JP2010528434A - 分子イオンから成るイオンビームを抽出する方法およびシステム(クラスタイオンビーム抽出システム) - Google Patents
分子イオンから成るイオンビームを抽出する方法およびシステム(クラスタイオンビーム抽出システム) Download PDFInfo
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれた2007年5月22日出願の米国特許仮出願第60/939,505号の優先権および利益を主張するものである。
イオン注入プロセスは、イオン源中の気体または気化した固体供給原料の材料をイオン化し、電界を用いて、供給源から抽出開口を通してプラスイオンまたはマイナスイオンのいずれかを抽出することに依拠するものである。次いで、ビームは、質量分析され、輸送されて対象の半導体ウェーハに注入される。
従来の注入機のイオン源では、熱電子、高速でイオン化する電子、およびイオンの混合物である濃厚なプラズマを形成するのに、一般にアーク放電またはRF励起が用いられる。図1は、注入機で用いられる従来のプラズマイオン源の概略図である。イオンビームは、供給源壁の開口を通して供給源から抽出される。抽出開口の形状は、従来、幅が数ミリメートルで高さが数十ミリメートルの細長い溝である。イオン源と抽出開口板とは、一般に同一電位であるが、これら2つの間に電圧が印加されることがある。供給源からイオンを引き寄せる電界を形成するのに、マイナス電位の抑制電極が用いられる。また、抑制電極は、表面または背景のガス電離に対するビームの衝突によって下流に形成される逆流電子に対する電位障壁を生成する。抑制電極に、接地電位の第3の電極が続く。
(2) y2=y1cos(α1)
上式で、y1およびy2は、それぞれ入口の電磁場の境界および出口の電磁場の境界でのビーム幅の半分であり、α1は磁石のセクタ角である。セクタ角が90度未満であると、ビームは、磁収束しながら石を離れる。90度のセクタ角では、ビームは磁石出口に焦点を有し、セクタ角が90度より大きいと、ビームは、磁石の内部に焦点を有して発散しながら磁石を離れる。
抽出システムの別々の操作モードの間でビームの空間電荷が著しく変化していると、非分散面で所望のビーム合焦を達成するのに問題になることがある。ビームの空間電荷は、ビームのエネルギーおよび電流次第である。イオンビームの包絡線に作用する横方向の空間電荷力FSPC,SLITは、スリットビームに対して次式の形で書かれ得る。
式(3)および式(4)で記述された空間電荷力は、ビーム方向に対して横方向の力であり、ビーム輸送システム内でドリフトするのでビームをゆらめかせる。これは、イオン源からのイオンの抽出に対して影響を及ぼす。理想的には、抽出光学系は、結果として生じる電界が、横方向に作用する空間電荷力を補償して、分散面で、ほぼ平行な、またはわずかに拡散するだけのビームを形成する一方で、非分散面で、ビーム包絡線を合焦する、あるいは収容するように設計されるべきである。
クラスタイオンビームの抽出開口板に組み込まれた静電気イオン光学レンズ
様々なビームエネルギーおよびビーム電流で、ここで説明された3極管システムの焦点距離は、ビームの様々な空間電荷効果のために著しく変化することがある。分散面(XZ面)では、この変化は、抽出ギャップおよび抑制電圧を変化させることにより制御される。非分散面(YZ面)では、これらの調整はビームの高さのために有効ではない。受入れに制限のあるビームラインへ、ビームを(分析用電磁石を通して)長距離輸送するとき、これは問題になる。追加電極または大きな磁気レンズ要素を追加せずに、ビーム光学をよりよく制御するために、ここで、y集束を制御するための簡単な解決策を示す。
図8は、図7の静電気光学系から形成されたビームからの水平エミッタンスのパターンおよび垂直エミッタンスのパターンを示す。このシミュレーションは、60kVの供給源電位および−2kVの抑制電位を想定したものである。これらの図は、レンズにバイアス印加がなく、垂直方向にビーム脱焦させるために−2kVのマイナスのバイアスを印加したときの、抽出溝からz=40cmでのビームのエミッタンスを示す。−2kVの電位のバイアスがレンズにかけられたとき、水平面すなわち分散面のエミッタンスに変化はなく、垂直方向のレンズが、ビームの水平方向の挙動に対して、無視できる影響しか実際に及ぼさないことを示している。垂直面では、レンズ電圧が印加されないとき、ビームのy焦点距離(ビームの高さは焦点で最低になる)は、1.1mである。レンズ要素に対して−2kVのマイナスのバイアスをかけると顕著な変化があり、ビームが著しく脱焦して、その結果、このときの焦点距離は2.1mである。
x軸に沿ったイオンの線型運動量を検討する。この運動量は、次のように書かれ得る。
(8) εx,y=πAB(mm−ミリラド)
エミッタンスの楕円の方向は、ビームが発散するのか、収束するのか、平行であるかあるいは合焦されるのか、ということを示す。図10に、これらの事例のそれぞれについて、エミッタンスの楕円が示されている。
(9) εn=βyε
ここで、
広く用いられているエミッタンスの定義は、平方自乗平均エミッタンスすなわちRMSエミッタンスである。RMSエミッタンスは、次式で与えられる。
マイナスのEy値が高いほど、ビームは、垂直面でさらに合焦される。図9aは、ビームエネルギーの最終エネルギーは80keVであるが、わずか+2kVのバイアスしかかかっていないレンズ要素で達成され得る非常に強い集束効果を示す。ビームの合焦のために外部の個別の静電レンズが用いられる場合、ビーム合焦を達成するためには、80kVの供給源電位と同等の電圧を用いなければならないことになる。このことは、ビームが、厚い抽出開口板のトレンチを通過しているとき、ビームの最終エネルギーの状態にかかわらずビームのエネルギーが依然として低く、組み込まれたレンズで集束効果が生じるという事実のために可能である。レンズ要素にマイナスのバイアス電位を印加することによって、結果として生じるEyの値は、バイアスをかけないものよりマイナスが弱まる。これは垂直面におけるビームの脱焦をもたらすことになる。
エミッタンスの楕円の方向
図10に、2次元の位相空間におけるビームの横方向のエミッタンスの可能な方向を説明する4つの事例が示されている。事例1は、第3象限からxx’座標系の第1象限へ伸びる発散ビームのエミッタンスの楕円を示す。事例2は、主として第2象限および第4象限を占める集束ビームを示す。事例3は、z軸と平行なビームを示す。事例4は、焦点にあるビームを示す。イオンがゼロ温度であれば、ビームのエミッタンスのトレースが細線になるはずであるということは注目に値する。実際には、イオンは、常に変化する量の熱エネルギーを有し、この熱エネルギーが、エミッタンスのパターンに何らかの水平方向の寸法を持たせる横方向のエネルギー成分としてビームのエミッタンスに現われることになり、したがって、エミッタンスのパターンは細線ではなく楕円に似る。
Claims (9)
- イオン源のイオン化チャンバの1つの壁を形成する抽出開口板電極であって、前記抽出開口板が、イオンを通して輸送する開口を有して形成された抽出開口板電極と、
前記抽出開口板に隣接して配設され、イオンを通して輸送する開口を有して形成された抑制電極であって、前記抑制電極の前記開口が、前記抽出開口板の前記開口と全体的に整列するように構成された抑制電極と、
前記抽出電極に隣接して配設され、開口を有して形成された接地電極であって、前記接地電極の前記開口が、前記抑制電極の前記電極および前記抽出開口板電極と全体的に整列された接地電極とを備え、前記抽出開口板電極の前記開口が、クラスタイオン電流の過焦点を最小化するように構成される、イオン源からイオンを抽出するためのイオン抽出システム。 - 前記抽出開口板電極の前記開口が、前記開口の上流の縁端部からの平坦部で形成される請求項1に記載のイオン抽出システム。
- 前記抽出開口板電極の前記開口が、前記平坦部に隣接したトレンチ部で形成される請求項2に記載のイオン抽出システム。
- 前記トレンチ部が、前記抽出開口板の厚さの全体にわたって均一な角度を有して形成される請求項3に記載のイオン抽出システム。
- 前記トレンチ部が、前記抽出開口板の厚さの全体にわたって不均一な角度を有して形成される請求項3に記載のイオン抽出システム。
- イオン源のイオン化チャンバの1つの壁を形成する抽出開口板電極であって、前記抽出開口板が、イオンを通して輸送する開口を有して形成された抽出開口板電極と、
前記抽出開口板に隣接して配設され、イオンを通して輸送する開口を有して形成された抑制電極であって、前記抑制電極の前記開口が、前記抽出開口板電極の前記開口と全体的に整列された抑制電極と、
前記抑制電極に隣接して配設され、開口を有して形成された接地電極であって、前記接地電極の前記開口が、前記抑制電極の前記電極および前記抽出開口板電極と全体的に整列された接地電極とを備え、前記抽出開口板電極が、上板、下板、および抽出開口を含む主板を有して形成され、前記上板、下板、および主板が、互いから電気的に絶縁され、前記上部および下部が、前記イオンビームを合焦するための諸バイアス電圧を受けるように適合される、イオン源からイオンを抽出するためのイオン抽出システム。 - 前記諸バイアス電圧が同一の極性を有する請求項6に記載のイオン抽出システム。
- 前記諸バイアス電圧がプラスの極性を有する請求項7に記載のイオン抽出システム。
- 前記諸バイアス電圧がマイナスの極性を有する請求項7に記載のイオン抽出システム。
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