(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波発生源と、
細長い気密なチャンバ（１０）と、
前記マイクロ波発生源と当該気密なチャンバを結合する長手方向の軸を有する結合手段（１１）と、
当該結合手段と前記チャンバ内に磁界を発生させ、プラズマ流を起こす磁界発生手段（１６、１７、２０）と、
前記プラズマ流の内部に位置し、前記チャンバから電気的に絶縁され、負に帯電したスパッタリング標的（２１）と、
前記プラズマ流のイオン種を制御するガスを注入し、前記標的に向けて加速されたイオンが、処理対象である基板（２２）にスパッタリング原子を飛散させる、前記結合手段内に設けられたガスを注入する手段（２７）と、
前記チャンバの内部を負圧にするポンプと、を有する線形マイクロ波プラズマ発生装置において、
前記結合手段は、前記チャンバに対して直角に開口するエルボー部（１３）に繋がるマイクロ波照射ガイド（１２）と、当該マイクロ波照射ガイドと前記直角エルボー部との間に設けられた、気密なマイクロ波の窓（１５）とを有することにより、少なくとも部分的に前記直角エルボー部の内側に位置する、負圧下の電子サイクロトロン共振領域（３５）で前記ガスがイオン化され、
前記磁界発生手段は、前記窓の両側に、磁極の向きが反対方向で、Ｎ−Ｓ極の軸が前記結合手段の長手方向の軸と垂直となり、前記マイクロ波発生源と結合されるように前記結合手段に設けられた、第１と第２の永久磁石（１６、１７）と、前記チャンバ（１０）を挟んで、前記第１の永久磁石（１６）と向かい合う位置に設けられて、磁極の向きが、前記第１の永久磁石の磁極の向きと直列となる第３の永久磁石（２０）と、
からなることを特徴とする線形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記標的が、液体冷却材の供給部（３１）と排出部（３２）とを有する冷却回路（３０）によって冷却されることを特徴とする請求項１に記載の線形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項３】
第３の永久磁石（２０）が、前記スパッタリング標的（２１）の裏側に、前記第１の磁石（１６）と磁極の向きが直列になるように設けられた請求項１に記載の線形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記スパッタリング標的（２１）が前記基板（２２）と平行に設けられた請求項１に記載の線形マイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項５】
前記マイクロ波照射ガイド（１２）は、入射部から前記マイクロ波の窓（１５）に繋がる出射部に向けて、前記チャンバ（１０）に対して、前記第１、第２永久磁石（１６、１７）方向に、上下幅が増大する請求項１に記載の線形マイクロ波プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリングによって表面被覆または表面処理を行うための、永久磁石を用いた線形マイクロ波プラズマ発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
電子サイクロトロン共振発生装置は、超振動数空間のような閉空間内において１つまたは複数種類のガスまたは金属蒸気からなる媒体をイオン化させてイオンを得る。このイオン化は、気体状の媒体と電子サイクロトロンによる共振によって高速度に加速された多数の電子の相互作用によって生じるものである。この共振は、空間に生成されたマイクロ波による電磁場と当該空間を蔽う磁場の協働作用によって得られる。
【０００３】
電子サイクロトロン共振はフィラメントやカソードを使用することなく密度の高いプラズマを生じさせることができる。参考文献１（文末の一覧を参照）に記載された実施例によれば、スパッタリングによって材料を合成するために強力なイオン流を作るために、２つの長方形の導波管を有する電子サイクロトロン共振発生装置が使用されている。
【０００４】
０．０８７５テルサに電子サイクロトロン共振域を有するプラズマチャンバに２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射すると、１０−４ないし１０−３ｍｂａｒの低圧下でガスのイオン化を生じる。このようにして発生したイオンと電子は、磁場に従って拡散し、負の電荷を帯びたターゲットに到達する。スパッタリングは、−５００ボルトで、シリコンまたは水晶の基板に対して実施される。プラズマの高さは２０ｃｍ、幅は５ｃｍである。２７ＧＨｚの干渉計で測定した電子密度は、アルゴンまたはクリプトンの場合、４×１０１１ｅ／ｃｍ３に達する。酸素プラズマの場合、イオン流の密度は４０ｍＡ／ｃｍ２である。
【０００５】
電子サイクロトロン共振によれば、マグネトロンの場合とは異なり、プラズマ銃が標的から独立しているためにいろいろな被覆形成が可能になる：
‐低圧下において、水晶に磁性体（鉄）の被覆を２００ｎｍ／ｍｉｎ（ナノメータ／分）の速度で形成することが出来る；
‐酸素と窒素プラズマの反応性スパッタリングを用いて、透明なＡｌ２Ｏ３からなる酸化物層と化学量的なＣｒ２Ｏ３層、および、ＡｌＮの窒化物層を１０ないし２０ｎｍ／ｍｉｎ；アルミニウム標的の酸化を防止するのに適当なアルゴン‐酸素混合ガスを使用することによって１００ｎｍ／ｍｉｎの速度を達成することも可能である。マグネトロンの場合とは異なり、ＲＦ分極は不要である。全ての被覆形成のために単純な直流電流発生装置が必要になるだけである；
‐低圧被覆形成（１０−４ｍｂａｒ）によって層内に閉じ込められるガスの比率を減少させ、材料の密度を向上させる（シリコン上のクロム被覆の場合におよそ７ｇ／ｃｍ３）ことが可能になる；
‐分極基板または解離メタンを用いた炭素標的に対するスパッタリングによってダイアモンド型の炭素層が得られる；
‐マグネトロンの場合とは異なり、スパッタリングに用いた標的の損傷は表面全域に渡って一様である。
【０００６】
電子サイクロトロン共振プラズマ発生装置は、材料の合成のために数十年にわたって広く用いられてきた。特に日本と米国において、電子サイクロトロン共振プラズマ発生装置は注目を集め、基板の材料および寸法に応じて数種類の装置が製作されている。文献１には説明と簡単な歴史が記載されている（文末の記載参照）。
【０００７】
スパッタリングによって被覆形成を行う電子サイクロトロン共振プラズマ発生装置の最も一般的なものは、円筒状のプラズマチャンバと、８７５ガウスの吸収領域を形成して負に分極した標的に向かってプラズマを拡散させる磁界コイルとを有する。この種のプラズマ発生装置の欠点は、極めて電力消費の大きなソレノイドを使用している点と、（プラズマと標的の間の）相互作用が弱いプラズマ周辺部に円筒状のスパッタリング標的が配置されている点、およびマイクロ波の漏洩を防止する窓はスパッタリングによって飛散した金属原子によって覆われがちな点である。この種のプラズマ発生装置は、文献２、３および４に記載されている。
【０００８】
９０度の直角入射エルボー部に固定された永久磁石を使用し、円錐状のスパッタリング標的の内部に波動吸収領域を有する電子サイクロトロン共振プラズマ装置が製作されている。この種の装置の欠点は、マイクロ波の窓がスパッタリング領域の近傍に設けられているために、すぐに塞がってしまうことである。さらに、被覆形成速度に限界がある。この種の装置は、参考文献５に紹介されている。
【０００９】
スロットによってガイドしたマイクロ照射装置（スロットアンテナ）を使用し、かつ、永久磁石を用いた電子エレクトロン共振プラズマ発生装置が日本で開発された。この種の装置の欠点は、入射されるマイクロ波の出力が小さく、その結果イオン密度がおよそ１０ｍＡ／ｃｍ２であること、およびマイクロ波の窓が塞がってしまうことである。この種の装置は文献６に記載されている。
【００１０】
マグネトロンの磁石を利用し、スパッタリング標的の背後に極性が逆転した永久磁石を設けた電子サイクロトロン共振プラズマ発生装置も製作されている。この種の装置の欠点は、標的にバリアが形成されるために磁性体をスパッタリングすることが困難になること、標的の損耗が不均一なこと（標的は３０％の損耗で使用不可能になる）、および、標的が酸化して酸化物を形成すること（ＲＦ極性化）である。この種の装置は、文献７および８に記載されている。
【００１１】
拡散プラズマの中に（４５度以内に）設けたスパッタリング標的と、２つのソレノイドと、強い磁性を有するマイクロ波の窓とを利用して、８７５ガウス吸収領域の形成、プラズマの拡散と標的への集中を実現する電子サイクロトロン共振装置も開発されている。この装置によって、低圧下において強力なイオン流れが達成された（延長された表面上で１０−４ｂａｒの圧力下で２５から３０ｍＡ／ｃｍ２。高さ２０ｃｍの導波管２つを使用してこのシステムが試験された）。マイクロ波の窓は、金属の被覆形成から保護された直角エルボー部管の中に設置されている。この装置の問題点は、ソレノイドの大きな電力消費と基板に対する標的の角度である。この種の装置は文献１および文献９に記載されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、従来の装置が有する上述の問題を解決することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
‐密封性の有るチャンバと、
‐チャンバの中に磁界を発生しプラズマ流れを生じさせる手段と、
‐チャンバの中のプラズマ流とマイクロ波発生源とを結びつける結合手段と、
‐プラズマ流の中に設けられ、チャンバからは電気的に絶縁され、負に帯電したスパッタリング標的と、
‐チャンバ内を減圧するポンプ手段と、
‐標的に向かって加速されたイオンが基板に向けて原子を飛散させるようプラズマ流のイオン種を制御するためにガスを注入する線形マイクロ波発生源であって、
前記結合手段はマイクロ波照射ガイドとそれに続いてチャンバーに垂直に開口する直角エルボー部と、マイクロ波照射ガイドと直角エルボー部の中間に、エルボー部の数センチメートル内側にある負圧下の電子サイクロトロン共振領域においてガスのイオン化を行うよう設けられた気密なマイクロ波の窓を有し、磁界発生手段として窓の両側に互いの極性が逆になる向きに設けられた第１と第２の永久磁石を有することを特徴とする線形マイクロ波発生装置によって上記の問題を解決するものである。
【００１４】
標的は、好ましくは、冷却液を循環させるパイプを有する冷却回路によって冷却される
【００１５】
第１の実施例においては、チャンバーの第１の磁石と反対側に第１の磁石と同じ高さの位置に、磁極の向きが直列になるように第３の磁石が設けられる。
【００１６】
第２の実施例では、第３の磁石は標的の裏側に、磁極の向きが第１の磁石と平行になるように設けられる。
【００１７】
標的は、好ましくは、基板と平行に設けられる。マイクロ波の照射ガイドは、入射位置から窓に結合された出射位置にかけて高さが高くなるよう（出射位置が入射位置よりも上に来るよう）に配置される。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に基づくマイクロ波プラズマ被覆形成は以下のような極めて優れた特徴を有する。
‐気密性のマイクロ波の窓が直角エルボー部よりも手前に設けられているために金属で覆われてしまうことが無い；
‐気密なマイクロ波の窓は電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ）よりも強力な磁場に置かれており；マイクロ波が大気圧下の電子サイクロトロン共振の第１の領域（ＥＣＲ１）を通過する場合には不要なプラズマを発生させることが無く、吸収は所望の通り負圧下に有る負圧電子サイクロトロン共振領域（ＥＣＲ２）で発生する；
‐第２の領域ＥＣＲ２の直前および同領域内における静的磁場Ｂと波動伝播ｋの向きは平行で、切断効果を排除しプラズマ密度の限界を無くすことができる。
‐吸収領域ＥＣＲ２は直角エルボー部の数センチメートル内側に位置し、マイクロ波の密度を高め（吸収が小さな体積の中で行われる場合には、密度が高い）結果としてプラズマ密度を高めることになる；同様な理由で、エルボー部の外部では体積が大きくマイクロ波の密度が低くなることから、ＥＣＲ２領域は被覆形成チャンバのエルボー部の外には形成されない。
‐標的と基板は互いに平行に設置され、そのことによって基板の上に均一な被覆形成が可能になる。さらに、電子サイクロトロン共振領域（つまり、プラズマチャンバ）がエルボー部の内部に形成されるため、プラズマは向きを変えて基板と平行に基板に到達する；
‐電子サイクロトロン共振領域の断面が小さいことは、出力が一定であれば出力密度が高いことに帰着する。この構造によって低いマイクロ波出力（数十ワットのオーダー）で、極めて低い圧力下（数１０−５ｍｂａｒのオーダー）で駆動することが可能になる。
‐広い表面に被覆形成を行うために、プラズマの高さを高くすることも可能である；この点は、コイルを用いた装置に比較した場合顕著な長所である。
‐マグネトロンとは違って、標的の損耗は表面の前面に渡って均一である。
【００１９】
本発明に係るプラズマ発生源は、１０‐５〜１０−２ｍｂａｒの圧力下で、スパッタリングによる磁性材料あるいは非磁性材料、酸化物、窒化物、炭化物等からなる薄層の形成、グラファイト、炭素水化物とダイアモンドカーボンによる被覆形成、補外された線形表面の処理を行うのに好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプラズマ発生装置は、真空チャンバ１０、チャンバ内に所望の磁界を発生しプラズマの流れを生じさせる永久磁石１６、１７、２０、１つまたは複数のマイクロ波発生装置が発生させたマイクロ波をチャンバ内に送りこむカプラ１１を具備する。チャンバ１０内にマイクロ波を照射することによって低圧下においてガスがイオン化する。ガス２７は、パイプ２６から供給される。
【００２１】
カプラ１１の端部はは、直角エルボー部１３に繋がるマイクロ波照射ガイド１２を具備する。直角エルボー部１３は、チャンバ１０に繋がる。たとえば水晶で出来た、気密なマイクロ波の窓１５が、マイクロ波入射ガイド１２とエルボー部１３の間に設けられている。
【００２２】
図１および図２において、電子サイクロトロン共振領域は破線３５で示されている。大気圧下にあるマイクロ波照射ガイド１２では共振の値はＥＣＲ１で、負圧下にあるエルボー部１３ではＥＣＲ２である。矢印２４は、チャンバの吸引を表す。
【００２３】
グラウンド２８外に有るマスクに対して負の極性を有するスパッタリング標的２１が拡散プラズマの中に設けられている。当該標的は、例えば水である冷却液を供給する供給部３１と排出する排出部３２とを含む冷却装置３０によって冷却される。
【００２４】
標的と基板を平行に保持するために、必要なら、スパッタリング標的２１は角度を変えることができる。
【００２５】
被覆または処理の対象である基板２２はチャンバ１０の端部に設置される。図１および図２に示されているように、基板２２は、例えば直線運動装置２３によって移動させることも可能である。
【００２６】
第１および第２の永久磁石１６、１７が窓１５の両側に設けられている。図１および図２に示されているように、磁石１６と磁石１７の極性は互いに逆向きである。
【００２７】
第１の磁石１６は波動の伝播方向ｋと平行な磁界Ｂを発生させる。磁石１６は、エルボー部の下流側から所望の位置まで延び位置に共振領域（ＥＣＲ２）を発生させる。磁石１６は第２の磁石１７と組合せられて、窓１５の近傍に強力な磁界を発生させる。エルボー部１３の存在によって、窓１５はプラズマの軸に対して９０度の角度を保持することができる。
【００２８】
図１に示されているように、本発明の第１の実施例の場合、チャンバ１０の反対側であって第１の磁石１６と同じ高さの位置に、第３の磁石が設けられており、第１の磁石１６と第３の磁石２０の磁極の向きは一致している（ともにＮ−Ｓ方向、または、共にＳ−Ｎ方向）。
【００２９】
前記第３の磁石２０は磁界を標的２１のほうに曲げ、イオンのスパッタリング密度を向上させる機能を有する。磁界の流れは標的２１に向けて収束し、イオン密度を標的の上で可能な限り高くする。プラズマ拡散３３は磁界の向きに従いその流れの密度もまた磁界の密度に比例する（被覆形成を通じて磁束とプラズマ流の総量は不変である）。第３の磁石２０がプラズマ流に影響を与えなかったとすれば、プラズマ流は発散し、密度は低下する。
【００３０】
気密な窓１５を通してウエーブガイド１２にマイクロ波を照射することで、エルボー部１３の数センチメートル内側にある負圧下の電子サイクロトロン共振領域３５（例えば８７５ガウスでの電子サイクロトロン共振）にあるガスがイオン化される。この直角エルボー部は、窓が金属によって覆われて入射すべきマイクロ波が反射されるようなことが無いよう窓１５を保護する。このようにして発生したプラズマは、磁界に沿って拡散し、典型的には‐１００から‐１０００ボルトの負に帯電した標的２１に到達する。標的２１に向けて加速されたイオンは、原子を流れ３４として基板２２に向けてはじき出す。
【００３１】
図２に示す第２の実施例においては、第３の磁石（２０）が標的２１の裏側に設けられている。この実施例の場合には第１と第３の磁石の極性は直列（共にＮ−Ｓまたは共にＳ−Ｎ）である。
【００３２】
例えば、図１に示す第１の実施例においては、標的２１は磁力線の向きが出力ウエーブガイドと平行になるように標的２１が設置され、第１と第２の磁石がＳ−ＮまたはＮ−Ｓの直列に並ぶが、図２に示す第２の実施例では、標的２１は基板に平行で、磁力線は標的の裏側の磁石によって曲げられる。
【００３３】
図３および図４は、それぞれ第１および第２の実施例における磁力線４０の曲がりを示すものである。
【００３４】
プラズマの高さは、図５に示すようにガイドに延長部を追加してマイクロ波照射部１２の高さを高くすることで増加させることができる。この場合、マイクロ波照射ガイド１２の高さは図１および図２に示したマイクロ波の窓の位置でｈ２であり、マイクロ波エミッタ孔の位置でｈ１である。周波数ｆ＝２．４５ＧＨｚの場合、ガイドは、ｈ１＝８６ｍｍ、ｈ２＝１７２ｍｍ、ｌ＝４３ｍｍを有するＷＲ３４０であってもよい。
【００３５】
参考文献
１．「スパッタリングによる被覆形成とクロミウム層のための電子サイクロトロン共振マイクロ波プラズマ技術」”Electron Cyclotron Resonance Microwave Plasma-Based Technique for Sputter-Deposition and Chromium Films” by E.Touchais, M. Delaunay and Y. Pauleau (Proceedings of the 5th International Symposium on Trends and New Applications in Thin Films, Colmar, France, 1-3 April 1996 and thesis by E. Touchais, Institut National Polytechnique de Grenoble, France, 23 July 1996.
２．「スパッタリングによる基材提供を利用した電子サイクロトロン共振プラズマ被覆形成技術」”Electron Cyclotron Resonance Plasma Deposition Technique Using Raw Material Supply by Sputtering” by T. Ono, C. Takahashi and S. Matsuo (Japan J. Appl. Phys. 23, L534, 1984)
３．「電子サイクロトロン共振プラズマ刺激を利用したラジオ振動数スパッタリングによる酸化物層の形成」”Oxide Film Deposition by Radio Frequency Sputtering with Electron Cyclotron Resonance Plasma Stimulation” by N. Matsuoka and S. Tohno (J. Vac. Sci. Teohnol. A13, 2427, 1995)
４．「スパッタリング型の電子サイクロトロン共振マイクロ波プラズマのための導電材層の準備技術」”A Few Techniques For Preparing Conductive MaterialFilms For Sputtering-Type Electron Cyclotron Resonance Microwave Plasma” by M. Matsuoka and K. Ono (Japan J. Appl. Phys. 28, L503, 1989)
５．「離れた窓を有する永久磁石電子サイクロトロン共振プラズマ発生装置」”Permanent Magnet Electron Cyclotron Resonance Plasma Source With Remote Window” by L.A. Berry and S. M. Gorbatkin (J. Vac. Sci. Technol. AI3, 343, 1995)
６．「反応性スパッタリングのための長尺電子サイクロトロン共振プラズマ発生源」”Long Electron Cyclotron Resonance Plasma Source for Reacribe Sputtering” by T. Yasui, K. Nakase, H. Tahara and T. Yoshikawa (Japan J. Appl. Phys. 35, 5495, 1996)
７．「マイクロ波を改善したマグネトロンスパッタリング」”Microwave-Enhanced Magnetron Sputtering” by Y. Yoshida (Rev. Sci. Instrum,. 63, 179, 1992)
８．「平面均一電子サイクロトロン共振プラズマ反応器で室温のＰＥＣＶＤで形成した工学および防護目的の陶土に均質な珪素被覆」”Highly Homogeneous Silica Coatings for Optical and Protective Applications Deposited by PECVD at Room Temperature in a Planar Uniform Distributed Electron Cyclotron Resonance Plasma Reactor” by J. C. Rostaing, F. Ceuret, J. Pelletier, T. Lagarde and E. Etemadi (Thin Solid Films 270, 1995, pages 49-54).
９．「表面のプラズマによる処理のためのプラズマビームと線形マイクロ波源」フランス特許第ＦＲ−２７０１７９７号（特許出願第９３０１８７号）
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るプラズマ発生装置の第１の平面図
【図２】  本発明に係るプラズマ発生装置の第２の実施例の平面図
【図３】  本発明に係るプラズマ発生装置の第１の実施例の磁束を示す図
【図４】  本発明に係るプラズマ発生装置の第１の実施例の磁束を示す図
【図５】  本願発明に係るプラズマ発生装置に連結されるマイクロ波放射ガイドの正面図
【図６】  本願発明に係るプラズマ発生装置に連結されるマイクロ波放射ガイドの側面図
【符号の説明】
１０  チャンバ
１１  カプラ
１５  マイクロ波の窓
１６、１７、２０  永久磁石
２１  スパッタリング標的
２２  基板
３０  冷却パイプ
３５  電子サイクロトロン共振領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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