JPS63236299A - Plasma generator - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 イオン注入装置のイオン源等に用いられている熱陰極型
のプラズマ発生装置におけるフィラメントを、従来の純
タングステンに代わって、Ｗ　−Ｒｅ合金を用いる。こ
れにより、フィラメントを、抵抗値および耐スパツタリ
ング性を維持しつつ、太くし、動作寿命を長くすること
を可能とした。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] A W--Re alloy is used instead of the conventional pure tungsten for the filament in a hot cathode type plasma generator used as an ion source of an ion implantation device. This makes it possible to make the filament thicker and extend its operating life while maintaining its resistance and sputtering resistance.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明はプラズマ発生装置に係り、とくに、半導体集積
回路の製造において用いられるイオン注入装置用のイオ
ン源を構成するフィラメントに関する。The present invention relates to a plasma generator, and more particularly to a filament that constitutes an ion source for an ion implanter used in the manufacture of semiconductor integrated circuits.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体集積回路の製造に供されているイオン注入装置の
多くには、熱陰極から成るイオン源が用いられている。Many of the ion implantation apparatuses used in the manufacture of semiconductor integrated circuits use an ion source made of a hot cathode.

この代表的な例として、第２図に示すようなフリーマン
型のイオン源がある。すなわち、円筒状の陽極１の軸方
向に設けられた熱陰極２を加熱電源３により通電加熱し
、熱電子を発生させる。この熱電子をアーク電源４によ
り加速し、導入孔５から陽極１の内部の空間に導入され
た気体状の原料物質に衝突させ、これを電離させる。こ
のようにして、陽極１の内部空間には、原料物質のイオ
ンと電子とから成るプラズマが発生される。A typical example of this is a Freeman type ion source as shown in FIG. That is, a hot cathode 2 provided in the axial direction of a cylindrical anode 1 is electrically heated by a heating power source 3 to generate thermoelectrons. These thermoelectrons are accelerated by an arc power source 4, collide with a gaseous raw material introduced into the space inside the anode 1 from the introduction hole 5, and ionize it. In this way, a plasma consisting of ions of the source material and electrons is generated in the interior space of the anode 1.

この原料物質イオンは、陽極１の側壁に設けられている
スリット６から外部に取り出され、陽極１の側を正極と
して印加された高電圧（１０〜２００ｋＶ）により加速
され、シリコンウェハ（図示省略）等に照射され、この
中に注入される。なお、第３図において、符号７は電磁
石である。この電磁石の磁界により、熱陰極２から発生
された電子は、熱陰極２を軸としてトロコイド運動を行
い、原料物質ガスに対するイオン化効率を高くする。ま
た、符号８は、電磁石用のコイルである。These raw material ions are taken out from the slit 6 provided on the side wall of the anode 1, accelerated by a high voltage (10 to 200 kV) applied with the anode 1 as the positive electrode, and transferred to a silicon wafer (not shown). etc. and injected into it. In addition, in FIG. 3, the reference numeral 7 is an electromagnet. Due to the magnetic field of this electromagnet, electrons generated from the hot cathode 2 perform trochoidal motion around the hot cathode 2, thereby increasing the ionization efficiency for the raw material gas. Moreover, the code|symbol 8 is a coil for electromagnets.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

フリーマン型に代表される従来の熱陰極型のイオン源で
は、熱陰極２として、例えば、直径２龍程度のタングス
テンのフィラメントが用いられていた。このフィラメン
トはイオン源中でプラズマに曝され、と（に、近傍の陰
極降下領域の電圧によって加速されたイオンの衝撃によ
るスパッタリングを起こす。このために、動作寿命が短
かく、例えば、２ｍｌの径を有するフィラメントで２〜
３日程度であった。In a conventional hot cathode type ion source such as the Freeman type, a tungsten filament having a diameter of about 2 mm is used as the hot cathode 2, for example. This filament is exposed to a plasma in the ion source and undergoes sputtering due to the bombardment of ions accelerated by the voltage in the nearby cathode fall region. This has a short operating life, e.g. 2~ with filament having
It took about 3 days.

イオン注入装置では、一般に、毒性が強く、また化学的
に活性な物質が取り扱われるので、フィラメントの交換
の前後における真空容器内部の排気に長時間を要する。Since ion implanters generally handle highly toxic and chemically active substances, it takes a long time to evacuate the inside of the vacuum chamber before and after replacing the filament.

通常、−回の交換に数時間を要する。したがって、この
間における装置の不稼働による損失が無視できない。こ
のために、長寿命のフィラメントが要望されていた。Normally, it takes several hours for two exchanges. Therefore, losses due to equipment not being operational during this period cannot be ignored. For this reason, a long-life filament has been desired.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記従来の問題点は、熱陰極を構成するフィラメントが
、タングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒｅ）の合金から成
ることを特徴とするプラズマ発生装置を提供することに
よって、解決される。The above conventional problems can be solved by providing a plasma generator characterized in that the filament constituting the hot cathode is made of an alloy of tungsten (W) and rhenium (Re).

〔作用〕[Effect]

イオン注入装置のイオン源に用いられる熱陰極フィラメ
ントをＷ−Ｒｅ合金とすることにより、フィラメントの
比抵抗を大きくし、同一加熱電源を用いて、径の大きな
フィラメントを加熱可能とする。これにより、フィラメ
ントの寿命を長くし、一定期間光たりの交換回数を減ら
す。By using a W-Re alloy as the hot cathode filament used in the ion source of the ion implantation device, the specific resistance of the filament is increased, and a filament with a large diameter can be heated using the same heating power source. This increases the life of the filament and reduces the number of times it needs to be replaced over a period of time.

〔実施例〕〔Example〕

フィラメントを太くすれば、長寿命化することは可能で
ある。しかしながら、単にフィラメントの径を大きくす
ると、加熱電源が供給すべき電流は、径の二乗に比例し
て増加する。前記のように、熱陰極２はイオン加速用の
高電圧が印加されるので、このような電流増加に伴って
、加熱用電源に電力を供給する絶縁トランスは、大型化
し、がっ、高価となる。したがって、フィラメントを、
抵抗値を下げずに、径を太きすることが望ましい。It is possible to extend the lifespan by making the filament thicker. However, if the diameter of the filament is simply increased, the current to be supplied by the heating power source increases in proportion to the square of the diameter. As mentioned above, a high voltage for ion acceleration is applied to the hot cathode 2, so as the current increases, the isolation transformer that supplies power to the heating power source becomes larger and more expensive. Become. Therefore, the filament
It is desirable to increase the diameter without lowering the resistance value.

一方、フィラメント材料としては、２０００　’Ｃ程度
以上の高融点と、化学的不活性を有することが要求され
る。これらの条件に該当する物質は、Ｗの他、レニウム
（Ｒｅ）　、タンタル（Ｔａ）　、イリジウム（Ｉｒ）
　、モリブデン（Ｍｏ）等に限られる。On the other hand, the filament material is required to have a high melting point of about 2000'C or higher and chemical inertness. In addition to W, substances that meet these conditions include rhenium (Re), tantalum (Ta), and iridium (Ir).
, molybdenum (Mo), etc.

次表に、Ｗ、　Ｒｅｓ　Ｉｒ、、　Ｔａ、　Ｍｏについ
ての、耐スパツタリング性、電気抵抗、抵抗値が同一の
フィラメント径、および寿命の期待値の比較をまとめて
示す。The following table summarizes a comparison of sputtering resistance, electrical resistance, filament diameter with the same resistance value, and expected lifetime value for W, Res Ir, Ta, and Mo.

なお、同表において、耐スパツタリング性は、下記文献
のデータにもとづいて求めた、直径２１璽のフィラメン
トの寿命である。In addition, in the same table, the sputtering resistance is the life of a filament with a diameter of 21 mm, which was determined based on the data in the following literature.

文献：　Ｇ、Ａ、アルドン“高強度の重いイオン発生源
に関する物理・化学および技術の現状”　原子力機器と
方法誌　ＣＧ、Ｄ、ＡＩｔ６ｎ　“Ａｓｐｅｃｔ　ｏｆ
　ｔｈｅｐｈｙｓｉｃｓ、　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、　ａ
ｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈｉｎｔｅ
ｎｓｉｔｙ　ｈｅａｖｙ　ｔｏｎ　５ｏｕｒｃｅｓ　”
　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎ−５ｔｒｕ＋５ｅｎｔｓ　ａｎ
ｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　１８９　　（１９８１）　ｐ、ｐ
、１５−４２゜Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ　Ｐｕｂｌ
ｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ）また、寿命の期待値は
、単位長さのフィラメントに含まれる原子数に比例する
寿命の増加のみを考えた場合（最大値）と、入射イオン
数に比例した減少を考慮して求めた値（最小値）の範囲
を示しである。なお、後述するＷ　−Ｒｅ合金について
も、２５％Ｒｅの推定値を、比較のために示しである。Literature: G, A, Aldon “Current state of physics, chemistry and technology regarding high-intensity heavy ion sources” Nuclear Equipment and Methods magazine CG, D, AIt6n “Aspect of
physics, chemistry, a
nd technology of high
city heavy ton 5 sources”
Nuclear In-5tru+5ents an
d Methods 189 (1981) p, p
, 15-42゜North-Holland Publ
In addition, the expected value of the lifespan is calculated by considering only the increase in the lifespan proportional to the number of atoms contained in a filament of unit length (maximum value) and the decrease proportional to the number of incident ions. This shows the range of values (minimum values). Note that for the W-Re alloy described later, an estimated value of 25% Re is also shown for comparison.

上記の五種の単体材料のうちで、Ｗより高抵抗率を有す
るものに絞ると、ＲｅおよびＴａになる。しかしながら
、Ｔａは耐スパツタリング性がＷよりも低く、消耗が早
いので、長寿命には適しない。これに対して、Ｒｅは、
耐スパツタリング性はＷと同等、動作温度（約２０００
℃）近傍における抵抗率はＷの約１．５倍である。した
がって、Ｒｅは、Ｗと同一抵抗値で、径の大きなフィラ
メントを提供するのに適した材料であると言える。Among the five types of single materials mentioned above, those with higher resistivity than W are selected as Re and Ta. However, Ta has lower sputtering resistance than W and wears out faster, so it is not suitable for long life. On the other hand, Re is
The sputtering resistance is the same as W, and the operating temperature (approx.
℃) is about 1.5 times that of W. Therefore, it can be said that Re is a material suitable for providing a filament with the same resistance value as W and a large diameter.

ところが、Ｒｅは産出量が少ないため、きわめて高価で
あるという欠点がある。これを用いた量産段階のフィラ
メント価格は、Ｗの百倍程度と推定される。そこで、本
発明者らは、Ｗの一部をＲｅにより置換し、これによる
比抵抗の増加に見合った太い径を有するフィラメントを
作製し、この径の増加から予測される寿命の増大効果を
確めるための実験を行った。However, since Re is produced in small amounts, it has the disadvantage of being extremely expensive. The price of a filament using this in the mass production stage is estimated to be about 100 times that of W. Therefore, the present inventors replaced a part of W with Re, produced a filament with a large diameter commensurate with the increase in resistivity caused by this, and confirmed the effect of increasing the life expectancy from this increase in diameter. We conducted an experiment to find out.

１５％のＲｅを含むＷ合金から成る、直径２．３　ｍｌ
のフィラメントを試作し、これを、第２図に示す構造の
フリーマン型のイオン源に装着し、三弗化硼素（ＢＦ３
　）ガスのイオン化におけるフィラメント電流の変化を
測定した。同じ条件で、従来の、直径２．０鶴の純タン
グステンフィラメントの電流を測定し、比較した。なお
、これらの測定において、−陽極１と熱陰極２の間を流
れる電流は、２．ＯＡに制御した。Made of W alloy with 15% Re, 2.3 ml diameter
A prototype filament was made, which was attached to a Freeman type ion source with the structure shown in Figure 2.
) Measured the change in filament current during gas ionization. Under the same conditions, the current of a conventional pure tungsten filament with a diameter of 2.0 mm was measured and compared. In addition, in these measurements, the current flowing between the anode 1 and the hot cathode 2 is 2. Controlled to OA.

第１図において、曲線■は試作したｗ−１５％Ｒｅフィ
ラメントの、上記条件下での使用時間とフィラメント電
流との関係を示すグラフ、曲線■は、比較用の、従来の
純タングステンフィラメントの使用時間とフィラメント
電流との関係を示すグラフである。両者ともに、初期の
フィラメント電流は１３０Ａである。これが、５０Ａに
減少するまでの時間は、Ｗ−Ｒｅ合金フィラメントの場
合が約２６時間、従来の純タングステンフィラメントの
場合で約２３時間であった。In Figure 1, the curve ■ is a graph showing the relationship between the usage time and filament current of the prototype w-15% Re filament under the above conditions, and the curve ■ is a graph showing the relationship between the use time and filament current of the prototype w-15% Re filament, and the curve ■ is a graph of the use of a conventional pure tungsten filament for comparison. It is a graph showing the relationship between time and filament current. In both cases, the initial filament current is 130A. The time required for this to decrease to 50 A was approximately 26 hours for the W-Re alloy filament and approximately 23 hours for the conventional pure tungsten filament.

以上のように、Ｗ−１５％Ｒｅ合金から成るフィラメン
トでは、従来の純タングステンフィラメントに比して、
十数％の長寿命化が達成される。As mentioned above, compared to the conventional pure tungsten filament, the filament made of W-15%Re alloy has
Achieved a lifespan of more than 10%.

なお、本発明においては、Ｗ　−Ｒｅ合金中におけるＲ
ｅの含有率は、動作温度において、純タングステン熱陰
極に比して高い抵抗率を示す範囲で選ばね６、また、Ｗ
　−Ｒｅ熱陰極の直径は、従来の純タングステン熱陰極
の直径に対して、前記動作温度におけるＷ　−Ｒｅ熱陰
極と純タングステン熱陰掘の前記抵抗率の比の平方租借
となるように設計される。In addition, in the present invention, R in the W-Re alloy
The content of e must be selected within a range that exhibits higher resistivity than that of a pure tungsten hot cathode at the operating temperature6.
The diameter of the -Re hot cathode is designed to be the square of the ratio of the resistivities of the W-Re hot cathode and the pure tungsten hot cathode at the operating temperature to the diameter of a conventional pure tungsten hot cathode. Ru.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、ＷにＲｅを含有させることにより、イ
オン注入装置のイオン源として用いられるプラズマ発生
装置に適した、耐スパツタリング性にすぐれ、かつ、大
きな径を有するフィラメントを提供可能とする効果があ
る。According to the present invention, by incorporating Re into W, it is possible to provide a filament having excellent sputtering resistance and a large diameter, which is suitable for a plasma generator used as an ion source of an ion implantation device. There is.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は、試作したＷ　−Ｒｅ合金フィラメントおよび
従来の純タングステンフィラメントの使用時間とフィラ
メント電流の関係を示すグラフ、第２図は、本発明のＷ
　−Ｒｅ合金フィラメントを適用したフリーマン型のイ
オン源の原理的構成を示す図である。 図において、１は陽極、２は熱陰極、３は加熱電源、４
はイオン化電源、５はガス導入孔、６はスリット、７は
電磁石、８はコイルである。 １５０［ ＯＳ　　　１０　　　ｆ５　　２０　　２５（Ｈｒ）時
間 フィラメ〉ト′電流とイ史用時間の関係１シｉ（１図 未発日月を石り、用するイオン源 莫２図FIG. 1 is a graph showing the relationship between usage time and filament current for the prototype W-Re alloy filament and the conventional pure tungsten filament.
FIG. 2 is a diagram showing the principle configuration of a Freeman type ion source to which a -Re alloy filament is applied. In the figure, 1 is an anode, 2 is a hot cathode, 3 is a heating power source, and 4
is an ionization power source, 5 is a gas introduction hole, 6 is a slit, 7 is an electromagnet, and 8 is a coil. 150 [OS 10 f5 20 25 (Hr) Time filament>'Relationship between current and historical time 1 (Fig. 1) Ion source to be used

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）所定の動作温度に加熱された熱陰極から放出され
る電子によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置で
あって、該熱陰極がタングステン（Ｗ）とレニウム（Ｒ
ｅ）の合金から構成されていることを特徴とするプラズ
マ発生装置。(1) A plasma generation device that generates plasma by electrons emitted from a hot cathode heated to a predetermined operating temperature, the hot cathode being made of tungsten (W) and rhenium (R).
A plasma generator characterized in that it is made of the alloy of e). （２）前記合金におけるＲｅの含有率が１ないし５０％
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプ
ラズマ発生装置。(2) The content of Re in the alloy is 1 to 50%
The plasma generating device according to claim 1, characterized in that: