JP5195789B2 - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Description

この発明は、イオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置に関する。より具体的には、プラズマによってイオンビーム照射に伴うターゲット表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置と、当該プラズマ発生装置よりも下流側に設けられていて、イオンビームを受けてそのビーム電流を測定するイオンビーム電流測定装置とを備えているイオンビーム照射装置に関する。

イオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置であって、プラズマを生成して当該プラズマを前記ターゲットの上流側に供給して、イオンビーム照射に伴うターゲット表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置と、当該プラズマ発生装置よりも下流側に設けられていて、前記イオンビームを受けてそのビーム電流を測定するイオンビーム電流測定装置とを備えているイオンビーム照射装置が従来から提案されている（例えば特許文献１参照）。

この出願において、「上流側」、「下流側」とは、それぞれ、イオンビーム進行方向における上流側、下流側のことを言う。

特許文献１に記載されている後段多点ファラデーが、上記イオンビーム電流測定装置に該当する。上記後段多点ファラデーは、簡単に言えば、下記のようなイオンビーム電流測定装置５０を複数並べたものである。

従来のイオンビーム照射装置を構成するプラズマ発生装置およびイオンビーム電流測定装置周りの一例を部分的に図４に示す。ターゲットの図示は省略している。

プラズマ２６を発生させるプラズマ発生装置２４の下流側にイオンビーム電流測定装置５０が設けられている。このイオンビーム電流測定装置５０は、例えば、特許文献２に記載されたのと同様のものであり、イオンビーム４を受けてそのビーム電流を検出するファラデーカップ５２と、その入口側に設けられていて抑制電源５８から負の抑制電圧Ｖ₃ （例えば−６００Ｖ程度）が印加される抑制電極５４と、その入口側に設けられた接地電位のマスク５６とを備えている。ファラデーカップ５２には、例えば、それに流れるビーム電流を測定する電流計６０が接続される。このイオンビーム電流測定装置５０によって、イオンビーム４のビーム電流を測定することができる。

特開２００８−３４３６０号公報（図１） 特開２０００−６５９４２号公報（図５）

上記従来のイオンビーム照射装置においては、図４に示すように、プラズマ発生装置２４から放出されたプラズマ２６中のイオン（この明細書では正イオン。以下同様）２７および電子２８が、イオンビーム電流測定装置５０の入口付近にまで達する。

その場合、電子２８は、負の抑制電圧Ｖ₃ が印加されている抑制電極５４によって押し戻されて抑制電極５４を通過することはできないけれども、イオン２７は、負の抑制電圧Ｖ₃ が印加されている抑制電極５４に引き寄せられて、抑制電極５４を通過してファラデーカップ５２に流入する。これによって、イオンビーム４のビーム電流の測定に誤差が生じる。特に、イオンビーム４のビーム電流が小さい場合には、この誤差が、イオンビーム４のビーム電流の測定に大きく影響し、正常な測定に支障を来す。

そこでこの発明は、上記のようなプラズマ発生装置を備えていても、その下流側に設けられたイオンビーム電流測定装置によるイオンビーム電流の測定に誤差が生じるのを抑制することを主たる目的としている。

この発明に係るイオンビーム照射装置は、イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、プラズマを生成して当該プラズマを前記ターゲットの上流側に供給して、イオンビーム照射に伴うターゲット表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置よりも下流側に設けられていて、前記イオンビームを受けてそのビーム電流を測定するイオンビーム電流測定装置とを備えているイオンビーム照射装置において、前記イオンビーム電流測定装置は、前記イオンビームを受けてそのビーム電流を検出するビーム電流検出器と、前記ビーム電流検出器の入口側に設けられている第１抑制電極と、前記第１抑制電極の入口側に設けられている第２抑制電極と、接地電位を基準にして負の第１抑制電圧を出力して、それを前記第１抑制電極に印加する第１抑制電源と、接地電位を基準にして正の第２抑制電圧を出力する第２抑制電源と、前記プラズマ発生装置がオンのときは、前記第２抑制電極を前記第２抑制電源に接続し、前記プラズマ発生装置がオフのときは、前記第２抑制電極を前記第２抑制電源から切り離すように切り換える切り換え器とを備えていることを特徴としている。

このイオンビーム照射装置においては、第１抑制電極には、プラズマ発生装置のオン・オフに拘わらず、第１抑制電源から負の第１抑制電圧が印加される。

第２抑制電極に関しては、プラズマ発生装置がオンのときは、切り換え器によって、第２抑制電極を第２抑制電源に接続するので、第２抑制電源から第２抑制電極に正の第２抑制電圧が印加される。この場合、プラズマ発生装置から放出されたプラズマ中のイオンは、正の第２抑制電圧が印加されている第２抑制電極によって押し戻されて、第２抑制電極を通過することができない。従って、上記イオンがビーム電流検出器に流入するのを抑制して、イオンビーム電流の測定に誤差が生じるのを抑制することができる。プラズマ発生装置から放出されたプラズマ中の電子は、負の第１抑制電圧が印加されている第１抑制電極によって押し戻されて、第１抑制電極を通過することができない。従って、上記電子がビーム電流検出器に流入するのを抑制して、イオンビーム電流の測定に誤差が生じるのを抑制することができる。

プラズマ発生装置がオフのときは、切り換え器によって、第２抑制電極を第２抑制電源から切り離すので、第２抑制電極には正の第２抑制電圧は印加されない。従って、第２抑制電極の存在がイオンビーム電流測定に影響を及ぼすことを防止することができる。

前記切り換え器は、前記プラズマ発生装置がオフのときは、前記第２抑制電極を、前記第２抑制電源から切り離して前記第１抑制電源に接続するものでも良いし、接地するものでも良いし、浮遊電位にするものでも良い。

前記プラズマ発生装置のオン・オフに応じて、前記切り換え器の前記切り換えを制御する制御装置を更に備えていても良い。

前記第２抑制電源は、それから出力する前記第２抑制電圧の大きさが可変のものでも良い。

前記イオンビーム電流測定装置は、前記第２抑制電極の入口側に設けられていて前記第２抑制電極の開口よりも小さい開口を有しており、かつ電気的に接地されたマスクを更に備えていても良い。

請求項１〜４に記載の発明によれば、プラズマ発生装置がオンのとき、プラズマ発生装置から放出されたプラズマ中のイオンは、正の第２抑制電圧が印加されている第２抑制電極によって押し戻されて、第２抑制電極を通過することができず、上記プラズマ中の電子も、負の第１抑制電圧が印加されている第１抑制電極によって押し戻されて、第１抑制電極を通過することができない。従って、上記イオンおよび電子がビーム電流検出器に流入するのを抑制することができるので、プラズマ発生装置を備えていても、イオンビーム電流測定装置によるイオンビーム電流の測定に誤差が生じるのを抑制することができる。

請求項５に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、プラズマ発生装置のオン・オフに応じて、切り換え器の切り換えを制御する制御装置を更に備えているので、切り換え器の切り換えを自動化することができる。これによって、省力化を図ることができると共に、人為的な切り換え誤りが発生することを防止して、イオンビーム電流測定の信頼性をより高めることができる。

請求項６に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、第２抑制電源は、それから出力する第２抑制電圧の大きさが可変のものであるので、イオンビームのエネルギーが可変であっても、当該イオンビームのエネルギーに応じた大きさの第２抑制電圧にすることができる。その結果、第２抑制電極に印加された第２抑制電圧がイオンビーム電流測定に及ぼす影響を抑制することが容易になる。

請求項７に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、当該請求項に記載のようなマスクを更に備えているので、第２抑制電極に印加された第２抑制電圧によって発生する電界が、第２抑制電極の上流側のビームラインに漏れ出すのを抑制することができる。その結果、上記電界がイオンビームの軌道に影響を及ぼすことを防止することができる。

この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。 図１中の後段多点ファラデーを構成するイオンビーム電流測定装置の一例を、プラズマ発生装置と共に示す概略図である。 図２中のイオンビーム電流測定装置を拡大して部分的に示す概略図である。 従来のイオンビーム照射装置を構成するプラズマ発生装置およびイオンビーム電流測定装置周りの一例を部分的に示す概略図である。

図１に、この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す。なお、この明細書および図面においては、イオンビーム４の進行方向をＺ方向とし、このＺ方向と実質的に直交する平面内において互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としている。例えば、Ｘ方向およびＺ方向は水平方向であり、Ｙ方向は垂直方向であるが、これに限られるものではない。

このイオンビーム照射装置は、後段多点ファラデー２２を構成するイオンビーム電流測定装置（図２のイオンビーム電流測定装置３０参照）および制御装置４８以外については、上記特許文献１に記載のイオンビーム照射装置とほぼ同様の構成をしている。

即ちこのイオンビーム照射装置は、図示しないイオン源から発生させた、リボン状のイオンビームの元になる小さな断面形状をしているイオンビーム４を、図示しない走査器によってＸ方向に走査し、かつビーム平行化器６を通して平行ビーム化して、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビーム４にした後に、ホルダ１６に保持されたターゲット（例えば半導体基板）１４に照射して、ターゲット１４にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。ターゲット１４は、ホルダ１６と共に、ビーム平行化器６からのイオンビーム４の照射領域内で、ターゲット駆動装置１８によって、Ｙ方向に沿う方向に機械的に往復走査（往復駆動）される。これによって、ターゲット１４の全面にイオンビーム４を照射することができる。

但し、イオン源からリボン状のイオンビーム４を発生させて、Ｘ方向の走査を経ることなく、かつビーム平行化器６を用いることなく、リボン状をしているイオンビーム４をターゲット１４に照射する構成でも良い。

更にこの実施形態では、一例として、ビーム平行化器６の下流側に、イオンビーム４をＹ方向において絞る電界レンズ８およびイオンビーム４を整形するマスク１０が設けられているが、これらはこの発明に必須のものではない。

ターゲット１４の上流側に（より具体的には上流側近傍に）、ガスを電離させてプラズマを生成して当該プラズマ２６（図２参照）をターゲット１４の上流側に（より具体的には上流側近傍に）供給して、当該プラズマ２６中の電子によって、イオンビーム照射に伴うターゲット１４表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置２４が設けられている。このプラズマ発生装置２４は、例えば、特許第３３８７４８８号公報、特許第３４１４３８０号公報に記載されているような公知の装置である。

ターゲット１４の上流側および下流側に、イオンビーム４を受けてそのビーム電流を測定するイオンビーム電流測定装置の一例として、イオンビーム４のビーム電流をＸ方向における複数点で測定する前段多点ファラデー２０および後段多点ファラデー２２がそれぞれ設けられている。後段多点ファラデー２２は上記プラズマ発生装置２４よりも下流側に設けられており、以下においてはこの後段多点ファラデー２２に着目して説明する。

上記後段多点ファラデー２２を構成するイオンビーム電流測定装置３０の一例を、上記プラズマ発生装置２４と共に図２に示す。この図２では、上記ターゲット１４の図示は省力している。

このイオンビーム電流測定装置３０は、イオンビーム４を受けて当該イオンビーム４のビーム電流を検出するビーム電流検出器３２と、このビーム電流検出器３２の入口側（換言すれば、上流側近傍。以下同様）に設けられている第１抑制電極３４と、この第１抑制電極３４の入口側に設けられている第２抑制電極３６とを備えている。これによって、イオンビーム４のビーム電流を測定することができる。更にこの実施形態では、第２抑制電極３６の入口側にマスク３８が設けられている。このマスク３８は、電気的に接地されている。

ビーム電流検出器３２は、例えば、有底筒状のファラデーカップである。このビーム電流検出器３２には、例えば、それに流れるビーム電流を測定する電流計４６が接続される。

各抑制電極３４、３６およびマスク３８は、イオンビーム４を通す開口３５、３７、３９をそれぞれ有している。この実施形態では、マスク３８の開口３９を、第２抑制電極３６の開口３７よりも小さくしている。その理由は後述する。

このイオンビーム電流測定装置３０は、更に、接地電位を基準にして負の第１抑制電圧Ｖ₁ を出力して、それを第１抑制電極３４に印加する第１抑制電源４０と、接地電位を基準にして正の第２抑制電圧Ｖ₂ を出力する第２抑制電源４２と、上記プラズマ発生装置２４がオン（動作中。即ちプラズマ２６を発生させる状態）のときは、第２抑制電極３６を第２抑制電源４２に接続し、プラズマ発生装置２４がオフ（停止中。即ちプラズマ２６を発生させない状態）のときは、第２抑制電極３６を第２抑制電源４２から切り離すように切り換える切り換え器４４とを備えている。切り換え器４４は、より具体的にはこの実施形態では、プラズマ発生装置２４がオフのときは、第２抑制電極３６を、第２抑制電源４２から切り離して第１抑制電源４０に接続する。

第１抑制電圧Ｖ₁ は、例えば、−３００Ｖ〜−６００Ｖ程度である。その内のより具体例を示せば−６００Ｖである。第２抑制電圧Ｖ₂ は、例えば、＋２００Ｖ〜＋４００Ｖ程度である。その内のより具体例を示せば＋４００Ｖである。但し、これらの電圧はあくまでも一例であり、これらに限られるものではない。プラズマ発生装置２４で発生させるプラズマ２６中のイオンの種類（プラズマ発生装置２４では主に希ガスを用いるので、例えばＡr⁺ 、Ｘe⁺ 等）、当該イオンのエネルギー、プラズマ２６中の電子のエネルギー、両抑制電極３４、３６間の距離等に応じて、両電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ の大きさを適宜選定すれば良い。より具体例を挙げると、第２抑制電圧Ｖ₂ の絶対値は、プラズマ２６中のイオンが有するエネルギーに相当する電圧よりも大きく、かつイオンビーム４が有するエネルギーに相当する電圧よりも小さくしておけば良い。第１抑制電圧Ｖ₁ の絶対値は、プラズマ２６中の電子が有するエネルギーに相当する電圧よりも大きくしておけば良い。

切り換え器４４の種類は問わない。例えば、接点を有するものでも良いし、半導体スイッチを用いた無接点のもの等でも良い。

また切り換え器４４は、プラズマ発生装置２４のオン・オフに応じて、手動で上記のように切り換えても良いし、この実施形態のように、プラズマ発生装置２４のオン・オフに応じて切り換え器４４の上記のような切り換えを制御する制御装置４８（図１参照）を設けておいて、それの制御によって切り換えても良い。

制御装置４８は、この実施形態では、プラズマ発生装置２４に対して、そのオン・オフを制御する制御信号Ｓ₁ を供給すると共に、切り換え器４４に対して、それをプラズマ発生装置２４のオン・オフに応じて上記のように切り換える制御を行う制御信号Ｓ₂ を供給する。即ちこの実施形態では、制御信号Ｓ₁ がプラズマ発生装置２４をオンさせるものであるときは、制御信号Ｓ₂ は切り換え器４４を第２抑制電源４２側に切り換え、制御信号Ｓ₁ がプラズマ発生装置２４をオフさせるものであるときは、制御信号Ｓ₂ は切り換え器４４を第１抑制電源４０側に切り換える。

上記のような制御装置４８を設けておくと、切り換え器４４の切り換えを自動化することができる。これによって、省力化を図ることができると共に、人為的な切り換え誤りが発生することを防止して、イオンビーム電流測定の信頼性をより高めることができる。

図１中に示す後段多点ファラデー２２は、上記のようなイオンビーム電流測定装置３０をＸ方向に複数並設したものである。より具体的には、ビーム電流検出器３２をＸ方向に複数並設したものである。第１抑制電極３４、第２抑制電極３６およびマスク３８は、各ビーム電流検出器３２に対応するように複数設けても良いし、複数のビーム電流検出器３２に共通するものを一つずつ設けても良い。第１抑制電源４０、第２抑制電源４２および切り換え器４４は、共通のものを一つずつ設けるのが簡単で良い。

次にイオンビーム電流測定装置３０周りの動作を説明する。第１抑制電極３４には、プラズマ発生装置２４のオン・オフに拘わらず、第１抑制電源４０から負の第１抑制電圧Ｖ₁ が印加される。

第２抑制電極３６に関しては、プラズマ発生装置２４がオンのときは、切り換え器４４によって、第２抑制電極３６を第２抑制電源４２に接続するので（図２に示す状態）、第２抑制電源４２から第２抑制電極３６に正の第２抑制電圧Ｖ₂ が印加される。この場合、プラズマ発生装置２４から放出されたプラズマ２６中のイオン２７は、図３を参照して、正の第２抑制電圧Ｖ₂ が印加されている第２抑制電極３６によって押し戻されて、第２抑制電極３６を通過することができない。従って、上記イオン２７がビーム電流検出器３２に流入するのを抑制して、イオンビーム電流の測定に誤差が生じるのを抑制することができる。プラズマ発生装置２４から放出されたプラズマ２６中の電子２８は、図３を参照して、負の第１抑制電圧Ｖ₁ が印加されている第１抑制電極３４によって押し戻されて、第１抑制電極３４を通過することができない。従って、上記電子２８がビーム電流検出器３２に流入するのを抑制して、イオンビーム電流の測定に誤差が生じるのを抑制することができる。

従って、プラズマ発生装置２４を備えていても、イオンビーム電流測定装置３０によるイオンビーム電流の測定に誤差が生じるのを抑制することができる。

プラズマ発生装置２４がオフのときは、切り換え器４４によって、第２抑制電極３６を第２抑制電源４２から切り離すので、第２抑制電極３６には正の第２抑制電圧Ｖ₂ は印加されない。従って、第２抑制電極３６の存在がイオンビーム電流測定に影響を及ぼすことを防止することができる。

また、いずれもプラズマ発生装置２４がオフのときの話として、切り換え器４４は、この実施形態のように、第２抑制電極３６を第２抑制電源４２から切り離して第１抑制電源４０に接続するものでも良いし、第２抑制電極３６を接地するものでも良いし、第２抑制電極３６をどこにも接続せずに浮遊電位にするものでも良い。第２抑制電極３６を第１抑制電源４０に接続すると、第２抑制電極３６にも負の第１抑制電圧Ｖ₁ を印加することができるので、第２抑制電極３６も第１抑制電極３４と同様の作用を奏することができる。即ち、イオンビーム４の入射に伴ってビーム電流検出器３２内から放出された電子（２次電子）が上流側へ逃げるのを抑制すると共に、上流側から電子がビーム電流検出器３２内へ流入するのを抑制することができる。もっとも、このような作用は第１抑制電極３４だけで十分な場合もあり、従って第２抑制電極３６を上記のように接地しても良いし、浮遊電位にしても良い。

第２抑制電源４２を、それから出力する第２抑制電圧Ｖ₂ の大きさが可変の電源としても良い。そのようにすると、イオンビーム４のエネルギーが可変であっても、当該イオンビーム４のエネルギーに応じた大きさの第２抑制電圧Ｖ₂ にすることができるので、第２抑制電極３６に印加された第２抑制電圧Ｖ₂ がイオンビーム電流測定に及ぼす影響を抑制することが容易になる。また、様々なエネルギーのイオンビーム４に対応することができるので、汎用性も向上する。

これを詳述すると、例えば、扱うイオンビーム４のエネルギー範囲が広い（例えば、数十ｅＶ〜数百ｋｅＶ）場合に、第２抑制電極３６に印加する第２抑制電圧Ｖ₂ の値を一定値にしておくと、極低エネルギーのイオンビーム４がビーム電流検出器３２に入射できない可能性が生じる。プラズマ発生装置２４で発生されたプラズマ２６中に存在するイオンのエネルギーは、プラズマ発生装置２４で適宜調整（即ちイオンビーム４のエネルギーよりも低く）することは可能であるが、第２抑制電極３６に印加される第２抑制電圧Ｖ₂ の大きさを変更できないと、イオンビーム電流の測定に誤差を生じさせたり、測定が困難になる場合が生じることがある。従って第２抑制電源４２は、イオンビーム４のエネルギーに応じて抑制電圧Ｖ₂ の大きさが調整可能なものが好ましい。

マスク３８を設けることは必須ではないけれども、この実施形態のように、第２抑制電極３６の開口３７よりも小さい開口３９を有していて、電気的に接地されたマスク３８を設けておくと、第２抑制電極３６に印加された第２抑制電圧Ｖ₂ によって発生する電界が、第２抑制電極３６の上流側のビームラインに漏れ出すのを抑制することができる。その結果、上記電界がイオンビーム４の軌道に影響を及ぼすことを防止することができる。

なお、上記後段多点ファラデー２２は、イオンビーム４のＸ方向におけるビーム電流密度分布を測定することができるように、上記イオンビーム電流測定装置３０をＸ方向に複数並設した場合の例であるけれども、イオンビーム電流測定装置３０は必ずしもそのように複数設けなければならないものではない。例えば、プラズマ発生装置２４の下流側に、一つのイオンビーム電流測定装置３０が設けられていても良い。このイオンビーム電流測定装置３０によっても、イオンビーム４のビーム電流を測定することができる。また上記のような作用効果を奏することができる。

４ イオンビーム
１４ ターゲット
２２ 後段多点ファラデー
２４ プラズマ発生装置
３０ イオンビーム電流測定装置
３２ ビーム電流検出器
３４ 第１抑制電極
３６ 第２抑制電極
３８ マスク
４０ 第１抑制電源
４２ 第２抑制電源
４４ 切り換え器
４８ 制御装置

Claims (7)

1. イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、
   プラズマを生成して当該プラズマを前記ターゲットの上流側に供給して、イオンビーム照射に伴うターゲット表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置と、
   前記プラズマ発生装置よりも下流側に設けられていて、前記イオンビームを受けてそのビーム電流を測定するイオンビーム電流測定装置とを備えているイオンビーム照射装置において、
   前記イオンビーム電流測定装置は、
   前記イオンビームを受けてそのビーム電流を検出するビーム電流検出器と、
   前記ビーム電流検出器の入口側に設けられている第１抑制電極と、
   前記第１抑制電極の入口側に設けられている第２抑制電極と、
   接地電位を基準にして負の第１抑制電圧を出力して、それを前記第１抑制電極に印加する第１抑制電源と、
   接地電位を基準にして正の第２抑制電圧を出力する第２抑制電源と、
   前記プラズマ発生装置がオンのときは、前記第２抑制電極を前記第２抑制電源に接続し、前記プラズマ発生装置がオフのときは、前記第２抑制電極を前記第２抑制電源から切り離すように切り換える切り換え器とを備えていることを特徴とするイオンビーム照射装置。
2. 前記切り換え器は、前記プラズマ発生装置がオフのときは、前記第２抑制電極を、前記第２抑制電源から切り離して前記第１抑制電源に接続するものである請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. 前記切り換え器は、前記プラズマ発生装置がオフのときは、前記第２抑制電極を、前記第２抑制電源から切り離して接地するものである請求項１記載のイオンビーム照射装置。
4. 前記切り換え器は、前記プラズマ発生装置がオフのときは、前記第２抑制電極を、前記第２抑制電源から切り離して浮遊電位にするものである請求項１記載のイオンビーム照射装置。
5. 前記プラズマ発生装置のオン・オフに応じて、前記切り換え器の前記切り換えを制御する制御装置を更に備えている請求項１ないし４のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
6. 前記第２抑制電源は、それから出力する前記第２抑制電圧の大きさが可変のものである請求項１ないし５のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
7. 前記イオンビーム電流測定装置は、前記第２抑制電極の入口側に設けられていて前記第２抑制電極の開口よりも小さい開口を有しており、かつ電気的に接地されたマスクを更に備えている請求項１ないし６のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。

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