JPH02267837A - 大口径大イオン電流イオン源 - 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〕 本発明はイオン注入、イオンミリング、イオンアシスト
等の表面処理技術及び超微細加工技術に用いるイオン源
の構造に関するものである。

〔従来技術とその課題〕

現在、半導体製造においてイオン注入は欠くことのでき
ない技術であるが、ドープされるイオンの電流値はまだ
まだ小さく、量産性を高めるためＫはイオン電流値の増
大が強く望まれている。

また最近、材料の表面改質に関する研究も盛んに行われ
て来つつあるが、やはりこの分野でも将来の産業化を考
えた場合、大口径で大量のイオンを均一に照射できるイ
オン源が切望されている。

現在の主流を占めるイオン源は、電子放出源にフィラメ
ントを用いるもので、イオン電流値の分布が悪く、さら
に活、性なガスを使用すると極端にフィラメントの寿命
が短くなる等問題点が多い。

本発明の目的は、大口径で均一な大イオン電流が得られ
、さらに活性ガスにも安定なイオン源を提供することで
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的のため本発明のイオン源においては、以下の構
成とする。

プラズマを発生する中空陰極型の例えば特開昭５５−１
４８３３７号公報に記載のプラズマビーム源と真空槽壁
に固定するイオン源本体、及びイオン源本体内に配置し
、かつプラズマビーム源に対シて正の電位を印加する陽
極とイオン源本体の外部あるいは内部に配置する一対の
集束コイル、真空槽壁とイオン源本体との接続部近傍に
設ける引出し電極とイオン源本体内に設ける遮断板とを
備え、プラズマビーム源とイオン源、本体と集束コイル
との中心線は町−中心軸上に配置する大口径大イオン電
流イオン源である。

〔実施例〕

以下、実施例に基づき図面を参照して説明する。

第１図は本発明の１実施例におけるイオン源構造の縦断
面図である。

排気系（図示せず）を備えた真空槽（図示せず）の真空
槽壁１０に、プラズマビーム源２０とこのプラズマビー
ム源２０に接続するイオン源本体６０を設置しである。

このイオン源本体６０には、プラズマビーム源２０側と
真空槽側とにそれぞれ開口端部な設ける。

イオン源本体３０の周囲には、プラズマビーム源２０に
近い方に円筒型の集束コイルＡ３１が、真空槽壁１０に
近い方には円筒型の集束コイルＢ６２がそれぞれ設置さ
れている。ここで、プラズマビーム源２０、イオン源本
体６０、集束コイルＡ３１と集束コイルＢ３２との中心
線は、すべて同一中心軸上にある。

また、イオン源本体３０の内部には、イオン源本体６０
と絶縁された円筒型のもしくはイオン源本体３０の中心
線を囲む何等かの形状の陽極６６、及びガス導入口３６
が設置されており、真空槽壁１０に接しているイオン源
構造３０の開口端部には、イオンの引き出し電極６５が
設けられている。

このイオンの引出し電極６５の形状は網状のメツシュ型
か、もしくはテーパー付き円筒型で、材質はスパッタ率
の低い炭素系材料または金属に炭素系膜を被覆したもの
である。

また、イオン源本体６０の中心軸上には遮断板３４が設
けてあり、材質は酸化アルミニウム（Ａ１２０３　’）
等の高融点絶縁物である。

さて、イオン源本体３０内部での磁界構成は、プラズマ
ビーム源２０がプラズマビーム源２ｏの構成要素として
持つ、陽電極２５と小型集束コイル電極２６（この陽電
極２５、小型集束コイル電極２６はいずれも第２図で説
明）が形成する、プラズマビーム源２０の中心軸上での
磁界の方向と同方向の磁界をもつ集束コイルＡ３１と、
集束コイルＡ３１とは反対方向の磁界をもつ集束コイル
Ｂ３２とによるカスプ磁界になっている。

ここでは、集束コイルＢ６２に、集束コイルＡ３１とは
正負逆向きの電流を流すことで反対方向の磁界を形成さ
せており、この２基のコイル、集束コイルＡ３１と集束
コイルＢ３２それぞれが作る反対方向の磁界同士が、イ
オン源本体６０内の中央で、イオン源本体３０の中心軸
に沿って正面衝突する。衝突した磁界の磁束線のうち、
イオン源本体６０の中心軸から少しでも外れた磁束線は
、お互いに反発し合い、イオン源本体３０の中心軸を中
心に放射状に延びて周囲の陽極３６を通過し、それぞれ
の集束コイルの周囲を回り、再び中心軸近傍に集束して
くる。

およその磁束線４０は、磁界構成体の集束コイルＡ５１
と集束コイルＢ３２が同一中心軸上に並んでいるので、
第１図のような一種のカスプ磁界の形になり、中心軸方
向からみると均一な放射状の磁束線となっている。

次に、プラズマビーム源２０の構成について詳しく説明
する。

第２図は第１図におけるプラズマビーム源２０の構成を
示す断面図である。

水冷ボックス２１を貫通してガス導入パイプを兼ねるタ
ンタルパイ、プからなる補助陰極２２、円盤状の六ホウ
化ランタン（ＬａＢａ）からなる主陰極２６、タングス
テン円盤からなる熱板２４、内部にリング状の永久磁石
を有する陽電極２５、小型集束コイル電極２６などから
プラズマビーム源２０は構成されている。

起動時には、補助陰極２２と陽電極２５との間で、補助
陰極２２を通して導入したアルゴン、水素などのガスを
媒体として放電させる。補助陰極２２から放出される熱
電子は、陽電極２５により加速され、陽電極２５中の永
久磁石と小型集束コイル電極２６により形成される磁界
の作用で高密度の電子ビームとして集束され、陽電極２
５と小型集束コイル電極２６の中心部の小径の貫通穴を
通過して、さらに前方へ向かって拡散する。このとき電
子ビームは補助陰極２２を通して導入したアルゴン、水
素などのガス分子と衝突して分子を電離させ、電気的に
正のイオン、負の電子と中性の分子が混在したプラズマ
を発生させ、全体としてはプラズマビームの形を形成す
る。初期のこの放電により主陰極２６が高温に加熱され
ると、大量の熱電子が主陰極２６から放出されるように
なり、非常に高密度な大電流の放電が発生する。

このプラズマビーム源２０は、熱電子放射効率の極めて
高い物質である六ホウ化ランタンを主陰極２３に用いる
ことにより、高密度の電子ビームを得るものであり、比
較的低い加速電圧で大電流が得られることを特徴として
いる。

また、前述のように、陽電極２５と小型集束コイル電極
２６のそれぞれの中心にはプラズマビームを通過させる
だめの小径の穴が貫通させてあり、補助陰極２２から導
入されたプラズマ媒体のアルゴンガスなどが、この２段
構えの小径の貫通穴を通過するとき大きな抵抗を受けて
、プラズマビーム源２０の内部はプラズマビーム源２０
の外部よりも高い圧力に保たれる。すなわち、内部を外
部の数１０部から数１０００倍高い圧力差に設定するこ
とが可能である。従って、第１図において、イオン源本
体６０内に活性ガスを導入しても、その活性ガスが拡散
して、イオン源本体６０内よりも圧力の高いプラズマビ
ーム源２０の内部に侵入することはなく、したがって、
プラズマビーム源２０の内部が侵食されることはない。

つまり、活性ガスに対してプラズマビーム源２０は安定
に動作するのである。

さて、次に、以上の構成に基づく本発明のイオン源にお
いて、イオン源本体３０内での円盤状プラズマの形成方
法を説明する。

前述のように、プラズマビーム源２０で形成されたプラ
ズマは、陽電極２５と小型集束コイル電極２６の中央の
小径の貫通穴を通過してくるので、円柱状のプラズマと
なってイオン源本体６０内へ進入してくる。第３図にそ
の様子を示す。

イオン源本体６０内では、第１図で説明したようなカス
プ磁界が形成されており、基本的に電子は磁界の磁束線
に沿って運動しやすいので、第１図の磁束線４０に沿っ
た行路を取って、電位的にプラズマビーム源２０よりも
正の電位に印加しである陽極６６へ入るのであるが、こ
のとき、イオン源本体６０の中心軸から均等に、かつ放
射状に磁束線が延びているので、電子も均等かつ放射状
に、中心から周囲へ発散して陽極６６へ入る。すなわち
、電子によって形成されるプラズマも電子のほぼ軌跡通
りの形状になるから、円柱状の形態として進入してきた
プラズマはイオン源本体６０のほぼ中央で、周囲へ放射
状に延びる円盤状のプラズマに整形されて、プラズマビ
ーム４１のような形態となる。

ところで、プラズマビーム源２０及びイオン源本体３０
の中心軸上の磁束線は周囲に均等な力で引っ張られるの
で、曲げられることなく一直線に延びており、プラズマ
ビーム源２０から中心軸上を進んで来た電子は、磁束線
に沿ってそのまま直進しようとする。これを阻止しない
と、この直進した電子は、後で説明するイオンビームを
取り出したときに、イオンビーム４２と一緒に混じって
しまい、イオンビームと電子が混合した混合部のイオン
と結合して中性原子となってイオン化率を下げてしまう
ことになる。イオン源本体３０内でイオン化率を下げて
しまうことは、イオン源の効率上望ましいことで、はな
い。

そこで、イオン源本体３Ｇの中心軸上でかつ中心軸と直
行する磁束線の密度（磁束密度）が最も高くなる箇所に
フローティング電位の遮断板６４を設けて、イオン源本
体６０の中心軸上をプラズマビーム源２Ｇから直進して
くる電子を遮断してはね返す。遮断板６４は電位的に浮
いているので衝突した電子は遮断板６４の表面でイオン
と再結合するものもあるが、はとんどの電子ははね返さ
れ、前述のイオン源本体３０の中心軸と直行する磁束線
に沿って中心軸から放射状に均一に拡散し、周囲を囲ん
でいる陽極３３に入るのでイオン化率を下げることはな
い。

このとき、引出し電極６５に円盤状に整形されたプラズ
マのプラズマ電位よりも負の電位を印加してやると、円
盤状に整形されたプラズマ全体から均一に大量のイオン
を引き出すことができる。

すなわち、これ″がイオンビーム４１であり、電気的に
は大イオン電流となる。

イオンを照射できる面積を大きくしたいときは、イオン
源本体６０の口径を大きくすればよく、均一なカスブ磁
界が形成されている限り、大口径で均一な大イオン電流
が採取できる。

イオン電流量は、基本的にプラズマビーム源２０と陽極
６３の間で起こす放電の電流量で律速されるので、放電
電流で調節することができる。

第４図は、本発明のイオン源をイオンミリングに応用し
たときの装置断面図である。

イオン源本体６００対向面には、被加工物１１が設置し
てあり、引出し電極６５と被加工物１１の間には、イオ
ンの正電荷を中和するための電子を放出するニー−トラ
ライザー６７が設置されている。このニュートラライザ
−６７は熱電子を放出するためのタングステンの単線で
よい。このニュートラライザ−６７から放出される熱電
子が、真空槽内及び被加工物１１０表面上でイオンと結
合し中性原子となるので、イオンが被加工物１１０表面
上でチャージアップすることはない。ただし、被加工物
１１そのものが導体で被加工物１１にプラズマビーム４
１よりも負の電位を印加する場合には、ニ−−トラライ
ザー３７は不用である。

なぜならば、正の電荷を持つイオンは負電位の被加工物
１１と衝突した瞬間、負電荷の電子と結合して中性原子
になるからである。

さて、イオン源本体３０のイオン引出し開口端の直径は
３０ｃｍ、引出し電極６５に一２００■の電位を印加す
るとアルゴンのイオン電流密度として、３０ｍＡ／ｃｆ
ｆｌの値が得られ、被加工物１１は毎分１μｍの加工速
度でミリングが行われた。尚、イオン電流密度は引出し
電極６５とニュートラライザ−６７との間で計測したも
のであり、被加工物１１は真空槽壁１０の内側から２０
ｃｍの距離に設置しである。

〔発明の効果〕

本発明のイオン源では、低い引出し電圧ておいて大口径
大面積の大イオン電流が得られる。したがって、基板の
表面改質においては、表面にダメージを与えることなく
、大面積で高速にイオンアシストの作用を与えることが
できる。

また、本発明のイオン源は反応性の活性ガスにも安定し
て動作するので、アルゴンイオンのみによる大面積での
均一な高速イオンミリングに加えて、反応性のイオンミ
リング、ドライエツチングにも応用できる。

さらに、高電圧でイオンを引き出し、加速を加えれば、
大イオン電流のイオン打ち込み、イオン注入にも応用で
きる。

本発明のイオン源は、従来のイオン源の能力をはるかく
上回るイオン源である。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示し、第１図はイオン
源を模式的に示す断面図、第２図はイオン源に用いるプ
ラズマビーム源の構成を示す断面図、第３図は円盤状に
整形されたプラズマの断面を示すイオン源の断面図、第
４図は本発明のイオン源を真空装置に取り付け、イオン
ミリングに応用した場合の装置を示す断面図である。 １０・・・・・・真空槽壁、 １１・・・・・・被加工物、 ２０・・・・・・プラズマビーム源、 ３０・・・・・・イオン源本体、 ６５・・・・・・引出し電極、 ６７・・・・・・ニ一一トラライザー 第１ 図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. プラズマを発生する中空陰極型のプラズマビーム源と真
   空槽壁に固定するイオン源本体、及びイオン源本体内に
   配置し、かつプラズマビーム源に対して正の電位を印加
   する陽極と前記イオン源本体の外部あるいは内部に配置
   する一対の集束コイル、前記真空槽壁とイオン源本体と
   の接続部近傍に設ける引出し電極と前記イオン源本体内
   に設ける遮断板とを備え、前記プラズマビーム源とイオ
   ン源本体と集束コイルとの中心線は同一中心軸上に配置
   することを特徴とする大口径大イオン電流イオン源。