JP3577785B2

JP3577785B2 - Ion beam generator

Info

Publication number: JP3577785B2
Application number: JP13600395A
Authority: JP
Inventors: 恭博松田; 靖典安東
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1995-05-09
Filing date: 1995-05-09
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JPH08306334A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、例えばイオン注入装置、イオンドーピング装置（非質量分離型イオン注入装置）、イオン照射と真空蒸着を併用する薄膜形成装置等のように、イオンビームを処理対象物に照射して処理を行う場合に用いられるイオンビーム発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来のイオンビーム発生装置を用いたイオン注入装置の一例を示す断面図である。このイオン注入装置は、イオンビーム４０を射出するイオン源２と、それにイオンビーム引出し用の電圧を印加する電源装置３０とを有するイオンビーム発生装置のイオン源２を、処理室４２の上部に取り付けた構造をしている。
【０００３】
処理室４２内には、処理対象物の一例である基板４６を保持するホルダ４４が設けられている。また、この処理室４２は、図示しない真空排気装置によって真空排気される。
【０００４】
イオン源２は、図示例のものは高周波イオン源であり、ガスが導入されそれを高周波放電によって電離させてプラズマ１４を発生させるプラズマソース部４と、このプラズマソース部４の出口付近に設けられていて、プラズマソース部４内のプラズマ１４から電界の作用でイオンビーム４０を引き出す引出し電極系２０とを有している。
【０００５】
プラズマソース部４は、側壁６ａと、それに絶縁碍子８を介して取り付けられた背面板６ｂとを有するプラズマ生成容器６を備えており、その内部に、この例では引出し電極系２０を通して下流側からガスが導入される。また、この例では側壁６ａおよび背面板６ｂがそれぞれ電極（放電電極）を兼ねており、両者間に整合回路１８を介して高周波電源１６が接続されている。但し、ガスは、プラズマ生成容器６内に直接導入される場合もある。
【０００６】
引出し電極系２０は、この例では、最プラズマ側から下流側に向けて配置された第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３および第４電極２４を有している。２６は絶縁碍子である。これらの各電極２１〜２４は、この例では多孔電極であるが、イオン引出しスリットを有する場合もある。
【０００７】
第１電極２１は、引き出すイオンビーム４０のエネルギーを決める電極であり、電源装置３０を構成する第１電源３１から、接地電位を基準にして正の高電圧が印加される。この第１電極２１とプラズマソース部４（より具体的にはそれを構成するプラズマ生成容器６）とは、互いに接続されて同電位にある。
【０００８】
第２電極２２は、第１電極２１との間に電位差を生ぜしめそれによる電界によってプラズマ１４からイオンビーム４０を引き出す電極であり、電源装置３０を構成する第２電源３２から、第１電極２１の電位を基準にして負の電圧が印加される。
【０００９】
第３電極２３は、下流側からの逆流電子を抑制する電極であり、電源装置３０を構成する第３電源３３から、接地電位を基準にして負の電圧が印加される。
【００１０】
第４電極２４は、接地されている。
【００１１】
図７のイオン注入装置の動作例を説明すると、処理室４２内のホルダ４４上に所望の基板４６を保持して処理室４２内を真空排気しながら、イオン源２のプラズマソース部４内に引出し電極系２０の下流側から所望のガスを導入し、側壁６ａと背面板６ｂ間に高周波電源１６から例えば１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波電力を供給すると、側壁６ａと背面板６ｂ間で高周波放電が起こりそれによってガスが分解されてプラズマ１４が作られる。このプラズマ１４中のイオンは、引出し電極系２０によってイオンビーム４０として引き出される。引き出されたイオンビーム４０は、質量分離を行うことなくそのまま基板４６に照射され、イオン注入（イオンドーピング）が行われる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
例えば多結晶シリコン薄膜トランジスタを製造するような場合、１０^１１〜１０^１２イオン／ｃｍ^２台の低ドーズ量の注入を行う必要がある。
【００１３】
このような低ドーズ量注入に上記イオンビーム発生装置を用いるためには、そのイオン源２から引き出すイオンビーム４０のイオン電流密度を小さくしなければならないが、従来のイオンビーム発生装置では当該イオン電流密度を小さくするには限界があった。
【００１４】
これは、プラズマソース部４内で生成したプラズマ１４は、それを構成する電子の移動速度の方がイオンのそれよりも遙かに大きいため、多数の電子によってプラズマ生成容器６および第１電極２１はプラズマ１４に対して負の電位になり、見方を変えればプラズマ１４はプラズマ生成容器６および第１電極２１に対して正の電位になるため、第２電源３２の出力電圧Ｖ２をたとえ０にしても、プラズマ１４と第１電極２１との間に存在する上記電位差でイオンが引き出され、イオンビーム４０のイオン電流密度を０にすることはできないからである。そのため従来は、イオンビーム４０のイオン電流密度を下げる際には、プラズマ１４の密度を下げることを併用していたが、プラズマ１４の密度を下げるためにはプラズマ１４への投入電力、即ち高周波電源１６からプラズマ１４に供給する電力を下げる必要があり、そのようにすると、プラズマ１４が維持できなくなったり、維持できたとしても維持できる下限があるため、イオンビーム４０のイオン電流密度を小さくするには限界があった。
【００１５】
図８は、上記の状況を図示したものであり、プラズマ１４への投入電力をプラズマ維持の下限より下げると、プラズマが消え、イオンビーム４０を引き出せなくなる。
【００１６】
イオンビーム４０のイオン電流密度をあまり小さくできないと、低ドーズ量注入を行う場合には、注入時間が例えば数秒あるいは１秒以下となり、所定のドーズ量注入を行うための制御性および再現性が悪くなってしまう。
【００１７】
そこでこの発明は、イオン源から引き出すイオンビームのイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができるイオンビーム発生装置を提供することを主たる目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のイオンビーム発生装置は、前記イオン源においてその引出し電極系を構成する電極の内の最プラズマ側の電極とプラズマソース部との間に絶縁物を設けて両者間を電気的に絶縁しており、かつ前記電源装置が、前記最プラズマ側の電極に、プラズマソース部を基準にして正のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を有していることを特徴とする。
【００１９】
【作用】
上記構成によれば、バイアス電源によって、イオン源の最プラズマ側の電極に、プラズマソース部を基準にして正の電位を印加した状態でイオンビームを引き出すことができる。正電位を印加した場合、プラズマソース部内のプラズマから引き出されようとするイオンの一部は、この最プラズマ側の電極によって跳ね返される。その結果、イオン源から引き出すイオンビームのイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができる。
【００２０】
【実施例】
図１は、この発明に係るイオンビーム発生装置を用いたイオン注入装置の一例を示す断面図である。図７の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。
【００２１】
この実施例では、前述したイオン源２において、その引出し電極系２０を構成する第１電極２１とプラズマソース部４（より具体的にはそのプラズマ生成容器６。以下同じ）との間に絶縁物５０を設けて、第１電極２１とプラズマソース部４との間を電気的に絶縁している。
【００２２】
更にこの実施例では、従来の電源装置３０に相当するものであって、上記イオン源２と共にイオンビーム発生装置を構成する次のような構成の電源装置３０ａを備えている。
【００２３】
即ち、この電源装置３０ａは、上記第１電極２１に、プラズマソース部４を基準にして、正または負のバイアス電圧ＶＢを印加する直流のバイアス電源３８と、プラズマソース部４に接地電位を基準にして正の高電圧を印加する第１電源３１と、第２電極２２にプラズマソース部４の電位を基準にして負の電圧を印加する第２電源３２と、第３電極２３に接地電位を基準にして負の電圧を印加する第３電源３３とを有している。
【００２４】
バイアス電源３８は、例えば図２に示すように、出力電圧が正から負まで連続的に可変の、いわゆる両極性電源であるが、正のみ、または負のみを出力する直流電源でも良い。但し、これらの場合も、出力電圧可変の方が制御性が良いので好ましい。第１電源３１ないし第３電源３３の出力電圧Ｖ１ないしＶ３を可変とするか固定とするかは任意である。
【００２５】
上記各電圧の大きさを例示すると、出力電圧Ｖ１は例えば３０ｋＶ〜１００ｋＶ程度、出力電圧Ｖ２は例えば５００Ｖ〜１ｋＶ程度、出力電圧Ｖ３は例えば５００Ｖ〜１ｋＶ程度、バイアス電圧ＶＢは例えば０〜±２００Ｖ程度である。
【００２６】
このような電源装置３０ａを用いた場合のイオン源２における電位の一例を図３に示す。プラズマソース部４の電位は第１電源３１の出力電圧Ｖ１によって決められ、それよりバイアス電源３８の出力電圧（即ちバイアス電圧ＶＢ）だけ正側（実線で示す状態）または負側（２点斜線で示す状態）に第１電極２１の電位があり、またプラズマソース部４より第２電源３２の出力電圧Ｖ２だけ下がった所に第２電極２２の電位があり、第３電極２３の電位は第３電源３３の出力電圧Ｖ３によって決められる。また、プラズマ１４が、背面板６ｂおよび側壁６ａから成るプラズマ生成容器６に対して正の電位になるのは前述のとおりである。
【００２７】
このようにこの実施例では、バイアス電源３８によって、イオン源２の第１電極２１に、プラズマソース部４を基準にして正または負の電圧を印加した状態でイオンビーム４０を引き出すことができる。
【００２８】
第１電極２１に正電位を印加した場合、プラズマソース部４内のプラズマ１４から引き出されようとするイオンの一部は、この正電位の第１電極２１によって跳ね返される。この作用は、第１電極２１の電位を、プラズマ１４の電位よりも高くなるように設定した場合は特に大きい。このようにして跳ね返される分、引き出せるイオンの量が減少する。その結果、プラズマ１４への投入電力を下げなくても、イオン源２から引き出すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができる。
【００２９】
第１電極２１に負電位を印加した場合、プラズマソース部４内のプラズマ１４から引き出されようとするイオンの一部は、この負電位の第１電極２１に吸収される。この作用は、第１電極２１の電位を、プラズマ１４の電位よりも低くなるように設定した場合に特に大きい。このようにして吸収される分、引き出せるイオンの量が減少する。その結果、この場合も、プラズマ１４への投入電力を下げなくても、イオン源２から引き出すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができる。
【００３０】
上記正、負いずれの場合も、イオンビーム４０のイオン電流密度は、バイアス電源３８から出力するバイアス電圧ＶＢの大きさに依存する。また、プラズマ１４への投入電力にも依存することは前述のとおりである。このバイアス電圧ＶＢとイオン電流密度との関係の実測結果の一例を図４に示す。
【００３１】
この図において、バイアス電圧ＶＢが０のときのイオン電流密度Ｊ_１またはＪ_２が従来の下限に相当し、この実施例ではバイアス電圧ＶＢを正または負に大きくすることで、イオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができる。
【００３２】
また、この図からも分かるように、バイアス電圧ＶＢを正にして第１電極２１に正電位を与えた方が、イオン電流密度をより小さくすることができる。これは、第１電極２１に正電位を与えると、プラズマ１４中の電子は軽くて第１電極２１に吸収されやすいためプラズマ１４の密度が薄くなり、このこともイオン電流密度の減少に寄与するのに対して、第１電極２１に負電位を与えてもプラズマ１４中のイオンは重くて第１電極２１に吸収されにくいためプラズマ１４の密度が薄くなりにくく、このことがイオン電流密度の減少に殆ど寄与しないためであると考えられる。
【００３３】
また、第１電極２１に正電位を与えると、プラズマ１４中のイオンを跳ね返す作用が大きくなり、プラズマ１４中のイオンによって第１電極２１がスパッタされる割合が小さくなるので、第１電極２１を構成する物質がプラズマ１４およびイオンビーム４０中に不純物として混入する可能性が小さくなる。
【００３４】
上記のような二つの理由から、第１電極２１には正電位を与える方が好ましい。
【００３５】
なお、図４中においてバイアス電圧ＶＢが＋０〜＋５０Ｖ付近で、イオン電流密度がＶＢ＝０のときよりも増加しているのは、プラズマ１４のイオン放出面が第１電極２１に近づいたため、引き出されるイオン量が増加したからであると考えられる。
【００３６】
上記のようにして、イオン源２から引き出すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができる結果、基板４６に対して低ドーズ量注入を行う場合に注入時間を長くすることができるので、所定のドーズ量注入を行う場合の制御性および再現性が向上する。
【００３７】
ところで、プラズマソース部４から引き出すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくする手段として、図７に示した第２電源３２の極性を図示とは逆にして、第２電極２２に第１電極２１の電位を基準にして正の電圧を印加する、という考えもある。
【００３８】
そのようにすれば、第２電極２２と第１電極２１との間の電位差による電界は、イオンビーム４０の引出し方向とは逆向きの電界となるので、第１電極２１を介してプラズマソース部４内のプラズマ１４からイオンが引き出されるのを抑制する作用をする結果、イオン源２から引き出すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることはできる。
【００３９】
ところが、上記のようにすると、第２電極２２がプラズマソース部４および第１電極２１に対して正電位になるため、プラズマ１４から引き出された電子が第１電極２１と第２電極２２間で加速されて第２電極２２に入射衝突しやすく、これが引き金になって第１電極２１と第２電極２２との間で放電が生じて、イオンビーム４０の引出しが不安定になる恐れがある。
【００４０】
これに対して、この実施例では、第２電極２２の電位を第１電極２１の電位よりも高くする必要がないので、即ち従来例と同様に、第２電極２２には第２電源３２から負電圧を印加しておけば良いので、第２電極２２にプラズマ１４中の電子が入射衝突して第１電極２１と第２電極２２との間で放電が生じてイオンビーム４０の引き出しが不安定になる、という恐れはない。
【００４１】
図５は、この発明に係るイオンビーム発生装置を構成する電源装置の他の例を示す図である。この例の電源装置３０ａは、第１電極２１にプラズマソース部４（より具体的にはそのプラズマ生成容器６）を基準にして正または負のバイアス電圧ＶＢを印加する直流のバイアス電源３８と、第１電極２１に接地電位を基準にして正の高電圧を印加する第１電源３１と、第２電極２２に第１電極２１の電位を基準にして負の電圧を印加する第２電源３２と、第３電極２３に接地電位を基準にして負の電圧を印加する第３電源３３とを有している。各電源３１ないし３３の出力電圧は、それぞれＶ１ないしＶ３である。
【００４２】
図６は、この発明に係るイオンビーム発生装置を構成する電源装置の更に他の例を示す図である。この例の電源装置３０ａは、第１電極２１にプラズマソース部４（より具体的にはそのプラズマ生成容器６）を基準にして正または負のバイアス電圧ＶＢを印加する直流のバイアス電源３８と、第２電極２２に接地電位を基準にして正の高電圧を印加する第１電源３１と、第１電極２１に第２電極２２の電位を基準にして正の電圧を印加する第２電源３２と、第３電極２３に接地電位を基準にして負の電圧を印加する第３電源３３とを有している。各電源３１ないし３３の出力電圧は、それぞれＶ１ないしＶ３である。
【００４３】
図５および図６の例の場合も、バイアス電源３８によって、第１電極２１に、プラズマソース部４を基準にして正または負のバイアス電圧ＶＢを印加した状態でイオンビーム４０を引き出すことができるので、図１に示した例の場合と同様に、イオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができる。
【００４４】
但し、図５および図６に示した電源装置３０ａを用いる場合は、バイアス電源３８から出力するバイアス電圧ＶＢを変化させることによってプラズマソース部４の電位が上下するので、そのぶん、イオン源２から引き出されるイオンビーム４０のエネルギーが変化することになる。図１に示した電源装置３０ａの場合は、プラズマソース部４の電位は第１電源３１の出力電圧Ｖ１によって定まっているので、そのようなことは起こらない。もっとも、第１電源３１の出力電圧Ｖ１に比べて、バイアス電源３８から出力するバイアス電圧ＶＢは前述したように遙かに小さいので、上記によるイオンビーム４０のエネルギー変化は通常は殆ど問題にならない。
【００４５】
なお、イオン源２のプラズマソース部４は、上記例のように高周波放電によってガスを電離させてプラズマ１４を生成する方式のものに限定されるものではなく、それ以外の方式のもの、例えばマイクロ波放電によってガスを電離させてプラズマ１４を生成する方式のもの、あるいは直流のアーク放電によってガスを電離させてプラズマ１４を生成する方式のもの等でも良い。
【００４６】
また、イオン源２の引出し電極系２０を構成する電極の枚数も、上記例のような４枚に限定されるものではなく、それ以外の複数枚、例えば２枚、３枚、５枚等でも良い。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００４８】
請求項１のイオンビーム発生装置によれば、バイアス電源によって、イオン源の最プラズマ側の電極に、プラズマソース部を基準にして正の電圧を印加した状態でイオンビームを引き出すことができ、プラズマソース部内のプラズマから引き出されるイオンの一部は、この最プラズマ側の電極によって跳ね返されるので、プラズマへの投入電力を下げなくても、イオン源から引き出すイオンビームのイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができる。
【００４９】
従ってこのようなイオンビーム発生装置を例えばイオン注入に用いれば、基板に対して低ドーズ量注入を行う場合に注入時間を長くすることができるので、所定のドーズ量注入を行う場合の制御性および再現性が向上する。
【００５０】
しかも、最プラズマ側の電極よりも下流側にある電極の電位を当該最プラズマ側の電極の電位よりも高くする場合と違って、イオンビームの引き出しが不安定になるという恐れもない。
更に、バイアス電源から最プラズマ側の電極にプラズマソース部を基準にして正の電圧を印加するので、負の電圧を印加する場合に比べてイオン電流密度をより小さくすることができる。
また、プラズマ中のイオンによって最プラズマ側の電極がスパッタされる割合が小さくなるので、最プラズマ側の電極を構成する物質がプラズマおよびイオンビーム中に不純物として混入する可能性が小さくなる。
【００５１】
請求項２のイオンビーム発生装置によれば、請求項１の効果に加えて更に次のような効果を奏する。
【００５２】
即ち、バイアス電源から第１電極にプラズマソース部を基準にして正の電圧を印加するので、負の電圧を印加する場合に比べてイオン電流密度をより小さくすることができる。
【００５３】
また、プラズマ中のイオンによって第１電極がスパッタされる割合が小さくなるので、第１電極を構成する物質がプラズマおよびイオンビーム中に不純物として混入する可能性が小さくなる。
【００５４】
また、バイアス電源から出力するバイアス電圧を変化させても、プラズマソース部の電位は第１電源の出力電圧によって定まっていて変化しないので、イオン源から引き出すイオンビームのエネルギーが変化しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオンビーム発生装置を用いたイオン注入装置の一例を示す断面図である。
【図２】図１中のバイアス電源の一例を示す図である。
【図３】図１中のイオン源における電位の一例を示す図である。
【図４】図１中のイオン源に印加するバイアス電圧とイオン電流密度との関係の実測結果の一例を示す図である。
【図５】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成する電源装置の他の例を示す図である。
【図６】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成する電源装置の更に他の例を示す図である。
【図７】従来のイオンビーム発生装置を用いたイオン注入装置の一例を示す断面図である。
【図８】図７中のイオン源における投入電力とイオン電流密度との関係の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２イオン源
４プラズマソース部
６プラズマ生成容器
１４プラズマ
１６高周波電源
２０引出し電極系
２１第１電極
２２第２電極
２３第３電極
２４第４電極
３０ａ電源装置
３１第１電源
３２第２電源
３３第３電源
３８バイアス電源
４０イオンビーム
４２処理室
４６基板
５０絶縁物[0001]
[Industrial applications]
According to the present invention, a process is performed by irradiating an object with an ion beam, such as an ion implantation apparatus, an ion doping apparatus (non-mass separation type ion implantation apparatus), and a thin film forming apparatus using both ion irradiation and vacuum deposition. The present invention relates to an ion beam generator used when performing the operation.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 is a sectional view showing an example of an ion implantation apparatus using a conventional ion beam generator. In this ion implantation apparatus, an ion source 2 of an ion beam generator having an ion source 2 for emitting an ion beam 40 and a power supply device 30 for applying a voltage for extracting an ion beam to the ion source 2 is mounted on an upper portion of a processing chamber 42. It has a structure.
[0003]
In the processing chamber 42, a holder 44 for holding a substrate 46, which is an example of an object to be processed, is provided. Further, the processing chamber 42 is evacuated by a vacuum exhaust device (not shown).
[0004]
The ion source 2 is a high-frequency ion source in the illustrated example. The ion source 2 is provided near the outlet of the plasma source unit 4 to which a gas is introduced and ionized by high-frequency discharge to generate plasma 14. And an extraction electrode system 20 for extracting an ion beam 40 from the plasma 14 in the plasma source section 4 by the action of an electric field.
[0005]
The plasma source section 4 includes a plasma generation vessel 6 having a side wall 6a and a back plate 6b attached thereto via an insulator 8 therein, in which, in this example, from a downstream side through an extraction electrode system 20. Gas is introduced. In this example, the side wall 6a and the back plate 6b also serve as electrodes (discharge electrodes), and a high-frequency power supply 16 is connected between the two via a matching circuit 18. However, the gas may be directly introduced into the plasma generation container 6 in some cases.
[0006]
In this example, the extraction electrode system 20 has a first electrode 21, a second electrode 22, a third electrode 23, and a fourth electrode 24 arranged from the most plasma side to the downstream side. 26 is an insulator. Each of these electrodes 21 to 24 is a porous electrode in this example, but may have an ion extraction slit.
[0007]
The first electrode 21 is an electrode that determines the energy of the extracted ion beam 40, and a positive high voltage is applied from a first power supply 31 included in the power supply device 30 with reference to the ground potential. The first electrode 21 and the plasma source unit 4 (more specifically, the plasma generation container 6 constituting the same) are connected to each other and are at the same potential.
[0008]
The second electrode 22 is an electrode that causes a potential difference between the first electrode 21 and the ion beam 40 from the plasma 14 by an electric field caused by the potential difference. A negative voltage is applied with reference to the potential of.
[0009]
The third electrode 23 is an electrode that suppresses backflow electrons from the downstream side, and a negative voltage is applied from a third power supply 33 included in the power supply device 30 with reference to the ground potential.
[0010]
The fourth electrode 24 is grounded.
[0011]
The operation example of the ion implantation apparatus shown in FIG. 7 will be described. A desired substrate 46 is held on a holder 44 in the processing chamber 42, and the inside of the plasma source section 4 of the ion source 2 is evacuated while evacuating the processing chamber 42. When a desired gas is introduced from the downstream side of the extraction electrode system 20 and high-frequency power of, for example, a frequency of 13.56 MHz is supplied from the high-frequency power supply 16 between the side wall 6a and the back plate 6b, a high-frequency discharge occurs between the side wall 6a and the back plate 6b. Occurs, whereby the gas is decomposed and a plasma 14 is created. The ions in the plasma 14 are extracted by the extraction electrode system 20 as an ion beam 40. The extracted ion beam 40 is directly irradiated onto the substrate 46 without performing mass separation, and ion implantation (ion doping) is performed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
For example, in the case of manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor, it is necessary to perform implantation at a low dose of about 10 ¹¹ to 10 ¹² ions / cm ² .
[0013]
In order to use the ion beam generator for such low dose implantation, the ion current density of the ion beam 40 extracted from the ion source 2 must be reduced. There was a limit to reducing the density.
[0014]
This is because, in the plasma 14 generated in the plasma source unit 4, the moving speed of the electrons constituting the plasma 14 is much higher than that of the ions. Becomes a negative potential with respect to the plasma 14, and from another point of view, the plasma 14 becomes a positive potential with respect to the plasma generation container 6 and the first electrode 21, so that the output voltage V2 of the second power supply 32 is set to 0, for example. However, this is because ions are extracted by the potential difference existing between the plasma 14 and the first electrode 21 and the ion current density of the ion beam 40 cannot be reduced to zero. Therefore, conventionally, when the ion current density of the ion beam 40 is reduced, the density of the plasma 14 is also reduced. However, in order to reduce the density of the plasma 14, the power supplied to the plasma 14, It is necessary to reduce the power supplied to the plasma 14 from 16, and if this is done, the plasma 14 cannot be maintained, or even if it can be maintained, there is a lower limit that can be maintained. Had limitations.
[0015]
FIG. 8 illustrates the above situation. If the power supplied to the plasma 14 is reduced below the lower limit of plasma maintenance, the plasma disappears and the ion beam 40 cannot be extracted.
[0016]
If the ion current density of the ion beam 40 cannot be made too small, the implantation time becomes, for example, several seconds or 1 second or less when performing low dose implantation, and controllability and reproducibility for performing a predetermined dose implantation are poor. turn into.
[0017]
Therefore, an object of the present invention is to provide an ion beam generator capable of further reducing the ion current density of an ion beam extracted from an ion source from the lower limit of the related art.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an ion beam generator according to the present invention is characterized in that an insulator is provided between an electrode on the most plasma side of the electrodes constituting the extraction electrode system in the ion source and a plasma source portion, so that The power supply device has a DC bias power supply for applying a positive bias voltage to the electrode on the most plasma side with reference to a plasma source portion. And
[0019]
[Action]
According to the above configuration, the ion beam can be extracted in a state where a positive potential is applied to the electrode on the most plasma side of the ion source by the bias power source with respect to the plasma source. When a positive potential is applied, some of the ions that are to be extracted from the plasma in the plasma source portion are repelled by the electrode on the most plasma side. As a result, the ion current density of the ion beam extracted from the ion source can be made smaller than the conventional lower limit .
[0020]
【Example】
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an ion implantation apparatus using the ion beam generator according to the present invention. Parts that are the same as or correspond to those in the conventional example of FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and differences from the conventional example will be mainly described below.
[0021]
In this embodiment, in the above-described ion source 2, an insulator is provided between the first electrode 21 constituting the extraction electrode system 20 and the plasma source unit 4 (more specifically, the plasma generation container 6; the same applies hereinafter). 50 is provided to electrically insulate the first electrode 21 from the plasma source 4.
[0022]
Further, in this embodiment, a power supply device 30a having the following configuration, which corresponds to the conventional power supply device 30 and constitutes an ion beam generator together with the ion source 2, is provided.
[0023]
That is, the power supply device 30 a includes a DC bias power supply 38 for applying a positive or negative bias voltage VB to the first electrode 21 with respect to the plasma source unit 4 and a ground potential for the plasma source unit 4. A first power supply 31 for applying a positive high voltage, a second power supply 32 for applying a negative voltage to the second electrode 22 with reference to the potential of the plasma source unit 4, and a ground potential for the third electrode 23. And a third power supply 33 for applying a negative voltage with respect to a reference.
[0024]
The bias power supply 38 is a so-called bipolar power supply in which the output voltage is continuously variable from positive to negative as shown in FIG. 2, for example, but may be a DC power supply that outputs only positive or only negative. However, also in these cases, variable output voltage is preferable because of better controllability. Whether the output voltages V1 to V3 of the first power supply 31 to the third power supply 33 are variable or fixed is arbitrary.
[0025]
When the magnitudes of the respective voltages are exemplified, the output voltage V1 is, for example, about 30 kV to 100 kV, the output voltage V2 is, for example, about 500 V to 1 kV, the output voltage V3 is, for example, about 500 V to 1 kV, and the bias voltage VB is, for example, about 0 to ± 200 V. It is.
[0026]
FIG. 3 shows an example of the potential of the ion source 2 when such a power supply device 30a is used. The potential of the plasma source unit 4 is determined by the output voltage V1 of the first power supply 31, and the output voltage of the bias power supply 38 (that is, the bias voltage VB) is more positive (indicated by a solid line) or negative (indicated by two-point hatching). (The state shown), the potential of the first electrode 21 is present, the potential of the second electrode 22 is lower than the plasma source unit 4 by the output voltage V2 of the second power supply 32, and the potential of the third electrode 23 is the third potential. It is determined by the output voltage V3 of the power supply 33. As described above, the plasma 14 has a positive potential with respect to the plasma generation container 6 including the back plate 6b and the side wall 6a.
[0027]
As described above, in this embodiment, the ion beam 40 can be extracted with the bias power supply 38 applying a positive or negative voltage to the first electrode 21 of the ion source 2 with respect to the plasma source 4.
[0028]
When a positive potential is applied to the first electrode 21, some of the ions to be extracted from the plasma 14 in the plasma source unit 4 are repelled by the first electrode 21 having the positive potential. This effect is particularly large when the potential of the first electrode 21 is set to be higher than the potential of the plasma 14. The amount of ions that can be extracted is reduced by the amount of the ions bounced off. As a result, the ion current density of the ion beam 40 extracted from the ion source 2 can be further reduced from the lower limit of the related art without reducing the power supplied to the plasma 14.
[0029]
When a negative potential is applied to the first electrode 21, some of the ions to be extracted from the plasma 14 in the plasma source unit 4 are absorbed by the first electrode 21 having the negative potential. This effect is particularly large when the potential of the first electrode 21 is set to be lower than the potential of the plasma 14. The amount of ions that can be extracted is reduced by the amount absorbed in this manner. As a result, also in this case, the ion current density of the ion beam 40 extracted from the ion source 2 can be further reduced from the lower limit of the related art without reducing the power supplied to the plasma 14.
[0030]
In both the positive and negative cases, the ion current density of the ion beam 40 depends on the magnitude of the bias voltage VB output from the bias power supply 38. As described above, it also depends on the power supplied to the plasma 14. FIG. 4 shows an example of actual measurement results of the relationship between the bias voltage VB and the ion current density.
[0031]
In this figure, the bias voltage VB corresponds to the ion current density J ₁ or J ₂ is a conventional lower limit of 0, by increasing the bias voltage VB to the positive or negative in this embodiment, conventional ion current density Can be made smaller than the lower limit of.
[0032]
Further, as can be seen from this figure, when the bias voltage VB is made positive and the first electrode 21 is given a positive potential, the ion current density can be further reduced. This is because, when a positive potential is applied to the first electrode 21, electrons in the plasma 14 are light and easily absorbed by the first electrode 21, so that the density of the plasma 14 is reduced, which also contributes to a reduction in ion current density. On the other hand, even if a negative potential is applied to the first electrode 21, the ions in the plasma 14 are heavy and hard to be absorbed by the first electrode 21, so that the density of the plasma 14 does not easily decrease, which leads to a decrease in the ion current density. It is considered that this hardly contributes to
[0033]
When a positive potential is applied to the first electrode 21, the action of repelling ions in the plasma 14 increases, and the rate at which the first electrode 21 is sputtered by the ions in the plasma 14 decreases. The possibility that the constituent materials are mixed as impurities into the plasma 14 and the ion beam 40 is reduced.
[0034]
For the above two reasons, it is preferable to apply a positive potential to the first electrode 21.
[0035]
In FIG. 4, when the bias voltage VB is around +0 to +50 V, the ion current density is higher than when VB = 0, because the ion emission surface of the plasma 14 is closer to the first electrode 21. It is considered that the amount of ions increased.
[0036]
As described above, the ion current density of the ion beam 40 extracted from the ion source 2 can be further reduced from the lower limit of the related art. As a result, when a low dose is implanted into the substrate 46, the implantation time is lengthened. As a result, controllability and reproducibility when a predetermined dose is implanted are improved.
[0037]
By the way, as a means for further reducing the ion current density of the ion beam 40 extracted from the plasma source section 4 from the lower limit of the related art, the polarity of the second power supply 32 shown in FIG. There is another idea that a positive voltage is applied with reference to the potential of the first electrode 21.
[0038]
In such a case, the electric field due to the potential difference between the second electrode 22 and the first electrode 21 becomes an electric field in a direction opposite to the direction in which the ion beam 40 is extracted. As a result of suppressing the extraction of ions from the plasma 14 in the ion source 4, the ion current density of the ion beam 40 extracted from the ion source 2 can be further reduced from the lower limit of the related art.
[0039]
However, in the above case, the second electrode 22 has a positive potential with respect to the plasma source portion 4 and the first electrode 21, so that the electrons extracted from the plasma 14 may be applied between the first electrode 21 and the second electrode 22. It is accelerated and easily collided with the second electrode 22, which triggers a discharge between the first electrode 21 and the second electrode 22, which may cause unstable extraction of the ion beam 40.
[0040]
On the other hand, in this embodiment, it is not necessary to make the potential of the second electrode 22 higher than the potential of the first electrode 21. That is, similarly to the conventional example, the second electrode 22 is connected to the second power source 32. Since a negative voltage only needs to be applied, electrons in the plasma 14 impinge and collide with the second electrode 22 to cause a discharge between the first electrode 21 and the second electrode 22, making it difficult to extract the ion beam 40. There is no fear that it will be stable.
[0041]
FIG. 5 is a diagram showing another example of the power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention. The power supply device 30a of this example includes a DC bias power supply 38 that applies a positive or negative bias voltage VB to the first electrode 21 with reference to the plasma source unit 4 (more specifically, the plasma generation container 6); A first power supply 31 for applying a positive high voltage to the first electrode 21 with reference to the ground potential; a second power supply 32 for applying a negative voltage to the second electrode 22 with reference to the potential of the first electrode 21; And a third power supply 33 for applying a negative voltage to the third electrode 23 with reference to the ground potential. The output voltages of the power supplies 31 to 33 are V1 to V3, respectively.
[0042]
FIG. 6 is a diagram showing still another example of the power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention. The power supply device 30a of this example includes a DC bias power supply 38 that applies a positive or negative bias voltage VB to the first electrode 21 with reference to the plasma source unit 4 (more specifically, the plasma generation container 6); A first power supply 31 for applying a positive high voltage to the second electrode 22 with reference to the ground potential; a second power supply 32 for applying a positive voltage to the first electrode 21 with reference to the potential of the second electrode 22; And a third power supply 33 for applying a negative voltage to the third electrode 23 with reference to the ground potential. The output voltages of the power supplies 31 to 33 are V1 to V3, respectively.
[0043]
5 and 6, the bias power supply 38 can extract the ion beam 40 in a state where the positive or negative bias voltage VB is applied to the first electrode 21 with the plasma source unit 4 as a reference. Therefore, as in the case of the example shown in FIG. 1, the ion current density of the ion beam 40 can be made smaller than the conventional lower limit.
[0044]
However, when the power supply device 30a shown in FIGS. 5 and 6 is used, the potential of the plasma source section 4 rises and falls by changing the bias voltage VB output from the bias power supply 38. The energy of the extracted ion beam 40 will change. In the case of the power supply device 30a shown in FIG. 1, such a case does not occur because the potential of the plasma source unit 4 is determined by the output voltage V1 of the first power supply 31. However, since the bias voltage VB output from the bias power supply 38 is much smaller than the output voltage V1 of the first power supply 31 as described above, the change in the energy of the ion beam 40 due to the above does not usually cause a problem.
[0045]
The plasma source section 4 of the ion source 2 is not limited to a type that generates a plasma 14 by ionizing a gas by high-frequency discharge as in the above-described example. A method of generating plasma 14 by ionizing gas by wave discharge or a method of generating plasma 14 by ionizing gas by DC arc discharge may be used.
[0046]
Also, the number of electrodes constituting the extraction electrode system 20 of the ion source 2 is not limited to four as in the above example, but may be other plural numbers, for example, two, three or five. good.
[0047]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and has the following effects.
[0048]
According to the ion beam generator of the first aspect, the ion beam can be extracted by applying a positive voltage to the electrode on the most plasma side of the ion source with reference to the plasma source portion by the bias power supply. some of the ions extracted from the plasma in the source unit, so repelled by the electrodes of the outermost plasma side, without lowering the power applied to the plasma, than the conventional limit of ion current density of the ion beam drawn from the ion source Can be further reduced.
[0049]
Therefore, if such an ion beam generator is used, for example, for ion implantation, the implantation time can be extended when a low dose is implanted into the substrate. Reproducibility is improved.
[0050]
Moreover, unlike the case where the potential of the electrode downstream of the electrode on the most plasma side is higher than the potential of the electrode on the most plasma side, there is no fear that extraction of the ion beam becomes unstable.
Furthermore, since a positive voltage is applied from the bias power supply to the electrode on the most plasma side with reference to the plasma source portion, the ion current density can be made smaller than in the case where a negative voltage is applied.
Further, since the rate of sputtering of the electrode on the most plasma side by the ions in the plasma is reduced, the possibility that the material constituting the electrode on the most plasma side is mixed as impurities into the plasma and the ion beam is reduced.
[0051]
According to the ion beam generator of the second aspect, the following effect is further obtained in addition to the effect of the first aspect.
[0052]
That is, since a positive voltage is applied from the bias power source to the first electrode with reference to the plasma source portion, the ion current density can be made smaller than when a negative voltage is applied.
[0053]
In addition, since the rate at which the first electrode is sputtered by the ions in the plasma is reduced, the possibility that the material constituting the first electrode is mixed as impurities into the plasma and the ion beam is reduced.
[0054]
Further, even if the bias voltage output from the bias power supply is changed, the potential of the plasma source section is determined by the output voltage of the first power supply and does not change, so that the energy of the ion beam extracted from the ion source does not change.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an ion implantation apparatus using an ion beam generator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a bias power supply in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a potential in the ion source in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an actual measurement result of a relationship between a bias voltage applied to the ion source in FIG. 1 and an ion current density.
FIG. 5 is a diagram showing another example of a power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing still another example of the power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of an ion implantation apparatus using a conventional ion beam generator.
8 is a schematic diagram illustrating an example of a relationship between input power and ion current density in the ion source in FIG.
[Explanation of symbols]
2 Ion source 4 Plasma source unit 6 Plasma generation container 14 Plasma 16 High frequency power supply 20 Extraction electrode system 21 First electrode 22 Second electrode 23 Third electrode 24 Fourth electrode 30a Power supply device 31 First power supply 32 Second power supply 33 Third Power supply 38 Bias power supply 40 Ion beam 42 Processing chamber 46 Substrate 50 Insulator

Claims

A plasma source section in which a gas is introduced and ionized by discharge to generate plasma, and an ion having an extraction electrode system for extracting an ion beam from the plasma in the plasma source section by the action of an electric field and having a plurality of electrodes A source and a power supply device for applying a voltage for extracting an ion beam to an electrode constituting an extraction electrode system of the ion source, wherein the ion source comprises an extraction electrode system comprising: and electrically insulate therebetween an insulating material between the electrode and the plasma source of the highest plasma side, and said power supply, said the electrode of the highest plasma side, with respect to the plasma source unit An ion beam generator comprising a DC bias power supply for applying a positive bias voltage.

The extraction electrode system includes a first electrode, a second electrode, a third electrode, and a fourth electrode arranged from the most plasma side to the downstream side, wherein the fourth electrode is grounded, and A first power supply for applying a positive voltage to the plasma source portion with reference to the ground potential; a second power supply for applying a negative voltage to the second electrode with reference to the potential of the plasma source portion; A third power supply that applies a negative voltage to the electrode with respect to the ground potential, and the bias power supply is a power supply that applies a positive voltage to the first electrode with respect to the plasma source unit. The ion beam generator according to claim 1.