(57)【要約】    【課題】  高密度で小径のイオンビームを提供する。    【解決手段】  アノード電極２４の放出口１８の周囲に位置する電極露出部１５の外側を絶縁部材１４で覆い、アーク室２２の内部に、電極露出部１５の表面と絶縁部材１４の表面とを露出させる。生成室２１の内部で生成されたプラズマからアノード電極２４が吸引するアーク電子流６２の広がりが少なくなり、放出口１８の周囲に集合するイオン化ガスの正イオンの密度が高くなる。引出電極４１によって高密度の正イオンの集合からイオンビーム６３が吸引されるので、イオンビーム６３は高密度で小径になる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生成する生成室と、
生成孔によって、内部が前記生成室と連通されたアーク室と、
前記アーク室に設けられ、引出電圧が印加され、前記生成室から電子を引き出して前記アーク室内を放電させた後、放出口から前記アーク室の外部に照射イオンを放出させるアノード装置とを有するイオン源であって、
前記アノード装置は、前記放出口が形成されたアノード電極と、前記放出口よりも大きい通過孔が形成された絶縁部材とを有し、
前記通過孔と前記放出口とは連通して配置され、
前記アノード装置は、前記通過孔の縁の外側では前記絶縁部材の表面が前記アーク室の内部に露出され、前記通過孔の縁の内側の底面には、前記放出口と前記アノード電極の表面とが露出されたイオン源。
【請求項２】
前記通過孔の縁の底面で露出された前記アノード電極の表面の部分である電極露出部は、リング形形状にされた請求項１記載のイオン源。
【請求項３】
前記電極露出部の面積は、前記通過孔の底面に位置する前記放出口の開口の面積の０．５６６倍以上２．８３倍以下の大きさにされた請求項２記載のイオン源。
【請求項４】
前記通過孔と前記放出口は、中心が同じ中心軸線上に位置するそれぞれ円形形状にされた請求項２又は請求項３のいずれか１項記載のイオン源。
【請求項５】
真空槽と、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のイオン源と、
を有し、
前記真空槽内に配置された成膜対象物に、前記イオン源で生成された前記照射イオンからイオンビームを形成し、形成した前記イオンビームを前記成膜対象物に照射するイオン処理装置。
【請求項６】
前記照射イオンを質量分析して前記成膜対象物に照射する請求項５記載のイオン処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体や電子部品等の製造過程において、被照射物の平坦化・改質・エッチング・イオン注入などを目的としたイオン源に関する技術であり、小型で大電流のイオンビームを提供するイオン源に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
イオン源は、イオン注入装置や表面改質装置に用いられており、真空雰囲気中でイオンを処理対象物の表面に照射するために、イオンビームが引き出される装置である。
イオン注入装置では、イオン源の直後に配置される質量分離磁石による質量分解能を向上させるために、イオン源から引き出すイオンビームをできるだけ細くする必要がある。
【０００３】
また、処理対象物に照射されるイオンビームは、イオン源で生成されたプラズマから、引出電極によってイオンを引き出した後、処理対象物に照射されるまでの間に整形処理、偏向処理、加速処理等の処理が行われる。イオンビームは各処理の影響を受け、形状が変形されてしまう。
各処理での変形を小さくするためには、イオン源から引き出すイオンビームを小径にし、小さなビーム径が処理対象物に照射されるまで維持されることが望ましい。
【０００４】
他方、処理対象物にイオンビームを照射してイオン注入処理を行う観点からは、イオン源から引き出されるイオンビームの電流値が大きい方が処理効率が高くなるから、イオン源の引出スリット面積を大きくすることが望ましい。そのため、現状では縦長のスリットが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３２５３９３号公報
【特許文献２】特許第４４２８４６７号公報
【特許文献３】特許第４６８３０３６号公報
【特許文献４】特開昭６３−９６８４０号公報
【特許文献５】特開平６−２５１７３８号公報
【特許文献６】特開２００２−２１６６５３号公報
【特許文献７】特開２０１３−１２０７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術の要求を両立させるために、大電流で小径のイオンビームを引き出すことができ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】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、プラズマを生成する生成室と、生成孔によって、内部が前記生成室と連通されたアーク室と、前記アーク室に設けられ、引出電圧が印加され、前記生成室から電子を引き出して前記アーク室内を放電させた後、放出口から前記アーク室の外部に照射イオンを放出させるアノード装置とを有するイオン源であって、前記アノード装置は、前記放出口が形成されたアノード電極と、前記放出口よりも大きい通過孔が形成された絶縁部材とを有し、前記通過孔と前記放出口とは連通して配置され、前記アノード装置は、前記通過孔の縁の外側では前記絶縁部材の表面が前記アーク室の内部に露出され、前記通過孔の縁の内側の底面には、前記放出口と前記アノード電極の表面とが露出されたイオン源である。
本発明は、前記通過孔の縁の底面で露出された前記アノード電極の表面の部分である電極露出部は、リング形形状にされたイオン源である。
本発明は、前記電極露出部の面積は、前記通過孔の底面に位置する前記放出口の開口の面積の０．５６６倍以上２．８３倍以下の大きさにされたイオン源である。
本発明は、前記通過孔と前記放出口は、中心が同じ中心軸線上に位置するそれぞれ円形形状にされたイオン源である。
本発明は、真空槽と、上記記載のイオン源と、を有し、前記真空槽内に配置された成膜対象物に、前記イオン源で生成された前記照射イオンからイオンビームを形成し、形成した前記イオンビームを前記成膜対象物に照射するイオン処理装置である。
本発明は、前記照射イオンを質量分析して前記成膜対象物に照射するイオン処理装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、イオン源の引出孔付近に、アノード電極を設け、アノード電極穴の直前の電子電流密度を、従来技術よりも増加させることで高密度のプラズマを生成し、小径であるが大電流のイオンビームが得られ、
１．ビームの輸送効率が高くなりイオン注入の処理能力が上がる。
２．ビームプロファイルが向上し均一性の良い注入が可能になる。
３．ビーム整形用のレンズが省略でき、装置の単純化が図れる。
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一例
【図２】アーク電子流とイオンビームとを説明するための図
【図３】電極露出部を説明するための図
【図４】(ａ)：アーク電子流の電流値(横軸)とイオンビームの電流値(縦軸)との関係を示すグラフ    (ｂ)：電極露出部の面積と、引出可能なイオンビームの電流値との関係を示すグラフ    (ｃ)：イオンビームの電流密度の特性を示すグラフ
【図５】絶縁部材が配置されていないイオン処理装置のアーク電子流とイオンビームを説明するための図
【図６】本発明の他の例
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施例を図に基づいて説明する。
＜イオン処理装置＞
図１の符号７は、本発明の一例のイオン処理装置を示している。
このイオン処理装置７は真空槽１１を有しており、真空槽１１の内部には、本発明のイオン源１２が配置されている。また、真空槽１１の内部には、質量分析装置２０と、載置装置３０とが配置されており、図２に示すように、イオン源１２から放出されたイオンビーム６３が載置装置３０に配置された処理対象物８に照射され、処理対象物８に、イオン注入や表面改質等のイオン処理が行われる。
【００１１】
＜イオン源＞
イオン源１２は、生成室２１と、アーク室２２と、アノード装置１３と、引出電極４１とを有している。
生成室２１は、絶縁性物質で構成された生成槽３１と、生成槽３１の内部に配置されたスリット状のコレクタ電極２６と、生成槽３１の周囲に配置されたコイル装置３７とを有している。
【００１２】
アーク室２２は、絶縁性物質で構成された放電槽３２を有しており、生成室２１の内部とアーク室２２の内部とは、絶縁性材料(ここでは石英)で構成された仕切板２３によって分離されながら、仕切板２３に形成された接続孔２８によって互いに連通されている。
放電槽３２は開口を有しており、アノード装置１３は、その開口を閉塞するように取り付けられている。
【００１３】
図３は、図１のＡ−Ａ線截断断面図である。
アノード装置１３は、アノード電極２４と、絶縁部材１４とを有している。
アノード電極２４は、板状の金属で構成され、放出口１８が設けられており、絶縁部材１４は、板状の絶縁性材料で構成されており、通過孔１６が設けられている。
【００１４】
絶縁部材１４とアノード電極２４とは、通過孔１６が放出口１８と重なるように、互いの表面を密着して配置されている。通過孔１６の大きさは、放出口１８の大きさよりも大きくされており、放出口１８の絶縁部材１４側の縁１９は通過孔１６の底面に位置し、通過孔１６のアノード電極２４側の縁１７によって囲まれている。
【００１５】
通過孔１６のアノード電極２４側の縁１７は、アノード電極２４に密着されており、前記アノード電極２４の表面の通過孔１６のアノード電極２４側の縁１７と、放出口１８の絶縁部材１４側の縁１９との間の部分は、通過孔１６の底面で、アーク室２２の内部に露出されている。
【００１６】
アノード電極２４のアーク室２２側に向く表面のうち、アーク室２２の内部に露出された部分を電極露出部１５とする。
通過孔１６のアノード電極２４側の縁１７と、放出口１８の絶縁部材１４側の縁１９とは重なり合わないようにされており、電極露出部１５は、リング形形状であり、また、縁１７，１９は、それぞれ円周形形状にされているから、円形のリング形形状である。
【００１７】
引出電極４１は、アノード装置１３の、生成室２１に向く面とは反対側の面と対面する場所に、アノード電極２４とは離間して配置されている。
引出電極４１には、引出孔４３が形成されており、引出孔４３は、放出口１８と対面する位置に配置されている。
【００１８】
通過孔１６は、接続孔２８と対面する位置に配置されている。
接続孔２８と、通過孔１６と、放出口１８と、引出孔４３とは、一本の直線が、接続孔２８と、通過孔１６と、放出口１８と、引出孔４３とを貫通できるように、直線上に配置されている。
【００１９】
また、この例では、接続孔２８と通過孔１６と放出口１８と引出孔４３とは、それぞれ円形形状であり、通過孔１６の中心と、放出口１８の中心とは同じ中心軸線Ｑが通っている。また、その中心軸線Ｑは、接続孔２８の中心と引出孔４３の中心も通るようになっている。
【００２０】
真空槽１１は接地電位に接続され、アノード電極２４はプラズマ電源５２に接続され、プラズマ電源５２によって接地電位に対して正電圧が印加されるようになっている。
【００２１】
コレクタ電極２６とアノード電極２４とはアーク電源５１に接続されており、アーク電源５１によって、コレクタ電極２６にはアノード電極２４に対して負電圧が印加されている。
【００２２】
引出電極４１は引出電源５３に接続されており、引出電源５３によって、接地電位に対して負電圧が印加されている。
【００２３】
真空槽１１には真空排気装置５６が接続されており、真空装置１１の内部は、真空排気装置５６によって真空排気され  生成室２１の内部と、アーク室２２の内部とには、真空雰囲気が形成されている。
【００２４】
生成室２１には、ガス供給源５５が接続されている。
生成室２１の内部とアーク室２２の内部とに、真空雰囲気が形成された状態で、ガス供給源５５からイオン化ガス(例えばアルゴンガス)を生成室２１の内部に供給しながら、真空槽１１の外部に配置された交流電源３８によって、コイル装置３７に交流電圧を印加して生成室２１の内部に交番磁界を形成すると、生成室２１の内部にイオン化ガスのプラズマ(誘導結合(ICP)プラズマ)が形成される。図２の符号６１は、そのプラズマを示している。
【００２５】
アーク室２２の内部には、通過孔１６の開口の縁１７の内側であり放出口１８の開口の縁１９の外側には電極露出部１５であるアノード電極２４の表面が露出されている。小面積なので、放出口１８の内周面のアノード電極２４の表面は露出された面積から無視するものとすると、アーク室２２の内部には、アノード電極２４のうち、電極露出部１５以外の部分は露出されていない。
【００２６】
電極露出部１５は、接続孔２８を介して生成室２１の内部に生成されたプラズマ６１と対面しており、コレクタ電極２６とアノード電極２４との間の電圧差により、生成室２１の内部のプラズマ６１から接続孔２８を通って電極露出部１５に向かって走行するアーク電子流６２を形成する。
【００２７】
生成室２１内で生成されたプラズマ６１の電子がアノード電極２４に向かって加速され、アーク室２２に流入したイオン化ガスを電子衝撃によりイオン化する。特に、電子は電極露出部１５に集中して流入するため、その周辺に密度の濃いプラズマが生成される。
【００２８】
引出電極４１の電位は、アノード電極２４の電位やイオン化ガスの正イオンの電位よりも低い電位であり、引出電極４１が形成する電界は、放出口１８と通過孔１６とを通ってアーク室２２の内部に侵入し、アーク室２２の内部に、引出電極４１に向かって正電荷を移動させる勾配の正電荷収集電界が形成されている。
【００２９】
アノード電極２４のアーク室２２側に向く表面のうち、電極露出部１５よりも外側の部分は絶縁部材１４によって覆われており、絶縁部材１４によって覆われた部分は、電子は吸引されない。アーク電子流６２の直径は、最大で電極露出部１５の外周の直径になる。
【００３０】
図５の符号６４は、図１，２のイオン処理装置７から、絶縁部材１４を取り外し、アノード電極２４の表面を、取り外した絶縁部材１４の外周の大きさで露出させたときのアーク電子流を示している。
【００３１】
このイオン処理装置では、放出口１８から離間した場所にもアノード電極２４の表面が露出されており、大面積の場所から生成室２１内の電子が吸引され、直径が、絶縁部材１４の外周の大きさ、つまり、アーク室２２の壁面開口の大きさに広がったアーク電子流６４が形成される。
【００３２】
アーク室２２の内部の放出口１８付近には、アーク電子流６２，６４の放出口１８付近の電子密度に応じた量のイオン化ガスの正イオンが集合する。
【００３３】
本発明のイオン処理装置７のアーク電子流６２の広がりは、絶縁部材１４が配置された分、配置されない場合よりも小径になるから、絶縁部材１４が配置されていないイオン処理装置の放出孔１８付近のアーク電子流６４の電子密度よりも、本発明のイオン処理装置７のアーク電子流６２の電子密度の方が大きくなり、その大きな電子密度に応じた量のイオン化ガスの正イオンが放出口１８付近に集合する。
【００３４】
絶縁部材１４が配置されないイオン処理装置では、本発明のイオン処理装置７よりも電子雲が広い場所に広がって密度が低下し、正電荷も広範囲に拡散されて低密度になる。
【００３５】
集合したイオン化ガスの正イオンは、放出口１８付近に形成された正電荷収集電界によって移動され、通過孔１６と放出口１８とを通過してアーク室２２の外部に出る。
【００３６】
アノード電極２４と引出電極４１との間の位置には、正電荷を加速する加速電界が形成されており、放出口１８を通過したイオン化ガスの正イオンである照射イオンは、加速電界によって加速され、放出口１８から引出孔４３が位置する方向に移動し、引出孔４３を通過する。
【００３７】
引出孔４３を通過したイオン化ガスの正イオンの進行方向には、接地電位の接地電極４２に形成された接地孔４４が配置されており、引出孔４３を通過したイオン化ガスの正イオン（照射イオン）は、接地孔４４を通過して、イオンビーム６３となって、イオン源１２から放出される。
【００３８】
本発明のイオン処理装置７では、高密度に集合したイオン化ガスの正イオンが正電荷収集電界によって移動されるから、絶縁部材１４が配置されていないイオン照射装置のイオンビーム６５よりもイオンビーム６３は高密度になる。
【００３９】
この例では、イオン処理装置７はイオン注入装置であり、イオンビーム６３の進行方向には、質量分析装置２０の入口が配置されており、イオンビーム６３は質量分析装置２０の内部に入射すると、質量分析装置２０の内部を通過する間に、照射イオンの中から所定の質量／電荷のイオン以外のイオンが除去され、特定の正イオンから成るイオンビーム６３が処理対象物８に照射される。符号５７は、処理対象物８に流れる電流を測定する測定装置である。
【００４０】
なお、放出口１８と、引出孔４３と、接地孔４４とは、円形形状の他、他の形状であっても良く、中心が同一直線上に配置されることが望ましい。
【００４１】
なお、上記例では、コイル装置３７のICP放電によってICPプラズマを生成していたが、本発明の生成室２１の内部のプラズマは、熱陰極放電、冷陰極放電、マイクロ波放電など電子を発生させる装置を用いることができる。またプラズマを発生しない電子源でもよい。
【００４２】
アーク室２２内のプラズマの密度は、アーク電子流６２をアーク電源５１の出力電力によって制御することができるので、放出口１８から放出されるイオンビームの電流量を制御することができる。
【００４３】
なお、上記イオン処理装置７はイオン注入装置であったが、表面改質装置、エッチング装置など、本発明はイオンビームを用いる装置を広く含むものである。
【００４４】
＜測定結果＞
図４(ａ)は、φ３（ｍｍ）の円形形状の放出口１８に対し、通過孔１６が、φ４，φ５、φ８、φ１４の円形形状(電極露出部１５の外径が同じφ４，φ５、φ８、φ１４の円形形状)であるときの、アーク電子流６２の電流値(横軸)とイオンビーム６３の電流値(縦軸)との関係を示すグラフである。この図４(ａ)及び次の図４(ｂ)のイオンビーム６３の電流値は、プラズマ電源５２に流れた電流を測定した値である。
通過孔１６が小径になるに連れて、アーク電子流６２の電流変化の影響を大きく受けることが分かる。
【００４５】
図４(ｂ)は、電極露出部１５の面積と、引出可能なイオンビーム６３の電流値との関係を示すグラフであり、アーク電子流６２の電流値が１Ａであるときの、各通過孔１６のイオンビーム６３の電流値が示されている。
【００４６】
横軸には電極露出部１５の面積が示され、縦軸にはイオンビーム６３の電流値が示されており、グラフに示された各点は、横軸上の位置が、外径がφ４，φ５、φ８、φ１４の電極露出部１５の面積の値であり、縦軸上の位置が、アーク電子流６２の電流値が１Ａであるときの、各通過孔１６のイオンビーム６３の電流値の位置である点である。同図(ｂ)は、各点を結んだグラフである。
【００４７】
通過孔１６が小径になるに連れて、同じ電流値のアーク電子流６２を流したときのイオンビーム６３の電流値が大きくなることが分かる。
従って、電極露出部１５を極小にすれば、アーク電子流６２の電流値を大きくすることができるが、電極露出部１５の面積がゼロになると、アーク電子流６２による電流が流れる回路ができなくなり、放出口１８付近でのアーク電子流６２の密度を高くすることができず、イオンビーム６３を引き出すことができなくなる。
【００４８】
電子をアノード電極２４に到達させるためには、電子発生源である生成室２１内をアーク室２２内と接続する接続孔２８と電極露出部１５とを結ぶ直線が存在することが必要である。つまり、接続孔２８から放出口１８付近を見たときに、アノード電極２４の一部表面が露出する必要がある。
【００４９】
＜電極露出部の内径と外径の関係＞
電極露出部１５の内径(放出口１８の直径)をＤ1、電極露出部１５の外径(通過孔１６の直径)をＤ2とすると、
放出口１８の面積Ｓ1は、
Ｓ1＝(Ｄ1／２)2×π＝Ｄ12×π／４
であり、電極露出部１５の面積Ｓ2は、
Ｓ2＝((Ｄ2／２)2×π)−((Ｄ1／２)2×π)＝(Ｄ22−Ｄ12)×π／４
になる。
電極露出部１５の面積Ｓ2と放出口１８の面積Ｓ1の比(Ｓ2／Ｓ1)は、下記(１)式のようになる。
Ｓ2／Ｓ1＝(Ｄ22−Ｄ12)×π／４／(Ｄ12×π／４)
＝(Ｄ22−Ｄ12)／Ｄ12  ……(１)
測定結果から、電極露出部１５の面積Ｓ2が０．０４〜０．２ｃｍ2のときに、生成室２１から引き出したアーク電子流６２の電流値が大きく増えているので、Φ３＝０．０７０７ｃｍ2とし、電極露出部１５の面積Ｓ2と放出口１８の面積Ｓ1との比Ｓ2／Ｓ1は、
０．０４／０．０７０７≦Ｓ2／Ｓ1≦０．２／０．０７０７
になり、下記の式(２)のような結果になる。
０．５６６≦Ｓ2／Ｓ1≦２．８３  ……(２)
よって電極露出部１５の面積Ｓ2と放出口１８の面積Ｓ1の比(Ｓ2／Ｓ1)が０．５６６以上２．８３以下のときにアノード電極２４へのアーク電子流６２の流入密度が大きくなり、生成室２１から引き出せるイオンビームの電流値を大きく増やすことができるようになる。
【００５０】
電極露出部１５が、円形のリング形形状である場合、式(１)の面積比が０．５〜３の範囲になればよいので下記式(３)が成立する。
０．５６６≦(Ｄ22−Ｄ12)／Ｄ12≦２．８３  ……(３)
式(３)から、
０．５６６≦Ｄ22／Ｄ12−１≦２．８３
１．５６６≦Ｄ22／Ｄ12≦３．８３
√１．５６６≦Ｄ2／Ｄ1≦√３．８３  ……(４)
と、式(４)が得られる。
式(４)を用いると、電極露出部１５の外径と内径とが円形形状であれば、外径Ｄ2と内径Ｄ1の比Ｄ2／Ｄ1の値で、得られるイオンビームの電流値を得ることができる。
【００５１】
なお上記実施形態では、電極露出部１５の内径Ｄ1と外径Ｄ2は円形形状であったが、スリット(角型)や楕円でもよい。
なお、図４(ｃ)に、実施例から得られるイオンビームの電流密度の特性を示す。電極露出部１５の面積を小さくしていくと、高いイオンビーム電流密度が得られる。
【００５２】
＜他の例＞
上記例では、絶縁部材１４とアノード電極２４とが接触していたが、図６のように、絶縁部材１４とアノード電極２４とが離間し、絶縁部材１４とアノード電極２４との間に、隙間６が設けられている場合も含まれる。
【００５３】
隙間６の大きさは、アノード電極２４の表面と絶縁部材１４の裏面との間の距離であり、隙間６が大きくても、電極露出部１５は通過孔１６の底面に位置しており、アーク電子流６２が通過孔１６の外周よりも広がらないから、隙間６に位置する部分のアノード電極２４の面積は無視することができる。隙間６が存する場合でも、電極露出部１５の面積は、通過口１６のアノード電極２４側の縁１７よりも内側の部分の面積であり、より正確には、通過口１６のアノード電極２４側の縁１７から、アノード電極２４に下ろした垂線とアノード電極２４表面との交点が形成する、通過口１６の縁１７と同じ形状の閉曲線の内側の部分であると言うことができる。
要するに、電極露出部１５の面積は、通過口１６のアノード電極２４側の縁１７と、放出口１８の縁１９との間の部分のアノード電極２４の面積となる。
【符号の説明】
【００５４】
７……イオン処理装置
８……処理対象物
１１……真空槽
１２……イオン源
１３……アノード装置
１５……電極露出部
２０……質量分析装置
２２……アーク室
２３……仕切板
２４……アノード電極
３０……載置装置
３２……放電槽
【図１】
2016126938.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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