JP5257399B2 - イオン源及びイオン注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ生成容器内にカスプ磁場を形成する電子衝撃型のイオン源（バケット型イオン源、多極磁場型イオン源又はマルチカスプ型イオン源とも言う。）及びこのイオン源を用いたイオン注入装置に関するものである。

この種のバケット型イオン源としては、特許文献１に示すように、イオン源ガスが導入される直方体形状をなすプラズマ生成容器と、当該プラズマ生成容器の側面外側に配置され、プラズマ生成容器内部にカスプ磁場を形成する複数の磁石と、プラズマ生成容器の前側壁に形成されたイオン引き出し口と対向する側壁（後側壁）から内部に挿入して設けられたフィラメントとを有するものがある。このイオン源においては、プラズマ生成容器が陽極を兼ねていて、フィラメントから放出される電子をプラズマ生成容器内で放電させて、イオン源ガスを電離させてプラズマを生成するものである。そして、イオン引き出し口近傍に設けられた引き出し電極系を用いて、プラズマからイオンビームを引き出すものである。

上記構成のイオン源において、フィラメントは、当該フィラメントに電流を供給するための電流導入端子等を有する支持機構によって支持され、プラズマ生成容器の後側壁から内部に挿入されている。また、複数の磁石は、プラズマ生成容器の側壁（後側壁を含む。）の外側に設けられた支持部材にボルト等を用いて取り付けられることにより配置されている。

しかしながら、プラズマ生成容器の後側壁においては、フィラメントが挿入されるとともに複数の磁石が配置されるため、フィラメント又は磁石の交換作業を容易にするため等から、フィラメントが挿入される挿入領域と、複数の磁石が配置される配置領域とが重ならないように構成する必要がある。つまり、フィラメントを複数の磁石が配置されている領域を避けて挿入する必要があり、取り付け位置の制約がある。なお、フィラメントの支持機構も磁石の配置領域を避けて配置する必要がある。そうすると、フィラメント及びその支持機構を磁石の配置態様に合わせて設計しなくてはならず、特に大型のフィラメント及び支持機構を配置することが難しいという問題がある。

一方で、磁石の配置は、電子及びプラズマの閉じ込め効率を決定する重要なパラメータであるため、配置自由度が少ない。例えば、カスプ磁場による電子閉じ込めの高効率化のために、プラズマ生成容器の各側壁（前側壁を除く。）の外側において、複数の磁石を所定の寸法をもって等間隔に配置しておきたいという要望がある。ところが、後側壁においてはフィラメント及びその支持機構が配置されるため、複数の磁石を所定の寸法をもって等間隔に配置することが難しく、上記の閉じ込め効率をある程度犠牲にせざるを得ないという問題がある。

上記の通り、従来のイオン源においては、フィラメントのサイズが磁石の配置によって制約されることから、十分な電子の放出量を得ることができないだけでなく、フィラメントにより磁石の配置が制約されることから、カスプ磁場の不均一によって電子の閉じ込め効率が悪く、プラズマ生成容器内でのプラズマ生成効率を向上させることが難しいとされてきた。また、従来のイオン源においては、プラズマ分布を均等することが難しく、イオンビーム中のイオン密度を均一にすることも難しい。

特開２００７−１１５５１１号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、プラズマ生成容器内にカスプ磁場を形成する電子衝撃型のイオン源においてプラズマ生成効率を向上させることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るイオン源は、イオン源ガスが導入されて内部でプラズマを生成するための直方体形状をなす容器であって、一の側壁にイオン引き出し口が形成されたプラズマ生成容器と、前記イオン引き出し口が形成された側壁以外の他の側壁の外面に沿って外部に設けられ、前記プラズマ生成容器の内部にカスプ磁場を形成する複数の磁石と、前記プラズマ生成容器の隣接する側壁間に形成される角部から内部に挿入して設けられ、電子を放出してプラズマ生成容器内で放電を生じさせて前記イオン源ガスを電離させてプラズマを生成する１以上のフィラメントと、を備えることを特徴とする。

このようなものであれば、角部からフィラメントを挿入して設けることにより、従来磁石が配置されていないデットスペースを有効活用するとともに、全ての側壁（イオン引き出し口が形成された側壁を除く。）において、フィラメントに制約されることなく磁石の配置を好適にすることができる。これにより、カスプ磁場による電子の閉じ込め効果を向上させることができ、プラズマ生成効率を向上させることができる。また、プラズマ生成容器の角部に発生するカスプ磁場は、比較的磁場強度が小さいことから、当該角部からフィラメントを挿入することにより、フィラメント先端から放出される電子だけでなく、フィラメントの先端以外から放出される電子も閉じ込めることができるようになり電子を有効活用できる結果、プラズマ生成効率を向上させることができる。さらに、磁石が配置されない角部にフィラメントを配置する構成であれば、磁石が配置される側壁（例えば後端壁等）に配置する場合に比べて、比較的大きなフィラメントの支持機構を設けることが可能となり、これにより支持機構の剛性も強くなり、大型のフィラメントに対応することが可能となる。

複数の磁石を、イオン引き出し口が形成された側壁以外の全ての側壁に配置する場合において、その配置構成を簡単化するとともに、プラズマ生成容器内に形成されるカスプ磁場を均一にするためには、前記複数の磁石が、前記他の側壁それぞれの外面に対向して設けられた概略平板状の強磁性体からなる支持板において略等間隔に支持されていることが望ましい。

フィラメントの具体的な配置態様の一例として、プラズマ生成容器内に放出される電子を多くしてプラズマ生成効率を向上し、より多くのイオンビームを引き出すことができるようにするためには、前記フィラメントが、複数の角部に設けられていることが望ましい。

また、フィラメントの具体的な配置態様の他の一例として、プラズマ生成容器内に放出される電子を多くしてプラズマ生成効率を向上し、より多くのイオンビームを引き出すことができるようにするためには、前記フィラメントが、１つの角部において、当該角部に沿って複数設けられていることが望ましい。

フィラメントの具体的配置態様として、プラズマ生成容器内のプラズマ分布を均一になり易く、均一なイオンビームの引き出しを可能にするためには、前記フィラメントが、当該イオン引き出し口の長手方向及びイオン引き出し方向からなる平面に対して対称位置にある角部に設けられていることが望ましい。

フィラメントをプラズマ生成容器内に配置した状態で、当該フィラメント同士が接触しないようにするとともに、数多くのフィラメントを配置できるようにするためには、前記対称位置にある角部に設けられたフィラメントが、当該角部に沿った方向において互いに異なる位置に設けられていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、プラズマ生成容器内にカスプ磁場（多極磁場）を形成する電子衝撃型のイオン源においてプラズマ生成効率を向上させるができる。

本発明の一実施形態に係るイオン注入装置の全体構成を示す模式図である。 同実施形態のイオン源の構成を模式的に示すＸＹ断面図である。 同実施形態のイオン源の構成を模式的に示すＸＺ断面図である。 同実施形態のフィラメントの配置を示すイオン引き出し方向から見た図である。 プラズマ生成容器内のＸＺ平面におけるカスプ磁場分布を示す図である。 フィラメント配置の変形例を示す図である。 フィラメント配置の変形例を示す図である。 フィラメント配置の変形例を示す図である。

以下に本発明に係るイオン注入装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態のイオン注入装置１００は、図１に示すように、イオン源２から引き出したイオンビームＩＢを、基板駆動装置５の保持部５１に保持された基板Ｗに入射させて、基板Ｗにイオン注入を行うよう構成されている。イオン源２から基板駆動装置５までのイオンビームＩＢの経路（ビームライン）は、図示しない真空容器によって囲まれており、イオン注入時は真空雰囲気に保たれる。

イオン源２から引き出して基板Ｗに入射させるイオンビームＩＢは、この実施形態では、図１の紙面の表裏方向であるＹ方向の幅が、それに直交する方向（Ｘ方向）の厚さよりも十分に大きいリボン状をしている。基板Ｗに入射するときのイオンビームＩＢの幅は、基板Ｗの同方向の寸法よりも若干大きくしている。

イオン源２と保持部５１との間には、この実施形態では、イオン源２から引き出したイオンビームＩＢの質量分離を行う質量分離手段を構成する質量分離マグネット３および分離スリット４が設けられている。質量分離マグネット３は、イオンビームＩＢをその厚さ方向に曲げて所望のイオンを選別して導出するものである。分離スリット４は、質量分離マグネット３の下流側に設けられていて、質量分離マグネット３と協働して、上記所望のイオンを選別して通過させるものである。

基板駆動装置５は、この実施形態では、その保持部５１に保持した基板Ｗを、基板Ｗに入射するイオンビームＩＢの厚さに沿う方向（換言すれば幅に交差する方向）であるＸ方向に機械的に往復駆動する。この実施形態では、基板駆動装置５自身が、図示しないレールに沿って、Ｘ方向に往復運動をする。この基板Ｗの往復駆動と、イオンビームＩＢがリボン状をしていることとによって、基板Ｗの全面にイオンビームＩＢを入射させてイオン注入を行うことができる。

しかして本実施形態のイオン源２は、図２及び図３に示すように、イオン源ガスが導入されて内部でプラズマを生成するための容器であって、イオン引き出し口２１Ｈが形成されたプラズマ生成容器２１と、プラズマ生成容器２１の外部に設けられて当該プラズマ生成容器２１の内部にカプス磁場（より厳密に言えばマルチカスプ磁場。多極磁場とも言う。）を形成する複数の磁石２２と、プラズマ生成容器２１内でイオン源ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する電離手段を構成する１以上（本実施形態では複数）のフィラメント２３と、プラズマ生成容器２１のイオン引き出し口２１Ｈ付近に設けられていてプラズマから電界の作用でイオンビームＩＢを加速して引き出す引き出し電極系２４とを備えている。

なお、引き出し電極系２４は、図２に示すように、最プラズマ側から下流側に向けて配置されたプラズマ電極２４１、引出し電極２４２、抑制電極２４３および接地電極２４４を有している。また、プラズマ電極２４１とプラズマ生成容器２１との間には、両者間を電気的に絶縁する絶縁手段として絶縁物２４５が設けられている。また、各電極２４１〜２４４間は、例えば絶縁物２４６によって、互いに電気的に絶縁されている。

プラズマ生成容器２１は、直方体形状をなす容器であって、図３及び図４に示すように、一の側壁（具体的には前側壁２１ａ）にその側壁２１ａの長手方向に沿って伸びるイオン引き出し口２１Ｈが形成されている。なお、イオンビームＩＢの引き出し方向がＸ方向、イオン引き出し口２１Ｈの長手方向がＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向がＺ方向である。図４において、イオン引き出し口２１Ｈは、前側壁２１ａの中央部において当該前側壁２１ａの長手方向に沿って形成されているが、イオン引き出し口２１Ｈは、前側壁２１ａの長手方向（つまりＹ方向）に沿ったものでなくても良い。

複数の磁石２２は、図３及び図４に示すように、イオン引き出し口２１Ｈが形成された側壁（前側壁２１ａ）以外の他の側壁２１ｂ〜２１ｆの外面に沿って外部に設けられるものであり、プラズマ生成容器２１の側壁２１ｂ〜２１ｆの内面近傍にカスプ磁場を形成するものである。本実施形態の各磁石２２は、永久磁石であるが、電磁石を用いても良い。具体的にこの複数の磁石２２は、側壁２１ｂ〜２１ｆそれぞれの外面に対向して設けられた概略矩形平板状の５枚の支持板２５により支持されている。また、各支持板２５において複数の磁石２２は略等間隔に設けられている。一方、各側壁２１ｂ〜２１ｆの外面に対向して設けられた各支持板２５は、大きな１枚の板で構成した方が製作はし易いが、１枚の板をさらに細かく分割しておいても構わない。つまり、支持板２５の枚数は５枚に限らず、これ以上であっても良い。なお、支持板２５の材質は、鉄等からなる強磁性体であることが望ましい。このような構成にすると、プラズマ生成容器２１の内側での磁場分布を強めたり、プラズマ生成容器２１の外側への磁場の漏れ出しを防止できたり、といった効果が期待できるので、プラズマ生成容器２１内での磁場分布を容易に所望のものとすることができる。

各支持板２５に設けられた複数の磁石２２は、イオン引き出し方向に沿って極性が互いに異なるように配列されている。また、イオン引き出し口２１Ｈと直交する方向には同じ極性の磁石２２が配列されている。なお、後側壁２１ｂに対向して設けられた支持板２５には、その周方向に沿って磁石２２が配置され、中央部に行くに従って極性が互いに異なるように配列されている。このように配列した複数の磁石２２により形成されるカスプ磁場は図５に示すようになる。図５においては、各支持板２５にはＺ方向から見た場合に３列の磁石２２が配置された場合を示している。なお、イオン引き出し方向に沿って同じ極性の磁石２２を配列し、イオン引き出し方向に直交する方向に極性が互いに異なる磁石２２を配列するように構成しても良い。その他、磁石２２の配列態様は適宜変更可能である。

複数のフィラメント２３は、プラズマ生成容器２１の隣接する側壁間に形成される角部２１Ｋから内部に挿入して設けられている。具体的に複数のフィラメント２３は、複数の角部２１Ｋに設けられており、本実施形態では、図３に示すように、イオン引き出し口２１Ｈの長手方向及びイオン引き出し方向からなる平面に対して対称位置にある角部２１Ｋ（後側壁２１ｂの長辺に形成される角部２１Ｋ）に設けられている。各角部２１Ｋにおいてフィラメント２３は、図４に示すように、当該角部２１Ｋに沿って複数設けられており、対称位置にある角部２１Ｋに設けられたフィラメント２３と接触しないように、角部２１Ｋに沿った方向（Ｙ方向）において互いに異なる位置に設けられている。

各角部２１Ｋにおいてフィラメント２３は、当該角部２１Ｋを形成する隣接する各側壁（側壁２１ｄと側壁２１ｂ、側壁２１ｃと側壁２１ｂ）に対して略４５度の傾斜角度を有するように固定される。さらに、フィラメント２３は、隣接する各側壁（側壁２１ｄと側壁２１ｂ、側壁２１ｃと側壁２１ｂ）の外側において当該側壁２１ｂ〜２１ｄに対向して設けられた支持板２５の端辺２５ｘの間を介して角部２１Ｋに形成された取付部２１Ｋ１に固定される。

各フィラメント２３は、フィラメント支持機構２６により支持されており、当該フィラメント支持機構２６にフィラメント２３を加熱するためのフィラメント電源が接続される。そして、フィラメント支持機構２６がプラズマ生成容器２１の角部２１Ｋに形成された取付部２１Ｋ１に固定されることによって、フィラメント２３がプラズマ生成容器２１内に配置される。また、各フィラメント２３の一端（この例では正極端）とプラズマ生成容器２１との間には、後者を正極側にして、直流のアーク電源が接続されており、プラズマ生成容器２１は陽極を兼ねている。各フィラメント２３とプラズマ生成容器２１との間でアーク放電を生じさせて、その際に発生する電子の衝撃によってイオン源ガスを電離させて、イオンビームＩＢの幅方向に長く分布したプラズマをプラズマ生成容器２１内に均一性良く生じさせることができる。即ちこの例では、フィラメント２３、フィラメント電源およびアーク電源によって上記電離手段を構成している。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るイオン注入装置１００によれば、角部２１Ｋからフィラメント２３を挿入して設けることにより、従来磁石２２が配置されていないデットスペースを有効活用するとともに、全ての側壁（引き出し口が形成された側壁を除く。）において磁石２２配置を妨げることなくプラズマ生成容器２１内にフィラメント２３を配置することができる。これにより、カスプ磁場による電子の閉じ込め効果を向上させることができ、プラズマ生成効率を向上させることができる。

また、プラズマ生成容器２１の角部２１Ｋに発生するカスプ磁場は、比較的磁場強度が小さいことから、当該角部２１Ｋからフィラメント２３を挿入することにより、フィラメント先端から放出される電子だけでなく、フィラメント２３の先端以外から放出される電子も閉じ込めることができるようになり電子を有効活用できる結果、プラズマ生成効率を向上させることができる。

その上、磁石２２が配置されない角部２１Ｋにフィラメント２３を配置する構成であれば、磁石２２が配置される他の部分（例えば後側壁２１ｂ等）に配置する場合に比べて、比較的大きなフィラメント２３の支持機構２６を設けることが可能となり、これにより支持機構２６の剛性も強くなり、大型のフィラメント２３に対応することが可能となる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、フィラメント２３を設ける角部２１Ｋは前記実施形態に限られず、図６に示すように、イオン引き出し口２１Ｈが形成される前側壁２１ａの長辺に形成される角部２１Ｋに設けても良いし、図７に示すように、前側壁２１ａの長辺に形成される角部２１Ｋ及び後側壁２１ｂの長辺に形成される角部２１Ｋにフィラメント２３を設けても良い。その他、図８に示すように、Ｚ方向において対向する側壁２１ｅ、２１ｆの少なくとも一方の各辺に形成される角部２１Ｋにフィラメント２３を設けるようにしても良い。

また、前記実施形態のイオン源は、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法よりも大きいリボン状の形を有する概略リボン状のイオンビームを射出するものであったが、スポット状のイオンビームを射出するものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・イオン注入装置
２ ・・・イオン源
２１ ・・・プラズマ生成容器
２１Ｈ ・・・イオン引き出し口
２１ａ ・・・一の側壁（前側壁）
２１ｂ〜２１ｆ・・・他の側壁
２１Ｋ ・・・角部
２２ ・・・複数の磁石
２３ ・・・フィラメント
２５ ・・・支持板

Claims (7)

1. イオン源ガスが導入されて内部でプラズマを生成するための直方体形状をなす容器であって、一の側壁にイオン引き出し口が形成されたプラズマ生成容器と、
   前記イオン引き出し口が形成された側壁以外の他の側壁の外面に沿って外部に設けられ、前記プラズマ生成容器の内部にカスプ磁場を形成する複数の磁石と、
   前記プラズマ生成容器の隣接する側壁間に形成される角部から内部に挿入して設けられ、電子を放出してプラズマ生成容器内で放電を生じさせて前記イオン源ガスを電離させてプラズマを生成する１以上のフィラメントと、を備えるイオン源。
2. 前記複数の磁石が、前記他の側壁それぞれの外面に対向して設けられた概略平板状の強磁性体からなる支持板において略等間隔に支持されている請求項１記載のイオン源。
3. 前記フィラメントが、複数の角部に設けられている請求項１又は２記載のイオン源。
4. 前記フィラメントが、１つの角部において、当該角部に沿って複数設けられている請求項１、２又は３記載のイオン源。
5. 前記フィラメントが、当該イオン引き出し口の長手方向及びイオン引き出し方向からなる平面に対して対称位置にある角部に設けられている請求項１、２、３又は４記載のイオン源。
6. 前記対称位置にある角部に設けられたフィラメントが、当該角部に沿った方向において互いに異なる位置に設けられている請求項５記載のイオン源。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のイオン源を用いたイオン注入装置。