JP2003257356A - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ源の下流側に偏向電磁石が存在して
いても、プラズマ源から放出されたプラズマ中の電子が
偏向電磁石内をイオンビームの経路に沿って移動するこ
とができるようにして、当該電子によってイオンビーム
の空間電荷を広い領域に亘って中和することができるよ
うにする。 【解決手段】 このイオンビーム照射装置は、プラズマ
源２４の下流側に偏向電磁石３０を有している。この偏
向電磁石３０内に、当該偏向電磁石３０が作る磁界Ｂお
よびイオンビーム４の進行方向の両者に直交する方向の
電界Ｅを発生させる一組の電極３６を設け、これに電源
３８から上記電界Ｅを発生させる電圧を印加するように
構成している。

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、イオンビームを
偏向電磁石内を通して輸送して基板に照射して、当該基
板にイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置に
関し、より具体的には、イオンビームの空間電荷による
発散を抑えてイオンビームの輸送効率を向上させる手段
の改良に関する。 【０００２】 【従来の技術】この種のイオンビーム照射装置の従来例
を図４に示す。このイオンビーム照射装置は、図示しな
いイオン源から引き出され、かつ必要に応じて質量分
離、加速または減速等の行われたイオンビーム４を、偏
向電磁石３０内を通して輸送して基板（例えば半導体ウ
ェーハ）２０に照射して、当該基板２０にイオン注入等
の処理を施すよう構成されている。 【０００３】偏向電磁石３０は、磁界Ｂによってイオン
ビーム４を偏向させることによって、イオンビーム４か
ら特定のエネルギーのイオンを選別して導出するエネル
ギー分離や、イオンビーム４の走査等を行うものであ
る。この偏向電磁石３０は、イオンビーム４を通す真空
容器３２と、その中に、イオンビーム４の進行方向に直
交する方向の磁界Ｂ（この例では紙面表方向に向く磁界
Ｂ）を発生させるコイル３４と、鉄心（図示省略）とを
有している。真空容器３２は、この例では、偏向電磁石
３０の上流側および下流側の真空容器と一体で図示して
いるが、それらと別体の真空容器でも良い。 【０００４】イオンビーム４を輸送する場合、一般的
に、当該イオンビーム４の空間電荷によって、イオンビ
ーム４は発散し、その輸送効率が低下する。特に、低エ
ネルギーおよび大電流のイオンビーム４を輸送する場合
は、この発散および輸送効率低下は大きくなる。これ
は、イオンビームが大電流の場合はその空間電荷が大き
く、かつイオンビームが低エネルギーの場合は空間電荷
による発散の影響を受けやすいからである。 【０００５】例えば、基板２０の表面にイオン注入を行
って、電界効果トランジスタ（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）
を形成するような場合、１００ｅＶ〜５ｋｅＶという低
エネルギー、かつ、５０μＡ〜３ｍＡという大電流のイ
オンビーム４を輸送して基板２０に照射する場合があ
り、このような場合はイオンビーム４の発散および輸送
効率低下は特に大きくなる。 【０００６】このような課題を解決するために、例えば
図４に示す例のように、プラズマ２８を発生させてそれ
をイオンビーム４の経路に供給するプラズマ源２４を設
ける場合がある。このようにすると、プラズマ２８中に
は低エネルギー（例えば２０〜３０ｅＶ以下）の電子が
含まれており、この電子が、イオンビーム４が有するビ
ームポテンシャルによってイオンビーム４中に取り込ま
れて、イオンビーム４の空間電荷を中和する。これによ
って、イオンビーム４の発散を抑制することができる。
これは、プラズマブリッジと呼ばれる技術である。 【０００７】プラズマ源２４は、この例では、プラズマ
生成容器２５内にフィラメント２６を有していて、両者
間のアーク放電によって、ガスを電離させてプラズマ２
８を生成するものであるが、このような構成に限られる
ものではない。例えば、特開平１０−６４４７７号公報
にも、プラズマブリッジ用のプラズマ源が記載されてお
り、そのようなものでも良い。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】上記のようなプラズマ
２８中の電子供給によるイオンビーム４の中和の場合、
電界や磁界のないドリフト空間では、電子が自由に動け
るので、中和作用をうまく奏することができる。 【０００９】しかし、イオン注入装置等のイオンビーム
照射装置においては、イオンビーム４の輸送経路に、様
々な偏向電磁石が存在する（これについては図３を参照
して後で更に説明する）。上記偏向電磁石３０はその一
例である。 【００１０】プラズマ源２４の下流側に偏向電磁石３０
が存在する場合、換言すれば偏向電磁石３０の上流側に
プラズマ源２４が存在する場合、上記プラズマ２８中の
電子は、偏向電磁石３０が作る磁界Ｂにトラップ（捕
捉）されるので、偏向電磁石３０の入口までしか到達す
ることができず、それより先へは、即ち偏向電磁石３０
内およびその下流側へは、イオンビーム４の経路に沿っ
て移動することはできない。従って、そこではイオンビ
ーム４の空間電荷を中和することができない。つまり、
プラズマ源２４を設けても、その下流側に偏向電磁石３
０があると、当該偏向電磁石３０内やその下流側におい
ては、イオンビーム４の空間電荷をプラズマ２８中の電
子によって中和することができない、という課題があ
る。 【００１１】そこでこの発明は、プラズマ源の下流側に
偏向電磁石が存在していても、プラズマ源から放出され
たプラズマ中の電子が偏向電磁石内をイオンビームの経
路に沿って移動することができるようにして、当該電子
によってイオンビームの空間電荷を広い領域に亘って中
和することができるようにすることを主たる目的とす
る。 【００１２】 【課題を解決するための手段】この発明のイオンビーム
照射装置は、前記偏向電磁石内にイオンビームの経路を
挟んで設けられていて、当該偏向電磁石が作る磁界およ
びイオンビームの進行方向の両者に実質的に直交する方
向の電界を発生させる一組の電極と、この電極に前記電
界を発生させる電圧を印加する電源とを備えることを特
徴としている。 【００１３】上記構成によれば、偏向電磁石内におい
て、互いに実質的に直交（直交を含む）する電界Ｅおよ
び磁界Ｂを発生させることができるので、プラズマ源か
ら供給されたプラズマ中の電子は、この電界Ｅおよび磁
界Ｂと実質的に直交する方向（Ｅ×Ｂ方向）に、即ちイ
オンビームの経路に沿う方向に押し流されるようなドリ
フト運動をする。これはＥ×Ｂドリフトと呼ばれる。 【００１４】このＥ×Ｂドリフトによって、上記プラズ
マ中の電子は、偏向電磁石内をイオンビームの経路に沿
って移動することができる。この電子によって、イオン
ビームの空間電荷を、偏向電磁石内を含む広い領域に亘
って中和することができる。その結果、イオンビームの
空間電荷による発散を広い領域に亘って抑えることがで
きるので、イオンビームの輸送効率を向上させることが
できる。このような作用効果は、イオンビームが例えば
前述したような低エネルギーかつ大電流の場合に特に顕
著になる。 【００１５】 【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るイオンビ
ーム照射装置の一例を部分的に示す断面図である。図２
は、図１中の偏向電磁石周りの概略斜視図である。図４
に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号
を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説
明する。 【００１６】このイオンビーム照射装置においては、前
記偏向電磁石３０内であって真空容器３２の側壁の近傍
に、当該側壁に沿わせて、かつ当該側壁から電気的に絶
縁して、イオンビーム４の経路を挟むように一組の（２
枚の）電極３６を設けている。この一組の電極３６は、
それに接続された電源３８から電圧が印加されて、偏向
電磁石３０が作る磁界Ｂおよびイオンビーム４の進行方
向の両者に直交する方向の電界Ｅを発生させる。 【００１７】電源３８から上記一組の電極３６に印加す
る電圧は、直流でも良いけれども、交流の方が好まし
い。即ち、上記電源３８は、直流電源でも良いけれど
も、交流電源の方が好ましい。その理由は後述する。 【００１８】このイオンビーム照射装置によれば、偏向
電磁石３０内において、互いに直交する電界Ｅおよび磁
界Ｂを発生させることができるので、プラズマ源２４か
ら供給されたプラズマ２８中の低エネルギーの電子は、
この電界Ｅおよび磁界Ｂと直交する方向（Ｅ×Ｂ方向）
に、即ちイオンビーム４の経路に沿う方向に押し流され
るようなドリフト運動（Ｅ×Ｂドリフト）をする。 【００１９】このＥ×Ｂドリフトによって、上記プラズ
マ２８中の電子は、偏向電磁石３０内をイオンビーム４
の経路に沿って移動することができる。この電子によっ
て、イオンビーム４の空間電荷を、偏向電磁石３０内を
含む広い領域に亘って中和することができる。その結
果、イオンビーム４の空間電荷による発散を広い領域に
亘って抑えることができるので、イオンビーム４の輸送
効率を向上させることができる。このような作用効果
は、イオンビーム４が例えば前述したような低エネルギ
ーかつ大電流の場合に特に顕著になる。 【００２０】上記電界Ｅは、直流電界であれ交流電界で
あれ、強過ぎるとそれによってイオンビーム４の軌道に
影響を及ぼし、弱過ぎると電子の上記Ｅ×Ｂドリフトが
弱くなるので、当該電界Ｅ（交流電界の場合はその最大
値）は、例えば、１０Ｖ／ｃｍ〜１００Ｖ／ｃｍ程度の
範囲内にするのが好ましい。電子はイオンに比べて遙か
に軽いので、このような小さな電界Ｅでも、イオンビー
ム４に影響を与えずに電子を上記のようにドリフトによ
って移動させることができる。 【００２１】電源３８から電極３６に印加する電圧が直
流の場合は、直流の電界Ｅが発生し、プラズマ２８中の
電子の内で、主として特定のエネルギーを有する電子が
Ｅ×Ｂドリフトによってイオンビーム４の経路に沿って
移動する。その移動方向は、図２に示す電界Ｅと磁界Ｂ
との関係では、イオンビーム４の進行方向となる。電界
Ｅおよび磁界Ｂの強さを、プラズマ源２４から発生させ
たプラズマ２８中の電子の内で多量に存在する電子が有
するエネルギーに対応したものに選定すれば、当該電子
をイオンビーム４の経路に沿ってより効果的にドリフト
（移動）させることができるので、当該電子をイオンビ
ーム４の空間電荷の中和により効果的に利用することが
できる。 【００２２】これに対して、電源３８から電極３６に印
加する電圧が交流の場合は、交流の電界Ｅが発生する。
従って、Ｅ×Ｂドリフトによる電子の移動方向は、イオ
ンビーム４の経路に沿う方向において反転する。即ち、
下流側に向かう場合と上流側に向かう場合とが交互に起
こる。電子は軽いので容易に反転する。それでも、当該
電子が偏向電磁石３０内をイオンビーム４の経路に沿っ
て移動することに変わりはないので、当該電子によるイ
オンビーム４の空間電荷中和に支障はない。 【００２３】むしろ、交流の電界Ｅを発生させると、当
該電界Ｅの大きさが時間的に変化するので、直流の場合
に比べて、広いエネルギー範囲の電子をＥ×Ｂドリフト
によってイオンビーム４の経路に沿って移動させること
ができる。プラズマ源２４から発生させたプラズマ２８
中の電子のエネルギーは、通常は、特定のエネルギーに
集中しているというよりもむしろ、比較的広いエネルギ
ー範囲に分布しているので、大きさの変わる交流の電界
Ｅの方が、プラズマ２８中の電子をより多くイオンビー
ム４の空間電荷の中和に利用することができる。従って
この観点からは、上記一組の電極３６によって発生させ
る電界Ｅは、即ち電源３８から電極３６に印加する電圧
は、交流の方が好ましい。 【００２４】電源３８から電極３６に交流の電圧を印加
する場合の周波数は、あまり高くしても意味はなく、む
しろ電源３８の製作やそれからの交流電圧の伝送が難し
くなるので、１ＭＨｚ程度を上限とするのが現実的であ
る。周波数の下限は特にないが、この種のイオンビーム
照射装置においては偏向電磁石３０の下流においてイオ
ンビーム４を１００Ｈｚ〜数百Ｈｚで走査する場合があ
り、その走査周波数と無用な干渉を避ける等のために
は、当該１００Ｈｚ〜数百Ｈｚよりも高くするのが好ま
しい。 【００２５】図３は、イオンビーム照射装置の一種であ
るイオン注入装置の一例を示す平面図である。この種の
イオン注入装置は、例えば特開２００１−１４３６５１
号公報に記載されている。図１および図２に示した構成
は、例えば、このようなイオン注入装置に適用すること
ができる。 【００２６】この図３に示すイオン注入装置は、イオン
源２から引き出したイオンビーム４から特定の質量数お
よび価数のイオンを選別して導出する質量分離マグネッ
ト６と、それから導出されたイオンビーム４を加速（加
速モードの場合）または減速（減速モードの場合）する
加速管８と、それから導出されたイオンビーム４から特
定のエネルギーのイオンを選別して導出するエネルギー
分離マグネット１０と、それから導出されたイオンビー
ム４を磁界によってＸ方向（例えば水平方向）を含む平
面内で往復走査する走査マグネット１２と、それから導
出されたイオンビーム４を基準軸１５に対して平行にな
るように曲げ戻して走査マグネット１２と協働してイオ
ンビーム４の平行走査を行うビーム平行化マグネット１
４と、それから導出されたイオンビーム４を基板２０に
照射して当該基板２０にイオン注入を行う注入室１６と
を備えている。 【００２７】更に、注入室１６内において、イオンビー
ム４の照射領域内で基板２０を前記Ｘ方向と実質的に直
交するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に往復走査す
る走査機構２２を備えている。基板２０は、この走査機
構２２のホルダ２３に保持される。 【００２８】上記質量分離マグネット６、エネルギー分
離マグネット１０、走査マグネット１２およびビーム平
行化マグネット１４は、いずれも、イオンビーム４を磁
界によって偏向させる偏向電磁石に属するものであり、
上記図１および図２に示した偏向電磁石３０であると考
えることができる。特に、加速管８を減速モードで使用
すると、それより下流側ではイオンビーム４は、例えば
前述したような低エネルギーになるので、エネルギー分
離マグネット１０、走査マグネット１２およびビーム平
行化マグネット１４の一つ以上を（一つでも二つでも全
部でも良い）、上記偏向電磁石３０と考えることができ
る。そして、その偏向電磁石３０に上記のような電極３
６および電源３８を設けると共に、その上流側に上記プ
ラズマ源２４を設けるのである。 【００２９】例えば、エネルギー分離マグネット１０を
上記偏向電磁石３０と考え、当該エネルギー分離マグネ
ット１０の上流側であって加速管８よりも下流側に、上
記プラズマ源２４を設けても良い。そこにプラズマ源２
４を設けて、イオンビーム４として１ｋｅＶのエネルギ
ーを有するＢ⁺ のイオンビーム４をエネルギー分離マグ
ネット１０に導入して、エネルギー分離マグネット１０
の出口に到達するイオンビーム４のビーム電流を、図示
しないファラデーカップによって計測した結果を表１に
示す。 【００３０】 【表１】 【００３１】上記比較例１は、プラズマ源２４を使用し
ない場合であり、比較例２は、プラズマ源２４を使用し
てプラズマ２８（図１参照）を供給した場合である。但
しいずれも、エネルギー分離マグネット１０内に上記の
ような電極３６は設けていない。上記実施例は、この発
明に係るものであり、プラズマ源２４を使用してプラズ
マ２８を供給すると共に、エネルギー分離マグネット１
０内に上記のような一組の電極３６を設けておいてそれ
に電源３８から交流電圧を印加した場合である。このと
き、交流電圧の周波数は１ｋＨｚとし、電界Ｅの最大値
は３０Ｖ／ｃｍとした。 【００３２】比較例１および比較例２に比べて、実施例
の方が、エネルギー分離マグネット１０の出口に到達す
るイオンビーム４のビーム電流が２倍以上に増加するこ
とが分かる。これは、前述したような作用によって、イ
オンビーム４の空間電荷が中和されて発散が抑制され、
その輸送効率が向上したからである。 【００３３】 【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、偏向電
磁石内において、互いに実質的に直交する電界および磁
界を発生させることができるので、プラズマ源から供給
されたプラズマ中の電子は、この電界および磁界と実質
的に直交する方向に、即ちイオンビームの経路に沿う方
向に押し流されるようなドリフト運動をする。このドリ
フト運動によって、上記プラズマ中の電子は、偏向電磁
石内をイオンビームの経路に沿って移動することがで
き、この電子によって、イオンビームの空間電荷を、偏
向電磁石内を含む広い領域に亘って中和することができ
る。その結果、イオンビームの空間電荷による発散を広
い領域に亘って抑えることができるので、イオンビーム
の輸送効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明に係るイオンビーム照射装置の一例を
部分的に示す断面図である。 【図２】図１中の偏向電磁石周りの概略斜視図である。 【図３】イオンビーム照射装置の一種であるイオン注入
装置の一例を示す平面図である。 【図４】従来のイオンビーム照射装置の一例を部分的に
示す断面図である。 【符号の説明】 ４ イオンビーム ２０ 基板 ２４ プラズマ源 ２８ プラズマ ３０ 偏向電磁石 ３６ 電極 ３８ 電源 Ｅ 電界 Ｂ 磁界

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/265 ６０３ Ｈ０１Ｌ 21/265 ６０３Ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 イオンビームを偏向電磁石内を通して輸
   送して基板に照射する装置であって、当該偏向電磁石の
   上流側に、プラズマを発生させてそれをイオンビームの
   経路に供給するプラズマ源を有するイオンビーム照射装
   置において、前記偏向電磁石内にイオンビームの経路を
   挟んで設けられていて、当該偏向電磁石が作る磁界およ
   びイオンビームの進行方向の両者に実質的に直交する方
   向の電界を発生させる一組の電極と、この電極に前記電
   界を発生させる電圧を印加する電源とを備えることを特
   徴とするイオンビーム照射装置。