WO2019239613A1 - 特定種イオン源およびプラズマ成膜装置 - Google Patents

特定種イオン源およびプラズマ成膜装置 Download PDF

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WO2019239613A1
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治彦 比村
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国立大学法人京都工芸繊維大学
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Definitions

  • the present invention relates to a specific species ion source and a plasma film forming apparatus.
  • quantum dots As a method for producing quantum dots, a method of producing a quantum dot from a bulk semiconductor material and a method of self-forming quantum dots using stress generated when crystals are grown on the surface of a semiconductor substrate are mainly employed. However, these production methods do not sufficiently satisfy the requirements such as the quality and uniformity of quantum dots.
  • the minimum processing dimension required for the most advanced semiconductor devices at present is about 7 nm.
  • nanoscale film thickness control is also required for thin film fabrication methods.
  • a film forming method such as sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition). Therefore, as a thin film manufacturing method, a thin film manufacturing method capable of controlling the film thickness at the atomic layer level such as an atomic layer deposition method (Atomic Layer Deposition ALD method) is being adopted.
  • This atomic layer deposition method includes PEALD (Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition) method which is performed by generating plasma containing ions or radicals of atoms to be deposited.
  • the PEALD method is difficult to control the behavior of ions, radicals, electrons, etc. contained in the generated plasma, especially the energy of the ions, and as a result, various devices manufactured by the PEALD method. There is a risk of damaging the surface of the device, degrading device performance and reliability. Furthermore, since the energy for generating plasma is continuously input from the outside into the plasma generation chamber, the plasma is not thermally relaxed. For this reason, temporal and spatial fluctuations exist in the energy and number density of the plasma. Due to these plasma fluctuations, it is difficult to make the thickness of the thin film to be produced uniform on the order of nanometers.
  • the degree of such fluctuation depends on the plasma generation method, the distance between the plasma and the plasma generation container inner wall and the insertion electrode, such as the metal and the insulator in contact with the plasma, and the difference in the transport coefficient in the generation container. It differs for each plasma generator.
  • light such as ultraviolet rays generated from plasma is one of the causes of damaging the film surface. While using plasma, there is still no universal method for microfabrication on the nanoscale without depending on the plasma generator.
  • the purity of the extracted specific species having high chemical activity should be increased. Is requested. And it is requested
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a specific species ion source and a plasma film forming apparatus that can obtain specific species of ions or radicals from a plasma source with high purity. .
  • the specific species ion source is: A chamber; A first source gas supply source for supplying a first source gas into the chamber; A plasma generator for generating plasma in the chamber by applying a high frequency to the first source gas supplied into the chamber; An accelerator that draws ions of the element of the first source gas contained in the plasma generated in the chamber out of the chamber and accelerates the extracted ions in a first direction set in advance; A sorting unit that sorts out ions of a specific type from ions accelerated by the acceleration unit and outputs them in a preset second direction.
  • the plasma film forming apparatus is A chamber, a first source gas supply source that supplies a first source gas into the chamber, and plasma that generates plasma in the chamber by applying a high frequency to the first source gas supplied into the chamber
  • a screening unit that selects a specific type of ions from ions accelerated by the acceleration unit and outputs them in a preset second direction;
  • a second source gas supply source for supplying a second source gas; And a reaction furnace for reacting the specific species of ions supplied from the specific species ion source with the second source gas.
  • the acceleration unit extracts ions of the element of the first source gas contained in the plasma generated in the chamber to the outside of the chamber, and accelerates the extracted ions in a preset first direction. . Then, the sorting unit sorts out specific types of ions from the ions accelerated by the accelerating unit, and outputs them in the preset second direction. Thereby, a specific kind of ion can be obtained with high purity.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a part of the specific species ion source according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the specific species ion source according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a first magnet according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing a part of the plasma generator according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a part of the specific species ion source according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a part of a specific species ion source according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a part of the specific species ion source according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the specific species ion source according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a first magnet according to Embod
  • FIG. 5 is a diagram showing a result of a magnetic field distribution simulation according to the first embodiment. It is a figure which shows the result of the simulation of the magnetic field distribution which concerns on a comparative example. It is a figure which shows the plasma ignition pressure which concerns on Embodiment 1 and a comparative example. It is a figure which shows the electron temperature of the plasma which concerns on Embodiment 1 and a comparative example.
  • FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the plasma film forming apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining control contents of an RF power supply and a supply valve by a control unit according to Embodiment 2. It is a figure which shows the time-dependent change of the pressure of the downstream of the plasma generator which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows the emission spectrum of the plasma which generate
  • FIG. It is a schematic plan view which shows a part of plasma generator concerning a modification. It is a schematic plan view which shows a part of plasma generator concerning a modification.
  • the plasma deposition apparatus includes a specific species ion source that receives a first source gas and outputs specific species of ions, a second source gas supply source that supplies a second source gas, and a specific source A reaction furnace for reacting ions of a specific species supplied from a seed ion source with a second source gas.
  • the specific species ion source includes a chamber, a first source gas supply source that supplies a first source gas into the chamber, a plasma generator, an acceleration unit, and a selection unit.
  • the plasma generator generates plasma in the chamber by applying a high frequency to the first source gas supplied in the chamber.
  • the acceleration unit extracts ions of the element of the first source gas contained in the plasma generated in the chamber to the outside of the chamber and accelerates the extracted ions in a first direction set in advance.
  • the sorting unit sorts out ions of a specific type from the ions accelerated by the accelerating unit and outputs them in a preset second direction.
  • specific types of ions oxygen, nitrogen, hydrogen, carbon, and the like can be used for various organometallic precursors, but in this embodiment, specific types of ions that are also charged particles are high. It is assumed that the negative oxygen ion (O ⁇ ) has chemical reactivity and the second source gas is DEZn (diethyl zinc). O 2 - is called "oxygen anion radical" in the chemical field and has the same electronic configuration as fluorine (F) having high chemical reactivity and high chemical activity.
  • a plasma film forming apparatus 1 includes a specific species ion source 10, a source gas supply source 30 as a second source gas supply source, a reaction furnace 41, and an electromagnetic field generator. 42 and an Ar gas supply source 43.
  • the specific species ion source 10 includes a chamber 11, a source gas supply source 12 that is a first source gas supply source, a source gas supply pipe 19 that communicates with the chamber 11 and supplies the first source gas into the chamber 11.
  • the plasma generator 13, the acceleration part 14, and the selection part 15 are provided.
  • the chamber 11 includes, for example, a cylindrical chamber main body 111 and a lid body 112 that closes an open portion of the chamber main body 111, as shown in FIG.
  • the material of the chamber body 111 is, for example, a dielectric material that transmits high frequencies.
  • the chamber body 111 may be formed, for example, such that only a portion of the peripheral wall that introduces a high frequency from the outside is formed of a dielectric material and the other portion is formed of metal.
  • the lid body 112 is provided with a circular emission hole 112 a that penetrates in the center of the lid body 112 and has a circular shape in plan view for discharging ions contained in plasma generated in the chamber 11 to the outside of the chamber 11.
  • the lid body 112 is provided with an opening 112 c through which the source gas is discharged to the inside of the chamber body 111 and an introduction hole 112 b that communicates with the opening 112 c.
  • the source gas supply source 12 is connected to the introduction hole 112 b of the chamber 11 through the source gas supply pipe 19. Then, as shown by an arrow AR41 in FIG. 3, the source gas supply source 12 supplies oxygen (O 2 ) gas, which is the first source gas, through the source gas supply pipe 19, the introduction hole 112b and the opening 112c of the chamber 11. Supply into the chamber 11.
  • oxygen (O 2 ) gas which is the first source gas
  • the plasma generator 13 generates plasma PLM in the chamber 11 by applying a high frequency to the O 2 gas supplied in the chamber 11.
  • the plasma generator 13 includes a coil 133 having a spiral shape in plan view, a first magnet 134, a second magnet 132, a third magnet 135, and a high frequency power source 136 that supplies a high frequency alternating current to the coil 133. And having.
  • the coil 133 is disposed at a position facing the bottom wall 111 a of the chamber body 111 outside the chamber body 111.
  • the coil 133 receives a high frequency current from a high frequency current source and applies a high frequency to the O 2 gas existing inside the chamber body 111.
  • the high frequency power source 136 supplies the coil 133 with an AC high frequency current having a frequency of 13.56 MHz, for example.
  • the first magnet 134 is a permanent magnet, and is disposed on the coil 133 on the side opposite to the bottom wall 111a side of the chamber body 111.
  • the first magnet 134 is arranged so that the chamber 11 side has an N pole.
  • the first magnet 134 has a cylindrical shape with a diameter D1 and a height H1.
  • an NdFeB-based magnetic material can be employed as a material of the first magnet 134.
  • the diameter D1 is set to 20 mm, for example, and the height H1 is set to 10 mm or 20 mm, for example. Then, as shown in FIG.
  • the first magnet 134 is arranged so that the central axis C2 of the first magnet 134 substantially coincides with the central axis C1 of the coil 133 in plan view.
  • the second magnet 132 is disposed so as to surround the side wall 111 b of the chamber body 111 outside the chamber body 111.
  • the third magnet 135 is a permanent magnet and is embedded in a portion surrounding the discharge hole 112 a in the lid 112 of the chamber 11.
  • the third magnet 135 is a slow electron among the relatively high energy fast electrons (e ⁇ h ) and the relatively low energy slow electrons (e ⁇ l ) contained in the plasma PLM. It functions as a so-called magnetic filter that selectively transmits only (e ⁇ l ) to the outside of the chamber 11.
  • low-energy electrons (e ⁇ l ), O 2 molecules (O 2 M ), and O 2 ⁇ ions (O ⁇ ) are emitted out of the chamber 11 as main elements from the emission holes 112 a of the lid body 112, and high-speed electrons Is almost trapped in the chamber 11.
  • the plasma generator 13 has a filament 137 that is an electron supply source for supplying electrons into the chamber 11.
  • the material of the filament 137 is preferably durable, for example, tungsten or tantalum.
  • the plasma generator 13 discharges thermionic electrons from the filament 137 into the chamber 11 by supplying current to the filament 137 and heating it. Thereby, the plasma discharge starting power and gas pressure in the chamber 11 can be reduced.
  • the accelerating unit 14 determines the charge polarity of either an ion of an O 2 gas element contained in the plasma PLM generated in the chamber 11, for example, an O + ion or an O ⁇ ion, depending on whether the potential difference is positive or negative.
  • the charged particles having, and electrically neutral O radicals are drawn out of the chamber 11.
  • the acceleration unit 14 is an Einzel lens, and accelerates the extracted ions in a preset first direction, for example, a direction indicated by an arrow AR14. As shown in FIG. 5, the accelerating unit 14 focuses ions drawn out of the chamber 11 using an electromagnetic field.
  • FIG. 6A is a ZX plan view and FIG. 6B is an XY plan view. As shown in FIG.
  • the acceleration unit 14 includes a center electrode 141a and electrodes 141b and 141c arranged in front and rear in the direction indicated by the arrow AR14. And an electrostatic lens.
  • the acceleration unit 14 focuses ions by an electromagnetic field formed by the electrodes 141a, 141b, and 141c at the position Pos1 in FIGS. 6A and 6B. Further, the acceleration unit 14 generates a potential difference between the electrodes 141a, 141b, and 141c, thereby focusing the charged particle beam while accelerating and decelerating the charged particle beam.
  • the sorting unit 15 sorts out specific types of ions from the ions accelerated by the accelerating unit 14 and outputs them in a preset second direction, that is, the direction indicated by the arrow AR12.
  • the selection unit 15 includes a main pipe 151, a branch pipe 152, a magnetic field generation unit 153, a deceleration / acceleration unit 154, and a quadrupole magnet 155.
  • the main pipe 151 has one end connected to the chamber 11 and the other end connected to the reaction furnace 41.
  • the main pipe 151 is bent at a portion where the magnetic field generator 153 is disposed.
  • the flight speed of the O 2 ⁇ ions after being accelerated by the acceleration unit 14 and the intensity of the magnetic field generated by the magnetic field generation unit 153 are set based on the curvature of the main tube 151.
  • the quadrupole magnet 155 generates a magnetic field at the position Pos2 in FIG. 6B to focus the charged particle beam.
  • the magnetic field generation unit 153 is an electromagnet, and generates a magnetic field in a third direction orthogonal to the paper surface of FIG.
  • the branch pipe 152 extends along the direction indicated by the arrow AR14.
  • the deceleration / acceleration unit 154 includes two electrodes 154 a and 154 b arranged along the extending direction of the main pipe 151. O ⁇ ions are decelerated or accelerated by generating a potential difference between the two electrodes 154a and 154b and the acceleration unit.
  • the O 2 molecules (O 2 ) and O radicals (O * ) released from the chamber 11 to the main pipe 151 in the sorting unit 15 are hardly affected by the magnetic field generated by the magnetic field generation unit 153, and thus the arrows in FIG. As indicated by AR11, it is discharged to the branch pipe 152 side. Further, most of the O + ions and slow electrons (e ⁇ l ) emitted from the chamber 11 to the main pipe 151 are greatly bent in the flight direction by the magnetic field generated by the magnetic field generation unit 153 and absorbed by the tube wall of the main pipe 151.
  • the sorting unit 15 sorts only the O 2 ⁇ ions out of the ions and low-speed electrons emitted from the chamber 11 and guides them into the reaction furnace 41.
  • the specific ion source 10 when a high frequency is applied from the coil 133 to the O 2 gas introduced into the chamber 11, O 2 molecules, electrons e ⁇ l , e ⁇ h are entered into the chamber 11. , O + ions, O radicals (O * ), and O ⁇ ions are generated. Then, O 2 molecules, slow electrons e ⁇ l , O + ions, O radicals (O * ) and O ⁇ in the chamber 11 are generated by the magnetic fields generated by the first magnet 134, the second magnet 132, and the third magnet 135. Ions are released out of the chamber 11.
  • the first magnet 134 serves to improve the generation efficiency of O ( ⁇ ) ions.
  • the sorting unit 15 sorts only the O 2 ⁇ ions from the O 2 molecules, the slow electrons e ⁇ l , the O + ions, the O radicals (O * ), and the O ⁇ ions and introduces them into the reaction furnace 41.
  • the source gas supply source 30 includes a storage unit 31 for storing liquid DEZn, a supply pipe 34 for supplying vaporized DEZn as the second source gas to the reaction furnace 41, and DEZn supplied to the reaction furnace 41.
  • a flow rate adjustment valve 33 for adjusting the flow rate of the nozzle and a nozzle 35.
  • the source gas supply source 30 includes a heater 321 for heating the storage unit 31 and heaters 322 and 323 for heating the supply pipe 34.
  • the heater 321 heats the temperature of DEZn stored in the storage unit 31 to 60 ° C., for example. Thereby, vaporized DEZn is supplied from the storage unit 31 to the flow rate adjustment valve 33 (see arrow AR21 in FIG. 1).
  • the heater 322 heats a portion of the supply pipe 34 upstream of the flow rate adjustment valve 33 to, for example, 70 ° C.
  • the DEZn that has flowed out of the flow rate adjustment valve 33 is supplied to the nozzle 35 (see arrow AR22 in FIG. 1).
  • the heater 323 heats a portion of the supply pipe 34 on the downstream side of the flow rate adjustment valve 33 to 80 ° C., for example.
  • the nozzle 35 is provided at the downstream end of the supply pipe 34 and introduces vaporized DEZn into a specific position in the reaction furnace 41 at a flow rate of Mach 5, for example (see arrows AR23 and AR24 in FIG. 1).
  • the reaction furnace 41 is for reacting O 2 ⁇ ions supplied from the specific species ion source 10 with vaporized DEZn.
  • a substrate WT is disposed in the growth chamber 413.
  • the electromagnetic field generator 42 is disposed at a position surrounding the capture growth chamber 412 outside the reaction furnace 41, and generates an electromagnetic field in the capture growth chamber 412.
  • the Ar gas supply source 43 supplies Ar gas to the growth chamber 413 of the reaction furnace 41.
  • ZnO ⁇ ions generated in the region A1 move to the trap growth chamber 412 (ZnO ⁇ ions and ZnO are represented by the same symbols in FIG. 1).
  • the electromagnetic field generation unit 42 generates an electromagnetic field in the trap growth chamber 412, thereby causing ZnO 2 ⁇ ions, which are ZnO ions, which are compounds containing the element O and the element Zn, to enter the region A 2 in the trap growth chamber 412. Trap. Thereby, a cluster of ZnO ⁇ ions is generated in the region A2. Thereafter, the potential barrier created by the electromagnetic field generator 42 is removed after the elapse of a predetermined time, so that the ZnO ⁇ ion clusters generated in the region A 2 move to the growth chamber 413.
  • ZnO clusters can be grown on the substrate WT.
  • ZnO has been grown in clusters on the substrate WT, ZnO in the region A2 - providing a mechanism for discharging ions of the cluster, or a ZnO clusters in the area A3 to the outside (not shown), ZnO It is also possible to collect the fine particles (which may be quantum dots).
  • FIG. 7 a specific species ion source 9010 as shown in FIG. 7 is adopted.
  • the specific species ion source 9010 is different from the specific species ion source 10 according to the embodiment in that the first magnet 134 is not provided.
  • FIG. 8A and FIG. 8B show the results of simulation of the magnetic field distribution in the chamber 11 for the specific species ion source 10 according to the embodiment and the specific species ion source 9010 according to the comparative example. As shown in FIGS.
  • the strength of the magnetic field in the chamber 11 of the specific species ion source 10 according to the embodiment is generally higher than that of the specific species ion source 9010 according to the comparative example.
  • the strength of the magnetic field on the coil 133 side in the chamber 11 is increased and the space in the chamber 11 is surrounded by the strong magnetic field, O ⁇ is efficiently generated when the plasma of the specific gas passes between the third magnets 135. Generated.
  • the present invention has found for the first time that the generation efficiency of O ⁇ can be improved by providing the first magnet 134, that is, by increasing the magnetic field strength on the coil 133 side and surrounding the space in the chamber 11 with a strong magnetic field.
  • a permanent magnet, an electromagnet, or the like can be used as the first magnet 134.
  • the pressure in the chamber 11 necessary for generating ions and the power supplied from the high frequency power source to the coil 133 The relationship is shown in FIG. 9A. From FIG. 9A, it can be seen that according to the specific species ion source 10 according to the present embodiment, ions can be generated even when the pressure in the chamber 11 is lower than that in the specific species ion source 9010 according to the comparative example. From this, it can be seen that the specific species ion source 10 according to the present embodiment can reduce the amount of O 2 gas introduced into the chamber 11 as compared with the specific species ion source 9010 according to the comparative example.
  • the specific species ion source 10 according to the present embodiment can generate ions with high efficiency, and the amount of O 2 () gas used is smaller than that of the specific species ion source 9010 according to the comparative example. , And ions can be generated stably.
  • FIG. 9B shows the relationship between the electron temperature of the generated O ⁇ ion and the pressure in the chamber 11 for the specific species ion source 10 according to the present embodiment and the specific species ion source 9010 according to the comparative example. From FIG. 9B, according to the specific species ion source 10 according to the present embodiment, compared to the specific species ion source 9010 according to the comparative example, the electron temperature of the generated O ⁇ ions is higher even if the pressure in the chamber 11 is low. That is, it was found that the energy of O 2 ⁇ ions was high.
  • the specific species ion source 10 according to the present embodiment is rich in reactivity while reducing the amount of O 2 gas introduced into the chamber 11 as compared with the specific species ion source 9010 according to the comparative example. It can be seen that high energy O 2 ⁇ ions can be obtained.
  • the operation of the plasma film forming apparatus 1 according to the present embodiment will be described.
  • the vapor phase DEZn supplied to the region A1 is oxidized by the strong oxidizing power of O ⁇ ions to generate Zn or Zn +. .
  • Zn or Zn + and O ⁇ ions react to become ZnO ⁇ or ZnO.
  • a bias is applied by the bias application unit 51 so that the substrate WT has a positive potential with respect to the acceleration unit 14 of the specific species ion source. Thereby, accumulation of negative charges on the substrate WT, that is, charge-up is suppressed.
  • ZnO - can or clusters generated by agglomerating ZnO stably film grown on the substrate WT.
  • the size and density of ZnO 2 ⁇ ions grown on the substrate WT can be changed by changing the magnitude of the electric and magnetic fields generated in the trap growth chamber 412 by the electromagnetic field generator 42.
  • the size of ZnO clusters grown on the substrate WT can be changed by adjusting the timing of removing the potential barrier generated in the trap growth chamber 412 by the electromagnetic field generator 42. When the cluster is taken out as fine particles, the particle size can be controlled.
  • the accelerating unit 14 removes ions of the O 2 gas element contained in the plasma PLM generated in the chamber 11 from the chamber 11. And the extracted ions are accelerated in the direction indicated by the arrow AR14 in FIG. Then, the sorting unit 15 sorts out the O 2 ⁇ ions from the ions accelerated by the acceleration unit 14 and outputs them in the direction indicated by the arrow AR12 in FIG. Thereby, O 2 ⁇ ions can be obtained with high purity. Therefore, the quality and uniformity of the ZnO cluster formed on the substrate WT can be improved.
  • the electric field of the accelerating unit 14 and the magnetic field of the selecting unit 15 change the deflection trajectory of O ⁇ ions introduced into the reaction furnace 41 to decelerate the ions.
  • the deceleration / acceleration unit 154 performs final adjustment of the deflection trajectory. As a result, by changing the arrival position of the O 2 ⁇ ions, the position of the region where DEZn and O 2 ⁇ ions react can be changed, so that the deposition position of the ZnO clusters on the substrate WT can be selected. It becomes.
  • the plasma deposition apparatus relates to the first embodiment in that the specific species ion source receives the instantaneous supply of the first source gas into the chamber and outputs the specific species of ions. It is different from the plasma film forming apparatus. Since the plasma film forming apparatus includes such a specific species ion source, the degree of freedom in setting the degree of vacuum of the downstream device of the specific species ion source including the reaction furnace can be increased. This enhances the control of the behavior of the specific species of ions output from the specific species ion source.
  • the specific species ion source 2010 includes a chamber 11, a source gas supply source 12, a source gas supply pipe 19, a plasma generator 2013, an acceleration unit 14, The sorting unit 15, the electromagnetic valve 2016, and the control unit 2017 are provided.
  • the plasma generator 2013 includes a coil 133, a first magnet 134, a second magnet 132, a third magnet 135, and a high frequency power source 2136.
  • the high frequency power source 2136 supplies an AC high frequency current to the coil 133 based on a control signal input from the control unit 2017.
  • the solenoid valve 2016 is inserted in the source gas supply pipe 19, and is opened to allow supply of oxygen (O 2 ) gas as the first source gas into the chamber 11, and supply of oxygen gas into the chamber 11. It is a power valve that can take a closed state that shuts off.
  • the solenoid valve 2016 includes, for example, a solenoid part (not shown) having a coil, a yoke, a sleeve, a movable iron core and a fixed iron core, and a valve body connected to the movable iron core to open and close the source gas supply pipe 19.
  • the movable iron core and the fixed iron core are magnetized, and the movable iron core moves due to the mutual attractive force. Then, according to the movement of the movable iron core, the valve body connected to the movable iron core moves between a position where the source gas supply pipe 19 is opened and a position where the source gas supply pipe 19 is closed.
  • the control unit 2017 controls the electromagnetic valve 2016 by controlling the current supplied to the solenoid unit of the electromagnetic valve 2016.
  • the control unit 2017 controls the supply of alternating current from the high frequency power source 2136 to the coil 133 by outputting a control signal to the high frequency power source 2136.
  • the control unit 2017 starts supplying the alternating current from the high-frequency power source 2136 to the coil 133 at the time T0 while simultaneously opening the electromagnetic valve 2016.
  • the control unit 2017 controls the solenoid valve 2016 so that the solenoid valve 2016 is closed after a preset first time ⁇ T1 has elapsed from time T0.
  • the source gas is instantaneously supplied into the chamber 11 only for the first time ⁇ T1.
  • the first time ⁇ T1 is set to 2.6 msec, for example.
  • the control unit 2017 sets the high frequency so as to cut off the supply of the alternating current from the high frequency power source 2136 to the coil 133 after the second time ⁇ T2 longer than the preset first time ⁇ T1 has elapsed from the time T0.
  • the power source 2136 is controlled.
  • the length of the second time ⁇ T2 is preferably set to be 10 times or more the length of the first time ⁇ T1.
  • the second time ⁇ T2 is set to 1 sec, for example.
  • the results of measuring the temporal change in pressure downstream of the specific species ion source 2010 when the source gas is instantaneously supplied into the chamber 11 will be described.
  • the first time ⁇ T1 is 2.6 msec
  • the pressure in the raw material gas supply pipe 19 when supplying the raw material gas into the chamber 11 is 0.5 MPa
  • the power supplied from the high frequency power source 2136 to the coil 133 is 500 W
  • the second Time ⁇ T2 was set to 1 sec.
  • FIG. 12B on the downstream side of the specific species ion source 2010, it was confirmed that the pressure decreased to 0.1 Pa or less within 4 seconds from the time T0 when the electromagnetic valve 2016 was opened.
  • the result of confirming the presence or absence of O ⁇ ions in the plasma generated in the chamber 11 when the source gas is instantaneously supplied into the chamber 11. explain.
  • the first time ⁇ T1 is set to 2.6 msec
  • the pressure in the source gas supply pipe 19 at the time of supplying the source gas into the chamber 11 is set to 0.5 MPa
  • the second time ⁇ T2 is set to 1 sec
  • the high frequency power source 2136 is supplied to the coil 133.
  • the emission spectrum of plasma generated in the chamber 11 was measured while changing the power supplied to 100 W, 400 W, and 800 W. As shown in FIG.
  • this emission spectrum had peaks in the vicinity of 844 nm and 926 nm, which are peculiar to O atoms, regardless of the power supplied from the high frequency power source 2136 to the coil 133. From this, it was confirmed that ions of the O 2 gas element generated with the generation of O atoms exist in the plasma generated in the chamber 11.
  • the O 2 ⁇ ions generated in the chamber 11 are increased in the reactor 41 while the degree of vacuum on the downstream side of the specific species ion source 2010 is increased. It was found that can be supplied to.
  • the control unit 2017 starts supplying alternating current from the high-frequency power source 2136 to the coil 133 almost simultaneously when the electromagnetic valve 2016 is opened. After a lapse of the first time ⁇ T1, the solenoid valve 2016 is controlled so that the solenoid valve 2016 is closed.
  • the degree of vacuum of the downstream device of the specific species ion source 2010 can be maintained in a high state, so that the mean free path of O 2 ⁇ ions becomes longer, and the behavior of O 2 ⁇ ions generated in the chamber 11 can be improved. There is an advantage that it is easy to control.
  • control unit 2017 supplies AC current from the high frequency power source 2136 to the coil 133 after the second time ⁇ T2 has elapsed from the start of supplying AC current from the high frequency power source 2136 to the coil 133.
  • the high frequency power supply 2136 is controlled so as to shut off the power.
  • the length of 2nd time (DELTA) T2 is set to 10 times or more of the length of 1st time (DELTA) T1.
  • the control unit 2017 starts supplying alternating current from the high-frequency power source 2136 to the coil 133 almost simultaneously when the electromagnetic valve 2016 is opened, but starts supplying alternating current to the coil 133. Then, the electromagnetic valve 2016 may be opened. Further, the specific species ion source 10 may be applied to an ALD (Atomic Layer Deposition) method. In this case, first, DEZn is introduced into the reaction furnace 41, and DEZn is self-aligned on the substrate WT. Next, after excess DEZn is expelled from the reaction furnace 41, O 2 ⁇ ions are introduced into the reaction furnace 41.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the specific species ions are O 2 ⁇ ions, but the specific species ions are not limited thereto.
  • the specific species ions may be, for example, N ions such as N 2 ⁇ ions, H ions, C ions, and the like, regardless of whether the ions are positive ions or negative ions. You can do it.
  • the example in which the second source gas is DEZn and ZnO is formed has been described. However, the present invention is not limited to this.
  • Al Clusters or thin films such as 2 O 3 , HfO 2 , HfSiO, La 2 O 3 , SiO 2 , STO, Ta 2 O 5 , TiO 2 may be formed.
  • the specific species ion is N 2 ⁇
  • clusters or thin films of AlN, HfN, SiN, TaN, and TiN may be formed.
  • the plasma generator 3013 may include two columnar first magnets 3134 that are arranged substantially in point symmetry with respect to the central axis C ⁇ b> 1 of the coil 133.
  • the first magnet 3134 is arranged such that the central axes C31 and C32 of the first magnet 3134 are substantially parallel to the central axis C1 of the coil 133.
  • the two first magnets 3134 may be arranged such that the distance L1 between the central axes C31 and C32 is, for example, 7 cm.
  • the distance L1 between the central axes C31 and C32 is, for example, 7 cm.
  • the plasma generator 4013 may include three columnar first magnets 4134 so as to surround the central axis C ⁇ b> 1 of the coil 133.
  • the first magnet 4134 is arranged such that the central axes C41, C42, and C43 of the first magnet 4134 are substantially parallel to the central axis C1 of the coil 133.
  • the two first magnets 4134 out of the three first magnets 4134 have a distance L21 between the central axes C41 and C42 of, for example, 6 cm, and the virtual plane VP and the coil including the central axes C41 and C42.
  • the distance L22 between the central axis C1 of 133 may be 2 cm, for example.
  • the remaining one first magnet 4134 among the three first magnets 4134 may be arranged such that the distance L23 between the central axis C43 and the central axis C1 of the coil 133 is, for example, 3 cm. .
  • the minimum pressure in the chamber 11 into which the raw material gas necessary for generating plasma in the chamber 11 is introduced the central magnetic flux density of the first magnets 3134 and 4134, and The results of confirming the relationship will be described.
  • the minimum pressure in the chamber 11 was 4.8 Pa.
  • the minimum pressure in the chamber 11 was 2.7 Pa to 2.9 Pa.
  • the minimum pressure in the chamber 11 is 2.2 Pa to 2.5 Pa.
  • the minimum pressure in the chamber 11 is 2 0.0 Pa to 2.5 Pa.
  • the distance between the coil 133 and the bottom wall 111a of the chamber body 111 in each of the plasma generators 13, 3013, 4013 and the specific species ion source 9010 was set to 8 mm.
  • the minimum pressure in the chamber 11 can be reduced as compared with the case of the plasma generator 13 according to the comparative example or the first embodiment. I found out that
  • the minimum pressure in the chamber 11 can be reduced in the plasma generators 3013 and 4013 as compared with the case of the plasma generator 13 according to the comparative example or the first embodiment described above.
  • the necessary amount of source gas introduced into the chamber 11 is reduced, so that source gas can be saved by that amount, and ions can be supplied more stably.
  • first magnets 134 In each embodiment, the example in which the plasma generator 13 has one, two, and three first magnets 134 has been described, but may be four or more. Further, when there are a plurality of first magnets 134, they are arranged concentrically so as to surround the central axis C1 of the coil 133, but may be freely arranged so as to surround the central axis C1 of the coil 133. Good. Moreover, although the example in which the first magnet 134 included in the plasma generator 13 has a cylindrical shape has been described, the shape of the first magnet 134 is not limited to the cylindrical shape. For example, it may be cylindrical like a first magnet 5134 shown in FIG. 16A.
  • the outer diameter D21 of the first magnet 5134 is set to, for example, 6 cm
  • the inner diameter D22 is set to, for example, 5 cm
  • the height H1 is set to, for example, 20 mm.
  • this 1st magnet 5134 may be arrange
  • the shape of the first magnet 5134 may be a rectangular parallelepiped or a polygonal column.
  • the present invention includes a combination of the embodiments and modifications as appropriate, and a modification appropriately added thereto.
  • the present invention is used to manufacture low-k gate oxide films, storage capacitor dielectrics, OLEDs, crystalline silicon solar cells and other semiconductor device passivation layers, microfluidic devices, high coverage coating films for MEMS, oxide catalyst layers, and the like. Is preferred.

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Abstract

特定種イオン源（１０）は、チャンバ（１１）と、チャンバ（１１）内へＯ２ガスを供給する原料ガス供給源（１２）と、チャンバ（１１）内に供給されたＯ２ガスに高周波を印加することによりチャンバ（１１）内にプラズマを発生させるプラズマ発生器（１３）と、チャンバ（１１）内に発生されたプラズマ中に含まれる元素Ｏのイオンをチャンバ（１１）外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを矢印ＡＲ１４で示す方向へ加速させる加速部（１４）と、加速部（１４）により加速されたイオンの中から特定種のイオンＯ－を選別して矢印ＡＲ１２で示す方向へ出力する選別部（１５）と、を備える。

Description

特定種イオン源およびプラズマ成膜装置
　本発明は、特定種イオン源およびプラズマ成膜装置に関する。
　ＩｏＴ技術の進展に伴いモバイル機器の小型化および高機能化の要請がある。モバイル機器に搭載されるセンサ、アクチュエータ、その他回路素子等の各種デバイスは、モバイル機器の小型化および高機能化に伴い、微細化および複雑化している。そして、これらの各種デバイスの微細化および複雑化に伴い、量子ドットを初めとするナノ構造の作製方法或いは薄膜作製方法が、これらの各種デバイスを作製するための重要な要素技術として着目されつつある。
　量子ドットの作製方法としては、主として、バルクの半導体材料から作製する方法と、半導体基板表面で結晶成長させる際に生じる応力を利用して量子ドットを自己形成させる方法と、が採用されている。しかしながら、これらの作製方法は、量子ドットの品質、均一性等の要請を十分に満たすに至っていない。
　また、現在における最先端の半導体デバイスについて要求される最小加工寸法は、７ｎｍ程度になっている。これに伴い、薄膜作製方法に対してもナノスケールの膜厚制御が要求されている。この場合、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の成膜方法では、前述の要求を十分に満足することが困難である。そこで、薄膜作製方法として、原子層堆積法（Atomic Layer Deposition　ＡＬＤ法）のような原子層レベルで膜厚を制御できる薄膜作製方法が採用されつつある。この原子層堆積法には、堆積させる原子のイオンまたはラジカルを含むプラズマを発生させて行うＰＥＡＬＤ（Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition）法がある。しかしながら、ＰＥＡＬＤ法は、発生させたプラズマ中に含まれるイオン、ラジカル、電子等の挙動、特にイオンのエネルギを制御するのが困難であり、このことに起因して、ＰＥＡＬＤ法により作製した各種デバイスの表面に、デバイス性能および信頼性を低下させるような損傷を与える虞がある。さらには、プラズマ生成室内には、プラズマを生成するためのエネルギが外部から投入され続けているため、プラズマが熱的に緩和しない。このため、プラズマのエネルギと数密度に時間的かつ空間的揺らぎが存在する。これらのプラズマ揺らぎに起因して、作製する薄膜の膜厚をナノメートルオーダで均一化することが困難である。さらに、それら揺らぎの程度は、プラズマの発生方法や、プラズマとプラズマ生成容器内壁や挿入電極など、プラズマと接触する金属や絶縁物までの距離、そして、生成容器内での輸送係数の違いにより、プラズマ発生装置毎に異なってくる。加えて、プラズマから発生する紫外線等の光も、膜の表面に損傷を与える原因の一つである。プラズマを使いつつも、プラズマ発生装置に依存せず、ナノスケールでの微細加工を行える普遍的な方法はまだない。
　そこで、これらのナノ構造の作製方法または薄膜作製方法において、ナノ構造または薄膜の品質の向上並びに均一性を実現するために反応性の高い、即ち、化学的活性度が高い特定種のイオンやラジカルを選択的に取り出して、ナノ構造または薄膜の形成に寄与させることが要請されている。これに対して、例えば化学的活性度が高い酸素負イオン（Ｏ－）を取り出し、取り出した酸素負イオンを利用する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１では、酸素負イオンのイオン源としてプラズマガンを採用している。
特開２０１７－０２５４０７号公報
　ところで、前述のナノ構造の作製方法または薄膜作製方法において、ナノ構造または薄膜の品質の向上並びに均一性を実現するためには、取り出した化学的活性度が高い特定種のイオンの純度を高めることが要請されている。そして、ナノ構造または薄膜の形成に、特定種のイオンのみ寄与させて他種のイオンができるだけ寄与しないようにすることが要請されている。同様の要請は、特定種のラジカルのみを寄与させるプロセスにもある。
　本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、プラズマ源から特定種のイオン、またはラジカルを高い純度で得ることができる特定種イオン源およびプラズマ成膜装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る特定種イオン源は、
　チャンバと、
　前記チャンバ内へ第１原料ガスを供給する第１原料ガス供給源と、
　前記チャンバ内に供給された前記第１原料ガスに高周波を印加することにより前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生器と、
　前記チャンバ内に発生したプラズマ中に含まれる前記第１原料ガスの元素のイオンを前記チャンバ外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを予め設定された第１方向へ加速させる加速部と、
　前記加速部により加速されたイオンの中から特定種のイオンを選別して予め設定された第２方向へ出力する選別部と、を備える。
　他の観点から見た、本発明に係るプラズマ成膜装置は、
　チャンバと、前記チャンバ内へ第１原料ガスを供給する第１原料ガス供給源と、前記チャンバ内に供給された前記第１原料ガスに高周波を印加することにより前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生器と、前記チャンバ内に発生したプラズマ中に含まれる前記第１原料ガスの元素のイオンを前記チャンバ外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを予め設定された第１方向へ加速させる加速部と、前記加速部により加速されたイオンの中から特定種のイオンを選別して予め設定された第２方向へ出力する選別部と、を有する特定種イオン源と、
　第２原料ガスを供給する第２原料ガス供給源と、
　前記特定種イオン源により供給される特定種のイオンと前記第２原料ガスとを反応させる反応炉と、を備える。
　本発明によれば、加速部が、チャンバ内に発生したプラズマ中に含まれる第１原料ガスの元素のイオンをチャンバ外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを予め設定された第１方向へ加速させる。そして、選別部が、加速部により加速されたイオンの中から特定種のイオンを選別して予め設定された第２方向へ出力する。これにより、特定種のイオンを高い純度で得ることができる。
本発明の実施の形態１に係るプラズマ成膜装置の概略図である。 実施の形態１に係る特定種イオン源の一部を示す分解斜視図である。 実施の形態１に係る特定種イオン源の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る第１磁石の概略斜視図である。 実施の形態１に係るプラズマ発生器の一部を示す概略平面図である。 実施の形態１に係る特定種イオン源の一部を示す概略断面図である。 実施の形態１に係る特定種イオン源の一部を示す概略図である。 実施の形態１に係る特定種イオン源の一部を図６Ａとは異なる方向から見た場合の概略図である。 比較例に係る特定種イオン源の一部を示す断面図である。 実施の形態１に係る磁界分布のシミュレーションの結果を示す図である。 比較例に係る磁界分布のシミュレーションの結果を示す図である。 実施の形態１および比較例に係るプラズマ点火圧力を示す図である。 実施の形態１および比較例に係るプラズマの電子温度を示す図である。 実施の形態１に係るプラズマ成膜装置の動作説明図である。 本発明の実施の形態２に係るプラズマ成膜装置の概略図である。 実施の形態２に係る制御部によるＲＦ電源および供給バルブの制御内容を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態２に係るプラズマ発生器の下流側の圧力の経時変化を示す図である。 実施の形態２に係るチャンバ内で発生したプラズマの発光スペクトルを示す図である。 変形例に係るプラズマ発生器の一部を示す概略平面図である。 変形例に係るプラズマ発生器の一部を示す概略平面図である。 変形例に係るプラズマ発生器のチャンバ内の圧力の第１磁石の中心磁束密度依存性を示す図である。 変形例に係る第１磁石の概略斜視図である。 変形例に係るプラズマ発生器の一部を示す概略平面図である。
（実施の形態１）
　以下、本発明の実施の形態に係るプラズマ成膜装置について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態に係るプラズマ成膜装置は、第１原料ガスの供給を受けて特定種のイオンを出力する特定種イオン源と、第２原料ガスを供給する第２原料ガス供給源と、特定種イオン源により供給される特定種のイオンと第２原料ガスとを反応させる反応炉と、を備える。そして、特定種イオン源は、チャンバと、チャンバ内へ第１原料ガスを供給する第１原料ガス供給源と、プラズマ発生器と、加速部と、選別部と、を有する。プラズマ発生器は、チャンバ内に供給された第１原料ガスに高周波を印加することによりチャンバ内にプラズマを発生させる。加速部は、チャンバ内に発生したプラズマ中に含まれる第１原料ガスの元素のイオンをチャンバ外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを予め設定された第１方向へ加速させる。選別部は、加速部により加速されたイオンの中から特定種のイオンを選別して予め設定された第２方向へ出力する。特定種のイオンとしては酸素、窒素、水素、炭素などが、様々な有機金属の前駆体に対して使用することができるが、本実施の形態では、荷電粒子でもある特定種のイオンが、高い化学反応性を有する酸素負イオン（Ｏ－）であり、第２原料ガスが、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）であるとして説明する。Ｏ－は、化学分野において、「酸素アニオンラジカル」と呼ばれ、化学反応性が高いフッ素（Ｆ）と同じ電子配置を有し、化学活性度が高い。
　図１に示すように、本実施の形態に係るプラズマ成膜装置１は、特定種イオン源１０と、第２原料ガス供給源である原料ガス供給源３０と、反応炉４１と、電磁場発生部４２と、Ａｒガス供給源４３と、を備える。特定種イオン源１０は、チャンバ１１と、第１原料ガス供給源である原料ガス供給源１２と、チャンバ１１内に連通し、チャンバ１１内へ第１原料ガスを供給する原料ガス供給管１９と、プラズマ発生器１３と、加速部１４と、選別部１５と、を備える。
　チャンバ１１は、例えば図２に示すように、筒状のチャンバ本体１１１と、チャンバ本体１１１の開放部分を閉塞する蓋体１１２と、を有する。チャンバ本体１１１の材料は、例えば高周波を透過する誘電体材料である。なお、チャンバ本体１１１は、例えば周壁における外部から高周波を導入する部分のみが誘電体材料から形成され、他の部分が金属から形成されているものであってもよい。蓋体１１２は、その中央部に厚さ方向に貫通し且つチャンバ１１内に発生するプラズマに含まれるイオンをチャンバ１１外へ放出するための平面視円形の放出孔１１２ａが設けられている。また、蓋体１１２には、図３に示すように、チャンバ本体１１１の内側へ原料ガスが放出される開口部１１２ｃと開口部１１２ｃに連通する導入孔１１２ｂとが設けられている。
　図１に戻って、原料ガス供給源１２は、原料ガス供給管１９を介して、チャンバ１１の導入孔１１２ｂに接続されている。そして、原料ガス供給源１２は、図３の矢印ＡＲ４１に示すように、第１原料ガスである酸素（Ｏ２）ガスを、原料ガス供給管１９、チャンバ１１の導入孔１１２ｂおよび開口部１１２ｃを通じてチャンバ１１内へ供給する。
　プラズマ発生器１３は、チャンバ１１内に供給されたＯ２ガスに高周波を印加することによりチャンバ１１内にプラズマＰＬＭを発生させる。プラズマ発生器１３は、平面視渦巻状の形状を有するコイル１３３と、第１磁石１３４と、第２磁石１３２と、第３磁石１３５と、コイル１３３に高周波数の交流電流を供給する高周波電源１３６と、を有する。コイル１３３は、例えば図３に示すように、チャンバ本体１１１の外側におけるチャンバ本体１１１の底壁１１１ａに対向する位置に配置されている。また、コイル１３３は、高周波電流源から高周波電流の供給を受けて、チャンバ本体１１１の内側に存在するＯ２ガスに高周波を印加する。高周波電源１３６は、コイル１３３に例えば周波数１３．５６ＭＨｚの交流高周波電流を供給する。
　第１磁石１３４は、永久磁石であり、コイル１３３におけるチャンバ本体１１１の底壁１１１ａ側とは反対側に配置されている。第１磁石１３４は、例えばチャンバ１１側がＮ極となるように配置されている。第１磁石１３４は、例えば図４Ａに示すように、直径Ｄ１、高さＨ１の円柱状である。第１磁石１３４の材料としては、例えばＮｄＦｅＢ系の磁性材料を採用することができる。また、直径Ｄ１は、例えば２０ｍｍ、高さＨ１は、例えば１０ｍｍまたは２０ｍｍに設定される。そして、第１磁石１３４は、図４Ｂに示すように、平面視において、第１磁石１３４の中心軸Ｃ２がコイル１３３の中心軸Ｃ１とがほぼ一致するように配置されている。第２磁石１３２は、チャンバ本体１１１の外側におけるチャンバ本体１１１の側壁１１１ｂを囲繞するように配置されている。第３磁石１３５は、永久磁石であり、チャンバ１１の蓋体１１２における放出孔１１２ａを囲繞する部位に埋設されている。
　第３磁石１３５は、図５に示すように、プラズマＰＬＭ中に含まれる比較的エネルギの高い高速電子（ｅ－ ｈ）と比較的エネルギの低い低速電子（ｅ－ ｌ）とのうち、低速電子（ｅ－ ｌ）のみをチャンバ１１外へ選択的に透過させるいわゆる磁気フィルタとして機能する。これにより、蓋体１１２の放出孔１１２ａからは、低速電子（ｅ－ ｌ）とＯ２分子（Ｏ２ Ｍ）とＯ－イオン（Ｏ－）を主要素としてチャンバ１１外へ放出され、高速電子は、ほぼチャンバ１１内に捕捉された状態となる。
　図１に戻って、プラズマ発生器１３は、チャンバ１１内へ電子を供給する電子供給源であるフィラメント１３７を有する。フィラメント１３７の材料は耐久性のあるものが好ましく、例えばタングステンやタンタルである。プラズマ発生器１３は、フィラメント１３７へ電流を流して加熱することによりフィラメント１３７から熱電子をチャンバ１１内へ放出させる。これにより、チャンバ１１内におけるプラズマの放電開始電力とガス圧力を低下させることができる。
　加速部１４は、電位差の正負に応じて、チャンバ１１内に発生されたプラズマＰＬＭ中に含まれるＯ２ガスの元素のイオン、例えばＯ＋イオンか、Ｏ－イオンかのいずれか一方の電荷極性をもつ荷電粒子と、電気的に中性なＯラジカルをチャンバ１１外へ引き出す。そして、加速部１４は、アインツェルレンズであり、引き出されたイオンを予め設定された第１方向、例えば矢印ＡＲ１４で示す方向へ加速させる。図５に示すように、加速部１４は、電磁場を利用してチャンバ１１外へ引き出されたイオンを集束する。加速部１４は、図６ＡはＺＸ平面図および図６ＢはＸＹ平面図であり、同図に示すように、中央の電極１４１ａと、矢印ＡＲ１４に示す方向における前後それぞれに配置された電極１４１ｂ、１４１ｃと、を有する静電レンズである。加速部１４は、図６Ａおよび図６Ｂの位置Ｐｏｓ１において、電極１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃにより形成される電磁場によりイオンを集束させる。また、加速部１４は、電極１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ間に電位差を発生させることにより、前述の荷電粒子ビームを加速、減速しつつ、集束させる。
　図１に戻って、選別部１５は、加速部１４により加速されたイオンの中から特定種のイオンを選別して予め設定された第２方向、即ち、矢印ＡＲ１２で示す方向へ出力する。選別部１５は、主管１５１と、分岐管１５２と、磁場発生部１５３と、減速・加速部１５４と、四重極磁石１５５と、を有する。主管１５１は、一端部がチャンバ１１に接続され他端部が反応炉４１に接続されている。そして、主管１５１は、磁場発生部１５３が配置された部分で屈曲している。加速部１４により加速された後のＯ－イオンの飛行速度と磁場発生部１５３により発生される磁場の強度は、主管１５１の曲率に基づいて設定される。このように主管１５１を屈曲させることで、プラズマ発生器１３から出る紫外線等の光が、反応炉４１に直接入らないようにできるという効果もある。
　四重極磁石１５５は、図６Ｂの位置Ｐｏｓ２において、磁場を発生させて前述の荷電粒子ビームを集束させる。
　磁場発生部１５３は、電磁石であり、図１の紙面に直交する第３方向の磁場を発生させる。分岐管１５２は、矢印ＡＲ１４で示す方向に沿って延在している。減速・加速部１５４は、主管１５１の延長方向に沿って配置された２つの電極１５４ａ、１５４ｂを有する。この２つの電極１５４ａ、１５４ｂと、加速部１４の間に電位差を発生させることにより、Ｏ－イオンを減速または加速させる。
　選別部１５において、チャンバ１１から主管１５１へ放出されたＯ２分子（Ｏ２）、Ｏラジカル（Ｏ＊）は、磁場発生部１５３により発生した磁場による影響をほとんど受けないため、図１の矢印ＡＲ１１に示すように、分岐管１５２側へ放出される。また、チャンバ１１から主管１５１へ放出されたＯ＋イオン、低速電子（ｅ－ ｌ）のほとんどは、磁場発生部１５３により発生した磁場により飛行方向を大きく曲げられて主管１５１の管壁に吸収される。そして、Ｏ－イオンのみが、図１の矢印ＡＲ１３に示すように、減速・加速部１５４により減速または加速された後、反応炉４１内へ誘導される。即ち、選別部１５は、チャンバ１１から放出されたイオンおよび低速電子のうち、Ｏ－イオンのみを選別して反応炉４１内へ誘導する。
　本実施の形態に係る特定種イオン源１０では、チャンバ１１内に導入されたＯ２ガスにコイル１３３から高周波が印加されると、チャンバ１１内にＯ２分子、電子ｅ－ ｌ、ｅ－ ｈ、Ｏ＋イオン、Ｏラジカル（Ｏ＊）、Ｏ－イオンが生成される。そして、第１磁石１３４、第２磁石１３２、第３磁石１３５により発生された磁場により、チャンバ１１内のＯ２分子、低速電子ｅ－ ｌ、Ｏ＋イオン、Ｏラジカル（Ｏ＊）およびＯ－イオンが、チャンバ１１外へ放出される。ここで、第１磁石１３４はＯ(－)イオンの生成効率を向上する役目を果たしている。このとき、高速電子ｅ－ ｈの多くは、チャンバ１１の内壁に吸着されて消滅する。そして、選別部１５が、Ｏ２分子、低速電子ｅ－ ｌ、Ｏ＋イオン、Ｏラジカル（Ｏ＊）およびＯ－イオンの中からＯ－イオンのみを選別して反応炉４１内へ導入する。
　原料ガス供給源３０は、液体状のＤＥＺｎを貯留する貯留部３１と、第２原料ガスである気化したＤＥＺｎを反応炉４１へ供給するための供給管３４と、反応炉４１へ供給されるＤＥＺｎの流量を調節するための流量調節バルブ３３と、ノズル３５と、を有する。また、原料ガス供給源３０は、貯留部３１を加熱するためのヒータ３２１と、供給管３４を加熱するためのヒータ３２２、３２３と、を有する。ヒータ３２１は、貯留部３１に貯留されたＤＥＺｎの温度を例えば６０℃に加熱する。これにより、貯留部３１から流量調節バルブ３３へ気化したＤＥＺｎが供給される（図１の矢印ＡＲ２１参照）。ヒータ３２２は、供給管３４における流量調節バルブ３３よりも上流側の部分を例えば７０℃に加熱する。流量調節バルブ３３から流出したＤＥＺｎは、ノズル３５へ供給される（図１中の矢印ＡＲ２２参照）。ヒータ３２３は、供給管３４における流量調節バルブ３３よりも下流側の部分を例えば８０℃に加熱する。ノズル３５は、供給管３４の下流側の端部に設けられており、気化したＤＥＺｎを例えばマッハ５の流速で反応炉４１内の特定位置に導入する（図１の矢印ＡＲ２３、ＡＲ２４参照）。
　反応炉４１は、特定種イオン源１０により供給されるＯ－イオンと気化したＤＥＺｎとを反応させるためのものである。反応炉４１は、Ｏ－イオンと気化したＤＥＺｎとが合流して反応する反応室４１１と、捕捉成長室４１２と、成長室４１３と、を有する。成長室４１３には、基板ＷＴが配置されている。電磁場発生部４２は、反応炉４１の外側における捕捉成長室４１２を囲繞する位置に配置され、捕捉成長室４１２内に電磁場を発生させる。Ａｒガス供給源４３は、反応炉４１の成長室４１３へＡｒガスを供給する。
　ここで、反応室４１１内のＯ－イオンと気化したＤＥＺｎとが合流する領域Ａ１では、下記式（１）で表される化学反応が生じ、ＺｎＯ－イオンとエタン（Ｃ２Ｈ５）とが生成される。
　ＤＥＺｎ＋Ｏ－→ＺｎＯ－＋Ｃ２Ｈ５　　　・・・式（１）
　領域Ａ１で生じたＣ２Ｈ５は、図１の矢印ＡＲ３１に示すように、反応室４１１内に連通する排気管４１４を通じて反応室４１１外へ排出される。また、領域Ａ１で生じたＺｎＯ－イオンは、捕捉成長室４１２へ移動していく（図１ではＺｎＯ－イオンとＺｎＯとは同じ記号で表わされている）。そして、電磁場発生部４２は、捕捉成長室４１２内に電磁場を発生させることにより、元素Ｏと元素Ｚｎとを含む化合物であるＺｎＯのイオンであるＺｎＯ－イオンを捕捉成長室４１２内の領域Ａ２にトラップする。これにより、領域Ａ２にＺｎＯ－イオンのクラスタが生じる。その後、電磁場発生部４２で作り出される電位障壁をあらかじめ定められた時間経過後に取り除くことで、領域Ａ２に生じたＺｎＯ－イオンのクラスタは、成長室４１３へ移動していく。
　ここで、成長室４１３内の領域Ａ３では、Ａｒガス供給源４３からＡｒガスが供給されることにより、下記式（２）で表される化学反応が生じる。
　ＺｎＯ－＋Ａｒ→ＺｎＯ＋Ａｒ＋ｅ－　　　・・・式（２）
　これにより、基板ＷＴ上にＺｎＯのクラスタを成長させることができる。ここでは、基板ＷＴ上にＺｎＯのクラスタを成長させたが、領域Ａ２内のＺｎＯ－イオンのクラスタ、または領域Ａ３内のＺｎＯのクラスタを外部に排出する機構（図示せず）を設けて、ＺｎＯの微粒子（量子ドットとすることも可能）を回収することも可能である。
　次に、本実施の形態に係る特定種イオン源１０の特徴について比較例と比較しながら説明する。ここで、比較例として、図７に示すような特定種イオン源９０１０を採用する。なお、図７において、実施の形態と同様の構成については、図３と同一の符号を付している。この特定種イオン源９０１０は、第１磁石１３４を備えない点が実施の形態に係る特定種イオン源１０と相違する。ここで、実施の形態に係る特定種イオン源１０と比較例に係る特定種イオン源９０１０とについて、チャンバ１１における磁界分布のシミュレーションを行った結果を図８Ａおよび図８Ｂに示す。図８Ａおよび図８Ｂに示すように、実施の形態に係る特定種イオン源１０のチャンバ１１内の磁場の強度は、比較例に係る特定種イオン源９０１０のそれに比べて、全体的に高くなっている。特に、チャンバ１１内におけるコイル１３３側における磁場の強度が高くなり、チャンバ１１内の空間が強磁場により囲まれているため、第３磁石１３５間を特定ガスのプラズマが通り抜ける時にＯ－が効率良く生成される。本発明は第１磁石１３４を設けることにより、つまり、コイル１３３側の磁場強度を高めチャンバ１１内の空間を強磁場により囲むことにより、Ｏ－の生成効率を向上できることを初めて見出した。コイル１３３側の磁場強度を高めるためには、第１磁石１３４として永久磁石、電磁石などを用いることができる。
　本実施の形態に係る特定種イオン源１０と比較例に係る特定種イオン源９０１０とについて、イオンを発生させるために必要なチャンバ１１内の圧力と高周波電源からコイル１３３へ供給された電力との関係を図９Ａに示す。図９Ａから、本実施の形態に係る特定種イオン源１０によれば、比較例に係る特定種イオン源９０１０に比べてチャンバ１１内の圧力が低くてもイオンを発生させることができることが判る。このことから、本実施の形態に係る特定種イオン源１０は、比較例に係る特定種イオン源９０１０に比べてチャンバ１１内へ導入するＯ２ガスの量を低減することができることが判る。本実施の形態に係る特定種イオン源１０は、高効率でイオンを発生することができ、比較例に係る特定種イオン源９０１０に比べて使用するＯ２()ガスの量が少ない分、ランニングコストを低くすることができ、また安定にイオンを発生できる。
　また、本実施の形態に係る特定種イオン源１０と比較例に係る特定種イオン源９０１０とについて、発生したＯ－イオンの電子温度とチャンバ１１内の圧力との関係を図９Ｂに示す。図９Ｂから、本実施の形態に係る特定種イオン源１０によれば、比較例に係る特定種イオン源９０１０に比べてチャンバ１１内の圧力が低くても発生したＯ－イオンの電子温度が高い、即ち、Ｏ－イオンのエネルギが高いことが判った。このことから、本実施の形態に係る特定種イオン源１０は、比較例に係る特定種イオン源９０１０に比べてチャンバ１１内へ導入するＯ２ガスの量を低減しながらも、反応性に富んだエネルギの高いＯ－イオンを得ることができることが判る。
　次に、本実施の形態に係るプラズマ成膜装置１の動作について説明する。図１０に示すように、反応炉４１の反応室４１１の領域Ａ１において、領域Ａ１に供給された気相のＤＥＺｎがＯ－イオンの強力な酸化力により酸化されてＺｎまたはＺｎ＋が生成される。そして、ＺｎまたはＺｎ＋とＯ－イオンとが反応してＺｎＯ－またはＺｎＯとなる。ここで、本実施の形態に係るプラズマ成膜装置１では、バイアス印加部５１により、基板ＷＴが特定種イオン源の加速部１４に対して正電位となるようにバイアスが印加されている。これにより、基板ＷＴへの負電荷の蓄積、即ち、チャージアップが抑制されている。従って、捕捉成長室４１２においてＺｎＯ－またはＺｎＯを凝集させることにより生成されたクラスタを基板ＷＴ上に安定的に膜成長させることができる。なお、基板ＷＴ上に成長させるＺｎＯ－イオンのクラスタの大きさと密度とは、電磁場発生部４２により捕捉成長室４１２内に発生させる電場と磁場の大きさを変化させることにより、変化させることができる。また、基板ＷＴ上に成長させるＺｎＯのクラスタの大きさは、電磁場発生部４２により捕捉成長室４１２内に発生させる電位障壁を取り除くタイミングを調整することにより変化させることができる。クラスタを微粒子として外部に取り出す場合には、粒子サイズを制御できる。
　以上説明したように、本実施の形態に係る特定種イオン源１０によれば、加速部１４が、チャンバ１１内に発生されたプラズマＰＬＭ中に含まれるＯ２ガスの元素のイオンをチャンバ１１外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを図１の矢印ＡＲ１４で示す方向へ加速させる。そして、選別部１５が、加速部１４により加速されたイオンの中からＯ－イオンを選別して図１の矢印ＡＲ１２で示す方向へ出力する。これにより、Ｏ－イオンを高い純度で得ることができる。従って、基板ＷＴ上に形成されるＺｎＯクラスタの品質および均一性を高めることができる。
　また、本実施の形態に係る特定種イオン源１０では、加速部１４の電場と、選別部１５の磁場が、反応炉４１内へ導入されるＯ－イオンの偏向軌道を変え、イオンを減速させる減速・加速部１５４が偏向軌道の最終調整を行う。これらにより、Ｏ－イオンの到達位置を変化させることにより、ＤＥＺｎとＯ－イオンとを反応させる領域の位置を変化させることができるので、基板ＷＴ上におけるＺｎＯクラスタの堆積位置を選択することが可能となる。
（実施の形態２）
　本実施の形態に係るプラズマ成膜装置は、特定種イオン源が、そのチャンバ内への瞬間的な第１原料ガスの供給を受けて特定種のイオンを出力する点が実施の形態１に係るプラズマ成膜装置と相違する。そして、プラズマ成膜装置は、このような特定種イオン源を備えることにより、反応炉を含む特定種イオン源の下流側装置の真空度の設定自由度を高めることができるので、例えば真空度を高めて特定種イオン源から出力される特定種のイオンの挙動を制御し易くするというものである。
　例えば図１１に示すように、本実施の形態に係る特定種イオン源２０１０は、チャンバ１１と、原料ガス供給源１２と、原料ガス供給管１９と、プラズマ発生器２０１３と、加速部１４と、選別部１５と、電磁弁２０１６と、制御部２０１７と、を備える。なお、図１１において、実施の形態１と同様の構成については図１と同一の符号を付している。プラズマ発生器２０１３は、実施の形態１と同様に、コイル１３３と、第１磁石１３４と、第２磁石１３２と、第３磁石１３５と、高周波電源２１３６と、を有する。高周波電源２１３６は、制御部２０１７から入力される制御信号に基づいて、コイル１３３へ交流高周波電流を供給する。
　電磁弁２０１６は、原料ガス供給管１９に介挿され、第１原料ガスである酸素（Ｏ２）ガスのチャンバ１１内への供給を許容する開状態と、酸素ガスのチャンバ１１内への供給を遮断する閉状態と、をとりうる動力弁である。電磁弁２０１６は、例えばコイル、ヨーク、スリーブ、可動鉄心および固定鉄心を有するソレノイド部（図示せず）と、可動鉄心に連結され原料ガス供給管１９を開閉する弁体と、を備える。電磁弁２０１６では、ソレノイド部のコイルに電流が流れると可動鉄心および固定鉄心が磁化され、互いの吸引力により可動鉄心が移動する。そして、可動鉄心の移動に応じて、可動鉄心に連結された弁体が、原料ガス供給管１９を開放する位置と原料ガス供給管１９を閉塞する位置との間で移動する。
　制御部２０１７は、電磁弁２０１６のソレノイド部へ供給する電流を制御することにより、電磁弁２０１６を制御する。また、制御部２０１７は、高周波電源２１３６へ制御信号を出力することにより、高周波電源２１３６からコイル１３３への交流電流の供給を制御する。制御部２０１７は、例えば図１２Ａに示すように、時刻Ｔ０において、電磁弁２０１６を開状態にすると同時に高周波電源２１３６からコイル１３３へ交流電流の供給を開始する。そして、制御部２０１７は、時刻Ｔ０から予め設定された第１時間ΔＴ１だけ経過した後、電磁弁２０１６を閉状態にするように電磁弁２０１６を制御する。これにより、原料ガスが、チャンバ１１内へ第１時間ΔＴ１の間だけ瞬間的に供給される。なお、第１時間ΔＴ１は、例えば２．６ｍｓｅｃに設定される。また、制御部２０１７は、時刻Ｔ０から、予め設定された第１時間ΔＴ１よりも長い第２時間ΔＴ２だけ経過した後、高周波電源２１３６からコイル１３３への交流電流の供給を遮断するように、高周波電源２１３６を制御する。ここで、第２時間ΔＴ２の長さは、第１時間ΔＴ１の長さの１０倍以上に設定されるのが好ましい。第２時間ΔＴ２は、例えば１ｓｅｃに設定される。
　ここで、本実施の形態に係る特定種イオン源２０１０について、原料ガスをチャンバ１１内へ瞬間的に供給した場合における特定種イオン源２０１０の下流側の圧力の経時変化を測定した結果について説明する。ここでは、第１時間ΔＴ１を２．６ｍｓｅｃ、チャンバ１１内への原料ガス供給時における原料ガス供給管１９内の圧力を０．５ＭＰａ、高周波電源２１３６からコイル１３３への供給電力を５００Ｗ、第２時間ΔＴ２を１ｓｅｃとした。図１２Ｂに示すように、特定種イオン源２０１０の下流側では、電磁弁２０１６を開状態にした時刻Ｔ０から、４ｓｅｃ以内で圧力が０．１Ｐａ以下にまで減少することが確認できた。
　次に、本実施の形態に係る特定種イオン源２０１０について、原料ガスをチャンバ１１内へ瞬間的に供給した場合においてチャンバ１１内に発生するプラズマ中のＯ－イオンの存在有無を確認した結果について説明する。ここでは、第１時間ΔＴ１を２．６ｍｓｅｃ、チャンバ１１内への原料ガス供給時における原料ガス供給管１９内の圧力を０．５ＭＰａ、第２時間ΔＴ２を１ｓｅｃとし、高周波電源２１３６からコイル１３３への供給電力を１００Ｗ、４００Ｗ、８００Ｗに変化させながら、チャンバ１１内に発生するプラズマの発光スペクトルを測定した。この発光スペクトルは、図１３に示すように、高周波電源２１３６からコイル１３３への供給電力に関わらず、Ｏ原子に特有の８４４ｎｍ付近、９２６ｎｍ付近にピークを有するものであった。このことから、チャンバ１１内に発生するプラズマ中にＯ原子の発生に伴い生じるＯ２ガスの元素のイオンが存在していることが確認できた。
　これらの結果から、本実施の形態に係る特定種イオン源２０１０によれば、特定種イオン源２０１０の下流側の真空度を高くしつつ、チャンバ１１内で発生させたＯ－イオンを反応炉４１へ供給することができることが判った。
　以上説明したように、本実施の形態に係る特定種イオン源２０１０によれば、制御部２０１７が、電磁弁２０１６を開状態にするとほぼ同時に高周波電源２１３６からコイル１３３へ交流電流の供給を開始してから第１時間ΔＴ１だけ経過した後、電磁弁２０１６を閉状態にするように、電磁弁２０１６を制御する。これにより、特定種イオン源２０１０の下流側装置の真空度を高い状態で維持することができるので、Ｏ－イオンの平均自由行程が長くなり、チャンバ１１内で発生させたＯ－イオンの挙動を制御し易くなるという利点がある。
　また、本実施の形態に係る制御部２０１７は、高周波電源２１３６からコイル１３３へ交流電流の供給を開始してから第２時間ΔＴ２だけ経過した後、高周波電源２１３６からコイル１３３への交流電流の供給を遮断するように、高周波電源２１３６を制御する。そして、第２時間ΔＴ２の長さは、第１時間ΔＴ１の長さの１０倍以上に設定されている。これにより、第２時間ΔＴ２の間はＯ２ガス濃度が高くチャンバ１１内にプラズマが発生し易くなるので、プラズマ中に含まれるＯ２ガスの元素のイオンを安定的に反応炉４１へ供給することができる。
　以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、本実施の形態に係る制御部２０１７は、電磁弁２０１６を開状態にするとほぼ同時に高周波電源２１３６からコイル１３３へ交流電流の供給を開始しているが、コイル１３３へ交流電流の供給を開始してから電磁弁２０１６を開状態にしてもよい。また、特定種イオン源１０をＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に適用してもよい。この場合、まず、反応炉４１内にＤＥＺｎを導入し、ＤＥＺｎを基板ＷＴ上に自己配列させる。次に、余分なＤＥＺｎを反応炉４１内から追い出してから、反応炉４１内にＯ－イオンを導入する。これにより、基板ＷＴ上においてＤＥＺｎとＯ－イオンとが反応しＺｎＯが形成される。その後、余分なＯ－イオンを反応炉４１内から追い出してから、再び反応炉４１内にＤＥＺｎを導入する。以後、これらの一連の処理を繰り返すことにより、必要な膜厚の緻密なＺｎＯの薄膜を形成することができる。
　本構成によれば、ＡＬＤ法による薄膜作製時においてＤＥＺｎを酸化させる際に、基板ＷＴを酸素プラズマに曝す必要がないので、プラズマによる基板ＷＴへのダメージが防止される。また、Ｏ－イオンが基板ＷＴの表面に安定的に供給されるので、基板ＷＴ上に高アスペクト比の構造その他複雑な構造が形成されている場合でも、ＺｎＯ薄膜を良好に埋め込むことが可能である。更に、ＺｎＯ薄膜中にピンホールが発生することも抑制される。また、ＺｎＯ微粒子においては、欠陥の少ない活性度の高い微粒子を得ることができる。
　各実施の形態では、特定種イオンが、Ｏ－イオンである例について説明したが、特定種イオンはこれに限定されるものではない。特定種イオンが、例えばＮ２－イオンなどのＮイオン、Ｈイオン、Ｃイオンなどであってもよく、イオンも正イオン、負イオンのどちらの極性であっても、電界と磁界の向きを反対にすればよい。また、実施の形態では、第２原料ガスがＤＥＺｎであり、ＺｎＯを形成する例について説明したが、これに限らず、例えば第２原料ガスとして採用する有機金属の種類を変更することにより、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＨｆＳｉＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳＴＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２などのクラスタまたは薄膜を形成してもよい。或いは、特定種イオンがＮ２－である場合、ＡｌＮ、ＨｆＮ、ＳｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＮのクラスタまたは薄膜が形成されてもよい。
　実施の形態１では、プラズマ発生器１３が、１つの円柱状の第１磁石１３４を有する例について説明したが、第１磁石１３４の数は１つに限定されるものではない。例えば図１４Ａに示すように、プラズマ発生器３０１３が、コイル１３３の中心軸Ｃ１に対してほぼ点対称に配置された２つの円柱状の第１磁石３１３４を有するものであってもよい。ここで、第１磁石３１３４は、第１磁石３１３４の中心軸Ｃ３１、Ｃ３２がコイル１３３の中心軸Ｃ１とほぼ平行となるように配置されている。また、２つの第１磁石３１３４は、それぞれの中心軸Ｃ３１、Ｃ３２の間の距離Ｌ１が例えば７ｃｍとなるように配置されてもよい。また、例えば図１４Ｂに示すように、プラズマ発生器４０１３が、コイル１３３の中心軸Ｃ１を囲繞するように３つの円柱状の第１磁石４１３４を有するものであってもよい。ここで、第１磁石４１３４は、第１磁石４１３４の中心軸Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ４３がコイル１３３の中心軸Ｃ１とほぼ平行となるように配置されている。また、３つの第１磁石４１３４のうち２つの第１磁石４１３４は、それぞれの中心軸Ｃ４１、Ｃ４２の間の距離Ｌ２１が例えば６ｃｍであり、それぞれの中心軸Ｃ４１、Ｃ４２を含む仮想平面ＶＰとコイル１３３の中心軸Ｃ１との間の距離Ｌ２２が例えば２ｃｍとなるように配置されてもよい。また、３つの第１磁石４１３４のうちの残りの１つの第１磁石４１３４は、その中心軸Ｃ４３とコイル１３３の中心軸Ｃ１との間の距離Ｌ２３が例えば３ｃｍとなるように配置されてもよい。
　ここで、前述のプラズマ発生器３０１３、４０１３について、チャンバ１１内にプラズマを発生させるために必要な原料ガスが導入されたチャンバ１１内の最低圧力と、第１磁石３１３４、４１３４の中心磁束密度と、の関係を確認した結果について説明する。図１５に示すように、前述の比較例に係る特定種イオン源９０１０の場合、チャンバ１１内の最低圧力は、４．８Ｐａであった。これに対して、実施の形態に係るプラズマ発生器１３の場合、チャンバ１１内の最低圧力は、２．７Ｐａ乃至２．９Ｐａであった。これに対して、前述のプラズマ発生器３０１３の場合、チャンバ１１内の最低圧力は、２．２Ｐａ乃至２．５Ｐａであり、前述のプラズマ発生器４０１３の場合、チャンバ１１内の最低圧力は、２．０Ｐａ乃至２．５Ｐａであった。なお、プラズマ発生器１３、３０１３、４０１３および特定種イオン源９０１０それぞれにおける、コイル１３３とチャンバ本体１１１の底壁１１１ａとの間の距離は、いずれも８ｍｍとなるようにした。このように、本変形例に係るプラズマ発生器３０１３、４０１３によれば、前述の比較例または実施の形態１に係るプラズマ発生器１３の場合に比べて、チャンバ１１内の最低圧力を低減することができることが判った。
　本構成によれば、プラズマ発生器３０１３、４０１３において、前述の比較例または実施の形態１に係るプラズマ発生器１３の場合に比べて、チャンバ１１内の最低圧力を低減することができる。これにより、チャンバ１１内へ導入する原料ガスの必要量が低減されるので、その分、原料ガスを節約することができ、また、より安定にイオン供給ができる。
　各実施の形態では、プラズマ発生器１３が有する第１磁石１３４が１個、および２個、３個である例を説明したが、４個以上であってもよい。また、第１磁石１３４が複数個の場合、コイル１３３の中心軸Ｃ１を囲繞するように同心円状に配置されているが、コイル１３３の中心軸Ｃ１を囲繞するように自由に配置されていてもよい。また、プラズマ発生器１３が有する第１磁石１３４が、円柱状である例について説明したが、第１磁石１３４の形状は円柱状に限定されるものではない。例えば図１６Ａに示す第１磁石５１３４のように、円筒状であってもよい。ここで、第１磁石５１３４の外径Ｄ２１は例えば６ｃｍ、内径Ｄ２２は例えば５ｃｍ、高さＨ１は例えば２０ｍｍに設定される。そして、この第１磁石５１３４は、例えば図１６Ｂに示すプラズマ発生器５０１３のように、第１磁石５１３４の中心軸Ｃ５がコイル１３３の中心軸Ｃ１とほぼ一致するように配置されてもよい。また、第１磁石５１３４の形状は直方体や多角柱形であってもよい。
　以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態および変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
　本出願は、２０１８年６月１４日に出願された日本国特許出願特願２０１８－１１３５９３号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１８－１１３５９３号の明細書、特許請求の範囲および図面全体を参照として取り込むものとする。
　本発明は、Ｌｏｗ－ｋゲート酸化膜、ストレージキャパシタ誘電体、ＯＬＥＤ、結晶シリコン太陽電池その他半導体装置のパッシベーション層、マイクロ流体デバイス、ＭＥＭＳ向けの高被覆性コーティング膜、酸化物触媒層等の製造に好適である。
１：プラズマ成膜装置、１０，２０１０：特定種イオン源、１１：チャンバ、１２，３０：原料ガス供給源、１３，２０１３，３０１３，４０１３，５０１３：プラズマ発生器、１４：加速部、１５：選別部、１９：原料ガス供給管、３１：貯留部、３３：流量調節バルブ、３４：供給管、３５：ノズル、４１：反応炉、４２：電磁場発生部、４３：Ａｒガス供給源、５１：バイアス印加部、１１１：チャンバ本体、１１１ａ：底壁、１１１ｂ：側壁、１１２：蓋体、１１２ａ：放出孔、１１２ｂ：導入孔、１１２ｃ：開口部、１３２：第２磁石、１３３：コイル、１３４，３１３４，４１３４，５１３４：第１磁石、１３５：第３磁石、１３６，２１３６：高周波電源、１３７：フィラメント、１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ，１５４ａ，１５４ｂ：電極、１５１：主管、１５２：分岐管、１５３：磁場発生部、１５４：減速・加速部、１５５：四重極磁石、３２１，３２２，３２３：ヒータ、４１１：反応室、４１２：捕捉成長室、４１３：成長室、４１４：排気管、２０１６：電磁弁、２０１７：制御部、Ａ１，Ａ２，Ａ３：領域、ＰＬＭ：プラズマ

Claims (13)

  1. 　チャンバと、
    　前記チャンバ内へ第１原料ガスを供給する第１原料ガス供給源と、
    　前記チャンバ内に供給された前記第１原料ガスに高周波を印加することにより前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生器と、
    　前記チャンバ内に発生したプラズマ中に含まれる前記第１原料ガスの元素のイオンを前記チャンバ外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを予め設定された第１方向へ加速させる加速部と、
    　前記加速部により加速されたイオンの中から特定種のイオンを選別して予め設定された第２方向へ出力する選別部と、を備える、
    　特定種イオン源。
  2. 　前記プラズマ発生器は、
    　前記チャンバ内へ電子を供給する電子供給源を更に有する、
    　請求項１に記載の特定種イオン源。
  3. 　前記チャンバは、
    　筒状のチャンバ本体と、
    　前記チャンバ本体の開放部分を閉塞し且つ一部に前記チャンバ本体内に発生するプラズマに含まれるイオンを前記チャンバ外へ放出するための放出孔が設けられた蓋体と、を有し、
    　前記プラズマ発生器は、
    　前記チャンバ本体の外側における前記チャンバ本体の底壁に対向する位置に配置され前記チャンバ本体の内側に存在する前記第１原料ガスに高周波を印加するためのコイルと、
    　前記コイルに高周波数の交流電流を供給する高周波電源と、
    　前記コイルにおける前記チャンバ本体の底壁側とは反対側に配置された第１磁石と、
    　前記チャンバ本体の外側における前記チャンバ本体の側壁を囲繞するように配置された第２磁石と、
    　前記蓋体における前記放出孔を囲繞する部位に設けられた第３磁石と、を有する、
    　請求項１または２に記載の特定種イオン源。
  4. 　前記チャンバ内に連通し、前記チャンバ内へ第１原料ガスを供給する原料ガス供給管と、
    　前記原料ガス供給管に介挿され前記第１原料ガスの供給を許容する開状態と前記第１原料ガスの供給を遮断する閉状態とをとりうる動力弁と、
    　前記動力弁と前記高周波電源とを制御する制御部と、を更に備え、
    　前記制御部は、前記動力弁を前記開状態にすると同時あるいは直前に前記高周波電源から前記コイルへ交流電流の供給を開始し、前記開状態にしてから予め設定された第１時間だけ経過した後、前記動力弁を前記閉状態にし、前記高周波電源から前記コイルへ交流電流の供給を開始してから予め設定された前記第１時間よりも長い第２時間だけ経過した後、前記高周波電源から前記コイルへの交流電流の供給を遮断するように、前記動力弁と前記高周波電源とを制御する、
    　請求項３に記載の特定種イオン源。
  5. 　前記第２時間の長さは、前記第１時間の長さの１０倍以上である、
    　請求項４に記載の特定種イオン源。
  6. 　前記第１磁石は、複数存在する、
    　請求項３から５のいずれか１項に記載の特定種イオン源。
  7. 　前記第１磁石は、円柱状であり、前記第１磁石の中心軸が前記コイルの中心軸と平行となるように配置されている、
    　請求項６に記載の特定種イオン源。
  8. 　前記選別部は、
    　前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向の磁場を発生させる磁場発生部を有する、
    　請求項１から７のいずれか１項に記載の特定種イオン源。
  9. 　前記加速部は、
    　電磁場を利用して前記チャンバ外へ引き出されたイオンを集束するためのアインツェルレンズを有する、
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の特定種イオン源。
  10. 　チャンバと、前記チャンバ内へ第１原料ガスを供給する第１原料ガス供給源と、前記チャンバ内に供給された前記第１原料ガスに高周波を印加することにより前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生器と、前記チャンバ内に発生したプラズマ中に含まれる前記第１原料ガスの元素のイオンを前記チャンバ外へ引き出すとともに、引き出されたイオンを予め設定された第１方向へ加速させる加速部と、前記加速部により加速されたイオンの中から特定種のイオンを選別して予め設定された第２方向へ出力する選別部と、を有する特定種イオン源と、
    　第２原料ガスを供給する第２原料ガス供給源と、
    　前記特定種イオン源により供給される特定種のイオンと前記第２原料ガスとを反応させる反応炉と、を備える、
    　プラズマ成膜装置。
  11. 　前記反応炉の外側における一部を囲繞する位置に配置され、電磁場を発生させることにより前記特定種のイオンに対応する元素と前記第２原料ガスの元素とを含む化合物のイオンを前記反応炉の内側の予め設定された領域にトラップする電磁場発生部を更に備える、
    　請求項１０に記載のプラズマ成膜装置。
  12. 　前記特定種のイオンは、酸素負イオン、水素負イオン、窒素負イオンおよび炭素負イオンを含む、
    　請求項１０または１１に記載のプラズマ成膜装置。
  13. 　前記特定種のイオンは、酸素負イオンのみである、
    　請求項１０または１１に記載のプラズマ成膜装置。
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