JP2019067488A - イオン源およびイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のカソードを備えたイオン源で、各カソードで生成されるプラズマの密度をモニターする。【解決手段】イオン源１は、チャンバ２内部でプラズマを生成し、同プラズマからイオンビーム４を引き出すイオン源１であって、一方向に長い略矩形状のチャンバ２と、チャンバ２の長手方向に並べられた複数のカソードＦと、チャンバ２と各カソードＦとの間に接続されたアーク電源Ｖａと、アーク電源Ｖａに流れる電流を測定する電流計と、を有し、アーク電源Ｖａのチャンバ２との接続箇所が、各カソードＦが配置される場所に対応している。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のカソードを備えたイオン源と同イオン源を備えたイオン注入装置に関する。

イオン注入装置の構成例のひとつに、一方向で基板寸法よりも長い寸法のイオンビームをイオン源から引き出し、イオンビームの長手方向と交差する方向に基板を往復走査して、基板全面へのイオン注入処理を行う構成が知られている。

この種のイオン注入装置で使用されているイオン源としては、特許文献１に記載の複数のフィラメントを備えたイオン源が知られている。

このイオン源では、イオン源から引出されるイオンビームのビーム電流密度分布がイオンビームの長手方向で均一となるように、各フィラメントに流れるフィラメント電流が、基板下流に配置されたビーム電流測定器での測定結果に応じて制御される。

基板に注入される特定イオン種のビーム電流密度分布の均一化を図るという点では、特許文献１に記載の手法は効果的ではあるが、イオン源を長期安定稼働させる上では不十分なところがある。

イオン注入装置においては、基板に照射されるイオンビームの長さ方向での均一性が重要であり、そのためには一般的にはイオン源から引き出されるイオンビームの長さ方向の密度分布も略均一であることが望ましい。

同様にプラズマ生成部内の長さ方向のプラズマ密度分布も略均一である必要がある。均一なプラズマを生成するために、各フィラメントから放出する電子量を調整するが、その量は、フィラメント温度、プラズマとフィラメント間の電位差、エミッション領域（面積）等に依存する。通常はフィラメント電流を変化させることにより、フィラメント温度を変化させ、放出量を調整している。

あるプラズマ密度分布からフィラメント電流を調整することにより、基板に照射されるイオンビームの長さ方向での均一性を調整することを考えると、均一性をある値以下にするフィラメント電流の組み合わせは一般的には多数ある。すなわち、確かに基板上でのビーム均一性は良いが、引出ビームやプラズマ内分布が必ずしも良いとは限らないフィラメント電流の組み合わせであるケースも多々ある。

そこで、それらの多数の組み合わせに対して制限を加えて、プラズマ自身もなるべく均一であるようなものを選択する自由度があるが、確実にプラズマ密度の均一化を達成するにはこれをモニターするための何らかの手段が必要となる。

特開２００１−１０１９９０

本発明では、複数のカソードを備えたイオン源で、各カソードで生成されるプラズマ密度をモニターすることのできるイオン源および同イオン源を備えたイオン注入装置を提供する。

イオン源は、チャンバ内部でプラズマを生成し、同プラズマからイオンビームを引き出すイオン源であって、
一方向に長い略矩形状のチャンバと、
前記チャンバの長手方向に並べられた複数のカソードと、
前記チャンバと各カソードとの間に接続されたアーク電源と、
前記アーク電源に流れる電流を測定する電流計と、を有し、
前記アーク電源の前記チャンバとの接続箇所が、各カソードが配置される場所に対応している。

アーク電源を流れる電流は、プラズマ密度と相関関係にある。よって、各カソードの配置に対応して、各アーク電源をチャンバに接続しておき、この電源を流れる電流をモニターしておけば、各カソードで生成されたプラズマの密度を間接的に把握することが可能となる。

一方、各カソードで生成されるプラズマ同士の影響を小さくし、チャンバ全体に生成されるプラズマ密度を大きくした上で、大電流のイオンビームを得るには、
前記カソードは、複数列に配置されていて、各列に配置されるカソード位置が互いに異なっていることが望ましい。

各カソードで生成されるプラズマに含まれる特定イオンの比率を一定に保つという点では、
前記アーク電源に流れる電流をモニターし、モニター値が第一の所定範囲に収まるように、イオン源のパラメータを調整する制御装置を備えていることが望ましい。

また、ビーム電流密度分布の調整機能を備えたイオン注入装置としては、
前記イオン源から引出されたイオンビームのビーム電流を測定するプロファイラーを有し、
前記制御装置が、前記プロファイラーでの測定結果に応じて、前記アーク電源に流れる電流値が第二の所定範囲に収まるよう、前記アーク電源の電圧値または前記カソードに流す電流値、あるいはその両方を調整する構成であることが望ましい。

アーク電源を流れる電流は、プラズマ密度と相関関係にある。よって、各カソード配置に対応して、各アーク電源をチャンバに接続しておき、この電源を流れる電流をモニターしておけば、各カソードで生成されるプラズマ密度を間接的に把握することが可能となる。

イオン注入装置の模式図。 イオン源のフィラメント配置に係る模式図。 イオン源の別のフィラメント配置に係る模式図。

図１には、イオン注入装置ＩＭの模式図が描かれている。このイオン注入装置ＩＭは、特許文献１と同じく、Ｘ方向で基板５の寸法よりも長い寸法のイオンビーム４に対して、図示しない走査機構を用いてＺ方向に基板５を往復走査することで、基板全面にイオン注入処理を施すイオン注入装置である。

イオン源１は、チャンバ２に並べられた複数のフィラメントＦを有している。各フィラメントＦの両端間には、フィラメント電源Ｖｆが接続されている。このフィラメント電源ＶｆでフィラメントＦが熱せられることで、フィラメントＦから熱電子が放出される。

チャンバ２に接続された図示されないガス導入部を通して、チャンバ２にはイオン化ガスが導入されている。このイオン化ガスが、フィラメントＦからの熱電子によって電離されることで、プラズマが生成される。

互いに電位の異なる４枚の電極で構成された引出電極系３によって、チャンバ内のプラズマからイオンビーム４の引出しが行われる。
このイオン源１では、チャンバ２はＸ方向に長い略直方体形状である。引出電極系３と対向するチャンバ壁面にはプラズマからイオンビームを引き出すための略長方形状の開口が形成されている。

引出電極系３を構成する各電極のイオンビーム引出し面は、Ｚ方向よりもＸ方向の寸法が長い長方形状をしている。図１の構成例では、イオンビーム引出孔として、引出し面には複数の丸孔が形成されているが、これらの孔は複数の長孔であってもよい。

本発明では、チャンバ２と各フィラメントＦとの間には個別にアーク電源Ｖａが接続されている。つまり、１つのフィラメントＦに対して１つのアーク電源Ｖａが対応している。この点が、特許文献１に記載の構成と大きく異なっている。

アーク電源Ｖａを流れる電流は、プラズマ密度と相関関係にある。上記構成により、各フィラメントで生成されたプラズマの密度を間接的にモニターすることが可能となる。

イオン源１の運転時、チャンバ２の壁面を通してアーク電源Ｖａに流れる電流を電流計で測定する。この測定結果は、各制御装置Ｃに送信される。
例えば、あるフィラメントＦに対応したアーク電源Ｖａに流れる電流の値が他と比べて著しく大きい場合には、この状態でイオン源を運転し続ければ、電流の値が大きいフィラメントＦの消耗が早く進むので、制御装置Ｃが、アーク電源Ｖａやフィラメント電源Ｖｆ、あるいはその両方のパラメータを再調整するように構成されている。

また、ビーム電流密度分布の均一化調整前に、各アーク電源Ｖａを流れる電流が同じ値になるように、制御装置Ｃが各部のパラメータを調整するようにしておいてもよい。
理想的には、各フィラメントＦに対応したアーク電源Ｖａの電流のモニター値が同じであれば、周囲に生成されるプラズマの特性は概略等しくなる。すなわち、各フィラメントＦで生成されるプラズマ中に含まれる特定イオンの比率は同じものになる。この場合、イオン源１から引出されたイオンビーム４の特定イオン種のビーム電流分布密度はほぼ同じような値になるので、後に続く均一化調整が簡単に済むことが期待できる。
また、各フィラメントからのエミッション電流が等しいということは、概略各フィラメント周囲のプラズマが均一であることを示しており、そのような状態では、フィラメントの消耗度合もほぼ等しくなることが期待できる。

さらに、アーク電源Ｖａを流れる電流値の合わせこみについては、例えば、予め定められた基準値にあうように各アーク電源Ｖａやフィラメント電源Ｖｆ、あるいはその両方を調整してもよい。一方、一つのアーク電源Ｖａに流れる電流値や複数のアーク電源Ｖａに流れる電流値の平均値を、合わせこみを行う際の基準値にして、他のアーク電源Ｖａに流れる電流値の合わせこみを行うようにしてもよい。

基板位置でのビーム電流密度分布を測定して、測定結果に応じてイオン源のパラメータを調整する場合には、特許文献１と同じく、基板５の下流側近傍にプロファイラーＰを設けておく。プロファイラーＰは、一例としては、イオンビーム４の長さ方向でのビーム電流密度分布を測定するために、同方向において複数に測定領域が分割された多点ファラデーカップで構成されている。

イオンビームが照射される位置に基板５がないときに、このプロファイラーＰにはイオンビーム４が照射されて、ビーム電流密度分布の測定が行われる。イオンビームが照射される位置に基板５がないときとは、基板５への注入処理前後で基板５が図示されない搬送機構で注入室に搬送される前後か、基板５への注入処理中で基板５がイオンビーム４を横切って往復走査される前後のタイミングのことをいう。

イオン源１の運転開始前に、各アーク電源Ｖａを流れる電流値が、第一の所定範囲に収まるように合わせこみをしておく。その後、ビーム電流密度分布測定器Ｐで、ビーム電流密度分布を測定し、測定結果をもってフィラメント電源Ｖｆを調整する。

各フィラメントＦのフィラメント電流の調整を行いながら、各アーク電源Ｖａに流れる電流値が先に合せこんだ第一の所定範囲内にあることを確認しておく。
仮に第一の所定範囲から外れる場合には、アーク電源Ｖａを流れる電流値の基準値を再設定するか、対応するアーク電源Ｖａを流れる電流値がもっとも大きいフィラメントＦの寿命がつきかけている可能性があるので、これを交換するようにしてもいい。

また、上述したビーム電流密度分布の調整過程において設定されるアーク電源Ｖａを流れる電流値の範囲は、第一の所定範囲とは異なる第二の所定範囲としてもよい。

複数のフィラメントＦを密に配置した場合、各フィラメントＦで生成されたプラズマ同士が影響しあい、各フィラメントで生成されたプラズマ密度をモニターすることが難しくなる。
そこで、各フィラメントＦで生成されるプラズマ密度を正確にモニターするには、フィラメントＦは図２に示すように等間隔に配置しておき、各フィラメントＦで生成されるプラズマＰ１〜Ｐ４の密度を個別にモニターできるように構成されていることが望ましい。

一方、各フィラメントで生成されるプラズマ同士の影響を小さくしつつ、チャンバ全体で生成されるプラズマ密度を大きくして、大電流のイオンビームを得るには、
複数のフィラメントは、複数列に配置されていて、各列に配置されるカソード位置が互いになっていることが望ましい。

具体的な構成としては、図３に示すフィラメント配置が考えられる。
図３（Ａ）の構成では、フィラメントＦは複数列（Ｌ１、Ｌ２）に配置されている。列Ｌ１に配置された各フィラメントＦの中心位置を示す補助線Ｃ１と列Ｌ２に配置された各フィラメントＦの中心位置とを比較すればわかるように、各列に配置されるフィラメント位置が互いに異なっている。

また、チャンバ２の形状は、図３（Ａ）に記載の直方体である必要はなく、図３（Ｂ）に描かれているように、チャンバ２の２つの角部を平坦にしておき、これらの平坦面にフィラメントＦを取り付けるようにしてもよい。

上記実施形態では、フィラメントＦを用いる構成であったが、フィラメントＦに代わる熱電子放出手段として、傍熱型カソードとフィラメントからなる構成やホローカソードを用いる構成であってもよい。つまり、熱電子を放出するカソードであれば、公知技術として知られているいかなる構成を用いることもできる。

また、上記実施形態では、個別の制御装置Ｃを用いて各電源のパラメータを調整する構成であったが、これらを集約して１つの制御装置で各部の調整を行うようにしてもいい。さらに、制御装置に代えて、アーク電流やビーム電流密度分布の測定値をディスプレイに表示する等しておき、この表示をもとにして装置の操作者が手動で各電源のパラメータを調整してもよい。

上記実施形態では、イオン注入装置として非質量分析型の装置を例に説明したが、本発明は質量分析型の装置にも適用できる。

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ことは言うまでもない。

１ イオン源
２ チャンバ
Ｆ フィラメント（カソード）
Ｖａ アーク電源
Ｖｆ フィラメント電源

Claims (4)

1. チャンバ内部でプラズマを生成し、同プラズマからイオンビームを引き出すイオン源であって、
   一方向に長い略矩形状のチャンバと、
   前記チャンバの長手方向に並べられた複数のカソードと、
   前記チャンバと各カソードとの間に接続されたアーク電源と、
   前記アーク電源に流れる電流を測定する電流計と、を有し、
   前記アーク電源の前記チャンバとの接続箇所が、各カソードが配置される場所に対応しているイオン源。
2. 前記カソードは、複数列に配置されていて、各列に配置されるカソード位置が互いに異なっている請求項１記載のイオン源。
3. 前記アーク電源に流れる電流をモニターし、モニター値が第一の所定範囲に収まるように、イオン源のパラメータを調整する制御装置を備えた請求項１または２記載のイオン源。
4. 請求項３に記載のイオン源から引出されたイオンビームのビーム電流を測定するプロファイラーを有し、
   前記制御装置が、前記プロファイラーでの測定結果に応じて、前記アーク電源に流れる電流値が第二の所定範囲に収まるよう、前記アーク電源の電圧値または前記カソードに流す電流値、あるいはその両方を調整するイオン注入装置。