JPH0619955B2 - 荷電粒子照射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷電粒子照射装置に係り、特に大電流の特定荷
電粒子線を選択的に質量分離する小型の荷電粒子照射装
置を得ることに関する。

〔従来の技術〕

半導体素子の製作過程や、一般の表面改質の際荷電粒子
を照射することが多くなつた。制御性が良好なこと以外
に化学的な反応を同時に期待出来るからでもある。

一般に荷電粒子源内で全く一種類の粒子が生成されるこ
とはないから、純度の高い特定の荷電粒子線を得るため
には、磁場による質量分離（厳密には運動量分離である
ことがわかりにくい。）の必要がある。

大電流の荷電粒子を質量分離する装置としては同位体分
離のために開発が進められたものが多い。このような装
置としては、「同位元素分離・放射線防禦（共立出版
社）1956年１１９頁〜１５８頁」にも延べられている様
に種々の形式があるが、いずれも、粒子収束点に捕集器
を配するのみで、質量分離された選択すべき特定の荷電
粒子だけを他の荷電粒子が共存する空間から離脱せし
め、被照射物体まで通過させるものではない。

本発明が目的としている被照射物体への特定荷電粒子の
選択的通過を考慮した装置としては、 「ION IMPLANTATION TECHNIQUS Vol.１０（Ｓpringer−
Ｖerlag）1982年３頁２１頁」の様に質量分離のための
磁場の外部に配置された荷電粒子源から荷電粒子を放出
し、磁場領域で質量に応じた荷電粒子の飛行軌道を区別
した後、磁場の反対側に収束させる。そして所定の粒子
のみを、選択的に通過させ、より後方の被照射物体へ導
く様な構造となつている方式が知られている。

又、本発明の目的を達するものではないが、単に、一般
的な荷電粒子源としては、軸対称で一様でない磁場を質
量分離に用いること自体は、「日本数学物理学会誌Ｖo
l.１７（1943年）５５７〜５６６頁」により知られてい
る。しかし、この資料は選択すべき特定の荷電粒子のみ
を他の荷電粒子が共存する空間から離脱せしめ、被照射
物体まで導びくことについては何等示されるものではな
い。

〔発明が解決しようとする問題点〕 前述の従来の装置において、荷電粒子線を選択的に取出
し、照射することによつて被照射物体を大量に処理する
ためには、荷電粒子線量を増加させる必要がある。

一般に、磁場領域の入口寸法は有限であるから、荷電粒
子源からの粒子の出射方向は立体的な制限を受ける。

この制限のなかで、粒子線量を増加させるためには密度
を増加させることになるか、無理に密度を上げると、荷
電粒子源の破損等寿命が大幅に低下するから、製造装置
として使用する際の粒子密度には限界がある。

このため、粒子の放出面積を増加させることになるが、
立体的な制限がいつそう厳しくなるので、粒子を放出す
る面積を増加した分だけ、照射線量は増加しない。又、
立体的制限を軽減するために、磁場領域を拡大すると、
磁石寸法や重量が大幅に増大してくるという問題点があ
つた。

本発明の目的は、質量分離された特定の荷電粒子線を選
択して大量に被荷電粒子照射物体に取り出すことが可能
な比較小型な荷電粒子照射装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の目的を達成するため本発明は基本的には、荷電粒
子源と荷電粒子を質量分離する機能を、次の様な配置と
することを特徴としている。すなわち、軸対称であつて
一様でない磁場を利用し、その磁場の中心近傍より軸対
称に、又は、軸対称の一部を利用し、荷電粒子を放出す
る荷電粒子源から放出された荷電粒子を渦巻状に走らせ
て特定の粒子を軸対称の同一の円周上に収束させた後、
この円周上から特定の荷電粒子を選択的に離脱させ、被
照射物体に導くことにより達成される。

〔作用〕

軸対称で不均一な磁場の対称軸近傍から、荷電粒子を軸
対称に放出すると、半径をｒ、半径方向の磁場強度をＨ
（ｒ）とすると、所定の荷電粒子は を満すｒで軸対称の円周上に収束する。所定の運動量よ
り小さい粒子は円周に達せず、大きいものは円周の外へ
出て行く様に動作する。

次に円周上の一部の磁場を円周上のその他の部分の磁場
と異なる値にすることにより円周に収束した特定の粒子
はこの円周から離脱する。

離脱後の軌道は前記不均一磁場の分布で決定され、この
軌道上に被照射物体を配置する。

例えば、所定の荷電粒子が収束した円周の点から接線方
向及びその近傍の磁場を零とすることにより、所定の荷
電粒子は収束円周上から離脱し接線方向へ飛行する様に
なるこれによつて、被照射物体へ向けて特定の荷電粒子
を通過させることが出来る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。荷電
粒子源１１の全周に渡つてもうけられた荷電粒子放出口
１２から放出された放電粒子１３（実際は全周に渡つて
多種類の荷電粒子が放出されているが、所定の粒子の一
部のみを示した。）はふたつの磁極１４の間に発生した
磁場１５により渦巻状の軌道を飛行する。磁極１４の間
に磁場１５を発生させる機構は省略した。前記（１）式
を満す荷電粒子は円周１６上に収束する。第２図に
（１）式の関係をグラフに示す。横軸が半径ｒ（相対
値）、縦軸は磁場強度Ｈ（ｒ）， を示す。（いずれも相対値）この交点が収束円の半径を
示している。又、（１）式を満さぬ粒子１７は円周１６
に届かぬか、円周１６の外側へ飛び出してしまう。この
様子を第３図に示してある。第１図及び第３図のダクト
１８は強磁性体で出来ている角パイプ状のものであつて
内部を磁場シールドしている。ダクト１８の入口が粒子
の収束円周１６にありその接線方向に延びている。円周
１６上に収束した所定の荷電粒子１６は、ダクト８によ
つて内部磁場が零となつた領域ではローレンツカが働か
ないので接線方向へ飛行する。入口には所定外の荷電粒
子１７も入射するが、第３図の様に収束円１６に対し角
度を持つているのでダクト１８内で失なわれてしなう。
ゆえに所定の荷電粒子の純度は損われない。

ダクト１８を通過した所定の荷電粒子１９は後方に位置
する被照射物体２０に照射される。第１図の実施例で
は、被照射物体２０が平面的に移動することによつて粒
子１９を任意の量、分布を与えている。もちろん、ダク
ト１８と被照射物体２０の間に、荷電粒子照射点を移動
させる機能を追加してもよことは云うまでもない。

又、粒子の速度を変化させる機能を追加することも出来
ることは云うまでもない。

本発明によれば、荷電粒子源の放出口面積は、荷電粒子
源の直径を拡大するとか、放出口を一本でなく多数本設
ける等によつて容易に拡大可能であり、かつ、効率良く
質量分離出来る構成である。一方、軸対称構造であるか
ら比較的小型にまとめることが出来る。そして、被照射
物体まで収束粒子を通過させることが可能な荷電粒子照
射装置が実現出来た。すなわち、従来の半導体プロセス
用荷電粒子照射装置と比較して、同一寸法であれば荷電
粒子量を１０倍程度容易に増加させることが出来た。

又、一般に荷電粒子源には磁場を印加し電離度を高効率
にすることが行なわれるが、本発明ではこの磁場と質量
分離磁場を兼ねることも可能であるから、構造も単純化
される。

第４図（ａ）および（ｂ）に本発明のその他の実施例を
示す。第４図（ａ）のＸ−０−Ｙ断面を第４図（ｂ）に
示す。軸対称の磁場を与えるための磁極１４の外側にヨ
ーク４１を配しヨーク４１に軸対称な形状のコイル４２
を取り付けれい磁している。真空チヤンバ４３の中には
ダクト１８が取付けられている。このダクト１８の延長
上と真空チヤンバの交点部４４は除去され出張り４５が
設けられている。交点部４４で所定外粒子１７が真空チ
ヤンバ４３と衝突し壁からのスパツタ粒子がダクト１８
に混入することが、この出張り４５で防がれていること
がわかる。

ダクト１８の近傍の斜線部４６は、ダクト１８によつて
軸対称磁場が乱れている領域である。バフル４７はこの
領域４６を荷電粒子が通過するのを防ぐからこの領域４
６の影響で所定外の荷電粒子１７が所定の荷電粒子１３
の軌道１６に侵入する確率がなくなり所定の荷電粒子の
純度を保つことが出来る。

フイラメント４８は通過することにより加熱し、熱電子
をフイラメント近傍に多量に存在させる。軌道上の荷電
粒子密度が上昇し空間電荷の中和が破れ始めると電子を
吸収し中和を保つ様に作用するのでより大電流を収束し
通過させることが出来る。

又、窒素やアルゴンガス等を少量真空中に放出させると
同様の効果がある。これは、放出したガスと飛行中の荷
電粒子とが衝突し電子を供給するからと考えられてお
り、適量のガス放出によつても大電流を収束し通過させ
ることが出来る。

本実施例では、荷電粒子源４９は軸方向から挿入する。
プラズマ５０Ａを内部に維持するところの放電管５０Ｂ
は基本的には円筒導波管である。ガス導入管５０Ｃによ
つて内部に適量のガスが導入されている。プラズマ５０
Ａを維持するための電力はマグネトロン５０Ｄによつて
発振されるつなぎ導波管５０Ｅと真空レール板５０Ｆを
通過し放電管５０Ｂへ伝えられる。プラズマ５０Ａを効
率良く発生させるためにソレノイドコイル５０Ｇにより
放電管内部に磁場を発生させている。

放電管５０Ｂから荷電粒子を引出すために放電管５０Ｂ
の外周にはスリツト５０Ｈを切つてある。

引出し電極系５１Ａ，５１Ｂは放電管５０Ｂと同軸状に
配置されている。放電管５０Ｂと引出電極５１Ａには高
電圧を印加して引出し量を増加させているとして引出し
電極５１Ａと５１Ｂ間には逆方向に電圧を印加して荷電
粒子が所定の速度になる様に調整している。

真空排気口５２には他方の軸方向に軸対称に配置されて
いるので、荷電粒子源４９は安定動作させるための安定
した排気速度と高真空を得ることが出来る。

真空弁５３はシリンダ５４によつて対称軸に沿つて移動
する。本体動作時は下に降りているが、荷電粒子源４９
及電極系５０，５１の取付又は取はずし時には一点鎖線
まで上昇し他の真空部と切り離す。これにより、大気に
さらす部分を最小限度に止めることが出来るので本真空
弁５３がない時の真空の立ち上がり時間と比較して十分
の一程で済むという効果がある。

尚、本実施例におけるダクト１８は、その近傍における
磁気のシールドを行い、ダクト１８の内部は磁場を零と
するものであるが、他の変形例としては、ダクト１８の
入口に永久磁石を設け、その近傍における磁場と異る強
さの領域をつくり出すよう構成し、飛来する荷電粒子の
方向を所望の方向、即ち、照射物体の方向に向けるよう
構成しても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、荷電粒子源からの荷電粒子放出面積を
容易に拡大でき、これを効率良く質量分離でき、被照射
物体に通過させることができるので、大電流被質量分離
荷電粒子照射装置を比較的小型の形状で実施出来る効果
がある。

又、本発明によれば、分離された所定の荷電粒子に所定
外粒子やスパツタ粒子の混入を防止できるので、所定の
荷電粒子の純度を保つことができる効果がある。

又、本発明によれば、より多量の荷電粒子を使用して動
作しても収束がぼやけることが防止されるので、より大
電流化が出来る効果がある。

又、本発明によれば、荷電粒子源及び電極系近傍から安
定した高排気速度が得られるので、装置動作が安定する
効果がある。

又、本発明では、荷電粒子源及び電極系を大気にさらし
ても、その他の真空は保つことが出来るので、真空の立
ち上りが早くダウンタイムが少ないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成を表示した図、第
２図は第１図において所定の荷電粒子が収束する条件を
グラフに表わしたもの、第３図は第１図における荷電粒
子の飛行軌道とダクトの配置を示す図、第４図（ａ）お
よび（ｂ）は本発明の実施例の詳細を示したものであ
る。 １１……荷電粒子源、１２……荷電粒子放出口、１３…
…所定の荷電粒子軌道の一部、１４……磁極、１６……
所定の荷電粒子の収束円周軌道、１８……ダクト、２０
……被照射物体、１７……所定外の荷電粒子の飛行軌
道、４１……ヨーク、４３……真空チヤンバ、４５……
出張り、４７……バフル、４８……フイラメント、５２
……真空排気口、５３……真空弁。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心軸部付近より荷電粒子を放出する手段
   と、該中心軸部より外部に向って順次弱くなる磁場を発
   生させて、該荷電粒子を該磁場中で渦巻状に飛行させ、
   特定の粒子を前記中心軸部について軸対称の円周上に収
   束させる手段と、該特定の粒子が照射されるべき被照射
   物体と、該荷電粒子の飛行通路と被照射物体を真空に維
   持する手段を有する荷電粒子照射装置において、該円周
   の一部又はその近傍の磁場を該円周の他の部分の磁場と
   異なる値にする手段を有することを特徴とする荷電粒子
   照射装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の荷電粒子照射
   装置において、該円周の一部又はその近傍の磁場を該円
   周の他の部分の磁場と異なる値にする手段は、該円周上
   から接線方向又はその近傍の磁場を零とする手段である
   ことを特徴とする荷電粒子照射装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の荷電粒子照射
   装置において、前記磁場を零にする手段は荷電粒子が収
   束した円周上からその接線方向及び該接線近傍の磁場を
   零とする機能として、開口部を該円周上に有し、該円周
   の接線方向へ延びており、内部に選択された荷電粒子を
   通過せしめる空間を有する強磁性体よりなるダクト状の
   通路であることを特徴とする荷電粒子照射装置。