JPH0237698A

JPH0237698A - プラズマ発生方法および薄膜堆積方法

Info

Publication number: JPH0237698A
Application number: JP63185964A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ueda; 哲也上田; Kosaku Yano; 矢野　航作; Naoki Suzuki; 直樹鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1988-07-26
Publication date: 1990-02-07
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPH084039B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明はプラズマ発生装置ならびにこれを用いた薄膜堆
積装置に関するものである。

従来の技術マイクロ波を用いた従来の金属薄膜堆積装置に使用され
るプラズマ発生装置の一例として、プラズマ生成室と、
試料室で構成し、その間にターゲットを備えたプラズマ
引出し窓を設は画室にガスの供給を行なうことができる
プラズマ付着装置が特願昭５７−１５６８４３に提案さ
れている。これによれば、エレクトロンイサイクロトロ
ンレゾナンス（以下ＥＣＲ）プラズマ堆積法の利点であ
る低温堆積が可能で、金属や、金属化合物なとについて
、付着強度の強い、良質な膜を堆積できる特徴がある。

第４図は上記のプラズマ付着装置の従来例を示す。１は
プラズマ発生室、２は試料室である。３はマイクロ波導
入窓であり、石英ガラスを用いている。マイクロ波は方
形導波管４よりマイクロ波導入窓３を介してプラズマ発
生室１へ導かれる。

プラズマ発生室１において、マイクロ波導入窓３と対向
してプラズマ引き出し窓５を設け、プラズマを試料基板
７を設置した試料台８」二に導く。試料室２は排気系９
に接続されている。プラズマ室１の外周には磁気コイル
１０を透設し、これによって発生する磁界の強度をマイ
クロ波によるＥＣＲ共鳴の条件がプラズマ生成室の一部
で成立するようにしである。ガス導入系としてはプラズ
マ発生用のガスを導く第１ガス導入系１２と試料室２に
原料ガスを導く第２ガス導入系１３との２系統を何して
いる。またプラズマ発生室１は冷却水を１４〜１５に通
すことによって冷却される。さらにプラズマ流６を取り
囲むようにスパッタリング材料１６が入ったターゲット
電極１７が配置され、スパッタ用電源１９に接続されて
いる。

発明が解決しようとする課題このＥＣＲプラズマとスパッタリングを利用した金属薄
膜の堆積装置は確かにＥＣＲプラズマの利点を生かした
薄膜堆積法である。しかし、導伝性を持つ薄膜の場合は
スパッタターゲットからスパッタリングされた金属原子
がプラズマ室１内に拡散し、マイクロ波導入窓３に金属
薄膜が堆積し、マイクロ波の伝搬を妨げ、安定的に放電
不可能となり薄膜を堆積し続けられないことが欠点であ
る。

課題を解決するための手段本発明は、ガス導入系と真空排気系を有し、外部より磁
場の印加可能な真空チェノバーと、該真空チェンバーの
端面の開１コされた穴に接続された同軸導波管となる構
成で、該同軸導波管の接続されていない側に取り付けら
れた誘電損の小さい窓材から、マイクロ波を前記同軸導
波管を伝搬させ、前記真空チャンバーに導く事によって
、該真空チャンバーでプラズマを発生できる装置におい
て、前記同軸導波管の寸法の、縦方向の長さｌが、１■
空チヤンバー内のガスの平均自由行程のλよりも大きい
事（１＞λ）と、該同軸導波管の円筒外導体の線状内半
径と内導体の半径との差しが、カスの平均自由行程のλ
よりも小さい≦ＩＴ　（ｔ　＜λ）、を特徴としたプラ
ズマの発生装置を宵する）Ｘ１１膜堆積装置である。

作用マイクロ波導入窓には薄膜は堆積されず、導伝性をもっ
た薄膜堆積の場合であっても安定にマイクロ波放電（Ｅ
ＣＲ放電）は持続し、薄膜堆積か容易に行なうことがで
きる。

実施例実施例１以下、実施例とともに本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明のプラズマ発生装置の一実施例を示す装
置構成図である。

マグネトロンより発生したマイクロ波は方形導波管を伝
搬しく以上図面では省略）、同軸導波管変換器１０１で
同軸導波管の基本モードに変換され、同軸導波管変換器
１０１と同軸導波管１０２の間にあるアルミナセラミッ
クもしくはべりリア製のマイクロ波導入窓１０３を介し
て、同軸導波管１０２に結合する。このマイクロ波導入
窓１０３は同軸導波管変換器１０１と同軸導波管１０２
の間を真空封ししている。また、結合部におけるマイク
ロ波の伝搬損、インピーダンスの不整合による損失によ
る熱は冷却水による冷却機構１０４によって吸収されて
いる。同軸導波管１０２を伝搬したマイクロ波は１０５
のテーパ一部を介して、プラズマ発生室１０６に導かれ
る。プラズマ発生室１０６には同軸導波管１０２の内導
体１０２ａの先端が直線状に延びており、マイクロ波の
アンテナ源としての役割を果している。従来ではプラズ
マ発生室で高密度のプラズマが発生すると、発生したプ
ラズマによって伝搬してきたマイクロ波が反射し、効率
が落ちるという問題があったが本発明ではこのアンテナ
に乗せてマイクロ波・を運ぶ方式によって、この問題を
解決しており、プラズマへの大電力の供給を可能にして
いる。

また、プラズマ発生室１０６の外周にはマグネットコイ
ル１０７ａが取り囲んでおり、プラズマ発生室１０６の
内部で８７５Ｇの磁場ができる用に設置されている。マ
グネットコイル１０７ｂはテーパ一部１０５の外周に取
り付けられており、マグネットコイル１０７ａと逆方向
の電流か流されて同軸導波管内とテーパ一部の磁場強度
が極小になるようにマグネット電流値が設定されている
。

ここで本装置の特徴である同軸導波管の構造とその寸法
を説明する。

市販のＴＥＩｇを基本モードとする方形導波管はインピ
ーダンス５０Ωに設定されている。同軸導波管のインピ
ーダンスマツチングを行なうためには、同軸導波管のイ
ンピーダンスＺｏを５０Ωにする必要があり、次式よりＺｏ＝（（μ／ε）Ｉ　ｎ　（ｂ／ａ）／２ｙｒａ：内
導体の外半径　ｂ゛：外導体の内半径であられされ、逆
算を行なえばｂ／ａ＝２．３である必要がある。本実施
例ではｂ−ａの（ｍ’ｉ　（第１図中ではｔ）を充分小
さくとってやるために、ｂ：ｌ。

７Ｇｃｍ　　ａ　：　０．７７ｃｍと設計した。また、
同軸導波管の長さ１は５０ｃｍとしている。第１ガス導
入系１１３より８例えばＡｒを３０ｓｅｃｍ導入した場
合には、圧力　０．３ｍＴｏｒｒに達する。このとき原
子の平均自由工程は、 λ＝２．３３ＸＩＯ−２’　　Ｔ／Ｉ）δ２Ｔ：絶対温
度　ｐ：圧力　δ２：原子断面積Ｔ　＝　３００’　Ｋ
　　　　ｐ　：　０．３ｍ丁ｏｒｒ　　　　δ２　＝　
Ｉ　、３４Ｘ　１０−１９として　λ＝　０．１７ｍと
計算される。また第１ガス導入系１１３よりＡｒ等で希
釈された金属化合物系のガスを流した場合、先の計算で
Ａｒ原子を金属原子に置き換えたとしてもその原子の平
均自由工程は１０ｃｍ程度と見積る事ができる。また室
温壁面での気体の付着係数は１に近く、金属原子であれ
ば壁面への１回の衝突によってその運動エネルギーを失
い、吸着されやすい。第１図の同軸導波管１０２の寸法
において、縦方向の長さが１　（５０ｃｍ）が、真空系
のガスの平均自由行程のλのｌ０ｃｍよりも大きい事（
ｌ＞λ）、同軸導波管の外導体１０２ｂの内半径と内導
体１０２ａとの差ｔ（１，Ｏｌｃｍ）が充分ガスの平均
自由行程のλより！Ｏｃｍも小さい事（１＜λ）を満た
すことにより、同軸導波管管内に侵入した金属原子はマ
イクｏ　？ｇｌ導入窓１０３に達する前に、ある原子と
衝突を起こし横方向への散乱を受け、同軸導波管管内に
堆積してしまうためにマイクロ波導入窓１０３には堆積
はまったく行なわれない。

また同軸管管内に堆積した金属薄膜は第１ガス導入系１
１３より流されるエツチングガス（例えばＣＩ２Ｎ　　
Ｓ　Ｉ　ＣＩ４等）によって定期的にメンテナンスが行
なえば、同輔導彼管内および、真空チャンバー壁面に付
着した堆積物を除去でき、ダストの発生を防ぐことがで
きる。

さらに同軸導波管の外導体１０２ｂの内半径と内導体１
０２ａ＆の差ｔが、ガスの平均自由行程のλよりも小さ
い（１＜λ）事は、同輔導波管内で放電を起こさない条
件を満たしている。同軸導波管内ではマイクロ波のＴＥ
Ｍ７＊のみ伝搬し、電界方向は中心から外周方向に一致
し、電子は半径方向に加速される。同軸導波管内での磁
場は１０７ｂのマグネットコイルによって極小にされる
ために、電子が円軌道を描く事はない。電子の平均自由
工程は原子のそれに対して４倍程であって先の真空度で
は４０ｃｍ程度になる。この為電子は、同軸導波管内で
原子に衝突し、次の７［離を起こす要因とはなり得ない
ので、同軸導波管内では放電は起こさない。同軸導波管
内で放電を起こさないので、マイクロ波電力を効率よく
、プラズマ室に導入でき、なおかつ、同軸導波管内で未
解離の金属化合物を解離してしまうことはない。以上の
ようにマイクロ波を用いたプラズマ発生装置が構成でき
、所定の場所のみにプラズマを発生できること、またプ
ラズマ内に導伝性の金属原子が存在してもマイクロ波導
入窓には金属薄膜は堆積せず、プラズマ放電は安定し、
大面積、大容量の金属イオン源として用いることができ
る。

実施例２上記プラズマ発生装置を用いた薄膜堆積装置を第２図に
示す。

プラズマ発生室１０６の同軸導波管１０２が接続されて
いない側を開口し、プラズマ効率し窓１０９を介して試
料室１０８を接続する。この試料室１０８に置かれた基
板台１１０ａはプラズマ発生室１０６と対向して設置さ
れている。また、基板台１１０ａには基板１１０ｂが保
持てき、必要に応じて基板を３００　”Ｃまで上げられ
る基板加熱ヒータ１１１がある。試料室１０８につなが
った排気系１１２は系を１０−’Ｔｏｒｒまで真空υ１
：気可能である。

ガス導入系としてはテーパ一部１０５に接続された第１
ガス導入系１１３と試料室１０８内に導入された第２ガ
ス導入系１１４があり、第１ガス導入系１１３には必要
におうじてプラズマ生成用のガスＡ　ｒｔ　　Ｎ２、ｏ
２、Ｎ２、等が流される。第２ガス導入系１１４のガス
の吹き出し口１１４ａかリング状になっており、リング
の内に設けられた複数の小穴よりガスが噴出する仕、；
ＩＩみとなっている。ガスとしては７ラン系ガスを始め
、金属化合物系のガス（例えばＴＭＡ［ｉＪメチルアル
ミニュウム］、Ｗ　Ｆ　ａ　）が流される。

本実施例では第２ガス導入系１１４より、金属化合物を
導入する事により、金属〆゛１１ｊ膜を堆積するプラズ
マＣＶＤ装置として利用できる。金属薄膜を堆積する実
際の例として第１カス導入系１１３よりＮ２ガスを、第
２ガス導入系より１１４よりＴＭＡを流した場合ＮＮ２
ガスはプラズマ効率よくマイクロ波によって解離もしく
はイオン化され、発生室１０６において高密度プラズマ
が生成され、堆積室１０８の方に引き出される。引き出
された水素ラジカルは堆積室１０８でＴ　Ｍ　Ａと反応
し、ＴＭＡのＡｌ−Ｃ，Ｃ−Ｈの結合をＨラジカルのＨ
引き抜き反応によって解離し、基板１１０ｂに純度の良
いＡｌ膜を均一に形成できる。

金属を堆積するプラズマＣＶＤ技術としては、参考例と
してＴ、Ｉｔｏ、Ｔ、Ｓｕｇａｉ　ａｎｄ　Ｔ、Ｎａｋ
ａｍｕｒａ、　１９８２ンンボシ゛ニウム　　オン　　
フ゛イニルニスアイ　　テクノロン゛　（Ｓｙｍｐ　、
ｏｎＶＬＳＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　、Ｄｉｇｅｓ
ｔ　２−２（１９８２）にしめされているが、マイクロ
波を用いて金属薄膜を堆積するプラズマＣＶＤ装置は初
めて開発されたものであり、極めて薄膜堆積技術上重要
であることがわかる。また特願昭５７−１５１ｉ８４３
号公報と同じ様に、金属供給源をスパッタターゲットに
しても本発明の利点を生かせることは言うまてもない。

さらにどの様な金属薄膜、または導伝性薄膜でも、供給
化合物ガスもしくはターゲットさえあれば、堆積できる
。

実施例３実施例１に示した装置構成において、アンテナ１０３ａ
の形を第３図にしめすように、改造し、螺旋式（ヘリカ
ルタイプ）にする。この構造にすることによって、マイ
クロ波をプラズマ室１０６内部まで反射する事なく、高
効率でエネルギーが供給することができる。またプラズ
マ室１０６でのプラズマを大面積で均一に発生する事が
可能である。またプラズマを大面積で均一に発生できる
工夫として、リジタノコイル（Ｇ、Ｌｉ５ｉｔａｎｏ　
ｅｔ　ａｌ、Ｔｈｅ　　Ｒｅｖ、ｏｆ　　Ｓｃ１．　　
Ｉｎｓｒｕｍｅｎｔ　　Ｖｏｌ、３９　　Ｎｏ、３　１
９Ｇ８）等をアンテナに用いる事ができる事は言うまで
もない。

発明の効果・マイクロ波放電（ＥＣＲ放電）を用いた、高密度、広
面積の金属イオン供給装置として利用できる。

・マイクロ波放電（ＥＣＲ放電）を用い金属薄膜の堆積
を行なう事ができる。また金属膜の金属供給源として、
スパッタターゲットもしくは金属化合物ガスを用いるこ
とができる。

・マイクロ波放電（ＥＣＲ放′１１）を用いるため高密
度ＥＣＲ放電では高いプラズマ密度をつくるため、金属
化合物の高分解が行なわれ、金属薄膜の高速堆積、高純
度堆積ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ発生装置の一実施例の構成概
念図、第２図は同装置を用いた薄膜堆積装置の構成概念
図、第３図は改良型のアンテナ形状を示すの購造図、第
４図は従来の薄膜堆積装置の構成概念図である。１０１・・・同軸導波管変換器、１０２・・・同軸導液
管、１０２ａ・・・内導体、１０３・・・マイクロ波導
入窓、１０４・・・冷却機構、１０５・・・テーパ一部
、１０６・・・プラズマ発生室、１０７ａ、　　１０７
ｂ・・・マグネットコイル、１１２Φ・・ＩＪＩ気系。代理人の氏名　弁理士　栗野重孝　はか１名１　図ｆｏｌ　−一一同軸導液管変挟見ｌθ２・−同軸導液管ｌθ２ａ−〜−−円導体ｌθ３−　マイ７０５１導入室、ｔｏ＋　−δ都槍ｄ青ｔｏｓ　　−＋−テ　−ノザー　部１０６−−−プラズマ党主鼠１０７α、ｆθ７ｂ−マグネットコイ２し第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ガス導入系と真空排気系を有し、外部より磁場の
印加可能な真空チェンバーと、該真空チェンバーの端面
の開口された穴に接続された同軸導波管となる構成で、
該同軸導波管の接続されていない側に取り付けられた誘
電損の小さい窓材から、マイクロ波を前記同軸導波管を
伝搬させ、前記真空チャンバーに導く事によって、該真
空チャンバーでプラズマを発生できる装置において、前
記同軸導波管の寸法の、縦方向の長さｌが、真空チャン
バー内のガスの平均自由行程のλよりも大きい事（ｌ＞
λ）と、該同軸導波管の円筒外導体の線状内半径と内導
体の半径との差ｔが、ガスの平均自由行程のλよりも小
さい事（ｔ＜λ）、を特徴としたプラズマの発生装置。
（２）同軸導波管の内導体端部を延長し、前記真空チャ
ンバー内で該内導体延長部分をマイクロ波の直線状のア
ンテナとして用いること、もしくは形状を変えて螺旋状
コイル（ヘリカルコイル）またはリジタノコイル式のア
ンテナとして用いることを特徴とした特許請求の範囲第
１項記載のプラズマの発生装置。
（３）ガス導入系と真空排気系を有し、外部より磁場の
印加可能な真空チェンバーと、該真空チェンバーの端面
の開口された穴に接続された同軸導波管となる構成で、
該同軸導波管の接続されていない側に取り付けられた誘
電損の小さい窓材から、マイクロ波を前記同軸導波管を
伝搬させ、前記真空チャンバーに導く事によって、該真
空チャンバーでプラズマを発生できる装置において、前
記同軸導波管の寸法の、縦方向の長さｌが、真空チャン
バー内のガスの平均自由行程のλよりも大きい事（ｌ＞
λ）と、該同軸導波管の円筒外導体の線状内半径と内導
体の半径との差ｔが、ガスの平均自由行程のλよりも小
さい事（ｔ＜λ）、を特徴としたプラズマの発生装置と
有し、且つ真空チャンバーの一部に基板台の設置可能な
試料室と、前記真空チャンバー内に金属薄膜の材料とな
る金属化合物系ガス、もしくはプラズマ生成用のガス導
入系を少なくとも一つ以上設けることを特徴とする薄膜
堆積装置。
（４）同軸導波管の内導体端部を延長し、前記真空チャ
ンバー内で該内導体延長部分をマイクロ波の直線状のア
ンテナとして用いること、もしくは形状を変えて螺旋状
コイル（ヘリカルコイル）またはリジタノコイル式のア
ンテナとして用いることを特徴とした特許請求の範囲第
３項記載の薄膜堆積装置。