JP3716711B2

JP3716711B2 - イオン照射装置におけるイオン成分比の計測方法

Info

Publication number: JP3716711B2
Application number: JP2000181556A
Authority: JP
Inventors: 裕井内
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: JP2001357813A

Description

【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質量分離器を通さずに被処理物に照射する非質量分離型のイオン照射装置において、当該イオンビームに含まれている目的とする成分系イオン（例えば、Ｂ₂Ｈ_x系イオン、ＰＨ_x系イオン等）の比を求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来のイオン照射装置の一例を示す概略図である。このイオン照射装置は、イオン源２から引き出したイオンビーム１０を、質量分離器（例えば質量分離電磁石）を通さずに被処理物１２に照射して、被処理物１２にイオン注入、表面改質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型の装置で被処理物１２にイオン注入を行うものは、非質量分離型イオン注入装置またはイオンドーピング装置とも呼ばれる。被処理物１２の表面改質を行うものは、イオンシャワー装置とも呼ばれる。
【０００３】
イオン源２は、この例では、導入された原料ガス３を電離させてプラズマ６を生成するプラズマ生成部４と、このプラズマ６から電界の作用でイオンビーム１０を引き出す引出し加速電極系８とを備えている。
【０００４】
被処理物１２は、例えば半導体基板、液晶ディスプレイ用のガラス基板等であり、この例では、矢印Ｄに示すように、イオンビーム１０の照射領域に出し入れされ、かつ当該照射領域内で往復走査される。但し、これに限られるものではない。
【０００５】
原料ガス３には、例えば、ホウ素（Ｂ）をドーパントとして用いる場合は、Ｂ₂Ｈ₆（ジボラン）を水素希釈したものが用いられる。リン（Ｐ）をドーパントとして用いる場合は、ＰＨ₃（ホスフィン）を水素希釈したものが用いられる。
【０００６】
イオン源２から引き出されるイオンビーム１０には、イオン源２のタイプに拘わらず、幾つかの成分系（換言すれば、成分グループ）のイオンが含まれている。例えば、Ｂ₂Ｈ₆を水素希釈した原料ガス３を用いた場合、イオンビーム１０には、大きく分けて、水素系（即ちＨ_x系。ｘ＝１、２、３）のイオン、ホウ素１原子系（即ちＢＨ_x系。ｘ＝０、１、２、３、４）のイオン、およびホウ素２原子系（即ちＢ₂Ｈ_x系。ｘ＝０、１、２、３、４、５、６）のイオンが含まれている。同様に、ＰＨ₃を水素希釈した原料ガス３を用いた場合、イオンビーム１０には、大きく分けて、水素系（即ちＨ_x系。ｘ＝１、２、３）のイオン、リン１原子系（即ちＰＨ_x系。ｘ＝０、１、２、３、４）のイオン、およびリン２原子系（即ちＰ₂Ｈ_x系。ｘ＝０、１、２、３、４）のイオンが含まれている。
【０００７】
質量分離器によってイオンビームの質量分離を行って一つの質量のイオン種のみを選別してイオン注入を行う通常の（即ち質量分離型の）イオン注入装置と違って、この例のような非質量分離型のイオン照射装置では、通常、イオンビーム１０に含まれている目的とする成分系イオン（例えばＢ₂Ｈ_x系イオンまたはＰＨ_x系イオン）の量によって、被処理物１２へのイオン照射量（例えばイオン注入量）を制御しているので、イオンビーム１０中の当該成分系イオンの比（割合）を求める必要がある。この比をイオンビーム１０全体のビーム量（ビーム電流）に掛けることによって、目的とする成分系イオンの量を簡単に求めることができるからである。
【０００８】
上記比は、従来は次のようにして求めていた。即ち、図４に示すように、イオン源２から引き出されたイオンビーム１０の一部を受けてそれを磁場によって曲げてイオンビーム１０の質量分析を行う湾曲した質量分析器１４と、ある一定の曲率で曲げられたイオンビーム１０が入射する位置に設けられたファラデーカップ２０とを用いる。ファラデーカップ２０の前方には、この例では、入射イオンビームの幅を細く制限するスリット１６、および、ファラデーカップ２０から放出された２次電子の逃げを抑制するサプレッサ電極１８が設けられている。イオンビーム１０が入射することに伴ってファラデーカップ２０に流れるイオン電流Ｉは、例えば、電流計測器２２によって計測される。
【０００９】
そして、質量分析器１４における磁場の強度を徐々に変化（例えば増大）させて、そのときにファラデーカップ２０に流れるイオン電流Ｉの計測を行う。それによって得られるデータは、例えば図２Ａまたは図３Ａに示すように、多数のピークから成るスペクトル波形をしている。これは、磁場強度変化に伴って、ファラデーカップ２０に入射するイオンの質量および量が次々と変化するからである。
【００１０】
そして従来は、このようなピーク値から定量を行っていた。即ち、各ピーク値の総和に対する、目的とする成分系イオンのピークの和の比を求めていた。例えば図２Ａの例の場合、イオン電流Ｉの主なピーク値をＩ₁〜Ｉ₁₃とすると、Ｂ₂Ｈ_x系イオンの比は、次式によって求めていた。
【００１１】
【数１】
（Ｉ₇＋・・・＋Ｉ₁₃）／（Ｉ₁＋・・・＋Ｉ₁₃）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の計測方法は、イオン電流Ｉの多数のピーク値（例えばＩ₁〜Ｉ₁₃）を計測しなければならないので、多くの時間と手間とがかかり、簡単ではない。
【００１３】
しかも、大小全てのピーク値を計測することは実際上は困難であるので、一定値以下のピーク値は無視せざるを得ず、従って計測の正確さに欠ける。
【００１４】
そこでこの発明は、イオン源から引き出されたイオンビーム中に含まれている目的とする成分系イオンの比を簡単にかつ短時間で、しかも正確に求めることのできる計測方法を提供することを主たる目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の計測方法は、前記イオン源から引き出されたイオンビームを受けてそれを磁場または電場の少なくとも一方から成る偏向場によって曲げる偏向器と、
この偏向器内を直進したイオンビームが入射する位置に設けられたファラデーカップとを用いて、
前記偏向器における偏向場の強度を零またはほぼ零にしたときに前記ファラデーカップに流れるイオン電流Ｉ₀を計測し、
かつ前記偏向器における偏向場の強度を零よりも大きい領域において徐々に変化させたときに、目的とする成分系イオンに対応する偏向場強度の前後において前記ファラデーカップに流れるイオン電流の変化がほぼ零になる二つの平坦部でのイオン電流Ｉ₁およびＩ₂をそれぞれ計測し、
そして次式の比を求めることを特徴としている。
【００１６】
【数２】
｜Ｉ₁−Ｉ₂｜／Ｉ₀
【００１７】
前記偏向器における偏向場の強度を零またはほぼ零にしたとき、イオンビームは偏向器内で曲げられることなく直進するので、しかもその直進位置にファラデーカップが設けられているので、当該ファラデーカップには、イオンビームに含まれている全ての成分のイオンが入射する。その総量がイオン電流Ｉ₀として計測される。
【００１８】
一方、前記偏向器における偏向場の強度を零よりも大きい領域において徐々に変化させたとき、例えば零から徐々に増大させたとき、イオンビームに含まれるイオンの内の質量の軽いものから順に大きく曲げられてファラデーカップから外れて行くので、ファラデーカップに流れるイオン電流は、平坦部を経ながら階段状に減少して行く。この平坦部は、偏向場強度の変化に対してイオン電流の変化がほぼ零になる部分であり、これは主な成分系イオンが存在しない部分、即ち各成分系イオン間の区切り部を表している。
【００１９】
従って、目的とする成分系イオンの前後二つの平坦部でのイオン電流Ｉ₁およびＩ₂の内、一方（例えばＩ₁）は当該目的とする成分系イオンを含むイオン電流であり、他方（例えばＩ₂）はそれを含まないイオン電流である。従って、両イオン電流の差｜Ｉ₁−Ｉ₂｜は、目的とする成分系イオンの量を表している。従って、上記数２の比は、イオン源から引き出されたイオンビーム中に含まれている目的とする成分系イオンの比を表している。
【００２０】
このようにこの発明の計測方法によれば、従来の計測方法のようにイオン電流の多数のピーク値を計測する必要はなく、上記三つのイオン電流Ｉ₀、Ｉ₁およびＩ₂を計測すれば良いので、イオンビーム中に含まれている目的とする成分系イオンの比を簡単にかつ短時間で求めることができる。
【００２１】
しかも、この発明の計測方法では、従来の計測方法と違って電流値の小さいイオンを無視して計測を行っているのではなく、上記イオン電流Ｉ₀は全ての成分のイオンの量を正確に表しており、上記イオン電流の差｜Ｉ₁−Ｉ₂｜は目的とする成分系イオンの量を正確に表しているので、目的とする成分系イオンの比を正確に求めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る計測方法の実施に使用するイオン照射装置の一例を示す概略図である。図４に示した従来の装置と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においてはそれとの相違点を主に説明する。
【００２３】
この実施例では、従来例の質量分析器１４に代わるものとして、イオン源２から引き出されたイオンビーム１０の一部を受けてそれを磁場によって曲げる偏向器２４を設けている。この偏向器２４における磁場を零またはほぼ零にすると、図１中に実線で示すように、イオンビーム１０は偏向器２４内を直進し、当該磁場を強くすると、１点鎖線で示すように、イオンビーム１０は偏向器２４内で曲げられ、当該磁場をより強くすると、２点鎖線で示すように、イオンビーム１０は偏向器２４内でより大きく曲げられる。あるいは、磁場強度が同一ならば、イオンビーム１０中に含まれる軽いイオンほど２点鎖線で示すように大きく曲げられる。
【００２４】
なお、偏向器２８は、この例では、イオンビーム１０を曲げる偏向場として磁場を用いているが、電場を用いても良いし、磁場と電場を併用しても良い。
【００２５】
更にこの実施例では、従来例のファラデーカップ２０に代わるものとして、上記偏向器２４内を直進したイオンビーム１０が入射する位置にファラデーカップ３０を設けている。ファラデーカップ３０の前方には、この例のように、入射イオンビームを整形するマスク２６、および、ファラデーカップ３０から放出される２次電子の逃げを抑制するものであって負電圧が印加されるサプレッサ電極２８を設けておくのが好ましい。イオンビーム１０が入射することによってファラデーカップ３０に流れるイオン電流Ｉは、従来例と同様に例えば、電流計測器２２によって計測される。
【００２６】
上記のような偏向器２４およびファラデーカップ３０を用いて、イオン源２から引き出されたイオンビーム１０に含まれている目的とする成分系イオンの比を次のようにして求める。
【００２７】
即ち、偏向器２４における磁場強度を零またはほぼ零にして、そのときにファラデーカップ３０に流れるイオン電流Ｉ₀を計測する。このとき、イオンビーム１０は偏向器２４内で曲げられることなく直進するので、しかもその直進位置にファラデーカップ３０が設けられているので、ファラデーカップ３０には、イオンビーム１０に含まれている全ての成分のイオンが入射する。例えば、Ｂ₂Ｈ₆を水素希釈した原料ガス３を用いた場合、図２に示す前述したＨ_x系イオン、ＢＨ_x系イオンおよびＢ₂Ｈ_x系イオンを含む全ての成分のイオンが入射する。ＰＨ₃を水素希釈した原料ガス３を用いた場合、図３に示す前述したＨ_x系イオン、ＰＨ_x系イオンおよびＰ₂Ｈ_x系イオンを含む全てのイオンが入射する。その総量がイオン電流Ｉ₀として計測される（図２Ｂおよび図３Ｂ参照）。
【００２８】
一方、偏向器２４における磁場の強度を零よりも大きい領域において徐々に変化させたとき、例えば零から徐々に増大させたとき、イオンビーム１０中に含まれているイオンの内の質量の軽いものから順に大きく曲げられてファラデーカップ３０から外れて行く（即ちファラデーカップ３０に入射しなくなる）ので、ファラデーカップ３０に流れるイオン電流Ｉは、図２Ｂまたは図３Ｂに示すように、平坦部Ｆ₁、Ｆ₂・・・を経ながら階段状に減少して行く。この平坦部Ｆ₁、Ｆ₂・・・は、磁場強度の変化に対してイオン電流Ｉの変化がほぼ零になる部分であり、これは主な成分系イオンが存在しない部分、即ち各成分系イオン間の区切り部を表している。
【００２９】
これを詳述すると、図２Ｂ（Ｂ₂Ｈ₆を水素希釈した原料ガス３を用いる場合）の例の場合、磁場強度を零から徐々に大きくして行くと、まず一番軽いＨ_x系イオンがファラデーカップ３０から外れてそれに相当するぶんイオン電流Ｉが減少する。その後は、次に軽いＢＨ_x系イオンがファラデーカップ３０から外れるまでには磁場強度に余裕があるので、磁場強度を増大させてもイオン電流Ｉが殆ど変化しない平坦部Ｆ₁が表れる。更に磁場強度を増大させると、ＢＨ_x系イオンがファラデーカップ３０から外れてそれに相当するぶんイオン電流Ｉが減少し、その後は次の平坦部Ｆ₂が表れる。更に磁場強度を増大させると、一番重いＢ₂Ｈ_x系イオンがファラデーカップ３０から外れてそれに相当するぶんイオン電流Ｉが減少し、その後は主な成分系イオンが存在しなくなるのでイオン電流Ｉが０の平坦部Ｆ₃が表れる。
【００３０】
Ｂ₂Ｈ₆を水素希釈した原料ガス３を用いる場合、通常、ドーパントイオンには量の最も多いＢ₂Ｈ_x系イオンを用いる。例えばこれが目的とする成分系イオンである。従って、このＢ₂Ｈ_x系イオンに対応する磁場強度の前後二つの平坦部Ｆ₂およびＦ₃でのイオン電流Ｉ₁およびＩ₂をそれぞれ計測する。この例ではＩ₂≒０である。
【００３１】
この二つのイオン電流Ｉ₁およびＩ₂の内、一方のイオン電流Ｉ₁はＢ₂Ｈ_x系イオンを全て含むイオン電流であり、他方のイオン電流Ｉ₂はＢ₂Ｈ_x系イオンを全く含まないイオン電流である。従って、両イオン電流の差｜Ｉ₁−Ｉ₂｜は、目的とするＢ₂Ｈ_x系イオンの量を正確に表している。
【００３２】
更に、上記数２に示した比、即ち｜Ｉ₁−Ｉ₂｜／Ｉ₀を求める。この比は、上記説明から分かるように、イオン源２から引き出されたイオンビーム１０中に含まれている目的とするＢ₂Ｈ_x系イオンの全イオンに対する比を表している。
【００３３】
図３Ｂ（ＰＨ₃を水素希釈した原料ガス３を用いる場合）の例の場合も、上記と同様である。但しこの場合は、通常、ドーパントイオンには量の最も多いＰＨ_x系イオンを用いるので、それが目的とする成分系イオンである。従って、このＰＨ_x系イオンに対応する磁場強度の前後二つの平坦部Ｆ₁およびＦ₂でのイオン電流Ｉ₁およびＩ₂をそれぞれ求める。後は、Ｂ₂Ｈ₆の場合と同様である。
【００３４】
偏向器２４における磁場強度は、上記例とは逆に、大きい方から徐々に減少させて行っても良い。そのようにしても、図２Ｂまたは図３Ｂと同様のデータを得ることができる。
【００３５】
このようにこの発明の計測方法によれば、従来の計測方法のようにイオン電流Ｉの多数のピーク値（例えば図２Ａに示したピーク値Ｉ₁〜Ｉ₁₃）を計測する必要はなく、上記三つのイオン電流Ｉ₀、Ｉ₁およびＩ₂を計測すれば良いので、イオンビーム１０中に含まれている目的とする成分系イオン（例えば、上述したＢ₂Ｈ_x系イオンまたはＰＨ_x系イオン）の比を簡単にかつ短時間で求めることができる。
【００３６】
しかも、この発明の計測方法では、従来の計測方法と違って電流値の小さいイオンを無視して計測を行っているのではなく、上記イオン電流Ｉ₀は全ての成分のイオンの量を正確に表しており、上記イオン電流の差｜Ｉ₁−Ｉ₂｜は目的とする成分系イオンの量を正確に表しているので、目的とする成分系イオンの比を正確に求めることができる。
【００３７】
従ってこのような計測方法を用いれば、例えば、被処理物１２に対する正確な注入量の制御が可能になる。また、イオン源２へのフィードバック制御も速やかに行うことが可能になる。
【００３８】
また、従来の計測方法のようにイオン電流Ｉの多数のピーク値を正確に計測（定量）する必要はないので、計測系に高分解能のものを用いる必要がない。要は、各成分系イオンの区切り部、即ち平坦部Ｆ₁、Ｆ₂・・・さえ同定できれば良い。
【００３９】
上記ファラデーカップ３０の面積（ならびにそれに対応するマスク２６およびサプレッサ電極２８の開口部面積）を、この例のように、従来例のファラデーカップ２０よりも大きくしておくのが好ましい。ファラデーカップ３０の面積が小さいと、磁場強度の小さな変化によってイオン電流Ｉが急変（急減）するので、平坦部Ｆ₁、Ｆ₂・・・が明確に表れにくいのに対して、ファラデーカップ３０の面積を大きくしておくと、磁場強度をある程度大きく変化させると初めてイオン電流Ｉが変化するようになる。即ち、図２Ｂおよび図３Ｂの横軸を拡大したようになる。その結果、平坦部Ｆ₁、Ｆ₂・・・が明確に表れるようになり、当該平坦部Ｆ₁、Ｆ₂・・・の同定が容易になる。
【００４０】
上記ファラデーカップ３０の隣に小さなファラデーカップ３２（それ用のスリットおよびサプレッサ電極の図示は省略）を設けておけば、それによって、従来例と同様に、図２Ａまたは図３Ａと同様のスペクトル図を得ることができるので、それを、各平坦部Ｆ₁、Ｆ₂・・・の同定の参考にしても良い。
【００４１】
なお、この発明は、イオン源２が上記例のようなものに限られるものではない。例えば、特開平１１−３２９２７０号公報に記載されているような、イオン源内に、軽イオンが引き出されるのを抑制する磁石（磁気フィルタ）を設けたイオン源等でも良い。
【００４２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、従来例の計測方法のようにイオン電流の多数のピーク値を計測する必要はなく、上記三つのイオン電流Ｉ₀、Ｉ₁およびＩ₂を計測すれば良いので、イオンビーム中に含まれている目的とする成分系イオンの比を簡単にかつ短時間で求めることができる。
【００４３】
しかも、この発明の計測方法では、従来の計測方法と違って電流値の小さいイオンを無視して計測を行っているのではなく、上記イオン電流Ｉ₀は全ての成分のイオンの量を正確に表しており、上記イオン電流の差｜Ｉ₁−Ｉ₂｜は目的とする成分系イオンの量を正確に表しているので、目的とする成分系イオンの比を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る計測方法の実施に使用するイオン照射装置の一例を示す概略図である。
【図２】Ｂ₂Ｈ₆を水素希釈した原料ガスを用いたときの、磁場強度の変化に対するイオン電流の変化の概略を、従来の計測方法によるもの（Ａ）と実施例の計測方法によるもの（Ｂ）とを対応させて示す図である。
【図３】ＰＨ₃を水素希釈した原料ガスを用いたときの、磁場強度の変化に対するイオン電流の変化の概略を、従来の計測方法によるもの（Ａ）と実施例の計測方法によるもの（Ｂ）とを対応させて示す図である。
【図４】従来のイオン照射装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２イオン源
１０イオンビーム
１２被処理物
２４偏向器
３０ファラデーカップ

Claims

イオン源から引き出したイオンビームを質量分離器を通さずに被処理物に照射する非質量分離型のイオン照射装置において、当該イオンビームに含まれている目的とする成分系イオンの比を求める方法であって、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを受けてそれを磁場または電場の少なくとも一方から成る偏向場によって曲げる偏向器と、
この偏向器内を直進したイオンビームが入射する位置に設けられたファラデーカップとを用いて、
前記偏向器における偏向場の強度を零またはほぼ零にしたときに前記ファラデーカップに流れるイオン電流Ｉ₀を計測し、
かつ前記偏向器における偏向場の強度を零よりも大きい領域において徐々に変化させたときに、目的とする成分系イオンに対応する偏向場強度の前後において前記ファラデーカップに流れるイオン電流の変化がほぼ零になる二つの平坦部でのイオン電流Ｉ₁およびＩ₂をそれぞれ計測し、
そして｜Ｉ₁−Ｉ₂｜／Ｉ₀なる比を求める、ことを特徴とするイオン成分比の計測方法。