特開 2024-122500 イオンビーム引出用電極、イオン源及び引出電極系

(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】P2024122500

(43)【公開日】2024-09-09

(54)【発明の名称】イオンビーム引出用電極、イオン源及び引出電極系

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/04 20060101AFI20240902BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20240902BHJP

   H01J 27/02 20060101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

H01J37/04 Z

H01J37/08

H01J27/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023030064

(22)【出願日】2023-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】302054866

【氏名又は名称】日新イオン機器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(74)【代理人】

【識別番号】100227673

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 光起

(72)【発明者】

【氏名】平井 裕也

(72)【発明者】

【氏名】趙 維江

【テーマコード（参考）】

5C101

【Ｆターム（参考）】

5C101AA25

5C101AA34

5C101BB01

5C101BB08

5C101CC12

5C101DD03

5C101DD25

(57)【要約】

【課題】引出電極系への堆積物の堆積を抑えつつ、これに伴う種々の問題を解消できるようにする。
【解決手段】イオンビームが通過するビーム通過穴２０ｈが形成された第１部材と、第１部材と対向配置されるとともに、ビーム通過穴２０ｈが形成された第２部材と、少なくとも一部が第１部材及び第２部材の間に配置されたヒータ５０と、ビーム通過穴２０ｈから第１部材及び第２部材の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材６０とを備えるようにした。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオンビームが通過するビーム通過穴が形成された第１部材と、
前記第１部材と対向配置されるとともに、前記ビーム通過穴が形成された第２部材と、
少なくとも一部が前記第１部材及び前記第２部材の間に配置されたヒータと、
前記ビーム通過穴から前記第１部材及び前記第２部材の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材とを備えることを特徴とするイオンビーム引出用電極。

【請求項2】

前記ヒータがシート状をなすものである、請求項１記載のイオンビーム引出用電極。

【請求項3】

前記第１部材が、１枚の電極の構成要素である蓋体であり、
前記第２部材が、前記蓋体が被せられて該蓋体とともに前記電極を構成する底板であり、
前記ヒータが、前記蓋体と前記底板との間に埋め込まれて前記ガス遮断部材となる、請求項１記載のイオンビーム引出用電極。

【請求項4】

前記第１部材及び前記第２部材の間と、その周囲にある周囲空間とが空間的に隔てられている、請求項１記載のイオンビーム引出用電極。

【請求項5】

請求項１に記載のイオンビーム引出用電極と、
前記イオンビーム引出用電極によりイオンビームが引き出される容器とを備え、
前記容器に腐食性ガスが供給されることを特徴とするイオン源。

【請求項6】

イオンビームが通過するビーム通過穴が形成された第１部材と、
前記第１部材と対向配置されるとともに、前記ビーム通過穴が形成された第２部材と、
少なくとも一部が前記第１部材及び前記第２部材の間に配置されたヒータと、
前記ビーム通過穴から前記第１部材及び前記第２部材の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材とを備えることを特徴とする引出電極系。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオンビーム引出用電極、イオン源及び引出電極系に関するものである。

【背景技術】

【0002】

イオンビーム照射装置などに用いられるイオン源は、プラズマ生成容器からイオンビームを引き出すための複数枚の電極からなる引出電極系を備えている。

【0003】

この引出電極系に堆積物が堆積し続けると、堆積物にイオンビームからの電荷が付与されて放電が生じる恐れがあることから、従来のイオン源としては、引出電極系への堆積物の堆積を抑制するべく、引出電極系を加熱するヒータを備えたものがある（特許文献１）。具体的にこのものは、引出電極系を構成する抑制電極と接地電極との間にヒータが配置されている。

【0004】

しかしながら、このイオン源は、ヒータが配置される空間に、プラズマの原料ガスやスパッタ用のガスなど、イオン源の運転中に用いられるガスが流入可能な構成であり、流れ込んだガスが加熱されて前記空間の内圧が高まることで、電極の破損、電極の位置ズレ、電極間での火花放電など、種々の問題を引き起こす懸念がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００９－５４０５３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで本発明は、上述した問題を解決するべくなされたものであり、引出電極系への堆積物の堆積を抑えつつ、これに伴う上述した種々の問題を解消することをその主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

すなわち本発明に係るイオンビーム引出用電極は、イオンビームが通過するビーム通過穴が形成された第１部材と、前記第１部材と対向配置されるとともに、前記ビーム通過穴が形成された第２部材と、少なくとも一部が前記第１部材及び前記第２部材の間に配置されたヒータと、前記ビーム通過穴から前記第１部材及び前記第２部材の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材とを備えることを特徴とするものである。

【0008】

このように構成されたイオンビーム引出用電極によれば、ヒータにより加熱することで、堆積物の堆積を抑えることができ、なおかつ、ヒータの少なくとも一部が配置される第１部材及び第２部材の間のガスの流れをガス遮断部材が遮断するので、このガスの流れに伴う種々の問題を未然に防ぐことができる。

【0009】

前記ヒータがシート状をなすものであることが好ましい。
このような構成であれば、イオンビーム引出用電極のコンパクト化を図れるうえ、例えば第１部材及び第２部材の間の大きさに応じたシート状のヒータを用いることで、第１部材及び第２部材の均熱化を図れる。

【0010】

前記第１部材が、１枚の電極の構成要素である蓋体であり、前記第２部材が、前記蓋体が被せられて該蓋体とともに前記電極を構成する底板であり、前記ヒータが、前記蓋体と前記底板との間に埋め込まれて前記ガス遮断部材となることが好ましい。
このような構成であれば、例えばヒータと蓋体との間やヒータと底板との間に絶縁部材を介在させることにより、比較的簡素な構成でヒータの耐電圧を確保することができる。

【0011】

前記第１部材及び前記第２部材の間と、その周囲にある周囲空間とが空間的に隔てられていることが好ましい。
このような構成であれば、腐食性ガスを用いる場合であっても、第１部材及び第２部材の間に配置されているヒータには腐食性ガスが触れず、ヒータの腐食を可及的に低減することができる。

【0012】

また、本発明に係るイオン源は、上述したイオンビーム引出用電極と、前記イオンビーム引出用電極によりイオンビームが引き出される容器とを備え、前記容器に腐食性ガスが供給されることを特徴とするものである。

【0013】

このように構成されたイオン源及びイオンビーム引出用電極であれば、上述したガス遮断部材によってヒータに対する腐食性ガスの腐食影響を低減することができ、腐食性ガスを用いる種々のイオンビーム照射プロセスに資する。

【0014】

さらに、本発明に係る引出電極系は、イオンビームが通過するビーム通過穴が形成された第１部材と、前記第１部材と対向配置されるとともに、前記ビーム通過穴が形成された第２部材と、少なくとも一部が前記第１部材及び前記第２部材の間に配置されたヒータと、前記ビーム通過穴から前記第１部材及び前記第２部材の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材とを備えることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0015】

このように構成した本発明によれば、引出電極系への堆積物の堆積を抑えつつ、これに伴う種々の問題を未然に解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係るイオン源の構成を示す模式図。

【図2】同実施形態の抑制電極の構成を示す断面図。

【図3】その他の実施形態における抑制電極の構成を示す断面図。

【図4】その他の実施形態における抑制電極の構成を示す断面図。

【図5】その他の実施形態におけるヒータの配置を示す模式図。

【図6】その他の実施形態におけるヒータの配置を示す模式図。

【図7】その他の実施形態におけるヒータの配置を示す模式図。

【図8】その他の実施形態における抑制電極の構成を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に本発明に係るイオン源及びこのイオン源に用いられるイオンビーム引出用電極の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

【0018】

本実施形態のイオン源１００は、イオンビーム照射装置を構成するものである。イオンビーム照射装置の一例としては、基板の表面にイオンビームＩＢを照射して、所望のイオン種を基板に注入するためのイオン注入装置を挙げることができるが、必ずしもこれに限るものではなく、イオンビームエッチング装置等であっても構わない。

【0019】

このイオン源１００は、図１に示すように、容器１０と、その容器１０の開口からイオンビームＩＢを引き出す引出電極系２０とを備えている。

【0020】

容器１０は、プラズマの原料ガス、スパッタ材をスパッタするために用いられるスパッタ用ガス、又は、坩堝内の固体金属と反応し、坩堝の加熱により、金属を含む反応生成物の蒸気を生成するためのガスなど、腐食性ガスが供給されるものであり、ここでは内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器である。ただし、容器１０には、必ずしも腐食性ガスが供給される必要はなく、種々のガスを供給して構わない。

【0021】

引出電極系２０は、図１に示すように、複数枚のイオンビーム引出用電極を備えており、この実施形態では２枚のイオンビーム引出用電極から構成されており、具体的には、二次電子の容器１０側への流入を抑制するイオンビーム引出用電極たる抑制電極２１と、グランド電位のイオンビーム引出用電極たる接地電極２２とから構成されている。

【0022】

そして、本実施形態のイオン源１００は、引出電極系２０を構成する抑制電極２１に特徴があるので、以下に詳述する。

【0023】

抑制電極２１は、例えばグランド電位を基準にして負の電圧が印加されるものであり、図２に示すように、容器１０から引き出されたイオンビームＩＢが通過するビーム通過穴２０ｈが形成されている。

【0024】

より詳細に説明すると、この抑制電極２１は、容器１０の開口に対向配置された第１部材たる蓋体３０と、蓋体３０に対して容器１０とは反対側に配置された第２部材たる底板４０とを有している。

【0025】

蓋体３０は、図２に示すように、中央部にビーム通過穴２０ｈの一部が形成された板状をなすものであり、ここではイオンビームＩＢの進行方向から見て円形状をなす。ただし、蓋体３０は、円形状のものに限らず、イオンビームＩＢの進行方向から見て矩形状のものであっても良い。

【0026】

本実施形態の蓋体３０は、ビーム通過穴２０ｈを取り囲むとともに、容器１０側に向かってやや屈曲した屈曲部３１を有している。

【0027】

底板４０は、中央部にビーム通過穴２０ｈの一部が形成された板状をなすものであり、例えばボルトなどの締結具により蓋体３０に固定されている。

【0028】

本実施形態の底板４０は、外縁部４１及び内縁部４２それぞれが蓋体３０に向かって突出しており、これらの外縁部４１及び内縁部４２の間に、ビーム通過穴２０ｈを取り囲む環状の凹部４３が形成されている。

【0029】

蓋体３０に形成されたビーム通過穴２０ｈの一部と、底板４０に形成されたビーム通過穴２０ｈの一部とは、イオンビームＩＢの進行方向から見て、互いに重なり合っており、ここでは矩形状をなす。ただし、ビーム通過穴２０ｈの形状や大きさは適宜変更して構わない。

【0030】

そして、本実施形態の抑制電極２１は、図２に示すように、蓋体３０と底板４０との間に介在するヒータ５０を備えている。

【0031】

より具体的に説明すると、底板４０と蓋体３０との間には、ビーム通過穴２０ｈを取り囲むとともに、ヒータ５０の少なくとも一部が配置されるヒータ設置空間Ｓ１が形成されている。

【0032】

このヒータ設置空間Ｓ１は、上述した底板４０の凹部を利用して形成された環状をなす空間であり、本実施形態では、ヒータ５０が環状をなし、そのヒータ５０の全体がヒータ設置空間Ｓ１に収容されている。

【0033】

ヒータ５０は、シート状をなすものであり、具体的には絶縁層（不図示）と、この絶縁層上に設けられて、電流が流れる配線パターンが形成されたパターン層（不図示）とを有する。

【0034】

然して、本実施形態の抑制電極２１は、ビーム通過穴２０ｈから蓋体３０及び底板４０の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材６０を備えている。

【0035】

このガス遮断部材６０は、ヒータ設置空間Ｓ１へガスが流れることにより生じる不具合を未然に防ぐものである。こうした不具合としては、流れ込んだガスが加熱されてヒータ設置空間Ｓ１の内圧が高まることにより生じるものを挙げることができ、具体的には、抑制電極２１の破損、抑制電極２１の位置ズレ、蓋体３０と底板４０との間に生じ得る火花放電などである。また、別の不具合としては、腐食性ガスを用いていることによるヒータ５０の腐食も挙げられる。

【0036】

このガス遮断部材６０は、抑制電極２１の周囲にある周囲空間Ｓ２からビーム通過穴２０ｈを経てヒータ設置空間Ｓ１へ流れ込もうとするガスの流れを遮断するものである。

【0037】

なお、周囲空間Ｓ２は、少なくとも容器１０と引出電極系２０との間の空間を含んでおり、言い換えれば、容器１０に供給されたガスが多少なりとも漏れ出る空間を含んでいる。

【0038】

本実施形態では、蓋体３０と底板４０との間にヒータ５０が埋め込まれており、このヒータ５０がガス遮断部材６０となる。

【0039】

具体的にこのガス遮断部材６０は、蓋体３０と底板４０との挟み込まれており、蓋体３０と接触するとともに、底板４０と接触している。

【0040】

これにより、ガス遮断部材６０たるヒータ５０は、周囲空間Ｓ２からビーム通過穴２０ｈを経て蓋体３０及び底板４０の間に流れ込もうとするガスの流れを遮断する。

【0041】

さらに、この実施形態では、上述した底板４０の外縁部４１が蓋体３０と当接しており、この外縁部４１もガス遮断部材６０として機能する。

【0042】

このガス遮断部材６０たる外縁部４１は、ヒータ設置空間Ｓ１を取り囲むとともに、抑制電極２１の外側から、ビーム通過穴２０ｈを経ずに蓋体３０及び底板４０の間に流れ込もうとするガスの流れを遮断する。

【0043】

このように構成された抑制電極２１によれば、ヒータ５０により加熱することで、堆積物の堆積を抑えることができ、なおかつ、蓋体３０及び底板４０の間のガスの流れをガス遮断部材６０が遮断するので、このガスの流れに伴う種々の問題を未然に防ぐことができる。

【0044】

また、ヒータ５０がヒータ設置空間Ｓ１を占有しているので、ヒータ設置空間Ｓ１の均熱化を図ることができ、なおかつ、ヒータ５０がシート状をなすので、抑制電極２１のコンパクト化を図れる。

【0045】

さらに、ヒータ５０が蓋体３０と底板４０との間に設けられているので、例えばヒータ５０と底板４０との間やヒータ５０と蓋体３０との間に絶縁部材を介在させることにより、比較的簡素な構成でヒータ５０の耐電圧を確保することができる。

【0046】

そのうえ、底板４０の外縁部４１もガス遮断部材６０として機能するので、蓋体３０及び底板４０の間のガスの流れをより確実に遮断することができる。

【0047】

また、本実施形態に係るイオン源１００は、容器１０に腐食性ガスが供給されるところ、ヒータ５０によるガス遮断部材６０としての機能がより顕著に発揮されて、ヒータ５０に対する腐食性ガスの腐食影響を低減することができ、腐食性ガスが用いられる種々のイオンビーム照射プロセスに資する。

【0048】

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

【0049】

例えば、前記実施形態では、引出電極系２０を構成する抑制電極２１について説明したが、引出電極系２０を構成するもう１枚の接地電極２２が、抑制電極２１と同様に、ヒータ５０及びガス遮断部材６０を備えるものであっても良い。

【0050】

また、イオン源１００としては、引出電極系２０を３枚以上の電極で構成するものであっても良く、この場合においても、１又は複数枚の電極が、前記実施形態における抑制電極２１と同様に、ヒータ５０及びガス遮断部材６０を備えていれば良い。

【0051】

前記実施形態の抑制電極２１は、単一のヒータ５０を備えるものであったが、複数のヒータ５０を備えるものであっても良い。これらのヒータ５０は、蓋体３０及び底板４０の間に収容されていても良いし、一部が蓋体３０及び底板４０の間の領域外に設けられていても良い。

【0052】

前記実施形態では、ヒータ設置空間Ｓ１と周囲空間Ｓ２とが連通していたが、図３に示すように、蓋体３０及び底板４０の間が、ガス遮断部材６０により密閉されて、周囲空間Ｓ２から空間的に隔てられていても良い。

【0053】

より具体的に説明すると、ここでの底板４０は、蓋体３０に向かって突出して蓋体３０に当接しており、この内縁部４２がガス遮断部材６０である。なお、底板４０の外縁部４１も前記実施形態と同様にガス遮断部材６０である。これにより、蓋体３０及び底板４０の間は密閉されており、周囲空間Ｓ２から蓋体３０及び底板４０の間へのガスの流入を不能にしている。

【0054】

さらに、抑制電極２１としては、図４に示すように、ヒータ５０と蓋体３０との間及びヒータ５０と底板４０との間の一方又は両方に介在する絶縁部材７０をさらに備えていても良い。

【0055】

この絶縁部材７０は、耐熱性を有する例えば平板状のものであり、具体的にはアルミナ等のセラミックスからなるものなどを挙げることができる。

【0056】

前記実施形態では、抑制電極２１を蓋体３０と底板４０に分割して、これらの間にヒータ５０を介在させていたが、図５に示すように、抑制電極２１と接地電極２２との間にヒータ５０を介在させても良い。この場合、第１部材は抑制電極２１であり、第２部材は接地電極２２であり、ガス遮断部材６０たるヒータ５０が、抑制電極２１及び接地電極２２の間のガスの流れを遮断している。このような構成において、本発明に係る引出電極系２０は、少なくとも２枚の電極である第１部材及び第２部材と、これらの電極の間に介在するヒータ５０と、これらの電極の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材６０とを備えたものである。なお、少なくとも２枚の電極は、必ずしも抑制電極２１と接地電極２２とに限られるものではなく、例えば、イオンビームの引き出し方向に、容器１０からプラズマ電極、加速電極、抑制電極および接地電極からなる引出電極系２０の場合、プラズマ電極と加速電極、加速電極と抑制電極など、適宜変更して構わない。

【0057】

上述した構成において、ヒータ５０と抑制電極２１との間及びヒータ５０と接地電極２２との間の一方又は両方に絶縁部材８０を介在させておくことが好ましく、図５においては、ヒータ５０のパターン層（不図示）が接地電極２２側に設けられており、ヒータ５０と接地電極２２との間に絶縁部材８０たる絶縁碍子を介在させている。
なお、ここでの絶縁部材８０は、その外縁部８１が抑制電極２１に当接するとともに接地電極２２に当接している。これにより、外縁部８１は、抑制電極２１及び接地電極２２の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材６０である。

【0058】

ヒータ５０としては、シート状をなすものに限らず、図６及び図７に示すように、ロッド状（棒状）又は線状のものであっても良い。

【0059】

より具体的に説明すると、図６においては、抑制電極２１と接地電極２２との間に、ビーム通過穴２０ｈよりも径方向外側に位置する環状の第１絶縁部材９１たる絶縁碍子と、その第１絶縁部材９１よりもさらに径方向外側に位置する環状の第２絶縁部材９２たる絶縁碍子とが設けられており、これらの第１絶縁部材９１及び第２絶縁部材９２の間に形成される環状の空間にヒータ５０を配置してある。

【0060】

上述した構成において、第１絶縁部材９１及び第２絶縁部材９２が、抑制電極２１及び接地電極２２の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材６０である。ここでは、ガス遮断部材６０たる第１絶縁部材９１及び第２絶縁部材９２が、ヒータ５０が配置される環状のヒータ設置空間Ｓ１へのガスの流れを遮断している。

【0061】

なお、ヒータ５０と接地電極２２との間の絶縁を確保する必要があれば、図６（Ａ）に示すように、ヒータ５０と接地電極２２との間にも第３絶縁部材９３たる絶縁碍子を設けても良いし、図示していないが、ヒータ５０と抑制電極２１との間の絶縁を確保する必要があれば、ヒータ５０と抑制電極２１との間にも第４絶縁部材たる絶縁碍子を設けても良い。また、図６（Ｂ）に示すように、ヒータ５０を抑制電極２１及び接地電極２２から電気的に浮かせることができれば、第３絶縁部材９３及び第４絶縁部材は不要である。

【0062】

さらに、図７に示すように、ガスが腐食性のものではない場合など、ヒータ５０に対するガスの影響が少ない場合であれば、ヒータ５０にガスが触れる構成であっても構わない。

【0063】

具体的には、第１絶縁部材９１及び抑制電極２１の間、第１絶縁部材９１及び接地電極２２の間、第２絶縁部材９２及び抑制電極２１の間、又は、第２絶縁部材９２及び接地電極２２の間の何れかに、ヒータ５０が介在していても構わない。この場合、第１絶縁部材９１、第２絶縁部材９２、及び、ヒータ５０が、抑制電極２１及び接地電極２２の間のガスの流れを遮断するガス遮断部材６０となる。

【0064】

また、図２乃至図５の抑制電極２１を構成する蓋体３０と底板４０との間に、図６又は図７の実施形態で説明したヒータ５０又は絶縁碍子を配置してもよい。

【0065】

加えて、前記実施形態の抑制電極２１は、底板４０の外縁部４１が蓋体３０に当接してガス遮断部材６０として機能していたが、図８に示すように、ヒータ５０の外周部が露出していても構わない。なお、引出電極系２０を構成する少なくとも２枚の電極の間にヒータ５０を設ける場合においても、ヒータ５０の外周部が露出していても構わない。

【0066】

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のは言うまでもない。

【符号の説明】

【0067】

１００・・・イオン源
ＩＢ ・・・イオンビーム
１０ ・・・容器
２０ ・・・引出電極系
２１ ・・・抑制電極
２２ ・・・接地電極
２０ｈ・・・ビーム通過穴
３０ ・・・蓋体
４０ ・・・底板
５０ ・・・ヒータ
６０ ・・・ガス遮断部材
７０ ・・・絶縁部材
Ｓ１ ・・・ヒータ設置空間
Ｓ２ ・・・周囲空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】