JP2017130404A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入装置の運用に伴う高電圧電極間の絶縁性能劣化を緩和する
【解決手段】イオン注入装置は、真空領域１８に配置されるイオン源１１と、イオン源１１を囲むよう配設される第１導体ハウジング本体２０と、真空領域１８内で第１導体ハウジング本体２０から軸方向に延出する筒状導体突起２２と、を備える第１導体ハウジング１２と、イオン源１１を保持し、筒状導体突起２２から軸方向に離れて配設される第２導体ハウジング１４と、第１導体ハウジング１２と第２導体ハウジング１４との間に配設される絶縁ブッシング１６と、を備える。絶縁ブッシング１６は、筒状導体突起２２から径方向外側に離間して配設され真空領域１８に面するブッシング内周凹凸面２８を備える。筒状導体突起２２からブッシング内周凹凸面２８の凸部３２への径方向距離ｄ１が筒状導体突起２２の軸方向延出長さＬ２の１／５以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン注入装置に関し、とくに、イオン源に関係する高電圧電極間の絶縁構造に関する。

イオン注入装置のイオン源からイオンを引き出すための高電圧印加部において、第１の金属電極と、第２の金属電極と、第１の金属電極と第２の金属電極との間に配設される絶縁体と、を備える構造が知られている。絶縁体は、第１の金属電極と第２の金属電極との間において、真空にさらされる面を少なくとも１つ有する。

特表２０１０−５３１５２９号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオン注入装置の運用に伴う高電圧電極間の絶縁性能劣化を緩和することにある。

本発明のある態様によると、イオン注入装置は、真空領域に配置されるイオン源と、前記イオン源を囲むよう配設される第１導体ハウジング本体と、前記真空領域内で前記第１導体ハウジング本体から軸方向に延出する筒状導体突起と、を備える第１導体ハウジングと、前記イオン源を保持し、前記筒状導体突起から軸方向に離れて配設される第２導体ハウジングと、前記第１導体ハウジングを前記第２導体ハウジングから絶縁するよう前記第１導体ハウジングと前記第２導体ハウジングとの間に配設される絶縁ブッシングであって、前記筒状導体突起から径方向外側に離間して配設され前記真空領域に面するブッシング内周凹凸面を備え、前記筒状導体突起から前記ブッシング内周凹凸面の凸部への径方向距離が前記筒状導体突起の軸方向延出長さの１／５以下である絶縁ブッシングと、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、イオン注入装置の運用に伴う高電圧電極間の絶縁性能劣化を緩和することができる。

本発明のある実施形態に係るイオン源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注入装置を概略的に示す図である。 ある絶縁構造を概略的に示す図である。

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源装置１０を概略的に示す図である。イオン源装置１０は、イオン源１１、第１導体ハウジング１２、第２導体ハウジング１４、および絶縁ブッシング１６を備える。第１導体ハウジング１２、第２導体ハウジング１４、および絶縁ブッシング１６は互いに連結されてイオン源真空容器を形成し、その内部に真空領域１８を定める。真空領域１８は、周囲環境領域１７（例えば大気圧領域）から密閉されている。図中の一点鎖線はイオン源装置１０の中心軸を表し、イオン源１１の周辺構造（すなわち、第１導体ハウジング１２、第２導体ハウジング１４、および絶縁ブッシング１６）はこの中心軸まわりに概ね軸対称に構成される。

イオン源１１は、真空領域１８に配置される。イオン源１１は、内部でイオンを発生させ前面からイオンビームＢを引き出すよう構成されている。イオンビームＢはイオン源装置１０の中心軸に沿って引き出される。

構成要素間の相対位置関係を説明するため本書では便宜上、イオンビームＢの引出側を前側または前方などといい、その反対側を後側または後方などということがある。図１においては右側が前側であり左側が後側である。また、イオンビームＢが引き出される方向を軸方向といい、軸方向に垂直な方向を径方向といい、軸方向まわりの方向を周方向ということがある。図１において軸方向は紙面の左右方向であり、径方向は紙面の上下方向である。

第１導体ハウジング１２は、第１導体ハウジング本体２０および筒状導体突起２２を備える。第１導体ハウジング本体２０は、イオン源１１を囲むよう配設される。第１導体ハウジング本体２０は、引き出されたイオンビームＢを囲むようにイオン源１１の軸方向前方に向けて筒状または箱状に延びる。筒状導体突起２２は、真空領域１８内で第１導体ハウジング本体２０から軸方向に延出する。筒状導体突起２２は、第１導体ハウジング本体２０の径方向内縁から軸方向後方に向けて延びている。第１導体ハウジング１２は、周囲環境領域１７に面する大気側表面を径方向外側に有し、真空領域１８に面する真空側表面を径方向内側に有する。第１導体ハウジング本体２０および筒状導体突起２２は、周方向の全周に配設される。第１導体ハウジング１２は、金属材料またはその他の導体材料で形成されている。

第２導体ハウジング１４は、イオン源１１を保持し、筒状導体突起２２から軸方向に離れて配設される。第２導体ハウジング１４はその全体が、第１導体ハウジング１２から絶縁されるよう第１導体ハウジング１２から離れて（すなわち非接触に）配設される。第２導体ハウジング１４は、金属材料またはその他の導体材料で形成されている。第２導体ハウジング１４には、第１導体ハウジング１２に対して正の高電圧（例えば１００ｋＶ以内）が印加される。

第２導体ハウジング１４は、イオン源保持部２４および第２導体フランジ２６を備える。イオン源保持部２４は、真空領域１８に配置される。イオン源保持部２４は、軸方向に延在し、その前部にイオン源１１を搭載する。第２導体フランジ２６は、イオン源保持部２４の軸方向後部から径方向外側に向けて延びている。第２導体フランジ２６は、軸方向後面が周囲環境領域１７に面し、軸方向前面が真空領域１８に面する。イオン源保持部２４および第２導体フランジ２６は、周方向の全周に配設される。

絶縁ブッシング１６は、第１導体ハウジング１２を第２導体ハウジング１４から絶縁するよう第１導体ハウジング１２と第２導体ハウジング１４との間に配設される。絶縁ブッシング１６は、第１導体ハウジング本体２０から第２導体ハウジング１４（例えば第２導体フランジ２６）へと軸方向に延在する。絶縁ブッシング１６は、周方向の全周に配設される。こうして、絶縁ブッシング１６は、第１導体ハウジング１２を第２導体ハウジング１４に構造的に連結する。絶縁ブッシング１６は、絶縁材料で形成されている。

絶縁ブッシング１６は、ブッシング外周面２７およびブッシング内周凹凸面２８を備える。ブッシング外周面２７は、周囲環境領域１７に面する。ブッシング内周凹凸面２８は、真空領域１８に面する。絶縁ブッシング１６は、筒状導体突起２２と同軸に配置されている。ブッシング内周凹凸面２８は、筒状導体突起２２から径方向外側に離間して配設され、周方向の全周にわたり筒状導体突起２２を囲む。

一般に、真空領域１８にさらされるイオン源１１の周辺構造の表面には、イオンビームＢを生成するためのソースガスなどに起因する汚染物質が付着しやすい。汚染物質の経路を図１において破線の矢印で例示する。このような真空側表面の汚染は、イオン源装置１０の運用を継続するにつれて蓄積する。近年では以前に比べてイオンビームＢの高電流化が望まれているが、その場合はとくに汚染が促進される。

汚染物質はしばしば導電性を有する。導電性の汚染物質が絶縁ブッシング１６など高電圧電極間の絶縁部材の表面を被覆したとすると、絶縁性能が劣化し、電極間に放電が生じうる。汚染が極度に進行した場合、電極間に電圧を保持し得なくなる。そうすると、絶縁部材の清掃または交換などメンテナンス作業が必要となる。作業の間、イオン源装置１０の運用は中断される。汚染の進行が速いほどメンテナンス作業の頻度は増加し、装置の生産性を低下させることになる。

そこで、イオン源装置１０は、絶縁ブッシング１６への汚染を抑制するための種々の構造的特徴を有する。こうした特徴を以下に説明する。

図示されるように、絶縁ブッシング１６は軸方向長さＬ１を有し、筒状導体突起２２は軸方向延出長さＬ２を有する。絶縁ブッシング１６の軸方向長さＬ１は、例えば、１００ｍｍから２００ｍｍである。筒状導体突起２２の軸方向延出長さＬ２は、絶縁ブッシング１６の軸方向長さＬ１の１／２以上である。このように、絶縁ブッシング１６の軸長に対し筒状導体突起２２を比較的長くすることによって、ブッシング内周凹凸面２８のうち筒状導体突起２２により覆われる範囲を広くすることができる。結果として、ブッシング内周凹凸面２８に汚染物質が到達しにくくなり、汚染の進行を遅らせることができる。

なお、筒状導体突起２２と第２導体ハウジング１４との間に十分な絶縁空間距離をとるために、筒状導体突起２２の軸方向延出長さＬ２は、絶縁ブッシング１６の軸方向長さＬ１の３／４以下であってもよい。

ブッシング内周凹凸面２８は、多数の凹部３０および多数の凸部３２を有する。凹部３０と凸部３２とは軸方向に交互に形成される。凹部３０および凸部３２はそれぞれ周方向に延びる。凹部３０および凸部３２は周方向の全周に連続する。ブッシング内周凹凸面２８は、少なくとも３本、少なくとも５本、または少なくとも１０本の凹部３０を有する。同様に、ブッシング内周凹凸面２８は、少なくとも３本、少なくとも５本、または少なくとも１０本の凸部３２を有する。

このように絶縁ブッシング１６の内面が多数の凹凸を有することにより、絶縁ブッシング１６が凹凸なしの円筒内面をもつ場合に比べて、汚染の影響を緩和することができる。多数の凹凸によって、第１導体ハウジング１２と第２導体ハウジング１４との間に十分な絶縁沿面距離をとることができる。

図示されるように、多数の凹部３０の各々は、周方向に垂直な断面が矩形状である。多数の凹部３０の各々は、凹部深さＤおよび凹部幅Ｗを有する。凹部深さＤは凹部３０の径方向寸法であり、凹部幅Ｗは凹部３０の軸方向寸法である。凹部幅Ｗは、例えば、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。凹部深さＤは、凹部幅Ｗより大きくてもよい。凹部深さＤは、筒状導体突起２２からブッシング内周凹凸面２８への径方向距離ｄ１以上であってもよい。凹部３０が深いほど凹部３０への汚染物質の付着を抑制し、かつ、ブッシング内周凹凸面２８の沿面距離を伸ばすことができる。

同様に、多数の凸部３２の各々は、周方向に垂直な断面が矩形状である。多数の凸部３２の各々は、凸部高さおよび凸部幅を有する。凸部高さは凹部深さＤに一致する。凸部幅は凹部幅Ｗに等しくてもよいし、異なってもよい。

図３に示すように、従来典型的な絶縁ブッシング４０はその内面に比較的大型の２つの環状突起４２を有する。２つの環状突起４２が軸方向に互いに離れており突起間凹部４４が軸方向中央に設けられる。この場合、筒状導体突起４６を設けようとすると環状突起４２に干渉しうるため、筒状導体突起４６を軸方向に延長し難い。これに対し、図１に示される凸部３２は比較的小さい寸法を有するので、長い軸長をもつ筒状導体突起２２を設けることが容易である。

筒状導体突起２２とブッシング内周凹凸面２８との間には、筒状導体突起２２の軸方向延出長さＬ２にわたって径方向隙間３４が形成されている。よって筒状導体突起２２はその全長にわたってブッシング内周凹凸面２８と非接触である。

多数の凸部３２のうち少なくとも３本または少なくとも５本の凸部３２が径方向隙間３４に配置される。径方向隙間３４は、径方向距離ｄ１を有する。径方向距離ｄ１は、筒状導体突起２２からブッシング内周凹凸面２８への最短の間隔であり、すなわち、筒状導体突起２２から凸部３２への距離である。径方向距離ｄ１は、例えば、３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

径方向距離ｄ１は、筒状導体突起２２の軸方向延出長さＬ２の１／５以下である。このようにして径方向隙間３４を狭くすることにより、径方向隙間３４への汚染物質の進入を抑制することができる。ブッシング内周凹凸面２８の汚染の進行を遅らせることができるので、絶縁ブッシング１６のメンテナンス頻度を低減することができる。

なお、筒状導体突起２２と凸部３２との間に十分な絶縁空間距離をとるために、径方向距離ｄ１は、筒状導体突起２２の軸方向延出長さＬ２の１／５０以上であってもよい。

本発明者らの実験によると、第１導体ハウジング１２が筒状導体突起２２を有しない場合、あるイオン源運転条件においては、約２０時間の運転で絶縁ブッシング１６の絶縁性能が実用に耐えない程度にまで顕著に低下した。これに対し、第１導体ハウジング１２が筒状導体突起２２を有しかつ径方向距離ｄ１が筒状導体突起２２の軸方向延出長さＬ２の１／５以下である場合、同一のイオン源運転条件において、約２００時間の運転を経てもなお絶縁ブッシング１６の絶縁性能は維持されることが検証された。

図２は、本発明のある実施形態に係るイオン注入装置１００を概略的に示す図である。イオン注入装置１００は、被処理物Ｗ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Ｗは、例えば基板であり、例えばウエハである。よって以下では説明の便宜のため被処理物Ｗを基板Ｗ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。

上述のイオン源装置１０に加えて、イオン注入装置１００は、ビームライン装置１０４と、注入処理室１０６と、を備える。イオン注入装置１００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の全体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。

ビームライン装置１０４は、イオン源装置１０から注入処理室１０６へとイオンを輸送するよう構成されている。イオン源装置１０の下流には質量分析装置１０８が設けられており、イオンビームＢから必要なイオンを選別するよう構成されている。

ビームライン装置１０４は、質量分析装置１０８を経たイオンビームＢに、例えば、偏向、加速、減速、整形、走査などを含む操作をする。ビームライン装置１０４は例えば、イオンビームＢに電場または磁場（またはその両方）を印加することによりイオンビームＢを走査するビーム走査装置１１０を備えてもよい。このようにして、ビームライン装置１０４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１０６に供給する。

注入処理室１０６は、１枚又は複数枚の基板Ｗを保持する物体保持部１０７を備える。物体保持部１０７は、イオンビームＢに対する相対移動（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。

また、イオン注入装置１００は、イオン源装置１０、ビームライン装置１０４、及び注入処理室１０６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。真空排気系は、上述の真空領域１８の真空排気に使用される。

イオン注入装置１００は、イオン源装置１０及びその他の構成要素のための電源部１１１を備える。電源部１１１は、例えば１ｋＶ以上（例えば数ｋＶないし数百ｋＶ）の直流の電圧を電極に印加するよう構成されている。電源部１１１は、上述の第２導体ハウジング１４に第１導体ハウジング１２に対して正の高電圧を印加するよう構成される。

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。

例えば、凹部３０及び／または凸部３２の断面形状は矩形に限られず、その他任意の形状であってもよい。

１１ イオン源、 １２ 第１導体ハウジング、 １４ 第２導体ハウジング、 １６ 絶縁ブッシング、 １８ 真空領域、 ２０ 第１導体ハウジング本体、 ２２ 筒状導体突起、 ２８ ブッシング内周凹凸面、 ３０ 凹部、 ３２ 凸部、 ３４ 径方向隙間、 １００ イオン注入装置、 ｄ１ 径方向距離、 Ｌ１ 軸方向長さ、 Ｌ２ 軸方向延出長さ。

Claims (11)

1. 真空領域に配置されるイオン源と、
   前記イオン源を囲むよう配設される第１導体ハウジング本体と、前記真空領域内で前記第１導体ハウジング本体から軸方向に延出する筒状導体突起と、を備える第１導体ハウジングと、
   前記イオン源を保持し、前記筒状導体突起から軸方向に離れて配設される第２導体ハウジングと、
   前記第１導体ハウジングを前記第２導体ハウジングから絶縁するよう前記第１導体ハウジングと前記第２導体ハウジングとの間に配設される絶縁ブッシングであって、前記筒状導体突起から径方向外側に離間して配設され前記真空領域に面するブッシング内周凹凸面を備え、前記筒状導体突起から前記ブッシング内周凹凸面の凸部への径方向距離が前記筒状導体突起の軸方向延出長さの１／５以下である絶縁ブッシングと、を備えることを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記筒状導体突起から前記ブッシング内周凹凸面の凸部への径方向距離が前記筒状導体突起の軸方向延出長さの１／５０以上であることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記絶縁ブッシングは、前記第１導体ハウジング本体から前記第２導体ハウジングへと軸方向に延在し、前記筒状導体突起の軸方向延出長さが前記絶縁ブッシングの軸方向長さの１／２以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
4. 前記筒状導体突起の軸方向延出長さが前記絶縁ブッシングの軸方向長さの３／４以下であることを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
5. 前記筒状導体突起と前記ブッシング内周凹凸面との間には、前記筒状導体突起の軸方向延出長さにわたって径方向隙間が形成されており、
   前記ブッシング内周凹凸面は、各々が周方向に延びる多数の凹部と、各々が周方向に延びる多数の凸部と、を有し、前記多数の凹部と前記多数の凸部とは軸方向に交互に形成されており、前記多数の凸部のうち少なくとも３本の凸部が前記径方向隙間に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のイオン注入装置。
6. 前記多数の凹部の各々は、周方向に垂直な断面が矩形状であることを特徴とする請求項５に記載のイオン注入装置。
7. 前記多数の凹部の各々は、径方向の凹部深さが軸方向の凹部幅より大きいことを特徴とする請求項５または６に記載のイオン注入装置。
8. 前記凹部深さは、前記筒状導体突起から前記ブッシング内周凹凸面の凸部への径方向距離以上であることを特徴とする請求項７に記載のイオン注入装置。
9. 前記凹部幅は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載のイオン注入装置。
10. 前記筒状導体突起から前記ブッシング内周凹凸面の凸部への径方向距離は、３ｍｍ以上５ｍｍ以下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注入装置。
11. 前記第２導体ハウジングに前記第１導体ハウジングに対して正の高電圧を印加するよう構成された電源部をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のイオン注入装置。

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