JP2023127907A - カソード支持具及びイオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントとカソード間のギャップ調整時の作業性を改善する。【解決手段】カソード支持具は、一端にカソード６を支持し、他端に鍔部２を有する筒状または棒状のカソードホルダー１と、カソードホルダー１を支持するクランプ３、４、５とを備え、クランプ３、４、５は、カソードホルダー１の軸方向に第一の調整面３１、４１、５１と第二の調整面３２、４２、５２を有し、カソードホルダー１、６１を、カソードホルダー１、６１の軸周りで回転することとカソードホルダー１、６１の軸方向へ移動することにより、第一の調整面３１、４１、５１から第二の調整面３２、４２、５２への鍔部２の配置を可能にする。【選択図】 図１

Description

カソードを支持するカソード支持具とこれを備えたイオン源に関する。

イオン源の長寿命化の要望から、傍熱型イオン源が使用されている。
傍熱型イオン源は、フィラメントとフィラメントから放出される熱電子により加熱されて、自らが熱電子を放出するカソードを備えている。アークチェンバにはドーパントガスが導入され、カソードから放出された熱電子により、このガスよりプラズマが生成される。

傍熱型イオン源のフィラメントとカソードは、所定距離を隔てて配置されている。この所定距離は、ギャップと呼ばれていて、イオン源組立時に調整される。
ギャップ調整時、所定方向において、カソードを２つの位置に位置決めしている。はじめにカソードを第一の位置に位置決めする。次に、位置決めされたカソードを基準にしてフィラメントの位置決めと位置固定を行う。その後、カソードを第一の位置から第二の位置に移動し、カソードの位置を固定する。このカソードの位置固定により、カソードとフィラメントの間には所定のギャップが形成される。
ギャップ調整の一例として、特許文献１では、カソードの位置決めに位置決めピンを用いることが提案されている。

特許文献１は、端部にカソードを支持する支持棒と、支持棒の他端を支持するクランプとを備えている。支持棒とクランプには、支持棒の軸方向と直交する方向に両部材を貫通する開口が形成されている。
支持棒の軸方向において、支持棒に形成された開口寸法は、クランプに形成された開口寸法よりも大きい。
支持棒の軸方向におけるクランプの開口寸法と同じ寸法の位置決めピンを支持棒とクランプの各開口に挿入した状態で、支持棒をその軸方向に沿って上下に移動する。

支持棒の移動は、支持棒の軸方向で支持棒の開口端部が位置決めピンの端部に当接する下側の位置と上側の位置の２か所で規制されることから、支持棒の位置は、これらの場所で位置決めされることになる。支持棒の端部には、カソードが支持されているため、支持棒が位置決めされることで、カソードの位置決めが達成される。

米国特許出願公開第２００８／００７２４１３Ａ１公報

特許文献１の構成では、ギャップ調整時、カソードを支持する支持棒の位置決めに、位置決めピンの使用を必須としていることから、ギャップ調整時の作業が煩雑となる。

本発明では、ギャップ調整時の作業性を改善することを主たる課題とする。

カソード支持具は、
一端にカソードを支持し、他端に鍔部を有する筒状または棒状のカソードホルダーと、
前記カソードホルダーを支持するクランプと、を備え、
前記クランプは、前記カソードホルダーの軸方向に第一の調整面と第二の調整面を有し、
前記カソードホルダーを、前記カソードホルダーの軸周りで回転することと前記カソードホルダーの軸方向へ移動することにより、前記第一の調整面から前記第二の調整面への前記鍔部の配置を可能にする。

カソードホルダーの鍔部を、第一の調整面と第二の調整面に配置するだけで、２つの位置でのカソードの位置決めが可能となる。鍔部の配置にあたり、従来技術で使用されていた位置決めピンを必要としないことから、ギャップ調整時の作業性が各段に向上する。

より具体的には、
前記クランプは、前記第一の調整面と前記第二の調整面との間に段差部を有し、前記段差部が、前記第二の調整面に配置された前記鍔部と対向する。

前記第一の調整面は、前記第二の調整面に配置された前記鍔部の上面と同一平面にあることが望ましい。

ギャップ調整後にカソードホルダーを固定する際、カソードホルダーが適切に配置されているかどうかを容易に確認できる。

前記カソードホルダーの全周で、前記鍔部が前記段差部と対向しており、かつ、前記段差部が、前記カソードホルダーの軸周りでの回転を規制することが望ましい。

上記構成であれば、カソードホルダーの位置ずれ抑制効果が向上する。

イオン源の構成としては、
上記構成のカソード支持具を有するイオン源であって、
内部でプラズマを生成するアークチェンバを有し、
前記アークチェンバは、前記プラズマからイオンビームを引き出すための引出し開口が形成された上蓋と、
前記上蓋に対向する底板を有し、
前記段差部が、前記上蓋と前記底板の対向方向で、前記鍔部と対向している、ことが望ましい。

イオン源組立時、上蓋から底板に向かう方向が重力方向となる場合、上蓋と底板との対向方向で、鍔部と段差部が対向していれば、カソードの重さによるカソードホルダーの傾きが段差部部分で抑制され、カソードホルダーの固定作業を簡単に行うことができる。

カソードホルダーの鍔部を、第一の調整面と第二の調整面に配置するだけで、２つの位置でのカソードの位置決めが可能となる。鍔部の配置にあたり、従来技術で使用されていた位置決めピンを必要としないことから、ギャップ調整時の作業性が各段に向上する。

ギャップ調整の説明に係る模式的断面図 クランプの構成を示す平面図 図２のクランプにカソードホルダーを搭載したときの状態を示す平面図 図３のカソードホルダーを９０度回転させたときの状態を示す平面図 イオン源組立時の状態を示す模式的平面図 重力が組立作業に及ぼす影響についての説明図 カソードホルダーとクランプの別の構成例に係る平面図 棒状のカソードホルダーを用いたギャップ調整の説明に係る模式的断面図 図８（Ａ）でのカソードホルダーとクランプとの関係を示す平面図 図８（Ｂ）でのカソードホルダーとクランプとの関係を示す平面図

図１は、ギャップ調整の説明に係る模式的断面図である。本明細書では、後述する筒状または棒状のカソードホルダー１、６１の軸方向と平行な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する２方向をＸ方向、Ｙ方向としている。なお、軸とは、カソードホルダー長手方向の中心軸である。

カソード６は、環状のロックワイヤ１３にて円筒状のカソードホルダー１の一端に支持されている。カソードホルダー１でのカソード６の支持構造については、図示されるロックワイヤ１３による固定の他、従来から知られているロック板やネジ止めを用いた他の固定構造を採用してもよい。

カソードホルダー１のカソード６が支持されている側と反対側の他端には、カソードホルダー１の径方向外側に向けて突出した鍔部２が設けられている。図示されるＸＹ平面において、鍔部２がカソードホルダー１から突出する寸法は、円筒状のカソードホルダー１の周方向の場所により異なっている。

カソードホルダー１を固定支持する第一のクランプ３と第二のクランプ４には、不図示のボルトが挿通されていて、ボルトに対してナット９を螺合することで、各クランプ３、４間の隙間を調整し、カソードホルダー１の固定支持が行われる。

第一のクランプ３、第二のクランプ４は、第一の調整面３１、４１と第二の調整面３２、４２を有している。第一の調整面３１、４１と第二の調整面３２、４２は、カソードホルダー１の軸方向での高さが異なる面であり、第一の調整面３１、４１と第二の調整面３２、４２との間には段差部Ｄが設けられている。
また、第二の調整面３２、４２は、第一の調整面３１、４１に比べてカソードホルダー１を支持する場所（後述するホルダ挿通口７１）に近い位置にある。

フィラメント１１とカソード６間のギャップ調整にあたり、図１（Ａ）に示すように、各クランプ３、４の第一の調整面３１、４１にカソードホルダー１の鍔部２を当接した状態で、各クランプ３、４のナット９を締結して、カソードホルダー１を固定する。
その後、フィラメント１１をカソードホルダー１のフィラメント挿入口７２より挿入し、Ｚ方向でフィラメント１１の先端がカソード６に当接した状態で、フィラメント１１の他端をフィラメントクランプ１２で固定する。

フィラメントクランプ１２の構成は、従来から知られている様々な構成が使用できる。例えば、ＸＹ平面内で回動する部材を用いてフィラメント１１をせん断する方向に力を加えつつ、フィラメント１１を固定支持する構成や弾性変形可能なすり割り構造でフィラメントを挟持する構成が使用できる。

図１（Ａ）の状態で、フィラメント１１の位置を固定した後、ナット９を緩め、カソードホルダー１の固定を解除する。
次に、カソードホルダー１の軸周りでの回転とカソードホルダー１の軸方向への移動とを行って、鍔部２を第二の調整面３２、４２に配置する。その後、各クランプ３、４のナット９を締め、カソードホルダー１を固定する。図１（Ｂ）は、この時の状態を表している。

カソードホルダー１の鍔部２を、各クランプ３、４の第一の調整面３１、４１から第二の調整面３２、４２に移動することで、図示されるフィラメント１１とカソード６との間のギャップＳが調整される。
上述したギャップ調整方法であれば、特許文献１で使用されていた位置決めピンが不要であることから、ギャップ調整の作業性が各段に向上する。

以下、図２乃至図４を用いて、各部の構成を詳細に説明する。
図２には、カソードホルダー１を取り除いた各クランプ３、４の平面図が描かれている。図２（Ａ）はＸＹ平面で各クランプ３、４を描いたもので、図２（Ｂ）はＺＸ平面で各クランプ３、４を描いたものである。

各クランプ３、４は、物理的に独立した部材である。各クランプ３、４を合わせたときに、カソードホルダー１を固定支持するホルダ挿通口７１が形成される。
各クランプ３、４には、ボルト１０が挿通されている。ボルト１０の各端部にあるナット９の締緩を調整することで、各クランプ３、４によるカソードホルダー１の支持強度が調整できる。
図１で説明した通り、各クランプ３、４は、第一の調整面３１、４１、第二の調整面３２、４２及び段差部Ｄを備えている。段差部Ｄは、ここではＹＺ平面と平行な平面であるが、第一の調整面３１、４１と第二の調整面３２、４２の構成に応じて、ＹＺ平面と交差する平面で形成してもよく、また平面に限らず、曲面で形成してもよい。

図２（Ａ）では、第一のクランプ３と第二のクランプ４との間に隙間が描かれているが、これは各クランプが物理的に独立した別の部材であることを理解し易くするために描かれたものであり、両部材を組付けたとき、このような隙間が必ずしも必要とされるものではない。この点については、後述する各図においても同様である。

図３、図４は、図２のホルダ挿通口７１にカソードホルダー１を取り付けたときの平面図である。図３は、図１（Ａ）に対応しており、図３（Ａ）、（Ｂ）で平面視の方向が異なっている。
図３では、カソードホルダー１の鍔部２の一部が、各クランプ３、４の第一の調整面３１、４１に配置されている。この状態で、カソードホルダー１のフィラメント挿入口７２にフィラメント１１を通してフィラメント１１の先端をカソード６に当接する。

図３の状態から、各クランプ３、４の締結を緩め、カソードホルダー１を中心軸周りに９０度回転させ、軸方向へ移動させることで、カソードホルダー１の鍔部２を各クランプ３、４の第二の調整面３２、４２に配置したときの状態が、図４に描かれている。図４は、図１（Ｂ）に対応しており、図４（Ａ）、（Ｂ）では、平面視の方向が異なっている。

図４において、鍔部２が第二の調整面３２、４２に配置されたとき、鍔部２と対向する段差部Ｄが、カソードホルダー１の周方向での回転を規制し、カソードホルダー１の周方向での位置決めが行われている。
同様に、第一の調整面３１、４１でもカソードホルダー１の周方向での位置決めが行えるように、第一の調整面３１、４１に突起部を設ける構成を採用してもよい。

第二の調整面３２、４２に鍔部２を配置したとき、鍔部２の上面（第二の調整面３２、４２に配置されている側の面と反対の面）と第一の調整面３１、４１とが同一平面となるように、Ｚ方向での鍔部２の厚み寸法と段差部Ｄの寸法を同一にしておくと、カソードホルダー１が傾きなく、水平配置されていることを容易に確認できる。

図５には、イオン源ＩＳの組立時の様子が描かれている。外形直方体のアークチェンバ２１の上蓋２１ａには、アークチェンバ内で生成されるプラズマからイオンビームを引き出すためのイオン引出し開口２１ｃが形成されている。この上蓋２１ａと対向する底板２１ｂには、アークチェンバ２１内にガスを導入するための不図示のガス導入管が接続されている。また、アークチェンバ２１の下方に取り付けられる筐体２４には、アークチェンバ２１を冷却するための冷媒を流す冷媒流路やアークチェンバ２１内に蒸気を排出するベーパライザー等が設けられている。

イオン注入装置に使用されるイオン源は、イオン源から引き出されるイオンビームの寸法に応じて、様々なサイズのものが存在している。ウエハ径よりも寸法の小さいイオンビームを引き出すイオン源は、比較的小さいサイズのイオン源として知られている。この種のイオン源の組立作業は、図５に示されているように、イオン注入装置本体にイオン源ユニットを固定するためのフランジ２５やイオン源ユニットを搬送する際の持ち手となるハンドル２６を土台にして行われる。イオン源の組立時、重力方向Ｇは、図の下方向となる。イオン源ＩＳの構成との関係で言えば、重力方向Ｇは、上蓋２１ａと底板２１ｂとの対向方向と平行な方向となる。

カソード６を支持するカソードホルダー１は、アークチェンバ２１の一端面からアークチェンバ２１内に挿入されている。また、カソードホルダー１と対向して、アークチェンバ２１内には反射電極２７が設けられている。
なお、この反射電極２７に代えて、カソードホルダー１を２つ設けておき、互いに対向配置するようにして、アークチェンバ２１内に配置してもよい。

カソードホルダー１は、これまでに説明した第二のクランプ４と不図示の第一のクランプ３により固定支持されていて、カソードホルダー１内に挿入されたフィラメント１１はフィラメントクランプ１２で支持されている。また、電気的な絶縁が必要な部材間には、絶縁部材が設けられている。
カソードホルダー１の一端に支持されるカソード６の重みにより、矢印Ｔの方向へカソードホルダー１が傾くと、ギャップ調整後、カソードホルダー１を固定する時にカソードホルダー１が斜めに傾いた状態で固定されてしまうことが懸念される。

図６（Ａ）の構成では、重力方向Ｇで鍔部２の移動を規制する部材がなく、上述したように、カソードホルダー１を固定する際に、カソードホルダー１は大きく傾いてしまい、カソードホルダー１の固定作業に支障を来す恐れがある。一方、図６（Ｂ）の構成では、重力方向Ｇに沿った方向で、鍔部２と段差部Ｄが対向しているので、図６（Ａ）の構成に比べて、幾分、カソードホルダー１の傾斜が抑制されて、カソードホルダー１の固定作業が簡便となる。

鍔部２、第一の調整面３１、４１、第二の調整面３２、４２、段差部Ｄの構成は、これまでに挙げた構成以外に、図７に代表される様々な構成を採用してもよい。
図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）の各図は、鍔部２を第二の調整面３２、４２に配置したときの平面図である。
図７（Ａ）では、鍔部２が、鋸歯状の特殊な形状を有している。図７（Ｂ）では、鍔部２の一部が、各クランプ３、４の外側に配置されている。図７（Ｃ）では、カソードホルダー１の周方向で、部分的に鍔部２を設けている。図７（Ｄ）では、カソードホルダー１の全周で、鍔部２が段差部Ｄと対向し、段差部Ｄがカソードホルダー１の軸周りでの回転を規制している。

いずれの構成においても、カソードホルダー１の軸周りでの回転とカソードホルダー１の軸方向への移動により、第一の調整面３１、４１から第二の調整面３２、４２への鍔部２の配置が可能となる構成であることから、図１乃至図４で説明した実施形態と同様に、位置決めピンを使用しない、ギャップ調整作業を実施することができる。

カソードホルダー１の軸周りでの回転については、鍔部２、第一の調整面３１、４１、第二の調整面３２、４２の形状に応じて、適切な角度で回転される。例えば、図７（Ｃ）の構成であれば、カソードホルダー１の回転角度は、約３０度から約１５０度の範囲で設定すればよい。また、図７（Ｄ）の構成では、鍔部２を第一の調整面３１、４１に配置することを考えると、カソードホルダー１の回転角度は、約４５度が最適と言える。

図５で述べた重力の影響によるカソードホルダー１の傾きを抑えるには、鍔部２と対向する段差部Ｄの面積は大きい方が望ましい。
この点では、図７（Ｄ）のように、鍔部２のカソードホルダー１の全周で、鍔部２が段差部Ｄと対向する構成であれば、カソードホルダー１の位置ずれ抑制効果が高く、ギャップ調整後にカソードホルダー１を固定する際、カソードホルダー１を誤った姿勢で固定してしまうことを効果的に防止することができる。

図７（Ｄ）の構成では、カソードホルダー１の径方向に、鍔部２の突出した部位が４つ設けられているが、本発明を実施する上では、２つ以上であればよい。また、鍔部２を第一の調整面３１、４１に配置したときの安定性を考えるならば、鍔部２の突出した部位の数は３つ以上とし、カソードホルダー１の周方向で均等に配置されていることが望ましい。

これまでの実施形態では、カソードホルダー１として円筒状の部材が想定されていたが、カソードホルダー１の形状はこれに限定されるものではない。
例えば、カソードホルダー１として、角筒状の部材や筒の一部に切り欠きが設けられている部材を使用してもよい。
また、筒状の部材に代えて、特許文献１と同じく、棒状の部材をカソードホルダーにしてもよい。

棒状の部材をカソードホルダーとしたときの構成例を、図８乃至図１０を用いて説明する。
図８（Ａ）はフィラメント１１の位置決め時の状態を示す模式的断面図であり、図９（Ａ）、図９（Ｂ）の平面図が、これに対応している。
図８（Ｂ）はギャップ調整後の状態を示す模式的断面図であり、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）の平面図が、これに対応している。
カソードホルダー６１は、一方向に長い棒状の部材であり、ネジ止めや圧入によって一端にカソード６を支持し、他端に鍔部２を有している。

フィラメント１１とカソード６とのギャップ調整にあたり、カソードホルダー６１の軸周りでの回転とカソードホルダー６１の軸方向への移動とを行って、第一の調整面５１から第二の調整面５２に鍔部２を配置する構成は、筒状のカソードホルダー１の実施形態と同一である。

図８乃至図１０の実施形態では、筒状のカソードホルダー１に比べて径の小さい棒状のカソードホルダー６１を採用しているため、クランプの構成を変更している。このクランプ５は、弾性変形可能なすり割り構造によって、フィラメントを挟持するものである。

図８乃至図１０の実施形態に示す棒状のカソードホルダー６１であっても、図１乃至図７の実施形態に示す筒状のカソードホルダー１と同様に、位置決めピンを使用しない、カソード６の位置決めを実施することができる。

カソード支持具は、一端にカソードを支持し、他端に鍔部を有する筒状または棒状のカソードホルダーと、カソードホルダーを支持するクランプ以外に、他の付加的な構成を適宜追加してもよい。
また、カソードホルダーの他端とは、カソードホルダーの最端部に限らず、最端部より軸方向に位置ずれした端部も含まれている。この点から、必ずしも鍔部は、カソードホルダーの最端部に設けられるものではない。

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ことは言うまでもない。

ＩＳ イオン源
１、６１ カソードホルダー
２ 鍔部
３ 第一のクランプ
４ 第二のクランプ
５ 第三のクランプ
６ カソード
１１ フィラメント
３１、４１、５１ 第一の調整面
３２、４２、５２ 第二の調整面
Ｄ 段差部
Ｇ 重力方向

Claims (5)

1. 一端にカソードを支持し、他端に鍔部を有する筒状または棒状のカソードホルダーと、
   前記カソードホルダーを支持するクランプと、を備え、
   前記クランプは、前記カソードホルダーの軸方向に第一の調整面と第二の調整面を有し、
   前記カソードホルダーを、前記カソードホルダーの軸周りで回転することと前記カソードホルダーの軸方向へ移動することにより、前記第一の調整面から前記第二の調整面への前記鍔部の配置を可能にする、カソード支持具。
2. 前記クランプは、前記第一の調整面と前記第二の調整面との間に段差部を有し、
   前記段差部が、前記第二の調整面に配置された前記鍔部と対向する、請求項１記載のカソード支持具。
3. 前記第一の調整面は、前記第二の調整面に配置された前記鍔部の上面と同一平面にある、請求項２記載のカソード支持具。
4. 前記カソードホルダーの全周で、前記鍔部が前記段差部と対向しており、かつ、前記段差部が、前記カソードホルダーの軸周りでの回転を規制する、請求項２または３記載のカソード支持具。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載のカソード支持具を有するイオン源であって、
   内部でプラズマを生成するアークチェンバを有し、
   前記アークチェンバは、前記プラズマからイオンビームを引き出すための引出し開口が形成された上蓋と、
   前記上蓋に対向する底板を有し、
   前記段差部が、前記上蓋と前記底板の対向方向で、前記鍔部と対向している、イオン源。

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