KR20190137675A - 이온 빔 조사 장치 - Google Patents

Abstract

가동식 빔 전류 계측기(7)에 있어서의 구동 기구에 관한 설계를 간편하게 하면서, 빔 계측 부위로부터 방출된 2차 전자를 돌려보내는 것을 가능하게 한다.
이온 빔 조사 장치(IM)는, 빔 궤도(IB)에 출입하여 빔 전류를 계측하는 빔 전류 계측기(7)와, 빔 전류 계측기(7)의 직전의 빔 수송 경로에 배치되는 제1 전극(6)을 가지며, 제1 전극(6)은, 빔 전류 계측기(7)로부터 방출된 2차 전자를 빔 전류 계측기 측으로 돌려보내는 서프레서 전극과 다른 빔 광학 요소를 겸한다.

Description

이온 빔 조사 장치{APPARATUS FOR IRRADIATING ION BEAM}

본 발명은 가동식(可動式) 빔 전류 계측기를 구비한 이온 빔 조사 장치에 관한 것이다.

이온 빔 조사 장치에서는, 특허문헌 1에 기재된 가동식 패러데이 컵(빔 전류 계측기라고도 부름)이 이용되고 있다. 이 패러데이 컵은, 질량 분석 전자석의 하류측에서 빔 궤도에 출입하는 것으로, 질량 분석된 이온 빔에 포함되는 이온종의 매스 스펙트럼을 계측하고, 원하는 이온종의 빔 전류가 최대가 되도록, 질량 분석 전자석에서의 자장을 조정하기 위해 이용되고 있다.

패러데이 컵에는, 빔 전류를 계측하는 컵 부분 이외에, 특허문헌 2에 기재되어 있는 컵으로부터 방출된 2차 전자를 컵 측으로 돌려보내기 위한 부전압이 인가된 서프레서 전극이 구비되어 있다. 이 서프레서 전극에 의해, 2차 전자의 방출에서 기인하는 계측 오차가 없는 빔 계측이 달성되고 있다.

가동식 패러데이 컵에 전술한 서프레서 전극을 부착한 경우, 서프레서 전극과 통전하기 위한 전기 배선의 설비나 서프레서 전극의 중량을 고려할 필요가 있어, 구동 기구의 설계가 복잡해진다. 또한, 서프레서 전극을 설치하는 만큼의 비용도 발생한다. 한편, 서프레서 전극을 설치하지 않는다면, 컵 부분으로부터 방출된 2차 전자를 컵 측으로 돌려보내기 위한 수단이 없어지기 때문에 계측 오차가 발생하게 된다.

일본 특허 공개 평성 제11-126576호 일본 특허 공개 제2000-065942호

본 발명에서는, 전술한 문제점을 고려하여, 가동식 빔 전류 계측기에 있어서의 구동 기구의 설계를 간편하게 하면서, 빔 계측 부위로부터 방출된 2차 전자를 돌려보내는 것을 가능하게 하는, 이온 빔 조사 장치를 제공한다.

이온 빔 조사 장치는,

빔 궤도에 출입하여 빔 전류를 계측하는 빔 전류 계측기와,

상기 빔 전류 계측기의 직전의 빔 수송 경로에 배치되는 제1 전극을 가지며,

상기 제1 전극은, 상기 빔 전류 계측기로부터 방출된 2차 전자를 빔 전류 계측기 측으로 돌려보내는 서프레서 전극과 다른 빔 광학 요소를 겸한다.

상기 구성의 이온 빔 조사 장치라면, 빔 수송 경로에 배치된 제1 전극이 빔 전류 계측기의 서프레서 전극을 겸하기 때문에, 빔 전류 계측기 자체에 서프레서 전극을 구비하지 않고도, 빔 전류 계측기의 계측 부위에 이온 빔이 조사됨으로써 방출되는 2차 전자를 계측 부위 측으로 돌려보낼 수 있고, 나아가서는, 계측 부위로부터 발생하는 2차 전자에 의한 오계측을 방지할 수 있다.

또한, 가동식 빔 전류 계측기 자체에는 서프레서 전극이 설치되지 않기 때문에, 가동식 빔 전류 계측기에 있어서의 구동 기구의 설계가 간편해진다.

분석 슬릿과, 상기 제1 전극과의 사이에 배치된 제2 전극을 구비하고,

상기 제2 전극의 전위에 비해 상기 제1 전극의 전위가 낮은 구성이어도 좋다.

상기 제2 전극은, 처리실에 배치된 타겟을 향하는 이온 빔의 가감속을 결정하는 기능을 가지며,

상기 제1 전극은, 빔 수송 경로에서 생기는 과수속(過收束)을 억제하는 기능을 갖는 구성이어도 좋다.

빔 수송 경로에서의 이온 빔의 가감속에 관계없이,

상기 제1 전극의 전위는, 상기 제2 전극의 전위에 비해 항상 낮은 구성이어도 좋다.

빔 수송 경로에 배치된 제1 전극이 빔 전류 계측기의 서프레서 전극을 겸하기 때문에, 빔 전류 계측기 자체에 서프레서 전극을 구비하지 않고도, 빔 전류 계측기의 계측 부위에 이온 빔이 조사됨으로써 생기는 2차 전자를 계측 부위 측으로 돌려보낼 수 있고, 나아가서는, 계측 부위로부터 방출되는 2차 전자에 의한 오계측을 방지할 수 있다.

또한, 가동식 빔 전류 계측기 자체에는 서프레서 전극이 설치되지 않기 때문에, 가동식 빔 전류 계측기에 있어서의 구동 기구의 설계가 간편해진다.

도 1은 이온 빔 조사 장치의 전체를 나타낸 모식적 평면도.
도 2는 가속 모드시의 전위 관계를 나타낸 설명도.
도 3은 감속 모드시의 전위 관계를 나타낸 설명도.
도 4는 감속 모드시의 전위 관계를 나타낸 다른 설명도.
도 5는 드리프트 모드시의 전위 관계를 나타낸 설명도.

도 1은 이온 빔 조사 장치(IM)의 전체를 나타낸 모식적 평면도이다. 도 1에서는, 이온 주입 장치의 구성예를 바탕으로 설명하지만, 본 발명이 적용되는 이온 빔 조사 장치로서는, 이온 주입 장치나 이온 빔 에칭 장치, 이온 빔 표면 개질 장치 등의 이온 빔을 수송하는 빔 수송 경로를 구비한 장치가 상정되어 있다.

도시된 X Y Z축의 방향은, 타깃(11)에 조사되는 이온 빔을 기준으로 묘사된 것이다. Z 방향은 이온 빔의 진행 방향이고, X 방향은 후술하는 스캐너(9)에서의 주사 방향이다. Y 방향은 X 방향과 Z 방향의 양 방향에 직교하는 방향이다. 또한, 도시된 이온 빔의 빔 궤도(IB)는, 타깃(11)에 조사되는 이온종의 중심 궤도를 나타내고 있다. 이하에 장치 전체의 구성예에 대해서 설명한다.

이온원(1)에서 생성된 플라즈마로부터 복수 장의 전극으로 구성된 인출 전극계(2)를 이용하여 이온 빔의 인출이 행해진다. 질량 분석 전자석(3)과 분석 슬릿(4)에 의해, 이온 빔 내에 포함되는 여러 가지 이온종으로부터 특정 이온종의 분석(선별)이 행해진다.

그 후, 이온 빔은, 제2 전극(5)과 그 하류에 설치된 제1 전극(6), 에너지 필터(8) 등을 통해, 타깃(11)에 조사되는 최종 에너지를 갖는 이온 빔이 되도록 조정된다. 이때의 조정 방법은, 제2 전극(5)의 전위 설정에 따라 크게는 3종류로 나누어진다.

제2 전극(5)의 전위가 타깃(11)의 전위(접지 전위)보다 높은 경우에는, 제2 전극(5)으로부터 타깃(11)까지의 빔 수송 경로를 통해, 이온 빔은 종합적으로는 가속되면서 수송된다(가속 모드). 반대로, 제2 전극(5)의 전위가 타깃(11)의 전위보다 낮은 경우에는, 이온 빔은 종합적으로는 감속되면서 수송된다(감속 모드). 또한, 제2 전극(5)의 전위가 타깃(11)의 전위와 같은 경우에는, 제2 전극(5)으로부터 타깃(11)까지의 빔 수송 경로를 통해, 이온 빔은 종합적으로는 가감속 없이 수송된다(드리프트 모드).

상기 수송 방법의 선택은, 수송되는 이온종이나 타깃(11)에 조사되는 이온 빔의 최종 에너지에 의해 결정된다. 종합적으로 가속 혹은 감속된다고 하는 것은, 국소적으로는 빔 수송 경로의 도중에서 가감속은 행해지지만, 빔 수송 경로의 전체로 보았을 때에 가속 혹은 감속된다고 하는 의미이다.

제2 전극(5)의 전위와 타깃(11)의 전위(접지 전위)와의 전위차가 크면, 가속 또는 감속되면서 수송되는 이온 빔에는 빔 수송의 도중에서 과수속이 발생한다. 이 과수속을 억제하기 위해, 제1 전극(6)에는 전압이 인가되고 있다.

빔 전류 계측기(7)는, 종래 기술과 같이, 도시되지 않은 구동 기구에 의해 빔 궤도(IB)에 대하여 화살표 방향으로 출입하여 이온 빔의 빔 전류를 계측하기 위한 계측기이다. 이 빔 전류 계측기(7)로 원하는 이온종의 빔 전류가 최대가 되도록, 분석 전자석(3)의 자장 조정이 행해진다. 이 가동식 빔 전류 계측기(7)는, 빔 전류 계측기(7)의 계측 부위(예컨대, 패러데이 컵이나 도전성 평판)에서 생긴 2차 전자를 계측 부위 측으로 돌려보내기 위한 서프레서 전극을 구비하고 있지 않다.

에너지 필터(8)는, 이온 빔을 국소적으로 가속 혹은 감속시키면서, 편향시키는 기능을 구비하고 있다. 이온 빔의 편향 방향은, 도 1에서는 Y 방향을 상정하고 있다. 여기를 통해 이온 빔 내에 포함되는 불필요한 에너지 성분의 제거가 행해진다.

그 후, 스캐너(9)로 X 방향으로 이온 빔을 주사하고, 콜리메이터(10)로 주사된 이온 빔의 평행화가 행해진다. 또한, 여기서 설명한 평행화란, 이온 빔의 진행 방향을 Z 방향에 맞추는 조작을 말한다. 평행화된 이온 빔은, 도시되지 않은 구동 기구에 의해 Y 방향으로 왕복 주사되는 타깃(11)에 조사된다. 이 이온 빔의 조사에 의해, 도시되지 않은 처리실에 배치된 타깃(11)으로의 이온 주입 처리가 행해진다.

전술한 이온 빔 조사 장치(IM)의 구성에 있어서, 제1 전극(6)의 전위가 빔 전류 계측기(7)의 전위보다 낮아지도록, 제1 전극(6)에는 전압이 인가되고 있다. 이것으로부터, 빔 전류 계측기(7)에 서프레서 전극을 설치하지 않아도, 빔 수송 경로에 배치된 제1 전극(6)에서 빔 전류 계측기(7)의 계측 부위로부터 발생한 2차 전자를 계측 부위 측으로 돌려보내는 것이 가능해진다. 또한, 가동식 빔 전류 계측기(7)가 서프레서 전극을 구비하고 있지 않기 때문에, 빔 전류 계측기(7)를 구동하기 위한 구동 기구의 설계가 용이해진다.

이하, 도 2 내지 도 5를 이용하여, 가속, 감속, 드리프트의 각 모드에 있어서의 각부의 전위 관계에 대해서 설명한다. 각 도면의 상하 방향은 전위의 고저를 나타내고, 이온 빔은 도면의 좌측으로부터 우측을 향해 수송된다. 도시된 V1은 빔 전류 계측기와 제1 전극과의 전위차이며, V2는 빔 전류 계측기와 제2 전극과의 전위차이다. 빔 전류 계측기(7)의 전위는 타깃(11)의 전위와 같이 접지 전위로 하고 있다.

도 2는 가속 모드시의 각부의 전위 관계에 대한 설명도이다.

도면의 우측에 도시된 2차 전자(e)의 거동에서 볼 수 있는 바와 같이, 빔 전류 계측기(7)의 전위보다 제1 전극(6)의 전위가 낮기 때문에, 빔 전류 계측기(7)의 계측 부위로부터 방출된 2차 전자는 빔 전류 계측기(7) 측으로 돌려보내진다.

도면의 좌측에 도시된 2차 전자(e)는, 이온 빔이 제2 전극(5)이나 제2 전극(5)과 제1 전극(6)과의 사이의 빔 수송 경로의 벽면에 충돌함으로써 발생한 2차 전자이다.

도 2의 구성에서는, 제2 전극(5)에 대하여 제1 전극(6)의 전위가 낮기 때문에, 이 2차 전자도 제2 전극(5) 측으로 돌려보내지지만, 제1 전극(6)과 제2 전극(5)의 전위 설정에 따라서는, 제1 전극(6)의 상류측에서 발생한 2차 전자(e)가 빔 전류 계측기(7)의 계측부로 유입될 가능성이 있다.

도 3은 감속 모드시의 각부의 전위 관계에 대한 설명도이다.

도면의 우측에 도시된 2차 전자(e)는, 가속 모드와 마찬가지로, 빔 전류 계측기(7)의 계측 부위 측으로 돌려보내진다.

한편, 도면의 좌측에 도시된 2차 전자(e)는, 제1 전극(6)의 전위가 제2 전극(5)의 전위보다 높기 때문에, 제1 전극(6) 측으로 인입되고, 최종적으로는 빔 전류 계측기(7)로 유입되어 버린다. 그 결과, 빔 전류의 계측 오차가 발생한다.

상기 문제점을 개선한 것이 도 4의 구성이 된다.

도 4와 같이, 제1 전극(6)의 전위를 제2 전극(5)과 빔 전류 계측기(7)보다 낮게 함으로써, 빔 수송 경로의 상류 및 하류 측으로부터 제1 전극(6) 측으로 유입되는 2차 전자를 각각의 측으로 돌려보내는 것이 가능해진다.

도 5는 드리프트 모드시의 각부의 전위 관계에 대한 설명도이다.

도 4와 마찬가지로, 제1 전극(6)의 전위를 제2 전극(5)과 빔 전류 계측기(7)보다 낮게 함으로써, 빔 수송 경로의 상류 및 하류 측으로부터 제1 전극(6) 측으로 유입되는 2차 전자를 각각의 측으로 돌려보내는 것이 가능해진다.

전술한 실시형태에서는, 이온 주입 장치를 예를 들어 설명하였지만, 이온 빔을 취급하는 다른 장치이며, 빔 수송 경로에 가동식 빔 전류 계측기를 구비하는 장치라면, 본 발명을 적용하는 것은 가능하다.

제1 전극(6)이 과수속의 억제 기능을 갖고 있다는 취지를 설명하였지만, 제1 전극(6)의 기능으로서는 이 기능으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 빔 수송 경로에 배치되는 이온 빔을 수속시키기 위한 아인젤 렌즈를 구성하는 전극군 중, 가장 하류측에 위치하는 전극을 빔 전류 계측기(7)의 서프레서 전극과 겸용시켜도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는 빔 수송 경로 내에서의 이온 빔의 수송 모드를 선택하기 위한 제2 전극(5)을 구비한 구성예로 하고 있었지만, 이온 빔 조사 장치의 구성에 따라서는 제2 전극(5)을 구비하지 않는 구성으로 하여도 좋다. 제2 전극(5)을 구비하지 않는 구성으로서는, 예컨대, 인출 전극계 부분에서, 이온 빔을 인출할 때에, 이온 빔의 에너지를 최종 에너지로 해 두는 구성을 생각할 수 있다.

제1 전극(6)에 이온 빔이 충돌함으로써, 제1 전극(6)으로부터 2차 전자가 방출되어 빔 전류 계측기(7)의 계측부로 유입될 우려도 있다. 이것을 고려하면, 제1 전극(6)에는 이온 빔이 충돌하지 않는 구성으로 해 두는 것이 요구된다.

상기 실시형태에서는, 제1 전극(6)의 예로서, 과수속의 억제용 전극이나 아인젤 렌즈를 구성하는 일부의 전극인 것을 설명하였다. 그러나, 이온 빔 조사 장치에 따라서는, 전술한 과수속용의 전극이나 아인젤 렌즈를 반드시 갖고 있다고는 할 수 없기 때문에, 앞서 예를 든 제1 전극(6)의 구성예는 예시 열거에 불과하다.

본 발명이 대상으로 하고 있는 제1 전극에 대한 일반적인 구성, 기능은, 이하의 것이다.

제1 전극은, 빔 전류 계측기로부터 방출된 2차 전자를 빔 전류 계측기 측으로 돌려보내기 위한 서프레서 전극과 빔 수송 경로에 배치된 서프레서 전극 이외의 빔 광학 요소를 겸한다.

빔 전류 계측기를 빔 궤도 밖에 배치하는 경우에는, 제1 전극은 서프레서 전극으로서는 기능하지 않고, 서프레서 전극 이외의 빔 광학 요소로서 기능한다.

또한, 제1 전극은 빔 광학 요소의 일부를 구성하고 있으면 되고, 빔 광학 요소란, 그곳을 통과하는 이온 빔의 형상, 에너지 등을 컨트롤하기 위해 사용되는 전극으로 구성되는 광학 요소이다.

제1 전극(6)으로의 인가 전압에 대해서는, 일정한 전압이 인가되고 있어, 통상은 서프레서 전극 이외의 빔 광학 요소로서 기능하게 하고, 빔 전류 계측기(7)를 빔 궤도에 넣는 것만으로, 바로 서프레서 전극으로서도 기능하도록 구성해 두는 것이 요구된다. 또한, 제1 전극(6)으로의 인가 전압은, 빔 전류 계측기의 전위가 접지 전위로 설정되는 경우가 많기 때문에, 부전압이 인가된다.

상기 실시형태에서는, 빔 전류 계측기(7)에서의 측정 결과를 바탕으로 분석 전자석의 자장 조정을 행하는 것에 대해서 설명하였지만, 본 발명의 빔 전류 계측기의 용도는 반드시 여기서 설명한 용도에 한정되는 것은 아니다. 이온원으로부터 처리실까지의 임의의 빔 수송 경로를 통해 빔 궤도에 출입하는 것이라면, 본 발명의 적용은 가능하다.

그 밖에, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

1 : 이온원 3 : 질량 분석 전자석
4 : 분석 슬릿 5 : 제2 전극
6 : 제1 전극 7 : 빔 전류 계측기
IB : 이온 빔의 궤도 IM : 이온 빔 조사 장치

Claims (4)

1. 빔 궤도에 출입하여 빔 전류를 계측하는 빔 전류 계측기와,
   상기 빔 전류 계측기의 직전의 빔 수송 경로에 배치되는 제1 전극
   을 가지며,
   상기 제1 전극은, 상기 빔 전류 계측기로부터 방출되는 2차 전자를 빔 전류 계측기 측으로 돌려보내는 서프레서 전극과 다른 빔 광학 요소를 겸하는 것을 특징으로 하는 이온 빔 조사 장치.
2. 제1항에 있어서,
   분석 슬릿과,
   상기 제1 전극과의 사이에 배치된 제2 전극을 구비하고,
   상기 제2 전극의 전위에 비해 상기 제1 전극의 전위가 낮은 것인 이온 빔 조사 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 전극은, 처리실에 배치된 타깃을 향하는 이온 빔의 가감속을 결정하는 기능을 가지며,
   상기 제1 전극은, 빔 수송 경로에서 생기는 과수속(過收束)을 억제하는 기능을 갖는 것인 이온 빔 조사 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 빔 수송 경로에서의 이온 빔의 가감속에 관계없이, 상기 제1 전극의 전위는, 상기 제2 전극의 전위에 비해 항상 낮은 것인 이온 빔 조사 장치.

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