JPS6244935A - イオンビ−ム発生方法および装置 - 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】 技術分野 本発明はイオンビーム発生装置に関し、特に熱陰極反射
アーク（デーオプラズマトロン）イオンビーム発生装置
であって、熱陰極からの電子が磁場によって半径方向に
および静電鏡によって軸方向に反射領域内に閉じ込めら
れるイオンビーム発生装置に関する。これらの鏡の間で
前後に反射される電子はアーク室内に含まれるガスをイ
オン化する。

背景技術 サイエンティフィク　アメリカンの１９８５年３月号１
０２頁のＳ、　）−マス　ピクラウクスとポールＳ、ビ
ルシイによる「イオン　インプランテーションオブサー
フェス」において、著者等は、集積回路製造および金属
表面のイオンビーム修正におけるイオンビーム注入技術
の重要さについて述べている。後者は新技術であり、前
者は大規模集積回路（ＶＬＳＩ）で現在使用されている
製造技術であって、著者等によれば、強く絞られたイオ
ンビームによって、電子ビームや可視光によるよりもず
っと高い解像度が得られる。このようなイオンビームを
使えば、マスク処理ステップを干渉することなく、１マ
イクロメータの範囲の不純物注入域形状の画成も可能で
あり、電気的動作については１００個程度の不純物原子
まで制御できる。

イオンビーム源のイオンプラズマおよびこれから得られ
、制御された注入と鋭い焦点合せに影響するイオンビー
ムに関して３個の公知の物理的指標がある。即ち、 ０ビ一ムイオン温度 。プラズマ電位 ○プラズマゆらぎである。

上記３個の指標の影響をまとめたビーム特性はビームエ
ミツタンスである。

ビームエミツタンスは掴みにくい概念である。

これは、ある断面平面内でのビーム拡散の一様性の基準
である。従って、この値は小スリットを持つビーム平面
をスキャンし、中央ビーム軸からのスリントの半径方向
への変位（ｃｒｎ　）に対して、出現するビームの拡が
り（ミリラジアン）を図示することで測定される。得ら
れた図は相空間図（フェーズスペースダイアダラム）と
呼ばれ、ｍ−ｒａａｓ単位のその領域はビームエミツタ
ンスを表わす。エミツタンスが小さいほど、イオンビー
ムはより整然としている。関連するビーム特性としては
輝度があり、これはビーム電流をエミツタンスの二乗で
割って得られる。

この定義は、高出力高電流の連続（直流）ビーム、つま
り相中間が整然としているビームの生成の困難さを示す
。

ビームイオン温度は、ビームの乱れの規準であって、ビ
ームを狭く絞れるかに直接影響する。

これは、断面平面内でのイオンのランダム運動エネルギ
の基準となる。高温ビームはぼやけたビームである。ビ
ームイオン温度は通常電子ボルト（ｅＶ）単位で示され
、１　ｅＶは１．１．６０００Ｋに等しい。

プラズマ電位は、ビーム取出し開口通過前の、空間電荷
領域内のイオンプラズマの静電位を、周囲の基準電位に
対ｌ〜で表わしたものである。

低プラズマ電位は装置の腐食能力とス・やツタ能力を低
下させる。更に、イオンビーム汚染およびイオンエネル
ギ変化を減少させる。イオンエネルギ変化はイオン注入
深度の定義に直接影響するもので、このことは半導体処
理において重要なことである。

プラズマゆらぎは「雑音」と称されることもあり、イオ
ンが取り出されるプラズマの密度の急速な変化を示す。

最高のビーム品質のためには、プラズマ密度はプラズマ
からイオンを取り出す電場強度に一致しなければならな
い。プラズマゆらぎの存在は常時この密度と電場強度を
正しく一致させることを不可能にするので、ビーム品質
の低下および時間平均エミツタンスの上昇を生じる。

デュオプラズマトロンタイプのイオン源は概念的に３個
の領域に分は得る。即ち、電子ビーム生成、プラズマ生
成、およびイオンビーム取出しである。本発明は電子放
出熱陰極とイオンビーム取出し開口の間の領域に重点を
置いている。この領域内の僅かな設計変更でも明らかに
、ビーム取出し前のイオンプラズマに直接影響する。低
ビームエミツタンスおよび低ビーム温度で表わされたイ
オンビーム品質はそれ自身が、ビーム源のイオンプラズ
マの空間的、物理的等質性および一様性に影響される。

従来技術 米国特許第３，２３８，４１４号（１９６６年３月１日
発行、ケレー等）は、高出力デーオプラズマトロン型イ
オン発生装置を開示している。このイオン発生装置にお
いては、熱陰極と陽極との間のアークによって電子ビー
ムが生成され、このビーム経路にイオン化される供給ガ
スが置かれる。生成された電子ビームは供給ガスをイオ
ン化し、イオン化された供給ガス（プラズマ）は陽極内
の開口を通シ、プラズマ拡大カップ拡張部によって画成
される拡大領域に取り出される。

プラズマ拡大カップ拡張部の使用によって取り出しイオ
ンビームの昂と質が上昇する。しかし、この拡大カップ
拡張部は単純な円筒である。更に、ケレーのデーオプラ
ズマトロンは反射アーク源ではない。

米国特許第３，９２４，１３４号（１，９７５年１２月
２日発行、ラーマン等）は他のタイプのイオン発生装置
を教示する。このイオン発生装置は陰極フィラメント室
とイオン化室とを有し、２個の結合されない放電が維持
され、それらの特性は独立して制御される。陰極フィラ
メント室内での放電で生成される電子は、イオン化室内
の放電を保持するだめに使用される。この二重室構成に
よれば、陰極フィラメント室内では不活性ガスを、イオ
ン化室では供給ガスを使用できる。

陰極フィラメント室の不活性ガス雰囲気内の低電圧アー
ク放電は、スパッタリングを減少させフィラメント寿命
を延ばす。更に、ビーム発生装置全体はフィラメント、
上部各室間の開口、およびイオンビーム取出しオリフィ
スを結ぶ線に平行な軸方向磁場内に配置される。以降に
示すように、イオンプラズマの安定性と一様性に対する
重要な改善は、周囲に延在しプラズマを閉じ込める磁場
を設けることで達成される。

デュオプラズマトロンタイプのイオン発生装置は本発明
者による刊行物ｒ　ＣＲＮＬにおける高電流直流イオン
源開発」、Ｉ　ＥＥＥ会報核利学ＮＳ　−２６巻３号、
１９７９年６月、３０６５〜３０６７頁に提案され、Ｍ
、Ｒ，シューパリイによる「高電流直流重イオン源」、
物理学会誌通算５４号、第７章、１９８０年、３３３〜
３３８頁およびＭ、Ｒ，シュパリイ等による「高電流直
流イオンビーム」、ＩＥＥＥ会報核科学ＭＳ−３０巻２
号、１９８３年４月、１３９９〜１４０１頁に記述され
ている。

上記資料に記載されたイオン発生装置はデーオプラズマ
トロンと呼ばれ、熱陰極と中間電極を含み、これによっ
て熱陰極が不活性ガス雰囲気内に設置される陰極室が画
成される。このイオン発生装置は更に、一端に中間電極
を備え、他端にプラズマ開口板を有し、これらの中間電
極器とプラズマ開口板の間に２個の陽極を持った反射ア
ーク室を含む。陰極と第１陽極間で生成されるアークは
電子ビームを生成し、この電子ビームはイオン化される
供給ガスを収容した反射アーク室に導かれる。これらの
電子は、上記中間電極とプラズマ開口板との間で前後に
はね返されて、供給ガスに衝突してそれをイオン化する
。イオン化されたガスはプラズマ開口板に設けられた穴
を通って取り出される。

上記のデュオプラズマトロンタイプ０のイオン発生装置
が、これらの参照された米国特許の従来技術によるイオ
ン発生装置に比較して改良された性能を持つとしても、
本発明のイオンビーム発生装置によれば、広範囲に渡る
多種のガスをイオン化できる。例えば、ホスフィンＰＨ
３、アルシンＡＳＨ３，３フッ化硼素ＢＦ３、および酸
素０２であり、これらはすべて従来報告がない。

しかし更に重要々ことは、Ｍ、Ｒ，シーパリイの１９８
０年に開示された中間電極内の凹型鉄製ノーズピースは
、従来技術に比べて５０％も高い電流で安定運転ができ
るが、このノーズピースの改善に、中間電極路とプラズ
マ閉じ込め磁場の２個の改良を組合せることによって電
流を２倍にでき、これによって、ビームエミツタンス、
ビーム温度、および低プラズマ電位の改良が達成される
。高出力電流と低エミツタンスは共働的に、イオンビー
ム発生装置の輝度を有効に増加させる。

規格化された輝度は、種々のイオンビーム発生装置を比
較するだめに有用なパラメータである。これはイオンビ
ーム電流を規格化エミツタンスの二乗で割ったもので、
アン４アをミリメータミリラジアンの二乗で割った単位
で測定される。規格化エミツタンスは単位アーク当りの
エミツタンス領域（面積）に相対的係数を乗じたもので
、この係数は低イオン速度では光速による商にほぼ等し
い。イオン速度が光速に近づくと、この係数は無限大に
近づく。従って、イオンビームの透過力としてのイオン
ビーム電流を」二昇させることは重要で、即ち、イオン
速度はイオン発生装置の輝度を維持するために上昇する
。

イオン発生装置の現時点での状況については、ロデリソ
ヒケラーによる「イオン源および低エネルギービーム移
転」、１９８４年線型加速装置会議の議事録、１９８４
年５月７−１１日、レボ−）　＋　Ｇ５ｌ−８４−１１
が引用される。この資料は本明細書内で参照される。

米国特許第３，５４６，５１３号、１９７０年１２月８
日発行、ヘニングは「高利得イオン源」を開示する。こ
の発明の「背景技術」には以下の記載がある。

磁場は各種目的のためにイオン発生装置と共に使用され
る。これらの１個は磁力線にそった経路に電子を閉じ込
め、これによってイオン効率を上げるだめのものである
。これらの装置においては、イオンが取り出されるプラ
ズマ正面の絞ｂｔたけ焦点合せと整形は、種々の透磁率
を持つ材料で作成され整形された取出し電極を使用する
ことによって達成される。これらの装置では、取出し部
の形状は固定されている。

従って、プラズマ整形が重要なことが直ちに分る。しか
し、種々の透磁率を持つ材料で作られた電極によってこ
れを達成する手段は最適の解決法とは考えられない。ヘ
ニングの特許自身の寄与は第２整形磁石を設けることで
、これによって取出し正面の形状を、最適利得および焦
点絞シを得るように変化させることができる。

発明の概要 従来技術と同様に、本発明の目的は、小型で簡単な設計
で大領域の一様なプラズマ（即ち高電流出力）を有し、
時間およびイオン発生装置同志間において再生可能で一
定の結果をもたらす改良されたイオン発生装置を提供す
ることである。

本発明は、改良されたイオンビーム発生装置を供給する
ために組み合せ得るいくつかの特徴を有する。

本発明のイオンビーム発生装置での実験において、イオ
ン源プラズマの一様性と安定性は、電子を閉じ込める磁
場強度をイオン取出し口の近くで、火山型形態に整形す
ることによって強化されることが見出された。その結果
、取出し口近くのプラズマの集塊は磁場強度の谷に一致
し、回転対称性のある高磁場強度で取シ囲まれる。

上記の特徴の利点は、より一様な、したがって安定した
、ゆらぎが約２％以下のプラズマ頭部（フロント）を持
つことである。他の利点は、イオン化のだめの電子が旨
く閉じ込められることによってプラズマ電位を低くする
ことである。

望ましい実施例の設計では、１０〜２０がルトのプラズ
マ電位が可能である。

低プラズマ電位はスパッタリングによる構成要素の腐食
を減少し、プラズマ汚染、更にイオンエネルギ変化を低
減させる。

本発明の他の特徴は、イオン化用主電子を反射アーク室
に導く中間電極路が、電子放出陰極側によシ小さい断面
を有する点である。しかし、この特徴がどのようにして
装置全体としての改善された性能をもたらすかはまだ十
分には理解されていない。ひとつの可能性としては、こ
れが電子ビーム閉じ込めを改善することによって陽極の
開口がより狭くてすむため、これによって注目している
領域から陰極へのガス送出を減少させ、ガス流の必要分
が低減されるということがある。他の可能性は、中間電
極が磁気的に軟かい鋼で作られているので、電極路の整
形および従来技術からの凹型ノーズピース形状によって
、取シ出し口において磁場強度形状が改善される。この
電極路がどの程度閉じ込められるかについての限度は、
断面が極めて小さくなればアーク転送は困難となシ信頼
できなくなるだろうということである。

更に本発明の他の特徴は、中間電極路の出口開口と同じ
かそれよシわずかに大きい、特に狭い入口開口を有する
陽極（または相互交換可能な陽極挿入部）を持つことで
ある。更に、陽極の開口は反射アーク室内に円錐状に拡
張し、ガス流を拡大電子ビームに一致させる。拡張断面
は、中間電極によって拡大された磁場の一定な磁束をさ
えぎる形状である。この拡張部は、ガス渦流の発生を防
ぐのにも役立つと思われ、従ってイオン化用電子ビーム
と注入されたガスの間の一様な相互作用を行わせると考
えられる。

開発の初期段階である陽極または陽極挿入部の改善は、
供給ガスが最も効率よく使用される反射放電領域に供給
ガスを導くための精密に配置された注入孔の使用である
。このような実施例では、ガスは拡張部を持つ陽極円錐
の低部周辺の孔を通して下方に注入される。これによっ
て、イオン化効率は上昇し、ガス流は減少し、イオンビ
ーム発生装置はより安定した動作を示す。更に陰極への
不要なガス移動を減少し、従って陰極の損傷を低減する
。

上記特徴は単独でまたは組合せて使用され得る。これら
の全ての特徴は、望ましい実施例では、実際、１９８４
年１２月２７日付エレクトロニックデザイン３７頁に有
利に報告された実験用イオン注入装置内に有利に実施さ
れている（最後に説明した特徴を除く）。

本発明の方法的観点によれば、イオンビーム発生装置を
作動させるだめの方法として、以下の構成ステップを含
む改善された方法が提供される。

（ａ）　　イオン化用電子ビームの生成と、（ｂ）　　
イオン化可能原子の生成とおよび（ｃ）　　イオンビー
ム取出し領域内にイオンプラズマを生成するためイオン
化室内の原子と電子ビームを衝突させることを含み、更
に （ｄ）　　前記電子ビームと前記プラズマの双方に対す
る閉じ込め用磁場の生成であって該磁場は前記イオンビ
ーム取出し領域で前記プラズマと本質的に同空間に渡る
低磁場強度を持つ中央領域と、前記中央領域を囲むより
高い磁場強度を持つ周辺領域とを含み、前記取出し領域
内の前記イオンプラズマの安定性と一様性とを保持する
ための磁場生成を含むことを特徴とする。

本発明によるイオンビーム発生装置は、陰極室内に電子
ビーム生成用の陰極手段と、前記電子ビームを規準する
ための手段と、前記陰極室内の開口手段であって、該開
口手段に隣接する前記イオン化室の一端にイオンプラズ
マ陽極手段を含むだめのイオン化室内に該規準された電
子ビームを送るだめの開口手段と、および前記イオン化
室の他端にイオンビーム取出し手段とを含み、更に、前
記開口手段は前記陰極手段に隣接して小断面を有する前
記陰極室内の孔であって、前記小断面は電子ビーム経路
を通すのに十分な小断面であって、前記開口手段は、前
記小断面より大きい所定の断面を有する所定の長さを持
つ開口手段であることを特徴とする。

望ましい実施例では、陰極室内の開口は第１部分ないし
第３部分から成シ、陰極手段に隣接して最小断面を持つ
第１部分とこの最小断面と第３部分の最大断面の間の中
間断面を持ち両者の中間に位置する第２部分とを含む。

よシ細部をみると、開口の第１部分と第２部分は円筒状
であり、第３部分は円錐状である。

実験から、第２中間部分はその長さと断面に関して決定
的であって、第１の最も狭い断面の部分より僅かに大き
い構成となることが明らかとなっている。後者の長さは
これほどに決定的　−ではない。当然ながら、第３円錐
部は従来技術から公知である。同様に公知であって一般
にこの分野で中間電極と称される陰極室は磁気的に軟ら
かい鋼で作られるのが望ましく、数アン被アの直流によ
り動かされる周囲のコイル手段によって強く磁化される
。′ 陰極室内の孔に隣接して、陰極室から非常に小距離の位
置に陽極または相互交換可能な陽極挿入部がある。陽極
開口を可能な限シ小さくするため、その位置は電子ビー
ムのくびれの部分に選択される。この狭い開口には１個
以上の（円錐状の）拡張部分が続く。望ましい実施例で
は、拡張部は加工を容易にするため僅かに異なった円錐
角度を持つ２個の部分で形成される。

既に説明したように、この拡張部はガス流を（拡大して
ゆく）電子ビームの拡がシに一致させるだめのものであ
る。

従って、本装置の陽極または陽極挿入部は少くとも２個
の部分を有し、即ち、陰極室内の孔の断面と同等の断面
を持つ狭い開口部とそれに続く本質的により長い断面が
増加してゆく拡張部とを含む。

本発明を詳細にみると、イオンビーム発生装置は電子を
生成するための熱陰極を有する。この熱電極は、全体と
して同筒状で一部円錐状に画成された陰極室つ寸り中間
電極内に置かれ、主ガス供給手段はこの陰極室にガス供
給する。

中間電極は磁気材料で作られ、電極の円錐部の頂部に流
路を有し、これによって電子は中間領域を経て全体とし
て円筒状の反射アーク室に送られる。反射アーク室は中
間電極と離れた位置で軸方向に位置合せされ、それらの
間に中間領域を定める。反射アーク室は一端に中間電極
を有し６他端にプラズマ開口板を持つ、両端の中間位置
に第１陽極と第２陽柾を備えている。第１陽極は中間電
極経路と軸方向に位置合せされた穴を有する。電子はこ
の穴を介して反射ア−り室に送られる。補助ガス供給手
段はイオン化されるべきガス（供給ガス）を反射アーク
室に供給する。プラズマ開口板は反射アーク室からのイ
オン化されたガスから出てくる１個以上の開口を有する
。取出し手段はプラズマ開口板近くに設けられ、反射ア
ーク室から出てくるイオンを取り出し加速するための加
速電極と減速電極を含む。中間電極経路は熱陰極に最も
近い端で階段状を成し、中間領域側の他端に凹状の孔を
有する。非磁気材料製の中間電極輪は中間電極の周囲に
電気的に接続されて設けられる。更に圧縮装置コイルが
中間電極上に置かれ、反射アーク室および中間領域に電
子閉じ込め磁場を形成し、電源手段は陰極、中間電極、
第１陽極および第２陽極、およびプラズマ開口板に電位
を与えるために設けられ、これによって、反射アーク室
に導入された電子は中間電極とプラズマ開口板との間で
前後にはね返されて、従って供給ガスの原子または分子
と衝突してそれらをイオン化する。

実施例の説明 本発明の好ましい実施例を添付の図面により詳細に説明
する。各図を通し、同一参照番号はイオンビーム発生装
置の同様な構成要素を示す。

図面の第１図と第２図を参照すると、フィラメント１に
電力（代表的には２−１．　ＯＶ、２５−１００Ａ）を
与えるフィラメント保持具２に保持された熱陰極フィラ
メント１が示されている。熱陰極１は陰極室３内に置か
れ、この陰極室３は磁気材料例えば軟鋼膜の、全体とし
て円筒状で一部円錐状の中間電極５によって画成される
。主ガス供給入口３０は陰極室３にガスを供給し、この
ガスによってフィラメント１の動作が行われるが、この
目的のだめには主としてキセノンまたはアルコゞンが使
用される。中間電極５は、１８００〜１９００アンペア
ターンの励磁を与える圧縮装置コイル４を保持する。中
間電極５の円錐部の頂部には、中間部６、入口部７およ
び出口部８の３部分を有する中間電極経路が設けられて
いる。第３図に示す実施例における中間電極経路の各部
分６−８の望ましい寸法は以下の通シである。

Ａ　　＝　　５．５　ｍｍ Ｂ　＝　６．０　ｍｍ Ｃ＝１２．０ｍｍ Ｄ　　＝　　６．３　ｍｍ Ｅ　＝　１．６　ｍｍ Ｆ−２６゜ 中間部６の寸法は最も決定的な要因で、実験的に決定さ
れねばなら々い。この直径Ｂまたは断面積は信頼性のあ
るアーク転送のために重要である。望ましい実施例では
、入口部７の最小直径Ｂは５．８ｍｍ未満より小さくな
く、これによって０．９の確率でアーク転送を可能とす
ることがわかる。Ｂの値を５．　Ｑ　ｍｍに増加すると
、完全な信頼度で処理ができる。経路の直径を出来るだ
け小さくする理由は、イオン発生装置の安定した動作と
高出力電流のためには、イオン化反射アーク室よりも陰
極室３の圧力が高い必要があるだめである。

入口部７の長さはこれほどに決定的ではなく、他の寸法
に合わせて決定される。

凹型呼だは円錐状出口部８は極めて浅く、本発明者の従
来技術公開（１９８０年）により公知である。

非磁気材料、例えば銅製の中間電極輪９は中間電極５を
その頂部を中心に取り囲み支持する。

中間電極輪９は丸い表面１０を持ち、中間電極５に電気
的に接続される。

全体として円筒状の反射アーク室１１は中間電極５に関
して軸方向に位置合せされて設置される。反射アーク室
１１の一端は、中間電極５の先端とそれに続く第１陽極
１２によって定められ、他端はプラズマ開口板１３によ
って定められる。輪状の第２陽極１４は第１陽極１２と
プラズマ開口板１３のほぼ中央に設けられる。

中央電極５は磁気的に軟かい鋼製で強力な誘導磁力を有
していて、陰極１から放出された電子を規準し、経路開
口を出来るだけ狭い状態で通過させる。電子ビーム閉じ
込めの改善に加えて、３部分６−８内への経路の形状決
定は、プラズマ開口板１３近くのイオンプラズマ閉じ込
めを改善するように思われる。第４図はこの領域内の磁
場強度パターンを曲線Ｘとして示す。

これは当然なことに中心軸のまわりに回転対称である。

理想的には、プラズマ閉じ込め磁場は曲線Ｙで示す椀型
であって、この場合にはイオンは中央領域に旨く閉じ込
められる。このよう人磁場は当然なことに設定不可能で
あり、曲線Ｘは実用的代替磁場を示す。中心軸にそって
最大値を有する磁場強度ノＲターンは、このような安定
した閉じ込めを提供し、屡々、よく知られているプラズ
マのフルート不安定（第５図）を発生させる。更に、最
大値を有する磁場パターンは、鋭く上昇するプラズマ密
度形状を導くので、放電に使用できる領域が減少する。

プラズマ開口板１３近くでは、相対的最小磁場強度は、
最大強度より僅かにＰ％（＝５　％　）程度低いだけで
ある。

第２図と第６図を参照すると、第１陽極１２は、陽極挿
入部１５が回転可能に嵌め込まれる穴を有する。図に示
すように、陽極挿入部１５の凹型表面１６は、中間電極
５の正面表面８との間で所定の透き間を持つように形成
される。

第１陽極１２は陽極挿入部１５と共に、中間電極５およ
び中間電極輪９から離されて位置合せされ、中央領域１
７を形成する。

陽極挿入部１５を第３図に断面図で示すが、ここでラジ
アルポート１８および１９は明らかにフランジ２０内に
加工されている。フランジ２０は陽極挿入部１５を第１
陽極１２に確保するために設けられる。ボート１８はフ
ランジ２０の表面内に中間電極５に向って設置され、ポ
ート１９はフランジの表面の他方の側に設けられる。ボ
ー）１８４たば１９は陽極挿入部１５を回転することに
よって、補助ガス人口２２に結合された補助ガス路２１
に位置合せすることができ、これにより第２図に示すよ
うにガスは直接反射アーク室１１に、寸たは間接的に中
間領域１７を経て陽極挿入部１５の孔２３に供給される
。孔２３は中間電極路と同軸上に置かれ、図の参照番号
２４で示されるように反射アーク室１１に向って拡張し
ている。この拡張した断面は中間電極５から拡がる磁場
の一定の磁束をさえぎるために選択されている。従って
、ガス流と電子ビームの大きさとを一致させる。

陽極挿入部１５の寸法は第７図に示すようなもので以下
の通りである。

Ｇ　＝　６．４　ｒｕｎ Ｈ＝１７．８圏 Ｉ　＝　１．９　ｍｍ Ｊ　＝　１．３叫 に＝１２．７調 Ｌ＝１２．７調 Ｍ＝１７．５　爛 Ｎ　＝　　２　６．９　　ｍｍ ０−３０゜ 陽極挿入部１５の拡張部は加工を容易にするため２個の
部分で構成される。陽極挿入部１５の拡張部は決定的要
因でなく、拡張角が単一であっても動作には重大な影響
はない。

陽極挿入部１５の孔２３は明らかに中間電極５の中間部
６よりも僅かに大きいだけである。

これは中間電極５内でのイオン化可能ガスの陰極への移
動を更に制限し、従って低ガス流量での動作を可能とす
るという点で有利である。このことから高価な毒性また
は腐食性ガスの消費量が軽減され、イオン発生装置を使
用する装置内での真空維持のためのポンプ動作が減少さ
れ、分子でなく望ましい原子のイオンの生成が増加する
。陽極挿入部１５の狭い孔２３は中間電極路を通る電子
の閉じ込めを高めることによって可能となっている。孔
２３は電子ビームのくびれ部分に有利に配置される。

陽極挿入部１５の他の設計では第８図のように、イオン
化可能ガスは間隙３１〜３８を通して注入される。第８
図ではこれらのうち陽極挿入部１５の下部拡張部周辺の
間隙３１〜３５のみが示されている。これによりアーク
放電の効率を上げ安定性を改善する。ガスはイオン化に
最適の領域に注入されるので、必要なガス流量は減らさ
れる。

動作 第１図を参照すると、第１陽極１２、第２陽極１４、お
よびプラズマ開口板１３は全て非磁性材料製であって、
各々の間に絶縁体２５を備えている。締付は棒２６はこ
れらを締め付けて反射アーク室１１の主要部を形成する
。プラズマ開口板１３には複数個の開口２７が設けられ
ている。本発明の望ましい実施例では３個の開口があり
、他の実施例では７個であってそのうち６個は６角形の
配列に、第７番目の開口はそれらの中心に置かれる。プ
ラズマ開口板１３に隣接して設置される加速電極２８と
減速電極２９も対応数の開口を有し、それらは全てプラ
ズマ開口板１３の開口２７と位置合せされる。当然なこ
とに他の実施例において１個以上の開口を使用すること
は可能である。

適当な電源を第１図に示す。イオンビーム発生装置の動
作温度を適当に維持するため、各構成要素に適当な冷却
液路が設けられる。しかし、図面ではそれらの数個のみ
が示されている。

本発明のデーオプラズマトロンの動作において、保護ガ
ス例えばアルゴンまたはキセノンは主ガス人口３０から
陰極室３に導入され、陰極フィラメント１は放電用の電
子を生成するために加熱される。電気的放電は陰極１（
負）と陽極１２．１４（正）との間で発生する。軟鋼の
中間電極５内では、圧縮装置コイル４からの磁場は存在
しない。しかし、電子が中間電極路を通ってこの領域か
ら出ると強磁場に置かれる。

中間電極輪９、陽極１２および１４、およびプラズマ開
口板１３は非磁性材料製であることに留意すべきである
。この強磁場によって、電子は閉じ込められて、急な螺
旋路を形成する磁力線にそって螺旋を画く。これらの磁
力線は陽極と交叉しないので電子は陽極に直接到達する
ことはできない。プラズマ開口板１３は２個の陽極１２
．１４に対して負電位であるので、中間電極５へ向う磁
力線にそって流れる電子を反射する。この中間電極５も
負電位に維持される。

このようにして電子はプラズマ開口板１３と中間電極５
の間で前後にはね返される（又は反射される）。一方、
反射アーク室ｌｌには、イオン化されるべき供給ガスが
補助ガス入口２２と補助ガス路２１を通って供給される
。第６図の陽極挿入部１５において、ボー）１８．１９
は供給ガスを直接にまたは中間領域１７を介して孔２３
から反射アーク室１１に導入する。供給ガスとして使用
されるガスのタイプに従って、最適な性能を得るために
ポー）１８．１９を選択する。反射電子は供給ガスの原
子または分子と衝突してそれらをイオン化する。デーオ
プラズマトロンの効率はこの電子の閉じ込めによってい
る。電子は細口も使用され、イオン発生装置の１回の走
行後に失われるのではない。

加速電極２８と減速電極２９とは取出し領域を形成し反
射アーク室１１内のプラズマからプラズマ開口板１３の
複数個の開口を通して正イオンを取り出し、このイオン
を所望のエネルギ（３只） のビームにする。典型的には３万一５万ボルトの電位が
プラズマ開口板１３と加速電極２８０間に印加される。

プラズマからのイオンはプラズマ開口板１３内の開口を
通って加速電極２８に向って加速される。プラズマ開口
板１３の開口は、取シ出されたイオンビームの形状と一
様性を制御するように輪郭が形成される。加速電極２８
は接地電位の減速電極２９に対して少し負電位（典型的
には３０００　ｓ？ルト）に保持される。これによって
取出し領域の下部に作られた電子が反射アーク室１１に
向って逆方向に加速され、高Ｘ線場を作り火花を発生さ
せるのを防ぐ電位障壁が形成される。

既に説明したが、ガス例えばアルゴンまたはキセノンは
、フィラメント１が補助ガス供給手段から供給された供
給ガスによって損傷を受けるのを防ぐため陰極室３に供
給される。しかしアルゴン、キセノン、窒素、水素、お
よびネオン、または動作中にフィラメント１に損傷を与
えない他のガスはイオン化されるべきであるとすれば、
これは弁（図示せず）で閉止される補助ガス入口を使用
せずに主ガス入口から導入され得る。このようなガスは
陰極室３がら電極路および陽極入口の孔を通って反射ア
ーク室１１に流入する。

反射アーク室１１の直径と長さは大面積で一様なプラズ
マの領域を作るためおよ６安定したアーク動作を行わせ
るために選択される。この室の直径が小さかったシ、長
さが短ががったシすると、使用可能な取出し領域が減少
する。本実施例の値を超えて長さを延長すると、不安定
な動作が生じる。本実施例では、直径５７ｍｍ、長さ７
！ｌ１ｗ＋＋である。

本発明の主応用は半導体用の注入装置である。

これらの装置は計算機や他の電子装置に広く使用される
集積回路を製造するためケイ素内に所望の不純物を注入
するのに使用される。これらの注入装置で現在使われて
いるイオン発生装置は、燐および砒素に対する１　２．
５　ｍＡの電流、および硼素に対する５ｍＡの電流に制
限される。硼素は特に制限されているが、これはウェー
ハ冷却が１００　ＫｅＶで１５　ｍＡ　、　５０　Ｋｅ
Ｖで３０　ｍＡが適当がためである０表１に本発明のデ
ュオプラズマトロンによる砒素、ホスフィンおよび三フ
ッ化硼素を用いた場合の代表的出力電流を示す。最初の
測定は３個の開口（直径５配）のみを開けて行なった。

値は、３個の開口からの（測定された）、または７個の
開口からの（最も使用される確率が高い）有用な試料に
対して示されている。取り出された電流は約２副の半径
の円内のプラズマ板の開口領域に依存する。

他の関連応用はケイ素ウェーハ内に埋込んだ酸化物層の
形成である。これにはＳ　ｉＯ２の有意義な量を形成す
るのに、高い酸素流量が必要である。現在使用されてい
るイオン源は約４．　ｍＡの０＋イオンを提供し、注入
時間は８時間にも達する。

酸素原子イオン（０＋）の約６０チは３個の開口からの
１００　ｍＡの総ビーム電流で得られる。同一の動作条
件下では、７個の開口からは総ビーム電流として２５０
ｍＡが取シ出された。従って、表１に示されるように、
このビーム源からは１４０　ｍＡ　’！でのＯ＋が得ら
れ、注入時間は２０分のオーダとなる。ウェーハ冷却と
取扱いが使用可能電流を制限しないとすれば、これはス
ルージットで２５倍の改善になる。

さらに将来の応用としては疲労改善のだめの鋼内への窒
素注入があり、また、蒸着または他の処理で形成される
材料の特性を制御および変更するためのイオンビームの
使用がある。両方とも、酸素応用と同様に高電流を必要
とする。

本発明を要約すれば、イオンビーム発生装置において、
プラズマは改善された安定性と一様性を得るために椀型
磁場Ｘによって取出し正面近くに閉じ込められる。中間
電極５は第１の最も狭い部分７と第２の僅かに広い部分
６と第３の円錐部８として知られる部分を持つ電子ビー
ム開口を有する。陽極捷たは陽極挿入部１５は極めて狭
い入口開口２３とそれに続く外側に拡張したより長い部
分２４を含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるイオンビーム発生装置の断面図で
ある。 第２図は第１図に示されるイオンビーム発生装置の一部
拡大断面図である。 第３図は第２図の中間電極路の寸法を示す断面図である
。 第４図は本発明による磁場強度パターンを他のノやター
ンと比較したグラフである。 第５図は最適ではないプラズマ閉じ込めによるプラズマ
フルート不安定を示す概略図である。 第６図は本発明による陽極挿入部の斜視図である。 第７図は第６図の陽極挿入部の寸法を示す断面図である
。 第８図は陽極挿入部の他の設計を示す断面図である。 １・・・陰極 ３・・・陰極室 ４・・・圧縮装置コイル ６・・・中間部 ７・・入口部 ８・・・出口部 １１・・・反射アーク室 １３・・・プラズマ開口板 ２３・・・開口 ＦＩＧ、　２ ′　　　Ｌ中５．軸 ＦＩＧ、　４ −ノ〆 ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　　７ ＦＩＧ、　８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン化電子ビームを発生するステップと、 イオン化可能原子を発生するステップと、 イオン化室内で前記電子ビームを前記原子に衝突させ、
   イオンビーム取出し領域内にイオンプラズマを発生する
   ためのステップとを含むイオンビーム発生方法において
   、該方法は更に、前記電子ビームと前記プラズマの双方
   に対して閉じ込め磁場を生成するステップを含み、前記
   磁場は、前記イオンビーム取出し領域で前記プラズマと
   実質的に同空間に渡る低磁場強度を持つ中央領域と、該
   中央領域を囲む高磁場強度を持つ周辺領域とを含み、前
   記取出し領域内の前記イオンプラズマの安定性と一様性
   とを保持することを特徴とするイオンビーム発生方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記閉
   じ込め磁場はイオンビーム源の中心軸に関して回転対称
   であることを特徴とするイオンビーム発生方法。 ３、特許請求の範囲第２項記載の方法において、前記低
   磁場強度を持つ中央領域は、前記中心軸近くにおいて本
   質的に一定の磁場強度を有することを特徴とするイオン
   ビーム発生方法。 ４、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の方法において、前記イオン化可能原子は、前記イオ
   ン化室内の前記取出し領域に相対する領域に、前記電子
   ビームを直接横切り、衝突するように前記原子のガスを
   注入することによって発生されることを特徴とするイオ
   ンビーム発生方法。 ５、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の方法において、前記イオン化可能原子を発生するス
   テップは、前記電子ビームを対称的に取り囲む複数個の
   隙間から、前記原子のガスを前記電子ビームを横切り、
   衝突するように注入することを特徴とするイオンビーム
   発生方法。 ６、陰極室内に電子ビームを発生するための陰極手段と
   、前記陰極室内の電子ビーム開口手段を規準し、イオン
   プラズマを収容するためのイオン化室内に前記視準され
   た電子ビームを送るための手段と、前記開口手段に隣接
   する前記イオン化室の一端に設けられた陽極手段と、前
   記イオン化室の他端に設けられたイオンビーム取出し手
   段とを含むイオンビーム発生装置において、 前記開口手段は、前記陰極手段に隣接する小断面を有す
   る前記陰極室内の孔であって、前記小断面は電子ビーム
   を通過させるのに十分であって、更に、前記開口手段は
   前記小断面よりも大きな所定の断面を有する所定の長さ
   部分を含むことを特徴とするイオンビーム発生装置。 ７、特許請求の範囲第６項に記載の装置において、前記
   陰極室内の前記開口手段は第１、第２および第３の部分
   を含み、該第１の部分は前記陰極手段に隣接し最小断面
   を有し、前記第２の部分は中間にあって前記最小断面と
   前記第３の部分のより大きな断面の中間の断面を有する
   ことを特徴とするイオンビーム発生装置。 ８、特許請求の範囲第７項に記載の装置において、前記
   第１の部分と第２の部分とは円筒状であることを特徴と
   するイオンビーム発生装置。 ９、特許請求の範囲第８項に記載の装置において、前記
   第３の部分は円錐状であることを特徴とするイオンビー
   ム発生装置。 １０、特許請求の範囲第７項ないし第９項のいずれかに
   記載の装置において、前記第２の部分は、対応する所定
   の信頼度で弧の移転を確実にするため所定の断面と長さ
   とを有することを特徴とするイオンビーム発生装置。 １１、特許請求の範囲第６項ないし第８項のいずれかに
   記載の装置において、前記陰極室内の前記孔の断面と同
   等な断面を持つ第１の狭い開口と、所定の方法で断面が
   増加するように外面に拡大した第２の円錐状の本質的に
   長い部分とを持つ陽極を含むことを特徴とするイオンビ
   ーム発生装置。 １２、特許請求の範囲第６項ないし第８項のいずれかに
   記載の装置において、前記電子ビーム用の狭い入口と、
   前記入口に続く本質的に円錐状の長い延長部とを持つ陽
   極を有し、該陽極はイオン化可能ガスを前記電子ビーム
   を横切り、衝突させる注入用の対称的に設けられたガス
   注入開口を有することを特徴とするイオンビーム発生装
   置。 １３、主ガス供給手段によってガスが供給される陰極室
   内に設置された電子発生用熱陰極と、前記陰極室を画成
   する磁気材料製の全体として円筒状で一部円錐状をなし
   、中間領域を介して全体として円筒状の反射アーク室内
   に電子を送るため、前記円錐部分の頂部に電極路を有す
   る中間電極であって、前記反射アーク室は前記中間電極
   に離れて、軸方向に位置合せされ該アーク室と該電極と
   の間に前記中間領域を画成し、前記反射アーク室は一端
   に前記中間電極を、他端にプラズマ開口板を有し、前記
   両端間の位置に第１の陽極と第２の陽極を有し、該第１
   の陽極は穴を有し、該穴は前記電極路と軸方向に位置合
   せされ、該穴を通して前記反射アーク室に電子が送られ
   るようにされている中間電極と、前記プラズマ開口板が
   前記反射アーク室からイオン化されたガスが出力する１
   個以上の開口を持つプラズマ開口板であり、イオン化さ
   れるべきガスを前記反射アーク室内に供給するための補
   助ガス供給手段と、 前記プラズマ開口板の近くに配置され、前記反射アーク
   室からのイオンを取り出し、加速するための加速電極お
   よび減速電極を含む取出し手段とを含むイオンビーム発
   生装置において；前記電極路は前記熱陰極に最も近い一
   端に階段状に構成され、前記中間領域に相対する他端に
   凹状開口を有し、非磁気材料製の中間電極輪が前記中間
   電極の周囲に、電気的に接続されて配置され、更に、 電子閉じ込め磁場を前記反射アーク室と前記中間領域内
   に形成するため圧縮装置巻線が中間電極上に設けられ、
   更に、前記陰極と前記中間電極と前記第１の陽極と前記
   第２の陽極と前記プラズマ開口板とに電位を供給するた
   めの電源手段が設けられ、これにより前記中間電極と前
   記プラズマ開口板との間で前記反射アーク室に送られた
   電子が前後にはね返され、従って該反射アーク室内で該
   電子に前記ガスを衝突させることによって該ガスをイオ
   ン化することを特徴とするイオンビーム発生装置。 １４、特許請求の範囲第１３項記載のイオンビーム発生
   装置において、非磁気材料製の全体として円筒状の陽極
   挿入部は前記第１の陽極の前記穴に回転可能に嵌め込ま
   れ、該挿入部は前記圧縮装置巻線によって形成された前
   記電子閉じ込め磁場に一致するために拡張された内部穴
   を有することを特徴とするイオンビーム発生装置。 １５、特許請求の範囲第１４項記載のイオンビーム発生
   装置において、前記第１の陽極は前記補助ガス供給手段
   に接続された経路手段を含み、前記陽極挿入部は該陽極
   挿入部を前記第１の陽極に確保するためのフランジを有
   し、該フランジは一表面と他の表面にフライス削りされ
   た各１個のラジアルポートを有し、前記いずれかのポー
   トは前記陽極挿入部を回転することによって前記径路手
   段に位置合せされ得ることを特徴とするイオンビーム発
   生装置。 １６、特許請求の範囲第１５項記載のイオンビーム発生
   装置において、該装置は更に、前記補助ガス供給手段を
   閉止するための手段を含み、これにより、前記ガスは前
   記主ガス供給手段を通り前記陰極室および前記反射アー
   ク室に導入され得て、前記電子によってイオン化される
   ことを特徴とするイオンビーム発生装置。 １７、特許請求の範囲第１６項記載のイオンビーム発生
   装置において、前記主ガス供給手段を通して導入される
   前記ガスはアルゴン、キセノン、窒素、水素およびネオ
   ンからなるグループから選択された１つのガスであるこ
   とを特徴とするイオンビーム発生装置。 １８、特許請求の範囲第１５項記載のイオンビーム発生
   装置において、前記主ガス供給手段によって供給される
   前記ガスはアルゴン、キセノン、窒素、水素およびネオ
   ンからなるグループから選択された１つのガスであり、
   前記補助ガス供給手段によって供給される前記ガスはア
   ルゴン、キセノン、窒素、水素、ネオン、ホスフィン、
   アルシン、３フッ化硼素、および酸素からなるグループ
   から選択された１つのガスであることを特徴とするイオ
   ンビーム発生装置。 １９、特許請求の範囲第１６項記載のイオンビーム発生
   装置において、前記電極路は６．０ｍｍの直径を有し、
   該電極路の階段形状の最小直径は５．５ｍｍであること
   を特徴とするイオンビーム発生装置。 ２０、特許請求の範囲第１８項記載のイオンビーム発生
   装置において、前記電極路は、６．０ｍｍの直径を有し
   、該電極路の階段形状の最小直径は５．５ｍｍであるこ
   とを特徴とするイオンビーム発生装置。