JP4988327B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハなどにイオンビームを照射してイオン種を注入するイオン注入装置に関し、特に、部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置に関する。

現在、半導体ウェハにイオン種を注入するためにイオン注入装置が利用されている。このようなイオン注入装置を図１０および図１１を参照して以下に説明する。ここで図示するイオン注入装置１００は、イオン銃１１０、アパーチャ部材１２０、ウェハ保持ユニット１３０、等を主要部として有しており、これらが直線状に配列されている。

イオン銃１１０は、イオン源(図示せず)から供給されるイオン種を、イオンビームとして出射する。アパーチャ部材１２０は、例えば、カーボン・グラファイトの削りだしにより形成されており、平板状の部材本体１２１にスリット状の貫通孔１２２が形成されている。

ウェハ保持ユニット１３０は、回転ステージ１３１とスライダ機構(図示せず)とを有しており、回転ステージ１３１により処理対象である複数のシリコンウェハ１４０を保持する。回転ステージ１３１は、保持した複数のシリコンウェハ１４０を公転させ、スライダ機構は、回転ステージ１３１を上下方向などに往復移動させる。

上述のような構成のイオン注入装置１００では、イオン銃１１０から出射されるイオンビームがアパーチャ部材１２０の貫通孔１２２に通過するので、そのビーム形状が成形される。

このビーム形状が成形されたイオンビームが、ウェハ保持ユニット１３０により公転されながら上下移動されている複数のシリコンウェハ１４０に順次照射されるので、これで複数のシリコンウェハ１４０の全面にイオン種が均等に注入される。

なお、上述のようなアパーチャ部材１２０は、例えば、リゾルビングアパーチャ、ビームアパーチャ、スリット部材、等と呼称されることもあるが、図１１に示すように、いずれもスリット状の貫通孔が形成された平板状の部材からなる。

現在、上述のようなイオン注入装置としては、各種の提案がある(例えば、特許文献１〜３参照)。

さらに、イオンビームの経路に位置する各種の部材の少なくとも表面を高純度シリコンで形成した構造のイオン注入装置も提案されている(図示せず)。このようなイオン注入装置では、イオンビームの経路の部材から異物であるパーティクルが発生しても、そのパーティクルが高純度シリコンからなるので、シリコンウェハの汚染を防止することができる。

なお、上述の高純度シリコンは、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法で部材表面に堆積されたアモルファスシリコン、スパッタリング法により堆積されたアモルファスシリコン、エピタキシャル法で成長させたシリコン、などからなることが開示されている(例えば、特許文献４参照)。
特開平１０−０２５１７８号 特開平１１−１４９８９８号 特開平１１−２８３５５２号 特開平０３−２６９９４０号

上述のようなイオン注入装置１００では、イオンビームの周囲にイオン種のガスが常時発生しているので、図１２に示すように、長期間の使用によりアパーチャ部材１２０の貫通孔１２２の内面などにイオン種が薄膜状に堆積する。

すると、アパーチャ部材１２０の貫通孔１２２の内面などに堆積した薄膜がイオンビームの照射により剥離し、図１３に示すように、異物としてシリコンウェハ１４０まで飛散することがある。

この場合、シリコンウェハ１４０の表面に上述の異物が付着したり、異物の衝突によりシリコンウェハ１４０の表面に損傷が発生することになり、何れにしてもシリコンウェハ１４０を廃棄することになる。

例えば、大電流イオン注入装置(図示せず)などは、１３枚などの多数のシリコンウェハ１４０をセットするバッチ方式であるため、上述のように不良が発生すると一度に多数のシリコンウェハ１４０を廃棄することになる。

なお、特許文献４に記載のイオン注入装置の場合は、部材から発生した異物がシリコンからなるが、それでも衝突するとシリコンウェハの表面に損傷が発生することになる。また、損傷が発生しなくとも、シリコンの異物がシリコンウェハの表面に付着していると、後段の半導体プロセスでの不良の原因となる。

本発明の第一のイオン注入装置は、イオンビームを部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置であって、部材の少なくとも貫通孔の内面に溶射膜が被覆されていることにより、部材の多孔質な溶射膜によりイオンビームのイオン種が吸着され、溶射膜の無配向な結晶構造の貫通孔の内面などに発生する堆積層が無配向な結晶構造となる。

本発明の第二のイオン注入装置は、イオンビームを部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置であって、部材の少なくとも貫通孔の内面が多孔質に形成されていることにより、部材の多孔質な貫通孔の内面などにイオンビームのイオン種が吸着される。

本発明の第三のイオン注入装置は、イオンビームを部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置であって、部材の少なくとも貫通孔の内面が無配向な結晶構造に形成されていることにより、部材の無配向な結晶構造の貫通孔の内面などに発生する堆積層が無配向な結晶構造となる。

なお、本発明で云うビーム形状を成形する部材とは、貫通孔によりイオンビームのビーム形状を成形するものであれば良く、例えば、貫通孔が形成されている平板、貫通孔が形成されている筒状の部材、貫通孔を形成するように組み合わせた複数の板材、など各種の構造で実現することができる。

また、本発明で云う多孔質とは、少なくとも表面から内部まで所定の範囲に複数の空孔が形成されている状態を意味している。多孔質膜とは、所定の膜厚を有しており、その内部に複数の空孔が形成されている膜を意味している。

さらに、このような多孔質とは、例えば、表面に複数の凹部が形成されているとともに内部に複数の空孔が形成されており、複数の凹部の少なくとも一部と複数の空孔の少なくとも一部とが連通しており、複数の空孔の少なくとも一部が相互に連通している構造である。

本発明のイオン注入装置では、ビーム形状を成形する部材の少なくとも貫通孔の内面に溶射膜が被覆されていることにより、または、上記部材の少なくとも貫通孔の内面が多孔質に形成されていることにより、部材の貫通孔の内面などにイオンビームのイオン種が吸着されるので、貫通孔の内面などに堆積層が発生しにくく、堆積層が剥離して飛散することによる処理対象の不良を防止することができる。

さらに、本発明のイオン注入装置では、上記部材の少なくとも貫通孔の内面に溶射膜が被覆されていることにより、または、上記部材の少なくとも貫通孔の内面が無配向な結晶構造に形成されていることにより、部材の貫通孔の内面などに発生する堆積膜が、層間の密着性が極めて高い無配向な結晶構造となるので、堆積層が剥離して飛散することによる処理対象の不良を防止することができる。

本発明の実施の一形態を図１ないし図５を参照して以下に説明する。ただし、本実施の形態に関して前述した一従来例と同一の部分は、同一の名称を使用して詳細な説明は省略する。本実施の形態のイオン注入装置２００も、イオン銃２１０、アパーチャ部材２２０、ウェハ保持ユニット２３０、等を主要部として有しており、イオン銃２１０は、イオン源(図示せず)から供給されるイオン種をイオンビームとして出射する。

ウェハ保持ユニット２３０は、回転ステージ２３１とスライダ機構(図示せず)とを有しており、回転ステージ２３１は、保持した複数のシリコンウェハ１４０を公転させ、スライダ機構は、回転ステージ２３１を上下方向などに往復移動させる。

アパーチャ部材２２０は、平板状の部材本体２２１を有しており、この部材本体２２１は、例えば、カーボン・グラファイトの削りだしにより形成されている。この部材本体２２１にスリット状の貫通孔２２２が形成されているが、この貫通孔２２２の内面および周囲の前面と後面とに多孔質膜であるコーティング膜２２３が被覆されている。

このコーティング膜２２３は、例えば、シリコンの溶射により"１５０(μm)"程度の膜厚の溶射膜として形成されており、図２に示すように、その表面は数マイクロメートル以下のランダムな凹凸により多孔質の粗面に形成されている。

より詳細には、上述のコーティング膜２２３の表面には多数の凹部と多数の凸部とが形成されており、内部には多数の空孔が形成されている。そして、その多数の凹部の少なくとも一部と多数の空孔の少なくとも一部とが連通しており、多数の空孔の少なくとも一部が相互に連通している。

さらに、コーティング膜２２３の凹部と凸部と空孔とは、ビーム形状の成形に影響せず、イオンビームのイオン種を吸着する数マイクロメートル以下のサイズに形成されている。なお、図２はシリコンの溶射により試作したコーティング膜２２３を電子顕微鏡により観察した状態を示す模式図である。

なお、カーボン・グラファイトからなる部材本体２２１は、図３に示すように、選択配向の結晶構造に形成されている。一方、このような部材本体２２１にシリコンの溶射により被覆されているコーティング膜２２３は、図４に示すように、無配向な結晶構造に形成されている。

上述のような構成において、本実施の形態のイオン注入装置２００でも、イオン銃２１０から出射されるイオンビームがアパーチャ部材２２０の貫通孔２２２を通過するので、そのビーム形状が成形される。

このビーム形状が成形されたイオンビームが、ウェハ保持ユニット２３０により公転されながら上下移動されている複数のシリコンウェハ１４０に順次照射されるので、これで複数のシリコンウェハ１４０の全面にイオン種が均等に注入される。

本実施の形態のイオン注入装置２００では、アパーチャ部材２２０の貫通孔２２２の内面および周囲に多孔質のコーティング膜２２３が被覆されているので、図５に示すように、イオンビームの周囲に常時発生しているイオン種のガスが多孔質のコーティング膜２２３に吸着される。

このため、使用が長期間となってもイオン種が貫通孔２２２の内面などに堆積しにくく、堆積した薄膜が剥離して飛散することによるシリコンウェハ１４０の不良を良好に防止することができる。

しかも、コーティング膜２２３が無配向な結晶構造なので、図９に示すように、その表面のイオン種による堆積層も無配向な結晶構造となる。このように無配向の結晶構造の堆積層は、従来技術の堆積層に比較して層間の密着性が極めて高い。このため、堆積層の剥離を良好に防止することができる。

上述のようなアパーチャ部材２２０を製造するときは、ビーム形状に対応した貫通孔２２２が形成されている部材本体２２１をカーボン・グラファイトの削りだしなどで形成し、この部材本体２２１の貫通孔２２２の内面などに多孔質となるコーティング膜２２３を溶射により被覆することが好適である。

なお、本発明者が実際に上述のようなイオン注入装置２００を試作して実験したところ、シリコンウェハ１４０の表面に発生するパーティクルの個数が、従来の約十分の一に低減されることが確認された。この実験では、シリコンウェハ１４０の表面に付着したパーティクル、および、パーティクルの衝突により発生したと予想されるキズ、の個数をカウントした。

また、本発明者がカーボン・グラファイトの削りだしなどで形成した部材本体の貫通孔の内面を、ブラスト処理により粗面化したアパーチャ部材も試作したが(図示せず)、このアパーチャ部材では上述のような効果が発生しないことが確認された。これは、ブラスト処理では表面が粗面化されるものの内部まで多孔質化されることはないので、イオン種を良好に吸着できないためと推測される。

さらに、詳細には後述するように、カーボン・グラファイトの削りだしなどで形成した部材本体は選択配向の結晶構造に形成されているため、そこに発生する堆積層も層間の密着性が低い選択配向の結晶構造となるためと推測される。

また、前述した特許文献１には、アパーチャ部材の表面に炭素からなるコーティング膜を、アパーチャ部材に含浸させた熱硬化性樹脂の炭素化などにより形成することが開示されている。

しかし、このように形成したコーティング膜は多孔質とならず、また、選択配向の結晶構造に形成されるため、やはり上述のような効果が発生しないことを本発明者は確認した。

ここで、上述のような結晶構造による効果を以下に説明する。本発明者は、アパーチャ部材の貫通孔の内面などに堆積した薄膜がイオンビームの照射により剥離するメカニズムを、実際に走査型電子顕微鏡による観察、および、Ｘ線回折法（ＸＲＤ：X-ray diffraction）による結晶構造解析により調査した。

従来構造のアパーチャ部材の貫通孔の内面などに堆積した薄膜の表面を走査型電子顕微鏡により拡大して観察すると、図６に示すように、表面に亀裂が入ったり、亀裂から剥がれかかっている状態が確認できた。

また、堆積した薄膜の断面を走査型電子顕微鏡により拡大して観察すると、図７に示すように、膜は層状に堆積し、層と層との間が剥離している部分のあることが確認できた。

さらに、堆積した薄膜を、Ｘ線回折法により結晶構造解析すると、カーボン・グラファイトの結晶構造が、Ｃ軸方向に選択配向していることがわかった。この状態を模式的に表すと、図３に示すように、堆積表面に対して９０度方向にＣ軸が選択配向した結晶構造と考えられる。

この結晶構造を拡大したものが図８である。堆積した薄膜は、Ｃ軸の選択配向の結晶構造であるが、この構造では、層と層との間の炭素原子間距離が３．４０オングストロームと長く（層平面内の炭素原子間距離は１．４２オングストローム）、層と層とがファン・デル・ワールス力で弱く引き合っているだけであり、層方向に剥がれ易い性質がある。

特に、膜の堆積が繰り返されることで堆積層が厚くなると、層（または層境界）に作用する応力が大きくなり、膜片が離脱しやすくなる。図７の堆積層の亀裂や剥がれ、剥離の状態は、これらのことを裏付けるものである。

そこで、本発明者は、前述のようにカーボン・グラファイトからなる部材本体にシリコンの溶射によりコーティング膜を被覆したアパーチャ部材をイオン注入装置に組み込み、ウェハに必要なイオン種のイオンビームを照射した。

すると、イオン注入処理のたびに、アパーチャ部材の貫通孔の表面に無配向な結晶構造の膜が堆積・付着することが確認された。このように無配向の結晶構造の堆積層は、従来技術で堆積していた選択配向の結晶構造の堆積層に比較して、物性的に層間の密着性が極めて高い。このため、シリコンの溶射により無配向な結晶構造のコーティング膜を被覆したアパーチャ部材は、堆積層の剥離を防止することができることが確認された。

なお、堆積層は上述のようにカーボンの結晶からなるが、イオン種にカーボンは含有されていない。このため、堆積層はイオンビームの照射によりアパーチャ部材から析出したカーボンとイオン種により形成されていると推測される。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、上記形態ではコーティング膜２２３がシリコンからなることを例示したが、これがタングステンでもよい。

本発明の実施の形態のイオン注入装置の内部構造を示す模式的な側面図である。 シリコンの溶射により試作したコーティング膜を電子顕微鏡により観察した状態を示す模式図である。 カーボン・グラファイトの選択配向の結晶構造を示す模式図である。 シリコンの溶射によるコーティング膜の無配向の結晶構造を示す模式図である。 コーティング膜によりイオン種が吸着される状態を示す模式的な縦断側面図である。 試作した従来構造のアパーチャ部材の堆積層の表面状態を示す模式図である。 堆積層の剥離状態を示す模式図である。 カーボンの結晶構造を示す模式図である。 試作したアパーチャ部材に堆積層が発生する状態を示す模式図である。 一従来例のイオン注入装置の内部構造を示す模式的な側面図である。 アパーチャ部材の外観を示す斜視図である。 アパーチャ部材の貫通孔に堆積層が発生して剥離する状態を示す模式的な縦断側面図である。 アパーチャ部材から剥離した異物がシリコンウェハまで飛散する状態を示す模式的な側面図である。

符号の説明

２００ イオン注入装置
２２０ アパーチャ部材
２２１ 部材本体
２２２ 貫通孔
２２３ コーティング膜

Claims (13)

1. イオンビームを部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置であって、
   前記部材の少なくとも前記貫通孔の内面に多孔質膜が被覆されており、
   前記多孔質膜の表面に複数の凹部が形成されているとともに内部に複数の空孔が形成されており、複数の前記凹部の少なくとも一部と複数の前記空孔の少なくとも一部とが連通しており、複数の前記空孔の少なくとも一部が相互に連通しているイオン注入装置。
2. 前記多孔質膜の前記凹部と前記空孔とは、前記ビーム形状の成形に影響せず、前記イオンビームのイオン種を吸着するサイズに形成されている請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記多孔質膜がコーティング膜からなる請求項１または２に記載のイオン注入装置。
4. 前記多孔質膜が無配向な結晶構造に形成されている請求項１ないし３の何れか一項に記載のイオン注入装置。
5. 前記部材が選択配向の結晶構造に形成されている請求項１ないし４の何れか一項に記載のイオン注入装置。
6. 前記部材がカーボンを主成分として含有する請求項１ないし５の何れか一項に記載のイオン注入装置。
7. 前記多孔質膜が溶射膜からなる請求項１ないし６の何れか一項に記載のイオン注入装置。
8. 前記溶射膜がシリコンを主成分として含有する請求項７に記載のイオン注入装置。
9. 前記溶射膜がタングステンを主成分として含有する請求項７に記載のイオン注入装置。
10. イオンビームを貫通孔に通過させてビーム形状を成形する部材であって、
    少なくとも前記貫通孔の内面に多孔質膜が被覆されており、前記多孔質膜の表面に複数の凹部が形成されているとともに内部に複数の空孔が形成されており、複数の前記凹部の少なくとも一部と複数の前記空孔の少なくとも一部とが連通しており、複数の前記空孔の少なくとも一部が相互に連通している部材。
11. 前記多孔質膜が無配向な結晶構造に形成されている請求項１０に記載の部材。
12. イオンビームを貫通孔に通過させてビーム形状を成形する部材を製造するための部材製造方法であって、
    前記ビーム形状に対応した貫通孔が形成されている部材本体を形成し、
    この部材本体の貫通孔の少なくとも内面に多孔質となるコーティング膜を溶射により被覆する工程を含み、
    前記コーティング膜の表面に複数の凹部が形成されているとともに内部に複数の空孔が形成されており、複数の前記凹部の少なくとも一部と複数の前記空孔の少なくとも一部とが連通しており、複数の前記空孔の少なくとも一部が相互に連通している部材製造方法。
13. 前記コーティング膜が無配向な結晶構造に形成されている請求項１２に記載の部材製造方法。

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