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JPH0488165A - Sputtering type ion source - Google Patents

Sputtering type ion source

Info

Publication number
JPH0488165A
JPH0488165A JP20225990A JP20225990A JPH0488165A JP H0488165 A JPH0488165 A JP H0488165A JP 20225990 A JP20225990 A JP 20225990A JP 20225990 A JP20225990 A JP 20225990A JP H0488165 A JPH0488165 A JP H0488165A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plasma
target
generation chamber
targets
ions
Prior art date
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Application number
JP20225990A
Other languages
Japanese (ja)
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JP2849771B2 (en
Inventor
Shigeto Matsuoka
茂登 松岡
Kenichi Ono
小野 堅一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication of JPH0488165A publication Critical patent/JPH0488165A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2849771B2 publication Critical patent/JP2849771B2/en
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)
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  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

PURPOSE:To efficiently draw metal ions produced in high-density plasma formed in high vacuum by using a pair of targets, at least one of the targets is cylindrical, and disposing the targets so that the fast secondary electrons required for the formation of high-density plasma can be confined. CONSTITUTION:A plasma producing chamber 20 is connected to a sample chamber 33 through a grid 22 for drawing ions. Minus voltage is applied on a cylindrical target 24 and a planer target 23 from a power source 26 for the cylindrical target and from a power source 25 for the planer target, respectively, to the plasma producing chamber 20 in order to form high-density plasma and to cause efficient sputtering. Part of sputtered particles from the targets are ionized in the plasma. By drawing these ions, the plasma can be used as the ion source. The energy of the ions drawn from the plasma can be controlled mainly by varying the relative difference between voltages applied on the plasma producing chamber 20 and on the ion drawing grid 22, or by varying the acceleration voltage applied on a cylindrical anode, namely, a plasma controlling electrode 27.

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。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field 1] The present invention is applicable to the formation of thin films of various materials on sample substrates,
It also relates to equipment for extracting ions for etching the surface of thin films or for surface modification, and in particular, a new sputtering type that utilizes high-density plasma sputtering to generate and extract metal ions stably with high efficiency. It concerns an ion source.

[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。
[Prior Art 1] Conventionally, so-called ion sources that extract ions generated in plasma using an extraction mechanism such as a grid have been widely used in various fields for etching and processing various materials and thin films. Among these, a Kauffman type ion source equipped with a filament for thermionic release as shown in FIG. 4 is most commonly used. The Kaufmann type ion source has a filament 2 for thermionic emission inside a plasma generation chamber 1,
Using this filament 2 as a cathode, a discharge is caused in a magnetic field generated by an electromagnet 3 for generating a plasma stabilizing magnetic field, thereby generating plasma 4.
Plasma 4 is generated by plasma control electrodes 5 facing each other with
While controlling this, ions in the plasma 4 are extracted as an ion beam 7 using several extraction grids 6.

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。
Since ion sources such as the conventional Kauffmann ion source use a filament to extract thermal electrons for plasma generation, the filament material is sputtered and included in the extracted ions as impurities. Furthermore, when a reactive gas such as oxygen is used as the plasma generating gas, there is a drawback that the reactive gas reacts with the filament, making it impossible to extract ions continuously for a long time. Moreover, this type of ion source has the disadvantage that its use is limited to extracting gas ions and cannot be used for extracting metal ions.

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。
On the other hand, a sputter-type ion source has been proposed as an ion source that can extract metal ions over a large area (for example, 1989 Spring Japanese Society of Applied Physics, 30a-
ZG-10, 524p), with this type of ion source, it is possible to attract most metal ions such as Al and Fe over a large area.

〔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。
[Problem to be Solved by the Invention 1] However, in the above-mentioned sputtering type ion source, when an insulating film is formed, a thin film is formed on an insulating substrate, or processing such as etching or surface modification is performed. , due to the charge-up of the substrate due to the ion beam,
Ions could not be extracted effectively.

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。
For this reason, a method is sometimes used in which a filament for thermionic emission is arranged outside the ion source, for example around the ion extraction port or the substrate, and the electrons emitted there neutralize the charge of the ions to extract the ions. .

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。
However, if such a method is applied to the above-mentioned sputter type ion source, impurities may enter the film from the heated filament, or if a reactive gas such as oxygen is introduced, the reactive gas and the filament may It not only reacts with the material and releases impurities (but also has the disadvantage that the life of the filament is extremely short).

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。
An object of the present invention is to provide a sputter-type ion source for generating and extracting metal ions with high efficiency and stability over a long period of time using sputtering using high-density plasma.

[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。
[Means for Solving the Problems 1] In order to solve the above-mentioned technical problems, the present invention provides a plasma generation chamber in which gas is introduced to generate plasma, and a plasma generation chamber provided at both ends of the inside of the plasma generation chamber. , and at least one of which is made of a cylindrical sputtering material.
and a second target, an ion extraction mechanism provided on the central axis of a cylindrical target among the first and second targets, and an ion extraction mechanism provided in the first and second targets, respectively, for the plasma generation chamber. at least one first power source that applies a negative potential; a plasma control electrode provided inside the plasma generation chamber; and a plasma control electrode that forms a magnetic field inside the plasma generation chamber, and The present invention is characterized by comprising means for generating a magnetic flux that exits from one of the two targets and enters the other target, and a second power source that applies a pulse voltage to the plasma control electrode.

【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。
[Function 1] The present invention is capable of efficiently extracting metal ions generated by sputtering using high-density plasma, and forming a high-quality thin film on an insulator or an insulating film in a high vacuum. be. That is, the present invention combines a set of targets, at least one of which is cylindrical, to create a target arrangement that confines high-speed secondary electrons necessary for high-density plasma generation in the plasma. can be generated, and the metal ions generated can be extracted efficiently. Moreover, since the ion extraction is done in a pulsed manner and the ion charge is simultaneously neutralized by the discharge electron beam, there is no charge-up of the surface of the substrate or film due to ions, and ions can be extracted stably even onto insulating substrates. Alternatively, it becomes possible to form an insulating film.

〔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。
[Embodiment 1] Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a sputter type ion source of the present invention.

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。
Gas for generating plasma is introduced into the plasma generation chamber 20 through an inlet 21. An ion extraction grid 22 is provided at one end of the plasma generation chamber 20.
is provided. In this embodiment, the grid 22 is composed of a single hemispherical porous grid. A voltage is applied to this grid 22 from a power source (not shown). A flat target 23 is provided at the other end inside the plasma generation chamber 20, and a cylindrical target 24 is provided near the grid 22. target 2
3 is removably fixed to a water-coolable metal support 23A. The support 23A is fixed to the lid 20B at the top of the plasma generation chamber 20, and the lid 20B is connected to the insulator 2.
3B to the upper wall 20A of the brass generation chamber 20. Similarly, the target 24 is removably fixed to a water-coolable metal support 24A. The support body 24A is fixed to the wall 20G of the plasma generation chamber 20 via an insulator 24B. Furthermore, the aforementioned grid 22 is fixed to the lower part of the support body 24A via an insulator 24G. The protruding ends 23D and 24D of the supports 23A and 24A also serve as electrodes, and are connected to a DC power source 25.
A negative potential with respect to the plasma generation chamber 20 can be applied to the targets 23 and 24 from and 26 .

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。
A cylindrical anode electrode 27 as a plasma control electrode is provided inside the plasma generation chamber 20, and a pulse power source 28 for applying a pulse voltage is connected to this anode electrode 27. Reference numeral 29 in FIG. 1 is an insulator.

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。
An electromagnet 30 is provided around the outer periphery of the plasma generation chamber 20 for forming a magnetic field inside the plasma generation chamber.

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。
Electromagnet 30 and targets 23 and 24 are positioned so that magnetic flux 31 generated by electromagnet 30 crosses both target surfaces, with the magnetic flux exiting the surface of one target and entering the surface of the other target. For example, a cylindrical target 24 with an inner diameter of 10 cm and a height of 5 cm is used, and a disc-shaped target 23 with a diameter of 8 cm is used, and the distance between the two targets is 8 cm.
m. It is desirable that the plasma generation chamber 20 be water-coolable. In order to protect the sides of targets 23 and 24 from plasma, it is preferable to provide a shield on the inner surface of the plasma generation chamber.

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。
After evacuating the inside of the plasma generation chamber 20 to a high vacuum, gas is introduced from the gas inlet 21 and the voltage applied to the targets 23 and 24 is increased in the magnetic field by the electromagnet 30, causing discharge and generating plasma. .

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。
Ions in the plasma can be extracted as an ion beam 32. The magnetic flux between the targets prevents high-speed secondary electrons (γ electrons) 9 generated from the target surface from dissipating in the direction perpendicular to the magnetic field, and has the effect of confining the plasma, resulting in high-density plasma in low gas pressure. is generated.

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。
An example of a thin film deposition apparatus using the sputter type ion source of the present invention configured as described above will be explained with reference to FIG.

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。
A sample chamber 33 is connected to the plasma generation chamber 20 with an ion extraction grid 22 in between. Although the sample chamber 33 and the plasma generation chamber 20 constitute one vacuum chamber, it is preferable to insulate them. Gas can be introduced into the sample chamber 33 through a gas inlet 34, and the chamber can be evacuated to a high vacuum by an exhaust system 35. Further, a substrate holder 36 for holding a substrate 37 is provided in the sample chamber 33, and a shutter 38 that can be opened and closed is provided between the substrate holder 36 and the ion extraction grid 22. Board holder 3
6 preferably has a built-in heater to heat the substrate 37, and also applies a DC or AC voltage to the substrate 37 to apply a bias voltage to the substrate during film formation.
It is desirable that the structure be such that sputter cleaning of the substrate is possible.

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。
Next, with reference to FIG. 2, the plasma proliferation mechanism due to the movement of high-speed secondary electrons in the sputter type ion source according to the present invention will be explained.

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。
The cylindrical target 24 and the plate-like target 23 are provided with a cylindrical target power source 26 and a plate-like target power source 25, respectively.
By applying a negative potential to the plasma generation chamber 2o, high-density plasma is generated and sputtering is efficiently caused. When the ions drawn into both targets 23 and 24 collide with the target surface, high-speed secondary electrons (γ electrons) 9 are released from the target surface. These high-speed secondary (γ) electrons 9 are accelerated by the electric fields 10 and 11 created by each target, and are restrained by the magnetic flux 31 running between the surfaces of these targets and move to the other target at high speed while performing a spiral motion. The high-speed secondary (γ) electrons 9 that reach the other target are also reflected by the electric field created by the target, resulting in high-speed secondary (γ) electrons 9
will be trapped between the two targets 23 and 24 while moving in a spiral manner.

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。
This reciprocating motion of the high-speed secondary (γ) electrons 9 is confined until its energy is reduced by the binding energy of the magnetic flux, and during that time, ionization is accelerated by collisions with neutral particles and interaction with plasma. In the device of this example, 10-
'Discharge can be maintained stably even at lower gas pressures on the Torr level.

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。
Some of the particles sputtered from the target are ionized in the plasma. By extracting these ions, it can function as an ion source.

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。
Factors that influence plasma generation include the gas pressure in the plasma generation chamber 20, the power input to the target, the magnetic field distribution, and the distance between targets.

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。
The energy of the extracted ions is mainly transferred to the plasma generation chamber 20.
and the relative difference between the voltage applied to the ion extraction grid 22,
Or a cylindrical anode, i.e. plasma control electrode 2
It can be controlled by an accelerating voltage which is a potential applied to 7.

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。
In the ion source according to the present invention, a positive voltage with respect to the plasma generation chamber 20 is applied to the cylindrical plasma control electrode 27 with an inner diameter of 10 cm and a height of 3 cm, for example, in the plasma generation chamber 20 from a plasma control electrode pulse power source 28. , the potential of the plasma can be controlled. The ion extraction grid 22 with an effective extraction diameter of 6 cm is floating.
potential. As a result, ions in the plasma can be extracted to the substrate 37 side as an ion beam 32.

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。
At this time, the energy of the ions flying to the substrate 37 is
This corresponds to the difference between the potential of the plasma control electrode 27 and the voltage applied to the substrate 37.

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。
Here, the ion extraction process when a pulse voltage is applied to this plasma control electrode, which is a feature of the present invention, will be explained based on FIG. 3.

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。
FIG. 3(A) shows the ion extraction process with respect to the potential of the plasma control electrode in this example, and FIG. 3(B) shows the waveform of the applied pulse voltage and the extraction current waveform. When a rectangular pulse consisting of the plasma generation chamber potential (0■) and a positive voltage is applied to the plasma control electrode, ions are extracted from the plasma with a certain amount of energy when the voltage is positive. On the other hand, when the potential is at or below the plasma generation chamber potential (0■), electrons in the plasma are restrained by the magnetic field and diffuse toward the substrate 37 via the ion extraction grid 22. Therefore, before the surface of the substrate 37 is charged up due to the charge of ions extracted while the plasma control electrode potential is positive, stable ion extraction can be achieved by neutralizing the charge of the ions with the diffused electrons. can. The frequency of the pulse needs to be set faster than the charge diffusion frequency on the substrate 37, and in this case it is set to 5.
Ions can be extracted most efficiently in the range from KHz to 50 KHz. Further, the ratio of ion extraction time (duty) is not particularly limited, but a ratio of about 0.9 to 0.5 is efficient.

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。
Next, the results of forming an Al*0* film by simultaneously drawing out Al ions and oxygen ions in an argon/oxygen mixed atmosphere using a thin film deposition apparatus using an ion source according to the present invention will be described.

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。
After evacuating the vacuum level of the sample chamber 33 to 5xlO-'Torr, Ar gas was pumped at 5 cc/min and oxygen gas was pumped at 5 cc/min.
The cylindrical A1 target 24 was introduced at a flow rate of c and the gas pressure in the plasma generation chamber was set to 5xlO-'Torr.
The power input was set to 100 to 500 W and discharged.

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。
The pulse voltage applied to the plasma control electrode 29 has a frequency of 30 KHz and an ion extraction duty of 7.
The film was deposited with a spherical porous grid as an ion extraction mechanism 22 at a floating potential as a square wave of 0% and 0 to 100V. At this time, film formation was performed on the sample stage at a temperature ranging from room temperature to 400°C. As a result, 0.5 to 3 nm
/win deposition speed, stable and efficient dense A1□0
.. The film could be deposited.

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。
Although the above embodiment was applied to extracting Al ions and forming a film of its compound, it is not limited to this, and can be used for almost any film formation, and the gas species to be introduced may also be
Most reactive gases can be used, such as nitrogen.

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。
Further, in the above embodiment, an electromagnet was used as the magnetic circuit for the plate-shaped target, but it is also possible to use a permanent magnet. Although a hemispherical porous grid was used as the ion extraction mechanism 22, a flat porous grid or two
A grid consisting of one sheet or three sheets may also be used. Furthermore, the shape of the cylindrical target does not have to be cylindrical, and even if it is polygonal, the essential effects of the present invention will not change.

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。
Furthermore, in the above-described embodiments, the power source for the target is separate, but the effect remains the same even if the power source is integrated and electrically connected to each other. Further, the power source may be a direct current negative power source, an alternating current power source, or a high frequency power source. However, when both are high-frequency power sources, it is desirable to align both phases as much as possible; of course, only one may be a DC power source.

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。
Furthermore, in the embodiments described above, it is also possible to additionally arrange an electromagnet, a yoke, or a permanent magnet to control the magnetic field distribution.

[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。
[Effect of the invention 1 As explained above, according to the present invention, metal ions can be generated and extracted with high efficiency using sputtering in a high vacuum, and various high-quality thin films can be formed. ,
The ion source according to the present invention is capable of forming films on insulating substrates or forming insulating films. It can also be applied to texture or etching.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the sputter-type ion source of the present invention applied to a thin film deposition apparatus, and FIG. 2 is a plasma plasma in the embodiment of the sputter-type ion source of the present invention shown in FIG. A conceptual diagram for explaining the magnetic field strength distribution in the direction of the central magnetic flux and the high-density plasma generation mechanism. Figures 3 (A) and (B) show the pulse voltage waveform applied to the plasma control electrode, changes in the extraction ion current, and ion FIG. 4, which is a diagram for explaining the extraction process, is a schematic diagram of a typical gas ion source (Kaufman type) using a conventional filament. 1... Plasma generation chamber, 2... Filament, 3... Electromagnet for plasma stabilizing magnetic field generation, 4... Plasma, 5... Plasma control electrode, 6... Ion extraction grid) mechanism , 7... Ion beam, 9... High-speed secondary electrons, lO... Electric field above cylindrical target, 11... Electric field above plate-shaped target, 20... Plasma generation chamber, 2L... Plasma Gas inlet for generation chamber, 22... Ion extraction grid) mechanism, 23... Plate target, 24... Cylindrical target, 25... Power supply for plate target, 26... Cylindrical Target power supply, 27... Plasma control electrode, 28... Pulse power supply for plasma control electrode, 29...
Insulator, 30... Electromagnet for generating plasma stabilizing magnetic field, 31...
- Magnetic flux, 32... Ion beam, 33... Sample chamber, 34... Gas inlet for sample chamber, 35... Exhaust system, 36... Substrate holder, 37... Substrate, 38. ··Shutter. (vinegar

Claims (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。
[Scope of Claims] 1) A plasma generation chamber in which a gas is introduced to generate plasma; and first and second chambers made of a sputtering material, each of which is provided at both ends of the interior of the plasma generation chamber, and at least one of which is cylindrical. a second target; an ion extraction mechanism provided on the central axis of a cylindrical target among the first and second targets; and a second target connected to the plasma generation chamber, respectively. at least one first power source that applies a negative potential; a plasma control electrode provided inside the plasma generation chamber; a plasma control electrode that forms a magnetic field inside the plasma generation chamber; A sputter-type ion source comprising: means for generating magnetic flux that exits from one of the targets and enters the other target; and a second power source that applies a pulse voltage to the plasma control electrode. . 2) The sputter type ion source according to claim 1, wherein the cylindrical target is provided at an end on the ion extraction mechanism side of both ends of the plasma generation chamber. 3) The sputter type ion source according to claim 1, wherein the plasma control electrode is provided between the first target and the second target. 4) The sputter type ion source according to claim 1, wherein the ion extraction mechanism is composed of at least one flat plate. 5) The sputter type ion source according to claim 1, wherein the ion extraction mechanism is comprised of a convex porous grid.
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