JP3506717B2 - プラズマ浸漬イオン注入用の変調器 - Google Patents
プラズマ浸漬イオン注入用の変調器Info
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- JP3506717B2 JP3506717B2 JP53148398A JP53148398A JP3506717B2 JP 3506717 B2 JP3506717 B2 JP 3506717B2 JP 53148398 A JP53148398 A JP 53148398A JP 53148398 A JP53148398 A JP 53148398A JP 3506717 B2 JP3506717 B2 JP 3506717B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32412—Plasma immersion ion implantation
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- Ceramic Products (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、プラズマ浸漬イオン注入（P III:Plasma
immersions−Ionen−implantation）用の変調器と共にP
III装置の主要部品に関する。 P IIIでは、注入すべき加工物品が注入室内でプラズ
マに浸る。この加工物品に負の高電圧を印加して正のイ
オンをプラズマから加工物品の全面に向けて加速し、こ
の加工物品内に注入する［J.R.Conrad,J.L.Radtke,R.A.
Dodd,F.J.Worzala und Ngoc C.Tran,Plasma source ion
−implantation technique for surface modification
of materials,Journal of Applied Physics,62,1987,45
91−4596（材料の表面改質のためのプラズマ源イオン注
入技術）］。注入するイオンの電流密度はプラズマのパ
ラメータと選択した注入電圧に依存し、注入している
間、１〜10mA/cm2の程度である。それ故、加速電圧が50
kVの場合には、エネルギ収支は500W/cm2までになる。こ
のエネルギ収支は数秒後には加工物品を強く加熱するこ
とになるので、負の高電圧を連続的でなく、ただ脈動的
に加工物品に印加する。 高電圧をパルス化する他の理由は、加工物品が大きい
場合、相当な技術経費を掛けてしか必要な電流が長期間
維持できないということにより与えられる。パルス期間
は数Hz〜kHzの繰り返し周波数で２〜100μｓの間にあ
る。 従って、P III装置の主要部品は整流された高圧源か
ら対応する高電圧パルスを注入すべき加工物品に与える
という役目を持っている所謂変調器にある。 P IIIに対して今まで採用された変調器の構造と機能
は何れも似ている。つまり、高電圧発生器の正の電極は
抵抗を介してコンデンサに接続し、このコンデンサの第
二接続端は高圧フィードスルーを介して注入すべき加工
物品を担持する注入室内の作業台に連結している。高電
圧発生器の他方の電極は接地電位０として注入室に接続
している。更に、抵抗とコンデンサの間にある接続点に
はスイッチが配置されている。このスイッチはコンデン
サの前記極に接地電位を接続し、これにより充電・放電
制御により加工物品に対して高圧パルスを加えることが
できる。このスイッチは電流が一部著しく大きい時に数
10keVの高電圧を切り換える必要があるので、目下のと
ころP IIIの利益にとって商業的に利用可能なスイッチ
は相当なコスト要因にもなる。特に研究目的に設計され
た小さな装置では、半導体ベースにした比較的低価格の
スイッチも使用できる。このスイッチを用いると、40kV
までの注入電圧をＡの範囲までの電流の場合に切り換え
ることができる。よりもっと大きい電流を切り換えたい
のなら、例えば40kVまでの注入電圧で200Aまでの電流に
対して入手できる安価な送信管を使用する必要がある。
1kAまでのもっと大きい電流は、今まで所謂「クロスア
トロンズ」（Crossatrons）で切り換えている［D.M.Goe
bel,High power modulator for P II,J.Vac.Sci.Techno
l.B.Vol.12,2,1994,839−842（PII用の高出力変調
器）］。 切り換えるべき電流を更に大きくすることは、核融合
研究から周知のような、極度に経費のかかる特別な構成
でのみ可能である［B.J.Wood,J.T.Scheuer,M.A.Nastas
i,R.H.Olsher,W.A.Reass,I.Henins und D.J.Rej,Design
of a large−scale plasma source ion implantation
experiment,Material Reseach Society Symposium Proc
eedings,V279,1993,Material Reseach Society,Pittsbu
rgh,PA,USA,345−350（大規模プラズマ源イオン注入実
験の設計）］。 この発明の課題は、技術的および財政的な経費を少な
くして、P IIIで高電圧パルスの作用中に流れる電流を
高電圧の下で開閉することにある。 この発明によれば、上記の課題は、従来の技術により
周知のスイッチを技術的に自主的なユニットとして提供
するのでなく、シールド格子により制御可能な付加的な
電極の形にして注入室に組み込んだ、請求項１に記載す
る変調器により解決されている。 プラズマ空間内に浸っている電極を取り囲むシールド
格子は、制御可能な格子電圧を印加することにより、付
加的な電極がプラズマから絶縁されるか、あるいはこの
プラズマに電気接触していることを保証する。後者の場
合には、上に説明した変調器内の閉じたスイッチのよう
に、コンデンサの放電回路が閉じる。 以下、図面を参照してこの発明をより詳しく説明す
る。 図面には符号＋Ｕの高電圧発生器の正極が抵抗Ｒを介
してコンデンサＣに接続している。このコンデンサの第
二の極は高電圧フィードスルーを介して注入室Ｋ内の加
工台Ｂに接続している。注入室自体は高電圧発生器の第
二の極と同じように接地電位になっている。ＲとＣの間
には接続点Ｚがある。この接続点Ｚは一方で高電圧フィ
ードスルーを経由して注入室Ｋ内の付加的な電極Ｅに接
続している。この電極ＥはプラズマＰに対して負の制御
電圧UGの印加する格子Ｇによりシールドされている。プ
ラズマ表面層の広がりを乱さないため、電極Ｅとこの電
極を取り囲む格子Ｇが処理物品から十分離れて注入室Ｋ
に配置され、この注入室に対して絶縁されている。 この発明による変調器の機能は以下のようである。 注入室Ｋ内に導電性のプラズマが存在すると、このプ
ラズマにより加工台に接続するコンデンサの第二接続端
子も注入室の電位（接地電位）に保持される。即ち、こ
のコンデンサは、電極Ｅが格子の負電圧UGによりプラズ
マから絶縁される限り、高電圧源により充電される。 電極Ｅをプラズマから電気絶縁することは、この場
合、以下のようにして行われる。即ち、電子温度とシー
ルド格子のメッシュ幅に応じて、シールド格子の負の格
子電圧はプラズマの熱電子がシールド格子を通過しな
く、そのため電子温度の約十から百倍の値が必要となる
ように設定される。負に帯電した格子を通過するプラズ
マの正イオンは、電極Ｅの正電位（＋Ｕ）を再び越えな
いので、格子電圧UGが負の時、電極Ｅはプラズマから電
気絶縁される。 格子Ｇで格子電圧UG＝０にされていると、電子はプラ
ズマから格子を通過し、電極Ｅの正の電位によりこの電
極に向けて加速される。この加速は電極Ｅがプラズマに
対して正の電位（数ボルト）に帯電するように行われ
る。これにより、電極ＥとコンデンサＣの接続端子Ｚも
実際に接地電位に設定されるので、加工台Ｂに接続する
コンデンサＣの電極と加工台Ｂの電極も直ぐ−Ｕの電位
（高電圧パルス）に切り換わる。 高電圧発生器は十分な大きさの抵抗Ｒを介して接地さ
れている。 加工台Ｂとその上にある処理物品は周囲のプラズマに
対して負の電位にあるので、プラズマから正に帯電した
イオンは加工台Ｂの方向に加速され、プラズマと加工台
Ｂの間の電位差により得られる速度のため処理物品に注
入される。 これにより、コンデンサＣの放電電流回路も閉じる。
何故なら、正に帯電したイオンが加工台と処理物品に達
し、電子が電極Ｅに加速されるからである。 電極Ｅのシールド格子に負の格子電圧UGを印加するこ
とにより電極Ｅは上に説明した方法で再びプラズマから
電気絶縁され、これによりコンデンサの放電が中断す
る。加工台はプラズマにより再びプラズマ電位に保持さ
れる。注入過程は終了し、コンデンサは再び再充電され
る。 このような注入サイクルの期間と繰り返し率は可変で
きる。コンデンサＣの放電時間と、それによる注入時間
は通常数μｓから100μｓまでになるが、繰り返し率は
数kHzまでになる。コンデンサＣの容量は放電期間中コ
ンデンサがただ一部放電するように設計される。 コンデンサＣの放電期間中にイオンを注入するより多
くの電子がプラズマから引き出されると、プラズマの電
荷収支は乱れない。しかし、イオンが処理物品に衝突す
ると、二次電子も出る。これ等の電子は、二次電子抑制
部が設けてないなら、与えられた電位差のために処理物
品から離れて室の壁に向けて加速される。従って、電極
Ｅにより二次電子流と同じ値の付加的な電子流がプラズ
マから取り出される。しかし、プラズマの電荷収支はこ
こでもバランスしている。何故なら、プラズマの電位が
正の値の方にずれるからである。これにより、室の壁へ
のプラズマの熱電子の流れがそれに応じて低減する。こ
のバランスは二次電子が室の壁に衝突した時にそこから
出る電子によっても支援される。加速されたイオンと電
子により形成される電流の大きさはプラズマ・パラメー
タと加工台とプラズマの間の電位差に依存する。通常生
じる電流密度は約0.1〜1A/cm2となり、パルスの初めで
最大になる。数μｓの後、電流密度は定常値に低下す
る。 表面が約1cm2の実用上重要な大きな加工物品では、10
kAまでのパルス電流となる。上に説明した変調器の機能
は、パルスの注入期間中に電極Ｅから引き出す電子流が
室の壁に当たるプラズマの電子流より小さいように保証
される。 これはP IIIで必ず与えられる。 この発明の利点は、特に大きな加工物品の表面をP II
Iで処理したい場合に著しくコストを低減する。例え
ば、電子管を使用する場合、経費のかかる高価な陰極加
熱が必要である。ここに提示する発明では使い古した物
品（格子）を簡単に交換することもできる。
immersions−Ionen−implantation）用の変調器と共にP
III装置の主要部品に関する。 P IIIでは、注入すべき加工物品が注入室内でプラズ
マに浸る。この加工物品に負の高電圧を印加して正のイ
オンをプラズマから加工物品の全面に向けて加速し、こ
の加工物品内に注入する［J.R.Conrad,J.L.Radtke,R.A.
Dodd,F.J.Worzala und Ngoc C.Tran,Plasma source ion
−implantation technique for surface modification
of materials,Journal of Applied Physics,62,1987,45
91−4596（材料の表面改質のためのプラズマ源イオン注
入技術）］。注入するイオンの電流密度はプラズマのパ
ラメータと選択した注入電圧に依存し、注入している
間、１〜10mA/cm2の程度である。それ故、加速電圧が50
kVの場合には、エネルギ収支は500W/cm2までになる。こ
のエネルギ収支は数秒後には加工物品を強く加熱するこ
とになるので、負の高電圧を連続的でなく、ただ脈動的
に加工物品に印加する。 高電圧をパルス化する他の理由は、加工物品が大きい
場合、相当な技術経費を掛けてしか必要な電流が長期間
維持できないということにより与えられる。パルス期間
は数Hz〜kHzの繰り返し周波数で２〜100μｓの間にあ
る。 従って、P III装置の主要部品は整流された高圧源か
ら対応する高電圧パルスを注入すべき加工物品に与える
という役目を持っている所謂変調器にある。 P IIIに対して今まで採用された変調器の構造と機能
は何れも似ている。つまり、高電圧発生器の正の電極は
抵抗を介してコンデンサに接続し、このコンデンサの第
二接続端は高圧フィードスルーを介して注入すべき加工
物品を担持する注入室内の作業台に連結している。高電
圧発生器の他方の電極は接地電位０として注入室に接続
している。更に、抵抗とコンデンサの間にある接続点に
はスイッチが配置されている。このスイッチはコンデン
サの前記極に接地電位を接続し、これにより充電・放電
制御により加工物品に対して高圧パルスを加えることが
できる。このスイッチは電流が一部著しく大きい時に数
10keVの高電圧を切り換える必要があるので、目下のと
ころP IIIの利益にとって商業的に利用可能なスイッチ
は相当なコスト要因にもなる。特に研究目的に設計され
た小さな装置では、半導体ベースにした比較的低価格の
スイッチも使用できる。このスイッチを用いると、40kV
までの注入電圧をＡの範囲までの電流の場合に切り換え
ることができる。よりもっと大きい電流を切り換えたい
のなら、例えば40kVまでの注入電圧で200Aまでの電流に
対して入手できる安価な送信管を使用する必要がある。
1kAまでのもっと大きい電流は、今まで所謂「クロスア
トロンズ」（Crossatrons）で切り換えている［D.M.Goe
bel,High power modulator for P II,J.Vac.Sci.Techno
l.B.Vol.12,2,1994,839−842（PII用の高出力変調
器）］。 切り換えるべき電流を更に大きくすることは、核融合
研究から周知のような、極度に経費のかかる特別な構成
でのみ可能である［B.J.Wood,J.T.Scheuer,M.A.Nastas
i,R.H.Olsher,W.A.Reass,I.Henins und D.J.Rej,Design
of a large−scale plasma source ion implantation
experiment,Material Reseach Society Symposium Proc
eedings,V279,1993,Material Reseach Society,Pittsbu
rgh,PA,USA,345−350（大規模プラズマ源イオン注入実
験の設計）］。 この発明の課題は、技術的および財政的な経費を少な
くして、P IIIで高電圧パルスの作用中に流れる電流を
高電圧の下で開閉することにある。 この発明によれば、上記の課題は、従来の技術により
周知のスイッチを技術的に自主的なユニットとして提供
するのでなく、シールド格子により制御可能な付加的な
電極の形にして注入室に組み込んだ、請求項１に記載す
る変調器により解決されている。 プラズマ空間内に浸っている電極を取り囲むシールド
格子は、制御可能な格子電圧を印加することにより、付
加的な電極がプラズマから絶縁されるか、あるいはこの
プラズマに電気接触していることを保証する。後者の場
合には、上に説明した変調器内の閉じたスイッチのよう
に、コンデンサの放電回路が閉じる。 以下、図面を参照してこの発明をより詳しく説明す
る。 図面には符号＋Ｕの高電圧発生器の正極が抵抗Ｒを介
してコンデンサＣに接続している。このコンデンサの第
二の極は高電圧フィードスルーを介して注入室Ｋ内の加
工台Ｂに接続している。注入室自体は高電圧発生器の第
二の極と同じように接地電位になっている。ＲとＣの間
には接続点Ｚがある。この接続点Ｚは一方で高電圧フィ
ードスルーを経由して注入室Ｋ内の付加的な電極Ｅに接
続している。この電極ＥはプラズマＰに対して負の制御
電圧UGの印加する格子Ｇによりシールドされている。プ
ラズマ表面層の広がりを乱さないため、電極Ｅとこの電
極を取り囲む格子Ｇが処理物品から十分離れて注入室Ｋ
に配置され、この注入室に対して絶縁されている。 この発明による変調器の機能は以下のようである。 注入室Ｋ内に導電性のプラズマが存在すると、このプ
ラズマにより加工台に接続するコンデンサの第二接続端
子も注入室の電位（接地電位）に保持される。即ち、こ
のコンデンサは、電極Ｅが格子の負電圧UGによりプラズ
マから絶縁される限り、高電圧源により充電される。 電極Ｅをプラズマから電気絶縁することは、この場
合、以下のようにして行われる。即ち、電子温度とシー
ルド格子のメッシュ幅に応じて、シールド格子の負の格
子電圧はプラズマの熱電子がシールド格子を通過しな
く、そのため電子温度の約十から百倍の値が必要となる
ように設定される。負に帯電した格子を通過するプラズ
マの正イオンは、電極Ｅの正電位（＋Ｕ）を再び越えな
いので、格子電圧UGが負の時、電極Ｅはプラズマから電
気絶縁される。 格子Ｇで格子電圧UG＝０にされていると、電子はプラ
ズマから格子を通過し、電極Ｅの正の電位によりこの電
極に向けて加速される。この加速は電極Ｅがプラズマに
対して正の電位（数ボルト）に帯電するように行われ
る。これにより、電極ＥとコンデンサＣの接続端子Ｚも
実際に接地電位に設定されるので、加工台Ｂに接続する
コンデンサＣの電極と加工台Ｂの電極も直ぐ−Ｕの電位
（高電圧パルス）に切り換わる。 高電圧発生器は十分な大きさの抵抗Ｒを介して接地さ
れている。 加工台Ｂとその上にある処理物品は周囲のプラズマに
対して負の電位にあるので、プラズマから正に帯電した
イオンは加工台Ｂの方向に加速され、プラズマと加工台
Ｂの間の電位差により得られる速度のため処理物品に注
入される。 これにより、コンデンサＣの放電電流回路も閉じる。
何故なら、正に帯電したイオンが加工台と処理物品に達
し、電子が電極Ｅに加速されるからである。 電極Ｅのシールド格子に負の格子電圧UGを印加するこ
とにより電極Ｅは上に説明した方法で再びプラズマから
電気絶縁され、これによりコンデンサの放電が中断す
る。加工台はプラズマにより再びプラズマ電位に保持さ
れる。注入過程は終了し、コンデンサは再び再充電され
る。 このような注入サイクルの期間と繰り返し率は可変で
きる。コンデンサＣの放電時間と、それによる注入時間
は通常数μｓから100μｓまでになるが、繰り返し率は
数kHzまでになる。コンデンサＣの容量は放電期間中コ
ンデンサがただ一部放電するように設計される。 コンデンサＣの放電期間中にイオンを注入するより多
くの電子がプラズマから引き出されると、プラズマの電
荷収支は乱れない。しかし、イオンが処理物品に衝突す
ると、二次電子も出る。これ等の電子は、二次電子抑制
部が設けてないなら、与えられた電位差のために処理物
品から離れて室の壁に向けて加速される。従って、電極
Ｅにより二次電子流と同じ値の付加的な電子流がプラズ
マから取り出される。しかし、プラズマの電荷収支はこ
こでもバランスしている。何故なら、プラズマの電位が
正の値の方にずれるからである。これにより、室の壁へ
のプラズマの熱電子の流れがそれに応じて低減する。こ
のバランスは二次電子が室の壁に衝突した時にそこから
出る電子によっても支援される。加速されたイオンと電
子により形成される電流の大きさはプラズマ・パラメー
タと加工台とプラズマの間の電位差に依存する。通常生
じる電流密度は約0.1〜1A/cm2となり、パルスの初めで
最大になる。数μｓの後、電流密度は定常値に低下す
る。 表面が約1cm2の実用上重要な大きな加工物品では、10
kAまでのパルス電流となる。上に説明した変調器の機能
は、パルスの注入期間中に電極Ｅから引き出す電子流が
室の壁に当たるプラズマの電子流より小さいように保証
される。 これはP IIIで必ず与えられる。 この発明の利点は、特に大きな加工物品の表面をP II
Iで処理したい場合に著しくコストを低減する。例え
ば、電子管を使用する場合、経費のかかる高価な陰極加
熱が必要である。ここに提示する発明では使い古した物
品（格子）を簡単に交換することもできる。
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭57−186325（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−194526（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−280055（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−256943（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−326318（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H05H 1/24
C23C 14/48
H01J 37/32
H01L 21/265
H05H 1/46
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】注入室内に配置された加工台がコンデンサ
と抵抗を介して高電圧源に接続する高電圧でパルス化さ
れたプラズマ浸漬イオン注入を制御する変調器におい
て、加工台とは反対のコンデンサの極が、注入室内に配
置され、格子によりプラズマに対してシールドされてい
る付加的な電極に接続し、前記格子が１〜2000Vの範囲
内の負の電圧パルスを発生するパルス発生器に接続して
いることを特徴とする変調器。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19702294.4 | 1997-01-23 | ||
| DE19702294A DE19702294A1 (de) | 1997-01-23 | 1997-01-23 | Modulator für die Plasmaimmersions-Ionenimplantation |
| PCT/DE1998/000144 WO1998033200A1 (de) | 1997-01-23 | 1998-01-17 | Modulator für die plasmaimmersions-ionenimplantation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001511293A JP2001511293A (ja) | 2001-08-07 |
| JP3506717B2 true JP3506717B2 (ja) | 2004-03-15 |
Family
ID=7818138
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP53148398A Expired - Fee Related JP3506717B2 (ja) | 1997-01-23 | 1998-01-17 | プラズマ浸漬イオン注入用の変調器 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6205948B1 (ja) |
| EP (1) | EP0954875B1 (ja) |
| JP (1) | JP3506717B2 (ja) |
| AT (1) | ATE230519T1 (ja) |
| AU (1) | AU6089498A (ja) |
| DE (2) | DE19702294A1 (ja) |
| WO (1) | WO1998033200A1 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6237527B1 (en) * | 1999-08-06 | 2001-05-29 | Axcelis Technologies, Inc. | System for improving energy purity and implant consistency, and for minimizing charge accumulation of an implanted substrate |
| US7838842B2 (en) * | 1999-12-13 | 2010-11-23 | Semequip, Inc. | Dual mode ion source for ion implantation |
| WO2005042064A1 (en) * | 2003-10-31 | 2005-05-12 | Ventracor Limited | Improved blood pump comprising polymeric components |
| US20050205211A1 (en) * | 2004-03-22 | 2005-09-22 | Vikram Singh | Plasma immersion ion implantion apparatus and method |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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