JPS63158729A - イオン源装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、室壁を貫通する小孔が設けられるとともに
室の内部に低気圧プラズマが生成されるプラズマ室と、
このプラズマ室の外部に前記小孔と対向して配されて該
プラズマ室との間に電界を形成し前記小孔からプラズマ
室内のイオンを引き出してイオンビームを形成するとと
もに該ビームを質量分析マグネットの直流磁界中に入射
するイオン引出し電極とからなるイオン源装置を備え、
前記質量分析マグネットによって選別された、特定の質
量とエネルギとを有するイオンのみを例えばシリコンウ
ェハの表面に注入するイオンビーム装置における前記イ
オン源装置の構成に関するものである。

〔従来の技術〕

第４因に前記イオン源装置を備えた従来のイオンビーム
装置の構成例を示す。内部に、以下に詳細を説明するよ
うな方法により低気圧プラズマが生成されるプラズマ室
１と、このプラズマ室に設けられた小孔１１と対向して
配され中央ＭＫ小孔もしくはスリットを有する金属板２
１．２２からなるイオン引出し電極２との間に形成され
た電界の作用により前記小孔１１から引き出されたイオ
ンはビームとなって金属板２１．２２の小孔もしくはス
リットを通過し、質盆分析マグネット３の直流磁界中へ
入射される。この入射されたイオンビームは紙面に垂直
な直流磁界の作用により、ｒ＝’−１丁ｍＶ／ｑなる曲
率半径で軌道を曲げられるから、ＢとＶが一定であれば
、特定の電向／質量比をもつイオンのみが選別されて質
量分析マグネット３から射出される。なお４はこの射出
されたイオンが注入されるターゲットたとえばシリコン
ウェハである。ここで、Ｂは直流磁界の強さ、ｍはイオ
ンの質量、■はイオン引出し電極２とプラズマ室１との
間に印加された電圧、ｑはイオンの電荷量である。

このような装置において、プラズマ室１とイオン引出し
電極２とは概ね第５図に示すように構成される。なお、
図において、イオン引出し電極はプラズマ室に近い金属
板２１で代表させて示している。プラズマ室１の内部に
おける低気圧プラズマの生成はつぎのように行なわれる
。すなわち、プラズマ室ＩＫイオン注入のための原料ガ
スを導入するとともに、プラズマ室内部で紙面に垂直に
配された熱陰極１１１を通電加熱して熱電子を放出させ
ると、この電子は熱陰極１１１に対してプラス側に課電
されたプラズマ室１に向かって進むから、この電子の進
行方向に垂直の方向すなわち熱陰極１１１と同じく紙面
に垂直の方向に磁界８円 電離し、プラズマ１１２を生成する。プラズマ室１には
小孔１１が設けられており、この小孔と対向して中央部
に小孔を有するイオン引出し電極としての金属板２１が
配されているから、この金属板とプラズマ室１との間に
高電圧Ｖを印加すると、プラズマ１１２からイオンが引
き出されてビームが形成され、ビーム電流工が得られる
。このようＫして引き出されるビーム電流工の大きさは
、Ｉ　ｏｃ　（１／ｄ）　・（１／ｍ）”！、Ｖ’２−
８−ｒなる弐に従う。ここで、ｄはプラズマ室１とイオ
ン引出し電極２もしくは金属板２１との間の間隔、ｍは
引き出されるイオンの質量、Ｓはプラズマ室の小孔１１
の面積、γはイオンビーム・の中和度である。従って、
従来のイオン源装置を用いて同一イオン種のイオンを大
量に引き出すためには、電極間距離ｄを小さくするか、
電極間電圧Ｖを大きくするか、小孔の面積Ｓを大きくす
るか、イオンビームの中和度γを大きくするか、または
これらの幾つかの組合わせが必要となる。なお、第６図
および第７図は第５図のＸ−Ｘ位置において矢印の方向
にみた図であり、第６図は第５図における小孔１１およ
び金属板２１の孔がともに円形の場合を、また第７図は
ともにスリット状の長孔の場合を示す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述のように、従来のイオン源装置を用いて同一イオン
種のイオンを大量に引き出してイオン注入の効率をあげ
ようとする際の各櫨方法の問題点はつぎの通りである。

まず、小孔の面積Ｓに関し、従来の小孔は直径の小さい
円形の細孔または幅の狭いスリット状の長孔が用いられ
、これにより、プラズマ室内でこの小孔前面に形成され
る無プラズマ領域を小さく抑え、この無プラズマ領域の
小孔側表面を安定化して、小孔から引き出されるイオン
の量が時間変化を生ぜず、連続して一定のイオンビーム
電流が得られるようにしている。この無プラズマ領域が
小孔前面に生ずる理由は、小孔の前面位置には熱陰極１
１１からの一気力線が存在せず、従って熱電子も小孔の
すぐ前面には到来せず、このため磁界Ｂをかけてもこの
位置では原料カスの電離が行なわれえないからである。

従って小孔の面積Ｓを大きくしてビーム電流を大きくし
ようとすると、小孔前面の無プラズマ領域が広がり、こ
の領域の小孔側表面の面積が増してこの表面の状態の安
定性が損われ、この領域を通過してイオンをプラズマ室
外へ引き出すときのイオン量が時間的に変化し、イオン
ビーム電流の定常性が損われる。従って小孔面積の拡大
によるイオンビーム電流の増大化には限度があり、実際
にはこの方法の効果は極めて小さい。

また、電極間距離ｄを小さくし、電圧■を大きくする方
法は、この両者によってきまる電界強度が、良好な絶縁
保持のためにおのずから制限をうけ、従ってこの方法の
効果にも限度がある。

この発明の目的は、小孔面積を増しても無プラズマ領域
の小孔側表面の安定性が損われず、かつ、よシ面積の大
きい小孔から引き出されたイオンビームの収束性を良好
ならしめ、もってイオンビーム電流の増大化によるイオ
ン注入効率の向上を可能ならしめ９るイオン源装置を提
供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明によれば、室壁を貫
通する小孔が設けられるとともに室の内部に低気圧プラ
ズマが生成されるプラズマ室と、このプラズマ室の外部
に前記小孔と対向して配されて該プラズマ室との間に電
界を形成し前記小孔からプラズマ室内のイオンを引き出
してイオンビームを形成するとともに該ビームを質量分
析マグネットの直流磁界中に入射するイオン引出し電極
とからなるイオン源装置において、前記小孔を複数の細
孔の集合として形成するとともに該複数の細孔をとり囲
み前記イオン引出し電極側へ向かって斜めに広がるテー
パ面をプラズマ室に形成するものとする。

〔作用〕

このように、プラズマ室の小孔を複数の細孔の集合とし
て形成することにより、プラズマ室内でそれぞれの細孔
前面に形成される無プラズマ領域を従来の小孔前面の無
プラズマ領域と同等以下の大きさとしなから細孔の総面
積を従来の小孔面積より大きくすることができ、引き出
される、より大きいイオンビーム電流の定常性を維持す
ることができる。一方、当然のことながら、小孔を複数
の細孔の集合として形成することから、細孔が存在する
領域の面積が従来の小孔が占める面積より大きくなり、
このままでは、引き出されたイオンビームの収束性が従
来より悪くなる。そこで本発明では、この複数の細孔を
とり囲みイオン引出し電極側へ向かって斜めに広がるテ
ーパ面をプラズマ室に形成し、プラズマ室とイオン引出
し電極との間に形成される電気力線束がプラズマ室から
イオン引出し電極に向かって収束するようにし、−斜と
を適当に設定することにより、所定のイオンビーム走行
距離以内で簡易にイオンを収束させようとするものであ
る。

示す。この実施例においては、プラズマ室１０の小孔１
０１が円形の細孔１０１ａの集合として形成されている
。この細孔１０１ａの直径は従来の円形小孔の直径と同
等とし、プラズマ室内でこの細孔１０１ａの前面に形成
される無プラズマ領域を従来の円形小孔の前面に形成さ
れる無プラズマ領域と同等の大きさとしてこの領域の細
孔側表面の状態の安定性を確保し、細孔の総面積のみが
所望のイオンビーム電流に対応した大きさになるような
細孔の数としてイオンビーム電流の増大化に応えている
。従ってプラズマ中のイオンはこれらの細孔から安定に
時間変化なく引き出されて安定なイオンビームを形成す
る。一方、このようにして形成されたイオンビームは、
細孔が設けられた領域の面積に対応して太さが大きくな
るから、この複数の細孔をとり囲み金属板２０１側へ向
かって斜めに広がるテーパ面１０２をプラズマ室に形成
し、このテーパ面を含むプラズマ室と金属板２０１との
間に形成される電気力線束を、プラズマ室側から金属板
側へ向かって収束せしめ、イオンが電気力線束に沿って
走行しようとする性質を利用してイオンビームの収束を
図っている。このため、このテーパ面１０２の長さと傾
斜、特にイオン引出し方向の深さは、引き出されたイオ
ンが所定の走行距離以内で収束するよう、複数の細孔が
占める領域の大きさに応じて加減するものとする。

第３図は本発明の第２の実施例を示すもので、第１図に
おける小孔１０１がスリット状の長孔である場合を示す
。この場合にも、それぞれの長孔１０１ｂの幅は従来と
同等の幅としてプラズマ室内の無プラズマ領域を小なら
しめ、互いに平行に整列した長孔の総面積のみが所望の
イオンビーム電流に対応した大きさになるような長孔の
数としてイオンビーム電流の増大化に応えている。従っ
てプラズマ中のイオンはこれらの長孔から安定に時間変
化なく引き出されて安定なイオンビームを形成する。一
方、このようＫして形成されたイオンビームの幅は長孔
の数に対応して大きくなるから、平行に整列した長孔を
その長辺と短辺とにそれぞれ平行にとり囲んでイオン引
出し電極側へ斜めに広がるテーパ面を形成することによ
りイオンビームの収束を図っている。この場合にもテー
パ面のイオン引出し方向の深さは、平行に整列した長孔
の占める領域の大きさに応じて加減する。なお、この加
減の範囲は、ビームの収束性と装置の経済性とから、小
孔が円形細孔の集合として形成されている場合はその集
合径の、また長孔の集合として形成されている場合はそ
の集合短辺の２〜４倍とすることが望ましい。

さらに、小孔を長孔の集合として形成する場合には、長
孔の長手方向を質量分析マグネットの磁界方向と一致さ
せてビームの半径方向の幅を小さくシ、これによりマグ
ネットの分解能を高めることができるから、ビーム電流
が従来と同一であれば、分解能をさほど低下させること
なくマグネットの磁極間距離を小さくすることができ、
起磁力の小さい小形のマグネットの使用が可能になるた
め、イオンビーム装置全体が小形化されるというメリッ
トが生ずる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、（１）プラズマ
室からイオンを引き出すための小孔を複数の細孔の集合
として形成したので、プラズマ室内でそれぞれの細孔前
面に形成される無プラズマ領域の細孔側表面の状態が安
定化され、この表面から引き出されるイオンの量が時間
変化を生じない。このためプラズマ室のイオン引出し面
積金大きくしてイオンビーム電流を増大させても、電流
値の時間的変動のない安定したイオンビームを得ること
ができる。

（２）複数の細孔をとり囲みイオン引出し電極側へ向か
って斜めに広がるテーパ面をプラズマ室に形成したので
、前記複数の細孔から引き出された複数条ノイオンビー
ムが所定のイオン走行距離以内で簡易かつ効果的に１本
の細い、もしくは扁平なビームに収束され、イオンビー
・ム電流の増大化によるイオン注入効率の向上が容易に
可能となる。

またテーパ面によるイオンの収束は極めて効果的に行な
われるから、比較的低い電極間電圧により大きいイオン
ビーム電流を得ることができ、電圧電源の小形化が可能
になる。

などの効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるイオン源装置の構成を示
す縦断面図、第２図は第１図の実施例に示すプラズマ室
小孔（１０１）の形成の仕方の一例を示すプラズマ室小
孔側正面図、第３図は同じくプラズマ室小孔の形成の仕
方の第２の例を示すプラズマ室小孔側正面図、第４図は
本発明が対象とするイオン源装置を備えた従来のイオン
ビーム装置の例を示す装置構成図、第５図は第４図にお
けるイオン源装置の拡大縦断面図、第６図は第５図にお
けるプラズマ室小孔（１１）の第１の例を示すプラズマ
室小孔側正面図、第７図は同じくプラズマ室小孔の第２
の例を示すプラズマ室小孔側正面図である。 １．１０・・・プラズマ室、２・・・イオン引出し電極
、１１゜１０１−・・小孔、ｌｌａ、ｌｌｂ、１０１ａ
、１０１ｂ−細孔、２１゜２２．２０１・・・電極板、
３・・・質量分析マグネット。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第。図　　　　　第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）室壁を貫通する小孔が設けられるとともに室の内部
   に低気圧プラズマが生成されるプラズマ室と、このプラ
   ズマ室の外部に前記小孔と対向して配されて該プラズマ
   室との間に電界を形成し前記小孔からプラズマ室内のイ
   オンを引き出してイオンビームを形成するとともに該ビ
   ームを質量分析マグネットの直流磁界中に入射するイオ
   ン引出し電極とからなるイオン源装置において、前記小
   孔が複数の細孔の集合として形成されるとともに該複数
   の細孔をとり囲み前記イオン引出し電極側へ向かって斜
   めに広がるテーパ面がプラズマ室に形成されたことを特
   徴とするイオン源装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置において
   、プラズマ室の小孔を形成する複数の細孔はそれぞれ円
   形の孔であることを特徴とするイオン源装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置において
   、プラズマ室の小孔を形成する複数の細孔は互いに平行
   に整列するスリット状の長孔であることを特徴とするイ
   オン源装置。 ４）特許請求の範囲第３項記載のイオン源装置において
   、スリット状長孔の長さ方向が質量分析マグネットの直
   流磁界の方向と一致せしめられていることを特徴とする
   イオン源装置。