JPH10261379A - イオン照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高効率の低エネルギーイオン照射装置を提供す
る。 【解決手段】イオン源室１０から引き出されたイオンビ
ームをイオン分離器２１によって所望のイオン種に分離
し、イオン減速器４２で減速させ、処理対象物に照射す
る。このイオン照射装置２では、イオンビームはイオン
分離器によって集束されて焦点を結び、発散した後、イ
オン減速器４２が再度集束させる。イオン減速器４２よ
りも前方にコンデンサレンズ３２を配置し、コンデンサ
レンズ３２への印加電圧を制御すると、焦点が適切な位
置で結ばれるようにできる。イオンビームの透過効率を
向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン照射装置の技
術分野にかかり、特に、低エネルギーイオン照射装置の
透過効率を向上させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン照射装置は、例えば半導体基板へ
の不純物注入や表面のエッチングの他、ダイヤモンド薄
膜を製造するためにも用いられており、所望元素を含む
化合物ガスをプラズマ化し、イオンビームとして引き出
して処理対象物に照射する装置である。

【０００３】イオン照射装置を、イオンビームのエネル
ギーで分類した場合、高エネルギーイオン照射装置と低
エネルギーイオン照射装置とに分けることができる。高
エネルギー照射装置を用いてイオン照射を行うと例えば
深い拡散を形成できるが、高密度化した半導体デバイス
では、拡散深さは増々浅くなる傾向にあることから、近
年では低エネルギーのイオン照射装置が多用されてい
る。

【０００４】図４の符号１０２は、その低エネルギーの
イオン照射装置であり、イオン源室１１０、主チャンバ
ー１０５、減速室１６０、試料室１７０を有している。
イオン源室１１０内には、イオン化器１１２が設けられ
ており、そのイオン化器１１２内に照射対象の化合物ガ
スを導入し、フィラメント１１３に通電して熱電子を放
出させると導入ガスがプラズマ化し、イオンビームとし
て引き出され、主チャンバー１０５内に入射する。

【０００５】主チャンバー１０５は、イオン分離室１２
０と偏向室１４０とに区分けされており、イオン分離室
１２０にはイオン分離器１２１が設けられ、偏向室１４
０には偏向器１４２が設けられている。

【０００６】イオン分離室１２０内では、イオン分離器
１２１によって磁界が形成されており、イオンビームが
入射すると、その磁界によって質量分析が行われ、所望
のイオン種から成るイオンビームだけが、イオン分離器
１２１後段のコリメータ１３１を通過する。その質量分
析が行われる際に、イオンビームはイオン分離器１２１
によって集束され、コリメータ１３１を通過して偏向室
１４０内に入射する。

【０００７】偏向室１４０内では偏向器１４２によって
電界が形成されており、入射したイオンビームの軌道
は、角度θだけ光軸方向が曲げられ、後段の減速室１６
０側に向けて射出される。

【０００８】減速室１６０の入り口には、中央にスリッ
ト１６４が設けられた中性粒子除去板１６３が配置され
ており、イオン分離器１２１によって集束させられ、偏
向器１４２によって軌道が曲げられたイオンビームは、
スリット１６４付近に焦点を結び、スリット１６４を通
過したイオンビームは後段のイオン減速器１６５に入射
する。

【０００９】前段の偏向器１４２に入射するイオンビー
ムの中には、電子と結合し、電荷を失った中性粒子が混
入しているが、その中性粒子は偏向器１４２内を直進
し、中性粒子除去板１６３と衝突する。従って、中性粒
子はスリット１６４を通過できず、イオン減速器１６５
内に侵入しない。

【００１０】イオンビームはイオン減速器１６５の前方
で一旦焦点を結んでおり、イオン減速器１６５に入射す
る際には発散しているが、イオン減速器１６５がイオン
ビームを減速させると共に集束させ、後段の試料室１７
０のターゲットチャンバー１７１内に向けて射出する。

【００１１】ターゲットチャンバー１７１内には、試料
取付台１７３とファラデーカップ１７２が設けられてお
り、試料取付台１７３上に予めシリコンウェハー等の処
理対象物を配置しておくと、ファラデーカップ１７２に
よってイオンビーム電流量を測定しながら処理対象物へ
のイオン照射を行うことができる。

【００１２】以上説明したように、このイオン照射装置
１０２では、イオン分離器１２１とイオン減速器１６５
によってイオンビームが集束されているが、イオン分離
器１２１により、イオン減速器１６５の前方で一旦焦点
が結ばれ、その後発散するように構成されている。従っ
て、イオン減速器１６５で再度集束されたイオンビーム
が、処理対象物に照射される。

【００１３】しかし、イオンビームの引出電圧や導入ガ
ス圧力が変動すると、イオン化器１１２内のプラズマ形
状が変化し、イオンビームの焦点位置が移動してしまう
場合がある。イオン分離器１２１やイオン減速器１６５
では、イオンの引出電圧が決まるとビーム軌道が定ま
り、必然的に焦点位置が決まるためイオンビームの焦点
を一定の位置に保つことができない。

【００１４】焦点が適切な位置から移動した場合には、
例えば偏向器１４２を通過したイオンビームが広がり、
周辺部分が中性粒子除去板１６３によって遮蔽される
と、スリット１６４を通過するイオンビーム量が減少す
るため、イオンの照射効率が低下してしまう。

【００１５】また、イオン減速器１６５によってイオン
ビームを減速させ、エネルギー減衰を行う場合に、仮に
引き出し電圧が２０ｋＶとして試料に照射する電圧を２
００ｋＶとした場合には１／１００の減速率となる。減
速率の最適な値は１／２００〜１／１００という幅広い
範囲にあり、減速率を変化させた場合、同時にイオン減
速器１６５の集束率も変化してしまうため、焦点位置が
移動する結果、減速室１６０内を通過できるイオンビー
ム量が減少し、イオン照射効率が低下するという問題が
あった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたもので、その目的
は、高効率の低エネルギーイオン照射装置を提供するこ
とにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、イオン源室と、前記イオン
源室から引き出されたイオンビームを所望のイオン種に
分離するイオン分離器と、前記分離後のイオンビームを
減速させるイオン減速器とを有し、前記イオン分離器に
よって集束されて焦点を結び発散するイオンビームを、
前記イオン減速器が再度集束させるように構成されたイ
オン照射装置において、前記イオン減速器よりも前方に
コンデンサレンズが配置され、前記コンデンサレンズへ
の印加電圧を制御すると、前記焦点の位置を移動できる
ように構成されたことを特徴とする。

【００１８】この請求項１記載のイオン照射装置では、
請求項２記載の発明のように、前記コンデンサレンズ
は、前記イオン分離器の後方に設けることができる。

【００１９】また、請求項１又は請求項２のいずれか１
項記載のイオン照射装置については、請求項３記載の発
明のように、前記イオン減速器の入り口にスリットを設
け、前記コンデンサレンズへの印加電圧を制御すると、
前記イオンビームの焦点を、前記スリット内、又はその
近傍に結べるように構成するとよい。

【００２０】この場合、請求項４記載の発明のように、
前記スリットの前段に偏向器を設け、その偏向器に電圧
を印加して、イオンビーム中の荷電粒子を前記スリット
方向に曲げ、中性粒子を直進させて、中性粒子を除去す
るようにするとよい。

【００２１】一般に、イオン照射装置は、イオン源室と
イオン分離器とを有しており、イオン源室からイオンビ
ームを引き出し、イオン分離器に入射させ、所望のイオ
ン種を分離させる際にイオンビームを集束させるように
構成されている。

【００２２】特に低エネルギーイオン照射装置ではイオ
ン減速器を有しており、イオン分離器で集束され、一旦
焦点を結んだ後、発散するイオンビームを、イオン減速
器によって減速させる際に再度集束させ、処理対象物に
照射するように構成されている。

【００２３】ところが、イオン分離器では、質量分析を
優先して行う必要があるため、その集束率を制御するこ
とができない。また、イオン減速器によってイオンビー
ムの減速率を変化させる場合には、その集束率も変化し
てしまう。従って、イオンビームの焦点位置を自由に移
動させることはできない。イオンビームの焦点が適切な
位置からはずれてしまうと、イオン照射装置内のイオン
ビームの透過率が低下し、効率が悪化してしまう。

【００２４】本発明のイオン照射装置では、イオン減速
器よりも前方に配置されたコンデンサレンズに電圧を印
加すると、イオン分離器で集束されたイオンビームを更
に集束させられるように構成されている。従って、コン
デンサレンズが動作しない状態では、イオンビームは、
イオン減速器内、又はそれよりも後方で焦点を結ぶよう
にしておき、コンデンサレンズへ電圧を印加し、イオン
ビームの焦点位置をイオン減速器よりも前方の適切な位
置まで移動させ、イオンビームの透過率を高めることが
できる。

【００２５】このようなコンデンサレンズはイオン分離
器の前方に設けてもよいが、前方に設けると質量分離器
によるレンズの効果の集束率の補正をすることが難しく
なる。従って、コンデンサレンズが動作しない状態で
は、イオンビームの焦点が後方にある程、焦点を移動さ
せられる範囲が広がる。イオン源室とイオン分離器とが
近接した方がイオンビームの焦点は後方に結ばれるの
で、イオン源室とイオン分離器とを近接配置する際に邪
魔にならないよう、コンデンサレンズはイオン分離器の
後方に設ける方がよい。

【００２６】イオン減速器の入り口にスリットが設けら
れている場合には、コンデンサレンズへの印加電圧を制
御し、イオンビームの焦点が、そのスリット内、又は近
傍位置に結べるようにしておくと、スリットを通過する
イオンビームの量が増すので、効率を向上させることが
できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１を参照し、符号２は本発明の
一実施形態のイオン照射装置であり、イオン源室１０、
主チャンバー５、ベローズチャンバー５０、減速室６
０、試料室７０を有している。

【００２８】イオン源室１０、減速室６０、試料室７０
は、それぞれモジュールチャンバー１１、減速電極チャ
ンバー６１、ターゲットチャンバー７１を有している。
ベローズチャンバー５０は長さ調節可能に構成されてお
り、主チャンバー５の一端には、モジュールチャンバー
１１が接続されており、他端には、ベローズチャンバー
５０、絶縁碍子６２、減速電極チャンバー６１、ターゲ
ットチャンバー７１がこの順で接続され、図示しない真
空ポンプを起動すると、各チャンバー１１、５、５０、
６１、７１内を真空排気できるように構成されている。

【００２９】モジュールチャンバー１１、主チャンバー
５、ベーローズチャンバー５０は電気的に接続され、同
電位になるように構成されている。また、減速電極チャ
ンバー６１とターゲットチャンバー７１とは電気的に接
続され、同電位になるように構成されている。ベローズ
チャンバー５０と減速電極チャンバー６１との間には絶
縁碍子６２が設けられており、主チャンバー５側とター
ゲットチャンバー７１側とは異なる電圧を印加できるよ
うに構成されている。

【００３０】モジュールチャンバー１１の内部には、イ
オン化器１２が電気的に絶縁した状態で設けられてお
り、そのイオン化器１２内にはフィラメント１３が設け
られている。イオン化器１２内を真空排気した状態で照
射対象のガスを導入し、フィラメントに通電して１００
０℃程度の高温にし、熱電子を放射させるとイオン材料
ガスのプラズマが発生し、正イオンガス又は負イオンガ
スが生成される。

【００３１】イオン化器１２と主チャンバー５との間に
は、モジュールチャンバー１１やイオン化器１２とは電
気的に絶縁した状態で、引出電極１４と加速・減速電極
１５とが、この順に設けられており、イオン化器１２の
加速電極１４に向いた面には、イオン放出口１６が設け
られている。加速電極１４と加速・減速電極１５とに
は、イオン引出口１６と同一線上に通過孔１７₁、１７₂
が設けられている。

【００３２】イオン化器１２内で生成されるイオンが正
イオンの場合、イオン化器１２には正電圧が、加速電極
１４には負電圧が印加され、イオン化器１２内の正イオ
ンはイオンビームとなってイオン引出口１６から引き出
され、加速電極１４と加速・減速電極１５の通過孔１７
₁、１７₂を通過し、主チャンバー５内に射出される。

【００３３】図２(ｂ)のイオン照射装置２のブロック図
内に、符号８でイオンビームの軌道を示す。また、図３
に、イオンビーム８の電位を縦軸にとり、横軸にイオン
照射装置２内の位置をとり、イオン照射装置２内の位置
によるイオンビーム８の電位変化を示す。

【００３４】イオン化器１２から加速電極１４によって
引き出されたイオンビーム８は、先ず、イオン化器１２
に印加された電圧(＋１６０Ｖ)に対し、フィラメント１
３への通電電圧が重畳された電位になる(＋２００Ｖを
超える電圧値)。その後、加速電極１４に到達する位置
で、加速電極１４の電位(−２０ｋＶ〜−３０ｋＶ程度
の電位)になる。

【００３５】イオンビーム８を減速させるために、加速
・減速電極１５の電位は加速電極１４よりも高くなるよ
うにされており(加速・減速電極１５の電位は−２０ｋ
Ｖ)、イオンビーム８の電位は、加速・減速電極１５に
到達する位置ではその電位(−２０ｋＶ)になる。

【００３６】通過孔１７₁、１７₂を通過したイオンビー
ム８が入射する主チャンバー５には、イオン源室１０側
から見て、順番に、イオン分離室２０、イオン集束室３
０、偏向室４０に区分けされており、イオンビーム８
は、先ず、イオン分離室２０内に入射する。なお、イオ
ンビーム８の電位は、この主チャンバー５内、及びその
後段のベローズチャンバー５０内では変化しない。

【００３７】イオン分離室２０には、電磁石から成るイ
オン分離器２１が設けられており、入射したイオンビー
ム８は、このイオン分離器２１が形成する磁界によって
ローレンツ力を受け、電荷と質量の比に応じて軌道が曲
げられる。

【００３８】イオン分離室２０は所定半径で湾曲されて
おり、イオン分離器２１が形成する磁界強度を調節して
質量分析を行い、所望のイオン種だけを次段のイオン集
束室３０に向けて射出させる。

【００３９】イオン集束室３０内には、中央に穴３３を
有するコリメータ３１と、円筒形形状のコンデンサレン
ズ３２とがこの順で設けられており、イオン分離室２０
を通過し、イオン集束室３０に到達したイオンビーム８
のうち、穴３３を通過したものがコンデンサレンズ３２
内に入射する。

【００４０】コンデンサレンズ３２には、図２(ｂ)の実
線で示すように、イオンビーム８を集束させるような電
圧が印加されており、コンデンサレンズ３２に電圧を印
加しない場合の同図点線で示した軌道に比べ、イオンビ
ーム８の焦点位置が手前になるようにされている。

【００４１】コンデンサレンズ３２内を通過したイオン
ビーム８は、次段の偏向室４０に入射する。この偏向室
４０には、アース板４１と偏向器４２とがこの順で設け
られており、偏向室４０内に入射したイオンビーム８
は、アース板４１中央の穴４３を通り、偏向器４２内に
入射する。

【００４２】偏向器４２は、平板状の第１偏向電極４４
と「く」字形状の第２偏向電極４５とを有しており、第
１、第２偏向電極４４、４５は、アース板４１側が平行
にされ、且つ、次段のベーローズチャンバー５０側が広
がるように配置されている。

【００４３】第１偏向電極４４は、第２偏向電極４５に
対して正電圧が印加されており、従って、偏向器４２内
に入射した正電荷のイオンビーム８は、第１偏向電極４
４と反発し、第２偏向電極４５に引きつけられ、軌道が
第２偏向電極４５側に曲げられる。他方、電子とイオン
の再結合によって発生し、イオンビーム８中に混入した
無電荷の中性粒子は、偏向器４２内で曲げられず、入射
したイオンビーム８の光軸に沿って直進する。

【００４４】次段の減速室６０の入り口には、中性粒子
除去板６３が設けられており、その後方には、イオン減
速器６５とグラウンド電極６６とがこの順で設けられて
いる。

【００４５】中性粒子除去板６３の中央にはスリット６
４が設けられており、偏向器４２によって軌道が曲げら
れたイオンビーム８は、スリット６４に向かうようにさ
れている。従って、そのイオンビーム８はスリット６４
を通過できるが、直進する中性粒子は中性粒子除去板６
３と衝突し、スリット６４を通過できない。

【００４６】このように、中性粒子除去板６３とスリッ
ト６４により、イオンビーム８の中から中性粒子が除去
されるが、イオンビーム８は、イオン分離器２１とコン
デンサレンズ３２を通過する際に集束させられている。

【００４７】イオンビーム８の焦点Ｆは、コンデンサレ
ンズ３２に電圧が印加されていないときには中性粒子除
去板６３よりも後方で結ぶようにされており、コンデン
サレンズ３２に正電圧が印加されたときに、焦点Ｆは前
方に移動するように構成されている。従って、コンデン
サレンズ３２に適切な大きさの電圧を印加すると、焦点
Ｆを、スリット６４内、又はスリット６２近傍に位置さ
せることができる。

【００４８】このように、コンデンサレンズ３２によ
り、焦点Ｆの位置を移動させられるので、イオン化器１
２内の導入ガス圧力の変動があった場合や、引出電極１
４への印加電圧が変わった場合であっても、コンデンサ
レンズ３２への印加電圧を制御することで、焦点Ｆが適
切な位置で結ばれ、中性粒子除去板６３で遮蔽されるイ
オンビーム８の量を減少させ、透過率を向上させること
ができる。

【００４９】コンデンサレンズを有していない従来のイ
オン照射装置１０２では、焦点Ｆを移動させられないの
で、図２(ａ)のようにイオンビーム１０８が広がった場
合には、イオンビーム１０８のうち、中性粒子除去板１
６３で遮蔽される斜線部分の量が増加する。

【００５０】スリット６４を通過したイオンビーム８は
発散しながらイオン減速器６５中に入射する。このイオ
ン減速器６５は、円筒形形状の電極で構成されており、
その中心軸線がイオンビーム８の光軸と一致するように
配置されている。

【００５１】イオン減速器６５は、加速・減速電極１５
に対して正電圧が印加されており(イオン粒子が正電荷
の場合)、中性粒子除去板６３からイオン減速器６５へ
到達するまでにイオンビーム８中のイオンは減速され、
イオン減速器６５の電位まで上昇する(ここでは−２０
ｋＶから−１０ｋＶの電位に上昇している)。

【００５２】一旦発散したイオンビーム８は、イオン減
速器６５を通過する際に印加された電圧によって集束さ
れ、グラウンド電極６６に向けて射出される。グラウン
ド電極６６は、減速電極チャンバー６１と共にグラウン
ド電位に置かれており、イオン減速器６５を通過したイ
オンビーム８は電位上昇し、グラウンド電極６６に到達
する位置でグラウンド電位になる。

【００５３】グラウンド電極６６には通過孔６７が設け
られており、イオンビーム８は通過孔６７を通過し、後
段の試料室７０のターゲットチャンバー７１内に向けて
射出される。

【００５４】ターゲットチャンバー７１はグラウンド電
位に置かれており、内部には、ファラデーカップ７２
と、試料取付台７３とが設けられている。ターゲットチ
ャンバー７１内に入射し、試料取付台３７側に照射され
たイオンビーム８によって、試料取付台３７上に配置さ
れた処理対象物(基板)表面へのイオン照射が行われる。
このとき、ファラデーカップ７２側に照射されたイオン
ビーム８によってイオン電流値が検出され、イオン照射
量が測定される。

【００５５】このように、本発明によれば、イオンビー
ム８の焦点Ｆを移動させることができるので、焦点Ｆを
適切な位置に結ばせ、イオンの照射効率を高めることが
できる。

【００５６】なお、上述のコンデンサレンズ３２は、イ
オン分離器２１の後段に設けたが、図１の点線で示した
コンデンサレンズ３２'のように、イオン分離器２１の
前段に設けてもよい。

【００５７】但し、コンデンサレンズ３２、３２'に電
圧を印加しない状態では、イオンビーム８の焦点Ｆは、
できるだけ後方で結ばれるように構成しておいた方が、
コンデンサレンズ３２、３２'による焦点Ｆの移動範囲
が広くなる。そのためには、イオン源室１０とイオン分
離室２０とはできるだけ近接配置させることが望ましい
ので、イオン源室１０とイオン分離器２１との間には、
コンデンサレンズ３２'は配置しない方が有利である。

【００５８】

【発明の効果】イオンビームの焦点を移動させることが
できる。従って、イオン減速器の減速率を変える場合
や、イオン源内のプラズマの状態を変化させる場合に、
更に、引出電圧を変化させる場合でも、焦点が適切な位
置で結ばれるようにできるので、イオンビームの透過率
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例のイオン照射装置の概略構成図

【図２】(ａ)：従来技術のイオン照射装置のイオンビー
ムの集束状況を説明するための図 (ｂ)：本発明のイオ
ン照射装置のイオンビームの集束状況を説明するための
図

【図３】本発明のイオン照射装置におけるイオンビーム
電位の推移を説明するための図

【図４】従来技術のイオン照射装置の概略構成図

【符号の説明】

２……イオン照射装置 ８……イオンビーム １０
……イオン源室 ２１……イオン分離器 ３２……
コンデンサレンズ ４２……イオン減速器 ４３……スリット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源室と、 前記イオン源室から引き出されたイオンビームを所望の
   イオン種に分離するイオン分離器と、 前記分離後のイオンビームを減速させるイオン減速器と
   を有し、 前記イオン分離器によって集束されて焦点を結び発散す
   るイオンビームを、前記イオン減速器が再度集束させる
   ように構成されたイオン照射装置において、 前記イオン減速器よりも前方にコンデンサレンズが配置
   され、前記コンデンサレンズへの印加電圧を制御する
   と、前記焦点の位置を移動できるように構成されたこと
   を特徴とするイオン照射装置。
2. 【請求項２】 前記コンデンサレンズは、前記イオン分
   離器の後方に設けられたことを特徴とする請求項１記載
   のイオン照射装置。
3. 【請求項３】 前記イオン減速器の入り口にはスリット
   が設けられ、 前記コンデンサレンズへの印加電圧を制御すると、前記
   イオンビームの焦点は、前記スリット内、又はその近傍
   に結べるように構成されたことを特徴とする請求項１又
   は請求項２のいずれか１項記載のイオン照射装置。
4. 【請求項４】 前記スリットの前段に偏向器が設けら
   れ、 該偏向器に電圧を印加すると、イオンビーム中の荷電粒
   子を前記スリット方向に曲げ、中性粒子を直進させられ
   るように構成されたことを特徴とする請求項３記載のイ
   オン照射装置。