JP5068928B2 - 低エネルギービーム増大化方法及びビーム照射装置 - Google Patents
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Description
(B)ディスクの高速回転に伴い、パーティクルがウエハ上を動くことによってウエハ表面の構造が傷付けられるおそれがある。
(C)必ず1バッチ当たり十数枚のウエハをロードしなければならないので、少数枚のウエハを処理しようとすると、多数のダミーウエハが必要になる。
(D)ウエハ冷却系に使用されるエラストマー(ゴム)がウエハとの接触によって削られるため、ウエハ裏面のパーティクル汚染量が大きい。
これらは、基本的にバッチ式高電流イオン注入装置において使用されているものと同じものを用い、高電流ビームの引出し・分析ができるようにしている。但し、引出電極2は、上下・左右・水平チルト軸による前後の傾きを調整できる三軸調整構造とし、ビーム中心軸合わせに使えるようにした。図11に示されるように、引出電極2は、三軸駆動機構2−1により前後方向の移動、左右方向の移動、及びチルト軸に関して前後に傾動可能にされている。
直流四極電磁石(QD)5及び直流四極電磁石(QF)6によって、偏向走査装置7から下流側でのビーム断面を横(水平)方向に長い楕円形に整形する。偏向走査装置7より下流側では、ビームがスキャンされるので横方向のビーム通過領域が非常に広く、横方向にビームを収束する機器を置くことができない。従って、偏向走査装置7より下流側では、空間電荷効果によるビーム発散力が横方向にはあまり働かないようにしなければならない。これは、ビームの断面形状を横長にすることによって実現される。
数式(1−1)、(1−2)から分かるように、空間電荷効果は、ビームエネルギーの1.5乗に反比例して弱くなる。そこで、大電流ビームを輸送するためには、ビームエネルギーはできるだけ高い方が良い。しかし、ビームスキャン方式のイオン注入装置においては、ウエハ面内全体に同じ角度でビームを注入するためには、何らかの方法でスキャン後のビーム中心軌道を平行化しなければならない。減速P−レンズ10の電界は、イオンに、外側の軌道ほど内側に大きく曲がるような横方向の力を働かせる。このとき、同時にビーム軸方向にイオンを減速させる力が働く。このため、ビームエネルギーは、減速P−レンズ10を通過するときに数分の1に低下する。さらに、減速P−レンズ10から第1のA/Dコラム電極11の区間には強い電界がかかっているため、これらで挟まれた区間には電子がほとんど存在しない。このため、この区間ではビームに強い空間電荷効果が働く。
数式(2)において、Vextは引出電圧(イオン源1とターミナル37との間の電位差)、aは比例定数である。シンクロナイズド四極電磁石のコイル電流IQは、その磁場勾配に比例し、磁場勾配は図5に見られるように、(1−cosθ)に逆比例する。これらの比例係数と切片をb,cとすると、
IQ=b・(1−cosθ)+c (3)
となる。
数式(4)では、定数部分を整理して新たに係数A,Bで表してある。
静電式の減速P−レンズ10は、水平方向の収束作用でスキャンビームを平行化するが、鉛直方向にもかなり強い収束力を持つ。減速P−レンズ10通過後のビームは、放置すると、オーバーフォーカスによって、鉛直方向に急激に発散してしまう。この作用は、低エネルギービームで特に大きい。
電極や電磁石などのビームライン上の機器は、実際には設計通りの位置には設置されず、必ずわずかなアライメントエラーが生じている。例えば、質量分析電磁石装置3が、ビーム軸を回転軸として、わずかに回転していると、本来無いはずの水平方向の磁場成分が現れ、ビームをわずかに上下方向に偏向させる。四極電磁石のビーム軸と垂直な面内での平行移動誤差、電極のビーム軸に対する傾き、ビーム軸回りの回転誤差等も、ビームの中心軌道をわずかに曲げ、本来の設計軌道からビームを外す作用がある。これを放置すると、ウエハへのイオン注入角度が狂うだけでなく、ひどい場合には、輸送できるビーム電流が大幅に低下することになる。この問題に対する対策として、以下の中心軌道補正システムを搭載した。
b12Δθ1+b22Δθ2=−x2 (5)
ここで、b11,b21,b12,b22は、それぞれ質量分折電磁石装置3からビームプロファイルモニター15まで、水平方向のステアリング電磁石(STX)13からビームプロファイルモニター15まで、質量分析電磁石装置3からビームプロファイルモニター17まで、水平方向のステアリング電磁石(STX)13からビームプロファイルモニター17までの輸送行列の1行2列成分で、ビームオプティクスの計算によって理論的に求められる係数である。数式(5)を解けば、必要な偏向角θが以下の数式(6−1)、(6−2)で求められる。
(b21x2−b22x1)/(b11b22−b12b21) (6−1)
Δθ2=
(b12x1−b11x2)/(b11b22−b12b21) (6−2)
これは、鉛直方向についても同様である。
角度エネルギーフィルターとエネルギースリットは、枚葉式中電流イオン注入装置でも使われているが、AEF18は低エネルギー・高電流ビームの発散防止のため、電界と磁界とを切替え可能なハイブリット型にしてある。一方、エネルギースリット19は、図9に示すように、高電流ビームのスパッターによるクロスコンタミネーション防止のために、回転による三面自動切替式(実際は、ダイバージェンスマスク25がもう1面を使うので、回転による四面自動切替式)とし、B(またはBF2)、P、Asの各イオン種が同じ面を打たないようにしてある。
これは、磁界AEFの水平方向の磁場を利用して、AEFプラズマシャワー20から引出した電子をビームに供給する(ノーマルモード)ことによって、減速後の低エネルギービームのイオン電荷を中和するシステムである。あるいはまた、引出した電子を一次電子とし、電界AEFの電極をプラズマアーク室の壁、磁界AEFの磁界をプラズマ閉じこめ磁場として用い、ビームが通過する領域にプラズマを生成して多量に電子を供給する(プラズマボックスモード)ことによって、減速後の低エネルギービームのイオン電荷を中和するシステムでも良い。
プラズマシャワー22は、ウエハ23の帯電防止と同時に、AEF18とウエハ23間のビームに電子を供給してイオンの電荷を中和し、空間電荷効果を弱くする働きがある。
ビームダンプ24は、ウエハ近傍で最も多くのビームが当たる場所なので、汚染源としてのリスクが最も高い場所である。そこで、図16に示すように、ビームダンプ24を3つの回転式の三面構造体24−1,24−2,24−3で構成し、B(またはBF2)、P、Asのイオン種毎にビームの当たる面が自動的に切り替わるようにして、汚染を防止する。例えば、B(またはBF2)イオンを注入している時には三面構造体24−1、24−2、24−3の面24−1a、24−2a,24−3aがビーム照射方向を向き、Pイオンを注入している時には三面構造体24−1、24−2、24−3の面24−1b、24−2b、24−3bがビーム照射方向を向くようにしている。なお、図示の状態において三面構造体の隣接する頂点は重なり合うようにしてウエハに照射されなかったビームがビームダンプの底部に漏れないようにしている。このようなシステムを搭載することにより、高電流注入プロセスのクロスコンタミネーションレベルを低く抑えられる。
ダイバージェンスマスク25とビームプロファイルモニター17とで、水平方向のスキャン軌道の平行度と、ビームの発散角の測定系を構成している。図9に示すように、ダイバージェンスマスク25は、トリプルサーフェスエネルギースリット19と共に、羽板付きの二本の四角柱における第四面を使用している。ダイバージェンスマスク25の羽板の先端には凹凸が付いており、回転によって二枚の羽板の端が最も接近したとき、凸部25−1は符合してビームを遮断し、凹部25−2のみビームが通過できるようになっている。この状態で上流から下流を見ると、10個程度(図9では7個)の穴が一枚の板に明いているように見える。
電子サプレッション電極を、電子を吸収する正電圧の電極の前後、及び電子を加速する方向の電界ができる電極の手前に置いて、裸のイオンビームの持つポテンシャルより高い負電圧を印加する。これによって、電子を跳ね返し、ビームラインから電子が流失することを防ぐ。電子は、プラズマシャワーなどの積極的な供給系が無くとも、イオンがアパチャー周縁部に当たったり、残留ガスと衝突することによってある程度発生する。これをビームラインに保持し、ビーム電荷の中和に用いることで、輸送できるビーム電流が増える。
一般にイオン源とその電源はターミナル37の中(ターミナル電位の上)に置かれ、注入エネルギーは、イオン源電圧とターミナル電圧との和になる。この場合、エネルギー精度を上げようとすると、ターミナル高圧電源33及びターミナル37における全ての高圧電源の精度を上げなければならない。ターミナル37中で発生する放電も、直接注入エネルギーを変化させる。そこで、イオン源1をターミナル37の外に出し、アース電位から高電圧を印加すると、注入エネルギーがイオン源1の電位のみで決まるようにできる。この場合、このイオン高圧電源32の精度のみ上げれば、注入エネルギー精度が確保されることになる。ダイナミックレンジが1桁を大きく超える範囲で、電源精度を保証することは難しい。そこで、イオン源電圧を高エネルギー用と低エネルギー用に分け、それぞれ精度の良い電源装置を用いて自動切替えすることにより、0.2keV〜80keVの全エネルギー領域で、精度が保証されることになる。
2 引出電極
3 質量分析電磁石装置
4 質量分析スリット
5 上下方向集束用の直流四極電磁石(QD)
6 横方向集束用の直流四極電磁石(QF)
7 偏向走査装置
8 上下方向集束用のシンクロナイズド四極交流電磁石(syQD)
9 横方向集束用のシンクロナイズド四極交流電磁石(syQF)
10 減速式P−レンズ
11、12 第1、第2のA/Dコラム電極
13 水平方向中心軌道補正用のステアリング電磁石(STX)
14 鉛直方向中心軌道補正用のステアリング電磁石(STY)
15 二線式のビームプロファイルモニター
16 インジェクションファラデーカップ
17 ビームプロファイルモニター
18 角度エネルギーフィルター(AEF)
19 トリプルサーフェスエネルギースリット
20 AEFプラズマシャワー
21 永久磁石
22 プラズマシャワー
23 ウエハ
24 トリプルサーフェスビームダンプ
37 ターミナル
38 AEFチャンバー
39 プロセスチャンバー(真空処理室)
Claims (9)
- ビーム発生源からのイオンビームまたは荷電粒子ビーム(以下、ビームと総称する)を、前段の質量分析装置ならびにビーム整形装置を通過させた後、ビームをビーム進行方向と直交する方向にスキャンする偏向走査装置ならびにビーム平行化装置、加速/減速装置を経て後段のエネルギー分析装置によりエネルギー分析を行なった後、基板に照射するように構成したビーム照射装置における低エネルギービーム増大化方法において、
前記偏向走査装置で前記ビーム進行方向と直交する方向にスキャンされたビームを、静電式の減速パラレルレンズによって、減速しながら平行化するよう構成し、前記減速パラレルレンズの下流側の直近に、上下方向のみに収束レンズ効果を持つ第1、第2のA/Dコラム電極を配置して、前記減速パラレルレンズによって発生した上下方向のビーム発散を、前記上下方向の収束レンズ効果でうち消すように構成することにより、スキャン方向およびスキャン方向と直交する方向のビーム発散を防ぎながら低エネルギービームを増大させるようにしたことを特徴とするビーム照射装置における低エネルギービーム増大化方法。 - 請求項1に記載の低エネルギービーム増大化方法において、
断面が円形あるいは楕円形のビームを縦方向集束用の直流四極電磁石(QD)と横方向集束用の直流四極電磁石(QF)とから成るビーム整形装置により、偏向走査後のビームラインの区間で、その断面がスキャン方向に長い楕円形状となるよう整形することを特徴とするビーム照射装置における低エネルギービーム増大化方法。 - ビーム発生源からのイオンビームまたは荷電粒子ビーム(以下、ビームと総称する)を、前段の質量分析装置ならびにビーム整形装置を通過させた後、ビームをビーム進行方向と直交する方向にスキャンする偏向走査装置ならびにビーム平行化装置、加速/減速装置を経て後段のエネルギー分析装置によりエネルギー分析を行なった後、基板に照射するように構成したビーム照射装置における低エネルギービーム増大化方法において、
前記ビーム平行化装置の下流側の直近に配置されて前記加速/減速装置を構成しかつ上下方向のみに収束レンズ効果を持つと共に独立に高電圧を印加できる複数の加速/減速コラム電極によって、前記ビーム平行化装置により発生した上下方向のビーム発散をうち消すように構成することにより、スキャン方向およびスキャン方向と直交する方向のビーム発散を防ぎながら前記偏向走査装置で前記ビーム進行方向と直交する方向にスキャンされたビームを加速/減速することを特徴とするビーム照射装置における低エネルギービーム増大化方法。 - ビーム発生源からのイオンビームまたは荷電粒子ビーム(以下、ビームと総称する)を、前段の質量分析装置ならびにビーム整形装置を通過させた後、ビームを横方向にスキャンする偏向走査装置ならびにビーム平行化装置、加速/減速装置を経て後段のエネルギー分析装置によりエネルギー分析を行なった後、基板に照射するように構成したビーム照射装置における低エネルギービーム増大化方法において、
前記ビーム整形装置によりビームの断面形状を整形するとともに、前記偏向走査装置で前記横方向にスキャンされたビームを、前記ビーム平行化装置を構成している静電式の減速パラレルレンズと、該減速パラレルレンズの下流側の直近に配置されて前記加速/減速装置を構成しかつ上下方向のみに収束レンズ効果を持つと共に独立に高電圧を印加できる複数の加速/減速コラム電極とを組み合わせることによって、
前記横方向にスキャンされたビームを、前記減速パラレルレンズで減速しながら平行化するとともに、前記複数の加速/減速コラム電極の前記上下方向の収束レンズ効果によって、前記ビーム平行化装置により発生した上下方向のビーム発散を防ぎながら加速/減速するように構成することにより、スキャン方向およびスキャン方向と直交する方向のビーム発散を防ぎながら低エネルギービームを増大させるようにしたことを特徴とするビーム照射装置における低エネルギービーム増大化方法。 - ビーム発生源からのイオンビームまたは荷電粒子ビーム(以下、ビームと総称する)を、前段の質量分析装置ならびにビーム整形装置を通過させた後、ビームをビーム進行方向と直交する方向にスキャンする偏向走査装置ならびにビーム平行化装置、加速/減速装置を経て後段のエネルギー分析装置によりエネルギー分析を行なった後、基板に照射するように構成したビーム照射装置において、
前記ビーム平行化装置を静電式の減速パラレルレンズで構成し、
前記偏向走査装置でビーム進行方向と直交する方向にスキャンされたビームを、前記静電式の減速パラレルレンズによって、減速しながら平行化するように構成すると共に、前記減速パラレルレンズの下流側の直近に、上下方向のみに収束レンズ効果を持つ第1、第2のA/Dコラム電極を配置して、前記減速パラレルレンズによって発生した上下方向のビーム発散を、前記上下方向の収束レンズ効果でうち消すように構成することにより、スキャン方向およびスキャン方向と直交する方向のビーム発散を防ぎながら低エネルギービームを増大させるようにしたことを特徴とするビーム照射装置。 - 請求項5に記載のビーム照射装置において、
前記静電式の減速パラレルレンズは入射してくるビームに対して円弧状に一定曲率をもつ彎曲した略弓形の電極で構成するようにしたことを特徴とするビーム照射装置。 - ビーム発生源からのイオンビームまたは荷電粒子ビーム(以下、ビームと総称する)を、前段の質量分析装置ならびにビーム整形装置を通過させた後、ビームをビーム進行方向と直交する方向にスキャンする偏向走査装置ならびにビーム平行化装置、加速/減速装置を経て後段のエネルギー分析装置によりエネルギー分析を行なった後、基板に照射するように構成したビーム照射装置において、
前記加速/減速装置を、前記ビーム平行化装置の下流側の直近に配置されて上下方向のみに収束レンズ効果を持つと共に独立に高電圧を印加できる複数の加速/減速コラム電極で構成し、
前記複数の加速/減速コラム電極の前記上下方向の収束レンズ効果によって前記ビーム平行化装置により発生した上下方向のビーム発散をうち消すように構成することにより、前記偏向走査装置で前記ビーム進行方向と直交する方向にスキャンされたビームを、上下方向のビーム発散を防ぎながら加速/減速することを特徴とするビーム照射装置。 - ビーム発生源からのイオンビームまたは荷電粒子ビーム(以下、ビームと総称する)を、前段の質量分析装置ならびにビーム整形装置を通過させた後、ビームを横方向にスキャンする偏向走査装置ならびにビーム平行化装置、加速/減速装置を経て後段のエネルギー分析装置によりエネルギー分析を行なった後、基板に照射するように構成したビーム照射装置において、
前記ビーム平行化装置を静電式の減速パラレルレンズで構成し、
前記加速/減速装置を、前記ビーム平行化装置の下流側の直近に配置されかつ上下方向のみに収束レンズ効果を持つと共に独立に高電圧を印加できる複数の加速/減速コラム電極で構成し、
前記静電式の減速パラレルレンズと前記複数の加速/減速コラム電極とを組み合わせることによって、前記横方向にスキャンされたビームを、前記静電式の減速パラレルレンズで減速しながら平行化するとともに、前記複数の加速/減速コラム電極の上下方向の収束レンズ効果によって、前記ビーム平行化装置により発生した上下方向のビーム発散を防ぎながら加速/減速するように構成することにより、低エネルギーでもビームの発散を抑え、前記偏向走査装置で前記横方向にスキャンされたビームの平行度を良好に維持できるようにしたことを特徴とするビーム照射装置。 - 請求項5〜8のいずれかに記載のビーム照射装置において、
前記偏向走査装置の上流側に配置した縦方向集束用の直流四極電磁石(QD)と横方向集束用の直流四極電磁石(QF)とから成るビーム整形装置により、前記ビームは、その断面が円形あるいは一方向に長い楕円形のビームを、その断面がスキャン方向に長い楕円形状となるよう整形されたのち、前記偏向走査装置により偏向走査されることを特徴とするビーム照射装置。
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