JP2020068161A

JP2020068161A - イオン源

Info

Publication number: JP2020068161A
Application number: JP2018201465A
Authority: JP
Inventors: 昌和足立; Masakazu Adachi; 酒井　滋樹; Shigeki Sakai; 滋樹酒井; 裕也平井; Yuya Hirai; 喬之村山; Takayuki Murayama; 智哉谷口; Tomoya Taniguchi; 維江趙; Iko Cho
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-04-30
Also published as: EP3657526A3; US10600608B1; EP3657526A2

Abstract

【課題】引出電極に反応物が堆積するのを抑制し、イオン源の長期安定稼働を実現する。【解決手段】イオン源１は、内部にハロゲン含有原料が供給されるプラズマ生成室２と、プラズマ生成室２のイオンビームが引き出される側の端部に取り付けられる板体３と、板体３の下流に配置される引出電極Ｅと、を有し、板体３にはガス供給路７が形成されていて、ガス供給路７を通じて引出電極Ｅに水素ガスが供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、イオンビームの引出しに使用されるイオン源で、長期間安定してイオンビームの引出しが可能なイオン源に関する。

イオン注入装置では、イオン源のプラズマチャンバ内でハロゲン含有のガスや蒸気を原料としてプラズマを生成し、当該プラズマからチャンバ下流側に配置された複数枚のイオンビーム引出し用の電極（以下、引出電極）を通してイオンビームの引き出しが行われている。

プラズマ生成に係る具体的な原料としてはＢＦ_３、ＰＦ_３、ＡｌＩ_３、ＡｌＣｌ₃等があり、原料に含まれるフッ素、ヨウ素、塩素等のハロゲン成分は、プラズマの生成に伴ってイオン化されて、プラズマチャンバの内壁やチャンバ前方に配置される引出電極と反応する。

プラズマチャンバ内は、プラズマが生成されていることもあり、比較的高温である。上述した反応物がプラズマチャンバ内で生成されたとしても熱により解離される。一方、チャンバ前方に配置された引出電極は、熱歪みを防止する目的で冷却されていることが多く、チャンバ温度よりも比較的低温になる。このことから、引出電極表面には反応物が堆積し易い。

イオン源の運転時間が長くなるのに従って、上述した反応物の堆積量は増加する。反応物の堆積は、引出電極の絶縁化やチャンバと引出電極との間で異常放電を引き起こす原因となり、堆積量が多過になればイオン源を正常に運転することが不可能になる。
そこで、特許文献１のように、ある段階で引出電極上に堆積した反応物を取り除くことが考えられている。

特開２０１６−１７７８７０

しかしながら、特許文献１の手法では引出電極上に堆積した反応物を取り除くことはできるものの、反応物を取り除くためのクリーニングまでの時間を長くして、いかにしてイオン源を長期間安定して稼動させるようにするのかについては何ら述べられていない。
量産製品を取り扱う半導体工場では生産性が求められており、上述したイオン源の長期安定稼働という課題を克服することが要求されている。

本発明では、引出電極に反応物が堆積するのを抑制して、イオン源の長期安定稼働を実現する。

本発明のイオン源は、
内部にハロゲン含有原料が供給されるプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室のイオンビームが引き出される側の端部に取り付けられる板体と、
前記板体の下流に配置される引出電極と、を有し、
前記板体にはガス供給路が形成されていて、
前記ガス供給路を通じて前記引出電極に水素ガスが供給される。

上記構成であれば、ハロゲン成分が引出電極と反応する前に引出電極に供給された水素ガスと反応するので、引出電極に反応物が堆積することを抑制することができる。その結果、引出電極をクリーニングするまでの時間が延びて、イオン源の長期安定稼働が実現できる。

前記板体は前記プラズマ生成室の壁面を構成していてもいい。
板体をプラズマ生成室の壁面と兼用させることができるので、プラズマ生成室を構成する部材を減らすことができる。

イオンビームの引き出し方向からみて、前記板体は前記プラズマ生成室より突出した領域を有し、前記突出領域に前記水素ガスが導入される構成としてもよい。
上記構成であれば、この領域を使って様々なガス供給路を形成することが容易となる。

前記ガス供給路の一部は、前記板体に形成された溝と当該溝を塞ぐカバーとで構成されていてもいい。上記構成であれば、ガス供給路の形成やメンテナンスが容易となる。

前記引出電極にはイオンビーム引き出し用の孔が形成されていて、前記板体から前記孔に向けて水素ガスの供給が行われる。

異常放電は引出電極のイオンビーム引き出し用の孔近傍での堆積物が原因となって発生する。引出電極のイオンビーム引き出し用の孔に向けて水素ガスを供給する構成にすることで、孔近傍での堆積物の生成を効果的に抑制することでき、ひいては異常放電の発生を抑制することが可能となる。

前記引出電極にはイオンビーム引き出し用の長孔が形成されていて、
前記板体には前記長孔の長手方向に沿って一又は複数の水素ガスの放出口が形成されている。

また、前記プラズマ生成室に水素ガスを供給する供給源を備える構成を併用してもよい。

ハロゲン成分が引出電極と反応する前に引出電極に供給された水素ガスと反応するので、引出電極に反応物が堆積することを抑制することができる。その結果、引出電極をクリーニングするまでの時間が延びて、イオン源の長期安定稼働が実現できる。

イオン源の模式的平面図図１記載のイオン源の斜視図ガスの流入出に係る一構成例ガス供給路の構造説明図ガスの流入出に係る別の構成例ガスの流入出に係る更なる構成例ガスの流入出に係る他の構成例ガスの流入出に係る他の構成例ガスの流入出に係る他の構成例プラズマ生成室にも水素ガスを供給したときの構成例

図１は本発明に係るイオン源の模式的平面図である。図示されるＺ方向はイオンビームの引き出し方向であり、Ｙ方向はプラズマ生成室２の長手方向である。Ｘ方向はＹ方向とＺ方向の両方向に直交している。

イオン源１は、主にプラズマ生成室２、板体３および引出電極Ｅから構成されている。
板体３は、プラズマ生成室２のイオンビームが引き出される側の端部に取付けられる部材で、Ｚ方向で引出電極Ｅと対向している。
この例では、引出電極Ｅは、抑制電極１０と接地電極１１から構成されているが、この枚数に限定されているわけではなく、イオン源の構成によっては電極枚数を３枚や４枚にしてもよい。

プラズマ生成室２には、ドーパントガス供給源２１からハロゲン含有原料（例えば、ＢＦ_３）が供給されて、アーク放電によってプラズマ生成室２の内部にプラズマが生成される。プラズマ生成室２の内部に生成されたプラズマは、引出電極Ｅを通してイオンビームとしてプラズマ生成室２の外部に引き出される。

板体３にはガス供給路７が形成されていて、水素ガスの供給源２２から板体３に形成されたガス供給路７を通じて、引出電極Ｅ（特に、抑制電極１０）に向けて水素ガスの供給が行われる。

プラズマ生成室２でハロゲン含有原料から生成されたハロゲンイオン（例えば、フッ素イオン）が、イオンビームの引き出しに伴って引出電極Ｅ側に放出される。放出されたハロゲンイオンは引出電極Ｅと反応し、その反応物が引出電極Ｅ上に堆積する。
しかしながら、図１の構成では、板体３の供給路を通して水素ガスを引出電極Ｅに供給しているので、ハロゲンイオンが引出電極Ｅと反応する前にハロゲンイオンと水素ガスとを反応させることが可能となる。

その結果、引出電極での反応物の生成量が減り、上述した反応物の堆積量が減少するので、引出電極をクリーニングするまでの時間が延びて、イオン源の長期安定稼働が実現できる。
なお、ハロゲンイオンと水素ガスとの反応物は気体となり、図示されない真空ポンプを通じて真空チャンバ外に排出される。

上述した水素ガスの引出電極への供給に関し、以下に図２乃至図１０を用いて種々の構成例を説明する。

図２は、イオン源１の斜視図である。同図では引出電極Ｅの図示を省略している。図２に描かれているように、水素ガスを引出電極Ｅ側に放出するガス放出口５を複数個設けておいてもいい。

また、板体３とプラズマ生成室２との関係は、Ｚ方向において、板体３がプラズマ生成室２から突出した突出領域（図中のハッチングされている領域）を有するように構成されている。本構成例において、突出領域に関して別の言い方をすると、ＸＹ平面で寸法関係を比べたときに、板体３の寸法がプラズマ生成室２の寸法よりも大きい関係にあると言える。
上述した突出領域を設けておけば、この領域を使って様々なガス供給路を形成することが容易となり、ガス供給路の設計自由度が向上する。

図３は、図２に描かれる突出領域を有するイオン源の構成例で、イオン源をプラズマ生成室２側からみたときのＸＹ平面図である。この例では、１つのガス導入口８から水素ガスを導入し、板体３に形成されたガス供給路７を通じて複数のガス放出口５から引出電極Ｅに水素ガスの供給が行われている。

ガス供給路７の形成については、例えば、板体３に一方向に延びた貫通孔を空ける等して形成してもいいが、図４に示す構成を用いることが望ましい。
例えば、図４（Ａ）に描かれる凸状の溝７１を板体３の表面に形成しておき、ここに同溝を部分的に塞ぐカバー６を配置する。カバー６の配置により、図４（Ｂ）に描かれているように、ガス供給路７が板体３に形成される。

図４で述べたガス供給路７の形成手法を用いれば、カバー６を取り外すことでガス供給路７内のメンテナンスを容易に行うことができる。この手法であれば、板体３の表面ではなく、内部のみを切削してガス供給路を形成する手法に比べ、様々な形状のガス供給路を容易に形成することができる等の点で優れている。

図３の構成では、板体３のガス導入口８が１つであったが、これでは引出電極Ｅ側に供給される水素ガスの供給分布に偏りが発生することが懸念されるため、図５に示す構成を用いてもよい。図５では、板体３に形成されるガス導入口８とガス放出口５をイオンビーム引き出し孔４の中心に対して左右上下で対称配置にしている。このような構成を採用することで、水素ガスの供給分布の偏りをなくすようにしてもいい。
ただし、必ずしも上述した対称配置構造を採用する必要はなく、局所的に水素ガスの供給量を多くする等の理由でこれまでに述べた非対称配置の構成例を採用してもよい。

また、図３の構成では、突出領域内にガス導入口８、ガス放出口５およびガス供給路７をそれぞれ設けていたが、本発明は必ずしもこのような構成に限定されるものではない。
例えば、図６のようにガス放出口５をイオンビーム引き出し孔４側に寄せておき、ガス供給路７をイオンビーム引き出し孔４側に突出させて、部分的に板体３の突出領域以外の領域を利用してもいい。

さらに、Ｙ方向で広範囲に水素ガスの供給を行いつつ、ガス放出口５の数を減らすのであれば、図７のように、イオンビーム引き出し孔４の左右に形成されるガス供給路７でガス放出口５の配置を千鳥配置にしてもよい。

また、ガス供給路７はイオンビーム引き出し孔４を囲うように板体３に形成されている必要はなく、板体３の一部に形成されていればいい。例えば、図７に描かれているように、板体３に複数本のガス供給路７が形成されていてもよい。

これまでの構成例では、プラズマ生成室２との関係で板体３には突出領域が設けられていたが、このような突出領域が板体３に設けられていない構成であってもよい。この場合、ＸＹ平面での寸法関係を言えば、プラズマ生成室２の寸法と板体３の寸法が同じか、板体３の寸法の方が小さくなる。

図８や図９の構成例では、板体３は突出領域を有していない。これらの構成例で図示されているように、板体３への水素ガスの導入はＸ方向側の板体３の端部から行われている。

これまでの構成例では、プラズマ生成室２に加えて、板体３にもイオンビーム引き出し孔４を形成していたが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、図９（Ａ）、図９（Ｂ）のようにプラズマ生成室２の中央端部を引出電極Ｅ側に突出する構成とし、その周囲に板体３を配置する構成にしてもよい。このような構成にすれば、板体３にイオンビーム引き出し孔４を形成する必要がない。

ガス供給路７について、直線状やクランク状の構成以外に、曲線状の構成を採用してもいい。また、ガス供給路は、Ｘ方向、Ｚ方向に平行な経路にする必要はなく、図９（Ａ）のように、引出電極Ｅのイオンビーム引き出し孔４に向かうようにガス供給路７を形成しておいてもいい。異常放電は引出電極Ｅのイオンビーム引き出し孔４近傍での堆積物が原因となる。イオンビーム引き出し孔４に向けて水素ガスを供給する構成にすることで、孔近傍での堆積物の生成を効率的に抑制することできる。

引出電極Ｅのイオンビーム引き出し孔４に向けて水素ガスを供給する構成については、必ずしもガス供給路７をＸ方向あるいはＺ方向に対して斜めに設ける必要はない。図８のようにクランク状にガス供給路７を形成しておき、ガス放出口５を引出電極Ｅのイオンビーム引き出し孔４の近傍と対向する位置に配置するようにしてもいい。

これまでの構成例では、プラズマ生成室２の外側から板体３へ水素ガスを導入して、板体３を通じて引出電極Ｅに水素ガスを供給する構成について説明したが、同構成に加えて、プラズマ生成室２にも水素ガスを導入するようにしてもいい。この構成例が図１０に描かれている。

図１０の構成では、図８の構成に加えて、プラズマ生成室２に水素ガスを導入するための水素ガスの供給源２３を備えている。プラズマ生成室２の内部に水素ガスが供給されることで、供給された水素ガスがイオン化される。
例えば、ドーパントガス供給源２１からハロゲン含有原料（例えば、ＢＦ_３）が供給されると、イオンビームの引き出しに際して、図示されるフッ素イオンＦ^＋と水素イオンＨ^＋が放出される。

フッ素イオンはガス供給路７から供給される水素ガスＨ_２と結びついて、引出電極Ｅでのフッ化物の堆積を抑制することができるが、水素ガスの供給場所やプラズマ生成室２側から放出されるフッ素イオンの量によっては引出電極Ｅ上でのフッ化物の堆積が十分に発生してしまうことが考えられる。

このような場合でも、プラズマ生成室２側から水素イオンも供給する構成にしておけば、水素イオンが電極表面のフッ化物に作用して、引出電極上に堆積したフッ化物を取り除くことが可能となる。

上記構成例で述べたハロゲン含有原料はガスとしてプラズマ生成室２に供給されるものであってもいいが、固体の状態でベーパライザーに供給されて、ベーパライザーで気化した後にプラズマ生成室２に供給されるものであってもいい。ハロゲン含有原料の具体例としては、ＢＦ_３、ＰＦ_３、ＡｌＩ_３、ＡｌＣｌ_３等が考えられる。

プラズマ生成室２や板体３の形状については、特段の限定はなく、直方体や矩形状、円筒状や円板状のものであってもよい。

プラズマ生成室２へのガス供給に関し、ドーパントガス供給源２１と水素ガスの供給源２３から個別に行う構成が図１０に描かれているが、プラズマ生成室２への各ガスの供給に先立ち、途中の経路で両ガスを混合し、混合ガスをプラズマ生成室２へ供給する構成であってもよい。

また、新たな供給源を追加することなく、もともと備わっている水素ガスの供給源２２を利用して、プラズマ生成室２と板体３の両方に水素ガスを供給してもいい。

上述した実施形態において、水素ガスの供給は引出電極Ｅに対して行われているが、必ずしも引出電極Ｅを構成する全ての電極に対して水素ガスの供給が行われる必要はない。例えば、プラズマ生成室２から最も近い位置にある抑制電極１０は反応物が堆積し易い傾向にあるので、この電極だけに水素ガスが供給される構成にしてもよい。

また、ガス放出口５として板体３に複数の孔を設ける構成を挙げて説明したが、各孔を連結して一つの長孔にしても構わない。

さらに、板体３とプラズマ生成室２とを別体にしてもいいが、板体３がプラズマ生成室２の一部を兼ねるようにしてもいい。例えば、プラズマ生成室２の引出電極Ｅ側の端面を開放しておき、この開放面を板体３で塞ぐようにすれば、板体３をプラズマ生成室２の一面と兼用することが可能となり、部材費用が低減できる。

その他、本発明は前記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プラズマ生成室
３板体
４イオンビーム引き出し孔
６カバー
７ガス供給路
１０抑制電極
１１接地電極
２２水素ガスの供給源
Ｅ引出電極

Claims

内部にハロゲン含有原料が供給されるプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室のイオンビームが引き出される側の端部に取り付けられる板体と、
前記板体の下流に配置される引出電極と、を有し、
前記板体にはガス供給路が形成されていて、
前記ガス供給路を通じて前記引出電極に水素ガスが供給されるイオン源。
前記板体は前記プラズマ生成室の壁面を構成している請求項１記載のイオン源。
イオンビームの引き出し方向からみて、前記板体は前記プラズマ生成室より突出した領域を有し、前記突出領域に前記水素ガスが導入される請求項１または２記載のイオン源。
前記ガス供給路の一部は、前記板体に形成された溝と当該溝を塞ぐカバーとで構成されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載のイオン源。
前記引出電極にはイオンビーム引き出し用の孔が形成されていて、
前記板体から前記孔に向けて水素ガスの供給が行われる請求項１乃至４のいずれか一項に記載のイオン源。
前記引出電極にはイオンビーム引き出し用の長孔が形成されていて、
前記板体には前記長孔の長手方向に沿って一又は複数の水素ガスの放出口が形成されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載のイオン源。
前記プラズマ生成室に水素ガスを供給する供給源を備えた請求項１乃至６のいずれか一項に記載のイオン源。