JPH06290723A - イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 熱フィラメント１からの熱電子によりプラズ
マを生成するイオン源において、プラズマ生成室７内に
高周波電界を導入する手段２２，２３，２５，２６と高
周波電界を印加できる電極２４を有し、熱フィラメント
によるプラズマ反応でプラズマ生成室内に堆積した反応
生成物を、高周波電界によるプラズマ反応で気化させ、
プラズマ生成室内のクリーニングを行うことを特徴とす
るイオン源及びイオンビーム装置を提供する。 【効果】 カウフマン型イオン源を用いて炭素成膜のよ
うな堆積性のあるガスを用いた成膜を行う場合、従来法
ではイオン源を装置から取り外して部品を分解してクリ
ーニングすることが不可避であったが、本発明によれば
イオン源の分解をすることなく行える。このため、イオ
ン源分解時に起こるフィラメントの破損がなく、フィラ
メントの利用効率も向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオンビーム装置に関す
る。とりわけ、イオン発生用の電極に熱フィラメントを
用いたカウフマン型イオン源で、成膜又は元素注入を行
うときの放電安定性の向上、及びメンテナンス性向上に
極めて有効なイオンビーム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術について説明する。ここでは説
明の便宜上炭素膜の形成について以下に説明するが、本
発明はこれに限定されるものではなく、他の薄膜の形成
及び元素の注入にも適用される。

【０００３】イオンビーム法による炭素膜の形成は、メ
タン、エタン、プロパン等の炭化水素系ガスを、１０^-3
Ｔｏｒｒ以下に真空排気したイオン源に導入しプラズマ
化する。次にプラズマ中のイオンを直流電界によりプラ
ズマ中から引き出し、更にイオン源とサンプル間に印加
した電位差により、基板表面に到達させ堆積させること
で行っていた。イオン源に導入したガスのプラズマ化に
は一般的な手法として以下の３種類がある。

【０００４】・熱フィラメント法‥‥熱フィラメントで
熱電子を放出させ、この熱電子を導入したガス分子に照
射し、ガス分子をイオン化しプラズマを発生させる。

【０００５】・ＲＦ放電法‥‥‥‥‥ＲＦ（１３．５６
ＭＨｚ）電界により導入したガスをイオン化しプラズマ
を発生させる。

【０００６】・ＥＣＲ放電法‥‥‥マイクロ波（２．４
５ＧＨｚ）電界と磁界（８７５Ｇ）を組み合わせ、電子
サイクロトロン共鳴により導入したガスをイオン化しプ
ラズマを発生させる。

【０００７】以上の３種類のうち、熱フィラメント法
（カウフマン型）が最初に開発された。また、カウフマ
ン型イオン源は、構造が簡単で扱い易いこと、高密度プ
ラズマを得られることから、イオンビーム用のイオン源
として最も普及している。

【０００８】カウフマン型イオン源を用いたイオンビー
ム法による炭素膜の形成を、図３のイオンビーム装置の
一例を参照して更に具体的に説明する。

【０００９】サンプル加工室１３内のサンプルホルダー
１２に図に示していないサンプルを設置し排気口１１か
ら真空排気する。圧力が１０^-3Ｔｏｒｒ程度になった
後、成膜用のガスをイオン源に導入し、コンダクタンス
バルブ１０を用いて所定の圧力にする。次に、イオン源
からイオンをサンプルに照射することでサンプル上に成
膜を行う。イオン源から照射されるイオンの散乱を減少
させるために、サンプルホルダー１２にサンプル電源９
より直流電位若しくは交流電位を印加することもある。

【００１０】イオン源について更に説明する。イオン源
の構造は、まず、プラズマ生成室７の外壁で大気と真空
を遮断するイオン源鏡筒１６の真空側（内側）に電子源
となるフィラメント１（イオン現鏡筒１６から絶縁され
ている）を設置し、イオン源鏡筒１６の外にあるフィラ
メント電源３に接続する。またイオン源鏡筒１６内にコ
レクタ電極２（イオン源鏡筒１６から絶縁されている）
を設置し、これにコレクタ電源４を接続しフィラメント
１とコレクタ電極２間に直流電位が印加できるようにす
る。これは、フィラメント１に電流を流し加熱したとき
に、コレクタ電極２との電位差により熱電子がフィラメ
ント１から効率よく放射されるようにするためである。
ガス配管１８を通りガス流調弁１７で流量制御された炭
化水素系のガス（便宜上メタンとする）及び水素ガスを
コレクタ電極２内のプラズマ生成室７に導入し、前記の
フィラメント１に電流を流し、コレクタ電極２に電位差
を設ける。フィラメント１からコレクタ電極２に熱電子
が放出され、これがプラズマ生成室７内に導入されたメ
タン及び水素ガスに衝突しこれらのガス分子をイオン化
する。この結果、プラズマ生成室にプラズマが発生す
る。このとき、イオン源鏡筒の外にコイル１５を設置
し、コイル電源１４から電流を流すことでプラズマ生成
室内に同心円状の濃度勾配を持つ磁場ができ、プラズマ
中の荷電粒子をプラズマ生成室の中心部に集中させるこ
とができプラズマの密度を高くできる。プラズマ生成室
内に発生したプラズマ中のイオンを引き出すために、プ
ラズマ生成室の一方の壁を多孔製とし、更にその外側に
多孔製の引き出し電極８を設け、これに引き出し電源５
から直流電位を印加する。すると、コレクタ電極２と引
き出し電極８の間に電位差を作ることにより、プラズマ
生成室内のイオンだけがイオン源の外に放出されること
になる。フィラメント電源３、及びコレクタ電源４、及
び引き出し電源５に加速電源６から直流電位を印加する
ことで、イオン源全体が接地電位に対し加速電源６の直
流電位を持つ。この結果イオン源から引き出されたイオ
ンはサンプルに対し加速電源６による直流電位を持って
照射することになる。イオンの散乱を防ぐために、サン
プルホルダー１２にサンプル電源９より直流電位が印加
されている場合、サンプルに照射されるイオンのエネル
ギーは加速電源６との電位差となる。また、加速電位が
数ＫＶに及ぶ場合、コレクタ電極２とイオン源鏡筒１６
間で直流グロー放電が発生するため、イオン源鏡筒をサ
ンプル加工室１３の壁から絶縁しコレクタ電極２と同電
位にするか、若しくはイオン源鏡筒をセラミックス等の
絶縁物で作成する必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとしている課題】例えば、炭素膜を
形成する場合炭化水素のガスを用いる。炭化水素系のガ
スであるメタンガス等をイオン源に導入しプラズマ化す
ると、堆積性のある炭素が反応生成物として発生する。
炭素膜形成を繰り返すうちに炭素がイオン源内部の様々
な部分に付着し、各電極間及び真空容器内壁との間で絶
縁不良、チャージアップを起こす。このため長時間プラ
ズマを発生させると前記の絶縁不良やチャージアップに
よるプラズマ及びイオンビームの不安定化が発生する。
このため、加工を続けるためにはイオン源のクリーニン
グをしなければならない。そして、イオン源内部の様々
な場所に付着した炭素を落すためには真空装置に取り付
けられた状態では作業が難しく、通常クリーニング時に
はイオン源を真空装置から取り外し、部品を全て分解し
てクリーニングすることになる。その上、セラミック等
の絶縁用部品は表面に細かい凹凸が存在するため、サン
ドブラストによる研磨が必要なことが多い。以上の理由
により、クリーニングには非常な手間と時間を要してい
た。特に汚れがひどい場合、真空装置全体のオーバーホ
ールまで行わなければならないことになる。プラズマ反
応により堆積性のある反応生成物が発生するガスを用い
て膜形成加工を行う場合、炭素膜形成に限らず上記のク
リーニングは避けられない作業であり、カウフマン型イ
オン源によるイオンビーム成膜法が広く生産に用いられ
ない原因の一つになっていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記従来の欠点であるプ
ラズマ反応による堆積性の生成物を、イオン源を分解せ
ずにクリーニングすることを可能にするのが本発明の目
的である。

【００１３】この目的を達成するために、本発明による
イオンビーム装置では、まずイオン源内部で比較的大き
な面積を持つコレクタ電極に高周波電界を印加できるよ
うにする。次にイオン源内部に付着したプラズマ反応生
成物と、プラズマ反応により気化するガス（例えばメタ
ンガスを用いて炭素成膜を行う場合、プラズマ反応生成
物としてイオン源内部に炭素が付着するが、炭素は酸素
プラズマにより簡単に一酸化炭素又は二酸化炭素となり
気化する）をイオン源に導入し、コレクタ電極に高周波
電界を印加しプラズマを発生させ、イオン源内部に付着
したプラズマ反応生成物を除去する。また、イオン源の
機械的な寸法によってはイオン源内部に高周波放電用の
電極を装備し、これに高周波電界を印加することでプラ
ズマ放電を発生させてもよい。また、プラズマ放電に用
いる高周波電界の周波数は、高い方がプラズマ密度が高
く拡散し易い傾向があり、イオン源のクリーニングには
望ましいが、１００ＭＨｚ以上ではプラズマ密度が余り
増加しないにも関わらず高周波電源と電極とのインピー
ダンス調整が難しくなり、更にマイクロ波領域になると
電界の導入が複雑になる等実用的ではなくなる。このた
め、プラズマ放電に広く用いられている１３．５６ＭＨ
ｚ〜１００ＭＨｚの範囲が望ましい。

【００１４】クリーニング用のプラズマ生成に熱フィラ
メントを使用しない理由は、クリーニング用のプラズマ
が熱電子を放出するために加熱されたフィラメントと反
応してしまいフィラメントを損傷してしまうことを避け
るためである。

【００１５】

【作用】本発明では、成膜工程でのプラズマ生成に熱フ
ィラメントを用いて安定した高密度プラズマを生成し、
イオン源内部にプラズマによる反応生成物が堆積し成膜
に支障が生じる量となった場合には、別の電極を用いて
ＲＦ放電によるプラズマを生成し反応生成物をエッチン
グにより除去することで分解クリーニングをせずに成膜
作業に復帰できる。

【００１６】また、イオン源のクリーニング中は、フィ
ラメントは室温であるためクリーニング用のプラズマか
ら損傷を受けることもない。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１８】（実施例１）図１に本発明によるイオンビ
ーム装置を示す。便宜上メタンと水素ガスによる炭素成
膜について説明する。図１において、コレクタ電極２に
同軸ケーブル２２と高周波整合器及び直流電圧切換機２
１を介し、高周波電源２３とコレクタ電極（直流）４を
接続する。通常の成膜においては高周波整合器及び直流
電圧切換機２１をコレクタ電源４に接続し、コレクタ電
極２に直流電位を印加し従来例に示した如く使用する。
成膜に用いたメタン中の炭素成分がプラズマ反応により
固体化し、イオン源内部の様々な部分に付着し安定した
放電を維持できなくなった場合、メタン及び水素ガスを
酸素に替え、イオン源の全ての電源をＯＦＦにし、高周
波整合器及び直流電圧切換機２１を高周波電源２３に切
り換える。その後、コンダクタンスバルブ１０を調節し
て真空装置内の圧力を１０¹ 〜１０^-2Ｔｏｒｒ程度に
し、高周波整合器及び直流電圧切換機２１を介して高周
波電源２３から高周波電力をコレクタ電極２に印加す
る。高周波整合器及び直流電圧切換機２１の高周波整合
器を調整し、コレクタ電極２と高周波電源２３のインピ
ーダンスの整合性が合うと、コレクタ電極に印加された
高周波電力によりイオン源内部に酸素プラズマが発生
し、イオン源内部に付着した炭素が酸化され、一酸化炭
素若しくは二酸化炭素となり、真空排気系により真空装
置内部から除去される。イオン源内部に付着した炭素が
なくなった後、高周波電源２３をＯＦＦし、高周波整合
器及び直流電圧切換機２１をコレクタ電源４側に切り換
え、ガスを酸素からメタンと水素ガスに替え、再び従来
例に示したように成膜を開始する。酸素のプラズマを生
成するときは、フィラメント１を加熱せずコレクタ電極
２を用いるため、フィラメント１が酸化により破損する
ことがない。

【００１９】（実施例２）図２に本発明によるイオンビ
ーム装置の他の実施例を示す。図２において、プラズマ
生成室７内に高周波を印加するための高周波電極２４を
設置し、同軸ケーブル２５及び高周波整合器２６を介し
て高周波電源２３に接続する。通常の成膜は従来例の如
く行う。便宜上メタンと水素ガスによる炭素成膜につい
て説明する。成膜に用いたメタン中の炭素成分が、プラ
ズマ反応により固体化しイオン源内部の様々な部分に付
着し安定した放電を維持できなくなった場合、メタン及
び水素ガスを酸素に替え、イオン源の全ての電源をＯＦ
Ｆにする。その後、コンダクタンスバルブ１０を調節
し、真空装置内の圧力を１０¹ 〜１０^-2Ｔｏｒｒ程度に
し、高周波整合器２６を介して高周波電源２３から高周
波電力を高周波電極２４に印加する。高周波整合器２６
を調整し、高周波電極２４と高周波電源２３のインピー
ダンスの整合性が合うと、高周波電極に印加された高周
波電力によりイオン源内部に酸素プラズマが発生し、イ
オン源内部に付着した炭素が酸化され、一酸化炭素若し
くは二酸化炭素となって真空排気系により真空装置内部
から除去される。イオン源内部に付着した炭素がなくな
った後、高周波電源２３をＯＦＦし、ガスを酸素からメ
タンと水素ガスに替え、再び従来例に示したように成膜
を開始する。実施例１と同様に酸素のプラズマを生成す
るときは、フィラメントを加熱せず高周波電極を用いる
ため、フィラメント１が酸化により破損することがな
い。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、カ
ウフマン型イオン源を用いて炭素成膜のような堆積性の
あるガスを用いた成膜を行う場合、従来不可避であった
イオン源の分解によるクリーニングをイオン源の分解を
することなく行える。このため、イオン源分解時にフィ
ラメントを破損することもなくなり、フィラメントの利
用効率も向上する。更に、イオン源の各電極の分解組み
立てには、従来ある程度の経験とイオン源に対する知識
が必要であったが、分解クリーニングが不必要なためイ
オン源の使用に当たり経験及び知識を必要とせず実用上
極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオンビーム装置のうち、コレクタ電
極に高周波電界を印加しプラズマを発生することでイオ
ン源内部のクリーニングを行えるようにした例を説明す
る概略図である。

【図２】本発明のイオンビーム装置のうち、イオン源内
部に高周波電界印加用電極を装備し、これに高周波電界
を印加しプラズマを発生することでイオン源内部のクリ
ーニングを行えるようにした例を説明する概略図であ
る。

【図３】従来型のイオンビーム装置を説明する概略図で
ある。

【符号の説明】

１ フィラメント ２ コレクタ電極 ３ フィラメント電源 ４ コレクタ電源 ５ 引き出し電源 ６ 加速電源 ７ プラズマ生成室 ８ 引き出し電極 ９ サンプル電源 １０ コンダクタンスバルブ １１ 排気口 １２ サンプルホルダー １３ サンプル加工室 １４ コイル電源 １５ コイル １６ イオン源鏡筒 １７ ガス流調弁 １８ ガス配管 ２１ 高周波整合器及び直流電圧切換機 ２２ 同軸ケーブル ２３ 高周波電源 ２４ 高周波電極 ２５ 同軸ケーブル ２６ 高周波整合器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱フィラメントからの熱電子によりプラ
   ズマを生成するイオン源において、プラズマ生成室内に
   高周波電界を導入する手段と高周波電界を印加できる電
   極を有し、熱フィラメントによるプラズマ反応でプラズ
   マ生成室内に堆積した反応生成物を、高周波電界による
   プラズマ反応で気化させプラズマ生成室内のクリーニン
   グを行うことを特徴としたイオン源及びイオンビーム装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１のイオン源及びイオンビーム装
   置において、プラズマ生成室内のコレクタ電極に高周波
   電界を印加してプラズマを発生させることで、熱フィラ
   メントによるプラズマ反応でプラズマ生成室内に堆積し
   た反応生成物を、高周波電界によるプラズマ反応で気化
   させプラズマ生成室内のクリーニングを行うことを特徴
   としたイオン源及びイオンビーム装置。
3. 【請求項３】 請求項１のイオン源及びイオンビーム装
   置において、プラズマ生成室内に高周波電界を印加する
   ための電極を設置し、前記電極に高周波電界を印加する
   ことで、熱フィラメントによるプラズマ反応でプラズマ
   生成室内に堆積した反応生成物を高周波電界によるプラ
   ズマ反応で気化させプラズマ生成室内のクリーニングを
   行うことを特徴としたイオン源及びイオンビーム装置。