(57)【要約】【課題】構造が簡素化された装置で、長時間、安定したイオンビームを発生させることが可能で、かつ高純度のイオンビームを発生させることができるイオンビーム発生装置、イオンビーム発生方法、イオン処理装置およびイオン処理方法を提供すること。【解決手段】イオンビーム発生装置１は、イオン化部１０およびイオン引出・加速部２０を含んで構成され、イオン化部１０が、固体原料１１を収容する固体原料収容手段１２、固体原料１１を加熱する固体原料加熱手段１３および固体原料１１の蒸気をイオン化する放電手段１９を含み、放電手段１９が、固体収容手段１２により形成された陰極１５と、固体収容手段の上方に設けられた陽極１６と、陰極１５と陽極１６との間に電流を供給する直流電源１６とを含む。また、イオン処理装置は、イオンビーム発生装置１、質量分離器、および成膜部またはイオン注入部を含んで構成されている。【選択図】　図１
2004139913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体原料をイオン化するイオン化部および該イオン化部からイオンを引き出して加速するイオン引出・加速部を含んで構成されたイオンビーム発生装置において、前記イオン化部が、固体原料を収容する固体原料収容手段、前記固体原料を加熱する固体原料加熱手段および前記固体原料の蒸気をイオン化する放電手段を含み、該放電手段が、前記固体収容手段により形成された陰極と、前記固体収容手段の上方に設けられた陽極と、前記陰極と前記陽極との間に電流を供給する直流電源とを含んで構成され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】
請求項１に記載のイオンビーム発生装置を用いてイオンビームを発生させる方法であって、固体原料を固体原料収容手段に装入し、固体原料加熱手段により加熱して固体原料を溶融または昇華させ、前記固体原料の蒸気を放電によってプラズマ化し、該プラズマ中のイオンを引き出し、加速することによりイオンビームを発生させることを特徴とするイオンビーム発生方法。
【請求項３】
前記固体原料が、元素単体または複数の元素の複合体であることを特徴とする請求項２に記載のイオンビーム発生方法。
【請求項４】
請求項１に記載のイオンビーム発生装置、質量分離器、および成膜装置またはイオン注入装置を含んで構成されていることを特徴とするイオン処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のイオン処理装置を用いて、薄膜の成膜処理またはイオン注入処理を行うことを特徴とするイオン処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビーム発生装置、イオンビーム発生方法、イオン処理装置およびイオン処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビームは、半導体の製造における半導体基板へのイオン注入処理や機械部材の表面層の窒化処理などの表面改質に利用されている。また、イオンビームを薄膜堆積（以下、成膜と略記する）に用いる研究が行われている。
【０００３】
イオンビームを発生させる装置はイオン源とも呼ばれており、多種多様なものが開発され実用されている。イオンビーム発生装置は、イオンの発生方法によって２種類に大別される。その一つは、原料をプラズマ化しプラズマからイオンを引き出す方法であり、もう一つは、熱電離やスパッタ現象を利用して、原料の表面層を電離させる表面電離法である。現在実用されているほとんどのイオン源は、前者の原料をプラズマ化するタイプである。
【０００４】
原料をプラズマ化するタイプの装置が主として利用されている理由には、構造が簡単であることや、イオン化できる元素の選択範囲が広いことが挙げられる。また、プラズマは、気体を放電させて発生させるのがもっとも簡単であるため、イオン源においても、イオンの原料には、イオンにする元素やその元素を含む化合物のガスが用いられている。また、固体原料を用いる場合には、その蒸気をアルゴンなどの放電支援ガスと混合して放電させる方法が採られている。
【０００５】
薄膜の成膜を行う場合、膜中に不純物が混入することを防止するために、一般に高真空の処理槽の中で成膜処理が行われる。この成膜にイオンビームを用いる場合には、成膜する元素以外の元素がイオンビームから不純物として混入しないようにしなければならない。しかし、前述のように、イオンの発生にガスを使用した場合、イオンビームには、成膜する元素のイオンの他に、原料ガスやその分解によって生じた気体などの不純物が混入しており、これらの不純物がイオン源から高真空槽へ流入する。
【０００６】
このような不純物の高真空槽への流入を避けるために、一般には、イオン源と高真空槽との間に、差動排気装置と呼ばれる排気管と穴板の組み合わせを複数層を設け、イオンビームは通過させ気体は排気して、気体が真空槽に入らないような対策を講じることが不可欠である。
【０００７】
しかし、差動排気を施しても気体の流入を完全に阻止することは困難であるので、気体が薄膜中に不純物として取り込まれるという問題がある。本来、イオンビームが成膜に用いられるのは、高純度の膜の形成が期待できるからであり、実際、イオンビームに関しては、同位体をも分離する精製を容易に行うことができる。したがって、イオンビームにガスが混入する問題が解決されれば、上述のイオンビームを用いる成膜技術が高純度の薄膜の成膜技術として、その適用範囲が大幅に広がるものと期待されている。
【０００８】
このような課題を解決するために、イオンの原料に固体原料を用いて、溶融などの方法により固体原料から発生させた蒸気をプラズマ化し、イオンビームを発生させる技術の開発、実用化が進められている。既に、次に述べるように、いくつかの技術が提案されているが、高純度の薄膜の成膜に利用する場合には、それぞれ下記の問題点を有している。
【０００９】
イオン源のタイプの一つとして、金属を蒸気にして放電室に導き、放電室でアーク放電を起こさせイオンビームを発生させる装置がある（例えば、特許文献１参照）。このタイプは大型化が容易であるが、放電室内で金属を蒸気の状態で維持する必要があるため、放電室の内壁温度を高温に保たなければならないという難点がある。
【００１０】
レーザ照射によって発生させたプルーム（プラズマ）からイオンを引き出す方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法の場合には、加熱に伴うガスの発生が少ないことなど利点があるが、レーザ照射装置を必要とするという難点がある。さらに、レーザビームがパルスであるため、引き出されたイオンのエネルギが不安定であるので、質量分離に要求されるエネルギの安定性を保つことが容易ではないと推定される。
【００１１】
シャンティングアーク放電を起こさせて、固体原料からプラズマを発生させることにより、イオンビームを得る装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この方法は、パルス電流を流すことによってイオンを発生させるので、特許文献１の場合と同様に、質量分離に求められるイオンのエネルギの安定性を保つことが容易ではないという問題がある。
【００１２】
「チップ」状の鋭利な先端部で金属など溶融させ、溶融部からイオンを電界に放出させる方式が提案されている（例えば、特許文献４、５参照）。この方式は、輝度の高いイオンビームを得ることが可能で、集束イオンビーム発生装置に適している。しかし、多量の原料を充填することは困難であるため、長時間多量のイオンビームを必要とする用途には向かないので、商業規模での利用は難しい。
【００１３】
高周波コイルに配置した棒状のスパッタターゲットからイオンを発生させるタイプの装置も提案されている（例えば、特許文献６参照）。しかし、この装置では放電用のアルゴンガスを必要としている。
【００１４】
真空中でのアーク放電により金属からプラズマ発生させ、イオンビームを得る装置も提案されている（例えば、特許文献７参照）。この装置の場合は、放電用のガスを全く必要としないという利点があるが、「トリガ電極」およびそれを支持する絶縁体が必要であるので、その耐久性が問題であり、また、放電がパルス電流によるので、特許文献１などと同様な問題点がある。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−３２５７１３号公報（請求項１、図１）
【００１６】
【特許文献２】
特開平９−２８３０３８号公報（請求項１、図１）
【００１７】
【特許文献３】
【００１８】
【特許文献４】
特開平５−３１１３９２号公報（段落［００１８］〜［００２０］、図３）
【００１９】
【特許文献５】
特開平５−１５１９０７号公報（請求項１、図１）　　　　特開２０００−１８２５２７号公報（請求項２、図１）
【００２０】
【特許文献６】
特開平１０−２０４６３１号公報（段落［００２０］〜［００２５］、図１）
【００２１】
【特許文献７】
特開平１１−２５８７３号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、構造が簡素化された装置で、長時間、安定したイオンビームを発生させることが可能で、かつ半導体の製造に適用することができる高純度のイオンビームを発生させることができるイオンビーム発生装置およびイオンビーム発生方法ならびにこれらのイオンビーム発生装置、発生方法を利用したイオン処理装置およびイオン処理方法を提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記のイオンビーム発生装置およびイオンビーム発生方法ならびにこれらのイオンビーム発生装置、発生方法を利用したイオン処理装置およびイオン処理方法を要旨としている。
【００２４】
本発明に係るイオンビーム発生装置は、固体原料をイオン化するイオン化部および該イオン化部からイオンを引き出して加速するイオン引出・加速部を含んで構成されたイオンビーム発生装置において、前記イオン化部が、固体原料を収容する固体原料収容手段、前記固体原料を加熱する固体原料加熱手段および前記固体原料の蒸気をイオン化する放電手段を含み、該放電手段が、前記固体収容手段により形成された陰極と、前記固体収容手段の上方に設けられた陽極と、前記陰極と前記陽極との間に電流を供給する直流電源とを含んで構成されていることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明に係るイオンビーム発生方法は、上記のイオンビーム発生装置を用いてイオンビームを発生させる方法であって、固体原料を固体原料収容手段に装入し、固体原料加熱手段により加熱して固体原料を溶融または昇華させ、前記固体原料の蒸気を放電によってプラズマ化し、該プラズマ中のイオンを引き出し、加速することによりイオンビームを発生させることを特徴としている。
【００２６】
なお、上記の固体原料は、元素単体または複数の元素の複合体であることが望ましい。
【００２７】
本発明に係るイオン処理装置は、上記のイオンビーム発生装置と、質量分離器と、成膜装置またはイオン注入装置を含んで構成されていることを特徴としている。
【００２８】
さらに、本発明に係るイオンビーム発生方法は、上記のイオン処理装置を用いて、薄膜の成膜処理またはイオン注入処理を行うことを特徴としている。
【００２９】
なお、本発明でいう「蒸気」には、液体から気化したガス体や炭素が昇華して生じたガス体を含んでいる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明に係るイオンビーム発生装置、イオンビーム発生方法、イオン処理装置およびイオン処理方法を説明する。
【００３１】
図１は、実施の形態に係るイオンビーム発生装置の構成を示す模式的断面図である。イオンビーム発生装置１は、イオン化部１０とイオン引出・加速部２０とを含んで構成されている。
【００３２】
図２は、イオン化部１０の構成を拡大して示す模式的断面図である。ただし、図２に示したイオン化部１０は、固体原料１１を収容するための固体原料収容手段１２を銅製のるつぼ１２ａ、固体原料１１を加熱するための固体原料加熱手段１３を電子ビーム加熱器１３ａとして示しており、イオン化部１０は、これらの外に、固体原料の蒸気をイオン化する陽極１４と陰極１５と、陽極１４と陰極１５に電流を供給する放電用直流電源１６を含む放電手段を含んで構成されている。
【００３３】
また、図１に示したように、イオン化部１０は、固体原料加熱手段１３の加熱器電源１７および放電手段の放電用直流電源１６を除く部分が、真空容器１８内に収められている。
【００３４】
ここで、固体原料１１は、目的のイオンを発生させる元素を含む材料であり、元素単体の材料またはこれらの元素からなる化合物または混合物である。例えば、チタン、シリコン、ホウ素、炭素、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、タングステン、レニウム、イリジウム、白金、金、水銀、鉛、ビスマス、タリウム、ニッケル−クロム、鉄−クロム、鉄−ニッケル−クロム、白金−イリジウムなどの導電性を有するものが挙げられる。
【００３５】
固体原料収容手段１２、１２ａは、図２に示したように、壁部および底部が冷却水によって冷却されるように構成された銅製のるつぼ１２ａが、もっとも好ましい。図２に示した符号１２−１が、冷却水の通流路である。なお、固体原料収容手段１２、１２ａは、放電手段のうち、陰極１５を兼ねるものであるので、導電性を有するものである。るつぼの材料は、銅、銅合金などの熱伝導性のよい金属、または水冷の必要のない耐熱性の高いタングステンなどの金属であってもよい。
【００３６】
固体原料加熱手段１３、１３ａは、固体原料１１を溶融して蒸気を発生させるか、加熱により昇華させるか、いずれかの作用を有するものであればよい。本実施の形態のイオンビーム発生装置１には、固体原料加熱手段１３、１３ａは、図２に示したように、電子ビーム加熱器１３ａがもっとも好適である。電子ビーム加熱器１３ａの場合、電子ビーム１３−１は、加熱器電源１３−２から供給される電流により、フィラメント１３−３から電子が放射され、放射された電子がるつぼ１２ａの周りに設けられたコイル（図示省略）によって発生する磁界で偏向されて、固体原料１１の表面に集中的に照射される。電子ビーム１３−１が集中的に照射され、固体原料１１は局部的に高温となるので、固体原料１１の蒸気を発生させるのに適している。また、炭素のように、溶融しない材料を昇華させるのにも適している。
【００３７】
上記の固体原料加熱手段１３、１３ａには、電子ビーム加熱器１３ａの外に、アーク放電加熱、直接通電加熱や抵抗発熱体加熱などの抵抗加熱、高周波誘導加熱などの加熱手段を適用することができる。
【００３８】
放電手段は、直流電流による放電を起こさせるものであるので、放電用直流電源１６と陽極１４と陰極１５とを含んで構成され、陽極１４は放電用直流電源１６のプラス側、陰極１５は放電用直流電源１６のマイナス側と電気的に接続されている。陽極１４は、内面が下向きで中心軸がイオン引出・加速部２０方向を向いている半円筒形、リング形、平板形などの形状で、固体原料収容手段１２、１２ａの上方に、固体原料収容手段１２、１２ａにほぼ対面するように配置されている。この陽極１４は、銅、黒鉛などの導電性のよい材料で構成するのがよい。
【００３９】
放電手段の陰極１５は、固体原料収容手段１２、１２ａが兼ねるものとする。固体原料収容手段１２、１２ａを陰極１５とすることにより、導電性の固体原料１１自体を陰極にすることができるからである。後に説明するように、固体原料１１を陰極とすることにより、固体原料１１のイオンを効率的に発生させることができる。
【００４０】
イオン引出・加速部２０は、図１に示したように、イオン引出部２１とイオン加速部２２とを含んで構成されている。イオン引出・加速部２０には、一般に用いられている装置を利用することができる。イオン引出部２１は、図１に示されているイオンビームの進行方向に平行な中心軸Ｘ−Ｘにほぼ直交する面を有し、イオン化部１０における陽極１４と陰極１５との間隙からイオンを引き出すようにその間隙の側方に位置する電極２３と、イオン引出・加速部２０内の電極２３の下流側に位置する電極２４とを備えている。また、電極２３と２４には、イオンを通過させるための開口部２３−１、２４−１が、陽極１４と陰極１５の間隙の側方に延びる同一直線上に設けられている。電極２３と２４との間には、電位差を持たせることができるようになっているので、その電位差により、イオンをイオン化部１０からイオン引出・加速部２０に引き出すことができる。
【００４１】
イオン引出・加速部２０に引き出されたイオンビームは通常発散するので、引き出し用の電極２４の直後でレンズ２５を用いて、イオンビームをほぼ平行にする。なお、図１に示したレンズ２５は、アインツェル型のレンズである。
【００４２】
また、偏向電極２６は、イオンビームを偏向させる作用を有しており、質量分離器３０との組み合わせにより、イオンビームを基板ホルダ上の所定の位置に誘導するために設けられている。
【００４３】
イオン引出・加速部２０は、高純度のイオンビームを得るために、できるだけ高真空に維持することが望ましいので、真空排気手段２７に設けられたターボ分子ポンプ２７−１、スクロールポンプ２７−２などを利用して排気するのが望ましい。
【００４４】
次に、図１および図２に示した装置を用いて、イオンビームを発生させる方法を説明する。なお、前述のように、図２に示した固定原料収容手段１２は水冷型の銅製るつぼ１２ａ、固体原料加熱手段１３は電子ビーム加熱器１３ａとして説明する。
【００４５】
はじめに、粉末状、粒状、塊状、平板状等の形状をした固体原料１１をるつぼ１２ａに装入する。るつぼ１２ａの冷却水通流路１２−１に冷却水を流し、真空容器１８内を真空排気した後、電子ビーム加熱器１３ａを用いて電子ビーム１３−１を照射することにより固体原料１１を加熱する。この加熱によって、固体原料１１を溶融または昇華させる。
【００４６】
固体原料１１は、全部を溶融させてもよく、表層部のみを溶融させてもよい。ただし、溶融する固体原料１１の場合は蒸気が発生し、溶融しない炭素のような場合は昇華する程度に、電子ビームの電流を多くして加熱を行う。固体原料１１の蒸気または昇華したガスは、できるだけ多く存在することが望ましいので、溶融部１１−１の温度が十分に上昇するように加熱を行うようにする。この加熱の場合、溶融部１１−１の量と流動性は、ほとんど考慮する必要はない。
【００４７】
このように固体原料１１が加熱された状態で、陽極１４と陰極であるるつぼ１２ａとの間に電源１６から直流電流を流す。電流は、陽極１４から固体原料１１の溶融部１１−１、未溶融部などを介してるつぼ１２ａに流れる。この際、固体原料１１から発生した蒸気との間で放電が起こり、プラズマが発生する。むろん、プラズマの中には、固体原料１１を構成する元素のイオンも含まれている。
【００４８】
いったん放電が起こると、放電により発生したプラズマにより、固体原料１１からの蒸気の発生、昇華が活発化するので、イオンを含むプラズマが安定して、継続的に発生するようになる。
【００４９】
プラズマが発生している状態で、真空排気されたイオン引出・加速部２０に、イオン化部１０からイオンの引き出しを行う。このイオンの引き出しには、電極２３と２４との間に、通常数１００Ｖ〜数ｋＶの電位差を印加する。なお、引き出し用の電極２３と２４との間の電位差は、３０〜７０ｋＶ程度の高電圧の方が大きなイオン電流を得ることができるのでより好ましい。ただし、絶縁物などが大きくなるので、引き出し電極間の電位差は、装置全体の大きさに応じて選択するのがよい。
【００５０】
引き出したイオンは、さらにアインツェル型のレンズ２５などで平行ビームとし、所定のイオンビームを得る。
【００５１】
図３は、本発明の実施の形態に係るイオン処理装置を示す図であり、成膜装置の構成例を示す模式的断面図である。イオン処理装置２は、イオン化部１０とイオン引出・加速部２０とで構成されたイオンビーム発生装置１、質量分離器３０および成膜部５０を含んで構成されている。さらに、イオンビーム減速部４０、イオン発生装置１と質量分離器３０との間を結ぶビームライン６０、質量分離器３０と成膜部５０とを結ぶビームライン７０、ビームライン７０に設けられたスリット７１を備えている。
【００５２】
質量分離器３０は、一般に利用されている質量分離器を用いることが可能であり、磁界を付与することにより、磁界の強さに応じて特定のイオンを分離できる機能を有するものであれば利用可能である。
【００５３】
スリット７１は、質量分離の分解能を制御する作用を有しており、質量分離器３０の一部にも相当するものである。スリット７１の幅を狭くすることによって、必要とするイオン以外の元素、同位元素等の分離精度を向上させることができる。
【００５４】
成膜部５０も、通常利用されているものを用いることができ、半導体基板への成膜等、基板ホルダ５２に載置された基板５３への成膜が可能な構造を有するものであればよい。ただし、本発明に係るイオン処理装置２は、成膜の場合は高純度の薄膜の形成、イオン注入の場合は高純度のイオン注入を行うことを目的として装置であるので、成膜部５０またはイオン注入部（図示省略）は、不純物の混入を避けるために、高真空であることが望ましい。そのため、真空槽５１と真空排気装置（図示省略）により、１０−６〜１０−９Ｐａ程度の圧力（真空度）に維持できる構造とするのがよい。
【００５５】
基板５３への成膜処理の場合、図１に示したイオンビーム発生装置１で発生したイオンビームを直接基板に照射すると、通常イオンビームのエネルギが強すぎる。前述のように、イオンは、イオン化部１０から、数１００Ｖ〜数ｋＶの電位差で引き出される。そのために、イオンビームは、その電位差に応じたエネルギを維持したまま成膜部５０に導かれる。成膜用のイオンビームのエネルギは、通常数１００ｅＶ以下であるので、イオンの速度を減速することにより、基板５３に照射されるイオンビームのエネルギを低くするようにする。
【００５６】
図４は、上記のイオン処理装置２により、Ｔｉの成膜を行う場合の各部の電位の一例を示すグラフである。
【００５７】
イオン化部１０の陰極１５をアース電位（０Ｖ）とし、イオン化部１０のプラズマからイオン引出・加速部２０へのＴｉイオンの引き出し電圧（電極２３と電極２４との間の電位差）を−１３ｋＶとする。イオン化部１０から引き出されたＴｉイオンは、この引出電圧−１３ｋＶとプラズマの電位（本実施例の場合、放電電圧にほぼ等しい１００Ｖ＝０．１ｋＶ）との両者を合わせた電位１３．１ｋＶで加速されたことになるので、１３．１ｋｅＶのエネルギを有している。
【００５８】
Ｔｉのイオンビームが誘導される誘導路６０、７０および質量分離器３０の分析管等の配管系は、Ｔｉのイオンビームが基板ホルダ５２に載置された基板５３に照射される直前までの領域が、−１３ｋＶの電位に維持されている。したがって、Ｔｉのイオンビームは、１３．１ｋｅＶのエネルギを保ったまま誘導されて質量分離され、成膜部５０に到達する。
【００５９】
質量分離器３０では、Ｔｉのイオンビームの軌道が偏向されるだけで、Ｔｉのイオンビームが保有するエネルギは変化しない。本実施例の場合、基板ホルダ５２はアース電位（０Ｖ）に設定されているので、−１３ｋＶの電位の配管を通過したＴｉのイオンビームは、−１３ｋＶに保たれた配管の出口部４３と０Ｖ電位の基板ホルダ５２上の基板５３との間で１３ｋＶ分だけ電位が上昇し、その分減速されて、エネルギが低下する。すなわち、基板５３に照射されるＴｉのイオンビームのエネルギは、０．１ｋｅＶ＝１００ｅＶ（１３．１ｋＶ−１３ｋＶ）まで大幅に低下し、Ｔｉイオンは、基板５３の極表面に堆積することになる。
【００６０】
なお、基板ホルダ５１の電位は、必ずしもアース電位（０Ｖ）とする必要はない。バイアス電位を印加してもよく、それによってイオンビームのエネルギを任意のレベルに制御することができる。
【００６１】
このように、イオン化部１０の陰極１５と基板ホルダ５２がアース電位（０Ｖ）の場合、基板５３に照射されるイオンビームのエネルギは、イオン化部１０におけるプラズマのポテンシャル（電位）に対応する値になる。
【００６２】
図３には、イオン処理装置２が成膜装置の場合を示したが、イオン注入装置の場合には、成膜部５０の代わりに、イオン注入部を設ければよい。ただし、イオン注入の場合には、イオンビームを基板５３に注入しなければならないので、イオンビームのエネルギが大きいことが求められる。したがって、一般にイオンビームを減速する必要はなく、減速部は不要である。減速部に代えて、イオンビームのエネルギをさらに高めるために、イオンビーム加速部を設けることが望ましい。
【００６３】
イオン処理装置全体の真空度は高い方が望ましいが、実用上イオン化部１０は約１０−４Ｐａ以下、成膜部５０またはイオン注入部は約１０−６Ｐａ以下とするのがよい。なお、本実施の形態に係る装置の場合、原理的にイオン化部１０の真空度は、排気用の真空排気手段（真空ポンプ）の性能を高めれることによって、真空度を上げることができ、それに伴って成膜部３０またはイオン注入部の真空度も向上させることができる。
【００６４】
図３に示したイオン処理装置２を用いて、成膜、イオン注入などの処理を行う方法の要点は、下記のとおりである。
【００６５】
イオンビームの発生については、すでに説明したのでここでは説明を省略する。ただし、当然のことながら、固体原料１１には、成膜またはイオン注入を行う元素を含む材料を用いる。必要な元素が１種類の場合には、単体元素の材料を用いるのがよい。
【００６６】
イオンビーム発生装置１で発生させたイオンビームを質量分離器３０に誘導し、質量分離器３０の電磁石に、処理に必要なイオンのみを分離することができる電流を流す。分離すべきイオンと電流と間には特定の関係があり、使用する質量分離器３０によって決まった値であるので、その電流値を採用すればよい。
【００６７】
成膜処理の場合には、質量分離された高純度のイオンビームを成膜部５０に導く。ここで、イオンビームの速度を減速しエネルギを低下させるために、前述のように、引き出し電圧に維持されている配管系に対して、基板ホルダ５２をアース電位（０Ｖ）とすることにより基板５３の電位をアース電位になるようにする。
【００６８】
また、前述のように、イオン処理装置全体を１０−６〜１０−９Ｐａ程度の圧力（真空度）に維持するようにする。その状態で、所定の膜厚に成長するまで、イオン処理を継続することにより成膜を行うことができる。
【００６９】
一方、イオン注入を行う場合には、イオンビームをイオン注入処理部（図示省略）に導く。イオン注入には、イオンビームのエネルギが高くなければならないので、イオンビームの速度を減速させることなく、そのまま基板５３に照射してもよく、さらに加速して照射してもよい。そのために、基板ホルダ５２にバイアス電位を印加し、イオンビームのエネルギが所定のレベルになるように制御する。また、イオン注入の場合にも、不純物が注入されるのを防止するために、イオン処理装置全体を１０−６〜１０−９Ｐａ程度の圧力（真空度）に維持するようにする。
【００７０】
【実施例】
実施例１
図１および図２に示した装置を用いて、チタン（Ｔｉ）のイオンビームを発生させる試験を行った。固体原料１１として、板状の純度９９．９９質量％の純Ｔｉ、約１５０ｇを銅製のるつぼ１２ａに装入し、イオン化部１０を約１０−６Ｐａに真空排気した。その後、電子ビーム加熱器１３ａを用いて、電圧６．８　ｋＶ、電流１３０〜１７０ｍＡで電子ビームを発生させ、電子ビームを照射することによってＴｉ原料の下層部を除く上層部を溶融させた。さらに、放電用の直流電源１６から陽極１４とるつぼとの間に１００Ｖの電圧を印加し、放電を起こさせることによってプラズマを発生させた。プラズマが発生している状態で、放電電流を約１．５Ａに保持した。
【００７１】
上記の状態で、電極２３と２４との間に、１３ｋＶの電圧を印加することにより、イオンの引き出しを行うとともに、アインツェル型のレンズ２５に＋８ｋＶ（アース電位：４ｋＶ）の電圧を印加した。
【００７２】
その結果、図１に示した電流計２８により、最大７０μＡのイオン電流が計測された。また、このイオン電流の計測結果では、安定して持続した電流が得られており、イオンビームが安定して発生していることが確認された。さらに、イオン化部１０の真空度は１０−６Ｐａと低く、高真空の状態で動作することが裏付けられた。
【００７３】
実施例２
図３に示したイオン処理装置２を用いて、実施例１で発生させたＴｉイオンビームを成膜部５０内の基板ホルダ５２上のシリコン基板５３に照射することにより、照射されるイオンの特性を調査した。
【００７４】
実施例１に示した条件で発生させたイオンビームを質量分離器３０に誘導し、質量分離器３０の電磁石に電流を流すことによって、イオンビームの進行方向を偏向させ、イオンビームを各成分に分離した。なお、スリット７１の幅は１０ｍｍとした。
【００７５】
図５は、質量分離器３０の電磁石に流した電流と基板ホルダ５２に流れた電流との関係を示すグラフである。なお、電流は、図３に符号５５で示した電流計によって測定した。
【００７６】
図５に示されている結果から、Ｔｉ＋、Ｔｉ２＋、Ｔｉ３＋の分離、すなわち原子量が同一の元素でも、質量分離器３０の電磁石に、元素のイオン価に応じた電流を流すことにより、イオン価が相違する場合でもイオンを分離することが可能であることが分かった。
【００７７】
例えば、質量分離器３０の電磁石に、２３Ａの電流を流せば、Ｔｉ＋のみのイオンが基板ホルダ５２、基板５３が載置されている場合は基板に照射されることになる。このことは、基板５３に、極めて高純度のＴｉイオンが照射され、高純度のＴｉ薄膜を形成することができることを裏付けている。
【００７８】
また、同一の元素であっても、電荷が相違するとイオンのエネルギが異なるが、上記のように電荷の異なるイオンを分離することができるので、エネルギの一定なイオンビームを得ることができることになる。したがって、イオン注入の場合には、イオンの侵入深さを高い精度で制御することが可能である。
【００７９】
詳細な説明は省略するが、スリット７１の幅を５ｍｍと２ｍｍの条件で測定した結果では、Ｔｉ＋をさらに質量数４６、４７、４８、４９および５０の同位体に分離することができることも確認された。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の係るイオンビーム発生装置、発生方法によれば、イオン化原料に気体を用いることなく、固体原料からイオンビームを発生させるので、イオンビームに原料ガスに起因する不純物元素が混入することがない。したがって、高純度のイオンビームを発生させることができる。
【００８１】
また、本発明に係るイオンビーム発生装置、発生方法では、固体原料を加熱し蒸気を発生させると同時に、固体原料を陰極として直流電源による放電を起こさせてプラズマを発生させる。したがって、簡素化されコンパクトな装置とすることができる。さらに、パルス電流を用いないので、イオンビームのエネルギが安定しており、質量分離器による質量分離を高精度で行うことができる。
【００８２】
上記のようなイオンビーム発生装置、発生方法を用いる、本発明に係るイオン処理装置、イオン処理方法によれば、高純度の薄膜の成膜、基板への高純度のイオン注入を行うことが可能である。したがって、本発明に係るイオン処理装置、イオン処理方法は、半導体装置の製造に極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオンビーム発生装置の構成を示す模式的断面図である。
【図２】イオン化部の構成を拡大して示す模式的断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るイオン処理装置を示す図であり、成膜装置の構成例を示す模式的断面図である。
【図４】図３に示したイオン処理装置により、Ｔｉの成膜を行う場合の各部の電位の一例を示すグラフである。
【図５】質量分離器の電磁石に流した電流と基板ホルダに流れた電流との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　イオンビーム発生装置
２　　イオン処理装置
１０　イオン化部
１１　固体原料
１２　固体原料収容手段
１３　固体原料加熱手段
１９　放電手段
２０　イオン引出・加速部
３０　質量分離器
５０　成膜部
５２　基板ホルダ
５３　基板
【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】
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