JP4303337B2 - Molecular ion enhanced ion source device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多原子分子の1価イオンの生成とそのイオン注入に適したイオン源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のイオン注入用のイオン源(代表的なものではPIG型など)では、分子から電子を剥ぎ取るために、比較的高いエネルギーをもつ電子を衝突させる。その電子のエネルギーは分子の結合エネルギーに比べて小さくなく、また、ある程度閉じ込めが効いているので同一の分子に複数回の衝突がおこり、ガスの分子が小さな分子か単原子にまで分解されてしまう確率が高い。それらの分子のイオン化の場合には、引き出されるビーム電流量は多いが必要とする1価の多原子分子イオンの成分はきわめて少ない。
【0003】
従来のクラスタ生成用イオン源は、ガス化した多原子分子(クラスタ)に、比較的エネルギーの高い電子を照射してイオン化する。しかし、プラズマの閉じ込め機構がないために、粒子間の衝突頻度が少なく、多くの分子は衝突を受けずイオン化されないか、仮にイオン化されてもさらに次の衝突を受けることがない。したがって、元の分子の形をとどめやすく、必要とする分子イオンがイオンの大部分を占めている。しかし、得られるビーム電流量はきわめて微弱(nAオーダー)である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のECR型イオン源は効率的な電子加熱によりプラズマ中の電子温度が非常に高く、強力な磁場によりプラズマの密度も非常に高い。このため、主に多価イオンの生成に用いられ、分子イオンの生成を主とした例はない。
【0005】
そこで、本発明の課題は、大電流のイオンを生成できる分子イオンエンハンストイオン源装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、筒状のプラズマチャンバの外周部に筒状の基体枠を配置構成すると共に、該筒状の基体枠の外周面に該基体枠の中心軸と平行な方向に固着配置された複数の棒状永久磁石と筒状のヨークによる多極永久磁石装置を配設することにより多重極磁場を構成し、前記多極永久磁石装置の両端側であって前記基体枠の中心軸と平行な方向の両端側にそれぞれ端部枠を設け、該端部枠の外周側にミラーコイルまたは複数の棒状永久磁石によるミラー磁石を配設することにより一対のミラー磁場を構成し、該一対のミラー磁場と前記多重極磁場とにより、前記基体枠の内部の前記プラズマチャンバ内に閉じ込め磁場を形成すると共に、該磁場内となるプラズマチャンバ内にイオン生成用のガスとマイクロ波を導入し、前記プラズマチャンバの中心軸方向に一致する方向の閉じ込め磁場により、前記プラズマチャンバの中心軸に直角に交差する細長い断面形状のプラズマを生成して、イオンビームを前記プラズマチャンバの一端側に設けた引き出し電極により引き出すように構成し、前記プラズマチャンバ内の閉じ込め磁場は、前記ミラー磁石の中心軸を前記多極永久磁石装置の中心軸と一致させ、かつ該ミラー磁石の発生する一対のミラー磁場の向きが中心軸上で一致するようにし、前記マイクロ波導入用の導波管との接続のために、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記多極永久磁石装置の三重構成体の側面周部に少なくとも1つの接続部を設けて導波管を接続し、該接続部は前記多極永久磁石装置の棒状永久磁石間に位置させると共に、前記プラズマチャンバ及び前記基体枠の中心軸方向に平行な長穴形状として、前記プラズマチャンバの半径方向の接続部からマイクロ波を導入するようにし、固体状態でイオン源ガス物質を装填した真空容器を、温度制御された液体に浸すことによって前記イオン源ガス物質を間接加熱し、ガス化して供給する供給口を前記プラズマチャンバの中心軸上の一端側に設けることにより、ECRによるプラズマ生成を行なうことを特徴とする分子イオンエンハンストイオン源装置が提供される。
【0008】
前記多極永久磁石装置の前記引き出し電極側の一端側または両端側において、前記端部枠の外周側と前記ミラー磁石の内周側との間に端部側の多極永久磁石装置を配設するようにしても良い。
【0009】
前記端部枠を前記基体枠と一体に設けても良い。
【0010】
前記一対のミラー磁場のうち前記引き出し電極と反対側の前記ミラー磁石と前記多極永久磁石装置は各々最大磁束密度が2キロガウス以上の閉じ込め磁場を生成する。
【0011】
前記端部側の多極永久磁石装置により、前記プラズマチャンバ内の閉じ込め磁場を該プラズマチャンバ内の最大磁束密度が2キロガウス以上となるよう構成することができる。
【0012】
マイクロ波は、2.45(GHz)であることが好ましい。
【0014】
マイクロ波電力は最大100(W)であることが好ましい。
【0017】
前記イオン源ガス物質として、固体のデカボランを使用することができる。
【0018】
【作用】
上記のような構成によれば、多原子分子イオンを効率良く生成することができる。また、イオン注入用としては、Si基板にごく浅く必要な原子、例えば低エネルギーのホウ素(B)を注入したい場合、5(keV)以下で大電流の分子イオン、例えばデカボラン(B10H14)イオン等を生成できる。例えば、おおまかに5(keV)のB10H14 + イオン1個は、500(eV)のB+ イオン10個に相当する。B10H14 + イオンは5(keV)で引き出すのに対し、B+ イオンは500(eV)なので引き出し易く、B原子1個に対し電荷が1/10と低いため、反発力が小さいのでウエハーまで輸送するのも楽になる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明による分子イオンエンハンストイオン源装置の実施の形態について説明する。図1は、装置全体の構成を示している。本形態においては、イオン源装置1へのイオン生成用のガスの供給は、固体状態でイオン源ガス物質を装填した固体装填用真空槽31を、恒温槽32における温度制御された液体に浸すことによってイオン源ガス物質を間接加熱し、ガス化することにより行うようにしている。恒温槽32においては、ポンプ33により液体が循環され、循環用の絶縁チューブ34に設けられたヒータ35により液体が加熱される。イオン生成用のガスは、イオン源装置1におけるプラズマチャンバ10の中心軸上の一端側に設けられた供給口からプラズマチャンバ10内に導入される。固体装填用真空槽31から供給口に至る配管には、バルブ37−1、切替バルブ38、ガス流量調整弁36が設けられている。
【0020】
本形態では更に、多原子分子ガス源30を備えており、バルブ37−2を介して切替バルブ38で固体装填用真空槽31からのガスと切替えできるようにしている。
【0021】
イオン生成用の多原子分子ガスは、ミラー電磁石11の方向からプラズマチャンバ10内に導入される。特に、常温でガス化されていないデカボラン等の場合は、固体状態で固体装填用真空槽31に装填され、固体装填用真空槽31は熱水の恒温槽32に浸されることにより、デカボランが昇華し、プラズマチャンバ10内に供給される。蒸気圧の比較的大きな固体で100度以下の温度制御が重要なデカボランなどは、従来のようにヒータを直巻きにした真空槽に装填するよりも、熱容量の大きな水などの液体を媒体とし間接的に加熱することで、温度の安定性が増し、温度制御が簡単になる。
【0022】
プラズマチャンバ10内にはまた、その半径方向から、RF発振器を備えたマイクロ波電源39からのマイクロ波が導入される。
【0023】
なお、図1では、恒温槽32を高電圧部に、ポンプ33、ヒータ35等を地上に配置した例を示しているが、装置全体を高圧に浮かしても良いし、接地しても良い。
【0024】
図2は、本イオン源装置が適用されるイオン注入装置の概略構成を示している。イオン源装置からのイオンは、加速区間41、引き出しチャンバ42を経て質量分離器43に導入され、必要なイオン種が分離される。分離されたイオンは、質量分離スリット44、ビーム制御可変幅スリット45を通してイオン注入室46中のウェハ47に照射される。なお、図2では、ウェハ47は、1個のみがイオン注入室46の中央にあるように見えるが、実際には、複数のウェハ47が、イオン注入室46内に回転可能に配置された回転円板48の周辺部に周方向に間隔をおいて配置されている。加速区間41からイオン注入室46に至る構成要素は周知であり、本発明の要部では無いので詳しい説明は省略する。
【0025】
図3、図4を参照して、本イオン源装置は、筒状のプラズマチャンバ10の外側に、ミラー磁場を作るために間隔をおいて配置された一対のミラー電磁石11、12と、プラズマチャンバ10の外側であってミラー電磁石11、12の間に設けられた多極永久磁石装置20とを備えている。ミラー電磁石11、12はそれぞれ、ソレノイドコイルで実現される。各磁場の強度は必要に応じてそれぞれ独立に設定できるように構成される。なお、ミラー電磁石11、12はそれぞれ、必要な設定値を持つ複数の棒状永久磁石により構成されても良い。
【0026】
プラズマチャンバ10の側面には、導波路部を持つ接続部21aが設けられ、導波管13が接続されてプラズマチャンバ10内にその半径方向よりマイクロ波が導入される。導波管とプラズマチャンバとが接続される部分にはRF窓22aがはさみ込まれる。RF窓22aはマイクロ波を大気中からプラズマチャンバ10内に透過させるが、プラズマチャンバ10の真空は保持する。このプラズマチャンバ10側面のRF窓22aの位置は、磁場構造上、プラズマの照射を受けにくく、従来のイオン注入機用のECR型イオン源のようにプラズマチャンバ軸方向から導入する場合に比べて、汚れにくいという利点がある。RF窓22aは汚れると導電性になるので、マイクロ波が遮断され運転が続けられなくなる。
【0027】
このようなイオン源装置においては、ミラー電磁石11、12と多極永久磁石装置20によりプラズマチャンバ10内に高磁場を形成すると共に、この磁場に適量のイオン生成用のガスと、2.45(GHz)のマイクロ波を導入することにより、ECR加熱により電子が加熱され、プラズマが発生し、プラズマチャンバ10の軸方向にイオンビームを生成することができる。2.45(GHz)のマイクロ波に対し875ガウスの磁場があると、電子のECR加熱が起こる。
【0028】
ミラー電磁石12の端部には、イオン引出し用のケーシング40−1が設けられ、ケーシング40−1内には引出電極40−2とアノード電極40−3とが設けられている。
【0029】
上述した磁場のもう1つのはたらきは、プラズマを効果的に閉じ込めることで、その結果イオン化効率が高まり、またRF窓22aの汚染を減らすことにもなる。ミラー電磁石11と多極永久磁石装置20の方向へ広がろうとするプラズマはビームとしては引き出されず、損失となり、不経済なので、強く閉じ込めておく。具体的にはミラー電磁石11と多極永久磁石装置20の発生する磁場の最大値はプラズマチャンバ10内で、少なくとも875ガウス以上であることが必要であり、2キロガウス以上であることが望ましい。一方、ミラー電磁石12の磁場は弱くして、その方向にプラズマの逃げ道をつくっておく。プラズマ中のイオンはミラー電磁石12の方向からプラズマチャンバ10外へ取り出される。ミラー電磁石12の発生する磁場はプラズマチャンバ10内で、数100ガウス程度で良い。
【0030】
マイクロ波電力は少なめにし、プラズマ中の電子のエネルギーを低く抑える。ECR加熱により高エネルギーの電子が一部存在するが、高エネルギーの電子の比率が小さければ希釈されて、平均的には低いエネルギー電子が支配的になる。もし、1つの分子に多数回の電子衝突があっても、電子のエネルギーを低く抑えてあるので、同一の分子から2つ以上の電子がはぎとられる可能性が低く、結果として、分子イオンが単原子イオンに分解される可能性は低い。デカボラン分子をイオン化する場合、磁場が前記の値、プラズマチャンバ10の容積が500cc程度、プラズマチャンバ10内の真空度が1×10-4Torr以下(高真空側)なら、100(W)程度でよい。プラズマは閉じ込め磁場が効いているので、充分維持できる。
【0031】
多極永久磁石装置20は、図5、図6に詳しく示されるように、4極永久磁石23a〜23dとその外側に設けられた円筒状のヨーク24とを含む。特に、この例では、4極永久磁石23a〜23dのそれぞれを、台形の断面形状を有する2本の棒状磁石を、幅広の方の底面を外側に向けて組み合わせて構成し、更に4極永久磁石23a〜23dを基体枠26にリング状に組み合わせている。基体枠26は、非磁性材料、例えばアルミで作られる。なお、4極永久磁石23a〜23dの磁極の向きは、プラズマチャンバ10の中心軸方向に関して対向し合う磁極は同じ極とし、周方向に関して隣り合う磁極は互いに反対の極になるように配置される。
【0032】
多極永久磁石装置20は、上記の4極永久磁石23a〜23dに加えて更に、基体枠26の両端からそれぞれプラズマチャンバ10の中心軸方向に延びる複数の棒状磁石をリング状に組み合わせて成る2組の多極永久磁石25−1〜25−2を有する。多極永久磁石25−1について言えば、ここでは16本の棒状磁石を2本1組にして組み合わせて、8つの磁極25−1a〜25−1hを構成している。8つの磁極25−1a〜25−1hのうち、4極永久磁石23a〜23dに対応する磁極25−1a〜25−1dはそれぞれ、磁極の向きが4極永久磁石23a〜23dの磁極の向きと同じになるように配置される。また、磁極25−1a〜25−1dの間に配置されている磁極25−1f〜25−1hはそれぞれ、磁極が周方向であってしかも反対向きになるように配置される。同様に、多極永久磁石25−2においても、8つの磁極が構成されている。多極永久磁石25−1〜25−2の外側にはそれぞれ、非磁性材料による円筒状の枠体27−1、27−2が設けられる。
【0033】
なお、2組の多極永久磁石25−1、25−2は、ミラー電磁石11、12とプラズマチャンバ10との間に介在しており、ここにヨークがあるとミラー電磁石11、12によりプラズマチャンバ10内に発生される磁場が小さくなるので、4極永久磁石23a〜23dに組み合わされるようなヨーク24は設けない。いずれにしても、多極永久磁石装置20に用いられる永久磁石は、磁化方向が磁極面に垂直で、すべて同じ強さの残留磁気を持つものを使用する。
【0034】
なお、多極永久磁石25−1〜25−2は、不可欠ではなく削除されても良い。この場合、多極永久磁石25−1〜25−2を構成するために延長されている基体枠26の両端部(端部枠)は無くても良い。また、この両端部に対応する部分は、基体枠26とは別体で構成されても良い。更に、基体枠26の内側は円筒形状であるが、外側面については、4極永久磁石23a〜23d及び多極永久磁石25−1、25−2を接着し易くするために接着箇所を平坦にしている。このため、基体枠26の外側は多角形状である。
【0035】
なお、ヨーク24の側面には、周方向に間隔をおいて4つの長穴24a〜24dが設けられている。これは、図4で説明した導波管の接続を4箇所の任意の箇所で行えるようにするためである。基体枠26には長穴24aに対応する箇所にのみ長穴26aが設けられているが、導波管の接続箇所に応じて長穴24b〜24dに対応する箇所に長穴26aと同様の長穴が設けられる。このため、基体枠26における長穴24aに対応する箇所は勿論、長穴24b〜24dに対応する箇所も4極永久磁石23a〜23dの設置領域から外されている。そして、基体枠26において長穴が設けられる箇所は、多角形状の角部に対応する箇所であるが、長穴が設けられる場合には角部は研削される。
【0036】
勿論、基体枠26におけるヨーク24の4つの長穴24a〜24dに対応する箇所にあらかじめ長穴を設けておいても良い。この場合には、プラズマチャンバ10にも、基体枠26の長穴に対応する箇所に長穴が設けられるが、プラズマチャンバ10内の真空度を維持するために導波管13が接続されない長穴は蓋板のようなもので塞ぐ必要がある。
【0037】
図3に戻って、プラズマチャンバ10の左端には、ガスの導入管29が接続されている。プラズマチャンバ10の右端は開放されてイオンビームの引き出し口とされ、プラズマチャンバ10の開口にはイオンビームを照射部に導くためのガイド管(図示せず)が接続される。
【0038】
本発明によるイオン源装置は、壊れやすいデカボラン(B10H14)分子が壊れずにイオン化され、しかも大電流ビームを引き出すことができる。
【0039】
イオン源ガスは、ガス状態で供給される。常温で固体の物質は、イオン源外部の固体装填用真空槽31に詰め、固体装填用真空槽31を恒温槽32中で加熱することにより、目的の固体を加熱、ガス化しイオン源内に供給する。
【0040】
プラズマチャンバ10の外側に、ミラー磁場を作るために間隔をおいて配置された一対のミラー電磁石11、12と、プラズマチャンバ10の外側であってミラー電磁石11、12の間に設けられた多極永久磁石装置20とを備えている。ミラー電磁石11と多極永久磁石装置20の磁場は強い磁場構造に構成し、ミラー電磁石12の磁場は弱い磁場構造に構成したので、プラズマはプラズマチャンバ中心からミラー電磁石12の方向に誘導され、その他の方向には磁場が強いので効率的に閉じ込めることができる。具体的には、閉じ込めを強くするために、ミラー電磁石11と多極永久磁石装置20の磁場の最大値はプラズマチャンバ10内で、できれば2キロガウス程度以上であることが望ましい。ミラー電磁石12は数100ガウス程度あることが望ましい。
【0041】
ビームはミラー電磁石12の芯の部分にあるアノードのスリットよりプラズマチャンバ10外へ引き出される。アノードは薄い円盤状で、円面内に貫通孔をもつ。プラズマチャンバ外にアノードと向き合って引き出し電極があり、ほぼアノードと同形の貫通孔をもつ。アノードが引き出し電圧に対しプラスになるような電圧がかかると、プラズマチャンバから漏れ出たイオンが2つの貫通孔を通って引き出される。
【0042】
上記の説明はデカボランの場合であるが、他の多原子分子にも適用できることは明白である。
【0043】
以上のようなイオン源装置によれば、一対のミラー電磁石11、12との組合せによりプラズマチャンバ10内に閉じ込め磁場が形成される。
【0044】
この閉じ込め磁場においては、従来のマイクロ波型イオン源装置に比べれば、プラズマチャンバ10内で発生しているプラズマの電子がプラズマチャンバ10の半径方向へ散逸することが抑制され、電子の閉じ込め時間が延長されてECR加熱作用により電子の加熱が促進されることにより、プラズマを生成し易くなる。特にプラズマチャンバ10内の真空度が高い場合でも、プラズマを持続させることができる。そして、このようなイオンがプラズマチャンバ10の半径方向へ漏れることが効率良く抑制されてプラズマチャンバ10の内壁やRF窓への付着が抑制される。これは、RF窓22aへイオンが付着することにより導電性を持ってマイクロ波の透過効率が低下することを抑制できることを意味する。
【0045】
このように、イオンの閉じ込め効率が良くなると、プラズマチャンバ10内に導入するガスの量を減らすことができ、プラズマチャンバ10内の汚染の度合いを少なくすることができる。また、導入ガスが腐食性のガスであってもそのイオンがプラズマチャンバ10の内壁に付着して内壁が腐食されることを抑制できる。これは、イオン源装置としての寿命が長くなることを意味する。
【0046】
加えて、マイクロ波が導入される領域の多極永久磁石を4極永久磁石23a〜23dとすることにより、一対のミラー電磁石11、12とによる磁場との相互作用によってプラズマチャンバ10の中心軸に直角に交差する細長い断面形状のイオンビームを生成することができる。このイオンビームの断面形状は、マイクロ波が導入される領域における多極永久磁石の極数に応じて変化することが知られている。因みに、6極の場合、断面形状は略三角形であり、8極の場合は、略正方形である。なお、プラズマチャンバ10内に構成される多極の最大磁場強度は、2キロガウス以上の磁場であることが好ましい。
【0047】
図7を参照して、一対のミラー電磁石11、12とヨーク24の関係について説明する。ミラー電磁石11、12と組み合わせる多極永久磁石は、ヨーク24の内側になければプラズマチャンバ10内に磁場をつくれないので、棒状磁石を用いて4極永久磁石23a〜23dを構成することでヨーク24とプラズマチャンバ10との間の薄い空間を利用して収容することができるようにしている。図7(b)は、4極永久磁石を用いたものの磁場例の図を示している。
【0048】
次に、図8を参照して、4極永久磁石の磁場によるイオン閉じ込め作用の原理について説明する。図8においては、4極永久磁石間の磁力線を1本ずつ象徴的に示している。また、破線は磁場の絶対値|B|の等磁場強度域を示しており、中心に近くなるほど磁場の強度は円に近くなって等方的になるが、磁極に近付くにつれていびつになり等方的でなくなる。このような磁場内に存在する荷電粒子は、磁力線を中心に螺旋を描くように運動しながら磁極側へ移動しようとする。言い換えれば、荷電粒子はその回転中心が磁場強度の強くなる方へ移動しようとする。このような荷電粒子はまた、磁極に近付いて磁場強度が大きくなるにつれて反対方向へ動くようなはね返り作用を受ける。このはね返りの度合いは、初期の運動方向により決まり、磁場の強度比(図7(b)を引用して言えば、曲線の谷間の最低値とピーク値との比)が大きいほどはね返りやすい。このような原理で、イオンの滞留時間が長くなるイオン閉じ込め作用が生ずる。一方、RF窓22aは、磁力線と平行になるような位置にあり、イオンは磁力線に直角な方向へは移動しにくいので、これがRF窓22aへのイオンの付着が生じにくい一因ともなっている。
【0049】
ところで、マイクロ波の周波数を2.45(GHz)とするのは、この周波数の発生装置が家庭用の電気製品、例えば電子レンジにおいて使用され、最も安価で提供されているからであり、この点を考慮しなくても良いのであれば、別の周波数でも良い。
【0050】
以上、本発明を4極永久磁石の場合について説明したが、磁極数は4極に限らないことは言うまでも無い。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
【0052】
効率的な閉じ込め磁場中で電子エネルギーの小さいプラズマを発生させるため、比較的大電流のデカボランイオンを選択的に生成できる。
【0053】
マイクロ波はプラズマチャンバの半径方向から導入されるので、RF窓の汚れる速度が低下し、イオン源の保守周期が長くなる。
【0054】
デカボランを装填する真空槽は恒温槽内の液体を介して熱せられ、ヒータで直に熱する場合よりも、安定した温度制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による分子イオンエンハンストイオン源装置の実施の形態を示す図である。
【図2】本発明が適用されるイオン注入装置の構成を示した図である。
【図3】本発明による分子イオンエンハンストイオン源装置のうちのイオン源装置を示す縦断面図である。
【図4】図3の線A−A´による断面図である。
【図5】図3に示された多極永久磁石装置を示した図で、図(a)は一部断面側面図、図(b)は図(a)の線B−B´による断面図、図(c)は図(a)の線C−C´による断面図である。
【図6】図5に示されたヨークと基体枠及び枠の側面図及び断面図である。
【図7】図3に示されたミラー電磁石とヨークについて説明するための図であり、図(a)は縦断面図、図(b)は4極永久磁石を用いた場合の磁場例を示した図である。
【図8】図4に示された4極永久磁石の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
1 イオン源装置
10 プラズマチャンバ
11、12 ミラー電磁石
13 導波管
20 多極永久磁石装置
21a 接続部
22a RF窓
23a〜23d 4極永久磁石
24 ヨーク
25−1、25−2 多極永久磁石
26 基体枠
27−1、27−2 枠体
29 ガスの導入管
41 加速区間
42 引き出しチャンバ
43 質量分離器
44 質量分離スリット
45 ビーム制御可変幅スリット
46 イオン注入室
47 ウェハ
48 回転円板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion source apparatus suitable for generating monovalent ions of polyatomic molecules and ion implantation thereof.
[0002]
[Prior art]
In a conventional ion source for ion implantation (typically, a PIG type or the like), electrons having a relatively high energy are collided in order to strip electrons from molecules. The energy of the electrons is not small compared to the binding energy of the molecule, and since it is confined to some extent, the same molecule will collide multiple times and the gas molecule will be decomposed into small molecules or single atoms. Probability is high. In the case of ionization of these molecules, the amount of extracted beam current is large, but the required monovalent polyatomic molecular ion component is very small.
[0003]
A conventional ion source for generating clusters is ionized by irradiating gasified polyatomic molecules (clusters) with electrons having relatively high energy. However, since there is no plasma confinement mechanism, the collision frequency between particles is low, and many molecules are not subjected to collision and are not ionized, or even if ionized, they are not subjected to further collision. Therefore, it is easy to keep the shape of the original molecule, and the necessary molecular ions occupy most of the ions. However, the amount of beam current obtained is extremely weak (nA order).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional ECR ion source has a very high electron temperature in the plasma due to efficient electron heating, and a very high plasma density due to a strong magnetic field. For this reason, it is mainly used for the production of multivalent ions, and there is no example mainly for the production of molecular ions.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a molecular ion enhanced ion source apparatus capable of generating large current ions.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the cylindrical base frame is arranged and configured on the outer peripheral portion of the cylindrical plasma chamber, and is fixedly arranged on the outer peripheral surface of the cylindrical base frame in a direction parallel to the central axis of the base frame. A multipole permanent magnet device comprising a plurality of rod-like permanent magnets and a cylindrical yoke is provided to form a multipole magnetic field, and is at both ends of the multipole permanent magnet device and parallel to the central axis of the base frame. such directions provided end frame on both ends of, Configure the pair of mirror field by disposing the mirror magnet by the mirror coil or a plurality of rod-shaped permanent magnet on the outer peripheral side of the end portion frame, the pair A confinement magnetic field is formed in the plasma chamber inside the substrate frame by a mirror magnetic field and the multipole magnetic field, and an ion generating gas and microwave are introduced into the plasma chamber in the magnetic field. Plasma Chan A plasma with an elongated cross-sectional shape that intersects the central axis of the plasma chamber at right angles is generated by a confinement magnetic field in a direction that coincides with the central axis direction of the plasma chamber, and an ion beam is extracted by an extraction electrode provided on one end side of the plasma chamber The confinement magnetic field in the plasma chamber is configured so that the central axis of the mirror magnet coincides with the central axis of the multipolar permanent magnet device, and the direction of the pair of mirror magnetic fields generated by the mirror magnet is the central axis At least one connection to the side periphery of the triple structure of the plasma chamber, the substrate frame and the multipolar permanent magnet device for connection with the microwave introduction waveguide And connecting the waveguide, the connecting portion being positioned between the rod-shaped permanent magnets of the multipolar permanent magnet device, and the plasma chamber and the front As parallel long hole shape in the direction of the center axis of the base frame, the plasma from the radial direction of the connecting portion of the chamber so as to introduce the microwave, a vacuum vessel loaded with the ion source gas material in the solid state, a temperature controlled A molecule characterized in that plasma generation by ECR is performed by providing a supply port on one end on the central axis of the plasma chamber by indirectly heating the ion source gas substance by immersing it in a liquid and supplying it by gasification. An ion enhanced ion source device is provided.
[0008]
One end side or both end sides of the lead electrode side of the multipolar permanent magnet arrangement, arranged multipolar permanent magnet arrangement of the end portion between the inner circumferential side of the mirror magnets and the outer peripheral side of the end frame You may make it do.
[0009]
The end frame may be provided integrally with the base frame.
[0010]
Of the pair of mirror magnetic fields, the mirror magnet on the side opposite to the extraction electrode and the multipolar permanent magnet device each generate a confined magnetic field having a maximum magnetic flux density of 2 kilogauss or more.
[0011]
With the multipole permanent magnet device on the end side , the confined magnetic field in the plasma chamber can be configured so that the maximum magnetic flux density in the plasma chamber is 2 kilogauss or more.
[0012]
The microwave is preferably 2.45 (GHz).
[0014]
The microwave power is preferably 100 (W) at the maximum.
[0017]
Solid decaborane can be used as the ion source gas material.
[0018]
[Action]
According to the above configuration, polyatomic molecular ions can be efficiently generated. For ion implantation, when it is desired to implant a very shallow necessary atom, for example, low-energy boron (B), into a Si substrate, a molecular ion having a high current of 5 (keV) or less, such as decaborane (B 10 H 14 ). Ions etc. can be generated. For example, roughly one B 10 H 14 + ion at 5 (keV) corresponds to 10 B + ions at 500 (eV). B 10 H 14 + ions are extracted at 5 (keV), whereas B + ions are 500 (eV), so it is easy to extract, and since the charge is as low as 1/10 for one B atom, the repulsive force is small, so the wafer It will be easy to transport to.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a molecular ion enhanced ion source apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the entire apparatus. In this embodiment, the ion generating gas is supplied to the ion source device 1 by immersing the solid loading vacuum chamber 31 loaded with the ion source gas material in a solid state in a temperature-controlled liquid in the thermostatic chamber 32. Thus, the ion source gas substance is indirectly heated and gasified. In the thermostat 32, the liquid is circulated by the pump 33, and the liquid is heated by the heater 35 provided in the insulating tube 34 for circulation. A gas for generating ions is introduced into the
[0020]
In this embodiment, a polyatomic
[0021]
The polyatomic gas for generating ions is introduced into the
[0022]
A microwave from a
[0023]
Although FIG. 1 shows an example in which the thermostatic chamber 32 is disposed in the high voltage section and the pump 33, the heater 35, etc. are disposed on the ground, the entire apparatus may be floated at a high pressure or may be grounded.
[0024]
FIG. 2 shows a schematic configuration of an ion implantation apparatus to which the present ion source apparatus is applied. Ions from the ion source device are introduced into the
[0025]
Referring to FIGS. 3 and 4, this ion source device includes a pair of
[0026]
A
[0027]
In such an ion source device, a high magnetic field is formed in the
[0028]
An ion extraction casing 40-1 is provided at the end of the
[0029]
Another function of the magnetic field described above is to effectively confine the plasma, resulting in increased ionization efficiency and reduced contamination of the
[0030]
Microwave power is reduced and the energy of electrons in the plasma is kept low. Although some of the high energy electrons are present due to ECR heating, if the ratio of the high energy electrons is small, the electrons are diluted, and on the average, the low energy electrons are dominant. Even if there are many electron collisions in one molecule, the energy of the electrons is kept low, so it is unlikely that two or more electrons will be separated from the same molecule, and as a result, a single molecular ion is generated. It is unlikely to be broken down into atomic ions. When ionizing decaborane molecules, if the magnetic field is the above value, the volume of the
[0031]
As shown in detail in FIGS. 5 and 6, the multipole
[0032]
The multipolar
[0033]
Two sets of multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2 are interposed between the
[0034]
The multipolar permanent magnets 25-1 to 25-2 are not indispensable and may be deleted. In this case, both ends (end frames) of the
[0035]
Note that four long holes 24 a to 24 d are provided on the side surface of the
[0036]
Of course, long holes may be provided in advance in locations corresponding to the four long holes 24 a to 24 d of the
[0037]
Returning to FIG. 3, a
[0038]
In the ion source apparatus according to the present invention, fragile decaborane (B 10 H 14 ) molecules are ionized without breaking, and a high current beam can be extracted.
[0039]
The ion source gas is supplied in a gas state. A substance that is solid at room temperature is packed in a solid loading vacuum chamber 31 outside the ion source, and the solid loading vacuum chamber 31 is heated in a thermostatic chamber 32 to heat and gasify the target solid and supply it to the ion source. .
[0040]
A pair of
[0041]
The beam is drawn out of the
[0042]
Although the above description is for decaborane, it is clear that it can be applied to other polyatomic molecules.
[0043]
According to the ion source device as described above, a confined magnetic field is formed in the
[0044]
In this confinement magnetic field, as compared with the conventional microwave ion source device, the plasma electrons generated in the
[0045]
Thus, when the ion confinement efficiency is improved, the amount of gas introduced into the
[0046]
In addition, by setting the multipolar permanent magnets in the region where the microwave is introduced to the quadrupole
[0047]
The relationship between the pair of
[0048]
Next, the principle of ion confinement action by a magnetic field of a quadrupole permanent magnet will be described with reference to FIG. In FIG. 8, the magnetic field lines between the quadrupole permanent magnets are symbolically shown one by one. Also, the broken line indicates the isomagnetic field strength range of the absolute value | B | of the magnetic field. The closer to the center, the closer the magnetic field strength is to an isotropic shape, but the more the magnetic field becomes isotropic, the closer it is to the magnetic pole. It ’s not right. The charged particles existing in such a magnetic field try to move to the magnetic pole side while moving in a spiral around the magnetic field lines. In other words, the charged particles tend to move toward the direction where the center of rotation becomes stronger. Such charged particles are also subject to a rebound action that moves in the opposite direction as the magnetic field strength increases as it approaches the magnetic pole. The degree of the rebound is determined by the initial motion direction, and the rebound is more easily as the strength ratio of the magnetic field (the ratio between the minimum value of the valley of the curve and the peak value in the case of quoting FIG. 7B) is larger. By such a principle, an ion confinement action in which the residence time of ions becomes long occurs. On the other hand, the
[0049]
By the way, the reason why the frequency of the microwave is set to 2.45 (GHz) is that this frequency generator is used in household electric appliances such as a microwave oven and is provided at the lowest price. If it is not necessary to consider this, another frequency may be used.
[0050]
The present invention has been described with respect to the case of a four-pole permanent magnet, but it goes without saying that the number of magnetic poles is not limited to four.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, the following effects can be obtained.
[0052]
Since a plasma with low electron energy is generated in an efficient confined magnetic field, relatively high current decaborane ions can be selectively generated.
[0053]
Since microwaves are introduced from the radial direction of the plasma chamber, the rate at which the RF window becomes dirty decreases, and the maintenance period of the ion source becomes longer.
[0054]
The vacuum chamber in which decaborane is loaded is heated through the liquid in the thermostatic chamber, and stable temperature control is possible as compared with the case where it is directly heated by the heater.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a molecular ion enhanced ion source device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an ion implantation apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an ion source device of the molecular ion enhanced ion source device according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
5 is a diagram showing the multipolar permanent magnet device shown in FIG. 3, in which FIG. (A) is a partially sectional side view, and (b) is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. FIG. 7C is a sectional view taken along line CC ′ of FIG.
6 is a side view and a cross-sectional view of the yoke, the base frame and the frame shown in FIG. 5. FIG.
7 is a diagram for explaining the mirror electromagnet and the yoke shown in FIG. 3. FIG. 7 (a) is a longitudinal sectional view, and FIG. 7 (b) shows an example of a magnetic field when a quadrupole permanent magnet is used. It is a figure.
8 is a diagram for explaining the operation of the quadrupole permanent magnet shown in FIG. 4; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記多極永久磁石装置の両端側であって前記基体枠の中心軸と平行な方向の両端側にそれぞれ端部枠を設け、
該端部枠の外周側にミラーコイルまたは複数の棒状永久磁石によるミラー磁石を配設することにより一対のミラー磁場を構成し、
該一対のミラー磁場と前記多重極磁場とにより、前記基体枠の内部の前記プラズマチャンバ内に閉じ込め磁場を形成すると共に、該磁場内となるプラズマチャンバ内にイオン生成用のガスとマイクロ波を導入し、
前記プラズマチャンバの中心軸方向に一致する方向の閉じ込め磁場により、前記プラズマチャンバの中心軸に直角に交差する細長い断面形状のプラズマを生成して、イオンビームを前記プラズマチャンバの一端側に設けた引き出し電極により引き出すように構成し、
前記プラズマチャンバ内の閉じ込め磁場は、前記ミラー磁石の中心軸を前記多極永久磁石装置の中心軸と一致させ、かつ該ミラー磁石の発生する一対のミラー磁場の向きが中心軸上で一致するようにし、
前記マイクロ波導入用の導波管との接続のために、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記多極永久磁石装置の三重構成体の側面周部に少なくとも1つの接続部を設けて導波管を接続し、該接続部は前記多極永久磁石装置の棒状永久磁石間に位置させると共に、前記プラズマチャンバ及び前記基体枠の中心軸方向に平行な長穴形状として、前記プラズマチャンバの半径方向の接続部からマイクロ波を導入するようにし、
固体状態でイオン源ガス物質を装填した真空容器を、温度制御された液体に浸すことによって前記イオン源ガス物質を間接加熱し、ガス化して供給する供給口を前記プラズマチャンバの中心軸上の一端側に設けることにより、ECRによるプラズマ生成を行なうことを特徴とする分子イオンエンハンストイオン源装置。A plurality of rod-like permanent magnets having a cylindrical base frame arranged on the outer periphery of a cylindrical plasma chamber and fixedly arranged on the outer peripheral surface of the cylindrical base frame in a direction parallel to the central axis of the base frame And a multipole permanent magnet device with a cylindrical yoke to form a multipole magnetic field,
End frames are provided on both ends of the multipolar permanent magnet device and on both ends in a direction parallel to the central axis of the base frame,
Configure the pair of mirror field by disposing the mirror magnet by the mirror coil or a plurality of rod-shaped permanent magnet on the outer peripheral side of the end part frame,
The pair of mirror magnetic fields and the multipole magnetic field form a confined magnetic field in the plasma chamber inside the substrate frame, and introduce an ion generating gas and microwave into the plasma chamber that is in the magnetic field. And
A confined magnetic field in a direction coinciding with the central axis direction of the plasma chamber generates a plasma having an elongated cross-sectional shape that intersects the central axis of the plasma chamber at a right angle, and an ion beam is provided on one end side of the plasma chamber. It is configured to be pulled out by electrodes,
The confinement magnetic field in the plasma chamber is such that the central axis of the mirror magnet coincides with the central axis of the multipolar permanent magnet device, and the directions of the pair of mirror magnetic fields generated by the mirror magnet coincide on the central axis. West,
For connection with the waveguide for introducing microwaves, the plasma chamber, the base frame, and at least one connection portion is provided on a side peripheral portion of the triple structure of the multipolar permanent magnet device. The connecting portion is positioned between the rod-like permanent magnets of the multipolar permanent magnet device, and is formed into a long hole shape parallel to the central axis direction of the plasma chamber and the base frame in the radial direction of the plasma chamber. So that microwaves can be introduced through the connection,
A supply port for indirect heating of the ion source gas substance by immersing a vacuum container loaded with the ion source gas substance in a solid state in a temperature-controlled liquid, and supplying the gas source by gasification is provided at one end on the central axis of the plasma chamber. A molecular ion enhanced ion source apparatus that performs plasma generation by ECR by being provided on the side.
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