JP2006156137A - ビーム空間電荷中和装置及びこれを備えたイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビーム空間電荷を中和してイオンビームの発散を抑え、ビーム輸送効率を向上させてビーム電流を増大させることができるようなビーム空間電荷中和装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、イオンビームをウエハに照射して処理するイオン注入装置におけるビーム経路の途中に設けられて電場、磁場のうち少なくとも磁場によってイオンビームから必要なエネルギー種のイオンのみを選択するＡＥＦ（角度エネルギーフィルター）に適用される。ＡＥＦチャンバーにビーム空間電荷中和用のプラズマシャワーを設ける。プラズマシャワーは、そのアークチャンバー引出孔の位置がイオンビーム進行方向に直交するＡＥＦ磁場の磁力線上にあり、しかもそのフィラメント中心軸及びアークチャンバー引出孔の軸方向をＡＥＦ磁場の向きと一致させるように設置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電場、磁場の少なくとも一方によりイオンビームを偏向させる角度エネルギーフィルターを持つイオン注入装置及びそれに適用されるのに適したビーム空間電荷中和装置に関する。

半導体集積回路の製造工程において、イオン注入装置は、表面の微細な領域に精度良く不純物を導入することができるために広く用いられている。イオン注入装置では電荷を持ったイオンを処理対象ウエハに打ち込むので、ウエハ上への電荷の蓄積（チャージアップ）が問題になる。加えて、イオンビームライン内で生成される空間電荷によるイオンビームの発散も問題になる。

注入されるイオンは通常正の電荷を持っているので、チャージアップの緩和、イオンビーム発散の抑制のためには、負の電荷（電子）を供給することが行われる。例としては、イオンがイオンビームライン壁面に衝突することによって発生する電子を積極的に供給する方法や、ウエハ近傍で電子銃を使用して二次電子を発生させて供給する方法などがある。その中で、プラズマシャワー（またはプラズマフラッドガン）は、比較的低エネルギーの電子を供給できる方法として広く用いられている。

バッチ式のイオン注入装置では、直線往復移動が可能な回転ディスク上にウエハを設置することにより、ウエハ全面へのイオン注入を可能にしている。この時、イオンビーム軌道はイオンビームラインに対して固定されており、プラズマシャワーはイオンビーム近傍に設置されてイオンビームのポテンシャルによってプラズマシャワーから電子が引き出される。

ここで、一例として、図１１には、チャージアップ緩和のためにバッチ式イオン注入装置で使用される従来のプラズマシャワーの模式図を示す。

アークチャンバー２１５にプラズマ形成用ガス２１６を導入し、フィラメント２１７を電源２１８で加熱して、アークチャンバー２１５との間にアーク電圧２１９を印加することにより、プラズマが形成される。アークチャンバー２１５の近傍にイオンビーム２２８が位置するように設定すると、イオンビーム２２８によって形成されるポテンシャルによって電子が引き出され、イオンビームによるチャージアップが抑制される。シャワーチューブ２３７を配置し、これに電位２３８を印加することにより、アークチャンバー２１５からイオンビームへの電子の供給を促進させることもできる。

これに対して、イオンビーム自体を直線的に往復運動させることによってスキャンする偏向走査機構を持つイオン注入装置では、イオンビームとプラズマシャワーの相対的位置が常に変化することになり、安定した電子の供給が困難になる。このため、プラズマシャワーから引き出される電子をスキャンされるイオンビ−ムに供給するために様々な方法が考えられている。

例として、イオンビームの電荷中和装置において広範囲のイオンビームに対して電子供給を促進するために、イオンビームのスキャン領域に磁場を印加する方法が提案されている。特許文献１では、プラズマアークチャンバーをビームスキャン領域の中央にビームと直交するように取り付け、中心からビームスキャン領域全体に拡がる磁場をコイルで印加している。

しかしながら、１箇所から引き出した電子を磁場によりイオンビームのスキャン領域に広げる方式では、イオンビームライン中に漏れ磁場が存在するため、イオンビームが曲げられて、イオンビームの分布や注入角度に悪影響を与える。

また、従来のプラズマシャワーでは、以下のような方法が採用されている。

（ａ） 電子は磁場に巻き付くように運動するので、プラズマシャワー周囲に電子の引出しやイオンビームへの供給を妨げるような磁場がある場合は、この磁場が小さくなるように磁気シールドを設置する。

（ｂ） 磁場発生手段を設けることにより、アークチャンバー内でのプラズマ生成効率やアークチャンバーからの電子引出効率を上げるような磁場を発生させる。

（ｃ） イオンビームラインに更に磁場発生手段を設け、イオンビームライン中に引き出された電子を効率良く閉じ込める磁場を発生させる。

更に、イオン注入装置においては、上述した偏向走査装置の下流側に角度エネルギーフィルター（以下、ＡＥＦと略称する）と呼ばれる偏向手段が備えられるのが普通である。後で説明されるように、ＡＥＦはＡＥＦチャンバーを有し、このＡＥＦチャンバー内では、イオンビームを曲げるための強い電場、あるいは磁場（以下、ＡＥＦ磁場と呼ぶ）が生成されている。

ここで、ＡＥＦ磁場の存在下でプラズマを生成するためにプラズマシャワーをＡＥＦチャンバー内に設置することを考えた場合、上記（ａ）のようにＡＥＦ磁場を打ち消すような機構を備える必要がある。あるいはまた、上記（ｂ），（ｃ）のようなプラズマシャワーに有効な磁場を発生させる機構を備える必要がある。しかし、いずれの場合においても、新たな機構を設けることは、イオン注入装置の複雑化、ＡＥＦ磁場の乱れ等の懸念があり、好ましくない。

特開平９−１４７７８５号公報

本発明は、プラズマシャワーによるプラズマの生成、引出し、閉じ込めの強化にＡＥＦ磁場を積極的に利用することによって、特別な磁場発生手段や磁場遮蔽手段を用いずにビーム空間電荷中和を効率良く行うことができるようにすることにある。

本発明の具体的な課題は、ビーム空間電荷を中和してイオンビームの発散を抑え、ビーム輸送効率を向上させてビーム電流を増大させることができるようなビーム空間電荷中和装置を提供することにある。

本発明はまた、上記ビーム空間電荷中和装置を備えたイオン注入装置を提供しようとするものである。

本発明によるビーム空間電荷中和装置は、イオンビームをウエハに照射して処理するイオンビーム処理装置におけるビーム経路の途中に設けられて、電場、磁場のうち少なくとも磁場によってイオンビームから必要なエネルギー種のイオンのみを選択する角度エネルギーフィルター（以下、ＡＥＦと略称する）において、ＡＥＦチャンバー内にビーム空間電荷中和用のプラズマシャワーを設け、該プラズマシャワーは、そのアークチャンバー引出孔の位置がイオンビーム進行方向に直交するＡＥＦ磁場の磁力線上にあり、しかもそのフィラメント及びアークチャンバー引出孔の軸方向をＡＥＦ磁場の向きと一致させるように設置されていることを特徴とする。

本ビーム空間電荷中和装置においては、イオンビームをはさんだＡＥＦチャンバーの両側に前記プラズマシャワーを設けても良い。

本ビーム空間電荷中和装置においてはまた、前記ＡＥＦチャンバーをプラズマシャワー室と兼用するようにしても良い。

本ビーム空間電荷中和装置においては更に、前記ＡＥＦチャンバーにおけるビームラインの上下左右の内壁にプラズマ閉じ込め用のコンファインメント磁場を形成するための複数の磁石を設置するようにしても良い。この場合、前記ＡＥＦチャンバーにおけるビームラインの左右内壁のコンファインメント磁場は、ＡＥＦによるビームの屈曲に対応するようビームラインに沿って複数の磁石を設置することにより構成でき、前記ＡＥＦチャンバーにおけるビームラインの上下内壁のコンファインメント磁場は、ビームラインの上下内壁の左右方向に沿って複数の磁石を設置することにより構成できる。

本ビーム空間電荷中和装置においては更に、前記プラズマシャワーをＡＥＦ磁場によるイオンビームの屈曲点付近に対応する箇所に設けることが望ましい。

本ビーム空間電荷中和装置においては更に、前記ＡＥＦ磁場が存在するＡＥＦチャンバー内部でプラズマが生成されるようにしても良い。

本ビーム空間電荷中和装置においては、前記ＡＥＦは磁場または電場によってイオンビームから必要なエネルギー種のイオンのみを選択するものであっても良く、この場合、電場生成のためにイオンビームに関して上側及び下側に配置された一対の偏向電極及びイオンビームに関して上流側及び下流側に配置されたサプレッション電極及びグランド電極を備える。そして、前記プラズマシャワーは前記一対の偏向電極の間と、上流側の前記サプレッション電極及びグランド電極と下流側の前記サプレッション電極及びグランド電極との間で規定される箇所に設置され、磁場によるＡＥＦの使用時に、前記アークチャンバーと前記偏向電極及びサプレッション電極との間にアーク電圧を印加することを特徴とする。

本ビーム空間電荷中和装置においては更に、前記ＡＥＦチャンバー内部のプラズマ生成領域を、前記プラズマシャワーの上流側及び下流側に配置された必要最小限の開口を持つグランド電極で仕切るように構成しても良い。

本ビーム空間電荷中和装置においては更に、前記プラズマシャワー、前記一対の偏向電極、上流側の前記サプレッション電極及びグランド電極、下流側の前記サプレッション電極及びグランド電極を一体的に前記ＡＥＦチャンバーに対して着脱自在な構造とするようにしても良い。

本発明によればまた、上記のいずれかによるビーム空間電荷中和装置を備えたことを特徴とするイオン注入装置が提供される。

本発明によれば、プラズマシャワーによるプラズマの生成、引出し、閉じ込めの強化にＡＥＦ磁場を積極的に利用することによって、特別な磁場発生手段や磁場遮蔽手段を用いずにビーム空間電荷中和を効率良く行うことができる。これにより、空間電荷に起因するイオンビームの発散を抑制しビーム輸送効率を向上させてビーム電流を増大させることができる。

はじめに、図１０（ａ），（ｂ）を参照して、本発明によるビーム空間電荷中和装置の適用例について説明する。この適用例は、本発明を荷電粒子ビームによるビーム処理装置のうち、特に枚葉式イオン注入装置に適用した例である。図１０（ａ）は枚葉式イオン注入装置の概略構成を平面図にて示し、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の側面図である。

図１０（ａ），（ｂ）において、イオンソース１１１で発生されたイオンは、図示しない引出電極によりイオンビーム（以下、ビームと呼ぶ）として引き出される。引き出されたビームは、質量分析磁石装置１１２により質量分析されて必要なイオン種のみが選択される。必要なイオン種のみから成るビームは、ビーム整形装置１１３により所望の断面形状に整形される。ビーム整形装置１１３は、Ｑ（Ｑｕａｄｒａｎｔ）−レンズ等により構成される。整形された断面形状を持つビームは、偏向走査装置１２０により図１０（ａ）の面に平行な方向にスキャンされる。偏向走査装置１２０はその上流側、下流側にそれぞれ配置された遮蔽電極１２５、１２６を有する。

スキャンされたビームは、Ｐ−レンズ１１４により再平行化され、偏向角０度の軸に平行にされる。図１０（ａ）では、偏向走査装置１２０によるビーム１１０のスキャン範囲を黒の太い線と破線とで示している。Ｐ−レンズ１１４からのビームは、１つ以上の加速／減速電極１１５を経由して角度エネルギーフィルター（以下、ＡＥＦと呼ぶ）１１６に送られる。ＡＥＦ１１６では、ビームのエネルギーに関する分析が行われ、必要なエネルギー種のイオンのみが選択される。図１０（ｂ）に示されるように、ＡＥＦ１１６においては選択されたイオン種のみがやや下方に偏向される。このようにして選択されたイオン種のみから成るビームが被照射物である半導体ウエハ１１７に照射される。半導体ウエハ１１７に照射されなかったビームは、ビームストッパ１１８に入射してエネルギーが消費される。通常、イオンソース１１１から半導体ウエハ１１７が収容されている真空処理室１１９までの間の構成がイオンビームラインと呼ばれる。

なお、図１０（ａ）において半導体ウエハ１１７に隣接して示した矢印はビームがこれらの矢印の方向にスキャンされることを示す。一方、図１０（ｂ）において半導体ウエハ１１７に隣接して示した矢印は、半導体ウエハ１１７が真空処理室１１９に設置されたプラテン装置によりこれらの矢印の方向に往復移動、すなわち機械走査されることを示している。つまり、ビームが、例えば一軸方向に往復スキャンされるものとすると、半導体ウエハ１１７は、プラテン装置により上記一軸方向に直角な方向に往復するように移動する。

また、ビームの経路はすべて外気とは遮断され、以下に説明するように、半導体ウエハ１１７はウエハ処理装置のうちの真空処理室１１９に収容される。

図１〜図３を参照して、本発明が適用されるＡＥＦについて説明する。図１は本発明によるビーム空間電荷中和装置が組合わされるＡＥＦを縦断面図にて示し、図２は図１の主要部を拡大して示す。ここでは、ビームの偏向を電場、磁場の両方で行うものとする。

ＡＥＦ１７は、図１に示すように、一対の磁気シールド２１−１及び２１−２と、これら磁気シールド２１−１，２１−２の間に配設された偏向磁石（分析電磁石）２２と、偏向磁石２２の中空部内に設置されたＡＥＦチャンバー２３と、ＡＥＦチャンバー２３内に配置された一対の偏向電極（ＡＥＦ電極）２４−１及び２４−２を含む。

磁気シールド２１−１及び２１−２は、ともにその中央部にビームを通過させるための開口（例えば、図の表裏方向に長い長方形の開口）を有しており、加速／減速電極１６とプロセスチャンバー（真空処理室）１８にそれぞれ固定されている。これらの磁気シールド２１−１及び２１−２は、偏向磁石２２が生成するＡＥＦ磁場を遮蔽し、ＡＥＦ磁場がビームに与える影響を調整する。

偏向磁石２２は、後述するように略四角形（枠形状）のコアと、コアの一部である上部ヨーク２２−１及び下部ヨーク２２−２にそれぞれ巻回された一つ以上のコイル２２−３及び２２−４を有している。偏向磁石２２は、作動時において、中空部内に図の表裏方向（例えば、裏面向き）のＡＥＦ磁場を生成し、図の左方から右方へと進行するビームをやや下向きに偏向させる。その結果、ビームは、その下流側（図の右側）に配置されているプロセスチャンバー１８内に設けられたエネルギースリット１８−２を通り、プロセスチャンバー１８内に導入され保持されているウエハ１９に照射される。なお、ビームは、図の表裏方向に長い長円形もしくは楕円形の連続断面を持つビームである。

偏向磁石２２の中空部内に設けられたＡＥＦチャンバー２３は、その下流側が複数の支持ボルト２５−１，２５−２によって磁気シールド２１−２とともにプロセスチャンバー１８に固定されている。また、ＡＥＦチャンバー２３の上流側（図の左側）は、下側から支え棒２６によって補助的に支持されている。このように、ＡＥＦチャンバー２３をプロセスチャンバー１８に固定し、必要に応じて支え棒２６で支持する支持固定構造としたことにより、ＡＥＦチャンバー２３が偏向磁石２２のコアやコイル、さらにその他の構成部品によって周囲を囲まれているにもかかわらず、確実に位置固定することができる。

ＡＥＦチャンバー２３の内部には、図２に拡大して示すように、上述した偏向電極２４−１及び２４−２の他に、その上流側及び下流側にそれぞれ位置するサプレッション電極３１−１，３１−２と、さらにサプレッション電極３１−１，３１−２の各々の上流側及び下流側に位置するグランド電極３２−１〜３２−４と、最下流側に位置するビームダンプ３３とが設置されている。

偏向電極２４−１，２４−２、サプレッション電極３１−１，３１−２及びグランド電極３２−１〜３２−４は、これら電極を用いて生成した電場によりビームを偏向させたときの偏向点（軌道）が、偏向磁石２２を用いてビームを偏向させたときの偏向点（軌道）と実質的に同一となる（重なる）ように配置され、かつ電源供給される。即ち、これらの電極は、図３に模式的に示すように、生成した電場によって偏向させたビームの軌道４１が、偏向磁石２２により生成したＡＥＦ磁場によって偏向させたビームの軌道４２と、少なくともＡＥＦチャンバー２３（即ち、ＡＥＦ１７）の入射側と出射側とにおいて重なるように設けられる。サプレッション電極３１−１，３１−２及びグランド電極３２−１〜３２−４を設けたことにより、偏向電極２４−１，２４−２間により高い電圧を印加することが可能となり、ビームの持つエネルギーがより大きい場合であっても、所望の軌道を実現することができる。また、偏向電極２４−１，２４−２の断面形状は、ビームの曲率半径に合わせてカーブ（偏向電極２４−１は凹形状、偏向電極２４−２は凸形状）が付けられており、これにより、効率よくビームを偏向させることができる。

ビームダンプ３３は、ＡＥＦ磁場または電場により偏向させたビームを通過させる開口を有し、所望のエネルギーや電荷数を持つイオンを通過させる。また、ビームダンプ３３は、中性化したビームや、エネルギーや電荷数が所望の値と異なるビームを受ける。

偏向電極２４−１，２４−２、サプレッション電極３１−１，３１−２、グランド電極３２−１〜３２−４及びビームダンプ３３を含むＡＥＦチャンバー内構成部品は、後述するプラズマシャワーとともに単一のユニット（ＡＥＦユニット）として構成される。即ち、プラズマシャワー，電極２４−１，２４−２，３１−１，３１−２，３２−１〜３２−４とビームダンプ３３とは、その他の構成部品とともに、共通のプレート等に固定されて一体化される。

次に、偏向磁石２２について説明する。図４（ａ）及び（ｂ）を参照すると、偏向磁石２２は、略コの字型の第１のコア６１と、略Ｉ型の第２のコア６２とを有しており、これらを互いに突き合わせた状態で位置固定することによって、中央に中空部が形成された略四角形状（枠形状）のコアを構成している。そして、第１のコア６１の一部が上部ヨーク２２−１及び下部ヨーク２２−２を構成し、そこにコイル２２−３及び２２−４がそれぞれ巻き回され、電磁石を構成している。

また、図１から理解されるように、上部ヨーク２２−１は、ビーム進行方向（図１の左右方向）に長く、下部ヨーク２２−２は、ビーム進行方向に垂直な方向（図１の上下方向）に長い形状となっており、コアの側面は上部ヨーク２２−１側が広く、下部ヨーク２２−２側が狭い、面角のない略扇形となっている。なお、上部ヨーク２２−１の断面積と下部ヨーク２２−２の断面積とは、同一にしておいた方が、ＡＥＦ磁場の設計が容易になるので好ましい。

上記のように構成されたＡＥＦ１７に対し、制御部（図示せず）は、ウエハに照射するイオンビーム（荷電粒子ビーム）の特性に応じて、偏向磁石２２または偏向電極２４−１及び２４−２のいずれか一方に対して選択的に給電を行う。つまり、制御部は、ＡＥＦ１７の磁場／電場切り換え装置として働く。なお、制御部は、偏向電極２４−１，２４−２に対して給電を行う場合には、サプレッション電極３１−１，３１−２への給電も同時に行う。

制御部が、偏向磁石２２に対して給電を行うか、偏向電極２４−１，２４−２に対して給電を行うかは、イオン種（イオン源）等によって異なるが、ビームのエネルギーが概ね十〜数十ｋｅＶのある閾値よりも低い場合は、偏向磁石２２に対して給電を行い、高い場合は偏向電極２４−１，２４−２（及びサプレッション電極３１−１，３１−２）に対して給電を行うようにすることが考えられる。

こうして、イオン注入装置では、ビーム条件（特性）に応じて、ＡＥＦ１７におけるビームの偏向方法としてＡＥＦ磁場を用いるか電場を用いるかを選択することができる。しかも、ＡＥＦ１７におけるビームの変更方法として磁場を選択しても、電場を選択してもビームの軌道が変わらないので、特別な軌道補正手段を必要とせず、構成が簡易である。

ＡＥＦチャンバー２３の内部構造を上方から見た模式図として示した図５をも参照して、本発明によるビーム空間電荷中和装置の第１の実施の形態について説明する。

前述したように、ＡＥＦチャンバー２３内には電場生成用の偏向電極２４−２（上側の偏向電極２４−１は図示省略）と、サプレッション電極３１−１、３１−２と、グランド電極３２−１〜３２−４とが設置されている。偏向電極はビーム進行方向に関して上下に少なくとも１対設置され、サプレッション電極、グランド電極はビーム進行方向に関して上流側、下流側に設置されている。

本形態においては、ＡＥＦチャンバー２３内に更にプラズマシャワー１０が設置されるが、本形態の１つの特徴はプラズマシャワー１０を以下のように設置する点にある。プラズマシャワー１０におけるフィラメント１０−３の中心軸及びアークチャンバー１０−４の引出孔１０−５の開口軸が、ＡＥＦ磁場１０−６の磁力線がビーム進行方向と直交している位置１０−７でかつＡＥＦ磁場の向きと一致するようにプラズマシャワー１０を設置する。これに対し、プラズマシャワーの引出孔の開口軸がＡＥＦ磁場の向きと一致していないと、電子の引出効率が低下してしまう。なお、アークチャンバー１０−４には１個以上の引出孔が設けられる。

図５ではまた、ＡＥＦチャンバー２３内での電子の閉じ込め効率を向上させるために、ＡＥＦチャンバー２３の内壁（ビームの進行方向に平行な左右面及び上下面）にコンファインメント磁場（図５に一部を矢印で示す）を形成するための複数の永久磁石２０が設置されている。なお、コンファインメント磁場を形成するためには、永久磁石２０はその磁極がＡＥＦチャンバー２３内を向くようにし、かつ隣合う永久磁石２０の磁極は互いに反対になるようにされる。図２に示すように、ＡＥＦチャンバー２３の上下の内壁に設置される永久磁石２０はビームの進行方向に直角な方向に延在するようにされる。一方、図５に示すように、ＡＥＦチャンバー２３の左右の内壁に設置される永久磁石２０は上下方向に延在するようにされる。しかし、これらの永久磁石２０は省略されても良い。

更に、図５から明らかなように、磁場によるＡＥＦの使用時に、ＡＥＦチャンバー２３内ではアークチャンバー１０−４の上流側及び下流側が必要最小限の開口を持つグランド電極（あるいはサプレッション電極）で仕切られているので、プラズマシャワー１０によるプラズマ生成領域のガス圧を比較的高く保つことができる。

図６は本発明の第２の実施の形態を示し、もう一つのプラズマシャワー１０´を、ＡＥＦチャンバー２３内においてビームのスキャン領域ＳＡを挟んだ反対側の位置に設置している。図１、図２は本第２の実施の形態を適用した例について示している。あるいはまた、もう一つのプラズマシャワー１０´の代わりに、リペラ電極を取り付けても良い。リペラ電極というのは、周知のように、電子を反射させるための電極であり、ＡＥＦチャンバー２３の内壁に絶縁状態にて設置するか、負電圧を印加するようにしても良い。図６では、ＡＥＦ電極、サプレッション電極及びグランド電極やコンファインメント磁場形成用の永久磁石等は図示を省略している。

なお、便宜上、図５では図示説明を省略したが、プラズマシャワー１０への電源の接続形態は図６と同様にされる。つまり、図１０においても説明したように、フィラメント１０−３にはフィラメント電源Ｅ１７によるフィラメント電圧が印加され、フィラメント１０−３とアークチャンバー１０−４との間には第１アーク電源Ｅ１８による第１アーク電圧が印加される。更に、アークチャンバー１０−４とアースとの間にはアークチャンバー１０−４からビーム側への電子の供給を促進させるための電源Ｅ１９が接続される。この接続形態は、もう１つのプラズマシャワー１０´においても同様である。

図７は、本発明の第３の実施の形態を示す。本形態では、図６の形態に２つの変更を加えている。第１の変更は、アークチャンバー１０−４からの電子の引出効率を向上させるために、偏向電極２４−１、２４−２及びグランド電極３２−３とアークチャンバー１０−４との間に新たに第２アーク電源Ｅ１４による第２アーク電圧を印加するようにしている。なお、この第１の変更においては、偏向電極２４−１、２４−２及びグランド電極３２−２、３２−３は第２アーク電源Ｅ１４の正側及びグランドに接続されている。この変形例として、偏向電極２４−１、２４−２及びグランド電極３２−２、３２−３を第２アーク電源Ｅ１４の負側のみに接続して負電圧を印加するようにしても良い。

第２の変更は、プラズマシャワー１０における引出孔１０−５の出口側近傍に、引出孔１０−５に対応する孔を持つ引出電極１５を設置している。そして、アークチャンバー１０−４と引出電極１５との間には引出電源Ｅ１６による引出電圧を印加するようにしている。もう一つのプラズマシャワー１０´においても上記と同様の各種電源が接続される。勿論、これらの第１、第２の変更は、図６の形態に個別に適用されても良い。なお、図７でもコンファインメント磁場形成用の永久磁石２０は図示を省略している。

図８は、本発明の第４の実施の形態を示す。本形態においては、プラズマシャワー１０を、フィラメント１０−３、ガス導入口（図示せず）、１個以上の引出孔１０−５を備えた第１アーク室１０−４（図５のアークチャンバー１０−４と同じ）と、第２アーク室１０−２とで構成している。第１アーク室１０−１と第２アーク室１０−２との境界部分には引出孔１０−５と対応する箇所に孔を持つ引出電極１５が設置される。フィラメント１０−３、第１アーク室１０−１、引出電極１５に対する電源接続は、図６あるいは図７で説明した接続形態のいずれでも良い。一方、第２アーク室１０−２でプラズマを生成するために、第１アーク室１０−１と第２アーク室１０−２との間にアーク電圧を印加することが好ましい。第２アーク室１０−２はＡＥＦチャンバー２３内に向けた第２引出孔１０−９を有する。特に、第２引出孔１０−９の設置箇所は、図５で説明したプラズマシャワー１０の設置箇所と同じになるようにされる。

次に、図５、図６に示された実施の形態によるビーム空間電荷中和装置の作用について説明する。

アークチャンバー１０−４内にＡｒ等のガスが導入される。

アークチャンバー１０−４内に設置されたフィラメント１０−３にフィラメント電源Ｅ１７により電流を流して高温にすることにより、熱電子を発生させる。

熱電子は、フィラメント１０−３とアークチャンバー１０−４の間に印加された第１アーク電源Ｅ１８による第１アーク電圧によって加速され、導入されたガスと衝突してアークチャンバー１０−４内でプラズマを生成する。

ビームがアークチャンバー１０−４の引出孔１０−５の近くを通過すると、ビームが持つ正のポテンシャルによってアークチャンバー１０−４から電子が引き出される。

引き出された電子は、アークチャンバー１０−４でイオン化されずに引出孔１０−５から噴出する中性ガスと衝突し、引出孔１０−５とビームとの間にプラズマ（プラズマブリッジ）が形成される。

アークチャンバー１０−４内の電子は、プラズマブリッジを通してビームに対し自律的に供給され、ビームの正電荷を中和する。

以上の作用は、従来のプラズマシャワーと同じである。

本発明においては、プラズマシャワー１０が、そのフィラメント１０−３の中心軸、引出孔１０−５の開口軸がＡＥＦ磁場と同じ向きになるように設置されている。

電子は、磁場に巻き付くように運動するので、アークチャンバー１０−４内でのプラズマ生成、アークチャンバー１０−４からの電子の引出し、プラズマブリッジの形成、プラズマブリッジの閉じ込めは、このＡＥＦ磁場によって強化される。

なお、ビームが偏向走査装置によってスキャンされてアークチャンバー１０−４の引出孔１０−５との距離が大きくなると、引き出される電子量は減少する。しかし、図６のようにビームのスキャン領域を挟んでもう一つのプラズマシャワーのアークチャンバーを取り付ければ、片側のアークチャンバー１０−４との距離が離れるにつれ別の側のアークチャンバーとの距離が小さくなるので、引出電子量のスキャン位置依存性を小さくすることができる。

また、ＡＥＦチャンバー２３の内壁に形成されたコンファインメント磁場により、ＡＥＦチャンバー２３の内壁面での電子の損失が抑制される。

ＡＥＦチャンバー２３内に入射したビームに対し、ＡＥＦチャンバー２３内のプラズマから自律的に電子が供給されることによりビームの空間電荷が中和され、その結果、ビームの発散が抑制される。

続いて、図７の形態について作用を説明する。

アークチャンバー１０−４と偏向電極２４−１、２４−２及びグランド電極３２−２、３２−３との間に第２アーク電源Ｅ１４による第２アーク電圧が印加されることで、アークチャンバー１０−４から電子が引き出される。ここで、ＡＥＦチャンバー２３内の上下の偏向電極２４−１、２４−２と、上流側及び下流側のグランド電極３２−２、３２−３とで囲まれた領域が疑似アークチャンバーとして作用し、電子量を増幅することができる。この時、ＡＥＦ磁場はソースマグネットとして利用されていることになる。但し、プラズマシャワーの使用時には、偏向電極２４−１、２４−２及びサプレッション電極３１−１、３１−２、グランド電極３２−１〜３２−４は、ＡＥＦ電場、サプレッション電場を生成するために使用しないことが望ましい。これは、図５、図６の実施の形態も同様である。

加えて、アークチャンバー１０−４の引出孔１０−５近傍に引出電極１５が設置されてアークチャンバー１０−４との間に引出電源Ｅ１６による引出電圧が印加されることにより、電子の引出効率が向上する。

アークチャンバー１０−４からＡＥＦチャンバー２３内に引き出された電子は第２アーク電圧によって加速され、アークチャンバー２３内でイオン化されずに引出孔１０−５から噴出する中性ガスと衝突し、ＡＥＦチャンバー２３内で再びプラズマが生成される。

ＡＥＦチャンバー２３内で上流側、下流側にあるグランド電極３２−２、３２−３のアパチャーにより、プラズマ生成領域のガス圧は比較的高く保たれ、プラズマ生成効率が向上する。

ＡＥＦチャンバー２３内に入射したビームに対し、ＡＥＦチャンバー２３内のプラズマから自律的に電子が供給されることによりビームの空間電荷が中和され、その結果、ビームの発散が抑制される。

次に、第４の実施形態の作用について説明する。

第１アーク室１０−１内にはガス導入口からＡｒ等のガスが導入される。第１アーク室１０−１内に設置したフィラメント１０−３にフィラメント電源から電流を流して高温にすることにより熱電子を発生させる。熱電子は、フィラメント１０−３と第１アーク室１０−１との間に印加された第１アーク電源の第１アーク電圧によって加速され、導入されたガスと衝突して第１アーク室１０−１内でプラズマを生成する。第１アーク室１０−１には、１個以上の引出孔１０−５が設けられており、その外側に引出電極１５が設置されている。引出電極１５と第１アーク室１０−１の間に第１引出電源の第１引出電圧を印加して第１アーク室１０−１から電子を引き出す。

第２アーク室１０−２には、第１アーク室１０−１内でイオン化されずに引出孔１０−５から噴出する中性ガスと、第１アーク室１０−１から引き出された電子が導入される。万一、蒸発等によりフィラメント１０−３の材料が飛散しても、引出孔１０−５のサイズが小さいので第１アーク室１０−１内にとどまり、第２アーク室１０−２には導入されない。

第２アーク室１０−２内に導入された電子は、第２アーク室１０−２と引出電極１５との間に印加された第２アーク電源の第２アーク電圧によって加速され、第１アーク室１０−１から導入されたガスと衝突して第２アーク室１０−２内で濃いプラズマを生成する。

第２アーク室１０−２においてビームの通過領域に対応する箇所には、第２引出孔１０−９が設けられている。第２アーク室１０−２は、第２引出孔１０−９以外からガスが漏れない構造にして、第２アーク室１０−２内のガス圧の低下を防ぎ、プラズマ生成効率を高めている。

ビームが第２引出孔１０−９の近くを通過すると、ビームが持つ正のポテンシャルによって第２アーク室１０−２から電子が引き出される。引き出された電子は、第１アーク室１０−１や第２アーク室１０−２でイオン化されずに第２引出孔１０９から噴出する中性ガスと衝突し、ビームと第２アーク室１０−２（厳密には第２引出孔１０−９）との間にプラズマ（プラズマブリッジ）が形成される。第２アーク室１０−２内の電子は、プラズマブリッジを通してビームに対し自律的に供給される。

第２アーク室１０−２は、接地電位との間に第２引出電源の第２引出電圧を印加できる構造になっており、これによりビームへの電子供給量や供給される電子のエネルギーを調整することができる。

以上のように、第１アーク室１０−１によるプラズマ生成と第２アーク室１０−２によるプラズマ生成の相乗作用によりビームに対してプラズマが効率良く供給され、ビームの発散を更に効果的に抑制することができる。

次に、ＡＥＦユニットをイオンビームラインから引出し可能とする構造について説明する。

ＡＥＦユニットの一例を図９に示す。図９は、ＡＥＦユニットを偏向電極２４−１、２４−２の各々の中心線を含む平面で切断した断面図であってビーム出射側から見た図である。

図９に示すように、ＡＥＦユニット５０は、上部サポート５１、下部サポート５２、ＡＥＦチャンバー２３の一部（蓋）となるフロントプレート５３、及びリヤプレート５４を有している。偏向電極２４−１、２４−２は、それぞれ絶縁性のマウントプレート５５、５６に取り付けられ、複数の碍子５７を介して上部サポート５１又は下部サポート５２に固定されている。

プラズマシャワー１０、１０´、サプレッション電極等の他のＡＥＦチャンバー内構成部品もまた、上部サポート５１、下部サポート５２、フロントプレート５３及びリヤプレート５４のいずれかに直接あるいは補助サポート（図示せず）等を介して固定され、一体化される。

また、図４（ｂ）に見られるように、フロントプレート５３の上縁には、ＡＥＦチャンバー２３の外側上面に設置された一対のスライドレール３６の先端が固定されている。これにより、ＡＥＦユニット５０は、ＡＥＦチャンバー２３に対して出し入れ自在に支持される。なお、ＡＥＦユニット５０がＡＥＦチャンバー２３内に挿入された時、その位置を所定位置に位置決めするために、リヤプレート５４に位置決め部（例えば、突起）を設けても良い。

図４（ａ）及び（ｂ）に戻ると、第１のコア６１は、基台６３に複数の支柱６４−１〜６４−３を介して固定されている。一方、第２のコア６２は、水平方向に移動可能な第１のリニアガイド６５上に設けられた、垂直方向に移動可能な第２のリニアガイド６６に取り付けられている。第１のリニアガイド６５及び第２のリニアガイド６６を操作することにより、第１のコア６１に対して第２のコア６２を水平方向及び垂直方向に移動（スライド）させて、図６（ａ）に示す状態から図６（ｂ）に示す状態へと変化させ、また、逆に、図６の（ｂ）に示す状態から図６（ａ）に示す状態にすることができる。

一方、プラズマシャワー１０、１０´、偏向電極２４−１，２４−２、その他の電極等は、上述したように一体化され、ＡＥＦユニット５０を構成している。そして、ＡＥＦユニット５０は、スライドレール３６によりＡＥＦチャンバー２３に対して押し入れ／引き出し自在に支持されている。

図６（ａ）に示す状態から、リニアガイド６５及び６６を操作して第１のコア６１から第２のコア６２を分離すると、フロントプレート５３が外部に露出する。その状態から、ＡＥＦユニット５０を引き出せば、図６（ｂ）に示す状態、即ち、偏向電極２４−１，２４−２等がＡＥＦチャンバー２３の外部に位置し露出する状態にすることができる。このように、本例では、偏向電極２４−１，２４−２等をＡＥＦチャンバー２３から容易に取り出し、外部に露出させることができるので、そのメンテナンスや部品交換が容易に行える。

メンテナンスや部品交換を終えた後は、ＡＥＦユニット５０をＡＥＦチャンバー２３内に押し入れ、フロントプレート５３をＡＥＦチャンバー２３に密封固定すれば、プラズマシャワー１０、１０´、偏向電極２４−１，２４−２等を、ＡＥＦチャンバー２３内の所定位置に設置することができる。

以上、本発明の実施の形態を電場、磁場の両方で偏向を行うＡＥＦに適用した場合について説明したが、本発明は磁場のみにより偏向を行うＡＥＦにも適用可能であることは言うまでも無い。この場合、図１に示された偏向電極、サプレッション電極、グランド電極等は省略される。また、上記実施の形態では、スキャンによりビームの連続断面を長円形もしくは楕円形にする例について説明したが、本発明は、スキャンを行わない場合、あるいはビームの断面形状が円形、長円形もしくは楕円形の場合にも適用できる。

図１は、本発明が適用されるイオン注入装置における角度エネルギーフィルターとその周辺の構造を示す縦断面図である。 図２は、図１に示された角度エネルギーフィルターの内部構造を拡大して示した断面図である。 図３は、図１に示された角度エネルギーフィルターの作用を説明するために角度エネルギーフィルターの構成を模式的に示した図である。 図４は、図１に示された角度エネルギーフィルターの内部構成要素を一体化して角度エネルギーフィルターのチャンバーに着脱自在とするための構造を説明するための図である。 図５は、図１に示された角度エネルギーフィルターに本発明を適用した第１の実施の形態を模式的に示した横断面図である。 図６は、図５に示された形態とは別の第２の実施の形態を模式的に示した横断面図である。 図７は、図６に示された形態とは別の第３の実施の形態を模式的に示した横断面図である。 図８は、本発明の第４の実施の形態をプラズマシャワー近傍のみについて模式的に示した横断面図である。 図９は、図４に示された角度エネルギーフィルターの内部構成要素を着脱自在とするためのユニット構造を説明するための図である。 図１０は、本発明が適用されるイオン注入装置の概略構成を示した図である。 図１１は、バッチ式イオン注入装置で使用される従来のプラズマシャワーの模式図である。

符号の説明

１０、１０´ プラズマシャワー
１０−３ フィラメント
１０−４ アークチャンバー
１０−５ 引出孔
１０−６ ＡＥＦ磁場
１１ イオンソース
１２ 質量分析磁石装置
１３ ビーム整形装置
１４ 偏向走査装置
１５ Ｐ−レンズ
１６ 加速／減速電極
１７ 角度エネルギーフィルター
１８ プロセスチャンバー
１９ ウエハ
２０ 永久磁石
２２ 偏向磁石
２２−１ 上部ヨーク
２２−２ 下部ヨーク
２２−３，２２−４ コイル
２３ ＡＥＦチャンバー
２４−１、２４−２ 偏向電極
３１−１、３１−２ サプレッション電極
３２−１〜３２−４ グランド電極
３６ スライドレール
５０ ＡＥＦユニット
５１ 上部サポート
５２ 下部サポート
５３ フロントプレート
５４ リヤプレート
５５、５６ マウントプレート
５７ 碍子
６１ 第１のコア
６２ 第２のコア
６３ 基台
６５ 第１のリニアガイド
６６ 第２のリニアガイド
Ｅ１４ 第２アーク電源
Ｅ１６ 引出電源
Ｅ１７ フィラメント電源
Ｅ１８ 第１アーク電源

Claims (12)

1. イオンビームをウエハに照射して処理するイオンビーム処理装置におけるビーム経路の途中に設けられて、電場、磁場のうち少なくとも磁場によってイオンビームから必要なエネルギー種のイオンのみを選択する角度エネルギーフィルター（以下、ＡＥＦと略称する）において、
   ＡＥＦチャンバー内にビーム空間電荷中和用のプラズマシャワーを設け、
   該プラズマシャワーは、そのアークチャンバー引出孔の位置がイオンビーム進行方向に直交するＡＥＦ磁場の磁力線上にあり、しかもそのフィラメント及びアークチャンバー引出孔の軸方向をＡＥＦ磁場の向きと一致させるように設置されていることを特徴とするビーム空間電荷中和装置。
2. イオンビームを間にはさんだＡＥＦチャンバーの両側に前記プラズマシャワーを設けたことを特徴とする請求項１に記載のビーム空間電荷中和装置。
3. 前記ＡＥＦチャンバーをプラズマシャワー室と兼用するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のビーム空間電荷中和装置。
4. 前記ＡＥＦチャンバーにおけるビームラインの上下左右の内壁にプラズマ閉じ込め用のコンファインメント磁場を形成するための複数の磁石を設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のビーム空間電荷中和装置。
5. 前記ＡＥＦチャンバーにおけるビームラインの左右内壁のコンファインメント磁場は、ＡＥＦによるビームの屈曲に対応するようビームラインに沿って複数の磁石を設置することにより構成したことを特徴とする請求項４に記載のビーム空間電荷中和装置。
6. 前記ＡＥＦチャンバーにおけるビームラインの上下内壁のコンファインメント磁場は、ビームラインの上下内壁の左右方向に沿って複数の磁石を設置することにより構成したことを特徴とする請求項４に記載のビーム空間電荷中和装置。
7. 前記プラズマシャワーをＡＥＦ磁場によるイオンビームの屈曲点付近に対応する箇所に設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のビーム空間電荷中和装置。
8. 前記ＡＥＦ磁場が存在するＡＥＦチャンバー内部でプラズマが生成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のビーム空間電荷中和装置。
9. 前記ＡＥＦは磁場または電場によってイオンビームから必要なエネルギー種のイオンのみを選択するものであって、電場生成のためにイオンビームに関して上側及び下側に配置された一対の偏向電極及びイオンビームに関して上流側及び下流側に配置されたサプレッション電極及びグランド電極を備え、
   前記プラズマシャワーは前記一対の偏向電極の間と、上流側の前記サプレッション電極及びグランド電極と下流側の前記サプレッション電極及びグランド電極との間で規定される箇所に設置され、
   磁場によるＡＥＦの使用時に、前記アークチャンバーと前記偏向電極及びサプレッション電極との間にアーク電圧を印加することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のビーム空間電荷中和装置。
10. 前記ＡＥＦチャンバー内部のプラズマ生成領域を、前記プラズマシャワーの上流側及び下流側に配置された必要最小限の開口を持つグランド電極で仕切ることにより構成したことを特徴とする請求項９に記載のビーム空間電荷中和装置。
11. 前記プラズマシャワー、前記一対の偏向電極、上流側の前記サプレッション電極及びグランド電極、下流側の前記サプレッション電極及びグランド電極を一体的に前記ＡＥＦチャンバーに対して着脱自在な構造としたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のビーム空間電荷中和装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のビーム空間電荷中和装置を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
    

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