JP4946256B2 - 電界レンズおよびそれを備えるイオン注入装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばイオン注入装置に用いられてイオンビームを絞る電界レンズ（これは、静電レンズとも呼ばれる）およびそれを備えるイオン注入装置に関する。

イオンビーム（この明細書においては、正イオンビーム）を絞る働きをする電界レンズが、例えば非特許文献１に記載されている。

その電界レンズの一例を図７に示す。この電界レンズ１０は、イオンビーム２の進行方向Ｚに互いに間をあけて並べられた入口電極１２、中間電極１４および出口電極１６を備えている。入口電極１２および出口電極１６は、互いに同電位（図示例では接地電位）に保たれる。中間電極１４には、直流電源１８から、正（図示例の場合）または負の直流電圧Ｖ₁ が印加されて、入口電極１２および出口電極１６とは異なる電位に保たれる。各電極１２、１４および１６は、それぞれ、イオンビーム２の形状に応じた形状をしており、例えば、筒状電極の場合もあるし、平行平板電極の場合もある。

この電界レンズ１０は、アインツェルレンズ（換言すれば、ユニポテンシャルレンズ。以下同様）の働きをし、中間電極１４に正、負いずれの直流電圧Ｖ₁ を印加しても、イオンビーム２のエネルギーを変えることなくイオンビーム２を例えばＸ方向において絞る働きをする。なお、図７では、図示の簡略化のためにイオンビーム２は絞られていない状態を図示しているが、実際は絞られる（図１、図３においても同様）。

中間電極１４に負の直流電圧Ｖ₁ を印加する場合、イオンビーム２は、入口電極１２と中間電極１４間の領域で一旦加速された後に、中間電極１４と出口電極１６間の領域で減速されて元のエネルギーになる。この加速領域において、イオンビーム２が残留ガスと衝突して荷電変換によって中性粒子が発生すると、入射イオンビーム２のエネルギーよりも高いエネルギーの中性粒子が発生し、それが下流側へ進行することになり、高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーション（不所望エネルギー粒子の混入）の原因となる。

中間電極１４に図７に示すように正の直流電圧Ｖ₁ を印加する場合、イオンビーム２は、入口電極１２と中間電極１４間の領域で一旦減速された後に、中間電極１４と出口電極１６間の領域で加速されて元のエネルギーになる。この減速領域において、イオンビーム２が残留ガスと衝突して荷電変換によって中性粒子が発生すると、入射イオンビーム２のエネルギーよりも低いエネルギーの中性粒子が発生し、それが下流側へ進行することになり、低エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションの原因となる。

ターゲットに対するイオン注入においては、上記二つのエネルギーコンタミネーションの内のどちらが有利であるか等を考慮して、中間電極１４に印加する直流電圧の正負（極性）を選択すれば良い。例えば、入射イオンビーム２のエネルギーよりも低エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションは、１０ｋｅＶ程度以下の低エネルギー注入を行う場合は、高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションに比べて問題になりにくい。

執筆委員 高木俊宜、電気学会大学講座、「電子・イオンビーム工学」、初版、社団法人電気学会、１９９５年３月１日、頁１０５−１０８

中間電極１４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加して正電位に保つ場合は、上記のように高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションは生じないので、エネルギーコンタミネーションが問題になりにくいという利点がある反面、次のような課題がある。

即ち、中間電極１４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加すると、図７に示すように、電場のないドリフト空間（中間電極１４付近よりも上流側および下流側における電場のない空間）中の電子８が中間電極１４に引き込まれて消滅するので、ドリフト空間での電子量が減少してイオンビーム２の空間電荷効果による発散が強くなり、イオンビーム２の輸送効率が低下する。これは、発散が強くなると、イオンビーム２がその輸送経路にある構造物（例えば分析スリット、マスク、真空容器壁面等）に当たって損失する割合が多くなるからである。

そこでこの発明は、中間電極が正電位に保たれるものであっても、ドリフト空間での電子量の減少の抑制、ひいてはイオンビームの空間電荷効果による発散の抑制を行うことができる電界レンズを提供することを主たる目的としている。

この発明に係る電界レンズは、イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を備えていて、中間電極は正電位に保たれ、入口電極および出口電極は中間電極よりも低い電位に保たれて、イオンビームを絞る電界レンズであって、前記中間電極と入口電極との間に設けられていて入口電極よりも更に低い電位に保たれる第１抑制電極と、前記中間電極と出口電極との間に設けられていて出口電極よりも更に低い電位に保たれる第２抑制電極とを備えており、更に、前記中間電極と第１抑制電極との間に設けられていて接地電位に保たれる第１接地電極と、前記中間電極と第２抑制電極との間に設けられていて接地電位に保たれる第２接地電極とを備えていることを特徴としている。

この電界レンズによれば、第１抑制電極、第２抑制電極は、それぞれ、入口電極、出口電極よりも更に低い電位に保たれるので、この第１抑制電極および第２抑制電極が作る電界によって、中間電極の上流側および下流側のドリフト空間から中間電極側へ流入しようとする電子を押し戻して、当該電子が中間電極に引き込まれて消滅するのを抑制することができる。

前記入口電極および出口電極は接地電位に保たれ、前記第１抑制電極および第２抑制電極は負電位に保たれるものでも良い。

前記イオンビームは、その進行方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームであって、前記各電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて前記イオンビームの主面に実質的に平行な一対の電極片を有しており、前記イオンビームをＸ方向において絞るよう構成されていても良い。

この発明に係るイオン注入装置は、前記電界レンズを備えていて、当該電界レンズを通過した前記イオンビームをターゲットに入射させるよう構成されている。

請求項１に記載の発明によれば、第１抑制電極、第２抑制電極は、それぞれ、入口電極、出口電極よりも更に低い電位に保たれ、この第１抑制電極および第２抑制電極が作る電界によって、中間電極の上流側および下流側のドリフト空間から中間電極側へ流入しようとする電子を押し戻して、当該電子が中間電極に引き込まれて消滅するのを抑制することができるので、中間電極が正電位に保たれるものであっても、ドリフト空間での電子量の減少、ひいてはイオンビームの空間電荷効果による発散の抑制を行うことができる。その結果、空間電荷効果によるイオンビームの輸送効率の低下を抑制することができる。

しかも、中間電極は正電位に保たれ、入口電極および出口電極は中間電極よりも低い電位に保たれるので、入射イオンビームのエネルギーよりも高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションの発生を抑制することができる。

更に、第１接地電極および第２接地電極が作る接地電位によって、更にはこれらの電極の存在による空間的距離によって、中間電極が作る正電界が第１抑制電極および第２抑制電極側へ浸み出すのを抑制することができるので、第１抑制電極および第２抑制電極によって、ドリフト空間の電子を押し戻す電界を形成することが容易になり、第１抑制電極および第２抑制電極に印加する電圧が小さくて済むようになる。

請求項２に記載の発明によれば、電界レンズがアインツェルレンズの働きをするので、イオンビームのエネルギーを変えることなくイオンビームを絞ることができる、という更なる効果を奏する。

請求項３に記載の発明によれば、リボン状のイオンビームをＸ方向において絞ることができる、という更なる効果を奏する。

請求項４に記載の発明によれば、上記のような電界レンズを備えているので、少なくとも上記各請求項の効果と同様の効果を奏する。

図１は、この発明に係る電界レンズの一実施形態を電源と共に示す平面図である。図２は、図１中の電界レンズの正面図である。この電界レンズ２０は、例えば、リボン状のイオンビーム２をＸ方向において絞る働きをするものである。イオンビーム２が絞られる状態の図示を簡略化しているのは、前述したとおりである。

電界レンズ２０に入射するイオンビーム２は、その進行方向Ｚと実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、図５も参照して、Ｘ方向の寸法Ｗ_X よりもＹ方向の寸法Ｗ_Y が大きいリボン状をしている。イオンビーム２は、リボン状と言ってもＸ方向の寸法Ｗ_X が紙や布のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム２のＸ方向の寸法Ｗ_X は３０ｍｍ〜８０ｍｍ程度、Ｙ方向の寸法Ｗ_Y は、ターゲットの寸法にも依るが、３００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。このイオンビーム２の大きい方の面、即ちＹＺ面に沿う面が主面４である。

この電界レンズ２０は、イオンビーム２の進行方向Ｚに互いに間をあけて並べられた入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６を備えている。更に、入口電極２２と中間電極２４との間に設けられた第１抑制電極２８と、中間電極２４と出口電極２６との間に設けられた第２抑制電極３０とを備えている。

各電極２２、２４、２６、２８、３０は、それぞれ、イオンビーム２が通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて、イオンビーム２の主面４に実質的に平行な一対の電極片２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂを有している。これらの電極片２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂは、イオンビーム２の進行方向Ｚに実質的に直角に配置されている。電極片２２ａと２２ｂ、電極片２４ａと２４ｂ、電極片２６ａと２６ｂ、電極片２８ａと２８ｂ、電極片３０ａと３０ｂとは、それぞれ、導体によって電気的に接続されている。

中間電極２４は正電位に保たれ、入口電極２２および出口電極２６は中間電極２４よりも低い電位に保たれる。第１抑制電極２８は入口電極２２よりも更に低い電位に保たれ、第２抑制電極３０は出口電極２６よりも更に低い電位に保たれる。

より具体的には、この実施形態では、入口電極２２および出口電極２６は、電気的に接地されており、接地電位に保たれる。中間電極２４は、それに正の直流電圧Ｖ₂ を印加する直流電源３２に接続されており、正電位に保たれる。第１抑制電極２８は、それに負の直流電圧Ｖ₃ を印加する直流電源３４に接続されており、負電位に保たれる。第２抑制電極３０は、それに負の直流電圧Ｖ₄ を印加する直流電源３６に接続されており、負電位に保たれる。

この電界レンズ２０は、その入口電極２２および出口電極２６が互いに同電位に保たれ、中間電極２４が入口電極２２および出口電極２６とは互いに異なる電位に保たれるので、アインツェルレンズの働きをして、イオンビーム２のエネルギーを変えることなく、イオンビーム２をＸ方向において絞ることができる。

直流電源３２から中間電極２４に印加する直流電圧Ｖ₂ の絶対値（大きさ）を大きくするほど、イオンビーム２を強く絞ることができる。また、イオンビーム２を絞る程度は、電界レンズ２０を通過する際のイオンビーム２のエネルギーによって変わる。イオンビーム２のエネルギーが大きくなるほど、直流電圧Ｖ₂ がイオンビーム２に及ぼす偏向作用は小さくなるので、イオンビーム２を強く絞るためには、直流電圧Ｖ₂ の絶対値を大きくすれば良い。一例を挙げると、イオンビーム２のエネルギーに相当する電圧をＶ_E とすると、直流電圧Ｖ₂ は、例えば、０．５Ｖ_E 〜０．８Ｖ_E 前後である。イオンビーム２のエネルギーは、例えば、１０ｋｅＶ程度以下である。

更にこの電界レンズ２０では、第１抑制電極２８、第２抑制電極３０は、それぞれ、入口電極２２、出口電極２６よりも更に低い電位に保たれるので、具体的には負電位に保たれるので、この第１抑制電極２８および第２抑制電極３０が作る電界によって、図１に示すように中間電極２４の上流側および下流側のドリフト空間から中間電極２４側へ流入しようとする電子８を押し戻して、当該電子８が中間電極２４に引き込まれて消滅するのを抑制することができる。従って、中間電極２４が正電位に保たれるものであっても、ドリフト空間での電子量の減少、ひいてはイオンビーム２の空間電荷効果による発散の抑制を行うことができる。その結果、空間電荷効果によるイオンビーム２の輸送効率の低下を抑制することができる。

しかも、中間電極２４は正電位に保たれ、入口電極２２および出口電極２６は中間電極２４よりも低い電位に保たれるので、入射イオンビーム２のエネルギーよりも高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションの発生を抑制することができる。即ち、図７において中間電極１４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加する場合について説明したのと同様に、イオンビーム２は、入口電極２２と中間電極２４間の領域で一旦減速された後に、中間電極２４と出口電極２６間の領域で加速されて元のエネルギーになる。この減速領域において、イオンビーム２が残留ガスと衝突して荷電変換によって中性粒子が発生すると、それがエネルギーコンタミネーションの原因となるけれども、この減速領域において発生する中性粒子のエネルギーは入射イオンビーム２のエネルギーよりも低いので、高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションの発生を防止することができる。

イオンビーム２の空間電荷を中和することに寄与することができる電子は、主として１０ｅＶ程度以下の低エネルギーの電子であり、この電子を押し戻すことができれば良いので、上記負の直流電圧Ｖ₃ 、Ｖ₄ の大きさ｜Ｖ₃ ｜、｜Ｖ₄ ｜は、イオンビーム２の通過経路の中心軸付近に−１０Ｖ〜−２０Ｖ程度の電圧を印加することができるもので良い。即ち、負の直流電圧Ｖ₃ 、Ｖ₄ の大きさは、イオンビーム２のエネルギーに相当する電圧Ｖ_E に比べて十分に小さくて良い。例えば、イオンビーム２のエネルギーが１０ｋｅＶの場合、直流電圧Ｖ₃ 、Ｖ₄ の大きさは５００Ｖ〜１ｋＶ程度で良い。

従って、このような負の直流電圧Ｖ₃ 、Ｖ₄ が印加される抑制電極２８、３０を設けても、それの影響によって、入射イオンビーム２のエネルギーよりも高エネルギー成分の中性粒子が発生すること、即ち高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションの発生は殆どないと言える。また、入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６による本来のレンズ作用（ビーム集束作用）への影響も殆どないと言える。

なお、｜Ｖ₃ ｜＝｜Ｖ₄ ｜としても良いし、｜Ｖ₃ ｜≠｜Ｖ₄ ｜としても良い。後述する実施形態においても同様である。

また、直流電源を二つ設ける等して、中間電極２４を構成する一対の電極片２４ａ、２４ｂに互いに異なる値の正の直流電圧を印加するようにしても良く、そのようにすれば、電界レンズ２０から出射するイオンビーム２の方向を調整することができる。後述する実施形態においても同様である。

図３は、この発明に係る電界レンズの他の実施形態を電源と共に示す平面図である。図４は、図３中の電界レンズの正面図である。図１、図２に示した実施形態と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該実施形態との相違点を主体に説明する。

この電界レンズ２０は、上記中間電極２４と第１抑制電極２８との間に設けられた第１接地電極３８と、中間電極２４と第２抑制電極３０との間に設けられた第２接地電極４０とを更に備えている。両接地電極３８、４０は、電気的に接地されており、接地電位に保たれる。

各接地電極３８、４０は、それぞれ、イオンビーム２が通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて、イオンビーム２の主面４に実質的に平行な一対の電極片３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂを有している。これらの電極片３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂは、イオンビーム２の進行方向Ｚに実質的に直角に配置されている。電極片３８ａと３８ｂ、電極片４０ａと４０ｂとは、それぞれ、導体によって電気的に接続されている。

この電界レンズ２０においては、第１接地電極３８および第２接地電極４０が作る接地電位によって、更にはこれらの電極３８、４０の存在による空間的距離によって、中間電極２４が作る正電界が第１抑制電極２８および第２抑制電極３０側へ浸み出す（張り出す）のを抑制することができるので、第１抑制電極２８および第２抑制電極３０によって、ドリフト空間の電子８を押し戻す電界を形成することが容易になり、第１抑制電極２８および第２抑制電極３０に印加する負の直流電圧Ｖ₃ 、Ｖ₄ の大きさが、先の実施形態に比べて小さくて済むようになる。従って、上述した、抑制電極２８、３０を設けることによる高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションの発生の可能性、および、本来のレンズ作用への影響を、より一層小さくすることができる。

なお、上記電界レンズ２０は、アインツェルレンズの場合を例に説明したが、これに限られるものではない。例えば、入口電極２２、出口電極２６の電位は、接地電位以外でも良い。入口電極２２と出口電極２６とは、互いに異なる電位でも良い。また、イオンビーム２は、リボン状以外のイオンビームでも良い。

上記のような電界レンズ２０を備えていて、当該電界レンズ２０を通過したイオンビーム２をターゲットに入射させるイオン注入装置を構成しても良い。そのようにすれば、上記のような電界レンズ２０を備えているので、少なくとも当該電界レンズ２０について上述した効果と同様の効果を奏する。このようなイオン注入装置の一例を図６に示す。

このイオン注入装置は、リボン状のイオンビーム２をターゲット６６に入射させてイオン注入を行う場合の例であり、リボン状のイオンビーム２を発生させるイオン源６０と、このイオン源６０からのイオンビーム２を偏向させて運動量分析（例えば質量分析。以下同様）を行うものであって下流側に所望運動量のイオンビーム２の焦点６を形成する分析電磁石６２と、この分析電磁石６２からのイオンビーム２の焦点６付近に設けられていて分析電磁石６２と協働してイオンビーム２の運動量分析を行う分析スリット６４とを備えている。分析電磁石６２は、この実施形態では、リボン状のイオンビーム２をその主面４（図５等参照）に実質的に直交する方向（換言すればＸ方向）に偏向させて、イオンビーム２をＸ方向において集束させて前記焦点６を形成する。

このイオン注入装置は、更に、分析スリット６４を通過したイオンビーム２をターゲット６６に入射させる注入位置で、ホルダ６８に保持されたターゲット６６をイオンビーム２の主面４と交差する方向に往復直線移動させる（矢印Ｃ参照）、即ち機械的に走査するターゲット駆動装置７０を備えている。イオン源６０からターゲット６６までのイオンビーム２の経路は真空雰囲気に保たれる。

イオン源６０から発生させてターゲット６６まで輸送するイオンビーム２のＹ方向の寸法Ｗ_Y は、ターゲット６６のＹ方向の寸法よりも大きい。このことと、ターゲット６６を上記のように往復移動させることとによって、ターゲット６６の全面にイオンビーム２を入射させてイオン注入を行うことができる。ターゲット６６は、例えば、半導体基板、ガラス基板、その他の基板である。その平面形状は円形でも良いし四角形でも良い。

イオン源６０と分析電磁石６２との間および分析電磁石６２と分析スリット６４との間の一方または両方に、上記のような電界レンズ２０を設けている。輸送中のイオンビーム２は、その空間電荷の影響でＸ方向において広がってその焦点６が分析スリット６４から下流側へずれる傾向があるけれども、電界レンズ２０によってイオンビーム２をＸ方向において絞ることによって、焦点６の位置を上流側へ戻して分析スリット６４の位置に合わせる補正を行うことができる。その結果、空間電荷の影響を補償して、イオンビーム２の輸送効率と分解能の両方を高めることができる。

この発明に係る電界レンズの一実施形態を電源と共に示す平面図である。 図１中の電界レンズの正面図である。 この発明に係る電界レンズの他の実施形態を電源と共に示す平面図である。 図３中の電界レンズの正面図である。 リボン状のイオンビームの一例を部分的に示す概略斜視図である。 電界レンズを備えるイオン注入装置の一例を示す概略平面図である。 従来の電界レンズの一例を電源と共に示す平面図である。

符号の説明

２ イオンビーム
８ 電子
２０ 電界レンズ
２２ 入口電極
２４ 中間電極
２６ 出口電極
２８ 第１抑制電極
３０ 第２抑制電極
３２、３４、３６ 直流電源
３８ 第１接地電極
４０ 第２接地電極
６６ ターゲット

Claims (4)

1. イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を備えていて、中間電極は正電位に保たれ、入口電極および出口電極は中間電極よりも低い電位に保たれて、イオンビームを絞る電界レンズであって、
   前記中間電極と入口電極との間に設けられていて入口電極よりも更に低い電位に保たれる第１抑制電極と、
   前記中間電極と出口電極との間に設けられていて出口電極よりも更に低い電位に保たれる第２抑制電極とを備えており、
   更に、前記中間電極と第１抑制電極との間に設けられていて接地電位に保たれる第１接地電極と、
   前記中間電極と第２抑制電極との間に設けられていて接地電位に保たれる第２接地電極とを備えていることを特徴とする電界レンズ。
2. 前記入口電極および出口電極は接地電位に保たれ、
   前記第１抑制電極および第２抑制電極は負電位に保たれる請求項１記載の電界レンズ。
3. 前記イオンビームは、その進行方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームであって、
   前記各電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する空間を挟んでＸ方向において相対向して配置されていて前記イオンビームの主面に実質的に平行な一対の電極片を有しており、
   前記イオンビームをＸ方向において絞るよう構成されている請求項１または２記載の電界レンズ。
4. 請求項１、２または３記載の電界レンズを備えていて、当該電界レンズを通過した前記イオンビームをターゲットに入射させるよう構成されているイオン注入装置。

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