JP2009032580A

JP2009032580A - イオンビーム装置とビーム安定化方法

Info

Publication number: JP2009032580A
Application number: JP2007196398A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Adachi; 成人足立
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-02-12

Abstract

【課題】イオンビームのエネルギー変化やビーム電流値の減少およびターゲットへの入射角の変化などの現象を生じずに常時ターゲットの中心を照射することができるイオンビーム装置およびビーム安定化方法を提供することである。
【解決手段】イオンビーム発生器２の出側に通電コイルを有する質量分離手段３と、ビーム照射方向下流側に、対向する電極６ａ、６ｂからなるスリット電極６を設けたイオンビーム装置１で、スリット電極６ａ、６ｂを流れる電流の検知回路部７と、検知したスリット電流Ａ１、Ａ２を、またはこの電流を電圧に変換して比較する比較回路部８と、比較回路部８の出力を質量分離手段３へフィードバックする制御回路部９を設け、質量分離手段３のコイル電流をフィードバック制御することにより、温度変化などの環境要因の影響を無くして、イオンビーム４を常時ターゲットＴの中心部に照射できるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体をはじめとする各種材料の定量分析や組成分析を行う分析装置分野、イオンを材料に注入して表面改質や表面加工などを行なうイオン注入およびイオン加工分野、イオンを照射することにより殺菌や表面特性の改善などの効果が得られるイオン照射分野などに用いられるイオンビーム装置およびイオンビームの安定化方法に関するものである。

イオンビームは、上記のような各種分野で利用されている。イオンビーム装置の装置構成は、イオン源およびイオン引き出し部、イオン質量分離部、イオン加速部、ビームライン部、イオン注入室部などからなる。従来、イオン加速部すなわちイオンを加速する加速器において、加速管の入口または出口に、必要なイオンのみを分析するイオン質量分離手段として、扇形磁石（偏向マグネット）またはＥＸＢ分離器が設けられている。これらの機器で発生する電場および磁場、すなわち電磁界は、周囲環境の温度などの要因により変化するため、ビームライン部におけるイオンビームの軌道が電場および磁場の影響を受けて変化する。従来は、このイオンビームの軌道変化に対して、イオンビームの軌道をイオン注入室部のターゲットの中心に照射するように、図５に模式的に示すように、イオンビーム発生器２のイオン加速器の加速電圧そのものの手動または自動制御がなされていた（例えば、特許文献１、２参照）。イオン加速器の加速電圧を変えることにより、イオンの受ける力は速度に比例して変化するため、イオンビーム４がターゲットＴの中心部を照射するようにイオンの軌道を容易に変化させることができる。

また、図６に模式的に示すように、イオンビーム発生器２の加速器の出口からターゲットＴまでの間のビームライン部４に、開口部６ｃの中心をターゲットＴの中心に合わせた１個または複数個のスリット６を設置することにより、軌道（ビームライン４ＢＬ）から外れたイオンビーム４の広がり部をカットすることにより、イオンビーム４をターゲットＴの中心に照射し続けるようにするイオンビームの安定化方法が知られている。さらに、図７に模式的に示すように、イオンビーム発生器２の加速器の出口からターゲットＴまでの間に、静電偏向器（ステアラ）１１を設けて、イオンビームの軌道が変化した場合に、その軌道を静電偏向器（ステアラ）１１により修正して、ターゲットＴの中心部にイオンビーム４を照射するようにしたイオンビームの安定化方法が知られている。

一方、特許文献３では、イオンビームの経路上若しくは近傍にビーム電流センサを配置してビーム位置を感知し、イオンビームを偏向させる磁場若しくは電場を調節することによって、またはビームを変位させる電極を調節することによって、イオン注入装置のビ−ム位置を調節する方法が開示されている。
特開平８−１９５２９８号公報実開平４−１０１３９９号公報特表２００３−５０４８２０号公報

しかし、特許文献１に開示されたように、加速器の加速電圧を変える方法では、加速電圧そのものを変えてしまうため、ターゲットに照射されるイオンビームのエネルギーが変化してしまうという問題点がある。また、ビームライン部にスリットを設置する方法では、ターゲットの中心と合致させたスリットの開口部により、ターゲットＴの中心を通るビームライン４ＢＬからのイオンビーム４の広がり部Ｓａ（図６参照）がカットされるため、図８（ａ）、（ｂ）にターゲットＴ上のビーム形状Ｂｆを模式的に示すように、イオンビームが欠損してビーム電流値が減少し、ビームプロファイルもわるくなるという問題点がある。さらに、イオンビーム発生器２の加速器の出口からターゲットＴまでの間のビームライン部４ＢＬに静電偏向器１１を設置する安定化方法では、図７に示したように、軌道が変化したイオンビームを静電偏向器１１により、ターゲットＴの中心を照射するように軌道を修正することになるため、ターゲットＴの中心にイオンビーム４を照射することは可能となるが、ターゲットＴへのイオンビームの入射角が違ってくるという問題点がある。

一方、ビーム電流センサでビーム位置を検知する場合は、イオンビームを一旦電流センサの電流感知要素に当てる必要があるため、ターゲットにイオンビームを照射し続けながらイオンビームの位置（軌道）変化を電流センサで検知することはできない。

そこで、この発明の課題は、イオン源から引き出されたイオンビームが、エネルギー変化、ビーム電流値の減少、ターゲットへの入射角の変化などの現象を生じさせることなく、イオンビームが常時ターゲットの中心を照射することを可能とするイオンビーム装置およびそのビーム安定化方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

請求項１に係るイオンビーム装置は、イオン源から引き出されたイオンを加速する加速器の出口に、通電コイルを有する質量分離手段を設け、この質量分離手段のビーム照射方向下流側に、対向する電極からなるスリットを設けたイオンビーム装置において、前記スリットの対向する電極を流れるスリット電流の検知回路部と、検知したそれぞれのスリット電流を比較する比較回路部と、この比較回路部の出力を質量分離手段へフィードバックする制御回路部とを備え、前記質量分離手段のコイル電流をフィードバック制御することにより、イオンビームをターゲットの中心部に照射するようにしたことを特徴とする。

前記の偏向マグネットまたはＥＸＢ分離器などの質量分離手段の磁場は、数十から数百アンペアの電流をコイルに流して発生させているため、周囲の温度変化等の環境条件によって、コイル電流値が変化して発生する磁場が変化することが多い。また、コイルは有芯のため、コイル電流の増加する方向と減少する方向では、発生する磁束密度に差が生じるなどの磁場不安定要素がある。このような質量分離手段の磁束密度の変動の影響によるイオンビームの軌道変化を、質量分離手段の下流側に設けたスリット電極の対向する電極を流れる電流を検知して比較し、その偏差値（電流偏差または電圧に変換した電圧偏差）を質量分離手段のコイル電流をフィ−ドバック制御することにより、質量分離手段の磁場の変化や不安定要素の影響を排除することができ、イオンビームの軌道変化を無くしてビームを安定化することが可能となる。

また、上記のようにスリット電極を用いると、スリット自体はイオンビームを絞る手段であるため、電流センサでビーム位置を検知する場合と異なり、切り出したイオンビームの残りのイオンビーム電流をスリット電流として測定することになり、イオンビームを一旦電流感知要素に当てる必要がある電流センサによるビーム位置を検知する場合と異なる。したがって、スリット電極で検知したビーム電流を測定・比較することにより、ターゲットにイオンビームを照射している定常状態で、常時、上記の電流または電圧偏差値を質量分離手段のコイル電流にフィードバック制御して、イオンビームの軌道変化に対して、ターゲットの中心部を照射するように、ビーム適正位置に軌道修正することが可能となる。

請求項２に係るイオンビーム装置は、イオン源から引き出されたイオンを加速する加速器の出口に、通電コイルを有する質量分離手段を設け、この質量分離手段のビーム照射方向下流側に、対向する電極からなるスリットを設けたイオンビーム装置において、前記スリットの対向する電極を流れるスリット電流の検知回路部と、検知したそれぞれのスリット電流を比較する比較回路部と、この比較偏差値をイオン源へフィードバックする制御回路部とを備え、前記イオン源の電流値をフィードバック制御することにより、イオンビームをターゲットの中心部に照射するようにしたことを特徴とする。

このように、スリット電極の対向する電極を流れる電流を検知して、その偏差値がゼロまたはある領域（範囲）内に入るように、イオン源の電流（アノード電流、フィラメント電流およびアーク電流）をフィードバック制御してビーム電流値を調整することにより、前記スリット電極によるイオンビームの広がり部がカットされることによるビーム電流値の減少を防止することができる。

請求項３に係るイオンビーム装置は、イオン源から引き出されたイオンを加速する加速器の出口に、通電コイルを有する質量分離手段を設け、この質量分離手段のビーム照射方向下流側にスリットを設け、該スリットのビーム照射方向の下流側に、ホール素子を設けたイオンビーム装置において、前記ホール素子を流れる電流の検知回路部と、検知したホール素子電流をイオン源へフィードバックする制御回路部とを備え、前記イオン源の電流をフィードバック制御することにより、イオンビームをターゲットの中心部に照射するようにしたことを特徴とする。

このように、スリットの下流側に設けたホール素子に流れる電流を検知し、この電流値が最大または一定となるように、イオン源の電流をフィ−ドバック制御することによっても、ビーム電流値の減少を防止することができる。ホール素子を使用した場合、スリットを通過したビーム電流そのものを測定するため、前記のスリット電極を流れる電流を測定する場合に比べて、より確実にビーム電流値の安定化を図ることができる。

請求項４に係るイオンビームの安定化方法は、請求項１から３に記載したいずれかのイオンビーム装置を用いて、イオン源から引き出したイオンビームをターゲットの中心に照射するようにしたイオンビームの安定化方法である。

この発明では、イオンビーム装置の加速器の出口側に通電コイルを有する質量分離手段を設け、この質量分離手段のビーム照射方向下流側に設けた対向するスリット電極を流れる電流を検知してこのそれぞれのスリット電流を比較し、電流または電流を電圧に変換した比較偏差値によって前記質量分離手段のコイル電流をフィードバック制御するようにしたので、質量分離手段の温度変化などの環境条件による磁束密度の変動の影響によるイオンビームの軌道変化を無くしてビームを安定化することが可能となる。

また、このスリット電流の比較偏差値をイオン源の電流にフィードバック制御することにより、ビーム電流値の減少を防止して、常時イオンビームのターゲット中心への照射を保つことができる。さらに、スリットの下流側にホール素子を設けて、このホール素子によりスリットを通過するビーム電流を検知して、この電流値が最大または一定となるように、イオン源の電流をフィードバック制御することによっても、ビーム電流値の減少を防止して、イオンビームのターゲット中心への照射を保つことができる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図４に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施形態のイオンビーム装置１を模式的に示したものである。イオンビーム装置１は、イオン源、イオン引き出し部およびイオン加速部を備えたイオンビーム発生器２、扇形磁石（偏向マグネット）またはＥＸＢ分離器を備えたイオン質量分離手段３、ビームライン部４ＢＬ、およびウェハなどのターゲットＴにイオンビーム４を照射するイオン注入室部５から装置構成され、イオン質量分離手段３のビーム照射方向下流側に、対向する電極６ａ、６ｂからなるスリット電極６が設けられており、このスリット電極６をイオンビームが通過する。このイオンビームが広がって、ビームライン４（４ＢＬ）から外れた部分４ａ、４ｂが電極６ａ、６ｂに当たることにより電極６ａおよび６ｂにそれぞれ生じるスリット電流Ａ１、Ａ２を検知し、この検知したスリット電流Ａ１、Ａ２を電圧Ｖ１、Ｖ２に変換する検知回路部７、これらの電流Ａ１、Ａ２または電圧Ｖ１、Ｖ２を比較する比較回路部８、およびこの比較回路８の出力に基づいて、質量分離手段３のコイル電流をフィードバック制御する制御回路部９が接続されている。

図２に、質量分離手段３のコイル電流をフィードバック制御する流れの要点を示す。イオン源から引き出され、加速部で加速されてイオンビーム発生器２から発せられたイオンビーム４は、質量分離手段３で必要なイオンのみが分離されて（Ｓ１０）、ビームライン４ＢＬに沿って進み、イオン注入室５内にセットされたターゲットＴの中心部を照射するようになっている。図１に点線で軌道変化したイオンビーム４ａおよ４ｂを模式的に示したように、前述の温度変化などの環境要因によって、イオンビーム４の軌道変化が生じると、スリット電極６ａ、６ｂに流れる電流Ａ１、Ａ２の大きさが異なる。前記検知回路部１でこの異なる大きさのスリット電流Ａ１、Ａ２を検知し、電圧Ｖ１、Ｖ２に変換して（Ｓ２０）比較回路部８で比較し（Ｓ３０）、この比較回路部８の出力（電圧Ｖ１、Ｖ２の偏差ΔＶ）に基づいて、制御回路部９により、この電圧偏差ΔＶが無くなるように、またはある領域（範囲）内に入るように、質量分離手段３のコイル電流がフィードバック制御される（Ｓ４０）。このフィードバック制御により、質量分離手段３内の電場および磁場が調整されて、軌道変化したイオンビーム４が、ターゲットＴの中心部を照射するようにビームライン４ＢＬに軌道修正される。このように、スリット電流Ａ１、Ａ２を検知した結果に基づいて質量分離手段３のコイル電流をフィ−ドバック制御するようにしたので、前記環境要因など質量分離手段３への悪影響を無くすることができる。イオンビーム４の軌道修正にイオンビーム発生器２の加速電圧を変化させる必要がないため、ターゲットＴでのイオンビームのエネルギー変化が生じることもない。また、イオンビームの軌道変化に対して、ターゲットの中心部を照射するように、常時、ビーム適正位置に軌道修正することが可能となる。なお、前記スリット電流Ａ１、Ａ２を比較回路部８で比較して、質量分離手段３のコイル電流にフィードバック制御することもできる。

図３は他の実施形態のイオンビーム装置１Ａを模式的に示したものである。イオンビーム装置１Ａの装置構成は、図１に示したイオンビーム装置１と同様であるので説明を省略する。異なる点は、検知回路部７により、検知したスリット電流Ａ１、Ａ２を比較回路部８で比較した結果すなわち前記電流偏差ΔＡ（＝Ａ１−Ａ２）または電圧偏差ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）を制御回路部９へ出力することにより、イオンビーム発生器２のイオン源の電流、すなわちイオン源のアノード電流、フィラメント電流およびアーク電流をそれぞれフィードバック制御する点である。前記電流偏差ΔＡまたは電圧偏差ΔＶからスリット電極６によってカットされた、軌道（ビームライン４ＢＬ）からずれたイオンビームの広がり量、すなわち軌道から外れたビーム電流値ΔＩがわかるので、このビーム電流値ΔＩの低下を補償するように、イオン源の電流指令にフィードバック制御する。これにより、図３に示したように、イオンビーム４の軌道がビームライン４ＢＬから変化した場合でも、スリット電極６でビームライン４ＢＬから外れた部分をカットするため、ターゲットＴの中心部を照射するビームプロファイルは円形ではなくなるものの、ビーム電流を一定に保ちながら、ターゲットＴの中心部を照射することが可能となる。

図４はさらに他の実施形態のイオンビーム装置１Ｂを模式的に示したものである。図１および図２に示したイオンビーム装置１、１Ａとは、次の点が異なる。すなわち、イオン質量分離手段３のビーム照射方向下流側に、イオンビームが通過するスリット６Ｓを設け、このスリット６Ｓの下流側に、形状が例えば円筒状のホール素子１０を設け、このホール素子１０を流れる電流Ａ３を検知し、検知したホール素子電流Ａ３を電圧Ｖ３に変換する検知回路部７と、この検知回路部７の出力に基づいて、イオン源の電流をフィードバック制御する制御回路部９が接続されている点である。このように、ホール素子１０によってもビーム電流を検知・測定することができるため、この検知・測定結果を制御回路部９に出力し、スリット６ｓを通過する電流値が最大または一定となるように、すなわちホール素子１０を流れる電流値が最大または一定となるように、イオン源の電流をフィードバック制御することにより、図３に示した場合と同様に、イオンビーム４の軌道が（ビームライン４ＢＬから）変化した場合でも、ビーム電流を一定に保ちながら、ターゲットの中心部を照射することが可能となる。この場合もスリット６Ｓでビームライン４から外れた部分をカットするため、ターゲットＴの中心部を照射するビームプロファイルは円形ではなくなる。なお、ホール素子１０を流れる電流値が最大または一定となるように、質量分離手段３にフィードバック制御することもできる。

この発明の実施形態のイオンビーム装置を模式的に示す説明図である。図１のイオンビーム装置のビーム電流制御の流れを示す説明図である。他の実施形態のイオンビーム装置を模式的に示す説明図である。他の実施形態のイオンビーム装置を模式的に示す説明図である。従来技術のイオンビーム装置を模式的に示す説明図である。他の従来技術のイオンビーム装置を模式的に示す説明図である。他の従来技術のイオンビーム装置を模式的に示す説明図である。（ａ）、（ｂ）ターゲット上でのイオンビームの形状を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ：イオンビーム装置２：イオンビーム発生器
３：イオン質量分離手段４、４ａ、４ｂ：イオンビーム
４ＢＬ：ビームライン部５：イオン注入室部６：スリット電極
６ａ、６ｂ：対向電極６Ｓ：スリット７：検知回路部
８：比較回路部９：制御回路部１０：ホール素子
１１：静電偏向器（ステアラ）Ｔ：ターゲット

Claims

イオン源から引き出されたイオンを加速する加速器の出口に、通電コイルを有する質量分離手段を設け、この質量分離手段のビーム照射方向下流側に、対向する電極からなるスリットを設けたイオンビーム装置において、前記スリットの対向する電極を流れるスリット電流の検知回路部と、検知したそれぞれのスリット電流を比較する比較回路部と、この比較回路部の出力を質量分離手段へフィードバックする制御回路部とを備え、前記質量分離手段のコイル電流をフィードバック制御することにより、イオンビームをターゲットの中心部に照射するようにしたことを特徴とするイオンビーム装置。
イオン源から引き出されたイオンを加速する加速器の出口に、通電コイルを有する質量分離手段を設け、この質量分離手段のビーム照射方向下流側に、対向する電極からなるスリットを設けたイオンビーム装置において、前記スリットの対向する電極を流れるスリット電流の検知回路部と、検知したそれぞれのスリット電流を比較する比較回路部と、この比較偏差値をイオン源へフィードバックする制御回路部とを備え、前記イオン源の電流値をフィードバック制御することにより、イオンビームをターゲットの中心部に照射するようにしたことを特徴とするイオンビーム装置。
イオン源から引き出されたイオンを加速する加速器の出口に、通電コイルを有する質量分離手段を設け、この質量分離手段のビーム照射方向下流側にスリットを設け、該スリットのビーム照射方向の下流側に、ホール素子を設けたイオンビーム装置において、前記ホール素子を流れる電流の検知回路部と、検知したホール素子電流をイオン源へフィードバックする制御回路部とを備え、前記イオン源の電流値をフィードバック制御することにより、イオンビームをターゲットの中心部に照射するようにしたことを特徴とするイオンビーム装置。
請求項１から３に記載したいずれかのイオンビーム装置を用いて、イオン源から引き出したイオンビームをターゲットの中心部に照射するようにしたイオンビームの安定化方法。