JPH08306334A

JPH08306334A - イオンビーム発生装置

Info

Publication number: JPH08306334A
Application number: JP7136003A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Matsuda; 恭博松田; Yasunori Ando; 靖典安東
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1995-05-09
Filing date: 1995-05-09
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JP3577785B2

Abstract

(57)【要約】【目的】イオン源から引き出すイオンビームのイオン
電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができ
るイオンビーム発生装置を提供する。【構成】このイオンビーム発生装置は、イオンビーム
４０を射出するイオン源２と、それにイオンビーム引出
し用の電圧を印加する電源装置３０ａとを備えている。
イオン源２は、プラズマ１４を発生させるプラズマソー
ス部４と、そこからイオンビーム４０を引き出す引出し
電極系２０とを有しており、この引出し電極系２０を構
成する第１電極２１とプラズマソース部４とは絶縁物５
０によって電気的に絶縁されている。電源装置３０ａ
は、第１電極２１にプラズマソース部４を基準にして正
または負のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源
３８と、プラズマソース部４に接地電位を基準にして正
の高電圧を印加する第１電源３１と、第２電極２２にプ
ラズマソース部４を基準にして負の電圧を印加する第２
電源３２と、第３電極２３に接地電位を基準にして負の
電圧を印加する第３電源３３とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばイオン注入装
置、イオンドーピング装置（非質量分離型イオン注入装
置）、イオン照射と真空蒸着を併用する薄膜形成装置等
のように、イオンビームを処理対象物に照射して処理を
行う場合に用いられるイオンビーム発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来のイオンビーム発生装置を
用いたイオン注入装置の一例を示す断面図である。この
イオン注入装置は、イオンビーム４０を射出するイオン
源２と、それにイオンビーム引出し用の電圧を印加する
電源装置３０とを有するイオンビーム発生装置のイオン
源２を、処理室４２の上部に取り付けた構造をしてい
る。

【０００３】処理室４２内には、処理対象物の一例であ
る基板４６を保持するホルダ４４が設けられている。ま
た、この処理室４２は、図示しない真空排気装置によっ
て真空排気される。

【０００４】イオン源２は、図示例のものは高周波イオ
ン源であり、ガスが導入されそれを高周波放電によって
電離させてプラズマ１４を発生させるプラズマソース部
４と、このプラズマソース部４の出口付近に設けられて
いて、プラズマソース部４内のプラズマ１４から電界の
作用でイオンビーム４０を引き出す引出し電極系２０と
を有している。

【０００５】プラズマソース部４は、側壁６ａと、それ
に絶縁碍子８を介して取り付けられた背面板６ｂとを有
するプラズマ生成容器６を備えており、その内部に、こ
の例では引出し電極系２０を通して下流側からガスが導
入される。また、この例では側壁６ａおよび背面板６ｂ
がそれぞれ電極（放電電極）を兼ねており、両者間に整
合回路１８を介して高周波電源１６が接続されている。
但し、ガスは、プラズマ生成容器６内に直接導入される
場合もある。

【０００６】引出し電極系２０は、この例では、最プラ
ズマ側から下流側に向けて配置された第１電極２１、第
２電極２２、第３電極２３および第４電極２４を有して
いる。２６は絶縁碍子である。これらの各電極２１〜２
４は、この例では多孔電極であるが、イオン引出しスリ
ットを有する場合もある。

【０００７】第１電極２１は、引き出すイオンビーム４
０のエネルギーを決める電極であり、電源装置３０を構
成する第１電源３１から、接地電位を基準にして正の高
電圧が印加される。この第１電極２１とプラズマソース
部４（より具体的にはそれを構成するプラズマ生成容器
６）とは、互いに接続されて同電位にある。

【０００８】第２電極２２は、第１電極２１との間に電
位差を生ぜしめそれによる電界によってプラズマ１４か
らイオンビーム４０を引き出す電極であり、電源装置３
０を構成する第２電源３２から、第１電極２１の電位を
基準にして負の電圧が印加される。

【０００９】第３電極２３は、下流側からの逆流電子を
抑制する電極であり、電源装置３０を構成する第３電源
３３から、接地電位を基準にして負の電圧が印加され
る。

【００１０】第４電極２４は、接地されている。

【００１１】図７のイオン注入装置の動作例を説明する
と、処理室４２内のホルダ４４上に所望の基板４６を保
持して処理室４２内を真空排気しながら、イオン源２の
プラズマソース部４内に引出し電極系２０の下流側から
所望のガスを導入し、側壁６ａと背面板６ｂ間に高周波
電源１６から例えば１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波
電力を供給すると、側壁６ａと背面板６ｂ間で高周波放
電が起こりそれによってガスが分解されてプラズマ１４
が作られる。このプラズマ１４中のイオンは、引出し電
極系２０によってイオンビーム４０として引き出され
る。引き出されたイオンビーム４０は、質量分離を行う
ことなくそのまま基板４６に照射され、イオン注入（イ
オンドーピング）が行われる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】例えば多結晶シリコン
薄膜トランジスタを製造するような場合、１０¹¹〜１０
¹²イオン／ｃｍ²台の低ドーズ量の注入を行う必要があ
る。

【００１３】このような低ドーズ量注入に上記イオンビ
ーム発生装置を用いるためには、そのイオン源２から引
き出すイオンビーム４０のイオン電流密度を小さくしな
ければならないが、従来のイオンビーム発生装置では当
該イオン電流密度を小さくするには限界があった。

【００１４】これは、プラズマソース部４内で生成した
プラズマ１４は、それを構成する電子の移動速度の方が
イオンのそれよりも遙かに大きいため、多数の電子によ
ってプラズマ生成容器６および第１電極２１はプラズマ
１４に対して負の電位になり、見方を変えればプラズマ
１４はプラズマ生成容器６および第１電極２１に対して
正の電位になるため、第２電源３２の出力電圧Ｖ２をた
とえ０にしても、プラズマ１４と第１電極２１との間に
存在する上記電位差でイオンが引き出され、イオンビー
ム４０のイオン電流密度を０にすることはできないから
である。そのため従来は、イオンビーム４０のイオン電
流密度を下げる際には、プラズマ１４の密度を下げるこ
とを併用していたが、プラズマ１４の密度を下げるため
にはプラズマ１４への投入電力、即ち高周波電源１６か
らプラズマ１４に供給する電力を下げる必要があり、そ
のようにすると、プラズマ１４が維持できなくなった
り、維持できたとしても維持できる下限があるため、イ
オンビーム４０のイオン電流密度を小さくするには限界
があった。

【００１５】図８は、上記の状況を図示したものであ
り、プラズマ１４への投入電力をプラズマ維持の下限よ
り下げると、プラズマが消え、イオンビーム４０を引き
出せなくなる。

【００１６】イオンビーム４０のイオン電流密度をあま
り小さくできないと、低ドーズ量注入を行う場合には、
注入時間が例えば数秒あるいは１秒以下となり、所定の
ドーズ量注入を行うための制御性および再現性が悪くな
ってしまう。

【００１７】そこでこの発明は、イオン源から引き出す
イオンビームのイオン電流密度を従来の下限よりも更に
小さくすることができるイオンビーム発生装置を提供す
ることを主たる目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のイオンビーム発生装置は、前記イオン源
においてその引出し電極系を構成する電極の内の最プラ
ズマ側の電極とプラズマソース部との間に絶縁物を設け
て両者間を電気的に絶縁しており、かつ前記電源装置
が、前記最プラズマ側の電極に、プラズマソース部を基
準にして、正または負のバイアス電圧を印加する直流の
バイアス電源を有していることを特徴とする。

【００１９】

【作用】上記構成によれば、バイアス電源によって、イ
オン源の最プラズマ側の電極に、プラズマソース部を基
準にして正または負の電位を印加した状態でイオンビー
ムを引き出すことができる。正電位を印加した場合、プ
ラズマソース部内のプラズマから引き出されようとする
イオンの一部は、この最プラズマ側の電極によって跳ね
返される。その結果、イオン源から引き出すイオンビー
ムのイオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくする
ことができる。負電位を印加した場合、プラズマソース
部内のプラズマから引き出されようとするイオンの一部
は、この最プラズマ側の電極に吸収される。その結果こ
の場合も、イオン源から引き出すイオンビームのイオン
電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることができ
る。

【００２０】

【実施例】図１は、この発明に係るイオンビーム発生装
置を用いたイオン注入装置の一例を示す断面図である。
図７の従来例と同一または相当する部分には同一符号を
付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明
する。

【００２１】この実施例では、前述したイオン源２にお
いて、その引出し電極系２０を構成する第１電極２１と
プラズマソース部４（より具体的にはそのプラズマ生成
容器６。以下同じ）との間に絶縁物５０を設けて、第１
電極２１とプラズマソース部４との間を電気的に絶縁し
ている。

【００２２】更にこの実施例では、従来の電源装置３０
に相当するものであって、上記イオン源２と共にイオン
ビーム発生装置を構成する次のような構成の電源装置３
０ａを備えている。

【００２３】即ち、この電源装置３０ａは、上記第１電
極２１に、プラズマソース部４を基準にして、正または
負のバイアス電圧ＶＢを印加する直流のバイアス電源３
８と、プラズマソース部４に接地電位を基準にして正の
高電圧を印加する第１電源３１と、第２電極２２にプラ
ズマソース部４の電位を基準にして負の電圧を印加する
第２電源３２と、第３電極２３に接地電位を基準にして
負の電圧を印加する第３電源３３とを有している。

【００２４】バイアス電源３８は、例えば図２に示すよ
うに、出力電圧が正から負まで連続的に可変の、いわゆ
る両極性電源であるが、正のみ、または負のみを出力す
る直流電源でも良い。但し、これらの場合も、出力電圧
可変の方が制御性が良いので好ましい。第１電源３１な
いし第３電源３３の出力電圧Ｖ１ないしＶ３を可変とす
るか固定とするかは任意である。

【００２５】上記各電圧の大きさを例示すると、出力電
圧Ｖ１は例えば３０ｋＶ〜１００ｋＶ程度、出力電圧Ｖ
２は例えば５００Ｖ〜１ｋＶ程度、出力電圧Ｖ３は例え
ば５００Ｖ〜１ｋＶ程度、バイアス電圧ＶＢは例えば０
〜±２００Ｖ程度である。

【００２６】このような電源装置３０ａを用いた場合の
イオン源２における電位の一例を図３に示す。プラズマ
ソース部４の電位は第１電源３１の出力電圧Ｖ１によっ
て決められ、それよりバイアス電源３８の出力電圧（即
ちバイアス電圧ＶＢ）だけ正側（実線で示す状態）また
は負側（２点斜線で示す状態）に第１電極２１の電位が
あり、またプラズマソース部４より第２電源３２の出力
電圧Ｖ２だけ下がった所に第２電極２２の電位があり、
第３電極２３の電位は第３電源３３の出力電圧Ｖ３によ
って決められる。また、プラズマ１４が、背面板６ｂお
よび側壁６ａから成るプラズマ生成容器６に対して正の
電位になるのは前述のとおりである。

【００２７】このようにこの実施例では、バイアス電源
３８によって、イオン源２の第１電極２１に、プラズマ
ソース部４を基準にして正または負の電圧を印加した状
態でイオンビーム４０を引き出すことができる。

【００２８】第１電極２１に正電位を印加した場合、プ
ラズマソース部４内のプラズマ１４から引き出されよう
とするイオンの一部は、この正電位の第１電極２１によ
って跳ね返される。この作用は、第１電極２１の電位
を、プラズマ１４の電位よりも高くなるように設定した
場合は特に大きい。このようにして跳ね返される分、引
き出せるイオンの量が減少する。その結果、プラズマ１
４への投入電力を下げなくても、イオン源２から引き出
すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限より
も更に小さくすることができる。

【００２９】第１電極２１に負電位を印加した場合、プ
ラズマソース部４内のプラズマ１４から引き出されよう
とするイオンの一部は、この負電位の第１電極２１に吸
収される。この作用は、第１電極２１の電位を、プラズ
マ１４の電位よりも低くなるように設定した場合に特に
大きい。このようにして吸収される分、引き出せるイオ
ンの量が減少する。その結果、この場合も、プラズマ１
４への投入電力を下げなくても、イオン源２から引き出
すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限より
も更に小さくすることができる。

【００３０】上記正、負いずれの場合も、イオンビーム
４０のイオン電流密度は、バイアス電源３８から出力す
るバイアス電圧ＶＢの大きさに依存する。また、プラズ
マ１４への投入電力にも依存することは前述のとおりで
ある。このバイアス電圧ＶＢとイオン電流密度との関係
の実測結果の一例を図４に示す。

【００３１】この図において、バイアス電圧ＶＢが０の
ときのイオン電流密度Ｊ₁またはＪ ₂が従来の下限に相
当し、この実施例ではバイアス電圧ＶＢを正または負に
大きくすることで、イオン電流密度を従来の下限よりも
更に小さくすることができる。

【００３２】また、この図からも分かるように、バイア
ス電圧ＶＢを正にして第１電極２１に正電位を与えた方
が、イオン電流密度をより小さくすることができる。こ
れは、第１電極２１に正電位を与えると、プラズマ１４
中の電子は軽くて第１電極２１に吸収されやすいためプ
ラズマ１４の密度が薄くなり、このこともイオン電流密
度の減少に寄与するのに対して、第１電極２１に負電位
を与えてもプラズマ１４中のイオンは重くて第１電極２
１に吸収されにくいためプラズマ１４の密度が薄くなり
にくく、このことがイオン電流密度の減少に殆ど寄与し
ないためであると考えられる。

【００３３】また、第１電極２１に正電位を与えると、
プラズマ１４中のイオンを跳ね返す作用が大きくなり、
プラズマ１４中のイオンによって第１電極２１がスパッ
タされる割合が小さくなるので、第１電極２１を構成す
る物質がプラズマ１４およびイオンビーム４０中に不純
物として混入する可能性が小さくなる。

【００３４】上記のような二つの理由から、第１電極２
１には正電位を与える方が好ましい。

【００３５】なお、図４中においてバイアス電圧ＶＢが
＋０〜＋５０Ｖ付近で、イオン電流密度がＶＢ＝０のと
きよりも増加しているのは、プラズマ１４のイオン放出
面が第１電極２１に近づいたため、引き出されるイオン
量が増加したからであると考えられる。

【００３６】上記のようにして、イオン源２から引き出
すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限より
も更に小さくすることができる結果、基板４６に対して
低ドーズ量注入を行う場合に注入時間を長くすることが
できるので、所定のドーズ量注入を行う場合の制御性お
よび再現性が向上する。

【００３７】ところで、プラズマソース部４から引き出
すイオンビーム４０のイオン電流密度を従来の下限より
も更に小さくする手段として、図７に示した第２電源３
２の極性を図示とは逆にして、第２電極２２に第１電極
２１の電位を基準にして正の電圧を印加する、という考
えもある。

【００３８】そのようにすれば、第２電極２２と第１電
極２１との間の電位差による電界は、イオンビーム４０
の引出し方向とは逆向きの電界となるので、第１電極２
１を介してプラズマソース部４内のプラズマ１４からイ
オンが引き出されるのを抑制する作用をする結果、イオ
ン源２から引き出すイオンビーム４０のイオン電流密度
を従来の下限よりも更に小さくすることはできる。

【００３９】ところが、上記のようにすると、第２電極
２２がプラズマソース部４および第１電極２１に対して
正電位になるため、プラズマ１４から引き出された電子
が第１電極２１と第２電極２２間で加速されて第２電極
２２に入射衝突しやすく、これが引き金になって第１電
極２１と第２電極２２との間で放電が生じて、イオンビ
ーム４０の引出しが不安定になる恐れがある。

【００４０】これに対して、この実施例では、第２電極
２２の電位を第１電極２１の電位よりも高くする必要が
ないので、即ち従来例と同様に、第２電極２２には第２
電源３２から負電圧を印加しておけば良いので、第２電
極２２にプラズマ１４中の電子が入射衝突して第１電極
２１と第２電極２２との間で放電が生じてイオンビーム
４０の引き出しが不安定になる、という恐れはない。

【００４１】図５は、この発明に係るイオンビーム発生
装置を構成する電源装置の他の例を示す図である。この
例の電源装置３０ａは、第１電極２１にプラズマソース
部４（より具体的にはそのプラズマ生成容器６）を基準
にして正または負のバイアス電圧ＶＢを印加する直流の
バイアス電源３８と、第１電極２１に接地電位を基準に
して正の高電圧を印加する第１電源３１と、第２電極２
２に第１電極２１の電位を基準にして負の電圧を印加す
る第２電源３２と、第３電極２３に接地電位を基準にし
て負の電圧を印加する第３電源３３とを有している。各
電源３１ないし３３の出力電圧は、それぞれＶ１ないし
Ｖ３である。

【００４２】図６は、この発明に係るイオンビーム発生
装置を構成する電源装置の更に他の例を示す図である。
この例の電源装置３０ａは、第１電極２１にプラズマソ
ース部４（より具体的にはそのプラズマ生成容器６）を
基準にして正または負のバイアス電圧ＶＢを印加する直
流のバイアス電源３８と、第２電極２２に接地電位を基
準にして正の高電圧を印加する第１電源３１と、第１電
極２１に第２電極２２の電位を基準にして正の電圧を印
加する第２電源３２と、第３電極２３に接地電位を基準
にして負の電圧を印加する第３電源３３とを有してい
る。各電源３１ないし３３の出力電圧は、それぞれＶ１
ないしＶ３である。

【００４３】図５および図６の例の場合も、バイアス電
源３８によって、第１電極２１に、プラズマソース部４
を基準にして正または負のバイアス電圧ＶＢを印加した
状態でイオンビーム４０を引き出すことができるので、
図１に示した例の場合と同様に、イオンビーム４０のイ
オン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすることが
できる。

【００４４】但し、図５および図６に示した電源装置３
０ａを用いる場合は、バイアス電源３８から出力するバ
イアス電圧ＶＢを変化させることによってプラズマソー
ス部４の電位が上下するので、そのぶん、イオン源２か
ら引き出されるイオンビーム４０のエネルギーが変化す
ることになる。図１に示した電源装置３０ａの場合は、
プラズマソース部４の電位は第１電源３１の出力電圧Ｖ
１によって定まっているので、そのようなことは起こら
ない。もっとも、第１電源３１の出力電圧Ｖ１に比べ
て、バイアス電源３８から出力するバイアス電圧ＶＢは
前述したように遙かに小さいので、上記によるイオンビ
ーム４０のエネルギー変化は通常は殆ど問題にならな
い。

【００４５】なお、イオン源２のプラズマソース部４
は、上記例のように高周波放電によってガスを電離させ
てプラズマ１４を生成する方式のものに限定されるもの
ではなく、それ以外の方式のもの、例えばマイクロ波放
電によってガスを電離させてプラズマ１４を生成する方
式のもの、あるいは直流のアーク放電によってガスを電
離させてプラズマ１４を生成する方式のもの等でも良
い。

【００４６】また、イオン源２の引出し電極系２０を構
成する電極の枚数も、上記例のような４枚に限定される
ものではなく、それ以外の複数枚、例えば２枚、３枚、
５枚等でも良い。

【００４７】

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。

【００４８】請求項１のイオンビーム発生装置によれ
ば、バイアス電源によって、イオン源の最プラズマ側の
電極に、プラズマソース部を基準にして正または負の電
圧を印加した状態でイオンビームを引き出すことがで
き、プラズマソース部内のプラズマから引き出されるイ
オンの一部は、この最プラズマ側の電極によって跳ね返
されたり吸収されたりするので、プラズマへの投入電力
を下げなくても、イオン源から引き出すイオンビームの
イオン電流密度を従来の下限よりも更に小さくすること
ができる。

【００４９】従ってこのようなイオンビーム発生装置を
例えばイオン注入に用いれば、基板に対して低ドーズ量
注入を行う場合に注入時間を長くすることができるの
で、所定のドーズ量注入を行う場合の制御性および再現
性が向上する。

【００５０】しかも、最プラズマ側の電極よりも下流側
にある電極の電位を当該最プラズマ側の電極の電位より
も高くする場合と違って、イオンビームの引き出しが不
安定になるという恐れもない。

【００５１】請求項２のイオンビーム発生装置によれ
ば、請求項１の効果に加えて更に次のような効果を奏す
る。

【００５２】即ち、バイアス電源から第１電極にプラズ
マソース部を基準にして正の電圧を印加するので、負の
電圧を印加する場合に比べてイオン電流密度をより小さ
くすることができる。

【００５３】また、プラズマ中のイオンによって第１電
極がスパッタされる割合が小さくなるので、第１電極を
構成する物質がプラズマおよびイオンビーム中に不純物
として混入する可能性が小さくなる。

【００５４】また、バイアス電源から出力するバイアス
電圧を変化させても、プラズマソース部の電位は第１電
源の出力電圧によって定まっていて変化しないので、イ
オン源から引き出すイオンビームのエネルギーが変化し
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るイオンビーム発生装置を用いた
イオン注入装置の一例を示す断面図である。

【図２】図１中のバイアス電源の一例を示す図である。

【図３】図１中のイオン源における電位の一例を示す図
である。

【図４】図１中のイオン源に印加するバイアス電圧とイ
オン電流密度との関係の実測結果の一例を示す図であ
る。

【図５】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成す
る電源装置の他の例を示す図である。

【図６】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成す
る電源装置の更に他の例を示す図である。

【図７】従来のイオンビーム発生装置を用いたイオン注
入装置の一例を示す断面図である。

【図８】図７中のイオン源における投入電力とイオン電
流密度との関係の一例を示す概略図である。

【符号の説明】

２イオン源４プラズマソース部６プラズマ生成容器１４プラズマ１６高周波電源２０引出し電極系２１第１電極２２第２電極２３第３電極２４第４電極３０ａ電源装置３１第１電源３２第２電源３３第３電源３８バイアス電源４０イオンビーム４２処理室４６基板５０絶縁物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスが導入されそれを放電によって電離
させてプラズマを発生させるプラズマソース部およびこ
のプラズマソース部内のプラズマから電界の作用でイオ
ンビームを引き出すものであって複数枚の電極を有する
引出し電極系を有するイオン源と、このイオン源の引出
し電極系を構成する電極にイオンビーム引出し用の電圧
を印加する電源装置とを備えるイオンビーム発生装置に
おいて、前記イオン源においてその引出し電極系を構成
する電極の内の最プラズマ側の電極とプラズマソース部
との間に絶縁物を設けて両者間を電気的に絶縁してお
り、かつ前記電源装置が、前記最プラズマ側の電極に、
プラズマソース部を基準にして、正または負のバイアス
電圧を印加する直流のバイアス電源を有していることを
特徴とするイオンビーム発生装置。
【請求項２】前記引出し電極系が、最プラズマ側から
下流側に向けて配置された第１電極、第２電極、第３電
極および第４電極を有していて、第４電極は接地されて
おり、前記電源装置が、プラズマソース部に接地電位を
基準にして正の電圧を印加する第１電源と、第２電極に
プラズマソース部の電位を基準にして負の電圧を印加す
る第２電源と、第３電極に接地電位を基準にして負の電
圧を印加する第３電源とを更に有しており、かつ前記バ
イアス電源が、第１電極にプラズマソース部を基準にし
て正の電圧を印加する電源である請求項１記載のイオン
ビーム発生装置。