JP2020198265A - イオン注入装置、イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】イオンビームがアインツェルレンズに衝突しないイオン注入装置を提供する。【解決手段】磁石装置６によって電子を閉じ込めてイオン化ガスのプラズマを形成し、プラズマ中のイオンを第一円筒部２１の底面の引出電極２４で引き出し、第二円筒部２２の中に中央円筒電極３３を配置し、第二円筒部２２の両端の第一、第二円筒電極３１、３２と中央円筒電極３３とで構成され、第一、第二円筒電極３１、３２と中央円筒電極３３との間の中心軸線方向の距離がゼロにされたアインツェルレンズ３０で集束させる。また、磁気シールド装置８によって磁石装置６が形成する磁界がアインツェルレンズ３０に影響しないようにしてアインツェルレンズ３０を引出電極２４に近接させる。小型であってイオンビームが広がる前に集束させることができるイオン注入装置２を提供することができる。【選択図】 図２

Description

本発明はイオン源と、そのイオン源を用いたイオン注入装置の技術分野にかかり、特に、イオン量が大きいイオンビームを注入対象物に照射できるイオン注入装置と、そのイオンビームを射出できるイオン源とに関する。

図３の符号１０３は、従来技術のイオン源であり、このイオン源は、イオン発生部１０４と、イオン集束部１０５とを有している。

イオン発生部１０４はプラズマ槽１１５と磁石装置１０６とを有しており、イオン集束部１０５はイオンビーム槽１２５を有している。

プラズマ槽１１５の根本側はケース１２７の中に配置されており、プラズマ槽１１５の先端側がイオンビーム槽１２５の端部と向き合う状態で、イオンビーム槽１２５は、碍子１２３を介してケース１２７に取り付けられ、接地電位に接続されており、プラズマ槽１１５とイオンビーム槽１２５とは気密に接続されている。プラズマ槽１１５とイオンビーム槽１２５とは真空排気装置１３７によって真空排気されている。

プラズマ槽１１５はプラズマ電源１３５に接続され、２０ｋＶ程度の高電圧が印加されており、プラズマ槽１１５の内部にイオン源１３６からイオン化ガスが導入され、マイクロ波源１３４からマイクロ波が導入されてアンテナ１２６によって放射され、イオン化ガスが電離して電子が生成される。

生成された電子は磁石装置１０６が形成する磁界によって閉じ込められてマイクロ波によって加熱され、プラズマ槽１１５の内部にイオン化ガスのプラズマが形成される。生成された電子はアンテナ１２６によってプラズマ槽１１５の内部に戻され、イオン化ガスを電離させる。

プラズマ槽１１５の内部には、プラズマ電源１３５によって高電圧が印加されたプラズマ電極１１４が配置されており、プラズマ電極１１４と正対する接地電位の引出電極１２４との間の電位差によってプラズマ中の正イオンが引出電極１２４によってプラズマ電極１１４のプラズマ孔１１６から引き出される。

引き出されたイオンは引出電極１２４の引出孔１１７を通過してイオンビームとなってイオンビーム槽１２５の内部に入射する。

イオンビーム槽１２５の中の、イオンビームの進行方向にはアインツェルレンズ１３０が配置されている。

イオンビーム槽１２５の中には磁石装置１０６が形成する磁界が侵入しており、その磁界の影響を受けないために、アインツェルレンズ１３０は磁石装置１０６から所定距離離間した位置に配置されており、イオンビーム槽１２５の中には、引出孔１１７を通過したイオンビームが通過する連絡管１０８が配置されている。連絡管１０８は接地電位に接続されており、連絡管１０８を通過したイオンビームはアインツェルレンズ１３０に入射する。

引出孔１１７を通過したイオンビームは連絡管１０８の中を通過してアインツェルレンズ１３０に入射する。

アインツェルレンズ１３０は、イオンビームの流れに沿って配置された第一、第二円筒電極１３１、１３２と、第一、第二円筒電極１３１、１３２の間に配置された中央円筒電極１３３とを有している。

第一、第二円筒電極１３１、１３２と中央円筒電極１３３とは同径の円筒形形状であり、第一、第二円筒電極１３１、１３２と中央円筒電極１３３との間は所定距離離間して配置され、第一、第二円筒電極１３１、１３２は接地電位に接続され、中央円筒電極１３３は集束電源１３９によって高電圧が印加されている。

連絡管１０８を通過したイオンビームはアインツェルレンズ１３０に入射してアインツェルレンズ１３０を通過する間に、第一円筒電極１３１と中央円筒電極１３３と第二円筒電極１３２とが形成する電界によって集束される。

集束されたイオンビームの進行方向には放出孔１１８と走行槽１４１が配置されており、集束されたイオンビームは放出孔１１８を通過して走行槽１４１の内部に入射し、走行槽１４１の中を走行する間に質量分析され、所望の質量電荷比のイオンが注入対象物に照射されると、そのイオンは注入対象物の中に注入される。

注入対象物が半導体の場合、半導体の導電率や導電型がイオン注入によって制御される。

イオンの注入に要する時間を短縮させるために、注入対象物に注入されるイオンの量を増加させるイオン注入装置が求められており、そのためには、プラズマ槽１１５から多量のイオンを引き出すことができるイオン源が必要となる。

プラズマ孔１１６を大きくすれば、プラズマ中から引き出せるイオン量は増大するが、プラズマ孔１１６を大きくすると、連絡管１０８を走行するイオンビームが大きく発散し、イオンビームがアインツェルレンズ１３０を通過する際に、イオンビームの外周部分がアインツェルレンズ１３０に衝突してしまう。

その結果、イオンビームの透過率が低下して注入対象物に到達できるイオンの量が少量しか増加しなかった。

特開平５−２０５６４８号公報 実開昭６４−９３４７号公報

本発明は、アインツェルレンズに衝突するイオンを減少させ、注入対象物に照射されるイオンの量を増加させる技術を提供する。

本願発明の発明者等は、アインツェルレンズを引出孔に近接させれば、イオンがアインツェルレンズに衝突しなくなると考え、そのため、第一円筒電極と中央円筒電極との間の円筒の中心軸線に沿った方向の距離や中央円筒電極と第二円筒電極との間との円筒の中心軸線に沿った方向の距離を小さくすれば、アインツェルレンズの中心軸線に沿った方向の長さが短くなり、イオンがアインツェルレンズの電極に衝突しにくくなると考えた。

また、アインツェルレンズを磁石装置に近接させることができれば、イオンビームが大きく発散する前にイオンビームをアインツェルレンズに入射させることができ、イオンビームがアインツェルレンズの電極に衝突しにくくなると考えた。

本発明は上記考えに基づいて創作されたものであり、本発明は、イオンビームを射出するイオン源と、前記イオン源に接続された走行槽と、前記走行槽に設けられた質量分析部と、注入対象物が配置される試料室とを有し、前記イオン源にはイオン生成部とイオン集束部とが設けられ、前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて前記走行槽に射出され、射出された前記イオンビーム中のイオンは前記質量分析部によって質量分析され、所望の質量電荷比を有するイオンから成るイオンビームが前記試料室の内部に配置された前記注入対象物に照射され、前記注入対象物に前記イオンが注入されるイオン注入装置であって、前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に位置し、前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン注入装置である。
本発明は、前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされるイオン注入装置である。
本発明は、前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置されたイオン注入装置である。
本発明は、前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続されたイオン注入装置である。
本発明は、イオン生成部とイオン集束部とが設けられ、前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて射出されるイオン源であって、前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に露出され、前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン源である。
本発明は、前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされるイオン源である。
本発明は、前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置されたイオン源である。
本発明は、前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続されたイオン源である。

第二円筒部内に第二円筒部よりも小径で短い中央円筒電極を配置し、第二円筒部の両側を中央円筒電極からはみ出させ、上流側にはみ出した部分で第一円筒電極を形成させ、下流側にはみ出した部分で第二円筒電極を形成させてアインツェルレンズが得られた。

このアインツェルレンズでは、第一円筒電極と中央円筒電極の間の中心軸線に沿った方向の距離と、中心円筒電極と第二円筒電極との間の中心軸線で沿った方向の距離とはゼロになり、中心軸線方向の長さが短くなっている。その結果、アインツェルレンズの電極に衝突するイオンは減少し、また、装置も小型になった。

磁気シールド装置によって磁石装置の磁気がイオンビーム槽の内部へ侵入することが抑制されるので、アインツェルレンズは磁石装置に近接して配置されている。その結果、イオンビームが大きく発散する前にアインツェルレンズによってイオンビームを集束させるようになっている。

本発明のイオン注入装置の全体図 そのイオン源を説明するための図 従来技術のイオン源を説明するための図

＜イオン注入装置＞
図１は、本発明のイオン注入装置２の一例を示しており、該イオン注入装置２は、本発明のイオン源３の一例を有している。

このイオン源３には、イオンが内部を走行する走行槽４１が接続されており、走行槽４１には、イオン源３を上流側とすると、イオン源３の下流側には、質量分析部４３と、加速部４４と、スキャン部４５と、注入部４６とを有している。

走行槽４１は真空排気装置４０によって真空排気され、後述するように、イオン源３の放出口から走行槽４１の内部にイオンビームが射出され、質量分析部４３に入射する。

質量分析部４３の内部には磁界が形成されており、イオンビーム中の所望の質量電荷比のイオンが磁界中を通過し、質量分析部４３の下流側に配置された加速部４４に入射する。

加速部４４の内部には電界が形成されており、加速部４４に入射したイオンビーム中のイオンは電界によって加速され、スキャン部４５に入射し、スキャン部４５を通過して注入部４６が有する試料室４７に入射する。

試料室４７の内部には基板等の注入対象物１０が配置されており、イオンビームは注入対象物１０に照射される。

スキャン部４５の内部には電界又は磁界又はその両方が形成されており、イオンビームは電界や磁界中を走行する間に進行方向が所望の方向に変化され、イオンビームの注入対象物１０上の照射位置が移動され、注入対象物１０の表面全部にイオンビームが照射される。

注入対象物１０に照射されたイオンビーム中のイオンは注入対象物１０の中に注入される。

＜イオン源３＞
図２は、イオン源３を説明するための内部概略図である。

イオン源３は、イオン生成部４と、イオン集束部５とを有している。

イオン源３は円筒形形状のプラズマ槽１５と磁石装置６とを有しており、イオン集束部５は、ステンレス鋼が整形された角筒のイオンビーム槽２５と電極装置７とを有している。

磁石装置６は第一、第二ミラー磁石１１、１２と多極磁石１３とを有している。

第一、第二ミラー磁石１１、１２はそれぞれリング形形状であり、中央に貫通孔を有している。第一、第二ミラー磁石１１、１２は、ここでは複数の小さい永久磁石がリング状に配置されて一個の第一、第二ミラー磁石１１、１２がそれぞれ形成されている。プラズマ槽１５は非磁性体である銅が整形された円筒であり、第一、第二ミラー磁石１１、１２の貫通孔４２，４８に挿入され、プラズマ槽１５は第一、第二ミラー磁石１１、１２によって取り囲まれている。

第一、第二ミラー磁石１１、１２により、プラズマ槽１５の内部にはプラズマ槽１５の長さ方向に沿った磁力線が形成され、磁束密度は第一、第二ミラー磁石１１、１２の周辺で大きくなり、第一、第二ミラー磁石１１、１２の間で小さくなるようにされている。

多極磁石１３は第一ミラー磁石１１と第二ミラー磁石１２との間に配置されており、多極磁石１３内に配置された複数の磁極がプラズマ槽１５の外周側面に配置されている。多極磁石１３は多数の小磁石が、ハルバッハ配列(Halbach array)された筒形形状に配置されて構成されており、多極磁石１３は、外周面上の磁場強度よりも内周面側の磁場強度が強くなるようにされている。

プラズマ槽１５の両端は第一ミラー磁石１１と多極磁石１３と第二ミラー磁石１２とが配置された範囲からはみ出しており、第一ミラー磁石１１からはみ出した部分を上流部分、第二ミラー磁石１２からはみ出した部分を下流部分とすると、プラズマ槽１５の上流部分の側面には、ガス供給管５６とマイクロ波供給管５４とが接続され、上流部分の底面からプラズマ槽１５の内部にはアンテナ２６が突き出されている。

図２の符号３８は、プラズマ槽１５と磁石装置６が配置された筺体であり、イオンビーム槽２５は、碍子６３を介して筺体３８に取り付けられている。ここでは、碍子６３と筺体３８の間には後述する磁気シールド装置８が配置されている。

プラズマ槽１５の外部にはプラズマ電源３５が配置されている。プラズマ槽１５と筺体３８とにはプラズマ電源３５が出力する高電圧が印加されている。電極装置７とイオンビーム槽２５とは接地電位に接続されている。

プラズマ槽１５の第二ミラー磁石１２からはみ出した部分の先端はイオンビーム槽２５の一端の底面側からイオンビーム槽２５の内部に挿入されており、プラズマ槽１５とイオンビーム槽２５との間は気密に接続されている。イオンビーム槽２５の他端の底面には底板５８が設けられており、底板５８には放出孔１８が形成されている。

電極装置７は、後述するように、取付装置５０によってイオンビーム槽２５に取り付けられており、電極装置７は、イオンビーム槽２５の内部のプラズマ槽１５の先端から離間した位置に配置され、電極装置７は、イオンビーム槽２５とプラズマ槽１５とは非接触で配置されている。

イオンビーム槽２５には真空排気装置３７が接続されており、真空排気装置３７が動作するとプラズマ槽１５の内部とイオンビーム槽２５との内部とは真空排気される。

ガス供給管５６はガス供給源３６に接続され、マイクロ波供給管５４はマイクロ波供給源３４に接続されており、プラズマ槽１５の内部が真空排気されて真空雰囲気にされ、プラズマ槽１５の内部にガス供給源３６からイオン化ガスが導入され、マイクロ波供給源３４からマイクロ波が導入されると、マイクロ波は同軸管のアンテナ２６からプラズマ槽１５の内部に放射される。

プラズマ槽１５の内部には、第一、第二ミラー磁石１１、１２と多極磁石１３とによって磁界が形成されており、プラズマ槽１５の内部の空間のうち、磁束密度が極大になる場所は閉曲面上に位置しており、その閉曲面を極大閉曲面６４とすると、極大閉曲面６４によって、磁束密度が２πｆｍ／ｑ(ｆ：マイクロ波周波数、ｍ：電子質量、ｑ：電気素量)となるＥＣＲ閉曲面６５が取り囲まれており、ＥＣＲ閉曲面６５の中心には、磁束密度が最小となる極小点６６が位置している。

正イオン生成の過程を説明すると、まず、プラズマ槽１５の内部にイオン化ガスが導入された状態で、極大閉曲面６４内で自然発生した暗流の電子がＥＣＲ閉曲面６５の内部で加速され、高速電子が発生する。

高速電子はイオン化ガスに衝突して正イオンと電子が生成され、生成された正イオンと電子は、磁界に沿った螺旋軌道の飛行を開始する。

磁界に沿った螺旋軌道を飛行する正イオンと電子とは、弱い磁界の領域から強い磁界の領域へ進むときに反発力を受けるため、正イオンと電子とは、極大閉曲面６４の内部を往復移動する(磁気ミラー効果)。そしてその結果、極大閉曲面６４の内部にプラズマが形成される。

正イオンと電子とが磁界に沿った往復移動をする際に、電子がＥＣＲ閉曲面６５を繰り返し通過することで、マイクロ波からプラズマにエネルギーが持続的に供給され、正イオンと電子とが生成され、プラズマが維持される。

第一ミラー磁石１１側を上流側、第二ミラー磁石１２側を下流側とすると、プラズマ槽１５の内部の空間のうち、極大閉曲面６４よりも上流側にはアンテナ２６の先端が位置しており、プラズマ槽１５の内部の極大閉曲面６４よりも下流側の場所にはプラズマ電極１４が配置されている。

アンテナ２６にはプラズマ槽１５に対する負電圧(−５０〜−５００V)が印加されており、負電圧が印加されたアンテナ２６は、極大閉曲面６４からその上流側へ漏れる電子を極大閉曲面６４の内部に押し戻し、プラズマ中の電子密度を大きくする。

プラズマ電極１４は円板形形状の金属電極であり、プラズマ槽１５と同電位であり、プラズマ電源３５が出力する２０ｋＶ程度の加速電圧が印加されている。

電極装置７は、外径がプラズマ槽１５の内径よりも小さい円筒形形状の第一円筒部２１と、内径がプラズマ槽１５の内径よりも大きい円筒形形状の第二円筒部２２と、外径が第２円筒部２２よりも小さい円筒形形状の中央円筒電極３３とを有している。第一円筒部２１と第二円筒部２２とプラズマ槽１５と中央円筒電極３３とは同じ中心軸線２８を有するように配置されている。

第一円筒部２１の両端を一端部と他端部とすると、第一円筒部２１の一端部はプラズマ槽１５の内部にプラズマ槽１５と非接触に配置され、他端部はプラズマ槽１５の外部に位置するようにされている。この他端部はイオンビーム槽２５の内部に位置している。

第一円筒部２１の一端部の底面の底板はプラズマ槽１５の内部に配置されており、プラズマ電極１４に対して正対する円板形形状の引出電極２４にされており、他端部の底面は開口にされている。

第二円筒部２２の両端は開口にされており、第二円筒部２２の両端のうち、上流側の端部開口の中心は、第一円筒部２１の他端部の開口の中心と同じ位置か、又は第一円筒部２１の他端部の開口の中心よりも下流側に位置するようにされている。

プラズマ槽１５と、第一、第二円筒部２１、２２と、中央円筒電極３３とは導電性を有する材料例えば金属で形成されており、第一円筒部２１の下流側の端部の開口の周囲と、第二円筒部２２の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極２３によって、電気的・機械的に接続されている。肩部電極２３が第一、第二円筒部２１、２２の中心軸線２８に対して直角又は直角に近い角度であるときは第一、第二円筒部２１、２２の間の中心軸線２８に沿った方向の距離が従来技術よりも短くなる。第一、第二円筒部２１、２２と肩部電極２３とは同電位になるようにされている。引出電極２４は第一円筒部２１と同電位である。

イオンビーム槽２５の内周面には取付装置５０が設けられており、第二円筒部２２は取付装置５０によってイオンビーム槽２５に固定されている。従って、第一円筒部２１と肩部電極２３とは、第二円筒部２２を介して取付装置５０によってイオンビーム槽２５に固定されている。

引出電極２４は第一円筒部２１と電気的に接続され、引出電極２４と第一円筒部２１と肩部電極２３と第二円筒部２２とは同電位になるようにされている。

引出電極２４とプラズマ電極１４とは中心軸線２８が一致するように配置されており、プラズマ電極１４にはプラズマ孔１６が設けられ、引出電極２４には引出孔１７が設けられている。

プラズマ孔１６と引出孔１７と放出孔１８とは円形であり、プラズマ槽１５と同じ中心軸線２８を有するように配置されている。プラズマ孔１６と引出孔１７とは同程度の大きさにされている。

第二円筒部２２は接地電位であり、プラズマ電極１４には２０ｋＶ程度の加速電圧が印加されているから、プラズマ電極１４の電位を基準とすると、引出電極２４にはプラズマ電極１４に印加された電圧の極性を反転した極性の電圧が印加されている。

プラズマ槽１５の内部には、引出電極２４の電位がプラズマ孔１６を介して影響した電界が形成されており、極大閉曲面６４からプラズマ電極１４付近に移動した正イオンは引出電極２４が形成する電界によってプラズマ孔１６から引き出され、引出孔１７を通過して、電極装置７の第一円筒部２１の内部に入射し、入射した多量の正イオンは第一円筒部２１の内部をイオンビームとなって飛行し、第一円筒部２１の開口から射出されて第二円筒部２２の内部に入射する。

この場合、イオンビームの直径はプラズマ孔１６の直径の大きさに影響されており、プラズマ孔１６の直径が大きい場合はイオンビームの直径も大きくなり、多量のイオンが引き出されるが、プラズマ孔１６の直径が大きいとイオンの発散も大きくなる。

中央円筒電極３３は、第二円筒部２２の内部に配置されている。

中央円筒電極３３の中心軸線２８は、第一、第二円筒部２１、２２の中心軸線２８と一致するように配置されている。

第一円筒部２１の直径と第二円筒部２２の直径と中央円筒電極３３の直径とは、第一円筒部２１が中央円筒電極３３の中に非接触で挿入可能で、中央円筒電極３３が第二円筒部２２の中に非接触で挿入可能な大きさに形成されている。

中央円筒電極３３と第二円筒部２２との間は、アーク放電の防止のために１ｍｍ以上の距離離間させるのがよく、グロー放電防止のためにラーマ−半径ｒの２倍以下にするとよい。

ここで、電子の質量ｍ(9.11×10^-31ｋｇ)と、電子の速度ｖ、電気素量ｑ、磁束密度Ｂを用いると、
ラーマ−半径ｒ ＝ ｍｖ／(｜ｑ｜・Ｂ)
、と記載することができる。

イオンビーム量を大きくするために、プラズマ孔１６の直径と、引出孔１７の直径と、中央円筒電極３３の直径と、第二円筒部２２の直径とは、下記関係が望ましい。

プラズマ孔１６＜引出孔１７＜中央円筒電極３３＜第二円筒部２２
第二円筒部２２の側面には取付孔５５が設けられており、取付装置５０の突起部分５７が取付孔５５から第二円筒部２２の内部に挿入され、突起部分５７の先端が中央円筒電極３３に取り付けられている。中央円筒電極３３は、第二円筒部２２とは接触しない状態で第二円筒部２２の内部に配置されている。

ここでは取付装置５０は一個記載したが、取付装置５０と取付孔５５は複数個設け、複数個の取付装置５０によって、電極装置７を支持することもできる。

第二円筒部２２は中央円筒電極３３の両側で中央円筒電極３３からはみ出しており、中央円筒電極３３よりも上流側のはみ出し部分を第一円筒電極３１とし、下流側のはみ出し部分を第二円筒電極３２とすると、第二円筒部２２の内部の中央円筒電極３３の上流側には、第一円筒電極３１で取り囲まれた空間が配置され、下流側には第二円筒電極３２で取り囲まれた空間が配置されている。

中央円筒電極３３は第一円筒電極３１の下流側に配置されており、第一円筒部２１の他端部と、中央円筒電極３３の上流側の端部との間は離間しており、第一円筒部２１の他端部と、中央円筒電極３３の上流側の端部との間は、第一円筒電極３１とその第一円筒電極３１で取り囲まれた空間とが配置され、中央円筒電極３３の下流側の端部よりも下流側には、第二円筒電極３２と、第二円筒電極３２で取り囲まれた空間とが配置されている。

中央円筒電極３３は、イオンビーム槽２５の外部に配置された集束電源３９に接続され、加速電圧よりも小さい値の集束電圧が印加され、接地電位の第一、第二円筒電極３１、３２と共にアインツェルレンズ(Einzel lens)３０が構成されている。

集束電圧は第一円筒部２１とプラズマ槽１５との間の電位差２０ｋＶよりも小さい正電圧にされており、集束電圧はここでは１５ｋＶ程度の大きさであり、アインツェルレンズ３０は正イオンに対して減速型の凸レンズとなっている。

第二円筒部２２に入射したイオンビームは第一円筒電極３１と中央円筒電極３３の間の電界と、中央円筒電極３３と第二円筒電極３２の間の電界によって集束され、ビーム径が細くなる。

つまり、イオンビームはアインツェルレンズ３０を通過する間に集束され、ビーム径が細くなったイオンビームが放出孔１８から走行槽４１の内部に放出される。

第一円筒電極３１と中央円筒電極３３の間の中心軸線２８方向に沿った距離はゼロと言うことができ、また、中央円筒電極３３と第二円筒電極３２との間の中心軸線２８方向に沿った距離もゼロと言うことができる。

従って、図３の従来技術のアインツェルレンズ１３０では、第一円筒電極１３１と中央円筒電極１３３と第二円筒電極１３２とが、中心軸線１２８方向に沿って少なくとも放電が発生しない距離を離間する必要があるのに比べて、このアインツェルレンズ３０では中心軸線２８に沿った方向の長さはゼロであり、アインツェルレンズ３０の長さが短く、イオンが衝突しにくく、また、装置の小型化に寄与している。

ところで、磁界は、磁石装置６によってプラズマ槽１５の外部にも形成されており、正イオンが磁界の影響を受けると発散してしまう。

磁石装置６と第二円筒部２２の間のプラズマ槽１５の外周には、磁気を遮蔽する磁気シールド装置８が設けられている。磁気シールド装置８は板状でリング形形状の軟質磁性材料であり、プラズマ槽１５は磁気シールド装置８の中央に位置する孔４９に挿通されている。磁石装置６は磁気シールド装置８よりも上流側に位置しており、磁石装置６が形成する磁界は、磁気シールド装置８によって遮蔽されて磁気シールド装置８よりも下流側には広がらないようにされている。

そのため、環状形状の平板の肩部電極２３によって第一円筒部２１と第二円筒部２２を接続してアインツェルレンズ３０を磁石装置６に近接させても、アインツェルレンズ３０内を走行するイオンビームが磁石装置６の磁気の影響で発散しないようにされている。また、アインツェルレンズ３０が磁石装置６に近接したので、装置が小型化されている。

アインツェルレンズ３０で集束されたイオンビームは上述したように走行槽４１の内部を走行して、質量分析されたイオンが注入対象物１０に注入される。
以上は中央円筒電極３３に正電圧を印加したが、負電圧を印加して正イオンのビームを集束させることもできる。

なお、以上は正イオンを注入対象物１０に注入する場合を説明したが、加速電圧を負電圧にしてイオン生成部４内で負イオンのプラズマを生成し、負イオンを注入対象物１０に注入することができる。この場合、中央円筒電極３３の電圧も負電圧にすることができる。

２……イオン注入装置
３……イオン源
４……イオン生成部
５……イオン集束部
６……磁石装置
７……電極装置
８……磁気シールド装置
１０……注入対象物
１１……第一ミラー磁石
１２……第二ミラー磁石
１３……多極磁石
１４……プラズマ電極
１５……プラズマ槽
１６……プラズマ孔
１７……引出孔
１８……放出孔
２１……第一円筒部
２２……第二円筒部
２３……肩部電極
２４……引出電極
２５……イオンビーム槽
２８……中心軸線
３１……第一円筒電極
３２……第二円筒電極
３３……中央円筒電極
３７……真空排気装置
３９……集束電源
４３……質量分析部

Claims (8)

1. イオンビームを射出するイオン源と、前記イオン源に接続された走行槽と、前記走行槽に設けられた質量分析部と、注入対象物が配置される試料室とを有し、
   前記イオン源にはイオン生成部とイオン集束部とが設けられ、
   前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて前記走行槽に射出され、射出された前記イオンビーム中のイオンは前記質量分析部によって質量分析され、所望の質量電荷比を有するイオンから成るイオンビームが前記試料室の内部に配置された前記注入対象物に照射され、前記注入対象物に前記イオンが注入されるイオン注入装置であって、
   前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、
   前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、
   前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、
   前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、
   前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、
   前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、
   前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、
   前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、
   前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、
   前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に位置し、
   前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、
   前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、
   前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、
   前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン注入装置。
2. 前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、
   前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、
   前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、
   前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされる請求項１記載のイオン注入装置。
3. 前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置された請求項２記載のイオン注入装置。
4. 前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のイオン注入装置。
5. イオン生成部とイオン集束部とが設けられ、
   前記イオン生成部で生成されたイオンが引き出され、イオンビームとなって前記イオン集束部で集束されて射出されるイオン源であって、
   前記イオン生成部にはプラズマ槽が設けられ、
   前記イオン集束部には、イオンビーム槽と、第一円筒部と、第二円筒部と、中央円筒電極と、が設けられ、
   前記プラズマ槽と前記第一円筒部と前記第二円筒部と前記中央円筒電極とはそれぞれ円筒形形状にされて中心軸線が一致して配置され、
   前記第二円筒部は前記イオンビーム槽の内部に配置され、
   前記中央円筒電極は前記第二円筒部の内部に配置され、
   前記第一円筒部と前記第二円筒部とは電気的に接続され、
   前記第一円筒部の一端部の底面は円板形形状の引出電極にされ、
   前記第一円筒部の他端部と、前記第二円筒部の両端と前記中央円筒電極の両端とは開口にされ、
   前記第一円筒部は前記プラズマ槽と非接触にされて前記引出電極が前記プラズマ槽の内部に挿入され、前記引出電極は前記プラズマ槽の内部に配置されたプラズマ電極と正対され、
   前記第一円筒部の前記他端部は前記イオンビーム槽の内部に露出され、
   前記中央円筒電極は前記第一円筒部の下流側に配置され、
   前記第二円筒部の両端は前記中央円筒電極の両端からはみ出しており、はみ出した部分の前記イオンビームの上流側を第一円筒電極とし、下流側を第二円筒電極とすると、前記第一円筒部と前記中央円筒電極の間に前記第一円筒電極で取り囲まれた空間が配置され、前記中央円筒電極の下流側には前記第二円筒電極で取り囲まれた空間が配置されており、
   前記引出電極と前記第一、第二円筒電極には同電位が印加され、前記中央円筒電極には前記第一、第二円筒電極よりも高電圧が印加され、
   前記プラズマ電極と前記引出電極との間の電位差によって前記引出電極に設けられた引出孔から前記プラズマ槽の内部のイオンが引き出されてイオンビームとなり、前記第一円筒電極と前記中央円筒電極と前記第二円筒電極とで集束されるイオン源。
6. 前記イオン生成部は環状の第一、第二ミラー磁石を有し、
   前記第二ミラー磁石は前記第一ミラー磁石よりも前記中央円筒電極に近い位置に互いに離間して配置され、
   前記プラズマ槽は、前記第一、第二ミラー磁石の中央の貫通孔に挿入され、前記プラズマ槽の前記第一、第二ミラー磁石の間の部分は多極磁石によって取り囲まれ、
   前記プラズマ槽の内部の前記第一、第二ミラー磁石の間に電子が閉じ込められ、ガス供給源から前記プラズマ槽の内部に供給されたイオン化ガスがイオンにされる請求項５記載のイオン源。
7. 前記第二ミラー磁石と前記第一円筒電極との間には磁気を遮蔽する磁気シールド装置が配置された請求項６記載のイオン源。
8. 前記第一円筒部の下流側の端部の開口の周囲と、前記第二円筒部の上流側の開口の周囲とは、環状形形状の平板の肩部電極によって電気的・機械的に接続された請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のイオン源。

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