JP4625775B2

JP4625775B2 - イオン注入装置

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Publication number: JP4625775B2
Application number: JP2006041408A
Authority: JP
Inventors: 誠司小方; 了太福井; 秀和横尾; 勉西橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: TW200739653A; KR101024662B1; CN101385113A; WO2007094432A1; TWI423295B; US20090072164A1; JP2007220550A; US7847271B2; KR20080092964A

Description

本発明は、単結晶質フィルム製造用のイオン注入装置に係り、特に、小型で、イオンビームの安定した平行性、密度分布の高い制御性を実現した単結晶質フィルム製造用のイオン注入装置に関する。

所定のエネルギーの水素イオン若しくは希ガスイオンを基板に注入して、基板の所定深さに微小気泡層を発生させ、所望の厚みの単結晶質フィルムを製造する手法が、特許文献１に記載されている。
この単結晶質フィルムを製造する方法では、大量の水素イオン若しくは希ガスイオンを注入する必要があるため、通常はその注入装置として大電流イオン注入装置が用いられている。
以下、この大電流イオン注入装置の第１乃至第４の従来例について、図７乃至図１２を用いて説明する。

第１の従来例：
通常の大電流イオン注入装置としては、１０〜２０枚程度の基板を、機械的に回転するディスクに固定して、これに質量分離したイオンビームを照射する、バッチ式大電流イオン注入装置が主流である。

バッチ式大電流イオン注入装置の例としては、非特許文献１に記載されている。
この従来のバッチ式大電流イオン注入装置について、図７を用いて説明する。
図７は、第１の従来例のバッチ式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

この従来例のバッチ式大電流イオン注入装置１００では、イオン源１０２から引き出されたイオンビームＢは、質量分離のための扇形電磁石１０４と、それによるイオン源１０２の結像位置に設けられた質量分離スリット１０６により、所定のイオン種が選別される。
なお、以下、「質量分離のための扇形電磁石」を「質量分離器」という場合がある。

選別されたイオンビームＢは、機械的に回転する基板ホルダー１０８に置かれた複数の基板１１０に照射される。
基板ホルダー１０８の回転軸１０９を紙面左右方向にゆっくりと移動させることにより、イオンビームＢは基板１１０に均一に照射される。

第２の従来例：
しかし、第１の従来例のバッチ式大電流イオン注入装置のような構成では、基板が大きくなるに従って装置も大型化さざるを得ないという問題がある。
半導体基板やフラットパネルディスプレー基板が大型化するのに伴い、イオン注入装置が大型化してしまうという問題を克服するために、一枚ずつの基板に質量分離したイオンビームを照射する、枚葉式大電流イオン注入装置も近年、用いられつつあり、今後、単結晶質フィルムを製造する工程に用いられる可能性もある。

公表されている枚葉式大電流イオン注入装置の従来例は、非特許文献２に記載されている。
この第２の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置について、図８を用いて説明する。
図８は、第２の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

第２の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置１２０では、バッチ式大電流イオン注入装置１００と同様に、イオン源１２２から引き出されたイオンビームＢは、質量分離のための扇形電磁石１２４と、それによるイオン源１２２の結像位置に設けられた質量分離スリット１２６により、所定のイオン種が選別される。

選別されたイオンビームＢは、その前方に設けられた平行化電磁石１２８によって平行ビームＢとされ、基板１１０に一定角度で照射される。
ここで、前方とは、イオンビームＢの進行方向を意味するものとする。
なお、本従来例では、基板１１０は機械的に紙面垂直方向に駆動される。
また、以下、「平行化電磁石」を「平行化装置」という場合がある。

第３の従来例：
しかし、第２の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の構成では、基板に照射されるイオンビームの密度分布を制御できないという問題を備えている。

この問題を解決する枚葉式大電流イオン注入装置の従来例は、非特許文献３に記載されている。
この第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置について、図９を用いて説明する。
図９は、第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置１３０では、イオン源１３２の前方には質量分離と平行化を兼ねた扇形電磁石１３４が設けられ、その前方には、多極電磁石からなる密度制御電磁石１３６が設けられ、その前方に基板１１０が置かれている。

第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置１３０では、密度制御電磁石１３６により、イオンビームＢの密度分布の制御が可能になる。
この密度制御電磁石１３６の機能により、基板１１０に照射されるイオンビームＢの密度分布を制御する原理について、図１０及び図１１を用いて補足説明する。
図１０は、イオンビームＢの密度分布を制御する原理を説明するための平面図で、イオンビームの密度が紙面上方で高い場合である。
図１１は、イオンビームＢの密度分布を制御する原理を説明するための平面図で、密度制御電磁石１３６により、密度分布が均一になるように調整した場合である。

先ず、図１０のように、イオンビームＢの密度が紙面上方の密度が高いとする。
この場合は、図１１のように、密度制御電磁石１３６により補正磁場Ｈを発生させれば、基板１１０上に照射されるイオンビームＢの密度が均一になるように制御することが可能になる。

第４の従来例：
ところで、上述した第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置は、第２の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の基板に照射されるイオンビームの密度分布を制御できないという問題を解決したが、この構成では図１１から分かるように、イオンビームＢの密度を補正すると、必然的にイオンビームＢの平行性が失われるという問題を備えている。

イオンビームの平行性を損なうことなく、基板上に照射されるイオンビームの密度分布を制御できるようにするには、第４の構成として、図１２のようなものが容易に考えられる。
この第４の構成の大電流イオン注入装置について、図１２を用いて説明する。
図１２は、第４の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

図１２に示すように、第４の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置１４０の構成は、イオン源１４２から質量分離スリット１４４までは、図７及び図８の構成と同等であり、１４３は、質量分離器である。

一方、第４の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置１４０では、質量分離スリット１４４の前方にイオンビームＢを走査するための走査器１４７を設け、ここで走査されたイオンビームＢを平行化電磁石１４８により平行にし、基板１１０に照射する。
この構成では、質量分離スリット１４４から出射されるイオンビームＢは発散状態にあるので、磁気四重極レンズなどの収束レンズ１４５を設ける必要がある。
この場合、走査器１４７での走査波形を調整することにより、密度分布の精密な制御が可能である。

特開平０５−２１１１２８号 H.Sundstrom et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)184- G.Angle et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)188- S.Satoh et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)138-

ところで、第４の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置では、上記したように、走査器での走査波形を調整することにより、密度分布の精密な制御が可能であるが、同時に、この構成では、質量分離スリットから出射されるイオンビームは発散状態にあるので、磁気四重極レンズなどの収束レンズを設ける必要がある。
従って、第４の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置従来の構成では、収束レンズの設置スペースを確保しなければならず、装置が長くなってしまうという問題がある。

一方、第１乃至第３の従来例の大電流イオン注入装置で説明したように、それぞれが固有の問題を備え、従来の小型の構成では、イオンビームの平行性を損なうことなく密度分布を制御することはできないという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決し、小型で、イオンビームの安定した平行性、密度分布の高い制御性を実現した単結晶質フィルム製造用のイオン注入装置を提供することを目的とする。

本発明のイオン注入装置は、請求項１に記載のものでは、イオン源から水素イオン若しくは希ガスイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオンを選定し、前記イオンを走査器により走査し、平行化装置により前記イオンを平行化して、基板に注入することにより、単結晶質フィルムを製造する単結晶質フィルム製造用のイオン注入装置において、前記質量分離器の入り口側焦点に、前記イオン源を配置すると共に、イオン源を結像させなくても十分な質量分離が可能であることを利用した構成とした。

請求項２に記載のイオン注入装置は、前記質量分離器として、第１の扇形電磁石を用い、前記平行化装置として第２の扇形電磁石を用いるように構成した。

請求項３に記載のイオン注入装置は、前記イオン源の引き出し部の開口を円形とし、前記質量分離器での偏向面とそれに垂直な面での入り口側焦点を一致させるように構成した。

本発明のイオン注入装置は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、イオンビームを走査する構造なので、基板に入射するイオンビームの平行性を損なうことなく、イオンビームの基板上での密度分布を制御できる。
（２）また、質量分離器を通過するだけで平行ビームが得られるため、四重極レンズなどの調整用レンズが不要なので、装置を小型とすることができる。

（３）請求項２に記載したように構成すると、それぞれ好適な質量分離器、平行化装置を備えたイオン注入装置とすることができる。

（４）請求項３に記載したように構成すると、平行化装置を通過後のイオンビームのスポット形状は円形で、偏向面とこの偏向面に直交する２面において完全に平行となる。

本発明の単結晶質フィルム製造用のイオン注入装置（以下、単に「イオン注入装置」とのみいう場合がある）の第１乃び第２の各実施の形態について、図１乃至図６を用いて、順次説明する。

第１の実施の形態：
先ず、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態について、図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態の概略構成を示す平面図である。
図２は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態において、イオンビームの充分な質量分解能が得られる原理を説明する平面図である。

先ず、本実施の形態のイオン注入装置１０の基本構成及び構成上の特徴について、図１を用いて説明する。
図１に示すように、本実施の形態のイオン注入装置１０の基本構成は、イオン源１２、イオンビームＢの質量分離器としての第１の扇形電磁石１４、走査器１６、イオンビームＢの平行化装置としての第２の扇形電磁石１８である。

一般に、図１に示す第１、第２の扇形電磁石１４、１８のような扇形電磁石は、イオンビームＢを収束させる収束レンズ作用を持つ。
即ち、扇形電磁石を通過する際の軌道の相違により、イオンビームＢの中心軌道から外側を進行するイオンは、扇形電磁石に大きく偏向され、一方、イオンビームＢの中心軌道から内側を進行するイオンは、扇形電磁石に小さく偏向され、結果、共に中心軌道方向に収束され、光学レンズが光を収束するのと同様の作用がある。
また、斜め磁場の影響により、偏向面に垂直な面でもレンズ作用が生じる。
そこで、図１に示すように、偏向面に関して、第１の扇形電磁石１４の入り口側焦点をＦ１、第２の扇形電磁石１６の入り口側焦点をＦ２とする。

以上の構成において、本実施の形態のイオン注入装置１０の特徴は、イオン源１２をイオンビームＢの質量分離のための第１の扇形電磁石１４の入口側焦点Ｆ１近傍に配置し、第１の扇形電磁石１４の前方に走査器１６を設け、その前方にイオンビームＢの平行化のための第２の扇形電磁石１６を設け、更に、その前方に基板２０を配置していることである。

また、第２の扇形電磁石１８の位置は、その入口側焦点Ｆ２が走査器１６での偏向中心に一致するように配置する。
これにより、第２の扇形電磁石１８を通過したイオンビームＢは、走査器１６での走査角度に依存せずに一定の角度になる。
更に、基板２０は、図示は省略するが機械的に紙面垂直方向に駆動されるものとする。

次に、本実施の形態のイオン注入装置１０により、従来装置の課題が解決され、小型で、イオンビームの安定した平行性、密度分布の高い制御性が実現できることを説明する。
例えば、図７のような通常の構成のイオン注入装置１００では、高い質量分解能を得るために、イオン源１０２の位置は質量分離のための第１の扇形電磁石１０４の入り口側焦点よりも遠方に配置され、第１の扇形電磁石１０４の前方にイオン源１０２の実像が結像されている。
しかし、本実施の形態のイオン注入装置１０ではこれとは異なり、イオン源１２を、第１の扇形電磁石１４の入り口焦点Ｆ１近傍に配置することにより、第１の扇形電磁石１４を出たイオンビームＢはほぼ平行となる。

一般に、走査器１６に入射するイオンビームＢは平行か、ほぼ収束気味であることが望ましい。
このため図１２のような通常の構成のイオン注入装置１４０では、一旦、質量分離スリット１４４に結像されたイオンビームＢを再び収束させるための四重極レンズなどの凸レンズ作用を持つ光学素子１４５が必要である。

これに対し、本実施の形態のイオン注入装置１０では、第１の扇形電磁石１４を出射するイオンビームＢは、ほぼ平行になっているので、走査器１６より上流側に凸レンズ作用を持つ光学素子を設ける必要がないという利点を有している。
従って、この光学素子の設置スペース分と、イオン源１２と第１の扇形電磁石１４の入り口焦点Ｆ１との距離分の小型化が可能となる。

一方で、本実施の形態のイオン注入装置１０のような、イオンビームＢを結像させない光学系では、通常のイオン注入装置において要求されるようなイオンの質量比：Ｍ／δＭ＝５０以上の高い質量分解能は得られないという問題を有している。
そこで、以下、本実施の形態のイオン注入装置１０では、基板２０に注入するイオン種を絞ることにより、イオンビームＢの充分な質量分解能が得られることを図２を用いて説明する。

上述したように、単結晶質フィルム製造に用いられるイオンは、水素イオンや希ガスイオンである。
水素イオンの場合は、二原子分子イオンＨ２＋を、単原子イオンＨ＋と三原子分子イオンＨ３＋とから分離できれば良く、希ガス、例えばヘリウムＨｅの場合、２価イオンＨｅ^２＋と二分子エキシマーイオンＨｅ２＋を分離できればよいので、本実施の形態のイオン注入装置１０のようにイオン源１２を結像させなくても充分な質量分離が可能である。

この理由を図２を用いて説明する。
具体例として、第１の扇形電磁石１４の偏向角Φを９０゜、斜め入射角αを４５゜、斜め出射角βを２０゜とすると、ほぼ偏向面での入り口側焦点Ｄ１と、偏向面に垂直な面内での入り口側焦点Ｄ２を一致させることができる。
なお、偏向面での入り口側焦点Ｄ１と、偏向面に垂直な面内での入り口側焦点Ｄ２を一致させる方法については、後述する第２の実施の形態で説明する。

図２において、第１の扇形電磁石１４での旋回半径Ｒを３５０ｍｍとすると、入り口側焦点Ｄ１までの距離Ｌ１は約２００ｍｍとなる。
通過させるイオンをＨ２＋とすると、旋回半径Ｒの差が最も小さいＨ３＋でも、第１の扇形電磁石１４からの距離Ｌ２が３００ｍｍの位置で、軸からのずれδＸは１４０ｍｍとなる。
通常のビーム幅Ｗはせいぜい６０ｍｍ程度なので、この構成で充分にイオンビームＢの質量分離をすることができる。

従って、図１２のような従来のイオン注入装置１４０の構成では、イオン源１４２から基板１１０までのイオンビームＢの通過する距離が５〜６ｍ程度に達する。
一方、本実施の形態のイオン注入装置１０の構成では、単結晶質フィルム製造に充分なイオンビームＢの質量分解能を維持しながら、イオン源１２から基板２０までのイオンビームＢの通過する距離を３ｍ程度と約半分に短くすることができる。

第２の実施の形態：
次に、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態について、図３乃至図６を用いて説明する。
図３及び図４は、一般の扇形電磁石において、偏向面の入り口側焦点にイオン源を設置した場合のイオンビームＢの軌道を説明するための図で、図３は、偏向面における説明図、図４は偏向面に直交する面における説明図である。
図５及び図６は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態において、偏向面とこの偏向面に直交する面の２面において、入り口側焦点を一致させた場合のイオンビームＢの軌道を説明するための図で、図５は、偏向面における説明図、図６は偏向面に直交する面における説明図である。

先ず、本実施の形態のイオン注入装置２０の基本構成及び構成上の特徴は、その構成は、第１の実施の形態のイオン注入装置１０の基本構成と同様であるが、偏向面とこの偏向面に直交する面の２面において、入り口側焦点を一致させるようにすると共に、イオン源２２の引き出し部２２ａの開口を円形としたことである。

一般に、扇形電磁石３４では、図３及び図４に示したように、偏向面とそれに直交する面での入り口側焦点Ｄ１、Ｄ２の位置は異なる。
このため、偏向面の入り口側焦点Ｄ１にイオン源３２を配置しても、扇形電磁石３４を通過後のイオンビームＢは図４のように偏向面と垂直の面では、平行ビームとはならない。

このため、偏向面とこの偏向面に直交する面の２つの面で平行なビームを得るためには、一般に、四重極レンズなどの調整用レンズが必要である。
しかし、後述するように、２つの面での入り口側焦点Ｄ１、Ｄ２を一致させることにより、扇形電磁石２４を通過後のイオンビームＢは、図５及び図６に示すように、双方向共に完全に平行になる。

また、イオン源２２の引き出し部２２ａの開口を円形とすれば、イオン源２２から引き出されるイオンビームＢの２つの面での発散角は同じになるので、扇形電磁石２４を通過後のイオンビームＢのスポット形状は円形で完全に平行となる。

次に、２つの面での入り口側焦点Ｄ１、Ｄ２を一致させる方法について、簡単に言及する。
偏向面とこの偏向面に直交する面の２つの面での入り口側焦点Ｄ１、Ｄ２の位置は、旋回半径Ｒ、偏向角Φ、斜め入射角α、斜め出射角β、の四つにより決定される。
２つの面での入り口側焦点が一致する条件を偏向角Φが９０゜の場合について、いくつかの組み合わせを表１に示した。
この表１に沿って、斜め入射角α、斜め出射角βを調整することにより、２つの面での入り口側焦点Ｄ１、Ｄ２を一致させることが可能となる。
なお、この条件は、旋回半径Ｒには依存しない。

本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態の概略構成を示す平面図である。本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態において、イオンビームの充分な質量分解能が得られる原理を説明する平面図である。一般の扇形電磁石において、偏向面の入り口側焦点にイオン源を設置した場合のイオンビームの軌道を説明するための図で、偏向面における説明図である。一般の扇形電磁石において、偏向面の入り口側焦点にイオン源を設置した場合のイオンビームの軌道を説明するための図で、偏向面に直交する面における説本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態において、偏向面とこの偏向面に直交する面の２面において、入り口側焦点を一致させた場合のイオンビームの軌道を説明するための図で、偏向面における説明図である。本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態において、偏向面とこの偏向面に直交する面の２面において、入り口側焦点を一致させた場合のイオンビームの軌道を説明するための図で、偏向面に直交する面における説明図である。第１の従来例のバッチ式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。第２の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置において、イオンビームの密度分布を制御する原理を説明するための平面図で、イオンビームの密度が紙面上方で高い場合である。第３の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置において、イオンビームの密度分布を制御する原理を説明するための平面図で、密度制御電磁石により、密度分布が均一になるように調整した場合である。第４の従来例の枚葉式大電流イオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１０：イオン注入装置
１２：イオン源
１４：第１の扇形電磁石（質量分離器）
１６：走査器
１８：第２の扇形電磁石（平行化装置）
２０：基板
Ｂ：イオンビーム（イオン）
Ｆ１：第１の扇形電磁石の入り口側焦点
Ｆ２：第２の扇形電磁石の入り口側焦点
Ｄ１：第１の扇形電磁石の偏向面の入り口側焦点
Ｄ２：第１の扇形電磁石の偏向面に直交する面での入り口側焦点

Claims

イオン源から水素イオン若しくは希ガスイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオンを選定し、前記イオンを走査器により走査し、平行化装置により前記イオンを平行化して、基板に注入することにより、単結晶質フィルムを製造する単結晶質フィルム製造用のイオン注入装置において、
前記質量分離器の入り口側焦点に、前記イオン源を配置すると共に、イオン源を結像させなくても十分な質量分離が可能であることを利用したことを特徴とするイオン注入装置。
前記質量分離器として、第１の扇形電磁石を用い、前記平行化装置として第２の扇形電磁石を用いるようにしたことを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
前記イオン源の引き出し部の開口を円形とし、前記質量分離器での偏向面とそれに垂直な面での入り口側焦点を一致させるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン注入装置。