JP3374335B2 - イオン加速装置 - Google Patents
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Classifications
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Description
られるイオン加速装置に関する。
濃度の深さ方向の分布をシリコン基板内部で自由に制御
できる高エネルギイオン注入プロセスの重要性が高まっ
ている。イオンを高エネルギに加速し、シリコン基板に
注入する方法としては、現在タンデム加速方式が最も広
く採用されている。このタンデム加速方式は、米国特許
3353107号等により広く知られている。タンデム
加速方式においては、正イオン源と荷電変換セルを組み
合わせるか、スパッタ型イオン源を用いて負イオンビー
ムが生成される。この負イオンビームは正の高電圧が印
加された加速器ターミナルTに向けて入射加速され、タ
ーミナル電圧まで加速される。そして加速ターミナルT
において、この加速された負イオンビームを気体又は薄
膜に衝突させることにより、電子をはぎ取り、これによ
り負イオンビームを正イオンビームへと変換する。この
正イオンビームは正の高電圧が印加されている加速器タ
ーミナルTから大地側へ再び加速されて、その最終エネ
ルギを得るようになっている。この時のイオンの最終エ
ネルギEtot(eV)は、次の様に表せる。 Etot(eV)=Einj+Q×(N+1)Vter ここで、Einj(eV)は加速装置への入射エネルギであ
り、Vter(Volt)はターミナル電圧、Nは正イオ
ンの荷数、Qは素電荷である。この式からわかるよう
に、印加電圧Vterを効率よく粒子の加速に用いるこ
とができる。
置を図5に示す。この装置はGenusu社のモデルG
1500高エネルギイオン注入装置である。この装置に
おいて、正イオンは熱陰極PIGイオン源1により生成
される。この正イオンはイオン源に正の高電圧を印加す
ることによりビームとして引き出される。引き出された
正イオンビームは、引き出し電極系の直後に設置された
荷電変換セル2を通過する際にマグネシウム蒸気と衝突
し、一部がマグネシウムから電子を2個受け取り、負イ
オンビームへと変換されるように構成されている。この
負イオンビームは荷電変換セル2を通過した後、90度
分析磁石3により荷電状態及び質量を分析され、目的と
する負イオンのみがタンデム加速器6へ入射されるよう
になっている。タンデム加速器6は前段加速管7とその
前段に前段Qレンズ4を備えており、90度分析磁石3
で質量分析された負イオンビームは該前段Qレンズ4に
より収束作用を受け、ストリッパカナル8の中央にビー
ムウエストを形成するようになっている。この時に、同
時に負イオンビームは前段加速管7により正の高電圧が
印加されたタンデム加速ターミナルT部に向かって加速
されるようになっている。
ナル8を通過する際に、ストリッパカナル8内に導入さ
れた窒素ガスと衝突して軌道電子を失い、再び正イオン
ビームへと変換される様に構成されている。この時の荷
電状態の分布は衝突のエネルギにより決まっており、衝
突エネルギが高いほど多くの多価イオンが生成される。
この価電状態分布の一例をホウ素の場合について図6に
示す。得られた正イオンビームはタンデム加速器ターミ
ナルTから大地電圧へ向かって後段加速管10により再
び加速され、このように最終エネルギを得たビームは、
後段Qレンズ11により再び収束作用を受け、10度分
析磁石12により荷電状態を選別され、ターゲットの設
置されているプロセスチャンバ13へと導かれるように
なっている。
タンデム加速装置の場合、ターゲットにおける有効ビー
ム電流が加速器ターミナルTにおける荷電状態分布によ
り規定されているため、最終エネルギが低い領域ではビ
ーム電流が急激に減少するという欠点があった。例え
ば、図7に示すようにホウ素の場合には最終エネルギが
500KeV以下の領域で、ビーム電流が急激に減少して
いることがわかる。また、負イオンの生成効率が一般的
に5〜15%と低いため、ビームの使用効率が低いとい
う欠点があった。本発明は上記した従来技術の問題点を
解決することを目的とする。
に本発明のイオン加速装置は、ガスを導入した状態とガ
スを導入しない状態とを設定可能なストリッパカナルを
有する高電圧のターミナルと、負イオンを該ターミナル
に向けて加速する低エネルギ加速管と、該ターミナルか
らの正イオンを加速する高エネルギ加速管と、正イオン
源と、金属蒸気を発生し該正イオン源からのイオンを負
イオンに変換する状態と、金属蒸気を発生せず正イオン
源からのイオンをそのまま通過させる状態を設定可能な
荷電変換セルと、正イオンを屈折させる状態と、負イオ
ンを屈折させる状態を設定可能な前段分析磁石と、正イ
オンを収束させる状態と負イオンを収束させる状態とを
設定可能な前段Qレンズと、該前段Qレンズから入射し
たイオンを中性化する状態と中性化せずそのまま通過さ
せる状態を設定可能なビーム中性化器と、前記ターミナ
ルをショートさせた状態と非ショート状態を設定可能な
接地棒とを備え、前記荷電変換セル、前段分析磁石、前
段Qレンズ、ビーム中性化器、ストリッパカナル、接地
棒の前記状態を最終エネルギに応じて選択する、ことを
特徴とする。
段分析磁石、前段Qレンズ、ビーム中性化器、ストリッ
パカナル、接地棒の前記状態を選択する。
る。図1において、図4に示す従来と同一のものには同
一の番号を付してある。熱陰極PIGイオン源1には6
0kVまでの正電圧が印加され、ここから正イオンがビ
ームとして引き出されるように構成されている。引き出
し電極系の直後に設置された荷電変換セル2は、金属蒸
気を発生する場合には400°C前後に昇温され、金属
蒸気を発生させない場合は室温に保たれるようになって
いる。
が出来るようになっており、正イオンと負イオンの両方
の分析ができるようになっている。90度分析磁石3の
後段に設定された前段Qレンズ4も同様に極性を切り換
えることが出来るようになっており、正イオンと負イオ
ンの両方を収束可能に構成されている。
ーム中性化器5が介装されている。このビーム中性化器
5は正イオンビームを中性化するためのものであり、ビ
ーム電流の約70%を中性化できるように構成されてい
る。このビーム中性化器5の基本的な構成を図2に示
す。このビーム中性化器5はターボモレキュラーポンプ
50とガス導入口51とを備えたガスセルであり、室内
に大量のガスが導入されても差動排気により周囲の真空
度に極力影響を及ぼさないように配慮されている。正イ
オンビームはこの室内に導入されたガスと衝突すること
により、荷電変換されて中性化されるようになってい
る。室内に導入されるガスとしては水素、窒素、酸素、
エタン或いはメタン等が使用され、入射されるイオン種
により適宜選択すれば良い。このように中性化され入射
されたビームは、たとえ加速器ターミナルに正の高電圧
が印加されていても、電荷を持たないため加速されるこ
となくタンデム加速器ターミナルTに達し、ここでスト
リッパカナル8に導入された窒素ガスと衝突することに
より一部が正イオンへと再変換される。そして、この変
換された正イオンビームは加速器ターミナルTから大地
に向かって加速され、最終エネルギを得るようになって
いる。この中性ビームを入射したときの最終エネルギ
は、 Etot(eV)= Einj + Q×Vter となる。なお、ビーム中性化器5にはガスを導入した中
性化を行うモードとガスを導入せず中性化を行わないモ
ードとを選択出来るようになっている。
9により接地され、タンデム加速器6のターミナルTが
チャージアップすることを防止するようになっている。
この接地棒9もターミナルTの接地状態と非接地状態の
切り換えが行えるようになっている。
トリッパカナル8、後段加速管10及び後段Qレンズ1
1、10度分析磁石12とプロセスチャンバ13の構成
は従来のものと同じであるのが、ストリッパカナル8は
ガスを導入した状態と非導入状態を選択出来るようにな
っており、イオンの変換を行わないモードも選択出来る
ように構成されている。また後段Qレンズ11及び10
度分析磁石12は常に正イオンビームに対して正しく作
用するように極性を固定してある。
る最終エネルギに応じて次のように装置を使用する。 (1)0〜60keV このエネルギ領域においては、PIGイオン源1に印加
する電圧によってのみ、加速エネルギが得られるように
する。また荷電変換セル2は金属蒸気を発生せず、室温
に保って使用しない。更に90度分析磁石3の極性を正
イオンを分析するように設定し、前段Qレンズ4は正イ
オンを収束するように設定しておく。またビーム中性化
器5にはガスを導入せず、中性変換は行わない。更にス
トリッパカナル8には窒素ガスを導入せず、また接地棒
9により加速器ターミナルTを接地しておく。このよう
な状態において、PIGイオン源1から引き出された正
イオンは、90度分析磁石3により質量分析され、前段
Qレンズ4により収束され、タンデム加速器6を通過す
る。この際、加速器ターミナルTは接地棒9により接地
されているから、加速器ターミナルTのチャージアップ
の防止が図られる。このようにして得られたビーム電流
値をホウ素及び燐の場合について、それぞれ図3と図4
にそれぞれ示す。図3と図6との比較から明かなよう
に、例えばホウ素の場合従来の負イオンを使用した場合
に比較して、60KeV以下の領域におけるビーム電流は
2倍〜10倍に増大している。
気を発生せず、室温に保ち使用しない。更に90度分析
磁石3の極性を正イオンを分析するように設定し、前段
Qレンズ4は正イオンを収束するように設定しておく。
またビーム中性化器5を稼働しここでビーム電流の約7
0%以上を中性化して、タンデム加速器6に入射するよ
うにしておく。ストリッパカナル8にはガスを導入し、
また加速器ターミナルTは接地棒9により接地しない。
この状態において、正イオンビームは前段Qレンズ4に
より収束作用を受けて焦点をストリッパカナル8中央に
結ぶように調節され、その後ビーム中性化器5により中
性化される。そして中性化されたイオンビームはタンデ
ム加速器6に入射するが、加速器ターミナルTに正の高
電圧が印加されていても電荷をもたないため加速される
ことなく、加速器ターミナルTに到達する。そして、ス
トリッパカナル8に導入された窒素ガスと衝突すること
により、加速器ターミナルTから大地に向かって加速さ
れ、最終エネルギを得る。この中性ビームを入射したと
きの最終エネルギは、前記した様にEtot(eV)= Ei
nj + Q×Vterで表される。図3及び図4の×印のプ
ロットは、それぞれこの使用方法により得られたビーム
電流を示すもので、この領域で図7に示す従来のものに
比較して1.5〜2倍に増大されていることがわかる。
なお、加速器ターミナルTの電圧を変化させてもストリ
ッパカナル8での衝突エネルギは変化しないため、ビー
ム電流のエネルギ依存性はほとんど無くなる。
気を発生し、90度分析磁石3及び前段Qレンズ4の極
性は負イオンに対してのものに変更される。またビーム
中性化器5は使用せず、ストリッパカナル8にはガスを
導入し、接地棒9は加速器ターミナルTを接地しない。
即ち従来のタンデム加速の使用方法が採用され、560
〜1060KeVのエネルギを得るために1価イオンが使
用され、1060〜1560KeVのエネルギを得るため
に2価イオンが使用される。
装置は、ガスを導入した状態とガスを導入しない状態と
を設定可能なストリッパカナルを有する高電圧のターミ
ナルTと、負イオンを該ターミナルTに向けて加速する
低エネルギ加速管と、該ターミナルTからの正イオンを
加速する高エネルギ加速管と、正イオン源と、金属蒸気
を発生し該正イオン源からのイオンを負イオンに変換す
る状態と、金属蒸気を発生せず正イオン源からのイオン
をそのまま通過させる状態を設定可能な荷電変換セル
と、正イオンを屈折させる状態と、負イオンを屈折させ
る状態を設定可能な前段分析磁石と、正イオンを収束さ
せる状態と負イオンを収束させる状態とを設定可能な前
段Qレンズと、該前段Qレンズから入射したイオンを中
性化する状態と中性化せずそのまま通過させる状態を設
定可能なビーム中性化器と、前記ターミナルTをショー
トさせた状態と非ショート状態を設定可能な接地棒とを
備え、前記荷電変換セル、前段分析磁石、前段Qレン
ズ、ビーム中性化器、ストリッパカナル、接地棒の前記
状態を最終エネルギに応じて選択するため、最終エネル
ギに応じて、大きなビーム電流を得ることが可能にな
る。
略図。
電流を示すグラフ。
流を示すグラフ。
フ。
示すグラフ。
析磁石、4:前段Qレンズ、5:ビーム中性化器、6:
タンデム加速器、7:前段加速管、8:ストリッパカナ
ル、9:接地棒、10:後段加速管、11:後段Qレン
ズ、12:10度分析磁石、13:プロセスチャンバ、
50:ターボモレキュラーポンプ、51:ガス導入口、
52:ガスセル。
Claims (3)
- 【請求項1】ガスを導入した状態とガスを導入しない状
態とを設定可能なストリッパカナルを有する高電圧のタ
ーミナルと、 負イオンを該ターミナルに向けて加速する低エネルギ加
速管と、 該ターミナルからの正イオンを加速する高エネルギ加速
管と、 正イオン源と、 金属蒸気を発生し該正イオン源からのイオンを負イオン
に変換する状態と、金属蒸気を発生せず正イオン源から
のイオンをそのまま通過させる状態を設定可能な荷電変
換セルと、 正イオンを屈折させる状態と、負イオンを屈折させる状
態を設定可能な前段分析磁石と、 正イオンを収束させる状態と負イオンを収束させる状態
とを設定可能な前段Qレンズと、 該前段Qレンズから入射したイオンを中性化する状態と
中性化せずそのまま通過させる状態を設定可能なビーム
中性化器と、 前記ターミナルをショートさせた状態と非ショート状態
を設定可能な接地棒と、を備え;前記荷電変換セル、前
段分析磁石、前段Qレンズ、ビーム中性化器、ストリッ
パカナル、接地棒の前記状態を最終エネルギに応じて選
択する、 ことを特徴とするイオン加速装置。 - 【請求項2】ストリッパカナルを有する高電圧のターミ
ナルと、 該ターミナルを0〜500kVのターミナル電圧Vに維
持する手段と、 負イオンを該ターミナルに向けて加速する低エネルギ加
速管と、 該ターミナルからの正イオンを加速する高エネルギ加速
管と、 正イオン源と、 荷電変換セルと、 前段分析磁石と、 前段Qレンズと、 ビーム中性化器と、 接地棒と、 該正イオン源から正イオンを引き出し、これらを順次荷
電変換セル、前段分析磁石、前段Qレンズ、ビーム中性
化器、低エネルギ加速管、ストリッパカナル、高エネル
ギ加速管、に通過させ、これにより前記イオンを前記低
エネルギ加速管に入射エネルギE(keV)で入射させ
る手段と、を備え;前記荷電変換セルが金属蒸気を発生
した第1状態と金属蒸気を排除した第2状態の中の1つ
の状態に設定可能であり、 前記前段分析磁石と前段Qレンズが、正イオンを屈折さ
せ収束させる第1状態と、負イオンを屈折させ収束させ
る第2状態の中の1つの状態に設定可能であり、 前記ビーム中性化器がガスを導入した第1状態とガスを
排除した第2状態の中の1つの状態に設定可能であり、 前記ストリッパカナルがガスを導入した第1状態とガス
を排除した第2状態の中の1つの状態に設定可能であ
り、 接地棒が前記ターミナルをショートさせた第1状態と、
ショートさせない第2状態の中の1つの状態に設定可能
であり;更に前記荷電変換セル、前段分析磁石、前段Q
レンズ、ビーム中性化器、ストリッパカナル、接地棒の
状態を最終エネルギに応じて下記の様に設定し、後段加
速管からのイオンのそれぞれの該最終エネルギを得る手
段と、 を備えたことを特徴とするイオン加速装置。 EkeV以下 E以上(V+E) (V+E) keV以下 keV以上 荷電変換セル 第2状態 第2状態 第1状態 前段分析磁石 第1状態 第1状態 第2状態 前段Qレンズ 第1状態 第1状態 第2状態 ビーム中性化器 第2状態 第1状態 第2状態 ストリッパカナル 第2状態 第1状態 第1状態 接地棒 第1状態 第2状態 第2状態 - 【請求項3】ストリッパカナルを有する高電圧のターミ
ナルと、 該ターミナルを0〜500kVの電圧に維持する手段
と、 負イオンを該ターミナルに向けて加速する低エネルギ加
速管と、 該ターミナルからの正イオンを加速する高エネルギ加速
管と、 60kVまでの正電圧が印加される正イオン源と、 荷電変換セルと、 前段分析磁石と、 前段Qレンズと、 ビーム中性化器と、 接地棒と、 該正イオン源から正イオンを引き出し、これらを順次荷
電変換セル、前段分析磁石、前段Qレンズ、ビーム中性
化器、低エネルギ加速管、スリッパカナル、高エネルギ
加速管、に通過させる手段と、を備え;前記荷電変換セ
ルがガスを導入した第1状態とガスを排除した第2状態
の中の1つの状態に設定可能であり、 前記前段分析磁石と前段Qレンズとが、正イオンを屈折
させ収束させる第1状態と、負イオンを屈折させ収束さ
せる第2状態の中の1つの状態に設定可能であり、 前記ビーム中性化器がガスを導入した第1状態とガスを
排除した第2状態の中の1つの状態に設定可能であり、 前記ストリッパカナルがガスを導入した第1状態とガス
を排除した第2状態の中の1つの状態に設定可能であ
り、 接地棒が前記ターミナルをショートさせた第1状態と、
ショートさせない第2状態の中の1つの状態に設定可能
であり;更に前記荷電変換セル、前段分析磁石、前段Q
レンズ、ビーム中性化器、ストリッパカナル、接地棒の
状態を最終エネルギに応じて下記の様に設定し、後段加
速管からのイオンのそれぞれの該最終エネルギを得る手
段と、 を備えたことを特徴とするイオン加速装置。 0〜60keV以下 60〜560keV 560〜1560keV 荷電変換セル 第2状態 第2状態 第1状態 前段分析磁石 第1状態 第1状態 第2状態 前段Qレンズ 第1状態 第1状態 第2状態 ビーム中性化器 第2状態 第1状態 第2状態 ストリッパカナル 第2状態 第1状態 第1状態 接地棒 第1状態 第2状態 第2状態
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