JP2007273118A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料ガスのガス圧を高圧に保持したまま、接地電位側から高電位側への材料ガスの輸送の安全性を高めることができるイオン注入装置を提供する。
【解決手段】イオン注入装置１は、接地電位に保持される処理室２と、高電位に保持されるイオン源４と、イオン源４と処理室２とを電気的に絶縁状態で連結するとともに両者を連通する開口部６ａを有する主絶縁体６と、イオン源４に材料ガスを供給する材料ガス供給装置１０と、を備える。主絶縁体６は、処理室２側からイオン源４側に向って貫通する貫通穴６ｂを有する。材料ガス供給装置１０は、貫通穴６ｂ内の全長に渡って設けられ主絶縁体６の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなる絶縁管部１２を有する。絶縁管部１２は、中空筒状部材又は絶縁コーティングである。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｂ（ホウ素）やＰ（リン）等のイオンビームを半導体基板やガラス基板等に入射させてイオン注入を行なうためのイオン注入装置に関する。

半導体装置や液晶ディスプレイ用薄膜トランジスタの製造工程において、半導体基板やガラス基板等の表面に形成されたＳｉ膜をＰ型やＮ型の半導体にするために、Ｂ（ホウ素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）などの不純物を導入するイオン注入工程が行われる。これを実施するために、イオン注入装置が用いられる。

イオン注入装置において、イオンを発生させるイオン源には高電圧が印加される。このため、材料ガス（ホスフィン、ジボラン等）の配管は高電位に保持されたイオン源に接続されなければならない。従来、材料ガスボンベからイオン源に材料ガスを供給する方法として、高電位側にボンベを設置する方式（以下、高電位ボンベ方式という）と、接地電位側にボンベを設置する方式（以下、接地電位ボンベ方式という）があった。

図４は、高電位ボンベ方式を採用した従来のイオン注入装置の構成例を示す図である。このイオン注入装置は、接地電位に保持されると共に真空排気される処理室５１と、高電位に保持されるイオン源５２と、処理室とイオン源とを連結する絶縁リング５３と、絶縁リング５３の開口部に形成された引き出し電極からなるイオンビーム引き出し部５４と、イオン源５２に材料ガスを供給するイオン源ガス供給装置５５とで構成されている。イオン源ガス供給装置５５は、材料ガスボンベ５６と、バルブ５７，５８、ガス流量調整器５９及びガス供給配管６０とで構成されている。イオン源５２及びイオン源ガス供給装置５５は、高電位側に設置されている。このイオン注入装置は、イオン源５２と同電位（高電位側）に設置された材料ガスボンベ５６からイオン源５２に材料ガスが直接供給されるようになっている。

このような高電位ボンベ方式は、イオン源ガス供給装置全体を高電位側に設置するための設置場所の制約上、高電圧架台を広くするのが難しいため、設置できる材料ガスボンベの本数や容量が小さくなってしまう。また、ガス消費量が多いときは、材料ガスボンベの交換頻度が多くなる。しかも材料ガスボンベの交換の都度、電位を高電位から接地電位に下げるためイオン注入装置を停止なければならず、連続操業時間を長くすることができないという問題があった。

一方、図５は、接地電位ボンベ方式を採用した従来のイオン注入装置の構成例を示す図である。図４のイオン注入装置と同一構成要素には同一の符号を付している。図４のイオン注入装置との相違点は、イオン源ガス供給装置６１が処理室５１と同電位（接地電位）側に設置され、材料ガスボンベ５６からの材料ガスが、処理室５１と絶縁リング５３を経由してイオン源５２に供給されるようになっている点である。

このような接地電位ボンベ方式は、設置できる材料ガスボンベの本数及び容量を大きくし図示しないバルブで切り替えて連続供給できるものの、材料ガスが処理室全体に導入され、その大半が真空排気されるので材料ガスのプラズマ効率が低く、材料ガスの無駄が多いという問題があった。

このような問題を解決するために、接地電位側に材料ガスボンベを設置し、ガス供給配管の一部を絶縁パイプに変えてイオン源に材料ガスを供給することが提案された（例えば下記特許文献１参照）。しかしながら、ガス供給配管と絶縁パイプとの継手部分は機械的に弱く、材料ガスの外部への漏洩や配管抜け等の問題があった。

そこで、本出願人は、下記特許文献２において、上記の問題を解決するためのイオン源ガス供給方法を提案した。
図６は特許文献２のイオン源ガス供給方法を適用したイオン注入装置の構成を示す図である。このイオン注入装置におけるイオン源ガス供給装置６２は、接地電位側に設置された材料ガスボンベ６３と、絶縁リング５３に処理室５１側からイオン源５２側に向って設けられた絶縁パイプ６４と、材料ガスボンベ６３と絶縁リング５３とを接続する材料ガスボンベ側配管６５と、絶縁リング５３とイオン源５２とを接続するイオン源側配管６６とを備えている。絶縁パイプ６４は絶縁リング５３に形成された貫通穴である。材料ガスは、材料ガスボンベ側配管６５、絶縁パイプ６４、イオン源側配管６６を通って、高電位側のイオン源５２に供給される。このため、連続操業時間が長く、材料ガスが外部に漏れることがなく、しかも材料ガスを効率よく使用できる。

ここで、特許文献２の装置では、イオン源側配管６６上にバルブ６７，６８及び流量調整器６９が配置されており、これによって絶縁パイプ６４を通過する材料ガスのガス圧が材料ガスボンベ６３側の圧力（実際は減圧弁を通したあとの圧力）と同じ高圧に保持されている。これは次のような理由による。
上述した特許文献２の装置における流量調整器６９は高圧のガスを低圧にすることによって所望の流量だけを通すものである。したがって、流量調整器６９より上流側ではガス圧は高く、流量調整器６９の下流側ではガス圧が低い。ガス圧が低くて電位差が大きいと放電が起きやすい。絶縁パイプ６４の通過時にガス圧が低いと放電が起き、これを防止しようとすると高電位側（つまりイオン源）の印加電圧が制限される。このため、特許文献２の装置では、絶縁パイプ６４よりも下流側に流量調整器６９を設置し、絶縁パイプ６４でのガス圧を供給元圧力のまま高圧に保持している。

特開平１０−２７５６９５号公報 特開平１１−１４９８８１号公報

しかしながら、特許文献２の装置では、絶縁リング５３には高電圧が印加されるため、長期使用に伴い、絶縁破壊に起因して絶縁リング５３に亀裂が入るなどの破損が発生する可能性がある。長期使用に伴って絶縁リング５３内面に汚れが堆積し、その部分に電界が集中することも絶縁破壊の一つの原因と考えられる。絶縁パイプ６４を通過する材料ガスのガス圧は材料ガスボンベ６３側の圧力（実際は減圧弁を通したあとの圧力）と同じ高圧に保持されているため、絶縁リング５３の破損の際に絶縁パイプ６４と大気側とを連通するような亀裂が発生すると、毒性の強い材料ガスが大気側に漏れ出てしまうという問題がある。なお、装置内部は真空排気されているので、絶縁リングに亀裂が生じても、装置内部のガスが大気側に漏れ出る恐れはない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、材料ガスのガス圧を高圧に保持したまま、接地電位側から高電位側への材料ガスの輸送の安全性を高めることができるイオン注入装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかるイオン注入装置は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるイオン注入装置は、接地電位に保持され内部に被処理物が収容される処理室と、接地電位よりも高電位に保持され内部でイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源と前記処理室とを電気的に絶縁状態で連結するとともに両者を連通する開口部を有する主絶縁体と、前記イオン源に材料ガスを供給する材料ガス供給装置と、を備え、前記主絶縁体は、処理室側からイオン源側に向って貫通する貫通穴を有し、前記材料ガス供給装置は、前記貫通穴内の全長に渡って設けられ前記主絶縁体の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなる絶縁管部と、接地電位側に設置された材料ガスボンベと、該材料ガスボンベと前記絶縁管部の前記処理室側端部と接続する材料ガスボンベ側ガスラインと、前記絶縁管部の前記イオン源側端部と前記イオン源とを接続するイオン源側ガスラインとを有する、ことを特徴とする。

上記構成の本発明によれば、主絶縁体の貫通穴内に設けられた絶縁管部が、主絶縁体の絶縁耐力（絶縁破壊強さ）よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなるので、経時劣化によって絶縁破壊が起こる可能性が主絶縁体のそれよりも低くなる。したがって、主絶縁体が絶縁破壊を起こすような状況となっても絶縁管部が絶縁破壊を起こす可能性が低く、絶縁破壊に起因する絶縁管部の破損の可能性は低い。このため、材料ガスの漏洩の危険性を大幅に低減することができる。したがって、材料ガスのガス圧を高圧に保持したまま、接地電位側から高電位側への材料ガスの輸送の安全性を高めることができる。

また、上記のイオン注入装置において、前記絶縁管部は、前記貫通穴に挿入された中空筒状部材であることを特徴とする。

このように絶縁管部を貫通穴に挿入された中空筒状部材とすることで、主絶縁体とは構造的に独立した部材としたので、主絶縁体の破損によって絶縁管部が破損するといった事態を防止することができる。

また、上記のイオン注入装置において、前記絶縁管部は、前記貫通穴の内周面に被覆された絶縁コーティングであることを特徴とする。

このように絶縁管部を主絶縁体の貫通穴の内周面に被覆された絶縁コーティングとすることで、部品点数を増やすことなく絶縁管部を形成することができる。

本発明によれば、材料ガスのガス圧を高圧に保持したまま、接地電位側から高電位側への材料ガスの輸送の安全性を高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかるイオン注入装置１の構成を示す図である。このイオン注入装置１は、処理室２、イオン源４、主絶縁体６、材料ガス供給装置１０を主たる構成要素として備えている。

処理室２は接地電位に保持され内部に被処理物３が収容できるように構成されている。処理室２には真空ポンプ５が接続されており、例えば１０^−４〜１０^−３Ｔｏｒｒ程度に真空排気されるようになっている。

イオン源４は、図示しない電圧印加手段によって高電圧が印加され、接地電位よりも高電位に保持され、内部に供給される材料ガスをプラズマ化し、イオンを発生させる。材料ガスをプラズマ化する手段としては、図示しないが、熱電子を発生させるフィラメントによるもの、マイクロ波によるもの、高周波によるもの等を採用できる。発生したプラズマは図示しない磁石によって形成された磁場によりイオン源４の内部に閉じ込められる。

主絶縁体６は、イオン源４と処理室２とを電気的に絶縁状態で連結するとともに両者を連通する開口部６ａを有する。また、主絶縁体６は、処理室２側からイオン源４側に向って貫通する貫通穴６ｂを有する。本実施形態では、主絶縁体６は中空円筒形（リング状）である。主絶縁体６は、例えば、ナイロン６６、エポキシ系材料等からなる。
主絶縁体６と処理室２の間、主絶縁体６とイオン源４との間には、それぞれ、金属製（例えばステンレス）のリング状フランジ８，９が配設されている。
主絶縁体６の開口部６ａには、所定の電圧が印加されることによりイオン源４で発生したイオンを処理室２に引き出すためのイオンビーム引き出し部７ａ，７ｂ，７ｃが形成されている。このイオンビーム引き出し部７ａ，７ｂ，７ｃは、格子状または網状の電極からなる。

材料ガス供給装置１０は、イオン源４に材料ガス（ホスフィン、ジボラン等）を供給する装置であり、貫通穴６ｂ内の全長に渡って設けられ主絶縁体６の絶縁耐力（絶縁破壊強さ）よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなる絶縁管部１２と、接地電位側に設置された材料ガスボンベ１４と、材料ガスボンベ１４と絶縁管部１２の処理室２側端部とを接続する材料ガスボンベ側ガスライン１６と、絶縁管部１２のイオン源４側端部とイオン源４とを接続するイオン源側ガスライン１８とを有する。
なお、材料ガスとしてのホスフィンやジボランは、毒性が高いので、通常はガス単体としては使用されず水素により５〜２０％に希釈されて使用される。

材料ガスボンベ側ガスライン１６上にはバルブ１７が配設されている。イオン源側ガスライン１８上には、バルブ２０，２１と流量調整器２４が配設されている。流量調整器２４は高圧のガスを低圧にすることによって所望の流量だけを通すものである。したがって、流量調整器２４より上流側ではガス圧は高く、流量調整器２４の下流側ではガス圧が低い。このため、材料ガスのガス圧を材料ガスボンベ１４と同じ高圧に保持したまま、接地電位側から高電位側に輸送することができる。

図２は、図１のＡ部拡大図である。図２に示すように、本実施形態において、絶縁管部１２は貫通穴６ｂに挿入された中空筒状（本実施形態では中空円筒状）部材１２Ａである。材料ガスは中空筒状部材１２Ａの中空部分を図中の矢印の方向に流れる。
中空筒状部材１２Ａは、主絶縁体６の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなる。絶縁耐力は、例えば、ガラスで２０〜４０ｋＶ／ｍｍ、テフロン（登録商標）（物質名：ポリテトラフルオロエチレン）で２０ｋＶ／ｍｍ、ナイロン６６で１５〜２０ｋＶ／ｍｍである。したがって、例えば、主絶縁体６がナイロン６６からなる場合、中空筒状部材１２Ａの材料として、ガラスやテフロン（登録商標）を用いることができる。ただし、主絶縁体６の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料であれば、上述した材料以外の材料であってもよい。
また、本実施形態において、中空筒状部材１２Ａは、一端（この図で上端）にフランジ部１３が形成されており、他端（この図で下端）が主絶縁体６から突出している。

主絶縁体６とその両側（イオン源４側と処理室２側）に配設されたリング状フランジ８，９との間には、それぞれＯリング２６，２７が介装され、両者が気密に接続されている。
リング状フランジ８，９には、それぞれ、中空筒状部材１２Ａの一端と他端に対応する位置に、ガス通過穴８ａ，９ａが形成されている。
イオン源４側のリング状フランジ８と中空筒状部材１２Ａのフランジ部１３との間にはＯリング２９が介装されており、両者は、ガス通過穴８ａと中空筒状部材１２Ａの中空部分とが連通する状態で気密に接続されている。このような構成により、中空筒状部材１２Ａとリング状フランジ８との間から主絶縁体６側に材料ガスが漏れ出るのを防止することができる。

また、リング状フランジ８には、イオン源側ガスライン１８の一部を構成する金属配管１８ａが接続されている。この金属配管１８ａはリング状フランジ８にボルト３４で固定されている。リング状フランジ８と金属配管１８ａとの間には、Ｏリング３０が介装されており、両者は、ガス通過穴８ａと金属配管１８ａのガス流路とが連通する状態で気密に接続されている。
なお、本実施形態では、ガス貫通穴８ａも、イオン源側ガスライン１８の一部を構成している。

処理室２側のリング状フランジ８の内周面と、中空筒状部材１２Ａの主絶縁体６から突出する部分の外周面との間には、Ｏリング３２が介装されており、両者は、ガス通過穴９ａと中空筒状部材１２Ａの中空部分とが連通する状態で気密に接続されている。このような構成により、中空筒状部材１２Ａとリング状フランジ９との間から主絶縁体６側に材料ガスが漏れ出るのを防止することができる。

また、リング状フランジ９には、材料ガスボンベ側ガスライン１６の一部を構成する金属配管１６ａが接続されている。この金属配管１６ａはリング状フランジ９にボルト３６で固定されている。このリング状フランジ９と金属配管１６ａとの間には、Ｏリング３１が介装されており、両者は、ガス通過穴９ａと金属配管１６ａのガス流路とが連通する状態で気密に接続されている。
なお、本実施形態では、ガス貫通穴９ａも、材料ガスボンベ側ガスライン１６の一部を構成している。

上述した本実施形態によれば、主絶縁体６の貫通穴６ｂ内に設けられた絶縁管部１２が、主絶縁体６の絶縁耐力（絶縁破壊強さ）よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなるので、経時劣化によって絶縁破壊が起こる可能性が主絶縁体６のそれよりも低くなる。したがって、主絶縁体６が絶縁破壊を起こすような状況となっても絶縁管部１２が絶縁破壊を起こす可能性が低く、絶縁破壊に起因する絶縁管部１２の破損の可能性は低い。このため、材料ガスの漏洩の危険性を大幅に低減することができる。したがって、材料ガスのガス圧を高圧に保持したまま、接地電位側から高電位側への材料ガスの輸送の安全性を高めることができる。

また、本実施形態によれば、絶縁管部１２を貫通穴６ｂに挿入された中空筒状部材１２Ａとすることで、主絶縁体６とは構造的に独立した部材としたので、主絶縁体６の破損によって絶縁管部１２が破損するといった事態を防止することができる。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態にかかるイオン注入装置１の、図１のＡ部拡大図に相当する図である。
上述した第１実施形態では、絶縁管部１２は、貫通穴６ｂに挿入された中空筒状部材１２Ａであったが、このような構成に代えて、図３に示すように、絶縁管部１２は、貫通穴６ｂの内周面の全面に被覆された絶縁コーティング１２Ｂであってもよい。材料ガスは絶縁コーティング１２Ｂの中空部分を図中の矢印の方向に流れる。
絶縁コーティング１２Ｂは、主絶縁体６の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなる。例えば、主絶縁体６がナイロン６６からなる場合、絶縁コーティング１２Ｂの材料として、ガラスやテフロン（登録商標）を用いることができる。ただし、主絶縁体６の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料であれば、上述した材料以外の材料であってもよい。

本実施形態では、主絶縁体６の両側（イオン源４側と処理室２側）の面であって貫通穴６ｂの両端開口部分周りの部位にも絶縁コーティング１２Ｂを被覆している。これにより、絶縁コーティング１２Ｂとリング状フランジ８，９とが気密に接続されている。このような構成により、絶縁コーティング１２Ｂとリング状フランジ８，９との間から主絶縁体６側に材料ガスが漏れ出るのを防止することができる。
なお、その他の部分の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

このような第２実施形態によっても、主絶縁体６の貫通穴６ｂ内に設けられた絶縁管部１２が、主絶縁体６の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなるので、材料ガスの漏洩の危険性を大幅に低減することができる。したがって、材料ガスのガス圧を高圧に保持したまま、接地電位側から高電位側への材料ガスの輸送の安全性を高めることができる。
また、絶縁管部１２を主絶縁体６の貫通穴６ｂの内周面に被覆された絶縁コーティング１２Ｂとすることで、部品点数を増やすことなく絶縁管部１２を形成することができる。

なお、上記の各実施形態では、イオン源から引き出したイオンビームを質量分離せずにそのまま基板に照射する非質量分離型イオン注入装置について説明したが、本発明は、イオン源から引き出したイオンビームを質量分離し、所望のイオン種を取り出して基板に照射する質量分離型イオン注入装置にも同様に適用することができる。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態にかかるイオン注入装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかるイオン注入装置の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態にかかるイオン注入装置の部分拡大図である。 高電位ボンベ方式を採用した従来のイオン注入装置の構成例を示す図である。 接地電位ボンベ方式を採用した従来のイオン注入装置の構成例を示す図である。 特許文献２に開示されたイオン注入装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ イオン注入装置
２ 処理室
４ イオン源
６ 主絶縁体
６ａ 開口部
６ｂ 貫通穴
１０ 材料ガス供給装置
１２ 絶縁管部
１２Ａ 中空筒状部材
１２Ｂ 絶縁コーティング
１６ 材料ガスボンベ側ガスライン
１８ イオン源側ガスライン

Claims (3)

1. 接地電位に保持され内部に被処理物が収容される処理室と、接地電位よりも高電位に保持され内部でイオンを発生させるイオン源と、前記イオン源と前記処理室とを電気的に絶縁状態で連結するとともに両者を連通する開口部を有する主絶縁体と、前記イオン源に材料ガスを供給する材料ガス供給装置と、を備え、
   前記主絶縁体は、処理室側からイオン源側に向って貫通する貫通穴を有し、
   前記材料ガス供給装置は、前記貫通穴内の全長に渡って設けられ前記主絶縁体の絶縁耐力よりも高い絶縁耐力をもつ材料からなる絶縁管部と、接地電位側に設置された材料ガスボンベと、該材料ガスボンベと前記絶縁管部の前記処理室側端部と接続する材料ガスボンベ側ガスラインと、前記絶縁管部の前記イオン源側端部と前記イオン源とを接続するイオン源側ガスラインとを有する、ことを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記絶縁管部は、前記貫通穴に挿入された中空筒状部材であることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記絶縁管部は、前記貫通穴の内周面に被覆された絶縁コーティングであることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。

Images