JP2007273368A - イオン注入装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】イオンの質量分離に際し、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できるイオン注入装置を提供する。イオンビームの電流密度分布のムラを低減し均一化を図ることができるイオン注入装置を提供する。
【解決手段】質量分離電磁石１７からのイオンビーム１を受けて所望のイオンを選別して通過させる分離スリット２０を備えたイオン注入装置１０において、分離スリット２０は、イオンビーム１を通過させる隙間形状が可変に構成されている。また、引出し電極系１５と質量分離電磁石１７との間に配置され、イオンビーム１が通過する隙間を形成するものであって、イオン源１２から引き出されたイオンビーム１の一部を遮蔽するように隙間形状が可変に構成された可変スリット３０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン源から引き出した所望のイオン種を含むイオンビームを磁界中を通過させることにより質量分離し、質量分離したイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なう質量分離型のイオン注入装置に関するものである。
半導体基板や液晶パネル用ガラス基板に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する工程において、シリコン又はシリコン薄膜に不純物を注入するイオン注入を行なうために、イオン注入装置が用いられる。基板に注入するイオン種は、リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）などがあり、これらを含む原料ガスをイオン源に供給してプラズマ化し、プラズマ中から引き出して加速した断面長方形状のリボン状のイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なう。
上記の原料ガスはホスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）などを水素で希釈したものを使用するため、イオン源から引き出したイオンビームをそのまま基板に注入すると、注入すべきＰイオン種（ＰＨｘ）やＢイオン種（Ｂ２Ｈｘ）などの他に、水素イオンなどの不必要なイオン種が注入される。このように不必要なイオン種を取り除くため、イオン源から引き出したイオンビームを質量分離することによって所望のイオン種を選別して基板に照射するようにした質量分離型イオン注入装置が知られている（例えば、下記特許文献１、２参照）。
この種の質量分離型イオン注入装置は、イオン源から引き出されたイオンビームを通過させる質量分離電磁石と、この電磁石を通過したイオンビームを受けるスリットを備えている。例えば、特許文献１に開示されたスリットは、図７（ａ）に示すように、スリット板６２に穴６３を形成したものである。特許文献２に開示されたスリットは、図７（ｂ）に示すように、イオンビームの厚さ方向（ビーム断面の短手方向）の両側に対向して配置されその間隔を調整可能な１対のスリット板６４，６４である。
イオンは一様な磁場中を移動するとき、その電荷と質量に依存した曲率半径で回転運動を行なうので、質量分離電磁石中にイオンビームを通過させ、通過後に所望のイオン種が到達すると予測される軌道上にスリットを配置することによって、イオン種の質量分離を行なうことができる。
特開平１１−３３９７１１号公報 特開２００５−３２７７１３号公報
質量分離型イオン注入装置は、液晶パネル製造用ではなく半導体製造用として以前から多く製造されていた。半導体製造用では、基板サイズが高々３００ｍｍ程度であるため、基板をスキャンせずに一括注入するのであればイオンビームのサイズも同程度でよい。しかし、イオン注入工程を必要とする液晶パネル製造用のガラス基板では、現在、最大で７３０ｍｍ×９２０ｍｍのものがある。このサイズの基板の場合、基板の長手方向にはスキャンするとしてもイオンビームの幅方向（ビーム断面の長手方向）の寸法は８００ｍｍ程度のものが要求される。質量分離を行なう質量分離電磁石の磁極は、イオンビームの幅方向の両側に対向して配置されるため、上記のようなビーム幅が８００ｍｍ程度の寸法をもつイオンビームを質量分離する場合、質量分離電磁石の磁極間隔も８００ｍｍ以上必要となる。
これまで、半導体製造用や加速器用に使用されている電磁石の磁極間隔は、大きくても数百ｍｍ程度であったことを考えると、イオン注入工程を必要とする液晶パネル製造用の質量分離電磁石の磁極間隔は非常に大きい。このように大きな磁極間隔内に磁場を形成した場合、イオンビームが通過する全領域にわたり一様な磁場を形成することは非常に難しい。このため、磁極間隔を大きくした電磁石内にイオンビームを通過させたとき、その磁場均一性の不完全さに起因して、ビームが通過する位置に依存して、磁極間隔内でイオンが感じる磁場の強さや方向に違いが生じてしまう。
磁場均一性が不完全な領域に、断面長方形状のイオンビームを通過させた場合、出力されるイオンビームは電流密度分布にムラができてしまったり、ビーム断面形状は長方形から歪んだ形状に変形したりする傾向がある。例えば、磁極間に形成される磁場が、磁極に近い位置で強い勾配があるので、図８に示すように、ビーム断面形状は長方形から「く」の字型に歪む傾向がある。これは、磁場の強い部分を通過したイオンの受けるローレンツ力が、磁場の弱い部分を通過したイオンの受けるローレンツ力よりも強くなるからである。なお、ビームの歪み形状は、使用する電磁石の形態、仕様、磁場の掛け方等によって様々であり、必ずしも「く」の字型に変形するわけではなく、逆「く」の字型やその他の形状に変形する場合がある。
このようにビーム形状が歪んでしまうため、図７（ａ）に示したような、スリット板に形成した穴をスリットとするものに上記のような「く」の字型のイオンビームを通過させると、スリットからはみ出す部分は遮蔽されて通過できず、電流ロスを生じるという問題がある。
また、図７（ｂ）に示したような、間隔を調整可能な１対のスリット板を用い、電流ロスを低減するために（換言すれば、ビーム電流量を増やすために）、スリット間隔を大きくすると、イオンの質量分離分解能が低下するという問題がある。
また、電流密度分布のムラやビーム形状の歪みを無くすような比較的一様な磁場を形成する方法として、電磁石の磁極を可動型の多極磁極として磁極形状を最適化する方法も考えられる。しかし、通常、磁極は純鉄や低炭素鋼で製作され、重量としては数１００ｋｇから１ｔｏｎ近くになるため、そのような磁極に調整機構を付加するとコストが嵩んでしまうという問題がある。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、イオンの質量分離に際し、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できるイオン注入装置を提供することを目的とする。また、イオンビームの電流密度分布のムラを低減し均一化を図ることができるイオン注入装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明にかかるイオン注入装置は、以下の手段を採用する。
（１）すなわち、本発明にかかるイオン注入装置は、基板に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマを発生させるイオン源と、該イオン源のプラズマ中から前記所望のイオン種を含む断面長方形状のイオンビームを引き出す引出し電極系と、引き出された前記イオンビームをその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビームを導出する質量分離電磁石と、該質量分離電磁石からのイオンビームを受けて前記所望のイオンを選別して通過させる分離スリットと、を備え、前記分離スリットを通過したイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なうイオン注入装置において、前記分離スリットは、イオンビームを通過させる隙間形状が可変に構成されている、ことを特徴とする。
このように、分離スリットは、イオンビームを通過させる隙間形状が可変に構成されているので、質量分離電磁石を通過したイオンビームの歪んだビーム形状に合わせて、その隙間形状を変化させることができる。例えば、上述した「く」の字型のビームに対しては同様の「く」の字型の隙間形状とすることができる。このため、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できる。
（２）本発明にかかるイオン注入装置は、基板に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマを発生させるイオン源と、該イオン源のプラズマ中から前記所望のイオン種を含む断面長方形状のイオンビームを引き出す引出し電極系と、引き出された前記イオンビームをその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビームを導出する質量分離電磁石と、該質量分離電磁石からのイオンビームを受けて前記所望のイオンを選別して通過させる分離スリットと、を備え、前記分離スリットを通過したイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なうイオン注入装置において、前記引出し電極系と前記質量分離電磁石との間に配置され、前記イオンビームが通過する隙間を形成するものであって、前記イオン源から引き出されたイオンビームの一部を遮蔽するように前記隙間形状が可変に構成された可変スリットを備える、ことを特徴とする。
このように、イオンビームから引き出されたイオンビームの一部を遮蔽するように隙間形状が可変に構成された可変スリットを備えるので、質量分離電磁石を通過後に電流密度が相対的に高くなると予測される部分を遮蔽し、予め除去しておくことにより、質量分離電磁石を通過した後のイオンビームの電流密度分布のムラを低減し均一化を図ることができる。
（３）本発明にかかるイオン注入装置は、基板に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマを発生させるイオン源と、該イオン源のプラズマ中から前記所望のイオン種を含む断面長方形状のイオンビームを引き出す引出し電極系と、引き出された前記イオンビームをその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビームを導出する質量分離電磁石と、該質量分離電磁石からのイオンビームを受けて前記所望のイオンを選別して通過させる分離スリットと、を備え、前記分離スリットを通過したイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なうイオン注入装置において、前記分離スリットは、イオンビームを通過させる隙間形状が可変に構成されており、さらに、前記引出し電極系と前記質量分離電磁石との間に配置され、前記イオンビームが通過する隙間を形成するものであって、前記イオン源から引き出されたイオンビームの一部を遮蔽するように前記隙間形状が可変に構成された可変スリットを備える、ことを特徴とする。
このように、分離スリットは、イオンビームを通過させる隙間形状が可変に構成されているので、質量分離電磁石を通過したイオンビームの歪んだビーム形状に合わせて、その隙間形状を変化させることができる。このため、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できる。
また、イオンビームから引き出されたイオンビームの一部を遮蔽するように前記隙間形状が可変に構成された可変スリットを備えるので、質量分離電磁石を通過後に電流密度が相対的に高くなると予測される部分を遮蔽し、予め除去しておくことにより、質量分離電磁石を通過した後のイオンビームの電流密度分布のムラを低減し均一化を図ることができる。
（４）また、上記（１）又は（３）のイオン注入装置において、前記分離スリットは、前記イオンビームの厚さ方向の両側に間隔を置いて対向配置された第１スリットと第２スリットとからなり、第１スリット及び第２スリットは前記イオンビームの幅方向に複数に分割された小スリットからなり、各小スリットは前記幅方向に隣接する当該各小スリットの間にイオンビームが通過する隙間が形成されないように配置され、各小スリットは前記厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されている、ことを特徴とする。
このように、イオンビームの厚さ方向の両側に間隔を置いて対向して配置された第１スリットと第２スリットが、それぞれ、イオンビームの幅方向に複数に分割された小スリットからなり、さらに、各小スリットがイオンビームの厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されているので、各小スリットの位置を調整することにより、質量分離電磁石を通過したイオンビームの歪んだビーム形状に合わせて、その隙間形状を容易に変化させることができる。また、分割数を多くするほど、ビーム形状の歪みに対する追従性が良くなるので、イオンの質量分離分解能が向上するとともに電流ロスがより低減できる。
（５）上記（４）のイオン注入装置において、前記質量分離電磁石よりもイオンビーム進行方向下流側に配置され、前記イオンビームを受けて当該イオンビームの断面形状を測定するビームプロファイルモニタと、前記分離スリットのイオンビーム進行方向下流側に配置され、分離スリットを通過したイオンビームを受けて当該イオンビームに含まれるイオン種の種類及びその割合を測定するイオンモニタと、前記複数の小スリットの各々の動作を独立に制御可能であり、前記ビームプロファイルモニタと前記イオンモニタからの測定情報に基づいて、所望の質量分離分解能が得られるように前記各小スリットを制御する制御装置と、を備える、ことを特徴とする。
このようなビームプロファイルモニタ、イオンモニタ及び制御装置により、分離スリットの各小スリットをフィードバック制御して、所望の質量分離分解能を得るようにしたので、高い質量分離分解能の維持と電流ロスの低減を自動制御により実現することができる。
（６）また、上記（２）又は（３）のイオン注入装置において、前記可変スリットは、前記イオンビームの厚さ方向の両側に間隔を置いて対向配置された第１スリットと第２スリットとからなり、第１スリット及び第２スリットは前記イオンビームの幅方向に複数に分割された小スリットからなり、各小スリットは前記厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されている、ことを特徴とする。
このように、イオンビームの厚さ方向の両側に間隔を置いて対向して配置された第１スリットと第２スリットが、それぞれ、イオンビームの幅方向に複数に分割された小スリットからなり、さらに、各小スリットがイオンビームの厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されているので、各小スリットの位置を調整することにより、イオン源から引き出されたイオンビームの一部を遮蔽するように隙間形状を容易に変化させることができる。
また、分割数を多くするほど、隙間形状を細かく変化させることができるので、質量分離電磁石を通過した後のイオンビームの電流密度分布のムラを低減する効果が向上し、より均一化を図ることができる。
（７）上記（６）のイオン注入装置において、前記質量分離電磁石よりもイオンビーム進行方向下流側に配置され、前記イオンビームを受けて当該イオンビームの断面形状及び電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、前記複数の小スリットの各々の動作を独立に制御可能であり、前記ビームプロファイルモニタからの測定情報に基づいて、前記可変スリットが受けるイオンビームのうち前記質量分離電磁石を通過した後に電流密度が相対的に高くなる部分を予測し、予測した部分に当たる位置に配置された各小スリットによりイオンビームの一部を遮蔽するように前記各小スリットを制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
このようなビームプロファイルモニタ及び制御装置により、可変スリットの各小スリットをフィードバック制御して、質量分離電磁石を通過した後に電流密度が相対的に高くなる部分を予測し、予測された部分に当たる位置に配置された各小スリットによりイオンビームの一部を遮蔽するように各小スリットを制御するようにしたので、質量分離電磁石を通過した後のイオンビームの電流密度分布の均一化を自動制御により実現することができる。
本発明によれば、イオンの質量分離に際し、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できる。また、イオンビームの電流密度分布のムラを低減し均一化を図ることができる。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１及び図２は、本発明の実施形態にかかるイオン注入装置１０の構成を示す図であり、図１は平面図、図２は側面図である。
このイオン注入装置１０において、処理対象となる基板３は、半導体基板３、液晶パネル用のガラス基板等である。本実施形態において、基板３は長方形状をなし、例えば、短片寸法Ｗ１は７３０ｍｍであり、長辺寸法Ｗ２は９２０ｍｍである。だたし、基板形状は、長方形に限られず、正方形や円形であってもよい。
このイオン注入装置１０は、イオン源１２から引き出した所望のイオン種を含むイオンビーム１を、質量分離電磁石１７によって質量分離し、分離スリット２０により所望のイオン種を選別して通過させて処理室１９まで導き、このイオンビーム１を処理室１９内の基板３に照射してイオン注入を行なうようになっている。すなわち、このイオン注入装置１０は、質量分離型イオン注入装置である。
イオン源１２と処理室１９との間のイオンビーム１の経路は、真空容器１６によって囲まれている。イオン源１２と真空容器１６、真空容器１６と処理室１９は、それぞれ互いに気密に接続されており、図示しない真空ポンプにより、内部が真空排気されるようになっている。
イオン源１２は、基板３に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマ１３を発生させる装置である。基板３に注入すべきイオン種としては、ＰイオンやＢイオンなどがある。これらの原料となる原料ガスが図示しない原料ガス供給装置からイオン源１２に供給されるようになっている。原料ガスは、注入すべきイオン種がＰイオンの場合、例えばホスフィン（ＰＨ３）であり、Ｂイオンの場合、例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）であり、これらが水素ガスで希釈されて使用される。
このイオン源１２では、図示しないフィラメントにより熱電子を発生させ、供給された原料ガスの分子を電離させて所望のイオン種を含むプラズマ１３を発生させる。
イオン源１２にて発生した所望のイオン種を含むプラズマ１３は、イオン源１２の出口側に配置された引出し電極系１５によって、断面長方形状のリボン状のイオンビーム１として引き出される（図４参照）。この引出し電極系１５は、複数の穴を有する電極を複数（この例では３つ）備えている。ただし、引出し電極系１５は、格子状または網状の電極、あるいはスリット状の電極であってもよい。
このイオンビーム進行方向に垂直な断面の長手方向の寸法は、基板３の短辺寸法Ｗ１よりも大きい。短辺寸法が７３０ｍｍの場合、上記の長手方向の寸法は８００ｍｍ（程度）以上となる。
以下、本明細書では、イオンビーム進行方向に垂直な断面を「イオンビームの断面」又は単に「ビーム断面」と呼ぶ。ビーム断面の長手方向の寸法を「イオンビームの幅」と呼ぶ。ビーム断面の短手方向の寸法を「イオンビームの厚さ」と呼ぶ。
また、本明細書において、断面長方形状とは、断面が長方形に近い、あるいは断面が長方形のような形状をも含む概念であり、完全な長方形のみを意味するものではない。
イオン源１２から引き出されたイオンビーム１は、可変スリット３０を通過して、質量分離電磁石１７に導入される。質量分離電磁石１７は、その内部を通過するイオンビーム１の幅方向の両側に対向して配置された磁極１８を有し、この磁極１８によってビーム進行方向と垂直な磁場を形成するようになっている。本実施形態では、図２の矢印Ｂの方向に磁場を形成する。上記のようにイオンビーム１の幅を８００ｍｍ程度とする場合、磁極間隔は８００ｍｍ以上となる。
このように構成された質量分離電磁石１７は、図１に示すように、イオン源１２から引き出されたイオンビーム１をその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビーム１を導出する。
イオンビーム１が質量分離マグネットの磁界中を通過するとき、イオンビーム１に含まれる各イオン種は、その電荷と質量に依存した曲率半径で回転運動を行うので、通過後に所望のイオン種が到達すると予測される軌道上に、質量分離電磁石１７からのイオンビーム１を受けて所望のイオンを選別して通過させる分離スリット２０が配置されている。また、この分離スリット２０は、イオンビーム１を通過させる隙間形状が可変に構成されている。
質量分離マグネットの磁極間隔を８００ｍｍ以上と広くした場合、上述したように、イオンビームが通過する全領域に均一な磁場を形成することは難しい。そしてこのような不均一な磁場領域を含む電磁石中に、断面長方形状のイオンビーム１を通過させると、上述したように、ビーム断面形状は長方形から歪んだ形状（例えば「く」の字型）に変形する。
本発明では、分離スリット２０は、イオンビーム１を通過させる隙間形状が可変に構成されているので、質量分離電磁石１７を通過したイオンビーム１の歪んだビーム形状に合わせて、その隙間形状を変化させることができる。例えば、上述した「く」の字型のビームに対しては同様の「く」の字型の隙間形状とすることができる。このため、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できる。
なお、ビームの歪み形状は、使用する電磁石の形態、仕様、磁場の掛け方等によって様々であり、必ずしも「く」の字型に変形するわけではなく、逆「く」の字型やその他の形状に変形する場合がある。
本実施形態における分離スリット２０について、より詳しく説明する。図３は、本実施形態における分離スリット２０の構成を示す図である。この図では、イオンビーム１は、質量分離電磁石１７を通過したことによって、「く」の字型に変形した例を示している。
図３に示すように、分離スリット２０は、イオンビーム１の厚さ方向の両側に間隔を置いて対向配置された第１スリット２１Ａと第２スリット２１Ｂとからなる。この第１スリット２１Ａと第２スリット２１Ｂによって形成された隙間をイオンビーム１が通過する。第１スリット２１Ａ及び第２スリット２１Ｂはイオンビーム１の幅方向に複数に分割された小スリット２３，２３・・・からなる。
本実施形態では、小スリット２３は短冊状である。また、第１スリット２１Ａ及び第２スリット２１Ｂは、ぞれぞれ、１０分割され、ビームの厚さ方向に相対向する組を１対として、これが１０対配置された構成となっている。
各小スリット２３は、イオンビーム１幅方向に隣接する当該各小スリット２３の間にイオンビーム１が通過する隙間が形成されないように配置されている。各小スリット２３の間にイオンビーム１が通過する隙間が形成されないように配置する構成としては、特に限定されないが、例えば、ビーム進行方向から見たときに、イオンビーム１の幅方向に隣接する各小スリット２３が一部重なるように、各小スリット２３をずらして配置する構成が考えられる。あるいは、イオンビーム１の幅方向に互いに隣接する、一の小スリット２３と他の小スリット２３の互いに対向する辺部に、一方が他方に挿入され且つイオンビーム１の厚さ方向の相対移動を許容するような断面凹部と断面凸部を形成する構成が考えられる。
また、各小スリット２３はイオンビーム１の厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されている。本実施形態では、各小スリット２３は、ぞれぞれ、アクチュエータ２５，２５・・・によってイオンビーム１の厚さ方向に進退動できるようになっている。なお、各アクチュエータ２５は、後述する制御装置３８からの制御信号Ｓ１を受けて制御される。
このような構成によれば、各小スリット２３の位置を調整することにより、質量分離電磁石１７を通過したイオンビーム１の歪んだビーム形状に合わせて、その隙間形状を容易に変化させることができる。
したがって、図３に示すように、所望のイオン種のみを含むビームの外形に沿うように各小スリット２３の位置を調整することで、所望以外のイオン種を遮蔽し、所望のイオン種を選別して通過させることができるので、高い質量分離分解能を維持できるとともに電流ロスを低減できる。
また、分割数を多くするほど、ビーム形状の歪みに対する追従性が良くなるので、イオンの質量分離分解能が向上するとともに電流ロスがより低減できる。
なお、図３では、各小スリット２３が所望のイオン種のみを含むビームの外形に丁度接するように位置が調整されているが、より高い質量分離分解能を得たい場合は、所望以外のイオン種を含む部分を完全に遮蔽するように各小スリット２３の位置を調整すればよい。この場合、より高い質量分離分解能が得られるが、電流ロスの低減効果は図３の例よりも若干劣る。ただし、この場合でも、依然として従来技術に比して電流ロスが少ないことは明らかである。
なお、質量分離分解能向上と電流ロス低減のいずれを、どの程度優先させるかは、対象とする製品や、ユーザによって個別に決定されるべき事項であり、どちらがより優れているとも言えない。いずれを優先するにしても、高い質量分離分解能を維持できるとともに電流ロスを低減できるという優れた効果が得られることに変わりは無い。
処理室１９内には、基板３を保持しながら基板３を図の矢印Ｃの方向に移動させる基板スライダ２８が設置されている。基板スライダ２８は図示しない駆動装置によって往復駆動される。本実施形態において矢印Ｃは分離スリット２０を通過したイオンビーム１の厚さ方向と同じ方向である。このように基板３を移動させながら基板３の短辺寸法Ｗ１よりも幅広のイオンビーム１を照射することにより、基板３の全面にイオンビーム１を照射してイオン注入を行なうことができる。
図１及び図２に示すように、本実施形態にかかるイオン注入装置１０は、さらに、ビームプロファイルモニタ４０と、イオンモニタ２９と、制御装置３８とを備えている。
ビームプロファイルモニタ４０は、質量分離電磁石１７よりもイオンビーム１進行方向下流側に配置され、イオンビーム１を受けて、このイオンビーム１の断面形状を測定するものである。本実施形態において、ビームプロファイルモニタ４０は、可動ワイヤコレクタ４０Ａであり、図の矢印Ｘ方向（イオンビーム１の厚さ方向と同一）に往復移動可能に設けられた第１ワイヤ４１と、図の矢印Ｙ方向に往復移動可能に設けられた第２ワイヤ４２とからなる。この可動ワイヤコレクタ４０Ａでは、イオンビーム１を受けながら、第１ワイヤ４１と第２ワイヤ４２を、それぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向に移動させることにより、イオンビーム１のＸ方向電流値とＹ方向電流値を得て、この電流値に基づいて、イオンビーム１の断面形状を測定することができる。なお、イオンビーム１の断面形状を測定するときは、分離スリット２０のスリット幅を全開にしておく必要がある。
また、このビームプロファイルモニタ４０によって、イオンビーム１の電流密度分布を測定（推定）することができる。
なお、ビームプロファイルモニタ４０は、可動ワイヤコレクタ４０Ａに限られず、他の公知のものを採用してもよい。本実施形態では、ビームプロファイルモニタ４０は、分離スリット２０と処理室１９との間に配置されているが、イオンビーム１を捕捉できる範囲内で、処理室１９内における基板スライダ２８の前面側又は背面側、あるいは質量分離電磁石１７と分離スリット２０との間に配置されてもよい。
イオンモニタ２９は、分離スリット２０のイオンビーム１進行方向下流側に配置され、分離スリット２０を通過したイオンビーム１を受けて、このイオンビーム１に含まれるイオン種の種類及びその割合を測定するものである。このイオンモニタ２９の形態は、特に限定されず、例えば、電磁石と１つ又は複数のファラデーカップを用いた質量分析方式のもの等、公知のものを採用することができる。
本実施形態におけるイオンモニタ２９は、Ｘ方向（イオンビーム１の厚さ方向と同一）には移動しないが、イオンビーム１の厚さに十分対応できるようになっている。さらに、このイオンモニタ２９は、図示しない駆動装置によって、図のＹ方向（イオンビーム１の幅方向と同一）に往復移動可能に構成されている。
この構成により、イオンビーム１の幅方向の任意の位置の一定範囲において、そこに含まれるイオン種の種類及びその割合を測定することができる。このイオンモニタ２９は、上述した小スリット２３の１対ごと又は複数対ごとに対応した範囲のビームに含まれるイオン種及びその割合を測定できるようになっている。
なお、本実施形態では、イオンモニタ２９は、基板スライダ２８の背面側に配置されているが、分離スリット２０よりもイオンビーム進行方向下流側であれば、基板スライダ２８の前面側に配置されてもよい。
制御装置３８は、分離スリット２０における複数の小スリット２３の各々の動作を独立に制御可能であり、ビームプロファイルモニタ４０とイオンモニタ２９からの測定情報に基づいて、所望の質量分離分解能が得られるように各小スリット２３を制御するものである。
この制御について、図３を参照して具体的に説明する。まず、分離スリット２０における第１スリット２１Ａと第２スリット２１Ｂのスリット幅が最大になるように各小スリット２３の位置を調整する。この状態で、質量分離電磁石１７を通過してきたイオンビーム１の断面形状（すなわち、図３における所望以外のイオン種も含むビーム全体の形状）をビームプロファイルモニタ４０で測定（推定）する。この測定情報に基づいて、各小スリット２３を所定の位置まで移動させる。この所定の位置は、例えば、所望以外のイオン種も含むビーム全体の形状に対し、ビームの厚さ方向の両側を所定量ずつ遮蔽する位置としたり、あるいは、各小スリット２３が所望のイオン種のみを含むビームの外形に沿うと、予め実験的に得られたデータに基づいて予測される位置としたりすることができる。
次に、イオンモニタ２９により、ある１対又は複数対の小スリット２３に対応する範囲のイオンビーム１に含まれるイオン種の種類及びその割合を測定する。この測定情報から、質量分離分解能を求め、質量分離分解能が所望値を満足しない場合は、スリット幅を狭めるように小スリット２３の対の一方又は両方を移動させ、再度、イオンモニタ２９の測定情報に基づいて質量分離分解能を求め、質量分離分解能が所望値を満足するまで、この作業を繰り返す。一方、質量分離分解能が所望値を満足した場合は、イオンモニタ２９を他の小スリット２３の対に対応する範囲に移動させ、上記と同様の作業を行なう。このようにして、イオンビーム１の幅方向全体について質量分離分解能が所望値を満足したら、制御装置３８による分離スリット２０の位置調整制御は終了する。
このように、ビームプロファイルモニタ４０、イオンモニタ２９及び制御装置３８により、分離スリット２０の各小スリット２３をフィードバック制御して、所望の質量分離分解能を得るようにしたので、高い質量分離分解能の維持と電流ロスの低減を自動制御により実現することができる。
本実施形態にかかるイオン注入装置１０は、さらに、引出し電極系１５と質量分離電磁石１７との間に配置された可変スリット３０を備える。この可変スリット３０は、イオンビーム１が通過する隙間を形成するものであって、イオン源１２から引き出されたイオンビーム１の一部を遮蔽するように隙間形状が可変に構成されている。
上述したように、大面積の基板３に対応させて質量分離電磁石１７の磁極間隔を大きくした場合、イオンビームが通過する全領域にわたり均一な磁場を確保することが困難となる。このような場合、質量分離電磁石１７を通過したイオンビーム１は、磁場の不均一さに起因してビーム断面において電流密度のムラが生じる。
本発明では、可変スリット３０は、イオンビーム１から引き出されたイオンビーム１の一部を遮蔽するように隙間形状が可変に構成されているので、質量分離電磁石１７を通過後に電流密度が相対的に高くなると予測される部分を遮蔽し、予め除去しておくことにより、質量分離電磁石１７を通過した後のイオンビーム１の電流密度分布のムラを低減し均一化を図ることができる。
本実施形態における可変スリット３０について、より詳しく説明する。図４は、本実施形態における可変スリット３０の構成を示す図である。
図４に示すように、本実施形態にかかる可変スリット３０は、上述した分離スリット２０と同様の構成を有している。すなわち、可変スリット３０は、イオンビーム１の厚さ方向の両側に間隔を置いて対向配置された第１スリット３１Ａと第２スリット３１Ｂとからなる。この第１スリット３１Ａと第２スリット３１Ｂによって形成された隙間をイオンビーム１が通過する。第１スリット３１Ａ及び第２スリット３１Ｂはイオンビーム１の幅方向に複数に分割された小スリット３３，３３・・・からなる。
本実施形態では、小スリット３３は短冊状である。また、第１スリット３１Ａ及び第２スリット３１Ｂは、ぞれぞれ、１０分割され、ビームの厚さ方向に相対向する組を１対として、これが１０対配置された構成となっている。
各小スリット３３は、イオンビーム１の幅方向に隣接する当該各小スリット３３の間にイオンビーム１が通過する隙間が形成されないように配置されている。各小スリット３３の間にイオンビーム１が通過する隙間が形成されないように配置する構成としては、上述した分離スリット２０の場合と同様の構成が考えられる。
ただし、上記の分離スリット２０では所望以外のイオン種を遮蔽し所望のイオン種を選別する目的でイオンビーム１が通過する間隔が形成されないようにしたが、この可変スリット３０では個々の小スリット３３によりイオンビーム１の一部を遮蔽できれば良いので、必ずしも各小スリット３３の間にイオンビーム１が通過する隙間が形成されないように配置されている必要は無い。
各小スリット３３はイオンビーム１の厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されている。本実施形態では、各小スリット３３は、ぞれぞれ、アクチュエータ３５，３５・・・によってイオンビーム１の厚さ方向に進退動できるようになっている。各アクチュエータは、制御装置３８からの制御信号Ｓ２を受信して制御される。
このような構成によれば、各小スリット３３の位置を調整することにより、イオン源１２から引き出されたイオンビーム１の一部を遮蔽するように隙間形状を容易に変化させることができる。
したがって、図４に示すように、質量分離電磁石１７を通過後に電流密度が相対的に高くなると予測される部分を遮蔽し、予め除去しておくことができる。具体的に説明すると、例えば、質量分離電磁石１７の通過後に、磁極１８に近いビーム幅方向の両側付近における電流密度がビーム中央部よりも相対的に高くなると予測される場合、図４に示すように、ビーム幅方向の両側付近に当たる位置に配置された各小スリット３３のスリット幅を狭めて、予めビームの一部を遮蔽し除去しておく。こうすると、イオンビーム１が質量分離電磁石１７を通過したした後、一部が除去されたビーム幅方向の両側付近の電流密度が高くなるのを抑え、結果として、ビーム中央部の電流密度との電流密度差が緩和され、ビーム全体の電流密度分布が均一化する。
また、分割数を多くするほど、隙間形状を細かく変化させることができるので、質量分離電磁石１７を通過した後のイオンビーム１の電流密度分布のムラを低減する効果が向上し、より均一化を図ることができる。
可変スリット３０は制御装置３８からの制御信号Ｓ２を受けて制御される。制御装置３８は、複数の小スリット３３の各々の動作を独立に制御可能であり、ビームプロファイルモニタ４０からの測定情報に基づいて、可変スリット３０が受けるイオンビーム１のうち質量分離電磁石１７を通過した後に電流密度が相対的に高くなる部分を予測し、予測した部分に当たる位置に配置された各小スリット３３によりイオンビーム１の一部を遮蔽するように各小スリット３３を制御する。本実施形態では、可変スリット３０と分離スリット２０を同じ制御装置３８で制御する構成としているが、それぞれ別々の制御装置３８により制御するようにしてもよい。
この制御について、図４を参照して具体的に説明する。まず、可変スリット３０における第１スリット３１Ａと第２スリット３１Ｂのスリット幅が最大になるように各小スリット３３の位置を調整する。この状態で、イオンビーム１の断面形状と電流密度分布をビームプロファイルモニタ４０で測定（推定）する。ビームプロファイルモニタ４０は、質量分離電磁石１７よりもビーム進行方向下流側に配置されているので、質量分離電磁石１７を通過した後のイオンビーム１の断面形状と電流密度分布を測定することができる。制御装置３８は、この測定情報に基づいて、可変スリット３０が受けるイオンビーム１のうち質量分離電磁石１７を通過した後に電流密度が相対的に高くなる部分を予測する。制御装置３８は、この予測結果に基づいて、予測された部分に当たる位置に配置された各小スリット３３のスリット幅を狭めて、予めビームの一部を遮蔽し除去しておく。例えば、磁極１８に近いビーム幅方向の両側付近における電流密度がビーム中央部よりも相対的に高くなると予測される場合、図４に示すように、ビーム幅方向の両側付近に当たる位置に配置された各小スリット３３のスリット幅を狭めて、予めビームの一部を遮蔽し除去する。
この状態の可変スリット３０と質量分離電磁石１７を通過したイオンビーム１の電流密度分布を、再びビームプロファイルモニタ４０で測定する。制御装置３８は、電流密度分布が均一化しているかを判断する。最初の測定において電流密度が相対的に高いと予測された部分が依然として高い場合、狭めたスリット幅をさらに狭める方向に各小スリット３３を移動させる。逆に、電流密度が相対的に高いと予測された部分の電流密度が低くなりすぎた場合は、狭めたスリット幅を広げる方向に各小スリット３３を移動させる。制御装置３８は、このような作業を繰り返し、電流密度分布が均一化したと判断したら、可変スリット３０の位置調整制御を終了する。
このように、ビームプロファイルモニタ４０及び制御装置３８により、可変スリット３０の各小スリット３３をフィードバック制御して、質量分離電磁石１７を通過した後に電流密度が相対的に高くなる部分を予測し、予測した部分に当たる位置に配置された各小スリット３３によりイオンビーム１の一部を遮蔽するように各小スリット３３を制御するようにしたので、量分離電磁石を通過した後のイオンビーム１の電流密度分布の均一化を自動制御により実現することができる。
上述した実施形態では、ビームプロファイルモニタ４０として可動ワイヤコレクタ４０Ａを用いたが、これに代えて、図５及び図６に示すようなファラデーカップアレイ４０Ｂを用いても良い。このファラデーカップアレイ４０Ｂは、イオンモニタ２９の背面側に配置されている。ファラデーカップアレイ４０Ｂは、イオンビーム１の幅方向及び厚さ方向に渡って複数（多数）のファラデーカップを配置したものである。複数のファラデーカップはイオンビーム１の断面形状よりも大きい範囲に渡って併設されている。
このように構成されたファラデーカップアレイ４０Ｂにより、イオンビーム１を受けて、このイオンビーム１の断面形状と電流密度分布を測定することができる。なお、ファラデーカップアレイ４０Ｂによる測定の際は、ファラデーカップアレイ４０Ｂへのイオンビーム１の照射の邪魔にならない位置に基板スライダ２８が移動する。
また、図６では、ファラデーカップアレイ４０Ｂによる測定を行なう際に、ファラデーカップアレイ４０Ｂへのイオンビーム１の照射の邪魔にならないよう、イオンモニタ２９が破線で示す位置まで退避できるようになっている。
上述した実施形態では、隙間形状が可変の分離スリット２０と可変スリット３０の両方を備えた構成としたが、いずれか一方を備えた構成であってもよい。
すなわち、隙間形状が可変の分離スリット２０を備えるが可変スリット３０は備えない構成であってもよく、この場合、イオンビーム１の電流密度の均一化効果は得られないが、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できるという効果は得られる。
また、可変スリット３０は備えるが、隙間形状が可変の分離スリット２０は備えない構成であってもよく、この場合、高い質量分離分解能を維持しつつ電流ロスを低減できるという効果は得られないが、イオンビーム１の電流密度の均一化効果は得られる。ただし、隙間形状が可変の分離スリット２０を備えない場合、所望のイオン種を選別するための、例えば図７に示したような何らかの別の分離スリットを備える必要がある。
なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明の実施形態にかかるイオン注入装置の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態にかかるイオン注入装置の構成を示す側面図である。 本発明の実施形態にかかるイオン注入装置における分離スリットの構成を示す図である。 本発明の実施形態にかかるイオン注入装置における可変スリットの構成を示す図である。 本発明の別の実施形態にかかるイオン注入装置の構成を示す平面図である。 本発明の別の実施形態にかかるイオン注入装置の構成を示す側面図である。 従来技術における分離スリットの構成を示す図である。 イオンビーム断面形状の変形について説明する図である。
符号の説明
１ イオンビーム
３ 基板
１０ イオン注入装置
１２ イオン源
１３ プラズマ
１５ 引出し電極系
１７ 質量分離電磁石
１９ 処理室
２０ 分離スリット
２１Ａ 第１スリット
２１Ｂ 第２スリット
２３ 小スリット
２９ イオンモニタ
３０ 可変スリット
３１Ａ 第１スリット
３１Ｂ 第２スリット
３３ 小スリット
３８ 制御装置
４０ ビームプロファイルモニタ

Claims (7)

  1. 基板に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマを発生させるイオン源と、該イオン源のプラズマ中から前記所望のイオン種を含む断面長方形状のイオンビームを引き出す引出し電極系と、引き出された前記イオンビームをその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビームを導出する質量分離電磁石と、該質量分離電磁石からのイオンビームを受けて前記所望のイオンを選別して通過させる分離スリットと、を備え、前記分離スリットを通過したイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なうイオン注入装置において、
    前記分離スリットは、イオンビームを通過させる隙間形状が可変に構成されている、ことを特徴とするイオン注入装置。
  2. 基板に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマを発生させるイオン源と、該イオン源のプラズマ中から前記所望のイオン種を含む断面長方形状のイオンビームを引き出す引出し電極系と、引き出された前記イオンビームをその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビームを導出する質量分離電磁石と、該質量分離電磁石からのイオンビームを受けて前記所望のイオンを選別して通過させる分離スリットと、を備え、前記分離スリットを通過したイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なうイオン注入装置において、
    前記引出し電極系と前記質量分離電磁石との間に配置され、前記イオンビームが通過する隙間を形成するものであって、前記イオン源から引き出されたイオンビームの一部を遮蔽するように前記隙間形状が可変に構成された可変スリットを備える、ことを特徴とするイオン注入装置。
  3. 基板に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマを発生させるイオン源と、該イオン源のプラズマ中から前記所望のイオン種を含む断面長方形状のイオンビームを引き出す引出し電極系と、引き出された前記イオンビームをその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビームを導出する質量分離電磁石と、該質量分離電磁石からのイオンビームを受けて前記所望のイオンを選別して通過させる分離スリットと、を備え、前記分離スリットを通過したイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なうイオン注入装置において、
    前記分離スリットは、イオンビームを通過させる隙間形状が可変に構成されており、
    さらに、前記引出し電極系と前記質量分離電磁石との間に配置され、前記イオンビームが通過する隙間を形成するものであって、前記イオン源から引き出されたイオンビームの一部を遮蔽するように前記隙間形状が可変に構成された可変スリットを備える、ことを特徴とするイオン注入装置。
  4. 前記分離スリットは、前記イオンビームの厚さ方向の両側に間隔を置いて対向配置された第１スリットと第２スリットとからなり、第１スリット及び第２スリットは前記イオンビームの幅方向に複数に分割された小スリットからなり、各小スリットは前記幅方向に隣接する当該各小スリットの間にイオンビームが通過する隙間が形成されないように配置され、各小スリットは前記厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１又は３に記載のイオン注入装置。
  5. 前記質量分離電磁石よりもイオンビーム進行方向下流側に配置され、前記イオンビームを受けて当該イオンビームの断面形状を測定するビームプロファイルモニタと、
    前記分離スリットのイオンビーム進行方向下流側に配置され、分離スリットを通過したイオンビームを受けて当該イオンビームに含まれるイオン種の種類及びその割合を測定するイオンモニタと、
    前記複数の小スリットの各々の動作を独立に制御可能であり、前記ビームプロファイルモニタと前記イオンモニタからの測定情報に基づいて、所望の質量分離分解能が得られるように前記各小スリットを制御する制御装置と、を備える、ことを特徴とする請求項４に記載のイオン注入装置。
  6. 前記可変スリットは、前記イオンビームの厚さ方向の両側に間隔を置いて対向配置された第１スリットと第２スリットとからなり、第１スリット及び第２スリットは前記イオンビームの幅方向に複数に分割された小スリットからなり、各小スリットは前記厚さ方向に互いに独立に移動可能に構成されている、ことを特徴とする請求項２又は３に記載のイオン注入装置。
  7. 前記質量分離電磁石よりもイオンビーム進行方向下流側に配置され、前記イオンビームを受けて当該イオンビームの断面形状及び電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、
    前記複数の小スリットの各々の動作を独立に制御可能であり、前記ビームプロファイルモニタからの測定情報に基づいて、前記可変スリットが受けるイオンビームのうち前記質量分離電磁石を通過した後に電流密度が相対的に高くなる部分を予測し、予測した部分に当たる位置に配置された各小スリットによりイオンビームの一部を遮蔽するように前記各小スリットを制御する制御装置と、を備えることを特徴とする請求項６に記載のイオン注入装置。
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