(57)【要約】【課題】ガスを供給して放電することによりイオビームを生成するイオン源において、フィラメント等の熱電子供給源とチャンバ間の電気絶縁性を十分に確保することができ、アーク放電を安定して発生させることのできるイオン源を提供する。【解決手段】イオン源１０は、チャンバ１２と、チャンバ１２と電気絶縁され、チャンバ内壁面から突出し熱電子を供給するフィラメント１４と、フィラメント１４と対向するように内部空間に設けられた反射電極板１６と、チャンバ１２とフィラメント１４との間に電圧を印加することにより生成されるプラズマからイオンビームを取り出すイオンビーム取出口２４と、を有する。チャンバ内壁面のフィラメント近傍領域に、フィラメント１４の周りを取り巻いて凹凸面が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを供給して電圧を印加することによりイオビームを生成するイオン源であって、
ガスが供給されてプラズマを生成する、少なくとも一部に導体面を有する内部空間を備えたチャンバと、
前記チャンバと電気絶縁され、前記内部空間のチャンバ内壁面から突出し、前記内部空間に熱電子を供給する熱電子供給源と、
前記チャンバと前記熱電子供給源との間に電圧を印加することにより前記内部空間に生成されるプラズマからイオンビームを取り出す、前記チャンバに設けられたイオンビーム取出口と、を有し、
前記チャンバ内壁面の熱電子供給源近傍領域に、前記熱電子供給源の周りを取り巻いて凹凸面が形成されていることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記熱電子供給源の突出方向を基準方向としたとき、突出先端からみて、前記基準方向に対して４５度〜１３５度の傾斜角度の範囲に位置する領域に前記凹凸面が形成されている請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記凹凸面は、複数の切欠き溝が格子状に形成された面である請求項１または２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記凹凸面は、前記チャンバの外側に向けて窪んだ凹部が複数形成された面である請求項１または２に記載のイオン源。
【請求項５】
前記凹部は、この凹部の深さ方向に向かって凹部断面が広がった袋形状を成している請求項４に記載のイオン源。
【請求項６】
前記凹凸面は、粗面化処理が施されて形成された面である請求項１または２に記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームを生成するイオン源であって、ＬＳＩ（大規模集積回路）や平面型表示装置（フラットパネルディスプレイ）等に設けられる半導体の作製に用いるイオン注入装置等に用いるイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を用いたＬＳＩや平面型表示装置(フラットパネルディスプレイ，ＦＤＰ)の作製工程で行われるプロセス処理において、不純物、例えば、ホウ素、燐、砒素等をイオン化し、電場を用いて加速してイオンビーム(プラズマビーム)を生成し、このプラズマビームをシリコン結晶中に照射することで、イオンを注入するイオン注入処理が行われる。このイオン注入処理には、イオンビームを生成するイオン源を備えたイオン注入装置が用いられる。
【０００３】
イオン源は、例えば不純物となる原料ガスを導入したチャンバ内に抵抗導体線が１〜数回螺旋状に巻かれて折り返されたフィラメントが設けられている。このフィラメントに、上記チャンバと電気絶縁した状態で、１０〜１００Ｖの電圧を印加して加熱することによりチャンバ内に熱電子を供給するとともに、チャンバとフィラメント間に電圧を印加してグロー放電、さらにはアーク放電を生じさせてプラズマを生成する。この生成されたプラズマからイオンを取り出してイオンビームを生成する。このようにアーク放電を維持しつつイオンビームを生成するイオン源はバーナス源と呼ばれ広く知られている。
【０００４】
ところで、上記イオン源では、フィラメントとチャンバ間に電圧をかけて発生するアーク放電が、このアーク放電によって形成される堆積物の影響を受けて安定的に発生しない場合がある。例えば、チャンバ内のフィラメントを固定、支持するとともに、チャンバと電気絶縁するために設けられた絶縁部材が、アーク放電によって生成された堆積物の影響を受けて安定的に絶縁機能を発揮しない場合がある。
【０００５】
このため、下記特許文献１では、イオン源のプラズマ生成容器（チャンバ）内に設けられた対向反射電極および背後反射電極とプラズマ生成容器の内壁面との間の空間を、この部分の内壁に溝を設けることにより、迷路構造とした構成のイオン源を提案している。これによって、アーク放電によって上記絶縁部材に堆積する堆積物の量を減らして、イオン源の運転可能時間を長くすることができるとされている。
下記特許文献２では、上記絶縁部材の表面に格子状の溝を形成したイオン源が提案されている。これによって、絶縁部材に堆積する堆積物の剥離を抑制し、イオン源の運転可能時間を長くすることができるとされている。
【０００６】
下記特許文献３では、上記絶縁部材に堆積物が堆積しないように、ガスを導入する導入口を絶縁部材の近傍に設けることを提案している。
下記特許文献４では、フィラメントが絶縁部材を介することなくチャンバに非接触で設けられるイオン注入装置を提案している。これによって、チャンバ内に堆積物が付着して、チャンバとフィラメント間の電気絶縁性が阻害されることが解消できるとしている。
【０００７】
これらの特許文献の開示は、アーク放電によって上記絶縁部材に堆積する堆積物の影響を受けてフィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が損なわれることがないように工夫したものである。
しかし、このような技術をもってしても、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が必ずしも十分に確保できず、アーク放電が不安定となるといった問題が依然としてあった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３―２４９１７７号公報
【特許文献２】特開平１１―３３９６７４号公報
【特許文献３】特開２０００―２２３０３９号公報
【特許文献４】特開２０００―２０８０９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性を十分に確保することができ、アーク放電を安定して発生させることのできるイオン源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、上述したアーク放電の際に発生するフィラメントのスパッタリングにより、フィラメントの材料成分が飛散してフィラメント近傍のチャンバの内壁面に堆積することに注目するとともに、この堆積物がアーク放電の際に部分的に剥離することでチャンバとフィラメントとが容易に短絡し易くなることに注目した。一方、イオン源のチャンバ壁面には、アーク放電により生成されたプラズマからイオンを取り出してイオンビームとするためのイオンビーム取出口が設けられている。アーク放電を行うフィラメントは、イオンビーム取出口に近づける程フィラメントのスパッタによる消耗が少ないことがわかっており、これよりフィラメントはチャンバの内壁面近傍に設けることが行われている。このため、チャンバ壁面の堆積物が部分的にめくれ上がると、容易にフィラメントと接触し、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が確保されない。本願発明はこのような知見に基づいて成されたものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、ガスを供給して電圧を印加することによりイオビームを生成するイオン源であって、ガスが供給されてプラズマを生成する、少なくとも一部に導体面を有する内部空間を備えたチャンバと、前記チャンバと電気絶縁され、前記内部空間のチャンバ内壁面から突出し、前記内部空間に熱電子を供給する熱電子供給源と、前記チャンバと前記熱電子供給源との間に電圧を印加することにより前記内部空間に生成されるプラズマからイオンビームを取り出す、前記チャンバに設けられたイオンビーム取出口と、を有し、前記チャンバ内壁面の熱電子供給源近傍領域に、前記熱電子供給源の周りを取り巻いて凹凸面が形成されていることを特徴とするイオン源を提供する。
前記チャンバ内壁面の熱電子供給源近傍領域とは、前記熱電子供給源の熱電子を供給する作用部分を前記突出方向と直交する方向に向けて前記チャンバ内壁面に射影した時のこの射影が位置するチャンバ内壁面の前記突出方向に沿った範囲をいう。
【００１２】
ここで、前記熱電子供給源の突出方向を基準方向としたとき、突出先端からみて、前記基準方向に対して４５度〜１３５度の傾斜角度の範囲に位置する領域に前記凹凸面が形成されているのが好ましい。
前記チャンバの内部空間には、例えば反射電極板が設けられ、前記熱電子供給源は前記反射電極板の方向に対向するように突出している。
また、前記凹凸面は、例えば直線状の複数の切欠き溝が格子状に形成された面である。
あるいは、前記凹凸面は、前記チャンバの外側に向けて窪んだ凹部が複数形成された面である。その際、前記凹部は、この凹部の深さ方向に向かって凹部断面が広がった袋形状を成しているものであってもよい。
あるいは、前記凹凸面は、例えば粗面化処理が施されて形成された面である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイオン源のチャンバの内壁面には、チャンバ内壁面の熱電子供給源近傍領域に、熱電子供給源の周りを取り巻いて凹凸面が形成されている。このため、熱電子供給源近傍のチャンバ内壁面に導電性を有する膜（堆積物）が形成されても、前記凹凸面の形状効果により剥離が困難となる。たとえ部分的に剥離しても、凹凸面に堆積する膜状の堆積物は、凹凸面に応じて厚さが変化しているので、堆積物の内部応力の集中する部分が厚さに応じて存在し、この部分で堆積物が折れ曲がり易くなる。このため、剥離した堆積物は小片に分割され易い。また、堆積物が部分的に剥離してチャンバの内壁面から突出しても、突出した部分は堆積物の厚さの変化によって部分的に折れ曲がり、さらに場合によっては破断されるので、堆積物が浮き上がって熱電子供給源に接触することは少ない。このため、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性が阻害されてアーク放電が不安定化することが少なくなる。
また、堆積物はチャンバ内壁面の形状を反映して形成される。チャンバ内壁面が平面であれば、堆積物も平坦な形状を成し、この堆積物が容易に捲れ上がることでフィラメントとチャンバ間を短絡する。これに対し、チャンバ内壁面が凹面（凹部）を成すことで、堆積物は傘用の形状を成す。このため、上記平坦な場合と異なり堆積物が容易に捲れ上がることはない。この結果、フィラメントとチャンバ間の電気絶縁性を保持することで、イオン源のアーク放電の安定化、さらにはイオン源の安定運用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明のイオン源について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図１は、本発明のイオン源の一形態の構成を示す断面図である。
イオン源１０は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンを取り出すことによりイオビームを生成するバーナス源である。イオン源１０は、図１に示す様に、チャンバ１２、フィラメント１４、反射電極板（リペラープレート）１６、背面電極板１８、絶縁部材２０、原料ガス供給口２２、イオンビーム取出口２４、および所定の電圧を印加する引出電源２６、アーク電源２８、フィラメント電源３０、原料ガス調整バルブ３２を主に有して構成される。チャンバ１２は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、チャンバ１２内で１０−２〜１０−３（Ｐａ）に減圧された状態となっている。
【００１５】
チャンバ１２は、耐高温性を有する導電性材料、例えばタングステン、モリブデン、タンタル、炭素等によって構成され、直方体形状の内部空間３４を有する放電箱である。
チャンバ１２の内部空間３４の内壁面には、一方の端面から内部空間３４に突出するフィラメント１４が設けられ、他方の端面には反射電極板１６が設けられ、フィラメント１４が反射電極板１６に対向するように配置されている。フィラメント１４は、タングステン等の抵抗導体線が１〜数回螺旋状に巻かれて折り返された発熱素子体である。
【００１６】
フィラメント１４と内壁面の端面との間には背面電極板１８が設けられ、カソードプレートとなっている。フィラメント１４には、フィラメント１４から熱電子を放出するように、フィラメント１４の両端間に所定の電圧、例えば数Ｖ〜１０数Ｖを印加するフィラメント電源３０が設けられ、２０００℃程度に加熱されたフィラメント１４から内部空間３４に熱電子を放出する。また、フィラメント１４の負極側の端と導電性を有するチャンバ１２との間にアーク電圧を印加するように、アーク電源２８が設けられている。アーク電圧は、チャンバ１２の電位がフィラメント１４の電位に対して高くなるようにアーク電圧が数１０〜１００Ｖ印加される。なお、フィラメント１４と導電性を有するチャンバ１２との間は、それぞれ絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。
【００１７】
反射電極板１６は、フィラメント１４に対向するように内部空間３４に設けられ、反射電極板１６に向かって移動する熱電子を反射する反射板である。反射電極板１６とチャンバ１２との間は、絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。反射電極板１６は、フィラメント電源３０の正極と接続されている。なお、フィラメント１４に対して反射電極板１６の方向と反対方向にある背面電極板１８は、フィラメント１４の陰極と接続されており、背面電極板１８と反射電極板１６との間には電位差が生じるように構成される。
一方、チャンバ１２の外側には、背面電極板１８、フィラメント１４および反射電極板１６の配置方向（図１中のＸ方向）に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石３６、３８が設けられている。
また、内部空間３４の内壁面には、原料ガス供給口２２が設けられ、供給管４２を介して図示されないガス供給源と接続され、原料ガス調整バルブ３２を介して原料ガスの供給が調整されるようになっている。
【００１８】
このようなチャンバ１２の内部空間１４では、フィラメント１４から放出された熱電子とチャンバ１２とフィラメント１４との間に印加されたアーク電圧によりアーク放電を開始し、プラズマが励起される。このプラズマ中の電子は、磁石３６、３８の磁場の作用によってらせん運動を起こしつつ反射電極板１６に向けて移動しながら反射電極板１６に到達し、反射電極板１６で反射し、背面電極板１８に向かう。さらに、背面電極板１８において熱電子は反射される。このように内部空間３４で移動する電子は、更にアルゴン等の原料ガス分子に衝突し、ガス分子はイオン化しプラズマが再生成され、生成されたプラズマが内部空間３４全体で保持される。この状態で、チャンバ１２の側壁に設けられたスリット状のイオンビーム取出口２４から、引出電極４０に印加された引出電圧によってイオンが引き出され、イオンビームが生成される。ここで、引出電極４０は、チャンバ１２との間で所定の電位が生ずるように引出電源２６が設けられ、引出電極４０がチャンバ１２から見て電位が低く設定される。
【００１９】
一方、チャンバ１２の内部空間３４の内壁面の、図２に示す領域Ａに、フィラメント１４の周りを取り巻くように、凹凸面５０（図中、凹凸形状は示されていない）が形成されている。図２は、図１中のフィラメント１４の近傍を拡大した拡大図である。
ここで領域Ａは、内壁面におけるフィラメント近傍領域であって、フィラメント１４の突出先端から反射電極板１６に向かう方向（図１中のＸ方向）を基準方向としたとき、フィラメント１４の突出先端からみて、上記基準方向に対して４５度〜１３５度の傾斜角度の範囲に位置する領域である。なお、本発明においては、フィラメント１４の熱電子供給部分をＸ方向（基準方向）と直交する方向に向けて内壁面に射影した時のチャンバ内壁面のＸ方向に沿った射影範囲をフィラメント近傍領域として、この領域に凹凸面５０がフィラメント１４を取り巻くように形成されているとよい。
【００２０】
凹凸面５０は、図３に示すように、チャンバ１２の外側に向けて窪んだ大きな円形状の凹部５２がフィラメント１４の周りを囲むように設けられて構成されている。凹部５２は、例えば深さ数ｍｍ、円形状の直径が数１０ｍｍとなった円弧状の曲面で形成されている。このような形状は特に制限されない。なお、凹部５２を領域Ａに形成するのは、イオン源の稼動中、領域Ａに膜状の堆積物が形成されるが、この堆積物が剥離してフィラメント１２と容易に接触しないようにするためである。この限りにおいて、凹部５２の形状は特に制限されない。
【００２１】
具体的には、アーク放電中、移動するイオンがフィラメント１４に衝突してフィラメント１４はスパッタリングを受ける。そして、スパッタリングを受けたフィラメント１４の材料が堆積物として内部空間３４の内壁面に膜状に形成される。フィラメント１４の材料はスパッタリングにより飛散し、飛散領域は内壁面の領域Ａに集中する。この堆積物は、フィラメント１４とチャンバ１２との間で流れるアーク電流等によって形成速度は大きく変化する。アルゴン等の質量数の大きい元素を原料ガス成分として用いてイオン源を稼動すると、フィラメント１４の近傍領域に厚さ０．０５〜０．２ｍｍのフィラメント１４と同種の成分からなる膜状の堆積物が数時間から数十時間の稼動によって形成され、時に容易に剥離される状態となっている。チャンバ１２内に発生するプラズマは２０００度以上に加熱されるとともに、このイオン源の稼動が断続的に行われることによりチャンバ１２の内壁面の温度が１０００度以上変化すると想定される。この温度変化により、膜状の堆積物は熱応力の作用を受けて歪み、更に剥離され易い状態となる。
【００２２】
従来のように、領域Ａに凹凸面が形成されていない場合、すなわち平滑面となっている場合、この領域Ａのうち特にフィラメント１４の先端からＸ方向に射影した内壁面の対応部分において膜厚が最も厚くなる堆積物が形成される。この堆積物は、この部分に熱応力、熱歪みが集中して浮き上がり易い。このため、この部分で堆積物が破断して、内壁面から剥離部分がカール状に捲れ上がりフィラメント１４に近づく。堆積物は、フィラメント１４の成分が主成分となって構成されているので導電性を有する。このため、剥離部分がフィラメント１４と接触することで、チャンバ１２とフィラメント１４との間で容易に短絡する。
【００２３】
しかし、本発明のように、領域Ａには凹部５２がフィラメント１4を取り巻くように形成されているので、膜状の堆積物は凹部の形状を転写したように曲率を持った形状に成長する。このため、曲率をもった堆積物は、曲率が０の平面状の膜に比べて曲がりにくい剛性を備えかつ力学強度が上昇するので破断されにくく、剥離が発生しにくい。さらに、カール状に変形しにくい。このように、凹部５２に形成された堆積物は剥離しにくく、この剥離部分がフィラメント１４に近づくことはない。領域Ａに凹部５２の替わりに凸部を形成して、凸状に曲率を持った堆積物が形成されるようにすることも考えられる。しかし、この場合、フィラメント１４と内壁面の凸部との距離は近づくので、わずかな堆積物の部分的な剥離でも、剥離した部分がフィラメント１４と接触し易くなり好ましくない。
このように、領域Ａに、フィラメント１４を取り巻くように凹状の曲率を持った凹部を形成するので、堆積物の一部分が剥離してフィラメント１４と接触する可能性は極めて低くなる。
【００２４】
本発明では、領域Ａに、図４（ａ）に示すように、微小凹部５３が複数形成された面を密に形成することもできる。その際、微小凹部５３の凹部の径および隣接する微小凹部５３の縁部間の離間距離は、フィラメント１４と内壁面の領域Ａとの間の最短距離よりも短くすることが好ましい。複数の微小凹部５３に跨がって堆積物が形成されても、微小凹部５３の縁部と平面状の内壁面の表面とが接する稜線上に応力が集中してこの部分から剥離してカール状に捲れ上がるので、フィラメント１４と接する程度の剥離長さを有することは少ない。
また、微小凹部５３は、この微小凹部の深さ方向に向かって凹部断面が広がった袋形状としてもよい。微小凹部５３の内部が広く、表面で断面が狭い形状とすることにより、この微小凹部５３に堆積した堆積物は、チャンバ１２の内壁面の部材に逆くさび状に食い込んで容易に抜けにくくなり、剥離が発生しにくくなる。
【００２５】
さらに、領域Ａには、図４（ｂ）に示すように、直線状の複数の切欠き溝が格子状に形成された凹凸面であってもよい。複数の切欠き溝が形成されることで、膜状の堆積物の膜厚も溝形状に応じて変化し、したがって堆積物内に生ずる熱応力が厚さの変化に応じて一部分に集中し、この集中した部分から破断する。このため、堆積物は切欠き溝の間隔単位で剥離され易くなるので、切欠き溝の溝間隔をフィラメント１４と内壁面との最短距離よりも短くすることで、剥離されて捲れ上がった部分がフィラメント１４と接触する可能性を極めて少なくすることができる。また、剥離部分がフィラメント１４に接触してフィラメント１４とチャンバ１２との間に短絡回路を形成しても、剥離した堆積物の厚さは切欠き溝の間隔で変化するので、膜厚の薄い部分に流れる電流密度は最大となり、流れる電流密度の過度の増大によって破壊され易くなる。このため剥離部分により短絡回路が形成されても、容易に短絡回路を消滅させることができる。
【００２６】
また、図４（ｃ）に示すように、凸部と凹部が整然と配列した構成により凹凸面を形成してもよい。上述したように、フィラメント１４のスパッタリングが支配的に行われて内壁面に堆積物が形成されるので、フィラメント１４から飛び出したフィラメント１４の材料成分は、図４（ｃ）に示す凸部の影となる部分には到達せず、堆積物が形成されにくい。このため、堆積物が形成され易いは凸部の上面で剥がれ易い。図４（ｃ）に示す凸部上面の矩形形状の縦方向、あるいは横方向の長さを、フィラメント１４と内壁面との最短距離よりも短くすることで、剥離して浮き上がった部分がフィラメント１４に接触する可能性は極めて少なくなる。
【００２７】
また、領域Ａには、凹凸面として、表面粗度を表す算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−１９９４）が２０μｍ以上とする粗面化処理面を形成してもよい。粗面化処理面は、例えばサンドブラスト処理によりあるいはエッチング処理により凹凸を形成することができる。このような粗面化処理面では、微細な凹凸に堆積物が食い込んで剥離が発生しにくくなる。
【００２８】
従来、堆積物の剥離によりフィラメントとチャンバ間に短絡回路が形成されてアーク放電が発生しない状況は不定的に起こっていた。このような発生を予測したり、回避する方法はなかった。このため、従来、イオン源を用いたイオン注入装置等の安定的稼動が補償されていなかった。
一方、上述したように、チャンバ１２の内壁面の領域Ａ（フィラメント先端近傍領域）に凹凸面を形成するので膜状の堆積物の剥離は起きにくくなる。さらに、図４（ａ）〜（ｃ）のような凹凸面にすることで、たとえ剥離しても捲れ上がった剥離部分は小さく、フィラメント１４と接触する可能性は極めて低い。これにより、アーク放電を安定的に発生させることができ、イオン源を用いたイオン注入装置等の安定的稼動が実現される。
【００２９】
以上、本発明のイオン源について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のイオン源の一形態の装置構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すイオン源のフィラメント近傍を拡大した部分拡大図である。
【図３】本発明のイオン源における内壁面に形成される凹凸面の一例を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のイオン源における内壁面に形成される凹凸面の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  イオン源
１２  チャンバ
１４  フィラメント
１６  反射電極板
１８  背面電極板
２０  絶縁部材
２２  原料ガス供給口
２４  イオンビーム取出口
２６  引出電源
２８  アーク電源
３０  フィラメント電源
３２  原料ガス調整バルブ
３４  内部空間
３６，３８  磁石
【図１】
2005259571.tif 000003
【図２】
2005259571.tif 000004
【図３】
2005259571.tif 000005
【図４】
2005259571.tif 000006