JP3498405B2 - イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、イオン注入装置等のイ
オンビーム装置に供され、プラズマ生成チャンバ内に導
入されたイオン種ガスをプラズマ化してイオンを生成す
るイオン源に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、元素をプラズマ化し、プラズマ中
のイオンをイオンビームとして引き出すイオン源は、イ
オン注入をはじめとして、イオンプレーティング、結晶
成長、或いはイオン加工等、様々な分野に利用されてい
る。 【０００３】上記イオン源には、フリーマン型イオン源
やバーナス型イオン源等の低電圧アーク放電型のもの、
ＥＣＲイオン源等の高周波型のもの、その他種々のタイ
プのものがあるが、基本的には、ガス供給源から高真空
のプラズマ生成チャンバ内にイオン種ガスを供給しなが
ら、アーク放電やマイクロ波放電等を用いて導入ガスを
プラズマ化する構成である。 【０００４】上記イオン源のプラズマ生成チャンバに
は、ＢＦ₃ 等のイオン種ガスやアルゴンガス等の洗浄用
ガスをチャンバ内に導入するためのガス導入管が接続さ
れている。また、イオン種がヒ素、リン、或いはその他
の金属の場合には、固体試料を加熱により蒸気化して、
プラズマ生成チャンバ内に導入する必要があり、プラズ
マ生成チャンバの外部に固体試料を加熱するオーブンが
設けられたイオン源もある。ここで、固体試料をイオン
化することが可能な従来のイオン源の構成を、図６に示
す。 【０００５】この種のイオン源は、オーブン５１とプラ
ズマ生成チャンバ５２との間をステンレス等の金属製の
ガス導入管５３にて接続し、該金属製のガス導入管５３
を通してオーブン内で蒸気化された試料ガスをプラズマ
生成チャンバ５２内に導入するようになっている。上記
オーブンからプラズマ生成チャンバ５２内に導入される
ガス量の調整は、オーブン５１の温度を調整して試料５
４の気化量を変化させることによって行われる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】従来のイオン源では、
オーブン５１とプラズマ生成チャンバ５２との間を接続
するガス導入管５３、及びガス導入管５３の先端部をプ
ラズマ生成チャンバ５２に取り付けるためのアダプタ５
５が、耐熱性、強度、加工性等を考慮して、ステンレス
等の金属にて形成されている。このため、プラズマ生成
チャンバ５２とオーブン５１との間で、比較的熱伝導率
の高い金属性のガス導入管５３を介して多量の熱量が伝
達（伝導）される。 【０００７】例えばフリーマン型やバーナス型のイオン
源では、プラズマ生成チャンバ５２の内部に設けられた
フィラメントに電流を流して該フィラメントを高温に
し、該フィラメントとプラズマ生成チャンバ５２との間
にアーク電圧を印加してチャンバ内でアーク放電を生じ
させるので、プラズマ生成チャンバ５２の温度は１００
０℃を越える高温となる。その他のタイプのイオン源で
もやはり気中放電等によってプラズマ生成チャンバ５２
の温度は高温になる。 【０００８】例えば、オーブン５１を用いてリン等の固
体試料を蒸気化してイオン源を運転した後、オーブン５
１を冷却すると共にアルゴンガスにてプラズマ生成チャ
ンバ５２を所定時間クリーニングし、引き続いてＢＦ₃
等のイオン種ガスを用いてイオン源を運転する場合、プ
ラズマ生成チャンバ５２の熱がガス導入管５３を介して
オーブン５１に伝達され、これによってオーブン５１内
に残存している固体試料が蒸気化してプラズマ生成チャ
ンバ５２へ導入されてしまう。 【０００９】また、オーブン５１を用いたイオン源の運
転中においても、プラズマ生成チャンバ５２とオーブン
５１との間の熱の伝導により、両者が相互に影響を及ぼ
し合う。例えば、プラズマ生成チャンバ５２内のプラズ
マ密度は、アーク電圧を変化させることによって調整さ
れ、この調整に伴ってプラズマ生成チャンバ５２の温度
が変化すると、この温度変化がオーブン５１の加熱温度
に影響を与え、オーブン５１内の試料の気化量が変化す
る。この結果、オーブン５１からプラズマ生成チャンバ
５２へのガスの導入量が安定しない等の不都合が生じ
る。 【００１０】上記イオン源において、プラズマ生成チャ
ンバ５２が熱的な影響を受けるのは、オーブン５１に対
してだけではない。図７に示すように、プラズマ生成チ
ャンバ５２は、ベース板５６上に立設されたステンレス
等の金属製の４本の支持棒５７…の先端に取り付けられ
た同じく金属製の受板部材５８に、ボルト等で固定され
て支持されている。このような従来の支持構造では、高
温になったプラズマ生成チャンバ５２の熱が、金属製の
受板部材５８及び支持棒５７…を介して外部へ逃げてし
まい、プラズマ生成チャンバ５２の温度が低下してしま
う。 【００１１】例えばオーブン５１を用いてリン等の融点
の高い固体試料を蒸気化してイオン源を運転する場合、
プラズマ生成チャンバ５２の温度が低いと、該チャンバ
内に固体試料（或いは固体試料と何らかの物質との化合
物）が残存する量が多くなり、この後、他のイオン種に
切り替えてイオン源を運転する場合、クリーニング工程
（プラズマ生成チャンバ５２内に残存する他のイオン種
が基準量以下になるまで、アルゴンガス等を用いてイオ
ン源を運転する工程）の所要時間が長くなるという不都
合が生じる。 【００１２】 【００１３】 【００１４】 【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るイ
オン源は、チャンバ内に導入されたガスをプラズマ化す
るプラズマ生成チャンバと、上記プラズマ生成チャンバ
を支持して所定位置に固定する支持部材とを備えたもの
であって、上記の課題を解決するために、以下の手段が
講じられていることを特徴とする。 【００１５】即ち、上記支持部材の少なくとも一部分
が、金属よりも熱伝導度の低い熱絶縁材（例えば、Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）にて形成されている。 【００１６】 【００１７】 【作用】請求項１の発明の構成によれば、プラズマ生成
チャンバを支持している支持部材の少なくとも一部分
が、金属よりも熱伝導度の低い熱絶縁材にて形成されて
いるので、支持部材を介してプラズマ生成チャンバの外
部へ逃げる熱量が従来（支持部材が金属製のもの）より
も少なくなる。したがって、これにより、イオン源の運
転中におけるプラズマ生成チャンバの温度が従来よりも
上昇し、融点の高い物質（例えば、リン等）のガスを用
いてイオン源を運転している場合でも、プラズマ生成チ
ャンバの内部にその物質（或いはその物質の化合物）が
残存する量が従来よりも少なくなり、イオン種を切り替
えてイオン源を運転する場合に必要なクリーニング時間
を従来よりも短縮することができる。 【００１８】 【実施例】 〔実施例１〕本発明の一実施例について図１ないし図３
に基づいて説明すれば、以下の通りである。 【００１９】本実施例に係るイオン源は、図１に示すよ
うに、プラズマを生成するためのアークチャンバ（プラ
ズマ生成チャンバ）１と、リンやヒ素等の固体試料５を
加熱して蒸気化するオーブン（蒸発源）２と、上記オー
ブン２にて蒸気化された試料をアークチャンバ１へ導入
するためのガス導入管３と、上記ガス導入管３の先端部
をアークチャンバ１へ接続するためのアダプタ４とを備
えている。ここでは、上記ガス導入管３とアダプタ４と
にて特許請求の範囲に記載のガス導入部材が構成されて
いる。 【００２０】また、上記イオン源は、ＢＦ₃ 等のイオン
種ガスやアルゴンガス等の洗浄用ガスをガスボックス
（図示せず）からアークチャンバ１内に導入するための
ガス導入管（図示せず）も備えており、固体或いは気体
の何れの状態の試料でも動作可能となっている。 【００２１】図１には、一例としてフリーマン型のイオ
ン源を示している。このイオン源は、アークチャンバ１
の内部に直線状のカソードフィラメント（以下、単にフ
ィラメントと称する）１ａを備え、その両端部は、アー
クチャンバ１に設けられた絶縁キャップ１ｂ・１ｂによ
って支持されている。上記アークチャンバ１にはアーク
電源１ｃの正極端子が、そして、上記フィラメント１ａ
にはアーク電源１ｃの負極端子がそれぞれ接続されてお
り、アークチャンバ１とフィラメント１ａとの間には、
アーク放電に必要な所定の電位差が生じるようになって
いる。また、上記フィラメント１ａの両端部には、該フ
ィラメント１ａに電流を流すためのフィラメント電源１
ｄの端子がそれぞれ接続されている。また、上記アーク
チャンバ１の外部には、フィラメント１ａの軸心に平行
な外部磁界を形成する図示しない磁石が設けられてい
る。また、上記アークチャンバ１の壁面には、イオンビ
ームを引き出すためのスリット形状の引出口が、フィラ
メント１ａの軸心に平行に形成されている。 【００２２】また、上記アークチャンバ１にはガス導入
口１ｅが穿設されており、ここにアダプタ４を介してガ
ス導入管３の先端が接続される。具体的には、アダプタ
４がアークチャンバ１に螺着されており、このアダプタ
４にガス導入管３の先端部が嵌着された取り付け構造と
なっている。 【００２３】本実施例では、上記ガス導入管３及びアダ
プタ４が、何れも金属よりも熱伝導度が低いアルミナ
（酸化アルミニウム：Ａｌ₂ Ｏ₃ ）にて形成され、これ
にてアークチャンバ１とオーブン２との間の熱絶縁が図
れている。 【００２４】上記の構成において、アーク電源１ｃ及び
フィラメント電源１ｄをＯＮにすると、フィラメント１
ａに電流が流れて該フィラメント１ａが発熱すると共
に、アークチャンバ１とフィラメント１ａとの間の電位
差（アーク電源１ｃの電圧）によって、発熱したフィラ
メント１ａから電子が放出され、アーク放電が生じる。
この際、リンやヒ素等の固体試料５をオーブン２で蒸気
化したガス（又はＢＦ₃等のイオン種ガス）を、ガス導
入管３（又はイオン種ガス導入用の図示しないガス導入
管）を介してアークチャンバ１の内部へ導入すれば、導
入ガスの粒子と電子とが衝突することによってガス粒子
が電離し、プラズマが生成されることになる。これによ
り、イオン源の運転中は、アークチャンバ１が高温にな
る。 【００２５】上記アークチャンバ１内のプラズマ密度
は、アーク電源１ｃの電圧を変化させることによって調
整され、この調整に伴ってアークチャンバ１の温度が変
化する。従来であれば、このアークチャンバ１の温度変
化の影響を受けて、オーブン２の温度が一定にならない
という不都合が生じていたが、上記のようにガス導入管
３及びアダプタ４をアルミナにて形成してアークチャン
バ１とオーブン２との間の熱絶縁を図ることによって、
オーブン２の温度を一定に保つことが可能となる。この
結果、オーブン２からのガス導入量が安定する。 【００２６】また、上記の熱絶縁により、オーブン２を
用いてリン等の固体試料５を蒸気化してイオン源を運転
した後、引き続いてＢＦ₃ 等のイオン種ガスを用いてイ
オン源を運転する場合でも、従来のようにオーブン２内
に残存している固体試料５が蒸気化してアークチャンバ
１へ導入されるような不都合は生じない。以下に、その
テスト結果を示す。尚、このテストでは、上記のイオン
源をイオン注入装置に組み込んで行ったものである。 【００２７】先ず、従来のイオン源及び本実施例のイオ
ン源のそれぞれに対して、下記の運転条件でオーブン２
を用いての運転を行った。 【００２８】固体試料：リン オーブン温度：３４０℃ アーク電圧：６０Ｖ アーク電流：1.０Ａ 引出電流：４ｍＡ 尚、上記の引出電流とは、アークチャンバ１内から引き
出される全てのイオンのビーム電流である。また、イオ
ン源から引き出されたイオンビームを、イオン源の後段
に配した分析マグネットにて質量分析し、ターゲットに
おいてビーム電流３０μＡ、１００ｋＶのＰ²⁺ビームが
得られる条件とした。 【００２９】上記の条件によるイオン源の運転の後、オ
ーブン２を急冷し、従来のイオン源及び本実施例のイオ
ン源のそれぞれに対して、引き続いて下記の運転条件で
オーブン２を用いない運転を行った。 【００３０】ガス：ＢＦ₃ ガス流量：0.７４ｃｃ／ｍｉｎ アーク電圧：６０Ｖ アーク電流：1.５Ａ 引出電流：１０ｍＡ また、ターゲットにおいてビーム電流１５０μＡ、８０
ｋＶのＢ⁺ ビームが得られる条件とした。 【００３１】従来のイオン源を用いた場合、オーブンを
急冷してから２０分後でも、オーブンからのガス（オー
ブン内に残留しているリンがアークチャンバからの熱に
よって加熱されてガス化したもの）により、ターゲット
において４００μＡ程度のリンの残留ビームがあった。
これに対して、本実施例のイオン源を用いた場合、リン
の残留ビームは略０μＡであった。 【００３２】尚、上記では、ガス導入管３及びアダプタ
４を何れもアルミナで形成したが、ガス導入管３または
アダプタ４の何れか一方をアルミナで形成しても、アー
クチャンバ１とオーブン２との間の熱絶縁が可能であ
り、上記と同様の効果が得られる。 【００３３】或いは、図２に示すように、ガス導入管
３′の一部をアルミナで形成してもよい。即ち、同図に
おいて、アダプタ４′をステンレス等の金属で形成し、
ガス導入管３′をアルミナ製の熱絶縁部３ａと金属製の
非熱絶縁部３ｂとを連結した構成としても、上記と同様
の効果が得られる。 【００３４】また、アークチャンバ１の壁厚がある程度
の厚さを有しておれば、図３に示すように、アダプタを
用いない構成も可能である。即ち、アダプタは、アーク
チャンバ１の壁厚が薄い場合にもガス漏れを起こさずに
ガス導入管３をアークチャンバ１に接続可能とするもの
であって、アークチャンバ１の壁厚にある程度の厚みが
あれば、アダプタを省略することができる。この場合、
同図に示すように、アークチャンバ１に穿設されたガス
導入口１ｅにアルミナ製のガス導入管３を直接嵌着すれ
ばよい。尚、図示しないが、上記ガス導入管３の一部分
のみをアルミナで形成してもよい。 【００３５】ところで、イオン源に使用する材質として
は、融点、強度、ガスとの反応性等も考慮する必要があ
り、これらの条件を十分に満足し、且つ熱絶縁性にも優
れた（即ち、熱伝導度が金属よりも低い）好適な材質と
して、上記ではアルミナを示した。但し、アルミナに限
定されるものではなく、その他の材質としては、例え
ば、３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ 、ジルコニア（酸化ジル
コニウム）、サイアロン（ＳＩＡＬＯＮ）等を用いるこ
ともできる。 【００３６】〔実施例２〕本発明のその他の実施例につ
いて図４及び図５に基づいて説明すれば、以下の通りで
ある。尚、前記実施例１と同様の機能・構成を有する部
材には、前記実施例１と同じ参照符号を付記してその説
明を省略する。 【００３７】本実施例に係るイオン源は、図４に示すよ
うに、ベース板６上に立設された４本の支持棒７…の上
端に取り付けられた受板部材８にアークチャンバ１をボ
ルトで固定してなるアークチャンバ１の支持構造を有す
る。ここでは、上記の支持棒７…と受板部材８にて特許
請求の範囲に記載の支持部材が構成されている。 【００３８】上記の各支持棒７の上端部分は、アルミナ
製の熱絶縁部７ａを形成しており、その他の部分７ｂは
ステンレス等の金属製である。また、上記受板部材８
も、ステンレス等の金属製である。 【００３９】受板部材８と支持棒７との接続構造を図５
に示す。同図に示すように、受板部材８は、金属製のボ
ルト９によって支持棒７の上端に螺着される。上記受板
部材８を金属製とした場合、アークチャンバ１の熱が受
板部材８に伝導されて受板部材８も高温になる。この場
合、受板部材８の熱が上記ボルト９を介して支持棒７の
金属製の部分７ｂに伝達されないように、上記ボルト９
と受板部材８との間にはアルミナ製の熱絶縁部材１０を
介在させる。 【００４０】上記の構成において、イオン源の運転中は
上述のようにアークチャンバ１が高温になるが、その熱
が従来のように支持棒７を介して外部に逃げないよう
に、アルミナ製の熱絶縁部７ａによって熱絶縁が図られ
ている。これにより、運転中におけるアークチャンバ１
の温度が従来よりも上昇し、オーブンを用いてリン等の
融点の高い固体試料を蒸気化してイオン源を運転してい
る場合でも、アークチャンバ１の内部に固体試料（或い
は固体試料と何らかの物質との化合物）が残存する量が
従来よりも少なくなる。以下に、そのテスト結果を示
す。尚、このテストも、前記と同様、イオン源をイオン
注入装置に組み込んで行ったものである。 【００４１】先ず、従来のイオン源及び本実施例のイオ
ン源のそれぞれに対して、下記の運転条件でオーブンを
用いての運転を行った。 【００４２】固体試料：リン オーブン温度：３９５℃ アーク電圧：６０Ｖ アーク電流：1.０Ａ 引出電流：４ｍＡ また、ターゲットにおいてビーム電流３０μＡのＰ²⁺ビ
ームが得られる条件とした。 【００４３】上記条件にて２〜３日運転後、オーブンに
よる加熱を停止し（オーブン０℃設定）、ガスボックス
から洗浄用ガスをアークチャンバ１へ供給しながら下記
の条件でイオン源を運転して、アークチャンバ１の内部
を２０分間クリーニングした。 【００４４】洗浄用ガス：Ａｒ Ａｒガス流量：0.２ｃｃ／ｍｉｎ アーク電圧：７５Ｖ アーク電流：0.８５Ａ 引出電流：６ｍＡ 上記のクリーニング工程の後、従来のイオン源及び本実
施例のイオン源のそれぞれに対して、引き続いて下記の
運転条件で運転を行い、Ｂ⁺ ビームを出した。 【００４５】ガス：ＢＦ₃ ガス流量：0.７４ｃｃ／ｍｉｎ アーク電圧：６０Ｖ アーク電流：1.６Ａ 引出電流：７ｍＡ 従来のイオン源を用いた場合、上記の運転条件で２００
μＡ程度のリンの残留ビーム（アークチャンバ１内に残
留していたリンがイオン化して引き出されたビームであ
り、質量分析後、ターゲットにて計測されたもの）があ
った。これに対して、本実施例のイオン源を用いた場
合、上記のリンの残留ビームは従来の５分の１の４０μ
Ａ程度であった。 【００４６】このように、イオン種を切り替えてイオン
源を運転する場合に必要なクリーニング工程（アークチ
ャンバ１内に残存する他のイオン種が基準量以下になる
まで、アルゴンガス等の洗浄用ガスを用いてイオン源を
運転する工程）の所要時間を従来よりも短縮することが
できる（例えば、従来は１時間かかっていたクリーニン
グ時間を３０分以下にできる）。即ち、イオン種の切り
替え時間を従来の半分以下に短縮することができ、ひい
ては装置の使用効率の向上が図れる。 【００４７】また、クリーニング工程が十分に行われな
かった場合でも、前の運転で使用されたイオン種がコン
タミネーションとしてビームに含まれる量が少なくなる
ので、イオン源をイオン注入に適用した場合において、
ウエハ等のイオン照射対象に注入されるコンタミネーシ
ョンの量を削減できる。 【００４８】また、アークチャンバ１の内部に固体試料
（或いはその化合物）が残存する量が従来よりも少なく
なるので、人によるアークチャンバ１の内部の清掃（メ
ンテナンス）も容易となる。 【００４９】尚、上記では支持棒７の一部をアルミナで
形成したが、支持棒７の全体をアルミナで形成してもよ
い。また、受板部材８をアルミナで形成しても外部との
熱絶縁が可能であり（この場合、支持棒７は金属製を使
用可）、上記と同様の効果が得られる。或いは、アーク
チャンバ１と受板部材８との間に、アルミナ製の熱絶縁
板（支持部材の一部を構成）を介在させても（この場
合、支持棒７、受板部材８は金属製を使用可）、上記と
同様の効果が得られる。 【００５０】また、上記では熱絶縁に好適な材質として
アルミナを示したが、これに限定されるものではなく、
その他の材質としては、例えば３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ
₂ 、ジルコニア、サイアロン等を用いることができる。 【００５１】上記の各実施例では、一例としてフリーマ
ン型のイオン源を示したが、バーナス型イオン源やＥＣ
Ｒイオン源等、その他種々のタイプのイオン源にも適用
できる。上記の各実施例は、あくまでも、本発明の技術
内容を明らかにするものであって、そのような具体例に
のみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発
明の精神と特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実
施することができるものである。 【００５２】 【００５３】 【００５４】 【発明の効果】請求項１の発明に係るイオン源は、以上
のように、プラズマ生成チャンバを支持して所定位置に
固定する支持部材の少なくとも一部分が、金属よりも熱
伝導度の低い熱絶縁部材にて形成されている構成であ
る。 【００５５】それゆえ、イオン源の運転中におけるプラ
ズマ生成チャンバの温度が従来よりも上昇し、融点の高
い物質（例えばリン等）のガスを用いてイオン源を運転
している場合でも、プラズマ生成チャンバの内部にその
物質（或いはその物質の化合物）が残存する量が従来よ
りも少なくなる。したがって、イオン種を切り替えてイ
オン源を運転する場合に必要なクリーニング時間を従来
よりも短縮することができ、イオン源の使用効率の向上
が図れるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例を示すものであり、イオン源
の要部の構成を示す概略の縦断面図である。 【図２】上記イオン源の一変形例を示す概略の縦断面図
である。 【図３】上記イオン源のその他の変形例を示す概略の縦
断面図である。 【図４】本発明のその他の実施例を示すものであり、イ
オン源のアークチャンバの支持構造を示す概略の斜視図
である。 【図５】図４のイオン源の受板部材と支持棒との接続構
造をを示す概略の縦断面図である。 【図６】従来のイオン源の要部の構成を示す概略の縦断
面図である。 【図７】従来のイオン源におけるプラズマ生成チャンバ
の支持構造を示す概略の斜視図である。 【符号の説明】 １ アークチャンバ（プラズマ生成チャンバ） ２ オーブン（蒸発源） ３ ガス導入管（ガス導入部材） ４ アダプタ（ガス導入部材） ５ 固体試料 ７ 支持棒（支持部材） ８ 受板部材（支持部材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平１−112556（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−49448（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−12363（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−12362（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/08 H01J 27/02

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】チャンバ内に導入されたガスをプラズマ化
   するプラズマ生成チャンバと、 上記プラズマ生成チャンバを支持して所定位置に固定す
   る支持部材とを備えたイオン源において、 上記支持部材の少なくとも一部分が、金属よりも熱伝導
   度の低い熱絶縁材にて形成されていることを特徴とする
   イオン源。