JP6774034B2 - イオン源、イオンビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームに含まれるイオンの比率を変えることのできるイオン源と当該イオン源を備えたイオンビーム照射装置に関する。

イオン源から引出されるイオンビーム中に含まれるイオンの比率を変えることのできるイオン源として、特許文献１に記載のイオン源が知られている。

特許文献１のイオン源は、Ｐ型、Ｎ型の半導体素子を製造するためのイオン化ガスの種類に応じてカソード位置を変更するための機構を有している。この機構でもって、カソード位置とプラズマ生成容器のイオン射出面との距離を変化させることで、イオンビーム中に含まれるイオンの比率を変化させている。
具体的に言えば、イオン化ガスがＰＨ_３の場合には、生成されたプラズマ中の比較的質量が重いＰＨ_ｘ ^＋（ｘは１〜３の整数）の比率を増やすためにカソード位置をイオン射出面に近づける。一方、イオン化ガスがＢＦ３の場合には、比較的質量の軽いＢ^＋の比率を増やす為にＰＨ_３の場合に比べてカソード位置をイオン射出面から遠ざけている。

しかしながら、上記カソード位置を変えるための操作は、大掛かりな機構が必要となるためにイオン源の費用が高額となることが懸念される。また、経時変化により脆くなったカソードを移動させていることから、カソードの移動に伴う衝撃により、カソードが折損してしまうことも懸念される。

特開２０１６−１６４８９４

本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、安価かつ簡素な構成で引出されるイオンビーム中のイオンの比率を変えることのできるイオン源を提供することを期初の目的とする。

イオン源は、
プラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器に形成された開口と、
前記開口を通してイオンビームを引き出すためのビーム引出孔が形成された蓋体と、
前記蓋体を前記プラズマ生成容器側に付勢する弾性体と、を備え、
前記蓋体と前記プラズマ生成容器との間に挟持されたスペーサーを有している。

上記構成のイオン源であれば、蓋体とプラズマ生成容器との間に挟持されたスペーサーによって、比較的質量の軽いイオンを効率よく引き出すことが可能となる。一方、比較的質量の重いイオンを効率よく引き出す場合には、同スペーサーを外せばよい。
また、スペーサーを挟持するだけでいいので、従来のようにカソードを移動させるための複雑な機構を必要としない。これにより、イオン源の価格が安価で構成が簡素となる。さらに、カソードを移動させる構成ではないため、カソードの移動に伴うカソードの折損が生じないといった効果も奏する。

イオン源の配置によっては、スペーサーのズレ落ちや蓋体の位置ズレの恐れがある。各部の位置決めを行うために、前記プラズマ生成容器と前記蓋体は位置決めピンで位置決めされていて、前記位置決めピンが前記スペーサーを貫通する構成とすることが望ましい。

イオン源から引出されるイオンビームの分布を調整するには、
前記蓋体は、イオンビームの引出し方向に分割された第１の蓋体と第２の蓋体を備え、
一方の蓋体が単一のビーム引出孔を有し、
他方の蓋体が複数のビーム引出孔を有しており、
前記イオンビームの引出し方向からみて、前記単一のビーム引出孔が前記複数のビーム引出孔を包含している構成とすることが望ましい。

上記構成であれば、一方の蓋体のビーム引出孔を複数にしているので、このビーム引出孔の分布を所望の分布にすることで、イオン源から引出されるイオンビームの分布を所望の分布に設定することが可能となる。
また、一方の蓋体のビーム引出孔が、他方の蓋体に形成された複数のビーム引出孔を包含するほどの大きさにしているために、各蓋体に複数のビーム引出孔を形成する場合に比べて、両者の位置合わせが簡便となる。

さらに、イオン源からのイオンビームの引出し効率を向上するには、
前記複数のビーム引出孔が前記第１の蓋体に形成されていることが望ましい。

上記構成であれば、第１の蓋体に形成されたビーム引出孔を介して引き出されたイオンビームが第２の蓋体に衝突して消失するのを防ぐことが出来る。

スペーサーの取付け位置については、
前記スペーサーは、前記第１の蓋体と前記プラズマ容器との間に挟持されていることが望ましい。

イオン注入装置やイオンビームエッチング装置等のイオンビーム照射装置としては、
上記したイオン源を有する構成とする。

蓋体とプラズマ生成容器との間に挟持されたスペーサーによって、比較的質量の軽いイオンを効率よく引き出すことが可能となる。一方、比較的質量の重いイオンを効率よく引き出す場合には、同スペーサーを外せばよい。
また、スペーサーを挟持するだけでいいので、従来のようにカソードを移動させるための複雑な機構を必要としない。これにより、イオン源の価格が安価で構成が簡素となる。さらに、カソードを移動させる構成ではないため、カソードの移動に伴うカソードの折損が生じないといった効果も奏する。

第一の実施形態に係るイオン源の断面図 第二の実施形態に係るイオン源の断面図 図２のイオン源における各蓋体に形成されたイオンビーム引出孔の説明図 分割型の蓋体についての説明図

図１は第一の実施形態に係るイオン源の断面図である。図示されるＺ方向はイオン源１から引出されるイオンビームの引出し方向であり、Ｙ方向は概略直方体形状のプラズマ生成容器２の長手方向である。Ｘ方向は、Ｚ方向とＹ方向に直交する方向である。各方向の定義は、後述する図２、３についても同様である。

プラズマ生成容器２の一面には、容器内部にＢＦ_３やＰＨ_３等のイオン化ガスを導入するためのガスポートＧが設けられている。また、プラズマ生成容器２の別の面には、カソードＣが取り付けられている。このカソードＣは、容器内部に導入されたガスを電離して容器内部にプラズマを生成する為の電子を放出するフィラメントや板状のカソードとフィラメントの組み合わせからなる傍熱型のカソード等である。
さらに、プラズマ生成容器２の端部（Ｚ方向側の端部）には、容器内部と容器外部とを連通する開口Ｈが形成されている。

このイオン源１は、電子衝撃型のイオン源でプラズマ生成容器２の外部には、容器内部の長手方向（Ｙ方向）に沿った磁場を生成する図示されない電磁石を備えている。

開口Ｈの下流側（Ｚ方向側）には、開口Ｈを通して、所定エネルギーでイオンビームを引き出すための複数枚の電極が配置されている。
電極は、もっともプラズマ生成容器２側に配置された蓋体５と、それよりも下流に配置された引出電極系６で構成されている。各電極には、プラズマ生成容器２の開口Ｈに対応する位置にビーム引出孔４が形成されている。

プラズマ生成容器２の側壁には、Ｚ方向で蓋体５と対向するように突起部Ｐが設けられている。この突起部Ｐと蓋体５との間にはコイルばねＳが懸架されていて、蓋体５がコイルばねＳでプラズマ生成容器２側に付勢されている。
なお、このコイルばねＳは、プラズマ生成容器２の形状に合せて複数配置されていてもよい。本実施形態において、コイルばねＳは、Ｘ方向でプラズマ生成容器２を挟んでＹ方向に複数設けられている。

スペーサー８は、例えば、環状の部材であり、プラズマ生成容器２と蓋体５との間に挟持されている。プラズマ生成容器２、スペーサー８、蓋体５の間には、ボルト等の締結部材が使用されていない。このため、高温下での締結部材の焼き付きが防止できる。

イオン源１の運搬時やイオン源１の取付け時に起こりうるスペーサー８や蓋体５の位置ズレを防止するために、プラズマ生成容器２と蓋体５を位置決めピン７で位置決めしておく構成とすることが望ましい。例えば、位置決めピン７がスペーサー８を貫通する構成を用いる。
図示される位置決めピン７は、プラズマ生成容器２の端面に取り付けられる構成であるが、蓋体５側に取り付けられるようにしておいてもよい。その場合、蓋体５側に形成されている位置決めピン７の収納用の凹部９は、プラズマ生成容器２の端面に形成されることになる。

位置決めピン７をプラズマ生成容器２の端面に複数設ける場合、開口Ｈを挟んで対角位置に配置しておくことが望ましい。また、複数の位置決めピン７を設ける場合には、ある場所では蓋体５側に位置決めピン７を取り付けておき、別の場所ではプラズマ生成容器２側に位置決めピン７を取り付けておいてもよい。
なお、位置決めピン７まわりでの部材の回転による各部の位置ズレが軽微なものであれば、位置決めピン７の本数を１本とすることもできる。

図１記載のイオン源１の構成では、カソードＣ近傍に密度の濃いプラズマが生成される。プラズマ中に含まれるイオンは、容器内に生成された磁場中を螺旋運動しながら進行する。このときの旋回半径は、質量の重いイオンほど大きくなる。

本実施形態に示すように、スペーサー８を設けることにより、蓋体５とカソードＣとの距離が長くなる。この距離が長くなれば、蓋体５とカソードＣとの間で許容できるイオンの旋回半径が大きくなるが、他の場所（例えば、Ｘ方向におけるカソードＣとプラズマ生成容器２の内壁面との間）での距離は変化していないので、大きな旋回半径で螺旋運動している比較的質量の重いイオンがプラズマ生成容器２の内壁面に衝突して消滅する。

その結果、プラズマ生成容器２から引出されるイオンビームに含まれる比較的質量の重いイオンの比率が減るので、比較的質量の軽いイオンを効率よく引き出すことが可能となる。
一方、比較的質量の重いイオンを効率よく引き出したい場合には、挟持されているスペーサー８を外すだけでよい。
この構成を用いることにより、従来技術のようにカソードを移動させるための機構が不要となるので、装置価格が安価で構成が簡素となる。また、カソードを移動させることによるカソードの折損も生じない。

図２は第二の実施形態に係るイオン源の断面図である。図１との相違点は、蓋体５をイオンビームの引出し方向に分割された第１の蓋体５１と第２の蓋体５２で構成している点にある。
各蓋体５１、５２には、ビーム引出孔４が形成されているが、一方の蓋体には単一のビーム引出孔が形成されていて、他方の蓋体には複数のビーム引出孔が形成されている。

ビーム引出孔４の具体例を挙げれば、図３に示す構成となる。図３は、各蓋体５１、５２をＺ方向側からみたときのものである。例えば、第１の蓋体５１には２つのビーム引出孔４１が形成されている。これらのビーム引出孔４１は、図３の右側に破線で描かれているように、第２の蓋体５２に形成された単一のビーム引出孔４に包含されている。
なお、第２の蓋体５２のＺ方向側に配置されている引出電極系６を構成する各電極にも第２の蓋体５２のビーム引出孔４と同様の単一のビーム引出孔が形成されている。

図３に示すように、一方の蓋体のビーム引出孔を複数とし、他方の蓋体のビーム引出孔がこれらのビーム引出孔を包含するような大きさをもつものにしておけば、一方の蓋体に形成された複数のビーム引出孔を所定分布にすることで、イオン源１から引出されるイオンビームの分布を所定のものに設定することが可能となる。
また、他方の蓋体のビーム引出孔を、一方の蓋体に形成された複数のビーム引出孔を包含するほどの大きさとしているため、各蓋体に複数のビーム引出孔を形成する場合に比べて、両者の位置合わせが簡便となる等のメリットを奏する。

イオンビームの引出し効率を考慮すれば、複数のビーム引出孔は第１の蓋体５１に形成されていることが望ましい。プラズマから遠い側にある第２の蓋体５２に複数のビーム引出孔４を形成し、プラズマに近い側の第１の蓋体５１に単一のビーム引出孔４を形成した場合、第１の蓋体５１のビーム引出孔４を通過したイオンビームの一部は第２の蓋体５２に衝突して、消失してしまう。

上記したイオンビームの消失を避けるという点では、複数のビーム引出孔をいずれかの蓋体に形成する場合、第１の蓋体５１に複数のビーム引出孔を形成しておく方がよい。なお、図３では、Ｙ方向に長いリボンビームをイオン源から引出すことを想定しているために、第１の蓋体５１のビーム引出孔４１をＹ方向に並べて配置しているが、ビーム引出孔の並べ方についてはイオン源１から引出されるイオンビームの形状に合せて適宜変更してもよい。
また、Ｚ方向での蓋体の分割数は２つに限ることなく、２つ以上に分割しておいてもよい。

上述した実施形態では、外形が略直方体形状のプラズマ生成容器を例に挙げて説明したが、容器の形状は円柱や立方体等、様々な形状を採用してもよい。また、ビーム引出孔４はＹ方向に長い孔として説明したが、Ｘ方向に長い孔であってもよい。さらに、Ｚ方向からみたときの形状が円形や正方形といった形状をしていてもよい。

スペーサー８としては一体の構造物が想定されているが、例えば、厚み（Ｚ方向での寸法）が同じ２つ以上の複数の部材で構成されていてもよい。
また、厚みの異なるスペーサーを複数用意しておいて、カソードＣと蓋体５との距離を段階的に設定できるようにしておいてもよい。

本発明のイオン源は、イオンビーム照射装置として知られているイオン注入装置やイオンビームエッチング装置で使用してもよい。例えば、イオン注入装置で用いる場合、Ｐ型及びＮ型の半導体素子を製造するにあたって、１つのスペーサーを用意しておいてスペーサーの有無と、各半導体素子を製造するときのカソード位置とを対応させておくことが考えられる。

プラズマ生成容器２の突起部Ｐと蓋体５とをコイルばねＳでつなぐ構成を採用していたが、本発明のイオン源はこの構成に限られるわけではない。例えば、イオン源１が配置されるフランジ内で、フランジ内壁に板ばねを取り付けておき、板ばねでもって蓋体５のＺ方向側端面をプラズマ生成容器側に付勢する構成としてもよい。

カソードＣは、電子を放出するものであればよく、プラズマ生成容器内に所定エネルギーの電子を放出する電子銃を用いてもよい。また、カソードＣの配置については、プラズマ生成容器の内外のいずれに配置されていてもよい。

第１および第２の蓋体５１、５２は、図３に示す１つの部材で構成されていてもいいが、各蓋体を複数の部材で構成しておいてもよい。図４に、蓋体５を複数の部材で構成した例を示す。図４（Ａ）に示す複数の部材（５Ａ〜５Ｄ）を用意しておき、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように組み合わせることで、種々のビーム引出孔を有する蓋体を構成してもよい。
また、例示した分割構造の蓋体であれば、プラズマやイオンビームによるスパッタによって蓋体が部分的に損耗した場合には、該当部位のみを交換する等の点でメリットを有する。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１．イオン源
２．プラズマ生成容器
３．開口
４．ビーム引出孔
５．蓋体
５１．第１の蓋体
５２．第２の蓋体
６．引出電極系
７．位置決めピン
８．スペーサー
９．凹部
Ｃ．カソード
Ｇ．ガスポート
Ｐ．突起部
Ｓ．弾性体

Claims (6)

1. プラズマ生成容器と、
   前記プラズマ生成容器に形成された開口と、
   前記開口を塞いで、一部にイオンビームを引き出すためのビーム引出孔が形成された蓋体と、
   前記蓋体を前記プラズマ生成容器側に付勢する弾性体と、を備え、
   前記蓋体と前記プラズマ生成容器との間に挟持されたスペーサーを有し、
   前記スペーサーは引き出されるイオンビームに含まれる所望する質量のイオンの比率を高めるために選択的に着脱されることを特徴とするイオン源。
2. 前記プラズマ生成容器と前記蓋体は位置決めピンで位置固定されていて、
   前記位置決めピンが前記スペーサーを貫通する請求項１記載のイオン源
3. 前記蓋体は、イオンビームの引出し方向に分割された第１の蓋体と第２の蓋体を備え、
   一方の蓋体が単一のビーム引出孔を有し、
   他方の蓋体が複数のビーム引出孔を有しており、
   前記イオンビームの引出し方向からみて、前記単一のビーム引出孔が前記複数のビーム引出孔を包含している請求項１または２記載のイオン源。
4. 前記複数のビーム引出孔が前記第１の蓋体に形成されている請求項３記載のイオン源。
5. 前記スペーサーは、前記第１の蓋体と前記プラズマ容器との間に挟持されている請求項３または４記載のイオン源。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のイオン源を有するイオンビーム照射装置。