JPH09245997A - カバーで覆われた内壁とアンテナを持つプラズマ室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＥＣＲラジカル源、イオン源において、内壁
とアンテナは金属製であるので、イオンや電子によって
スパッタリングされると誘電体に付いてマイクロ波が入
り難くなる。被処理物にスパッタリング粒子が混ざる。
これらを解決することが本発明の目的である。 【構成】 チャンバ内壁とアンテナを絶縁体のカバーに
よって覆う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は原料ガスをプラズ
マにし、ラジカル線又はイオンビームを外部に放出する
ためのラジカル源或いはイオン源に関する。イオン源
は、原料ガスをマイクロ波、高周波、直流電圧などによ
ってプラズマに励起して、引出電極に電圧を掛けイオン
をビームとして引き出すものである。イオン注入、イオ
ンドーピングなどに使われる。イオンは荷電粒子である
から電極に電圧を掛けることによって引き出せる。その
エネルギーも電極電圧によって簡単に制御できる。用途
も広く、よく知られているから、イオン源はここでは説
明しない。本発明は、イオン源とラジカル源の改良に関
するが、ラジカル源が未だによく知られていないのでこ
れについてやや詳しく説明する。

【０００２】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。磁場を掛
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。
蒸着源でもないし、スパッタリング源でもない。ラジカ
ル源は分子線エピタキシャル成長法で採用され得る新し
い線源である。

【０００３】

【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。分子線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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】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

【０００７】図２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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。 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８−３１３５８号） である。

【００１２】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
磁場を掛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。

【００１３】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。二つの目的、用途に利用
できる。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】イオン源として用いる
にせよ、ラジカル源として使うにせよ、従来のラジカル
源、イオン源は、金属製の壁が露出しており、アンテナ
も金属地肌が露呈していた。金属はスパッタリングされ
易くスパッタリング粒子を生じ易い。従前の装置におい
ては、マイクロ波によって金属壁がスパッタリングされ
る。アンテナも金属製であるのでスパッタリングされ
る。

【００１７】このために三つの難点があった。スパッタ
リングされた金属分子や原子（スパッタ粒子）がラジカ
ルやイオンと共に外部に飛び出すので、被処理物を汚染
するということ、これが一つである。二つ目は、スパッ
タ粒子がマイクロ波を通す窓に付着して導体の膜を形成
し、マイクロ波を入り難くするということである。三つ
目は、アンテナがスパッタリングによって痩せてしまい
寿命が短いということである。被処理物の汚染は明瞭で
あるからこれ以上説明しない。

【００１８】窓の汚染は少し説明を要する。マイクロ波
をチャンバに導入するためにアンテナを使う。しかしマ
イクロ波はアンテナだけを伝わって内部に入るわけでは
ない。アンテナとアースであるチャンバ壁とその間の絶
縁体があって初めてマイクロ波が伝搬できる。低周波の
電流であればその間の絶縁体は別段何の役割をも持たな
いが、マイクロ波になると分布定数回路を構成するから
絶縁体も伝搬に一役買っている。

【００１９】アンテナと壁との間の絶縁体はアンテナと
壁との間に電界磁界を形成し、ポインティングベクトル
としてエネルギーが流れるための媒質にもなっている。
ただにアンテナとアースを絶縁しているだけではない。
もしもその絶縁体の出口の端面に金属膜が付くと、これ
によってポインティングベクトルが遮られる。ためにマ
イクロ波パワーがチャンバに入ってゆかない。従来のイ
オン源、ラジカル源は、スパッタリング粒子が絶縁体窓
の端面に導体被膜を作るので、これによってマイクロ波
が反射され内部に進入できないという欠点があった。

【００２０】チャンバ内壁及びアンテナのスパッタリン
グを防ぐようにしたプラズマ生成室を提供することが本
発明の第１の目的である。長時間使用してもプラズマ生
成効率が落ちずメンテナンスの頻度の少ないプラズマ生
成室を提供することが本発明の第２の目的である。長寿
命のアンテナを提供することが本発明の第３の目的であ
る。長寿命のアンテナを実現することによってプラズマ
の連続点灯時間を長くすることのできる装置を提供する
ことが本発明の第４の目的である。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の装置は、プラズ
マ室の内壁に絶縁体のカバーを設け、アンテナにも鞘状
の絶縁体カバーを設けたものである。絶縁体カバーのた
めにスパッタリングが防止される。

【００２２】

【発明の実施の形態】プラズマ室の内壁、アンテナを被
覆するカバーを設けるから、本発明の装置はマイクロ波
や高周波によって殆どスパッタリングされない。金属に
比べて絶縁体はスパッタリングに対して極めて強い。ス
パッタされ難いからスパッタ粒子による被処理物の汚染
という問題を回避できる。アンテナも消耗しないので長
寿命になる。それにたとえスパッタリングされても金属
でないので絶縁体窓に付着しても導体膜を作らない。マ
イクロ波の進入の妨げにならない。長時間プラズマの生
成を持続できる。

【００２３】絶縁体としては、ＰＢＮ、ＢＮ、ＡｌＮ、
アルミナ、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、ジルコニアな
どを用いることができる。これらの材料を鞘状に予め成
形し、アンテナにかぶせる。チャンバ内壁に差し入れる
カバーにしても、これらの材料の粉末を円筒状、円盤状
に焼成するか或いは塊材料を加工して製造する。成形物
をチャンバの内壁に差し込むようにする。全体を一体と
することが難しい場合は、円筒部や円板部をいくつかの
部分に分けて製作し、チャンバ内で組み立てるようにす
る。

【００２４】これら材料を溶射によっても壁面に付ける
ことができる。しかし溶射では厚いものができない。や
がて剥落する。剥げたものが被処理物を汚染する。交換
ができず保守が容易でないという欠点がある。本発明
は、筒状、鞘状のカバーをアンテナに差し込み、円筒状
円盤状のカバーをチャンバ内壁に沿うように差し込む。
このようにすると、厚いものができるし、交換も容易で
ある。ボロボロはげないから被処理物を汚染する恐れは
ない。カバーの厚みは０．１ｍｍ〜１０ｍｍとする。最
適なのは１ｍｍ〜３ｍｍ程度である。カバーを着脱容易
にするために、アンテナは直線状の単純な形状が望まし
い。

【００２５】図１によって本発明のプラズマ室の実施形
態を説明する。マイクロ波発振器で発振し、導波管を通
じて伝搬してきたマイクロ波は、真空コネクタ１に設け
られたアンテナ３を通して、真空容器（プラズマ室）４
に導入される。真空容器（プラズマ室）４は円筒形ある
いは矩形状のチャンバである。チャンバ内にはプラズマ
２が励起されている。プラズマは、中性ラジカル、イオ
ン、電子、中性の基底状態分子などの集合である。

【００２６】本発明は、ラジカル源としてもイオン源と
しても用いられる。イオン源とする場合は、出口の先に
引出電極を設けて電圧を印加する。ラジカル源とする場
合は、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４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４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４か
ら成長室に排出される。

【００２７】真空容器（プラズマ室）４の外部にはこれ
を囲むように、円筒形の永久磁石５が設置される。これ
はプラズマ室内に縦方向の磁界を発生する。これによっ
て電子がサイクロトロン運動してマイクロ波を共鳴吸収
する。チャンバの適当な箇所には原料ガス入口９があ
る。

【００２８】重要な事は、プラズマ室４の内壁が筒型或
いは円盤状の内壁カバー６によって被覆されているとい
う事である。さらにアンテナ３には鞘状のアンテナカバ
ー７が差し込まれている。これが本発明の特徴である。
さらに真空コネクタ１のチャンバ側もコネクタカバー８
によって防護されている。

【００２９】セラミックのカバーによって、チャンバ壁
と空間部、アンテナと空間部の間が直流的には絶縁され
る。しかしこれは差し支えない事である。絶縁膜を通じ
て誘導電流が流れる。空間中の荷電粒子に十分な交番電
界が掛かる。マイクロ波のように周波数が高いと、かな
り厚い誘電体であっても交流抵抗は低い。

【００３０】絶縁体によってアンテナを覆っているから
マイクロ波の振動によってもアンテナがスパッタリング
されない。アンテナの寿命が長くなる。交換の頻度も著
しく低くなる。チャンバ内壁を絶縁体によって被覆する
ので金属壁のスパッタリングがなくなる。プラズマが汚
染されない。被処理物に不要なイオンや分子が照射され
るというような事がなくなる。

【００３１】

【実施例】図１のように直線状のアンテナを用いて円筒
状の真空容器４でアルゴンプラズマを生成した。マイク
ロ波周波数は、２．４５ＧＨｚ、マイクロ波電力は１０
０Ｗである。比較のためにチャンバ内壁を露出し、アン
テナも金属棒を露呈したままプラズマを生成した。その
場合２時間で反射電力が大きくなり、プラズマが消えて
しまった。そのままでは再点灯ができなかった。アンテ
ナを新しいものに交換しマイクロ波の窓になる絶縁体の
表面を清掃して初めて再点灯できるような状態になっ
た。

【００３２】次に本発明の思想に従って、チャンバ内壁
とアンテナをセラミックカバーによって覆い、同じ電力
によってアルゴンプラズマを生成した。２００時間以上
連続点灯したがマイクロ波反射電力は殆どなかった。な
お連続してプラズマ点灯を持続できる状態であった。誘
電体窓が金属スパッタリング粒子によって汚染されない
という事である。

【００３３】

【発明の効果】原料ガスをマイクロ波、高周波で励起し
プラズマとし、イオンビ−ム、ラジカルビームを発生さ
せるイオン源、ラジカル源として本発明は次の効果があ
る。 （１）プラズマの寿命を長くすることができる。従来は
数時間で十分なマイクロ波が入らないようになりプラズ
マが消えてしまった。本発明によれば２００時間連続点
灯できる。イオン源、ラジカル源としての性能を飛躍的
に高揚できる。

【００３４】（２）プラズマを長期に渡って安定化でき
る。金属スパッタ粒子が誘電体窓に付かないし、アンテ
ナを交換しなくて良いので条件が一定になり、プラズマ
の状態が安定化する。 （３）メンテナンス頻度が著しく減少する。頻繁にチャ
ンバを開いてアンテナを取り替え、チャンバ壁面を清掃
する必要がなくなる。

【００３５】（４）金属汚染の可能性の少ないイオン
源、ラジカル源を得ることができる。被処理物を汚染せ
ず高品質の薄膜形成が可能になる。 （５）メンテナンス頻度が少なくなるから、真空度が向
上する。 （６）アンテナを直線状にするとカバー形状を鞘型にし
容易に抜き差しできる。アンテナの消耗が少なくなり、
カバーだけを交換すればアンテナは引き続き使用でき
る。

【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】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 真空コネクタ ２ プラズマ ３ アンテナ ４ 真空容器（プラズマ室） ５ 永久磁石 ６ 内壁カバー ７ アンテナカバー ８ コネクタカバー ９ 原料ガス入り口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスを導入しこれをプラズマにし出口か
   らラジカル又はイオンを放出する真空容器と、マイクロ
   波を真空容器に導くためのアンテナとを含み、真空容器
   の内壁が絶縁体のカバーによって覆われアンテナは直線
   状で鞘型のカバーによって覆われていることを特徴とす
   るカバーで覆われた内壁とアンテナを持つプラズマ室。