JP2015170451A - イオン源及びそのイオン源を用いたイオン照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】引出し電極２００の短絡を防ぐ。【解決手段】アークチャンバ１００と、アークチャンバ１００内に電子を放出するカソード２０と、カソード２０に対向して設けられ、カソード２０から放出された電子を反射するリフレクタ３０と、アークチャンバ１００内において、少なくとも一部がカソード２０及びリフレクタ３０の間に形成される電子通過領域Ｘの周囲に設けられ、電子又はプラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するスパッタターゲット５０とを具備し、スパッタターゲット５０が、電子通過領域Ｘ側の先端部５４から基端５３側に行くにつれて外側に広がるように傾斜した傾斜面５５を有しているようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばイオン照射装置に用いられるイオン源に関するものである。

この種のイオン源としては、特許文献１に示すように、アークチャンバ内に電子を放出するカソードと、カソードに対向して設けられ、カソードから放出された電子を反射するリフレクタと、アークチャンバの底面に設けられ、電子又はプラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するスパッタターゲットとを具備するものがある。

このイオン源を用いたイオン照射装置は、上述したスパッタターゲットから放出された所定のイオンを、アークチャンバの上方に設けられた引出し電極がイオンビームとして引き出すように構成されている。

しかしながら、上述した構成では、カソードやリフレクタ起因の物質が、スパッタターゲットの側面に当たってアークチャンバの底面に薄片として堆積してしまい、この薄片が剥離することにより、引出し電極が短絡するという問題がある。

また、スパッタターゲットの形状や大きさによって、電子やプラズマが当該スパッタターゲットに多量に照射されると、スパッタターゲットから所定のイオンが過大に放出されてしまい、引出し電極の短絡を招くことになる。

特開平７−１８３００１号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであって、イオン照射装置における引出し電極の短絡を防ぐことをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るイオン源は、アークチャンバと、前記アークチャンバ内に電子を放出するカソードと、前記カソードに対向して設けられ、前記カソードから放出された電子を反射するリフレクタと、前記アークチャンバ内において、少なくとも一部が前記カソード及び前記リフレクタの間に形成される電子通過領域の周囲に設けられ、電子又はプラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するスパッタターゲットとを具備し、前記スパッタターゲットが、前記電子通過領域側の先端部から基端側に行くにつれて外側に広がるように傾斜した傾斜面を有していることを特徴とするものである。

このようなものであれば、スパッタターゲットが、電子通過領域側の先端部から基端側に行くにつれて外側に広がるように傾斜した傾斜面を有しているので、カソードやリフレクタ起因の物質は、この傾斜面に当たって斜め上方の電子通過領域に向かい、アークチャンバの底面に堆積しにくくなる。これにより、アークチャンバの底面からカソードやリフレクタ起因の物質が剥離することで生じる引出し電極の短絡を防ぐことができる。
さらに、電子通過領域を通過する電子やこの電子により生じるプラズマがスパッタターゲットに直接照射されたとしても、上述した傾斜面を有しているので、電子やプラズマが照射される領域における単位面積当たりの照射量を減少させることができ、スパッタターゲットから過大なイオンが放出することにより生じる引出し電極の短絡を防止することができる。

前記スパッタターゲットが、前記アークチャンバ内において前記電子通過領域を遮ることなく設けられていることが好ましい。
これならば、電子通過領域を通過する電子やこの電子により生じるプラズマはスパッタターゲットにほとんど直接照射されなくなり、スパッタターゲットから過大なイオンが放出することにより生じる引出し電極の短絡をより確実に防ぐことができる。

前記アークチャンバが、外部にイオンを引き出すイオン引出し口が形成された上壁部と、該上壁部に対向する下壁部とを有し、前記スパッタターゲットが、前記下壁部に設けられているものが好ましい。
これならば、スパッタターゲットから放出される所定のイオンをイオン引出し口を介して効率良くイオンビームとして引き出すことができる。

前記傾斜面が、前記先端部において互いに対向する位置にそれぞれ形成されているものが好ましい。
これならば、一方の傾斜面がカソードに対向し、他方の傾斜面がリフレクタに対向するようにスパッタターゲットを配置することにより、カソード起因の物質とリフレクタ起因の物質とのそれぞれを各傾斜面により斜め上方に跳ね返すことができ、アークチャンバの底面にこれらの物質をより堆積しにくくすることができる。

前記傾斜面が、前記スパッタターゲットの先端面における外縁全周から形成されたテーパ状をなすものが好ましい。
これならば、カソードやリフレクタ起因の物質がどの方向からスパッタターゲットに当たっても、これらの物質のほぼ全てを斜め上方の電子通過領域に向かって跳ね返すことができ、これらの物質がアークチャンバの底面にほとんど堆積されないようになる。
さらに、スパッタターゲットの先端面が小さくなり、上述した物質がこの先端面に堆積しにくくなる。これにより、この先端面に堆積した物質が剥離して生じる引出し電極の短絡を防ぐことができる。

前記スパッタターゲットが、概略回転体形状をなすものが好ましい。
これならば、スパッタターゲットを配置するうえで回転軸に対してどのように回転させても上述した効果を得ることができる。

また、本発明に係るスパッタターゲットは、アークチャンバと、前記チャンバ内に電子を放出するカソードと、前記カソードに対向して設けられ、前記カソードから放出された電子を反射するリフレクタとを具備するイオン源に用いられるものであって、前記アークチャンバ内において、少なくとも一部が前記カソード及び前記リフレクタの間に形成される電子通過領域の周囲に設けられ、電子又はプラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するものであり、前記電子通過領域側の先端部から基端側に行くにつれて外側に広がるように傾斜した傾斜面を有していることを特徴とするものである。
このようなスパッタターゲットであれば、上述したイオン源と同様の作用効果を得ることができる。

このように構成した本発明によれば、上述した傾斜面により、カソードやリフレクタ起因の物質を斜め上方に跳ね返すことができ、これらの物質がアークチャンバの底面に堆積しにくくなり、イオン照射装置における引出し電極の短絡を防ぐことができる。

本実施形態のイオン源の構成を模式的に示す図。 同実施形態のスパッタターゲットを示す斜視図。 同実施形態のスパッタターゲットを示す断面図。 同実施形態のイオン源を用いた実験結果を示すグラフ。 変形実施形態のスパッタターゲットを示す斜視図。 変形実施形態のスパッタターゲットを示す断面図。

以下に本発明に係るイオン源の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るイオン源１００は、アルミニウムイオンを放出するものであり、図１に示すように、このアルミニウムイオンをイオンビームＩＢとして引き出す引出し電極２００を備えたイオン照射装置に用いられるものである。
このイオン照射装置は、例えば半導体デバイスに用いられ、上述したイオンビームＩＢをウエハに照射するように構成されたものである。
なお、図１に示すイオン源１００は、例えば組み立て直後の状態を模式的に示しており、このイオン源１００をイオン照射装置に取り付ける際には、図１の状態から例えば９０度時計回りに回転させた状態で取り付ける。

本実施形態のイオン源１００はＩＨＣイオン源であり、具体的には図１に示すように、引出し電極２００の下方に設けられたアークチャンバ１０と、アークチャンバ１０内に電子を放出するカソード２０と、カソード２０から放出された電子を反射するリフレクタ３０と、アークチャンバ１０内に設けられ、電子又はプラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するスパッタターゲット５０とを具備するものである。

アークチャンバ１０は、内部でプラズマが生成される例えば概略直方体形状をなす容器であって、内部に原料ガスであるイオン化ガスを導入するためのガス導入口１１と、内部で生成されたアルミニウムイオンを外部に引き出すためのイオン引出し口１２とを有するものである。
なお、イオン引出し口１２は、上述した引出し電極２００に対面するアークチャンバ１０の上壁部１３に形成されており、ガス導入口１１は、前記上壁部１３に直交する側壁部（図１においては後壁部）に形成されている。

アークチャンバ１０内には、ガス導入口１１を通じて、例えばフッ素を含むイオン化ガスが導入される。フッ素を含むイオン化ガスを用いるのは、フッ素は化学作用が非常に強く他の物質との反応性が強いので、フッ素を含むイオン化ガスを電離させたプラズマによって、後述するスパッタターゲット５０から、アルミニウムイオンを放出させる作用が強いからである。

具体的にこのイオン化ガスは、例えば、３フッ化リン（ＰＦ_３）、３フッ化ホウ素（ＢＦ_３）、４フッ化珪素（ＳｉＦ_４）、６フッ化硫黄（ＳＦ_６）又は４フッ化炭素（ＣＦ_４）等のフッ化物又はフッ素（Ｆ_２）を含むガスである。このイオン化ガスは、例えばフッ化物ガスそのもの又はフッ素そのものを用いても良いし、それらを適当なガス（例えばヘリウムガス）で希釈したガスであっても良い。
なお、本実施形態では、イオンビームＩＢの注入品質を考慮して３フッ化リン（ＰＦ_３）を用いている。

カソード２０は、アークチャンバ１０内に電子を放出するものであり、本実施形態ではアークチャンバ１０の対向する側壁部１４の一方（図１においては左壁部）に設けられている。具体的にこのカソード２０は、加熱されることによってアークチャンバ１０内に熱電子を放出する陰極部材２１と、当該陰極部材２１を加熱するフィラメント２２とを有する。
なお、このフィラメント２２は、当該フィラメント２２を加熱する加熱電源２３に接続されている。

リフレクタ３０は、カソード２０に対向して設けられ、アークチャンバ１０内の電子（主として、カソード２０から放出された熱電子。以下同様）を反射して、カソード２０側に向かわせるものであり、本実施形態ではアークチャンバ１０の対向する側壁部１４の他方（図１においては右壁部）に設けられている。
なお、本実施形態では、リフレクタ３０としてタングステン（Ｗ）製のものを用いている。

このリフレクタ３０は、図１に示すように、絶縁体（本実施形態では間隙）を介してアークチャンバ１０から電気的に絶縁されており、より詳細には、アークチャンバ１０の電位を基準にして負の電圧が印加される電極３１に接続されている。

上述したように、カソード２０とリフレクタ３０とを対向して設けていることにより、カソード２０から放出された電子はリフレクタ３０に向かい、リフレクタ３０で反射された電子はカソード２０に向かう。これにより、カソード２０とリフレクタ３０との間には、これらの対向方向に沿って電子が通過する電子通過領域Ｘが形成されることになり、特にこの電子通過領域Ｘ内で電子が上述したイオン化ガスを電離させることによりプラズマが発生する。
より詳細にこの電子通過領域Ｘは、カソード２０から電子が放出される方向及びリフレクタ３０が電子を反射する方向（すなわち、リフレクタ３０の電子反射面に直交する方向）に沿って形成されており、本実施形態では、アークチャンバ１０の上壁部１３及び下壁部１５と平行に形成されている。
なお、電子やプラズマは必ずしもこの電子通過領域Ｘ内のみに存在しているわけではなく、この領域から僅かに離れて存在することもある。

なお、本実施形態では、上述したアークチャンバ１０の外部には、アークチャンバ１０内に、カソード２０とリフレクタ３０との対向方向に沿った磁界を発生させる磁石４０が設けられている。この磁石４０は、例えば電磁石であるが、永久磁石でもよい。磁界の向きは、図１とは逆向きであっても良い。

スパッタターゲット５０は、上述した電子やプラズマによってスパッタリングされてアルミニウムイオンを放出するものであり、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ_４）等の固形状のアルミニウム化合物からなるものである。
なお、本実施形態では、イオンビームＩＢの注入品質を考慮して窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるものを用いている。

このスパッタターゲット５０は、図１〜図３に示すように、例えば回転体形状をなすものであり、その中央に厚み方向に貫通して形成された貫通孔５１に例えば螺子等の固定部材６０を挿通してアークチャンバ１０に固定されている。
本実施形態のスパッタターゲット５０は、アークチャンバ１０の下壁部１５に設けられており、より詳細にはイオン引出し口１２に対向する位置、すなわち下壁部１５の中央に設けられている。

また、スパッタターゲット５０の上面である先端面５２は、電子通過領域Ｘに対面して当該電子通過領域Ｘの下方に位置しており、このスパッタターゲット５０は電子通過領域Ｘを遮ることなくアークチャンバ１０の下壁部１５に設けられている。
なお、スパッタターゲット５０が電子通過領域Ｘを遮らないためには、スパッタターゲット５０の高さ寸法、すなわちアークチャンバ１０の底面（本実施形態では、下壁部１５の内面）からスパッタターゲット５０の先端面５２までの距離が、アークチャンバ１０の底面からカソード２０の下端（本実施形態では、陰極部材２１の下端）までの距離よりも小さく設定されていることが好ましい。

そして、本実施形態のスパッタターゲット５０は、特に図２及び図３に示すように、電子通過領域Ｘ側の先端部５４から基端５３側に行くにつれて外側に広がるように傾斜した傾斜面５５を有するものである。

この傾斜面５５は、少なくとも前記先端部５４のカソード２０側とリフレクタ３０側との互いに対向する位置それぞれに形成されており、本実施形態では、先端面５２における外縁全周から基端５３側に行くにつれて外側に広がるように傾斜している。
つまり、この傾斜面５５は、スパッタターゲット５０の先端から基端５３に向かって所定の範囲をテーパ状に形成したものであり、その法線方向が斜め上方、すなわち電子通過領域Ｘに向かうように形成されている。

この構成により、本実施形態のスパッタターゲット５０は、先端面５２から基端５３側に行くにつれて断面の外縁形状が徐々に大きくなる形状をなしており、このスパッタターゲット５０をその中心軸（本実施形態では回転軸）に平行な平面で切った断面形状において、前記傾斜面５５が先端面５２から基端５３側に向かって末広がりになる。

このように構成された本実施形態に係るイオン源１００によれば、スパッタターゲット５０が先端面５２から基端５３側に向かって徐々に広がる傾斜面５５を有しているので、カソード２０やリフレクタ３０の材質（モリブデンやタングステン等）に起因してアークチャンバ１０内に生じた物質は、この傾斜面５５に当たって斜め上方の電子通過領域Ｘに向かう。これにより、上述した物質は、アークチャンバ１０の底面に堆積しにくくなり、アークチャンバ１０の底面に堆積した物質が剥離することで生じる引出し電極２００の短絡を防ぐことができる。

さらに、スパッタターゲット５０が、電子通過領域Ｘを遮ることなく設けられているので、電子通過領域Ｘを通過する電子やこの電子により生じるプラズマは、スパッタターゲット５０にほとんど直接照射されず、これにより、スパッタターゲット５０から放出するイオンの放出量を抑えることができ、過大なイオン放出による引出し電極２００の短絡を防止することができる。
また、電子通過領域Ｘから僅かにずれて通過する電子がスパッタターゲット５０に直接照射されたとしても、先端面５２から基端５３側に向かって徐々に広がる傾斜面５５を有しているので、単位面積当たりの照射量を減少させることができ、イオンの放出量を抑えることができる。

そのうえ、傾斜面５５が先端面５２の外縁全周から形成されるように、スパッタターゲット５０の形状をテーパ状にしているので、先端面５２の面積が小さくなり、カソード２０やリフレクタ３０起因の物質等がこの先端面５２に堆積する量を減らすことができ、この先端面５２に堆積したものが剥離することにより生じる引出し電極２００の短絡を防止することができる。
また、傾斜面５５が先端面５２の外縁全周から形成されているので、スパッタターゲット５０の周囲から当該スパッタターゲット５０に向かってくる物質をほぼ全て斜め上方に跳ね返すことができ、アークチャンバ１０の底面にこれらの物質をより堆積しにくくすることができる。

上述したように、本実施形態に係るイオン源１００によれば種々の原因で発生する引出し電極２００の短絡を防止することができる。これにより、図４の実験結果に示すように、従来であればイオン照射装置が約４０分で引出し放電により異常停止するところ、本実施形態に係るイオン源１００を用いた場合、１時間経過しても引出し放電による異常停止は発生せず、操業安定性を向上させることができた。

加えて、スパッタターゲット５０が回転体形状をなすので、スパッタターゲット５０をアークチャンバ１０の底面に固定する際に、回転軸に対してどのように回転させて固定したとしても上述した作用効果を発揮することができ、スパッタターゲット５０の取り付けが容易である。

さらに加えて、スパッタターゲットとしてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を、イオンガスとして３フッ化ホウ素（ＢＦ_３）を用いた場合、イオンビーム中に質量数の等しいＢＯ^＋イオンとＡｌ^＋イオンとが混在し（いずれも質量数２７）、これらを選別することが困難になりイオンビームの注入品質が低下しがちであるところ、スパッタターゲット５０として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いており、イオンガスとして３フッ化リン（ＰＦ_３）を用いているので、上述した問題が生じにくい。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、スパッタターゲット５０の形状は、回転体形状に限らず、図５に示すように、所定の厚みを有する直方体の上面をテーパ状にしたものであっても良い。
より詳細にこのスパッタターゲット５０は、先端面５２の外縁における互いに対向した長辺部それぞれに傾斜面５５が形成されたものである。なお、短辺部それぞれに傾斜面５５を形成したものであっても良いし、長辺部及び短辺部それぞれ、つまり先端面５２の外縁全周に亘って傾斜面５５を形成しても良い。ただし、短辺部に傾斜面５５を形成するより、長辺部に傾斜面５５を形成する方が、傾斜面５５の全体面積を大きくすることができ、上述した作用効果を得るには有利である。
また、このスパッタターゲット５０をアークチャンバ１０に配設する際は、前記長辺部をカソード２０とリフレクタ３０との対向方向に沿うように固定しても良いし、前記長辺部をカソード２０とリフレクタ３０との対向方向に直交するように固定しても良い。

さらに、スパッタターゲットの形状は円柱や直方体の上面をテーパ状にしたものに限らず、例えば立方体や多角柱の上面をテーパ状にしたものであっても良いし、円錐形状であっても良い。

加えて、傾斜面５５は必ずしも先端面５２から形成されている必要はなく、図６に示すように、スパッタターゲット５０の外側周面の一部を傾斜させて形成したものであっても良い。
具体的にこのスパッタターゲット５０は、互いに一体に成型された、円柱状をなす台座部５７Ａと、切頭円錐形状をなす胴部５７Ｂと、円柱状をなす頭部５７Ｃと有するものである。そして、この胴部５７Ｂの外側周面が、傾斜面５５として形成されている。

さらに、前記実施形態では、先端面の外縁全周に亘って傾斜面が形成されていたが、必ずしも外縁全周に亘って傾斜面が形成されている必要なく、例えば先端面の外縁における一部に傾斜面が形成されていても良い。

また、前記実施形態のスパッタターゲットは下壁部に設けられていたが、電子通過領域の周囲であれば、前壁部や後壁部等に設けても良い。

さらに、アークチャンバ内に設けられたスパッタターゲットの設置高さを調整する高さ調整機構を有しても良い。
具体的な実施態様としては、例えば、スパッタターゲットとアークチャンバとの間にワッシャ等の高さ調整部材を介在させる機構が挙げられる。
これにより、スパッタターゲットとしてサイズの小さいものを用いる場合であっても、上述した高さ調整機構によりスパッタターゲットを電子通過領域に近づけることができ、イオンビームを効率的に引き出しながらも、スパッタターゲットの材料費を削減することができる。

加えて、前記実施形態のスパッタターゲットは、アークチャンバ内において電子通過領域を遮ることなく設けられていたが、スパッタターゲットは、その一部が電子通過領域内に位置し、電子通過領域の一部を遮るように設けられていても構わない。

また、前記実施形態では、イオン源としてＩＨＣイオン源を用いていたが、バーナスタイプのイオン源を用いても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・イオン源
２００・・・引出し電極
１０ ・・・アークチャンバ
２０ ・・・カソード
３０ ・・・リフレクタ
５０ ・・・スパッタターゲット
５２ ・・・先端面
５５ ・・・傾斜面
Ｘ ・・・電子通過領域

Claims (8)

1. アークチャンバと、
   前記アークチャンバ内に電子を放出するカソードと、
   前記カソードに対向して設けられ、前記カソードから放出された電子を反射するリフレクタと、
   前記アークチャンバ内において、少なくとも一部が前記カソード及び前記リフレクタの間に形成される電子通過領域の周囲に設けられ、電子又はプラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するスパッタターゲットとを具備し、
   前記スパッタターゲットが、前記電子通過領域側の先端部から基端側に行くにつれて外側に広がるように傾斜した傾斜面を有していることを特徴とするイオン源。
2. 前記スパッタターゲットが、前記アークチャンバ内において前記電子通過領域を遮ることなく設けられていることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
3. 前記アークチャンバが、外部にイオンを引き出すイオン引出し口が形成された上壁部と、該上壁部に対向する下壁部とを有し、
   前記スパッタターゲットが、前記下壁部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン源。
4. 前記傾斜面が、前記先端部において互いに対向する位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか一項に記載のイオン源。
5. 前記傾斜面が、前記スパッタターゲットの先端面における外縁全周から形成されたテーパ状をなすことを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか一項に記載のイオン源。
6. 前記スパッタターゲットが、概略回転体形状をなすことを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか一項に記載のイオン源。
7. 請求項１乃至６のうち何れか一項に記載のイオン源を用いていることを特徴とするイオン照射装置。
8. アークチャンバと、前記チャンバ内に電子を放出するカソードと、前記カソードに対向して設けられ、前記カソードから放出された電子を反射するリフレクタとを具備するイオン源に用いられるものであって、
   前記アークチャンバ内において、少なくとも一部が前記カソード及び前記リフレクタの間に形成される電子通過領域の周囲に設けられ、電子又はプラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するものであり、前記電子通過領域側の先端部から基端側に行くにつれて外側に広がるように傾斜した傾斜面を有していることを特徴とするスパッタターゲット。