JP2017091906A - イオン生成装置、およびイオン生成装置の制御方法 - Google Patents

イオン生成装置、およびイオン生成装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】イオン照射装置の生産性向上に役立つイオン生成装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】イオン生成装置は、現イオンソース条件および現イオンソース条件の次に運用される新イオンソース条件に従ってガス供給部７０およびプラズマ励起源７２を制御するよう構成されたイオンソース制御部１０２と、現イオンソース条件の保持時間を取得する保持時間取得部１０４と、新イオンソース条件に適する表層領域をプラズマチャンバ内壁に形成するためのプレトリートメントを定めるプレトリートメント条件を、現イオンソース条件、保持時間、および新イオンソース条件に基づいて設定するよう構成されたプレトリートメント条件設定部１０６と、を備える。イオンソース制御部１０２は、現イオンソース条件から新イオンソース条件に変更するときプレトリートメント条件にてガス供給部７０およびプラズマ励起源７２を制御するよう構成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、イオン生成装置、およびイオン生成装置の制御方法に関する。
イオン生成装置は、イオン注入装置などのイオンを被処理物に照射する装置に搭載されるイオンソースとして用いられる。そのようなイオン照射装置においては、ある照射プロセスと別の照射プロセスとを異なるレシピ（例えば、異なるイオン種や異なるエネルギーを有する）で処理するために、それらプロセスの合間にイオンビーム条件を切り替えることが一般に行われている。イオンビーム条件の切替はたいてい、イオン生成装置で運用されるイオンソース条件の切替を伴う。
特許第４３７４４８７号公報
イオンソース条件の切替直後はイオンビームの品質が必ずしも十分に安定しない。そのため、新たなイオンソース条件の運用開始からしばらくの間、イオンビームの安定を待つ必要がある。イオン照射装置の生産性を向上するうえで、この待ち時間の短縮が望まれる。
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオン照射装置の生産性向上に役立つイオン生成装置およびその制御方法を提供することにある。
本発明のある態様によると、イオン生成装置は、プラズマにさらされるプラズマチャンバ内壁を有するプラズマチャンバと、前記プラズマチャンバに原料ガスを供給するよう構成されたガス供給部と、前記プラズマチャンバに供給された前記原料ガスをプラズマ状態に励起するよう構成されたプラズマ励起源と、現イオンソース条件および該現イオンソース条件の次に運用される新イオンソース条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御するよう構成されたイオンソース制御部と、前記現イオンソース条件の保持時間を取得する保持時間取得部と、前記新イオンソース条件に適する表層領域を前記プラズマチャンバ内壁に形成するためのプレトリートメントを定めるプレトリートメント条件を、前記現イオンソース条件、前記保持時間、および前記新イオンソース条件に基づいて設定するよう構成されたプレトリートメント条件設定部と、を備える。前記イオンソース制御部は、前記現イオンソース条件から前記新イオンソース条件に変更するとき前記プレトリートメント条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御するよう構成されている。
本発明のある態様によると、イオン生成装置の制御方法が提供される。前記イオン生成装置は、プラズマにさらされるプラズマチャンバ内壁を有するプラズマチャンバと、前記プラズマチャンバに原料ガスを供給するよう構成されたガス供給部と、前記プラズマチャンバに供給された前記原料ガスをプラズマ状態に励起するよう構成されたプラズマ励起源と、を備える。前記方法は、現イオンソース条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御することと、前記現イオンソース条件の保持時間を取得することと、前記現イオンソース条件の次に運用される新イオンソース条件に適する表層領域を前記プラズマチャンバ内壁に形成するためのプレトリートメントを定めるプレトリートメント条件を、前記現イオンソース条件、前記保持時間、および前記新イオンソース条件に基づいて設定することと、前記現イオンソース条件から前記新イオンソース条件に変更するとき前記プレトリートメント条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御することと、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組合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、イオン照射装置の生産性向上に役立つイオン生成装置およびその制御方法を提供することができる。
本発明のある実施形態に係るイオン注入装置を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るイオンソースの一部を概略的に示す斜視断面図である。 本発明のある実施形態に係るイオンソースの一部の概略断面図をイオンソースの関連要素とともに概略的に示す図である。 あるイオンソース条件から別のイオンソース条件への切り替えたときのアークチャンバの内壁の状態変化を例示する図である。 図５（Ａ）から図５（Ｄ）は、本発明のある実施形態に係り、あるイオンソース条件から別のイオンソース条件への切り替えたときのアークチャンバの内壁の状態変化を例示する図である。 本発明のある実施形態に係るイオン注入装置の制御装置を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係る現イオンソース条件の保持時間と第１プレトリートメントの実施時間との関係を例示する図である。 本発明のある実施形態に係る新イオンソース条件で使用されるガス種と第２プレトリートメントの実施時間との関係を例示する図である。 本発明のある実施形態に係るイオンソースの制御方法を概略的に示す図である。 現イオンソース条件から、本発明のある実施形態に係るプレトリートメントを経て新イオンソース条件に切り替えたときのアークチャンバ３０の内壁の物質形成量の変化を示す。 本発明のある実施形態に係るプレトリートメントの効果を表す実験例を示す図である。 本発明のある実施形態に係るプレトリートメントの効果を表す実験例を示す図である。 本発明のある実施形態に係るプレトリートメントの効果を表す実験例を示す図である。
以下、図面を参照しながら、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、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、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。
図１は、本発明のある実施形態に係るイオン注入装置１０を概略的に示す図である。図１の上部はイオン注入装置１０の概略構成を示す上面図であり、図１の下部はイオン注入装置１０の概略構成を示す側面図である。
イオン注入装置１０は、真空空間において被処理物の表面にイオン注入処理をするよう構成されている。被処理物は、例えば基板Ｗであり、例えば半導体ウエハである。よって以下では説明の便宜のため被処理物を基板Ｗまたは半導体ウエハと呼ぶことがあるが、これは注入処理の対象を特定の物体に限定することを意図していない。
イオン注入装置１０は、ビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方により基板Ｗの全面にわたってイオンビームＢを照射するよう構成されている。本書では説明の便宜上、設計上のイオンビームＢの進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。後述するようにイオンビームＢを被処理物に対し走査する場合には走査方向をｘ方向とし、ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。よって、ビームスキャンはｘ方向に行われ、メカニカルスキャンはｙ方向に行われる。
イオン注入装置１０は、イオンソース１２と、ビームライン装置１４と、注入処理室１６と、を備える。イオンソース１２は、イオンビームＢをビームライン装置１４に与えるよう構成されている。ビームライン装置１４は、イオンソース１２から注入処理室１６へとイオンを輸送するよう構成されている。また、イオン注入装置１０は、イオンソース１２、ビームライン装置１４、及び注入処理室１６に所望の真空環境を提供するための真空排気系（図示せず）を備える。
図示されるように、ビームライン装置１４は例えば、上流から順に、質量分析磁石装置１８、ビーム整形装置２０、偏向走査装置２２、Ｐレンズなどのビーム平行化装置２４、及び、角度エネルギーフィルター２６を備える。なお本書において、上流とはイオンソース１２に近い側を指し、下流とは注入処理室１６に近い側を指す。
質量分析磁石装置１８は、イオンソース１２の下流に設けられており、イオンソース１２から引き出されたイオンビームＢから必要なイオン種を質量分析により選択するよう構成されている。ビーム整形装置２０は、Ｑレンズなどの収束レンズを備えており、イオンビームＢを所望の断面形状に整形するよう構成されている。
偏向走査装置２２は、ビームスキャンを提供するよう構成されている。偏向走査装置２２は、イオンビームＢをｘ方向に走査する。こうして、イオンビームＢは、ｙ方向の幅よりも長いｘ方向の走査範囲にわたって走査される。図１において矢印Ｃによりビームスキャン及びその走査範囲を例示し、走査範囲の一端及び他端でのイオンビームＢをそれぞれ実線及び破線で示す。なお明確化のためにイオンビームＢに斜線を付して図示する。
ビーム平行化装置２４は、走査されたイオンビームＢの進行方向を平行にするよう構成されている。角度エネルギーフィルター２６は、イオンビームＢのエネルギーを分析し必要なエネルギーのイオンを下方に偏向して注入処理室１６に導くよう構成されている。このようにして、ビームライン装置１４は、基板Ｗに照射されるべきイオンビームＢを注入処理室１６に供給する。
注入処理室１６は、１枚又は複数枚の基板Ｗを保持し、イオンビームＢに対する例えばｙ方向の相対移動（いわゆるメカニカルスキャン）を必要に応じて基板Ｗに提供するよう構成されている物体保持部（図示せず）を備える。図１において矢印Ｄによりメカニカルスキャンを例示する。また、注入処理室１６は、ビームストッパ２８をビームライン終端に備える。イオンビームＢ上に基板Ｗが存在しない場合には、イオンビームＢはビームストッパ２８に入射する。
ある他の実施形態においては、イオン注入装置１０は、ｚ方向に垂直な一方向に長い断面を有するイオンビームを注入処理室１６に与えるよう構成されていてもよい。この場合、イオンビームは例えば、ｙ方向の幅よりも長いｘ方向の幅を有する。こうした細長断面のイオンビームはリボンビームと呼ばれることもある。あるいは、更なる他の実施形態においては、イオン注入装置１０は、イオンビームを走査することなく、スポット状の断面を有するイオンビームを注入処理室１６に与えるよう構成されていてもよい。
図２は、本発明のある実施形態に係るイオンソース１２の一部を概略的に示す斜視断面図である。図３は、本発明のある実施形態に係るイオンソース１２の一部の概略断面図をイオンソース１２の関連要素とともに概略的に示す図である。
イオンソース１２は、傍熱型のイオンソースであり、アークチャンバ３０と、熱電子放出部３２と、リペラー３４と、第１引出電極３６と、第２引出電極３８と、各種電源を備える。
アークチャンバ３０は、略直方体の箱型形状を有する。アークチャンバ３０は一方向に細長い形状を有しており、以下ではこの方向をアークチャンバ３０の縦方向と称する。縦方向は図２及び図３の紙面における上下方向である。
アークチャンバ３０は、高融点材料、具体的には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属やそれらの合金、グラファイト（Ｃ）等で構成されている。これにより、アークチャンバ内が比較的高温となる環境下でも、アークチャンバを溶けにくくできる。
アークチャンバ３０の縦方向一方側に熱電子放出部３２が設けられている。アークチャンバ３０の縦方向他方側にリペラー３４が設けられている。リペラー３４は熱電子放出部３２に対向する。以下では説明の便宜上、アークチャンバ３０の熱電子放出部３２側を上側と称し、アークチャンバ３０のリペラー３４側を下側と称する。
また、アークチャンバ３０の一方の側部には、原料ガスを導入するガス導入口４０が設けられている。アークチャンバ３０の他方の側部には、イオンビームＢが引き出される開口部としてのビーム引出スリット４２が形成されている。
原料ガスには、希ガスや、水素（Ｈ２）、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等の水素化物、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）等のフッ化物、三塩化インジウム（ＩｎＣｌ３）等の塩化物、等のハロゲン化物が用いられる。また、原料ガスには、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸素（Ｏ２）などの酸素原子（Ｏ）を含む物質も用いられる。
アークチャンバ３０は、チャンバ本体４４とスリット部材４６とを備える。スリット部材４６にビーム引出スリット４２が形成されている。チャンバ本体４４は、一方の側部が開放された箱部材である。スリット部材４６は、チャンバ本体４４の開放側に取り付けられる蓋である。チャンバ本体４４にスリット部材４６が取り付けられることにより、イオンソース１２のプラズマ室が形成される。熱電子放出部３２、リペラー３４、及びガス導入口４０は、チャンバ本体４４に設けられている。
アークチャンバ３０は高電圧電源４８の正極に接続されている。よって、チャンバ本体４４及びスリット部材４６には高電圧電源４８によって正の高電圧が印加される。
ビーム引出スリット４２は、スリット部材４６の上側から下側へと延びる細長スリットである。ビーム引出スリット４２は、フロントスリットとも呼ばれる。このような上下長孔は、円形などの小孔に比べて面積が大きいので、イオンソース１２から引き出されるイオンビーム量を増加することができる。
以下では説明の便宜上、ビーム引出スリット４２の延びる方向をスリット長手方向と称する。スリット長手方向は、アークチャンバ３０の縦方向に相当する。スリット長手方向は、イオンソース１２のビーム引出方向に直交する。また、以下では、スリット長手方向及びビーム引出方向の双方に直交する方向をスリット幅方向と称する。よって、図２及び図３に示される断面は、スリット長手方向及びビーム引出方向に平行な平面によるビーム引出スリット４２における断面である。図３においては、スリット長手方向は上下方向であり、ビーム引出方向は左右方向であり、スリット幅方向は紙面に垂直な方向である。
熱電子放出部３２は、アークチャンバ３０内に熱電子を放出するものであり、フィラメント５０とカソード５２を有する。熱電子放出部３２は、チャンバ本体４４のカソード取付孔に挿入され、アークチャンバ３０と絶縁された状態で固定される。また、熱電子放出部３２に関連して、フィラメント電源５４、カソード電源５６、及びアーク電源５８が設けられている。
フィラメント５０は、フィラメント電源５４で加熱され、先端に熱電子を発生させる。フィラメント５０で発生した（１次）熱電子は、カソード電源５６によるカソード電界で加速される。（１次）熱電子は、カソード５２に衝突し、その衝突時に発生する熱でカソード５２を加熱する。加熱されたカソード５２は（２次）熱電子を発生する。
アーク電源５８によってカソード５２とアークチャンバ３０との間にアーク電圧が印加されている。アーク電圧によって（２次）熱電子が加速される。（２次）熱電子は、ガス分子を電離するに十分なエネルギーを持ったビーム電子としてアークチャンバ３０内に放出される。ビーム電子は、磁場Ｍによってほぼ限定された範囲に存在するのでイオンはその範囲で主に生成される。ビーム電子は、拡散によりアークチャンバ３０の内壁、ビーム引出スリット４２、カソード５２、リペラー３４に到達し、壁面で失われる。
リペラー３４は、リペラープレート６０を有する。リペラープレート６０は、カソード５２と対向してほぼ平行に設けられている。リペラープレート６０は、アークチャンバ３０内の電子を跳ね返して、プラズマＰが生成される領域に電子を滞留させてイオン生成効率を高める。
イオンソース１２には磁場発生器６２が設けられている。磁場発生器６２はアークチャンバ３０の外に配置されている。磁場発生器６２は一対のソース磁場コイルを備え、その一方がアークチャンバ３０の上方にあり、他方がアークチャンバ３０の下方にある。磁場発生器６２によってアークチャンバ３０内に磁場Ｍが印加される。磁場Ｍはアークチャンバ３０の縦方向に印加される。
カソード５２からアークチャンバ３０に放出されたビーム電子は磁場Ｍに沿ってカソード５２とリペラー３４との間を往復移動する。往復移動するビーム電子は、アークチャンバ３０に導入された原料ガス分子と衝突し原料ガス分子を電離させてイオンを発生させ、アークチャンバ３０にプラズマＰを生成する。アークチャンバ３０が縦長であるので、プラズマＰも縦長となる。
第１引出電極３６は、アークチャンバ３０の外側に隣接して設けられている。第１引出電極３６は、スリット部材４６からビーム引出方向に隙間を空けて配置されている。第２引出電極３８は、スリット部材４６と反対側に第１引出電極３６に隣接して設けられている。第２引出電極３８は、第１引出電極３６からビーム引出方向に隙間を空けて配置されている。
第１引出電極３６及び第２引出電極３８にはそれぞれ、図示されるように、ビーム引出スリット４２に対応する開口がイオンビームＢを通すために設けられている。これらの開口は、ビーム引出スリット４２と同様に上下長孔形状を有する。第１引出電極３６及び第２引出電極３８は、例えば、ステンレス鋼、グラファイト、モリブデン、またはタングステンで形成されている。
第１引出電極３６は、サプレッション電源６４に接続されている。サプレッション電源６４は、第２引出電極３８に対して第１引出電極３６に負電位を印加するために設けられている。第２引出電極３８は接地されている。第１引出電極３６はサプレッション電極とも呼ばれる。第２引出電極３８はグランド電極とも呼ばれる。
ビーム引出は、第１引出電極３６とスリット部材４６との間に印加された電圧に応じてビーム引出スリット４２に生じる電界によって行われる。その電界により、プラズマからイオンビームＢがビーム引出スリット４２を通じて引き出される。イオンビームＢは、第１引出電極３６及び第２引出電極３８を通過し、ビームライン装置１４によって注入処理室１６に輸送され、基板Ｗに照射される。
図４は、あるイオンソース条件から別のイオンソース条件への切り替えたときのアークチャンバ３０の内壁の状態変化を例示する図である。イオンソース条件とは、イオンソース１２の運転条件であり、使用されるガス種およびその流量、プラズマ励起用の投入電力（例えば、アーク電流、アーク電圧）、印加磁場等のパラメータを含む。イオンソース条件が切り替わるとき、これらのパラメータの少なくとも１つが変更される。以下では説明の便宜上、切替前の条件を、現在運用されているイオンソース条件であることから「現イオンソース条件」と適宜称し、切替後の条件を、次に運用されるイオンソース条件であることから、「新イオンソース条件」と適宜称する。
図４の左上部は、イオンソース１２の運転が現イオンソース条件で十分な時間継続されたときのアークチャンバ３０の内壁の状態を示す。また、図４の中央上部は、現イオンソース条件から新イオンソース条件に切り替えた直後のアークチャンバ３０の内壁の状態を示し、図４の右上部は、その後新イオンソース条件でイオンソース１２の運転が十分な時間継続されたときのアークチャンバ３０の内壁の状態を示す。図４の下部は、現イオンソース条件から新イオンソース条件に切り替えたときのアークチャンバ３０の内壁の物質形成量（例えば、物質層の厚さ）の変化を示す。
本発明者の考察によると、アークチャンバ３０の内壁にはイオンソース条件に応じて異なる物質が形成されうる。例えば、図４の左上部に示されるように、現イオンソース条件においてはアークチャンバ３０に第１プラズマＰａが生成され、それにより内壁に第１物質αが形成される。現イオンソース条件から新イオンソース条件に切り替わると、図４の中央上部に示すように、第１プラズマＰａとは異なる第２プラズマＰｂがアークチャンバ３０に生成される。切替直後であるからアークチャンバ３０の内壁には依然として第１物質αが残留している。図４の右上部に示されるように、新イオンソース条件の運用開始から十分な時間が経過すると、第２プラズマＰｂによってアークチャンバ３０の内壁に第２物質βが形成される。
このように、イオンソース条件の切替はアークチャンバ３０の内壁の状態遷移を伴う。図４の下部に示されるように、現イオンソース条件で形成された第１物質αが徐々に内壁から除去され、新イオンソース条件のもとで第２物質βが徐々に内壁に形成される。内壁から除去された第１物質αはイオンビームとともにアークチャンバ３０の外に排出されると考えられる。第２物質βは内壁にある程度形成されると飽和する。
こうした遷移状態ではイオンソース１２から引き出されるイオンビームの品質が十分に安定しない。そのため、新イオンソース条件の運用開始からしばらくの間、イオンビームの安定を待つ必要がある。この待ち時間ΔＴ１は、現イオンソース条件と新イオンソース条件の組み合わせによっては、かなりの時間を要する。待ち時間ΔＴ１が終わるまでイオン注入装置１０の注入処理を開始できない。そこで、イオン注入装置１０の生産性を向上するうえで、イオンソース条件の切替に伴うイオンビーム安定待ち時間の短縮が望まれる。
そこで、イオンビーム安定待ち時間を削減すべく、本発明者らは、以下に説明する構成を考案した。
図５（Ａ）から図５（Ｄ）は、本発明のある実施形態に係り、あるイオンソース条件から別のイオンソース条件への切り替えたときのアークチャンバ３０の内壁の状態変化を例示する図である。
新イオンソース条件に適する表層領域をアークチャンバ３０の内壁に形成するための操作が、現イオンソース条件から新イオンソース条件に切り替える際に実行される。この操作を以下では、プレトリートメントと適宜称する。プレトリートメントを定めるプレトリートメント条件が現イオンソース条件と新イオンソース条件の組み合わせに応じて予め定められており、イオンソース条件の切替時に自動的にプレトリートメントが実行される。
図５（Ａ）は、図４の左上部と同様に、イオンソース１２の運転が現イオンソース条件で十分な時間継続されたときのアークチャンバ３０の内壁の状態を示す。よって、アークチャンバ３０の内壁に第１プラズマＰａが生成され、それにより内壁に第１物質αが形成されている。
図５（Ｂ）は、アークチャンバ３０の内壁に現イオンソース条件のもとで形成される第１物質αをプラズマとの反応（例えばプラズマエッチング）により内壁から除去するための第１プレトリートメントを示す。第１プレトリートメントにおいては、アークチャンバ３０に第１プレトリートメント用のプラズマ（以下、第１プレトリートメントプラズマと適宜称する）Ｐ１が生成され、それにより内壁から第１物質αが除去される。
図５（Ｃ）は、アークチャンバ３０の内壁に新イオンソース条件のもとで形成される第２物質βをプラズマとの反応（例えばプラズマ成膜）により内壁に予め形成するための第２プレトリートメントを示す。第２プレトリートメントにおいては、アークチャンバ３０に第２プレトリートメント用のプラズマ（以下、第２プレトリートメントプラズマと適宜称する）Ｐ２が生成され、それにより内壁に第２物質βが形成される。
第２プレトリートメントによってアークチャンバ３０の内壁に第２物質βが急速に蓄積された後に、図５（Ｄ）に示されるように、新イオンソース条件でのイオンソース１２の運用が開始される。アークチャンバ３０の内壁に第２物質βが既に形成されているため、新イオンソース条件の運用開始直後から安定したイオンビームを引き出すことができる。
図６は、本発明のある実施形態に係るイオン注入装置１０の制御装置１００を概略的に示す図である。制御装置１００は、ハードウエア、ソフトウエア、またはそれらの組合せによって実現される。また、図６においては、関連するイオン注入装置１０の一部の構成を概略的に示す。
イオンソース１２は、ガス供給部７０、プラズマ励起源７２、および引出電極部７４を備える。ガス供給部７０は、アークチャンバ３０に原料ガスを供給するよう構成されている。ガス供給部７０は、原料ガス源（図示せず）を備え、原料ガスを、図３に示すガス導入口４０を通じてアークチャンバ３０内に供給する。ガス供給部７０は、アークチャンバ３０内に供給される原料ガスの流量を調整するマスフローコントローラ（図示せず）を備える。
プラズマ励起源７２は、アークチャンバ３０に供給された原料ガスをプラズマ状態に励起するよう構成されている。プラズマ励起源７２は、図３に示す熱電子放出部３２および磁場発生器６２を備える。引出電極部７４は、アークチャンバ３０からイオンを引き出すよう構成されており、図３に示す第１引出電極３６および第２引出電極３８を備える。
制御装置１００は、イオンソース制御部１０２、保持時間取得部１０４、およびプレトリートメント条件設定部１０６を備える。プレトリートメント条件設定部１０６は、第１プレトリートメント設定部１０８、第２プレトリートメント設定部１１０、第１無効化判定部１１２、および第２無効化判定部１１４を備える。また、制御装置１００は、入力部１１６および出力部１１８を備える。
イオンソース制御部１０２は、現イオンソース条件および新イオンソース条件に従ってガス供給部７０およびプラズマ励起源７２を制御するよう構成されている。また、イオンソース制御部１０２は、現イオンソース条件から新イオンソース条件に変更するときプレトリートメント条件に従ってガス供給部７０およびプラズマ励起源７２を制御するよう構成されている。
保持時間取得部１０４は、現イオンソース条件の保持時間を取得するよう構成されている。
プレトリートメント条件設定部１０６は、現イオンソース条件、保持時間、および新イオンソース条件に基づいてプレトリートメント条件を設定するよう構成されている。第１プレトリートメント設定部１０８は、第１プレトリートメントを定める第１プレトリートメント条件を、現イオンソース条件および保持時間に基づいて設定するよう構成されている。第１プレトリートメント条件は、プラズマ励起用の第１投入電力（例えばアーク電力）、第１原料ガスの種類および流量、第１プレトリートメントの実施時間を含む。第２プレトリートメント設定部１１０は、第２プレトリートメントを定める第２プレトリートメント条件を、新イオンソース条件に基づいて設定するよう構成されている。第２プレトリートメント条件は、プラズマ励起用の第２投入電力、第２原料ガスの種類および流量、第２プレトリートメントの実施時間を含む。
第１無効化判定部１１２は、現イオンソース条件および／または保持時間および／または新イオンソース条件に基づいて第１プレトリートメント設定部１０８を無効化するか否かを判定するよう構成されている。第２無効化判定部１１４は、現イオンソース条件および／または保持時間および／または新イオンソース条件に基づいて第２プレトリートメント設定部１１０を無効化するか否かを判定するよう構成されている。
入力部１１６は、ユーザまたは他の装置からの、イオン注入装置１０の制御に関連する入力を受け付けるよう構成されている。入力部１１６は例えば、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段、及び／または、他の装置との通信をするための通信手段を含む。出力部１１８は、イオン注入装置１０の制御に関連する情報を出力するよう構成され、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含む。入力部１１６および出力部１１８はそれぞれ制御装置１００と通信可能に接続されている。
なお、制御装置１００は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図６では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
アークチャンバ３０の内壁に形成された第１物質αのような反応性物質を内壁から除去するには、その反応性物質の原料ガスの供給を減らすことが有効である。それとともに、原料ガスと異なるクリーニング専用のガスがアークチャンバ３０に供給されてもよい。
そこで、ガス供給部７０は、第１プレトリートメントにおいて、現イオンソース条件に使用される原料ガスとは異なる第１原料ガスをアークチャンバ３０に供給してもよい。第１原料ガスは、典型的に、希ガス、ハロゲン、または、希ガスまたはハロゲンを含有する混合ガスである。希ガスはアークチャンバ３０の内壁と反応し難い。よって、内壁表面のスパッタリングによる除去効果の促進が期待される。ハロゲン等の反応性の高いガスを使用すれば、内壁表面のエッチングによる除去効果の促進も期待される。また、アークチャンバ３０内の圧力を低くすることは第１物質αの蒸発を促進するので、アークチャンバ３０に供給されるガスの流量を比較的小さくすることも有効である。
加えて、アークチャンバ３０の内壁から反応性物質を除去するには、アークチャンバ３０の温度を高くすることも有効である。昇温により第１物質αの蒸発が促進される。そこで、第１プレトリートメントにおけるプラズマ励起源７２への第１投入電力は、現イオンソース条件におけるプラズマ励起源７２への投入電力より大きくてもよい。
第１プレトリートメントの実行中はイオン注入装置１０の注入処理が停止されるので、イオン注入装置１０の生産性を高めるうえで、第１プレトリートメントの実施時間は極力短くすることが望まれる。現イオンソース条件での第１物質αの形成量は、現イオンソース条件の保持時間にも依存する。そこで、プレトリートメント条件設定部１０６は、現イオンソース条件の保持時間に基づいて第１プレトリートメントの実施時間を決定してもよい。
図７は、本発明のある実施形態に係る現イオンソース条件の保持時間と第１プレトリートメントの実施時間との関係を例示する図である。図７に示される第１プレトリートメント実施時間テーブル１２０は、現イオンソース条件の保持時間に対応する第１プレトリートメントの実施時間を定義する。図示される第１プレトリートメント実施時間テーブル１２０においては、現イオンソース条件の保持時間が長いほど第１プレトリートメントの実施時間が長い。第１プレトリートメント実施時間テーブル１２０は予め用意され、制御装置１００に記憶されている。第１プレトリートメント実施時間テーブル１２０は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。
一方、第２プレトリートメントにおいて、アークチャンバ３０の内壁に第２物質βのような反応性物質を形成するために、ガス供給部７０は、典型的に、新イオンソース条件に使用される原料ガスと同じガス種である第２原料ガスをアークチャンバ３０に供給する。形成を促進するには原料ガス流量の増加が有効であるから、第２原料ガスの流量は、新イオンソース条件での原料ガス流量より大きいことが好ましい。
加えて、アークチャンバ３０の内壁への反応性物質を形成するには、アークチャンバ３０の温度を低くすることも有効である。降温により第２物質βの形成が促進される。そこで、第２プレトリートメントにおけるプラズマ励起源７２への第２投入電力は、新イオンソース条件におけるプラズマ励起源７２への投入電力より小さくてもよい。
図８は、本発明のある実施形態に係る新イオンソース条件で使用されるガス種と第２プレトリートメントの実施時間との関係を例示する図である。図８に示される第２プレトリートメント実施時間テーブル１２２は、新イオンソース条件で使用されるガス種に対応する第２プレトリートメントの実施時間を定義する。図示される第２プレトリートメント実施時間テーブル１２２においては、リンを含有するガス（例えばＰＨ３）が新イオンソース条件で使用される場合に第２プレトリートメントが実施されるが、他の場合（例えば、ＢＦ３、ＡｓＨ３が使用される場合）には第２プレトリートメントが実施されない。第２プレトリートメント実施時間テーブル１２２は予め用意され、制御装置１００に記憶されている。第２プレトリートメント実施時間テーブル１２２は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。
図９は、本発明のある実施形態に係るイオンソース１２の制御方法を概略的に示す図である。この方法は、制御装置１００によってイオンソース１２の運転中に実行される。図９に示されるように、イオンソース制御部１０２は、現イオンソース条件に従ってガス供給部７０およびプラズマ励起源７２を制御し、イオンソース１２を運転する（Ｓ１０）。現イオンソース条件は、イオン注入装置１０の操作者が入力部１１６から入力する。入力されたイオンソース条件がイオンソース制御部１０２に与えられる。また、入力されたイオンソース条件は、必要に応じて、出力部１１８に出力される。
保持時間取得部１０４は、現イオンソース条件の保持時間を取得する（Ｓ１２）。保持時間取得部１０４は、現イオンソース条件の運用開始からの経過時間を算出し、これを保存する。保持時間取得部１０４は、必要に応じて、現イオンソース条件の保持時間を出力部１１８に出力する。
プレトリートメント条件設定部１０６は、イオンソース条件の切替指示がなされたか否かを判定する（Ｓ１４）。イオン注入装置１０の操作者は、現イオンソース条件の次に運用される新イオンソース条件を入力部１１６から入力することができる。こうしたイオンソース条件の切替指示がなされた場合には（Ｓ１４のＹ）、プレトリートメント条件設定部１０６は、現イオンソース条件およびその保持時間と、新イオンソース条件とに基づいてプレトリートメント条件を設定する（Ｓ１６）。プレトリートメント条件は、上述のように、新イオンソース条件に適する表層領域をプラズマチャンバ内壁に形成するためのプレトリートメントを定める。プレトリートメント条件設定部１０６は、設定されたプレトリートメント条件を必要に応じて出力部１１８に出力する。イオンソース条件の切替指示がなされていない場合には（Ｓ１４のＮ）、現イオンソース条件の運用が継続される。
あるいは、イオン注入装置１０の操作者は、現在のイオンビーム条件または現在の注入レシピの次に運用される新たなイオンビーム条件または注入レシピを入力部１１６から入力することができる。この場合、プレトリートメント条件設定部１０６は、イオンビーム条件または注入レシピの切替に伴ってイオンソース条件の切替が必要であるか否かを判定してもよい。
プレトリートメント条件の設定に際し、第１無効化判定部１１２は、現イオンソース条件および／または保持時間および／または新イオンソース条件に基づいて第１プレトリートメント設定部１０８を無効化するか否かを判定してもよい。例えば、現イオンソース条件がプラズマチャンバ内壁に物質を形成し難い条件である場合や、現イオンソース条件の保持時間が短いためプラズマチャンバ内壁への形成量が十分に少ない場合には、第１プレトリートメントが省略されてもよい。あるいは、現イオンソース条件で形成される物質が新イオンソース条件に与える影響が十分に小さい場合には、第１プレトリートメントが省略されてもよい。
また、第２無効化判定部１１４は、現イオンソース条件および／または保持時間および／または新イオンソース条件に基づいて第２プレトリートメント設定部１１０を無効化するか否かを判定してもよい。例えば、新イオンソース条件がプラズマチャンバ内壁に物質を形成し難い条件である場合には、第２プレトリートメントが省略されてもよい。
第１無効化判定部１１２によって第１プレトリートメント設定部１０８が無効化されている場合を除き、第１プレトリートメント設定部１０８は、第１プレトリートメント条件を、現イオンソース条件および保持時間に基づいて設定する。また、第２無効化判定部１１４によって第２プレトリートメント設定部１１０が無効化されている場合を除き、第２プレトリートメント設定部１１０は、第２プレトリートメント条件を、新イオンソース条件に基づいて設定する。
イオンソース制御部１０２は、こうして設定されたプレトリートメント条件に従って、現イオンソース条件から新イオンソース条件に変更するときガス供給部７０およびプラズマ励起源７２を制御する。このようにして、プレトリートメントが実行される（Ｓ１８）。プレトリートメントが終了すると、イオンソース制御部１０２は、新イオンソース条件に従ってガス供給部７０およびプラズマ励起源７２を制御し、イオンソース１２を運転する。こうして、イオンソース条件の切替が完了し、新イオンソース条件の運用が開始される（Ｓ２０）。制御装置１００は、その旨を必要に応じて出力部１１８に出力してもよい。
図１０は、現イオンソース条件から、本発明のある実施形態に係るプレトリートメントを経て新イオンソース条件に切り替えたときのアークチャンバ３０の内壁の物質形成量の変化を示す。上述のように、現イオンソース条件、第１プレトリートメント条件、第２プレトリートメント条件、新イオンソース条件の順に自動的に実行される。図示されるように、第１プレトリートメント条件および第２プレトリートメント条件の所要時間はそれぞれΔＴｐ１およびΔＴｐ２である。新イオンソース条件の開始後の安定待ち時間はΔＴｗである。これらの合計である総待ち時間ΔＴ２（＝ΔＴｐ１＋ΔＴｐ２＋ΔＴｗ）は、図４に例示したプレトリートメント無しの場合の待ち時間ΔＴ１より相当に短縮されることがわかる。
図１１から図１３は、本発明のある実施形態に係るプレトリートメントの効果を表す実験例を示す図である。図１１及び図１２の実験例においては、ガス種として現イオンソース条件でＰＨ３が用いられ新イオンソース条件でＢＦ３が用いられている。図１３の実験例においては、ガス種として現イオンソース条件でＢＦ３が用いられ新イオンソース条件でＰＨ３が用いられている。
図１１には、新イオンソース条件への切替後に測定される、現イオンソース条件に由来するビーム電流が示される。図１１には、第１プレトリートメントを行っていない場合と行った場合とが図示されている。第１プレトリートメントが行われない場合には、現イオンソース条件に由来するビーム電流、つまりリンイオンビームが、新イオンソース条件の開始後も長く残る。これに対し、第１プレトリートメントが行われる場合には、新イオンソース条件への切替直後から、現イオンソース条件に由来するビーム電流が、実際上無視できる程度に十分に小さい。
図１２には、新イオンソース条件への切替後に測定される新イオンソース条件でのビーム電流が示される。図１２には、図１１と同様に、第１プレトリートメントを行っていない場合と行った場合とが図示されている。第１プレトリートメントが行われない場合には、新イオンソース条件でのビーム電流、つまりボロンイオンビームの立ち上がりに時間がかかる。これに対し、第１プレトリートメントが行われる場合には、新イオンソース条件への切替直後から、安定したビーム電流が得られる。
なお、図１１及び図１２の実験例においては、第２プレトリートメントは行われていない。
図１３には、新イオンソース条件への切替後に測定される新イオンソース条件でのビーム電流が示される。図１３には、第２プレトリートメントを行っていない場合と行った場合とが図示されている。第２プレトリートメントが行われない場合には、新イオンソース条件でのビーム電流、つまりリンイオンビームの立ち上がりに時間がかかる。これに対し、第２プレトリートメントが行われる場合には、新イオンソース条件への切替直後から、安定したビーム電流が得られる。なお、図１３の実験例においては、第１プレトリートメントは行われていない。
説明したように、イオンソース条件を切り替える際に切替前後のイオンソース条件に応じた最適な内容のプレートリートメントを最適な時間行うことにより、イオンソース条件の切替後のイオンビーム安定待ち時間が短縮される。それにより、イオン注入装置１０の生産性が向上される。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
上述の実施形態においては、引出電極部７４は、現イオンソース条件および新イオンソース条件のもとでプラズマチャンバからイオンを引き出すよう構成されている。ここで、引出電極部７４は、第１プレトリートメント条件および第２プレトリートメント条件の少なくとも一方のもとでプラズマチャンバからのイオン引出を停止するよう構成されていてもよい。第１プレトリートメントにおいて第１物質αの除去効果を高めるために高アーク電力を使うと、プラズマ密度が大きくなりすぎることがある。これにより、正常なイオンビーム引出が妨げられうる。そこで、第１プレトリートメントは、引出電圧をオフとし、イオンビームを引き出さずに実施してもよい。第２プレトリートメントについては、低アーク電力を使用することでプラズマ密度が小さくなりすぎ、イオン引出の条件が不適切になることがある。そこで、第２プレトリートメントについても同様に、引出電圧をオフとし、イオンビームを引き出さずに実施してもよい。
現イオンソース条件は、イオン生成装置の非運転条件であってもよい。このようにして、イオン生成装置の運転開始時（いわゆるコールドスタート）に適切なプレトリートメントを適用することができる。また、新イオンソース条件は、イオン生成装置の非運転条件であってもよい。このようにして、イオン生成装置の運転停止時に適切なプレトリートメントを適用することができる。
第２プレトリートメント条件は、新イオンソース条件と同じイオンソース条件であってもよい。
プレトリートメント条件は、手動で設定されてもよい。
上記の説明は傍熱型のイオンソースを参照して行っているが、本発明はこれに限られず、ＲＦイオンソース、マイクロ波イオンソース、バーナス型イオンソースなど、プラズマチャンバに反応性原料ガスが供給されそのプラズマがチャンバ内壁に作用するその他の任意のイオンソースに適用されてもよい。この場合、上記の説明で言及される「アークチャンバ」との用語は、より一般化された表現として使用される「プラズマチャンバ」との用語に読み替えることができる。
１２ イオンソース、 ７０ ガス供給部、 ７２ プラズマ励起源、 ７４ 引出電極部、 １０２ イオンソース制御部、 １０４ 保持時間取得部、 １０６ プレトリートメント条件設定部、 １０８ 第１プレトリートメント設定部、 １１０ 第２プレトリートメント設定部、 １１２ 第１無効化判定部、 １１４ 第２無効化判定部。

Claims (12)

  1. プラズマにさらされるプラズマチャンバ内壁を有するプラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバに原料ガスを供給するよう構成されたガス供給部と、
    前記プラズマチャンバに供給された前記原料ガスをプラズマ状態に励起するよう構成されたプラズマ励起源と、
    現イオンソース条件および該現イオンソース条件の次に運用される新イオンソース条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御するよう構成されたイオンソース制御部と、
    前記現イオンソース条件の保持時間を取得する保持時間取得部と、
    前記新イオンソース条件に適する表層領域を前記プラズマチャンバ内壁に形成するためのプレトリートメントを定めるプレトリートメント条件を、前記現イオンソース条件、前記保持時間、および前記新イオンソース条件に基づいて設定するよう構成されたプレトリートメント条件設定部と、を備え、
    前記イオンソース制御部は、前記現イオンソース条件から前記新イオンソース条件に変更するとき前記プレトリートメント条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御するよう構成されていることを特徴とするイオン生成装置。
  2. 前記プレトリートメント条件設定部は、
    前記プラズマチャンバ内壁に前記現イオンソース条件のもとで形成される第１物質をプラズマとの反応により前記プラズマチャンバ内壁から除去するための第１プレトリートメントを定める第１プレトリートメント条件を、前記現イオンソース条件および前記保持時間に基づいて設定するよう構成された第１プレトリートメント設定部と、
    前記プラズマチャンバ内壁に前記新イオンソース条件のもとで形成される第２物質をプラズマとの反応により前記プラズマチャンバ内壁に予め形成するための第２プレトリートメントを定める第２プレトリートメント条件を、前記新イオンソース条件に基づいて設定するよう構成された第２プレトリートメント設定部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン生成装置。
  3. 前記第１プレトリートメント条件は、プラズマ励起用の第１投入電力、および第１原料ガスの種類を含み、
    前記第１投入電力は、前記現イオンソース条件における投入電力より大きく、および／または、前記第１原料ガスは、前記現イオンソース条件に使用される原料ガスと異なるガスであることを特徴とする請求項２に記載のイオン生成装置。
  4. 前記第１原料ガスは、希ガス、ハロゲン、または、希ガスまたはハロゲンを含有する混合ガスであることを特徴とする請求項３に記載のイオン生成装置。
  5. 前記第２プレトリートメント条件は、プラズマ励起用の第２投入電力、および第２原料ガスの種類および流量を含み、
    前記第２投入電力は、前記新イオンソース条件における投入電力より小さく、および／または、前記第２原料ガスは、前記新イオンソース条件に使用される原料ガスであり、および／または、前記第２原料ガスの流量は、前記新イオンソース条件に使用される原料ガスの流量より大きいことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のイオン生成装置。
  6. 前記第２原料ガスは、リンを含有するガスであることを特徴とする請求項５に記載のイオン生成装置。
  7. 前記プレトリートメント条件設定部は、前記現イオンソース条件および／または前記保持時間および／または前記新イオンソース条件に基づいて前記第１プレトリートメント設定部を無効化するか否かを判定する第１無効化判定部を備えることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載のイオン生成装置。
  8. 前記プレトリートメント条件設定部は、前記現イオンソース条件および／または前記保持時間および／または前記新イオンソース条件に基づいて前記第２プレトリートメント設定部を無効化するか否かを判定する第２無効化判定部を備えることを特徴とする請求項２から７のいずれかに記載のイオン生成装置。
  9. 前記現イオンソース条件および前記新イオンソース条件のもとで前記プラズマチャンバからイオンを引き出すよう構成された引出電極部をさらに備え、
    前記引出電極部は、前記第１プレトリートメント条件および前記第２プレトリートメント条件の少なくとも一方のもとで前記プラズマチャンバからのイオン引出を停止するよう構成されていることを特徴とする請求項２から８のいずれかに記載のイオン生成装置。
  10. 前記現イオンソース条件は、前記イオン生成装置の非運転条件であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のイオン生成装置。
  11. 前記新イオンソース条件は、前記イオン生成装置の非運転条件であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のイオン生成装置。
  12. イオン生成装置の制御方法であって、
    前記イオン生成装置は、
    プラズマにさらされるプラズマチャンバ内壁を有するプラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバに原料ガスを供給するよう構成されたガス供給部と、
    前記プラズマチャンバに供給された前記原料ガスをプラズマ状態に励起するよう構成されたプラズマ励起源と、を備え、
    前記方法は、
    現イオンソース条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御することと、
    前記現イオンソース条件の保持時間を取得することと、
    前記現イオンソース条件の次に運用される新イオンソース条件に適する表層領域を前記プラズマチャンバ内壁に形成するためのプレトリートメントを定めるプレトリートメント条件を、前記現イオンソース条件、前記保持時間、および前記新イオンソース条件に基づいて設定することと、
    前記現イオンソース条件から前記新イオンソース条件に変更するとき前記プレトリートメント条件に従って前記ガス供給部および前記プラズマ励起源を制御することと、を備えることを特徴とする方法。
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