JPS6396283A - 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おる。

〔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夛、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りプラズマ１
０を発生させ、このプラズマ１゜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Ａデなどの不活性ガ
ス等に限られてい念。スナわち、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−う問題がめった。またそうしたイオン源
から取シ出せるイオンは、先に述べたように不活性ガス
等のイオンに限られておＦ）、Ａｌ＝ＣアルミノやＣ１
＆（銅）やＪ’ｓ（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おる。

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１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以下の低ガス圧下では放電が安定に形成で
きず、それだけ多く取シ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７（７）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
オンも取り出せること。

が上げられる。

〔問題点を解決する友めの手段〕

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部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、そのターゲット面に直交する一方の内壁に配
置した、前記スパッタした粒子がプラズマ中でイオン化
されにイオンを選択的にとシ出すグリッドと、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、その磁界方向がターゲット
面に対して垂直方向でアシ、かつプラズマ生成室内で、
前記マイクロ波導入窓を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
いることにより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
加させた少くとも１対の対向したターゲットを配置して
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。

先に、ミラー磁場中で形成された高密度プラズマの前面
にターゲットを配置して高効率のスパッタリングを行な
い生成したイオンを磁場方向に引き出す構成の装置が本
発明の発明者によシ提案されている（特願昭６ｌ−６７
５５７）。

しかしながら、上記先願ではターゲット面と磁束の方向
がはソ平行した配置がなされているため、そのターゲッ
トにイオンを引き込みスパッタするにはそのイオンは磁
界を横切って入射する必要がある。これに対して、本発
明ではターゲット面を磁束に対して垂直に鎖交させるこ
とでミラー磁場よシ低いターゲット印加電圧でより高効
率のスパッタが可能でらシ、プラズマの高密度化が可能
となることが明らかとなった。

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らシ、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
．４５ＧＨｚ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
イクロ波電力針、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ＴＥ１１５を採
用し、内の）で直径２０　ａ惰、高さ２０　ａｍ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
側面の両端に水冷が可能なターゲット５を少なくとも１
対、対向させて配置して、　−１，５ｆｆ、　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の外側両側には、上記ターゲット面に
垂直方向に磁界印加が可能なように、少くとも１対の電
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２．４５ＧＨｚ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でおるため両端の電磁石８は最大磁束密度３０
００　Ｇ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フプラズマ生成室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は試料部、１２は基板である。

第６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Ｂｔｓ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Ｅｏの比二Ｂ惰／Ｂｏ）及び
両コイル間の距離等である。ここで、例えば２−４５Ｇ
Ｈｚ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Ｉｈｎを１
ｋＧから５ｋＧ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。このとき、プラズマ生成室
内のいずれの点で、電子サイクロトロン共鳴を引きおこ
すに必要な磁束密度８７５Ｇが達成されていればよい。

プラズマ中の荷電粒子は、この工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
としてミツ−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：Ｂｆｌ
／Ｅ、はプラズマ閉じ込め効率に大きな影響をおよほす
。

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
たターゲット５に負の電圧を印加させることによυ、高
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、電子は、ミラー磁界による閉じ込め効果とともに
、ミラ一端に配置されたターゲット対に印加された負の
電位で反射され、プラズマ中を往復運動する。結果とし
て電子は電界及び磁界の両方の効果で閉じ込められ、ひ
いては極めて高効率でガスちるいはターゲットから飛び
出した原子あるいは分子のイオン化が促進されることに
なる。

そのプラズマ中のイオンを引き出しグリッドを用いて取
シ出すことになる。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−Ｖから
数十ＫｍＶまでの範囲で任意のエネルギをもった大収斂
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、１９１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
ル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、
よシ低いガス圧（１０″″５Ｔｏデデンでも放電が安定
に形成でき、それだけ不純物の少ないイオンを取）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成粒子が
ま九ターゲットの電位で加速されて、′！友メタ−ゲッ
トスパッタする、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Ａデ
）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を
出しや、そのイオンを用い上膜形成も実現できるという
特徴音もっている。

次に本発明装置を用いて膜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ｓ　ｘ　ｉａ−’
　２’、デデまで排気した後Ａデガスを導入し、プラズ
マ生成室内のガス圧を５　Ｘ　１０’−’　Ｔｏｒデと
して。

マイクロ波電力１００〜８００Ｗ　、ターゲット印加電
圧６００〜１ｆｆ、ミラー磁場勾配（２ＫＧ７７００　
Ｇ　）の条件で膜を形成しに０このとき、プラズマ生成
室内で、ターゲット中心からターゲット方向に前後にｓ
ｅｎの位置で８７５Ｇの磁束密度を得ている。このとき
、イオン引き出しグリッドを用いて２０＃Ｖ〜３０００
　ｍＶのエネルギを持ったＡ２＋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５０〜１２００λ
／ｍｔ％の堆積速度で効率よく膜形成ができた。従来の
方法に比べ高速、高効率で厚さ２μ惰以上の膜をクラッ
クや剥離を生じることなく高速安定に形成できた。

しかも、本発明の装置構成では、対向するターゲット間
の、ターゲット面と直交する円筒面内ではその円周方向
にはどこでも等価な位置関係にあシ、その円周内でられ
はいずれの場所に基板めるいはグリッドを配置しても、
同じ条件でイオンが引き出せるため、ターゲット面積に
比して、大きな面積の均一ビームが取シ出せることを意
味している。

本発明のイオン源はＡＪ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
いることがでキ、マ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と−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
プラズマ中のイオン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
率工く引き出すことにより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−Ｖから数ＫａＴｌ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。

また本装置ではプラズマ生成室の円周方向にそつて等価
な位置が存在するために、その円周内であればいずれの
場所にグリッドを配置しても同じ条件でイオンを引き出
すことが可能であるという特徴を有する。

【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図はカウフマン温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・・・イ万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 １ｏ・・・プラズマ １１・・・試料部 １２・・・基板 １３・・・磁力線 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名ン 本発明のイオン源の断面構成概要図 本発明のイオン源を適用した薄膜形成装置力１　　　　
つ　　　　面

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って、マイクロ波導波管に接続
   されたマイクロ波導入窓を有し、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部を備えた真空
   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、 その両端の内壁に配置した、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少くとも１対の対向した
   ターゲットと、そのターゲット面に直交する他方の内壁
   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、かつその磁界方向がター
   ゲット面に対して垂直方向であり、かつプラズマ生成室
   内で、前記マイクロ波導入窓を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。