JP2007173069A - Electrode for extra-low-energy ion source - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for an extra-low-energy ion source capable of obtaining ion beams of a large current density at a lower voltage and easy to be made large in an area. <P>SOLUTION: An electrostatic acceleration electrode structure excellent in thermal deformation and voltage-withstanding performance is realized by using an electrode having a number of micropores of a diameter of around 0.1 to 3 mm processed on a thin metal-plate electrode and adopting a structure in which the metal-plate electrode is fixed through a thin electric insulator space (an insulating spacer). Further, with an electrode structure made of a plurality of metal-plate electrodes as one unit, uniform irradiation over a large area is made possible by combining these units. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、超低エネルギーイオン源用電極に関するものである。即ち、本発明によれば、数電子ボルトから数１００電子ボルトの低電圧イオンビームを大量に大面積で長時間にわたり安定に発生させることができる。   The present invention relates to an electrode for an ultra-low energy ion source. That is, according to the present invention, it is possible to stably generate a large amount of low voltage ion beams of several electron volts to several hundred electron volts over a long period of time.

従来、数電子ボルトから数１００電子ボルトのエネルギーのイオンビーム照射を行うためには、イオンビーム被照射物にバイアス電圧を印加してイオンビームエネルギーを減少させる等の手段が取られている。この方法では、被照射物に電圧を印加するため、被照射物近傍に生成する低エネルギーの空間プラズマ中のイオンが被照射物に不純物として付着する等の欠点を持っている。   Conventionally, in order to perform ion beam irradiation with an energy of several electron volts to several hundred electron volts, means such as applying a bias voltage to an ion beam irradiation object to reduce the ion beam energy have been taken. In this method, since a voltage is applied to the object to be irradiated, ions in the low-energy spatial plasma generated in the vicinity of the object to be irradiated adhere to the object as an impurity.

又、従来、静電加速法で低エネルギーイオンビームを生成するためには、細い針金を数十本並べて電極として利用する等の方法が提案されていたが、構造が複雑になるのと、ビームの収束性に問題があり、また熱変形に弱く、長時間安定にイオンビームを発生させることが困難であった。   Conventionally, in order to generate a low energy ion beam by the electrostatic acceleration method, a method of arranging dozens of thin wires as an electrode has been proposed, but the structure becomes complicated and the beam However, it is difficult to generate an ion beam stably for a long time.

本発明では、静電加速法で低エネルギーイオンビームを直接生成して被照射物に照射するため、被照射物に電圧を印加する必要がなく、より高純度の低エネルギーイオンビームの照射が可能となる。   In the present invention, since the low energy ion beam is directly generated by the electrostatic acceleration method and irradiated onto the irradiated object, it is not necessary to apply a voltage to the irradiated object, and irradiation of a higher purity low energy ion beam is possible. It becomes.

また、低エネルギーのイオンビームを大面積で長時間安定に引き出すことは困難であったが、本発明によりそれが可能となる。   Moreover, although it has been difficult to stably extract a low energy ion beam over a large area for a long time, the present invention makes it possible.

本発明は、薄い金属板電極に直径０．１ｍｍから３ｍｍ程度の微小孔を多数加工した電極を用いると共に、薄い電気絶縁体スペーサ（絶縁スペーサ）を介して金属板電極を固定するという構造を採用することにより、熱変形や耐電圧性能に優れた静電加速電極構造を実現した。   The present invention employs a structure in which a thin metal plate electrode is used in which a large number of micro holes having a diameter of about 0.1 mm to 3 mm are processed, and the metal plate electrode is fixed via a thin electric insulator spacer (insulating spacer). As a result, an electrostatic acceleration electrode structure excellent in thermal deformation and withstand voltage performance was realized.

本発明の電極構造は、図１に示されるように、減速電極と接地電極が加速電極から電気絶縁体を介して吊り下げられる簡素なものである。即ち、それぞれ中央部に複数の孔が設けられた加速電極、減速電極及び接地電極をそれらの孔を合わせて絶縁ボルトにより組み立てる。その組み立ての際に各電極間に複数枚の絶縁スペーサを挿入してその電極間隔を調整することができる。このような電極構造に電圧を印加することにより加速電極上に形成されたソースプラズマからイオンビームがそれらの電極に設けられた孔を通過して接地電極側に向かって発生する。   As shown in FIG. 1, the electrode structure of the present invention is a simple structure in which a deceleration electrode and a ground electrode are suspended from an acceleration electrode via an electrical insulator. That is, an acceleration electrode, a deceleration electrode, and a ground electrode each having a plurality of holes at the center are assembled with insulating bolts by combining the holes. During the assembly, a plurality of insulating spacers can be inserted between the electrodes to adjust the distance between the electrodes. By applying a voltage to such an electrode structure, an ion beam is generated from the source plasma formed on the accelerating electrode through holes provided in those electrodes and toward the ground electrode side.

本発明の電極構造においては、電極間の距離を０．５ｍｍ以下とすることも可能であり、より低電圧で大電流密度のイオンビームが得られる。更に、大面積化が容易である。電極構造が簡潔であるためイオン源の製作コストの大きな削減、メンテナンス性の向上を計ることができる。   In the electrode structure of the present invention, the distance between the electrodes can be 0.5 mm or less, and an ion beam with a lower voltage and a higher current density can be obtained. Furthermore, it is easy to increase the area. Since the electrode structure is simple, the production cost of the ion source can be greatly reduced, and maintenance can be improved.

図1に示されるように、本発明の静電加速電極は、一枚目の電極（加速電極）に複数の電気絶縁スペーサを挟み、次の電極（減速電極及び接地電極）を吊り下げる構造であり、従来の電極支持機構に比べて大幅な簡素化が実現できる。更に、例えば、電極間隔を０．３ｍｍとする場合、厚さ０．１ｍｍの電気絶縁スペーサを3枚重ねることで実現できるが、中央の絶縁スペーサの大きさを上下となる絶縁スペーサの外径より小さいものを使用することで、耐電圧特性の向上も期待できるため、より長時間連続、安定した静電加速電極の運転が可能となり、信頼性の向上が期待できる。この構造では各電極ごとの支持構造が不要となり、電極構造の大幅な簡素化が可能となる。   As shown in FIG. 1, the electrostatic acceleration electrode of the present invention has a structure in which a plurality of electrically insulating spacers are sandwiched between the first electrode (acceleration electrode) and the next electrode (deceleration electrode and ground electrode) is suspended. Yes, it can be greatly simplified compared to the conventional electrode support mechanism. Further, for example, when the electrode interval is 0.3 mm, it can be realized by stacking three electrically insulating spacers having a thickness of 0.1 mm, but the size of the central insulating spacer is larger than the outer diameter of the upper and lower insulating spacers. By using a small one, it can be expected that the withstand voltage characteristics can be improved, so that the operation of the electrostatic acceleration electrode can be performed continuously for a longer time and the reliability can be improved. With this structure, a support structure for each electrode is not required, and the electrode structure can be greatly simplified.

又、半導体デバイスなどの加工において、イオンビームを使用して表面の平滑化処理などを行う際には、デバイス母材へのイオンビームの熱影響を可能な限り少なくする必要があるため、より低エネルギーで大電流密度のイオンビームが要求される。このようなイオンビームを発生するイオン源では電極間の距離は１ｍｍ以下と非常に狭くすることが必要であるが、これまで提案されてきた構造は、電極構造が複雑となり、製作や組み立てが難しく、更に長時間安定して運転することが容易でなく、イオン源の製作コストも高くなるという欠点があった。   In addition, when processing the surface using an ion beam in processing semiconductor devices, etc., it is necessary to reduce the thermal influence of the ion beam on the device base material as much as possible. An ion beam having a large current density with energy is required. In such an ion source that generates an ion beam, the distance between the electrodes needs to be as narrow as 1 mm or less, but the structures proposed so far have complicated electrode structures and are difficult to manufacture and assemble. In addition, it is not easy to operate stably for a long time, and the production cost of the ion source is high.

更に又、本発明では、電極孔には、マルチアパーチャー方式を採用しているため、従来の針金型構造による電極を使用する方式よりも、収束性の良いビーム引き出しを行うことができる。   Furthermore, in the present invention, since the multi-aperture method is adopted for the electrode hole, it is possible to perform beam extraction with better convergence than a method using an electrode having a conventional wire mold structure.

さらに、各電極の大きさを一辺が数センチメートル程度の大きさとすることで、電極の熱ひずみを抑えることができ、かつ加速、減速、接地の各電極を組込んだ電極構造体をユニットとして、必要によりそのユニット数を増やすことで、長時間安定して大面積の均一な照射を行うことが可能である。即ち、複数の金属板電極からなる電極構造を一つのユニットとしてそのユニットを組み合わせることで大面積へ一様な照射を可能とする。   Furthermore, by making the size of each electrode about a few centimeters on a side, it is possible to suppress the thermal distortion of the electrode, and as a unit an electrode structure incorporating each electrode of acceleration, deceleration, and grounding If necessary, by increasing the number of units, it is possible to carry out uniform irradiation over a large area stably for a long time. That is, it is possible to uniformly irradiate a large area by combining an electrode structure composed of a plurality of metal plate electrodes as one unit.

本発明のイオン源用静電加速電極により、数十ボルトオーダーの超低エネルギーイオンビームによる表面処理が可能である。イオンビームによる半導体等の表面処理は、ますます用途が拡大しており、大面積への均一な照射が要求される。本発明の電極構造ではそれが可能であるため、大幅な製造コストの削減、品質の向上も期待されることから半導体製造プロセス等に展開使用が期待できる。したがって、本発明は、機能性薄膜の製造、新素材の開発、イオンビームによる表面処理、イオンプレーティング等の分野で使用される。   With the electrostatic acceleration electrode for an ion source of the present invention, surface treatment with an ultra-low energy ion beam on the order of several tens of volts is possible. The surface treatment of semiconductors and the like by ion beams has been increasingly used, and uniform irradiation over a large area is required. Since the electrode structure of the present invention can do this, it can be expected to be used in semiconductor manufacturing processes and the like because it can be expected to greatly reduce manufacturing costs and improve quality. Therefore, the present invention is used in the fields of functional thin film production, new material development, ion beam surface treatment, ion plating, and the like.

本発明の超低エネルギーイオン源用電極を示す図である。It is a figure which shows the electrode for ultra-low energy ion sources of this invention.

Claims (7)

複数の薄い電気絶縁体製スペーサを介して複数の金属板電極を支持する電極構造を有し、イオン源から静電加速法により数電子ボルトから数１００電子ボルトの低電圧イオンビームを大量に大面積で長時間にわたり安定に発生する超低エネルギーイオン源用電極。   It has an electrode structure that supports a plurality of metal plate electrodes via a plurality of thin spacers made of an electrical insulator, and a large amount of a low-voltage ion beam of several electron volts to several hundred electron volts is generated from an ion source by electrostatic acceleration. An electrode for an ultra-low energy ion source that generates stably over a long time in area. 金属板電極が厚さ０．１ｍｍから１ｍｍ程度の厚さを有する請求項１に記載の電極。   The electrode according to claim 1, wherein the metal plate electrode has a thickness of about 0.1 mm to 1 mm. 電気絶縁体製スペーサを複数枚重ねることにより、電極間隔を０．１ｍｍ単位で制御することが可能な請求項１又は請求項２に記載の電極。   The electrode according to claim 1 or 2, wherein an electrode interval can be controlled in units of 0.1 mm by stacking a plurality of spacers made of an electrical insulator. 複数枚重ねた薄い電気絶縁体製スペーサのそれぞれの大きさを制御することにより、長時間安定にイオンビームを発生すると共に電極の耐電圧特性を向上させる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電極。   4. The ion beam can be generated stably for a long period of time and the withstand voltage characteristics of the electrode can be improved by controlling the size of each of the thin spacers made of thin electrical insulators. The electrode as described. 金属板電極が直径０．１ｍｍから３ｍｍ程度の複数の孔を有することにより、大量に大面積の収束性の良いイオンビームを発生させる請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal plate electrode has a plurality of holes having a diameter of about 0.1 mm to 3 mm to generate a large amount of ion beam having a large area and good convergence. 電極構造が簡素であるため、金属板電極孔の位置合わせ及び電極間隔の設定による電極の組み立てを容易にできるメンテナンス性に優れた請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電極。   The electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrode structure is simple and has excellent maintainability that facilitates assembly of the electrode by positioning the metal plate electrode holes and setting the electrode interval. 複数の金属板電極からなる電極構造体をひとつのユニットとして、必要に応じてユニット数を選ぶことで、任意の照射領域を長時間安定して均一な照射を行うことが可能である請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電極。
2. An arbitrary irradiation region can be stably and uniformly irradiated for a long time by selecting an electrode structure composed of a plurality of metal plate electrodes as one unit and selecting the number of units as required. The electrode according to claim 6.