JP2013211232A

JP2013211232A - マイクロ波イオン源

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Publication number: JP2013211232A
Application number: JP2012082314A
Authority: JP
Inventors: Hirohiko Murata; 裕彦村田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP5832357B2

Abstract

【課題】イオン源の長寿命化を図る技術を提供する。
【解決手段】マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室５８にマイクロ波を受け入れるための真空窓２４を有するプラズマチャンバ１２と、プラズマ室５８の内壁の少なくとも一部を構成するライナ７８と、プラズマチャンバ１２とライナ７８との間に設けられている断熱部としての隙間８０と、プラズマチャンバ１２の周囲に設けられている冷却配管２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波イオン源に関する。

イオン注入装置は、イオンビームによって基板の所定領域に精度よく不純物を注入できるため、半導体集積回路等の製造工程において広く用いられている。このようなイオン注入装置のイオン源として、フィラメントを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２８８８５７号公報

上述のフィラメントは、電圧を印加し加熱することでチャンバ内に熱電子を供給するとともに、チャンバとフィラメント間に電圧を印加してアーク放電を生じさせてプラズマを生成する。フィラメントは消耗部品であり比較的寿命が短く、交換の際には装置を停止せざるを得ないため、イオン注入装置の稼働率の低下を招くことにもなる。また、プラズマ室の内壁面や他の部材が、プラズマによって損耗したり汚染したりすることも、イオン源の寿命を短くする一因となる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオン源の長寿命化を図る技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のマイクロ波イオン源は、プラズマ室にマイクロ波を受け入れるための窓を有するプラズマチャンバと、プラズマ室の内壁の少なくとも一部を構成するライナと、プラズマチャンバとライナとの間に設けられている断熱部と、プラズマチャンバの周囲に設けられている冷却部と、を備える。

本発明の別の態様もまた、マイクロ波イオン源である。このマイクロ波イオン源は、プラズマ室にマイクロ波を受け入れるための窓を有するプラズマチャンバと、プラズマ室の内壁の少なくとも一部を構成するライナと、プラズマチャンバとライナとの間に設けられている断熱材と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、イオン源の長寿命化を図ることができる。

第１の実施の形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示した図である。第２の実施の形態に係るマイクロ波イオン源の要部を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

イオン源において、生成したプラズマは、プラズマチャンバ内でチャンバ壁方面へ拡散し消失する。その際、消失するプラズマからの熱によりチャンバの内壁は高温になる。しかしながら、マイクロ波イオン源は、フィラメントタイプのイオン源と比較して、動作中のプラズマ室の内壁の温度が比較的低温となる。そのため、プラズマ室の内壁の保護として設けるライナに、タングステンやモリブデン等の高融点材料を用いる必要がない。また、プラズマが安定化するためには、プラズマ室の内壁を速やかに高温にするとともにその高温を維持することが望ましい。加えて、プラズマ室の内壁を高温にすることで、導入されたガスが生成物として内壁に堆積することを抑制できる。

一方、プラズマ室の内壁を高温にすると、それに伴いプラズマチャンバ全体も高温となりやすい。その場合、装置の操作性や安全性を考慮すると、プラズマチャンバ外壁の温度上昇をある程度抑制することが求められる。しかしながら、プラズマチャンバを単に外側から冷却するだけではプラズマ室の内壁の温度も低下するため、イオン源における熱伝達を工夫する必要がある。つまり、プラズマ室の内壁を高温に保ちつつプラズマチャンバの外壁の温度上昇を抑制することが求められる。

そこで、本発明者が鋭意検討したところ、以下の構成を採用することで、所望のイオン源の温度分布を実現し、プラズマを安定化することでイオン源の寿命を延ばせることに想到した。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示した図である。

本実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０は、共鳴磁場よりも高い磁場を印加したプラズマチャンバ１２内へ、磁力線方向にマイクロ波電力を入力して高密度プラズマを生成しイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源１０は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマチャンバ１２の外部へイオンを引き出すように構成されている。

マイクロ波イオン源１０は、例えばイオン注入装置のためのイオン源に使用される。注入するイオンには、例えばヒ素（Ａｓ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、酸素（Ｏ）がある。また、マイクロ波イオン源１０は、プロトン加速器のためのイオン源、またはＸ線源としても使用され得る。マイクロ波イオン源１０は主として、一価イオン源として使用される。

マイクロ波イオン源１０は、イオン源本体１４を備える。イオン源本体１４は、プラズマチャンバ１２、磁場発生器１６、及び真空容器１８を備える。

プラズマチャンバ１２は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマチャンバ１２の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマチャンバ１２が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。図示の例ではプラズマチャンバ１２は円筒形状を有するが、プラズマチャンバ１２は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状（例えば方形）であってもよい。また、プラズマチャンバ１２の軸方向長さは、プラズマチャンバ１２の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。

磁場発生器１６は、プラズマチャンバ１２の内部に磁場を発生させるために設けられている。磁場発生器１６は、プラズマチャンバ１２の軸方向に磁場を発生させるよう構成されている。磁力線方向を矢印Ｍで示す。なお、矢印Ｍの向きは、プラズマチャンバ１２の軸方向のいずれでもよい。磁場発生器１６は、電磁石２０を含む。

真空容器１８は、プラズマチャンバ１２を真空環境に収容するための筐体である。本実施の形態においては、プラズマチャンバ１２は真空容器１８と一体に形成されている。真空容器１８は、磁場発生器１６を保持するための構造体でもある。プラズマチャンバ１２は、内部にマイクロ波を受け入れるための真空窓２４を有する。プラズマチャンバ１２の外周部には、チャンバの外壁が過度に高温にならないように、冷媒を循環させる冷却配管２２が設けられている。プラズマチャンバ１２及び真空容器１８については、更に詳しく後述する。

マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波供給系２６を備える。マイクロ波供給系２６は、真空窓２４を通じてプラズマチャンバ１２にマイクロ波電力を入力するよう構成されている。マイクロ波供給系２６は、マイクロ波源２８、導波管３０、及びマッチングセクション３２を備える。マイクロ波源２８は例えばマグネトロンである。マイクロ波源２８は例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を出力する。導波管３０は、マイクロ波源２８の出力するマイクロ波をプラズマチャンバ１２に伝達するための立体回路である。導波管３０の一端はマイクロ波源２８に接続されており、他端はマッチングセクション３２を介して真空窓２４に接続されている。マッチングセクション３２はマイクロ波の整合のために設けられている。

このようにして、マイクロ波供給系２６から真空窓２４を通じてプラズマチャンバ１２にマイクロ波が導入される。導入されたマイクロ波は、真空窓２４に対向するプラズマチャンバ１２の端部へ向けてプラズマチャンバ１２の内部を伝搬する。マイクロ波の伝搬方向を矢印Ｐで示す。マイクロ波の伝搬方向Ｐは、磁場発生器１６による磁力線方向Ｍと略平行である。また、マイクロ波の伝搬方向Ｐはプラズマチャンバ１２の軸方向と同一方向である。

マイクロ波イオン源１０は、ガス供給系３４を備える。ガス供給系３４は、プラズマの原料ガスをプラズマチャンバ１２に供給するよう構成されている。ガス供給系３４は、ガス源であるガスボンベ３６とガス流量制御器３８とを備える。原料ガスは例えばアルゴンガスである。原料ガスはイオン注入のための不純物を含有する成分を含んでもよい。ガス供給系３４のガス配管４０の先端が真空容器１８を通じてプラズマチャンバ１２に接続されている。こうして、原料ガスが、ガスボンベ３６からプラズマチャンバ１２へと制御された流量で供給される。

イオン源本体１４は、引出電極系４２を備える。引出電極系４２は、プラズマチャンバ１２のイオン引出開口６６を通じてプラズマからイオンを引き出すよう構成されている。引出電極系４２は、第１電極４４と第２電極４６を含む。第１電極４４はプラズマチャンバ１２と第２電極４６との間に設けられている。イオン引出開口６６を有する終端部６２と第１電極４４とは隙間を隔てて配列され、第１電極４４と第２電極４６とは隙間を隔てて配列されている。第１電極４４及び第２電極４６は、それぞれ例えば環状に形成されており、プラズマチャンバ１２から引き出されたイオンを通すための開口部分を中心部に有する。

第１電極４４は、プラズマから陽イオンを引き出すとともに、ビームライン５２からプラズマチャンバ１２への電子の戻りを妨げるために設けられている。そのために、第１電極４４には負の高電圧が印加されている。第１電極４４に負の高電圧を印加するために、第１引出電源４８が設けられている。第２電極４６は接地されている。また、真空容器１８には正の高電圧が印加されている。真空容器１８に正の高電圧を印加するために、第２引出電源５０が設けられている。真空容器１８に印加される正の高電圧の絶対値は、第１電極４４に印加される負の高電圧の絶対値よりも大きい。このようにして、プラズマチャンバ１２から陽イオンのイオンビームＢが引き出される。プラズマチャンバ１２からのイオンビームＢの引出方向はマイクロ波の伝搬方向Ｐと同一方向である。

マイクロ波イオン源１０には、引出電極系４２によって引き出されたイオンビームＢを輸送するためのビームライン５２が設けられている。ビームライン５２は、マイクロ波供給系２６とは反対側にイオン源本体１４に連結されている。ビームライン５２は、真空容器１８に連通されている真空容器である。ビームライン５２は、イオン源本体１４の真空容器１８に対し絶縁されて真空容器１８に取り付けられている。そのために、ビームライン５２と真空容器１８の間にブッシング５４が設けられている。

ブッシング５４は、ビームライン５２及び真空容器１８内の真空を維持しつつ、真空容器１８とグラウンド側との間の耐電圧を保持する。ブッシング５４は絶縁材料で形成されている。ブッシング５４は環状の形状を有し、引出電極系４２を囲んでいる。ブッシング５４は、ビームライン５２及びイオン源本体１４それぞれの真空容器の取付フランジ間に挟まれて取り付けられている。

真空容器１８及びプラズマチャンバ１２に真空環境を提供するための真空排気系５６が設けられている。図示の例においては真空排気系５６はビームライン５２に設けられている。ビームライン５２は真空容器１８及びプラズマチャンバ１２に連通されているので、真空排気系５６は真空容器１８及びプラズマチャンバ１２の真空排気をすることができる。真空排気系５６は例えばクライオポンプまたはターボ分子ポンプ等の高真空ポンプを含む。

マイクロ波イオン源１０は、イオンビームＢの出力を制御するための制御装置Ｃを備えてもよい。制御装置Ｃは、マイクロ波イオン源１０の各構成要素を制御する。制御装置Ｃは、例えば、マイクロ波供給系２６、ガス供給系３４、コイル電源７６の動作を制御するよう構成されている。制御装置Ｃは例えば、原料ガスの流量、マイクロ波パワー、及び電磁石２０による磁場強度の少なくとも１つを調整することにより、イオンビームＢの出力を制御してもよい。

プラズマチャンバ１２は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている。プラズマチャンバ１２の内部空間を以下では、プラズマ室５８と呼ぶことがある。

プラズマチャンバ１２は、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４を含む。始端部６０と終端部６２とはプラズマ室５８を挟んで対向している。側壁６４はプラズマ室５８を囲み、始端部６０と終端部６２とを接続している。このようにして、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４によってプラズマ室５８が真空容器１８の内部に画定されている。プラズマチャンバ１２が円筒形状である場合、始端部６０及び終端部６２は円板形状であり、側壁６４は円筒である。

始端部６０は真空窓２４を有する。真空窓２４は始端部６０の全体を占めていてもよいし、始端部６０の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。真空窓２４の一方の側がプラズマ室５８に面しており、真空窓２４の他方の側がマイクロ波供給系２６に向けられている。真空窓２４はプラズマチャンバ１２の内部を真空に封じる。マイクロ波の伝搬方向Ｐは真空窓２４に垂直である。真空窓２４は誘電体損の低い誘電体（例えばアルミナまたは窒化ホウ素等）で形成されている。なおプラズマチャンバ１２の真空窓２４以外の部分は例えば非磁性の耐熱性金属材料で形成されている。具体的には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）やアルミニウム等を用いることができる。

終端部６２には少なくとも１つのイオン引出開口６６が形成されている。イオン引出開口６６は、プラズマ室５８を挟んで真空窓２４に対向する位置に形成されている。即ち、真空窓２４、プラズマ室５８、及びイオン引出開口６６は、プラズマチャンバ１２の軸方向に沿って配列されている。

真空容器１８と一体に形成されているプラズマチャンバ１２は円筒形状であり、その内部には、プラズマチャンバ１２の内壁を保護するためのライナ７８が配置されている。ライナ７８は、プラズマ室５８の内壁の一部を構成している。ライナ７８はプラズマチャンバ１２と同軸の円筒形状である。ライナ７８とプラズマチャンバ１２の側壁６４との間には環状の隙間８０があり、この隙間８０は、プラズマチャンバ１２とライナ７８との間の熱の伝達を妨げる断熱部として機能する。

本実施の形態のように真空容器１８がプラズマチャンバ１２と一体に形成されている場合には、終端部６２として、イオン引出開口６６を有する端板８２を取り付ければよい。なお、真空容器１８は、プラズマチャンバ１２と一体に形成されていなくてもよい。真空容器１８とプラズマチャンバ１２とがそれぞれ別体であり分割可能であってもよい。

真空容器１８には、磁場発生器１６を保持するための磁石保持部７４が形成されている。磁石保持部７４は例えば、プラズマチャンバ１２の側壁６４の外側に形成されている。本実施の形態においては、磁場発生器１６は真空容器１８の外側に（即ち大気中に）設けられている。磁場発生器１６は真空容器１８を取り囲むように配置されている。このようにして、磁場発生器１６は、プラズマ室５８を包囲するように配置されている。

上述のように、本実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０は、プラズマ室５８にマイクロ波を受け入れるための真空窓２４を有するプラズマチャンバ１２と、プラズマ室５８の内壁の少なくとも一部を構成するライナ７８との間に、断熱部としての隙間８０が設けられている。これにより、プラズマ室５８の内壁を高温にしても、その熱がプラズマチャンバ１２の外壁に向かって伝達しにくくなる。つまり、プラズマ室の内壁を速やかに高温にするとともにその高温を維持しやすくなる。その結果、プラズマが安定化し、出力されるイオンビームの強度も安定する。また、プラズマの安定化により、プラズマ室の内壁の損耗が低減されるとともに、導入されたガスがプラズマ室の内壁に生成物として堆積することが抑制され、ライナ７８の寿命が延び、イオン源自体の寿命も長くなる。

また、プラズマチャンバ１２の周囲に冷却部を設けても、プラズマチャンバ１２の外壁と内壁との熱伝達が断熱部により抑制されているため、プラズマ室５８の内壁が過度に冷却されることがない。その結果、プラズマ室５８の内壁温度にあまり影響を与えることなく、プラズマチャンバ１２の外壁の温度上昇を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係るマイクロ波イオン源の要部を示す図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。

第２の実施の形態に係るマイクロ波イオン源１００は、第１の実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０と比較して、プラズマチャンバ１２とプラズマ室５８との間にスペーサ１０２が設けられている点が大きく異なる。

つまり、マイクロ波イオン源１００は、プラズマ室５８にマイクロ波を受け入れるための窓を有するプラズマチャンバ１２と、プラズマ室の内壁の少なくとも一部を構成するライナ７８と、プラズマチャンバ１２とライナ７８との間に設けられている断熱材としてのスペーサ１０２と、を備える。スペーサ１０２は、アルミナなどの熱伝導率が低い（熱抵抗率の高い）材料が用いられる。

本実施の形態に係るマイクロ波イオン源１００によっても、第１の実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０と同様に、プラズマ室５８の内壁を高温にしても、その熱がプラズマチャンバ１２の外壁に向かって伝達しにくくなる。つまり、プラズマ室の内壁を速やかに高温にするとともにその高温を維持しやすくなる。その結果、プラズマが安定化し、プラズマ室の内壁の損耗が低減されるとともに、導入されたガスがプラズマ室の内壁に生成物として堆積することが抑制されるため、ライナ７８の寿命が延び、イオン源自体の寿命も長くなる。

また、スペーサ１０２を設けることで、ライナ７８の位置決めが容易となる。スペーサ１０２は、ライナ７８の外周側の全周にわたって配設された筒状の部材であってもよい。また、スペーサ１０２は、ライナ７８の外周に、間隔を空けて配列された複数の柱状の部材で構成されていてもよい。

上述のように、各実施の形態に係るマイクロ波イオン源は、プラズマチャンバ１２とライナ７８との間に、断熱部としての隙間や、断熱材としてのスペーサを設けることで、プラズマ室の内壁の温度を高温に保ちやすい。この場合、プラズマ室の内壁にガスが吸着しにくく、仮に吸着してもすぐに脱離することになる。そのため、マイクロ波イオン源において複数種のガスを切り替えて使用する際の真空引きの時間を短くでき、装置のダウンタイムを低減できる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１０マイクロ波イオン源、１２プラズマチャンバ、１４イオン源本体、２２冷却配管、２４真空窓、２８マイクロ波源、３０導波管、５８プラズマ室、７８ライナ、８０隙間、１００マイクロ波イオン源、１０２スペーサ。

Claims

プラズマが生成されるプラズマ室にマイクロ波を受け入れるための窓を有するプラズマチャンバと、
プラズマ室の内壁の少なくとも一部を構成するライナと、
前記プラズマチャンバと前記ライナとの間に設けられている断熱部と、
前記プラズマチャンバの周囲に設けられている冷却部と、
を備えることを特徴とするマイクロ波イオン源。
プラズマが生成されるプラズマ室にマイクロ波を受け入れるための窓を有するプラズマチャンバと、
プラズマ室の内壁の少なくとも一部を構成するライナと、
前記プラズマチャンバと前記ライナとの間に設けられている断熱材と、
を備えることを特徴とするマイクロ波イオン源。