JPH09129173A - イオンビーム形成用のビームの粒子濾過方法及びその装置 - Google Patents

イオンビーム形成用のビームの粒子濾過方法及びその装置

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JPH09129173A JP8260561A JP26056196A JPH09129173A JP H09129173 A JPH09129173 A JP H09129173A JP 8260561 A JP8260561 A JP 8260561A JP 26056196 A JP26056196 A JP 26056196A JP H09129173 A JPH09129173 A JP H09129173A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】イオンビームの成分を調整する磁界を利用し
て、不要なイオンを除去したビームの粒子濾過方法及び
その装置を提供すること。 【解決手段】 イオン源12とイオン注入室17とを離し、
その間にイオンビーム経路(D) を形成した低エネルギイ
オン注入機10である。イオンビーム経路に沿って配置さ
れた質量分析磁石22が、イオン14を制御弓形経路で偏向
してイオンをビームからろ過する一方、一定の他のイオ
ンは注入室17へ進める。磁石22の多数の磁極片の内側に
面した極表面が、イオン偏向領域の一部を形成する。１
つまたは複数の導電性コイルが、磁極片付近の偏向領域
内に双極子磁界を発生する。追加コイルが、偏向領域内
での四極子磁界の発生を助ける。前記磁石の１つまたは
複数のコイルに電気接続されたコントローラ100 が、導
電性コイルを流れる電流を制御して磁極片付近の偏向領
域内に磁界を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、イオン注入機のイ
オンビーム形成を制御するための方法及び装置、特にイ
オンビームから不要種類のイオンを除去、すなわち濾過
できるようにイオンビームの成分を調整する磁界を利用
する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】イオンビーム注入機は、シリコンウェハ
をイオンビームで処理するために使用される。そのよう
な処理は、ｎまたはｐ型不純物半導体のドーピングを行
うために使用できるか、集積回路の製造中に不活性化層
を形成するために使用できる。
【０００３】半導体のドーピングに使用される場合、イ
オンビーム注入機は所望の不純物半導体を作り出すよう
に選択された種類のイオンを注入する。アンチモン、ヒ
素またはリン等の原料物質から発生したイオンを注入す
ることによってｎ型不純物半導体ウェハが製造される。
ｐ型不純物半導体ウェハを望む場合は、ホウ素、ガリウ
ムまたはインジウム等の原料物質から発生したイオンを
注入する。
【０００４】イオンビーム注入機は、イオン化できる原
料物質から正荷電イオンを発生するイオン源を備えてい
る。発生したイオンはビームになって、所定のビーム経
路に沿って加速されて注入部へ進む。イオンビーム注入
機は、イオン源と注入部との間に延在したビーム形成及
び整形構造部を備えている。ビーム形成及び整形構造部
はイオンビームを維持して、ビームが注入部まで進む途
中に通過する細長い内部キャビティすなわち領域を定め
ている。注入機を作動させる時、イオンが空気分子と衝
突することによって所定のビーム経路から逸れる可能性
を低くするため、この内部領域を脱気しなければならな
い。
【０００５】高電流イオン注入機（約５ミリアンペアの
ビーム電流）の場合、注入部のウェハは回転支持体の表
面に取り付けられる。支持体が回転すると、ウェハがイ
オンビーム内を通過する。ビーム経路に沿って移動して
いるイオンが回転中のウェハと衝突してそれに注入され
る。ロボットアームが、処理すべきウェハをウェハカセ
ットから引き出して、そのウェハをウェハ支持表面上に
位置決めする。処理後、ロボットアームがウェハをウェ
ハ支持表面から取り外して、処理済みウェハをウェハカ
セットへ戻す。
【０００６】本発明の譲受人であるイートン社（Ｅａｔ
ｏｎ）は、製品番号ＮＶ１０、ＮＶ−ＧＳＤ／２００、
ＮＶ−ＧＳＤ／１６０及びＮＶ−ＧＳＤ／８０の高電流
型注入機を現在販売している。これらの形式のイオン注
入機の現在のものは、イオン種の選択用扇形磁石を備え
ている。様々な種類のイオンがイオン源から放出され
る。これらの種類は同じ電荷であるが、質量が異なって
いる。現在の扇形磁石は、所望種類のイオンの軌道を隔
離するために様々なモーメント対電荷比の粒子を発散さ
せる双極子磁界を発生する。双極子磁界に加えて、その
ような磁石内に四極子磁界を発生する必要がある。これ
らの四極子磁界はビームを実行エンベロープ内に閉じ込
めて、ビームをビーム線に沿った位置にあって分解開口
を備えているウェスト部に集束する。ウェスト部より下
流側のビームには適正な質量を持ったイオンだけが残
る。
【０００７】「適正な」四極子磁界強さは、ビームがそ
れ自身の空間電荷密度の効果で発散する傾向に部分的に
依存しており、この空間電荷密度はビーム電流、エネル
ギ、質量などのパラメータと共に、残留ガス成分及び圧
力等のビーム線パラメータによって決まる。既存の高電
流注入機は広範なパラメータで作動できなければなら
ず、理想的にはイオンビームの最適伝送及び最適質量選
択を行うために様々な量の集束が必要である。
【０００８】イオン注入機に見られる現在の扇形磁石
は、四極子集束強さを一定にして構成されており、標準
のビームパラメータ組で最適作動をするように選択され
ている。これらの標準状態を外れると、特に非常に低エ
ネルギ（１０キロボルト未満）で高電流である場合、こ
れらのシステムの性能が大幅に低下する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、イオンビー
ムの成分を調整する磁界を利用して、イオンを弓形経路
で偏向させる際に、不要なイオンを除去したビームの粒
子濾過方法及びその装置を提供することを目的としてい
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、他のイオン注
入機パラメータに応じて容易に調整できる一次集束四極
子磁界を発生する。本発明に従って構成されたイオン注
入機は、イオンを放出するイオン源と注入室とを離して
設けており、イオンがイオン源から注入室へ移動する際
に通るイオンビーム経路を形成するイオン注入機構造部
をその間に設けている。
【００１１】注入機には、イオン源と注入部との間のビ
ーム経路に沿って配置されて、イオンビームから不要粒
子を濾過するためにイオンを弓形経路で偏向させる磁石
が設けられている。この磁石は、強磁性材からなる第１
及び第２磁極片を有しており、その磁極片の内側に面し
た極表面は、イオンビームが移動する磁界領域の両側に
位置している。磁石にはさらに、１つまたは複数の導電
性コイルが磁極片に近接配置されている。これらの一次
コイルは、第１及び第２磁極片の内側に面した極表面間
の磁界領域内に一次双極子磁界を発生させ、それによっ
て荷電粒子を磁界領域内で弓形経路に沿って曲げる。
【００１２】やはりイオンが曲がる弓形経路を形成して
電流を発生する１つまたは複数の追加導電性コイルによ
って四極子磁界集束が行われる。これらの四極子磁界は
磁極片間の領域内で双極子磁界に重なる。
【００１３】四極子及び双極子の両方の磁界の強さは、
前記磁石の一次及び追加導電性コイルに電気接続された
コントローラによって調整される。
【００１４】本発明に従って構成された磁石は、注入機
に融通性を与える。この融通性によって、注入機を低エ
ネルギ注入レベルで様々な種類のイオンに使用できるよ
うになる。本発明の上記及び他の目的、利点及び特徴
は、添付の図面を参照した本発明の好適な実施例の詳細
な説明から理解されるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら説明す
ると、図１はイオンビーム注入機10を示しており、これ
にはビーム経路を通って注入部１６まで進むイオンビー
ム１４を形成するイオンを発生するイオン源１２が設け
られている。注入部１６の注入室１７内でウェハ（図示
せず）が受け取るイオン添加量を監視及び制御するため
の電子コントローラ（図示せず）が設けられている。
【００１６】イオンビーム内のイオンは、図１に「Ｄ」
で示されている所定の所望ビーム経路を進む。ビーム経
路Ｄは、ビームがイオン源１２から注入部１６までの距
離を進む時に様々な量でビームを発散する。このビーム
発散によって生じる所定のビーム経路Ｄの「限界」が図
１にＤ’及びＤ”で示されている。
【００１７】イオン源１２に設けられたプラズマ室１８
の内部領域に原料物質が噴射される。原料物質は、イオ
ン化ガスまたは気化原料物質を含むことができる。固相
の原料物質を気化器に投入してから、プラズマ室１８内
へ噴射する。ｎ型不純物半導体ウェハ材を望む場合、ホ
ウ素、ガリウムまたはインジウムを使用する。ガリウム
及びインジウムは固形の原料物質であるが、ホウ素は気
体として、一般的に三フッ化ホウ素または二ホウ酸塩と
してプラズマ室内へ噴射されるが、これはホウ素の蒸気
圧が低すぎるために加熱するだけでは有効圧力が得られ
ないからである。
【００１８】ｐ型不純物半導体を形成しようとする場
合、固形原材料としてアンチモン、ヒ素またはリンを選
択できる。原料物質にエネルギを加えると、正荷電イオ
ンがプラズマ室１８内に発生する。正荷電イオンは、プ
ラズマ室１８の開放側に重ねられたカバープレートの楕
円形アークスリットを通ってプラズマ室内部から出る。
【００１９】原料物質をイオン化するためにマイクロ波
エネルギを利用したイオン源が、１９９４年９月２６日
に出願された米国特許出願第３１２，１４２号に開示さ
れており、これは本出願の譲受人に譲渡されている。米
国特許出願第３１２，１４２号は参考としてその開示内
容は、本説明に含まれる。イオンビーム１４はイオン源
１２から脱気経路を通って注入室１７まで進み、注入室
１７も脱気されている。ビーム経路の脱気は真空ポンプ
２１で行われる。
【００２０】プラズマ室１８内のイオンは、プラズマ室
のカバープレートのアークスリットから引き出されて、
プラズマ室に隣接した１組の電極２４によって質量分析
磁石２２に向けて加速される。電極組２４はプラズマ室
内部からイオンを引き出して、加速して質量分析または
質量分離用の磁石２２によって定められた領域内へ進め
る。磁石内を通るイオンビーム経路は、アルミニウムの
ビームガイド２６によって形成されている。
【００２１】イオンビーム14を構成するイオンは、イオ
ン源１２から出て、質量分析磁石２２によって形成され
た磁界に入る。磁石２２によって発生する磁界の強さ及
び向きは、電子コントローラ１００で磁石の界磁巻線を
流れる電流を調整することによって制御される。
【００２２】質量分析磁石２２は、適当な質量対電荷比
を備えたイオンだけがイオン注入部１６に到達できるよ
うにする。プラズマ室１８内の原料物質のイオン化で所
望の原子質量の正荷電イオンが発生する。しかし、所望
種類のイオンに加えて、イオン化処理によって適当な原
子質量以外のイオンも一部発生する。適当な原子質量よ
り高いか低い原子質量のイオンは注入に適していない。
【００２３】質量分析磁石２２によって発生する磁界に
よってイオンビーム内のイオンが湾曲軌道で移動する。
磁界は、所望種類のイオンの原子質量と等しい原子質量
を有するイオンだけがビーム経路を注入室１７まで進む
ように電子コントローラ１００によって形成される。
【００２４】磁石の下流側に分解プレート４０が配置さ
れている。分解プレート４０はガラス質グラファイトで
構成されており、それに設けられた細長い開口をイオン
ビーム１４内のイオンが通過する。分解プレート４０の
位置で、エンベロープＤ’、Ｄ”の幅によって定められ
るイオンビーム発散が最小になる。
【００２５】分解プレート４０は、質量分析磁石２２と
協働して、所望種類のイオンの原子質量に近いが同一で
はない原子質量を有する不要種類のイオンをイオンビー
ム１４から除去する。前述したように、質量分析磁石の
磁界の強さ及び向きは、所望種類の原子質量に等しい原
子質量を有するイオンだけが所定の所望ビーム経路Ｄで
注入部１６まで進むように、制御回路によって定められ
る。所望のイオンの原子質量よりはるかに大きいか、は
るかに小さい原子質量を有する不要種類のイオンは大き
く逸れて、ビームガイド２６か分解プレート４０で形成
されたスリット境界部分に衝突する。
【００２６】図１に示されているように、ファラディー
フラグ４２が、分解プレート４０とイオンビーム中和器
４４との間に配置されている。このファラディーフラグ
４２は、イオンビーム１４を遮断してビーム特性を測定
する位置へ回動できるように、ハウジング５０に回動可
能に連結されており、測定が満足できるものである時、
注入室１７でのウェハ注入を邪魔しないようにビーム線
から後退した位置へ旋回させることができる。
【００２７】ビーム形成構造部１３は、一般的に電子シ
ャワーと呼ばれるイオンビーム中和器４４も設けてい
る。１９９２年１１月１７日にベンベニスト(Benvenist
e)に許可された米国特許第５，１６４，５９９号がイオ
ンビーム注入機内の電子シャワー装置を開示しており、
その開示内容全体が参考として本説明に含まれる。プラ
ズマ室１８から引き出されたイオンは正帯電している。
イオンの正電荷がウェハの注入前に中和されない場合、
ドーピングを行ったウェハは有効正電荷を示す。第５，
１６４，５９９号特許に記載されているように、そのよ
うなウェハの有効正電荷は望ましくない特性を備えてい
る。
【００２８】中和器延長管５２の下流側端部が、ウェハ
にイオンが注入される注入室１７に隣接している。注入
室１７内にディスク形ウェハ支持体（図示せず）が回転
可能に支持されている。処理すべきウェハをウェハ支持
体の周縁部付近に位置決めしてから、支持体をモータ
（図示せず）で約１２００ＲＰＭで回転させる。イオン
ビーム１４が、円形経路で回転中のウェハに衝突してそ
れを処理する。注入部１６はハウジング５０に対して回
動可能であり、ハウジング５０に可撓性ベローズ６０
（図１）で連結されている。注入部１６が回動できるこ
とによって、ウェハに対するイオンビーム１４の入射角
を調整することができる。
【００２９】扇形磁石２２ 次に、図２〜図１５を参照しながら説明すると、磁石２
２はイオンを弓形経路で偏向させて、不適切な電荷対質
量比を有する粒子をイオンビームから濾過する。磁石
は、強磁性材からなる第１及び第２多部材式磁極片１１
０、１１２（図２及び図３）を備えている。磁極片の内
側に面した極表面１１４、１１６間に、イオンビーム１
４が移動する四辺形の磁界領域１２０（図３）が形成さ
れている。磁極片は、イオンがイオン注入室まで進む際
に通る真空領域を形成しているビームガイド２６の外側
に位置している。ビームガイドは透磁性材料、すなわち
アルミニウムで形成されているので、ガイドの存在によ
って領域１２０内の磁界が悪影響を受けることはない。
【００３０】イオン源１２から出たイオンは、引出し電
極２４で形成された強い磁界の作用を受けて、加速され
て磁石２２に入る。磁極片は、内側に面した極表面１１
４、１１６がイオン注入機のベース部に対して垂直な離
設平面上に位置するように向きが定められる。
【００３１】２つの一次導電性コイル（双極子磁界発生
コイル）１２２、１２３が、磁界領域１２０を二等分す
る磁石中心面１２５の両側に弓形イオンビーム経路を形
成している。本説明では、ｙ＝０の座標点がこの中心面
１２５上に位置する。強磁性の磁極片１１０、１１２と
コイル１２２、１２３を流れる電流とによって、第１及
び第２磁極片の内側に面した垂直方向の極表面１１４、
１１６間の磁界領域１２０内に一次双極子磁界Ｂ０が形
成される。この磁界Ｂ０は、垂直方向の極表面１１４、
１１６間の磁界領域１２０内を通る弓形経路に沿って荷
電粒子を曲げる。
【００３２】６個の追加導電性コイル（四極子磁界発生
コイル）１３０〜１３５（図２）が、イオンビームが進
む弓形経路の一方側に沿って延在する平面領域に電流を
発生する。６個の補助コイルが、ビーム中心面１２５の
反対側に、図２に示されてる６個のコイル１３０〜１３
５に対して面対称になる位置及び向きで配置されてい
る。これらの追加の６個のコイルのうちの２個の四極子
磁界発生コイル１３６、１３７が図３及び図５に示され
ている。これらのコイルの電流が、磁極片間の磁界領域
１２０内に一次双極子磁界Ｂ０に加えて四極子磁界成分
を生じる。
【００３３】電子コントローラ１００は、磁石の２個の
一次コイル１２２、１２３と１２個の追加導電性コイル
とに電気接続されている。コイルを適切に励磁させるこ
とによって、磁極片表面１１４、１１６間の磁界領域１
２０内に双極子及び四極子の両成分を備えた磁界が発生
する。
【００３４】図５に示されているように、磁石２２は、
磁石の入口開口１５０から磁石２２の出口開口１５２ま
で約１３５度の弓形円弧に沿って延在している。磁極片
はビームの弓形経路に沿って離設された導電性コイルに
よって分離されている多数部材またはセグメントで構成
されているので、磁石２２を分割形として説明してい
る。磁極片１１０は、３個の中間磁石部分１１０Ａ、１
１０Ｂ、１１０Ｃと、入口側磁石部分１１０Ｄと出口側
磁石部分１１０Ｅとで構成されている。
【００３５】３個の磁石片部分１１０Ａ、１１０Ｂ、１
１０Ｃは、磁石２２の半径方向内側部分の狭い部分から
磁石の半径方向外側部分の相対的に広い部分まで広がっ
た多数の磁極片部分に分割されている。
【００３６】５個の磁極片部分１１０Ａ〜１１０Ｅ及び
磁極片１１２の同様な５個の部分は２部材形ハブによっ
て支持されている。２つのハブ部材１５４、１５５が２
つの磁極片の半径方向内側部分を支持しており、２つの
ヨーク部材１５６、１５７を備えた２部材形ヨークが磁
極片の半径方向外側部分を支持している。
【００３７】ハブ及びヨークは共に、磁石２２及びイオ
ン源を支持している接地ハウジング３２に電気接続され
ている。磁石は磁石中心面の両側に磁極片を備えている
ので、垂直方向の磁石の場合、磁界領域１２０の左右側
の磁石部分と呼ぶのが便利である。水平方向の磁石につ
いては上下の磁石部分と呼ぶのが便利であろう。
【００３８】図６〜図８は、磁石２２の入口１５０から
見た時に中心面１２５の右側にあるコイル１２２を示し
ている。コイル１２２はほぼサドル形で、扇形磁石２２
の１３５度の円弧全体に延在した半径方向内側及び外側
の弓形部分２１４、２１６を備えている。磁石の入口１
５０において、コイル１２２は、磁界領域１２０から離
れる方向に曲がってイオンが磁界領域１２０に入るため
の流入路２１２を形成する端部部分２１８を設けてい
る。このコイル部分２１８は、領域１２０内に磁界が存
在することによってイオンビームが曲がる円弧とほぼ同
じ円弧に沿って曲がる半径方向に延びた内側及び外側の
２つの部分（セグメント）２１４、２１６を連結してい
る。コイルの出口端部のコイル部分２２０が、内側及び
外側の部分２１４、２１６を連結している。
【００３９】出口部分２２０は、電流を制御するために
電子コントローラ１００に電気接続されている２つのコ
ネクタ２２２、２２４を支持している。コネクタ間にお
いて、コイル１２２は多層２３０（本発明の好適な実施
例では８層）をなすほぼ正方形断面の銅管によって構成
されている。各層内には様々な半径の多数の（好ましく
は１４個の）並行の弓形部分が磁石全体に沿って配置さ
れている。
【００４０】イオン注入機の作動中に、銅管に設けられ
た中央通路に冷却液を流すことによって、コイル１２２
から熱を除去することができる。本発明の好適な実施の
形態では、冷却剤が水であって、２つのコネクタ２２
２、２２４の一方からコイルに流入して、他方のコネク
タから流出する。
【００４１】コイル１２２は、一本の銅管を曲げてコイ
ルの多層をなす多数の弓形部分を形成するようにして構
成されている。銅管は、中央通路を備えるように押し出
し加工で形成されて、細長い部分として準備される。管
を絶縁するために管の長手方向の周囲に絶縁テープを巻
き付ける。次に、絶縁管を曲げてコイル１２２の多数の
絶縁巻線を形成する。
【００４２】電気コネクタ２２２、２２４に直流バイア
スを印加する。電流は弓形部分２１４、２１６の１つを
下向きに流れて、部分２１８を通ってビーム中心線を横
切った後、別の弓形部分２１４、２１６を通って磁石の
出口端部に戻る。コイルは１本の連続銅管で形成されて
いるので、電流は一方のコネクタから他方へ同じ方向に
流れる。
【００４３】第２の一次コイル１２３も第１のコイル１
２２と同様に構成されている。制御電流がコイル１２３
を流れることができるように、コイル１２３に接続され
た電気コネクタが電子コントローラ１００に接続されて
いる。磁石の円弧に沿ったある一点における磁界領域１
２０に対する２つのコイル１２２、１２３の位置が図１
６に示されている。
【００４４】追加導電性コイル１３３の１つが図９〜図
１１に詳細に示されている。このコイル１３３が磁極片
１１０Ｂに接している。コイル１３３もサドル形であ
る。２つの弓形に延在した部分２５０、２５２が適当な
接着剤で磁極片１１０Ｂの内側に面した表面に取り付け
られている。半円形の部分２６０、２６２が、弓形に延
在した部分２５０、２５２を連結している。
【００４５】コイル１３３を構成する方法は、一次コイ
ル１２２の場合の構成方法と同様である。細長い管の長
手方向に沿って絶縁材を巻き付けてから曲げて、コイル
１３３を形成する。図９〜図１１に示されているコイル
は、磁極片１１０Ｂの表面に沿って並行に延在する１２
個の弓形部分２層を備えて、磁界領域１２０を形成して
いる。他の追加コイルも同様に構成されて、磁極片１１
０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃの内側に面した表面に取り付
けられている。
【００４６】コイル１３３は、コイルを流れる電流を制
御するために電子コントローラ１００によって電気的に
励起される入力コネクタ２６４、２６６を備えている。
また、コイルを構成するために管を使用しているため、
コイルを形成している管の中央に冷却剤を送り込むこと
によって、イオンがコイルに衝突することによって発生
した熱をコイルから取り除くことができる。
【００４７】図１６は、磁極片１１０Ｂの領域内の一次
コイル１２２、１２３及び追加コイル１３２、１３３を
示している。これらのコイルを流れる（磁極片１１０Ｂ
を通る断面の平面に出入りする）電流の方向がこの図面
に示されている。この電流構成は、電流の大きさ及び方
向を指示する電子コントローラ１００によって制御され
る。
【００４８】開示の電流構成は、制御回路１００による
制御コイル励磁によって得られるもので、領域１２０内
に一次磁界Ｂ０を生じる。四極子磁界を表す４本の磁界
線Ｑ１〜Ｑ４も図１６に示されている。
【００４９】磁界領域１２０を通過するイオンは力を受
ける。粒子に加えられる力の大きさは、粒子の速度及び
電荷に正比例し、磁界及び速度ベクトル（ｑＶＸＢ）に
直交する方向である。図１６の場合、図示の平面に入る
正荷電粒子は双極子磁界Ｂ０によって右方向に偏向して
磁石の円弧に沿って進む。
【００５０】移動中の荷電粒子が受ける磁界ベクトル量
は、双極子及び四極子磁界の重合したものである。磁界
内で移動中の粒子に加えられるベクトル力を決定するた
め、粒子の電荷及び速度の両方を知る必要がある。粒子
が受ける力を知るためには、例えば粒子が位置している
のが磁石中心面１２５のどちら側かを知るだけでは不十
分である。粒子が移動している方向も知る必要がある。
【００５１】図１６に示されている磁界形状の場合、磁
石はある平面の粒子を集束させ、垂直平面の粒子を放散
させる。個別に制御可能な磁石コイルからなる多数部分
を備えた分割形磁石を用いることによって、ズームレン
ズ効果が可能になる。これによって、開口４０の領域の
ビームウェスト部を通過する利用可能なイオンの割合が
大きくなる。
【００５２】図１７は、分割形磁石のズームレンズ特徴
を説明している。３つの磁石セグメントＡ、Ｂ、Ｃが図
の上部に示されている。これらの３つのセグメントは、
図２に示されている磁極片セグメント１１０Ａ、１１０
Ｂ、１１０Ｃの領域に発生する磁界に対応している。図
１７は、イオン源アークスリットの中心からずれた粒子
の２種類の制御された偏向を示している。この図面で
は、ｘ平面が、磁石中心面１２５に相当している。ｙ平
面は、実際には磁石を通る中央光線軌道に沿って湾曲し
ている。
【００５３】図１７の上部に示されている偏向経路は、
磁石中心面から２５ｍｍ変位しているが速度ベクトルが
異なっている、イオン源から出た２つの荷電イオンを示
している。これらの速度ベクトルによってイオンが磁石
を通過して許容軌道Ｔ１、Ｔ２内を移動することによっ
て、それらはビームウェストを通過して注入室内でター
ゲットに衝突する。前述したように、高エネルギの従来
型注入機は機械式四極子集束が固定されており、低エネ
ルギ用に調節したり、イオン源から与えられる添加量を
高めるように容易に調節することができなかった。
【００５４】図１７では、部分Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれの
集束を交替することができる。隣接部分のコイル電流の
方向を逆向きにすることによってズームレンズ効果が得
られる。図１６に示されているように、コイル１３２、
１３３、１３６、１３７用の電流は、磁界領域１２０に
隣接した図示の平面に入る。これらのコイルは「Ｂ」ゾ
ーン内に四極子磁界を形成することができる。「Ａ」ゾ
ーン（第１ゾーン）では、領域１２０に接しているコイ
ル１３０、１３１の電流の向きが逆であるため、「Ａ」
ゾーンについて図１６と同様な図面を作製すると、２つ
のコイル１３０、１３１の電流が図面の平面に入ること
になるであろう。
【００５５】図１７は、ｘ＝２５ｍｍ、ｙ＝０のイオン
源から出た１対の軌道と、ｙ＝２５ｍｍ、ｘ＝０から出
た別の軌道対とを示している。図面の上部の「ｘ」軌道
はｙ＝０平面上に残って、Ａ、Ｂ、Ｃの各第１，第２，
第３ゾーンにおいてそれぞれ放散、集束、放散の効果を
示す。
【００５６】図１７の下部の「ｙ」軌道はｘ＝０平面上
に残って、Ａ、Ｂ、Ｃの各ゾーンにおいてそれぞれ集
束、放散、集束の逆効果を示す。ビームのエンベロープ
の境界を示すため、軸から最も離れた光線が点線２７０
に非常に接近しているように示されている。
【００５７】コイル内の電流の大きさ及び方向の両方を
選択的に制御することによって、適当な種類のイオンの
最大流量がターゲットに達するように、イオン源を出る
ビームを集束させることが可能である。これは最も一般
的には、ビーム電流を実験的に監視し、その電流を最大
にするようにコイル電流を調節することによって達成さ
れる。
【００５８】図１７は、点Ｐ１、Ｐ２のｘ＝０すなわち
中心面座標で反射する２つの軌道を進むイオンを示して
いる。ｘ及びｙ平面を中心に対称的であるため、半分の
平面の軌道を示すのが一般的であるが、イオンは実際に
はビーム中心面を横切る。例えば、軌道Ｔ２を進む粒子
は、点Ｐ１で磁石を出た直後に中心面を横切る。２つの
他の軌道Ｔ３、Ｔ４が図１７に示されている。これらの
２つの軌道は、イオン源の「ｙ」中心から２５ｍｍだけ
変位して異なった速度で移動中のイオンに相当してい
る。
【００５９】以上に本発明をある程度特定化して説明し
てきたが、添付の請求項に定義されている発明の精神の
範囲内において追加、変更、削除を加えることができる
ことは当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン源、ビーム形成及び成形構造部及び注入
室を備えたイオンビーム注入機の、一部断面図で示す側
面図である。
【図２】適当な電荷対質量比の粒子のイオン源から注入
室への進行の制御に使用される磁石の斜視図である。
【図３】図２に示されている磁石の概略図である。
【図４】図２に示されている磁石の分解断面図である。
【図５】図２に示されている磁石の、磁界が制御される
磁石の磁界領域から見た拡大側面図である。
【図６】図２に示されている磁石の一部を形成している
双極子磁界発生コイルの上面図である。
【図７】双極子磁界発生コイルの、図６の７−７面から
見た側面図である。
【図８】双極子磁界発生コイルの、図６の８−８面から
見た平面図である。
【図９】図２に示されている磁石に使用する四極子磁界
発生コイルの側面図である。
【図１０】四極子磁界発生コイルの、図９の１０−１０
面から見た平面図である。
【図１１】四極子磁界発生コイルの、図９の１１−１１
面から見た平面図である。
【図１２】図２の磁石を構成するために使用される多数
の磁極片の１つの平面図である。
【図１３】磁極片の、図１２の１３−１３平面から見た
図面である。
【図１４】磁極片の、図１２の１４−１４平面から見た
図面である。
【図１５】四極子コイル及び磁極片に対して位置決めさ
れた双極子コイルの一部を示す磁石の一部の斜視図であ
る。
【図１６】コイルの制御励磁によって発生した磁極間の
磁界を示す、磁極片及び磁界発生コイルの概略図であ
る。
【図１７】本発明に従って構成された分割形磁石の３つ
のセグメントを通るイオン軌道の概略図である。
【符号の説明】
１４ イオンビーム ２６ ビームガイド １００ 電子コントローラ １１０、１１２ 磁極片 １２０ 磁界領域 １２２、１２３ 一次導電性コイル １３０、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１
３６、１３７ 追加導電性コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390033020 Ｅａｔｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌ ａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イオンビーム（１４）から粒子を濾過す
    る方法であって、 ａ）イオンビームを磁界領域（１２０）内を通過させる
    段階と、 ｂ）少なくとも１つの双極子磁界発生コイル（１２２、
    １２３）を励磁することによって磁界領域内に双極子磁
    界（Ｂ０）を発生する段階と、 ｃ）少なくとも１つの四極子磁界発生コイル（１３０、
    １３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１
    ３７）を励磁することによって磁界領域内に双極子磁界
    に重なる四極子磁界（Ｑ１、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ４）を発生
    する段階と、 ｄ）少なくとも１つの双極子磁界発生コイル及び少なく
    とも１つの四極子磁界発生コイルの励起を制御すること
    によって、イオンビームが磁界領域内を通過する時にイ
    オンビームから粒子を濾過する段階と、を有しているこ
    とを特徴とするイオンビーム注入機のイオンビーム形成
    方法。
  2. 【請求項２】 通過段階（ａ）は、磁界領域を横切って
    いる透磁性ビームガイド（２６）内にイオンビームを通
    過させることを有していることを特徴とする請求項１に
    記載の方法。
  3. 【請求項３】 双極子磁界を発生するのための励磁段階
    （ｂ）は、 ｉ）磁界領域を二等分する平面（１２５）の第１側に配
    置された第１の双極子磁界発生コイル（１２２）を励磁
    し、 ｉｉ）二等分平面（１２５）の第１側とは反対の第２側
    に配置された第２の双極子磁界発生コイル（１２３）を
    励磁することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 四極子磁界を発生するための励磁段階
    （ｃ）は、 ｉ）磁界領域を二等分する平面（１２５）の第１側に配
    置された第１対の四極子磁界発生コイル（１３０、１３
    １）を励磁し、 ｉｉ）二等分平面（１２５）の第１側とは反対の第２側
    に配置された第２対の四極子磁界発生コイル（１３６、
    １３７）を励磁することを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
  5. 【請求項５】 少なくとも１つの双極子磁界発生コイル
    及び少なくとも１つの四極子磁界発生コイルに、冷却剤
    を送る段階をさらに有していることを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  6. 【請求項６】 濾過されたイオンビームを分解プレート
    （４０）の開口に通し、さらに、この濾過されたイオン
    ビームでターゲットを処理することを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  7. 【請求項７】 移動段階（ａ）は、イオンビームを磁界
    領域の少なくとも２つの連続ゾーン（Ａ、Ｂ、Ｃ）を通
    過させることを有しており、 四極子磁界を発生するための励磁段階（ｃ）は、 ｉ）第１組の少なくとも１つの四極子磁界発生コイル
    （１３０、１３１、１３６、１３７）を励磁することに
    よって磁界領域の第１ゾーン（Ａ）に四極子磁界を発生
    し、 ｉｉ）第２組の少なくとも１つの四極子磁界発生コイル
    （１３２、１３３）を励磁することによって磁界領域の
    第２ゾーン（Ｂ）に四極子磁界を発生することを特徴と
    する請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 制御段階（ｄ）は、第１組の少なくとも
    １つの四極子磁界発生コイルの励磁及び第２組の少なく
    とも１つの四極子磁界発生コイルの各励磁を選択的に制
    御することを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 四極子磁界を発生するための励磁段階
    （ｃ）は、第３組の少なくとも１つの四極子磁界発生コ
    イル（１３４、１３５）を励磁することによって磁界領
    域の第３ゾーン（Ｃ）に四極子磁界を発生することを含
    み、 制御段階（ｄ）は、第３組の少なくとも１つの四極子磁
    界発生コイルの励磁を選択的に制御することを含んでい
    る請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 イオン源（１２）からイオンを放出
    し、イオンをイオン源から加速して送り出すことによっ
    てイオンビームを形成する段階と、 イオンビームの弓形移動経路の各側に第１及び第２の弓
    形に延在する磁極片（１１０、１１２）を配置して、内
    向きの極表面（１１４、１１６）が磁界中心面（１２
    ５）の両側に位置するように設ける段階と、 少なくとも１つの双極子発生コイルを弓形に延在する磁
    極片に沿って配置することによって、前記第１及び第２
    の弓形に延在する磁極片の一方から前記第１及び第２の
    弓形に延在する磁極片の他方まで磁界領域を横切って延
    在する双極子磁界を形成する段階と、 前記第１及び第２弓形磁極片の内側に面した表面と磁界
    領域との間に複数の少なくとも１つの四極子磁界発生コ
    イルを介在させる段階とを有しており、 制御段階（ｄ）は、少なくとも１つの双極子磁界発生コ
    イル及び四極子磁界発生コイルを選択的に励磁すること
    によって、磁極片間の領域内に制御四極子磁界を形成す
    る段階を有しており、 磁界領域内の磁界はイオン源から出たイオンビーム内の
    イオンを遮断することによって、特定の質量対電荷比以
    外の比を備えたイオンをイオンビームから選択的に濾過
    することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 第１及び第２磁極片の各々は、複数の
    弓形磁極セグメント（１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ）
    で構成されており、 磁極片の各磁極セグメントは、少なくとも１つの四極子
    磁界発生コイルの１つを支持することによって、磁極セ
    グメントの表面に沿って電流を生じるようにしており、 四極子磁界を発生するための励磁段階（ｃ）は、対向の
    磁極セグメントに取り付けられた四極子磁界発生コイル
    を励磁することによって、第１及び第２磁極片間に連続
    的に生じた磁界領域（Ａ、Ｂ、Ｃ）内を通過するイオン
    の集束または放散を生じる段階を有していることを特徴
    とする請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 制御段階（ｄ）は、第１及び第２対の
    磁極片に取り付けられた四極子磁界発生コイルの励磁を
    制御することによって、第１対の磁極片セグメントによ
    って形成された第１磁界領域内の特定平面の方へイオン
    を集束させ、またイオンが第１磁界領域に続いて入る第
    ２対の磁極片によって形成された第２磁界領域内の特定
    平面からイオンを放散させる段階を有していることを特
    徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 イオンビーム（１４）から粒子を濾過
    する装置であって、 ａ）イオンビームが通過する磁界領域（１２０）を形成
    する構造部（２６、１１０、１１２）と、 ｂ）磁界領域内に双極子磁界（Ｂ０）及び四極子磁界
    （Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）の両方を発生するように磁
    界領域に対して構造部と共に配置されて、イオンビーム
    が磁界領域を通過する時にイオンビームから粒子を濾過
    する複数の導電性コイル（１２２、１２３、１３０、１
    ３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３
    ７）と、 ｃ）複数の導電性コイルを励磁することによって双極子
    磁界及びその双極子磁界に重ねた四極子磁界を発生する
    ことができるコントローラ（１００）とを有しているこ
    とを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】 構造部は、磁界領域を形成するように
    互いに対して配置された少なくとも２つの磁極片（１１
    ０、１１２）を有していることを特徴とする請求項１３
    に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 構造部は、磁界領域を横切るように配
    置された透磁性ビームガイド（２６）を有しており、イ
    オンビームはビームガイド内を移動することを特徴とす
    る請求項１３に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 ビームガイドは、イオンビームが移動
    する低圧領域を維持するための閉鎖空間を形成している
    ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 複数の導電性コイルは、磁界領域を二
    等分する平面（１２５）の第１側に配置された第１の双
    極子磁界発生コイル（１２２）と、二等分平面の第１側
    とは反対の第２側に配置された第２の双極子磁界発生コ
    イル（１２３）とを有していることを特徴とする請求項
    １３に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 複数の導電性コイルは、磁界領域を二
    等分する平面（１２５）の第１側に配置された第１対の
    四極子磁界発生コイル（１３０、１３１）と、二等分平
    面の第１側とは反対の第２側に配置された第２対の四極
    子磁界発生コイル（１３６、１３７）とを有しているこ
    とを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 複数の導電性コイルの１つは、それぞ
    れイオンビームの弓形移動経路に沿って延在した第１半
    径方向セグメント（２１４、２５２）と第２半径方向セ
    グメント（２１６、２５０）とを有していることを特徴
    とする請求項１３に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 複数の導電性コイルの１つは、複数の
    層（２３０）をなすように構成された導電性管であっ
    て、各層は半径が異なった複数の弓形セグメントを有し
    ていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 複数の導電性コイルの各々は、冷却剤
    を送るための通路を備えた管を有していることを特徴と
    する請求項１３に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 イオンビームを形成するためにイオン
    を発生するイオン源（１２）と組み合わせて、濾過イオ
    ンビームが通過する開口を備えた分解プレート（４０）
    と、ターゲットを濾過イオンビームで処理するイオン注
    入部（１６）とを有していることを特徴とする請求項１
    ３に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 複数の導電性コイルと共に配置された
    構造部は、イオンビームが通過する磁界領域の少なくと
    も２つの連続ゾーン（Ａ，Ｂ，Ｃ）を形成しており、 複数の導電性コイルは、磁界領域の第１ゾーン（Ａ）に
    四極子磁界を発生する第１組の少なくとも１つの四極子
    磁界発生コイル（１３０、１３１、１３６、１３７）
    と、磁界領域の第２ゾーン（Ｂ）に四極子磁界を発生す
    る第２組の少なくとも１つの四極子磁界発生コイル（１
    ３２、１３３）とを有していることを特徴とする請求項
    １３に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 構造部は、それぞれが第１組の少なく
    とも１つの四極子磁界発生コイルと共に配置されて磁界
    領域の第１ゾーンを形成する１対の磁極片（１１０、１
    １２）を有していることを特徴とする請求項２３に記載
    の装置。
  25. 【請求項２５】 コントローラは、第１組の少なくとも
    １つの四極子磁界発生コイルの励磁及び第２組の少なく
    とも１つの四極子磁界発生コイルの励磁を選択的に制御
    することを特徴とする請求項２３に記載の装置。
  26. 【請求項２６】 複数の導電性コイルは、磁界領域の第
    ３ゾーン（Ｃ）に四極子磁界を発生する第３組の少なく
    とも１つの四極子磁界発生コイル（１３４、１３５）を
    有しており、 コントローラは、第３組の少なくとも１つの四極子磁界
    発生コイルの励磁を選択的に制御することを特徴とする
    請求項２５に記載の装置。
  27. 【請求項２７】 イオンを放出してイオンビームを形成
    するイオン源（１２）及びイオン源から離して設けられ
    た注入室（１７）と組み合わされて、イオンがイオン源
    から注入室へ移動する際に通るイオンビーム経路を形成
    する装置であって、 構造部及び複数の導電性コイルは、イオン源と注入室と
    の間のイオンビーム経路に沿って配置された磁石（２
    ２）を形成して、イオンを弓形経路で偏向させることに
    よって不要粒子をイオンビームから濾過できるようにし
    ており、 構造部は強磁性材からなる第１及び第２磁極片（１１
    ０、１１２）を有しており、その磁極片の内側に面した
    極表面（１１４、１１６）間に、イオンビームが移動す
    る磁界領域が形成されており、 複数の導電性コイルは、 ｉ）第１及び第２磁極片の内側に面した極表面間の磁界
    領域内に双極子磁界を発生させることによって、イオン
    ビームを形成する荷電粒子を磁界領域内の弓形経路に沿
    って曲げることができる、磁極片に近接配置された少な
    くとも１つの双極子磁界発生コイル（１２２、１２３）
    と、 ｉｉ）磁極片間の磁界領域内において四極子磁界を双極
    子磁界に重ねるためにイオンビームが進む弓形経路に沿
    って電流を発生する少なくとも１つの四極子磁界発生コ
    イル（１３０、１３１、１３２、１３３、１３４、１３
    ５、１３６、１３７）とを有していることを特徴とする
    請求項１３に記載の装置。
  28. 【請求項２８】 少なくとも１つの四極子磁界発生コイ
    ルは、磁極片に取り付けられて、磁極片の内側に面した
    表面と磁界領域との間に配置されていることを特徴とす
    る請求項２７に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 内側に面した極表面は、ほぼ平坦で、
    磁石の磁界中心面（１２５）の両側に離して設けられて
    おり、 少なくとも１つの双極子磁界発生コイル（１２２、１２
    ３）の２つが磁界中心面（１２５）の両側で互いに当接
    して、ほぼ閉鎖状の磁界領域を形成していることを特徴
    とする請求項２７に記載の装置。
  30. 【請求項３０】 第１及び第２磁極片は、多数の磁極片
    セグメント（１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ）に分割さ
    れており、少なくとも１つの四極子磁界発生コイルは、
    磁極片セグメントによって定められた領域内に四極子磁
    界を形成する特別な磁極片セグメントに取り付けられて
    いることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
  31. 【請求項３１】 少なくとも１つの双極子磁界発生コイ
    ルの２つが、磁石内のイオンビーム移動経路の弓形部分
    の側部に沿って延在し、イオンが磁石に入る入口及び出
    口開口（１５０、１５２）を形成できるように移動経路
    から離れる方向に曲がったサドル形コイルを形成してい
    ることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
  32. 【請求項３２】 少なくとも１つの双極子磁界発生コイ
    ルの２つが、磁石内のイオンビーム移動経路の弓形部分
    の側部に沿って延在した弓形コイル部分を形成し、 この２つのコイルの弓形部分（２１４，２１６）が、磁
    界領域を二等分する磁界中心面（１２５）に沿って互い
    に当接していることを特徴とする請求項２７に記載の装
    置。
  33. 【請求項３３】 第１及び第２磁極片は、磁石の半径方
    向内側部分の狭い部分から磁石の半径方向外側部分の相
    対的に広い部分まで広がった多数の磁極片セグメント
    （１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ）に分割されているこ
    とを特徴とする請求項２７に記載の装置。
JP26056196A 1995-10-19 1996-10-01 イオンビーム形成用のビームの粒子濾過方法及びその装置 Expired - Fee Related JP3721462B2 (ja)

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