JPH0754678B2

JPH0754678B2 - イオンビ−ム照射装置

Info

Publication number: JPH0754678B2
Application number: JP62180298A
Authority: JP
Inventors: 直光藤下; 一弘庄野; 茂雄佐々木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPS6424347A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、例えば絶縁体あるいは半導体の表面改質，
加工，及び膜形成などに利用されるイオンビーム照射装
置に関し、より具体的には、全体あるいは一部が電気的
に絶縁された試料の表面電位を制御できる中和器を有す
るイオンビーム照射装置に関するものである。

〔従来の技術〕

イオン照射技術の内で、例えば半導体のイオン注入装置
は集積回路への不純物ドーピング技術として実用化され
ている。しかし、1MbitDRAMのようにサブミクロン級の
線幅や絶縁層厚さの寸法を持つ高実装密度の集積回路に
大電流のAs⁺イオン注入を行つた場合、集積回路内の絶
縁層及び絶縁層で囲まれた露出半導体層や導電層が、入
射するイオンビームによる正電荷の蓄積（以後、正帯電
と呼ぶ）で高電位になるため、後に続くイオンビームを
偏向させて不均一な注入が発生したり、時には電気的な
絶縁破壊が生じ、集積回路が動作不能となる。従つて、
スループツト向上を目的に大電流型のイオン注入装置を
導入しても、集積回路における正帯電現象が顕著に発生
しないイオン電流値に制限せざるを得ない状況にあり、
実用上大きな問題となつている。第７図は例えばこの問
題を解決するために開発された本出願人による特願昭62
−64861号に示されたイオンビームによる正帯電を中和
する装置（以後、中和器と呼ぶ）を備えたイオンビーム
照射装置である。図において、（１）は試料台（２）上
に置かれた例えば集積回路を有する半導体などの試料、
（３）はこの試料（１）に照射される加速されたイオン
ビーム、（４）は特定のイオン種のみを通過させるアパ
ーチヤ、（５）は試料（１）の表面に生ずる正帯電を中
和させるための電子をイオンビーム（３）に供給するた
めの中和器であり、第１電源（６）により加熱され電子
を放出するフイラメントからなる電子放出源（７）と、
この電子放出源（７）のイオンビーム（３）側に配置さ
れ、第２電源（８）により電子放出源（７）に対して正
の電位が与えられ、電子が通過可能な格子状の電極から
なる電子引き出し手段（９）と、この電子引き出し手段
（９）のイオンビーム（３）側に配置され、第３電源
（10）により電子放出源（７）に対して正の電位が与え
られ、電子が通過可能な格子状の電極からなる電子エネ
ルギー制御手段（11）と、電子放出源（７）のイオンビ
ーム（３）側以外を取り囲むように配置され、第４電源
（12）により電子放出源（７）に対して負の電位が与え
られ、電子放出源（７）から放出された電子が外部に拡
散するのを防止する電子シールド電極からなる拡散防止
手段（13）と、イオンビーム（３）内の電子イオンビー
ム（３）の進行方向（図中矢印Iiで示す）と逆向きに移
動するのを防止するため、第５電源（14）により試料台
（２）に対して負の電位が与えられた逆流防止用シール
ド電極（15）と、電子放出源（７）に試料台（２）に対
して負の電位を与える第６電源（16）とにより構成され
ている。なお、電子放出源（７）としてのフイラメン
ト、電子引出し手段（９）としての電極および電子エネ
ルギー制御手段（11）としての電極は、イオンビーム
（３）の進行方向（矢印Ii）に対して平行に、かつイオ
ンビーム（３）を取り囲むように配置されている。また
図中矢印e^-は電子放出源（７）から放出された電子のイ
オンビーム（３）への入射方向を示し、イオンビーム
（３）の進行方向（矢印（Ii）に対して垂直の方向であ
る。

次に動作について説明する。第１電源（６）により電力
を与え電子放出源（７）を熱電子が十分放出可能な高温
になるまで加熱し、第２電源（８）により電子引き出し
手段（９）に電圧Vaを印加すると、電子放出源（７）か
ら電子が引き出される。このとき電子放出源（７）の温
度が十分高ければ、電子放出源（７）から放出される電
子の電流Ieは空間電荷制限式（Ie＝KVa^3/2）に従う。た
だし、Ｋは電子の初速度あるいは、電極形状，電極間距
離などに依存する計数である。

次に、第３電源（10）により電子エネルギー制御手段
（11）に電圧Vcを印加する。この場合、例えばVc＝10V
であれば、電子エネルギー制御手段（11）から10eVのエ
ネルギーを持つた電子流がイオンビーム（３）の軌道の
方向に移動（矢印e^-）で移動方向を図示）する。即ち、
電子引き出し手段（９）により電子放出源（７）から引
き出された電子のイオンビーム（３）への入射時のエネ
ルギーは電子エネルギー制御手段（11）に印加された電
圧Vcで制御される。

従つて、中和器（５）を通過するイオンビーム（３）の
電子捕獲断面積に見合つた電子流量，電子エネルギーに
なるように、第２電源（８）の電圧Vaおよび第３電源
（10）の電圧Vcを制御することで、イオンビーム（３）
内に電子を取り込ませ、イオンビーム（３）内にイオン
密度と電子密度が等しいプラズマ状態を形成させ、第６
電源（16）により試料（１）との間に負電位を与える
と、電位勾配によりイオンビーム（３）内の電子は試料
（１）の方向に移動する。今、イオンビーム（３）内の
イオン密度と電子密度が等しいので、試料（１）への電
子の移動速度とイオンビーム（３）の照射速度が同じに
なるように第６電源（16）で電子の移動速度をコントロ
ールすれば、試料（１）に到達するイオンと電子の数が
等しくなり、試料（１）の表面は電気的に中和されるこ
とになる。また、イオンビーム（３）の照射により試料
（１）から２次電子放出が生じて試料（１）が正帯電す
る場合は、２次電子放出量と同じ電子量を中和器（５）
により試料（１）に供給することで試料（１）の正帯電
を中和することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のイオンビーム照射装置は以上のように構成されて
いるので、中和器からイオンビームに供給される電子
は、イオンビームの進行方向に対し垂直方向に電圧Vcに
相当する運動エネルイギーを持つている。このため中和
器からイオンビームに入射した電子は、イオンビーム軌
道を横切り対向位置にある電子エネルギー制御手段、電
子引き出し手段、および電子放出源に逆流し、電子の供
給効率を悪くするとともに、逆流した電子の空間電荷に
よつて電子の引き出しが妨げられ、電子の引き出し効率
を悪くする。さらに、イオンビームに取り込まれた電子
はイオンビームの進行方向に初速度を持たないので、試
料との間に十分高い電位勾配を与えないと試料の方向へ
移動しない。また、このため電子が高エネルギーを持つ
ことになり、場合によつては試料を破損させるなどの問
題点があつた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、電子をイオンビームに効率よく供給できると
ともに、電子を試料方向に容易に移動させることができ
るイオンビーム照射装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るイオンビーム照射装置は、試料に照射さ
れるイオンビームに供給される電子が試料側に向かう成
分を有するように、電子を発生する電子放出源と、この
電子放出源の電子をイオンビームに向けて引き出す電子
引き出し手段と、この電子引き出し手段によつて引き出
された電子を減速する電子エネルギー制御手段とを配置
したものである。

〔作用〕

この発明におけるイオンビームに供給される電子は、電
子放出源と電子引き出し手段と電子エネルギー制御手段
との配置により、試料側に向う成分が与えられることに
より、イオンビームに入射後対向位置の電子エネルギー
制御手段，電子引き出し手段および電子放出源への逆流
が抑制され、電子の供給効率を高くするとともに、試料
方向に容易に移動する。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、（７）はイオンビーム（３）の進行方向
（矢印Ii）に対して試料（１）側が広がるように傾けて
配置された電子放出源、（９）は試料（１）側に広がつ
たＶ字形の断面を有した電子引き出し手段であり、一方
の面（9a）が電子放出源（７）と平行に、他方の面（9
b）が電子エネルギー制御手段（11）と平行になるよう
に配置されている。

なお、（１）から（６），（８），（10）から（16）は
上記従来のものと同様のものである。

上記のように構成されたイオンビーム照射装置の動作に
ついて、第２図により説明する。電子放出源（７）と電
子引き出し手段（９）の一方の面（以下電子入射面と略
す）（9a）が平行であり、電子引き出し手段（９）の他
方の面（以下電子出射面と略す）（9b）と電子エネルギ
ー制御手段（11）とがイオンビーム（３）の進行方向
（矢印Ii）に平行であり、電子入射面（9a）と電子出射
面（9b）のなす角度をθとする。すなわち、電子引き出
し手段（９）による電子引き出し方向と電子エネルギー
制御手段（11）による電子減速方向は角度θだけ異なつ
ている。

電子放出源（７）から電子引き出し手段（９）によつて
引き出された電子は電子入射面（9a）に垂直に入射し、
そのまま電子出射面（9b）まで直進する。このときの電
子の速度はυ₁は電子引き出し手段（９）に印加された
第２電源（８）の電圧Vaにより決まり、但し、ｅは電子の電荷量,mは電子の質量である。

次にこの電子は、電子エネルギー制御手段（11）により
減速されるが、その減速方向は電子出射面（9b）及び電
子エネルギー制御手段（11）に垂直であり、平行方向の
速度成分はυ_zは υ_z＝υ₁sinθ ……（２）の値が減速において保存される。

一方減速された電子のエネルギーは電子エネルギー制御
手段（11）に印加された第３電源（10）の電圧Vcにより
決まり、その速度v₂はである。従つて電子エネルギー制御手段（11）からイオ
ンビーム（３）に向かう電子は出射角αを持つて電子エ
ネルギー制御手段（11）から出射されることになる。こ
のことは上記式（１）（２）（３）よりとなる。但し、式（４）の右辺が１以上の値になる場合は電子は電子エネルギー制御手
段（11）を通過することが出来ない。

式（４）において、例えば、Va＝300Vで電子が引き出さ
れ、Vc＝10Vに電子のエネルギーが制御される場合、θ
＝０°であれば電子は垂直（α＝90°で上記従来のもの
に相当する）に出射されるが、θ＝10°であれば電子は
α＝18°で出射される。従つて、電子エネルギー制御手
段（11）から出射してイオンビーム（３）に供給された
電子は試料（１）側方向への速度成分v_zを持つことにな
り、イオンビーム（３）を挾み対向位置にある電子エネ
ルギー制御手段（11），電子引き出し手段（９）及び電
子放出源（７）へこの電子が直接逆流するのが防止さ
れ、電子の供給効率が改善する。また、電子が試料
（１）側方向への初速度成分v_zを持つているので、第６
電源（16）により中和器（５）と試料（１）との間にわ
ずかの電位勾配を持たせるだけで、電子を容易に試料
（１）側方向に移動させることができる。

なお、上記実施例では電子引き出し手段（９）がＶ字形
の断面を有しており、電子放出源（７）と電子入射面
（9a）が平行であり、電子出射面（9b）と電子エネルギ
ー制御手段（11）が平行である場合について説明した
が、第３図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のように電子引き出
し手段（９）はＶ字形の断面をしていなくても、電子引
き出し手段（９）による電子引き出し方向と、電子エネ
ルギー制御手段（11）による電子減速方向が異なるよう
に配置されておればよく、上記実施例と同様の効果を奏
する。

また、上記実施例では電子エネルギー制御手段（11）が
イオンビーム（３）の進行方向（矢印Ii）に平行な場合
について説明したが、第４図のように、電子エネルギー
制御手段（11）はイオンビーム（３）の進行方向（矢印
Ii）に平行でない場合であつてもよく、上記実施例と同
様の効果を奏する。

また、上記実施例では電子引き出し手段（９）における
電子引き出し時の電子の試料（１）側方向の速度成分υ
_zが保存される場合について説明したが、第５図に示す
ように、電子放出源（７）と電子引き出し手段（９）の
電子入射面（9a）がイオンビーム（３）の進行方向（矢
印Ii）の平行で、電子引き出し手段（９）の電子出射面
（9b）と電子エネルギー制御手段（11）がイオンビーム
（３）の進行方向（矢印Ii）に対して試料（１）側が狭
まるように配置されている場合には、電子引き出し時に
は試料（１）側方向の速度成分は発生しないが、電子エ
ネルギー制御手段（11）による電子減速時に試料（１）
側方向への速度成分が発生するため、上記実施例と同様
の効果を奏する。さらに第６図（Ａ），（Ｂ）のように
電子放出源（７）がイオンビーム（３）の進行方向（矢
印Ii）に対して試料（１）側が広がつており、電子エネ
ルギー制御手段（11）がイオンビーム（３）の進行方向
（矢印Ii）に対して試料（１）側が狭まるように配置さ
れている場合には、電子引き出し手段（９）による電子
引き出し時と、電子エネルギー制御手段（11）による電
子減速時の両方で、試料（１）側方向への速度成分を発
生でき、上記実施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、電子引き出し手段に
よる電子引き出し方向と上記電子エネルギー制御手段に
よる電子減速方向とを異なるように、且つその電子エネ
ルギー制御手段によりイオンビーム中に減速された電子
が試料側に向かう成分を有するように電子放出源，電子
引き出し手段及び電子エネルギー制御手段を配置した構
成にしたので、電子をイオンビーム中に効率よく供給で
きるとともに、電子を容易に試料方向へ移動させること
ができるイオンビーム照射装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるイオンビーム照射装
置を示す概略断面図、第２図は第１図の動作を示す説明
図、第３図ないし第６図はこの発明の他の実施例による
イオンビーム照射装置の中和器を示す概略断面図、第７
図は従来のイオンビーム照射装置を示す概略断面図であ
る。図において、（１）は試料、（３）はイオンビーム、
（７）は電子放出源、（９）は電子引き出し手段、（1
1）は電子エネルギー制御手段である。なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に照射されるイオンビームと、このイ
オンビームに供給される電子を発生する電子放出源と、
この電子放出源の電子を上記イオンビームに向けて引き
出す電子引き出し手段と、この電子引き出し手段によっ
て引き出された電子を減速する電子エネルギー制御手段
とを備えたイオンビーム照射装置において、上記電子引
き出し手段による電子引き出し方向と上記電子エネルギ
ー制御手段による電子減速方向とを異なるように、且つ
その電子エネルギー制御手段によりイオンビーム中に減
速された電子が上記試料側に向かう速度成分を有するよ
うに上記電子放出源，電子引き出し手段及び電子エネル
ギー制御手段を配置したことを特徴とするイオンビーム
照射装置。
【請求項２】電子放出源はフィラメントであることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオンビーム照射
装置。
【請求項３】電子放出源をイオンビームの進行方向に対
して傾けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は
第２項記載のイオンビーム照射装置。
【請求項４】電子引き出し手段は格子状の電極であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のい
ずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項５】電子引き出し手段はイオンビームの進行方
向に開いたＶ字形の断面を有していることを特徴とする
特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の
イオンビーム照射装置。
【請求項６】電子エネルギー制御手段は格子状の電極で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５
項のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項７】電子エネルギー制御手段をイオンビームの
進行方向に対して傾けたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のイオンビーム
照射装置。