JP3915548B2

JP3915548B2 - イオンビーム照射装置

Info

Publication number: JP3915548B2
Application number: JP2002051106A
Authority: JP
Inventors: 滋樹酒井
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003257356A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオンビームを偏向電磁石内を通して輸送して基板に照射して、当該基板にイオン注入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、イオンビームの空間電荷による発散を抑えてイオンビームの輸送効率を向上させる手段の改良に関する。
【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４に示す。このイオンビーム照射装置は、図示しないイオン源から引き出され、かつ必要に応じて質量分離、加速または減速等の行われたイオンビーム４を、偏向電磁石３０内を通して輸送して基板（例えば半導体ウェーハ）２０に照射して、当該基板２０にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。
【０００３】
偏向電磁石３０は、磁界Ｂによってイオンビーム４を偏向させることによって、イオンビーム４から特定のエネルギーのイオンを選別して導出するエネルギー分離や、イオンビーム４の走査等を行うものである。この偏向電磁石３０は、イオンビーム４を通す真空容器３２と、その中に、イオンビーム４の進行方向に直交する方向の磁界Ｂ（この例では紙面表方向に向く磁界Ｂ）を発生させるコイル３４と、鉄心（図示省略）とを有している。真空容器３２は、この例では、偏向電磁石３０の上流側および下流側の真空容器と一体で図示しているが、それらと別体の真空容器でも良い。
【０００４】
イオンビーム４を輸送する場合、一般的に、当該イオンビーム４の空間電荷によって、イオンビーム４は発散し、その輸送効率が低下する。特に、低エネルギーおよび大電流のイオンビーム４を輸送する場合は、この発散および輸送効率低下は大きくなる。これは、イオンビームが大電流の場合はその空間電荷が大きく、かつイオンビームが低エネルギーの場合は空間電荷による発散の影響を受けやすいからである。
【０００５】
例えば、基板２０の表面にイオン注入を行って、電界効果トランジスタ（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）を形成するような場合、１００ｅＶ〜５ｋｅＶという低エネルギー、かつ、５０μＡ〜３ｍＡという大電流のイオンビーム４を輸送して基板２０に照射する場合があり、このような場合はイオンビーム４の発散および輸送効率低下は特に大きくなる。
【０００６】
このような課題を解決するために、例えば図４に示す例のように、プラズマ２８を発生させてそれをイオンビーム４の経路に供給するプラズマ源２４を設ける場合がある。このようにすると、プラズマ２８中には低エネルギー（例えば２０〜３０ｅＶ以下）の電子が含まれており、この電子が、イオンビーム４が有するビームポテンシャルによってイオンビーム４中に取り込まれて、イオンビーム４の空間電荷を中和する。これによって、イオンビーム４の発散を抑制することができる。これは、プラズマブリッジと呼ばれる技術である。
【０００７】
プラズマ源２４は、この例では、プラズマ生成容器２５内にフィラメント２６を有していて、両者間のアーク放電によって、ガスを電離させてプラズマ２８を生成するものであるが、このような構成に限られるものではない。例えば、特開平１０−６４４７７号公報にも、プラズマブリッジ用のプラズマ源が記載されており、そのようなものでも良い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなプラズマ２８中の電子供給によるイオンビーム４の中和の場合、電界や磁界のないドリフト空間では、電子が自由に動けるので、中和作用をうまく奏することができる。
【０００９】
しかし、イオン注入装置等のイオンビーム照射装置においては、イオンビーム４の輸送経路に、様々な偏向電磁石が存在する（これについては図３を参照して後で更に説明する）。上記偏向電磁石３０はその一例である。
【００１０】
プラズマ源２４の下流側に偏向電磁石３０が存在する場合、換言すれば偏向電磁石３０の上流側にプラズマ源２４が存在する場合、上記プラズマ２８中の電子は、偏向電磁石３０が作る磁界Ｂにトラップ（捕捉）されるので、偏向電磁石３０の入口までしか到達することができず、それより先へは、即ち偏向電磁石３０内およびその下流側へは、イオンビーム４の経路に沿って移動することはできない。従って、そこではイオンビーム４の空間電荷を中和することができない。つまり、プラズマ源２４を設けても、その下流側に偏向電磁石３０があると、当該偏向電磁石３０内やその下流側においては、イオンビーム４の空間電荷をプラズマ２８中の電子によって中和することができない、という課題がある。
【００１１】
そこでこの発明は、プラズマ源の下流側に偏向電磁石が存在していても、プラズマ源から放出されたプラズマ中の電子が偏向電磁石内をイオンビームの経路に沿って移動することができるようにして、当該電子によってイオンビームの空間電荷を広い領域に亘って中和することができるようにすることを主たる目的とする。
【００１２】
【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、前記偏向電磁石内にイオンビームの経路を挟んで設けられていて、当該偏向電磁石が作る磁界およびイオンビームの進行方向の両者に実質的に直交する方向の電界を発生させる一組の電極と、この電極に前記電界を発生させる電圧を印加する電源とを備えており、かつ前記電界の強さは１０Ｖ／ｃｍ〜１００Ｖ／ｃｍの範囲内であることを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、偏向電磁石内において、互いに実質的に直交（直交を含む）する電界Ｅおよび磁界Ｂを発生させることができるので、プラズマ源から供給されたプラズマ中の電子は、この電界Ｅおよび磁界Ｂと実質的に直交する方向（Ｅ×Ｂ方向）に、即ちイオンビームの経路に沿う方向に押し流されるようなドリフト運動をする。これはＥ×Ｂドリフトと呼ばれる。
【００１４】
このＥ×Ｂドリフトによって、上記プラズマ中の電子は、偏向電磁石内をイオンビームの経路に沿って移動することができる。この電子によって、イオンビームの空間電荷を、偏向電磁石内を含む広い領域に亘って中和することができる。その結果、イオンビームの空間電荷による発散を広い領域に亘って抑えることができるので、イオンビームの輸送効率を向上させることができる。このような作用効果は、イオンビームが例えば前述したような低エネルギーかつ大電流の場合に特に顕著になる。
【００１５】
【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部分的に示す断面図である。図２は、図１中の偏向電磁石周りの概略斜視図である。図４に示した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。
【００１６】
このイオンビーム照射装置においては、前記偏向電磁石３０内であって真空容器３２の側壁の近傍に、当該側壁に沿わせて、かつ当該側壁から電気的に絶縁して、イオンビーム４の経路を挟むように一組の（２枚の）電極３６を設けている。この一組の電極３６は、それに接続された電源３８から電圧が印加されて、偏向電磁石３０が作る磁界Ｂおよびイオンビーム４の進行方向の両者に直交する方向の電界Ｅを発生させる。
【００１７】
電源３８から上記一組の電極３６に印加する電圧は、直流でも良いけれども、交流の方が好ましい。即ち、上記電源３８は、直流電源でも良いけれども、交流電源の方が好ましい。その理由は後述する。
【００１８】
このイオンビーム照射装置によれば、偏向電磁石３０内において、互いに直交する電界Ｅおよび磁界Ｂを発生させることができるので、プラズマ源２４から供給されたプラズマ２８中の低エネルギーの電子は、この電界Ｅおよび磁界Ｂと直交する方向（Ｅ×Ｂ方向）に、即ちイオンビーム４の経路に沿う方向に押し流されるようなドリフト運動（Ｅ×Ｂドリフト）をする。
【００１９】
このＥ×Ｂドリフトによって、上記プラズマ２８中の電子は、偏向電磁石３０内をイオンビーム４の経路に沿って移動することができる。この電子によって、イオンビーム４の空間電荷を、偏向電磁石３０内を含む広い領域に亘って中和することができる。その結果、イオンビーム４の空間電荷による発散を広い領域に亘って抑えることができるので、イオンビーム４の輸送効率を向上させることができる。このような作用効果は、イオンビーム４が例えば前述したような低エネルギーかつ大電流の場合に特に顕著になる。
【００２０】
上記電界Ｅは、直流電界であれ交流電界であれ、強過ぎるとそれによってイオンビーム４の軌道に影響を及ぼし、弱過ぎると電子の上記Ｅ×Ｂドリフトが弱くなるので、当該電界Ｅ（交流電界の場合はその最大値）は、例えば、１０Ｖ／ｃｍ〜１００Ｖ／ｃｍ程度の範囲内にするのが好ましい。電子はイオンに比べて遙かに軽いので、このような小さな電界Ｅでも、イオンビーム４に影響を与えずに電子を上記のようにドリフトによって移動させることができる。
【００２１】
電源３８から電極３６に印加する電圧が直流の場合は、直流の電界Ｅが発生し、プラズマ２８中の電子の内で、主として特定のエネルギーを有する電子がＥ×Ｂドリフトによってイオンビーム４の経路に沿って移動する。その移動方向は、図２に示す電界Ｅと磁界Ｂとの関係では、イオンビーム４の進行方向となる。電界Ｅおよび磁界Ｂの強さを、プラズマ源２４から発生させたプラズマ２８中の電子の内で多量に存在する電子が有するエネルギーに対応したものに選定すれば、当該電子をイオンビーム４の経路に沿ってより効果的にドリフト（移動）させることができるので、当該電子をイオンビーム４の空間電荷の中和により効果的に利用することができる。
【００２２】
これに対して、電源３８から電極３６に印加する電圧が交流の場合は、交流の電界Ｅが発生する。従って、Ｅ×Ｂドリフトによる電子の移動方向は、イオンビーム４の経路に沿う方向において反転する。即ち、下流側に向かう場合と上流側に向かう場合とが交互に起こる。電子は軽いので容易に反転する。それでも、当該電子が偏向電磁石３０内をイオンビーム４の経路に沿って移動することに変わりはないので、当該電子によるイオンビーム４の空間電荷中和に支障はない。
【００２３】
むしろ、交流の電界Ｅを発生させると、当該電界Ｅの大きさが時間的に変化するので、直流の場合に比べて、広いエネルギー範囲の電子をＥ×Ｂドリフトによってイオンビーム４の経路に沿って移動させることができる。プラズマ源２４から発生させたプラズマ２８中の電子のエネルギーは、通常は、特定のエネルギーに集中しているというよりもむしろ、比較的広いエネルギー範囲に分布しているので、大きさの変わる交流の電界Ｅの方が、プラズマ２８中の電子をより多くイオンビーム４の空間電荷の中和に利用することができる。従ってこの観点からは、上記一組の電極３６によって発生させる電界Ｅは、即ち電源３８から電極３６に印加する電圧は、交流の方が好ましい。
【００２４】
電源３８から電極３６に交流の電圧を印加する場合の周波数は、あまり高くしても意味はなく、むしろ電源３８の製作やそれからの交流電圧の伝送が難しくなるので、１ＭＨｚ程度を上限とするのが現実的である。周波数の下限は特にないが、この種のイオンビーム照射装置においては偏向電磁石３０の下流においてイオンビーム４を１００Ｈｚ〜数百Ｈｚで走査する場合があり、その走査周波数と無用な干渉を避ける等のためには、当該１００Ｈｚ〜数百Ｈｚよりも高くするのが好ましい。
【００２５】
図３は、イオンビーム照射装置の一種であるイオン注入装置の一例を示す平面図である。この種のイオン注入装置は、例えば特開２００１−１４３６５１号公報に記載されている。図１および図２に示した構成は、例えば、このようなイオン注入装置に適用することができる。
【００２６】
この図３に示すイオン注入装置は、イオン源２から引き出したイオンビーム４から特定の質量数および価数のイオンを選別して導出する質量分離マグネット６と、それから導出されたイオンビーム４を加速（加速モードの場合）または減速（減速モードの場合）する加速管８と、それから導出されたイオンビーム４から特定のエネルギーのイオンを選別して導出するエネルギー分離マグネット１０と、それから導出されたイオンビーム４を磁界によってＸ方向（例えば水平方向）を含む平面内で往復走査する走査マグネット１２と、それから導出されたイオンビーム４を基準軸１５に対して平行になるように曲げ戻して走査マグネット１２と協働してイオンビーム４の平行走査を行うビーム平行化マグネット１４と、それから導出されたイオンビーム４を基板２０に照射して当該基板２０にイオン注入を行う注入室１６とを備えている。
【００２７】
更に、注入室１６内において、イオンビーム４の照射領域内で基板２０を前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に往復走査する走査機構２２を備えている。基板２０は、この走査機構２２のホルダ２３に保持される。
【００２８】
上記質量分離マグネット６、エネルギー分離マグネット１０、走査マグネット１２およびビーム平行化マグネット１４は、いずれも、イオンビーム４を磁界によって偏向させる偏向電磁石に属するものであり、上記図１および図２に示した偏向電磁石３０であると考えることができる。特に、加速管８を減速モードで使用すると、それより下流側ではイオンビーム４は、例えば前述したような低エネルギーになるので、エネルギー分離マグネット１０、走査マグネット１２およびビーム平行化マグネット１４の一つ以上を（一つでも二つでも全部でも良い）、上記偏向電磁石３０と考えることができる。そして、その偏向電磁石３０に上記のような電極３６および電源３８を設けると共に、その上流側に上記プラズマ源２４を設けるのである。
【００２９】
例えば、エネルギー分離マグネット１０を上記偏向電磁石３０と考え、当該エネルギー分離マグネット１０の上流側であって加速管８よりも下流側に、上記プラズマ源２４を設けても良い。そこにプラズマ源２４を設けて、イオンビーム４として１ｋｅＶのエネルギーを有するＢ⁺のイオンビーム４をエネルギー分離マグネット１０に導入して、エネルギー分離マグネット１０の出口に到達するイオンビーム４のビーム電流を、図示しないファラデーカップによって計測した結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
上記比較例１は、プラズマ源２４を使用しない場合であり、比較例２は、プラズマ源２４を使用してプラズマ２８（図１参照）を供給した場合である。但しいずれも、エネルギー分離マグネット１０内に上記のような電極３６は設けていない。上記実施例は、この発明に係るものであり、プラズマ源２４を使用してプラズマ２８を供給すると共に、エネルギー分離マグネット１０内に上記のような一組の電極３６を設けておいてそれに電源３８から交流電圧を印加した場合である。このとき、交流電圧の周波数は１ｋＨｚとし、電界Ｅの最大値は３０Ｖ／ｃｍとした。
【００３２】
比較例１および比較例２に比べて、実施例の方が、エネルギー分離マグネット１０の出口に到達するイオンビーム４のビーム電流が２倍以上に増加することが分かる。これは、前述したような作用によって、イオンビーム４の空間電荷が中和されて発散が抑制され、その輸送効率が向上したからである。
【００３３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、偏向電磁石内において、互いに実質的に直交する電界および磁界を発生させることができるので、プラズマ源から供給されたプラズマ中の電子は、この電界および磁界と実質的に直交する方向に、即ちイオンビームの経路に沿う方向に押し流されるようなドリフト運動をする。このドリフト運動によって、上記プラズマ中の電子は、偏向電磁石内をイオンビームの経路に沿って移動することができ、この電子によって、イオンビームの空間電荷を、偏向電磁石内を含む広い領域に亘って中和することができる。その結果、イオンビームの空間電荷による発散を広い領域に亘って抑えることができるので、イオンビームの輸送効率を向上させることができる。
しかも上記電界の強さは１０Ｖ／ｃｍ〜１００Ｖ／ｃｍの範囲内であり、電子はイオンに比べて遙かに軽いので、このような小さな電界によって、イオンビームの軌道に殆ど影響を与えずに電子を上記のようにドリフトによって移動させることができる。
【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部分的に示す断面図である。
【図２】図１中の偏向電磁石周りの概略斜視図である。
【図３】イオンビーム照射装置の一種であるイオン注入装置の一例を示す平面図である。
【図４】従来のイオンビーム照射装置の一例を部分的に示す断面図である。
【符号の説明】
４イオンビーム
２０基板
２４プラズマ源
２８プラズマ
３０偏向電磁石
３６電極
３８電源
Ｅ電界
Ｂ磁界

Claims

イオンビームを偏向電磁石内を通して輸送して基板に照射する装置であって、当該偏向電磁石の上流側に、プラズマを発生させてそれをイオンビームの経路に供給するプラズマ源を有するイオンビーム照射装置において、前記偏向電磁石内にイオンビームの経路を挟んで設けられていて、当該偏向電磁石が作る磁界およびイオンビームの進行方向の両者に実質的に直交する方向の電界を発生させる一組の電極と、この電極に前記電界を発生させる電圧を印加する電源とを備えており、かつ前記電界の強さは１０Ｖ／ｃｍ〜１００Ｖ／ｃｍの範囲内であることを特徴とするイオンビーム照射装置。