JP4288288B2 - イオン注入装置 - Google Patents
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Description
一方、帯状イオンビームは、基板の幅方向の同じ位置を、幅方向と直交する方向に処理するので、この帯状イオンビームの電流密度分布が幅方向で均一でない場合、基板上で不均一にイオン注入された部分が線状になって現れ、正確なイオン注入処理が行えない。このため、帯状イオンビームは、所望の電流密度分布になるように、正確に調整することが望まれている。
又、イオンビームの分布を調べるための位置検出器が設けられている。
近年、イオン注入の際、イオンビームの注入角度の制御や温度管理が一層必要となっているが、上記帯状イオンビームの厚さの不均一は、この管理をも一層困難なものとしている。
前記帯状イオンビームの前記厚さが、所定の領域で前記帯状イオンビームの電流密度分布を調整するように、前記調整ユニットが配置され、
前記所定の領域は、前記帯状イオンビームの収束位置、あるいは、前記帯状イオンビームの収束位置より、帯状イオンビームの下流側の、前記質量分離マグネットを通過するときの前記帯状イオンビームの前記厚さに比べて薄くなっている領域であることを特徴とするイオン注入装置を提供する。
又、前記調整ユニットは、前記帯状イオンビームの前記厚さ方向の両側に対を成して、前記幅方向に沿って複数の対が設けられた磁石で構成され、前記分離スリットは非磁性体で構成されていることが好ましい。
あるいは、前記調整ユニットは、前記帯状イオンビームの前記厚さ方向の両側に対を成して、前記幅方向に沿って複数の対が設けられた電極で構成され、前記分離スリットの位置に隣接して設けられ、前記調整ユニットは、隣接する前記分離スリットの側には、前記電極により形成される電場を遮蔽する電場シールドを備えることも同様に好ましい。
イオン注入装置10は、イオンビームの上流側から順に、イオン源を備えるビーム整形部20と、質量分離マグネット及び調整ユニットを備えるビーム輸送部30と、処理対象基板(以降、処理基板という)にイオン注入する処理部60と、制御部80と、を有する。ビーム整形部20、ビーム輸送部30及び処理部60は、図示されない真空ハウジングに囲まれて、真空ポンプにより一定の真空度(10-5〜10-3Pa)を維持するようになっている。
本発明では、イオン源から処理基板に向かって進むイオンビームの流れに基づいて、イオン源の側を上流側といい、処理基板の側を下流側という。
イオン源22から生成されるイオンビームは、図2に示すようにイオンビームの端25a,25bで発散する一方、図1に示すようにイオンビームの端25c,25dでも発散するが、イオンビームの端25c,25dでの発散の程度は低い。このようなイオンビームの発散の程度の違いは、イオン源22の取り出し孔の形状及び引き出し電極の構成によって定めることができる。
こうして生成されるイオンビームの断面形状は、イオンビームの端25c,25d間の長さであるビーム厚さが、イオンビームの端25a,25b間の長さであるビーム幅に比べて小さい形状、すなわち帯状を成す。このイオンビームのビーム幅は、処理基板の横幅よりも広いビーム幅を有するように整形される。
イオン源22にて生成されたイオンビーム24は、帯状となってビーム輸送部30に進む。
質量分離マグネット32は、ヨーク34で形成された角型の筒構造の内側に、図2に示すように、一対の磁極36を向かい合わせに設置し、磁極36の周囲にコイル38を巻いて構成される電磁石である。一対の磁極36の作る磁場は同じ方向となるように直列にコイル38は接続され、図示されない電源に接続されて電流が供給される。
イオンビーム24は、図1に示すイオンビームの端25c,25dの軌道からわかるように、僅かに拡散するイオンビーム24となって質量マグネット32に入射される。このイオンビーム24は、一対の磁極36の間を通過し、帯状のイオンビームの厚さ方向に曲率を持つようにイオンビーム24の進行方向は曲げられ、後述する分離スリットの位置で収束するように整形される。
ここで、イオンビームの電流密度とは、イオンビーム24の厚さ方向、すなわち、イオンビームの端25c,25d間の長さの方向であるビーム厚さ方向に沿って電流密度を積分した積分値、すなわち合計した合計値である。電流密度のばらつきとは、電流密度のビーム幅方向(図2における端25a〜25b間の長さ方向)の分布である電流密度分布が目標とする分布(例えば均一な分布)に対するずれ幅の標準偏差の程度をいい、より具体的には、ばらつき1%以下とは、ずれ幅の標準偏差の、平均電流密度の値に対する比が1%以下であることをいう。
なお、本発明では、電流密度分布は均一な分布の他に、不均一な所望の分布であってもよい。例えば、処理基板62上にCVD法等により形成した薄膜の不均一や熱処理の不均一に合せて、意図的にイオン注入量を場所に応じて変えるために、電流密度分布を目標とする不均一な分布になるように調整する場合もある。
レンズ要素40は、イオンビーム24を挟んだ両側のヨーク42に、電磁石44が対を成し、かつ、イオンビーム24のビーム幅方向に列を成して複数設けられている。これらの電磁石44は、帯状イオンビーム24のビーム厚さ方向の中心面を中心として両側の対称な位置に設けられている。電磁石44は、電磁軟鉄で作られた磁極46と磁極46の周りに巻きまわされたコイル48とで構成され、対を成す電磁石44の一方の電磁石44の作る磁場が他方の電磁石44に向くようにコイル48の線は、一対の電磁石44に対して直列に接続されている。このように、対向する対を成す電磁石44がヨーク42の上に、ビーム幅全体を横断するように複数組設けられる。電磁石44の対の個数は10〜20程度である。
又、レンズ要素40は、磁場を用いて調整する他、後述するように電場を用いてイオンビーム24の調整を行うこともできる。しかし、以下の点から、レンズ要素40は磁場を用いたものが好ましい。すなわち、イオンビーム24の周りを雲状に取り囲み低速で不揃いに運動する電子が、イオンビーム24中の正の電荷同士の斥力によってイオンビーム24自体が発散しようとする特性を抑制しているが、この電子に大きな影響を与えないようにするために、レンズ要素40は磁場を用いることが好ましい。
イオンビーム24のうち、所定の質量及び電荷を持たないイオン粒子は、収束位置で収束しないため、分離スリット50の壁面に衝突して下流側への移動が阻止される。このため、分離スリット50は、イオン粒子の衝突による摩耗に対して耐性を有する素材を用いることが必要であり、例えば、グラファイトが好適に用いられる。イオン粒子の衝突は、垂直に対して傾斜角度を持って壁面に衝突すると摩耗が激しいことから、分離スリット50は、イオン粒子が壁面に対して略垂直に衝突するような形状を備えることが好ましい。
後述するように、レンズ要素40の替わりに電場を用いてイオンビーム24を調整するレンズ要素90を用いる場合、電場に影響を与えない材料の選定が困難であること、及び分離スリット50の表面に導電性の膜が堆積し電場に影響を与えることを考慮して、レンズ要素90は、分離スリット50と隣接するように配置することが好ましい。この場合、分離スリット50は、イオンビーム24の収束位置52に配置する必要があるので、レンズ要素90を分離スリット50に対して隣接するように配置する。
処理基板62は、半導体ウエハあるいはガラス基板が例示される。イオンビーム24のビーム幅は、質量分離マグネット32による調整により、図2に示すように処理基板62の横幅に比べて広くなっている。
又、処理基板62に照射されるイオンビーム24は、図2に示すように下流側の処理基板62に進むに従って位置が低下するように図中下側に傾斜している。これは、処理基板62が図示されない基台によって、処理基板62の背面から重力を生かして保持され、かつ、イオンビーム24が処理基板62に対して垂直に入射させるためである。処理基板62を背面から保持するのは、イオンビームに曝される処理基板62の前面にクランプ治具等の保持機構を設けることはできないからである。
処理基板62がガラス板の場合、一辺が1m四方の正方形形状で厚さが0.5mmの板が多く、容易に撓み易い。さらに、ガラス板の前面には微細な回路素子等のための加工が施されているので、微細な塵や粒子が付着することを避けるために、クランプ等によって処理面の側から接触することもできない。したがって、図2に示すように、処理基板62を傾斜させ重力を利用して背面から保持することが好ましい。
ファラディカップ64は、図1,2に示されるように複数個並べる形態の他に、単一のファラディカップをイオンビーム24のビーム幅方向に、端から端まで横断するように移動させて位置と電流密度を対として計測してもよい。この方法では、ファラディカップを1つ用いるだけで精度良く計測することができる。
本実施形態の処理部60は、処理基板62を上下方向に移動させてイオン注入を行うものであるが、本発明では、この他、処理基板を円弧状に運動させて、あるいは円盤上に載置して回転運動させてイオンビームを照射させる方式でもよい。円弧状の運動や回転運動の場合、回転半径が場所で異なるため、処理基板の各位置はイオンビームに対して移動する。したがって、均一なイオン注入を行うためには、処理基板の各位置の移動を考慮して、イオンビームの電流密度分布を調整する必要がある。
計測器82は、各ファラディカップ64から送られたデータを用いて、電流密度分布を算出する部分である。得られた電流密度分布の結果は制御器84にて、どのレンズ要素40の電磁石44のコイル48に電流を流すか、電流値とともに決定する部分である。電流を流すべき電磁石44の位置とその電流値は、制御器84にて自動設定されるように構成してもよいし、操作者が手動で入力するようにしてもよい。又、電流密度分布のパターン毎に電流を流すべき電磁石44の位置とその電流値を定めた情報を、図示されないメモリに記憶しておき、この情報を逐次呼び出して設定するように構成してもよい。
電源部86は、制御器84で決定された電磁石44の位置と電流値に基づいて、対応する電磁石44に電流を供給する部分である。
これにより、電流を流すべき電磁石44の位置と電流値を決定し、その電磁石44に電流を流すことによって、イオンビーム24中の電磁石44に対応する位置において、イオン粒子の移動方向を磁場によって曲げ電流密度分布を調整することができる。
図3(a)は、レンズ要素40の替わりに用いるレンズ要素90の平面図であり、図3(b)は、レンズ要素90の内部を説明する図である。
レンズ要素90は、イオンビーム24の収束位置52の下流側に設けられている。
本発明では、レンズ要素90は、上流側に位置する質量分離マグネット32を通過するイオンビーム24のビーム厚さに比べて薄くなっている、イオンビームの収束位置52の近傍の領域で、イオンビームの電流密度分布が調整されるように設けられていればよく、図3(a),(b)に示すように、分離スリット50の位置に隣接する位置に設けられている。
図3(a),(b)に示すように、レンズ要素90の上流側及び下流側には、真空ハウジング110からシールド電極95a,95bが立設している。シールド電極95a,95bは、電極91を中心として対称な位置に設けられており、レンズ要素90の作る電場が、レンズ要素90の領域以外でイオンビーム24に影響を与えないように、電場をシールドするものである。
図4に示すイオン注入装置100は、図1に示すイオン注入装置10と同様に、ビーム整形部20と、質量分離マグネット及び調整ユニットを備えるビーム輸送部30と、処理基板にイオン注入する処理部60と、制御部80と、を有する。ビーム整形部20、ビーム輸送部30及び処理部60は、図示されない真空ハウジングに囲まれて、真空ポンプにより一定の真空度(10-5〜10-3Pa)を維持するようになっている。
なお、レンズ要素40は、磁場を用いたイオンビーム24の調整を行ってもよいし、図3(a),(b)に示すように電場を用いた調整を行ってもよい。
一方、ビーム整形部20は、複数の同じ性能を有するイオン源22a,22b,22cを有し、これらのイオン源22a〜cから生成されるイオンビーム24a〜24cは位置49にて収束するように、各イオン源22a〜22cが配置されている。レンズ要素90は、位置49の近傍領域でイオンビームを調整する。すなわち、イオン注入装置100では、質量分離マグネット32の上流側でイオンビーム24は収束するように構成されているので、位置49の近傍領域でイオンビームの調整を精度良くすることができる。
20 ビーム整形部
22,22a,22b,22c イオン源
24,24a,24b,24c イオンビーム
25a,25b,25c,25d 端
30 ビーム輸送部
32 質量分離マグネット
34 ヨーク
36 磁極
37 磁極端面
38 コイル
40,90 レンズ要素
42 ヨーク
44 電磁石
46 磁極
48 コイル
49,52 収束位置
50 分離スリット
54 鍔
60 処理部
62 処理基板
64 ファラディカップ
80 制御部
82 計測器
84 制御器
86 電源
91 電極
92 端子
93 絶縁端子
94 サポート
95a,95b シールド電極
110 真空ハウジング
Claims (5)
- 処理対象基板に、この処理対象基板の横幅よりも広いビーム幅を有する帯状イオンビームを照射してイオン注入をするイオン注入装置であって、
イオンビームを生成するイオン源を備え、生成したイオンビームを帯状イオンビームに整形するビーム整形部と、
前記帯状イオンビームを処理対象基板に照射する処理部と、
前記帯状イオンビームの前記ビーム幅の方向と直交する帯状イオンビームの厚さ方向に曲率を持つように前記帯状イオンビームの進行方向を曲げる質量分離マグネットと、前記帯状イオンビームの前記ビームの厚さ方向における電流密度の合計値を前記ビーム幅の方向の分布で表した前記帯状イオンビームの電流密度分布を調整する調整ユニットとを備え、前記帯状イオンビームの前記厚さ方向の厚さを薄くして前記帯状イオンビームを収束させた後、前記帯状イオンビームを前記処理部へ進ませるビーム輸送部と、を有し、
前記帯状イオンビームの前記厚さが、所定の領域で前記帯状イオンビームの電流密度分布を調整するように、前記調整ユニットが配置され、
前記所定の領域は、前記帯状イオンビームの収束位置、あるいは、前記帯状イオンビームの収束位置より、帯状イオンビームの下流側の、前記質量分離マグネットを通過するときの前記帯状イオンビームの前記厚さに比べて薄くなっている領域であることを特徴とするイオン注入装置。
- 前記質量分離マグネットは、前記帯状イオンビームを前記厚さ方向において収束させ、この収束する位置に所定のイオン粒子を通過させる分離スリットが設けられ、
前記調整ユニットは、前記分離スリットの位置と重なる位置に又は帯状イオンビームの下流側の前記分離スリットの位置と隣接する位置に設けられる請求項1に記載のイオン注入装置
- 前記調整ユニットは、前記帯状イオンビームの前記厚さ方向の両側に対を成して、前記幅方向に沿って複数の対が設けられた磁石で構成され、
前記分離スリットは非磁性体で構成されている請求項2に記載のイオン注入装置。 - 前記調整ユニットは、前記帯状イオンビームの前記厚さ方向の両側に対を成して、前記幅方向に沿って複数の対が設けられた電極で構成され、前記分離スリットの位置に隣接して設けられ、
前記調整ユニットは、隣接する前記分離スリットの側には、前記電極により形成される電場を遮蔽する電場シールドを備える請求項2に記載のイオン注入装置。 - 前記ビーム整形部は、前記帯状イオンビームを生成するイオン源を複数備え、かつこれらのイオン源から生成される帯状イオンビームを前記イオンビームの厚さ方向において一点で収束するように前記複数のイオン源を配置しており、
前記調整ユニットは、前記所定の領域で、前記イオンビームの電流密度分布を調整するように、前記調整ユニットが配置されている請求項1に記載のイオン注入装置。
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