JPS6363635B2

JPS6363635B2 -

Info

Publication number: JPS6363635B2
Application number: JP61044276A
Authority: JP
Priority date: 1985-05-22
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1988-12-08
Also published as: DE3682954D1; US4588490A; JPS61266585A; EP0205874A2; EP0205874B1; EP0205874A3

Description

【発明の詳細な説明】以下の順序で本発明を説明する。

Ａ産業上の利用分野Ｂ開示の概要Ｃ従来の技術Ｄ発明が解決しようとする問題点Ｅ問題点を解決するための手段Ｆ実施例 F1 中空陰極増強マグネトロンの構造及び動
作特性（第１図、第２図、第３図、第４図、第
５図） F2 増強される３つの過程 F3 特殊な中空陰極の構造（第６図、第７図） F4 結論Ｇ発明の効果Ａ産業上の利用分野本発明は中空の電子放射陰極を使用したプラズ
マ・スパツタ・エツチングもしくは付着装置に関
する。

Ｂ開示の概要本発明に従うプラズマ・スパツタ・エツチング
もしくは付着装置はマグネトロンの様な通常のプ
ラズマ・スパツタ・エツチングもしくは付着装置
と組合さつた中空の電子放射陰極より成る。放射
電子は固有の高エネルギ、例えば磁界と結合さ
れ、プラズマ電位によつて加速され、十分に増大
したプラズマ密度を生ずる。組合せの結果、スパ
ツタリングもしくは付着効率は従来の装置で可能
であつたよりもはるかに高くなる。本発明の他の
態様に従い、スイツチ動作が可能になり、エツチ
ングを等方性から異方性に変化出来る。或るスパ
ツタリングもしくは付着過程を増強するための側
面放射中空陰極が開示される。ここで電子は中空
の陰極室の側面の一つもしくはそれ以上の開孔か
ら放射され、大きな処理室により均一な電子放射
が達成される。

Ｃ従来技術プラズマ・スパツタ・エツチングもしくは付着
装置はLSI及びVLSI回路、メモリ、磁気読取
り・記録ヘツド等の如き種々の精巧な製品を製造
するエレクトロニクス産業で多年使用されてい
る。この装置はターゲツト上に材料を付着する事
（スパツタ付着）もしくはこの様なターゲツトか
ら材料を選択的に除去する事（エツチング）を特
徴とする。材料の除去過程は材料をイオンもしく
は電子衝撃或いは反応性イオン・エツチングで除
去する。代表的なプラズマ装置はRFスパツタリ
ング、マグネトロン．スパツタリング、ダイオー
ド（DC）スパツタリング、イオン・ビーム・ス
パツタリング、イオンめつき装置である。任意の
工業的プロセスの場合と同様に、このプロセスを
時間的もしくは経済的により効率的にする改良が
プロセスの価値を大いに高めた。

本発明の次の説明は主に高密度プラズマ・マグ
ネトロン．スパツタ・エツチングもしくは付着装
置に関連づけられるが、本発明の思想はより広く
応用出来る事を理解されたい。

マグネトロン・スパツタ装置は陰極に強い磁界
の増強部を有する、基本的にはダイオード・プラ
ズマ装置である。この磁気的増強部は電子のトラ
ツプを形成するのに役立つ。電子のトラツプによ
つて電子はそれ自体で閉じたＥ×Ｂドリフト経路
に沿う様になる。強い磁界の存在は又電子の電離
（イオン化）の確率及びプラズマの密度を増大し
て、陰極のイオン衝撃率及びスパツタリング率を
高める。２つの型のマグネトロンが開発されてい
るが、それ等は円柱マグネトロンもしくは平坦マ
グネトロンである。

マグネトロン・スパツタ装置は２つの式によつ
て特徴付けられる。第１の式は1978年刊ジヤーナ
ル・オブ・バキユウム・サイエンス、アンド・テ
クノロジイ第15巻、第171頁のジエイ・エイ・ソ
ルントン著の論文（J.A.Thornton.J.Vac.Sci ＆
Technology.Vol.15（1978）pp171）に開示され
ている様に、最低の動作電圧Ｖを電子−イオン対
の発生に必要な平均エネルギＥと次の様に関連付
けるものである。

Ｖ＝Ｅ／（γe₁e₂） (1) ここでγは（陰極の）イオン衝撃のための２次
電子係数、e₁はイオンが陰極を衝撃する確率、e₂
は２次電子がそのエネルギを完全に電離に使用す
る確率である。

第２の関連式は次の実験式である。

ｉ＝kVⁿ (2) ここでＶは動作電圧、ｉはマグネトロン電流及
びｎは３乃至10の範囲の指数である。ｎの値が高
い事はマグネトロンの動作がより効率的である事
を示す。５乃至７がｎの平均的な値である。

第１の式から300乃至350ボルトの最小の電圧即
ちターン・オン電圧が予想される。この範囲の電
圧は実験的に実際に見られる値であるが、これ等
のエネルギでのマグネトロン電流は非常に小さ
く、スパツタリング及び付着率も低い。代表的な
マグネトロン・スパツタ装置は400乃至600Vの範
囲で動作し、電流は数アンペア、極めて大きな装
置では20Aに達する（ソルントンの前掲引用論
文）。マグネトロン装置の動作圧力は３乃至10ミ
リトルの範囲にある。圧力が高くなると、電力を
一定にした場合、マグネトロン電流が増大し、動
作電圧が減少する。しかしながら高圧ではスパツ
タされる材料の散乱がやや目立つ様になり、実際
の付着率が減少する。

マグネトロン装置にはいくつかの欠点がある。
第１は３乃至10ミリトールの範囲である事を必要
とする動作圧力である。この様な圧力でのスパツ
タ原子の平均自由工程はわずか１cmもしくはそれ
以下である。この様に行程が短かいのはスパツタ
された材料が基板上に付着される前にしばしば散
乱するからである。代表的な場合、ターゲツトか
ら除去された全材料のうちのわずか35％が基板の
領域上に付着し、残りの65％は装置の種々の部品
を覆うだけでなく、ターゲツト上にも再付着す
る。（1983年刊「固体薄膜」第107巻、第379頁の
ダブリユ・エイチ・クラスの論文：W.H.Class.
“Thin Solid Films”、Vol.107.（1983）、p379）
参照）。この散乱によつて、実効ターゲツト−基
板距離を数cmに制限しなければならなくなるの
で、基板の電子及びイオンのフラツクスが増大す
る。この散乱は又付着フラツクスの方向性を失わ
せ、剥離の様なプロセスをより困難にする。マグ
ネトロンに関する第２の重要な動作上の問題は動
作に必要な高エネルギである。代表的には400−
600eVのエネルギが有用なスパツタリング率を得
るのに必要である。これ等の高いエネルギはター
ゲツトに著しい損傷を与えサンプルがスパツタを
与えるターゲツトの場合には基板に損傷を生ず
る。付着もしくはスパツタリング率を増大するた
めにはマグネトロンの電圧を増大する必要があ
る。電子のエネルギが増大すると、ターゲツトの
表面近くでの電離が減少し、放電はより非効率に
なる。高エネルギはターゲツトの表面に種々の化
学反応を誘起もしくは禁止するが、これは必ずし
も望ましい事ではない。マグネトロン・スパツタ
リング装置は式(1)によつて示される様に高圧でけ
乙で動作し、式(2)によつて示された電流・電圧の
特性だけに制約される。

中空陰極は高電子電流を放射出来るプラズマ装
置である。実際の動作手順は一般に知られてい
て、1983年刊「ジヤーナル・オブ・スペースクラ
フツ・アンド・ロケツト」第20巻、第77頁のエイ
チ・アール・カウフマン、アール・エス・ロビン
ソン及びデイ・シー・トロツクの論文（H.R.
Kaufman、R.S.Robinson and D.C.Trock.“J.
Spacecrafts and Rockets”、Vol.20、（1983）、
p77）に詳細に説明されているので、ここではく
わしく繰返さない。中空陰極を或る陽極に関して
十分に負にバイアスする事による、背景（作業）
気体の電子の電離によりプラズマが発生する。こ
のプラズマは中空陰極の放射電流に等しい放電電
流によつて特徴付けられる。直径が0.318cmの小
さな中空陰極ですら、0.2乃至0.6ミリトールの範
囲のアルゴン圧の下で15アンペア迄の放電電流を
流す事が可能である。

中空陰極の効果自体については次の３つ及びわ
ずかな他の文献に詳細に説明されているので、こ
こでは詳細に説明しない。

(1) 1983年刊「ジヤーナル・オブ・スペースクラ
フツ・アンド・ロケツト」第20巻第77頁のエイ
チ・アール・カウフマン、アール・エス・ロビ
ンソン及びデイ・シー・トロツクの論文（上
掲） (2) 1974年ニユーヨーク、アカデミツク・プレス
刊「電子工学及び電子物理の進歩」第36巻、第
265頁のエイチ・アール・カウフマンの論文
（H.R.Kaufman、in“Advance in Electronics
and Election Physics、“Vol.36 Academic
Press、NY、（1974）、p.265） (3) 1974年ニユーヨーク、アカデミツク・プレス
刊「電子工学及び電子物理の進歩」第35巻第87
頁のジエイ・エル・デルクロツクス及びエイ・
アール・トリンダード著の論文（J.L.Delcroix
and A.R. Trindade、“Advances in
Electronics and Electron Physics”、Vol.35、
Academic Press、NY、（1974）、p.87）従来技術としては円筒形、即ち管状をなし、タ
ンタルの様な通常耐火材料を使用した中空電極が
報告されているだけである。管はしばしばその先
端に収縮部を有する。これは陰極の内部圧力を増
大するのに役立つ。

通常、箔もしくは他の材料の挿入物が先端近く
に加えられる。気体は外部源から陰極に入射し、
外部源は開孔が小さいので、管の内部に１トリチ
エリ（１mmHg）の圧力を発生する。プラズマ放
電は保持器もしくは陽極を陰極に関して正にバイ
アスする事によつて発生する。このプラズマは中
空陰極の内部領域に存在する。このプラズマはか
なり高い圧力にあり、プラズマ密度はかなり高
い。箔の外部層によつて絶縁されている、先端の
内部の箔をイオン衝撃すると、箔の内部層は極め
て熱く、しばしば2000〓になる。この高温で、箔
の表面は熱イオン的に電子を放射し、この放射に
よつてプラズマの崩壊が大きくなる。一度この崩
壊が生ずると、中空陰極に関する保持器もしくは
陽極の相対電圧は30乃至50Vの範囲の電圧に減少
する。

多重中空陰極も開発されている。この陰極は外
部管中に互にきつくたばねられた多数の管より成
り、気体源及び電力源を共有している。多重管は
管を通る気体の流れをを制約し、減少した気体の
流れでより高い電流動作を可能にする。しかしな
がら多重陰極も上述の動作モードから離れず、基
本的な円筒構造に制限される。

マグネトロン及び他の高エネルギ・プラズマ室
もしくは他の大きな室に電子を注入するといつた
多くの特殊な応用の場合には動作の幾何学形状を
半径方向に変化出来る能力も必要になる。さら
に、古典的な設計では多重の個別のしかしたばね
られた中空電極の動作は不可能である。それは気
体の流れそして電力源との結合に問題があるから
である。

米国特許第4431473号は反応性イオン・エツチ
ングに使用出来るRFマグネトロン装置を開示し
ている。いくつかの室を放電、電磁石装置、気体
の導入等に使用するために、特定の装備が必要で
ある。本発明は高エネルギの電子を存在するマグ
ネトロンのプラズマに注入するのに中空陰極の電
子源を使用する点でこの特許と異なつている。こ
の特許では通常の陰極補助装置以外の電子源を使
用していない。

本発明は通常のマグネトロンの圧力範囲（１ミ
リトール程度）よりもはるかに低い、４×10^-5ト
ール程度の低圧で動作する。上記米国特許第
4431473号の装置は10ミリトールの範囲で動作す
る。本発明の低圧動作によつて、照準線工法、及
び同一室内の多重プラズマ過程が可能になる。本
発明は又RFもしくはDCモードの両方で動作する
が、米国特許第4431473号の装置はRF装置である
に過ぎない。

本発明は又陰極のスパツタリングもしくは陰極
材料をサンプル上にスパツタ付着するためのスパ
ツタリング・モード或いは陰極の表面で或る化学
反応が生ずる反応性イオン・エツチング（RIE）
もしくは反応性付着モードのいずれかで動作す
る。

米国特許第4431473号の装置は陰極表面上のサ
ンプルをエツチングするRIE装置に過ぎない。

最後に本発明の装置は20eVもしくはそれ以下
の電圧（エネルギ）で動作する。なんとなればプ
ラズマが中空陰極の放電によつて維持されるから
である。米国特許第4431473号の装置は磁界をRF
ダイオードに印加する事以外に低エネルギにする
手段を持たない。

1984年刊「アプライド・フイジツクス・レター
ズ」第44巻、第1041頁のシー・ホルビツツの論文
（C.Horwitz.Applied Physics Letters、Vol.44
（1984）、pp1041）は改良RF装置中での材料の反
応イオン・エツチングを開示している。この装置
は部分的静電中空陰極グローを形成する様に構成
されている。このグローは酸素もしくはフレオ
ン・プラズマ中のエツチング及び重合化率を変化
させる。この論文はマグネトロン・スパツタリン
グについての言及はなく、又補助電子源（中空陰
極アーク）からマグネトロン・プラズマもしくは
RFプラズマへの電子の注入についての言及もな
い。

Ｄ発明が解決しようとする問題点本発明の主目的は改良された高エネルギ・プラ
ズマ・スパツタ・エツチングもしくは付着装置を
与える事にある。

本発明に従えば、中空陰極電子源と高エネル
ギ・プラズマ装置を組合した装置が与えられる。

本発明に従えば、特定の高エネルギ・プラズマ
装置がマグネトロン・スパツタ・エツチングもし
くは付着装置である上述の装置が与えられる。

本発明に従えば、低圧、低エネルギ・レベル及
び高いプラズマ密度で動作出来る組合せ装置が与
えられる。

本発明に従えば、中空陰極による増強手段を使
用しない通常の可能なスパツタリング率よりもは
るかに高いスパツタリング率を与える組合せ装置
が与えられる。

本発明に従えば、一定の電力レベルで電流・電
圧特性を単に切換える事によつて異なる型のエツ
チング・プロセスを遂行出来る組合せ装置が与え
られる。

本発明に従えば、動作モードの切換えによつ
て、選択的に等方性もしくは異方性エツチングを
遂行する装置が与えられる。

本発明に従えば反応室内の電子の流れの分布を
改善する新規な中空陰極構造体を使用する組合せ
装置が与えられる。

本発明に従えば、中空陰極の軸方向からでなく
側面からの電子放射を利用する中空陰極構造体が
与えられる。

Ｅ問題点を解決するための手段本発明に従えば、中空陰極電子放射装置が特殊
な方法で既存のプラズマ・エツチングもしくは付
着装置と組合される。特に、中空陰極装置がマグ
ネトロン・スパツタ・エツチングもしくは付着装
置と組合され、優れた結果を与える。中空陰極は
通常のマグネトロン動作中に作業気体に追加の電
離を与えるのに使用され、低いマグネトロンのエ
ネルギですべての気体を電離する。この型の低エ
ネルギのマグネトロン動作は従来不可能であつ
た。高いマグネトロン電圧（即ち通常の動作）で
は、中空陰極は少なく共10倍マグネトロン電流を
流し、付着率を増大する。

組合せ装置を低いマグネトロン・エネルギ及び
高いマグネトロン・エネルギで相継いで動作させ
る事によつて、スパツタリング・モードからサブ
スパツタリング・モードに切換えて、夫々等方性
及び異方性エチツチングを行わせる事が可能な事
がわかつた。この発見を利用して、エツチングの
プロフイールを制御する際に独自の結果が得られ
る。本発明の他の態様に従い、従来の中空陰極の
設計とは異なる側面放電中空陰極及び多重側面放
電中空陰極が与えられる。これ等の側面中空陰極
は本発明の組合せ中空陰極プラズマ・スパツタ・
エツチングもしくは付着装置に使用されるに適し
ている。これ等の陰極は中空陰極管の端にある特
定の先端に依存せず、電子放射点としての閉じた
管の側面の開孔に依存する。さらに中空陰極の幾
何学形状を非円筒形状に一般化して、陰極構造を
簡単にし、これ等をマグネトロンの様な特定のプ
ラズマ装置により良く適する様にする事が出来
る。

Ｆ実施例 F1 中空陰極増強マグネトロンの構造及び動作
特性第１図は本発明に従う平坦マグネトロンの磁気
構造体の断面図である。図でマグネトロンのター
ゲツト１０は磁気装置１２上に置かれている。磁
気装置１２は一つの磁気極性の中心柱１３及び反
対極性の円形外部柱１４より成る。２つの柱
（極）を結ぶ磁力線１５が示されている。磁界の
強さはこれ等の仮想磁力線の密度に関連する。こ
のマグネトロンのターゲツト１０はマグネトロン
の電力源１６によつてマイナス数100Vにバイア
スされている。この実施例では、室（チエンバ）
１７が陽極の働きをしているが、しばしば、マグ
ネトロンのターゲツト１０に近く別個の陽極が存
在する。室１７は又真空包囲体としての働きをす
る。

本発明の重要な特徴は中空陰極のプラズマとマ
グネトロンのプラズマ間の結合にある。２つの装
置の結合は中空陰極もしくは多重陰極の位置に微
妙に依存する。この位置付けの例が平坦マグネト
ロンを示した第１図に示されている。中空陰極２
０及び保持器２１はマグネトロンのターゲツト１
０の上、その外端近くに取付けられていて、水平
にマグネトロンの中心に向つて突出している。中
空陰極２０のターゲツト１０上における半径方向
の位置は、これの横切る磁力線が磁力線１８の様
に磁気装置１２の下方に進むものでなく中心柱１
３の方に進むものでなければならないような位置
である。第１図に示された様にこの半径方向の位
置における陰極の垂直位置が陰極の磁界の強さ及
び陰極のマグネトロンのプラズマに対する結合効
率を決定する。この結合効率はマグネトロンの電
圧及び圧力を一定にして、マグネトロンのターゲ
ツト上に入射する、中空陰極の放電電流の百分率
として測定される。この結合効率がマグネトロン
から中空陰極迄の高さ（cm）の関数として第２図
のグラフに示されている。

第１図に示された構造の位置が中空陰極のプラ
ズマがマグネトロンのプラズマに結合される唯一
の位置である訳ではない。中空陰極は同じ半径位
置で垂直方向に位置付ける事もしくはターゲツト
の中心に近く位置付ける事も出来る。極端な場
合、中空陰極はターゲツトの中心上に垂直に位置
付けられる。主要な制約は中空陰極が交わる磁力
線がターゲツトの前方を横切るもの（第１図に１
５で示されている）である点にある。しかしなが
ら中空陰極をマグネトロンのターゲツト１０に極
めて接近して取付けることのできる点が存在す
る。この点は中心柱１３と外部柱１４の間の領域
において、ターゲツトの表面から２〜３ラーモア
半径よりも近い点である。この場合のラーモア半
径は数mmである。中空陰極がこの位置にある時に
は、陰極はマグネトロンのＥ×Ｂドリフト電流を
物理的に阻害する。これによつてマグネトロン動
作は極めて貧弱になり、なるかに高い動作電圧を
必要とし、付着率が低くなる。平坦な円形マグネ
トロンと長方形の平坦マグネトロンの位置決めの
規準は全く同じである。円筒マグネトロンの様な
他の形状のマグネトロンの場合には、マグネトロ
ン中の中空陰極の物理的位置は必然的に異なつて
くる。しかしながら、この場合でも２つの主要な
規準は守られる。１つは中空陰極がマグネトロン
陰極の表面の横方向磁界に浸漬していなければな
らない点、もう一つは中空陰極がマグネトロンの
Ｅ×Ｂドリフト電流の電気的もしくは物理的障害
物であつてはならない点である。

一足圧力にあるマグネトロンの電流−電圧特性
は上述の式(2)に従う事がわかつている。従つてマ
グネトロンの電流を増大するためには、マグネト
ロン電圧を増大しなければならない。マグネトロ
ンが中空電極で増強される場合にはその必要はな
い。第１図と類似の構造の場合には、中空陰極の
放射を増大させるとマグネトロン電圧を一定に保
持出来る。中空陰極の放射が増大すると、マグネ
トロンの近くの気体の電離が増大し、マグネトロ
ンの電流が増大する。マグネトロン電圧及び気体
の圧力が一定の場合のこの振幅が第３図に示され
ている。この図から明らかな様に、中空陰極の放
電電流（放射）が３アンペア加わると、マグネト
ロンの電流は略10倍になる。外部の結晶付着速度
モニタで付着速度を測定した結果、スパツタされ
るターゲツト材料の付着率の同等の増大が記録さ
れた（第４図参照）。上述の如くこの場合の結合
効率は略46％であり、この事は放射した中空陰極
の放電電流の46％がマグネトロンのターゲツト上
に入射して、スパツタリングを増強する事を示し
ている。

この増強動作の第２の特徴は低圧動作にある。
従来のマグネトロンは３乃至10ミリトールの気体
（アルゴン）圧で動作する。ここで説明した増強
動作は同等のもしくはより高いマグネトロン電流
で動作するが圧力は1/10程度即ち0.3−0.5ミリト
ールの範囲で動作する。この低圧力はスパツタさ
れる材料の平均自由行程をはるかに長くする。こ
の事はターゲツト材料のより多くの部分が基板上
に付着するか、逆にターゲツト（サンプルでよ
い）からスパツタされる材料がターゲツト上に再
び付着される可能性が殆んどない事を意味してい
る。さらに重要な事は、これ等の低い圧力での動
作でスパツタされた材料が蒸発した材料と同じ様
に略直線の経路をたどる事である。

この様な低圧力で動作出来る事によつて、スパ
ツタリングを行うターゲツトとサンプル基板をか
なり離す事が出来る。従来の技術のマグネトロ
ン・スパツタリング装置の代表的なターゲツトと
基板の距離はスパツタされる材料の散乱度が高い
のでわずか数cmである。さらに低圧動作によつて
他の過程が同時に生ずる。例えば、従来のマグネ
トロンの圧力環境では動作出来なかつた蒸着技法
も中空陰極で増強したマグネトロンの圧力の範囲
で使用可能になる。ターゲツト及び基板が離れて
いる事及び低圧力で動作可能な事によつてターゲ
ツトもしくは基板表面のイオン・ビーム衝撃スパ
ツタリング付着もしくはイオンめつき、或いは他
のイオン、電子もしくは光子衝撃が可能になる。

ターン・オン電圧が−300V以下の従来のマグ
ネトロンと異なつて、中空陰極増強マグネトロン
は−15乃至−20Vもしくはこれ以上の浮動電位迄
のエネルギで動作する。この特徴はマグネトロン
の電圧に無関係な中空陰極誘起プラズマによる。
真空室を接地し、陽極として使用する事によつ
て、プラズマは中空陰極を少なく共−30Vにバイ
アスして誘導される。マグネトロンの近くのプラ
ズマのプラズマ電位はアース電圧に近く、これよ
りもわずかに上である。これに代つて別個の陽極
を等しい電圧分だけアースに対して正にバイアス
する事も出来る。これによつてプラズマを誘起す
るに十分なエネルギが中空陰極の電子に与えられ
るが、この場合のプラズマの電位は陽極の電位に
近く、これよりわずかに上である。後者の場合、
マグネトロンのターゲツトの表面に向う衝撃イオ
ンのエネルギが若干増大する。

中空陰極で誘起したプラズマが確立した状態
で、マグネトロンのターゲツトを陽極の電位に関
して負にバイアスする事によつて、マグネトロン
の電位とプラズマの電位の和に等しいエネルギで
陰極の衝撃が始まる。結果のマグネトロン電流と
電圧の関係が中空陰極の放電電流をパラメータと
して第５図に示されている。最も顕著な特徴はマ
グネトロンの電流が極めて高いと、中空陰極の放
射電流によつて低いイオン・エネルギに急激にシ
フトする点にある。中空陰極電流が０アンペア
（Ａ）の時はマグネトロンは300V（300eV）以下
の電圧（イオン・エネルギ）では動作出来ない。
従つてマグネトロンの動作範囲は第５図の右端の
曲線によつて限定された電圧及び電流に制限され
る。換言すると、この曲線は中空陰極が存在しな
い場合のマグネトロンの動作特性である。中空陰
極放射電流が十分高いと、100eV以下のエネルギ
で比較的高い電流動作（＞1A）が可能である。
本発明のマグネトロン装置に1Aのマグネトロン
電流を流した場合のイオン電流密度は＜7mA／
cm²である。

F2 増強される３つの過程この様な高電流密度、低エネルギによるターゲ
ツトの衝撃によつて少なく共３つの過程が強く増
強される。これ等の過程は(1)薄膜付着期間中の共
スパツタリング（CO−sputtering）もしくは同
時的なサンプル・イオン衝撃、(2)化学エツチング
率のきわめて高いターゲツト表面の反応性イオ
ン・エツチング及び(3)付着中の薄膜中の誘導化学
反応である。これ等について以下に説明する。

1981年オランダ、アムステルダム、エルスビア
社刊、アール・ケリー及びオー・アンシエロ監
修、ジエイ・エム・イー・ハーパー、ジエイ・ジ
エイ・クオモ、アール・ジエイ・ギヤンビオ及び
エイチ・アール・カウフマン著の論文「10V衝撃
による表面の修正」（J.M.E.Harper、J.J.
Cuomo、R.J.Gambino and H.R.Kaufman、
“10V Bombardmeut Modification of
Surfaces”、ed.by R.Kelly and O.Anciello
（Elsevier、Amsterdam（1981））中に開示されて
いる様に薄膜の成長中に低エネルギのイオンで薄
膜を成長出来るという能力は薄膜の性質に強い影
響を与える事がわかつている。例えば薄膜の応力
もしくは付着力をイオン衝撃によつてより都合の
よい値に調節する事が出来る。しかしながら高い
電流密度で薄膜をスパツタリング・オフしない様
にイオン衝撃のエネルギは十分低くなくてはなら
ない。中空陰極で増強したマグネトロンは付着薄
膜のスパツタ閾値以下のエネルギで、ターゲツト
もしくはターゲツト上に置かれたサンプル上に極
めて高い電流密度を発生する事が出来る。従つ
て、付着中の薄膜をスパツタ・オフする可能性は
ない。衝撃電流密度が極めて高いので、この並ス
パツタリング過程の薄膜の付着率は極めて高い。

反応性イオン・エツチング上述の様に、中空陰極増強マグネトロン装置は
薄膜のスパツタ閾値以下のエネルギで、ターゲツ
トもしくはターゲツト上のサンプルに対して極め
て高いイオン電流密度の衝撃を行う事が出来る。
この特徴は反応性イオン・エツチングにとつて重
要である。反応性イオン・エツチング過程の例と
して、反応種（例えば酸素もしくはフレオン）の
イオンをサンプルの表面に指向する過程がある。
表面で表面の材料との化学反応が生じて揮発性の
化合物を生じ、この化合物が表面を去つて、ポン
プで吸出される。反応性イオン・エツチングは等
方性のドライ・エツチング過程である。しかしな
がら、スパツタ閾値以上のエネルギで入射イオン
が表面を衝撃すると、物理的なスパツタリングが
生ずる可能性がある。従つて反応性イオン・エツ
チングを行う目的のためには中空陰極増強マグネ
トロンはスパツタリングを生ずる事なく高い反応
率で反応性イオン・エツチングを行うのに適切な
装置である。それはスパツタ閾値以下のエネルギ
の高電流密度で動作出来るからである。

付着中の薄膜中の化学反応中空陰極増強マグネトロン中のターゲツト表面
の高電流、低エネルギ・イオン衝撃は付着中の薄
膜に化学反応を誘起させるのに極めて有用であ
る。

その例は窒化物の形成である。窒素の背景圧力
中でアルミニウムの薄膜を付着しても窒化アルミ
ニウムを形成出来ない事は1983年刊アプライド・
フイジツクス・レターズ第43巻第547頁のジエ
イ・エム・イー・ハーパー、ジエイ・ジエイ・ク
オモ及びエイチ・テイ・ジイ・ヘントゼルの論文
（J.M.E.Harper、J.J.Cuomo and H.T.G.
Hentzell、Appl.Phys.Letter、43、（1983）p547）
に説明されている通りである。アルミニウム薄膜
を付勢した窒素で衝撃して、反応を起させる必要
がある。ここで増強マグネトロンを使用して、薄
膜の一部を除去しない様にスパツタ閾値以下のイ
オン・エネルギで付着薄膜に高い電流密度の窒素
衝撃を与える事が出来る。この様にして増強マグ
ネトロンのターゲツトの表面に化学反応を誘起す
る事によつて極めて高い付着速度で化合物薄膜が
形成される。

マグネトロン動作の切換上述の様に、マグネトロンは磁気的に増強され
たダイクード・スパツタリング装置である。これ
等は陰極の材料を他の基板上に付着するか、陰極
自体上のサンプルをエツチングするのに使用され
ている。ここで興味があるのは後者の場合であ
る。このエツチング過程は異方性エツチングであ
り、即ちイオンが陰極上のサンプルの表面（及び
陰極自体）を垂直な入射角で衝撃する。これによ
つてスパツタリングが生じ、マスクと関連して使
用される時は垂直な壁を生ずる。

増強マグネトロン・プラズマ装置の第２の独持
の特徴は上述の反応性イオン・エツチングであ
る。反応性イオン・エツチングでは反応種（例え
ば、酸素、フレオンもしくはCCl₄）の極めて低
いエネルギ・イオンが低エネルギの気体放電とし
て表面に指向される。次にこれ等の反応性イオン
が陰極の表面の原子と化学的に反応して揮発性種
となり、表面を去り、ポンプで運び去られる。こ
の過程は等方性エツチング過程である。この特徴
は反応性イオンのエネルギが低い（代表的な場合
数eVから10乃至20eV）事と、エツチング過程の
化学的性質による。等方性エツチング過程はマス
クと共に使用される時に基板にかなりのアンダー
カツトを生ずる。

本発明の中空陰極増強マグネトロン装置は、多
くの電子を放出し、この電子がマグネトロンの近
傍のプラズマを増強し、マグネトロンの電流、ス
パツタリング及び付着速度を著しく増大する。本
発明の動作のより精妙な特徴について説明する。
再び第５図を参照するに、マグネトロンの電流及
び電圧が中空陰極増強マグネトロン装置の中空陰
極放射電流をパラメータとして描かれている。図
から明らかな様に、最も右にある曲線は中空陰極
の放射電流が存在しない場合のマグネトロンの動
作を示す。中空陰極の放射を増大すると、曲線は
比較的高いマグネトロン電流を保持したまま、エ
ネルギの低い方に順次移動する。例えば、図中の
マグネトロン電流の1.0Aのところに水平線を引
くと、イオンの衝撃エネルギ（マグネトロンの電
圧）は中空陰極電流が流れない場合の600eVか
ら、中空陰極放射電流が5.0Aの時の40eVに変化
する。このエネルギは多くの材料のスパツタ閾値
以下である。しかしながらイオン衝撃電流、従つ
てイオン電流密度は変化していない。従つて中空
陰極増強マグネトロンの中空陰極の放射電流の量
を変化させる事によつて、陰極もしくは陰極上の
サンプルはスパツタ・エネルギ（600eV）から略
40eVのサブスパツタリング・エネルギに変化す
る。

低エネルギ衝撃は反応性イオン・エツチングに
必要なエネルギの範囲で行われる。中空陰極の電
流をより増大すると、この衝撃エネルギは20eV
以下に降下する。

本発明は陰極表面のイオン衝撃のエネルギを劇
的に変化させる能力を利用して、スパツタリング
衝撃即ち異方性エツチングと非スパツタリング、
反応性衝撃、もしくは等方性エツチング間を切換
える。この場合の気体は両過程の場合共同じであ
る。例えば酸素は若干反応性であるとは言え、
600eVの酸素の衝撃は異方性であるスパツタリン
グを主として生ずる。中空陰極の電子の放射が高
い場合に存在するサブスパツタリング・エネルギ
では酸素は反応にあずかるだけであり、この反応
は異方性である。一つの型の衝撃から他の型の衝
撃に切換える能力はマグネトロン及び中空陰極の
放射を駆動する電力源によつてだけ比率が制限さ
れる。これ等の電力源はDCモードで動作し、手
動的に一つのモードから他のモードで切換えら
れ、数10KHzもしくはそれ以上の周波数で電子
的に切換える事が出来る。

ここで説明したマグネトロンの動作の切換えの
主たる用途は陰極の表面上でエツチングされるサ
ンプル中に傾斜した側壁を形成する事にある。こ
れ等の高い衝撃率（１cm²当り数ミリアンペア）で
異方性及び等方性エツチング間で切換を行う事に
よつて、マスクの下で切込まれる傾斜が制御出
来、従つて先細りにする事が出来る。

この切換動作は通常のマグネトロン動作もしく
は通常反応性イオン・エツチング動作よりもはる
かに低い圧力で生ずるという追加の利点を有す
る。マグネトロンは代表的な場合、５−10ミリト
ルで動作し、反応性イオン・エツチングは30−
100ミリトルで生ずる。本発明の中空陰極増強マ
グネトロンはスイツチング・モードでは１ミリト
ル範囲以下の圧力、１cm²当り＞10mAの高い電流
密度で動作する。この低い圧力によつて装置中の
反応性気体の量、ポンプの負荷が減少し、ポンプ
から有害な気体を排出するという問題が減少す
る。低い圧力は又冒頭に挙げられた文献に説明さ
れた視準線過程のみならず多重過程を可能にす
る。

F3 特殊な中空陰極の構造上述の様に、本発明の中空陰極増強マグネトロ
ン・スパツタ・エツチングもしくは付着装置は単
なる（増強されていない）マグネトロン装置では
可能ではない多くのプロセスを可能にする。一端
に軸方向の電子放射オリフイスを有する簡単な円
筒中空陰極は反応室に位置付ける事がしばしば困
難である。簡単な電子源はしばしばこれがない場
合に起り得る過程を増強するのには不適切であ
る。この事から側面（放電）中空陰極が形成され
た。

側面中空陰極は古典的な円筒中空陰極の多くの
特徴を利用する。側面中空陰極の図面が第６図に
示されている。

側面中空陰極は上述の如く同じ耐火金属管１１
で形成されている。特殊な先端組立体に代つて、
小さい開孔２０が管１１の側面にあけられてい
る。管の端２１は封止されるか、以下説明される
様に他の側面陰極に接続出来る。気体１４は圧端
から管中に流入しているが、右方の封止端からも
注入出来る。この場合も耐火性材料である圧延箔
１３が陰極内の開孔の下に置かれる。

側面中空陰極の動作は上述の古典的中空陰極の
場合と同じであり、ここでは繰返さない、この型
の装置は気体の流れ並びに放電電流及び電圧の両
方に関して、従来の陰極と同じレベルで動作す
る。

この側面中空陰極を簡単な手段で精巧にするた
めには管を単に長くして、第２のもしくはそれ以
上の開孔を追加すればよい。この様子が第７図に
示されている。これ等の２２，２３等で示された
追加の開孔は同じ箔挿入物１３を共有するか、追
加の個別の挿入物を使用する。同等の修正は管の
対向端上の同じ、もしくは異なる位置に開孔を与
える事によつても与えられる。両方の場合とも、
中空陰極の効果は不変である。しかしながら、こ
れ等は類似の形状の側面陰極を使用した場合の可
能性の例に過ぎない事を理解されたい。

多開孔側面陰極の動作は上述の単一開孔側面中
空陰極の動作と略同じである。各開孔から放電を
得るのには低電流の場合、若干の困難がある。こ
の効果は開孔の下の箔の各々を加熱するのに十分
な衝撃イオン電流がない事による。この問題は単
に放電（即ち放射）電流を増大する事によつてな
くされる。実際には、多開孔側面陰極の開孔の一
つの上に電源１６に接続した保持器もしくは陽極
１５（第６図）を位置付けるだけで十分である。
他の開孔は管に沿う横方向の伝導によつて十分な
熱を獲得し、局所的な放電を開始する。代換実施
例はすべての開孔を覆う一本の長い保持器もしく
は陽極を与えるものである。このことはどのよう
な環境でも可能であるという訳ではない。第２の
代換実施例は開孔の行もしくは配列に沿つて移動
する可動保持器もしくは陽極を与え、各開孔を順
番に点火するものである。

単側面中空陰極及び多重側面中空陰極は通常の
円筒中空陰極に対して多くの望ましい利点を有す
る。これ等の特徴は応用に適しており、マグネト
ロンの様な装置中の電子衝撃イオン源、グロー放
電プラズマ点火及びプラズマ増強の如き応用を含
む。イオン源の場合、多くの電子源に単一の電力
源及び単一の気体源を接続出来るという事は大き
なイオン源の動作をかなり簡単にする。代表的な
大きなイオン源では、単一の中空陰極のみから供
給される電子の流れ及びこの単一の中空陰極によ
る気体の分布の非均一性はこの多開孔側面中空陰
極技法を使用して除去出来る。RFスパツタリン
グもしくはダイオード・スパツタリングの場合の
様な、プラズマ・クリーニングもしくはエツチン
グの場合には、電子を多くの位置から注入する事
が望ましい。本発明は個別に駆動されなければな
らない、そして時間をかけて平衡させなければな
らない多数の装置を使用しないで単一の装置でこ
の注入過程を行う。マグネトロン・スパツタリン
グの様な、製造規模に拡大した大規模のプラズマ
動作は単一の中空電極で可能なよりも大きな電子
流を必要とする。本発明の多側面中空陰極はこの
問題に都合のよい解決を与え、プラズマの均一性
を増大する。

他の陰極構造体は簡単な円形のガス・ストーブ
のバーナーの場合の様に、同一平面中に多重陰極
の効果を与えるための一連の開孔を一側に有する
円形管もしくは彎曲管を含む。又一側に複数個の
開孔内部に電子放射箔のシートを有し、あわせて
電離可能な気体の流れを維持する適切な開孔を有
する平坦な中空構造体をなす、平坦な中空陰極構
造体も想到出来る。

F4 結論本発明は２つの広く離れた技術分野の組合せよ
り成る。マグネトロン及び他のプラズマ装置は通
常半導体の製造分野で金属及び他の材料のスパツ
タ・エツチングもしくは付着に使用されている。
中空陰極は宇宙計画に端を発し、惑星間宇宙船の
イオン機関の用途に提案されたものである。スパ
ツタリング自体に３極管を使用する事は新らしい
事ではないが、マグネトロン３極管装置について
の系統的な研究はなされなかつた。それは既に磁
界による増強が存在していたからである。例えば
マグネトロンに対して電子の点源を加える事は従
来試みられていない。それは磁界が非均一になる
事と、電子が小さな局所的プラズマを形成する事
が予想され、マグネトロン装置全体に有利な効果
を与えないからである。本発明は２つの広く離れ
た技術分野のものを独自の方法で組合せて、強力
で制御可能なプラズマの形成に著しい、非自明な
進歩を与える。

本発明の好ましい実施例の説明の大部分はマグ
ネトロン・プラズマ装置に向けられたが、中空陰
極による増強の概念はマグネトロンRFダイオー
ド（DC）、イオン・ビーム装置及びイオンめつき
装置を含むプラズマ・スパツタ・エツチングもし
くは付着装置にも等しく適用される。さらに本発
明の概念は単一の処理室中で２つの両立しない装
置の組合せを可能にする。

又、装置を広範囲の電力レベルで動作出来ると
いう事はプロセスの電力レベルだけを変更させる
事によつて基板を（マグネトロン・プラズマ装置
中で）２つの異なるモードでエツチングする事が
可能になる。

最後に、本発明の組合せプラズマ・スパツタ・
エツチングもしくは付着装置の汎用性はより広い
面積にわたつてより均一に、全体的により高い密
度の電子ビームを分布出来る中空陰極の構造体の
必要性を暗示し、全体的装置の汎用性を利用出来
る様にした。古典的な円筒状の対称性が不必要な
事が発見されたので、開孔の直線配列体、管の対
向側面上の開孔及び環状もしくは彎曲管状配列体
を含む種々の設計が可能である。同様に、電子放
射のために一つの表面に複数の開孔を有する平坦
な陰極構造体が実証された。

Ｇ発明の効果本発明に従い、低圧、低エネルギ・レベル及び
高いプラズマ密度で動作出来る改良高エネルギ．
プラズマ・スパツタ・エツチングもしくは付着装
置が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う簡単化した、中空陰極増
強マグネトロン・スパツタ・エツチングもしくは
付着装置の断面図である。第２図はマグネトロン
装置へ注入される中空陰極放射電流の結合効率を
示した図である。第３図は中空陰極で増強したマ
グネトロンの電圧を一定にした場合の中空陰極放
電電流とマグネトロン電流の関係を示したグラフ
である。第４図は本発明に従つて構成された、中
空陰極で増強したマグネトロンの電圧を一定にし
た場合のターゲツトもしくは中空陰極の放射電流
と付着速度の関係を示したグラフである。第５図
は中空陰極の放射強度をパラメータとした場合の
マグネトロン電圧とマグネトロン電流の間の関係
を示した一組の曲線の図である。第６図は本発明
と共に使用出来る側面放電中空陰極を部分的に断
面図で示した側面図である。第７図は陰極の電流
密度をより増大するための複数の放電点を有する
側面放電中空陰極の実施例を部分的に断面図で示
した側面図である。１０……ターゲツト、１２……磁気装置、１３
……中心柱（極）、１４……円形外部柱（極）、１
５……磁力線、１６……電力源、１７……室、１
８……磁力線、２０……中空陰極。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a) 封じ込め室内にありエネルギの場を有す
るプラズマ装置と、 (b) 処理すべき工作物に接近している上記プラズ
マ装置のエネルギの場に電子を注入するように
配置された中空陰極電子源と、 (c) 電離可能な気体を上記封じ込め室に導入する
手段と、 (d) 上記中空陰極電子源から注入された電子を上
記プラズマ装置のエネルギの場に保持し、以て
該エネルギの場の気体の電離を増大させる手段
とを具備する、スパツタ装置。２上記エネルギの場を有するプラズマ装置がマ
グネトロン双極装置を有し、上記中空陰極電子源
が、上記工作物の表面を横切る磁力線と交差する
べく該プラズマ装置に電子を注入するように配置
されてなる特許請求の範囲第１項記載のスパツタ
装置。