JP3127892B2

JP3127892B2 - 水素負イオンビーム注入方法及び注入装置

Info

Publication number: JP3127892B2
Application number: JP10183824A
Authority: JP
Inventors: 浩二三宅
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2001-01-29
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: JP2000021597A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉ、ガラス、プ
ラスチック等の基板全体に水素イオンビ−ムを注入する
方法と注入する装置に関する。水素イオン注入にはおお
まかに言って二つの用途がある。水素イオン注入によっ
て脆弱な多孔質層（ボイド層）を基板内部に作りここで
剪断する、というのが一つの用途である。さらに水素イ
オンによって対象の物性を向上させるという用途もあ
る。水素注入には様々の用途があるからひとつ一つ説明
する。

【０００２】［１．ＳＯＩ基板の製作のための水素イオ
ン注入］ＳＯＩ基板（silicon on insulator）というの
は広義には絶縁層の上にＳｉ単結晶を持つ基板である。
ＳＯＩ基板には厚い絶縁体基板の上に薄いＳｉを載せた
（Ｓｉ／絶縁基板）ものもある。例えばサファイヤの上
にＳｉ薄膜を形成したものなどである。しかし異種結晶
の上にヘテロ成長させると結晶欠陥が多い。劈開もない
し高価になる。ほとんど利益はない。だからＳＯＩ基板
といえば、全体がＳｉで表面近くに薄い絶縁層とＳｉ単
結晶が存在する（Ｓｉ／絶縁層／Ｓｉ基板）の３層構造
のものが主である。絶縁層はＳｉＯ₂である。つまり
（Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板）の３層構造である。

【０００３】Ｓｉウエハ−は安価である。高品質のもの
が入手しやすい。ＳＯＩ基板ではＳｉの上にＳｉがある
から格子定数は同一で欠陥は少ない。劈開もあり素子分
離に便利である。これを作るため水素イオン注入して内
部に多孔質層をつくり、他のＳｉウエハ−を貼り付け、
多孔質層から剪断し、表面研磨してＳＯＩとする。これ
についてはさらに後に説明する。

【０００４】［２．単結晶Ｓｉ／ガラス基板製作のため
の水素イオン注入］液晶装置基板はガラスの上にアモル
ファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜を堆積させその上に多
数の薄膜トランジスタを作製したものである。これが主
流であるがａ−Ｓｉのキャリヤ移動度が低いので動作が
遅い。現在の最も高機能の液晶装置基板は、ガラス基板
に多結晶シリコン薄膜（ｐ−Ｓｉ）薄膜を形成したもの
である。ａ−Ｓｉより電子移動度が高いのでより高速動
作する。これは例えば

【０００５】糸賀隆志、伊藤政隆、高藤裕、「低温
ポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤ」シャープ技報、第６９
号、Ｐ６４（１９９７）

【０００６】に提案されている。しかしながら未だ満足
できる成果を得ていない。多結晶は結晶粒界が多数存在
する。ために電子散乱が多い。単結晶Ｓｉに比較してな
お電子移動度は低い。多結晶の粒界に多数の粒界準位が
存在するからこれによって散乱されるのである。そこで
水素イオンビ−ムを注入して粒界準位を減らすという試
みも行われる。例えば、

【０００７】特開平８−９７４３２号「薄膜半導体装
置の製造方法」鈴木信明に提案されている。水素イオン
ビ−ムを注入してアニールすると水素が粒界のＳｉを終
端し準位が減少し移動度が上がるということを述べてい
る。

【０００８】しかし多結晶Ｓｉの薄膜には移動度の遅さ
以外にも問題がある。多結晶Ｓｉでは粒界にそって電流
が流れやすいために、ソース・ドレイン間のリーク電流
が大きい。ために複雑なＬＤＤ構造をとらざるを得な
い。このため夢の結晶といわれたＳＯＧ（システムオン
グラス）は全く実現の見込みがない。ＳＯＩを応用し、
Ｓｉに水素注入して多孔質層を作りガラスに貼り付け、
多孔質層からＳｉ基板を剪断しガラス基板上にＳｉ単結
晶薄膜を接着する。これが基板がＳｉでなくガラスにな
っているだけでＳＯＩと良く似たボイドカット法によっ
て作製できる。だからこれもＳｉウエハ−に水素を注入
し、脆弱な層を作り、ガラスに貼り付けて、薄くＳｉ層
を剥離してＳｉ単結晶／酸化物／ガラスの層構造をつく
る。

【０００９】［３．太陽電池の改良］導電性基板の上に
単結晶Ｓｉ薄膜を接着し、その後１０〜２０ｎｍ程度の
薄いＳｉ薄膜をエピタキシャル成長させる。Ｓｉ薄膜を
基板に接着する方法としてＳＯＩと同じボイドカットを
使う。水素正イオンを注入して多孔質層を作りここから
剪断する。基板のほとんどは安価な材料でありほんの表
面の一部だけＳｉ単結晶となる。こうすると安価である
にも拘らず高効率の太陽電池を作る事ができる。必要で
あれば同一基板上に半導体素子、ＴＦＴ素子、光電変換
素子などを混載する事も可能である。これは例えば

【００１０】 A.L. Akishin & G.M. Grigor'eva, "P
ossibilities of increasing the efficiency of solar
silicon elements in implanting H⁺ ans He⁺ ions,"
Physics and Chemistry of Materials Treatment 1994
28, (6),p365-368 (1994)によって提案されている。勿
論実用レベルには達していない。

【００１１】［４．ＳｉＣへの水素イオン注入］同様の
ボイドカット法によってＳｉＣの薄膜を作製する方法も
提案されている。ＳｉＣは高温耐熱半導体でＳｉとは別
の用途がある。これもＳＯＩと同じ手法で、水素イオン
注入多孔質層の形成、デラミネーションによりＳｉＣ薄
膜を作製することが提案されている。例えば

【００１２】原徹、柿崎恵男、田中久雄、「Ｈ^＋注
入による薄膜デラミネーション−デラミネーションのＳ
ｉＣへの応用−」第４５回関係連合講演会講演予稿集２
９ａ−Ｋ−２，ｐ８０３（１９９８）もちろんいまだ良
質の基板はできず、デバイスにするという段階でない。
さまざまの夢の試みがなされている。

【００１３】

【従来の技術】絶縁物上に単結晶Ｓｉ半導体層を形成し
たＳｉオンインシュレータ基板（いわゆるＳＯＩ基板）
は、通常のバルクＳｉ基板と比較して高集積化が可能、
高速デバイスの作製が可能、など多くの点で優れている
ことが知られており各地で精力的に研究されている。こ
れらの優位点は例えば以下の文献に詳細が記述されてい
る。

【００１４】 Special Issue:"Single-crystal silic
on on non-single-crystal insulators"; edited by G.
W.Cullen, Journal of Crystal Growth, vol.63, No.3,
pp429-590(1983)

【００１５】ＳＯＩ基板の作製方法として二つの方法が
ある。一つは直接に酸素イオンを注入し酸化珪素層を作
る方法（ＳＩＭＯＸ）である。もう一つは水素イオン注
入によるボイドカット法あるいはスマートカット法とよ
ばれる貼り合わせ作製法である。本発明は水素イオンビ
−ムの注入法に関するので、スマートカット法の改良を
与えることができる。

【００１６】スマートカット法によるＳＯＩ基板の作製
方法は例えば、特願平８−２６４３８６号に詳述されている。その
他にもたくさんの文献がある。簡単に説明する。第１の
Ｓｉ基板の表面を酸化しＳｉＯ_２膜を作る。おおよそ１
００ｋｅＶ程度の水素イオンを１×１０^１４／ｃｍ^２以
上注入し、０．２μｍ〜０．５μｍ程度の深さにポロジ
ティの大きい多孔質層を形成する。その後熱処理によっ
て、表面のＳｉ層の注入ダメージを回復する。第１のＳ
ｉ基板を貼り合わせる。絶縁層は第２のＳｉウエハ−に
形成しておいてもよい。その後垂直方向に剪断力を加え
る事によって前記多孔質層で第１基板を切断する。その
後表面を研磨する。こうしてＳＯＩ基板を作製する。

【００１７】注入ガスとしては水素の他に、希ガス、窒
素ガスでもよいが、水素が最も好まれる。それは質量が
軽いため、低エネルギーでも深くまで注入でき、またＳ
ｉ表面層に与えるダメージが小さいためである。

【００１８】この水素イオン注入法として、Ｂ、Ｐなど
の不純物をＳｉ基板に注入するイオン注入装置を使用す
るのが最も一般的である。図１に典型的なイオン注入装
置による水素イオン注入方法を示す。

【００１９】プラズマ励起は、熱フィラメント、マイク
ロ波、高周波などによって行う。これはフィラメント励
起による装置である。真空に引く事のできるチャンバ１
にはフィラメント２が設けられる。絶縁物５を通ってフ
ィラメント２の端子が外部に取り出される。端子の両端
には直流のフィラメント電源３が接続される。チャンバ
１にはガス入口４がありここから水素ガスが供給され
る。チャンバ１とフィラメント２の間にはア−ク電源６
（Ｖａｋ）が接続される。加速電源７（Ｖａｃｃ）がア
−ク電源６の負極とアースの間に設けられる。チャンバ
１の電位は、Ｖａｃｃ＋Ｖａｋである。

【００２０】チャンバ１の出口８の外側には、開口部の
軸線を共通にするように有孔の電極が３枚設けられる。
加速電極９、減速電極１０、接地電極１１である。加速
電極９には抵抗１３を介して加速電源７の正極が接続さ
れる。減速電源１０には減速電源１２が接続される。チ
ャンバ出口８、電極９、１０、１１の開口の延長上に
は、４分円弧の質量分離マグネット１４が設置される。
チャンバ１から出たイオンビ−ム１５は、入口１６から
質量分離マグネット１４に入り磁場によって彎曲した軌
道を描いて出口１７から出る。質量、エネルギーで軌道
を調整してあるから、一原子イオンＨ^＋は中央軌跡２６
を経てスリット板１８を通る。しかし２原子イオンＨ_２
^＋は偏奇軌跡２７を描いて、質量分離マグネット１４の
壁やスリットに当たって消滅する。一原子水素正イオン
Ｈ^＋はスリット板１８を通り、対向電極１９、２０と可
変電源２１からなる走査機構２２によって左右に走査さ
れる。走査ビーム２３はサセプタ２５の上のＳｉウエハ
−２４に注入される。

【００２１】水素プラズマ中に正イオンは何種類もでき
る。複数種の水素正イオンが注入されると複数の水素注
入層ができる。これは困る。一種類の水素正イオンだけ
を選んで注入しなければならない。そのためには質量分
離する必要がある。質量分離するためにはビームを細く
しなければならない。ウエハ−直径よりずっと細いビー
ムにする必要がある。ウエハ−直径より小さいビームだ
からウエハ−全面に一挙に注入できない。ビームを振る
走査機構が不可欠である。質量分離と走査機構の存在が
様々の問題を引き起こす。

【００２２】イオン注入装置によって、水素イオンビ−
ムを質量分離、走査し、注入する方法は、従来の不純物
イオン注入装置と同様の構成である。容易に推測がつく
が、装置構成が非常に複雑高価である。特に嵩高いマグ
ネットがあるため設置面積も広くなる。またビームを走
査して注入するため、ウエハ１枚当たりの処理時間が非
常に長い。ためにスループットが低い。その結果、ＳＯ
Ｉ基板１枚当たりの単価は非常に高くなる。このこと
が、ＳＯＩ基板の優秀性が広く認められているにも拘ら
ず普及しない原因となっている。

【００２３】また近年、水素プラズマ中に基板をさら
し、基板に負のパルス電圧を周期的に印加する事によっ
て水素イオンを基板全面に注入する方法も提案されてい
る。この方法は以下の文献に詳述されている。 "Ion-cut silicon-on-insulator fabrication with
plasma immersion ion implantation": edited by Xian
g Lu, S.Sundar Kumar Iyer et.al, Appl.Phys.Lett.71
(19), 1997

【００２４】図８にこれを示す。プラズマ室２００には
原料ガス入口２０２から水素ガスが供給される。マグネ
トロン（図示しない）で発生し導波管２０３を伝搬した
マイクロ波２０４がプラズマ室２００に供給される。プ
ラズマ室２００の内部にはＳｉウエハ−２０７がサセプ
タ２０８の上に戴置される。サセプタ２０８は軸２０９
によって支持される。軸２０９は負バイアス電源２２０
によって負にバイアスされる。プラズマ２０６にウエハ
−２０７が接触している。ウエハ−を負にバイアスする
と水素正イオンＨ^＋、Ｈ_２ ^＋がウエハ−の全面に一挙に
注入される。

【００２５】この方法は質量分離がなく簡単な構造にな
っている。しかしそれは決して利益でない。質量分離機
構を含んでいないためにプラズマ中の正イオン
（Ｈ_２ ^＋、Ｈ ^＋）を全てウエハ−に引き込んでしまう。
質量の異なる二種類のイオンが注入され、ポロシティの
大きい多孔質層が二重に形成されてしまう。これではウ
エハ−を綺麗にスマートカットできない。分子（Ｈ_２）
と原子（Ｈ）では質量が２倍違うので、同じ加速エネル
ギーを与えると、軽いＨ^＋が重いＨ_２ ^＋の約２倍深くま
で注入されるからである。Ｈ_２ ^＋によって一層目が、Ｈ
^＋によって２層目の多孔質層ができる。

【００２６】一原子イオンＨ^＋で形成される２層目でカ
ットするのは良くない。他のウエハ−を貼り付けてＳＯ
Ｉ基板を作ったとき、１層目がＳＯＩ基板に残るからで
ある。より表面に近い１層目（Ｈ_２ ^＋で作られる多孔質
層）でウエハ全面にわたって剥離できれば問題はない
が、２層目で剥離される部分が存在するとこれは表面欠
陥となる。これは歩留まりを大きく低下させるので望ま
しくない。

【００２７】また上記文献では、この問題を解決するた
めに、ガス流量、投入電力などを最適化してプラズマ状
態をコントロールし、プラズマ中の正イオン比率をＨ_２
^＋／Ｈ^＋＝９０：１０として、Ｈ_２ ^＋をより高い割合で
注入しするようにしている。一原子イオンＨ^＋が少ない
ので２層目が薄くなり、１層目で剥離しやすくなるよう
に工夫を凝らしている。

【００２８】しかしなおＨ^＋を完全に除去する事ができ
ない。そのために２層目で剥離する危険性がある。従来
の方法では、プラズマ中の分子イオン／原子イオンのど
ちらか一方を、他方が無視できる程度まで優先的に生成
するのは困難である。またプラズマパラメータが少しで
もずれると、上記の正イオン比率Ｈ_２ ^＋：Ｈ^＋が変動す
る惧れがある。特に生産装置での安定性という点で重大
な懸念がある。また、分子イオンＨ_２ ^＋を優先的に注入
して多孔質層を形成しようとした場合、Ｈ_２ ^＋は、Ｈ^＋
に比べ約２倍の電圧を印加しなければ、必要とする深さ
まで注入する事ができない。そのため、パルス電圧を印
加する電源の技術的困難性が倍加し、価格も大幅に高く
なる。やはりどうしても質量分離機構が不可欠というこ
とになる。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】上記の第１の方法の本
質的な問題は質量分離を必要とする点にある。プラズマ
中の水素正イオンの種類には、前述のようにＨ^＋、Ｈ_２
^＋のイオンが存在する。このうちいずれか１種類を独占
的に注入しなければ多孔質層が多層に形成されてしま
う。１種類のイオンビ−ムだけを選ぶために図１のイオ
ン注入装置では、質量分離系を設けている。大きいマグ
ネットのために装置は大型、高価とならざるをえない。
太いビームは質量分離できないのでイオンビ−ム径を絞
る。イオンビ−ムを絞るので広いウエハ−の全面に一挙
にイオン注入できない。そのため走査機構を設け、ウエ
ハ全面にわたって、ビームを走査しなければならない。
また水素プラズマ中に基板をさらし、基板に負のパルス
電圧を印加する事によって水素正イオンを注入する方法
（図８）はプラズマパラメータをコントロールすること
によって問題を解決しようとしているが不完全である。
複数種類の水素正イオンが注入されるという問題が残っ
ている。

【００３０】水素の生成イオン種を一種に限定した半導
体、金属、絶縁体基板への水素イオン注入方法、装置を
提供する事が本発明の第１の目的である。生成イオン種
を一種に限定し、質量分離を不要とし、安価で小面積に
設置できる水素イオン注入装置を提供することが本発明
の第２の目的である。生成イオンを一種に絞る事によっ
て走査を不要としスループットの高い水素イオン注入装
置を提供することが本発明の第３の目的である。水素正
イオンには、上述のようにＨ^＋、Ｈ_２ ^＋など複数種のイ
オン種が存在し、何れか１種を８０％以上独占的に生成
することは、極めて困難である。かといって質量分離を
すると装置は大型で高価額のものにある。スループット
も低い。そこで本発明はその途を取らない。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明は、正イオンでな
く、水素負イオンＨ⁻を用いる。水素負イオンとしては
Ｈ−の他に安定なものは存在しない。Ｈ_２ ⁻のような分
子負イオンは発生しても寿命が数ｎｓ〜数十ｎｓと短
い。すぐに解離しＨとＨ⁻になる。だから水素負イオン
といえば１００％Ｈ⁻である。水素負イオンでのＨ⁻の
独占性については例えば次の文献に書かれている。「イオン源工学」石川順三著アイオニクス社出版
ｐｐ．３４−３５

【００３２】本発明は負イオンにおけるＨ⁻の優れた独
占性を活用する。一原子の水素負イオンＨ⁻をＳｉ、誘
電体基板、ガラスなど対象となる基板に注入する。他に
水素負イオンがないから質量分離が不要である。質量分
離が不要であるから始めから大面積のイオンビ−ムを引
き出すことができる。大面積ならばビーム走査が不要に
なる。これが本発明の骨子である。

【００３３】本発明はイオン源から広い水素負イオンビ
−ムを取りだし基板に水素負イオンを注入する。広いビ
ームを得るためイオン源の開口部には基板直径より広い
範囲の孔分布を有する複数枚の多孔電極板からなる引出
電極系を設ける。負イオンを引き出すので、イオン源の
プラズマ室には負のバイアス電圧を印加し引出電極系に
も所定のバイアス電圧を印加する。イオン源の引出電極
系の作用で水素プラズマから負イオンビームを引き出
し、イオン源外部の半導体基板、金属基板、誘電体基板
に注入する。

【００３４】水素負イオンには初めから一原子一価イオ
ンＨ⁻しか存在しないので質量分離が不要である。大き
く重い質量分離マグネットは不要になる。これによって
装置が小型になる。装置据え付け面積も少なくなる。マ
グネットが無いのでより安価になる。

【００３５】質量分離が不要であるとビームを絞る必要
もない。大面積のビームを発生させそのままウエハ−に
イオン注入すれば良い。ビーム走査しないから走査機構
の分だけ装置が安価になる。また走査機構が不要でその
分走査距離が不要になるから据え付け面積をさらに削減
できる。一挙にイオン注入できるから注入時間が大幅に
短縮できる。ためにスループットが大いに向上する。ボ
イドカット法によるＳｉＳＯＩ基板などの製造コストを
引き下げる事ができる。

【００３６】水素負イオンビームを用いる本発明にも問
題はある。水素負イオンをどうして大量に生成するか？
と言う事が問題である。そもそも従来技術が全て水素の
正イオンを注入していたのは、正イオンが生成し易いか
らである。負イオンはなかなかできない。電気的中性の
条件から、プラズマ中でも、正イオン数＝電子数＋負イ
オン数である。プラズマ中で負イオンはかならず正イオ
ンより少ない。しかも負イオンも電子も負の荷電粒子で
あるからイオン源を負にして負イオンを引き出したとき
電子も同時にでてくるという問題がある。電子が基板に
注入されるとイオン電流がそれだけ無駄になるし、電子
によって基板が加熱されるという問題がある。イオン注
入装置において現在でも殆ど正イオンを対象にしている
のは正イオンのほうが作りやすいし電子が混ざらないか
らである。

【００３７】負イオン生成の問題はいくつかの工夫によ
って解決できる。ひとつは、プラズマ中の中性を保持し
つつ電子を急激に消滅させることによって負イオンを一
時的に増大させる手法である。一価イオンに換算する
と、電子数＋負イオン数＝正イオン数であるから、電子
数を一時的に０に近づける事によって、負イオン数を正
イオン数に近づける事が可能である。プラズマが点灯し
ているときプラズマ励起手段を遮断すると、電子温度が
急激に下がり、低エネルギー電子が増える。

【００３８】低エネルギー電子は衝突結合の断面積が大
きいから中性原子、分子と衝突し易くなる。中性水素原
子に衝突するとこれに捕獲され一価のＨ⁻になる。中性
水素分子に衝突すると、分子を分裂させ二つの原子にし
電荷を与えて中性原子と負イオンＨ⁻になる。このよう
にプラズマが消滅する際、電子が急速に減少し負イオン
が増える。もちろんこれは一時的なものでその後正イオ
ンも負イオンも減少し始める。その短い間だけ引出電極
系にバイアス電圧を印加して負イオンをウエハ−に注入
するようにする。プラズマを消滅させた直後に引出電極
系に所定のバイアス電圧を印加して負イオンを注入する
のである。

【００３９】わずかな間だけ注入するのであるから繰り
返し繰り返し積み重ねる必要がある。それでプラズマ点
灯消灯をパルス的に行いそれから一定時間遅れて引出電
極系に正電圧バイアスをパルス的に印加する。１回あた
りの負イオン注入がわずかであっても繰り返して注入す
ればやがて所望のドーズ量に達する。この方法を、仮に
「消灯後負イオンビーム法」と呼ぶ。

【００４０】消灯後負イオンビーム法の他にもう一つ負
イオンを高密度に生成する方法がある。プラズマ中の電
子温度はかなり高くエネルギーは数十ｅＶもある。これ
では中性原子と結合しにくい。０．１ｅＶ〜０．０１ｅ
Ｖ程度の低速電子は中性原子と結合して負イオンを作り
やすい。そこで電子エネルギーを０．１ｅＶ程度以下に
下げて、中性原子、中性分子との衝突結合の断面積を増
やす方法である。これは「エネルギーフィルタ法」と呼
ばれている。これらは時間的、空間的に負イオン密度を
高めそこから負イオンを取り出すものである。これは先
ほど述べた、消灯後負イオンビーム法と併用することも
できる。

【００４１】さらにＣｓの仕事関数の低い事を利用した
負イオン生成法もある。これはよく知られた方法であ
る。負にバイアスしたターゲットにＣｓを付着させてお
き中性原子分子を当てるとＣｓの電子が中性原子、分子
に移動して負イオンを作るというものである。Ｃｓは正
イオンになるがターゲットから電子がやってくるのでま
た中性に戻る。Ｃｓが電子を手放し易い（仕事関数が低
い）ことを巧みに使ったものでＲｂなどでも代用でき
る。これも先述の消灯後負イオンビーム法と併用でき
る。

【００４２】プラズマの生成法自体は、フィラメントに
よるア−ク放電、平行平板電極間の高周波放電、直流放
電、マイクロ波放電、スパッタ負イオン生成など幾つも
の方法がある。これら励起手段に対応してイオン源がそ
の種類だけ存在する。本発明はその何れにも適用できる
ものである。さらに原料ガスは水素ガスが最も適する
が、これに限らない。水素＋希ガスを使う事もできる。
希ガスはヘリウム、アルゴンなどであるが、これらはプ
ラズマ状態で安定であり、希ガスと水素の衝突によって
水素負イオンを生成することができる。ために負イオン
密度をより高くすることができる。さらに水素を含む気
体、ＳｉＨ_４、ＣＨ_４などの気体を原料ガスとすること
もできる。ＳｉＨ_４をつかうと、Ｈ⁻以外にＳｉ_ｘＨ_ｙ
⁻イオンもできるがこれは極めて重く基板の表面近くに
注入されるだけである。研磨によって簡単に除去でき
る。

【００４３】

【発明の実施の形態】本発明は、水素負イオンＨ⁻をイ
オンビ−ムとして引き出し、Ｓｉ基板、ガラス基板、誘
電体基板などに注入することに特徴がある。水素負イオ
ンは殆どがＨ ⁻である。そのため質量分離は不要であ
る。質量分離のためビームを絞る必要がないから走査装
置も不要である。装置は単純化、小型化されスループッ
トも上がる。作りにくい負イオンをどのようにして作る
か？という事が問題になる。負イオン生成について述べ
る。

【００４４】［１．消灯後負イオンビーム法］プラズマ
点灯をパルス的に行いプラズマ消灯直後に引出電極系に
所定の電圧を印加することによって負イオンを注入する
方法である。プラズマ生成手段をオンすることによっ
て、プラズマ生成室内に水素を含むプラズマを生成す
る。次にプラズマ生成手段をオフする。プラズマ中の電
子の温度は、数μｓｅｃ以内に、数１０ｅＶから数ｅＶ
まで急速に低下する。一方、この期間、電子および、正
・負イオン密度は殆ど変化しない。プラズマ中では低エ
ネルギー電子が支配的となる。この低速電子と水素分子
が解離性付着を起こすことによって水素負イオンが生成
される確率が急激に高くなる。ｅ⁻＋Ｈ_２→Ｈ⁻＋Ｈ。
ｅ⁻＋Ｈ→Ｈ⁻の式によって簡明に表現できる。このよ
うな付着によって、負イオン密度はプラズマ生成手段オ
フ直後から急激に上昇する。さらに２０〜３０μｓｅｃ
まで経過すると、電子は軽いために、急速に拡散し、消
滅して密度が低下する。一方で、正・負イオンは質量が
大きいため、殆ど消滅しない。このため電子密度が極端
に少なく、正負イオンでプラズマが維持される特異な
（電子が殆ど無い）プラズマが形成される。この現象
は、例えば次の文献に述べてある。

【００４５】”パルス変調プラズマ”寒川誠二、応用
物理第６６巻第６号、ｐ５５０−５５８（１９９７）

【００４６】(10) M.B.Hopkins, M.Bacal & W.G.Graha
m,”Enhanced volume production of negative ions in
the post dischagrge of a multicusp hydrogen disch
arge",J.Appl.Phys.70(4),p2009-2014(1991)"

【００４７】は塩素やアルゴンのプラズマについて述
べたものである。(10)は水素プラズマについて調べたも
のである。本発明者はこれを巧みに利用する。プラズマ
消灯後僅かな間負イオン密度の高い状態が出現する。本
発明は、この特異なプラズマ（正イオン数＝負イオン
数）が形成される瞬間に、引出電極系に所定のパルス電
圧を印加する。これによって、水素負イオン（Ｈ⁻）を
Ｓｉ基板に注入する。

【００４８】［２．エネルギーフィルタ法］プラズマ室
を２つに分離し、第１プラズマ室では原料ガスを導きこ
れを励起しプラズマ生成を行う。第２プラズマ室にはウ
エハとサセプタを設ける。二つのプラズマ室の間には磁
場によるエネルギーフィルタを設ける。第１プラズマ室
では旺盛なプラズマ生成が行われ電子のエネルギーが高
い。エネルギーフィルタは高エネルギーの電子の通過を
防ぐ。第２プラズマ室は低エネルギーの電子が多く存在
する。低エネルギー電子は中性分子、原子との衝突結合
の断面積が大きい。低エネルギー電子は中性原子に結び
ついてこれを負イオンＨ⁻化する。そのようにして低エ
ネルギーの電子が少なくなると第１プラズマ室から低エ
ネルギー電子が入ってくる。エネルギーフィルタは、電
子エネルギーに対して選択性あるものである。中性原
子、分子は自由に通過を許すものとする。それは数十ガ
ウス程度の磁場を形成することによってなされる。その
ような磁場は永久磁石を対向させることによって発生さ
せる事ができる。あるいは平行な複数の導体棒に電流を
流す事によって磁場を発生させることができる。

【００４９】［３．Ｃｓ法］負イオン源として既に広く
使われている方法である。Ｃｓは金属表面に吸着される
と金属表面の仕事関数を下げる作用がある。仕事関数が
下がるので電子がより放出されやすくなる。そこでこの
金属を負にバイアスすると金属は電子の放出体として機
能する。水素分子、水素正イオンが、Ｃｓに当たると電
子が水素分子などに与えられ水素負イオンになる。Ｃｓ
は蒸発源に固体の状態で収容しておき加熱気化して金属
表面に導く。Ｃｓの他にルビジウムＲｂ、カリウムＫ、
バリウムＢａなどをも利用できる。

【００５０】

【実施例】［実施例１（消灯後負イオンビーム法）］図
２によって実施例１を説明する。これはマイクロ波をプ
ラズマの励起源とする例である。アンテナからマイクロ
波をチャンバ内に導きここでプラズマを発生させる。原
料ガス入口２９を有するＭＰカソードチャンバ２８に
は、同軸ケーブル３１が接続される。同軸ケーブル３１
の先端にアンテナ３２が固定される。マグネトロン（図
示しない）で発生したマイクロ波は同軸ケーブルを伝わ
りアンテナ３２からＭＰカソードチャンバ２８内に入
る。チャンバ２８には水素ガスが導入される。

【００５１】ＭＰカソードチャンバ２８には磁場印加手
段３３が縦磁場を生じている。これはマイクロ波共鳴磁
場を生ずる。水素ガスから出た電子はマイクロ波を共鳴
吸収する。電子の運動が激しくなり水素を叩いて正イオ
ン水素、電子などを含む水素プラズマとなる。Ａｒ、Ｈ
ｅなどの希ガスを加えても良い。そのままであると正イ
オンしかできないので目的に添えない。

【００５２】そこでＭＰカソード２８に続けて主放電室
３０を設ける。主放電室は独自のプラズマ励起源を持た
ない。ＭＰカソード２８からドリフトしてきた水素プラ
ズマが主放電室３０に満ちる。主放電室３０の外周壁に
はＮＳ、ＳＮ、…というように極性が異なる永久磁石３
５が多数取り付けられる。これはカスプ磁場をチャンバ
内に形成し、プラズマ中の荷電粒子が壁面に衝突するの
を防ぐ作用がある。プラズマ閉じ込めのためのカスプ磁
場である。主放電室３０とＭＰカソード２８の間には、
アーク電源３９（Ｖｅｘ）がある。主放電室３０をＶｅ
ｘの正電圧によってバイアスしている。これによって電
子放出口３４から電子と負イオンなどがＭＰカソードか
ら主放電室３０に引き込まれる。電子は主放電プラズマ
５７を生成するエネルギーを与える。電子だけでなく水
素の正イオンや負イオンも主放電室３０へと移動する。
電子は空間を飛翔し水素を叩いて正イオンや負イオンを
作る。エネルギーが高いときは電子を弾き飛ばして正イ
オンを作る傾向がある。エネルギーが低いときは水素軌
道に入り負イオンを作り易い。電子の作用はこのような
二面性がある。

【００５３】正イオンができるときは電子が増える。負
イオンができるときは電子が減る。電子はＭＰカソード
から連続的に供給される。電子は水素原子や分子と衝突
しエネルギーを失う。低速の電子は水素原子に結合して
負イオンを生成することもある。しかしほとんどは主放
電室の壁面にあたって消滅する。主放電プラズマ５７は
水素正イオン、電子、水素負イオン、中性水素分子、中
性原子などを含む。主放電室３０の反対側は開口部にな
っている。開口部の先には引出電極系として３枚の多孔
板よりなる加速電極３６、減速電極３７、接地電極３８
が設置されている。３つの多孔電極を一括して呼ぶとき
は引出電極系ということにする。個々の電極を指示する
場合は、加速電極、減速電極、接地電極という。また３
枚電極系に限らず、２枚電極系の場合もある。その場合
は加速電極と接地電極だけで減速電極は省かれる。以下
の実施例では３枚の引出電極系のものを説明する。これ
らは負イオンをビームとして主放電室３０から引き出す
ものである。加速電源４２が第２スイッチ４４、抵抗４
１を介して加速電極３６につながっている。第２スイッ
チ４４が閉じたとき、主放電室３０は負の高電圧にバイ
アスされる。加速電圧Ｖａｃｃと引き込み電圧Ｖｅｘの
差−（Ｖａｃｃ−Ｖｅｘ）である。加速電極３６の電圧
は−Ｖａｃｃである。減速電極３７には、第３スイッチ
４５を介して減速電源４３に接続される。これには正電
圧が印加されている。

【００５４】第２スイッチ４４、第３スイッチ４５が閉
じていると主放電プラズマ５７から、Ｖａｃｃの作用に
よって負イオンビームが引き出される。第１スイッチ４
０を閉じると電子や負イオンなどがＭＰカソードから主
放電室３０へと引き込まれ負イオンの多い主放電プラズ
マ５７が生成される。全てのスイッチ４０、４４、４５
を閉じておいて連続的に負イオンを引き出してサセプタ
４７の上のＳｉウエハ−５８に水素負イオンを注入する
ようにしてもよい。これは勿論である。減速電極３７の
正バイアスのために負イオンと電子しかＳｉウエハ−５
８に注入されない。電子が注入されても不純物でなくあ
まり差し支えない。連続負イオン注入はもちろん可能で
ある。

【００５５】しかしそうはいっても電子と負イオンが同
時に注入されると電子電流分だけ電力が損になる。電子
衝突による加熱も無視できない。負イオンの比率を上げ
たいものである。それには先述のようなプラズマ消灯後
の負イオン密度上昇減少を利用する。そのため図３のよ
うにスイッチをパルス的に開閉する。図３（ａ）は第１
スイッチ４０のオンオフのタイミングを示す。オフ５
１、立ち上がり４８、オン４９、立ち下がり５０、オフ
５１の繰り返し波形である。図３（ｂ）は第２スイッチ
４４、第３スイッチ４５のオンオフのタイミングを示す
波形である。オフ５６、立ち上がり５３、オン５４、立
ち下がり５５の繰り返しである。ただし後者の方が少し
遅れる。第１スイッチ４０の立ち下がり５０のときはオ
フ（５２）のままで少し遅れて、第２、第３スイッチが
立ち上がる（５３）。このような遅延オンオフ動作は無
限に繰り返される。

【００５６】３つのスイッチ４０、４４、４５の開閉を
制御するのが遅延回路４６である。第１スイッチが閉じ
ると主放電プラズマ５７が形成される（オン４９）。第
１スイッチ４０が開くとプラズマ温度は急速に下がり電
子はエネルギーを失う。初め電子はプラズマ中で１０ｅ
Ｖ程度のエネルギーを持つが、第１スイッチ４０を開い
て数μｓｅｃで１ｅＶ〜０．１ｅＶ程度になってしま
う。低速電子になってしまうのである。低速電子は中性
水素との衝突結合断面積が大きい。中性水素原子と衝突
してこれに付着し水素原子を負イオンにする。負イオン
密度が正イオン密度と拮抗するぐらいに高まってくる。
その瞬間５２に第２、第３スイッチ４４、４５を閉じ
る。これによって引出電極系３６、３７、３８が負イオ
ンビームを引き出すようになる。負イオン密度が高いの
で効率よく負イオンだけを引き出すことができる。やが
て負イオンがつきるので、引き出し電圧をオフ（５５）
とするのである。第１スイッチ立ち下がり５０から第２
スイッチ立ち上がり５３までの遅延時間τは先述のよう
に１０μｓｅｃ程度であるのが最もよい。しかしパルス
駆動は繰り返されるから、５０と５３の間隔（遅延時
間）τは１０μｓｅｃ〜オフ時間Ｔｏｆｆであれば良
い。

【００５７】このようにすると、主放電プラズマが高密
度の水素負イオンを持つときだけ電極が負にバイアスさ
れ負イオンビームを引き出しウエハ−に注入できる。電
子電流は無効であるがこのようなタイミングによって開
閉して電子電流を減らしかつ大電流の負イオンビームを
引き出すことができる。この実施例ではスイッチ４０、
４４、４５として、半導体スイッチを用いている。この
場合は、デユーティ１％、繰り返し周波数は数Ｈｚ〜１
０ｋＨｚまで印加可能であることを確認している。また
スイッチング手段としてサイラトロン等を用いる事も可
能である。

【００５８】実施例１の主点は、プラズマをオン／オフ
させ、オフ期間中にＨ⁻を多量に生成し、タイミング良
く引出電極系に所定のバイアス電圧を印加してＨ⁻をＳ
ｉ基板に注入する事である。プラズマ消灯直後の負イオ
ンの増大現象を巧みに利用するものである。

【００５９】ここでは高周波励起の装置を用いたがこれ
に限らない。プラズマ生成手段としては高周波プラズマ
以外にもマイクロ波プラズマでも直流放電プラズマでも
良い。何れの場合も周期的にプラズマ生成手段をオンオ
フしオフになった直後の負イオン増加時にタイミングを
合わせて引出電極系に所定のバイアス電圧を印加する。
反対にこういう事もいえる。実施例１でプラズマ生成
（第１スイッチ４０）と引き出し（第２、第３スイッ
チ）をパルス的におこない水素負イオン密度の高いとき
だけビーム引き出しをしているが、以下に示す実施例に
おいてもこれは可能である。いちいち説明しないが図３
のようにプラズマ生成、ビーム引き出しを遅延させてお
こなうのはどの実施例においても有効である。

【００６０】［実施例２（エネルギーフィルタによって
低エネルギー電子を通す）］水素負イオンを多量に生成
する方法はいくつかあるが、とくに核融合開発における
中性粒子入射装置（NBI:Neutral Beam Injection）用水
素負イオン源の開発において多くの成果が上げられてい
る。実施例２はこれを応用したものである。水素負イオ
ン源の構造、作用などは以下の文献に述べられている。 (11) 「イオン源工学」石川順三著アイオニクス社
出版ｐｐ４８６−４９２プラズマ室内に水素ガスを導入
し、プラズマ室に設けられた熱フィラメントを通電加熱
することによって熱電子を発生させる。概ね４０Ｖ〜１
００Ｖの直流電圧を、熱フィラメントを負極、プラズマ
室壁を正極として接続し、直流放電によって水素プラズ
マを生成する。プラズマ生成室外側にはＮ極とＳ極が交
互に配列されるように永久磁石を配置する。多極（カス
プ磁場）磁界を形成して効率よくプラズマを閉じ込め
る。

【００６１】プラズマ室は、磁場によって、第１プラズ
マ室と第２プラズマ室に分けられる。平行な複数の導体
棒に電流を流す事によって、数１０ガウスの程度の弱い
磁界を形成するこれは、エネルギーフィルタと呼ばれ
る。エネルギーフィルタは、第１プラズマ室内で生成さ
れた数１０ｅＶ程度の高エネルギー電子が第２プラズマ
室内に多量に進入しないようにする。

【００６２】第２プラズマ室には、約１ｅＶ程度の低エ
ネルギー電子を多く含むプラズマが生成される。水素分
子の解離性電子付着によってＨ⁻が多量に生成される。
第２プラズマ室とＳｉ基板との間に配置した多孔電極系
に図示する極性の電圧を印加する事により、水素負イオ
ンビームが引き出される。水素負イオンビームには必要
とされる深さまで注入されるよう１０ｋｅＶ〜１００ｋ
ｅＶ程度のエネルギーが賦与されている。多孔電極の少
なくとも一枚には、負イオンビ−ムに混入して引き出さ
れる電子ビームを除去するため、数１０ガウス〜数１０
０ガウス程度の弱磁場をビーム引き出し空間中に形成す
るよう、磁場形成手段が賦与されている。

【００６３】図４に実施例２をより具体的に示す。これ
はエネルギーフィルタによって低エネルギー電子を増や
し負イオン生成を促進する。ＥＣＲプラズマ生成装置を
例にするがそのほかの励起方法であっても適用すること
ができる。プラズマ室６１はガス入口６２を有する。マ
グネトロン６４はマイクロ波６６を発生する。マイクロ
波６６は導波管６５を通り誘電体窓７９を通過してプラ
ズマ室６１に入る。コイル６７はＥＣＲ条件を満たす磁
場を発生する。つまりマイクロ波が２．４５ＧＨｚであ
れば８７５ガウスの磁束密度ができるようにする。そこ
で電子はマイクロ波を共鳴吸収する。

【００６４】プラズマ室６１は中間部において、複数の
導体棒６９が平行に設けられる。これには同方向に電流
を流す。導体棒６９の回りに１０ガウス〜数１０ガウス
程度の磁場を生ずる。包絡線の方向に磁場ができる。つ
まり水平方向に磁束密度Ｂが発生する。電子は水平方向
の磁場の回りを螺旋運動する。螺旋運動の周期はエネル
ギーによらないが半径はエネルギーの二乗に比例する。
ファラディ力は電子の速度ｖに比例するから高エネルギ
ー電子ほどファラディ力が大きい。この弱い磁場の障壁
を、高いエネルギーの電子は通り抜けることができな
い。低エネルギーの電子はこれを通り抜けることができ
る。だから導体棒６９が作る磁場は低エネルギー電子だ
けを選択透過させるエネルギーフィルタとなっている。

【００６５】プラズマ室６１は導体棒６９によって上下
に分割される。上方はマイクロ波を共鳴吸収する部分で
ある。第１プラズマ室６８と呼ぶ。下方は負イオンを生
成する部分である。第２プラズマ室７０と呼ぶ。第２プ
ラズマ室７０の下部は開口しており、その下には３枚の
引出電極系がある。加速電極７５、減速電極７６、接地
電極７７である。いずれも多数のイオンビ−ム引き出し
用の孔が穿孔されている。多孔電極板である。多孔引出
電極系７５、７６、７７のイオンビ−ムを真っ直ぐに引
き出すため、同じ部位にイオンビ−ム通し穴が穿孔され
る。電極の先にはＳｉウエハ−７２を戴置したサセプタ
７３がある。サセプタ７３はシャフト７４によって支持
される。これは大地電圧（接地電位）である。加速電源
８６（Ｖａｃｃ）は正極が接地され負極は抵抗８８を経
て加速電極７５に接続される。負極はプラズマ室６１に
も接続される。プラズマ室６１と加速電極７５には−Ｖ
ａｃｃの電圧が印加される。減速電極７６には減速電源
８７によって正電圧が印加されている。接地電極７７は
大地電位である。加速電圧Ｖａｃｃによって正イオンは
プラズマ室６１に閉じ込められる。負イオンと電子だけ
が加速電極７５を通過することができる。負イオンの加
速エネルギーはｑ（Ｖｐｚ＋Ｖａｃｃ）である。これは
ウエハ−からみれば、プラズマ室６１に対して正のバイ
アス電圧を印加したということになる。

【００６６】正バイアス電圧ＶａｃｃはＳｉウエハ−７
２への必要な水素の注入深さによって適当に決める。例
えば１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの程度の注入深さとする
事が多い。面積の広い電極群７５、７６、７７から出た
負イオンビームＨ⁻をＳｉウエハ−７２に注入する。引
出電極系の穴分布が十分に広いのでビーム直径の方がウ
エハ−径より広い。だから一挙に水素負イオンＨ⁻を注
入できる。ビーム走査機構は存在しない。どうして走査
は不要か？それは質量分離の必要がないからである。水
素負イオンはＨ⁻一種しか発生しないので質量分離は不
要である。

【００６７】プラズマ室６１の下半外壁には、プラズマ
閉じ込め用永久磁石７１が多数設けられる。ＮＳの極が
隣接磁石間で反転するような配列になっている。隣接磁
石間でカスプ磁場を生成し荷電粒子をプラズマ室の中央
部に閉じ込める作用がある。この例では、プラズマの励
起源はマイクロ波であるが、それに限らず、高周波放電
や直流放電によってプラズマを発生させてもよい。

【００６８】その動作は次のようである。水素ガスを入
口６２から導入する。誘電体窓７９を通してマイクロ波
６６をプラズマ室６１に導入する。電子はマイクロ波を
共鳴吸収し高密度の水素プラズマを第１プラズマ室６８
に生成する。このプラズマは正イオン、電子、中性原
子、分子を含む。電子が多く負イオンは少ない。電子エ
ネルギーは高くて１０ｅＶ程度もある。

【００６９】導体棒６９が作る磁場Ｂ（数十ガウス〜百
ガウス）が第１、第２プラズマ室６８、７０の境界にあ
る。荷電粒子、特に高速の電子はこの磁場障壁を抜ける
ことができない。中性原子、分子は磁場Ｂを通り抜ける
ことができる。軽い電子でもエネルギーが低いもの（約
１ｅＶ以下）は導体棒６９の磁場Ｂを通り抜けることが
できる。低エネルギーの電子は磁場にとらえられてサイ
クロトロン運動するがやがて磁場の影響を離脱する。

【００７０】第２プラズマ室７０ではＥＣＲ条件が満た
されないから新たにプラズマが増えない。第１プラズマ
室６８からの移動分しか存在しない。プラズマ温度が低
いわけである。高エネルギー電子は少なく低エネルギー
の電子が多数存在する。１ｅＶ程度である。低エネルギ
ーの電子が中性水素分子に解離性付着する。これによっ
て水素負イオンができる。低エネルギーの電子は殆ど全
て中性原子、分子に付着して消滅する。負イオン密度が
高い。そのような第２プラズマ室７０から加速電極７５
の作用で負イオンビームを引き出す。加速電極７５、減
速電極７６は負イオンと電子を引きつける。電子は少な
くなっており、負イオンビームの比率が多い。電子は試
料（ウエハ−）に注入されても別段役に立たずかえって
基板の加熱の問題を引き起こす場合があるので、電子比
率は低い方が良い。それでエネルギーフィルタをプラズ
マ室６１の中間高さに設けるのである。また引出電極系
部分に弱い磁場を形成して電子を除去する方法を付加す
ることも効果的である。

【００７１】実施例２では、第１プラズマ室６８にのみ
水素ガスを供給しているが、これに限らない。一般に水
素ガス圧が高い方が負イオン生成効率が高い。負イオン
生成効率を高めるため第２プラズマ室７０にも水素ガス
を供給しても良い。また第１プラズマ室には水素ガスを
与えず、第２プラズマ室７０のみに水素ガスを供給して
も良い。その場合第１プラズマ室には希ガスだけを導入
する。なんらかのガスがないとプラズマが立たないから
である。

【００７２】図示した例では、引出電極系の加速電極７
５、減速電極７６には常にバイアス電圧が印加されてい
る。しかしそれに限らず、加速電極と抵抗８８、電源８
６、８７の間にスイッチを介在させてもよい。スイッチ
の開閉を繰り返して、プラズマから負イオンビームの引
き出しを間欠的に行うのである。負イオン生成に時間が
掛かるから引き出しを間欠的にして負イオンを補充して
から引き出すのである。

【００７３】この実施例ではマイクロ波は連続発振して
おり、プラズマを一時的に消すということはしていな
い。しかしこの実施例にも先述の消灯後負イオンビーム
法を応用できる。そのためマグネトロンを間欠発振させ
図３のタイミング波形のようにプラズマを点灯消灯させ
るようにしても良い。実施例１と同じ理由で、オフ時に
低速電子が増えるからである。図３のようにタイミング
を合わせて加速電極に＋Ｖｐｄの電圧を与える様にする
と、負イオン密度が増えた瞬間に負イオンビームを引き
出す事になる。

【００７４】［実施例３（エネルギーフィルタによって
低エネルギー電子を通す）］図５は第３の実施例を示
す。これはエネルギーフィルタの部分を導体棒でなく、
永久磁石８１〜８４によって置き換えたものである。カ
スプ磁場を作る永久磁石７１とは別に、プラズマ室６１
の中間高さに同一方向を向いた永久磁石８１〜８４を設
ける。異極が対向する永久磁石８１、８２間と永久磁石
８３、８４間に一方向に向かう磁束密度Ｂが生ずる。こ
れも数十〜百ガウス程度の弱い磁場で十分である。これ
は高速電子を遮断する作用がありエネルギーフィルタと
して機能する。図４の導体棒に電流を流すのと同じ作用
がある。下半部の永久磁石７１はカスプ磁場を生成する
ためのものである。加速電極７５、減速電極７６、接地
電極７７よりなる引出電極系によって負イオンを引き出
す。この点は先ほどの実施例２と同様である。全面一挙
注入であるから質量分離やビーム走査が不要である。

【００７５】［実施例４］図６に実施例４を示す。セ
シウムを利用したスパッタ型負イオン源を用いたもので
ある。セシウム利用スパッタ型負イオン源については例
えば次の文献に説明されている。 (12)富岡哲生、辻博司、豊田啓孝、後藤康仁、石川順
三、「ＲＦプラズマスパッタ型負重イオン源からの酸素
及びフッ素負イオン引き出し特性」Ｐｒｏｃ．ＢＥＡ
ＭＳ１９９５ＴＯＫＹＯ、ｐｐ１９１−１９４

【００７６】プラズマ生成室１００内の上方には導電性
ターゲット１０１が設けられる。ターゲット１０１の軸
は絶縁物１０２を経て外部に引き出され負バイアス電源
１０３に接続される。ガス入口１０４から原料ガス（Ｘ
ｅ＋Ｈ_２）が供給される。プラズマ生成室１００内部に
は数ターンの高周波コイル１０５が設置される。高周波
コイル１０５の端子は絶縁物１０６を経て外部へ取り出
される。その一端はマッチングボックス１０７を経て高
周波電源１０９に接続される。高周波電源１０９の一端
は接地される。コイル１０５の他端は接地されている。

【００７７】プラズマ生成室１００の下方には広い開口
部がある。その先には３枚の多孔板よりなる引出電極系
が取り付けられる。加速電極１１３、減速電極１１４、
接地電極１１５である。これらは負イオンをプラズマ生
成室から引き出し加速する作用がある。引出電極系１１
３、１１４、１１５よりさらに下流側の密封空間に（チ
ャンバを図示しない）サセプタ１１０、ウエハ−１１１
が設けられる。軸１１２は接地電位である。プラズマ生
成室１００は、加速電源１２２によって大地に対して負
の高電圧にバイアスされる。これは基板への水素負イオ
ンの注入深さによって決まる。２０ｋＶ〜２００ｋＶ程
度である。例えば１００ｋＶの負電圧をプラズマ生成室
に印加している。加速電源１２２の負極が抵抗１２４を
介して加速電極１１３に接続される。加速電極１１３
は、加速電源１２２と同じ負電圧が印加される。減速電
極１１４には減速電源１２３によって正電圧が印加され
ている。加速電極１１３はプラズマ生成室１００と同じ
電圧になっている。これによって正イオンビ−ムが外部
に出ないようになっている。負イオンだけが加速電極１
１３の孔を通り、減速電極１１４との間で急速に加速さ
れる。

【００７８】プラズマ生成室１００の外部にオーブン１
１７がある。この内部にセシウムＣｓ１１８が収容され
る。周りのヒ−タ１１９によってオーブンを加熱するこ
とができる。オーブン１１７の上にはパイプ１２０がつ
いておりパイプ先端のノズル１２１はターゲット１０１
の下面に向かって設けられる。ヒ−タ１１９によってＣ
ｓを加熱すると蒸気が発生し、ノズル１２１から噴出し
ターゲット１０１の表面に付着する。引き出し電極の下
流側にガス排出口がありここから内部を真空に引くこと
ができるようになっている。以上の構成においてその動
作を述べる。

【００７９】ターゲット１０１には３００Ｖ〜８００Ｖ
程度の負電圧が印加されている。オーブン１１７からセ
シウム蒸気が生じターゲット１０１に付着している。プ
ラズマ生成室１００にアルゴンＡｒ、キセノンＸｅなど
のスパッタガスと水素ガスの混合ガスを導入する。水素
分子の一部はターゲットのセシウム層の上に吸着され
る。

【００８０】高周波コイル１０５に高周波電圧を印加す
る。高周波によってガス中の電子が上下に振動し原子に
当たって電離するから、混合ガス（Ｘｅ＋Ｈ）のプラズ
マが生成される。プラズマというのは電子、正イオン、
中性ラジカル、中性分子などの集合である。

【００８１】ターゲット１０１には負電圧が印加されて
いるから混合ガスのうち不活性ガスの正イオン、例えば
Ｘｅ^＋イオンがターゲットに引き寄せられる。不活性ガ
ス正イオンはターゲットの水素分子に当たりこれをスパ
ッタリングする。水素分子はＣｓから電子を取り込み分
解し一原子負イオンＨ⁻になる。Ｃｓは電気陰性度が低
く電子を放出し易い。電子が水素原子について水素負イ
オンを作る。Ｃｓを使うので負イオン濃度が高くなる。
高密度の水素負イオンを含むプラズマから、Ｈ ⁻イオン
ビ−ムを引き出して、ウエハ−１１１に照射する。ウエ
ハ−にはある一定の深さでＨ⁻が注入される。

【００８２】この方法は、後でＳｉ基板上のＣｓ或いは
浅く注入されたＣｓを除去しなければならないという問
題がある。しかし負イオンの生成効率を高めるという点
で利点がある。水素負イオンがウエハ−に注入されるた
め、プラズマ内での負イオン密度が減る。しかしプラズ
マは全体的に中性を保とうとするので、正イオンがセシ
ウム被覆ターゲットに当たりＣｓから電子をとり中性の
水素に電子を与える。それによって失われた負イオン分
の負イオンＨ⁻が新たに生成される。

【００８３】パルス的に高周波コイルをオンオフしなく
ても高濃度の水素負イオンを作る事ができる。水素負イ
オンビームを連続的に注入できる。ただしＣｓスパッタ
負イオン源でも、図２、図３の実施例と同じようにパル
ス的に間欠駆動するようにしても良い。なお実施例１、
２、３は引出電極系を３枚としたが加速電極、接地電極
の２枚としてもよい。

【００８４】図７に本発明により水素負イオンをＳｉ基
板に注入し、水素の多孔質膜を作り他のＳｉを付けて多
孔質膜からＳｉを剥離して、ＳＯＩ基板を作製する行程
を示す。簡単に説明すると、第１のＳｉ基板の表面を酸
化しＳｉＯ_２膜を作る（１）。次に水素負イオンを注入
し、ポロシティの大きい多孔質層を形成する（２）。そ
の後熱処理によって、表面のＳｉ層の注入ダメージを回
復する（３）。第１のＳｉ基板を貼り合わせる（４）。
その後垂直方向に剪断力を加える事によって前記多孔質
層で第１基板を切断する（５）。その後、表面を研磨す
る（６）。こうしてＳＯＩ基板を作製する。

【００８５】

【発明の効果】Ｓｉ、ＳｉＣなど半導体基板、誘電体基
板、金属基板などに水素負イオンを注入する事によって
所定深さに水素の多い層を形成することができる。プラ
ズマから水素を引出電極系によって負イオンビームとし
て引き出す。イオンビ−ムの直径が基板よりも大きいか
ら水素負イオンＨ⁻を基板面に一括して注入する事がで
きる。水素負イオンはＨ⁻のみ安定で独占的に生成され
る。引出電極系に所定のパルスバイアス電圧を周期的に
印加することによってＨ⁻のみを安定的に、短時間で実
用量を注入する事ができる。質量分離系などを設ける必
要はない。質量分離の大がかりな装置が不要であるから
装置価格は低下する。据え付けに必要な面積も節減でき
る。質量分離しないからビームを細くする必要がなく、
走査が不要になる。走査せず一挙に注入できるのでスル
ープットが向上する。

【００８６】さらにプラズマ生成手段を周期的にオン／
オフさせ、それより少し遅れて引出電極系に電圧を印加
するようにすると、効率よく負イオンだけを引き出すこ
とができる。そうすれば電子の過剰照射による基板過熱
及び引出電極系の電源の大容量化を回避する事が可能に
なる。安価、安定、小設置面積のイオン注入装置を提供
する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水素正イオンを発生させ質量分離し走査してＳ
ｉウエハ−に注入する従来例にかかる装置の概略断面
図。

【図２】マイクロ波励起とコイル磁場によるマイクロ波
共鳴吸収によって水素プラズマを生成し、マイクロ波源
からの電子流入を一時的に遮断し、遮断後の一時的な負
イオン増加時に引出電極系に電圧を印加し負イオンビー
ムを引き出し、Ｓｉウエハ−に水素負イオンを注入する
ようにした本発明の第１の実施例にかかる装置の断面
図。

【図３】図２の第１の実施例において、高周波電力を供
給するタイミングと引出電極系の加速電極及び減速電極
にそれぞれ負及び正のバイアス電圧を印加するタイミン
グを示すパルス波形図。

【図４】ＥＣＲプラズマ法を用い導体棒電流によってチ
ャンバ中間に磁場を生成してプラズマを二分し負イオン
生成率を上げ引出電極系によって負イオンビームを引き
出し、ウエハ−に水素負イオンを注入するようにした本
発明の第２の実施例にかかる装置の断面図。

【図５】ＥＣＲプラズマ法を用い永久磁石磁場によって
チャンバ中間に磁場を形成しプラズマを二分して負イオ
ン生成率を上げ引出電極系によって負イオンビームを引
き出し、ウエハ−に水素負イオンを注入するようにした
本発明の第３の実施例にかかる装置の断面図。

【図６】Ｃｓ利用スパッタ型負イオン源を用いてウエハ
−に水素負イオンを注入するようにした本発明の第４の
実施例を示す断面図。

【図７】本発明の思想に従って水素負イオンをＳｉウエ
ハ−に注入し、多孔質層を作りもう一枚のウエハ−を貼
り付け多孔質層から剪断してＳＯＩ基板を作製する工程
を説明する図。

【図８】全面に水素正イオンを一挙に注入する従来例に
かかる方法を説明する断面図。

【符号の説明】

１チャンバ２フィラメント３フィラメント電源４ガス入口５絶縁物６ア−ク電源７加速電源８出口９加速電極１０減速電極１１接地電極１２減速電源１３抵抗１４質量分離マグネット１５水素正イオンビ−ム１６入口１７出口１８スリット板１９電極２０電極２１可変電源２２走査機構２３走査ビーム２４ウエハ− ２５サセプタ２６中央軌跡２７偏奇軌跡２８ＭＰカソード２９ガス入口３０主放電室３１同軸ケーブル３２アンテナ３３磁場印加手段３４電子放出孔３５永久磁石３６加速電極３７減速電極３８接地電極３９アーク電源４０第１スイッチ４１抵抗４２加速電源４３減速電源４４第２スイッチ４５第３スイッチ４６遅延回路４７サセプタ４８立ち上がり４９オン５０立ち下がり５１オフ５２消灯時５３立ち上がり５４オン５５立ち下がり５６オフ６１プラズマ室６２ガス入口６４マグネトロン６５導波管６６マイクロ波６７コイル６８第１プラズマ室６９導体棒７０第２プラズマ室７１永久磁石７２ウエハ− ７３サセプタ７４軸７５加速電極７６減速電極７７接地電極７９誘電体窓８１〜８４永久磁石８６加速電源８７減速電源８８抵抗１００プラズマ生成室１０１ターゲット１０２絶縁物１０３負バイアス電源１０４ガス入口１０５コイル１０６絶縁物１０７マッチングボックス１０９高周波電源１１０サセプタ１１１ウエハ− １１２軸１１３加速電極１１４減速電極１１５接地電極１１７オーブン１１８セシウム固体１１９ヒ−タ１２０パイプ１２１ノズル１２２加速電源１２３減速電源１２４抵抗

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/265 Ｈ０５Ｈ 1/24 Ｈ０５Ｈ 1/24 Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｆ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 H05H 1/24 H01J 27/08 H01J 27/18 H01J 37/08 H01L 21/265

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板、絶縁体基板或いは金属基板
に水素イオンを所定の深さに注入する方法であって、プ
ラズマ室にプラズマ生成手段によって水素を含むプラズ
マを発生し、基板直径より広い範囲の孔分布を有する複
数枚の多孔電極板からなる引出電極系によってプラズマ
から水素負イオンビームを引き出し、半導体基板、絶縁
体基板或いは金属基板に水素負イオンを所定の深さまで
注入する事を特徴とする水素負イオンビーム注入方法。
【請求項２】プラズマを生成するプラズマ室内の中間
部に電子を捕獲するための磁場を形成し、磁場の一方の
側の第１プラズマ室ではプラズマ生成手段によってプラ
ズマを生成し、第２プラズマ室の開口部に引出電極系を
設け、第１プラズマ室の高エネルギー電子が磁場によっ
て妨げられ第２プラズマ室に移動しないようにし、第２
プラズマ室で低エネルギー電子と中性原子、分子の衝突
を促進し負イオン濃度を高めるようにし、第２プラズマ
室から水素負イオンビームを引き出し半導体基板、金属
基板、誘電体基板に水素負イオンビームを注入するよう
にしたことを特徴とする請求項１に記載の水素負イオン
ビーム注入方法。
【請求項３】高周波コイルに高周波を与える事により
プラズマを発生させる手段を備えたプラズマ室にＣｓを
供給し、プラズマ室内に設置された導電性ターゲットの
表面にＣｓを堆積させ、このターゲットに負電圧を印加
する事によって、ターゲットを正イオンでスパッタし、
水素負イオン濃度の高い水素プラズマを生成することを
特徴とする請求項１に記載の水素負イオンビーム注入方
法。
【請求項４】プラズマ生成手段を周期的にオン／オフ
し、プラズマ生成手段がオフに切り替わってから１０μ
ｓｅｃから再びオンになるまでの期間に引出電極系に直
流電圧を印加しプラズマから水素負イオンビームを引き
出すようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３に
記載の水素負イオンビーム注入方法。
【請求項５】真空に引くことができプラズマを生成す
る空間であるプラズマ室と、プラズマ室内にプラズマを
発生するプラズマ生成手段と、プラズマ室に水素原子を
含むガスを導入するガス導入口と、プラズマ室からガス
を排出するガス排気装置と、プラズマ室の開口部に設け
られ基板直径よりも大きい直径をもつ多孔板からなる複
数の引出電極系と、プラズマから負イオンビームを引き
だすよう引出電極系に負の高電圧、正電圧を印加する電
源と、引出電極系の下流側に設けられ半導体基板、絶縁
体基板又は金属基板を戴置するためのサセプタとを含む
ことを特徴とする水素負イオンビーム注入装置。
【請求項６】プラズマ室内に磁界を形成するための磁
場形成手段を、プラズマ室内或いは外に設け、プラズマ
室を二つに分離し、磁場によってエネルギーの高い電子
の透過を防ぎ、一方のプラズマ室ではプラズマ生成を行
い、他方のプラズマ室に引出電極系を設け、引出電極系
の下流側にサセプタを設けた事を特徴とする請求項５に
記載の水素負イオンビーム注入装置。
【請求項７】高周波コイルに高周波を与える事により
プラズマを発生させる手段を備えたプラズマ室に設けら
れた導電性のターゲットと、ターゲットに負電圧を印加
する負バイアス電源と、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋなどの蒸気を生
成するオーブンと、オーブンで発生した蒸気をターゲッ
トに導くノズルとを設けた事を特徴とする請求項５に記
載の水素負イオンビーム注入装置。
【請求項８】プラズマ生成手段をオンオフするスイッ
チと、プラズマ生成オンオフと、引出電極系に与える直
流電圧をオンオフするスイッチと、プラズマ生成手段オ
ンオフのタイミングと、引出電極系電圧オンオフのタイ
ミングとの関係を決める遅延回路とを含み、プラズマ生
成手段がオフになった直後に引出電極系に直流電圧をあ
たえ、負イオンビームを引き出すようにしたことを特徴
とする請求項５、６又は７に記載の水素負イオンビーム
注入装置。