JP6898753B2 - イオン生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン生成装置に関する。

イオン生成装置は、イオン注入装置などのイオンを被処理物に照射する装置に搭載されるイオンソースとして用いられる。そのようなイオン照射装置においては、ある照射プロセスと別の照射プロセスとを異なるレシピ（例えば、異なるイオン種や異なるエネルギーを有する）で処理するために、それらプロセスの合間にイオンビーム条件を切り替えることが一般に行われている。イオンビーム条件の切替はたいてい、イオン生成装置で運用されるイオン生成条件の切替を伴う。

特許第４３７４４８７号公報

イオン生成条件の切替直後はイオンビームの品質が必ずしも十分に安定しない。そのため、新たなイオン生成条件の運用開始からしばらくの間、イオンビームの安定を待つ必要がある。イオン照射装置の生産性を向上するうえで、この待ち時間の短縮が望まれる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオン照射装置の生産性向上に役立つイオン生成装置を提供することにある。

本発明のある態様のイオン生成装置は、プラズマ生成領域を内部に有するアークチャンバと、プラズマ生成領域に向けて熱電子を放出するカソードと、プラズマ生成領域を挟んでカソードと軸方向に対向するリペラーと、アークチャンバの内面とプラズマ生成領域の間の位置において、プラズマ生成領域を部分的に包囲するように配置されるケージと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、イオン照射装置の生産性向上に役立つイオン生成装置およびその制御方法を提供することができる。

実施の形態に係るイオン注入装置を概略的に示す図である。 実施の形態に係るイオン生成装置の構成を概略的に示す断面図である。 ケージの構成を概略的に示す断面図である。 ケージの構成を概略的に示す断面図である。 比較例に係るイオン生成条件切替時のアークチャンバの内壁の状態変化を例示する図である。 実施の形態に係るイオン生成条件切替時のアークチャンバの内壁の状態変化を例示する図である。 イオン生成条件切替時のビーム電流の変化を例示する図である。 イオン生成条件切替時のビーム電流の変化を例示する図である。 図９（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係るケージの構成を概略的に示す断面図である。 変形例に係るケージの構成を概略的に示す断面図である。 変形例に係るケージの構成を概略的に示す断面図である。 図１２（ａ），（ｂ）は、変形例に係るアークチャンバの内部構成を概略的に示す断面図である。 図１３（ａ），（ｂ）は、変形例に係るアークチャンバの内部構成を概略的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、実施の形態に係るイオン注入装置１０を概略的に示す図である。図１の上部はイオン注入装置１０の概略構成を示す上面図であり、図１の下部はイオン注入装置１０の概略構成を示す側面図である。

イオン注入装置１０は、真空空間において被処理物の表面にイオン注入処理をするよう構成されている。被処理物は、例えば基板Ｗであり、例えば半導体ウエハである。よって以下では説明の便宜のため被処理物を基板Ｗまたは半導体ウエハと呼ぶことがあるが、これは注入処理の対象を特定の物体に限定することを意図していない。

イオン注入装置１０は、ビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方により基板Ｗの全面にわたってイオンビームＢを照射するよう構成されている。本書では説明の便宜上、設計上のイオンビームＢの進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。後述するようにイオンビームＢを被処理物に対し走査する場合には走査方向をｘ方向とし、ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。よって、ビームスキャンはｘ方向に行われ、メカニカルスキャンはｙ方向に行われる。

イオン注入装置１０は、イオン生成装置１２と、ビームライン装置１４と、注入処理室１６と、を備える。イオン生成装置１２は、イオンビームＢをビームライン装置１４に与えるよう構成されている。ビームライン装置１４は、イオン生成装置１２から注入処理室１６へとイオンを輸送するよう構成されている。また、イオン注入装置１０は、イオン生成装置１２、ビームライン装置１４、及び注入処理室１６に所望の真空環境を提供するための真空排気系（図示せず）を備える。

図示されるように、ビームライン装置１４は例えば、上流から順に、質量分析磁石装置１８、ビーム整形装置２０、偏向走査装置２２、Ｐレンズなどのビーム平行化装置２４、及び、角度エネルギーフィルター２６を備える。なお本書において、上流とはイオン生成装置１２に近い側を指し、下流とは注入処理室１６に近い側を指す。

質量分析磁石装置１８は、イオン生成装置１２の下流に設けられており、イオン生成装置１２から引き出されたイオンビームＢから必要なイオン種を質量分析により選択するよう構成されている。ビーム整形装置２０は、Ｑレンズなどの収束／発散レンズを備えており、イオンビームＢを所望の断面形状に整形するよう構成されている。

偏向走査装置２２は、ビームスキャンを提供するよう構成されている。偏向走査装置２２は、イオンビームＢをｘ方向に走査する。こうして、イオンビームＢは、ｙ方向の幅よりも長いｘ方向の走査範囲にわたって走査される。図１において矢印Ｃによりビームスキャン及びその走査範囲を例示し、走査範囲の一端及び他端でのイオンビームＢをそれぞれ実線及び破線で示す。なお明確化のためにイオンビームＢに斜線を付して図示する。

ビーム平行化装置２４は、走査されたイオンビームＢの進行方向を平行にするよう構成されている。角度エネルギーフィルター２６は、イオンビームＢのエネルギーを分析し必要なエネルギーのイオンを下方に偏向して注入処理室１６に導くよう構成されている。このようにして、ビームライン装置１４は、基板Ｗに照射されるべきイオンビームＢを注入処理室１６に供給する。

注入処理室１６は、１枚又は複数枚の基板Ｗを保持し、イオンビームＢに対する例えばｙ方向の相対移動（いわゆるメカニカルスキャン）を必要に応じて基板Ｗに提供するよう構成されている物体保持部（図示せず）を備える。図１において矢印Ｄによりメカニカルスキャンを例示する。また、注入処理室１６は、ビームストッパ２８をビームライン終端に備える。イオンビームＢの軌道上に基板Ｗが存在しない場合には、イオンビームＢはビームストッパ２８に入射する。

ある他の実施の形態においては、イオン注入装置１０は、ｚ方向に垂直な一方向に長い断面を有するイオンビームを注入処理室１６に与えるよう構成されていてもよい。この場合、イオンビームは例えば、ｙ方向の幅よりも長いｘ方向の幅を有する。こうした細長断面のイオンビームはリボンビームと呼ばれることもある。あるいは、更なる他の実施の形態においては、イオン注入装置１０は、イオンビームを走査することなく、スポット状の断面を有するイオンビームを注入処理室１６に与えるよう構成されていてもよい。

図２は、実施の形態に係るイオン生成装置１２の構成を概略的に示す断面図である。イオン生成装置１２は、傍熱型のイオンソースであり、アークチャンバ３０と、熱電子放出部３２と、リペラー３４と、第１引出電極３６と、第２引出電極３８と、ケージ７２と、各種電源を備える。

アークチャンバ３０は、略直方体の箱型形状を有する。アークチャンバ３０は一方向に細長い形状を有しており、以下ではこの方向をアークチャンバ３０の軸方向と称する。軸方向は、図２の紙面における上下方向である。

アークチャンバ３０は、高融点材料、具体的には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属やそれらの合金、グラファイト（Ｃ）等で構成されている。これにより、アークチャンバ内が比較的高温となる環境下でも、アークチャンバを溶けにくくできる。

アークチャンバ３０の軸方向の一方側には熱電子放出部３２が設けられている。アークチャンバ３０の軸方向の他方側にはリペラー３４が設けられている。リペラー３４は熱電子放出部３２に対向する。以下では説明の便宜上、アークチャンバ３０の熱電子放出部３２側を上側と称し、アークチャンバ３０のリペラー３４側を下側と称することがある。

なお、「上側」および「下側」の記載は、単に説明の便宜上なされるものであり、イオン生成装置１２の使用時に熱電子放出部３２が鉛直上側に配置され、リペラー３４が鉛直下側に配置されなければならないことを意味するものではない。イオン生成装置１２は、熱電子放出部３２が鉛直下側、リペラー３４が鉛直上側となるように配置されてもよいし、軸方向が水平方向となるように配置されてもよいし、軸方向が鉛直方向および水平方向に対して斜めとなるように配置されてもよい。

アークチャンバ３０の一方の側部には、原料ガスを導入するガス導入口４０が設けられている。アークチャンバ３０の他方の側部には、イオンビームＢが引き出される開口部としてのフロントスリット４２が形成されている。

原料ガスには、希ガスや、水素（Ｈ_２）、ホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）等の水素化物、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）等のフッ化物、三塩化インジウム（ＩｎＣｌ_３）等の塩化物、等のハロゲン化物が用いられる。また、原料ガスには、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸素（Ｏ_２）などの酸素原子（Ｏ）を含む物質も用いられる。

アークチャンバ３０は、チャンバ本体４４と、スリット部材４６と、絶縁部材４８とを備える。スリット部材４６にはフロントスリット４２が形成されている。チャンバ本体４４は、一方の側部が開放された箱部材である。スリット部材４６は、チャンバ本体４４の開放側に取り付けられる蓋であり、絶縁部材４８を介してチャンバ本体４４に固定される。チャンバ本体４４にスリット部材４６が取り付けられることにより、イオン生成装置１２のプラズマ室が形成される。熱電子放出部３２、リペラー３４、及びガス導入口４０は、チャンバ本体４４に設けられている。

スリット部材４６は、引出電源６０の正極に接続されており、スリット部材４６には引出電源６０によって正の高電圧が印加される。チャンバ本体４４は、チャンバー電源６２の負極に接続されており、スリット部材４６に対して負の電圧が印加される。チャンバー電源６２は、例えば、後述するアーク電源５８の１倍〜５倍の電圧をチャンバ本体４４に印加するよう構成される。

フロントスリット４２は、スリット部材４６の上側から下側へと延びる細長スリットである。このような上下長孔は、円形などの小孔に比べて面積が大きいので、イオン生成装置１２から引き出されるイオンビーム量を増加することができる。

説明の便宜上、フロントスリット４２の延びる方向をスリット長手方向と称する。スリット長手方向は、アークチャンバ３０の軸方向に相当する。スリット長手方向は、イオン生成装置１２のビーム引出方向に直交する。また、スリット長手方向及びビーム引出方向の双方に直交する方向をスリット幅方向とも称する。よって、図２に示される断面は、スリット長手方向及びビーム引出方向に平行な平面によるフロントスリット４２における断面である。図２の紙面上において、スリット長手方向は上下方向であり、ビーム引出方向は左右方向であり、スリット幅方向は紙面に垂直な方向である。

ケージ７２は、アークチャンバ３０の内部に設けられる。ケージ７２は、アークチャンバ３０の内面とプラズマＰが生成される領域（プラズマ生成領域ともいう）の間に位置し、プラズマ生成領域を部分的に包囲するよう配置される。ケージ７２は、軸方向に間隔を空けて並べられる複数の線状部材７４を有し、かご状または柵状に形成される。隣り合う線状部材７４の間には隙間７６が設けられ、ガス導入口４０から導入される原料ガスは、ケージ７２の隙間７６を通じてプラズマ生成領域に流入する。したがって、ケージ７２は、軸方向と直交する径方向にケージ７２を横切るガスの流れが生じるように構成される。

ケージ７２は、アークチャンバ３０と同様、高融点材料、具体的には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属やそれらの合金、グラファイト（Ｃ）等で構成されている。これにより、プラズマＰの生成中にケージ７２が比較的高温となる環境下においてケージ７２を溶けにくくできる。

ケージ７２は、チャンバ本体４４の三方の側部に沿って設けられ、プラズマ生成領域とチャンバ本体４４の内面４５との間を仕切るように配置される。ケージ７２は、スリット部材４６の内面６６に固定され、チャンバ本体４４の内面４５から離れて配置されている。ケージ７２には、スリット部材４６と同じ正の電圧が印加されており、ケージ７２より内側の空間にプラズマＰを閉じ込める役割を有する。また、ケージ７２は、プラズマＰに加熱されて数百℃以上の高温となる。

熱電子放出部３２は、アークチャンバ３０内に熱電子を放出するものであり、フィラメント５０とカソード５２を有する。熱電子放出部３２は、チャンバ本体４４のカソード取付孔に挿入され、アークチャンバ３０と絶縁された状態で固定される。また、熱電子放出部３２に関連して、フィラメント電源５４、カソード電源５６、及びアーク電源５８が設けられている。

フィラメント５０は、フィラメント電源５４で加熱され、先端に熱電子を発生させる。フィラメント５０で発生した（１次）熱電子は、カソード電源５６により形成されるカソード電界で加速される。（１次）熱電子は、カソード５２に衝突し、その衝突時に発生する熱でカソード５２を加熱する。加熱されたカソード５２は（２次）熱電子を発生する。

アーク電源５８によってカソード５２とケージ７２との間にアーク電圧が印加されており、アーク電圧によって（２次）熱電子が加速される。（２次）熱電子は、ガス分子を電離するに十分なエネルギーを持ったビーム電子としてケージ７２の内側に放出される。ビーム電子は、磁場Ｍによってほぼ限定された範囲に存在するのでイオンはその範囲で主に生成される。ビーム電子は、拡散によりアークチャンバ３０の内壁、スリット部材４６、カソード５２、リペラー３４、ケージ７２に到達し、壁面で失われる。

リペラー３４は、リペラープレート６８を有する。リペラープレート６８は、カソード５２と対向してほぼ平行に設けられている。リペラープレート６８は、アークチャンバ３０内の電子を跳ね返して、プラズマ生成領域に電子を滞留させてイオン生成効率を高める。

ケージ７２は、カソード５２とリペラー３４の間でのビーム電子の往復運動を阻害しないように、プラズマ生成領域とカソード５２の間の位置およびプラズマ生成領域とリペラー３４の間の位置を避けて配置される。したがって、ケージ７２は、軸方向と直交する平面内に構成される仕切りを有しないように形成される。

また、ケージ７２は、フロントスリット４２からのイオンビームＢの引き出しを阻害しないように、プラズマ生成領域とフロントスリット４２の間の位置を避けて配置される。したがって、ケージ７２は、スリット部材４６の内面６６に沿って構成される仕切りを有しないように形成される。

イオン生成装置１２には磁場発生器７０が設けられている。磁場発生器７０はアークチャンバ３０の外に配置されている。磁場発生器７０は一対のソース磁場コイルを備え、その一方がアークチャンバ３０の上方にあり、他方がアークチャンバ３０の下方にある。磁場発生器７０によってアークチャンバ３０内に磁場Ｍが印加される。磁場Ｍはアークチャンバ３０の軸方向に印加される。

カソード５２からアークチャンバ３０に放出されたビーム電子は磁場Ｍに沿ってカソード５２とリペラー３４との間を往復移動する。往復移動するビーム電子は、アークチャンバ３０に導入された原料ガス分子と衝突し原料ガス分子を電離させてイオンを発生させ、アークチャンバ３０にプラズマＰを生成する。アークチャンバ３０が縦長であるので、プラズマＰも縦長となる。

アークチャンバ３０の外側には、冷却装置８０が設けられる。冷却装置８０は、チャンバ本体４４の外側に取り付けられており、プラズマ生成時に高温となるチャンバ本体４４を冷却する。冷却装置８０を設けることでチャンバ本体４４の内面４５の温度を下げ、プラズマＰの生成に伴って内面４５に付着する物質が内面４５から再放出されにくい状態にする。逆に言えば、チャンバ本体４４の温度を下げることで、チャンバ本体４４の内面４５に付着する物質が蓄積されやすい状態にする。

第１引出電極３６は、アークチャンバ３０の外側に隣接して設けられている。第１引出電極３６は、スリット部材４６からビーム引出方向に隙間を空けて配置されている。第２引出電極３８は、スリット部材４６と反対側に第１引出電極３６に隣接して設けられている。第２引出電極３８は、第１引出電極３６からビーム引出方向に隙間を空けて配置されている。

第１引出電極３６及び第２引出電極３８にはそれぞれ、図示されるように、フロントスリット４２に対応する開口がイオンビームＢを通すために設けられている。これらの開口は、フロントスリット４２と同様に上下長孔形状を有する。第１引出電極３６及び第２引出電極３８は、例えば、ステンレス鋼、グラファイト、モリブデン、またはタングステンで形成されている。

第１引出電極３６は、サプレッション電源６４に接続されている。サプレッション電源６４は、第２引出電極３８に対して第１引出電極３６に負電位を印加するために設けられている。第２引出電極３８は接地されている。第１引出電極３６はサプレッション電極とも呼ばれる。第２引出電極３８はグランド電極とも呼ばれる。

ビーム引出は、第１引出電極３６とスリット部材４６との間に印加された電圧に応じてフロントスリット４２の近傍に生じる電界によって行われる。この電界により、プラズマからイオンビームＢがフロントスリット４２を通じて引き出される。イオンビームＢは、第１引出電極３６及び第２引出電極３８の開口を通過し、ビームライン装置１４によって注入処理室１６に輸送され、基板Ｗに照射される。

図３は、ケージ７２の構成を概略的に示す断面図であり、アークチャンバ３０の内部を軸方向に見たときの断面を示す。ケージ７２は、図示されるように、軸方向に見てコ字形状（チャネル形状）を有し、チャンバ本体４４の三方の側部４４ａ，４４ｂ，４４ｃのそれぞれと平行となるように配置されている。ケージ７２を構成する線状部材７４の両端７４ａ，７４ｂは、スリット部材４６の内面６６に取り付けられている。

ケージ７２は、アークチャンバ３０の内部を第１空間８２と第２空間８４とに仕切るように配置される。第１空間８２は、プラズマＰが生成されるプラズマ生成領域を含み、フロントスリット４２と連通する。第２空間８４は、チャンバ本体４４の内面４５に沿った領域であり、チャンバ本体４４の内面４５からの距離が所定範囲内となる部分である。

ケージ７２は、チャンバ本体４４の内面４５から離れて設けられる。ケージ７２とチャンバ本体４４の内面４５との間隔ｄ_１は、電位の異なるケージ７２とチャンバ本体４４の間の絶縁性が確保される程度に大きいことが必要である。一方で、ある程度の大きさのプラズマ生成領域を確保するため、ケージ７２とチャンバ本体４４の内面４５との間隔ｄ_１は、可能な限り小さいことが好ましい。ケージ７２とチャンバ本体４４の内面４５との間隔ｄ_１は、アークチャンバ３０の内形寸法ｄ_０の３０％以下とすることが好ましく、例えば、内形寸法ｄ_０の５％、１０％、１５％または２０％程度とすればよい。ここでいうアークチャンバ３０の内形寸法ｄ_０は、アークチャンバ３０の長手方向の寸法ではなく、長手方向と直交するアークチャンバ３０の短手方向（スリット幅方向またはビーム引出方向）の寸法である。

図４は、ケージ７２の構成を概略的に示す断面図であり、図２の一部に対応する図である。図４では、ケージ７２が設けられる軸方向の範囲が詳細に示される。ケージ７２は、少なくともフロントスリット４２が設けられる軸方向の第１区間Ｃ１にわたって設けられる。ケージ７２は、フロントスリット４２とカソード５２の間の第２区間Ｃ２の少なくとも一部、および、リペラー３４とフロントスリット４２の間の第３区間Ｃ３の少なくとも一部に位置するように設けられることが好ましい。したがって、ケージ７２の軸方向の長さｌ_１は、フロントスリット４２の軸方向（スリット長手方向）長さｌ_０よりも大きい。

ケージ７２は、第２区間Ｃ２および第３区間Ｃ３の一部にのみ位置するよう設けられてもよいし、第２区間Ｃ２および第３区間Ｃ３の少なくとも一方の全体にわたって位置するように設けられてもよい。ケージ７２は、カソード５２が位置する第４区間Ｃ４の少なくとも一部に位置するように設けられてもよいし、リペラー３４が位置する第５区間Ｃ５の少なくとも一部に位置するように設けられもよい。ケージ７２が第４区間Ｃ４に設けられる場合、ケージ７２と熱電子放出部３２とが接触しないように、熱電子放出部３２より径方向外側にケージ７２が位置するように配置される。同様に、ケージ７２が第５区間Ｃ５に設けられる場合、ケージ７２とリペラー３４とが接触しないように、リペラー３４より径方向外側にケージ７２が位置するように配置される。また、ケージ７２は、チャンバ本体４４の上部および下部と接触しないように、チャンバ本体４４の上部および下部から離れて配置される。

上述のように、ケージ７２とカソード５２との間にはアーク電圧が印加されており、ケージ７２はプラズマ生成領域に熱電子を供給するためのアノードとして機能する。また、ケージ７２は、チャンバ本体４４に対して正の電圧が印加されており、ケージ７２の内部にプラズマＰを閉じ込めてイオン生成効率を高める役割も有する。これらの機能は、ケージ７２が生成する電場（ポテンシャル）の壁によって実現されるため、理想的にはケージ７２が板状の部材で構成され、隙間７６が設けられないことが好ましい。しかしながら、ケージ７２に隙間７６が設けられないとすると、ケージ７２の内部にプラズマＰの原料ガスを十分に供給できず、安定的なプラズマ形成が阻害されうる。

以上の観点から、ケージ７２を構成する線状部材７４のピッチｐは、可能な限り小さいことが好ましく、ケージ７２の軸方向の長さｌ_１の１／５以下、例えば、１／１０以下であることが好ましい。したがって、複数の線状部材７４は、５本以上、例えば、１０本以上設けられることが好ましい。

また、ケージ７２の内部に効率的に原料ガスを供給できるよう、ケージ７２の隙間７６が占める割合、つまり開口率が３０％以上であることが好ましい。ここで「開口率」とは、ケージ７２を径方向に見たときの平面視における単位面積あたりに隙間７６が占める面積割合のことをいう。ケージ７２の開口率を３０％以上にするには、例えば、線状部材７４の幅ｗ_１と隙間７６の幅ｗ_２との比をｗ_１／ｗ_２≦２とすればよい。

一方で、ケージ７２の開口率を大きくしようとすると、線状部材７４の幅ｗ_１を小さくしなければならず、線状部材７４に十分な強度を持たせることが難しくなる。また、線状部材７４の幅_１が小さいと、ケージ７２が生成する電場（ポテンシャル）の壁としての機能も低下する。したがって、ケージ７２の開口率は９１％以下であることが好ましい。ケージ７２の開口率を９１％以下にするには、例えば、線状部材７４の幅ｗ_１と隙間７６の幅ｗ_２との比をｗ_１／ｗ_２≧０．１とすればよい。

つづいて、本実施の形態に係るイオン生成装置１２が奏する効果について説明する。まず、比較例に係るイオン生成装置においてイオン生成条件を切り替えたときのアークチャンバの内壁の状態変化について示す。比較例では、上述のケージ７２および冷却装置８０が設けられず、アークチャンバ本体およびスリット部材に同じアーク電圧が印加される。

図５は、比較例に係るイオン生成条件切替時のアークチャンバ１３０の内壁の状態変化を例示する図である。イオン生成条件とは、イオン生成装置の運転条件であり、使用されるガス種およびその流量、プラズマ励起用の投入電力（例えば、アーク電流、アーク電圧）、印加磁場等のパラメータを含む。イオン生成条件が切り替わるとき、これらのパラメータの少なくとも一つが変更される。以下では説明の便宜上、切替前の条件を、現在運用されているイオン生成条件であることから「現イオン生成条件」と適宜称し、切替後の条件を、次に運用されるイオン生成条件であることから、「新イオン生成条件」と適宜称する。

図５の左上部は、比較例に係るイオン生成装置の運転が現イオン生成条件で十分な時間継続されたときのアークチャンバ１３０の内壁の状態を示す。また、図５の中央上部は、現イオン生成条件から新イオン生成条件に切り替えた直後のアークチャンバ１３０の内壁の状態を示し、図５の右上部は、その後新イオン生成条件でイオン生成装置の運転が十分な時間継続されたときのアークチャンバ１３０の内壁の状態を示す。図５の下部は、現イオン生成条件から新イオン生成条件に切り替えたときのアークチャンバ１３０の内壁の物質形成量（例えば、物質層の厚さ）の変化を示す。

本発明者の考察によると、アークチャンバ１３０の内壁にはイオン生成条件に応じて異なる物質が形成されうる。例えば、図５の左上部に示されるように、現イオン生成条件においてはアークチャンバ１３０に第１プラズマＰａが生成され、それにより内壁に第１物質αが形成される。現イオン生成条件から新イオン生成条件に切り替わると、図５の中央上部に示すように、第１プラズマＰａとは異なる第２プラズマＰｂがアークチャンバ１３０内に生成される。切替直後であるからアークチャンバ１３０の内壁には依然として第１物質αが残留している。図５の右上部に示されるように、新イオン生成条件の運用開始から十分な時間が経過すると、第２プラズマＰｂによってアークチャンバ１３０の内壁に第２物質βが形成される。

このように、イオン生成条件の切替はアークチャンバ１３０の内壁の状態遷移を伴う。図５の下部に示されるように、現イオン生成条件で形成された第１物質αが徐々に内壁から除去され、新イオン生成条件のもとで第２物質βが徐々に内壁に形成される。内壁から除去された第１物質αはイオンビームとともにアークチャンバ１３０の外に排出されると考えられる。第２物質βは内壁にある程度形成されると飽和する。

こうした図５の中央部で示されるような遷移状態ではイオン生成装置１２から引き出されるイオンビームの品質が十分に安定しない。そのため、新イオン生成条件の運用開始からしばらくの間、イオンビームの安定を待つ必要がある。この待ち時間ΔＴ１は、現イオン生成条件と新イオン生成条件の組み合わせによっては、かなりの時間を要する。待ち時間ΔＴ１が終わるまでイオン注入装置１０の注入処理を開始できない。そこで、イオン注入装置１０の生産性を向上するうえで、イオン生成条件の切替に伴うイオンビーム安定待ち時間の短縮が望まれる。

本発明者らの考察によれば、上述の待ち時間ΔＴ１が長くかかる理由として、比較例ではアークチャンバ内壁が比較的高温であるために、蓄積物質α，βが蓄積されにくく、再放出されやすい状態にあることが挙げられる。通常、アークチャンバ１３０はプラズマＰに加熱されて数百℃以上の高温となる。しかしながら、イオン生成条件を切り替えるためにアークチャンバ１３０の内壁の蓄積物質α，βを入れ替えて安定化させる観点では、アークチャンバ１３０の温度が低いことが好ましい。そこで本発明者らは、アークチャンバ内にケージ７２を挿入し、プラズマＰを加熱するための比較的高温のケージ７２と、蓄積物質を早期に安定化させるための比較的低温のアークチャンバ３０とに機能を分離することで、イオン生成条件の切替に伴う待ち時間を短縮できるのではと考えた。

図６は、本実施の形態に係るイオン生成条件切替時のアークチャンバ３０の内壁の状態変化を例示する図であり、上述の比較例に係る図５に対応する。本実施の形態では、プラズマとアークチャンバ３０の内壁との間にケージ７２が設けられており、アークチャンバ３０の内壁は、ケージ７２と比べて温度が低い状態にある。その結果、比較例の場合よりもアークチャンバ３０の内壁に蓄積物質α，βが蓄積されやすく、一度蓄積された物質は再放出されにくい。

本実施の形態においてイオン生成条件を切り替えると、図６の中央上部に示されるように、アークチャンバ３０の内壁に蓄積された第１物質αの上に第１物質αと第２物質βの双方が蓄積された状態へ移行する。これは、第１物質αが再放出されにくく、第２物質βが蓄積されやすいために、第１物質αが完全に除去される前に第１物質αの上を第２物質βが覆っていくためである。その結果、図６の右上部に示されるように、アークチャンバ３０の内壁上に第１物質αが残留したまま、第２物質βが蓄積されて飽和した状態となる。本実施の形態では、このように第２物質βによって第１物質αが完全に覆われる状態となることで、新イオン生成条件における安定状態が実現される。

本実施の形態では、第１物質αが完全に除去される前に第１物質αが放出されなくなるため、第１物質αが放出されなくなるまでの時間は上述の比較例より短い。また、アークチャンバ３０の内壁が比較的低温であることから、第２物質βが内壁に蓄積して飽和状態となるまでの時間も上述の比較例より短い。その結果、図６の下部に示されるように、イオン生成条件を切り替えてから安定化するまでの待ち時間ΔＴ２は、上述の比較例よりも短い。本実施の形態によれば、このようにしてイオン生成条件切替に伴う待ち時間を短縮化し、イオン注入装置１０の生産性を向上させることができる。

図７は、イオン生成条件切替時のビーム電流の変化を例示する図であり、リン（Ｐ）イオンの生成条件からアルゴン（Ａｒ）イオンの生成条件に切り替える場合のＰビームの電流量の変化を示している。実線は、アークチャンバ３０内にケージ７２が設けられる実施例を示し、破線は、アークチャンバ内にケージ７２が設けられない比較例を示す。図示されるように、比較例に比べて実施例では、イオン生成条件を切り替えてからリン（Ｐ）ビームが検出されなくなるまでの時間が短く、また、切替後に出力されるＰビームの電流量の時間積分値が小さい。このように、本実施例によれば、イオン生成条件の切替に伴う待ち時間を短縮化することができる。

図８は、イオン生成条件切替時のビーム電流の変化を例示する図であり、図７の場合とは逆に、アルゴン（Ａｒ）イオンの生成条件からリン（Ｐ）イオンの生成条件に切り替える場合のＰビームの電流量の変化を示している。実線は、アークチャンバ３０内にケージ７２が設けられる実施例を示し、破線は、アークチャンバ内にケージ７２が設けられない比較例を示す。図示されるように、比較例に比べて実施例では、イオン生成条件を切り替えてからＰビーム電流が安定化するまでの時間が短い。このように、本実施例によれば、イオン生成条件の切替に伴う待ち時間を短縮化することができる。

（変形例１）
図９（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係るケージ７２ａ，７２ｂ，７２ｃの構成を概略的に示す断面図であり、アークチャンバ３０の内部を軸方向に見たときの断面を示す。図９（ａ）は、軸方向に見てＵ字形状に形成されるケージ７２ａを示す。図９（ｂ）は、軸方向に見てＣ字形状に形成されるケージ７２ａを示す。図９（ｃ）は、軸方向に見てＶ字形状に形成されるケージ７２ａを示す。図示される変形例においても、ケージ７２ａ，７２ｂ，７２ｃは、プラズマＰが生成される領域とアークチャンバ３０の内面４５の間を仕切るように配置され、スリット部材４６に取り付けられている。なお、ケージの形状は図示されるものに限られず、プラズマ生成領域を少なくとも部分的に包囲する形状であれば、任意の形状を採用することができる。

（変形例２）
図１０は、変形例に係るケージ７２ｄの構成を概略的に示す断面図であり、アークチャンバ３０の内部をスリット幅方向に見たときの断面を示す。本変形例に係るケージ７２ｄは、軸方向に間隔を空けて配置される複数の線状部材（第１線状部材）７４に加えて、軸方向に延在する複数の第２線状部材７５が設けられる。第２線状部材７５は、第１線状部材７４が延びる方向に間隔を空けて配置される。本変形例に係るケージ７２ｄは、第１線状部材７４および第２線状部材７５を組み合わせて用いることにより、メッシュ状に形成される。つまり、ケージ７２ｄは、メッシュ部材を含む。本変形例においても、メッシュの隙間７６の開口率が３０％以上９０％以下となるように構成されることが好ましい。

（変形例３）
図１１は、変形例に係るケージ７２ｅの構成を概略的に示す断面図であり、図１０と同様、アークチャンバ３０の内部をスリット幅方向に見たときの断面を示す。本変形例に係るケージ７２ｅは、複数の開口７８が設けられた板状部材７７により構成される。ケージ７２ｅは、軸方向に見たときにコ字形状を有し、チャンバ本体４４の三方の側部のそれぞれと対向するように配置される三枚の板状部材７７を有する。複数の開口７８は、板状部材７７にアレイ状に形成されており、例えば、三方格子状または四方格子状に並べられる。本変形例においても、複数の開口７８の開口率が３０％以上９０％以下となるように構成されることが好ましい。

（変形例４）
図１２（ａ），（ｂ）は、変形例に係るアークチャンバ３０の内部構成を概略的に示す断面図であり、アークチャンバ３０の内部を軸方向に見たときの断面を示す。本変形例では、ケージ７２ｆがスリット部材４６に固定されるのではなく、チャンバ本体４４に固定される点で上述の実施の形態と異なる。ケージ７２ｆは、スリット部材４６の内面６６から離れて配置され、絶縁部材９１，９２を介してチャンバ本体４４の内面４５に取り付けられる。図１２（ａ）に示す変形例では、ケージ７２ｆが絶縁部材９１を介してチャンバ本体４４のスリット幅方向に対向する二つの側部４４ａ，４４ｃに固定されている。図１２（ｂ）に示す変形例では、ケージ７２ｆが絶縁部材９２を介してチャンバ本体４４のスリット部材４６と対向する一つの側部４４ｂに固定されている。

本変形例では、ケージ７２ｆがチャンバ本体４４から電気的に絶縁されており、ケージ７２ｆはチャンバ本体４４と異なる電位を有する。ケージ７２ｆは、例えば、上述の実施の形態と同様にスリット部材４６と同電位となるように構成される。ケージ７２ｆは、スリット部材４６からも電気的に絶縁されてもよく、スリット部材４６と異なる電位を有してもよい。この場合、ケージ７２ｆには、図２に図示しない別の電源に基づく電圧が印加されてもよい。また、ケージ７２ｆは、浮遊電位となるよう構成されてもよい。

（変形例５）
図１３（ａ），（ｂ）は、変形例に係るアークチャンバ３０の内部構成を概略的に示す断面図であり、アークチャンバ３０の内部を軸方向に見たときの断面を示す。本変形例では、ケージ７２ｇ，７２ｈがチャンバ本体４４に固定される点で上述の変形例と共通するが、ケージ７２ｇ，７２ｈがチャンバ本体４４に直接的に固定される点で上述の変形例と相違する。したがって、本変形例では、ケージ７２ｇ，７２ｈがチャンバ本体４４と同電位となるように構成される。

図１３（ａ）に示す変形例では、ケージ７２ｇがチャンバ本体４４のスリット幅方向に対向する二つの側部４４ａ，４４ｃに固定されている。ケージ７２ｇは、プラズマ生成領域を部分的に包囲するように配置される仕切部９４ｇと、仕切部９４ｇからチャンバ本体４４の側部４４ａ，４４ｃに向けて突出する取付部９６ｇとを有する。図１３（ｂ）に示す変形例では、ケージ７２ｈがチャンバ本体４４のスリット部材４６と対向する一つの側部４４ｂに固定されている。ケージ７２ｈは、プラズマ生成領域を部分的に包囲するように配置される仕切部９４ｈと、仕切部９４ｈからチャンバ本体４４の側部４４ｂに向けて突出する取付部９６ｈとを有する。

なお、さらなる変形例では、ケージ７２がチャンバ本体４４の側部ではなく、チャンバ本体４４の上部または下部に固定されてもよい。この場合、ケージ７２が直接的にチャンバ本体４４に固定されてもよいし、絶縁部材を介してチャンバ本体４４に固定されてもよい。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

上述の実施の形態では、チャンバ本体４４とスリット部材４６の間にチャンバー電源６２による電圧が印加される場合を示した。さらなる変形例では、チャンバー電源６２が設けられず、チャンバ本体４４とスリット部材４６が同電位となるように構成されてもよい。この場合、ケージ７２がチャンバ本体４４およびスリット部材４６と同電位となるよう構成されてもよいし、ケージ７２がチャンバ本体４４およびスリット部材４６と異なる電位となるよう構成されてもよい。後者の場合、ケージ７２がチャンバ本体４４およびスリット部材４６に対して浮遊電位となるように構成されてもよい。

上記の説明は傍熱型のイオン生成装置を参照して行っているが、本発明はこれに限られず、ＲＦイオン生成装置、マイクロ波イオン生成装置、バーナス型イオン生成装置など、プラズマチャンバに反応性原料ガスが供給されそのプラズマがチャンバ内壁と相互作用するその他の任意のイオン生成装置に適用されてもよい。この場合、上記の説明で言及される「アークチャンバ」との用語は、より一般化された表現として使用される「プラズマチャンバ」との用語に読み替えることができる。

１２…イオン生成装置、３０…アークチャンバ、３４…リペラー、４２…フロントスリット、４４…チャンバ本体、４６…スリット部材、４８…絶縁部材、５２…カソード、７２…ケージ、７４…線状部材、７６…隙間、７７…板状部材、７８…開口。

Claims (16)

1. プラズマ生成領域を内部に有するアークチャンバと、
   前記プラズマ生成領域に向けて熱電子を放出するカソードと、
   前記プラズマ生成領域を挟んで前記カソードと軸方向に対向するリペラーと、
   前記アークチャンバの内面と前記プラズマ生成領域の間の位置において、前記プラズマ生成領域を部分的に包囲するように配置されるケージと、を備え、
   前記ケージは、前記軸方向と直交する径方向に前記ケージを横切るガスの流れが生じるように配置される複数の開口または複数の隙間を有することを特徴とするイオン生成装置。
2. 前記ケージは、前記径方向の平面視における単位面積あたりに前記複数の開口または前記複数の隙間が占める割合が３０％以上９０％以下となるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン生成装置。
3. 前記アークチャンバは、アークチャンバ本体と、前記アークチャンバ外へイオンを引き出すためのフロントスリットが設けられるスリット部材と、を有し、
   前記ケージは、前記プラズマ生成領域と前記フロントスリットの間の位置を避けて配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン生成装置。
4. 前記ケージは、前記スリット部材と同電位となるよう構成されることを特徴とする請求項３に記載のイオン生成装置。
5. 前記ケージは、前記アークチャンバ本体の内面に固定され、前記スリット部材の内面から離れて配置されることを特徴とする請求項３に記載のイオン生成装置。
6. 前記ケージは、前記アークチャンバ本体と同電位となるよう構成されることを特徴とする請求項５に記載のイオン生成装置。
7. 前記ケージは、絶縁部材を介して前記アークチャンバ本体の内面に固定され、前記アークチャンバ本体と異なる電位となるよう構成されることを特徴とする請求項５に記載のイオン生成装置。
8. 前記スリット部材は、絶縁部材を介して前記アークチャンバ本体に取り付けられ、
   前記アークチャンバ本体は、前記スリット部材の電位に対して負電位となるよう構成されることを特徴とする請求項３から７のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
9. 前記スリット部材は、絶縁部材を介して前記アークチャンバ本体に取り付けられ、
   前記アークチャンバ本体は、前記スリット部材の電位に対して浮動電位となるよう構成されることを特徴とする請求項３から７のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
10. 前記アークチャンバ本体を冷却する冷却機構をさらに備えることを特徴とする請求項３から９のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
11. 前記フロントスリットは、前記軸方向に細長い形状を有し、
    前記ケージは、少なくとも前記フロントスリットが前記軸方向に延在する区間にわたって配置されることを特徴とする請求項３から１０のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
12. 前記ケージは、前記軸方向に見て、Ｖ字状、Ｕ字状、Ｃ字状、または、コ字状に形成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
13. 前記ケージは、前記プラズマ生成領域と前記カソードの間の位置および前記プラズマ生成領域と前記リペラーの間の位置を避けて配置されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
14. 前記ケージは、前記軸方向に間隔を空けて並べられる複数の線状部材を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
15. 前記ケージは、メッシュ状部材を含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
16. 前記ケージは、複数の小孔が設けられる板状部材を含むことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

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