JP4691347B2 - Ion implanter - Google Patents

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Description

本発明は、イオン注入装置に係り、特に、イオンビームの水平、垂直方向の外径を調整し、低エネルギー、大電流でも比較的小さなスポットサイズのイオンビームを安定して得ることができるイオン注入装置に関する。   The present invention relates to an ion implantation apparatus, and more particularly to ion implantation that can stably obtain an ion beam having a relatively small spot size even at low energy and large current by adjusting the outer diameter of the ion beam in the horizontal and vertical directions. Relates to the device.

イオン源からのイオンを所望のエネルギーに加速し、半導体等の固体表面に注入する種々のタイプのイオン注入装置が実用に供されている(特許文献1参照)。
以下、従来のイオン注入装置の一例について、図6を用いて説明する。
図6は、従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
Various types of ion implantation apparatuses for accelerating ions from an ion source to a desired energy and implanting the ions on a solid surface such as a semiconductor have been put to practical use (see Patent Document 1).
Hereinafter, an example of a conventional ion implantation apparatus will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of a conventional ion implantation apparatus.

イオン注入装置100の主要構成は、図6に示すように、イオン源110、質量分離器120、質量分離スリット130、加減速管140、四重極レンズ150、走査器160、平行化装置170である。
なお、同図中、180は、図示しないエンドステーションに配置されたイオンを注入するターゲットとなる基板である。
また、Bは、中心軸(以下、「光軸」ともいう場合がある)を中心に進行するイオンであるが、以下、「イオンビーム」又は「ビーム」という場合がある。
As shown in FIG. 6, the main configuration of the ion implantation apparatus 100 includes an ion source 110, a mass separator 120, a mass separation slit 130, an acceleration / deceleration tube 140, a quadrupole lens 150, a scanner 160, and a collimator 170. is there.
In the figure, reference numeral 180 denotes a substrate serving as a target for implanting ions arranged in an end station (not shown).
B is an ion that travels around a central axis (hereinafter also referred to as “optical axis”), but may be referred to as “ion beam” or “beam” hereinafter.

以下、イオン注入装置100の上記各主要構成について、順次、補足説明する。
先ず、イオン源110は、原子や分子から電子を剥ぎ取ってイオンを生成する装置であり、図示しない引き出し口に高電圧を印加して、イオン源110内のイオンを引き出す。
In the following, supplementary explanation will be given sequentially on each of the main components of the ion implantation apparatus 100.
First, the ion source 110 is an apparatus that generates ions by stripping electrons from atoms and molecules, and draws out ions in the ion source 110 by applying a high voltage to a drawing port (not shown).

質量分離器120は、イオンや電子等の荷電粒子が磁場又は電場中で偏向される性質を利用して、磁場、或いは、電場、又は、その双方を発生して、基板180に注入したいイオン種を特定するための装置である。
図6では、磁場の作用によりイオンBを選定するタイプの質量分離器120で図示されている。
The mass separator 120 generates a magnetic field and / or an electric field by utilizing the property that charged particles such as ions and electrons are deflected in the magnetic field or electric field, and the ion species to be injected into the substrate 180. It is a device for specifying.
FIG. 6 shows a mass separator 120 of a type that selects ions B by the action of a magnetic field.

加減速管140は、質量分離スリット130を通過した所望のイオン種を加速又は減速する装置であるが、図6に示すように、通常は軸対象で、複数の電極を等間隔に並べ、それらの電極に等しい高電圧を印加して、静電界の作用により、イオンビームBを所望の注入エネルギーに加速又は減速する。
なお、加減速管140を軸対称の構造とするのは、製作が容易となるためである。
The acceleration / deceleration tube 140 is a device for accelerating or decelerating a desired ion species that has passed through the mass separation slit 130, but as shown in FIG. By applying an equal high voltage to the electrodes, and by the action of an electrostatic field, the ion beam B is accelerated or decelerated to a desired implantation energy.
The reason why the accelerating / decelerating tube 140 has an axisymmetric structure is that manufacture is easy.

四重極レンズ150は、イオンビームBの基板180上でのビームスポット形状を調整するために、図6に示すように、加減速管140と走査器160との間に設置される。
四重極レンズ150は、光学上の凸レンズが光を収束するのと同様に、イオンビームBがその進行方向に対して垂直な平面において収束させる機能を有する。
The quadrupole lens 150 is installed between the acceleration / deceleration tube 140 and the scanner 160 as shown in FIG. 6 in order to adjust the beam spot shape of the ion beam B on the substrate 180.
The quadrupole lens 150 has a function of converging the ion beam B in a plane perpendicular to the traveling direction thereof, similarly to the case where the optical convex lens converges light.

しかし、四重極レンズ150は、イオンビームBの進行方向に対して、この垂直な平面内において、例えば水平方向(図6の紙面に水平な方向)に対して収束作用が働くと、それに直交する垂直方向(図6の紙面に垂直な方向)には発散作用が働く性質を備えている。
即ち、この点において水平・垂直方向共に光を収束させる光学上の凸レンズと顕著に相違する。
However, the quadrupole lens 150 is orthogonal to the traveling direction of the ion beam B in the perpendicular plane, for example, in the horizontal direction (the direction horizontal to the paper surface of FIG. 6). In the vertical direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 6), a diverging action is exerted.
That is, this point is significantly different from an optical convex lens that converges light in both the horizontal and vertical directions.

従って、図6に示す従来のイオン注入装置100では、水平方向に収束させる四重極レンズとして、及び、垂直方向に収束させる四重極レンズとして、通常、2個又は3個(図示のものは2個)配置し、水平・垂直の双方向でビームBを収束するようにしている。   Therefore, in the conventional ion implantation apparatus 100 shown in FIG. 6, usually two or three quadrupole lenses that converge in the horizontal direction and quadrupole lenses that converge in the vertical direction (the one shown in the figure is 2), and the beam B is converged in both horizontal and vertical directions.

四重極レンズ150には、主として、静電場の作用によりイオンビームBを収束させる静電四重極レンズと、静磁場の作用によりイオンビームを収束させる磁気四重極レンズの二つの種類が存在する。
また、後述するように、四重極レンズ150の収束力(発散力)は、中心からの距離に比例する性質を有し、従って、外側ほど収束力(発散力)が強いことになる。
There are mainly two types of quadrupole lens 150: an electrostatic quadrupole lens that converges the ion beam B by the action of an electrostatic field, and a magnetic quadrupole lens that converges the ion beam by the action of a static magnetic field. To do.
Further, as will be described later, the convergence force (divergence force) of the quadrupole lens 150 has a property proportional to the distance from the center, and therefore the convergence force (divergence force) becomes stronger toward the outside.

走査器160は、イオンビームBの進行方向と直交する方向に一様な外部電界を発生させ、この電界の極性や強度を変化させることにより、イオンの偏向角度を制御し、図6に示すように、基板180の注入面の所望の位置にイオンBを走査し、均一に注入する。
図6に示すものでは、1kHz程度の高速で走査されている。
The scanner 160 generates a uniform external electric field in a direction orthogonal to the traveling direction of the ion beam B, and controls the ion deflection angle by changing the polarity and intensity of the electric field, as shown in FIG. Then, the ions B are scanned at a desired position on the implantation surface of the substrate 180 and uniformly implanted.
In the case shown in FIG. 6, scanning is performed at a high speed of about 1 kHz.

平行化装置170は、荷電粒子であるイオンBが磁場中で偏向される性質を利用して、イオンビームBを構成する各イオンの経路の違いによって、ビームの広がりを抑えて、ビームBを基板180に平行に入射させる装置である。
なお、図6には、平行化装置170を図示しているが、必ずしも、イオン注入装置100の必須の構成要素ではない。
The collimator 170 uses the property that ions B, which are charged particles, are deflected in a magnetic field, and suppresses the spread of the beam by the difference in the path of each ion that constitutes the ion beam B. This is an apparatus that makes the light incident parallel to 180.
FIG. 6 shows the collimator 170, but it is not necessarily an essential component of the ion implantation apparatus 100.

基板180は、エンドステーション内に配置され、走査器160がイオンビームBを走査する方向とは直交する方向に、1Hz程度の比較的遅い速度で機械的に走査される。   The substrate 180 is disposed in the end station and mechanically scanned at a relatively slow speed of about 1 Hz in a direction orthogonal to the direction in which the scanner 160 scans the ion beam B.

以上の構成において、次に、従来のイオン注入装置100の基本動作を図6を用いて説明する。
従来のイオン注入装置100では、基板180のイオンBの注入面全面に渡って一様な密度で所定のイオン種を所定のエネルギーでイオン注入を行うために、イオン源110から所定のエネルギーで引き出されたイオンビームBは、質量分離器120で偏向され、質量分離スリット130で所定のイオン種のみが選別される。
Next, the basic operation of the conventional ion implantation apparatus 100 will be described with reference to FIG.
In the conventional ion implantation apparatus 100, in order to perform ion implantation with a predetermined energy at a uniform density over the entire surface of the substrate B on which ions B are implanted, a predetermined energy is extracted from the ion source 110. The ion beam B thus deflected is deflected by the mass separator 120, and only predetermined ion species are sorted by the mass separation slit 130.

選別されたイオンビームBは加減速管140で、所望のエネルギーに加速又は減速され、上述したように、1kHz程度の周期の外部電界を走査器160に印加し、基板180の走査面に走査される。
なお、上記では、外部電界によりイオンビームBをスキャンする静電タイプの走査器160を取り上げたが、走査器160には静電タイプの代わりに磁気タイプのものが用いられる場合がある。
The selected ion beam B is accelerated or decelerated to a desired energy by the acceleration / deceleration tube 140 and, as described above, an external electric field having a period of about 1 kHz is applied to the scanner 160 and scanned on the scanning surface of the substrate 180. The
In the above description, the electrostatic type scanner 160 that scans the ion beam B with an external electric field is taken up. However, the scanner 160 may be a magnetic type instead of the electrostatic type.

イオンBが固体中に入り込む深さは、イオンBのエネルギーで正確に制御できるので、例えば、イオン注入装置100の立ち上げ時等で、イオンビームのドーズ量分布をモニタリングすると、基板180の注入面にイオンビームBを走査することにより所望のイオン種の均一なイオン注入処理が容易に行える。   The depth at which the ions B enter the solid can be accurately controlled by the energy of the ions B. For example, when the dose distribution of the ion beam is monitored when the ion implantation apparatus 100 is started up, the implantation surface of the substrate 180 is obtained. By scanning the ion beam B, uniform ion implantation processing of a desired ion species can be easily performed.

ところで、半導体デバイスの微細化に伴い、中電流型イオン注入装置においても、低エネルギーでのビーム電流の増大が求められている。
具体的にはイオン種がB+で、注入エネルギーが10keVの場合で、イオンビームBの電流として1mA程度が必要である。
By the way, with the miniaturization of semiconductor devices, an increase in beam current with low energy is also demanded in medium current ion implantation apparatuses.
Specifically, when the ion species is B + and the implantation energy is 10 keV, the current of the ion beam B needs about 1 mA.

一方、中電流型イオン注入装置の本来の目的である、150乃至200keV程度の比較的高いエネルギーでのイオン注入も必要である。
このため、中電流型イオン注入装置においては、イオン源110から一旦30keV程度のエネルギーでイオンBを引き出し、質量分離器120により必要なイオン種を選別した後に、加減速管140により加速若しくは減速することにより所定の注入エネルギーに変換している。
On the other hand, ion implantation with a relatively high energy of about 150 to 200 keV, which is the original purpose of the medium current ion implantation apparatus, is also necessary.
For this reason, in the medium current ion implantation apparatus, ions B are once extracted from the ion source 110 with energy of about 30 keV, and necessary ion species are selected by the mass separator 120, and then accelerated or decelerated by the acceleration / deceleration tube 140. Therefore, it is converted into predetermined injection energy.

この際、効率よく質量分離するために、イオン源110のイオン引き出し口をスリット状とし、質量分離器120でのビームBの偏向面はそれと直交する面とし、イオン源110のイオン引き出し口が質量分離器120により結像する位置に、質量分離スリット130を設置する。
このため、質量分離されたイオンビームBの光学的な性質は、光軸に直交する二つの点で大きく異なるのが通常である。
At this time, in order to perform mass separation efficiently, the ion extraction port of the ion source 110 is formed in a slit shape, the deflection surface of the beam B in the mass separator 120 is a surface orthogonal thereto, and the ion extraction port of the ion source 110 has a mass. A mass separation slit 130 is installed at a position where an image is formed by the separator 120.
For this reason, the optical properties of the mass-separated ion beam B are usually greatly different at two points orthogonal to the optical axis.

スリット状のイオン引き出し口を持つイオン源110からのビームBの発散角についての実測例としては、非特許文献1、非特許文献2などがある。
これらによると、スリットの幅方向には±1.0°乃至±2.0°程度の広がりがあるが、スリットの長手方向の広がりは±0.5°程度である。
従来のイオン注入装置では、イオン源の引き出し口は垂直方向に長いスリットで、イオンビームBは水平方向に引き出される。
Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and the like are examples of actual measurement of the divergence angle of the beam B from the ion source 110 having the slit-shaped ion extraction port.
According to these, the width direction of the slit has a spread of about ± 1.0 ° to ± 2.0 °, but the spread of the slit in the longitudinal direction is about ± 0.5 °.
In the conventional ion implantation apparatus, the ion source outlet is a slit that is long in the vertical direction, and the ion beam B is extracted in the horizontal direction.

特開平8−213339号JP-A-8-213339 S.Ogata et al. Nucl. Instrum and Meth. A363(1995)468-S.Ogata et al. Nucl. Instrum and Meth. A363 (1995) 468- T.Kunibe et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)424-T. Kunibe et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. On Ion Implantation Technology, (1999) 424-

次に、従来のイオン注入装置の問題点を明らかにするために、イオンビームの軌道について、軌道計算プログラムに基づく計算機シミュレーションを行い、その第1、第2の2つの計算結果を図7及び図8に示す。
図7は、従来のイオン注入装置のイオンビームのエンベロープを示す図で、エネルギーが高い場合である。
図8は、従来のイオン注入装置のイオンビームのエンベロープを示す図で、エネルギーが低い場合である。
Next, in order to clarify the problems of the conventional ion implantation apparatus, a computer simulation based on the trajectory calculation program is performed on the trajectory of the ion beam, and the first and second calculation results are shown in FIGS. It is shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing an ion beam envelope of a conventional ion implantation apparatus, in which energy is high.
FIG. 8 is a diagram showing an ion beam envelope of a conventional ion implantation apparatus, in which energy is low.

先ず、従来のイオン注入装置100におけるイオンビームの軌道について、軌道計算プログラムに基づく計算機シミュレーションの第1の計算結果を図7を用いて解析する。
ここでは、イオン種をB+、イオンビームの電流を0.2mA、30keVでイオン源110から引き出され、加減速管140で200keVに加速される場合を示している。
なお、加減速管140と静電走査器160の内部では空間電荷効果が効くので、シミュレーションではこの領域での空間電荷効果によるビームBの発散も考慮している。
First, the first calculation result of the computer simulation based on the trajectory calculation program is analyzed for the trajectory of the ion beam in the conventional ion implantation apparatus 100 with reference to FIG.
Here, a case is shown in which the ion species is B +, the ion beam current is 0.2 mA, 30 keV, the ion source 110 is extracted, and the acceleration / deceleration tube 140 accelerates to 200 keV.
Since the space charge effect is effective inside the acceleration / deceleration tube 140 and the electrostatic scanner 160, the divergence of the beam B due to the space charge effect in this region is also considered in the simulation.

また、図7中、中心軸Cより上の曲線EHは、水平面のイオンビームBのエンベロープを、下側の曲線EVは、垂直面のイオンビームBのエンベロープを表している。
なお、イオンビームBのエンベロープとは、イオンビームBの軌道計算を用いて、イオンビームBの外径を算出し、この外径を連続してプロットした曲線である。
また、図7中、中心軸Cの単位はm、縦軸はmmで示している。
In FIG. 7, a curve EH above the central axis C represents the envelope of the ion beam B on the horizontal plane, and a lower curve EV represents the envelope of the ion beam B on the vertical plane.
The envelope of the ion beam B is a curve obtained by calculating the outer diameter of the ion beam B using the trajectory calculation of the ion beam B and continuously plotting the outer diameter.
In FIG. 7, the unit of the central axis C is m, and the vertical axis is mm.

ここで、図7の解析を行う前に、上述した空間電荷効果について補足説明を行う。
イオンビームは、同じ電荷を持った粒子群が設計された中心軸方向に進行する一つの系である。
従って、イオンビームの中の各イオンにはそれぞれクーロン斥力が作用し、その正確な運動を定量的に解析するには、各粒子間の作用するクーロン力を考慮しなければならないが、イオンの数が膨大になると、それぞれのクーロン力を総て計算するのは不可能になる。
Here, before the analysis of FIG. 7 is performed, the above-described space charge effect will be supplementarily described.
An ion beam is a system in which a group of particles having the same charge travels in the direction of the central axis designed.
Therefore, the Coulomb repulsive force acts on each ion in the ion beam, and in order to quantitatively analyze its exact motion, the Coulomb force acting between each particle must be considered. When becomes enormous, it becomes impossible to calculate all the Coulomb forces.

そこで、イオンビームを連続的に空間電荷が分布している系と考えれば、空間電荷により生じる電界を解析することによりイオンビームの運動を定量的に計算できるようになる。
この空間電荷は、一般に、電場が印加されていない領域では、イオンビーム自身の正電位により電子がイオンビーム内部に捕獲され、イオンビームの空間電荷が中和されて、空間電荷効果が効かない状況になる。
しかし、加減速管140のように、電場が印加されている領域では、イオンビームの空間電荷を中和する電子が流出して、後述するように、空間電荷効果によってイオンビームが大きく発散してしまう。
Therefore, if the ion beam is considered as a system in which space charges are continuously distributed, the motion of the ion beam can be calculated quantitatively by analyzing the electric field generated by the space charges.
In general, in the area where no electric field is applied, this space charge is a situation where electrons are trapped inside the ion beam by the positive potential of the ion beam itself, the space charge of the ion beam is neutralized, and the space charge effect does not work. become.
However, in the region where an electric field is applied like the acceleration / deceleration tube 140, electrons that neutralize the space charge of the ion beam flow out, and the ion beam is greatly diverged by the space charge effect, as will be described later. End up.

ところで、図7に示されているシミュレーションから明らかなように、質量分離スリット130を通過した直後のイオンビームBは、水平面では強い発散を示しているのに対して、垂直面はほぼ平行であることが理解される。
図7に示されるように、イオンビームの電流が0.2mA、イオンビームBのエネルギーが200keVの場合、ビームBの基板180上での外径は水平面で18mm程度、垂直面で26mm程度である。
Incidentally, as is clear from the simulation shown in FIG. 7, the ion beam B immediately after passing through the mass separation slit 130 shows strong divergence in the horizontal plane, whereas the vertical plane is almost parallel. It is understood.
As shown in FIG. 7, when the ion beam current is 0.2 mA and the ion beam B energy is 200 keV, the outer diameter of the beam B on the substrate 180 is about 18 mm on the horizontal plane and about 26 mm on the vertical plane. .

次に、従来のイオン注入装置100におけるイオンビームの軌道について、軌道計算プログラムに基づく計算機シミュレーションの第2の計算結果を図8を用いて解析する。
ここでは、イオン種をB+、イオンビームBの電流を0.2mA、30keVでイオン源110から引き出される点では、上記第1の計算結果と同一条件ではあるが、加減速管140で、イオンビームBのエネルギーが、逆に、10keVに減速される場合を示している。
なお、図7と同様に、加減速管140と静電走査器160の内部では空間電荷効果が効くので、シミュレーションではこの領域での空間電荷効果によるビームBの発散も考慮している。
Next, the second calculation result of the computer simulation based on the trajectory calculation program is analyzed for the trajectory of the ion beam in the conventional ion implantation apparatus 100 with reference to FIG.
Here, the ion beam is extracted from the ion source 110 at B +, the ion beam B current is 0.2 mA, and 30 keV. In contrast, the energy of B is decelerated to 10 keV.
As in FIG. 7, since the space charge effect is effective inside the acceleration / deceleration tube 140 and the electrostatic scanner 160, the divergence of the beam B due to the space charge effect in this region is also considered in the simulation.

また、図7と同様に、図8中、中心軸Cより上の曲線EHは、水平面のイオンビームBのエンベロープを、下側の曲線EVは、垂直面のイオンビームBのエンベロープを表している。
なお、図7同様、図8においても、中心軸Cの単位はm、縦軸はmmで示している。
Similarly to FIG. 7, in FIG. 8, a curve EH above the central axis C represents the envelope of the ion beam B on the horizontal plane, and the lower curve EV represents the envelope of the ion beam B on the vertical plane. .
As in FIG. 7, in FIG. 8, the unit of the central axis C is m, and the vertical axis is mm.

図8から明らかなように、イオンビームBのエネルギーが低い場合は、特に、ビームBの垂直方向が四重極レンズ150から基板180まで進行する間に、空間電荷効果によって発散してしまい、0.2mA程度でも基板180上でのビームの外径が36mmを超え、直径に換算すると70mm程度と大きくなってしまうことが分かる。   As is apparent from FIG. 8, when the energy of the ion beam B is low, the beam B diverges due to the space charge effect, particularly while the vertical direction of the beam B travels from the quadrupole lens 150 to the substrate 180. It can be seen that the outer diameter of the beam on the substrate 180 exceeds 36 mm even at about 2 mA, and becomes as large as about 70 mm when converted to the diameter.

この対策に、四重極レンズ150でイオンビームBの垂直方向におけるビームスポットの外径を絞ることが考えられる。
しかし、図6に示した従来のイオン注入装置100の構成では、図8に示すように、四重極レンズ150近傍でビームBの垂直面が既に絞られているので、四重極レンズ150の動作条件を変えても、垂直面に関しては、四重極レンズ150から基板180までの空間電荷効果によるビームの発散を抑えることは困難である。
As a countermeasure, it is conceivable to reduce the outer diameter of the beam spot in the vertical direction of the ion beam B by the quadrupole lens 150.
However, in the configuration of the conventional ion implantation apparatus 100 shown in FIG. 6, the vertical plane of the beam B is already narrowed in the vicinity of the quadrupole lens 150 as shown in FIG. Even if the operating conditions are changed, it is difficult to suppress beam divergence due to the space charge effect from the quadrupole lens 150 to the substrate 180 with respect to the vertical plane.

これは、上述したように、四重極レンズ150の収束力は、中心からの距離に比例しているが、従来のイオン注入装置100では、四重極レンズ150近傍におけるイオンビームBの外径が既に小さく、強い収束作用を引き出すことができないためである。   As described above, the convergence force of the quadrupole lens 150 is proportional to the distance from the center, but in the conventional ion implantation apparatus 100, the outer diameter of the ion beam B in the vicinity of the quadrupole lens 150. Is already small and cannot bring out a strong convergence effect.

一方、基板180に均一性の良い注入をするためには、基板180上でのビームBの大きさが基板180に比較して十分に小さいことが必要である。
ところが、従来のイオン注入装置100では、10keV程度の低エネルギーの場合、上記0.2mAのシミュレーションで明らかにした通り、1mA程度の大電流でかつ基板180の上で直径が50mm程度以下のイオンビームBを得るのが困難で、低エネルギーの場合、大電流イオンビームBでは、小さなスポットサイズのビームBを安定して得ることができないという問題がある。
On the other hand, the size of the beam B on the substrate 180 needs to be sufficiently smaller than that of the substrate 180 in order to inject the substrate 180 with good uniformity.
However, in the conventional ion implantation apparatus 100, in the case of low energy of about 10 keV, an ion beam having a large current of about 1 mA and a diameter of about 50 mm or less on the substrate 180 as clarified by the simulation of 0.2 mA. It is difficult to obtain B, and in the case of low energy, there is a problem that the beam B having a small spot size cannot be stably obtained with the large current ion beam B.

本発明は、上記従来の課題を解決し、イオンビームの水平、垂直方向の外径を調整し、低エネルギー、大電流でも比較的小さなスポットサイズのイオンビームを安定して得ることができるイオン注入装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, adjusts the horizontal and vertical outer diameters of the ion beam, and can stably obtain an ion beam having a relatively small spot size even with low energy and large current. An object is to provide an apparatus.

本発明のイオン注入装置は、請求項1に記載のものでは、イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、この質量分離器の下流側に配置された質量分離スリットを透過したイオン種を減速管により所望のエネルギーに減速し、前記減速管の下流側に配置された四重極レンズにより前記イオンを収束させて、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、前記質量分離スリットと前記減速管との間に、イオンビームの外径を調整する調整用静電四重極レンズを配置した構成とした。 In the ion implantation apparatus according to the first aspect of the present invention, ions are extracted from an ion source that generates ions, a desired ion species is selected by a mass separator, and the ion implantation apparatus is disposed downstream of the mass separator. The ion species transmitted through the mass separation slit is decelerated to a desired energy by a decelerating tube, and the ions are converged by a quadrupole lens disposed on the downstream side of the decelerating tube, so that an implantation surface of a substrate such as a semiconductor wafer is obtained. In the ion implantation apparatus for implanting desired ions, an adjustment electrostatic quadrupole lens for adjusting the outer diameter of the ion beam is disposed between the mass separation slit and the decelerating tube.

請求項に記載のイオン注入装置では、前記質量分離スリットと、前記調整用静電四重極レンズとの間に、前記質量分離スリット側から前記調整用静電四重極レンズ側に電子が流出するのを防止する、負の電圧を印加した電極を配置した構成とした。 In the ion implantation apparatus according to claim 2, said mass separation slit between the adjusting electrostatic quadrupole lens, the mass electrons from the separation slit side to the adjusting electrostatic quadrupole lens is It was set as the structure which has arrange | positioned the electrode which applied the negative voltage which prevents flowing out.

請求項に記載のイオン注入装置では、前記質量分離スリットと、前記調整用静電四重極レンズとの間に、前記質量分離スリット側から前記調整用静電四重極レンズ側に電子が流出するのを防止する永久磁石を配置した構成とした。 In the ion implantation apparatus according to claim 3, said mass separation slit between the adjusting electrostatic quadrupole lens, the mass electrons from the separation slit side to the adjusting electrostatic quadrupole lens is It was set as the structure which has arrange | positioned the permanent magnet which prevents flowing out.

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、減速管の下流側に配置した四重極レンズ近傍で、ビームの水平面と垂直面の外径がほぼ等しくすることができ、この結果、四重極レンズから基板までのビームの制御性が良くなり、空間電荷効果による発散が顕著である低エネルギーの場合でも、大電流で比較的小さなスポットサイズのイオンビームを安定して得ることができる。
(2)また、調整用四重極レンズを静電タイプのものとすることにより、大きさが小さくなり、低下コスト化が可能である。
Since the ion implantation apparatus of the present invention is configured as described above, it has the following excellent effects.
(1) According to the first aspect of the present invention, the outer diameters of the horizontal and vertical surfaces of the beam can be made substantially equal in the vicinity of the quadrupole lens disposed on the downstream side of the speed reduction tube. The controllability of the beam from the multipole lens to the substrate is improved, and an ion beam with a relatively small spot size can be stably obtained with a large current even in the case of low energy where divergence due to the space charge effect is remarkable.
(2) Further, by making the adjustment quadrupole lens of an electrostatic type, the size can be reduced and the cost can be reduced.

(3)請求項に記載したように構成すると、イオンビーム中から電子が流出して、空間電荷中和が損なわれてビームが発散する事態を防ぐことができる。 (3) According to the second aspect of the present invention, it is possible to prevent a situation in which electrons flow out from the ion beam, and space charge neutralization is impaired and the beam diverges.

(4)請求項に記載したように構成すると、請求項2と同様に、イオンビーム中から電子が流出して、空間電荷中和が損なわれてビームが発散する事態を防ぐことができる。 (4) When configured as described in claim 3 , similarly to claim 2, it is possible to prevent a situation in which electrons flow out from the ion beam and the neutralization of space charge is impaired and the beam diverges.

本発明のイオン注入装置の第1乃至第3の各実施の形態について、図1乃至図5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乃至図3を用い、図6乃至図8を参照して説明する。
First to third embodiments of an ion implantation apparatus according to the present invention will be described sequentially with reference to FIGS.
First embodiment:
First, a first embodiment of an ion implantation apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 8 using FIGS.

図1は、本発明のイオン注入装置の第1の実施の形態の主要構成を示す平面図である。
図2は、本実施の形態のイオン注入装置におけるイオンビームの軌道について、軌道計算プログラムで計算したエンベロープ曲線を示す図で、イオンビームが低電流の場合である。
図3は、本実施の形態のイオン注入装置におけるイオンビームの軌道について、軌道計算プログラムで計算したエンベロープ曲線を示す図で、イオンビームが大電流の場合である。
FIG. 1 is a plan view showing the main configuration of the first embodiment of the ion implantation apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an envelope curve calculated by the trajectory calculation program for the trajectory of the ion beam in the ion implantation apparatus of the present embodiment, and shows a case where the ion beam has a low current.
FIG. 3 is a diagram showing an envelope curve calculated by the trajectory calculation program for the trajectory of the ion beam in the ion implantation apparatus of the present embodiment, and shows a case where the ion beam has a large current.

なお、図2及び図3において、図7及び図8と同様に、中心軸Cより上の曲線EHは、水平面のイオンビームBのエンベロープを、下側の曲線EVは、垂直面のイオンビームBのエンベロープを表している。
また、図7及び図8同様、中心軸Cの単位はm、縦軸はmmで示している。
図2及び図3においては、図の煩雑さを避けるために、質量分離スリット130の図示は省略してある。
2 and 3, as in FIGS. 7 and 8, the curve EH above the central axis C indicates the envelope of the ion beam B on the horizontal plane, and the lower curve EV indicates the ion beam B on the vertical plane. Represents the envelope.
Similarly to FIGS. 7 and 8, the unit of the central axis C is m, and the vertical axis is mm.
In FIGS. 2 and 3, the mass separation slit 130 is not shown in order to avoid the complexity of the drawings.

先ず、本実施の形態のイオン注入装置10の基本構成について説明する。
図1に示すように、本実施の形態のイオン注入装置10の構成上の特徴は、図6の従来のイオン注入装置100において、質量分離スリット130と加減速管140との間に、イオンビームBの外径を調整する調整用静電四重極レンズ20を配置した点である。
従って、それ以外の各構成については、図6に示す従来のイオン注入装置100と同一の構成であり、その説明については割愛し、以下、本実施の形態のイオン注入装置10に用いる調整用静電四重極レンズ20の作用を中心に説明する。
First, the basic configuration of the ion implantation apparatus 10 of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, the structural feature of the ion implantation apparatus 10 of the present embodiment is that an ion beam is interposed between the mass separation slit 130 and the acceleration / deceleration tube 140 in the conventional ion implantation apparatus 100 of FIG. The adjustment electrostatic quadrupole lens 20 for adjusting the outer diameter of B is disposed.
Therefore, the other components are the same as those of the conventional ion implantation apparatus 100 shown in FIG. 6, and the description thereof will be omitted. Hereinafter, the adjustment static ion used for the ion implantation apparatus 10 of the present embodiment will be omitted. The operation of the electric quadrupole lens 20 will be mainly described.

上述したように、この調整用静電四重極レンズ20を質量分離スリット130と加減速管140との間に配置すると、該調整用静電四重極レンズ20のイオンビームBの収束発散作用により、イオンビームBが下流の四重極レンズ150(図6参照)近傍におけるビームBの外径を調整することが可能になる。   As described above, when the adjustment electrostatic quadrupole lens 20 is disposed between the mass separation slit 130 and the acceleration / deceleration tube 140, the convergence and diverging action of the ion beam B of the adjustment electrostatic quadrupole lens 20 is achieved. Thus, the outer diameter of the beam B in the vicinity of the quadrupole lens 150 (see FIG. 6) downstream of the ion beam B can be adjusted.

本実施の形態のイオン注入装置10の基本動作上の特徴は、四重極レンズ150では、イオンビームBの収束力は、中心からの距離に比例し外側ほど強い性質を有するために、調整用静電四重極レンズ20により、下流側の四重極レンズ150で外径が広がるように設定すれば、下流側の四重極レンズ150の強い収束力を引き出すことができるというものである。   The basic operational feature of the ion implantation apparatus 10 of the present embodiment is that, in the quadrupole lens 150, the convergence force of the ion beam B is proportional to the distance from the center and has a property that is stronger toward the outside. If the electrostatic quadrupole lens 20 is set so that the outer diameter of the downstream quadrupole lens 150 is increased, the strong convergence force of the downstream quadrupole lens 150 can be extracted.

本実施の形態のイオン注入装置10の上記基本動作上の特徴を検証するために、イオンビームBの軌道計算を用いて算出したエンベロープを図2及び図3に示す。
図2には、イオン種をB+、イオンビームの電流を0.2mA、30keVでイオン源から引き出され、加減速管で10keVに減速される場合を示す。
この条件は、従来のイオン注入装置100では、ビームの直径が70mm程度に広がった条件と同一である。
また、図3には、イオン種をB+、イオンビームの電流を1.0mA、30keVでイオン源から引き出され、加減速管で10keVに減速される場合を示す。
FIGS. 2 and 3 show envelopes calculated using the trajectory calculation of the ion beam B in order to verify the above-described basic operational characteristics of the ion implantation apparatus 10 of the present embodiment.
FIG. 2 shows a case where the ion species is B +, the ion beam current is 0.2 mA, 30 keV, and the ion source is decelerated to 10 keV by an acceleration / deceleration tube.
This condition is the same as that in the conventional ion implantation apparatus 100 in which the beam diameter is expanded to about 70 mm.
FIG. 3 shows a case where the ion species is B +, the ion beam current is 1.0 mA, 30 keV, and the ion source is decelerated to 10 keV by an acceleration / deceleration tube.

図2及び図3に示すように、質量分離スリット(図示せず)を通過した直後のイオンビームBは、当該スリットの幅方向(水平方向)には発散しているのに対し、長手方向(垂直方向)には平行若しくは収束気味である。   As shown in FIGS. 2 and 3, the ion beam B immediately after passing through the mass separation slit (not shown) diverges in the width direction (horizontal direction) of the slit, whereas in the longitudinal direction ( The vertical direction is parallel or convergent.

そこで、本実施の形態のイオン注入装置10では、質量分離スリットと加減速管140との間に、上述した通り、イオンビームBの外径を調整する調整用静電四重極レンズ20を配置し、この調整用静電四重極レンズ20により、幅方向を収束させ、長手方向が発散するように機能させることにより、加減速管140に入射する場合や下流側の四重極レンズ150近傍において、幅方向と長手方向のビームBの振る舞いが一致するようにすることができる。   Therefore, in the ion implantation apparatus 10 of the present embodiment, the adjustment electrostatic quadrupole lens 20 that adjusts the outer diameter of the ion beam B is disposed between the mass separation slit and the acceleration / deceleration tube 140 as described above. The adjusting electrostatic quadrupole lens 20 converges in the width direction and functions to diverge in the longitudinal direction, so that it is incident on the acceleration / deceleration tube 140 or in the vicinity of the downstream quadrupole lens 150. , The behavior of the beam B in the width direction and the longitudinal direction can be matched.

これにより、製作が容易な軸対称の構造の加減速管140で加速や減速をしても、光軸Cに直交する水平、垂直の二つの面でのビームBの振る舞いが一致し、加減速管140の下流側に配置した四重極レンズ150近傍で、ビームBの水平面と垂直面の外径がほぼ等しくすることができ、この結果、四重極レンズ150から基板180までのビームBの制御性が良くなり、空間電荷効果による発散が顕著である低エネルギーの場合でも、大電流で比較的小さなスポットサイズのイオンビームを安定して得ることができる。   As a result, even if acceleration / deceleration is performed by an acceleration / deceleration tube 140 having an axially symmetric structure that is easy to manufacture, the behavior of the beam B on two horizontal and vertical planes orthogonal to the optical axis C coincides, and acceleration / deceleration is achieved. In the vicinity of the quadrupole lens 150 arranged on the downstream side of the tube 140, the outer diameters of the horizontal and vertical surfaces of the beam B can be made substantially equal. As a result, the beam B from the quadrupole lens 150 to the substrate 180 can be made substantially equal. Even in the case of low energy where controllability is improved and divergence due to the space charge effect is remarkable, an ion beam having a relatively small spot size can be obtained stably with a large current.

以下、図2及び図3からこのことを定量的に解析する。
図2及び図3から明らかなように、調整用静電四重極レンズ20により、下流側の四重極レンズ150でビーム径が太くなり、下流側での四重極レンズ150の強い収束力を引き出すことができるので、イオンビームBが低エネルギーの場合でも、特に、ビームBの直径を垂直方向が四重極レンズ150から基板180まで進行する間に、空間電荷効果に発散してしまうのを抑制し、基板180上でのビームBの直径が、1.0mAの大電流でも、水平方向で25mm程度、垂直方向で30mm程度と小さくできることが分かる。
よって、本実施の形態のイオン注入装置10では、イオンビームBが低エネルギー、大電流の場合でも、スポット径が小さなイオンビームBを安定して得ることができ、最新技術の要求に十分に対応が可能であることが理解される。
Hereinafter, this will be quantitatively analyzed from FIG. 2 and FIG.
As apparent from FIGS. 2 and 3, the adjustment electrostatic quadrupole lens 20 increases the beam diameter of the downstream quadrupole lens 150, and the strong convergence force of the quadrupole lens 150 on the downstream side. Therefore, even when the ion beam B has a low energy, the beam B diverges due to the space charge effect while the diameter of the beam B proceeds from the quadrupole lens 150 to the substrate 180 in the vertical direction. It can be seen that the diameter of the beam B on the substrate 180 can be reduced to about 25 mm in the horizontal direction and about 30 mm in the vertical direction even with a large current of 1.0 mA.
Therefore, in the ion implantation apparatus 10 of the present embodiment, even when the ion beam B has a low energy and a large current, the ion beam B having a small spot diameter can be stably obtained, and sufficiently meets the demands of the latest technology. Is understood to be possible.

また、本実施の形態のイオン注入装置100では、調整用四重極レンズ20として、静電タイプのものを用いている。
これにより、調整用四重極レンズ20の大きさが小さくなり、コンパクト化、低下コスト化が可能である。
In the ion implantation apparatus 100 of the present embodiment, an electrostatic type is used as the adjustment quadrupole lens 20.
As a result, the size of the adjustment quadrupole lens 20 is reduced, and the size and cost can be reduced.

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4を用いて説明する。
図4は、本発明のイオン注入装置の第2の実施の形態の主要構成を示す斜視図である。
Second embodiment:
Next, a second embodiment of the ion implantation apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing the main configuration of the second embodiment of the ion implantation apparatus of the present invention.

先ず、本実施の形態のイオン注入装置10Bの主要構成について、図4を用いて説明する。
本実施の形態のイオン注入装置10Bの特徴は、図1に示す第1の実施の形態のイオン注入装置10において、質量分離スリット130と、調整用静電四重極レンズ20との間に、質量分離スリット130側から調整用静電四重極レンズ20側に電子が流出するのを防止する、負の電圧を印加した電極30を配置した点である。
このようにすると、イオンビームB中から電子が流出して、空間電荷中和が損なわれてビームBが発散する事態を防ぐことができる。
First, the main structure of the ion implantation apparatus 10B of this Embodiment is demonstrated using FIG.
A feature of the ion implantation apparatus 10B of the present embodiment is that, in the ion implantation apparatus 10 of the first embodiment shown in FIG. 1, between the mass separation slit 130 and the adjustment electrostatic quadrupole lens 20, This is the point that an electrode 30 to which a negative voltage is applied is arranged to prevent electrons from flowing out from the mass separation slit 130 side to the adjustment electrostatic quadrupole lens 20 side.
In this way, it is possible to prevent a situation in which electrons flow out from the ion beam B, the space charge neutralization is impaired, and the beam B diverges.

第3の実施の形態:
次に、本発明のイオン注入装置の第3の実施の形態について、図5を用いて説明する。
図5は、本発明のイオン注入装置の第3の実施の形態の主要構成を示す断面図である。
Third embodiment:
Next, a third embodiment of the ion implantation apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a sectional view showing the main configuration of the third embodiment of the ion implantation apparatus of the present invention.

先ず、本実施の形態のイオン注入装置10Cの主要構成について、図5を用いて説明する。
本実施の形態のイオン注入装置10Cの特徴は、図1に示す第1の実施の形態のイオン注入装置10において、質量分離スリット130と、調整用静電四重極レンズ20との間に、質量分離スリット130側から調整用静電四重極レンズ20側に電子が流出するのを防止する永久磁石40を配置した点である。
このようにすると、第2の実施の形態と同様、イオンビームB中から電子が流出して、空間電荷中和が損なわれてビームBが発散する事態を防ぐことができる。
First, the main configuration of the ion implantation apparatus 10C of the present embodiment will be described with reference to FIG.
A feature of the ion implantation apparatus 10C of the present embodiment is that, in the ion implantation apparatus 10 of the first embodiment shown in FIG. 1, between the mass separation slit 130 and the adjustment electrostatic quadrupole lens 20, This is that a permanent magnet 40 for preventing electrons from flowing out from the mass separation slit 130 side to the adjustment electrostatic quadrupole lens 20 side is disposed.
In this way, as in the second embodiment, it is possible to prevent a situation in which electrons flow out of the ion beam B, and space charge neutralization is impaired and the beam B diverges.

本発明のイオン注入装置は、上記各実施の形態には限定されず、種々の変更が可能である。
先ず、上記実施の形態としては、調整用四重極レンズとしては、静電タイプのもので説明した。これは、磁気タイプのものに比較して大きさが小さくでき、低コストでコンパクト化が可能であるためだが、磁気タイプのものを用いても勿論かまわない。
この場合、磁気タイプのものは、それ自身イオンビームの中間電荷の中和を損なわせる電子の流出を防ぐ機能を有するので、上記第2及び第3の実施の形態で用いた電極や永久磁石は不要になり、構成が簡単になる。
The ion implantation apparatus of the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
First, in the above embodiment, the adjustment quadrupole lens has been described as an electrostatic type. This is because the size can be reduced compared to the magnetic type, and the size can be reduced at a low cost. However, the magnetic type may of course be used.
In this case, the magnetic type itself has a function of preventing the outflow of electrons that impairs neutralization of the intermediate charge of the ion beam, so the electrodes and permanent magnets used in the second and third embodiments are It becomes unnecessary and the configuration becomes simple.

また、図6に示した構成のイオン注入装置の例で説明したが、必ずしもこの従来例にのみ適用できるのではなく、イオンを注入する装置全般に本発明が適用できるのは言うまでもないことである。   Further, although the example of the ion implantation apparatus having the configuration shown in FIG. 6 has been described, it is not necessarily applicable only to this conventional example, and it goes without saying that the present invention can be applied to all apparatuses for implanting ions. .

本発明のイオン注入装置の第1の実施の形態の主要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the main structures of 1st Embodiment of the ion implantation apparatus of this invention. 第1の実施の形態のイオン注入装置におけるイオンビームの軌道について、軌道計算プログラムで計算したエンベロープを示す図で、イオンビームが低電流の場合である。The figure which shows the envelope calculated by the orbit calculation program about the trajectory of the ion beam in the ion implantation apparatus of 1st Embodiment, and is a case where an ion beam is a low current. 第1の実施の形態のイオン注入装置におけるイオンビームの軌道について、軌道計算プログラムで計算したエンベロープを示す図で、イオンビームが大電流の場合である。The figure which shows the envelope calculated by the orbit calculation program about the trajectory of the ion beam in the ion implantation apparatus of 1st Embodiment, and is a case where an ion beam is a heavy current. 本発明のイオン注入装置の第2の実施の形態の主要構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the main structures of 2nd Embodiment of the ion implantation apparatus of this invention. 本発明のイオン注入装置の第3の実施の形態の主要構成を示す平面図である。It is a top view which shows the main structures of 3rd Embodiment of the ion implantation apparatus of this invention. 従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the conventional ion implantation apparatus. 従来のイオン注入装置のイオンビームのエンベロープを示す図で、エネルギーが高い場合である。It is a figure which shows the envelope of the ion beam of the conventional ion implantation apparatus, and is a case where energy is high. 従来のイオン注入装置のイオンビームのエンベロープを示す図で、エネルギーが低い場合である。It is a figure which shows the envelope of the ion beam of the conventional ion implantation apparatus, and is a case where energy is low.

符号の説明Explanation of symbols

10、10B、10C、100:イオン注入装置
20:調整用四重極レンズ
30:電極
40:永久磁石
110:イオン源
120:質量分離器
130:質量分離スリット
140:加減速速管
150:四重極レンズ
180:基板
B:イオンビーム
10, 10B, 10C, 100: ion implantation apparatus
20: Quadrupole lens for adjustment
30: Electrode
40: Permanent magnet
110: Ion source
120: Mass separator
130: Mass separation slit
140: Acceleration / deceleration speed tube
150: Quadrupole lens
180: Substrate
B: Ion beam

Claims (3)

イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、この質量分離器の下流側に配置された質量分離スリットを透過したイオン種を減速管により所望のエネルギーに減速し、前記減速管の下流側に配置された四重極レンズにより前記イオンを収束させて、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、
前記質量分離スリットと前記減速管との間に、イオンビームの外径を調整する調整用静電四重極レンズを配置したことを特徴とするイオン注入装置。
Ions are extracted from the ion source that generates ions, the desired ion species are selected by the mass separator, and the ion species that have passed through the mass separation slit disposed downstream of the mass separator are converted to the desired energy by the speed reducer. In an ion implantation apparatus that decelerates and converges the ions by a quadrupole lens disposed on the downstream side of the deceleration tube, and implants the desired ions into an implantation surface of a substrate such as a semiconductor wafer,
An ion implantation apparatus, wherein an adjustment electrostatic quadrupole lens for adjusting an outer diameter of an ion beam is disposed between the mass separation slit and the decelerating tube.
前記質量分離スリットと、前記調整用静電四重極レンズとの間に、前記質量分離スリット側から前記調整用静電四重極レンズ側に電子が流出するのを防止する、負の電圧を印加した電極を配置したことを特徴とする請求項に記載のイオン注入装置。 It said mass separation slit between the adjusting electrostatic quadrupole lens, to prevent from the mass separation slit side of electrons flowing into the adjustment electrostatic quadrupole lens, a negative voltage The ion implantation apparatus according to claim 1 , wherein an applied electrode is arranged. 前記質量分離スリットと、前記調整用静電四重極レンズとの間に、前記質量分離スリット側から前記調整用静電四重極レンズ側に電子が流出するのを防止する永久磁石を配置したことを特徴とする請求項に記載のイオン注入装置。 It said mass separation slit between the adjusting electrostatic quadrupole lens was disposed a permanent magnet to prevent from the mass separation slit side of electrons flowing into the adjustment electrostatic quadrupole lens The ion implantation apparatus according to claim 1 .
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