JPH0573849U

JPH0573849U - イオン源

Info

Publication number: JPH0573849U
Application number: JP1139092U
Authority: JP
Inventors: 和紀飛川
Original assignee: 日新電機株式会社
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-10-08

Abstract

(57)【要約】【構成】駆動モータ７に駆動されて回転するディスク
２には、厚さの異なるプラズマ電極部３〜６が略等間隔
で形成されている。制御装置９は、ビーム引き出し時
に、規格化パービアンス（Ｐ／Ｐ_c）が0.６（引出電極
１０の引出電極孔１０ａを通過したビームの発散角が最
小になる条件）になるように、引出電極移動機構１１と
駆動モータ７との動作を制御し、電極ギャップｄとプラ
ズマ電極の厚さｔとの調整を行う。【効果】プラズマ電極の厚さｔの調整と電極ギャップ
ｄとの調整とを併用して、Ｐ／Ｐ_c＝0.６になるように
制御する構成であるため、最小発散角が得られる引出電
流範囲が、従来のイオン源よりも大幅に拡大され、従来
と同じ引出電流条件でも、より大きいターゲットでのビ
ーム電流が得られる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、プラズマを発生させ、プラズマからイオンを引き出してイオンビームを生成する、イオン注入装置等に用いられるイオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

近年、元素をイオン化し、イオンビームとして引き出すイオン源は、イオン注入装置をはじめとして様々な分野に利用されている。

【０００３】このイオン源は、図９に示すように、基本的には、プラズマ生成室５１で生成されたプラズマから、引き出し系の外部電界によりイオンを高真空中に引き出す構成になっている。

【０００４】上記引き出し系は、高真空状態に保持されたイオン源チャンバ内に配置された３枚の電極、即ち、プラズマ生成室５１に直接接しているプラズマ電極５２、イオンを引き出すための電位が印加されている引出電極５３、および引出電極５３よりもビーム下流側に位置し、電子の逆流を防ぐ目的で引出電極５３よりも正の電位が印加されている減速電極５４から構成されている。

【０００５】上記引き出し系の高電界により引き出されたイオンビームは、レンズ効果の影響を受けて発散する。このビームの発散が大き過ぎると、ターゲットまでのビームの移送効率が悪化し、ターゲットに照射されるイオンビームのビーム電流が減少してしまうので、ビームの発散はできるだけ少ない方が望ましい。

【０００６】上記引出電極５３に引き出された後のビームの発散角ωは、図７に示すように、規格化パービアンス（Ｐ／Ｐ_c）により変化し、Ｐ／Ｐ_c＝0.６で最小発散角が与えられ、Ｐ／Ｐ_cが0.６からはなれる程、発散角ωが大きくなる。

【０００７】上記Ｐ／Ｐ_cは、イオン源引出電圧（プラズマ電極５２と引出電極５３との電位差）Ｖ_e、引出電極ギャップ（プラズマ電極５２と引出電極５３との間の距離）ｄ、プラズマ電極５２の厚さｔ、引出電流（引き出し系により引き出されるイオンビームのビーム電流）Ｉ_e、イオン種の実効質量数Ｍ_eff等のパラメータにより左右され、以下に示す関係式により表される。

【０００８】Ｐ／Ｐ_c＝ｋ・Ｍ_eff ^1/2・Ｉ_e（ｄ＋ｔ）²／Ｖ_e ^3/2 ・・・（１）（ｋは定数）引出電圧Ｖ_eを高くすればイオンビームの引き出し量（引出電流Ｉ_e）は増大するが、引出電圧Ｖ_eをあまり高くし過ぎると絶縁破壊を起こすので、通常、引出電圧Ｖ_eは破壊電圧以下で、できるだけ高く設定されている。

【０００９】上記引出電圧Ｖ_eが一定であるイオン源の場合、引出電流Ｉ_eは、主に、プラズマ生成室５１における種々のパラメータ（例えば、フリーマン型イオン源の場合では、ガス流量、アーク電流、フィラメント電流、ソースマグネット電流など）の設定を変えることにより所定の範囲内で調整される。

【００１０】Ｐ／Ｐ_cは、引出電流Ｉ_eの変化に伴って変わるので、引出電流Ｉ_eが設定されたとき、Ｐ／Ｐ_cが0.６前後になるように調整する必要がある。そこで、従来では、引出電極５３をビーム進行方向に可動とし、この引出電極５３を移動させることにより、プラズマ電極５２と引出電極５３との間の距離ｄを調整し、引出電流Ｉ_eが変化しても、常にビームの発散角ωが最小になるような（Ｐ／Ｐ_cが 0.６前後になるような）制御が行われている。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

上記のように、プラズマ電極５２と引出電極５３との間の距離ｄを調整してＰ／Ｐ_cを制御する場合、上式（１）からわかるように、引出電流Ｉ_eが大きくなるに従って、ｄを小さくする（引出電極をプラズマ生成室側に近づける）必要がある。この場合、プラズマ電極５２と引出電極５３との間をあまり近づけ過ぎると、絶縁破壊を起こし易くなり、安定にビームを引き出せなくなる。このため、引出電極５３の可動範囲は、絶縁破壊距離以上に設定する必要がある。

【００１２】上記従来のイオン源は、プラズマ電極５２と引出電極５３との間の距離ｄのみを制御して、引出電流Ｉ_eの変化に伴うＰ／Ｐ_cの基準範囲からのずれを調整する構成であるため、最小発散角が得られる引出電流範囲が、上記の引出電極５３の可動範囲により制限されてしまい、引出電流条件がより大電流になれば、最小発散角が得られなくなってしまう。これでは、ターゲットまでのビームの移送効率が悪化し、ターゲットに照射されるイオンビームのビーム電流が減少してしまう。

【００１３】本考案は、上記に鑑みなされたものであり、その目的は、ターゲットに照射されるイオンビームのビーム電流を増大させることができるイオン源を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

本考案のイオン源は、上記の課題を解決するために、プラズマを生成するプラズマ生成室に設けられ、イオン取出孔が形成されたプラズマ電極と、上記プラズマ電極と対向して設けられ、イオン通過孔が形成された引出電極とを有し、上記のプラズマ電極と引出電極との間に所定の電位差を生じさせてプラズマ生成室からイオンを引き出し、イオンビームを形成するイオン源において、以下の手段を講じている。

【００１５】即ち、厚さの異なる上記のプラズマ電極を複数有し、引出電極のイオン通過孔を通過した後のイオンビームの発散角に応じて、この発散角が小さくなるように、プラズマ生成室に設けられるプラズマ電極の厚さを切り換える切換手段を備えている。

【００１６】

【作用】上記の構成によれば、イオンビームは、プラズマ電極と引出電極との間の電位差によりプラズマ生成室から引き出されることより生成される。このイオンビームは、引出電極のイオン通過孔を通過した後、レンズ効果の影響を受けて発散する。このイオンビームの発散角は、プラズマ電極の厚さにより変化する。

【００１７】上記イオン源は、厚さの異なる複数のプラズマ電極を有し、切り換え手段により、イオン通過孔を通過した後のイオンビームの発散角が小さくなるように、プラズマ電極の厚さが切り換えられるようになっている。したがって、引出電極の厚さが一定である従来のイオン源よりも発散角の少ないイオンビームが得られるので、ターゲットまでのビームの移送効率が向上し、ターゲットに照射されるイオンビームのビーム電流を増大させることができる。

【００１８】

【実施例】

本考案の一実施例について図１ないし図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１９】本実施例のイオン源は、フリーマン型イオン源であり、イオン注入装置に具備されている。尚、本考案は、イオン注入装置のフリーマン型イオン源に限定されるものではなく、例えばＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance) 型イオン源等、他の方式のイオン源でもよく、また、イオン注入装置以外の他の装置に用いられるものでもよい。

【００２０】上記イオン注入装置は、上記イオン源において不純物元素をイオン化してイオンビームとして引き出し、質量分離部で所定イオンのみを選別した後、加速管で加速し、さらに静電レンズによりシャープなビームに整形した後、走査電極によりビームを走査し、ターゲットチャンバ内にセットされたウエハ等のターゲットにイオンビームを照射するようになっている。

【００２１】上記イオン源は、図１に示すように、プラズマを発生させるプラズマ生成室１を有している。このプラズマ生成室１の室壁には正電圧が印加されており、その室内における開口部１ａ近傍には、負電圧が印加された直線状のフィラメント（図示せず）が設けられている。また、このプラズマ生成室１の外部にはソースマグネット（図示せず）が設けられており、上記フィラメントの軸心に平行な外部磁界が付与されている。

【００２２】また、プラズマ生成室１の室壁には、ガス導入孔１ｂが形成されており、このガス導入孔１ｂには、図示しない金属蒸気発生炉等を有する動作ガス供給手段が接続されている。そして、上記の動作ガス供給手段は、固体状の不純物を金属蒸気発生炉によって蒸発させた動作ガスやガスボンベに充填されていた気体状の不純物からなる動作ガスをプラズマ生成室１に供給するようになっている。

【００２３】上記プラズマ生成室１の開口部１ａは、回動可能に設けられたディスク２により塞がれている。このディスク２には、図２および図３に示すように、略プラズマ生成室１の開口部１ａと同形状のプラズマ電極部（プラズマ電極）３〜６が略等間隔で形成されている。このプラズマ電極部３〜６の厚さｔ₃〜ｔ₆は、図４および図５に示すように、それぞれ異なっており、ｔ₃＜ｔ₄＜ｔ₅＜ｔ₆となっている。また、上記プラズマ電極部３〜６には、スリット状のイオン取出孔３ａ〜６ａがそれぞれ形成されている。

【００２４】上記ディスク２は、高真空状態に保持されたイオン源チャンバ（図示せず）内に設けられており、駆動モータ７の回転駆動力をディスク２に伝達する駆動軸８とイオン源チャンバ壁との間に真空シールが施され、大気側に設けられた駆動モータ７に駆動されて回転するようになっている。尚、駆動モータ７は正逆両方向に回転するようになっていてもよい。上記の駆動モータ７の回転動作は、後述の制御装置９に制御される。これら駆動モータ７および制御装置９により、プラズマ電極の厚さｔを切り換える切換手段が構成されている。

【００２５】上記ディスク２は、１回の回転動作で９０°、１８０°、あるいは２７０°回転し、プラズマ電極部３〜６のいずれかが、プラズマ生成室１の開口部１ａと合致する位置で停止するようになっている。

【００２６】上記イオン源チャンバ内には、プラズマ生成室１の開口部１ａにセットされたプラズマ電極部３〜６と対向して、引出電極１０が配設されている。この引出電極１０には負電圧が印加されており、プラズマ生成室１内で生成されたプラズマから正電荷を有したイオンを高真空中に引き出すようになっている。この引出電極１０には引出電極孔（イオン通過孔）１０ａが形成されており、プラズマ生成室１から引き出されたイオンは、イオンビームとして引出電極孔１０ａを通過するようになっている。

【００２７】上記引出電極１０は、イオン源チャンバ外に設けられた引出電極移動機構１１に駆動されて、ビーム進行方向に平行移動するようになっている。この引出電極１０の可動範囲は、プラズマ電極部３〜６と引出電極１０との間に放電を生じることのない絶縁破壊距離以上に設定されている。上記の引出電極移動機構１１の動作は、後述の制御装置９に制御される。

【００２８】また、引出電極１０のビーム下流側には、引出電極１０と対向して接地された減速電極１２が配設されている。上記引出電極１０には負電圧が印加され、減速電極１２よりも負電位であるので、引出電極１０よりも下流で発生した電子の逆流を防ぐことができるようになっている。上記の減速電極１２には減速電極孔１２ａが形成されており、引出電極１０により引き出されたイオンビームは、減速電極孔１２ａを通過して、質量分離部に移送される。

【００２９】ところで、上記引出電極１０により引き出されたイオンビームは、レンズ効果の影響を受けて発散する。引出電極１０の引出電極孔１０ａを通過したビームの発散角ωは、図７に示すように、規格化パービアンス（Ｐ／Ｐ_c）が0.６のとき最小となり、ターゲットまでのビームの移送効率が最もよくなる。

【００３０】そこで、上記制御装置９は、ビーム引き出し時に、Ｐ／Ｐ_c＝ｋ・Ｍ_eff ^1/2・Ｉ_e（ｄ＋ｔ）²／Ｖ_e ^3/2＝0.６になるように引出電極移動機構１１、駆動モータ７の動作を制御し、電極ギャップｄの調整と、プラズマ電極部３〜６の切り換えを行うようになっている。尚、上式中のＶ_eは引出電圧（プラズマ電極部３〜６と引出電極１０との電位差）、Ｉ_eは引出電流（引出電極１０により引き出されるイオンビームのビーム電流）、Ｍ_effはイオン種の実効質量数、ｔは現在プラズマ生成室１の開口部１ａにセットされているプラズマ電極部３〜６の厚さ（ｔ＝ｔ₃〜ｔ₆）、ｋは定数である。

【００３１】上記の構成において、イオン源の動作を以下に説明する。

【００３２】プラズマ生成室１の開口部１ａには、通常、プラズマ電極部４または５がセットされている。ここではプラズマ電極部４がセットされているものとする。

【００３３】イオン種（マス値）、ビーム電流、ビームエネルギー等の注入条件が与えられれば、それに応じてイオン源の各種パラメータ（ガス流量、フィラメント電流、ソースマグネット電流など）が設定されることになる。フィラメントにフィラメント電流が供給されれば、フィラメントが発熱し、この発熱したフィラメントは、プラズマ生成室１の室壁との電位差によって電子を放出してアーク放電を生じさせる。そして、放出された電子と動作ガスのガス粒子とが衝突することによって、不純物イオン、電子、中性ガス粒子からなるプラズマが、プラズマ生成室１内に生成される。

【００３４】これにより、プラズマ生成室１の開口部１ａにセットされているディスク２のプラズマ電極部４のスリット状のイオン取出孔４ａには、イオンシースが形成され、イオンは負電圧が印加された引出電極１０に引き寄せられ、所定のビーム量を有したイオンビームとして、高真空状態に保持されたイオン源チャンバ中に放出される。

【００３５】上記のビーム引き出し動作の際、制御装置９は、引出電極移動機構１１、駆動モータ７の動作を制御し、Ｐ／Ｐ_c＝0.６になるように、電極ギャップｄの調整、並びにプラズマ電極部３〜６の選択を行う。この制御装置９の制御動作を、図６のフローチャートに基づいて説明する。

【００３６】上記制御装置９は、引出電圧Ｖ_e、引出電流Ｉ_e、イオン種の実効質量数Ｍ_ef _f 、現在プラズマ生成室１の開口部１ａにセットされているプラズマ電極部４の厚さｔ₄の値を用い、Ｐ／Ｐ_c＝0.６になるような電極ギャップｄを演算する（Ｓ１）。次に、制御装置９は、演算により求められた電極ギャップｄが、ディスク２からの距離で表された引出電極１０の可動範囲にあるか否かを判断し（Ｓ２）、この電極可動範囲にあれば、引出電極移動機構１１を制御して、求められた電極ギャップｄになるように引出電極１０を移動させる（Ｓ７）。

【００３７】一方、求められた電極ギャップｄが電極可動範囲から外れている場合、制御装置９は、電極ギャップｄが電極可動範囲の最大値ｄ_maxよりも大きければ（Ｓ３）、プラズマ電極部４の厚さｔ₄よりも薄い、厚さｔ₃のプラズマ電極部３がプラズマ生成室１の開口部１ａにセットされるように、駆動モータ７を駆動させる（Ｓ４）。また、制御装置９は、求められた電極ギャップｄが電極可動範囲の最小値ｄ_minよりも小さければ（Ｓ３）、プラズマ電極部４の厚さｔ₄よりも厚いプラズマ電極部、即ち、厚さｔ₅のプラズマ電極部５、あるいは厚さｔ₆のプラズマ電極部６がプラズマ生成室１の開口部１ａにセットされるように、駆動モータ７を駆動させる（Ｓ５）。

【００３８】上記Ｓ４・５においてプラズマ電極部の厚さｔが変更された場合、制御装置９は、Ｐ／Ｐ_c＝0.６になるような電極ギャップｄを再演算し（Ｓ６）、この演算により求められた電極ギャップｄになるように、引出電極移動機構１１を制御して引出電極１０を移動させる（Ｓ７）。

【００３９】このように、本実施例のイオン源は、厚さの異なる複数のプラズマ電極部３〜６を有し、プラズマ電極部３〜６の切り換え（プラズマ電極の厚さｔの調整）と、電極ギャップｄの調整とを併用して、引出電極１０の引出電極孔１０ａを通過したビームの発散角が最小になるように制御する構成であるため、最小発散角が得られる引出電流範囲が、従来のイオン源よりも大幅に拡大される。

【００４０】このため、従来では、最小発散角が得られなかったような引出電流条件でも、本実施例のイオン源では最小発散角が得られるので、ターゲットまでのビーム移送効率が向上し、ターゲットに照射されるイオンビーム量を増大できる。換言すれば、従来と同じ引出電流条件でも、本実施例のイオン源では、従来より大きいターゲットでのビーム電流が得られるということであり、イオン源にかかる負担を軽減でき、イオン源の長寿命化にもつながる。

【００４１】尚、本実施例では、ディスク２に厚さの異なるプラズマ電極部３〜６を形成し、ディスク２を回転させることによりプラズマ電極の厚さを可変する構成であるが、例えば、図８に示すように、ビーム進行方向と直交する方向にスライドするスライド板１２に、厚さの異なる複数のプラズマ電極部１３〜１５を形成し、スライド板１２をスライドさせてプラズマ電極の厚さを可変する構成にすることもできる。

【００４２】上記の実施例のように、厚さの異なる複数のプラズマ電極を、ディスクやスライド板として一体化することにより、プラズマ電極の交換が容易に行なえる。

【００４３】

【考案の効果】

本考案のイオン源は、以上のように、厚さの異なるプラズマ電極を複数有し、引出電極のイオン通過孔を通過した後のイオンビームの発散角に応じて、この発散角が小さくなるようにプラズマ生成室に設けられるプラズマ電極の厚さを切り換える切換手段を備えている構成である。

【００４４】それゆえ、プラズマ電極の厚さが一定である従来のイオン源よりも発散角の少ないイオンビームが得られるので、ターゲットまでのビームの移送効率が向上し、ターゲットに照射されるイオンビームのビーム電流を増大させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示すものであり、イオン源
の概略の横断面図である。

【図２】上記イオン源のプラズマ生成室とディスクとを
示す概略の斜視図である。

【図３】上記ディスクをプラズマ生成室と接する側から
みた概略の斜視図である。

【図４】図３のＸ−Ｘ線矢視断面図である。

【図５】図３のＹ−Ｙ線矢視断面図である。

【図６】上記イオン源の制御装置の制御動作を示すフロ
ーチャートである。

【図７】引出電極に引き出された後のイオンビームの発
散角ωと規格化パービアンス（Ｐ／Ｐ_c）との関係を示
すグラフである。

【図８】本考案の他の実施例を示すものであり、イオン
源のプラズマ生成室とディスクとを示す概略の斜視図で
ある。

【図９】従来例を示すものであり、イオン源の概略の横
断面図である。

【符号の説明】

１プラズマ生成室１ａ開口部２ディスク３〜６プラズマ電極部（プラズマ電極）３ａ〜６ａイオン取出孔７駆動モータ（切換手段）９制御装置（切換手段）１０引出電極１０ａ引出電極孔（イオン通過孔）１１引出電極移動機構ｔ₃〜ｔ₆ プラズマ電極部の厚さ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】プラズマを生成するプラズマ生成室に設け
られ、イオン取出孔が形成されたプラズマ電極と、上記
プラズマ電極と対向して設けられ、イオン通過孔が形成
された引出電極とを有し、上記のプラズマ電極と引出電
極との間に所定の電位差を生じさせてプラズマ生成室か
らイオンを引き出し、イオンビームを形成するイオン源
において、厚さの異なる上記のプラズマ電極を複数有し、引出電極
のイオン通過孔を通過した後のイオンビームの発散角に
応じて、この発散角が小さくなるようにプラズマ生成室
に設けられるプラズマ電極の厚さを切り換える切換手段
を備えていることを特徴とするイオン源。