JP2007311118A - イオン源およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 幅が広く、ビーム電流が大きく、かつ幅方向におけるビーム電流分布の均一性の良いイオンビームを発生させることができ、しかもカソードの寿命を長くすることができるイオン源を提供する。
【解決手段】 このイオン源２ａは、Ｘ方向に伸びたイオン引出し口８を有するプラズマ生成容器６と、当該容器６内にＸ方向に沿う磁界１６を発生させる磁石１４と、プラズマ生成容器６のＸ方向の両側に配置されていて、当該容器６内におけるプラズマ１０の生成およびプラズマ１０全体の密度の増減に用いられる傍熱型カソード２０と、プラズマ生成容器６内にＸ方向に沿って並設されていて、当該容器６内におけるプラズマ１０の生成およびプラズマ１０の密度分布の制御に用いられる複数のフィラメントカソード３２とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えばターゲットにイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置等に用いられるイオン源およびその運転方法に関し、より具体的には、進行方向と交差する面内におけるＸ方向の寸法が当該Ｘ方向と直交するＹ方向の寸法よりも大きい、いわゆるリボン状（これはシート状または帯状とも呼ばれる。以下同様）の形状をしているイオンビームを発生させるイオン源およびその運転方法に関する。

リボン状のイオンビームを発生させるイオン源においては、均一性の良いプラズマ生成のために、通常は複数個のカソードが用いられる。

カソードの寿命は、プラズマ中のイオンの衝突によるスパッタ、熱蒸発、プラズマ生成用の原料ガスとの反応による消耗等によって決まる。

カソードの内でも、フィラメントによってカソード部材を加熱する傍熱型カソードは、一般的に、フィラメントカソード（換言すれば直熱型カソード。以下同様）よりもカソード部材を厚くすることができるので、寿命を長くすることができるという利点がある。このような傍熱型カソードを２個用いたイオン源の一例が特許文献１に記載されている。

一方、フィラメントカソードは、構造が簡単であるので、多数個設置することが比較的容易であるという利点がある。このようなフィラメントカソードを複数個用いたイオン源の一例が特許文献２に記載されている。

特開平１１−２５８７２号公報（段落００１５、図２） 特開２０００−３１５４７３号公報（段落０００３、図８）

イオン源から発生させるリボン状のイオンビームの幅（長手方向の幅。以下同様）を広くするためには、通常は、それに応じてカソードの数も増やす必要がある。イオン源内のプラズマ密度分布の均一性、ひいてはイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性を良くするためである。

ところが、傍熱型カソードを用いる場合は、前述したようにカソードの寿命を長くすることはできるけれども、傍熱型カソードの構造がフィラメントカソードに比べて複雑であるので、それを多数個設置するのは困難である。従って、プラズマ密度分布の均一性、ひいてはイオンビームの幅方向におけるビーム電流分布の均一性を高めることが難しい。

一方、フィラメントカソードを用いる場合は、前述したように多数個設置することは比較的容易であるけれども、フィラメントカソードの寿命が短い。特に、プラズマ密度を高めてイオンビーム電流を大きくしようとすると、フィラメントカソードの寿命はより短くなる。

フィラメントカソードを用いる場合でも、フィラメントカソードとアノード間に印加する電圧を低く（例えば２０Ｖ程度に）抑制すれば、スパッタ量が減り、消耗を抑えられることが分かっているけれども、このような運転を行えば、プラズマ密度を高くすることができないので、大きなビーム電流のイオンビーム発生ができなくなる。

そこでこの発明は、幅が広く、ビーム電流が大きく、かつ幅方向におけるビーム電流分布の均一性の良いイオンビームを発生させることができ、しかもカソードの寿命を長くすることができるイオン源およびその運転方法を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るイオン源の一つは、進行方向と交差する面内におけるＸ方向の寸法が当該Ｘ方向と直交するＹ方向の寸法よりも大きい形状をしているイオンビームを発生させるイオン源であって、アノードを兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、前記Ｘ方向に伸びたイオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器内に前記Ｘ方向に沿う磁界を発生させる磁石と、前記プラズマ生成容器の前記Ｘ方向の両側に配置されていて、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成および当該プラズマ全体の密度の増減に用いられる傍熱型カソードと、前記プラズマ生成容器内に前記Ｘ方向に沿って並設されていて、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成および当該プラズマの密度分布の制御に用いられる複数のフィラメントカソードとを備えることを特徴としている。

上記イオン源によれば、傍熱型カソードを用いてプラズマ全体の密度を増減させることができるので、フィラメントカソードに印加する電圧やそれに流す電流を小さくしてフィラメントカソードの消耗を抑えることができる。しかも、複数のフィラメントカソードを用いて、プラズマ密度分布の均一性を向上させる等の制御を行うことができる。

プラズマ生成容器内の前記Ｘ方向の両側に傍熱型カソードを配置する代わりに、Ｘ方向の一方側に傍熱型カソードを配置し、その反対側に反射電極を配置しても良い。

この発明に係るイオン源の運転方法は、前記イオン源において、前記傍熱型カソードを用いて、前記プラズマ生成容器内で生成するプラズマ全体の密度を増減させ、前記複数のフィラメントカソードを用いて、前記プラズマ生成容器内で生成するプラズマの密度分布を制御することを特徴としている。

請求項１、２および４に記載の発明によれば、傍熱型カソードを用いてプラズマ全体の密度を増減させることができるので、フィラメントカソードに印加する電圧やそれに流す電流を小さくしてフィラメントカソードの消耗を抑えることができる。しかも、複数のフィラメントカソードを用いて、プラズマ密度分布の均一性を向上させる等の制御を行うことができる。その結果、幅が広く、ビーム電流が大きく、かつ幅方向におけるビーム電流分布の均一性の良いイオンビームを発生させることができる。しかもカソードの寿命を長くすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、各フィラメントカソードを流れる電流が作る磁界によって、磁石が作る磁界を増強することができるので、プラズマ生成容器内における磁界を強くして、当該磁界による電子の閉じ込め性能を向上させることができる。その結果、原料ガスの電離効率を高めて、プラズマ密度ひいてはイオンビーム電流を高めることが容易になる、という更なる効果を奏する。

図１は、この発明に係るイオン源を備えるイオンビーム照射装置の一例を示す図である。このイオンビーム照射装置は、進行方向と交差する面内におけるＸ方向の寸法が当該Ｘ方向と直交するＹ方向の寸法よりも大きい、いわゆるリボン状の形状をしているイオンビーム４を発生させるイオン源２ａを備えている。リボン状と言っても、厚さが紙のように薄いという意味ではない。

例えば、イオンビーム４のＸ方向の幅Ｗは、３５ｃｍ〜５０ｃｍ程度であり、イオンビーム４のＹ方向の厚さは、５ｃｍ〜１０ｃｍ程度である。但しこれに限られるものではない。

イオン源２ａから引き出されたイオンビーム４は、必要に応じて質量分離器、加減速器等を経由して、ターゲット４４に照射される。これによって、ターゲット４４にイオン注入等の処理を施すことができる。イオン注入を行う場合は、この装置はイオン注入装置とも呼ばれる。ターゲット４４は、例えば、半導体基板、ガラス基板等である。

ターゲット４４は、この例では、ターゲット駆動装置（図示省略）によって、イオンビーム４の幅Ｗ方向と交差する矢印Ｃ方向に機械的に往復駆動される。イオンビーム４の幅Ｗは、ターゲット４４の同方向の寸法よりも若干大きく、このことと、上記往復駆動とによって、ターゲット４４の全面にイオンビーム４を照射することができる。

イオン源２ａは、アノードを兼ねていて内部でプラズマ１０を生成するための容器であって、Ｘ方向に伸びたイオン引出し口８を有するプラズマ生成容器６を備えている。イオン引出し口８は、例えば、イオン引出しスリットである。プラズマ生成容器６は、例えば、直方体の箱状をしている。このプラズマ生成容器６内には、プラズマ１０生成用の原料ガス（蒸気の場合を含む）が導入される。

プラズマ生成容器６の外側に、プラズマ生成容器内にＸ方向に沿う磁界１６を発生させる磁石１４が設けられている。磁石１４は、例えば、Ｘ方向においてプラズマ生成容器６を挟む両側に磁極を有する電磁石であるが、永久磁石でも良い。磁界１６の向きは図示とは逆向きでも良い。

磁界１６は、それによってプラズマ生成容器６内の電子を閉じ込めて当該電子がプラズマ生成容器６の壁面に衝突するのを防止して、原料ガスの電離効率を高めてプラズマ密度を高める働きをする。上記のような磁石１４の代わりに、プラズマ生成容器６内にＸ方向に沿うカスプ磁界を発生させる磁石を設けても良い。

プラズマ生成容器６のＸ方向の両側には、プラズマ生成容器６内へ熱電子を放出する傍熱型カソード２０がそれぞれ配置されている。即ち、傍熱型カソード２０はこの実施形態では２個設けられている。この傍熱型カソード２０は、プラズマ生成容器６内におけるプラズマ１０の生成および当該プラズマ１０全体の密度の制御に用いられる。この制御は、具体的には、プラズマ１０全体の密度を増減させることである。

各傍熱型カソード２０は、加熱されることによって熱電子を放出するカソード部材２２と、このカソード部材２２を加熱するフィラメント２４とを有している。このカソード部材２２の厚さを大きくすることは容易である。なお、プラズマ生成容器６に対してカソード部材２２およびフィラメント２４を配置するより具体的な構造は、図１（および後述する図５）では簡略化して示しているが、例えば特許第３７５８６６７号公報等に記載されているような公知の構造を採用すれば良い。

各フィラメント２４には、それを加熱するフィラメント電源２６がそれぞれ接続されている。各フィラメント電源２６は、図示例のように直流電源でも良いし、交流電源でも良い。

各フィラメント２４とカソード部材２２との間には、フィラメント２４から放出された熱電子をカソード部材２２に向けて加速して、当該熱電子の衝撃を利用してカソード部材２２を加熱する直流のボンバード電源２８が、カソード部材２２を正極側にしてそれぞれ接続されている。

各カソード部材２２とプラズマ生成容器６との間には、カソード部材２２から放出された熱電子を加速して、プラズマ生成容器６内に導入された原料ガスを電離させると共にプラズマ生成容器６内でアーク放電を生じさせて、プラズマ１０を生成する直流のアーク電源３０が、カソード部材２２を負極側にしてそれぞれ接続されている。

各電源２６、２８、３０の出力の内の一つ以上を増減させることによって、プラズマ１０全体の密度を増減させることができる。

プラズマ生成容器６内であってイオン引出し口８に対向する側には、プラズマ生成容器６内へ熱電子を放出する複数のフィラメントカソード３２が、Ｘ方向に沿って並設されている。フィラメントカソード３２の数は、図１に示す３個または図２に示す４個に限られるものではなく、プラズマ密度分布制御の精密度やイオンビーム４の幅Ｗ等に応じて決めれば良い。このフィラメントカソード３２は、プラズマ生成容器６内におけるプラズマ１０の生成および当該プラズマ１０の密度分布の制御に用いられる。この制御は、例えば、プラズマ１０の密度分布を均一化することである。

各フィラメントカソード３２には、フィラメント電流Ｉ_F を供給して各フィラメントカソード３２を加熱するフィラメント電源３４がそれぞれ接続されている。各フィラメント電源３４は、図示例のように直流電源でも良いし、交流電源でも良い。但し後述する図２〜図４中に示すような磁界３８を発生させる場合は直流電源とする。

各フィラメントカソード３２とプラズマ生成容器６との間には、フィラメントカソード３２から放出された熱電子を加速して、プラズマ生成容器６内に導入された原料ガスを電離させると共にプラズマ生成容器６内でアーク放電を生じさせて、プラズマ１０を生成する直流のアーク電源３６が、フィラメントカソード３２を負極側にして接続されている。アーク電源３６は、この実施形態のように複数のフィラメントカソード３２に共通のものでも良いし、各フィラメントカソード３２とプラズマ生成容器６との間に個別に設けても良い。

各フィラメント電源３４の出力を個別に制御（増減）することによって、即ち各フィラメントカソード３２に流すフィラメント電流Ｉ_F を個別に増減させることによって、プラズマ１０の濃淡を制御してプラズマ１０の密度分布を制御することができる。アーク電源３６を各フィラメントカソード３２に対して個別に設けている場合は、各アーク電源３６の出力を個別に増減させることによっても、プラズマ１０の密度分布を制御することができる。

イオン引出し口８の出口付近には、プラズマ生成容器６内のプラズマ１０からイオンビーム４を引き出す引出し電極系１２が設けられている。引出し電極系１２は、図示例のような１枚の電極に限られるものではない。

このイオン源２ａにおいては、傍熱型カソード２０を用いてプラズマ１０全体の密度を増減させることができる。例えば、アーク電源３０の出力電圧は、目的とするイオン種の電離電圧以上（例えば２０Ｖ〜２００Ｖ程度）の比較的高い電圧で運転する。そして、例えば、ボンバード電源２８の出力電圧を制御（増減）して、プラズマ１０全体の密度を増減させる。

これによって、フィラメントカソード３２を用いてプラズマ１０全体の密度を増大させる必要がなくなるので、フィラメントカソード３２にアーク電源３６から印加する電圧や各フィラメントカソード３２に流すフィラメント電流Ｉ_F を小さくして、各フィラメントカソード３２の消耗を抑えることができる。例えば、アーク電源３６の出力電圧は、アーク電源３０の出力電圧よりも低い電圧（例えば１０Ｖ〜６０Ｖ程度）で運転することができる。

しかも、複数のフィラメントカソード３２を用いて、プラズマ１０の濃淡を制御してプラズマ１０の密度分布を制御することができる。例えば、各フィラメントカソード３２に流すフィラメント電流Ｉ_F を制御することによって、プラズマ１０の密度分布を均一化することができる。

その結果、幅Ｗが広く、ビーム電流が大きく、かつ幅Ｗ方向におけるビーム電流分布の均一性の良いイオンビーム４を発生させることができる。しかも、各フィラメントカソード３２の消耗を抑えてその寿命を長くすることができると共に、傍熱型カソード２０も、それが本来有する特性として、そのカソード部材２２の厚さを大きくして寿命を長くすることができるので、カソードの寿命を長くすることができる。

イオンビーム４の幅Ｗ方向におけるビーム電流分布は、例えば、ターゲット４４に対応する位置に設けられたビーム測定器４６によって測定することができる。ビーム測定器４６がターゲット４４の後方に設けられている場合は、測定時にはターゲット４４を測定の邪魔にならない位置に移動させれば良い。ビーム測定器４６がターゲット４４の前方に設けられている場合は、ターゲット４４へのイオンビーム照射時には、ビーム測定器４６を照射の邪魔にならない位置に移動させれば良い。

ビーム測定器４６は、例えば、イオンビーム４のビーム電流を測定する多数の測定器（例えばファラデーカップ）をＸ方向に並設して成る多点ビーム測定器であるが、一つの測定器を移動機構によってＸ方向に移動させる構造のものでも良い。

複数のフィラメントカソード３２を用いたプラズマ１０の密度分布の制御は、手動で行っても良いし、ビーム測定器４６からの測定データに基づいて制御装置５０を用いて自動で行うようにしても良い。

制御装置５０は、例えば、ビーム測定器４６からの測定データに基づいて各フィラメント電源３４を制御して、各フィラメントカソード３２に流すフィラメント電流Ｉ_F を制御してプラズマ１０の濃淡を制御することによって、イオンビーム４の幅Ｗ方向におけるビーム電流分布を制御する。具体的には、当該ビーム電流分布を均一化する。

そのような制御を行うために制御装置５０は、例えば、ビーム電流が相対的に小さい位置に対応するフィラメントカソード３２に流すフィラメント電流Ｉ_F を相対的に大きくすることと、ビーム電流が相対的に大きい位置に対応するフィラメントカソード３２に流すフィラメント電流Ｉ_F を相対的に小さくすることの少なくとも一方を行う機能を有している。

制御装置５０に、上記のような制御機能の代わりに、他の制御内容によってイオンビーム４のビーム電流分布を均一化する制御機能を持たせても良い。例えば、前記特許文献２に記載されているような、ビーム電流の平均値を設定値に近づける制御ルーチンおよびビーム電流を均一化する制御ルーチンを行うことによって、イオンビーム４の幅Ｗ方向のビーム電流分布を均一化する制御機能を持たせても良い。

また、傍熱型カソード２０を用いたプラズマ１０全体の密度を増減させる制御は、手動で行っても良いし、制御装置５０に、ビーム測定器４６からの測定データに基づいて傍熱型カソード２０を制御して、具体的には例えばボンバード電源２８を制御して、プラズマ１０全体の密度を増減させる制御機能を持たせても良い。

ところで、上記各フィラメントカソード３２は、図２および図３に示す例のように、Ｘ方向に実質的に直交する面内においてＵ字状に曲げ戻された形状をしていても良い。その場合、各フィラメントカソード３２には、それを流れる電流が作る磁界３８が、磁石１４が作る磁界１６を増強する向きになる直流のフィラメント電流Ｉ_F を供給するのが好ましい。このとき、各フィラメント電源３４は直流電源にする。

上記のようにすると、各フィラメントカソード３２を流れるフィラメント電流Ｉ_F が作る磁界３８によって、磁石１４が作る磁界１６を増強することができるので、プラズマ生成容器６内における磁界を強くして、特にプラズマ生成容器６内のＸ方向における中央付近での磁界１６を補強して、当該磁界による電子の閉じ込め性能を向上させることができる。その結果、原料ガスの電離効率を高めて、プラズマ密度ひいてはイオンビーム電流を高めることが容易になる。特に、幅Ｗの大きなイオンビーム４を発生させる場合は、プラズマ生成容器６のＸ方向の寸法ひいてはその両側の磁石１４間の距離が大きくなって、プラズマ生成容器６内の中央付近での磁界１６が弱くなりやすいので、それを上記磁界３８によって補強することによる効果は大きくなる。

また、各フィラメントカソード３２を、上記のようなＵ字状ではなく、図４に示す例のように、先端部がΩ字状になるように曲げ戻された形状のものにしても良い。そのようにすると、Ｕ字状の場合の上記効果と同様の効果を奏すると共に、更に次のような効果を奏する。即ち、各フィラメントカソード３２の先端をイオン引出し口８側に下げても、フィラメントカソード３２がイオン引出し口８に近づくのを抑制することができるので、プラズマ１０からイオン引出し口８を通してイオンを引き出しやすくなる。フィラメントカソード３２がイオン引出し口８にあまり近づくと、フィラメントカソード３２近傍のイオンシースの影響によってイオンを引き出しにくくなるからである。

図１に示すイオン源２ａのようにプラズマ生成容器６のＸ方向の両側に傍熱型カソード２０を配置する代わりに、図５に示すイオン源２ｂのように、Ｘ方向の一方側に傍熱型カソード２０を配置し、その反対側に、即ちＸ方向の他方側に、傍熱型カソード２０に対向させて反射電極４０を配置しても良い。図５において、図１〜図４の例と同一または相当する部分には同一符号を付して、重複説明を省略する。

反射電極４０は、絶縁物４２によってプラズマ生成容器６から電気的に絶縁されている。反射電極４０は、この例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にしても良いし、反対側のカソード部材２２（換言すれば、アーク電源３０の負極端）に接続してカソード電位にしても良い。浮遊電位にしても、反射電極４０は、主にカソード部材２２から放出された、アーク電源３０の出力電圧相当のエネルギーの高い熱電子が入射して負電位に帯電するからである。

この反射電極４０は、プラズマ生成容器６に対して負電位になり、プラズマ生成容器６内の電子（主として傍熱型カソード２０およびフィラメントカソード３２からの熱電子）を反射させる（追い返す）働きをする。従って、反射電極４０を設けると、電子は、磁界１６の方向を軸として磁界１６中で旋回しながら傍熱型カソード２０（より具体的にはそのカソード部材２２）と反射電極４０との間を往復運動するようになり、その結果当該電子と原料ガス分子との衝突確率が高くなって原料ガスの電離効率が高まるので、プラズマ１０の生成効率が高まる。従って、傍熱型カソード２０を片側に設けても、両側に設けた場合に近い効果を、即ち上記イオン源２ａが奏する上記効果に近い効果を奏することができる。

上記イオン源２ａ、２ｂの運転方法は、以上において実質的に記載されているが、これをまとめると次のとおりである。即ち、傍熱型カソード２０を用いて、プラズマ生成容器６内で生成するプラズマ１０全体の密度を増減させ、複数のフィラメントカソード３２を用いて、プラズマ生成容器６内で生成するプラズマ１０の密度分布を制御することである。これによって、イオン源２ａ、２ｂについて上述した効果と同様の効果を奏することができる。

この発明に係るイオン源を備えるイオンビーム照射装置の一例を示す図である。 フィラメントカソードの配置の仕方の他の例を示す図である。 図２中のフィラメントカソードを線Ｄ−Ｄ方向に見て示す拡大図である。 フィラメントカソードの他の例を示す拡大図である。 この発明に係るイオン源を備えるイオンビーム照射装置の他の例を示す図である。

符号の説明

２ａ、２ｂ イオン源
４ イオンビーム
６ プラズマ生成容器
８ イオン引出し口
１０ プラズマ
１４ 磁石
１６ 磁界
２０ 傍熱型カソード
２２ カソード部材
２４ フィラメント
３２ フィラメントカソード
３８ 磁界
４４ ターゲット

Claims (4)

1. 進行方向と交差する面内におけるＸ方向の寸法が当該Ｘ方向と直交するＹ方向の寸法よりも大きい形状をしているイオンビームを発生させるイオン源であって、
   アノードを兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、前記Ｘ方向に伸びたイオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、
   前記プラズマ生成容器内に前記Ｘ方向に沿う磁界を発生させる磁石と、
   前記プラズマ生成容器の前記Ｘ方向の両側に配置されていて、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成および当該プラズマ全体の密度の増減に用いられる傍熱型カソードと、 前記プラズマ生成容器内に前記Ｘ方向に沿って並設されていて、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成および当該プラズマの密度分布の制御に用いられる複数のフィラメントカソードとを備えることを特徴とするイオン源。
2. 進行方向と交差する面内におけるＸ方向の寸法が当該Ｘ方向と直交するＹ方向の寸法よりも大きい形状をしているイオンビームを発生させるイオン源であって、
   アノードを兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、前記Ｘ方向に伸びたイオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、
   前記プラズマ生成容器内に前記Ｘ方向に沿う磁界を発生させる磁石と、
   前記プラズマ生成容器の前記Ｘ方向の一方側に配置されていて、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成および当該プラズマ全体の密度の増減に用いられる傍熱型カソードと、
   前記プラズマ生成容器内であって、前記Ｘ方向の他方側に前記傍熱型カソードに対向させて配置されていて、プラズマ生成容器内の電子を反射させる反射電極と、
   前記プラズマ生成容器内に前記Ｘ方向に沿って並設されていて、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成および当該プラズマの密度分布の制御に用いられる複数のフィラメントカソードとを備えることを特徴とするイオン源。
3. 前記各フィラメントカソードは、前記Ｘ方向に実質的に直交する面内において曲げ戻された形状をしており、当該各フィラメントカソードには、それを流れる電流が作る磁界が、前記磁石が作る磁界を増強する向きになる直流電流が供給される請求項１または２記載のイオン源。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のイオン源において、
   前記傍熱型カソードを用いて、前記プラズマ生成容器内で生成するプラズマ全体の密度を増減させ、
   前記複数のフィラメントカソードを用いて、前記プラズマ生成容器内で生成するプラズマの密度分布を制御することを特徴とするイオン源の運転方法。

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