JPH0689464B2 - イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高密度プラズマによるスパツタリングを利用し
てイオンを生成し、そのイオンを引きだすことにより各
種薄膜の形成やエツチングを行うのに利用するための高
効率，大収量イオン源に関するものである。

〔従来の技術〕

従来からプラズマを利用した各種イオン源は、そのイオ
ンを利用してターゲツトをスパツタして薄膜形成に用い
る、いわゆるイオンビームスパツタ装置や、集積回路作
製の際のエツチング装置等に広く用いられており、その
種類も、カウフマン型やデユオプラズマトロン型など多
様である。中でもカウフマン型のイオン源は広く用いら
れているが、これは第４図に示したように、プラズマ発
生室１′の内部に熱電子放出用のフイラメント２を有
し、このフイラメント２を陰極として放電を電磁石３に
よつて発生した磁界中で起こさせることによりプラズマ
10を発生させ、このプラズマ10中のイオンを数枚の引き
出しグリツド４を用いてイオンビーム９を形成するもの
である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来型のイオン源は熱電子放出用のフイラメント２を用
いているため、イオンの種類、すなわちプラズマ発生室
１′に導入するガスの種類としてはArなどの不活性ガス
等に限られていた。すなわち、反応性のガスを用いれば
フイラメント２と反応を起こし、安定なプラズマ形成と
イオンの引き出しができなくなるためである。さらにフ
イラメント２の経時変化に伴う特性の劣化、フイラメン
ト２の交換などの保守上の問題、さらにはフイラメント
２の取付状態の変化によるイオン引き出し分布の変化に
より再現性が損われるなどの欠点があつた。加えて熱電
子放出用のフイラメント２は、プラズマ10中に常にさら
されており、プラズマ中の高エネルギイオンの衝撃を常
に受けているため、引き出された粒子中にフイラメント
材料、例えばタングステンが不純物として混入している
という問題があつた。またそうしたイオン源から取り出
せるイオンは、先に述べたように不活性ガス等のイオン
に限られており、Al（アルミ）やCu（銅）やFe（鉄）と
いつた金属イオンを取り出すことは本質的に不可能であ
つた。以上のことはデユオプラズマトロン型のイオン源
でも同様である。

一方イオン源を膜形成やエツチング用に用いる場合に
は、取り出すイオンの電流密度はできるだけ多い方が望
ましいが、従来のイオン源では、イオンの量が通常のフ
イラメントから放出される電子の量に依つているため、
本質的に大収量のイオン源を作ることはできなかつた。
さらに従来のイオン源では、プラズマ発生室内では10^-3
Torr以下の低ガスでは放電が安定に形成できず、それだ
け多く取り出したイオン中に不純物が含まれるという欠
点があつた。

イオン源として望まれる条件を以下にまとめると （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）イオンのエネルギが広い範囲にわたつて制御でき
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。

が上げられる。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は従来の問題点を解決するため、高い活性度の高
密度プラズマを局所的に発生させ、スパツタを起こさせ
ることによりターゲツト材料をイオン化し、高純度の各
種材料のイオンを高電流密度で引き出し、試料基板上に
各種材料の薄膜形成やエツチングを行うイオン源を提供
するもので、マイクロ波導入管に接続されたマイクロ波
導入窓を一端に有し、マイクロ波進行方向に順次結合し
たプラズマ生成室および試料室を備えた真空槽で構成
し、前記プラズマ生成室は、前記真空槽内に導入したマ
イクロ波が共振するマイクロ波空胴共振器を形成する径
および長さを有し、かつ中央部の内壁に配置した、負電
圧を印加しプラズマ中のイオンを引込みスパツタするタ
ーゲツトと、前記マイクロ波導入窓と対向する他方の端
に配置した、前記スパツタした粒子がプラズマ中でイオ
ン化されたイオンを選択的にとり出すグリツドと、両端
外側に周設した、電子サイクロトロン共鳴を引き起すに
必要な磁束密度を形成し、かつプラズマ生成室内で、前
記マイクロ波導入窓を端部に有するマイクロ波導入部お
よび前記グリツドの配置部に対し磁束密度を極小とする
ミラー磁界を形成する一対の電磁石とを備えてなること
を特徴とする。

〔作用〕

本発明はプラズマの生成および加熱に電子サイクロトロ
ン共鳴を用い、プラズマの閉じ込めにはミラー磁場を用
いることにより低ガス圧の特定の空間に高密度のプラズ
マを形成し、さらに高密度プラズマの前面に負電圧を印
加させたターゲツトを配置して高密度プラズマ中のイオ
ンをターゲツトに引き込み、高速にスパツタを行い、次
にそのスパツタされた粒子を高活性のプラズマ中でイオ
ン化して引き出し、電極で高純度のイオンを選択的に取
り出すことができる。以下図面にもとづき実施例につい
て説明する。

〔実施例〕

第１図は本発明の構成概要図であり、第２図は本発明の
イオン源を薄膜形成装置に適用した実施例であつて、第
４図と同じ符号は同じ部分を示す。１はプラズマ生成
室、５はターゲツト、６はマイクロ波導入窓である。マ
イクロ波源としては、例えば周波数2.45GHzのマグネト
ロンを用い、マイクロ波導入窓６から外部方向に導波管
７、更に図示しない整合器、マイクロ波電力計、アイソ
レータ等のマイクロ波導入機構を経て接続される。ガス
導入系はプラズマ生成室１に直接接続される。マイクロ
波導入窓６と対向する他端には、格子状又ははちの巣状
のイオン引き出しグリツド４を数枚配置している。プラ
ズマ生成室１は、マイクロ波空胴共振器の条件として、
一例として円形空胴共振モードTE₁₁₃を採用し、内のり
で直径20cm、高さ20cmの円筒形状を用いてマイクロ波の
電界強度を高め、マイクロ波放電の効率を高めるように
した。プラズマ生成室１の側面の一部に水冷が可能なタ
ーゲツト５を配置して、−1.5KV,10Aまでの負の電圧が
印加できるようにした。プラズマ生成室１の下端のイオ
ン引き出しグリツド４は直径10cmの大きさで、マイクロ
波導入窓６に対向するグリツド面はマイクロ波に対する
反射面ともなり、プラズマ生成室１が空胴共振器として
作用している。

プラズマ生成室１の外側両端には電磁石８を周設し、こ
れによつてミラー磁界を発生し、極小となる磁界の強度
を、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件が
プラズマ生成室１の内部で成立するように決定する。例
えば2.45GHzのマイクロ波に対しては、電子サイクロト
ロン共鳴の条件は、磁束密度875Gであるため両端の電磁
石８は最大磁束密度3000G程度まで得られるように構成
する。二つの電磁石８が適当な距離を置くことによりプ
ラズマ生成室１で最も磁束密度が弱くなる、いわゆるミ
ラー磁場配置をとることは、電子サイクロトロン共鳴に
よつて効率よく電子にエネルギを与えるだけでなく、生
成したイオンや電子を磁界に垂直方向に散逸するのを防
ぎ、さらにプラズマをミラー磁場間に閉じ込める効果を
もつている。なお第２図で11は試料室、12は基板であ
る。

第３図に本発明のイオン源の磁場配置および発生イオン
の運動と電位分布の原理図を示す。第２図と同じ符号は
同じ部分を示す。

ここでプラズマを形成するときのパラメータは、プラズ
マ生成室内のガス圧、マイクロ波のパワー、ターゲツト
の印加電圧及びミラー磁場の勾配（磁気コイル部の最大
磁束密度Bmと両電磁石のコイル中心位置のプラズマ生成
室内での最小磁束密度Boの比:Bm/Bo）及び両コイル間の
距離等である。ここで例えば2.45GHzの周波数のマイク
ロ波に対しては、前述のように電子サイクロトロン共鳴
の条件は磁束密度875Gであり、プラズマ生成室内のいず
れかの位置で共鳴条件を満足すればよいから、プラズマ
生成室内での最小磁束密度Boを875Gもしくはそれ以下と
する必要がある。そのためには、電磁石中心部の最大磁
束密度Bmを1KGから3KG程度まで変化できるようにして、
磁界の勾配を変化させることができるようにしておく。
プラズマ中の荷電粒子は、このように磁界が空間的にゆ
るやかに変化している場合には、磁力線13に拘束され
て、磁力線13の回りをスパイラル運動しながら、角運動
量を保持しつつ磁束密度の高い部分で反射され、結果と
してミラー磁場中を往復運動し、ひいては閉じ込めが実
現される。ここで前述したミラー磁場の勾配:Bm/Boはプ
ラズマ閉じ込め効率に大きな影響をおよぼす。以上のよ
うにして閉じ込められた高密度プラズマに面したターゲ
ツト５に負の電圧を印加させることにより、高密度プラ
ズマ中のイオンをターゲツト５に効率よく引き込みスパ
ツタを起こさせる。さらに、ターゲツト５からスパツタ
された、ほとんどが中性の粒子の一部分は電子温度の高
い高密度プラズマ中でイオン化される。一方ここで前述
のイオン引出しグリツドがない場合には、電子はイオン
に対してはるかに軽いため、磁力線方向の運動速度はイ
オンに比して電子の方が大きくなり、ミラー端部から多
くの電子が逃げだし、正イオンがミラー中に取り残され
ることになり、荷電分離がおこり、必然的に端部近傍に
電界が誘起される。この内外のポテンシヤル差が電子の
平均エネルギに匹敵した時に平衡し、この電界は電子に
対しては減速、イオンに対しては加速電界として働いて
両種の放出量がほぼ同じになる。即ち、こうしたミラー
による空間電化効果による損失は、このプラズマを薄膜
形成装置の観点から見れば、その電位差に相当するエネ
ルギを持ったイオンをプラズマから取り出すことを意味
している。このエネルギは、マイクロ波のパワーやガス
圧に大きく依存し、数eVから数百eVまでの広い範囲で自
由に制御することができる。しかもターゲツトと基板が
直交した位置にあるため、ターゲツトからの負イオンや
中性の高エネルギ粒子が直接引き出し孔から出ることは
なく、引き出した粒子のエネルギは分散が小さいものに
なる。

加えてプラズマ中には粒子間衝突による粒子の散乱が存
在することから、その衝突散乱によるプラズマ密度の時
間的減少の緩和時間は、プラズマ中のイオンエネルギが
低いほど小さいため、ミラー端部から逃げる粒子群の平
均エネルギはプラズマ内部の粒子群の平均エネルギの数
分の１になる。即ち、プラズマ中のイオン化には、より
高いエネルギで（高活性で）行い、またイオンを外へ取
り出して、例えば膜とする場合には、数分の１のより小
さいエネルギでイオンを取り出すことができることを意
味しており、この磁場配置をもつスパツタ型イオン源は
高速，高効率，高純度薄膜形成装置としても理想的な性
質をもつていることを示している。

一方イオン引き出しグリツドを設けた場合には、そのグ
リツドに印加する電圧によつて引き出すイオンのエネル
ギを制御でき、数十eVから数十KeVまでの範囲で任意の
エネルギをもつた大収量のイオンを引き出すことができ
る。しかもこの場合、引き出した粒子のほとんどがイオ
ン化されている。

また本発明の装置は、高密度プラズマを利用したスパツ
タリングによつてイオンを形成するため、種種の金属イ
オンや各種化合物のイオンを極めて大電流密度で取り出
すことができるので、各種薄膜形成やエツチング用のイ
オン源として極めて優れた特徴を有している。

さらに本発明ではプラズマを活性にしていることから、
より低いガス圧（10^-5Torr）でも放電が安定に形成で
き、それだけ不純物の少ないイオンを取り出せるという
特徴を有している。

さらに本発明では、電子サイクロトロン共鳴による加熱
を利用しているため、プラズマ中の電子温度を自由に制
御できる。このため、多価イオンが生成できるほどの電
子温度も実現できるので、結果として、その多価イオン
を引き出して化学的に不安定な材料も合成できるという
優れた特徴をもつている。

一方、本発明のイオン源では、前述のようにプラズマの
イオン化率が極めて高いため、ターゲツトから放出され
た中性のスパツタ粒子がプラズマ中でイオン化される割
合が高いが、このイオン化されたターゲツト構生粒子が
またターゲツトの電位で加速されて、またターゲツトを
スパツタする、いわゆるセルフスパツタの割合も極めて
大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガス（例えばAr）が
ごく希薄な、あるいは用いない場合でも上述のセルフス
パツタを持続し、ひいては超高純度のイオンの引き出し
や、そのイオンを用いた膜形成も実現できるという特徴
をもつている。

次に本発明装置を用いてAl膜を形成した結果について説
明する。プラズマ形成室内の真空度を５×10^-7Torrまで
排気した後Arガスを導入し、プラズマ生成室内のガス圧
を３×10^-4Torrとして、マイクロ波電力100〜800W、タ
ーゲツト印加電圧300〜1KV、ミラー磁場勾配（2KG/875
G）の条件で膜を形成した。このとき、イオン引き出し
グリツドを用いて80eV〜1000eVのエネルギをもつたAl⁺
イオンを引き出して、そのグリツドの下に配置した基板
上に５〜1000Å/minの堆積速度で効率よく膜形成ができ
た。またグリツドを用いない場合には、5eVから20eVの
エネルギをもつた、その10〜30％がイオン化した粒子を
引き出すことができ、いずれの場合も従来の方法に比べ
高速，高効率で厚さ２μｍ以上の膜をクラツクや剥離を
生じることなく高速安定に形成できた。

本発明のイオン源はAl膜の形成のみならず、ほとんどす
べての薄膜の形成やエツチング用のイオン源として用い
ることができ、また導入するガスを反応性のガスにする
ことで化合物のイオンビーム堆積も実現することができ
る。なお、本発明では、ミラー磁場を得るために磁気コ
イルを用いているが、これは種種の永久磁石あるいはそ
れらを組み合わせたものを用いてミラー磁場を形成して
も全く同様の効果をもつことは明らかで、さらにミラー
磁場の勾配を非対称にしてもよいことは言うまでもな
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はプラズマ生成に電子サイ
クロトロン共鳴条件によるマイクロ波放電を用い、ミラ
ー磁界によつてプラズマを効率よく閉じ込め、その高密
度プラズマ中のイオンを効率よくターゲツトに引き込み
スパツタを実現し、そこから生成される中性粒子を低ガ
ス圧で高活性のプラズマ中でイオン化し、そのイオンを
効率よく引き出すことによりイオン源を実現するもの
で、従来のイオン源に比べ極めて高電流密度でイオン引
き出しが実現でき、しかも各層の高純度金属イオンや化
合物イオン堆積やエツチングが実現でき、加えてそのイ
オンのエネルギが数eVから数KeVまでの広い範囲で自由
に制御できるという優れた特徴を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源の構成概要図、 第２図は本発明のイオン源を用いて実現された薄膜形成
装置の実施例、 第３図は本発明のイオン源の磁場配置図及びそれによつ
て生じるイオンの運動と電位分布の概略図、 第４図はカウフマン型イオン源の構成図である。 １……プラズマ生成室 １′……プラズマ発生室 ２……熱電子放出用フイラメント ３……プラズマ収束用電磁石 ４……イオン引き出しグリツド ５……ターゲツト ６……マイクロ波導入窓 ７……マイクロ波導波管 ８……ミラー磁界発生用電磁石 ９……イオンビーム 10……プラズマ 11……試料室 12……基板 13……磁力線

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/285 Ｓ 7376−4Ｍ 21/302 Ｂ 9277−4Ｍ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高密度プラズマによるスパッタリングで生
   成したイオンを引き出し、試料基板上に各種材料の薄膜
   形成やエッチングを行うイオン源であって、 マイクロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を一端
   に有し、マイクロ波進行方向に順次結合したプラズマ生
   成室および試料室を備えた真空槽で構成し、 前記プラズマ生成室は、 前記真空槽内に導入したマイクロ波が共振するマイクロ
   波空胴共振器を形成する径および長さを有し、 中央部の内壁に配置した、負電圧を印加しプラズマ中の
   イオンを引込みスパッタするターゲットと、 前記マイクロ波導入窓と対向する他方の端に配置した、
   前記スパッタした粒子がプラズマ中でイオン化されたイ
   オンを選択的にとり出すグリッドと、 両端外側に周設した、電子サイクロトロン共鳴を引き起
   すに必要な磁束密度を形成し、かつプラズマ生成室内
   で、前記マイクロ波導入窓を端部に有するマイクロ波導
   入部および前記グリッドの配置部に対し磁束密度を極小
   とするミラー磁界を形成する一対の電磁石とを備えてな
   ることを特徴とするイオン源。