JP2023132162A

JP2023132162A - イオン源

Info

Publication number: JP2023132162A
Application number: JP2022037332A
Authority: JP
Inventors: 裕章甲斐; Hiroaki Kai
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-09-22
Also published as: KR20230133188A

Abstract

【課題】イオンビームの引出効率の低下を抑制しつつ、イオンビーム中の所望のイオン種の構成比率を変化させることができるイオン源を提供する。【解決手段】イオン化ガスが導入される内部空間１ｓを有する長尺状のプラズマ生成容器１と、内部空間にイオン化ガスを電離させる電子を供給する電子供給手段３と、内部空間を通過する磁場を形成する磁場形成手段２とを備え、内部空間から、プラズマ生成容器の長手方向に沿った一の側壁に形成されたイオン引出口を通じてイオンビームを長手方向と交差する所定の引出方向に引き出すよう構成されたイオン源１００であって、内部空間には、磁場形成手段２が、内部空間を通過する磁束を変化させ得るとともに、イオン引出領域の磁束密度が電子供給領域の磁束密度より小さくなるように磁場を調整し、長手方向における磁束密度が最大となる領域がイオン引出口に向かって湾曲するように磁場を形成し得るよう構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ生成容器内に磁場が形成される電子衝撃型のイオン源に関するものである。

この種のイオン源としては、特許文献１に示されたイオン源がある。このイオン源は、イオン化ガスが導入されるプラズマ生成容器と、プラズマ生成容器内に電子を供給する電子供給手段と、電子供給手段からの電子を捕捉する磁場をプラズマ生成容器内に形成する電磁石とを備える。このイオン源は、プラズマ生成容器内に供給されたイオン化ガスと電子からプラズマを生成し、そのプラズマに含まれるイオンをプラズマ生成容器に形成したイオン引出口からイオンビームとして引き出すように構成されている。プラズマ生成容器内で生成したプラズマ中のイオンは、プラズマ生成容器内に形成された磁場に捕捉され、電子と同様に磁場に捕捉され、磁場に沿って移動しながら旋回運動する。このとき、イオンの質量が大きいほどイオンの旋回半径は大きくなる。

この特許文献１に開示されたイオン源は、磁気シールド等を用いることによって、プラズマ生成容器内に形成する磁場の磁束密度が最も大きくなる位置である磁場中心位置を引出方向にシフトさせている。例えば、磁場中心位置をプラズマ生成容器のイオンビームを引き出す側と反対側の後方壁面に近づけるようにシフトさせると、旋回半径の大きいイオン、つまり比較的質量の大きいイオンがプラズマ生成容器の内壁面に衝突して消失する割合が大きくなる。その結果、プラズマ生成容器から引き出されるイオンビームでは、比較的質量の小さいイオンが含まれる比率が大きくなる。反対に、磁場中心位置をプラズマ生成容器のイオンビームを引き出す側にシフトさせると、旋回半径の大きいイオン、つまり比較的質量の大きいイオンがプラズマ生成容器の後方壁面に衝突して消失する割合が小さくなる。その結果、プラズマ生成容器から引き出されるイオンビームでは、比較的質量の大きいイオンが含まれる比率が大きくなる。
このようにして、このイオン源は、引き出されるイオンビームに含まれるイオン種の構成比率を変更することができる。

特開２０１９－１８６１０４号公報

特許文献１のイオン源では、プラズマ生成容器から引き出されるイオンビーム中の比較的質量の小さいイオン種の割合を大きくしたい場合は、磁束密度が大きい位置をイオン引出口から遠ざかるように移動させている。しかしながら、磁束密度が大きい領域ほど生成するプラズマ密度が大きくなることから、この場合には、プラズマ密度が大きい領域がイオン引出口から遠ざかることになり、その結果、イオンがプラズマ生成容器から引き出され難くなる、つまり、イオンビームの引出効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、イオンビームの引出効率の低下を抑制しつつ、イオンビーム中の所望のイオン種の構成比率を変化させることができるイオン源を提供することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るイオン源は、イオン化ガスが導入される内部空間を有する長尺状のプラズマ生成容器と、前記内部空間に前記イオン化ガスを電離させる電子を供給する電子供給手段と、前記内部空間を通過する磁場を形成する磁場形成手段とを備え、前記内部空間から、前記プラズマ生成容器の長手方向に沿った一の側壁に形成されたイオン引出口を通じてイオンビームを前記長手方向と交差する所定の引出方向に引き出すよう構成されたイオン源であって、前記内部空間には、前記電子供給手段から前記電子が供給される電子供給領域と、前記イオンビームが引き出されるイオン引出領域とが前記長手方向に沿って順に設定されており、前記磁場形成手段が、前記内部空間を通過する磁束を変化させ得るとともに、前記イオン引出領域の磁束密度が前記電子供給領域の磁束密度より小さくなるように前記磁場を調整し、前記イオン引出領域の少なくとも一部の領域において、前記長手方向における磁束密度が最大となる領域が前記イオン引出口に向かって湾曲するように前記磁場を形成し得るよう構成されていることを特徴とする。

このようなイオン源であれば、磁場形成手段が、前記内部空間を通過する磁束を変化させ得ることから、磁束を変化させることによってイオンビームに含まれるイオン種の比率を変更することができる。例えば、磁場形成手段が内部空間を通過する磁束を多くした場合、内部空間内の磁束密度が大きくなることから、相対的に質量の小さいイオンが磁場に強く捕捉され、プラズマ生成容器から引き出され難くなる。したがって、プラズマ生成容器から引き出されるイオンビームでは、相対的に質量の大きいイオンが含まれる比率が大きくなる。
反対に、磁場形成手段が内部空間を通過する磁束を少なくした場合、内部空間内の磁束密度が小さくなることから、相対的に質量の小さいイオンが磁場に捕捉される力が弱くなり、プラズマ生成容器から引き出され易くなる。したがって、プラズマ生成容器から引き出されるイオンビームでは、相対的に質量の小さいイオンが含まれる比率が大きくなる。
さらに、本発明のイオン源においては、イオン引出領域の磁束密度が電子供給領域の磁束密度より小さくなるように磁場を調整し、イオン引出領域の少なくとも一部の領域において、長手方向における磁束密度が最大となる領域が前記イオン引出口に向かって湾曲するように磁場を形成する。これにより、プラズマ密度が大きい領域が常にイオン引出口の近傍に形成されることになる。したがって、相対的に質量の小さいイオンの比率を大きくする場合であっても、プラズマ密度が大きい領域がイオン引出口の近傍に形成されることになるから、従来と異なり、イオンビームの引出効率の低下が抑制される。

前記イオン源の具体的態様としては、前記内部空間において、前記電子供給領域が前記長手方向に沿った両端部に設定され、前記イオン引出領域が前記長手方向に沿った中央部に設定されているものが挙げられる。

また前記イオン源は、前記内部空間が、前記引出方向から視て、前記長手方向に直交する前記イオン引出領域の幅寸法が前記電子供給領域の幅寸法よりも大きくなるように形成されている構成であってもよい。
前記イオン源は、磁場形成手段がイオン引出領域の磁束密度が電子供給領域の磁束密度より小さくなるように磁場を形成する。したがって、相対的に質量の小さいイオンの比率を高めたい場合、すなわち、プラズマ生成容器内の磁束を少なくした場合、相対的に質量の大きいイオンの旋回半径がさらに大きくなり、プラズマ生成容器内の内壁面に衝突して消滅しやすくなる。このとき、使用するイオン化ガスによっては、生成したイオンが内壁面に衝突した箇所に絶縁物が形成されていき、やがて放電等の不具合が生じることになる。これに対し、上記構成によれば、内部空間においてイオンビームが引き出されるイオン引出領域の幅を電子供給領域の幅よりも大きくしているので、相対的に質量が大きく回転半径も大きいプラズマ中のイオンが内部空間を形成する内壁面へ衝突する確率を抑えることができる。これにより、内部空間を形成する内壁面における絶縁物の形成が抑制されることから、イオンビームが安定して引き出される。
つまり、この構成では、内部空間において、その全体の幅寸法を同様に広げるのではなく、相対的に磁場が弱くイオンが内壁面に衝突して絶縁物が形成されやすいイオン供給領域の幅が局所的に広げられている。そのため、内壁面に衝突するイオンを減らして絶縁物の形成を抑制しながらも、プラズマ生成容器の大型化を抑え、イオン源自体の負荷の増大を抑えることができる。

また前記イオン源は、前記磁場形成手段が、前記プラズマ生成容器を挟むように配置された一対の電磁石を備え、前記電磁石がそれぞれ、印加される電流が独立して制御される少なくとも二つのコイルを有している。
この構成によれば、プラズマ生成容器内に形成される磁場は、各コイルが生成する磁場を合成したものとなり、各コイルに印加される電流を個別に設定することによって、プラズマ生成容器の内部空間を通過する磁束、プラズマ生成容器内に形成される磁場の形状、及び磁束密度を細密に調整することができる。

また前記イオン源は、前記磁場形成手段が、前記電磁石の前記引出方向の前方側に配置された磁気シールドを備える構成であってもよい。
この構成によれば、磁気シールドが配置されない場合と比較して、プラズマ生成容器内の磁場が透磁率の高い磁気シールドに引き寄せられるようにして、磁場が引出方向に沿ってさらに膨出した形状となる。したがって、プラズマ密度が大きい領域をイオンビーム引出口に近づけられることによってイオンビームがより引き出され易くなることから、イオンビームの引出効率が向上する。さらに、磁気シールドが外部磁場を遮蔽することによって、プラズマ生成容器内に及ぼす外部磁場の影響が緩和され、プラズマ生成容器内に所望する磁場を形成することが容易になる。

また前記イオン源は、前記内部空間を形成する前記プラズマ生成容器の内壁面がカーボン材により形成されているのが好ましい。
このようにすれば、プラズマ生成容器の内壁面を、アルミニウム等の金属材よりも熱伝導率が低く、耐熱温度が高いカーボン材で形成することにより、プラズマ生成中に高温化された内壁面の温度を高温に保持できる。これによりプラズマ生成容器の内壁面における絶縁物の生成又は付着をより効果的に抑制できる。

また前記イオン源は、前記電子供給領域を形成する前記プラズマ生成容器の側壁と、前記イオン引出領域を形成する前記プラズマ生成容器の側壁の少なくとも一部とが別部材により形成されるとともに、熱の移動を抑制する断熱部材を介して互いに接続されているのが好ましい。
このような構成であれば、生成したプラズマにより加熱されて高温となるイオン引出領域の側壁から電子供給領域を形成する側壁への熱の移動を抑制でき、プラズマ生成中におけるイオン引出領域を形成する内壁面の温度を高温に保持することができる。その結果、プラズマ生成容器の内壁面における絶縁物の生成又は付着をより効果的に抑えることができる。

このように構成した本発明によれば、イオンビームの引出効率の低下を抑制しつつ、イオンビーム中の所望のイオン種の構成比率を変化させることができるイオン源を提供することができる。

本実施形態のイオン源を備えるイオン注入装置の構成を模式的に示す図。同実施形態のイオン源の構成を示す模式的に示す斜視図である。同実施形態のイオン源を引出方向から視た平面図である。同実施形態のイオン源を幅方向から視た断面図である。同実施形態のイオン源を長手方向から視た断面図である。同実施形態のプラズマ生成容器及び蓋の構成を模式的に示す分解斜視図である。同実施形態のプラズマ生成容器の構成を引出方向から視た平面図である。他の実施形態のプラズマ生成容器の構成を模式的に示す斜視図である。他の施形態のプラズマ生成容器の構成を引出方向から視た平面図である。

本発明のイオン源は、例えば、半導体製造工程やフラッットパネルディスプレイ製造工程で使用されるイオン注入装置やイオンドーピング装置等のイオンビーム照射装置に用いられるものである。以下に、本発明に係るイオン源を備えるイオン注入装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態のイオン注入装置４００は、図１に示すように、ターゲットである基板Ｗに、イオンビームＩＢを照射してイオン注入をするためのものである。具体的にこのイオン注入装置４００は、所定の引出方向にイオンビームＩＢが引き出されるイオン源１００と、イオン源１００の下流側に設けられ、イオン源１００から引き出されたイオンビームＩＢの質量分析を行う質量分析部２００と、基板Ｗが設置される処理室３００とを備えている。本実施形態のイオン注入装置４００では、イオン源１００からは図１の紙面の表裏方向である幅が、それに直交する方向の厚さよりも十分に大きいリボン状のイオンビームが引き出される。

質量分析部２００は、質量分析磁石２１０と分析スリット２２０とを有している。質量分析磁石２１０は、イオンビームＩＢをその厚さ方向に曲げて所望のイオンを選別して導出するものである。分析スリット２２０は、質量分析磁石２１０の下流側に設けられており、質量分析磁石２１０と協働することにより、上記した所望のイオンを選別して通過させるものである。

処理室３００において、基板Ｗはその処理面をイオンビームＩＢに向けて基板駆動装置３１０により保持されている。この基板駆動装置３１０は、基板Ｗを保持するとともに、基板Ｗに入射するイオンビームＩＢの厚さに沿う方向に機械的に往復駆動するよう構成されている。イオン注入装置４００は、この基板駆動装置３１０による基板Ｗの往復駆動と、リボン状をなすイオンビームＩＢの照射とによって、基板Ｗの全面にイオンビームＩＢを入射させてイオン注入を行うことができる。

以下、イオン源１００の構成について詳細に説明する。なお、各図では本発明の実施形態のイオン源１００の要部のみが記されており、各種の部材を省略して記している。

具体的にこのイオン源１００は、図１～図５に示すように、イオン化ガスが導入されてプラズマを生成するためのプラズマ生成容器１と、プラズマ生成容器１内に磁場を形成する磁場形成手段２と、プラズマ生成容器１内にイオン化ガスを電離させるための電子を放出する電子供給手段３と、プラズマ生成容器１からイオンビームＩＢを引き出す引出電極系４と、プラズマ生成容器１にイオン化ガスを導入するガス源５とを備えている。このイオン源１００は、磁場形成手段２が形成する磁場の強さを変更することによりプラズマ生成容器１内を通過する磁束を変更し、これによって、プラズマ生成容器１から引き出されるイオンビームＩＢに含まれるイオン種の比率を変更するように構成されている。

プラズマ生成容器１は、例えば直方体形状等をなす長尺状の容器である。図６及び図７に示すように、このプラズマ生成容器１の内壁面により、イオン化ガスが導入されてプラズマを生成するための内部空間１ｓが形成されている。この内部空間１ｓはプラズマ生成容器１の長手方向に沿って延びるように形成された概略直方体形状をなす長尺状の空間である。長手方向に平行なプラズマ生成容器１の一つの側壁１１ａ（以下、前側壁という）には、内部空間１ｓからイオンビームＩＢを引き出すための開口であるイオン引出口１Ｈが形成されている。イオン引出口１Ｈは、内部空間１ｓと同様に、長手方向に沿って延びるように前側壁１１ａに形成されている。本実施形態においては、この前側壁１１ａはイオンビームＩＢの引出方向に直交するように形成されている。以下において、引出方向及び長手方向に直交する方向を幅方向という。なお長尺状とは、引出方向から視て、互いに直交する２つの軸方向において、一方の軸方向の長さ（すなわち長手方向の長さ）が、他方の軸方向の長さ（すなわち幅方向の長さ）よりも長くなるように形成された任意の形状を意味し、直方体形状に限らない。

図５及び図６に示すように、プラズマ生成容器１の前側壁１１ａには、イオン引出口１Ｈを覆うように蓋７が取り付けられている。蓋７には、蓋７の幅方向中央に長手方向に沿って開口する蓋開口部７ａが形成されている。本実施形態のイオン源１００において、イオンビームＩＢは、蓋開口部７ａを通じてイオン引出口１Ｈからプラズマ生成容器１の外部に引き出される。なお、図２及び図３では、蓋７の図示は省略されている。

この内部空間１ｓは、長手方向に沿って互いに対向する一対の内壁面と、幅方向に沿って互いに対向する一対の内壁面とによって囲まれて形成されている。そしてこの内部空間１ｓには、電子供給手段３から電子が供給される電子供給領域Ｓａと、イオン引出口１Ｈを通じてイオンビームＩＢが引き出されるイオン引出領域Ｓｂとが長手方向に沿って順に設定されている。より具体的には、内部空間１ｓにおける長手方向に沿った両端部に電子供給領域Ｓａが設定され、中央部にイオン引出領域Ｓｂが設定されている。なお、イオン引出領域Ｓｂは、内部空間１ｓにおいて主として（大部分の）イオンビームＩＢが引き出される領域であり、内部空間１ｓにおけるイオン引出領域Ｓｂ以外の領域からイオンビームＩＢが引き出されることを阻害するものではない。すなわち、イオン引出領域Ｓｂから主としてイオンビームＩＢが引き出されていれば、電子供給領域ＳａからもイオンビームＩＢが引き出されていてもよい。

前側壁１１ａに対向するプラズマ生成容器１の側壁１１ｂ（以下、後側壁）には、ガス源５に連通し、内部空間１ｓにイオン化ガスを導入するための複数のガス導入孔１ｇが形成されている。このガス導入孔１ｇから、ＢＦ_３ガスやＰＨ_３ガス等のイオン化ガスが導入される。

磁場形成手段２は、プラズマ生成容器１の内部空間１ｓに磁場を形成するための一対の電磁石２１を備えている。この一対の電磁石２１は、プラズマ生成容器１の外部に設けられ、プラズマ生成容器１を挟むように配置されている。より詳細には、図３に示すように、一対の電磁石２１は、引出方向から視て、その幅方向の両側から対をなすようにして内部空間１ｓを挟むように設けられている。各電磁石２１は、それぞれ印加される電流が独立して制御される三つのコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃを有している。

具体的に三つのコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、長手方向に沿って上方からこの順に並べられており、鉄心等の磁性材料から成るコア部材２１ｚに巻かれるようにして形成されている。また、三つのコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、プラズマ生成容器１の前側壁１１ａと交差する長手方向に沿った一対の側壁１１ｃ、１１ｄ（以下、右側壁及び左側壁）それぞれの外面に対向するとともに、長手方向に沿って略等間隔に並べて設けられている。

磁場形成手段２は、各電磁石２１のコイル２１ａ、コイル２１ｂ、コイル２１ｃに通電する電流値をそれぞれ変更することにより、各電磁石２１が生成する磁場の強さを変更し、それによって、内部空間１ｓを通過する磁束を変更できるように構成されている。以降、コイル２１ａを上部コイル２１ａ、コイル２１ｂを中央コイル２１ｂ、コイル２１ｃを下部コイル２１ｃとも称するものとする。

磁場形成手段２はまた、電磁石２１の引出方向の前方側に配置された磁気シールド２２を更に備えている。磁気シールド２２は、後述するように、プラズマ生成容器１の内部空間１ｓに形成される磁場形状を引出方向に膨出させる働きをする。磁気シールド２２はさらに、プラズマ生成容器１の内部空間１ｓに作用する外部磁場、特に、質量分析部２００からの漏れ磁場を遮蔽しており、内部空間１ｓに形成される磁場の調整を容易にしている。より詳細には、この磁気シールド２２は、プラズマ生成容器１、複数の電磁石２１及び引出電極系４よりも引出方向の前方側であって、これらと質量分析部２００との間に設けられている。具体的にこの磁気シールド２２は、例えば鉄やパーマロイ等の高い透磁率を有する磁性材料により形成された板状をなすものである。磁気シールド２２において、プラズマ生成容器１のイオン引出口１Ｈと蓋７を介して対向する部分には、その厚み方向に沿って貫通する磁気シールド開口部２２ａが設けられている。蓋開口部７ａを通じてイオン引出口１Ｈから引き出されたイオンビームＩＢは、磁気シールド２２の磁気シールド開口部２２ａを通過した後、質量分析部２００に導入される。

このような磁場形成手段２により内部空間１ｓに形成される磁場について説明する。内部空間１ｓには、引出方向から視ると、一対の電磁石２１が形成する磁場によって、長手方向に略平行で、且つ長手方向の上方に向かう磁場が形成されている。図３には、内部空間１ｓを引出方向から視た場合における、長手方向に沿った各位置における磁束密度が最大となる位置を結ぶ線である最大磁束密度線ＭＰが示されている。つまり、最大磁束密度線ＭＰの近傍が、長手方向に沿った各位置における磁束密度が最大となる領域であり、生成するプラズマのプラズマ密度が大きい領域となる。なお、最大磁束密度線ＭＰ上の各位置における磁束密度は互いに同一というわけではない。ここでは、最大磁束密度線ＭＰ上において、電子供給領域Ｓａにおける磁束密度よりも、イオン引出領域Ｓｂにおける磁束密度の方が小さくなっている。

また、磁場形成手段２は、イオン引出領域Ｓｂにおける磁束密度が電子供給領域Ｓａにおける磁束密度より小さくなるように磁場を調整している。具体的は、磁場形成手段２は、上部コイル２１ａ及び下部コイル２１ｃを通電する電流値が、中央コイル２１ｂを通電する電流値よりも大きくなるように、一対の電磁石２１を制御する。すると、一対の電磁石２１が内部空間１ｓ内に形成する合成磁場の形状は、幅方向から視て、引出方向の前方側に膨出する形状となる。なお、本実施形態においては、磁気シールド２２が配置されていることによって、磁場が引出方向の前方側により顕著に膨出する磁場形状となる。より詳細には、図４に示すように幅方向から視ると、内部空間１ｓの磁場は、電子供給領域Ｓａからイオン引出領域Ｓｂに向かうにつれて最大磁束密度線ＭＰが引出方向の前方側に膨出する弓なり形状をなすように形成されている。本実施形態においては、内部空間１ｓ内に形成される磁場は、最大磁束密度線ＭＰがイオン引出領域Ｓｂにおいて最もイオン引出口１Ｈに近づくように膨出するよう形状とされている。つまり内部空間１ｓにおいては、イオン引出領域Ｓｂにおける磁場が、全体的に電子供給領域Ｓａよりも相対的に磁束密度は小さいが、長手方向における磁束密度が大きい領域がイオン引出口１Ｈに近づく形状となっている。

電子供給手段３は、プラズマ生成容器１の内部空間１ｓに放出した電子によってイオン化ガスを電離させてプラズマを生成するためのものである。電子供給手段３は、例えばフィラメント、板状カソードにフィラメントを組み合わせた構造物、又は所定エネルギーで加速された電子を供給する電子銃等である。この電子供給手段３は、プラズマ生成容器１の長手方向に対向する一対の側壁１１ｅ、１１ｆ（以下、上側壁、下側壁）を貫通して内部空間１ｓに挿入して設けられている。これにより電子供給手段３は、長手方向に沿った両端部に設定された電子供給領域Ｓａに電子を供給するように構成されている。本実施形態のイオン源１００では、電子供給手段３は、加熱されて電子を放出するフィラメントと、当該フィラメントから放出された電子によって加熱されることによって電子供給領域Ｓａに電子を放出するカソードとを備える構成とされている。

引出電極系４は、プラズマ生成容器１との間に電位差を与えることでイオンビームＩＢを加速して引き出すものである。この引出電極系４は、プラズマ生成容器１のイオン引出口１Ｈ近傍であって、長手方向において内部空間１ｓのイオン引出領域Ｓｂに対応する位置に設けられている。なお、図２～図５では引出電極系４の図示を省略している。

このように構成したイオン源１００では、電子供給手段３から供給された電子と、生成したプラズマ中のイオンは、内部空間１ｓに形成された磁場中でローレンツ力を受けて、長手方向に沿った軸を回転中心として円運動を行う。この円運動の回転半径（ラーモア半径）は、質量が大きいイオン程大きくなり、質量が小さいイオン程小さくなる。また各イオンの円運動の回転半径は、内部空間１ｓにおける磁束密度が大きいほど小さくなり、磁束密度が小さいほど大きくなる。

そしてこのイオン源１００では、磁場形成手段２によって、一対の電磁石２１に通電させる電流値を変化させる、つまり、一対の電磁石２１が形成する磁場の強さを変化させることによって、内部空間１ｓを通過する磁束の量を変化させることができる。これによって、イオン源１００は、プラズマ生成容器１から引き出されるイオンビームＩＢに含まれるイオン種の比率を変更することができる。

例えば、プラズマ生成容器１から引き出されるイオンビームＩＢにおいて、相対的に質量の大きいイオンが含まれる比率を大きくしたい場合には、磁場形成手段２によって内部空間１ｓを通過する磁束を多くすればよい。この場合、内部空間１ｓ内の磁束密度が大きくなることから、相対的に質量の小さいイオンが磁場に捕捉され易くなり、プラズマ生成容器１から引き出され難くなる。したがって、プラズマ生成容器１から引き出されるイオンビームＩＢでは、相対的に質量の大きいイオンが含まれる比率が大きくなる。

反対に、プラズマ生成容器１から引き出されるイオンビームＩＢにおいて、相対的に質量の小さいイオンが含まれる比率を大きくした場合には、磁場形成手段２によって内部空間１ｓを通過する磁束を少なくすればよい。この場合、内部空間１ｓ内の磁束密度が小さくなることから、相対的に質量の小さいイオンが磁場に捕捉され難くなり、プラズマ生成容器１から引き出され易くなる。したがって、プラズマ生成容器１から引き出されるイオンビームＩＢでは、相対的に質量の小さいイオンが含まれる比率が大きくなる。

なお、原料ガスにＢＦ_３ガスを使用する場合、例えばＢ^＋やＦ^＋が相対的に質量の小さいイオンであり、ＢＦ^＋、ＢＦ^２＋が相対的に質量の大きいイオンとなる。また、原料ガスにＰＨ_３ガスを使用する場合、例えばＰ^＋が相対的に質量の小さいイオンであり、Ｐ^２＋が相対的に質量の大きいイオンとなる。

本実施形態のイオン源１００においては、イオン引出領域Ｓｂにおける磁束密度が電子供給領域Ｓａにおける磁束密度より小さくなるように磁場を調整し、イオン引出領域Ｓｂの少なくとも一部の領域において、長手方向における磁束密度が最大となる領域がイオン引出口１Ｈに向かって湾曲するように磁場を常に形成している。つまり、プラズマ密度が大きい領域が常にイオン引出口１Ｈの近傍に常に形成されることになる。したがって、相対的に質量の小さいイオンの比率を大きくする場合であっても、プラズマ密度が大きい領域がイオン引出口１Ｈの近傍に形成されることになるから、従来と異なり、イオンビームＩＢの引出効率が低下することが抑制される。

そして本実施形態のイオン源１００では、プラズマ生成容器１は、図７に示すように、内部空間１ｓにおけるイオン引出領域Ｓｂの幅寸法が電子供給領域Ｓａの幅寸法よりも大きくなるように構成されている。

具体的にこのプラズマ生成容器１では、長手方向に沿った中央部における右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄの厚みが、長手方向に沿った両端部における右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄの厚みよりも小さくなっている。これにより内部空間１ｓを形成する右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄのそれぞれの内壁面間の距離は、電子供給領域Ｓａよりもイオン引出領域Ｓｂの方が長くなっている。また、電子供給領域Ｓａとイオン引出領域Ｓｂのどちらにおいても、右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄのそれぞれの内壁面は長手方向及び引出方向に対して略平行となるように形成されている。さらに本実施形態では、電子供給領域Ｓａにおける内部空間１ｓの幅寸法は長手方向の位置によらず略一定であり、イオン引出領域Ｓｂにおける内部空間１ｓの幅寸法も長手方向の位置によらず略一定となっている。このようにして、内部空間１ｓは、イオン引出領域Ｓｂにおいてのみ幅寸法が局所的に広くなるように形成されている。

また本実施形態のプラズマ生成容器１では、内部空間１ｓを形成する側壁１１ａ～１１ｆの内壁面がカーボン材により形成されている。例えばプラズマ生成容器１はその全体がカーボン材により形成されていてもよく、各側壁１１ａ～１１ｆの内壁面のみがカーボン材により被覆されていてもよい。

このように構成した本実施形態のイオン源１００によれば、内部空間１ｓにおいてイオンビームＩＢが引き出されるイオン引出領域Ｓｂの幅を電子供給領域Ｓａの幅よりも大きくしているので、相対的に質量が大きく回転半径も大きいプラズマ中のイオンが内部空間１ｓを形成する内壁面へ衝突する確率を抑えることができる。

プラズマ生成容器１から引き出されるイオンビームＩＢにおいて、相対的に質量の小さいイオンの比率を高めたい場合は、プラズマ生成容器１内の磁束を少なくする。このとき、仮に、電子供給路領域Ｓａとイオン引出領域Ｓｂの幅寸法が同一であるとすると、相対的に質量の大きいイオンの旋回半径がさらに大きくなるため、プラズマ生成容器１内の内壁面に衝突して消滅しやすくなる。このとき、イオン化ガスにＢＦ_３等のフッ素を含むガスや、酸素を含むガスを使用する場合等、使用するイオン化ガスによっては、生成したイオンがプラズマ生成容器１の内壁面に衝突した箇所に絶縁物が形成されていき、やがて放電等の不具合が生じることになる。これに対し、本実施形態のイオン源１００では、イオン引出領域Ｓｂの幅寸法を電子供給路領域Ｓａの幅寸法よりも大きくすることによって、プラズマ生成容器１内の磁束を少なくした場合であっても相対的に質量の大きいイオンが内壁面に衝突することを抑制している。したがって、イオン源１００は、内部空間１ｓを形成する内壁面における絶縁物の形成を抑制し、イオンビームＩＢの引出効率を向上できる。また、イオン源１００においても、経時的に絶縁物が生成していくことで最終的には清掃等のメンテナンスが必要となることが想定されるが、絶縁物の生成が抑制されることでイオン源１００を長期間に亘って稼働させることができるようになる。

電子供給領域Ｓａでは電子供給手段３を構成するカソードに近いため、プラズマ生成容器１の電子供給領域Ｓａを形成する領域の温度が、プラズマ生成容器１のイオン引出領域Ｓｂを形成する領域より高くなりやすい。また、電子供給領域Ｓａはイオン引出領域Ｓｂより磁束密度が大きいことから、電子供給領域Ｓａにおけるプラズマ密度はイオン引出領域Ｓｂにおけるプラズマ密度より大きくなる。したがって、プラズマ生成容器１の電子供給領域Ｓａを形成する領域の内壁は熱負荷やイオンスパッタによって損耗されすい。そのため、プラズマ生成容器１の電子供給領域Ｓａを形成する領域は、イオン引出領域Ｓｂを形成する領域よりも厚みを持たせる事が望ましい。仮に、イオンの衝突を抑制させるため、内壁の厚みをもたせたまま、幅寸法を単に広げた場合、プラズマ生成容器１は大型化するため、部材費も上がり、イオン源１００自体の負荷も増大してしまう。

これに対して本実施形態のイオン源１００では、内部空間１ｓ全体の幅寸法を広げるのではなく、相対的に磁場が弱くイオンが内壁面に衝突しやすいイオン引出領域Ｓｂの幅だけを局所的に広げるようにしているので、内壁面に衝突するイオンを減らして絶縁物の形成を抑えながらも、プラズマ生成容器１の大型化を抑え、イオン源１００の負荷の過度な増大を抑えることができる。

さらにプラズマ生成容器１の内壁面がカーボン材で形成されているので、アルミニウム等の金属材で形成する場合に比べて、プラズマ生成中における内壁面の温度を高温に保持することができる。これにより絶縁物の生成又は付着をより効果的に抑制でき、イオンビームＩＢの引出効率をより向上できる。

また、プラズマ生成容器１の内壁面をカーボン材により形成する場合、カーボン材に形成される絶縁物に対しては水素クリーニングやＰＨ_３クリーニングによる洗浄が有効でないという問題がある。そのため、イオン引出領域Ｓｂの幅を電子供給領域Ｓａの幅よりも大きくすることにより内壁面へのイオンの衝突を抑制して絶縁物の形成を抑制できるという本実施形態のイオン源１００の効果は、プラズマ生成容器１の内壁面をカーボン材により形成する態様において特に顕著になる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば前記実施形態のイオン源１００では、内部空間１ｓを形成するプラズマ生成容器１の右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄは、電子供給領域Ｓａとイオン引出領域Ｓｂとで互いに同一の部材により構成されていたがこれに限らない。他の実施形態のイオン源１００では、内部空間１ｓを形成するプラズマ生成容器１の右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄは、電子供給領域Ｓａとイオン引出領域Ｓｂとで異なる部材により構成されていてもよい。例えば他の実施形態では、図８及び図９に示すように、プラズマ生成容器１の右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄは、イオン引出領域Ｓｂに対応する長手方向に沿った中央部に幅方向（厚さ方向）に貫通する開口部１１ｈが形成されていてよい。そして、この開口部１１ｈを塞ぐように幅方向に沿った外側から壁板部材１２が取り付けられていてもよい。

そしてこの壁板部材１２と、右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄとは、断熱部材１３を介して互いに接続されていてよい。この断熱部材１３は、壁板部材１２から右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄへの熱の移動を抑制するためのものである。断熱部材１３は、例えば壁板部材１２の内向き面とプラズマ生成容器１の側壁１１ｃ、１１ｄの外壁面との間に気密に挟まれた板状の部材である。この断熱部材１３は、プラズマ生成容器１の側壁１１ｃ、１１ｄを構成する部材、及び壁板部材１２よりも熱伝導性が低い材料により構成されているのが好ましい。断熱部材１３は、例えばセラミックにより形成できる。また、この断熱部材１３と壁板部材１２との接触面積は、壁板部材１２の内向き面と側壁１１ｃ、１１ｄの外壁面の対向面積よりも小さいのが好ましい。同様に、断熱部材１３と側壁１１ｃ、１１ｄとの接触面積も、壁板部材１２の内向き面と側壁１１ｃ、１１ｄの外壁面の対向面積よりも小さいのが好ましい。またこの場合、イオン引出領域Ｓｂを形成する板部材１２の厚みを、電子供給領域Ｓａを形成する右側壁１１ｃ及び左側壁１１ｄの厚みと略同一としてもよい。

また前記実施形態のプラズマ生成容器１は、内部空間１ｓを形成する各側壁１１ａ～１１ｆの全ての内壁面がカーボン材により形成されていたがこれに限らない。他の実施形態のイオン源１００のプラズマ生成容器１では、内部空間１ｓを形成する各側壁１１ａ～１１ｆの内壁面のうち、イオン引出領域Ｓｂを形成する内壁面のみがカーボン材により形成されていてもよい。また他の実施形態のプラズマ生成容器１では、内部空間１ｓを形成する各側壁１１ａ～１１ｆの内壁面が、カーボン材ではなくアルミニウム等の金属材により構成されていてもよい。

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のは言うまでもない。

ＩＢ・・・イオンビーム
１００・・・イオン源
１・・・プラズマ生成容器
１１ａ・・・前側壁
１ｓ・・・内部空間
Ｓａ・・・電子供給領域
Ｓｂ・・・イオン引出領域
１Ｈ・・・イオン引出口
２・・・磁場形成手段

Claims

イオン化ガスが導入される内部空間を有する長尺状のプラズマ生成容器と、前記内部空間に前記イオン化ガスを電離させる電子を供給する電子供給手段と、前記内部空間を通過する磁場を形成する磁場形成手段とを備え、前記内部空間から、前記プラズマ生成容器の長手方向に沿った一の側壁に形成されたイオン引出口を通じてイオンビームを前記長手方向と交差する所定の引出方向に引き出すよう構成されたイオン源であって、
前記内部空間には、前記電子供給手段から前記電子が供給される電子供給領域と、前記イオンビームが引き出されるイオン引出領域とが前記長手方向に沿って順に設定されており、
前記磁場形成手段が、
前記内部空間を通過する磁束を変化させ得るとともに、
前記イオン引出領域の磁束密度が前記電子供給領域の磁束密度より小さくなるように前記磁場を調整し、前記イオン引出領域の少なくとも一部の領域において、前記長手方向における磁束密度が最大となる領域が前記イオン引出口に向かって湾曲するように前記磁場を形成し得るよう構成されているイオン源。
前記内部空間は、前記引出方向から視て、前記長手方向に直交する前記イオン引出領域の幅寸法が前記電子供給領域の幅寸法よりも大きくなるように形成されている請求項１に記載のイオン源。
前記磁場形成手段が、前記プラズマ生成容器を挟むように配置された一対の電磁石を備え、
前記電磁石がそれぞれ、印加される電流が独立して制御される少なくとも二つのコイルを有している請求項１又は２に記載のイオン源。
前記磁場形成手段が、前記電磁石の前記引出方向の前方側に配置された磁気シールドを備える請求項３に記載のイオン源。
前記内部空間を形成する前記プラズマ生成容器の内壁面がカーボン材により形成されている請求項１～４のいずれか一項に記載のイオン源。
前記電子供給領域を形成する前記プラズマ生成容器の側壁と、前記イオン引出領域を形成する前記プラズマ生成容器の側壁の少なくとも一部とが別部材により形成されるとともに、熱の移動を抑制する断熱部材を介して互いに接続されている請求項１～５のいずれか一項に記載のイオン源。