JP6439966B2

JP6439966B2 - イオン源

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Publication number: JP6439966B2
Application number: JP2014204446A
Authority: JP
Inventors: 裕章甲斐; 一平西村
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: JP2016076322A

Description

本発明は、イオンビーム照射装置で用いられるイオン源で、特にプラズマ生成室の周囲に永久磁石を具備するバケット型イオン源で、イオン源を構成するプラズマ生成室内でのカソード配置の調整可能なイオン源に関する。

プラズマ生成室の周囲に永久磁石を配置した、いわゆるバケット型イオン源において、プラズマ生成室内でのカソード配置を調整し、プラズマ生成室内でのプラズマ分布を調整する技術が知られている。

具体的な例を挙げると、特許文献１に示す技術が知られている。特許文献１にはイオンミリング装置で使用されるバケット型イオン源が開示されている。プラズマ生成室の一側面には溝が形成されていて、この溝を通してプラズマ生成室の内側にリニアステッピングモーターの駆動軸が導入されている。当該駆動軸のプラズマ生成室内の先端にはフィラメント取付け板に支持されたフィラメントが取り付けられていて、モーターの駆動によって駆動軸を移動させることでプラズマ生成室内でのフィラメントの配置を調整し、同室内でのプラズマ分布の調整が行われている。

特開２０１３−１２５６４０

プラズマ生成室内にはプラズマを生成する為にイオン化ガスが導入される。このガスを電離することによってプラズマ生成室内にプラズマが生成されるが、特許文献１に示される装置構成では、フィラメント移動機構が収納されている機構配置室にプラズマ生成室の一側面に形成された溝を通してイオン化ガスが流出する。

しかしながら、機械配置室に流出したイオン化ガスはプラズマ生成室内でのプラズマの生成には寄与しないので、特許文献１に示される装置構成ではイオン化ガスの利用効率の点で不十分な構成であった。

そこで、本発明ではプラズマ生成室内でのカソード配置が調整可能なイオン源で、プラズマ生成に係るイオン化ガスの利用効率の向上を図ることを主たる目的とする。

本発明に係るイオン源は、プラズマ生成室の周囲に永久磁石を具備したイオン源であって、前記プラズマ生成室内に電子を供給するカソードと、前記カソードを支持し、前記プラズマ生成室の外側に配置された支持ベースと、前記プラズマ生成室の壁面に形成され、前記カソードが挿通される貫通孔と、前記貫通孔の周囲を覆い、前記プラズマ生成室の外壁面と前記支持ベースとの間の空間を気密に保ち、前記支持ベースと前記プラズマ生成室の外壁間との距離を可変にする伸縮部材とを備えている。

プラズマ生成室の外壁面と支持ベースとの間の空間を伸縮部材によって気密に保つようにしているので、プラズマ生成室内でのカソード配置を変更させる機構等の配置場所、つまり支持ベースを移動させる手段が設けられる場所へのイオン化ガスの流出を防止することができる。その結果、プラズマ生成室内でのプラズマ生成に係るイオン化ガスの利用効率を向上させることが可能となる。
また、特許文献１に示される装置構成ではフィラメント移動機構が故障した場合、真空に保たれた機構配置室を大気開放して、フィラメント移動機構の修理、交換が行われる。その後、装置を稼働させる為に機構配置室を再び所望の真空度となるように真空排気しなければならない。
さらに、機械配置室はプラズマ生成室の一側面に形成された溝を介してプラズマ生成室、処理室とも連結されているので、機械配置室を単に大気開放しただけではこれらの室内での真空度が損なわれてしまうという問題もある。
上述した理由から、特許文献１に示される装置構成でのフィラメント移動機構のメンテナンス作業は煩雑なものになることが予想される。これに対して、本発明の構成ではカソード配置を変更させる機構を大気側に配置することが可能となるので、当該機構のメンテナンス作業を簡便なものにすることが可能となる。
また、半導体製造装置で用いられるプロセスによっては人体にとって有毒なガスが用いられることもある。このようなガスは装置内部、つまり真空側で用いられる。本発明の構成では支持ベースが大気側にあるので、有毒ガスが使用される場合であっても、装置のオペレーターによって手動で支持ベースを移動させて、安全にプラズマ生成室内でのカソード配置を変更することが可能となる。

前記プラズマ生成室内に供給されるイオン化ガスは腐食性ガスであってもよい。

半導体製造装置では、ＢＦ_３やＰＦ_３等の腐食性のガスが使用される場合がある。特許文献１に示される装置構成では、イオン化ガスが機構配置室に流出する。特許文献１で腐食性ガスを用いた場合、フィラメント移動機構と腐食性ガスとが化学的に反応して、フィラメント移動機構が腐食されてしまい、フィラメント移動機構が故障してしまうことが懸念される。しかしながら、本発明の構成であれば、カソード配置を変更させる機構等の配置場所へのイオン化ガスの流出が防止できるので、本発明の構成で腐食性ガスを用いたとしてもカソード配置に係る調整機構を何ら支障なく動作させることが可能となる。

プラズマ生成室内でのカソード配置の調整をスムーズに行い、かつ、短絡による放電を防止する為に、次に示す構成を用いてもよい。前記プラズマ生成室の外壁に支持されたガイドと、前記支持ベースまたは前記伸縮部材の少なくとも一方に設けられ、前記ガイドに摺動支持されたスライダーとを備えている。

また、カソードを特定位置へ配置するときの作業を簡便に行うには、前記ガイドには前記スライダーの位置出し用マークが付されていてもよい。

さらに、カソード配置の調整が正常に行われているかどうかを確認する為に、前記支持ベースの位置情報を検出する位置検出手段を備えていてもよい。また、同様の目的で、前記スライダーの位置情報を検出する位置検出手段を備えていてもよい。

また、前記カソードは複数あり、少なくとも１つのカソードは他のカソードに比べて前記プラズマ生成室内への突出量が異なっていて、当該カソードの先端部は前記プラズマ生成室内でプラズマが生成される領域外に配置されるように構成してもよい。

イオン源の稼働時間を延ばす為に、予備のカソードを備えたイオン源が用いられている。現在使用中のカソードが断線、消耗した際に予備のカソードとの交換が行われるが、予備のカソードの使用前にプラズマ生成室内のプラズマによって予備のカソードがスパッタリングされて消耗してしまうことが懸念される。予備のカソードが使用前に消耗してしまうと、イオン源の稼働時間を期待通りに延ばすことが出来なくなる。
この点を鑑み、予備となるカソードをプラズマ生成室内でプラズマが生成される領域外に配置しておけば、予備のカソードの使用前に、当該カソードがプラズマによってスパッタリングされることを抑制することが可能となる。

予備となるカソードの消耗を防止するあるいはカソードの交換を簡便に行うという観点から、次に示す構成を用いてもよい。前記支持ベースの移動によって前記カソードの先端部が前記プラズマ生成室外に配置可能であって、前記伸縮部材と前記プラズマ生成室の外壁面との間に前記プラズマ生成室の貫通孔を開閉する弁体が設けられている。

このような構成であれば、例えば、予備のカソードを用いる場合、これをプラズマ生成室外に配置し、プラズマ生成室の壁面に形成された貫通孔を閉じておくことで、装置稼働中での予備のカソードの消耗を防止することが可能となる。また、カソードをプラズマ生成室外に移動させ、プラズマ生成室の壁面に形成された貫通孔を閉じておくことで、プラズマ生成室内の真空を破らずにカソードの交換を行うことが可能となる。

プラズマ生成室の外壁面と支持ベースとの間の空間を伸縮部材によって気密に保つようにしているので、プラズマ生成室内でのカソード配置を変更させる機構等の配置場所、つまり支持ベースを移動させる手段が設けられる場所へのイオン化ガスの流出を防止することができる。その結果、プラズマ生成室内でのプラズマ生成に係るイオン化ガスの利用効率を向上させることが可能となる。

本発明に係るイオン源の構成例を示す模式図である。本発明に係るカソードの支持構造例を示す模式図である。本発明に係るカソード移動機構例を示す模式図である。本発明に係るガイドとスライダーの構成例を示す模式図である。本発明に係る位置出し用マークの構成例を示す模式図である。本発明に係る位置検出手段の構成例を示す模式図である。本発明に係るカソードの配置例を示す模式図である。本発明に係る弁体の構成例を示す模式図である。本発明に係る弁体を利用したカソードの交換例を示す模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１には本発明に係るイオン源ＩＳの構成例が描かれている。プラズマ生成室６は直方体、立方体あるいは円柱体の部屋で、その一面に開口が形成されている。当該開口には絶縁フランジ８が取り付けられていて、絶縁フランジ８にはプラズマ生成室６からイオンビームを引き出す為の引出電極系９と呼ばれる複数枚の電極が電気的に離間した状態で支持されている。

プラズマ生成室６の周囲には特許文献１と同様に複数の永久磁石１０が配置されていて、この永久磁石１０によってプラズマ生成室６内にカスプ磁場が生成される。また、プラズマ生成室６内にはイオン化ガスがガスポート７を通じて導入されていて、室内に配置されたフィラメント１から放出された熱電子によって当該イオン化ガスが電離され、プラズマ生成室６内にプラズマＰが生成される。

フィラメント１の端部はフィラメントチャック２によって支持されていて、フィラメントチャック２はプラズマ生成室６の壁面に形成された貫通孔Ｈを通してプラズマ生成室６外に設けられた電流導入端子３に接続されている。電流導入端子３はフィラメント１に電流を導入する為の端子で、セラミックからなる絶縁体５に取り付けられている。この実施形態では絶縁体５がフィラメント支持に係る土台となる支持ベースＢを兼ねている。

絶縁体５とプラズマ生成室６の外壁との間には、同部材間の距離を可変に変更することのできる伸縮部材４が配置されている。この伸縮部材４は、例えば、筒状の部材で、成形ベローズや溶接ベローズ等の金属製のベローズや非金属製である蛇腹といった伸縮性のある部材である。この伸縮部材４はプラズマ生成室６の壁面に形成された貫通孔Ｈの周囲を覆い、絶縁体５（支持ベースＢ）とプラズマ生成室６の間の空間を気密に保つ機能を有している。なお、イオン源ＩＳの近傍は高温であり、伸縮部材４の機能としては気密性が高いものが望ましいので、上述した伸縮部材４の候補としては、耐熱性、気密性に優れた溶接ベローズを用いることが望まれる。

プラズマ生成室６内でのフィラメント１の位置調整は、支持ベースＢを兼ねる絶縁体５の位置をプラズマ生成室６の外壁に対して近づける、あるいは遠ざけることで行われる。なお、絶縁体５の位置変更に関しては、装置のオペレーターによって手動で行ってもいいし、絶縁体５の移動機構を新たに設けておき、これを用いて自動で行うように構成しておいてもいい。

このような構成を用いることで、プラズマ生成室６内でのフィラメント配置を変更させる機構等の配置場所、つまり支持ベースＢを移動させる手段が設けられる場所へのイオン化ガスの流出を防止することができる。その結果、プラズマ生成室６内でのプラズマ生成に係るイオン化ガスの利用効率を向上させることが可能となる。

上述した実施形態において、絶縁体５とプラズマ生成室６の外壁への伸縮部材４の取り付けはボルトを用いて行われる。図面の簡略化の為、図示が省略されているが各部材間にはO-ringのようなシール部材が配置されている。なお、伸縮部材４の取り付け方とシール部材の配置については後述する他の実施形態においても同様である。

また、後述する実施形態においてもフィラメント１がカソードを成す構成について説明するが、当該カソードとしては、フィラメント以外に、傍熱型あるいは間接型イオン源で用いられるフィラメントとカソードキャップからなるカソードであってもいいし、ホローカソードであってもいい。

図２には本発明に係るカソードの支持構造例が描かれている。図１の実施形態では伸縮部材４が絶縁体５に取り付けられていたが、図２（Ａ）に示されるように金属製のベース１２を設けておき、ここに伸縮部材４を取り付けるようにしておいてもいい。この場合、絶縁体５と金属製のベース１２で本発明の支持ベースＢが構成される。

図２（Ａ）に示す構成に代えて図２（Ｂ）に示す構成を用いてもよい。図２（Ｂ）の構成ではプラズマ生成室６と伸縮部材４の間に取付板１１が配置されている。例えば、複数のカソードを有するイオン源の場合、個々のカソードとその支持機構をプラズマ生成室６に取り付けるのでは、取付に係る作業に時間を要してしまう。一方、図２（Ｂ）に示す取付板１１を大きなものにしておき、ここに複数のカソード及びそれらの支持機構を予め取り付けておくようにすれば、プラズマ生成室６への部材の取り付けに係る作業性を大幅に改善することが可能となる。

さらに、取付板１１を用いて次にように構成することも考えられる。プラズマ生成室６の壁面に複数のカソードが配置される方向に沿って大きな貫通孔を設けておき、取付板１１の寸法をプラズマ生成室６に形成された貫通孔の寸法よりも大きなものにしておく。その上で、取付板１１のカソードが取付られる位置にカソードを挿通する為の小孔をあけておく。このような取付板１１をプラズマ生成室６に取り付けるようにすれば、プラズマ生成室６に対して取付板１１を取り付ける際の位置調整が非常に簡便なものとなる。

本発明のバケット型イオン源では、プラズマ生成室６内でアーク放電を発生させる為に、フィラメント１の電位（カソード電位）とプラズマ生成室６の電位（アノード電位）を異ならせている。伸縮部材４が導電性の部材であれば、プラズマ生成室６とフィラメント１間が電気的に短絡してしまうことが懸念されるが、図示される絶縁体５を設けておくことで両部材間の電気的な短絡を防止することが可能となる。

図３には本発明に係るカソード移動機構Ｃの構成例が描かれている。図３（Ａ）は特許文献１と同様に支持ベースＢをモーター１３の駆動軸１４によって図示される矢印の方向に移動させる構成である。このようなカソード移動機構Ｃを用いて、カソード位置の調整を機械的に行えるようにしてもいい。また、特許文献１と同様にカソードを２方向に移動させるような構成であってもよい。その場合、図示されるモーター１３が別のモーターの駆動軸に連結されるような構成が考えられる。また、カソード移動機構Ｃの構成例としては図３（Ｂ）に示す構成であってもよい。

図３（Ｂ）の構成では、リンク機構１５を用いて支持ベースＢを図示される矢印の方向に移動させる構成である。リンク機構１５の構成としては、モーター１３の駆動軸１４に連結された図示されない歯車の回転によって、２本のアームが屈曲、伸展されるものが考えられる。なお、ここに挙げたカソード移動機構Ｃの構成はあくまで一例であって、他の構成を用いても構わない。

図４には本発明に係るガイドとスライダーの構成例が描かれている。伸縮部材４の剛性が低い場合、所望方向へのカソードの移動が困難となる。また、カソード位置の変更に伴って、カソードもしくはカソードを支持する部材が伸縮部材４やプラズマ生成室６の壁面と衝突することが懸念される。イオン源ＩＳの稼働中、カソードとカソードを支持する部材の電位（カソード電位）と伸縮部材４とプラズマ生成室６の電位（アノード電位）は異なっているので、電位の異なる部材が接触することで短絡による放電が発生し、イオン源ＩＳが故障してしまうことが懸念される。
このような点を鑑み、プラズマ生成室６内でのカソード配置の調整をスムーズに行い、かつ、短絡による放電を防止する為に、図４に示すガイドとスライダーからなる摺動機構を利用することが考えられる。

図４（Ａ）に示す構成例では、取付板１１に棒状のガイド１６が取り付けられている。また、伸縮部材４はカソードの移動方向において２つに分割されていて、分割された伸縮部材４の間にスライダー１７が配置されている。この例において、スライダー１７は筒状の伸縮部材４よりも径の大きい円環状の部材で、一部にガイド１６が挿通される孔を有している。このような構成を用いることで、カソードの移動をスムーズに行うことができるとともに、カソード電位の部材がアノード電位であるプラズマ生成室６や伸縮部材４に接触することを防止することができる。

図４（Ｂ）に示す構成例では、支持ベースＢを構成する金属製のベース１２がスライダー１７を兼ねている。この金属製のベース１２に棒状のガイド１６を通す孔が形成されている。このような構成を用いても、図４（Ａ）と同様の効果を奏することができる。

図４（Ｃ）に示す構成例では、取付板１１に中空筒状のガイド１６が取り付けられていて、金属製のベース１２に棒状のスライダー１７が取り付けられている。支持ベースＢの移動に伴って、筒状のガイド１６内でスライダー１７が摺動支持されるように構成されている。このような構成を用いても、図４（Ａ）と同様の効果を奏することができる。

図４（Ｄ）に示す構成例では、一部に溝が形成されたレール状のガイド１６が用いられる。２つに分割された伸縮部材４の間に配置された突起物がスライダー１７を成し、ガイド１６に形成された溝内に摺動支持されるように構成されている。このような構成を用いても、図４（Ａ）と同様の効果を奏することができる。なお、ガイド１６の溝に摺動支持される突起物として、支持ベースＢを成す金属製のベース１２の端部を加工したものを用いてもよい。

図４に示す実施形態においてガイド１６は取付板１１に支持されるものであったが、図１に示した実施形態のように取付板１１がない場合には、プラズマ生成室６の外壁にガイド１６を取り付けるようにしておけばよい。なお、取付板１１はプラズマ生成室６の外壁に取り付けられる部材であることから、ガイド１６はプラズマ生成室６の外壁に間接的あるいは直接的に取り付けられるものである。

図４に示す実施形態において、図４（Ａ）、図４（Ｄ）では支持ベースＢが支持されていないので、カソードが通過する領域の寸法（カソード挿通方向と直交する方向での伸縮部材４、取付板１１、貫通孔Ｈの寸法）が十分に大きくない場合には、カソードの移動に伴ってカソード電位の部材がアノード電位の部材に接触してしまうことが懸念される。

上述した点を鑑み、図４（Ａ）、図４（Ｄ）に示す構成において、支持ベースＢを成す金属製のベース１２にスライダー１７としての機能を持たせることが考えられる。具体的には、図４（Ａ）の構成で、図４（Ｂ）の構成と同様に金属製のベース１２に貫通孔をあけておき、この孔にガイド１６を挿通するように構成しておく。このような構成を用いれば、ガイド１６上に支持ベースＢが摺動支持されるようになるので、カソードの移動に伴ってカソード電位の部材がアノード電位の部材に接触してしまうことを完全に防止することが可能となる。同様に、図４（Ｄ）の構成でも支持ベースＢを成す金属製のベース１２にスライダー１７としての機能を持たせるようにすることが考えられる。具体的には、図４（Ｄ）の構成で、支持ベースＢを成す金属製のベース１２の端部を加工し、これがレール状のガイド１６の溝内に摺動支持されるように構成しておく。このような構成を用いることで、カソードの移動に伴ってカソード電位の部材がアノード電位の部材に接触してしまうことを完全に防止することが可能となる。なお、この変形例で示したようにスライダー１６は支持ベースＢと伸縮部材４の両方に設けられるものであってもいいし、図４（Ａ）〜（Ｄ）に描かれる実施形態のように支持ベースＢと伸縮部材４のいずれか一方に設けるようにしてもいい。

フィラメント１の交換時、フィラメント１はプラズマ生成室６内の特定位置に配置される。支持ベースＢを移動させてフィラメント１を特定位置に配置することになるが、支持ベースＢの移動量だけをみてフィラメント位置の調整を行うと、支持ベースＢとプラズマ生成室６の外壁との距離が想定していたものと異なっている場合には所望する場所にフィラメント１を配置することができなくなる。その為、支持ベースＢを移動させる前に支持ベースＢとプラズマ生成室６の外壁との距離を測定しておくか、支持ベースＢを移動させる前にプラズマ生成室６の外壁に対して支持ベースＢが特定位置に配置されるように支持ベースＢの位置調整を行うことが必要となる。
また、装置のオペレーターが手動により支持ベースＢの位置を変更する場合、支持ベースＢの移動量をいちいち測定していたのではフィラメント位置の調整にかなりの時間を要してしまう。

このような点を鑑み、図５に示す構成例のように、スライダー１７の位置出し用マーク１８をガイド１６に付しておくことが考えられる。このような位置出し用マーク１８があれば、その位置にスライダー１７が配置されるように支持ベースＢを移動させるだけでいいので、フィラメント１を特定位置へ配置するときの作業が簡便となる。

位置出し用マーク１８は１つでもいいが、これを複数設けておいてもいい。例えば、次のようなケースでは、複数の位置出し用マーク１８を設けておけば、フィラメント１の配置に係る調整作業が簡便となる。

イオン源ＩＳではイオン化ガスとして様々なガスが用いられる。例えば、イオン注入装置で用いられるイオン源ＩＳではＰ型、Ｎ型の半導体素子を製造する為に、ＢＦ_３とＰＨ_３が用いられる。これらのガスがプラズマ生成室６内でイオン化されてプラズマが生成されることになるが、プラズマ内には多種多様なイオンが存在している。

ＢＦ_３がイオン化された際にＢＦ⁺、ＢＦ_２ ⁺、Ｆ⁺、Ｂ⁺といったイオンが発生するが、全てのイオンが必要ではなく、半導体製造の一プロセスにおいてはＢ⁺イオンが必要とされる。この場合、Ｂ⁺イオン以外のイオンは同プロセスにおいては不要なイオンであることから、イオン源ＩＳから引出されるイオンビーム内のＢ⁺イオンの比率を高めることが望まれる。
同様に、ＰＨ_３がイオン化された際、Ｐ⁺、ＰＨ⁺、ＰＨ_２ ⁺、ＰＨ_３ ⁺、Ｈ⁺、Ｈ_２ ⁺、Ｈ_３ ⁺といったイオンが発生するが、半導体製造の一プロセスにおいてはＰ⁺、ＰＨ⁺、ＰＨ_２ ⁺、ＰＨ_３ ⁺イオンが必要とされる。

バケット型イオン源の場合、プラズマ生成室６内に形成されたカスプ磁場近傍では、質量の軽いイオンがカスプ磁場に捕捉され、質量の重いイオンがプラズマ生成室６の内壁面に衝突して消失してしまう傾向がみられる。このような点を鑑み、同一イオン源内でイオン化ガスとしてＢＦ_３とＰＨ_３を用いる場合には、フィラメント１のプラズマ生成室６内での配置をイオン化ガスの種類に応じて異ならせておいたほうがいい。

具体的には、ＢＦ_３を使用する場合、イオン化されたイオンのうち比較的質量の軽いイオン（Ｂ⁺）が必要で質量の重いイオンが不要となるので、フィラメント１の位置はプラズマ生成室６の内壁面に近い位置に配置される方がいい。このようなフィラメント配置にしておければ、プラズマ生成室６の内壁面近傍でプラズマが生成され、このプラズマに含まれる質量の重いイオンをプラズマ生成室６の壁面で消失させることができる。これによって、イオン源ＩＳから引出されるイオンビーム中のＢ⁺の比率を高めることが可能となる。

一方、ＰＨ_３を使用する場合、イオン化されたイオンのうち比較的質量の重いイオン（Ｐ⁺、ＰＨ⁺、ＰＨ_２ ⁺、ＰＨ_３ ⁺）が必要で質量の軽いイオンが不要となるので、フィラメント１の位置はプラズマ生成室６の内壁面から遠い位置に配置される方がいい。このような理由から、ＰＨ_３使用時にプラズマ生成室６内のフィラメント位置をＢＦ_３使用時のままにしておくと必要とされる比較的質量の重いイオンがプラズマ生成室６の内壁面に衝突して消失してしまうので、ＢＦ_３使用時のフィラメント位置に比べてフィラメント１とプラズマ生成室６の内壁面との距離が広がるようにフィラメント位置を変更することが望まれる。上述した点を鑑み、ガイド１６に位置出し用マーク１８を複数付すようにしておけば、イオン化ガスに応じた適切な位置にフィラメント位置を簡便に切換えることが可能となる。

図６には本発明に係る位置検出手段の構成例が描かれている。図６（Ａ）に示すように支持ベースＢの移動経路にセンサー２０を配置しておく。例えば、このセンサー２０は受発光一体型のセンサーで、支持ベースＢがセンサー位置を横切ったときにセンサー２０で支持ベースＢからの反射光を受光して、支持ベースＢがその位置に移動したことを検出するようなものである。また、支持ベースＢの移動経路を挟むようにして受発光分離型のセンサーを配置してもよい。さらに、支持ベースＢの位置検出に代えてスライダー１７の位置検出を行うことで、カソード位置の確認を行うようにしてもよい。
また、支持ベースＢの移動経路に沿ってラインセンサーを設けておき、移動経路全体に亘って、支持ベースＢやスライダー１７の位置検出を行えるようにしておいてもよい。
一方、光学的なセンサーの代わりに物理的なセンサーを用いてもよい。具体的には支持ベースＢやスライダー１７が移動することで、これらの部材と接触してオンオフが切り替えられる物理的なスイッチを設けておき、このスイッチのオンオフの切り替えを検知して各部材の位置検出を行うようにしてもよい。

図６（Ａ）に示すセンサー２０を用いた位置検出に代えて、図６（Ｂ）のように支持ベースＢを移動させるモーター１３の回転数に応じて支持ベースＢの位置検出を行うようにしてもよい。この場合、モーターの回転をロータリーエンコーダーによってパルス信号に変換し、当該パルスをカウントすることで支持ベースＢの位置を算出できるように構成しておく。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示す構成で得られた位置情報に基づいて、次のようにして半導体製造装置の制御することが考えられる。例えば、イオン注入装置の各部の動作を制御する制御装置１９を設けておき、この制御装置１９にイオン化ガスの情報を含む注入条件のデータを入力する。また、この制御装置１９には位置検出手段によって得られた現在のフィラメント位置情報が送信されるように構成しておく。
図５の実施形態で述べたように同一イオン源で複数のイオン化ガスが取り扱われる場合、イオン化ガスの種類に応じてプラズマ生成室６内でのフィラメント配置を異ならせておく方が望ましい。このような点を鑑み、制御装置１９には予めイオン化ガスに応じた適切なフィラメント位置の情報を記憶させておく。
そして、イオン注入処理に先だって、制御装置１９に記憶されたフィラメント位置情報と位置検出手段から制御装置１９に送信された現在のフィラメント位置情報とを制御装置１９で比較する。比較の結果、両者のズレが大きい場合には、制御装置１９からエラー信号を出力させる。
このような構成のもと、エラー信号に基づいてアラームを発生させる、あるいは、ディスプレイ等のユーザーインターフェースにフィラメント位置がエラーである旨を表示させるように構成しておけば、不適切なフィラメント位置でのイオン注入処理を未然に防ぐことが可能となる。
また、制御装置１９がエラー信号を発生させる段階で、制御装置１９がイオン注入装置の各部の機能を停止するように構成してもよい。

図７には本発明に係るカソードの配置例が描かれている。この実施形態ではイオン源ＩＳには複数本のフィラメント１があり、各フィラメント１のプラズマ生成室６内への付出し量が異なっている。具体的には、一方のフィラメント１は通電されておらず、その先端部ＴがプラズマＰの生成される領域外に配置されている。他方のフィラメント１は通電されていて、その先端部ＴがプラズマＰの生成される領域内に配置されている。このような構成にしておけば、例えば、次のようなケースで有効となる。

イオン源の稼働時間を延ばす為に、予備のカソードを備えたイオン源が用いられている。現在使用中のカソードが断線、消耗した際に予備のカソードとの交換が行われるが、予備のカソードの使用前にプラズマ生成室内のプラズマによって予備のカソードがスパッタリングされて消耗してしまうことが懸念される。予備のカソードが使用前に消耗してしまうと、イオン源の稼働時間を期待通りに延ばすことが出来なくなる。
この点を鑑み、上記構成を用いて、予備となるカソードの先端部Ｔをプラズマ生成室６内でプラズマＰが生成される領域外に配置しておく。これにより、使用前に予備のカソードがプラズマＰによってスパッタリングされることを抑制することが可能となる。

上述した予備となるカソードの消耗を防止する点の他にカソードの交換を簡便に行う点から、図８に示す構成を用いることが考えられる。図８の実施形態では、取付板１１とプラズマ生成室６の外壁との間にカソードの移動経路を開閉する弁体２２が設けられている。当該弁体２２はバルブ２１に組み込まれており、手動または自動によって弁体２２の開閉が行えるように構成されている。
また、弁体２２の開け閉めによってプラズマ生成室６の壁面に形成された貫通孔Ｈが開け閉めされ、弁体２２が閉じられることでプラズマ生成室６側からの気流が貫通孔Ｈを通して室外に流出しないようにシールされる。

図８（Ａ）では、バルブ２１の弁体２２は開けられていて、フィラメント１がバルブ２１の配置される場所を行き来できるように構成されている。図８（Ａ）の状態で支持ベースＢを図示される矢印の方向に移動させ、フィラメント１の先端部Ｔがプラズマ生成室６の外部に完全に排出されたときの様子が図８（Ｂ）に描かれている。

図８（Ｂ）に示す位置までフィラメント１の先端部Ｔが移動したとき、バルブ２１が操作され、弁体２２が閉められる。図７を用いて説明した実施形態において、予備となるカソードがある場合には、イオン源の稼働中に弁体２２を閉じておき予備となるカソードをプラズマ生成室６の外部に配置しておけば、プラズマ生成室６内で発生したプラズマＰによって予備となるカソードが消耗することを完全に防止することが可能となる。

また、カソードが消耗した場合、新しいカソードとの交換が必要となる。図８に示す構成を用いると、プラズマ生成室６内の雰囲気と伸縮部材４内の雰囲気とを完全に切り離すことができるので、プラズマ生成室６内の真空を破らずにカソードの交換を行うことが可能となることから、カソードの交換作業が簡便となる。

カソードの交換に用いられる構成に関して、具体的な例を挙げると図９に示す構成例が考えられる。図９（Ａ）に示す例では伸縮部材４に圧力調整部２３が連結されている。圧力調整部２３はクリーンな空気や乾燥窒素ガスを供給し伸縮部材４で囲まれた空間を真空圧から大気圧に圧力変更する機能と同空間内を排気し大気圧から真空圧に圧力変更する機能とを備えている。また、気体を供給排気する気体流路が伸縮部材４に接続されていて、気体流路の途中に設けられた弁体でもって当該流路が開閉可能となるように構成されている。このような構成を用いれば、プラズマ生成室６内の真空を破らずにカソードの交換を実施することができる。

また、図９（Ｂ）に示す構成を用いてカソードの交換を行ってもよい。図９（Ｂ）の構成は従来から知られた技術で、同種の技術が特開平１１−２５０８４６に開示されている。この方式ではカソード排出領域を囲むように補助容器２４を設けておき、圧力調整部２３を用いて容器内部の気圧を調整し、フィラメント導入端子３の一端に操作棒２５を螺合させて使用済みのフィラメント１の排出がお行われる。このような構成を用いても、プラズマ生成室６内の真空を破らずにカソードの交換を実施することができる。また、伸縮部材４で囲まれた領域内や補助容器２４内の真空排気に関しては、プラズマ生成容器６の真空排気を行う真空ポンプを利用してもよい。この場合、上述した圧力調整部２３は排気機能を備えている必要はない。

＜その他の変形例＞
本発明で貫通孔Ｈが形成されるプラズマ生成室６の壁面は平坦な壁面に限られない。例えば、プラズマ生成室６の外形が直方体あるいは立方体であれば、その角部分の壁面に貫通孔Ｈを形成するようにしてもいい。角部分にはプラズマ生成室６の周囲に配置される永久磁石や冷却手段が配置されないので、この部分を利用することでイオン源全体の設計自由度を向上させることが可能となる。
さらに、プラズマ生成室６の外形が円柱体であれば、湾曲した壁面に貫通孔Ｈを形成するようにしてもよい。

また、本発明で使用されるプラズマ生成室６のガスポート７から室内に導入されるイオン化ガスは腐食性ガスであってもよい。半導体製造装置では、ＢＦ_３やＰＦ_３等の腐食性ガスが使用される場合がある。特許文献１に示す装置構成では、イオン化ガスが機構配置室内に流出する。イオン化ガスとして腐食性ガスを用いた場合、イオン化ガスがフィラメント移動機構と化学反応して、フィラメント移動機構が故障してしまうことが懸念される。しかしながら、本発明の構成であれば、カソード配置を変更させる機構等の配置場所へのイオン化ガスの流出が防止できるので、イオン化ガスとして腐食性ガスを用いたとしてもカソードの移動に支障を来さない。

本発明の実施形態では主にカソードを移動させる構成について説明してきたが、カソードの移動後にカソード位置を固定させる為の構成を追加で設けるようにしてもよい。支持ベースＢは大気側からの圧力やプラズマ生成室６側での真空排気の影響を受けて、放っておくとプラズマ生成室６側に移動してしまうことが懸念される。この対策として種々の構成が考えられるが、例えば手動で支持ベースＢを移動させる場合、支持ベースＢを特定位置まで移動させた後、ガイド１６上に着脱可能なストッパーを取り付けてスライダー１７のプラズマ生成室６側への移動を規制するようにしてもいい。具体的には、ガイド１６の延設方向に沿って複数の穴や同方向に沿った溝を形成しておき、ここにストッパー用のピンを差し込み、当該ピンが支持ベースＢの移動を規制するような構成でもいい。
また、図３の実施形態で示した機械的に支持ベースＢを移動させる構成やボールねじを用いて支持ベースＢを移動させる構成の場合には、支持ベースＢに連結されている駆動機構が抑止力となり、支持ベースＢのプラズマ生成室６側への移動を規制することができる。

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よいのはもちろんである。

１フィラメント
４伸縮部材
６プラズマ生成室
１０永久磁石
Ｂ支持ベース
Ｈ貫通孔
ＩＳイオン源

Claims

プラズマ生成室の周囲に永久磁石を具備したイオン源であって、
前記プラズマ生成室内に電子を供給するカソードと、
前記カソードを支持し、前記プラズマ生成室の外側に配置された支持ベースと、
前記プラズマ生成室の壁面に形成され、前記カソードが挿通される貫通孔と、
前記貫通孔の周囲を覆い、前記プラズマ生成室の外壁面と前記支持ベースとの間の空間を気密に保ち、前記支持ベースと前記プラズマ生成室の外壁間との距離を可変にする伸縮部材とを備えたイオン源。
前記プラズマ生成室内に供給されるイオン化ガスは腐食性ガスである請求項１記載のイオン源。
前記カソードは複数あり、少なくとも１つのカソードは他のカソードに比べて前記プラズマ生成室内への突出量が異なっていて、当該カソードの先端部は前記プラズマ生成室内でプラズマが生成される領域外に配置される請求項１又は２に記載のイオン源。
前記支持ベースの移動によって前記カソードの先端部が前記プラズマ生成室外に配置可能であって、前記伸縮部材と前記プラズマ生成室の外壁面との間に前記プラズマ生成室の貫通孔を開閉する弁体が設けられている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のイオン源。