CN103311083A

CN103311083A - 离子注入装置

Info

Publication number: CN103311083A
Application number: CN2012104254934A
Authority: CN
Inventors: 井内裕
Original assignee: NINSSIN ION EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: NINSSIN ION EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: KR20130103287A; CN103311083B; JP5800286B2; JP2013187102A; KR101401278B1

Abstract

本发明提供一种离子注入装置，与以往的技术相比，能够容易地调整分辨率。离子注入装置（IM）包括：离子源（1），当将行进方向定为Z方向并将与Z方向实际上垂直的两个方向定为X方向和Y方向时，产生X方向的尺寸比Y方向的尺寸大的带状离子束（2）；质量分析磁铁（3），具有至少一个螺线管线圈（4）；以及分析狭缝（5），在XZ平面上，由螺线管线圈（4）产生的磁场（B）的方向与入射进质量分析磁铁（3）的离子束（2）的行进方向倾斜交叉。

Description

离子注入装置

技术领域

本发明涉及在质量分析磁铁内具备螺线管线圈的离子注入装置。

背景技术

在离子注入装置中，为了向半导体基板（硅晶片或玻璃基板）注入具有所希望的质量的离子，使用质量分析磁铁。

专利文献1中记载的质量分析磁铁是所述的质量分析磁铁的例子。具体地说，专利文献1中记载的质量分析磁铁在磁轭内具备一对螺线管线圈。入射进分析磁铁的带状离子束的短边方向与由配置在质量分析磁铁入口一侧的螺线管线圈产生的磁场方向倾斜交叉。此外，在此所说的带状离子束是指在用与离子束行进方向垂直的面切断离子束时，该离子束的截面大体为长方形。此外，所谓离子束的短边方向是指大体为长方形的离子束截面的短边的方向，所谓离子束的长边方向是指大体为长方形的离子束截面的长边的方向。

通过质量分析磁铁内的带状离子束因洛伦兹力而偏转，最终通过配置在质量分析磁铁下游的分析狭缝，在带状离子束的短边方向上进行质量分析。

现有技术文献

专利文献1：美国专利申请公开第2010/0116983号说明书（图1A、图1B、图2A以及图3）

专利文献1的质量分析磁铁是使带状离子束沿短边方向偏转从而进行质量分析形式的质量分析磁铁，因此为了调整质量分析磁铁的分辨率的大小，必须调整在短边方向上的偏转作用。

在利用专利文献1的质量分析磁铁使带状离子束沿其短边方向偏转的情况下，首先使带状离子束沿长边方向偏转后，再使带状离子束沿短边方向偏转。更详细地说，在离子束入射进质量分析磁铁时，最初受到的力的方向是离子束的长边方向，并由于因受到的力而产生的离子束的速度分量和磁场，在离子束的短边方向上产生力。即，简而言之，通过两个阶段使离子束偏转。

对该偏转作用进行说明。在图9的（A）～图9的（D）中表示有一种离子注入装置，与专利文献1中记载的离子注入装置相同，在质量分析磁铁内产生的磁场的方向与入射进质量分析磁铁内的带状离子束的短边方向倾斜交叉。专利文献1的离子注入装置公开了在质量分析磁铁内设置有一对螺线管线圈的例子，但是，在此为了简化说明，采用在质量分析磁铁内设置有一个螺线管线圈的例子。

在图9的（A）中描绘了在从上面看离子注入装置IM时的截面的样子。在该离子注入装置IM中，通过质量分析磁铁3使由离子源1产生的离子束2偏转，偏转后的离子束2通过设在质量分析磁铁3下游的分析狭缝5，由此对离子束2进行质量分析。此后，通过向基板6（为半导体基板，例如是硅晶片或玻璃基板等）照射离子束2，从而实施向基板6的离子注入处理。另一方面，图9的（C）中描绘了从横向看离子注入装置IM时的截面的样子，在图9的（C）和图9的（A）中看到的截面的方向具有90度的不同。

在该例子中使用的离子束2与专利文献1中的相同，是带状离子束，图中所示的X方向、Y方向、Z方向分别对应于由离子源1产生的离子束2的长边方向、短边方向、行进方向。在这些图中所画的箭头G表示重力方向。此外，X方向、Y方向、Z方向在离子束2的飞行路径上会适当地改变。

在由质量分析磁铁3所具备的螺线管线圈4产生的磁场B的方向与由离子源1产生的离子束2的短边方向倾斜交叉的情况下，离子束2中含有的离子在质量分析磁铁3内边沿螺旋轨道运动边偏转。但是，在此为了简化图示和说明，省略了有关螺旋轨道的详细情况，只简要叙述有关离子束2偏转的情况。

图9的（B）表示通过图9的（A）的质量分析磁铁3内的离子束2的样子。在该图中，用虚线把离子束2表示成离子束IB。如图所示，可以把离子束IB分成与磁场B的方向平行的速度分量（IB//B）和与磁场B的方向垂直的速度分量（IB⊥B）。因与磁场B的方向垂直的离子束IB的速度分量，洛伦兹力F1作用在离子束IB上。其结果离子束IB向X方向偏转。

如果离子束2向X方向偏转，则变成在图9的（C）中所画的截面中，洛伦兹力也作用于离子束2。图9的（D）描绘了这种情况。图9的（D）表示通过图9的（C）的质量分析磁铁3内的离子束2的样子。

在该例子中，如图9的（C）所示，由于离子束2与由螺线管线圈4产生的磁场B的方向平行地入射进质量分析磁铁3内，所以离子束2不受磁场B的偏转作用。可是，如果因在图9的（B）中说明过的洛伦兹力F1的作用，离子束2向X方向产生偏转，则因离子束2的行进方向相对于磁场B发生变化，所以如图9的（D）所示，出现了与磁场B的方向垂直的离子束的速度分量（IB⊥B）。由此，如图9的（D）所示，洛伦兹力F2作用于离子束IB，离子束IB向Y方向偏转。

这样，通过两个阶段偏转的离子束2通过分析狭缝5，在Y方向被进行质量分析。为了调整该质量分析的能力（分辨率），可以考虑以下的两种方法。

一种方法是增加流经螺线管线圈4的电流量，调整在质量分析磁铁3内产生的磁场B的磁通密度的强度。通过使用该方法可以调整前述的洛伦兹力F2的偏转作用，把分辨率的大小设定为所希望的值。

可是，对离子束2的偏转作用在两个阶段产生。在第二阶段产生的洛伦兹力F2起因于在第一阶段产生的洛伦兹力F1，在第二阶段产生的洛伦兹力F2是间接产生的。洛伦兹力F1的大小按照离子束2通过的质量分析磁铁3内的磁场分布、入射进质量分析磁铁3的离子束2的空间分布（入射位置和方向）以及离子束的速度分量不同而变化。因此边控制洛伦兹力F1边控制因洛伦兹力F1产生的洛伦兹力F2的大小非常困难。

另一方面，作为另外的方法可以考虑调整带状离子束2的短边方向与磁场B的方向交叉的角度。通过使用该方法，改变与磁场B方向垂直的离子束2的垂直分量的大小，调整对离子束2产生的偏转作用，可以把分辨率的大小设定为所希望的值。

可是，即使是该方法，在第二阶段产生的洛伦兹力F2也起因于在第一阶段产生的洛伦兹力F1，在第二阶段产生的洛伦兹力F2也是间接产生的。如前所述，洛伦兹力F1的大小按照离子束2通过的质量分析磁铁3内的磁场分布、入射进质量分析磁铁3的离子束2的空间分布（入射位置和方向）以及离子束的速度分量不同而改变。因此，即使采用该方法，控制洛伦兹力F2的大小也非常困难。

由于所述的原因，在用专利文献1的质量分析磁铁调整分辨率的情况下，必须要控制因在第一阶段产生的洛伦兹力F1而间接产生的洛伦兹力F2的大小，但是控制洛伦兹力F2的大小是非常困难的，所以调整分辨率是困难的。

发明内容

因此本发明主要的目的在于提供一种离子注入装置，该离子注入装置与前述以往的技术相比，能够容易地调整分辨率。

本发明提供一种离子注入装置，其包括：离子源，当将离子束的行进方向定为Z方向并将与所述Z方向实际上垂直的两个方向定为X方向和Y方向时，该离子源产生X方向的尺寸比Y方向的尺寸大的带状离子束；质量分析磁铁，在内部具有至少一个螺线管线圈，通过由所述螺线管线圈产生的磁场使所述离子束偏转；以及分析狭缝，仅使通过了所述质量分析磁铁的所述离子束中的、含有所希望的离子的离子束通过，在XZ平面上，由所述螺线管线圈产生的磁场的方向与入射进所述质量分析磁铁的所述离子束的行进方向倾斜交叉。

按照所述的离子注入装置，在第一阶段产生的洛伦兹力的偏转作用作为质量分析时的偏转作用直接进行作用，所以能够容易地调整分辨率。

此外，在所述的离子注入装置中，优选的是，在所述螺线管线圈上形成有用于使所述离子束通过的开口部，并且所述离子束通过所述开口部的大体中央。

由于在开口部的大体中央部，磁场分布均匀，所以能够容易地控制通过此处的离子束的偏转量。

此外，在所述的离子注入装置中，优选的是，所述螺线管线圈以在XZ平面上使所述开口部相对于重力方向倾斜的方式支承在所述质量分析磁铁内。

按照该结构，在采用大型的离子源的情况下，无须将离子源整体设置成相对于重力方向倾斜，所以能够与以往的结构同样地、顺利地进行离子源的维护操作。

此外，在所述的离子注入装置中，优选的是，所述质量分析磁铁具有两个所述螺线管线圈，在XZ平面上，设置在各个螺线管线圈上的开口部相对于重力方向彼此向相同的方向倾斜，并且在所述开口部产生的磁场的方向相互大体平行。

如果采用该结构，则能够通过使离子束的路径弯曲回来，而使装置的外形成为大体直线形。

另一方面，在所述的离子注入装置中，优选的是，所述质量分析磁铁具有两个所述螺线管线圈，在XZ平面上，设置在各个螺线管线圈上的开口部相对于重力方向彼此向不同的方向倾斜，并且在所述开口部产生的磁场的方向相互倾斜交叉。

如果采用该结构，则能够提高分辨率。

此外，在所述的离子注入装置中，优选的是，所述离子注入装置还包括偏转装置，该偏转装置设置在所述分析狭缝的下游，用于使所述离子束沿X方向偏转。

如果采用该结构，则能够在调整了在XZ平面上的离子束的行进方向的基础上，向基板照射离子束。

由于在XZ平面上使由螺线管线圈产生的磁场的方向与入射进质量分析磁铁的离子束的行进方向倾斜交叉，所以在第一阶段产生的洛伦兹力的偏转作用能够作为质量分析时的偏转作用直接进行作用。其结果，能够容易地调整分辨率。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的离子注入装置的立体图。

图2是图1所示的离子注入装置的剖视图以及在各截面上对离子束作用的洛伦兹力的说明图。图2的（A）是XZ平面上的离子注入装置的剖视图，图2的（B）是在图2的（A）所示的质量分析磁铁内对离子束作用的洛伦兹力的说明图。图2的（C）是在YZ平面上的离子注入装置的剖视图，图2的（D）是在图2的（C）所示的质量分析磁铁内对离子束作用的洛伦兹力的说明图。

图3是本发明其他实施方式的离子注入装置的剖视图。图3的（A）表示在XZ平面上的剖视图，图3的（B）表示在YZ平面上的剖视图。

图4是图3所示的离子注入装置的变形例。图4的（A）表示在XZ平面上的剖视图，图4的（B）表示在YZ平面上的剖视图。

图5是本发明其他实施方式的离子注入装置的剖视图。图5的（A）表示在XZ平面上的剖视图，图5的（B）表示在YZ平面上的剖视图。

图6是图5所示的离子注入装置的变形例。图6的（A）表示在XZ平面上的剖视图，图6的（B）表示在YZ平面上的剖视图。

图7是图2所示的离子注入装置的变形例。图7的（A）表示在XZ平面上的剖视图，图7的（B）表示在YZ平面上的剖视图。

图8表示在分析狭缝的下游具备偏转装置的离子注入装置的例子。图8的（A）表示在XZ平面上的剖视图，图8的（B）表示在YZ平面上的剖视图。

图9是以往的离子注入装置的剖视图和在各截面上对离子束作用的洛伦兹力的说明图。图9的（A）表示在XZ平面上的剖视图，图9的（B）表示在图9的（A）所示的质量分析磁铁内对离子束作用的洛伦兹力的说明图，图9的（C）表示在YZ平面上的剖视图，图9的（D）表示在图9的（C）所示的质量分析磁铁内对离子束作用的洛伦兹力的说明图。

附图标记说明

1…离子源

2…离子束

3…质量分析磁铁

4…螺线管线圈

5…分析狭缝

6…基板

7…电磁铁

8…开口部

具体实施方式

在本发明中，在各图中所示的X方向、Y方向、Z方向分别对应于由离子源产生的离子束的长边方向、短边方向、行进方向，箭头G表示重力方向。此外，X方向、Y方向、Z方向因离子束的飞行路径会适当地改变。

图1表示本发明的离子注入装置IM整体的立体图。用虚线所示的平面P1、P2是沿离子束2的路径设置的相互垂直的平面，分别与XZ平面、YZ平面对应。

由离子源1产生的离子束2是X方向的尺寸比Y方向的尺寸大的带状离子束。该离子束2通过经过质量分析磁铁3而向Y方向偏转，并通过配置在质量分析磁铁3的下游的分析狭缝5被进行质量分析。与专利文献1相同，在所述质量分析磁铁3中设置有图中没有表示的螺线管线圈，对此将在后面叙述。通过分析狭缝5后的离子束2向基板6照射。此时，通过沿图中所示的箭头方向输送基板6，可以对基板6的整个面照射离子束2。

图2表示用图1的平面P1、P2切断离子注入装置时的截面的样子。图2的（A）表示在平面P1上的截面的样子，图2的（B）表示在图2的（A）所示的质量分析磁铁3内使离子束2偏转的样子。此外，图2的（C）表示在平面P2上的截面的样子，图2的（D）表示在图2的（C）所示的质量分析磁铁3内使离子束2偏转的样子。参照这些图，对本发明的对离子束2产生的偏转作用进行说明。此外，实际上在离子束2中含有的离子在质量分析磁铁3内边沿螺旋轨道运动边偏转，在此为了简化图示和说明，省略了螺旋轨道的详细情况，只对有关离子束2的偏转进行简要叙述。

在图2的（A）的质量分析磁铁3中设置有螺线管线圈4。该螺线管线圈4与专利文献1中所示的相同，是环形的线圈，在线圈的中心部形成有离子束2通过的开口部8。在该例子中，螺线管线圈4以使离子束2入射的面相对于重力方向G倾斜的方式支承在质量分析磁铁3内。因此，在XZ平面上，成为由螺线管线圈4产生的磁场B的方向与离子束2的行进方向倾斜交叉的位置关系。

图2的（B）表示在XZ平面上对通过螺线管线圈4的离子束2作用的洛伦兹力F1。与对以往技术的说明相同，在此将离子束2用虚线表示成离子束IB。如前所述，磁场B的方向与离子束2的行进方向倾斜交叉。在该情况下，可以把离子束IB分成与磁场B平行的速度分量（IB//B）和与磁场B垂直的速度分量（IB⊥B）。因与磁场B垂直的速度分量（IB⊥B）而产生洛伦兹力F1，使离子束IB向Y方向偏转。

图2的（C）表示因所述洛伦兹力F1使离子束2向Y方向偏转的样子。该图2的（C）表示在平面P2上的离子注入装置IM的截面的样子，在该截面上，对通过质量分析磁铁3的离子束2产生图2的（D）所示的洛伦兹力F2。

如图2的（D）所示，在离子束IB入射到质量分析磁铁3时，由于与磁场B的方向大体平行，所以在离子束IB上几乎没有作用有洛伦兹力。另一方面，如果产生图2的（B）所示的洛伦兹力F1，则离子束IB向Y方向偏转，所以离子束IB的行进方向变成与磁场B倾斜交叉的方向。其结果，在离子束IB上产生了与磁场B垂直的速度分量（IB⊥B），由此产生洛伦兹力F2。如图2的（A）所示，因该洛伦兹力F2使离子束IB向X方向偏转。此外，这里所述的大体平行也包括稍稍偏离平行状态的状态。

如上所述，在本发明中，在XZ平面上具有由螺线管线圈4产生的磁场B的方向与入射进质量分析磁铁3的离子束2的行进方向倾斜交叉的位置关系，所以在第一阶段产生的洛伦兹力的偏转作用作为质量分析时的偏转作用直接进行作用。其结果，能够容易地调整分辨率。

本发明的结构不限于此，可以考虑进行各种各样的变形。例如，如在专利文献1中所例举的那样，也可以设置两个螺线管线圈。图3～图6表示设置有两个所述螺线管线圈的例子。对这些例子说明如下。

在图3的（A）和图4的（A）中公开了：在配置在质量分析磁铁3内的各个螺线管线圈4上形成的开口部8相对于重力方向G向相同的方向倾斜。在各图中，在各个螺线管线圈4的大体中央部产生的磁场B的方向大体相互平行，并且磁场B的方向具有约180度的不同。此外，在图3的（A）和图4的（A）的结构中，对由配置在质量分析磁铁3的离子束2入射一侧的螺线管线圈4产生的磁场B的方向和由配置在质量分析磁铁3的离子束2射出一侧的螺线管线圈4产生的磁场B的方向进行比较时，图3的（A）和图4的（A）中的所述的磁场B的方向具有约180度的不同。由于如上所述的磁场B的方向不同，所以如图3的（B）和图4的（B）所示，在YZ平面上将离子束2的路径弯曲回来的方向成为相反的方向。

通过采用所述的螺线管线圈4的配置结构，使离子束2的路径在XZ平面和YZ平面上弯曲回来，可以使离子束2的路径成为大体直线形。

另一方面，也可以考虑使用图5和图6中公开的例子。在图5的（A）和图6的（A）中公开了：在各个螺线管线圈4上形成的开口部8相对于重力方向G朝向不同的方向倾斜。在各图中，在各个螺线管线圈4的大体中央部产生的磁场B的方向相互倾斜交叉。此外，在图5的（A）和图6的（A）的结构中，对由配置在质量分析磁铁3的离子束2入射一侧的螺线管线圈4产生的磁场B的方向和由配置在质量分析磁铁3的离子束2射出一侧的螺线管线圈4产生的磁场B的方向进行比较时，图5的（A）和图6的（A）中的所述的磁场B的方向具有约180度的不同。由于如上所述的磁场B的方向的不同，所以如图5的（B）和图6的（B）所示，在YZ平面上离子束2的路径弯曲的方向成为相反的方向。

通过采用如上所述的螺线管线圈4的配置结构，可以使离子束2的路径在XZ平面上弯曲回来，并且在YZ平面上向一个方向进行很大的弯曲。按照所述的结构，能够提高质量分析的分辨率。特别是在对向玻璃基板进行离子注入时使用的、尺寸比较大的离子束进行处理的情况下，与在图3和图4中公开的例子相比，优选的是使用在图5和图6中公开的例子。

在以上的实施方式中，叙述了在XZ平面上使质量分析磁铁3内的螺线管线圈4的开口部8相对于重力方向G倾斜的例子，但不限于此，如图7的（A）所示，本发明也可以是把螺线管线圈4的开口部8配置成与重力方向G平行的结构。图7的（A）和图7的（B）是把图2的（A）和图2的（C）所示的结构绕Y方向转动而得到的结构。因此，作用于离子束2的洛伦兹力的偏转作用与参照图2说明过的相同。

虽然所述图7的（A）、图7的（B）所示的结构也可以用于本发明，但考虑到对离子源1的维护，优选的是使用图2所示的结构。例如在对设置在离子源1中的灯丝和防着板进行更换时，如果把离子源1固定在离地较高的位置，则更换操作的效率变差。

此外，本发明的离子注入装置IM还可以包括偏转装置，该偏转装置用于对在XZ平面上的离子束2的行进方向进行修正。作为偏转装置，可以考虑使用静电偏转板、电磁铁或永磁体等。在图8的（A）和图8的（B）中表示了包括所述的偏转装置的离子注入装置IM。

如图8所示，在分析狭缝5的下游设置有电磁铁7，电磁铁7用于对离子束2在XZ平面上的行进方向进行控制。例如，可以考虑该电磁铁7具有一对磁极，一对磁极被设置成在Y方向上夹着离子束2，线圈缠绕在各磁极的周围。

如以上的实施方式所述，如果使离子束2通过螺线管线圈4的大体中央部，则具有可以更简单地控制离子束2的偏转量的效果。其原因是在螺线管线圈4的大体中央部产生的磁场B的分布大体均匀。在使用磁场B分布不均匀的螺线管线圈4的端部区域对离子束2进行质量分析的情况下，因不均匀的磁场分布会导致离子束2沿其整体产生不均匀的偏转。离子束2的尺寸越大，则因不均匀的磁场分布造成的影响越显著。例如，在处理离子束2的短边方向尺寸大的、宽的离子束的情况下，在使用磁场不均匀的螺线管线圈4的端部区域进行质量分析时，会导致离子束2产生大的变形，从而造成不能进行所希望的质量分析的问题。此外，在向基板6照射电流密度分布均匀的离子束的情况下，为了修正所述变形的影响，认为需要设置特别的透镜元件。但是，如果不考虑所述情况，则也可以使离子束2通过螺线管线圈4的端部。

此外，在所述的实施方式中，在YZ平面上的由螺线管线圈4产生的磁场B的方向与入射进质量分析磁铁3的离子束2的行进方向的关系被设定成大体相互平行的关系，但是本发明的结构不限于此。在本发明中，只要将在XZ平面上的由螺线管线圈4产生的磁场B的方向与入射进质量分析磁铁3的离子束2的行进方向的关系设定成是倾斜交叉的关系，则在YZ平面上的两者的方向的关系是什么样的关系都可以。

除了前述的内容以外，在不脱离本发明宗旨的范围内，当然可以进行各种改进和变形。

Claims

1.一种离子注入装置，其特征在于，

所述离子注入装置包括：

离子源，当将离子束的行进方向定为Z方向并将与所述Z方向实际上垂直的两个方向定为X方向和Y方向时，该离子源产生X方向的尺寸比Y方向的尺寸大的带状离子束；

质量分析磁铁，在内部具有至少一个螺线管线圈，通过由所述螺线管线圈产生的磁场使所述离子束偏转；以及

分析狭缝，仅使通过了所述质量分析磁铁的所述离子束中的、含有所希望的离子的离子束通过，

在XZ平面上，由所述螺线管线圈产生的磁场的方向与入射进所述质量分析磁铁的所述离子束的行进方向倾斜交叉。

2.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于，在所述螺线管线圈上形成有用于使所述离子束通过的开口部，并且所述离子束通过所述开口部的大体中央。

3.根据权利要求2所述的离子注入装置，其特征在于，所述螺线管线圈以在XZ平面上使所述开口部相对于重力方向倾斜的方式支承在所述质量分析磁铁内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的离子注入装置，其特征在于，

所述质量分析磁铁具有两个所述螺线管线圈，

在XZ平面上，设置在各个螺线管线圈上的开口部相对于重力方向彼此向相同的方向倾斜，并且在所述开口部产生的磁场的方向相互大体平行。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的离子注入装置，其特征在于，

所述质量分析磁铁具有两个所述螺线管线圈，

在XZ平面上，设置在各个螺线管线圈上的开口部相对于重力方向彼此向不同的方向倾斜，并且在所述开口部产生的磁场的方向相互倾斜交叉。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的离子注入装置，其特征在于，所述离子注入装置还包括偏转装置，该偏转装置设置在所述分析狭缝的下游，用于使所述离子束沿X方向偏转。

7.根据权利要求4所述的离子注入装置，其特征在于，所述离子注入装置还包括偏转装置，该偏转装置设置在所述分析狭缝的下游，用于使所述离子束沿X方向偏转。

8.根据权利要求5所述的离子注入装置，其特征在于，所述离子注入装置还包括偏转装置，该偏转装置设置在所述分析狭缝的下游，用于使所述离子束沿X方向偏转。