JPS6386864A - 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くための高
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装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５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リフラズマ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
によシ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
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、ＡＩ！（アルミニウム）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１０−
”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υ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 （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、スパッタを起こさせ
ることによジ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チ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円筒
状ターゲットと、その円筒状ターゲットの内側表面に磁
束がもれるように円筒状ターゲットの上下両端外側に極
性を逆にした少なくとも１対のリング状永久磁石と、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
成する少なくとも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
いることによシ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
加させた円筒状ターゲットと、その内側表面に適当な磁
束密度を得るようなリング状永久磁石とを配置して高密
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シ出すことができる。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
５図と同じ符号は同じ部分を示す。

１はプラズマ生成室、５は円筒状ターゲット、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２４５ＧＨ１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と対向する他藩には、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ＴＥ１ｔｓを採
用し、内の９で直径２０　ａｍ　。

高さ２０　ｃｍ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円筒状タ
ーゲット５と、その円筒状ターゲット内側表面に磁束が
もれるように、円筒状ターゲットの上下両端外側に極性
を逆にした少なくとも１対のリング状永久磁石１４とを
配置して、その円筒状ターゲットには−１，５ＫＶ　、
　ＩＯＡ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
１０　ａｍ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、ど
れによってミラー磁界上発生し、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Ｎ１の内部で成立するように決定する。例
えば２４５　ＧＨ２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
れるよつに構成する。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
だけでなく、生成し九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Ｂ、の比：　Ｂｍ／　Ｂｏ　）
及び両コイル間の距離等である。ここで、例えば２４５
　ＧＨｚ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以
下に、電磁石の磁気コイル中心部の最大磁束密度Ｂｍを
１ｋＧから３１ｃＧ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。ここで、電子サイクロ
トロン共鳴条件である磁束密度８７５Ｇは、プラズマ生
成室内のいずれかの点で達成されていればよい。

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：　Ｂｍ
／Ｂｏはプラズマ閉じ込め効率に大きな影響ｆｃ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
面した円筒状ターゲット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円筒状ターゲット
５に効率よく引き込みスパッタを起こさせる。その円筒
状ターゲットに引き込まれたイオンがターゲット表面に
衝突すると、そのターゲット表面から２次電子が放出さ
れる。この２次電子は、ターゲット印加電圧に相当する
大きなエネルギーでターゲットから遠ざかるように加速
される。

この２次電子は、大きなエネルギーを持っており、ガス
のイオン化効率に大きな影響を与える。

一方、円筒状ターゲットの外側両端に磁極全通にして配
置したリング状永久磁石１４によってターゲット表面に
漏えいする磁界Ｂはこの２次電子の閉じ込めに有効に作
用する。その原理を第４図（ａ）（ｂ）を用いて説明す
る。同図（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示す。

ターゲット印加電圧によって形成されたターゲット表面
の電界Ｅで加速された２次電子は、磁界Ｂで偏向され、
ターゲット方向に再び引きもどされる。しかし″ｌＩ！
、九電界Ｅによって逆方向に加速され、以上の過程をく
夛返しながら、結果として高速の２次電子はＥＸＥ方向
、即ちターゲット内径方向にドリフト運動しその間に中
性の粒子との衝突を繰返して行く。その結果、高効率な
ガスのイオン化ひいてはより高効率なスパッタリングが
、よシ低いターゲット印加電圧で達成されることになる
。さらに、円筒状ターゲット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。−方ここで前述のイオン引
出しグリッドがない場合には、電子はイオンに対しては
るかに軽い念め、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シ残されることにな
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
ｔ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、よシ高いエネルギで
（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バ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、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から数十に６Ｖ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Ｏ１九本発明の装置は、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
るなめ、種種の金属イオンや各糧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（１０−’　Ｔｏｒｒ　）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
優れ次特徴をもっている。

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た割
合が高いが、このイオン化されたターゲット構成粒子が
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　Ｘ　１０−
’Ｔｏｒｒ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ｆ　３　Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒとし
て、マイクロ波電力１００〜ｓｏｏ　ｗ、ターゲット印
加電圧３００〜Ｉ　ＫＶ　、ターゲット表面での磁束密
度４００Ｇ１　ミラー磁場勾配（２ＫＧ　／　７００　
Ｇ）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　、Ｖ〜Ｚｏｏ　ｅＶのエネルギ
を持つｆｔＡｌ＋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５０〜１２００　Ａｌｍｉｎの堆
積速度で効率よく膜形成ができた。その際、ターゲット
外に周設した永久磁石のために、その永久磁石がない場
合に比べ、よシ低いターゲット電圧で高速スパッタが実
現できている。またグリッドを用いない場合には、５＠
Ｖから２０　ｓＶのエネルギをもつ念、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Ａｌ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厄性のガス°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。

さらに、円筒状ターゲット表面に磁束印加するため、本
発明では１対のリング状永久磁石を用いているが適当な
電磁石、あるいは適当なヨークあるいはそれらを組み合
わせて用いても効果は同じであることは言うまでもない
。

〔発明の効果〕

以上説明し次ように、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全効率よく閉じ込め、その高密
度プラズマ中のイオンヲ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かう数ＫｅＶまぞの広い範囲で自
由に制御できるという優れ之特徴を有している。また本
発明では、円筒状ターゲットの外側に配置したリング状
の永久磁石の効果により、この構成を具えないものに比
較してターゲット印加電圧を低くして高効率のスパッタ
が可能となる。

【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（ａ）　（ｂ）はリング状永久磁石の効果を説明
する本発明装置の上面図及び側面図、 第５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・・・円筒状ターゲット 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 ｎ・・・基板 １３・・・磁力線 １４・・・永久磁石 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人弁理士　玉　蟲　久　五　部　（外２名）本発明
のイオン源の１ＡＦｒ面構成概要図第　　１　　図

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円筒状ターゲットと、 その円筒状ターゲットの内側表面に磁束がもれるように
   、円筒状ターゲットの上下両端外側に極性を逆にした少
   なくとも１対のリング状永久磁石と、 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少なくとも一対の電磁石とを
   備えてなることを特徴とするイオン源。