JP2644958B2 - Ion source device and ion implantation device provided with the ion source device - Google Patents

Ion source device and ion implantation device provided with the ion source device

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JP2644958B2
JP2644958B2 JP5076824A JP7682493A JP2644958B2 JP 2644958 B2 JP2644958 B2 JP 2644958B2 JP 5076824 A JP5076824 A JP 5076824A JP 7682493 A JP7682493 A JP 7682493A JP 2644958 B2 JP2644958 B2 JP 2644958B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高周波加速器を使って
イオンビームをMeV級の高エネルギーに加速し、この
加速イオンを試料基板に打ち込む高エネルギーイオン打
込み装置と、そのイオン源に好適な、低エミッタンスの
イオンビームを発生するイオン源装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-energy ion implanter for accelerating an ion beam to a high energy of MeV class using a high-frequency accelerator and implanting the accelerated ions into a sample substrate, and a source suitable for the ion source. The present invention relates to an ion source device that generates an ion beam having a low emittance.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来技術による高エネルギーイオン打込
み装置で使用されていた、大電流イオン源装置の構造を
図4で説明する。
2. Description of the Related Art The structure of a high-current ion source device used in a conventional high-energy ion implantation apparatus will be described with reference to FIG.

【0003】図4において、プラズマ源4は、空芯コイ
ル3によるミラー磁場の中に置かれる。これに、2.4
5GHzのマイクロ波及び放電ガスを導入し、高密度プ
ラズマを発生させる。次に、このプラズマから加速−減
速方式の引出し電極6を使い、イオンビーム2を引出
す。
In FIG. 4, a plasma source 4 is placed in a mirror magnetic field generated by an air-core coil 3. In addition, 2.4
A microwave and a discharge gas of 5 GHz are introduced to generate high-density plasma. Next, the ion beam 2 is extracted from the plasma using the extraction electrode 6 of the acceleration-deceleration system.

【0004】このようなイオン源装置としては、例え
ば、特開昭63−114032号公報に示されるよう
に、ミラー磁場中でのマイクロ波放電によって生成した
高密度プラズマから、引出し電極を使ってイオンビーム
を引出すマイクロ波イオン源装置が使われていた。
As such an ion source device, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-114032, ion extraction is performed by using an extraction electrode from a high-density plasma generated by microwave discharge in a mirror magnetic field. Microwave ion source devices that extract the beam were used.

【0005】この従来型マイクロ波イオン源装置は、高
温高密度のプラズマを生成できるため、大電流ビームを
長時間安定に引出せる特徴があった。しかし、イオン源
装置から引出されるイオンビームの質を表わすエミッタ
ンスについては、他の方式のイオン源装置と同様に制御
は非常に難しかった。エミッタンスを調整しようとする
と、プラズマ状態が大きく変るため、大電流ビーム引出
し性能を維持しながら、エミッタンスを小さくすること
は出来なかった。
[0005] The conventional microwave ion source device has a feature that a large current beam can be stably extracted for a long time because plasma of high temperature and high density can be generated. However, it is very difficult to control the emittance indicating the quality of the ion beam extracted from the ion source device, as in other types of ion source devices. When trying to adjust the emittance, the plasma state changes greatly, so that the emittance could not be reduced while maintaining high current beam extraction performance.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、エミッタンス
の良否は、イオンビーム打ち込み装置の最終段の打込み
室に至るイオンビーム電流の透過率に影響を与える。特
に、高周波加速器では、良質の低エミッタンスビームを
導入しないと、加速器内でのビーム透過率が大きく減る
ことが知られている。
However, the quality of the emittance affects the transmittance of the ion beam current reaching the implantation chamber at the last stage of the ion beam implantation apparatus. In particular, it is known that in a high-frequency accelerator, unless a high-quality low emittance beam is introduced, the beam transmittance in the accelerator is greatly reduced.

【0007】即ち、イオン打ち込み装置においては、イ
オン源装置から大電流のビームを引出しても、イオン源
装置のエミッタンスが大きいと、打込み室に到達するビ
ームが激減するという問題があった。
That is, in the ion implantation apparatus, there is a problem that even if a large current beam is extracted from the ion source apparatus, if the emittance of the ion source apparatus is large, the beam reaching the implantation chamber is drastically reduced.

【0008】また、エミッタンスは、イオン源装置のプ
ラズマ等の性質によって変わるため、その調整には、イ
オン源装置プラズマのパラメータ(例えば、イオン温
度、電子温度等)を変える必要がある。しかし、従来技
術では、それらを変えると、イオンビーム引出し特性も
同時に変わり、その結果、ビーム電流が大きく変わる問
題があった。即ち、従来のイオン源装置では、エミッタ
ンスと電流引出し性能を、独立に制御することが出来な
いという問題があった。
Further, since the emittance varies depending on the properties of the plasma of the ion source device, it is necessary to change the parameters (for example, ion temperature, electron temperature, etc.) of the plasma of the ion source device in order to adjust the emittance. However, in the prior art, when they are changed, the extraction characteristics of the ion beam also change at the same time, and as a result, there is a problem that the beam current greatly changes. That is, in the conventional ion source device, there is a problem that the emittance and the current extraction performance cannot be independently controlled.

【0009】本発明の目的は、高エネルギーイオン打込
み装置用のイオン源装置において、ビーム電流を損ねる
ことなく、ビームのエミッタンスを独立に制御できる、
低エミッタンスのイオン源を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an ion source for a high-energy ion implanter in which the emittance of the beam can be independently controlled without impairing the beam current.
It is to provide a low emittance ion source.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的は、大電流ビー
ムの引出しに好適な高密度プラズマを発生できるマイク
ロ波イオン源装置のエミッタンスを調整するために、プ
ラズマ発生部とエミッタンスを調整する部分を独立に設
けたイオン源装置を有するイオンビーム打ち込み装置に
よって達成できる。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a microwave ion source apparatus which can generate a high-density plasma suitable for extracting a large current beam. This can be achieved by an ion beam implanter having an independently provided ion source device.

【0011】即ち、前記イオン源装置において、2個の
空芯コイルの励磁で発生するミラー磁場中に、別のプラ
ズマ源で発生したプラズマを導入せしめ、更に、プラズ
マ状態を変化させるため、ミラー磁場強度比を変える手
段を設ける。これにより、引出し電極で引出されるイオ
ンビームのエミッタンスが制御可能としたものである。
That is, in the ion source device, a plasma generated by another plasma source is introduced into a mirror magnetic field generated by excitation of two air-core coils, and further, a mirror magnetic field is changed to change the plasma state. A means for changing the intensity ratio is provided. Thereby, the emittance of the ion beam extracted by the extraction electrode can be controlled.

【0012】[0012]

【作用】本発明の作用を述べるにあたり、最初に、エミ
ッタンスの定義及びミラー磁場によるプラズマ粒子の振
舞いについて説明する。
In describing the operation of the present invention, first, the definition of emittance and the behavior of plasma particles due to the mirror magnetic field will be described.

【0013】図2は、イオンビームが持つエミッタンス
を説明する図である。図2−(A)で示すように、イオ
ンビーム2中に小孔の開いたスリット1を置き、この小
孔から出るイオンビーム2aの広がり角度θを測定す
る。小孔の位置rを変えて角度θを測定したものを、図
2−(B)に示す。この時、図2−(B)で描かれた図
形の面積がエミッタンスである。レンズ等により、ビー
ムが制御を受けるとエミッタンスの形は変わるが、その
面積は変わらない。
FIG. 2 is a diagram illustrating the emittance of an ion beam. As shown in FIG. 2A, a slit 1 having a small hole is placed in the ion beam 2, and the spread angle θ of the ion beam 2a coming out of the small hole is measured. FIG. 2- (B) shows the result of measuring the angle θ while changing the position r of the small hole. At this time, the area of the figure drawn in FIG. 2- (B) is the emittance. When the beam is controlled by a lens or the like, the shape of the emittance changes, but the area does not change.

【0014】イオン打込み装置において、イオン源装置
からビーム照射室に至るイオンビーム透過率は、エミッ
タンスの大小により変わる。特に、大電流ビームを得る
には、イオン源装置から引出されるビーム電流を上げる
と共に、そのエミッタンスを小さくすることが必要であ
る。
In the ion implantation apparatus, the transmittance of the ion beam from the ion source apparatus to the beam irradiation chamber changes depending on the magnitude of the emittance. In particular, in order to obtain a large current beam, it is necessary to increase the beam current extracted from the ion source device and reduce the emittance.

【0015】エミッタンスは、その定義から分かるよう
に、イオンビーム進行方向と直角な方向のイオン速度の
大小により決まる。イオン速度の大小は、イオンが引出
されるプラズマ室のプラズマ中イオン温度により変わ
る。プラズマ中のイオン温度は、プラズマ生成方法で決
まる。
As can be seen from the definition, the emittance is determined by the magnitude of the ion velocity in a direction perpendicular to the traveling direction of the ion beam. The magnitude of the ion velocity changes depending on the ion temperature in the plasma of the plasma chamber from which the ions are extracted. The temperature of ions in the plasma is determined by the plasma generation method.

【0016】一方、プラズマ生成条件を変化させると、
種々のプラズマパラメータ(電子温度、プラズマ密度
等)が同時に複雑に変わるため、プラズマ密度を一定に
保ちながらイオン温度のみを単独に制御することは困難
である。
On the other hand, when the plasma generation conditions are changed,
Since various plasma parameters (electron temperature, plasma density, etc.) change simultaneously and complicatedly, it is difficult to control only the ion temperature alone while keeping the plasma density constant.

【0017】次に、2個の空芯コイルの励磁で出来る、
いわゆるミラー磁場中の荷電粒子の振舞いについては、
以下のことが知られている。
Next, it is possible to excite two air core coils.
Regarding the behavior of charged particles in the so-called mirror magnetic field,
The following are known.

【0018】まず、図3−(A)にミラー磁場形状を示
す。2個の空芯コイル3a,3bで作られた磁場内にプ
ラズマ等の荷電粒子を入れると、大部分の粒子は2個の
コイルの間を往復する。これは、コイル部のところで磁
場が、あたかも鏡のように働き、荷電粒子を反射させる
からである。しかし、一部の粒子については反射されず
軸方向に逃げていく。
First, FIG. 3A shows a mirror magnetic field shape. When charged particles such as plasma are put in a magnetic field created by the two air-core coils 3a and 3b, most of the particles reciprocate between the two coils. This is because the magnetic field at the coil acts as if it were a mirror and reflects charged particles. However, some particles escape in the axial direction without being reflected.

【0019】図3−(B)は、ミラー磁場内の粒子につ
いて、磁場方向速度成分Vx及びこれに直角な方向の成
分Vyをもつ粒子の分布を示したものである。プラズマ
が等方的であれば、粒子は円内で一様に分布する。
FIG. 3B shows the distribution of particles having a velocity component Vx in the magnetic field direction and a component Vy in a direction perpendicular to the magnetic field direction velocity among particles in the mirror magnetic field. If the plasma is isotropic, the particles will be uniformly distributed within the circle.

【0020】ミラー磁場内で往復する個々の粒子のV
x,Vyの変化は、図3−(B)に示したような円形状
となるが、コイル中心部の位置において、図3−(B)
の斜線部に示す速度成分をもつ粒子は、ミラー磁場内で
反射を受けずに軸方向に逃げていく。斜線部の粒子が抜
けた後、他の速度空間にある粒子は相互の衝突により順
次この斜線部に入ってくるので、粒子は次々に軸方向に
逃げて行くことになる。ここで、斜線部の領域を示す角
度θは、ミラー磁場の強度比Bo/Bmにより変化し、
θ=sin-1√(Bo/Bm)で与えられる。ここで、
Boはミラー磁場中心における磁束密度、Bmはミラー
地点での磁束密度である。
V of each particle reciprocating in the mirror magnetic field
The change of x and Vy becomes a circular shape as shown in FIG. 3B, but at the position of the center of the coil, FIG.
Particles having the velocity component indicated by the hatched portion escape in the axial direction without being reflected in the mirror magnetic field. After the particles in the shaded area have escaped, the particles in the other velocity spaces sequentially enter the shaded area due to mutual collision, so that the particles escape one after another in the axial direction. Here, the angle θ indicating the shaded area changes depending on the intensity ratio Bo / Bm of the mirror magnetic field,
θ = sin −1 √ (Bo / Bm). here,
Bo is the magnetic flux density at the center of the mirror magnetic field, and Bm is the magnetic flux density at the mirror point.

【0021】つまり、ミラー磁場から出ていった粒子の
Vyは、粒子がミラー磁場中にある場合に比べ、小さな
値を持つことになる。プラズマから引出されるイオンビ
ームのエミッタンスは、Vy成分が小さい時、小さな値
となる。
That is, Vy of a particle exiting the mirror magnetic field has a smaller value than when the particle is in the mirror magnetic field. The emittance of the ion beam extracted from the plasma has a small value when the Vy component is small.

【0022】従って、ミラー磁場から逃げる粒子をイオ
ンビームとして引出せば、エミッタンスの小さなイオン
源装置を得ることができる。特に、ミラー磁場比を変え
る機構を設ければ角度θが変わるので、ミラー磁場より
逃げていく粒子のエミッタンスを調整することが可能と
なる。
Accordingly, if the particles that escape from the mirror magnetic field are extracted as an ion beam, an ion source device with a small emittance can be obtained. In particular, if a mechanism for changing the mirror magnetic field ratio is provided, the angle θ changes, so that the emittance of particles that escape from the mirror magnetic field can be adjusted.

【0023】[0023]

【実施例】最初に、本発明を適用したイオン源装置に関
するいくつかの実施例を、説明する。次に、それらのイ
オン源装置を備えた、イオン打ち込み装置に関する実施
例を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, several embodiments relating to an ion source apparatus to which the present invention is applied will be described. Next, an embodiment relating to an ion implantation apparatus provided with these ion source devices will be described.

【0024】図1は、本発明に基づくイオン源装置に関
する第1の実施例を説明する図である。図1に示される
本実施例は、プラズマ源部102と、同じ軸上に連結さ
れるエミッタンスを調整する調整部101とから成る。
FIG. 1 is a view for explaining a first embodiment of the ion source device according to the present invention. The embodiment shown in FIG. 1 includes a plasma source unit 102 and an adjusting unit 101 connected to the same axis to adjust the emittance.

【0025】プラズマ源部102は、ミラー磁場を発生
する、給電装置(図示せず)を備えた空芯コイル3a、
3bと、プラズマを発生するプラズマ源4と、マイクロ
波を透過すると共にマイクロ波導入部分とプラズマ源部
102を遮蔽する絶縁物5と、当該磁場による調整部1
01への影響を最小にする鉄等の磁性材料で構成される
ヨーク9とから構成される。
The plasma source unit 102 includes an air-core coil 3a having a power supply device (not shown) for generating a mirror magnetic field.
3b, a plasma source 4 for generating plasma, an insulator 5 that transmits microwaves and shields the microwave introduction part and the plasma source part 102, and an adjustment unit 1 using the magnetic field.
And a yoke 9 made of a magnetic material such as iron to minimize the effect on the yoke.

【0026】調整部101は、前記ミラー磁場とは独立
にミラー磁場を発生する、給電装置(図示せず)を備え
た空芯コイル7a、7bと、前記プラズマ源4で発生し
たプラズマを導入するプラズマ室10と、そこからイオ
ンビーム2を引き出すイオンビーム引出し電極6と、鉄
等の磁性材料で構成されるヨーク8a、8b、8cとか
ら構成される。ただし、8bは可動式ヨ−クで、当該ミ
ラー磁場強度比を変化させる。コイル7a、7bの励磁
で発生する磁力線は、ヨーク8a、8b、8c内を主に
通るため、プラズマ源4の磁場分布や強度には影響を与
えない。
The adjusting unit 101 introduces plasma generated by the plasma source 4 and air-core coils 7a and 7b having a power supply device (not shown) for generating a mirror magnetic field independently of the mirror magnetic field. It comprises a plasma chamber 10, an ion beam extraction electrode 6 for extracting the ion beam 2 therefrom, and yokes 8a, 8b, 8c made of a magnetic material such as iron. Here, 8b is a movable yoke for changing the mirror magnetic field intensity ratio. The lines of magnetic force generated by the excitation of the coils 7a and 7b mainly pass through the yokes 8a, 8b and 8c, and therefore do not affect the magnetic field distribution and strength of the plasma source 4.

【0027】マイクロ波は、図1左方向から絶縁物5を
通して、プラズマ源4に導入され、そこで、図1下方向
から導入されるガスを、マイクロ波放電によってプラズ
マ化する。発生したプラズマ粒子の内、コイル3a、3
bによるミラー磁場強度比で決まる速度分布を持つ粒子
は、この磁場を逃げて、コイル7a、7bによって発生
されるミラー磁場中に置かれたプラズマ室10へ移動す
る。
The microwaves are introduced into the plasma source 4 through the insulator 5 from the left side in FIG. 1, and the gas introduced from the lower side in FIG. 1 is turned into plasma by microwave discharge. Of the generated plasma particles, coils 3a, 3a
Particles having a velocity distribution determined by the mirror magnetic field intensity ratio due to b escape this magnetic field and move to the plasma chamber 10 placed in the mirror magnetic field generated by the coils 7a and 7b.

【0028】さらに、プラズマ室10において、コイル
7a、7bが作るミラー磁場強度比で決まる速度分布を
持つプラズマ粒子は、当該ミラー磁場を逃げて、引出し
電極6の引出し面に向かう。プラズマ室10のミラー磁
場強度比は、ヨーク8bを機械的に軸方向に出し入れす
れば容易に変えられる(図1中、矢印参照)。したがっ
て、ミラー磁場から逃げるプラズマのY方向速度分布が
制御可能となり、引出されるイオンのエミッタンスを調
整することができる。このとき、プラズマ源部102に
は、何らの影響も与えない。すなわち、種々のプラズマ
パラメータを変化させない。
Further, in the plasma chamber 10, plasma particles having a velocity distribution determined by the mirror magnetic field intensity ratio formed by the coils 7 a and 7 b escape from the mirror magnetic field and go to the extraction surface of the extraction electrode 6. The mirror magnetic field intensity ratio of the plasma chamber 10 can be easily changed by mechanically moving the yoke 8b in and out in the axial direction (see the arrow in FIG. 1). Therefore, the velocity distribution in the Y direction of the plasma escaping from the mirror magnetic field can be controlled, and the emittance of the extracted ions can be adjusted. At this time, the plasma source section 102 is not affected at all. That is, various plasma parameters are not changed.

【0029】本実施例において、種々のイオン種に関す
るイオンビームエミッタンスを測定した。その結果、数
mA〜数10mAの引出しイオンビーム電流において、
プラズマ室10のミラー磁場強度比を変えることで、ビ
ームエミッタンス値を数倍〜数10倍の範囲で変わるこ
とが示された。ここで、イオン源装置引出し電圧は数k
V〜50kVで実験した。
In this embodiment, the ion beam emittance of various ion species was measured. As a result, at an extraction ion beam current of several mA to several tens mA,
It was shown that changing the mirror magnetic field intensity ratio of the plasma chamber 10 changed the beam emittance value in the range of several times to several tens times. Here, the extraction voltage of the ion source device is several k.
Experiments were performed at V-50 kV.

【0030】この電圧電流範囲に対し、エミッタンス値
をイオンビーム速度で規格化した規格化エミッタンスの
実測値は、従来が0.1πcm・mrad程度であっ
た。しかし、本実施例では、0.01πcm・mrad
の桁とすることができ、従来例に比べ格段に小さくでき
ることが分った。
With respect to this voltage / current range, the measured value of the normalized emittance obtained by normalizing the emittance value with the ion beam velocity was about 0.1 πcm · mrad in the related art. However, in this embodiment, 0.01πcm · mrad
It can be seen that it can be made much smaller than the conventional example.

【0031】次に、イオン源装置に関する第2の実施例
を説明する。上記第1実施例では、プラズマ発生用のプ
ラズマ源4に単純な形状のミラー磁場のみを印加してい
るが、その代わりに、特開昭63−114032号公報
に示される多極磁場を重畳した多価イオン生成用プラズ
マ源を用いた場合でも、エミッタンス制御が可能であ
る。
Next, a second embodiment relating to the ion source device will be described. In the first embodiment, only a mirror magnetic field having a simple shape is applied to the plasma source 4 for generating plasma. Instead, a multipole magnetic field disclosed in JP-A-63-114032 is superposed. Even when a multi-charged ion generating plasma source is used, the emittance can be controlled.

【0032】図5は、イオン源装置に関する第2の実施
例を説明する図で、調整部101は図1のそれと同じで
ある。
FIG. 5 is a diagram for explaining a second embodiment relating to the ion source device. The adjusting unit 101 is the same as that of FIG.

【0033】図5では、ミラー磁場の他に、永久磁石1
3a、13bをプラズマ源4の周辺に多極状に配置し、
プラズマ温度やプラズマ密度をさらに高めている。この
場合も、プラズマ源4のミラー磁場端から調整部101
に高温、高密度プラズマが導入されるため、低エミッタ
ンスの引出しビーム2を大電流化できる。
In FIG. 5, in addition to the mirror magnetic field, the permanent magnet 1
3a and 13b are arranged in a multipolar manner around the plasma source 4,
Plasma temperature and plasma density are further increased. Also in this case, the adjustment unit 101 is moved from the mirror magnetic field end of the plasma source 4.
Since high-temperature, high-density plasma is introduced into the substrate, it is possible to increase the current of the extraction beam 2 having a low emittance.

【0034】特に、第1実施例では、一価イオンがプラ
ズマ源4で効率良く生成できるのに対し、本実施例では
2価以上の多価イオンが効率良く生成できるため、低エ
ミッタンスの数10mA級大電流多価イオンビームを得
ることができる。
In particular, in the first embodiment, monovalent ions can be efficiently generated by the plasma source 4, whereas in the present embodiment, multivalent ions of two or more valences can be efficiently generated. A high current multiply charged ion beam can be obtained.

【0035】次に、第3の実施例を説明する。第1およ
び第2実施例では、ミラー磁場強度比を変化させるため
に、コイルに取り付けたヨークを機械的に移動させてい
た。
Next, a third embodiment will be described. In the first and second embodiments, the yoke attached to the coil is moved mechanically to change the mirror magnetic field intensity ratio.

【0036】しかし、ここで説明する第3の実施例(図
7)では、これを電気的に変える方法を採用した。即
ち、空芯コイル7a、7bの中間に補助コイル11を置
き、給電装置18によって補助コイル11に流す励磁電
流を変えてミラー比を変化させた。本実施例でも、引出
しビーム2のエミッタンスを、容易に制御することがで
きた。
However, in the third embodiment (FIG. 7) described here, a method of electrically changing this is adopted. That is, the auxiliary coil 11 was placed between the air core coils 7a and 7b, and the mirror ratio was changed by changing the exciting current flowing through the auxiliary coil 11 by the power supply device 18. Also in this example, the emittance of the extraction beam 2 could be easily controlled.

【0037】次に、イオン源装置に関する第4の実施例
を説明する。上記第1、2、3実施例においては、図1
に示すように、プラズマ源部102と調整部101とが
それぞれ1対のコイルを有し、独立にミラー磁場を発生
させていた。しかし、プラズマ源部102と調整部10
1の接続点に近い、いずれかのコイルを省き、3個のコ
イルによっても、同様なミラー磁場を発生させることが
できる。
Next, a fourth embodiment relating to the ion source device will be described. In the first, second and third embodiments, FIG.
As shown in (1), the plasma source unit 102 and the adjustment unit 101 each have a pair of coils, and independently generate a mirror magnetic field. However, the plasma source unit 102 and the adjusting unit 10
A similar mirror magnetic field can be generated with three coils by omitting any of the coils near the connection point of 1.

【0038】この第4の実施例では、図8に示すよう
に、図1におけるプラズマ室10のミラー磁場を形成す
るコイル7aを除去し、コイル3bを共用する。つま
り、コイル3aと3b、および、コイル3bと7bでミ
ラー磁場を形成する。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 8, the coil 7a forming the mirror magnetic field of the plasma chamber 10 in FIG. 1 is removed, and the coil 3b is shared. That is, the coils 3a and 3b and the coils 3b and 7b form a mirror magnetic field.

【0039】本実施例において測定した、ビーム電流に
対するエミッタンス制御性の範囲は、実施例1、2、3
に較べやや狭くなるが、従来イオン源装置では、ビーム
電流やイオン源装置電圧が数10%以上変わると、エミ
ッタンスが大きく変動していたのに対し、数倍のビーム
電流、電圧変化に対しても、本実施例のエミッタンス
を、0.01πcm・mradの桁に制御することがで
きた。
The ranges of the emittance controllability with respect to the beam current measured in the present embodiment are the same as those of the first, second and third embodiments.
In the conventional ion source device, the emittance fluctuates greatly when the beam current or the ion source device voltage changes by several tens% or more. Also, the emittance of this example could be controlled to the order of 0.01 πcm · mrad.

【0040】第4実施例では、図1においてコイル7a
を除いたが、コイル3bを除いても同様な結果が得られ
る。
In the fourth embodiment, the coil 7a shown in FIG.
However, the same result can be obtained even if the coil 3b is omitted.

【0041】さらに、上記第1、2、3、4実施例で
は、エミッタンス調整用のミラー磁場内に置かれるプラ
ズマ室10に一個のプラズマ源を結合している。しか
し、図9に示す第5実施例のように、調整部101の中
央部に上下方向から別の複数のプラズマ源部102(こ
の例では2個を追加)を結合付加すればプラズマ密度が
上がるため、引出しイオンビーム2の電流が増加でき
る。この場合、低エミッタンスでより大電流のイオンビ
ームが簡単に引出しできることは、発明の作用からして
自明のことである。
Further, in the first, second, third and fourth embodiments, one plasma source is connected to the plasma chamber 10 placed in the mirror magnetic field for adjusting the emittance. However, as in the fifth embodiment shown in FIG. 9, if another plurality of plasma source units 102 (two in this example are added) are added to the center of the adjustment unit 101 from above and below, the plasma density increases. Therefore, the current of the extracted ion beam 2 can be increased. In this case, it is obvious from the operation of the invention that an ion beam having a low emittance and a larger current can be easily extracted.

【0042】次に、上記実施例で示されたイオン源装置
を有するMeVエネルギーのイオン打込み装置の一実施
例を説明する。
Next, an embodiment of a MeV energy ion implantation device having the ion source device shown in the above embodiment will be described.

【0043】図6は、その実施構成例を説明する図であ
る。本実施例は、上記実施例で説明されたいずれかのプ
ラズマ源部102および調整部101から構成されるイ
オン源装置と、磁場によってイオン軌道を変える質量分
離器15と、磁場または電場によってビームを収束する
レンズ16と、イオンをMeVエネルギーにまで加速す
るRFQ加速器14と、そのイオンを半導体基板等の被
照射物(図示せず)に打ち込むビーム照射室17とによ
って構成される。ここで、加速器14には、例えば、特
願昭58−226860号公報に示されるRFQ(高周
波4重極)加速器を用いることができる。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the embodiment. In this embodiment, an ion source device including any one of the plasma source unit 102 and the adjustment unit 101 described in the above embodiment, a mass separator 15 that changes an ion trajectory by a magnetic field, and a beam by a magnetic field or an electric field. It comprises a converging lens 16, an RFQ accelerator 14 for accelerating ions to MeV energy, and a beam irradiation chamber 17 for projecting the ions into an object (not shown) such as a semiconductor substrate. Here, as the accelerator 14, for example, an RFQ (high-frequency quadrupole) accelerator disclosed in Japanese Patent Application No. 58-226860 can be used.

【0044】イオン源装置101/102から発生され
たイオンは、質量分離器15によって選択され、その選
ばれたイオンだけがレンズ16によって収束され加速器
14で、所定のエネルギ−まで加速され、ビーム照射室
17に保持される被照射物に照射される。
The ions generated from the ion source devices 101/102 are selected by a mass separator 15, and only the selected ions are converged by a lens 16 and accelerated to a predetermined energy by an accelerator 14, thereby irradiating a beam. The object to be irradiated held in the chamber 17 is irradiated.

【0045】RFQ加速器14は、入射ビームのエミッ
タンスにより、加速器内のビーム透過率が大きく左右さ
れる性質を持つ。したがって、mA級の大電流MeVビ
ームを得るためには、加速器14に低エミッタンスのビ
ームを入射することが、特に必要である。
The RFQ accelerator 14 has such a property that the beam transmittance in the accelerator is largely influenced by the emittance of the incident beam. Therefore, in order to obtain a high-current MeV beam of the mA class, it is particularly necessary that a beam having a low emittance be incident on the accelerator 14.

【0046】図4に示した従来のイオン源装置の場合、
イオン源装置のエミッタンスを低くするための運転条件
と、大電流ビームを引出すための運転条件が異なってい
る。したがって、本実施例のイオン打ち込み装置におい
て、従来イオン源装置を使用すると、要求されるビーム
エネルギーや入射ビーム電流値により、加速器透過率が
変わり、RFQ加速器の運転条件の広い範囲において、
効率良く加速することができなかった。
In the case of the conventional ion source device shown in FIG.
The operating conditions for lowering the emittance of the ion source device and the operating conditions for extracting a large current beam are different. Therefore, in the ion implantation apparatus of the present embodiment, when a conventional ion source apparatus is used, the transmittance of the accelerator changes depending on the required beam energy and the incident beam current value, and in a wide range of operating conditions of the RFQ accelerator,
I could not accelerate efficiently.

【0047】次に、イオン源装置を本発明のものに置き
換えたところ、RFQ加速器の広い運転周波数範囲、つ
まり、広い加速エネルギー範囲で、90%以上の高いビ
ーム透過率が、B(ボロン)、P(リン)、As(ヒ
素)イオンビームについて得られた。これは、様々なイ
オン種や加速条件に応じて、入射イオンビームエミッタ
ンスを小さな値(0.01πcm・mradの桁)に制
御できたためである。
Next, when the ion source device is replaced with the ion source device of the present invention, a high beam transmittance of 90% or more over a wide operating frequency range of the RFQ accelerator, that is, a wide acceleration energy range, is obtained by using B (boron), Obtained for P (phosphorus) and As (arsenic) ion beams. This is because the incident ion beam emittance could be controlled to a small value (in the order of 0.01 πcm · mrad) according to various ion species and acceleration conditions.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明により、高エネルギーイオン打込
み装置用のイオン源装置について、引出しイオンビーム
のエミッタンスを、イオン源装置運転パラメータとは独
立に調整できた。その結果、低エミッタンスのイオン源
装置を提供できるばかりでなく、イオン打込み装置に適
用することで、打込み電流の増大が図れ、広い加速エネ
ルギー範囲で、mA以上の大電流MeV級ビームのイオ
ン打ち込み装置を提供することができる。
According to the present invention, the emittance of the extracted ion beam can be adjusted independently of the operation parameters of the ion source device for the ion source device for the high energy ion implantation device. As a result, not only an ion source device having a low emittance can be provided, but also by applying the present invention to an ion implantation device, the implantation current can be increased, and a large current MeV class beam ion implantation device of mA or more in a wide acceleration energy range. Can be provided.

【0049】[0049]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、本発明に基づくイオン源装置の原理を
示す第1実施例の構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment showing the principle of an ion source device based on the present invention.

【図2】図2−(A)および(B)は、イオンビームエ
ミッタンスの定義説明図。
FIGS. 2A and 2B are explanatory diagrams illustrating the definition of ion beam emittance. FIGS.

【図3】図3−(A)および(B)は、ミラー磁場の定
義およびミラー磁場中の荷電粒子の速度空間における分
布説明図。
FIGS. 3A and 3B are illustrations of a definition of a mirror magnetic field and distribution of charged particles in the mirror magnetic field in a velocity space.

【図4】図4は、従来のマイクロ波イオン源装置の構成
図。
FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional microwave ion source device.

【図5】図5は、本発明に基づくイオン源装置の第2実
施例の構成図。
FIG. 5 is a configuration diagram of a second embodiment of the ion source device according to the present invention.

【図6】図6は、本発明に基づくイオン打ち込み装置の
一実施例のブロック図。
FIG. 6 is a block diagram of an embodiment of an ion implantation apparatus according to the present invention.

【図7】図7は、本発明に基づくイオン源装置の第3実
施例の構成図。
FIG. 7 is a configuration diagram of a third embodiment of the ion source device according to the present invention.

【図8】図8は、本発明に基づくイオン源装置の第4実
施例の構成図。
FIG. 8 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the ion source device according to the present invention.

【図9】図9は、本発明に基づくイオン源装置の第5実
施例の構成図。
FIG. 9 is a configuration diagram of a fifth embodiment of the ion source device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ビーム遮蔽スリット、 2…イオンビーム、 3
a、3b…空芯コイル、4…マイクロ波プラズマ源、
5…絶縁物、 6…イオンビーム引出し電極、7a、7
b…空芯コイル、 8a、8c、8d…磁性材料ヨー
ク、8b…可動ヨーク、 9…磁性材料ヨーク、 10
…プラズマ室、11…補助コイル、 12…磁力線、
13a、13b…永久磁石、14…RFQ加速器、 1
5…質量分離器、 16…レンズ、17…ビーム照射
室、 18…給電装置、 101…調整部、102…プ
ラズマ源部。
1 ... Beam shielding slit 2 ... Ion beam 3
a, 3b: air-core coil, 4: microwave plasma source,
5: insulator, 6: ion beam extraction electrode, 7a, 7
b: air-core coil, 8a, 8c, 8d: magnetic material yoke, 8b: movable yoke, 9: magnetic material yoke, 10
... Plasma chamber, 11 ... Auxiliary coil, 12 ... Lines of magnetic force,
13a, 13b: permanent magnet, 14: RFQ accelerator, 1
5: Mass separator, 16: Lens, 17: Beam irradiation chamber, 18: Power supply device, 101: Adjustment unit, 102: Plasma source unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/265 H01L 21/265 D (72)発明者 作道 訓之 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平4−132145(JP,A) 特開 平4−338639(JP,A) 特開 平2−114433(JP,A)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Agency reference number FI Technical indication H01L 21/265 H01L 21/265 D (72) Inventor Kuniyuki Sakudo Omikamachi, Hitachi, Ibaraki, Japan No. 1-1, Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory (56) References JP-A-4-132145 (JP, A) JP-A-4-338639 (JP, A) JP-A-2-114433 (JP, A)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】イオンを発生するプラズマ発生源を備える
イオン源装置において、 前記プラズマ発生源と隣接し、イオンの引出側に配置さ
れ、発生したイオンを導入し、引き出されるイオンビー
ムのエミッタンスを調整する調整部を有し、 前記調整部は、 同一軸上に少なくとも2個のコイルを離して設置し、発
生した磁力線が同一方向となるように励磁して、前記プ
ラズマ発生源から導入したイオンを閉じ込めるための第
1のミラー磁場を形成する手段と、前記形成された第1のミラー磁場 の磁場強度及び磁力線
分布の少なくとも一方を変えることで当該第1のミラー
磁場のミラー磁場強度比を変更する手段とを備えること
を特徴とするイオン源装置。
1. An ion source device having a plasma generating source for generating ions, wherein the ion source is disposed adjacent to the plasma generating source and on a side from which ions are extracted, introduces generated ions, and adjusts emittance of an extracted ion beam. has an adjustment unit for the adjustment unit, placed away at least two coils on the same axis, is excited as generated magnetic force lines are the same direction, and introduced from the plasma source ion Means for forming a first mirror magnetic field for confining the first mirror magnetic field, and changing at least one of the magnetic field intensity and the magnetic field line distribution of the formed first mirror magnetic field to change the mirror magnetic field intensity ratio of the first mirror magnetic field And an ion source device.
【請求項2】請求項1において、前記第1のミラー磁場
とは別に、少なくとも2個のコイルを備える第2のミラ
ー磁場を発生する手段と、マイクロ波導入部とをさらに
備え、 前記プラズマ発生源は、前記第2のミラー磁場中に置か
れ、前記マイクロ波導入部から導入されたマイクロ波に
よる放電によって荷電粒子を発生することを特徴とする
イオン源装置。
2. The method of claim 1, separately from the first mirror field, means for generating a second mirror field comprising at least two coils, further comprising a microwave introducing portion, the plasma An ion source device, wherein the generation source is placed in the second mirror magnetic field and generates charged particles by discharge by the microwave introduced from the microwave introduction unit.
【請求項3】請求項1または2において、 前記第1のミラー磁場のミラー磁場強度比を変更する手
段は、前記第1のミラー磁場を形成する少なくとも2個
以上のコイルのうちの2個のコイルの間に配置される磁
性材料から構成される1個以上のヨークを有するもので
あり、前記1個以上のヨークが前記コイル間領域に占め
る状態を変化させることで、前記ミラー磁場強度比を変
更するものであることを特徴とするイオン源装置。
3. The apparatus according to claim 1, wherein the means for changing the mirror magnetic field intensity ratio of the first mirror magnetic field comprises at least two mirrors forming the first mirror magnetic field.
It has one or more yokes made of a magnetic material disposed between two coils among the above coils, and changes a state occupied by the one or more yokes in the inter-coil region . The ion source device , wherein the mirror magnetic field intensity ratio is changed.
【請求項4】請求項1または2において、 前記第1のミラー磁場のミラー磁場強度比を変更する手
段は、前記第1のミラー磁場を形成する少なくとも2個
以上のコイルのうちの2個のコイルの間に配置されるコ
イルと、当該コイルに給電する給電装置とを備え、前記
給電装置が前記コイルに流す電流を変化させることで、
前記ミラー磁場強度比を変更するものであることを特徴
とするイオン源装置。
4. The apparatus according to claim 1, wherein said means for changing a mirror magnetic field intensity ratio of said first mirror magnetic field includes at least two magnetic field elements forming said first mirror magnetic field.
Comprising a coil and a power supply device for supplying power to the coil disposed between the two coils of more coils, the
By changing the current flowing through the coil by the power supply device ,
The ion source apparatus, characterized in that for changing the mirror field intensity ratio.
【請求項5】請求項2〜4のいずれかにおいて、 前記プラズマ発生源の置かれている前記第2のミラー磁
場に重畳する多極磁場を発生する手段をさらに備えたこ
とを特徴とするイオン源装置。
5. A claim 2, ions, characterized by further comprising means for generating a multi-pole magnetic field to be superimposed on the second mirror magnetic field is placed with the plasma source Source equipment.
【請求項6】請求項において、前記第2のミラー磁場と前記第1のミラー磁場とをそれ
ぞれ発生する2組のコイル群の内、各コイル群の端に隣
合って位置する2つの コイルのうち、一方を省き、他方
を共用して、両ミラー磁場を発生することを特徴とする
イオン源装置。
6. The apparatus according to claim 2 , wherein said second mirror magnetic field and said first mirror magnetic field are different from each other.
Adjacent to the end of each coil group among the two sets of coil groups generated
One of the two coils located together is omitted and the other is
An ion source device characterized by generating both mirror magnetic fields by sharing the same .
【請求項7】請求項1〜6のいずれかにおいて、 前記プラズマ発生源とは別の複数のプラズマ発生源をさ
らに備え、前記各プラズマ発生源で発生した荷電粒子
を、それぞれ前記調整部に導入することを特徴とするイ
オン源装置。
7. The claim 1, further comprising another plurality of plasma generating source is a plasma generation source, charged particles generated above each plasma source
Are introduced into the adjustment unit , respectively.
【請求項8】ある特定のイオンを発生するイオン源装置
と、当該イオン源装置から引き出されたイオンを加速す
るイオン加速器と、加速されたイオンビームを照射する
打ち込み室とを有するイオン打ち込み装置において、前記 イオン源装置は、イオンを発生するプラズマ発生源
と、発生したイオンを導入し、出射イオンビームのエミ
ッタンスを調整する調整部とを有し、 前記調整部は、同一軸上に少なくとも2個のコイルを離
して設置し、発生した磁力線が同一方向となるように励
磁して、前記プラズマ発生源から導入した荷電粒子を閉
じ込めるための第1のミラー磁場を形成する手段と、
記形成された第1のミラー磁場の磁場強度及び磁力線分
布の少なくとも一方を変えることで当該第1のミラー磁
のミラー磁場強度比を変更する手段とを備えることを
特徴とするイオン打ち込み装置。
8. An ion implantation apparatus having an ion source device for generating specific ions, an ion accelerator for accelerating ions extracted from the ion source device, and a implantation chamber for irradiating the accelerated ion beam. the ion source device comprises a plasma generating source for generating ions, introducing generated ions, and an adjustment unit for adjusting the emittance of the emitted ion beam, wherein the adjusting unit includes at least two coaxially installed off the coils, is excited as generated magnetic force lines are the same direction, means for forming a first mirror field for confining charged particles introduced from the plasma generation source, before
Means for changing at least one of the magnetic field intensity and the magnetic field line distribution of the first mirror magnetic field thus formed to change the mirror magnetic field intensity ratio of the first mirror magnetic field.
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