JP5222286B2 - イオン注入のための磁気解析装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハへのイオン注入に関し、特に、磁気解析の後のイオンビームの減速に有効な磁気解析構成に関する。

商業的なイオン注入装置において、イオン源から引き出されたイオンは、典型的にはビームにされ、ビームを半導体ウェハに照射する前に、特定のイオン種を選択するために、ビームを扇形の双極子磁石に通過させる。１０−２０ｋｅＶ以下の注入エネルギーにおいては、イオンは磁気解析の後で減速される。一般に、この方法は、磁気解析の前に、イオン源から単にイオンを低エネルギーで引き出す直接的な方法に比べて、ウェハ上のより大きな電流を生成する。これは、イオンビームの内部空間電荷力および内在熱温度が、イオン源から引き出されるイオンの数を制限し、低エネルギーで磁気解析への輸送されるイオンの数を制限するからである。高電流は、すばやいイオン注入を可能にし、主要な装置をより効率的に使用できるようにする。

解析後の減速の不利な点は、磁気解析装置およびイオンが解析磁石を通るときに通過する結合された真空ハウジングが、接地電位から高電圧に隔離されなければならない、あるいは代替的に、結合された真空ハウジングが、磁石本体から高電圧に隔離されなければならない、ということである。一般に、これは現実に実行するのに不便であり、またコスト高であり、場合によってはシステムを制限し得る。

必要な電気的隔離が都合よく、低コストで、磁場効率を落とすことなく達成される解析磁石システムが、コイルを解析磁石から高電位に電気的に隔離することで達成されることが分かった。これには、イオン減速が作動しているときに、磁石コイル電力供給および冷却流体システムを接地電位に維持することができる、という利益をもたらす。これは、大きな、すなわち、磁石が約２０ＫＷを超える電力を消費するようなシステムにおいて特に有利である。

本発明の一側面によれば、イオン注入のためのイオンのポスト解析減速のための減速器とともに用いられる磁気解析装置が提供され、装置は、イオンビームが通過する非磁性体材料の真空ハウジングに関連付けられた扇形磁石を有し、扇形磁石は、イオンビームが質量分離のためにさらされる磁場ギャップを画定する、強磁性体材料の磁石アセンブリと、磁石アセンブリに密接に関連付けられた励起コイルとを備え、コイルは、電力源まで延びる電力線、および、冷却流体源およびドレインまで延びる冷却流体ラインに接続され、高電圧絶縁体は、密接に関連つけられた励起コイル、電力線および冷却流体ラインを磁石アセンブリから隔離し、電力源は、接地ハウジング内に配置される。

好ましい実施形態は、以下の特徴の１つまたはそれ以上を含む。

解析磁石およびその電力源は、少なくとも２０キロワットの電力で動作するように構成される。

高電圧絶縁体を形成する少なくとも１つのスリーブが、磁石アセンブリの一部を通って励起コイルまで延び、スリーブは、電力線および冷却流体ラインを包含する。

励起コイルは、磁石アセンブリから少なくとも２０ｋＶの電気的な隔離を提供できる電気絶縁体により囲まれる。

励起コイルは、交流コイルセグメント、および冷却材通路を備える冷却プレートのアセンブリを備え、励起コイルは、電力線に接続され、冷却プレートは冷却流体ラインに接続され、高電圧絶縁層が、アセンブリを包みこむ。好ましくは、高電圧絶縁層は、少なくとも６ｍｍの厚さの絶縁材料の不透過性の皮膜の形態である。

装置は、磁石アセンブリと同じ電位に保持される真空ハウジングに関連付けられ、磁石アセンブリは、ハウジングの外側に配置されたヨークおよびコア部材と、真空ハウジングの壁を通って延び且つシールされる極部材とを有し、ハウジングの内側における極部材の面は、イオンビームのためのギャップを画定し、ハウジングの外側における極部材の面は、磁石アセンブリのコア部材の対応表面に関して取り外し可能な磁束インターフェースを画定する。

質量解析のための真空ハウジングは、ハウジング延長部を備え、ハウジング延長部にイオン減速器が取り付けられ、ハウジング延長部は、質量解析装置のハウジングと同じ電位に保持されるように構成される。好ましくは、減速器は、最終エネルギー電極を含むアセンブリを有し、最終エネルギー電極は、質量解析装置のためのハウジングから高電圧絶縁体により支持される。

質量解析装置は、高電圧の囲いに囲まれ、囲いは、高電圧絶縁体により電気的接地から隔離され、励起コイルのための電力源は、高電圧囲いの外側にある。

冷却流体供給ラインは、脱イオン化されていない水の水源に接続される。

扇形磁石は、約１２０°の弧にわたって延び、少なくとも１００ｍｍ寸法のギャップを画定する。

本発明の他の側面は、上述のいずかれかの特徴をもつ装置を使用することにより、イオン注入を実施することを含む。

扇形質量分析磁石を備えるイオン注入装置の概略図である。 図１の線分Ａ−ＡおよびＢ−Ｂに沿った、磁気分析装置を通る断面図である。 図１の減速器の拡大図である。 分析装置磁石の高電圧分離コイルの断面図である。 図４に示すコイルの断面の一部の拡大図である。

ここで、図面を参照すると、同一の部分には同一の参照符号が付されており、図１および図２は、ポスト解析減速を用いるイオン注入装置を概略的に示している。

引き出し電極１４とイオン源チャンバ１０との間に印加される、典型的には１ｋＶから８０ｋＶの範囲の加速電圧（Ｖｅ）１３により、イオンは、イオン源本体１１内のイオン源チャンバ１０から開口１２を通って引き出される。逆流電子は、絶縁フィードスルー８を介して、イオン源真空ハウジング１５に対してマイナス２ｋＶから１０ｋＶの電圧（Ｖｓ）９の引き出し電極１４、および抑制電極７、を適用することにより抑制される。抑制電極７は、イオン源真空ハウジング１５と同じ電位である。イオン源本体１１は、イオン源真空ハウジング１５から環状絶縁体１６により絶縁される。開口１２は、スロット形状とすることができるが、円形や楕円形などの他の形状とすることもできる。スロット形状の開口において、典型的な寸法は、３−１５ｍｍの幅、４０−１５０ｍｍの高さである。典型的には約１０^−６および１０^−４torrの間の真空度が、真空ポンプ１７により、イオン源真空ハウジング内で維持される。引き出し電極１４と、イオン源本体１１および開口１２との間に生成される電場は、引き出し開口１２の寸法に類似する寸法で、イオン１９のほぼ単一エネルギーのビームを生成する。

ビーム１９はその後磁石真空ハウジング２０に入り、ここでビームは扇形の双極磁石２１の磁場ギャップに入る。磁石真空ハウジング２０は、真空ハウジングに加えて、強磁性体の極２６、コア２８、ヨークチーク３０、およびヨークリターン３２および３４を備える。特に図２を参照すると、コイルアセンブリ４０を通る電流は、極２６間のギャップに概ね垂直方向の磁場２４を生成する。「垂直」とは、磁気解析装置の「水平」な曲げ面に垂直な方向として定義される。典型的には約１０^−６torrと３×１０^−５torrとの間の真空度が、真空ポンプ２９により真空ハウジング２０内で維持される。イオン源１０、１１のメンテナンスを容易にするために、イオン源ハウジング１５は、真空弁２３により、磁石真空ハウジング２０から隔離可能である。磁石ハウジング２０は、磁石との相互作用を防止するために非強磁性体材料である。

イオンの電荷に作用する、磁場２４により生成される半径方向の力により、磁石２１の水平の曲げ面において、イオンは実質的に円形の経路４２、４３および４４を描く。イオン源チャンバ１０から引き出されたイオンは、すべてほぼ同一のエネルギーを持っているので、磁石２１は、図１に示すように、所望のイオン４２よりもそれぞれ大きなまたは小さな質量をもつイオン４３および４４を空間的に分離する。極２６間のギャップ空間は、典型的には１５０ｍｍであり、磁場２４の大きさは、１キロガウス未満から１５キロガウスの範囲である。これらのパラメータのために、所望のイオン４２の円形経路は、典型的には２００−１０００ｍｍの半径を持つ。所望のイオン４２のビームは、ほぼ図２に示す断面を備える。

図１および２を参照すると、磁場に入るイオン経路は、概ね中心参照経路４６に対して４５°の角度を持つ。一実施形態において、極２６の形状は、ギャップに磁場２４を生成し、この磁場が、磁石の出口でイオン経路を再集束させ、ブロック板５１に形成された質量分解開口を通してビームに沿う位置で集束し、この位置は、水平方向のイオンの運動によるイオン源開口１２の光学共役像の位置である。これは、開口５０の水平幅を最小化することを可能にし、所望の質量のイオンを妨害することなく、イオン源開口１２の水平開口幅の寸法に匹敵させる。望まれないイオン４３、４４は板５１により遮断される。この集束特性を備えるための、極２６の周知の設計は、Engeにより、Focusing of Charged Prticles, Chapter 4.2 Deflecting Magnets, Ed. A. Septier, pp.203-264に詳細に記載されている。この実施形態は、長手寸法が垂直方向を向いているスロット形状のイオン源開口にとても適合的である。

たとえばWhiteらにより米国特許第５３５０９２６号に述べられているような、他の実施形態において、スロットの長手寸法は水平方向を向いている。この場合、イオン源開口１２および引き出し電極１４は、イオンが開口５０に集束し、そして開口５０がイオン源開口スロットの長手寸法の共役像ではないけれども、有効な質量選択を提供するように形成される。

図２に示す実施形態において重要な点は、極２６が真空ハウジングを貫通しかつシールされることであり、この構成は、極間の空間が、典型的には真空ハウジングの構造に用いられる非強磁性体材料の存在により減少しないので、効果において、磁気の効率を最大化する。極２６とコア２８との間の隣接面に空気ギャップが存在しないので、磁気効率はさらに改良される。真空ハウジング２０および極２６は、コア２８の表面の間に挟まれるが、磁石の他の部分を分解することなく容易に引き出すことができ、これは、効果において、メンテナンスコストを最小化する。

図１に提案されているように、磁石２１およびその他のシステムの高電圧要素は、典型的には、高電圧絶縁体により地面から隔離された高電圧安全囲い内に囲まれている。

図１および３に示すように、質量分解開口５０およびブロック板５１を介した質量解析に続いて、ビームは、一連の３つの非強磁性体の電極６０、６１および６２を通る。典型的には０−３０ｋｅＶの大きさである減速電圧（Ｖｄ）が、電極６０と６２との間に印加され、イオンを低エネルギーに減速させる。図１に示される減速器の実施形態は、真空ハウジング２０内に組み込まれ、最終エネルギー電極６２は、絶縁体６６によりハウジング２０から隔離される。減速電場の存在により、電子を中和する空間電荷は、ビームからはじかれる。結果として生じる発散空間電荷力は、真空ハウジング２０に取り付けられたフィードスルー６３を介して中間集束電極６１に電圧（Ｖｆ）６５を印加することにより打ち消される。電圧Ｖｆは、典型的には電極６２に対してマイナス０−３０ｋｅＶである。

イオン減速の実施形態は、図１および３に示す特定の構成に限定されない。当業者は、イオンビームの特定の入射条件にとって最適なイオン減速を達成するために、様々な実施形態を認識することができる。これには、任意の数の実効的な電極（たとえば２つ、３つ、４つ等）；円形またはスロット形状の開口を備える電極；平坦または湾曲した電極；電極を形成するための、アルミニウム、グラファイトまたはモリブデンなどの軽いまたは重い非強磁性体材料；電極が取り付けられる磁石真空ハウジング２０の様々な真空構成、またはイオン注入装置の特定の構成に依存する分離真空ハウジングに電極が取り付けられる場合の真空構成、などが含まれる。

最終エネルギー電極６２から出ると、ビームは、真空下でビームライン７６を通って輸送されてウェハプロセスチャンバ７２に至り、ウェハ７０に照射される。ウェハは、一度に連続的に処理される。または、ウェハは、ビームを通ってバッチウェハの繰り返しの機械的な通路より一度に数回処理される。ウェハ７２は、ドアおよび真空ロックなどの適切な電子機械構成を介して、クリーンルームへまたはそこから出し入れされる。

ビームラインおよびプロセスチャンバの実施形態は、特定の構成に限定されない。たとえば、当業者が認識できるように、ビームラインは単純な弾道ドリフト領域とすることができ、または、他のいくつかの特徴を備えてもよい。他の特徴として、ウェハ７２での最適なビームサイズを提供するためのイオン光学集束素子；ビーム監視装置；単一の照射ドーズでの高いウェハスループットおよび角度の正確性を達成するために、ウェハに渡って前後にビームを振るための電気的または磁気的な素子、などが含まれる。プロセスチャンバは、ビームをターゲット上に分配するために、ウェハをビームに対して１つまたは２つの軸に沿って動かす機械的な要素を備えてもよい。ターゲットは、たとえば、円形のウェハなどの他の形状でもよい。フラットパネルディスプレイの製造において用いられる矩形の基板でもよい。

図１および図２を参照すると、双極磁石の一対のコイルアセンブリ４０は、極間のワーキングギャップの外側の浮遊磁場を最小化するため、そして、ヨーク部材３０、３２、３４の重量およびコストを最小化するために、極２６およびコア２８の一般的な平面図形状を取り囲みかつこれに追従するように形成される。図４に示される商用に有効な一実施形態において、コイルアセンブリ４０は、電気的に直列に接続される４つの別々の巻き要素８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄを含む。巻き要素８０Ａ−Ｄは、たとえば、１．６２６ｍｍ×３８．１ｍｍの寸法の銅を６０回巻いて、０．０８ｍｍの厚さの巻き間電気絶縁体ともに連続的に巻きつけることで作ることができる。マイラー（ＭＹＬＡＲ；登録商標）またはカプトン（ＫＡＰＴＯＮ；登録商標）などの絶縁体が好適である。コイル電流は２４０Ａ程度であり、また、コイル端の間の総電圧は１２０Ｖｄｃ程度であり、これは、２８．８ｋＶＡの総コイル電力に対応する。これは、１２０ｍｍのギャップ寸法を持つ極２６間に、１０キロガウス以上の磁場２４を発生させるのに十分である。

一実施形態において、３つの冷却板８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄが、隣接して配置された巻き要素８０Ａ−Ｄのそれぞれの対の間に配置される。外側の冷却板８２Ａおよび８２Ｅが、巻き要素８０Ａおよび８０Ｄの外側表面に配置される。冷却板８２Ａ−Ｅは、任意の適当な厚さ、たとえば１０ｍｍ、を備えることができる。冷却板８２Ａ−Ｅは、巻き要素８０Ａ−Ｄを通って通過する電流により生成されるオーム熱を取り除くまたは放熱させる手段を備える。水のような冷却流体が、冷却管８４を介して冷却板８２Ａ−Ｅを通って循環する。冷却管８４は、たとえば冷却板８２Ａ−Ｅに挿入された銅管である。説明された実施形態の構造の重要な点は、冷却管８４の巻き要素８０Ａ−Ｄからの電気的絶縁である。水冷式の場合、冷却管８４の巻き要素８０Ａ−Ｄからの電気的絶縁は、電気分解および脱イオン冷却水の使用の必要性を除去する。これは、運転コストおよびメンテナンスを最小化する効果がある。

図５を参照し、一実施形態において、巻き要素８０Ａ−Ｄを冷却板８２Ａ−Ｅから電気的に絶縁するために一手段として、挟み込まれたファイバーグラスの布８１を使用することができる。また、コイルアセンブリ４０の全体は、単一の堅固な不透過性のコイルアセンブリ４０を実現するために、ファイバーグラステープで包み、エポキシ樹脂を注入して排気するこができる。コイルアセンブリ４０は、運転中における熱膨張および収縮により発生する応力に対する高い信頼性を備えなければならない。巻き要素８０Ａ−Ｄの縁と冷却板８２Ａ−Ｅの隣接表面との間のファイバーグラスに注入された樹脂は、効率的な熱伝達のための十分に高い熱伝導性を提供する。一実施形態では、これは２９ｋＷになる。

コイルアセンブリの実施形態は、上述の説明に限定されない。当業者は様々な実施形態を認識でき、これには、機能し得る任意の数の巻き要素８０Ａ−Ｄおよび冷却板８２Ａ−Ｅ（たとえば、それぞれ２つおよび３つ）；アルミニウムのような巻き要素８０Ａ−Ｄに用いられる他の適当な材料、が含まれる。さらに、巻き要素８０Ａ−Ｅは、ストリップではなく長方形、正方形または円形の固体の銅またはアルミニウムワイヤを用いて作ることができる。代替実施形態において、冷却板８２Ａ−Ｅへの熱伝導による間接的な冷却を使用する代りに、伝導管の穴を通って流れる脱イオン冷却流体を通過させることにより直接的に冷却される、長方形、正方形、または円形の銅またはアルミニウムを巻き要素８０に用いることができる。

巻き間絶縁は、絶縁テープで導体を包む、絶縁スリーブを導体上にスライドさせる、たとえばエナメル銅または陽極酸化処理したアルミニウムのように絶縁フィルムで導体を被覆する等のように、他の方法または材料により実現することができる。

イオン減速装置が駆動されるとき、磁石真空ハウジング２０、および極２６、コア２８、ヨーク部３０、３２、３４等の電気的に真空ハウジングに接続された磁石の他の部分は、すべてアース電位から、減速電圧Ｖｄ（６４）に対応する電圧、すなわちアース電位に対してマイナス０−３０ｋＶの範囲の電圧により、電気的にバイアスされる。

この実施形態の１つの重要な側面において、巻き部８０Ａ−Ｄおよび冷却板８２Ａ−Ｅは、ファイバーグラスのような多孔性の絶縁材料で包まれてエポキシが真空注入され、コイルアセンブリ４０全体の周りに約６−８ｍｍの厚さの不透性の被覆８６を形成する。他の実施形態において、エポキシを充填するために、ファイバーグラスの代りにアルミニウム酸化物のような絶縁パウダーを用いることができ、被覆は鋳型を用いて形成される。絶縁被膜８６は、コイルアセンブリを磁石構造の残りの部分、つまりコア２８、極２６、真空ハウジング２０、ヨーク部材３０、３２、３４から３０ｋＶ程度まで電気的に隔離することを可能にする。それゆえ、磁石の残りの部分がアース電位に対してマイナス３０ｋＶ程度のバイアスを持ったとしても、巻き部８０Ａ−Ｄ及び冷却板８２Ａ−Ｅは、公称上、アース電位のままであり、これは、効果において、実質的なコスト利益をもたらす。これは、コイルの電力供給機１００（図２）は、標準の接地ａｃ電源１０２を用いてアース電位において運転することができるからである。説明された実施形態は、コイル電力供給機１００に３０ｋＶに対する絶縁を提供する必要性をなくす。さらに、重要なことに、コイル電力供給機１００のための３０−４０ｋＶＡ入力ａｃ電力のための３０ｋＶ絶縁変圧器を使用する必要性をなくす。さらなる利点は、冷却板８２Ａ−Ｅに集められた熱を取り除くために必要な流体冷却は、たとえば一実施形態では２９ｋＷであるが、脱イオン流体を用いる必要なくアース電位源９８から提供することができる、という事実に基づいている。実際、冷却流体は通常の脱イオンしていない生水とすることができる。

図１および図２を参照すると、コイル端子８７と磁石の周囲との間で生じるアーク放電および電気絶縁破壊することなく、３０ｋＶ程度の電圧隔離が巻き部８０Ａ−Ｄおよび冷却板８２Ａ−Ｅに適用されるように、巻き部の電流の端子８７は、磁石の任意の隣接する部品から典型的には４０ｍｍの距離またはそれより大きい距離の位置で被覆８６を貫通する。同時に、冷却管８８は、アーク放電および電気絶縁破壊を防止するために、磁石の周囲から少なくとも４０ｍｍの安全ワーキング距離を提供するような方法で、被覆８６を通って外に出る。冷却管は、コロナ放電を避けえるために丸い縁および角を備えるように構成されたマニホルド８９に溶接される。

コイルアセンブリの周りに高電圧絶縁体を形成する実施形態、巻かれた端子および冷却間をコイルの外側に提供する実施形態は、上述の方法に限定されない。当業者は、粉末を用いることを含む様々な実施形態を認識することができる。

電流線９０および冷却ライン９２は、絶縁ＰＶＣスリーブ９４を介してコイルから接地囲い９６まで通過し、磁石ヨークリターン３２を通過する。

Claims (13)

1. イオン注入のためのイオンのポスト解析減速のための減速器とともに用いられる磁気解析装置であって、前記装置は、イオンビームが通過する非磁性体材料の真空ハウジング（２０）に関連付けられた扇形磁石（２１）を有し、前記扇形磁石は、イオンビーム（１９，２２）が質量分離のためにさらされる磁場ギャップを画定する、強磁性体材料の磁石アセンブリ（２６，２８，３０，３２，３４）と、前記磁石アセンブリに密接に関連付けられた励起コイル（４０）とを備え、前記コイルは、電力源（１００）まで延びる電力線（９０）、および、冷却流体源およびドレインまで延びる冷却流体ライン（９２）に接続され、
   高電圧絶縁体（８６，９４）は、前記密接に関連つけられた励起コイル（４０）、電力線および冷却流体ラインを前記磁石アセンブリから隔離し、
   前記電力源は、接地ハウジング（９６）内に配置される、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記扇形磁石（２１）およびその電力源（１００）は、少なくとも２０キロワットの電力で動作するように構成される、装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、高電圧絶縁体を形成する少なくとも１つのスリーブ（９４）が、前記磁石アセンブリの一部を通って前記励起コイル（４０）まで延び、前記スリーブは、前記電力線（９０）および冷却流体ライン（９２）を包含する、装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、前記励起コイル（４０）は、前記磁石アセンブリから少なくとも２０ｋＶの電気的な隔離を提供できる電気絶縁体（８６）により囲まれる、装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、前記励起コイル（４０）は、コイルセグメント（８０Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）および冷却材通路を備える冷却プレート（８２Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）のアセンブリを備え、前記励起コイルは、前記電力線（９０）に接続され、前記冷却プレートは前記冷却流体ライン（９２）に接続され、高電圧絶縁層（８６）が、前記アセンブリを包みこむ、装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、前記高電圧絶縁層（８６）は、少なくとも６ｍｍの厚さの絶縁材料の不透過性の皮膜の形態である、装置。
7. 請求項１に記載の装置であって、前記装置は、前記磁石アセンブリ（２１）と同じ電位に保持される真空ハウジング（２０）に関連付けられ、前記磁石アセンブリは、前記ハウジングの外側に配置されたヨーク（３０、３２、３４）およびコア（２８）部材と、前記真空ハウジング（２０）の壁を通って延び且つシールされる極部材（２６）とを有し、前記ハウジングの内側における前記極部材の面は、イオンビーム（２２）のためのギャップを画定し、前記ハウジングの外側における前記極部材の面は、前記磁石アセンブリのコア部材（２８）の対応表面に関して取り外し可能な磁束インターフェースを画定する、装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、前記磁気解析装置のための真空ハウジングは、ハウジング延長部を備え、前記ハウジング延長部にイオン減速器（６０，６１，６２）が取り付けられ、前記ハウジング延長部は、前記磁気解析装置の前記ハウジング（２０）と同じ電位に保持されるように構成される、装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、前記減速器は、最終エネルギー電極（６２）を含むアセンブリを有し、前記最終エネルギー電極は、前記磁気解析装置のための前記ハウジングから高電圧絶縁体（６６）により支持される、装置。
10. 請求項１に記載の装置であって、前記磁気解析装置は、高電圧の囲い（Ｅ）に囲まれ、前記囲いは、高電圧絶縁体により電気的接地から隔離され、前記励起コイル（４０）のための前記電力源（１００）は、前記高電圧囲いの外側にある、装置。
11. 請求項１に記載の装置であって、前記冷却流体ライン（９２）は、脱イオン化されていない水の水源（９８）に接続される、装置。
12. 請求項１に記載の装置であって、前記扇形磁石（２１）は、１２０°の弧にわたって延び、少なくとも１００ｍｍ寸法のギャップを画定する、装置。
13. イオン注入を行う方法であって、請求項１に記載の装置を使用することにより実施される、方法。

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