JP3077697B1

JP3077697B1 - イオン源

Info

Publication number: JP3077697B1
Application number: JP11255448A
Authority: JP
Inventors: 貴敏山下
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: JP2001076635A

Abstract

【要約】【課題】真空容器と高電圧が印加される端板との間の
絶縁物へのイオン源物質またはその化合物の付着量を減
少させる。【解決手段】このイオン源は、そのイオン源ヘッド８
の一部分を囲む筒状のものであって端板６と同電位の第
１のシールド３０を、端板６から真空容器２内側に向け
て延設し、かつイオン源ヘッド８の一部分を囲み、かつ
シールド３０と重なり合う部分を有する筒状のものであ
って接地電位の第２のシールド３２を、真空容器２から
端板６側に向けて延設している。両シールド３０、３２
間の重なり合う部分における距離Ｄは、両シールドが置
かれている雰囲気における両シールド間の電位差に対す
る放電開始距離をＤ_d、プラズマ生成部１０に導入され
るイオン源物質の平均自由行程をλとすると、Ｄ_d＜Ｄ
＜λを満たすように選ばれている。かつ、両シールド３
０、３２は、当該イオン源の運転時の両シールド３０、
３２の表面温度をそれぞれＴ_s1、Ｔ_s2、両シールドが置
かれている雰囲気におけるイオン源物質の再蒸発開始温
度をＴ_vとすると、Ｔ_s1＜Ｔ_vかつＴ_s2＜Ｔ_vを満たす
ように温度制御されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばイオン注
入装置、イオンビームスパッタリング装置、イオンビー
ムエッチング装置、薄膜形成装置等に用いられるもので
あって、接地電位の真空容器の端部に、絶縁物を介し
て、高電圧が印加される端板を取り付け、この端板にイ
オン源ヘッドを取り付けた構造のイオン源に関し、より
具体的には、前記絶縁物へのイオン源物質またはその化
合物の付着量を減少させる手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のイオン源の従来例を図３に示
す。

【０００３】このイオン源は、図示しない真空排気装置
によって真空排気される筒状の真空容器２の一端部に、
環状または筒状の絶縁物４を介して、端板６を取り付け
た構造をしている。端板６は、導電材料（例えば金属か
ら）から成り、絶縁物４の開口部を塞いでいる。真空容
器２は接地されている。端板６には、引出し電源２６か
ら、例えば数ｋＶ〜８０ｋＶ程度の正の高電圧（これは
引出し電圧と呼ばれる）が印加される。

【０００４】端板６には、イオン源ヘッド８が、真空容
器２内側に向けて取り付けられている。従って、このイ
オン源ヘッド８全体にも、上記引出し電圧が印加され
る。

【０００５】イオン源ヘッド８は、この例では、導入さ
れたイオン源物質を電離させてプラズマを生成するプラ
ズマ生成部１０と、このプラズマ生成部１０にイオン源
物質（これはイオン種とも呼ばれる）を含むガスを導入
するガス導入管１４と、固形または液状のイオン源物質
を加熱して蒸気化する蒸発源１６と、この蒸気化したイ
オン源物質をプラズマ生成部１０に導入する蒸気導入管
１８とを備えている。イオン源物質は、例えば、ヒ素、
リン、ホウ素、インジウム、ガリウム等である。但し、
蒸発源１６および蒸気導入管１８を省略してガス状のイ
オン源物質のみを用いる場合や、ガス導入管１４を省略
して蒸気化したイオン源物質のみを用いる場合もある。

【０００６】プラズマ生成部１０は、イオン引出し孔１
２を有しており、その前方に、プラズマ生成部１０との
間に上記引出し電圧による静電場によって、プラズマ生
成部１０内のプラズマからイオンビーム２４を引き出す
引出し電極系２０が設けられている。この引出し電極系
２０は、この例では、支持棒２２によって真空容器２か
ら支持されている。

【０００７】なお、上記プラズマ生成部１０は、特定の
方式のものに限定されないが、例えば、周知のフリーマ
ン型または特開平９−３５６４８号公報に記載されてい
るようなバーナス（Bernus）型のものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記イオン源において
は、端板６、絶縁物４および真空容器２の温度は、通
常、水冷等によって例えば数十℃程度の低温になってい
る。これに対して、蒸発源１６やプラズマ生成部１０の
温度は、通常、蒸発源１６を構成する蒸発用ヒータへの
投入電力や、プラズマ生成部１０におけるフィラメント
への投入電力およびアーク放電の電力によって、例えば
数百℃〜千数百℃程度の高温になっている。

【０００９】このため、プラズマ生成部１０に導入され
たけれどもイオン化されなかったイオン源物質や、プラ
ズマ生成部１０内での解離および再結合によって生成さ
れたイオン源物質の化合物等は、高温のプラズマ生成部
１０の内壁には殆ど付着せず、主としてイオン引出し孔
１２からプラズマ生成部１０外に放出される。

【００１０】この放出されたイオン源物質またはその化
合物は、ブラウン運動を行いながら真空中を漂うけれど
も、プラズマ生成部１０の外壁や蒸発源１６には高温に
よる再蒸発のために付着せず、低温の端板６、絶縁物４
および真空容器２の内壁に付着する。ここで絶縁物４に
着目すると、当該絶縁物４の内壁にこのようなものが付
着すると、絶縁物４の絶縁性能が劣化し、前述した所望
の大きさの引出し電圧を印加することができなくなる。
即ち、この絶縁物４の絶縁劣化が、このイオン源のメン
テナンス周期を縮める要因となっている。特に、付着物
質がヒ素、リン、インジウム、ガリウム等の導電性の場
合は、上記問題はより深刻になる。

【００１１】そこでこの発明は、前記絶縁物へのイオン
源物質またはその化合物の付着量を減少させることを主
たる目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明のイオン源は、
前記イオン源ヘッドの少なくとも一部分を囲む筒状のも
のであって前記端板と同電位の第１のシールドを、前記
端板から前記真空容器内側に向けて延設し、前記イオン
源ヘッドの少なくとも一部分を囲み、かつ前記第１のシ
ールドと重なり合う部分を有する筒状のものであって接
地電位の第２のシールドを、前記真空容器から前記端板
側に向けて延設しており、更にこの第１および第２のシ
ールド間の前記重なり合う部分における距離Ｄは、両シ
ールドが置かれている雰囲気における両シールド間の電
位差に対する放電開始距離をＤ_d、両シールドが置かれ
ている雰囲気における前記イオン源物質の平均自由行程
をλとすると、Ｄ_d＜Ｄ＜λを満たすように選ばれてお
り、かつ前記第１および第２のシールドは、当該イオン
源の運転時の第１および第２のシールドの表面温度をそ
れぞれＴ_s1、Ｔ_s2、両シールドが置かれている雰囲気に
おける前記イオン源物質の再蒸発開始温度をＴ_vとする
と、Ｔ_s1＜Ｔ_vかつＴ_s2＜Ｔ_vを満たすように温度制御
されている、ことを特徴としている。

【００１３】上記構成によれば、第１および第２のシー
ルドは、互いに重なり合う部分を有していて、いわゆる
迷路構造を形成しているので、しかも両シールド間の重
なり合う部分における距離Ｄを、両シールドが置かれて
いる雰囲気における前記イオン源物質の平均自由行程λ
よりも小さく（即ちＤ＜λに）しているので、前記プラ
ズマ生成部から放出されたイオン源物質またはその化合
物は、前記絶縁物に到達する前に殆どが両シールドの少
なくとも一方に衝突する。

【００１４】しかも、両シールドは、両シールドが置か
れている雰囲気における前記イオン源物質の再蒸発開始
温度Ｔ_vよりも表面温度が低くなるように（即ちＴ_s1＜
Ｔ_vかつＴ_s2＜Ｔ_vに）温度制御されているので、両シ
ールドの少なくとも一方に衝突したイオン源物質または
その化合物は、当該シールドに付着して再蒸発しない。

【００１５】従って、前記絶縁物に到達することのでき
るイオン源物質またはその化合物の量は激減するので、
当該絶縁物へのイオン源物質またはその化合物の付着量
を従来例に比べて大幅に減少させることができる。その
結果、前記絶縁物の絶縁性能劣化に起因する当該イオン
源のメンテナンス周期を大幅に延ばすことができる。

【００１６】また、両シールド間の前記距離Ｄを、両シ
ールドが置かれている雰囲気における両シールド間の電
位差に対する放電開始距離Ｄ_dよりも大きく（即ちＤ_d
＜Ｄに）しているので、両シールド間での放電発生を防
止することができる。従って、上記のようなシールドを
設けても、当該イオン源の安定動作を損なわない。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るイオン源
の一例を示す断面図である。図３に示した従来例と同一
または相当する部分には同一符号を付し、以下において
は当該従来例との相違点を主に説明する。

【００１８】このイオン源においては、前記イオン源ヘ
ッド８の一部分を囲む、より具体的には前記蒸発源１６
の根本部からプラズマ生成部１０の底部付近までを囲む
筒状の第１のシールド３０を、前記端板６から真空容器
２内側に向けて延設している。このシールド３０は、端
板６に取り付けていて、端板６と同電位である。

【００１９】更に、前記イオン源ヘッド８の一部分を囲
み、より具体的には前記プラズマ生成部１０付近から蒸
発源１６の先端部付近までを囲み、かつ上記第１のシー
ルド３０と重なり合う部分（換言すれば互いに入り込ん
だ部分）を少なくとも先端部付近に有する筒状の第２の
シールド３２を、前記真空容器２の端部付近から端板６
側に向けて延設している。

【００２０】第２のシールド３２は、この例では、環状
の支持体３４を介して真空容器２に取り付けていて、真
空容器２と同電位、即ち接地電位である。支持体３４
は、導電材料（例えば金属）から成り、しかもシールド
３２と真空容器２との間を塞いでいて、両者の間からイ
オン源物質等が絶縁物４の方へ移動することを防止して
いる。

【００２１】上記第１および第２のシールド３０および
３２は、換言すれば、それらの少なくとも先端部付近で
互いに入れ子式になっている。このような構造を採用す
ることによって、前述した再蒸発開始温度Ｔ_v以上とな
り得る部材、例えばプラズマ生成部１０等から（蒸発源
１６を設ける場合は当該蒸発源１６、蒸気導入管１８お
よびプラズマ生成部１０等から）、絶縁物４を直接見通
すことができないように構成している。

【００２２】なお、この例では、第１のシールド３０を
第２のシールド３２の内側に配置している。これとは逆
に、第１のシールド３０を第２のシールド３２の外側に
配置しても良いけれども、この例のようにする方が、両
シールド３０および３２とイオン源ヘッド８および真空
容器２との間の空間絶縁距離が小さくて済むので、当該
イオン源を小型化することができ、好ましい。

【００２３】上記両シールド３０、３２間の上記重なり
合う部分における距離Ｄは、次式の関係を満たすように
選ばれている。ここで、Ｄ_dは、両シールド３０、３２
が置かれている雰囲気（具体的には当該イオン源の運転
時の真空度および温度）における両シールド３０、３２
間の電位差（具体的には前記引出し電源２６から印加さ
れる引出し電圧）に対する放電開始距離（換言すれば絶
縁破壊距離）である。λは、両シールド３０、３２が置
かれている雰囲気（具体的には同上）における前記イオ
ン源物質の平均自由行程である。

【００２４】

【数１】Ｄ_d＜Ｄ＜λ

【００２５】更に、当該イオン源の運転時の上記第１お
よび第２のシールド３０および３２の表面温度をそれぞ
れＴ_s1およびＴ_s2とすると、両シールド３０および３２
は、次式の関係を満たすように温度制御されている。こ
こで、Ｔ_vは、両シールド３０、３２が置かれている雰
囲気（具体的には当該イオン源の運転時の真空度および
温度）における前記イオン源物質の再蒸発開始温度であ
る。

【００２６】

【数２】Ｔ_s1＜Ｔ_v、かつＴ_s2＜Ｔ_v

【００２７】両シールド３０および３２を上記数２の関
係を満たすように温度制御する手段の例を示すと、両シ
ールド３０および３２自身による熱伝導によって、より
具体的にはシールド３０から端板６への熱伝導およびシ
ールド３２から支持体３４を介して真空容器２への熱伝
導によって、上記数２の関係を満たすようにしても良
い。あるいは、シールド３０および３２に水冷式、ガス
冷却式等の冷却機構（強制冷却機構）を設けても良い。
冷却機構は、例えば、水やガス等の冷媒を通す冷却パイ
プをシールド３０および３２の表面に沿わせた構造でも
良いし、冷媒を通す溝をシールド３０および３２の中に
設けた構造でも良い。

【００２８】このイオン源によれば、第１および第２の
シールド３０、３２は、互いに重なり合う部分を有して
いて、いわゆる迷路構造を形成しているので、しかも両
シールド３０、３２間の重なり合う部分における距離Ｄ
を、両シールド３０、３２が置かれている雰囲気におけ
る前記イオン源物質の平均自由行程λよりも小さく（即
ちＤ＜λに）しているので、プラズマ生成部１０から放
出されたイオン源物質またはその化合物は、前記絶縁物
４に到達する前に殆どが両シールド３０、３２の少なく
とも一方に、通常は両シールド３０および３２に衝突す
る。

【００２９】しかも、両シールド３０、３２は、両シー
ルド３０、３２が置かれている雰囲気における前記イオ
ン源物質の再蒸発開始温度Ｔ_vよりも表面温度が低くな
るように（即ちＴ_s1＜Ｔ_vかつＴ_s2＜Ｔ_vに）温度制御
されているので、両シールド３０、３２の少なくとも一
方に衝突したイオン源物質またはその化合物は、当該シ
ールド３０、３２に付着したままであり再蒸発しない。

【００３０】従って、前記絶縁物４に到達することので
きるイオン源物質またはその化合物の量は激減するの
で、当該絶縁物４の内面へのイオン源物質またはその化
合物の付着量を従来例に比べて大幅に減少させることが
できる。その結果、絶縁物４の絶縁性能劣化に起因する
当該イオン源のメンテナンス周期を大幅に延ばすことが
できる。

【００３１】また、両シールド３０、３２間の前記距離
Ｄを、両シールド３０、３２が置かれている雰囲気にお
ける両シールド３０、３２間の電位差に対する放電開始
距離Ｄ_dよりも大きく（即ちＤ_d＜Ｄに）しているの
で、両シールド３０、３２間での放電発生を防止するこ
とができる。従って、上記のようなシールド３０、３２
を設けても、当該イオン源の安定動作を損なわない。

【００３２】なお、上記シールド３０および３２と同様
の筒状のシールドを単に設けても、それらを前述したよ
うに温度制御しなければ、当該シールドの表面温度は、
高温になるプラズマ生成部１０や蒸発源１６からの放射
熱によって、前述したイオン源物質の再蒸発開始温度Ｔ
_v以上になり得る。そうなると、当該シールドに付着し
たイオン源物質やその化合物は再蒸発し、ひいてはそれ
らがブラウン運動によって絶縁物４の内壁に到達して付
着するので、このような物質の絶縁物４への付着量を減
少させる効果は激減する。

【００３３】上記イオン源は、シールドが二重の場合の
例であるが、シールドは三重以上にしても良い。そのよ
うにすれば、プラズマ生成部１０等から放出されたイオ
ン源物質等が絶縁物４により一層到達しにくくなるの
で、絶縁物４へのイオン源物質等の付着量をより一層減
少させることができる。筒状の第３のシールド３６を外
側に更に設けて三重にした例を図２に示す。この第３の
シールド３６と第２のシールド３２との間の距離Ｄや、
当該シールド３６の温度制御等については、上記第１お
よび第２のシールド３０および３２の場合と同様であ
る。

【００３４】なお、上記シールド３０や３６を端板６と
一体で形成しても良い。同様に、上記シールド３２およ
び支持体３４を真空容器２と一体で形成しても良い。

【００３５】

【実施例】図１に示した構造のイオン源において、イオ
ン源物質としてヒ素を用いた場合の絶縁物４の内面の汚
染状況を調べた。

【００３６】このとき、前述した再蒸発開始温度Ｔ_vに
は、Ａs₄分子の蒸気圧曲線から、蒸気圧が約１×１０^-4
Ｐａとなる温度、即ち約１５０℃を採用した。従って、
当該イオン源の運転時の両シールド３０および３２の表
面温度が１５０℃よりも低くなるように、両シールド３
０、３２の温度制御を行った。この温度制御は、この実
施例では、各シールド３０、３２から端板６または真空
容器２への熱伝導によって行った。

【００３７】なお、当該イオン源の運転時の真空容器２
内およびシールド３０、３２周りの圧力は、通常は１×
１０^-4Ｐａ〜１×１０^-3Ｐａ程度になる。従って、上記
再蒸発開始温度Ｔ_vを決定する際の圧力は、当該再蒸発
開始温度Ｔ_vが低くなる安全サイドの圧力である１×１
０^-4Ｐａを採用した。また、次に述べる平均自由行程λ
を決定する際の圧力は、当該平均自由行程λが小さくな
る安全サイドの圧力よりも更に低い１×１０^-2Ｐａを採
用した。

【００３８】ヒ素の原子および分子、例えばＡs 、Ａ
s₂、Ａs₄の大きさは約３Å〜１０Åであるので、これら
の平均自由行程λは、両シールド３０、３２が置かれて
いる雰囲気の圧力を１×１０^-2Ｐａ、温度を２０℃とす
ると、約８ｃｍ〜１００ｃｍとなる。従ってこの実施例
では、上記平均自由行程λとして、安全サイドの８ｃｍ
を採用した。

【００３９】一方、上記圧力（即ち１×１０^-4〜１×１
０^-3Ｐａ）程度の真空中での放電開始電界強度は、５０
ｋＶ／ｃｍ程度と考えられ、引出し電源２６から端板６
等へ印加する引出し電圧をこの実施例では５０ｋＶとし
ているので、上記放電開始距離Ｄ_dは１ｃｍになる。

【００４０】従って、この実施例では、上記距離Ｄは、
１ｃｍ＜Ｄ＜８ｃｍを満たすように設定した。

【００４１】そして、この実施例では、ヒ素を含むガ
ス、具体的にはＡsＨ₃ガスをガス導入管１４からプラ
ズマ生成部１０へ導入し、熱電子衝撃によってプラズマ
を生成し、ヒ素イオンを含むイオンビーム２４を引き出
した。このとき、プラズマ生成部１０への投入電力は８
００Ｗ〜９５０Ｗで運転した。そして、絶縁物４へのヒ
素またはヒ素化合物の付着状況を調査した。

【００４２】また、比較のために、上記シールド３０お
よび３２を設けていない従来構造のイオン源を、上記と
同様の条件で運転して、絶縁物４へのヒ素またはヒ素化
合物の付着状況を調査した。

【００４３】その結果、従来構造のイオン源では、約１
時間の運転で絶縁物４が絶縁不良になった。当該絶縁物
４の内壁表面を観察したところ、ヒ素またはヒ素化合物
によって銀色にメタライズされていた。

【００４４】一方、実施例のイオン源では、約２時間の
運転でも絶縁物４は絶縁不良にならなかった。当該絶縁
物４の内壁表面を観察したが、ヒ素またはヒ素化合物の
付着は殆ど確認できなかった。なお、当該イオン源の運
転時のシールド３０および３２の温度を測定したとこ
ろ、１００℃前後であった。

【００４５】以上の結果から、実施例のイオン源は、従
来構造のイオン源に比べて、そのメンテナンス周期を少
なくとも２倍以上に延ばせることが分かる。

【００４６】また、ガスの代わりに、蒸発源１６を用い
てプラズマ生成部１０に蒸気化したヒ素を導入した場合
も、上記実施例と同様の結果が得られた。

【００４７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、上記の
ようなシールド間の距離を有し、かつ上記のように温度
制御された第１および第２のシールドを備えているの
で、真空容器と高電圧が印加される端板との間の絶縁物
に到達することのできるイオン源物質またはその化合物
の量は激減する。従って、当該絶縁物へのイオン源物質
またはその化合物の付着量を従来例に比べて大幅に減少
させることができる。その結果、当該絶縁物の絶縁性能
劣化に起因するイオン源のメンテナンス周期を大幅に延
ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す断面図で
ある。

【図２】この発明に係るイオン源の他の例を示す断面図
である。

【図３】従来のイオン源の一例を示す断面図である。

【符号の説明】２真空容器４絶縁物６端板８イオン源ヘッド１０プラズマ生成部１６蒸発源２４イオンビーム３０第１のシールド３２第２のシールド３６第３のシールド

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空に排気される接地電位の真空容器の
端部に、環状または筒状の絶縁物を介して、高電圧が印
加される端板を取り付け、イオン源物質を電離させてプ
ラズマを生成するプラズマ生成部を有するイオン源ヘッ
ドを前記真空容器内側に向けて前記端板に取り付けた構
造のイオン源において、前記イオン源ヘッドの少なくと
も一部分を囲む筒状のものであって前記端板と同電位の
第１のシールドを、前記端板から前記真空容器内側に向
けて延設し、前記イオン源ヘッドの少なくとも一部分を
囲み、かつ前記第１のシールドと重なり合う部分を有す
る筒状のものであって接地電位の第２のシールドを、前
記真空容器から前記端板側に向けて延設しており、更に
この第１および第２のシールド間の前記重なり合う部分
における距離Ｄは、両シールドが置かれている雰囲気に
おける両シールド間の電位差に対する放電開始距離をＤ
_d、両シールドが置かれている雰囲気における前記イオ
ン源物質の平均自由行程をλとすると、Ｄ_d＜Ｄ＜λを
満たすように選ばれており、かつ前記第１および第２の
シールドは、当該イオン源の運転時の第１および第２の
シールドの表面温度をそれぞれＴ_s1、Ｔ_s2、両シールド
が置かれている雰囲気における前記イオン源物質の再蒸
発開始温度をＴ_vとすると、Ｔ _s1＜Ｔ_vかつＴ_s2＜Ｔ_v
を満たすように温度制御されている、ことを特徴とする
イオン源。