JP2005026189A

JP2005026189A - Ion beam irradiation device

Info

Publication number: JP2005026189A
Application number: JP2003270658A
Authority: JP
Inventors: Junzo Ishikawa; 順三石川; Masatake Kanamaru; 正剛金丸; Masayoshi Nagao; 昌善長尾; Tadashi Ikejiri; 忠司池尻; Shigeki Sakai; 滋樹酒井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-27

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion beam irradiation device which is equipped with an electron source that can generate large amount of electrons of low energy by a drawing voltage lower than the conventional technology as an electron source for charge suppression of the treatment body. <P>SOLUTION: This ion beam irradiation device comprises a field emission type electron source 10 which is arranged at the side of a passage of an ion beam 2 on the upstream side of a holder 6 and emits electrons 22 into the passage of the ion beam 2 and a drawing-out power supply 30 for it. This field emission electron source 10 has a large number of minute emitters having a tip with sharpened profile formed on the conductive substrate 12 and a gate electrode 18 surrounding the vicinity of the tip of each emitter 14 with a minute gap, and an insulating layer for insulating between the gate electrode 18 and the substrate 12. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、被処理体（例えば半導体基板等）にイオンビーム（この明細書では正イオンビーム）を照射して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、イオンビーム照射の際の被処理体表面の帯電（チャージアップ）を抑制する手段の改良に関する。 The present invention relates to an ion beam irradiation apparatus that irradiates an object to be processed (for example, a semiconductor substrate) with an ion beam (in this specification, a positive ion beam) and performs a process such as ion implantation, and more specifically, an ion beam. The present invention relates to an improvement in means for suppressing charging (charge-up) of the surface of an object to be processed during irradiation.

イオンビーム照射において、例えばイオン注入による半導体デバイスの製造等において、イオンビーム照射の際の被処理体表面の帯電を小さく抑制することが重要であり、その手段の一つとして、即ちイオンの正電荷を電子によって中和する手段の一つとして、特許文献１には、電界放出によって電子を発生する複数（例えば１０個程度）の突起電極と、この突起電極の前方に配置されていて発生した電子を引き出す引出し電極と、この引出し電極の前方に配置されていて引き出された電子を減速する減速電極と、これら用の電源とを備える電子シャワー装置を用いたイオン注入装置が記載されている。 In ion beam irradiation, for example, in the manufacture of semiconductor devices by ion implantation, it is important to suppress the surface charge of the object to be processed at the time of ion beam irradiation as one of the means, that is, the positive charge of ions. As one of the means for neutralizing the electron with electrons, Patent Document 1 discloses a plurality of (for example, about 10) projecting electrodes that generate electrons by field emission and the electrons generated by being arranged in front of the projecting electrodes. There is described an ion implantation apparatus using an electron shower apparatus provided with an extraction electrode for extracting the electron, a decelerating electrode arranged in front of the extraction electrode to decelerate the extracted electrons, and a power source for these electrodes.

特開平４−１４４０５０号公報（第３頁左上、右上欄、第１図）Japanese Patent Laid-Open No. 4-144050 (page 3, upper left, upper right column, FIG. 1)

上記電子シャワー装置においては、突起電極から電界放出によって電子を発生させるためには、引出し電源から、突起電極と引出し電極との間に数ｋＶという高電圧を印加しなければならないので、その分、容量の大きな引出し電源が必要になる。高圧配線も必要になる。 In the electron shower device, in order to generate electrons from the protruding electrode by field emission, a high voltage of several kV must be applied between the protruding electrode and the extracting electrode from the extracting power source. A large capacity drawer power supply is required. High voltage wiring is also required.

また、引出し電極からはエネルギーの大きな電子が引き出され、それが被処理体に過剰に供給されるとその表面が負に大きく帯電する（最大で、被処理体に供給される電子のエネルギーに相当する電圧まで帯電する）ので、これを防止するために、上記電子シャワー装置は電子を減速する減速電極およびそれ用の減速電源を必ず用いる必要があり、その分、構造が複雑になる。 In addition, electrons with large energy are extracted from the extraction electrode, and when the electrons are excessively supplied to the object to be processed, the surface thereof is negatively charged greatly (corresponding to the energy of electrons supplied to the object to be processed at the maximum). In order to prevent this, the electronic shower apparatus must always use a decelerating electrode for decelerating electrons and a decelerating power source therefor, which complicates the structure.

そこでこの発明は、被処理体の帯電抑制用の電子源として、従来技術よりも低い引出し電圧で低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電子源を備えるイオンビーム照射装置を提供することを主たる目的としている。 Therefore, the present invention provides an ion beam irradiation apparatus provided with an electron source capable of generating a large amount of low-energy electrons with an extraction voltage lower than that of the prior art as an electron source for suppressing charging of a workpiece. The main purpose.

この発明に係るイオンビーム照射装置は、ホルダに保持された被処理体にイオンビームを照射して処理を施すイオンビーム照射装置において、前記ホルダよりも上流側におけるイオンビームの経路の側方に配置されていて電子をイオンビームの経路に向けて放出する電子源であって、導電性の基板上に先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタを形成し、かつこの各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲むゲート電極と、このゲート電極と基板との間を絶縁する絶縁層とを設けて成る電界放射型電子源と、この電界放射型電子源の基板とゲート電極との間に後者を正極側にして直流の引出し電圧を印加する引出し電源とを備えており、かつ前記電界放射型電子源の基板を前記ホルダと同電位にしていることを特徴としている（請求項１に相当）。 An ion beam irradiation apparatus according to the present invention is an ion beam irradiation apparatus that performs processing by irradiating an object to be processed held by a holder with an ion beam, and is disposed on the side of an ion beam path upstream of the holder. The electron source emits electrons toward the path of the ion beam, and a plurality of minute emitters with pointed tips are formed on a conductive substrate, and the vicinity of the tip of each emitter is formed. A field emission electron source comprising a gate electrode that surrounds with a minute gap, an insulating layer that insulates between the gate electrode and the substrate, and between the substrate and gate electrode of the field emission electron source And an extraction power source for applying a DC extraction voltage with the latter as the positive electrode side, and the substrate of the field emission electron source is at the same potential as the holder ( Corresponds to the Motomeko 1).

上記電界放射型電子源においては、上記引出し電圧を印加すると、各エミッタの先端部に電界が集中し、電界放射現象により、各エミッタの先端から法線方向に電子が放射される。 In the field emission electron source, when the extraction voltage is applied, the electric field is concentrated on the tip of each emitter, and electrons are emitted in the normal direction from the tip of each emitter by the field emission phenomenon.

その場合、各エミッタは微小でしかも先端が尖った形状をしており、かつその先端付近を取り囲むゲート電極との間隙も微小であるので、各エミッタの先端部に電界が強く集中する。従って、前記従来技術よりも遙かに低い（例えば５０Ｖ〜１００Ｖ程度の）引出し電圧で電子を発生（放射）させることができる。しかも、多数のエミッタを有しているので、電子を多量に発生させることができる。 In this case, each emitter is minute and has a sharp tip, and the gap with the gate electrode surrounding the tip is also minute, so that the electric field is strongly concentrated on the tip of each emitter. Therefore, electrons can be generated (radiated) with an extraction voltage that is much lower (for example, about 50V to 100V) than the prior art. In addition, since a large number of emitters are provided, a large amount of electrons can be generated.

従って、前記従来技術に比べて、引出し電源の容量を小さくすることができる。高圧配線も不要になる。また、前記従来技術の場合に必要だった減速電極およびそれ用の電源が不要になる。 Accordingly, the capacity of the drawer power supply can be reduced as compared with the prior art. High-voltage wiring is also unnecessary. In addition, the deceleration electrode and the power source therefor that are necessary in the prior art are not required.

ところで、上記電界放射型電子源から発生させた電子の、ホルダ上の被処理体に対するエネルギーは、当該ホルダに対する電界放射型電子源の基板（換言すれば、当該基板上に形成された各エミッタ）の電位によって決まる。この発明では、当該基板をホルダと同電位にしているので、上記電子のエネルギーはほぼ０ｅＶであり、非常に低エネルギーである。 By the way, the energy of the electrons generated from the field emission electron source to the object to be processed on the holder is the substrate of the field emission electron source with respect to the holder (in other words, each emitter formed on the substrate). It depends on the potential. In this invention, since the substrate is at the same potential as the holder, the energy of the electrons is almost 0 eV, which is very low energy.

通常だと、つまりイオンビームを考慮しない場合は、上記電子は、電界放射型電子源の正電位のゲート電極に引き戻されて、ホルダ上の被処理体へは到達しにくい。しかし、イオンビーム照射装置の場合は、被処理体に照射されるイオンビームは必ず正のビームポテンシャル（ビーム電位）を有しているので、上記電子は、上記のように非常に低エネルギーであっても、この正のビームポテンシャルによってイオンビーム中に引き込まれて、イオンビームと共に被処理体に到達する。そしてそこで、イオンビーム中のイオンの正電荷を中和して、被処理体表面の帯電を抑制する作用効果をうまく奏する。これは重要な作用効果である。しかもこの場合、被処理体に到達する電子のエネルギーは上記のように非常に低エネルギーであるので、当該電子が仮に過剰に供給されたとしても、被処理体の負の帯電電圧を非常に小さく抑えることができる。これも重要な効果である。 Normally, that is, when the ion beam is not taken into account, the electrons are pulled back to the positive potential gate electrode of the field emission electron source and hardly reach the object to be processed on the holder. However, in the case of an ion beam irradiation apparatus, since the ion beam irradiated to the object to be processed always has a positive beam potential (beam potential), the electrons have very low energy as described above. However, it is drawn into the ion beam by this positive beam potential and reaches the object to be processed together with the ion beam. Thus, the positive effect of ions in the ion beam is neutralized, and the effect of suppressing the charging of the surface of the object to be processed is successfully achieved. This is an important effect. In addition, in this case, the energy of the electrons reaching the object to be processed is very low as described above. Therefore, even if the electrons are excessively supplied, the negative charging voltage of the object to be processed is very small. Can be suppressed. This is also an important effect.

なお、前記電界放射型電子源の基板を前記ホルダと同電位にする代わりに、前記ホルダに対する前記電界放射型電子源の基板の電位を制御する直流のエネルギー設定電源を設けても良い（請求項２に相当）。 Instead of setting the substrate of the field emission electron source to the same potential as the holder, a DC energy setting power source for controlling the potential of the substrate of the field emission electron source with respect to the holder may be provided. 2).

このようなエネルギー設定電源を設けると、被処理体に到達する電子のエネルギーを制御することが可能になる。また、電界放射型電子源の基板の電位を制御することによって、ひいては前記ビームポテンシャルに対する電界放射型電子源のゲート電極の電位を制御することができるので、そこから引き出された電子がビームポテンシャルによってイオンビーム中に引き込まれる状況を制御することも可能になる。これらによって、被処理体の帯電をより効果的に抑制することが可能になる。 Providing such an energy setting power source makes it possible to control the energy of electrons that reach the object to be processed. In addition, by controlling the potential of the substrate of the field emission electron source, the potential of the gate electrode of the field emission electron source with respect to the beam potential can be controlled. It is also possible to control the situation of being drawn into the ion beam. By these, it becomes possible to suppress the charging of the object to be processed more effectively.

以上のように請求項１に記載の発明によれば、前記従来技術よりも低い引出し電圧で電子を多量に発生させることができる。従って、前記従来技術に比べて、引出し電源の容量を小さくすることができる。また、前記従来技術の場合に必要だった減速電極およびそれ用の電源も不要になる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, a large amount of electrons can be generated with a lower extraction voltage than that of the prior art. Accordingly, the capacity of the drawer power supply can be reduced as compared with the prior art. In addition, the deceleration electrode and the power source therefor, which are necessary in the case of the prior art, are also unnecessary.

しかも、電界放射型電子源から発生させた電子の、ホルダ上の被処理体に対するエネルギーは、ほぼ０ｅＶであり非常に低エネルギーであるにも拘わらず、当該電子は、イオンビームの正のビームポテンシャルによってイオンビーム中に引き込まれてイオンビームと共に被処理体に到達するので、被処理体の帯電を抑制する作用効果をうまく奏する。しかも当該電子が仮に過剰に供給されたとしても、被処理体の負の帯電電圧を非常に小さく抑えることができる。従って、被処理体の帯電抑制に優れた効果を発揮する。 Moreover, although the energy of the electrons generated from the field emission electron source with respect to the object to be processed on the holder is almost 0 eV, which is very low energy, the electrons are the positive beam potential of the ion beam. As a result of being drawn into the ion beam and reaching the object to be processed together with the ion beam, the effect of suppressing the charging of the object to be processed is excellent. Moreover, even if the electrons are excessively supplied, the negative charging voltage of the object to be processed can be suppressed to a very low level. Therefore, the effect excellent in charge suppression of a to-be-processed object is exhibited.

請求項２に記載の発明によれば、エネルギー設定電源によって、被処理体に到達する電子のエネルギーを制御することが可能になる。また、電界放射型電子源から発生された電子がビームポテンシャルによってイオンビーム中に引き込まれる状況を制御することも可能になる。これらによって、被処理体の帯電をより効果的に抑制することが可能になる。 According to the second aspect of the present invention, it is possible to control the energy of electrons reaching the object to be processed by the energy setting power source. It is also possible to control the situation in which electrons generated from the field emission electron source are drawn into the ion beam by the beam potential. By these, it becomes possible to suppress the charging of the object to be processed more effectively.

図１は、この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す側面図であり、電界放射型電子源は拡大すると共に大幅に簡略化して示している。図２は、図１の装置の平面図であり、電界放射型電子源は図１のそれより若干小さく図示している。 FIG. 1 is a side view showing an embodiment of an ion beam irradiation apparatus according to the present invention, in which a field emission electron source is enlarged and greatly simplified. 2 is a plan view of the apparatus of FIG. 1, and the field emission electron source is shown slightly smaller than that of FIG.

このイオンビーム照射装置は、ホルダ６に保持された被処理体（例えば半導体基板、ガラス基板等）４にイオンビーム２を照射して、当該被処理体４にイオン注入等の処理を施すものである。なお、この図１および図２の例では、電源３０、３２以外は、全て真空容器（図示省略）内に配置されている。 This ion beam irradiation apparatus irradiates an object to be processed (for example, a semiconductor substrate, a glass substrate or the like) 4 held by a holder 6 with an ion beam 2 and performs a process such as ion implantation on the object to be processed 4. is there. In the example of FIGS. 1 and 2, all of the components other than the power sources 30 and 32 are arranged in a vacuum vessel (not shown).

被処理体４の全面に均一にイオンビーム２を照射するために、イオンビーム２の照射時に、イオンビーム２および被処理体４を保持したホルダ６の少なくとも一方を走査する場合がある。この例では、イオンビーム２およびホルダ６を互いに直交するＸ、Ｙ方向にそれぞれ走査するようにしている。ホルダ６の電位は、この例では接地電位に固定している。 In order to uniformly irradiate the entire surface of the object to be processed 4 with the ion beam 2, at the time of irradiation with the ion beam 2, at least one of the ion beam 2 and the holder 6 holding the object to be processed 4 may be scanned. In this example, the ion beam 2 and the holder 6 are scanned in the X and Y directions orthogonal to each other. In this example, the potential of the holder 6 is fixed to the ground potential.

このホルダ６の上流側近傍であって、しかもイオンビーム２の経路の側方近傍に、電子２２をイオンビーム２の経路に向けて放出する電界放射型電子源１０が設けられている。この電界放射型電子源１０は、ホルダ６の近くに、かつイオンビーム２の経路にできるだけ近づけて配置するのが好ましい。その方が、電界放射型電子源１０から放出した電子２２をイオンビーム２中に、ひいては被処理体４に、より効率良く供給することができるからである。 A field emission electron source 10 that emits electrons 22 toward the path of the ion beam 2 is provided in the vicinity of the upstream side of the holder 6 and in the vicinity of the side of the path of the ion beam 2. The field emission electron source 10 is preferably arranged near the holder 6 and as close as possible to the path of the ion beam 2. This is because the electrons 22 emitted from the field emission electron source 10 can be supplied more efficiently into the ion beam 2 and, consequently, the object 4 to be processed.

電界放射型電子源１０は、図４にその一部分を拡大して示すように、導電性の基板１２と、この基板１２の表面に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ１４と、この各エミッタ１４の先端付近を微小な間隙２１をあけて取り囲む、各エミッタ１４に共通のゲート電極１８と、このゲート電極１８と基板１２との間に設けられていて両者間を絶縁する絶縁層１６とを備えている。 The field emission electron source 10 includes a conductive substrate 12 and a large number of minute emitters that are formed on the surface of the substrate 12 and have a pointed tip as shown in FIG. 14 and a gate electrode 18 that surrounds the vicinity of the tip of each emitter 14 with a minute gap 21 therebetween, and is provided between the gate electrode 18 and the substrate 12 so as to insulate between the two. And an insulating layer 16.

このような構造の電界放射型電子源１０は、例えば、半導体デバイスの製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、より具体的にはエッチングプロセスおよび薄膜形成プロセス等を用いて、簡単に製造することができる。 The field emission electron source 10 having such a structure can be easily manufactured using, for example, a manufacturing process similar to the manufacturing process of a semiconductor device, more specifically using an etching process, a thin film forming process, or the like. Can do.

基板１２は、例えばシリコン基板（より具体的には単結晶シリコン基板）であるが、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。また、絶縁性の基板の表面にシリコン（より具体的には単結晶シリコン）等の導電性膜（層）を形成して表層部のみが導電性を有する構造のものでも良い。 The substrate 12 is, for example, a silicon substrate (more specifically, a single crystal silicon substrate), but may be made of another conductive material, for example, a metal. Alternatively, a conductive film (layer) such as silicon (more specifically, single crystal silicon) may be formed on the surface of the insulating substrate so that only the surface layer portion has conductivity.

各エミッタ１４は、例えばシリコン（より具体的には単結晶シリコン）から成るが、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。各エミッタ１４は、図４に示すように、上記基板１２の表面に、当該基板１２と一体的に形成しても良い。いずれにしても、基板１２と各エミッタ１４とは電気的に導通状態にある。 Each emitter 14 is made of, for example, silicon (more specifically, single crystal silicon), but may be made of another conductive material, for example, metal. Each emitter 14 may be formed integrally with the substrate 12 on the surface of the substrate 12 as shown in FIG. In any case, the substrate 12 and each emitter 14 are in an electrically conductive state.

各エミッタ１４は、先端が鋭く尖った形状をしている。換言すれば、先端ほど尖った形状をしている。図４に示した例は円錐状をしているが、それ以外に角錐状等の形状をしていても良い。 Each emitter 14 has a sharp pointed tip. In other words, the tip has a sharper shape. Although the example shown in FIG. 4 has a conical shape, it may have a pyramid shape or the like.

各エミッタ１４は、微小なものである。微小というのは、簡単に言えば、μｍ単位の大きさということである。具体例を示せば、各エミッタ１４の基底部の直径Ｄ₂は、約０．５μｍ〜３μｍ程度である。各エミッタ１４の高さ（基板１２から先端までの高さ）Ｈは、約０．５μｍ〜３μｍ程度である。 Each emitter 14 is very small. To put it simply, it is a micrometer size. If Shimese specific examples, the diameter D ₂ of the base of each emitter 14 is approximately 0.5 to 3 m. The height (height from the substrate 12 to the tip) H of each emitter 14 is about 0.5 μm to 3 μm.

このようなエミッタ１４を基板１２上に多数形成している。多数というのは、前記従来技術の突起電極のように１０個程度というような数ではなく、簡単に言えば、少なくとも１万個程度以上ということである。具体例を示せば、この実施形態の電界放射型電子源１０は、図３に示すように、１個の電界放射型電子源１０内に、６個の電子源アレイ２６を有しており、各電子源アレイ２６はそれぞれ１６，０００個のエミッタ１４を有している。従って、合計で９６，０００個のエミッタ１４を有している。なお、図３中の２４はケースであり、その直径は例えば６ｍｍ〜２０ｍｍ程度であり、この電界放射型電子源１０は非常に小型にユニット化されている。２８はピン端子である。 A large number of such emitters 14 are formed on the substrate 12. The large number is not a number of about 10 as in the case of the above-mentioned conventional protruding electrode, but simply means at least about 10,000 or more. Specifically, the field emission electron source 10 of this embodiment includes six electron source arrays 26 in one field emission electron source 10 as shown in FIG. Each electron source array 26 has 16,000 emitters 14 respectively. Therefore, a total of 96,000 emitters 14 are provided. Note that reference numeral 24 in FIG. 3 denotes a case having a diameter of, for example, about 6 mm to 20 mm, and the field emission electron source 10 is unitized in a very small size. 28 is a pin terminal.

再び図４を参照して、ゲート電極１８は、例えば、リン（Ｐ）をドープした多結晶シリコンから成るが、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。このゲート電極１８は、各エミッタ１４に対応する位置に微小な穴（開口）２０を有している。各穴２０は、例えば円形をしており、この各穴２０の中心部に各エミッタ１４の先端付近が、穴２０の内壁との間に微小な間隙２１をあけて位置している。ここでも微小というのは、簡単に言えば、前記と同様、μｍ単位の寸法ということである。具体例を示せば、各穴２０の直径Ｄ₁は、約０．５μｍ〜３μｍ程度である。従って各間隙２１の寸法は、それよりも小さく、約０．２５μｍ〜１．５μｍ程度である。 Referring to FIG. 4 again, the gate electrode 18 is made of, for example, polycrystalline silicon doped with phosphorus (P), but may be made of another conductive material, for example, metal. The gate electrode 18 has a minute hole (opening) 20 at a position corresponding to each emitter 14. Each hole 20 has, for example, a circular shape, and the vicinity of the tip of each emitter 14 is located at the center of each hole 20 with a minute gap 21 between the inner wall of the hole 20. In this case, the term “small” simply means the size in μm units as described above. If Shimese an embodiment, the diameter D ₁ of the each hole 20 is approximately 0.5 to 3 m. Accordingly, the size of each gap 21 is smaller than that and is about 0.25 μm to 1.5 μm.

絶縁層１６は、例えば二酸化シリコン（ＳiＯ₂）から成るが、その他の絶縁材から成るものでも良い。 The insulating layer 16 is made of, for example, silicon dioxide (SiO ₂ ), but may be made of other insulating materials.

上記各エミッタ１４は、被処理体４と同じまたは同系の材質から成るのが好ましい。例えば、被処理体４がシリコン基板の場合は、各エミッタ１４もシリコンまたはシリコン系の材質から成るのが好ましい。そのようにすると、各エミッタ１４からその構成粒子（シリコン）が飛び出して被処理体４に到達したとしても、被処理体４にそれと同系の粒子が付着するだけであるので、コンタミネーション（汚染）の問題を少なくすることができる。基板１２、絶縁層１６、ゲート電極１８についても同様である。そのために、上においては、これらの材質の例として、シリコンまたはシリコン系を第１に挙げている。 Each of the emitters 14 is preferably made of the same or similar material as the workpiece 4. For example, when the workpiece 4 is a silicon substrate, each emitter 14 is preferably made of silicon or a silicon-based material. By doing so, even if the constituent particles (silicon) are ejected from each emitter 14 and reach the object 4 to be processed, only particles of the same type adhere to the object 4 to be processed. Problems can be reduced. The same applies to the substrate 12, the insulating layer 16, and the gate electrode 18. Therefore, in the above, as an example of these materials, silicon or silicon-based material is listed first.

上記のように、この電界放射型電子源１０は、エミッタ１４のサイズ、数、各エミッタ１４とゲート電極１８との位置関係等において、前記従来技術の電子シャワー装置とは構造が大きく異なる。それに伴う作用効果も大きく異なる。これについては後述する。 As described above, the field emission electron source 10 is greatly different in structure from the conventional electron shower apparatus in terms of the size and number of emitters 14, the positional relationship between each emitter 14 and the gate electrode 18, and the like. The effects associated with it are also very different. This will be described later.

再び図１を参照して、上記電界放射型電子源１０の基板１２（換言すれば、当該基板１２と導通状態にある各エミッタ１４）とゲート電極１８との間には、ゲート電極１８を正極側にして（換言すれば基板１２ないし各エミッタ１４を負極側にして）、直流の引出し電圧Ｖ_Eを印加する引出し電源３０が接続されている。図３に示した例では、１枚の共通の基板１２に対して、各電子源アレイ２６を構成する６個のゲート電極１８を有しており、この６個のゲート電極１８はピン端子２８を経由して引出し電源３０に互いに並列に接続されている。引出し電圧Ｖ_Eは、例えば、５０Ｖ〜１００Ｖ程度である。 Referring again to FIG. 1, the gate electrode 18 is connected between the substrate 12 of the field emission electron source 10 (in other words, each emitter 14 in conduction with the substrate 12) and the gate electrode 18. On the other hand (in other words, the substrate 12 or each emitter 14 is on the negative electrode side), an extraction power source 30 for applying a DC extraction voltage V _E is connected. In the example shown in FIG. 3, six common gate electrodes 18 constituting each electron source array 26 are provided on one common substrate 12, and the six gate electrodes 18 are pin terminals 28. Are connected in parallel with each other to the drawer power supply 30. The extraction voltage V _E is, for example, about 50V to 100V.

電界放射型電子源１０の基板１２（換言すれば、当該基板１２と導通状態にある各エミッタ１４）は、ホルダ６と同電位（例えば接地電位）にしておく。あるいは、そうする代わりに、図１に示す例のように、基板１２とホルダ６との間に、ホルダ６に対する基板１２の電位を制御する直流のエネルギー設定電源３２を設けておいても良い。このエネルギー設定電源３２は、基板１２を負極側にして単極性の出力電圧Ｖ_Cを出力する単極性の直流電源でも良いし、正負両極性の出力電圧Ｖ_Cを出力する両極性の直流電源でも良い。 The substrate 12 of the field emission electron source 10 (in other words, each emitter 14 in conduction with the substrate 12) is set to the same potential as the holder 6 (for example, ground potential). Alternatively, instead of doing so, a DC energy setting power source 32 for controlling the potential of the substrate 12 with respect to the holder 6 may be provided between the substrate 12 and the holder 6 as in the example shown in FIG. The energy setting power source 32 may be a unipolar DC power source that outputs a unipolar output voltage V _C with the substrate 12 on the negative electrode side, or a bipolar DC power source that outputs a positive / negative bipolar output voltage V _C. good.

上記電界放射型電子源１０は、１個でも良いし、複数個設けても良い。特に、イオンビーム２が前記のようにＸ方向に走査される場合は、例えば図２に示す例のように、Ｘ方向に複数個設けるのが好ましい。イオンビーム２の走査領域の全域にほぼ対応するように複数個設けるのがより好ましい。このように複数個設けると、イオンビーム２がどの走査位置にあっても、電界放射型電子源１０から電子２２をイオンビーム２の近傍に効率良く供給することができる。電界放射型電子源１０を複数個設ける場合、上記引出し電源３０およびエネルギー設定電源３２は、それぞれ１台で共用するのが簡単で良いが、個別に設けても良い。 The field emission electron source 10 may be one or plural. In particular, when the ion beam 2 is scanned in the X direction as described above, it is preferable to provide a plurality of ions in the X direction as in the example shown in FIG. More preferably, a plurality of ion beams 2 are provided so as to substantially correspond to the entire scanning region of the ion beam 2. When a plurality of ion beams 2 are provided as described above, electrons 22 can be efficiently supplied from the field emission electron source 10 to the vicinity of the ion beam 2 regardless of the scanning position of the ion beam 2. When a plurality of field emission electron sources 10 are provided, the drawing power source 30 and the energy setting power source 32 can be easily shared by one unit, but may be provided individually.

ホルダ６と電界放射型電子源１０との間には、図１および図２に示す例のように、イオンビーム２が被処理体４に照射される部分３４から電界放射型電子源１０が直視できないように遮る遮蔽板３８を設けておくのが好ましい。この遮蔽板３８は、イオンビーム２の進行およびホルダ６の機械的走査を妨げないものにする。 Between the holder 6 and the field emission electron source 10, the field emission electron source 10 is directly viewed from a portion 34 where the ion beam 2 is irradiated on the object 4 to be processed, as in the example shown in FIGS. 1 and 2. It is preferable to provide a shielding plate 38 that shields it from being generated. This shielding plate 38 does not interfere with the advance of the ion beam 2 and the mechanical scanning of the holder 6.

イオンビーム２が被処理体４に照射されることによって上記部分３４からスパッタ粒子３６が発生しても、特に被処理体４の表面にホトレジストのようなイオンビーム２によってスパッタされやすい膜が形成されているとスパッタ粒子３６が発生しやすいけれども、このスパッタ粒子３６が電界放射型電子源１０に入射するのを上記遮蔽板３８によって防止（阻止）して、電界放射型電子源１０（より具体的にはそのエミッタ１４周りの部分）が汚染されることによって寿命が短くなるのを防止することができる。 Even if sputtered particles 36 are generated from the portion 34 by irradiating the object 4 with the ion beam 2, a film that is easily sputtered by the ion beam 2 such as a photoresist is formed on the surface of the object 4 to be processed. However, the sputtered particles 36 are likely to be generated. However, the shielding plate 38 prevents (blocks) the sputtered particles 36 from entering the field emission electron source 10, and the field emission electron source 10 (more specifically, It is possible to prevent the lifetime from being shortened due to contamination of the portion around the emitter 14.

このような遮蔽板３８を設ける代わりに、あるいはそれと併せて、電界放射型電子源１０から発生させた電子２２を磁場によって曲げて輸送する磁気輸送器を設けて、電界放射型電子源１０をそれが上記スパッタ粒子３６によって汚されにくい場所に設置しても良い。 Instead of or in addition to providing such a shielding plate 38, a magnetic transporter that bends and transports the electrons 22 generated from the field emission electron source 10 by a magnetic field is provided. However, it may be installed in a place that is not easily contaminated by the sputtered particles 36.

このイオンビーム照射装置の作用について説明すると、上記電界放射型電子源１０においては、上記引出し電圧Ｖ_Eを印加すると、各エミッタ１４の先端部に電界が集中し、電界放射現象により、各エミッタ１４の先端から法線方向に電子２２が放射される。 The operation of this ion beam irradiation apparatus will be described. In the field emission electron source 10, when the extraction voltage V _E is applied, an electric field is concentrated at the tip of each emitter 14, and each emitter 14 is caused by a field emission phenomenon. Electrons 22 are emitted in the normal direction from the tip of the.

その場合、各エミッタ１４は上記のように微小でしかも先端が鋭く尖った形状をしており、かつその先端付近を取り囲むゲート電極１８との間隙２１も微小であるので、各エミッタ１４の先端部に電界が強く集中する。従って、前記従来技術よりも遙かに低い引出し電圧Ｖ_Eで電子２２を発生（放射）させることができる。前記従来技術では数ｋＶもの高い引出し電圧が必要であったけれども、この電界放射型電子源１０では、例えば、５０Ｖ〜１００Ｖ程度の引出し電圧Ｖ_Eで電子２２を引き出すことができる。 In that case, each emitter 14 has a minute shape as described above and a sharp pointed tip, and a gap 21 with the gate electrode 18 surrounding the vicinity of the tip is also minute. The electric field is strongly concentrated on. Therefore, it is possible to the prior art generate electrons 22 at a low extraction voltage V _E much than (radiation). In the prior art, an extraction voltage as high as several kV is necessary. However, in the field emission electron source 10, the electrons 22 can be extracted with an extraction voltage V _E of about 50V to 100V, for example.

しかも、上記のように多数のエミッタ１４を有しているので、電子２２を多量に発生させることができる。例えば、図３を参照して具体例を示した電界放射型電子源１０では、上記のような低い引出し電圧Ｖ_Eで、１個の電子源アレイ２６から１００μＡ〜１ｍＡ程度、従ってそれを６個有する電界放射型電子源１０からは６００μＡ〜６ｍＡ程度の電子２２を発生させることができる。また、必要に応じてこのような電界放射型電子源１０を複数個設ければ、その分、電子２２の発生量を増やすことができる。電界放射型電子源１０は、前述したようにユニット化されているので、それを複数個設けることも簡単である。 In addition, since a large number of emitters 14 are provided as described above, a large amount of electrons 22 can be generated. For example, in the field emission type electron source 10 shown as a specific example with reference to FIG. 3, about 100 μA to 1 mA from one electron source array 26 at the low extraction voltage V _E as described above, therefore, six of them are provided. The field emission electron source 10 can generate electrons 22 of about 600 μA to 6 mA. If a plurality of such field emission electron sources 10 are provided as necessary, the generation amount of electrons 22 can be increased accordingly. Since the field emission electron source 10 is unitized as described above, it is also easy to provide a plurality of the field emission electron sources 10.

従って、前記従来技術に比べて、引出し電源３０の容量を小さくすることができる。高圧配線も不要になる。また、前記従来技術の場合に必要だった減速電極およびそれ用の電源も不要になる。 Therefore, the capacity of the drawer power supply 30 can be reduced as compared with the prior art. High-voltage wiring is also unnecessary. In addition, the deceleration electrode and the power source therefor that are necessary in the prior art are also eliminated.

ところで、上記電界放射型電子源１０から発生させた電子２２の、ホルダ６上の被処理体４に対するエネルギーは、当該ホルダ６に対する電界放射型電子源１０の基板１２（換言すれば、当該基板１２上に形成された各エミッタ１４）の電位によって決まる。先に例示したようにこの基板１２をホルダ６と同電位にしていると、上記電子２２のエネルギーはほぼ０ｅＶであり、非常に低エネルギーである。 By the way, the energy of the electrons 22 generated from the field emission electron source 10 to the object 4 on the holder 6 is the substrate 12 of the field emission electron source 10 with respect to the holder 6 (in other words, the substrate 12). It depends on the potential of each emitter 14) formed above. When the substrate 12 is set to the same potential as the holder 6 as exemplified above, the energy of the electrons 22 is almost 0 eV, which is very low energy.

通常だと、つまりイオンビーム２が存在しない状況下では、上記電子２２は、電界放射型電子源１０の正電位のゲート電極１８にその正電位によって引き戻されて、ホルダ６上の被処理体４へは到達しにくい。しかし、このイオンビーム照射装置の場合は、被処理体４に照射されるイオンビーム２は必ず正のビームポテンシャル（ビーム電位）Ｖ_Pを有しているので、上記電子２２は、上記のように非常に低エネルギーであっても、この正のビームポテンシャルＶ_Pによってイオンビーム２中に引き込まれて、イオンビーム２と共に被処理体４に到達する。そしてそこで、イオンビーム２中のイオンの正電荷を中和して、被処理体４表面の帯電を抑制する作用効果をうまく奏する。これは重要な作用効果である。 Under normal circumstances, that is, in a situation where the ion beam 2 does not exist, the electrons 22 are pulled back to the positive potential gate electrode 18 of the field emission electron source 10 by the positive potential, and the object 4 on the holder 6 is processed. Is difficult to reach. However, in the case of this ion beam irradiation apparatus, the ion beam 2 irradiated to the object to be processed 4 always has a positive beam potential (beam potential) V _P , so that the electrons 22 are as described above. even at very low energy, it is drawn by the positive beam potential V _P in the ion beam 2, and reaches the workpiece 4 together with the ion beam 2. Therefore, the positive effect of ions in the ion beam 2 is neutralized, and the effect of suppressing the charging of the surface of the object to be processed 4 is excellent. This is an important effect.

上記イオンビーム２のビームポテンシャルＶ_Pの例を示すと、例えば、当該イオンビーム２のイオン種がホウ素、エネルギーが１ｋｅＶ、ビーム電流が１ｍＡ、直径が約４０ｍｍの場合で、数百Ｖある。このビームポテンシャルＶ_Pは、イオンビーム２のエネルギーが低くなれば上がり、同エネルギーが高くなれば下がるけれども、５ｋｅＶのエネルギーの場合でも１００Ｖ程度はある。従って、このようなイオンビーム２であれば、エネルギー設定電源３２を設けずに電界放射型電子源１０の基板１２を接地してホルダ６と同電位にしていても、ゲート電極１８の電位は上記引出し電圧Ｖ_Eの電位であり、これと上記ビームポテンシャルＶ_Pとを比べれば、数１の条件が成立するので、ビームポテンシャルＶ_Pの方が打ち勝って当該ビームポテンシャルＶ_Pによって、電子２２をイオンビーム２中に引き込むことができる。 By way of example of a beam potential V _P of the ion beam 2, for example, the ion beam 2 of the ion species is boron, energy 1 keV, when the beam current is 1 mA, the diameter of about 40 mm, there several hundred V. The beam potential V _P increases when the energy of the ion beam 2 is low and decreases when the energy of the ion beam 2 is high, but is about 100 V even in the case of 5 keV energy. Therefore, with such an ion beam 2, even if the substrate 12 of the field emission electron source 10 is grounded to the same potential as the holder 6 without providing the energy setting power source 32, the potential of the gate electrode 18 is the same as that described above. If the potential of the extraction voltage V _E is compared with the above-mentioned beam potential V _P , the condition of Equation 1 is satisfied, so that the beam potential V _P overcomes and electrons 22 are ionized by the beam potential V _P. It can be drawn into the beam 2.

［数１］
Ｖ_E＜Ｖ_P [Equation 1]
V _E <V _P

ビームポテンシャルＶ_Pが低くて上記条件が成立しない場合は、それが成立するように引出し電圧Ｖ_Eを下げても良いし、上記エネルギー設定電源３２を設けて電界放射型電子源１０の基板１２の電位、ひいてはゲート電極１８の電位を下げても良い。この場合、エネルギー設定電源３２から基板１２に負の出力電圧Ｖ_Cを印加する場合は、ゲート電極１８の電位はＶ_E−Ｖ_Cとなるので、数２の関係を満たせば良い。 When the beam potential V _P is low and the above condition is not satisfied, the extraction voltage V _E may be lowered so that the above condition is satisfied, or the energy setting power source 32 is provided and the substrate 12 of the field emission electron source 10 is provided. The potential, and hence the potential of the gate electrode 18, may be lowered. In this case, when the negative output voltage V _C is applied to the substrate 12 from the energy setting power supply 32, the potential of the gate electrode 18 is V _E −V _C, and therefore the relationship of Equation 2 may be satisfied.

［数２］
（Ｖ_E−Ｖ_C）＜Ｖ_P [Equation 2]
(V _E −V _C ) <V _P

ちなみに、前記従来技術においては、仮に、減速電極を設けるのを止めて引出し電極を最前面に位置させると共に、突起電極が接地電位になる接続の仕方を採用したとすると、その引出し電極の電位は正でしかも前述したように数ｋＶと非常に高いので、それの方がイオンビームのビームポテンシャルよりも遙かに高く、上記数１の関係を満たすことはできない。従って、本発明のように電子をビームポテンシャルによってイオンビーム中に引き込む作用を奏することはできない。 By the way, in the prior art, if it is assumed that the provision of the deceleration electrode is stopped and the extraction electrode is positioned in the foreground and the projection electrode is connected to the ground potential, the potential of the extraction electrode is Since it is positive and very high as several kV as described above, it is much higher than the beam potential of the ion beam, and the relationship of the above formula 1 cannot be satisfied. Therefore, it is not possible to achieve the action of drawing electrons into the ion beam by the beam potential as in the present invention.

しかもこのイオンビーム照射装置の場合は、被処理体４に到達する電子２２のエネルギーは上記のように非常に低エネルギーであるので、当該電子２２が仮に被処理体４に過剰に供給されたとしても、被処理体４の負の帯電電圧を非常に小さく抑えることができる。これも重要な効果である。 In addition, in the case of this ion beam irradiation apparatus, the energy of the electrons 22 that reach the object to be processed 4 is very low as described above, and therefore it is assumed that the electrons 22 are excessively supplied to the object to be processed 4. In addition, the negative charging voltage of the object to be processed 4 can be kept very small. This is also an important effect.

また、上記のようなエネルギー設定電源３２を設けると、被処理体４に到達する電子２２のエネルギーを制御することが可能になる。例えば、エネルギー設定電源３２から電界放射型電子源１０の基板１２に負の出力電圧Ｖ_Cを印加すると、被処理体４に到達する電子２２のエネルギーは、約Ｖ_CｅＶになる。また、電界放射型電子源１０の基板１２の電位を制御することによって、ひいては前記ビームポテンシャルＶ_Pに対する電界放射型電子源のゲート電極１８の電位を制御することができるので、そこから引き出された電子２２がビームポテンシャルＶ_Pによってイオンビーム２中に引き込まれる状況を制御することも可能になる。これらによって、被処理体４の帯電をより効果的に抑制することが可能になる。 Further, when the energy setting power source 32 as described above is provided, it is possible to control the energy of the electrons 22 that reach the object 4 to be processed. For example, when a negative output voltage V _C is applied from the energy setting power supply 32 to the substrate 12 of the field emission electron source 10, the energy of the electrons 22 reaching the object 4 is about V _C eV. Further, by controlling the potential of the substrate 12 of the field emission electron source 10, the potential of the gate electrode 18 of the field emission electron source with respect to the beam potential V _P can be controlled. It is also possible to control the situation in which the electrons 22 are drawn into the ion beam 2 by the beam potential V _P. By these, it becomes possible to suppress the charging of the workpiece 4 more effectively.

この発明は、例えば、イオン注入装置、イオンビーム照射を利用した薄膜形成装置等の半導体製造装置に利用することができる。 The present invention can be used for semiconductor manufacturing apparatuses such as an ion implantation apparatus and a thin film forming apparatus using ion beam irradiation.

この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す側面図であり、電界放射型電子源は拡大すると共に大幅に簡略化して示している。1 is a side view showing an embodiment of an ion beam irradiation apparatus according to the present invention, and a field emission type electron source is enlarged and greatly simplified. 図１の装置の平面図であり、電界放射型電子源は図１のそれより若干小さく図示している。FIG. 2 is a plan view of the apparatus of FIG. 1, in which a field emission electron source is shown slightly smaller than that of FIG. 図１および図２に示す電界放射型電子源のより具体例を、電子放出面側から見て示す正面図である。FIG. 3 is a front view showing a more specific example of the field emission electron source shown in FIGS. 1 and 2 when viewed from the electron emission surface side. 図１〜図３に示す電界放射型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the circumference | surroundings of one emitter of the field emission type electron source shown in FIGS.

Explanation of symbols

２イオンビーム
４被処理体
６ホルダ
１０電界放射型電子源
１２基板
１４エミッタ
１６絶縁層
１８ゲート電極
２１間隙
２２電子
３０引出し電源
３２エネルギー設定電源 2 Ion beam 4 Object 6 Holder 10 Field emission type electron source 12 Substrate 14 Emitter 16 Insulating layer 18 Gate electrode 21 Gap 22 Electron 30 Extraction power source 32 Energy setting power source

Claims

In an ion beam irradiation apparatus that performs processing by irradiating an object to be processed held by a holder with an ion beam,
An electron source that is arranged on the side of the ion beam path upstream of the holder and emits electrons toward the ion beam path, and has a number of points with a sharp tip on a conductive substrate. A field emission electron source comprising: a gate electrode that surrounds the tip of each emitter with a minute gap; and an insulating layer that insulates the gate electrode from the substrate When,
An extraction power source for applying a DC extraction voltage with the latter as the positive electrode side is provided between the substrate of the field emission electron source and the gate electrode,
An ion beam irradiation apparatus characterized in that the substrate of the field emission electron source is set to the same potential as the holder.

2. The ion according to claim 1, further comprising a DC energy setting power source for controlling a potential of the substrate of the field emission electron source with respect to the holder, instead of setting the substrate of the field emission electron source to the same potential as the holder. Beam irradiation device.