JPH09199043A

JPH09199043A - イオン源

Info

Publication number: JPH09199043A
Application number: JP3003696A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Inai; 裕井内
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】タングステン、タンタルなどのエミッション
フィラメントは、カソード電位にあるために、プラズマ
中のイオンによるスパッタリングを受ける。スパッタさ
れた粒子はプラズマ中でイオン化される。質量分離をし
ないでイオン注入する場合、被処理物にフィラメント材
料も注入されて悪影響をもたらす。フィラメントスパッ
タ粒子がイオン化し難くすることが本発明の目的であ
る。【解決手段】フィラメントのチャンバ中心側の半分程度
をカバーによって覆う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、イオン注入装
置、イオンシャワー装置などのイオン源に関する。特
に、質量分離を行わないでイオン注入する場合におい
て、イオン源のフィラメント材料が不純物として被処理
物に入らないようにした改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン源は、原料となるガスを電子衝
撃、高周波、マイクロ波などによってプラズマとし、こ
れを引き出し電極の作用によって引き出すようにした装
置である。電子衝撃によってガスを励起する場合は、カ
ソード電位のフィラメントを用いる。チャンバの壁をア
ノード電位とする。フィラメントとチャンバ壁の間でア
ーク放電が起こる。フィラメントは加熱されるので熱電
子を放出する。放電によって電子が加速され、ガス分子
と衝突してこれをイオン化する。チャンバ壁には磁極の
方向が放射状になるように永久磁石が軸平行に多数設置
される。

【０００３】隣接磁石間で磁極の方向を互い違いにす
る。すると隣接磁石をつなぐ磁力線が発生する。磁石の
方向が互い違いになっているから磁場の影響が打ち消さ
れて遠くにまで及ばない。チャンバの中央では磁場は弱
くなる。これが磁石面において尖点を形成するので、カ
スプ磁場という。隣接永久磁石を結ぶカスプ磁場の内部
は磁場が弱くて、荷電粒子（イオン、電子）が自由に飛
行し得る。マルチカスプ磁場というのは磁石が多数あり
カスプも多数あるということである。カソードフィラメ
ントはカスプ磁場の腹に当たる部分に設けられる。

【０００４】図１は従来例に係る一般的なイオン源の断
面図である。イオン源チャンバ１は円筒面の側周面と、
円形の端面を有する。端面の外壁はこの図には現れな
い。反対側の端面には引出電極があってイオンビ−ムを
引き出すようになっている。側周面の外壁には、放射方
向に磁化し、磁極の方向が互い違いになった永久磁石２
が複数個設けられる。ここでは８個の永久磁石２を図示
しているが、これは一例である。実際にはチャンバのサ
イズによって適当な永久磁石２の数を決める。

【０００５】永久磁石２は半径方向に磁化している。隣
接する永久磁石間で磁化方向が反対になっているから、
磁力線４は隣接永久磁石の端面を結ぶように円弧状に形
成される。磁石の端面に磁力線が集まる尖点６ができ
る。１本ずつの磁力線を表示しているが実際はこれらの
磁力線の外部に強い磁場が局在する。つまり図示した磁
力線とチャンバによって囲まれる弓形の部分に強い磁界
ができる。チャンバの中央部は隣接永久磁石からの磁界
が打ち消しあう。中央部からチャンバ壁に向かって進行
する荷電粒子は磁場によって捕らえられて中央の方向へ
と戻される。ミラー効果、理論的には第一断熱不変量μ
＝（ｍｖ₁ ²／２）／Ｂ（ｖ₁ は磁場に直角な速度を示
す）とエネルギーの保存則から導かれる。つまり荷電粒
子はチャンバ壁に接触しないように、中央部に閉じ込め
られる。

【０００６】完全に荷電粒子が閉じ込められると電流が
流れない。エネルギーの高い一部の電子はカスプ磁場に
沿って螺旋運動をし衝撃を繰り返しながら、永久磁石２
の端面に到達する。つまり永久磁石の端面の近傍のみが
陽極（アノード）として機能する。カスプ磁場は実効的
な陽極面積を減らすことによって電子を有効に閉じ込め
ているということもできる。

【０００７】フィラメントはカソード電位にあり、しか
も電流が流されている。細い金属線であるから発熱して
熱電子を放射する。フィラメント３はカスプ磁場によっ
て囲まれる中央部の何処にあってもよい。ここでは磁力
線４の腹部７の近くに設けられている。フィラメント３
は軸方向に延びるＵ字型をしている。フィラメントの両
端は、チャンバ１の端部の壁（図示しない）に電流導入
端子（図示しない）によって支持される。

【０００８】あるいはフィラメントの両端をチャンバの
円筒壁に、電流導入端子によって固定するようにしても
よい。図２にこれを示す。チャンバ壁を貫くようにフィ
ラメント３を設ける。勿論、絶縁体９によってフィラメ
ント３とチャンバ１を絶縁している。このようなフィラ
メントであってもカソード電位であって、電流を流すの
で熱電子が発生する。このような放射状のフィラメント
を用いる場合もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】カソードフィラメント
は高熱に加熱されて初めて電子を放出する。高熱である
からフィラメント材料が蒸発する。フィラメントはカソ
ード電位にあるため、プラズマからの正イオンのスパッ
タリングを受け易い。正イオンが高速でフィラメントに
衝突するとフィラメント材料が叩き出される。このよう
にエミッションフィラメントは蒸発とスパッタリングに
よる両方の作用によって消耗する。

【００１０】フィラメントが消耗すると、新しいものに
交換しなければならない。これは随時なされている。そ
の他にもフィラメントの消耗によって生ずる悪影響があ
る。フィラメントから離脱したフィラメント材料は、プ
ラズマに混入し一部はイオン化される。イオン化された
フィラメント材料はイオンビ−ムに含まれて引き出され
る。

【００１１】従来は細いイオンビ−ムを引き出して、扇
形磁石よりなる質量分離装置を通して被処理物に照射し
ていた。この場合は、フィラメント材料のイオンが混入
していても質量分離器によって除かれ被処理物まで到達
しない。フィラメント材料がプラズマに混ざっても差し
支えなかった。

【００１２】ところが近年になって広いイオンビ−ムが
必要になってきた。広い面積の部品にイオンビ−ムを注
入したり、あるいは半導体素子製造のスループットを挙
げたりするという要求が強くなっているためである。イ
オン注入装置でも、広い断面積のイオンビ−ムを対象物
に注入することが行われるようになってきた。さらに大
面積でエネルギーの低いイオンビ−ムを被処理物に照射
するイオンシャワー装置なども製造されるようになって
きた。このように断面積の大きいビームの場合、従来の
ように扇形質量分析器をイオン源に続いて設ける事が難
しい。磁石が巨大化して、装置が重く大きく肥大化して
しまうからである。

【００１３】そこで大面積イオン源の場合、質量分離し
ないで被処理物に照射するという事が多い。そうすると
不純物をイオンビ−ムから予め除去するということがで
きない。フィラメント材料もイオン化され被処理物に照
射されるようになる。被処理物が多少の不純物を許容す
るものであれば問題がない。しかしフィラメントからの
僅かな不純物でさえ問題になるような対象がある。特に
不純物を嫌う被処理物の場合、フィラメント材料の混入
は重大である。

【００１４】そのような問題を克服し、質量分離器がな
くても、フィラメント材料の被処理物への混入を防ぐこ
とのできるイオン源を与えることが本発明の第１の目的
である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン源は、マ
ルチカスプ磁場を用いてプラズマを閉じ込めるようにし
たイオン源において、フィラメントのチャンバ中心側に
カバーを設け、フィラメントを半ば覆うようにする。フ
ィラメントカバーによってプラズマとフィラメントを空
間的に離隔できる。プラズマのイオンによるフィラメン
トのスパッタリングを防ぐことができる。カバーは絶縁
体であっても、導体であっても良い。絶縁体である場合
は、バイアスの問題はない。導体の場合はカソード電位
より高いが、プラズマ電位より低くなるようにバイアス
する。カバー自体も僅かにスパッタリングされるので、
スパッタリングされ難い材料、スパッタされても被処理
物に悪影響のない材料を選ぶべきである。

【００１６】

【発明の実施の形態】フィラメントはカソード電位であ
るため、プラズマ中のイオンのスパッタを受ける。また
スパッタによってフィラメントから出たタングステンや
タンタルなどの原子、分子は一部イオン化される。

【００１７】そこで本発明は、フィラメントの、チャン
バ中心側の半分にカバーをかぶせる。それによりフィラ
メントがスパッタリングされても、チャンバ中心側に向
かう原子、分子はカバーに付着するので、プラズマに混
ざらない。壁面側に向かう原子、分子は多くの場合、壁
面に付着する。

【００１８】スパッタリング以外にフィラメントが高熱
のために蒸発する成分もある。蒸発したものは、カバー
に触れると冷却されるからカバーに付着してしまう。放
出されてからカバーに付着するまでの期間が短く、カス
プ磁場の腹の部分のチャンバ近くは電子密度も低いの
で、イオン化される確率が低い。であるからチャンバ中
央部のプラズマにフィラメント材料が混ざってそれがイ
オンビ−ムとして引き出される確率が減少する。対象物
にフィラメント材料が混ざる確率が少ない。清浄なイオ
ンビ−ム照射が可能になり、高品質のイオン注入が可能
になる。

【００１９】

【実施例】図３によって本発明の実施例に係るイオン源
を説明する。イオン源チャンバ１は円筒形の側周部と円
盤状の端壁からなる。チャンバはアノードとなる。チャ
ンバには外部からプラズマにするべきガスが導入され
る。チャンバ１の内部には、カソードフィラメント３が
いくつか設けられる。これは陰極電位にあり、しかも電
流が流れる事によって発熱する。発熱しカソード電位に
あるので、熱電子が多数放出される。フィラメントとチ
ャンバ壁の間には電界がかかっているので、電子が加速
される。加速電子がガス分子に衝突し、一部をイオン化
する。一部をラジカルに励起する。イオンとラジカル、
電子が含まれるプラズマが発生する。これらの荷電粒子
が多数存在して電流が流れる。つまりチャンバとフィラ
メントの間で放電が起こる。

【００２０】側周部には、複数の永久磁石２が設けられ
る。永久磁石２の磁極の方向は半径方向を向いている。
隣接永久磁石の磁極方向は反転している。隣接永久磁石
を結ぶように磁力線が発生する。磁石の端面を尖点６と
する磁場ができる。チャンバ壁近くの磁場が強いので、
荷電粒子は多くの場合磁場によって跳ね返される。カス
プ磁場によってプラズマを閉じ込めている。永久磁石は
端面壁にも設けられるがここでは図示しない。

【００２１】フィラメント３はカスプ磁場の腹の部分に
複数個設けられる。これのチャンバ中心側にカバー５が
あって、フィラメント３を半ば被覆している。本発明の
眼目はカバーにある。フィラメント材料はタングステ
ン、タンタルなど蒸気圧の低い物質である。高熱によっ
て一部が蒸発し、プラズマによるスパッタリングを受け
る。フィラメントから離れたフィラメント材料は一部が
イオン化され、残りは中性のままである。

【００２２】中性の原子、分子は熱エネルギーだけで自
由空間を飛ぶが速度が遅い。チャンバの中心に向けて放
出されたものは、殆どがカバーに当たりここに付着す
る。蒸気圧が低いからフィラメントより低温であるカバ
ーに簡単に付着するのである。チャンバの壁面に向けて
放出されたものはチャンバの壁面に当たり、ここに付着
する。チャンバ壁面は低温であるからより付着し易い。
一旦カバーやチャンバ壁に付いたものは再びここから飛
び出さない。

【００２３】フィラメントからスパッタリングされた粒
子の一部はイオン化される。イオン化された粒子につい
ては、イオン化された場所のポテンシャルによって挙動
が変わってくる。プラズマ中のポテンシャルはイオン源
チャンバ（アノード）やカバーのポテンシャルより高い
（図４）。だからこれらのイオンは、大部分がチャンバ
やカバーに衝突して電荷を失うか、又は電極からイオン
として引き出される。

【００２４】フィラメントの極近傍でイオン化されたも
のは、ポテンシャルの勾配を辿って大部分がフィラメン
トに逆流する。つまりフィラメントから出た粒子の殆ど
がカバー、チャンバ、フィラメントに付着し、プラズマ
の中心部には至らない。従って、フィラメント材料がイ
オンビ−ムとして外部に引き出されて被処理物を汚染す
るという事が殆どない。

【００２５】次にカバーを設置した事の悪影響を考え
る。通常のセラミック（ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）を
カバーとする時は、カバーのポテンシャルは自動的にフ
ローティング電位になる。この場合、プラズマの閉じ込
めは多少悪くなるがそれほど問題とはならない。但し、
プラズマイオンのスパッタリングを受け難いような材質
をカバー材質に選定する必要がある。

【００２６】カバーを導体によって作製する場合は、こ
れをカソード電位より高くアノード電位より低くバイア
スする。図５はカソードからアノードに至る空間におい
て、荷電粒子が感じるポテンシャルをグラフによって示
すものである。これはチャンバにプローブを入れて空間
電位を測定した結果である。アノード近くでは、ポテン
シャルが高く、プラズマポテンシャルも正電位である。
プラズマから離れると急激に電位が下がり、カソード電
位で最小になる。アノード電位近くの高い電圧にバイア
スすると、電子の逃げ道になるので、プラズマの閉じ込
めが極端に悪くなる。これは望ましくないことである。

【００２７】プラズマポテンシャルより少し下げると電
子の流入が減少するので、閉じ込めの性能は低下しな
い。カソード電位の近くにバイアスすると、カバー自体
がスパッタリングされる。そこで、アノード電位よりも
少し低い電位にバイアスすれば、プラズマの閉じ込めに
悪影響を与えず、かつスパッタリングも受け難い。

【００２８】何れにしても、カバーによってフィラメン
ト材料がプラズマに混入するのを防ぐことができる。イ
オンビ−ム自体にフィラメント材料のイオンが含まれな
くなる。だから質量分離をしなくても、被処理物にフィ
ラメント材料が注入されることはない。従って、被処理
物を不要な成分によって汚染する恐れがない。高品質の
イオン注入が可能である。フィラメント材料が不純物と
して混入するのが不都合である被処理物を処理する場合
に最適である。

【００２９】

【発明の効果】本発明のイオン源においては、カソード
フィラメントの外側をカバーによって覆うので、カソー
ドフィラメントにイオンが衝突し、スパッタリングされ
た粒子が、カバーによって遮られる。プラズマに混入し
て被処理物に照射されることがない。従って、被処理物
を汚染する恐れがない。高品質のイオン注入を行う事が
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例に係るイオン源の縦断面図。

【図２】他の従来例に係るイオン源の一部縦断面図。

【図３】本発明の実施例に係るイオン源の縦断面図。

【図４】アノードチャンバとカソードフィラメントの間
の空間的なポテンシャル図。

【図５】金属製のカバーを設置する場合、どのようにバ
イアス電位を決定するかを説明するためのカソードフィ
ラメントの近傍におけるポテンシャル図。

【符号の説明】

１イオン源チャンバ２永久磁石３フィラメント４磁力線５カバー６磁力線の尖点７磁力線の腹９絶縁体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部にガスを導入し放電によってプラズ
マとするためのイオン源チャンバと、イオン源チャンバ
の外壁に設けられチャンバ内部にカスプ磁場を形成する
ための複数の磁石と、チャンバ内部に設けられてカソー
ド電位にバイアスされるフィラメントと、フィラメント
のチャンバ中央部に近い方を覆うように設けられるカバ
ーとよりなることを特徴とするイオン源。