JPH0555966B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、イオン源に関し、特に、半導体素
子製造プロセスの分野におけるイオン注入、イオ
ンビーム露光、イオンビーム堆積、イオンビーム
エツチングまたはイオンビーム描画などの微細加
工に用いられる高輝度イオンビームの気体イオン
源に関する。

［従来の技術］ 従来この種の装置としては、たとえば伊藤糾次
他著：イオンインプランテーシヨン（昭晃堂、昭
和51年）に掲載された第４図に示すものがある。

まず、第４図に示す従来のイオン源の構成につ
いて説明する。第４図において、従来のイオン源
は放電室１と真空室２５とを備える。放電室１に
は陰極４と中間電極５と陽極６とが設けられ、中
間電極５と陽極６には、それぞれ中間電極孔７と
陽極孔２４とが設けられる。また、放電室１には
陰極４と中間電極５との間にキヤリア気体を導入
するためのキヤリア気体導入口９と、中間電極５
と陽極６との間に試料気体を導入するための試料
気体導入口１０とが設けられる。

真空室２５は陽極６によつて放電室１から隔て
られ、かつ陽極孔２４により放電室１に通じてい
る。真空室２５には、排気のための真空引口２８
と、陽極６に近接してイオンを引出すための引出
電極２６とが設けられる。この引出電極２６には
イオンを引出すための引出電極孔２７が設けられ
る。

次に、従来のイオン源の動作について説明す
る。

まず、真空引口２８から真空室２５の排気を行
なつて、放電室１と真空室２５とを所定の真空度
にする。続いて、真空引口２８からの排気を行な
いつつ、放電室１にキヤリア気体導入口９からキ
ヤリア気体を導入し、陰極４と中間電極５との間
に直流電圧を印加する。すると、キヤリア気体は
陰極４と中間電極５との間に生じるグロー放電あ
るいはアーク放電により電離して、プラズマが生
じる。生成したプラズマは中間電極孔７を通過し
て、中間電極５と陽極６との間に流入する。ここ
で、試料気体を試料気体導入口１０から放電室１
内に導入すると、試料気体はキヤリア気体プラズ
マとの相互作用により電離する。電離した試料気
体を含むキヤリア気体プラズマは陽極孔２４を通
過し、陽極６と引出電極２６との間に流入する。
陽極６と引出電極２６との間には直流電圧が印加
され、電場が生じているので、この電場により第
４図の矢印Ｅで示す方向に引出電極孔２７からイ
オン流が引出される。このとき、イオン流ととも
に電離していない中性気体も分子ビーム状となつ
て真空室２５内に流入する。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の気体イオン源では、上述したようにイオ
ンの引出電極は放電室の陽極に近接して設けられ
ていた。このため、引出電極は放電室で生成した
高温のプラズマからイオンを引出すので、得られ
るイオン流の温度は高く、イオンの無作為運動は
大きかつた。この無作為運動はイオン流を加速し
て得られるイオンビームにおいても残存するの
で、電磁場を用いてビームを集束させ得る径には
限界があり、従来の気体イオン源を集束イオンビ
ームなどの超高輝度イオンビームに適用すること
は不可能であつた。

ところで、気体原子または気体分子に関する超
高輝度イオンビームのイオン源としては、これま
で、気体窒素あるいは液体ヘリウムで冷却した金
属表面に凝固させた気体原子・分子層からのイオ
ンの電界放出を用いており、引出されたイオン流
の温度は低く、イオンの無作為運動は小さいもの
の、気体イオン源と比較してイオン流量が著しく
少なくかつ装置も複雑であるという問題点があつ
た。

それゆえに、この発明は上述のような問題点を
解消するためになされたもので、集束イオンビー
ムなどの超高輝度イオンビームに適用できる気体
イオン源を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明にかかるイオン源は、弱電離気体発生
手段により弱電離気体を発生し、これを隔板に設
けられている１つのノズルを介して、第１の真空
室内に導入し、第１の真空室内で超音速自由膨張
させて、弱電離気体超音速自由膨張流を形成し、
この弱電離気体超音速自由膨張流における気体温
度の低下した領域に、それぞれが１つの孔を有す
る複数個の引出電極を設け、電場発生手段によつ
て引出電極間に電場を生じさせて、温度の低下し
たイオン流を第２の真空室内に引出すようにした
ものである。

［作用］ この発明における複数の引出電極は、第１の真
空室内で超音速自由膨張した弱電離気体の超音速
自由膨張流における気体温度の低下した領域から
イオン流を引出して、第２の真空室内に導入す
る。第２の真空室内で気体はさらに膨張し温度が
低下するので、温度が極めて低いイオン流、すな
わち無作為運動が極めて小さいイオンが得られ
る。したがつて、この気体イオン源は集束イオン
ビームなどの超高輝度イオンビームに適用するこ
とができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略
を示す図である。まず、この一実施例のイオン源
の概略の構成について説明する。第１図におい
て、イオン源は放電室１と真空室２と真空室３と
を備える。放電室１は弱電離気体を発生させるも
のであり、真空室２は放電室１で発生した弱電離
気体を超音速自由膨張させるためのものであり、
真空室３は真空室２内で生じた超音速自由膨張流
をさらに膨張させるためのものである。したがつ
て、真空室２は放電室１よりも高真空に保たれ、
真空室２は真空室２よりも高真空に保たれる。た
とえば、動作時の放電室１は50Torr程度に、真
空室２は10^-∂Torr程度に、真空室３は10^-6Torr
程度に保たれる。

放電室１には陰極４と中間電極５と陽極６とが
設けられる。中間電極５には中間電極孔７が設け
られ、陽極６には真空室２に突出したノズル８が
設けられる。また、放電室１にはキヤリア気体を
導入するためのキヤリア気体導入口１０と試料気
体を導入するための試料気体導入口１１とが設け
られる。

真空室２は陽極６を介して放電室１に接し、か
つノズル孔９により放電室１に通じる。ノズル８
の断面の形状は円形でもよく、また正方形あるい
は長方形でもよい。真空室２には、上述のノズル
８のほか排気のための真空引口１２が設けられ
る。真空室２と真空室３との間には、これら２つ
の真空室を隔て、かつ真空室２内に形成される弱
電離気体超音速自由膨張流からイオン流を引出す
ための一方の引出電極１４ａが設けられる。

真空室３には、排気のための真空引口１３と他
方の引出電極１４ｂとが設けられる。これらの引
出電極１４ａおよび１４ｂには、イオンが通過す
るためのそれぞれ１つの引出電極孔１５ａおよび
１５ｂが設けられる。引出電極１４ａおよび１４
ｂには図示しない直流電圧発生源から直流電圧が
印加されて、引出電極１４ａ，１４ｂ間には電場
が生じる。このような引出電極は第１図に示すよ
うに２つの電極１４ａ，１４ｂから構成されるも
のに限定されるものではなく、多数の電極で引出
電極を構成し、それらの電極間に電圧を印加して
電場を生じさせてもよい。

上述において説明したこの発明の一実施例の構
成は、従来の気体イオン源の欠点を解消したもの
である。すなわち、従来のイオン源では第４図に
示したように、引出電極は隔板である陽極に近接
して設けられているので、引出電極と陽極との間
に弱電離気体が充満し、弱電離気体は超音速自由
膨張流を形成するには至らない。そこで、この発
明では、放電室で得られた弱電離気体を第１の真
空室内で超音速自由膨張させるために引出電極を
陽極から十分離して設けるとともに、気体温度の
低下した弱電離気体超音速自由膨張流からイオン
流を引出すために、引出電極を複数の電極で構成
しこれらの間に電界を与え、引出したイオン流の
温度をさらに低下させるためにさらに第２の真空
室内で気体を膨張させる。

次に、第１図に示すイオン源の具体的動作につ
いて詳細に説明する。

放電室１と真空室２および真空室３を所定の真
空度にした後、真空排気を行ないつつ、放電室１
にキヤリア気体導入口１０からキヤリア気体を導
入する。導入されるキヤリア気体はたとえばアル
ゴンガスである。ここで、陰極４と中間電極５と
の間に直流電圧を印加すると、これらの電極間に
はグロー放電またはアーク放電が生じ、キヤリア
気体は電離してプラズマが生成する。このプラズ
マは中間電極孔７を通過して、中間電極５と陽極
６との間に流入する。流入したプラズマは試料気
体導入口１１から導入される試料気体を電離す
る。導入される試料気体はたとえばナトリウム蒸
気である。

キヤリア気体と試料気体のプラズマはノズル孔
９を通過して、真空室２内に流入し超音速自由膨
張する。第１図において、超音速自由膨張したプ
ラズマの流れを矢印Ａで示す。この超音速自由膨
張流の領域を静寂領域（Zone of Silence）と称
するが、この静寂領域１６は樽形衝撃波
（Barrel Shock）１７とマツハ円盤（Mach
Disk）１９とによつて囲まれた領域である。

静寂領域１６の外側には、樽形衝撃波１７に近
接してジエツト境界（Jet Boundary）１８が形
成され、マツハ円盤１９の下流には反射衝撃波
（Reflected Shock）２０が形成される。第１図
に示すマツハ円盤１９と反射衝撃波２０とは引出
電極１４ａおよび１４ｂの存在の影響が無視でき
る場合における理想的な形状を示したものであ
り、実際には引出電極によつて乱れる。

上述の静寂領域１６の形状および大きさはノズ
ル８の長さと断面の形状および大きさに影響され
る。この発明で、隔板である陽極６にノズル８を
設けているのは、単に孔を設ける場合に比べ、得
られる静寂領域１６が細長く、膨張の度合が小さ
いものの大きな気体密度が得られるためである。

静寂領域１６では、プラズマは断熱膨張を行な
い、下流に移行するに従つてプラズマの密度、温
度および粒子間の衝突頻度は減少し電離度は凍結
するが、プラズマの流速は増加する。断熱膨張に
よるプラズマの密度は放電室１内のプラズマ密度
の1/1000程度に減少し、プラズマの温度は放電室
１内のプラズマ温度の1/100程度になる。したが
つて、放電室１内のプラズマが典型的なグロー放
電あるいはアーク放電により生成された場合、断
熱膨張によるプラズマの温度は電子に関しては絶
対温度2000〜1000度に留まるものの、中性原子・
分子やイオンなどの重粒子に関しては20〜数度に
まで低下する。

上述のマツハ円盤１９は衝撃波であるので、マ
ツハ円盤１９の下流では気体温度は上昇する。従
つて、静寂領域１６内の気体温度はマツハ円盤１
９の手前で最低になるので、イオン流の引出はこ
の領域で行なわれることが好ましく、一方の引出
電極１４ａはたとえばマツハ円盤１９の10〜20mm
手前に設置される。

ところで、静寂領域１６の形状および大きさは
上述したノズル８の長さと断面の形状および大き
さの他、放電室１内の気体圧力および真空室２内
の圧力によつて規定される。さらに静寂領域１６
内の流れの性質は上述したように、下流にいくに
従い気体は膨張し、領域の断面積は大きく流速は
速くなり、気体密度と温度は低下する。したがつ
て、超音速自由膨張流の静寂領域１６からのイオ
ン流の引出を真空室内の圧力等の色々な条件の変
化に対応して最適に保つためには、引出電極を超
音速自由膨張流に対して移動自在に設けることが
好ましい。このような移動自在な機構の概略を第
２図に示す。第２図において、たとえばパツキン
グ２２を備えた真空室３の外壁３１は真空室２の
内壁２１嵌め込まれる。真空室３に設けられた引
出電極１４ａおよび１４ｂは内壁２１に対して外
壁３１を第２図に示す矢印ＣおよびＤ方向に摺動
することにより自在に移動できるので、条件に従
つて、最適の位置でイオン流を引出すことができ
る。

第１図および第２図に示す引出電極１４ａ，１
４ｂには直流電圧が印加され、引出電極１４ａお
よび１４ｂ間に電場が生じる。イオンは電場のベ
クトル方向に移動し、電子は電場ベクトルの逆方
向に移動する。これによりイオン流が引出電極孔
１５ａおよび１５ｂを経て、真空室３内に引出さ
れる。引出電極１４ａおよび１４ｂ間の電場によ
り引出されたイオン流を第１図において矢印Ｂで
示す。引出されたイオン流を含む気体は真空室３
内でさらに膨張し、温度はさらに低下する。

ところで、静寂領域１６内の超音速自由膨張流
は引出電極１４ａに衝突すると、一般に衝撃波を
形成し、その下流で気体の温度が上昇する。した
がつて、気体温度の上昇を防止するために、引出
電極はなるべく衝撃波を形成しない形状にするこ
とが好ましい。第３図はこのような引出電極の一
例を示す拡大図である。第３図において、引出電
極１４ａは第３図において矢印Ａで示す超音速自
由膨張流に向つて突出した先端部１４ｃを有す
る。超音速自由膨張流と先端部１４ｃとが衝突し
て発生する衝撃波２３は弱いので、気体温度の上
昇は抑制される。

なお、上述の実施例では放電室１内のプラズマ
がグロー放電あるいはアーク放電により生成され
る場合について説明したが、放電室１内のプラズ
マはRF放電、電子衝撃電離、レーザ誘起電離な
どの無電極放電により生成される場合でもよく、
そのような場合にも上述の実施例と同様の効果を
奏する。

また、上述の実施例では真空室２と真空室３と
が引出電極１４ａにより隔てられているが、真空
室２と真空室３との間に孔またはノズルが形成さ
れた隔板を設け、この隔板により２つの真空室を
隔て、かつ引出電極を真空室３内に設けてもよ
い。この場合には、真空室２における弱電離気体
超音速自由膨張流は真空室３内でさらに十分膨張
するのでより一層低温の気体流が得られ、特に、
引出電極１４ａ，１４ｂを２つの真空室を隔てる
隔板から下流側に十分離して設置した場合には、
真空室２と真空室３とを引出電極１４ａで隔てる
場合に比較してより低温の気体流からより低温の
イオン流を引出すことができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、それぞれが
１つの孔を有する複数個の引出電極を、弱電離気
体発生手段と第１の真空室との間の隔板に形成さ
れた１つのノズルを経て第１の真空室内に形成さ
れるプラズマの超音速自由膨張流領域に設置し、
超音速自由膨張により中性原子・分子やイオンな
どの重粒子の温度が絶対温度20〜数度にまで低下
したプラズマ流から、それぞれに１つの孔が形成
された複数個の引出電極により第２の真空室にイ
オンを引出すように構成したので、温度が低いす
なわちイオンの無作為運動の小さく、かつ密度の
大きいイオン流を引出すことができる。したがつ
て、この発明の気体イオン源は集束イオンビーム
などの超高輝度イオンビームに適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略
の構成を示す図である。第２図は第１図に示す引
出電極の移動機構を示す図である。第３図はこの
発明の一実施例のイオン源において、発生する衝
撃波の強度を弱めるように構成した引出電極の一
例を示す拡大図である。第４図は従来のイオン源
を示す図である。 図において、１は放電室、２は第１の真空室、
３は第２の真空室、４は陰極、５は中間電極、６
は陽極、８はノズル、１４ａおよび１４ｂは引出
電極、１５ａおよび１５ｂは引出電極孔、１６は
超音速自由膨張流の静寂領域を示す。なお、図
中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 気体原子または気体分子を一部電離して弱電
   離気体を発生する弱電離気体発生手段と、 前記弱電離気体発生手段により発生された弱電
   離気体を超音速自由膨張させるための第１の真空
   室と、 前記弱電離気体発生手段と前記第１の真空室と
   を隔て、かつ前記弱電離気体発生手段により発生
   された弱電離気体を前記第１の真空室に導入する
   ための１つのノズルが形成された隔板と、 前記第１の真空室で超音速自由膨張した弱電離
   気体をさらに膨張させるための第２の真空室と、 前記第１の真空室で超音速自由膨張することに
   よつて得られる気体温度の低下した弱電離気体超
   音速自由膨張流の存在領域に設けられ、それぞれ
   に１つの孔が形成された複数個の引出電極と、 前記複数個の引出電極間に電場を発生させる電
   場発生手段とを備え、 前記複数個の引出電極に設けられている前記孔
   を経て、気体温度の低下した弱電離気体超音速自
   由膨張流からの前記第２の真空室にイオンを引出
   すことを特徴とするイオン源。 ２ 前記引出電極は、超音速自由膨張流に対して
   移動自在に設けられることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のイオン源。 ３ 前記弱電離気体発生手段は、グロー放電、ア
   ーク放電、RF放電、電子衝撃電離またはレーザ
   誘起電離を用いることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載のイオン源。 ４ 前記隔板に設けられるノズルの断面が円形で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第３項のいずれかに記載のイオン源。 ５ 前記隔板に設けられるノズルの断面が正方形
   または長方形であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のイオ
   ン源。