JP2605031B2

JP2605031B2 - 電子ビーム励起イオン源

Info

Publication number: JP2605031B2
Application number: JP62053391A
Authority: JP
Inventors: 直樹高山; 剛平川村; 民夫原; 学浜垣; 進難波; 克信青柳
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1987-03-09
Filing date: 1987-03-09
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: JPS63221540A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、電子ビームによってイオンを生成する電子
ビーム励起イオン源に係り、特にイオン注入装置等のイ
オン源として利用して好適な電子ビーム励起イオン源に
関する。

（従来の技術）一般に、イオンビームを用いて半導体ウエハ等の処理
を行なうイオン注入装置では、低エネルギーかつ大電流
のイオンビームを用いることが好ましい。

本願出願人の一人は、このような低エネルギーかつ大
電流のイオンビームを得るためのイオン源として、電子
ビーム励起イオン源を特開昭61−290629号、特公平７−
62989号公報等で提案した。

この電子ビーム励起イオン源は、プラズマ領域、加速
陰極、電子ビーム加速領域、加速陽極、イオン発生領
域、およびターゲット陰極がこの順で配置され、加速陽
極に対して負の電位をターゲット陰極に与える手段と、
イオン発生領域において生成された正イオンまたは負イ
オンを吸引し、このイオンを引き出すイオン引出電極と
が備えられている。

このような電子ビーム励起イオン源では、プラズマ領
域中の電子は、加速陽極によって引き出され、イオン発
生領域内に突入する。突入した電子はイオン発生領域内
の不活性ガス又は金属蒸気として衝突してイオンを生成
するが、このイオンの逆流によって加速陰極の出口付近
に形成される負のポテンシャルバリヤが中和される。

したがって、プラズマ密度に比例する大電流電子ビー
ムがイオン発生領域内に流入する。イオン発生領域内に
おいては、流入した電子ビームの電流値に比例した数の
イオンが発生し、このイオンは、イオン引出電極によっ
てイオン発生領域へ放射される。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上述の電子ビーム励起イオン源におい
ても、さらに、イオンビームの大電流密度化、装置寿命
の長期化、電力消費量の低減化等を行なうことが要求さ
れる。

本発明は、このような問題に対処してなされたもの
で、イオンビームの大電流密度化、装置寿命の長期化、
電力消費量の低減化を図ることのできる電子ビーム励起
イオン源を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段）すなわち、本発明は、プラズマ発生領域とイオン発生
領域とを多数の透孔を有するアノード電極および多数の
透孔を有する電子ビーム加速用電極で隔てるとともに、
前記アノード電極の電圧によりプラズマ発生領域から電
子を引き出し、この電子を前記アノード電極および電子
ビーム加速用電極の透孔を通過させてイオン発生領域の
ガス雰囲気中に入射させてイオンを発生させる電子ビー
ム励起イオン源において、前記アノード電極の透孔を、
直径0.65mm以下としたことを特徴とする。

さらに、本発明は、前記アノード電極の透孔を、直径
0.5mm〜0.6mmとしたこと、および、プラズマ発生領域に
カソード電極と多孔状のアノード電極とこれらの電極の
間にガスに対して隘路を設け、この隘路を介してカソー
ド電極とアノード電極との間に放電電圧を印加してプラ
ズマを生起させるとともに、前記アノード電極に印加し
た電圧によりプラズマ領域から電子を引き出すようにし
たことを特徴とする。

（作用）本発明の電子ビーム励起イオン源では、多数の透孔を
有するアノード電極の透孔が、直径0.65mm以下、好まし
くは0.5mm〜0.6mmとされている。すなわち、アノード電
極が、例えば厚さ0.2mm〜0.5mmの板状部材に、直径例え
ば0.5mm〜0.6mmの円孔を、各円孔の中心間の間隔が、例
えば0.4mm〜1.0mmとなるように多数配置して構成されて
いる。

ここで、アノード電極の透孔の直径を0.65mm以下、好
ましくは0.5mm〜0.6mmとしたのは、以下のような理由に
よる。

すなわち、電子ビーム励起イオン源において大電流密
度のイオンビームを得るためには、イオン発生領域内に
高密度のプラズマを生成することが必要であり、一定の
形、大きさのイオン発生領域内に高密度のプラズマを生
成するためには、このイオン生成部内に適当なエネルギ
ー（100eV〜500eV）の電子ビームを出きる限り多量に打
ち込むことが重要である。

プラズマ発生領域における、ある電流の直流放電（グ
ロー放電またはアーク放電）によって生じたプラズマか
らできる限り多量の電子ビームを引き出すためには、プ
ラズマ発生領域とイオン発生領域を隔てるアノード電極
および電子ビーム加速用電極の透孔を電子ビームが通り
やすくなるよう、アノード電極および電子ビーム加速用
電極の強度を損なわない程度に、透孔の径を大きくする
とともに、透孔間のピッチを小さくして開口率を上げる
必要がある。

しかしながら、プラズマ発生領域とイオン発生領域と
を隔てる電極の透孔の直径を大きくしすぎ、透孔の直径
がこれらの透孔内に形成されるプラズマシースの厚さの
２倍以上となると、プラズマ発生領域から電子ビーム加
速用電極側へプラズマがしみだし、アノード電極と電子
ビーム加速用電極との間に放電が生じ、電子ビームを引
き出すことができなくなる。

この透孔内に生成されるプラズマシースの厚さは、一
般に以下に示す式によって求められるデバイ長さλ_Ｄの
３〜５倍と言われている。

λ_Ｄ＝（ε_oKT_e/n_ee）¹² ただし、 ε_o:真空の誘電率 K:ボルツマン係数 T_e:電子温度 n_e:電子密度 e:電荷素量したがって、ある電子密度と電子温度のプラズマから
プラズマのしみだしを生じること無く電子を引き出すた
めには、透孔の直径を、ある値以下にする必要がある。

しかしながら、このような臨界値を理論的にもとめる
ことは非常に困難であり、本発明者等は、上記臨界値を
実験により求めた。

すなわち、例えば4A以下のグロー放電から電子ビーム
を引き出す場合、厚み0.3mmのアノード電極の透孔の直
径を0.6mmとすると、引き出せる電子ビームは3.1Aであ
るが、透孔の直径を0.65mmより大径とすると、プラズマ
発生領域からアノード電極と電子ビーム加速電極との間
の空間にプラズマがしみ出し、カソード電極と電子ビー
ム加速電極との間に放電が生じてカソード電極の電位が
アノード電極の電位と略等しくなり電子ビームを引き出
せなくなる。したがって、アノード電極の透孔の直径は
0.65mm以下であることが必要である。

一方、アノード電極の透孔の直径を0.5mmとすると2.8
Aの電子ビームを引き出すことができるが、0.5mm未満と
すると得られる電子ビームは急激に減少して、多量の電
子ビームを引き出すことができない。

したがって、プラズマ発生領域から多量の電子ビーム
を引き出すためには、アノード電極の透孔の直径を0.5m
m以上とし、好ましくは0.5mm〜0.6mmとする。

したがって、アノード電極の透孔の直径は、0.65mm以
下であることが必要であり、好ましくは0.5mm〜0.6mmで
あることが必要である。

また、各透孔の中心間の間隔（ピッチ）については加
工限界が有り、このため、ピッチ0.7mm〜1.0mmとするこ
とが好ましい。

上述のようにして、プラズマ発生領域におけるカソー
ド電極とアノード電極との間の放電電流を低く制御し
て、カソード電極寿命の長期化、電力消費量の低減化を
図ることができ、かつ、プラズマ発生領域からイオン発
生領域へ多量の電子ビームを引き出して、イオン発生領
域において多量のプラズマを生成し、イオン発生領域か
ら取り出すイオンビームの大電流密度化を図ることがで
きる。

また、プラズマ発生領域とイオン発生領域とを隔てる
アノード電極の透孔を電子ビームが通り抜けやすくし、
多量の電子ビームを引き出すためには、アノード電極お
よび電子ビーム加速用電極の板圧は、薄い方が良い。例
えば、初期放電電流（プラズマ発生領域におけるアノー
ド電極とカソード電極との間の放電電流）が1A、電子加
速電圧が300V、透孔の直径が0.5mmの場合、肉圧0.3mmの
とした場合は、600mAの電子ビーム電流を得ることがで
きる。

しかしながら、アノード電極および電子ビーム加速用
電極の肉圧を、0.2mm以下とすると耐久性に乏しくな
る。

そこで、アノード電極および電子ビーム加速用電極の
肉圧は、0.2mm〜0.5mmとすることが好ましい。

（実施例）以下、本発明にかかる電子ビーム励起イオン源をイオ
ン注入装置用イオン源に適用した実施例を第１図ないし
第４図を参照して説明する。

イオン源は、チャンバ（密閉容器）１内に設けた電子
ビーム発生部すなわちプラズマ発生領域100と、イオン
発生部すなわちイオン発生領域200から構成される。

まず、電子ビーム発生部すなわちプラズマ発生領域10
0の構成から説明する。

第２図に示すように、プラズマ発生領域100とイオン
発生領域200との間には、例えばモリブデンやタングス
テン等の高融点材料からなり、直径例えば54mm、厚さ0.
2mm〜0.5mm、例えば0.3mmの円板状に形成されたアノー
ド電極２が配置されている。

また、アノード電極２のイオン発生領域200側には、
例えば0.2mm〜1.5mmの所定間隔を設けて電子ビーム加速
用電極３が配置されている。この電子ビーム加速用電極
３は、第３図にも示すように、例えばモリブデンやタン
グステン等の高融点金属からなり、直径例えば40mm、厚
さ0.2mm〜0.5mm、例えば0.3mmの円板状に形成されてい
る。

また、これらのアノード電極２および電子ビーム加速
用電極３の中央部の直径例えば22mm程度の領域Ｂには、
第４図にも示すようにそれぞれ、多数の透孔ｂが配置さ
れている。

これらの透孔ｂは、前述のような理由により直径0.65
mm以下、例えば0.5mm〜0.6mmとされている。また、各透
孔の中心間の間隔（ピッチ）Ｐは、例えば0.7mm〜1.0mm
となるように配置することが好ましい。

密閉容器１内のアノード電極２と対向する側には、例
えばタンタル等からなり、中心部に貫通孔４を備えた円
筒状のカソード電極５がアノード電極２側へ突出するよ
う配置されている。

カソード電極５とアノード電極２との間には、微少コ
ンダクタンスの隘路６、例えばプラズマ発生領域100を
二つに仕切る導電板に設けたスリット状又は円形状の透
孔が設けられている。

この隘路６は、チャンバ１内のカソード電極５側のガ
ス圧を0.5Torr〜2.0Torr程度とし、アノード電極２側の
ガス圧を0.01Torr〜0.05Torr程度に維持するための大き
さであり、例えば直径1mm〜3mm、長さ1mm〜20mm程度の
円孔からなる。

この隘路６は、カソード電極５付近のガス圧を高め、
中性粒子密度を高めて、カーソード電極５へ向かうイオ
ンのエネルギーをこの中性粒子との衝突により減少させ
るものである。従って、コンダクタンスを減少させるた
めに、隘路６の直径を小さくするか、あるいは隘路６の
長さを長くすると、アノード電極２とカソード電極５と
の間に放電を生じさせるための電極間電圧を高くしなけ
ればならず、消費電力が増大するので、直径1.0mm〜3m
m、長さ1mm〜20mm程度の円孔とすることが好ましい。

そして、カソード電極５の貫通孔４を通して、チャン
バ１内（プラズマ発生領域100内）に放電用ガス、例え
ばアルゴンガス等を導入するとともに、カソード電極５
とアノード電極２との間には、放電電源８から例えば直
流500V程度の放電電圧を印加する。この電圧を印加する
ことによって、プラズマ発生領域100内でグロー放電を
起こし、プラズマを生成する。

電子ビーム加速用電極３には、電子ビーム加速用電源
９から例えば直流300V程度の加速電圧を印加する。この
加速電圧によって、前記放電により生じたプラズマの中
から電子を引き出し、引き出した電子はさらに例えば10
0eV〜500eVに加速してイオン生成室すなわちイオン発生
領域200内に入射させる。

なお、アノード電極２と電子ビーム加速用電極３との
間は、0.03Torr以下のガス圧とすることが好ましい。こ
れは、ガス圧が0.03Torr以上となると、アノード電極２
と電子ビーム加速用電極３との間に印加することのでき
る電圧の最大値が次第に低下し、電子ビームのエネルギ
ーが低下してイオン生成部すなわちイオン発生領域200
でのイオン生成ができなくなるからである。

次に、イオン発生部すなわちイオン発生領域200の構
成を説明する。イオン発生領域200のイオン発生室10内
には、予めイオン注入のためのドーパントガス例えばヒ
素ガスがガス圧0.01Torr〜0.02Torrとなるように供給さ
れている。ドーパントガスが供給されたイオン生成室10
内にプラズマ発生領域100から導入された電子ビーム
は、ヒ素ガス分子に衝突し、濃いプラズマを発生する。
これは、電離断面積の大きなエネルギーを有する電子ビ
ームを用いてプラズマを発生するからである。

イオン生成室10の電子ビーム加速用電極３に対向する
側には、電子ビーム加速用電極３と同電位とされた方形
状のスリット11aおよび長円形状のスリット11bからなる
イオン引出電極11が設けられている。

これらのスリット11a,11bの構成は、周知のイオン注
入装置のイオン源に用いられているイオン導出部の電極
構成で、スリット11aは縦長の、1.5mm×15.5mmの長方形
の透孔であり、スリット11bは短径5mm、長径20mmの長円
形である。

これらのスリット11a,11bによって、イオン生成室10
内から引き出されたイオンビームは、図示を省略したイ
オン注入装置の質量分析用の磁場中へ射出される。

すなわち、上記説明のこの実施例の電子ビーム励起イ
オン源では、アノード電極２および電子ビーム加速用電
極３が肉圧0.2mm〜0.5mmとされており、これらの電極の
耐久性を損なうこと無く、多量の電子ビームを引き出す
ことができる。したがって、カソード電極５とアノード
電極２との間の放電電流を低く制御して、カソード電極
５の寿命の長期化、消費電力の低減化を図ることができ
る。

なお、上記電子ビーム励起イオン源で金属イオンを含
む多種のイオンビームを得るためには、目的とするイオ
ンを得るためのガスをイオン生成室10に直接供給するこ
と、チャンバ１の温度を制御して汚れの付着を防止する
ことが有効である。また、同じエネルギーと電流値の電
子ビームによってプラズマを生成する場合、イオン生成
室10の形と大きさ、特にイオン引出電極11と電子ビーム
加速用電極３の距離が引き出しうるイオンビームの電流
密度に大きく影響する。例えば、イオン生成室10を円筒
型とし、直径を24mmに一定にし、長さを20mmと50mmとし
た場合を比較すると、20mmにした場合のイオンビーム電
流密度は、50mmにした場合の２倍に達した。

また、長寿命化のためには、チャンバ１を純水、フレ
オン等で冷却し加熱を防止することが必要である。カソ
ード電極５の寿命を伸ばすためには、隘路６を狭くし
て、カソード電極５付近のガス圧力を0.5Torr以上とす
ることが有効である。

さらに、電子ビーム加速用電極３の寿命を伸ばすため
には、電子ビーム加速用電極３の穴径をアノード電極２
の穴径より大きくすることで、電子ビーム加速用電極３
への熱の集中を軽減し、その消耗を軽減することができ
る。

（発明の効果）上述のように本発明の電子ビーム励起イオン源は、プ
ラズマ発生領域から電子ビーム加速用電極側へプラズマ
がしみだすことを阻止できるとともに、プラズマ発生領
域からイオン発生領域へ多量の電子ビームを引き出すこ
とができるので、得られるイオンビームの大電流密度
化、装置寿命の長期化、電力消費量の低減化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電子ビーム励起イオン源を
示す構成図、第２図はアノード電極を示す正面図、第３
図は電子ビーム加速用電極を示す正面図、第４図は第２
図及び第３図の要部を拡大して示す正面図である。１……チャンバ、２……アノード電極、３……電子ビー
ム加速用電極、５……カソード電極、11……イオン引出
電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川村剛平東京都新宿区西新宿１丁目26番２号東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者原民夫和光市広沢２番１号理化学研究所内 (72)発明者浜垣学和光市広沢２番１号理化学研究所内 (72)発明者難波進和光市広沢２番１号理化学研究所内 (72)発明者青柳克信和光市広沢２番１号理化学研究所内 (56)参考文献実開昭61−206257（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ発生領域とイオン発生領域とを多
数の透孔を有するアノード電極および多数の透孔を有す
る電子ビーム加速用電極で隔てるとともに、前記アノー
ド電極の電圧によりプラズマ発生領域から電子を引き出
し、この電子を前記アノード電極および電子ビーム加速
用電極の透孔を通過させてイオン発生領域のガス雰囲気
中に入射させてイオンを発生させる電子ビーム励起イオ
ン源において、前記アノード電極の透孔は、直径0.65mm
以下であることを特徴とする電子ビーム励起イオン源。
【請求項２】前記アノード電極の透孔は、直径0.5mm〜
0.6mmである特許請求の範囲第１項記載の電子ビーム励
起イオン源。
【請求項３】プラズマ発生領域にカソード電極と多孔状
のアノード電極とこれらの電極の間にガスに対して隘路
を設け、この隘路を介してカソード電極とアノード電極
との間に放電電圧を印加してプラズマを生起させるとと
もに、前記アノード電極に印加した電圧によりプラズマ
領域から電子を引き出すようにしたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項または第２項記載の電子ビーム励起
イオン源。