JP5495138B2 - イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビーム照射装置のイオン源で用いられるスリット電極の構成に関する。

イオン源よりイオンビームを引き出す為の引出電極系として、複数枚のスリット電極が用いられる。このスリット電極には、複数のスリット状開口部が形成されている。

具体的には、このスリット電極の例が特許文献１に開示されている。ここでは、電極枠体の開口部内に複数本の電極棒をその短手方向に沿って並設させることで、各電極棒間に複数のスリット状開口部を有するスリット電極が構成されている。

また、特許文献２にも特許文献１と同様のスリット電極が開示されている。ここでは、矩形状の電極支持枠に複数のロッド通し穴を設けておき、この穴に複数本のロッドが挿入されることで、各ロッド間にスリット状開口部を有するスリット電極が構成されている。

特公平７−３４３５８号公報（図２、図３） 特開平８−１４８１０６号公報（図３、図５〜図７）

従来から知られているように、イオン源より引き出されるイオンビームの電流量とその形状制御には、電極に形成された引出し開口の寸法と電極の厚み寸法との比が関連している。概略を説明すると、電極に形成された引出し開口の寸法をＡ、電極の厚み寸法をＤとするとＡ／Ｄで表されるアスペクト比が大きくなると、電極を通して引き出されるイオンビームの電流量は多くなる。アスペクト比が大きくなりすぎると、引出し開口近傍に形成されるイオンの放出面が外部の擾乱（例えば電極間放電）時に復帰しにくくなり、安定にイオンビームを引出すことが困難になる等、制御性に問題が生じる。また、各電極間のアライメントずれに対して、偏向角が大きくなることも知られている。さらに、電極が薄くなるため、強度的な問題も発生する。反対に、アスペクト比が小さくなると、電極を通して引き出されるイオンビームの電流量は少なくなる。一方、イオンの放出面が安定に形成されるので、イオンビームの形状制御がし易くなる。

イオンビーム照射装置の運用上、ウエハ等の基板を短時間で処理するためには、イオン源より引き出されるイオンビームの電流量が多いほど有利となる。一方、イオンビームの安定化は、装置運用上非常に重要である。そのためには、イオンビームの電流量と安定性、さらには電極の強度を考慮に入れた上で、上記アスペクト比を最適化する必要がある。また、発散角度の小さいイオンビームを得るためには、特に加速電極の形状の最適化が重要である。

これに対して、特許文献１、２に記載のスリット電極に備えられた電極棒やロッドの形状は、全て円柱形状であることからわかるように、イオン源よりある程度の電流量と制御性を備えたバランスの良いイオンビームをうまく引き出す為の手法について、何ら開示されていなかった。

そこで、本発明では電流量と制御性のバランスの取れたイオンビームの引出しを行うことのできるイオン源を提供する。

本発明のイオン源は、引出し電極系として複数枚のスリット電極を有するイオン源であって、前記スリット電極は、開口部を有する電極枠体と、前記電極枠体の一面に形成された電極棒支持部にその両端部が面接触により当接支持され、前記開口部内に並設された複数本の電極棒と、前記電極枠体に取り付けられ、前記電極棒支持部上方を覆う蓋体とを備えていて、前記イオン源より発生されるイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置する前記スリット電極を構成する前記電極棒は、前記開口部内に配置される中央部と前記開口部外に配置される端部とを有し、前記電極棒の中央部は隣り合う電極棒間に形成されるスリット状開口部の形状が前記イオンビームの進行方向に沿って略テーパー状に広がるように構成されていて、前記電極棒の端部と前記電極棒支持部との当接面は平面形状である。

このような構成を採用したことで、ビーム電流量と制御性のバランスの取れたイオンビームの引出しを行うことができる。

また、製造コストを考慮すると、前記イオン源より発生されるイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置する前記スリット電極以外の前記スリット電極に備えられた前記電極棒の形状が略円柱形状をしていることが望ましい。

略円柱形状の電極棒は製造コストが安く済む。その為、イオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置するスリット電極以外のスリット電極に備えられた電極棒を略円形状の形状にしているので、引出し電極系を構成するスリット電極全体で考えた場合、その費用を安くすることができる。

イオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置するスリット電極に備えられた電極棒の具体的な構成としては、前記イオン源より発生されるイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置する前記スリット電極を構成する前記電極棒は、前記イオンビームの進行方向に沿って、大径部と小径部とを有していることが望ましい。

一方で、前記イオンビームの進行方向に沿って、前記大径部と前記小径部との間に傾斜部を有していても良い。

イオン源より発生されるイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置するスリット電極を構成する電極棒の形状を、隣り合う電極棒間で構成されるスリット状開口部の形状がイオンビームの進行方向に沿って略テーパー状に広がるように構成したので、電流量と制御性のバランスの取れたイオンビームの引出しを行うことができる。

本発明のイオン源の一例であり、その断面図を表す。 図１のイオン源に備えられたスリット電極の一例を表す平面図である。 図２の要部拡大図であり、（ａ）はスリット電極より、一部の蓋体が取り外されたときの様子を表し、（ｂ）は（ａ）に記載のＡ-Ａ線による加速電極の断面の様子を表し、（ｃ）は（ａ）に記載のＡ-Ａ線による引出電極、抑制電極、接地電極の断面の様子を表す。 図１に記載の各電極を構成する電極棒の断面形状を拡大した図である。 図４に記載の加速電極を構成する電極棒の斜視図であり、（ａ）はイオンビームの進行方向を紙面上側にしたときの電極棒の斜視図で、（ｂ）はイオンビームの進行方向を紙面下側にしたときの電極棒の斜視図を表す。 （ａ）〜（ｃ）は、図４に記載の加速電極を構成する電極棒の変形例を表す。

以下の実施形態において、各図に描かれているＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交している。

図１には、本発明のイオン源１の一例が記載されている。このイオン源１は、いわゆるバケット型イオン源と呼ばれるタイプのイオン源の一種である。なお、ここでは図示されるＸ方向における中央部でＺ方向に沿ってイオン源１を切断したときの断面の様子が描かれている。

このイオン源１は長方形状のプラズマ生成容器４を備えており、プラズマ生成容器４よりリボン状のイオンビーム２が引き出される。

プラズマ生成容器４には図示されないバルブを介してガス源６が取り付けられており、このガス源６よりイオンビーム２の原料となるガス（例えば、ＰＨ_３、ＢＦ_３、あるいは、水素やヘリウムによって希釈されたガス）の供給がなされている。また、このガス源６には図示されないガス流量調節器（マスフローコントローラー）が接続されており、このガス流量調節器によってガス源６からプラズマ生成容器４内部へのガスの供給量が調整されている。

プラズマ生成容器４の一側面には、Ｙ方向に沿って複数のＵ字型のフィラメント５が取り付けられている。これらのフィラメント５は、フィラメント５の端子間に接続される電源Ｖ_Ｆを用いて、各フィラメント５に流す電流量の調整が行えるように構成されている。このような構成にしておくことで、イオン源１より引き出されるイオンビーム２の電流密度分布の調整が可能となる。

フィラメント５に電流を流して、フィラメント５を加熱させることによって、そこから電子が放出される。この電子が、プラズマ生成容器４の内部に供給されたガス（ＰＨ_３やＢＦ_３等）に衝突してガスの電離を引き起こし、プラズマ生成容器４内にプラズマ３が生成される。

このイオン源１には、プラズマ生成容器４の外壁に沿って複数の永久磁石１１が取り付けられている。この永久磁石１１によって、プラズマ生成容器４の内部領域にカスプ磁場が形成され、フィラメント５より放出された電子が所定領域内に閉じ込められる。なお、永久磁石１１は、図示されないホルダーに収納され状態で、プラズマ生成容器４に取り付けられている。

イオン源１は引出し電極系として４枚の電極を有しており、プラズマ生成容器４からイオンビーム２の引出し方向（図示されるＺ方向で、イオンビーム２の進行方向とも呼ぶ）に沿って加速電極７、引出電極８、抑制電極９、接地電極１０の順に配置されている。各電極とプラズマ生成容器４の電位は、複数の電源（Ｖ_１〜Ｖ_５）によって、それぞれ異なる値に設定されていて、各電極は絶縁フランジ１３に対して電気的に独立して取り付けられている。

引出し電極系として用いられる各電極には、後述するように複数のスリット状開口部１７が設けられており、これらのスリット状開口部１７を通して、イオンビーム２の引出しが行なわれる。なお、引出し電極系として４枚の電極を有する構成のイオン源１が記載されているが、これに限らず、電極の枚数は少なくとも２枚以上あれば良い。また、フィラメント５の本数も複数本ではなく、１本であっても構わない。

図２には図１で説明した引出し電極系を構成する加速電極７、引出電極８、抑制電極９、接地電極１０の例が描かれている。これらの電極は、特許文献１や特許文献２に挙げられるようなスリット状開口部１７を有するスリット電極であり、図２において各電極７〜１０は紙面奥方向（Ｚ方向）に並べて配置されている。スリット状開口部１７を構成する電極棒１６の構成を除いて、他の構成は各電極で同様の構成となる為、ここでは１枚の電極を例に挙げてその構成を説明する。

このスリット電極は、主に開口部１５を有する電極枠体１４と開口部１５内に配置された複数本の電極棒１６（図中、ハッチングされている部材）とで構成されている。

各電極棒１６は、長手方向がＸ方向に沿うように電極枠体１４に支持されているとともに、Ｙ方向に沿って略等しい間隔を空けて並設されている。

Ｙ方向に沿って並設された各電極棒１６の間やＹ方向の端部に位置する各電極棒１６と電極枠体１４との間には、スリット状開口部１７が形成されている。この図２や後述する図３（ａ）〜（ｃ）では、図示の簡略化の為、電極棒１６とスリット状開口部１７に対する符号は一部のものにしか付記されていない。

各電極棒１６のＸ方向における端部は、電極枠体１４に形成された電極棒支持部２０に支持されており、この上方を覆うように蓋体１８がネジ１９により電極枠体１４に取り付けられている。

図２に記載のスリット電極から一部の蓋体１８を取り除いたときの様子が図３（ａ）に描かれている。この図を参酌すると、前述した蓋体１８によって各電極棒１６の端部上方を蓋体１８が覆っていることが理解できる。図３（ａ）のＡ‐Ａ線による断面の様子が、図３（ｂ）、図３（ｃ）に描かれている。図３（ｂ）にはイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置する加速電極７での断面の様子が描かれており、図３（ｃ）にはその他のスリット電極（引出電極８、抑制電極９、接地電極１０）での断面の様子が描かれている。

製造費用の点で考えると、電極棒１６の形状は略円柱形状であることが望まれる。その方が電極棒１６の製造時に余計な加工が必要ないので、製造費用を安くすることができる。イオン源１より引き出されるイオンビーム２の電流量や制御性は、主にプラズマ生成容器４のプラズマ３よりイオンビーム２が引き出される際に決定される。その為、加速電極７以外のスリット電極（引出電極８、抑制電極９、接地電極１０）を構成する電極棒１６の形状は、製造費用の安価な略円柱形状にしておくことが望まれる。なお、設計上、断面が真円な電極棒１６を製造したとしても、製造誤差により、若干の歪みを有してしまう場合がある。そのような場合、形状は楕円形状となるかもしれない。このようなものも本発明に含まれるので、本発明では電極棒１６の形状を略円柱形状としている。

図４は、図１に記載の各スリット電極を構成する電極棒１６の断面形状の様子を拡大したものである。この切断面は、図３（ａ）に示されるＢ‐Ｂ線による切断面に相当する。なお、図３（ｂ）に示されるように、加速電極７を構成する電極棒１６の端部において、断面形状が図４に記載のものとは異なっている。これについて詳述すると、開口部１５の内側に配置される電極棒１６の形状は、図４に示される形状であり、開口部１５の外側に配置される電極棒１６の端部では、図３（ｂ）に示される形状となる。この理由は、電極棒１６の長さ方向において、全体を図４に示される断面形状を有する電極棒１６にしておくと、電極棒１６の支持が不安定となり、各電極棒１６間に形成されるスリット状開口部１７の形状を均等に保つことが難しくなるからである。

図４に示されるように、各スリット電極では、スリット状開口部１７の中心位置がおおよそ一致している。そして、イオンビーム２の進行方向（図示されるＺ方向）に沿って最も上流側（Ｚ方向反対側）に位置する加速電極７を構成する電極棒１６は、隣り合う電極棒１６との間に形成されるスリット状開口部１７の形状が略テーパー状となるように構成されている。

ここで言う略テーパー状とは、図４に記載されているように、電極棒１６の外形に破線で描かれているような補助線（後述する大径部２１と小径部２２とを結ぶ線）を引いたとき、スリット状開口部１７の形状がおおよそテーパー状をしていることを意味している。このように、スリット状開口部１７の形状を略テーパー状とし、イオンビーム２の進行方向における電極の厚みをイオンビーム２の進行方向に沿って徐々に厚くなるように構成することで、イオンビーム２の進行方向に沿って引出し開口の寸法と電極厚み寸法との比を変化させることができ、これにより電流量と制御性のバランスのとれたイオンビーム２を引き出すことが可能となる。

理想的には、スリット状開口部１７の形状がテーパー状となるように電極棒１６の形状を加工することが考えられるが、そのような形状に電極棒１６を加工することは製造精度や加工価格の面から実用的ではない。その為、上記したような形状の電極棒１６を用いて、スリット状開口部１７の形状が略テーパー状となるようにしている。

図５（ａ）、５（ｂ）には、前述した加速電極７を構成する電極棒１６の斜視図が描かれている。図５（ａ）に記載される電極棒端部Ｍは開口部１５の外側に位置する電極棒支持部２０に配置され、電極棒中央部Ｎは開口部１５の内側に配置される。図中、矢印ＩＢは、この電極棒１６を備えた加速電極７がイオン源１に取り付けられた際、イオンビーム２が引き出される方向（イオンビーム２の進行方向）に相当する。電極棒中央部Ｎに着目すると、この電極棒１６は、イオンビーム２の進行方向（図中の矢印ＩＢ）に沿って、大径部２１と小径部２２とを有していることがわかる。図５（ｂ）には、図５（ａ）に描かれる電極棒１６の背面（図５（ａ）の紙面下側に位置する面）側から電極棒１６をみたときの様子が描かれている。図示されるように電極棒１６の背面は、ほぼ平らな形状をしている。図５（ａ）、図５（ｂ）に記載の構成を用いているので、機械的な加工が容易であり、加工費用も安価で済む。なお、本発明では、複数の電極棒１６をスリット状開口部１７内に配置したとき、各電極棒１６が並設された方向における電極棒１６の寸法に関して、イオンビーム２の進行方向に沿って電極棒１６を見たとき、先述した電極棒１６の寸法が最も大きくなる部分のことを大径部と呼び、最も小さくなる部分のことを小径部と呼んでいる。

図６（ａ）、図６（ｂ）には、上記した電極棒１６の変形例が記載されている。これらの図において、図示されるＺ方向がイオンビーム２の進行方向に相当し、図示される電極棒１６の断面は、開口部１５の内側に配置された電極中央部での断面である。これらの図に記載されているように、イオンビーム２の進行方向に沿って、各電極棒１６は大径部２１と小径部２２との間にイオンビーム２の進行方向と斜めに交差する傾斜部２３を有している。このような構成の電極棒１６を用いても、図中に破線で示されるように隣り合う電極棒１６の間に形成されるスリット状開口部１７の形状を略テーパー状にすることができる。なお、電極棒端部やその背面の構成については、図５（ａ）、図５（ｂ）に示した構成と同様の構成である。また、図６（ｃ）に描かれているように、２つ以上の傾斜部２３を備えた構成であっても良い。

前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行っても良いのはもちろんである。

１・・・イオン源
２・・・イオンビーム
７・・・加速電極
８・・・引出電極
９・・・抑制電極
１０・・・接地電極
１４・・・電極枠体
１５・・・開口部
１６・・・電極棒
１７・・・スリット状開口部
２１・・・大径部
２２・・・小径部
２３・・・傾斜部

Claims (4)

1. 引出し電極系として複数枚のスリット電極を有するイオン源であって、
   前記スリット電極は、開口部を有する電極枠体と、
   前記電極枠体の一面に形成された電極棒支持部にその両端部が面接触により当接支持され、前記開口部内に並設された複数本の電極棒と、
   前記電極枠体の前記電極棒支持部が形成された面に取り付けられ、前記電極棒支持部上方を覆う蓋体とを備えていて、
   前記イオン源より発生されるイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置する前記スリット電極を構成する前記電極棒は、前記開口部内に配置される中央部と前記開口部外に配置される端部とを有し、前記電極棒の中央部は隣り合う電極棒間に形成されるスリット状開口部の形状が前記イオンビームの進行方向に沿って略テーパー状に広がるように構成されていて、前記電極棒の端部と前記電極棒支持部との当接面は平面形状であるイオン源。
2. 前記イオン源より発生されるイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置する前記スリット電極以外の前記スリット電極に備えられた前記電極棒の形状が略円柱形状をしていることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
3. 前記イオン源より発生されるイオンビームの進行方向に沿って最も上流側に位置する前記スリット電極を構成する前記電極棒は、前記イオンビームの進行方向に沿って、大径部と小径部とを有していることを特徴とする請求項１または２記載のイオン源。
4. 前記イオンビームの進行方向に沿って、前記大径部と前記小径部との間に傾斜部を有していることを特徴とする請求項３記載のイオン源。