JP3836562B2

JP3836562B2 - イオン照射装置

Info

Publication number: JP3836562B2
Application number: JP08594997A
Authority: JP
Inventors: 阿川　　義昭; 原　　泰博; 寿浩寺澤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: JPH10261379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン照射装置の技術分野にかかり、特に、低エネルギーイオン照射装置の透過効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン照射装置は、例えば半導体基板への不純物注入や表面のエッチングの他、ダイヤモンド薄膜を製造するためにも用いられており、所望元素を含む化合物ガスをプラズマ化し、イオンビームとして引き出して処理対象物に照射する装置である。
【０００３】
イオン照射装置を、イオンビームのエネルギーで分類した場合、高エネルギーイオン照射装置と低エネルギーイオン照射装置とに分けることができる。高エネルギー照射装置を用いてイオン照射を行うと例えば深い拡散を形成できるが、高密度化した半導体デバイスでは、拡散深さは増々浅くなる傾向にあることから、近年では低エネルギーのイオン照射装置が多用されている。
【０００４】
図４の符号１０２は、その低エネルギーのイオン照射装置であり、イオン源室１１０、主チャンバー１０５、減速室１６０、試料室１７０を有している。
イオン源室１１０内には、イオン化器１１２が設けられており、そのイオン化器１１２内に照射対象の化合物ガスを導入し、フィラメント１１３に通電して熱電子を放出させると導入ガスがプラズマ化し、イオンビームとして引き出され、主チャンバー１０５内に入射する。
【０００５】
主チャンバー１０５は、イオン分離室１２０と偏向室１４０とに区分けされており、イオン分離室１２０にはイオン分離器１２１が設けられ、偏向室１４０には偏向器１４２が設けられている。
【０００６】
イオン分離室１２０内では、イオン分離器１２１によって磁界が形成されており、イオンビームが入射すると、その磁界によって質量分析が行われ、所望のイオン種から成るイオンビームだけが、イオン分離器１２１後段のコリメータ１３１を通過する。
その質量分析が行われる際に、イオンビームはイオン分離器１２１によって集束され、コリメータ１３１を通過して偏向室１４０内に入射する。
【０００７】
偏向室１４０内では偏向器１４２によって電界が形成されており、入射したイオンビームの軌道は、角度θだけ光軸方向が曲げられ、後段の減速室１６０側に向けて射出される。
【０００８】
減速室１６０の入り口には、中央にスリット１６４が設けられた中性粒子除去板１６３が配置されており、イオン分離器１２１によって集束させられ、偏向器１４２によって軌道が曲げられたイオンビームは、スリット１６４付近に焦点を結び、スリット１６４を通過したイオンビームは後段のイオン減速器１６５に入射する。
【０００９】
前段の偏向器１４２に入射するイオンビームの中には、電子と結合し、電荷を失った中性粒子が混入しているが、その中性粒子は偏向器１４２内を直進し、中性粒子除去板１６３と衝突する。従って、中性粒子はスリット１６４を通過できず、イオン減速器１６５内に侵入しない。
【００１０】
イオンビームはイオン減速器１６５の前方で一旦焦点を結んでおり、イオン減速器１６５に入射する際には発散しているが、イオン減速器１６５がイオンビームを減速させると共に集束させ、後段の試料室１７０のターゲットチャンバー１７１内に向けて射出する。
【００１１】
ターゲットチャンバー１７１内には、試料取付台１７３とファラデーカップ１７２が設けられており、試料取付台１７３上に予めシリコンウェハー等の処理対象物を配置しておくと、ファラデーカップ１７２によってイオンビーム電流量を測定しながら処理対象物へのイオン照射を行うことができる。
【００１２】
以上説明したように、このイオン照射装置１０２では、イオン分離器１２１とイオン減速器１６５によってイオンビームが集束されているが、イオン分離器１２１により、イオン減速器１６５の前方で一旦焦点が結ばれ、その後発散するように構成されている。従って、イオン減速器１６５で再度集束されたイオンビームが、処理対象物に照射される。
【００１３】
しかし、イオンビームの引出電圧や導入ガス圧力が変動すると、イオン化器１１２内のプラズマ形状が変化し、イオンビームの焦点位置が移動してしまう場合がある。イオン分離器１２１やイオン減速器１６５では、イオンの引出電圧が決まるとビーム軌道が定まり、必然的に焦点位置が決まるためイオンビームの焦点を一定の位置に保つことができない。
【００１４】
焦点が適切な位置から移動した場合には、例えば偏向器１４２を通過したイオンビームが広がり、周辺部分が中性粒子除去板１６３によって遮蔽されると、スリット１６４を通過するイオンビーム量が減少するため、イオンの照射効率が低下してしまう。
【００１５】
また、イオン減速器１６５によってイオンビームを減速させ、エネルギー減衰を行う場合に、仮に引き出し電圧が２０ｋＶとして試料に照射する電圧を２００ｋＶとした場合には１／１００の減速率となる。減速率の最適な値は１／２００〜１／１００という幅広い範囲にあり、減速率を変化させた場合、同時にイオン減速器１６５の集束率も変化してしまうため、焦点位置が移動する結果、減速室１６０内を通過できるイオンビーム量が減少し、イオン照射効率が低下するという問題があった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたもので、その目的は、高効率の低エネルギーイオン照射装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、イオン源室と、前記イオン源室から引き出されたイオンビームを所望のイオン種に分離するイオン分離器と、前記所望にイオン種に分離されたイオンビームを減速させるイオン減速器とを有するイオン照射装置であって、前記イオン減速器よりも前方にコンデンサレンズが配置され、前記イオンビームは、前記コンデンサレンズによって所定位置に焦点を結ぶように構成され、前記イオン減速器には、前記焦点を結んだ後、発散するイオンビームが入射され、該イオン減速器は発散する前記イオンビームを再度収束させるように構成され、前記コンデンサレンズへの印加電圧を制御すると、前記焦点の位置を移動できるように構成されたイオン照射装置である。
【００１８】
この請求項１記載のイオン照射装置では、請求項２記載の発明のように、前記コンデンサレンズは、前記イオン分離器の後方に設けることができる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、前記イオン減速器の入り口にはスリットを有する中性粒子除去板が設けられ、前記コンデンサレンズへ電圧を印加しない状態では、前記焦点は前記中性粒子除去板よりも後方で結ぶように構成され、前記コンデンサレンズに電圧を印加すると、前記焦点位置を前方に移動させられるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のイオン照射装置である。
【００２０】
この場合、請求項４記載の発明のように、前記スリットの前段に偏向器を設け、その偏向器に電圧を印加して、イオンビーム中の荷電粒子を前記スリット方向に曲げ、中性粒子を直進させて、中性粒子を除去するようにするとよい。
【００２１】
一般に、イオン照射装置は、イオン源室とイオン分離器とを有しており、イオン源室からイオンビームを引き出し、イオン分離器に入射させ、所望のイオン種を分離させる際にイオンビームを集束させるように構成されている。
【００２２】
特に低エネルギーイオン照射装置ではイオン減速器を有しており、イオン分離器で集束され、一旦焦点を結んだ後、発散するイオンビームを、イオン減速器によって減速させる際に再度集束させ、処理対象物に照射するように構成されている。
【００２３】
ところが、イオン分離器では、質量分析を優先して行う必要があるため、その集束率を制御することができない。また、イオン減速器によってイオンビームの減速率を変化させる場合には、その集束率も変化してしまう。従って、イオンビームの焦点位置を自由に移動させることはできない。イオンビームの焦点が適切な位置からはずれてしまうと、イオン照射装置内のイオンビームの透過率が低下し、効率が悪化してしまう。
【００２４】
本発明のイオン照射装置では、イオン減速器よりも前方に配置されたコンデンサレンズに電圧を印加すると、イオン分離器で集束されたイオンビームを更に集束させられるように構成されている。従って、コンデンサレンズが動作しない状態では、イオンビームは、イオン減速器内、又はそれよりも後方で焦点を結ぶようにしておき、コンデンサレンズへ電圧を印加し、イオンビームの焦点位置をイオン減速器よりも前方の適切な位置まで移動させ、イオンビームの透過率を高めることができる。
【００２５】
このようなコンデンサレンズはイオン分離器の前方に設けてもよいが、前方に設けると質量分離器によるレンズの効果の集束率の補正をすることが難しくなる。従って、コンデンサレンズが動作しない状態では、イオンビームの焦点が後方にある程、焦点を移動させられる範囲が広がる。イオン源室とイオン分離器とが近接した方がイオンビームの焦点は後方に結ばれるので、イオン源室とイオン分離器とを近接配置する際に邪魔にならないよう、コンデンサレンズはイオン分離器の後方に設ける方がよい。
【００２６】
イオン減速器の入り口にスリットが設けられている場合には、コンデンサレンズへの印加電圧を制御し、イオンビームの焦点が、そのスリット内、又は近傍位置に結べるようにしておくと、スリットを通過するイオンビームの量が増すので、効率を向上させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、符号２は本発明の一実施形態のイオン照射装置であり、イオン源室１０、主チャンバー５、ベローズチャンバー５０、減速室６０、試料室７０を有している。
【００２８】
イオン源室１０、減速室６０、試料室７０は、それぞれモジュールチャンバー１１、減速電極チャンバー６１、ターゲットチャンバー７１を有している。ベローズチャンバー５０は長さ調節可能に構成されており、主チャンバー５の一端には、モジュールチャンバー１１が接続されており、他端には、ベローズチャンバー５０、絶縁碍子６２、減速電極チャンバー６１、ターゲットチャンバー７１がこの順で接続され、図示しない真空ポンプを起動すると、各チャンバー１１、５、５０、６１、７１内を真空排気できるように構成されている。
【００２９】
モジュールチャンバー１１、主チャンバー５、ベーローズチャンバー５０は電気的に接続され、同電位になるように構成されている。また、減速電極チャンバー６１とターゲットチャンバー７１とは電気的に接続され、同電位になるように構成されている。ベローズチャンバー５０と減速電極チャンバー６１との間には絶縁碍子６２が設けられており、主チャンバー５側とターゲットチャンバー７１側とは異なる電圧を印加できるように構成されている。
【００３０】
モジュールチャンバー１１の内部には、イオン化器１２が電気的に絶縁した状態で設けられており、そのイオン化器１２内にはフィラメント１３が設けられている。イオン化器１２内を真空排気した状態で照射対象のガスを導入し、フィラメントに通電して１０００℃程度の高温にし、熱電子を放射させるとイオン材料ガスのプラズマが発生し、正イオンガス又は負イオンガスが生成される。
【００３１】
イオン化器１２と主チャンバー５との間には、モジュールチャンバー１１やイオン化器１２とは電気的に絶縁した状態で、引出電極１４と加速・減速電極１５とが、この順に設けられており、イオン化器１２の加速電極１４に向いた面には、イオン放出口１６が設けられている。加速電極１４と加速・減速電極１５とには、イオン引出口１６と同一線上に通過孔１７₁、１７₂が設けられている。
【００３２】
イオン化器１２内で生成されるイオンが正イオンの場合、イオン化器１２には正電圧が、加速電極１４には負電圧が印加され、イオン化器１２内の正イオンはイオンビームとなってイオン引出口１６から引き出され、加速電極１４と加速・減速電極１５の通過孔１７₁、１７₂を通過し、主チャンバー５内に射出される。
【００３３】
図２(ｂ)のイオン照射装置２のブロック図内に、符号８でイオンビームの軌道を示す。また、図３に、イオンビーム８の電位を縦軸にとり、横軸にイオン照射装置２内の位置をとり、イオン照射装置２内の位置によるイオンビーム８の電位変化を示す。
【００３４】
イオン化器１２から加速電極１４によって引き出されたイオンビーム８は、先ず、イオン化器１２に印加された電圧(＋１６０Ｖ)に対し、フィラメント１３への通電電圧が重畳された電位になる(＋２００Ｖを超える電圧値)。その後、加速電極１４に到達する位置で、加速電極１４の電位(−２０ｋＶ〜−３０ｋＶ程度の電位)になる。
【００３５】
イオンビーム８を減速させるために、加速・減速電極１５の電位は加速電極１４よりも高くなるようにされており(加速・減速電極１５の電位は−２０ｋＶ)、イオンビーム８の電位は、加速・減速電極１５に到達する位置ではその電位(−２０ｋＶ)になる。
【００３６】
通過孔１７₁、１７₂を通過したイオンビーム８が入射する主チャンバー５には、イオン源室１０側から見て、順番に、イオン分離室２０、イオン集束室３０、偏向室４０に区分けされており、イオンビーム８は、先ず、イオン分離室２０内に入射する。なお、イオンビーム８の電位は、この主チャンバー５内、及びその後段のベローズチャンバー５０内では変化しない。
【００３７】
イオン分離室２０には、電磁石から成るイオン分離器２１が設けられており、入射したイオンビーム８は、このイオン分離器２１が形成する磁界によってローレンツ力を受け、電荷と質量の比に応じて軌道が曲げられる。
【００３８】
イオン分離室２０は所定半径で湾曲されており、イオン分離器２１が形成する磁界強度を調節して質量分析を行い、所望のイオン種だけを次段のイオン集束室３０に向けて射出させる。
【００３９】
イオン集束室３０内には、中央に穴３３を有するコリメータ３１と、円筒形形状のコンデンサレンズ３２とがこの順で設けられており、イオン分離室２０を通過し、イオン集束室３０に到達したイオンビーム８のうち、穴３３を通過したものがコンデンサレンズ３２内に入射する。
【００４０】
コンデンサレンズ３２には、図２(ｂ)の実線で示すように、イオンビーム８を集束させるような電圧が印加されており、コンデンサレンズ３２に電圧を印加しない場合の同図点線で示した軌道に比べ、イオンビーム８の焦点位置が手前になるようにされている。
【００４１】
コンデンサレンズ３２内を通過したイオンビーム８は、次段の偏向室４０に入射する。この偏向室４０には、アース板４１と偏向器４２とがこの順で設けられており、偏向室４０内に入射したイオンビーム８は、アース板４１中央の穴４３を通り、偏向器４２内に入射する。
【００４２】
偏向器４２は、平板状の第１偏向電極４４と「く」字形状の第２偏向電極４５とを有しており、第１、第２偏向電極４４、４５は、アース板４１側が平行にされ、且つ、次段のベーローズチャンバー５０側が広がるように配置されている。
【００４３】
第１偏向電極４４は、第２偏向電極４５に対して正電圧が印加されており、従って、偏向器４２内に入射した正電荷のイオンビーム８は、第１偏向電極４４と反発し、第２偏向電極４５に引きつけられ、軌道が第２偏向電極４５側に曲げられる。他方、電子とイオンの再結合によって発生し、イオンビーム８中に混入した無電荷の中性粒子は、偏向器４２内で曲げられず、入射したイオンビーム８の光軸に沿って直進する。
【００４４】
次段の減速室６０の入り口には、中性粒子除去板６３が設けられており、その後方には、イオン減速器６５とグラウンド電極６６とがこの順で設けられている。
【００４５】
中性粒子除去板６３の中央にはスリット６４が設けられており、偏向器４２によって軌道が曲げられたイオンビーム８は、スリット６４に向かうようにされている。従って、そのイオンビーム８はスリット６４を通過できるが、直進する中性粒子は中性粒子除去板６３と衝突し、スリット６４を通過できない。
【００４６】
このように、中性粒子除去板６３とスリット６４により、イオンビーム８の中から中性粒子が除去されるが、イオンビーム８は、イオン分離器２１とコンデンサレンズ３２を通過する際に集束させられている。
【００４７】
イオンビーム８の焦点Ｆは、コンデンサレンズ３２に電圧が印加されていないときには中性粒子除去板６３よりも後方で結ぶようにされており、コンデンサレンズ３２に正電圧が印加されたときに、焦点Ｆは前方に移動するように構成されている。従って、コンデンサレンズ３２に適切な大きさの電圧を印加すると、焦点Ｆを、スリット６４内、又はスリット６２近傍に位置させることができる。
【００４８】
このように、コンデンサレンズ３２により、焦点Ｆの位置を移動させられるので、イオン化器１２内の導入ガス圧力の変動があった場合や、引出電極１４への印加電圧が変わった場合であっても、コンデンサレンズ３２への印加電圧を制御することで、焦点Ｆが適切な位置で結ばれ、中性粒子除去板６３で遮蔽されるイオンビーム８の量を減少させ、透過率を向上させることができる。
【００４９】
コンデンサレンズを有していない従来のイオン照射装置１０２では、焦点Ｆを移動させられないので、図２(ａ)のようにイオンビーム１０８が広がった場合には、イオンビーム１０８のうち、中性粒子除去板１６３で遮蔽される斜線部分の量が増加する。
【００５０】
スリット６４を通過したイオンビーム８は発散しながらイオン減速器６５中に入射する。このイオン減速器６５は、円筒形形状の電極で構成されており、その中心軸線がイオンビーム８の光軸と一致するように配置されている。
【００５１】
イオン減速器６５は、加速・減速電極１５に対して正電圧が印加されており(イオン粒子が正電荷の場合)、中性粒子除去板６３からイオン減速器６５へ到達するまでにイオンビーム８中のイオンは減速され、イオン減速器６５の電位まで上昇する(ここでは−２０ｋＶから−１０ｋＶの電位に上昇している)。
【００５２】
一旦発散したイオンビーム８は、イオン減速器６５を通過する際に印加された電圧によって集束され、グラウンド電極６６に向けて射出される。グラウンド電極６６は、減速電極チャンバー６１と共にグラウンド電位に置かれており、イオン減速器６５を通過したイオンビーム８は電位上昇し、グラウンド電極６６に到達する位置でグラウンド電位になる。
【００５３】
グラウンド電極６６には通過孔６７が設けられており、イオンビーム８は通過孔６７を通過し、後段の試料室７０のターゲットチャンバー７１内に向けて射出される。
【００５４】
ターゲットチャンバー７１はグラウンド電位に置かれており、内部には、ファラデーカップ７２と、試料取付台７３とが設けられている。ターゲットチャンバー７１内に入射し、試料取付台３７側に照射されたイオンビーム８によって、試料取付台３７上に配置された処理対象物(基板)表面へのイオン照射が行われる。このとき、ファラデーカップ７２側に照射されたイオンビーム８によってイオン電流値が検出され、イオン照射量が測定される。
【００５５】
このように、本発明によれば、イオンビーム８の焦点Ｆを移動させることができるので、焦点Ｆを適切な位置に結ばせ、イオンの照射効率を高めることができる。
【００５６】
なお、上述のコンデンサレンズ３２は、イオン分離器２１の後段に設けたが、図１の点線で示したコンデンサレンズ３２'のように、イオン分離器２１の前段に設けてもよい。
【００５７】
但し、コンデンサレンズ３２、３２'に電圧を印加しない状態では、イオンビーム８の焦点Ｆは、できるだけ後方で結ばれるように構成しておいた方が、コンデンサレンズ３２、３２'による焦点Ｆの移動範囲が広くなる。そのためには、イオン源室１０とイオン分離室２０とはできるだけ近接配置させることが望ましいので、イオン源室１０とイオン分離器２１との間には、コンデンサレンズ３２'は配置しない方が有利である。
【００５８】
【発明の効果】
イオンビームの焦点を移動させることができる。従って、イオン減速器の減速率を変える場合や、イオン源内のプラズマの状態を変化させる場合に、更に、引出電圧を変化させる場合でも、焦点が適切な位置で結ばれるようにできるので、イオンビームの透過率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例のイオン照射装置の概略構成図
【図２】(ａ)：従来技術のイオン照射装置のイオンビームの集束状況を説明するための図 (ｂ)：本発明のイオン照射装置のイオンビームの集束状況を説明するための図
【図３】本発明のイオン照射装置におけるイオンビーム電位の推移を説明するための図
【図４】従来技術のイオン照射装置の概略構成図
【符号の説明】
２……イオン照射装置８……イオンビーム１０……イオン源室２１……イオン分離器３２……コンデンサレンズ４２……イオン減速器
４３……スリット

Claims

イオン源室と、
前記イオン源室から引き出されたイオンビームを所望のイオン種に分離するイオン分離器と、
前記所望にイオン種に分離されたイオンビームを減速させるイオン減速器とを有するイオン照射装置であって、
前記イオン減速器よりも前方にコンデンサレンズが配置され、前記イオンビームは、前記コンデンサレンズによって所定位置に焦点を結ぶように構成され、
前記イオン減速器には、前記焦点を結んだ後、発散するイオンビームが入射され、該イオン減速器は発散する前記イオンビームを再度収束させるように構成され、
前記コンデンサレンズへの印加電圧を制御すると、前記焦点の位置を移動できるように構成されたイオン照射装置。
前記コンデンサレンズは、前記イオン分離器の後方に設けられたことを特徴とする請求項１記載のイオン照射装置。
前記イオン減速器の入り口にはスリットを有する中性粒子除去板が設けられ、
前記コンデンサレンズへ電圧を印加しない状態では、前記焦点は前記中性粒子除去板よりも後方で結ぶように構成され、
前記コンデンサレンズに電圧を印加すると、前記焦点位置を前方に移動させられるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のイオン照射装置。
前記スリットの前段に偏向器が設けられ、
該偏向器に電圧を印加すると、イオンビーム中の荷電粒子を前記スリット方向に曲げ、中性粒子を直進させられるように構成されたことを特徴とする請求項３記載のイオン照射装置。