JP2008521206A - イオン注入機の加速減速コラムの焦点効果低減 - Google Patents

Abstract

減速モード時にイオン注入機の加速減速コラム（２４０）の強い焦点効果を低減するための方法および装置が開示される。装置は、イオンビーム（１０４）を取り囲んで加速減速コラム（２４０）の減速レンズ（２６０）近傍にあるチューブレンズ（２５０）を含む。
チューブレンズによって、イオンビーム（１０４）はチューブレンズ（２５０）の入口においてデフォーカスされる。これにより、コラムによって発生するイオン分散問題が低減される。本発明はまた、チューブレンズを組み入れた加減速コラムおよびイオン注入機も含む。付加的な減速抑制電極（２７０）もまたチューブレンズ（２５０）の後に加えられて電子がチューブレンズ内に閉じ込められる。
【選択図】図４

Description

本発明は一般にイオン注入機に関し、詳しくはイオン注入機の加速減速コラムの強い焦点効果を低減するための方法および装置に関する。

低エネルギービームを使用するイオン注入機の生産性を高めることは、イオン注入機業界において尽きることのない課題である。注目されている一つの領域は、ビーム輸送効率を高めることである。どのようなイオンビームにおいても、正荷電イオンは互いに反発する傾向があり、これによってイオンの損失およびビーム輸送の悪化が生じる。図１を参照すると、従来的なイオン注入機１００が示される。イオン注入機１００は、イオンビーム１０４を生成して注入チャンバ１０８内のターゲット１０６に送る。イオン注入機１００には、ガス流１４０；ソースマグネット１４４およびソースバイアス電圧コントローラ１４６を含むイオンソース１４２；抑制電極１４８、引き出し電極１５０、および電極１４８、１５０のための一つ以上のマニピュレータモータ（図示せず）；フィルタマグネット１５１；フィルタ分解アパチャ１５２；加速減速コラム２００；アナライザマグネット１５６；質量スリット１６０；プリスキャン抑制電極１６２；水平スキャンプレート１６４；ポストスキャン抑制電極１６６；窒素（Ｎ_２）放出部１６８；コレクタマグネット１７０；制限アパチャ１７２；ならびにプロファイラシステム１７４が含まれる。上述の構成要素の各々は、システムコントローラ１２０によってモニタされ、かつ、システムコントローラ１２０に対して応答する。典型的には、ターゲット１０６には、プラテン１１４に取り付けられた一つ以上の半導体ウェーハが含まれる。

図２を参照すると、イオンビーム加速減速コラム２００は、アナライザマグネット１５６（図１）による質量分析に先立ってイオンビーム１０４を加速または減速する。最初は、イオンビーム１０４は、イオンソース１４２から出て、引き出し電極１５０およびフィルタマグネット１５１を通過してフィルタ分解アパチャ２０２にて形成される。これは、非選択のイオンのほとんどをビーム１０４（図１）から除去する。イオンビーム１０４は最初は高エネルギーで形成される。というのは、低エネルギーの高ビーム電流を備えるビームをイオンソース１４２から直接得ることは比較的困難だからである。したがって、従来的なイオン注入機１００は、発生するイオンに初期上流速度を与えるべく合理的に高いソース引き出し電圧、例えば４０ｋＶよりも大きな電圧で動作するように設計される。加速減速コラム２００によって、イオンビーム１０４を減速（図２に示す）または加速する電場を発生させる様々な電位勾配が、イオンが通過する際にそのモードに応じてイオンにその最終速度を与えるべく適用される。加速減速コラム２００には、イオンビーム１０４を加減速コラム２００内に受け入れるためのターミナル電極２０４が含まれる。次に、焦点電極２０６は、イオンビーム１０４に調整可能な焦点効果を与える。これはまた、電子トラップを生成し、減速モード時に減速領域の前に配置されるビームラインの領域から中和電子が除去されることを防止する。次に、接地電極２０８は、最終エネルギー状態にあるイオンビーム１０４を受け入れる。加速モード（図示せず）においては、ターミナル電極２０４と接地電極２０８との間に発生する電場は、イオンビーム１０４の正荷電粒子を励起して加速するべくターミナル電極２０４に正電圧を印加することによって加速レンズを形成する。加速抑制電極２１０は、加速モード時に二次電子を抑制する負電圧のバイアスがかけられる。減速モードにおいては、図２に示すように、ターミナル電極２０４と接地電極２０８との間に発生する電場は、イオンビーム１０４の正荷電粒子を非励起にして減速するべくターミナル電極２０４に負電圧を印加することによって減速レンズを形成する。

図２に示すように、加速減速コラム２００は、イオンビーム１０４を減速してそのエネルギーを低下させるにつれて、イオンビーム１０４を急激に焦点収束させる傾向がある。具体的には、イオンは、減速レンズを離れると、大きな収束角を有する。すなわち、イオンは、大きな垂直速度成分によって内向きに移動する傾向がある。大きな収束角によって、イオンビーム１０４はその後大きな発散角を有するようになる。すなわち、イオンは、同量の垂直速度成分によって外向きに移動し、そのため分散問題が増加して低エネルギービームの輸送効率が低下する。すなわち、イオンは、ビームが加減速コラム２００に存在する際に分散して損失する。（イオンビーム１０４は、連結装置２１２を介して存在する。連結装置２１２は、アナライザマグネットに対してスライドして真空密封を与える。）

イオンビーム１０４のエネルギー変化が大きければ大きいほど、焦点収束は急激になり分散問題は大きくなる。なお、図２は、イオンビーム１０４エンベロープの２次元図を示しているが、焦点収束動作はイオンビーム１０４内の径方向位置に依存する。すなわち、電極２１０の内縁に近ければ近いほど、焦点効果は強くなる。

上述を考慮すると、業界には、イオン注入機の加速減速コラムに対してビーム輸送効率を高める要求がある。

本発明は、減速モード時のイオン注入機の加速減速コラムの強い焦点効果を低減するための方法および装置を含む。本装置は、イオンビームを取り囲んで加速減速コラムの減速レンズ近傍にあるチューブレンズを含む。チューブレンズによって、イオンビームはチューブレンズの入口においてデフォーカスされる。これにより、コラムによって発生するイオン分散問題が低減される。本発明はまた、チューブレンズを組み入れた加減速コラムおよびイオン注入機も含む。付加的な減速抑制電極もまたチューブレンズの後に加えられて電子がチューブレンズ内に閉じ込められる。

本発明の第１の側面は、イオン注入機のイオンビームに対する加速減速コラムの焦点効果を低減するための装置に関する。この装置は、イオンビームを取り囲んで加速減速コラムの減速レンズ近傍にあるチューブレンズを含む。

本発明の第２の側面は、イオン注入機のイオンビームに対する加速減速コラムに関する。この加速減速コラムは、ターミナル電極、そのターミナル電極近傍の焦点電極、およびその焦点電極近傍の接地電極を含むイオンビーム減速のための減速レンズと、イオンビームを取り囲んで減速レンズ近傍にあるチューブレンズとを含む。

本発明の第３の側面は、イオン注入機に関する。このイオン注入機は、イオンビームを発生させるためのイオンソースと、イオンビームを加速または減速するための、減速レンズを含む加速減速コラムと、イオンビームを取り囲んで減速レンズ近傍にあるチューブレンズと、チューブレンズよりも下流側にあるアナライザマグネットと、イオンビームによる注入を受けるターゲットを保持するための注入チャンバとを含む。

本発明の第４の側面は、イオン注入機のイオンビームに対する加速減速コラムの焦点効果を低減する方法を含む。この方法は、加速減速コラムを使用してイオンビームを減速するステップと、減速するステップ時にイオンビームに負電位を有するチューブレンズを通過させてイオンビームをデフォーカスするステップとを含む。

本発明の上述およびその他の特徴は、以下の本発明の実施例の具体的な説明から明らかとなる。

本発明の実施例は、以下の図面を参照して詳細に説明される。ここで同じ参照番号は同じ要素を示す。

図３を参照して、本発明に係る加速減速コラム２４０の詳細が説明される。簡潔さのため、加速減速コラム２４０は以下「加減速コラム」と称する。加減速コラム２４０は、従来的な加速減速コラムと同じ構造を含むが、本発明に係る静電チューブレンズ２５０が加えられてる点で異なる。必要な場合を除いては明確さのため示さないが、各電極は制御可能電源に接続される。図示のように、チューブレンズ２５０は静電的であり、ターミナル電極２０４、焦点電極２０６および接地電極２０８によって形成される減速レンズ２６０の近傍（必ずしも直近である必要はない）にあってイオンビーム１０４を取り囲む実質的に円筒形のチューブである。チューブレンズ２５０は、加減速コラム２４０内の所定位置に取り付けられるための径方向に延びるマウント２５２を含む。図３に示すように、チューブレンズ２５０は、加減速コラム２００の加速抑制電極２１０に接触しない。

上述のように、加減速コラム２００は、イオンビーム１０４が励起されて加速される加速モードと、イオンビーム１０４が非励起にされて減速される減速モード（図示）とを有する。加速モード（図示せず）においては、ターミナル電極２０４は正電圧に帯電される。この結果、ターミナル電極２０４、焦点電極２０６および接地電極２０８は、イオンビーム１０４が通過する正電位勾配を与える加速レンズを形成する。これにより、イオンビーム１０４の正荷電粒子を励起して加速する電場が生成される。加速抑制電極２１０は、加速モード時に二次電子を抑制する負電圧のバイアスがかけられる。対照的に、図２に示す減速モードにおいては、ターミナル電極２０４は負電圧のバイアスがかけられる。この結果、ターミナル電極２０４、焦点電極２０６および接地電極２０８は、イオンビーム１０４が通過する負電位勾配を与える減速レンズ２６０を形成する。これにより、イオンビーム１０４の正荷電粒子を非励起にして減速する電場が生成される。例えば、減速は、４０ｋＶよりも大きなエネルギーから、低エネルギービームを表す４０ｋＶよりも小さなエネルギーであってよい。上述のように、減速レンズ２６０を離れるイオンは大きな収束角を有する。すなわち、焦点収束または内向きに移動する傾向がある。大きな収束角によって、その後イオンは大きな発散角を有する。このため、分散問題が増大し、低エネルギービームの輸送効率が低減される。

チューブレンズ２５０は、減速モードにおいて減速レンズ２６０の焦点効果を徐々に低減するデフォーカスレンズとして機能する。図３に示す加減速コラム２００減速モードにおいては、チューブレンズ２５０は、デフォーカスレンズを形成するべく負電圧が帯電される。減速モードにおいては、加速抑制電極２１０もまた、コントローラ２６２によって負電圧に帯電される。したがって、一実施例においてチューブレンズ２５０は、減速モードにおいてスイッチ２５４を介して加速抑制電極２１０に電気的に接続されるが、これは必須というわけではない。すなわち、チューブレンズ２５０には、加速抑制電極２１０との電位的整合をより良好に制御するべく、それ自体の電源が与えられてもよい。

図３に示すように、チューブレンズ２５０への負電位の印加によって、接地電極２１０とチューブレンズ２５０の入口との間に電場が発生する。電場は外向きの垂直成分を有する。これにより、イオンの収束角が減少し、イオンビーム１０４がチューブレンズ２５０に入る際にチューブレンズ２５０の入口においてイオンビーム１０４のデフォーカスが生じる。チューブレンズ２５０は、その長さ内で光学的なデフォーカス効果が生じる程度に十分長く構成される。すなわち、イオンビーム１０４は、チューブレンズ２５０を出る前にデフォーカスして形状が変化し得る。さらに、チューブレンズ２５０は、減速レンズ２６０の焦点収束動作が最も強い位置、すなわち加速抑制電極２１０の直後、に配置される。チューブレンズ２５０の電圧は、コントローラ２６２（またはチューブレンズ２５０が加速抑制電極２１０に電気的に接続されていない場合には別個のコントローラ）によって制御されて、チューブレンズ２５０を出る際のイオンビーム１０４の寸法および角度を調節する。

加減速コラム２００が加速モードにある場合、チューブレンズ２５０はイオンビーム１０４に対する影響がないように接地される。一実施例において、加速モード時は、チューブレンズ２５０は連結装置２１２に電気的に接続される。連結装置２１２は、チューブレンズ２５０のための接地として機能するが、これが必須というわけではない。

図４を参照すると、本発明の別の実施例が示される。本実施例は、図３のそれと実質的に類似するが、チューブレンズ２５０の下流側直近に配置された減速抑制電極２７０が付加されている点で異なる。本実施例においては、減速モードにおいて、チューブレンズ２５０に印加される負電圧よりも大きな負電圧が加速抑制電極２１０および減速抑制電極２７０に印加される。加速抑制電極２１０とチューブレンズ２５０の入口との間、および減速抑制電極２７０とチューブレンズ２５０の出口との間に発生する電場によって、電子をチューブレンズ内に閉じ込めるための電子トラップが生成される。これにより、チューブレンズ２５０内のイオンビーム１０４の空間電荷の中和が改善される。チューブレンズ２５０のデフォーカス効果と組み合わせられて、この電子閉じ込めは、アナライザマグネット１５６（図１）でのビーム輸送損失を最小限にする。

上述の具体的な実施例に関連して本発明が説明されたが、当業者にとっては多くの代替例、修正例および変形例がはっきり理解できることは明白である。したがって、上述の本発明の実施例は説明を意図するものであり、限定を意図するものではない。以下の請求項に規定されるような本発明の要旨および範囲から逸脱することなく様々な変更ができる。

従来的なイオン注入機の平面図を示す。 減速モードにある図１のイオン注入機の加速減速コラムの断面図を示す。 減速モードにある本発明の一実施例に係るチューブレンズを含む加速減速コラムの断面図を示す。 減速モードにある本発明の別の実施例に係るチューブレンズを含む加速減速コラムの断面図を示す。

Claims (32)

1. イオン注入機のイオンビームに対する加速減速コラムの焦点効果を低減するための装置であって、
   前記イオンビームを取り囲んで前記加速減速コラムの減速レンズ近傍にあるチューブレンズを含む装置。
2. 前記チューブレンズの長さは、前記イオンビームのデフォーカスがその長さ内で可能になるように選択される、請求項１に記載の装置。
3. 前記加速減速コラムは、前記イオンビームが加速される加速モードと、前記イオンビームが減速される減速モードとを有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記加速モードにおいて、前記チューブレンズは前記イオンビームに対する影響がないように接地される、請求項３に記載の装置。
5. 前記減速モードにおいて、前記チューブレンズは、前記加速減速コラムの焦点効果を徐々に低減するべくデフォーカスレンズとして機能するように負電圧が帯電される、請求項３に記載の装置。
6. 前記減速モードにおいて、前記チューブレンズは、前記加速減速コラムの加速抑制電極に電気的に接続される、請求項５に記載の装置。
7. 前記チューブレンズの上流側直近に配置された加速抑制電極と、
   前記チューブレンズの下流側直近に配置された減速抑制電極と
   をさらに含み、
   前記減速モードにおいて、前記チューブレンズ内に電子を閉じ込めるべく前記チューブレンズに印加される負電圧よりも大きな負電圧が前記加速抑制電極および減速抑制電極に印加される、請求項１に記載の装置。
8. 前記チューブレンズは、径方向に延びるマウントを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記減速レンズは、ターミナル電極、焦点電極および接地電極を含む、請求項１に記載の装置。
10. イオン注入機のイオンビームに対する加速減速コラムであって、
    ターミナル電極、前記ターミナル電極近傍の焦点電極、および前記焦点電極近傍の接地電極を含む前記イオンビーム減速のための減速レンズと、
    前記イオンビームを取り囲んで前記減速レンズ近傍にあるチューブレンズと
    を含むコラム。
11. 前記チューブレンズの長さは、前記イオンビームのデフォーカスがその長さ内で可能になるように選択される、請求項１０に記載のコラム。
12. 前記加速減速コラムは、前記イオンビームが加速される加速モードと、前記イオンビームが減速される減速モードとを有する、請求項１０に記載のコラム。
13. 前記加速モードにおいて、前記チューブレンズは前記イオンビームに対する影響がないように接地される、請求項１２に記載のコラム。
14. 前記減速モードにおいて、前記チューブレンズは、前記加速減速コラムの焦点効果を徐々に低減するべくデフォーカスレンズとして機能するように負電圧が帯電される、請求項１２に記載のコラム。
15. 前記減速モードにおいて、前記チューブレンズは、前記加速減速コラムの加速抑制電極に電気的に接続される、請求項１４に記載のコラム。
16. 前記チューブレンズの上流側直近に配置された加速抑制電極と、
    前記チューブレンズの下流側直近に配置された減速抑制電極と
    をさらに含み、
    前記減速モードにおいて、前記チューブレンズ内に電子を閉じ込めるべく前記チューブレンズに印加される負電圧よりも大きな負電圧が前記加速抑制電極および減速抑制電極に印加される、請求項１０に記載のコラム。
17. 下流側のアナライザマグネットに密封的に連結するための連結装置をさらに含む、請求項１０に記載のコラム。
18. 前記チューブレンズは、径方向に延びるマウントを含む、請求項１０に記載のコラム。
19. イオンビームを発生させるためのイオンソースと、
    前記イオンビームを加速または減速するための、減速レンズを含む加速減速コラムと、
    前記イオンビームを取り囲んで減速レンズ近傍にあるチューブレンズと、
    前記チューブレンズよりも下流側にあるアナライザマグネットと、
    前記イオンビームによる注入を受けるターゲットを保持するための注入チャンバと
    を含むイオン注入機。
20. 前記チューブレンズの長さは、前記イオンビームのデフォーカスがその長さ内で可能になるように選択される、請求項１９に記載のイオン注入機。
21. 前記加速減速コラムは、前記イオンビームが加速される加速モードと、前記イオンビームが減速される減速モードとを有する、請求項１９に記載のイオン注入機。
22. 前記加速モードにおいて、前記チューブレンズは前記イオンビームに対する影響がないように接地される、請求項２１に記載のイオン注入機。
23. 前記減速モードにおいて、前記チューブレンズは、前記減速レンズの焦点効果を徐々に低減するべくデフォーカスレンズとして機能するように負電圧が帯電される、請求項２１に記載のイオン注入機。
24. 前記減速モードにおいて、前記チューブレンズは、前記加速減速コラムの加速抑制電極に電気的に接続される、請求項２３に記載のイオン注入機。
25. 前記チューブレンズの上流側直近に配置された加速抑制電極と、
    前記チューブレンズの下流側直近に配置された減速抑制電極と
    をさらに含み、
    前記減速モードにおいて、前記チューブレンズ内に電子を閉じ込めるべく前記チューブレンズに印加される負電圧よりも大きな負電圧が前記加速抑制電極および減速抑制電極に印加される、請求項１９に記載のイオン注入機。
26. 前記チューブレンズは、径方向に延びるマウントを含む、請求項１９に記載のイオン注入機。
27. 前記減速モードにおいて、前記チューブレンズは、前記加速減速コラムの加速抑制電極に電気的に接続される、請求項１９に記載のイオン注入機。
28. イオン注入機のイオンビームに対する加速減速コラムの焦点効果を低減する方法であって、
    前記加速減速コラムを使用して前記イオンビームを減速するステップと、
    前記減速するステップ時にイオンビームを負電位にするチューブレンズを通過させて前記イオンビームをデフォーカスするステップと
    を含む方法。
29. 前記減速するステップ時に、前記チューブレンズを前記加速減速コラムの加速抑制電極に電気的に接続するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記チューブレンズの長さは、前記イオンビームのデフォーカスがその長さ内で可能になるように選択される、請求項２８に記載の方法。
31. 前記加速減速コラムを使用して前記イオンビームを加速するステップと、
    前記イオンビームに、前記加速するステップ時に前記イオンビームに対する影響がないように接地された前記チューブレンズを通過させるステップと
    をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
32. 前記チューブレンズ内に電子を閉じ込めるべく前記チューブレンズに印加される負電圧よりも大きな負電圧を、前記チューブレンズの上流側直近に配置された加速抑制電極、および前記チューブレンズの下流側直近に配置された減速抑制電極に印加するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。