JPH09245995A

JPH09245995A - ラジカル源の複数電極を用いた荷電粒子除去機構

Info

Publication number: JPH09245995A
Application number: JP7128496A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fujita; 秀樹藤田; Akira Adachi; 明安立
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】ＥＣＲラジカル源においてラジカル引き出し
穴からラジカルと共にイオンや電子も放出される。イオ
ンや電子は電荷を持ちチャージアップを引き起こし試料
の損傷の原因になる。分子線エピタキシャル成長装置に
おいてはＲＨＥＥＤなど分子線量や薄膜成長をin-situ
で監視する装置がある。荷電粒子が出ると、これらの測
定装置が誤動作する。ラジカル線に混ざっているイオ
ン、電子など荷電粒子を除去する必要がある。【構成】ＥＣＲラジカル源のプラズマ室出口の延長上
に複数の電極を設け、負電圧、正電圧を印加し電界の作
用によって電子、正イオンをプラズマ室に押し戻す。中
性であるラジカルは電極の作用を受けないから、出口か
らそのまま出てゆく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はＭＢＥ装置におい
てラジカルを発生し試料にラジカルを供給するためのラ
ジカル源に関する。ラジカル源はアンテナによってマイ
クロ波をプラズマ生成室に導入し、原料ガスを励起して
プラズマとし、この内中性活性種であるラジカルのみを
外部に取り出すことのできるようにした機構である。磁
場をかけて電子の共鳴を起こさせることによってプラズ
マの生成効率を高揚するようにしたのがＥＣＲラジカル
源である。イオンビ−ムを引き出すイオン源とは違う。
また基底状態にある中性分子を生成する分子線セルとも
違う。

【０００２】

【従来の技術】ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）
装置はもともと超高真空の中で原料を分子線セルから分
子線としてウエハに照射し反応させて生成物の単結晶、
多結晶を薄膜として生成するものである。分子線セルは
Ｋセルとも呼ばれる。Ｋセルには幾つもの種類がある。
基本的にはＰＢＮのるつぼ、ヒ−タ、反射板、熱電対、
支柱などが超高真空フランジに取り付けられている。る
つぼに原料を入れてヒ−タによって加熱し、蒸発させる
ようになっている。分子線を照射するので分子線エピタ
キシャル成長法という。

【０００３】多くの材料の場合、中性の分子線として飛
ばすだけで反応し基板の上に薄膜を作ることができる。
熱エネルギーを十分に持っているからである。分子線は
中性分子であり基底状態にある。分子線では十分な反応
を起こさず薄膜形成に役立たないものがある。常温でガ
スである不活性な材料の場合、分子線としただけでは薄
膜を作ることができない。窒素はそのようなものであ
る。窒素は常温で気体であり、反応性に乏しい。単に分
子線としただけではいけない。

【０００４】窒素は主要構成要素として例えばＧａＮの
ような結晶を作る場合もある。またＺｎＳｅ、ＺｎＳの
ようなII−VI族半導体のｐ型不純物として窒素を使う場
合もある。ドーピングのために、イオンにしてイオン注
入することもあるが、これはエネルギーが高くて薄膜の
奥深くに入ってしまう。分子線エピタキシャル成長装置
で薄膜の原料とする場合それはできない。

【０００５】分子線エピタキシャル成長装置に直接の関
係はないが、永久磁石を用いて縦磁場を発生させ、マイ
クロ波に対して電子共鳴を起こさせ、高密度プラズマを
発生させる装置が石川らによって提案されている。 Junzo Ishikawa, Yasuhiko Takeiri and Toshinori T
akagi,"Axial magneticfield extraction-type microwa
ve ion source with a permanent magnet", Rev. Sci.
Instrum. 55(4), April 1984, p449

【０００６】図３に概略の構造を示す。これは永久磁石
２０によってチャンバ２１内に縦磁場を生じるようにな
っている。原料ガスがガス入り口２８からチャンバ２１
に導入される。導波管２９を伝わるマイクロ波３０がア
ンテナ２２によってチャンバ２１に導かれる。ガスに含
まれる電子がマイクロ波によって振動する。電子は磁場
によってサイクロトロン運動しマイクロ波を共鳴吸収す
る。電子がガス分子を励起してプラズマに転換する。チ
ャンバ２１の前には引出電極２３、２４がありイオンを
イオンビーム３１として加速し引き出すようになってい
る。

【０００７】アンテナ２２は直線部分の先端を１ターン
横方向コイル状３９に巻いた形状になっている。永久磁
石２０が作る磁界を強くするために磁性体の引出電極２
３を使う。チャンバ２１側と引出電極２３側は電圧が違
うので絶縁体２５によって絶縁される。ベースフランジ
３６には冷却媒体３７が通る。中間フランジ２６も強磁
性体によって作る。永久磁石２０、引出電極２３、２
４、中間フランジ２６によって磁気回路が形成される。
永久磁石によるチャンバ内の磁力線を強化するためであ
る。

【０００８】上部フランジ２７は非磁性体である。これ
には加熱用のヒ−タ３４が巻き廻してある。ガス入口２
８から導入されたアルゴン、窒素などのガスのイオンビ
−ムを引き出すことができると述べている。ラジカルに
ついては言及していない。これはイオン源であり、独立
してイオン源として利用されるものである。

【０００９】本発明者はこれにヒントを得て同じような
装置をラジカル源とすることができる事に気づいた。電
子をマイクロ波に共鳴させるとプラズマができる。プラ
ズマというのは殆ど全てが荷電粒子なのではない。中性
の活性種（ラジカル）も多く含まれる。条件によっては
ラジカルの比率を荷電粒子より遥かに多くする事もでき
る。のような装置でラジカルを生成できることを本発
明者は確かめた。

【００１０】しかしまだ問題がある。中性であるから、
ラジカルを生成できても荷電粒子のように電界を掛けて
引き出す事はできない。しかしチャンバと外部に圧力の
差を与えるとチャンバから差圧によって中性のラジカル
を引き出すことができる。そこで本発明者はの装置を
改良しイオン源ともラジカル源ともできる装置を発明し
た。

【００１１】特願平６−１８３９２２号（平成６年７
月１２日出願「ＥＣＲイオンラジカル源」特開平８−３
１３５８号）である。１ターン曲げたアンテナをチャンバに通しアン
テナによってマイクロ波を導入しガスをプラズマにし、
ラジカル或いはイオンを外部に引き出そうとするもので
ある。マイクロ波だけではガスを励起しにくいので磁場
をかけて電子がサイクロトロン共鳴するようにしてい
る。プラズマ室の外部に磁石を設けて縦磁場を発生させ
る。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである場合、
磁石により８７５Ｇの磁場を発生させると電子の螺旋運
動の周波数とマイクロ波周波数が合致するのでサイクロ
トロン共鳴が起こる。

【００１２】マイクロ波からエネルギーを効率的に吸収
できガス分子を励起して中性のラジカルとする。マイク
ロ波の共鳴吸収を利用するのでＥＣＲという。これは引
き出し電極に電圧を加えるとイオンビ−ムを引き出すよ
うにできる。電極電圧を０にして差圧を与えることによ
り中性ラジカルを引き出すことができるようになってい
る。イオンビ−ム、ラジカルの何れをも選択的に出せる
のでイオンラジカル源と言う。

【００１３】本発明者は、分子線エピタキシャル成長法
において、窒素のような不活性なガスの場合は、分子線
ではなくラジカル線にして基板に照射するのが良いので
はないかと気づいた。やの装置から引き出し電極を
除き、荷電粒子が発生しにくい条件でガス励起し、差圧
によってラジカルを引き出すようにすればラジカル源と
なるはずである。つまりをイオン源としてではな
く、ラジカル源として利用しようと思い立ったのであ
る。丁度都合の良いことにＭＢＥ装置の場合は外部が超
高真空であるから十分に差圧を賦与でき、中性ラジカル
が圧力差によってうまく引き出されるという利点もあ
る。

【００１４】ラジカルを発生する装置であるからラジカ
ル源とここでは名付ける。ラジカル源（ラジカルセル）
を利用できるものは、窒素の他にアルゴンや酸素、塩素
などがある。アルゴンはしかし薄膜の原料にはならな
い。薄膜の表面に当てて表面を清掃する作用があるぐら
いである。酸素の場合は反応性が強いから他の手段によ
って酸化物の膜を作ることができる。塩素はエッチング
の場合には使われるがＭＢＥでは用いられない。結局Ｍ
ＢＥでラジカル源を使わなければならないものは現在の
ところ窒素だけと言えるかもしれない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ＥＣＲラジカル源にお
いて、マイクロ波によって電子が振動し電子がガス分子
に衝突しこれを励起し中性ラジカルにする。これはプラ
ズマ状態である。チャンバの内部にはラジカルが９９％
近くを占めるが、イオンや電子も僅かに存在する。この
ため、ラジカルと同時にイオンや電子もラジカル源から
出る。わずかであるが電子、イオンがチャンバから出
る。その一部が対象物であるウエハに当たる。荷電粒子
がチャンバの外部に出ることによって二つの問題が引き
起こされる。

【００１６】ＭＢＥ装置には分子線が飛んでいるか？そ
の線量はいくらであるか？をその場観察（in-situ ）す
るためにＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折）やＱＭＳ
（四重極質量分析装置）、ＮＩＧ（ヌードイオンゲー
ジ）などが備えられている。ＲＨＥＥＤは高速の電子を
試料の表面に低入射角度で当てて回折される電子線像か
ら表面の結晶状態をリアルタイムで観測する。ＱＭＳは
飛来した分子線の質量を求めるものである。

【００１７】これらの測定装置はＭＢＥに不可欠の測定
装置である。ところがラジカル源から荷電粒子が出ると
これらの測定装置に荷電粒子によるノイズが入るので正
しい測定ができなくなる。これが最も大きい問題であ
る。もう一つの問題はウエハに荷電粒子が衝突すること
によるチャージアップである。ウエハにはレジストが塗
布してあったり絶縁性のデバイス部分がある程度作製さ
れていたりする。荷電粒子がこれに入ると帯電し強い電
界が生ずる。電界によって一部が損壊することがある。
つまりチャージアップによってこれらの積層構造の一部
が破壊されることがあり得る。

【００１８】正イオンと負電荷である電子の両方が試料
に入るから打ち消されるようにも思えるがそうではな
い。電子の方が正イオンよりもエネルギーが高いので、
電子の入射によって複数の二次電子が発生する。だから
電子の入射によっても試料には正の電荷が与えられる。
結局荷電粒子が試料に当たる量は試料に流れる正のイオ
ン電流によって評価できる。

【００１９】このようにラジカル源から荷電粒子が放出
されると二つの悪影響がある。しかし現在のところラジ
カルのみを放出できるラジカル源は尚存在しない。いく
らかでも荷電粒子を出す従来のＥＣＲラジカル源では良
好なＭＢＥ結晶成長が困難であった。

【００２０】これらの問題を解決するために、荷電粒子
を外部に放出しないようにし中性ラジカルのみを放出す
るようにしたラジカル源を提供することが本発明の第１
の目的である。磁場電場によってＲＨＥＥＤなどの測定
装置に影響を与えることなく荷電粒子を遮断できるラジ
カル源を提供することが本発明の第２の目的である。プ
ラズマの励起状態の変動に対応し条件を変え常に荷電粒
子の外部への放射を防止できる制御性に富んだラジカル
源を提供する事が本発明の第３の目的である。

【００２１】

【課題を解決するための手段】ＥＣＲラジカル源のプラ
ズマ室の出口の延長線上にラジカルの通し孔を有する電
極を複数個設け、これに正電位をかけてイオンを、負電
位をかけて電子をプラズマ室側に追い返す。電極電位に
よって電子、正イオンの何れかを排斥しプラズマ室に戻
す。どちらを先に吸引除去しても良い。例えば第一に電
子を排除し次にイオンを排除する。

【００２２】この場合は第１電極に負電圧を、第２電極
に正電圧を加える。排除したい荷電粒子と同じ種類の電
圧を加えると荷電粒子をチャンバ（プラズマ室）に追い
返すことができる。この空間でも僅かに電子が励起され
るからさらに負電位のサプレッサー電極を設ける。最後
に接地電極が必要である。ここで正電圧、負電圧という
のはプラズマ室に対して定義している。反対に正イオ
ン、電子の順に排斥したい場合は、第１電極に正電圧、
第２電極に負電圧を印加するようにする。

【００２３】つまり２つのケースＡ、Ｂが有り得て、Ａ．負電極＋正電極＋負電極＋接地電極Ｂ．正電極＋負電極＋接地電極となるように、プラズマ室の出口に電極を設ける。電圧
は１００Ｖ〜１０００Ｖ程度の低い電圧で十分である。
これらの電極は出口の軸線方向に電気力線を生じる。こ
のためにこれらの電極は円環状、正方形状、矩形状など
軸周りの対称性のあるものでなければならない。

【００２４】

【発明の実施の形態】ＥＣＲラジカル源のプラズマ室か
らのビーム出口への延長線上に通し孔を有する複数の電
極を設け電圧を印加し、ビームの進行方向にほば平行に
なるように電界を発生させ荷電粒子を追い返す。多くの
荷電粒子はプラズマ室に戻る。他の一部は戻らないにし
ても電極や絶縁物に衝突する。荷電粒子は一旦ものに当
たると電荷を喪失し中性になる。これはもはや問題でな
い。一方、もともと中性のラジカルは電界によって影響
を受けず直進する。これによってラジカルビームのみを
取り出すことができる。

【００２５】図１によって本発明のラジカル源の実施形
態を説明する。プラズマ室１は円筒形あるいは矩形状の
チャンバである。全体が分子線エピタキシャル成長装置
の成長室の内部に設けられる。成長室の真空装置が成長
室内部を超高真空に引くから、プラズマ室１をも真空に
引く事ができる。独自の真空ポンプは不要である。成長
室のポンプによってガスを吸引するので、常にプラズマ
室１内部の方が、外部（ＭＢＥ成長室内部）よりも圧力
が高い。差圧の作用によって中性の分子やラジカルがプ
ラズマ室１から成長室に排出される。

【００２６】プラズマ室１の一端にはマイクロ波導入ポ
ート２が設けられる。これはマイクロ波発振器、導波管
（図示しない）に続く。マイクロ波導入ポート２には絶
縁体１２が充填され、中心を棒状のアンテナ３が貫いて
いる。アンテナとポートの外壁を伝わってマイクロ波が
プラズマ室１に導入される。プラズマ室１には原料ガス
がガス導入口１０から供給される。マイクロ波によって
電子が振動し、分子に当たり励起する。一部はイオンに
励起され、残りは中性のラジカルに励起される。チャン
バ内は中性分子、中性ラジカル、正イオン、電子が混在
するプラズマ状態になる。

【００２７】マイクロ波を共鳴吸収するために、プラズ
マ室１の外部には円筒形の永久磁石１１が設けられる。
永久磁石１１がプラズマ室１の内部に軸方向の磁界を生
ずる。マイクロ波角周波数をΩとし、磁場をＢとする
と、Ω＝ｑＢ／ｍとすることによってマイクロ波を電子
が共鳴吸収できる。マイクロ波周波数を２．４５ＧＨｚ
とすると、共鳴条件を与える磁場は８７５Ｇである。

【００２８】プラズマ室１の出口５から、ラジカル、イ
オン、電子などがＭＢＥ成長室内へと出て行く。出口５
から進行方向（軸方向）に４つの環状電極６、７、８、
９が、絶縁体１３、１４、１５、１６によって互いに絶
縁されて設けられる。これらの電極６、７、８、９はラ
ジカルの通し孔を中央に持つので環状になる。環状とい
っても円環とは限らない。矩形状、正方形状、八角形状
などであって良い。第１電極６は負電極である。負電源
１７によって−Ｖ₁ の電圧が常時印加される。これは電
子に対して高いポテンシャルを与えチャンバ１内へ排斥
するものである。

【００２９】第２電極７は正電極である。正電源１８に
よって正の電圧＋Ｖ₂ が与えられる。これは正イオンを
排除するためである。正イオンはチャンバ１内に押し戻
される。一部は負電極６の作るポテンシャルの谷に捕捉
される。しかし正電極７を越えないから外部（ＭＢＥの
成長室）には出て行かない。

【００３０】第３電極８は負電極である。負電源１９に
よって負電圧−Ｖ₃ が加えられる。電子は第１電極によ
って追い返されるから出口空間Ｓには電子は存在しない
ように思えるが、必ずしもそうでない。マイクロ波の一
部は出口５を経て出口空間Ｓにも伝搬する。これによっ
て中性ガスが一部電離し電子を生ずることがある。この
ように出口空間Ｓで僅かであるが新たに電子が生ずる。
この電子が出て行かないように第３電極８がある。新た
に電子ができたとしても、それは第１電極６と第３電極
８の間に閉じ込められる。Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ は何れも１
００Ｖ〜１０００Ｖの程度である。正イオン、電子など
荷電粒子は全てプラズマ室１の方に排除され、外部には
出てこなくなる。

【００３１】第４電極は接地電極（Ｖ＝０）である。こ
れによって出口空間の最外部が成長室電位と同じように
している。電界が外部に漏れると、ＲＨＥＥＤなどのin
-situ の測定器のノイズになるので、そのような影響を
なくすためである。

【００３２】

【実施例】図１のようにＥＣＲラジカル源のチャンバ出
口に４つの電極６、７、８、９を設けた。ラジカル源本
体は接地されている。出口の第１電極６に電子を抑制す
るために−４００Ｖを印加する。第２電極７にはイオン
を抑制するために＋３００Ｖの電圧を印加する。第３電
極８には−４００Ｖの負電圧を印加する。つまりＶ₁ ＝
−４００Ｖ、Ｖ₂ ＝＋３００Ｖ、Ｖ₃ ＝−４００Ｖであ
る。これによってイオン、電子の外部への漏れをどれだ
け抑制できるのか？という事を調べた。

【００３３】マイクロ波周波数は２．４５ＧＨｚ、入力
パワーは２５Ｗである。ガスは窒素ガスとした。ガス流
量は０．１ｃｃｍである。圧力は１×１０^-5Ｔｏｒｒで
ある。測定の為に出口空間に対向してファラディカップ
を置いた。ファラディカップに荷電粒子が入るのでこれ
によって流れる電流を測定した。

【００３４】これら電極６、７、８全てに電圧を印加し
ない時、出口に出てくるビームの電流は３００ｎＡであ
った。つまり電極構造がないとした場合、荷電粒子電流
は３００ｎＡもあった。次に電極６に−４００Ｖ、電極
７に＋０Ｖ、電極８に−４００Ｖを印加し、電子のみを
抑制したら７４ｎＡまで下がった。

【００３５】さらに、イオン電流を抑制するために電極
７の圧力を上げて、電極６、７、８に、−４００Ｖ、＋
３００Ｖ、−４００Ｖの電圧を印加した。同様の条件で
ファラディカップに入る電流を測定した。ファラディカ
ップ電流は０．０５ｎＡ以下になった。約１／６０００
に減少している。電極６、７、８の作用によって、電子
やイオンが外部に出てこなくなったという事である。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、ＥＣＲラジカル源のチャンバ
出口に複数の電極を設け負電圧、正電圧を印加し、荷電
粒子をチャンバ方向に押し戻す機構を設けている。これ
によって出口に出てくるラジカル線から、荷電粒子をほ
ぼ完全に除去できる。これによってイオンや電子が試料
に照射されることのないようなラジカル源とすることが
できる。荷電粒子によるチャージアップを抑え試料の劣
化を防ぐことができる。窒素、酸素、塩素などのラジカ
ル源として利用できる。

【００３７】本発明の装置は、成膜装置、例えばＭＢＥ
装置に取り付けて成膜の手段として利用できる。正負の
電極を設けるが、最終的には接地電極を設けて電界が外
部に漏れないようにしている。最終電極を接地電位とす
るので電気力線が外部に出て行かない。ＲＨＥＥＤ（反
射高速電子線回折）、ＱＭＳ（四重極質量分析装置）、
ＮＩＧ（ヌードイオンゲージ）などin-situ の測定装置
にノイズ、悪影響を及ぼさない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るラジカル源の概略断面
図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図。

【図３】J. Ishikawa et al., Rev. Sci. Instrum. 55
(4), April 1984, p449(1984)によって提案されている
マイクロ波イオン源の概略断面図。

【符号の説明】

１プラズマ室２マイクロ波導入ポート３アンテナ４プラズマ５プラズマ室出口６第１電極７第２電極８第３電極９第４電極１０原料ガス入り口１１ＥＣＲ用の永久磁石１２絶縁物１３絶縁物１４絶縁物１５絶縁物１６絶縁物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ室に導入されたガスをプラズマ
に励起しそのうち中性ラジカルを外部に取り出すように
したラジカル源において、ラジカル源のプラズマ室の出
口の延長上にラジカル通し孔を持つ電極を軸方向に複数
個設け、それらの電極の少なくとも一つには正電圧を与
えこれによって正イオンをプラズマ室側に追い、それら
の電極の少なくとも一つには負電圧を与えこれによって
電子をプラズマ室側に追い戻し、出口から最も遠い電極
にはプラズマ室と同じ電位を与えるようにしたことを特
徴とするラジカル源の複数電極を用いた荷電粒子除去機
構。