(57)【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。
【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２１〜２４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４０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３０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、１０１１〜１０１２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。  
【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３０ａ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Ｖ２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１４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１４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Ｊ２  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２１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２１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３２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２１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２２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３０ａ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Ｖ１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。
更に、バイアス電源から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。
また、プラズマ中のイオンによって最プラズマ側の電極がスパッタされる割合が小さくなるので、最プラズマ側の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。
【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
【図１】
0003577785.tif 000002
【図２】
0003577785.tif 000003
【図３】
0003577785.tif 000004
【図４】
0003577785.tif 000005
【図５】
0003577785.tif 000006
【図６】
0003577785.tif 000007
【図７】
0003577785.tif 000008
【図８】
0003577785.tif 000009