JPS63221540A

JPS63221540A - 電子ビ−ム励起イオン源

Info

Publication number: JPS63221540A
Application number: JP62053391A
Authority: JP
Inventors: Naoki Takayama; 直樹高山; Gohei Kawamura; 剛平川村; Tamio Hara; 民夫原; Manabu Hamagaki; 浜垣　学; Susumu Nanba; 難波　進; Katsunobu Aoyanagi; 克信青柳
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1987-03-09
Filing date: 1987-03-09
Publication date: 1988-09-14
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: JP2605031B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、電子ビームによってイオンを生成する電子ビ
ーム励起イオン源に係わり、特にイオン注入装置等のイ
オン源として利用して好適な電子ビーム励起イオン源に
関する。

（従来の技術）一般に、イオンビームを用いて半導体ウェハ等の処理を
行なうイオン注入装置等では、低エネルギかつ大電流の
イオンビームを用いることが好ましい。

本出願人の一人は、このような低エネルギかつ大電流の
イオンビームを得るためのイオン源として、電子ビーム
励起イオン源を特開昭６１−２９０６２９号、特願昭６
１−１２１９６７号等で提案した。

この電子ビーム励起イオン源は、プラズマ領域、加速陰
極、電子ビーム加速領域、加速陽極、イオン生成領域、
およびターゲット陰極がこの順で配置され、加速陽極に
対して負の電位をターゲット陰極に与える手段と、イオ
ン生成領域において生成された正イオンまたは負イオン
を吸引し、このイオン引き出すイオン引出電極とが備え
られている。

このような電子ビーム励起イオン源では、プラズマ領域
中の電子は、加速陽極によって引き出され、イオン生成
領域内に突入する。突入した電子はイオン生成領域内の
不活性ガス又は金蔵蒸気と衝突してイオンを生成するが
、このイオンの逆流によって加速陰極の出口付近に形成
される負のポテンシャルバリヤが中和される。

したがって、プラズマ密度に比例する大電流電子ビーム
がイオン生成領域内に流入する。

イオン生成領域においては、流入した電子ビームの電流
値に比例した数のイオンが発生し、このイオンは、イオ
ン引出電極によってイオン生成領域外へ放射される。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上述の電子ビーム励起イオン源において
も、さらに、イオンビームの大電流密度化、装置寿命の
長期化、電力消’ｔ、ｔの低減化等を行うことが要求さ
れる。

本発明は、このような問題に対処してなされたもので、
イオンビームの大電流密度化、装置寿命の長期化、電力
消ｇ！を量の低減化を図ることのできる電子ビーム励起
イオン源を提供しようとするものである。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）すなわち本発明は、多数の透孔を有する電極の電圧によ
りプラズマ発生領域から電子を引き出し、この電子を前
記電極の透孔を通過させてガス雰囲気に入射させてイオ
ンを発生させる電子ビーム励起イオン源において、前記
電極の透孔は、直径０．６５ｎ１１以下であることを特
徴とする。

（作　用）本発明の電子ビーム励起イオン源では、多数の透孔を有
するアノード電極および電子ビーム加速用電極が、これ
らの透孔が直径０．６５ｉｎ以下、好ましくは０．５１
１１−・０．６Ｉｌｌとされている。すなわち、アノー
ド電極および電子ビーム加速用電極が、例えば厚さ０．
２ｍｐ〜　０．５ｍｉの板状部材に、直径例えば０．５
ｍｌ〜０゜６１１の円孔を、各円孔の中心間の間隔が例
えば０゜７ｍｍ〜１．０＋ｕｇとなるよう多数配置して
構成されている。

ここでアノード電極および電子ビーム加速用電極の透孔
の直径を０．６５ｉｎ以下、好ましくは０．５ｍｍ〜０
．６ｍｎとしたのは、以下のような理由による。

すなわち、電子ビーム励起イオン源において大電流密度
のイオンビームを得るためには、高密度のプラズマの生
成が必要である。一定の形、太きさのイオン生成部内に
高密度のプラズマを生成するためには、このイオン生成
部内に適当なエネルギー（１００ｅＶ〜５００ｅＶ　）
の電子ビームをできる限り多量に打ち込むことが重要で
ある。

ある電流の直流放電（グロー放電またはアーク放電）か
らできる限り多量の電子ビームを引き出すためには、電
子ビームが通り抜けやすくするため、アノード電極およ
び電子ビーム加速用電極の強度を損わない程度に、透孔
の径を大きくし、透孔間のピッチを小さくして開口亭を
上げる必要がある。

しかしながら、透孔の直径を大きくしすぎ、透孔の直径
が、これらの透孔内に形成されるシースの厚さの２倍以
上となるとプラズマのしみたしが生じ、カソード電極と
電子ビーム加速用′ｒｓ、極との間に放電が生じ、電子
ビームの引き出しはできなくなる。

このプラズマのシースの厚さは、一般に以下に示す式に
よって求められろデバイ長さλ０の３〜５倍と言われて
いる。

λｏ　　＝　　（εｏ　　ＫＴ６　　／ｎｅｅ　２）　
　’Ｇただし、 εＯ：真空の誘電率Ｋ　：ボルツマン定数Ｔｅ　：電子温度ｎｅ：’ｉ電子密度　：電荷素置したがって、ある電子密度と電子温度のプラズマから電
子を引き出すなめには、透孔の直径は、ある値以下にす
る必要がある。

しかしながら、このような臨界値を理論的に求めること
は非常に困難であり、本発明者等は、上記臨界値を実験
により求めた。

すなわち、例えば４Ａ以下のグロー放電から電子ビーム
を引き出す場合、透孔の直径を０．６ｎｕｉとすると電
子ビームの引き出しを行うことができるが、透孔の直径
を０．６５１１より大径とすると電子ビームの引き出し
はできなくなる。また、前述のように多量の電子ビーム
を引き出すためには、透孔の直径を０．５１１１−０．
６ｍｍとすることが好ましい。また各透孔の中心間の間
隔（ピッチ〉については加工限界が有り、このため、ピ
ッチ０．７ｎ＋Ｉｌ〜１　、０１＋ｎとすることが好ま
しい。

上述のようにして、カソード電極とアノード電極との間
の放電電流を低く抑制して、カソード電極寿命の長期化
、電力消費量の低減化を図ることができ、かつ多量の電
子ビームを引出してイオンビームの大電流密度化を図る
ことができる。

また、電子ビームが通り抜けやすくし、多量の電子ビー
ムを引き出すなめには、アノード電極および電子ビーム
加速用電極の板厚は、薄い方が良い。例えば、初期放電
電流がＩＡ、電子加速電圧が３００ｖ、透孔の径が０．
５ｎの場合、肉厚０．５ｕとした場合４００ｎＡの電子
ビーム電流が得られ、肉厚０．３ｕのとした場合は、６
（ｌｏＩＡの電子ビーム電流を得ることができる。

しかしながら、アノード電極および電子ビーム加速用電
極の肉厚を０．２１１１１以下とすると耐久性に乏しく
なる。

そこで、アノード電極および電子ビーム加速用電極の肉
厚は、０．２ｎ〜０．５ｎとすることが好ましい。

（実施例）以下本発明電子ビーム励起イオン源をイオン注入装置用
イオン源に適用した実施例を第１図ないし第４図を参照
して説明する。

チャンバ１内には、電子ビーム発生部１００とイオン発
生部２００が設けられている。

まず電子ビーム発生部１００から説明する。第２図にも
示すように、例えばモリブデンやタングステン等の高融
点金属からなり、直径例えば５４１１１１、厚さ０．２
ｍｍ　〜０．５ｎ、例えば０．３１１１１の円板状に形
成されたアノード電極２が配置されている。また、アノ
ード電極２に対して、例えば０゜２ｎ〜１．５１の所定
間隙を設けて電子ビーム加速用電極３が、配置されてい
る。この電子ビーム加速用電極３は、第３図にも示すよ
うに、例えばモリブデンやタングステン等の高融点金属
からなり、直径例えば４０１１１、厚さ０．２ｍｍ　〜
０．５ｕ、例えば０．３ｕｍの円板状に形成されている
。

また、これらのアノード電極２および電子ビーム加速用
電極３の中央部の直径例えば２２Ｉｎ＋程度の領域Ｂに
は、第４図にも示すようにそれぞれ、多数の透孔すが配
置されている。

これらの透孔すは、前述のような理由により、直径０゜
６５ｎｉ以下、例えば０．５１１〜０．６１１１１とさ
れている。また、各透孔の中心間の間隔（ピッチ）Ｐは
、例えば０．７ｎ１１〜１．０ｍｍとなるよう配置する
ことが好ましい。

密閉容器１内のアノード電極２側には、例えばタンタル
等からなり、中心部に貫通孔４を備えた円筒状のカソー
ド電極５がアノード電極２側へ突出するよう配置されて
いる。

カソード電極５とアノード？！；ｔｌｆｉ２との間には
、微小コンダクタンスの隘路６例えば導電板にスリット
状または円形状の透孔が設けられている。

この隘路６は、チャンバ１内のカソード電極５側のガス
圧を０．５ＴＯｒｒ　〜２．０Ｔｏｒｒ程度とし、アノ
ード電極２側のガス圧を０．０１　Ｔｏｒｒ〜０．０５
　Ｔｏｒｒ程度に維持するための大きさであり、例えば
直径１１ｎ〜３ｎｕａ　、長さ１１Ｉｌｌへ一２０Ｉｎ
＋程度の円孔からなる。

この隘路６は、カソード電極５付近のガス圧を高め、中
性粒子密度を高めて、カソード電極５へ向かうイオンの
エネルギをこの中性粒子との衝突により減少させて、イ
オンによるカソード電極５のスバ・ツタリングを減少さ
せるものである。したがって、コンダクタンスを減少さ
せるためには、隘路６の直径を小さくする、あるいは隘
路６の長さを長くすることにより実現できる。しかしな
がら、隘路６の長さを長くすると、放電のための電極間
電圧が高くなり、消費電力が増大するため、直径１ｉｎ
〜３１１、長さ１１１Ｉｌ〜２０ｎ１１程度の円孔とす
ることが好ましい、また消費電力を減少させるためには
、隘路６の少なくとも一部を、例えばＡ　ｉ２０３　、
Ｓ　ｉ　３　Ｎ　４等の絶縁物で構成することが好まし
い。

そして、カソード電極５の貫通孔４を通して、チャンバ
１内に放電用ガス、例えばアルゴンガス等を導入する。

カソード電極５とアノード電極２との間には、放ｆ電源
８から例えば直流５００ｖ程度の放電電圧を印加する。

この電圧印加により、グロー放電を起こし、この時プラ
ズマを生成する。

電子ビーム加速用電極３には、電子ビーム加速用電源９
から例えば直流電圧３００ｖ程度の加速電圧を印加する
。この加速電圧により、前記放電により生じたプラズマ
の中から電子を引き出し、引き出した電子はさらに例え
ば１００ｅＶ〜５００ｅνに加速してイオン生成室１０
内に入射させる。

なお、アノード２と電子ビーム加速用電極３との間は、
０．０３　Ｔｏｒｒ以下のガス圧とすることが好ましい
。これは、ガス圧が０．０３　Ｔｏｒｒ以上となると、
アノード２と電子ビーム加速用電極３との間に印加する
ことのできる電圧の最大値が次第に低下し、イオン生成
部でのプラズマ生成ができなくなるためである。

次にイオン発生部２００を説明する。イオン生成室１０
内には、予めイオン注入のためのガス例えばヒ素ガスが
ガス圧０．０ｔ　Ｔｏｒｒ〜０．０２　Ｔｏｒｒとなる
ように供給されている。このイオン生成室１０内に導入
された電子ビームは、ヒ素ガス分子に衝突し、濃いプラ
ズマを発生する。これは電離断面積の大きなエネルギー
を有する電子ビームを用いてプラズマを発生するためで
ある。

イオン生成室１０の電子ビーム加速用電極３に対向する
側には、電子ビーム加速用電極３と同電位とされた方形
状のスリットｌｌａおよび長円形状のスリットｌｌｂか
らなるイオン引出電極１１が設けられている。

これらのスリットｌｌａ、ｌｌｂの構成は、周知のイオ
ン注入装置のイオン源に用いられているイオン導出部の
電極構成で、スリットｌｌａは縦長の１．５ｍｍ　Ｘ１
５．５　ｕの長方形状の透孔であり、スリットｌｌｂは
短径５＋ｍ、長径２０ｕの長円形状である。

これらのスリットｌｌａ、ｌｌｂにより、イオン生成室
１０内から引出されたイオンビームは、イオン注入装置
の質量分析用の磁場中（図示せず）へ射出される。

すなわち、上記説明のこの実施例の電子ビーム励起イオ
ン源では、アノード電極２および電子ビーム加速用電極
３が肉厚０．２ｎ〜０゜５１１１とされており、これら
の電極の耐久性を損うことなく、多量の電子ビームを引
出すことができる。したがって、カソード電＃ｆ！５と
アノード電極２との間の放電電流を低く抑制して、カソ
ード電極５ガ命の長期化、電力消費量の低減化を図るこ
とができ、かつイオンビームの大電流密度化を図ること
ができる。

なお、上記電子ビーム励起イオン源で金属イオンを含む
多種のイオンビームを得るなめには、目的とするイオン
を得るためのガスをイオン生成室１０に直接供給するこ
と、チャンバ１の温度を制御して汚れの付着を防止する
ことが有効である。

また、同じエネルギーと電流値の電子ビームによってプ
ラズマを生成する場合、イオン生成室１０の形と大きさ
、特にイオン引出電極１１と電子ビーム加速用型Ｆ＠３
の距離が引き出しうるイオンビームの電流密度に大きく
影響する。例えば、イオン生成室１０を円筒型とし、直
径を２７１１１１１に一定にし、長さを２０１１と５０
１Ｉｍとした場合を比較すると、２０ｎｒａにした場合
のイオンビーム電流密度は、５０１１にした場合の２倍
に達した。

また、長寿命化のためには、チャンバ１を純水、フレオ
ン等で冷却し過熱を防止することが必要である。カソー
ド電極５の寿命を伸ばすためには、隘ｌ￥３６を狭くし
て、カソード電極５付近のガス圧力を０．５Ｔｏｒｒ以
上とすることが有効である。

さらに、電子ビーム加速用電極３の寿命を伸ばすために
は、電子ビーム加速用電極３の穴径をアノード電極２の
穴径より大きくすることで、電子ビーム加速用型ｔ７ｆ
１３への熱の集中を軽減し、その消耗を軽減することが
できる。

上記実施例では、電子ビーム発生源としてプラズマ領域
から取り出す手段について説明したが、大電流の電子ビ
ームを得る手段であれば何れでもよい。

［発明の効果］上述のように本発明の電子ビーム励起イオン源では、イ
オンビームの大電流密度化、装置寿命の長期化、電力消
費量の低減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電子ビーム励起イオン源を
示す構成図、第２図はアノード電極を示す正面図、第３
図は電子ビーム加速用電極を示す正面図、第４図は第２
図および第３図の要部を拡大して示す正面図である。１・・・・・・チャンバ、２・・・・・・アノード電極
、３・・・・・・電子ビーム加速用電極、５・・・・・
・カソード電極、１１・・・・・・イオン引出電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）多数の透孔を有する電極の電圧によりプラズマ発
生領域から電子を引き出し、この電子を前記電極の透孔
を通過させてガス雰囲気に入射させてイオンを発生させ
る電子ビーム励起イオン源において、前記電極の透孔は
、直径０．６５ｍｍ以下であることを特徴とする電子ビ
ーム励起イオン源。
（２）前記透孔は、好ましくは直径０．５ｍｍ〜０．６
ｍｍとされ、各透孔の中心間の間隔が０．７ｍｍ〜１．
０ｍｍとなるよう多数配置された円孔である特許請求の
範囲第１項記載の電子ビーム励起イオン源。
（３）電子を引き出す手段は、カソード電極と多孔状の
アノード電極との間にガスに対して隘路を設け、この隘
路を介してカソード電極とアノード電極との間に放電電
圧を印加してプラズマを生起させると共にプラズマ領域
から電子を前記アノード電極電圧により引き出すように
構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
電子ビーム励起イオン源。
（４）プラズマ領域から電子を引き出しガス雰囲気に入
射させる手段は、前記電子引き出し電極は多孔状アノー
ド電極であり、このアノード電極に近接させて多孔状加
速電極を配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の電子ビーム励起イオン源。