JPH0666307B2 - プラズマ装置 - Google Patents

プラズマ装置

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JPH0666307B2
JPH0666307B2 JP61214238A JP21423886A JPH0666307B2 JP H0666307 B2 JPH0666307 B2 JP H0666307B2 JP 61214238 A JP61214238 A JP 61214238A JP 21423886 A JP21423886 A JP 21423886A JP H0666307 B2 JPH0666307 B2 JP H0666307B2
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photon
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
    • H01J37/32321—Discharge generated by other radiation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この発明は、グロー放電システムおよび方法に関するも
のであり、特に、グローの強さを増大させエツチングま
たは付着工程を改善するため、レーザ光線の使用などの
光子放射によつて、グロー放電システムのプラズマ放電
領域における電子の量を増大させることに関するもので
ある。
B.従来技術 従来技術には、各種の異なる目的のため、レーザ光線等
の放射を、プラズマと組合わせて使用するものである。
1973年３月27日にLubinに与えられた「小滴生成手段お
よびレーザ・プリパルス手段を有するプラズマ生成装置
（Plasma Production Apparatus Having Droplet
Production Means and Laser Pre-pulse Mean
s）」と題する米国特許第3723246号明細書には、調整レ
ーザ・パルスによるレーザ光線を照射した高密度ターゲ
ツトから、自由に拡がる高温プラズマを生成させる装置
および方法が開示されている。レーザとターゲツトの相
互作用を導出するための調整レーザ光線パルスと、調整
ターゲツトを形成する手段が述べられている。
1974年７月30日にJaegleらに与えられた「Ｘ線および紫
外線スペクトル領域における負の吸収係数を有する媒体
を得る方法および前記の方法の実用のためレーザ（Meth
od of Obtaining ａ Medium Having ａ Negativ
e Absorption Coefficient in the X-Ray and U
ltraviolet Spectral Range and ａ Laser for
Practical Application of Said Method）」と題す
る米国特許題3826996号明細書には、プラズマの自由電
子が密集する連続体のエネルギ状態と相互作用する、離
散的準安定エネルギ状態をイオンが有する材料から形成
したプラズマが開示されている。密度の逆転は、多くの
これらの準安定状態と、それより低いエネルギ状態との
間で行われ、次に、準安定状態と、前記より低いエネル
ギー状態とを結合する転移が起こる場合に、負の吸収が
生じる。
プラズマを生成するために、巨大パルスのレーザ光線
が、真空中で、前記の材料から形成された固体ターゲッ
トと相互作用し、ターゲット内部の光線が通過する表面
の近くに集められる。光線の強さは、材料のイオンが十
分に密な、準安定状態となるようなものである。
1979年５月１日にConradに与えられた「連続波レーザに
よるプラズマ発生および閉込め（Plasma Generation
and Confinement with Continuous Wave Lase
r）」と題する米国特許第4152625号明細書には、安定な
プラズマを発生させ、そのプラズマを安定に保つための
方法および装置が開示されている。プラズマを発生さ
せ、維持させるために高出力の連続波が用いられ、磁気
トラツプによりプラズマを拘束する。
1980年２月19日にBrauらに与えられた「自由電子と気体
レーザとの組合わせ（Combination Free Electron a
nd Gaseous Laser）」と題する米国特許第4189686号
明細書には、１つ以上の気体レーザ状態と、１つ以上の
自由電子状態を有する多重レーザが開示されている。自
由電子レーザ状態はそれぞれマイクロ波直線アクセレレ
ータにより連続的に励起される。次に、電子線のエネル
ギ準位を下げて１つ以上の気体レーザを励起するため、
１つの実施例では気体レーザを通し、別の実施例ではマ
イクロ波アクセレレータを通して電子線が方向ずけられ
る。結合レーザは高いパルス繰返し周波数（1kHz以
上）、高い出力、高い効率、およびコヒーレント光学放
射の多重光線を同期発生する際の同調能力を与える。
Philip J. Hargins, Jr. およびJames M. GeeがS
olid State Technology,1984年11月、P. 127〜133に
発表した「薄膜材料の付着およびエツチングのためのレ
ーザとプラズマの相互作用（Laser-Plasma Interactio
n for the Deposition Etching of Thin-Film M
aterials）」には、レーザ・プラズマ化学処理は、付着
または、エツチングのために紫外線レーザ放射およびグ
ロー放電の両方を必要とする新しい材料加工法であると
述べている。この融通性のある材料処理技術は、シリコ
ンの付着および、各種の絶縁材料のエツチングに用いら
れた。この方法はまた、単結晶シリコン・ウエーハの上
に、エピタキシヤル・シリコン皮膜を付着させるにも用
いられた。付着およびエツチングを行つた皮膜は、レー
ザ・ラマン分光光度計、透過型電子顕微鏡、走査型電子
顕微鏡によつて特性が決定された。これまでに得られた
結果は、入射紫外線レーザ放射と、基板上にプラズマ付
着させた吸着層との相互作用を伴う機構として解釈され
ている。
J. M. Gee、P. J. Hargis Jr. ,M. J. Carr,D.
R.TallantおよびR. W. Lightが、Elsevier Scienc
e Publishing Co.,Inc.発行のMat. Res. Soc. Sym
p.第29巻（1984年）に発表した「プラズマで発生させた
レーザによる多結晶および単結晶皮膜の付着（Plasma-I
nitiated Laser Deposition of Polycrystalline
and Monocrystalline Silicon Filmes）」で、著者
らは、パルス紫外線エクサイマ・レーザからの放射と、
シラン（SiH4）中のグロー放電で発生するプラズマ種と
の相互作用を用いてシリコンを付着させる新しい方法を
報告している。付着した皮膜を、レーザ・ラマン分光光
度計および透過型電子顕微鏡で検査すると、0.13〜0.17
J／cm2のレーザの作用による多結晶シリコンから0.4〜
0.6J／cm2のレーザの作用によるエピタキシヤル・シリ
コンまでの範囲の形態が存在することが判明した。多結
晶シリコンの成長速度は毎分100nm、単結晶シリコンの
成長速度は毎分30nmであった。
前述のHargisとGeeの発表、およびGeeらの発表は、この
発明を予期したものではない。これらの論文はいずれ
も、光学的に強化した化学蒸着に関する同一の研究であ
る。これらの研究ではレーザ放射がプラズマにより付着
した吸収層と、相互作用をすることを示している。これ
らはまた、レーザ放射がプラズマと相互作用しないこと
も示している。これらの報文で論じられた電子−正孔型
プラズマは、付着層のみに存在する。これは、化学反応
を進める固体の電子分布の変化である。
最近の報分である「一次イオン付着またはエピタキシヤ
ルGeおよびSi皮膜のためのレーザ誘導プラズマ（Laser-
Induced Plasmas for Primary Ion Deposition）
と題する論文（J. Vac. Sci. Technol. B.,1985年
７、８月、P. 968〜974）も興味ある論文であるが、こ
の発明を予期したものではない。Lubbinらは、皮膜を付
着させるために、レーザ放射により切除した材料を使用
している。彼らは、レーザ放射と切除された材料との相
互作用によつて生じる中性プラズマを発生を論じてい
る。本発明は、紫外線を用いた光電子の発生によるプラ
ズマの強化に関するものである。
Gail A. MasseyがIEEE Journal of Quantum Elec
tronices,Vol. QE20、No.2（1984年２月）に発表した
「高喜怒レーザ光電子源（Laser Photoelectron Sour
ces of High Apparent Brightness）」と題する論
文で、筆者は紫外線レーザ光線を適当な形状の陰極の小
さな点に集束すると、輝度を増した光電子線が得られる
と述べている。このような接続電子源は、電子線リソグ
ラフイその他の応用分野で有用である。
C.発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、プロズマ・グロー領域におけるプラ
ズマ密度を増強する方法および構造を提供することにあ
る。
この発明の他の目的は、ターゲツトの表面から光電子を
発生させることにより、プラズマ・グロー領域における
プラズマ密度を増強する方法および構造を提供すること
にある。
この発明の他の目的は、光子をターゲツトに当てて光電
子を放出させることにより、グローに電子を加えて、プ
ラズマ・グロー領域におけるプラズマ密度を増強する方
法および構造を提供することにある。
この発明の他の目的は、プラズマ・グロー中に電子を放
出させるために、ターゲツトの表面に当てる光子エネル
ギを発生させる方法および装置を提供することにある。
さらにこの発明の他の目的は、電子をプラズマ・グロー
中に放出するため、ターゲツトにレーザ放射を当てるレ
ーザ装置を提供することにある。
D.問題点を解決するための手段 この発明によれば、放射線源を使つて、システム中のタ
ーゲツトの表面から光電子を発生させて、プラズマ・グ
ロー中の光電子の数を増加させることにより、プラズマ
・グロー・システム中のプラズマの増強が行われる。も
つと具体的にいえば、これは、プラズマ密度を高めるた
めに放射された光電子がプラズマに射出されるプラズマ
工程中に紫外レーザ光線をターゲツトの表面に充満する
ことによつて達成される。
プラズマ増強は、陰極、ターゲツト、基板を含む基板プ
ラツトフオームおよびポンプ含むチエンバを備えたスパ
ツタ・エツチング／付着システムで用いられる。紫外線
レーザ等の紫外線光源、および、紫外線を、紫外線透過
性のウインドウを通してターゲツト上に集束させる光学
装置も設けられる。チエンバ内のプラズマ領域は、ター
ゲツトに当たり、プラズマ密度を高めるためにプラズマ
中に射出される光電子を発生させるレーザからの光子に
よつて増強される。
E.実施例 この発明の特長は、ターゲツトの表面にエネルギーを与
える手段を設けることによつて、グロー領域に於けるプ
ラズマ密度を高めるための新しい方法が達成されること
である。このように導入されたエネルギは、ターゲツト
材料へ移送され、電子を放出してプラズマ・グロー中に
自由に入り、そこでイオンを発生させる。
グロー放電ダイオード・システムは、その一次電子源
を、ターゲツト表面のイオン、光子および電子の衝突に
よる二次電子から得る。これらの電子は、グロー領域に
送られ、ここで加速されてイオンを発生させ、このイオ
ンがさらに電子の数を増大させる。プラズマ・グロー領
域に電子を加える方法はどれでもグローの強さを増強す
る。たとえば、二次電子放出比の大きな表面は、二次電
子放出比の小さな材料よりはるかに高いプラズマ密度を
生成する。プラズマへの電子の射出は、独立した電子源
を形成し、またプラズマ密度を高める（すなわちトライ
オード・スパツタリング）。
本発明では、プラズマの増強は、衝突する表面の仕事関
数よりそのエネルギーが大きい光子源を使つて、ターゲ
ツトの表面からの光電子の数を増大させることによつて
達成される。電子の数は、光源の強さの関数に比例する
強さの関数である。したがつて、光子の強さが強いほ
ど、表面から多数の電子が放出される。他の源も適用で
きるが、レーザはその強度および指向性のため、理想的
な光子源である。このような理由で、波長が深紫外域に
ある紫外レーザが使用される。これは、光誘導電子がプ
ラズマに射出されるプラズマ工程中に、ターゲツトの表
面に紫外線を充満させることによつて達成される。これ
を第１図に示す。
第１図で、カソード２、ターゲツト３、カソード２の絶
縁体４、基板６を含む基板プラツトフオーム５、ポンプ
７、UVレーザ等の紫外線光源８、紫外線透過性ウインド
ウ10を通してターゲツトの表面に紫外線を集速させる光
学系、プラズマ領域11、代表的なスパツタリング・イオ
ン12、代表的なイオン誘導二次電子13、代表的な紫外光
子14、および代表的な光電子15を含む、スパツタリング
・システム１が示されている。
このスパツタリング・システムは、所定の材料の特性を
得るための周知の通常の方法で操作される。基板のバイ
アスは、材料を考慮して必要な場合用いられる。スパツ
タリング・ガスは、材料を考慮して、例えばAr、または
酸素等の反応性気体、または混合気体（すべての気体を
含む）が必要に応じて用いられる。陰極電源は直流電源
でも高周波電源もよい。絶縁体のターゲツトの場合は、
高周波電源でなければならない。プラズマを増強させる
ため、光源８からの光子のエネルギは、ターゲツト３の
材料の仕事関数より大きくなければならない。特定の例
には、下記のものがある。
ターゲツト材料 光子エネルギ Al 4.4eV以上 Cu 4.9eV以上 Cu＜110＞ 5.6eV以上 Pt 5.5eV以上 Ti 4.5eV以上 Ti酸化物 3.7eV以上 Zr酸化物 3.9eV以上 この発明は、上記の材料およびエネルギに限定されるも
のではない。
予想される電子は、10nsのパルス当たり、約1mA／cm2で
ある。これはプラズマを非常に増強させる。計算値は、
推定効率を6.5eVの入射光子１個当り、電子10-4個とし
た場合である。
これにより、ターゲツトに衝突する、増強されたパルス
・イオン・ビームおよび、基板に付着する材料のパルス
束も発生することに注目しなければならない。隠イオン
を発生させる材料の場合、強いパルス粒子線も予想され
る。このように、パターンをもつ光子線は、パルス型の
パターン付着またはエツチングを形成する。
尚、計算値をはるかに超えた電子バーストが得られる。
たとえば、約2A／cm2の電流密度が実現する。第２図
は、直流ダイオード・スパツタリング・システムにおけ
る、陰極電流の大きさと光子の強さ（作用）の関係を示
す。プラズマを用いた場合と用いない場合についての測
定値が示されている。いずれの場合も、電流は飽和（お
そらく空間電荷による）に達するまで、直線的に増大す
る。実験値と計算値の違いは、推定した光電子効率の誤
差、または、プラズマ増強による増幅効果が支配的であ
るためと考えられる。高強度の連続紫外光源を使用する
ことにより、増強効果は著しく高められる。第２図の曲
線における光電流は、低電圧時には一定となるが、高電
圧時には一定とならないことに注目しなければならな
い。発生した光電流を時間とともにプロツトすると、最
初は光子線の影響は見られないが、一定時間後に影響が
現れることがわかる。この期間における曲線の形状は、
プラズマ中の光電子の影響を示すので、有用である。
第１図のシステムには、UVレーザ光線が使用されたが、
これは使用できる唯一の実施例ではないことに注目する
のは重要なことである。たとえば、ターゲツト３の表面
上に照射される光子を発生させる手段は、システム１の
外部に配置する必要はない。光子源は、外部光源であつ
ても、内部に配置した紫外線源であつてもよい。また、
光子源は連続（紫外線等）光源であつても、パルス光源
であつてもよい。どの実施例を選択するかは、システム
の適用分野によつて異なる。このシステムは、付着およ
びエツチングに広く用いることができる。また、ターゲ
ツト３から光電子が放出されると、1000eVの電位を有
し、したがつて、拡散または分散することなく、直接ア
ース電位のプラズマ・グローに移動する。
したがつて、光子が特定パターンをなして表面３に、た
とえばレーザ・マスクを通して照射され、パターンもつ
光子線を形成すると、形成された光電子はターゲツトの
表面から離れた時と同一形状を有するため、このシステ
ムは、パターン形成にも使用することができるであろ
う。
この発明の他の特長は、非直線性の光子効果が得られる
ことである。これは、放射線のエネルギを選定するこ
と、たとえば、第１図のレーザ８から紫外線を、第１図
のターゲツト３等の照射されたターゲツトの仕事関数よ
り小さく選定することによつて達成される。
F.発明の効果 以上のように、この発明によれば、光子をターゲツトに
当てて光電子を放出させて電子をグローに加えることに
より、グロー領域のプラズマ密度を増大させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の原理による構造の実施例の略図、
第２図は、この発明を利用した、プラズマ・グロー内の
光電子電流と、グローの光子強度との関係を示す曲線で
ある。 １……スパツタリング・システム、２……陰極、３……
ターゲツト、６……基板、８……紫外光源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/31

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ターゲット、被処理基板およびスパッタリ
    ング・ガスを内蔵するプラズマ・グロー放電チェンバ
    と、 上記ターゲット表面に向けて該ターゲット材料の仕事関
    数より大なるエネルギを持つ光子を放射して上記ターゲ
    ットから光子により誘起された光電子をプラズマ中に放
    出させるための放射源と、 より成るプラズマ装置。
  2. 【請求項２】上記放射源が紫外線の連続光源であること
    を特徴とする、特許請求の範囲第（１）項記載のプラズ
    マ装置。
  3. 【請求項３】上記放射源が紫外線のパルス光源であるこ
    とを特徴とする、特許請求の範囲第（１）項記載のプラ
    ズマ装置。
  4. 【請求項４】上記放射源が紫外線レーザ光源であること
    を特徴とする、特許請求の範囲第（３）項記載のプラズ
    マ装置。
JP61214238A 1985-10-28 1986-09-12 プラズマ装置 Expired - Lifetime JPH0666307B2 (ja)

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US06/791,666 US4664769A (en) 1985-10-28 1985-10-28 Photoelectric enhanced plasma glow discharge system and method including radiation means

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