(57)【要約】【課題】イオン質量分離装置内でイオンビームがガスと衝突して所望イオンによるイオンビームの生成効率が低下する問題を防止し、同時にプラズマ発生装置への十分な材料ガスの供給を可能にする。【解決手段】両端に入口部２と出口部３を有して湾曲したイオン偏向ケーシング５の外部に、入口部２と出口部３を通るようにケーシング５の曲りに沿ってケーシング５の幅方向に導体６ａを巻いて空芯励磁電流路６を形成し、イオンビームを入口部２の導体６ａ間を通してケーシング５の内部に導入し、空芯励磁電流路６による磁場の作用によりイオンビームをイオンの質量に応じて湾曲させ、所望の質量のイオンビームを出口部３から導体６ａ間を通して取り出すイオン質量分離装置１において、ケーシング５に、ケーシング５内部のガス圧力を低下する差動排気装置１７を絶縁体を介して接続する。【選択図】図１
2005183255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に入口部と出口部を有して湾曲したイオン偏向ケーシングの外部に、前記入口部と出口部を通るようにイオン偏向ケーシングの曲りに沿ってイオン偏向ケーシングの幅方向に導体を巻いて空芯励磁電流路を形成し、イオンビームを入口部の導体間を通してイオン偏向ケーシングの内部に導入し、空芯励磁電流路による磁場の作用によりイオンビームをイオンの質量に応じて湾曲させ、所望の質量のイオンビームを出口部から導体間を通して取出すようにしたイオン質量分離装置において、前記イオン偏向ケーシングに、該イオン偏向ケーシング内部のガス圧力を低下する差動排気装置を絶縁体を介して接続したことを特徴とするイオン質量分離装置。
【請求項２】
前記差動排気装置は、イオン偏向ケーシングと絶縁体との間に少なくとも２段のメッシュ電極を介して接続したことを特徴とする請求項１に記載のイオン質量分離装置。
【請求項３】
前記イオン偏向ケーシング側に位置する一方のメッシュ電極はイオン偏向ケーシングと同電位とし、差動排気装置側に位置する他方のメッシュ電極は前記一方のメッシュ電極より僅かに高い電圧としたことを特徴とする請求項２に記載のイオン質量分離装置。
【請求項４】
前記差動排気装置は、イオン偏向ケーシングの幅方向側面に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のイオン質量分離装置。
【請求項５】
前記差動排気装置は、イオン偏向ケーシングの幅方向側面の入口部に近い上流側に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のイオン質量分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン質量分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電気的に活性な元素を半導体に添加したり、或いは基材に対して接着が困難な材料を接着するために接着材料の原子を基材に添加させるような場合には、イオンドーピング（注入）装置が使用されている。
【０００３】
イオンドーピング装置では、プラズマ発生装置で材料ガスをプラズマ化し、プラズマのイオン（荷電粒子）を加速してそのイオンビームを被処理材に注入している。イオンビームを発生するための材料ガスとしては、水素希釈のホスフィン（ＰＨ3）、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）等が用いられるが、プラズマ発生装置では所望のＰＨx、Ｂ2Ｈx以外に、Ｈx、Ｐ2Ｈx、ＢＨx等の異なるイオン種の不要イオンも発生し、プラズマ発生装置からはこれらイオン種の混合ビームが引出される。このような所望イオン種以外の不要イオン種の存在は、イオンドーピングによるＰ、Ｂの注入深さ分布を不均一にする問題があり、更に、被処理材に余分な熱負荷を与えるといった問題があるため除去する必要がある。
【０００４】
このため、大口径、特に幅広のイオンビームのイオン質量分離を行って安定したイオンビームを生成させるようにしたイオン質量分離装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
図４は前記特許文献１におけるイオン質量分離装置１の概要を示す斜側面図、図５は図４の側面図であり、このイオン質量分離装置１は、両端に入口部２と出口部３を有して湾曲し内部に質量分離空間４を形成したイオン偏向ケーシング５の外部に、前記入口部２と出口部３を通るようにイオン偏向ケーシング５の曲りに沿ってイオン偏向ケーシング５の幅方向に導体６ａを巻いて空芯励磁電流路６を形成している。前記イオン偏向ケーシング５は入口部２と出口部３が９０゜の角度になるように大角度で湾曲している。また、前記イオン偏向ケーシング５の例えば幅方向端部の内面には、イオンビームの空間電荷を中和するためのフィラメント等の中和用電子供給源７を内面に沿って配置している。
【０００６】
前記入口部２の外部近傍にはプラズマ発生装置８が設けてあり、該プラズマ発生装置８は材料ガスをプラズマ化して例えば２００ｅＶのエネルギをもつイオンを生成させる。プラズマ発生装置８で生成したイオンは、前記入口部２の導体６ａと重なる位置に配置した引込み電極９によりイオンビームの質量分離に必要な速度に加速され、イオン偏向ケーシング５の幅方向（図５の紙面と直角方向）に広い幅を有するイオンビームとなって導体６ａ間を通して前記質量分離空間４に導入される。
【０００７】
質量分離空間４に導入されたイオンビームは、空芯励磁電流路６による磁場の作用によってイオンの質量に応じて湾曲させられ、所望の質量のイオンビームは前後方向（図５の左右方向）中心部に集められて出口部３に設けた導体６ａ間から導出される。図４では水素希釈のホスフィン（ＰＨ3）を材料ガスとした場合の所望イオン（ＰＨｘ+）を出口部３に導き、他の質量が小さいＨ+、Ｈ2+、Ｈ3+等の不要イオンは速く曲げられてイオン偏向ケーシングの内壁にぶつかることにより中性となり、また、所望イオンより質量が大きいＰ2Ｈｘ+の不要ガスは曲り切れずにイオン偏向ケーシングの内壁にぶつかることにより中性となる。
【０００８】
前記出口部３の前後両側部（図５では左右両側部）には遮蔽部材１０を設けて前後中央部にイオン取出口１１を形成しており、これにより、所望イオンからなるイオンビームはイオン取出口１１から取り出されるようになっている。
【０００９】
更に、イオン取出口１１から取り出されたイオンビームは出口部３の導体６ａと重なる位置に配置した加速電極１２によって例えばイオンドーピングに必要な速度に加速するようにしている。そして、前記イオン質量分離装置１で分離され更に加速されたイオンビームは、イオン質量分離装置１の質量分離空間４と連通したプロセス室１３に設置された被処理材１４に注入するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２０３８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記イオンドーピング装置では、一般に図４に示す如くプロセス室１３の所要位置に真空排気装置１５を設置しており、この真空排気装置１５の吸引によってプロセス室１３内部のガス圧力を低下すると同時にプロセス室１３に連通したイオン偏向ケーシング５の質量分離空間４のガス圧力を低下し、真空条件下でイオン質量分離及びイオンドーピング等を行うようしている。
【００１１】
しかし、前記プラズマ発生装置８においては材料ガスのすべてをプラズマ化することはできず、よってイオン質量分離装置１にはプラズマ発生装置８からのイオンビームが送り込まれると共にイオン化されないガスが次々に送り込まれ、従って質量分離空間４のガス圧力は例えば１００ｍＰａ以上に高くなる。このため、前記プロセス室１３に設けた真空排気装置１５で吸引しただけでは、前記質量分離空間４の真空度を高めることはできず、質量分離空間４のガス圧力（ガス濃度）は高い状態となっていた。
【００１２】
このように質量分離空間４のガス圧力が高いと、所望の質量を有して引込み電極９により加速されて質量分離空間４に導入された所望イオンは、質量分離空間４内を浮游するガスと衝突する確率が高くなり、ガスに衝突した所望イオンは方向が変わってイオン偏向ケーシング５の内壁にぶつかることにより中性となって機能を失う。また、所望イオンに衝突したガスは分解し、イオン化されてエネルギが例えば数ｅＶのように小さな不要イオンを生成し、この不要イオンはフワフワ漂って質量分離空間４内に広がり、イオン偏向ケーシング５内壁にぶつかると中性化されるが、浮游する不要イオンが再び前記所望イオンに衝突すると衝突した所望イオンの機能を失わせ、更に不要イオンが出口部から導入されてしまうといった問題がある。
【００１３】
このように、質量分離空間４のガス圧力が高いと、所望イオンがガスと衝突する確率が高まり、よってイオンの中性化、散乱、分解等によりイオン質量分離装置でのイオン質量分離性能が大幅に低下し、イオン質量分離装置１から取り出される有効なイオンビーム量が低下する問題があり、また、質量分離空間４内のガス圧力を低く抑える必要性からプラズマ発生装置８に対する十分な材料ガスの供給ができないといった問題を有していた。
【００１４】
本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、イオン質量分離装置内でイオンビームがガスと衝突して所望イオンによるイオンビームの生成効率が低下する問題を防止し、同時にプラズマ発生装置への十分な材料ガスの供給を可能にしたイオン質量分離装置を提供することを目的としてなしたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の発明は、両端に入口部と出口部を有して湾曲したイオン偏向ケーシングの外部に、前記入口部と出口部を通るようにイオン偏向ケーシングの曲りに沿ってイオン偏向ケーシングの幅方向に導体を巻いて空芯励磁電流路を形成し、イオンビームを入口部の導体間を通してイオン偏向ケーシングの内部に導入し、空芯励磁電流路による磁場の作用によりイオンビームをイオンの質量に応じて湾曲させ、所望の質量のイオンビームを出口部から導体間を通して取出すようにしたイオン質量分離装置において、前記イオン偏向ケーシングに、該イオン偏向ケーシング内部のガス圧力を低下する差動排気装置を絶縁体を介して接続したことを特徴とするイオン質量分離装置、に係るものである。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、前記差動排気装置は、イオン偏向ケーシングと絶縁体との間に少なくとも２段のメッシュ電極を介して接続したことを特徴とする請求項１に記載のイオン質量分離装置、に係るものである。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、前記イオン偏向ケーシング側に位置する一方のメッシュ電極はイオン偏向ケーシングと同電位とし、差動排気装置側に位置する他方のメッシュ電極は前記一方のメッシュ電極より僅かに高い電圧としたことを特徴とする請求項２に記載のイオン質量分離装置、に係るものである。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記差動排気装置は、イオン偏向ケーシングの幅方向側面に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のイオン質量分離装置、に係るものである。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記差動排気装置は、イオン偏向ケーシングの幅方向側面の入口部に近い上流側に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のイオン質量分離装置、に係るものである。
【発明の効果】
【００２０】
イオン偏向ケーシングに設置した差動排気装置によってイオン偏向ケーシング内部を直接吸引するようにしたので、イオン偏向ケーシング内部のガス圧力を大幅に低下させて残留ガス密度を低く抑えることができ、よって入口部からイオン偏向ケーシング内部に導入される所望イオンがガスと衝突する確率が大幅に低下し、よって衝突によるイオンの中性化、散乱、分解等が減少し、イオン質量分離装置から取り出す良質のイオンビーム量を大幅に増加できる効果がある。
【００２１】
また、差動排気装置によってイオン偏向ケーシング内部のガス圧力を低く抑えることができるため、プラズマ発生装置に対する十分な材料ガスの供給が可能になり、よって高密度のイオンビームの生成が可能になる効果がある。
【００２２】
差動排気装置は、絶縁体を介してイオン偏向ケーシングに接続しているので、イオン偏向ケーシングの高電圧が差動排気装置に作用する問題を生じない効果がある。
【００２３】
前記差動排気装置は、イオン偏向ケーシングとの間にメッシュを介して接続しているので、差動排気装置へのイオンビームの侵入を防止できる効果がある。
【００２４】
２段に設けるメッシュ電極のうちのイオン偏向ケーシング側のメッシュ電極はイオン偏向ケーシングと同電位とし、差動排気装置側のメッシュ電極にはイオン偏向ケーシングの電圧より僅かに高い電圧を印加して、電界による障壁を形成しているので、イオン偏向ケーシングの側面近傍に存在する薄いプラズマからのイオンビームが電界の障壁によって差動排気装置に向かうのを防止できる効果がある。
【００２５】
差動排気装置をイオン偏向ケーシングの幅方向側面に配置しているので、イオン偏向ケーシングの幅方向端面には空芯励磁電流路導体が存在しないため、差動排気装置が容易に設置できる効果がある。
【００２６】
差動排気装置をイオン偏向ケーシングの幅方向側面の入口部に近い上流側に接続しているので、イオン偏向ケーシングに導入したガスを導入と同時に直ちに排気してイオン偏向ケーシング内部のガス圧力を更に低減できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は本発明のイオン質量分離装置を実施する形態の一例を示す斜側面図、図２は図１の正面図であり、前記図４、図５と同様の構成部には同じ符号を付して説明を省略する。図１、図２に示す如く、イオン質量分離装置１を構成するイオン偏向ケーシング５の幅方向側面（端面）に、質量分離空間４に接続管１６を介して連通する差動排気装置１７を取り付ける。このとき、イオン偏向ケーシング５の幅方向側面５ａは空芯励磁電流路６の導体６ａが存在しない面となっているので、差動排気装置１７の設置は容易に可能である。尚、前記差動排気装置１７は、イオン偏向ケーシング５の幅方向側面５ａにおける前記入口部２に近い上流側に配置するのが好ましい。
【００２９】
また、前記イオン偏向ケーシング５には例えば８０ＫＶの高電圧が印可されているので、このような高電圧が差動排気装置１７に作用すると差動排気装置１７のコントロール等に不具合を生じるので、前記接続管１６には図３に示すように絶縁体１８を設けて高電圧が差動排気装置１７に作用しないようにしている。
【００３０】
更に、イオン偏向ケーシング５内部の側面５ａ近傍にも薄いプラズマが存在していてイオンビームが前記接続管１６を通して差動排気装置１７に向かう可能性がある。このため、図３に示す如く、前記接続管１６におけるイオン偏向ケーシング５の側面５ａと絶縁体１８との間に、前記イオン偏向ケーシング５と同電位（例えば８０ＫＶ）の電圧を印加した少なくとも２段のメッシュ電極１９，２０を設置して差動排気装置１７にイオンビームが侵入するのを防止している。前記メッシュ電極１９，２０は２段以上の複数段に設けるようにする。
【００３１】
図３の例では、２段のメッシュ電極１９，２０を配置し、イオン偏向ケーシング５側のメッシュ電極１９はイオン偏向ケーシング５と同電位の高電圧（例えば８０ＫＶ）とし、前記メッシュ電極１９より差動排気装置１７側のメッシュ電極２０には、イオン偏向ケーシング５の高電圧（例えば８０ＫＶ）に対して１０Ｖ〜２０Ｖ程度電圧を高くした高電圧を印加するようにしている。
【００３２】
次に、上記した実施の形態の作動を説明する。
【００３３】
図１のプラズマ発生装置８は供給される材料ガスをプラズマ化し、プラズマのイオンは引出し電極９により加速され、イオン偏向ケーシング５の幅方向に広いイオンビームとなって入口部２からイオン偏向ケーシング５内部の質量分離空間４に導入される。尚、イオンビームは入口部２の導体６ａによっても加速される。このとき、前記プラズマ発生装置８でプラズマ化されなかった中性のガスが入口部２から質量分離空間４に導入されて質量分離空間４内のガス圧力が高くなる傾向にあるが、質量分離空間４はイオン偏向ケーシング５の幅方向側面５ａに設けた差動排気装置１７により吸引しているので、質量分離空間４に導入されたガスは直ちに差動排気装置１７により吸引されて外部に排気され、よって質量分離空間４内のガス圧力は低く抑えることができる。このとき、図１に示す如く差動排気装置１７をイオン偏向ケーシング５の幅方向側面５ａの入口部２に近い上流側に接続することは、質量分離空間４に導入したガスを導入と同時に直ちに排気できるので好ましい。
【００３４】
図１の形態に示す如く、イオン偏向ケーシング５に差動排気装置１７を備えてイオン質量分離装置１内部を吸引した場合と、図４の従来の如くプロセス室１３に真空排気装置１５を設けてイオン質量分離装置１内部を二次的に吸引した場合とにおける質量分離空間４における残留ガス密度を検出したところ、図１の形態によれば、質量分離空間４の残留ガス密度を図４の従来の場合に比して約１／３以下に低減することができた。
【００３５】
前記差動排気装置１７は接続管１６に備えた絶縁体１８を介してイオン偏向ケーシング５に接続しているので、イオン偏向ケーシング５の高電圧が差動排気装置１７に作用する問題はない。また、前記接続管１６におけるイオン偏向ケーシング５と絶縁体１８との間に、少なくとも２段のメッシュ電極１９，２０を配置しているので、差動排気装置１７に向かうイオンビームを２段のメッシュ電極１９，２０で捕捉し、よってイオンビームが差動排気装置１７に侵入するのを防止することができる。特に、図３に示す如く、２段に設けたメッシュ電極１９，２０のうちのイオン偏向ケーシング５側のメッシュ電極１９はイオン偏向ケーシング５と同電位とし、前記メッシュ電極１９より差動排気装置１７側のメッシュ電極２０には、イオン偏向ケーシング５の電圧に対して例えば１０Ｖ〜２０Ｖのような僅かに高い電圧を印加して、電界による障壁を形成することにより、イオン偏向ケーシング５の側面近傍に存在する薄いプラズマからのイオンビームが電界の障壁によって差動排気装置１７に向かうのを防止することができる。また、このとき差動排気装置１７側の電圧を僅かに高くしたメッシュ電極１９，２０の電界は電子に対しては逆加速になるので好ましい。
【００３６】
前記したように、引出し電極により加速されてイオン偏向ケーシング５の質量分離空間４に導入されたイオンビームは、空芯励磁電流路６によって幅方向に均一に形成される磁場の作用により、イオンビームの質量に応じてイオン偏向ケーシング５の曲りに沿い均一に曲げられ、所望のイオンビームが出口部３から取り出され、加速電極１２によってドーピングのための加速が行われる。尚、イオンビームは出口部３の導体６ａによっても加速される。一方、所望イオンとイオン種が異なり質量が所望より小さいイオンは、所望のイオンより早く曲げられてイオン偏向ケーシング５の内面に衝突して中和され、又、質量が所望より大きいか或いは中性のイオンは曲り切れずにイオン偏向ケーシング５内面に衝突してイオンとしての機能を失う。
【００３７】
前記した如く、イオン偏向ケーシング５に設置した差動排気装置１７によってイオン偏向ケーシング５内部の質量分離空間４を直接吸引するようにしたので、質量分離空間４のガス圧力が大幅に低下して質量分離空間４の残留ガス密度が低くなり、入口部２から質量分離空間４に導入される所望イオンがガスに衝突する確率が大幅に低下する。よって衝突によるイオンの中性化、散乱、分解等が減少し、イオン質量分離装置１から取り出される良質のイオンビーム量が大幅に増加することになる。
【００３８】
また、差動排気装置１７によって質量分離空間４内のガス圧力を低く抑えることができるため、プラズマ発生装置８に対する十分な材料ガスの供給が可能になり、よって高密度のイオンビームの生成が可能になる。
【００３９】
上記したように、イオン質量分離装置１により不要のイオン種を含まない所望のイオンのみからなるからイオンビームを生成して取り出すことができるので、イオンドーピング時のイオンの注入深さ分布を均一にすることができ、更に、被処理材１４に余分な熱負荷を与えることが防止できる。又、大口径でしかも高密度のイオンビームを生成できるので、一回のドーピング操作で被処理材１４の広い面積にイオンドーピングすることができ、よって作業の能率を大幅に向上することができる。
【００４０】
なお、本発明のイオン質量分離装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のイオン質量分離装置の実施の形態の一例を示す斜側面図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】イオン偏向ケーシングと真空排気装置との接続部の構成を示す断面図である。
【図４】従来のイオン質量分離装置の一例の概略を示す斜側面図である。
【図５】図４の側面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  イオン質量分離装置
２  入口部
３  出口部
５  イオン偏向ケーシング
５ａ        幅方向側面
６  空芯励磁電流路
６ａ        導体
８  プラズマ発生装置
１６  接続管
１７  差動排気装置
１８  絶縁体
１９  メッシュ電極
２０  メッシュ電極
【図１】
2005183255.tif 000003
【図２】
2005183255.tif 000004
【図３】
2005183255.tif 000005
【図４】
2005183255.tif 000006
【図５】
2005183255.tif 000007