JP2005251468A - イオン発生装置及びイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長できるようにしたイオン発生装置及びイオン注入装置を提供する。
【解決手段】 アークチャンバー１１と、このアークチャンバー１１内へ熱電子を放出するための２つの熱電子発生源３，５と、フィラメント電源７と、２つの熱電子発生源３，５を互いに直列状態でフィラメント電源７に接続する配線ｗとを備え、フィラメント電源７から配線ｗに流される電流の向きは所定のタイミングで切り替えられる構成となっている。熱電子発生源３，５に流れる電子の量を相対的にほぼ同量にすることができ、熱電子発生源３，５の消耗速度を均一化することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン発生装置及びイオン注入装置に関し、特に、イオン注入装置を構成するイオン発生装置のメンテナンス周期を延長できるようにしたものである。

図１２は、従来例に係るイオン発生装置９０の構成例を示す概念図である。図１２に示すように、このイオン発生装置９０は、例えば、アークチャンバー９１と、このアークチャンバー９１の磁場方向の両側にそれぞれ設けられた熱電子発生源９３，９５と、直流のフィラメント電源９７等から構成されている。
これらの中で、一方の熱電子発生源９３は、アークチャンバー９１内に設けられたカソード９３ｂと、アークチャンバー９１の外側であってカソード９３ｂから所定距離だけ離れた位置に設けられたフィラメント９３ａとから構成されている。同様に、他方の熱電子発生源９５は、アークチャンバー９１内に設けられたカソード９５ｂと、アークチャンバー９１の外側であってカソード９５ｂから所定距離だけ離れた位置に設けられたフィラメント９５ａとから構成されている。また、フィラメント電源９７は、これら２つのフィラメント９３ａ、９５ａに対して直列となるよう配線に接続し、この配線に直流電流を流すようになっている。

このようなイオン発生装置９０は、例えば、半導体装置の製造工程で使用されるイオン注入装置のガス導入部と引出電極との間に取り付けられる。そして、熱電子発生源９３，９５が、アークチャンバー９１内に熱電子を放出させ、アークチャンバー９１内に導入された導電型不純物をイオン化させる。このような２つの熱電子発生源を備えたイオン発生装置は、例えば特許文献１に記載されている。

ところで、この種のイオン発生装置では、特許文献１にも記載されているように、カソード９３ｂ，９５ｂは取付プレートに固定され、この取付プレートはボルト及びインシュレーターによって電気的に絶縁された状態で、アークチャンバー９１に固定されている。従来、この種のイオン発生装置では、引出電極へのイオンビーム照射によって生じた二次電子がインシュレーター側に跳ね返り、インシュレーターが汚れてその絶縁性が担保されなくなるという問題があった。また、イオン発生装置の累積稼働時間が増えるにつれて、アークチャンバー９１内にデポ物が堆積してしまうという問題があった。

本発明者らはイオン発生装置９０を用いて多くの実験を行い、その実験結果に基づいてイオン発生装置の構成部材を改造したり、そのメンテナンス方法を変えたりして、イオン発生装置９０全体の寿命（メンテナンス周期）をある程度延ばすことに成功した。
特開平１１−２５８７２号公報

しかしながら、イオン発生装置９０全体のメンテナンス周期をある程度延ばすことに成功した結果、今までメンテナンス周期の短さに隠れて表に出てこなかった新たな問題が明らかとなってきた。
この新たな問題とは、「フィラメント電源９７のマイナス端子に近い側の熱電子発生源９３は、プラス端子に近い側の熱電子発生源９５よりもカソードの消耗が速く、その寿命が短い。そして、フィラメントの汚れ等の従前の問題を解決した後では、イオン発生装置９０全体の寿命（メンテナンス周期）は、このマイナス端子に近い側の熱電子発生源９３の寿命に律側される。」というものである。プラス端子に近い側の熱電子発生源９５よりもマイナス端子に近い側の熱電子発生源９３の方が先に寿命が来てしまい、その結果、熱電子発生源９５はまだ使用可能であるにも関わらず、イオン発生装置９１をメンテナンス、又は交換せざるを得ない、という問題が生じてきた。

つまり、今までは、熱電子発生源９３の寿命がくる前に、イオン発生装置の汚れ等の理由からメンテナンス周期が決まり、メンテナンス時にはイオン発生装置全体を完全に停止してメンテナンスを行い、その後再起動するという多大な手間がかかっていた。このため、このメンテナンス時に熱電子発生源９３，９５のカソードも交換していたので、問題点が全く認識されていなかったのである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長できるようにしたイオン発生装置及びイオン注入装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る第１のイオン発生装置は、チャンバーと、前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、電源装置と、前記複数の熱電子放出部を互いに直列状態で前記電源装置に接続する配線とを備え、前記電源装置から前記配線に流される前記電流の向きは所定のタイミングで切り替えられる構成となっていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る第２のイオン発生装置は、上述した第１のイオン発生装置において、前記電源装置は直流の電源装置であり、前記直流の電源装置から前記配線に流される直流電流の向きを所定のタイミングで切り替える切替装置、を備えたことを特徴とするものである。ここで、熱電子放出部とは、例えば、チャンバーの内側に配置された陰極部材と、この陰極部材に熱電子放出用のエネルギーを与えるために当該陰極部材から所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ配線に接続されたフィラメントとからなるものである。

本発明に係る第１、第２のイオン発生装置によれば、配線に流される電流の向きは所定のタイミングで切り替えられる。従って、複数の熱電子放出部に流れる電子の量を相対的にほぼ同量にすることができ、イオン発生装置を構成する複数の熱電子放出部の消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、複数の熱電子放出部の寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体の寿命（以下、「メンテナンス周期」という。）を延ばすことができる。

本発明に係る第３のイオン発生装置は、上述した第１のイオン発生装置において、前記電源装置は交流の電源装置であり、前記交流の電源装置から前記配線に交流電流が流されることを特徴とするものである。本発明に係る第３のイオン発生装置によれば、電源装置から配線に流される電流は交流なので、電流の向きは一定周期で変化する。これは、直流の電源装置のプラス端子とマイナス端子とを一定間隔毎に繰り返し入れ変えることと同じである。従って、上述した第１、第２のイオン発生装置と同様に、イオン発生装置を構成する複数の熱電子放出部の消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、複数の熱電子放出部の寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。

本発明に係る第４のイオン発生装置は、チャンバーと、前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、電源装置と、前記複数の熱電子放出部を互いに並列状態で前記電源装置に接続する配線とを備えたことを特徴とするものである。ここで、第４のイオン発生装置における電源装置は、直流の電源装置でも、交流の電源装置でもどちらでも良い。

本発明に係る第４のイオン発生装置によれば、複数の熱電子放出部にほぼ同量の電子を同時に流すことができるので、複数の熱電子放出部の消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、複数の熱電子放出部の寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。
本発明に係る第５のイオン発生装置は、チャンバーと、前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、前記複数の熱電子放出部が互いに電気的に独立した状態となるよう当該複数の熱電子放出部の個々にそれぞれ接続した配線と、前記配線にそれぞれ接続された複数の電源装置とを備え、一の前記電源装置から一の前記配線に流される電流と、他の前記電源装置から他の前記配線に流される電流とが同じ値であることを特徴とするものである。ここで、第５のイオン発生装置における一の電源装置と他の電源装置とは、その両方とも直流の電源装置、又は、その両方とも交流の電源装置である。

本発明に係る第５のイオン発生装置によれば、上述した第４のイオン発生装置と同様に、複数の熱電子放出部の消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、複数の熱電子放出部の寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。
本発明に係る第６のイオン発生装置は、上述した第１から第５のイオン発生装置において、前記熱電子放出部は、前記チャンバーの内側に配置された陰極部材と、前記陰極部材に前記熱電子放出用のエネルギーを与えるために当該陰極部材から所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ前記配線に接続されたフィラメントとからなることを特徴とするものである。本発明に係る第６のイオン発生装置によれば、従来方式と比べて、複数のカソードの寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。

本発明に係る第７のイオン発生装置は、チャンバーと、前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、直流の電源装置と、前記複数の熱電子放出部を互いに直列状態で前記電源装置に接続する配線とを備え、前記熱電子放出部は、前記チャンバーの内側に配置された陰極部材と、前記陰極部材に前記熱電子放出用のエネルギーを与えるために当該陰極部材から所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ前記配線に接続されたフィラメントとからなり、前記電源装置のマイナス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記陰極部材は、当該電源装置のプラス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記陰極部材よりもその体積が大きいことを特徴とするものである。

ここで、電源装置の「マイナス端子に近い側」、「プラス端子に近い側」とは、それぞれ配線上でのことであり、物理的な直線距離を意味するものではない。また、電源装置のマイナス端子に近い側に配された電子放出部（以下、単に「マイナス端子に近い側」という。）のフィラメントには、この電源装置のプラス端子に近い側に配された電子放出部（以下、単に「プラス端子に近い側」という。）のフィラメントよりも多くの電子が流れるので、マイナス端子に近い側のフィラメントの方がプラス端子に近い側のフィラメントよりも多くの熱電子を放出する。また、マイナス端子に近い側の陰極部材の方がプラス端子に近い側の陰極部材よりも大きなエネルギーを受け取るので、マイナス端子に近い側の陰極部材の方がプラス端子に近い側の陰極部材よりも多くの熱電子をチャンバー内に放出する。そして、熱電子の放出量が多い陰極部材ほどその近傍でのイオンの発生量が多い。このような理由から、マイナス端子に近い側の陰極部材の方がプラス端子に近い側の陰極部材よりも、チャンバー内のイオンによってスパッタされ易く、その消耗速度が大きい。

本発明に係る第７のイオン発生装置によれば、マイナス端子に近い側の陰極部材の方がプラス端子に近い側の陰極部材よりもその体積が大きいので、マイナス端子に近い側の陰極部材の消耗速度が大きくてもそれが使用限界に達するまでに要する時間を延ばすことができる。従って、両者の体積の比を消耗速度の比に応じて選択すれば、複数の熱電子放出部の寿命を一致又は略一致させることが可能であり、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。なお、マイナス端子に近い側の陰極部材の体積を増やす方法としては、例えば陰極部材の平面視での形状が円形の場合にはその直径や、厚さを大きくする方法がある。

本発明に係る第８のイオン発生装置は、チャンバーと、前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、直流の電源装置と、前記複数の熱電子放出部を互いに直列状態で前記電源装置に接続する配線とを備え、前記熱電子放出部は、前記チャンバーの内側に配置された陰極部材と、前記陰極部材に前記熱電子放出用のエネルギーを与えるために当該陰極部材から所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ前記配線に接続されたフィラメントとからなり、前記電源装置のマイナス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記フィラメントは、当該電源装置のプラス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記フィラメントよりもその抵抗値が小さいことを特徴とするものである。ここで、フィラメントの抵抗値を下げると熱電子の放出量が減り、対応する陰極部材に与えるエネルギー量も小さくなる傾向がある。

本発明に係る第８のイオン発生装置によれば、マイナス端子に近い側のフィラメントから放出される熱電子の量を、プラス端子に近い側のフィラメントから放出される熱電子の量に近づけることが可能である。従って、両者のフィラメント抵抗値の比を消耗速度に応じて選択すれば、複数の熱電子放出部の寿命を一致又は略一致させることが可能であり、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。なお、マイナス端子に近い側のフィラメントの抵抗値を下げる方法としては、例えば、フィラメントの長さを短くしたり、その断面積を大きくしたりする方法がある。

本発明に係るイオン注入装置は、導電型不純物をイオン化して基板に注入するイオン注入装置であって、上述した第１から第８のイオン発生装置の何れか一つを備えたことを特徴とするものである。ここで、導電型不純物とは例えばリン（ＰＨ_３）や、ボロン（ＢＦ_３）、ヒ素（Ａｓ）等のことである。また、基板とは、例えば半導体ウエーハのことである。本発明に係るイオン注入装置によれば、上述した第１から第８のイオン発生装置が応用されるので、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができ、イオン注入装置のメンテナンス周期の延長に貢献することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るイオン発生装置及びイオン注入装置について説明する。
（１）第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態に係るイオン発生装置１０の構成例を示す概念図である。図１に示すように、このイオン発生装置１０は、アークチャンバー１１と、アークチャンバー１１内へ熱電子を放出するための２つの熱電子発生源３，５と、フィラメント電源７と、２つの熱電子発生源３，５を互いに直列状態でフィラメント電源７に接続する配線ｗと、フィラメント電源７から配線ｗに流される直流電流の向きを所定のタイミングで切り替える切替装置９等、から構成されている。

図１に示すように、一方の熱電子発生源３は、例えば、アークチャンバー１１の内側に配置されたカソード３ｂと、このカソード３ｂに熱電子放出用のエネルギーを与えるために所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ配線ｗに接続されたフィラメント３ａとから構成されている。同様に、他方の熱電子発生源５は、例えば、アークチャンバー１１の内側に配置されたカソード５ｂと、このカソード５ｂに熱電子放出用のエネルギーを与えるために所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ配線ｗに接続されたフィラメント５ａとから構成されている。

フィラメント３ａとフィラメント５ａは同一材質からなり、かつ同一形状であり、その抵抗値はほぼ同一の値となっている。また、カソード３ｂとカソード５ｂは同一材質からなり、かつ同一形状であり、その大きさはほぼ同一の値となっている（その結果、それぞれの体積もほぼ同一の値となっている。）。これらの熱電子発生源３，５は、アークチャンバー１１の磁場方向の両側、即ち、図１ではアークチャンバー１１の上下両部にそれぞれ設けられている。

このイオン発生装置１０は、例えば、半導体装置の製造工程で使用されるイオン注入装置のガス導入部と引出電極との間に取り付けられる。そして、一対の熱電子発生源３，５が、アークチャンバー１１の上下両部からその内側へ熱電子を放出させ、アークチャンバー１１内に導入された導電型不純物をイオン化させる。
図２は切替装置９による配線接続の切替例を示す概念図である。図２に示すように、この切替装置９は、熱電子発生源３，５と、フィラメント電源７との間に取り付けられている。この切替装置９は、イオン発生装置１０が稼働している間は一定時間毎（例えば、５分毎や１０分毎）に、切替装置９内部の配線を図２の実線から破線へ、又は破線から実線へ切り替えて、フィラメント３ａ，５ａの極性を入れ替えする。

切替装置９の内部が実線で示すように配線されている場合には、フィラメント電源７から供給される電流（電子ｅ⁻）は実線矢印で示す方向に流される。即ち、フィラメント電源７のマイナス端子から出た電子ｅ⁻は、切替装置９を通ってフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にあるフィラメント３ａに到達する。この電子ｅ⁻の到達によってフィラメント３ａは熱せられ、このフィラメント３ａの表面からカソード３ｂに向けて熱電子が放出される。このフィラメント３ａからカソード３ｂへの熱電子の放出により、例えば、フィラメント電源７のマイナス端子から流れてきた電子ｅ⁻の１０［％］が消費される。

また、消費されずに残った電子ｅ⁻はこのフィラメント３ａを通過して、フィラメント電源７のプラス端子に近い側にあるフィラメント５ａに到達する。そして、この残りの電子ｅ⁻の到達によってフィラメント５ａは熱せられ、このフィラメント５ａの表面からカソード５ｂに向けて熱電子が放出される。このフィラメント５ａからカソード５ｂへの熱電子の放出により、例えば、「残りの電子ｅ⁻」の１０［％］が消費される。

従って、フィラメント３ａ，５ａを比較した場合、フィラメント３ａの方がフィラメント５ａよりもその消費する電子ｅ⁻の量が多く、フィラメント３ａの方がフィラメント５ａよりも多くの熱電子を放出する。また、フィラメントが放出する熱電子の量が多いほどカソードが受け取るエネルギー量も多い。従って、カソード３ｂの方がカソード５ｂよりも温度が上昇し、アークチャンバー１１に多くの熱電子を放出する。このアークチャンバー１１内に放出された熱電子が、アークチャンバー内にあるガスと衝突してイオンを発生させる。ここで、アークチャンバー１１内への熱電子の放出量が多いカソードほど、そのカソード近傍でのガスのイオン化も活発となる。従って、熱電子の放出量が多いカソードほど、発生したイオンによってその表面がスパッタされ易い。このような理由から、図２の実線矢印で示す方向に電子ｅ⁻が流れている間は、カソード３ｂの方がカソード５ｂよりもその消耗速度が速い。

一方、切替装置９の内部が破線で示すように配線されている場合には、フィラメント電源７から供給される電流（電子ｅ⁻）は破線矢印で示す方向に流される。即ち、フィラメント電源７のマイナス端子から出た電子ｅ⁻は、切替装置９を通ってフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にあるフィラメント５ａに先に到達する。この電子ｅ⁻の到達によってフィラメント５ａは熱せられ、このフィラメント５ａの表面からカソード５ｂに向けて熱電子が放出される。このフィラメント５ａでは、フィラメント電源７のマイナス端子から流れてきた電子ｅ⁻の１０［％］が消費される。

また、消費されずに残った電子ｅ⁻はこのフィラメント５ａを通過して、フィラメント電源７のプラス端子に近い側にあるフィラメント３ａに到達する。そして、この残りの電子ｅ⁻の到達によってフィラメント３ａは熱せられ、このフィラメント３ａの表面からカソード３ｂに向けて熱電子が放出される。このフィラメントでは、フィラメント５ａを通過した「残りの電子ｅ⁻」の１０［％］が消費される。破線矢印の向きで電子ｅ⁻が流れる場合には、フィラメント５ａの方がフィラメント３ａよりもその消費する電子ｅ⁻の量が多い。また、破線矢印で示す方向に電子ｅ⁻が流れている間は、カソード５ｂの方がカソード３ｂよりもアークチャンバー１１内に熱電子を多く放出し、また、発生したイオンによってスパッタされ易い。それゆえ、カソード５ｂの方がカソード３ｂよりもその消耗速度が速い。

このように、本発明の第１実施形態に係るイオン発生装置１０によれば、配線ｗに流される直流電流の向きは、切替装置９によって一定時間毎に切り替えられる。従って、フィラメント３ａ，５ａに流れる電子の量を相対的にほぼ同量にすることができ、カソード３ｂ，５ｂの消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、カソード３ｂ，５ｂの寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体の寿命（メンテナンス周期）を延ばすことができる。この第１実施形態では、アークチャンバー１１が本発明のチャンバーに対応し、熱電子発生源３，５が本発明の複数の熱電子放出部に対応している。また、フィラメント電源７が本発明の電源装置に対応し、カソード３ｂ，５ｂが本発明の陰極部材に対応している。
（２）第２実施形態
図３は本発明の第２実施形態に係るイオン発生装置２０の構成例を示す概念図である。図３において、図１及び図２と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。上記の第１実施形態では、図２に示したように、配線ｗ中を流れる電流の向きを一定時間毎に切り替えるために、切替装置９を設けることについて説明したが、電流の向きを一定時間毎に切り替える手段は、上記の切替装置９に限られるものではない。

例えば、図２に示した直流のフィラメント電源７と切替装置９とを、図３に示すように交流のフィラメント電源２７に置き換えても良い。このような構成によれば、配線ｗに流される電流は交流なので、電流の向きは一定周期で変化する。これは、直流のフィラメント電源７（図２参照）のプラス端子とマイナス端子とを一定間隔毎に繰り返し入れ変えることと同じである。従って、第１実施形態で説明したイオン発生装置１０と同様に、カソード３ｂ，５ｂの消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、カソード３ｂ，５ｂの寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。この第２実施形態では、フィラメント電源２７が本発明の交流の電源装置に対応している。
（３）第３実施形態
図４は本発明の第３実施形態に係るイオン発生装置３０の構成例を示す概念図である。図４において、図１及び図２と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この第３実施形態に係るイオン発生装置３０では、直流のフィラメント電源３７が２つのフィラメント３ａ，５ａに対して並列となるよう配線ｗに接続されている。

このような構成によれば、フィラメント３ａ，５ａにほぼ同量の電子を同時に流すことができ、カソード３ｂ，５ｂの消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、カソード３ｂ，５ｂの寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。なお、図４に示すフィラメント電源３７は、直流の電源装置に限られることはなく、交流の電源装置でも良い。この第３実施形態では、フィラメント電源３７が本発明の電源装置に対応している。
（４）第４実施形態
図５は本発明の第４実施形態に係るイオン発生装置４０の構成例を示す概念図である。図５において、図１及び図２と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。このイオン発生装置４０には、２つのフィラメント３ａ，５ａが互いに電気的に独立した状態となるよう当該フィラメント３ａ，５ａの個々にそれぞれ接続した配線ｗと、これらの配線ｗにそれぞれ接続されたフィラメント電源４７，４８とが取り付けられている。これらのフィラメント電源４７，４８は、その両方とも例えば直流の電源装置である。このイオン発生装置４０では、フィラメント電源４７からフィラメント３ａに流される電流と、フィラメント電源４８からフィラメント５ａに流される電流とが同じ値となるように、フィラメント電源４７，４８の出力がそれぞれ調整される。

このような構成によれば、第３実施形態で説明したイオン発生装置３０と同様に、カソード３ｂ，５ｂの消耗速度を均一化することができる。従来方式と比べて、カソード３ｂ，５ｂの寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。なお、図５に示すフィラメント電源４７，４８は直流の電源装置に限られることは無く、例えば、その両方とも交流の電源装置でも良い。この第４実施形態では、フィラメント電源４７，４８が本発明の「熱電子放出部に対して並列となるよう配線ｗに接続された電源装置」に対応している。
（５）第５実施形態
図６は本発明の第５実施形態に係るイオン発生装置５０の構成例を示す概念図である。図６において、図１及び図２と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

このイオン発生装置５０では、直流のフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にフィラメント３ａとカソード５３ｂとからなる熱電子発生源５３が配置され、プラス端子に近い側にフィラメント５ａとカソード５５ｂとからなる熱電子発生源５５が配置されている。上述したように、フィラメント電源７のマイナス端子に近い側にあるフィラメント３ａの方がプラス端子に近い側にあるフィラメント５ａよりも熱電子を多く放出するので、その結果、カソード５３ａの方がカソード５５ｂよりもリンイオン（Ｐ^＋）等によってスパッタされ易く、消耗速度が大きい。

ところで、このイオン発生装置５０では、消耗速度の大きいカソード５３ｂの体積は、カソード５５ｂの体積よりも大きく設定されている。
図７はイオン発生装置５０におけるカソード５３ｂ，５５ｂの厚さの違いを示す概念図である。図７に示すカソード５３ｂ，５５ｂのアークチャンバー１１内側からの平面視での形状は同一であり、例えば円形である。また、カソード５３ｂ，５５ｂ間で、この円の直径は同一である。図７に示すように、このイオン発生装置５０では、直流のフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にあるカソード５３ｂの厚さをＴ⁻とし、フィラメント電源７のプラス端子に近い側にあるカソード５５ｂの厚さをＴ^＋としたとき、Ｔ⁻＞Ｔ^＋となっている。これらＴ⁻とＴ^＋のそれぞれの値は、例えばＴ⁻＝１０［ｍｍ］、Ｔ^＋＝８［ｍｍ］である。

このような構成によれば、マイナス端子に近い側のカソード５３ｂの消耗速度が大きくても、それが使用限界に達するまでに要する時間を延ばすことができる。従って、カソード５３ｂ，５５ｂの体積の比を消耗速度の比に応じて選択すれば、カソード５３ｂ，５５ｂの寿命を一致又は略一致させることが可能である。これにより、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。本発明者が行った実験では、特にＴ⁻＝１０［ｍｍ］とし、Ｔ^＋＝８［ｍｍ］としたとき、イオン発生装置のメンテナンス周期は約３００［時間］であった。また、比較として、Ｔ⁻＝８［ｍｍ］とし、Ｔ^＋＝８［ｍｍ］としたときのイオン発生装置のメンテナンス周期は約１００［時間］であった。この第５実施形態では、熱電子発生源５３，５５が本発明の複数の熱電子放出部に対応し、カソード５３ｂ，５５ｂが本発明の陰極部材に対応している。

なお、熱電子発生源が２つではなく、例えば４つあり、これら４つの熱電子発生源が配線ｗによって互いに直列状態で直流のフィラメント電源７に接続されている場合には、フィラメント電源７のマイナス端子に接続が近い熱電子発生源ほど、そのカソードの体積を大きくすると良い。これにより、４つの熱電子発生源でそれぞれのカソードの寿命を一致又は略一致させることが可能であり、４つの熱電子発生源を備えたイオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。
（６）第６実施形態
上述の第５実施形態では、カソード５３ｂの厚さＴ⁻をカソード５５ｂの厚さＴ^＋よりも厚くして、カソード５３ｂの体積をカソード５５ｂの体積よりも大きくすることについて説明した。しかしながら、カソードの厚さＴ⁻，Ｔ^＋だけでなく、カソードの形状を変えたり、或いは、カソードの形状が同一の場合にはその大きさを変えたりすることで、カソードの体積を異ならせても良い。

図８は本発明の第６実施形態に係るイオン発生装置５０´の構成例を示す概念図である。図８において、図１、図２及び図７と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。このイオン発生装置５０´では、直流のフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にフィラメント３ａとカソード５３ｂ´とからなる熱電子発生源５３´が配置され、プラス端子に近い側にフィラメント５ａとカソード５５ｂ´とからなる熱電子発生源５５´が配置されている。

図８に示すカソードのアークチャンバー１１内側からの平面視での形状は同一であり、例えば円形である。また、カソード５３ｂ´、５５ｂ´の厚さＴ⁻、Ｔ^＋はそれぞれ同じ値である。例えば、Ｔ⁻＝８［ｍｍ］とし、Ｔ^＋＝８［ｍｍ］である。さらに、このイオン発生装置５０´では、直流のフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にあるカソード５３ｂ´の円の直径をφ⁻とし、フィラメント電源７のプラス端子に近い側にあるカソード５５ｂ´の円の直径をφ^＋としたとき、φ⁻＞φ^＋となっている。これらφ⁻とφ^＋のそれぞれの値は、例えばφ⁻＝１３．２［ｍｍ］、φ^＋＝１１．８［ｍｍ］である。

このような構成によれば、第５実施形態で説明したイオン発生装置５０と同様に、カソード５３ｂ´の体積はカソード５５ｂ´の体積よりも大きい。従って、マイナス端子に近い側のカソード５３ｂの消耗に要する時間を延ばすことができ、カソード５３ｂ，５５ｂの寿命を一致又は略一致させることが可能である。これにより、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。この第６実施形態では、熱電子発生源５３´，５５´が本発明の複数の熱電子放出部に対応し、カソード５３ｂ´，５５ｂ´が本発明の陰極部材に対応している。
（７）第７実施形態
図９は本発明の第７実施形態に係るイオン発生装置６０の構成例を示す概念図である。図９において、図１及び図２と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

このイオン発生装置６０では、直流のフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にフィラメント６３ａとカソード３ｂとからなる熱電子発生源６３が配置され、プラス端子に近い側にフィラメント６５ａとカソード５ｂとからなる熱電子発生源６５が配置されている。また、このイオン発生装置６０では、フィラメント６３ａ，６５ａの長さは同一であり、かつその断面積はフィラメント６３ａの方がフィラメント６５ａよりも大きくされている。一例を挙げると、フィラメント６３ａ，６５ａの断面形状は円形であり、フィラメント６３ａの直径は例えば０．９０［ｍｍ］、フィラフィラメント６５ａの直径は例えば０．８５［ｍｍ］である。つまり、このイオン発生装置６０では、フィラメント電源７のマイナス端子に近い側にあるフィラメント６３ａの抵抗値は、フィラメント電源７のプラス端子に近い側にあるフィラメント６５ａの抵抗値よりも小さくされている。

このような構成によれば、マイナス端子に近い側のフィラメント６３ａから放出される熱電子の量を、プラス端子に近い側のフィラメント６５ａから放出される熱電子の量に近づけることが可能である。従って、フィラメント６３ａ，６５ａの抵抗値の比をカソード３ｂ，５ｂの消耗速度に応じて選択すれば、これらカソード３ｂ，５ｂの寿命を一致又は略一致させることができる。これにより、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。この第７実施形態では、熱電子発生源６３，６５が本発明の複数の熱電子放出部に対応している。

なお、熱電子発生源が２つではなく、例えば４つあり、これら４つの熱電子発生源が配線ｗによって互いに直列状態で直流のフィラメント電源７に接続されている場合には、フィラメント電源７のマイナス端子に接続が近い熱電子発生源ほど、そのフィラメントの抵抗値を小さくすると良い。これにより、フィラメントから放出される熱電子の放出量を均一化することができ、複数の熱電子発生源でそれぞれのカソードの寿命を一致又は略一致させることが可能である。４つの熱電子発生源を備えたイオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。
（８）第８実施形態
上述の第７実施形態では、フィラメント６３ａ，６５ａを同一長さとし、かつフィラメント６３ａの断面積をフィラメント６５ａよりも大きくして、フィラメント６３ａの抵抗値を小さくすることについて説明した。しかしながら、フィラメントの断面積だけでなく、その材質や、その長さ等を変えることで、その抵抗値を下げても良い。

図１０は本発明の第８実施形態に係るイオン発生装置６０´の構成例を示す概念図である。図１０において、図１、図２及び図９と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１０に示すように、このイオン発生装置６０´では、直流のフィラメント電源７のマイナス端子に近い側にフィラメント６３ａ´とカソード３ｂとからなる熱電子発生源６３´が配置され、プラス端子に近い側にフィラメント６５ａ´とカソード５ｂとからなる熱電子発生源６５´が配置されている。また、このイオン発生装置６０´では、フィラメント６３ａ´，６５ａ´の断面積は同一である。

図１０に示すように、このイオン発生装置６０´では、フィラメント６３ａ´，６５ａ´の巻き形状は非対称になっており、その長さはフィラメント６３ａ´の方がフィラメント６５ａ´よりも短くなっている。一例を挙げると、フィラメント６３ａ´の長さは３２．０［ｍｍ］であり、フィラメント６５ａ´の長さは３６．０［ｍｍ］である。つまり、このイオン発生装置６０´では、フィラメント電源７のマイナス端子に近い側にあるフィラメント６３ａ´の抵抗値は、フィラメント電源７のプラス端子に近い側にあるフィラメント６５ａ´の抵抗値よりも小さくされている。

このような構成によれば、第７実施形態で説明したイオン発生装置と同様に、マイナス端子に近い側のフィラメント６３ａ´から放出される熱電子の量を、プラス端子に近い側のフィラメント６５ａ´から放出される熱電子の量に近づけることが可能である。従って、カソード３ｂ，５ｂの寿命を一致又は略一致させることができ、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延長することができる。この第８実施形態では、熱電子発生源６３´，６５´が本発明の複数の熱電子放出部に対応している。
（９）イオン注入装置
図１１は本発明の実施形態に係るイオン注入装置１００の構成例を示す概念図である。図１１に示すように、このイオン注入装置１００は、例えば第１実施形態で説明したイオン発生装置１０と、ガス導入部７０と、引出電極８０等から構成されている。このイオン注入装置１００では、例えばリン（ＰＨ_３）等のガスがガス導入部７０からイオン発生装置１０のアークチャンバー１１内に導入される。また、これと前後、又は並行して、一対の熱電子発生源３，５からアークチャンバー１１内に熱電子（ｅ⁻）が放出される。そして、この放出されたｅ⁻とＰＨ_３とがアークチャンバー１１内で衝突して、ＰＨ_３がリンイオン（Ｐ^＋）にイオン化される。このＰ^＋は引出電極８０によってアークチャンバー１１の外部に引き出され、その後、例えば半導体ウエーハ等に注入される。

このように、本発明に係るイオン注入装置１００によれば、第１実施形態で説明したイオン発生装置１０が応用されるので、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延ばすことができ、イオン注入装置１００のメンテナンス周期の延長に貢献することができる。この第９実施形態では、リン（ＰＨ_３）が本発明の導電型不純物に対応している。
なお、このイオン注入装置１００を構成するイオン発生装置は、第１実施形態で説明したイオン発生装置１０に限られることはなく、第２〜第８実施形態で説明したイオン発生装置２０，３０，４０，５０，５０´、６０、６０´の何れか一つでも良い。この場合も、イオン発生装置全体のメンテナンス周期を延ばすことができ、イオン注入装置１００のメンテナンス周期の延長に貢献することができる。

第１実施形態に係るイオン発生装置１０の構成例を示す図。 切替装置９による配線接続の切替例を示す図。 第２実施形態に係るイオン発生装置２０の構成例を示す図。 第３実施形態に係るイオン発生装置３０の構成例を示す図。 第４実施形態に係るイオン発生装置４０の構成例を示す図。 第５実施形態に係るイオン発生装置５０の構成例を示す図。 イオン発生装置５０におけるカソード５３ｂ，５５ｂの厚さの違いを示す図。 第６実施形態に係るイオン発生装置５０´の構成例を示す図。 第７実施形態に係るイオン発生装置６０の構成例を示す図。 第８実施形態に係るイオン発生装置６０´の構成例を示す図。 本発明の実施形態に係るイオン注入装置１００の構成例を示す図。 従来例に係るイオン発生装置９０の構成例を示す図。

符号の説明

３，５，５３，５５，６３，６５ 熱電子発生源、３ａ，５ａ，６３ａ，６３ａ´，６５ａ，６５ａ´ フィラメント、３ｂ，５ｂ，５３ｂ，５３ｂ´，５５ｂ，５５ｂ´ カソード、７，２７，３７，４７，４８ フィラメント電源、９ 切替装置、１０，２０，３０，４０，５０，５０´，６０，６０´ イオン発生装置、１１ アークチャンバー、７０ ガス導入部、８０ 引出電極、１００ イオン注入装置、ｗ 配線

Claims (9)

1. チャンバーと、
   前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、
   電源装置と、
   前記複数の熱電子放出部を互いに直列状態で前記電源装置に接続する配線とを備え、
   前記電源装置から前記配線に流される前記電流の向きは所定のタイミングで切り替えられる構成となっていることを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記電源装置は直流の電源装置であり、
   前記直流の電源装置から前記配線に流される直流電流の向きを所定のタイミングで切り替える切替装置、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 前記電源装置は交流の電源装置であり、
   前記交流の電源装置から前記配線に交流電流が流されることを特徴とする請求項１に記載のイオン発生装置。
4. チャンバーと、
   前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、
   電源装置と、
   前記複数の熱電子放出部を互いに並列状態で前記電源装置に接続する配線とを備えたことを特徴とするイオン発生装置。
5. チャンバーと、
   前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、
   前記複数の熱電子放出部が互いに電気的に独立した状態となるよう当該複数の熱電子放出部の個々にそれぞれ接続した配線と、
   前記配線にそれぞれ接続された複数の電源装置とを備え、
   一の前記電源装置から一の前記配線に流される電流と、他の前記電源装置から他の前記配線に流される電流とが同じ値であることを特徴とするイオン発生装置。
6. 前記熱電子放出部は、前記チャンバーの内側に配置された陰極部材と、前記陰極部材に前記熱電子放出用のエネルギーを与えるために当該陰極部材から所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ前記配線に接続されたフィラメントとからなることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載のイオン発生装置。
7. チャンバーと、
   前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、
   直流の電源装置と、
   前記複数の熱電子放出部を互いに直列状態で前記電源装置に接続する配線とを備え、
   前記熱電子放出部は、前記チャンバーの内側に配置された陰極部材と、
   前記陰極部材に前記熱電子放出用のエネルギーを与えるために当該陰極部材から所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ前記配線に接続されたフィラメントとからなり、
   前記電源装置のマイナス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記陰極部材は、当該電源装置のプラス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記陰極部材よりもその体積が大きいことを特徴とするイオン発生装置。
8. チャンバーと、
   前記チャンバー内へ熱電子を放出するための複数の熱電子放出部と、
   直流の電源装置と、
   前記複数の熱電子放出部を互いに直列状態で前記電源装置に接続する配線とを備え、
   前記熱電子放出部は、前記チャンバーの内側に配置された陰極部材と、
   前記陰極部材に前記熱電子放出用のエネルギーを与えるために当該陰極部材から所定距離だけ離れた位置に配置され、かつ前記配線に接続されたフィラメントとからなり、
   前記電源装置のマイナス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記フィラメントは、当該電源装置のプラス端子に近い側に配された前記熱電子放出部の前記フィラメントよりもその抵抗値が小さいことを特徴とするイオン発生装置。
9. 導電型不純物をイオン化して基板に注入するイオン注入装置であって、
   請求項１から請求項８の何れか一項に記載されたイオン発生装置を備えたことを特徴とするイオン注入装置。

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