JP6944652B2 - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、可動式のビーム電流計測器を備えたイオンビーム照射装置に関する。

イオンビーム照射装置では、特許文献１に記載の可動式のファラディカップ（ビーム電流計測器とも呼ぶ）が利用されている。このファラディカップは、質量分析電磁石の下流側でビーム軌道に出入りするもので、質量分析されたイオンビームに含まれるイオン種のマススペクトルを計測し、所望イオン種のビーム電流が最大となるように、質量分析電磁石での磁場を調整するために利用されている。

ファラディカップには、ビーム電流を計測するカップ部分に加えて、特許文献２に記載されているカップから放出された２次電子をカップ側に追い返すための負電圧が印加されたサプレッサ電極が備えられている。このサプレッサ電極により、２次電子の放出に起因する計測誤差のないビーム計測が達成されている。

可動式のファラディカップに上述したサプレッサ電極を取り付けた場合、サプレッサ電極に通電するための電気配線の引き回しやサプレッサ電極の重量を考慮する必要があり、駆動機構の設計が複雑になる。また、サプレッサ電極を設ける分のコストも発生する。一方、サプレッサ電極を設けないとすれば、カップ部分から放出された２次電子をカップ側に追い返すための手段がなくなるために計測誤差が生じてしまう。

特開平１１−１２６５７６ 特開２０００−０６５９４２

本発明では、上述した問題点を考慮し、可動式のビーム電流計測器における駆動機構の設計を簡便にしつつ、ビーム計測部位から放出された２次電子の追い返しを可能とする、イオンビーム照射装置を提供する。

イオンビーム照射装置は、
ビーム軌道に出し入れされてビーム電流を計測するビーム電流計測器と、
前記ビーム電流計測器の直前のビーム輸送経路に配置される第一電極を有し、
前記第一電極が、前記ビーム電流計測器から放出された２次電子をビーム電流計測器側に追い返すサプレッサ電極と他のビーム光学要素を兼ねている。

上記構成のイオンビーム照射装置であれば、ビーム輸送経路に配置された第一電極がビーム電流計測器のサプレッサを兼ねるので、ビーム電流計測器自体にサプレッサ電極を備えずとも、ビーム電流計測器の計測部位にイオンビームが照射されることで放出される２次電子を計測部位側に追い返すことができ、ひいては、計測部位から発生する２次電子による誤測定が防止できる。
また、可動式のビーム電流計測器自体にはサプレッサ電極が設けられていないので、可動式のビーム電流計測器における駆動機構の設計が簡便となる。

分析スリットと、前記第一電極との間に配置された第二電極とを備え、
前記第二電極の電位に比べて前記第一電極の電位が低い構成であってもよい。

前記第二電極は、処理室に配置されたターゲットに向かうイオンビームの加減速を決定する機能を有し、
前記第一電極は、ビーム輸送経路で生じる過収束を抑制する機能を有する構成であってもよい。

ビーム輸送経路でのイオンビームの加減速に関わらず、
前記第一電極の電位は、前記第二電極の電位に比べて常に低い構成であってもよい。

ビーム輸送経路に配置された第一電極がビーム電流計測器のサプレッサ電極を兼ねるので、ビーム電流計測器自体にサプレッサ電極を備えずとも、ビーム電流計測器の計測部位にイオンビームが照射されることで生じる２次電子を計測部位側に追い返すことができ、ひいては、計測部位から放出される２次電子による誤計測が防止できる。
また、可動式のビーム電流計測器自体にはサプレッサ電極が設けられていないので、可動式のビーム電流計測器における駆動機構の設計が簡便となる。

イオンビーム照射装置の全体を示す模式的平面図。 加速モード時の電位関係を示す説明図。 減速モード時の電位関係を示す説明図。 減速モード時の電位関係を示す別の説明図。 ドリフトモード時の電位関係を示す説明図。

図１は、イオンビーム照射装置ＩＭの全体を示す模式的平面図である。図１では、イオン注入装置の構成例をもとに説明するが、本発明が適用されるイオンビーム照射装置としては、イオン注入装置やイオンビームエッチング装置、イオンビーム表面改質装置等のイオンビームを輸送するビーム輸送経路を備えた装置が想定されている。

図示されるＸＹＺ軸の方向は、ターゲット１１に照射されるイオンビームを基準に描かれたものである。Ｚ方向はイオンビームの進行方向であり、Ｘ方向は後述するスキャナー９での走査方向である。Ｙ方向はＸ方向とＺ方向の両方向に直交する方向である。また、図示されるイオンビームのビーム軌道ＩＢは、ターゲット１１に照射されるイオン種の中心軌道を表している。以下に装置全体の構成例について説明する。

イオン源１で生成されたプラズマから複数枚の電極で構成された引出電極系２を用いてイオンビームの引出しが行われる。質量分析電磁石３と分析スリット４で、イオンビーム中に含まれる種々のイオン種から特定イオン種の分析（選別）が行われる。

その後、イオンビームは、第二電極５とその下流に設けられた第一電極６、エネルギーフィルタ８等を通して、ターゲット１１に照射される最終のエネルギーを有するイオンビームとなるように調整される。このときの調整方法は、第二電極５の電位設定によって大きくは３種類に分けられる。

第二電極５の電位がターゲット１１の電位（接地電位）よりも高い場合には、第二電極５からターゲット１１までのビーム輸送経路で、イオンビームは総合的には加速されながら輸送される（加速モード）。反対に、第二電極５の電位がターゲット１１の電位よりも低い場合には、イオンビームは総合的には減速されながら輸送される（減速モード）。また、第二電極５の電位がターゲット１１の電位と同じ場合には、第二電極５からターゲット１１までのビーム輸送経路で、イオンビームは総合的には加減速なく輸送される（ドリフトモード）。

上記輸送方法の選択は、輸送されるイオン種やターゲット１１に照射されるイオンビームの最終エネルギーによって決定される。総合的に加速あるいは減速される、とは、局所的にはビーム輸送経路の途中で加減速はなされるものの、ビーム輸送経路の全体でみたときに加速あるいは減速されるという意味である。

第二電極５の電位とターゲット１１の電位（接地電位）との電位差が大きければ、加速または減速されながら輸送されるイオンビームにはビーム輸送の途中で過収束が発生する。この過収束を抑制するために、第一電極６には電圧が印加されている。

ビーム電流計測器７は、従来技術と同じく、図示されない駆動機構によってビーム軌道ＩＢに対して矢印の方向に出し入れされてイオンビームのビーム電流を計測するための計測器である。このビーム電流計測器７で所望イオン種のビーム電流が最大となるように、分析電磁石３の磁場調整が行われる。この可動式のビーム電流計測器７は、ビーム電流計測器７の計測部位（例えば、ファラディカップや導電性の平板）から生じた２次電子を計測部位側に追い返すためのサプレッサ電極を備えていない。

エネルギーフィルタ８は、イオンビームを局所的に加速あるいは減速させながら、偏向する機能を備えている。イオンビームの偏向方向は、図１ではＹ方向を想定している。ここを通じてイオンビーム中に含まれる不要なエネルギー成分の除去が行われる。

その後、スキャナー９でＸ方向にイオンビームを走査し、コリメータ１０で走査されたイオンビームの平行化が行われる。なお、ここで述べた平行化とは、イオンビームの進行方向をＺ方向に揃える操作をいう。平行化されたイオンビームは、図示されない駆動機構によりＹ方向に往復走査されるターゲット１１に照射される。このイオンビームの照射によって、図示されない処理室に配置されたターゲット１１へのイオン注入処理が行われる。

上述したイオンビーム照射装置ＩＭの構成において、第一電極６の電位がビーム電流計測器７の電位よりも低くなるように、第一電極６には電圧が印加されている。このことから、ビーム電流計測器７にサプレッサ電極を設けずとも、ビーム輸送経路に配置された第一電極６でビーム電流計測器７の計測部位から発生した２次電子を計測部位側に追い返すことが可能となる。また、可動式のビーム電流計測器７がサプレッサ電極を具備していないことから、ビーム電流計測器７を駆動するための駆動機構の設計が容易となる。

以下、図２乃至５を用いて、加速、減速、ドリフトの各モードにおける各部の電位関係について説明する。各図の上下方向は電位の高低を表し、イオンビームは図の左側から右側へ向けて輸送される。図示されるＶ１はビーム電流計測器と第一電極との電位差であり、Ｖ２はビーム電流計測器と第二電極との電位差である。ビーム電流計測器７の電位はターゲット１１の電位と同じく接地電位としている。

図２は加速モード時の各部の電位関係についての説明図である。
図の右側に示す２次電子ｅの挙動に見られるように、ビーム電流計測器７の電位よりも第一電極６の電位が低いために、ビーム電流計測器７の計測部位から放出された２次電子はビーム電流計測器７側に追い返される。

図の左側に示す２次電子ｅは、イオンビームが第二電極５や第二電極５と第一電極６との間のビーム輸送経路の壁面に衝突することで発生した２次電子である。
図２の構成では、第二電極５に対して第一電極６の電位が低いために、この２次電子も第二電極５側に追い返されるが、第一電極６と第二電極５の電位設定によっては、第一電極６の上流側で発生した２次電子ｅがビーム電流計測器７の計測部に流入する可能性がある。

図３は減速モード時の各部の電位関係についての説明図である。
図の右側に示す２次電子ｅは、加速モードと同様に、ビーム電流計測器７の計測部位側に追い返される。
一方、図の左側に示す２次電子ｅは、第一電極６の電位が第二電極５の電位より高いので、第一電極６側に引き込まれ、最終的にはビーム電流計測器７に流入してしまう。その結果、ビーム電流の計測誤差が生じる。

上記問題点を改善したのが図４の構成となる。
図４のように、第一電極６の電位を第二電極５とビーム電流計測器７よりも低くすることで、ビーム輸送経路の上流及び下流側から第一電極６側に流れ込む２次電子を各々の側へ追い返すことが可能となる。

図５はドリフトモード時の各部の電位関係についての説明図である。
図４と同様に、第一電極６の電位を第二電極５とビーム電流計測器７よりも低くすることで、ビーム輸送経路の上流及び下流側から第一電極６側に流れ込む２次電子を各々の側へ追い返すことが可能となる。

上述した実施形態では、イオン注入装置を例に説明したが、イオンビームを取り扱う他の装置で、ビーム輸送経路に可動式のビーム電流計測器を備える装置であれば、本発明を適用することは可能である。

第一電極６が過収束の抑制機能を有している旨を述べたが、第一電極６の機能としては当該機能に限定されるものではない。例えば、ビーム輸送経路に配置されるイオンビームを収束させるためのアインツェルレンズを構成する電極群のうち、もっとも下流側に位置する電極をビーム電流計測器７のサプレッサ電極と兼用させてもよい。

また、上記実施形態ではビーム輸送経路内でのイオンビームの輸送モードを選択するための第二電極５を具備した構成例としていたが、イオンビーム照射装置の構成によっては第二電極５を備えない構成としてもよい。第二電極５を備えない構成としては、例えば、引出電極系のところで、イオンビームを引き出す際に、イオンビームのエネルギーを最終エネルギーにしておく構成が考えられる。

第一電極６にイオンビームが衝突することで、第一電極６から2次電子が放出されてビーム電流計測器７の計測部に流入する恐れもある。このことを考慮すれば、第一電極６にはイオンビームが衝突しない構成としておくことが望まれる。

上記実施形態では、第一電極６の例として、過収束の抑制用電極やアインツェルレンズを構成する一部の電極であることを述べた。しかしながら、イオンビーム照射装置によっては、上述した過収束用の電極やアインツェルレンズを必ずしも有しているとは限らないことから、先に挙げた第一電極６の構成例は例示列挙に過ぎない。

本発明が対象にしている第一電極についての一般的な構成、機能は、以下のものである。
第一電極は、ビーム電流計測器から放出された２次電子をビーム電流計測器側に追い返すためのサプレッサ電極とビーム輸送経路に配置されたサプレッサ電極以外のビーム光学要素を兼ねている。
ビーム電流計測器をビーム軌道の外へ配置する場合には、第一電極はサプレッサ電極としては機能せず、サプレッサ電極以外のビーム光学要素として機能する。
また、第一電極はビーム光学要素の一部を構成していればよく、ビーム光学要素とは、そこを通過するイオンビームの形状、エネルギー等をコントロールするために使用される電極から構成される光学要素である。

第一電極６への印加電圧については、一定の電圧が印加されていて、通常はサプレッサ電極以外のビーム光学要素として機能させ、ビーム電流計測器７をビーム軌道に入れるだけで、即座にサプレッサ電極としても機能するように構成しておくことが望まれる。また、第一電極６への印加電圧は、ビーム電流計測器の電位が接地電位に設定されることが多いことから、負電圧が印加されている。

上記実施形態では、ビーム電流計測器７での測定結果をもとに分析電磁石の磁場調整を行うことについて述べたが、本発明のビーム電流計測器の用途は必ずしもここで述べた用途に限られるものではない。イオン源から処理室までの任意のビーム輸送経路でビーム軌道に出し入れされるものであれば、本発明の適用は可能である。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１ イオン源
３ 質量分析電磁石
４ 分析スリット
５ 第二電極
６ 第一電極
７ ビーム電流計測器
ＩＢ イオンビームの軌道
ＩＭ イオンビーム照射装置

Claims (4)

1. ビーム軌道に出し入れされてビーム電流を計測するビーム電流計測器と、
   前記ビーム電流計測器の直前のビーム輸送経路に配置される第一電極を有し、
   前記第一電極が、前記ビーム電流計測器から放出された２次電子をビーム電流計測器側
   に追い返すサプレッサ電極と他のビーム光学要素を兼ねていて、
   前記ビーム電流計測器が前記ビーム軌道の外にあるとき、前記第一電極が前記他のビーム光学要素として機能することを特徴とするイオンビーム照射装置。
2. 前記第一電極の電位は、常に前記ビーム電流計測器の電位よりも低い請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. ビーム輸送経路で前記第一電極の上流側に第二電極を備え、
   前記第二電極は、処理室に配置されたターゲットに向かうイオンビームの加減速を決定
   する機能を有し、
   前記第一電極は、ビーム輸送経路で生じる過収束を抑制する機能を有する請求項１又は２記載のイオンビーム照射装置。
4. ビーム輸送経路でのイオンビームの加減速に関わらず、
   前記第一電極の電位は、前記第二電極の電位に比べて常に低い請求項３記載のイオンビーム照射装置。

Images