JPH01201467A

JPH01201467A - イオン源

Info

Publication number: JPH01201467A
Application number: JP63025603A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Matsuoka; 茂登松岡; Kenichi Ono; 小野　堅一
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1989-08-14
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JP2566602B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、試料基板上に各種材料の薄膜を形成し、また
は薄膜表面のエツチングまたは表面改質をするためのイ
オンを引き出す装置に関するものであり、特に高密度プ
ラズマによるスパッタリングを利用して各種イオンを高
電流密度、高効率で連続して長時間安定に引き出すため
の新規なスパッタ型イオン源に関するものである。

［従来の技術］従来から、プラズマ中で生じたイオンをグリッド等の引
出し機構を用いて引き出すいわゆるイオン源は、各種材
料および７Ｇ膜のエツチングまたは加工に各方面で広く
用いられている。中でも第１７図に示すような熱電子放
出用フィラメントを備えたカウフマン型イオン源がもっ
とも一般的に用いられている。カウフマン型イオン源は
プラズマ生成室１の内部に熱電子放出用のフィラメント
２を有し、このフィラメント２を陰極として電磁石３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４を発生させ、このプラズマ４中のイオンを数枚
の引き出しグリッド５を用いてイオンビーム６として引
出すものである。

従来のカウフマンイオン源に代表されるイオン源はプラ
ズマ生成用の熱電子をフィラメントを用いて取り出して
いるため、そのフィラメント材料がスパッタされ不純物
として引出されたイオンに含まれてしまう。さらにプラ
ズマ生成用ガスとして酸素等の反応性ガスを用いた場合
には、反応性ガスがフィラメントと反応し、長時間連続
したイオン引出しができないと言う大きな欠点があった
。しかも引出されるイオンはＡｒ等のガスを原料とした
ものに限られていた。金属イオン源として、アンテナ型
マイクロ波金属イオン源があるが、スパッタによるアン
テナの消耗により長時間連続してイオン引出しができず
、しかも大面積にわたるイオン引出しができない。

また従来のイオン源においては、プラズマ中のガスや粒
子のイオン化が十分でなく、しかもプラズマに投入され
た電力の殆どが熱エネルギーとして消費されていまい、
投入電力にしめるプラズマ形成（電１ＩＩＩ）に用いら
れる電力の割合が低いという欠点があった。

スパッタを利用したイオン源としては電子サイクロトロ
ン共［１％　（ＥＣＲ）を利用したマイクロ波放電によ
るスパッタ型イオン源（特開昭６２−２２４６８６号）
が提案されており、高効率のイオン源として種々の特徴
を持っている。

スパッタを利用して、大電流イオン源を実現するにはプ
ラズマ密度を高密度に高効率に保つ必要がある。そのた
めには、ターゲットから放出される二次電子（γ電子）
を効率的に閉じ込めることが重要であるが、上記の技術
では、この二次電子の閉じ込めが不十分で、高エネルギ
ー電子のエネルギーを有効にプラズマに伝えることがで
きず、大電流スパッタ型イオン源技術として十分とは言
い難い。

［発明が解決しようとする課題］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）であること、（２）不純物が少ない
こと、（３）イオンのエネルギーが広い範囲にわたって制御で
きること、（４）不活性ガスのみでなく金属イオン等の各種イオン
も取り出せること、が上げられる。

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
現されていない。

本発明は従来の欠点を改善し、上記各条件を満たし得る
イオン源を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］このような目的を達成するために、本発明はガスを導入
してプラズマを発生させるプラズマ生成室と、プラズマ
生成室の端部に設けられたイオン引出し機構と、プラズ
マ生成室内部の両端部に設けられたそれぞれスパッタリ
ング材料よりなる第１および第２のターゲットと、第１
および第２のターゲットにそれぞれプラズマ生成室に対
して負の電位を印加する少なくとも１個の電源と、プラ
ズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつ第１および第２
のターゲットの一方から出て他方に入る磁束を生成する
手段とを具えたことを特徴とする。

本発明はガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ
生成室と、一端部にマイクロ波導入窓を有し、他端部に
おいてプラズマ生成室に結合された真空導波管と、プラ
ズマ生成室の端部に設けられたイオン引出し機構と、プ
ラズマ生成室の内側面に沿って設けられたスパッタリン
グ材料よりなる円筒状のターゲットと、ターゲットにプ
ラズマ生成室に対して負の電位を印加する電源と、プラ
ズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつターゲットの一
端部から出て他端部に入る磁束を生成する手段とを具え
たことを特徴とする。

［作　用］本発明は、低い圧力のガス中で高密度プラズマを発生さ
せ、そのプラズマを用いたスパッタを行い、そこで生じ
たイオンを高電流密度、高効率に連続して引き出せるも
のである。すなわち本発明においては、プラズマ生成室
内の両端部にスパッタリング材料からなるターゲットを
設置し、プラズマ生成室の周囲に設けた磁石によってタ
ーゲットの一方から他方へ通ずる磁束を発生せしめると
共に、ターゲットにプラズマ生成室に対して負の電位を
印加することによって、ターゲットから放出される二次
電子（γ電子）をプラズマ中に反射する電界のミラー効
果を用い、ターゲット間に形成されている磁界の閉じ込
めを利用して低加速電圧、高密度プラズマを容易に生成
できる。本発明によれば高速電子のエネルギーがさらに
有効にプラズマに伝えられ、結果として、より高効率の
高密度プラズマ生成、ひいては大電流イオン引出しが可
能となる。

［実施例］以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明によるイオン源の実施例の断面図である
。プラズマ生成室７にはプラズマを生成するためのガス
が導入口８から導入されるようになっている。プラズマ
生成室７の一端部にはイオン引出用グリッド９が設けら
れている。本実施例ではグリッド９は２枚の多孔グリッ
ド９Ａおよび９Ｂからなり、各グリッドは絶縁体１０を
付してプラズマ生成室の底部をなす壁７Ａに取付けられ
、グリッド９Ａおよび９Ｂには電源１１＾および１１Ｂ
から負の電圧が印加される。プラズマ生成室７の内部の
他端部には平板状のターゲット１２が、グリッド９の近
傍には円筒状のターゲット１３が設けられている。

ターゲット１２は水冷可能な金属製支持体１２Ａに取り
はずし可能に固定され、支持体１２八はねじ蓋１２Ｂに
よってプラズマ生成室７の上部の壁７Ｂに固定される。

支持体１２Ａと壁７Ｂとは絶縁体１２Ｃによって絶縁さ
れている。同様にターゲット１３は水冷可能な金属製支
持体１３Ａに取りはずし可能に固定され、支持体１３Ａ
は絶縁体１３ｃを介してねし蓋１３Ｂによって壁７Ｃに
固定される。支持体１２＾および１３Ａのそれぞれの突
出端部１２０および１３０は電極を兼ね、直流電源１４
および１５からターゲット１２および１３にプラズマ生
成室７に対して負の電圧を印加することができる。プラ
ズマ生成室７には正の正位を印加するのが好ましい。プ
ラズマ生成室側のグリッド９Ａにはプラズマ生成室７に
対して一数十から一２００ｖの電圧を印加しておくと、
グリッドに加速されたイオンがグリッド上に堆積した膜
を取除く効果がある。

プラズマ生成室７の外周には、プラズマ生成室の内部に
磁界を形成するための電磁石１６が設けられている。電
磁石１６が発生する磁束１７が両ターゲット面を横切り
、磁束が一方のターゲットの表面からでて他方の表面に
入るように、電磁石１６およびターゲット１２と１３の
位置を定める。プラズマ生成室は水冷可能とするのが望
ましい。ターゲット１２および１３の側面をプラズマか
ら保護するために、プラズマ生成室の内面にはシールド
７Ｄおよび７Ｅを設けることが好ましい。

プラズマ生成室７内を高真空に排気した後、ガス導入口
８からガスを導入して、電磁石１６による磁界中でター
ゲット１２．１３に印加する電圧を増加すると放電を生
じプラズマが発生する。プラズマ中のイオンをイオンビ
ーム１８として引き出すことができる。ターゲット間の
磁束はターゲット表面から生成された二次電子（γ電子
）が磁界に垂直方向に散逸するのを防ぎ、さらにプラズ
マを閉じ込める効果をもち、その結果低ガス圧中で高密
度プラズマが生成される。

第２図は第１図に示したイオン源を利用した薄膜形成装
置の一例の断面図である。イオン引出用グリッド９を挟
んで試料室１９がプラズマ生成室７と結合されている。

試料室１９とプラズマ生成室７とは絶縁するのがよい。

試料室１９にはガス導入口２０からガスを導入すること
ができ、排気系２１によって高真空に排気することがで
きる。試料室１９内には基板２２を保持するための基板
ホルダ２３が設けられ、基板ホルダ２３とイオン引出し
グリッド９との間に開閉可能なシャッタ２４が設けられ
ている。

基板ホルダ２３にはヒータを内蔵して基板を加熱できる
ようにするのが好ましく、また基板２２に直流あるいは
交流の電圧を印加して膜形成中の基板へのバイアス電圧
の印加、基板のスパッタクリーニングが可能なように構
成するのが望ましい。

プラズマの生成に影響を与える要因は、プラズマ生成室
のガス圧、ターゲットへの役人電力、磁場分布、ターゲ
ット間距離等である。

引出したイオンのエネルギーは主にプラズマ生成室７と
イオン引出しグリッド９に印加する電圧の相対差である
加速電圧により制御することができる。

第３図に、第２図に示した薄膜形成装置における磁束方
向の磁場強度分布の例を示した。磁場は発散磁場である
。

ここで本発明のイオン源における高密度プラズマ生成の
原理を第４図により詳細に説明する。

プラズマ生成室にガスを導入し、ターゲット１２．１３
に負の電圧を印加して、ガス中に放電を生ぜしめ、ガス
を電離する。負電圧ＶａおよびＶａ’を印加されたター
ゲットに高速イオンが衝突するとそのターゲット表面か
ら高速の二次電子（γ電子）２５が放出される。このタ
ーゲットから放出されたγ電子２５は両ターゲットの電
界で反射され、両ターゲット間に走る磁束１７の回りを
サイクロトン運動しながらターゲット間を往復運動する
０両ターゲット１２．１３の電界はγ電子に対してミラ
ーとして作用する。γ電子はそのエネルギーが磁束の束
縛エネルギーより小さくなるまで両ターゲット間に閉じ
込められ、その間中性粒子との衝突によりイオン化が促
進される。また、そのターゲット間を往復する高速の電
子流（電子ビーム）はプラズマとの相互作用により中性
粒子の電離を一層加速する。以上のように、低いガス圧
中でも高密度のプラズマを生成できる。

本発明の装置では、１０””Ｔｏｒｒ台のより低いガス
圧でも放電が安定に形成でき、高速イオン引出しを実現
している。

次に、実施例のイオン源を用いてＡｊ２イオンを引出し
膜を形成した結果について説明する。試料室１９の真空
度を５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで排気した後、Ａｒガ
スを毎分２．５ｃｃ、および５ｃｃのフロー速度で導入
しプラズマ生成室７内のガスの圧を５　Ｘ　１０−’Ｔ
ｏｒｒおよびＩ　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒとして放電させ
た時の放電特性を第５図に示す。ここでは平板状ターゲ
ット１２に印加する電圧を一３００ｖに固定している。

いずれもある電圧から放電電流が雪崩的に増加する定電
流放電特性を示し、高密度プラズマの増殖が行われてい
ることを示している。本発明のイオン源では、円筒状タ
ーゲット１３と平板状ターゲット１２に印加する電圧は
第５図に示した例のように、それらが異なる場合でも十
分高密度なプラズマ生成ができる。また、それらの電圧
が同じである場合でも十分高効率なプラズマ生成が実現
できる。円筒状のＡ１ターゲット１３に投入する電力を
３００〜６００Ｗでスパッタを行った。第６図にイオン
引出し特性の例を示した。横軸のイオン引出し電圧はプ
ラズマ生成室７とグリッド９Ａとの相対的な電圧差であ
る。引出しイオンのエネルギーを３００ｅＶに固定して
基板ホルダは加熱しないで常温で膜形成を行った結果、
１〜ｌｏｎｍ／ｍｉｎの堆積速度で長時間連続して安定
に効率よく　八で膜を堆積できた。

第７図に本発明によるイオン源の他の実施例の断面図を
、第８図にこのイオン源を利用した薄膜形成装置の一例
の断面図を示す。

本実施例のイオン源は、スパッタを行うためのターゲッ
トが２個の円筒状ターゲット１３および２６である点が
第１図に示した実施例と異なっている。ターゲット２６
は水冷可能な金属製支持体２６Ａに取りはずし可能に固
定され、支持体２６ＡはねじＭ２６Ｂによって壁７Ｃに
固定され、かつ絶縁体２６Ｃによって壁７Ｃから絶縁さ
れている。支持体２６＾の突出端部２６Ｄは電極を兼ね
、電源２７からターゲット２６にプラズマ生成室に対し
て負の電圧が印加される。電磁石１６による磁束はター
ゲット２６および１３の一方の表面から出て他方の表面
に入る。

第９図に本実施例における磁束方向の磁場強度分布の一
例を示す。磁場は発散磁場である。

第１０図に示すように、本実施例−おいても負電圧Ｖａ
、Ｖａ’が印加されているターゲットに高速イオンが衝
突するとそのターゲット表面から高速の二次電子（γ電
子）２５が放出される。このターゲットから放出された
γ電子２５は両ターゲットの電界で反射され、両ターゲ
ット間に走る磁束１７の回りをサイクロトン運動しなが
らターゲット間を往復運動する。そして先に説明したの
と全く同様に本実施例においても低いガス圧中で高密度
のプラズマを生成することができる。

次に、本発明スパッタ型イオン源を用いてＡ４イオンを
引出し膜を形成した結果について説明する。試料室１９
の真空度を５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで排気した後、
Ａ「ガスを毎分５ｃｃ、およびｌｃｃのフロー速度で導
入しプラズマ生成室７内のガス圧を５×１Ｏ−３Ｔｏｒ
ｒおよび８　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとして放電させた時
の放電特性を第１１図に示す。ここでは両日筒状ターゲ
ットに印加する電圧を同じ値にしている。いずれもある
電圧から放電電流が雪崩的に増加する定電流放電特性を
示し、高密度プラズマの増殖が行われていることを示し
ている。本発明のスパッタ型イオン源では、円筒状ター
ゲット１３および２６に印加する電圧は第１１図に示し
た例のように、それらが同じ場合でも、またそれらが異
なる場合でも十分高密度なプラズマ生成ができる。

第１２図にＡ１イオンの引出し特性の例を示す。

円筒状のＡ文ターゲット１３および２Ｂに投入する電力
を３００〜６００Ｗでスパッタを行った。引出しイオン
のエネルギーを３０θｅｖに固定して基板ホルダは加熱
しないで常温で膜形成を行った結果、１〜１Ｏｎｎ＋／
ｍｉｎの堆積速度で長時間連続して安定に効率よく　へ
ｆ膜を堆積できた。

第１３図に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例
においては、スパッタ用のターゲットは１個の円筒状タ
ーゲット２８からなっている。ターゲット２８は水冷可
能な金属製支持体２８Ａに取りはずし可能に固定されて
いる。支持体２８Ａはねじ蓋２８Ｂによって壁７Ｃに固
定され、かつ絶縁体２８Ｃによって壁７Ｃから絶縁され
ている。支持体２８Ａの突出端部２８Ｄは電極を兼ね、
電源１５からプラズマ生成室７に対して負の電圧をター
ゲット２８に印加することができる。電磁石１６による
磁束１７はターゲット２８の一端部の表面から出て他端
部の表面に入る。本実施例のイオン源は第７図に示した
実施例と同様に動作する。

第１４図に本発明によるイオン源のさらに他の実施例の
断面図を示す。本実施例は第７図に示したイオン源の両
端部にイオン引出しグリッド９および２９を設け、イオ
ンビームをイオン源の両側から引出すようにしたもので
ある。本実施例において、イオン引出しグリッド２９は
２枚の多孔グリッド２９Ａ、２９Ｂよりなり、それぞれ
電源３０＾、３０Ｂによって負の電圧が印加されている
。

以上に示した各実施例において、電磁石１６によってプ
ラズマ生成室内に形成される磁界の最大値は１００Ｇ程
度で十分である。

電磁石１６に替えて永久磁石を用いることもできる。第
１５図は第１図に示したイオン源における電磁石を２個
の永久磁石３１および３２に置き替えたイオン源の断面
図であり、第１６図は第７図に示したイオン源における
電磁石１６を２個の永久磁石３２および３３によって置
き替えたイオン源の断面図である。ターゲット１２と１
３またはターゲット２６と１３の一方の表面から出て他
方の表面に入る磁束を発生させることによって、それぞ
れ第１図および第７図の実施例と同様に、高密度プラズ
マを生成し、大電流イオン源として用いることができる
。第１３図および第１４図に示した実施例における電磁
石を永久磁石に置きかえることも可能である。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明によれば高密度プラズマを
利用したスパッタを用いて、低いガス圧中で高効率のイ
オン引出しを連続して長時間安定に実現することができ
る。本発明によるイオン源は、損傷の少ない良質の膜を
低基板温度で高速度、高安定に連続形成することおよび
材料表面改質、あるいはエツチングに応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源の実施例の断面図、第２図は
第１図のイオン源を適用した薄膜形成装置の一例の断面
図、第３図は第２図に示した装置における磁束方向の磁場強
度分布を示す図、第４図は本発明のイオン源の高密度プラズマ生成機構を
説明する図、第５図は第１図のイオン源においてターゲットを＋ｌと
したときの放電特性の一例を示す図、第６図はイオン引
出し特性の一例を示す図、第７図は本発明のイオン源の
他の実施例の断面図、第８図は第７図のイオン源を適用した薄膜形成装置の一
例の断面図、第９図は第８図に示した装置における磁束方向の磁場強
度分布を示す図、第１θ図は第７図のイオン源の高密度プラズマ生成機構
を説明する図、第１１図は第７図のイオン源においてターゲットをＡＩ
Ｌとしたときの放電特性の一例を示す図、第１２図はイ
オン引出し特性の一例を示す図、第１３図ないし第１６
図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す断面図、第１７図は従来のカウフマン型イオン源の概要を示す断
面図である。１・・・プラズマ生成室、２・・・フィラメント、３・・・電磁石、４・・・プラズマ、５・・・イオン引出し用グリッド、６・・・イオンビーム、７・・・プラズマ生成室、８・・・ガス導入口、９．２９・・・イオン引出し用グリッド、１１Ａ、１１
Ｂ、１４，１５，２７．３ＯＡ、３０ト・・電源、１２
・・・平板状ターゲット、！３，２１ｔ、２Ｂ・・・円筒状ターゲット、１６・・
・電磁石、１７・・・磁束、１８・・・イオンビーム、１９・・・試料室、２２・・・基板、２３・・・基板ホルダ、２５・・・二次電子、３１．３２．３３・・・永久磁石。特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims

【特許請求の範囲】１）ガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ生成
室と、前記プラズマ生成室の端部に設けられたイオン引出し機
構と、前記プラズマ生成室内部の両端部に設けられたそれぞれ
スパッタリング材料よりなる第１および第２のターゲッ
トと、該第１および第２のターゲットにそれぞれ前記プラズマ
生成室に対して負の電位を印加する少なくとも１個の電
源と、前記プラズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつ前記第
１および第２のターゲットの一方から出て他方に入る磁
束を生成する手段とを具えたことを特徴とするイオン源
。前記プラズマ生成室の端部に設けられたイオン引出し機
構と、前記プラズマ生成室の内側面に沿って設けられたスパッ
タリング材料よりなる円筒状のターゲットと、該ターゲットに前記プラズマ生成室に対して負の電位を
印加する電源と、前記プラズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつ前記タ
ーゲットの一端部から出て他端部に入る磁束を生成する
手段とを具えたことを特徴とするイオン源。