JPH04276067A - Metal plasma source - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成,イオン注入
等のLSI,半導体プロセス技術や、表面処理技術等へ
適用するための金属プラズマ源に関し、特に、マイクロ
波励起による電子サイクロトロン共鳴(ECR)を用い
た金属プラズマ源に関するものである。[Industrial Application Field] The present invention relates to a metal plasma source for application to LSI, semiconductor process technology, surface treatment technology, etc. such as thin film formation and ion implantation, and in particular to electron cyclotron resonance (ECR) using microwave excitation. ) is related to a metal plasma source using a metal plasma source.
【0002】0002
【従来の技術】近年、イオンやプラズマのエネルギーを
制御して高品質の薄膜を形成したり、金属の表面処理を
行ったりする技術が注目されている。この技術の実現に
は、各種金属イオン,プラズマを高密度で生成する必要
がある。このような金属イオン,プラズマを高密度で生
成するための金属プラズマ源としては、(a)金属化合
物ガスを用いて金属をイオン化する方式、(b)金属タ
ーゲットをスパッタすることにより金属イオンを生成す
る方式がある。(a)の方式では、生成できる金属イオ
ン種に制限があり、また不純物が多くなるために適応範
囲が限られるという問題がある。一方、(b)の方式は
、ほとんど全ての金属イオン種が得られために幅広い適
応が期待できる。このような(b)の方式の金属プラス
マ源としては、種々の方式のものが検討されているが、
その中でもマイクロ波励起によるECR放電(電子サイ
クロトロン共鳴放電)を利用したスパッタ型ECRプラ
ズマ源がが注目されている。この放電方法は、以下のよ
うな優れた特徴を有している。
■無電極放電であり寿命が長く、反応性ガスを使用でき
る。
■低ガス圧(1×10−5Torr)で放電可能であり
、不純物の発生が少ない。
■高密度のプラズマを生成できる。BACKGROUND OF THE INVENTION In recent years, technologies that control the energy of ions and plasma to form high-quality thin films and surface-treat metals have been attracting attention. To realize this technology, it is necessary to generate various metal ions and plasma at high density. Metal plasma sources for generating such metal ions and plasma at high density include (a) a method of ionizing metal using a metal compound gas, and (b) a method of generating metal ions by sputtering a metal target. There is a method to do this. The method (a) has the problem that the metal ion species that can be generated are limited, and the range of application is limited due to the increased amount of impurities. On the other hand, the method (b) can be expected to be widely applicable since almost all metal ion species can be obtained. Various types of metal plasma sources have been studied for method (b).
Among these, a sputter type ECR plasma source that utilizes ECR discharge (electron cyclotron resonance discharge) by microwave excitation is attracting attention. This discharge method has the following excellent features. ■Electrodeless discharge, long life, and can use reactive gases. ■Discharge is possible at low gas pressure (1 x 10-5 Torr) and generates little impurities. ■Can generate high-density plasma.
【0003】0003
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
スパッタ型ECRプラズマ源では、プラズマ生成室内に
マイクロ波が伝搬するように構成されており、そのため
マイクロ波周波数に対応したある大きさ(マイクロ波周
波数2.45GHzの場合、円筒形プラズマ生成室で直
径72mm)以下には小型化できなかった。そのため、
ECR磁界を発生させるためのコイルも非常に大きくか
つ重くなり、プラズマ源として実際の装置に取り付ける
ことは容易ではなかった。しかし、MBEやイオンビー
ムスパッタなどの各種薄膜形成技術に幅広く適用するた
めには、装置に簡単に取り付けられる必要があり、EC
Rプラズマ生成源の大幅な小型化が望まれている。この
種の小型化を行なったECRプラズマ源としては特願昭
61−271909号に開示されているものがある。し
かし、このようなプラズマ源では、プラズマの密度が高
くなる、すなわちプラズマの比誘電率が大きくなるにつ
れて、プラズマのインピーダンスが大きく変化するため
、プラズマ密度が高くなるとマイクロ波とプラズマのイ
ンピーダンス整合がうまくとれないという問題があった
。また、ECRプラズマの高密度化を図ったものとして
、特願昭62−198307号に開示されているものが
ある。これは、マイクロ波導入窓を多層の誘電体で構成
することでマイクロ波とプラズマのインピーダンス整合
をとり、高い密度のプラズマの生成を可能にしたもので
ある。しかしながら、導波管・マイクロ波導入窓・プラ
ズマ生成室の大きさをマイクロ波が伝搬できないぐらい
小さくした場合、導波管部をマイクロ波が通過できない
ためインピーダンス整合をとった最適な多層構成を設計
することはできなかった。[Problems to be Solved by the Invention] However, conventional sputter-type ECR plasma sources are configured so that microwaves propagate within the plasma generation chamber, and therefore a certain size (microwave frequency) corresponding to the microwave frequency is required. In the case of 2.45 GHz, it was not possible to downsize the cylindrical plasma generation chamber to a diameter of 72 mm or less. Therefore,
The coil for generating the ECR magnetic field is also very large and heavy, making it difficult to attach it to an actual device as a plasma source. However, in order to be widely applied to various thin film formation techniques such as MBE and ion beam sputtering, it must be easy to attach to equipment, and EC
Significant downsizing of R plasma generation sources is desired. An example of an ECR plasma source that has achieved this type of miniaturization is disclosed in Japanese Patent Application No. 61-271909. However, in such a plasma source, the impedance of the plasma changes greatly as the density of the plasma increases, that is, as the dielectric constant of the plasma increases, so the impedance matching between the microwave and the plasma becomes difficult as the plasma density increases. There was a problem that I couldn't get it. Further, as a method for increasing the density of ECR plasma, there is one disclosed in Japanese Patent Application No. 198307/1983. In this system, the microwave introduction window is constructed with a multilayer dielectric material to match the impedance of the microwave and plasma, making it possible to generate high-density plasma. However, if the size of the waveguide, microwave introduction window, and plasma generation chamber is made so small that the microwave cannot propagate, the microwave cannot pass through the waveguide, so an optimal multilayer structure with impedance matching is designed. I couldn't.
【0004】さらに、金属粒子をスパッタによりプラズ
マ室内に供給した場合、その金属粒子が誘電体で構成さ
れたマイクロ波導入窓に付着して金属膜を形成してしま
い、マイクロ波がプラズマ室内に導入されなくなるとい
う問題があった。このため、金属イオンを生成した場合
は、プラズマ源を短時間しか動作できなかった。寿命を
長くするために、マイクロ波導入窓をプラズマ生成室か
ら離した場所に設置して金属膜の付着を防止することが
行われているが(特願昭62−35801号)、これで
はプラズマとマイクロ波の最適なインピーダンス整合が
できず、高密度プラズマを生成することは難しかった。
本発明の目的は、高密度の金属イオン・プラズマを生成
できる長寿命の小型の金属プラズマ源を提供することに
ある。Furthermore, when metal particles are supplied into the plasma chamber by sputtering, the metal particles adhere to the microwave introduction window made of a dielectric material and form a metal film, which prevents the introduction of microwaves into the plasma chamber. There was a problem that it would no longer be possible. Therefore, when metal ions were generated, the plasma source could only be operated for a short period of time. In order to extend the life of the microwave, the microwave introduction window is installed at a location away from the plasma generation chamber to prevent metal film from adhering to it (Japanese Patent Application No. 62-35801); It was difficult to generate high-density plasma because the optimum impedance matching of microwaves and microwaves could not be achieved. It is an object of the present invention to provide a compact, long-life metal plasma source capable of generating a high-density metal ion plasma.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、マイクロ波導入導波管の内部に誘
電体を設け、マイクロ波導入窓には導入導波管内の誘電
体と誘電率の異なる誘電体を少なくとも1層設けて高密
度プラズマとマイクロ波のインピーダンス整合を行い、
電圧印加可能な金属粒子供給用のスパッタターゲットを
設けたものである。また、スパッタターゲットを、プラ
ズマ生成室内に設置すると共にターゲット表面からマイ
クロ波導入窓を見込めない形状にしたものである。[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the present invention provides a microwave introduction waveguide with a dielectric material inside the microwave introduction window, and a microwave introduction window with a dielectric material inside the microwave introduction waveguide. Impedance matching between high-density plasma and microwave is achieved by providing at least one layer of dielectric material with a different permittivity.
A sputter target for supplying metal particles to which voltage can be applied is provided. Further, the sputter target is installed in the plasma generation chamber and is shaped so that the microwave introduction window cannot be seen from the target surface.
【0006】[0006]
【作用】このような構成により、プラズマとマイクロ波
のインピーダンス整合がとれ、高密度プラズマが生成さ
れて大量の金属粒子をスパッタできる。さらに、スパッ
タ粒子は直進するためにマイクロ波導入窓へのスパッタ
粒子の付着が起こらず、動作が安定で長寿命が得られる
。[Operation] With this configuration, impedance matching between plasma and microwave can be achieved, high-density plasma is generated, and a large amount of metal particles can be sputtered. Furthermore, since the sputtered particles travel straight, they do not adhere to the microwave introduction window, resulting in stable operation and long life.
【0007】[0007]
【実施例】以下、本発明の詳細を実施例に沿って説明す
る。図1は、本発明の一実施例を示す構成図である。同
図において、1は誘電体を挿入したマイクロ波導入導波
管、2は多層の誘電体で構成したマイクロ波導入窓、3
はプラズマ生成室、4は磁気コイル、5はガス導入孔、
6はスパッタリングターゲット、7はターゲットホルダ
ー、8A,8Bはイオン引き出し電極系、9はイオンビ
ーム、10はフランジ、11はスパッタ電源、12A,
12Bは引き出し電源、13は同軸導波管変換器である
。マイクロ波は同軸ケーブルにより同軸導波管変換器1
に導入される。本実施例では、同軸ケーブルを用いてマ
イクロ波を導入する例を示したが、導波管を用いて導入
してももちろんよい。同軸導波管変換器13に導入され
たマイクロ波は、導波管モードに変換され、マイクロ波
導入導波管1、マイクロ波導入窓2を通してプラズマ生
成室3に導入される。[Examples] The details of the present invention will be explained below with reference to Examples. FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a microwave introduction waveguide with a dielectric inserted, 2 is a microwave introduction window made of multilayer dielectric, and 3
is a plasma generation chamber, 4 is a magnetic coil, 5 is a gas introduction hole,
6 is a sputtering target, 7 is a target holder, 8A, 8B are ion extraction electrode systems, 9 is an ion beam, 10 is a flange, 11 is a sputtering power source, 12A,
12B is an extraction power source, and 13 is a coaxial waveguide converter. Microwave is transmitted by coaxial cable to coaxial waveguide converter 1
will be introduced in Although this embodiment shows an example in which microwaves are introduced using a coaxial cable, it is of course possible to introduce microwaves using a waveguide. The microwave introduced into the coaxial waveguide converter 13 is converted into a waveguide mode, and is introduced into the plasma generation chamber 3 through the microwave introduction waveguide 1 and the microwave introduction window 2.
【0008】マイクロ波導入導波管1は出口側のサイズ
がプラズマ生成室3と同程度すなわちマイクロ波の遮断
領域であるため、通常のテーパ導波管ではマイクロ波が
伝搬しない。そこで、誘電率の高い誘電体を充填し、マ
イクロ波を伝搬させている。誘電体を充填した場合、誘
電率の1/2乗に逆比例して導波管を小さくできる。本
実施例では、誘電体として誘電率9のアルミナを使用し
ているため、1/3まで導波管を縮小できる。マイクロ
波の周波数が2.45GHzの場合、それに対応した通
常の導波管のサイズは、矩形導波管の場合は96mm×
27mm、円形導波管の場合は直径84mmである。従
って、アルミナを充填した場合、それぞれ32mm×9
mm、直径28mmの導波管が使用できる。また、導波
管1の入口側の誘電体にV字形の切込みを入れて誘電体
の断面積が徐々に増加するようにしている。これにより
、インピーダンスがなめらかに変化し、同軸導波管変換
器13とマイクロ波導入導波管1の接続部でのマイクロ
波の反射を抑えることができる。本実施例ではV字形の
切込みを入れているが、誘電体の断面積が滑らかに変化
しているならば他の形状でもよい。Since the size of the exit side of the microwave introduction waveguide 1 is about the same as that of the plasma generation chamber 3, that is, it is a microwave blocking area, microwaves do not propagate in a normal tapered waveguide. Therefore, it is filled with a dielectric material with a high dielectric constant to allow microwaves to propagate. When filled with a dielectric, the waveguide can be made smaller in inverse proportion to the 1/2 power of the dielectric constant. In this embodiment, since alumina having a dielectric constant of 9 is used as the dielectric material, the waveguide can be reduced to 1/3. If the microwave frequency is 2.45 GHz, the corresponding normal waveguide size is 96 mm x 96 mm for a rectangular wave guide.
27 mm, and in the case of a circular waveguide, the diameter is 84 mm. Therefore, when filled with alumina, each 32 mm x 9
mm, and a waveguide with a diameter of 28 mm can be used. Further, a V-shaped cut is made in the dielectric on the entrance side of the waveguide 1 so that the cross-sectional area of the dielectric gradually increases. As a result, the impedance changes smoothly, and reflection of microwaves at the connection between the coaxial waveguide converter 13 and the microwave introduction waveguide 1 can be suppressed. Although the cut is V-shaped in this embodiment, other shapes may be used as long as the cross-sectional area of the dielectric changes smoothly.
【0009】マイクロ波はこのような導入導波管1を通
って、マイクロ波導入窓2まで伝搬する。マイクロ波導
入窓2には多層の誘電体を用いている。本実施例では2
層構成としてあり、導波管側に真空を封止するために石
英2Aを、プラズマ生成室3側にインピーダンス整合用
にアルミナ2Bを用いている。高電圧を印加してイオン
ビームを引き出す場合は、逆流電子に対する耐性を高め
るため、さらにボロンナイトライト(BN)等の高熱伝
導率をもち融点の高い誘電体をプラズマ生成室3側に設
置し3層構成としてもよい。誘電体材料としては、石英
、アルミナ、ボロンナイトライト以外でも、誘電損が少
なく、耐熱性の高い材料であれば使用可能である。また
、誘電率が高い誘電体を用いれば1層構成も可能である
が、次に述べるプラズマとのインピーダンス整合の観点
から導入導波管内の誘電体と異なる誘電率をもつほうが
よい。The microwave propagates through the introduction waveguide 1 to the microwave introduction window 2. The microwave introduction window 2 uses a multilayer dielectric material. In this example, 2
It has a layered structure, and quartz 2A is used on the waveguide side to seal the vacuum, and alumina 2B is used on the plasma generation chamber 3 side for impedance matching. When applying a high voltage to extract the ion beam, a dielectric material with high thermal conductivity and a high melting point, such as boron nitrite (BN), is installed on the plasma generation chamber 3 side in order to increase resistance to backflow electrons. It may also have a layered structure. As the dielectric material, any material other than quartz, alumina, and boron nitrite can be used as long as it has low dielectric loss and high heat resistance. Furthermore, a one-layer structure is possible if a dielectric material with a high dielectric constant is used, but it is better to have a dielectric constant different from that of the dielectric material in the introduction waveguide from the viewpoint of impedance matching with plasma, which will be described below.
【0010】プラズマ生成室3はマイクロ波が伝搬でき
ない大きさ(マイクロ波周波数2.45GHzの場合、
直径72mm以下)で直径50mmであるが、マイクロ
波導入窓2からプラズマ生成室3側にわずかにマイクロ
波が漏れる。漏れたマイクロ波により、わずかにでもプ
ラズマが生成すれば、プラズマ生成室3内の誘電率が大
きくなり、マイクロ波が伝搬できるようになって、定常
的にプラズマが生成される。しかし、高密度プラズマを
生成するには、プラズマが誘電率を持つためにマイクロ
波とのインピーダンス整合を正確にとる必要があり、そ
のため各誘電体の厚みを最適に設計しなければならない
。特願昭62−198307号に高密度プラズマを生成
するための設計法が開示されているが、本実施例のよう
に誘電体を含んだテーパ導波管を用いている場合は適用
できない。The plasma generation chamber 3 is large enough that microwaves cannot propagate (in the case of a microwave frequency of 2.45 GHz,
Although the diameter is 50 mm, a small amount of microwave leaks from the microwave introduction window 2 to the plasma generation chamber 3 side. If even a small amount of plasma is generated by the leaked microwaves, the dielectric constant in the plasma generation chamber 3 becomes large, allowing the microwaves to propagate, and plasma is constantly generated. However, in order to generate high-density plasma, since plasma has a dielectric constant, it is necessary to accurately match the impedance with microwaves, and therefore the thickness of each dielectric must be optimally designed. Although a design method for generating high-density plasma is disclosed in Japanese Patent Application No. 62-198307, it cannot be applied when a tapered waveguide containing a dielectric material is used as in this embodiment.
【0011】しかし、導波管には無限遠まで誘電体が充
填されているという近似をすれば、各誘電体の厚みは以
下の計算手法により決定することができる。図2は、本
マイクロ波プラズマ源の模式図である。同図において、
21は誘電体を充填した導入導波管1に対応し、22は
多層のマイクロ波導入窓2、23はプラズマ生成室3に
対応している。以下の計算では断面形状はすべて半径a
の円形としてあるが、各部分の断面形状が異なる場合は
各形状にあったインピーダンスの式を用いればよい。However, by approximating that the waveguide is filled with dielectric material to infinity, the thickness of each dielectric material can be determined by the following calculation method. FIG. 2 is a schematic diagram of the present microwave plasma source. In the same figure,
21 corresponds to the introduction waveguide 1 filled with a dielectric material, 22 corresponds to the multilayer microwave introduction window 2, and 23 corresponds to the plasma generation chamber 3. In the following calculations, all cross-sectional shapes have radius a
However, if the cross-sectional shape of each part is different, an impedance equation suitable for each shape may be used.
【0012】マイクロ波の自由空間での波長をλとし、
導入導波管部21内の遮断波長をλc、比誘電率をεw
とする。また、マイクロ波導入窓部22中の誘電体でn
層目のもののマイクロ波の管内波長をλn、比誘電率ε
n、厚さをln、インピーダンスをZnとし、プラズマ
生成室部23内の比誘電率をεp、インピーダンスをZ
pとする。マイクロ波導入窓部22の(n−1)層目の
誘電体とn層目の誘電体との境界からプラズマ生成室部
23側をみたインピーダンスRnは(1)式のようにn
個の式で表わされる。
Rn=Zn(Zp+jZntanθn)/(Zn+jZ
ptanθn)Rn−1=Zn−1(Rn+jZn−1
tanθn−1)/(Zn−1+jRntanθn−1
) ・
・
R1=Z1(R2+jZ1tanθ1)/(Z1+jR
2tanθ1)
・・・・・(1)ここで、θ=2
πln/λnである。ただし、λcは、導入導波管1が
TE11モードの円形導波管の場合は3.4125a、
TE10モードの矩形導波管の場合は2b(bは矩形の
長手方向の長さ)である)Let the wavelength of the microwave in free space be λ,
The cutoff wavelength in the introduction waveguide section 21 is λc, and the relative dielectric constant is εw.
shall be. In addition, the dielectric material in the microwave introduction window 22 is n
The internal wavelength of the microwave of the layer is λn, and the relative permittivity is ε.
n, the thickness is ln, the impedance is Zn, the relative dielectric constant in the plasma generation chamber 23 is εp, and the impedance is Z.
Let it be p. The impedance Rn when looking toward the plasma generation chamber 23 from the boundary between the (n-1)th layer dielectric and the nth layer dielectric of the microwave introduction window 22 is n as shown in equation (1).
It is expressed as an expression. Rn=Zn(Zp+jZntanθn)/(Zn+jZ
ptanθn)Rn-1=Zn-1(Rn+jZn-1
tanθn-1)/(Zn-1+jRntanθn-1
) ・ ・ R1=Z1(R2+jZ1tanθ1)/(Z1+jR
2tanθ1)
...(1) Here, θ=2
πln/λn. However, λc is 3.4125a when the introduction waveguide 1 is a circular waveguide in TE11 mode,
In the case of a rectangular waveguide in TE10 mode, it is 2b (b is the length of the rectangle in the longitudinal direction)
【0013】(1)式によりRn,Rn−1,・・・・
と順次計算することで、R1が求められる。R1が求め
られれば、プラズマ生成室3へのマイクロ波の透過率は
(2)式により求められる。
|T|2=1−|R1−1|2/|R1+1|2
・・・・・(2)上述の計算を
実行するには、プラズマの比誘電率εpを決める必要が
ある。以下に述べるように理論式と実験結果より求め、
εp=100としている。プラズマの比誘電率εpは、
プラズマ周波数をωp、電子サイクロトロン周波数をω
c、入射マイクロ波周波数をωとすると、次の(3)式
のように表わされる(衝突は無視、電子温度は0と仮定
)。
εp=1−(ωp/ω)2/(1−ωc/ω)
・・・・・(3)ここで、ωp
、ωcは次式で表わされる。
ωp=(4πe2ne/me)1/2
・・・・・(4
) ωc=me/eB
・・
・・・(5)ただし、neはプラズマ密度、meは電子
の質量、eは電子の電荷量である。実験により最適な動
作条件からωc/ω=1.10であり、生成プラズマの
密度を1012cm−3以上とするためには、(ωp/
ω)2=1.34以上が必要である。これらの値を(3
)式に代入すると、εp=100となる。According to formula (1), Rn, Rn-1, . . .
R1 can be obtained by sequentially calculating. Once R1 is determined, the transmittance of microwaves to the plasma generation chamber 3 can be determined using equation (2). |T|2=1-|R1-1|2/|R1+1|2
(2) To perform the above calculation, it is necessary to determine the relative dielectric constant εp of the plasma. Determined from the theoretical formula and experimental results as described below,
It is assumed that εp=100. The relative dielectric constant εp of plasma is
Plasma frequency is ωp, electron cyclotron frequency is ω
c, and when the incident microwave frequency is ω, it is expressed as the following equation (3) (assuming that collisions are ignored and the electron temperature is 0). εp=1-(ωp/ω)2/(1-ωc/ω)
...(3) Here, ωp
, ωc are expressed by the following equation. ωp=(4πe2ne/me)1/2
・・・・・・(4
) ωc=me/eB
・・・
(5) where ne is the plasma density, me is the mass of the electron, and e is the amount of charge of the electron. According to the experiment, ωc/ω = 1.10 from the optimum operating conditions, and in order to make the density of the generated plasma 1012 cm-3 or more, (ωp/
ω)2=1.34 or more is required. These values are (3
), εp=100.
【0014】図3に、マイクロ波導入窓部22が1層の
場合の上述の方法による計算例を示す。導入導波管部2
1に誘電体としてアルミナ(誘電率9)を充填し、マイ
クロ波導入窓部22は石英(誘電率4)1層だけの構成
としてある。横軸は石英の厚さ、縦軸が透過率を示す。
石英の厚さを変化させるに従い、透過率は大きく変化す
るが、最大でも65%程度しか得られない。これは、■
内径がマイクロ波の伝搬領域より小さい、■プラズマの
比誘電率εpが100と大きいために石英1層だけでは
インピーダンス整合がとれないからである。また、同図
から分かるようにマイクロ波導入窓を石英1層の代わり
にアルミナ1層としても透過率は65%程度しか得られ
ない。FIG. 3 shows an example of calculation using the above method when the microwave introduction window 22 has one layer. Introduction waveguide section 2
1 is filled with alumina (dielectric constant 9) as a dielectric, and microwave introduction window 22 is composed of only one layer of quartz (dielectric constant 4). The horizontal axis shows the thickness of the quartz, and the vertical axis shows the transmittance. As the thickness of the quartz changes, the transmittance changes greatly, but the maximum transmittance is only about 65%. This is ■
This is because impedance matching cannot be achieved with only one quartz layer because the inner diameter is smaller than the microwave propagation region and (1) the relative dielectric constant εp of the plasma is as large as 100. Further, as can be seen from the figure, even if the microwave introduction window is made of one layer of alumina instead of one layer of quartz, a transmittance of only about 65% can be obtained.
【0015】図4に2層の場合の計算例を示す。マイク
ロ波導入窓は石英とアルミナの2層構成としてある。横
軸はアルミナの厚さ、縦軸がマイクロ波のプラズマへの
透過率である。石英の厚さは或る値に固定してある。図
4から明らかなように、アルミナの厚さに対して透過率
は大きく変化し、最適な厚さ1.1cmでは透過率はほ
ぼ100%が得られる。従って、プラズマの比誘電率ε
pが100と大きい高密度プラズマでは、2層以上の誘
電体を組み合わせる必要があることが明らかである。本
実施例では、2層のマイクロ波導入窓はこの透過率が1
00%となる厚さの組み合わせとしてある。FIG. 4 shows an example of calculation in the case of two layers. The microwave introduction window has a two-layer structure of quartz and alumina. The horizontal axis is the thickness of the alumina, and the vertical axis is the microwave transmittance to the plasma. The thickness of the quartz is fixed at a certain value. As is clear from FIG. 4, the transmittance changes greatly depending on the thickness of the alumina, and at the optimum thickness of 1.1 cm, the transmittance is almost 100%. Therefore, the dielectric constant ε of the plasma
It is clear that for high-density plasmas where p is as large as 100, it is necessary to combine two or more dielectric layers. In this example, the two-layer microwave introduction window has a transmittance of 1.
It is a combination of thicknesses that are 00%.
【0016】図5に実験結果を示す。同図では、透過率
がほぼ100%(曲線S1)の場合のマイクロ波導入窓
構成の場合と、透過率が43%(曲線S2)の構成の場
合のプラズマ密度のマイクロ波パワー依存性を比較して
ある。実際に得られるプラズマ密度は透過率が大きいほ
ど高く、透過率100%構成の場合、1桁程度高いプラ
ズマ密度1013cm−3が得られる。このように、多
層の誘電体を用いてマイクロ波導入窓を構成すると、プ
ラズマ生成室をマイクロ波の伝搬モードより大幅に小型
化しても、インピーダンス整合をとることができ、10
13cm−3以上の高いプラズマ密度を得ることができ
る。本実施例は、プラズマ生成室がマイクロ波の伝搬で
きない大きさの場合であるが、プラズマ生成室が通常の
大きさの場合ももちろん上述の計算法は適用できる。FIG. 5 shows the experimental results. In the same figure, the dependence of plasma density on microwave power is compared between a microwave introduction window configuration with a transmittance of approximately 100% (curve S1) and a configuration with a transmittance of 43% (curve S2). It has been done. The higher the transmittance, the higher the actually obtained plasma density, and in the case of a configuration with a transmittance of 100%, a plasma density of 1013 cm-3, which is about one order of magnitude higher, can be obtained. In this way, by constructing the microwave introduction window using a multilayer dielectric material, impedance matching can be achieved even if the plasma generation chamber is made much smaller than the microwave propagation mode.
A high plasma density of 13 cm-3 or more can be obtained. Although this embodiment deals with the case where the plasma generation chamber is of a size that does not allow microwave propagation, the above-mentioned calculation method can of course be applied even when the plasma generation chamber is of a normal size.
【0018】スパッタリングターゲット6は円筒状でか
つ断面が逆くさび形をしている。これは、スパッタされ
た金属粒子がマイクロ波導入窓のアルミナ3Bへ付着し
てマイクロ波が導入されなくなるのを防ぐためのもので
あり、スパッタリングターゲット6の表面からこのアル
ミナ3Bの面が全く見えない構造になっている。図6は
、スパッタリングターゲット6と導入窓のアルミナ3B
との位置関係を示した図である。スパッタされた金属粒
子は数eVの運動エネルギーをもち、また、低ガス圧中
(〜10−4Torr)なので、他の粒子と衝突せずに
直進する。そのため、ほとんどの金属粒子は、プラズマ
生成室3の壁に衝突・付着し、導入窓のアルミナ3Bに
は付着しない。したがって、この構造により長時間、安
定にイオン源の動作を行うことが可能となる。The sputtering target 6 is cylindrical and has an inverted wedge-shaped cross section. This is to prevent sputtered metal particles from adhering to the alumina 3B of the microwave introduction window and preventing microwaves from being introduced, and the surface of the alumina 3B is not visible from the surface of the sputtering target 6. It has a structure. Figure 6 shows the sputtering target 6 and the alumina 3B in the introduction window.
FIG. Sputtered metal particles have kinetic energy of several eV and are under low gas pressure (~10-4 Torr), so they travel straight without colliding with other particles. Therefore, most of the metal particles collide with and adhere to the wall of the plasma generation chamber 3, and do not adhere to the alumina 3B of the introduction window. Therefore, this structure allows the ion source to operate stably for a long period of time.
【0019】スパッタリングターゲット6への電圧印加
は、スパッタ電源11からフランジ10を通して行う。
スパッタリングターゲット6の材料としては、Cu,W
,Ta,Feなどの導電性のある材料ならターゲット電
圧に直流を用いて使用することができる。非導電性の材
料の場合は、ターゲット電圧をRF(高周波)で印加す
れば同様に使用できる。ターゲットホルダー7は、スパ
ッタリングターゲット6を保持すると共に冷却の機能も
有している。このため、ターゲットホルダー7とスパッ
タリングターゲット6の間の絶縁物としては、絶縁体と
しては熱伝導性の高いボロンナイトライドを使用してい
る。効率よくスパッタリングターゲット6を冷却するに
は、ターゲットホルダー7は水冷機構を有することが望
ましい。実施例では引き出し電極系8A,8Bは2枚電
極構造としてあるが、低エネルギー引き出しには1枚電
極構造を用い、低エネルギー引き出しには3枚電極構造
を用いる。引き出し電極孔形状は、この実施例では2m
mφ×37個(引き出し領域20mmφ)としてある。
なお、イオン源としてではなく、プラズマ源として用い
る場合は、この引き出し電極系は取り外せばよい。Voltage is applied to the sputtering target 6 from a sputtering power source 11 through a flange 10. The material of the sputtering target 6 is Cu, W.
, Ta, Fe, and other conductive materials can be used by using direct current as the target voltage. In the case of a non-conductive material, it can be used in the same way if the target voltage is applied using RF (radio frequency). The target holder 7 holds the sputtering target 6 and also has a cooling function. For this reason, boron nitride, which has high thermal conductivity, is used as an insulator between the target holder 7 and the sputtering target 6. In order to efficiently cool the sputtering target 6, it is desirable that the target holder 7 has a water cooling mechanism. In the embodiment, the extraction electrode systems 8A and 8B have a two-electrode structure, but a single-electrode structure is used for low-energy extraction, and a three-electrode structure is used for low-energy extraction. The shape of the extraction electrode hole is 2m in this example.
mφ×37 pieces (drawing area 20 mmφ). Note that if the device is used not as an ion source but as a plasma source, this extraction electrode system may be removed.
【0020】次に、図1,6を参照にしてイオン源の動
作を説明する。スパッタリングガス(通常はArである
が他のガスでもよい)をガス導入孔5からプラズマ生成
室3に導入し、磁気コイル4により電子サイクロトロン
共鳴を満足する磁場(2.45GHzに対して875ガ
ウス)をプラズマ生成室3内に印加する。そして、マイ
クロ波をマイクロ波導波管1,マイクロ波導入窓2を通
して導入すると、漏れマイクロ波により一度プラズマが
励起され、その後安定に定常プラズマが生成される。こ
こで、ターゲット電圧を印加してArイオンをスパッタ
リングターゲット6に衝突させ、金属粒子をスパッタさ
せる。スパッタされた金属粒子はほとんどが中性粒子で
あるが、磁力線14に沿って輸送されたArプラズマと
衝突し、効率よくイオン化される。イオン化された金属
粒子は引き出し電極8A,8Bに印加された電圧により
イオンビーム9として引き出される。Next, the operation of the ion source will be explained with reference to FIGS. 1 and 6. A sputtering gas (usually Ar, but other gases may be used) is introduced into the plasma generation chamber 3 through the gas introduction hole 5, and a magnetic field (875 Gauss for 2.45 GHz) is applied by the magnetic coil 4 to satisfy electron cyclotron resonance. is applied into the plasma generation chamber 3. Then, when microwaves are introduced through the microwave waveguide 1 and the microwave introduction window 2, plasma is once excited by the leaking microwaves, and then a steady plasma is generated stably. Here, a target voltage is applied to cause Ar ions to collide with the sputtering target 6 to sputter metal particles. Most of the sputtered metal particles are neutral particles, but they collide with the Ar plasma transported along the magnetic lines of force 14 and are efficiently ionized. The ionized metal particles are extracted as an ion beam 9 by the voltage applied to the extraction electrodes 8A, 8B.
【0021】図7は、スパッタリングターゲット6の電
流電圧特性の一例を示す図であり、ターゲット材料とし
てCuを使用している。Arガスの流量をパラメータに
している。Arガスの流量が1.5sccmのとき、タ
ーゲット電流密度は12mA/cm2と高い値が得られ
、高密度で金属粒子がスパッタされていることがわかる
。図8は、イオンビーム9を加速電圧300Vで引き出
したときの質量分析スペクトルを示す。Cu+,Ar+
,Ar2+イオンが存在し、Cu+の比率として7%と
高い値が得られている。Cuイオンとしては、1mA以
上の高い電流値が得られている。Cu以外にもW,Ta
等の金属イオンでも同様な性能が得られる。FIG. 7 is a diagram showing an example of the current-voltage characteristics of the sputtering target 6, in which Cu is used as the target material. The flow rate of Ar gas is used as a parameter. When the Ar gas flow rate was 1.5 sccm, the target current density was as high as 12 mA/cm2, indicating that metal particles were sputtered at a high density. FIG. 8 shows a mass spectrometry spectrum when the ion beam 9 is extracted at an accelerating voltage of 300V. Cu+, Ar+
, Ar2+ ions are present, and a high value of 7% is obtained as the ratio of Cu+. As for Cu ions, a high current value of 1 mA or more has been obtained. In addition to Cu, W, Ta
Similar performance can be obtained with metal ions such as
【0022】[0022]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、導入導波
管の内部に誘電体を有し、導入導波管内の誘電体と誘電
率の異なる誘電体をマイクロ波導入窓に少なくとも1層
有し、電圧印加が可能な金属粒子供給用のスパッタター
ゲットを設けたことにより、次のような優れた性能を得
ることができる。
(1)高密度のECRプラズマを用いることができるの
で、大量の金属粒子をスパッタすることができる。
(2)ECRプラズマ流との相互作用により、高効率で
金属粒子をイオン化できる
。(3)導入窓への金属粒子の付着を防止できるため、
長期間にわたり安定な動作を行うことができる。
(4)装置を大幅に小型化できる。As explained above, the present invention has a dielectric material inside the introduction waveguide, and at least one layer of dielectric material having a dielectric constant different from the dielectric material inside the introduction waveguide in the microwave introduction window. By providing a sputter target for supplying metal particles to which a voltage can be applied, the following excellent performance can be obtained. (1) Since high-density ECR plasma can be used, a large amount of metal particles can be sputtered. (2) Metal particles can be ionized with high efficiency through interaction with the ECR plasma flow. (3) Metal particles can be prevented from adhering to the introduction window;
Stable operation can be performed over a long period of time. (4) The device can be significantly downsized.
【図1】本発明によるマイクロ波プラズマ源の一実施例
を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a microwave plasma source according to the present invention.
【図2】導波管とマイクロ波導入窓とプラズマ生成室の
構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a waveguide, a microwave introduction window, and a plasma generation chamber.
【図3】マイクロ波導入窓が石英1層の場合の石英の厚
さと透過率との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness of quartz and the transmittance when the microwave introduction window is made of a single layer of quartz.
【図4】マイクロ波導入窓が石英とアルミナの2層の場
合のアルミナの厚さと透過率との関係を示すグラフであ
る。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of alumina and the transmittance when the microwave introducing window has two layers of quartz and alumina.
【図5】生成プラズマ密度のマイクロ波パワー依存性を
示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the dependence of generated plasma density on microwave power.
【図6】金属プラズマ生成の模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram of metal plasma generation.
【図7】スパッタリングターゲットに流れる電流と電圧
との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between current flowing through a sputtering target and voltage.
【図8】イオンビームを質量分析した結果を示すグラフ
である。FIG. 8 is a graph showing the results of mass spectrometry of an ion beam.
1 マイクロ波導波管 2 マイクロ波導入窓 3 プラズマ生成室 4 磁気コイル 5 ガス導入孔 6 スパッタリングターゲット 7 ターゲットホルダー 8A,8B 引き出し電極系 9 イオンビーム 10 フランジ 11 スパッタ電源 12A,12B 引き出し電源 13 同軸導波管変換器 1 Microwave waveguide 2 Microwave introduction window 3 Plasma generation chamber 4 Magnetic coil 5 Gas introduction hole 6 Sputtering target 7 Target holder 8A, 8B Extraction electrode system 9 Ion beam 10 Flange 11 Sputter power supply 12A, 12B Drawer power supply 13 Coaxial waveguide converter
Claims (2)
、このプラズマ生成室に接続され、誘電体を少なくとも
1層有するマイクロ波導入窓と、このマイクロ波導入窓
に接続され、プラズマ生成室にマイクロ波を導入する内
部にマイクロ波導入窓の誘電体と誘電率の異なる誘電体
を有する導入導波管と、プラズマ生成室に電子サイクロ
トロン共鳴が引き起こされる以上の磁場を発生させる磁
気回路とを備えたマイクロ波励起によるプラズマ源にお
いて、電圧印加が可能な金属粒子供給用のスパッタター
ゲットを備えたことを特徴とする金属プラズマ源。Claims: 1. A plasma generation chamber for generating plasma, a microwave introduction window connected to the plasma generation chamber and having at least one dielectric layer, and a microwave introduction window connected to the microwave introduction window for introducing microwaves into the plasma generation chamber. A micro waveguide equipped with an introduction waveguide having a dielectric constant different from that of the microwave introduction window, and a magnetic circuit that generates a magnetic field larger than that which causes electron cyclotron resonance in the plasma generation chamber. 1. A metal plasma source using wave excitation, characterized in that it is equipped with a sputter target for supplying metal particles to which voltage can be applied.
トは、プラズマ生成室内に設置すると共に、ターゲット
表面からマイクロ波導入窓を見込めない形状としたこと
を特徴とする金属プラズマ源。2. The metal plasma source according to claim 1, wherein the sputter target is installed in a plasma generation chamber and has a shape that prevents a microwave introduction window from being visible from the target surface.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3057654A JPH04276067A (en) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Metal plasma source |
Applications Claiming Priority (1)
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Country | Link |
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JP (1) | JPH04276067A (en) |
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- 1991-03-01 JP JP3057654A patent/JPH04276067A/en active Pending
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