(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、プラズマ生成用の磁場が引き出し電極空間へ漏洩するのを防ぎ、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームを得ることができるイオン源を提供することにある。さらに漏洩磁場によるビームの発散を抑えた収束性のよいイオンビームが得られるイオン源を提供することにある。【解決手段】  円筒状の放電室１と、該放電室１に磁場を発生する手段と、矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管９により前記放電室１にマイクロ波を導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから３枚以上で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビームを引き出すイオン源において、前記磁場を発生する手段の周囲あるいは周囲の一部に磁性体を配置するようにしたものである。さらに変換導波管９の一部及び放電室１の一部を磁性体で構成するとともにプラズマ電極１１を磁性体で構成したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の放電室と、該放電室に磁場を発生する手段と、矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管により前記放電室にマイクロ波を導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから３枚以上で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビームを引き出すイオン源において、前記磁場を発生する手段の周囲あるいは周囲の一部に磁性体を配置したことを特徴とするイオン源。
【請求項２】
矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管の一部を磁性体で形成したことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
円筒状の放電室の一部を磁性体で形成したことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
３枚以上で構成されるイオン引き出し用の電極のうち、少なくとも１枚は磁性体で構成したことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
ガス導入位置を引き出し電極近傍としたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のイオン源。
【請求項６】
磁場を発生する手段として電磁石あるいは永久磁石を用いたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のイオン源。
【請求項７】
イオン源と、質量分離器と、後段加速管と、四重極レンズと、偏向器と、ウェハを取り付けた回転ディスクとを備えたイオン注入装置において、イオン源として請求項１〜６記載のイオン源を用いたことを特徴とするイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン注入装置に用いるイオン源及びイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、円筒型の放電室を有するイオン源は、たとえば特開平１０−０１２１５２号公報に記載のように放電室の周囲に空心型の電磁石を配置して放電室内に磁場を発生させ、さらに放電室内にマイクロ波と試料ガスを導入してプラズマを生成し、プラズマに隣接して設置されたイオン引き出し電極によってイオンを引き出してイオンビームを得ていた。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−０１２１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
イオンビームを引き出す場合は、イオン引き出し電極に、たとえば５０ｋＶの直流高電圧を印加する。上記従来技術では、空心型の電磁石を用いて磁場を発生させているため、直流高電圧が印加された引き出し電極部にも、プラズマ生成部同様に７００ガウス以上の高い強度の磁場が印加されていた。プラズマは電場，磁場，ガス（残留ガス等）の相互作用により生成されるため、この条件がそろったイオン引き出し電極部においてもプラズマが生成される。このため発生したプラズマによる引き出し電極表面の汚染や生成されたプラズマによって電極間の異常放電が発生することや、空心型の電磁石が生成する磁場では、中心付近でもイオンビームと垂直方向の成分が含まれるため、イオンビームと垂直方向の成分によって引き出されたイオンビームの発散が起こる。このためイオンビームが電極表面へ衝突し、電極の損傷と電極からの二次電子による電極間放電などが発生し、イオン源の安定動作時間（寿命）が短くなることについて考慮されていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、プラズマ生成用の磁場が引き出し電極部へ漏洩するのを防ぎ、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームを得ることができるイオン源を提供することにある。さらに漏洩磁場によるビームの発散を抑え、収束性のよいイオンビームが得られるイオン源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のイオン源は、円筒状の放電室と、該放電室に磁場を発生する手段と、矩形断面から円形断面に変換するマイクロ波の変換導波管により前記放電室にマイクロ波を導入してプラズマを生成し、生成されたプラズマから３枚以上で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビームを引き出すイオン源において、前記磁場を発生する手段の周囲あるいは周囲の一部に磁性体を配置したものである。
【０００７】
さらに前記変換導波管及び放電室の一部とプラズマ電極を磁性体で構成するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、引き出し電極部及びイオンビーム領域に磁場の漏洩がなくなるので、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームが得られる効果がある。また漏洩磁場によるビームの発散を抑えることができるため、収束性のよいイオンビームが得られる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の内容を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の実施例である磁場発生手段に電磁石を用いた場合のイオン源の断面図を示したものである。
【００１１】
本発明のイオン源は、変換導波管９，マイクロ波導入窓３，逆流電子防止板２，放電室１，電磁石５，６，磁路４，プラズマ電極１１，電子抑制電極１２，接地電極１３によって構成される。プラズマ生成のためのガスはガス導入パイプ１６からプラズマ電極１１近傍に導入される。電子抑制電極１２，接地電極１３はそれぞれ絶縁碍子７，８によって絶縁支持され、本図には記載していないが、直流高電圧発生器により直流電圧を印加する。印加する電圧として、たとえばプラズマ電極１１には５０ｋＶ、電子抑制電極には−２ｋＶが印加される。電子抑制電極１２の電圧は、通常プラズマ電極１１の電圧と逆極性の電圧を印加し、電子の逆流を防止する。変換導波管９は特開平０８−２３６０６１号に記載のようにマイクロ波１７の導入側より順に図に示すような断面へと変化している構造のものである。マイクロ波導入窓３は大気である変換導波管９側と真空となるプラズマ１５側の真空を維持するほか、マイクロ波１７を効率よく真空中へ伝送する役割がある。このためマイクロ波導入窓３として誘電率の低い材質を用いる必要がある。たとえば石英などである。また逆流電子防止板２はイオン引き出し空間で生成された電子がイオン引き出し電極に印加された電圧によって、イオン引き出し電極を通って加速され放電室１に逆流する。逆流した電子はマイクロ波導入窓３に達してマイクロ波導入窓３を損傷させる。このため逆流電子の損傷からマイクロ波導入窓３を保護するために逆流電子防止板２を設置する。逆流電子防止板２は電子による熱に強くマイクロ波１７の反射が少ない低誘電率材を用いる必要がある。たとえば窒化ボロンなどである。電磁石５，６は磁場分布の調整が可能なように２個用いているが、１個にしても磁場分布の微調整ができないだけで、電磁石２個用いた場合同様の磁場分布は生成可能であるためどちらでもかまわない。
【００１２】
本発明のイオン源は、放電室１内に、マイクロ波１７とガス導入パイプ１６から導入した試料ガスと、電磁石５，６によって発生した磁場によりプラズマ１５を生成し、プラズマ電極１１，電子抑制電極１２，接地電極１３で構成されるイオン引き出し電極によってイオンビーム１４を得るものである。ここでマイクロ波１７の周波数はたとえば２.４５ＧＨｚなどである。ガス導入パイプ１６は、プラズマ電極１１の近傍に設け、かつガス導入位置に電子サイクロトロン共鳴の磁場強度に設定することで生成されたプラズマ１５からイオンが消滅する前にイオンを引き出せるのでより大電流のイオンが効率よく引き出し可能である。たとえば２.４５ＧＨｚ のマイクロ波の場合、電子サイクロトロン共鳴磁場強度は０.０８７５テスラである。
【００１３】
磁路４は電磁石５，６を囲むように配置した。プラズマ電極１１は磁性体を用いて形成した。これによりイオン引き出し電極部への磁場漏洩を抑えるとともに放電室１内の磁場を一様に生成しやすくしている。また変換導波管９を取り付けた側の放電室１の一部分を磁性体とすることで放電室１内の磁場分布が均一になる。さらに変換導波管９の円形断面部及び矩形断面の短辺部が円弧をなした断面の導波管の一部分を磁性体で形成した磁性体導波管１０とした。導波管に変換導波管９を用いることにより、放電室１の内側にプラズマ電極１１と平行になる磁極が形成できるため、一様な磁場分布が得られる。
【００１４】
電磁石５，６で生成された磁場分布は主に二つの磁力線１８の経路により決定されている。ひとつは磁路４を通り、放電室１の磁性体部を通ってプラズマ電極１１に向かう経路であり、もうひとつは磁路４を通り磁性体導波管１０を通ってプラズマ電極１１に向かう経路である。この２経路の磁力線１８により放電室１内に高密度プラズマを生成可能な磁場分布を生成できる。また本発明のイオン源は磁路４を設置することにより、磁力線１８は磁路４を通って放電室に至ることから漏洩磁場が減少し、効率よく放電室１内に磁場を発生させることができるので、従来の空心型電磁石よりも小型化が可能であり、さらに電磁石５，６に使用する電源も小型で済むようになるため低コスト化が図れる。
【００１５】
図２に本発明のイオン源において、放電室１のＹ方向中心位置でのＺ方向位置での磁場分布を測定した結果を示す。実線で示したものが本発明のイオン源の磁場分布３２であり、点線で示したものが磁路４が無い場合の従来のイオン源の磁場分布３１である。図の横軸はＺ方向の磁場の測定位置を示し、縦軸は磁場強度（Ｔ，テスラ）を示す。図中の放電室領域は図１における放電室１のプラズマ１５の生成領域である。図の横軸で放電室中心位置の０位置がプラズマ電極１１の位置を示し、正の方向（図の右方向）が引き出し電極領域になっている。放電室１内では、本発明のイオン源の磁場分布３２は磁路４が無い場合の磁場分布３１に近い形状をしていることがわかる。そして本発明のイオン源の磁場分布３２はプラズマ電極位置で急激に磁場強度が減少し、磁路４が無い場合の磁場分布３１の場合には約０.０８ テスラの磁場強度であったものが、本発明のイオン源では０に近い値になっている。また磁場分布は、マイクロ波導入窓３側がプラズマ電極１１側の磁場強度よりも高く、プラズマ電極１１に向かって傾斜した形で、かつプラズマ電極１１の近傍で電子サイクロトロン共鳴の磁場強度になっており、大電流のイオンビーム１４が得られる磁場分布となっている。
【００１６】
本発明のイオン源を用いてイオンビームの引き出しを行った結果、引き出し電流の性能は、たとえば直径６ミリメートルの穴を１３個設けたプラズマ電極１１，電子抑制電極１２，接地電極１３を用いた場合、従来の磁路４がない場合と同等となる電流値が得られ、たとえば試料ガスに酸素を用いた場合最大２５０ミリアンペアを超える酸素イオンビーム電流値が得られた。また電極間の放電も従来は３時間の連続イオンビーム引き出しの間に約２０回の電極間放電を確認していたのに対し、本発明のイオン源を用いた場合、１回に低減できた。また、連続してイオンビームを引き出しているときに放電が多発して安定にイオンビーム引き出しが行えなくなり電極清掃などのメンテナンスを行うまでの時間（寿命）が従来５００時間程度であったのに対し、本発明のイオン源では１０００時間を超える連続運転が可能となった。
【００１７】
以上のように、本実施例によれば、引き出し電極領域に磁場の漏洩がなくなるため、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームが得られる効果がある。また漏洩磁場によるビームの発散を抑えることができるため、収束性のよいイオンビームが得られる効果がある。さらに磁路４を設置することにより、漏洩磁場が減少し、効率よく放電室１内に磁場を発生させることができるので、従来の電磁石よりも小型化が可能であり使用する電源も小型で済むため低コスト化が図れる効果がある。
【実施例２】
【００１８】
図３は本発明のもう一つの実施例で、磁場発生手段に永久磁石２０を用いた場合の例を示したものである。図３は実施例１のイオン源の電磁石５，６の代わりに永久磁石２０を用いたものである。永久磁石２０の磁化方向はイオンビーム１４の引き出し方向と同じ方向である。永久磁石２０の極性は、本発明ではプラズマ電極１１側にＳ極、マイクロ波導入窓３側にＮ極となるように配置している。永久磁石２０の極性は、プラズマ１５中の電子の回転方向に影響を及ぼすだけで、生成されるプラズマに影響はないため、設置する極性はどちらでもよい。永久磁石の形状はドーナツ型にして一体で磁化した磁石を用いても、たとえば四角あるいは扇形断面形状などの棒磁石に分割して並べて組み合わせることでドーナツ状に形成しても同様の効果がある。
【００１９】
永久磁石２０を用いる場合、永久磁石２０の特性から、閉じた磁路４のほうを通ってしまい、放電室１内の磁場強度が弱くなってしまう。このため磁路４は完全に永久磁石２０を覆わずに、放電室１の反対側は開放とする。これにより永久磁石２０の外周より外側では磁場が漏洩するものの、引き出し電極部には漏洩せず、放電室１内に所定の磁場が生成されるようになる。
【００２０】
以上により、永久磁石２０で生成された磁力線１８の経路は、ひとつは磁性体導波管１０を通って放電室１の磁性体部を通り、プラズマ電極１１に向かう。もうひとつは磁性体導波管１０を通ってそのままプラズマ電極１１に向かう。永久磁石２０を用いた場合においても、この２経路の磁力線１８により放電室１内に高密度プラズマを生成可能な、マイクロ波導入窓３側がプラズマ電極１１側の磁場強度よりも高く、プラズマ電極１１に向かって傾斜した形の磁場強度分布が得られる。
【００２１】
本実施例によれば、引き出し電極領域に磁場の漏洩がなくなるため、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームが得られる効果がある。また漏洩磁場によるビームの発散を抑えることができるため、収束性のよいイオンビームが得られる効果がある。さらに永久磁石を用いるため小型化が可能であり、電磁石用電源が不要になるため低コスト化が可能である。
【実施例３】
【００２２】
図４に本発明のイオン源を搭載したイオン注入装置の図を示す。図はイオン注入装置の上部から見た断面図を示したもので、イオン源５３，マイクロ波発振器５１，アイソレータ５２，質量分離器５４，後段加速管５５，四重極レンズ５６，偏向器５７，注入室５８で構成されている。注入室５８には回転ディスク６０と回転ディスク６０の中心に取り付けられた回転用モータ６１と、ビームダンプ５９が取り付けてある。回転ディスク６０にはシリコンウェハが取り付けられ、回転用モータ６１の回転によって回転運動を行い、さらに図示していないが別のモータによってイオンビーム６２を横切るように往復運動する。イオン源５３から引き出されたイオンビーム６２は、質量分離器５４により必要なイオン種のみを通過させ、後段加速管５５によって所定のエネルギーに加速して、四重極レンズ５６でイオンビームを整形した後、偏向器５７を通過してビームダンプ５９に到達する。回転ディスク６０の円周上に搭載されたウェハは、一定回転とスキャン速度を変えながらイオンビーム６２を横切るスキャン運動とによってウェハ面内で均一な注入を可能としている。本イオン注入装置のイオン源５３に実施例１，２記載のイオン源を用いることによって、長時間安定にイオン注入が行え、装置の稼働率向上，信頼性向上ができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明はマイクロ波を用いたイオン源およびこれを用いたイオン注入装置に関するもので、シリコン基板に酸素を注入したＳｉＯ2 （エスアイオーツー）基板や半導体用シリコン基板への不純物注入に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例である磁場発生手段に電磁石を用いた場合のイオン源の断面図である。
【図２】磁場発生手段に電磁石を用いた場合において、磁路がある場合とない場合の放電室中心での磁場分布の比較を示した図である。
【図３】磁場発生手段に永久磁石を用いた場合のイオン源の断面図である。
【図４】本発明のイオン源を用いたイオン注入装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  放電室
３  マイクロ波導入窓
４  磁路
５，６  電磁石
９  変換導波管
１０  磁性体導波管
１１  プラズマ電極
１２  電子抑制電極
１３  接地電極
１８  磁力線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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