CN110379697A - 离子源、离子束照射装置及离子源的运转方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在阴极不会折损的情形下可变更包含在离子束中的所希望离子的比率的离子源、离子束照射装置及离子源的运转方法。该离子源(1)从等离子体生成容器(2)朝预定方向引出离子束的离子源(1)，其具有：电子供给部(3)，其对等离子体生成容器(2)内供给电子；电磁铁(M0)，其生成捕捉来自电子供给部(3)的电子的磁场；以及位移装置，其为了变更包含在离子束的所希望离子的比率，而在离子束的引出方向使磁场的中心位置位移。

Description

离子源、离子束照射装置及离子源的运转方法

技术领域

本发明涉及一种可变更包含在离子束的所希望离子的比率的离子源。

背景技术

就可变更包含在从离子源引出的离子束中的所希望离子的比率的离子源而言，已知有一种专利文献1所述的离子源。

专利文献1的离子源具有依据用以制造P型、N型半导体元件的离子化气体的种类而用来变更阴极位置的机构。利用该机构，可使阴极位置与等离子体生成容器的离子射出面之间的距离产生变化，而使包含在离子束中的所希望离子的比率变化。

具体而言，当离子化气体为PH3时，为了增加所生成的等离子体中的质量较重的PHx+(x为1至3的整数)的比率，使阴极位置接近于离子射出面。另一方面，当离子化气体为BF3时，为了增加质量较轻的B+的比率，其与PH3的情形相比较，使阴极位置从离子射出面远离。

然而，在现有技术的构成中，由于使因经时性变化而变脆弱的阴极移动，因此会有伴随移动而造成阴极折损的问题。当阴极折损时，必须进行阴极的更换或等离子体生成容器内的清扫等。所述因素成为离子源的运转率降低的主要原因。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1：日本特开2016-164894号公报。

发明内容

(发明所要解决的课题)

本发明为鉴于上述问题而研发，其目的在于提供一种离子源、离子束照射装置及离子源的运转方法，以防止因阴极的折损而造成离子源的运转率的降低，且可变更包含在离子束中的所希望离子的比率。

(解决课题的手段)

离子源为一种从等离子体生成容器朝预定方向引出离子束的离子源，所述离子源具有：

电子供给部，其对所述等离子体生成容器内供给电子；

电磁铁，其生成捕捉来自所述电子供给部的电子的磁场；以及

位移装置，其为了变更包含在所述离子束的所希望离子的比率，而在所述离子束的引出方向使所述磁场的中心位置位移。

若为上述构成的离子源，为不变更阴极位置而利用位移装置使由电磁铁所生成的磁场的中心位置位移，并变更包含在离子束中的所希望离子的比率，因此不会发生因阴极位置的变更而造成的阴极的折损。借此，可防止因阴极的折损所造成的离子源的运转率的降低。

就具体的构成而言，所述位移装置使所述电磁铁的中心位置朝所述离子束的引出方向移动。

并且，所述位移装置也可为由配置在所述离子束的引出方向的不同位置的多个电磁铁所构成，且借由调整由各电磁铁所生成的磁场的磁通密度，而在所述离子束的引出方向使所述磁场的中心位置位移者。

此外，所述位移装置具有遮蔽所述电磁铁的磁场的可装卸的磁性屏蔽，所述磁性屏蔽也可为配置在所述离子束的引出方向上的所述电磁铁的两侧或任一方侧的构成。

其中，也可为在所述离子束的引出方向将所述电磁铁与所述磁性屏蔽之间的距离设为可变的构成。

离子源的运转方法为一种将离子束从等离子体生成容器朝预定方向引出的离子源的运转方法，该离子源具有：

电子供给部，其对所述等离子体生成容器内供给电子；以及

电磁铁，其生成捕捉来自所述电子供给部的电子的磁场；

该运转方法为了变更包含在所述离子束的所希望离子的比率，而在所述离子束的引出方向移动所述磁场的中心位置。

若为上述运转方法，不是使阴极移动，而是采用使磁场中心位置位移的手法，因此即使变更离子束中的所希望离子的比率，也不会发生因阴极位置的变更所造成的阴极的折损。借此，可防止因阴极的折损所造成的离子源的运转率的降低。

(发明的效果)

由于不是变更阴极的位置，而是采用位移装置使由电磁铁所生成的磁场的中心位置位移，以变更包含在离子束中的所希望离子的比率，因此不会发生因阴极位置的变更所造成的阴极的折损。借此，可防止因阴极的折损所造成的离子源的运转率的降低。

附图说明

图1为显示离子源的构成例的立体图。

图2(A)、图2(B)和图2(C)为图1所载的离子源的俯视图。图2(A)为XY俯视图，图2(B)为YZ俯视图，图2(C)为显示ZX俯视图。

图3(A)、图3(B)和图3(C)为显示离子源的其它构成例的俯视图。图3(A)为在电磁铁的左右具备厚度不同的磁性屏蔽的构成例。图3(B)为在电磁铁与磁性屏蔽之间设置间隔件的构成例。图3(C)为在电磁铁的各端部设置磁性屏蔽的构成例。

图4(A)和图4(B)为显示离子源的其它构成例的俯视图。图4(A)为具有可转动的电磁铁的构成例。图4(B)为具有可直动的电磁铁的构成例。

图5为在离子束的引出方向的不同的位置具有多个电磁铁的离子源的构成例的俯视图。

图6(A)和图6(B)为具有追加的电磁铁的离子源的构成例的俯视图。图6(A)为ZX俯视图。图6(B)为XY俯视图。

图7为针对磁场补正的说明图。

附图标记说明：

1 离子源

2 等离子体生成容器

3 电子放出部

4 线圈

5 开口

6 磁性屏蔽

7 磁性片

B0至B3 磁场中心位置

M0至M3 电磁铁。

具体实施方式

图1为显示本发明的离子源的一构成例的立体图。

图1所示的Z方向为从离子源1引出的离子束的引出方向，Y方向为概略长方体形状的等离子体生成容器2的长度方向。X方向为与Z方向、Y方向正交的方向。各方向的定义为在后述的各图中也相同。

该离子源1为在Y方向较长的大致长方体状的离子源，且具备对等离子体生成容器2内进行电子的供给的电子供给部3。该电子供给部3为例如在灯丝或板状阴极组合灯丝而成的构造物，或供给以预定能量加速的电子的电子枪，借由离子源的构成而配置在等离子体生成容器2的内部或外部。

在离子源1的X方向的各侧面，配置有在等离子体生成容器2的内部生成磁场的电磁铁M0。该电磁铁M0为具备在Y方向较长的本体部及从本体部朝Z方向突出的端部，在该本体部卷绕有线圈4。并且，在各端部的与Z方向相反侧的面，安装有磁性屏蔽6。

在离子源1中，通过未图示的气体孔口导入有BF3或PH3等离子化气体。从电子供给部3供给的电子为将离子化气体予以电离，而在容器内生成等离子体。然后，借由在Z方向配置于等离子体生成容器2的下游的未图示的引出电极，而作为离子束射出至容器外部。

图2(A)、图2(B)和图2(C)为从各平面观看图1所述的离子源1时的俯视图。

在此，配置在X方向的由一对电磁铁M0所生成的磁场的大小及方向为相等，且如图2(A)所示，利用XY平面的磁场中心位置成为等离子体生成容器2的中央的例加以说明。此外，针对生成在等离子体生成容器2的磁场分布，由于可变更成各式各样者，因此在此说明的磁场中心位置的例仅止于一例。

磁场中心位置在设计上成为磁通密度变得最强的位置。如图2(A)、图2(B)和图2(C)的构成，在等离子体生成容器2的左右配置相同构成的电磁铁M0，若将各电磁铁M0的磁场的大小及方向设为相同，则两电磁铁的中间位置成为磁场中心位置。

在图2(A)至图2(C)中，磁场中心位置B0未具有磁性屏蔽6时的磁场中心位置，磁场中心位置B1具有磁性屏蔽6时的磁场中心位置。

在设置磁性屏蔽6时，由于在Z方向相反侧，磁场会通过朝Y方向延伸的磁性屏蔽内，因此在对应于该部分的等离子体生成容器内的磁场，与未具有磁性屏蔽6的情形相比较会变得较弱。另一方面，由于在Z方向侧未具有磁性屏蔽，因此在等离子体生成容器内的磁场的强度并无变化。综上所述，由图2(B)、图2(C)得知，在等离子体生成容器内的磁场中心位置会从磁场中心位置B0往磁场中心位置B1朝属于Z方向的离子束的引出方向位移。

此外，此时位移后的磁场中心位置并非沿着图示的Y方向的直线状，厳格来是成为朝Z方向突出的弓形状，但在本发明中为了简化说明，为了方便起见利用近似的直线来描绘位移后的磁场中心位置的形状。关于利用近似的直线的情形，在后述的其它实施方式中也相同。

若磁场中心位置位移，在磁场被捕捉的电子的场所会依该位置位移而变化。由于有被捕捉的电子越多等离子体密度变得越浓的倾向，因此若电子被捕捉的场所变化，则依该场所变化，生成有密度浓的等离子体的场所也会变化。

等离子体中的离子与电子同样地，一面沿着磁场移动，一面进行旋转。质量越重的离子，此时的旋转半径越大。

在离子束的引出方向，磁场中心位置越接近等离子体生成容器2的与开口5相反侧的内壁面，以大的旋转半径旋转的质量较重的离子会与内壁面碰撞，消失的比例会越高。

结果，包含在被引出的离子束的质量较轻的离子的比率会变高。

相反地，在离子束的引出方向，磁场中心位置越接近等离子体生成容器2的开口5，包含在被引出的离子束的质量较重的离子的比率越会增加。这是由于质量较重的离子在等离子体生成容器内壁面消失的比率会减少之故。

在图2(A)、图2(B)和图2(C)的构成中，由于磁场中心位置接近于开口5，因此被引出的离子束所含的质量较重的离子的比率会变高。

使用在上述构成例中所说明的磁场中心位置的位移的磁性屏蔽6借由例如螺栓等固定具或嵌合，安装在电磁铁M0的端部。针对磁性屏蔽6的个数，如上述构成例，虽也可为单数，但也可为复数。

例如，在以1台的离子源区分使用复数种类的离子化气体的情形下，当使用某离子化气体时，安装磁性屏蔽6，当使用其它离子化气体时，也可将磁性屏蔽6予以拆除。

并且，与如上所述的构成例相反地，若减低质量较重的离子的比率，则也可作成为以使磁场中心位置远离开口5的方式，在电磁铁M0的端部的Z方向侧的面安装磁性屏蔽6的构成。

图3(A)为在离子束的引出方向(Z方向)，于电磁铁的前后两侧设置磁性屏蔽6的构成。如图3(A)所描绘，即便使离子束的在引出方向的磁性屏蔽6的厚度不同，也可使磁场中心位置B0朝磁场中心位置B1位移。

此外，在仅于电磁铁M0的单侧配置磁性屏蔽6的构成中，预先准备多个厚度不同的磁性屏蔽6，并区分使用所述磁性屏蔽6，而可使磁场中心位置位移。并且，也可预先准备多个透磁率不同的磁性屏蔽6，并区分使用所述磁性屏蔽6而使磁场中心位置位移。

另一方面，与上述构成例不同，如图3(B)的构成所示，也可借由变更磁性屏蔽6的安装场所，而使磁场中心位置位移。

在图3(B)中，夹持间隔件S而将磁性屏蔽6安装在电磁铁M0的端部。图示的磁场中心位置B0未具有磁性屏蔽6时的磁场中心位置。磁场中心位置B1与图2(A)、图2(B)和图2(C)的构成相同，为在电磁铁M0的端部安装磁性屏蔽6时的磁场中心位置。磁场中心位置B2夹持间隔件S时的磁场中心位置。

如此，也可变更磁性屏蔽的有无或安装位置，使磁场中心位置位移。

并且，在图3(B)的构成例中，也可预先准备厚度不同的间隔件，并区分使用该间隔件而使磁性屏蔽6的位置变更，并使磁场中心位置位移。

在上述构成例中，磁性屏蔽6在Y方向遍及未卷绕有电磁铁M0的线圈4的二个端部而设置，但也可如图3(C)所示，仅设置在各端部。此时，与遍及两端部而设置有磁性屏蔽6的图2(B)的构成例相比较，磁场中心位置的位移方向与其相反。

也可使电磁铁M0移动并使磁场中心位置位移，以取代磁性屏蔽6。在图4(A)和图4(B)中，描绘有使电磁铁M0移动的构成例。

在图4(A)中，使各电磁铁M绕着朝沿着Y方向的旋转轴R周围旋转，且借由从图示的实线状态转为虚线的状态的方式，使磁场中心位置从磁场中心位置B0朝磁场中心位置B3位移。

此外，不使电磁铁M0旋转，而是如图4(B)所示，也可构成为预先准备使电磁铁M0朝属于离子束的引出方向的Z方向移动的直动机构，伴随该直动机构使电磁铁M0移动，而从磁场中心位置B0位移至磁场中心位置B3。此外，在此所谓的电磁铁M0的中心位置，是指从Y方向观看时的磁极的中心位置。

在图4(A)和图4(B)中，其针对借由电磁铁M0的旋转或直动，电磁铁M0的中心位置Mc0会朝中心位置Mc1移动，且磁场中心位置B0会朝磁场中心位置B3位移的例加以说明，但例如也可利用组合电磁铁M0的旋转与直动等的其它构成而使电磁铁M0移动，只要可使电磁铁M0的中心位置朝Z方向移动，则使电磁铁M0移动的构成也可为任意者。

即使为图4(A)和图4(B)的构成，也可发挥与图2(A)、图2(B)和图2(C)或图3(A)、图3(B)和图3(C)的构成相同的效果。然而，在图4(A)和图4(B)的构成中，由于需要有使电磁铁移动的旋转或直动机构，因此与利用磁性屏蔽的构成例相比较，从装置构成的复杂化或成本增加的观点来看较为不利。

并且，在图4(A)和图4(B)的构成例中，一对电磁铁M0的两方虽成为转动或直动的构成，但也可为固定一方并使另一方移动的构成。此时，磁场中心位置的移动量比使两方移动的情形更小，惟即便是微小的变化，与完全不使的移动的情形相比较，仍可使离子束中所含的所希望离子的比率或多或少地变化。

此外，各电磁铁的旋转方向或移动方向不一定要使之一致。例如，只要是由各电磁铁生成的磁场的方向、大小相同者，则若使一方的电磁铁的移动量比另一方大，即可使由两者的平衡所决定的磁场中心位置朝离子束的引出方向位移。

并且，如图5所示，也可采用利用多个电磁铁M1、M2而使磁场中心位置位移的构成。在此所谓的复数是指在离子束的引出方向于不同的场所配置有多个电磁铁。即使在离子束的引出方向于相同的位置配置有多个电磁铁，在此是将所述电磁铁视为与一个电磁铁等效。

电磁铁M1、M2与图1或图2(A)、图2(B)和图2(C)所述的电磁铁M0相同构成的电磁铁。当利用各个电磁铁M1、M2在相同方向生成相同大小的磁场时，磁场中心位置虽成为磁场中心位置B0，借由使电磁铁M1的磁场减弱，可使磁场中心位置朝磁场中心位置B3位移。

针对利用配置在离子束的引出方向的不同位置的多个电磁铁使磁场中心位置位移的构成，也可如图6(A)和图6(B)所示在等离子体生成容器2的开口5周围设置追加的电磁铁M3的构成。

例如，电磁铁M3为空芯线圈，借由将由该线圈所成的磁场B生成在图6(A)所示的箭头方向，即可使磁场中心位置从磁场中心位置B0朝磁场中心位置B1位移。

在上述实施方式中，虽为使磁场中心位置朝Z方向位移者，但也可应用此技术，如图7所示利用在X方向的磁场分布的补正。

在磁场中心位置的代表性的磁场分布为本来如虚线所示成为朝Y方向伸直的磁场BC1，因来自离子源以外的磁场泄漏的影响等，而可能如实线的BC2所示产生波浪状的分布。

此时，也可对于电磁铁M0将磁性片7安装至图示的位置，以使磁场分布BC2成为磁场分布BC1的方式进行磁场分布的补正。

在上述的实施方式中，电子供给部虽设置在等离子体生成容器的上下两方，但未必设置在上下两方，只要设置在任一方即可。并且，只要为在等离子体生成容器的一端设置电子供给部的构成，也可将借由电场而反射电子的反射板配置在与电子供给部相对向的位置，。

此外，来自电子供给部的电子的放出方向并不一定为Y方向，也可为X方向或Z方向。同样地，由电磁铁所成的磁场的生成方向也可设为与Y方向不同的方向。

并且，就电磁铁的构成而言，虽列举在等离子体生成容器的左右具有在Y方向较长的本体部的电磁铁的构成的例子加以说明，但作为发明的对象的电磁铁的构成并不限定于此。例如，也可采用现有的具有C型或H型的磁轭的电磁铁。

此时，与先前的实施方式同样地，也可考量借由采用在离子束的引出方向，于磁极的前后两方或任一方预先设置磁性屏蔽的构成，或预先将磁极的一部分设为可动式，并借由使的局部地转动或直动来使磁场中心位置位移的构成。

若考虑等离子体生成效率，则要求借由磁场有效率地捕捉从电子供给部放出的电子。由此，也可限制使磁场中心位置位移的范围。例如，在图2(A)、图2(B)和图2(C)的例中，在以ZX平面观看时，预先限制使磁场中心位置在不会从电子供给部溢出的范围内位移。

上述的本发明的离子源可应用在离子注入装置、离子掺杂装置，及利用离子束的表面改质装置等离子束照射装置。

在上述实施方式中，就使磁场中心位置位移的位移装置而言，虽为列举使磁性屏蔽、电磁铁进行旋转、直动等的驱动机构，配置在离子束的引出方向的不同的位置的多个电磁铁或补助性的电磁铁的例子加以说明，但也可适当地组合使用个别说明的位移装置。

此外，本发明并不限定于上述的实施方式，当然可在不脱离其主旨的范围进行各种的变更。

Claims (7)

1.一种离子源，其从等离子体生成容器朝预定方向引出离子束，所述离子源具有：

电子供给部，其对所述等离子体生成容器内供给电子；

电磁铁，其生成捕捉来自所述电子供给部的电子的磁场；以及

位移装置，其为了变更包含在所述离子束的所希望离子的比率，而在所述离子束的引出方向使所述磁场的中心位置位移。

2.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述位移装置使所述电磁铁的中心位置朝所述离子束的引出方向移动。

3.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述位移装置由配置在所述离子束的引出方向的不同位置的多个电磁铁所构成，且借由调整由各电磁铁所生成的磁场的磁通密度，而在所述离子束的引出方向使所述磁场的中心位置位移。

4.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述位移装置具有遮蔽所述电磁铁的磁场的可装卸的磁性屏蔽，

所述磁性屏蔽配置在所述离子束的引出方向上的所述电磁铁的两侧或任一方侧。

5.根据权利要求4所述的离子源，其中，在所述离子束的引出方向将所述电磁铁与所述磁性屏蔽之间的距离设为可变。

6.一种离子束照射装置，其具有权利要求1至5中任一项所述的离子源。

7.一种离子源的运转方法，为将离子束从等离子体生成容器朝预定方向引出的离子源的运转方法，其中，

该离子源具有：

电子供给部，其对所述等离子体生成容器内供给电子；以及

电磁铁，其生成捕捉来自所述电子供给部的电子的磁场；

该运转方法为了变更包含在所述离子束的所希望离子的比率，而在所述离子束的引出方向移动所述磁场的中心位置。