JP4930778B2

JP4930778B2 - Mass separation electromagnet

Info

Publication number: JP4930778B2
Application number: JP2007028351A
Authority: JP
Inventors: 昌弘吉田; 一朗中本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: JP2008192562A

Description

本発明は、イオンビームを半導体基板やガラス基板などに照射してイオン注入を行なうイオン注入装置において、イオンビームを質量分離するための質量分離電磁石に関する。 The present invention relates to a mass separation electromagnet for mass-separating an ion beam in an ion implantation apparatus that performs ion implantation by irradiating a semiconductor substrate or a glass substrate with an ion beam.

半導体基板や液晶パネル用ガラス基板に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する工程において、シリコン又はシリコン薄膜に不純物を注入するイオン注入を行なうために、イオン注入装置が用いられる。基板に注入するイオン種は、リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）などがあり、これらを含む原料ガスをイオン源に供給してプラズマ化し、プラズマ中から引き出して加速した断面長方形状のリボン状のイオンビームを基板に照射してイオン注入を行なう。 In a process of forming a thin film transistor (TFT) on a semiconductor substrate or a glass substrate for a liquid crystal panel, an ion implantation apparatus is used to perform ion implantation for implanting impurities into silicon or a silicon thin film. Examples of ion species implanted into the substrate include phosphorus (P) and boron (B). A raw material gas containing these is supplied to an ion source to be converted into plasma, which is extracted from the plasma and accelerated to form a ribbon-like ribbon. Ion implantation is performed by irradiating the substrate with an ion beam.

上記の原料ガスはホスフィン（ＰＨ_３）やジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）などを水素で希釈したものを使用するため、イオン源から引き出したイオンビームをそのまま基板に注入すると、注入すべきＰイオン種（ＰＨｘ）やＢイオン種（ＢＨｘ、Ｂ_２Ｈｘ）などの他に、水素イオンなどの不必要なイオン種が注入される。このように不必要なイオン種を取り除くため、イオン源から引き出したイオンビームを質量分離することによって所望のイオン種を選別して基板に照射するようにした質量分離型イオン注入装置が知られている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。 Since the above source gas uses phosphine (PH ₃ ), diborane (B ₂ H ₆ ), or the like diluted with hydrogen, when an ion beam drawn from the ion source is directly injected into the substrate, P ion species to be injected In addition to (PHx) and B ion species (BHx, B ₂ Hx), unnecessary ion species such as hydrogen ions are implanted. In order to remove unnecessary ion species in this way, a mass separation type ion implantation apparatus is known in which a desired ion species is selected and irradiated onto a substrate by mass-separating an ion beam extracted from an ion source. (For example, see Patent Documents 1 to 3 below).

この種の質量分離型イオン注入装置は、イオン源から引き出されたイオンビームを偏向して通過させる質量分離電磁石と、この電磁石を通過したイオンビームを受けるスリットを備えている。
イオンは一様な磁場中を移動するとき、その電荷・質量・速度・磁場強度によって決まる曲率半径で回転運動を行なうので、質量分離電磁石中にイオンビームを通過させ、通過後に所望のイオン種が到達すると予測される軌道上にスリットを配置することによって、イオン種の質量分離を行なうことができる。 This type of mass separation ion implantation apparatus includes a mass separation electromagnet that deflects and passes an ion beam extracted from an ion source, and a slit that receives the ion beam that has passed through the electromagnet.
When ions move in a uniform magnetic field, they perform a rotational motion with a radius of curvature determined by their charge, mass, velocity, and magnetic field strength. By arranging slits on the trajectory that is predicted to reach, mass separation of ion species can be performed.

特開２００４−１９２９０５号公報JP 2004-192905 A 特開２００５−３２７７１３号公報JP 2005-327713 A 特開２００４−１５２５５７号公報JP 2004-152557 A

質量分離型イオン注入装置は、半導体製造用として以前から多く製造されていた。半導体製造用では、基板サイズが高々３００ｍｍ程度であり、直径数十ｍｍのビームをスキャンして、基板全体にイオン注入を行なっていた。したがって、半導体製造用では、直径数十ｍｍのビームに対応する比較的狭い領域で均一磁場を発生させればよいため、電磁石のサイズも比較的小さかった。 Many mass-separated ion implantation apparatuses have been manufactured for semiconductor manufacturing. For semiconductor manufacturing, the substrate size is at most about 300 mm, and a beam with a diameter of several tens mm is scanned to perform ion implantation on the entire substrate. Therefore, for semiconductor manufacturing, the size of the electromagnet is relatively small because it is only necessary to generate a uniform magnetic field in a relatively narrow region corresponding to a beam with a diameter of several tens of millimeters.

一方、イオン注入工程を必要とする液晶パネル用のガラス基板は、現在、最大で７３０ｍｍ×９２０ｍｍのものがある。このような基板に対してイオン注入を行なう場合、通常、イオンビームを基板の長辺方向にスキャンするため、上記サイズの基板の場合、イオンビームの幅方向（ビーム断面の長手方向）の大きさは、７３０ｍｍ以上必要である。このため、質量分離電磁石に必要な均一磁場領域が大きくなり、電磁石の大きさが数メートル・数十トン級となってしまう。そこで、電磁石の小型・軽量化や磁場の微調整を行なえるように、上記特許文献において種々の提案がなされている。 On the other hand, a glass substrate for a liquid crystal panel that requires an ion implantation process is currently 730 mm × 920 mm at maximum. When ion implantation is performed on such a substrate, the ion beam is usually scanned in the long side direction of the substrate. Therefore, in the case of a substrate of the above size, the ion beam width direction (longitudinal direction of the beam cross section) is large. Is required to be 730 mm or more. For this reason, the uniform magnetic field area required for the mass separation electromagnet becomes large, and the size of the electromagnet becomes several meters and several tens of tons. Therefore, various proposals have been made in the above-mentioned patent documents so that the electromagnet can be made smaller and lighter and the magnetic field can be finely adjusted.

特許文献１，２では、比較的均一な磁場を形成する方法として、電磁石の磁極を可動型の多極磁極として磁極形状を最適化することが提案されている。しかしながら、磁極は電磁軟鉄からなり重量としては数百ｋｇになり、そのような磁極を数ｍｍの精度で動かして磁場を調整する必要があるため、駆動機構を構成することが難しいと同時にコストが嵩んでしまうという問題がある。また、質量分離電磁石の真空容器は、磁極部分で真空シールする場合が多く、磁極が可動する構成とした場合、真空漏れ対策も難しくなる。 In Patent Documents 1 and 2, as a method of forming a relatively uniform magnetic field, it is proposed to optimize the magnetic pole shape by using a magnetic pole of an electromagnet as a movable multipolar magnetic pole. However, the magnetic pole is made of soft magnetic iron and has a weight of several hundred kg. Since it is necessary to adjust the magnetic field by moving such a magnetic pole with an accuracy of several millimeters, it is difficult to configure the drive mechanism and the cost is high. There is a problem that it becomes bulky. Further, the vacuum vessel of the mass separation electromagnet is often vacuum-sealed at the magnetic pole portion, and when the magnetic pole is configured to move, it is difficult to take measures against vacuum leakage.

また、特許文献３では、平面視が扇型レーストラック型の空芯コイルが垂直方向に複数配置された構成とし、それぞれのコイルに適当な励磁電流を流すことにより均一な磁場が得られ、かつ小型・軽量な分析電磁石が提案されている。さらに、特許文献３では、ビームを囲むようにヨークを設け、ビームの上下側に一対のポールを設けることで、各コイルの起磁力を低減でき、縦方向（垂直方向）の磁場均一性を高めることができると述べている。しかしながら、ポールを設置することによって起磁力は低減できるが、液晶製造用の断面長方形状の細長いビームに対応するためポール間距離を長く取ると、ポールからの漏れ磁場の影響が否めない。すなわち、ポール間の均一磁場中心付近に比べてポール近傍の磁場が強くなることにより、均一磁場領域が減少する。これを回避するためには、ポール間距離をさらに長く取ればよいが、これでは磁石の小型・軽量化に相反してしまう。 In Patent Document 3, a plurality of fan-shaped racetrack type air-core coils are arranged in the vertical direction in plan view, and a uniform magnetic field can be obtained by applying an appropriate excitation current to each coil. A small and lightweight analysis electromagnet has been proposed. Further, in Patent Document 3, by providing a yoke so as to surround the beam and providing a pair of poles on the upper and lower sides of the beam, the magnetomotive force of each coil can be reduced, and the magnetic field uniformity in the vertical direction (vertical direction) is improved. States that you can. However, although the magnetomotive force can be reduced by installing the poles, the influence of the leakage magnetic field from the poles cannot be denied if the distance between the poles is long in order to cope with a long and narrow beam having a rectangular cross section for liquid crystal production. That is, the magnetic field in the vicinity of the poles becomes stronger than that in the vicinity of the center of the uniform magnetic field between the poles, thereby reducing the uniform magnetic field region. In order to avoid this, the distance between the poles may be made longer, but this conflicts with the reduction in size and weight of the magnet.

イオンビームをガラス基板に照射するとき、ビーム厚さ方向（ビーム断面の短手方向）に基板を移動させながらビームを照射するため、ビーム厚さ方向寸法に関わらず基板全体に照射できる。ビーム厚さ方向寸法が大きいほうが、大きなビーム電流が得られるため、生産性向上に対して有利である。従って、ビーム厚さ方向寸法が大きく且つ電流密度均一性が高いイオンビームを得るためには、ビーム厚さ方向にも広い領域に均一磁場を発生させる必要がある。 When the glass substrate is irradiated with the ion beam, the entire substrate can be irradiated regardless of the dimension in the beam thickness direction because the beam is irradiated while moving the substrate in the beam thickness direction (short direction of the beam cross section). A larger dimension in the beam thickness direction is advantageous in improving productivity because a large beam current can be obtained. Therefore, in order to obtain an ion beam having a large dimension in the beam thickness direction and high current density uniformity, it is necessary to generate a uniform magnetic field in a wide region in the beam thickness direction.

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、構造が簡単であり、磁石の小型・軽量化を図ることができ、広い範囲に均一磁場領域を発生させることができ、ビーム厚さ方向寸法の大きいイオンビームにも対応できる質量分離電磁石を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, has a simple structure, can reduce the size and weight of a magnet, can generate a uniform magnetic field region over a wide range, and has a beam thickness. An object of the present invention is to provide a mass separation electromagnet that can cope with an ion beam having a large directional dimension.

上記の目的を達成するため、本発明の質量分離電磁石は、以下の手段を採用する。
（１）本発明は、イオン注入装置におけるイオン源と処理室との間のイオンビームの経路上に配置され、前記イオン源側から導入される断面長方形状のイオンビームをその厚さ方向に偏向して質量分離し所望のイオン種を含むイオンビームを導出する質量分離電磁石であって、前記イオンビームを偏向するための磁場を発生させる偏向用コイルを備え、該偏向用コイルは、前記イオンビームの導入位置から導出位置まで延びた形状を有するとともに前記イオンビームの長方形断面の長手方向に配置された複数のコイルからなり、該各コイルは、湾曲形状を描くイオンビーム軌道の内側に配置された内側コイル部と、前記イオンビーム軌道の外側に配置された外側コイル部とを有し、前記導入位置と前記導出位置との間の途中位置における前記内側コイル部と前記外側コイル部の間隔は、前記導入位置及び前記導出位置における前記間隔よりも広い、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the mass separation electromagnet of the present invention employs the following means.
(1) The present invention is arranged on the ion beam path between the ion source and the processing chamber in the ion implantation apparatus, and deflects the ion beam having a rectangular cross section introduced from the ion source side in the thickness direction. A mass separation electromagnet for mass-separating and deriving an ion beam containing a desired ion species, comprising a deflection coil for generating a magnetic field for deflecting the ion beam, the deflection coil comprising the ion beam And a plurality of coils arranged in the longitudinal direction of the rectangular cross section of the ion beam, each coil being arranged inside an ion beam trajectory that describes a curved shape. An inner coil portion and an outer coil portion disposed outside the ion beam trajectory, the intermediate position between the introduction position and the lead-out position Spacing of the outer coil portion and the first side coil portion, said wider than the interval in the introduction position and the outlet position, characterized in that.

本発明によれば、コイルが内側コイル部と外側コイル部とを有し、これらがイオンビームの長方形断面の長手方向（幅方向）に複数配置されているので、各コイルに適当な励磁電流を流すことにより内側コイル部と外側コイル部の間にビーム幅方向の均一磁場を発生させることができる。このような構成によれば、可動磁極を設けることなく、簡単な構造で均一磁場を発生させることができる。
また、イオンビームの導入位置及び導出位置よりも内側コイル部と外側コイル部の間隔が広い途中位置において、ビーム厚さ方向にも広い領域に均一磁場を発生させることができ、ビーム厚さ方向の寸法が大きいイオンビームにも対応することができる。ビーム厚さ方向寸法を大きくすると、同じ電流密度であっても大きなビーム電流値が得られるため、基板一枚あたりのイオン注入時間を短縮することができ、結果として生産性を高めることができる。また、途中位置のみを広げたので、小型・軽量を保持しつつ均一磁場領域を広くできる。 According to the present invention, the coil has an inner coil portion and an outer coil portion, and a plurality of these are arranged in the longitudinal direction (width direction) of the rectangular cross section of the ion beam. By flowing, a uniform magnetic field in the beam width direction can be generated between the inner coil portion and the outer coil portion. According to such a configuration, a uniform magnetic field can be generated with a simple structure without providing a movable magnetic pole.
In addition, a uniform magnetic field can be generated in a wide region in the beam thickness direction at a midway position where the distance between the inner coil portion and the outer coil portion is wider than the ion beam introduction position and the lead-out position. An ion beam having a large size can also be handled. When the dimension in the beam thickness direction is increased, a large beam current value can be obtained even at the same current density. Therefore, the ion implantation time per substrate can be shortened, and as a result, productivity can be improved. In addition, since only the middle position is expanded, the uniform magnetic field region can be widened while maintaining small size and light weight.

（２）また、上記の質量分離電磁石において、内側コイル部は、前記導入位置から前記導出位置に至る間にイオンビームの偏向方向に複数回屈曲する形状を有する。 (2) In the above-described mass separation electromagnet, the inner coil portion has a shape that is bent a plurality of times in the ion beam deflection direction from the introduction position to the lead-out position.

内側コイル部と外側コイル部を上記のような形状に形成することにより、途中位置における両コイルの間隔が広くなるコイルを容易に構成することができる。 By forming the inner coil portion and the outer coil portion in the shape as described above, it is possible to easily configure a coil in which the distance between the coils at the midway position is wide.

（３）また、上記の質量分離電磁石において、前記導入位置と前記導出位置からほぼ等距離の位置で前記途中位置における前記間隔が最も広くなる。 (3) Further, in the above-described mass separation electromagnet, the interval at the midway position is the widest at a position approximately equidistant from the introduction position and the lead-out position.

ビーム幅方向に広い磁場発生領域を持つ質量分離電磁石では、イオンビームの導入位置（入口）と導出位置（出口）からほぼ等距離の位置（中心付近）で磁場強度が最大となる。このため、この位置での磁場均一性は、質量分離された後のイオンビームの電流密度均一性に大きく影響する。本発明では、イオンビームの導入位置と導出位置からほぼ等距離の位置において、内側コイル部と外側コイル部の間隔が最も広くなるので、磁場強度が最大となる位置の磁場均一性を高めることができる。したがって、質量分離されたイオンビームの電流密度均一性を効果的に高めることができる。 In a mass separation electromagnet having a wide magnetic field generation region in the beam width direction, the magnetic field strength becomes maximum at a position (near the center) that is substantially equidistant from the ion beam introduction position (entrance) and the extraction position (exit). For this reason, the magnetic field uniformity at this position greatly affects the current density uniformity of the ion beam after mass separation. In the present invention, the distance between the inner coil portion and the outer coil portion is the widest at a position approximately equidistant from the ion beam introduction position and the lead-out position, so that the magnetic field uniformity at the position where the magnetic field strength is maximized can be improved. it can. Therefore, the current density uniformity of the mass-separated ion beam can be effectively increased.

（４）また、上記の質量分離電磁石において、前記内側コイル部と外側コイル部は、前記導入位置及び前記導出位置において互いの両端部が連結されており、前記複数のコイルのうち少なくとも１つはその両端部がイオンビーム軌道を避けるように屈曲した形状を有している。 (4) Further, in the mass separation electromagnet described above, the inner coil portion and the outer coil portion are connected to each other at both the introduction position and the lead-out position, and at least one of the plurality of coils is Both end portions have a bent shape so as to avoid the ion beam trajectory.

このように内側コイル部と外側コイル部とで一体のコイル路が形成されるので、それぞれ別々にコイル路を形成する場合と比較して、発生する磁場を有効利用できると同時にコイルを小型・軽量化できる。
コイルの両端部がイオンビーム軌道を避けるように屈曲した形状を有しているので、内側コイル部と外側コイル部とを連結した場合でも、コイル両端部とイオンビームとの干渉を回避することができる。 In this way, an integral coil path is formed by the inner coil part and the outer coil part, so that compared to the case where the coil paths are formed separately, the generated magnetic field can be used effectively, and the coil can be made smaller and lighter. Can be
Since both ends of the coil are bent so as to avoid the ion beam trajectory, interference between both ends of the coil and the ion beam can be avoided even when the inner coil portion and the outer coil portion are connected. it can.

（５）また、上記の質量分離電磁石において、前記イオンビーム軌道とともに前記コイルを囲み断面が枠型のヨークを備え、該ヨークの前記イオンビームの前記幅方向両側部分にはイオンビーム軌道側に突出するポールが設けられていない。 (5) The mass separation electromagnet includes a yoke having a frame-shaped cross section surrounding the coil together with the ion beam trajectory, and protrudes toward the ion beam trajectory side at both sides of the ion beam in the width direction. There is no pole to do.

このようにヨークを備えることにより、ビーム軌道上の磁場強度を強くすることができるので、コイルの起磁力を低減することができる。
また、ヨークにポールを設けないことにより、ポール間の均一磁場中心付近に比べてポール近傍の磁場が強くなることに起因する均一磁場領域の減少を回避することができる。したがって、ポール間距離を長く取る必要が無いので、磁石の小型・軽量化を保ちつつ均一磁場領域を広げることができる。 By providing the yoke in this way, the magnetic field strength on the beam trajectory can be increased, so that the magnetomotive force of the coil can be reduced.
In addition, by not providing the yoke with poles, it is possible to avoid a reduction in the uniform magnetic field region caused by a stronger magnetic field in the vicinity of the poles than in the vicinity of the center of the uniform magnetic field between the poles. Accordingly, since it is not necessary to increase the distance between the poles, the uniform magnetic field region can be expanded while keeping the magnet small and light.

本発明の質量分離電磁石によれば、構造が簡単であり、磁石の小型・軽量化を図ることができ、広い範囲に均一磁場領域を発生させることができ、ビーム厚さ方向寸法の大きいイオンビームにも対応できるという優れた効果が得られる。 According to the mass separation electromagnet of the present invention, the structure is simple, the magnet can be reduced in size and weight, a uniform magnetic field region can be generated in a wide range, and the ion beam having a large dimension in the beam thickness direction. The excellent effect that it can respond also to is obtained.

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

以下、本明細書では、イオンビーム進行方向に垂直な断面を「イオンビームの断面」又は単に「ビーム断面」と呼ぶ。ビーム断面の長手方向の寸法を「イオンビームの幅」と呼ぶ。ビーム断面の短手方向の寸法を「イオンビームの厚さ」と呼ぶ。
また、本明細書において、断面長方形状とは、断面が長方形に近い、あるいは断面が長方形のような形状をも含む概念であり、完全な長方形のみを意味するものではない。 Hereinafter, in the present specification, a cross section perpendicular to the ion beam traveling direction is referred to as an “ion beam cross section” or simply a “beam cross section”. The dimension in the longitudinal direction of the beam cross section is called “the width of the ion beam”. The dimension in the short direction of the beam cross section is called “the thickness of the ion beam”.
In addition, in this specification, the cross-sectional rectangular shape is a concept that includes a shape in which the cross-section is close to a rectangle or the cross-section is rectangular, and does not mean only a complete rectangle.

図１及び図２は、本発明の質量分離電磁石１７を備えたイオン注入装置１０の構成を示す図であり、図１は平面図、図２は側面図である。
このイオン注入装置１０において、処理対象となる基板３は、半導体基板３、液晶パネル用のガラス基板等である。本実施形態において、基板３は長方形状をなし、例えば、短片寸法Ｗ１は７３０ｍｍであり、長辺寸法Ｗ２は９２０ｍｍである。だたし、基板形状は、長方形に限られず、正方形や円形であってもよい。 1 and 2 are views showing a configuration of an ion implantation apparatus 10 provided with a mass separation electromagnet 17 of the present invention. FIG. 1 is a plan view and FIG. 2 is a side view.
In this ion implantation apparatus 10, the substrate 3 to be processed is a semiconductor substrate 3, a glass substrate for a liquid crystal panel, or the like. In the present embodiment, the substrate 3 has a rectangular shape. For example, the short piece dimension W1 is 730 mm, and the long side dimension W2 is 920 mm. However, the substrate shape is not limited to a rectangle, and may be a square or a circle.

イオン注入装置１０は、イオン源１２、引出し電極系１５、質量分離電磁石１７、分離スリット２７、処理室１９等から構成されている。
イオン源１２は、基板３に注入すべき所望のイオン種を含むプラズマ１３を発生させる。基板３に注入すべきイオン種としては、ＰイオンやＢイオンなどがある。これらの原料となる原料ガスが図示しない原料ガス供給装置からイオン源１２に供給されるようになっている。このイオン源１２では、図示しないフィラメントにより熱電子を発生させ、供給された原料ガスの分子を電離させて所望のイオン種を含むプラズマ１３を発生させる。 The ion implantation apparatus 10 includes an ion source 12, an extraction electrode system 15, a mass separation electromagnet 17, a separation slit 27, a processing chamber 19, and the like.
The ion source 12 generates a plasma 13 containing a desired ion species to be implanted into the substrate 3. Examples of ion species to be implanted into the substrate 3 include P ions and B ions. These source gases as raw materials are supplied to the ion source 12 from a raw material gas supply device (not shown). In the ion source 12, thermoelectrons are generated by a filament (not shown), and molecules of a supplied source gas are ionized to generate a plasma 13 containing a desired ion species.

イオン源１２にて発生した所望のイオン種を含むプラズマ１３は、イオン源１２の出口側に配置された引出し電極系１５によって、断面長方形状のリボン状のイオンビーム１として引き出される。
このイオンビーム進行方向に垂直な断面の長手方向の寸法は、基板３の短辺寸法Ｗ１よりも大きい。短辺寸法が７３０ｍｍの場合、上記の長手方向の寸法は７３０ｍｍ以上となる。 Plasma 13 containing a desired ion species generated in the ion source 12 is extracted as a ribbon-shaped ion beam 1 having a rectangular cross section by an extraction electrode system 15 disposed on the exit side of the ion source 12.
The dimension in the longitudinal direction of the cross section perpendicular to the ion beam traveling direction is larger than the short side dimension W1 of the substrate 3. When the short side dimension is 730 mm, the dimension in the longitudinal direction is 730 mm or more.

イオン源１２から引き出されたイオンビーム１は質量分離電磁石１７に導入される。質量分離電磁石１７は、その内部にビーム進行方向と垂直な磁場を形成するものであり、本実施形態では、図２の矢印Ｂの方向に磁場を形成する。このように構成された質量分離電磁石１７は、図１に示すように、イオン源１２から引き出されたイオンビーム１をその厚さ方向側に曲げて質量分離し所望のイオン種を含むイオンビーム１を導出する。 The ion beam 1 extracted from the ion source 12 is introduced into the mass separation electromagnet 17. The mass separation electromagnet 17 forms a magnetic field perpendicular to the beam traveling direction inside, and in this embodiment forms a magnetic field in the direction of arrow B in FIG. As shown in FIG. 1, the mass separation electromagnet 17 configured in this way is configured to bend the ion beam 1 drawn out from the ion source 12 in the thickness direction and perform mass separation to include the ion beam 1 containing a desired ion species. Is derived.

イオンビーム１が質量分離電磁石１７の磁界中を通過するとき、イオンビーム１に含まれる各イオン種は、その電荷・質量・速度・磁場強度に依存した曲率半径で回転運動を行うので、通過後に所望のイオン種が到達すると予測される軌道上に、質量分離電磁石１７からのイオンビーム１を受けて所望のイオンを選別して通過させるスリット２７が配置されている。 When the ion beam 1 passes through the magnetic field of the mass separation electromagnet 17, each ion species included in the ion beam 1 performs a rotational movement with a radius of curvature depending on its charge, mass, velocity, and magnetic field strength. A slit 27 that receives the ion beam 1 from the mass separation electromagnet 17 and selects and passes the desired ions is arranged on the trajectory where the desired ion species is predicted to reach.

処理室１９内には、基板３を保持しながら基板３を図の矢印Ｃの方向に移動させる基板ステージ２８が設置されている。基板ステージ２８は図示しない駆動装置によって往復駆動される。本実施形態において矢印Ｃはスリット２７を通過したイオンビーム１の厚さ方向と同じ方向である。このように基板３を移動させながら基板３の短辺寸法Ｗ１よりも幅広のイオンビーム１を照射することにより、基板３の全面にイオンビーム１を照射してイオン注入を行なうことができる。 A substrate stage 28 for moving the substrate 3 in the direction of arrow C in the figure while holding the substrate 3 is installed in the processing chamber 19. The substrate stage 28 is reciprocated by a driving device (not shown). In the present embodiment, the arrow C is in the same direction as the thickness direction of the ion beam 1 that has passed through the slit 27. By irradiating the ion beam 1 wider than the short side dimension W1 of the substrate 3 while moving the substrate 3 in this way, the ion beam 1 can be irradiated to the entire surface of the substrate 3 to perform ion implantation.

イオン源１２と処理室１９との間のイオンビーム１の経路は、真空容器２６によって囲まれている。イオン源１２と真空容器２６、真空容器２６と処理室１９は、それぞれ互いに気密に接続されており、図示しない真空ポンプにより、内部が真空排気されるようになっている。 The path of the ion beam 1 between the ion source 12 and the processing chamber 19 is surrounded by a vacuum vessel 26. The ion source 12 and the vacuum vessel 26, and the vacuum vessel 26 and the processing chamber 19 are connected to each other in an airtight manner, and the inside is evacuated by a vacuum pump (not shown).

このイオン注入装置は、さらに、イオンモニタ２９と、ビームプロファイルモニタ４０と、制御装置３８とを備えている。
イオンモニタ２９は、スリット２７のイオンビーム１進行方向下流側に配置され、スリット２７を通過したイオンビーム１を受けて、このイオンビーム１に含まれるイオン種の種類及びその割合を測定する。このイオンモニタ２９は、例えば、電磁石と１つ又は複数のファラデーカップを用いた質量分析方式のものでよく、その他の公知の手段を用いたものであってもよい。 The ion implantation apparatus further includes an ion monitor 29, a beam profile monitor 40, and a control device 38.
The ion monitor 29 is arranged on the downstream side of the slit 27 in the traveling direction of the ion beam 1, receives the ion beam 1 that has passed through the slit 27, and measures the type and ratio of ion species included in the ion beam 1. The ion monitor 29 may be, for example, a mass spectrometry type using an electromagnet and one or a plurality of Faraday cups, or may be one using other known means.

本実施形態におけるイオンモニタ２９は、Ｘ方向（イオンビーム１の厚さ方向と同一）には移動しないが、イオンビーム１の厚さに十分対応できるようになっている。さらに、このイオンモニタ２９は、図示しない駆動装置によって、図のＹ方向（イオンビーム１の幅方向と同一）に往復移動可能に構成されている。この構成により、イオンビーム１の幅方向の任意の位置の一定範囲において、そこに含まれるイオン種の種類及びその割合を測定することができる。
なお、本実施形態では、イオンモニタ２９は、基板ステージ２８の背面側に配置されているが、スリット２７よりもイオンビーム進行方向下流側であれば、基板ステージ２８の前面側に配置されてもよい。 The ion monitor 29 in the present embodiment does not move in the X direction (same as the thickness direction of the ion beam 1), but can sufficiently cope with the thickness of the ion beam 1. Further, the ion monitor 29 is configured to be reciprocally movable in the Y direction (same as the width direction of the ion beam 1) by a driving device (not shown). With this configuration, it is possible to measure the type of ion species contained in the ion beam 1 in a certain range at any position in the width direction and the proportion thereof.
In this embodiment, the ion monitor 29 is disposed on the back side of the substrate stage 28. However, the ion monitor 29 may be disposed on the front side of the substrate stage 28 as long as it is downstream of the slit 27 in the ion beam traveling direction. Good.

ビームプロファイルモニタ４０は、質量分離電磁石１７よりもイオンビーム１進行方向下流側に配置され、イオンビーム１を受けて、このイオンビーム１の断面形状及び電流密度分布を測定するものである。ビームプロファイルモニタ４０は、例えば、図１に示すようなファラデーカップアレイ４０Ａであってよい。このファラデーカップアレイ４０Ａは、イオンモニタ２９の背面側に配置されている。ファラデーカップアレイ４０Ａは、イオンビーム１の幅方向及び厚さ方向に渡って複数（多数）のファラデーカップを配置したものである。複数のファラデーカップはイオンビーム１の断面形状よりも大きい範囲に渡って併設されている。 The beam profile monitor 40 is disposed downstream of the mass separation electromagnet 17 in the traveling direction of the ion beam 1 and receives the ion beam 1 and measures the cross-sectional shape and current density distribution of the ion beam 1. The beam profile monitor 40 may be, for example, a Faraday cup array 40A as shown in FIG. The Faraday cup array 40A is arranged on the back side of the ion monitor 29. The Faraday cup array 40A has a plurality of (many) Faraday cups arranged in the width direction and the thickness direction of the ion beam 1. The plurality of Faraday cups are provided side by side over a range larger than the cross-sectional shape of the ion beam 1.

このように構成されたファラデーカップアレイ４０Ａにより、イオンビーム１を受けて、このイオンビーム１の断面形状と電流密度分布を測定することができる。なお、ファラデーカップアレイ４０Ａによる測定の際は、ファラデーカップアレイ４０Ａへのイオンビーム１の照射の邪魔にならない位置に基板ステージ２８が移動する。
また、図２では、ファラデーカップアレイ４０Ａによる測定を行なう際に、ファラデーカップアレイへ４０Ａのイオンビーム１の照射の邪魔にならないよう、イオンモニタ２９が破線で示す位置まで退避できるようになっている。 The Faraday cup array 40A configured as described above can receive the ion beam 1 and measure the cross-sectional shape and current density distribution of the ion beam 1. In the measurement by the Faraday cup array 40A, the substrate stage 28 moves to a position that does not interfere with the irradiation of the ion beam 1 to the Faraday cup array 40A.
Further, in FIG. 2, when performing measurement by the Faraday cup array 40A, the ion monitor 29 can be retracted to a position indicated by a broken line so as not to interfere with irradiation of the ion beam 1 of 40A to the Faraday cup array. .

制御装置３８は、ビームプロファイルモニタ４０とイオンモニタ２９からの測定情報に基づいて、所望の質量分離分解能が得られるようにスリット２７を制御する。また、制御装置は、コイル用電源３９ａ，３９ｂ，３９ｃを制御し、質量分離電磁石１７における後述するコイル２１，２２，２３に流す励磁電流を調整する。 The control device 38 controls the slit 27 based on the measurement information from the beam profile monitor 40 and the ion monitor 29 so as to obtain a desired mass separation resolution. In addition, the control device controls the coil power supplies 39a, 39b, and 39c, and adjusts excitation currents that flow through coils 21, 22, and 23, which will be described later, in the mass separation electromagnet 17.

上記のように構成されたイオン注入装置１０では、イオン源１２から引き出した所望のイオン種を含むイオンビーム１を、質量分離電磁石１７によって質量分離し、スリット２７により所望のイオン種を選別して通過させて処理室１９まで導き、このイオンビーム１を処理室１９内の基板３に照射してイオン注入を行なうようになっている。 In the ion implantation apparatus 10 configured as described above, the ion beam 1 including a desired ion species extracted from the ion source 12 is mass-separated by the mass separation electromagnet 17 and the desired ion species is selected by the slit 27. The ion beam 1 is irradiated to the substrate 3 in the processing chamber 19 for ion implantation.

本実施形態の質量分離電磁石１７について、より詳しく説明する。
図３に、質量分離電磁石１７の構成を示す。図において、（Ａ）はイオンビーム１の導入位置Ａ（図５参照）付近における側面断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）における３Ｂ−３Ｂ断面図である。（Ａ）及び（Ｂ）では、イオンビーム軌道中心Ｓより上側の部分のみ示しており、下側の部分は上側部分と対象に構成されているため図示を省略する。（Ａ）の白抜矢印はビーム進行方向を示している。 The mass separation electromagnet 17 of this embodiment will be described in more detail.
FIG. 3 shows the configuration of the mass separation electromagnet 17. In the drawing, (A) is a side sectional view in the vicinity of the introduction position A (see FIG. 5) of the ion beam 1, and (B) is a 3B-3B sectional view in (A). In (A) and (B), only the portion above the ion beam trajectory center S is shown, and the lower portion is configured as the upper portion and the object, and thus illustration is omitted. The white arrow in (A) indicates the beam traveling direction.

図３に示すように、この質量分離電磁石１７は、イオンビーム１を偏向するめの磁場を発生させる偏向用コイル２０を備える。この偏向用コイル２０は、イオンビーム１の導入位置Ａから導出位置Ｂまで延びた形状を有する（図５参照）とともにイオンビーム１の長方形断面の長手方向（ビーム幅方向＝図３で上下方向）に配置された複数のコイルからなる。本実施形態では、偏向用コイル２０は、イオンビーム軌道中心を挟んで３対の計６本のコイルがイオンビーム１の幅方向に配置されている。これらのコイルは、１対を一組として各組ごとに独立に励磁電流を流すために、上述した３つのコイル用電源３９ａ，３９ｂ，３９ｃ（図１参照）からそれぞれ励磁電流が供給される。この場合、制御装置３８は、ビームプロファイルモニタ４０からの測定情報に基づいて、所望のビーム形状及び電流密度均一性を得るのに最適な電流をコイルに流すようにコイル用電源３９ａ，３９ｂ，３９ｃを制御する。 As shown in FIG. 3, the mass separation electromagnet 17 includes a deflection coil 20 that generates a magnetic field for deflecting the ion beam 1. The deflection coil 20 has a shape extending from the introduction position A to the extraction position B of the ion beam 1 (see FIG. 5) and the longitudinal direction of the rectangular cross section of the ion beam 1 (beam width direction = vertical direction in FIG. 3). It consists of a plurality of coils arranged in. In the present embodiment, the deflection coil 20 has a total of six coils arranged in three widths across the ion beam trajectory center in the width direction of the ion beam 1. These coils are supplied with excitation currents from the above-described three coil power sources 39a, 39b, and 39c (see FIG. 1), respectively, in order to cause an excitation current to flow independently for each pair. In this case, the control device 38, based on the measurement information from the beam profile monitor 40, supplies coil power sources 39a, 39b, and 39c so that an optimum current is supplied to the coil to obtain a desired beam shape and current density uniformity. To control.

なお、本実施形態では、コイル２３、コイル２１、コイル２２の順で起磁力が大きいが、これらの大小関係は、コイル数、各コイル間隔、要求される磁場仕様等に応じて最適に設定される。
また、コイル数は、本実施形態に示した数に限られるものではなく、要求される磁場仕様等に応じて適切な数に設定される。 In the present embodiment, the magnetomotive force is large in the order of the coil 23, the coil 21, and the coil 22, but the magnitude relationship between these is optimally set according to the number of coils, the interval between the coils, the required magnetic field specifications, and the like. The
The number of coils is not limited to the number shown in the present embodiment, and is set to an appropriate number according to the required magnetic field specifications and the like.

上記のように構成された質量分離電磁石１７によれば、コイル２１，２２，２３が内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとからなり、これらがイオンビーム１の幅方向に複数配置されているので、各コイルに適当な励磁電流を流すことにより内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂの間にビーム幅方向の均一磁場を発生させることができる。このような構成によれば、可動磁極を設けることなく、簡単な構造で均一磁場を発生させることができる。 According to the mass separation electromagnet 17 configured as described above, the coils 21, 22 and 23 are composed of the inner coil portion 20 a and the outer coil portion 20 b, and a plurality of these are arranged in the width direction of the ion beam 1. A uniform magnetic field in the beam width direction can be generated between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b by supplying an appropriate excitation current to each coil. According to such a configuration, a uniform magnetic field can be generated with a simple structure without providing a movable magnetic pole.

また、本実施形態の質量分離電磁石１７は、図３に示すように、イオンビーム軌道とともにコイルを囲むヨーク２５を備えている。このようにヨーク２５を備えることによりビーム軌道上の磁場強度を強くすることができるので、コイル２１，２２，２３の起磁力を低減することができる。
このヨーク２５において、イオンビーム１の幅方向両側部分にイオンビーム軌道側に突出するポール（磁極）を設けてもよいが、図３に示すように、そのようなポールを設けずに、窓枠型のような形状のヨーク２５とすることが好ましい。このような構成の場合、ポール間の均一磁場中心付近に比べてポール近傍の磁場が強くなることに起因する均一磁場領域の減少を回避することができる。したがって、ポール間距離を長く取る必要が無いので、磁石の小型・軽量化を保ちつつ均一磁場領域を広げることができる。 Moreover, the mass separation electromagnet 17 of this embodiment is provided with the yoke 25 surrounding a coil with an ion beam track | orbit as shown in FIG. By providing the yoke 25 in this way, the magnetic field strength on the beam trajectory can be increased, so that the magnetomotive force of the coils 21, 22, and 23 can be reduced.
In this yoke 25, poles (magnetic poles) projecting toward the ion beam trajectory may be provided on both side portions of the ion beam 1 in the width direction. However, as shown in FIG. The yoke 25 is preferably shaped like a mold. In the case of such a configuration, it is possible to avoid a reduction in the uniform magnetic field region caused by the magnetic field in the vicinity of the poles becoming stronger than in the vicinity of the center of the uniform magnetic field between the poles. Accordingly, since it is not necessary to increase the distance between the poles, the uniform magnetic field region can be expanded while keeping the magnet small and light.

図４に、各コイル２１，２２，２３の形状を模式的に示す。図４では図３と同様に、イオンビーム軌道中心より上側の部分のみ示している。
図４に示すように、各コイル２１，２２，２３は、湾曲形状を描くイオンビーム軌道の内側に配置された内側コイル部２０ａと、イオンビーム軌道の外側に配置された外側コイル部２０ｂとからなる。 FIG. 4 schematically shows the shapes of the coils 21, 22 and 23. FIG. 4 shows only the portion above the center of the ion beam trajectory as in FIG.
As shown in FIG. 4, each coil 21, 22, 23 includes an inner coil portion 20 a disposed inside the ion beam trajectory that draws a curved shape, and an outer coil portion 20 b disposed outside the ion beam trajectory. Become.

内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂは、それぞれ別々の巻線で構成されてもよく、すなわち、それぞれ別々にコイル路を形成してもよいが、図４に示すように、導入位置Ａ及び導出位置Ｂにおいて互いの両端部が連結されているのが好ましい。図４の各コイル２１，２２，２３では、連結部２０ｃによって内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとが互いに連結されている。
このように内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとを連結すると、内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとで一体のコイル路が形成されるので、それぞれ別々にコイル路を形成する場合と比較して、発生する磁場を有効利用できると同時にコイルを小型・軽量化できる。 The inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b may each be configured by separate windings, that is, each may form a coil path separately, but as shown in FIG. It is preferable that both ends of the position B are connected. In each of the coils 21, 22 and 23 in FIG. 4, the inner coil portion 20 a and the outer coil portion 20 b are connected to each other by the connecting portion 20 c.
When the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b are connected in this way, an integral coil path is formed by the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b. Thus, the generated magnetic field can be used effectively, and at the same time, the coil can be reduced in size and weight.

図３（Ｂ）に示すように、コイル２２及びコイル２３は、ビーム幅方向（図で上下方向）に関してイオンビーム１と重なる位置に配置されている。このため、本実施形態の質量分離電磁石１７では、図４に示すように、コイル２２，２３の両端部（連結部２０ｃ）がイオンビーム軌道を避けるように屈曲した形状を有している。このように構成されているので、内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとを連結した場合でも、コイル両端部とイオンビーム１との干渉を回避することができる。 As shown in FIG. 3B, the coil 22 and the coil 23 are arranged at a position overlapping the ion beam 1 in the beam width direction (vertical direction in the figure). For this reason, in the mass separation electromagnet 17 of this embodiment, as shown in FIG. 4, the both ends (connecting part 20c) of the coils 22 and 23 have a bent shape so as to avoid the ion beam trajectory. Since it is configured in this way, even when the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b are connected, interference between both ends of the coil and the ion beam 1 can be avoided.

なお、コイル２１は、図３（Ｂ）に示すように、イオンビーム１よりもビーム幅方向の外側に配置されているため、両端部がイオンビーム軌道を避けるように屈曲した形状を有する必要が無く、両端部（連結部２０ｃ）は内側コイル部２０ａ及び外側コイル部２０ｂと同一面内に設けられている。 As shown in FIG. 3B, the coil 21 is disposed outside the ion beam 1 in the beam width direction, so that both ends need to have a bent shape so as to avoid the ion beam trajectory. Both end portions (connecting portion 20c) are provided in the same plane as the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b.

図５において、（Ａ）はコイル２１の平面形状を示し、（Ｂ）は従来（特許文献３）の扇形コイルの平面形状を示す。
図５（Ａ）では、コイル２１のみを示しているが、以下において説明する特徴点については、コイル２２，２３についても同様である。
図５（Ａ）に示すように、コイル２１において、導入位置Ａと導出位置Ｂとの間の途中位置における内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂの間隔は、導入位置Ａ及び導出位置Ｂにおける間隔よりも広い。 In FIG. 5, (A) shows the planar shape of the coil 21, and (B) shows the planar shape of a conventional sector coil (Patent Document 3).
In FIG. 5A, only the coil 21 is shown, but the feature points described below are the same for the coils 22 and 23.
As shown in FIG. 5A, in the coil 21, the interval between the inner coil portion 20 a and the outer coil portion 20 b at a midway position between the introduction position A and the extraction position B is the interval between the introduction position A and the extraction position B. Wider than.

上記の途中位置を導入位置Ａ及び導出位置Ｂにおける間隔よりも広くするための構成としては種々考えられるが、内側コイル部２０ａは、導入位置Ａから導出位置Ｂまで直線的に延びた形状又は導入位置Ａから導出位置Ｂに至る間にイオンビーム１の偏向方向に一回又は複数回屈曲する形状を有し、外側コイル部２０ｂは、導入位置Ａから導出位置Ｂに至る間にイオンビーム１の偏向方向に一回又は複数回屈曲する形状を有するのが好ましい。
内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂを上記のような形状に形成することにより、途中位置において間隔が広くなるコイルを容易に構成することができる。 Various configurations for making the intermediate position wider than the interval between the introduction position A and the lead-out position B are conceivable. However, the inner coil portion 20a has a shape that extends linearly from the lead-in position A to the lead-out position B or is introduced. The outer coil portion 20b has a shape that bends once or a plurality of times in the deflection direction of the ion beam 1 from the position A to the derivation position B, and the outer coil portion 20b extends from the introduction position A to the derivation position B. It preferably has a shape that bends once or a plurality of times in the deflection direction.
By forming the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b in the shape as described above, it is possible to easily configure a coil having a wide interval at an intermediate position.

構成例の一つとして、図５（Ａ）に示すコイル２１では、内側コイル部２０ａは、導入位置Ａから導出位置Ｂに至る間にイオンビーム１の偏光方向に二回屈曲する形状を有している。言い換えれば、内側コイル部２０ａは、３つの直線部と２つの屈曲部とで構成されている。また、図５（Ａ）では、外側コイル部２０ｂは、導入位置Ａから導出位置Ｂに至る間にイオンビーム１の偏向方向に一回屈曲する形状を有している。言い換えれば、外側コイル部２０ｂは、２つの直線部と１つの屈曲部とで構成されている。
図５（Ｂ）に示した扇形コイルに対して、コイル２１は上記形状の内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂを有するので、多角形コイルとして構成されている。 As one configuration example, in the coil 21 shown in FIG. 5A, the inner coil portion 20a has a shape that is bent twice in the polarization direction of the ion beam 1 from the introduction position A to the lead-out position B. ing. In other words, the inner coil portion 20a is composed of three straight portions and two bent portions. 5A, the outer coil portion 20b has a shape that is bent once in the deflection direction of the ion beam 1 from the introduction position A to the lead-out position B. In other words, the outer coil portion 20b is composed of two straight portions and one bent portion.
In contrast to the sector coil shown in FIG. 5B, the coil 21 includes the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b having the above-described shape, and is thus configured as a polygonal coil.

そして、図５（Ａ）のコイル２１において、内側コイル部２０ａの導入位置Ａ側の直線部と外側コイル部２０ｂの導入位置Ａ側の直線部とが、平行であるか又はイオンビーム進行方向に向って間隔が拡大するように配置され、かつ、内側コイル部２０ａの導出位置Ｂ側の直線部と外側コイル部２０ｂの導出位置Ｂ側の直線部とが、平行であるか又はイオンビーム１の進行方向に向って間隔が縮小するように配置されることにより、上記の途中位置における内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとの間隔を導入位置Ａ及び導出位置Ｂよりも広くすることができる。 In the coil 21 of FIG. 5A, the straight line portion on the introduction position A side of the inner coil portion 20a and the straight line portion on the introduction position A side of the outer coil portion 20b are parallel or in the ion beam traveling direction. The linear portion on the lead-out position B side of the inner coil portion 20a and the straight portion on the lead-out position B side of the outer coil portion 20b are parallel to each other or the ion beam 1 By arranging so that the interval is reduced in the traveling direction, the interval between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b at the intermediate position can be made wider than the introduction position A and the extraction position B.

図６（Ａ）〜（Ｄ）にコイル形状の他の構成例を示す。
図６（Ａ）において、外側コイル部２０ｂは図５（Ａ）のコイル形状と同じであるが、内側コイル部２０ａは、導入位置Ａから導出位置Ｂまで直線的に延びた形状を有しており、途中位置おける内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとの間隔が導入位置Ａ及び導出位置Ｂよりも広くなっている。 6A to 6D show other configuration examples of the coil shape.
6A, the outer coil portion 20b is the same as the coil shape of FIG. 5A, but the inner coil portion 20a has a shape extending linearly from the introduction position A to the lead-out position B. Thus, the distance between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b in the middle position is wider than the introduction position A and the lead-out position B.

図６（Ｂ）では、外側コイル部２０ｂは図５（Ａ）のコイル形状と同じであるが、外側コイル部２０ｂは、導入位置Ａから導出位置Ｂに至る間にイオンビーム１の偏向方向に一回屈曲する形状を有している。言い換えれば、内側コイル部２０ａは、２つの直線部と１つの屈曲部とで構成されている。そして、内側コイル部２０ａの導入位置Ａ側の直線部と外側コイル部２０ｂの導入側の直線部とが、イオンビーム進行方向に向って間隔が拡大するように配置され、かつ、内側コイル部２０ａの導出位置Ｂ側の直線部と外側コイル部２０ｂの導出位置Ｂ側の直線部とが、イオンビーム１の進行方向に向って間隔が縮小するように配置されることにより、上記の途中位置における内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとの間隔を導入位置Ａ及び導出位置Ｂよりも広くすることができる。 In FIG. 6B, the outer coil portion 20b has the same shape as that of FIG. 5A, but the outer coil portion 20b extends in the deflection direction of the ion beam 1 from the introduction position A to the lead-out position B. It has a shape that bends once. In other words, the inner coil portion 20a is composed of two straight portions and one bent portion. The linear portion on the introduction position A side of the inner coil portion 20a and the linear portion on the introduction side of the outer coil portion 20b are arranged so that the interval increases in the ion beam traveling direction, and the inner coil portion 20a. The straight portion on the lead-out position B side and the straight portion on the lead-out position B side of the outer coil portion 20b are arranged so that the distance decreases in the traveling direction of the ion beam 1, so that The distance between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b can be made wider than the introduction position A and the extraction position B.

図６（Ｃ）では、内側コイル部２０ａは、導入位置Ａから導出位置Ｂまで直線的に延びた形状を有しており、外側コイル部２０ｂは、導入位置Ａから導出位置Ｂに至る間にイオンビーム１の偏向方向に二回屈曲する形状を有している。言い換えれば、外側コイル部２０ｂは、３つの直線部と２つの屈曲部とで構成されている。この場合も、上記の途中位置における内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとの間隔を導入位置Ａ及び導出位置Ｂよりも広くすることができる。 In FIG. 6C, the inner coil portion 20a has a shape that linearly extends from the introduction position A to the lead-out position B, and the outer coil portion 20b extends between the introduction position A and the lead-out position B. The ion beam 1 is bent twice in the deflection direction. In other words, the outer coil portion 20b is composed of three straight portions and two bent portions. Also in this case, the distance between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b at the intermediate position can be made wider than the introduction position A and the lead-out position B.

また、上記の構成例では、直線部と屈曲部で構成される例を示したが、図６（Ｄ）に示すように、内側コイル部２０ａは、導入位置Ａから導出位置Ｂに至る間にイオンビーム１の偏向方向に二回屈曲する形状を有するが、外側コイル部２０ｂは、イオンビーム軌道にほぼ沿う曲率で湾曲する形状を有してもよい。また、この場合、内側コイル部２０ａは、図６（Ａ）と同様に、導入位置Ａから導出位置Ｂまで直線的に延びた形状を有してもよい。いずれにしても、上記の途中位置における内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとの間隔を導入位置Ａ及び導出位置Ｂよりも広くするために、種々のコイル形状を採用し得る。 Further, in the above configuration example, the example including the straight portion and the bent portion has been shown. However, as illustrated in FIG. 6D, the inner coil portion 20a is between the introduction position A and the lead-out position B. Although it has a shape that is bent twice in the deflection direction of the ion beam 1, the outer coil portion 20b may have a shape that is curved with a curvature substantially along the ion beam trajectory. In this case, the inner coil portion 20a may have a shape extending linearly from the introduction position A to the lead-out position B, as in FIG. In any case, various coil shapes can be employed in order to make the interval between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b at the midway position wider than the introduction position A and the lead-out position B.

図７に、多角形コイル（図５（Ａ））を巻いた電磁石（本発明）と、扇形コイル（図５（Ｂ））を巻いた電磁石（従来技術）について、各断面における平均磁場分布のコンピュータ解析結果を示す。Ｘ軸は電磁石入口（導入位置Ａに相当）に対する位置を示す。原点は電磁石入口である。また、Ｙ軸は各位置における、ビーム進行方向に対して垂直方向断面の平均磁場強度を示している。両電磁石共にそれぞれ同じコイル電流を流している。
電磁石はビームの出入口でそれぞれ、ビームの進行方向に漏れる磁場が大きくなるので、ビーム進行方向に沿って磁場強度を見てみると、図７のように電磁石の中心付近が最大となる。ビーム進行方向に対して、各断面で磁場強度が一様であればビーム中の全てのイオンは、その断面で同じ偏向半径で曲げられるので、入射したビームの均一性は保たれる。従って、各位置での断面の磁場均一性が良いほど電磁石から出てくるビームの均一性も良くなる。 FIG. 7 shows an average magnetic field distribution in each cross section for an electromagnet (present invention) wound with a polygonal coil (FIG. 5A) and an electromagnet wound with a sector coil (FIG. 5B) (prior art). The computer analysis result is shown. The X axis indicates the position relative to the electromagnet entrance (corresponding to the introduction position A). The origin is the electromagnet entrance. Further, the Y axis indicates the average magnetic field strength in the cross section perpendicular to the beam traveling direction at each position. Both electromagnets carry the same coil current.
Since the electromagnet leaks in the beam traveling direction at each beam entrance and exit, the magnetic field strength along the beam traveling direction is maximized near the center of the electromagnet as shown in FIG. If the magnetic field strength is uniform in each cross section with respect to the beam traveling direction, all ions in the beam are bent at the same deflection radius in the cross section, so that the uniformity of the incident beam is maintained. Therefore, the better the uniformity of the magnetic field of the cross section at each position, the better the uniformity of the beam coming out of the electromagnet.

図８に扇形コイルを用いた場合、図９には多角形コイルを用いた場合の電磁石入口から各位置での磁場均一性についてのコンピュータ解析結果を示す。Ｘ軸は電磁石入口に対する位置を示し、Ｙ軸は各位置での断面の磁場均一性を示す。パラメーターとして、断面の大きさはビーム軌道中心からビーム幅方向（図３で上下方向）に±390mm、ビーム厚さ方向（図３（Ｂ）で左右方向）には±25mm、±50mm、±100mm、±150mm、±200mmをそれぞれ考慮した。全ての場合で多角形コイルの方が扇形コイルよりも均一性が良くなっていることがわかる。特にビーム厚さ方向の領域が広くなるほど、扇形コイルと多角形コイルの磁場均一性の差が大きくなっていることが分かる。つまり、多角形コイルの方がビーム厚さ方向寸法の大きなビームを通過させても電流密度均一性の良いビームが得られることを示している。 When a sector coil is used in FIG. 8, FIG. 9 shows a computer analysis result on the magnetic field uniformity at each position from the electromagnet entrance when a polygon coil is used. The X axis indicates the position relative to the electromagnet entrance, and the Y axis indicates the magnetic field uniformity of the cross section at each position. As parameters, the cross-sectional size is ± 390mm in the beam width direction (vertical direction in Fig. 3) from the center of the beam trajectory, and ± 25mm, ± 50mm, ± 100mm in the beam thickness direction (horizontal direction in Fig. 3 (B)). , ± 150 mm, and ± 200 mm were considered. It can be seen that in all cases the uniformity of the polygonal coil is better than that of the sector coil. In particular, it can be seen that the larger the region in the beam thickness direction, the greater the difference in magnetic field uniformity between the sector coil and the polygon coil. That is, it is shown that a polygonal coil can obtain a beam with good current density uniformity even when a beam having a larger dimension in the beam thickness direction is passed.

図１０に扇形コイルの電磁石を通過したビームと、多角型コイルの電磁石を通過したビームの電流密度均一性の差（＝多角型コイルの電磁石を通過したビームの電流密度均一性−扇形コイルの電磁石を通過したビームの電流密度均一性）を示す。図１０から、電流密度均一性も全ての場合で多角形コイルの方が良く、ビーム厚さ方向寸法が大きいほど、ビーム電流密度均一性の差も大きくなっていることが分かる。
なお、図７から図１０に関する上記の説明は、図５（Ａ）のコイル形状だけでなく、途中位置における内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂとの間隔が、導入位置Ａ及び導出位置Ｂよりも広い他のコイル形状についても妥当する。したがって、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示したコイル形状によっても同様の結果が得られると考えてよい。 FIG. 10 shows the difference in current density uniformity between the beam passing through the electromagnet of the sector coil and the beam passing through the electromagnet of the polygonal coil (= current density uniformity of the beam passing through the electromagnet of the polygonal coil−electromagnet of the sector coil. Current density uniformity of the beam that has passed through. From FIG. 10, it can be seen that the current density uniformity is better for the polygonal coil in all cases, and the difference in the beam current density uniformity increases as the dimension in the beam thickness direction increases.
Note that the above description regarding FIGS. 7 to 10 is not limited to the coil shape of FIG. 5A, but the distance between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b in the middle position is based on the introduction position A and the lead position B. This is also valid for other coil shapes. Therefore, it can be considered that similar results can be obtained by the coil shapes shown in FIGS.

以上より、本実施形態の質量分離電磁石１７によれば、イオンビーム１の導入位置Ａ及び導出位置Ｂよりも内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂの間隔が広い途中位置において、ビーム厚さ方向にも広い領域に均一磁場を発生させることができ、ビーム厚さ方向の寸法が大きいイオンビーム１にも対応することができる。ビーム厚さ方向寸法を大きくすると、同じ電流密度であっても大きなビーム電流値が得られるため、基板一枚あたりのイオン注入時間を短縮することができ、結果として生産性を高めることができる。また、途中位置のみを広げたので、小型・軽量を保持しつつ均一磁場領域を広くできる。 As described above, according to the mass separation electromagnet 17 of the present embodiment, in the intermediate position where the distance between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b is wider than the introduction position A and the extraction position B of the ion beam 1, In addition, a uniform magnetic field can be generated over a wide area, and the ion beam 1 having a large dimension in the beam thickness direction can be dealt with. When the dimension in the beam thickness direction is increased, a large beam current value can be obtained even at the same current density. Therefore, the ion implantation time per substrate can be shortened, and as a result, productivity can be improved. In addition, since only the middle position is expanded, the uniform magnetic field region can be widened while maintaining small size and light weight.

また上述したように、ビーム幅方向に広い磁場発生領域を持つ質量分離電磁石１７では、イオンビーム１の導入位置Ａ（入口）と導出位置Ｂ（出口）からほぼ等距離の位置（中心付近）で磁場強度が最大となる。このため、この位置での磁場均一性は、質量分離された後のイオンビーム１の電流密度均一性に大きく影響する。
したがって、図５（Ａ）に示すように、イオンビーム１の導入位置Ａと導出位置Ｂからほぼ等距離の位置Ｃにおいて、内側コイル部２０ａと外側コイル部２０ｂの間隔が最も広くなるのが好ましい。このように構成した場合、磁場強度が最大となる位置の磁場均一性を高めることができるので、質量分離されたイオンビーム１の電流密度均一性を効果的に高めることができる。 Further, as described above, in the mass separation electromagnet 17 having a wide magnetic field generation region in the beam width direction, the ion beam 1 is located at a substantially equidistant position (near the center) from the introduction position A (entrance) and the extraction position B (exit). The magnetic field strength is maximized. For this reason, the magnetic field uniformity at this position greatly affects the current density uniformity of the ion beam 1 after mass separation.
Therefore, as shown in FIG. 5A, it is preferable that the distance between the inner coil portion 20a and the outer coil portion 20b is the widest at a position C that is substantially equidistant from the introduction position A and the extraction position B of the ion beam 1. . When configured in this way, the magnetic field uniformity at the position where the magnetic field strength becomes maximum can be increased, so that the current density uniformity of the mass-separated ion beam 1 can be effectively increased.

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. . The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の質量分離電磁石を備えたイオン注入装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the ion implantation apparatus provided with the mass separation electromagnet of this invention. 本発明の質量分離電磁石を備えたイオン注入装置の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the ion implantation apparatus provided with the mass separation electromagnet of this invention. 本発明の実施形態にかかる質量分離電磁石の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the mass separation electromagnet concerning embodiment of this invention. 本発明の実施形態にかかる質量分離電磁石の各コイル形状の模式図である。It is a schematic diagram of each coil shape of the mass separation electromagnet concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態にかかる質量分離電磁石のコイルの平面形状を示す図である。It is a figure which shows the planar shape of the coil of the mass separation electromagnet concerning embodiment of this invention. 本発明の実施形態にかかる質量分離電磁石のコイル形状の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the coil shape of the mass separation electromagnet concerning embodiment of this invention. 扇形コイルと多角形コイルを用いた電磁石における平均磁場強度のコンピュータ解析結果を示す図である。It is a figure which shows the computer analysis result of the average magnetic field strength in the electromagnet using a sector coil and a polygon coil. 扇形コイルを用いた電磁石における磁場均一性のコンピュータ解析結果を示す図である。It is a figure which shows the computer analysis result of the magnetic field uniformity in the electromagnet using a sector coil. 多角形コイルを用いた電磁石における磁場均一性のコンピュータ解析結果を示す図である。It is a figure which shows the computer analysis result of the magnetic field uniformity in the electromagnet using a polygon coil. 扇形コイルの電磁石を通過したビームと、多角形コイルの電磁石を通過したビームの電流密度均一性の差を示す図である。It is a figure which shows the difference of the current density uniformity of the beam which passed the electromagnet of the fan coil, and the beam which passed the electromagnet of the polygon coil.

Explanation of symbols

１イオンビーム
３基板
１０イオン注入装置
１２イオン源
１３プラズマ
１５引出し電極系
１７質量分離電磁石
１９処理室
２０偏向用コイル
２０ａ内側コイル部
２０ｂ外側コイル部
２０ｃ連結部
２１，２２，２３コイル
２７スリット
２５ヨーク
２８基板ステージ
２９イオンモニタ
３８制御装置
３９ａ，３９ｂ，３９ｃコイル用電源
４０ビームプロファイルモニタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion beam 3 Substrate 10 Ion implantation apparatus 12 Ion source 13 Plasma 15 Extraction electrode system 17 Mass separation electromagnet 19 Processing chamber 20 Deflection coil 20a Inner coil part 20b Outer coil part 20c Connection part 21, 22, 23 Coil 27 Slit 25 Yoke 28 Substrate stage 29 Ion monitor 38 Controllers 39a, 39b, 39c Power supply for coil 40 Beam profile monitor

Claims

The ion beam is disposed on the ion beam path between the ion source and the processing chamber in the ion implantation apparatus, and the ion beam having a rectangular cross section introduced from the ion source side is deflected in the thickness direction to perform mass separation to obtain a desired value. A mass separation electromagnet for deriving an ion beam containing ion species,
A deflection coil for generating a magnetic field for deflecting the ion beam;
The deflection coil includes a plurality of coils having a shape extending from the introduction position of the ion beam to the extraction position and arranged in the longitudinal direction of the rectangular cross section of the ion beam,
Each of the coils has an inner coil portion arranged inside the ion beam trajectory that draws a curved shape, and an outer coil portion arranged outside the ion beam trajectory,
The inner coil portion has a shape that bends multiple times in the ion beam deflection direction from the introduction position to the lead-out position,
The mass separation electromagnet according to claim 1, wherein an interval between the inner coil portion and the outer coil portion at a midway position between the introduction position and the lead-out position is wider than the gap at the introduction position and the lead-out position.

The mass separation electromagnet according to claim 1, wherein the distance at the midway position is the widest at a position equidistant from the introduction position and the lead-out position.

The inner coil portion and the outer coil portion are connected at both ends at the introduction position and the lead-out position, and at least one of the plurality of coils is bent so that both ends thereof avoid an ion beam trajectory. The mass separation electromagnet according to claim 1, wherein the magnet has a shape.

The mass separation electromagnet according to any one of claims 1 to 3, further comprising a frame-shaped yoke surrounding the coil together with the ion beam trajectory.