JPS63291341A - Microwave ion source - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、半導体層への不純物のドーピング、材料合成
、表面改質あるいは新材料開発などに使用されるイオン
注入装置、イオンビーム照射加工装置等に用いるマイク
ロ波イオン源の改良に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to ion implantation equipment and ion beam irradiation processing equipment used for impurity doping into semiconductor layers, material synthesis, surface modification, new material development, etc. This paper relates to the improvement of microwave ion sources used in such applications.
イオン注入装置は半導体製造プロセスには不可欠で、必
要な不純物ドーズ量に応じて種々の実用装置が開発され
ている。しかしながら、従来不純物ドーズ量は高濃度の
ものでも１０１６イオン／Ｃｍ２であったため、大電流
イオン注入装置といわれるものでもそのイオン電流は１
〜１０ｍＡであった。これに対し、例えばシリコン基板
内部に５ｉ０２層を合成するＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａ
ｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎ−ｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ
）基板形成技術、金属表面を表面改質（窒化・酸化処理
等）して表面物性を変える技術のように、ドーズｉｉｏ
”イオン／ｃｍ”以上のイオン打込みを要する半導体製
造技術が進展しており、それに伴い５０〜１００ｍＡの
大電流イオン注入装置の開発が切望されている。Ion implantation devices are essential to semiconductor manufacturing processes, and various practical devices have been developed depending on the required impurity dose. However, since the conventional impurity dose was 1016 ions/Cm2 even for high-concentration devices, the ion current was 1
It was ~10mA. On the other hand, for example, SIMOX (Separa
tion by IMplan-ted OXygen
) Substrate forming technology, technology to modify the surface properties of metal surfaces (nitriding, oxidation, etc.)
2. Description of the Related Art Semiconductor manufacturing technology that requires ion implantation of "ions/cm" or higher is progressing, and as a result, there is a strong desire to develop a high current ion implantation device of 50 to 100 mA.
この種の装置を開発するには、総イオン電流が１００〜
２００ｍＡ以上で、しかも酸素などの活性ガスに対して
長寿命のイオン源が不可欠である。To develop this type of device, a total ion current of 100~
An ion source with a current of 200 mA or more and a long life for active gases such as oxygen is essential.
マイクロ波イオン源は、その引出しイオン電流の高密度
化・大電流化さえ実現できれば、無電極放電であること
から、この種の用途に最適とみなされている。Microwave ion sources are considered optimal for this type of use because they are electrodeless discharges, as long as the extraction ion current can be made high density and large.
第３図に従来のマイクロ波イオン源の基本構成を示す。FIG. 3 shows the basic configuration of a conventional microwave ion source.
これは、特願昭６１−２１２３８２号に記載されたもの
である。第３図において、ｌはプラズマ発生室、２はマ
イクロ波導入窓、３は導波管、４は磁気コイル、５はガ
ス導入口、６はイオン引出し電極系、７は引き出された
イオンビーム、８は絶縁固定部、９はプラズマリミッタ
、ＩＯは冷却用パイプ、１）は真空封じ用のＯリングで
ある。プラズマ発生室ｌにガス導入口５よりガスを導入
し、導波管３からマイクロ波（例えば２．４５ＧＨｚ）
を導入しくマイクロ波発振源、アイソレータ、整合器、
マイクロ波電力計は図示せず）、磁気コイル４によって
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件（８７５ガウス
）の直流磁場をマイクロ波電界に対して直角方向に印加
すると、これらの相互作用で、プラズマ発生室１に導入
されたガスはプラズマとなる。このように生成されたプ
ラズマから、加速・減速系で構成したイオン引出し電極
系６によってイオンビームを引き出す。このようなイオ
ン源構成で従来困難とされていたイオン電流密度たとえ
ば１６０ｍＡ／ｃｍ”以上が得られている。This is described in Japanese Patent Application No. 61-212382. In FIG. 3, l is a plasma generation chamber, 2 is a microwave introduction window, 3 is a waveguide, 4 is a magnetic coil, 5 is a gas inlet, 6 is an ion extraction electrode system, 7 is an extracted ion beam, 8 is an insulating fixing part, 9 is a plasma limiter, IO is a cooling pipe, and 1) is an O-ring for vacuum sealing. Gas is introduced into the plasma generation chamber l through the gas introduction port 5, and microwave (for example, 2.45 GHz) is transmitted through the waveguide 3.
Introducing microwave oscillation sources, isolators, matching devices,
When a direct current magnetic field under electron cyclotron resonance (ECR) conditions (875 gauss) is applied by the magnetic coil 4 in a direction perpendicular to the microwave electric field, the interaction between them causes the plasma generation chamber to The gas introduced into 1 becomes plasma. An ion beam is extracted from the plasma thus generated by an ion extraction electrode system 6 comprising an acceleration/deceleration system. With such an ion source configuration, an ion current density of, for example, 160 mA/cm'' or more, which has been considered difficult in the past, can be obtained.
このように、第３図に示すマイクロ波イオン源は優れた
性能を有しているが、さらに高密度イオンビームを得よ
うとすると、マイクロ波導入窓２の改善か望まれる。マ
イクロ波導入窓には、大きく分類して、■プラズマ発生
室ｌを真空にするための真空封じの役目、■マイクロ波
をプラズマ発生室１に導入するマイクロ波導入の役目、
■高誘、電率の高密度プラズマと効率良くマイクロ波を
結合させる役目、■荷電粒子の衝突によるマイクロ波導
入窓の損傷・物性変質（誘電率、比抵抗の変化）による
性能劣化を防止する役目など、イオン源性能の本質に係
わる重要な役目を担っている。As described above, the microwave ion source shown in FIG. 3 has excellent performance, but in order to obtain a higher density ion beam, it is desired that the microwave introduction window 2 be improved. The microwave introduction window can be broadly classified into: ■ the role of vacuum sealing to create a vacuum in the plasma generation chamber 1; ■ the role of microwave introduction to introduce microwaves into the plasma generation chamber 1;
■ Function to efficiently couple microwaves with high-density plasma with high permittivity and electric constant. ■ Prevent performance deterioration due to damage to the microwave introduction window and physical property changes (changes in permittivity and specific resistance) due to collisions with charged particles. It plays an important role related to the essence of ion source performance.
そのため、■と■の役目を考慮した場合、マイクロ波導
入窓２として、石英＋アルミナ十ＢＮの３層の誘電体構
成が優れていることを本願発明者は明らかにした。すな
わち、高密度プラズマとマイクロ波を効率良く結合させ
るには、プラズマの誘電率を考慮すると、誘電率の高い
誘電体でマイクロ波導入窓を構成するのが良い。形状（
大きさ・厚み）はインピーダンス整合をとってマイクロ
波の反射が小さくなるように設計すれば良いが、プラズ
マに接触する部分の誘電体材には耐熱性を優先して材料
を選定しく例えばＢＮ）、中間に誘電率の高い材料（例
えばアルミナ）を用いるのが有効であり、真空封じ用と
しては石英が適している。Therefore, when considering the roles of (1) and (2), the inventor of the present application has revealed that a three-layer dielectric structure of quartz + alumina and BN is excellent as the microwave introduction window 2. That is, in order to efficiently couple high-density plasma and microwaves, considering the dielectric constant of the plasma, it is preferable to configure the microwave introduction window with a dielectric material having a high dielectric constant. shape(
Size and thickness) should be designed to minimize microwave reflection by impedance matching, but for the dielectric material in the part that comes into contact with the plasma, heat resistance should be given priority when selecting the material (for example, BN). It is effective to use a material with a high dielectric constant (for example, alumina) in the middle, and quartz is suitable for vacuum sealing.
例えば、石英＋アルミナ＋ＢＮの３層構造で、石英、Ｂ
Ｎの管内波長をλ／２の奇数倍、アルミナの管内波長を
λ／４の奇数倍になるように形状を決めれば、高密度プ
ラズマとマイクロ波の結合が容易になる。For example, in a three-layer structure of quartz + alumina + BN, quartz, B
If the shape is determined so that the tube wavelength of N is an odd number multiple of λ/2 and the tube wavelength of alumina is an odd number multiple of λ/4, coupling of high-density plasma and microwave becomes easy.
一般に、プラズマに接している誘電体材料は、高融点で
熱衝撃に強く熱伝導の良い材料が望ましい。このプラズ
マに接触する誘電体の昇温、破壊の原因は単純にプラズ
マのみによって起こるのでなく、イオン引出し電極系６
の近傍で生成する電子もしくはイオン源の外部から流入
する電子がイオン引出し電極系６で加速されてマイクロ
波導入窓２に衝突し、マイクロ波導入窓２が昇温・破壊
されるものと考えられる。特に、加速−減速系の３枚電
極構成で減速電極系が放電などでその機能を果たしてい
ないと、イオン源の外部からの電子は加速電圧で高速に
加速されるとともに、プラズマ発生室ｌ内にかけられて
いる磁場の影響でビームが広がらず、高密度パワーの電
子が誘電体に衝突し、瞬間的に温度が上昇する。このよ
うな場合、Ｏリング１）の温度が上昇し、脱ガス、硬化
（非弾性化）が生じ、真空封じの機能が劣化し、イオン
源としての性能を低下させてしまう。そのため、高速の
荷電粒子の衝突に対して真空封じ用のＱ ＩＪソング１
の昇温を抑えた、より一層安全なマイクロ波導入窓構成
が望まれている。Generally, it is desirable that the dielectric material in contact with plasma has a high melting point, is resistant to thermal shock, and has good thermal conductivity. The cause of temperature rise and destruction of the dielectric material that comes into contact with the plasma is not simply caused by the plasma, but also by the ion extraction electrode system 6.
It is thought that electrons generated near the ion source or electrons flowing in from outside the ion source are accelerated by the ion extraction electrode system 6 and collide with the microwave introduction window 2, causing the microwave introduction window 2 to be heated and destroyed. . In particular, if the deceleration electrode system in the three-electrode configuration of the acceleration-deceleration system does not perform its function due to discharge, etc., the electrons from outside the ion source will be accelerated at high speed by the accelerating voltage and will be applied inside the plasma generation chamber. The beam does not spread due to the influence of the magnetic field, and the high-density and power electrons collide with the dielectric, causing an instantaneous rise in temperature. In such a case, the temperature of the O-ring 1) increases, causing degassing and hardening (inelasticity), degrading the vacuum sealing function and reducing the performance as an ion source. Therefore, Q IJ Song 1 is used for vacuum sealing against collisions of high-speed charged particles.
An even safer microwave introduction window configuration that suppresses temperature rise is desired.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、マイクロ波導入窓の真空封じ部
分の温度上昇を抑えた信頼性の高い大電流マイクロ波イ
オン源を提供することにある。The present invention has been made in view of these points, and its purpose is to provide a highly reliable high-current microwave ion source that suppresses the temperature rise of the vacuum-sealed portion of the microwave introduction window. There is a particular thing.
このような目的を達成するために本発明は、プラズマを
発生させるプラズマ発生室と、このプラズマ発生室にマ
イクロ波を導入するマイクロ波導入窓と、プラズマ発生
室で発生したプラズマからイオンビームを引き出すイオ
ン引出し電極系とを備えたマイクロ波イオン源において
、マイクロ波導入窓を積層構造の誘電体から構成し、積
層構造の誘電体の一部を熱伝導の異方性を有するものと
した。In order to achieve such an object, the present invention provides a plasma generation chamber for generating plasma, a microwave introduction window for introducing microwaves into the plasma generation chamber, and an ion beam for extracting an ion beam from the plasma generated in the plasma generation chamber. In a microwave ion source equipped with an ion extraction electrode system, the microwave introduction window is made of a dielectric material having a laminated structure, and a part of the dielectric material having the laminated structure has anisotropy of heat conduction.
本発明によるマイクロ波イオン源のマイクロ波導入窓は
、水平方向に熱伝導率が非常に高く、垂直方向に熱伝導
率が低い。The microwave introduction window of the microwave ion source according to the invention has very high thermal conductivity in the horizontal direction and low thermal conductivity in the vertical direction.
まず本発明の概要について述べる。本発明では、積層構
成のマイクロ波導入窓の一部に熱伝導の異方性を有する
誘電体を用いることにより、積層誘電体間の温度差をつ
けるとともに、その誘電体部分で熱を効率的に逃がして
その部分の温度上昇を抑えている。これにより、マイク
ロ波導入窓の真空封じ部分の温度は上がりにくく、さら
にマイクロ波導入窓に衝突する高速荷電粒子の急激な増
大に対して耐性の強いイオン源になっている。First, an overview of the present invention will be described. In the present invention, by using a dielectric material having heat conduction anisotropy in a part of the microwave introduction window of a laminated structure, a temperature difference is created between the laminated dielectric materials, and heat is efficiently dissipated in the dielectric portion. This suppresses the temperature rise in that area. This makes it difficult for the temperature of the vacuum-sealed portion of the microwave introduction window to rise, and furthermore, the ion source is highly resistant to rapid increases in high-speed charged particles colliding with the microwave introduction window.
第１図は、本発明に係わるマイクロ波イオン源の一実施
例を示す構成図である。同図において、１は円筒状の空
洞を有するステンレスＭ （ＳＯ５）からなるプラズマ
発生室、３は導波管、４は磁気コイル、５はガス導入口
、６は複数の透孔（円形ましくは矩形）からなるイオン
引出し電極系、７はイオンビーム、８は絶縁体、９はプ
ラズマリミッタ、１０は冷却用パイプ、１）は真空封し
用の０リング、１２は積層構造のマイクロ波導入窓、１
３は冷却水による冷却機構である。また、導波管３は矩
形が一般的であるが、それに限定されることはない。プ
ラズマ発生室１の空洞も円筒に限定されることなく直方
体状であっても良い。プラズマリミッタ９はマイクロ波
の遮蔽、プラズマの遮蔽（閉じ込め）を行ない、イオン
ビームの安定性、引出し電極の温度上昇の緩和などに有
効であるが、高密度イオン源としては必ずしも設けなけ
ればならないものではない。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a microwave ion source according to the present invention. In the figure, 1 is a plasma generation chamber made of stainless steel M (SO5) having a cylindrical cavity, 3 is a waveguide, 4 is a magnetic coil, 5 is a gas inlet, and 6 is a plurality of through holes (circular or similar). 7 is an ion beam, 8 is an insulator, 9 is a plasma limiter, 10 is a cooling pipe, 1) is an O-ring for vacuum sealing, and 12 is a stacked structure microwave introduction window, 1
3 is a cooling mechanism using cooling water. Moreover, although the waveguide 3 is generally rectangular, it is not limited to this. The cavity of the plasma generation chamber 1 is not limited to a cylinder, but may be a rectangular parallelepiped. The plasma limiter 9 shields microwaves and shields (confines) plasma, and is effective for stabilizing the ion beam and mitigating the temperature rise of the extraction electrode, but it is not necessarily required for a high-density ion source. isn't it.
第３図と基本的に異なっているのは、マイクロ波導入窓
１２の構成であり、石英１２ａ＋アルミナ１２ｂ＋ＢＮ
ｌｚｃ＋熱伝導異方性をもった誘電体１２ｄの４層の誘
電体より構成されている。What is basically different from FIG. 3 is the configuration of the microwave introduction window 12, which is quartz 12a + alumina 12b + BN.
It is composed of four dielectric layers including lzc+dielectric material 12d having heat conduction anisotropy.
アルミナ、ＢＮとしては、熱伝導率が大きく、緻密なも
のが良い。熱伝導異方性をもった誘電体とは、誘電体の
積層方向に熱伝導が悪く、それと垂直方向に熱伝導が良
くなっている誘電体またはそのような機能を持つように
誘電体を組合せたものを指している。このような熱伝導
異方性をもつ誘電体としては、パイロリテックボロンナ
イトライド（以下ｒＰＢＮＪと略称する）、パイロリテ
ックグラファイトが知られており、結晶軸の方向に対し
て熱伝導率が異なっている。誘電体１２ａとして、この
ような熱伝導異方性を有する誘電体を用いた場合を例に
して説明する。第１図の構成で、図の横方向に非常に良
く熱を伝えるが、縦の誘電体の積層方向には熱を伝え難
くなるように誘電体が設置されている。しかも、このよ
うな材質は熱衝撃に強く融点が高いという特徴を持って
いる。As alumina and BN, those having high thermal conductivity and being dense are preferable. A dielectric with heat conduction anisotropy is a dielectric that has poor heat conduction in the dielectric lamination direction and good heat conduction in the perpendicular direction, or a dielectric that has such a function. It refers to something. Pyrolithic boron nitride (hereinafter referred to as rPBNJ) and Pyrolytic graphite are known as dielectric materials with such thermal conductivity anisotropy, and the thermal conductivity differs in the direction of the crystal axis. There is. An example in which a dielectric having such heat conduction anisotropy is used as the dielectric 12a will be described. In the configuration shown in FIG. 1, heat is transferred very well in the horizontal direction in the figure, but dielectrics are installed so that heat is difficult to transfer in the vertical dielectric stacking direction. Moreover, such materials have the characteristics of being resistant to thermal shock and having a high melting point.
第２図（ａ）および（ｂ）に“ａ”方向および“Ｃ”方
向の熱転４率の例を示す。同図において、縦軸は熱伝導
率、横軸は温度を示す。第２図（ａｌの特性線Ｓ１は“
ａ”方向のＰＢＮの熱伝導率、特性線Ｓ２はアルミナの
熱伝導率であり、第２図（ｂ）の特性線Ｓ３は“Ｃ”方
向のＰＢＮの熱伝導率を示す。FIGS. 2(a) and 2(b) show examples of four heat transfer rates in the "a" direction and the "C" direction. In the figure, the vertical axis shows thermal conductivity and the horizontal axis shows temperature. Figure 2 (characteristic line S1 of al is “
The characteristic line S2 of the thermal conductivity of PBN in the "a" direction is the thermal conductivity of alumina, and the characteristic line S3 in FIG. 2(b) shows the thermal conductivity of PBN in the "C" direction.
特性線Ｓ１とＳ３に示すＰＢＮの特性を比較すると、“
ａ”方向（Ｓｌ）と“Ｃ”方向（Ｓ３）とで約３０：１
以上の熱伝導の異方性を有しており、しかも“ａ”方向
の熱伝導率が大きい。第１図の誘電体積層方向の熱伝導
率が“Ｃ”方向の熱伝導率に対応している。以下の説明
では、熱伝導異方性をもった誘電体としてＰＢＮを例に
して説明する。また、これらの積層の誘電体の形状は通
常は円板であるが、矩形状の板であったり、もしくはこ
れらの組合せであっても良い。Comparing the characteristics of PBN shown in characteristic lines S1 and S3, “
Approximately 30:1 between a” direction (Sl) and “C” direction (S3)
It has the above-mentioned anisotropy of thermal conduction, and also has high thermal conductivity in the "a" direction. The thermal conductivity in the dielectric lamination direction in FIG. 1 corresponds to the thermal conductivity in the "C" direction. In the following description, PBN will be used as an example of a dielectric material having heat conduction anisotropy. Further, the shape of these laminated dielectrics is usually a circular plate, but it may also be a rectangular plate or a combination thereof.
マイクロ波導入窓１２は真空封じ用の０リング１）で真
空封じされており、プラズマ発生室ｌにはガス導入口５
からイオン化すべきガスが導入される。マイクロ波（２
，４５ＧＨｚ）は、導波管３よりマイクロ波導入窓１２
を通ってプラズマ発生室１に導入される。イオン引出し
電極系６は複数（通常は３枚電極構成）の電極板からな
る加速−減速電極構成であり、本実施例においてはイオ
ン引出し電極系６は相互に絶縁体８で絶縁した３枚の電
極からなるが、これ以上の多段電極構成でもよいことは
いうまでもない。本実施例では、加速電極６ａに５〜４
０ｋＶの高電圧、減速電極６ｂに−０，５〜−５ｋＶの
負電圧を印加し、接地電極６ｃをアース電位に接地する
。なお、減速電極６ｂは、引出しビームの広がりを制御
するとともに、イオン源外部からの電子の流入を防止す
る機能を有している。また、イオン引出し電極系６のイ
オン引出し開口は通常複数の透孔から構成されている。The microwave introduction window 12 is vacuum sealed with an O-ring 1) for vacuum sealing, and the plasma generation chamber l has a gas introduction port 5.
The gas to be ionized is introduced from the Microwave (2
, 45 GHz), the microwave introduction window 12 from the waveguide 3
The plasma is introduced into the plasma generation chamber 1 through. The ion extraction electrode system 6 has an acceleration-deceleration electrode configuration consisting of a plurality of electrode plates (usually a three-plate configuration). Although it consists of electrodes, it goes without saying that a multi-stage electrode structure with more than this may also be used. In this embodiment, the accelerating electrode 6a has 5 to 4
A high voltage of 0 kV and a negative voltage of -0.5 to -5 kV are applied to the deceleration electrode 6b, and the ground electrode 6c is grounded to the earth potential. Note that the deceleration electrode 6b has the function of controlling the spread of the extracted beam and preventing the inflow of electrons from outside the ion source. Further, the ion extraction opening of the ion extraction electrode system 6 is usually composed of a plurality of through holes.
円形イオンビームを得るためには、７，１３．１９個の
細密充填の配置をし、矩形ビームを得るためには、２Ｘ
５，３Ｘ５個のように配置すれば良い。例えば５ｍｍφ
×７個の透孔で２Ｑｍｍφのイオンビームが得られる。To obtain a circular ion beam, a close packing arrangement of 7,13,19 ions is used, and to obtain a rectangular beam, a 2X
They may be arranged like 5.3 x 5 pieces. For example, 5mmφ
An ion beam of 2Q mmφ can be obtained with ×7 through holes.
このイオン源を動作させてイオンビームを引き出すと、
生成されたプラズマがマイクロ波導入窓１２に直接衝突
するのみでなく、イオン引出し電極系６の近傍で生成す
る電子もしくはイオン源の外部から流入する電子がイオ
ン引出し電極系６で加速されマイクロ波導入窓１２に衝
突する。特に、放電などで負の減速電圧が印加されない
で加速電圧のみが印加されていると、イオン源の外部か
らの電子の流入が抑止されずに、加速電圧で加速された
大量の高速電子がマイクロ波導入窓を直撃する。さらに
、この高速電子は、プラズマを発生させるためにかけら
れている磁場の作用で、広がらずに電極の開口（通常丸
い穴）の大きさ以下に絞られて、マイクロ波導入窓１２
に高密度パワーで衝突する。すなわち、非常に高密度の
電力が局所的に照射することに対応する。このため、マ
イクロ波導入窓１２が昇温・破壊されるのを防ぐために
は、プラズマに接している誘電体材料は高融点で、熱衝
撃に強く、熱伝導の良い材料であることが必要である。When you operate this ion source and extract an ion beam,
Not only does the generated plasma directly collide with the microwave introduction window 12, but also electrons generated near the ion extraction electrode system 6 or electrons flowing in from outside the ion source are accelerated by the ion extraction electrode system 6 and introduced into the microwave. It collides with window 12. In particular, if only an accelerating voltage is applied without a negative decelerating voltage during discharge, etc., the influx of electrons from outside the ion source is not suppressed, and a large number of high-speed electrons accelerated by the accelerating voltage are It hits the wave introduction window directly. Furthermore, due to the effect of the magnetic field applied to generate plasma, these high-speed electrons are narrowed down to the size of the opening (usually a round hole) of the electrode or less, without spreading out.
collides with high density power. That is, it corresponds to local irradiation of very high density power. Therefore, in order to prevent the microwave introduction window 12 from rising in temperature and being destroyed, the dielectric material in contact with the plasma must have a high melting point, be resistant to thermal shock, and have good thermal conductivity. be.
ここでは、上−記対策として、ＰＢＮとＢＮの組合せを
用いている。対策としては、ＰＢＮ単独でも勿論良いが
、一般にＰＢＮは高価であるため、この組合せを採用し
ている。この−例が第１図のマイクロ波導入窓１２であ
る。前述したように、マイクロ波導入窓１２は石英１２
ａとアルミナ１２ｂとＢＮ１２Ｃと熱伝導異方性をもっ
た誘電体であるＰＢＮ１２ｄから成る。このような構成
になっているので、ＰＢＮ１２ｄの表面に荷電粒子が衝
突して表面の温度が上がっても、表面の熱は表面上を横
の方向に急速に伝わり、金属に接している面を介して冷
却機構１３によって熱が奪われ、温度上昇が抑えられる
。一方、縦の誘電体の積層方向には熱が伝わりにくい難
いため、石英１２ａの温度は上がりにり＜、真空封じ用
の０リング１）は損傷されることなく、高密度プラズマ
に対しても安定に動作する。本イオン源の動作条件とし
て最も厳しい場合、すなわち減速電極が作動しなくなっ
て短時間のみ瞬間的に加熱される場合には、瞬間的に増
加した熱は殆ど横方向の熱伝導・熱吸収機構で奪われる
ので、特に有効である。Here, as the above-mentioned countermeasure, a combination of PBN and BN is used. As a countermeasure, it is of course possible to use PBN alone, but since PBN is generally expensive, this combination is adopted. An example of this is the microwave introduction window 12 in FIG. As mentioned above, the microwave introduction window 12 is made of quartz 12
a, alumina 12b, BN12C, and PBN12d, which is a dielectric material with heat conduction anisotropy. With this structure, even if charged particles collide with the surface of PBN12d and the temperature of the surface rises, the heat on the surface will rapidly transfer horizontally on the surface, causing the surface in contact with the metal to Heat is removed by the cooling mechanism 13 through the cooling mechanism 13, and temperature rise is suppressed. On the other hand, since it is difficult for heat to be transmitted in the stacked direction of the vertical dielectric, the temperature of the quartz 12a rises, and the O-ring 1) for vacuum sealing is not damaged and can withstand high-density plasma. Operates stably. Under the most severe operating conditions of this ion source, that is, when the deceleration electrode is inactive and instantaneously heated for only a short period of time, the instantaneous increase in heat is mostly caused by lateral heat conduction and heat absorption mechanisms. This is especially effective because it is stolen.
また、ＰＢＮの設置する場所は必ずしもプラズマに接触
している場所が有効であるとはいえず、例えば石英＋ア
ルミナ＋ＰＢＮ＋ＢＮ、石英＋アルミナ＋ＰＢＮ＋ＢＮ
＋ＰＢＮ＋ＢＮ、石英＋ＰＢＮ＋アルミナ十ＰＢＮ＋Ｂ
Ｎ又は石英子ＰＢＮ＋アルミナ＋ＢＮなどの構成が有効
と考えられる。In addition, it is not always effective to install PBN in a place that is in contact with plasma, for example, quartz + alumina + PBN + BN, quartz + alumina + PBN + BN.
+PBN+BN, quartz+PBN+alumina 10PBN+B
A configuration such as N or quartz PBN+alumina+BN is considered effective.
これは、ＢＮ−、アルミナなどに熱をある程度吸収させ
た後、ＰＢＮの誘電体部分で横方向に熱を逃すと同時に
、縦方向の熱伝導を悪くすることにより、ＰＢＮ部分の
みを極端に高温にすることなく、真空封じ用のＯリング
１）の温度上昇を抑えることができる。この時、ＰＢＮ
もしくは熱伝導の良い誘電体と金属面との接触面積を大
きくして金属面への熱伝導量を増加させるのが効果的で
ある。This is achieved by allowing BN-, alumina, etc. to absorb a certain amount of heat, and then releasing the heat in the horizontal direction through the dielectric part of the PBN, while at the same time impairing heat conduction in the vertical direction, causing only the PBN part to reach an extremely high temperature. It is possible to suppress the temperature rise of the O-ring 1) for vacuum sealing without causing damage. At this time, PBN
Alternatively, it is effective to increase the amount of heat conduction to the metal surface by increasing the contact area between a dielectric material with good thermal conductivity and the metal surface.
また、誘電体が吸収した熱を横方向の熱伝導と周囲の冷
却機構で誘電体の温度上昇を抑えるためには、誘電体が
金属と接触する部分をメタライズして誘電体と接触する
金属との接触面を蜜にし、熱伝導量を増大させるのが効
果的である。特に、横方向の熱伝導が良い誘電体をこの
ような構造にすると有効である。In addition, in order to suppress the temperature rise of the dielectric through lateral heat conduction and a surrounding cooling mechanism to absorb the heat absorbed by the dielectric, it is necessary to metalize the portion of the dielectric that comes into contact with the metal. It is effective to make the contact surface smooth and increase the amount of heat conduction. In particular, it is effective to use such a structure for a dielectric material having good lateral heat conduction.
さらに、熱伝導異方性を有する誘電体として、熱伝導異
方性を有する材料を用いる以外に、熱伝導率の良い材料
と熱伝導の悪い材料を交互に多層積み重ねて熱伝導異方
性をもたせてもよい。このような多層構造にすることに
より、熱は多層に積み重ねた方向に伝導しにくくなり、
熱伝導のよい誘電体層を介して熱を伝導するため、熱伝
導異方性が生じる。例えば、ＢＮ（熱伝導の良いもの）
、ＳｉＣ等の熱伝導率の良い誘電体（熱伝導率は０．１
４ｃａｌ／ｃｍ−ｓｅｃ・’ｃ）とＢＮ（熱伝導の悪い
もの）、フォルステライト、ステアタイト、チタニア等
の熱伝導率の悪い誘電体（熱伝導率は０．００６〜０．
０１５ｃ ａ ｌ／ｃｍ−ｓ ｅ ｃ ・’Ｃ）との組
合せがある。このとき、熱伝導の悪い誘電体として、Ｐ
ＢＮ、パイロリテソクグラファイトを用いてもよいこと
は言うまでもない。Furthermore, in addition to using a material with heat conduction anisotropy as the dielectric material with heat conduction anisotropy, we can also create heat conduction anisotropy by stacking alternately multiple layers of materials with good thermal conductivity and materials with poor heat conductivity. You can also let it hold. This multilayer structure makes it difficult for heat to be conducted in the direction of stacking the layers.
Since heat is conducted through a dielectric layer with good thermal conductivity, thermal conduction anisotropy occurs. For example, BN (a material with good thermal conductivity)
, a dielectric material with good thermal conductivity such as SiC (thermal conductivity is 0.1
4cal/cm-sec・'c) and dielectric materials with poor thermal conductivity such as BN (poor thermal conductivity), forsterite, steatite, and titania (thermal conductivity is 0.006 to 0.
There is a combination with 015c a l/cm-sec ・'C). At this time, as a dielectric with poor thermal conductivity, P
Needless to say, BN and pyrolyte graphite may be used.
なお、上述のごとく交互に多層積層すれば効率が良いが
、多層であることは必須ではない。ずなち、少なくとも
積層することが要件である。Note that, although it is efficient to stack multiple layers alternately as described above, multiple layers are not essential. In other words, at least lamination is required.
次に、インピーダンス整合について概略説明する。本願
発明者は、積層構造のマイクロ波導入窓が高密度プラズ
マの生成に密接に関係していることを見い出している。Next, impedance matching will be briefly explained. The inventors of the present invention have discovered that the microwave introduction window of the laminated structure is closely related to the generation of high-density plasma.
これは、マイクロ波のプラズマに対するインピーダンス
整合と関係しており、プラズマの誘電率を考慮してマイ
クロ波導入窓を構成する必要がある。形状（大きさ・厚
み）は、インピーダンス整合をとってマイクロ波の反射
が小さくなるように設計すれば良いが、一般に高密度プ
ラズマとインピーダンス整合をとるためには、誘電率の
高い誘電体（例えばアルミナ）の使用が効果的である。This is related to impedance matching of the microwave to the plasma, and it is necessary to configure the microwave introduction window in consideration of the dielectric constant of the plasma. The shape (size/thickness) can be designed to achieve impedance matching and reduce microwave reflection, but in general, in order to achieve impedance matching with high-density plasma, a dielectric material with a high permittivity (e.g. Alumina) is effective.
すなわち、石英、アルミナ、 ＢＮ、ＰＢＨの４種の
誘電体を組合せた４層構造で、石英、ＢＮ、ＰＢＮを管
内波長のλ／２の奇数倍に、アルミナを管内波長のλ／
４の奇数倍になるように形状をきめれば、高密度プラズ
マを得るのに有効である。In other words, it has a four-layer structure combining four types of dielectric materials: quartz, alumina, BN, and PBH, with quartz, BN, and PBN at an odd multiple of λ/2 of the tube wavelength, and alumina at an odd multiple of λ/2 of the tube wavelength.
If the shape is determined to be an odd number multiple of 4, it is effective to obtain high-density plasma.
以上説明したように本発明は、異方性の誘電体をマイク
ロ波導入窓に用いたことにより、マイクロ波導入窓の熱
を効率良く逃がすとともに、真空封じ用のＯリングに接
している誘電体の温度上昇を抑えることができるので、
高密度プラズマまで安定にイオン源が動作する効果があ
る。従って、高密度イオンビーム発生源として有用であ
る。As explained above, the present invention uses an anisotropic dielectric material for the microwave introduction window to efficiently release heat from the microwave introduction window. It is possible to suppress the temperature rise of
This has the effect of stably operating the ion source up to high-density plasma. Therefore, it is useful as a high-density ion beam generation source.
このイオン源は、酸素・はう素などの活性ガスに対して
安定で長寿命な大電流イオン源として使用可能であり、
５０〜２００ｍＡ級の大電流イオン注入装置用イオン源
として有効である。This ion source can be used as a stable, long-life, high-current ion source for active gases such as oxygen and boronic.
It is effective as an ion source for a large current ion implanter of 50 to 200 mA class.
さらに、単葉引出し電極の低エネルギー（２０ＯｅＶ以
下程度）のイオン・プラズマの生成源としてエツチング
・付着に用いれば、高密度のイオン・プラズマを照射で
きるので、処理速度（エツチング速度・付着速度）を速
くすることができる。Furthermore, if the monolayer electrode is used as a source of low energy (approximately 20 OeV or less) ion/plasma for etching/adhesion, high-density ion/plasma can be irradiated, increasing the processing speed (etching speed/adhesion speed). can do.
第１図は本発明に係わるマイクロ波イオン源の一実施例
を示す構成図、第２図はＰＢＨの熱伝導率を示すグラフ
、第３図は従来のマイクロ波イオン源を示す構成図であ
る。
ｌ・・・プラズマ発生室、３・・・導波管、４・・・磁
気コイル、５・・・ガス導入口、６・・・イオン引出し
電極系、６ａ・・・加速電極、６ｂ・・・減速電極、６
ｃ・・・接地電極、７・・・イオンビーム、８・・・絶
縁体、９・・・プラズマリミッタ、１０・・・冷却用パ
イプ、１）・・・０リング、１２・・・マイクロ波導入
窓、１２ａ・・・石英、１２ｂ・・・アルミナ、１２ｃ
・・・ＢＮ、１２ｄ・・・ＰＢＮ、１３・・・冷却機構
。Fig. 1 is a block diagram showing an embodiment of a microwave ion source according to the present invention, Fig. 2 is a graph showing the thermal conductivity of PBH, and Fig. 3 is a block diagram showing a conventional microwave ion source. . l... Plasma generation chamber, 3... Waveguide, 4... Magnetic coil, 5... Gas inlet, 6... Ion extraction electrode system, 6a... Accelerating electrode, 6b...・Deceleration electrode, 6
c...Ground electrode, 7...Ion beam, 8...Insulator, 9...Plasma limiter, 10...Cooling pipe, 1)...0 ring, 12...Microwave Introduction window, 12a...quartz, 12b...alumina, 12c
...BN, 12d...PBN, 13...Cooling mechanism.
Claims (3)
ラズマ発生室にマイクロ波を導入するマイクロ波導入窓
と、前記プラズマ発生室で発生したプラズマからイオン
ビームを引き出すイオン引出し電極系とを備えたマイク
ロ波イオン源において、前記マイクロ波導入窓は積層構
造の誘電体から成り、前記積層構造の誘電体の一部は熱
伝導の異方性を有することを特徴とするマイクロ波イオ
ン源。(1) A microcomputer equipped with a plasma generation chamber that generates plasma, a microwave introduction window that introduces microwaves into the plasma generation chamber, and an ion extraction electrode system that extracts an ion beam from the plasma generated in the plasma generation chamber. A microwave ion source characterized in that the microwave introduction window is made of a dielectric material having a laminated structure, and a part of the dielectric material of the laminated structure has anisotropy of heat conduction.
クボロンナイトライド又はパイロリテックグラファイト
から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
マイクロ波イオン源。(2) The microwave ion source according to claim 1, wherein the dielectric material having thermal conduction anisotropy is made of Pyrolitec boron nitride or Pyrolitec graphite.
誘電体と熱伝導の悪い誘電体とを積層させて構成されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマイ
クロ波イオン源。(3) The dielectric material having anisotropy of heat conduction is constructed by laminating a dielectric material with good heat conduction and a dielectric material with poor heat conduction, as set forth in claim 1. microwave ion source.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62124019A JP2522661B2 (en) | 1987-05-22 | 1987-05-22 | Microwave ion source |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP62124019A JP2522661B2 (en) | 1987-05-22 | 1987-05-22 | Microwave ion source |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63291341A true JPS63291341A (en) | 1988-11-29 |
| JP2522661B2 JP2522661B2 (en) | 1996-08-07 |
Family
ID=14875017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62124019A Expired - Lifetime JP2522661B2 (en) | 1987-05-22 | 1987-05-22 | Microwave ion source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2522661B2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6467908A (en) * | 1987-09-08 | 1989-03-14 | Sumitomo Metal Ind | Plasma processing device |
| JPH03254047A (en) * | 1990-03-02 | 1991-11-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Microwave ion gun |
| JP2016225050A (en) * | 2015-05-28 | 2016-12-28 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | Plasma processing apparatus |
-
1987
- 1987-05-22 JP JP62124019A patent/JP2522661B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6467908A (en) * | 1987-09-08 | 1989-03-14 | Sumitomo Metal Ind | Plasma processing device |
| JP2625756B2 (en) * | 1987-09-08 | 1997-07-02 | 住友金属工業株式会社 | Plasma process equipment |
| JPH03254047A (en) * | 1990-03-02 | 1991-11-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Microwave ion gun |
| JP2016225050A (en) * | 2015-05-28 | 2016-12-28 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | Plasma processing apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2522661B2 (en) | 1996-08-07 |
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