JPS62224686A - イオン源 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高密度プラズマによるスパッタリングを利用し
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ットをスパッタして薄膜形成に用い
る、いわゆるイオンビームスパッタ装置や、集積回路作
製の際のエツチング用置等に広く用いられておシ、その
種類も、カウフマン型やデュ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ィラメント２を有し
、このフィラメント２を陰極として放電を電磁石３によ
って発生した磁界中で起こさせることによシプラズマ１
０を発生させ、このプラズマ１０中のイオンを数枚の引
き出しグリッド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ィラメント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
ばフィラメント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
フィラメント２の経時変化に伴う特性の劣化、フィラメ
ント２の交換などの保守上の問題、さらにはフィラメン
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った。加えて熱
電子放出用のフィラメント２は、プラズマ１０中に常に
てらされており、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ィラメ
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った。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　、ｈｔ　（アルミ）やＣｕ（銅）
やＦｅ　（鉄）といった金属イオンを取シ出すことは本
質的に不可能であった。以上のことはデュオプラズマト
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
、取シ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ィ
ラメントから放出される電子の量に依っているため、本
質的に大収量のイオン源を作ることはできなかった。さ
らに従来のイオン源では、プラズマ発生室内では１Ｑ　
　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
いう欠点があった。

イオン源として望まれる条件を以下にまとめると１１）
　　大収ｔ（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って制御
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
も取シ出せること。

が上げられる。

〔問題点を解決するだめの手段〕

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、スパッタを起こさせ
ることによりターゲッ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テングを行うイオン源を提供
するもので、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、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。

〔作用〕

本発明はプラズマの生成および即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
いることによシ低ガス圧の特定の全問に高密度のプラズ
マを形成し、さらに高密度プラズマの曲面に負電圧を印
加させたターゲットを配置して面密度プラズマ中のイオ
ンをターゲットに引き込み、高速にスパッタを行い、次
にそのスパッ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って、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はターゲット、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
．４５Ｇ）−１ｚ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、アイル−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ッド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、−例として円形空胴共振モードＴＥＩＩ３を採
用し、内のシで直径２０５、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ット５を配置して、−１，５Ｋ
Ｖ、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ッド４は直
径１０ｃｒ１１の大きさで、マイクロ波導入窓６に対向
するグリッド面はマイクロ波に対する反射面ともなシ、
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
れによっ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２ｊ１５ＧＨｚ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５０００Ｇ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
ロトロン共鳴によって効率よく電子にエネルギを与える
だけですく、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
じ込める効果をもっている。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、マイクロ波のバカビターゲットの
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と両型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：　Ｂｎｌ／ｌａｏ　）
及び両コイル間の距離等である。

ここで、例えば１４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波に対
しては、前述のようにプラズマ生成室内での最小磁束密
度Ｂｏを８７５Ｇ、電磁石の磁気コイル中心部の最大磁
束密度Ｂｍを１ｋＧから３　ｋＧ程度まで変化できるよ
うにして磁場の勾配を変化することができる。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の回シ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：Ｂｎ／Ｂｏはプ
ラズマ閉じ込め効率に大きな影響をおよぼす。

以上のようにしで閉じ込められた高密度プラズマに面し
たターゲット５に負の電圧を印加させることによシ、面
密度プラズマ中のイオンをターゲット５に効率よく引き
込みスパッタを起こさせる。

さらに、ターゲット５からスパッタされた、はとんどが
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
ッドがない場合には、電子はイメ゛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９、ミラ一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
電分離がおこシ、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ャル差が電子の平均エネルギに匹政
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値がほぼ
同じになる。即ち、こうしたミラーによる空間電荷効果
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、〜イク・波のパーガス圧に大きく依存し、数ｅ
Ｖから数百＠Ｖまでの広い範囲で自由に制御することが
できる。しかもターゲットと基板が直交した位置にある
ため、ターゲッ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、ミラ一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シ出して、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
イオンな取シ出すことができることを意味しておシ、こ
の磁場配置をもつスパッ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っている
ことを示している。

一方イオン引き出しグリッドを設けた場合には、４奉≠
十轟→―畑払１１−一員そのグリッドに印加する電圧に
よっ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った大
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ッ
タリングによっ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９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（１０Ｔｏｒｒ）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シ出せるとい
５％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
優れた特徴をもっている。

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、ターゲットから放出され
た中性のスパッ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ット構生粒子が
またターゲットの電位で加速されて、また、ターゲット
をスパッタする、いわゆるセルフスパッタの割合も極め
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
フスパッタを持続し、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
特徴をもっている。

次に本発明装置を用いてＡｔ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　Ｘ　１０　
　Ｔｏｒｒ　ｉ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５　Ｘ　ｔｏ　　Ｔｏｒｒとして
、マイクロ波電力１００〜８００Ｗ、ターゲット印加電
圧３００〜Ｉ　ＫＶ、　　ミラー磁場勾配（２ＫＧ／８
７５Ｇ）の条件で膜を形成した。このとき、イオン引き
出しグリッドを用いて２０　ａｖ〜１００・Ｖのエネル
ギを持ったＡｔ　イオンを引き出して、そのグリッドの
下に配置した基板上に５０〜１ｏｏｏ　Ｘ／ｍｉｎの堆
積速度で効率よく膜形成ができた。またグリッドを用い
ない場合には、５ｅＶから２０　ｅＶのエネルギをもっ
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以上の膜をクラッ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Ａｔ膜の形成のみならず、はとんど
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、これは植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
ー磁界によっ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／を効率よくターゲットに引き込み
スパッタを実現し、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シ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、しかも各種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っ
て生じるイオンの運動と電位分布の概略図、 第４図はカク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・・・熱電子放出用フィラメント ３・・・プラズマ収束用電磁石 ４・・・イオン引き出しグリッド ５・・・ターゲット 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 １６・・・磁力線

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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つて、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。