JP4426424B2 - イオン注入装置及びイオンビーム生成方法 - Google Patents
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Description
一方、近年需要の拡大しつつある低温ポリシリコンTFT液晶等に代表される平面型表示装置(以降、FPD(フラットパネルディスプレイ)という)においてもガラス基板上にアクティブマトリクス素子としてTFT(薄膜トランジスタ)が形成される。すなわち、ガラス基板上に形成したポリシリコン層等に一定量のホウ素、りん、砒素等の不純物を極微少量(ppm〜ppbの範囲)含ませるため、イオン注入処理が行われる。
このようなイオン注入では、チャンバ内に供給された原料ガスを電離させてプラズマを生成し、このプラズマから取り出された荷電粒子からなるイオンビームをターゲット基板に照射するイオン注入装置が用いられる。
上記従来から用いられてきたイオン注入装置ではイオンビームのビーム幅が一定であり、固定されたものであるため、FPDの分野におけるイオン注入の処理効率は、今後のFPD用ガラス基板の大型化に伴って一層低下すると予想される。
このようなイオン注入装置では、ビーム幅の広いイオンビームを用いて小さいサイズの基板を処理することもできるが、基板に照射されないイオンビームは無駄となって効率が悪く、さらに装置を構成するイオン源の寿命を考慮すると、非効率な処理を行うことは好ましくない。このため、処理対象基板のサイズに応じたビーム幅を有するイオンビームを用いることが好ましい。
また、特許文献3のようにイオンビームを走査する装置では、別途走査機構を設ける必要があり、小型のイオン注入装置を提供することができない。
前記イオンビーム調整部は、前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に自らを移動する可動機構を有することが好ましい。
その際、前記イオンビーム調整部は、例えば、所定のビーム幅のイオンビームを生成するように位置決めされて前記処理部と前記イオンビーム生成部との間に固定されることが好ましい。あるいは、前記イオン注入装置は、前記制御部の制御により前記イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、前記イオンビーム調整部の移動により、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更することも、同様に好ましい。
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められるビーム幅に応じて、前記可動機構を用いて前記イオンビーム調整部の位置を調整することが好ましい。
また、前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスを有し、前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記多極子デバイスにおける前記収束強度を制御し、さらに、イオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットが、前記多極子デバイスの前記イオンビームの経路に沿った下流側に設けられ、前記制御部は、前記所定のイオン種、前記イオン源から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームの目標ビーム幅を設定することにより、前記収束強度を算出する演算手段を有するとともに、この演算手段で算出された前記収束強度の値を用いて、前記イオンビーム調整部における収束強度を制御し、さらに前記ビーム幅計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められる幅広形状のイオンビームのビーム幅が前記目標ビーム幅に近づくように前記収束強度を繰り返し変更して調整することが好ましい。
さらに、前記イオンビームの幅方向の拡がりの抑制を行う位置を前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に移動させることにより、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更することが好ましい。
さらに、前記所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームは、イオン源で質量の異なる種々のイオン種を含むイオンビームとして生成され、該イオン源で生成された質量の異なる種々のイオン種を含むイオンビームから、所望の質量を持つ所定のイオン種を分離抽出して、該所定のイオン種からなるイオンビームとした後、抽出された所定のイオン種からなるイオンビームの電流密度分布が調整されたものであることが好ましい。
また、イオンビーム注入装置は、イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、この駆動モータの駆動によりイオンビーム調整部を自在に移動させることにより、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更することができる。これにより、FPD用ガラス基板のようなサイズが種々変更される基板に対して、1つのイオン注入装置で対応することができ、装置開発の迅速化及び開発資源の簡素化を実現することができる。
イオン注入装置1は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状(リボン形状)のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入する装置である。
イオン注入装置1は、イオンビームの上流側から、イオン源10、イオン分析器12、多極子レンズ14、4重極子デバイス16、分離板18及びファラディカップ22を有し、さらに、最下流側には、ターゲット基板20を移動可能に支える処理部24を有する。
イオン源10は、図2に示す様に、チャンバ32、フィラメント34、反射電極板(リペラープレート)36、背面電極板38、絶縁部材40、原料ガス供給口42、イオンビーム取出口44、および所定の電圧を印加する引出電源46、アーク電源48、フィラメント電源50、原料ガス調整バルブ52を主に有して構成される。チャンバ32は、図示されない減圧容器内に収納され、チャンバ32内で10−3〜10−4(Pa)に減圧された状態となっている。
チャンバ32は、アーク放電に対して耐高温性を有する、タングステン、モリブデン、タンタル、炭素等の材料で構成され、導電性を有する放電箱である。
チャンバ32の外側には、背面電極板38、フィラメント34および反射電極板36の配置方向(図2中の左右方向)に沿って磁場が形成されるようにN極、S極の磁石47が設けられている。
イオン分析器12は、扇形磁石(セクターマグネット)がイオンビームXの両側に設けられて、図1中の紙面に垂直方向に磁場を形成するように構成されている。
このため、イオンビームX中のイオンが磁場によって曲がるときの軌道半径が、所望の質量を有するイオンのみ、設計されたイオンビームXの経路半径に一致するように設計され、下流側に設けられた分離板18の開口部Aを通過してターゲット基板20に照射される。所望の質量より軽いイオンは、軌道半径が小さく、大きく曲がり、扇形磁石の側面の位置Bや下流側の分離板18の位置Bにおいて遮断される。一方、所望の質量より重いイオンは、軌道半径が大きく、曲がりが小さく、扇形磁石の出口の位置Cや下流側の分離板18の位置Cにおいて遮断される。
図3は多極子レンズ14の概略図である。
各電磁石60は、イオンビームXの幅方向に平行して延びる支持棒62に対して直交する方向に鉄心を配置し、その周りに巻き回されたコイルによって構成される。鉄心の断面は長方形〜長円形の形状を成しており、鉄心は、その断面の長手方向(断面が長方形の場合は長辺方向、長円形の場合は長軸方向)が、直下又は直上を通るイオンビームの進行方向に沿うように設けられるのが好ましい。
各電磁石60は、制御ユニット64とそれぞれ接続され、各電磁石60に流れる電流を自在に制御できる構成となっている。電流の制御は、制御ユニット64にて行われ、下流側のターゲット基板20の照射直前の位置でファラディカップ22によって計測され、データ処理装置65にて作成された電流密度分布のプロファイルに基づいて、電磁石60に流す電流を設定し、電磁石60によって形成される局所磁場を調整、制御する。
なお、イオン源10、イオン分析器12及び多極子レンズ14は、所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部として機能する。
すなわち、4重極子デバイス16は、本発明において、6〜30度の拡がり角度で拡がるイオンビームXの収束強度を調整することにより、略平行ビーム(拡がり角度±1度以内)とするイオンビーム調整部として機能する。
すなわち、多極子レンズ14を通過したイオンビームXは、5〜30度の拡がり角度で拡がっているので、4重極子デバイス16をイオンビームXの上流側に移動することにより、略平行ビームとする4重極子デバイス16は、イオンビームXのビーム幅を狭め、下流側に移動することにより、ビーム幅を拡げる。このようなビーム幅の調整のために、移動台17は移動可能になっている。
処理部24は、高真空(10−3〜10−4(Pa))に減圧されたチャンバ80内に設けられ、図5に示すように、プーリ82に張られたベルト84に基台86が設けられ、この基台86にターゲット基板20が支持固定されている。プーリ82は、図示されないモータにより回転が制御され、基台86が図5中の上下方向に移動する構成となっている。このため基台86の移動によりターゲット基板20がイオンビームXの照射位置に対して上下方向に移動することで、ターゲット基板20をイオンビームXに対して走査移動する構成となっている。イオンビームXは、ターゲット基板20の幅に従ってビーム幅が調整されて、イオンビームXのビーム幅はターゲット基板20の幅と一致するか、あるいはそれよりも広くなっている。したがって、イオンビームXを用いて幅の広いターゲット基板20についても効率よくイオン注入することができる。
制御ユニット64は、算出されたプロファイルに基づいて、電磁石60及び電磁石70に流す電流を設定する制御部分である。すなわち、制御ユニット64は、4重極子デバイス16にて行うイオンビームの拡がりを抑制するための収束強度の制御を行なうとともに、多極子レンズ14が行なうイオンビームの電流密度分布を所望の分布にするように制御する。
データ処理装置65及び制御ユニット64は、コンピュータ66によって構成される。このコンピュータ66は、イオン注入装置1の各部分の操作を調整し、制御する部分も兼ねる。
一方、制御ユニット64は、データ処理装置65から、電流密度分布のプロファイルの供給を受けると、プロファイルから求められるビーム幅と目標ビーム幅との差分を計算してイオンビームの収束強度の修正量を算出する。こうして、計測された電流密度のプロファイルから求められるビーム幅が目標ビーム幅に近づくように4重極子デバイス16におけるイオンビームの収束強度を繰り返し変更して調整する。
イオン注入装置1は以上のように構成される。
本発明では、生成したイオンビームの電流密度のプロファイルがファラディカップ22によって計測されてデータ処理装置65で求められるので、この電流密度分布のプロファイルから、位置調整された4重極子デバイス16及び多極子レンズ14の電流の調整、制御を行う。
一方、幅広形状のイオンビームの電流密度がターゲット基板の直前でファラディカップ22により計測される。計測されたデータはデータ処理装置65に供給され、電流密度分布のプロファイルが求められる。このプロファイルは、制御ユニット64に供給され、初期値が適切か否かが、電流密度分布のプロファイルから求められるビーム幅と目標ビーム幅との比較によって判断される。このとき、比較するビーム幅の差が所定値より大きい場合には、初期値の修正が必要と判断され、得られたプロファイルに応じて伝達関数のパラメータが修正される。この修正された伝達関数を用いて、上記設定入力されたイオンの質量、設定エネルギ及び目標ビーム幅から、初期値の修正量が算出される。
同様に、電流密度分布のプロファイルが所望のプロファイル形状とならない場合、多極子レンズ14の各局所磁場の設定値も修正される。なお、多極子レンズ14の局所磁場の設定値が修正されると、これに連動して上記伝達関数のパラメータを修正するようにしてもよい。こうして、多極子レンズ14の局所磁場及び4重極子デバイス16の収束強度用磁場が電源67を介して修正される。
なお、イオン注入装置1では、拡がり角度を持って拡がるイオンビームXを略平行ビームとするデバイスとして4重極子デバイス16を用いるが、多極子レンズ14を、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部として用いてもよい。また、本発明において、イオンビーム調整部は、4重極子デバイス16、多極子レンズ14に限定されない。6重極子デバイス等の多極子デバイスを用いてもよい。また、例えば電場を利用してイオンビームの収束強度を制御する静電4重極レンズ等の静電レンズを用いることもできる。この場合、電流の代わりに電圧を制御する。
これに対して、図6に示すイオン注入装置1はイオンビームXのビーム幅を変更できるので、上記問題は生じない。また、一般にイオン注入装置で行うイオンビームの照射時間は、ビームの電流強度と相反関係にある。このため、ビーム幅を可能な限りターゲット基板の幅に一致させて照射することは、イオン注入装置の処理能力及びメンテナンス頻度つまり運用効率に直接影響を与えるものである。このような点からイオンビームのビーム幅とターゲット基板の幅を可能な限り一致させることは装置能力を決定する上で重要であり、イオンビームのビーム幅を可変とする本発明を好適に用いることができる。
10 イオン源
12 イオン分析器
14 多極子レンズ
16 4重極子デバイス
17 移動台
18 分離板
20 ターゲット基板
22 ファラディカップ
24 処理部
32 チャンバ
34 フィラメント
36 反射電極板(リペラープレート)
38 背面電極板
40 絶縁部材
42 原料ガス供給口
44 イオンビーム取出口
46 引出電源
47 磁石
48 アーク電源
49 引出電極
50 フィラメント電源
52 原料ガス調整バルブ
60,70 電磁石
62 支持棒
64 制御ユニット
65 データ処理装置
66 コンピュータ
67 電源
68 モータ
72 スライドレール
79 ボールネジ
80 チャンバ
82 プーリ
84 ベルト
86 基台
Claims (11)
- ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入するイオン注入装置であって、
所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部と、
生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制することにより、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部と、
前記イオンビーム調整部が行うイオンビームの拡がりを抑制するためのイオンビームの収束強度の制御を行なう制御部と、
ターゲット基板を配し、略平行ビームとなった幅広形状のイオンビームを照射してイオン注入処理を行う処理部と、を有し、
前記イオンビーム調整部は、前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に自らを移動する可動機構を有することを特徴とするイオン注入装置。 - 前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスであり、
前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記イオンビーム調整部における前記収束強度を制御する請求項1に記載のイオン注入装置。 - 前記イオンビーム調整部は、所定のビーム幅のイオンビームを生成するように位置決めされて前記処理部と前記イオンビーム生成部との間に固定される請求項1または2に記載のイオン注入装置。
- 前記制御部の制御により前記イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、前記イオンビーム調整部の移動により、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更する請求項1または2に記載のイオン注入装置。
- さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、
このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分から求められるビーム幅に応じて、前記制御部は、前記収束強度を制御する請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン注入装置。 - さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、
このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分から求められるビーム幅に応じて、前記可動機構を用いて前記イオンビーム調整部の位置を調整する請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオン注入装置。 - 前記イオンビーム生成部は、
質量の異なる種々のイオン種を含むイオンビームを生成するイオン源と、
該イオン源で生成された質量の異なる種々のイオン種を含むイオンビームから、所望の質量を持つ所定のイオン種を分離抽出して、該所定のイオン種からなるイオンビームを生成するイオン分析器と、
該イオン分析器で抽出された所定のイオン種からなるイオンビームの電流密度分布を調整する多極子レンズと、を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載のイオン注入装置。 - 前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスを有し、
前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記多極子デバイスにおける前記収束強度を制御し、
さらに、イオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットが、前記多極子デバイスの前記イオンビームの経路に沿った下流側に設けられ、
前記制御部は、前記所定のイオン種、前記イオン源から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームの目標ビーム幅を設定することにより、前記収束強度を算出する演算手段を有するとともに、この演算手段で算出された前記収束強度の値を用いて、前記イオンビーム調整部における収束強度を制御し、さらに前記ビーム幅計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められる幅広形状のイオンビームのビーム幅が前記目標ビーム幅に近づくように前記収束強度を繰り返し変更して調整する請求項7に記載のイオン注入装置。 - ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームを所定の幅のターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入する際に、
所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成し、生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度を制御することにより、イオンビームの拡がりを抑制した幅広形状のイオンビームを生成するステップと、
生成された幅広形状のイオンビームの電流密度分布をターゲット基板の直前で計測するステップと、
計測された電流密度分布から求められるビーム幅が、目標とするビーム幅に近づくように、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度の調整を繰り返し行うステップと、を有し、
前記イオンビームの幅方向の拡がりの抑制を行う位置を前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に移動させることを特徴とするイオンビーム生成方法。 - 前記イオンビームの幅方向の拡がりの抑制を行う位置を前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に移動させることにより、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更する請求項9に記載のイオンビーム生成方法。
- 前記所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームは、
イオン源で質量の異なる種々のイオン種を含むイオンビームとして生成され、
該イオン源で生成された質量の異なる種々のイオン種を含むイオンビームから、所望の質量を持つ所定のイオン種を分離抽出して、該所定のイオン種からなるイオンビームとした後、
抽出された所定のイオン種からなるイオンビームの電流密度分布が調整されたものである請求項9または10に記載のイオンビーム生成方法。
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