JPWO2019077970A1 - イオン源及びイオン注入装置 - Google Patents
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Abstract
多量のアルミニウムイオンを生成できる長寿命のイオン源を提供する。チャンバー２１の内部に配置されたカソード電極２２をフィラメント２０に通電して昇温させ、カソード電極２２の側方に配置された窒化アルミニウムの原料ブロック２８を加熱し、導入されたフッ素化合物ガスと反応させ、フッ化アルミニウムを放出させる。カソード電極２２から放出・加速された熱電子をカソード電極２２とリペラ電極２３との間で往復移動させ、フッ化アルミニウムガスを分解し、アルミニウムイオンを生成する。多量のアルミニウムイオンを生成できる長寿命のイオン源が得られる。
Description
本発明は、イオン源に関し、特に、イオン注入装置に用いるイオン源の技術に関する。
近年、既存のシリコン（Ｓｉ）基板と比較して耐熱性・耐電圧性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の製造方法が確立し、比較的安価に手に入るようになっている。
ＳｉＣ基板を用いたプロセスではアルミニウムイオンをドーパントとして注入するプロセスがあり、アルミニウムイオンビームを生成するイオン源を有するイオン注入装置が使用されている。
このようなイオン源において、アルミニウムイオンを生成する方法として、塩化アルミニウムを加熱してアルミニウムイオンを生成する方法があるが、生産性が悪く、窒化アルミニウム(アルミナイトライド)とフッ素系ガスとを反応させ、アルミニウムイオンを生成する方法が行われている。
しかし、窒化アルミニウムとフッ素系ガスとを反応させる方法では中間生成物としてフッ化アルミニウム（ＡｌＦx）が発生し、この発生したフッ化アルミニウムが、反応室の内部に堆積され、アルミニウムイオンの生成が停止する、という問題がある。
このため、従来技術では、イオン源のメンテナンスを頻繁に行わなければならないという課題があった。
このため、従来技術では、イオン源のメンテナンスを頻繁に行わなければならないという課題があった。
本発明の課題は、反応室内に中間生成物を堆積させずにアルミニウムイオンを生成する技術を提供することにある。
上記従来技術の課題を解決するために、本発明は、チャンバー内の一端に配置されたカソード電極と、前記チャンバー内の他端に配置され、前記カソード電極の表面と対面されたリペラ電極と、前記カソード電極の裏面側に配置されたフィラメントと、前記チャンバーに設けられ、フッ素化合物ガスが導入されるガス導入孔と、前記チャンバー内から正電荷のイオンが引き出される放出孔と、を有し、前記チャンバー内には原料ブロックが配置され、通電された前記フィラメントによって前記カソード電極は加熱され、表面の電子放出面から前記リペラ電極に向かって熱電子が放出され、前記熱電子が前記カソード電極と前記リペラ電極との間で往復移動して、前記ガス導入孔から導入された前記フッ素化合物ガスを分解してプラズマを生成し、前記プラズマ中のフッ素が前記原料ブロックと反応して正電荷のアルミニウムイオンが生成されるイオン源であって、前記原料ブロックは、前記カソード電極の側面の近傍に前記カソード電極と前記チャンバーとは非接触で配置され、前記原料ブロックは窒化アルミニウムであり、前記フッ素化合物ガスは三フッ化リンガスであり、前記原料ブロックと前記フッ素化合物ガスとから生成されたフッ化アルミニウムが前記熱電子によって分解されて前記チャンバーから引き出されるアルミニウムイオンが生成されるイオン源である。
また、本発明は、前記フッ素化合物ガスは前記熱電子によってプラズマにされ、前記原料ブロックの前記リペラ電極に向けられて前記プラズマと接触する面である蒸発面は、前記リペラ電極の前記カソード電極に向けられた表面と前記電子放出面との間に位置し、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面との間の距離が、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面に向けられた前記リペラ電極の表面との間の距離よりも小さくなる位置に配置されたイオン源である。
また、本発明は、前記原料ブロックは、前記カソード電極の発熱によって１２００℃以上１７００℃以下の温度範囲中の温度に昇温されるイオン源である。
本発明は、前記原料ブロックは原料支持体の先端に配置されたイオン源であって、前記原料支持体の先端には、前記原料支持体の側面とは垂直な外側方向に突出された突状部が設けられ、前記原料ブロックが前記突状部の前記リペラ電極に向いた表面に配置され、裏面には装着部材が配置され、前記原料ブロックと前記装着部材とはネジによって互いに押圧され、前記原料ブロックと前記装着部材とで前記突状部が挟まれ、前記原料ブロックが前記原料支持体に固定されるイオン源である。
本発明は、イオン源を有するイオン注入装置であって、前記イオン源は、チャンバー内の一端に配置されたカソード電極と、前記チャンバー内の他端に配置され、前記カソード電極の表面と対面されたリペラ電極と、前記カソード電極の裏面側に配置されたフィラメントと、前記チャンバーに設けられ、フッ素化合物ガスが導入されるガス導入孔と、前記チャンバー内から正電荷のイオンが引き出される放出孔と、を有し、前記チャンバー内には原料ブロックが配置され、通電された前記フィラメントによって前記カソード電極は加熱され、表面の電子放出面から前記リペラ電極に向かって熱電子が放出され、前記熱電子が前記カソード電極と前記リペラ電極との間で往復移動して、前記ガス導入孔から導入された前記フッ素化合物ガスを分解してプラズマを生成し、前記プラズマ中のフッ素が前記原料ブロックと反応して正電荷のアルミニウムイオンが生成されるイオン源であって、前記原料ブロックは、前記カソード電極の側面の近傍に前記カソード電極と前記チャンバーとは非接触で配置され、前記原料ブロックは窒化アルミニウムであり、前記フッ素化合物ガスは三フッ化リンガスであり、前記原料ブロックと前記フッ素化合物ガスとから生成されたフッ化アルミニウムが前記熱電子によって分解されて前記チャンバーから引き出されるアルミニウムイオンが生成されるイオン源であり、前記放出孔の近傍に配置され、前記チャンバー内の正電荷の前記イオンを引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された前記イオンを質量分析する質量分析装置と、前記質量分析されたイオンを照射する基板が配置される注入室と、を有するイオン注入装置である。
本発明は、前記フッ素化合物ガスは前記熱電子によってプラズマにされ、前記原料ブロックの前記リペラ電極に向けられて前記プラズマと接触する面である蒸発面は、前記リペラ電極の前記カソード電極に向けられた表面と前記電子放出面との間に位置し、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面との間の距離が、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面に向けられた前記リペラ電極の表面との間の距離よりも小さくなる位置に配置されたイオン注入装置である。
さらに、本発明は、前記原料ブロックは、前記カソード電極の発熱によって１２００℃以上１７００℃以下の温度範囲中の温度に昇温されるイオン注入装置である。
また、本発明は、前記イオン源の前記原料ブロックは原料支持体の先端に配置され、前記原料支持体の先端には、前記原料支持体の側面とは垂直な外側方向に突出された突状部が設けられ、前記原料ブロックが前記突状部の前記リペラ電極に向いた表面に配置され、裏面には装着部材が配置され、前記原料ブロックと前記装着部材とはネジによって互いに押圧され、前記原料ブロックと前記装着部材とで前記突状部が挟まれ、前記原料ブロックが前記原料支持体に固定されるイオン注入装置である。
また、本発明は、前記フッ素化合物ガスは前記熱電子によってプラズマにされ、前記原料ブロックの前記リペラ電極に向けられて前記プラズマと接触する面である蒸発面は、前記リペラ電極の前記カソード電極に向けられた表面と前記電子放出面との間に位置し、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面との間の距離が、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面に向けられた前記リペラ電極の表面との間の距離よりも小さくなる位置に配置されたイオン源である。
また、本発明は、前記原料ブロックは、前記カソード電極の発熱によって１２００℃以上１７００℃以下の温度範囲中の温度に昇温されるイオン源である。
本発明は、前記原料ブロックは原料支持体の先端に配置されたイオン源であって、前記原料支持体の先端には、前記原料支持体の側面とは垂直な外側方向に突出された突状部が設けられ、前記原料ブロックが前記突状部の前記リペラ電極に向いた表面に配置され、裏面には装着部材が配置され、前記原料ブロックと前記装着部材とはネジによって互いに押圧され、前記原料ブロックと前記装着部材とで前記突状部が挟まれ、前記原料ブロックが前記原料支持体に固定されるイオン源である。
本発明は、イオン源を有するイオン注入装置であって、前記イオン源は、チャンバー内の一端に配置されたカソード電極と、前記チャンバー内の他端に配置され、前記カソード電極の表面と対面されたリペラ電極と、前記カソード電極の裏面側に配置されたフィラメントと、前記チャンバーに設けられ、フッ素化合物ガスが導入されるガス導入孔と、前記チャンバー内から正電荷のイオンが引き出される放出孔と、を有し、前記チャンバー内には原料ブロックが配置され、通電された前記フィラメントによって前記カソード電極は加熱され、表面の電子放出面から前記リペラ電極に向かって熱電子が放出され、前記熱電子が前記カソード電極と前記リペラ電極との間で往復移動して、前記ガス導入孔から導入された前記フッ素化合物ガスを分解してプラズマを生成し、前記プラズマ中のフッ素が前記原料ブロックと反応して正電荷のアルミニウムイオンが生成されるイオン源であって、前記原料ブロックは、前記カソード電極の側面の近傍に前記カソード電極と前記チャンバーとは非接触で配置され、前記原料ブロックは窒化アルミニウムであり、前記フッ素化合物ガスは三フッ化リンガスであり、前記原料ブロックと前記フッ素化合物ガスとから生成されたフッ化アルミニウムが前記熱電子によって分解されて前記チャンバーから引き出されるアルミニウムイオンが生成されるイオン源であり、前記放出孔の近傍に配置され、前記チャンバー内の正電荷の前記イオンを引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された前記イオンを質量分析する質量分析装置と、前記質量分析されたイオンを照射する基板が配置される注入室と、を有するイオン注入装置である。
本発明は、前記フッ素化合物ガスは前記熱電子によってプラズマにされ、前記原料ブロックの前記リペラ電極に向けられて前記プラズマと接触する面である蒸発面は、前記リペラ電極の前記カソード電極に向けられた表面と前記電子放出面との間に位置し、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面との間の距離が、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面に向けられた前記リペラ電極の表面との間の距離よりも小さくなる位置に配置されたイオン注入装置である。
さらに、本発明は、前記原料ブロックは、前記カソード電極の発熱によって１２００℃以上１７００℃以下の温度範囲中の温度に昇温されるイオン注入装置である。
また、本発明は、前記イオン源の前記原料ブロックは原料支持体の先端に配置され、前記原料支持体の先端には、前記原料支持体の側面とは垂直な外側方向に突出された突状部が設けられ、前記原料ブロックが前記突状部の前記リペラ電極に向いた表面に配置され、裏面には装着部材が配置され、前記原料ブロックと前記装着部材とはネジによって互いに押圧され、前記原料ブロックと前記装着部材とで前記突状部が挟まれ、前記原料ブロックが前記原料支持体に固定されるイオン注入装置である。
本発明によれば、多量のアルミニウムイオンを生成できる長寿命のイオン源と、そのイオン源を有するイオン注入装置とを提供することができる。また、長期間安定してアルミニウムイオン注入を行うことができる。
原料ブロックの交換が簡単である。
原料ブロックの交換が簡単である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
＜イオン注入装置＞
図１は、本発明のイオン源を用いた本発明のイオン注入装置１の全体を示す概略構成図である。
＜イオン注入装置＞
図１は、本発明のイオン源を用いた本発明のイオン注入装置１の全体を示す概略構成図である。
図１に示すように、本例のイオン注入装置１は、後述するイオン源１０と、走行室２と、質量分析装置３と、加速装置４と、走査装置５と、注入室６とが、これらの順に接続されて構成されている。
なお、このイオン注入装置１は、イオン源１０、走行室２、加速装置４、注入室６が、真空排気装置９ａ〜９ｄによってそれぞれ真空排気されるようになっている。
なお、このイオン注入装置１は、イオン源１０、走行室２、加速装置４、注入室６が、真空排気装置９ａ〜９ｄによってそれぞれ真空排気されるようになっている。
イオン源１０にはガス供給部１２が接続されており、イオン源１０はガス供給部１２が供給するガスを用いてイオンを生成し、正電荷のイオンが走行室２の内部に引き出され、走行室２の内部を走行し、質量分析装置３の内部に入射する。
正電荷のイオンが質量分析装置３の内部を通過する際に質量分析され、所望の質量電荷比を有するイオンが通過して加速装置４に入射される。
ここでは、アルミニウムイオンが通過して加速装置４に入射される。
ここでは、アルミニウムイオンが通過して加速装置４に入射される。
加速装置４では、入射したアルミニウムイオンが加速され、走査装置５に入射すると、イオンビームは走査装置５によって進行方向が制御されて注入室６の内部に入射する。
注入室６の内部には、複数（ここでは二つ）の基板８が配置されており、上述した走査装置５によって、イオンビームは複数の基板８のうちいずれかの基板方向に向けられ、その基板８の表面に照射される。基板８の表面はイオンビームによって走査され、イオンが注入される。
＜イオン源＞
図２は、本発明に係るイオン源１０の内部を説明するための図面であり、イオン源１０には筒状(ここでは四角筒)のチャンバー２１が配置されており、チャンバー２１の内部は、図１に示した真空排気装置９ａによって真空雰囲気に真空排気されている。
図２は、本発明に係るイオン源１０の内部を説明するための図面であり、イオン源１０には筒状(ここでは四角筒)のチャンバー２１が配置されており、チャンバー２１の内部は、図１に示した真空排気装置９ａによって真空雰囲気に真空排気されている。
チャンバー２１は二個の底面３１，３２を有し、一方の底面３１はチャンバー２１の一端に位置し、他方の底面３２はチャンバー２１の他端に位置しており、各底面３１，３２には、それぞれ取付孔４７，４８が設けられている。チャンバー２１の内部のうち、一方の底面３１近くの場所にはフィラメント２０が配置されており、他方の底面３２近くの場所にはリペラ電極２３が配置されている。フィラメント２０はチャンバー２１の外側の真空雰囲気中に配置されている。
チャンバー２１の内部の場所であって、フィラメント２０とリペラ電極２３との間のフィラメント２０に近い位置には、カソード電極２２が配置されている。従って、カソード電極２２は一方の底面側に配置され、リペラ電極２３は他方の底面側に配置されている。カソード電極２２とリペラ電極２３とは平板あるいは柱状であり、互いに向きあう表面は平行にされており、フィラメント２０はカソード電極２２の裏側に位置している。
チャンバー２１の外部の場所のうち、フィラメント２０近くの底面３１近傍には、ベース板３０が配置されている。ベース板３０は絶縁された状態でチャンバー２１に固定されている。
フィラメント２０に近い底面３１の取付孔４７には、原料支持体２６と電極支持体３３が挿通されており、電極支持体３３の一端である先端は、チャンバー２１の内部に配置され、他端である根元部分はベース板３０に固定されている。カソード電極２２は図示しない構造により電極支持体３３の先端に取り付けられている。なお、電極支持体３３とカソード電極２２は一体構造としてもかまわない。
フィラメント２０に近い底面３１の取付孔４７には、原料支持体２６と電極支持体３３が挿通されており、電極支持体３３の一端である先端は、チャンバー２１の内部に配置され、他端である根元部分はベース板３０に固定されている。カソード電極２２は図示しない構造により電極支持体３３の先端に取り付けられている。なお、電極支持体３３とカソード電極２２は一体構造としてもかまわない。
フィラメント２０から遠い底面３２の取付孔４８には、支持棒３６が挿通されている。支持棒３６の先端はチャンバー２１の内部に配置され、リペラ電極２３が固定されている。
支持棒３６は電気導電性を有しており、支持棒３６の先端との反対側はチャンバー２１の外部に配置されている。
支持棒３６は絶縁体４１によってチャンバー２１に固定され、支持棒３６とチャンバー２１との間は絶縁されている。
支持棒３６は絶縁体４１によってチャンバー２１に固定され、支持棒３６とチャンバー２１との間は絶縁されている。
原料支持体２６はチャンバー２１と電極支持体３３とは非接触にされて取付孔４７の縁と電極支持体３３との間に配置されている。
原料支持体２６の根元はベース板３０に固定されており、先端には固体のアルミニウム化合物が所定形状に成形された原料ブロック２８が取り付けられている。ここではアルミニウム化合物は窒化アルミニウム(ＡｌＮ)である。
原料支持体２６の根元はベース板３０に固定されており、先端には固体のアルミニウム化合物が所定形状に成形された原料ブロック２８が取り付けられている。ここではアルミニウム化合物は窒化アルミニウム(ＡｌＮ)である。
電極支持体３３と原料支持体２６とは電気伝導性を有しており、ベース板３０と同電位になるから、カソード電極２２と原料ブロック２８ともベース板３０と同電位になる。
原料ブロック２８は、カソード電極２２の側面とチャンバー２１の側面２５の間に、カソード電極２２とチャンバー２１との両方に非接触で配置されており、原料ブロック２８の表面のうち、原料ブロック２８から離間されたリペラ電極２３に向けられた表面である蒸発面３７は平面にされ、カソード電極２２とリペラ電極２３との互いに平行にされた面と平行にされている。
カソード電極２２のリペラ電極２３に向けられた表面を、電子放出面３８と呼ぶとすると、蒸発面３７が位置する平面は、リペラ電極２３のカソード電極２２に向けられた表面と電子放出面３８との間に位置している。つまり、蒸発面３７は、蒸発面３７が位置する平面とリペラ電極２３との間の距離が、電子放出面３８とリペラ電極２３との間の距離よりも小さくなる位置に配置されている。また蒸発面３７は、蒸発面３７が位置する平面と電子放出面３８との間の距離が、蒸発面３７が位置する平面とリペラ電極２３との間の距離よりも小さくなる位置に配置されている。
図４(ａ)は、原料ブロック２８の平面図であり、原料ブロック２８は同図に示されるように金属体の中央に窓孔２７が形成されたリング形状であり、中央に形成された窓穴２７の中に、カソード電極２２の電子放出面３８が配置されており、窓穴２７の中で放出面３８が露出するようにされている。
ここでは窓穴２７の形状は円形であり、カソード電極２２の形状は円盤状であり、窓穴２７の直径の方がカソード電極２２の直径よりも大きくされている。
ここでは窓穴２７の形状は円形であり、カソード電極２２の形状は円盤状であり、窓穴２７の直径の方がカソード電極２２の直径よりも大きくされている。
チャンバー２１の外部には、放電電源５２と、カソード加熱電源５３と、フィラメント加熱電源５４とが配置されている。
放電電源５２の正電圧端子には、チャンバー２１が電気的に接続されている。
放電電源５２の正電圧端子には、チャンバー２１が電気的に接続されている。
放電電源５２の負電圧端子にはベース板３０が電気的に接続されている。ここでは原料支持体２６を介して電気的に接続されている。従って放電電源５２が動作すると、カソード電極２２と原料ブロック２８とには、チャンバー２１に対して負電圧が印加される。
また、放電電源５２の負電圧端子はカソード加熱電源５３の正電圧端子に電気的に接続され、カソード加熱電源５３の負電圧端子はフィラメント２０の一端に電気的に接続されている。カソード加熱電源５３が動作すると、カソード電極２２に対してフィラメント２０に負電圧が印加される。
また、フィラメント２０の一端はカソード加熱電源５３の負電圧端子とフィラメント加熱電源５４の負電圧端子とに電気的に接続され、フィラメント２０の他端はフィラメント加熱電源５４の正電圧端子に電気的に接続されている。
カソード電極２２とリペラ電極２３とフィラメント２０とは真空雰囲気に置かれており、フィラメント加熱電源５４が動作して真空雰囲気中でフィラメント２０が通電されると発熱する。
その状態でカソード加熱電源５３によって、カソード電極２２に対してフィラメント２０に負電圧が印加されていると、熱電子がフィラメント２０からカソード電極２２に向けて放出され、熱電子がカソード電極２２に衝突するとカソード電極２２が加熱される。
放電電源５２によってチャンバー２１に対してカソード電極２２に負電圧が印加されている状態で、カソード電極２２が加熱されると、熱電子がカソード電極２２の露出された電子放出面３８からリペラ電極２３に向かって放出され、加速される。
浮遊電位のリペラ電極２３は、カソード電極２２と同等の負電位になっており、カソード電極２２から放出・加速された熱電子(以下、一次電子)は静電気力によって、飛行方向が反転され、カソード電極２２に向かって飛行する。
カソード電極２２に向かった一次電子も、カソード電極２２によって飛行方向が反転され、リペラ電極２３に向かって反転する。
このように、一次電子はカソード電極２２とリペラ電極２３との間を繰り返し往復移動する。
このように、一次電子はカソード電極２２とリペラ電極２３との間を繰り返し往復移動する。
チャンバー２１の外部には、Ｎ極とＳ極の二個の磁極のうちチャンバー２１に向けて一方の磁極が向けられた磁石５８と、他方の磁極が向けられた磁石５９とが配置され、Ｎ極とＳ極との間に形成される磁力線が、カソード電極２２とリペラ電極２３とを貫通するようにされている。
したがって、一次電子は磁力線に巻き付いて螺旋状に移動しながら往復移動する。これらの作用により、チャンバー２１内のガスと電子との衝突確率を高め、プラズマ生成効率の増大を図っている。
チャンバー２１の側面には、ガス導入孔３４とイオン放出孔３５とが設けられている。
ガス導入孔３４はガス供給部１２に接続されており、ガス供給部１２からフッ素化合物ガスが供給されると、フッ素化合物ガスは、チャンバー２１の内部で往復運動する一次電子によって分解され、フッ素イオンやフッ素ラジカルが生成される。
ガス導入孔３４はガス供給部１２に接続されており、ガス供給部１２からフッ素化合物ガスが供給されると、フッ素化合物ガスは、チャンバー２１の内部で往復運動する一次電子によって分解され、フッ素イオンやフッ素ラジカルが生成される。
カソード電極２２は高融点金属で構成されており、フィラメント２０によって２２００℃程度の温度に加熱されている。
原料ブロック２８はカソード電極２２の近傍にカソード電極２２とは非接触で配置されており、また、原料ブロック２８はチャンバー２１とは非接触で配置されている。
従って、原料ブロック２８は、カソード電極２２から放出される熱線によって、チャンバー２１に熱が流出しないように加熱され、昇温する。
原料ブロック２８はカソード電極２２の近傍にカソード電極２２とは非接触で配置されており、また、原料ブロック２８はチャンバー２１とは非接触で配置されている。
従って、原料ブロック２８は、カソード電極２２から放出される熱線によって、チャンバー２１に熱が流出しないように加熱され、昇温する。
上述したように、原料ブロック２８の面のうち、離間されたリペラ電極２３に向けられた蒸発面３７は、電子放出面３８よりもリペラ電極２３に近い位置に配置されており、カソード電極２２の温度を調節する手段の他、原料ブロック２８のリペラ電極２３に向けられた蒸発面３７と電子放出面３８との間の、電子放出面３８に対して垂直な方向の距離と、原料ブロック２８とカソード電極２２の側面との間の距離と、原料ブロック２８とチャンバー２１の内側面との間の距離とを調節することで、原料ブロック２８が１２００℃以上１７００℃以下の温度範囲に昇温するようにされている。
チャンバー２１に導入されたフッ素化合物ガスからは一次電子によってフッ素イオンやフッ素ラジカルを含有するプラズマが生成され、蒸発面３７は生成されたプラズマと接触する。プラズマは蒸発面３７に露出する窒化アルミニウムと接触し、窒化アルミニウムはプラズマ中のフッ素イオンやフッ素ラジカル等のフッ素と反応し、フッ化アルミニウム(ＡｌＦx)が生成される。
フッ化アルミニウムは高温に加熱されて気体となって原料ブロック２８からチャンバー２１の内部に放出される。加熱されたチャンバー２１の内部でフッ化アルミニウムガスが発生するのでフッ化アルミニウムがチャンバー２１に接続された配管の内部に析出することはない。
放出されたフッ化アルミニウムは、チャンバー２１内で往復運動する一次電子によって分解され、アルミニウムイオン(Ａｌ+)が生成される。
放出されたフッ化アルミニウムは、チャンバー２１内で往復運動する一次電子によって分解され、アルミニウムイオン(Ａｌ+)が生成される。
チャンバー２１の外部のイオン放出孔３５に近い位置には、チャンバー２１に対して負電圧が印加された平板状の引出電極２４が配置されており、チャンバー２１の内部で生成された正電荷のイオンは引出電極２４が形成する電界によって引出電極２４に吸引され、イオン放出孔３５からチャンバー２１の外部に引き出され、引出電極２４の中央の孔３９を通過して上述した走行室２の内部に入射する。走行室２の内部に入射した正電荷のイオンの中にはアルミニウムイオンが含まれる。
上記のフッ素化合物ガスには、三フッ化リン(ＰＦ3)ガスや三フッ化ホウ素（ＢＦ3)ガスを用いることができるが、三フッ化ホウ素ガスの場合は蒸発温度が高い窒化ホウ素(ＢＮ)が副生成物として生成され、窒化ホウ素がチャンバー２１の内部に蓄積される。
図６(ａ)は、三フッ化ホウ素ガスを用いたときのチャンバー２１の内部の副生成物状態を示す写真であり、同図(ｂ)は、三フッ化リンガスを用いたときのチャンバー２１の内部の副生成物状態を示す写真である。副生成物の量は三フッ化リンガスの方が少なくなっている。
また、三フッ化窒素(ＮＦ3)ガスを用いてアルミニウムイオンを生成することも可能であるが、三フッ化窒素ガスは三フッ化リンガスよりも反応性が低いため三フッ化リンガスの方が有利である。
また、原料ブロック２８にアルミナ(Ａｌ2Ｏ3)を用いると、アルミニウムイオンの生成量が少ない。また、酸素プラズマが発生しない点で窒化アルミニウムの方が有利である。
また、アルミナとＢＦ3ガスとを反応させると、アルミニウムイオンと質量電荷比が等しいＢＯイオンが発生するため、特にアルミナとＢＦ3ガスの組み合わせは使用することができない。
原料ブロック２８は、フッ化アルミニウムを必要量放出させるために、最低１２００℃以上の温度に加熱されることが必要であり、加熱温度が高温であるほど望ましいが、フッ化アルミニウムの放出と供に窒素ガスも放出される。
図５は、窒化アルミニウムの温度と、窒化アルミニウムから放出される窒素ガス(Ｎ2）の分圧との関係のグラフであり(真空，Vol.9、(1966)，No.5，p183-189)、イオン源の作動圧力の上限が５×１０-3ｍｍHｇ程度であるため、窒化アルミニウムの温度の上限は１７００℃になることが分かる。
図３は、原料ブロック２８が原料支持体２６に取り付けられた一例を説明するための斜視図であり、図４(ｃ)は、原料支持体２６の側面図である。
電極支持体３３と原料支持体２６とは、この例では円筒であり、この例では電極支持体３３の直径の方が原料支持体２６の直径よりも小さくなるようにされている。
電極支持体３３と原料支持体２６とは、中心軸線が一致するようにされて、電極支持体３３が原料支持体２６の中空内部に配置されてそれぞれベース板３０に固定されている。
電極支持体３３と原料支持体２６とは、この例では円筒であり、この例では電極支持体３３の直径の方が原料支持体２６の直径よりも小さくなるようにされている。
電極支持体３３と原料支持体２６とは、中心軸線が一致するようにされて、電極支持体３３が原料支持体２６の中空内部に配置されてそれぞれベース板３０に固定されている。
原料支持体２６の先端には突状部４６が設けられている。この突状部４６は、原料支持体２６の側面と垂直な外側に突き出されており、例えばフランジ状に形成することができる。図２では、突状部４６や下記の装着部材４４やネジ４３等は省略されている。
図４(ｂ)の符号４４は、半円形の装着孔４５が形成された装着部材である。装着孔４５の半円の直径の大きさは、原料支持体２６の外径と同じであるか、少し大きく形成されている。従って、装着孔４５に原料支持体２６が位置するように、装着部材４４を原料支持体２６に嵌め込むことができる。
リペラ電極２３はチャンバー２１の下方の位置に配置され、原料支持体２６は突状部４６が原料支持体２６の下端に位置するように鉛直に配置されており、原料支持体２６は、チャンバー２１との間の電気的絶縁性が維持された状態でチャンバー２１に固定されている。
装着部材４４が原料支持体２６に装着されると、装着部材４４は突状部４６の上に乗せられている。
原料ブロック２８にはネジを挿入することができる挿通穴２９ａが形成され、装着部材４４には内周面にネジ溝が形成されたねじ穴２９ｂが設けられている。
原料ブロック２８にはネジを挿入することができる挿通穴２９ａが形成され、装着部材４４には内周面にネジ溝が形成されたねじ穴２９ｂが設けられている。
突状部４６のリペラ電極２３に向けられた表面に原料ブロック２８を当接させ、突状部４６を、原料ブロック２８と装着部材４４との間に位置させた状態で、図３に示されたように、ネジ４３を原料ブロック２８の挿通孔２９ａに挿通させ、ネジ４３の先端を装着部材４４のネジ穴２９ｂにねじ込む。
そしてネジ４３を回転させ、原料ブロック２８と装着部材４４とに互いに近づく方向の力を印加させ、ネジ４３のネジ頭部分を原料ブロック２８に当接させ、原料ブロック２８と装着部材４４とで突状部４６を挟み込み、原料ブロック２８を原料支持体２６に固定する。このとき、原料ブロック２８は、装着部材４４にネジ止め固定されたネジ４３によって、装着部材４４から吊下されていることになり、原料ブロック２８は、ネジ４３によって装着部材４４にネジ止め固定されて原料支持体２６から脱落しないようにされているので、原料ブロック２８がネジ４３の推力によって装着部材４４に押圧される必要はない。
原料ブロック２８は、イオン生成に伴って消耗するため、ネジ４３の推力によって原料ブロック２８が固定されていても、原料ブロック２８が消耗すれば挟み込まれる面圧が減少する場合もあるが、イオン注入装置の振動環境下では、ネジが自発的に回転する事はない為、当初の締結時の距離は保たれる。従って、ネジ４３のフランジと接触する部分の原料ブロック２８が消耗したとしても、原料ブロック２８と装着部材４４の自重に起因する突状部４６挟み角度の拡大は軽微であり、原料ブロック２８が脱落することはない。
このため、突状部４６を挟むために取り付けるネジ４３の締結トルクは小さくても良い。
このため、突状部４６を挟むために取り付けるネジ４３の締結トルクは小さくても良い。
締結トルクが小さくて済むことは、原料ブロック２８と原料支持体２６との間の接触熱伝導を抑えることになり、原料ブロック２８からの熱流出が減少することになる。
また、締結トルクが小さくて済むことは、原料ブロック２８を取り付ける際の作業が容易になる。
また、締結トルクが小さくて済むことは、原料ブロック２８を取り付ける際の作業が容易になる。
他方、装着部材４４とネジ４３とはステンレス材料が成形されて構成されており、締結トルクが大きい状態で高温環境に曝されると凝着現象である「かじり」が発生するが、本発明では締結トルクが小さいため、「かじり」は発生することは無く、取り外し時に問題が発生する確率を下げることが出来る。また、固体潤滑剤は不要となる。
また、締結トルクが小さいことによりネジ４３を緩めると、消耗した原料ブロック２８を原料支持体２６から簡単に取り外すことができ、取り外し後、新しい原料ブロック２８を原料支持体２６に簡単に取りつけることもできる。このように、原料ブロック２８の交換は容易である。
１……イオン注入装置
１０…イオン源
１２……ガス供給部
２０……フィラメント
２１……チャンバー
２２……カソード電極
２３……リペラ電極
２６……原料支持体
２８……原料ブロック
３８……電子放出面
１０…イオン源
１２……ガス供給部
２０……フィラメント
２１……チャンバー
２２……カソード電極
２３……リペラ電極
２６……原料支持体
２８……原料ブロック
３８……電子放出面
Claims (8)
- チャンバー内の一端に配置されたカソード電極と、
前記チャンバー内の他端に配置され、前記カソード電極の表面と対面されたリペラ電極と、
前記カソード電極の裏面側に配置されたフィラメントと、
前記チャンバーに設けられ、フッ素化合物ガスが導入されるガス導入孔と、
前記チャンバー内から正電荷のイオンが引き出される放出孔と、
を有し、
前記チャンバー内には原料ブロックが配置され、
通電された前記フィラメントによって前記カソード電極は加熱され、表面の電子放出面から前記リペラ電極に向かって熱電子が放出され、前記熱電子が前記カソード電極と前記リペラ電極との間で往復移動して、前記ガス導入孔から導入された前記フッ素化合物ガスを分解してプラズマを生成し、前記プラズマ中のフッ素が前記原料ブロックと反応して正電荷のアルミニウムイオンが生成されるイオン源であって、
前記原料ブロックは、前記カソード電極の側面の近傍に前記カソード電極と前記チャンバーとは非接触で配置され、
前記原料ブロックは窒化アルミニウムであり、
前記フッ素化合物ガスは三フッ化リンガスであり、
前記原料ブロックと前記フッ素化合物ガスとから生成されたフッ化アルミニウムが前記熱電子によって分解されて前記チャンバーから引き出されるアルミニウムイオンが生成されるイオン源。 - 前記フッ素化合物ガスは前記熱電子によってプラズマにされ、
前記原料ブロックの前記リペラ電極に向けられて前記プラズマと接触する面である蒸発面は、前記リペラ電極の前記カソード電極に向けられた表面と前記電子放出面との間に位置し、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面との間の距離が、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面に向けられた前記リペラ電極の表面との間の距離よりも小さくなる位置に配置された請求項１記載のイオン源。 - 前記原料ブロックは、前記カソード電極の発熱によって１２００℃以上１７００℃以下の温度範囲中の温度に昇温される請求項１記載のイオン源。
- 前記原料ブロックは原料支持体の先端に配置されたイオン源であって、
前記原料支持体の先端には、前記原料支持体の側面とは垂直な外側方向に突出された突状部が設けられ、前記原料ブロックが前記突状部の前記リペラ電極に向いた表面に配置され、裏面には装着部材が配置され、
前記原料ブロックと前記装着部材とはネジによって互いに押圧され、前記原料ブロックと前記装着部材とで前記突状部が挟まれ、前記原料ブロックが前記原料支持体に固定される請求項１記載のイオン源。 - イオン源を有するイオン注入装置であって、
前記イオン源は、
チャンバー内の一端に配置されたカソード電極と、
前記チャンバー内の他端に配置され、前記カソード電極の表面と対面されたリペラ電極と、
前記カソード電極の裏面側に配置されたフィラメントと、
前記チャンバーに設けられ、フッ素化合物ガスが導入されるガス導入孔と、
前記チャンバー内から正電荷のイオンが引き出される放出孔と、
を有し、
前記チャンバー内には原料ブロックが配置され、
通電された前記フィラメントによって前記カソード電極は加熱され、表面の電子放出面から前記リペラ電極に向かって熱電子が放出され、前記熱電子が前記カソード電極と前記リペラ電極との間で往復移動して、前記ガス導入孔から導入された前記フッ素化合物ガスを分解してプラズマを生成し、前記プラズマ中のフッ素が前記原料ブロックと反応して正電荷のアルミニウムイオンが生成されるイオン源であって、
前記原料ブロックは、前記カソード電極の側面の近傍に前記カソード電極と前記チャンバーとは非接触で配置され、
前記原料ブロックは窒化アルミニウムであり、
前記フッ素化合物ガスは三フッ化リンガスであり、
前記原料ブロックと前記フッ素化合物ガスとから生成されたフッ化アルミニウムが前記熱電子によって分解されて前記チャンバーから引き出されるアルミニウムイオンが生成されるイオン源であり、
前記放出孔の近傍に配置され、前記チャンバー内の正電荷の前記イオンを引き出す引出電極と、
前記引出電極によって引き出された前記イオンを質量分析する質量分析装置と、
前記質量分析されたイオンを照射する基板が配置される注入室と、
を有するイオン注入装置。 - 前記フッ素化合物ガスは前記熱電子によってプラズマにされ、
前記原料ブロックの前記リペラ電極に向けられて前記プラズマと接触する面である蒸発面は、前記リペラ電極の前記カソード電極に向けられた表面と前記電子放出面との間に位置し、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面との間の距離が、前記蒸発面が位置する平面と前記電子放出面に向けられた前記リペラ電極の表面との間の距離よりも小さくなる位置に配置された請求項５記載のイオン注入装置。 - 前記原料ブロックは、前記カソード電極の発熱によって１２００℃以上１７００℃以下の温度範囲中の温度に昇温される請求項５記載のイオン注入装置。
- 前記イオン源の前記原料ブロックは原料支持体の先端に配置され、
前記原料支持体の先端には、前記原料支持体の側面とは垂直な外側方向に突出された突状部が設けられ、前記原料ブロックが前記突状部の前記リペラ電極に向いた表面に配置され、裏面には装着部材が配置され、
前記原料ブロックと前記装着部材とはネジによって互いに押圧され、前記原料ブロックと前記装着部材とで前記突状部が挟まれ、前記原料ブロックが前記原料支持体に固定される請求項５記載のイオン注入装置。
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