JP2008234880A - イオン源 - Google Patents

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Abstract

【課題】
本発明の目的は、プラズマ生成用の磁場が引き出し電極空間へ漏洩するのを防ぎ、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームを得ることができるイオン源を提供することにある。さらに漏洩磁場によるビームの発散を抑えた収束性のよいイオンビームが得られるイオン源を提供することにある。
【解決手段】
円筒状の放電室1と、該放電室1に磁場を発生する手段と、矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管9により前記放電室1にマイクロ波を導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから3枚以上で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビームを引き出すイオン源において、前記磁場を発生する手段の周囲あるいは周囲の一部に磁性体を配置するようにしたものである。さらに変換導波管9の一部及び放電室1の一部を磁性体で構成するとともにプラズマ電極11を磁性体で構成したものである。
【選択図】図1

Description

本発明はイオン注入装置に用いるイオン源及びイオン注入装置に関する。
従来、円筒型の放電室を有するイオン源は、たとえば特開平10−012152号公報に記載のように放電室の周囲に空心型の電磁石を配置して放電室内に磁場を発生させ、さらに放電室内にマイクロ波と試料ガスを導入してプラズマを生成し、プラズマに隣接して設置されたイオン引き出し電極によってイオンを引き出してイオンビームを得ていた。
特開平10−012152号公報
イオンビームを引き出す場合は、イオン引き出し電極に、たとえば50kVの直流高電圧を印加する。上記従来技術では、空心型の電磁石を用いて磁場を発生させているため、直流高電圧が印加された引き出し電極部にも、プラズマ生成部同様に700ガウス以上の高い強度の磁場が印加されていた。プラズマは電場,磁場,ガス(残留ガス等)の相互作用により生成されるため、この条件がそろったイオン引き出し電極部においてもプラズマが生成される。このため発生したプラズマによる引き出し電極表面の汚染や生成されたプラズマによって電極間の異常放電が発生することや、空心型の電磁石が生成する磁場では、中心付近でもイオンビームと垂直方向の成分が含まれるため、イオンビームと垂直方向の成分によって引き出されたイオンビームの発散が起こる。このためイオンビームが電極表面へ衝突し、電極の損傷と電極からの二次電子による電極間放電などが発生し、イオン源の安定動作時間(寿命)が短くなることについて考慮されていなかった。
本発明の目的は、プラズマ生成用の磁場が引き出し電極部へ漏洩するのを防ぎ、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームを得ることができるイオン源を提供することにある。さらに漏洩磁場によるビームの発散を抑え、収束性のよいイオンビームが得られるイオン源を提供することにある。
本発明のイオン源は、円筒状の放電室と、該放電室に磁場を発生する手段と、矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管により前記放電室にマイクロ波を導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから3枚以上で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビームを引き出すイオン源において、前記磁場を発生する手段の周囲あるいは周囲の一部に磁性体を配置したものである。
さらに前記変換導波管及び放電室の一部とプラズマ電極を磁性体で構成するようにしたものである。
本発明によれば、引き出し電極部及びイオンビーム領域に磁場の漏洩がなくなるので、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームが得られる効果がある。また漏洩磁場によるビームの発散を抑えることができるため、収束性のよいイオンビームが得られる効果がある。
以下、図面を用いて本発明の内容を説明する。
図1は本発明の実施例である磁場発生手段に電磁石を用いた場合のイオン源の断面図を示したものである。
本発明のイオン源は、変換導波管9,マイクロ波導入窓3,逆流電子防止板2,放電室1,電磁石5,6,磁路4,プラズマ電極11,電子抑制電極12,接地電極13によって構成される。プラズマ生成のためのガスはガス導入パイプ16からプラズマ電極11近傍に導入される。電子抑制電極12,接地電極13はそれぞれ絶縁碍子7,8によって絶縁支持され、本図には記載していないが、直流高電圧発生器により直流電圧を印加する。印加する電圧として、たとえばプラズマ電極11には50kV、電子抑制電極には−2kVが印加される。電子抑制電極12の電圧は、通常プラズマ電極11の電圧と逆極性の電圧を印加し、電子の逆流を防止する。変換導波管9は特開平08−236061号に記載のようにマイクロ波17の導入側より順に図に示すような断面へと変化している構造のものである。マイクロ波導入窓3は大気である変換導波管9側と真空となるプラズマ15側の真空を維持するほか、マイクロ波17を効率よく真空中へ伝送する役割がある。このためマイクロ波導入窓3として誘電率の低い材質を用いる必要がある。たとえば石英などである。また逆流電子防止板2はイオン引き出し空間で生成された電子がイオン引き出し電極に印加された電圧によって、イオン引き出し電極を通って加速され放電室1に逆流する。逆流した電子はマイクロ波導入窓3に達してマイクロ波導入窓3を損傷させる。このため逆流電子の損傷からマイクロ波導入窓3を保護するために逆流電子防止板2を設置する。逆流電子防止板2は電子による熱に強くマイクロ波17の反射が少ない低誘電率材を用いる必要がある。たとえば窒化ボロンなどである。電磁石5,6は磁場分布の調整が可能なように2個用いているが、1個にしても磁場分布の微調整ができないだけで、電磁石2個用いた場合同様の磁場分布は生成可能であるためどちらでもかまわない。
本発明のイオン源は、放電室1内に、マイクロ波17とガス導入パイプ16から導入した試料ガスと、電磁石5,6によって発生した磁場によりプラズマ15を生成し、プラズマ電極11,電子抑制電極12,接地電極13で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビーム14を得るものである。ここでマイクロ波17の周波数はたとえば2.45GHzなどである。ガス導入パイプ16は、プラズマ電極11の近傍に設け、かつガス導入位置に電子サイクロトロン共鳴の磁場強度に設定することで生成されたプラズマ15からイオンが消滅する前にイオンを引き出せるのでより大電流のイオンが効率よく引き出し可能である。たとえば2.45GHz のマイクロ波の場合、電子サイクロトロン共鳴磁場強度は0.0875テスラである。
磁路4は電磁石5,6を囲むように配置した。プラズマ電極11は磁性体を用いて形成した。これによりイオン引き出し電極部への磁場漏洩を抑えるとともに放電室1内の磁場を一様に生成しやすくしている。また変換導波管9を取り付けた側の放電室1の一部分を磁性体とすることで放電室1内の磁場分布が均一になる。さらに変換導波管9の円形断面部及び矩形断面の短辺部が円弧をなした断面の導波管の一部分を磁性体で形成した磁性体導波管10とした。導波管に変換導波管9を用いることにより、放電室1の内側にプラズマ電極11と平行になる磁極が形成できるため、一様な磁場分布が得られる。
電磁石5,6で生成された磁場分布は主に二つの磁力線18の経路により決定されている。ひとつは磁路4を通り、放電室1の磁性体部を通ってプラズマ電極11に向かう経路であり、もうひとつは磁路4を通り磁性体導波管10を通ってプラズマ電極11に向かう経路である。この2経路の磁力線18により放電室1内に高密度プラズマを生成可能な磁場分布を生成できる。また本発明のイオン源は磁路4を設置することにより、磁力線18は磁路4を通って放電室に至ることから漏洩磁場が減少し、効率よく放電室1内に磁場を発生させることができるので、従来の空心型電磁石よりも小型化が可能であり、さらに電磁石5,6に使用する電源も小型で済むようになるため低コスト化が図れる。
図2に本発明のイオン源において、放電室1のY方向中心位置でのZ方向位置での磁場分布を測定した結果を示す。実線で示したものが本発明のイオン源の磁場分布32であり、点線で示したものが磁路4が無い場合の従来のイオン源の磁場分布31である。図の横軸はZ方向の磁場の測定位置を示し、縦軸は磁場強度(T,テスラ)を示す。図中の放電室領域は図1における放電室1のプラズマ15の生成領域である。図の横軸で放電室中心位置の0位置がプラズマ電極11の位置を示し、正の方向(図の右方向)が引き出し電極領域になっている。放電室1内では、本発明のイオン源の磁場分布32は磁路4が無い場合の磁場分布31に近い形状をしていることがわかる。そして本発明のイオン源の磁場分布32はプラズマ電極位置で急激に磁場強度が減少し、磁路4が無い場合の磁場分布31の場合には約0.08 テスラの磁場強度であったものが、本発明のイオン源では0に近い値になっている。また磁場分布は、マイクロ波導入窓3側がプラズマ電極11側の磁場強度よりも高く、プラズマ電極11に向かって傾斜した形で、かつプラズマ電極11の近傍で電子サイクロトロン共鳴の磁場強度になっており、大電流のイオンビーム14が得られる磁場分布となっている。
本発明のイオン源を用いてイオンビームの引き出しを行った結果、引き出し電流の性能は、たとえば直径6ミリメートルの穴を13個設けたプラズマ電極11,電子抑制電極12,接地電極13を用いた場合、従来の磁路4がない場合と同等となる電流値が得られ、たとえば試料ガスに酸素を用いた場合最大250ミリアンペアを超える酸素イオンビーム電流値が得られた。また電極間の放電も従来は3時間の連続イオンビーム引き出しの間に約20回の電極間放電を確認していたのに対し、本発明のイオン源を用いた場合、1回に低減できた。また、連続してイオンビームを引き出しているときに放電が多発して安定にイオンビーム引き出しが行えなくなり電極清掃などのメンテナンスを行うまでの時間(寿命)が従来500時間程度であったのに対し、本発明のイオン源では1000時間を超える連続運転が可能となった。
以上のように、本実施例によれば、引き出し電極領域に磁場の漏洩がなくなるため、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームが得られる効果がある。また漏洩磁場によるビームの発散を抑えることができるため、収束性のよいイオンビームが得られる効果がある。さらに磁路4を設置することにより、漏洩磁場が減少し、効率よく放電室1内に磁場を発生させることができるので、従来の電磁石よりも小型化が可能であり使用する電源も小型で済むため低コスト化が図れる効果がある。
図3は本発明のもう一つの実施例で、磁場発生手段に永久磁石20を用いた場合の例を示したものである。図3は実施例1のイオン源の電磁石5,6の代わりに永久磁石20を用いたものである。永久磁石20の磁化方向はイオンビーム14の引き出し方向と同じ方向である。永久磁石20の極性は、本発明ではプラズマ電極11側にS極、マイクロ波導入窓3側にN極となるように配置している。永久磁石20の極性は、プラズマ15中の電子の回転方向に影響を及ぼすだけで、生成されるプラズマに影響はないため、設置する極性はどちらでもよい。永久磁石の形状はドーナツ型にして一体で磁化した磁石を用いても、たとえば四角あるいは扇形断面形状などの棒磁石に分割して並べて組み合わせることでドーナツ状に形成しても同様の効果がある。
永久磁石20を用いる場合、永久磁石20の特性から、閉じた磁路4のほうを通ってしまい、放電室1内の磁場強度が弱くなってしまう。このため磁路4は完全に永久磁石20を覆わずに、放電室1の反対側は開放とする。これにより永久磁石20の外周より外側では磁場が漏洩するものの、引き出し電極部には漏洩せず、放電室1内に所定の磁場が生成されるようになる。
以上により、永久磁石20で生成された磁力線18の経路は、ひとつは磁性体導波管10を通って放電室1の磁性体部を通り、プラズマ電極11に向かう。もうひとつは磁性体導波管10を通ってそのままプラズマ電極11に向かう。永久磁石20を用いた場合においても、この2経路の磁力線18により放電室1内に高密度プラズマを生成可能な、マイクロ波導入窓3側がプラズマ電極11側の磁場強度よりも高く、プラズマ電極11に向かって傾斜した形の磁場強度分布が得られる。
本実施例によれば、引き出し電極領域に磁場の漏洩がなくなるため、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームが得られる効果がある。また漏洩磁場によるビームの発散を抑えることができるため、収束性のよいイオンビームが得られる効果がある。さらに永久磁石を用いるため小型化が可能であり、電磁石用電源が不要になるため低コスト化が可能である。
図4に本発明のイオン源を搭載したイオン注入装置の図を示す。図はイオン注入装置の上部から見た断面図を示したもので、イオン源53,マイクロ波発振器51,アイソレータ52,質量分離器54,後段加速管55,四重極レンズ56,偏向器57,注入室58で構成されている。注入室58には回転ディスク60と回転ディスク60の中心に取り付けられた回転用モータ61と、ビームダンプ59が取り付けてある。回転ディスク60にはシリコンウェハが取り付けられ、回転用モータ61の回転によって回転運動を行い、さらに図示していないが別のモータによってイオンビーム62を横切るように往復運動する。イオン源53から引き出されたイオンビーム62は、質量分離器54により必要なイオン種のみを通過させ、後段加速管55によって所定のエネルギーに加速して、四重極レンズ56でイオンビームを整形した後、偏向器57を通過してビームダンプ59に到達する。回転ディスク60の円周上に搭載されたウェハは、一定回転とスキャン速度を変えながらイオンビーム62を横切るスキャン運動とによってウェハ面内で均一な注入を可能としている。本イオン注入装置のイオン源53に実施例1,2記載のイオン源を用いることによって、長時間安定にイオン注入が行え、装置の稼働率向上,信頼性向上ができる。
本発明はマイクロ波を用いたイオン源およびこれを用いたイオン注入装置に関するもので、シリコン基板に酸素を注入したSiO2 (エスアイオーツー)基板や半導体用シリコン基板への不純物注入に利用できる。
本発明の実施例である磁場発生手段に電磁石を用いた場合のイオン源の断面図である。 磁場発生手段に電磁石を用いた場合において、磁路がある場合とない場合の放電室中心での磁場分布の比較を示した図である。 磁場発生手段に永久磁石を用いた場合のイオン源の断面図である。 本発明のイオン源を用いたイオン注入装置を示す図である。
符号の説明
1 放電室
3 マイクロ波導入窓
4 磁路
5,6 電磁石
9 変換導波管
10 磁性体導波管
11 プラズマ電極
12 電子抑制電極
13 接地電極
18 磁力線

Claims (7)

  1. 円筒状の放電室と、該放電室に磁場を発生する手段と、矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管により前記放電室にマイクロ波を導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから3枚以上で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビームを引き出すイオン源において、前記磁場を発生する手段の周囲あるいは周囲の一部に磁性体を配置したことを特徴とするイオン源。
  2. 矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管の一部を磁性体で形成したことを特徴とする請求項1に記載のイオン源。
  3. 円筒状の放電室の一部を磁性体で形成したことを特徴とする請求項1に記載のイオン源。
  4. 3枚以上で構成されるイオン引き出し用の電極のうち、少なくとも1枚は磁性体で構成したことを特徴とする請求項1に記載のイオン源。
  5. ガス導入位置を引き出し電極近傍としたことを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のイオン源。
  6. 磁場を発生する手段として電磁石あるいは永久磁石を用いたことを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のイオン源。
  7. イオン源と、質量分離器と、後段加速管と、四重極レンズと、偏向器と、ウェハを取り付けた回転ディスクとを備えたイオン注入装置において、イオン源として請求項1〜6記載のイオン源を用いたことを特徴とするイオン注入装置。
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