JP3550831B2 - 粒子線照射装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入やイオン照射などの薄膜形成に用いるイオン源装置あるいはプラズマ源装置において、特に大面積の基板の加工に適した粒子線照射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のイオン源装置の1例を、図11に示す熱フィラメントを用いたバケット型イオン源装置について説明する。
【0003】
同図において、1はイオン源装置の金属製の筐体、2は筐体1により形成され,プラズマを発生し,イオンを生成するためのプラズマ室、3はプラズマ室2に導入された熱フィラメント、4はフィラメント3の加熱用のフィラメント電源、5はプラズマ室2へのガス導入口、6は筐体1に絶縁体7を介して設けられたイオンビーム引き出し電極であり、加速電極8,減速電極9,接地電極10から構成されている。11は筐体1の外側に設けられた複数個の永久磁石であり、環状体ないしは棒状体から形成され、筐体1の内部にカスプ磁場を形成する。
【0004】
12はアーク電源であり、陽極が筐体1に,陰極がフィラメント電源4に接続され,筐体1にアノード電圧を印加する。13は加速電源であり、陽極が加速電極8及びアーク電源12の陰極に接続され、陰極が接地されている。14は減速電極9に負の電圧を印加する減速電源である。
【0005】
そして、フィラメント3はカソードとしての熱電子放出源であり、フィラメント電源4の抵抗加熱により高温に保持されて熱電子を放出し、その放出された熱電子がアーク電源12によって形成される直流電界により加速され、ガス導入口5から導入されたガス粒子を衝突により電離してプラズマ15を生成する。
【0006】
さらに、永久磁石11によりカスプ磁場が形成され、プラズマ15を閉じ込め、引き出し電極6のビーム引き出し作用により、プラズマ15中のイオンがイオンビームとなって引き出される。
【0007】
また、イオン源やプラズマ源の生成方法としては、このほかに高周波放電を利用する高周波イオン源、マイクロ波放電を利用するマイクロ波イオン源、一次プラズマを電子源とするプラズマカソード型イオン源、電子ビームを引き出して衝突電離させる電子ビーム励起型イオン源など様々なイオン源や、ビーム引き出し電極群を持たないプラズマ源がある。
【0008】
ところで、このようなイオン源やプラズマ源により大面積基板にイオンビームやプラズマを照射しようとした場合、基板サイズに伴ってイオン源やプラズマ源の照射面積を大口径にする必要があるため、装置が非常に大型となっている。
【0009】
そして、大型装置となった場合、特にイオン引き出し電極はビームを均一に引き出すために反りや歪を極限まで抑える必要があり、その加工が非常に難しくなる。
【0010】
特に近年求められているような1m四方以上の基板の照射となると、電極の加工難度とコストが飛躍的に上昇する。また、たとえ従来例のようにプラズマ閉じ込めにカスプ磁場を用いても、1m四方以上のイオン源やプラズマ源となると、均一にプラズマを生成することが困難であり、フィラメントの位置などに十分配慮する必要がある。
【0011】
さらに、これらイオン源やプラズマ源のサイズは、基板サイズや配置関係によって左右されるものであり、個々の要求に応じるため、これまで規格サイズを定めて量産化によって低価格化を図るなどは全く出来ない。
【0012】
そのため個々の装置に対して初期から設計が必要であり、設計費が軽減できず、また部品も共通化できないため高コストとなり、納期も非常に長くならざるを得ない。
【0013】
また、このような装置は、高コスト,特殊であるため、予備品を準備することができず、故障の場合、生産ラインが長期間停止してしまうという危険性を含んでいる。
【0014】
一方、特開平4−147972号公報(C23C 14/48)に記載されているように、広い面積に対応するため、イオンビーム発生装置を、複数台並設して照射することが発明されている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記公報に記載のように、装置を複数台併設した場合、装置の外形状が円形であるため、隣接する装置間に大きな隙間を生じ、デッドスペースとなり、有効にイオンビームを照射できないという問題点がある。
【0016】
本発明は、前記の点に留意し、種々の大面積の形状に対応し、照射面積の有効化を図るようにした粒子線照射装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の粒子線照射装置は、プラズマを発生しイオンを生成するプラズマ室と、前記プラズマ室に磁場を発生させる磁場発生手段と、前記プラズマ室で生成されたイオンを電界で引き出しイオンビームを生成する引き出し電極を備えたイオン源を、隣接して複数個配列したイオン源装置、
【0018】
あるいは前記引き出し電極のかわりに前記プラズマを試料台方向に拡散放出させるプラズマ放出口を備えたプラズマ源を、隣接して複数個配列したプラズマ源装置において、
【0019】
前記プラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を多角形状とし、かつ、前記磁場発生手段を隣接するイオン源あるいはプラズマ源と共有したものである。
従って、各イオン源あるいは各プラズマ源を隙間なく近接させることができ、デッドスペースを生じなく、大面積形状に対応でき、照射面積の有効化を図ることができる。さらに、個々のイオン源あるいはプラズマ源の構造を共通化することもでき、量産化効果により低価格化を図ることができる。しかも、共通化により予備として準備しておくことができ、故障時にも瞬時の交換が可能となる。
【0020】
かつ、磁場の印加手段が共用されるため、より低価格化を図ることができる。
【0021】
さらに、磁場発生手段としてイオン源あるいはプラズマ源に1個以上のコイルを設け、このコイルによってプラズマ室内に形成される磁場の方向を、隣接するイオン源あるいはプラズマ源に設けられたコイルによって当該プラズマ室内に形成される磁場の方向と、同一方向あるいは反対方向にしたものである。
【0022】
従って、前記磁場の方向を反対方向にすることにより、隣接するイオン源のコイルによって生じる磁場を有効に利用することができ、このことにより、コイルへの通電に要する電源の容量低減によるコストダウン及びコイル巻き数の減少によるスペースの低減が可能になる。
【0023】
また、逆に、前記磁場の方向を同一方向にすることにより、引き出し電極の近傍での磁場強度を小さくすることができ、引き出し電極の近傍への漏れ磁場によるビームの発散増加を抑えることができる。
【0024】
その上、複数のイオン源あるいはプラズマ源のプラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を同一としたものである。
従って、形状が同一であるため、量産化ができ、コストを一層低下させることができる。
【0025】
また、複数のイオン源あるいはプラズマ源の粒子線照射方向を、外広がりあるいは中央部寄りにしたものである。
従って、照射方向を外広がりにすることができ、低密度,大面積のイオンビームを形成することができ、また、照射方向を中央部寄りにすることにより、高密度,小面積のイオンビームを形成することができる。
【0026】
さらに、中央部の空間の外側に複数のイオン源あるいはプラズマ源を隣接して配列したものである。
従って、中央部にイオン源あるいはプラズマ源が配置されていないため、照射面積の中央部への照射の集中を避けることができ、均一に照射することができる。
【0027】
また、各イオン源あるいは各プラズマ源のイオン化ガス導入口と、ガス流量調整手段との間に、それぞれガスコンダクタンス調整手段を設けたものである。
従って、各イオン源あるいは各プラズマ源にそれぞれ高価なガス流量調整器を設ける必要がなく、1個のガス流量調整手段と複数個の安価なガスコンダクタンス調整手段とにより、個々のガス流量を調整でき、コストダウンを図ることができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図1ないし図10を参照して説明する。それらの図において、同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
【0029】
(形態1)
形態1を図1ないし図3について説明する。図1は複数個のバケット型イオン源を密接して配列した場合の断面図、図2Aは図1のSーS’線断面図、図2Bは図1のT矢視図、図3A及びBはそれぞれ各イオン源及び各プラズマ源からのビームプロファイルの形状を示している。
【0030】
断面正方形の筐体16に導入された熱フィラメント17を通電加熱して熱電子を放出させ、熱フィラメント17を負電位に、筐体16を正電位にして直流電界を印加することにより、プラズマ室18にプラズマ19を生成する。このプラズマ19中で生成されたイオンは、加速電極20,減速電極21,接地電極22からなるイオンビーム引き出し電極23によって形成される電界によって引き出され、イオンビームが形成され、筐体16および引き出し電極23により区切られる構成体が1個のイオン源を形成し、このイオン源が複数個碁盤の目のように配列されている。
【0031】
そして、プラズマ閉じ込め用のカスプ磁場は、永久磁石24によって構成され、図2Aに示すような磁力線25を形成し、各永久磁石24は隣接するイオン源と共用され、引き出し電極23は各イオン源にそれぞれ取り付けられており、加工が簡単,安価な小面積電極で構成されている。
【0032】
従って、小面積であるため、1個あたりのイオン源から引き出されるビーム照射面積は小さいが、全体で従来と同等以上の大面積イオンビーム照射が可能である。
【0033】
また、イオンビームの均一性は、図3AおよびBに示すように、個々のイオン源のビームプロファイル26が均一である場合、あるいはガウシアン形状のような場合、ともに、個々のイオン源の間隔を調整することにより、全体で均一な全体のビームプロファイル27を得ることができる。
【0034】
(形態2)
さらに、イオン源は、必ずしも図1のような構造に限らず、様々な構造が適用可能である。即ち、図4は、一般にカウフマン型イオン源といわれるイオン源を応用したものであり、磁力線25が図示するように軸方向に形成されている。この場合も永久磁石24は隣接するイオン源と共用されている。
【0035】
(形態3)
また、フィラメントを使用しないイオン源の代表例としてマイクロ波イオン源があり、図5はこれを応用した例を示し、導波管28によりマイクロ波を誘電体窓29を介し、磁場が形成されているプラズマ室18に供給している。
さらに、マイクロ波伝送方法としてアンテナの使用も可能である。
【0036】
(形態4)
また、図6に示すように、副プラズマ室(MPカソード)30でマイクロ波プラズマを生成し、これを電子供給源とするマイクロ波プラズマカソード(MPカソード)型イオン源、電子ビームを引き出してガスを衝突電離させ、プラズマを生成する電子ビーム励起型イオン源或いはプラズマカソード型イオン源など、様々なイオン源及びプラズマの生成方法がある。
【0037】
そして、本発明は、前記のような構造やプラズマの生成方法には全く影響を受けず、全て応用することが可能である。
【0038】
(形態5)
また、プラズマ室18内の磁場形成方法としては、永久磁石だけでなく、図7A,Bに示すように、コイル31を用いることも可能であり、図7Aは、隣接するイオン源とコイル31に通電する方向を逆方向にしたものであり、この場合、隣接するイオン源のコイル31によって生じる磁場を有効に利用することができる。このことは、コイル31の通電に要する電源の容量低減によるコストダウンや、コイル巻き数減少による無駄なスペースの低減が可能となる。また、図7Bは、逆に隣接するイオン源のコイル31と同方向に通電したものであり、この場合、イオンビーム引き出し電極23の近傍への漏れ磁場によるビームの発散増加を抑えることができ、引き出し電極23の近傍での磁場強度を小さくすることができる。即ち、コイル31の通電方向は目的によって選ばれる。
【0039】
一方、プラズマ源は、基本的にイオン源と引き出し電極が異なるだけであり、開口端あるいは1枚電極としているものが大半であり、イオン源と同様の本発明が適用できる。
【0040】
以上により大面積のイオン源あるいはプラズマ源が容易に実現できることを説明したが、配列方法によって様々な形状のイオン源あるいはプラズマ源が実現できる。
【0041】
即ち、図1,図2は角形のイオンビームを形成する場合のイオン源配列であるが、図8Aあるいは図8Bに示す配列にすることにより、円形あるいはリニア形のイオンビーム形成が可能である。
【0042】
また、個々のイオン源あるいはプラズマ源のサイズを規格化することにより、様々な形状の要求に答えながら、量産化によって大幅なコストダウンを図ることができ、納期も大幅に短縮することができる。これは部品の共通化と設計の大幅な単純化が可能になることによる。
【0043】
さらに、安価で同一形状のイオン源が実現できることから、予備のイオン源を複数個有することにより、故障時の瞬時の復旧が可能となり、装置の信頼性が向上する。
【0044】
また、図9A,Bに示すように、隣接するイオン源あるいはプラズマ源の間に角度を設けることができる。図9Aは粒子線の照射方向を外広がりにし、低密度,大面積のイオンビームを形成する場合であり、図9Bは粒子線の照射方向を中央部寄りにし、高密度,小面積のイオンビームを形成する場合であり、照射方向により様々なイオンビームを形成することができる。さらに、中央部に空間を形成し、その空間の外側に複数のイオン源あるいはプラズマ源を隣接して配列することも可能であり、この場合、中央部の高密度化を避けることができる。
【0045】
その上、イオン源あるいはプラズマ源の断面形状は、配列したときに実質的な照射面積が小さくならないように、即ち無駄な面積が極力少なくなるように、図2に示すような正方形状ないしは長方形状あるいは六角形状,三角形状など多角形状が望ましい。
【0046】
(形態6)
また、多数のイオン源へのガス導入手段として、各イオン源毎にガス流量調整器を設けると、きわめて高価になる。そこで、高価なガス流量調整器を可能な限り小数とする。即ち、図10に示すように、ボンベ32にバルブ33を介して設けられたガス流量調整手段としてのガス流量調整器34と、各イオン源あるいはプラズマ源の入り口との間に、それぞれニードルバルブなどの安価なガスコンダクタンス調整手段35を設ける。そして、各ガスコンダクタンス調整手段35により個々のガス流量を調整し、コストダウンを図ることができる。
【0047】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、つぎに記載する効果を奏する。
プラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を多角形状とすることにより、各イオン源あるいは各プラズマ源を隙間なく近接させることができ、デッドスペースを生じなく、大面積形状に対応でき、照射面積の有効化を図ることができる。さらに、個々のイオン源あるいはプラズマ源の構造を共通化することもでき、量産化効果により低価格化を図ることができる。しかも、共通化により予備として準備しておくことができ、故障時にも瞬時の交換が可能となる。
【0048】
かつ、磁場発生手段を隣接するイオン源あるいはプラズマ源と共有することにより、より低価格化を図ることができる。
【0049】
さらに、磁場発生手段としてイオン源あるいはプラズマ源に設けたコイルにより、プラズマ室内に形成される磁場の方向を、隣接するイオン源あるいはプラズマ源に設けられたコイルによって当該プラズマ室内に形成される磁場の方向と、反対方向にすることにより、隣接するイオン源のコイルによって生じる磁場を有効に利用することができ、このことにより、コイルへの通電に要する電源の容量低減によるコストダウン及びコイル巻き数の減少によるスペースの低減が可能になる。
【0050】
また、逆に、前記磁場の方向を同一方向にすることにより、引き出し電極の近傍での磁場強度を小さくすることができ、引き出し電極の近傍への漏れ磁場によるビームの発散増加を抑えることができる。
【0051】
その上、複数のイオン源あるいはプラズマ源のプラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を同一とすることにより、量産化ができ、コストを一層低下させることができる。
【0052】
また、複数のイオン源あるいはプラズマ源の粒子線照射方向を外広がりにすることにより、低密度,大面積のイオンビームを形成することができ、また、照射方向を中央部寄りにすることにより、高密度,小面積のイオンビームを形成することができる。
【0053】
さらに、中央部の空間の外側に複数のイオン源あるいはプラズマ源を隣接して配列することにより、照射面積の中央部への照射の集中を避けることができ、均一に照射することができる。
【0054】
また、各イオン源あるいは各プラズマ源のイオン化ガス導入口と、ガス流量調整手段との間に、それぞれガスコンダクタンス調整手段を設けることにより、各イオン源あるいは各プラズマ源にそれぞれ高価なガス流量調整器を設ける必要がなく、1個のガス流量調整手段と複数個の安価なガスコンダクタンス調整手段とにより、個々のガス流量を調整でき、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の要部の断面図である。
【図2】Aは図1のS−S’線断面図、Bは図1のT矢視図である。
【図3】A,Bはそれぞれビームプロファイルの形状図である。
【図4】本発明の実施の形態2の要部の断面図である。
【図5】本発明の実施の形態3の要部の断面図である。
【図6】本発明の実施の形態4の要部の断面図である。
【図7】A,Bはそれぞれ本発明の実施の形態5の要部の断面図である。
【図8】A,Bはそれぞれ本発明の配列の例示図である。
【図9】A,Bはそれぞれ本発明の照射方向の例示図である。
【図10】本発明の実施の形態6の略線図である。
【図11】従来例の概略図である。
【符号の説明】
18 プラズマ室
19 プラズマ
23 引き出し電極
Claims (8)
- プラズマを発生しイオンを生成するプラズマ室と、前記プラズマ室に磁場を発生させる磁場発生手段と、前記プラズマ室で生成されたイオンを電界で引き出しイオンビームを生成する引き出し電極を備えたイオン源を、隣接して複数個配列したイオン源装置、
あるいは前記引き出し電極のかわりに前記プラズマを試料台方向に拡散放出させるプラズマ放出口を備えたプラズマ源を、隣接して複数個配列したプラズマ源装置において、
前記プラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を多角形状とし、
かつ、前記磁場発生手段を隣接するイオン源あるいはプラズマ源と共有した粒子線照射装置。 - 磁場発生手段としてイオン源あるいはプラズマ源にコイルを設け、このコイルによってプラズマ室内に形成される磁場の方向を、隣接するイオン源あるいはプラズマ源に設けられたコイルによって当該プラズマ室内に形成される磁場の方向と、同一方向あるいは反対方向にした請求項1記載の粒子線照射装置。
- 複数のイオン源あるいはプラズマ源のプラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を同一とした請求項1または請求項2記載の粒子線照射装置。
- プラズマを発生しイオンを生成するプラズマ室と、前記プラズマ室に磁場を発生させる磁場発生手段と、前記プラズマ室で生成されたイオンを電界で引き出しイオンビームを生成する引き出し電極を備えたイオン源を、隣接して複数個配列したイオン源装置、
あるいは前記引き出し電極のかわりに前記プラズマを試料台方向に拡散放出させるプラズマ放出口を備えたプラズマ源を、隣接して複数個配列したプラズマ源装置において、
前記プラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を多角形状とし、
かつ、前記複数のイオン源あるいはプラズマ源の粒子線照射方向を、外広がりあるいは中央部寄りにした粒子線照射装置。 - 複数のイオン源あるいはプラズマ源の粒子線照射方向を、外広がりあるいは中央部寄りにした請求項1,2または請求項3記載の粒子線照射装置。
- プラズマを発生しイオンを生成するプラズマ室と、前記プラズマ室に磁場を発生させる磁場発生手段と、前記プラズマ室で生成されたイオンを電界で引き出しイオンビームを生成する引き出し電極を備えたイオン源を、隣接して複数個配列したイオン源装置、
あるいは前記引き出し電極のかわりに前記プラズマを試料台方向に拡散放出させるプラズマ放出口を備えたプラズマ源を、隣接して複数個配列したプラズマ源装置において、
前記プラズマ室外形状、あるいはイオン引き出し電極形状またはプラズマ源形状を多角形状とし、
かつ、中央部の空間の外側に前記複数のイオン源あるいはプラズマ源を隣接して配列した粒子線照射装置。 - 中央部の空間の外側に複数のイオン源あるいはプラズマ源を隣接して配列した請求項1,2,3,4または請求項5記載の粒子線照射装置。
- 各イオン源あるいは各プラズマ源のイオン化ガス導入口と、ガス流量調整手段との間に、それぞれガスコンダクタンス調整手段を設けた請求項1,2,3,4,5,6または請求項7記載の粒子線照射装置。
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