JPS61266585A - スパツタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。

Ａ、産業上の利用分野 Ｂ、開示の概要 Ｃ１従来の技術 り１発明が解決しようとする問題点 Ｅ１問題点を解決するための手段 Ｆ、実施例 Ｆ　１．　　中空陰極増強マグネトロンの構造及び動作
特性（第１図、第２図、第３図、第４図、第５図） Ｆ　２．　　増強される６つの過程 Ｆ　３．　　特殊な中空陰極の構造（第６図、第７図）
Ｆ　４．　　結論 Ｇ１発明の効果 Ａ。産業上の利用分野 本発明は中空の電子放射陰極を使用したプラズマ・スパ
ッタ・エツチングもしくは付着装置に関する。

Ｂ、開示の概要 本発明に従うプラズマ・スパッタ・エツチングもしくは
付着装置はマグネトロンの様な通常のプラズマ・スパッ
タ・エツチングもしくは付着装置と組合さった中空の電
子放射陰極よシ成る。放射電子は固有の高エネルギ、例
えば磁界と結合され、プラズマ電位によって加速され、
十分に増大したプラズマ密度を生ずる。組合せの結果、
スパッタリングもしくは付着効率は従来の装置で可能で
あったよりもはるかに高くなる。本発明の他の態様に従
い、スイッチ動作が可能になシ、エツチングを等方性か
ら異方性に変化出来る。成るスパッタリングもしくは付
着過程を増強するだめの側面放電中空陰極が開示される
。ここで電子は中空の陰極室の側面の一つもしくはそれ
以上の開孔から放射され、大きな処理室により均一な電
子放射が達成される。

Ｃ１従来技術 プラズマ−スパッタ・エツチングもしくは付着装置はＬ
ＳＩ及びＶＬＳＩパ回路、メモｌハ磁気読取シ、・記録
ヘッド等の如き種々の精巧な製品を製造するエレクトロ
ニクス産業で多年使用されている。この装置はターゲッ
ト上に材料を付着する事（スパッタ付着）もしくはこの
様なターゲットから材料を選択的に除去する事（エツチ
ング）を特徴とする。材料の除去過程は材料をイオンも
しくは電子衝撃或いは反応性イオン・エツチングで除去
する。代表的なプラズマ装置はＲＦスパッタリング、マ
グネトロン・スパッタリング、ダイオ−）”　（Ｄ　Ｃ
）スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、
イオンめっき装置である。任意の工業的プロセスの場合
と同様に、このプロセスを時間的もしくは経済的により
効率的にする改良がプロセスの価値を大いに高めた。

本発明の次の説明は主に高密度プラズマ・マグネトロン
・スパッタ・エツチングもしくは付着装置に関連づけら
れるが、本発明の思想）まより広く応用出来る事を理解
されたい。

マグネトロン・スパッタ装置は陰極に強い磁界の増強部
を有する、基本的にはダイオード・プラズマ装置である
。この磁気的増強部は電子のトラップを形成するのに役
立つ。電子のトラップによって電子はそれ自体で閉じた
ＥＸＢドリフト経路に沿う様になる。強い磁界の存在は
又電子の電離（イオン化）の確率及びプラズマの密度を
増大して、陰極のイオン衝撃率及びスパッタリング率を
高める。２つの型のマグネトロンが開発されているが、
それ等は円柱マグネトロンもしくは平坦マグネトロンで
ある。

マグネトロン・スパッタ装置は２つの式によって特徴付
けられる。第１の式は１９７８年刊ジャーナル・オプ拳
バキュウムφサイエンス・アンド・チクノロシイ第１５
巻、第１７１頁のジェイ畳エイ会ソルントン著の論文（
Ｊ、Ａ、Ｔｈｏｒｎｔｏｎ。

Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｅｉ　　＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖ
ｏｌ、１５　（１９７８）ｐＰ　　１７１）に開示され
ている様に、最低の動作電圧Ｖを電子−イオン対の発生
に必要な平均エネルギＥと次の様に関連付けるものであ
る。

Ｖ＝Ｅ／　（ｒ、ｅ　、Ｃ２）　（１）ここでｒは（陰
極の）イオン衝撃のための２次電子係数、ｅｌはイオン
が陰極を衝撃する確率、Ｃ２は２次電子がそのエネルギ
を完全に電離に使用する確率である。

第２の関連式は次の実験式である。

ｉ　＝　ｋＶ　　（２） ここでＶは動作電圧、口まマグネトロン電流及びｎは３
乃至１０の範囲の指数である。ｎの値が高い事はマグネ
トロンの動作かよシ効率的である事を示す。５乃至７が
ｎの平均的な値であるユ第１の式から３００乃至３５０
ボルトの最小の電圧即ちターン・オン電圧が予想される
。この範囲の電圧は実験的に実際に見られる値であるが
、これ等のエネルギでのマグネトロン電流は非常に小さ
く、スパッタリング及び付着率も低い。代表的なマグネ
トロン・スパッタ装置は４００乃至６ＯＯＶの範囲で動
作し、電流は数アンペア、極めて大きな装置では２ＯＡ
に達する（ソルントンの前掲引用論文）。マグネトロン
装置の動作圧力は３乃至１０ミリトルの範囲にある。圧
力が高くなると、電力を一定にした場合、マグネトロン
電流が増大し、動作電圧が減少する。しかしながら高圧
ではスパッタされる材料の散乱がやや目立つ様になり、
実際の付着率が減少する。

マグネトロン装置にはいくつかの欠点がある。

第１は３乃至１０ミリトールの範囲である事を必要とす
る動作圧力である。この様な圧力でのスパッタ原子の平
均自由行程はわずか１ｃ！ｎもしくはそれ以下である。

この様に行程が短かいのはスパッタされた材料が基板上
に付着される前にしばしば散乱するからである。代表的
な場合、ターゲットから除去された全材料のうちのわず
か３５チが基板の領域上に付着し、残りの６５チは装置
の種々の部品を覆うだけでなく、ターゲット上にも再付
着する。（１９８３年刊「固体薄膜」第１０７巻、第３
７９頁のダブリュ働エイチ・クラスの論文：Ｗ、Ｈ，Ｃ
１ａｓｓ、”Ｔｈ１ｎ　　５ｏｌｉｄ　　Ｆｉ１ｍｓ’
、Ｖｏｌ。

１０７、（１９８３）、ｐ３７９）参照）。この散乱に
よって、実効ターゲット−基板距離を数ｍに制限しなけ
ればならなくなるので、基板の電子及びイオンの７ラツ
クスが増大する。この散乱は又付着フラックスの方向性
を失わせ、剥離の様なプロセスをよシ困難にする。マグ
ネトロンに関する第２の重要な動作上の問題は動作に必
要な高エネルギである。代表的には４ｒ］０−６００ｅ
Ｖのエネルギが有用なスパッタリング率を得るのに必要
である。これ等の高いエネルギはターゲットに著しい損
傷を与えサンプルがスパッタを与えるターゲットの場合
には基板に損傷を生ずる。付着もしくはスパッタリング
率を増大するためにはマグネトロンの電圧を増大する必
要がある。電子のエネルギが増大すると、ターゲットの
表面近くでの電離が減少し、放電はより非効率になる。

高エネルギはターゲットの表面に種々の化学反応を誘起
もしくは禁止するが、これは必ずしも望ましい事ではな
い。マグネトロン瞭スパッタリング装置は式（１）によ
って示される様に高圧だけ乙で動作し、式（２）によっ
て示された電流・電圧の特性だけに制約される。

中空陰極は高電子電流を放射出来るプラズマ装置である
。実際の動作手順は一般に知られていて、１９８３年刊
「ジャーナル・オブ・スペースクラフッ・アンド・ロケ
ット」第２０巻、第７７頁のエイチ・アール・カウフマ
ン、アール争ニス・ロピンンン及びディ・シー・ドロッ
クの論文（Ｈ，Ｒ。

Ｋａｕｆｍａｎ、Ｒ＋Ｓ、Ｒｏｂｉｎｓｏｎ　　ａｎｄ
　　Ｄ、Ｃ。

Ｔｒｏｃｋ、”Ｊ、５ｐａｃｅｃｒａｆｔｓ　　ａｎｄ
　　Ｒｏｃｋｅｔｓ”、Ｖｏｌ、２０、（１９８３）、
ｐ７７）に詳細に説明されているので、ここではくわし
く繰返さない。

中空陰極を成る陽極に関して十分に負にバイアスする事
による、背景（作業）気体の電子の電離によシプラズマ
が発生する。このプラズマは中空陰極の放射電流に等し
い放電電流によって特徴付けられる。直径が０．３１８
ｃｒｎの小さな中空陰極ですら、０，２乃至［１，６ミ
！ｊ）−ルの範囲のアルゴン圧の下で１５アンペア迄の
放電電流を流す事が可能である。

中空陰極の効果自体については次の３つ及びわずかな他
の文献に詳細に説明されているので、ここでは詳細に説
明しない。

（１）１９８３年刊「ジャーナルＯオプ・スペースクラ
フッφアンド会ロケット」第２０巻第７７頁のエイチ・
アールｅカウフマン、アール−ニス會ロビンソン及びデ
ィ・シー・ドロックの論文（上掲） （２）１９７４年ニューヨーク、アカデミツク−ブレス
刊「電子工学及び電子物理の進歩」第３６巻、第２６５
頁のエイチ・アール・カウフマンの論文（Ｈ，Ｒ，Ｋａ
ｕ　ｆｍａｎ　、　ｉｎ″Ａｄｖａｎｃｅ　　ｊｎＥｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　　ａｎｄ　　Ｅｌｅｃｔｉｏｎ　
　Ｐｈｙｓｉｃｓ。

”Ｖｏｌ、３６　Ａｃａｄｅｍｉｃ　　Ｐｒｅｓｓ、Ｎ
Ｙ、’　（１９７４）、ｐ、２６５　） （３）１９７４年ニューヨーク、アカデミツク・ブレス
刊「電子工学及び電子物理の進歩」第３５巻第８７頁の
ジエイ・エル・デルクロツクス及びエイΦアール・トリ
ンダード著の論文（Ｊ、Ｌ。

Ｄｅｌｃｒｏｉｘ　　ａｎｄ　　Ａ、Ｒ，Ｔｒｊｎｄａ
ｄｓ。

”Ａｄｖａｎｅｅｓ　　ｉｎ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ　　ａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ’；
Ｖｏｌ、３５　。

Ａｃａｄｅｍｉｃ　　Ｐｒｅｓｓ、ＮＹ、（１９７４）
、ｐ。

従来技術としては円筒形、即ち管状をなし、タンタルの
様な通常耐火材料を使用した中空電極が報告されている
だけである。管はしばしばその先端に収縮部を有する。

これは陰極の内部圧力を増大するのに役立つ。

通常、箔もしくは他の材料の挿入物が先端近くに加えら
れる。気体は外部源から陰極に入射し、外部源は開孔が
小さいので、管の内部に１トリチエリ（１・ｍｍＨｆ）
の圧力を発生する。プラズマ放電は保持器もしくは陽極
を陰極に関して正にバイアスする事によって発生する。

このプラズマは中空陰極の内部領域に存在する。このプ
ラズマはかなり高い圧力にあり、プラズマ密度はかなシ
高い。

箔の外部層によって絶縁されている、先端の内部の箔を
イオン衝撃すると、箔の内部層は極めて熱く、シばしば
２０００°Ｋになる。この高温で、箔の表面は熱イオン
的建電子を放射し、この放射によってプラズマの崩壊が
大きくなる。一度この崩壊が生ずると、中空陰極に関す
る保持器もしくは陽極の相対電圧は３０乃至５０ｖの範
囲の電圧に減少する。

多重中空陰極も開発されている。この陰極は外部管中に
互にきつくたばねられた多数の管よシ成り、気体源及び
電力源を共有している。多重管は管を通る気体の流れを
制約し、減少した気体の流れでよシ高い電流動作を可能
にする。しかしながら多重陰極も上述の動作モードから
離れず、基本的な円筒構造に制限される。

マグネトロン及び他の高エネルギ・プラズマ室もしくは
他の大きな室に電子を注入するといった多くの特殊な応
用の場合には動作の幾何学形状を半径方向に変化出来る
能力も必要になる。さらに、古典的な設計では多重の個
別のしかしたばねられた中空電極の動作は不可能である
。それは気体の流れそして電力源との結合に問題がある
からである。

米国特許第４４３１４７３号は反応性イオン・エツチン
グに使用出来るＲＦマグネトロン装置を開示している。

いくつかの室を放電、電磁石装置、気体の導入等に使用
するために、特定の装備が必要である。本発明は高エネ
ルギの電子を存在するマグネトロンのプラズマに注入す
るのに中空陰極の電子源を使用する点でこの特許と異な
っている。

この特許では通常の陰極補助装置以外の電子源を使用し
ていない。

本発明は通常のマグネトロンの圧力範囲（１ミリト一ル
程度）よシもはるかに低い、４×１０−５ト一ル程度の
低圧で動作する。上記米国特許第４４３１４７３号の装
置は１０ミリトールの範囲で動作する。本発明の低圧動
作によって、照準線工法、及び同一室内の多重プラズマ
過程が可能になる。本発明は又ＲＦもしくはＤＣモード
の両方で動作するが、米国特許第４４３１４７！１号の
装置はＲＦ装置であるに過ぎない。

本発明は又陰極のスパッタリングもしくは陰極材料をサ
ンプル上にスパッタ付着するためのスノくツツタリング
・モード或いは陰極の表面で成る化学反応が生ずる反応
性イオン・エツチング（ＲＩＥ）もしくは反応性付着モ
ードのいずれかで動作する。

米国特許第４４３１４７３号の装置は陰極表面上のサン
プルをエツチングするＲＩＥ装置に過ぎない。

最後に本発明の装置は２　Ｑ　ｅＶもしくはそれ以下の
電圧（エネルギ）で動作する。なんとなればプラズマが
中空陰極の放電によって維持されるからである。米国特
許第４４３１４７３号の装置は磁界をＲＦダイオードに
印加する事以外に低エネルギにする手段を持たない。

１９８４年刊「アプライド・フィジックス・レターズ」
第４４巻、第１０４１頁のシーｉホルビツツの論文（Ｃ
，Ｈｏｒｗｉｔｌ、Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ、４４　（１９８４）、　ｐｐ
　１０４１）は改良ＲＦ装置中での材料の反応イオン・
エツチングを開示している。この装置は部分的静電中空
陰極グローを形成する様に構成されている。

このグローは酸素もしぐはフレオン・プラズマ中のエツ
チング及び重合化率を変化させる。この論文はマグネト
ロン０スパツタリングについての言及はなく、又補助電
子源（中空陰極アーク）からマグネトロン・プラズマも
しくはＲＦプラズマへの電子の注入についての言及もな
い。

Ｄ１発明が解決しようとする問題点 本発明の主目的は改良された高エネルギ・プラズマ・ス
パッタ・エツチングもしくは付着装置を与える事にある
。

本発明に従えば、中空陰極電子源と高エネルギ・プラズ
マ装置を組合して上記日時の装置が与えられる。

本発明に従えば、特定の高エネルギ・プラズマ装置がマ
グネトロンφスパッタ・エツチングモジくは付着装置で
ある上述の装置が与えられる。

本発明に従えば、低圧、低エネルギ・レベル及び高いプ
ラズマ密度で動作出来る組合せ装置が与えられる。

本発明に従えば、中空陰極による増強手段を使用しない
通常の可能なスパッタリング率よりもはるかに高いスパ
ッタリング率を与える組合せ装置が与えられる。

本発明に従えば、一定の電力レベルで電流・電圧特性を
単に切換える事によって異なる型のエツチング・プロセ
スを遂行出来る組合せ装置が与えられる。

本発明に従えば、動作モードの切換えによって、選択的
に等方性もしくは異方性エツチングを遂行する装置が与
えられる。

本発明に従えば反応室内の電子の流れの分布を改善する
新規な中空陰極構造体を使用する組合せ装置が与えられ
る。

本発明に従えば、中空陰極の軸方向からでなく側面から
の電子放射を利用する中空陰極構造体が与えられる。

Ｅ０問題点を解決するための手段 本発明に従えば、中空陰極電子放射装置が特殊な方法で
既存のプラズマφエツチングもしくは付着装置と組合さ
れる。特に、中空陰極装置がマグネトロン・スパッタ骨
エツチングもしくは付着装置と組合され、優れた結果を
与える。中空陰極は通常のマグネトロン動作中に作業気
体に追加の電離を与えるのに使用され、低いマグネトロ
ンのエネルギですべての気体を電離する。この型の低エ
ネルギのマグネトロン動作は従来不可能であった。

高いマグネトロン電圧（即ち通常の動作）では、中空陰
極は少なく共１０倍マグネトｒｙン電流を流し、付着率
を増大する。

組合せ装置を低いマグネトロン・エネルギ及び高いマグ
ネトロン・エネルギで相継いで動作させる事によって、
スパッタリング・モードからサブスパッタリング・モー
ドに切換えて、夫々等方性及び異方性エチツチングを行
わせる事が可能な事がわかった。この発見を利用して、
エツチングのプロフィールを制御する際に独自の結果が
得られる。本発明の他の態様に従い、従来の中空陰極の
設計とは異なる側面放電中空陰極及び多重側面放電中空
陰極が与えられる。これ等の側面中空陰極は本発明の組
合せ中空陰極プラズマ・スパッタ・エツチングもしくは
付着装置に使用されるに適している。これ等の陰極は中
空陰極管の端にある特定の先端に依存せず、電子放射点
としての、閉じた管の側面の開孔に依存する。さらに中
空陰極の幾何学形状を非円筒形状に一般化して、陰極構
造を簡単にし、これ等をマグネトロンの様な特定のプラ
ズマ装置により良く適する様にする事が出来る。

Ｆ、実施例 Ｆ　１．　　中空陰極増強マグネトロンの構造及び動作
特性 第１図は本発明に従う平坦マグネトロンの磁気構造体の
断面図である。図でマグネトロンのターゲット１０は磁
気装置１２上に置かれている。磁気装置１２は一つの磁
気極性の中心柱１３及び反対極性の円形外部柱１４よシ
成る。２つの柱（極）を結ぶ磁力線１５が示されている
。磁界の強さはこれ等の仮想磁力線の密度に関連する。

このマグネトロンのターゲット１０はマグネトロンの電
力源１６によってマイナス数１００ｖにバイアスされて
いる。この実施例では、室（チェンバ）１７が陽極の働
きをしているが、しばしば、マグネトロンのターゲット
１０に近く別個の陽極が存在する。室１７は又真空包囲
体としての働きをする。

本発明の重要な特徴は中空陰極のプラズマとマグネトロ
ンのプラズマ間の結合にある。２つの装置の結合は中空
陰極もしくは多重陰極の位置に微妙に依存する。この位
置付けの例が平坦マグネトロンを示した第１図に示され
ている。中空陰極２０及び保持器２１はマグネトロンの
ターゲット１０の上、その外端近くに取付けられていて
、水平にマグネトロンの中心に向って突出している。中
空陰極２０のターゲット１０上における半径方向の位置
は、これの横切る磁力線が磁力線１８の様に磁気装置１
２の下方に進むものでなく中心柱１３の方に進むもので
なければならないような位置である。第１図に示された
様にこの半径方向の位置における陰極の垂直位置が陰極
の磁界の強さ及び陰極のマグネトロンのプラズマに対す
る結合効率を決定する。この結合効率はマグネトロンの
電圧及び圧力を一定にして、マグネトロンのターゲット
上に入射する、中空陰極の放電電流の百分率として測定
される。この結合効率がマグネトロンから中空陰極迄の
高さくｃＩｎ）の関数として第２図のグラフに示されて
いる。

第１図に示された構造の位置が中空陰極のプラズマがマ
グネトロンのプラズマに結合される唯一の位置である訳
ではない。中空陰極は同じ半径位置で垂直方向に位置付
ける事もしくはターゲットの中心に近く位置付ける事も
出来る。極端な場合、中空陰極はターゲットの中心上に
垂直に位置付けられる。主要な制約は中空陰極が交わる
磁力線がターゲットの前方を横切るもの（第１図に１５
で示されている）である点にある。しかしながら中空陰
極をマグネトロンのターゲット１０に極めて接近して取
付けることのできる点が存在する。この点は中心柱１３
と外部柱１４の間の領域において、ターゲットの表面か
ら２〜３ラーモア半径よりも近い点である。この場合の
ラーモア半径は数箇である。中空陰極がこの位置にある
時には、陰極はマグネトロ／のＥＸＢドリフト電流を物
理的に阻害する。これによってマグネトロン動作は極め
て貧弱になり、はるかに高い動作電圧を必要とし、付着
率が低くなる。平坦な円形マグネトロンと長方形の平坦
マグネトロンの位置決めの規準は全く同じである。円筒
マグネトロンの様な他の形状のマグネトロンの場合には
、マグネトロン中の中空陰極の物理的位置は必然的に異
なってくる。

しかしながら、この場合でも２つの主要な規準は守られ
る。１つは中空陰極がマグネトロン陰極の表面の横方向
磁界に浸漬していなければならない煮、もう一つは中空
陰極がマグネトロンのＥＸＢドリフト電流の電気的もし
くは物理的障害物であってはならない点である。

一定圧力にあるマグネトロンの電流−電圧特性は上述の
式（２）に従う事がわかっている。従ってマグネトロン
の電流を増大するためには、マグネトロン電圧を増大し
なければならない。マグネトロンが中空電極で増強され
る場合にはその必要はない。第１図と類似の構造の場合
には、中空陰極の放射を増大させるとマグネトロン電圧
を一定に保持出来る。中空陰極の放射が増大すると、マ
グネトロンの近くの気体の電離が増大し、マグネトロン
の電流が増大する。マグネトロン電圧及び気体の圧力が
一定の場合のこの振幅が第６図に示されている。この図
から明らかな様に、中空陰極の放電電流（放射）が３ア
ンペア加わると、マグネトロンの電流は略１０倍になる
。外部の結晶付着速度モニタで付着速度を測定した結果
、スパッタされるターゲット材料の付着率の同等の増大
が記録された（第４図参照）。上述の如くこの場合の結
合効率は略４６チであり、この事は放射した中空陰極の
放電電流の４６係がマグネトロンのターゲット上に入射
して、スパッタリングを増強する事を示している。

この増強動作の第２の特徴は低圧動作にある。

従来のマグネトロンは３乃至１０ミリトールの気体（ア
ルゴン）圧で動作する。ここで説明した増強動作は同等
のもしくはよシ高いマグネトロン電流で動作するが圧力
は１／１０程度即ち０゜３−０゜５ミリトールの範囲で
動作する。この低圧力はスパッタされる材料の平均自由
行程をはるかに長くする。この事はターゲット材料のよ
シ多くの部分が基板上に付着するか、逆にターゲット（
サンプルでよい）からスパッタされる材料がターゲット
上に再び付着される可能性が始んどない事を意味してい
る。さらに重要な事は、これ等の低い圧力での動作でス
パッタされた材料が蒸発した材料と同じ様に略直線の経
路をたどる事である。

この様な低圧力で動作出来る事によって、スパッタリン
グを行うターゲットとサンプル基板をかなり離す事が出
来る。従来の技術のマグネトロン・スパッタリング装置
の代表的なターゲットと基板の距離はスパッタされる材
料の散乱度が高いのでわずか数−である。さらに低圧動
作によって他の過程が同時に生ずる。例えば、従来のマ
グネトロンの圧力環境では動作出来なかった蒸着技法も
中空陰極で増強したマグネトロンの圧力の範囲で使用可
能になる。ターゲット及び基板が離れている事及び低圧
力で動作可能な事によってターゲットもしくは基板表面
のイオン・ビーム衝撃スパッタリング付着もしくはイオ
ンめっき、或いは他のイオン、電子もしくは光子衝撃が
可能になる。

ターン会オン電圧が一３００ｖ以下の従来のマグネトロ
ンと異なって、中空陰極増強マグネトロンは−１５乃至
−２０Ｖもしくはこれ以上の浮動電位迄のエネルギで動
作する。この特徴はマグネトロンの電圧に無関係な中空
陰極誘起プラズマによる。真空室を接地し、陽極として
使用する事によって、プラズマは中空陰極を少なく共−
３０Ｖにバイアスして誘導される。マグネトロンの近く
のプラズマのプラズマ電位はアース電圧に近く、これよ
りもわずかに上である。これに代って別個の陽極を等し
い電圧分だけアースに対して正にバイアスする事も出来
る。これによってプラズマを誘起するに十分なエネルギ
が中空陰極の電子に与えられるが、この場合のプラズマ
の電位は陽極の電位に近く、これよりわずかに上である
。後者の場合、マグネトロンのターゲットの表面に向う
衝撃イオンのエネルギが若干増大する。

中空陰極で誘起したプラズマが確立した状態で、マグネ
トロンのターゲットを陽極の電位に関して負にバイアス
する事によって、マグネトロンの電位とプラズマの電位
の和に等しいエネルギで陰極の衝撃が始まる。結果のマ
グネトロン電流と電圧の関係が中空陰極の放電電流をパ
ラメータとして第５図に示されている。最も顕著な特徴
はマグネトロンの電流が極めて高いと、中空陰極の放射
電流によって低いイオン・エネルギに急激にシフトする
点にある。中空陰極電流が０アンペア（Ａ）の時はマグ
ネトロンは３００Ｖ（３００ｅＶ）以下の電圧（イオン
・エネルギ）では動作出来ない。

従ってマグネトロンの動作範囲は第５図の右端の曲線に
よって限定された電圧及び電流に制限される。換言する
と、この曲線は中空陰極が存在しない場合のマグネトロ
ンの動作特性である。中空陰極放射電流が十分高いと、
１００ｅＶ以下のエネルギで比較的高い電流動作（＞Ｉ
Ａ）が可能である。本発明のマグネトロン装置に１Ａの
マグネトロン電流を流した場合のイオン電流密度は（７
ｍＡ／、−ｄである。

Ｆ　２．　　増強される３つの過程 この様な高電流密度、低エネルギによるターゲットの衝
撃によって少なく共３つの過程が強く増強される。これ
等の過程は（１）薄膜付着期間中の共スパッタリング（
ＣＯ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）もしくは同時的なサンプ
ル・イオン衝撃、（２）化学エツチング率のきわめて高
いターゲット表面の反応性イオン・エツチング及び（３
）付着中の薄膜中の誘導化学反応である。これ等につい
て以下に説明する。

１９８１年オランダ、アムステルダム、エルスピア社刊
、アール拳ケリー及びオー６アンシエロ監修、ジエイ・
エム・イー・バーバー、シエイ・ジエイ・クオモ、アー
ル・ジエイ・ギャンビオ及びエイチ・アール・カウフマ
ン著の論文ｒ１ｏｖ衝撃による表面の修正Ｊ　（Ｊ、Ｍ
、Ｅ、　Ｈａｒｐｅｒ　。

Ｊ、Ｊ、Ｃｕｏｍｏ、Ｒ，Ｊ、Ｇａｍｂｉｎｏ　　ａｎ
ｄ　Ｈ，Ｒ。

Ｋａｕｆｍａｎ、”１０Ｖ　ＢｏｍｂａｒｄｍｅｕｔＭ
ｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　５ｕｒｆａｃｅｓ
”　ｅｄ。

ｂｙ　　Ｒ，Ｋｅｌｌｙ　　ａｎｄ　　Ｏ，Ａｎｅｉｅ
ｌｌ。

（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ　（１９８ｊ
））中に開示されている様に薄膜の成長中に低エネルギ
のイオンで薄膜を成長出来るという能力は薄膜の性質に
強い影響を与える事がわかっている。例えば薄膜の応力
もしくは付着力をイオン衝撃によってより都合のよい値
に調節する事が出来る。しかしながら高い電流密度で薄
膜をスパッタリング・オフしない様にイオン衝撃のエネ
ルギは十分低くなくてはならない。中空陰極で増強した
マグネトロンは付着薄膜のスパッタ閾値以下のエネルギ
で、ターゲットもしくはターゲット上に置かれたサンプ
ル上に極めて高い電流密度を発生する事が出来る。従っ
て、付着中の薄膜をスパッタ・オフする可能性はない。

衝撃電流密度が極めて高いので、この並スパッタリング
過程の薄膜の付着率は極めて高い。

反応性イオン番エツチング 上述の様に、中空陰極増強マグネトロン装置は薄膜のス
パッタ閾値以下のエネルギで、ターゲットもしくはター
ゲット上のサンプルに対して極めて高いイオン電流密度
の衝撃を行う事が出来る。

この特徴は反応性イオン・エツチングにとって重要であ
る。反応性イオン・エツチング過程の例として、反応種
（例えば酸素もしくはフレオン）の　　。

イオンをサンプルの表面に指向する過程がある。

表面で表面の材料との化学反応が生じて揮発性の化合物
を生じ、この化合物が表面を去って、ポンプで吸出され
る。反応性イオン・エツチングは等方性のドライ・エツ
チング過程である。しかしながら、スパッタ閾値以上の
エネルギで入射イオンが表面を衝撃すると、物理的なス
パッタリングが生ずる可能性がある。従って反応性イオ
ン・エツチングを行う目的のためには中空陰極増強マグ
ネトロンはスパッタリングを生ずる事なく高い反応率で
反応性イオン・エツチングを行うのに適切な装置である
。それはスパッタ閾値以下のエネルギの高電流密度で動
作出来るからである。

付着中の薄膜中の化学反応 中空陰極増強マグネトロン中のターゲット表面の高電流
、低エネルギ・イオン衝撃は付着中の薄膜に化学反応を
誘起させるのに極めて有用である。

その例は窒化物の形成である。窒素の背景圧力中でアル
ミニウムの薄膜を付着しても窒化アルミニウムを形成出
来ない事は１９８３年刊アプライド・フィジックス・レ
ターズ第４３巻第５４７頁のジエイ・エムＯイーΦバー
バー、ジエイ・ジエイ・クオモ及びエイチーティΦシイ
・ヘントゼルの論文（Ｊ、Ｍ、Ｅ、Ｈａｒｐｅｒ、Ｊ、
Ｊ、Ｃｕｏｍｏ　　ａｎｄＨ，Ｔ、Ｇ−Ｈｅｎｔｚｅｌ
ｌ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔｅｒ。

４３、（１９８３）ｐ５４７）に説明されている通シで
ある。アルミニウム薄膜を付勢した窒素で衝撃して、反
応を起させる必要がある。ここで増強マグネトロンを使
用して、薄膜の一部を除去しない様にスパッタ閾値以下
のイオン−エネルギで付着薄膜に高い電流密度の窒素衝
撃を与える事が出来る。この様にして増強マグネトロン
のターゲットの表面に化学反応を誘起する事によって極
めて高い付着速度で化合物薄膜が形成される。

上述の様に、マグネトロンは磁気的に増強されたダイフ
ード脅スパッタリング装置である。これ等は陰極の材料
を他の基板上に付着するか、陰極自体上のサンプルをエ
ツチングするのに使用されている。ここで興味があるの
は後者の場合である。

このエツチング過程は異方性エツチングであシ、即ちイ
オンが陰極上のサンプルの表面（及び陰極自体）を垂直
な入射角で衝撃する。これによってスパッタリングが生
じ、マスクと関連して使用される時は垂直な壁を生ずる
。

増強マグネトロン・プラズマ装置の第２の独特の特徴は
上述の反応性イオン・エツチングである。

反応性イオン・エツチングでは反応種（例えば、酸素、
フレオンもしくはＣＣ１４）の極めて低いエネルギ・イ
オンが低エネルギの気体放電として表面に指向される。

次にこれ等の反応性イオンが陰極の表面の原子と化学的
に反応して揮発仕種となシ、表面を去シ、ポンプで運び
去られる。この過程は等方性エツチング過程である。こ
の特徴は反応性イオンのエネルギが低い（代表的な場合
数ｅＶから１０乃至２０ｅＶ）事と、エツチング過程の
化学的性質による。等方性エツチング過程はマスクと共
に使用される時に基板にかなりのアンダーカットを生ず
る。

本発明の中空陰極増強マグネトロン装置は、多くの電子
を放出し、この電子がマグネトロンの近傍のプラズマを
増強し、マグネトロンの電流、スパッタリング及び付着
速度を著しく増大する。本発明の動作のよシ精妙な特徴
について説明する。

再び第５図を参照するに、マグネトロンの電流及び電圧
が中空陰極増強マグネトロン装置の中空陰極放射電流を
パラメータとして描かれている。図から明らかな様に、
最も右にある曲線は中空陰極の放射電流が存在しない場
合のマグネトロンの動作を示す。中空陰極の放射を増大
すると、曲線は比較的高いマグネトロン電流を保持した
まま、エネルギの低い方に順次移動する。例えば、図中
のマグネトロン電流の１．ＯＡのところに水平線を引く
と、イオンの衝撃エネルギ（マグネトロンの電圧）は中
空陰極電流が流れない場合の６００　ｅＶから、中空陰
極放射電流が５．ＯＡの時の４０　ｅＶに変化する。こ
のエネルギは多くの材料のスパッタ閾値以下である。し
かしながらイオン衝撃電流。

従ってイオン電流密度は変化していない。従って中空陰
極増強マグネトロンの中空陰極の放射電流の量を変化さ
せる事によって、陰極もしくは陰極上のサンプルはスパ
ッタ・エネルギ（’６００　ｅＶ　）から略４０　ｅＶ
のサブスパッタリング・エネルギに変化する。

低エネルギ衝撃は反応性イオン・エツチングに必要なエ
ネルギの範囲で行われる。中空陰極の電流をよシ増大す
ると、この衝撃エネルギは２０　ｅＶ以下に降下する。

本発明は陰極表面のイオン衝撃のエネルギを劇的に変化
させる能力を利用して、スパッタリング衝撃即ち異方性
エツチングと非スパツタリング、反応性衝撃、もしくは
等方性エツチング間を切換える。この場合の気体は両過
程の場合共同じである。例えば酸素は若干反応性である
とは言え、６００　ｅＶの酸素の衝撃は異方性であるス
パッタリングを主として生ずる。中空陰極の電子の放射
が高い場合に存在するサブスパッタリング・エネルギで
は酸素は反応にあずかるだけであシ、この反応は等方性
である。一つの型の衝撃から他の型の衝撃に切換える能
力はマグネトロン及び中空陰極の放射を駆動する電力源
によってだけ比率が制限される。これ等の電力源はＤＣ
モードで動作し、手動的に一つのモードから他のモード
で切換えられ、数１［］ＫＨｚもしくはそれ以上の周波
数で電子的に切換える事が出来る。

ここで説明したマグネトロンの動作の切換えの主たる用
途は陰極の表面上でエツチングされるサンプル中に傾斜
した側壁を形成する事にある。これ等の高い衝撃率（１
ｉ当り数ミリアンペア）で異方性及び等方性エツチング
間で切換を行う事によって、マスクの下で切込まれる傾
斜が制御出来、従って先細シにする事が出来る。

この切換動作は通常のマグネトロン動作もしくは通常反
応性イオン・エツチング動作よシもはるかに低い圧力で
生ずるという追加の利点を有する。

マグネトロンは代表的な場合、５−１０ミリトルで動作
し、反応性イオン・エツチングは６０−１００ミリトル
で生ずる。本発明の中空陰極増強マグネトロンはスイッ
チング・モードでは１ミリトル範囲以下の圧力、１ｃｄ
当Ｄ＞１ｏｍＡの高い電流密度で動作する。この低い圧
力によって装置中の反応性気体の量、ポンプの負荷が減
少し、ポンプから有害な気体を排出するという問題が減
少する。低い圧力は又冒頭に挙げられた文献に説明され
た視準線過程のみならず多重過程を可能にする。

Ｆ　３．　　特殊な中空陰極の構造 上述の様に、本発明の中空陰極増強マグネトロン・スパ
ッタφエツチングもしくは付着装置は単なる（増強され
ていない）マグネトロン装置では可能ではない多くのプ
ロセスを可能にする。一端に軸方向の電子放射オリフィ
スを有する簡単な円筒中空陰極は反応室に位置付ける事
がしばしば困難である。簡単な電子源はしばしばこれが
ない場合に起り得る過程を増強するのには不適切である
。

この事から側面（放電）中空陰極が形成された。

側面中空陰極は古典的な円筒中空陰極の多くの特徴を利
用する。側面中空陰極の図面が第６図に示されている。

側面中空陰極は上述の如く同じ耐火金属管１１で形成さ
れている。特殊な先端組立体に代って、小さい開孔２０
が管１１の側面にあけられている。

管の端２１は封止されるか、以下説明される様に他の側
面陰極に接続出来る。気体１４は圧端から管中に流入し
ているが、右方の封止端からも注入出来る。この場合も
耐火性材料である圧延箔１３が陰極内の開孔の下に置か
れる。

側面中空陰極の動作は上述の古典的中空陰極の場合と同
じであり、ここでは繰返さない、この型の装置は気体の
流れ並びに放電電流及び電圧の両方に関して、従来の陰
極と同じレベルで動作する。

この側面中空陰極を簡単な手段で精巧にするだめには管
を単に長くして、第２のもしくはそれ以上の開孔を追加
すればよい。この様子が第７図に示されている。これ等
の２２．２３等で示された追加の開孔は同じ箔押入物１
３を共有するか、追加の個別の挿入物を使用する。同等
の修正は管の対向端上の同じ、もしくは異なる位置に開
孔を与える事によっても与えられる。両方の場合とも、
中空陰極の効果は不変である。しかしながら、これ等は
類似の形状の側面陰極を使用した場合の可能性の例に過
ぎない事を理解されたい！多聞孔側面陰極の動作は上述
の単一開孔側面中空陰極の動作と略同じである。各開孔
から放電を得るのには低電流の場合、若干の困難がある
。この効果は開孔の下の箔の各々を加熱するのに十分な
衝撃イオン電流がない事による。この問題は単に放電（
即ち放射）電流を増大する事によってなくされる。実際
には、多聞孔側面陰極の開孔の一つの上に電源１６に接
続した保持器もしくは陽極１５“（第６図）を位置付け
るだけで十分である。

他の開孔は管に沿う横方向の伝導によって十分な熱を獲
得し、局所的な放電を開始する。住換実施例はすべての
開孔を覆う一本の長い保持器もしくは陽極を与えるもの
である。このことはどのような環境でも可能であるとい
う訳ではない。第２の住換実施例は開孔の行もしくは配
列に沿って移動する可動保持器もしくは陽極を与え、各
開孔を順番に点火するものである。

単側面中空陰極及び多重側面中空陰極は通常の円筒中空
陰極に対して多くの望ましい利点を有する。これ等の特
徴は応用に適しており、マグネトロンの様な装置中の電
子衝撃イオン源、グロー放電プラズマ点火及びプラズマ
増強の如き応用を含む。イオン源の場合、多くの電子源
に単一の電力源及び単一の気体源を接続出来るという事
は大きなイオン源の動作をかなシ簡単にする。代表的な
大きなイオン源では、単一の中空陰極のみから供給され
る電子の流れ及びこの単一の中空陰極による気体の分布
の非均一性はこの多重側面中空陰極技法を使用して除去
出来る。ＲＦスパッタリングもしくはダイオード・スパ
ッタリングの場合の様な、プラズマ・クリーニングもし
くはエツチングの場合には、電子を多くの位置から注入
する事が望ましい。本発明は個別に駆動されなければな
らない、そして時間をかけて平衡させなければならない
多数の装置を使用しないで単一の装置でこの注入過程を
行う。マグネトロン・スパツタリングの様な、製造規模
に拡大した大規模のプラズマ動作は単一の中空電極で可
能なよりも大きな電子流を必要とする。本発明の多側面
中空陰極はこの問題に都合のよい解決を与え、プラズマ
の均一性を増大する。

他の陰極構造体は簡単な円形のガス・ストーブのバーナ
ーの場合の様に、同一平面中に多重陰極の効果を与える
ための一連の開孔を一側に有する円形管もしくは彎曲管
を含む。又−側に複数個の開孔内部に電子放射箔のシー
トを有し、あわせて電離可能な気体の流れを維持する適
切な開孔を有する平坦な中空構造体をなす、平坦な中空
陰極構造体も想到出来る。

Ｆ　４．　　結論 本発明は２つの広く離れた技術分野の組合せよシ或ル。

マグネトロン及び他のプラズマ装置は通常半導体の製造
分野で金属及び他の材料のスパッタ・エツチングもしく
は付着に使用されている。

中空陰極は宇宙計画に端を発し、惑星間宇宙船のイオン
機関の用途に提案されたものである。スパッタリング自
体に５極管を使用する事は新らしい事ではないが、マグ
ネトロン３極管装置についての系統的な研究はなされな
かった。それは既に磁界による増強が存在していたから
である。例えばマグネ）ｏンに対して電子の点源を加え
る事は従来試みられていない。それは磁界が非均−にな
る事と、電子が小さな局所的プラズマを形成する事が予
想され、マグネトロン装置全体に有利な効果を与えない
からである。本発明は２つの広く離れた技術分野のもの
を独自の方法で組合せて、強力で制御可能なプラズマの
形成に著しい、非自明な進歩を与える。

本発明の好ましい実施例の説明の大部分はマグネトロン
・プラズマ装置に向けられたが、中空陰極による増強の
概念はマグネトロンＲＦダイオード（ＤＣ）、イオン・
ビーム装置及びイオンめっき装置を含むプラズマ・スパ
ッタ・エツチングもしくは付着装置にも等しく適用され
る。さらに本発明の概念は単一の処理室中で２つの両立
しない装置の組合せを可能にする。

又、装置を広範囲の電力レベルで動作出来るという事は
ブａセスの電力レベルだけを変更させる事によって基板
を（マグネトロン・プラズマ装置中で）２つの異なるモ
ードでエツチングする事が可能になる。

最後に、本発明の組合せプラズマ・スパッタ・エツチン
グもしくは付着装置の汎用性はより広い面積にわたって
より均一に、全体的により高い密度の電子ビームを分布
出来る中空陰極の構造体の必要性を暗示し、全体的装置
の汎用性を利用出来る様にした。古典的な円筒状の対称
性が不必要な事が発見されだので、開孔の直線配列体、
管の対向側面上の開孔及び環状もしくは彎曲管状配列体
を含む種々の設計が可能である。同様に、電子放射のた
めに一つの表面に複数の開孔を有する平坦な陰極構造体
が実証された。

Ｇ１発明の効果 本発明に従い、低圧、低エネルギ・レベル及び高いプラ
ズマ密度で動作出来る改良高エネルギ・プラズマ・スパ
ッタ・エツチングもしくは付着装置が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う簡単化した、中空陰極増強マグネ
トロン・スパッタ・エツチングもシくは付着装置の断面
図である。第２図はマグネトロン装置へ注入される中空
陰極放射電流の結合効率を示した図である。第６図は中
空陰極で増強したマグネトロンの電圧を一定にした場合
の中空陰極放電電流とマグネトロン電流の関係を示した
グラフである。第４図は本発明に従って構成された、中
空陰極で増強したマグネトロンの電圧を一定にした場合
のターゲットもしくは中空陰極の放射電流と付着速度の
関係を示したグラフである。第５図は中空陰極の放射強
度をパラメータとした場合のマグネトロン電圧とマグネ
トロン電流の間の関係を示した一組の曲線の図である。 第６図は本発明と共に使用出来る側面放電中空陰極を部
分的に断面図で示した側面図である。第７図は陰極の電
流密度をよシ増大するだめの複数の放電点を有する側面
放電中空陰極の実施例を部分的に断面図で示した側面図
である。 １０・・・・ターゲット、１２・・・・磁気装置、１３
・・・・中心柱（極）、１４・・・・円形外部柱（極）
、１５・・・・磁力線、１６・・・・電力源、１７・・
・・室、１８・・・・磁力線、２０・・・・中空陰極。 出　願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーン
ズ・コーポレーション代理人　弁理士　　山　　　本　
　　仁　　　朗申空豫＠Ｌ炭亀電潰、（Ａ） 第５図 第６図 藁７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）封じ込め室内にありエネルギの場を有する
   プラズマ装置と、 （ｂ）処理すべき工作物に接近している上記プラズマ装
   置のエネルギの場に電子を注入する様に配置された中空
   陰極電子源と、 （ｃ）上記中空陰極内に熱イオン電子放電プラズマを開
   始して保持し、上記プラズマ装置のプラズマを開始して
   保持する手段と、 （ｄ）電離可能な気体を上記封じ込め室に導入する手段
   とを具備する、 スパッタ装置。
2. （２）上記エネルギの場を有するプラズマ装置がマグネ
   トロン双極装置を有し、上記中空陰極電子源が、上記工
   作物の表面を横切る磁力線と交差すべく該プラズマ装置
   に電子を注入する様に配置されてなる特許請求の範囲第
   （１）項記載のスパッタ装置。