(57)【要約】【課題】幅広い用途に利用することができるマイクロ波イオン源、及びそうしたマイクロ波イオン源の運転方法を提供する。【解決手段】マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２と、プラズマ室１２に磁場を発生させるための磁場発生器１６と、を備える。磁場発生器１６は、多価イオンの生成に適するミラー磁場と１価イオンの生成に適する非ミラー磁場とを切り替えるよう構成されている。ミラー磁場は２つのピークをもつ軸方向磁場分布を有してもよい。非ミラー磁場は１つのピークをもつ軸方向磁場分布を有してもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ室と、
前記プラズマ室に磁場を発生させるための磁場発生器と、を備え、
前記磁場発生器は、多価イオンの生成に適するミラー磁場と１価イオンの生成に適する非ミラー磁場とを切り替えるよう構成されていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
【請求項２】
前記ミラー磁場は２つのピークをもつ軸方向磁場分布を有し、前記非ミラー磁場は１つのピークをもつ軸方向磁場分布を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項３】
前記磁場発生器は、各々が前記プラズマ室に軸方向磁場を発生させる３つのコイルを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項４】
前記磁場発生器は、各々が前記プラズマ室に軸方向磁場を発生させる２つのコイルと、前記２つのコイルの距離を調整するよう構成されている駆動機構と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項５】
前記ミラー磁場を前記プラズマ室に発生させるように前記磁場発生器を制御するマイクロ波イオン源の第１運転モードと、前記非ミラー磁場を前記プラズマ室に発生させるように前記磁場発生器を制御するマイクロ波イオン源の第２運転モードと、を切り替えるよう構成されている制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
【請求項６】
前記プラズマ室にマイクロ波電力を与えるよう構成されているマイクロ波供給系をさらに備え、
前記第１運転モードは、前記プラズマ室に第１のマイクロ波電力を与えるよう設定され、
前記第２運転モードは、前記プラズマ室に前記第１のマイクロ波電力より低い第２のマイクロ波電力を与えるよう設定されていることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項７】
前記プラズマ室にプラズマの原料ガスを供給するよう構成されているガス供給系をさらに備え、
前記第１運転モードは、前記ガス供給系から供給される原料ガスにより前記プラズマ室に第１の圧力を生じさせるよう設定され、
前記第２運転モードは、前記ガス供給系から供給される原料ガスにより前記プラズマ室に前記第１の圧力より高い第２の圧力を生じさせるよう設定されていることを特徴とする請求項５または６に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のマイクロ波イオン源を備えるイオン注入装置。
【請求項９】
マイクロ波イオン源の運転方法であって、
前記マイクロ波イオン源の運転モードを選択することと、
選択された運転モードに従って前記マイクロ波イオン源のプラズマ室にプラズマを生成することと、を備え、
前記運転モードは、多価イオンの生成に適する第１運転モード、または１価イオンの生成に適する第２運転モードであることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波イオン源及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が導入される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波によって励起され、プラズマが生成される。プラズマからイオンが引き出される。こうしてイオン源から引き出されたイオンは例えばイオン注入処理のために使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１０９３６５号公報
【特許文献２】特開平６−１６８６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
あるマイクロ波イオン源においては、プラズマを閉じ込める効果をもつミラー磁場を使用して多価イオンが生成される。このイオン源はＥＣＲイオン源と呼ばれることもある。ＥＣＲイオン源は多価イオンを効率的に生成するように最適化されているので、一価イオンの生成には向かない。そのため、イオン源の所有者が一価イオンを要する処理を行う場合には、一価イオンの生成に適する別のイオン源を使わなければならない。このように、一般に入手可能なマイクロ波イオン源は、使用する用途が限定される。用途に応じて異なるイオン源を準備することは、所有コストの増加を招く。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、幅広い用途に利用することができるマイクロ波イオン源、及びそうしたマイクロ波イオン源の運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、プラズマ室と、前記プラズマ室に磁場を発生させるための磁場発生器と、を備え、前記磁場発生器は、多価イオンの生成に適するミラー磁場と１価イオンの生成に適する非ミラー磁場とを切り替えるよう構成されていることを特徴とするマイクロ波イオン源が提供される。
【０００７】
本発明のある態様によると、マイクロ波イオン源の運転方法であって、前記マイクロ波イオン源の運転モードを選択することと、選択された運転モードに従って前記マイクロ波イオン源のプラズマ室にプラズマを生成することと、を備え、前記運転モードは、多価イオンの生成に適する第１運転モード、または１価イオンの生成に適する第２運転モードであることを特徴とする方法が提供される。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、幅広い用途に利用することができるマイクロ波イオン源、及びそうしたマイクロ波イオン源の運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のある実施形態に係るイオン注入装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明のある実施形態に係る磁場発生器がプラズマ室に発生させる軸方向磁場分布を例示する図である。
【図４】本発明のある実施形態に係る磁場発生器がプラズマ室に発生させる非ミラー磁場の別の例を示す図である。
【図５】本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源の運転方法を表すフローチャートである。
【図６】本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
図１は、本発明のある実施形態に係るイオン注入装置１００の全体構成を概略的に示す図である。図１にはイオン注入装置１００の代表的な構成要素を示す。イオン注入装置１００は、原子又は分子をイオン化してイオンビーム２０を生成し基板（例えば半導体基板）１０４へと照射することにより、基板１０４にその原子又は分子を注入するイオン注入処理を行うための装置である。
【００１３】
イオン注入装置１００は、マイクロ波イオン源１０、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２を備える。マイクロ波イオン源１０は、注入する原子又は分子をイオン化するよう構成されている。マイクロ波イオン源１０については図２を参照して後述する。
【００１４】
ビームラインアセンブリ１１０は、マイクロ波イオン源１０にてイオン化されたイオンのうち基板１０４に注入すべきイオンを質量によって選別するための質量分析器１１４と、イオンビーム２０を輸送し、加速し、整形し、または走査するためのビーム輸送系１１６と、を備える。質量分析器１１４の下流側には所定の質量のイオンからなるイオンビーム２０をビーム輸送系１１６へと通過させるための質量分析スリット１１８が設けられている。ビーム輸送系１１６は、イオンビーム２０を走査するためのビームスキャナ１２０を備える。ビームスキャナ１２０によるイオンビーム２０の走査可能範囲を矢印１３８で図示する。
【００１５】
処理室１１２は、接触式のイオンビーム検出器（例えばファラデーカップ）１２２を備えてもよい。イオンビーム検出器１２２は計測結果をイオン注入制御部１２８に出力してもよい。イオンビーム検出器１２２は、イオンビーム走査方向に基板１０４に隣接する位置（基板１０４の片側（図示の場合）または両側）に配置されている。イオンビーム検出器１２２は、計測の必要に応じてビームラインに出し入れされる進退可能な検出器であってもよい。この場合、イオンビーム検出器１２２は、ビームラインアセンブリ１１０の任意の場所に設けられていてもよい。
【００１６】
処理室１１２は、基板１０４を支持するための基板支持部１２４を備える。基板１０４は基板支持部１２４に支持されて処理室１１２に収容されている。基板支持部１２４は、基板１０４をイオンビーム２０に対し移動させるためのいわゆるメカニカルスキャン系として構成され、基板１０４を保持するためのテーブルまたはプラテンと、そのテーブルまたはプラテンを移動するための駆動機構と、を含む。基板支持部１２４は例えば、イオンビーム２０の進行方向及び走査方向に垂直な方向の走査範囲に基板１０４を往復移動させるよう構成されている。
【００１７】
図１に示されるように、イオン注入装置１００は真空排気系１２６を備えており、これによりマイクロ波イオン源１０、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２がイオン注入処理のための所望の真空環境に保たれる。真空排気系１２６は例えば、クライオポンプやターボ分子ポンプなどの高真空ポンプと、高真空ポンプの作動圧力まで粗引きをするための粗引きポンプとを備える。
【００１８】
イオン注入装置１００は、イオン注入制御部１２８を備える。イオン注入制御部１２８は、マイクロ波イオン源１０、質量分析器１１４、ビーム輸送系１１６、基板支持部１２４、真空排気系１２６、及びその他の構成要素を制御してイオン注入処理を実行するよう構成されている。イオン注入制御部１２８は、イオンビーム検出器１２２を含むビーム計測系からの入力信号、メモリに保存されている各種データ、及び操作者からの入力指令等に従って、イオン注入装置１００を統括的に制御する。
【００１９】
イオン注入制御部１２８は例えば、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等を含む任意のハードウエアと、各種演算または制御を実行するためのプログラム等のソフトウエアと、を含んで構成される。イオン注入制御部１２８は、操作者からの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段や、他の装置との通信をするための通信手段、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含んでもよい。
【００２０】
イオン注入制御部１２８による制御のもとで、基板１０４には断面が例えばスポット状のイオンビーム２０が照射される。イオンビーム２０はビームスキャナ１２０によってある方向に走査され（ビームスキャンとも呼ばれる）、基板１０４はその直交方向に機械的に走査される（メカニカルスキャンとも呼ばれる）。ビームスキャンとメカニカルスキャンとを協調させることにより、所与の走査シーケンスに従って基板１０４上のイオンビーム照射領域（例えば基板１０４の全面）にイオンビーム２０を照射することができる。こうした一方向のビームスキャンとその垂直方向へのメカニカルスキャンとを組み合わせるスキャン方式はハイブリッドスキャンと呼ばれることもある。
【００２１】
なおイオン注入装置１００はハイブリッドスキャン方式には限られない。イオン注入装置１００は例えば、一軸方向にビーム断面が延びるいわゆるリボンビームとその直交方向へのメカニカルスキャンとを組み合わせる走査方式を採用してもよい。あるいは、イオン注入装置１００は、スポットビームに対しビーム進行方向に垂直面内で２次元にメカニカルスキャンを行う方式を採用してもよい。
【００２２】
図１に示すイオン注入装置１００はいわゆる枚葉式に構成されている。すなわち、イオン注入装置１００は、基板支持部１２４に一度に一枚の基板１０４が保持され、一枚ずつイオン注入処理が行われる形式である。なお必ずしも一枚ずつの処理に限られるわけではなく、基板支持部１２４は２枚以上を同時に保持して少なくとも一方向にメカニカルスキャンを提供するよう構成されていてもよい。また、イオン注入装置１００は、多数の基板を回転可能なテーブルに載置して回転させながらイオン注入を多数の基板に同時に行ういわゆるバッチ式に構成されていてもよい。
【００２３】
図２は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の構成を模式的に示す図である。マイクロ波イオン源１０は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす磁場またはそれよりも高い磁場を印加したプラズマ室１２内へ、磁力線方向にマイクロ波電力を入力して高密度プラズマを生成しイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源１０は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマ室１２の外部へイオンを引き出すように構成されている。
【００２４】
よく知られるように、ＥＣＲ条件を満たす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合には８７．５ｍＴ（８７５ガウス）の磁場が必要である。以下では便宜上、ＥＣＲ条件を満たす磁場を、共鳴磁場と呼ぶことがある。
【００２５】
マイクロ波イオン源１０は、イオン源本体１４を備える。イオン源本体１４は、プラズマ室１２、磁場発生器１６、及び真空容器１８を備える。
【００２６】
プラズマ室１２は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマ室１２の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマ室１２が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。図示の例ではプラズマ室１２は円筒形状を有するが、プラズマ室１２は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。また、プラズマ室１２の軸方向長さは、プラズマ室１２の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。
【００２７】
磁場発生器１６は、プラズマ室１２に磁場を印加するために設けられている、磁場発生器１６は、プラズマ室１２の中心軸に沿う磁場を発生させるよう構成されており、その磁力線方向を図２に矢印Ｍで示す。磁場発生器１６は、プラズマ室１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場またはそれよりも高強度の磁場を発生させるよう構成されている。なお、磁場発生器１６は、プラズマ室１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも低い磁場を発生させることも可能である。
【００２８】
後述するように、磁場発生器１６は、多価イオンの生成に適するミラー磁場と、１価イオンの生成に適する非ミラー磁場と、を切り替えるよう構成されている。なお多価イオンは２価以上のイオンをいう。磁場発生器１６は、軸方向に並ぶ複数の磁場生成部を備え、各磁場生成部はコイル（例えばソレノイドコイル７６）などの電磁石及び／または永久磁石を備える。磁場発生器１６は、制御部Ｃによる制御のもとで、または手動で、磁場を切り替える。
【００２９】
磁場発生器１６は、複数の磁場生成部の相対位置を調整するための駆動機構を備えてもよい。また、少なくとも１つの磁場生成部が電磁石及び永久磁石を備え、電磁石と永久磁石とが互いに反対方向（矢印Ｍの方向とその逆方向）の磁場を発生させるよう構成されていてもよい。ある磁場生成部と他の磁場生成部とが互いに反対方向に磁場を発生させるよう構成されていてもよい。
【００３０】
真空容器１８は、プラズマ室１２を真空環境に収容するための筐体である。真空容器１８は、磁場発生器１６を保持するための構造体でもある。プラズマ室１２は、内部にマイクロ波を受け入れるための真空窓２４を有する。プラズマ室１２、磁場発生器１６、及び真空容器１８については、更に詳しく後述する。
【００３１】
マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波供給系２６を備える。マイクロ波供給系２６は、真空窓２４を通じてプラズマ室１２にマイクロ波電力を入力するよう構成されている。マイクロ波供給系２６は、マイクロ波源２８、導波管３０、及びマッチングセクション３２を備える。マイクロ波源２８は例えばマグネトロンである。マイクロ波源２８は例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を出力する。導波管３０は、マイクロ波源２８の出力するマイクロ波をプラズマ室１２に伝達するための立体回路である。導波管３０の一端はマイクロ波源２８に接続されており、他端はマッチングセクション３２を介して真空窓２４に接続されている。マッチングセクション３２はマイクロ波の整合のために設けられている。
【００３２】
このようにして、マイクロ波供給系２６から真空窓２４を通じてプラズマ室１２にマイクロ波が導入される。導入されたマイクロ波は、真空窓２４に対向するプラズマ室１２の端部へ向けてプラズマ室１２の内部を伝搬する。マイクロ波の伝搬方向を図２に矢印Ｐで示す。マイクロ波の伝搬方向Ｐは磁場発生器１６による磁力線方向Ｍと同一方向であり、マイクロ波の伝搬方向Ｐはプラズマ室１２の軸方向に一致する。
【００３３】
マイクロ波イオン源１０は、ガス供給系３４を備える。ガス供給系３４は、プラズマの原料ガスをプラズマ室１２に供給するよう構成されている。ガス供給系３４は、ガス源であるガスボンベ３６とガス流量制御器３８とを備える。ガス供給系３４のガス配管４０の先端が真空容器１８を通じてプラズマ室１２に接続されている。ガス配管４０は例えば、プラズマ室１２の側壁６４に接続されている。ガス流量制御器３８は、ガスボンベ３６をプラズマ室１２に接続し又は遮断するための開閉弁、またはガスボンベ３６からプラズマ室１２へのガス流量を調整するための流量制御弁を備える。こうして、原料ガスが、ガスボンベ３６からプラズマ室１２へと制御された流量及び／または圧力で供給される。
【００３４】
イオン源本体１４は、引出電極系４２を備える。引出電極系４２は、プラズマ室１２のイオン引出開口６６を通じてプラズマからイオンを引き出すよう構成されている。引出電極系４２は、第１電極４４と第２電極４６を含む。第１電極４４はプラズマ室１２と第２電極４６との間に設けられている。イオン引出開口６６を有する終端部６２と第１電極４４とは隙間を隔てて配列され、第１電極４４と第２電極４６とは隙間を隔てて配列されている。第１電極４４及び第２電極４６は、それぞれ例えば環状に形成されており、プラズマ室１２から引き出されたイオンを通すための開口部分を中心部に有する。
【００３５】
第１電極４４は、プラズマから陽イオンを引き出すとともに、ビームライン上流部５２からプラズマ室１２への電子の戻りを妨げるために設けられている。そのために、第１電極４４には負の高電圧が印加されている。第１電極４４に負の高電圧を印加するために、第１引出電源４８が設けられている。第２電極４６は接地されている。また、真空容器１８には正の高電圧が印加されている。真空容器１８に正の高電圧を印加するために、第２引出電源５０が設けられている。このようにして、プラズマ室１２から陽イオンのイオンビーム２０が引き出される。プラズマ室１２からのイオンビーム２０の引出方向はマイクロ波の伝搬方向Ｐ及び磁力線方向Ｍと同一方向である。
【００３６】
マイクロ波イオン源１０には、引出電極系４２によって引き出されたイオンビーム２０を輸送するためのビームライン上流部５２が接続されている。ビームライン上流部５２は、マイクロ波供給系２６と反対側でイオン源本体１４に連結されたビームラインアセンブリ１１０（図１参照）の一部である。ビームライン上流部５２は、イオン源本体１４の真空容器１８に対し絶縁されて真空容器１８に取り付けられている。そのために、ビームライン上流部５２と真空容器１８の間にブッシング５４が設けられている。
【００３７】
ブッシング５４は、ビームライン上流部５２及び真空容器１８内の真空を維持しつつ、真空容器１８とグラウンド側との間の耐電圧を保持する。ブッシング５４は絶縁材料で形成されている。ブッシング５４は環状の形状を有し、引出電極系４２を囲んでいる。ブッシング５４は、ビームライン上流部５２及びイオン源本体１４それぞれの取付フランジ間に挟まれて取り付けられている。
【００３８】
真空容器１８及びプラズマ室１２に真空環境を提供するための真空排気装置５６が設けられている。真空排気装置５６はビームライン上流部５２に設けられており、図１に示す真空排気系１２６の一部を構成する。ビームライン上流部５２は真空容器１８及びプラズマ室１２に連通されているので、真空排気装置５６は真空容器１８及びプラズマ室１２の真空排気をすることができる。
【００３９】
マイクロ波イオン源１０は、イオンビーム２０を制御するための制御部Ｃを備えてもよい。制御部Ｃは、マイクロ波イオン源１０の各構成要素を制御し、プラズマ室１２に生成されるプラズマを制御し、それにより例えばイオン電流量を制御する。制御部Ｃは、例えば、マイクロ波供給系２６、ガス供給系３４、第１コイル電源７７、第２コイル電源７９、第３コイル電源８１の動作を制御するよう構成されている。制御部Ｃは例えば、原料ガスの流量及び／または圧力、マイクロ波電力、及び、プラズマ室１２内の磁場強度の少なくとも１つを調整することにより、イオンビーム２０を制御してもよい。制御部Ｃは、上述のイオン注入制御部１２８の一部であってもよいし、イオン注入制御部１２８とは別に設けられていてもよい。
【００４０】
プラズマ室１２は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている。プラズマ室１２の内部空間を以下では、プラズマ収容空間５８と呼ぶことがある。
【００４１】
プラズマ室１２は、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４を含む。始端部６０と終端部６２とはプラズマ収容空間５８を挟んで対向している。側壁６４はプラズマ収容空間５８を囲み、始端部６０と終端部６２とを接続している。このようにして、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４によってプラズマ収容空間５８が真空容器１８の内部に画定されている。プラズマ室１２が円筒形状である場合、始端部６０及び終端部６２は円板形状であり、側壁６４は円筒であり、始端部６０及び終端部６２の外周部に側壁６４の末端が固定されている。
【００４２】
始端部６０は真空窓２４を有する。真空窓２４は始端部６０の全体を占めていてもよいし、始端部６０の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。真空窓２４の一方の側がプラズマ収容空間５８に面しており、真空窓２４の他方の側がマイクロ波供給系２６に向けられている。真空窓２４はプラズマ室１２の内部を真空に封じる。マイクロ波の伝搬方向Ｐは真空窓２４に垂直である。真空窓２４は誘電体損の低い誘電体（例えばアルミナまたは窒化ホウ素等）で形成されている。なおプラズマ室１２及び真空容器１８の真空窓２４以外の部分は例えば非磁性金属材料で形成されている。
【００４３】
終端部６２には少なくとも１つのイオン引出開口６６が形成されている。イオン引出開口６６は、プラズマ収容空間５８を挟んで真空窓２４に対向する位置に形成されている。すなわち、真空窓２４、プラズマ収容空間５８、及びイオン引出開口６６は、プラズマ室１２の軸方向に沿って配列されている。
【００４４】
真空容器１８は、プラズマ室１２が一体に形成された二重の筒構造を有する。すなわち、プラズマ室１２が真空容器１８の内筒であり、その外側にプラズマ室１２を収容する外筒６８が設けられている。外筒６８はプラズマ室１２と同軸の円筒形状であってもよい。外筒６８とプラズマ室１２の側壁６４との間には隙間があり、この隙間に上述のガス供給系３４のガス配管４０の先端部が進入し側壁６４に取り付けられている。
【００４５】
真空容器１８は、プラズマ室１２と一体に形成されていなくてもよい。真空容器１８とプラズマ室１２とがそれぞれ別体であり分割可能であってもよい。また、真空容器１８自体がプラズマ室１２を成していてもよい。このように真空容器１８がプラズマ室１２を兼用する場合には、外筒６８のビームライン上流部５２側にイオン引出開口６６を有する端板を取り付ければよい。
【００４６】
真空容器１８の一端は端板７０により閉塞され、他端はビームライン上流部５２に向けて開放されている。端板７０の中心部にプラズマ室１２の始端部６０が形成されている。端板７０の外周部は径方向に外筒６８の外側まで延びている。ビームライン上流部５２側の真空容器１８の端部には、ブッシング５４のための取付フランジ７２が設けられている。取付フランジ７２は外筒６８から径方向に外側に延びている。真空容器１８とプラズマ室１２とは軸方向長さが等しく、取付フランジ７２とプラズマ室１２の終端部６２とは軸方向位置が一致している。真空容器１８とプラズマ室１２とは軸方向長さが異なっていてもよい。
【００４７】
真空容器１８には、磁場発生器１６を保持するための磁石保持部７４が形成されている。磁石保持部７４は例えば、真空容器１８の外筒６８の外表面に形成されている。本実施例においては磁場発生器１６は真空容器１８の外側に（即ち大気中に）設けられている。磁場発生器１６は真空容器１８を取り囲むように配置されている。しかし、別の例では、真空容器１８は、磁場発生器１６を真空容器１８の内部に（即ち真空中に）保持するための磁石保持部７４を備えてもよい。この場合にも本例と同様の効果を得ることができる。このようにして、磁場発生器１６は、プラズマ収容空間５８を包囲するように配置されている。
【００４８】
磁場発生器１６は、軸方向に並ぶ複数のコイル、具体的には、第１ソレノイドコイル７６、第２ソレノイドコイル７８、及び第３ソレノイドコイル８０を備える。これら３つのコイルはそれぞれ、プラズマ室１２を囲むように配設されており、プラズマ室１２の軸方向を向く磁場を発生させるよう構成されている。第１ソレノイドコイル７６はプラズマ室１２の始端部６０を囲み、第３ソレノイドコイル８０はプラズマ室１２の終端部６２を囲む。第２ソレノイドコイル７８は第１ソレノイドコイル７６と第３ソレノイドコイル８０との間に設けられており、プラズマ室１２の側壁６４の中央部を囲む。本実施形態においてはプラズマ室１２及び真空容器１８は円筒形状であり、各コイルは環状に形成され、プラズマ室１２の周方向に導線が巻かれている。隣接するコイル間には軸方向に隙間がある。各コイルにはヨークが設けられていてもよい。
【００４９】
また、磁場発生器１６は、各コイルに対応するコイル電源を備える。すなわち、磁場発生器１６は、第１ソレノイドコイル７６に電流を流すための第１コイル電源７７と、第２ソレノイドコイル７８に電流を流すための第２コイル電源７９と、第３ソレノイドコイル８０に電流を流すための第３コイル電源８１と、を備える。
【００５０】
制御部Ｃは、第１コイル電源７７、第２コイル電源７９、及び第３コイル電源８１を個別的に制御する。それにより、制御部Ｃは、第１ソレノイドコイル７６、第２ソレノイドコイル７８、及び第３ソレノイドコイル８０のそれぞれに異なる大きさの電流を与える。電流の大きさはその結果得られる磁場の大きさに相関する。したがって、磁場発生器１６は、第１ソレノイドコイル７６、第２ソレノイドコイル７８、及び第３ソレノイドコイル８０に対応するプラズマ室１２の軸方向位置のそれぞれに異なる大きさの軸方向磁場を発生させる。なお、コイル電源は個別に制御されるので複数のコイル電源に同じ大きさの電流を与え、複数のコイルに同じ大きさの磁場を発生させることも当然可能である。
【００５１】
図３は、本発明のある実施形態に係る磁場発生器１６がプラズマ室１２に発生させる軸方向磁場分布を例示する図である。図３の上部には、図２に示すマイクロ波イオン源１０の要部を概略的に示す。図３の中央及び下部にはそれぞれ、磁場発生器１６がプラズマ室１２に発生させるミラー磁場Ｂ１及び非ミラー磁場Ｂ２を例示する。図３において縦軸はプラズマ室１２の中心軸上での軸方向磁束密度Ｂを表し、横軸はプラズマ室１２の軸方向位置Ｌを表す。破線により共鳴磁場ＢＥＣＲを示す。また、第１ソレノイドコイル７６、第２ソレノイドコイル７８、及び第３ソレノイドコイル８０に相当する軸方向位置をそれぞれ符号Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で示す。
【００５２】
図示されるように、ミラー磁場Ｂ１は２つのピークをもつ双峰型の軸方向磁場分布を有する。ミラー磁場Ｂ１は、第１ソレノイドコイル７６に相当する軸方向位置Ｌ１に第１ピークを有し、第３ソレノイドコイル８０に相当する軸方向位置Ｌ３に第１ピークと同等の第２ピークを有する。第１ピーク及び第２ピークはプラズマ室１２の軸方向磁場の最大値を与える。第１ピーク及び第２ピークの磁場強度は共鳴磁場ＢＥＣＲより大きい。また、ミラー磁場Ｂ１は、軸方向位置Ｌ１と軸方向位置Ｌ３との間における軸方向磁場の最小値を、第２ソレノイドコイル７８に相当する軸方向位置Ｌ２に有する。この最小値は図示の例では共鳴磁場ＢＥＣＲより小さいが、共鳴磁場ＢＥＣＲより大きくてもよい。こうしたミラー磁場Ｂ１は電子を閉じ込める効果があり、プラズマ室１２での多価イオンの生成に適する。
【００５３】
制御部Ｃは、第１ソレノイドコイル７６及び第３ソレノイドコイル８０に大電流を与えるように第１コイル電源７７及び第３コイル電源８１を制御し、第２ソレノイドコイル７８に小電流を与えるように第２コイル電源７９を制御する。このようにして、制御部Ｃは、プラズマ室１２にミラー磁場Ｂ１を発生させるように磁場発生器１６を制御する。なお、制御部Ｃは、小電流を与える代わりに第２ソレノイドコイル７８への給電を停止してもよい。
【００５４】
また、非ミラー磁場Ｂ２は１つのピークをもつ単峰型の軸方向磁場分布を有する。非ミラー磁場Ｂ２は、第２ソレノイドコイル７８に相当する軸方向位置Ｌ２に軸方向磁場の最大値を有する。この最大値は共鳴磁場ＢＥＣＲより大きい。また、非ミラー磁場Ｂ２は、プラズマ室１２の軸方向全体にわたって共鳴磁場ＢＥＣＲより大きい。したがって、非ミラー磁場Ｂ２は、プラズマを生成し維持するのに役立つが、電子を閉じ込める効果は有しない。このような非ミラー磁場Ｂ２は、プラズマ室１２での１価イオンの生成に適する。
【００５５】
制御部Ｃは、第１ソレノイドコイル７６及び第３ソレノイドコイル８０に小電流を与えるように第１コイル電源７７及び第３コイル電源８１を制御し、第２ソレノイドコイル７８に大電流を与えるように第２コイル電源７９を制御する。このようにして、制御部Ｃは、プラズマ室１２に非ミラー磁場Ｂ２を発生させるように磁場発生器１６を制御する。
【００５６】
図４は、本発明のある実施形態に係る磁場発生器１６がプラズマ室１２に発生させる非ミラー磁場の別の例を示す図である。図３に示す非ミラー磁場Ｂ２がプラズマ室１２中央の軸方向位置Ｌ２に関して左右対称であるのに対し、図４に示す非ミラー磁場Ｂ２’は、プラズマ室１２中央に関して非対称である。非ミラー磁場Ｂ２’は、第１ソレノイドコイル７６に相当する軸方向位置Ｌ１に軸方向磁場の最大値を有する。また、非ミラー磁場Ｂ２’は、第２ソレノイドコイル７８に相当する軸方向位置Ｌ２を境界として、真空窓２４側は共鳴磁場ＢＥＣＲより大きく、イオン引出開口６６側は共鳴磁場ＢＥＣＲより小さい。
【００５７】
この場合、制御部Ｃは、第１ソレノイドコイル７６に大電流を与えるように第１コイル電源７７を制御し、第２ソレノイドコイル７８に中電流を与えるように第２コイル電源７９を制御し、第３ソレノイドコイル８０に小電流を与えるように第３コイル電源８１を制御してもよい。このようにして、制御部Ｃは、プラズマ室１２に非ミラー磁場Ｂ２’を発生させるように磁場発生器１６を制御してもよい。
【００５８】
このように非ミラー磁場のピーク位置及び／または磁場強度を変更することにより、プラズマ室１２内のプラズマ分布やプラズマ密度を調整し、プラズマ室１２から引き出されるイオン電流量を制御することができる。したがって、マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２内の非ミラー磁場を調整することにより、プラズマ室１２から引き出される１価イオンのイオン電流量を制御することができる。
【００５９】
同様に、制御部Ｃは、ミラー磁場Ｂ１のピーク位置及び／または磁場強度を変更するように磁場発生器１６を調整してもよい。こうして、マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２内のミラー磁場を調整することにより、プラズマ室１２から引き出される多価イオンのイオン電流量を制御することができる。
【００６０】
図５は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の運転方法を表すフローチャートである。この方法は例えば制御部Ｃにより実行される。図５に示されるように、この方法は、運転モード選択ステップ（Ｓ１０）と、プラズマ生成ステップ（Ｓ２０）と、を備える。
【００６１】
制御部Ｃは、マイクロ波イオン源１０の複数の運転モードからいずれかの運転モードを選択する（Ｓ１０）。複数の運転モードは、多価イオンの生成に適する第１運転モードと、１価イオンの生成に適する第２運転モードと、を含む。
【００６２】
制御部Ｃは、プロセスに応じてイオンビーム２０に必要とされるエネルギーの大きさに基づいて、第１運転モードと第２運転モードとを切り替える。制御部Ｃは、設定されたエネルギーしきい値を超えるエネルギーを有するイオンビーム２０を得るために第１運転モードを選択し、このしきい値以下のエネルギーを有するイオンビーム２０を得るために第２運転モードを選択する。このようにすれば、１価イオンを利用して低エネルギーイオンビームを生成し、多価イオンを利用して高エネルギーイオンビームを生成することができる。したがって、広いエネルギー領域をカバーするマイクロ波イオン源１０を提供することができる。
【００６３】
第１運転モードは、ミラー磁場をプラズマ室１２に発生させるように設定されている。また、第１運転モードは、比較的大きい第１のマイクロ波電力をプラズマ室１２に与えるよう設定されている。さらに、第１運転モードは、比較的低い第１の圧力をプラズマ室１２に生じさせる（言い換えると、低濃度の原料ガスをプラズマ室１２に供給する）よう設定されている。
【００６４】
また、第２運転モードは、非ミラー磁場をプラズマ室１２に発生させるように設定されている。また、第２運転モードは、第１のマイクロ波電力より低い第２のマイクロ波電力をプラズマ室１２に与えるよう設定されている。さらに、第２運転モードは、第１の圧力より高い第２の圧力をプラズマ室１２に生じさせる（言い換えると、高濃度の原料ガスをプラズマ室１２に供給する）よう設定されている。
【００６５】
制御部Ｃは、選択された運転モードに従ってプラズマ室１２にプラズマを生成する（Ｓ２０）。第１運転モードが選択されている場合には、制御部Ｃは、ミラー磁場をプラズマ室１２に発生させるように磁場発生器１６を制御する。また、制御部Ｃは、第１のマイクロ波電力をプラズマ室１２に与えるようにマイクロ波供給系２６を制御する。さらに、制御部Ｃは、第１の圧力をプラズマ室１２に生じさせるようにガス供給系３４を制御する。こうして、プラズマ室１２には、ミラー磁場のもとで低圧の原料ガスと高いマイクロ波電力とが供給される。ミラー磁場によるプラズマの閉じ込めにより多価イオンが効率的に生成される。引出電極系４２によってイオン引出開口６６を通じてプラズマ室１２から多価イオンを多く含むイオンビーム２０が引き出される。引き出されたイオンビーム２０はビームライン上流部５２へと供給される。
【００６６】
一方、第２運転モードが選択されている場合には、制御部Ｃは、非ミラー磁場をプラズマ室１２に発生させるように磁場発生器１６を制御する。また、制御部Ｃは、第２のマイクロ波電力をプラズマ室１２に与えるようにマイクロ波供給系２６を制御する。さらに、制御部Ｃは、第２の圧力をプラズマ室１２に生じさせるようにガス供給系３４を制御する。こうして、プラズマ室１２には、非ミラー磁場のもとで高圧の原料ガスと低いマイクロ波電力とが供給され、主として１価イオンが生成される。引出電極系４２によってイオン引出開口６６を通じてプラズマ室１２から１価イオンを多く含むイオンビーム２０が引き出される。引き出されたイオンビーム２０はビームライン上流部５２へと供給される。
【００６７】
したがって、本実施形態によると、一台のマイクロ波イオン源１０で１価イオン源と多価イオン源の両方の機能を提供することができる。
【００６８】
また、低エネルギーから高エネルギーまで広いエネルギー領域にわたって使用できるマイクロ波イオン源１０が提供される。例えば、１価から５価のイオンが生成可能であり、引出電圧が１００ｋＶまで可能である構成を考えると、引き出されるイオンのエネルギー領域は０〜５００ｋｅＶとなる。また、タンデム加速や高周波加速のような後段加速を組み合わせることにより、さらに広いエネルギー領域を実現することができる。例えば１ＭｅＶまで加速できる後段加速を組み合わせることにより、０〜５ＭｅＶのエネルギー領域を得られる。
【００６９】
こうしたマイクロ波イオン源を備えるイオン注入装置は、たいていの半導体デバイス（例えば、パワートランジスタ、メモリー、ロジックなど）を製造するためのプロセスに使用することができる。幅広い用途に利用することができるので、本実施形態に係るマイクロ波イオン源及びこれを備えるイオン注入装置は、研究用途、小規模ライン、多品種少量生産に特に有用である。
【００７０】
図６は、本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の構成を模式的に示す図である。マイクロ波イオン源１０の磁場発生器１６は、第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５を備える。第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５はそれぞれ、プラズマ室１２を囲むように配設されており、プラズマ室１２の軸方向を向く磁場を発生させるよう構成されている。
【００７１】
第１ソレノイドコイル８２にはその軸方向外側及び径方向外側を囲む第１ヨーク８３が設けられており、同様に第２ソレノイドコイル８５には軸方向外側及び径方向外側を囲む第２ヨーク８６が設けられている。図６に示す初期状態においては第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５は軸方向に隣接しており、隣接部分にはヨークは設けられていない。第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５にはそれぞれ対応するコイル電源（図示せず）が設けられている。
【００７２】
また、磁場発生器１６は、第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５の距離を調整するよう構成されている第１駆動機構８４及び第２駆動機構８７を備える。第１駆動機構８４は第１ソレノイドコイル８２及び第１ヨーク８３を軸方向に移動させるよう構成されている。第１駆動機構８４による第１ソレノイドコイル８２の軸方向可動範囲は、例えば、プラズマ室１２の中央部（図６参照）から真空窓２４（図７参照）までである。同様に、第２駆動機構８７は第２ソレノイドコイル８５及び第２ヨーク８６を軸方向に移動させるよう構成されている。第２駆動機構８７による第２ソレノイドコイル８５の可動範囲は、例えば、プラズマ室１２の中央部（図６参照）からイオン引出開口６６（図７参照）までである。
【００７３】
なお、第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５の一方は位置が固定され、他方に軸方向駆動機構が設けられることにより、２つのコイルの距離が調整されてもよい。また、第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５の少なくとも一方は、手動で位置決めされるように構成されていてもよい。
【００７４】
図６に示すように第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５をプラズマ室１２の中央部に配置することにより、図３を参照して説明した非ミラー磁場Ｂ２をプラズマ室１２に形成することができる。また、図７に示すように第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５をプラズマ室１２の両端に配置することにより、図３を参照して説明したミラー磁場Ｂ１を形成することができる。図８に示すように第１ソレノイドコイル８２及び第２ソレノイドコイル８５をプラズマ室１２の一端（真空窓２４の近傍）に配置することにより、図４を参照して説明した非ミラー磁場Ｂ２’を形成することができる。
【００７５】
このようにして、少なくとも一方が可動である２つのコイルを使用しても、１価イオン源と多価イオン源の両方の機能を一台のマイクロ波イオン源１０で提供することができる。この実施形態は軸方向に配列するコイルの数が少ないので、プラズマ室１２の軸方向長さが短い場合に好適である。
【００７６】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００７７】
本発明の実施形態に係るマイクロ波イオン源は、イオン注入装置だけではなく、その他のイオン生成装置またはイオン照射装置、例えば、医療用加速器、粒子線治療装置、フラットパネル製造装置、太陽電池製造装置などに適用することもできる。
【符号の説明】
【００７８】
１０  マイクロ波イオン源、  １２  プラズマ室、  １６  磁場発生器、  ２６  マイクロ波供給系、  ３４  ガス供給系、  ７６  第１ソレノイドコイル、  ７８  第２ソレノイドコイル、  ８０  第３ソレノイドコイル、  ８２  第１ソレノイドコイル、  ８４  第１駆動機構、  ８５  第２ソレノイドコイル、  ８７  第２駆動機構、  １００  イオン注入装置、  Ｂ１  ミラー磁場、  Ｂ２  非ミラー磁場、  Ｃ  制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014225355.tif 000007
【図６】
2014225355.tif 000008
【図７】
2014225355.tif 000009
【図８】
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