JP2849771B2 - Sputter type ion source - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 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ッチング、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。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for forming thin films of various materials on a sample substrate, or extracting ions for etching or modifying the surface of the thin film. Things,
In particular, the present invention relates to a novel sputter-type ion source for stably generating and extracting metal ions with high efficiency by using high-density plasma sputtering.
[従来の技術] 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
材料や薄膜のエッ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出用フィ
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。2. Description of the Related Art Conventionally, a so-called ion source for extracting ions generated in plasma using an extraction mechanism such as a grid has been widely used in various fields for etching and processing of various materials and thin films. Among them, a Kauffman-type ion source having a thermoelectron emission filament as shown in FIG. 4 is most commonly used. The Kaufman-type ion source has a filament 2 for emitting thermoelectrons in a plasma generation chamber 1 and discharges in a magnetic field generated by an electromagnet 3 for generating a plasma stabilizing magnetic field using the filament 2 as a cathode. The plasma 4 is generated, and ions in the plasma 4 are extracted as an ion beam 7 by using several extraction grids 6 while controlling the plasma 4 with a plasma control electrode 5 opposed to the plasma 4.
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。In an ion source represented by a conventional Kauffman ion source, thermoelectrons for plasma generation are extracted using a filament, and the filament material is sputtered and included in the extracted ions as impurities. Further, when a reactive gas such as oxygen is used as the plasma generating gas, the reactive gas reacts with the filament, and there is a drawback that continuous ion extraction cannot be performed for a long time.
In addition, this type of ion source has a drawback 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−Z
G−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などのほとんどの金属イオンの引出し
が可能である。On the other hand, as an ion source capable of extracting metal ions over a large area, a sputter ion source has been proposed (for example, Spring Applied Physics Society of Japan, 1989, 30a-Z).
G-10, 524p). According to this type of ion source, most metal ions such as Al and Fe can be extracted over a large area.
[発明が解決しようとする課題] 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、エッ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。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the above-described sputter 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. In some cases, ions cannot be effectively extracted due to charge-up of the substrate by the ion beam.
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 may be 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 emitted electrons 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く、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, when such a method is applied to the above-mentioned sputter ion source, when impurities are mixed into the film from a heated filament or a reactive gas such as oxygen is introduced, the reactive gas and the filament There is a disadvantage that not only do they react with the material and release impurities, but also the life of the filament becomes 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 stably for a long time with high efficiency by using sputtering by high-density plasma.
[課題を解決するため手段] 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] In order to solve the above-mentioned technical problems, the present invention provides a plasma generation chamber for generating a plasma by introducing a gas,
First and second targets provided at both ends inside the plasma generation chamber, and at least one of which is formed of a sputtering material, and a center of the cylindrical target among the first and second targets; An ion extraction mechanism provided on an axis, at least one first power supply for applying a negative potential to the plasma generation chamber to each of the first and second targets, and an interior of the plasma generation chamber. And a means for forming a magnetic field inside the plasma generation chamber and generating a magnetic flux exiting from one of the first and second targets and entering the other target. And a second power supply for applying a pulse voltage to the plasma control electrode.
[作 用] 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、放出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。[Operation] The present invention is capable of efficiently extracting metal ions generated by high-density plasma sputtering and forming a high-quality thin film on an insulator or an insulating film in a high vacuum. is there. In other words, the present invention combines a set of targets, at least one of which has a cylindrical shape, and adopts a target arrangement for confining high-speed secondary electrons required for high-density plasma generation in plasma. Can be generated, and the metal ions generated there can be efficiently extracted. In addition, since the ion extraction is pulsed and the ion charges are neutralized by the emitted electron beam at the same time, there is no charge on the substrate or film surface due to the ions, and the ions can be extracted stably on the insulator substrate. Alternatively, an insulating film can be formed.
[実施例] 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。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 configuration diagram showing one 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23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23Bを介してプラズマ生成室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20Cに固定されている。また、支持体24Aの下部には絶
縁体24C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。A gas for generating plasma is introduced into the plasma generation chamber 20 from an inlet 21. At one end of the plasma generation chamber 20, a grid 22 for extracting ions is provided. In this embodiment, the grid 22 is composed of a single hemispherical multi-hole grid. A voltage is applied to the 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 23 is provided near the grid 22.
24 are provided. The target 23 is detachably fixed to a water-coolable metal support 23A. Support 23A
Is fixed to a lid 20B above the plasma generation chamber 20, and the lid 20B is fixed to a wall 20A above the plasma generation chamber 20 via an insulator 23B. Similarly, the target 24 is detachably fixed to a water-coolable metal support 24A. The support 24A is fixed to a wall 20C of the plasma generation chamber 20 via an insulator 24B. The grid 22 described above is fixed to a lower portion of the support 24A via an insulator 24C. The protruding ends 23D and 24D of the supports 23A and 24A also serve as electrodes, and can apply a negative potential to the plasma generation chamber 20 from the DC power supplies 25 and 26 to the targets 23 and 24.
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 supply 28 for applying a pulse voltage is connected to the anode electrode 27. Reference numeral 29 in FIG. 1 denotes 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。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
状ターゲット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8cm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。An electromagnet 30 for forming a magnetic field inside the plasma generation chamber is provided on the outer periphery of the plasma generation chamber 20. The electromagnet 30 and the targets 23 and 24 are positioned so that a magnetic flux 31 generated by the electromagnet 30 traverses both target surfaces and the magnetic flux exits the surface of one target and enters the other target surface. For example, a cylindrical tubular target 24 having an inner diameter of 10 cm and a height of 5 cm can be set to 8 cm by using a disk-shaped target 23 having a diameter of 8 cm. It is desirable that the plasma generation chamber 20 be water-coolable.
In order to protect the side surfaces of the 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。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。After the inside of the plasma generation chamber 20 is evacuated to a high vacuum, a gas is introduced from the gas inlet 21 and the voltage applied to the targets 23 and 24 in the magnetic field generated by the electromagnet 30 is increased. . The 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 further has the effect of confining the plasma. 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。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とィオン
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36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。An example of a thin film deposition apparatus using the sputter type ion source of the present invention thus configured will be described with reference to FIG. A sample chamber 33 is connected to the plasma generation chamber 20 with an ion extraction grid 22 interposed therebetween. The sample chamber 33 and the plasma generation chamber 20 constitute one vacuum chamber, but it is preferable that the two are insulated. Gas can be introduced into the sample chamber 33 from the gas inlet 34, and can be evacuated to a high vacuum by the exhaust system 35. In the sample chamber 33, a substrate holder 36 for holding a substrate 37 is provided, and a shutter 38 that can be opened and closed between the substrate holder 36 and the ion extraction grid 22 is provided. The substrate holder 36 has a built-in heater
It is preferable to be able to heat the substrate 37, and it is also preferable to apply a DC or AC voltage to the substrate 37 to apply a bias voltage to the substrate during film formation and to perform sputter cleaning of the substrate. .
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, referring to FIG. 2, a description will be given of a plasma multiplication mechanism by the movement of high-speed secondary electrons in the sputter type ion source according to the present invention.
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20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が放出される。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10,1
1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2
3,24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
-4Torr台のより低いガス圧でも放電が安定に持続でき
る。By applying a negative potential to the plasma generation chamber 20 by the tubular target power supply 26 and the plate target power supply 25 to the tubular target 24 and the plate target 23, respectively, high-density plasma is generated, Sputters are generated efficiently. When the ions drawn into the targets 23 and 24 collide with the target surface, high-speed secondary electrons (γ electrons) 9 are emitted from the target surface. This high speed 2
The next (γ) electron 9 is the electric field generated by each target 10,1
It is accelerated by 1 and moves at high speed to the opponent's target while being spirally constrained by the magnetic flux 31 running between the target surfaces. The high-speed secondary (γ) electrons 9 that reach the target of the other party are also reflected by the electric field generated by the target, and as a result, the high-speed secondary (γ) electrons 9
It will be trapped in a spiral motion between 3,24. The reciprocating motion of the high-speed secondary (γ) electrons 9 is confined until the energy is reduced by the binding energy of the magnetic flux, and during that time, ionization is accelerated by collision with neutral particles or interaction with plasma. In the device of this embodiment, 10
Discharge can be sustained stably even at lower gas pressures of the order of -4 Torr.
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, they 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 affect the generation of plasma include the gas pressure in the plasma generation chamber 20, the power supplied to the target, the magnetic field distribution, the distance between targets, and the like.
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27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
And the voltage applied to the ion extraction grid 22 or the acceleration voltage which is a potential applied to the cylindrical anode, that is, the plasma control electrode 27.
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2
2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、ほ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。In the ion source according to the present invention, a positive voltage is applied from the plasma control electrode pulse power supply 28 to the plasma generation chamber 20 to the cylindrical plasma control electrode 27 having a height of, for example, 10 cm in the plasma generation chamber 20 and a height of 3 cm, The potential of the plasma can be controlled. Ion extraction grid 2 with an effective extraction diameter of 6 cm
2 is a floating potential. As a result, ions in the plasma can be extracted as an ion beam 32 to the substrate 37 side. At this time, the energy of the ions flying to the substrate 37 substantially 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, an ion extraction process when a pulse voltage is applied to the plasma control electrode, which is a feature of the present invention, will be described with reference to FIG.
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(0V)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、ほ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(0V)、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つつイオ
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5KHzから50
KHz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(デューティ)は特に制
限はないが、0.9から0.5程度が効率よい。FIG. 3A shows the process of extracting ions with respect to the potential of the plasma control electrode in this embodiment, and FIG.
Shows the waveform of the applied pulse voltage and the drawn current waveform. When a rectangular pulse composed of a plasma generation chamber potential (0 V) and a positive voltage is applied to the plasma control electrode, when the pulse is at a positive voltage, ions are extracted from the plasma with almost the same energy. On the other hand, when the potential is equal to or lower than the plasma generation chamber potential (0 V), electrons in the plasma diffuse to the substrate 37 side via the ion extraction grid 22 while being constrained by the magnetic field. Therefore, before the surface of the substrate 37 is charged up by the charge of the ions extracted while the plasma control electrode potential is positive, it is possible to stably realize the ion extraction by neutralizing the charge of the ions by the diffused electrons. it can. The frequency of the pulse must be set faster than the charge diffusion frequency on the substrate 37, in this case from 5KHz to 50KHz.
Ions can be extracted most efficiently in the KHz range. Further, the ratio (duty) of the ion extraction time is not particularly limited, but is preferably about 0.9 to 0.5.
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Al2O3膜を形成した結果について説
明する。Next, a description will be given of the result of forming an Al 2 O 3 film by simultaneously extracting 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.
試料室33の真空度を5x10-7Torrまで排気したのち、Ar
ガスを毎分5cc、酸素ガスを毎分5ccのフロー速度で導入
し、プラズマ生成室内のガス圧を5x10-4Torrとして筒状
のAl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ューティ
を70%、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/minの堆積速
度で、安定に効率よく緻密なAl2O3膜を堆積できた。After evacuating the vacuum of the sample chamber 33 to 5 × 10 −7 Torr, Ar
Gas was introduced at a flow rate of 5 cc / min and oxygen gas was introduced at a flow rate of 5 cc / min. The gas pressure in the plasma generation chamber was set at 5 × 10 −4 Torr, and the electric power supplied to the cylindrical Al target 24 was discharged at 100 to 500 W. A pulse voltage applied to the plasma control electrode 29 has a frequency of 30 KHz, an ion extraction duty of 70%, a rectangular wave of 0 to 100 V, and an ion extraction mechanism.
The film was deposited with the spherical porous grid as 22 at floating potential. At this time, the sample stage formed a film in the range from room temperature to 400 ° C. As a result, a dense Al 2 O 3 film could be stably and efficiently deposited at a deposition rate of 0.5 to 3 nm / min.
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、ほ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-described embodiment was applied to the extraction of Al ions and the formation of a compound film thereof, the present invention is not limited to this, and it can be used for almost all film formation.
Most reactive gases such as nitrogen can be used.
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-described embodiment, the electromagnet is used as the magnetic circuit for the plate-shaped target, but a permanent magnet can be used. Although a hemispherical perforated grid is used as the ion extraction mechanism 22, a flat perforated grid or a grid composed of two or three plates may be used. Further, the cylindrical target shape does not need to be cylindrical, and the essential effect of the present invention does not change even if it is polygonal.
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。Further, in the above-described embodiment, the power supply for the target is provided separately, but the effect is the same even if the power supply is integrated and electrically connected to each other. The power supply may be a DC negative power supply, an AC power supply, or a high-frequency power supply.
However, if both are high-frequency power supplies, it is desirable to align both phases as much as possible. Of course, only one may be a DC power supply.
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 above-described embodiment, it is possible to additionally arrange an electromagnet, a yoke, or a permanent magnet to control the magnetic field distribution.
[発明の効果] 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。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、あるいはエッチングンにも応用でき
る。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, metal ions are generated and extracted with high efficiency by using sputtering in a high vacuum.
Various high-quality thin films can be formed, and a film can be formed on an insulating substrate or an insulating film can be formed. INDUSTRIAL APPLICABILITY The ion source according to the present invention can be applied to forming a high-quality film with little damage at high speed and high stability at a low substrate temperature, material surface modification, or etching.
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。 1……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(グリッド)機構、 7……イオンビーム、 9……高速2次電子、 10……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、 21……プラズマ生成室用ガス導入口、 22……イオン引出し(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。FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of the sputter ion source of the present invention applied to a thin film deposition apparatus, and FIG. 2 is a plasma in one embodiment of the sputter ion source of the present invention shown in FIG. FIG. 3A and FIG. 3B are conceptual diagrams for explaining a magnetic field intensity distribution in the center magnetic flux direction and a high-density plasma generation mechanism. FIG. 4 is a diagram for explaining a drawing process, and FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a typical gas ion source (Kaufman type) using a conventional filament. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma generation chamber, 2 ... Filament, 3 ... Electromagnet for generating a plasma stabilizing magnetic field, 4 ... Plasma, 5 ... Plasma control electrode, 6 ... Ion extraction (grid) mechanism, 7 ... Ion beam 9 High-speed secondary electrons 10 Electric field on a cylindrical target 11 Electric field on a plate target 20 Plasma generating chamber 21 Gas inlet for plasma generating chamber 22 Ion extraction (Grid) mechanism, 23 ... plate target, 24 ... tube target, 25 ... plate target power supply, 26 ... tube target power supply, 27 ... plasma control electrode, 28 ... plasma control electrode Pulse power supply for 29, ... insulator, 30 ... electromagnet for generating a magnetic field for stabilizing plasma, 31 ... magnetic flux, 32 ... ion beam, 33 ... sample chamber, 34 ... gas inlet for sample chamber, 35 ... … Exhaust system, 36 …… Substrate holder, 37 ... board, 38 ... shutter.
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/31 H01L 21/302 D (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/00 - 14/58 C23F 4/00 H01L 21/302,21/31,21/285Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 identification code FI H01L 21/31 H01L 21/302 D (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C23C 14/00-14/58 C23F 4 / 00 H01L 21 / 302,21 / 31,21 / 285
Claims (5)
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。1. A plasma generation chamber for generating a plasma by introducing a gas, a first and a second plasma generation chamber provided at both ends inside the plasma generation chamber, at least one of which is formed of a cylindrical sputtering material. A target; an ion extraction mechanism provided on a central axis of a cylindrical target among the first and second targets; and a negative potential with respect to the plasma generation chamber in the first and second targets, respectively. At least one first power supply for applying a voltage; a plasma control electrode provided inside the plasma generation chamber; and a magnetic field formed inside the plasma generation chamber; Means for generating magnetic flux exiting one of the targets and entering the other target; a second power supply for applying a pulse voltage to the plasma control electrode; Sputter ion source, characterized in that it includes.
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。2. The sputter ion source according to claim 1, wherein said cylindrical target is provided at an end of said plasma generation chamber on the side of said ion extraction mechanism.
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。3. The sputter ion source according to claim 1, wherein said plasma control electrode is provided between said first target and said second target.
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。4. The sputter ion source according to claim 1, wherein said ion extraction mechanism comprises at least one flat plate.
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。5. The sputter ion source according to claim 1, wherein said ion extraction mechanism comprises a convex porous grid.
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