JP4492591B2

JP4492591B2 - イオン注入装置およびその調整方法

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Publication number: JP4492591B2
Application number: JP2006202024A
Authority: JP
Inventors: 貴敏山下
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: JP2008027846A

Description

この発明は、分析電磁石および分析スリットを備えていてイオンビームの運動量分析（例えば質量分析）を行うイオン注入装置およびその調整方法に関し、より具体的には、空間電荷の影響によってイオンビームの焦点が分析スリットの位置からずれるのを防止する手段に関する。

イオン注入装置において、イオンビームの運動量分析（例えば質量分析。以下同様）を行うために、分析電磁石および分析スリットを用いることは良く知られている（例えば特許文献１参照）。

その場合、分析スリットは、一般的に、イオンビームの輸送効率と、運動量分析の分解能の両方を上げるために、分析電磁石から導出される所望運動量（例えば所望質量。以下同様）のイオンビームの焦点付近に設けられる。この明細書において焦点は、所望運動量のイオンビームの焦点をいう。

特開平９−４５２７３号公報（段落０００２、図４）

イオンビームは、それが持つ空間電荷によって広がる性質を有しているので、空間電荷の影響が無視できる小電流イオンビームの焦点位置と、無視できない大電流イオンビームの焦点位置とでは、イオンビームの広がり方の差によって、大きな違いが生じる。具体的には、大電流イオンビームの場合は、小電流イオンビームの場合に比べて下流側に焦点が移動する。空間電荷によるイオンビームの広がりが大きいからである。

従って、例えば、小電流イオンビーム時の焦点位置に分析スリットを設けておいても、大電流イオンビーム時には焦点が分析スリットの位置から下流側へずれてしまうので、イオンビームの輸送効率の低下および分解能の低下が生じる。

そこでこの発明は、空間電荷の影響によってイオンビームの焦点が分析スリットの位置からずれるのを防止することを主たる目的としている。

この発明に係るイオン注入装置の一つは、イオンビームを発生させるイオン源と、このイオン源からのイオンビームを偏向させて運動量分析を行うものであって下流側に所望運動量のイオンビームの焦点を形成する分析電磁石と、この分析電磁石からのイオンビームの焦点付近に設けられていて、当該分析電磁石と協働してイオンビームの運動量分析を行う分析スリットとを備えていて、分析スリットを通過したイオンビームをターゲットに入射させる構成のイオン注入装置であって、前記イオン源と分析電磁石との間に設けられていて、前記イオンビームの焦点の位置を、前記分析スリットの位置に合わせる補正を行う電界レンズを備えていることを特徴としている。

このイオン注入装置によれば、電界レンズによって、イオンビームの焦点の位置を分析スリットの位置に合わせる補正を行うことができる。従って、空間電荷の影響によってイオンビームの焦点が分析スリットの位置からずれるのを防止することができる。

前記分析電磁石と分析スリットとの間に設けられていて、前記イオンビームの焦点の位置を、前記分析スリットの位置に合わせる補正を行う電界レンズを備えていても良い。

前記イオン源と分析電磁石との間および分析電磁石と分析スリットとの間にそれぞれ設けられた第１および第２の電界レンズであって、両者が協働して、前記イオンビームの焦点の位置を、前記分析スリットの位置に合わせる補正を行う第１および第２の電界レンズを備えていても良い。

前記イオン源はそれから発生させるイオンビームのビーム電流の大きさが可変であり、当該ビーム電流が前記可変の範囲の最小値のときの前記焦点に前記分析スリットを設けており、前記各電界レンズは、それぞれ、イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、かつイオン注入装置は、前記各電界レンズの中間電極に直流電圧をそれぞれ印加する直流電源を更に備えている、という構成を採用しても良い。

前記イオン源は、Ｙ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＸ方向の寸法および前記ターゲットのＹ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームを発生させるものであり、前記分析電磁石は、前記リボン状のイオンビームをその主面に直交する方向に偏向させて、当該イオンビームをＸ方向において集束させて前記焦点を形成するものであり、前記各電界レンズの入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて前記イオンビームの主面に平行な一対の電極を有している、という構成を採用しても良い。

前記分析スリットを通過したイオンビームを受けてそのビーム電流を測定するビーム電流測定器と、このビーム電流測定器で測定するビーム電流が最大になるように、前記直流電源から出力する直流電圧を制御する制御装置とを更に備えていても良い。または、前記分析スリットに流れるビーム電流を測定するビーム電流測定器と、このビーム電流測定器で測定するビーム電流が最小になるように、前記直流電源から出力する直流電圧を制御する制御装置とを更に備えていても良い。

請求項１〜３に記載の発明によれば、電界レンズによって、イオンビームの焦点の位置を分析スリットの位置に合わせる補正を行うことができる。従って、空間電荷の影響によってイオンビームの焦点が分析スリットの位置からずれるのを防止することができる。その結果、空間電荷の影響を補償して、イオンビームの輸送効率と分解能の両方を高めることができる。請求項３に記載の発明のように第１および第２の電界レンズの両方を備えていると、上記効果はより顕著になる。

請求項１〜３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、電界レンズがユニポテンシャルレンズ（換言すればアインツェルレンズ。以下同様）の働きをするので、イオンビームのエネルギーを変えることなく、イオンビームの焦点位置補正を行うことができる。この電界レンズは、専らイオンビームを絞る作用をするけれども、ビーム電流が相対的に小さいときの（具体的にはビーム電流がその可変範囲の最小値のときの）焦点に分析スリットを設けておくことによって、ビーム電流が相対的に大きいときに空間電荷の影響で焦点が分析スリットよりも下流側へ移動することを、この電界レンズの絞る作用によってうまく防止することができる。その結果、イオンビームのビーム電流を大小に変化させる場合にもうまく対応して、イオンビームの焦点が分析スリットの位置からずれるのを防止することができる。

請求項１〜３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、イオン源、分析電磁石ならびに電界レンズの入口電極、中間電極および出口電極が上記のような構成をしており、しかも電界レンズはリボン状のイオンビームをＸ方向において絞るものであるので、リボン状のイオンビームのＸ方向における焦点を分析スリットの位置に合わせる補正を行って、当該焦点が分析スリットの位置からずれるのを防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のようなビーム電流測定器および制御装置を備えていて、イオンビームの焦点位置が分析スリットに合うと測定ビーム電流が最大になるので、イオンビームの焦点位置を分析スリットに合わせる補正を省力化して行うことができる。

請求項５に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のようなビーム電流測定器および制御装置を備えていて、イオンビームの焦点位置が分析スリットに合うと測定ビーム電流が最小になるので、イオンビームの焦点位置を分析スリットに合わせる補正を省力化して行うことができる。

請求項６に記載の発明によれば、イオンビームの焦点位置が分析スリットに合うと測定ビーム電流が最大になるので、電界レンズによってイオンビームの焦点位置を分析スリットに合わせる補正を簡単に行うことができる。

請求項７に記載の発明によれば、イオンビームの焦点位置が分析スリットに合うと測定ビーム電流が最小になるので、電界レンズによってイオンビームの焦点位置を分析スリットに合わせる補正を簡単に行うことができる。

図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す平面図である。以下の図において、イオンビーム２０の進行方向を常にＺ方向とし、このＺ方向に実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としている。例えば、Ｘ方向およびＺ方向は水平方向であり、Ｙ方向は垂直方向である。またこの明細書において、イオンビーム２０を構成するイオンは正イオンの場合を例に説明している。

このイオン注入装置は、リボン状のイオンビーム２０をターゲット５０に入射させてイオン注入を行う場合の例であり、リボン状のイオンビーム２０を発生させるイオン源１０と、このイオン源１０からのイオンビーム２０を偏向させて運動量分析を行うものであって下流側に所望運動量のイオンビーム２０の焦点２２を形成する分析電磁石３０と、この分析電磁石３０からのイオンビーム２０の焦点２２付近に設けられていて分析電磁石３０と協働してイオンビーム２０の運動量分析を行う分析スリット４０とを備えている。分析電磁石３０は、この実施形態では、リボン状のイオンビーム２０をその主面２４（図２参照。以下同様）に実質的に直交する方向（換言すればＸ方向）に偏向させて、イオンビーム２０をＸ方向において集束させて前記焦点２２を形成する。

このイオン注入装置は、更に、分析スリット４０を通過したイオンビーム２０をターゲット５０に入射させる注入位置で、ホルダ６２に保持されたターゲット５０をイオンビーム２０の主面２４と交差する方向に往復直線移動させる（矢印Ｃ参照）、即ち機械的に走査するターゲット駆動装置６０を備えている。イオン源１０からターゲット５０までのイオンビーム２０の経路は真空雰囲気に保たれる。

なお、この明細書において、下流側または上流側というのは、それぞれ、イオンビーム２０の進行方向Ｚに見て下流側または上流側の意味である。また、イオン源１０から発生させたイオンビーム２０と、分析電磁石３０から導出されるイオンビーム２０とは、その内容が異なるが、即ち前者は運動量分析前、後者は運動量分析後であるが、両者の相違は自明であるので、この明細書では両者の符号を区別せずに、いずれもイオンビーム２０で表している。

イオン源１０から発生させてターゲット５０まで輸送するイオンビーム２０は、例えば図２に示すように、Ｘ方向の寸法Ｗ_XよりもＹ方向の寸法Ｗ_Yが大きいリボン状をしている。イオンビーム２０は、リボン状と言ってもＸ方向の寸法Ｗ_Xが紙や布のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム２０のＸ方向の寸法Ｗ_Xは３０ｍｍ〜８０ｍｍ程度、Ｙ方向の寸法Ｗ_Yは、ターゲット５０の寸法にも依るが、３００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。このイオンビーム２０の大きい方の面、即ちＹＺ面に沿う面が主面２４である。

イオン源１０は、Ｙ方向の寸法Ｗ_Yがターゲット５０のＹ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビーム２０を発生させる。例えば、ターゲット５０のＹ方向の寸法が３００ｍｍ〜４００ｍｍであれば、イオンビーム２０の寸法Ｗ_Yは４００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。イオンビーム２０は、そのＹ方向の寸法Ｗ_Yがターゲット５０のＹ方向の寸法よりも大きい関係を保ってターゲット５０まで輸送される。このことと、ターゲット５０を上記のように往復移動させることとによって、ターゲット５０の全面にイオンビーム２０を入射させてイオン注入を行うことができる。

ターゲット５０は、例えば、半導体基板、ガラス基板、その他の基板である。その平面形状は円形でも良いし四角形でも良い。

分析スリット４０は、例えば図３に示す例のように、所望運動量のイオンビーム２０を選択的に通過させる、Ｙ方向に長いスリット４２を有している。イオン源１０から発生させるイオンビーム２０のビーム電流の大きさが可変の場合、この分析スリット４０は、例えば、当該ビーム電流が相対的に小さいときの（例えば可変範囲の最小値のときの）焦点２２の位置付近に設けておく。

このイオン注入装置は、更に、イオン源１０と分析電磁石３０との間に設けられた第１の電界レンズ７０と、分析電磁石３０と分析スリット４０との間に設けられた第２の電界レンズ８０とを備えている。但し、両電界レンズ７０、８０の内のいずれか一方のみを設けても良いし、両方設けておいていずれか一方のみを使用しても良い。

両電界レンズ７０、８０の内の一方のみを設ける、または一方のみを使用する場合は、その電界レンズ７０、８０によって、イオンビーム２０の焦点２２の位置を分析スリット４０の位置に合わせる補正を行う。両方の電界レンズ７０、８０を設けていて両電界レンズ７０、８０を使用する場合は、両者が協働して、イオンビーム２０の焦点２２の位置を分析スリット４０の位置に合わせる補正を行う。

この補正の例を図４〜図６に示す。これらの図において、補正前のイオンビーム２０の軌道を二点鎖線で示し、補正後の軌道を実線で示している。

図４は、補正を行わないと空間電荷の影響でイオンビーム２０が二点鎖線で示すようにＸ方向において広がってその焦点２２が分析スリット４０よりも下流側へずれるところを、分析電磁石３０の上流側の電界レンズ７０でイオンビーム２０をＸ方向において絞って焦点２２の位置を上流側へ戻して分析スリット４０の位置に合わせる補正を行った例である。

図５は、空間電荷の影響でイオンビーム２０が二点鎖線で示すようにＸ方向において広がって補正を行わないとその焦点２２が分析スリット４０よりも下流側へずれるところを、分析電磁石３０の下流側の電界レンズ８０でイオンビーム２０をＸ方向において絞って焦点２２の位置を上流側へ戻して分析スリット４０の位置に合わせる補正を行った例である。

図６は、補正を行わないと空間電荷の影響でイオンビーム２０が二点鎖線で示すようにＸ方向において広がってその焦点２２が分析スリット４０よりも下流側へずれるところを、分析電磁石３０の上、下流側の電界レンズ７０および８０でイオンビーム２０をＸ方向においてある程度ずつ絞って、両電界レンズ７０、８０が協働して、焦点２２の位置を上流側へ戻して分析スリット４０の位置に合わせる補正を行った例である。

このようにこのイオン注入装置によれば、電界レンズ７０、８０によって、イオンビーム２０の焦点２２の位置を分析スリット４０の位置に合わせる補正を行うことができる。従って、空間電荷の影響によってイオンビーム２０の焦点２２が分析スリット４０の位置からずれるのを防止することができる。その結果、空間電荷の影響を補償して、イオンビーム２０の輸送効率と分解能の両方を高めることができる。

図４の例と図５の例を比べると、図４の例の場合は、イオンビーム２０が広がって分析電磁石３０内の壁面等に当たって損失する前に、電界レンズ７０によってイオンビーム２０を絞ることができるので、イオンビーム２０の輸送効率を高めやすいという利点がある。従って、電界レンズ７０、８０の内のいずれか一方を使用する（設ける）場合は、電界レンズ７０の方が好ましい。もっとも、電界レンズ７０によってイオンビーム２０をあまり絞り過ぎると、イオンビーム２０の電流密度が大きくなって空間電荷効果が大きくなり、イオンビーム２０が広がりやすくなる場合があるので注意を要する。

これに対しては、図６の例のように、両電界レンズ７０および８０でイオンビーム２０を分担して絞るようにしても良い。即ち、上流側の電界レンズ７０でイオンビーム２０をある程度絞り（具体的には、イオンビーム２０が分析電磁石３０を効率良く通過できる程度に絞り）、かつ下流側の電界レンズ８０でイオンビーム２０を最終的に絞って焦点２２を分析スリット４０の位置に合わせるようにしても良い。このように両電界レンズ７０、８０を設けて使用すると、イオンビーム２０の焦点位置の補正がより容易かつ確実になると共に、イオンビーム２０の輸送効率をより高めることができるので、空間電荷の影響を補償して、イオンビーム２０の輸送効率と分解能の両方を高める効果はより顕著になる。

上記電界レンズ７０、８０の構成の具体例を説明する。

電界レンズ７０は、イオンビーム２０の進行方向Ｚに互いに間をあけて並べられた入口電極７２、中間電極７４および出口電極７６を有している。これらの電極７２、７４、７６は、それぞれ、図２に示す例のように、イオンビーム２０が通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて、イオンビーム２０の主面２４に実質的に平行な一対の電極７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂから成る。各電極７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂは、イオンビーム２０の進行方向Ｚに実質的に直角に配置されている。電極７２ａと７２ｂ、電極７４ａと７４ｂ、電極７６ａと７６ｂは、それぞれ、導体によって電気的に接続されている。

図１を参照して、入口電極７２および出口電極７６（具体的にはそれらを構成する電極７２ａ、７２ｂ、７６ａおよび７６ｂ）は、電気的に接地されている。中間電極７４（具体的にはそれを構成する電極７４ａおよび７４ｂ）は、それに負または正（図１に示す実施形態では負）の直流電圧Ｖ₁を印加する直流電源７８に接続されている。

電界レンズ７０は、その入口電極７２および出口電極７６が互いに同電位に保たれ、中間電極７４が入口電極７２および出口電極７６とは互いに異なる電位に保たれるので、ユニポテンシャルレンズの働きをし、イオンビーム２０を絞る働きをする。従って、イオンビーム２０のエネルギーを変えることなく、イオンビーム２０をＸ方向において絞ることができる。

直流電源７８の極性を逆にして、電界レンズ７０の中間電極７４に正の直流電圧Ｖ₁を印加するようにしても良い。この場合も、電界レンズ７０はユニポテンシャルレンズの働きをし、イオンビーム２０を、そのエネルギーを変えることなく、Ｘ方向において絞ることができる。もっとも、正の直流電圧Ｖ₁を印加すると、電場のないドリフト空間中の電子が中間電極７４に引き込まれて、ドリフト空間での電子量が減少してイオンビーム２０の空間電荷効果による発散が強くなるのに対して、負の直流電圧Ｖ₁ではそのようなことを防止することができるので、図１に示す実施形態のように負の直流電圧Ｖ₁を印加する方が好ましい。後述する直流電圧Ｖ₂についても同様である。

直流電源７８から中間電極７４に印加する直流電圧Ｖ₁の絶対値（大きさ）を大きくするほど、イオンビーム２０を強く絞ることができる。また、イオンビーム２０を絞る程度は、電界レンズ７０を通過する際のイオンビーム２０のエネルギーによって変わる。イオンビーム２０のエネルギーが大きくなるほど、直流電圧Ｖ₁がイオンビーム２０に及ぼす偏向作用は小さくなるので、イオンビーム２０を強く絞るためには、直流電圧Ｖ₁の絶対値を大きくすれば良い。

電界レンズ８０は、図２も参照して、上記電界レンズ７０の入口電極７２（一対の電極７２ａ、７２ｂ）、中間電極７４（一対の電極７４ａ、７４ｂ）、出口電極７６（一対の電極７６ａ、７６ｂ）と同様の構成をした入口電極８２（一対の電極８２ａ、８２ｂ）、中間電極８４（一対の電極８４ａ、８４ｂ）および出口電極８６（一対の電極８６ａ、８６ｂ）を有している。また、中間電極８４は、上記直流電源７８と同様の直流電源８８に、即ち中間電極８４に負または正（図１に示す実施形態では負）の直流電圧Ｖ₂を印加する直流電源８８に接続されている。この電界レンズ８０および直流電源８８の構成および作用は、上記電界レンズ７０および直流電源７８のそれと同様であるので、上記説明を参照するものとしてここでは重複説明を省略する。

電界レンズ７０、８０が上記のようにユニポテンシャルレンズ構成の場合は、電界レンズ７０、８０は、専らイオンビーム２０を絞る作用をするけれども、上記のようにビーム電流が相対的に小さいときの焦点２２付近に分析スリット４０を設けておくことによって、ビーム電流が相対的に大きいときに空間電荷の影響で焦点２２が分析スリット４０よりも下流側へ移動することを、この電界レンズ７０、８０の絞る作用によってうまく防止することができる。その結果、イオンビーム２０のビーム電流を大小に変化させる場合にもうまく対応して、イオンビーム２０の焦点２２が分析スリット４０の位置からずれるのを防止することができる。

また、このイオン注入装置によれば、リボン状のイオンビーム２０のＸ方向における焦点２２を分析スリット４０の位置に合わせる補正を行って、当該焦点２２が分析スリット４０の位置からずれるのを防止することができる。

分析電磁石３０の上流側の電界レンズ７０を用いてイオンビーム２０の焦点位置補正を行うシミュレーションを行った結果を説明する。イオン源１０から分析電磁石３０に、Ａs⁺を含み、エネルギーが１３．５ｋｅＶ、ビーム電流が３０ｍＡのイオンビーム２０を入射して、次の条件でＡs⁺の質量分離を行った。

（１）イオンビーム２０の空間電荷中和率を１００％にした場合
この場合は、イオンビーム２０に対する空間電荷の影響はない。従ってこれは、小電流イオンビームの場合と同様である。このとき、分析電磁石３０の出口部から下流側に約６４０ｍｍ離れた位置にイオンビーム２０の焦点２２が形成された。このシミュレーションでは分析スリット４０を設けていないけれども、実際の装置では、この６４０ｍｍの位置に分析スリット４０を設けることになる。その位置でのイオンビーム２０のＸ方向におけるビーム電流分布の一例を図７に示す。この図の縦軸は、Ｘ方向１ｍｍ当たりのＹ方向電流の積算値である。即ち、イオンビーム２０がＹ方向に長いリボン状をしているため、そのＸ方向の１ｍｍごとに、Ｙ方向の電流を積算した電流値である。簡単に言えば、この図はＸ方向の電流密度分布に相当する。図８、図９の縦軸も同様である。

この場合、ビーム電流の半値幅は約２２ｍｍ、分析電磁石３０による質量分析の分解能ｍ／Δｍは約２７．３である。

（２）イオンビーム２０の空間電荷中和率を９５％にして、電界レンズ７０を働かせない場合
この場合は、イオンビーム２０は空間電荷の影響によって広がる。従ってこれは、大電流イオンビームの場合と同様である。このとき、分析電磁石３０の出口部から下流側に約１，３００ｍｍ離れた位置にイオンビーム２０の焦点２２が形成された。この場合の６４０ｍｍの位置でのイオンビーム２０のＸ方向におけるビーム電流分布の一例を図８に示す。

この場合、ビーム電流の半値幅は約９５ｍｍ、分析電磁石３０による質量分析の分解能ｍ／Δｍは約７．１である。

（３）イオンビーム２０の空間電荷中和率を９５％にして、電界レンズ７０によって焦点位置補正を行った場合
この場合は、分析電磁石３０の出口部から下流側に約６４０ｍｍ離れた位置にイオンビーム２０の焦点２２が形成されるように、電界レンズ７０の中間電極７４に印加する直流電圧Ｖ₁を調整した。このときの直流電圧Ｖ₁は−１０ｋＶであった。この場合の６４０ｍｍの位置でのイオンビーム２０のＸ方向におけるビーム電流分布の一例を図９に示す。

この場合、ビーム電流の半値幅は約４２ｍｍ、分析電磁石３０による質量分析の分解能ｍ／Δｍは約１６である。上記（２）の場合に比べて分解能は２倍以上に向上している。

次に、電界レンズ７０、８０に印加する直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂の制御について説明する。

例えば図１に示す例のように、分析スリット４０を通過したイオンビーム２０を受けてそのビーム電流Ｉ_Fを測定する可動式の第１のビーム電流測定器９０を、矢印Ｄに示すように移動させて、分析スリット４０の下流側におけるイオンビーム２０の経路に挿入する。ビーム電流測定器９０は、例えばファラデーカップである。ビーム電流測定器９０は、分析スリット４０を通過したイオンビーム２０がＸ方向において全部入射する幅Ｆ_Xを有しているものが好ましい。Ｙ方向については、イオンビーム２０がリボン状の場合、Ｙ方向の１点の測定で良いのであれば、ビーム電流測定器９０は１個でも良い。Ｙ方向の多点を測定したいのであれば、ビーム電流測定器９０は複数の測定器（例えばファラデーカップ）をＹ方向に並設した多点のビーム電流測定器でも良いし、一つのビーム電流測定器９０をＹ方向に移動させる構造のものでも良い。

そして、このビーム電流測定器９０で測定するビーム電流Ｉ_Fが最大になるように、直流電源７８、８８から出力する直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂を調整する。即ち、電界レンズ７０を用いる場合は直流電圧Ｖ₁を調整する。電界レンズ８０を用いる場合は直流電圧Ｖ₂を調整する。両電界レンズ７０および８０を用いる場合は直流電圧Ｖ₁およびＶ₂を調整する。より具体的には、前述したように直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂は負でも良いし正でも良いので、その絶対値｜Ｖ₁｜、｜Ｖ₂｜を調整する。そして、ビーム電流Ｉ_Fが最大となる直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂を維持すれば良い。

図１０に、直流電圧Ｖ₁の絶対値｜Ｖ₁｜を調整する場合のビーム電流Ｉ_Fの変化の一例を示す。このようなカーブが得られるのは、イオンビーム２０の焦点２２の位置が分析スリット４０に合うと、分析スリット４０を通過するイオンビーム２０の量が最大になるからである。この例の場合は、最大のビーム電流Ｉ_Fが得られる電圧Ｖ_1aを維持すれば良い。直流電圧Ｖ₂の絶対値｜Ｖ₂｜を調整する場合も、これに似たカーブが得られる。

図１１に、直流電圧Ｖ₁およびＶ₂の絶対値を調整する場合のビーム電流Ｉ_Fの変化の一例を示す。この例では、直流電圧Ｖ₁の複数の絶対値Ｖ_1b、Ｖ_1c、Ｖ_1d（但し、この三つに限られるものではない）をパラメータとして、直流電圧Ｖ₂の絶対値｜Ｖ₂｜を変化させている。これによって、ビーム電流Ｉ_Fを最大にする直流電圧Ｖ₁およびＶ₂を決めることができる。この例の場合は、最大のビーム電流Ｉ_Fが得られる電圧Ｖ_1dおよびＶ_2aを維持すれば良い。この図１１の場合とは反対に、直流電圧Ｖ₂の複数の絶対値をパラメータにして、直流電圧Ｖ₁の絶対値を変化させても良い。

上記調整方法によれば、イオンビーム２０の焦点２２の位置が分析スリット４０に合うと測定ビーム電流Ｉ_Fが最大になるので、電界レンズ７０、８０によってイオンビーム２０の焦点位置を分析スリット４０に合わせる補正を簡単に行うことができる。

上記ビーム電流測定器９０で測定するビーム電流Ｉ_Fが最大になるように、上記調整方法と同様の制御内容によって、直流電源７８、８８から出力する直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂（より具体的にはそれらの絶対値｜Ｖ₁｜、｜Ｖ₂｜）を制御する第１の制御装置９２（図１参照）を備えていても良い。これによって、イオンビーム２０の焦点位置を分析スリット４０に合わせる補正を省力化して行うことができる。

図１２に示す例のように、分析スリット４０に流れるビーム電流Ｉ_Sを測定する第２のビーム電流測定器９４を用いて、このビーム電流測定器９４で測定するビーム電流Ｉ_Sが最小になるように、直流電源７８、８８から出力する直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂（より具体的にはそれらの絶対値｜Ｖ₁｜、｜Ｖ₂｜）を調整しても良い。この場合は、分析スリット４０は真空容器等の構造物から電気的に絶縁しておき、ビーム電流測定器９４を経由して接地する。直流電圧Ｖ₁とＶ₂の使い分けまたは併用の例は、前記と同様である。

図１３は、直流電圧Ｖ₁の絶対値｜Ｖ₁｜を調整する場合のビーム電流Ｉ_Sの変化の一例を示す。このようなカーブが得られるのは、イオンビーム２０の焦点２２の位置が分析スリット４０に合うと、分析スリット４０に当たるイオンビーム２０の量が最小になるからである。この例の場合は、最小のビーム電流Ｉ_Sが得られる電圧Ｖ_1eを維持すれば良い。直流電圧Ｖ₂の絶対値｜Ｖ₂｜を調整する場合も、これに似たカーブが得られる。

直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂の一方をパラメータとして他方を変化させる場合は、図１１のカーブを谷状に反転させたようなカーブが得られる。

上記調整方法によれば、イオンビーム２０の焦点２２の位置が分析スリット４０に合うと測定ビーム電流Ｉ_Sが最小になるので、電界レンズ７０、８０によってイオンビーム２０の焦点位置を分析スリット４０に合わせる補正を簡単に行うことができる。

上記ビーム電流測定器９４で測定するビーム電流Ｉ_Sが最小になるように、上記調整方法と同様の制御内容によって、直流電源７８、８８から出力する直流電圧Ｖ₁、Ｖ₂（より具体的にはそれらの絶対値｜Ｖ₁｜、｜Ｖ₂｜）を制御する第２の制御装置９６（図１２参照）を備えていても良い。これによって、イオンビーム２０の焦点位置を分析スリット４０に合わせる補正を省力化して行うことができる。

この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す平面図である。リボン状のイオンビームおよび電界レンズの一例を示す斜視図である。分析スリットの一例を示す正面図である。分析スリットの上流側に設けられた電界レンズによってイオンビームの焦点位置を補正した例を示す図である。分析スリットの下流側に設けられた電界レンズによってイオンビームの焦点位置を補正した例を示す図である。分析スリットの上流側および下流側に設けられた電界レンズによってイオンビームの焦点位置を補正した例を示す図である。イオンビームの空間電荷が完全に中和されている場合の、分析電磁石出口から６４０ｍｍの位置でのビーム電流分布の一例を示す概略図である。イオンビームの空間電荷が完全に中和されていない場合の、分析電磁石出口から６４０ｍｍの位置でのビーム電流分布の一例を示す概略図である。イオンビームの空間電荷が完全に中和されていないときに、上流側の電界レンズによってイオンビームの焦点位置補正を行った場合の、分析電磁石出口から６４０ｍｍの位置でのビーム電流分布の一例を示す概略図である。電界レンズの中間電極に印加する直流電圧と第１のビーム電流測定器で測定されるビーム電流との関係の一例を示す概略図である。電界レンズの中間電極に印加する直流電圧と第１のビーム電流測定器で測定されるビーム電流との関係の他の例を示す概略図である。分析スリットに流れるビーム電流を測定する第２のビーム電流測定器周りの一例を部分的に示す図である。電界レンズの中間電極に印加する直流電圧と第２のビーム電流測定器で測定されるビーム電流との関係の一例を示す概略図である。

符号の説明

１０イオン源
２０イオンビーム
２２焦点
３０分析電磁石
４０分析スリット
５０ターゲット
７０第１の電界レンズ
７２入口電極
７４中間電極
７６出口電極
７８直流電源
８０第２の電界レンズ
８２入口電極
８４中間電極
８６出口電極
８８直流電源
９０第１のビーム電流測定器
９２第１の制御装置
９４第２のビーム電流測定器
９６第２の制御装置

Claims

イオンビームを発生させるイオン源と、このイオン源からのイオンビームを偏向させて運動量分析を行うものであって下流側に所望運動量のイオンビームの焦点を形成する分析電磁石と、この分析電磁石からのイオンビームの焦点付近に設けられていて、当該分析電磁石と協働してイオンビームの運動量分析を行う分析スリットとを備えていて、分析スリットを通過したイオンビームをターゲットに入射させる構成のイオン注入装置であって、
前記イオン源と分析電磁石との間に設けられていて、前記イオンビームの焦点の位置を、前記分析スリットの位置に合わせる補正を行う電界レンズを備えており、
前記イオン源は、Ｙ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＸ方向の寸法および前記ターゲットのＹ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームを発生させるものであり、
前記分析電磁石は、前記リボン状のイオンビームをその主面に直交する方向に偏向させて、当該イオンビームをＸ方向において集束させて前記焦点を形成するものであり、
前記イオン源はそれから発生させる前記イオンビームのビーム電流の大きさが可変であり、当該ビーム電流が前記可変の範囲の最小値のときの前記焦点に前記分析スリットを設けており、
前記電界レンズは、前記イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、
このイオン注入装置は、前記電界レンズの中間電極に直流電圧を印加する直流電源を備えており、
更に前記電界レンズの入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて前記イオンビームの主面に平行な一対の電極を有していて、前記電界レンズは前記リボン状のイオンビームをＸ方向において絞るものであることを特徴とするイオン注入装置。
イオンビームを発生させるイオン源と、このイオン源からのイオンビームを偏向させて運動量分析を行うものであって下流側に所望運動量のイオンビームの焦点を形成する分析電磁石と、この分析電磁石からのイオンビームの焦点付近に設けられていて、当該分析電磁石と協働してイオンビームの運動量分析を行う分析スリットとを備えていて、分析スリットを通過したイオンビームをターゲットに入射させる構成のイオン注入装置であって、
前記分析電磁石と分析スリットとの間に設けられていて、前記イオンビームの焦点の位置を、前記分析スリットの位置に合わせる補正を行う電界レンズを備えており、
前記イオン源は、Ｙ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＸ方向の寸法および前記ターゲットのＹ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームを発生させるものであり、
前記分析電磁石は、前記リボン状のイオンビームをその主面に直交する方向に偏向させて、当該イオンビームをＸ方向において集束させて前記焦点を形成するものであり、
前記イオン源はそれから発生させる前記イオンビームのビーム電流の大きさが可変であり、当該ビーム電流が前記可変の範囲の最小値のときの前記焦点に前記分析スリットを設けており、
前記電界レンズは、前記イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、
このイオン注入装置は、前記電界レンズの中間電極に直流電圧を印加する直流電源を備えており、
更に前記電界レンズの入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて前記イオンビームの主面に平行な一対の電極を有していて、前記電界レンズは前記リボン状のイオンビームをＸ方向において絞るものであることを特徴とするイオン注入装置。
イオンビームを発生させるイオン源と、このイオン源からのイオンビームを偏向させて運動量分析を行うものであって下流側に所望運動量のイオンビームの焦点を形成する分析電磁石と、この分析電磁石からのイオンビームの焦点付近に設けられていて、当該分析電磁石と協働してイオンビームの運動量分析を行う分析スリットとを備えていて、分析スリットを通過したイオンビームをターゲットに入射させる構成のイオン注入装置であって、
前記イオン源と分析電磁石との間および分析電磁石と分析スリットとの間にそれぞれ設けられた第１および第２の電界レンズであって、両者が協働して、前記イオンビームの焦点の位置を、前記分析スリットの位置に合わせる補正を行う第１および第２の電界レンズを備えており、
前記イオン源は、Ｙ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＸ方向の寸法および前記ターゲットのＹ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームを発生させるものであり、
前記分析電磁石は、前記リボン状のイオンビームをその主面に直交する方向に偏向させて、当該イオンビームをＸ方向において集束させて前記焦点を形成するものであり、
前記イオン源はそれから発生させる前記イオンビームのビーム電流の大きさが可変であり、当該ビーム電流が前記可変の範囲の最小値のときの前記焦点に前記分析スリットを設けており、
前記各電界レンズは、それぞれ、前記イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、
このイオン注入装置は、前記各電界レンズの中間電極に直流電圧をそれぞれ印加する直流電源を備えており、
更に前記各電界レンズの入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて前記イオンビームの主面に平行な一対の電極を有していて、前記各電界レンズは前記リボン状のイオンビームをＸ方向において絞るものであることを特徴とするイオン注入装置。
前記分析スリットを通過したイオンビームを受けてそのビーム電流を測定するビーム電流測定器と、
このビーム電流測定器で測定するビーム電流が最大になるように、前記直流電源から出力する直流電圧を制御する制御装置とを更に備えている請求項１、２または３記載のイオン注入装置。
前記分析スリットに流れるビーム電流を測定するビーム電流測定器と、
このビーム電流測定器で測定するビーム電流が最小になるように、前記直流電源から出力する直流電圧を制御する制御装置とを更に備えている請求項１、２または３記載のイオン注入装置。
請求項１、２または３記載のイオン注入装置において、前記分析スリットを通過したイオンビームを受けてそのビーム電流を測定するビーム電流測定器を用いて、このビーム電流測定器で測定するビーム電流が最大になるように、前記直流電源から出力する直流電圧を調整することを特徴とするイオン注入装置の調整方法。
請求項１、２または３記載のイオン注入装置において、前記分析スリットに流れるビーム電流を測定するビーム電流測定器を用いて、このビーム電流測定器で測定するビーム電流が最小になるように、前記直流電源から出力する直流電圧を調整することを特徴とするイオン注入装置の調整方法。