JPH089778B2

JPH089778B2 - イオン源

Info

Publication number: JPH089778B2
Application number: JP23082986A
Authority: JP
Inventors: 茂登松岡; 堅一小野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1986-09-29
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPS6386864A

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ツタリングを利用
してイオンを生成し、そのイオンを引きだすことにより
各種薄膜の形成やエツチングを行うのに利用すくための
高効率，大収量イオン源に関するものである。

〔従来の技術〕

従来からプラズマを利用した各種イオン源は、そのイ
オンを利用してターゲツトをスパツタして薄膜形成に用
いる、いわゆるイオンビームスパツタ装置や、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り、そ
の種類も、カウフマン型やデユオプラズマトロン型など
多様である。中でもカウフマン型のイオン源は広く用い
られているが、これは第５図に示したように、プラズマ
発生室１′の内部に熱電子放出用のフイラメント２を有
し、このフイラメント２を陰極として放電を電磁石３に
よつて発生した磁界中で起こさせることによりプラズマ
10を発生させ、このプラズマ10中のイオンの数枚の引き
出しグリツド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イラメント２を
用いているため、イオンの種類、すなわちプラズマ発生
室１′に導入するガスの種類としてはArなどの不活性ガ
ス等に限られていた。すなわち、反応性のガスを用いれ
ばフイラメント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
フイラメント２の経時変化に伴う特性の劣化、フイラメ
ント２の交換などの保守上の問題、さらにはフイラメン
ト２の取付状態の変化によるイオン引き出し分布の変化
により再現性が損われるなどの欠点があつた。加えて熱
電子放出用のフイラメント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イラメン
ト材料、例えばタングステンが不純物として混入してい
るという問題があつた。またそうしたイオン源から取り
出せるイオンは、先に述べたように不活性ガス等のイオ
ンに限られており、Al（アルミニウム）やCu（銅）やFe
（鉄）といつた金属イオンを取り出すことは本質的に不
可能であつた。以上のことはデユオプラズマトロン型の
イオン源でも同様である。

一方イオン源を膜形成やエツチング用に用いる場合に
は、取り出すイオンの電流密度はできるだけ多い方が望
ましいが、従来のイオン源では、イオンの量が通常のフ
イラメントから放出される電子の量に依つているため、
本質的に大収量のイオン源を作ることはできなかつた。
さらに従来のイオン源では、プラズマ発生室内では10^-3
Torr以下の低ガスでは放電が安定に形成できず、それだ
け多く取り出したイオン中に不純物が含まれるという欠
点があつた。

イオン源として望まれる条件を以下にまとめると（１）大収量（大イオン電流）であること、（２）不純物が少ないこと、（３）イオンのエネルギが広い範囲にわたつて制御で
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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は従来の問題点を解決するため、高い活性度の
高密度プラズマを局所的に発生させ、スパツタを起こさ
せることによりターゲツト材料をイオン化し、高純度の
各種材料のイオンを高電流密度で引き出し、試料基板上
に各種材料の薄膜形成やエツチングを行うイオン源を提
供するもので、マイクロ波導波管に接続されたマイクロ
波導入窓を一端に有し、マイクロ波進行方向に順次結合
したプラズマ生成室および試料室を備えた真空槽で構成
し、前記プラズマ生成室は、前記真空槽内に導入したマ
イクロ波が共振するマイクロ波空胴共振器を形成する径
および長さを有し、かつ中央部の内壁に配置した、負電
圧を印加しプラズマ中のイオンを引込みスパツタする円
筒状ターゲツトと、その円筒状ターゲツトの内側表面に
磁束がもれるように円筒状ターゲツトの上下両端外側に
極性を逆にした少なくとも１対のリング状永久磁石と、
前記マイクロ波導入窓と対向する他方の端に配置した、
前記スパツ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ツドと、両端外側に周設し
た、電子サイクロトロン共鳴を引き起すに必要な磁束密
度を形成し、かつプラズマ生成室内で、前記マイクロ波
導入窓を端部に有するマイクロ波導入部および前記グリ
ツ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
印加させた円筒状ターゲツトと、その内側表面に適当な
磁束密度を得るようなリング状永久磁石とを配置して高
密度プラズマ中のイオンをターゲツトに引き込み、高速
にスパツタを行い、次にそのスパツタされた粒子を高活
性のプラズマ中でイオン化して引き出し、電極で高純度
のイオンを選択的に取り出すことができる。以下図面に
もとづき実施例について説明する。

〔実施例〕

第１図は本発明の構成概要図であり、第２図は本発明
のイオン源を薄膜形成装置に適用した実施例であつて、
第５図の同じ符号は同じ部分を示す。１はプラズマ生成
室、５は円筒状ターゲツト、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245GHzのマグ
ネトロンを用い、マイクロ波導入窓６から外部方向に導
波管７、更に図示しない整合器、マイクロ波電力計、ア
イソレータ等のマイクロ波導入機構を経て接続される。
ガス導入系はプラズマ生成室１に直接接続される。マイ
クロ波導入窓６と対向する他端には、格子状又ははちの
巣状のイオン引き出しグリツド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、一例として円形空胴共振モードTE₁₁₈を採用し、内
のりで直径20cm、高さ20cmの円筒形状を用いてマイクロ
波の電界強度を高め、マイクロ波放電の効率を高めるよ
うにした。プラズマ生成室１の側面の一部に水冷が可能
な円筒状ターゲツト５と、その円筒状ターゲツト内側表
面に磁束がもれるように、円筒状ターゲツトの上下両端
外側に極性を逆にした少なくとも１対のリング状永久磁
石14とを配置して、その円筒状ターゲツトには−1.5KV,
10Aまでの負の電圧が印加できるようにした。プラズマ
生成室１の下端のイオン引き出しグリツド４は直径10cm
の大きさで、マイクロ波導入窓６に対向するグリツド面
はマイクロ波に対する反射面ともなり、プラズマ生成室
１が空胴共振器として作用している。

プラズマ生成室１の外側両端には電磁石８を周設し、
これによつ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245GHzのマイクロ波に対しては、電子サイクロト
ロン共鳴の条件は、磁束密度875Gであるため両端の電磁
石８は最大磁束密度3000G程度まで得られるように構成
する。二つの電磁石８が適当な距離を置くことによりプ
ラズマ生成室１で最も磁束密度が弱くなる、いわゆるミ
ラー磁場配置をとることは、電子サイクロトロン共鳴に
よつ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
もつている。なお第２図で11は試料室、12は基板であ
る。

第３図に本発明のイオン源の磁場配置および発生イオ
ンの運動の原理図を示す。第２図と同じ符号は同じ部分
を示す。

ここでプラズマを形成するときのパラメータは、プラ
ズマ生成室内のガス圧、マイクロ波のパワー、ターゲツ
トの印加電圧及びミラー磁場の勾配（磁気コイル部の最
大磁束密度Bmと両電磁石のコイル中心位置のプラズマ生
成室内での最小磁束密度Boの比:Bm/Bo）及び両コイル間
の距離等である。ここで、例えば245GHzの周波数のマイ
クロ波に対しては、前述のようにプラズマ生成室内での
最小磁束密度Boを875G以下に、電磁石の磁気コイル中心
部の最大磁束密度Bmを1kGから3kG程度まで変化できるよ
うにして磁場の勾配を変化することができる。ここで、
電子サイクロトロン共鳴条件である磁束密度875Gは、プ
ラズマ生成室内のいずれかの点で達成されていればよ
い。

プラズマ中の荷電粒子は、このように磁界が空間的に
ゆるやかに変化している場合には、磁力線13に拘束され
て、磁力線13の回りをスパイラル運動しながら、角運動
量を保持しつつ磁束密度の高い部分で反射され、結果と
してミラー磁場中の往復運動し、ひいては閉じ込めが実
現される。ここで前述したミラー磁場の勾配:Bm/Boはプ
ラズマ閉じ込め効率に大きな影響をおよぼす。以上によ
うにして閉じ込められた高密度プラズマに面した円筒状
ターゲツト５に負の電圧を印加させることにより、高密
度プラズマ中のイオンを円筒状ターゲツト５に効率よく
引き込みスパツタを起こさせる。その円筒状ターゲツト
に引き込まれたイオンがターゲツト表面に衝突すると、
そのターゲツト表面から２次電子が放出される。この２
次電子は、ターゲツト印加電圧に相当する大きなエネル
ギーでターゲツトから遠ざかるように加速される。

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

一方、円筒状ターゲツ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14によつてターゲツト表面に
漏えいする磁界はこの２次電子の閉じ込めに有効に作用する。その原理
を第４図（ａ）（ｂ）を用いて説明する。同図（ａ）は
上面図，（ｂ）は側面図を示す。

ターゲツト印加電圧によつて形成されたターゲツト表
面の電界で加速された２次電子は、磁界で偏向され、ターゲツト方向に再び引きもどされる。し
かしまた電界によつて逆方向に加速され、以上の過程をくり返しなが
ら、結果として高速の２次電子は方向、即ちターゲツト内径方向にドリフト運動しその間
に中性の粒子との衝突を繰返して行く。その結果、高高
率なガスのイオン化ひいてはより高効率なスパツタリン
グが、より低いターゲツト印加電圧で達成されることに
なる。さらに、円筒状ターゲツト５からスパツタされ
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。一方ここで前述のイ
オン引出しグリツドがない場合には、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くなり、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ヤル差が電子の平均
エネルギに匹敵した時に平衡し、この電界は電子に対し
ては減速、イオンに対しては加速電界として働いて両種
の放出量がほぼ同じになる。即ち、こうしたミラーによ
る空間電荷効果による損失は、このプラズマを薄膜形成
装置の観点から見れば、その電位差に相当するエネルギ
を持つたイオンをプラズマから取り出すことを意味して
いる。このエネルギは、マイクロ波のパワーやガス圧に
大きく依存し、数eVから数百eVまでの広い範囲で自由に
制御することができる。しかもターゲツトと基板が直交
した位置にあるため、ターゲツトからの負イオンや中性
の高エネルギ粒子が直接引き出し孔から出ることはな
く、引き出した粒子のエネルギは分散が小さいものにな
る。

加えてプラズマ中には粒子間衝突による粒子の散乱が
存在することから、その衝突散乱によるプラズマ密度の
時間的減少の緩和時間は、プラズマ中のイオンエネルギ
が低いほど小さいため、ミラー端部から逃げる粒子群の
平均エネルギはプラズマ内部の粒子群の平均エネルギの
数分の１になる。即ち、プラズマ中のイオン化には、よ
り高いエネルギで（高活性で）行い、またイオンを外へ
取り出して、例えば膜とする場合には、数分の１のより
小さいエネルギでイオンを取り出すことができることを
意味しており、この磁場配置をもつスパツタ型イオン源
は高速，高効率，高純度薄膜形成装置としても理想的な
性質をもつていることを示している。

一方イオン引き出しグリツドを設けた場合には、その
グリツドに印加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eVから数十KeVまでの範囲で任意
のエネルギをもつた大収量のイオンを引き出すことがで
きる。しかもこの場合、引き出した粒子のほとんどがイ
オン化されている。

また本発明の装置は、高密度プラズマを利用したスパ
ツタリングによつてイオンを形成するため、種種の金属
イオンや各種化合物のイオンを極めて大電流密度で取り
出すことができるので、各種薄膜形成やエツチング用の
イオン源として極めて優れた特徴を有している。

さらに本発明ではプラズマを活性にしていることか
ら、より低いガス圧（10^-5Torr）でも放電が安定に形成
でき、それだけ不純物の少ないイオンを取り出せるとい
う特徴を有している。

さらに本発明では、電子サイクロトロン共鳴による加
熱を利用しているため、プラズマ中の電子温度を自由に
制御できる。このため、多価イオンが生成できるほどの
電子温度も実現できるので、結果として、その多価イオ
ンを引き出して化学的に不安定な材料も合成できるとい
う優れた特徴をもつている。

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、ターゲツトから放出さ
れた中性のスパツタ粒子がプラズマ中でイオン化された
割合が高いが、このイオン化されたターゲツト構成粒子
がまたターゲツトの電位で加速されて、またターゲツト
をスパツタする、いわゆるセルフスパツタの割合も極め
て大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガス（例えばAr）
がごく希薄な、あるいは用いない場合でも上述のセルフ
スパツタを持続し、ひいては超高純度のイオンの引き出
しや、そのイオンを用いた膜形成も実現できるという特
徴をもつている。

次に本発明装置を用いてAl膜を形成した結果について
説明する。プラズマ形成室内の真空度を５×10^-7Torrま
で排気した後Arガスを導入し、プラズマ生成室内のガス
圧を３×10^-4Torrとして、マイクロ波電力100〜800W、
ターゲツト印加電圧300〜1KV、ターゲツト表面での磁束
密度400G、ミラー磁場勾配（2KG/700G）の条件で膜を形
成した。このとき、イオン引き出しグリツドを用いて80
eV〜1000eVのエネルギを持つたAl⁺イオンを引き出し
て、そのグリツドの下に配置した基板上に５〜120Å/mi
nの堆積速度で効率よく膜形成ができた。その際、ター
ゲツト外に周設した永久磁石のために、その永久磁石が
ない場合に比べ、より低いターゲツト電圧で高速スパツ
タが実現できている。またグリツドを用いない場合に
は、5eVから20eVのエネルギをもつた、その10〜30％が
イオン化した粒子を引き出すことができ、いずれの場合
も従来の方法に比べ高速，高効率で厚さ２μｍ以上の膜
をクラツクや剥離を生じることなく高速安定に形成でき
た。

本発明のイオン源はAl膜の形成のみならず、ほとんど
すべての薄膜の形成やエツチング用のイオン源として用
いることができ、また導入するガスを反応性のガスにす
ることで化合物のイオンビーム堆積も実現することがで
きる。なお、本発明では、ミラー磁場を得るために磁気
コイルを用いているが、これは種種の永久磁石あるいは
それらを組み合わせたものを用いてミラー磁場を形成し
ても全く同様の効果をもつことは明らかで、さらにミラ
ー磁場の勾配を非対称にしてもよいことは言うまでもな
い。

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

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はプラズマ生成に電子サ
イクロトロン共鳴条件によるマイクロ波放電を用い、ミ
ラー磁界によつ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ツトに引き込
みスパツタを実現し、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、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べ極めて高電流密度でイオン引
き出しが実現でき、しかも各種の高純度金属イオンや化
合物イオン堆積やエツチングが実現でき、加えてそのイ
オンのエネルギが数eVから数KeVまでの広い範囲で自由
に制御できるという優れた特徴を有している。また本発
明では、円筒状ターゲツトの外側に配置したリング状の
永久磁石の効果により、この構成を具えないものに比較
してターゲツト印加電圧を低くして高効率のスパツタが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源の構成概要図、第２図は本発明のイオン源を用いて実現された薄膜形成
装置の実施例、第３図は本発明のイオン源の磁場配置図及びそれによつ
て生じるイオンの運動と電位分布の概略図、第４図（ａ）（ｂ）はリング状永久磁石の効果を説明す
る本発明装置の上面図及び側面図、第５図はカウフマン型イオン型の構成図である。１……プラズマ生成室１′……プラズマ発生室２……熱電子放出用フイラメント３……プラズマ収束用電磁石４……イオン引き出しグリツド５……円筒状ターゲツト６……マイクロ波導入窓７……マイクロ波導波管８……ミラー磁界発生用電磁石９……イオンビーム 10……プラズマ 11……試料室 12……基板 13……磁力線 14……永久磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高密度プラズマによるスパツタリングで生
成したイオンを引き出し、試料基板上に各種材料の薄膜
形成やエツ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一端
に有し、マイクロ波進行方向に順次結合したプラズマ生
成室および試料室を備えた真空槽で構成し、前記プラズマ生成室は、前記真空槽内に導入したマイクロ波が共振するマイクロ
波空胴共振器を形成する径および長さを有し、中央部の内壁に配置した、負電圧を印加しプラズマ中の
イオンを引込みスパツタする円筒状ターゲツトと、その円筒状ターゲツトの内側表面に磁束がもれるよう
に、円筒状ターゲツトの上下両端外側に極性を逆にした
少なくとも１対のリング状永久磁石と、前記マイクロ波導入窓と対向する他方の端に配置した、
前記スパツ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ツドと、両端外側に周設した、電子サイクロトロン共鳴を引き起
すに必要な磁束密度を形成し、かつプラズマ生成室内
で、前記マイクロ波導入窓を端部に有するマイクロ波導
入部および前記グリツ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
の備えてなることを特徴とするイオン源。