JPH08184698A

JPH08184698A - 高速原子線装置

Info

Publication number: JPH08184698A
Application number: JP33888894A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Naito; 儀彦内藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】差動排気機構に大きな負担をかけることなく
原子線を走査でき、かつ、原子線の走査を広い範囲で行
うことができ、それによって、全体として設備コスト、
稼働コストを低下させることができるような高速原子線
装置を提供する。【構成】真空チャンバ内においてイオンビームの経路
に沿って設置された中性化室を有し、この中性化室内の
ガスと該イオンビームとの間で電荷を移動させてイオン
ビームを中性化する中性化装置であって、上記中性化室
を上記イオンビーム経路に交差する方向に移動させる中
性化室駆動機構を設けたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子を製
造する際のドーパント注入等において、従来のイオン注
入に代わって用いられる高速原子線注入のための原子線
を形成する際に用いられる中性化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造工程において、基板の上に
集積回路を形成するために、基板に異種元素を打ち込む
いわゆるドーピングが行われる。このための方法とし
て、従来はイオン注入法が用いられていた。しかし、こ
の方法では、集積回路の集積度の向上に従い、イオン電
荷の蓄積に起因する絶縁破壊、クーロン力による入射イ
オンの軌道の偏向に起因する打ち込み精度の低下、イオ
ン注入により流れる電流に起因するジュール熱による素
子の破壊などの問題が顕著になった。

【０００３】そこで、図７に示すように、ビームの経路
にアルゴンのような不活性ガスを導入した中性化室４０
を設け、ここでガスとイオンの接触により電荷を移動さ
せてイオンを中性化し、原子線を形成してこれをターゲ
ットの基板に照射することが行われている。

【０００４】イオンビームの経路は他の分子等との衝突
を避けるため、真空チャンバ４１内に設けられており、
一方、中性化室４０には、上述したように所定の圧力の
ガスが封入されている。そして、真空チャンバ４１と中
性化室４０の間には、ビームを流通させるために狭窄部
４２を設けているから、中性化室４０から真空チャンバ
４１には狭窄部４２を通してガスが流出する。従って、
中性化室４０を所定のガス圧に保つために、中性化室４
０にガス供給装置４３からガスを供給し、狭窄部４２か
ら漏れ出るガスを真空ポンプ４４，４５で排出する差動
排気機構を設けている。

【０００５】この装置において、例えばターゲットの広
い範囲に原子線を照射する場合には、ターゲット自体を
回転板に載せて回転させるとともに、原子線を回転板の
径方向に走査する必要がある。よって、中性化室４０の
前段に、イオンビームに電場を付与して偏向させるスキ
ャン装置を設け、一方、中性化室４０の狭窄部４２はイ
オンビームの走査幅に応じた長さのスリット（長穴）に
形成する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成にすると、それぞれのガスセルに開口するオリ
フィスの面積が大きくなるため、上述したように真空チ
ャンバとガスセルの差圧を維持するための差動排気機構
に大きな負担がかかることになる。つまり、これに用い
る真空ポンプの能力を、ビームを走査しない場合に比べ
て格段に大きくしなければならず、設備コストが多大に
なってしまうという問題があった。

【０００７】また、その制約によってビームの走査方向
も限定されてしまい、高々１次元的な走査しかできない
ため、ターゲットの全面を走査するにはターゲット自体
を回転するなどの操作が必要で、そのために装置構成が
複雑になり、装置や稼働コストも低減できないという課
題もあった。

【０００８】この発明は、差動排気機構に大きな負担を
かけることなく原子線を走査でき、かつ、原子線の走査
を広い範囲で行うことができ、それおによって、全体と
して設備コスト、稼働コストを低下させることができる
ような高速原子線装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決するためになされたもので、請求項１の発明は、真
空チャンバ内においてイオンビームの経路に沿って設置
された中性化室を有し、この中性化室内のガスと該イオ
ンビームとの間で電荷を交換させてイオンビームを中性
化する中性化装置であって、ビーム経路に合わせて、中
性化室のビーム入射孔とビーム射出孔を移動させるよう
に構成されているものである。請求項２の発明は、上記
中性化室を上記イオンビーム経路に交差する方向に移動
させる中性化室駆動機構を設けたものである。

【００１０】請求項３の発明は、上記中性化室の前段に
イオンビームの経路を変えるイオンビームスキャン装置
が設けられているものである。請求項４の発明は、上記
中性化室駆動機構と上記イオンビームスキャン装置を連
動制御する制御装置を有するものである。請求項５の発
明は、上記中性化室駆動機構が、伸縮可能な気密管の中
を挿通して上記中性化室につながれた連結部材により上
記中性化室を移動させるようにしたものである。

【００１１】請求項６の発明は、上記連結部材を自在継
手を介して中性化室につなげたものである。請求項７の
発明は、上記イオンビームスキャン装置がイオンビーム
を平行移動させるものである。請求項８の発明は、上記
イオンビームスキャン装置がイオンビームの向きを変え
るものである。請求項９の発明は、上記中性化室が複数
のガスセルから構成され、これらのガスセル及び上記真
空チャンバ内の空間が、イオンビームを通過させる狭窄
部で連絡され、これらのガスセル及び上記真空チャンバ
内の空間に順次差圧を形成する差動排気機構が設けられ
ているものである。

【００１２】請求項１０の発明は、上記差圧を有するガ
スセルの間にガス循環流路が形成されているものであ
る。請求項１１の発明は、上記中性化室内に、荷電ガス
分子を吸引する電極が設けられ、この計測電極を介して
流れる電流を測定することにより生成原子線量を測定す
る原子線量測定装置が設けられているものである。請求
項１２の発明は、真空チャンバと、イオン源と、請求項
１ないし１０のいずれかに記載の中性化装置と、この中
性化装置からの原子線を照射すべきターゲットを保持す
るターゲット保持部とを有するものである。請求項１３
の発明は、イオン源からのイオンビームをイオンビーム
スキャン装置により走査し、請求項１ないし１０のいず
れかに記載の中性化装置を用いてこのイオンビームの経
路と中性化室の位置を連動させるものである。

【００１３】

【作用】請求項１の発明においては、ビーム経路に合わ
せて、中性化室のビーム入射孔とビーム射出孔を移動さ
れ、中性化が行われる。請求項２の発明においては、中
性化室駆動機構により中性化室がイオンビーム経路に交
差する方向に移動させられ、中性化室がイオンビーム経
路に機械的に位置合わせされる。請求項３の発明におい
ては、上記中性化室の前段において、例えばイオンビー
ム経路に直交する電磁場を発生させるイオンビームスキ
ャン装置によりイオンビーム経路が変えられ、所要の経
路に振られる。

【００１４】請求項４の発明においては、制御装置によ
り、上記中性化室駆動機構と上記イオンビームスキャン
装置を連動制御される。請求項５の発明においては、上
記中性化室駆動機構が、伸縮可能な気密管の中を挿通し
て上記中性化室につながれた連結部材により上記中性化
室を移動させる。この気密管は内外の差圧に耐えるとと
もに、連結部材の動作を妨げない適度の柔軟性を備えて
いる。請求項６の発明においては、連結部材と中性化室
の間の接続の自由度が高い。

【００１５】請求項７の発明においては、上記イオンビ
ームスキャン装置がイオンビームを平行移動させるの
で、原子線も平行移動し、ターゲット面に対して常に直
角に入射するようにされる。請求項８の発明において
は、上記イオンビームスキャン装置がイオンビームの向
きを変えるので、原子線のターゲットへの入射角度が少
し変わる。請求項９の発明においては、差動排気機構に
よりガスセルの間に順次差圧が形成され、真空チャンバ
に対して中性化室を高ガス圧とすることができる。請求
項１０の発明においては、ガス循環流路により、ガスが
循環再使用される。

【００１６】請求項１１の発明においては、原子線量測
定装置により、中性化室内の荷電ガス分子の持つ電荷が
計測され、これにより生成原子線量がリアルタイムで測
定される。請求項１２の発明においては、上記中性化装
置からの原子線がターゲットに導かれ、照射される。請
求項１３の発明においては、イオン源からのイオンビー
ムがイオンビームスキャン装置により走査され、上記の
中性化装置の中性化室駆動機構によってこの走査された
イオンビームの経路と中性化室の位置が機械的に連動さ
せられる。

【００１７】

【実施例】図１ないし図３は、本発明の一実施例の高速
電子線装置を示すもので、図中、符号１は全体として
「く」字状に屈曲した真空チャンバであり、内部は図示
しない主ポンプによって排気されて所定の低圧に保たれ
ている。

【００１８】この真空チャンバ１の端部には、図示しな
いイオン源が設けられ、高速のイオンビームＩをビーム
スキャン装置３に送るようになっている。ビームスキャ
ン装置３は電磁場を利用してイオンビームＩを走査す
る。走査されたイオンビームＩは屈曲部２でチャンバ１
の長手方向に沿った所定の経路に平行に導かれる。この
屈曲部２には、磁場もしくは電場を制御してイオンビー
ムＩを偏向させる偏向部（図示略）が設けてある。

【００１９】真空チャンバ１の長手部の中央には、中性
化装置Ｎが設けられており、これは、３つのガスセル
４，５，６からなる中性化室７を有している。そしてこ
の中性化装置Ｎは、中性化室７をチャンバ１の長手方向
に直交する方向に移動自在に支持する駆動・支持機構Ｄ
を有している。中性化室Ｎの出口側には、磁石８により
残留イオンを偏向させて取り除く残留イオン除去装置９
が設けられている。

【００２０】なお、これらの図では、残留イオンＩｒの
除去される方向が磁石８の配置と対応していないが、こ
れは図示の便宜上のものである。また、残留イオン除去
部９の磁場を制御することにより、図中破線のように残
留イオンＩｒを所定の場所に集めるようにしてもよい。
また、長手部の末端部には、原子線Ａのターゲットとな
る半導体基板１１がこれを保持する図示しない台上に取
り付けられている。

【００２１】ガスセル４，５，６はイオンビームＩの経
路に沿って並べられて中性化室７を構成し、オリフィス
（壁穴）１２に取り付けられたスリーブ（狭窄部）１３
によって連絡されている。スリーブ１３はそれぞれのガ
スセル４，５，６の中心軸線上に形成され、その径は必
要とされるビームの径よりもやや大きくなっている。ス
リーブ１３は、ガスに対するコンダクタンスを低下させ
るために設けられており、この狭窄部を通常のオリフィ
スで構成しても良い。

【００２２】３つのガスセルのうち中央のガスセル（高
圧室）５には、不活性ガスの供給源と連絡された供給管
１４が接続されており、これには流路調整弁１５が設け
られている。一方、これに隣接する２つのガスセル４，
６は、吸入管１６を介してターボ分子ポンプ１７の吸入
側に連絡されており、これらのターボ分子ポンプ１７の
排出側ポートは戻し管１８を介して合流させられ、更に
高圧室５に結合されている。このようにして、真空チャ
ンバ、低圧室、高圧室へと順次圧力を高くする差動排気
機構Ｐが構成されている。また、中央の高圧室５から隣
接するそれぞれのガスセル４，６を介してターボ分子ポ
ンプ１７、戻し管１８そして高圧室５へ戻る循環流路Ｃ
が形成されている。これによって中性化用ガスの再使用
による省コスト化を図っている。

【００２３】差動排気機構Ｐのターボ分子ポンプ１７は
真空チャンバ１の外に設置され、吸入管１６及び戻し管
１８は真空チャンバ１を貫通して、その貫通部１９で固
定されている。そしてこれらの管の真空チャンバ１内の
部分は、圧力差に耐えられる限りで柔軟性の大きい部材
からなるベローズ２０として構成されている。なお、こ
の吸入管１６及び戻し管１８の伸縮機構を、図４に示す
ように、互いに嵌め合わされた二重管２０ａとして構成
しても良い。この場合、可動部の動きがスムーズにな
り、高速稼働に対応できるとともに、変位距離も大きく
取ることができ、また、組み立ても簡単になるという利
点を有する。

【００２４】駆動・支持機構Ｄは、真空チャンバの外部
にある駆動源と中性化室７を連結する駆動ロッド２１を
有している。この駆動ロッド２１は、図３に示すよう
に、真空チャンバ１の断面において周方向等間隔に４つ
が、図２又は図４に示すように長手方向に２組設けら
れ、その内端は中性化室７に、外端はカム受板２２にそ
れぞれ自在継手２３を介して接続されている。このカム
受板２２は、真空チャンバ１の所定位置に形成された開
口部２４から外側に突出するべローズ管２５の外端に気
密状態で取り付けられている。そして、カム受板２２
は、その外面において、図示しない駆動モータにより回
転駆動される偏芯カム２６に接しており、偏芯カム２６
の回転に伴い径方向に往復移動するようになっている。

【００２５】駆動ロッド２１、カム受板２２及び偏芯カ
ム２６の組は、９０度づつ離れた位置に設けられている
ので、これらを独立に駆動制御することにより、偏芯カ
ム２６の振幅の範囲内でこの断面内の任意の位置に中性
化室７を移動させることができる。この駆動・支持機構
Ｄの駆動モータの制御装置は、中性化室７の狭窄部１３
の位置がイオンビームＩの位置と一致するようにビーム
スキャン装置３と連動するようになっている。

【００２６】なお、図２又は図４中の２７は、中性化室
７内でイオンビームＩと電荷交換を行って荷電したガス
分子を吸着して電荷交換を行い、それによって中性化さ
れたイオンビーム、つまり原子線の生成量を推定するた
めの測定電極である。これは網状の導体から形成され、
電流計２８を介して直流電源２９に接続され、イオンビ
ームＩと反対の符号の電荷（図示例では、イオンがプラ
スであり、測定電極２７の電荷はマイナスになってい
る。）を付与されるようになっている。

【００２７】次に、上記のように構成されたこの発明の
実施例の中性化装置Ｎ及び高速原子線装置の作用につい
て説明する。真空チャンバ１の内部は、主ポンプによっ
て、例えば１×１０^-5Torr以下の真空状態に保たれてい
る。この状態で、イオン源よりイオンビームＩが発生さ
せられ、ビームスキャン装置３及び屈曲部２において変
動電界もしくは磁界を受け、その質量とエネルギーの関
係で決まる角度偏向させられ、ターゲット１１の所定の
位置に常に垂直に当たるように走査される。この実施例
では、生成されるイオンビームＩは最終的に全て平行な
ビームとなるように制御される。

【００２８】中性化部７においては、不活性ガス源から
供給管１４、流量制御弁１５を介して制御された量の不
活性ガスが高圧室５に導入される。一方、ターボ分子ポ
ンプ１７の作用によって、高圧室５からスリーブ１３、
隣接するガスセル４，６を通り、ターボ分子ポンプ１
７、戻し管１８、供給管１４を介して高圧室５に循環す
る不活性ガスの循環流が形成されている。これにより、
使用されるガスの消費量が大幅に低減させられ、原料コ
ストが低下するとともに、常に新たなガスを補給すると
いう作業やそのための装置を省くことができる。スリー
ブ１３の径の大きさは、必要とされるビームの大きさに
よって決められ、約１５〜２０mm程度となっている。

【００２９】ターボ分子ポンプ１７の排気量は充分大き
く設定されているので、高圧室５と隣接するガスセル
４，６の間には、約１０² 程度の圧力差ができ、従っ
て、このような多段のガスセルと循環流路を設けること
によって、高圧室５の中は真空チャンバ１の低圧状態に
比べて約１０⁴ 程度高い圧力に保たれている。このよう
な圧力状態で保たれている不活性ガスの中にイオンビー
ムＩが通過することによって、イオンとガスの接触によ
りイオンがガスの電荷を受けて中性化させられ、原子線
Ａの流れとして後段の狭窄部１３からターゲット１１の
方向に向かって出て行く。

【００３０】電荷交換して荷電されたガス分子は、計測
電極２７に吸引され、接触して中性ガスに戻り、それに
より流れる電流は電流計２８により検知されて、生成原
子線量の推定データとして用いられる。原子線Ａの流れ
の中に含まれる中性化されずに残留しているイオンは、
残留イオン除去装置１０において一定の磁気を受けて偏
向させられて系外に除去される。原子線Ａはそのまま直
進して、ターゲット１１に照射され、基板のドーピング
作用を行う。

【００３１】この中性化装置Ｎ及び高速原子線装置にお
いては、中性化室自体をビームの変位に合わせて移動さ
せるので、狭窄部１３の径はビームの径に対応する大き
さに設定すればよく、従って、差動排気機構Ｐのポンプ
１７の負荷も小さい。しかも、狭窄部１３の径を変えず
にビームの走査を真空チャンバ１の断面の任意の範囲で
行えるので、ターゲット１１を回転させる必要がなくな
り、そのための回転台やその駆動機構を省くことがで
き、全体として装置の簡略化による設備コストの低下を
実現させることができる。また、この実施例の装置で
は、駆動・支持機構Ｄの一部としてべローズを用いてお
り、真空チャンバを介して気密性を維持しつつ中性化室
を駆動でき、比較的簡単な構成で発明の目的を達成し
た。

【００３２】図５は、この発明の第３の実施例を示すも
ので、第１，２の実施例がビームを平行移動するように
走査するものであるのに対し、この実施例は角度を付け
て振るように走査するもので、収差のために分解能は低
下するが、屈曲部２が不要となり真空チャンバ１の構造
が簡単になるという利点がある。駆動・支持機構の構成
及び作用は同様であるので、説明を省く。

【００３３】これらの実施例では、駆動ロッド２１を断
面において９０度間隔で４本配置して、中性化室７を断
面内で移動可能としたが、その必要がない場合には、２
本配置して直線移動させるようにしても良い。また、駆
動・支持機構Ｄとして、直接中性化室７を真空チャンバ
１の軸から偏芯させて回転させるような機構を採用する
ことも可能である。

【００３４】図６は、この発明の第４の実施例を示すも
ので、非接触型の駆動・支持機構Ｄを採用したものであ
る。すなわち、中性化室７の支持機構として、磁石ある
いは電磁石の磁気反発力を応用した磁気浮上装置を用
い、また、水平方向の移動駆動機構としてリニアモータ
を作用したものである。磁気浮上用磁石３０，３１，３
２，３３は、真空チャンバ１の上下壁と、中性化室７の
天板、底板の表面に取り付けられ、また、リニアモータ
３４の固定子３５は真空チャンバ１の外側に、可動子３
６は中性化室７の天板に取り付けられている。このよう
な非接触型の駆動・支持機構Ｄを用いることにより、真
空チャンバ１内の機械的可動部を排除して汚染の可能性
を減らすとともに、走査に対する応答性を向上させるこ
とも可能となる。

【００３５】なお、上記の実施例では、真空ポンプとし
てターボ分子ポンプ１７を用いたが、この発明はこれに
限られることなく、このような低圧において作動するこ
とができるポンプであればどのようなポンプを用いても
よく、例えばドライルーツポンプやオイルディフュージ
ョンポンプを用いることができる。また、上記の実施例
では、ターボ分子ポンプ１７を用いる場合は、ターボ分
子ポンプ１７を真空チャンバ１内に設け、中性化室７と
一体化させてもよい。これにより、ベローズを使用しな
くてもよい。従ってベローズ使用に伴う諸問題、例えば
寿命やコンタミネーションの発生を改善できる。

【００３６】また、この実施例においては、本発明を半
導体基板用の原子線注入装置に適用したが、本発明は高
速原子線を利用するものであれば広く使用でき、例え
ば、スパッタリング装置、エッチング装置、原子線によ
る加工装置などに用いることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
中性化室駆動機構により中性化室がイオンビーム経路に
機械的に位置合わせされるので、例えばビーム通過用の
狭窄部を長穴に形成する必要がなく、これにより差動排
気機構の負荷を大幅に減らすことができる。さらに、ビ
ームを２次元的に走査することにより、ターゲットを移
動させる必要がなくなり、全体として装置の簡素化が図
れ、設備のコストダウンに大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例の高速原子線装置の全
体構造を示す模式図である。

【図２】この発明の第１の実施例の中性化装置の要部を
示す模式図である。

【図３】この発明の第１の実施例の高速原子線装置の断
面図である。

【図４】この発明の第２の実施例の中性化装置の要部を
示す模式図である。

【図５】この発明の第３の実施例の高速原子線装置を示
す模式図である。

【図６】この発明の第４の実施例の中性化装置の要部を
示す斜視図である。

【図７】従来の中性化装置の構成を模式的に示す図であ
る。

【符号の説明】

１真空チャンバ３ビームスキャン装置４，５，６ガスセル７中性化室９残留イオン除去装置１１ターゲット１３スリーブ（狭窄部）１４供給管１６吸入管１７ターボ分子ポンプ１８戻り管２０べローズ２１駆動ロッド２２カム受板２３自在継手２５べローズ２６偏芯カム２７電極Ａ原子線ＩイオンビームＣ循環流路Ｄ駆動・支持機構Ｐ差動排気機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空チャンバ内においてイオンビームの
経路に沿って設置された中性化室を有し、この中性化室
内のガスと該イオンビームとの間で電荷を交換させてイ
オンビームを中性化する中性化装置であって、ビーム経
路に合わせて、中性化室のビーム入射孔とビーム射出孔
を移動させるように構成されたことを特徴とする中性化
装置。
【請求項２】上記中性化室を上記イオンビーム経路に
交差する方向に移動させる中性化室駆動機構を設けたこ
とを特徴とする請求項１に記載の中性化装置。
【請求項３】上記中性化室の前段にイオンビームの経
路を変えるイオンビームスキャン装置が設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の中性化装置。
【請求項４】上記中性化室駆動機構と上記イオンビー
ムスキャン装置を連動制御する制御装置を有することを
特徴とする請求項３に記載の中性化装置。
【請求項５】上記中性化室駆動機構は、伸縮可能な気
密管の中を挿通して上記中性化室につながれた連結部材
により上記中性化室を移動させることを特徴とする請求
項２ないし４のいずれかに記載の中性化装置。
【請求項６】上記連結部材は自在継手を介して中性化
室につながれていることを特徴とする請求項５に記載の
中性化装置。
【請求項７】上記イオンビームスキャン装置は、イオ
ンビームを平行移動させることを特徴とする請求項３な
いし６のいずれかに記載の中性化装置。
【請求項８】上記イオンビームスキャン装置は、イオ
ンビームの向きを変えることを特徴とする請求項３ない
し６のいずれかに記載の中性化装置。
【請求項９】上記中性化室は複数のガスセルから構成
され、これらのガスセル及び上記真空チャンバ内の空間
は、イオンビームを通過させる狭窄部で連絡され、これ
らのガスセル及び上記真空チャンバ内の空間に順次差圧
を形成する差動排気機構が設けられていることを特徴と
する請求項１ないし８のいずれかに記載の中性化装置。
【請求項１０】上記差圧を有するガスセルの間にガス
循環流路が形成されていることを特徴とする請求項９に
記載の中性化装置。
【請求項１１】上記中性化室内に、荷電ガス分子を吸
引する電極が設けられ、この電極を介して流れる電流を
測定することにより生成原子線量を測定する原子線量測
定装置が設けられていることを特徴とする請求項１ない
し１０のいずれかに記載の中性化装置。
【請求項１２】真空チャンバと、イオン源と、請求項
１ないし１１のいずれかに記載の中性化装置と、この中
性化装置からの原子線を照射すべきターゲットを保持す
るターゲット保持部とを有することを特徴とする高速原
子線装置。
【請求項１３】イオン源からのイオンビームをイオン
ビームスキャン装置により走査し、請求項１ないし１１
のいずれかに記載の中性化装置を用いてこのイオンビー
ムの経路と中性化室の位置を連動させることを特徴とす
る高速原子線の走査方法。