JP2008117613A

JP2008117613A - イオン源

Info

Publication number: JP2008117613A
Application number: JP2006299174A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Ogura; 満小椋
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】フィラメントの切断により運用寿命が決まるイオン源において、従来比、運用寿命が長いイオン源を提供する。
【解決手段】イオン源１０は、チャンバ１２と、チャンバ１２の内壁面から突出し、通電することにより内部空間３４に熱電子を放出するフィラメント１４ａ，１４ｂと、フィラメント１４ａ、１４ｂのそれぞれに熱電子を供給するフィラメント電源３０ａ，３０ｂと、フィラメント１４ａ，１４ｂのＯＮ／ＯＦＦの制御を行う制御ユニット４０と、を有する。制御ユニット４０は、プラズマ立ち上げ時、フィラメント１４ａから熱電子を放出させ、プラズマ立ち上げ後、熱電子の放出を行うフィラメントをフィラメント１４ｂに切り替えて、プラズマの生成を維持するように、フィラメント電源３０ａ，３０ｂのＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを供給して電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源に関する。

フラットパネルディスプレイ等の平面型表示装置には、薄型形状のトランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）が用いられている。このＴＦＴを製造するには、シリコン基板に所望のイオンを注入する必要がある。特に、ＴＦＴを利用したアクティブマトリクス素子では一般に低温ポリシリコンを使用しなければならず、製造工程でイオン注入機を用いる必要がある。イオン注入機を用いたイオン注入工程には、チャネル工程、ＬＤＤ工程、ソース／ドレイン工程があり、その中で特に、チャネル工程に関しては、ゲート閾値電圧を制御するために精度の高いイオン注入が必要である。

イオン注入機の装置構成は、導入された中性の粒子状の物質を電子などにより電離させて高密度プラズマ状態を作り出すイオン源、イオン源で生成されたイオンをイオンビームとして引き出すための引き出し機構、引き出されたイオンビームを輸送するビームライン、イオンビームから特定のイオンビームのみを分離する質量分離機構、及びガラス基板等の処理対象基板をイオンビームに暴露する基板操作機構を備えている。

このようなイオン注入装置について、平面型表示装置の生産能力を向上するためにイオン注入工程の処理時間の短縮が望まれている。イオン注入工程の処理時間は、処理対象基板を所定の処理位置に搬送する搬送時間とイオン注入する処理時間との合計時間であるが、上記ソース／ドレイン工程において多量のイオンを注入するために処理時間が長くなる。
このため、イオン注入に際して、イオンビームの強度を上げて処理時間の短縮をすることができるが、この場合、イオンビームを生成するイオン源の運用寿命が短くなる問題が生じる。この運用寿命が短くなる原因は、熱電子供給用のフィラメントの消耗が著しく、フィラメントが容易に切断されやすくなるということである。特に、バーナス型やフリーマン型イオン源のような高効率かつコンパクトなイオン源ではプラズマを閉じ込めるチャンバ内に高密度のプラズマが生成されるため、フィラメントの消耗は著しい。

フィラメントの消耗を抑える方法として、下記特許文献１，２に記載されるイオン源が知られている。
特許文献１には、フィラメントにプラズマが曝されにくくするために、高融点材からなる補助体をフィラメント近傍に儲け、この補助体の電位をフィラメントの電位より低くするイオン源が記載されている。
特許文献２には、イオン源のカソードの周囲にある熱電子の反射体であるカソードリペラーを炭素系素材で構成するイオン源が記載されている。
しかし、これらのイオン源ではフィラメントの消耗は低下するが、強度の高いイオンビームを生成するイオン源の運用寿命を十分に長くする程にフィラメントの消耗を低下させることはできない。

特開平７−２７２６５７号公報特開２００１−１６７７０７号公報

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、フィラメントの切断により運用寿命が決まるイオン源において、運用寿命を従来に比べて長くすることができるイオン源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源であって、ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたチャンバと、前記チャンバと電気絶縁され、前記内部空間のチャンバ内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対のフィラメントと、前記一対のフィラメントのそれぞれにフィラメント電流を流す、前記一対のフィラメントのそれぞれに対応して接続されている一対のフィラメント電源と、前記一対のフィラメントのＯＮ／ＯＦＦの制御を行う制御ユニットと、を有し、前記制御ユニットは、プラズマ立ち上げ時、前記一対のフィラメントの一方から熱電子を放出し、プラズマ立ち上げ後、熱電子の放出を行うフィラメントを前記一方から他方のフィラメントに切り替えて、プラズマの発生を維持するように、前記一対のフィラメントのフィラメント電流のＯＮ／ＯＦＦの切り換えの制御を行うことを特徴とするイオン源を提供する。
ここで、プラズマ立ち上げ時とは、プラズマ生成のためにフィラメント電流を流し始めてから、アーク電流が流れ始め、フィラメント電流及びアーク電流が一定電流になるまでの期間をいう。

さらに、前記チャンバの前記導体面にアーク電圧を印加する一対のアーク電源を有し、
前記制御ユニットは、前記フィラメント電流のＯＮ／ＯＦＦの切り換えの制御に応じて、前記アーク電圧も一方のアーク電源から他方のアーク電源に切り換える制御を行うことが好ましい。

又、前記一対のフィラメント電源のＯＮ／ＯＦＦの切り換えの制御の際、前記一対のフィラメント電源の両方が同時にＯＮとなる重なり時間が存在することが好ましい。

本発明のイオン源では、プラズマ立ち上げとプラズマ維持の２つの機能を別々に行う一対のフィラメントを用いるので、イオン源の運用時間が増えてもプラズマ立ち上げに用いるフィラメントは、新品時と略同様の抵抗値を保つ。このため、イオン源における運用寿命を略定める、プラズマ立ち上げ時のフィラメント電流のオーバーシュートによる溶断が生じることは極めて少なく、従来に比べて、イオン源の運用寿命を長くすることができる。
又、従来、イオン源の運用寿命を長くするためには、消耗して新品時に比べて抵抗値の高くなったフィラメントがプラズマ立ち上げ時に溶断されないように、フィラメント電流の上昇速度を低下してフィラメント電流のオーバーシュート量を抑えることが必要であるため、プラズマ立ち上げに時間がかかっていた。しかし、本発明のイオン源では、プラズマ立ち上げ時のフィラメントは新品時と略同様の抵抗値を備えるため、プラズマ立ち上げ時に溶断されることは極めて少ない。このため、新品時と同様のフィラメント電流の上昇速度を用いることができ、イオン注入工程の処理時間の短縮に貢献できる。

以下、本発明のイオン源について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。

図１は、本発明のイオン源の一実施形態の構成を示す断面図である。
イオン源１０は、原料ガスを供給しアーク放電することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンを取り出すことによりイオビームを生成するバーナス型イオン源である。イオン源１０は、図１に示す様に、チャンバ１２、一対のフィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）、反射電極板（リペラープレート）１６、背面電極板１８（１８ａ，１８ｂ）、絶縁部材２０、原料ガス供給口２２、イオンビーム取出口２４、および所定の電圧を図示されないスイッチを介して印加してイオンビームを引き出す引出電源２６、アーク電源２８（２８ａ，２８ｂ）、アーク電源２８のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ２９（２９ａ，２９ｂ）、フィラメント電源３０（３０ａ，３０ｂ）、フィラメント電源３０のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるスイッチ３１（３１ａ，３１ｂ）、原料ガス調整バルブ３２及び制御ユニット４０を有して構成される。
チャンバ１２は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、チャンバ１２内で１０^−２〜１０^−３（Ｐａ）に減圧された状態とされる。

チャンバ１２は、耐高温性を有する導電性材料、例えばタングステン、モリブデン、タンタル、炭素等によって構成され、直方体形状の内部空間３４を有する放電箱である。
チャンバ１２の内部空間３４の内壁面には、一方の端面から内部空間３４に突出する一対のフィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）が設けられ、他方の端面には反射電極板１６が設けられ、一対のフィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）が反射電極板１６に対向するように配置されている。フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）は、タングステン等の抵抗導体線が１〜数回螺旋状に巻かれて折り返された発熱素子体である。

フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）と内壁面の端面との間には背面電極板１８（１８ａ，１８ｂ）が設けられ、カソードプレートとなっている。フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）には、フィラメント１４から熱電子を放出するように、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）の両端間に所定の電圧、例えば数Ｖ〜１０数Ｖを印加することでフィラメント電流を流すフィラメント電源３０（３０ａ，３０ｂ）が設けられ、２０００℃程度に加熱されて白熱したフィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）から内部空間３４に熱電子を放出する。また、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）の負極側の端と導電性を有するチャンバ１２との間にアーク電圧を印加するように、アーク電源２８（２８ａ，２８ｂ）が設けられている。アーク電圧は、チャンバ１２の電位がフィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）の電位に対して高くなるようにアーク電圧として数１０〜１００Ｖが印加され、プラズマが発生することによりアーク電流が流れる。なお、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）と導電性を有するチャンバ１２との間は、それぞれ絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。

なお、フィラメント１４はフィラメント１４ａ，１４ｂからなり、後述する制御ユニット４０の制御によって、フィラメント１４ａ，１４ｂの一方が、プラズマの立ち上げ時のみに用いる立ち上げ専用フィラメントとして使用され、他方は、プラズマ立ち上げ後のプラズマ維持のために用い、プラズマ立ち上げ時には用いないプラズマ維持用フィラメントとして使用される。なお、プラズマの立ち上げ時とは、プラズマ生成のためにフィラメント電流を流し始めてから、アーク電流が流れ始め、フィラメント電流及びアーク電流が一定電流になるまでの期間をいう。

反射電極板１６は、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）に対向するように内部空間３４に設けられ、反射電極板１６に向かって移動する熱電子を反射する反射板である。反射電極板１６とチャンバ１２との間は、絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。反射電極板１６は、フィラメント電源３０（３０ａ，３０ｂ）の負極と接続されている。なお、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）に対して反射電極板１６の方向と反対方向にある背面電極板１８（１８ａ，１８ｂ）は、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）の陰極と接続されており、背面電極板１８と反射電極板１６は同電位となるように、フィラメント電源３０（３０ａ，３０ｂ）の負極と接続されている。
一方、チャンバ１２の外側には、背面電極板１８、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）および反射電極板１６の配置方向（図１中のＸ方向）に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石３６、３８が設けられている。磁石３６、３８は、フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）から放出される熱電子を反射電極板１６及び背面電極板１８の間でらせん状運動にて往復させるようにするためである。

また、内部空間３４の内壁面には、原料ガス供給口２２が設けられ、供給管を介して図示されないガス供給源と接続され、原料ガス調整バルブ３２を介して原料ガスの供給が調整されるようになっている。
さらに、チャンバ１２には、生成したイオンを引き出す開口部である引出口２４が設けられ、この引出口２４からイオンビームとしてイオンを引き出すためにチャンバ１２を所定の電圧に印加する引出電源２６が接続されている。図１中、引出口２４は、チャンバ１２の紙面奥側の壁面に設けられている。

フィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）のうち、フィラメント１４ａは、スイッチ３１ａを経由してフィラメント電源３０ａと接続され、フィラメント１４ｂは、スイッチ３１ｂを経由してフィラメント電源３０ｂと接続される。スイッチ３１ａ，３１ｂはいずれも制御ユニット４０からの制御信号Ｒ₁，Ｒ₂に従ってＯＮ／ＯＦＦが制御される。さらに、チャンバ１２に印加するアーク電圧は、フィラメント電源３０ａがスイッチＯＮのとき同時にＯＮとなるように制御されるスイッチ２９ａを介してアーク電源２８ａから印加され、さらに、フィラメント電源３０ｂがスイッチＯＮのとき同時にＯＮとなるように制御されるスイッチ２９ｂを介してアーク電源２８ｂから印加される。
このように、イオン源１０では、フィラメント１４ａからの熱電子の放出とプラズマの生成のために機能するフィラメント電源３０ａ及びアーク電源２８ａと、フィラメント１４ｂからの熱電子の放出とプラズマの生成のために機能するフィラメント電源３０ｂ及びアーク電源２８ｂとは、別々に独立した電源系統を構成している。

制御ユニット４０は、スイッチ３１ａとスイッチ３１ｂのＯＮ／ＯＦＦを自在に切り換えるための制御信号Ｒ₁，Ｒ₂を生成するとともに、スイッチ２９ａとスイッチ２９ｂのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるための制御信号Ｒ₃，Ｒ₄を生成する。
さらに、制御ユニット４０は、図示されない制御信号を用いて、フィラメント電源３０ａ，３０ｂからのフィラメント電流の供給を徐々に増大させるように制御する。プラズマ立ち上げ時のフィラメント電流は、プラズマ生成後に一定電流として制御可能な状態になるが、その直前一時的に電流の制御が不可能な状態になり、オーバーシュートして過大の電流が流れる区間がある。このときの電流のオーバーシュートによってフィラメントは溶断する場合が多いことから、電流のオーバーシュート量を抑える必要がある。このオーバーシュート量は、フィラメント電流の上昇速度が小さい程小さい。このため、オーバーシュート量を抑制し、フィラメントの溶断を抑えるためにフィラメント電流の上昇速度を制御する。

本発明では、プラズマの立ち上げ時、上記フィラメント電流のオーバーシュートによるフィラメントの溶断を抑制するために、一対のフィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）の一方を立ち上げ専用のフィラメントとし、他方をプラズマ維持用フィラメントとして使用する。すなわち、立ち上げ専用のフィラメントは、プラズマ雰囲気中で熱電子を放出する時間が少ないため消耗速度が極めて低く、このため新品時と略同様のフィラメント径を有し、抵抗値の変化も小さい。このため、オーバーシュートしたフィラメント電流であっても、溶断するほどに自ら発熱しない。このため、オーバーシュートしたフィラメント電流であっても、抵抗値が略新品と同様に低い立ち上げ専用フィラメントは溶断する可能性はきわめて低い。一方、プラズマ維持用フィラメントは、プラズマ雰囲気中のイオンによってスパッタされて消耗するため、あるいは自らの加熱によって材料自体が蒸発するため、熱電子を放出する時間とともにプラズマ維持用フィラメントは消耗する。しかし、プラズマ維持用フィラメントに流れる、プラズマを維持するためのフィラメント電流は、プラズマ立ち上げ時のオーバーシュート時のフィラメント電流よりも低い一定電流であるため、溶断するほどに加熱されない。

従来のイオン源では、１つのフィラメントがプラズマ立ち上げとプラズマ維持の２つの機能のために用いられるため、プラズマ維持のためのフィラメント電流が流れるフィラメントはプラズマ中のイオンによりスパッタされて消耗する。この消耗して抵抗値の高くなったフィラメントが次回のプラズマ立ち上げ時に用いられる。このため、抵抗値が高くなったフィラメントはプラズマ立ち上げ時のフィラメント電流のオーバーシュートにより容易に溶断され易い。

このように、プラズマ立ち上げとプラズマ維持の２つの機能を別々に行う一対のフィラメント１４を用いることにより、従来に比べて、イオン源の運用寿命を長くすることができる。
又、従来、イオン源の運用寿命を長くするためには、消耗して新品時に比べて抵抗値の高くなったフィラメントがプラズマ立ち上げ時に溶断されないように、フィラメント電流の上昇速度を低下してフィラメント電流のオーバーシュート量を抑えることが必要であるため、プラズマ立ち上げに時間がかかっていた。しかし、イオン源１０では、プラズマ立ち上げ時のフィラメントは新品時と略同様の抵抗値を保つため、プラズマ立ち上げ時に溶断されない。このため、新品時と同様のフィラメント電流の上昇速度を用いることができ、イオン注入工程の処理時間の短縮に貢献できる。

図２（ａ）は、従来のイオン源においてプラズマの立ち上げから、プラズマの維持を経てイオンビームの生成までの、フィラメント電流、アーク電流及びイオンビーム電流の時間的推移を表したグラフを示している。

図中、符号Ｆはフィラメント電流を、符号Ａはアーク電流を、符号Ｂはイオンビーム電流を示す。フィラメント電流は時間Ｔ₁にて立ち上がり、その後階段状に徐々に増大する。同時にアーク電圧がチャンバ１２に印加される。図中、時間Ｔ₂にてアーク放電が開始し、それと同時にアーク放電の不安定な状態から安定したアーク放電の状態にするためにアーク電流に応じてフィラメント電流をフィードバック制御してフィラメント電流の上昇速度が低下している。これは、上述したように電流の制御が不可能になりフィラメント電流がオーバーシュートするときのオーバーシュート量を抑えるためである。図中、領域Ｑにおいて小さなオーバーシュートが発生した後、一定のフィラメント電流に制御されている。これに対応するように、アーク電流は時刻Ｔ₃において一定値となる。
このような時間的推移に対して、本発明では、制御ユニット４０が、図２（ｂ）に示すような一対のフィラメント１４ａ，１４ｂの制御信号を用いてフィラメント１４ａ，１４ｂのフィラメント電流を制御する。

図２（ｂ）中の上段は、スイッチ３１ａのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号Ｒ₁のタイミングチャートであり、下段は、スイッチ３１ｂのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号Ｒ₂のタイミングチャートである。

時間Ｔ₁において、フィラメント１４ａは熱電子を放出するようにフィラメント電源３０ａと接続されて、フィラメント電流が流れ始める。その際、アーク電源２８ａによりチャンバ１２にアーク電圧が印加される。時間Ｔ₂において、アーク放電が開始しアーク電流が流れ始める。この後、時間Ｔ₃において、アーク電流が所定値に達すると、スイッチ３１ｂは制御信号Ｒ₂に従ってＯＮとされ、フィラメント電源３０ｂがフィラメント１４ｂと接続され、フィラメント１４ｂに電流が流れ始める。この直前、フィードバック制御が不可能になりフィラメント電流のオーバーシュートが生じるが、程なくフィラメント電流は安定する。時間Ｔ₃の後、スイッチ３１ａは制御信号Ｒ₁に従ってＯＦＦとされ、フィラメント１４ａの熱電子の放出が停止される。このように、時間時間Ｔ₃の以降、フィラメント電源３０ａ，３０ｂの両方が同時にＯＮとなる重なり時間が存在する。重なり時間を設けることで、熱電子放出の機能をフィラメント１４ａからフィラメント１４ｂに切り替える際、生成するプラズマを滑らかに安定維持することができる。制御信号Ｒ₁に従ってフィラメント１４ａのフィラメント電流は停止するので、フィラメント１４ａは電位を有さない。このため、プラズマ中のイオンがフィラメント１４ａに対して衝突してスパッタすることはなく、フィラメント１４ａは、プラズマ雰囲気中にあっても消耗しない。こうして、フィラメント１４ｂがプラズマ維持のための熱電子放出に供される。

なお、本発明において、一対のフィラメント１４（１４ａ，１４ｂ）は、所定の運用時間が経過した後、プラズマ立上専用フィラメントとプラズマ維持用フィラメントを入れ替えて用いてもよい。この場合においても、イオン源の運用寿命は、従来のイオン源の運用寿命に比べて長くなる。

以上、本発明のイオン源について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明のイオン源の一形態の構成を示す断面図である。（ａ）は、従来のイオン源におけるフィラメント電流、アーク電流及びイオンビーム電流の時間履歴を示す図であり、（ｂ）は、本発明のイオン源において、フィラメントのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号のタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１０イオン源
１２チャンバ
１４，１４ａ，１４ｂフィラメント
１６反射電極板
１８，１８ａ，１８ｂ背面電極板
２０絶縁部材
２２原料ガス供給口
２４イオンビーム取出口
２６引出電源
２８，２８ａ，２８ｂアーク電源
２９ａ，２９ｂ，３１ａ，３１ｂスイッチ
３０，３０ａ，３０ｂフィラメント電源
３２原料ガス調整バルブ
３４内部空間
３６，３８磁石
４０制御ユニット
４２直流電源

Claims

ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源であって、
ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたチャンバと、
前記チャンバと電気絶縁され、前記内部空間のチャンバ内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対のフィラメントと、
前記一対のフィラメントのそれぞれにフィラメント電流を流す、前記一対のフィラメントのそれぞれに対応して接続されている一対のフィラメント電源と、
前記一対のフィラメントのＯＮ／ＯＦＦの制御を行う制御ユニットと、を有し、
前記制御ユニットは、プラズマ立ち上げ時、前記一対のフィラメントの一方から熱電子を放出し、プラズマ立ち上げ後、熱電子の放出を行うフィラメントを前記一方から他方のフィラメントに切り替えて、プラズマの発生を維持するように、前記一対のフィラメントのフィラメント電流のＯＮ／ＯＦＦの切り換えの制御を行うことを特徴とするイオン源。
さらに、前記チャンバの前記導体面にアーク電圧を印加する一対のアーク電源を有し、
前記制御ユニットは、前記フィラメント電流のＯＮ／ＯＦＦの切り換えの制御に応じて、前記アーク電圧も一方のアーク電源から他方のアーク電源に切り換える制御を行う請求項１に記載のイオン源。
前記一対のフィラメント電源のＯＮ／ＯＦＦの切り換えの制御の際、前記一対のフィラメント電源の両方が同時にＯＮとなる重なり時間が存在する請求項１又は２に記載のイオン源。