JP4502191B2 - イオンビーム引出電極およびイオン注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビーム引出電極およびイオン注入装置に関する。

従来のイオンビーム引出電極としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。同文献に記載の引出電極は、図１０に示すように、接地電極１０２を備えている。接地電極１０２は、電極支持棒１０４等を介して、当該引出電極を変位させる電極駆動装置（図示せず）に接続されている。また、接地電極１０２には、イオンビームＢの経路となる開口１０２ａが形成されている。

接地電極１０２におけるイオンビームＢの上流側となる面には、絶縁碍子１０６を介在させて、下流側からの電子の逆流を抑制するための抑制電極１０８が固定されている。この抑制電極１０８にも、イオンビームＢの経路となる開口１０８ａが形成されている。

これらの接地電極１０２および抑制電極１０８の材質としては、アルミニウムまたはカーボンが用いられている。
特開２００１−２０２８９６号公報

しかしながら、接地電極１０２の材質がアルミニウム等の金属の場合、接地電極１０２と抑制電極１０８との間で通電（ショート）が起こるという問題がある。その原因としては、例えば、接地電極１０２上へのイオン生成膜の堆積、剥がれ等が挙げられる。また、イオンビームの照射により接地電極１０２の表面が削られ、削り取られた金属成分が接地電極１０２等に付着、堆積することもショートの一因である。

これに対し、接地電極１０２の材質がカーボンの場合、イオンビームの照射による削れ量が金属に比べて極小である。また、削り取られたカーボンは、金属にもカーボン自体にも付着しにくい。仮に付着しても、付着面に黒い煤が付着する程度であり、膜が形成されるまでには至らない。したがって、上述のショートの問題を抑制するという観点からは、接地電極１０２の材質としては金属よりもカーボンの方が適している。

ところが、カーボンは、かかる利点を持つ一方で、金属に比して機械的強度が弱いという欠点がある。特に、図１０の引出電極においては、接地電極１０２が電極支持棒１０４等との直接の結合部分になっているため、接地電極１０２には高い機械的強度が要求される。

かかる機械的強度の問題は、ショートの問題と共に、引出電極の寿命を低下させる要因である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、寿命の長いイオンビーム引出電極およびイオン注入装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明によるイオンビーム引出電極は、イオンビームを引き出す引出電極であって、接地電位が与えられる接地電極と、接地電極よりもイオンビームの上流側に設けられ、接地電位に対して負電位が与えられる加速減速電極と、を備え、接地電極は、金属からなる第１接地電極と、第１接地電極の上流側の表面全体を覆うように設けられた、カーボンからなる第２接地電極と、を有して構成されていることを特徴とする。

このイオンビーム引出電極においては、接地電極が、相異なる材質の第１および第２の接地電極を有して構成されている。これにより、例えば第１接地電極を金属に、第２接地電極をカーボンにするというように、第１接地電極に機械的強度の高い材質を用い、加速減速電極側に位置する第２接地電極にショートの問題を防ぐのに適した材質を用いることが可能となる。したがって、ショートの問題を抑制しつつも機械的強度の高い引出電極が実現される。

本発明によるイオンビーム引出電極は、イオンビームに面する、第１接地電極の内面に設けられ、当該内面にイオンビームが照射されるのを防止する第１保護部材を備えていてもよい。この場合、第１接地電極にイオンビームが照射されるのを防ぐことにより、加速減速電極と接地電極との間のショートを一層効果的に抑制することができる。

本発明によるイオンビーム引出電極は、接地電極と加速減速電極とを電気的に絶縁する絶縁部材と、絶縁部材の少なくとも一部を囲むように設けられ、当該絶縁部材にイオンビームが照射されるのを防止する、絶縁性の第２保護部材と、を備えていてもよい。絶縁部材にイオンビームが照射されると、絶縁部材の表面へのイオン生成膜の付着や、絶縁部材の焼けの発生につながる。これらは、加速減速電極と接地電極とがショートする原因となり得る。この点、第２保護部材を設けることにより、かかる問題を抑制することができる。

また、本発明によるイオン注入装置は、上記イオンビーム引出電極と、イオンビームを発生させるイオンビーム発生手段と、を備えることを特徴とする。このイオン注入装置においては、引出電極の接地電極が、相異なる材質の第１および第２の接地電極を有して構成されている。これにより、第１接地電極に機械的強度の高い材質を用い、加速減速電極側に位置する第２接地電極にショートの問題を防ぐのに適した材質を用いることが可能となる。したがって、ショートの問題を抑制しつつも機械的強度の高いイオン注入装置が実現される。

本発明によれば、寿命の長いイオンビーム引出電極およびイオン注入装置が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明によるイオンビーム引出電極およびイオン注入装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明によるイオン注入装置の一実施形態を示す断面図である。イオン注入装置１は、イオンビーム発生器１０および引出電極２０を備えている。イオンビーム発生器１０は、イオンビームＢを発生させるイオンビーム発生手段である。イオンビーム発生器１０および引出電極２０は真空チャンバ３２内に収納されており、イオンビーム発生器１０から発生したイオンビームＢは、引出電極２０によって引き出される。

引出電極２０は、接地電極２１、加速減速電極２２、電極支持板２３、加速減速電極支持棒２４、電極スペーサ２５、インライナー２６（第１保護部材）、カラー２７（第２保護部材）およびインライナー２８（第３保護部材）を有している。接地電極２１は、接地電位が与えられる電極であり、接地電極２１ａ（第１接地電極）と接地電極２１ｂ（第２接地電極）とを有して構成されている。接地電極２１ａの材質は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）である。接地電極２１ｂは、接地電極２１ａよりもイオンビームＢの上流側に設けられており、材質はカーボンである。接地電極２１ｂの厚さは、例えば６ｍｍとされる。

加速減速電極２２は、接地電位に対して負電位が与えられる電極であり、接地電極２１に対してイオンビームＢの上流側に設けられている。加速減速電極２２の材質としては、例えばカーボンが用いられる。

加速減速電極２２は、加速減速電極支持棒２４を介して電極支持板２３に固定されている。電極支持板２３および加速減速電極支持棒２４の材質としては、共に例えばＳＵＳ３０４である。

電極支持板２３は、電極スペーサ２５を介して接地電極２１に固定されている。この電極スペーサ２５は、接地電極２１と加速減速電極２２とを絶縁する絶縁部材であり、材質は例えばセラミックである。また、電極スペーサ２５は、イオンビームＢの進行方向と略平行な中心軸をもつ柱状をしている。

インライナー２６は、イオンビームＢに面する接地電極２１ａの内面に設けられており、その内面にイオンビームＢが照射されるのを防いでいる。インライナー２６の材質は、カーボンである。インライナー２６のリム幅は、例えば５ｍｍとされる。

カラー２７は、電極スペーサ２５を囲むように設けられており、電極スペーサ２５にイオンビームＢが照射されるのを防いでいる。具体的は、電極スペーサ２５は、電極支持板２３側の底面から側面にかけて、カラー２７によって覆われている。カラー２７の材質は、絶縁性であり、例えばセラミックである。

インライナー２８は、電極支持板２３に対してイオンビームＢの下流側に設けられており、材質はカーボンである。

また、イオン注入装置１は、電極支持金具３１、真空チャンバ３２、ベローズ３３および電極駆動部３４を備えている。上述の接地電極２１ａは、電極支持金具３１と着脱可能に結合されており、これにより真空チャンバ３２内で機械的に支持されている。電極支持金具３１を加速減速電極２２ではなく接地電極２１に結合しているのは、接地電極２１が接地電位であり、電極支持金具３１およびそれに結合された部分の電気的絶縁が不要だからである。電極支持金具３１が真空チャンバ３２を貫通する部分は、ベローズ３３によって真空シールされている。

電極支持金具３１は、ベローズ３３内を通って電極駆動部３４へと連結されている。電極駆動部３４は、引出電極２０を、イオンビーム発生器１０に対して前後、左右および上下の３方向に変位させることができる。ここで、前後方向は、イオンビームＢの進行方向に垂直な方向（図１中の左右方向）、左右方向は図１中の奥行き方向、上下方向は図１中の上下方向である。

接地電極２１ｂを上流側および下流側それぞれから見た様子を図２に示す。図２中の左端の図が前者を表し、中央の図が後者を表している。前者の図においては接地電極２１ｂと共に加速減速電極２２が図示されており、後者においては接地電極２１ｂと共にインライナー２６が図示されている。また、接地電極２１ｂ単独の構成を図３に示す。インライナー２６およびインライナー２８の構成をそれぞれ図４および図５に示す。

かかる構成のイオン注入装置１においては、例えば加速減速電極２２に−２ｋＶの電位が印加される。これにより、イオンビームＢが収束されるとともに、電子の流入防止およびＸ線の発生防止が図られる。

続いて、イオン注入装置１の効果を説明する。イオン注入装置１においては、接地電極が、相異なる材質の接地電極２１ａ，２１ｂを有して構成されている。これにより、接地電極２１ａに機械的強度の高い材質を用い、接地電極２１ｂにショートの問題を防ぐのに適した材質を用いることが可能となる。実際、本実施形態においては、接地電極２１ａの材質をＳＵＳ３０４とし、接地電極２１ｂの材質をカーボンとしている。したがって、ショートの問題を抑制しつつも機械的強度の高い引出電極が実現されている。

引出電極系を構成する接地電極２１ａ，接地電極２１ｂおよび加速減速電極２２の材質をカーボンまたはＳＵＳ系とする事によって、各電極２１ａ，２１ｂ，２２を構成する元素の１価イオン、あるいはその他の価数のイオンによるコンタミネーションの発生を防止することができる。

ところで、コンタミネーションの発生を防止するためだけであれば、接地電極２１ａ，接地電極２１ｂおよび加速減速電極２２の材質は上述のようにカーボンまたはＳＵＳ系の何れでも良いが、ＳＵＳ系は機械的強度が高くて構造材に適している反面、高温度中では金属膜剥離、溶着を発生させる。反対に、カーボンは機械的強度の点では構造材にあまり適していない反面、耐熱性が高く溶着されない性質を有している。

かかる理由から、接地電極２１における電極支持金具３１との結合部を強化し、位置ずれを発生させないことが必要であるため、接地電極２１ａの材質はＳＵＳ系としている。また、接地電極２１ｂおよびインライナー２８の材質をカーボンとすることにより、金属膜剥離、溶着を防いでいる。さらに、インライナー２６を設けることにより、接地電極２１ａ内を通過するイオンビームＢが中央スリットに接触するのを防止している。

このように、イオン注入装置１の引出電極２０においては、接地電極２１を接地電極２１ａと接地電極２１ｂとの２層構造とするとともに、イオンビームＢに直接接触する箇所を全てカーボンとしている。イオンビームＢに当たる部分をカーボンとする事で、金属間放電によるスパッタを低減させ、更にスパッタされた金属が接地電極２１ａに付着・堆積するのを防ぐことができる。

また、接地電極２１ａと加速減速電極２２とは加速減速電極支持棒２４によって連結されているが、これらは通電されてはならない。そのため、接地電極２１ａと電極支持板２３との間に絶縁性の電極スペーサ２５を設けることにより、接地電極２１ａと加速減速電極２２との間の電気的絶縁を図っている。

しかしながら、絶縁部材（引出電極２０では電極スペーサ２５がこれに相当する）が設けられた従来の引出電極においては、次のような問題があった。すなわち、絶縁部材の表面へのイオン生成膜の付着やイオンビーム照射による焼けのため、結果的に加速減速電極と接地電極とがショート状態となってしまう。すると、イオンビームが接地電極からＧＮＤ部へ流れてしまい、通常の軌道から外れてしまう事で、イオンビームが極端に低下し、再復帰が不可能となる。加速減速電極と接地電極との間で数１００ＭΩ以上の絶縁が取れなくなった状態では安全機能が働き、電源投入すら不可能となる場合がある。

これに対し、イオン注入装置１においては、電極スペーサ２５を覆うようにカラー２７を設けている。これにより、電極スペーサ２５にイオンビームＢが直接当たることを防いでいる。また、カラー２７により絶縁面積を増大させ、電極支持板２３から接地電極２１ａまでの直線距離を伸ばした事で、電極スペーサ２５の時間的寿命を飛躍的に向上させている。

前述した内容を詳述すると、加速減速電極２２及び接地電極２１ｂは共に、イオンビームＢの照射によって熱を受け、加熱される。しかも接地電極２１ｂと接地電極２１ａは電極スペーサ２５を介して加速減速電極２２を支持すると共に、引出電極本体を電極支持金具３１に連結して支持させ、前後、左右、上下動作の働きもするので、機械的強度が要求される。それゆえ、接地電極２１ａには機械的強度が高くて構造材に適したＳＵＳ系を用いるのが好ましい。

また、耐熱性との関連ではＳＵＳ系は熱伝導率が小さく高温部での使用にも適している。更に電極駆動部３４には冷却水によって、うまい具合いに電極支持金具３１を直接または間接的に容易に冷却する事が出来、接地電極２１ａの冷却につながる。

しかも、接地電極２１ａは接地電位である為、冷却機構の電気絶縁が不要であり、この点からも接地電極２１ａの冷却は容易である。一方、接地電極２１ｂは接地電極２１ａに直接固定されているだけであるが、電極駆動部３４との連結には関係していないので、接地電極２１ａほどの強度は要求されない。こういったことから、接地電極２１ｂはＳＵＳ系よりも耐熱性に優れ、溶着しにくいカーボンを用いるのが好ましい。

しかし、金属間放電による溶着（スパッタ）を考えると接地電極部材を２層に重ねただけでは、イオンビームの通過点となる接地電極２１ａの中央開口部面においてＳＵＳ材がむき出しになり、イオンビームの軌道に悪影響を及ぼしかねない。そこで、カーボン材のインライナー２６を挿入し、更にカーボン材のインライナー２８をイオンビームＢの下流側に装着し、イオンビームＢが金属材に接触しない構造となっている。

図６は、比較例に係るイオン注入装置を示す断面図である。引出電極７０は真空チャンバ８２内に収納されている。この例では接地電位の接地電極７１と加速減速電極７２とを電極スペーサ７３（セラミック）を介して連結し、この加速減速電極７２に−２ｋＶを印加することで、電子の流れ込みを防止する事と、Ｘ線発生防止、及びイオンビームＢの収束を行う。 なお、この図においては、イオンビーム発生器の図示を省略している。接地電極７１を上流側から見た様子を図７に示す。この図においては接地電極７１と共に加速減速電極７２が図示されている。

接地電極７１に結合された電極支持金具８１は着脱可能であり、真空チャンバ８２内に機械的に支持されている。この例では接地電極７１と電極支持金具８１との間で着脱可能となっている。更に、この電極支持金具８１は電極駆動部８４に連結されており、引出電極７０本体を前後、左右、上下の３方向に動作させる。動作させる目的は、イオンビームＢを効率良く引出電極７０の中央に収束させ、前述したＸ線を抑制し、ビーム電流を安定化させることにある。

よって、接地電極７１は電極駆動部８４に連結され、ＧＮＤレベルであり、加速減速電極７２は必ず宙に浮いた状態でなければならない。加速減速電極７２は、加速減速電極支持棒７５を介して電極支持板７４に固定されている。

また、電極支持金具８１が真空チャンバ８２を貫通する部分はベローズ８３によって真空シールされている。

このような引出電極系を構成する加速減速電極７２を金属材にせずカーボンとする事で、構成材のイオンによるコンタミネーションの発生を防止している。

接地電極７１内を通過したイオンビームは、接地電極７６内を通り、下流側へ進む事になる。

以下に引出電極７０の構成部品の材質を示す。
接地電極７１（ＳＳ４００）
加速減速電極７２（カーボン）
電極スペーサ７３（セラミック）
電極支持板７４（ＳＵＳ３０４）
加速減速電極支持棒７５（ＳＵＳ３０４）
接地電極７６（ＳＳ４００）

図８は、図６に示す引出電極７０におけるショートの発生件数を示すグラフである。グラフからわかるように、比較例に係る引出電極７０では、月平均４．７件もの故障を招き、引出電極７０の交換に多大な時間および費用を要していた。このような頻度でショートが発生すると、設備停止時間の長期化、および部品待ちといったことが頻繁に発生し、生産を阻害していた。

従来の引出電極において問題となっている２箇所のショート箇所を図９に示す。 図９のショート箇所１の問題としては、電極スペーサの表面の焼けや、イオン生成膜付着によるショートであった。そこで、この電極スペーサを汚さない、イオンビームを直接当てないようにする為、イオン注入装置１においては電極スペーサ２５の周囲をセラミック製のカラー２７で覆った。カラー２７も電極スペーサ２５と同様、セラミックにした事で絶縁面積を増大させ、また電極スペーサ自体は汚れることなく、長期間絶縁を保つ事ができる。

図９のショート箇所２の問題としては、従来の接地電極部が鉄（ＳＳ４００）であったことからイオンビームの衝突により、接地電極（図６の接地電極７１）表面がスパッタされ、当該表面に溶着し、これが堆積したり、温度変化や真空チャンバ内の圧力変化による溶着膜剥がれによって、加速減速電極７２裏面と接地電極７１表面とが、このイオン生成膜によってショートされた状態となっていた。

引出電極によって引き出されるイオンビームは必ずしも引出電極中央を通過するとは限らず、通過できなかったイオンビームは引出電極部品、あるいは真空チャンバに衝突しているのである。

そこで、接地電極表面にイオン生成膜や金属剥離膜が付着堆積しないように、イオン注入装置１においては接地電極２１ｂの材質をカーボンとした。カーボンであればイオンビームが衝突して表面が削られた場合でも、削り取られたカーボンは金属にもカーボン自体にも付着しない性質である為、ほとんど心配はいらない。すなわち、カーボンは付着しても表面に黒く煤が付着した形となり、膜を形成することはない。また、カーボン（Ｃ）と金属（ＳＵＳ系）とを分子レベルで比較すると、カーボンは極小さく軽いという事で、削れ量または損傷量が金属より極小である。また、カーボンの場合、削れたもの自体の総量も少なく、エネルギーを持っていない。したがって、削り取られたカーボンは、電位差より先へ進むことがなく、自重で下に落ちるか、真空チャンバ内の雰囲気中を浮遊する。カーボンの消耗速度は金属（ＳＵＳ系）の約１／２である。さらに、カーボンは材質上、熱により溶解することがないので、他材料に溶着することはない。一方、金属の場合は別である。金属はイオンビームによってスパッタされ、剥がされた金属はカーボンに付着する。

また、イオン注入装置１においては、接地電極２１ｂの厚さを６ｍｍとする事で、強度はイオンビームの衝突によるダメージに耐え、接地電極２１ａへの熱伝導も低下し、金属間での異常放電を安定させ、長期使用に役立っている。よって、イオンビームの通過経路には金属材を使用しない事が重要である。

さらに、インライナー２６を追加し、接地電極２１ａの中央開口部にイオンビームが当たらないようにした。また、このインライナー２６のリム幅は５ｍｍとなっており、連続でイオンビームを当て続けた場合でも９０日以上の連続使用が可能である。

また、図６の引出電極７０においては接地電極７６の材質を鉄（ＳＳ４００）としているが、イオン注入装置１においてはこれをカーボン材のインライナー２８へと変更している。

図９に示す２箇所の短期ショートによる不具合から、従来は消耗時の部品交換にも問題があった。図６を参照しつつ説明すると、従来は加速減速電極７２、接地電極７１、電極スペーサ７３、接地電極７６を交換していて、多額の再生費用がかかっていた。

イオン注入装置１において交換部品は、図１を参照しつつ説明すると、加速減速電極２２、インライナー２６、インライナー２８（左右２枚のみで足りる）で、価格もカーボンの為、非常に安価となった。

以上のように、イオン注入装置１においては、イオンビームＢを引き出す引出電極２０において、その接地電極２１ｂ、インライナー２６およびインライナー２８の材質をカーボンとした。また、接地電極２１と加速減速電極２２とを絶縁させる為に付いている電極スペーサ２５にセラミック製のカラー２７を追加した。これらにより、引出電極２０の異常ショートを効果的に防止される。さらに、イオンビームＢが直接当たる部分のカーボン材の寸法を長期使用を想定した寸法とした事で、設備の安定可動はもちろん、工数削減が期待できる。

また、従来金属材質の引出電極では、イオンビームによるスパッタを受け、57Ｆｅ＋、58Ｆｅ＋がイオンビーム中混入によるコンタミネーションが発生する事は避けられなかったが、イオン注入装置１においてはコンタミネーションの心配は限りなく小さくなった。

本発明によるイオン注入装置の一実施形態を示す断面図である。 第２接地電極を上流側および下流側それぞれから見た様子を示す図である。 第２接地電極の構成を示す図である。 第１保護部材の構成を示す図である。 第３保護部材の構成を示す図である。 比較例に係るイオン注入装置を示す断面図である。 接地電極７１を上流側から見た様子を示す図である。 図６に示す引出電極７０におけるショートの発生件数を示すグラフである。 従来の引出電極におけるショートの発生箇所を説明するための図である。 従来のイオンビーム引出電極を示す図である。

符号の説明

１ イオン注入装置
１０ イオンビーム発生器
２０ 引出電極
２１ 接地電極
２１ａ 接地電極
２１ｂ 接地電極
２２ 加速減速電極
２３ 電極支持板
２４ 加速減速電極支持棒
２５ 電極スペーサ
２６ インライナー
２７ カラー
２８ インライナー
３１ 電極支持金具
３２ 真空チャンバ
３３ ベローズ
３４ 電極駆動部
７０ 引出電極
７１ 接地電極
７２ 加速減速電極
７３ 電極スペーサ
７４ 電極支持板
７５ 加速減速電極支持棒
７６ 接地電極
８１ 電極支持金具
８２ 真空チャンバ
８３ ベローズ
８４ 電極駆動部

Claims (4)

1. イオンビームを引き出す引出電極であって、
   接地電位が与えられる接地電極と、
   前記接地電極よりも前記イオンビームの上流側に設けられ、前記接地電位に対して負電位が与えられる加速減速電極と、を備え、
   前記接地電極は、金属からなる第１接地電極と、前記第１接地電極の前記上流側の表面全体を覆うように設けられた、カーボンからなる第２接地電極と、を有して構成されていることを特徴とするイオンビーム引出電極。
2. 請求項１に記載のイオンビーム引出電極において、
   前記イオンビームに面する、前記第１接地電極の内面に設けられ、当該内面に前記イオンビームが照射されるのを防止する第１保護部材を備え、
   前記第１保護部材の材質はカーボンであるイオンビーム引出電極。
3. 請求項１または２に記載のイオンビーム引出電極において、
   前記接地電極と前記加速減速電極とを電気的に絶縁する絶縁部材と、
   前記絶縁部材の少なくとも一部を囲むように設けられ、当該絶縁部材に前記イオンビームが照射されるのを防止する、絶縁性の第２保護部材と、を備えるイオンビーム引出電極。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のイオンビーム引出電極と、前記イオンビームを発生させるイオンビーム発生手段と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。

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