JP6642612B2 - イオン源、イオンビーム照射装置及びイオン源の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームに含まれる所望イオンの比率を変えることのできるイオン源に関する。

イオン源から引出されるイオンビーム中に含まれる所望イオンの比率を変えることのできるイオン源として、特許文献１に記載のイオン源が知られている。

特許文献１のイオン源は、Ｐ型、Ｎ型の半導体素子を製造するためのイオン化ガスの種類に応じてカソード位置を変更するための機構を有している。この機構でもって、カソード位置とプラズマ生成容器のイオン射出面との間の距離を変化させることで、イオンビーム中に含まれる所望イオンの比率を変化させている。
具体的に言えば、イオン化ガスがＰＨ_３の場合には、生成されたプラズマ中の比較的質量が重いＰＨ_ｘ ^＋（ｘは１〜３の整数）の比率を増やすためにカソード位置をイオン射出面に近づけている。一方、イオン化ガスがＢＦ_３の場合には、比較的質量の軽いＢ^＋の比率を増やす為にＰＨ_３の場合に比べてカソード位置をイオン射出面から遠ざけている。

しかしながら、従来技術の構成では、経時変化により脆くなったカソードを移動させていることから、移動に伴ってカソードが折損してしまうことが懸念される。カソードが折損した場合、カソードの交換やプラズマ生成容器内の清掃等が必要となり、これらが要因となってイオン源の稼働率が低下する。

特開２０１６−１６４８９４

本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、カソードの折損によるイオン源の稼働率の低下を防止して、イオンビーム中に含まれる所望イオンの比率を変えることのできるイオン源を提供することを目的とする。

イオン源は、
プラズマ生成容器から所定方向にイオンビームを引き出すイオン源で、
前記プラズマ生成容器内に電子を供給する電子供給部と、
前記電子供給部からの電子を捕捉する磁場を生成する電磁石と、
前記イオンビームに含まれる所望イオンの比率を変更するために、前記イオンビームの引出し方向で前記磁場の中心位置をシフトさせるシフト手段を有している。

上記構成のイオン源であれば、カソード位置を変更する代わりにシフト手段を用いて電磁石で生成される磁場の中心位置をシフトさせて、イオンビーム中に含まれる所望イオンの比率を変更しているため、カソード位置の変更に伴うカソードの折損が発生しない。これにより、カソードの折損によるイオン源の稼働率の低下を防止することができる。

具体的な構成としては、
前記シフト手段は、前記イオンビームの引出し方向に前記電磁石の中心位置を移動する。

また、前記シフト手段は、前記イオンビームの引出し方向の異なる位置に配置された複数の電磁石で構成されていて、各電磁石で生成される磁場の磁束密度を調整することで、前記イオンビームの引出し方向で前記磁場の中心位置をシフトさせるものであってもよい。

さらに、前記シフト手段は、前記電磁石の磁場を遮蔽する着脱可能な磁気シールドを有していて、
前記磁気シールドは、前記イオンビームの引出し方向で前記電磁石の両側またはいずれか一方側に配置されている構成であってもよい。

そのうえ、前記イオンビームの引出し方向で、前記電磁石と前記磁気シールドとの間の距離が可変に設定される構成であってもよい。

イオン源の運転方法は、
プラズマ生成容器から所定方向にイオンビームを引き出すイオン源の運転方法で、
前記プラズマ生成容器内に電子を供給する電子供給部と、
前記電子供給部からの電子を捕捉する磁場を生成する電磁石とを有し、
前記イオンビームに含まれる所望イオンの比率を変更するために、前記イオンビームの引出し方向で前記磁場の中心位置を移動する。

上記運転方法であれば、カソードの移動に代えて、磁場中心位置をシフトする手法を採用しているため、イオンビーム中の所望イオンの比率を変更しても、カソード位置の変更に伴うカソードの折損が発生しない。これにより、カソードの折損によるイオン源の稼働率の低下を防止することができる。

カソード位置を変更する代わりにシフト手段を用いて電磁石で生成される磁場の中心位置をシフトさせて、イオンビーム中に含まれる所望イオンの比率を変更しているため、カソード位置の変更に伴うカソードの折損が発生しない。これにより、カソードの折損によるイオン源の稼働率の低下を防止することができる。

イオン源の構成例を示す斜視図。 図１記載のイオン源に係る平面図。（Ａ）はＸＹ平面図、（Ｂ）はＹＺ平面図、（Ｃ）はＺＸ平面図を表す。 イオン源の別の構成例を示す平面図。（Ａ）は電磁石の左右に厚みの異なる磁気シールドを備えた構成例。（Ｂ）は電磁石と磁気シールドの間にスペーサーを設けた構成例。（Ｃ）は電磁石の各端部に磁気シールドを設けた構成例。 イオン源の他の構成例を示す平面図。（Ａ）は回動可能な電磁石を有する構成例。（Ｂ）は直動可能な電磁石を有する構成例。 イオンビームの引出し方向の異なる位置に複数の電磁石を有するイオン源の構成例についての平面図。 追加の電磁石を有するイオン源の構成例についての平面図。（Ａ）はＺＸ平面図。（Ｂ）はＸＹ平面図。 磁場補正についての説明図。

図１は本発明のイオン源の一構成例を示す斜視図である。
同図に図示されるＺ方向はイオン源１から引出されるイオンビームの引出し方向であり、Ｙ方向は概略直方体形状のプラズマ生成容器２の長手方向である。Ｘ方向は、Ｚ方向とＹ方向に直交する方向である。各方向の定義は、後述する各図についても同様である。

このイオン源１は、Ｙ方向に長い概略直方体状のイオン源で、プラズマ生成容器２内に電子の供給を行う電子供給部３を備えている。この電子供給部３は、例えば、フィラメントや板状カソードにフィラメントを組み合わせた構造物、あるいは、所定エネルギーで加速された電子を供給する電子銃であり、イオン源の構成によって、プラズマ生成容器２の内部または外部に配置されている。

イオン源１のＸ方向の各側面には、プラズマ生成容器２の内部に磁場を生成する電磁石Ｍ０が配置されている。この電磁石Ｍ０は、Ｙ方向に長い本体部と本体部からＺ方向に突出した端部を備えており、同本体部にはコイル４が巻回されている。また、各端部のＺ方向と反対側の面には、磁気シールド６が取り付けられている。

イオン源１には、図示されないガスポートを通じて、ＢＦ_３やＰＨ_３等のイオン化ガスが導入される。電子供給部３から供給された電子が、イオン化ガスを電離して、容器内にプラズマが生成される。その後、Ｚ方向でプラズマ生成容器２の下流に配置される図示されない引出電極によって、イオンビームとして容器外部に射出される。

図２は、図１に記載のイオン源１を各平面からみたときの平面図である。
ここでは、Ｘ方向に配置された一対の電磁石Ｍ０で生成される磁場の大きさと方向は等しく、図２（Ａ）に示すように、ＸＹ平面での磁場中心位置がプラズマ生成容器２の中央となる例を用いて説明する。なお、プラズマ生成容器２に生成される磁場分布については、様々なものに変更することができるため、ここで説明する磁場中心位置の例はあくまで一例である。

磁場中心位置とは、設計上、磁束密度がもっとも強くなる位置である。図２の構成のように、プラズマ生成容器２の左右に同じ構成の電磁石Ｍ０を配置し、各電磁石Ｍ０の磁場の大きさと方向を同じにしていれば、両電磁石の中間位置が磁場中心位置になる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）において、磁場中心位置Ｂ０は磁気シールド６がない場合の磁場中心位置であり、磁場中心位置Ｂ１は磁気シールド６がある場合の磁場中心位置である。
磁気シールド６を設けた場合、Ｚ方向反対側ではＹ方向に延びた磁気シールド内を磁場が通過するため、この部分に対応するプラズマ生成容器内での磁場は磁気シールド６がない場合に比べて弱くなる。一方、Ｚ方向側には磁気シールドが無いので、プラズマ生成容器内での磁場の強さに変わりはない。総合すれば、図２（Ｂ）、（Ｃ）にみられるように、プラズマ生成容器内での磁場中心位置が磁場中心位置Ｂ０から磁場中心位置Ｂ１へとＺ方向であるイオンビームの引出し方向に向けてシフトすることになる。
なお、この場合、シフト後の磁場中心位置は、図示されるようなＹ方向に沿った直線状ではなく、厳密にはＺ方向に突出した弓なり形状となるが、本発明では説明を簡略化するために、便宜上、シフト後の磁場中心位置の形状を近似的な直線を用いて描いている。近似的な直線を用いている点については、後述する他の実施形態でも同様である。

磁場中心位置がシフトすれば、磁場で捕捉される電子の場所がこれに応じて変化する。捕捉される電子が多いほどプラズマ密度は濃くなる傾向にあるので、電子が捕捉される場所が変化すれば、それに応じて密度の濃いプラズマが生成される場所も変化する。

プラズマ中のイオンは、電子と同様に磁場に沿って移動しながら旋回する。このときの旋回半径は、質量が重いイオンほど大きい。
イオンビームの引出し方向においてプラズマ生成容器２の開口５とは反対側の内壁面に磁場中心位置が近いほど、大きな旋回半径で旋回している比較的質量の重いイオンが内壁面に衝突し、消失する割合が高くなる。
結果として、引出されるイオンビームに含まれる比較的質量の軽いイオンの比率が高くなる。

反対に、イオンビームの引出し方向において、プラズマ生成容器２の開口５に磁場中心位置が近いほど、引出されるイオンビームに含まれる比較的質量の重いイオンの比率が増加する。これは、比較的質量の重いイオンがプラズマ生成容器内壁面で消失する割合が減少するためである。
図２の構成では、磁場中心位置が開口５に近づくので、引出されるイオンビームに含まれる比較的質量の重いイオンの比率が高くなる。

上記構成例で説明した磁場中心位置のシフトに使用される磁気シールド６は、例えば、ボルト等の締結具や嵌合により、電磁石Ｍ０の端部に取り付けられている。磁気シールド６の数については、上記構成例のように、単数でもいいが複数であってもいい。

例えば、１台のイオン源で複数種類のイオン化ガスを使い分ける場合、あるイオン化ガスを使用するときには磁気シールド６を取付け、別のイオン化ガスを使用するときには磁気シールド６を外すようにしてもよい。
また、これまでに述べた構成例とは反対に、比較的質量の重いイオンの比率を減らすのであれば、磁場中心位置が開口５から遠ざかるように、電磁石Ｍ０の端部で、Ｚ方向側の面に磁気シールド６を取り付ける構成にしてもよい。

図３（Ａ）は、イオンビームの引出し方向（Ｚ方向）で、電磁石の前後両側に磁気シールド６を設けた構成である。同図に描かれているように、イオンビームの引出し方向での磁気シールド６の厚みを異ならせておいても、磁場中心位置Ｂ０を磁場中心位置Ｂ１へシフトさせることができる。
なお、電磁石Ｍ０の片側にのみ磁気シールド６を配置する構成において、厚みの異なる磁気シールド６を複数用意しておき、これらを使い分けして、磁場中心位置をシフトさせることもできる。また、透磁率の異なる磁気シールド６を複数用意しておき、これらを使い分けて磁場中心位置をシフトさせてもよい。

一方、上記構成例とは異なり、図３（Ｂ）の構成のように、磁気シールド６の取付け場所を変えることで磁場中心位置をシフトさせてもよい。
図３（Ｂ）では、スペーサーＳを挟んで磁気シールド６が電磁石Ｍ０の端部に取り付けられている。図示される磁場中心位置Ｂ０は磁気シールド６が無いときの磁場中心位置である。磁場中心位置Ｂ１は図２に構成と同じく、電磁石Ｍ０の端部に磁気シールド６を取り付けたときの磁場中心位置である。磁場中心位置Ｂ２は、スペーサーＳを挟んだときの磁場中心位置である。
このように、磁気シールドの有無や取り付け位置を変更して、磁場中心位置をシフトさせてもよい。
また、図３（Ｂ）の構成例で、厚みの異なるスペーサーを用意しておき、これらを使い分けして磁気シールド６の位置を変更させて、磁場中心位置をシフトするようにしてもよい。

上記構成例では、磁気シールド６は、Ｙ方向において、電磁石Ｍ０のコイル４が巻回されていない２つの端部に亘って設けられていたが、図３（Ｃ）のように各端部にだけ設けられていてもよい。この場合、両端部に亘って磁気シールド６が設けられていた図２（Ｂ）の構成例と比較して、磁場中心位置のシフト方向は反対となる。

磁気シールド６に代えて、電磁石Ｍ０を移動して磁場中心位置をシフトさせてもよい。図４には、電磁石Ｍ０を移動する構成例が描かれている。
図４（Ａ）では、各電磁石Ｍ０をＹ方向に沿った回転軸Ｒ周りに回転させて、図示される実線の状態から破線の状態とすることで、磁場中心位置を磁場中心位置Ｂ０から磁場中心位置Ｂ３へシフトさせている。
また、電磁石Ｍ０を回転させる代わりに、図４（Ｂ）のように、電磁石Ｍ０をイオンビームの引出し方向であるＺ方向へ移動させる直動機構を用意しておき、この直動機構による電磁石Ｍ０の移動に伴って磁場中心位置Ｂ０から磁場中心位置Ｂ３へシフトするように構成してもよい。なお、ここで言う電磁石Ｍ０の中心位置とは、Ｙ方向からみたときの磁極の中心位置を意味している。

図４では、電磁石Ｍ０の回転や直動により、電磁石Ｍ０の中心位置Ｍｃ０が中心位置Ｍｃ１に移動して、磁場中心位置Ｂ０が磁場中心位置Ｂ３へシフトする例について述べたが、例えば、電磁石Ｍ０の回転と直動を組み合わせる等、別の構成を用いて電磁石Ｍ０を移動させてもよく、電磁石Ｍ０の中心位置をＺ方向に向けて移動させることができれば、電磁石Ｍ０を移動させる構成はどのようなものであってもよい。

図４の構成であっても、図２や図３の構成と同様の効果を奏することができる。ただし、図４の構成では電磁石を移動させる回動や直動機構が必要となるため、磁気シールドを用いた構成例に比べて、装置構成の複雑化やコスト増の点で、不利となる。

また、図４の構成例では、一対の電磁石Ｍ０の両方が回動あるいは直動する構成であったが、一方を固定して、他方を移動させる構成としてもよい。その場合、磁場中心位置の移動量は、両方を移動させる場合に比べると小さなものになるが、微小な変化であっても、全く移動させていない場合に比べれば、イオンビーム中に含まれる所望イオンの比率を多少なりとも変化させることができる。
さらに、各電磁石の回転方向や移動方向は必ずしも一致させておく必要はない。例えば、各電磁石で生成される磁場の方向、大きさが同じものであれば、一方の電磁石の移動量を他方に比べて大きくしておけば、両者のバランスで決定される磁場中心位置をイオンビームの引出し方向にシフトさせることができる。

また、図５に示すように複数の電磁石Ｍ１、Ｍ２を使って磁場中心位置をシフトさせる構成を採用してもよい。ここで言う複数とは、イオンビームの引出し方向で異なる場所に複数の電磁石が配置されているという意味である。イオンビームの引出し方向で同じ位置に複数の電磁石が配置されていても、ここでは、それらの電磁石は１つの電磁石と同等とみなしている。

電磁石Ｍ１、Ｍ２は、図１や図２に記載の電磁石Ｍ０と同じ構成の電磁石である。各々の電磁石Ｍ１、Ｍ２で同じ方向に同じ大きさの磁場が生成されている場合、磁場中心位置は磁場中心位置Ｂ０となるが、電磁石Ｍ１の磁場を弱めることで、磁場中心位置を磁場中心位置Ｂ３へシフトさせることができる。

イオンビームの引出し方向の異なる位置に配置された複数の電磁石を利用して、磁場中心位置をシフトする構成については、図６に描かれているようにプラズマ生成容器２の開口５周りに追加の電磁石Ｍ３を設ける構成であってもよい。
例えば、電磁石Ｍ３は空芯コイルであり、同コイルによる磁場Ｂを図６（Ａ）に図示される矢印の方向に生成することで、磁場中心位置を磁場中心位置Ｂ０から磁場中心位置Ｂ１へシフトさせることができる。

上記実施形態では、Ｚ方向に磁場中心位置をシフトさせるものであったが、これを応用して、図７のようにＸ方向での磁場分布の補正に利用してもよい。
磁場中心位置での代表的な磁場分布が、本来であれば破線のようにＹ方向に真っ直ぐな磁場ＢＣ１となるところ、イオン源以外からの磁場漏れの影響等により、実線のＢＣ２のように波打った分布となることが起こり得る。
この際、電磁石Ｍ０に対して図示される位置へ磁性片７を取り付けて、磁場分布ＢＣ２が磁場分布ＢＣ１となるように磁場分布の補正を行ってもよい。

上述した実施形態では、電子供給部がプラズマ生成容器の上下両方に設けられていたが、必ずしも上下両方に設けられている必要はなく、いずれか一方に設けられていればよい。また、プラズマ生成容器の一端に電子供給部を設ける構成であれば、電子供給部に対向した位置に電界によって電子を反射する反射板を配置するようにしてもよい。
さらに、電子供給部からの電子の放出方向はＹ方向である必要はなく、Ｘ方向やＺ方向であっても構わない。同様に、電磁石による磁場の生成方向もＹ方向とは異なる方向にしてもよい。

また、電磁石の構成として、プラズマ生成容器の左右にＹ方向に長い本体部を備えた電磁石を配置する構成を例に挙げて説明したが、発明が対象とする電磁石の構成はこれに限られない。例えば、従来から知られているＣ型やＨ型といったヨークを有する電磁石を用いてもよい。
この場合、先の実施形態と同様に、イオンビームの引出し方向で、磁極の前後両方あるいはいずれかに磁気シールドを設けておく構成を採用するか、磁極の一部を可動式にしておき、部分的に回動、あるいは、直動させることで、磁場中心位置をシフトする構成とすることが考えられる。

プラズマ生成効率を考慮すれば、電子供給部から放出された電子を磁場によって効率的に捕捉することが求められる。このことから、磁場中心位置をシフトする範囲を制限してもよい。例えば、図２の例において、ＺＸ平面でみたときに、磁場中心位置が電子供給部からはみ出ない範囲内でシフトされるように制限しておく。

上述した本発明のイオン源は、イオン注入装置、イオンドーピング装置、イオンビームを用いた表面改質装置等のイオンビーム照射装置に応用することができる。

上記実施形態では、磁場中心位置をシフトさせるシフト手段として、磁気シールド、電磁石を回転、直動等させる駆動機構、イオンビームの引出し方向の異なる位置に配置された複数の電磁石や補助的な電磁石を例に挙げて説明したが、個別説明したシフト手段を適宜組み合わせて使用してもよい。

その他、本発明は上述した実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１．イオン源
２．プラズマ生成容器
３．電子放出部
４．コイル
５．開口
Ｂ０〜Ｂ３．磁場中心位置
Ｍ０〜Ｍ３．電磁石

Claims (7)

1. プラズマ生成容器から所定方向にイオンビームを引き出すイオン源で、
   前記プラズマ生成容器内に電子を供給する電子供給部と、
   前記電子供給部からの電子を捕捉する磁場を生成する電磁石と、を備え、
   前記磁場は前記プラズマ生成容器内において前記イオンビームの引出し方向との交差方向に生成され、
   前記イオンビームに含まれる所望イオンの比率を変更するために、前記イオンビームの引出し方向で、前記磁場の磁束密度が最も強くなる位置である磁場中心位置をシフトさせるシフト手段を有し、
   前記電磁石は、前記プラズマ生成容器の外側に配置されており、
   前記シフト手段は、前記電磁石を移動させることにより、前記電磁石の中心位置を移動するイオン源。
2. 前記シフト手段は、前記交差方向から見て、前記磁場中心位置が前記電子供給部からはみ出ない範囲内でシフトされるよう制限されている請求項１記載のイオン源。
3. プラズマ生成容器から所定方向にイオンビームを引き出すイオン源で、
   前記プラズマ生成容器内に電子を供給する電子供給部と、
   前記電子供給部からの電子を捕捉する磁場を生成する電磁石と、を備え、
   前記磁場は前記プラズマ生成容器内において前記イオンビームの引出し方向との交差方向に生成され、
   前記イオンビームに含まれる所望イオンの比率を変更するために、前記イオンビームの引出し方向で、前記磁場の磁束密度が最も強くなる位置である磁場中心位置をシフトさせるシフト手段を有し、
   前記シフト手段は、前記イオンビームの引出し方向の異なる位置に配置された複数の電磁石で構成されていて、各電磁石で生成される磁場の磁束密度を調整するイオン源。
4. プラズマ生成容器から所定方向にイオンビームを引き出すイオン源で、
   前記プラズマ生成容器内に電子を供給する電子供給部と、
   前記電子供給部からの電子を捕捉する磁場を生成する電磁石と、を備え、
   前記磁場は前記プラズマ生成容器内において前記イオンビームの引出し方向との交差方向に生成され、
   前記イオンビームに含まれる所望イオンの比率を変更するために、前記イオンビームの引出し方向で、前記磁場の磁束密度が最も強くなる位置である磁場中心位置をシフトさせるシフト手段を有し、
   前記シフト手段は、前記電磁石の磁場を遮蔽する着脱可能な磁気シールドを有していて、
   前記磁気シールドは、前記イオンビームの引出し方向で前記電磁石の両側またはいずれか一方側に配置されているイオン源。
5. 前記イオンビームの引出し方向で、前記電磁石と前記磁気シールドとの間の距離が可変に設定される請求項４記載のイオン源。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のイオン源を有するイオンビーム照射装置。
7. プラズマ生成容器から所定方向にイオンビームを引き出すイオン源の運転方法で、
   前記プラズマ生成容器内に電子を供給する電子供給部と、
   前記電子供給部からの電子を捕捉する磁場を生成する電磁石とを有し、
   前記電磁石は前記プラズマ生成容器の外側に配置され、前記磁場は前記プラズマ生成容器内において前記イオンビームの引出し方向との交差方向に生成されており、
   前記イオンビームに含まれる所望イオンの比率を変更するために、前記電磁石を移動させることにより、前記イオンビームの引出し方向で、前記磁場の磁束密度が最も強くなる位置である磁場中心位置を移動するイオン源の運転方法。