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JP3473219B2 - Ion beam generator - Google Patents

Ion beam generator

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Publication number
JP3473219B2
JP3473219B2 JP27698795A JP27698795A JP3473219B2 JP 3473219 B2 JP3473219 B2 JP 3473219B2 JP 27698795 A JP27698795 A JP 27698795A JP 27698795 A JP27698795 A JP 27698795A JP 3473219 B2 JP3473219 B2 JP 3473219B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
plasma
ion
power supply
ion beam
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
JP27698795A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0997571A (en
Inventor
恭博 松田
茂明 岸田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nissin Electric Co Ltd filed Critical Nissin Electric Co Ltd
Priority to JP27698795A priority Critical patent/JP3473219B2/en
Publication of JPH0997571A publication Critical patent/JPH0997571A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3473219B2 publication Critical patent/JP3473219B2/en
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】この発明は、例えばイオン注
入装置、イオンドーピング装置(非質量分離型イオン注
入装置)、イオン照射と真空蒸着を併用する薄膜形成装
置等のように、イオンビームを処理対象物に照射して処
理を行う場合に用いられるイオンビーム発生装置に関す
る。 【0002】 【従来の技術】図9は、従来のイオンビーム発生装置を
用いたイオン注入装置の一例を示す断面図である。この
イオン注入装置は、イオンビーム40を射出するイオン
源2と、それにイオンビーム引出し用の電圧を印加する
電源装置30とを有するイオンビーム発生装置のイオン
源2を、処理室42の上部に取り付けた構造をしてい
る。 【0003】処理室42内には、処理対象物の一例であ
る基板46を保持するホルダ44が設けられている。ま
た、この処理室42は、図示しない真空排気装置によっ
て真空排気される。 【0004】イオン源2は、図示例のものは高周波イオ
ン源であり、ガスが導入されそれを高周波放電によって
電離させてプラズマ14を発生させるプラズマソース部
4と、このプラズマソース部4の出口付近に設けられて
いて、プラズマソース部4内のプラズマ14から電界の
作用でイオンビーム40を引き出す引出し電極系20と
を有している。 【0005】プラズマソース部4は、側壁6aと、それ
に絶縁碍子8を介して取り付けられた背面板6bとを有
するプラズマ生成容器6を備えており、その内部に、こ
の例では引出し電極系20を通して下流側からガスが導
入される。また、この例では側壁6aおよび背面板6b
がそれぞれ電極(放電電極)を兼ねており、両者間に整
合回路18を介して高周波電源16が接続されている。
但し、ガスは、プラズマ生成容器6内に直接導入される
場合もある。 【0006】引出し電極系20は、この例では、最プラ
ズマ側から下流側に向けて配置された第1電極21、第
2電極22、第3電極23および第4電極24を有して
いる。26は絶縁碍子である。これらの各電極21〜2
4は、この例では多孔電極であるが、イオン引出しスリ
ットを有する場合もある。 【0007】第1電極21は、引き出すイオンビーム4
0のエネルギーを決める電極であり、この例では電源装
置30を構成する第1電源31から、接地電位を基準に
して正の高電圧が印加される。この第1電極21とプラ
ズマソース部4(より具体的にはそれを構成するプラズ
マ生成容器6)とは、互いに接続されて同電位にある。 【0008】第2電極22は、第1電極21との間に電
位差を生ぜしめそれによる電界によってプラズマ14か
らイオンビーム40を引き出す電極であり、この例では
電源装置30を構成する第2電源32から、第1電極2
1の電位を基準にして負の電圧が印加される。 【0009】第3電極23は、下流側からの逆流電子を
抑制する電極であり、この例では電源装置30を構成す
る第3電源33から、接地電位を基準にして負の電圧が
印加される。 【0010】第4電極24は、接地されている。 【0011】図9のイオン注入装置の動作例を説明する
と、処理室42内のホルダ44上に所望の基板46を保
持して処理室42内を真空排気しながら、イオン源2の
プラズマソース部4内に引出し電極系20の下流側から
所望のガスを導入し、側壁6aと背面板6b間に高周波
電源16から例えば13.56MHzの周波数の高周波
電力を供給すると、側壁6aと背面板6b間で高周波放
電が起こりそれによってガスが分解されてプラズマ14
が作られる。このプラズマ14中のイオンは、引出し電
極系20によってイオンビーム40として引き出され
る。引き出されたイオンビーム40は、質量分離を行う
ことなくそのまま基板46に照射され、イオン注入(イ
オンドーピング)が行われる。 【0012】ところで、例えば多結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタを製造するような場合、1011〜1012イオン
/cm2 台の低ドーズ量の注入を行う必要がある。 【0013】このような低ドーズ量注入に上記イオンビ
ーム発生装置を用いるためには、そのイオン源2から引
き出すイオンビーム40のイオン電流密度を小さくしな
ければならないが、上述した従来のイオンビーム発生装
置では当該イオン電流密度を小さくするには限界があっ
た。 【0014】これは、プラズマソース部4内で生成した
プラズマ14は、それを構成する電子の移動速度の方が
イオンのそれよりも遙かに大きいため、多数の電子によ
ってプラズマ生成容器6および第1電極21はプラズマ
14に対して負の電位になり、見方を変えればプラズマ
14はプラズマ生成容器6および第1電極21に対して
正の電位になるため、第2電源32の出力電圧V2をた
とえ0にしても、プラズマ14と第1電極21との間に
存在する上記電位差でイオンが引き出され、イオンビー
ム40のイオン電流密度を0にすることはできないから
である。そのため従来は、イオンビーム40のイオン電
流密度を下げる際には、プラズマ14の密度を下げるこ
とを併用していたが、プラズマ14の密度を下げるため
にはプラズマ14への投入電力、即ち高周波電源16か
らプラズマ14に供給する電力を下げる必要があり、そ
のようにすると、プラズマ14が維持できなくなった
り、維持できたとしても維持できる下限があるため、イ
オンビーム40のイオン電流密度を小さくするには限界
があった。 【0015】図10は、上記の状況を図示したものであ
り、プラズマ14への投入電力をプラズマ維持の下限よ
り下げると、プラズマが消え、イオンビーム40を引き
出せなくなる。 【0016】イオンビーム40のイオン電流密度をあま
り小さくできないと、低ドーズ量注入を行う場合には、
注入時間が例えば数秒あるいは1秒以下となり、所定の
ドーズ量注入を行うための制御性および再現性が悪くな
ってしまう。 【0017】このような従来技術の課題を解決すること
ができるイオンビーム発生装置が、同一出願人によって
先に提案されている(特願平7−136003号)。そ
の一例を図11に示す。 【0018】このイオンビーム発生装置は、前述したイ
オン源2において、その引出し電極系20を構成する第
1電極21とプラズマソース部4(より具体的にはその
プラズマ生成容器6。)との間に絶縁物50を設けて、
第1電極21とプラズマソース部4との間を電気的に絶
縁すると共に、従来の電源装置30に相当する電源装置
30a内に、第1電極21にプラズマソース部4を基準
にして正または負のバイアス電圧VBを印加する直流の
バイアス電源38を設けたものである。 【0019】このバイアス電圧VBを正または負に大き
くすることよって、例えば図12に示すように、プラズ
マ14への投入電力を下げなくても、イオン電流密度を
従来の下限よりも更に小さくすることができる。これ
は、バイアス電圧VBを正にして第1電極21に正電位
を印加した場合は、プラズマソース部4内のプラズマ1
4から引き出されようとするイオンの一部がこの正電位
の第1電極21によって跳ね返され、逆にバイアス電圧
VBを負にして第1電極21に負電位を印加した場合
は、プラズマソース部4内のプラズマ14から引き出さ
れようとするイオンの一部がこの負電位の第1電極21
に吸収され、いずれも引き出せるイオンの量が減少する
からであると考えられる。ちなみに、バイアス電圧VB
が0のときのイオン電流密度J1 またはJ2 が従来の下
限に相当する。 【0020】 【発明が解決しようとする課題】上記先行例のイオンビ
ーム発生装置においては、第1電極21に正または負の
バイアス電圧VBを印加すると確かにイオン電流密度を
減少させることはできるが、イオン電流の低密度化は、
図12からも分かるように、より効果的な正のバイアス
電圧VBを印加した時でも、0バイアスの時と比較して
せいぜい3分の1程度、イオン電流密度にして下限は5
0〜60nA/cm2 程度であった。これでは、低ドー
ズ量注入を行うには、例えば1011イオン/cm2 台の
注入を行うには、制御性や再現性を確保する上で必ずし
も十分とは言えない場合もある。 【0021】そこでこの発明は、上記のような先行例の
装置を更に改良して、より低密度のイオンビームを引き
出すことができるようにしたイオンビーム発生装置を提
供することを主たる目的とする。 【0022】 【課題を解決するための手段】この発明のイオンビーム
発生装置は、前記イオン源においてその引出し電極系を
構成する電極の内の最もプラズマ側の第1電極とプラズ
マソース部との間に絶縁物を設けて両者間を電気的に絶
縁しており、かつ前記電源装置が、この第1電極に、プ
ラズマソース部を基準にして正のバイアス電圧を印加す
る直流のバイアス電源と、この第1電極のすぐ下流側の
第2電極に、プラズマソース部を基準にして正の制御電
圧を印加する直流の制御電源とを有していることを特徴
とする。 【0023】上記構成によれば、第2電極の電位は、プ
ラズマソース部内のプラズマからイオンを引き出す障壁
になり、しかもこの第2電極の電位は、間に、バイアス
電圧によって電位の固定された第1電極が存在するた
め、プラズマの電位に影響を及ぼさない。従って、制御
電圧によって第2電極の電位を高くすることによって、
より低密度のイオンビームを引き出すことが可能にな
る。 【0024】 【発明の実施の形態】図1は、この発明に係るイオンビ
ーム発生装置を用いたイオン注入装置の一例を示す断面
図である。図9の従来例および図11の先行例と同一ま
たは相当する部分には同一符号を付し、以下においては
前記先行例との相違点を主に説明する。 【0025】この実施例においても、前述したイオン源
2において、その引出し電極系20を構成する第1電極
21とプラズマソース部4(より具体的にはそのプラズ
マ生成容器6。以下同じ)との間に絶縁物50を設け
て、第1電極21とプラズマソース部4との間を電気的
に絶縁している。 【0026】更にこの実施例では、先行例の電源装置3
0aに対応するものであって、上記イオン源2と共にイ
オンビーム発生装置を構成する次のような構成の電源装
置30bを備えている。 【0027】即ち、この電源装置30bは、上記第1電
極21に、プラズマソース部4を基準にして正のバイア
ス電圧VBを印加する直流のバイアス電源37と、この
第1電極21のすぐ下流側の第2電極22に、プラズマ
ソース部4を基準にして正の制御電圧VSを印加する直
流の制御電源39とを有している。この電源装置30b
は更に、先行例の場合と同様に、プラズマソース部4に
接地電位を基準にして正の高電圧を印加する第1電源3
1と、第3電極23に接地電位を基準にして負の電圧を
印加する第3電源33とを有している。 【0028】バイアス電源37および制御電源39は、
出力電圧可変の方が制御性が良いので好ましい。第1電
源31および第3電源33の出力電圧V1ないしV3を
可変とするか固定とするかは任意である。 【0029】上記各電圧の大きさを例示すると、出力電
圧V1は例えば30kV〜100kV程度、出力電圧V
3は例えば500V〜1kV程度、バイアス電圧VBは
例えば0〜200V程度、制御電圧VSは例えば0〜2
00V程度である。 【0030】このような電源装置30bを用いた場合の
イオン源2における電位分布の一例を図2に示す。プラ
ズマソース部4の電位は第1電源31の出力電圧V1に
よって決められ、それよりバイアス電源37の出力電圧
(即ちバイアス電圧VB)だけ上がった所に第1電極2
1の電位があり、またプラズマソース部4より制御電源
39の出力電圧(即ち制御電圧VS)だけ上がった所に
第2電極22の電位があり、第3電極23の電位は第3
電源33の出力電圧V3によって決められる。また、プ
ラズマ14が、背面板6bおよび側壁6aから成るプラ
ズマ生成容器6に対して正の電位になるのは前述のとお
りである。 【0031】図11に示した先行例のイオンビーム発生
装置において、第1電極21に正のバイアス電圧VBを
印加しても、イオン電流密度を0バイアス時の3分の1
程度にしか下げられなかったのは、次の理由によるもの
と考えられる。 【0032】即ち、第1電極21に正のバイアス電圧V
Bを印加した時のイオン電流密度は、プラズマ14の電
位と第1電極21の電位との間の電位差ΔVに依存し、
それが小さいとイオン電流密度も小さくなる。図13は
先行例の装置においてバイアス電圧VBが小さい場合の
電位分布を、図14はバイアス電圧VBが大きい場合の
電位分布をそれぞれ示すが、バイアス電圧VBを大きく
しても、図14に示すように、第1電極21に面してい
るプラズマ14の電位も第1電極21の電位に引きずら
れて上昇するため、上記電位差ΔVはあまり小さくなら
ず、これがイオン電流密度をあまり下げることができな
い理由であると考えられる。 【0033】これに対してこの実施例では、上述したよ
うに、第2電極22にもプラズマソース部4を基準にし
て正の制御電圧VSを印加するように構成しており、こ
の第2電極22の電位は、間に、バイアス電圧VBによ
って電位の固定された第1電極21が存在するため、プ
ラズマ14の電位に影響を及ぼさない。従って、制御電
圧VSによって第2電極22の電位をプラズマ14の電
位に近づけたりプラズマ14の電位よりも高くすること
ができる。図2の例では、プラズマ14と第2電極22
との間の電位差ΔV′はほぼ0である。この第2電極2
2の電位は、プラズマ14からイオンを引き出す障壁に
なるので、第2電極22の電位を上記のように高くする
ことによって、イオン源2から引き出すイオンビーム4
0のイオン電流密度の下限を先行例の場合よりも更に小
さくすることができ、より低密度のイオンビーム40を
引き出すことが可能になる。 【0034】図3は、制御電圧VSとイオン電流密度と
の関係の実測結果の一例を示すものであり、これはイオ
ン源2への投入高周波電力が10W、出力電圧V1が1
0kV、出力電圧V3が0.2kVのときのものであ
る。この図から、制御電圧VSによってイオン電流密度
を制御することができ、例えば制御電圧VSを80V程
度以上にすれば、イオン電流密度を先行例の場合よりも
更に小さくして0にまで下げられることが分かる。 【0035】またこの図3から、バイアス電圧VBを大
きくする方が、カーブの傾きが緩やかになるので、制御
電圧VSによるイオン電流密度の制御を行いやすいこと
が分かる。 【0036】上記のようにして、イオン源2から引き出
すイオンビーム40のイオン電流密度を先行例の下限よ
りも更に小さくすることができる結果、基板46に対し
て低ドーズ量注入を行う場合に注入時間をより長くする
ことができるので、所定のドーズ量注入を行う場合の制
御性および再現性が一層向上する。 【0037】図4ないし図7は、それぞれ、この発明に
係るイオンビーム発生装置を構成する電源装置の他の例
を示す図である。いずれの例の場合も、バイアス電源3
7によって第1電極21にプラズマソース部4を基準に
して正のバイアス電圧VBを印加すると共に、制御電源
39によって第2電極22にプラズマソース部4を基準
にして正の制御電圧VSを印加した状態でイオンビーム
40を引き出すことができるので、図1に示した例の場
合と同様に、イオンビーム40のイオン電流密度を先行
例の下限よりも更に小さくすることができる。この内、
図5〜図7の例では、第2電極22のプラズマソース部
4に対する電位は、バイアス電圧VBと制御電圧VSと
を加算したものとなるので、制御電源39自体の出力電
圧は、図1または図4の例の場合よりも小さくて済む。 【0038】なお、上記制御電源39の出力電圧すなわ
ち制御電圧VSを、正と負とに切り換えて出力すること
ができるようにしても良く、そのようにすれば、イオン
電流密度を下げての低ドーズ量注入およびイオン電流密
度を上げての高ドーズ量注入の両方に対応することがで
きる。前者の場合は前述のとおりであり、後者の場合を
ここで説明すると、制御電圧VSを負にすると、イオン
源2における電位分布は例えば図8に示すようになり、
プラズマ14と第2電極22との間の電位差ΔV′は大
きくなるので、イオン源2から引き出すイオンビーム4
0のイオン電流密度は大きくなり、従って高ドーズ量注
入に適用することができる。この場合は、バイアス電圧
VBは例えば0にすれば良い。 【0039】また、イオン源2のプラズマソース部4
は、上記例のように高周波放電によってガスを電離させ
てプラズマ14を生成する方式のものに限定されるもの
ではなく、それ以外の方式のもの、例えばマイクロ波放
電によってガスを電離させてプラズマ14を生成する方
式のもの、あるいは直流のアーク放電によってガスを電
離させてプラズマ14を生成する方式のもの等でも良
い。 【0040】また、イオン源2の引出し電極系20を構
成する電極の枚数も、上記例のような4枚に限定される
ものではなく、それ以外の複数枚、例えば2枚、3枚、
5枚等でも良い。 【0041】 【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、制御電
源から出力する正の制御電圧によって、第2電極の電位
をプラズマソース部内のプラズマの電位に近づけたりプ
ラズマの電位よりも高くすることができるので、イオン
源から引き出すイオンビームのイオン電流密度の下限を
先行例の場合よりも更に小さくすることができ、より低
密度のイオンビームを引き出すことが可能になる。 【0042】従ってこのようなイオンビーム発生装置を
例えばイオン注入に用いれば、基板に対して低ドーズ量
注入を行う場合に注入時間をより長くすることができる
ので、所定のドーズ量注入を行う場合の制御性および再
現性が一層向上する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to, for example, an ion implantation apparatus, an ion doping apparatus (non-mass separation type ion implantation apparatus), and a thin film forming apparatus using both ion irradiation and vacuum deposition. The present invention relates to an ion beam generator used for performing a process by irradiating an object to be processed with an ion beam as in the above. FIG. 9 is a sectional view showing an example of an ion implantation apparatus using a conventional ion beam generator. In this ion implantation apparatus, an ion source 2 of an ion beam generator having an ion source 2 for emitting an ion beam 40 and a power supply 30 for applying a voltage for extracting an ion beam to the ion source 2 is mounted on an upper part of a processing chamber 42. It has a structure. In the processing chamber 42, a holder 44 for holding a substrate 46 which is an example of an object to be processed is provided. The processing chamber 42 is evacuated by a not-shown evacuation device. [0004] The ion source 2 is a high-frequency ion source in the illustrated example, and a plasma source 4 for generating a plasma 14 by introducing a gas and ionizing the same by high-frequency discharge, and a portion near the outlet of the plasma source 4. And an extraction electrode system 20 for extracting the ion beam 40 from the plasma 14 in the plasma source unit 4 by the action of an electric field. [0005] The plasma source section 4 includes a plasma generation vessel 6 having a side wall 6a and a back plate 6b attached thereto via an insulator 8 therein. Gas is introduced from the downstream side. In this example, the side wall 6a and the back plate 6b
Also serve as electrodes (discharge electrodes), and a high-frequency power supply 16 is connected between them via a matching circuit 18.
However, the gas may be directly introduced into the plasma generation container 6 in some cases. In this example, the extraction electrode system 20 has a first electrode 21, a second electrode 22, a third electrode 23 and a fourth electrode 24 arranged from the most plasma side to the downstream side. 26 is an insulator. These electrodes 21 and 2
Reference numeral 4 denotes a porous electrode in this example, but may have an ion extraction slit. The first electrode 21 is provided with an ion beam 4 to be extracted.
In this example, a positive high voltage is applied from the first power supply 31 constituting the power supply device 30 with reference to the ground potential. The first electrode 21 and the plasma source unit 4 (more specifically, the plasma generation container 6 constituting the same) are connected to each other and have the same potential. The second electrode 22 is an electrode which generates a potential difference between the first electrode 21 and the ion beam 40 from the plasma 14 by an electric field caused by the potential difference. In this example, a second power supply 32 constituting the power supply device 30 is used. From the first electrode 2
A negative voltage is applied with reference to the potential of 1. The third electrode 23 is an electrode for suppressing backflow electrons from the downstream side. In this example, a negative voltage is applied from a third power supply 33 constituting the power supply device 30 with reference to the ground potential. . The fourth electrode 24 is grounded. An operation example of the ion implantation apparatus shown in FIG. 9 will be described. The plasma source section of the ion source 2 is held while a desired substrate 46 is held on a holder 44 in the processing chamber 42 and the processing chamber 42 is evacuated. When a desired gas is introduced from the downstream side of the extraction electrode system 20 into the inside 4 and high-frequency power of a frequency of, for example, 13.56 MHz is supplied from the high-frequency power supply 16 between the side wall 6a and the back plate 6b, the gap between the side wall 6a and the back plate 6b A high-frequency discharge occurs in the gas, whereby the gas is decomposed and the plasma 14
Is made. The ions in the plasma 14 are extracted by the extraction electrode system 20 as an ion beam 40. The extracted ion beam 40 is directly irradiated onto the substrate 46 without performing mass separation, and ion implantation (ion doping) is performed. When a polycrystalline silicon thin film transistor is manufactured, for example, it is necessary to perform implantation at a low dose of the order of 10 11 to 10 12 ions / cm 2 . In order to use the ion beam generator for such low dose implantation, the ion current density of the ion beam 40 extracted from the ion source 2 must be reduced. The apparatus has a limit in reducing the ion current density. This is because, in the plasma 14 generated in the plasma source unit 4, the moving speed of the electrons constituting the plasma 14 is much higher than that of the ions. Since the first electrode 21 has a negative potential with respect to the plasma 14, and from a different viewpoint, the plasma 14 has a positive potential with respect to the plasma generation container 6 and the first electrode 21. This is because, even if it is 0, ions are extracted due to the potential difference existing between the plasma 14 and the first electrode 21, and the ion current density of the ion beam 40 cannot be reduced to 0. Therefore, conventionally, when the ion current density of the ion beam 40 is reduced, the density of the plasma 14 is also reduced. However, in order to reduce the density of the plasma 14, the power supplied to the plasma 14, It is necessary to reduce the power supplied to the plasma 14 from 16, and if this is done, the plasma 14 cannot be maintained, or if it can be maintained, there is a lower limit that can be maintained. Had limitations. FIG. 10 illustrates the above situation. If the power supplied to the plasma 14 is reduced below the lower limit of plasma maintenance, the plasma disappears and the ion beam 40 cannot be extracted. If the ion current density of the ion beam 40 cannot be made too small, when performing a low dose implantation,
The injection time is, for example, several seconds or less than one second, and the controllability and reproducibility for performing the predetermined dose injection deteriorate. An ion beam generator capable of solving such problems of the prior art has been previously proposed by the same applicant (Japanese Patent Application No. 7-136003). One example is shown in FIG. In this ion beam generator, in the above-mentioned ion source 2, between the first electrode 21 constituting the extraction electrode system 20 and the plasma source section 4 (more specifically, the plasma generation vessel 6). Is provided with an insulator 50,
The first electrode 21 and the plasma source unit 4 are electrically insulated from each other, and the first electrode 21 is positive or negative with respect to the plasma source unit 4 in a power supply device 30a corresponding to the conventional power supply device 30. A DC bias power supply 38 for applying the bias voltage VB is provided. By increasing the bias voltage VB to a positive or negative value, the ion current density can be further reduced from the conventional lower limit without reducing the power supplied to the plasma 14 as shown in FIG. Can be. This is because when the bias voltage VB is made positive and a positive potential is applied to the first electrode 21, the plasma 1
When a part of the ions to be extracted from the first electrode 21 is repelled by the first electrode 21 having the positive potential, and when the bias voltage VB is made negative and a negative potential is applied to the first electrode 21, the plasma source 4 Some of the ions to be extracted from the plasma 14 inside the first electrode 21 having the negative potential
This is considered to be because the amount of ions that can be absorbed and extracted can be reduced. By the way, the bias voltage VB
Is 0, the ion current density J 1 or J 2 corresponds to the conventional lower limit. In the above-described ion beam generator of the prior art, if a positive or negative bias voltage VB is applied to the first electrode 21, the ion current density can be certainly reduced. , Lowering the ion current density
As can be seen from FIG. 12, even when a more effective positive bias voltage VB is applied, the lower limit of the ion current density is about one third at most as compared with the case of 0 bias.
It was about 0 to 60 nA / cm 2 . In this case, in order to perform low dose implantation, for example, implantation of 10 11 ions / cm 2, it may not always be sufficient to secure controllability and reproducibility. Accordingly, it is a main object of the present invention to provide an ion beam generator capable of extracting a lower density ion beam by further improving the above-described prior art apparatus. According to the present invention, there is provided an ion beam generating apparatus, comprising: an ion source which is connected between a plasma-side first electrode and a plasma source portion among electrodes constituting an extraction electrode system of the ion source. And a DC bias power supply for applying a positive bias voltage to the first electrode with respect to the plasma source portion. A second electrode immediately downstream of the first electrode has a direct-current control power supply for applying a positive control voltage with respect to the plasma source. According to the above configuration, the potential of the second electrode serves as a barrier for extracting ions from the plasma in the plasma source portion, and the potential of the second electrode is fixed between the second electrode and the potential fixed by the bias voltage. The presence of one electrode does not affect the plasma potential. Therefore, by increasing the potential of the second electrode by the control voltage,
It becomes possible to extract a lower density ion beam. FIG. 1 is a sectional view showing an example of an ion implanter using an ion beam generator according to the present invention. Parts that are the same as or correspond to those of the conventional example of FIG. 9 and the preceding example of FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and differences from the preceding example will be mainly described below. Also in this embodiment, in the above-mentioned ion source 2, the first electrode 21 constituting the extraction electrode system 20 and the plasma source section 4 (more specifically, the plasma generation vessel 6; the same applies hereinafter). An insulator 50 is provided therebetween to electrically insulate the first electrode 21 from the plasma source 4. Further, in this embodiment, the power supply 3
0a, and includes a power supply device 30b having the following configuration that constitutes an ion beam generator together with the ion source 2. That is, the power supply device 30b includes a DC bias power supply 37 for applying a positive bias voltage VB to the first electrode 21 with reference to the plasma source section 4, and a downstream side immediately downstream of the first electrode 21. A DC control power supply 39 for applying a positive control voltage VS with respect to the plasma source unit 4 to the second electrode 22. This power supply device 30b
Further, as in the case of the preceding example, the first power supply 3 for applying a positive high voltage to the plasma source section 4 with reference to the ground potential.
1 and a third power supply 33 for applying a negative voltage to the third electrode 23 with reference to the ground potential. The bias power supply 37 and the control power supply 39
Variable output voltage is preferable because of better controllability. Whether the output voltages V1 to V3 of the first power supply 31 and the third power supply 33 are variable or fixed is arbitrary. As an example of the magnitude of each of the above voltages, the output voltage V1 is, for example, about 30 kV to 100 kV,
3 is, for example, about 500 V to 1 kV, the bias voltage VB is, for example, about 0 to 200 V, and the control voltage VS is, for example, 0 to 2 kV.
It is about 00V. FIG. 2 shows an example of the potential distribution in the ion source 2 when such a power supply device 30b is used. The potential of the plasma source section 4 is determined by the output voltage V1 of the first power supply 31, and the first electrode 2 is placed at a position higher than the output voltage of the bias power supply 37 (that is, the bias voltage VB).
1 and the potential of the second electrode 22 where the output voltage of the control power supply 39 (that is, the control voltage VS) has risen from the plasma source unit 4 is the potential of the second electrode 22, and the potential of the third electrode 23 is the third potential.
It is determined by the output voltage V3 of the power supply 33. As described above, the plasma 14 has a positive potential with respect to the plasma generation container 6 including the back plate 6b and the side wall 6a. In the ion beam generator of the prior art shown in FIG. 11, even when a positive bias voltage VB is applied to the first electrode 21, the ion current density is reduced to one third of that at zero bias.
The reason why it could only be reduced to a certain extent is probably due to the following reasons. That is, a positive bias voltage V is applied to the first electrode 21.
The ion current density when B is applied depends on the potential difference ΔV between the potential of the plasma 14 and the potential of the first electrode 21,
When it is small, the ion current density also becomes small. FIG. 13 shows the potential distribution when the bias voltage VB is small in the prior art device, and FIG. 14 shows the potential distribution when the bias voltage VB is large. As shown in FIG. 14, even when the bias voltage VB is increased. In addition, since the potential of the plasma 14 facing the first electrode 21 also rises by being dragged by the potential of the first electrode 21, the above-mentioned potential difference ΔV does not become very small, which is why the ion current density cannot be lowered much. It is considered to be. On the other hand, in this embodiment, as described above, the positive control voltage VS is also applied to the second electrode 22 with reference to the plasma source section 4. The potential of 22 does not affect the potential of the plasma 14 because the first electrode 21 whose potential is fixed by the bias voltage VB is present therebetween. Therefore, the potential of the second electrode 22 can be made closer to or higher than the potential of the plasma 14 by the control voltage VS. In the example of FIG. 2, the plasma 14 and the second electrode 22
Is almost zero. This second electrode 2
Since the potential of the second electrode 2 becomes a barrier for extracting ions from the plasma 14, by increasing the potential of the second electrode 22 as described above, the ion beam 4 extracted from the ion source 2 is increased.
The lower limit of the ion current density of 0 can be made smaller than in the case of the preceding example, and the ion beam 40 with lower density can be extracted. FIG. 3 shows an example of the results of actual measurement of the relationship between the control voltage VS and the ion current density. This shows that the high-frequency power supplied to the ion source 2 is 10 W and the output voltage V 1 is 1
0 kV and the output voltage V3 is 0.2 kV. From this figure, it is possible to control the ion current density by the control voltage VS. For example, if the control voltage VS is set to about 80 V or more, the ion current density can be further reduced to 0 as compared with the previous example. I understand. From FIG. 3, it can be seen that increasing the bias voltage VB makes the slope of the curve gentler, so that it is easier to control the ion current density by the control voltage VS. As described above, the ion current density of the ion beam 40 extracted from the ion source 2 can be made even smaller than the lower limit of the previous example. Since the time can be made longer, controllability and reproducibility when performing a predetermined dose injection are further improved. FIGS. 4 to 7 are diagrams each showing another example of the power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention. In each case, the bias power source 3
7, a positive bias voltage VB is applied to the first electrode 21 with reference to the plasma source section 4 and a control power supply 39 is used to apply a positive control voltage VS to the second electrode 22 with reference to the plasma source section 4. Since the ion beam 40 can be extracted in the state, the ion current density of the ion beam 40 can be made smaller than the lower limit of the preceding example, as in the example shown in FIG. Of these,
In the examples of FIGS. 5 to 7, the potential of the second electrode 22 with respect to the plasma source unit 4 is the sum of the bias voltage VB and the control voltage VS. It can be smaller than in the example of FIG. The output voltage of the control power supply 39, that is, the control voltage VS, may be switched between positive and negative, and may be output. It is possible to cope with both the dose implantation and the high dose implantation by increasing the ion current density. The former case is as described above, and the latter case will be described here. When the control voltage VS is made negative, the potential distribution in the ion source 2 becomes, for example, as shown in FIG.
Since the potential difference ΔV ′ between the plasma 14 and the second electrode 22 increases, the ion beam 4 extracted from the ion source 2
The ion current density of 0 is large and can therefore be applied to high dose implants. In this case, the bias voltage VB may be set to 0, for example. The plasma source 4 of the ion source 2
The method is not limited to the method in which the gas is ionized by the high-frequency discharge to generate the plasma 14 as in the above-described example, and the other method, for example, the method in which the gas is ionized by the microwave discharge to generate the plasma 14. Or a method of generating plasma 14 by ionizing a gas by DC arc discharge. The number of electrodes constituting the extraction electrode system 20 of the ion source 2 is not limited to four as in the above example, but may be a plurality of other electrodes, for example, two or three.
Five or the like may be used. As described above, according to the present invention, the potential of the second electrode is brought closer to or lower than the potential of the plasma in the plasma source portion by the positive control voltage output from the control power supply. Since the height can be increased, the lower limit of the ion current density of the ion beam extracted from the ion source can be further reduced as compared with the case of the preceding example, and an ion beam with a lower density can be extracted. Therefore, when such an ion beam generator is used for, for example, ion implantation, the implantation time can be made longer when a low dose is implanted into the substrate. Controllability and reproducibility are further improved.

【図面の簡単な説明】 【図1】この発明に係るイオンビーム発生装置を用いた
イオン注入装置の一例を示す断面図である。 【図2】図1中のイオン源における電位分布の一例を示
す図である。 【図3】図1中のイオン源に印加する制御電圧とイオン
電流密度との関係の実測結果の一例を示す図である。 【図4】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成す
る電源装置の他の例を示す図である。 【図5】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成す
る電源装置の他の例を示す図である。 【図6】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成す
る電源装置の他の例を示す図である。 【図7】この発明に係るイオンビーム発生装置を構成す
る電源装置の他の例を示す図である。 【図8】高ドーズ量注入を行う場合の図1中のイオン源
における電位分布の一例を示す図である。 【図9】従来のイオンビーム発生装置を用いたイオン注
入装置の一例を示す断面図である。 【図10】図9中のイオン源における投入電力とイオン
電流密度との関係の一例を示す概略図である。 【図11】先行例のイオンビーム発生装置を用いたイオ
ン注入装置の一例を示す断面図である。 【図12】図11中のイオン源に印加するバイアス電圧
とイオン電流密度との関係の実測結果の一例を示す図で
ある。 【図13】図11中のイオン源においてバイアス電圧が
小さい場合の電位分布の一例を示す図である。 【図14】図11中のイオン源においてバイアス電圧を
大きくした場合の電位分布の一例を示す図である。 【符号の説明】 2 イオン源 4 プラズマソース部 6 プラズマ生成容器 14 プラズマ 16 高周波電源 20 引出し電極系 21 第1電極 22 第2電極 23 第3電極 24 第4電極 30b 電源装置 31 第1電源 33 第3電源 37 バイアス電源 39 制御電源 40 イオンビーム 42 処理室 46 基板 50 絶縁物
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view showing an example of an ion implantation apparatus using an ion beam generator according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing an example of a potential distribution in the ion source in FIG. FIG. 3 is a diagram showing an example of a measurement result of a relationship between a control voltage applied to the ion source in FIG. 1 and an ion current density. FIG. 4 is a diagram showing another example of the power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention. FIG. 5 is a diagram showing another example of the power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention. FIG. 6 is a diagram showing another example of the power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention. FIG. 7 is a diagram showing another example of a power supply device constituting the ion beam generator according to the present invention. FIG. 8 is a diagram showing an example of a potential distribution in the ion source in FIG. 1 when a high dose is implanted. FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an example of an ion implantation apparatus using a conventional ion beam generator. 10 is a schematic diagram showing an example of a relationship between input power and ion current density in the ion source in FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an example of an ion implantation apparatus using the ion beam generator of the prior art. FIG. 12 is a diagram showing an example of a measurement result of a relationship between a bias voltage applied to the ion source in FIG. 11 and an ion current density. 13 is a diagram showing an example of a potential distribution when a bias voltage is small in the ion source in FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a potential distribution when a bias voltage is increased in the ion source in FIG. 11; [Description of Signs] 2 Ion source 4 Plasma source unit 6 Plasma generation container 14 Plasma 16 High frequency power supply 20 Extraction electrode system 21 First electrode 22 Second electrode 23 Third electrode 24 Fourth electrode 30b Power supply device 31 First power supply 33 3 power supply 37 bias power supply 39 control power supply 40 ion beam 42 processing chamber 46 substrate 50 insulator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 21/203 H01L 21/203 Z 21/22 21/22 E 21/265 21/265 F (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 27/16 H01J 37/08 H01J 37/317 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 21/203 H01L 21/203 Z 21/22 21/22 E 21/265 21/265 F (58) Fields surveyed (Int. (Cl. 7 , DB name) H01J 27/16 H01J 37/08 H01J 37/317

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 ガスが導入されそれを放電によって電離
させてプラズマを発生させるプラズマソース部およびこ
のプラズマソース部内のプラズマから電界の作用でイオ
ンビームを引き出すものであって複数枚の電極を有する
引出し電極系を有するイオン源と、このイオン源の引出
し電極系を構成する電極にイオンビーム引出し用の電圧
を印加する電源装置とを備えるイオンビーム発生装置に
おいて、前記イオン源においてその引出し電極系を構成
する電極の内の最もプラズマ側の第1電極とプラズマソ
ース部との間に絶縁物を設けて両者間を電気的に絶縁し
ており、かつ前記電源装置が、この第1電極に、プラズ
マソース部を基準にして正のバイアス電圧を印加する直
流のバイアス電源と、この第1電極のすぐ下流側の第2
電極に、プラズマソース部を基準にして正の制御電圧を
印加する直流の制御電源とを有していることを特徴とす
るイオンビーム発生装置。
(57) [Claim 1] A plasma source section for introducing a gas and ionizing the same by discharge to generate plasma, and extracting an ion beam from the plasma in the plasma source section by the action of an electric field. An ion source having an extraction electrode system having a plurality of electrodes, and a power supply device for applying a voltage for extracting an ion beam to the electrodes constituting the extraction electrode system of the ion source; In the ion source, an insulator is provided between the most plasma side first electrode of the electrodes constituting the extraction electrode system and the plasma source portion to electrically insulate them from each other. A DC bias power supply for applying a positive bias voltage to the first electrode with respect to the plasma source, and a DC bias power supply immediately downstream of the first electrode. 2
An ion beam generator, comprising: a DC control power supply for applying a positive control voltage with respect to a plasma source section to an electrode.
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