JP5226577B2 - イオン注入装置及びイオンビームの調整方法 - Google Patents
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Description
イオン注入処理では、チャンバー内に供給された原料ガスを電離させてプラズマを生成し、このプラズマから取り出された荷電粒子からなるイオンビームを、処理対象基板に照射する。
帯状のイオンビームの幅方向における電流密度分布の不均一性を修正するために、磁場や電場を用いた多極レンズによりイオンビームを幅方向に部分的に屈曲させ、電流密度分布を調整する方法が知られている(特許文献1参照)。
このように、多極レンズを用いることにより、低速電子の密度が空間的に不均一になると、中和効果も空間的に不均一になる。そのため、フィードバック制御により多極レンズを用いて電流密度分布を調整しても、不均一な電流密度分布を十分に修正することが困難となる。
上記イオン注入装置及びイオンビームの調整方法は、このような低速電子に起因する困難を解消する。
<第1の実施形態>
(イオン注入装置の全体構成)
まず、本実施形態のイオン注入装置の全体構成を、図1、図2を参照して説明する。図1は、イオン注入装置の実施形態を示す平面図である。図2は、図1に示すイオン注入装置の側面図である。
以下の説明では、イオン源10から処理対象基板70に向かって進むイオンビームの流れに基づき、イオン源10の側を上流側といい、処理対象基板70の側を下流側という。
イオン源10は、バーナス型のプラズマ発生機である。バーナス型イオン源は、金属チャンバー内にフィラメントと反射板を備え、その外側に磁石を備える。金属チャンバー内に、イオン注入に用いる原子を含んだガスを供給する。フィラメントに電流を流して熱電子を放出し、金属チャンバーの両側に設けられた反射板間を往復させる。この状態で、金属チャンバーに所定のアーク電圧を印加し、アーク放電を生じさせると、金属チャンバー内に供給されたガスが電離し、プラズマが発生する。金属チャンバーの側壁に設けた取り出し孔から、引き出し電極を用いてプラズマを引き出すことにより、金属チャンバーからイオンビーム20が放射される。
イオンビーム20は、ビーム厚さが厚くなりながら質量分離マグネット30に入射する。そして、質量分離マグネット30の作用により、イオンビーム20のビーム厚さを薄くしてイオンビーム20を収束させた後、イオンビーム20は処理対象基板70に照射される。
質量分離マグネット30は、コイル31と、磁極32と、ヨーク部33と、を備える。図2に示すように、質量分離マグネット30は、ヨーク部33で形成された角型の筒構造の内側に、一対の磁極32を向かい合わせに設置し、磁極32の周囲にコイル31を巻いて構成される。一対の磁極32の作る磁場が同じ方向となるように、コイル31は直列に接続され、不図示の電源から電流が供給される。一対の磁極32間の内側に向く面は、部分的に傾斜させたり傾斜位置を変更したりすることで、曲率の異なる円柱面の連続する面やトーラス面等の複雑な連続曲面で構成されている。
また、以下の説明では、ビーム幅の方向をビーム幅方向と呼ぶ。
質量分離マグネット30を通過したイオンビーム20は、焦点60に向かって次第に収束する。イオンビーム調整部40は、イオンビーム20の厚さが薄くなる焦点60の近傍に配置される。
イオンビーム調整部40は、電磁石41と、ヨーク部44と、を備える。電磁石41(レンズ手段)は、電磁軟鉄で作られた磁極42と、磁極42の周りに巻きまわされたコイル43と、で構成されている。電磁石41は、イオンビーム20の厚さ方向の中心面を中心として、両側の対称な位置に対を成して設けられる。対を成す電磁石41の一方の電磁石41の作る磁場が他方の電磁石41に向くように、コイル43の線は、一対の電磁石41に対して直列に接続される。
なお、図1及び図2に示すイオンビーム調整部40は一例であり、これに限定されるものではない。イオンビーム調整部40は、磁場を用いて調整する他、電場を用いて調整を行うものであってもよい。
分離スリット50は、非磁性体部材で構成されており、イオンビーム20が通過する細長い孔(スリット)が設けられている。このスリットの鉛直方向の長さは、イオンビーム20のビーム幅よりも長くなっている。質量分離マグネット30にて曲げられたイオンビーム20は、質量分離マグネット30の下流側でビーム厚さ方向において焦点60で収束する。この焦点60に分離スリット50が設けられ、所定の質量と電荷を有するイオン粒子のみを通過させるようになっている。本実施形態では、分離スリット50はイオンビーム調整部40と重なる位置に設けられている。
そのため、イオンビーム調整部40として電場を用いた場合は、分離スリット50とイオンビーム調整部40とが隣接するように配置することが好ましい。すなわち、分離スリット50は、イオンビーム20の焦点60に配置する必要があるので、イオンビーム調整部40を分離スリット50に対して隣接するように配置することが好ましい。
イオンビーム20は、分離スリット50にて不要なイオン粒子と分離され、所定のイオン粒子のみで構成される。そして、イオンビーム20は、イオンビーム調整部40で電流密度分布が調整され、ビーム厚さを拡げながら処理対象基板70に照射される。
処理対象基板70は、不図示の移動機構により、図1の下側から上側へ直線状に搬送され、イオン注入が行われる。処理対象基板70としては、例えば、半導体ウエハやガラス基板が用いられる。イオンビーム20のビーム幅は、処理対象基板70の幅よりも広くなっている。
計測部80は、処理対象基板70の配置位置の下流側に設けられる。計測部80は、ビーム幅の方向に、イオンビーム20のビーム幅よりも広い範囲に設けられた複数のファラデーカップ81を備える。イオンビーム20を受ける面のビーム厚さ方向の各ファラデーカップ81の長さは、イオンビーム20のビーム厚さに比べて長くなっている。そして、イオンビーム20のビーム厚さ方向に沿った電流密度の積分値を計測する。
また、ビーム幅方向には、ファラデーカップ81が隣接して複数並んでいる。したがって、ビーム幅方向では、電流密度のビーム厚さ方向の積分値がファラデーカップ81の位置毎に離散的に計測される。
電流密度の数%のばらつきを精度良く計測するには、ファラデーカップ81の設置個数は100個程度であることが好ましいが、20〜40個程度でも電流密度分布からイオンビーム20の調整を精度良く行うことができる。ファラデーカップ81のそれぞれは、制御部90の計測器91と接続され、各ファラデーカップ81で計測された電流密度の積分値は計測器91に送られる。
制御部90は、計測器91と、制御器92と、上限値設定部93と、電源94と、を備える。計測器91は、各ファラデーカップ81から送られた計測データを用いて、電流密度分布を算出する。制御器92は、得られた電流密度分布に応じて、イオンビーム20を屈曲する大きさを示す制御信号を出力する。具体的には、制御器92は、得られた電流密度分布に応じて、どの電磁石41のコイル43に電流を流すか、電流値とともに決定する。
制御器92は、最急降下法、アニール法、遺伝的探索法など、多入力一出力系の最適化問題の解法を用いたシミュレータを備え、このシミュレータを用いて、各電磁石41に流すべき電流の大きさを算出する。そのシミュレーションの過程において、制御器92は上限値設定部93により設定された上限値を参照し、各々の電磁石41に流れる電流値が上限値を超えないように、各電磁石41に流すべき電流の大きさを算出する。
そして、制御器92は、シミュレーションにより求めた制御信号を、電源94に出力する。
計測器91が算出した電流密度分布に基づいてイオンビーム20を屈曲するためには、電磁石41による磁場が大きい方が好ましい。しかし、前述したように、電磁石41による磁場が大きくなると、低速電子の密度が空間的に不均一になる。
そこで、制御信号の上限値を設定するための関数は、イオンビーム20の質量が軽くなる程、制御信号の上限値が低くなるような関数とする。そのため、上限値設定部93は、イオンビーム20の質量が軽くなる程、制御信号の上限値が低くなるように、制御信号の上限値を設定する。
そこで、制御信号の上限値を設定するための関数は、イオンビーム20のエネルギーが低くなる程、制御信号の上限値が低くなるような関数とする。そのため、上限値設定部93は、イオンビーム20のエネルギーが低くなる程、制御信号の上限値が低くなるように、制御信号の上限値を設定する。
また、同様の理由により、イオンビーム20のエネルギーが同一の条件では、イオンビーム20のイオン電流が大きい場合は、イオン電流が小さい場合に比べて、中和効果の不均一性が電流密度分布に与える影響が大きくなる。
そこで、制御信号の上限値を設定するための関数は、イオンビーム20のイオン電流が大きくなる程、制御信号の上限値が低くなるような関数とする。そのため、上限値設定部93は、イオンビーム20のイオン電流が大きくなる程、制御信号の上限値が低くなるように、制御信号の上限値を設定する。
そこで、制御信号の上限値を設定するための関数は、イオンビーム調整部40から処理対象基板70までの距離が長くなる程、制御信号の上限値が低くなるような関数とする。そのため、上限値設定部93は、イオンビーム調整部40から処理対象基板70までの距離が長くなる程、制御信号の上限値が低くなるように、制御信号の上限値を設定する。
さらに、イオンビーム20を屈曲する角度が1度以下であることがより好ましい。そのため、上限値設定部93は、イオンビーム20を屈曲する角度が1度以下となるように、制御信号の上限値を設定することが好ましい。
そこで、制御信号の上限値を設定するための関数は、イオンビーム20を屈曲する角度の上限値を変数として持つものでもよい。
また、制御信号の上限値を設定するための関数は、数式であってもよいし、予め設けられた参照テーブルであってもよい。
なお、従来の多極レンズの装置上の特性による制限に対して、更に上限値を設定し、制御信号に制限を加えるが、電磁石41に与える電流の分布を調整することで、イオンビーム20の電流密度分布の調整を十分に行うことができる。
(例1)
上記イオン注入装置において、イオンビーム20としてホウ素(元素記号B,質量数11)を用い、イオン電流を5mAとする。イオンビームのエネルギーが20keVよりも高ければ、電流密度分布の不均一性は小さいため、制御信号の上限値を設ける必要はない。しかし、イオンビームのエネルギーが20keV以下になると、電流密度分布の不均一性が次第に大きくなる。そのため、イオンビームのエネルギーが20keV以下のとき、上限値設定部93により制御信号の上限値を設定する。
このように、イオンビームを構成するイオンの質量数が11、イオンビームのエネルギーが20keV以下であるときに、上限値設定部93が制御信号の上限値を設定することで、電流密度分布の不均一性を小さくすることができる。
上記イオン注入装置において、イオンビーム20としてリン(元素記号P、質量数31)を用い、イオン電流を5mAとする。イオンビームのエネルギーが10keVよりも高ければ、電流密度分布の不均一性は小さいため、制御信号の上限値を設ける必要はない。しかし、イオンビームのエネルギーが10keV以下になると、電流密度分布の不均一性が次第に大きくなる。そのため、イオンビームのエネルギーが10keV以下のとき、上限値設定部93により制御信号の上限値を設定する。
このように、イオンビームを構成するイオンの質量数が31、イオンビームのエネルギーが10keV以下であるときに、上限値設定部93が制御信号の上限値を設定することで、電流密度分布の不均一性を小さくすることができる。
なお、リン(P)を用いた例2の方が、ホウ素(B)を用いた例1よりも低いエネルギーにおいて、電流密度分布の不均一性が大きくなるのは、リン(P)の質量数がホウ素(B)の質量数よりも大きいためである。
第2の実施形態のイオン注入装置について、図3を参照して説明する。図3は、本実施形態のイオン注入装置を示す平面図である。
本実施形態のイオン注入装置は、イオンビーム調整部40を複数有している。すなわち、図3に示すように、質量分離マグネット30の下流側に2つのイオンビーム調整部40を有している。また、制御部90は、2つのイオンビーム調整部40の電磁石41に電流を流すために電源94を2つ有している。その他の構成については、第1の実施形態と同様である。
この場合、複数のイオンビーム調整部40の磁場が互いに重複しないように、複数のイオンビーム調整部40を離して設置することが好ましい。また、一方のイオンビーム調整部40により影響を受けた低速電子の密度分布が十分に緩和される程度に、複数のイオンビーム調整部40を離して設置することが好ましい。さらに、本実施形態のイオン注入装置は、必要に応じて3つ以上のイオンビーム調整部40を有するものであってもよい。
図3に示した例では、2つのイオンビーム調整部40の一方は、分離スリット50の上流側に設けられており、イオンビーム調整部40の他方は、分離スリット50の下流側に設けられている。このため、イオンビームのビーム厚さが小さい領域でイオンビームを調整することができ、電流密度のばらつきを低減することができる。
本実施形態では、制御器92は、上限値設定部93が設定する制御信号の上限値と無関係にシミュレーションを行い、各電磁石41に流すべき電流の大きさを算出する。制御器92が算出した制御信号が上限値を超えている場合、上限値設定部93は、上限値を超えた制御信号を上限値に置き換える。上限値を超えた制御信号を上限値に置き換えられた信号は、制御器92から電源94に出力される。
このように、上限値設定部93が、上限値を超えた制御信号を上限値に置き換えて出力する構成とすることにより、簡易な構成で、中和効果の不均一性を抑制することができる。
20,21 イオンビーム
22,23,24,25 イオンビームの端
30 質量分離マグネット
31 コイル
32 磁極
33 ヨーク部
40 イオンビーム調整部
41 電磁石
42 磁極
43 コイル
44 ヨーク部
50 分離スリット
60 焦点
70 処理対象基板
80 計測部
81 ファラデーカップ
90 制御部
91 計測器
92 制御器
93 上限値設定部
94 電源
Claims (12)
- 処理対象基板にイオンビームを照射してイオン注入するイオン注入装置であって、
断面形状が帯状であるイオンビームの幅方向の電流密度分布を計測する計測部と、
前記幅方向に前記イオンビームを屈曲するレンズ手段を複数備え、該幅方向に沿ったイオンビームの電流密度分布を調整するイオンビーム調整部と、
前記計測部が計測した電流密度分布に応じて、前記イオンビームを屈曲する大きさを示す制御信号を、前記レンズ手段の各々に出力する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記イオンビームのエネルギー、該イオンビームを構成するイオンの質量、該イオンビームの電流のうち少なくとも一つに応じて前記制御信号の大きさの上限値を設定する上限値設定部を有し、該上限値以下の大きさの制御信号を出力することを特徴とするイオン注入装置。 - 前記イオンビームのエネルギーが予め設定された値以下のとき、前記上限値設定部が前記制御信号の大きさの上限値を設定する、請求項1に記載のイオン注入装置。
- 前記イオンビームのエネルギーが20keV以下である、請求項1又は2に記載のイオン注入装置。
- 前記上限値設定部は、前記レンズ手段が前記イオンビームを屈曲する角度が3度以下となるように、前記制御信号の上限値を設定する、請求項1乃至3のいずれかに記載のイオン注入装置。
- 前記イオンビーム調整部を複数有する、請求項1乃至4のいずれかに記載のイオン注入装置。
- 所定の質量と電荷を有するイオンビームのみが通過する分離スリットを備え、
前記分離スリットの上流側と下流側に、前記イオンビーム調整部が設けられる、前記請求項5に記載のイオン注入装置。 - 処理対象基板にイオン注入するために照射するイオンビームの調整方法であって、
断面形状が帯状であるイオンビームを照射する工程と、
前記イオンビームの幅方向の電流密度分布を計測する工程と、
前記幅方向に沿ったイオンビームの電流密度分布を調整する工程と、
前記計測部が計測した電流密度分布に応じて、前記イオンビームを屈曲する大きさを示す制御信号を出力する工程と、
前記イオンビームのエネルギー、該イオンビームを構成するイオンの質量、該イオンビームの電流のうち少なくとも一つに応じて前記制御信号の上限値を設定する工程と、
前記上限値以下の大きさの制御信号を出力する工程と、
を有することを特徴とするイオンビームの調整方法。 - 前記イオンビームのエネルギーが予め設定された値以下のとき、前記上限値以下の大きさの制御信号を出力する、請求項7に記載のイオンビームの調整方法。
- 前記イオンビームを照射する工程は、エネルギーが20keV以下のイオンビームを照射する、請求項7又は8に記載のイオンビームの調整方法。
- 前記制御信号の上限値を設定する工程は、前記イオンビームを屈曲する角度が3度以下となるように該上限値を設定する、請求項7乃至9のいずれかに記載のイオンビームの調整方法。
- 前記電流密度分布を調整する工程を複数有する、請求項7乃至10のいずれかに記載のイオンビームの調整方法。
- 前記電流密度分布を調整する工程の後に、所定の質量と電荷を有するイオンビームのみを分離する分離工程を有し、
前記分離工程の後に、前記電流密度分布を調整する工程を有する、請求項11に記載のイオンビームの調整方法。
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