JPH0488165A - スパッタ型イオン源 - Google Patents

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１ 本発明は、試料基板上に各種材料の薄膜を形成したり、
または薄膜表面のエツチング、あるいは表面改質をする
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金属イ
オンを高効率で安定に生成し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１ 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
料や薄膜のエツチングや加工に各方面で広く用いられて
いる。中でも、第４図に示すような熱電子放圧用フィラ
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を陰極としてプラズマ安定化磁界発
生用の電磁石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
を挟んで対向するプラズマ制御電極５によりプラズマ４
を制御しつつ、プラズマ４中のイオンを数枚の引出しグ
リッド６を用いてイオンビーム７として引き出すもので
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
として引出し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、その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いう欠点があった。し
かも、この種のイオン源は、ガスイオンの引出しに使用
が限定され、金属イオンの引出しには使用できないとい
う欠点があった。

これに対して、大面積にわたって金属イオンを引き出せ
るイオン源としては、スパッタ型イオン源が提案されて
いる（例えば、平成元年度春期応用物理学会、３０ａ−
ＺＧ−１０、５２４ｐ）　、この種のイオン源によれば
、大面積にわたって、ＡｌやＦｅなとのほとんどの金属
イオンの引圧しが可能である。

〔発明が解決しようとする課題１ ところが、上述のスパッタ型イオン源にあっては、絶縁
膜を形成する場合、あるいは絶縁基板上に薄膜を形成し
たり、エツチングや表面改質等の加工を施したりする場
合、イオンビームによる基板のチャージアップのため、
イオンを有効に引き出すことができなかった。

このため、イオン源の外、例えばイオン引出し口や基板
の周囲に熱電子放出用のフィラメントを配し、そこで放
出された電子によりイオンの電荷を中和してイオンを引
き出す方法を用いることがある。

しかしながら、このような方法を上述のスパッタ型イオ
ン源に適用しようとすると、加熱されたフィラメントか
ら不純物が膜中に混入したり、酸素等の反応性ガスを導
入した場合、その反応性ガスとフィラメント材料とが反
応し、不純物が放出されるばかりでな（、フィラメント
の寿命が極めて短かくなるという欠点があった。

本発明は、高密度プラズマによるスパッタリングを利用
して金属イオンを高効率で長時間安定に生成し、引き出
すためのスパッタ型イオン源を提供することを目的とす
るものである。

［課題を解決するための手段１ 本発明は、上述した技術的課題を解決するために、ガス
を導入してプラズマを生成させるプラズマ生成室と、前
記プラズマ生成室の内部の両端部に設けられ、かつ少な
くとも一方が筒状をなすスパタリング材料からなる第１
および第２のターゲットと、前記第１および第２のター
ゲットのうち筒状のターゲットの中心軸上に設けられた
イオン引出し機構と、前記第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個の第１の電源と、前記プラズマ生成
室の内部に設けられたプラズマ制御電極と、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のターゲットのうち一方のターゲットから出てもう片
方のターゲットに入る磁束を生成する手段と、前記プラ
ズマ制御電極にパルス電圧を印加する第２の電源とを備
えたことを特徴とする。

【作　用１ 本発明は、高密度プラズマによるスパッタを利用して生
成した金属イオンを効率的に引き出して、絶縁体上にも
、あるいは絶縁膜でも良質の薄膜を高真空中で形成でき
るものである。即ち、本発明は、少なくとも片方が筒状
をなす１組のターゲットを組み合わせて、高密度プラズ
マ生成に必要な高速２次電子をプラズマ中に閉じ込める
ターゲット配置をとるため、高真空中で高密度プラズマ
を生成でき、そこで生じた金属イオンを効率よく引き出
すことができる。しかも、イオン引出しをパルス状にし
、放圧電子ビームによるイオン電荷の中和を同時に行う
ため、イオンによる基板や膜の表面のチャージアップが
なく、絶縁体基板上にも安定にイオンを引き出すことが
でき、あるいは絶縁膜の形成も可能となる。

〔実施例１ 以下、図面を参照しつつ本発明の一実施例について説明
する。

第１図は本発明のスパッタ型イオン源の一実施例を示す
概略構成図である。

プラズマ生成室２０にはプラズマを生成するためのガス
が導入口２１から導入されるようになっている。プラズ
マ生成室２０の一端部にはイオン引出し用グリッド２２
が設けられている。本実施例では、グリッド２２は半球
状の１枚の多孔グリッドから構成されている。このグリ
ッド２２には図示しない電源から電圧が印加されるよう
になっている。プラズマ生成室２０の内部の他端部には
平板状のターゲット２３が、グリッド２２の近傍には円
筒状のターゲット２４が設けられている。ターゲット２
３は水冷可能な金属製支持体２３Ａに取り外し可能に固
定されている。支持体２３Ａはプラズマ生成室２０の上
部の蓋体２０Ｂに固定され、この蓋体２０Ｂは絶縁体２
３Ｂを介してブラズ生成室２０の上部の壁２０Ａに固定
されている。同様に、ターゲット２４は水冷可能な金属
製支持体２４Ａに取り外し可能に固定されている。支持
体２４Ａは絶縁体２４Ｂを介してプラズマ生成室２０の
壁２０Ｇに固定されている。また、支持体２４Ａの下部
には絶縁体２４Ｇを介して前述したグリッド２２が固定
されている。支持体２３Ａおよび２４Ａのそれぞれの突
出端部２３Ｄおよび２４Ｄは電極を兼ね、直流電源２５
および２６からターゲット２３および２４にプラズマ生
成室２０に対して負の電位を印加することができる。

プラズマ生成室２０の内側にはプラズマ制御用電極とし
ての円筒状のアノード電極２７が設けられ、このアノー
ド電極２７にはパルス電圧を印加するパルス電源２８が
接続されている。第１図中符号２９は絶縁体である。

プラズマ生成室２０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３０が設けられている。

電磁石３０が発生する磁束３１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出て他方のター
ゲット表面に入るように、電磁石３０およびターゲット
２３と２４の位置を定める。例えば、内径１０ｃｍ、高
さ５ｃｍの円筒の筒状タゲット２４を、径８ｃｍの円板
状ターゲット２３を用いて、両ターゲットの間隔を８ｃ
ｍに設定することができる。プラズマ生成室２０は水冷
可能とするのが望ましい。ターゲット２３および２４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
内面にシールドを設けることが好ましい。

プラズマ生成室２０の内部を高真空に排気したのち、ガ
ス導入口２１からガスを導入して、電磁石３０による磁
界中でターゲット２３．２４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３２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
ら生成された高速２次電子（γ電子）９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。

このように構成された本発明のスパッタ型イオン源を利
用した薄膜堆積装置の一例を第１図を用いて説明する。

プラズマ生成室２０にはイオン引出し用グリッド２２を
挟んで試料室３３が結合されている。試料室３３とプラ
ズマ生成室２０とは一つの真空槽を構成するが、両者間
は絶縁するのがよい。試料室３３にはガス導入口３４か
らガスを導入することができ、排気系３５によって高真
空に排気することができる。また、試料室３３内には基
板３７を保持するための基板ホルダ３６が設けられ、基
板ホルダ３６とイオン引き出しグリッド２２との間に開
閉可能なシャッタ３８が設けられている。基板ホルダ３
６にはヒータを内蔵して基板３７を加熱できるようにす
るのが好ましく、また基板３７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。

次に、第２図を参照しつつ本発明によるスパッタ型イオ
ン源における高速２次電子の運動によるプラズマ増殖機
構について説明する。

筒状ターゲット２４と板状ターゲット２３に、それぞれ
筒状ターゲット用電源２６、板状ターゲット用電源２５
によって、プラズマ生成室２ｏに対して負の電位を印加
することにより、高密度プラズマを生成し、効率よくス
パッタを起こさせる。両ターゲット２３．２４に引き込
まれたイオンがターゲット表面に衝突すると、そのター
ゲット表面から高速２次電子（γ電子）９が放圧される
。この高速２次（γ）電子９はそれぞれのターゲットが
作る電界１０．１１で加速され、それらターゲット表面
間に走る磁束３１に拘束されスパイラル運動をしながら
相手のターゲットに高速で移動する。相手のターゲット
に達した高速２次（γ）電子９はまたそのターゲットが
作る電界で反射され、結果として高速２次（γ）電子９
は両ターゲット２３．２４間にスパイラル運動しつつ閉
じ込められることになる。

この高速２次（γ）電子９の往復運動はそのエネルギー
が磁束の束縛エネルギーにより小さくなるまで閉じ込め
られ、その間中性粒子との衝突やプラズマとの相互作用
により電離を加速する。この実施例の装置では、１０−
’Ｔｏｒｒ台のより低いガス圧でも放電が安定に持続で
きる。

ターゲットからスパッタされた粒子の一部はプラズマ中
でイオン化される。このイオンを引き出すことによって
イオン源として機能させることができる。

プラズマの生成に影響を与える要因は、プラズマ生成室
２０のガス圧、ターゲットへの投入電力、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２０
とイオン引出しグリッド２２に印加する電圧の相対差、
あるいは円筒状アノード、すなわちプラズマ制御電極２
７に印加した電位である加速電圧により制御することが
できる。

本発明によるイオン源では、プラズマ生成室２０内の例
えば内径１０ｃｍ、高さ３ｃｍの筒状のプラズマ制御電
極２７にプラズマ生成室２０に対して正の電圧をプラズ
マ制御電極用パルス電源２８から印加し、プラズマの電
位を制御することができる。有効引き出し径６ｃｍのイ
オン引き出しグリッド２２は、フローティング（浮動）
電位とした。この結果プラズマ中のイオンを基板３７側
へイオンビーム３２として引き出しすることができる。

このとき、基板３７に飛来するイオンのエネルギーは、
はぼプラズマ制御電極２７の電位と基板３７に印加され
た電圧との差に相当する。

ここで、本発明の特徴である、パルス電圧をこのプラズ
マ制御電極に印加した場合のイオン引き出し過程につい
て第３図を基に説明する。

第３図（Ａ）は本実施例において、プラズマ制御電極の
電位に対するイオン引出し過程を示し、第３図（Ｂ）は
印加したパルス電圧の波形、および引出し電流波形を示
すものである。プラズマ生成室電位（０■）と正電圧か
らなる矩型パルスをプラズマ制御電極に印加すると、そ
れが正電圧にある場合には、はぼそのエネルギーをもっ
てプラズマからイオンが引き出される。一方、その電位
がプラズマ生成室電位（０■）、あるいはそれ以下にあ
る場合には、プラズマ中の電子が磁場に拘束されっつイ
オン引き出しグリッド２２を介して基板３７側に拡散す
る。したがって、プラズマ制御電極電位が正の間に引き
出されたイオンの電荷により基板３７表面がチャージア
ップする前に、その拡散電子によりイオンの電荷を中和
することによって安定にイオン引き出しを実現すること
ができる。そのパルスの周波数は、基板３７上での電荷
の拡散周波数より早く設定する必要があり、この場合５
ＫＨｚから５０ＫＨｚの範囲が最も効率よくイオン引き
出しができる。また、イオン引き出し時間の割合（デユ
ーデイ）は特に制限はないが、０．９から０．５程度が
効率がよい。

次に、本発明によるイオン源を用いた薄膜堆積装置によ
りアルゴン酸素混合雰囲気中でＡｌイオンと酸素イオン
を同時に引き出してＡｌ＊０＊膜を形成した結果につい
て説明する。

試料室３３の真空度を５ｘｌＯ−’Ｔｏｒｒまで排気し
たのち、Ａｒガスを毎分５ｃｃ　、酸素ガスを毎分５ｃ
ｃのフロー速度で導入し、プラズマ生成室内のガス圧を
５ｘｌＯ−’Ｔｏｒｒとして筒状のＡ１ターゲット２４
に投入する電力を１００〜５００Ｗとして放電させた。

プラズマ制御電極２９に印加するパルス電圧を、その周
波数を３０ＫＨｚ　、イオン引き出しのデユーティを７
０％、０から１００Ｖの矩形波として、イオン引出し機
構２２としての球状多孔グリッドを浮動電位として、膜
を堆積させた。このとき、試料台は常温から４００℃の
範囲で膜形成をおこなった。この結果、０．５〜３ｎｍ
／ｗｉｎの堆積速度で、安定に効率よく緻密なＡ１□０
．膜を堆積できた。

上述の実施例を、Ａｌイオンの引出しとその化合物膜形
成に適用したが、これに限らず、はとんどすべての膜形
成に用いることができ、また導入するガス種としても、
窒素等のほとんどの反応性ガスを用いることができる。

また、上述の実施例では、板状ターゲット用磁気回路と
して電磁石を用いたが、永久磁石を用いることも可能で
ある。イオン引き出し機構２２として、半球状の多孔グ
リッドを用いたが、平板状の多孔グリッド、あるいは２
枚や３枚からなるグリッドを用いてもよい。さらに、筒
状ターゲット形状は円筒状である必要はなく、多角形状
をしていても本発明の本質的な効果は変わらない。

さらに、上述の実施例では、ターゲット用の電源を別体
としたが、一体でかつ相互に電気的に接続されていても
効果は変わらない。また、その電源は直流の負電源でも
よいし、交流、あるいは高周波電源であってもよい。し
かし、両方ともに高周波電源とする場合には、両位相を
できるだけ揃える方が望ましい、もちろん片方だけが直
流電源であってもよい。

さらにまた、上述の実施例において、付加的に電磁石や
ヨーク、あるいは永久磁石を配置して磁界分布を制御す
ることも可能である。

［発明の効果１ 以上説明した様に、本発明によれば、高真空中でのスパ
ッタを用いて高効率に金属イオンを生成し、引出し、種
々の良質薄膜の形成を実現することができるとともに、
絶縁基板上での膜形成、あるいは絶縁膜の形成を可能で
ある０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や材
料表面改質、あるいはエツチングにも応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は薄膜堆積装置に適用した本発明のスパッタ型イ
オン源の一実施例を示す概略構成図、第２図は第１図に
示した本発明のスパッタ型イオン源の一実施例における
プラズマ中心の磁束方向の磁場強度分布および高密度プ
ラズマ生成機構を説明するための概念図、 第３図（Ａ）および（Ｂ）はプラズマ制御電極に印加す
るパルス電圧波形、引出しイオン電流の変化およびイオ
ン引き出し過程を説明するための図、 第４図は従来のフィラメントを用いた代表的なガスイオ
ン源（カウフマン型）の概略構成図である。 ｌ・・・プラズマ生成室、 ２・・・フィラメント、 ３・・・プラズマ安定化磁界発生用電磁石、４・・・プ
ラズマ、 ５・・・プラズマ制御電極、 ６・・・イオン引出しくグリッド）機構、７・・・イオ
ンビーム、 ９・・・高速２次電子、 ｌＯ・・・筒状ターゲット上電界、 １１・・・板状ターゲット上電界、 ２０・・・プラズマ生成室、 ２Ｌ・・・プラズマ生成室用ガス導入口、２２・・・イ
オン引出しくグリッド）機構、２３・・・板状ターゲッ
ト、 ２４・・・筒状ターゲット、 ２５・・・板状ターゲット用電源、 ２６・・・筒状ターゲット用電源、 ２７・・・プラズマ制御電極、 ２８・・・プラズマ制御電極用パルス電源、２９・・・
絶縁体、 ３０・・・プラズマ安定化磁界発生用電磁石、３１・・
・磁束、 ３２・・・イオンビーム、 ３３・・・試料室、 ３４・・・試料室用ガス導入口、 ３５・・・排気系、 ３６・・・基板ホルダ、 ３７・・・基板、 ３８・・・シャッタ。 （す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ガスを導入してプラズマを生成させるプラズマ生成
   室と、 前記プラズマ生成室の内部の両端部に設けられ、かつ少
   なくとも一方が筒状をなすスパタリング材料からなる第
   １および第２のターゲットと、前記第１および第２のタ
   ーゲットのうち筒状のターゲットの中心軸上に設けられ
   たイオン引出し機構と、 前記第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
   第１の電源と、 前記プラズマ生成室の内部に設けられたプラズマ制御電
   極と、 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のターゲットのうち一方のターゲットから
   出てもう片方のターゲットに入る磁束を生成する手段と
   、 前記プラズマ制御電極にパルス電圧を印加する第２の電
   源とを備えたことを特徴とするスパッタ型イオン源。 ２）前記筒状ターゲットが、プラズマ生成室の両端部の
   うち前記イオン引出し機構側の端部に設けられたことを
   特徴とする請求項１記載のスパッタ型イオン源。 ３）前記プラズマ制御電極が、前記第１のターゲットと
   前記第２のターゲットとの間に設けられたことを特徴と
   する請求項１記載のスパッタ型イオン源。 ４）前記イオン引出し機構が少なくとも１枚の平板から
   構成されたことを特徴とする請求項１記載のスパッタ型
   イオン源。 ５）前記イオン引出し機構が凸状の多孔グリッドから構
   成されたことを特徴とする請求項１記載のスパッタ型イ
   オン源。