JP4336228B2

JP4336228B2 - Ion source

Info

Publication number: JP4336228B2
Application number: JP2004070494A
Authority: JP
Inventors: 辻　　康之
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005259571A

Description

本発明は、イオンビームを生成するイオン源であって、ＬＳＩ（大規模集積回路）や平面型表示装置（フラットパネルディスプレイ）等に設けられる半導体の作製に用いるイオン注入装置等に用いるイオン源に関する。 The present invention relates to an ion source for generating an ion beam, and relates to an ion source used for an ion implantation apparatus used for manufacturing a semiconductor provided in an LSI (Large Scale Integrated Circuit), a flat display device (flat panel display), or the like. .

半導体を用いたＬＳＩや平面型表示装置(フラットパネルディスプレイ，ＦＤＰ)の作製工程で行われるプロセス処理において、不純物、例えば、ホウ素、燐、砒素等をイオン化し、電場を用いて加速してイオンビーム(プラズマビーム)を生成し、このプラズマビームをシリコン結晶中に照射することで、イオンを注入するイオン注入処理が行われる。このイオン注入処理には、イオンビームを生成するイオン源を備えたイオン注入装置が用いられる。 Impurities such as boron, phosphorus, arsenic, etc. are ionized and accelerated using an electric field in an ion beam in a process performed in a manufacturing process of an LSI using a semiconductor or a flat panel display (FDP). (Plasma beam) is generated, and this plasma beam is irradiated into the silicon crystal to perform ion implantation processing for implanting ions. In this ion implantation process, an ion implantation apparatus including an ion source that generates an ion beam is used.

イオン源は、例えば不純物となる原料ガスを導入したチャンバ内に抵抗導体線が１〜数回螺旋状に巻かれて折り返されたフィラメントが設けられている。このフィラメントに、上記チャンバと電気絶縁した状態で、１０〜１００Ｖの電圧を印加して加熱することによりチャンバ内に熱電子を供給するとともに、チャンバとフィラメント間に電圧を印加してグロー放電、さらにはアーク放電を生じさせてプラズマを生成する。この生成されたプラズマからイオンを取り出してイオンビームを生成する。このようにアーク放電を維持しつつイオンビームを生成するイオン源はバーナス源と呼ばれ広く知られている。 In the ion source, for example, a filament in which a resistance conductor wire is spirally wound one to several times in a chamber into which a source gas as an impurity is introduced is provided. A thermal electron is supplied to the filament by applying a voltage of 10 to 100 V and heating the filament while being electrically insulated from the chamber, and a glow discharge is applied by applying a voltage between the chamber and the filament. Causes arc discharge to generate plasma. Ions are extracted from the generated plasma to generate an ion beam. Such an ion source that generates an ion beam while maintaining an arc discharge is called a burner source and is widely known.

ところで、上記イオン源では、フィラメントとチャンバ間に電圧をかけて発生するアーク放電が、このアーク放電によって形成される堆積物の影響を受けて安定的に発生しない場合がある。例えば、チャンバ内のフィラメントを固定、支持するとともに、チャンバと電気絶縁するために設けられた絶縁部材が、アーク放電によって生成された堆積物の影響を受けて安定的に絶縁機能を発揮しない場合がある。 By the way, in the ion source, the arc discharge generated by applying a voltage between the filament and the chamber may not be stably generated under the influence of the deposit formed by the arc discharge. For example, the insulating member provided to fix and support the filament in the chamber and to electrically insulate the filament from the chamber may not exhibit the insulating function stably under the influence of deposits generated by arc discharge. is there.

このため、下記特許文献１では、イオン源のプラズマ生成容器（チャンバ）内に設けられた対向反射電極および背後反射電極とプラズマ生成容器の内壁面との間の空間を、この部分の内壁に溝を設けることにより、迷路構造とした構成のイオン源を提案している。これによって、アーク放電によって上記絶縁部材に堆積する堆積物の量を減らして、イオン源の運転可能時間を長くすることができるとされている。
下記特許文献２では、上記絶縁部材の表面に格子状の溝を形成したイオン源が提案されている。これによって、絶縁部材に堆積する堆積物の剥離を抑制し、イオン源の運転可能時間を長くすることができるとされている。 For this reason, in Patent Document 1 below, a space between the counter-reflection electrode and the back-reflection electrode provided in the plasma generation container (chamber) of the ion source and the inner wall surface of the plasma generation container is grooved in the inner wall of this portion. To provide an ion source having a labyrinth structure. Accordingly, it is said that the amount of deposits deposited on the insulating member by arc discharge can be reduced, and the operable time of the ion source can be extended.
Patent Document 2 below proposes an ion source in which lattice-like grooves are formed on the surface of the insulating member. Thereby, it is said that peeling of the deposits deposited on the insulating member can be suppressed and the operation time of the ion source can be extended.

下記特許文献３では、上記絶縁部材に堆積物が堆積しないように、ガスを導入する導入口を絶縁部材の近傍に設けることを提案している。
下記特許文献４では、フィラメントが絶縁部材を介することなくチャンバに非接触で設けられるイオン注入装置を提案している。これによって、チャンバ内に堆積物が付着して、チャンバとフィラメント間の電気絶縁性が阻害されることが解消できるとしている。 Patent Document 3 below proposes to provide an inlet for introducing a gas in the vicinity of the insulating member so that deposits do not accumulate on the insulating member.
Patent Document 4 below proposes an ion implantation apparatus in which a filament is provided in a non-contact manner in a chamber without using an insulating member. As a result, it can be solved that deposits adhere to the chamber and the electrical insulation between the chamber and the filament is hindered.

これらの特許文献の開示は、アーク放電によって上記絶縁部材に堆積する堆積物の影響を受けてフィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が損なわれることがないように工夫したものである。
しかし、このような技術をもってしても、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が必ずしも十分に確保できず、アーク放電が不安定となるといった問題が依然としてあった。 The disclosures of these patent documents are devised so that the electrical insulation between the filament and the chamber is not impaired under the influence of deposits deposited on the insulating member by arc discharge.
However, even with such a technique, the electrical insulation between the filament and the chamber cannot always be sufficiently ensured, and the arc discharge becomes unstable.

特開２００３―２４９１７７号公報JP 2003-249177 A 特開平１１―３３９６７４号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-339664 特開２０００―２２３０３９号公報JP 2000-223039 A 特開２０００―２０８０９１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-208091

そこで、本発明は、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性を十分に確保することができ、アーク放電を安定して発生させることのできるイオン源を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ion source that can sufficiently ensure electrical insulation between a filament and a chamber and can stably generate arc discharge.

本願発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、上述したアーク放電の際に発生するフィラメントのスパッタリングにより、フィラメントの材料成分が飛散してフィラメント近傍のチャンバの内壁面に堆積することに注目するとともに、この堆積物がアーク放電の際に部分的に剥離することでチャンバとフィラメントとが容易に短絡し易くなることに注目した。一方、イオン源のチャンバ壁面には、アーク放電により生成されたプラズマからイオンを取り出してイオンビームとするためのイオンビーム取出口が設けられている。アーク放電を行うフィラメントは、イオンビーム取出口に近づける程フィラメントのスパッタによる消耗が少ないことがわかっており、これよりフィラメントはチャンバの内壁面近傍に設けることが行われている。このため、チャンバ壁面の堆積物が部分的にめくれ上がると、容易にフィラメントと接触し、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が確保されない。本願発明はこのような知見に基づいて成されたものである。 As a result of intensive investigations to solve the above problems, the inventor of the present application has found that the filament material components are scattered and deposited on the inner wall surface of the chamber in the vicinity of the filament due to the sputtering of the filament generated during the arc discharge described above. In addition, attention was paid to the fact that this deposit is partially peeled during arc discharge, so that the chamber and the filament are easily short-circuited. On the other hand, on the chamber wall surface of the ion source, an ion beam outlet is provided for extracting ions from plasma generated by arc discharge to form an ion beam. It has been found that the filament that performs arc discharge is less consumed by sputtering of the filament as it is closer to the ion beam outlet, so that the filament is provided near the inner wall surface of the chamber. For this reason, when the deposit on the wall surface of the chamber is partially turned up, it easily comes into contact with the filament, and electrical insulation between the filament and the chamber cannot be ensured. The present invention has been made based on such knowledge.

すなわち、本発明は、ガスを供給して電圧を印加することによりイオビームを生成するイオン源であって、ガスが供給されてプラズマを生成する、少なくとも一部に導体面を有する内部空間を備えたチャンバと、前記チャンバと電気絶縁され、前記内部空間のチャンバ内壁面から突出し、前記内部空間に熱電子を供給する熱電子供給源と、前記チャンバと前記熱電子供給源との間に電圧を印加することにより前記内部空間に生成されるプラズマからイオンビームを取り出す、前記チャンバに設けられたイオンビーム取出口と、を有し、前記チャンバ内壁面の熱電子供給源近傍領域に、前記熱電子供給源の周りを取り巻いて凹凸面が形成されていることを特徴とするイオン源を提供する。
前記チャンバ内壁面の熱電子供給源近傍領域とは、前記熱電子供給源の熱電子を供給する作用部分を前記突出方向と直交する方向に向けて前記チャンバ内壁面に射影した時のこの射影が位置するチャンバ内壁面の前記突出方向に沿った範囲をいう。 That is, the present invention is an ion source that generates an ion beam by supplying a gas and applying a voltage, and includes an internal space having at least a part of a conductor surface that is supplied with a gas and generates plasma. A voltage is applied between the chamber, the thermoelectron supply source that is electrically insulated from the chamber, protrudes from the inner wall surface of the internal space, and supplies thermoelectrons to the internal space. An ion beam outlet provided in the chamber for extracting an ion beam from plasma generated in the internal space, and supplying the thermoelectrons to a region near the thermoelectron supply source on the inner wall surface of the chamber Provided is an ion source characterized in that an uneven surface is formed around the source.
The region near the thermoelectron supply source on the inner wall surface of the chamber is the projection when the working portion of the thermoelectron supply source for supplying thermoelectrons is projected onto the inner wall surface of the chamber in a direction perpendicular to the projecting direction. The range along the said protrusion direction of the chamber inner wall surface located is said.

ここで、前記熱電子供給源の突出方向を基準方向としたとき、突出先端からみて、前記基準方向に対して４５度〜１３５度の傾斜角度の範囲に位置する領域に前記凹凸面が形成されているのが好ましい。
前記チャンバの内部空間には、例えば反射電極板が設けられ、前記熱電子供給源は前記反射電極板の方向に対向するように突出している。
また、前記凹凸面は、例えば直線状の複数の切欠き溝が格子状に形成された面である。
あるいは、前記凹凸面は、前記チャンバの外側に向けて窪んだ凹部が複数形成された面である。その際、前記凹部は、この凹部の深さ方向に向かって凹部断面が広がった袋形状を成しているものであってもよい。
あるいは、前記凹凸面は、例えば粗面化処理が施されて形成された面である。 Here, when the protruding direction of the thermoelectron supply source is a reference direction, the uneven surface is formed in a region located in a range of an inclination angle of 45 degrees to 135 degrees with respect to the reference direction when viewed from the protruding tip. It is preferable.
In the internal space of the chamber, for example, a reflective electrode plate is provided, and the thermoelectron supply source protrudes so as to face the reflective electrode plate.
In addition, the uneven surface is a surface in which, for example, a plurality of linear notch grooves are formed in a lattice shape.
Alternatively, the uneven surface is a surface on which a plurality of recessed portions that are recessed toward the outside of the chamber are formed. In that case, the said recessed part may comprise the bag shape which the recessed part cross-section expanded toward the depth direction of this recessed part.
Alternatively, the uneven surface is a surface formed by, for example, roughening treatment.

本発明のイオン源のチャンバの内壁面には、チャンバ内壁面の熱電子供給源近傍領域に、熱電子供給源の周りを取り巻いて凹凸面が形成されている。このため、熱電子供給源近傍のチャンバ内壁面に導電性を有する膜（堆積物）が形成されても、前記凹凸面の形状効果により剥離が困難となる。たとえ部分的に剥離しても、凹凸面に堆積する膜状の堆積物は、凹凸面に応じて厚さが変化しているので、堆積物の内部応力の集中する部分が厚さに応じて存在し、この部分で堆積物が折れ曲がり易くなる。このため、剥離した堆積物は小片に分割され易い。また、堆積物が部分的に剥離してチャンバの内壁面から突出しても、突出した部分は堆積物の厚さの変化によって部分的に折れ曲がり、さらに場合によっては破断されるので、堆積物が浮き上がって熱電子供給源に接触することは少ない。このため、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が阻害されてアーク放電が不安定化することが少なくなる。
また、堆積物はチャンバ内壁面の形状を反映して形成される。チャンバ内壁面が平面であれば、堆積物も平坦な形状を成し、この堆積物が容易に捲れ上がることでフィラメントとチャンバ間を短絡する。これに対し、チャンバ内壁面が凹面（凹部）を成すことで、堆積物は傘用の形状を成す。このため、上記平坦な場合と異なり堆積物が容易に捲れ上がることはない。この結果、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性を保持することで、イオン源のアーク放電の安定化、さらにはイオン源の安定運用が可能となる。 On the inner wall surface of the chamber of the ion source of the present invention, an uneven surface is formed around the thermoelectron supply source in the vicinity of the thermoelectron supply source on the inner wall surface of the chamber. For this reason, even if a conductive film (deposit) is formed on the inner wall surface of the chamber in the vicinity of the thermoelectron supply source, peeling becomes difficult due to the shape effect of the uneven surface. Even if partly peeled off, the thickness of the film-like deposit deposited on the uneven surface varies depending on the uneven surface, so the portion where the internal stress of the deposit is concentrated depends on the thickness. It exists and it becomes easy for a deposit to bend in this part. For this reason, the peeled deposit is easily divided into small pieces. In addition, even if the deposit partially peels and protrudes from the inner wall surface of the chamber, the protruding portion is partially bent due to a change in the thickness of the deposit, and in some cases is broken, the deposit is lifted up. Therefore, there is little contact with the thermionic source. For this reason, the electrical insulation between the filament and the chamber is hindered, and arc discharge is less likely to become unstable.
The deposit is formed reflecting the shape of the inner wall surface of the chamber. If the inner wall surface of the chamber is flat, the deposit also has a flat shape, and the deposit is easily swollen so that the filament and the chamber are short-circuited. In contrast, the inner wall surface of the chamber forms a concave surface (concave portion), so that the deposit forms an umbrella shape. For this reason, unlike the above-mentioned flat case, the deposits are not easily swollen. As a result, by maintaining the electrical insulation between the filament and the chamber, it is possible to stabilize the arc discharge of the ion source and further to stably operate the ion source.

以下、本発明のイオン源について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図１は、本発明のイオン源の一形態の構成を示す断面図である。
イオン源１０は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンを取り出すことによりイオビームを生成するバーナス源である。イオン源１０は、図１に示す様に、チャンバ１２、フィラメント１４、反射電極板（リペラープレート）１６、背面電極板１８、絶縁部材２０、原料ガス供給口２２、イオンビーム取出口２４、および所定の電圧を印加する引出電源２６、アーク電源２８、フィラメント電源３０、原料ガス調整バルブ３２を主に有して構成される。チャンバ１２は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、チャンバ１２内で１０^−２〜１０^−３（Ｐａ）に減圧された状態となっている。 Hereinafter, the ion source of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an embodiment of the ion source of the present invention.
The ion source 10 is a burner source that generates plasma by supplying a raw material gas and discharging it, and generates an ion beam by extracting ions from the plasma. As shown in FIG. 1, the ion source 10 includes a chamber 12, a filament 14, a reflective electrode plate (repeller plate) 16, a back electrode plate 18, an insulating member 20, a source gas supply port 22, an ion beam extraction port 24, and It mainly comprises an extraction power supply 26 for applying a predetermined voltage, an arc power supply 28, a filament power supply 30, and a raw material gas adjustment valve 32. The chamber 12 is housed in a decompression container of an ion implantation apparatus (not shown) and is decompressed to 10 ⁻² to 10 ⁻³ (Pa) in the chamber 12.

チャンバ１２は、耐高温性を有する導電性材料、例えばタングステン、モリブデン、タンタル、炭素等によって構成され、直方体形状の内部空間３４を有する放電箱である。
チャンバ１２の内部空間３４の内壁面には、一方の端面から内部空間３４に突出するフィラメント１４が設けられ、他方の端面には反射電極板１６が設けられ、フィラメント１４が反射電極板１６に対向するように配置されている。フィラメント１４は、タングステン等の抵抗導体線が１〜数回螺旋状に巻かれて折り返された発熱素子体である。 The chamber 12 is a discharge box made of a conductive material having high temperature resistance, such as tungsten, molybdenum, tantalum, or carbon, and having a rectangular parallelepiped internal space 34.
The inner wall surface of the internal space 34 of the chamber 12 is provided with a filament 14 projecting from one end face to the internal space 34, and the other end face is provided with a reflective electrode plate 16, and the filament 14 faces the reflective electrode plate 16. Are arranged to be. The filament 14 is a heating element body in which a resistance conductor wire such as tungsten is wound in a spiral shape one to several times.

フィラメント１４と内壁面の端面との間には背面電極板１８が設けられ、カソードプレートとなっている。フィラメント１４には、フィラメント１４から熱電子を放出するように、フィラメント１４の両端間に所定の電圧、例えば数Ｖ〜１０数Ｖを印加するフィラメント電源３０が設けられ、２０００℃程度に加熱されたフィラメント１４から内部空間３４に熱電子を放出する。また、フィラメント１４の負極側の端と導電性を有するチャンバ１２との間にアーク電圧を印加するように、アーク電源２８が設けられている。アーク電圧は、チャンバ１２の電位がフィラメント１４の電位に対して高くなるようにアーク電圧が数１０〜１００Ｖ印加される。なお、フィラメント１４と導電性を有するチャンバ１２との間は、それぞれ絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。 A back electrode plate 18 is provided between the filament 14 and the end surface of the inner wall surface to form a cathode plate. The filament 14 is provided with a filament power supply 30 for applying a predetermined voltage, for example, several V to several tens V between both ends of the filament 14 so as to emit thermoelectrons from the filament 14 and heated to about 2000 ° C. Thermal electrons are emitted from the filament 14 into the internal space 34. Further, an arc power source 28 is provided so as to apply an arc voltage between the negative electrode end of the filament 14 and the conductive chamber 12. An arc voltage of several tens to 100 V is applied so that the potential of the chamber 12 is higher than the potential of the filament 14. The filament 14 and the conductive chamber 12 are electrically insulated from each other by an insulating member 20.

反射電極板１６は、フィラメント１４に対向するように内部空間３４に設けられ、反射電極板１６に向かって移動する熱電子を反射する反射板である。反射電極板１６とチャンバ１２との間は、絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。反射電極板１６は、フィラメント電源３０の正極と接続されている。なお、フィラメント１４に対して反射電極板１６の方向と反対方向にある背面電極板１８は、フィラメント１４の陰極と接続されており、背面電極板１８と反射電極板１６との間には電位差が生じるように構成される。
一方、チャンバ１２の外側には、背面電極板１８、フィラメント１４および反射電極板１６の配置方向（図１中のＸ方向）に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石３６、３８が設けられている。
また、内部空間３４の内壁面には、原料ガス供給口２２が設けられ、供給管４２を介して図示されないガス供給源と接続され、原料ガス調整バルブ３２を介して原料ガスの供給が調整されるようになっている。 The reflective electrode plate 16 is a reflective plate that is provided in the internal space 34 so as to face the filament 14 and reflects the thermal electrons moving toward the reflective electrode plate 16. The reflective electrode plate 16 and the chamber 12 are electrically insulated by an insulating member 20. The reflective electrode plate 16 is connected to the positive electrode of the filament power supply 30. The back electrode plate 18, which is opposite to the direction of the reflective electrode plate 16 with respect to the filament 14, is connected to the cathode of the filament 14, and there is a potential difference between the back electrode plate 18 and the reflective electrode plate 16. Configured to occur.
On the other hand, on the outside of the chamber 12, N-pole and S-pole magnets 36 are formed so that a magnetic field is formed along the arrangement direction (X direction in FIG. 1) of the back electrode plate 18, the filament 14, and the reflective electrode plate 16. , 38 are provided.
A source gas supply port 22 is provided on the inner wall surface of the internal space 34 and is connected to a gas supply source (not shown) via a supply pipe 42, and supply of the source gas is adjusted via a source gas adjustment valve 32. It has become so.

このようなチャンバ１２の内部空間１４では、フィラメント１４から放出された熱電子とチャンバ１２とフィラメント１４との間に印加されたアーク電圧によりアーク放電を開始し、プラズマが励起される。このプラズマ中の電子は、磁石３６、３８の磁場の作用によってらせん運動を起こしつつ反射電極板１６に向けて移動しながら反射電極板１６に到達し、反射電極板１６で反射し、背面電極板１８に向かう。さらに、背面電極板１８において熱電子は反射される。このように内部空間３４で移動する電子は、更にアルゴン等の原料ガス分子に衝突し、ガス分子はイオン化しプラズマが再生成され、生成されたプラズマが内部空間３４全体で保持される。この状態で、チャンバ１２の側壁に設けられたスリット状のイオンビーム取出口２４から、引出電極４０に印加された引出電圧によってイオンが引き出され、イオンビームが生成される。ここで、引出電極４０は、チャンバ１２との間で所定の電位が生ずるように引出電源２６が設けられ、引出電極４０がチャンバ１２から見て電位が低く設定される。 In such an internal space 14 of the chamber 12, arc discharge is started by the thermoelectrons emitted from the filament 14 and an arc voltage applied between the chamber 12 and the filament 14 to excite plasma. Electrons in the plasma reach the reflective electrode plate 16 while moving toward the reflective electrode plate 16 while causing a spiral motion by the action of the magnetic fields of the magnets 36 and 38, and are reflected by the reflective electrode plate 16 to be reflected by the back electrode plate. Head to 18. Further, the thermoelectrons are reflected on the back electrode plate 18. The electrons moving in the internal space 34 thus further collide with source gas molecules such as argon, the gas molecules are ionized to regenerate plasma, and the generated plasma is held in the entire internal space 34. In this state, ions are extracted from the slit-shaped ion beam outlet 24 provided on the side wall of the chamber 12 by the extraction voltage applied to the extraction electrode 40, and an ion beam is generated. Here, the extraction electrode 40 is provided with an extraction power supply 26 so that a predetermined potential is generated between the extraction electrode 40 and the chamber 12, and the extraction electrode 40 is set to have a low potential when viewed from the chamber 12.

一方、チャンバ１２の内部空間３４の内壁面の、図２に示す領域Ａに、フィラメント１４の周りを取り巻くように、凹凸面５０（図中、凹凸形状は示されていない）が形成されている。図２は、図１中のフィラメント１４の近傍を拡大した拡大図である。
ここで領域Ａは、内壁面におけるフィラメント近傍領域であって、フィラメント１４の突出先端から反射電極板１６に向かう方向（図１中のＸ方向）を基準方向としたとき、フィラメント１４の突出先端からみて、上記基準方向に対して４５度〜１３５度の傾斜角度の範囲に位置する領域である。なお、本発明においては、フィラメント１４の熱電子供給部分をＸ方向（基準方向）と直交する方向に向けて内壁面に射影した時のチャンバ内壁面のＸ方向に沿った射影範囲をフィラメント近傍領域として、この領域に凹凸面５０がフィラメント１４を取り巻くように形成されているとよい。 On the other hand, a concavo-convex surface 50 (the concavo-convex shape is not shown in the drawing) is formed in a region A shown in FIG. 2 on the inner wall surface of the internal space 34 of the chamber 12 so as to surround the filament 14. . FIG. 2 is an enlarged view in which the vicinity of the filament 14 in FIG. 1 is enlarged.
Here, the region A is a region near the filament on the inner wall surface, and the direction from the protruding tip of the filament 14 toward the reflective electrode plate 16 (X direction in FIG. 1) is taken as the reference direction from the protruding tip of the filament 14. Thus, the region is located in the range of 45 to 135 degrees with respect to the reference direction. In the present invention, the projection range along the X direction of the inner wall surface of the chamber when the thermoelectron supply portion of the filament 14 is projected onto the inner wall surface in a direction orthogonal to the X direction (reference direction) is the vicinity of the filament region. In this region, the uneven surface 50 may be formed so as to surround the filament 14.

凹凸面５０は、図３に示すように、チャンバ１２の外側に向けて窪んだ大きな円形状の凹部５２がフィラメント１４の周りを囲むように設けられて構成されている。凹部５２は、例えば深さ数ｍｍ、円形状の直径が数１０ｍｍとなった円弧状の曲面で形成されている。このような形状は特に制限されない。なお、凹部５２を領域Ａに形成するのは、イオン源の稼動中、領域Ａに膜状の堆積物が形成されるが、この堆積物が剥離してフィラメント１２と容易に接触しないようにするためである。この限りにおいて、凹部５２の形状は特に制限されない。 As shown in FIG. 3, the uneven surface 50 is configured by providing a large circular recess 52 that is recessed toward the outside of the chamber 12 so as to surround the filament 14. The recess 52 is formed of an arcuate curved surface having a depth of several millimeters and a circular diameter of several tens of millimeters, for example. Such a shape is not particularly limited. The concave portion 52 is formed in the region A because a film-like deposit is formed in the region A during operation of the ion source, but this deposit is peeled off so as not to easily come into contact with the filament 12. Because. As long as this is the case, the shape of the recess 52 is not particularly limited.

具体的には、アーク放電中、移動するイオンがフィラメント１４に衝突してフィラメント１４はスパッタリングを受ける。そして、スパッタリングを受けたフィラメント１４の材料が堆積物として内部空間３４の内壁面に膜状に形成される。フィラメント１４の材料はスパッタリングにより飛散し、飛散領域は内壁面の領域Ａに集中する。この堆積物は、フィラメント１４とチャンバ１２との間で流れるアーク電流等によって形成速度は大きく変化する。アルゴン等の質量数の大きい元素を原料ガス成分として用いてイオン源を稼動すると、フィラメント１４の近傍領域に厚さ０．０５〜０．２ｍｍのフィラメント１４と同種の成分からなる膜状の堆積物が数時間から数十時間の稼動によって形成され、時に容易に剥離される状態となっている。チャンバ１２内に発生するプラズマは２０００度以上に加熱されるとともに、このイオン源の稼動が断続的に行われることによりチャンバ１２の内壁面の温度が１０００度以上変化すると想定される。この温度変化により、膜状の堆積物は熱応力の作用を受けて歪み、更に剥離され易い状態となる。 Specifically, during arc discharge, moving ions collide with the filament 14 and the filament 14 undergoes sputtering. Then, the material of the filament 14 subjected to the sputtering is formed as a film on the inner wall surface of the internal space 34 as a deposit. The material of the filament 14 is scattered by sputtering, and the scattered region is concentrated on the region A of the inner wall surface. The formation speed of the deposit varies greatly depending on an arc current flowing between the filament 14 and the chamber 12. When an ion source is operated using an element having a large mass number such as argon as a raw material gas component, a film-like deposit made of the same component as the filament 14 having a thickness of 0.05 to 0.2 mm is formed in the vicinity of the filament 14. Is formed by operation for several hours to several tens of hours, and is sometimes easily peeled off. It is assumed that the plasma generated in the chamber 12 is heated to 2000 ° C. or more, and the temperature of the inner wall surface of the chamber 12 changes by 1000 ° C. or more by intermittent operation of this ion source. Due to this temperature change, the film-like deposits are distorted by the action of thermal stress and become more easily peeled off.

従来のように、領域Ａに凹凸面が形成されていない場合、すなわち平滑面となっている場合、この領域Ａのうち特にフィラメント１４の先端からＸ方向に射影した内壁面の対応部分において膜厚が最も厚くなる堆積物が形成される。この堆積物は、この部分に熱応力、熱歪みが集中して浮き上がり易い。このため、この部分で堆積物が破断して、内壁面から剥離部分がカール状に捲れ上がりフィラメント１４に近づく。堆積物は、フィラメント１４の成分が主成分となって構成されているので導電性を有する。このため、剥離部分がフィラメント１４と接触することで、チャンバ１２とフィラメント１４との間で容易に短絡する。 When the uneven surface is not formed in the region A as in the conventional case, that is, when the surface is a smooth surface, the film thickness is particularly at a portion corresponding to the inner wall surface projected from the tip of the filament 14 in the X direction. A deposit is formed that becomes thickest. This deposit tends to float due to concentration of thermal stress and thermal strain in this portion. For this reason, the deposit is broken at this portion, and the peeled portion curls from the inner wall surface and approaches the filament 14. The deposit has conductivity because the component of the filament 14 is the main component. For this reason, when a peeling part contacts the filament 14, it short-circuits between the chamber 12 and the filament 14 easily.

しかし、本発明のように、領域Ａには凹部５２がフィラメント１4を取り巻くように形成されているので、膜状の堆積物は凹部の形状を転写したように曲率を持った形状に成長する。このため、曲率をもった堆積物は、曲率が０の平面状の膜に比べて曲がりにくい剛性を備えかつ力学強度が上昇するので破断されにくく、剥離が発生しにくい。さらに、カール状に変形しにくい。このように、凹部５２に形成された堆積物は剥離しにくく、この剥離部分がフィラメント１４に近づくことはない。領域Ａに凹部５２の替わりに凸部を形成して、凸状に曲率を持った堆積物が形成されるようにすることも考えられる。しかし、この場合、フィラメント１４と内壁面の凸部との距離は近づくので、わずかな堆積物の部分的な剥離でも、剥離した部分がフィラメント１４と接触し易くなり好ましくない。
このように、領域Ａに、フィラメント１４を取り巻くように凹状の曲率を持った凹部を形成するので、堆積物の一部分が剥離してフィラメント１４と接触する可能性は極めて低くなる。 However, as in the present invention, since the recess 52 is formed in the region A so as to surround the filament 14, the film-like deposit grows in a shape having a curvature as if the shape of the recess was transferred. For this reason, a deposit having a curvature has rigidity that is difficult to bend as compared to a planar film having a curvature of 0, and mechanical strength is increased, so that it is difficult to break and peeling does not easily occur. Furthermore, it is difficult to deform into a curled shape. Thus, the deposit formed in the recess 52 is difficult to peel off, and the peeled portion does not approach the filament 14. It is also conceivable that a convex portion is formed in the region A instead of the concave portion 52 so that a deposit having a convex curvature is formed. However, in this case, since the distance between the filament 14 and the convex portion of the inner wall surface is reduced, even a slight partial peeling of the deposit is not preferable because the peeled portion easily comes into contact with the filament 14.
As described above, since a concave portion having a concave curvature is formed in the region A so as to surround the filament 14, the possibility that a part of the deposit peels and comes into contact with the filament 14 becomes extremely low.

本発明では、領域Ａに、図４（ａ）に示すように、微小凹部５３が複数形成された面を密に形成することもできる。その際、微小凹部５３の凹部の径および隣接する微小凹部５３の縁部間の離間距離は、フィラメント１４と内壁面の領域Ａとの間の最短距離よりも短くすることが好ましい。複数の微小凹部５３に跨がって堆積物が形成されても、微小凹部５３の縁部と平面状の内壁面の表面とが接する稜線上に応力が集中してこの部分から剥離してカール状に捲れ上がるので、フィラメント１４と接する程度の剥離長さを有することは少ない。
また、微小凹部５３は、この微小凹部の深さ方向に向かって凹部断面が広がった袋形状としてもよい。微小凹部５３の内部が広く、表面で断面が狭い形状とすることにより、この微小凹部５３に堆積した堆積物は、チャンバ１２の内壁面の部材に逆くさび状に食い込んで容易に抜けにくくなり、剥離が発生しにくくなる。 In the present invention, as shown in FIG. 4A, the surface on which a plurality of minute recesses 53 are formed can be formed densely in the region A. At this time, it is preferable that the diameter of the concave portion of the minute concave portion 53 and the distance between the edges of the adjacent minute concave portions 53 are shorter than the shortest distance between the filament 14 and the region A of the inner wall surface. Even if deposits are formed across a plurality of minute recesses 53, stress concentrates on the ridgeline where the edge of the minute recesses 53 and the surface of the planar inner wall surface come into contact with each other, and the curl is peeled off from this portion. Therefore, it is rare to have a peel length that is in contact with the filament 14.
Further, the minute concave portion 53 may have a bag shape in which the concave section expands in the depth direction of the minute concave portion. By making the inside of the minute recess 53 wide and having a narrow cross section on the surface, the deposit accumulated in the minute recess 53 bites into the member on the inner wall surface of the chamber 12 in a reverse wedge shape and is not easily removed. Peeling hardly occurs.

さらに、領域Ａには、図４（ｂ）に示すように、直線状の複数の切欠き溝が格子状に形成された凹凸面であってもよい。複数の切欠き溝が形成されることで、膜状の堆積物の膜厚も溝形状に応じて変化し、したがって堆積物内に生ずる熱応力が厚さの変化に応じて一部分に集中し、この集中した部分から破断する。このため、堆積物は切欠き溝の間隔単位で剥離され易くなるので、切欠き溝の溝間隔をフィラメント１４と内壁面との最短距離よりも短くすることで、剥離されて捲れ上がった部分がフィラメント１４と接触する可能性を極めて少なくすることができる。また、剥離部分がフィラメント１４に接触してフィラメント１４とチャンバ１２との間に短絡回路を形成しても、剥離した堆積物の厚さは切欠き溝の間隔で変化するので、膜厚の薄い部分に流れる電流密度は最大となり、流れる電流密度の過度の増大によって破壊され易くなる。このため剥離部分により短絡回路が形成されても、容易に短絡回路を消滅させることができる。 Further, as shown in FIG. 4B, the region A may be an uneven surface in which a plurality of linear notch grooves are formed in a lattice shape. By forming a plurality of cutout grooves, the film thickness of the film-like deposit also changes according to the groove shape, and therefore the thermal stress generated in the deposit concentrates on a part according to the change in thickness, It breaks from this concentrated part. For this reason, the deposits are easily peeled off in units of the interval between the notched grooves. Therefore, by making the groove interval of the notched grooves shorter than the shortest distance between the filament 14 and the inner wall surface, The possibility of contact with the filament 14 can be greatly reduced. Even if the peeled portion comes into contact with the filament 14 and a short circuit is formed between the filament 14 and the chamber 12, the thickness of the peeled deposit varies with the interval between the cutout grooves, so that the film thickness is small. The current density flowing through the portion is maximized, and is easily broken by an excessive increase in the flowing current density. For this reason, even if a short circuit is formed by the peeled portion, the short circuit can be easily extinguished.

また、図４（ｃ）に示すように、凸部と凹部が整然と配列した構成により凹凸面を形成してもよい。上述したように、フィラメント１４のスパッタリングが支配的に行われて内壁面に堆積物が形成されるので、フィラメント１４から飛び出したフィラメント１４の材料成分は、図４（ｃ）に示す凸部の影となる部分には到達せず、堆積物が形成されにくい。このため、堆積物が形成され易いは凸部の上面で剥がれ易い。図４（ｃ）に示す凸部上面の矩形形状の縦方向、あるいは横方向の長さを、フィラメント１４と内壁面との最短距離よりも短くすることで、剥離して浮き上がった部分がフィラメント１４に接触する可能性は極めて少なくなる。 Moreover, as shown in FIG.4 (c), you may form an uneven surface by the structure which the convex part and the recessed part arranged orderly. As described above, since the filament 14 is sputtered predominantly and deposits are formed on the inner wall surface, the material component of the filament 14 that has jumped out of the filament 14 is the shadow of the convex portion shown in FIG. Therefore, it is difficult to form a deposit. For this reason, deposits are easily formed, but are easily peeled off from the upper surface of the convex portion. The longitudinal or lateral length of the rectangular shape of the upper surface of the convex portion shown in FIG. 4 (c) is made shorter than the shortest distance between the filament 14 and the inner wall surface, so that the part that has been peeled off and lifted up is the filament 14 The possibility of touching is very low.

また、領域Ａには、凹凸面として、表面粗度を表す算術平均粗さＲａ（ＪＩＳＢ０６０１−１９９４）が２０μｍ以上とする粗面化処理面を形成してもよい。粗面化処理面は、例えばサンドブラスト処理によりあるいはエッチング処理により凹凸を形成することができる。このような粗面化処理面では、微細な凹凸に堆積物が食い込んで剥離が発生しにくくなる。 In the region A, a roughened surface having an arithmetic average roughness Ra (JIS B 0601-1994) representing surface roughness of 20 μm or more may be formed as an uneven surface. The roughened surface can be made uneven by, for example, sandblasting or etching. On such a roughened surface, the deposits bite into the fine irregularities, so that peeling does not easily occur.

従来、堆積物の剥離によりフィラメントとチャンバ間に短絡回路が形成されてアーク放電が発生しない状況は不定的に起こっていた。このような発生を予測したり、回避する方法はなかった。このため、従来、イオン源を用いたイオン注入装置等の安定的稼動が補償されていなかった。
一方、上述したように、チャンバ１２の内壁面の領域Ａ（フィラメント先端近傍領域）に凹凸面を形成するので膜状の堆積物の剥離は起きにくくなる。さらに、図４（ａ）〜（ｃ）のような凹凸面にすることで、たとえ剥離しても捲れ上がった剥離部分は小さく、フィラメント１４と接触する可能性は極めて低い。これにより、アーク放電を安定的に発生させることができ、イオン源を用いたイオン注入装置等の安定的稼動が実現される。 Conventionally, a situation in which a short circuit is formed between the filament and the chamber due to the separation of the deposit and no arc discharge occurs has occurred indefinitely. There was no way to predict or avoid such an occurrence. For this reason, conventionally, the stable operation of an ion implantation apparatus using an ion source has not been compensated.
On the other hand, as described above, since the uneven surface is formed in the region A (region near the tip of the filament) of the inner wall surface of the chamber 12, peeling of the film-like deposits hardly occurs. Furthermore, by using an uneven surface as shown in FIGS. 4A to 4C, the peeled portion that is rolled up even if peeled is small, and the possibility of contact with the filament 14 is extremely low. Thereby, arc discharge can be generated stably and stable operation of an ion implantation apparatus using an ion source is realized.

以上、本発明のイオン源について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 The ion source of the present invention has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. .

本発明のイオン源の一形態の装置構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the apparatus structure of one form of the ion source of this invention. 図１に示すイオン源のフィラメント近傍を拡大した部分拡大図である。It is the elements on larger scale which expanded the filament vicinity of the ion source shown in FIG. 本発明のイオン源における内壁面に形成される凹凸面の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the uneven surface formed in the inner wall surface in the ion source of this invention. （ａ）〜（ｃ）は、本発明のイオン源における内壁面に形成される凹凸面の他の例を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the other example of the uneven surface formed in the inner wall surface in the ion source of this invention.

Explanation of symbols

１０イオン源
１２チャンバ
１４フィラメント
１６反射電極板
１８背面電極板
２０絶縁部材
２２原料ガス供給口
２４イオンビーム取出口
２６引出電源
２８アーク電源
３０フィラメント電源
３２原料ガス調整バルブ
３４内部空間
３６，３８磁石
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion source 12 Chamber 14 Filament 16 Reflective electrode plate 18 Back electrode plate 20 Insulating member 22 Raw material gas supply port 24 Ion beam extraction port 26 Extraction power source 28 Arc power source 30 Filament power source 32 Raw material gas adjustment valve 34 Internal space 36, 38 Magnet

Claims

An ion source that generates an ion beam by supplying a gas and applying a voltage,
A chamber having an internal space at least partially having a conductor surface, in which gas is supplied to generate plasma;
A thermionic supply source that is electrically insulated from the chamber, protrudes from the inner wall surface of the interior space, and supplies thermionic electrons to the interior space;
An ion beam outlet provided in the chamber for extracting an ion beam from plasma generated in the internal space by applying a voltage between the chamber and the thermoelectron supply source;
An ion source characterized in that a circular recess having a circular arc-shaped cross section is formed around the thermoelectron supply source in a region near the thermoelectron supply source on the inner wall surface of the chamber.

The circular concave portion extends over a region located in a range of an inclination angle of 45 degrees to 135 degrees with respect to the reference direction when viewed from the protruding tip when the protruding direction of the thermoelectron supply source is a reference direction. The ion source according to claim 1 formed.