JPH01236561A - イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、真空容器内に、室壁を貫通する長孔状のス
リットが設けられるとともに室の内部に低気圧プラズマ
が生成されるプラズマ室と、このプラズマ室の外部に前
記スリットと対向して配され前記プラズマ室内のイオン
を引き出すための電界を形成するとともに該電界により
引き出されたイオンを通過させる長孔状のスリットを備
えた引出し電極とからなるイオン源装置と、このイオン
源装置から射出されたイオンビームから特定のイオン種
を分離抽出する質量分析マグネットと、この質量分析マ
グネットの後段に配されこの質量分析マグネットから射
出された。前記特定イオン種からなるイオンビームを通
過させる分析スリットと、前記分析スリットを通過した
イオンビームによって照射されるターゲットを収容する
注入室とを備えてなるイオンビーム装置における前記イ
オン源装置の構成に関する。

〔従来の技術〕

第６図に前記イオン源装置を備えた従来のイオンビーム
装置の構成例を示す、内部に、以下に詳細を説明するよ
うな方法により低気圧プラズマが生成されるプラズマ室
１の室壁を貫通して設けられた長孔状のスリット１１と
対向して配され中央部に長孔状のスリットを有する金属
板２１．２２からなるイオン引出し電極２がプラズマ室
１方向へ形成する電界の作用により前記スリット１１が
ら引き出されたイオンはビームとなって金属板２１．２
２のスリットを通過し、質量分析マグネット３の直′ｆ
Ｌ磁界中へ入射される。この入射されたイオンビームは
紙面に垂直な直流磁界の作用により、げられるから、Ｂ
とＶが一定であれば、特定の電荷／質量比をもつイオン
のみが選別されて質量分析マグネット３から射出される
。なお４はこの射出されたイオンが注入されるターゲッ
トたとえばシリコンウェハである。ここで、Ｂは直流磁
界の強さ、ｍはイオンの質量、■はイオン引出しｔ極２
とプラズマ室１との間に印加された電圧、ｑはイオンの
電荷量である。

このような装置において、プラズマ室１とイオン引出し
電極２とは概ね第７図に示すように構成される。なお、
図において、イオン引出し電極はプラズマ室に近い金属
板２１で代表させて示している。プラズマ室１の内部に
おける低気圧プラズマの生成はつぎのように行なわれる
。すなわち、プラズマ室１にイオン注入のための原料ガ
スを導入するとともに、プラズマ室内部でプラズマ室の
軸線方向に配された熱陰極１１１を通電加熱して熱電子
を放出させると、この電子は熱陰極１１１に対してプラ
ス側に課電されたプラズマ室１に向かって進むから、こ
の電子の進行方向に垂直に、すなわち熱陰極１１１と同
じプラズマ室の軸線方向に磁界Ｂをかけると、電子は磁
界Ｂに垂直な面内で高速円運動をはじめ、原料ガスの分
子に衝突してこれを電離し、プラズマ１１２を生成する
。プラズマ室１にはスリット１１が設けられており、こ
のスリットと対向して中央部にスリット２１１を有する
イオン引出し電極としての金属板２１が配されているか
ら、この金属板とプラズマ室１との間に高電圧Ｖを印加
すると、プラズマ１１２からイオンが引き出されてビー
ムが形成され、ビーム電流！が得られる。このようにし
て引き出されるビーム電流■の大きさは、 １ｏｅ　（１／　ｄ）”　（１／ｍ）””・ｖ３”　・
Ｓ−ｒなる式に従う、ここで、ｄはプラズマ室１とイオ
ン引出し電極２もしくは金属板２１との間の間隔、ｍは
引き出されるイオンの質量、Ｓはプラズマ室のスリット
１１の面積、Ｔはイオンビームの中和度である。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような構成のイオンビーム装置を用いてターゲット
へのイオン注入を高速に行い、ターゲットの処理枚数を
増して装置の生産性をあげようとする場合、次のような
問題点があった。すなわちターゲットの処理枚数を増す
ためにはビーム電流Ｉを大きくする必要があるが、この
ためには、前述の式から分るように、電極間距離ｄを小
さくするか、電圧Ｖを大きくするか、スリットの面積Ｓ
を大きくするか、イオンビームの中和度Ｔを大きくする
か、またはこれらの幾つかの組合わせが必要となる。し
かし、電極間距ｌｄを小さくし電圧■を大きくする運転
条件の変更は両電極間の電界強度を増大せしめ、これに
よってビーム電流を増大させうる一方、この増大したビ
ーム電流のもとての両電極間の絶縁保持を確実に行なう
必要から、変更の幅にはおのずから限度がある。そこで
、大量のイオンを引き出してビーム電流を増す場合は、
スリットの面積Ｓを大きくする変更がなされるが、この
場合、イオンビームの集束の問題が生ずる。

すなわち、プラズマ室１と引出し電８ｉ２１との間には
それぞれ凹凸形状の関係により静電レンズが構成され、
スリットの幅方向にはイオンビームを集束させることが
できるが、長手方向には静電レンズ効果が小さく、イオ
ンビームを集束させ得なかった。従って第６図に示した
質量分析マグネット３に全イオンビームを導入するため
にはマグネットの磁極間距離が大きくなり、延いてはマ
グネット３の大形化、マグネット電源容量の増大を招く
問題があった。

この問題を解決するために、スリットの長手方向を質量
分析マグネットの磁界方向と垂直に配置する。即ち、磁
極方向にスリットの幅方向を一致させる方法も試みられ
ているが、この方法では分析スリット５に到達したイオ
ンビームのサイズが大きくなり、これに分析スリット５
の幅すなわちスリットの長手方向寸法を合わせると分析
能が低下し、分析能を上げると通過イオンビーム量が低
下し大電流が得られないという問題があった。

この発明の目的は、質量分析マグネットを大形化するこ
となく、また分析スリットを太き（することなく、分解
能の高い大電流イオンビームを安定に得ることのできる
イオンビーム装置を桿供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明によれば、真空容
器内に、室壁を貫通する長孔状のスリットが設けられる
とともに室の内部に低気圧プラズマが生成されるプラズ
マ室と、このプラズマ室の外部に前記スリットと対向し
て配され前記プラズマ室内のイオンを引き出すための電
界を形成するとともに該電界により引き出されたイオン
を通過させる長孔状のスリットを備えた引出し電極とか
らなるイオン源装置と、このイオン源装置から射出され
たイオンビームから特定のイオン種を分離抽出する質量
分析マグネットと、この質量分析マグネットの後段に配
されこの質量分析マグネットから射出された。前記特定
イオン種からなるイオンビームを通過させる分析スリッ
トと、前記分析スリットを通過したイオンビームによっ
て照射されるターゲットを収容する注入室とをゝ備えて
なるイオンビーム装置において、前記プラズマ室の前記
引出し電極に対向する面または前記引出し電極のへ向か
ってスリット長手方向に凹面に形成し、この凹面と、こ
の凹面と対向するプラズマ室側の面または引出し電極側
の面とにより、前記プラズマ室のスリットから引き出さ
れるイオンビームに対してスリット長手方向に集束作用
をおよぼす静電凸レンズを形成せしめるものとする。ま
たこの静電凸レンズの作用によりスリット長手方向に集
束したイオンビームを確実に質量分析マグネットの磁極
間に導入するための手段として、引出し電極が、該引出
し電極もしくはプラズマ室のスリット長手方向と、該引
出し電極とプラズマ室との対向方向とにそれぞれ垂直と
なる１つの軸線まわりに回動可能に真空容器外部に回動
駆動装置を設ければさらに好適である。

〔作用〕

本発明は、プラズマ中のイオンが電気力線に沿って引き
出されること、および、引出し！極により加速されたイ
オンが質量分析マグネ７）出入口に発生するフリンジ場
によって主磁界方向への発散力を受けることに着目して
なされたものである。

すなわち、プラズマ室と引出し電極との互に対向する面
のいずれか一方の面のスリットまわりの領域をイオンビ
ームの下流側へ向かってスリット長手方向に凹面に形成
すると、プラズマ室から引き出されたイオンビームがス
リットの長手方向に集束作用を受け、Ｘ！分析マグネッ
トの入口に到達するまでにイオンビーム断面の長手方向
が短くなリ、イオンビームの全量が質量分析マグネット
の磁極間に導入可能となるとともに、質量分析マグネッ
ト出入口のフリンジ場で生ずる発散力により、イオンビ
ーム断面の長手方向両端縁がイオンビームの進行方向に
平行となったイオンビームが質量分析マグネットから射
出される。これにより、質量分析マグネットを大形化す
ることなく、また分析スリットを大きくすることなく、
分解能の高い大電流イオンビームを安定に得ることがで
きる。

一方、イオンビーム装置は、前述のように、プラズマ生
成室、引出し電極など、各４！！！能ブロツクごとに真
空容器内に間隔をおいて配され、各機能ブロック相互の
相対位置や平行度などにおける寸法的な誤差は避けられ
ないから、プラズマ室と引出し電極とのスリット長手方
向の位置ずれや、プラズマ室前面と引出し電極との平行
度の不完全があると、第８図に示すように、イオンビー
ムの進行方向が所期の方向からずれ、イオンビーム断面
の長手方向を短く集束してもその全量が必ずしも質量分
析マグネットの磁極間に導入されるとはか同方向とにそ
れぞれ垂直となる１つの軸線まわりに回動可能となるよ
うに真空容器外部に回動駆動機構を設け、引出し電極の
スリット長手方向の傾きを変えるとイオンビームの進行
方向が変わり、この傾き角度の調整により、装置の構成
に寸法誤差があっても、断面の長手方向が短く集束され
たイオンビームを確実にその全量、質量分析マグネット
の磁極間に導入することができるようになる。

〔実施例〕

第１図に本発明の第１の実施例によるイオン源装置の構
成を示す０本実施例は引出し電極２１０のスリットまわ
りの領域をイオンビームの下流側へ向かってスリット長
手方向に凹面に形成した場合を示す、引出し電極をこの
ような形状にすると、引出し電極とプラズマ室との間に
形成される等電位面も、図中点線で示すように、イオン
ビームの下流側へ向かって凹面となる。従ってプラズマ
室から引き出されたイオンは中心軸へ向かう方向に加速
を受けることになる。この中心軸へ向かう加速力は引出
し電極２１０のスリット長手方向の曲率を変えることに
よって制御される。スリット２１０１の幅方向の曲率は
従来通り長手方向に沿ってほぼ同一でよい、このように
して引き出されたイオンビームは第２図に示すように、
質量分析マグネットの入口近傍までに直線的に集束され
ビームの断面が長手方向に短（なる、そこで、第６図に
示す質量分析マグネット３の出入口磁極をビームの入射
方向に対し点線のように角度を持たせると、第２図にお
いて紙面に垂直方向の磁界成分がより多く発生し、イオ
ンビームば発散力を受けて平行ビームとなり、分析スリ
ット５に到達する。

第３図に本発明の第２の実施例を示す０本実施例はプラ
ズマ室１００のスリットまわりの領域をイオンビームの
下流側へ向かってスリット長手方向に凹面に形成した場
合を示す、この場合にも、プラズマ室１００と引出し電
極２１との間の等電位面はイオンビームの下流側へ向か
って凹面となるから、第１図の場合と同様の効果を得る
ことができる。

ただし、この場合には、プラズマ室の室壁に凹面を形成
する必要から、この凹面が形成される室壁部分を分厚く
形成する必要があり、プラズマ室からスリット１００１
中へ押し出された１点線１００１ｂと円弧状実線１００
１ａとで示される。同一密度を存するプラズマ面がスリ
ットの長手方向端部においてスリットの出口端（右端）
から引込んだ位置に存在するためイオンの引出し効率が
低下すること、また、プラズマ室のスリット自体消耗が
激しく、かかる高価な加工は不向きであることなど、若
干のマイナス面が存在する。

第４図に本発明の第３の実施例を示す、この実施例は、
引出し電極２１０（第１図）または２１（第３図）のス
リット長手方向の傾きを、イオンビーム装置の真空容器
外部に設けられた回動駆動装置により調整可能とする場
合の引出し電極と回動駆動装置との結合構造例を示す、
ここでは引出し電極２１０に、スリット２１０１の長手
方向と、引出し電極２１０とプラズマ室１との対向方向
とにそれぞれ垂直となる軸線を有する回動軸７が固設さ
れるとともに、この回動軸７は装置の真空容器１０の壁
を気密に貫通して真空容器外部へ引き出され、ここで回
動駆動装置９の図示されない出力軸に結合される０回動
駆動装置９は、例えば、ここには特に図示しないが、電
動機と、前記出力軸を最終段に備えた減速機構と、イオ
ンビーム電流が最大となったときに電動機電流を遮断す
る制御スイッチなどを備えるとともに、前記減速機構は
手動でも操作可能に構成される。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、真空容器内に、
室壁を貫通する長孔状のスリットが設けられるとともに
室の内部に低気圧プラズマが生成されるプラズマ室と、
このプラズマ室の外部に前記スリットと対向して配され
前記プラズマ室内のイオンを引き出すための電界を形成
するとともに該電界により引き出されたイオンを通過さ
せる長孔状のスリットを備えた引出し電極とからなるイ
オン源装置と、このイオン源装置から射出されたイオン
ビームから特定のイオン種を分離抽出する質量分析マグ
ネットと、この質量分析マグネットの後段に配されこの
質量分析マグネットから射出された。前記特定イオン種
からなるイオンビームを通過させる分析スリットと、前
記分析スリットを通過したイオンビームによって照射さ
れるターゲットを収容する注入室とを備えてなるイオン
ビーム装置において、前記プラズマ室の前記引出し電極
に対向する面または前記引出し電極の前記プってスリッ
ト長手方向に凹面に形成したので、この凹面と、この凹
面と対向するプラズマ室側の面または引出し電極側の面
とにより、前記プラズマ室のスリットから引き出される
イオンビームに対してスリット長手方向に集束作用をお
よぼす静電凸レンズが形成され、プラズマ室から引き出
されたイオンビームがｉｆ！分析マグネットの入口に到
達するまでにイオンビーム断面の長手方向が短くなり、
イオンビームの全量が’ｉ！分析マグネットの磁極間に
導入可能となるとともに、質量分析マグネット出入口の
フリンジ場で生ずる発散力により、イオンビーム断面の
長手方向両端縁がイオンビームの進行方向に平行となっ
たイオンビームが質量分析マグネットから射出されるか
ら、質量分析マグネットを大形化することな（、また分
析スリットを大きくすることなく、分解能の高いイオン
ビームを安定に得ることができる。

さらに、’Ｊ置の真空容器外部に回動駆動装置を設け、
真空容器の外側から引出し電極のスリット長手方向の傾
きを調整可能としたので、イオンビーム装置を構成する
機能ブロック相互間の寸法に誤差が生じていたり、平行
度が不完全であったりしても、断面の長手方向が短く集
束されたイオンビームを全量、確実に質量分析マグネッ
トに導入することができ、イオンビームの利用効率を常
に最大に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例によるイオン源装置の構
成を示す縦断面図、第２図は本発明によるイオンビーム
装置内でイオンビームの断面の長手方向寸法がイオンビ
ーム進行方向に変化して行く状況を示す説明図、第３図
は本発明の第２の実施例によるイオン源装置の構成を示
す縦断面図、第４図は引出し電極のスリット長手方向の
傾きを調整する。引出し電極の回動駆動系構成の一実施
例を示す説明図、第５図は引出し電極の傾きを調整する
ことによりイオンビームの進行方向が変わる様子を示す
説明図、第６図は本発明が対象とする従来のイオンビー
ム装置の構成例を示す説明図、第７図は第６図に示すイ
オンビーム装置におけるイオン源の構成を示すものであ
って、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は側面断面図、（Ｃ
１は同図山）のＹ−Ｙ位置において矢印方向に見た引出
し電極正面図である。 第８図は引出し電極の長手方向がプラズマ室に対して傾
いているときのイオンビームの進行方向のずれと質量分
析マグネットへの導入のされ方とを示す説明図である。 １．１００　　：プラズマ室、２，２１，２２．２１０
　：引出し電極、３：質量分析マグネット、４：ターゲ
ット、５＝分析スリット、７：回動軸、９：回動駆動装
置、１〇二真空容器、１１，１００１．２１１，２１０
１　ニスリット、１１２：プラズマ。 １　、１　＼ 第１図 第２図 第３図 第４肥 第５図 第６図 ７７’７？！？　　／　　　　　／／Ｚソ＝７）（Ｑ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）真空容器内に、室壁を貫通する長孔状のスリットが
   設けられるとともに室の内部に低気圧プラズマが生成さ
   れるプラズマ室と、このプラズマ室の外部に前記スリッ
   トと対向して配され前記プラズマ室内のイオンを引き出
   すための電界を形成するとともに該電界により引き出さ
   れたイオンを通過させる長孔状のスリットを備えた引出
   し電極とからなるイオン源装置と、このイオン源装置か
   ら射出されたイオンビームから特定のイオン種を分離抽
   出する質量分析マグネットと、この質量分析マグネット
   の後段に配されこの質量分析マグネットから射出された
   、前記特定イオン種からなるイオンビームを通過させる
   分析スリットと、前記分析スリットを通過したイオンビ
   ームによって照射されるターゲットを収容する注入室と
   を備えてなるイオンビーム装置において、前記プラズマ
   室の前記引出し電極に対向する面または前記引出し電極
   の前記プラズマ室に対向する面のいずれか一方の面のス
   リットまわりの領域がイオンビームの下流側へ向かって
   スリット長手方向に凹面に形成され、この凹面と、この
   凹面と対向するプラズマ室側の面または引出し電極側の
   面とにより、前記プラズマ室のスリットから引き出され
   るイオンビームに対してスリット長手方向に集束作用を
   およぼす静電凸レンズが形成されていることを特徴とす
   るイオンビーム装置。２）請求項第１項に記載のイオン
   ビーム装置において、引出し電極が、該引出し電極もし
   くはプラズマ室のスリット長手方向と、該引出し電極と
   プラズマ室との対向方向とにそれぞれ垂直となる１つの
   軸線まわりに回動可能に真空容器外部に回動駆動装置が
   設けられていることを特徴とするイオンビーム装置。