(57)【要約】【課題】減速電極の印加電圧を低くしても下流の電子が加速空間に侵入するのを防止することができ、且つ下流のイオンが減速電極に衝突して加速空間に新たな電子が発生する問題を防止できるようにする。【解決手段】湾曲したイオン偏向ケーシング５の出口部３の導体６ｂとその下流に順次配置した減速電極１５及び加速電極１６により構成され且つイオンビームの曲り方向前後に所要前後幅Ａの加速空間１７を有するビーム加速装置１９を備えて、湾曲したイオンビームの所望の質量のイオンビームを加速空間１７で加速して下流に取り出すようにしているイオン質量分離装置のビーム加速装置１９であって、減速電極１５と加速電極１６との間に、正電圧を印加した正イオン抑制電極２０を設置する。【選択図】図１
2005310704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲したイオン偏向ケーシングの外部に導体を巻いて空芯励磁電流路を形成し、イオン偏向ケーシングの一端の入口部からプラズマのイオンビームを導入し、空芯励磁電流路の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、イオン偏向ケーシングの他端の出口部の導体とその下流に順次配置した減速電極及び加速電極により構成されるビーム加速装置を備えて、前記湾曲したイオンビームの所望の質量のイオンビームを加速して下流に取り出すようにしているイオン質量分離装置のビーム加速装置であって、前記減速電極と前記加速電極との間に、正電圧を印加した正イオン抑制電極を設置したことを特徴とするイオン質量分離装置のビーム加速装置。
【請求項２】
前記減速電極が、前記正イオン抑制電極近傍における前記イオンビームが湾曲する方向の前後幅が大きく、正イオン抑制電極から上流側に離反するに従い前後幅が減少したテーパ形減速電極である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のビーム加速装置。
【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のビーム加速装置に関し、特に減速電極の印加電圧を低くしても下流の電子が加速空間に侵入するのを防止することができ、且つ下流のイオンが減速電極に衝突して加速空間に新たな電子が発生する問題を防止すると共に、減速電極の印加電圧で加速されて下流側へ侵入する電子のエネルギを低減できるようにしたイオン質量分離装置のビーム加速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するような場合には、イオンドーピング（注入）装置が使用されている。
【０００３】
イオンドーピングを行うには、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。
【０００４】
このように種々のイオン種が混合したイオンビームをそのまま加速して被処理材に注入することも行われているが、所望イオン種以外の不要イオン種が混合したイオンビームを注入した場合には、注入によるＰ、Ｂの注入深さ分布が不均一になる問題があり、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。このため、不要イオン種は除去することが望まれる。また、幅広の被処理材にイオンビームの注入が行えるようにすることによって生産性の向上を図ることも望まれている。
【０００５】
このため、大口径、特に幅広のイオンビームを湾曲させてイオンの質量分離を行わせることにより幅広で安定した特性のイオンビームを得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）。
【０００６】
図５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６は図５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、内部に断面長方形の質量分離空間４が形成されたイオン偏向ケーシング５を備えており、図５の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。前記イオン偏向ケーシング５の外部には、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６ｘを巻いて空芯励磁電流路６を形成している。この空芯励磁電流路６に電流を流して磁場を形成するようになっている。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、電子を供給して空間電荷を中和することによりイオンビームの発散を抑制するための中和電子供給体７（例えばフィラメント）が配置されている。
【０００７】
前記入口部２の外部前方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イオンを生成させる。また、前記イオン偏向ケーシング５の入口部２とプラズマ発生装置８との間における入口部２の導体６ａと重なる位置には引込み電極９が配置されている。この引込み電極９には、前記空芯励磁電流路６の筺体電圧（例えば５０キロボルト）より高い電圧（例えば５０キロボルト＋２００ボルト）の電圧が印加されており、この電位差によって前記プラズマ発生装置８のプラズマによって生成したイオンが質量分離に必要な速度に加速されてイオン偏向ケーシング５内に引込まれるようになっている。このイオンビームは、幅方向（図６の紙面と直角方向）に広い幅を有してイオン偏向ケーシング５に導入される。
【０００８】
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り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湾曲方向前後（図６の左右方向）の中心部に収束されて出口部３の導体６ｂ間から外部に導出される。図５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化し、また、所望イオンより質量が大きいＰ2Ｈｘ+等の不要イオンは曲り切れずにイオン偏向ケーシングの内壁に衝突して中性化される。
【０００９】
前記出口部３の前後両側部（図６では左右両側部）には遮蔽部材１０が設けられて前後幅が狭められた出口部３が形成されており、前記収束された所望イオンからなるイオンビームは狭められた出口部３の導体６ｂ間から下流に導出されるようになっている。
【００１０】
空芯励磁電流路６の磁場により収束されて出口部３から取り出されるイオンビームは、図５〜図７に示す如く、長方形の大口径単口電極からなるビーム加速装置１２によってイオンドーピングに必要な速度に加速されるようになっている。ビーム加速装置１２は、例えば５０キロボルトが印加されている出口部３の導体６ｂと、例えば−３キロボルトの電圧が印加された減速電極１５と、０（ゼロ）ボルトの加速電極１６により構成されており、上記導体６ｂと減速電極１５と加速電極１６により単口の加速空間１７が形成されている。そして、イオンビームは前記導体６ｂと加速電極１６の電位差によって加速空間１７で下流に向けて加速され、イオン質量分離装置１の質量分離空間４と連通しているプロセス室１３内に配置した被処理材１４に注入されるようになっている。
【００１１】
このとき、前記減速電極１５は、負電位障壁を形成しており、これにより、図７に示す如く、下流側（被処理材１４側）から加速空間１７へ向かう負電荷の電子ａを押し戻して、電子ａが加速空間１７に侵入するのを防止する作用を有している。図５〜図７中１８は絶縁体である。
【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】
【００１２】
しかし、前記イオン質量分離装置１では、質量分離空間４において出口部３の湾曲方向前後中心（図６の左右中心）に向かって収束されるイオンビームは、前記加速空間１７で再び広がる作用を有しており、更に前記イオンビームは前後にある幅を有して収束するために、前記ビーム加速装置１２の加速空間１７は比較的大きな前後幅Ａを有している必要がある。
【００１３】
従って、加速空間１７の前後幅Ａが大きいことにより、前記減速電極１５の前後中心部分では電位が低くなってしまうために下部から加速空間１７に向かう電子ａ（図７）の侵入抑制効果が低下し、そのために電子ａが減速電極１５の前後中間部を通って質量分離空間４に侵入し、この侵入した電子ａが質量分離空間４内部の浮遊ガスに作用して出口部３の上部にプラズマＰを生じさせてしまい、プラズマＰにより新たな不要イオンが発生してイオンビームに混入する問題がある。
【００１４】
この問題に対処するため、従来では前記減速電極１５に、加速電極１６の電圧より低い負の高電圧を印加し、これによって電子ａが加速空間１７内に侵入するのを防止している。しかし、このために減速電極１５の高い印加電圧によって加速されて下流側へ飛行する高エネルギの電子が発生し、被処理材１４より下流にあるビーム計測器（図示せず）に流入して計測を誤らせるという問題を有していた。
【００１５】
また、従来装置では、下流側（被処理材１４側）に浮遊するイオンｂが減速電極１５に引き寄せられて衝突する際に新たな電子ａ’を生じる問題があり、この生成した電子ａ’は加速空間１７内をイオンビームと逆流する方向に飛行し、質量分離空間４内の浮遊ガスに作用して出口部３の上部にプラズマＰを生じさせ、このためにイオンビームに不要イオンが混入してしまう問題がある。即ち、従来装置ではイオン質量分離性能を高めることができなかった。また消費電力も増加する問題があった。
【００１６】
図７の従来装置の構成をモデル化し、効果確認のための電場解析とビーム軌道解析を行った結果を図８、図９に示した。
【００１７】
図８は、前記加速電極１６の下流側（図８では右側の被処理材１４側）のＸ位置にイオンｂを置いた場合のイオンｂの動きをシュミレーションした測定線図であり、正電荷を帯びたイオンｂは負電位の減速電極１５に引き寄せられて減速電極１５に衝突して消失している。しかし、このようにイオンｂが減速電極に引き寄せられて衝突する際に新たな電子ａ’を生成する問題がある。
【００１８】
また、図９は、前記図８において減速電極１５の表面Ｙに発生した電子ａ’の動きをシュミレーションした測定線図であり、負電荷の電子ａ’は、一部は下流側（図８では右側の被処理材１４側）に飛行し、また、多量の電子ａ’が減速電極１５によって収束されながら加速空間１７内を上流側（図８では左側の質量分離空間４側）に逆流している。このように逆流した電子ａは、質量分離空間４内の浮遊ガスに作用して図７のようなプラズマＰを生じさせることになるため、イオンビームに不要イオンが混入する問題がある。また、下流側へ飛行する電子ａ’も、減速電極１５の高い印加電圧によって加速され、このために高エネルギを持った電子ａ’が被処理材１４より下流に設置される前記ビーム計測器に侵入して計測を誤らせるという問題がある。
【００１９】
本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、減速電極の印加電圧を低くしても下流の電子が加速空間に侵入するのを防止することができ、且つ下流のイオンが減速電極に衝突して加速空間に新たな電子が発生する問題を防止できると共に、減速電極の印加電圧を低くすることで下流側へ侵入する電子のエネルギを低減できるようにしたイオン質量分離装置のビーム加速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】
【００２０】
請求項１に記載の発明は、湾曲したイオン偏向ケーシングの外部に導体を巻いて空芯励磁電流路を形成し、イオン偏向ケーシングの一端の入口部からプラズマのイオンビームを導入し、空芯励磁電流路の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、イオン偏向ケーシングの他端の出口部の導体とその下流に順次配置した減速電極及び加速電極により構成されるビーム加速装置を備えて、前記湾曲したイオンビームの所望の質量のイオンビームを加速して下流に取り出すようにしているイオン質量分離装置のビーム加速装置であって、前記減速電極と前記加速電極との間に、正電圧を印加した正イオン抑制電極を設置したことを特徴とするイオン質量分離装置のビーム加速装置、に係るものである。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、前記減速電極が、前記正イオン抑制電極近傍における前記イオンビームが湾曲する方向の前後幅が大きく、正イオン抑制電極から上流側に離反するに従い前後幅が減少したテーパ形減速電極である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のビーム加速装置、に係るものである。
【発明の効果】
【００２２】
減速電極と加速電極との間に正イオン抑制電極を配置したので、下流側から加速空間へ向かう負電荷の電子を正イオン抑制電極によって効果的に吸収することができ、よって、減速電圧には従来より低い負電圧を印加するのみでよくなるため、減速電極の印加電圧によって加速されて、下流側へ飛行する電子のエネルギを低減できる効果がある。
【００２３】
更に、下流側に浮遊する正電荷を帯びたイオンは前記正イオン抑制電極によって押し戻され、これによりイオンが加速空間に侵入するのを防止できる効果がある。従って、従来のようにイオンが減速電極に引き寄せられて衝突する際に新たな電子を生じ、この電子が質量分離空間内の浮遊ガスに作用して出口部の上部にプラズマを生じさせて、イオンビームに不要イオンを混入させるといった問題の発生を防止できる効果がある。
【００２４】
また、正イオン抑制電極の上流側に備えられる減速電極を、下流端が大きな前後幅を有し、上流端が狭い前後幅となったテーパ形減速電極としたことにより、前記効果に加えて、加速空間に電子が逆流するのを抑制する作用を更に増強でき、且つ減速電極の印加電圧を更に低減できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図１は本発明のイオン質量分離装置のビーム加速装置の一例を示す概略切断側面図であり、前記図５〜図７と同一の構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。図１に示すビーム加速装置１９は、前記イオン偏向ケーシング５の出口部３の下流に配置している減速電極１５と加速電極１６との間に、正電圧を印加した正イオン抑制電極２０を設置している。
【００２７】
また、前記したように、例えば空芯励磁電流路６に５０キロボルトの電圧を印加した場合において、前記減速電極１５には例えば−１キロボルトのような低い負電圧を印加し、更に、前記正イオン抑制電極２０には、例えば１キロボルトのような低い正電圧を印加するようにしている。
【００２８】
以下に、図１の形態例の作用を説明する。
【００２９】
前記負電位障壁を形成する減速電極１５の下流側に正イオン抑制電極２０を配置しているので、下流側（被処理材１４側）から加速空間１７へ向かう負電荷の電子ａは、前記正イオン抑制電極２０によって効果的に吸収されて消滅するようになる。
【００３０】
従って、下流側からの電子ａを正イオン抑制電極２０で吸収して加速空間１７に侵入するのを防止できるので、前記減速電極１５には例えば−１キロボルト程度の低い負電圧を印加するのみでよく、従来装置のように電子ａを押し戻して加速空間１７に侵入するのを防止するための高電圧が必要なくなるので、減速電極１５の印加電圧によって加速されて下流側へ飛行する電子のエネルギを大幅に低減することができる。また、このとき、前記したように−１キロボルトの電圧を印加した減速電極１５は、その電圧に応じた負電位障壁を形成しているので、例えば前記正イオン抑制電極２０によって吸収されなかった電子ａがあってもその電子ａを押し戻して前記正イオン抑制電極２０に吸収させられるという効果がある。
【００３１】
一方、下流側に浮遊する正電荷を帯びたイオンｂは、図１の如く前記正イオン抑制電極２０によって押し戻されるために、イオンｂは加速空間１７に侵入することができない。従って、従来のようにイオンｂが減速電極１５に引き寄せられて衝突する際に図７に示すような新たな電子ａ’を生じ、この電子ａ’が質量分離空間４内の浮遊ガスに作用して出口部３の上部にプラズマＰを生じ、このためにイオンビームに不要イオンが混入するといった問題の発生を防止することができる。従って、結果的にイオン質量分離性能を大幅に向上できるようになる。
【００３２】
図１に示す如く、減速電極１５と加速電極１６との間に正イオン抑制電極２０を設置した構成をモデル化して、効果確認のための電場解析とビーム軌道解析を実施した結果を図２、図３に示した。
【００３３】
図２は、前記加速電極１６の下流側（図２では右側の被処理材１４側）のＸ位置にイオンｂを置いた場合のイオンの動きをシュミレーションした測定線図であり、イオンｂは正イオン抑制電極２０の作用によって完全に被処理材１４側へ押し戻されており、よって、イオンｂが減速電極１５に引き寄せられて加速空間１７に侵入し、減速電極１５に衝突して新たな電子ａ’（図８）を生じさせることによる問題の発生を確実に防止することができる。
【００３４】
図３は、前記加速電極１６の下流側（図３では右側の被処理材１４側）のＸ位置に電子ａを置いた場合の電子ａの動きをシュミレーションした測定線図であり、電子ａは全て正イオン抑制電極２０に吸収されており、電子ａが加速空間１７内に侵入して逆流することを完全に防止している。
【００３５】
図４は、本発明のイオン質量分離装置のビーム加速装置の他の例を示す概略切断側面図であり、このビーム加速装置１９では、前記正イオン抑制電極２０の上流側に配置される減速電極をテーパ形減速電極２１とした場合を示している。テーパ形減速電極２１は、正イオン抑制電極２０近傍の下流端の前後幅が前記加速空間１７の前後幅Ａと同じ大きな間隔を有しており、正イオン抑制電極２０から上流側に離反するに従い前後幅が減少して上流端では狭い前後幅Ｂとなっている。テーパ形減速電極２１のテーパの一例を示すと、テーパ形減速電極２１の下流端の前後幅Ａが１５０ミリメートルである場合において、テーパ形減速電極２１の上流端の前後幅Ｂが１３０ミリメートルになるように前後の壁を内側に傾斜させている。
【００３６】
図４に示す如く正イオン抑制電極２０の上流側に、下流端が大きな前後幅Ａを有し、上流端が狭い前後幅Ｂとなったテーパ形減速電極２１を設けた構成において、図２、図３と同様の電場解析とビーム軌道解析を実施したところ、下流側の電子ａを押し戻す作用が増加した。従って、図４の形態によれば、図１の構成による効果に加えて、加速空間１７に電子ａが逆流するのを抑制する作用を更に増強でき、また同じ抑制作用を得るための減速電極１５の印可電圧を低減できる効果がある。
【００３７】
なお、本発明のイオン質量分離装置のビーム加速装置は、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】
【００３８】
【図１】本発明のイオン質量分離装置のビーム加速装置の一例を示す概略切断側面図である。
【図２】図１の装置におけるイオンの動きをシュミレーションした測定線図である。
【図３】図１の装置における電子の動きをシュミレーションした測定線図である。
【図４】本発明のイオン質量分離装置のビーム加速装置の他の例を示す概略切断側面である。
【図５】従来のイオン質量分離装置の概要を示す斜側面図である。
【図６】図５の側面図である。
【図７】従来のビーム加速装置の一例を示す切断側面図である。
【図８】図７の装置におけるイオンの動きをシュミレーションした測定線図である。
【図９】図７の装置における電子の動きをシュミレーションした測定線図である。
【符号の説明】
【００３９】
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
６  空芯励磁電流路
６ｂ        導体
１２  ビーム加速装置
１５  減速電極
１６  加速電極
１７  加速空間
１９  ビーム加速装置
２０  正イオン抑制電極
２１  テーパ形減速電極
Ａ  前後幅
Ｂ  前後幅
【図１】
2005310704.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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