JP2016115508A - イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ１０内にパーティクルを発生させることなく、電極系３０を構成する少なくとも１つの電極とプラズマ生成容器２１との距離を調整する。【解決手段】電極系３０を構成する少なくとも１つの電極を移動対象電極として、当該移動対象電極とプラズマ生成容器２１との距離を調整する距離調整機構４０を具備し、距離調整機構４０が、チャンバ１０内に配置され、移動対象電極を支持する内側支持部材４１と、チャンバ１０外に配置され、内側支持部材４１に接続された外側支持部材４２と、外側支持部材４２を駆動することにより、内側支持部材４１を介して移動対象電極をプラズマ生成容器２１に対して進退移動させる駆動機構４３と、チャンバ１０外に配置され、外側支持部材４２の動きをガイドするガイド部材４４とを有するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットにイオンビームを照射するイオンビーム照射装置に使用されるイオン源に関するものである。

この種のイオン源は、特許文献１に示すように、アークチャンバー（プラズマ生成容器とも呼ばれる。）と、前記プラズマ生成容器からイオンビームを引き出す複数の電極とを具備したものがある。

このイオン源は、前記複数の電極のうち少なくとも１つの電極とプラズマ生成容器との距離を調整する距離調整機構をさらに具備し、イオンビームの発散角度等を制御できるように構成されている。

前記距離調整機構は、ここでは前記複数の電極のうち減速電極および接地電極を移動対象電極とするものであり、チャンバ内に位置するとともに前記移動対象電極を支持する支持部材と、前記支持部材に螺合するボールネジとを有している。
この構成により、前記ボールネジを回転駆動させることで、前記支持部材を介して移動対象電極をプラズマ生成容器に対して進退移動させるようにしている。

ところが、上述した構成では、チャンバ内に位置する支持部材にボールネジが螺合しているので、ボールネジと支持部材との螺合箇所で生じるパーティクルがチャンバ内に飛散してしまい、このパーティクルがターゲットに付着するとイオン注入不良を引き起こすという問題が生じる。

実開昭６２−１１６４３５号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであって、チャンバ内にパーティクルを発生させることなく、電極とプラズマ生成容器との距離を調整できるようにする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、プラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器からイオンビームを引き出す複数の電極からなる電極系と、前記電極系を収容するチャンバとを具備するものであって、前記電極系を構成する少なくとも１つの電極を移動対象電極として、当該移動対象電極と前記プラズマ生成容器との距離を調整する距離調整機構をさらに具備している。
前記距離調整機構は、前記チャンバ内部に配置される前記移動対象電極を支持する内側支持部材と、前記チャンバ外に配置される前記内側支持部材に接続された外側支持部材とを具備しており、前記外側支持部材を駆動することにより、前記内側支持部材を介して前記移動対象電極を前記プラズマ生成容器に対して進退移動させるものである。そして、前記距離調整機構は、前記チャンバ外に配置されるとともに前記外側支持部材の動きをガイドするガイド部材を有するものであることを特徴とする。

このようなイオン源であれば、移動対象電極を進退移動させるための駆動機構が、チャンバ外に配置されるので、駆動機構が外側支持部材を駆動させることによりパーティクルが生じたとしても、チャンバ内ではパーティクルが生じることはない。これにより、チャンバ内にパーティクルを発生させることなく、移動対象電極とプラズマ生成容器との距離を調整することができる。
また、外側支持部材の動きをガイドするガイド部材が、チャンバ外に配置されているので、外側支持部材とガイド部材とが擦れてパーティクルが生じたとしても、このパーティクルがチャンバ内には侵入することはない。これにより、チャンバ内にパーティクルを発生させることなく、外側支持部材を安定して移動させることができ、上述した距離調整を精度良く行えるようになる。

より具体的には、前記電極が複数の孔もしくはスリットを有するものであり、前記距離調整機構が、前記移動対象電極を前記電極の配列方向に沿って進退移動される構成が挙げられる。

また、チャンバ内を気密に保ちながら、移動対象電極とイオン源との距離を調整するためには、前記チャンバが、前記移動対象電極の進退方向に沿って伸縮可能に設けられたベローズを具備したものであり、前記外側支持部材が、前記ベローズに接続されるとともに該ベローズの開口を閉塞しており、前記内側支持部材が、前記外側支持部材のうち前記ベローズの開口に囲まれている部分に接続されていることが好ましい。

移動対象電極を安定した姿勢で移動させるためには、前記駆動機構が、前記移動対象電極を支持するとともに、前記移動対象電極の進退方向に沿って進退する駆動源を有し、前記移動対象電極の進退方向を高さ方向と定義したとき、前記駆動源が前記移動対象電極を支持する支持点と前記移動対象電極の重心との高さが一致するように構成されていることが好ましい。

チャンバ内で移動対象電極を安定して支持するためには、前記距離調整機構を複数具備しており、複数の前記内側支持部材が、前記移動対象電極の周縁部における複数箇所を支持していることが好ましい。

イオンビームの発散角度等を制御するための具体的実施態様としては、前記電極系が、加速電極及び引出電極を有しており、前記移動対象電極が、前記引出電極である構成が挙げられる。

このように構成した本発明によれば、チャンバ内にパーティクルを発生させることなく、電極系を構成する少なくとも１つの電極とイオン源との距離を調整することができる。

本実施形態のイオン源の全体構成を模式的に示す図。 本実施形態の距離調整機構を模式的に示す拡大図。 その他の実施形態におけるイオン源の全体構成を模式的に示す図。 その他の実施形態におけるイオン源の全体構成を模式的に示す図。 その他の実施形態における距離調整機構を模式的に示す拡大図。 その他の実施形態における複数の距離調整機構を模式的に示す図。

本発明に係るイオン源の一実施形態について説明する。

本実施形態のイオン源１００は、例えばイオン注入装置やイオンドーピング装置等のイオンビーム照射装置に用いられ、図１に示すように、プラズマ生成容器２１と、前記プラズマ生成容器２１からイオンビームを引き出す複数の電極からなる電極系３０と、前記プラズマ生成容器２１に取り付けられて、前記電極系３０を支持するチャンバ１０とを具備し、内部を真空状態にして使用されるものである。

以下、各部について説明する。

前記チャンバ１０は、所定の真空度に保たれるものであり、プラズマ生成容器２１から引き出されたイオンビームを内部に導くためのイオンビーム導入口１０ａが形成されている。

前記プラズマ生成容器２１は、イオンビームの引出し口２０ａが形成されるとともに、該引出し口２０ａが前記イオンビーム導入口１０ａに対向するように、前記チャンバ１０にネジ等で取り付けられている。
具体的にこのものは、プラズマ生成容器２１の内部に、ホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）等のプロセスガスが導入されて、前記引出し口２０ａからリン、ヒ素、ボロン等のイオンを含むリボン状のイオンビームが引き出されるように構成されている。
なお、本実施形態のイオン源１００は、プラズマ生成容器２１の外部に設けられるとともに当該プラズマ生成容器２１の内部にカプス磁石を形成する複数の磁石（図示しない）や、プラズマ生成容器２１内でプロセスガスを電子衝突によって電離させてプラズマを生成する電離手段（図示しない）などをさらに具備している。

前記電極系３０は、前記チャンバ１０内に設けられた複数の電極から構成されており、前記引出し口２０ａからイオンビームを引き出すとともに、該イオンビームを所定の状態にして半導体基板やガラス基板に照射するためのものである。なお、ここでいう所定の状態とは、所定のエネルギーや所定の発散角度などである。
本実施形態の電極系３０は、前記引出し口２０ａの外側近傍に設けられた加速電極３１と、前記加速電極３１のさらに外側に設けられた引出電極３２、抑制電極３３および接地電極３４とからなる。

各電極３１〜３４は、ここでは、多数の孔もしくはスリットを有した概略矩形状をなす金属板であり、互いに電気的に絶縁されるとともに、各電極３１〜３４に印加する電圧を独立に制御できるように構成してある。

本実施形態では、図１に示すように、前記加速電極３１はチャンバ１０に対して固定されており、前記抑制電極３３および接地電極３４は、共通の保持ホルダ３５に保持されるとともにチャンバ１０に対して固定されている。

しかして、本実施形態のイオン源１００は、前記引出電極３２を移動対象電極として、該引出電極３２と、プラズマ生成容器２１、加速電極３１、抑制電極３３及び接地電極３４それぞれとの距離を調整する距離調整機構４０をさらに具備している。
なお、本実施形態では、イオンビームを所望の角度に発散、集束すべく、イオンビームのエネルギーに応じて、引出電極３２と加速電極３１との距離を調整するようにしている。

この距離調整機構４０は、引出電極３２を、プラズマ生成容器２１に最も近づく最近接位置と、プラズマ生成容器２１から最も離れる最離間位置との間で進退移動させるものであり、以下では、説明の便宜上、引出電極３２の進退方向を高さ方向ともいう。
なお、この高さ方向は鉛直方向に沿った方向に限定される方向ではなく、鉛直方向から傾いた方向や水平方向であっても構わない。

具体的に前記距離調整機構４０は、図１及び図２に示すように、チャンバ１０内に設置され、引出電極３２を支持する内側支持部材４１と、チャンバ１０外に設置され、前記内側支持部材４１に接続された外側支持部材４２と、前記外側支持部材４２を駆動する駆動機構４３と、外側支持部材４２の動きをガイドするガイド部材４４と、引出電極３２の移動距離を計測する距離計測機構４６とを具備してなる。

以下、各部について説明するが、その前に上述したチャンバ１０について捕捉する。

本実施形態のチャンバ１０は、図１及び図２に示すように、チャンバ本体１１と、両端が開口した筒状をなすベローズ１２と、チャンバ本体１１及びベローズ１２の間に介在して設けられた絶縁体１３とを有している。

前記チャンバ本体１１は、上述した高さ方向と直交する方向に延びるフランジ部１１１を有したものであり、前記フランジ部１１１により形成された内部空間Ｓに内側支持部材４１の一部を収容するとともに、前記フランジ部１１１に形成された貫通孔１１１ａに内側支持部材４１が挿通されるように構成されている。

前記ベローズ１２は、軸方向に沿って伸縮可能なものであり、その軸方向が前記高さ方向と平行になるように設けられている。ここでは、前記フランジ部１１１に形成された貫通孔１１１ａと連通するように配置された溶接ベローズである。

前記絶縁体１３は、例えばアルミナセラミックにより形成された筒状をなすものであり、一端開口が前記貫通孔１１１ａに連通するとともに、他端開口が前記ベローズ１２の内部に連通するように配置されている。

続いて、上述した距離調整機構４０を構成する各部について図１及び図２を参照して説明する。

前記内側支持部材４１は、特に図２に示すように、一端部４１ｘが引出電極３２の外周部に接続されるとともに、他端部４１ｙが外側支持部材４２に接続されるものであり、ここでは、例えば板状部材を屈曲させたものである。

より具体的にこのものは、引出電極３２から前記内部空間Ｓに向かって延びる第１内側要素４１１と、第１内側要素４１１から屈曲して前記貫通孔１１１ａに向かって延びるとともに、前記貫通孔１１１ａ、前記絶縁体１３及び前記ベローズ１２を挿通する第２内側要素４１２とから構成されている。つまり、前記第１内側要素４１１は、前記高さ方向と直交する方向に沿って延びており、前記第２内側要素４１２は、前記高さ方向に沿って上方に延びている。

前記外側支持部材４２は、特に図２に示すように、一端部４２ｘが前記内側支持部材４１の他端部４１ｙ（本実施形態では、前記第２内側要素４１２の上端部）にネジ等で接続されるとともに、他端部４２ｙが駆動機構４３により支持されるものであり、ここでは、例えば板状部材を屈曲させたものである。

より具体的にこのものは、内側支持部材４１に接続されるとともに前記フランジ部１１１の延伸方向に沿って延びる第１外側要素４２１と、第１外側要素４２１から屈曲して高さ方向に沿って第２内側要素４１２とは逆向きに延びる第２外側要素４２２とから構成されている。つまり、前記第１外側要素４２１は、前記高さ方向と直交する方向に沿って前記第１内側要素４１１と同じ向きに延びており、前記第２外側要素４２２は、前記高さ方向に沿って下方に延びている。
この構成により、第２内側要素４１２及び第２外側要素４２２は、フランジ部１１１の延伸方向における外端面１１１ｂを挟むように配置されていることになる。

前記第１外側要素４２１は、上述したベローズ１２の上端部にネジ等で接続されるとともに、該ベローズ１２の上端開口を閉塞するものであり、チャンバ１０内の圧力と外気圧との差圧によって、ベローズ１２が縮む方向、つまり引出電極３２がプラズマ生成容器２１から離間する方向に付勢されている。
本実施形態では、この第１外側要素４２１におけるベローズ１２の上端開口に囲まれた部分に、前記第２内側要素４１２の上端部が接続されており、これにより、内側支持部材４１と外側支持部材４２との接続箇所Ｐは、ベローズ１２の内側に位置している。

前記第２外側要素４２２は、駆動機構４３からの駆動力を受けて高さ方向に沿って移動可能に設けられており、本実施形態では、後述するガイド部材４４に取り付けられている。

前記駆動機構４３は、チャンバ１０外に設けられたものであり、ここでは、前記外側支持部材４２を高さ方向に沿って駆動する駆動源たるネジ部材４３１と、前記ネジが螺合するネジ孔が形成されるとともに、前記チャンバ本体１１に固定された固定部材４３２とを有している。

前記ネジ部材４３１は、前記ネジ孔に螺合しながら高さ方向に沿って上下動するものであり、ここでは例えば押しネジである。

前記固定部材４３２は、例えば平板状をなすとともに、前記ネジ孔が厚み方向に貫通して形成されており、本実施形態では、このネジ孔が、外側支持部材４２の他端部４２ｙ（本実施形態では、第２外側要素４２２の下端部）の下方に対向配置されている。

上述した構成により、前記ネジ孔にネジ部材４３１を螺合させることで、ネジ部材４３１の先端が外側支持部材４２の他端部４２ｙに当接することになる。つまり、前記ネジ部材４３１は、外側支持部材４２を直接支持するとともに、外側支持部材４２を高さ方向に沿って駆動させるものである。
なお、本実施形態では、ネジ部材４３１が外側支持部材４２を支持する支持点と、引出電極３２の重心との高さが一致するように、言い換えれば、第２外側要素４２２の下端と引出電極３２の重心との高さが一致するように構成されている。

ガイド部材４４は、外側支持部材４２を所定の方向に沿って移動させるものであり、図２に示すように、フランジ部１１１の前記外端面１１１ｂにアルミナセラミック等の絶縁体４５を介して固定されている。
具体的にこのものは、外側支持部材４２を高さ方向に沿って移動させるように構成された例えばＬＭガイド（登録商標）であり、本実施形態では、このＬＭガイド（登録商標）に上述した第２外側要素が取り付けられている。

前記距離計測機構４６は、例えばマイクロメータ等を用いたものであり、ここでは、前記マイクロメータが、前記固定部材４３２を介してチャンバ本体１１に固定されており、該マイクロメータの先端が外側支持部材４２に取り付けられた部材に当接するように構成されている。

続いて、上述した距離調整機構４０の動作について説明する。

まず、前記引出電極３２をプラズマ生成容器２１に近づける場合を説明する。
この場合、前記ネジ部材４３１を所定の方向に回転させることにより、ネジ部材４３１の先端が外側支持部材４２を高さ方向に沿って押し上げる。
これにより、ベローズ１２が伸びながら、外側支持部材４２と内側支持部材４１とが連動して高さ方向に沿って上方に移動し、前記引出電極３２は、内側支持部材４１を介して最近接位置と最離間位置との間でプラズマ生成容器２１に近づく。

次に、前記引出電極３２をプラズマ生成容器２１から離す場合を説明する。
この場合、前記ネジ部材４３１を前記所定の方向と逆向きに回転させることにより、ネジ部材４３１の先端が外側支持部材４２から離間しようとする。
このとき、上述したように、外側支持部材４２にはベローズ１２が縮む方向に付勢力が作用しているところ、前記ネジ部材４３１の動きに連動して、外側支持部材４２はベローズ１２が縮む方向に移動する。
これにより、ベローズ１２が縮みながら、外側支持部材４２と内側支持部材４１とが連動して高さ方向に沿って下方に移動し、前記引出電極３２は、内側支持部材４１を介して最近接位置と最離間位置との間でプラズマ生成容器２１から離れていく。

このように構成された本実施形態に係るイオン源１００であれば、駆動機構４３によって、チャンバ１０外に位置する外側支持部材４２を駆動させることで、引出電極３２をプラズマ生成容器２１に対して進退移動させることができる。
加えて、外側支持部材４２の動きをガイドするガイド部材４４が、チャンバ１０外に配置されているので、外側支持部材４２とガイド部材４４とが擦れてパーティクルが生じたとしても、このパーティクルがチャンバ１０内には侵入することはない。
これにより、内側支持部材４１を直接駆動させる必要がなく、チャンバ１０内にパーティクルを発生させずに引出電極３２と加速電極３１との距離を調整することができる。

また、外側支持部材４２が、チャンバ１０を構成するベローズ１２に接続されるとともに、該ベローズ１２の開口を閉塞するように設けられているので、チャンバ１０内を気密に保ちながら、引出電極３２とプラズマ生成容器２１との距離を調整することができる。

さらに、駆動源たるネジ部材４３１が引出電極３２を支持する支持点と引出電極３２の重心との高さが一致しているので、引出電極３２を安定した姿勢で移動させることができる。

そのうえ、チャンバ本体１１のフランジ部１１１によって形成された内部空間Ｓに内側支持部材４１の一部を収容しているので、装置全体をコンパクトにすることができる。

加えて、距離調整機構４０が引出電極３２の移動距離を計測する距離計測機構４６を具備するので、例えば引出電極３２と加速電極３１との距離など、イオンビームの制御に用いるためのパラメータとなる距離を精密に調整することが可能となる。

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、前記実施形態では、距離調整機構４０が、電極系３０を構成する電極３１〜３４のうち引出電極３２をイオン源２０に対して進退移動させるものであったが、図３に示すように、引出電極３２とは異なる電極（例えば抑制電極３３や接地電極３４）をプラズマ生成容器２１に対して進退移動させても良い。また、移動対象電極は、１枚の電極には限られず、電極系３０を構成する複数の電極としても良いし、電極系３０を構成する全ての電極としても良い。

また、前記実施形態の電極系３０は、加速電極３１、引出電極３２、抑制電極３３及び接地電極３４の４枚から構成されていたが、図３に示すように、電極系３０は、例えば、引出電極３２、抑制電極３３及び接地電極３４の３枚から構成されていても良い。もちろん、２枚の電極や、５枚以上の電極から構成されていても構わない。

前記実施形態の駆動機構４３は、動力源たるネジ部材４３１として押しネジを利用したものであったが、図４に示すように、ネジ部材４３１としてボールネジを利用したものであっても良い。
より詳細には、前記ボールネジは、チャンバ１０外に配置されるとともに、外側支持部材４２に螺合するものであり、該ボールネジを回転させることにより、外側支持部材４２が高さ方向に沿って駆動するように構成されている。
また、前記実施形態のガイド部材４４は、第２外側要素４２２に取り付けられていたが、図４に示すように、第１外側要素４２１に取り付けられていても良い。

加えて、前記実施形態では、ベローズ１２によってチャンバ１０内を気密に保っていたが、図４に示すように、距離調整機構４０が、内側支持部材４１及び外側支持部材４２を連結する中間部材４７を有し、前記中間部材４７がシール部材５０を介してチャンバ本体１１に形成された貫通孔１１１ａに挿通されるようにしても良い。
この構成により、ベローズ１２を不要にすることができ、装置全体を安価で簡易な構成にすることができる。一方、上述したシール部材５０と中間部材４７とが擦れるとパーティクルが発生する恐れがあることから、チャンバ１０内におけるパーティクルの発生を抑制する観点では、前記実施形態で述べたベローズ１２や非接触での摺動が可能なエアベアリングを用いた構成の方が有利である。

また、前記実施形態のベローズ１２は、両端が開口した筒状をなす溶接ベローズであったが、図５に示すように、上端開口が閉塞されたものであっても良い。この場合、図５に示すように、前記上端開口を閉塞する部材は、外側支持部材４２の一部を構成している。
なお、ベローズ１２は、溶接ベローズに限られず、成形ベローズであっても構わない。

加えて、図６に示すように、イオン源１００が、前記距離調整機構４０を複数具備したものであり、前記複数の距離調整機構４０の各前記内側支持部材４１が、移動対象電極たる引出電極３２の外周部を支持するようにしても良い。
これならば、チャンバ１０内で移動対象電極を安定して支持することができる。
引出電極３２をより安定して支持するためには、各内側支持部材４１が、引出電極３２の外周部における例えば各角部それぞれを支持する構成が好ましい。

そのうえ、前記実施形態では、チャンバ本体のフランジ部とベローズとの間に絶縁体を介在させていたが、ベローズと外側支持部材との間に絶縁体を介在させても良い。
さらに、上述した絶縁体を不要にするためには、外側支持部材（特に第１外側要素）をアルミナセラミック等の絶縁性を有する部材する構成が挙げられる。

また、前記実施形態では、マイクロメータの先端部が外側支持部材に取り付けられた部材に当接していたが、前記先端部が外側支持部材に直接当たるようにしても構わない。

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
１０ ・・・チャンバ
１１ ・・・チャンバ本体
１２ ・・・ベローズ
２１ ・・・プラズマ生成容器
２０ａ・・・引出し口
３０ ・・・電極系
３２ ・・・引出電極
４０ ・・・距離調整機構
４１ ・・・内側支持部
４２ ・・・外側支持部
４３ ・・・駆動機構
４３１・・・ネジ部材

Claims (6)

1. プラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器からイオンビームを引き出す複数の電極からなる電極系と、前記電極系を収容するチャンバとを具備するイオン源であって、
   前記電極系を構成する少なくとも１つの電極を移動対象電極として、当該移動対象電極と前記プラズマ生成容器との距離を調整する距離調整機構をさらに具備し、
   前記距離調整機構が、
   前記チャンバ内に配置され、前記移動対象電極を支持する内側支持部材と、
   前記チャンバ外に配置され、前記内側支持部材に接続された外側支持部材と、
   前記外側支持部材を駆動することにより、前記内側支持部材を介して前記移動対象電極を前記プラズマ生成容器に対して進退移動させる駆動機構と、
   前記チャンバ外に配置され、前記外側支持部材の動きをガイドするガイド部材とを有するものであることを特徴とするイオン源。
2. 前記電極が複数の孔もしくはスリットを有するものであり、
   前記距離調整機構が、前記移動対象電極を前記電極の配列方向に沿って進退移動される請求項１記載のイオン源。
3. 前記チャンバが、前記移動対象電極の進退方向に沿って伸縮可能に設けられたベローズを具備したものであり、
   前記外側支持部材が、前記ベローズに接続されるとともに該ベローズの開口を閉塞しており、
   前記内側支持部材が、前記外側支持部材のうち前記ベローズの開口に囲まれている部分に接続さ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. 前記駆動機構が、前記移動対象電極を支持するとともに、前記移動対象電極の進退方向に沿って進退する駆動源を有し、
   前記移動対象電極の進退方向を高さ方向と定義したとき、前記駆動源が前記移動対象電極を支持する支持点と前記移動対象電極の重心との高さが一致するように構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. 前記距離調整機構を複数具備しており、
   複数の前記内側支持部材が、前記移動対象電極の周縁部における複数箇所を支持している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. 前記電極系が、加速電極及び引出電極を有しており、
   前記移動対象電極が、前記引出電極である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。