JP5645178B2 - 高密度ワイドリボンイオンビーム生成のための小型プラズマソース - Google Patents

Description

イオン注入機は、集積回路（ＩＣ）の製造に広く使用されており、通常シリコンからなる半導体ウェハに、ｐ型又はｎ型ドーピングを行うことにより様々な導電率の領域を形成する。このようなデバイスでは、ドーパントのガスをイオン化するのに、プラズマソースが使用される。ソースから抽出された正イオンビームは、所望のエネルギーに加速され、質量フィルタでフィルタされた後、ウェハに向かう。イオンがウェハに衝突すると、（イオンの運動エネルギー及び質量に応じて）イオンが、一定の深さまで進入し、ウェハに、（ドーパントの元素濃度に応じた）様々な導電率の領域が形成される。領域のｎ型ドーピング又はｐ型ドーピングの性質と、ウェハ上の幾何学的形状によって、例えば、トランジスタにおけるＮＰＮ接合又はＰＮＰ接合といった機能が規定される。このようなドープ領域を多数接続することにより、ウェハを複雑なＩＣへと転換することができる。

イオンビーム電流の量は、プラズマソースからのイオン抽出率から求めることができ、次の式（１）のように表される。

ここで、Ａ＝ｈ_０×ｗ_０は、抽出開口の断面積であり（ｈ_０及びｗ_０はそれぞれスリットの高さ及び幅である）、ｎ_ｓｉはプラズマシース縁におけるイオン密度（電子バルク密度ｎ_ｅの約０．６１倍）であり、Ｖ_Ｂ＝（ｋ_ＢＴ_ｅ／ｍ_ｉ）^１／２はボーム速度である（ｋ_Ｂ、Ｔ_ｅ、ｍ_ｉはそれぞれ、ボルツマン定数、電子温度、及び、イオン質量である）。同じイオン種に対するイオンボーム速度は、電子温度の平方根で変化し、プラズマ操作パラメータの関数の中でも影響は僅かなので、達成可能なプラズマ密度は、イオンソースの設計において重要な特性である。従来技術では、イオンソースとして利用可能な程度に十分なプラズマ密度を有するのは限られた数のプラズマソースしかないことが分かっている。ある実施形態では、バーナス（Bernas）ソースのようなアーク放電によりプラズマが形成される。タングステンフィラメントからの熱イオン放射によって生成された電子のフラックスを使用して、高いアークプラズマ密度が生成及び維持される。フィラメントがプラズマに晒されることによる悪影響を低減させてソースの寿命を延ばすことを目的として、傍熱陰極（indirectly heated cathode：ＩＨＣ）のようなアーク型放電を使用する実施形態では、必要な電子は、傍熱陰極からの熱イオン放射によって供給される。

アーク型のプラズマソースは、引き出しビーム電流を許容量生成できるので、現在の半導体産業におけるイオン注入機の多くでイオンソースとして使用されている。しかしながら、アーク型のプラズマソースは、拡張性に限界がある。式（１）に示されるように、イオンビーム電流を増加させるのに使用可能な別の因子は、引き出しスリットの断面積である。矩形状の引き出しスリットが使用されるリボンビームの場合、収差の影響を低く抑えるには幅の狭い引き出しスリットが必要となることから、スリットの高さが引き出し光学系によって制限されることとなる。通常、スリットの高さは、数ミリメートルである。広い空間に渡って均一な密度を有するプラズマを生成するには、利用可能なプラズマソースによってスリットの幅が制限される。プラズマの均一性を改善させるべく、外部の磁場を使用したとしても、アーク放電型のイオンソースは、９０ｍｍより大きなスリット幅を有する装置において十分な均一性（＜５％）を提供することができない。現在のシリコンウェハ産業で標準的な３００ｍｍの直径のウェハにイオン注入を可能とするべく、イオンビームを拡大する必要があるが、そのプロセスでは、ビーム電流の多大なロスが発生することが予想される。高スループット太陽電池への適用又は次世代の４５０ｍｍ直径のウェハ規格に対しては、ワイドリボンイオンビーム、及び、少なくとも４５０ｍｍにわたって良好な均一性を有するプラズマソースを開発する必要がある。

１つの候補として、誘導結合プラズマソース（ＩＣＰ）がある。プラズマがアーク電極に拘束されるアーク放電とは異なり、ＩＣＰの放電では、ＲＦ電源からの電力がアンテナを介して処理ガスと結合することによりプラズマが生成される。アンテナを流れる高ＲＦ電流ｉ（ｔ）は、式（２）に示すように、時間変化する磁場Ｂ（ｔ）を生じさせる。

これは、式（３）に示すマックスウェルの第３の電気力学法則に従う。

磁場は、アンテナの近傍に位置する空間領域に強い電場Ｅを生じさせる。このように、電子は、誘起された電場からエネルギーを取得し、電離衝突によって、気体の原子及び／又は分子をイオン化することができる。アンテナを流れる電流が（印加されたＲＦ電力に比例して）増加すると、誘起される電場及び電子が得るエネルギーも、同様に増加する。通常、このようなＲＦソースからプラズマ電子への電力の移動は、オーム加熱（衝突加熱）、又は、確率的加熱（無衝突加熱）により、ＲＦ窓の近傍における表皮深さの層内で発生する。衝突が多いプラズマの場合、この層の厚みは、次の式（４）で求められる。

ここで、ω＝２πｆは、ＲＦパルス（ｆはＲＦ周波数）であり、μ_０＝４π×１０^−７Ｈ／ｍは、真空の透磁率であり、ｄｃプラズマ導電率σは、次の式（５）によって定義される。

ここで、ｎ、ｅ、ｍ_ｅ及びν_ｃはそれぞれ、電子密度、電荷、質量及び衝突周波数である。約１０^１１ｃｍ^−３という典型的なＩＣＰプラズマ密度の場合、表皮層の厚みは、典型的には、数センチメータである。

従来技術で説明されているＩＣＰソースの多くは、シリンダ形状をしている。図１Ａには、従来のＩＣＰプラズマソース１００の断面が示されている。誘電体シリンダ１０１は、好ましくは、低圧ガスを収容するのに使用され、ＲＦ電力伝送を可能としている。シリンダは、２つの金属フランジ１０２及び１０３により、その２つの解放端で真空に密閉されている。正しく機能させるために、質量流量制御部、真空弁及び真空ポンプを備えるガスフローガスポンプシステム（図示せず）により、誘電体シリンダ１０１内のガス圧を２０ｍＴｏｒｒ未満に維持してもよい。近位フランジ１０２は、所望の処理ガスを一定の流量でプラズマチャンバ１０５に供給する供給口１０４を有する。ＲＦアンテナ１０６は、誘電体シリンダ１０１の周りにきつく巻きつけられている。誘電体シリンダ１０１は、パイレックス（登録商標）、水晶又はアルミナのような任意の好適な材料によって形成することができる。別の実施形態では、螺旋状のアンテナが、円形の誘電体窓及び金属のシリンダと共に使用される。ＲＦアンテナ１０６は、ＲＦ電源（図示せず）から電力を得る。可変プラズマインピーダンスとのＲＦ整合は、整合回路（図示せず）によって達成される。ＲＦアンテナ１０６によって自由電子に移送されるエネルギーは、チャンバ１０５内のガスをイオン化するのに使用される。遠位フランジ１０３は、ポンプポート１０８を介して真空排気を可能にする大きな開口部１０７を有する。絶縁ブッシング１１０によってフランジ１０３と電気的に絶縁される第２真空チャンバ１０９は、イオンビームを引き出しするのに使用される光学系１１１を収容する。引き出し電極は通常、シリンダ形状プラズマチャンバ１０５の端部であって、誘電体シリンダ１０１の直径に沿って配置される。

この配置の欠点としては、プラズマが半径方向に不均一となる、すなわち、プラズマ柱が放電軸において非常に尖鋭した密度プロファイルを有することが挙げられる。半径方向に沿ってプラズマ密度プロファイルが不均一になる特性により、大きな面積でプラズマ処理が必要となる配置への適用が限定されてしまう。図１Ｂに示すように、プラズマ密度は、プラズマチャンバ１０５の中央でピークとなり、誘電体シリンダ１０１の壁面に向かって急激に減少する。イオン注入の場合、このような密度プロファイルは、数センチメータの直径を利用する小さなスポット状のビームに利用する場合に適している。しかしながら、大きなイオン注入スループットを必要とする場合には、幅が広く且つ高電流密度のリボンイオンビームが望ましい。半径方向の不均一性を改善させるべく、拡散チャンバと共に使用したとしても、このようなプラズマソースは、５００〜６００ｍｍの直径にわたって適切なプラズマ密度（約１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−３）を生成するのに大きな電力を必要とする。

したがって、ＩＣＰプラズマソースにより生成される相対的に高いプラズマ密度を効率的に利用可能であって、幅が広く均一なリボンイオンビームを生成可能なイオンソースが、イオン注入の観点から有益である。

上記のような従来技術の問題を解決するべく、本開示では、ＩＣＰプラズマソースを利用した幅が広く均一なリボンイオンビームを生成可能なイオンソースについて記載する。従来のＩＣＰソースとは異なり、本開示では、シリンダ形状でないＩＣＰソースについて記載する。本開示では、ビームが引き出される方向に沿った寸法である幅が、高さよりも大きいようなソースについて記載する。ソースの奥行きは、アンテナからプラズマへと移送されるエネルギーを最大にすると同時にイオンビーム引き出し領域において良好なプラズマ均一性を得るのに十分な長さの拡散距離が得られるように規定されてもよい。このように設計することで、最適なＲＦ電力堆積を可能とする小さなフォームファクター（プラズマチャンバの奥行きと、チャンバの高さ及び幅の幾何平均との比として規定される）を有するプラズマソースを得ることができ、その結果、高いプラズマ密度（約５×１０^１１〜１０^１２ｃｍ^−３）を実現できる。

従来技術のＩＣＰソースを示した図である。 図１Ａに示したプラズマソースの半径方向のプラズマ密度プロファイルを示した図である。 一実施形態に係るＩＣＰプラズマソースの鉛直断面を示した図である。 一実施形態に係るＩＣＰプラズマソースの水平断面を示した図である。 一実施形態に係るＩＣＰプラズマソースの正面図である。 一実施形態に係る１つの引き出しスリットを有するＩＣＰプラズマソースの端面図である。 別の実施形態に係る３つの引き出しスリットを有するＩＣＰプラズマソースの端面図である。 軸方向のカスプ磁場の配置と共に、第２実施形態に係るＩＣＰプラズマソースの鉛直断面を示した図である。 軸方向のカスプ磁場の配置と共に、第２実施形態に係るＩＣＰプラズマソースの水平断面を示した図である。 軸方向のカスプ磁場の配置と共に、第２実施形態に係るＩＣＰプラズマソースの正面を示した図である。 カスプ配置における磁力線と共にマグネット及びスペーサの移動を示した図である。 チャンバ壁に垂直な方向におけるプラズマチャンバへの磁場進入深さを示した図である。 プラズマチャンバにおいて磁場が存在しない範囲を示した図である。 ＢＦ３プラズマの場合の引き出されたイオンビーム電流を示した図である。 ＰＨ３プラズマの場合の引き出されたイオンビーム電流を示した図である。

図２Ａ〜２Ｄには、本開示に係るＩＣＰプラズマソース２００の主な構成要素が示されている。図２Ａには、プラズマソース２００の中心を通過する鉛直方向断面（ｙｚ面）が示されている。好ましくは、アルミニウムで形成されたチャンバ本体２０１を使用して、低圧ガスを収容し、プラズマの生成を行う。ある実施形態では、チャンバ本体２０１は、１５０ｍｍの高さ（ｈ）及び１４０ｍｍの奥行き（ｄ）を有してもよい。ソース２００の前面は、チャンバ本体２０１に対して真空密閉された誘電体窓２０２を含む。誘電体窓２０２は、水晶、アルミナ、アルミニウム酸窒化物（ａｌｏｎ）、サファイア、又は、その他の好適な誘電体材料から形成可能である。誘電体窓２０２の厚みは、窓を構成する材料が、約２００℃から３００℃の熱応力の下で約１ａｔｍの圧力差を維持可能な厚みとして計算されてもよい。ある実施形態では、２．５ｃｍの厚みの水晶の窓が使用され、別の実施形態では、１９ｍｍの厚みの９８％アルミナの窓、又は、８ｍｍの厚みのサファイアの窓を使用することができる。平面スパイラルアンテナ２０３は、誘電体窓２０２に平行に近接して位置し、ＲＦ電源（図示せず）からのエネルギーを電子に結合させ、チャンバ本体２０１内のガス分子を解離させてイオン化させる。平面スパイラルアンテナ２０３は、好ましくは、冷却を可能とする銅管から形成される。５０ΩのＲＦ電源の出力インピーダンスと、可変プラズマインピーダンスとの整合は、整合回路（図示せず）によって達成される。

（誘電体窓２０２に対向する）プラズマチャンバ後壁２１７は、ビーム引き出しスリット２０５を含む面板２０４を収容するスロットを有する。引き出しスリットは、好ましくは、鉛直方向の中央線２１３に設けられる。プラズマチャンバ本体２０１、誘電体窓２０２及び後壁２１７は、チャンバ２１８を規定している。拡大図に示されるように、プラズマエッジ効果を防ぐべく、プラズマチャンバの開口２０６は、引き出しスリット２０５よりも高くなっている。プラズマソース２００は、大きな真空チャンバ（図示せず）に搭載され、高温フルオロカーボンＯリング２０７を使用して真空密閉されている。処理ガスの流れは、質量流量制御部によって制御されて、共通の入力ガスラインに送られる。ある実施形態では、チャンバ本体２０１の上部及び下部に対称に配置された２つのガス供給口２０８を介して、ガスがプラズマチャンバ本体２０１に導入される。これらのガス供給口２０８は、ｚ方向に誘電体窓２０２から、例えば、５センチメータ離れた距離に配置される。ある実施形態では、真空排気は、引き出しスリット２０５を介して行われる。一実施形態において、上記で説明した供給−排気の構成により、プラズマソース２００内に均一なガス分布を実現することができる。

図２Ｂには、プラズマソース２００の水平断面が示されている。この実施形態では、ガス供給口２０８は、プラズマチャンバ本体２０１の幅（ｗ）に沿った中央に配置されている。別の実施形態では、ガス供給口２０８は、水平方向中央線２１４について対称に上部及び下面部に位置している。更なる別の実施形態では、３つ以上のガス供給口２０８が使用される。また別の実施形態では、これらのガス供給口２０８は、プラズマチャンバ本体２０１の幅にほぼ等しい範囲において対称に且つ均一に分布するように位置する。すなわち、ガス供給口２０８は、ｘ方向に等しい間隔で設けられる。

ガスを適切に解離させてイオン化させるために、プラズマソース２００内のガス圧は、好ましくは、１ｍＴｏｒｒから９９ｍＴｏｒｒの範囲に維持する。圧力監視のために、バラトロン（Baratron）（登録商標）又はピラニ（Pirani）（登録商標）のような圧力計は、好ましくは、ポート２０９を使用してチャンバに接続される。チャンバ内のガス圧は、ガス流量及び引き出しスリット２０５のコンダクタンスによって制御される。別の実施形態では、独立した圧力制御を行うべく、２つの大きな真空コンダクタンス排気ポートが、ソース側壁に設けられる。

図２Ｃには、プラズマソース２００の正面図が示されている。明瞭に図示するために、一部省略されている部分がある。この実施形態では、長いスパイラル状のアンテナ形状にほぼ沿って、チャンバ本体２０１の角部分がテーパ状になっており、本体が８角形の形状となっている。別の実施形態では、チャンバ本体２０１は、細長い楕円形状であってもよく、対向する端部に半円筒を有する矩形の直方体であってもよい。更に別の実施形態では、チャンバ本体２０１は、任意の横長又は縦長の形状であってもよく、２つの直交する方向の寸法のうち一方が他方より大きい形状であってもよい。

ソレノイドアンテナとは異なり、この配置では、誘電体窓面に対して誘起される電場が平行になる。その結果、電子は、ｘ方向に平行な方向に加速される。巻いているアンテナの真っ直ぐな部分は、引き出しスリットの方向と平行であり、スリットの幅（waist）よりも長いので、引き出しスリットが位置するスパイラルの範囲におけるｘ方向に沿って、プラズマ密度が均一になると期待できる。

図２Ａ〜２Ｂに示すように、引き出しスリット２０５はｘ方向に沿っており、鉛直方向の中央線２１３に沿って対象的にチャンバ本体２０１の上壁及び下壁から間隔を空けて設けられている。引き出しスリット２０５の位置は、プラズマチャンバ本体２０１の端面図である図２Ｄで確認することができる。所望の引き出された電流の線密度の値、及び、利用可能な引き出し光学系に応じて、引き出しスリット２０５の高さは、約２〜５ｍｍの間であってもよい。引き出しスリット２０５の幅は、プラズマソース２００から引き出されるリボンビームの幅によって決定される。４５０ｍｍ直径のウェハにイオン注入を行うには、少なくとも５００ｍｍの幅を有するリボンイオンビームを使用してもよい。

陽イオンの引き出しを可能とするべく、プラズマチャンバ本体２０１は、高電圧ＤＣ電源（図示せず）によって正の電位に電気的にバイアスされる。図１Ａに示したような様々な電位の電極のセットを含む引き出し光学系を、プラズマソース２００と組み合わせて使用してもよい。一実施形態では、図２Ｄに示すように、イオンビームを引き出すのに、１つの引き出しスリット２０５が使用される。別の実施形態では、引き出される電流及び／又は複数ラインの注入を増加させる目的から、複数のビームレットを引き出すべく、図２Ｅに示すように、複数の引き出しスリット２０５ａ−ｃが使用される。

高いプラズマ密度及び良好な均一性を得るべく、磁気マルチカスプ閉じ込め構造を使用してもよい。図２Ａ〜２Ｅには、方位マルチカスプ配置を示した図である。永久磁石であってもよい複数のマグネット２１０及び複数のスペーサ２１１のアレイが、チャンバ本体２０１を取り囲む。マグネット２１０は、矩形状の断面を有してもよい。ある実施形態では、マグネット２１０は、９．５×９．５ｍｍ２の断面積を有し、長手方向の寸法が１５７ｍｍである。マグネット２１０は、Ｓｍ−Ｃｏ（サマリウム−コバルト）のような、約３５０℃までの耐熱性を有する磁性材料で形成されていてもよい。スペーサ２１１は、マグネット２１０間に位置し、アルミニウムのような非磁性材料で形成されている。マグネット２１０は、交互に配置されている。例えば、１つのマグネット２１０の磁気ベクトルが、チャンバ本体２０１の壁部に対して垂直で、方向は内側に向かう方向であり、隣接するマグネット２１０は、外側に向いた磁気ベクトルを有する。チャンバ２１８内の磁場の強さを増大し、チャンバ２１８の外側の長距離磁力線をシールドするべく、例えば鉄又は磁気スチール磁性鋼から構成される磁性ヨーク２１２を使用して、磁気マルチカスプ閉じ込め構造を覆い、プラズマソース２００の外側に位置する磁力線の短経路を提供してもよい。図２Ａから２Ｅに示すように、カスプ配置を正しく機能させるために、磁場の対称性が良好であることが望ましい。例えば、チャンバ本体２０１の上側（図２Ｃ参照）の（ｘ＝０，ｙ＝＋ｄ／２）に位置するＳ−Ｎ方向のマグネットは、チャンバ本体２０１の下側の（ｘ＝０、ｙ＝−ｄ／２）に位置するＮ−Ｓ方向のマグネットに対向して配置されるべきである（ここで、ｘ＝０及びｙ＝０はそれぞれ、鉛直方向及び水平方向の中央線を規定する）。プラズマチャンバのその他の面全てについても同様に、（ｘ＝−ｗ／２，ｙ＝０）におけるＮＳ方向のマグネットは、対向する側の（ｘ＝＋ｗ／２，ｙ＝０）におけるＳ−Ｎ方向のマグネットに面する。磁性の対称性が欠けると、上下方向の磁気双極子が発生し、特定の空間位置において荷電粒子がトラップされて、プラズマの均一性に悪影響を及ぼす。

カスプ位置を除いて、マグネット２１０の長手方向がｚ方向に沿って並べられることから、図２Ａ〜２Ｅに示した磁気カスプ構造は、方位角で規定される。生成される磁場は、チャンバ本体２０１の外縁に沿った方向に向く。

別の実施形態では、図３Ａ〜３Ｃに示すように軸カスプとして規定される場合、マグネット２１０の長手方向は、チャンバ本体２０１の外縁に沿った方向に向けられ、生成される磁場は、ｚ方向に沿った方向に向く。図３Ａには、マグネット２１０の軸方向が示されたチャンバ２１８の鉛直断面図が示されている。同様に、図３Ｂには、マグネット２１０の方向が示された水平断面図が示されている。

プラズマソース２００の構成要素を規定した後、チャンバの寸法それぞれと関連する制限、アンテナ形状及びサイズ、並びに、磁気カスプトポロジーについて以下に説明する。

チャンバの幅（すなわち、図２Ａ〜２Ｅ及び図３Ａ〜３Ｃにおけるｗ）は、リボンイオンビームの所望の幅によって決定される。例えば、５００ｍｍ幅のリボンイオンビームの場合、チャンバの幅は、例えば、６６０ｍｍといったように、６００ｍｍから７００ｍｍの間の距離である。幅の大きなリボンビームの場合、相応に大きな幅のチャンバが必要である。

有限プラズマの場合、イオン化周波数は、放電出力及びプラズマ密度には依存せず、電子温度（Ｔ_ｅ）、ガス圧（ｐ）、及び、特徴的なプラズマ長さ（Ｌ）の関数となる。特徴的なプラズマ長さ（Ｌ）は、プラズマ体積とプラズマ境界面との比によって求められる。特定の動作条件の場合、特徴プラズマ長さの値は、プラズマ生成量及び壁面におけるプラズマ損失間の平衡によって決定される。プラズマチャンバの１つの寸法は、イオンビームの所望の幅によって設定されるので、プラズマ生成は、プラズマチャンバフォームファクタξで良好に説明できる。

図１Ａに示したＩＣＰプラズマソース１００のような円筒形状のプラズマチャンバの場合、フォームファクターは典型的には、プラズマチャンバの直径に対するプラズマチャンバの奥行きの比として規定される。矩形状、又は、一方の寸法が他方の寸法よりも大きい横長／縦長形状の場合、フォームファクターは、プラズマチャンバ奥行き（ｄ）のそのほかの直交する寸法（ｗ及びｈ）の幾何平均に対する比として規定してもよく、次の式（６）のように規定される。

本実施形態の場合、１つの寸法が他の２つの寸法よりも大幅に大きい場合には、フォームファクターは、次の式（７）に示すように特徴プラズマ長さ（Ｌ）を基準として表すことができる。

エネルギー平衡方程式では、プラズマ密度は、放電出力、及び、ガス圧（ｐ）とプラズマ長さ（Ｌ）との積によってのみ決まることが示されており、その結果、プラズマ生成量を促進する大きな特徴プラズマ長さ（Ｌ）は、小さなプラズマチャンバフォームファクタξを必要とする。一方で、現在のプラズマチャンバ配置では、アンテナからプラズマへと結合するＲＦ電力は、プラズマバルクでは発生せず、プラズマエッジで発生する。更に、最大電力堆積は、表皮深さと等しい距離にわたって発生する。したがって、表皮層の厚みのオーダーの奥行きを有するプラズマチャンバは、所与の入力電力及び横断方向の寸法ｗ及びｈに対して最も高いプラズマ密度を提供する。プラズマソースの深さの設計では、イオン化プロセスが表皮層において及び表皮層を超えて発生することに注意する必要がある。典型的な１３．５６ＭＨｚ ＩＣＰアルゴンプラズマの場合、２５〜３０ｅＶの電子エネルギー分布関数（ｅｅｄｆ）のテールは、相対的に密度が高い。これは、エネルギーの大きい電子が存在し、イオン化衝突が、表皮深さを超えて発生する可能性があることを意味している。この現象は、イオン化エネルギーが希ガスよりも低い分子のプラズマにおいて顕著となる。しかしながら、アンテナから一定の距離を超えると、及び、磁気閉じ込めが存在しないと、プラズマ密度は、アンテナからの距離に指数関数的に比例して減少する。

プラズマ密度に加えて、大きな面積の注入又は堆積を行う場合、大きな寸法にわたって均一なプラズマを有する必要があることから、プラズマチャンバの奥行きに対する別の制約が生じる。奥行きが小さすぎる場合、引き出しスリット又は堆積基板空間位置におけるアンテナパターンを反映した不均一なプラズマ密度が発生する。

図２Ａ〜２Ｅ及び図３Ａ〜３Ｃに示すように、プラズマチャンバ２１８を矩形の箱として近似し、基本拡散モードの最初のゼロがプラズマチャンバ壁面と一致すると仮定すると、プラズマ密度分布は、次の式（８）で表される。

特徴拡散長さは、次の式（９）で表される。

（マルチカスプ磁場閉じ込め及びｚ方向に沿った真空排気の効果によるｘ及びｙ方向における壁面反射係数を考慮しない）概算では、Λの値は、約３ｃｍとなる。ＢＦ_２ ^＋イオン（ＢＦ３プラズマの主イオン成分）の拡散係数約５×１０^４ｃｍ^２／ｓ、及び、約０．０５ｅＶの適度なイオン温度を使用した場合、拡散平均自由行程は約３〜４ｃｍとなる。高いプラズマ均一性のために複数の拡散平均自由行程を可能とすることにより、プラズマチャンバ奥行き（図２Ａ〜２Ｅ及び図３Ａ〜３Ｃにおけるｄ）の下限は、約１０〜１２ｃｍとなる。異なるイオンについて同様な計算を行い、それぞれ異なる拡散長さ、及び、異なる最適なプラズマチャンバ奥行きが得られる。プラズマチャンバを様々な前躯体ガスで動作させようとする場合、プラズマ密度は、動作パラメータ（ＲＦ出力及びガス圧）によって制御可能である。また、プラズマ均一性は、主にプラズマチャンバ設計によって設定される。したがって、多くの実施形態では、プラズマチャンバ２１８の奥行きは、１０〜２０ｃｍの間であってもよい。上記のような考察に基づいて、様々な前駆体ガス（ＢＦ_３、ＰＦ_４、ＰＨ_３、ＡｓＦ_３、ＧｅＦ_４、ＣＯ_２、ＳｉＦ_４、Ｎ_２、Ａｒ、Ｘｅ等）におけるプラズマを生成する図２Ａ〜２Ｅ及び図３Ａ〜３Ｃに示すプラズマチャンバについて、チャンバの奥行きを約１４ｃｍに設定してもよい。上記の式によれば、フォームファクター（ξ）は、約０．３２である。

上記のプラズマソースの１つの特徴として、アンテナ形状が挙げられる。まず、引き出されるイオンビームを均一にするため、プラズマ引き出しは、引き出しスリットよりも幅の広い長さわたる必要がある。また、複数の引き出しスリットが使用される場合には、アンテナはｙ方向に延在する必要がある。一実施形態では、アンテナはｘ方向に６１０ｍｍ、ｙ方向に７６ｍｍの寸法を有する。このように大きな面を覆うことにより、アンテナ経路が長くなり、プラズマの均一性に悪影響を与える定在波が形成される可能性がある。上記の実施形態では、アンテナの全長は約２ｍであり、したがって、銅内の１３．５６ＭＨｚの電磁放射に対応する４分の１波長よりも小さい。しかしながら、より長いアンテナ長さが必要である場合には、好ましくは、より低いＲＦ駆動周波数（波長が長い）が使用されてもよい。ある実施形態では、０．４６ＭＨｚ及び２ＭＨｚといった低い周波数が使用される。その他の実施形態では、２７ＭＨｚ及び６０ＭＨｚといった高い周波数が使用される。次に、本実施形態で使用される細長いスパイラル形状により、アンテナの両側に高電圧点と低電圧点を交互に配置することが可能となり、良好なプラズマ均一性につながる。さらに、アンテナの１つの脚がＲＦ電源に接続され、他方の脚が、（約２．５μＨのアンテナインダクタンスに比例する）誘導電圧を補償するキャパシタを介して接地されるので、アンテナ長に沿った電圧の均一な分布につながる。

上記のプラズマソースの別の特徴として、プラズマチャンバを囲む磁性カスプの配置が挙げられる。図４Ａに示すように、磁力線がチャンバ本体２０１の面で交差する"有効"プラズマリーク面積を除いて、得られる磁力線４０１は、チャンバ本体２０１の表面と平行な面に存在する。その結果、壁又は面に向かう拡散は、壁又は面に向かう荷電粒子が磁気トラップされることにより、大幅に減少する。チャンバ全表面積（Ａ）に比例するカスプ構成が存在しない壁又は面での損失は、次の式（１０）に示すようなカスプの数（Ｎ）及びカスプリーク面積（Σ）に比例する比（ｆ）にまで減少できる。

その結果、シースエッジ（ｎ_ｅｄｇｅ）、すなわち、引き出しスリットが位置する場所、におけるプラズマ密度、及び、黙示的に引き出されるイオン電流は、次の式（１１）に規定されるように増加する。

式（１１）において、ｎ_ｂｕｌｋは、バルクプラズマの密度であり、ｆは式（１０）で定義した比であり、ｋは、電子温度及びイオンの性質に依存する係数である。磁性カスプ構成の第２の有益な効果としては、従来技術では壁に衝突して失われてしまっていた高エネルギー電子が、本発明によれば反射されてプラズマに戻り、熱運動化されるまで新たなイオン化衝突に寄与することとなることから、プラズマ均一性が改善される。

磁性カスプ構成の設計において、マグネットの分離については特別な注意を払う必要がある。式（１０）によれば、カスプの数を減らすと、損失の割合を減らすことができるが、それと同時に、プラズマ体積に侵入する磁力線の深さが深くなる。ある実施形態では、マグネット２１０の幅（Δ_１）は、約１０ｍｍである。ある実施形態では、スペーサ２１１の幅（Δ_２）は、約２０ｍｍである。測定された磁場の強さ（壁面に対して垂直な成分）と深さ（χ）が図４Ｂに示されている。実験データ（拡散グラフ）は、式（１２）に示される理論的な予測に従っている。

式（１２）に従う理論的予測値は、図４Ｂにおいて点線で示されている。上記の式において、Ｂ_０は、マグネットの表面における磁場の強さであり、χは、チャンバ壁に垂直な方向の距離、Δ_１及びΔ_２はそれぞれ、マグネットの幅及びマグネット間の距離である。図４Ｃに示すように、得られる磁場トポロジーは、磁場が存在する（磁場の強さは、壁に向かって増大する）チャンバ本体２０１に隣接する狭いゾーン４０２、及び、中央の磁場が存在しない領域４０３から構成される。良好なイオンビーム均一性を得るためには、好ましくは、磁場が存在しない領域４０３は引き出しスリットの端部を越えて延在してもよい。本実施形態では、１０ｍｍの幅のマグネット及び２０ｍｍのマグネット間距離を使用して、方位角配置で、磁場の強さは、プラズマチャンバの表面で１．５ｋＧａｕｓｓから、壁から約３．５ｃｍの位置ではゼロになる。引き出しスリットの数に応じて、磁場の貫通深さにより、プラズマチャンバの高さの設定を行う。一実施形態では、高さは、約１５０ｍｍから２５０ｍｍである。この高さでは、高さ３ｍｍ及び設けられる間隔が約１０ｍｍである引き出しスリットを５つ設けることが可能である。異なる数の引き出しスリットを使用する場合には、高さはそれに従って調整可能である。このように、上記のようなｗ及びｈの寸法によれば、約８ｃｍの高さ及び６０ｃｍの幅の磁場が存在しない中央領域が存在する。

図５Ａ及び図５Ｂには、２つの異なる前躯体ガスＢＦ_３及びＰＨ_３の場合であって、小さなフォームファクター（ξが約０．３２）を有するプラズマソースにおいて、入力電力の関数として得られる引き出されたイオンビーム電流密度が示されている。予測されるように、引き出されるビーム電流（ｊ_ｅｘｔｒ）とＲＦ電力との間には線形の関係が存在し、その傾きは、ＢＦ_３及びＰＨ_３の場合でそれぞれ、約４．０６ｍＡ／ｃｍ^２／ｋＷ及び約４．３ｍＡ／ｃｍ^２／ｋＷである。高電流密度の値から、ＲＦ電力のプラズマへの結合が効率的に行われていることが実証されている。約３ｅＶの電子温度を仮定すると、ＢＦ２イオンのボーム速度（Ｖ_Ｂ）は、約２．５×１０^５ｃｍ／ｓとなる。その結果、式（１３）となる。

ここで、ｅは、電気素量である。計算により、５ｋＷの入力ＲＦ電力の場合、プラズマ密度ｎは、約５×１０^１１ｃｍ^−３となり、これは、達成可能な最大の誘導結合プラズマソース（ＩＣＰ）密度に近い。

上記で説明したようなイオンソースによれば、得られるプラズマ密度及び組成を、所望のビーム電流及び元素の組成に応じて変更可能である。前躯体ガスの比率を高めるには、高ＲＦ電力及び低い流量（低い圧力）が望ましい。一方、高いプラズマ密度を全体として得るには、高い流量（圧力）が望ましい。前躯体ガスの性質及び所望の元素ビーム組成に応じて、異なるＲＦ電力−ガス圧（流量）を選択可能である。

本開示の範囲は、本明細書に記載された特定の実施形態によって限定されない。本開示に対して、上記の実施形態に加えて、その他の実施形態及び変更例が、添付の図面及び上記の説明から当業者に明らかである。したがって、このようなその他の実施形態及び変形例も本開示の範囲に含まれることを意図している。更に、本開示が特定の環境下において特定の目的で特定の実装形態を参照して説明されたが、当業者であれば、利用可能性はこれらに限定されず、本開示をその他の数多くの目的及び環境に実装可能であることは理解できる。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の最大の範囲及び精神に基づいて解釈されるべきである。

Claims (20)

1. リボンイオンビームを引き出す誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ソースであって、
   チャンバを備え、
   前記チャンバは、
   上面、下面及び側面を有し、長さ、奥行き及び高さを有し、前記高さは前記上面および前記下面の間の距離として規定され、前記長さは前記側面間の距離として規定され、前記高さは前記長さよりも小さいチャンバ本体と、
   誘電体窓と、
   前記誘電体窓に対向して設けられ、前記上面及び前記下面から対称的に間隔を空けて設けられ、かつ、前記上面及び前記下面に平行な少なくとも１つの細長い引き出しスリットを有する端部とを有し、
   前記細長い引き出しスリットは、リボンイオンビームを引き出すべく、前記側面間を延在しており、
   前記奥行きは、前記誘電体窓と前記誘電体窓に対向する前記端部との間の距離として規定され、
   前記誘導結合プラズマソースは更に、
   前記チャンバにガスを流入させるのを可能とするべく前記チャンバ本体における前記上面および前記下面の少なくとも一つに配置された少なくとも１つのガス供給口と、
   前記誘電体窓に平行に近接して設けられ、プラズマを形成するべく前記チャンバ内の前記ガスを励起させる細長い平面スパイラル形状のアンテナと、
   前記細長い引き出しスリットに近接して位置し、前記細長い引き出しスリットを介して前記プラズマからイオンを引き出す引き出し光学系とを備える誘導結合プラズマソース。
2. 前記上面、前記下面及び前記側面に近接して設けられる磁気閉じ込め構造を更に備える請求項１に記載の誘導結合プラズマソース。
3. 前記磁気閉じ込め構造は、
   磁性体を含むヨークと、
   複数のマグネットと、
   前記複数のマグネットの各々の間に位置する１以上の非磁性スペーサとを有する請求項２に記載の誘導結合プラズマソース。
4. 前記複数のマグネットは、一のマグネットのＮ極が前記チャンバに面し、前記一のマグネットに隣接するマグネットのＳ極が前記チャンバに面するように配置されている請求項３に記載の誘導結合プラズマソース。
5. 前記複数のマグネットの長手方向が、前記チャンバ本体の縁部方向に沿うように向けられている請求項３または４に記載の誘導結合プラズマソース。
6. 前記複数のマグネットの長手方向が、前記チャンバ本体の前記奥行き方向に沿うように向けられている請求項３または４に記載の誘導結合プラズマソース。
7. 前記磁気閉じ込め構造は、前記チャンバ内の磁場を形成し、
   前記高さは、前記細長い引き出しスリットの所望の数及び磁場の貫通深さに応じて決定される請求項２から６のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
8. 前記磁気閉じ込め構造は、前記チャンバ内に磁場を形成し、
   前記高さの最小値は、前記チャンバの鉛直方向中央線に対応する部分に磁場が存在しないように決定される請求項２から７のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
9. 前記奥行きは、前記アンテナによって前記プラズマが最適に生成されるように決定される請求項１から８のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
10. 前記長さは、前記リボンイオンビームの所望の幅に基づいて決定される請求項１から９のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
11. 前記ガス供給口は、水平方向の中央線に沿って位置する請求項１から１０のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
12. 前記アンテナは、１３．５６ＭＨｚで電力を得る請求項１から１１のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
13. 前記アンテナは、０．４６ＭＨｚ、２．０ＭＨｚ、２７ＭＨｚ又は６０ＭＨｚで電力を得る請求項１から１１のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
14. 前記チャンバ本体は、八角形の形状を有し、
    前記上面及び前記下面が、テーパ状の面によって、前記側面にそれぞれ接続されている請求項１から１３のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
15. 前記チャンバ本体の前記側面は、前記上面及び前記下面に接続される半筒形状を有する請求項１から１４のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
16. 前記細長い平面スパイラル形状のアンテナは、複数の真っすぐな部分と複数の巻き部とを有し、前記複数の真っすぐな部分は前記細長い引き出しスリットに対して平行である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマソース。
17. 前記複数の真っすぐな部分は、前記細長い引き出しスリットの最長寸法よりも長い、請求項１６に記載の誘導結合プラズマソース。
18. リボンイオンビームを引き出す誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ソースであって、
    チャンバを備え、
    前記チャンバは、
    上面、下面及び２つの側面を有し、長さ、奥行き及び高さを有し、前記高さは前記上面および前記下面の間の距離として規定され、前記長さは前記２つの側面間の距離として規定され、前記高さは前記長さよりも小さく、テーパ状の一つの面によって前記上面が前記２つの側面にそれぞれ接続され、テーパ状の別の一つの面によって前記下面が前記２つの側面にそれぞれ接続される八角形の断面形状を有するチャンバ本体と、
    誘電体窓と、
    前記誘電体窓に対向して設けられ、前記上面及び前記下面から対称的に間隔を空けて設けられ、かつ、前記上面及び前記下面に平行な少なくとも１つの細長い引き出しスリットを有する端部とを有し、
    前記細長い引き出しスリットは、リボンイオンビームを引き出すべく、前記側面間を延在しており、
    前記奥行きは、前記誘電体窓と前記誘電体窓に対向する前記端部との間の距離として規定され、
    前記誘導結合プラズマソースは更に、
    前記チャンバにガスを流入させるのを可能とするべく前記チャンバ本体における前記上面および前記下面の少なくとも一つに配置された少なくとも１つのガス供給口と、
    前記誘電体窓に平行に近接して設けられ、プラズマを形成するべく前記チャンバ内の前記ガスを励起させる細長い平面スパイラル形状のアンテナと、
    前記上面、前記下面、前記テーパ状の面及び前記２つの側面に近接し、前記上面、前記下面、前記テーパ状の面及び前記２つの側面に沿って設けられる磁気閉じ込め構造と、
    前記細長い引き出しスリットに近接して位置し、前記細長い引き出しスリットを介して前記プラズマからイオンを引き出す引き出し光学系とを備える誘導結合プラズマソース。
19. 前記細長い平面スパイラル形状のアンテナは、複数の真っすぐな部分と複数の巻き部とを有し、前記複数の真っすぐな部分は前記細長い引き出しスリットに対して平行であり、前記複数の真っすぐな部分は、前記細長い引き出しスリットの最長寸法よりも長い、請求項１８に記載の誘導結合プラズマソース。
20. リボンイオンビームを引き出す誘導結合プラズマソース（ＩＣＰ）であって、
    チャンバを備え、
    前記チャンバは、
    上面、下面及び２つの側面を有し、１５０ｍｍ〜２５０ｍｍの間の高さ及び６００ｍｍ〜７００ｍｍの間の長さを有し、テーパ状の一つの面によって前記上面が前記２つの側面にそれぞれ接続され、テーパ状の別の一つの面によって前記下面が前記２つの側面にそれぞれ接続される八角形の断面形状を有するチャンバ本体と、
    誘電体窓と、
    前記誘電体窓に対向して、前記誘電体窓から１００ｍｍ〜２００ｍｍ離れて設けられた端部であって、前記上面及び前記下面から対称的に間隔を空けて設けられ、かつ、前記上面及び前記下面に平行な少なくとも１つの細長い引き出しスリットを有する端部とを有し、
    前記細長い引き出しスリットは、リボンイオンビームを引き出すべく、前記側面間を延在しており、
    前記誘導結合プラズマソースは更に、
    前記チャンバにガスを流入させるのを可能とするべく前記チャンバ本体における前記上面および前記下面の少なくとも一つに配置された少なくとも１つのガス供給口と、
    前記誘電体窓に平行に近接して設けられ、１３．５６ＭＨｚで電力を得て、プラズマを形成するべく前記チャンバ内の前記ガスを励起させる細長い平面スパイラル形状のアンテナと、
    前記上面、前記下面、前記テーパ状の面及び前記２つの側面に近接して設けられる磁気閉じ込め構造と、
    前記細長い引き出しスリットに近接して位置し、前記細長い引き出しスリットを介して前記プラズマからイオンを引き出す引き出し光学系とを備える誘導結合プラズマソース。

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