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JPH089778B2 - Ion source - Google Patents

Ion source

Info

Publication number
JPH089778B2
JPH089778B2 JP23082986A JP23082986A JPH089778B2 JP H089778 B2 JPH089778 B2 JP H089778B2 JP 23082986 A JP23082986 A JP 23082986A JP 23082986 A JP23082986 A JP 23082986A JP H089778 B2 JPH089778 B2 JP H089778B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plasma
microwave
ions
magnetic flux
target
Prior art date
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JP23082986A
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Inventor
茂登 松岡
堅一 小野
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Priority to PCT/JP1987/000695 priority patent/WO1988002546A1/en
Priority to DE3789618T priority patent/DE3789618T2/en
Priority to US07/198,500 priority patent/US5022977A/en
Priority to EP87906208A priority patent/EP0283519B1/en
Publication of JPS6386864A publication Critical patent/JPS6386864A/en
Publication of JPH089778B2 publication Critical patent/JPH089778B2/en
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • ing And Chemical Polishing (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高密度プラズマによるスパツタリングを利用
してイオンを生成し、そのイオンを引きだすことにより
各種薄膜の形成やエツチングを行うのに利用すくための
高効率,大収量イオン源に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention is used for forming various thin films or etching by generating ions by using sputtering by high density plasma and extracting the ions. Of high efficiency, high yield ion source.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来からプラズマを利用した各種イオン源は、そのイ
オンを利用してターゲツトをスパツタして薄膜形成に用
いる、いわゆるイオンビームスパツタ装置や、集積回路
作製の際のエツチング装置等に広く用いられており、そ
の種類も、カウフマン型やデユオプラズマトロン型など
多様である。中でもカウフマン型のイオン源は広く用い
られているが、これは第5図に示したように、プラズマ
発生室1′の内部に熱電子放出用のフイラメント2を有
し、このフイラメント2を陰極として放電を電磁石3に
よつて発生した磁界中で起こさせることによりプラズマ
10を発生させ、このプラズマ10中のイオンの数枚の引き
出しグリツド4を用いてイオンビーム9を形成するもの
である。
Conventionally, various ion sources using plasma have been widely used in so-called ion beam sputtering devices, which are used for thin film formation by sputtering the target using the ions, and etching devices for manufacturing integrated circuits. , There are various types such as the Kaufmann type and the Deuoplasmatron type. Among them, the Kauffman type ion source is widely used, but as shown in FIG. 5, it has a filament 2 for thermionic emission inside the plasma generation chamber 1 ', and this filament 2 is used as a cathode. Plasma is generated by causing electric discharge in the magnetic field generated by the electromagnet 3.
10 is generated, and an ion beam 9 is formed by using several extraction grids 4 of ions in the plasma 10.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従来型のイオン源は熱電子放出用のフイラメント2を
用いているため、イオンの種類、すなわちプラズマ発生
室1′に導入するガスの種類としてはArなどの不活性ガ
ス等に限られていた。すなわち、反応性のガスを用いれ
ばフイラメント2と反応を起こし、安定なプラズマ形成
とイオンの引き出しができなくなるためである。さらに
フイラメント2の経時変化に伴う特性の劣化、フイラメ
ント2の交換などの保守上の問題、さらにはフイラメン
ト2の取付状態の変化によるイオン引き出し分布の変化
により再現性が損われるなどの欠点があつた。加えて熱
電子放出用のフイラメント2は、プラズマ10中に常にさ
らされており、プラズマ中の高エネルギイオンの衝撃を
常に受けているため、引き出された粒子中にフイラメン
ト材料、例えばタングステンが不純物として混入してい
るという問題があつた。またそうしたイオン源から取り
出せるイオンは、先に述べたように不活性ガス等のイオ
ンに限られており、Al(アルミニウム)やCu(銅)やFe
(鉄)といつた金属イオンを取り出すことは本質的に不
可能であつた。以上のことはデユオプラズマトロン型の
イオン源でも同様である。
Since the conventional ion source uses the filament 2 for emitting thermoelectrons, the type of ions, that is, the type of gas introduced into the plasma generation chamber 1'is limited to an inert gas such as Ar. That is, if a reactive gas is used, it reacts with the filament 2 and stable plasma formation and ion extraction cannot be performed. Further, there are drawbacks such as deterioration of characteristics of the filament 2 over time, maintenance problems such as replacement of the filament 2, and deterioration of reproducibility due to variation of ion extraction distribution due to variation of mounting state of the filament 2. . In addition, the filament 2 for thermionic emission is constantly exposed to the plasma 10 and is always bombarded with high-energy ions in the plasma. Therefore, filament materials, such as tungsten, are contained as impurities in the extracted particles. There was a problem of being mixed. Also, the ions that can be extracted from such an ion source are limited to ions such as inert gas as described above, and Al (aluminum), Cu (copper), and Fe.
It was essentially impossible to extract (iron) and metal ions. The same applies to the deuoplasmatron type ion source.

一方イオン源を膜形成やエツチング用に用いる場合に
は、取り出すイオンの電流密度はできるだけ多い方が望
ましいが、従来のイオン源では、イオンの量が通常のフ
イラメントから放出される電子の量に依つているため、
本質的に大収量のイオン源を作ることはできなかつた。
さらに従来のイオン源では、プラズマ発生室内では10-3
Torr以下の低ガスでは放電が安定に形成できず、それだ
け多く取り出したイオン中に不純物が含まれるという欠
点があつた。
On the other hand, when the ion source is used for film formation or etching, it is desirable that the current density of the extracted ions be as high as possible, but in the conventional ion source, the amount of ions depends on the amount of electrons emitted from a normal filament. Because
It was not possible to make an essentially high yield ion source.
Furthermore, with conventional ion sources, 10 -3 in the plasma generation chamber
Discharge could not be stably formed with a low gas of Torr or less, and the ion extracted so much had a drawback that impurities were contained.

イオン源として望まれる条件を以下にまとめると (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) イオンのエネルギが広い範囲にわたつて制御で
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。
The conditions desired as an ion source are summarized below: (1) Large yield (large ion current), (2) Impurities are small, (3) Ion energy can be controlled over a wide range, (4) ) Being able to extract not only inert gas but also various ions such as metal ions.

が上げられる。Can be raised.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は従来の問題点を解決するため、高い活性度の
高密度プラズマを局所的に発生させ、スパツタを起こさ
せることによりターゲツト材料をイオン化し、高純度の
各種材料のイオンを高電流密度で引き出し、試料基板上
に各種材料の薄膜形成やエツチングを行うイオン源を提
供するもので、マイクロ波導波管に接続されたマイクロ
波導入窓を一端に有し、マイクロ波進行方向に順次結合
したプラズマ生成室および試料室を備えた真空槽で構成
し、前記プラズマ生成室は、前記真空槽内に導入したマ
イクロ波が共振するマイクロ波空胴共振器を形成する径
および長さを有し、かつ中央部の内壁に配置した、負電
圧を印加しプラズマ中のイオンを引込みスパツタする円
筒状ターゲツトと、その円筒状ターゲツトの内側表面に
磁束がもれるように円筒状ターゲツトの上下両端外側に
極性を逆にした少なくとも1対のリング状永久磁石と、
前記マイクロ波導入窓と対向する他方の端に配置した、
前記スパツタした粒子がプラズマ中でイオン化されたイ
オンを選択的にとり出すグリツドと、両端外側に周設し
た、電子サイクロトロン共鳴を引き起すに必要な磁束密
度を形成し、かつプラズマ生成室内で、前記マイクロ波
導入窓を端部に有するマイクロ波導入部および前記グリ
ツドの配置部に対し磁束密度を極小とするミラー磁界を
形成する少なくとも一対の電磁石とを備えてなることを
特徴とする。
In order to solve the conventional problems, the present invention locally generates high-activity high-density plasma, ionizes the target material by causing spatter, and ionizes various high-purity materials at high current density. It provides an ion source that draws out, forms thin films of various materials on the sample substrate, and performs etching.A plasma that has a microwave introduction window connected to the microwave waveguide at one end and is sequentially coupled in the microwave traveling direction. The plasma generation chamber comprises a vacuum chamber having a generation chamber and a sample chamber, and the plasma generation chamber has a diameter and a length that form a microwave cavity resonator in which the microwave introduced into the vacuum chamber resonates, and A cylindrical target placed on the inner wall of the central part that applies a negative voltage and draws in the ions in the plasma to make a spatula, and the magnetic flux is leaked to the inner surface of the cylindrical target. At least one pair of ring-shaped permanent magnet polarity upper and lower ends outside the tubular Tagetsuto was reversed,
Arranged at the other end facing the microwave introduction window,
The grid is a grid for selectively taking out the ions ionized in the plasma, and the magnetic flux density necessary for causing electron cyclotron resonance is formed around both ends, and the micro-particle is formed in the plasma generation chamber. It is characterized by being provided with a microwave introduction part having a wave introduction window at an end and at least a pair of electromagnets forming a mirror magnetic field having a minimum magnetic flux density with respect to the arrangement part of the grid.

〔作 用〕[Work]

本発明はプラズマの生成および加熱に電子サイクロト
ロン共鳴を用い、プラズマの閉じ込めにはミラー磁場を
用いることにより低ガス圧の特定の空間に高密度のプラ
ズマを形成し、さらに高密度プラズマの前面に負電圧を
印加させた円筒状ターゲツトと、その内側表面に適当な
磁束密度を得るようなリング状永久磁石とを配置して高
密度プラズマ中のイオンをターゲツトに引き込み、高速
にスパツタを行い、次にそのスパツタされた粒子を高活
性のプラズマ中でイオン化して引き出し、電極で高純度
のイオンを選択的に取り出すことができる。以下図面に
もとづき実施例について説明する。
The present invention uses electron cyclotron resonance for plasma generation and heating, and uses a mirror magnetic field for plasma confinement to form high-density plasma in a specific space of low gas pressure, and further to provide a negative plasma in front of the high-density plasma. A cylindrical target to which a voltage is applied and a ring-shaped permanent magnet that obtains an appropriate magnetic flux density are arranged on the inner surface of the target, and the ions in the high-density plasma are attracted to the target, and the sputtering is performed at high speed. The sputtered particles can be ionized and extracted in highly active plasma, and high-purity ions can be selectively taken out by the electrodes. Embodiments will be described below with reference to the drawings.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の構成概要図であり、第2図は本発明
のイオン源を薄膜形成装置に適用した実施例であつて、
第5図の同じ符号は同じ部分を示す。1はプラズマ生成
室、5は円筒状ターゲツト、6はマイクロ波導入窓であ
る。マイクロ波源としては、例えば周波数245GHzのマグ
ネトロンを用い、マイクロ波導入窓6から外部方向に導
波管7、更に図示しない整合器、マイクロ波電力計、ア
イソレータ等のマイクロ波導入機構を経て接続される。
ガス導入系はプラズマ生成室1に直接接続される。マイ
クロ波導入窓6と対向する他端には、格子状又ははちの
巣状のイオン引き出しグリツド4を数枚配置している。
プラズマ生成室1は、マイクロ波空胴共振器の条件とし
て、一例として円形空胴共振モードTE118を採用し、内
のりで直径20cm、高さ20cmの円筒形状を用いてマイクロ
波の電界強度を高め、マイクロ波放電の効率を高めるよ
うにした。プラズマ生成室1の側面の一部に水冷が可能
な円筒状ターゲツト5と、その円筒状ターゲツト内側表
面に磁束がもれるように、円筒状ターゲツトの上下両端
外側に極性を逆にした少なくとも1対のリング状永久磁
石14とを配置して、その円筒状ターゲツトには−1.5KV,
10Aまでの負の電圧が印加できるようにした。プラズマ
生成室1の下端のイオン引き出しグリツド4は直径10cm
の大きさで、マイクロ波導入窓6に対向するグリツド面
はマイクロ波に対する反射面ともなり、プラズマ生成室
1が空胴共振器として作用している。
FIG. 1 is a schematic diagram of the configuration of the present invention, and FIG. 2 is an embodiment in which the ion source of the present invention is applied to a thin film forming apparatus.
The same reference numerals in FIG. 5 indicate the same parts. Reference numeral 1 is a plasma generation chamber, 5 is a cylindrical target, and 6 is a microwave introduction window. As the microwave source, for example, a magnetron having a frequency of 245 GHz is used, and is connected from the microwave introduction window 6 to the outside through a waveguide 7, and a microwave introduction mechanism such as a matching device, a microwave power meter, and an isolator (not shown). .
The gas introduction system is directly connected to the plasma generation chamber 1. A plurality of grid-shaped or honeycomb-shaped ion extraction grids 4 are arranged at the other end facing the microwave introduction window 6.
As a condition of the microwave cavity resonator, the plasma generation chamber 1 adopts a circular cavity resonance mode TE 118 as an example, and uses a cylindrical shape with a diameter of 20 cm and a height of 20 cm to increase the electric field strength of the microwave. , To improve the efficiency of microwave discharge. A cylindrical target 5 that can be water-cooled on a part of the side surface of the plasma generation chamber 1, and at least one pair of the polar targets are reversed on the upper and lower ends of the cylindrical target so that magnetic flux may leak to the inner surface of the cylindrical target. The ring-shaped permanent magnet 14 of is arranged to have a cylindrical target of −1.5 KV,
Negative voltage up to 10A can be applied. The ion extraction grid 4 at the lower end of the plasma generation chamber 1 has a diameter of 10 cm.
And the grid surface facing the microwave introduction window 6 also serves as a reflection surface for microwaves, and the plasma generation chamber 1 acts as a cavity resonator.

プラズマ生成室1の外側両端には電磁石8を周設し、
これによつてミラー磁界を発生し、極小となる磁界の強
度を、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件
がプラズマ生成室1の内部で成立するように決定する。
例えば245GHzのマイクロ波に対しては、電子サイクロト
ロン共鳴の条件は、磁束密度875Gであるため両端の電磁
石8は最大磁束密度3000G程度まで得られるように構成
する。二つの電磁石8が適当な距離を置くことによりプ
ラズマ生成室1で最も磁束密度が弱くなる、いわゆるミ
ラー磁場配置をとることは、電子サイクロトロン共鳴に
よつて効率よく電子にエネルギを与えるだけでなく、生
成したイオンや電子を磁界に垂直方向に散逸するのを防
ぎ、さらにプラズマをミラー磁場間に閉じ込める効果を
もつている。なお第2図で11は試料室、12は基板であ
る。
Electromagnets 8 are provided at both outer ends of the plasma generation chamber 1,
As a result, a mirror magnetic field is generated, and the intensity of the minimum magnetic field is determined so that the conditions for electron cyclotron resonance by microwaves are satisfied inside the plasma generation chamber 1.
For example, for a microwave of 245 GHz, the condition of electron cyclotron resonance is a magnetic flux density of 875 G, so that the electromagnets 8 at both ends are configured to obtain a maximum magnetic flux density of about 3000 G. When the so-called mirror magnetic field arrangement, in which the magnetic flux density is the weakest in the plasma generation chamber 1 when the two electromagnets 8 are placed at an appropriate distance, not only efficiently imparts energy to electrons by electron cyclotron resonance, but also It prevents the generated ions and electrons from being dissipated in the direction perpendicular to the magnetic field, and also has the effect of confining the plasma between the mirror magnetic fields. In FIG. 2, 11 is a sample chamber and 12 is a substrate.

第3図に本発明のイオン源の磁場配置および発生イオ
ンの運動の原理図を示す。第2図と同じ符号は同じ部分
を示す。
FIG. 3 shows a principle diagram of the magnetic field arrangement of the ion source of the present invention and the motion of generated ions. The same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same parts.

ここでプラズマを形成するときのパラメータは、プラ
ズマ生成室内のガス圧、マイクロ波のパワー、ターゲツ
トの印加電圧及びミラー磁場の勾配(磁気コイル部の最
大磁束密度Bmと両電磁石のコイル中心位置のプラズマ生
成室内での最小磁束密度Boの比:Bm/Bo)及び両コイル間
の距離等である。ここで、例えば245GHzの周波数のマイ
クロ波に対しては、前述のようにプラズマ生成室内での
最小磁束密度Boを875G以下に、電磁石の磁気コイル中心
部の最大磁束密度Bmを1kGから3kG程度まで変化できるよ
うにして磁場の勾配を変化することができる。ここで、
電子サイクロトロン共鳴条件である磁束密度875Gは、プ
ラズマ生成室内のいずれかの点で達成されていればよ
い。
Here, the parameters for forming plasma are gas pressure in the plasma generation chamber, microwave power, target applied voltage, and gradient of the mirror magnetic field (maximum magnetic flux density Bm of the magnetic coil part and plasma at the coil center position of both electromagnets). The ratio of the minimum magnetic flux density Bo in the generation chamber: Bm / Bo) and the distance between both coils. Here, for example, for the microwave of the frequency of 245 GHz, as described above, the minimum magnetic flux density Bo in the plasma generation chamber is 875 G or less, and the maximum magnetic flux density Bm in the center of the magnetic coil of the electromagnet is about 1 kG to 3 kG. The gradient of the magnetic field can be changed so that it can be changed. here,
The magnetic flux density 875G, which is an electron cyclotron resonance condition, may be achieved at any point in the plasma generation chamber.

プラズマ中の荷電粒子は、このように磁界が空間的に
ゆるやかに変化している場合には、磁力線13に拘束され
て、磁力線13の回りをスパイラル運動しながら、角運動
量を保持しつつ磁束密度の高い部分で反射され、結果と
してミラー磁場中の往復運動し、ひいては閉じ込めが実
現される。ここで前述したミラー磁場の勾配:Bm/Boはプ
ラズマ閉じ込め効率に大きな影響をおよぼす。以上によ
うにして閉じ込められた高密度プラズマに面した円筒状
ターゲツト5に負の電圧を印加させることにより、高密
度プラズマ中のイオンを円筒状ターゲツト5に効率よく
引き込みスパツタを起こさせる。その円筒状ターゲツト
に引き込まれたイオンがターゲツト表面に衝突すると、
そのターゲツト表面から2次電子が放出される。この2
次電子は、ターゲツト印加電圧に相当する大きなエネル
ギーでターゲツトから遠ざかるように加速される。
When the magnetic field changes spatially gently in this way, the charged particles in the plasma are constrained by the magnetic field lines 13 and spirally move around the magnetic field lines 13 while maintaining the angular momentum and the magnetic flux density. Is reflected in the high part of the mirror, resulting in reciprocal motion in the mirror magnetic field, and confinement is realized. The gradient of the mirror magnetic field mentioned above: Bm / Bo has a great influence on the plasma confinement efficiency. By applying a negative voltage to the cylindrical target 5 facing the high-density plasma confined as described above, the ions in the high-density plasma are efficiently drawn into the cylindrical target 5 to cause spatter. When the ions drawn into the cylindrical target collide with the target surface,
Secondary electrons are emitted from the surface of the target. This 2
Secondary electrons are accelerated away from the target with large energy corresponding to the target applied voltage.

この2次電子は、大きなエネルギーを持つており、ガス
のイオン化効率に大きな影響を与える。
The secondary electrons have a large energy and have a great influence on the ionization efficiency of gas.

一方、円筒状ターゲツトの外側両端に磁極を逆にして
配置したリング状永久磁石14によつてターゲツト表面に
漏えいする磁界 はこの2次電子の閉じ込めに有効に作用する。その原理
を第4図(a)(b)を用いて説明する。同図(a)は
上面図,(b)は側面図を示す。
On the other hand, the magnetic field leaking to the target surface by the ring-shaped permanent magnets 14 with the magnetic poles reversed at both outer ends of the cylindrical target. Effectively acts to confine this secondary electron. The principle will be described with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b). The figure (a) shows a top view and (b) shows a side view.

ターゲツト印加電圧によつて形成されたターゲツト表
面の電界 で加速された2次電子は、磁界 で偏向され、ターゲツト方向に再び引きもどされる。し
かしまた電界 によつて逆方向に加速され、以上の過程をくり返しなが
ら、結果として高速の2次電子は 方向、即ちターゲツト内径方向にドリフト運動しその間
に中性の粒子との衝突を繰返して行く。その結果、高高
率なガスのイオン化ひいてはより高効率なスパツタリン
グが、より低いターゲツト印加電圧で達成されることに
なる。さらに、円筒状ターゲツト5からスパツタされ
た、ほとんどが中性の粒子の一部分は電子温度の高い高
密度プラズマ中でイオン化される。一方ここで前述のイ
オン引出しグリツドがない場合には、電子はイオンに対
してはるかに軽いため、磁力線方向の運動速度はイオン
に比して電子の方が大きくなり、ミラー端部から多くの
電子が逃げだし、正イオンがミラー中に取り残されるこ
とになり、荷電分離がおこり、必然的に端部近傍に電界
が誘起される。この内外のポテンシヤル差が電子の平均
エネルギに匹敵した時に平衡し、この電界は電子に対し
ては減速、イオンに対しては加速電界として働いて両種
の放出量がほぼ同じになる。即ち、こうしたミラーによ
る空間電荷効果による損失は、このプラズマを薄膜形成
装置の観点から見れば、その電位差に相当するエネルギ
を持つたイオンをプラズマから取り出すことを意味して
いる。このエネルギは、マイクロ波のパワーやガス圧に
大きく依存し、数eVから数百eVまでの広い範囲で自由に
制御することができる。しかもターゲツトと基板が直交
した位置にあるため、ターゲツトからの負イオンや中性
の高エネルギ粒子が直接引き出し孔から出ることはな
く、引き出した粒子のエネルギは分散が小さいものにな
る。
Electric field on target surface formed by target applied voltage Secondary electrons accelerated by It is deflected by and is returned to the target direction again. But again the electric field Is accelerated in the opposite direction, and as a result, the high-speed secondary electrons are repeated. In the direction of the target, i.e., in the direction of the inner diameter of the target, during which it repeatedly collides with neutral particles. As a result, a high rate of ionization of the gas and thus a more efficient sputtering is achieved at a lower target applied voltage. Further, a portion of the mostly neutral particles sputtered from the cylindrical target 5 is ionized in a high density plasma with a high electron temperature. On the other hand, in the case where the above-mentioned ion extraction grid is not present, the electrons are much lighter than the ions, so the velocity of motion in the direction of the magnetic field is larger for the electrons than for the ions, and many electrons are emitted from the mirror edge. Will escape, positive ions will be left in the mirror, charge separation will occur, and an electric field will inevitably be induced near the edge. When the potential difference between the inside and outside is equal to the average energy of the electrons, equilibrium occurs, and this electric field acts as a decelerating electric field for electrons and as an accelerating electric field for ions, and the emission amounts of both species are almost the same. That is, the loss due to the space charge effect due to such a mirror means that, from the viewpoint of the thin film forming apparatus, this plasma extracts ions having energy corresponding to the potential difference. This energy greatly depends on the microwave power and the gas pressure, and can be freely controlled in a wide range from several eV to several hundred eV. Moreover, since the target and the substrate are orthogonal to each other, negative ions and neutral high-energy particles from the target do not directly exit from the extraction hole, and the energy of the extracted particle has a small dispersion.

加えてプラズマ中には粒子間衝突による粒子の散乱が
存在することから、その衝突散乱によるプラズマ密度の
時間的減少の緩和時間は、プラズマ中のイオンエネルギ
が低いほど小さいため、ミラー端部から逃げる粒子群の
平均エネルギはプラズマ内部の粒子群の平均エネルギの
数分の1になる。即ち、プラズマ中のイオン化には、よ
り高いエネルギで(高活性で)行い、またイオンを外へ
取り出して、例えば膜とする場合には、数分の1のより
小さいエネルギでイオンを取り出すことができることを
意味しており、この磁場配置をもつスパツタ型イオン源
は高速,高効率,高純度薄膜形成装置としても理想的な
性質をもつていることを示している。
In addition, since there is particle scattering in the plasma due to collisions between particles, the relaxation time for the temporal decrease in plasma density due to collision scattering escapes from the mirror edge because the ion energy in the plasma is smaller. The average energy of the particle group is a fraction of the average energy of the particle group inside the plasma. That is, ionization in plasma can be performed with higher energy (high activity), and when the ions are extracted to the outside, for example, in the case of forming a film, the ions can be extracted with a smaller energy, which is a fraction. This means that the sputter ion source with this magnetic field arrangement has ideal properties as a high-speed, high-efficiency, high-purity thin film forming apparatus.

一方イオン引き出しグリツドを設けた場合には、その
グリツドに印加する電圧によつて引き出すイオンのエネ
ルギを制御でき、数十eVから数十KeVまでの範囲で任意
のエネルギをもつた大収量のイオンを引き出すことがで
きる。しかもこの場合、引き出した粒子のほとんどがイ
オン化されている。
On the other hand, when an ion extraction grid is provided, the energy of the extracted ions can be controlled by the voltage applied to the grid, and a large yield of ions with any energy in the range of tens of eV to tens of KeV can be obtained. Can be withdrawn. Moreover, in this case, most of the extracted particles are ionized.

また本発明の装置は、高密度プラズマを利用したスパ
ツタリングによつてイオンを形成するため、種種の金属
イオンや各種化合物のイオンを極めて大電流密度で取り
出すことができるので、各種薄膜形成やエツチング用の
イオン源として極めて優れた特徴を有している。
Further, since the apparatus of the present invention forms ions by sputtering using high-density plasma, it is possible to take out metal ions of various species and ions of various compounds at an extremely large current density, and thus for forming various thin films and etching. It has an extremely excellent feature as an ion source.

さらに本発明ではプラズマを活性にしていることか
ら、より低いガス圧(10-5Torr)でも放電が安定に形成
でき、それだけ不純物の少ないイオンを取り出せるとい
う特徴を有している。
Further, in the present invention, since the plasma is activated, the discharge can be stably formed even at a lower gas pressure (10 −5 Torr), and ions having less impurities can be taken out.

さらに本発明では、電子サイクロトロン共鳴による加
熱を利用しているため、プラズマ中の電子温度を自由に
制御できる。このため、多価イオンが生成できるほどの
電子温度も実現できるので、結果として、その多価イオ
ンを引き出して化学的に不安定な材料も合成できるとい
う優れた特徴をもつている。
Further, in the present invention, since the heating by electron cyclotron resonance is utilized, the electron temperature in plasma can be freely controlled. Therefore, it is possible to realize an electron temperature at which polyvalent ions can be generated, and as a result, it is possible to synthesize the chemically unstable material by extracting the polyvalent ions.

一方、本発明のイオン源では、前述のようにプラズマ
のイオン化率が極めて高いため、ターゲツトから放出さ
れた中性のスパツタ粒子がプラズマ中でイオン化された
割合が高いが、このイオン化されたターゲツト構成粒子
がまたターゲツトの電位で加速されて、またターゲツト
をスパツタする、いわゆるセルフスパツタの割合も極め
て大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガス(例えばAr)
がごく希薄な、あるいは用いない場合でも上述のセルフ
スパツタを持続し、ひいては超高純度のイオンの引き出
しや、そのイオンを用いた膜形成も実現できるという特
徴をもつている。
On the other hand, in the ion source of the present invention, since the ionization rate of the plasma is extremely high as described above, the proportion of neutral sputter particles emitted from the target is high in the plasma, but the ionized target configuration is high. Particles are also accelerated by the potential of the target, and the proportion of so-called self-sputtering that spatters the target becomes extremely large. That is, gas for plasma generation (eg Ar)
It is characterized by being able to maintain the above-mentioned self-sputtering even when it is extremely dilute or when it is not used, and eventually to extract ultrahigh-purity ions and to form a film using the ions.

次に本発明装置を用いてAl膜を形成した結果について
説明する。プラズマ形成室内の真空度を5×10-7Torrま
で排気した後Arガスを導入し、プラズマ生成室内のガス
圧を3×10-4Torrとして、マイクロ波電力100〜800W、
ターゲツト印加電圧300〜1KV、ターゲツト表面での磁束
密度400G、ミラー磁場勾配(2KG/700G)の条件で膜を形
成した。このとき、イオン引き出しグリツドを用いて80
eV〜1000eVのエネルギを持つたAl+イオンを引き出し
て、そのグリツドの下に配置した基板上に5〜120Å/mi
nの堆積速度で効率よく膜形成ができた。その際、ター
ゲツト外に周設した永久磁石のために、その永久磁石が
ない場合に比べ、より低いターゲツト電圧で高速スパツ
タが実現できている。またグリツドを用いない場合に
は、5eVから20eVのエネルギをもつた、その10〜30%が
イオン化した粒子を引き出すことができ、いずれの場合
も従来の方法に比べ高速,高効率で厚さ2μm以上の膜
をクラツクや剥離を生じることなく高速安定に形成でき
た。
Next, the result of forming an Al film using the apparatus of the present invention will be described. After evacuating the degree of vacuum in the plasma formation chamber to 5 × 10 −7 Torr, Ar gas is introduced, the gas pressure in the plasma generation chamber is set to 3 × 10 −4 Torr, and the microwave power is 100 to 800 W.
A film was formed under the conditions of a target applied voltage of 300 to 1KV, a magnetic flux density of 400G on the target surface, and a mirror magnetic field gradient (2KG / 700G). At this time, use the ion extraction grid to
Extraction of Al + ions with an energy of eV to 1000 eV and 5 to 120Å / mi on the substrate placed under the grid.
The film could be formed efficiently at the deposition rate of n. At that time, because of the permanent magnets provided outside the target, high-speed sputtering can be realized with a lower target voltage as compared with the case where the permanent magnet is not provided. When no grid is used, particles with an energy of 5 to 20 eV, 10 to 30% of which can be ionized, can be extracted. In any case, it is faster and more efficient than the conventional method, and the thickness is 2 μm. The above film could be stably formed at high speed without cracking or peeling.

本発明のイオン源はAl膜の形成のみならず、ほとんど
すべての薄膜の形成やエツチング用のイオン源として用
いることができ、また導入するガスを反応性のガスにす
ることで化合物のイオンビーム堆積も実現することがで
きる。なお、本発明では、ミラー磁場を得るために磁気
コイルを用いているが、これは種種の永久磁石あるいは
それらを組み合わせたものを用いてミラー磁場を形成し
ても全く同様の効果をもつことは明らかで、さらにミラ
ー磁場の勾配を非対称にしてもよいことは言うまでもな
い。
The ion source of the present invention can be used not only for forming an Al film, but also for forming almost all thin films and as an ion source for etching, and by introducing a reactive gas as a reactive gas, ion beam deposition of a compound. Can also be realized. In the present invention, the magnetic coil is used to obtain the mirror magnetic field. However, even if the magnetic field is formed by using various kinds of permanent magnets or a combination thereof, the same effect can be obtained. Obviously, it goes without saying that the gradient of the mirror magnetic field may be asymmetric.

さらに、円筒状ターゲツト表面に磁束印加するため、
本発明では1対のリング状永久磁石を用いているが適当
な電磁石,あるいは適当なヨークあるいはそれらを組み
合わせて用いても効果は同じであることは言うまでもな
い。
Furthermore, in order to apply magnetic flux to the surface of the cylindrical target,
Although a pair of ring-shaped permanent magnets are used in the present invention, it is needless to say that the same effect can be obtained by using a suitable electromagnet, a suitable yoke, or a combination thereof.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明はプラズマ生成に電子サ
イクロトロン共鳴条件によるマイクロ波放電を用い、ミ
ラー磁界によつてプラズマを効率よく閉じ込め、その高
密度プラズマ中のイオンを効率よくターゲツトに引き込
みスパツタを実現し、そこから生成される中性粒子を低
ガス圧で高活性のプラズマ中でイオン化、そのイオンを
効率よく引き出すことによりイオン源を実現するもの
で、従来のイオン源に比べ極めて高電流密度でイオン引
き出しが実現でき、しかも各種の高純度金属イオンや化
合物イオン堆積やエツチングが実現でき、加えてそのイ
オンのエネルギが数eVから数KeVまでの広い範囲で自由
に制御できるという優れた特徴を有している。また本発
明では、円筒状ターゲツトの外側に配置したリング状の
永久磁石の効果により、この構成を具えないものに比較
してターゲツト印加電圧を低くして高効率のスパツタが
可能となる。
As described above, the present invention uses microwave discharge under the electron cyclotron resonance condition for plasma generation, efficiently confines the plasma by the mirror magnetic field, and efficiently draws the ions in the high-density plasma to the target to realize the sputtering. The ion source is realized by ionizing the neutral particles generated from it in a highly active plasma at a low gas pressure and efficiently extracting the ions. It has an extremely high current density compared to conventional ion sources. It has the excellent feature that it can extract ions, and it can also deposit and etch various types of high-purity metal ions and compound ions, and that the energy of the ions can be freely controlled in a wide range from several eV to several KeV. are doing. Further, in the present invention, due to the effect of the ring-shaped permanent magnets arranged on the outer side of the cylindrical target, the target applied voltage can be lowered and the highly efficient sputtering can be performed as compared with the case without this configuration.

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

第1図は本発明のイオン源の構成概要図、 第2図は本発明のイオン源を用いて実現された薄膜形成
装置の実施例、 第3図は本発明のイオン源の磁場配置図及びそれによつ
て生じるイオンの運動と電位分布の概略図、 第4図(a)(b)はリング状永久磁石の効果を説明す
る本発明装置の上面図及び側面図、 第5図はカウフマン型イオン型の構成図である。 1……プラズマ生成室 1′……プラズマ発生室 2……熱電子放出用フイラメント 3……プラズマ収束用電磁石 4……イオン引き出しグリツド 5……円筒状ターゲツト 6……マイクロ波導入窓 7……マイクロ波導波管 8……ミラー磁界発生用電磁石 9……イオンビーム 10……プラズマ 11……試料室 12……基板 13……磁力線 14……永久磁石
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ion source of the present invention, FIG. 2 is an embodiment of a thin film forming apparatus realized by using the ion source of the present invention, and FIG. 3 is a magnetic field layout diagram of the ion source of the present invention. 4A and 4B are schematic views of the motion and potential distribution of ions generated thereby, FIGS. 4A and 4B are a top view and a side view of the device of the present invention for explaining the effect of the ring-shaped permanent magnet, and FIG. 5 is a Kauffman type ion. It is a block diagram of a type | mold. 1 ... Plasma generation chamber 1 '... Plasma generation chamber 2 ... Thermoelectron emission filament 3 ... Plasma focusing electromagnet 4 ... Ion extraction grid 5 ... Cylindrical target 6 ... Microwave introduction window 7 ... Microwave waveguide 8 …… Mirror magnetic field generating magnet 9 …… Ion beam 10 …… Plasma 11 …… Sample chamber 12 …… Substrate 13 …… Magnetic field line 14 …… Permanent magnet

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】高密度プラズマによるスパツタリングで生
成したイオンを引き出し、試料基板上に各種材料の薄膜
形成やエツチングを行うイオン源であって、 マイクロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を一端
に有し、マイクロ波進行方向に順次結合したプラズマ生
成室および試料室を備えた真空槽で構成し、 前記プラズマ生成室は、 前記真空槽内に導入したマイクロ波が共振するマイクロ
波空胴共振器を形成する径および長さを有し、 中央部の内壁に配置した、負電圧を印加しプラズマ中の
イオンを引込みスパツタする円筒状ターゲツトと、 その円筒状ターゲツトの内側表面に磁束がもれるよう
に、円筒状ターゲツトの上下両端外側に極性を逆にした
少なくとも1対のリング状永久磁石と、 前記マイクロ波導入窓と対向する他方の端に配置した、
前記スパツタした粒子がプラズマ中でイオン化されたイ
オンを選択的にとり出すグリツドと、 両端外側に周設した、電子サイクロトロン共鳴を引き起
すに必要な磁束密度を形成し、かつプラズマ生成室内
で、前記マイクロ波導入窓を端部に有するマイクロ波導
入部および前記グリツドの配置部に対し磁束密度を極小
とするミラー磁界を形成する少なくとも一対の電磁石と
の備えてなることを特徴とするイオン源。
1. An ion source for extracting ions generated by sputtering by high-density plasma to form thin films of various materials on a sample substrate and etching, which has a microwave introduction window connected to a microwave waveguide at one end. And a vacuum chamber having a plasma generation chamber and a sample chamber that are sequentially coupled in the microwave traveling direction, and the plasma generation chamber is a microwave cavity resonance in which the microwave introduced into the vacuum chamber resonates. A cylindrical target that has a diameter and length that form a container and that is placed on the inner wall of the central part and that attracts ions in the plasma by applying a negative voltage and spatters it, and the magnetic flux leaks to the inner surface of the cylindrical target. As described above, at least one pair of ring-shaped permanent magnets having opposite polarities on the outer sides of the upper and lower ends of the cylindrical target, and the other end facing the microwave introduction window. Arrangement was,
The spatulated particles form a grid for selectively taking out ions ionized in plasma, and a magnetic flux density necessary for causing electron cyclotron resonance, which is provided around both ends, and forms a magnetic flux density in the plasma generation chamber. An ion source, comprising: a microwave introducing portion having a wave introducing window at an end thereof; and at least a pair of electromagnets forming a mirror magnetic field having a minimum magnetic flux density with respect to an arrangement portion of the grid.
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