JPH0760653B2 - イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、イオン源に関し、特に、半導体素子製造プ
ロセスの分野におけるイオン注入、イオンビーム露光、
イオンビーム堆積、イオンビームエッチングまたはイオ
ンビーム描画などの微細加工に用いられる高輝度イオン
ビームの気体イオン源に関する。

［従来の技術］ 従来この種の装置としては、たとえば伊藤糾次他著：イ
オンインプランテーション（昭晃堂、昭和51年）に掲載
された第４図に示すものがある。

まず、第４図に示す従来のイオン源の構成について説明
する。第４図において、従来のイオン源は放電室１と真
空室25とを備える。放電室１には陰極４と中間電極５と
陽極６とが設けられ、中間電極５と陽極６には、それぞ
れ中間電極孔７と陽極孔24とが設けられる。また、放電
室１には陰極４と中間電極５との間にキャリア気体を導
入するためのキャリア気体導入口９と、中間電極５と陽
極６との間に試料気体を導入するための試料気体導入口
10とが設けられる。

真空室25は陽極６によって放電室１から隔てられ、かつ
陽極孔24により放電室１に通じている。真空室25には、
排気のための真空引口28と、陽極６に近接してイオンを
引出すための引出電極26とが設けられる。この引出電極
26にはイオンを引出すための引出電極孔27が設けられ
る。

次に、従来のイオン源の動作について説明する。

まず、真空引口28から真空室25の排気を行なって、放電
室１と真空室25とを所定の真空度にする。続いて、真空
引口28からの排気を行ないつつ、放電室１にキャリア気
体導入口９からキャリア気体を導入し、陰極４と中間電
極５との間に直流電圧を印加する。すると、キャリア気
体は陰極４と中間電極５との間に生じるグロー放電ある
いはアーク放電により電離して、プラズマが生じる。生
成したプラズマは中間電極孔７を通過して、中間電極５
と陽極６との間に流入する。ここで、試料気体を試料気
体導入口10から放電室１内に導入すると、試料気体はキ
ャリア気体プラズマとの相互作用により電離する。電離
した試料気体を含むキャリア気体プラズマは陽極孔24を
通過し、陽極６と引出電極26との間に流入する。陽極６
と引出電極26との間には直流電圧が印加され、電場が生
じているので、この電場により第４図の矢印Ｅで示す方
向に引出電極孔27からイオン流が引出される。このと
き、イオン流とともに電離していない中性気体も分子ビ
ーム状となって真空室25内に流入する。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の気体イオン源では、上述したようにイオンの引出
電極は放電室の陽極に近接して設けられていた。このた
め、引出電極は放電室で生成した高温のプラズマからイ
オンを引出すので、得られるイオン流の温度は高く、イ
オンの無作為運動は大きかった。この無作為運動はイオ
ン流を加速して得られるイオンビームにおいても残存す
るので、電磁場を用いてビームを集束させ得る径には限
界があり、従来の気体イオン源を集束イオンビームなど
の超高輝度イオンビームに適用することは不可能であっ
た。

ところで、気体原子または気体分子に関する超高輝度イ
オンビームのイオン源としては、これまで、液体窒素あ
るいは液体ヘリウムで冷却した金属表面に凝固させた気
体原子・分子層からのイオンの電界放出を用いており、
引出されたイオン流の温度は低く、イオンの無作為運動
は小さいものの、気体イオン源と比較してイオン流量が
著しく少なくかつ装置も複雑であるという問題点があっ
た。

それゆえに、この発明は上述のような問題点を解消する
ためになされたもので、集束イオンビームなどの超高輝
度イオンビームに適用できる気体イオン源を得ることを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明にかかるイオン源は、弱電離気体発生手段によ
り弱電離気体を発生し、これを隔板に設けられている１
つの孔を経て、第１の真空室内に導入し、第１の真空室
内で超音速自由膨張させて、弱電離気体超音速自由膨張
流を形成し、この弱電離気体超音速自由膨張流における
気体温度の低下した領域に、それぞれが複数個の孔を有
する複数個の引出電極を設け、電場発生手段によって引
出電極間に電場を生じさせて、温度の低下したイオン流
を第２の真空室内に引出すようにしたものである。

［作用］ この発明における複数の引出電極は、第１の真空室内で
超音速自由膨張した弱電離気体の超音速自由膨張流にお
ける気体温度の低下した領域からイオン流を引出して、
第２の真空室内に導入する。第２の真空室内で気体はさ
らに膨張し、温度が低下するので、温度が極めて低いイ
オン流、すなわち無作為運動が極めて小さいイオンが得
られる。したがって、この気体イオン源は集束イオンビ
ームなどの超高輝度イオンビームに適用することができ
る。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略を示す図
である。まず、この一実施例のイオン源の概略の構成に
ついて説明する。第１図において、イオン源は放電室１
と真空室２と真空室３とを備える。放電室１は弱電離気
体を発生させるものであり、真空室２は放電室１で発生
した弱電離気体を超音速自由膨張させるためのものであ
り、真空室３は真空室２内で生じた超音速自由膨張流を
さらに膨張させるためのものである。したがって、真空
室２は放電室１よりも高真空に保たれ、真空室３は真空
室２よりも高真空に保たれる。たとえば、動作時の放電
室１は50Torr程度に、真空室２は10^-3Torr程度に、真空
室３は10^-6Torr程度に保たれる。

放電室１には陰極４と中間電極５と陽極６とが設けられ
る。中間電極５には中間電極孔７が設けられ、陽極６に
は陽極孔９が設けられる。また、放電室１にはキャリア
気体を導入するためのキャリア気体導入口10と試料気体
を導入するための試料気体導入口11とが設けられる。

真空室２は陽極６を介して放電室１に接し、かつ陽極孔
９により放電室１に通じる。陽極孔９の形状は円形でも
よく、また正方形あるいは長方形でもよい。真空室２に
は、排気のための真空引口12が設けられる。真空室２と
真空室３との間には、これら２つの真空室を隔て、かつ
真空室２内で形成される弱電離気体超音速自由膨張流か
らイオン流を引出すための一方の引出電極14aが設けら
れる。

真空室３には、排気のための真空引口13と他方の引出電
極14bとが設けられる。これらの引出電極14aおよび14b
には、イオンが通過するためのそれぞれ複数の引出電極
孔15aおよび15bが設けられる。引出電極14aおよび14bに
は図示しない直流電圧発生源から直流電圧が印加され
て、引出電極14a,14b間には電場が生じる。このような
引出電極は第１図に示すように２つの電極14a,14bから
構成されるものに限定されるものではなく、多数の電極
で引出電極を構成し、それらの電極間に電圧を印加して
電場を生じさせてもよい。

上述において説明したこの発明の一実施例の構成は、従
来の気体イオン源の欠点を解消したものである。すなわ
ち、従来のイオン源では第４図に示すように、引出電極
は隔板である陽極に近接して設けられているので、引出
電極と陽極との間に弱電離気体が充満し、弱電離気体は
超音速自由膨張流を形成するには至らない。そこで、こ
の発明では、放電室で得られた弱電離気体を第１の真空
室内で超音速自由膨張させるために引出電極を陽極から
十分離して設けるとともに、気体温度の低下した弱電離
気体超音速自由膨張流からイオン流を引出すために、引
出電極を複数の電極で構成しこれらの間に電界を与え、
引出したイオン流の温度をさらに低下させるためにさら
に第２の真空室内で気体を膨張させる。

次に、第１図に示すイオン源の具体的動作について詳細
に説明する。

放電室１と真空室２と真空室３とを所定の真空度にした
後、真空排気を行ないつつ、放電室１にキャリア気体導
入口10からキャリア気体を導入する。導入されるキャリ
ア気体はたとえばアルゴンガスである。ここで、陰極４
と中間電極５との間に直流電圧を印加すると、これらの
電極間にはグロー放電またはアーク放電が生じ、キャリ
ア気体は電離してプラズマが生成する。このプラズマは
中間電極孔７を通過して、中間電極５と陽極６との間に
流入する。流入したプラズマは試料気体導入口11から導
入される試料気体を電離する。導入される試料気体はた
とえばナトリウム蒸気である。

キャリア気体と試料気体のプラズマは陽極孔９を通過し
て、真空室２内に流入し超音速自由膨張する。第１図に
おいて、超音速自由膨張したプラズマの流れを矢印Ａで
示す。この超音速自由膨張流の領域を静寂領域（Zone o
f Silence）と称するが、この静寂領域16は樽形衝撃波
（Barrel Shock）17とマッハ円盤（Mach Disk）19とに
よって囲まれた領域である。

静寂領域16の外側には、樽形衝撃波17に近接してジェッ
ト境界（Jet Boundary）18が形成され、マッハ円盤19の
下流には反射衝撃波（Reflected Shock）20が形成され
る。第１図に示すマッハ円盤19と反射衝撃波20とは引出
電極14aおよび14bの存在の影響が無視できる場合におけ
る理想的な形状を示したものであり、実際には引出電極
によって乱れる。

静寂領域16では、プラズマは断熱膨張を行ない、下流に
移行するに従ってプラズマの密度，温度および粒子間の
衝突頻度は減少し電離度は凍結するが、プラズマの流速
は増加する。断熱膨張によるプラズマの密度は放電室１
内のプラズマ密度の1/1000程度に減少し、プラズマの温
度は放電室１内のプラズマ温度の1/100程度になる。し
たがって、放電室１内のプラズマが典型的なグロー放電
あるいはアーク放電により生成された場合、断熱膨張に
よるプラズマの温度は電子に関しては絶対温度2000〜10
00度に留まるものの、中性原子・分子やイオンなどの重
粒子に関しては20〜数度にまで低下する。

上述のマッハ円盤19は衝撃波であるので、マッハ円盤19
の下流では気体温度は上昇する。従って、静寂領域16内
の気体温度はマッハ円盤19の手前で最低になるので、イ
オン流の引出はこの領域で行なわれることが好ましく、
一方の引出電極14aはたとえばマッハ円盤19の10〜20mm
手前に設置される。

ところで、静寂領域16の形状および大きさは陽極孔９の
形状および大きさの、放電室１内の気体圧力および真空
室２内の圧力によって規定される。さらに静寂領域16内
の流れの性質は上述したように、下流にいくに従い気体
は膨張し、領域の断面積は大きく流速は速くなり、気体
の密度と温度は低下する。したがって、超音速自由膨張
流の静寂領域16からのイオン流の引出を真空室内の圧力
等の色々な条件の変化に対応して最適に保つためには、
引出電極を超音速自由膨張流に対して移動自在に設ける
ことが好ましい。このような移動自在な機構の概略を第
２図に示す。第２図において、たとえばパッキング22を
備えた真空室３の外壁31は真空室２の内壁21に嵌め込ま
れる。真空室３に設けられた引出電極14aおよび14bは内
壁21に対して外壁31を第２図に示す矢印ＣおよびＤ方向
に摺動することにより自在に移動できるので、条件に従
って、最適の位置でイオン流を引出すことができる。

第１図および第２図に示す引出電極14a,14bには直流電
圧が印加され、引出電極14aおよび14b間に電場が生じ
る。イオンは電場のベクトル方向に移動し、電子は電場
ベクトルの逆方向に移動する。これによりイオン流が引
出電極孔15aおよび15bを経て、真空室３内に引出され
る。引出電極14aおよび14b間の電場により引出されたイ
オン流を第１図において矢印Ｂで示す。引出電極14aお
よび14bにはそれぞれ複数の引出電極孔15aおよび15bが
設けられているので、イオン流を効率よく引出すことが
できる。引出されたイオン流を含む気体は真空室３内で
さらに膨張し、温度はさらに低下する。

ところで、静寂領域16内の超音速自由膨張流は引出電極
14aに衝突すると、一般に衝撃波を形成し、その下流で
気体の温度が上昇する。したがって、気体温度の上昇を
防止するために、引出電極はなるべく衝撃波を形成しな
い形状にすることが好ましい。第３図はこのような引出
電極の一例を示す拡大図である。第３図において、引出
電極14aは第３図において矢印Ａで示す超音速自由膨張
流に向って突出した先端部14cを有する。超音速自由膨
張流と先端部14cとが衝突して発生する衝撃波23は弱い
ので、気体温度の上昇は抑制される。

なお、上述の実施例では放電室１内のプラズマがグロー
放電あるいはアーク放電により生成される場合について
説明したが、放電室１内のプラズマはRF放電、電子衝撃
電離、レーザ誘起電離などの無電極放電により生成され
る場合でもよく、そのような場合にも上述の実施例と同
様の効果を奏する。

また、上述の実施例では真空室２と真空室３とが引出電
極14aにより隔てられているが、真空室２と真空室３と
の間に孔またはノズルが形成された隔板を設け、この隔
板により２つの真空室を隔て、かつ引出電極を真空室３
内に設けてもよい。この場合には、真空室２における弱
電離気体超音速自由膨張流は真空室３内でさらに十分膨
張するのでより一層低温の気体流が得られ、特に、引出
電極14a,14bを２つの真空室を隔てる隔板から下流側に
十分離して設置した場合には、真空室２と真空室３とを
引出電極14aで隔てる場合に比較してより低温の気体流
からより低温のイオン流を引出すことができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、それぞれが複数個の
孔を有する複数個の引出電極を、弱電離気体発生手段と
第１の真空室との間の隔板に形成された１つの孔を経て
第１の真空室内に形成されるプラズマの超音速自由膨張
流領域に設置し、超音速自由膨張により中性原子・分子
やイオンなどの重粒子の温度が絶対温度20〜数度にまで
低下したプラズマ流から、それぞれに複数個の孔が形成
された複数個の引出電極により第２の真空室にイオンを
引出すように構成したので、温度の低いすなわちイオン
の無作為運動の小さいイオン流を効率よく引出すことが
できる。したがって、この発明の気体イオン源は集束イ
オンビームなどの超高輝度イオンビームに適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略の構成を
示す図である。第２図は第１図に示す引出電極の移動機
構を示す図である。第３図はこの発明の一実施例のイオ
ン源において、発生する衝撃波の強度を弱めるように構
成した引出電極の一例を示す拡大図である。第４図は従
来のイオン源を示す図である。 図において、１は放電室、２は第１の真空室、３は第２
の真空室、４は陰極、５は中間電極、６は陽極、９は陽
極孔、14aおよび14bは引出電極、15a,15bは引出電極
孔、16は超音速自由膨張流の静寂領域を示す。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気体原子または気体分子を一部電離して弱
   電離気体を発生する弱電離気体発生手段と、 前記弱電離気体発生手段により発生された弱電離気体を
   超音速自由膨張させるための第１の真空室と、 前記弱電離気体発生手段と前記第１の真空室とを隔て、
   かつ前記弱電離気体発生手段により発生された弱電離気
   体を前記第１の真空室に導入するための１つの孔が形成
   された隔板と、 前記第１の真空室で超音速自由膨張した弱電離気体をさ
   らに膨張させるための第２の真空室と、 前記第１の真空室で超音速自由膨張することによって得
   られる気体温度の低下した弱電離気体超音速自由膨張流
   の存在領域に設けられ、それぞれに複数個の孔が形成さ
   れた複数個の引出電極と、 前記複数個の引出電極間に電場を発生させる電場発生手
   段とを備え、 前記複数個の引出電極に設けられている前記複数個の孔
   を経て、気体温度の低下した弱電離気体超音速自由膨張
   流から前記第２の真空室にイオンを引出すことを特徴と
   するイオン源。
2. 【請求項２】前記引出電極は、超音速自由膨張流に対し
   て移動自在に設けられることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のイオン源。
3. 【請求項３】前記弱電離気体発生手段は、グロー放電、
   アーク放電、RF放電、電子衝撃電離またはレーザ誘起電
   離を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載のイオン源。
4. 【請求項４】前記隔板に設けられる孔は円形であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
   れかに記載のイオン源。
5. 【請求項５】前記隔板に設けられる孔は、正方形または
   長方形であることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第３項のいずれかに記載のイオン源。