WO1988002546A1

WO1988002546A1 - Ion generation apparatus, thin film formation apparatus using the ion generation apparatus, and ion source

Info

Publication number: WO1988002546A1
Application number: PCT/JP1987/000695
Authority: WO
Inventors: Morito Matsuoka; Ken'ichi Ono
Original assignee: Nippon Telegraph And Telephone Corporation
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1988-04-07
Also published as: EP0283519A1; EP0283519A4; DE3789618D1; DE3789618T2; US5022977A; EP0283519B1

Description

柳イオン生成装置およびイオン生成装置を利用した薄膜形成装置とイオン源 ' 技術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効率よくイオンを生成するイオン生成装置および、そのイオン生成装置によって生成されたイオンと中性粒子によって各種薄膜を高速度、高効率で形成するための薄膜形成装置および、イオン生成装置によつて生成されたイオンを引き出して各種薄膜の形成やエッチングを行うための高効率、大収量（大イオン電流）のイオン源に関するものである。背景技術従来から、プラズマ中で薄膜形成要素としてのターゲッ卜をスパッタして膜を形成する、いわゆるスパッタ装置は、各種材料の薄膜形成に各方面で広く用いられてレヽる。中でも第 1 図に示すような、真空槽 4 内にターゲッ卜 1 と基板 2 とを向かいあわせた通常の 2 極 ( rf または dc ) スパッタ装置（ F .M.D ' HEURLE :Metal l . Trans . Vol .1 , March , 1970 , 725 - 732参照）や、第 2 図に示すように、さらに電子放出用の第 3 電極 3 を設けた 3 極スパッタ装置（ W . W . Y . L e e and D .0blas :J . App 1. Phys . Vol .46 , No.4， 1975 , 1728 - 1732 参照）、さらには第 3 図に示すように、磁石 5 を—用いてタ一ゲット 1 に適当な磁界を印加することにより高密度低温プラズマを発生ざせ、高速で膜形成を実現しているマグネトロンスノッタ法 ( R . K . W a i t s： J . Vac . S c i . T e c h n o 1 , Vo l .15 , No .2 , 1978 , 179 - 187参照）などが広く知られている。それらいずれの装置も、主として膜構成要素としてのターゲッ卜 1 と薄膜を付着させる基板 2 を有する真空槽 4 , ガス導入系および排気系からなり、真空槽 4 の内部にプラズマを尧生させるものである。

上述した従来の装置で膜を高速度で形成しょうとすると、必然的にプラズマを高密度に保つ必要があるが、 2 極スパッタ装置では、プラズマを高密度にするほどターゲッ卜印加電圧も急激に上昇し、それと同時に基板への高工ネルギ粒子や、プラズマ中の高速電子の衝擊により基板の温度が急激に上昇し、形成される膜の損傷も増加するため、特定の耐熱基板や膜材料および膜組成にしか適用することができない。また 3 極スパッタ装置の場合には、第 3 電極からのプラズマ中への電子の供給により、プラズマ密度は上昇するものの、前述の 2 極スパッタ装置の場合同様、高速形成しようとすると、基板温度の急激な上昇をもたらし、結果として得られる膜材料も、また形成する基板も少数にかぎられてしまうとレヽぅ欠点をもってレヽる。

—方マグネトロン高速スパッタ装置は、プラズマ中のガスのィオンィ匕に必要なタ一ゲヅトか'ら放出される r ( ガンマ）電子を磁界と電界によりターゲット表面に閉じ込めることにより、プラズマをより低ガス圧で生成および高密度化させることを可能とし、実際に 1 0— ³ T 0 r r台での低いガス圧でも高速スパッタを実現しているため、各種薄膜の高速形成に広く用いられている。し力、しながら、このようなスノ、ソタ装置では、膜堆積中の膜へのプラズマ中のイオン衝撃（主に A r ⁺ ィオン）や、タ一ゲッ卜からの高速中性粒子（主に A rのターゲッ卜表面での反跳粒子）や負イオンの衝撃が存在し、膜の組成ずれや膜や基板の損傷を与える場合が多く、実際に Z n 0 膜などの形成時には、ターゲットの侵食部の真上と、そうでない部分との膜質が全く異なることも知られており、そうした高工ネルギ粒子の基板衝撃が大きな問題となってレヽる。力 B えて、ターゲッ卜の侵食部が局在しているため利用効率も極めて低く、工業的規模での生産性に欠点をもっている。

また従来のスパッタ装置による膜形成においては、いずれもプラズマ中のガスや粒子のイオンィヒが十分でなく、スパッタされた膜堆積要素としての中性粒子はそのほとんどが中性粒子のままで基板に入射するため、反応性の点から言えば活性が十分でないため、一部の酸化物や熱非平衡物賞を得るには 500 °C 80 (TC 程度の高い基板温度を必要としていた。しかもブラズマに投入された電力のほとんどが熱エネルギとして消費されてしまい、投入電力にしめるプラズマ形成（電離）に用いられる電力の割合が低いため、電力効率が低レヽとレヽぅ欠点があつた。

ざらにいずれのスノッタ法でも 10— ³ T 0 r r以下の低ガス圧では放電が安定に形成できず、不純物がそれだけ多く膜中にとりこまれるとレヽぅ欠点があった。

—方、松尾らは、マイクロ波を用いて、電子サイク口卜ロン共鳴（ECR) 条件下で、 '被堆積物霣を含むブラズマを形成し、そのプラズマを試料上に引き出して膜形成を行う方法を提案した（米国特許第 4 , 4 Q I , 054 号）。この方法では、金属や金属化合物の膜形成は不可能である。松尾 . 小野（米国特許第 4 , 492 , 62 Q 号）および小野ら（ J p n . J . A p p I . P hy s . Vo l .23 , N o .8 , 1984 , L 534— し 536 ) は E C R を利用したマイクロ波ブラズマを用いてタ一ゲットをスパッタリングし、スパッタされた粒子を基板上に付着させて薄膜を形成するマィクロ波プラズマ付着装置を開示している。

この装置は、マイクロ波プラズマの優れた特徴、例えば、 10-⁵ 10— ⁴了01^合での放電が可能でぁること、高活性プラズマであること等の特徴を生かしつつスパッタを行うもので、低ガス圧，高活性スパッタを実現する方法として優れている。しかしながら、タ一ゲッ卜がプラズマ生成室の外に配置され " ς いるので、スパッタリング速度が必ずしも高くなく、かつターゲッ卜からスパッタされた粒子がイオンィヒされる害 ij合が低く、しかもそのヱネルギ制御が十分でなかった。

E C R 条件下で生成したマイクロ波プラズマを、ミラ —磁場によって閉じこめ、プラズマを高密度化してスパッタを行う装置が特開昭 6 1 - 8 7 8 6 9号公報および特開昭 6 1 - 1 9 4 1 7 4 号公報に開示されている。これらの装置においては、 1 0—⁴〜 1 0— ⁵ T o r rの高真空中でのスパッタが可能である。しかし、前者におレ、.てはターゲットと基板の双方が高密度プラズマ中に置かれており、このため高工ネルギの中性粒子と荷電粒子が直接基板面を損傷し膜質を劣化させる欠点がある。さらに、高密度プラズマによる温度上昇の影響もあり、このため基板面の冷却機構が複雑となる欠点がある。後者 'においては、ミラー磁界中で発生させたプラズマを他の磁界装置によってタ一ゲット表面に弓 I き込みスノ、 ' ッタリングを行ってレヽる。この場合には、タ一ゲットは高密度ブラズマが発生するプラズマ生成室には存在せず、このためタ一ゲッ卜からスパッタされた粒子がプラズマ中でイオンィヒされる割合が低く、反応性の高いイオンによる成膜には適さなレヽ。

スパッタによる薄膜形成においてほ以下のようなことが望まれてレヽる。 (1) 膜や基板の損傷や急激な温度上昇がなく、高速で膜形成ができること（高密度プラズマであること）、

(2》粒子のエネルギが広い範囲にわたって制御できること、

(3) 粒子のエネルギの分散ができるだけ少なレヽこと、

(4) プラズマのイオンィ匕率が高く活性であること、

(5) 低ガス圧でもブラズマが生成できること、

しかしこのような要求を満たし得る薄膜形成装置はこれまで実現されていない

一方イオン生成装置は、イオン源としても用いられる。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一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レヽられており、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。中でも力ゥフマン型のイオン源ほ広く用レヽられてレヽるが、これは第 4 図に示したように、プラズマ発生室 6 の内部に熱電子放出用のフィラメント 7 を有し、このフィラメン卜 7 を陰極として電磁石 8 によって発生した磁界中で放電を起こさせることによりプラズマ 9 を発生させ、このプラズマ 9 中のィォンを数牧の引き出しグリッド 10を用いてィオンビーム 1 tを形成するものである H . R . aufman e t a 1.： J . Vac. Sci . Techno! . , Vol .21 , N o .3 , 1982 , 725 -736 参照）。カウフマン型のィォン源は熱電子放出用のフイラメント 7 を用レ、ているため、イオンの種類、すなわちプラズマ発生室 6 に導入するガス—の種類としては A r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 7 ど反応を起こし、安定なプラズマ形成とイオンの弓 ί き出しができなくなるためである。さらにフィラメント 7 の経時変化に伴う特性の劣化、フィラメント 7 の交換などの保守上の問題、さらにはフィラメント 7 の取付状態の変化によるイオン弓 Iき出し分布の変ィヒにより再現性が損な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 7 は、プラズマ 9 中に常にさらされており、プラズマ中の高工ネルギイオンの衝撃を常に受けてレ、るため、弓 I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レ、るとレ、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ィオンに限られており、 Α （アルミニウム）や Cu ( 銅）や Fe ( 鉄）とレヽつた金属イオンを取り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卜ロン型のイオン源（M . E . Abde i a z i z and A . M . G h a n d e r： I E E E Trans . Nu c 1. Sc i . , J une 1967 , 46 - 52 参照）でも同様である。

またイオン源を膜形成やエッ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レヽが、フィラメン卜を用レ、る従来のイオン源では、イオンの量がフィラメントから放出される電子の量に依つているため、术賈的に大収量のィ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ほ 10— ³ T 0 r r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ィオン中に不純物が含まれるという欠点があった。

一方、安定した大電流のイオンビームを取り出すためイオン源として、マイク口波によって励起ざれた電子サイクロ卜ロン共 '鳴（ E C R) または他の方法によって発生ざせたプラズマから、シールド電極とイオン弓 ί き出し電極とか.らなる電極系によってイオンを引き出す装置（米国特許苐 4 , 450 , 031 号）、マイクロ波 ECR によつて発生させたプラズマからイオンを引き出すイオン引き出し電極に改善を加えた装置（特開昭 6 Q— 264032 号公報）が開示されている。これらのイオン源は高密度.のプラズマから大電流のイオンビームを安定に取り出すことができるが、イオン種がプラズマ生成ガス種に限定され、ガス状物 Κ以外のイオン、例えば金属ィオンのビームを得ることは不可能である。

イオン源として望まれる条件をまとめると、

(1) 大収量（大イオン電流）であ ¾ こと、

(2) 不純物が少ないこと、

(3) ィ才ンのエネルギが広い範囲にわたつて制御できること、

(4) 不活性ガスのみでなく金属イオン等の各種ィオンも取り出せること、

が上げられる。 ―

しかしこのような条件を満足するイオン源はこれまで実現されてレ、ない。発明の開示本発明は上述した従来の欠点を改善するためになされたものである。

本発明の目的は、高真空中で高密度のプラズマが生成でき、プラズマのイオンィヒ率が高く活性であり、しかも不活性ガスのみでなく、金属イオン等の各種ィ才ンを生成し得るィォン生成装置を提供することにある。 - 本発明の他の目的は、上述したイオン生成装置を使用し、膜や基板の損傷や急激な温度上昇がなく高速で膜形成ができ、粒子のェネルギが広い範囲にわたって制御でき、かつ粒子のエネルギの分散ができるだけ少ない薄膜形成装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、イオン電流が大きく、不純物が少なく、イオンのエネルギが広い範囲にわたつて制御でき、かつ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すことのできるイオン源を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明のイオン生成 i ひ装置はマイクロ波導波管に接続されたマイク口波入窓を一端に有する真空導波管と、導され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するブラズマ生成室と、ブラズマ生成室端部とが順次結合ざれてなり、かつガス導人口を有する真空槽と、ブラズマ生成室内に設置され、負電圧が印加されるタ一ゲッ卜と、および真空導波部およびプラズマ生成室端部の外周に設置され、ブラズマ生成室内に磁界中心が存在するようなミラ一磁界を形成する少なくとも一対の磁界形成手段とを備えたことを特徴とする。

ここでプラズマ生成室の外周にタ一ゲッ卜の内側表面に磁束がもれるように、かつ極性を逆にした少なくとも一対の第 2 の磁界形成手段が設けられていてもよい。第 2 の磁界形成手段がリング状永久磁石であつてもよく、第 2 の磁界形成手段が磁気ヨークであってもよい。

また真空導波管外周には、磁界形成手段の一方を取り囲み、真空導波管にそつて形成された磁束吸収用ョ —クが設けられていてもよい。真空導波管が、磁界形成手段による磁束方向に対して直交する向きにブラズマ生成室に結合されていてもよい。真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有し、マイクロ波導入窓がターゲッ卜から見えない位置に設けられていてもよレ、。

本発明の薄膜形成装置はマイク口波導波管に接続さ I 1 れたマイク口波導入窓を一端に有する真空導波管と、導入されたマイク口波が共振するマイク口波空胴共振器を形成する径および長さを有するプラズマ生成室と、プラズマ生成室端部と、内部に基板ホルダを有する試料室とが順次結合ざれてなり、かつガス導入口を有する真空槽と、プラズマ生成室内に設置され、負電圧が印力□ されるターゲッ卜と、および真空導波管およびプラズマ生成室端部の外周に設置され、プラズマ生成室内に磁界中心が存在するようなミラー磁界を形成する少なくとも一対の磁界形成手段とを備えたことを特徴とする。

ここでプラズマ生成室の外周にターゲッ卜の内側表面に磁束がもれる''ように、かつ極性を逆にした少なくとも一対の第 2 の磁界形成手段が設けられていてもよい。第 2 の磁界形成手段がリング状永久磁石であってもよく、第 2 の磁界形成手段が磁気ヨークであってもよい。

真空導波管外周には、磁界形成手段の一方を取り囲み、真空導波管にそって形成された磁吏吸収用ヨークが設けられてレ、てもよい。真空導波管が、磁界形成手段による磁束方向に対して直交する向きにプラズマ生成室に結合されていてもよい。真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有し、マイクロ波導入窓がターゲッ卜から見えない位置に設けられてレヽてもよい。

さらに本発明のィォン源はマィク口波導波管に接続されたマイク口波導入窓を一端に有する真空導波管と、導入され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するプラズマ生成室と、プラズマ生成室端部と、内部に基板ホルダを有する試料室とが順次結合されてなり、かつガス導入口を有する真空槽と、プラズマ生成室內に設置され、負電圧が印加されるターゲットと、真空導波管およびブラズマ生成室端部の外周に設置され、プラズマ生成室内に磁界中心が存在するようなミラー磁界を形成する少なくとも一対の磁界形成手段と、およびプラズマ生成室端部に設けられ、タ一ゲッ卜からスパッタされた粒子のうちブラ X マ中でイオンィ匕ざれたイオンを選択的に引き出すイオン引き出し機構を有することを特徴とする。

ここでプラズマ生成室の外周にタ一ゲットの内側表面に磁束がもれるように、かつ極性を逆にした少なくとも一対の第 2 の磁界形成手段が設けられていてもよい。第 2 の磁界形成手段がリング状永久磁石であってもよく、第 2 の磁界形成手段が磁気ヨークであってもよい。

真空導波管外周には、磁界形成手段の一方を取り囲み、真空導波管にそって形成された磁束吸収用ヨークが設けられていてもよい。真空導波管が、磁界形成手段による磁束方向に対して直交する向きにプラズマ生成室に結合されていてもよい。真空導波管が、少なくとも l 個の屈曲部を有し、マイクロ波導入窓がタ一ゲットカ、ら見えない位置に設けられてい 'てもよい。図面の簡単な説明 ― 第 1 図は従来の 2 極スパッタ装置の概要を示す断面図、

第 2 図は従来の 3 極スパッタ装置の概要を示す断面図、

第 3 図は従来のマグネトロンスパツタ装置の概要を示す断面図、

第 4 図は従来の力ゥフマン型イオン源の概要を示す断面図、 .

第 5 図は本発明の薄膜形成装置の実施例の断面図、第 5 A図はその一部分の拡大図、

第 6 図は第 5 図に示した実施例の斜視図、

第 7 図は本実施例における磁場とイオンの運動および電位分布を示す図、

第 8 図および第 9 図ほ术発明によるイオン源の実施例のそれぞれ断面図および斜視図、

第 1 0図は本発明による薄膜形成装置の実施例の断面図、

第 1 1図は第 1 0図の実施例における磁束方向の磁場強度分布を示す図、

第 1 2図および第 1 3図はそれぞれヨークが設けられてレ、ない場合および設けられている場合のプラズマの生成状態を示す図、 ' ― "

第 1 4図は本発明による薄膜形成装置の実施例の断面図、 ·

第 1 5図および第 I 6図はそれぞれ第 1 4図の実施例における磁場強度分布およびプラズマの生成状態を示す図、

第 U図は薄膜形成装置の他の実施例の斜視図、第 i 8 A 図および第 1 8 B 図はタ一ゲット表面の電子の運動を説明する図、

第 1 9図は本実施例における磁場、ィォンの運動および電位分布を示す図、

第 2 0図は薄膜形成装置の他の実施例の断面図、第 2 i 図.はその磁場強度の分布を示す図、

第 2 2図は薄膜形成装置の他の実施例の斜視図、第 2 3図は本発明によるィォン源の実施例の断面図、第 2 4図は第 2 3図の実施例における磁場強度分布を示す図、

第 2 5図はィォン源の他の実施例の断面図、第 2 6図および第 2 7図はそれぞれその磁場強度の分布およびブラズマ生成状態を示す図、

第 2 8図はィ才ン源の他の実施例を示す断面図、第 2 9 図および第 3 0図ほそれぞれその磁場強度の分布およびプラズマの生成状態を示す図、

第 3 1図はィォン源の他の実施例を示す斜視図、 t 5 第 3 2図はィォン源のさらに他の実施例の断面図、第 3 3図は第 3 2図の実施例におけるプラズマの生成状態を示す図、

第 3 4図はイオン源の他の実施例の断面図、

第 3 5図は第 3 4図の実施例におけるプラズマの生成状態を示す図である。

- 発明を実施するための最良の形態第 5 図は本発明によるイオン生成装置とそれを用レ、た薄膜形成装置の実施例の構成を示す断面図であり、第 5 A図はその一部を拡大して詳細に示す図、第 6 図は第 5 図に示した実施例の部分裁断斜視図である。例えば不銹鋼のような非磁性体からなる真空槽 I 2は真空導波管 1 3，プラズマ生成室 1 4 , プラズマ生成室端部 1 5および試料室 1 6からなる。またその真空槽 1 2にはマイク口波導入窓 1 7を通して順に矩形導波管 1 8 , さら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口波導入機構に接続ざれたマイク口波源からマイク口波を供給する。この実施例ではそのマイロク波導入窓 1 7には石英ガラス板を用い、マイク口波源としては、仞 J えば 2 . 4 5 G H _z のマグネトロンを用レヽてレヽる。

プラズマ生成室 1 4はプラズマ生成による温度上昇を防止するために、水冷される。プラズマ生成用ガスは l δ 導入孔 1 9から導入ざれ、真空槽 1 2内ほ排気孔 2 0から排気装置によつて排気される。マイク口彼導入窓 1 7に対向す'る他端には基板ホルダ 2 1 Α 上に支持された基板 2 1 をおき、基板 2 1の上にはスパッタ粒子を遮断することができるように開閉可能なシャッタ 2 2を配置している。またその基板ホルダにほヒータを内蔵しており、基板 2 1を加熱することができる。さらに基板 2 1にほ直流あるいは交流の電圧を印加することができ、膜形成中の基板へのバイアス電位印加や基板のスパッタクリ — ニングを行うことができる。なお、第 & 図におレ、てはシャッタ 2 2の図示を省略してある。

ブラズマ生成室 i 4は、マイク口波空胴共振器の条件として、一例として、円形空胴共振モード T E t _{t 3} ^¾を採用し、内のりで直径 2 0 c m高さ 2ひ c mの円筒形状を用いてマイク口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 i 4の側面の一部に、水冷が可能な円筒状のターゲッ卜 2 3を配置し、電源 2 4により — i . 5 K V , 1 0 A までの負の電圧が印加できるようにした。その際、タ一ゲッ卜部もマイクロ波に対しては共振器の一部として働く必要があるため、タ一ゲット 2 3ほ大きな静電容量を持つコンデンサ 2 5を通して接地してレヽる。第 5 A図に示すように、ターゲット 2 3 は一体化された導電性かつ熱伝導性を有し、內部に冷却水を循環させ得る構造を有するバッキングプレー卜 2 3 A を介して電極 2 3 & と接続されている。一方タ一ゲ I 7 ッ卜 2 3は絶緣体 2 3 C によってプラズマ生成室 1 4の壁体 1 4 A と絶縁されてレ、る。また真空封止用の 0 リング 1 4 B とねじ蓋によって、プラズマ生成室 1 4内の真空は保持される。なお、第 6 図においてはパッキングブレー卜 2 3 A 、絶縁体 2 3 C は図示を省略してある。また以後の全ての実施例において、プラズマ生成室内のターゲッ卜の配設状態は本実施例と類似なので、詳細な図示を省略してある。プラズマ生成室 1 4の下端、すなわちプラズマ生成室端部 1 5へ通じる面 1 4 A には、 1 0 c m径の穴 H B 力あいており、その面 1 4 A はマイクロ波に対する反射面ともなり、プラズマ生成室 i 4は空胴共振器として作用している。

プラズマ生成室 i 4の両端の外周には、電磁石 2 6 A , 2 6 B を配設し、これによつて発生する磁界の強度をマイク口波による電子サイクロトロン共鳴の条件がブラズマ生成室 1 4の内部で成立するように決定する。例えば周波数 2 . 4 5 G Η _ζ のマイクロ波に対しては、電子サイク口卜口ン共鳴の条件は磁束密度 8 7 5 Gであるので、両側の電磁石 2 6 A , 2 6 Β は最大磁束密度 3 Q Q 0 G 程度まで得られるように構成する。二つの電磁石 2 6 A . 2 6 B を適当な距離を置くことに'より、プラズマ生成室 1 4で最も磁束密度が弱くなる、いわゆるミラ一磁界配置をとることは、電子サイクロ卜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、生成したイオンゃ電子が磁界に垂直方向に散逸するのを防ぎ、さらにブラズマ 2 7をミラ一磁界中に閉じ込める効果をもつている。

第 7 図に末究明の原理図を示す。第 5 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ほ、プラズマ生成室内のガス圧、マイク口波のパワー、ターゲッ卜の印加電圧およびミラ一磁界の勾配（電磁石部の最大磁束密度 B _mと、両電磁石中 ' 、位置のブラズマ生成室 8内での最小磁束密度 B。の比：

B _m / B o ) およ乙'、両電磁石間の距離等である。ここで、例えば 2 . 4 5 G H _z の周波数のマイクロ波に対しては、前述のようにブラズマ生成室内での最小磁束密度 B。を 8 7 5 G、電磁石中心部の最大磁束密度 B _mを 1 K G から 3 K G 程度まで変化できるようにして磁界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 2 3に拘束されて磁力線 2 8の回りをスパイラル運動しながら、その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界中を往復運動し、閉じ込めが実現される。ここで前述したミラ一磁界の勾配： B _m / B。はプラズマの閉じ込め効率に大きな影響をおよぼす。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タ一ゲヅト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タ一ゲッ卜 2 3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 V 卜 2 3からスノッタされた、ほとんど I 9

が中性の粒子の一部分は、電子温度の高い高密度ブラズマ中でイオンィヒされる。一方電子は；イオ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い。したがってミラー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、荷電分離がおこり、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（ V p )が電子の平均ネ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レヽて両種の放出量がほぼ同じになる。すなわ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視点から見れば、その電位差に相当するエネルギを持ったイオンをそのプラズマ力、ら取り出せることを意味してレ、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 e Vから数百 e Vまでの広い範囲で自由に制御することができる。

一方、タ一ゲッ卜 2 3からスパッタされた中性粒子のうちの一部は直接基板 2 1上に堆積する。これらの粒子は、その運動方向が基板 2 1に向う方向であり、かつ途中で障害物に遭遇しなかった粒子である。さらにスパッタされたターゲット構成物質からなる原子あるレヽは分子は、プラズマ中を往復運動する過程でその運動ェネルギを消失してゆき、ついにほ磁力線を横切ってブラズマの外へ拡散してゆく。この拡散する中性粒子が基板上に堆積して膜を形成する。このようにターゲッ卜と基板が直交した位置にあるため、 -ターゲッ卜からの負イオンやスパッタされる中性粒子の中の数％にもなる高工ネルギ A「中性粒子の基板衝撃を-受けずにすみ、従来のスパッタ法で問題となつたような種々の高エネルギ粒子の基板衝撃を抑制することができる。

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力ゝら、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のェネルギが低レヽぼど小さレヽため、ミラー i 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。すなわち、ブ -ラズマ中のイオンィ匕はより高いエネルギで（高活性で）行い、またそのイオンを外へ取り出して膜とする場合には、数分の 1 のより小さレ、エネルギでその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パッタ装置が薄膜形成装置として理想的な性質をもってレヽることを示している。

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（ 1 0 T 0 r r)でも放電が安定に形成でき、それだけ不純物の少ない膜が実現でき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ィォンを用いて化学的に不安定な材料—も合成できるとレ、う優れた特徴をもってレヽる。

一方、本発明の薄膜形成装置では、前述のようにブラズマのイオンィ匕率が極めて高いため、タ一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ィォンィ匕される割合が高いが、このイオンィヒされたタ一ゲッ卜構成粒子がまたターゲッ卜の電位で力 π速されて、またターゲットをスパッタするレ、わゆるセルフスノッタの割合も極めて大きくなる。すなわち、プラズマ生成用ガス（例えば A r ) がごく希薄な場合、あるいはプズマ生成用ガスを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膜形成も実現できるとレヽぅ特徴をもってレヽる。

次に、本発明装置を用いて A 膜を形成した結果について説明する。試料室 9 内の真空度を 5 X 10 - ⁷ T 0 r r まで排気した後、 A rガスを導入しプラズマ生成室内のガス圧を 3 X 10— ⁴Torrとしてマイク口波電力 100 〜 800 , タ一ゲット印加電圧 300 〜 1 K V 、ミラ一磁場勾配（2 KG/ 875 G) の条件で膜を形成した。このとき試料台は下部ミラ，一コイルの下端に設置し、加熱し ¾ いで常温でスパッタを開始した。膜形成速度はマイクロ波電力およびターゲット印加電圧の増加と共に上昇し、マイクロ波電力 3G0W、ターゲット印加電圧 800Vの時 250 A m i n であった。マイクロ波電力とタ一ゲヅト印加電圧を上述の範囲で変化させたとき、 100 2000 A / niin の堆積速度で効率よく膜形成できた。従来のスパツタ膜と比べて、膜の内部応力が小さいため、厚さ 2 m以上の膜をクラックや剝離を生じることなし ■ に安定に形成できた。

一方、このときのイオンの平均エネルギは 5 e V から

25 eVまで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち、 1Q .

30 % がイオンであった。

末発明の薄腠形成装置は、 A A 膜の形成のみならず、ほとんどすべての薄膜の形成に用レヽることができ、ま - た導入するガスを反応性ガスにすることで反応スパッタも実現できる。

第 5 図および第 6 図に示した装置、すなわち高密度プラズマによるスパッタリングを利用したイオン生成装置はイオン源としても禾 ij用することができる。第 8 図および第 9 図は、それぞれィオン源の実施例の断面図および部分裁断斜視図であって、第 5 図および第 6 図と同一部分には同一参照番号を付してある。本実施例と第 5 図および第 6 図に示した実施例との主要な差は、术実施例においてはプラズマ生成室端部 15内にィオン引き出しグリッド 29が設けられている点である。

この場合もプラズマ生成室 14の下端の面 14A には 10cm 径の穴があいており、その面ほマイクロ波に対する反射面ともなり、プラズマ生成室 14ほ空胴共振器として作用している。またマイクロ波導入窓に対向するダリッド面もマイクロ波に対する反射面ともなり、マイク口波放電の効率を高める。 ― ―

本実施例におけるプラズマの閉じ込め、プラズマによるターゲット 2 3のスノ、 ' ッタリングおよびスノッタされた粒子のイオン化は、前実施例の場合と全く同様であって、高密度プラズマ中にターゲッ卜を構成する原子または分子のイオンが大量に形成される。このィ才ンはイオン弓 ί き出しダリッド 2 9によって、大電流のィオンビーム 3 0として取り出される。グリツド 2 9に印力！] する電圧によつて引き出すイオンのエネルギを制御でき、数十 e Vから数十 K e V までの囲で任意のエネルギをもった大収量のイオンを弓 ί き出すことができる。しかもこの場合、弓 I き出した粒子のほとんど力くイオンィ匕されてレヽる。 - また本発明の装置は、高密度プラズマを利用したスノッタリングによってイオンを形成するため、種々の金属ィォンや各種化合物のィ才ンを極めて大電流密度で取り出すことができるので、各種薄膜形成やエッ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レヽることから、より低いガス圧（ 1 0— ⁵ Τ 0 r r ) 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ネ才料も合成できるとレヽぅ優れた特徴をもっている。

一方、本発明のイオン源でほ、前述のようにブラズマのイオンィ匕率が極めて高いため、タ一ゲヅ卜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レ、が、このイオンィヒされたタ一ゲッ卜構成粒子がまたターゲッ卜の電位で加速されて、またターゲットをスノッタする、レヽゎゆるセルフスパッタの割合も極めて大きくなる。すなわち、プラズマ生成用ガス（例えば A r ) 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、ひいてほ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レ、う特徴をもってレヽる。

次に本実施例装置を用いて A A 膜を形成した結果について説明する。プラズマ生成室內の真空度を 5 X 10— ⁷Torrまで排気した後ガスを導入し、プラズマ生成室内のガス圧を 3 x lO— ⁴Tori "とした。マイクロ波電力 3 Q 0 W、ターゲット印加電圧 8 Q Q V、ミラー磁場勾配 (2 G/ 875 G) の条件で、イオン弓 1 き出しグリッドに - 70V の電圧を印加して基板上に 70A / niiri の堆積速度で A A 膜を形成できた。膜形成条件をマイクロ波電力 100 ~ 800 W, ターゲット印カロ電圧 3 Q0 ~ 1 V , ミラ —石茲場勾配（2 K G/ 875 G) とし、 20 e V〜 100 e V のエネノレギを持った + イオンを弓 1き出して；基板上に 50〜 1 000 A / ni i n の堆積速度で効率よく膜形成ができた。 - 本発明のイオン源は A J2 膜の形成のみならず、ほとんどすべての薄膜の形成やエツチング用のィォ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ィ匕合物のイオンビーム堆積も実現すること力できる。

第 1 Q図は本発明の薄膜形成装置の他の実施例の断面図である。第 5 図および第 6 図に示した薄膜形成装置では、形成膜材料として金属や他の導電性材料を堆積させようとすると、その膜は、目勺の基板上のみばかりでなく、石英等により構成されたマイクロ波導入窓にも付着し、プラズマ生成用のマイクロ波が、そのマイク口波導入窓で反射されてしまい、プラズマ生成が困難になることがある。そのため第 5 図および第 6 図の実施例では導電性材料膜の長時間安定形成ができず、対象材料やその膜の厚さが限定されている。本実施例はこの点の改善を図るものである。本実施例では真空導波管 13の周囲には、プラズマ生成室 14の内部に磁界の谷が形成されるように配置した電磁石 26A によつて発生する'磁束を吸収し、真空導波管 13内の磁界強度を減少させるために、例えば軟磁性鉄からなるョーク 31を配置する。このとき真空導波管自身が適当なョ —ク材で構成ざれていてもよい。また、プラズマ生成室 14内でのョーク 31_による磁場分布ができるだけ一様になるようにそのヨーク 31のプラズマ生成室 14に面した部分 31 A をできるだけ広い面積で構成する。さらに、第 10図に示したように、電磁石 26A 自身の磁気抵抗を減少させるように、ヨーク 31の他端 31 B を電磁石の一端を取り囲み磁束を吸収するように配置するとよりよいヨークの効果が得られる。実施例では真空導波管 13は L 型に曲がつており、プラズマ生成室 14内に設置された円筒状ターゲット 23から直接見えない位置にマイク σ 波導入窓 17は配置ざれている。他の構成は第 5 図の実施例と同様である。

前に述べた実施例と同様に、プラズマ生成室 14の両端にほ、少なくとも一対以上の電磁石 16 25 Β を配設し、これによつて発生する.磁界の強度をプラズマ生成室内で谷を形成するように設定する。その際、マイク口波による電子サイク口卜口ン共鳴（ E C R) の条件がブラズマ生成室 14の內部で成立するようにする。その ECR によつて、効率よく電子にエネルギが与えられ、結果として低ガス圧中で高密度プラズマが生成される、。一方、プラズマ生成室 14へのマイクロ波—め進入方向である真空導波管 13方向へは、その真空導波管 13の周囲に設置した磁束吸収用ヨーク 31のために、ブ¹ラズマ生成室 14と真空導波管 Uとの境界で磁場強度が急激に変化する磁場分布をとつている。第 11図に、第 10図に示した本発明の実施例における磁束方向の磁場強度分布の例を示した。第 1 1図において、油線 A で示された磁場分布は、真空導波管 i 3の周囲にヨーク 3 1が配設されていない場合に対応し、一方曲線 B で示された磁場分布はヨーク 3 1が配設されてレヽる場合に対応してレヽる。

プラズマ生成室の内部側面にはプラズマを囲むように円筒状のターゲット 2 3を、あるレヽはプラズマに面するように少なくとも一枚以上の平板状のタ一ゲッ卜を設置してレ、る。

第 1 2図にヨーク 3 1が設置されてレヽない場合のブラズマ 2 7の生成状態と加速方向 3 3を、第 1 3図にヨーク 3 1を設置した場合のプラズマ生成状態と加速方向 3 3を示す。ここで、プラズマを生成する際のノラメータは、プラズマ生成室のガス圧，マイクロ波のパワー，タ一ゲッ卜への投入電力，磁場の勾配等である。ここで、例えば 2 . 4 5 G H ₂ の周波数のマイクロ波に対しては、前述のように共鳴条件である磁束密度 8 7 5 Gがプラズマ生成室内のいずれかの部分で達成されていればよく、そのプラズマ生成室内で磁場強度の値の谷が存在するミラー磁場勾配の磁場分布が達成されている。このように磁界が空間的にゆるやかに変化してレヽる場合には、生成された高密度プラズマ中の電子はィォンに比べて極めて大きな移動度を有し、磁束 3 2に拘束されて磁束 3 2の回りをスパイラル運動しながら、その角運動量を 2 β 保存しつつ、磁場勾配に伴つてプラズマ生成室中央に加速される。この結果、プラズマ生成室内の荷電粒子は磁場の谷の間を往復運動し、その間電子の加熱とィオン化の促進がなされる。しかしより高い移動度を有する電子は徐々にエネルギを失いプラズマ端で磁束方向に漏れ出し、正イオンがプラズマ中に取り残されることになり、この荷電分離が必然的に電界を誘起する。この電界がプラズマ中の正イオンを基板方向に加速する電界となる。実際には電子とイオンが独立に振舞うことほプラズマの中性を破ることになり、不可能であり、基板表面とプラズマの電位差が電子の平均ェネルギに匹敵したときに平衡し、この電界が、電子に対しては減速、イオンに対してほ加速電界として働き、両種の放出量がほぼ同じになるいわゆる両極性拡散の形態をとる。この結果、数 e Vから数 + e Vの比較的低レヽエネルギを持ったイオンを弓 I き出すことができる。また E G R によって生成された高密度プラズマに面するように配置されたターゲッ卜に負の電圧を印加することにより、高密度プラズマ中のイオンを効率よく引き込むことによってスノッタが実現でき、スパッタされたターゲット材料を上述のように取り出し基板上に薄膜の形成ができる。

導電性材料膜を形成する場合、材料の付着によりマイク口波導入窓が曇ると、マイクロ波が反射してしまい長時間にわたってプラズマ生成ができない。そこで、マイクロ波導入窓 1 7が導電性材料膜の付着により曇らないようにそのマイク口波導入窓 1 7をプラズマ生成室 1 4から離して設置して、真空導波管 1 3を用いることがまず考えられるが、第 1 i図中の曲線 A で示したように、真空導波管 1 3の周囲に配設したヨーク 3 1がなく单に真空導波管 1 3を用いたのみの場合には、その真空導波管 I 3の内部で E C R 条件の磁束密度が満足ざれ、そこでプラズマが発生するために、マイクロ波の電力がプラズマ生成室 1 4中に有効に供給されず、不均一なプラズマが生成されてしまう。それと同時に、真空導波管 1 3からマイクロ波導入方向にも発散磁場が形成されてレ、るため、プラズマ 2 7は基板 2上の方向ばかりでなく、そのマイクロ波導入窓方向にも加速されてしまう。これに対して、第 1 1図中の曲線 B で示したように、真空導波管 I 3の周 ffl にヨーク； 3 1が配設されている場合には、その真空導波管 U中でプラズマが生成されなレヽばかりでなく、真空導波管 1 3とプラズマ生成室 1 4 との間で急激な磁場強度の変化があるので、その結果プラズマはマイクロ波導入窓方向に力 D速されることはない。一方、プラズマ生成室 1 4中に設置された円筒状ターゲット 2 3からスノッタされた粒子のうち、イオン化されない中性の粒子は磁界や電界の影響をうけず、そのターゲッ卜からほぼ直進して飛来する。しかし、マイクロ波導入窓 1 7がターゲッ卜から直接見えない位置、すなわちターゲット 2 3から直進する粒子が、マイクロ波導入窓 1 7への到達前に必ず障害物に遭遇する位

置、に設置されているので、スパッタ ·粒子によるマイ

クロ波導入窓 1 7の曇りも防止することができる。よつ

て長時間スパッタを行ってもマイクロ波導入窓がくも * ることはなく、生成膜の導電性によらず、またその膜

厚にもよらず、ほとんどの材料の膜を連続して長時間

安定に形成することを可能としている。 . カロえて、電磁石 2 6 A の磁気回路としてこのヨーク 3 1 をみた場合、ヨーク 3 1は電磁石 2 & A 自身の磁気抵抗を

減少させる効果も持っており、 E C R に必要な磁束密度 - を実現するための電磁石に流す電流値が、そのヨーク

3 1がない場合に比ベはるかに'少なくてよレ、という実用

的に大きな特徴も持っている。

本実施例の装置により、第 5 図に示した実施例と同

一の条件で、 1 0 Q〜 8 Q Q A m i n の堆積速度で長時間

連続して安定に効率よく A 膜を堆積できた。しか

も、第 5 図の装置では電磁石に流す必要電流が 2 8 A 程

度であったのに対して、太発明装置では、ヨークの効

杲でその必要電流値は I 6 A程度で十分であつた。この

ときのイオンの平均エネルギは 5 e V から 3 0 e Vまで変化

し-た _& * 第 1 4図に本発明による薄膜形成装置の他の実施例を本実施例においては、真空導波管 1 3は磁石 2 6 A , 2 6 B

による磁束方向に対して直交する向きにプラズマ生成 3 t 室に結合され、プラズマ生成室 1 4内に設置されたターゲット 2 3から直接見えない位置に石英ガラス板を用いたマイクロ波導入窓 1 7が配置されてレ、る。その他の構成は第 5 図および第 6 図に示した実施例と同様である。第 1 5図に、本実施例における磁束方向の磁場強度分布の例を示した。また第 1 6図に本実施例におけるブラズマ生成状態と加速方向 3 3を示した。

第 1 2図に示したように、真空導波管丄 3を磁石 2 6 A , 2 6 B による磁束の方向と平行にプラズマ生成室 i 4に結合すると、真空導波管 1 3からマイクロ波導入方向にも発散磁場が形成されているため、プラズマは基板方向ば力、りでなく、そのマイク口波導入窓方向にも加速されてしまう。これに対して、真空導波管 1 3が磁束に対して直交して接続されてレ、る場合には、プラズマが磁束を横切り拡散することはないので、結果としてブラズマはマイク口波導入窓の方向に加速ざれることはない。一方、プラズマ生成室 1 4中に設置された円筒状ターゲット 2 3からスノッタされた粒子のうち、イオンィ匕されない中性の粒子は磁界や電界の影響をうけず、そのターゲッ卜からほぼ直進して飛来する。このため、マイクロ波導入窓 1 7をターゲットから直接見えない位置に設置することによりマイクロ波導入窓 1 7のスパッタ粒子による曇りも防止することができる。そのために、真空導波管 1 3に少なくとも 1 個所の屈曲部を設けることが望ましい。このようにして、生成膜の導電性によらず、またその膜厚にもよらず、マイクロ波導入窓の曇りのない、ほとんどの材料の膜—を連続して長時— 間安定に形成することを可能としている。

次に、本実施例の装置を用いて A A膜を形成した結 - 果について説明する。試料室 16の真空度を 5 X 10一 ⁷ To r rまで排気した後、 A rガスを毎分 5 cc のフロー速度で導入しプラズマ生成室 14内のガス圧を 5 X 10 "⁴Torr としてマイクロ波電力 100 〜 500 W、円筒状の L ターゲッ卜 23に投入する電力を 300 〜 600 W、ミラ一磁場勾配中で膜を形成した。このとき試料台は加熱しないで常温で膜形成を行った。この結果、 100〜 800 Z m i n の堆積速度で長時間違続して安定に効率よく A A 膜を堆積できた。

第 17図に本.発明による薄膜形成装置の更に-他の実施例を示す。本実施例においては、円筒状ターゲッ卜の内側表面に磁束がもれるように、プラズマ生成室 14の外周で円筒状ターゲッ卜の上下両端の位置に極性を逆にした少なくとも一対のリング状永久磁石 34 A , 34 B が設けられている。他の構成ほ第 6 図に示した実施例と同様である。本図においても、基板 21の上部の開閉可能なシャッタ一は図示を省略してある。

本実施例におけるプラズマの閉じ込めは第 5 図およぴ第 6 図に示した実施例において説明したとおりである。閉じ込められた高密度プラズマに面した円筒状タ一ゲット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その円筒.状ターゲット 2 3に効率よく弓 I き込みスパッタを起こさせる。 —その円筒状ターゲッ卜に弓 I き込まれたイオンがタ一ゲット表面に衝突すると、そのターゲット表面ら 2 次電子が放出され - る。この 2 次電子は、ターゲッ卜印加電圧に相当する大きなエネルギでタ一ゲッ卜から遠ざかるようにカロ速される。この 2 次電子は、大きなエネルギを持っており、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を逆にして配置したリング状永久磁石 3 4 A , 3 4 B によってタ一ゲット表面に漏洩する磁界 B はこの 2 次電子の閉じ込めに有効に作用する。その原理をプラズマ生成室 1 4のそれぞれ水平および垂直断面図である第 1 8 A 図および第 1 8 B 図を用いて説明する。

ターゲッ卜印力 α電圧によって形成されたタ一ゲッ卜表面の電界 Ε で加速された 2 次電子は磁界 Β で偏向され、ターゲット方向に再び引き戻される。しかしまた電界 Ε によって逆方向に加速され、以上の過程を繰返しながら、結果として高速の 2 次電子は E x Ε 方向、すなわちタ一ゲット内径方向にドリフ卜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ィ匕ひいてはより高効率なスパッタリングが、より低いターゲット印加電圧で達成されることになる。

第 1 9図は本実施例における電子とイオンの運動の様子を示す図である。本図は永久磁石； HA .34B の設置によって、磁力線の分布が、最外側にお—いて変化した以外ほ、第 7 図と変らない。先に説明したように、ミラ

—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、荷電分離がおこり、必然的に端部近傍に電界が誘起される。この内外のボテンシル差（V p ) 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。 - 次に本実施例の装置を用いて A J2 膜を形成した結果について説明する。試料室 9 内の真空度を 5 X 10一⁷

T 0 r rまで排気した後、 A rガスを導入しプラズマ生成室内のガス圧を 3 X Ι Ο -^Τ Ο Γ Γとしてマイクロ波電力 100 〜 800 W、ターゲット印カ ϋ電圧 300 〜 1 Κ V 、ターゲット表面での磁束密度 400G、ミラー磁場勾配（2KGZ 700G) の条件で膜を形成した。このとき試料台は下部ミラ一コィルの下端に設置し、加熱しないで常温でスバッタを開始し、 100 〜 2800 A / m i n の堆積速度で効率よく膜形成できた。他の条件が等しい場合、永久磁石 34 A

34 B を設けない場合に対して、約 7 ϋ %低いターゲット電圧で同じ堆積速度が得られる。またそのために、従来のスパッタ膜と比べて、膜の内部応力が小さいため、厚さ 2 i m以上の膜をクラックや剝離を生じることなしに安定に形成できた。このときのイオンの平均エネルギは 5 e V から 2 5.e Vまで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち、 1 0〜 3 0 % がイオンであった。

第 2 0図に本発明による薄膜形成装置の他の実施例を示す。本実施例は第 1 Q図に示した実施例におけるョーク 3 1および第 1 7図に示した実施例における永久磁石 3 4 A , 3 4 B を共に具えて'レ、る。その他は第 5 図および第 6 図に示した実施例と同様である。本実施例における磁束方向の磁場強度分布を第 2 1図の曲線 C で、またヨーク 3 iを設けない場合の磁場強度分布を曲線 D で示す。本実施例における磁場強度分布（曲線 C ) は第 1 1 図における曲線 B と同様に、真空導波管 1 3とプラズマ生成室 1 4の間で急激に変化する。その結果、第 U図を参照して説明したと同様に、プラズマはマイクロ波導波管の方向に力 13速されることがなく、従ってマイクロ波導入窓 1 7が曇ることはない。

また本実施例は永久磁石 3 4 A , 3 4 Β が設けられてレヽるので、第 1 7図に示した実施例と同様に低いターゲッ卜印加電圧で高速の膜形成が可能である。

第 2 2図に本発明の薄膜形成装置の更に他の実施例を示す。本実施例は第 2 0図の実施例にける永久磁石 3 4 A , 3 4 B を、軟磁性鉄などからなる' 'ヨーク 3 5 A , 3 5 B で置き換えたものである。ヨーク 3 5 A および 3 5 B はそれぞれ電磁石 2 6 A および 2 6 B の磁束を集束'..し、タ一ゲッ卜 2 3 の内側表面に磁束を漏洩させる。その効果は永久磁石 3 4 A および 3 4 B と全く同様である。第 2 3図に本発明による薄膜形成装置の他の実施例を

示す。本実施例は第 1 7図に示した実施—例における真空

導波管 1 3を、磁束と直交方向にプラズマ生成室と結合

するように変更したものである。本実施例において - も、永久磁石 3 4 A， 3 4 B が設置されているので、より低

いターゲッ卜印加電圧で高速の膜形成が可能である。

本実施例における磁束方向の磁場強度分布を第 24図に

示す。磁束分布は永久磁石 3 4 A , 3 4 B が設けられていな

い第 1 4図に示した実施例と同様であり（第 1 5図参照）、本実施例においても、プラズマは真空導波管方向にほ - 加速されず、従つてマイク口波導入窓 1 7が曇ることが

ない。従ってタ一ゲッ卜 2 3に導電性材料を用いても、

長時間安定に膜形成が可能である。なお、真空導波管

1 3に少なくとも 1 個所の屈曲部を設けることが好ましレヽ

以上の実施例では、ミラー磁場を得るために磁気コィルを用レヽているが、これは種々の永久磁石を用い

て、あるいはそれらを組み合わせてミラー磁場を形成

しても全く同等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レヽ。

さらに円筒状タ一ゲット表面に磁束を漏洩させるために、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得ることは言うまでもなレヽ _a また、各実施例では真空導波管中の磁束を吸収するためにその真空導波管の周囲に配設し—たヨークを用いているが、これは真空導波管自身がそのョ一クの効果を持つ適当な材料で構成されていても全く同様な効果 · を持つことは明らかである。

これまで高密度プラズマによってタ一ゲッ卜をスパッタしてイオンィヒさせるイオン生成装置を用いた薄膜形成装置の実施例について説明した。これら各実施例におけるヨーク，プラズマ生成室に磁束と直交する方向から結合される真空導波管，プラズマ生成室の外部にターゲッ卜の上下両端の位置に設けられる永久磁石あるレヽはヨークは、全て第 8 図および第 9 図に示したイオン源の改善のために適用することができる。以下に木発明によるイオン源の実施例について説明す第 2 5図は軟磁性鉄などからなるヨーク 3 1を設けたィオン源の断面図を示す。第 1 0図に示した薄膜形成装置と同様に、プラズマ生成室 1 4内での磁場分布ができるだけ一様になるように、ヨーク 3 1のプラズマ生成室 H に面した部分 3 1 A をできるだけ広い面積で構成する。

さらに、電磁石 2 S A 自身の磁気抵抗を減少させるように、ヨーク 3 1の他端 3 1 B を、電磁石 2 6 A の一端を取り囲み磁束を吸収するように配置する。さらに真空導波管 1 3を L 字形とし、マイクロ波導入窓 1 7をターゲット 2 3から見えない位置に設けてある。その他の構成は第 8 図および第 9 図に示したイオン源と同様である。但し本図においては試料室，基板，排気-孔などの図示を省略してある。

第 2 6図に本実施例における磁束方向の磁場強度の分布を示す。曲線 E が本実施例の磁場強度、曲線 F はョーク 3 1がない場合の磁場強度である。引き出しダリッド 2 9の存在に関係なく、磁場強度は真空導波管 Uとブラズマ生成室 I 4の間で急激に変化する。そのためにプラズマ加速方向 3 3は第 2 7図に示すようにイオン生成室 1 4の内部に向う方向となり、真空導波管の方向にはプラズマは加速されない。従つて長時間イオンビーム 3 0を弓 I き出しても、マイク口波導入窓 1 7が曇ることがなく、安定なイオンビームの弓 I き出しが可能である。

第 2 &図に本発明によるィォン源の他の実施例を示す。本実施例は真空導波管 1 3を、磁束と直交する方向からプラズマ生成室 1 4に結合させてレ、る。マイクロ波導入窓 1 7ほタ一ゲッ卜 2 3から見えない位置に設けられている。

第 2 3図に末実施例における磁吏方向の磁場強度分布を、第 3 0図にプラズマの生成状態と加速方向を示す。第 2 9図および第 3 Q図を第 1 5図および第 1 6図と比較すると明らかなように、真空導波管 1 3を磁束と直交する方向からプラズマ生成室に結合する効果はイオン源においても、第 1 4図に示した薄膜形成装置においても全く同様である。すなわち、プラズマは磁束と直交方向に拡散することがないので、マイクロ波導入窓 1 7は曇ることがなく、イオンビーム 3 0は安定し—てイオン弓 I き出しダリッド 2 9から弓 I き出すこと力できる。そのためにタ一ゲット 2 3に導電性材料を使用しても長時間安定な操作が可能である。真空導波管 1 3に 1 個所以上の屈曲部を設けることは好ましレ、ことである。

第 3 1図に末発明によるィォン源の他の実施例を示す。本実施例においては、円筒状ターゲット 2 3の内側表面に磁束がもれるように、円筒状ターゲッ卜 2 3の上下両端外側に、極性を逆にした少なくとも一対のリング状永久磁石 3 4 A および 3 4 B を配置してある。その他の構成は第 8 囪および第 9 図に示したイオン源と同様である。

先に説明したように、ミラ一磁場によって閉じ込められた高密度プラズマに面したターゲッ卜 2 3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ィオンをターゲッ卜 2 3に効率よく弓 i き込みスノッタを起こさせる。タ一ゲット 2 3に弓 I き込まれたイオンがターゲッ卜 2 3の表面に衝突すると、タ一ゲット表面から 2 次電子が放出される。この 2 次電子は、ターゲッ卜印加電圧に相当する大きな干ネルギでターゲッ卜から遠ざかるように加速される。この 2 次電子ほ、大きなェネルギを持っており、ガスのイオンィ匕効率に大きな影響を与える。

タ一ゲッ卜印加電圧によって形成されたタ一ゲット表面の電界 E で加速され 2 次電子は、永久磁石 34 A , 34B による磁界 B で偏向され、ターゲ―ッ卜方向に再び弓巻き戻される。しかしまた電界 E によって逆方向にカロ速され、以上の過程を繰返しながら、高速の 2 次電子 · ほ E X B 方向、すなわちタ一ゲッ卜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ィ匕ひいてはより高効率なスパッタリングが、より低レヽターゲット印加電圧で達成されることになる。さらに、円筒状タ一ゲット 23からスノッタされた、ほ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。

次に末実施例の装置を用いて A £ 膜を形成した結果 '一について説明する。プラズマ形成室内の真空度を 5 X 10— ⁷ T 0 r rまで排気した後 A rガスを導入し、ブラズマ生成室内のガス圧を 3 X 10— ""Torrとして、マイクロ波電力 100 〜 800 W、タ一ゲット印方電圧 300 〜 1 K V 、タ一ゲット表面での磁束密度 400 ミラー磁場勾配（ 2 K G Z

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、ソドを用いて 20 e V〜 100 e V のエネルギを持つた A JZ ⁺ イオンを引き出して、そのダリッドの下に配置した基板上に 30〜 7Q0A Z niiri の堆積速度で効率よく膜形成ができた。他の条件が同じ場合、永久磁石 34A , 34B のない装置に対して、約 70 %低いタ一ゲヅ卜印加電圧で同じ堆積速度で膜の形成が可能である。第 3 2図に本発明によるイオン源のさらに他の実施例を示す。本実施例は、第 3 1図に示した-実施例に、さらに第 2 5図に示した実施例におけるヨーク 3 1を具えたものである。本実施例においても、永久磁石 3 4 A , 3 4 B を設けたことによって、タ一ゲッ卜印加電圧をより低くすることができる。またプラズマ 1 0の生成状態とブラズマのカ卩速方向 3 3を示した第 ^{3 3}図から明らかなよう ' に、ヨーク 3 1の効果によってプラズマは真空導波管 1 3 の方向には力 [[速されず、従ってマイクロ波導入窓 1 7は曇ること力なレヽ。

第 3 4図に本発明によるイオン源のさらに他の実施例を示す。本実施例は第 3 1図に示した実施例における真空導波管 1 3を、磁束と直交する方向からプラズマ生成室丄 4に結合させるように変更し-たものである。第 3 5図に木実施例におけるプラズマ 2 7の生成状態とプラズマ加速方向 3 3を示す。図示されるように、プラズマは磁束を横切って真空導波管 1 3の方向へ拡散することがなく、従ってマイクロ波導入窓 1 7は曇らない。真空導波管 1 3に 1 個所以上の屈曲部を設けると、その効果はより大きレヽ。一方イオンビーム 3 0はイオン弓 I き出しグリッド 2 9から効率よく弓 I き出ざれる。そのために、タ一ゲッ卜 2 3に導電性材料を使用しても、長時間にわたつて安定して大電流のイオンビームをより低いターゲット印加電圧で引き出すことができる。

本発明に係るイオン源の各実施例では、ミラー磁場 2^ を i るために磁気コイルを用いているが、これは種々の永久磁石を用いて、あるいはそれら _を組み合わせてミラ一磁場を形成しても全く同等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ょレ、ことは言うまでもなレヽ。

さらに円筒状ターゲッ卜表面に磁吏を漏洩させるため、各実施例では一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レヽ。

また、以上の実施例では真空導波管中の磁束を吸収するためにその真空導波管に周設させたョ一クを甩いているが、これは真空導波管自身がそのヨークの効果を持つ適当な材料で構成されていても全く同様な効果をもつことは明らかである。

産業上の利用可能性以上説明したように、末発明のイオン生成装置は、プラズマ生成に電子サイク口卜口ン共鳴条件によるマイク口波放電を用いミラ一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一ゲッ卜に引き込みスノッタを実現するもので、低ガス圧で高い活性度のプラズマが得られ、従来のスパッタ装置に比べ、極めて高いィオン化率をもつた粒子で高速に低ガス圧中で膜形成でき、粒子のエネルギが数 e Vから数百 e Vまでの広い範囲で自由に制御でき、しかもそのエネルギは分散が少なレヽ。

このイオン生成装置を用いて、損傷の少ない極めて高純度で良質の膜を低基板温度で高速度、高効率に形成することができるばかりでなく、従来の装置では実現できなかつた非平衡材料の低温安定形成も可能となつた。また本発明では、円筒状ターゲッ卜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有さなレヽものに比較してタ一ゲット印カロ電圧を低くして高効率のスパッタが可能となった。

また真空導波管および磁束吸収用ヨークを用いた場合、マイクロ波導入窓のくもりを防止している / ^こめ、膜の導電性や膜厚によらず損傷の少ない極めて高純度で良質の膜を低基板温度で連続して長時間安定に高速度、高効率に形成することができる。

さらに真空導波管を磁束に対して直交する向きに結合させた場合、マイクロ波導入窓が曇ることはなく膜の導電性や膜厚によらず連続して長時間安定な膜形成を実現することできる。

本発明のイオン源は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ノ、 ' 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ブラズマ中でイオンィ匕し、 .そのイオンを効率よ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ベ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ッチングが実現でき、カ卩えてそのイオンのエネルギが数 e Vから数 K e V 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レヽる。また本発日月では、円筒状タ一ゲッ卜の外側に配置したリング状のフ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一ゲッ卜印加電圧を低くして高効率のスパッタが可能となる。 . "

しかも真空導波管および磁束吸収用ヨークを用いて、マイクロ波導入窓のくもりを防止してレ、るため、金属ィォンをも連続して長時間安定に引き出すことができる。 .

さらに本発明のィオン源は真空導波管を磁束に対して直交する向きに結合させてレ、るためマィク口波導入窓がくもることはなく、ィ.オンの種類や、それによつて得られた膜の導電性や膜厚によらず連続して長時間安定なイオン引き出しを実現することができる。

Claims

請求の範囲 . 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する真空導波管と、導入されたマイクロ波が共振するマイク口被空胴共振器を形成する径ぉよび長さを有するプラズマ生成室と、プラズマ生成室端部とが順次結合されてなり、かつガス導入口を有する真空檣と、

前記プラズマ生成室内に設置され、負電圧が印加されるターゲットと、および

前記真空導波管およびプラズマ生成室端部の外周に設置され、前記プラズマ生成室内に磁界中心が存在するようなミラ一磁界を形成する少なくとも一対の磁界形成手段とを備えたことを特徴とするイオン生成装置。

. 前記プラズマ生成室の外周に前記ターゲッ卜の内側表面に磁束がもれるように、かつ極性を逆にした少なくとも一対の第 2 の磁界形成手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1 項記載のィォン生成装置。

. 前記第 2 の磁界形成手段がリング状永久磁石であることを特徴とする請求の範囲第 2 項記載のイオン生成装置。

. 前記第 2 の磁界形成手段が磁気ヨークであることを特徴とする請求の範囲第 2 項記載のイオン生成装置。

. 前記真空導波管外周には、前記磁―界形成手段の一方を取り囲み、前記真空導波管にそって形成ざれた磁束吸収用ヨークが設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1 項記載のイオン生成装置。

- 前記真空導波管が、前記磁界形成手段による磁束方向に対して直交する向きに前記プラズマ生成室に結合されていることを特徴とする請求の範囲第 1 項記載のイオン生成装置。

. 前記真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有し、前記マイクロ波導入窓が前記ターゲットから見えない位置に設けられてレ、ることを特徴とする請求の範囲第 5 項記載のィォン生成装置。

. 前記真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有し、前記マイクロ波導入窓が前記ターゲットから見えない位置に設けられていることを特徴とする請求の範囲第 6 項記載のイオン生成装置。

- マイクロ波導波管に接続ざれたマイクロ波導入窓を一端に有する真空導波管と、導入ざれ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ぉよび長さを有するプラズマ生成室と、プラズマ生成室端部と、内部に基板ホルダを有する試料室とが順次結合されてなり、かつガス導入口を有する真空槽と、

前記真空導波管およびプラズマ生-成室端部の外周に設置ざれ、前記プラズマ生成室内に磁界中心が存在するようなミラ一磁界を形成する少なくとも一対の磁界形成手段とを備えたことを特徴とする薄膜形成装置。

. 前記プラズマ生成室の外周に前記タ一ゲッ卜の内側表面に磁束がもれるように、かつ極性を逆にした少なくとも一対の第 2 の磁界形成手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第 9 項記載の薄膜形成装置。

- 前記第 2 の磁界形成手段がリング状永久磁石であることを特徴とする請求の範囲第 1 0項記載の薄膜形成装置。

. 前記第 2 の磁界形成手段が磁気ヨークであることを特徴とする請求の範囲第 1 0項記載の薄膜形成装置。

. 前記真空導波管外周には、前記磁界形成手段の一方を取り囲み、前記真空導管にそって形成された磁束吸収用ヨークが設けられていることを特徴とする請求の範囲第 9 項記載の薄膜形成装置。

. 前記真空導波管が、前記磁界形成手段による磁束方向に対して直交する向きに前記プラズマ生成室に結合されていることを特徴とする請求の範囲第 9 項記載の薄膜形成装置。

. 前記真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有し、前記マイクロ波導入窓が前記タ一ゲッ卜から見えない位置に設けられてレヽることを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載の薄膜形成装置。 - . 前記真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有し、前記マイクロ波導入窓が前記ターゲットから見えない位置に設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1 4項記載の薄膜形成装置。

. 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する真空導波管と、導入され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ぉよび長さを有するプラズマ生成室と、プ-ラズマ生成室端部と、内部に基板ホルダを有する試料室とが順次結合されてなり、かつガス導入口を有する真空槽と、 .

前記プラズマ生成室内に設置され、負電圧が印加されるタ一ゲットと、

前記真空導波管およびプラズマ生成室端部の外周に設置され、前記プラズマ生成室内に磁界中心が存在するようなミラー磁界を形成する少なくとも一対の磁界形成手段と、および

前記プラズマ生成室端部に設けられ、前記ターゲッ卜からスパヅタされた粒子のうちプラズマ中でィオン化されたイオンを選択的に引き出すイオン引き出し機構を有することを特徴とするイオン源。

18. 前記プラズマ生成室の外周に前記ターゲッ卜の内側表面に磁束がもれるように、かつ ·極性を逆にした少なくとも一対の第 2 の磁界形成手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第 17項記載のィォ - ン源。

19 . 前記第 2 の磁界形成手段がリング状永久磁石であることを特徴とする請求の範囲第 18項記載のイオン源。

20. 前記第 2 の磁界形成手段が磁気ヨークであることを特徴とする請求の囲第 i 8項記載のィォン源。

21. 前記真空導波管外周には、前記磁界形成手段の一方を取り囲み、前記真空導波管にそって形成された磁束吸収用ヨークが設けられてレヽることを特徴とする請求の範囲第 17項記載のィォン源。

22. 前記真空導波管が、前記磁界形成手段による磁束方向に対して直交する向きに前記プラズマ生成室に結合されていることを特徴とする請求の範囲第 i 7項記載のイオン源。

23. 前記真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有し、前記マイクロ波導入窓が前記タ一ゲットから見えない位置に設けられていることを特徴とする請求の範囲第 21項記載のイオン源。

24. 前記真空導波管が、少なくとも 1 個の屈曲部を有

し、前記マイクロ波導入窓が前記ターゲッ卜から見えない位置に設けられていることを特徴とする請求 ό 0 の範囲第 2 2項記載のイオン源。