JP6053611B2 - 高エネルギーイオン注入装置 - Google Patents
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Description
また、高周波加速を行う高周波線形加速器を備えたバッチ処理式高エネルギーイオン注入装置も長年使用されてきた(特許文献2参照)。
そこで、近年、枚葉式高エネルギーイオン注入装置が実用化された(特許文献3)。バッチ方式が、ビームを固定してウェハを動かすこと(ディスク上の回転移動)によって、水平方向に均一な注入を行っているのに対して、枚葉式装置では、ビームを動かして(水平方向にビームスキャンして)ウェハを固定している。この方式では、スキャンビームを平行化することによって、ウェハ面内で注入ドーズを均一にするだけでなく、注入角度も均一にすることができ、注入角度偏差の問題を解消できる。なお、鉛直方向のドーズ均一性は、両方式ともウェハを一定速度で平行移動させることによって実現しているが、この運動によっては、角度誤差は発生しない。
偏向磁場によって軌道を平行化する平行化マグネットを使用している従来の高エネルギーイオン注入装置には、次のような課題がある。
ここで、mはイオンの質量、vは速度、rは軌道の曲率半径で、このrが偏向電磁石の磁極中心半径と一致するイオンのみが偏向電磁石(及び下流のスリット)を通過できる。qはイオンの電荷、Bは偏向電磁石の磁場(磁束密度)である。この式は;
mv=qBr・・・(1)
と書き換えられ、イオンの価数が同じ場合、一定の磁場Bがかかっている偏向電磁石を通過できるのは、特定の運動量mvを持ったイオンのみであることを表している。
ここで、Eは電場であり、間隔gで置かれている2枚の偏向電極に電圧+Vと−Vをかける場合、E=2V/gである。軌道の曲率半径rが偏向電極の中心半径と一致するイオンのみがこの偏向電極(及び下流のスリット)を通過できる。この式は;
mv2/2=qEr/2=qVr/g・・・(2)
と書き換えられ、イオンの価数が同じ場合、一定の電圧がかかっている一定の曲率半径の偏向電極を通過できるのは、特定の運動エネルギーmv2/2を持ったイオンのみであることを表している。
はじめに、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置の構成を簡単に説明する。なお、本明細書の内容は、荷電粒子の種類の一つであるイオンビームのみならず荷電粒子ビーム全般にかかる装置にも適用できるものである。
図2(a)は、イオンビーム生成ユニットの概略構成を示す平面図、図2(b)は、イオンビーム生成ユニットの概略構成を示す側面図である。
図3は、高エネルギー多段直線加速ユニット14の概略構成を含む全体レイアウトを示す平面図である。高エネルギー多段直線加速ユニット14は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置、すなわち、一つ以上の高周波共振器14aを挟む加速ギャップを備えている。高エネルギー多段直線加速ユニット14は、高周波(RF)電場の作用により、イオンを加速することができる。図3において、高エネルギー多段直線加速ユニット14は、高エネルギーイオン注入用の基本的な複数段の高周波共振器14aを備えた第1線形加速器15aと、さらに、超高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器14aを備えた第2線形加速器15bとから構成されている。
図1に示すように、ビーム偏向ユニット16は、エネルギーフィルター偏向電磁石(EFM)であるエネルギー分析電磁石24と、エネルギー幅制限スリット27(図5参照)と、エネルギー分析スリット28と、偏向後のエネルギー分散を制御する横収束四重極レンズ26と、注入角度補正機能を有する偏向電磁石30を含む。
また、エネルギー分析スリット28の上流側であって、エネルギー分析スリット28とエネルギー分析電磁石24との間に、横収束レンズとして四重極レンズ26が配置されている。四重極レンズ26は、電場式若しくは磁場式で構成することができる。これによって、イオンビームがU字状に偏向された後のエネルギー分散が抑制され、ビームサイズが小さくなるので、高効率のビーム輸送ができる。また、偏向電磁石の磁極部ではコンダクタンスが小さくなるため、例えば、エネルギー分析スリット28の近傍に、アウトガス排出用の真空ポンプを配置することが有効である。磁気浮上式のターボ分子ポンプを使用する場合は、エネルギー分析電磁石24や偏向電磁石30の電磁石の漏れ磁場の影響を受けない位置に設置しなければならない。この真空ポンプによって、偏向ユニットでの残留ガス散乱によるビーム電流低下が防がれる。
(2)偏向量が60°の磁石が3つ
(3)偏向量が45°の磁石が4つ
(4)偏向量が30°の磁石が6つ
(5)偏向量が60°の磁石が1つ+偏向量が120°の磁石が1つ
(6)偏向量が30°の磁石が1つ+偏向量が150°の磁石が1つ
エネルギー分析部としてのビーム偏向ユニット16は、U字状のビームラインにおける折り返し路であり、それを構成する偏向電磁石の曲率半径rは、輸送できるビームの最大エネルギーを限定するとともに、装置の全幅や中央のメンテナンスエリアの広さを決定する重要なパラメータである(図5参照)。その値を最適化することによって、最大エネルギーを下げることなく、装置の全幅を最小に抑えている。そして、これにより、高エネルギー多段直線加速ユニット14とビーム輸送ラインユニット18との間の間隔が広くなり、十分な作業スペースR1が確保できている(図1参照)。
図6(a)は、ビーム走査器からビーム平行化器以降のビームラインから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す平面図、図6(b)は、ビーム走査器からビーム平行化器以降のビームラインから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す側面図である。
図6(a)においてウェハ200に隣接して示した矢印はビームがこれらの矢印の方向にスキャンされることを示し、図6(b)においてウェハ200に隣接して示した矢印はウェハ200がこれらの矢印の方向に往復移動、すなわち機械走査されることを示している。つまり、ビームが、例えば一軸方向に往復スキャンされるものとすると、ウェハ200は、図示しない駆動機構により上記一軸方向に直角な方向に往復移動するように駆動される。
以上、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置100は、イオンビーム生成ユニット12にて生成したイオンビームを、高エネルギー多段直線加速ユニット14にて加速するとともに、ビーム偏向ユニット16により方向転換し、ビーム輸送ラインユニット18の終端に設けられている基板処理供給ユニット20にある基板に照射する。
Claims (13)
- イオン源から引き出したイオンビームを加速し、ビームラインに沿ってウェハまで輸送し、該ウェハに注入する高エネルギーイオン注入装置であって、
イオン源と質量分析装置を有するビーム生成ユニットと、
前記イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームを生成する高周波多段直線加速ユニットと、
前記高エネルギーイオンビームをウェハに向けて方向変換しながら運動量でイオンのフィルタリングを行う磁場式のエネルギー分析装置を含む偏向ユニットと、
偏向された高エネルギーイオンビームをウェハまで輸送するビーム輸送ラインユニットと、
輸送された高エネルギーイオンビームを均一に半導体ウェハに注入する基板処理供給ユニットと、を備え、
前記ビーム輸送ラインユニットは、高エネルギー用のビーム走査器と、高エネルギー用の電場式ビーム平行化器と、を有し、
前記偏向ユニットを出た高エネルギーイオンビームを、前記ビーム走査器および前記電場式ビーム平行化器により、ビームスキャンするとともに平行化して、前記ウェハに注入するように構成されており、
運動量フィルターである磁場式の前記質量分析装置と前記エネルギー分析装置、速度フィルターでもある高周波多段直線加速ユニットに加えて、電場によって高エネルギースキャンビームを上下方向に偏向する電場式の最終エネルギーフィルターが、前記電場式ビーム平行化器とウェハとの間に挿入されており、
前記最終エネルギーフィルターは、スキャンされたイオンビームをスキャン方向と直交する方向へ偏向するためのn対(nは1以上の整数)の偏向電極を有し、
前記n対の偏向電極は、各対の偏向電極がビームラインに沿って間隔を空けて配置されており、
前記偏向電極は、イオンビームの進行方向およびスキャン方向に広がった板状の部材であり、対ごとにビームラインを上下方向から挟むように所定の間隔で対向するように配置されており、
前記n対の偏向電極は、ビームラインの上流側から下流側に向かって徐々に偏向角が大きくなるように構成されており、
前記最終エネルギーフィルターのビームライン下流側に配置され、イオンビームの通過域に開口を有する上流側グランド電極および下流側グランド電極と、
前記上流側グランド電極と前記下流側グランド電極との間に配置されているサプレッション電極と、を更に備え、
上流側グランド電極の開口の幅と長さをW 1 、H 1 、サプレッション電極の開口の幅と長さをW 2 、H 2 、下流側グランド電極の開口の幅と長さをW 3 、H 3 とすると、W 1 <W 2 、W 3 <W 2 およびH 1 <H 2 、H 3 <H 2 を満たす高エネルギーイオン注入装置。 - 前記n対の偏向電極のうちビームラインの上方に配置されているn個の上側偏向電極が互いに同じ第1電位となるように構成されており、
前記n対の偏向電極のうちビームラインの下方に配置されているn個の下側偏向電極が互いに同じ第2電位となるように構成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の高エネルギーイオン注入装置。 - 前記偏向電極は、ビームラインと対向する内面が平面で構成されており、
前記n対の偏向電極は、それぞれの内面の向きが、偏向されるイオンビームの軌道と近似するように配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の高エネルギーイオン注入装置。 - 前記n個の上側偏向電極は、互いに同じ形状を有しており、
前記n個の下側偏向電極は、互いに同じ形状を有している、
ことを特徴とする請求項2に記載の高エネルギーイオン注入装置。 - 前記n個の上側偏向電極は、ビーム進行方向の長さが異なる複数種の偏向電極を含んでいることを特徴とする請求項2に記載の高エネルギーイオン注入装置。
- 前記n個の下側偏向電極は、ビーム進行方向の長さが異なる複数種の偏向電極を含んでいることを特徴とする請求項2に記載の高エネルギーイオン注入装置。
- 前記n個の上側偏向電極または/および下側偏向電極は、イオンビームの中心軌道との間隔が異なる上下非対称の複数種の偏向電極を含んでいることを特徴とする請求項2に記載の高エネルギーイオン注入装置。
- 前記n対の偏向電極は、3対で構成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の高エネルギーイオン注入装置。
- 前記偏向電極は、ウェハに対するイオン注入が有効になされる有効注入領域よりも外側の端部領域においても、スキャンされた高エネルギーのイオンビームをスキャン方向と直交する方向へ偏向できるように構成さ
れていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の高エネルギーイオン注入装置。 - 前記偏向電極の下流側に設けられており、注入中のイオンビームの電流量を測定する電流測定装置を更に備え、
前記偏向電極は、ウェハに対するイオン注入が有効になされる有効注入領域よりも外側の端部領域においても、スキャンされた高エネルギーのイオンビームをスキャン方向と直交する方向へ偏向できるように構成されており、
前記電流測定装置は、前記偏向電極の前記端部領域の下流に配置されており、
前記サプレッション電極は、前記電流測定装置から電子が流出することを抑制するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の高エネルギーイオン注入装置。 - イオン源から引き出したイオンビームを加速し、ビームラインに沿ってウェハまで輸送し、該ウェハに注入する高エネルギーイオン注入装置であって、
イオン源と質量分析装置を有するビーム生成ユニットと、
前記イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームを生成する高周波多段直線加速ユニットと、
前記高エネルギーイオンビームをウェハに向けて方向変換しながら運動量でイオンのフィルタリングを行う磁場式のエネルギー分析装置を含む偏向ユニットと、
偏向された高エネルギーイオンビームをウェハまで輸送するビーム輸送ラインユニットと、
輸送された高エネルギーイオンビームを均一に半導体ウェハに注入する基板処理供給ユニットと、を備え、
前記ビーム輸送ラインユニットは、高エネルギー用のビーム走査器と、高エネルギー用の電場式ビーム平行化器と、を有し、
前記偏向ユニットを出た高エネルギーイオンビームを、前記ビーム走査器および前記電場式ビーム平行化器により、ビームスキャンするとともに平行化して、前記ウェハに注入するように構成されており、
運動量フィルターである磁場式の前記質量分析装置と前記エネルギー分析装置、速度フィルターでもある高周波多段直線加速ユニットに加えて、電場によって高エネルギースキャンビームを上下方向に偏向する電場式の最終エネルギーフィルターが、前記電場式ビーム平行化器とウェハとの間に挿入されており、
前記最終エネルギーフィルターは、スキャンされたイオンビームをスキャン方向と直交する方向へ偏向するためのn対(nは1以上の整数)の偏向電極を有し、
前記n対の偏向電極は、各対の偏向電極がビームラインに沿って間隔を空けて配置されており、
前記偏向電極は、イオンビームの進行方向およびスキャン方向に広がった板状の部材であり、対ごとにビームラインを上下方向から挟むように所定の間隔で対向するように配置されており、
前記n対の偏向電極は、ビームラインの上流側から下流側に向かって徐々に偏向角が大きくなるように構成されており、
前記偏向電極は、真空容器の内部に配置されており、ビームラインの上方または下方の空間と連通する多数の孔が電場を均一に保つような配列に形成されていることを特徴とする高エネルギーイオン注入装置。 - 前記偏向電極は、ビームラインと対向する内面側がグラファイトで構成されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の高エネルギーイオン注入装置。
- 前記最終エネルギーフィルターは、スキャンされたイオンビームをスキャン方向と直交する方向へ偏向するための一対の偏向電極を有し、
前記一対の偏向電極は、互いにビームラインに沿って間隔を空けて配置されており、
前記偏向電極は、イオンビームの進行方向およびスキャン方向に広がった板状の部材であり、互いにビームラインを上下方向から挟むように所定の間隔で対向するように配置されており、
前記一対の偏向電極は、ビームラインの上流側から下流側に向かって徐々に偏向角が大きくなるように、ビームラインと対向する内面が円弧状の曲面または複数の段がある屈曲状の平面で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高エネルギーイオン注入装置。
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