JP2965027B1 - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 イオンビームの中性化および二次電子放出の
影響を受けずに入射ビーム量を計測することができるよ
うにしたイオンビーム照射装置を提供する。 【解決手段】 このイオンビーム照射装置は、イオン源
２から引き出されたイオンビーム８の一部を受けるよう
に配置されていて、運動エネルギーを有するイオンまた
は中性粒子の入射によってその全入射量に応じた量の磁
性変化を起こす磁気媒体２２（検出手段）と、この磁気
媒体２２の磁性の変化を検出してその変化量に応じた電
気信号Ｓを出力する磁気ヘッド２８（計測手段）とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、イオン源から引
き出したイオンビームを真空雰囲気中で被処理物に照射
して、当該被処理物に、例えばイオン注入、イオンビー
ムエッチング、成膜、表面改質等の処理を施すイオンビ
ーム照射装置に関し、より具体的には、イオンビームの
中性化および二次電子放出の影響を受けずにビーム量を
計測する手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のイオンビーム照射装置の従来例
を図３に示す。この装置は、図示しない真空容器内にお
いて、イオン源２から引き出したイオンビーム８を、質
量分離器によって質量分離することなくそのまま、ホル
ダ１２上の被処理物１０に照射して、被処理物１０にイ
オン注入等の処理を施すよう構成されている。このよう
な非質量分離でイオン注入を行う装置は、イオンドーピ
ング装置とも呼ばれる。

【０００３】イオン源２は、例えば、導入されたイオン
源ガスを放電によって電離させてプラズマを生成するプ
ラズマ生成部４と、そのプラズマから電界の作用でイオ
ンビーム８を引き出す引出し電極系６とを有している。

【０００４】被処理物１０は、例えば、半導体基板、液
晶ディスプレイ用のガラス基板、工具や機械部品の基材
等である。

【０００５】イオン源２から引き出されたイオンビーム
８の一部は、ファラデーカップ１４に入射される。それ
に伴ってファラデーカップ１４に流れる電流（イオンビ
ーム電流）はビーム電流計測手段１６で計測される。フ
ァラデーカップ１４に入射するイオンビーム８の量と、
イオン源２から引き出される、あるいは被処理物１０に
照射されるイオンビーム８の量との間には一定の関係が
あるので、上記ファラデーカップ１４による計測によっ
て、イオン源２から引き出される、あるいは被処理物１
０に照射されるイオンビーム８の量を計測（推定）する
ことができる。

【０００６】ファラデーカップ１４は、ホルダ１２が固
定の場合は、例えばこの例のようにホルダ１２の側方近
傍に配置される。ホルダ１２が移動可能な場合は、ホル
ダ１２の後方近傍に配置される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】被処理物１０にイオン
ビーム８を照射すると、被処理物１０の表面からガスが
放出されることがある。特に、被処理物１０が上記のよ
うな基板であってその表面にフォトレジスト等の有機膜
が形成されているような場合は、イオンビーム８の照射
によってガスが放出されやすい。

【０００８】被処理物１０からガスが放出されると、被
処理物１０およびその近傍のファラデーカップ１４の周
りの真空度が悪化（即ちガス圧が上昇）する。その結
果、被処理物１０およびファラデーカップ１４に入射す
るイオンビーム８が雰囲気ガス分子と衝突して、その一
部が中性化されて（即ち中性粒子として）被処理物１０
およびファラデーカップ１４に入射する。

【０００９】被処理物１０にイオンの代わりに中性粒子
の形で入射しても、入射量（例えば注入量）は変わらな
いけれども、ファラデーカップ１４に中性粒子の形で入
射すると、その分は計測されない。なぜなら、ファラデ
ーカップ１４は電荷を有するイオンが入射することによ
って流れる電流を計測するものであり、中性粒子が入射
しても電流が流れないからである。

【００１０】このように、ファラデーカップ１４を用い
た計測では、イオンビーム８の中性化の影響を受けるの
で、しかもこの中性化の割合は一定ではなく、雰囲気の
真空度や被処理物１０の表面の有機膜の種類（これはロ
ットによって異なることがある）等によって変化するの
で、イオンビーム８の正確なビーム量の計測は難しい。

【００１１】また、ファラデーカップ１４からはイオン
ビーム８の入射に伴って二次電子が放出され、見かけ上
この放出二次電子分だけファラデーカップ１４に流れる
電流が増加するので、イオンビーム８のビーム量計測に
誤差が生じる。ファラデーカップ１４には通常は、二次
電子放出を抑制するサプレッサが設けられているけれど
も、完全ではない。

【００１２】従って、ファラデーカップ１４を用いる方
法では、イオンビーム８の正確なビーム量の計測は難し
く、ひいては被処理物１０に対するイオンビーム８の正
確な照射量（例えばイオン注入量）を計測することも難
しい。

【００１３】そこでこの発明は、イオンビームの中性化
および二次電子放出の影響を受けずに入射ビーム量を計
測することができるようにしたイオンビーム照射装置を
提供することを主たる目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明のイオンビーム
照射装置は、前記イオン源から引き出されたイオンビー
ムの一部を受けるように配置されていて、運動エネルギ
ーを有するイオンまたは中性粒子の入射によってその全
入射量に応じた量の化学的または物理的な性質の変化を
起こす検出手段と、この検出手段の化学的または物理的
な性質の変化を検出してその変化量に応じた電気信号を
出力する計測手段とを備えることを特徴としている。

【００１５】上記構成によれば、イオン源から引き出さ
れたイオンビームの一部が検出手段に入射する。この検
出手段は、当該イオンビームを構成するイオンがイオン
のままで入射した場合だけでなく、中性化して中性粒子
として入射した場合も、運動エネルギーを有する粒子の
入射に変わりはないので、化学的または物理的な性質の
変化を起こす。しかもこの変化量は、上記イオンや中性
粒子の全入射量に応じたものである。

【００１６】この検出手段の化学的または物理的な性質
の変化は、前記計測手段によって検出され、その変化量
に応じた電気信号がこの計測手段から出力される。

【００１７】このような作用によって、検出手段に入射
するイオンビームの一部が中性化して入射しても、その
中性化の影響を受けずに入射ビーム量を計測することが
できる。

【００１８】しかも、検出手段にイオンビームが入射し
て検出手段から仮に二次電子が放出されても、この二次
電子放出は本質的に検出手段の化学的または物理的な性
質の変化をもたらすものではなく、しかも前記計測手段
は検出手段に流れる電流を計測するものではないので、
この二次電子放出の影響を受けずに入射ビーム量を計測
することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るイオンビ
ーム照射装置の一例を示す図である。図３の従来例と同
一または相当する部分には同一符号を付し、以下におい
ては当該従来例との相違点を主に説明する。

【００２０】このイオンビーム照射装置は、前述したイ
オン源２から加速して引き出されたイオンビーム８の一
部を偏向器１８によって被処理物１０から離れるように
偏向し、更に減速器２０を通して所望のエネルギーまで
減速した後に、前述した検出手段の一例である磁気媒体
２２に入射させる構成をしている。

【００２１】偏向器１８は、イオンビーム８を磁界によ
って偏向するものでも良いし、電界によって偏向するも
のでも良い。但し、イオン源２から引き出されたイオン
ビーム８の一部を、偏向しなくても、被処理物１０やホ
ルダ１２と干渉することなく上記磁気媒体２２に入射さ
せることができる構成にしておけば、この偏向器１８は
設けなくても良い。

【００２２】減速器２０は、磁気媒体２２に入射するイ
オンビーム８のエネルギーを、磁気媒体２２による計測
に都合の良いエネルギーにまで減速するものである。従
って、イオン源２から引き出されたイオンビーム８のエ
ネルギーが、元々、磁気媒体２２による計測に都合の良
いものであれば、この減速器２０は設けなくても良い。

【００２３】この偏向器１８および減速器２０は、この
例ではビーム制御装置３６によって制御される。このビ
ーム制御装置３６は、この例ではその上位の制御装置３
４によって制御される。

【００２４】磁気媒体２２は、この例では、テープ状を
しており、巻き取り機２４によって、矢印Ａに示すよう
に、磁気ヘッド２８を設けている方向へ、ある一定の速
度、またはある一定の時間間隔で巻き取られる。この巻
き取りの速度や間隔は、長時間の計測を可能にするもの
としている。巻き取り機２４は、巻き取り駆動装置２６
によって駆動される。巻き取り駆動装置２６は、この例
では前記制御装置３４によって制御される。

【００２５】磁気媒体２２は、磁性体を含んでいて、加
速された（即ち運動エネルギーを有する）イオンまたは
中性粒子の入射によって磁性（磁気的特性）の変化を起
こす、しかも当該イオンまたは中性粒子の入射量に応じ
た量の磁性変化を起こすものである。例えば、この磁気
媒体２２は、録音テープやビデオテープのような磁気テ
ープ等に利用されているフェリ磁性体（例えばガンマ鉄
γ−Ｆe₂Ｏ₃ 等）を含む磁性膜を、テープ状の基体の表
面に形成（例えば塗布）したものであり、前述した運動
エネルギーを有するイオンまたは中性粒子の入射によっ
てその運動エネルギーによる熱等の総合的な作用によっ
て、磁性体の磁区の状態が変化を受け、イオンまたは中
性粒子の全入射量に応じた量の磁性変化を起こす。

【００２６】イオンビーム８の入射位置よりも下手側に
おいて上記磁気媒体２２の表面（磁性膜面）に接触また
は近接するように、前述した計測手段の一例としての磁
気ヘッド２８を配置している。この磁気ヘッド２８は、
上記磁性体２２の磁性の変化を検出してその変化量に応
じた電気信号（例えば電圧信号または電流信号）Ｓを出
力する。この磁気ヘッド２８から出力される電気信号Ｓ
は、通常は微小な信号であるので、この例では増幅器３
８で増幅して前記制御装置３４に供給される。

【００２７】上記のように構成したことにより、イオン
源２から引き出されたイオンビーム８の大半は被処理物
１０に入射して被処理物１０にイオン注入等の処理を施
す一方、イオン源２から引き出されたイオンビーム８の
一部は偏向器１８および減速器２０を通って磁気媒体２
２に入射する。磁気媒体２２は、前述した性質を有して
いるので、イオンビーム８を構成するイオンがイオンの
ままで入射した場合だけでなく、雰囲気ガス分子と衝突
する等によって中性化して中性粒子として入射した場合
も、これらイオンまたは中性粒子の全入射量に応じた量
の磁性変化を起こす。

【００２８】この磁気媒体２２の磁性の変化は上記磁気
ヘッド２８によって検出され、その変化量に応じた電気
信号Ｓが磁気ヘッド２８から出力される。

【００２９】このような作用によって、磁気媒体２２に
入射するイオンビーム８の一部が中性化して入射して
も、その中性化の影響を受けずに入射ビーム量を計測す
ることができる。しかもこの計測を、その場で、換言す
れば即時に（リアルタイムに）行うことができる。

【００３０】従来のファラデーカップ１４利用の場合と
同様に、上記磁気媒体２２に入射するビーム量と、イオ
ン源２から引き出される、あるいは被処理物１０に照射
されるイオンビーム８の量との間には、構造等によって
決まる一定の関係があるので、上記計測によって、イオ
ン源２から引き出される、あるいは被処理物１０に照射
されるイオンビーム８の量を計測（推定）することがで
きる。

【００３１】しかも、磁気媒体２２にイオンビーム８が
入射して磁気媒体２２から仮に二次電子が放出されて
も、この二次電子放出は本質的に磁気媒体２２の磁性変
化をもたらすものではなく、しかも磁気ヘッド２８は従
来のファラデーカップ１４と違って、磁気媒体２２に流
れる電流を計測するものではないので、この二次電子放
出の影響を受けずに入射ビーム量を計測することができ
る。

【００３２】このようにして、イオン源２から引き出さ
れる、あるいは被処理物１０に照射されるイオンビーム
８の量を、イオンビームの中性化および二次電子放出の
影響を受けずに正確に計測することができるようになる
結果、例えば、被処理物１０の処理（例えばイオン注
入）を正確に行うことが可能になり、ひいては処理不良
品の発生を防止することが可能になる。

【００３３】なお、磁気媒体２２に入射するイオンビー
ム８の量と、磁気媒体２２の磁性変化量や磁気ヘッド２
８から出力される電気信号Ｓの量との関係は、必ずしも
リニヤな関係である必要はなく、一定の対応関係があれ
ば良い。後述する図２の例の場合も同様である。

【００３４】また、上記計測よりも更に進んで、磁気ヘ
ッド２８からの電気信号Ｓを増幅器３８で増幅して制御
装置３４に取り込み、この制御装置３４において、入力
された電気信号Ｓに基づいて、イオン源２から引き出さ
れるイオンビーム８の量を演算し、かつ当該イオンビー
ム８の量が予め設定していた量に正確に一致するよう
に、イオン源２にフィードバック制御をかけるようにし
ても良い。この制御は、例えば、イオン源２に供給する
イオン源ガス３０の流量調節を行う流量調節器３２を制
御することによって行えば良い。

【００３５】また、制御装置３４において、入力される
電気信号Ｓに基づいて、被処理物１０に対するイオンビ
ーム８の照射量（例えばイオン注入量またはドーズ量）
を演算し、予め設定していた照射量に達したら、イオン
源２からのイオンビーム８の引き出しを停止するように
しても良い。

【００３６】上記磁気媒体２２は、前述したようなテー
プ状の代わりに、シート状または板状等であっても良
い。いずれの場合も、通常は、この磁気媒体２２の磁性
変化の読み取りのために、磁気媒体２２と磁気ヘッド２
８とは相対的に移動させる。通常は、磁気ヘッド２８を
固定しておいて、磁気媒体２２を直線移動または回転さ
せる等する。

【００３７】上記磁気媒体２２、巻き取り機２４、巻き
取り駆動装置２６および磁気ヘッド２８の代わりに、図
２に示すような構成の検出手段および計測手段を設けて
も良い。

【００３８】この図２の検出装置は、前述したイオン源
２から引き出されたイオンビーム８の一部が入射する放
電発光器４０を備えている。この放電発光器４０は、真
空ポンプ４４によって真空排気される真空容器４２内に
設けた複数枚（この例では２枚）の放電用電極４８およ
び５０間に放電用電源５２から放電用の電圧（例えば数
百Ｖ程度の直流電圧）を印加しておき、かつ真空容器４
２内にガス４６を所定の圧力になるように導入してお
き、この放電用電極４８、５０間に前記イオンビーム８
を入射させることによって、イオンビーム８を構成する
イオンによってガス４６を電離させて放電用電極４８、
５０間で放電を生じさせ、それによってガス４６を発光
（放電発光）させるものである。この放電発光５４の発
光光量は、イオンビーム８を構成するイオンの量に応じ
たものとなる。

【００３９】真空容器４２内の圧力（ガス圧）は、真空
容器４２内におけるイオン（イオンビーム８を構成する
イオン）の平均自由行程が、放電用電極４８、５０間の
距離（例えば１０ｃｍ程度）よりも十分小さくなる圧力
（例えば１０Ｐａ程度）にする。

【００４０】上記放電発光５４は、可視光でも良いし、
紫外光または赤外光でも良い。要は、後述する光検出器
５８でその放電発光を検出できれば良い。この放電発光
の波長は、主としてガス４６の種類によって決まる。ガ
ス４６は、例えば、空気、窒素ガスまたは酸素ガス等で
あり、イオンビーム８の入射によって青色、黄緑色等の
放電発光５４を生じる。

【００４１】イオン入射に伴うガス４６からの上記放電
発光５４は、真空容器４２の壁面部に設けられた光検出
器５８によって検出され、この光検出器５８から、放電
発光５４の発光光量に応じた電気信号Ｓ₁ が出力され
る。この光検出器５８は、例えば、光導電素子（例え
ば、可視光用には硫化カドミウム、赤外光用には硫化
鉛、紫外光用には硫化亜鉛を用いたもの）、光電池、光
電管等である。

【００４２】上記真空容器４２内であって、イオンビー
ム８の入射口と反対側の壁面付近には、イオンビーム８
の一部がガス分子と衝突する等して中性化して入射して
来る中性粒子５６を受け止める中性粒子捕捉体６０を設
けている。この中性粒子捕捉体６０は、例えば板状をし
ている。上記中性粒子５６は、イオンビーム８とほぼ同
じ運動エネルギーを有しているので、それが中性粒子捕
捉体６０に入射すると、その入射量に応じて中性粒子捕
捉体６０の温度が上昇する。

【００４３】中性粒子捕捉体６０の例えば背面部には、
当該中性粒子捕捉体６０の温度上昇を検出してその温度
上昇に応じた電気信号Ｓ₂ を出力する温度検出器６２を
設けている。この温度検出器６２は、例えば、熱電対、
サーミスタ等である。

【００４４】このように、上記光検出器５８から出力さ
れる電気信号Ｓ₁ は、イオンビーム８を構成するイオン
がイオンのまま入射した量を表している。上記温度検出
器６２から出力される電気信号Ｓ₂ は、イオンビーム８
を構成するイオンが中性化して中性粒子として入射した
量を表している。そこでこの例では、両電気信号Ｓ₁お
よびＳ₂ を加算器６４で加算して電気信号Ｓを出力する
ようにしている。従ってこの電気信号Ｓは、放電発光器
４０に入射するイオンまたは中性粒子の全入射量を表し
ている。

【００４５】この電気信号Ｓは、例えば、図１の例の場
合と同様に、増幅器３８で増幅して制御装置３４に供給
される。

【００４６】このように図２の例では、放電発光器４０
および中性粒子捕捉体６０等によって前述した検出手段
を構成しており、光検出器５８、温度検出器６２および
加算器６４等によって前述した計測手段を構成してい
る。このような検出手段および計測手段によっても、イ
オンビームの中性化および二次電子放出の影響を受けず
に入射ビーム量を計測することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、イオン
ビームの中性化および二次電子放出の影響を受けずに入
射ビーム量を計測することができる。その結果、イオン
源から引き出される、あるいは被処理物に照射されるイ
オンビームの量を、イオンビームの中性化および二次電
子放出の影響を受けずに計測することができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るイオンビーム照射装置の一例を
示す図である。

【図２】検出手段および計測手段の他の例を示す図であ
る。

【図３】従来のイオンビーム照射装置の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

２ イオン源 ８ イオンビーム １０ 被処理物 ２２ 磁気媒体 ２８ 磁気ヘッド ４０ 放電発光器 ５８ 光検出器 ６０ 中性粒子捕捉体 ６２ 温度検出器 ６４ 加算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−52086（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−148112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−221281（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−95057（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−295051（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 37/317 G01T 1/29 H01J 37/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源から引き出したイオンビームを
   真空雰囲気中で被処理物に照射して処理を施すイオンビ
   ーム照射装置において、前記イオン源から引き出された
   イオンビームの一部を受けるように配置されていて、運
   動エネルギーを有するイオンまたは中性粒子の入射によ
   ってその全入射量に応じた量の化学的または物理的な性
   質の変化を起こす検出手段と、この検出手段の化学的ま
   たは物理的な性質の変化を検出してその変化量に応じた
   電気信号を出力する計測手段とを備えており、 前記検出手段は、磁性体を含んでいて運動エネルギーを
   有するイオンまたは中性粒子の入射によって磁性の変化
   を起こす磁気媒体であり、 前記計測手段は、この磁気媒体の磁性の変化を検出して
   その変化量に応じた電気信号を出力する磁気ヘッドであ
   る、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
2. 【請求項２】 イオン源から引き出したイオンビームを
   真空雰囲気中で被処理物に照射して処理を施すイオンビ
   ーム照射装置において、前記イオン源から引き出された
   イオンビームの一部を受けるように配置されていて、運
   動エネルギーを有するイオンまたは中性粒子の入射によ
   ってその全入射量に応じた量の化学的または物理的な性
   質の変化を起こす検出手段と、この検出手段の化学的ま
   たは物理的な性質の変化を検出してその変化量に応じた
   電気信号を出力する計測手段とを備えており、 前記検出手段は、運動エネルギーを有するイオンの入射
   によってガスを放電発光させる放電発光器と、この放電
   発光器内に設けられていて運動エネルギーを有する中性
   粒子を受け止める中性粒子捕捉体とを備えており、 前記計測手段は、前記ガスの放電発光を検出してその発
   光光量に応じた電気信号を出力する光検出器と、前記中
   性粒子捕捉体の温度上昇を検出してその温度上昇に応じ
   た電気信号を出力する温度検出器と、この光検出器およ
   び温度検出器から出力される電気信号を互いに加算する
   加算器とを備えている、ことを特徴とするイオンビーム
   照射装置。