特開 2016-177870 イオンビーム装置、イオン注入装置、イオンビーム放出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-177870(P2016-177870A)

(43)【公開日】2016年10月6日

(54)【発明の名称】イオンビーム装置、イオン注入装置、イオンビーム放出方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/08 20060101AFI20160909BHJP

   H01J 27/20 20060101ALI20160909BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/08

   H01J27/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-54699(P2015-54699)

(22)【出願日】2015年3月18日

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】100102875

【弁理士】

【氏名又は名称】石島 茂男

(74)【代理人】

【識別番号】100106666

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 英樹

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 徳康

(72)【発明者】

【氏名】東 明男

【テーマコード（参考）】

5C030

【Ｆターム（参考）】

5C030DD04

5C030DE04

(57)【要約】

【課題】イオンビーム照射に直ちに復帰できるように引出電極に堆積した反応副生成物を除去する。
【解決手段】
引出電極３４に正電圧を印加する正電圧期間を設定し、イオン源３３の内部で電子を生成し、イオン源３３から電子を引き出し、引出電極３４に照射させ、引出電極３４を加熱する。真空雰囲気中で反応副生成物層２７は蒸発し、反応副生成物層２７が除去される。イオン源３３にはクリーニングガスを導入してクリーニングガスの正イオンを生成し、引出電極３４に負電圧が印加される負電圧期間を設定し、クリーニングガスの正イオンを引出電極３４に照射して、スパッタリングやエッチング反応によって、反応副生成物層２７を除去するようにしてもよい。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン源と、
前記イオン源内で電子を生成する主電源と、
前記イオン源の外部に設けられた引出電極と、
前記引出電極に電圧を印加する補助電源と、
を有し、
前記引出電極は、前記引出電極に設けられた加速孔が前記イオン源の放出口と対面するように配置され、
前記主電源で生成された電子によって、前記イオン源に導入された注入材料ガスがイオン化され、
イオン化によって生成された正イオンが、前記補助電源によって負電圧が印加された前記引出電極によって引き出され、イオンビームとなって放出されるイオンビーム装置であって、
前記補助電源は、前記引出電極に正電圧を印加できるように構成されたイオンビーム装置。

【請求項2】

前記イオン源には、不活性ガスを導入できるようにされた請求項１記載のイオンビーム装置。

【請求項3】

前記イオン源には、前記注入材料ガスの反応副生成物をエッチングするエッチングガスを導入できるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のイオンビーム装置。

【請求項4】

前記補助電源は、前記引出電極に、正負の交流電圧を印加できるように構成された請求項１記載のイオンビーム装置。

【請求項5】

前記引出電極には、温度センサが設けられた請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のイオンビーム装置。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のイオンビーム装置と、
前記イオンビーム装置が放出するイオンビーム中から所望の電荷質量比の正イオンを通過させる質量分析装置と、
通過した正イオンを照射する基板が配置される基板ホルダ、
とを有するイオン注入装置。

【請求項7】

イオン源と、
前記イオン源の容器内で電子を生成する主電源と、
前記容器の外部に設けられた引出電極と、
前記引出電極に電圧を印加する補助電源と、
を有し、
前記引出電極は、前記引出電極に設けられた加速孔が前記イオン源の放出口と対面するように配置されたイオンビーム装置を用い、
前記主電源で前記容器内で電子を生成し、前記容器内に注入材料ガスを導入し、前記補助電源によって前記引出電極に負電圧を印加し、前記容器内で前記注入材料ガスの正イオンを生成、前記引出電極の負電圧によって、前記正イオンを前記容器から引き出して、イオンビームとして放出するイオン放出工程を有し、
前記イオン放出工程で生成された前記注入材料ガスの固体の反応副生成物が前記引出電極に堆積されるイオンビーム放出方法であって、
前記引出電極に正電圧を印加する正電圧期間を設け、前記正電圧期間には、前記容器内で電子を生成させながら、前記引出電極の正電圧で前記電子を吸引して前記引出電極に照射させ、前記引出電極を加熱して、前記引出電極に堆積した前記反応副生成物を蒸発させるクリーニング工程を有するイオンビーム放出方法。

【請求項8】

前記クリーニング工程では、前記容器に不活性ガスを導入する請求項７記載のイオンビーム放出方法。

【請求項9】

前記イオン源には、前記注入材料ガスの反応副生成物である固体化合物をエッチングするエッチングガスを導入する請求項７又は請求項８のいずれか１項記載のイオンビーム放出方法。

【請求項10】

前記引出電極に、負電圧を印加する負電圧期間を設ける請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載のイオンビーム放出方法。

【請求項11】

前記正電圧期間と前記負電圧期間は交互に繰り返し設けられる請求項１０記載のイオンビーム放出方法。

【請求項12】

前記引出電極の温度を測定し、前記引出電極の温度が所定温度になるように、前記引出電極への前記電子の入射量を制御する請求項７乃至請求項１１のいずれか１項記載のイオンビーム放出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体デバイス作製に使用されるイオンビーム装置と、そのイオンビーム装置を用いたイオン注入装置と、引出電極のイオンビーム放出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

イオン注入装置には、ドーパントを含有した物質である注入材料をイオン源でイオン化し、生成された正イオンを引出電極でイオンビームとして取り出すイオンビーム装置が用いられている。

【0003】

図７の符号１０１は、イオン注入装置に用いられるイオンビーム装置であり、イオン源１３３と引出電極１３４と接地電極１３５とを有している。
気体はイオン化が容易なため、イオン源１３３には、ガス供給装置１３２が接続され、ガス供給装置１３２から注入材料ガスがイオン源１３３に供給されるようになっている。

【0004】

イオン源１３３には、電子放出装置１４０が設けられており、注入材料ガスは、電子放出装置１４０によってイオン化される。
引出電極１３４には、負電圧が印加されており、イオン源１３３内で生成された注入材料ガスの正イオンは引出電極１３４によって引きつけられ、イオン源１３３の放出口１３６から放出される。

【0005】

符号１３０は正イオンを生成する容器であり、放出口１３６は容器１３０に設けられている。
放出口１３６から放出された正イオンは、引出電極１３４に設けられた加速孔１３７と、引出電極１３４の背後に位置する接地電極１３５に設けられた通過孔１３８とを通過し、イオンビームとなって、イオンビーム装置１０１から放出される。

【0006】

このように、イオン源１３３には、注入材料ガスが供給されているが、気体であっても注入材料の化学反応がイオン源１３３内で発生し、化学反応の反応副生成物が生成される。反応副生成物は、固体物質である場合が多い。

【0007】

生成された固体物質の一部はイオン源１３３の放出口１３６から放出され、放出口１３６と対向する引出電極１３４の表面に堆積する。図７の符号１２７は、引出電極１３４に堆積した反応副生成物から成る反応副生成物層を示している。

【0008】

堆積が進むと引出電極１３４の表面は平坦ではなくなり、不平等電界が形成されるようになる。特に、反応副生成物層１２７が絶縁物であり、引出電極１３４に絶縁物が堆積した場合には、イオンビームのビーム中心から離れた発散成分、いわゆるハローによるチャージアップが生じ、電極間で小さな雷放電のような異常放電が頻発するようになり、その結果、歩留まりの低下が生じて生産性が悪化する。

【0009】

引出電極１３４をイオン源室１３１から取り出し、堆積した膜の除去を物理的・化学的に行うと、異常放電は発生しないが、従来は、経験に基づいて定期的に除去を行うか、又は、単位時間当たりの異常放電発生の回数が規定値以上になると、除去を行うようにしていた。

【0010】

除去に際し、あらかじめ交換用の引出電極を用意しておけば、交換作業自体はおおよそ１０分以内で完了させることもできるが、イオン源室１３１の内部を大気に開放しなければならないため、イオン源１３３の降温と、引出電極１３４の交換後の真空排気と、イオン源１３３の暖機運転とを必要とするため、数時間以上のダウンタイムが生じる。

【0011】

以上の問題を解決するために、大気開放せずに引出電極をクリーニングする種々の方法が提案されている。

【0012】

例えば、下記特許文献１は、引出電極に通電加熱する機構を設け、引出電極を通電により加熱し、引出電極に堆積した膜を蒸発させて除去する技術であるが、引出電極自体の抵抗値は低いため、加熱するためには大電流が必要になり、電源および配線が大掛かりになる欠点がある。

【0013】

また、下記特許文献２は、引出電極にイオンビームが衝突するように調節して、スパッタにより堆積膜を除去する技術であるが、原理的に引出電極のクリーニングに用いることができるイオン電流密度は低いために、堆積膜の除去速度が低い欠点がある。

【0014】

また、下記特許文献３、４は、引出電極間にグロー放電させる電源・機構を追加し、スパッタにより堆積膜を除去する技術であり、高速クリーニングを期待することができるが、イオンビームを引き出すときの圧力よりも、クリーニング圧力を１００倍以上に調整する機構が必要になり、また、クリーニング中はイオン源の作動を停止するため、クリーニングを終了してからイオン源を暖機する時間が必要になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開平６−１１９８９６号公報

【特許文献2】特開２００４−３６３０５０号公報

【特許文献3】特開２０１３−９８１４３号公報

【特許文献4】特開２０１３−１２４９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、イオン源から正イオンを引き出すことができる状態に短時間で回復できるようにして、引出電極をクリーニングできる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するために本発明は、イオン源と、前記イオン源内で電子を生成する主電源と、前記イオン源の外部に設けられた引出電極と、前記引出電極に電圧を印加する補助電源と、を有し、前記引出電極は、前記引出電極に設けられた加速孔が前記イオン源の放出口と対面するように配置され、前記主電源で生成された電子によって、前記イオン源に導入された注入材料ガスがイオン化され、イオン化によって生成された正イオンが、前記補助電源によって負電圧が印加された前記引出電極によって引き出され、イオンビームとなって放出されるイオンビーム装置であって、前記補助電源は、前記引出電極に正電圧を印加できるように構成されたイオンビーム装置である。
本発明は、前記イオン源には、不活性ガスを導入できるようにされたイオンビーム装置である。
本発明は、前記イオン源には、前記注入材料ガスの反応副生成物をエッチングするエッチングガスを導入できるように構成されたイオンビーム装置である。
本発明は、前記補助電源は、前記引出電極に、正負の交流電圧を印加できるように構成されたイオンビーム装置である。
本発明は、前記引出電極には、温度センサが設けられたイオンビーム装置である。
本発明は、上記いずれか記載のイオンビーム装置と、前記イオンビーム装置が放出するイオンビーム中から所望の電荷質量比の正イオンを通過させる質量分析装置と、通過した正イオンを照射する基板が配置される基板ホルダ、とを有するイオン注入装置である。
本発明は、イオン源と、前記イオン源の容器内で電子を生成する主電源と、前記容器の外部に設けられた引出電極と、前記引出電極に電圧を印加する補助電源と、を有し、前記引出電極は、前記引出電極に設けられた加速孔が前記イオン源の放出口と対面するように配置されたイオンビーム装置を用い、前記主電源で前記容器内で電子を生成し、前記容器内に注入材料ガスを導入し、前記補助電源によって前記引出電極に負電圧を印加し、前記容器内で前記注入材料ガスの正イオンを生成、前記引出電極の負電圧によって、前記正イオンを前記容器から引き出して、イオンビームとして放出するイオン放出工程を有し、前記イオン放出工程で生成された前記注入材料ガスの固体の反応副生成物が前記引出電極に堆積されるイオンビーム放出方法であって、前記引出電極に正電圧を印加する正電圧期間を設け、前記正電圧期間には、前記容器内で電子を生成させながら、前記引出電極の正電圧で前記電子を吸引して前記引出電極に照射させ、前記引出電極を加熱して、前記引出電極に堆積した前記反応副生成物を蒸発させるクリーニング工程を有するイオンビーム放出方法である。
本発明は、前記クリーニング工程では、前記容器に不活性ガスを導入するイオンビーム放出方法である。
本発明は、前記イオン源には、前記注入材料ガスの反応副生成物である固体化合物をエッチングするエッチングガスを導入するイオンビーム放出方法である。
本発明は、前記引出電極に、負電圧を印加する負電圧期間を設けるイオンビーム放出方法である。
本発明は、前記正電圧期間と前記負電圧期間は交互に繰り返し設けられるイオンビーム放出方法である。
本発明は、前記引出電極の温度を測定し、前記引出電極の温度が所定温度になるように、前記引出電極への前記電子の入射量を制御するイオンビーム放出方法である。

【発明の効果】

【0018】

イオン源をイオンビーム引出しの条件範囲で作動状態を維持し、容器の熱輻射によって引出電極を加熱する。さらに、イオン源内の電子を加速して引出電極に衝突させて加熱する。これにより、引出電極に堆積した膜を蒸発させて除去することができる。
引出電極クリーニング時においても、イオン源を常時イオンビーム引出し時と同等の条件で運転しているため、クリーニング終了後に暖機運転することなく復旧することができる。

【0019】

また、イオン源の輻射熱を併用するため、その分電子ビーム加熱のパワーを省力化できる。
さらに、直流加熱モードの場合は、熱輻射と電子ビームとで加熱するため、スパッタリングによる電極の損傷を抑えることができる。
交流加熱モードの場合は、引出電極の堆積物が絶縁物であっても交流電流を流すことができるため、加熱して蒸発・除去することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明のイオン注入装置の一例

【図2】本発明の第一例のイオンビーム装置

【図3】そのイオンビーム装置のクリーニング工程を説明するための図

【図4】本発明の第二例のイオンビーム装置

【図5】本発明の第三例のイオンビーム装置

【図6】(ａ)、(ｂ)：ＡｌＦ₃の蒸気圧曲線

【図7】従来技術のイオンビーム装置

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１の符号１は、本発明のイオン注入装置である。イオン注入装置１の概要を説明すると、イオンビーム装置３と、質量分析装置１１と、加速装置１２と、走査装置１３と、注入室２３とを有している。図中符号５５₁〜５５₄は真空排気装置であり、イオン注入装置１は、真空排気装置５５₁〜５５₄によって真空排気されている。

【0022】

イオンビーム装置３はガス供給装置３２を有しており、イオンビーム装置３は、ガス供給装置３２が供給する注入材料ガスをイオン化し、生成された正イオンをイオンビームとして走行室２１の内部を走行させ、質量分析装置１１の内部に入射させる。

【0023】

質量分析装置１１の内部では、イオンビーム中のイオンを質量分析し、所望の電荷質量比を有するイオンを通過させ、イオンビームとして、加速装置１２に入射させる。
加速装置１２では、イオンビーム中の正イオンを加速させ、走査装置１３に入射させる。
走査装置１３は、イオンビームの進行方向を制御しながら、注入室２３の内部に入射させる。

【0024】

注入室２３の内部には、一台又は複数台(ここでは二台)の基板ホルダ１３ａ、１３ｂが配置されており、基板ホルダ１３ａ、１３ｂには、基板１４ａ、１４ｂがそれぞれ配置されている。

【0025】

走査装置１３によって、イオンビームは複数の基板ホルダ１３ａ、１３ｂのいずれか一台の方向に向けられ、基板１４ａ、１４ｂの表面を一枚ずつ走査しながらイオンを照射すると、基板１４ａ、１４ｂの内部にイオンが注入される。

【0026】

＜イオンビーム装置＞
図２に、本発明の一例のイオンビーム装置３を示す。
イオンビーム装置３は、真空槽であるイオン源室３１を有している。イオン源室３１の内部には、イオン源３３と、引出電極３４と、接地電極３５とを有している。

【0027】

イオン源３３は、傍熱陰極型(IHC)のイオン源、パナスイオン源、RFイオン源、ECRイオン源等の、電子を生成して、又は、他の方式のイオン源を使用することができる。
ここでは、イオン源３３は傍熱陰極型であり、注入材料ガスが導入される容器３０を有している。

【0028】

容器３０には、放出口３６が設けられており、容器３０はイオン源室３１の内部に配置されているから、容器３０の内部雰囲気とイオン源室３１の内部雰囲気とは、放出口３６によって接続されている。

【0029】

イオン源室３１には真空排気装置５５₁が接続されており、真空排気装置５５₁を動作させるとイオン源室３１の内部が真空排気され、イオン源室３１の内部に真空雰囲気が形成される際に、放出口３６を介して、容器３０の内部も真空排気され、真空雰囲気が形成される。

【0030】

イオン源３３は、容器３０に接続されたバイアス電源２４と、容器３０内部の片側に設けられた電子放出装置４０と、電子放出装置４０に接続された主電源２５と、容器３０内部の反対側の位置に設けられたリペラ電極４３とを有している。

【0031】

電子放出装置４０は、フィラメント４１とカソード電極４２とを有している。
主電源２５は、発熱用電源４７と、アーク電源４６と、補助バイアス電源４８とを有しており、フィラメント４１は、真空雰囲気に置かれた状態で発熱用電源４７によって、通電されると温度が上昇するように構成されている。

【0032】

カソード電極４２は、フィラメント４１の近傍に配置されており、フィラメント４１が昇温すると、フィラメント４１の熱輻射によって加熱される。
また、フィラメント４１には、補助バイアス電源４８によってカソード電極４２に対する負電圧が印加され、昇温したフィラメント４１から熱電子が放出されるようにされており、放出された熱電子はカソード電極４２に照射され、カソード電極４２は、電子の照射でも加熱される。

【0033】

容器３０は、金属等の導電性材料で形成されており、カソード電極４２には、アーク電源４６によって、容器３０に対する負電圧が印加されており、昇温したカソード電極４２から電子が放出される。

【0034】

カソード電極４２から放出された電子の一部はリペラ電極４３方向に進行し、リペラ電極４３で反射され、カソード電極４２とリペラ電極４３との間で往復運動をし、電子の他の一部は容器３０に入射し、カソード電極４２と容器３０との間にアーク放電を発生させる。このとき、容器３０の内部では、多数の電子が走行している状態になっている。

【0035】

ガス供給装置３２には、主ガス源(複数の場合あり)３２ａと、補助ガス源３２ｂを含み、図示しないガス流量調整機構を介してガス集合点３２ｃが設けられており、ガス集合点３２ｃを通過して主ガス源３２ａがイオン源３３に接続され、主ガス源３２ａから容器３０に注入材料のガスが供給されると、注入材料のガスは、容器３０の内部で電離され、正電荷を有するイオン(正イオン)が生成される。
容器３０には導入口４９が設けられており、ガス供給装置３２は、導入口４９から容器３０内にガスを導入する。

【0036】

イオン源室３１は、金属等の導電性材料で形成されており、接地電位あるいは高電圧電位に接続されている。ここでは、便宜上接地電位として説明する。
容器３０は、バイアス電源２４によって、イオン源室３１に対して正電圧が印加されており、上記のアーク放電によって容器３０内には正イオンを含んだプラズマが充満する。

【0037】

容器３０の外部であって、放出口３６と向かい合う位置には、引出電極３４が配置されている。
引出電極３４には、補助電源２６が接続されている。補助電源２６の内部には、加減速電源４５と、加熱電源４４ａと、電圧切替スイッチ５０とが設けられている。

【0038】

加減速電源４５と加熱電源４４ａとは、ここでは直流電源であり、電圧切替スイッチ５０によって、加熱電源４４ａの正電圧端子と、加減速電源４５の負電圧端子のいずれか一方の端子を引出電極３４に接続することができる。

【0039】

イオンビームを照射する際には、電圧切替スイッチ５０によって加減速電源４５が引出電極３４に接続され、補助電源２６から引出電極３４に、イオン源室３１に対する負電圧が印加されている。
負電圧が印加された引出電極３４が形成する電界は、放出口３６から容器３０の内部に進入し、正電荷のイオンを吸引する。

【0040】

引出電極３４には、加速孔３７が形成されており、加速孔３７は、放出口３６と対面する位置に配置されている。
引出電極３４によって吸引され、放出口３６から容器３０の外部に移動した正電荷のイオンは、引出電極３４が形成する電界で加速され、加速孔３７を通過する。

【0041】

引出電極３４の前方を容器３０側とすると、引出電極３４の後方には接地電極３５が配置されており、加速孔３７を通過した正イオンの進行方向には、接地電極３５に形成された通過孔３８が配置されている。
加速孔３７を通過した正電荷のイオンは、通過孔３８を通過して、イオンビームとして質量分析装置１１に入射する。

【0042】

上述したように、入射したイオンビームに含まれる正イオンは質量分析され、所望の電荷質量比の正イオンが基板１４ａ、１４ｂに注入される。
注入材料ガスが容器３０内で電離するときには、化学反応が発生し、反応副生成物が形成される。

【0043】

この反応副生成物は、放出口３６から容器３０の外部に漏出し、容器３０と対面する引出電極３４の表面に堆積する。
このようなイオン注入が、複数枚数の基板に対して行われると堆積が進行し、引出電極３４の表面に堆積した反応副生成物層２７が形成される。

【0044】

＜クリーニング工程＞
反応副生成物層２７を除去するためには、先ず、イオンビーム装置３からイオンビームを放出するイオン放出工程を行った後、ガス供給装置３２からイオン源室３１に供給される注入材料ガスの供給を停止する。

【0045】

基板ホルダ１３ａ、１３ｂに保持された基板１４ａ、１４ｂの表面にイオンビームが照射されない状態にし、補助電源２６から、引出電極３４にイオン源室３１に対する正電圧を印加する。

【0046】

なお、この補助電源２６では、図３に示すように、電圧切替スイッチ５０によって、引出電極３４の接続を、加減速電源４５から加熱電源４４ａに切り替え、加熱電源４４ａが出力する容器３０に対する正電圧を、引出電極３４に印加すると、容器３０の内部で走行している電子は引出電極３４に吸引され、引出電極３４に入射し、引出電極３４は、入射する電子によって加熱され、昇温する。

【0047】

イオンビームを放出しているときには、容器３０は、カソード電極４２から熱輻射を受け、また、電子が照射されることで加熱されており、イオンビーム放出の際には、引出電極３４は容器３０の熱輻射によって加熱されている。
クリーニングを行う時には、引出電極３４は冷却せず、イオンビーム放出のときの温度を維持しながら電子を照射して引出電極３４を昇温させるとよい。

【0048】

カソード電極４２から放出された電子が引出電極３４に入射するときに形成される電流経路は、加熱電源４４ａの正電圧端子から、引出電極３４とカソード電極４２の間の電子の流れと、バイアス電源２４とを通って、加熱電源４４ａの負電圧端子に戻る電流経路であり、バイアス電源２４の電流容量が小さい場合は、バイアス電源２４と並列に短絡スイッチ５７を設け、イオン照射のときには短絡スイッチ５７を開状態にし、電子照射によって引出電極３４を加熱するときには閉状態にし、引出電極３４を加熱する電流がバイアス電源２４を流れずに短絡スイッチ５７を流れるようにすることができる。バイアス電源２４の内部インピーダンスが１ｋΩ以上の場合は短絡スイッチ５７を設けると良い。

【0049】

反応副生成物層２７が堆積した引出電極３４は、反応副生成物層２７が真空雰囲気中で高い蒸気圧で蒸発する温度以上の温度に昇温されており、反応副生成物層２７は蒸発して除去される。反応副生成物層２７が真空中で蒸発する温度は、大気中での反応副生成物の融点や沸点よりも低温である。

【0050】

引出電極３４は、引出電極３４が溶融する温度よりも低温の温度に昇温させるとよい。
また、引出電極３４に正電圧を印加する際に、容器３０に、クリーニングガスを導入することができる。

【0051】

イオン照射の際には、補助ガス源３２ｂの系統を閉じて主ガス源３２ａをイオン源３３に接続し、主ガス源３２ａから容器３０の内部へ注入材料ガスを供給していたのに対し、クリーニング工程を開始する際には、主ガス源３２ａの系統を閉じて注入材料ガスの供給を停止すると共に、補助ガス源３２ｂをイオン源３３に接続し、補助ガス源３２ｂからクリーニングガスをイオン源３３内の容器３０の内部に供給する。

【0052】

クリーニングガスは、反応副生成物層２７をスパッタリングして除去する希ガス、Ｎ₂ガス等の不活性ガスを含有しており、更に、不活性ガスに加え、反応副生成物と化学反応して固体の反応副生成物を気体の化合物に化学変化させるエッチングガスを含有させることができる。

【0053】

本発明のイオン注入装置１では、除去すべき反応副生成物層２７を構成する反応副生成物は、フッ化アルミニウム(ＡｌＦ_x)である場合が多く、ＡｌＦ_xのエッチングガスには、ＮＦ₃ガス、ＣＦ₄、ＳＦ₆等のフッ素系ガス(化学構造中にフッ素を含むガス)をエッチングガスとしてクリーニングガスに含有させることができ、ＮＨ₃等の水素を含む化合物ガスや、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、ＣＨＦ₃等の塩素やフッ素を含む化合物ガスもエッチングガスとしてクリーニングガスに含有させることができる。引出電極３４に他の反応副生成物が堆積した場合にも同様に対処できる。

【0054】

反応副生成物のフッ化アルミニウムでは、ＡｌＦ_xの「ｘ」は、３よりも小さい場合が多いが、化学量論比のＡｌＦ₃では、図６(ａ)のグラフに示す温度−蒸気圧曲線を有しており、蒸気圧が１Ｐａに近い部分を拡大して図６(ｂ)のグラフに示す。７００℃程度に昇温させると、加熱によって短時間でＡｌＦ_xを除去することができる。反応副生成物層２７は、クリーニングガスを容器３０に導入すれば、一層早く除去することができる。

【0055】

容器３０の内部では、カソード電極４２から電子が放出されており、容器３０の内部の電子は、正電圧が印加された引出電極３４が形成する電界によって、引出電極３４に吸引され、放出口３６から放出されて、引出電極３４に入射する。

【0056】

クリーニングガスに反応副生成物と化学反応して気体の化合物を生成するエッチングガスが含まれる場合は、反応副生成物層２７は、蒸発と共に、エッチングガスと化学反応して除去される。

【0057】

反応副生成物層２７が除去されると、容器３０へのクリーニングガスの導入を終了させ、注入材料ガスを導入すると共に、引出電極３４に印加する電圧を、イオン源室３１に対して正の電圧から負の電圧に切り替え、放出口３６から、注入材料の正イオンを引き出し、イオンビームにして質量分析装置１１に進行させる。

【0058】

基板ホルダ１３ａ、１３ｂには、イオン注入対象の基板１４ａ、１４ｂを配置しておき、基板１４ａ、１４ｂにイオンビームが到達できる状態にされると、イオン注入が再開される。

【0059】

上記第一例のイオンビーム装置３では、加熱電源４４ａの負電圧端子はイオン源室３１に接続されていたが、図４の第二例のイオンビーム装置４のように、容器３０に接続されていてもよい。

【0060】

また、上記第一、第二例のイオンビーム装置３，４では、加熱電源４４ａに直流電源を用いていたが、直流電源に替え、交流電源を加熱電源として用いることができる。

【0061】

図５の第三例のイオンビーム装置５の加熱電源４４ｂには交流電源が用いられており、イオン注入を一端終了させる際には、容器３０の内部への注入材料ガスの導入を停止し、容器３０の内部へのクリーニングガスの導入を開始すると共に、加熱電源４４ｂにより、引出電極３４に交流電圧を印加させ、引出電極３４には容器３０に対して、正電圧と負電圧とが交互に印加されるようにする。正電圧が印加される正電圧期間では、上記第一、第二例のイオンビーム装置３，４と同様に、放出口３６から放出された電子が引出電極３４に照射され、引出電極３４が加熱される。

【0062】

負電圧が印加される負電圧期間では、電子に代わり、クリーニングガスの正イオンが引出電極３４に吸引され、放出口３６から放出され、引出電極３４に入射する。

【0063】

引出電極３４に堆積した反応副生成物層２７は容器３０と対面しており、放出口３６から放出された正イオンは、反応副生成物層２７に照射されるため、クリーニングガスの正イオンのうち、不活性ガスの正イオンは反応副生成物層２７をスパッタリングして除去し、エッチングガスの正イオンは、反応副生成物層２７と接触して化学反応し、固体の反応副生成物層２７をガスに化学変化させて除去する。

【0064】

電子線照射によって反応副生成物層２７は昇温しているので、反応副生成物層２７は、加熱による蒸発に加え、スパッタリングによる物理的除去と化学反応による化学的除去とでクリーニングが行われる。

【0065】

スパッタリングによる物理的除去と化学反応による化学的除去とは、電子線照射による反応副生成物層２７の昇温によって進行しやすくなっており、従って、交流電源を用いると、反応副生成物層２７の除去は早くなる。

【0066】

このように、引出電極３４に堆積した反応副生成物層２７を除去するためには、引出電極３４を加熱することが必要であるから、引出電極３４に正電圧を印加する正電圧期間は必要である。

【0067】

また、スパッタリング反応やエッチング反応を併用するためには、引出電極３４に負電圧を印加する負電圧期間を設けると良い。
正電圧期間の長さと負電圧期間の長さは等しくなくても良い。
また、正電圧期間と負電圧期間を交互に繰り返し設け、交流電圧が引出電極３４に印加されるようにしても良い。
また、負電圧期間を設ける場合はクリーニングガスをイオン源３３内に導入すると良い。

【0068】

第一〜第三例のイオンビーム装置３〜５では、引出電極３４に温度センサ２９を設けておき、引出電極３４を加熱する際には、引出電極３４の温度を測定しながら、加熱電源４４ａ、４４ｂが出力する電力を制御し、引出温度が所定温度を維持するようにしても良い。また、温度センサ２９を設けず、放射温度計等で引出電極３４の温度を測定しながら電力制御を行っても良い。

【0069】

図２〜５の符号５１は制御装置であり、この制御装置５１に温度センサ２９の出力信号が入力され、制御装置５１は、入力された信号と基準値とを比較し、補助電源２６を制御することで、引出電極３４が所定温度を維持するように加熱電源４４ａ、４４ｂの出力電力を変化させている。

【0070】

また、予め加熱電源４４ａ、４４ｂが出力する電力と、引出電極３４の温度との関係である電力−温度関係を測定しておき、加熱電源４４ａ、４４ｂが出力する電力を測定しながら、引出電極３４が所定温度を維持するように、出力する電力を変化させるようにしてもよい。

【0071】

イオン源室３１には、測定装置２８が設けられており、測定装置２８の測定結果に基づいて、クリーニングを終了させる。例えば、測定装置２８が圧力計（イオンゲージ等）である場合は、クリーニング中のイオン源室３１内部の圧力を測定し、圧力が所定値よりも低下したときに、クリーニングは終了したと判断することができる。

【0072】

また、測定装置２８が残留ガス分析計（四重極質量分析計等）の場合は、クリーニング中のイオン源室３１内部の物質の電荷質量比と検出量の関係を測定し、特定の電荷質量比の物質の検出量が所定値以下になったときに、クリーニングは終了したと判断することができる。

【0073】

なお、上記例では、補助電源２６の内部に二台の電源を設けて切り替えて、正電圧と負電圧を出力していたが、一台の電源で、正電圧と負電圧を出力するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0074】

１……イオン注入装置
３〜５……イオンビーム装置
２５……主電源
２６……補助電源
２９……温度センサ
３１……イオン源室
３３……イオン源
３４……引出電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】