JP3758446B2

JP3758446B2 - イオン源

Info

Publication number: JP3758446B2
Application number: JP2000024604A
Authority: JP
Inventors: 裕井内; 秀樹田中; 英輔村坂
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: JP2001216907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばイオンドーピング装置（非質量分離型のイオン注入装置）、イオン注入装置、イオンビーム照射装置等に用いられるものであって、プラズマ電極の近傍に永久磁石を配置することによって、不要な軽イオンが引き出されるのを抑制することができるようにしたイオン源に関し、より具体的には、当該永久磁石が作る磁界がプラズマ側へ拡がるのを抑制して、当該磁界によるプラズマへの影響を少なくする手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば大型基板（例えば液晶ディスプレイ用のガラス基板）へのイオン注入を行う場合に、イオン源から引き出したイオンビームを質量分離電磁石を通さずに、即ちイオンビームの質量分離を行わずに、イオン源から引き出したイオンビームをそのまま基板に照射してイオン注入を行う装置を用いる場合がある。この装置は、イオンドーピング装置または非質量分離型のイオン注入装置と呼ばれる。
【０００３】
半導体の作製、例えば液晶ディスプレイ用ガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製するためには、イオン源からリン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）等のドーパントを含むイオン（ドーパントイオン）を引き出してそれを基板に注入する。この場合、イオン源にイオン生成のために導入するイオン源ガスとして、例えばホスフィン（ＰＨ₃）、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等のドーパントの水素化物ガスが用いられる。しかも通常は、このような水素化物ガスを、水素やヘリウムの希釈ガスで希釈したガスが使用される。
【０００４】
イオン源ガスとして、このような水素化物ガスや、それを水素やヘリウムで希釈したガスを用いると、▲１▼必要なドーパントイオン、例えばＰＨ_x ⁺（ｘ＝０〜４）やＢ₂Ｈ_x ⁺（ｘ＝０〜６）等のドーパントの水素化物イオン以外に、▲２▼希
釈ガスイオン（水素イオンやヘリウムイオン）および水素化物ガス分子から分解した水素イオンから成る不要なイオンが生成され、これらが混じったイオンビームがイオン源から引き出される。上記▲２▼の不要なイオンは、水素イオンまたはヘリウムイオンであるので軽イオンと言うことができ、上記▲１▼の必要なイオンは、この軽イオンに比べて重いので重イオンまたは高分子イオンと言うことができる。
【０００５】
このようなイオンビームを用いて基板にイオン注入を行うと、不要なイオンまでもが基板に入射することになり、▲１▼基板の温度上昇が大きくなる、▲２▼トランジスタ作製時に基板表面に形成されているレジストに対して、軽イオンの侵入深さ（注入飛程）が深くなるために、レジストが露光による硬化と同様の現象を起こして剥離できなくなる、等の問題を惹き起こす。
【０００６】
このような課題を解決するために、プラズマ電極の近傍に永久磁石を配置することによって、軽イオンが引き出されるのを抑制することができるようにしたイオン源が既に提案されている（特開平１１−３２９２７０号公報）。そのイオン源を図６に示す。
【０００７】
このイオン源２は、イオン源ガス６が導入されるプラズマ室容器４と、このプラズマ室容器４内でイオン源ガス６を電離させてプラズマ１０を生成するプラズマ生成手段を構成するフィラメント８と、プラズマ室容器４の開口部付近に設けられていてプラズマ１０から電界の作用でイオンビーム２２を引き出す引出し電極系１４とを備えている。引き出されたイオンビーム２２は、この例では質量分離することなくそのまま基板２４に照射・注入される。即ちこの図６の装置は、イオンドーピング装置（非質量分離型のイオン注入装置）を形成している（後述する図１の装置も同様）。
【０００８】
プラズマ室容器４の周りには、この例では多数の磁石（例えば永久磁石）１２が配置されており、プラズマ室容器４の内壁付近にカスプ磁場（多極磁場）が形成され、これがプラズマ１０の閉じ込めに寄与する。このようなイオン源２は、バケット型イオン源とも呼ばれる。
【０００９】
引出し電極系１４は、１枚以上の電極、通常は複数枚の電極で構成されている。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プラズマ電極１５、引出し電極１６、抑制電極１７および接地電極１８で構成されている。各電極１５〜１８は、この例では多数のイオン引出し孔１５ａ〜１８ａを相対応する位置にそれぞれ有している。
【００１０】
更に、プラズマ室容器４内であってプラズマ電極１５の上方近傍には、引出し電極系１４のイオン引出し孔１５ａ〜１８ａの形成領域すなわちイオン引出し領域２０を挟んで異極性で（即ちＮ極とＳ極で）相対向するように、紙面の表裏方向に長い一組の棒状の永久磁石２６が配置されている（図３も参照）。
【００１１】
この一組の永久磁石２６は、プラズマ電極１５のプラズマ１０側の面に沿う（即ち当該面に平行な成分を有する）磁界２８を発生させる。
【００１２】
このような磁界２８を発生させると、図７に示すように、プラズマ１０から引き出されるイオンの内、前述したドーパントイオンのような重イオン２２ａは殆ど直進するのに対して、前述した水素イオンやヘリウムイオンのような軽イオン２２ｂは大きく曲げられたり曲げ戻されたりする。これによって、引出し電極系１４から不要な軽イオン２２ｂが引き出されるのを抑制して、必要な重イオン２２ａを選択的に（優先的に）引き出すことができる。これは一種の磁気フィルタであると言うことができる。
【００１３】
更に、上記磁界２８によって、プラズマ１０からの高エネルギー電子がプラズマ電極１５に近づくのを阻止して、プラズマ電極１５付近でイオン源ガス６が電離するのを防止することができる。プラズマ電極１５付近でイオン源ガス６が電離すると、そこから前述した軽イオン２２ｂが引き出される可能性があるが、これを上記磁界２８によって防止することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記イオン源２においては、永久磁石２６が作る磁界２８は必然的にプラズマ１０側へも拡がるので、当該磁界２８がプラズマ１０に影響を及ぼし、それによってプラズマ１０の密度低下および不均一性増大を惹き起こす。
【００１５】
即ち、上記永久磁石２６が作る磁界２８は、前述したカスプ磁場形成用の磁石１２が作る磁場を乱し、プラズマ領域において磁場の非対称性が増すので、プラズマ１０の閉込め性能が悪くなってプラズマ１０の密度低下を惹き起こすと共に、プラズマ密度の均一性も悪くなるのでプラズマ１０の不均一性増大を惹き起こす。
【００１６】
上記磁石１２を有していない（即ちバケット型でない）イオン源の場合も、プラズマ領域において上記永久磁石２６による非対称磁場が存在すると、上記とほぼ同様の問題を惹き起こす。
【００１７】
そこでこの発明は、上記のような軽イオンが引き出されるのを抑制するための永久磁石が作る磁界がプラズマ側へ拡がるのを抑制して、当該磁界によるプラズマへの影響を少なく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】
この発明のイオン源は、前記各永久磁石に対して、当該永久磁石の背面部に磁気的に接続されかつ当該永久磁石のプラズマ側の上方を覆う強磁性体をそれぞれ設け、かつこの両強磁性体の内側端を、前記引出し電極系のイオン引出し領域を挟んで相対向させて、両強磁性体の内側端間に、前記永久磁石間の磁界とは逆向きの磁界が形成されるよう構成していることを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、各強磁性体は各永久磁石の背面部にそれぞれ磁気的に接続されているので、両強磁性体の内側端間には、即ち永久磁石の上方を覆っている部分間には、両永久磁石間の磁界とは逆向きの磁界が形成される。この磁界は、永久磁石間の磁界よりも弱い。しかし、強磁性体の内側端付近では、永久磁石の作る磁界も弱くなっているので、その付近では両方の磁界が互いにうまく打ち消し合う。これによって、永久磁石が作る磁界がプラズマ側へ拡がるのを抑制して、当該磁界によるプラズマへの影響を少なくすることができる。
【００２０】
【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２は、図１中の永久磁石および強磁性体周りを拡大して示す断面図である。図３は、図１中の永久磁石、強磁性体およびプラズマ電極を示す平面図である。図６および図７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。
【００２１】
このイオン源２ａにおいては、前記各永久磁石２６に対して、当該永久磁石２６の背面部に磁気的に接続されかつ当該永久磁石２６のプラズマ１０側の上方を覆う強磁性体３０をそれぞれ設けている。この強磁性体３０は、例えば鉄から成る。この強磁性体３０は、ヨークと呼ぶこともできる。
【００２２】
より具体的には、この例では、各強磁性体３０は断面Ｌ字型をしており、この各強磁性体３０と角棒状の各永久磁石２６とを、両者で断面コ字型になるように互いに接続して、両強磁性体３０の内側端３０ａを、引出し電極系１４の前述したイオン引出し領域２０を挟んで互いに向かい合わせにしている（相対向させている）。各強磁性体３０は、棒状の各永久磁石２６の長手方向に沿わせて配置しており、各永久磁石２６と同程度の長さを有している（図３参照）。
【００２３】
両強磁性体３０の長手方向の両端部間は、図３に示す例のように、強磁性材から成る連結部３４で連結しておくのが好ましい。引出し電極系１４のイオン引出し領域２０は（即ちイオン引出し孔１５ａ〜１８ａの形成領域は）、この例では矩形をしており、このイオン引出し領域２０の周囲を、二つの強磁性体３０と二つの連結部３４とで矩形に取り囲んでいる。このような連結部３４を設けると、両永久磁石２６を含む閉磁路の磁気抵抗が小さくなるので、両永久磁石２６間のイオン引出し領域２０における磁界２８をより強くすると共に、当該磁界２８のプラズマ１０側への拡がりをより小さくすることができる。また、この連結部３４によって、両強磁性体３０の内側端３０ａ間の空間に形成される下記の磁界３２の強さを適度なものに調整することもできる。
【００２４】
なお、図１および図４に示す例のように、永久磁石２６の下部に、当該永久磁石２６等を支持する支持板３６を設けても良い。永久磁石２６および強磁性体３０は、この例では支持板３６を介してプラズマ電極１５と同電位にしている。更に、図４に示す例のように、永久磁石２６と強磁性体３０との間に、永久磁石２６がプラズマ１０に曝されるのを防止して永久磁石２６を保護する充填物３８を設けても良い。この支持板３６および充填物３８は、共に、アルミニウム等の非磁性材から成る。
【００２５】
上記各強磁性体３０は各永久磁石２６の背面部にそれぞれ磁気的に接続されているので、図２に示すように、両強磁性体３０の内側端３０ａ間の空間には、即ち永久磁石２６の上方を覆っている部分間には、両永久磁石２６間の磁界２８とは逆向きの磁界３２が形成される。強磁性体３０には磁気抵抗が存在するので、この磁界３２は、永久磁石２６間の磁界２８よりもかなり弱くなる。しかし、強磁性体３０の内側端３０ａ付近では、永久磁石２６の作る磁界２８もかなり弱くなっているので、その付近では両方の磁界２８、３２が互いにうまく打ち消し合う。
【００２６】
これによって、永久磁石２６が作る磁界２８がプラズマ１０側へ拡がるのが抑制される。即ち、永久磁石２６間では磁界２８は強いけれども、プラズマ１０側へ少し離れると当該磁界は急に弱くなる。更に上側においても同様である。その結果、永久磁石２６が作る磁界によるプラズマ１０への影響を少なくすることができる。従って、軽イオン２２ｂが引き出されるのを抑制するための永久磁石２６を設けても、それがプラズマ１０の密度低下および不均一性増大を惹き起こすことを防止することができる。
【００２７】
なお、両強磁性体３０の内側端３０ａは、この例のように、永久磁石２６の先端よりも内側へ張り出しておくのが好ましい。そのようにすると、永久磁石２６が作る磁界２８のプラズマ１０側への拡がりをより効果的に抑制することができる。
【００２８】
図５に磁束密度分布のシミュレーション結果の一例を示す。同図の横軸は、プラズマ電極１５の表面からプラズマ１０の中心部へ向かう距離Ｚである（図２および図７参照）。縦軸の磁束密度の測定位置は、引出し電極系１４の中心軸上とした。同図中の実施例は、上記図１ないし図４に示した構造のものであり、従来例は図６および図７に示した構造のものである。なお、永久磁石２６のＺ方向の位置は、このシミュレーションでは実施例と従来例とで互いに同じにしている。
【００２９】
このシミュレーション結果は、プラズマ１０の中心領域１０ａへの漏れ磁界を互いにほぼ等しくした場合に、実施例の方が従来例よりも、プラズマ電極１５の表面付近（即ちＺ＝０付近）での磁束密度を大きくすることができることを示している。プラズマ電極１５の表面付近での磁束密度を大きくできれば、前述した軽イオンの引き出しを抑制するフィルタ作用や、プラズマ１０からの高エネルギー電子がプラズマ電極１５に近づくのを阻止する作用をより高めることができる。即ちこれらの作用をより効率良く行わせることができる。
【００３０】
この図５は、見方を変えれば、プラズマ電極１５の表面付近での磁束密度を互いにほぼ等しくするならば、実施例の方が従来例よりも、プラズマ１０の中心領域１０ａへの漏れ磁界を小さくしてプラズマ１０への影響を少なくすることができることを示している。
【００３１】
また、前述したように永久磁石２６のＺ方向の位置を実施例と従来例とで互いに同じにしているにも拘わらず、従来例では磁束密度の最大領域Ｂ_Mがプラズマ電極１５の表面から離れているのに対して、実施例の場合は最大領域Ｂ_Mがプラズマ電極１５の表面付近になっていることが分かる。これは、上記強磁性体３０を設けたことによる磁界３２が、永久磁石２６が作る磁界２８をプラズマ電極１５側へ押し下げた結果であると考えられる。実施例のように磁束密度の最大領域Ｂ_Mがプラズマ電極１５の表面付近になる方が、前述した軽イオンの引き出しを抑制する作用や、プラズマ１０からの高エネルギー電子がプラズマ電極１５に近づくのを阻止する作用をさせたい所で最も磁束密度が高くなるので、これらの作用をより効果的に行わせることができる。
【００３２】
この発明に係るイオン源２ａは、上述したように軽イオンが引き出されるのを効果的に抑制することができるので、このイオン源２ａを、質量分離電磁石を有していない前述したイオンドーピング装置に使用すれば、不要な軽イオンが基板に入射・注入されることに伴う前記問題の発生を、イオン源２ａ自身で防止することができ、非常に好都合である。
【００３３】
なお、上記各永久磁石２６は、１本の棒状の永久磁石で構成しても良いし、複数の短い永久磁石を棒状に並べて構成しても良い。
【００３４】
また、引出し電極系１４のイオン引出し孔１５ａ〜１８ａは、上記例のような多数の丸い小孔の代わりに、複数の細長いスリット状の孔としても良い。
【００３５】
また、プラズマ生成手段は、上記のようなフィラメント８を用いるものの代わりに、プラズマ室容器４内に高周波やマイクロ波を導入して、プラズマ室容器４内で高周波放電やマイクロ波放電を生じさせ、それによってイオン源ガス６を電離させてプラズマ１０を生成するものでも良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、上記のような強磁性体を設けたことによって、当該強磁性体の内側端間に、永久磁石間の磁界とは逆向きの磁界が形成され、強磁性体の内側端間付近で両方の磁界が互いにうまく打ち消し合うので、軽イオンが引き出されるのを抑制するための永久磁石が作る磁界がプラズマ側へ拡がるのを抑制して、当該磁界によるプラズマへの影響を少なくすることができる。即ち、当該磁界が、プラズマの密度低下および不均一性増大を惹き起こすことを防止することができる。
【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】図１中の永久磁石および強磁性体周りを拡大して示す断面図である。
【図３】図１中の永久磁石、強磁性体およびプラズマ電極を示す平面図である。
【図４】図３の線Ａ−Ａに沿う断面構造の一例を拡大して示す図である。
【図５】プラズマ電極表面からプラズマ中心部方向へ向けての磁束密度分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図６】従来のイオン源の一例を示す断面図である。
【図７】図６中の永久磁石周りを拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
２ａイオン源
４プラズマ室容器
１０プラズマ
１４引出し電極系
１５プラズマ電極
２０イオン引出し領域
２２イオンビーム
２６永久磁石
２８磁界
３０強磁性体
３２磁界

Claims

イオン源ガスが導入されるプラズマ室容器と、このプラズマ室容器内でイオン源ガスを電離させてプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマ室容器の開口部付近に設けられていて前記プラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系と、この引出し電極系を構成する最プラズマ側の電極であるプラズマ電極の上部近傍に、当該引出し電極系のイオン引出し領域を挟んで異極性で相対向するように配置されていて、当該プラズマ電極のプラズマ側の面に沿う磁界を発生させる一組の永久磁石とを備えるイオン源において、前記各永久磁石に対して、当該永久磁石の背面部に磁気的に接続されかつ当該永久磁石のプラズマ側の上方を覆う強磁性体をそれぞれ設け、かつこの両強磁性体の内側端を、前記引出し電極系のイオン引出し領域を挟んで相対向させて、両強磁性体の内側端間に、前記永久磁石間の磁界とは逆向きの磁界が形成されるよう構成していることを特徴とするイオン源。