JPH04276067A

JPH04276067A - 金属プラズマ源

Info

Publication number: JPH04276067A
Application number: JP3057654A
Authority: JP
Inventors: Masaru Shimada; 勝嶋田; Yasuhiro Torii; 鳥居　康弘; Iwao Watanabe; 巌渡辺
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1992-10-01

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成，イオン注入
等のＬＳＩ，半導体プロセス技術や、表面処理技術等へ
適用するための金属プラズマ源に関し、特に、マイクロ
波励起による電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用い
た金属プラズマ源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、イオンやプラズマのエネルギーを
制御して高品質の薄膜を形成したり、金属の表面処理を
行ったりする技術が注目されている。この技術の実現に
は、各種金属イオン，プラズマを高密度で生成する必要
がある。このような金属イオン，プラズマを高密度で生
成するための金属プラズマ源としては、（ａ）金属化合
物ガスを用いて金属をイオン化する方式、（ｂ）金属タ
ーゲットをスパッタすることにより金属イオンを生成す
る方式がある。（ａ）の方式では、生成できる金属イオ
ン種に制限があり、また不純物が多くなるために適応範
囲が限られるという問題がある。一方、（ｂ）の方式は
、ほとんど全ての金属イオン種が得られために幅広い適
応が期待できる。このような（ｂ）の方式の金属プラス
マ源としては、種々の方式のものが検討されているが、
その中でもマイクロ波励起によるＥＣＲ放電（電子サイ
クロトロン共鳴放電）を利用したスパッタ型ＥＣＲプラ
ズマ源がが注目されている。この放電方法は、以下のよ
うな優れた特徴を有している。 ■無電極放電であり寿命が長く、反応性ガスを使用でき
る。 ■低ガス圧（１×１０−５Ｔｏｒｒ）で放電可能であり
、不純物の発生が少ない。 ■高密度のプラズマを生成できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
スパッタ型ＥＣＲプラズマ源では、プラズマ生成室内に
マイクロ波が伝搬するように構成されており、そのため
マイクロ波周波数に対応したある大きさ（マイクロ波周
波数２．４５ＧＨｚの場合、円筒形プラズマ生成室で直
径７２ｍｍ）以下には小型化できなかった。そのため、
ＥＣＲ磁界を発生させるためのコイルも非常に大きくか
つ重くなり、プラズマ源として実際の装置に取り付ける
ことは容易ではなかった。しかし、ＭＢＥやイオンビー
ムスパッタなどの各種薄膜形成技術に幅広く適用するた
めには、装置に簡単に取り付けられる必要があり、ＥＣ
Ｒプラズマ生成源の大幅な小型化が望まれている。この
種の小型化を行なったＥＣＲプラズマ源としては特願昭
６１−２７１９０９号に開示されているものがある。し
かし、このようなプラズマ源では、プラズマの密度が高
くなる、すなわちプラズマの比誘電率が大きくなるにつ
れて、プラズマのインピーダンスが大きく変化するため
、プラズマ密度が高くなるとマイクロ波とプラズマのイ
ンピーダンス整合がうまくとれないという問題があった
。また、ＥＣＲプラズマの高密度化を図ったものとして
、特願昭６２−１９８３０７号に開示されているものが
ある。これは、マイクロ波導入窓を多層の誘電体で構成
することでマイクロ波とプラズマのインピーダンス整合
をとり、高い密度のプラズマの生成を可能にしたもので
ある。しかしながら、導波管・マイクロ波導入窓・プラ
ズマ生成室の大きさをマイクロ波が伝搬できないぐらい
小さくした場合、導波管部をマイクロ波が通過できない
ためインピーダンス整合をとった最適な多層構成を設計
することはできなかった。

【０００４】さらに、金属粒子をスパッタによりプラズ
マ室内に供給した場合、その金属粒子が誘電体で構成さ
れたマイクロ波導入窓に付着して金属膜を形成してしま
い、マイクロ波がプラズマ室内に導入されなくなるとい
う問題があった。このため、金属イオンを生成した場合
は、プラズマ源を短時間しか動作できなかった。寿命を
長くするために、マイクロ波導入窓をプラズマ生成室か
ら離した場所に設置して金属膜の付着を防止することが
行われているが（特願昭６２−３５８０１号）、これで
はプラズマとマイクロ波の最適なインピーダンス整合が
できず、高密度プラズマを生成することは難しかった。本発明の目的は、高密度の金属イオン・プラズマを生成
できる長寿命の小型の金属プラズマ源を提供することに
ある。

【０００５】

【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、マイクロ波導入導波管の内部に誘
電体を設け、マイクロ波導入窓には導入導波管内の誘電
体と誘電率の異なる誘電体を少なくとも１層設けて高密
度プラズマとマイクロ波のインピーダンス整合を行い、
電圧印加可能な金属粒子供給用のスパッタターゲットを
設けたものである。また、スパッタターゲットを、プラ
ズマ生成室内に設置すると共にターゲット表面からマイ
クロ波導入窓を見込めない形状にしたものである。

【０００６】

【作用】このような構成により、プラズマとマイクロ波
のインピーダンス整合がとれ、高密度プラズマが生成さ
れて大量の金属粒子をスパッタできる。さらに、スパッ
タ粒子は直進するためにマイクロ波導入窓へのスパッタ
粒子の付着が起こらず、動作が安定で長寿命が得られる
。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の詳細を実施例に沿って説明す
る。図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。同
図において、１は誘電体を挿入したマイクロ波導入導波
管、２は多層の誘電体で構成したマイクロ波導入窓、３
はプラズマ生成室、４は磁気コイル、５はガス導入孔、
６はスパッタリングターゲット、７はターゲットホルダ
ー、８Ａ，８Ｂはイオン引き出し電極系、９はイオンビ
ーム、１０はフランジ、１１はスパッタ電源、１２Ａ，
１２Ｂは引き出し電源、１３は同軸導波管変換器である
。マイクロ波は同軸ケーブルにより同軸導波管変換器１
に導入される。本実施例では、同軸ケーブルを用いてマ
イクロ波を導入する例を示したが、導波管を用いて導入
してももちろんよい。同軸導波管変換器１３に導入され
たマイクロ波は、導波管モードに変換され、マイクロ波
導入導波管１、マイクロ波導入窓２を通してプラズマ生
成室３に導入される。

【０００８】マイクロ波導入導波管１は出口側のサイズ
がプラズマ生成室３と同程度すなわちマイクロ波の遮断
領域であるため、通常のテーパ導波管ではマイクロ波が
伝搬しない。そこで、誘電率の高い誘電体を充填し、マ
イクロ波を伝搬させている。誘電体を充填した場合、誘
電率の１／２乗に逆比例して導波管を小さくできる。本
実施例では、誘電体として誘電率９のアルミナを使用し
ているため、１／３まで導波管を縮小できる。マイクロ
波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、それに対応した通
常の導波管のサイズは、矩形導波管の場合は９６ｍｍ×
２７ｍｍ、円形導波管の場合は直径８４ｍｍである。従
って、アルミナを充填した場合、それぞれ３２ｍｍ×９
ｍｍ、直径２８ｍｍの導波管が使用できる。また、導波
管１の入口側の誘電体にＶ字形の切込みを入れて誘電体
の断面積が徐々に増加するようにしている。これにより
、インピーダンスがなめらかに変化し、同軸導波管変換
器１３とマイクロ波導入導波管１の接続部でのマイクロ
波の反射を抑えることができる。本実施例ではＶ字形の
切込みを入れているが、誘電体の断面積が滑らかに変化
しているならば他の形状でもよい。

【０００９】マイクロ波はこのような導入導波管１を通
って、マイクロ波導入窓２まで伝搬する。マイクロ波導
入窓２には多層の誘電体を用いている。本実施例では２
層構成としてあり、導波管側に真空を封止するために石
英２Ａを、プラズマ生成室３側にインピーダンス整合用
にアルミナ２Ｂを用いている。高電圧を印加してイオン
ビームを引き出す場合は、逆流電子に対する耐性を高め
るため、さらにボロンナイトライト（ＢＮ）等の高熱伝
導率をもち融点の高い誘電体をプラズマ生成室３側に設
置し３層構成としてもよい。誘電体材料としては、石英
、アルミナ、ボロンナイトライト以外でも、誘電損が少
なく、耐熱性の高い材料であれば使用可能である。また
、誘電率が高い誘電体を用いれば１層構成も可能である
が、次に述べるプラズマとのインピーダンス整合の観点
から導入導波管内の誘電体と異なる誘電率をもつほうが
よい。

【００１０】プラズマ生成室３はマイクロ波が伝搬でき
ない大きさ（マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚの場合、
直径７２ｍｍ以下）で直径５０ｍｍであるが、マイクロ
波導入窓２からプラズマ生成室３側にわずかにマイクロ
波が漏れる。漏れたマイクロ波により、わずかにでもプ
ラズマが生成すれば、プラズマ生成室３内の誘電率が大
きくなり、マイクロ波が伝搬できるようになって、定常
的にプラズマが生成される。しかし、高密度プラズマを
生成するには、プラズマが誘電率を持つためにマイクロ
波とのインピーダンス整合を正確にとる必要があり、そ
のため各誘電体の厚みを最適に設計しなければならない
。特願昭６２−１９８３０７号に高密度プラズマを生成
するための設計法が開示されているが、本実施例のよう
に誘電体を含んだテーパ導波管を用いている場合は適用
できない。

【００１１】しかし、導波管には無限遠まで誘電体が充
填されているという近似をすれば、各誘電体の厚みは以
下の計算手法により決定することができる。図２は、本
マイクロ波プラズマ源の模式図である。同図において、
２１は誘電体を充填した導入導波管１に対応し、２２は
多層のマイクロ波導入窓２、２３はプラズマ生成室３に
対応している。以下の計算では断面形状はすべて半径ａ
の円形としてあるが、各部分の断面形状が異なる場合は
各形状にあったインピーダンスの式を用いればよい。

【００１２】マイクロ波の自由空間での波長をλとし、
導入導波管部２１内の遮断波長をλｃ、比誘電率をεｗ
とする。また、マイクロ波導入窓部２２中の誘電体でｎ
層目のもののマイクロ波の管内波長をλｎ、比誘電率ε
ｎ、厚さをｌｎ、インピーダンスをＺｎとし、プラズマ
生成室部２３内の比誘電率をεｐ、インピーダンスをＺ
ｐとする。マイクロ波導入窓部２２の（ｎ−１）層目の
誘電体とｎ層目の誘電体との境界からプラズマ生成室部
２３側をみたインピーダンスＲｎは（１）式のようにｎ
個の式で表わされる。Ｒｎ＝Ｚｎ（Ｚｐ＋ｊＺｎｔａｎθｎ）／（Ｚｎ＋ｊＺ
ｐｔａｎθｎ）Ｒｎ−１＝Ｚｎ−１（Ｒｎ＋ｊＺｎ−１
ｔａｎθｎ−１）／（Ｚｎ−１＋ｊＲｎｔａｎθｎ−１
）　　　　　　・　　　　　　・Ｒ１＝Ｚ１（Ｒ２＋ｊＺ１ｔａｎθ１）／（Ｚ１＋ｊＲ
２ｔａｎθ１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　・・・・・（１）ここで、θ＝２
πｌｎ／λｎである。ただし、λｃは、導入導波管１が
ＴＥ１１モードの円形導波管の場合は３．４１２５ａ、
ＴＥ１０モードの矩形導波管の場合は２ｂ（ｂは矩形の
長手方向の長さ）である）

【００１３】（１）式によりＲｎ，Ｒｎ−１，・・・・
と順次計算することで、Ｒ１が求められる。Ｒ１が求め
られれば、プラズマ生成室３へのマイクロ波の透過率は
（２）式により求められる。　　｜Ｔ｜２＝１−｜Ｒ１−１｜２／｜Ｒ１＋１｜２　
　　　　　　　　　　　・・・・・（２）上述の計算を
実行するには、プラズマの比誘電率εｐを決める必要が
ある。以下に述べるように理論式と実験結果より求め、
εｐ＝１００としている。プラズマの比誘電率εｐは、
プラズマ周波数をωｐ、電子サイクロトロン周波数をω
ｃ、入射マイクロ波周波数をωとすると、次の（３）式
のように表わされる（衝突は無視、電子温度は０と仮定
）。　　εｐ＝１−（ωｐ／ω）２／（１−ωｃ／ω）　　
　　　　　　　　　　　・・・・・（３）ここで、ωｐ
、ωｃは次式で表わされる。　　ωｐ＝（４πｅ２ｎｅ／ｍｅ）１／２　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（４
）　　ωｃ＝ｍｅ／ｅＢ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・・・（５）ただし、ｎｅはプラズマ密度、ｍｅは電子
の質量、ｅは電子の電荷量である。実験により最適な動
作条件からωｃ／ω＝１．１０であり、生成プラズマの
密度を１０１２ｃｍ−３以上とするためには、（ωｐ／
ω）２＝１．３４以上が必要である。これらの値を（３
）式に代入すると、εｐ＝１００となる。

【００１４】図３に、マイクロ波導入窓部２２が１層の
場合の上述の方法による計算例を示す。導入導波管部２
１に誘電体としてアルミナ（誘電率９）を充填し、マイ
クロ波導入窓部２２は石英（誘電率４）１層だけの構成
としてある。横軸は石英の厚さ、縦軸が透過率を示す。石英の厚さを変化させるに従い、透過率は大きく変化す
るが、最大でも６５％程度しか得られない。これは、■
内径がマイクロ波の伝搬領域より小さい、■プラズマの
比誘電率εｐが１００と大きいために石英１層だけでは
インピーダンス整合がとれないからである。また、同図
から分かるようにマイクロ波導入窓を石英１層の代わり
にアルミナ１層としても透過率は６５％程度しか得られ
ない。

【００１５】図４に２層の場合の計算例を示す。マイク
ロ波導入窓は石英とアルミナの２層構成としてある。横
軸はアルミナの厚さ、縦軸がマイクロ波のプラズマへの
透過率である。石英の厚さは或る値に固定してある。図
４から明らかなように、アルミナの厚さに対して透過率
は大きく変化し、最適な厚さ１．１ｃｍでは透過率はほ
ぼ１００％が得られる。従って、プラズマの比誘電率ε
ｐが１００と大きい高密度プラズマでは、２層以上の誘
電体を組み合わせる必要があることが明らかである。本
実施例では、２層のマイクロ波導入窓はこの透過率が１
００％となる厚さの組み合わせとしてある。

【００１６】図５に実験結果を示す。同図では、透過率
がほぼ１００％（曲線Ｓ１）の場合のマイクロ波導入窓
構成の場合と、透過率が４３％（曲線Ｓ２）の構成の場
合のプラズマ密度のマイクロ波パワー依存性を比較して
ある。実際に得られるプラズマ密度は透過率が大きいほ
ど高く、透過率１００％構成の場合、１桁程度高いプラ
ズマ密度１０１３ｃｍ−３が得られる。このように、多
層の誘電体を用いてマイクロ波導入窓を構成すると、プ
ラズマ生成室をマイクロ波の伝搬モードより大幅に小型
化しても、インピーダンス整合をとることができ、１０
１３ｃｍ−３以上の高いプラズマ密度を得ることができ
る。本実施例は、プラズマ生成室がマイクロ波の伝搬で
きない大きさの場合であるが、プラズマ生成室が通常の
大きさの場合ももちろん上述の計算法は適用できる。

【００１８】スパッタリングターゲット６は円筒状でか
つ断面が逆くさび形をしている。これは、スパッタされ
た金属粒子がマイクロ波導入窓のアルミナ３Ｂへ付着し
てマイクロ波が導入されなくなるのを防ぐためのもので
あり、スパッタリングターゲット６の表面からこのアル
ミナ３Ｂの面が全く見えない構造になっている。図６は
、スパッタリングターゲット６と導入窓のアルミナ３Ｂ
との位置関係を示した図である。スパッタされた金属粒
子は数ｅＶの運動エネルギーをもち、また、低ガス圧中
（〜１０−４Ｔｏｒｒ）なので、他の粒子と衝突せずに
直進する。そのため、ほとんどの金属粒子は、プラズマ
生成室３の壁に衝突・付着し、導入窓のアルミナ３Ｂに
は付着しない。したがって、この構造により長時間、安
定にイオン源の動作を行うことが可能となる。

【００１９】スパッタリングターゲット６への電圧印加
は、スパッタ電源１１からフランジ１０を通して行う。スパッタリングターゲット６の材料としては、Ｃｕ，Ｗ
，Ｔａ，Ｆｅなどの導電性のある材料ならターゲット電
圧に直流を用いて使用することができる。非導電性の材
料の場合は、ターゲット電圧をＲＦ（高周波）で印加す
れば同様に使用できる。ターゲットホルダー７は、スパ
ッタリングターゲット６を保持すると共に冷却の機能も
有している。このため、ターゲットホルダー７とスパッ
タリングターゲット６の間の絶縁物としては、絶縁体と
しては熱伝導性の高いボロンナイトライドを使用してい
る。効率よくスパッタリングターゲット６を冷却するに
は、ターゲットホルダー７は水冷機構を有することが望
ましい。実施例では引き出し電極系８Ａ，８Ｂは２枚電
極構造としてあるが、低エネルギー引き出しには１枚電
極構造を用い、低エネルギー引き出しには３枚電極構造
を用いる。引き出し電極孔形状は、この実施例では２ｍ
ｍφ×３７個（引き出し領域２０ｍｍφ）としてある。なお、イオン源としてではなく、プラズマ源として用い
る場合は、この引き出し電極系は取り外せばよい。

【００２０】次に、図１，６を参照にしてイオン源の動
作を説明する。スパッタリングガス（通常はＡｒである
が他のガスでもよい）をガス導入孔５からプラズマ生成
室３に導入し、磁気コイル４により電子サイクロトロン
共鳴を満足する磁場（２．４５ＧＨｚに対して８７５ガ
ウス）をプラズマ生成室３内に印加する。そして、マイ
クロ波をマイクロ波導波管１，マイクロ波導入窓２を通
して導入すると、漏れマイクロ波により一度プラズマが
励起され、その後安定に定常プラズマが生成される。こ
こで、ターゲット電圧を印加してＡｒイオンをスパッタ
リングターゲット６に衝突させ、金属粒子をスパッタさ
せる。スパッタされた金属粒子はほとんどが中性粒子で
あるが、磁力線１４に沿って輸送されたＡｒプラズマと
衝突し、効率よくイオン化される。イオン化された金属
粒子は引き出し電極８Ａ，８Ｂに印加された電圧により
イオンビーム９として引き出される。

【００２１】図７は、スパッタリングターゲット６の電
流電圧特性の一例を示す図であり、ターゲット材料とし
てＣｕを使用している。Ａｒガスの流量をパラメータに
している。Ａｒガスの流量が１．５ｓｃｃｍのとき、タ
ーゲット電流密度は１２ｍＡ／ｃｍ２と高い値が得られ
、高密度で金属粒子がスパッタされていることがわかる
。図８は、イオンビーム９を加速電圧３００Ｖで引き出
したときの質量分析スペクトルを示す。Ｃｕ＋，Ａｒ＋
，Ａｒ２＋イオンが存在し、Ｃｕ＋の比率として７％と
高い値が得られている。Ｃｕイオンとしては、１ｍＡ以
上の高い電流値が得られている。Ｃｕ以外にもＷ，Ｔａ
等の金属イオンでも同様な性能が得られる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、導入導波
管の内部に誘電体を有し、導入導波管内の誘電体と誘電
率の異なる誘電体をマイクロ波導入窓に少なくとも１層
有し、電圧印加が可能な金属粒子供給用のスパッタター
ゲットを設けたことにより、次のような優れた性能を得
ることができる。（１）高密度のＥＣＲプラズマを用いることができるの
で、大量の金属粒子をスパッタすることができる。（２）ＥＣＲプラズマ流との相互作用により、高効率で
金属粒子をイオン化できる。（３）導入窓への金属粒子の付着を防止できるため、
長期間にわたり安定な動作を行うことができる。（４）装置を大幅に小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロ波プラズマ源の一実施例
を示す構成図である。

【図２】導波管とマイクロ波導入窓とプラズマ生成室の
構成を示す模式図である。

【図３】マイクロ波導入窓が石英１層の場合の石英の厚
さと透過率との関係を示すグラフである。

【図４】マイクロ波導入窓が石英とアルミナの２層の場
合のアルミナの厚さと透過率との関係を示すグラフであ
る。

【図５】生成プラズマ密度のマイクロ波パワー依存性を
示すグラフである。

【図６】金属プラズマ生成の模式図である。

【図７】スパッタリングターゲットに流れる電流と電圧
との関係を示すグラフである。

【図８】イオンビームを質量分析した結果を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１　　マイクロ波導波管２　　マイクロ波導入窓３　　プラズマ生成室４　　磁気コイル５　　ガス導入孔６　　スパッタリングターゲット７　　ターゲットホルダー８Ａ，８Ｂ　　引き出し電極系９　　イオンビーム１０　　フランジ１１　　スパッタ電源１２Ａ，１２Ｂ　　引き出し電源１３　　同軸導波管変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　プラズマを生成するプラズマ生成室と
、このプラズマ生成室に接続され、誘電体を少なくとも
１層有するマイクロ波導入窓と、このマイクロ波導入窓
に接続され、プラズマ生成室にマイクロ波を導入する内
部にマイクロ波導入窓の誘電体と誘電率の異なる誘電体
を有する導入導波管と、プラズマ生成室に電子サイクロ
トロン共鳴が引き起こされる以上の磁場を発生させる磁
気回路とを備えたマイクロ波励起によるプラズマ源にお
いて、電圧印加が可能な金属粒子供給用のスパッタター
ゲットを備えたことを特徴とする金属プラズマ源。
【請求項２】　　請求項１において、スパッタターゲッ
トは、プラズマ生成室内に設置すると共に、ターゲット
表面からマイクロ波導入窓を見込めない形状としたこと
を特徴とする金属プラズマ源。