TWI648762B - Ion beam irradiation device - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種離子束照射裝置，包括：離子源（2）；質量分離器（3），從由離子源（2）引出的離子束（IB）中挑選並導出確定的質量和價數的摻雜離子；以及能量過濾器，形成離子束（IB）通過的束通過區域，並且通過被施加篩檢程式電壓（VF ）而成為規定的過濾器電位（Vfil ），利用離子的能量差，區分通過束通過區域的通過離子和不通過束通過區域的非通過離子，以使通過離子中包含摻雜離子並且使非通過離子中包含在質量分離器（3）中不能與摻雜離子區分的不需要的離子的至少一部分的方式設定過濾器電位（Vfil ）。

Description

離子束照射裝置
本發明涉及一種離子束照射裝置，其用於向目標照射從離子源引出的離子束並實施離子注入等處理。
這種離子束照射裝置包括離子源，該離子源具有在內部生成雷射體的室和從該室引出離子束的引出電極。
在這樣的離子束照射裝置中，當引出離子束時，如果例如在用於室等的金屬被在室內生成的雷射體濺射，則有時所述金屬飛散而被雷射。於是，所述金屬離子（以下稱為不需要的離子）與所需要的離子（以下稱為摻雜離子）一起混入目標，從而成為目標的特性劣化和製造不良的主要原因。
因此，如專利文獻1所示，存在一種離子束照射裝置，該離子束照射裝置具備從由離子源引出的離子束中挑選出摻雜離子並將其導出的質量分離磁鐵。
如以下的數學式所示，當離子的引出電壓相等時，所述質量分離磁鐵在內部產生磁場，使得能夠利用離子的曲率半徑按照離子的質量數和價數不同的原理，對不需要的離子和摻雜離子進行區分挑選。
[數學式1]
其中，R：曲率半徑，B：磁通密度，m：離子的質量數，q：離子的價數，V：電壓，e：元電荷。
然而，存在有下述這樣的不需要的離子：雖然質量數和價數與摻雜離子不同，但是曲率半徑有時與摻雜離子接近，這種不需要的離子不能被質量分離磁鐵與摻雜離子區分開，而是會到達目標。
這種不需要的離子存在的理由如下所述：有時被雷射體濺射了的金屬向室的外部飛出而被雷射，於是，與在室的內部被雷射了的情況相比，引出的電壓變小，所述數學式中的mV/q有時與摻雜離子的值接近。
將具體例子表示在以下的表中。例如，在摻雜離子為BF2 + 的情況下，存在W+ 、W2 + 、W3 + 、WF+ 、WF2+ 、WF3+ 等不需要的離子的mV/q成為與BF2 + 的mV/q接近的值的情況，從而導致存在下述問題：所述不需要的離子不能被質量分離磁鐵與摻雜離子區分開而是到達目標。
[表1]
現有技術文獻 專利文獻1：日本專利公開公報特開2012-238403號
本發明是用於解決所述的問題而做出的發明，本發明的主要目的在於：與以往相比使包含在離子束內的不需要的離子減少。
即，本發明提供一種離子束照射裝置，其包括：離子源；質量分離器，從由所述離子源引出的離子束中挑選並導出確定的質量和價數的摻雜離子；以及能量過濾器，形成所述離子束通過的束通過區域，並且通過被施加電壓而成為規定的篩檢程式電位，利用離子的能量差，區分通過所述束通過區域的通過離子和不通過所述束通過區域的非通過離子，以使所述通過離子中包含所述摻雜離子並且使所述非通過離子中包含在所述質量分離器中不能與所述摻雜離子區分的不需要的離子的至少一部分的方式設定所述篩檢程式電位。
按照這種離子束照射裝置，由於以使通過離子中包含摻雜離子並且使非通過離子中包含不需要的離子的一部分的方式設定篩檢程式電位，所以例如只要使所述篩檢程式電位比在構成離子源的室的外部雷射了的不需要的離子的每單位價數的能量大，就能夠從離子束中除去所述的不需要的離子，與以往相比能夠使離子束中的不需要的離子減少。
由於與下游相比，在質量分離器的上游包含在離子束中的離子成分多，所以如果將能量過濾器配置在質量分離器的上游，則離子束與能量過濾器碰撞了的情況下對能量過濾器造成的損傷比較大。因此，為了使離子束與能量過濾器碰撞了情況下的損傷變小，優選的是，所述能量過濾器配置在所述質量分離器的下游。
如果在能量過濾器的前後離子束的能量發生變化，則難以使離子束以所希望的能量照射目標。
因此，優選的是，所述能量過濾器具有三個以上的電極，所述三個以上的電極形成所述離子束通過的開口，並且沿所述離子束的前進方向設置，所述三個以上的電極中的至少一個所述電極成為所述篩檢程式電位，其他的所述電極成為比所述篩檢程式電位低的電位，配置在兩端的所述電極的電位彼此相等。
按照這種結構，由於配置在兩端的電極的電位彼此相等，所以作用於通過能量過濾器的離子束中的離子的力的、減速的力和加速的力總體相等。由此，能夠在能量過濾器的前後使離子束的能量相等，從而能夠使離子束以所希望的能量向目標照射。
優選的是，所述能量過濾器還具有形狀控制電極，所述形狀控制電極被施加用於控制離子束形狀的形狀控制電壓。
按照這種結構，能夠防止在能量過濾器的前後離子束過度發散或過度聚集。
優選的是，所述離子束照射裝置還包括：電流檢測部，檢測通過所述能量過濾器的離子束的束電流或流過所述電極的電流；以及電壓控制部，基於由所述電流檢測部檢測出的電流值，控制所述形狀控制電壓。
按照這種結構，能夠邊監測束電流或流過電極的電流邊控制形狀控制電極的電位，從而能夠將離子束整形為不與電極碰撞的形狀。
在使用多個電極的結構中，為了抑制裝置整體的大型化和製造成本的增加，優選的是，多個所述電極中的一個或多個是構成所述離子束通過的束線（beam line）的所述能量過濾器，並且兼用作另外的束線構成構件的電極。
為了防止從電極產生的不需要的金屬離子混入目標，優選的是，所述電極由具有導電性的非金屬材料構成。
為了能夠選擇是否使用能量過濾器的篩檢程式功能，優選的是，能夠對向所述能量過濾器施加的電壓進行通斷切換。
按照如上所述構成的本發明，與以往相比能夠使包含在離子束中的不需要的離子減少。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
下面，參照附圖，對本發明的離子束照射裝置的一種實施方式進行說明。
如圖1所示，本實施方式的一離子束照射裝置100用於向一目標W照射離子束IB並進行離子注入，其包括：一離子源2，引出一離子束IB；作為質量分離器的一質量分離磁鐵3，設置在所述離子源2的下游，從由離子源2引出的離子束IB中挑選並導出用質量數和價數確定的所希望的摻雜離子；一加速管4，設置在所述質量分離磁鐵3的下游，對從質量分離磁鐵3導出的離子束IB進行加速或減速；作為能量分離器的一能量分離磁鐵5，設置在加速管4的下游，從由加速管4導出的離子束IB中挑選並導出特定能量的離子；一掃描磁鐵6，設置在所述能量分離磁鐵5的下游，以磁的方式使從能量分離磁鐵5導出的離子束IB進行一維（圖1中沿紙面的方向）掃描；一束平行化磁鐵7，設置在所述掃描磁鐵6的下游，以成為與基準軸平行的方式使從掃描磁鐵6導出的離子束IB彎曲回來，並且與掃描磁鐵6協同動作來進行離子束IB的平行掃描；以及一掃描機構8，設置在束平行化磁鐵7的下游，在從束平行化磁鐵7導出的離子束IB的照射區域內，朝向與掃描磁鐵6的離子束IB的掃描方向實質上垂直的方向（圖1中紙面的表背方向）使目標W（例如晶片）進行機械式地掃描。
本實施方式的離子束照射裝置100向目標W照射掃描的點狀束，但是例如也可以沿與目標W的機械掃描方向垂直的方向，照射比目標W的尺寸大的尺寸的帶狀束，在這種情況下，不需要掃描磁鐵6。
此外，在質量分離磁鐵3的離子導出部設置有一質量分離狹縫9，質量分離狹縫9使通過質量分離磁鐵3挑選出來的離子通過，在能量分離磁鐵5的離子導出部設置有一能量分離狹縫10，能量分離狹縫10使通過能量分離磁鐵5挑選出來的離子通過。
如圖2所示，離子源2包括：作為雷射體生成部的一室21，導入雷射氣體並通過例如電弧放電來生成雷射體；以及引出一電極22，利用電場的作用從室21引出離子束IB，從直流的引出電源23以使室21成為正側的方式向室21和引出電極22這兩者之間施加引出電壓VE 。具體地說，在此，例如通過將基準電位設定為210kV並將引出電壓VE 設為40kV，室21的電位Vch （以下稱為室電位Vch ）成為250kV。另外，基準電位並不限於210kV，例如也可以適當變更為接地電位等。
此外，由於每當生成雷射體時室21內成為高溫，所以將作為高熔點金屬的鎢或鉬用於構成離子源2的室21和燈絲F等。
質量分離磁鐵3和能量分離磁鐵5以使離子束IB中的摻雜離子能夠通過的方式分別設定磁通密度B。
另外，質量分離磁鐵3和能量分離磁鐵5的磁通密度B與摻雜離子的質量數m和價數q的關係能夠用以下的數學式表示。
[數學式2]
其中，R：曲率半徑，B：磁通密度，m：離子的質量數，q：離子的價數，V：電壓，e：元電荷。
如圖1所示，本實施方式的離子束照射裝置100還包括一能量過濾器11，該能量過濾器11配置在質量分離磁鐵3的下游，利用離子的能量差來挑選離子。
如圖3所示，所述能量過濾器11形成離子束IB通過的一束通過區域11a，並且通過從過濾電源12施加規定的篩檢程式電壓VF 而成為規定的篩檢程式電位Vfil ，由此將離子區分為通過所述束通過區域11a的通過離子和不通過所述束通過區域11a的非通過離子。
如圖1所示，本實施方式的能量過濾器11配置在質量分離磁鐵3和加速管4之間，並且具有一個電極111，電極111形成圖3所示的束通過區域11a。電極111由鎢或鉬等金屬構成，在此是一環狀電極，環狀電極的圓形的開口形成為束通過區域11a。但是，在由金屬構成的電極111被離子束IB濺射了的情況下，由於從電極111生成的不需要的金屬離子有可能混入目標W，所以優選的是，電極111是碳或矽等具有導電性的非金屬。
在此，離子束IB所包含的離子的電荷為正，如圖4所示，能量過濾器11通過從過濾電源12以能量過濾器11成為正側的方式施加篩檢程式電壓VF 而成為篩檢程式電位Vfil ，從而形成針對正電荷的離子的電位障壁。其結果，具有能夠越過所述電位障壁的能量的離子成為通過離子，與所述通過離子相比能量小、不能越過電位障壁而被推回上游（離子源2一側）的離子成為非通過離子。
此外，以如下方式設定所述篩檢程式電位Vfil ：使所述通過離子中包含摻雜離子並且使所述非通過離子中包含在質量分離磁鐵3中不能與摻雜離子區分的不需要的離子的至少一部分。
更具體地說，以能夠將在室21的外部雷射了的不需要的離子的至少一部分從摻雜離子中區分出來的方式設定所述篩檢程式電位Vfil ，所述在室21的外部雷射了的不需要的離子是在質量分離磁鐵3中不能與摻雜離子區分的不需要的離子中的、特別是在構成離子源2的室21和引出電極22之間（圖2中的區域X）因與從例如室21引出的其他離子的碰撞而雷射了的不需要的離子。另外，為了使離子束IB能夠通過能量過濾器11，所述篩檢程式電位Vfil 被設定為小於成為向室21施加引出電壓VE 的室電位Vch 。
由於以比在室21內雷射了的離子小的電壓亦即比引出電壓VE 小的電壓引出在所述區域X中雷射了的不需要的離子，所以在區域X中雷射了的不需要的離子的能量比在室21內雷射了的摻雜離子的能量小。
因此，本實施方式的篩檢程式電位Vfil 被設定為如下的值：比將摻雜離子的能量除以其價數得到的每單位價數的能量小，並且比將在室21的外部雷射了的不需要的離子的能量除以其價數得到的每單位價數的能量大。
在本實施方式中，使向能量過濾器11施加的篩檢程式電壓VF 的基準電位與、向室21和引出電極22之間施加的引出電壓VE 的基準電位相同，因此，將所述篩檢程式電壓VF 設定為比所述引出電壓VE 小的值（例如30kV）。另外，篩檢程式電壓VF 的基準電位和引出電壓VE 的基準電位並不是必須彼此相同，也可以適當地改變各基準電位。
按照以所述方式構成的本實施方式的離子束照射裝置100，由於以使作為在質量分離磁鐵3中不能與摻雜離子區分的不需要的離子的、在構成離子源2的室21的外部雷射了的不需要的離子的至少一部分包含在非通過離子中的方式設定篩檢程式電位Vfil ，所以能夠從離子束IB中除去這種不需要的離子，與以往相比，能夠減少離子束IB中的不需要的離子，從而能夠減少目標W的金屬污染。
此外，由於將能量過濾器11配置在質量分離磁鐵3的下游，所以與配置在上游的情況相比，能夠防止能量過濾器11被離子束IB濺射。
此外，如果構成能量過濾器11的電極111由非金屬材料形成，則能夠防止起因於電極111的濺射的目標W的金屬污染。
另外，本發明並不限於所述實施方式。
例如，在所述實施方式中，能量過濾器11具有一個電極111，但是也可以具有多個電極111。具體地說，如圖5所示，作為這種能量過濾器11可以例舉的是具有三個電極111，所述三個電極111形成有離子束IB通過的開口，並且沿離子束IB的前進方向設置。能量過濾器11也可以具有四個以上的電極111。
在這樣的結構中，為了使通過離子中包含摻雜離子並且使非通過離子中包含在質量分離磁鐵3中不能與摻雜離子區分的不需要的離子的至少一部分，只要使多個電極111中的至少一個成為篩檢程式電位Vfil 並使其他電極111成為比篩檢程式電位Vfil 小的電位即可。
在此，例如，如圖5所示，向三個電極111中的中央的電極111施加篩檢程式電壓VF （例如30kV）而使中央的電極111成為正的篩檢程式電位Vfil （240kV），並且使兩端的電極111的電位成為比篩檢程式電位Vfil 小且彼此相等的電位（例如基準電位210kV）。在這種情況下，沿離子束的前進方向和與其相反的方向順序出現的電壓差都成為＋30kV、－30kV。
按照這種結構，在包含在離子束IB中的離子的電荷為正的情況下，所述離子利用從電場接受的庫侖力Fc，在中央的電極111附近邊朝向電極111的內側邊前進，在兩端的電極111附近邊朝向電極111的外側邊前進。此外，所述離子從上游的電極111到中央的電極111減速，從中央的電極111到下游的電極111加速。由此，與兩端的電極111附近相比，在中央的電極111附近，離子的速度變慢，在中央的電極111附近接受朝向內側的力的時間變長，因此其結果，由於所謂的單透鏡的束聚集原理，離子束IB聚集。
另外，如圖5所示，向各電極111施加的電壓的大小關係可以是內側的電極111的電位比外側的電極111的電位高，相反，也可以是內側的電極111的電位比外側的電極111的電位低。即，可以使外側的電極111成為篩檢程式電位Vfil 、使內側的電極111成為比篩檢程式電位Vfil 低的電位。此外，成為篩檢程式電位Vfil 的電極111並不限於一個，可以使多個電極111成為篩檢程式電位Vfil 。此外，比篩檢程式電位Vfil 低的電位並不限於基準電位（束線的電位），例如也可以是接地電位。
按照所述的結構，與以往相比能夠使離子束IB的不需要的離子減少，並且能夠利用單透鏡的束聚集原理。
此外，由於配置在兩端的電極111的電位彼此相等，所以能夠在能量過濾器11的前後使離子束IB的能量相等，從而能夠以所希望的能量向目標W照射離子束IB。
如圖5所示，使用三個電極111並使中央的電極111成為篩檢程式電位Vfil 、使兩端的電極111成為接地電位或與接地電位不同的其他基準電位，在該結構中，例如在為了盡可能多地分離不需要的離子而使篩檢程式電位Vfil 接近室電位Vch 的情況下，存在離子束IB過度聚集的可能性。
因此，為了能夠控制離子束的形狀，優選的是，如圖6所示，能量過濾器11還具備形狀控制電極112，該形狀控制電極112區別于成為篩檢程式電位Vfil 的電極111、成為接地電位或束線的電位的電極（未圖示），被施加用於控制離子束形狀的形狀控制電壓VC 。
具體地說，以使形狀控制電極112成為正側的方式從形狀控制電源13對所述形狀控制電極112施加可變的形狀控制電壓VC 。
在該情況下，優選的是，如圖7所示，離子束照射裝置100還包括用於控制離子束形狀的控制裝置30。
所述控制裝置30例如進行離子束照射裝置100整體的控制，從物理方面而言是具備CPU、記憶體、輸入輸出介面等的通用或專用的電腦，通過按照存儲在所述記憶體中的規定的程式進行動作，發揮作為電流檢測部31和電壓控制部32的功能。
所述電流檢測部31檢測通過能量過濾器11的離子束IB的束電流，例如使未圖示的束電流測量裝置進出束線來監測通過能量過濾器11的離子束IB的束電流。
所述電壓控制部32基於由所述電流檢測部31檢測出的電流值，控制從形狀控制電源13向所述形狀控制電極112施加的形狀控制電壓VC 。
具體地說，所述電壓控制部32取得由所述電流檢測部31監測的電流值，並且以使該電流值成為最大的方式控制所述形狀控制電壓VC 。
按照該結構，能夠對離子束的形狀進行整形，以使離子束IB通過能量過濾器11期間不與電極111碰撞。
另外，電流檢測部31可以將來自與構成能量過濾器11的電極111電連接的電流計的輸出值檢測為流過所述電極111的電流值。
在這種情況下，例如可以舉出如下的結構：電壓控制部32取得所述電流檢測部31的電流值，並且以使所述電流值成為最小的方式控制所述形狀控制電壓VC 。
另外，當在能量過濾器11的下游設置有對離子束IB的形狀進行整形的束形狀整形構件（例如加速管4等）的情況下，所述控制裝置30可以通過總體控制向所述束形狀整形構件施加的電壓和所述形狀控制電壓VC ，對離子束IB的形狀進行整形。
此外，優選的是，離子束照射裝置100通過使例如圖6所示的過濾電源12和形狀控制電源13接通或斷開，能夠對向能量過濾器11施加的篩檢程式電壓VF 和形狀控制電壓VC 進行通斷切換。
按照這種結構，用戶能夠自由地選擇是否使用能量過濾器11的篩檢程式功能。另外，作為不需要篩檢程式功能的情況，可以例舉如下的情況：向例如像由磁性材料構成的MRAM（磁阻記憶體）這樣的、不需要的離子的注入難以成為問題的目標W進行離子注入等。
此外，在所述結構中，當使過濾電源12和形狀控制電源13斷開時，為了防止各電極111、112成為浮動電位，優選的是，如圖6所示，例如當利用開關SW等使過濾電源12和形狀控制電源13斷開時，能夠使各電極111、112成為基準電位。
此外，在能量過濾器11具有多個電極111的情況下，所述多個電極111的一部分雖然是構成離子束IB通過的束線的能量過濾器11，但是可以兼用作另外的束線構成構件的電極。
具體地說，例如，如所述實施方式所示，在能量過濾器11配置在質量分離磁鐵3和加速管4之間的情況下，在多個電極111中位於離子束前進方向的最下游的電極111可以兼用作加速管4的最上游的電極（法蘭盤）。
按照這種結構，能夠得到使用多個電極111構成能量過濾器11的所述作用效果，並且能夠抑制裝置整體的大型化和製造成本的增加。
對於構成能量過濾器11的電極111而言，在所述實施方式中構成能量過濾器11的電極111是環狀電極，但是例如也可以是形成束通過區域11a的矩形電極、或由沿束通過區域11a周圍間隔設置的例如多個電極要素構成的電極。
此外，對於能量過濾器11的配置而言，在所述實施方式中是能量過濾器11配置在質量分離磁鐵3和加速管4之間，但是也可以設置在質量分離磁鐵3的上游、加速管4的下游或能量分離磁鐵5的下游、或者是在多個部位設置能量過濾器11。
此外，離子束照射裝置100例如也可以在從離子源2到目標W為止的束線上不具備加速管。
另外，本發明並不限於所述實施方式，在不脫離本發明宗旨的範圍內可以進行各種變形。
可以相互組合本發明的各個實施方式（實施例）中所記載的技術特徵形成新的技術方案。
100‧‧‧離子束照射裝置
2‧‧‧離子源
3‧‧‧質量分離磁鐵
4‧‧‧加速管
5‧‧‧能量分離磁鐵
6‧‧‧掃描磁鐵
7‧‧‧束平行化磁鐵
8‧‧‧掃描機構
9‧‧‧質量分離狹縫
10‧‧‧能量分離狹縫
11‧‧‧能量過濾器
12‧‧‧過濾電源
13‧‧‧形狀控制電源
111‧‧‧電極
112‧‧‧形狀控制電極
21‧‧‧室
22‧‧‧電極
23‧‧‧電源
30‧‧‧控制裝置
31‧‧‧電流檢測部
32‧‧‧電壓控制部
11a‧‧‧束通過區域
VE‧‧‧引出電壓
VF‧‧‧過濾器電壓
Vfil‧‧‧過濾器電位
圖1是表示本實施方式的離子束照射裝置的整體結構的示意圖。 圖2是表示同一實施方式的離子源的結構的示意圖。 圖3是用於說明同一實施方式的能量過濾器的示意圖。 圖4是說明同一實施方式的篩檢程式電位的圖。 圖5是用於說明其他實施方式的能量過濾器的示意圖。 圖6是用於說明其他實施方式的離子束照射裝置的示意圖。 圖7是表示其他實施方式的離子束照射裝置的整體結構的示意圖。

Claims (6)

  1. 一種離子束照射裝置，包含：一離子源；一質量分離器，從由該離子源引出的一離子束中挑選並導出確定的質量和價數的一摻雜離子；以及一能量過濾器，形成該離子束通過的一束通過區域，並且通過被施加一電壓而成為規定的一過濾器電位，利用離子的能量差，區分通過該束通過區域的一通過離子和不通過該束通過區域的一非通過離子，以使該通過離子中包含該摻雜離子並且使該非通過離子中包含在該質量分離器中不能與該摻雜離子區分的不需要的離子的至少一部分的方式設定該過濾器電位；其中，該能量過濾器具有三個以上的電極，該三個以上的電極形成該離子束通過的一開口，並且沿該離子束的前進方向設置，該三個以上的電極中的至少一個電極成為該過濾器電位，其它的該電極成為比該過濾器電位低的電位，配置在兩端的該電極的電位彼此相等；其中，該能量過濾器還具有一形狀控制電極，該形狀控制電極被施加用於控制離子束形狀的一形狀控制電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之離子束照射裝置，其中該能量過濾器配置在該質量分離器的下游。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之離子束照射裝置，其中該離子束照射裝置還包括：一電流檢測部，檢測通過該能量過濾器的該離子束的束電流或流過該電極的電流；以及一電壓控制部，基於由該電流檢測部檢測出的一電流值，控制該形狀控制電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之離子束照射裝置，其中多個該電極中的一個或多個是構成該離子束通過的束線的該能量過濾器，並且兼用作另外的束線構成構件的電極。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之離子束照射裝置，其中該電極由具有導電性的一非金屬材料構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之離子束照射裝置，其中能够對向該能量過濾器施加的電壓進行通斷切換。
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