JPS6217933A - 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］ 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ョン（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との間にキャリア気体
を導入するためのキャリア気体導入口９と、中間電極５
と陰極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４ａｌｉ　６によって放電室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の排気を行なって、
放電室１と真空室２５とを所定の真空度にする。続いて
、放電室１にキャリア気体導入口９からキャリア気体を
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、キャリア気体は陰極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、キャリア気体のプラズマは導入された試料
気体と衝突して試料気体をイオン化する。イオン化され
た試料気体は陽極孔２４を通過し、陽極６と引出電極２
６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、イオン流とともにイ
オン化されていない中性気体も分子ビーム状となって真
空室２５内に流入する。

［発明が解決しようとする問題点１ 従来のイオン源では、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
流を引出すので、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った。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りた。

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、液体窒素あ
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、上述の従来のイオン源と比較してイオ
ン流旦が著しく少なくかつ装置も複雑であるという問題
点があった。

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１ａｆＭ気体発生手段
により弱電離気体を発生させ、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、超音速自由膨
張流を発生させ、超音速自由膨張流における温度の低下
した領域に、それぞれが複数個の孔を有する複数個の引
出電極を設け、電場発生手段によって引出電極間に電場
を生じさせて、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の真空室内に導入し、第２の真空室内ではさらに気
体を膨張させることによって気体温度を低下させるので
、無作為運動の極めて小さいイオン流が得られる。した
がって、この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［ｉ気
体を発生させるものである。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
る。真空室３は真空室２内で生じた超音速自由膨張流を
ざらに膨張させるためのものである。したがって、真空
室２は放電室１よりも高真空にされ、真空室３は真空室
２よりも高真空にされる。たとえば、動作時の放電室１
は５０Ｔｏｒｒ程度に、真空室２ハ１０−　”　Ｔｏｒ
ｒ程度に、真空室３は１０−’Ｔｏｒｒ程度にされる。

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にはキャリア気体を導入するためのキャリア気体
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。ノズル孔９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のばか排気のための真空引口１
２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内で生じる超音速
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１４１）には、イオンが通過するためのそれぞれ複
数の引出電極孔１５ａおよび１５ｂが設けられる。引出
電極１４ａおよび１４ｂ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１４８．１４ｂ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
来のイオン源の欠点を解消したものである。ずなわち、
従来のイオン源では第４図に示すように、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
と陽極との間には気体が充満するため弱電離気体は超音
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、気体湿度の低下した超音速自由
膨張流からイオンを引出すために、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
の温度を低下させるためにさらに第２の真空室内に導い
て膨張させる。

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。

所定の真空度にした後、放電室１にはキャリア気体導入
口１０からキャリア気体が導入される。

導入されるキャ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、キャ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から導入された試料気体をイオン化する。

導入される試料気体はたとえばナトリウム蒸気である。

イオン化した試料気体とキャリア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存在する
領域を静寂領域（Ｚｏｎｅ　ｏｆ　　Ｓ　１ｌｅｎｃｅ
）と称するが、この静寂領１１６は樽形衝撃波（Ｂａｒ
ｒｅｌ　５ｈｏｃｋ）　１７とマツへ日１１Ｉ（Ｍａｃ
ｈ　Ｄｉｓｋ　）　１９トニにツＴ囲マレタ領域である
。

静寂領域１６の外側には、樽形１ｊｌ波１７に近接シテ
ジェット境界（Ｊｅｔ　　Ｂｏｕｎｄａｒｙ　）　１８
が形成され、マツハ円盤１９の下流には反射衝撃波（Ｒ
ｅｌｅｃｔｅｄ　　Ｓ　ｈｏｃｋ）　２０が形成される
。第１図に示ずマツハ円盤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Ｃプる理想的な形状を示１ノたＬ）のであり、実
際には引出電極によって乱された形状になる。

上述の静寂領域゛１６の形状および大きさはノズル孔９
の形状おＪ：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
に移行するに従ってプラズマの密度、温度および粒子間
の衝突頻度は減少して電離度は凍結するが、逆にプラズ
マの流速は増加する。断熱膨張による密度は放電室１内
のプラズマ密度の１／１０００程度に減少し、温度は放
電室１内の１／１００程度になる。したがって、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自由粒子に関しては２
０〜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。従って、静寂領域
１６内の気体温度はマツハ円盤１９の手前で最低になる
ので、イオン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１０〜２０Ｉｌ１Ｍ手前に設置される。

ところで、静寂領域１６は上述したノズル孔９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
内の圧力によって規定される。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（に従い気体は
膨張し、領域の断面積は大きくなり、流速は速くなり、
気体密度と温度とは低下する。したがって、超音速自由
膨張流の静寂領域１６からのイオンの取出を真空室内の
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
（プることが好ましい。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、たとえばバッキン
グ２２を備えた真空室３の外壁３１は真空室２の内！！
２１に嵌め込まれる。

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Ｗ！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
件に従って、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ｉ４ａ、ｉ４ｂには
直流電圧が印加され、引出電極１４ａおよび１４ｔ１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
、電子は電場の逆ベクトル方向に移動する。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。引出電極１４ａおよび１４ｂにはそれぞれ複数
の引出電極孔１５ａおよび１５ｂが設けられているので
、イオンを効率よ（引出すことができる。引出されたイ
オン流は真空室３内で膨張し、気体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、衝撃波を形成し、その下流で気
体の温度が上昇する。したがって、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
流に向って突出した先端部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ｖ１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
同様の効果を秦する。

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における超音速自由膨張流は真
空室３内でさらに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１４８．１４ｂ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。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば、それぞれが複数個の
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自由粒子の濃度が絶対温度２０〜数
度にまで低下したプラス゛マ流から、複数個の引出電極
に設けられている複数個の孔を経て、第２の真空室にイ
オンを引出すように構成したので、温度の低いイオン流
すなわちイオンの無作為運動の小さく、かつイオン密度
の大きいイオン流を効率よく引出すことができる。した
がって、この発明の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、１６は
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 (5)

【特許請求の範囲】
1. （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って得られる気体温度
   の低下した超音速自由膨張流の存在領域に設けられ、そ
   れぞれに複数個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複数個の孔
   を経て、超音速自由膨張流から前記第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. （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. （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. （４）前記隔板に設けられるノズルは円形の孔を有する
   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. （５）前記隔板に設けられるノズルは、正方形または長
   方形の孔を有す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。