧力でアークが発生す
る。許容される圧力範囲に対する下限は、パルス高イン
ピーダンス放電プラズマが保持される最小の圧力によっ
て決定される。約１×１０-4トールまでのガス圧で適当
なプラズマが得られるが、このようなガス圧では各々の
プラズマパルスを開始するために補助電極（以下に述べ
る）が必要となる。
【００２３】本発明の大きな利点は前記したConrad特許
よりも、非常に高いプラズマ密度、すなわちより早い注
入レートが得られることである。Conrad特許によって得
られるイオンドーズレートは概して１平方センチメート
ル当たり１ミリアンペア程度であるが、本発明では１平
方センチメートル当たり１０ミリアンペアよりも大きな
ドーズレートである。この高い電流密度により、５０乃
至１００ｋＶの電圧で３乃至６ｃｍ程度のシース厚さに
することができる。Conrad特許によれば、高電圧パルス
を印加する前にプラズマの存在が必要であり、これによ
ってターゲットに微細構造を注入できるように小さいシ
ースが生成される。本発明の高インピーダンス技術で
は、イオン電流密度が高いので十分小さいシースが１０
０ｋＶで形成される。
【００２４】Conrad特許に比較して他の重要な改善点
は、ターゲットに印加される各々の高電圧パルスの初期
に発生するイオンサージ電流は実質的に除去されてしま
う。図２はConrad特許の場合を示しており、ターゲット
に印加される電圧パルス１２がプラズマからターゲット
に注入されるイオン電流１４と同じ時間軸で描かれてい
る。Conrad特許の連続的プラズマでは最高のイオン電流
が電圧上昇時にターゲットに供給される。これは以下の
２つの理由により高い電流スパイク１６を発生する。１
つは大きなシステム容量（ケーブル、貫通接続部、ター
ゲットテーブル等）がチャージされることによる。２つ
目はシースが膨脹するときに電荷（イオン）を掃引する
ことによって、印加された高電圧がターゲットとプラズ
マ間にチャイルドラングミューア（Child-Langmuir) シ
ースが形成されるときに大きなイオン束がターゲットを
流れることによる。電圧が上昇する間に電流はその平衡
値の２乃至１０倍に上昇する。大きな電流スパイクは高
電圧変調器による大きなサージ電流能力を必要とし、変
調回路に不要なストレスを与える。
【００２５】これに対して本発明は、プラズマ及び高電
圧パルスは単一の変調器から同時に形成される。電圧パ
ルスはプラズマを発生させるのに要する時間が有限なの
でプラズマ密度よりも高速で上昇し、作業体積をプラズ
マで満たし、イオンをターゲットに転送する。ターゲッ
トに対するイオン電流は電圧パルスよりもゆっくり上昇
し、電流上昇時に全電圧でイオン注入を行なうことがで
きる。図３（ａ）〜図３（ｃ）はこのようすを示してお
り、曲線１８、２０、２２はそれぞれ注入電圧、プラズ
マ密度、イオン電流の波形を示しており、共通の時間軸
で描かれている。図から明らかなように、プラズマ密度
とイオン電流の上昇は電圧の上昇よりも遅く、ピーク電
圧が得られるまではピーク値に到達しない。
【００２６】本発明によって提供されるより遅いイオン
電流上昇時間は、ターゲットのアークレートを減少させ
る電流パルスに“ソフトスタート”を与える。又、この
パルス形状(pulse shape) は、ターゲットに印加された
電圧パルスに高周波発振を起こすことなしに注入電圧を
増大すべく、ステップアップ変圧器により容易に結合さ
れる。これはConrad特許における連続的プラズマ方法の
高電流ターンオンスパイク特性と対照的であり、パルス
変圧器を駆動して、パルス発生の間注入電圧出力に大き
な発振を引き起こす。連続的プラズマ方法を実行した結
果、パルスの大きな部分において変調器のピーク電圧よ
りも概して低い注入電圧が得られる。図３（ｃ）に示す
改善された電流パルス２２は、パルス変圧器に対するす
ぐれた結合と、全パルス長に渡って安定した出力電圧が
得られる。
【００２７】前記したように、図１に示すパルスプラズ
マシステムは１×１０-4乃至１×１０-3トールの圧力範
囲の下部でプラズマを開始することができない。これを
改善したシステムが図４に開示されている。図１ではガ
ス圧が１×１０-4トールの範囲に減少したとき、ビーム
プラズマ放電を開始するのが困難になる。これは、バッ
クグラウンドガス原子の密度が低く、稀薄なプラズマを
生成するのに要する種電子が少数しか存在しないためで
ある。これよりビームプラズマ不安定によって高密度の
プラズマが生成される。この問題を緩和して十分な種電
子を提供する２つの方法がある。いずれの方法も必要な
種電子を提供すべくイオン注入チャンバ内に補助電極を
配置する。１つの方法では熱イオンフィラメントが連続
的に動作する補助電極（種電子源）として使用される。
他の方法では磁気的に増大された金属プレートが使用さ
れ、低圧でビームプラズマ放電工程を開始するための種
電子を供給すべくコールドカソード補助電力として機能
する。
【００２８】図４は低バックグラウンドガス圧での動作
を行なう第１実施例を示す図である。イオン化チャンバ
２の内部には１つ以上の電子放出フィラメントが配置さ
れている。フィラメント３６は抵抗Ｒｃを使用するかあ
るいは、壁に直接接続することによって、真空チャンバ
壁にその一端が接続されている。フィラメント３６はパ
ワーサプライ３８によって熱イオン温度に加熱されて電
子放出を発生する。これらのフィラメントを使用した場
合は分離したプラズマが発生しない。フィラメントは単
に種電子をイオン注入体積に連続的に供給するだけであ
る。注入電圧が印加された後は、フィラメントからの種
電子によりバックグラウンドガスの十分低いレベルのイ
オン化が起こり、ビームプラズマ放電工程は１×１０-4
トールの低い範囲の圧力で開始される。フィラメントの
温度を変化させることによって、プラズマ密度すなわ
ち、ターゲットに注入されたイオン電流密度がガス圧お
よび印加電圧とは無関係に変化かつ制御される。本実施
例では低い圧力範囲で動作させることを第１としている
が、前記したように高圧範囲においても使用可能であ
る。
【００２９】図５は低いバックグラウンドガス圧でのビ
ームプラズマ放電動作を行なう第２実施例を示す図であ
る。この実施例では、ホットフィラメントカソード３６
（及びフィラメントヒータパワーサプライ３８）が簡単
なコールドカソードシステムで代用されている。補助カ
ソード２４ａ、２４ｂとしての１つ以上の金属電極構造
が貫通接続部２６ａ、２４ｂを介して個々に真空チャン
バ２内に配置されている。カソード２４ａ、２４ｂは高
電圧パルス発生器８からの信号を受信するとともに、バ
ラスト抵抗Ｒａ、Ｒｂを介してターゲットに接続されて
いる。コールドカソード上での放電を開始する機構を提
供するために、局部磁界が、注入ターゲットから離れた
カソードの側部の永久磁石２８（図６参照）によって補
助カソード構造に導入される。局部磁界はコールドカソ
ード表面から放出された電子の通路長を増大させる。こ
のような放電は減少された圧力（１０-3ミクロン以下）
で補助カソードにおいて開始される。補助カソードにお
ける磁界はカソード上でＥ×Ｂ放電が起こるような形状
である。交差磁界プラズマ放電は平らなマグネトロンに
おける放電と類似している。プラズマ放電は高電圧パル
スが開始されるとき補助カソードに局部的に発生し、イ
オン及び電子がプラズマ発生を補助すべくターゲット領
域へと拡散する。
【００３０】図５に示す補助カソード構成に対するコー
ルドカソード技術（ホットフィラメント技術と対照的）
を使用することはいくつかの利点を有する。第１に、パ
ルスの開始の高電圧で駆動(float) されるフィラメント
パワーサプライが除去できる。第２に、電子の通路長が
より長いために、Ｅ×Ｂ放電が主チャンバ内の高インピ
ーダンス放電の前に開始される。これによって不適当な
プラズマ位置とプラズマ発生によるターゲットのアーク
減少を防ぐために、種電子の導入を制御することができ
る。第３に、Ｅ×Ｂ補助カソードはバラスト抵抗の値に
応じて十分な量のプラズマを生成するのに使用されると
ともに、ターゲット上のプラズマの均一さを制御するの
に使用される。最後に、補助カソードは、基板の汚染を
最小にするように、（モリブデン又はタングステン等
の）低いスパッタリングイールドを有する材料が使用さ
れる。あるいは、スパッタ堆積とイオン注入を同時に行
なうことによってターゲット物体上の薄膜の形成を補助
するような材料が選択される。例として、窒化イオンと
ともに堆積されたＴｉをイオン注入することによって、
Ｔｉカソード材料を使用してターゲット物体の表面にＴ
ｉＮを生成する。
【００３１】本発明とConrad特許に代表される従来技術
との大きな違いを以下に説明する。前記したように従来
技術においては、高いイオン電流とイオンドーズレート
を得るためにバックグラウンドガス圧を単に増加させる
ことはできない。これは、ターゲット表面に近い位置
（２、３デバイ長）に配置されたあらかじめ形成された
プラズマの存在下において注入電圧パルスが印加される
ためである。これによって、（５０乃至１００ｋＶ／ｃ
ｍ以上）の大きな電界がイオン電流スパイクが発生する
と同時に急激にシースに発生する。この状態は１０-4ト
ール以上の圧力でのアーク現象につながり、安定した動
作を妨げる。これに対して本発明においては、注入電圧
が印加される前にはプラズマが発生しない。電圧パルス
が本発明に印加されたとき、１ｋＶ／ｃｍ程度の低い電
界がプラズマなしで、ターゲットと真空チャンバ壁との
間に発生し、Conrad特許と同じ高い値にゆっくりと近ず
く。１０-4トール以上の高いガス圧でグロー放電が上記
したビームプラズマ相互作用によって生成される。パル
ス印加の初期で初期電界ストレスが減少されかつイオン
電流スパイクが除去されるので、Conrad特許では実現で
きなかった１０-4トール以上の高いガス圧で安定した動
作が得られる。
【００３２】本発明によって生成されるパルスプラズマ
はターゲットカソードとチャンバ壁アノード間の２ｋオ
ーム乃至０．２ｋオームの高インピーダンスによって特
徴付けられ、ある意味では、高電圧降下がプラズマに対
するターゲットで維持される。印加されたほぼすべての
電圧が外部回路の電流制限抵抗の両端ではなく、カソー
ドシース内の放電を両端に発生する。
【００３３】高インピーダンスビームプラズマ放電工程
を実現するために、図１に示す装置の構成に沿って設計
するのが望ましい。まず、図１に示す真空チャンバ２の
上方及び下方の半球におけるターゲット支持構造４と真
空チャンバ壁との間の距離を考慮する必要がある。ター
ゲット６がターゲット支持構造４上に配置されたとき、
ビームプラズマ放電工程が開始され、ターゲット支持構
造と真空チャンバ壁２との間ではなく、ターゲット表面
と真空チャンバ壁２との間で維持される。このことを確
実にするために、ターゲット６の表面と真空チャンバ２
との間の距離は、ターゲット支持構造の距離よりも十分
大きく（少なくとも２倍程度）する必要がある。このよ
うな設計に対する要件は、真空チャンバ壁に関するター
ゲット支持構造の位置に関して何の要件も必要としない
Conrad特許と異なるものである。
【００３４】他の要件はターゲット支持構造自身の設計
に関するものである。好ましい実施例において、ターゲ
ット支持構造は、図１に示すように、支持構造と隣接す
る真空チャンバの端部間に約３乃至４インチの間隙を残
すように設計される。この間隙は、グロー放電が間隙内
に生成するのに十分小さくかつ、指示構造とチャンバ壁
との間の不要なアークの発生を防ぐことができるほど大
きい。さらに、テーブル４上方のグロー放電によって形
成されるプラズマがテーブルの回りに漏出して指示構造
下方に流れだしてその領域でグロー放電を起こさないよ
うに間隙の寸法を設定する必要がある。このようにし
て、ターゲット指示構造は前記した従来技術のConrad特
許から示唆され得ないマルチタスクを同時に実行でき
る。この構造は(a) 注入すべきターゲット６を指示す
る。また、(b) プラズマがその下方に流れ出すことを防
止できる。これは、ターゲットを支持する単一の金属電
極からなり、プラズマがその回りを流れるようにした従
来のターゲット指示構造と対照的である。ターゲット指
示構造はプラズマのフローをイオン注入チャンバの様々
な位置に制限するための装置としては使用されなかっ
た。
【００３５】装置の簡略化を考慮した他の構成は図１に
示す主チャンバ２内における磁気的封じ込めをなくすこ
とである。本発明では高圧を使用しているので磁界は必
要でない。磁界は、低圧（１０-5乃至１０-4トール）で
動作させるイオン化工程の効率を改善するために、概し
てConrad等の従来技術において必要とする。本発明は意
図的に高圧プラズマ工程を使用するので、真空チャンバ
の周囲で磁石を使用する必要性はない。
【００３６】フィラメントを補助電極として使用する実
験において、３０４ステンレス鋼のサンプルが５×１０
-6トールの圧力で窒素ガスとともに注入ターゲットして
使用された。６０ｋＶのパルス注入電圧が５００Ｈｚの
パルスレートでかつ４ｍＡ／ｃｍ2 のパルス窒素イオン
電流密度で印加された。２次イオン質量分析器によって
サンプルが分析されて窒素プロファイルが作成された。
これより、窒素イオンが４×１０16／ｃｍ2 のドーズ量
で０．１ミクロンの深さまで注入されたことが確認され
た。
【００３７】他の実験は補助電極なしに行われた。５０
乃至６０ｋＶの注入電圧と１×１０-3トールの圧力で窒
素が注入された。パルス反復レートは８０Ｈｚであり、
パルス長さは５マイクロ秒であった。１×１０16／ｃｍ
2 の注入ドーズ量が１０ｍＡ／ｃｍ2 のパルス電流密度
で１時間以内に得られた。これは、パルス電流密度がは
るかに低い（１ｍＡ／ｃｍ2 程度）連続的プラズマConr
adシステムと同じ反復レート及びパルス長で５０ｋＶの
注入電圧を使用する場合と対照的である。このドーズレ
ートで１時間実験を行った後の注入ドーズ量は１０15／
ｃｍ2 以下であった。
【００３８】以上いくつかの実施例が示されたが他の変
形及び実施例が可能である。このような変形及び実施例
は添付の特許請求の範囲に規定された本発明の精神及び
範囲から逸脱することなしに実現できる。
【００３９】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
別個のプラズマ形成システムが不要となり、高い注入イ
オンドーズレートが得られ、従来のイオンサージ電流の
発生を防ぐことができる。また、５０ｋＶ以上の高いイ
オン注入電圧でプラズマを維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実現するのに使用されるパルス
イオン注入システムの立面図である。
【図２】従来の装置におけるパルスターゲット、連続的
プラズマシステムの電圧及びイオン電流応答を示す図で
ある。
【図３】本発明で得られる電圧、プラズマ濃度、イオン
電流応答をそれぞれ示す図である。
【図４】補助電極が使用される他の実施例の断面図であ
る。
【図５】図４と異なる補助電極構成を有する他の実施例
の立面図である。
【図６】磁気増大システムを有する補助電極構造の立面
図である。
【符号の説明】
２…プラズマチャンバ、４…台、６…ターゲット、７…
ガス源、８…高電圧パルス発生器、１０…真空貫通接続
部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェシー・エヌ・マトッシアン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91306、カノガ・パーク、チェイス・スト リート 20439 (72)発明者 ダン・エム・ゴーベル アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91356、ターザナ、リンドリー・アベニュ ー 4637

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高インピーダンスプラズマイオン注入方
    法であって、 プラズマチャンバ内にターゲットを提供する工程と、 前記プラズマチャンバ内にイオン化ガスを導入する工程
    と、 各パルスの少なくとも一部の間、ビームプラズマ不安定
    相互作用によってプラズマを周囲のガス内で維持すると
    ともに、各パルスの少なくとも一部の間、前記プラズマ
    からのイオンを前記ターゲットに注入するのに十分高い
    電圧レベルと一定の時間間隔をもつ一連の負の電圧パル
    スを前記ターゲットに印加する工程と、を具備したこと
    を特徴とする高インピーダンスプラズマイオン注入方
    法。
  2. 【請求項２】 前記チャンバ内で補助電極を励起して、
    前記補助電極から放出された種電子によって低いバック
    グラウンドガス圧で前記プラズマを開始させるととも
    に、前記電圧パルスが前記ビームプラズマ不安定相互作
    用の間、前記プラズマを維持する工程をさらに含むこと
    を特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記チャンバ内の前記ガス圧が実質的に
    １×１０-3トール以下であることを特徴とする請求項２
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記補助電極が前記チャンバ内に配置さ
    れ、前記ターゲットに接続されたコールドカソードであ
    ることを特徴とする請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 プラズマ開始パッシェンブレークダウン
    を前記補助電極に制限すべく、前記補助電極の隣接部に
    局部磁界を発生させる工程をさらに含むことを特徴とす
    る請求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記補助電極が電子放出フィラメントと
    して提供され、種電子を提供すべく、前記フィラメント
    に電圧を印加して熱イオン温度に励起することを特徴と
    する請求項２記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記フィラメントの温度が、ガス圧と印
    加電圧に無関係にイオン電流密度を制御することを特徴
    とする請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 プラズマイオン注入方法であって、 プラズマチャンバ内にターゲットを提供する工程と、 前記プラズマチャンバ内にイオン化ガスを導入する工程
    と、 電子ガス衝突によって前記ターゲットの隣接部にバック
    グラウンドパルスプラズマを発生させるとともに、２次
    電子と前記バックグラウンドパルスプラズマ間のビーム
    プラズマ不安定相互作用によって、前記ターゲットの隣
    接部に１次パルスプラズマを発生させる２次電子を放出
    するとともに、前記１次プラズマから前記ターゲットへ
    のイオンのパルス注入を発生させるべく、前記ターゲッ
    トを電気的に励起する工程と、を具備したことを特徴と
    するプラズマイオン注入方法。
  9. 【請求項９】 前記ターゲットが少なくとも約５０ｋＶ
    の負の電圧パルスによって励起されることを特徴とする
    請求項１又は請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記パルスのパルス周期が約８ミリ秒
    以下であることを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記電圧パルスが秒当たり約５０乃至
    １０００パルスの範囲の周波数で印加されることを特徴
    とする請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記チャンバ内のガス圧が、約１×１
    ０-4乃至１×１０-3トールの範囲であることを特徴とす
    る請求項９記載の方法。
  13. 【請求項１３】 各パルスの間にプラズマ密度と注入電
    流を電圧パルスの上昇に遅れて上昇させるのに十分な上
    昇時間で前記ターゲットに前記電圧パルスを印加するこ
    とを特徴とする請求項９記載の方法。
  14. 【請求項１４】 プラズマイオン注入装置であって、 上方及び下方チャンバ部を形成するチャンバ壁を有する
    プラズマチャンバと、 前記プラズマチャンバ内にイオン化ガスを導入する手段
    と、 前記プラズマチャンバ内に設けられたターゲット支持構
    造と、 前記ターゲット支持構造に負の電圧信号を印加すること
    によって前記支持構造によって支持されたターゲットに
    負の電圧信号を印加して、前記ターゲットと前記チャン
    バ壁との間にイオン化グロー放電を発生させる手段とを
    具備し、 前記ターゲット支持構造がターゲットを支持すべく前記
    放電チャンバ内に配置され、前記ターゲットの表面が、
    前記支持構造と前記下方チャンバ部との距離の少なくと
    も２倍の距離をおいて上記上方チャンバ部から離して配
    置されていることを特徴とするプラズマイオン注入装
    置。
  15. 【請求項１５】 前記ターゲット支持構造が、前記支持
    構造上方のプラズマが前記支持構造の下方に流出するの
    を実質的に防ぐために、前記チャンバ壁に十分近くまで
    延在していることを特徴とする請求項１４記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記チャンバ内の前記支持構造の概し
    て上方に配置された補助電極と、この補助電極を励起し
    て種電子を放出させ、低いバックグラウンドガス圧で前
    記チャンバ内でプラズマを開始する手段をさらに含む請
    求項１４記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記補助電極が前記チャンバ内に配置
    されて前記ターゲットに接続されたコールドカソードを
    含む請求項１６記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記補助カソードが、プラズマ開始パ
    ッシェンブレークダウンを前記補助カソードに制限すべ
    く、前記補助電極の隣接部に局部磁界を発生させる磁石
    手段をさらに含む請求項１７記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記補助電極が電子放出フィラメント
    を含み、前記電極励起手段が、前記フィラメントに電圧
    を印加して熱イオン温度に励起して種電子を供給すべく
    接続されていることを特徴とする請求項１６記載の装
    置。
  20. 【請求項２０】 前記フィラメントの温度が、ガス圧と
    印加電圧とに無関係にイオン電流密度を制御することを
    特徴とする請求項１９記載の装置。
JP5275832A 1992-11-04 1993-11-04 高インピーダンスプラズマイオン注入方法および装置 Pending JPH06256943A (ja)

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