JPS5852297B2 - マイクロ波イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン源に関し、特に大電流イオン打込み装置
に適したマイクロ波イオン源に関するものである。

イオン打込み装置は大きく分けて小電流形（１０μＡ〜
１ｍＡ未満）と大電流形（１ｍＡ以上）とに分類される
。

これは製造したい半導体素子によって必要な不純物ドー
ズ量が異なり、その範囲が１０１２〜１０１６イオン／
ｃＩＩＬと広いためである。

装置技術的に見れば小電流形のものがつくり易いため、
現在、稼動しているイオン打込み装置の大部分はこの小
電流形である。

したがって、その応用分野は比較的にドーズ量の少ない
分野（例えば、ＭＯＳ）ランジスタのチャンネル部分や
バイポーラトランジスタのベース部分など）に限られて
いた。

しかし、最近になって、ドーズ量の多いバイポーラトラ
ンジスタのエミッタやＭＯＳ）ランジスタのソースやド
レインもイオン打込み装置によってつくりたいという要
求がでてきた。

この要求に応えるためには大電流形のイオン打込み装置
が必要である。

一般に、イオン打込み装置はイオン源、質量分離器及び
打込み室から構成されている。

そして、大電流形かあるいは小型形かは使用するイオン
源の性能にかかつている。

現在、ｍＡ級の打込みのできる装置は２種類ある。

１つは熱フイラメントタイプのイオン源（イオン引出し
スリットに平行にはったフィラメントからの熱電子によ
り、低電圧アーク放電をｋこし、発生したプラズマから
イオンを短冊状のビームとして引出すタイプのイオン源
）を使用した装置であり、もう１つはマイクロ波イオン
源（後で詳述する。

）を使用した装置である。

前者は例えば” ＴｈｅＰＲ−３０Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａ
ｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ” １４ ｔｈＳｙｍ
ｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ 、 Ｉｏｎ
、 ａｎｄ Ｐｈｏｔ。

Ｂｅａｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、 Ｍａｙ ］
９７７中に開示されており、後者は１９７７年１１月１
５日に発行された米国特許番号４０５８７４８中に開示
されている。

この２つのタイプのイオン源を比較した場合、前者の寿
命は使用するフィラメントの寿命そのもので決するため
、一般に数時間から十数時間である。

これに対して、後者は前者のような陰極などの損耗部分
がないため、その寿命は極めてながくなる。

しかしながら、イオン化すべきガス＋ としてＰＨ３（Ｐ イオンをとり出すため）ガスやＡｓ
Ｈ３（Ａｓ＋イオンをとり出すため）ガスなどを使用す
ると、解離したＰやＡｓが放電室に接して設けられてい
る電極の表面部分に時間と共に次第に堆積してくる。

そして、その堆積物がイオンビームの出口をふさいだり
、また放電室内で異常放電を起す原因になったりする。

その結果、動作時間が１０〜２０時間位で、イオンビー
ムが不安定になってくるという困った現象が生じる。

この現象はマイクロ波イオン源に特有のものではなく、
上述した熱フイラメントタイプのイオン源にも同様の現
象が発生すると思われる。

ただ、熱フイラメントタイプのイオン源では上述した現
象が発生する以前にフィラメントの寿命がつきてしまう
ものと考えられる。

従って、本発明の目的は長時間に亘って安定な大電流イ
オンビームを取り出し得るイオン打込み装置に適したマ
イクロ波イオン源を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に釦いては、放電室と
接する電極を実質的にプラズマにさらされる面を含む部
分と実質的にプラズマにさらされない残りの面を含む部
分とに分割し、かつ、画部分を互いに電気的接続状態に
保つように構成したことを特徴としている。

つ１す、本発明は次の原理にもとづいて達成されたもの
である。

今、一つの物体を２つの部分Ａ、Ｂに分割し、その後、
画部分Ａ、Ｂを接触させた状態を仮定しよう。

画部分Ａ、Ｂはマクロ的にみればもとの一つの物体を形
成したようにみえる。

がしかし、ミクロ的にみれば画部分Ａ、Ｂは多数の点で
接触しているだけである。

そこで、部分Ａだけを加熱した場合、熱伝導で部分Ａか
ら部分Ｂに伝導される熱量は非常に少なくなる。

これは部分Ａと部分Ｂとは多数の点で接触しているだけ
であるので、部分Ａと部分Ｂとの間の熱抵抗が一つの物
体であった時のそれよりも非常に大きくなっていること
による。

それでも、空気中では、部分Ａから部分Ｂへの熱移動は
伝導によるのみならず、対流、幅対によって行なわれる
ために、部分Ａから部分Ｂへの熱移動はかなり行なわれ
る。

これに対して、真空中では、部分Ａから部分Ｂへの熱移
動は伝導と幅対とによってのみ行なわれる。

つまり、対流による熱移動がないために、その熱移動は
大きく制限される。

本発明に転じれば、電極を分割することによって放電室
と電極との間の熱絶縁が確立され、しかも、画部分を接
触状態（電気的接続状態）に保つことによって電極とし
ての機能が維持される。

かかる本発明の特徴的構成によれば、イオン化すべきガ
スとしてＰＨ３ガスやＡｓＨ３ガスが使用されても電極
の表面にはＰやＡｓが無視できる程度にしか堆積しなく
なった。

その結果、安定な大電流イオンビームが長時間に亘って
得られるようになった。

本発明によるマイクロ波イオン源を使用したイオン打込
み装置は動作時間が２００時間を経過した現在でも安定
な大電流イオンビームを供給しつづけている。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図はイオン源としてマイクロ波イオン源を使用した
大電流イオン打込み装置の概略説明図を示す。

マイクロ波発生器（２，４５ＧＨｚ ｔ ６００ Ｗ
ｔマグネトロン）１で発生されたマイクロ波は矩形導波
管２を経由してリッジ導波管４に伝播され、そこから真
空封止用誘電体（アルミナ磁器）５を経由して放電室６
に伝播される。

マイクロ波電界は放電室６を形成するリッジ電極７，７
間に形成される。

リソ４極７，７の放電室６に面した表面は実質的に平行
に配置されている。

第２図に示した第１図のｘ−ｘ’拡大断面図のように、
対向するリッジ電極７，７によって形成される空間以外
は、プラズマ発生領域を限定するため、誘電体（窒化硼
素）８，８で充てんされている。

つ１す、放電室６のイオン引き出し方向に平行な壁部の
うち、二壁はリッジ電極７，７、他の二壁は誘電体８．
８によって形成される。

さらに、放電室６はリッジ電極７，７を構成する金属元
素の混入を防止すると共に周囲との熱的な絶縁をはかる
ために誘電体（窒化硼素）の箱９によって囲１れている
。

放電室６は第２図から明らかなように、イオンビーム引
き出し方向に垂直な方向の断面が細長い矩形状に形成さ
れ：その寸法（５ｉｉＸ ４４ｍｍ）はイオン引き出し
電極系１０の寸法（２ｉｉＸ４０ｖｔｍ）よう少し大き
い。

放電室６内にガス導入部（図示せず）よりＰＨ３ガスを
導入（導入後の放電室６内の圧力は約８×１０ Ｔ
ｏｒｒである。

）し、上記マイクロ波電界と作用する磁場（約］ ００
０ Ｇａｕｓｓ）を磁界発生用コイル１１によって発生
すると、放電室６内にはプラズマが発生する。

放電室６で発生したプラズマからイオン引き出し電極系
１０によってイオンが引き出される。

放電室６などは真空系１２によってあらかじめ定められ
た真空度（１×］ ＯＴｏｒｒ）に維持される。

また、マイクロ波発生器１とイオン源とを直流的に絶縁
するためにチョークフランジ３が使用されている。

イオン引き出し電極系１０によって引き出されたＰ＋、
ｐ２＋、ｐ＋＋、ＰＨ十などのイオンビームは質量分離
器（偏向角６０°、半径４０ｃｒｒＩ、磁場９５００Ｇ
ａｕｓｓ）１３を経由してイオン打込み室１４に導入さ
れる。

打込み室１４に導入されたＰ＋イオンビーム（打込み電
流３ｍＡ）はスリット系１５を通して半導体ウエーノ・
（直径３ｉｎｃｈ）１６に照射される。

ウェーバ１６はドラム（半径４０ｃｒｎ）１７の外表面
上に２４枚とりつけられている。

そして、ドラム１７はイオンビームの照射方向に対して
直角方向に一定の回転数（］ ５ｒｐｍ） で回転さ
れ、しかもドラム１７の軸方向に往復運動される。

これはウェーバ１６が大電流イオンビームによって加熱
されるのを避けるためである。

第４図は本発明による実施例であり、第１図に示した放
電室６及び引き出し電極系１０部分を主に示した拡大断
面図である。

第１図において既に説明したように、放電室６は誘電体
（窒化硼素）の箱９によって周囲のリッジ電極７゜７な
どから隔絶されている。

第１図に耘けるイオン引き出し電極系１０は正電極（＋
５０ＫＶ）１９、負電極（−２ＫＶ）２０及び接地電極
（Ｏｖ）２１から構成される。

リッジ電極７，７と正電極１９とは誘電体（窒化硼素）
１８によって絶縁されている。

イオン引き出し電極系１０のうちで放電室６に接した正
電極１９は部分１９Ａと部分１９Ｂ（第５図にその正面
図を示す）とから構成されている。

この理由は次のごとくである。放電室６の中で発生した
プラズマと放電室６を形成する放電箱９の内壁面との間
及びプラズマと電極１９のうちの部分１９Ｂの放電室６
側の壁面との間にはイオンシースがあり、プラズマの電
位はそれぞれの面に対して浮遊電位（通常、数■から数
十Ｖ）だけ高くなっている。

従って、それぞれの面には常時、浮遊電位外のエネルギ
ーをもったイオンが衝突していることになる。

そのため、それぞれの面は熱エネルギーによって加熱さ
れる。

しかしながら、正電極１９は部分１９Ａと部分１９Ｂと
に分割されているため、既に述べたように、部分１９Ｂ
の温度のみが上昇して、部分１９Ａの温度上昇はごくわ
ずかである。

同様のことが箱１９とリッジ電極７，７などとの間にも
言える。

すなわち、プラズマを囲む壁面は全て周囲から熱絶縁さ
れる。

その結果、プラズマを囲む壁面は高温状態を維持しつづ
けるため、イオン化されるべきガスとしてＰＨガスやＡ
ｓＨ３ガスを使用してもＰやＡｓが部分１９Ｂの壁面に
堆積することができない。

部分１９Ａの電極材料としてステンレス鋼を使用し、部
分１９Ｂとして部分１９Ａと同じ材料を使用して実験し
たところ、堆積はほとんど認められなかったが、若干の
変形が生じた。

これは熱変形と考えられる。次に、部分１９Ｂの材料と
して炭素板を使用したところ、全く変形がみられず良好
な結果が得られた。

この時の部分１９Ｂの大きさは５０ｉｉＸ ］ ０ｔｒ
ａｔで厚さが２朋である。

これに対して、第３図に示した従来の構造では電極（ス
テンレス鋼製）１９′は一体構造となっている。

一体構造であるため、既述したように、熱伝導が極めて
良好となる。

従って、プラズマに面する壁面の温度は上昇せず、Ｐや
Ａｓの堆積が促進される。

その結果、実質的に短寿命となっていた。

第４図において、正電極１９を構成する部分１９Ａと部
分１９Ｂとは互いに接触状態を保つことによって電気的
接続を実現している。

従って、最も望ましい組立構造は部分１９Ｂが誘電値１
８及び箱９と部分１９Ａとの間にきよう持される構造で
ある。

上述した実施例では正電極１９を構成する部分１９Ａと
部分１９Ｂとの間の電気的接続は互いの接触によって行
なっているが、何もこれに限る必要はなく、他のいかな
る手段でもよい。

要するに、本発明は電極を分割構成することによって熱
的な絶縁を達成するものである。

さらに、分割方法も上述した実施例に限る必要はなく、
他の分割方法でもよい。

要は分割された部分のプラズマに面している表面積がプ
ラズマに面していない表面積と比べて余りに大きく違わ
なければ、どのような分割を行なってもよい。

さらに渣た、本発明はマイクロ波イオン源に限らず、プ
ラズマからイオンを取り出す電極がそのプラズマに面す
るような構成のイオン源に対して全て適用できるもので
ある。

以上述べたごとく、本発明によるイオン源は長時間にわ
たって安定な大電流イオンビームを得ることができ、そ
の工業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はマイクロ波イオン源を使用したイオン打込み装
置の概略説明図、第２図は第１図にかけるイオン源のｘ
−ｘ’断面図、第３図は従来のイオン源の要部断面図、
第４図は本発明によるイオン源の要部断面図、第５図は
第４図に耘ける部分１９Ｂの正面図である。 １・・・マイクロ波発生器、２・・・矩形導波管、３・
・・チョークフランジ、４・・・リッジ導波管、６・・
・放電室、７・・・リッジ電極、８・・・充てん物、９
・・・箱、１０・・・電極系、１１・・・コイル、１２
・・・真空系、１３・・・質量分離器、１４・・・打込
み室、１５・・・スリット、１６・・・ウェーバ、１７
・・・ドラム、１９・・・正電極、２０・・・負電極、
２１・・・接地電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放電室と、上記放電室内にマイクロ波放電プラズマ
   を生成する手段と、上記マイクロ波放電プラズマ中から
   イオンを引き出すためのイオン引き出し電極系とを有す
   るマイクロ波イオン源にかいて、 上記電極系のうちで上記放電室と接する電極が上記プラ
   ズマに実質的にさらされる面を含む部分と上記プラズマ
   に実質的にさらされない残りの面を含む部分とに分割さ
   れてかり、かつ、上記両部会が互いに電気的接続状態に
   保たれていることを特徴とするマイクロ波イオン源。 ２ 上記電極を構成する２つの部分が同じ電極材料から
   つくられていることを特徴とする特許請求ノ範囲第１項
   記載のマイクロ波イオン源。 ３ 上記電極材料がステンレス鋼板であることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載のマイクロ波イオン源。 ４ 上記電極を構成する２つの部分が異なる電極材料か
   らつくられていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のマイクロ波イオン源。 ５ 上記電極のうちで上記プラズマにさらされる部分の
   上記電極材料が炭素板であり、かつ、上記プラズマにさ
   らされない部分の上記電極材料がステンレス鋼板である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のマイクロ
   波イオン源。