WO2020170716A1 - イオン注入装置及びイオンの選別方法 - Google Patents

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    • H10P30/21—Ion implantation into wafers, substrates or parts of devices into semiconductor materials, e.g. for doping of electrically active species

Definitions

  • the present disclosure relates to an ion implantation device and a method for selecting ions.
  • An ion implantation apparatus includes an ion source, an extraction electrode, an ion beam transport tube, and an interaction section.
  • the ion source contains a plurality of types of ions.
  • the extraction electrode is for extracting a plurality of types of ions from the ion source to generate an ion beam.
  • the ion beam transport tube transports an ion beam to an ion beam irradiation object.
  • the interaction section is disposed inside the ion beam transport tube, extends substantially parallel to the extending direction of the ion beam transport tube, and is fixed at a predetermined potential.
  • a method of selecting ions generates an ion beam containing a plurality of types of ions, changes the trajectory of the ion beam by interaction between the interaction unit and the ion beam, and changes the trajectory of the plurality of types of ions. Select desired ions from the ions.
  • the interaction section is disposed inside the ion beam transport tube that transports the ion beam to the ion beam irradiation target, extends substantially parallel to the extending direction of the ion beam transport tube, and is fixed at a predetermined potential. ing.
  • the trajectory of the ion beam is changed by the interaction between the ion beam and the interaction unit, and desired ions are selected from a plurality of types of ions.
  • the desired ion is an ion to be implanted by the ion implanter, and will be referred to as “desired ion” hereinafter.
  • Ions other than the desired ion among the plurality of types of ions are unnecessary components that become impurities with respect to the “desired ion” to be implanted, and will be referred to as “unnecessary ions” hereinafter.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of an ion implantation device according to an embodiment of the present disclosure. It is a figure showing an example of the cross-section structure in I-I' of the ion implantation apparatus shown in FIG. 5 is a flowchart illustrating an ion selection method according to an embodiment of the present disclosure. It is a figure explaining the principle of the selection method of the ion concerning one embodiment of this indication (interaction of stationary ion and an interaction electrode). It is a figure which shows an example of the fall time with respect to the distance of the ion and the interaction electrode by the ion selection method which concerns on one embodiment of this indication.
  • FIG. 8 is a diagram showing a part of the trajectory of an ion beam of the ion implantation apparatus shown in FIG. 7.
  • FIG. 9A It is a figure showing an example of the schematic structure of the ion implantation apparatus concerning the modification A. It is a figure which shows an example of a structure of the principal part of the ion implantation apparatus shown in FIG. 9A. It is a figure which shows an example of schematic structure of the principal part of the ion implantation apparatus which concerns on the modification B. It is a figure which shows an example of schematic structure of the principal part of the ion implantation apparatus which concerns on the modification C. It is a figure which shows an example of schematic structure of the principal part of the ion implantation apparatus which concerns on the modification D. It is a figure which shows an example of schematic structure of the principal part of the ion implantation apparatus which concerns on the modification E.
  • FIG. 16B is a diagram showing an ion beam of the ion implantation apparatus shown in FIG. 16A.
  • Example 2 in which an interaction electrode is provided in the ion beam transport tube Modified
  • Example A An example in which a slit is provided in the trajectory of the ion beam.
  • FIGS. 9A to 9B Modification B: Example in which the surface of the interaction electrode has a curved surface...
  • FIG. Modification C Example in which a magnetic field for adjusting the trajectory of the ion beam is provided.
  • Modification D Example in which an electric field for adjusting the trajectory of the ion beam is provided...
  • Fig. 12 Modification E: Example in which the surface of the interaction electrode has a curved surface...
  • FIG. Modification F Example in which the surface of the interaction electrode has a curved surface and a magnetic field for adjusting the trajectory of the ion beam is provided...
  • Fig. 14 Modification G: a part of the surface of the interaction electrode is a flat surface, Example in which another part is a curved surface...
  • Fig. 15 Modification H: Example having multi-stage interaction electrodes... FIGS. 16A to 16B
  • FIG. 1A illustrates an example of a schematic configuration of an ion implantation device 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1B shows an example of a cross-sectional structure taken along the line II′ of the ion implantation apparatus 1 shown in FIG. 1A.
  • the ion implantation apparatus 1 has an ion source 11C, an extraction electrode 11D, an ion beam transport tube 10, and an interaction electrode 14.
  • the ion beam transport tube 10 transports the ion beam to the wafer 22.
  • the ion beam transport tube 10 has, for example, an ion beam generator 11, an ion beam deflector 13, and an ion selector 14S, and are arranged in this order from one end to the other end.
  • the ion beam transport tube 10 corresponds to a specific but not limitative example of “ion beam transport tube” of the present disclosure.
  • the ion beam transport tube 10 has, for example, a stretched portion that stretches in the X-axis direction and the Y-axis direction, and a bent portion that connects the stretched portions.
  • the wafer 22 corresponds to a specific but not limitative example of “ion beam irradiated body” of the present disclosure.
  • the ion source 11C and the extraction electrode 11D are arranged in the ion beam generator 11, and the interaction electrode 14 is arranged in the ion selector 14S.
  • a wafer processing chamber 20 is arranged, and the wafer 22 is arranged inside the wafer processing chamber 20.
  • the ion beam generation unit 11 is a unit that generates an ion beam, and is configured, for example, as a stretching unit that stretches in the X-axis direction in FIG. 1A.
  • An arc chamber 11A, a gas source 11B, an ion source 11C, and an extraction electrode 11D are arranged in the ion beam generator 11.
  • the ion source 11C corresponds to a specific but not limitative example of “ion source” in the present disclosure.
  • the lead electrode 11D corresponds to a specific but not limitative example of “lead electrode” in one embodiment of the present disclosure.
  • the arc chamber 11A is for making a source gas serving as an ion source into plasma, and for example, a source magnet (not shown) is arranged in the Z-axis direction.
  • a filament (not shown) is provided near the arc chamber 11A.
  • a raw material gas is introduced into the arc chamber 11A from the gas source 11B, and a high voltage is applied by a filament (not shown) while a magnetic field is applied by a source magnet (not shown). Thereby, the source gas is turned into plasma and the ion source 11C is formed.
  • the ion source 11C is for generating ions (desired ions) used for ion implantation, and contains a plurality of types of ions CP for the reason described below.
  • the extraction electrode 11D is for generating the ion beam 12 from the ion source 11C.
  • a plurality of types of ions CP containing desired ions are extracted from the ion source 11C by applying a predetermined voltage to the extraction electrode 11D, and thus the ion beam 12 containing a plurality of types of ions CP. Is generated.
  • the ion beam deflection unit 13 filters desired ions from the ion beam 12 by filtering according to the mass-to-charge ratio (mass m/charge number q, hereinafter also referred to as “m/q”) of each ion. It is for.
  • the ion beam deflection unit 13 is arranged, for example, between the ion beam generation unit 11 and the ion selection unit 14S, and is configured, for example, as a bent portion in FIG. 1A.
  • the ion beam deflector 13 corresponds to a specific but not limitative example of “ion beam deflector” in one embodiment of the present disclosure.
  • the ion beam deflection unit 13 is composed of, for example, a magnetic field type filter for applying a magnetic field to the ion beam or an electric field type filter for applying an electric field to the ion beam.
  • the magnetic field type filter performs filtering based on the difference in momentum of each ion CP, and is composed of, for example, an analyzer magnet.
  • a magnetic field When a magnetic field is applied to the ion beam 12, the direction (orbit) in which the ion beam 12 is transported is bent due to the balance between the centrifugal force and the Lorentz force.
  • the degree of bending of the trajectory of the ion beam 12 depends on the mass-to-charge ratio m/q of the ions. Therefore, in the ion beam deflecting unit 13 configured by the magnetic field type filter, the magnetic field is adjusted so that desired ions among the plurality of types of ions included in the ion beam 12 pass through the ion beam deflecting unit 13.
  • ions having a larger mass-to-charge ratio m/q (heavier) than the desired ions become the ion beam 12B having a small degree of bending and collide with the inner wall surface of the ion beam transport tube 10 to be removed.
  • Ions having a mass-charge ratio m/q smaller (lighter) than the desired ions become the ion beam 12C having a large degree of bending, and collide with the inner wall surface of the ion beam transport tube 10 to be removed.
  • the ion beam 12A containing the desired ions is extracted. The selection of the ion CP by the magnetic field type filter will be described later.
  • the electric field type filter filters by the energy difference of each ion CP.
  • the direction (orbit) in which the ion beam 12 is transported is bent due to the balance between the centrifugal force and the Coulomb force.
  • the electric field is adjusted so that desired ions among the plurality of types of ions included in the ion beam 12 pass through the ion beam deflecting unit 13.
  • ions (heavy) having a larger m/q and ions (smaller) having a smaller m/q than the desired ions collide with the inner wall surface of the ion beam transport tube 10 and are removed.
  • the ion beam 12A containing the desired ions is extracted. The selection of the ion CP by the electric field type filter will be described later.
  • the ion beam transport tube 10 is bent 90° from the X-axis direction to the Y-axis direction, but it is not limited to this.
  • the ion beam transport tube 10 may be bent at an angle other than 90°.
  • the ion selecting unit 14S determines the size of the mass m/(charge number q) 2 (hereinafter also referred to as “m/q 2 ”) of each ion CP from the ion beam 12A selected by the ion beam deflecting unit 13.
  • the desired ions are selected by filtering according to.
  • unnecessary ions contained in the ion beam 12A are further removed, and the ion beam 12D of desired ions is selected from the ion beam 12A.
  • the ion selecting unit 14S is configured as, for example, a stretching unit that stretches in the Y-axis direction in FIG. 1A.
  • the interaction electrode 14 is arranged in the ion selector 14S.
  • the interaction electrode 14 corresponds to a specific but not limitative example of “interaction portion” of the present disclosure.
  • the interaction electrode 14 changes the trajectory of the ion beam 12A by the interaction between the plurality of ions CP included in the ion beam 12A and the image charge IM.
  • the interaction electrode 14 is formed of, for example, a conductor.
  • the interaction electrode 14 is, for example, a plate-shaped member that extends in the uniaxial direction, and is arranged in the ion beam transport tube 10 so as to extend substantially parallel to the extending direction of the ion beam transport tube 10, for example.
  • the surface of the interaction electrode 14 is preferably flat, but not limited to this, and may have a curved surface.
  • the surface of the interaction electrode 14 has a deviation of the distance between the ion beam 12A and the surface of the interaction electrode 14 within a range of ⁇ 10 mm. It is preferable.
  • the interaction electrode 14 is fixed at a predetermined electric potential.
  • the predetermined potential is, for example, the ground potential.
  • the ion beam 12A in the ion selector 14S is transported near the interaction electrode 14. Specifically, in the ion beam 12A, for example, as shown in FIG. 1B, the distance R1 between the ion beam 12A and the interaction electrode 14 is smaller than the distance R2 between the ion beam 12A and the wall surface of the ion beam transport tube 10. The location is transported.
  • a virtual trajectory of the ion beam 12A when there is no interaction with the interaction electrode 14 is shown by a broken line LN.
  • the trajectory of the ion beam 12A is drawn at a predetermined distance in a linear trajectory as shown in FIG. 1, and then, due to the influence of the interaction electrode 14, the interaction electrode 14 is located closer to the interaction electrode 14 than the broken line LN. Can be bent into.
  • the selection of the ions CP by the ion selection unit 14S will be described later.
  • a wafer processing chamber 20 is provided at the other end of the ion beam transport tube 10.
  • a base 21 that can be normally driven is provided inside the wafer processing chamber 20, and a wafer 22 is held on the base 21.
  • the wafer 22 is irradiated with the ion beam 12D on the base 21.
  • the base 21 may be rotationally driven.
  • a Faraday cup 16A is provided near the other end of the ion beam transport tube 10 (ion beam exit 10D).
  • An ammeter 16B is connected to the Faraday cup 16A and the base 21. The ammeter 16B measures the amount of beam current used for ion implantation, and thus the amount of ion implantation can be controlled according to the obtained amount of current.
  • FIG. 2 shows a flow of ion selection in the ion selection unit 14S.
  • the ion beam generation unit 11 generates an ion beam 12 containing a plurality of types of ions CP, and the ion beam deflection unit 13 generates a charge mass ratio ( Ions are selected based on m/q) to generate the ion beam 12A (step S2).
  • ions are selected in the ion selecting unit 14S.
  • the trajectory of the ion beam is changed by the interaction between the interaction electrode 14 and the ion beam 12A (step S3).
  • desired ions are selected from the plurality of types of ions CP included in the ion beam 12A (step S4). In this way, desired ions are selected from the plural types of ions CP.
  • step S3 the trajectory of the ion beam 12A is changed by the interaction between the image charge IM in the interaction electrode 14 and the plurality of types of ions CP for the plurality of types of ions CP.
  • the ion beam 12A is assumed to include, for example, a first ion CP1 and a second ion CP2 as a plurality of types of ions.
  • the first ion CP1 has a first mass m1 and a first charge number q1.
  • the second ion CP2 has a second mass m2 and a second charge number q2.
  • the interaction between the interaction electrode 14 and the ion beam 12A causes the difference between m1/(q1) 2 and m2/(q2) 2 to cause the first trajectory and the second trajectory of the first ion CP1.
  • the second orbits of the ions CP2 of the are different from each other.
  • the interaction between the interaction electrode 14 and the ion beam 12A removes unnecessary ions from the plurality of types of ions CP based on the mass m/(number of charges q) 2 . Extract (select) desired ions.
  • the ion beam generator 11 generates the ion beam 12, and the ion beam deflector 13 selects the ion CP based on the mass-to-charge ratio m/q to extract the ion beam 12A containing desired ions. ..
  • the ions CP are selected based on the mass m/(the number of charges q) 2 , the unnecessary ions contained in the ion beam 12A are further removed, and the ion beam 12D of the desired ion is selected. And irradiate the wafer.
  • the filtering of the ions CP in the ion beam deflecting unit 13 and the ion selecting unit 14S of the ion implanter 1 of the present embodiment will be described in detail below.
  • the ion beam 12 generated by the ion beam generator 11 contains unnecessary ions in addition to desired ions to be implanted. Unwanted ions mixed in the ion beam 12 are the gas of the gas source 11B or impurities contained therein, the metal element derived from the metal member forming the arc chamber 11A, and tungsten emitted from a filament (not shown). Is. Generally, BF 3, B 2 F 6 or the like is used as an ion source of boron (B). As the phosphorus (P) ion source, POCl 3 , PF 3 , PH 3 , or the like is used. AsH 3 or the like is used as an arsenic (As) ion source.
  • arc chamber 11A In the arc chamber 11A, in addition to desired ions (B, P, or As ions), single ions of hydrogen (H), oxygen (O), and fluorine (F) contained in the ion source, and B , P, As and various ions such as molecular ions are released as unnecessary ions. Further, iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), tungsten (W), molybdenum (Mo), etc. that form the arc chamber 11A and filament (not shown) are also partially ionized and released. It becomes unnecessary ions.
  • the filtering of the ion CP by the ion beam deflection unit 13 composed of a magnetic field type filter will be described.
  • a magnetic field having a magnetic flux density B is applied in the Z-axis direction to the ion beam 12 containing the plural types of ions CP generated by the ion beam generation unit 11.
  • Each ion CP receives the Lorentz force F due to the magnetic field, and the orbit is bent.
  • the orbital radius is r
  • the mass of ions is m
  • the number of charges is q
  • equation (2) shows the balance between the centrifugal force and the Lorentz force.
  • the orbital radius r is determined by the mass-to-charge ratio m/q.
  • the ion beam 12B of unnecessary ions whose mass-to-charge ratio m/q is larger (heavier) than the desired ions has a large orbit radius r and collides with the inner wall surface of the ion beam transport tube 10 to be removed.
  • the ion beam 12C of unnecessary ions whose mass-to-charge ratio m/q is smaller (lighter) than the desired ions has a small orbit radius r and collides with the inner wall surface of the ion beam transport tube 10 to be removed.
  • the ion beam deflector 13 can select the ions CP according to the mass-to-charge ratio m/q and take out the ion beam 12A containing desired ions.
  • equation (4) Given an electromagnetic field having a magnetic field of magnetic flux density B and an electric field Ef, the equation of motion of the ion CP moving in the electromagnetic field is shown by equation (4).
  • the ions CP having different mass-to-charge ratios m/q move in different orbits, like the magnetic field type filter.
  • the ion beams 12B and 12C of unnecessary ions can be collided with the inner wall surface of the ion beam transport tube 10, or can be shielded by providing a slit, and the ion beam 12A containing desired ions can be passed through and extracted.
  • the ions CP are selected according to the mass-to-charge ratio m/q, and the ion beam 12A containing desired ions can be extracted.
  • the ion beam deflecting unit 13 is an electric field type filter that applies the electric field Ef
  • the equation in which B is 0 (zero) is established in the equation (6)
  • the ions CP having different mass-to-charge ratios m/q have different trajectories. Exercise.
  • the ion beam deflection unit 13 (electric field type filter) can select the ions CP by the mass-to-charge ratio m/q and take out the ion beam 12A containing desired ions.
  • the filtering of the ions CP by the ion selector 14S will be described.
  • the ion selector 14S removes unnecessary ions from a plurality of types of ions CP based on the mass m/(charge number q) 2 and selects desired ions.
  • the ion beam deflector 13 sorts out the ions CP based on the mass-to-charge ratio m/q, but the ion beam 12 generated by the ion beam generator 11 has a mass charge as unnecessary ions. Ions CP having a similar ratio m/q are included.
  • a molybdenum (Mo) ion ( 94 Mo 3 ) can be used as an ion whose mass-to-charge ratio m/q is close to that of P ion ( 31 P + , hereinafter referred to as P + ).
  • Table 1 Is the number of charges q of each ion CP of P + , Mo 3+ , and W 6+ , the unified atomic mass unit u, the mass-to-charge ratio u/q, and the mass-to-charge ratio difference ⁇ (u/q)( %) is shown.
  • the mass-to-charge ratios u/q of P + , Mo 3+ , and W 6+ are close to each other. Separation of P + , Mo 3+ , and W 6+ is difficult by the filtering by the ion beam deflection unit 13. For example, in the ion beam 12A obtained for the purpose of P + selection, unnecessary ions of Mo 3+ and W 6+ is mixed. Therefore, when the wafer 22 is irradiated with the ion beam 12A, Mo 3+ and W 6+ are also ion-implanted in addition to P + . Such metal contamination by unnecessary ions has a great influence on the characteristics and life of the semiconductor element. Therefore, it is required to improve the ion separation performance so as to remove unnecessary ions and select desired ions.
  • FIG. 3 illustrates the principle of the ion selection method in the ion selection unit 14S (interaction between the stationary ion CP and the interaction electrode 14).
  • P + , Mo 3+ , and W 6+ will be described as an example of the three types of ions CP mixed in the ion beam 12A. It is assumed that three types of ions CP (P + , Mo 3+ , W 6+ ) separated by a distance of R/2 are stationary from the interaction electrode 14 fixed at a constant potential (eg, ground potential). To do.
  • the equation of motion of ions is shown by the above equation (4).
  • the ions CP interact with the image charge IM corresponding to each ion CP in the interaction electrode 14.
  • the image charge IM has a polarity opposite to that of the ions CP and has the same number of charges.
  • the depth of the image charge IM in the interaction electrode 14 is equal to the distance between the ion CP and the interaction electrode 14.
  • the distance between the ion CP and the image charge IM is R.
  • the ions CP and the image charge IM interact with each other at a distance R by a Coulomb force and attract each other.
  • the Coulomb force with the image charge IM of the ion CP is expressed by equation (7).
  • ⁇ is a dielectric constant.
  • the formula (8) is derived from the formula (4) and the formula (7).
  • the motion of the ion CP is determined by m/q 2 . That is, the three types of ions CP (P + , Mo 3+ , W 6+ ) have similar mass-to-charge ratios m/q, but the magnitudes of m/q 2 are different, and they are separated from each other. It is possible.
  • FIG. 4A shows the fall time of the ion CP with respect to the distance between the ion CP and the interaction electrode 14.
  • the fall time means that each ion CP reaches the surface of the interaction electrode 14 by interacting with the image charge IM at the position of the distance R from the position R/2 away from the surface of the interaction electrode 14. It is the time to (fall).
  • the three types of ions CP (P + , Mo 3+ , W 6+ ) are indicated by straight lines a, b, and c, respectively. It can be seen from FIG. 4A that the three types of ions CP (P + , Mo 3+ , W 6+ ) have different drop times to the interaction electrode 14.
  • FIG. 4B shows the horizontal distance to the fall with respect to the distance between the ion CP and the interaction electrode 14.
  • three types of ions CP (P + , Mo 3+ , W 6+ ) are shown by curves d, e, and f, respectively.
  • the three types of ions CP (P + , Mo 3+ , W 6+ ) are extracted at a predetermined extraction voltage.
  • the ions CP move substantially parallel to the surface of the interaction electrode 14 when approaching the interaction electrode 14, and this direction is referred to as the horizontal direction.
  • the velocity v when the ion CP reaches the interaction electrode 14 is derived from the equation (1) and is represented by the equation (9).
  • the distance between the ion CP and the interaction electrode 14 is R/2 when approaching the interaction electrode 14, the distance between the ion CP and the image charge IM is R.
  • the distance between the ion and the interaction electrode 14 or the image charge IM at the time when the ion CP reaches the interaction electrode 14 is also referred to as an “initial distance”. While passing on the interaction electrode 14, the ion CP interacts with the image charge IM and gradually falls on the interaction electrode 14.
  • the horizontal distance to the drop shown in FIG. 4B is a distance that the ion CP moves in the horizontal direction before falling onto the interaction electrode 14 when the ion CP passes over the interaction electrode 14 as described above. .. From FIG. 4B, when the initial distance between the ion CP and the interaction electrode 14 is 5 ⁇ m (the initial distance between the ion CP and the image charge IM is 10 ⁇ m), P + does not fall to the interaction electrode 14. Move about 44 cm. Also, Mo 3+ moves about 26 cm before falling onto the interaction electrode 14. Also, W 6+ moves about 18 cm before falling on the interaction electrode 14. As described above, the horizontal distance until falling depends on the magnitude of m/q 2 of each ion CP.
  • the horizontal length L of the interaction electrode 14 is set to be less than the horizontal distance until the desired ions fall and more than the horizontal distance until the unwanted ions fall, the unwanted ions collide with the interaction electrode 14. The removed ions of interest pass over the interaction electrode 14.
  • FIG. 5 illustrates the principle of the ion selection method in the ion selection unit 14S (interaction between moving ions and the interaction electrode).
  • an ion beam 12A containing P + and W 6+ When the extraction voltage is 30 KeV, the velocity v of the ion beam 12A is 4.3 ⁇ 10 5 m/sec.
  • the initial distance R/2 between the ion CP (P + and W 6+ ) in the ion beam 12A and the interaction electrode 14 is 5 ⁇ m, and the ion CP (P + and W 6+ ) and the image charge IM are The initial distance R between them is 10 ⁇ m.
  • P + and -1 interact with the image charge IM of ⁇ 1 valence by Coulomb force CF(P).
  • W 6+ interacts with the ⁇ 6 valence image charge IM by Coulomb force CF(W).
  • the length L of the interaction electrode 14 in the horizontal direction is 40 cm, so that P + can pass and W 6+ can be removed.
  • Mo 3+ is not shown in FIG. 5, it can be removed similarly to W 6+ .
  • the horizontal length L of the interaction electrode 14 may be set to 20 cm so that P + passes and W 6+ is removed. Can not remove Mo 3+ if Mo 3+ coexist, can be applied in the case intermixture amount of Mo 3+ in the ion beam 12A is very small.
  • the distance R at which P + falls is 9 ⁇ m
  • the distance at which W 6+ falls is 17 ⁇ m.
  • P + passes through the ion selector 14S
  • W + 6+ is removed by the ion selector 14S.
  • phosphorus (P + ) passes through the ion selector 14S.
  • Tungsten (W 6+ ) is removed by the ion selection unit 14S.
  • the horizontal length L of the interaction electrode 14 is set so as to satisfy the expression (12).
  • desired ions mass m, charge number q
  • heavier ions ⁇ (mass 2 m, charge number 2q), (mass 3 m, charge number 3q),... nm, the number of charges nq) (n is an integer of 2 or more) ⁇ collides with the interaction electrode 14 and cannot pass therethrough.
  • FIG. 6 shows an example of the configuration of the main part (ion selection part) of the ion implantation apparatus 1 shown in FIG. 1A.
  • P + , Mo 3+ , and W 6+ are illustrated as the ion CP, but the ion CP is not limited to this and can be applied to other ions CP.
  • the interaction electrode 14 shown in FIG. 6 interacts with, for example, the ion beam 12A including the first ion CP1 and the second ion CP2 having a mass-to-charge ratio of m/q approximate to select a desired ion. It is for.
  • the first ion CP1 is a desired ion
  • the second ion CP2 is an unnecessary ion.
  • the first ion CP1 has a first mass m1 and a first charge number q1.
  • the second ion CP2 has the second mass m2 and the second charge number q2.
  • the first ion CP1 interacts with the image charge IM1 inside the interaction electrode 14 when passing over the interaction electrode 14 at a velocity v.
  • the second ion CP2 also interacts with the image charge IM2 inside the interaction electrode 14 as it passes over the interaction electrode 14 at velocity v.
  • the initial distance between the surface of the interaction electrode 14 and the ion beam 12A is R/2, and the orbits of the surface of the interaction electrode 14 and the ion beam 12A are substantially parallel.
  • substantially parallel means in a narrow sense that the surface of the interaction electrode 14 and the trajectory of the ion beam 12A are parallel within the error range of R/2.
  • the surface of the interaction electrode 14 and the trajectory of the ion beam 12A are substantially parallel in the narrow sense, the interaction between the ion beam 12A and the interaction electrode 14 occurs efficiently.
  • a broad sense it means that the surface of the interaction electrode 14 and the trajectory of the ion beam 12A are parallel within a range of ⁇ 10 mm. Since the surface of the interaction electrode 14 and the trajectory of the ion beam 12A are substantially parallel in a broad sense, the effect can be more easily obtained.
  • the first ion CP1 and the image charge IM1 behave as charged particles separated by the distance R.
  • the first ion CP1 and the image charge IM1 interact with each other by Coulomb force, and the first ion CP1 gradually approaches the interaction electrode 14.
  • the second ion CP2 and the image charge IM2 interact with each other by Coulomb force, and the second ion CP2 gradually approaches the interaction electrode 14. That is, the first ion CP1 and the second ion CP2 drop to the interaction electrode 14.
  • the interaction electrode 14 generates a first orbit of the first ion CP1 and a second orbit of the second ion CP2 by the difference between m1/(q1) 2 and m2/(q2) 2. Different from each other.
  • the length L of the interaction electrode 14 in the extending direction (Y-axis direction) so that the second ion CP2 collides with the interaction electrode 14 and the first ion CP1 passes without colliding with the interaction electrode 14.
  • the initial distance R/2 and the like between the interaction electrode 14 and the first and second ions CP1 and CP2 are adjusted.
  • the second ions CP2 can be removed and the first ions CP1 can be taken out (selected), and the separation performance (desired ions and unnecessary ions) of impurity ions used for ion implantation can be improved.
  • the extraction electrode 11D preferably extracts a plurality of types of ions with an extraction voltage of 10 mV or more and 1 MV or less, for example. Desired ions and unwanted ions are extracted with the same extraction voltage.
  • the extraction voltage By controlling the extraction voltage, the velocity of each ion can be controlled, and the time when each ion and the interaction electrode 14 interact with each other and the distance over which they interact can be controlled. It is possible to improve the separation performance of impurity ions (desired ions and unnecessary ions) used for ion implantation.
  • the distance between the ion beam 12A and the interaction electrode 14 is preferably, for example, 0.1 nm or more and 10 mm or less. The closer the distance between the ion beam 12A and the interaction electrode 14, the greater the interaction. At distances greater than 10 mm, the interactions are not large enough for ion selection. When it is closer than 0.1 nm, it becomes difficult to prevent desired ions from colliding with the interaction electrode 14.
  • the length L of the interaction electrode 14 in the extending direction (Y-axis direction) is preferably, for example, 1 mm or more and 30 m or less.
  • the ion beam 12A is preferably transported substantially parallel to the surface of the interaction electrode 14 within an error range of ⁇ 10 mm. If it exceeds ⁇ 10 mm, stable interaction between the ion CP and the interaction electrode 14 may be difficult.
  • the time for the ion beam 12A to pass through the part that interacts with the interaction electrode 14 (the time for the interaction electrode 14 and the ion beam 12A to interact) is defined as time Tf.
  • the time until at least one of the plurality of types of ions CP falls on the interaction electrode 14 while passing through the portion of the trajectory of the ion beam 12A that interacts with the interaction electrode 14 is defined as time Tc. It is preferable that Tf and Tc satisfy the relationship of Tf ⁇ 0.001Tc, for example. Thereby, it is possible to adopt a configuration in which the ions can be favorably selected in the ion selector 14S.
  • the ion implanter 1 is arranged so that the trajectory of the ion beam 12A follows the surface of the interaction electrode 14.
  • the interaction electrode 14 has a planar shape having a constant length L in the horizontal direction as shown in FIG. 1A, but is not limited to this and may have a curved surface.
  • the ion implantation process is a very important process that affects device characteristics and reliability of the semiconductor.
  • boron (B) is used to form a p-type semiconductor
  • a dopant such as phosphorus (P) or arsenic (As) is used to form an n-type semiconductor by using an ion implantation apparatus.
  • the acceleration energy for implanting into the wafer determines the implantation depth, and the total amount of ion implantation (dose) depending on the irradiation current amount and time is freely and extremely controlled so as to obtain desired device characteristics. It can be adjusted with high controllability.
  • the ion implantation apparatus 100 in order to explain the operation and effect of the ion implantation apparatus 1, the ion implantation apparatus 100 according to the reference embodiment will be described.
  • FIG. 7 shows a schematic configuration of the ion implantation device 100 according to the reference embodiment.
  • the general ion implantation apparatus 100 includes, for example, an ion beam transport tube 110, an arc chamber 111A, a gas source 111B, an ion source 111C, an extraction electrode 111D, an ion beam deflector 113, a Faraday cup 116A, an ammeter 116B, and a wafer processing chamber. It is composed of 120 and a base 121.
  • the ion beam 112 is extracted by the extraction electrode 111D from the ion source 111C formed by the arc chamber 111A, the gas source 111B, and the like.
  • the extracted ion beam 112 is selected by the difference in ion momentum or energy while the trajectory of the ion beam deflector 113 is bent. That is, the ion beam 112B of ions with a large (heavy) m/q value and the ion beam 112C of ions with a small (light) m/q are filtered. An ion beam 112A containing desired ions to be used for ion implantation is extracted. The extracted ion beam 112A is guided to the wafer processing chamber 120 and irradiated on the wafer 122.
  • the ion beam 112A includes a plurality of types of ions (for example, the first ion CP1 and the second ion CP2) with which the mass-to-charge ratio m/q approximates.
  • FIG. 8 shows a part of the trajectory of the ion beam after passing through the ion beam deflection unit 113 of the ion implantation apparatus shown in FIG.
  • the mass-to-charge ratio m1/q1 of the first ion CP1 and the mass-to-charge ratio m2/q2 of the second ion CP2 are close to each other, the first ion CP1 and the second ion CP2 have passed through the ion beam deflector 113. After that, the wafer 122 is transported on the same track without being separated and is injected into the wafer 122. For example, it is very difficult to separate ions with a mass-to-charge ratio difference of 1% even with an ion implanter having a high-performance mass analysis capability.
  • the ion beam transport tube 10 is provided with the ion selector 14S having the interaction electrode 14 fixed at a predetermined potential.
  • the interaction beam 14 interacts with the ion beam 12A including the first ion CP1 and the second ion CP2 whose mass-to-charge ratios are similar to each other, so that the first ion CP1 And the second orbit of the second ion CP2 are different from each other.
  • the desired ion and the unwanted ion having a mass-to-charge ratio of m/q are mixed in the ion beam containing the desired ion to be implanted. Also, unnecessary ions can be removed. This can improve the separation performance of impurity ions used for ion implantation (desired ions and unnecessary ions).
  • semiconductor element characteristics and reliability can be improved. For example, in a semiconductor imaging device, noise such as white spots is suppressed, and image quality can be improved.
  • the pressure resistance is improved and the reliability is enhanced.
  • the semiconductor memory device the data holding characteristic of the stored information is improved and the reliability is enhanced.
  • FIG. 9A shows an example of an ion implantation apparatus 1A as a modified example A.
  • a slit 17 is provided at a position subsequent to the interaction electrode 14 and at a position where the trajectory of desired ions and the trajectory of unwanted ions are sufficiently separated from each other. Except for the above, the configuration is similar to that of the ion implantation apparatus 1.
  • FIG. 9B shows an example of a configuration of a main part of the ion implantation apparatus shown in FIG. 9A.
  • the slit 17 is configured to pass the first ion CP1 and shield the second ion CP2 when the ion beam 12A includes the first ion CP1 and the second ion CP2.
  • the slit 17 passes P + and blocks Mo 3+ and W 6+ , for example. It is configured.
  • the slit 17 can be adjusted in position in a predetermined direction DR, for example, and the slit width W can also be adjusted.
  • the slit 17 may be fixed.
  • the time for the ion beam 12A to pass through the part that interacts with the interaction electrode 14 (the time for the interaction electrode 14 and the ion beam 12A to interact) is defined as time Tf.
  • the time until at least one of the plurality of types of ions CP falls on the interaction electrode 14 while passing through the portion of the trajectory of the ion beam 12A that interacts with the interaction electrode 14 is defined as time Tc.
  • Tf and Tc satisfy equation (13).
  • the ion beam 12A has, for example, a first ion CP1 having a first mass m1 and a first charge number q1 and a first ion CP1 having a second mass m2 and a second charge number q2. It contains two ions CP2.
  • the first ion CP1 interacts with the image charge IM1 in the interaction electrode 14 by Coulomb force, and gradually approaches the interaction electrode 14.
  • the second ion CP2 interacts with the image charge IM2 in the interaction electrode 14 by Coulomb force, and gradually approaches the interaction electrode 14.
  • the length L of the interaction electrode 14 in the extending direction is adjusted to be short so that neither the first ion CP1 nor the second ion CP2 falls on the interaction electrode 14. Due to the interaction with the interaction electrode 14, the first orbit of the first ion CP1 and the second orbit of the second ion CP2 are different from each other.
  • the position of the slit 17 is adjusted so that the first ion CP1 passes and the second ion CP2 does not pass. In this way, the first ions CP1 can be extracted (selected).
  • the ion implanter 1A As in the ion implanter 1, even when the ion beam containing the desired ion to be implanted contains the desired ion and the unnecessary ion having a mass-charge ratio m/q of approx. , Unnecessary ions can be removed. Further, in the ion implanter 1A, the distance R/2 between the ion beam 12A and the interaction electrode 14 can be reduced, and the length L of the interaction electrode 14 can be shortened. This makes it possible to reduce the size of the ion implantation device.
  • the surface of the interaction electrode 14 has a planar shape, but is not limited to this, and may have a curved surface.
  • FIG. 10 shows an example of a main part of an ion implantation apparatus 1B as a modified example B.
  • the interaction electrode 14 has a curved surface portion 14R.
  • the trajectory of the ion beam 12A is bent toward the interaction electrode 14 due to the interaction with the interaction electrode 14, and the curvature of the curved surface portion of the interaction electrode 14 is provided so as to match the trajectory of the ion beam 12A. ing. Except for the above, it has the same configuration as the ion implantation apparatus 1.
  • the ion implanter 1B like the ion implanter 1, even if the desired ion and the unwanted ion having a mass-to-charge ratio of m/q are mixed in the ion beam containing the desired ion, it is unnecessary. Ions can be removed. Further, in the ion implanter 1B, the surface of the interaction electrode 14 has a shape that fits the trajectory of the ion beam 12A, and the distance and time for the ion beam 12A and the interaction electrode 14 to interact can be secured. This makes it possible to reduce the size of the ion implantation device.
  • FIG. 11 shows an example of a main part of an ion implantation apparatus 1C as a modification C.
  • a magnetic field 30A that supplementarily changes the orbit is provided in a part of the orbit of the ion beam 12A.
  • the part of the orbit is a portion where the orbit changes due to the interaction between the first ion CP1 and the second ion CP2 and the interaction electrode 14. Except for the above, it has the same configuration as the ion implanter 1A.
  • the ion implanter 1C like the ion implanter 1, even if the desired ion and the unwanted ion having a mass-to-charge ratio of m/q are mixed in the ion beam containing the desired ion, it is not necessary. Ions can be removed. Further, the ion implantation apparatus 1C has a magnetic field 30A for orbit adjustment, and slits are provided so that desired ions (first ions CP1) pass and unnecessary ions (second ions CP2) do not pass. Even if 17 is fixed, it is easy to adjust.
  • FIG. 12 shows an example of a main part of an ion implantation apparatus 1D as a modification D.
  • An electric field 31A that supplementarily changes the trajectory is provided on a part of the trajectory of the ion beam 12A.
  • the part of the orbit is a portion where the orbit changes due to the interaction between the first ion CP1 and the second ion CP2 and the interaction electrode 14. Except for the above, it has the same configuration as the ion implanter 1A.
  • the ion implanter 1D similarly to the ion implanter 1, even if the ion beam containing the desired ion to be implanted is mixed with the desired ion and the unnecessary ion having a mass-to-charge ratio of m/q approximate, it is unnecessary. Ions can be removed. Further, in the ion implanter 1D, an electric field 31A for orbit adjustment is applied, and a slit is formed so that a desired ion (first ion CP1) passes and an unnecessary ion (second ion CP2) does not pass. Even if 17 is fixed, it is easy to adjust.
  • the surface of the interaction electrode 14 has a planar shape, but is not limited to this, and may have a curved surface.
  • FIG. 13 shows an example of a main part of an ion implantation apparatus 1E as a modification E.
  • the interaction electrode 14A has a curved surface portion 14B.
  • the interaction electrode 14A has a cylindrical shape or a spherical shape.
  • the columnar or spherical interaction electrode 14A has a curved surface portion 14B on the surface that interacts with the ion beam.
  • the inside of the interaction electrode 14 may have a hollow structure.
  • the traveling direction of the ion beam 12A is bent with a predetermined curvature.
  • the magnetic field 32A and the like are adjusted so that the traveling direction of desired ions contained in the ion beam 12A is substantially parallel to the curved surface portion 14B of the interaction electrode 14A.
  • the ion beam 12A includes a first ion CP1 having a first mass m1 and a first charge number q1, a second mass m2, and a second charge number q2. It includes the second ion CP2 that it has, and the third ion CP3 that has the third mass m3 and the third charge number q3.
  • the first ion CP1, the second ion CP2, and the third ion CP3 pass near the interaction electrode 14A, the first ion CP1, the second ion CP2, and the third ion CP3 interact with the interaction electrode 14A and undergo an orbit depending on the difference in the number of charges. Changes.
  • the first ion CP1 is a desired ion, and due to the influence of the bending of the magnetic field 32A in the traveling direction and the interaction with the interaction electrode 14A, the first ion CP1 travels on a trajectory substantially parallel to the curved surface portion 14B. Has been adjusted.
  • the second ion CP2 having a larger number of charges than the first ion CP1 is bent in the traveling direction by the magnetic field 32A, but the influence of the interaction with the interaction electrode 14A is larger than that of the first ion CP1 and the interaction is large. It falls to the electrode 14A.
  • the third ion CP3 having a smaller number of charges than the first ion CP1 is bent in the traveling direction by the magnetic field 32A, but the influence of the interaction with the interaction electrode 14A is smaller than that of the first ion CP1. It goes away from the surface of the electrode 14A.
  • the magnetic field 32A or the like so that desired ions travel on an orbit substantially parallel to the curved surface portion 14B, the second ions CP2 and the third ions CP3, which are unnecessary ions, are removed,
  • the first ion CP1 that is a desired ion can be extracted. Except for the above, it has the same configuration as the ion implantation apparatus 1.
  • the ion implanter 1E like the ion implanter 1, even if the desired ion and the unwanted ion having a mass-to-charge ratio of m/q are mixed in the ion beam containing the desired ion, it is unnecessary. Ions can be removed. Further, in the ion implanter 1E, the surface of the interaction electrode 14 has a curved surface, so that the space of the interaction electrode 14A can be saved. Further, since the distance where the ion beam 12A and the interaction electrode 14A interact can be secured long, it is possible to increase the distance R/2 between the ion beam 12A and the surface of the interaction electrode 14A.
  • FIG. 14 shows an example of main parts of an ion implantation apparatus 1F as a modification F.
  • the magnitude of the interaction with the interaction electrode 14 is different due to the difference in the number of charges, and the second ion CP2 is better than the first ion CP1. Travel in an orbit closer to the interaction electrode 14A. Of the first ion CP1 and the second ion CP2 whose orbits are different in this way, the first ion CP1 passes through the slit 17 and the second ion CP2 does not pass through the slit. It is arranged. Except for the above, it has the same configuration as the ion implanter 1E.
  • the ion implanter 1F As in the ion implanter 1E, even if the desired ion and the unwanted ion having a mass-to-charge ratio of m/q are mixed in the ion beam containing the desired ion, it is unnecessary. Ions can be removed. Further, in the ion implantation apparatus 1F, by adjusting the magnetic field 32A and adjusting the slit 17, it is possible to allow desired ions (first ions CP1) to pass and to prevent unwanted ions (second ions CP2) from passing. it can.
  • the surface of the interaction electrode 14A that interacts with the ion beam 12A is only the curved surface portion, but the invention is not limited to this, and may have a configuration having both a flat surface portion and a curved surface portion. ..
  • FIG. 15 shows an example of a main part of an ion implantation apparatus 1G as a modified example G.
  • the interaction electrode 14G has a first portion 14C whose surface is a flat surface portion 14D and a second portion 14E whose surface is a curved surface portion 14F.
  • the interaction between the ion beam 12A and the interaction electrode 14 is performed in both the flat surface portion 14D and the curved surface portion 14F. Except for the above, it has the same configuration as the ion implanter 1F.
  • the ion implanter 1F As in the ion implanter 1E, even if the desired ion and the unwanted ion having a mass-to-charge ratio of m/q are mixed in the ion beam containing the desired ion, it is unnecessary. Ions can be removed.
  • the ion beam 12A and the interaction electrode 14G interact with each other in the flat surface portion 14D and the curved surface portion 14F of the interaction electrode 14G, and a long distance in which the ion beam 12A and the interaction electrode 14G interact can be secured.
  • the above-mentioned ion implanter 1E has a configuration in which one interaction electrode having a curved surface portion is provided, but it is also possible to employ a configuration in which a plurality of interaction electrodes are provided and ions are selected by a multistage electrode.
  • FIG. 16A shows an example of a main part of an ion implantation apparatus 1H as a modification H.
  • the ion implanter 1H has a first interaction electrode 14H and a second interaction electrode 14J.
  • the first interaction electrode 14H has a curved surface portion 14I.
  • the second interaction electrode 14J has a curved surface portion 14K.
  • the ion beam 12A includes the first ion CP1 and the second ion CP2.
  • the first ion CP1 is a desired ion.
  • the second ion CP2 is an unnecessary ion.
  • the second ion CP2 is an ion having a larger number of charges than the first ion CP1.
  • the second ion CP2 has a spread in a cross section perpendicular to the traveling direction as shown in FIG. 16B.
  • the half closer to the first interaction electrode 14H is the lower second ion CP2A, and the half farther from the first interaction electrode 14H is the upper half. 2 ion CP2B.
  • the traveling direction of the ion beam 12A is bent with a predetermined curvature.
  • the magnetic field 32A and the like are adjusted so that the traveling direction of the first ions CP1 included in the ion beam 12A is substantially parallel to the curved surface portion 14I of the first interaction electrode 14H.
  • the lower second ion CP2A on the side closer to the first interaction electrode 14H drops to the first interaction electrode 14H.
  • the first ion CP1 that has passed through the first interaction electrode 14H approaches the second interaction electrode 14J.
  • the upper second ion CP2B does not fall to the first interaction electrode 14H and approaches the second interaction electrode 14J in the upper half on the side far from the first interaction electrode 14H.
  • the magnetic field 32B to the first ion CP1 and the upper second ion CP2B, the traveling directions of the first ion CP1 and the upper second ion CP2B are bent with a predetermined curvature.
  • the magnetic field 32B and the like are adjusted so that the traveling direction of the first ion CP1 is substantially parallel to the curved surface portion 14K of the second interaction electrode 14J.
  • the upper second ion CP2B is on the side closer to the second interaction electrode 14J and drops onto the second interaction electrode 14J. There is no particular boundary between the lower second ion CP2A and the upper second ion CP2B, but about half drops to the first interaction electrode 14H, and the other half goes to the second interaction electrode 14J. And is configured to fall.
  • the ion implanter 1H similarly to the ion implanter 1, even if the desired ion and the unwanted ion having a mass-to-charge ratio of m/q are mixed in the ion beam containing the desired ion, it is not necessary. Ions can be removed. Further, even when the unwanted ions are in the form of a beam having a divergence, they can be separated in a large number of times by the interaction with the multistage interaction electrodes.
  • the ion implantation device having the interaction electrode made of a conductor has been described, but the present invention is not limited to this, and instead, a configuration having an interaction part made of a dielectric substance. It can also be applied to the ion implantation device of.
  • the selection of 31 P + , 94 Mo 3+ , and 186 W 6+ is described, but the present invention is not limited to this, and ions that separate other ions are also described. Applicable to injection equipment. For example, it is possible to adopt a configuration in which 92 Mo 3+ is selectively removed from 31 P + . Further, it can be configured to remove by selecting 49 Ti + and 98 Mo 2+ against 49 BF 2 +.
  • the present invention is not limited to this, and only the ion selection unit 14S selects ions.
  • the present invention can also be applied to an ion implanter that does. For example, it can be applied to a mass spectrometric mechanism in a mass analyzer for identifying unknown elements.
  • the present technology can be configured as follows. According to the present technology having the following configuration, it is possible to remove unnecessary ions mixed with the ions to be implanted, and improve the separation performance of impurity ions.
  • An ion source containing a plurality of types of ions, An extraction electrode for extracting the plurality of types of ions from the ion source to generate an ion beam, An ion beam transport tube for transporting the ion beam to an ion beam irradiation object, An ion implanting device, which is disposed inside the ion beam transport tube, extends substantially parallel to the extending direction of the ion beam transport tube, and has an interaction part fixed at a predetermined potential.
  • the interaction unit changes the trajectory of the ion beam by the interaction between the image charges in the interaction unit and the ions of the plurality of types with respect to the plurality of types of ions. Ion implanter.
  • the ion beam includes first ions having a first mass m1 and a first charge number q1, and second ions having a second mass m2 and a second charge number q2,
  • the interaction unit causes the first orbit of the first ion and the second orbit of the second ion to be different from each other by a difference between m1/(q1) 2 and m2/(q2) 2.
  • the ion implanter according to (1) or (2).
  • the ion implantation device according to any one of (1) to (4), wherein the predetermined potential is a ground potential.
  • the ion beam transport tube has an ion beam generation unit in which the ion source and the extraction electrode are arranged, and an ion selection unit in which the interaction unit is arranged.
  • An ion beam deflection unit that filters the ion beam between the ion beam generation unit and the ion selection unit according to a difference in momentum or energy of the plurality of types of ions while changing the direction of the ion beam toward the ion beam irradiation object.
  • the ion implantation apparatus according to any one of (1) to (5), further including: (7) The ion implantation device according to any one of (1) to (6), wherein the extraction electrode extracts the plurality of types of ions with an extraction voltage of 10 mV or more and 1 MV or less.
  • the ion implantation apparatus according to (2) above, wherein the time Tc until it falls into the interaction part while passing through the condition satisfies the relationship of Tf ⁇ 0.001Tc.
  • (12) The ion implanter according to any one of (1) to (11), wherein the surface of the interaction section on the ion beam side is a flat surface.
  • (12) The ion implanter according to any one of (1) to (12), wherein a surface of the interaction section on the ion beam side has a curved surface.
  • the ion implantation apparatus according to any one of (1) to (13), wherein the interaction section has a cylindrical shape or a spherical shape.
  • the ion implantation apparatus according to any one of (1) to (14), wherein the interaction section is made of a conductor.
  • the interaction section is made of a dielectric material.
  • Generate an ion beam containing multiple types of ions An interaction part disposed inside an ion beam transport tube for transporting the ion beam to an ion beam irradiation object, extending substantially parallel to the extending direction of the ion beam transport tube, and fixed to a predetermined potential.
  • An ion selection method for selecting a desired ion from the plurality of types of ions by changing the trajectory of the ion beam by interaction with the ion beam.
  • the ion beam includes first ions having a first mass m1 and a first charge number q1, and second ions having a second mass m2 and a second charge number q2, Due to the interaction between the interaction part and the ion beam, a difference between m1/(q1) 2 and m2/(q2) 2 results in a first trajectory of the first ion and a second trajectory of the second ion.

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Abstract

本開示の一実施の形態のイオン注入装置は、複数種のイオンを含むイオン源と、前記イオン源から前記複数種のイオンを引き出してイオンビームを生成する引き出し電極と、前記イオンビームを被イオンビーム照射体まで輸送するイオンビーム輸送管と、前記イオンビーム輸送管の内部に配置され、前記イオンビーム輸送管の延伸方向と略平行に延伸すると共に、所定の電位に固定された相互作用部とを備える。

Description

イオン注入装置及びイオンの選別方法
　本開示は、イオン注入装置及びイオンの選別方法に関する。
　イオン注入装置において、イオンビームの軌道上に磁界フィルタあるいは電界フィルタを設けて、イオンの運動量あるいはエネルギーの差によりイオンを選別するイオン注入装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４－２２９５９９号公報
　このようなイオン注入装置では、不純物イオンの分離性能の向上が望まれている。
　不純物イオンの分離性能を向上させることが可能なイオン注入装置及びイオンの選別方法を提供することが望ましい。
　本開示の一実施の形態におけるイオン注入装置は、イオン源と、引き出し電極と、イオンビーム輸送管と、相互作用部とを備えたものである。イオン源は、複数種のイオンを含むものである。引き出し電極は、イオン源から複数種のイオンを引き出してイオンビームを生成するものである。イオンビーム輸送管は、イオンビームを被イオンビーム照射体まで輸送するものである。相互作用部は、イオンビーム輸送管の内部に配置され、イオンビーム輸送管の延伸方向と略平行に延伸すると共に、所定の電位に固定されている。
　本開示の一実施の形態におけるイオンの選別方法は、複数種のイオンを含むイオンビームを生成し、相互作用部と、イオンビームとの相互作用により、イオンビームの軌道を変化させ、複数種のイオンから所望のイオンを選別する。ここで、相互作用部は、イオンビームを被イオンビーム照射体まで輸送するイオンビーム輸送管の内部に配置され、イオンビーム輸送管の延伸方向と略平行に延伸すると共に、所定の電位に固定されている。
　本開示の一実施の形態におけるイオン注入装置及びイオンの選別方法では、イオンビームと相互作用部との相互作用により、イオンビームの軌道を変化させ、複数種のイオンから所望のイオンを選別する。
　ここで、所望のイオンとは、イオン注入装置によって注入しようとするイオンであり、以降において「所望のイオン」と称する。複数種のイオンのうちの所望のイオン以外のイオンは、注入しようとする「所望のイオン」に対しては不純物となる不要な成分であり、以降において「不要イオン」と称する。
本開示の一実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成の一例を表す図である。 図１に示したイオン注入装置のＩ－Ｉ’における断面構成の一例を表す図である。 本開示の一実施の形態に係るイオンの選別方法を説明するフローチャートである。 本開示の一実施の形態に係るイオンの選別方法の原理（静止したイオンと相互作用電極との相互作用）を説明する図である。 本開示の一実施の形態に係るイオンの選別方法によるイオンと相互作用電極との距離に対する落下時間の一例を示す図である。 本開示の一実施の形態に係るイオンの選別方法によるイオンと相互作用電極との距離に対する落下までの水平距離の一例を示す図である。 本開示の一実施の形態に係るイオンの選別方法の原理（運動するイオンと相互作用電極との相互作用）を説明する図である。 図１Ａに示したイオン注入装置の要部の構成の一例を示す図である。 参考形態に係るイオン注入装置の概略構成を表す図である。 図７に示したイオン注入装置のイオンビームの軌道の一部を表す図である。 変形例Ａに係るイオン注入装置の概略構成の一例を表す図である。 図９Ａに示したイオン注入装置の要部の構成の一例を示す図である。 変形例Ｂに係るイオン注入装置の要部の概略構成の一例を示す図である。 変形例Ｃに係るイオン注入装置の要部の概略構成の一例を示す図である。 変形例Ｄに係るイオン注入装置の要部の概略構成の一例を示す図である。 変形例Ｅに係るイオン注入装置の要部の概略構成の一例を示す図である。 変形例Ｆに係るイオン注入装置の要部の概略構成の一例を示す図である。 変形例Ｇに係るイオン注入装置の要部の概略構成の一例を示す図である。 変形例Ｈに係るイオン注入装置の要部の概略構成の一例を示す図である。 図１６Ａに示したイオン注入装置のイオンビームを示す図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態…図１～図６
　　　イオンビーム輸送管内に相互作用電極を設けた例
２．変形例
　　　変形例Ａ：イオンビームの軌道にスリットを設けた例…図９Ａ～図９Ｂ
　　　変形例Ｂ：相互作用電極の表面が曲面を有する例…図１０
　　　変形例Ｃ：イオンビームの軌道調整用の磁場を設けた例…図１１
　　　変形例Ｄ：イオンビームの軌道調整用の電場を設けた例…図１２
　　　変形例Ｅ：相互作用電極の表面が曲面を有する例…図１３
　　　変形例Ｆ：相互作用電極の表面が曲面を有し、イオンビームの
　　　　　　　　軌道調整用の磁場を設けた例…図１４
　　　変形例Ｇ：相互作用電極の表面の一部が平面であり、
　　　　　　　　他の一部が曲面である例…図１５
　　　変形例Ｈ：多段の相互作用電極を有する例…図１６Ａ～図１６Ｂ
＜１．実施の形態＞
［構成例］
　図１Ａは、本開示の一実施の形態に係るイオン注入装置１の概略構成の一例を表したものである。図１Ｂは、図１Ａに示したイオン注入装置１のＩ－Ｉ’における断面構成の一例を表したものである。
　イオン注入装置１は、イオン源１１Ｃと、引き出し電極１１Ｄと、イオンビーム輸送管１０と、相互作用電極１４とを有するものである。イオンビーム輸送管１０は、イオンビームをウエハ２２まで輸送するものである。イオンビーム輸送管１０は、例えば、イオンビーム生成部１１と、イオンビーム偏向部１３と、イオン選別部１４Ｓとを有し、一端から他端に向かってこの順に配置されている。イオンビーム輸送管１０は、本開示の「イオンビーム輸送管」の一具体例に相当する。イオンビーム輸送管１０は、例えばＸ軸方向及びＹ軸方向に延伸する延伸部と各延伸部をつなぐ屈曲部とを有する。ウエハ２２は、本開示の「被イオンビーム照射体」の一具体例に相当する。イオン源１１Ｃ及び引き出し電極１１Ｄは、イオンビーム生成部１１に配置され、相互作用電極１４はイオン選別部１４Ｓに配置されている。イオンビーム輸送管１０の他端には、例えばウエハ処理室２０が配設されており、ウエハ２２は、ウエハ処理室２０内に配置されている。
　イオンビーム生成部１１は、イオンビームを生成する部分であり、例えば、図１ＡにおいてＸ軸方向に延伸する延伸部に構成されている。イオンビーム生成部１１には、アークチャンバ１１Ａ、ガス源１１Ｂ、イオン源１１Ｃ、及び引き出し電極１１Ｄが配置されている。イオン源１１Ｃは、本開示の「イオン源」の一具体例に相当する。引き出し電極１１Ｄは、本開示の「引き出し電極」の一具体例に相当する。
　アークチャンバ１１Ａは、イオン源となる原料ガスをプラズマ化するためのものであり、例えば、Ｚ軸方向にソースマグネット（不図示）が配置されている。また、アークチャンバ１１Ａの近傍にフィラメント（不図示）が設けられている。イオンビーム生成部１１では、例えば、アークチャンバ１１Ａにガス源１１Ｂから原料ガスを導入し、ソースマグネット（不図示）により磁場を印加した状態で、フィラメント（不図示）により高電圧を印加する。これにより、原料ガスがプラズマ化され、イオン源１１Ｃが形成される。
　イオン源１１Ｃは、イオン注入に用いるイオン（所望のイオン）を発生させるものであり、後述する理由によって複数種のイオンＣＰを含んでいる。引き出し電極１１Ｄは、イオン源１１Ｃからイオンビーム１２を生成するためのものである。イオンビーム生成部１１では、引き出し電極１１Ｄに所定の電圧を印加することでイオン源１１Ｃから所望のイオンを含む複数種のイオンＣＰが引き出され、これにより、複数種のイオンＣＰを含むイオンビーム１２が生成される。
　イオンビーム偏向部１３は、各イオンの質量電荷比（質量ｍ／電荷数ｑ、以下「ｍ／ｑ」とも表記する）の大きさに応じてフィルタリングしてイオンビーム１２から所望のイオンを選別するためのものである。イオンビーム偏向部１３は、例えばイオンビーム生成部１１とイオン選別部１４Ｓとの間に配置され、例えば図１Ａにおいて屈曲部に構成されている。イオンビーム偏向部１３は、本開示の「イオンビーム偏向部」の一具体例に相当する。イオンビーム偏向部１３は、例えば、イオンビームに磁場を印加する磁場式フィルタやイオンビームに電場を印加する電場式フィルタで構成されている。
　磁場式フィルタは、各イオンＣＰの運動量の差によってフィルタリングを行うものであり、例えばアナライザマグネットにより構成される。イオンビーム１２に磁場が印加されると、遠心力及びローレンツ力の釣り合いによりイオンビーム１２が輸送される方向（軌道）が屈曲する。イオンビーム１２の軌道の屈曲の程度は、イオンの質量電荷比ｍ／ｑによって異なる。このため、磁場式フィルタによって構成されたイオンビーム偏向部１３では、イオンビーム１２に含まれる複数種のイオンのうち、所望のイオンがイオンビーム偏向部１３を通過するように磁場を調整する。これにより、例えば、所望のイオンよりも質量電荷比ｍ／ｑが大きい（重い）イオンは、屈曲の程度が小さい軌道のイオンビーム１２Ｂとなってイオンビーム輸送管１０の内壁面に衝突して除去される。所望のイオンよりも質量電荷比ｍ／ｑが小さい（軽い）イオンは、屈曲の程度が大きい軌道のイオンビーム１２Ｃとなり、イオンビーム輸送管１０の内壁面に衝突して除去される。以上により、所望のイオンを含むイオンビーム１２Ａが取り出される。磁場式フィルタによるイオンＣＰの選別については後述する。
　電場式フィルタは、各イオンＣＰのエネルギーの差によってフィルタリングを行うものである。イオンビーム１２に電場が印加されると、遠心力及びクーロン力の釣り合いによりイオンビーム１２が輸送される方向（軌道）が屈曲する。このとき、上記の磁場式フィルタと同様に、イオンビーム１２に含まれる複数種のイオンのうち、所望のイオンがイオンビーム偏向部１３を通過するように電場を調整する。これにより、例えば、所望のイオンよりもｍ／ｑが大きい（重い）イオン及び小さい（軽い）イオンがイオンビーム輸送管１０の内壁面に衝突して除去される。以上により、所望のイオンを含むイオンビーム１２Ａが取り出される。電場式フィルタによるイオンＣＰの選別については後述する。
　なお、本実施の形態のイオン注入装置１では、イオンビーム輸送管１０がＸ軸方向からＹ軸方向に９０°屈曲しているが、これに限らない。イオンビーム輸送管１０の屈曲角度は９０°以外の角度で屈曲していてもよい。
　イオン選別部１４Ｓは、イオンビーム偏向部１３において選別されたイオンビーム１２Ａから、さらに各イオンＣＰの質量ｍ／（電荷数ｑ）2（以下、「ｍ／ｑ2」とも表記する）の大きさに応じてフィルタリングして所望のイオンを選別するものである。イオン選別部１４Ｓでは、イオンビーム１２Ａに含まれる不要イオンがさらに除去され、イオンビーム１２Ａから所望のイオンのイオンビーム１２Ｄが選別される。イオン選別部１４Ｓは、例えば図１ＡにおいてＹ軸方向に延伸する延伸部に構成されている。イオン選別部１４Ｓには、相互作用電極１４が配置されている。相互作用電極１４は、本開示の「相互作用部」の一具体例に相当する。
　相互作用電極１４は、イオンビーム１２Ａに含まれる複数のイオンＣＰと、影像電荷ＩＭとの相互作用によってイオンビーム１２Ａの軌道を変化させるものである。相互作用電極１４は、例えば導電体で形成されている。相互作用電極１４は、例えば一軸方向に延伸する板状部材であり、例えばイオンビーム輸送管１０の延伸方向と略平行に延伸するようにイオンビーム輸送管１０内に配置されている。相互作用電極１４の表面は平坦であることが好ましいが、これに限らず、曲面を有していてもよい。あるいは、イオン注入装置１で効果をより得られやすくするには、相互作用電極１４の表面は、イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４の表面との間の距離の偏差が±１０ｍｍの範囲内とすることが好ましい。
　相互作用電極１４は、所定の電位に固定されている。所定の電位は、例えばグラウンド電位である。イオン選別部１４Ｓにおけるイオンビーム１２Ａは、相互作用電極１４の近傍で輸送される。具体的には、イオンビーム１２Ａは、例えば図１Ｂに示したように、イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４との距離Ｒ１がイオンビーム１２Ａとイオンビーム輸送管１０の壁面との距離Ｒ２よりも小さい位置を輸送される。
　なお、図１Ａでは、相互作用電極１４との相互作用がない場合のイオンビーム１２Ａの仮想的な軌道を破線ＬＮで示している。実際には、イオンビーム１２Ａの軌道は、所定の距離を図１に示したような直線状の軌道を描いた後、相互作用電極１４からの影響により、破線ＬＮよりも相互作用電極１４の側に曲げられる。イオン選別部１４ＳによるイオンＣＰの選別については後述する。
　イオンビーム輸送管１０の他端には、ウエハ処理室２０が設けられている。ウエハ処理室２０の内部には、通常駆動可能な基台２１が設けられ、基台２１にウエハ２２が保持されている。ウエハ処理室２０では、基台２１上のイオンビーム１２Ｄがウエハ２２に照射されるようになっている。イオンビーム照射の均一性を高めるために、基台２１は回転駆動する構成であってもよい。
　ウエハ処理室２０には、イオンビーム輸送管１０の他端（イオンビーム出射口１０Ｄ）近傍にファラデーカップ１６Ａが設けられている。ファラデーカップ１６Ａと基台２１には、電流計１６Ｂが接続されている。電流計１６Ｂは、イオン注入に用いられるビーム電流量を計測するものであり、これにより、得られた電流量に応じてイオン注入量を制御することができる。
［イオン選別部におけるイオンの選別方法］
　次に、イオン選別部１４Ｓにおけるイオンの選別方法について説明する。図２は、イオン選別部１４Ｓにおけるイオンの選別の流れを表したものである。まず、イオン注入装置１でイオンの選別方法を開始する（ステップＳ１）と、イオンビーム生成部１１において複数種のイオンＣＰを含むイオンビーム１２を生成し、イオンビーム偏向部１３において電荷質量比（ｍ／ｑ）に基づいてイオンの選別を行い、イオンビーム１２Ａを生成する（ステップＳ２）。次に、イオン選別部１４Ｓにおいてイオンの選別を行う。イオン選別部１４Ｓでは、相互作用電極１４とイオンビーム１２Ａとの相互作用により、イオンビームの軌道を変化させる（ステップＳ３）。続いて、イオンビーム１２Ａに含まれる複数種のイオンＣＰから所望のイオンを選別する（ステップＳ４）。このようにして、複数種のイオンＣＰから所望のイオンを選別する。
　ステップＳ３について詳細に説明する。ステップＳ３では、複数種のイオンＣＰに対する相互作用電極１４中の影像電荷ＩＭと複数種のイオンＣＰとの相互作用により、イオンビーム１２Ａの軌道を変化させる。イオンビーム１２Ａは、複数種のイオンとして、例えば、第１のイオンＣＰ１および第２のイオンＣＰ２を含むものとする。第１のイオンＣＰ１は、第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有するものとする。第２のイオンＣＰ２は、第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有するものとする。イオン選別部１４Ｓでは、相互作用電極１４とイオンビーム１２Ａとの相互作用により、ｍ１／（ｑ１）2及びｍ２／（ｑ２）2の差によって、第１のイオンＣＰ１の第１の軌道及び第２のイオンＣＰ２の第２の軌道を互いに異ならせる。以上のように、イオン選別部１４Ｓでは、相互作用電極１４とイオンビーム１２Ａとの相互作用により、質量ｍ／（電荷数ｑ）2に基づいて複数種のイオンＣＰから不要イオンを除去して、所望のイオンを取り出す（選別する）。
［動作］
　イオン注入装置１では、イオンビーム生成部１１においてイオンビーム１２を生成し、イオンビーム偏向部１３において質量電荷比ｍ／ｑに基づいたイオンＣＰの選別を行い所望のイオンを含むイオンビーム１２Ａを取り出す。次に、イオン選別部１４Ｓにおいて質量ｍ／（電荷数ｑ）2に基づいたイオンＣＰの選別を行い、イオンビーム１２Ａに含まれる不要イオンをさら除去し、所望のイオンのイオンビーム１２Ｄを選別して、ウエハに照射する。以下に、本実施の形態のイオン注入装置１のイオンビーム偏向部１３およびイオン選別部１４ＳにおけるイオンＣＰのフィルタリングについて詳細に説明する。
　イオンビーム生成部１１において生成されたイオンビーム１２は、注入しようとする所望のイオンの他に、不要イオンを含んでいる。イオンビーム１２中に混在する不要イオンは、ガス源１１Ｂのガスあるいはその中に含まれる不純物、アークチャンバ１１Ａを構成する金属部材由来の金属元素、及び、フィラメント（不図示）から放出されるタングステン等である。一般に、ホウ素（Ｂ）のイオン源としては、ＢＦ3あるいはＢ2Ｆ6等が用いられる。リン（Ｐ）イオン源としては、ＰＯＣｌ3、ＰＦ3、あるいは、ＰＨ3等が用いられる。ヒ素（Ａｓ）のイオン源としては、ＡｓＨ3等が用いられる。アークチャンバ１１Ａ内には、所望のイオン（Ｂ、ＰあるいはＡｓのイオン）の他に、上記イオン源に含まれる、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）の単体イオンや、Ｂ、Ｐ、Ａｓとの分子状イオン等の様々なイオンが不要イオンとして放出される。更に、アークチャンバ１１Ａやフィラメント（不図示）を形成する、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及びモリブデン（Ｍｏ）等も一部がイオン化及び放出されて不要イオンとなる。
　磁場式フィルタで構成されたイオンビーム偏向部１３によるイオンＣＰのフィルタリングについて説明する。イオンビーム偏向部１３では、イオンビーム生成部１１で生成された複数種のイオンＣＰを含むイオンビーム１２に、Ｚ軸方向に磁束密度Ｂの磁場が印加される。各イオンＣＰは磁場によりローレンツ力Ｆを受け、軌道が屈曲される。その軌道半径をｒとし、イオンの質量をｍ、電荷数をｑとすると、次の式が成立する。式（１）はイオンＣＰに引き出し電圧Ｖを印加したときのエネルギーを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、式（２）は、遠心力及びローレンツ力の釣り合いを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記の式（１）及び式（２）から、軌道半径ｒは式（３）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　磁束密度Ｂ及び引き出し電圧Ｖは一定であるから、軌道半径ｒは質量電荷比ｍ／ｑにより決定される。例えば、所望のイオンより質量電荷比ｍ／ｑが大きい（重い）不要イオンのイオンビーム１２Ｂは、軌道半径ｒが大きくなり、イオンビーム輸送管１０の内壁面に衝突して除去される。例えば、所望のイオンより質量電荷比ｍ／ｑが小さい（軽い）不要イオンのイオンビーム１２Ｃは、軌道半径ｒが小さくなり、イオンビーム輸送管１０の内壁面に衝突して除去される。イオンビーム偏向部１３は、質量電荷比ｍ／ｑによってイオンＣＰを選別し、所望のイオンを含むイオンビーム１２Ａを取り出すことができる。
　一般的に磁束密度Ｂの磁場及び電界Ｅｆを有する電磁場を考慮すると、電磁場中を運動するイオンＣＰの運動方程式は式（４）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　また、電磁場中のローレンツ力は、式（５）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（４）及び式（５）から、式（６）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　式（６）からわかるように、磁束密度Ｂの磁場及び電界Ｅｆが存在する電磁場においても、磁場式フィルタと同様に、質量電荷比ｍ／ｑが異なるイオンＣＰは異なる軌道で運動する。不要イオンのイオンビーム１２Ｂ、１２Ｃをイオンビーム輸送管１０の内壁面に衝突させるか、あるいはスリットを設けて遮蔽し、所望のイオンを含むイオンビーム１２Ａを通過させて取り出すことができる。このように、イオンビーム偏向部１３では、質量電荷比ｍ／ｑによってイオンＣＰが選別され、所望のイオンを含むイオンビーム１２Ａを取り出すことができる。
　イオンビーム偏向部１３が電界Ｅｆを印加する電場式フィルタの場合でも、式（６）においてＢを０（ゼロ）とした式が成立し、質量電荷比ｍ／ｑが異なるイオンＣＰは異なる軌道で運動する。上記と同様に、イオンビーム偏向部１３（電場式フィルタ）は、質量電荷比ｍ／ｑによってイオンＣＰを選別し、所望のイオンを含むイオンビーム１２Ａを取り出すことができる。
　次に、イオン選別部１４ＳによるイオンＣＰのフィルタリングについて説明する。イオン選別部１４Ｓは、上記のように、質量ｍ／（電荷数ｑ）2に基づいて複数種のイオンＣＰから不要イオンを除去して所望のイオンを選別するものである。
　上記のように、イオンビーム偏向部１３では、質量電荷比ｍ／ｑに基づいたイオンＣＰの選別がなされるが、イオンビーム生成部１１において生成されたイオンビーム１２には、不要イオンとして質量電荷比ｍ／ｑが近似したイオンＣＰが含まれている。例えば、所望のイオンがリン（Ｐ）である場合、Ｐイオン（31Ｐ+、以下Ｐ+と記す）と質量電荷比ｍ／ｑが近似したイオンとしては、モリブデン（Ｍｏ）イオン（94Ｍｏ3+、以下Ｍｏ3+と記す）、及びタングステン（Ｗ）イオン（186Ｗ6+、以下Ｗ6+と記す）が挙げられる。表１
は、Ｐ+、Ｍｏ3+、及びＷ6+の各イオンＣＰの電荷数ｑ、統一原子質量単位ｕ、質量電荷比ｕ／ｑ、及びリンに対する質量電荷比の差Δ（ｕ／ｑ）（％）を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表１に示したように、Ｐ+、Ｍｏ3+、及びＷ6+の質量電荷比ｕ／ｑは互いに近似している。イオンビーム偏向部１３によるフィルタリングでは、Ｐ+、Ｍｏ3+、及びＷ6+の分離は難しく、例えば、Ｐ+の選別を目的として得たイオンビーム１２Ａには、不要イオンであるＭｏ3+及びＷ6+が混在している。このため、イオンビーム１２Ａをウエハ２２に照射した場合、Ｐ+の他に、Ｍｏ3+及びＷ6+もイオン注入されてしまう。このような不要イオンによる金属汚染は、半導体素子の特性や寿命に大きな影響を及ぼす。このため、不要イオンを除去して所望のイオンを選別するようにイオンの分離性能を高めることが求められている。
　図３は、イオン選別部１４Ｓにおけるイオンの選別方法の原理（静止したイオンＣＰと相互作用電極１４との相互作用）を説明するものである。図３では、イオンビーム１２Ａに混在する３種類のイオンＣＰとして、Ｐ+、Ｍｏ3+、及びＷ6+を例として説明する。一定電位（例えばグラウンド電位）に固定された相互作用電極１４から、Ｒ／２の距離で離れた３種類のイオンＣＰ（Ｐ+、Ｍｏ3+、Ｗ6+）が静止している状態を想定する。イオンの運動方程式は、上記の式（４）で示される。ここで、イオンＣＰは、相互作用電極１４中の各イオンＣＰに対応する影像電荷ＩＭと相互作用する。影像電荷ＩＭは、イオンＣＰとは逆の極性であり、同じ電荷数を有する。また、影像電荷ＩＭの相互作用電極１４中の深さは、イオンＣＰと相互作用電極１４との間の距離と等しい。イオンＣＰと影像電荷ＩＭとの間の距離はＲとなる。イオンＣＰ及び影像電荷ＩＭは距離Ｒ離れた位置においてクーロン力により相互作用し、互いに引き合う。イオンＣＰの影像電荷ＩＭとのクーロン力は、式（７）で示される。式（７）中、εは誘電率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（４）及び式（７）から、式（８）が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（８）からわかるように、イオンＣＰと相互作用電極１４との相互作用では、ｍ／ｑ2によってイオンＣＰの運動が決定される。即ち、３種類のイオンＣＰ（Ｐ+、Ｍｏ3+、Ｗ6+）は、質量電荷比ｍ／ｑが近似しているが、ｍ／ｑ2の大きさは異なっており、相互の
分離が可能である。
　図４Ａは、イオンＣＰと相互作用電極１４との距離に対するイオンＣＰの落下時間を表すものである。落下時間とは、各イオンＣＰが、相互作用電極１４の表面からＲ／２離れた位置から、距離Ｒの位置にある影像電荷ＩＭと相互作用してイオンＣＰが相互作用電極１４の表面に達する（落下する）までの時間である。図４Ａでは、３種類のイオンＣＰ（Ｐ+、Ｍｏ3+、Ｗ6+）について、それぞれ直線ａ、ｂ、ｃで示している。図４Ａから、３種類のイオンＣＰ（Ｐ+、Ｍｏ3+、Ｗ6+）は、相互作用電極１４までの落下時間が異なることがわかる。
　図４Ｂは、イオンＣＰと相互作用電極１４との距離に対する落下までの水平距離を表すものである。図４Ｂでは、３種類のイオンＣＰ（Ｐ+、Ｍｏ3+、Ｗ6+）について、それぞれ曲線ｄ、ｅ、ｆで示している。ここで、３種類のイオンＣＰ（Ｐ+、Ｍｏ3+、Ｗ6+）は所定の引き出し電圧で引き出される。イオンＣＰは、相互作用電極１４上にさしかかった時点では相互作用電極１４の表面に対して略平行に運動しており、この方向を水平方向と称する。イオンＣＰが相互作用電極１４上にさしかかった時点での速度ｖは、式（１）から導かれて、式（９）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　式（９）から、質量電荷比ｍ／ｑが等しいイオンＣＰは、速度ｖも等しいことが示されている。
　相互作用電極１４上にさしかかった時点において、イオンＣＰと相互作用電極１４との間の距離をＲ／２とすると、イオンＣＰと影像電荷ＩＭとの間の距離はＲである。以降、イオンＣＰが相互作用電極１４上にさしかかった時点におけるイオンと相互作用電極１４あるいは影像電荷ＩＭとの間の距離を「初期距離」とも称する。イオンＣＰは、相互作用電極１４上を通過しながら、影像電荷ＩＭと相互作用して、徐々に相互作用電極１４に落下していく。
　図４Ｂに示した落下までの水平距離とは、上記のようにイオンＣＰが相互作用電極１４上を通過するとき、イオンＣＰが相互作用電極１４に落下するまでに水平方向に移動する距離である。図４Ｂから、イオンＣＰと相互作用電極１４との間の初期距離が５μｍ（イオンＣＰと影像電荷ＩＭとの間の初期距離が１０μｍ）であるとき、Ｐ+は相互作用電極１４に落下するまでに約４４ｃｍ移動する。また、Ｍｏ3+は相互作用電極１４に落下するまでに約２６ｃｍ移動する。また、Ｗ6+は、相互作用電極１４に落下するまでに約１８ｃｍ移動する。このように、落下までの水平距離は、各イオンＣＰのｍ／ｑ2の大きさによ
って差がある。
　ここで、相互作用電極１４の水平方向の長さＬを、所望のイオンの落下までの水平距離未満、不要イオンの落下までの水平距離以上とすると、不要イオンは相互作用電極１４に衝突して除去され、所望のイオンは相互作用電極１４上を通過する。
　図５は、イオン選別部１４Ｓにおけるイオンの選別方法の原理（運動するイオンと相互作用電極との相互作用）を説明するものである。ここで、Ｐ+及びＷ6+を含むイオンビーム１２Ａを想定する。引き出し電圧３０ＫｅＶのとき、イオンビーム１２Ａの速度ｖは４．３×１０5ｍ／秒となる。イオンビーム１２Ａ中のイオンＣＰ（Ｐ+及びＷ6+）と相互作用電極１４との間の初期距離Ｒ／２は５μｍであり、イオンＣＰ（Ｐ+及びＷ6+）と影像電荷ＩＭとの間の初期距離Ｒは１０μｍである。Ｐ+及びは－１価の影像電荷ＩＭとクーロン力ＣＦ（Ｐ）によって相互作用する。Ｗ6+は－６価の影像電荷ＩＭとクーロン力ＣＦ（Ｗ）によって相互作用する。図５に示した例では、相互作用電極１４の水平方向の長さＬを４０ｃｍとすることで、Ｐ+を通過させ、Ｗ6+を除去できる。図５では、Ｍｏ3+については示していないが、Ｗ6+同様に除去可能である。あるいは、Ｍｏ3+の影響が小さい場合等において、相互作用電極１４の水平方向の長さＬを２０ｃｍとすることで、Ｐ+を通過させ、Ｗ6+を除去するような構成としてもよい。Ｍｏ3+が混在する場合にはＭｏ3+を除去できないが、イオンビーム１２Ａ中のＭｏ3+の混在量が非常に少ない場合には適用できる。
　また、図４Ｂから、例えば落下までの水平距離を０．４ｍとすると、Ｐ+が落下する距離Ｒは９μｍであり、Ｗ6+が落下する距離は１７μｍと読み取ることができる。このことから、例えば相互作用電極１４の長さが０．４ｍである場合には、Ｗ6+のビームの拡がりが９μｍ以上１７μｍ以下であるとき、Ｐ+はイオン選別部１４Ｓを通過し、Ｗ6+はイオン選別部１４Ｓで除去される。また、例えば、相互作用電極１４の長さが１．０ｍである場合には、Ｗ6+のビームの拡がりが１７μｍ以上３０μｍ以下であるとき、リン（Ｐ+）はイオン選別部１４Ｓを通過し、タングステン（Ｗ6+）はイオン選別部１４Ｓで除去される。
　相互作用電極１４の水平方向の長さをＬとすると、イオンが相互作用電極１４を通過するのにかかる時間Ｔｆは式（１０）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　また、イオンビーム１２Ａが相互作用電極１４上にさしかかった時点での相互作用電極１４への方向への速度がゼロであるとすると、イオンＣＰ及び影像電荷ＩＭがクーロン力で相互作用するときにイオンＣＰが相互作用電極１４に衝突するまでの時間Ｔｃは、式（８）から導かれて、式（１１）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　イオン注入装置１では、式（１２）を満たすように、相互作用電極１４の水平方向の長さをＬが設定されている。これにより、所望のイオン（質量ｍ、電荷数ｑ）は相互作用電極１４を通過するが、それより重いイオン｛（質量２ｍ、電荷数２ｑ）、（質量３ｍ、電荷数３ｑ）、…（質量ｎｍ、電荷数ｎｑ）（ｎは２以上の整数）｝は相互作用電極１４に衝突して通過できなくなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　図６は、図１Ａに示したイオン注入装置１の要部（イオン選別部）の構成の一例を示したものである。図３から図５では、イオンＣＰとしてＰ+、Ｍｏ3+、及びＷ6+を例示して説明していたが、これに限らず、他のイオンＣＰにも適用可能である。図６に示した相互作用電極１４は、例えば、質量電荷比ｍ／ｑが近似する第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２を含むイオンビーム１２Ａと相互作用して、所望のイオンを選別するためのものである。ここで、第１のイオンＣＰ１は所望のイオンであり、第２のイオンＣＰ２は不要イオンであるものとする。第１のイオンＣＰ１は、第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有する。また、第２のイオンＣＰ２は、第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有する。
　第１のイオンＣＰ１は、速度ｖで相互作用電極１４上を通過するときに、相互作用電極１４の内部の影像電荷ＩＭ１と相互作用する。第２のイオンＣＰ２も同様に、速度ｖで相互作用電極１４上を通過するときに、相互作用電極１４の内部の影像電荷ＩＭ２と相互作用する。相互作用電極１４の表面とイオンビーム１２Ａとの間の初期距離はＲ／２であり、相互作用電極１４の表面及びイオンビーム１２Ａの軌道は略平行である。ここで、「略平行」とは、狭義には相互作用電極１４の表面及びイオンビーム１２Ａの軌道がＲ／２の誤差範囲内で平行であることを意味する。相互作用電極１４の表面及びイオンビーム１２Ａの軌道が狭義の略平行であることにより、イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４の相互作用が効率的に生じる。また、広義には、相互作用電極１４の表面及びイオンビーム１２Ａの軌道が±１０ｍｍの範囲内で平行であることを意味する。相互作用電極１４の表面及びイオンビーム１２Ａの軌道が広義の略平行であることにより、効果がより得られやすくなる。
　第１のイオンＣＰ１と相互作用電極１４との間の距離がＲ／２であるとき、第１のイオンＣＰ１と影像電荷ＩＭ１とは距離Ｒで離れた荷電粒子として振る舞う。第２のイオンＣＰ２と影像電荷ＩＭ２とも同様である。第１のイオンＣＰ１及び影像電荷ＩＭ１はクーロン力で相互作用して、第１のイオンＣＰ１は相互作用電極１４に徐々に近づいていく。第２のイオンＣＰ２及び影像電荷ＩＭ２はクーロン力で相互作用して、第２のイオンＣＰ２は相互作用電極１４に徐々に近づいていく。即ち、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２は、相互作用電極１４に落下していく。ここで、上記のクーロン力での相互作用において、電荷数の大きいイオンの方が影像電荷との相互作用が大きくなる。具体的には、相互作用電極１４は、ｍ１／（ｑ１）2とｍ２／（ｑ２）2との差によって第１のイオンＣＰ１の第１の軌道と第２のイオンＣＰ２の第２の軌道とを互いに異ならせる。第２のイオンＣＰ２が相互作用電極１４に衝突し、第１のイオンＣＰ１が相互作用電極１４と衝突せずに通過するように、相互作用電極１４の延伸方向（Ｙ軸方向）の長さＬ、及び、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２と相互作用電極１４との間の初期距離Ｒ／２等が調整される。これにより、第２のイオンＣＰ２を除去して、第１のイオンＣＰ１を取り出す（選別する）ことができ、イオン注入に用いられる不純物イオンの分離性能（所望のイオン及び不要イオン）を向上させることができる。
　イオンビーム生成部１１において、引き出し電極１１Ｄは、例えば、１０ｍＶ以上１ＭＶ以下の引き出し電圧で複数種のイオンを引き出すことが好ましい。所望のイオン及び不要イオンは同じ引き出し電圧で引き出される。引き出し電圧を制御することで各イオンの速度が制御され、各イオン及び相互作用電極１４が互いに相互作用する時間及び相互作用する距離を制御可能である。イオン注入に用いられる不純物イオン（所望のイオン及び不要イオン）の分離性能を向上させることができる。
　イオン選別部１４Ｓにおいて、イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４との間の距離は、例えば、０．１ｎｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４との距離が近いほど相互作用が大きくなる。距離が１０ｍｍより遠いと、相互作用はイオンの選別のためには十分な大きさではなくなる。０．１ｎｍより近いと、所望のイオンについても相互作用電極１４に衝突させないようにすることが困難となってくる。
　相互作用電極１４の延伸方向（Ｙ軸方向）の長さＬは、例えば、１ｍｍ以上３０ｍ以下であることが好ましい。相互作用電極１４の長さは長いほど相互作用時間が長くなり、イオンの選別の精度が高められるが、３０ｍを超えるとイオン注入装置として実現することが難しくなってくる。また、１ｍｍより小さいと、イオンの選別のために十分な相互作用は大きさではなくなる。
　イオンビーム１２Ａは、例えば、相互作用電極１４の表面に対して±１０ｍｍの誤差範囲内で略平行に輸送されることが好ましい。±１０ｍｍを超えると、イオンＣＰ及び相互作用電極１４の安定的な相互作用が困難となる場合がある。
　相互作用電極１４と相互作用する部分をイオンビーム１２Ａが通過する時間（相互作用電極１４及びイオンビーム１２Ａが相互作用する時間）を時間Ｔｆとする。複数種のイオンＣＰのうちの少なくとも１種がイオンビーム１２Ａの軌道における相互作用電極１４と相互作用する部分を通過する間に相互作用電極１４に落下するまでの時間を時間Ｔｃとする。Ｔｆ及びＴｃは、例えばＴｆ≧０．００１Ｔｃの関係を満たすことが好ましい。これにより、イオン選別部１４Ｓにおけるイオンの選別を良好に行うことができる構成とすることができる。
　イオン注入装置１では、相互作用電極１４の表面にイオンビーム１２Ａの軌道が沿うような配置となっている。相互作用電極１４は、例えば図１Ａに示されるように水平方向に一定の長さＬを有する平面形状であるが、これに限らず、曲面を有していてもよい。
［イオン注入装置１の作用・効果］
　半導体素子製造プロセスで、イオン注入工程は半導体の素子特性及び信頼性に影響を及ぼす非常に重要な工程である。例えばシリコン半導体において、ｐ型半導体を形成するためにはホウ素（Ｂ）を、またｎ型半導体を形成するためには、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などのドーパントを、イオン注入装置を用いてウエハに注入する。イオン注入装置１では、ウエハに注入する加速エネルギーで注入の深さを、また照射電流量及び時間でイオンの総注入量（ドーズ量）を、所望の素子特性が得られるように自由にかつ非常に高い制御性で調整できる。
　ここで、イオン注入装置１の作用・効果を説明するために、参考形態に係るイオン注入装置１００について説明する。
　図７は、参考形態に係るイオン注入装置１００の概略構成を表したものである。一般的なイオン注入装置１００は、例えば、イオンビーム輸送管１１０、アークチャンバ１１１Ａ、ガス源１１１Ｂ、イオン源１１１Ｃ、引き出し電極１１１Ｄ、イオンビーム偏向部１１３、ファラデーカップ１１６Ａ、電流計１１６Ｂ、ウエハ処理室１２０、及び基台１２１から構成されている。イオン注入装置１００では、アークチャンバ１１１Ａ及びガス源１１１Ｂ等により形成されたイオン源１１１Ｃから引き出し電極１１１Ｄでイオンビーム１１２が引き出される。引き出されイオンビーム１１２は、イオンビーム偏向部１１３により軌道を屈曲させながら、イオンの運動量あるいはエネルギーの差により選別される。即ち、ｍ／ｑの値が大きい（重い）イオンのイオンビーム１１２Ｂ及び小さい（軽い）イオンのイオンビーム１１２Ｃがフィルタリングされる。イオン注入に用いようとする所望のイオンを含むイオンビーム１１２Ａが取り出される。取り出されたイオンビーム１１２Ａは、ウエハ処理室１２０に導かれ、ウエハ１２２に照射される。
　上述したように、イオンビーム偏向部１１３は、質量電荷比ｍ／ｑが近似するイオンを分離することは難しい。このため、イオンビーム１１２Ａは、質量電荷比ｍ／ｑが近似する複数種のイオン（例えば、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２）を含んでいる。
　図８は図７に示したイオン注入装置のイオンビーム偏向部１１３を通過した後のイオンビームの軌道の一部を表したものである。第１のイオンＣＰ１の質量電荷比ｍ１／ｑ１及び第２のイオンＣＰ２の質量電荷比ｍ２／ｑ２が近似する場合、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２はイオンビーム偏向部１１３を通過した後で分離されることなく同様の軌道で輸送され、ウエハ１２２に注入されてしまう。例えば、どれほど高性能な質量分析能力を有するイオン注入装置でも、１％の質量電荷比の差をもってイオンを分離することは非常に困難である。
　これに対して、本実施の形態のイオン注入装置１では、イオンビーム輸送管１０内に、所定の電位に固定された相互作用電極１４を有するイオン選別部１４Ｓが設けられている。イオン選別部１４Ｓでは、質量電荷比が近似した第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２を含むイオンビーム１２Ａと、相互作用電極１４とが相互作用することで、第１のイオンＣＰ１の第１の軌道及び第２のイオンＣＰ２の第２の軌道を互いに異ならせる。これにより、質量電荷比が近似したイオン選別することができる。
　以上説明したように、本実施の形態のイオン注入装置１では、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。これにより、イオン注入に用いられる不純物イオンの分離性能（所望のイオン及び不要イオン）を向上させることができる。
　半導体装置の製造プロセスにおいて、イオン注入時の不要イオンを除去することにより、半導体の素子特性及び信頼性（寿命）を向上させることができる。例えば、半導体撮像装置では、白点等のノイズが抑制され、画質を向上できる。パワーデバイスでは、耐圧性が向上し、信頼性を高められる。半導体記憶装置では、蓄積情報のデータ保持特性が向上し、信頼性が高められる。
＜２．変形例＞
　以下に、上記実施の形態に係るイオン注入装置１の変形例について説明する。なお、以下の変形例において、上記実施の形態と共通の構成に対しては、同一の符号が付与されている。
［変形例Ａ］
　上記のイオン注入装置１においては、不要イオンは相互作用電極１４に衝突して除去され、所望のイオンは相互作用電極１４上を通過する構成であったが、これに限らず、不要イオン及び所望のイオンがともに相互作用電極１４に衝突せず、不要イオンがスリット１７を用いて除去される構成であってもよい。
　図９Ａは、変形例Ａとしてのイオン注入装置１Ａの一例を表したものである。イオン注入装置１Ａでは、相互作用電極１４よりも後段であって、所望のイオンの軌道及び不要イオンの軌道が互いに十分離れた位置にスリット１７が設置されている。上記を除いては、イオン注入装置１と同様の構成である。
　図９Ｂは図９Ａに示したイオン注入装置の要部の構成の一例を表したものである。スリット１７は、イオンビーム１２Ａが第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２を含む時に、第１のイオンＣＰ１を通過させ、第２のイオンＣＰ２を遮蔽するように構成されている。例えばイオンビーム１２Ａが３種類のイオンＣＰ（Ｐ+、Ｍｏ3+、Ｗ6+）を含むとき、スリット１７は、例えば、Ｐ+を通過させ、Ｍｏ3+及びＷ6+を遮蔽するように構成されている。スリット１７は、例えば所定の方向ＤＲに位置調整が可能であり、スリット幅Ｗも調整可能なように構成されている。スリット１７は固定されていてもよい。特に、不要イオンの電荷数が所望のイオンの電荷数より小さい場合、相互作用電極１４に所望のイオンを落下させずに不要イオンを落下させることはできない。このような場合でも、スリット１７を用いれば不要イオンを除去することが可能である。
　相互作用電極１４と相互作用する部分をイオンビーム１２Ａが通過する時間（相互作用電極１４及びイオンビーム１２Ａが相互作用する時間）を時間Ｔｆとする。複数種のイオンＣＰのうちの少なくとも１種がイオンビーム１２Ａの軌道における相互作用電極１４と相互作用する部分を通過する間に相互作用電極１４に落下するまでの時間を時間Ｔｃとする。イオン注入装置１Ａでは、Ｔｆ及びＴｃが式（１３）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　式（１３）において、ｎ＝３の場合、式（１３）を満たすＬとする（Ｌを短くする）と、３価の不要イオンも相互作用電極１４に衝突せずに通過してしまう。この場合でも、相互作用電極１４との相互作用により、イオンの軌道は電荷数に応じて変化するので、スリット１７を設けて所望のイオンを取り出すことができる。
　図９Ｂに示したように、イオンビーム１２Ａは、例えば第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有する第１のイオンＣＰ１、及び第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有する第２のイオンＣＰ２を含んでいる。第１のイオンＣＰ１は、相互作用電極１４中の影像電荷ＩＭ１とクーロン力で相互作用して、相互作用電極１４に徐々に近づいていく。また、第２のイオンＣＰ２は、相互作用電極１４中の影像電荷ＩＭ２とクーロン力で相互作用して、相互作用電極１４に徐々に近づいていく。相互作用電極１４の延伸方向（Ｙ軸方向）の長さＬが、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２のいずれもが相互作用電極１４に落下しない程度に短く調整されている。相互作用電極１４との相互作用により、第１のイオンＣＰ１の第１の軌道及び第２のイオンＣＰ２の第２の軌道は互いに異ならされている。第１のイオンＣＰ１が通過し、第２のイオンＣＰ２が通過しないように、スリット１７が位置調整されている。このように、第１のイオンＣＰ１を取り出す（選別する）ことができる。
　イオン注入装置１Ａでは、イオン注入装置１と同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンとイオンの質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。また、イオン注入装置１Ａでは、イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４との間の距離Ｒ／２を小さくし、相互作用電極１４の長さＬを短くすることができる。これにより、イオン注入装置の小型化を実現できる。
［変形例Ｂ］
　上記のイオン注入装置１においては、相互作用電極１４の表面は平面形状であるが、これに限らず、曲面を有してもよい。
　図１０は、変形例Ｂとしてのイオン注入装置１Ｂの要部の一例を表したものである。相互作用電極１４は、曲面部１４Ｒを有する。例えば、相互作用電極１４との相互作用によってイオンビーム１２Ａの軌道は、相互作用電極１４の側に曲げられ、相互作用電極１４の曲面部の曲率は、イオンビーム１２Ａの軌道に合うように設けられている。上記を除いては、イオン注入装置１と同様の構成を有する。
　イオン注入装置１Ｂでは、イオン注入装置１と同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。また、イオン注入装置１Ｂでは、相互作用電極１４の表面がイオンビーム１２Ａの軌道に合う形状であり、イオンビーム１２Ａ及び相互作用電極１４が相互作用する距離及び時間を確保できる。これにより、イオン注入装置の小型化を実現できる。
［変形例Ｃ］
　上記のイオン注入装置１Ａにおいて、イオン選別部１４Ｓでは相互作用電極１４とイオンＣＰとの相互作用によりイオンビーム１２Ａの軌道を変化させていたが、これに限らず、軌道調整用の磁場がさらに設けられていてもよい。
　図１１は、変形例Ｃとしてのイオン注入装置１Ｃの要部の一例を表したものである。イオンビーム１２Ａの軌道の一部に、補助的に軌道を変化させる磁場３０Ａが設けられている。軌道の一部とは、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２と相互作用電極１４とが相互作用して軌道が変化している部分である。上記を除いては、イオン注入装置１Ａと同様の構成を有する。
　イオン注入装置１Ｃでは、イオン注入装置１と同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。また、イオン注入装置１Ｃでは、軌道調整用の磁場３０Ａを有しており、所望のイオン（第１のイオンＣＰ１）を通過させ、不要イオン（第２のイオンＣＰ２）を通過させないように、スリット１７が固定されていても調整しやすくなっている。
［変形例Ｄ］
　上記のイオン注入装置１Ａにおいて、イオン選別部１４Ｓでは相互作用電極１４とイオンＣＰとの相互作用によりイオンビーム１２Ａの軌道を変化させていたが、これに限らず、軌道調整用の電場がさらに設けられていてもよい。
　図１２は、変形例Ｄとしてのイオン注入装置１Ｄの要部の一例を表したものである。イオンビーム１２Ａの軌道の一部に、補助的に軌道を変化させる電場３１Ａが設けられている。軌道の一部とは、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２と相互作用電極１４とが相互作用して軌道が変化している部分である。上記を除いては、イオン注入装置１Ａと同様の構成を有する。
　イオン注入装置１Ｄでは、イオン注入装置１と同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。また、イオン注入装置１Ｄでは、軌道調整用の電場３１Ａを印加しており、所望のイオン（第１のイオンＣＰ１）を通過させ、不要イオン（第２のイオンＣＰ２）を通過させないように、スリット１７が固定されていても調整しやすくなっている。
［変形例Ｅ］
　上記のイオン注入装置１においては、相互作用電極１４の表面は平面形状であるが、これに限らず、曲面を有してもよい。
　図１３は、変形例Ｅとしてのイオン注入装置１Ｅの要部の一例を表したものである。相互作用電極１４Ａは、曲面部１４Ｂを有する。例えば、相互作用電極１４Ａは、円柱状あるいは球形である。円柱状あるいは球形の相互作用電極１４Ａは、イオンビームと相互作用する面が曲面部１４Ｂを有する。相互作用電極１４の内部は中空構造であってもよい。例えば、イオンビーム１２Ａに磁場３２Ａを印加することで、イオンビーム１２Ａの進行方向を所定の曲率で屈曲させる。このとき、イオンビーム１２Ａに含まれる所望のイオンの進行方向が相互作用電極１４Ａの曲面部１４Ｂと略平行となるように磁場３２Ａ等が調整されている。
　図１３に示したように、例えば、イオンビーム１２Ａは、例えば第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有する第１のイオンＣＰ１と、第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有する第２のイオンＣＰ２と、第３の質量ｍ３及び第３の電荷数ｑ３を有する第３のイオンＣＰ３とを含んでいる。第１のイオンＣＰ１、第２のイオンＣＰ２、及び第３のイオンＣＰ３は、相互作用電極１４Ａの近くを通過するときに、相互作用電極１４Ａと相互作用して、電荷数の差に応じて軌道が変化する。例えば、第１のイオンＣＰ１は所望のイオンであり、磁場３２Ａによる進行方向の屈曲及び相互作用電極１４Ａとの相互作用の影響により、曲面部１４Ｂに対して略平行な軌道上を進行するように調整されている。第１のイオンＣＰ１より電荷数が大きい第２のイオンＣＰ２は、磁場３２Ａにより進行方向は屈曲しているが、相互作用電極１４Ａとの相互作用の影響が第１のイオンＣＰ１より大きく、相互作用電極１４Ａへと落下していく。第１のイオンＣＰ１より電荷数が小さい第３のイオンＣＰ３は、磁場３２Ａにより進行方向は屈曲しているが、相互作用電極１４Ａとの相互作用の影響が第１のイオンＣＰ１より小さく、相互作用電極１４Ａの表面から離れていく。磁場３２Ａ等により、所望のイオンが曲面部１４Ｂに対して略平行な軌道上を進行するように調整することで、不要イオンである第２のイオンＣＰ２と第３のイオンＣＰ３を除去して、所望のイオンである第１のイオンＣＰ１を取り出すことができる。上記を除いては、イオン注入装置１と同様の構成を有する。
　イオン注入装置１Ｅでは、イオン注入装置１と同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。また、イオン注入装置１Ｅでは、相互作用電極１４の表面が曲面を有しており、相互作用電極１４Ａの省スペース化ができる。また、イオンビーム１２Ａ及び相互作用電極１４Ａが相互作用する距離を長く確保できるので、イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４Ａの表面との間の距離Ｒ／２を大きくとることが可能である。
［変形例Ｆ］
　上記のイオン注入装置１Ｅにおいては、スリットが設けられていないが、これに限らず、スリット１７を有してもよい。
　図１４は、変形例Ｆとしてのイオン注入装置１Ｆの要部の一例を表したものである。イオンビーム１２Ａに磁場３２Ａを印加することで、イオンビーム１２Ａの進行方向を所定の曲率で屈曲させる。イオン注入装置１Ｆで印加する磁場３２Ａの磁束密度は、イオン注入装置１Ｅよりも低いものとする。これにより、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２は、いずれも曲面部１４Ｂに沿う程度にまでは屈曲されていない。ここで、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２では、荷電数の差によって、相互作用電極１４との相互作用の大きさが異なり、第１のイオンＣＰ１よりも第２のイオンＣＰ２の方が相互作用電極１４Ａにより近い軌道で進行する。このように軌道が異ならされた第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２のうち、第１のイオンＣＰ１はスリット１７を通過し、第２のイオンＣＰ２はスリットを通過しないように、スリット１７が配置されている。上記を除いては、イオン注入装置１Ｅと同様の構成を有する。
　イオン注入装置１Ｆでは、イオン注入装置１Ｅと同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。また、イオン注入装置１Ｆでは、磁場３２Ａの調整及びスリット１７の調整により、所望のイオン（第１のイオンＣＰ１）を通過させ、不要イオン（第２のイオンＣＰ２）を通過させないようにすることができる。
［変形例Ｇ］
　上記のイオン注入装置１Ｆにおいては、相互作用電極１４Ａのイオンビーム１２Ａと相互作用する面は曲面部のみであったが、これに限らず、平面部及び曲面部を共に有する構成であってもよい。
　図１５は、変形例Ｇとしてのイオン注入装置１Ｇの要部の一例を表したものである。相互作用電極１４Ｇは、表面が平面部１４Ｄである第１の部分１４Ｃ、及び表面が曲面部１４Ｆである第２の部分１４Ｅを有する。イオンビーム１２Ａと相互作用電極１４との相互作用は、平面部１４Ｄ及び曲面部１４Ｆの両者において行われる。上記を除いては、イオン注入装置１Ｆと同様の構成を有する。
　イオン注入装置１Ｆでは、イオン注入装置１Ｅと同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。イオンビーム１２Ａ及び相互作用電極１４Ｇは、相互作用電極１４Ｇの平面部１４Ｄ及び曲面部１４Ｆにおいて相互作用し、イオンビーム１２Ａ及び相互作用電極１４Ｇが相互作用する距離を長く確保できる。
［変形例Ｈ］
　上記のイオン注入装置１Ｅにおいては、曲面部を有する相互作用電極を１つ有する構成であるが、複数有して多段の電極によってイオンを選別する構成としてもよい。
　図１６Ａは、変形例Ｈとしてのイオン注入装置１Ｈの要部の一例を表したものである。イオン注入装置１Ｈは、第１の相互作用電極１４Ｈ及び第２の相互作用電極１４Ｊを有するものである。第１の相互作用電極１４Ｈは曲面部１４Ｉを有する。第２の相互作用電極１４Ｊは曲面部１４Ｋを有する。ここで、イオンビーム１２Ａは、第１のイオンＣＰ１及び第２のイオンＣＰ２を含んでいる。第１のイオンＣＰ１は所望のイオンである。第２のイオンＣＰ２は不要イオンである。第２のイオンＣＰ２は、第１のイオンＣＰ１よりも電荷数が大きいイオンである。第２のイオンＣＰ２は、図１６Ｂに示すように進行方向に垂直な断面で拡がりを有する。イオンビーム１２が第１の相互作用電極１４Ｈに近づくときの第１の相互作用電極１４Ｈに近い側の半分を下方第２のイオンＣＰ２Ａ、第１の相互作用電極１４Ｈから遠い側の半分を上方第２のイオンＣＰ２Ｂと称する。
　図１６Ａに示したように、イオンビーム１２Ａに磁場３２Ａを印加することで、イオンビーム１２Ａの進行方向を所定の曲率で屈曲させる。ここでは、イオンビーム１２Ａに含まれる第１のイオンＣＰ１の進行方向が第１の相互作用電極１４Ｈの曲面部１４Ｉと略平行となるように磁場３２Ａ等が調整されている。第２のイオンＣＰ２のうちの、第１の相互作用電極１４Ｈに近い側の下方第２のイオンＣＰ２Ａは第１の相互作用電極１４Ｈへと落下する。
　第１の相互作用電極１４Ｈを通過した第１のイオンＣＰ１は、第２の相互作用電極１４Ｊに近づく。第１の相互作用電極１４Ｈから遠い側の半分を上方第２のイオンＣＰ２Ｂは第１の相互作用電極１４Ｈに落下しておらず、第２の相互作用電極１４Ｊに近づく。ここで、第１のイオンＣＰ１及び上方第２のイオンＣＰ２Ｂに磁場３２Ｂを印加することで、第１のイオンＣＰ１及び上方第２のイオンＣＰ２Ｂの進行方向を所定の曲率で屈曲させる。ここでは、第１のイオンＣＰ１の進行方向が第２の相互作用電極１４Ｊの曲面部１４Ｋと略平行となるように磁場３２Ｂ等が調整されている。上方第２のイオンＣＰ２Ｂは、第２の相互作用電極１４Ｊに対しては近い側となり、第２の相互作用電極１４Ｊへと落下する。
上記の下方第２のイオンＣＰ２Ａ及び上方第２のイオンＣＰ２Ｂに境界は特にないが、約半分が第１の相互作用電極１４Ｈへと落下し、残りの約半分が第２の相互作用電極１４Ｊへと落下するように構成されている。
　イオン注入装置１Ｈでは、イオン注入装置１と同様に、注入しようとする所望のイオンを含むイオンビームに、所望のイオンと質量電荷比ｍ／ｑが近似する不要イオンが混在していても、不要イオンを除去できる。また、不要イオンが拡がりを有するビームとなっている場合でも、多段の相互作用電極との相互作用によって多数回に分けて分離することができる。
　以上、実施の形態及びその変形例Ａ～Ｈ、適用例ならびに応用例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。
　上記実施の形態及び変形例では、導電体からなる相互作用電極を有するイオン注入装置について説明したが、これに限定されるものではなく、これに代えて、誘電体からなる相互作用部を有する構成のイオン注入装置にも適用できる。
　また、上記の実施の形態及び変形例Ａ～Ｈにおいて、31Ｐ+、94Ｍｏ3+、及び186Ｗ6+の選別について説明しているが、これに限らず、その他のイオンを分離するイオン注入装置に適用できる。例えば、31Ｐ+に対して92Ｍｏ3+を選別して除去する構成とすることがで
きる。また、49ＢＦ2 +に対して49Ｔｉ+や98Ｍｏ2+を選別して除去する構成とすることができる。
　また、上記の実施の形態及び変形例Ａ～Ｈにおいて、イオンビーム偏向部１３及びイオン選別部１４Ｓによるイオンの選別について説明しているが、これに限らず、イオン選別部１４Ｓのみでイオンを選別するイオン注入装置にも適用できる。例えば、不明元素同定を行うマスアナライザ装置内の質量分析機構にも適用できる。
　なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
　なお、本技術は以下のような構成とすることができる。以下の構成の本技術によれば、注入しようとするイオンに対して混入する不要イオンを除去することができ、不純物イオンの分離性能を向上させることが可能である。
（１）複数種のイオンを含むイオン源と、
　前記イオン源から前記複数種のイオンを引き出してイオンビームを生成する引き出し電極と、
　前記イオンビームを被イオンビーム照射体まで輸送するイオンビーム輸送管と、
　前記イオンビーム輸送管の内部に配置され、前記イオンビーム輸送管の延伸方向と略平行に延伸すると共に、所定の電位に固定された相互作用部と
　を備えたイオン注入装置。
（２）前記相互作用部は、前記複数種のイオンに対する前記相互作用部中の影像電荷と前記複数種のイオンとの相互作用により、前記イオンビームの軌道を変化させる
　前記（１）に記載のイオン注入装置。
（３）前記イオンビームは、第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有する第１のイオンと、第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有する第２のイオンとを含み、
　前記相互作用部は、ｍ１／（ｑ１）2とｍ２／（ｑ２）2との差によって前記第１のイオンの第１の軌道と前記第２のイオンの第２の軌道とを互いに異ならせる
　前記（１）または（２）に記載のイオン注入装置。
（４）前記第１のイオンを通過させ、前記第２のイオンを遮蔽するスリットをさらに備えた
　前記（３）に記載のイオン注入装置。
（５）前記所定の電位はグラウンド電位である
　前記（１）から（４）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（６）前記イオンビーム輸送管は、前記イオン源及び前記引き出し電極が配置されたイオンビーム生成部と、内部に前記相互作用部が配置されたイオン選別部とを有し、
　前記イオンビーム生成部と前記イオン選別部との間に前記イオンビームを前記被イオンビーム照射体の方向に方向転換させながら前記複数種のイオンの運動量あるいはエネルギーの差によってフィルタリングを行うイオンビーム偏向部をさらに備えた
　前記（１）から（５）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（７）前記引き出し電極は、１０ｍＶ以上１ＭＶ以下の引き出し電圧で前記複数種のイオンを引き出す
　前記（１）から（６）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（８）前記イオンビームと前記相互作用部との間の距離は、０．１ｎｍ以上１０ｍｍ以下である
　前記（１）から（７）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（９）前記相互作用部の前記所定の長さは、１ｍｍ以上３０ｍ以下である
　前記（１）から（８）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（１０）前記イオンビームは、前記相互作用部の表面に対して±１０ｍｍの誤差範囲内で略平行に輸送される
　前記（１）から（９）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（１１）前記軌道における前記相互作用部と相互作用する部分を前記イオンビームが通過する時間Ｔｆと、前記複数種のイオンのうちの少なくとも１種が前記軌道における前記相互作用部と相互作用する部分を通過する間に前記相互作用部に落下するまでの時間Ｔｃとが、Ｔｆ≧０．００１Ｔｃの関係を満たす
　前記（２）に記載のイオン注入装置。
（１２）前記相互作用部の前記イオンビーム側の表面は、平面である
　前記（１）から（１１）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（１３）前記相互作用部の前記イオンビーム側の表面は、曲面を有する
　前記（１）から（１２）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（１４）前記相互作用部は、円柱状あるいは球形である
　前記（１）から（１３）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（１５）前記相互作用部は、導電体により形成されている
　前記（１）から（１４）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（１６）前記相互作用部は、誘電体により形成されている
　前記（１）から（１４）のいずれかに記載のイオン注入装置。
（１７）複数種のイオンを含むイオンビームを生成し、
　前記イオンビームを被イオンビーム照射体まで輸送するイオンビーム輸送管の内部に配置され、前記イオンビーム輸送管の延伸方向と略平行に延伸すると共に、所定の電位に固定された相互作用部と、前記イオンビームとの相互作用により、前記イオンビームの軌道を変化させ、前記複数種のイオンから所望のイオンを選別する
　イオンの選別方法。
（１８）前記複数種のイオンに対する前記相互作用部中の影像電荷と前記複数種のイオンとの相互作用により、前記イオンビームの軌道を変化させる
　前記（１７）に記載のイオンの選別方法。
（１９）前記イオンビームは、第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有する第１のイオンと、第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有する第２のイオンとを含み、
　前記相互作用部と前記イオンビームとの相互作用により、ｍ１／（ｑ１）2とｍ２／（ｑ２）2との差によって前記第１のイオンの第１の軌道と前記第２のイオンの第２の軌道とを互いに異ならせる
　前記（１７）に記載のイオンの選別方法。
　本出願は、日本国特許庁において２０１９年２月１８日に出願された日本特許出願番号２０１９－０２６７２７号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (19)

  1. 　複数種のイオンを含むイオン源と、
    　前記イオン源から前記複数種のイオンを引き出してイオンビームを生成する引き出し電極と、
    　前記イオンビームを被イオンビーム照射体まで輸送するイオンビーム輸送管と、
    　前記イオンビーム輸送管の内部に配置され、前記イオンビーム輸送管の延伸方向と略平行に延伸すると共に、所定の電位に固定された相互作用部と
    　を備えたイオン注入装置。
  2. 　前記相互作用部は、前記複数種のイオンに対する前記相互作用部中の影像電荷と前記複数種のイオンとの相互作用により、前記イオンビームの軌道を変化させる
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  3. 　前記イオンビームは、第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有する第１のイオンと、第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有する第２のイオンとを含み、
    　前記相互作用部は、ｍ１／（ｑ１）2とｍ２／（ｑ２）2との差によって前記第１のイオンの第１の軌道と前記第２のイオンの第２の軌道とを互いに異ならせる
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  4. 　前記第１のイオンを通過させ、前記第２のイオンを遮蔽するスリットをさらに備えた
    　請求項３に記載のイオン注入装置。
  5. 　前記所定の電位はグラウンド電位である
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  6. 　前記イオンビーム輸送管は、前記イオン源及び前記引き出し電極が配置されたイオンビーム生成部と、内部に前記相互作用部が配置されたイオン選別部とを有し、
    　前記イオンビーム生成部と前記イオン選別部との間に前記イオンビームを前記被イオンビーム照射体の方向に方向転換させながら前記複数種のイオンの運動量あるいはエネルギーの差によってフィルタリングを行うイオンビーム偏向部をさらに備えた
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  7. 　前記引き出し電極は、１０ｍＶ以上１ＭＶ以下の引き出し電圧で前記複数種のイオンを引き出す
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  8. 　前記イオンビームと前記相互作用部との間の距離は、０．１ｎｍ以上１０ｍｍ以下である
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  9. 　前記相互作用部の前記所定の長さは、１ｍｍ以上３０ｍ以下である
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  10. 　前記イオンビームは、前記相互作用部の表面に対して±１０ｍｍの誤差範囲内で略平行に輸送される
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  11. 　前記軌道における前記相互作用部と相互作用する部分を前記イオンビームが通過する時間Ｔｆと、前記複数種のイオンのうちの少なくとも１種が前記軌道における前記相互作用部と相互作用する部分を通過する間に前記相互作用部に落下するまでの時間Ｔｃとが、Ｔｆ≧０．００１Ｔｃの関係を満たす
    　請求項２に記載のイオン注入装置。
  12. 　前記相互作用部の前記イオンビーム側の表面は、平面である
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  13. 　前記相互作用部の前記イオンビーム側の表面は、曲面を有する
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  14. 　前記相互作用部は、円柱状あるいは球形である
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  15. 　前記相互作用部は、導電体により形成されている
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  16. 　前記相互作用部は、誘電体により形成されている
    　請求項１に記載のイオン注入装置。
  17. 　複数種のイオンを含むイオンビームを生成し、
    　前記イオンビームを被イオンビーム照射体まで輸送するイオンビーム輸送管の内部に配置され、前記イオンビーム輸送管の延伸方向と略平行に延伸すると共に、所定の電位に固定された相互作用部と、前記イオンビームとの相互作用により、前記イオンビームの軌道を変化させ、前記複数種のイオンから所望のイオンを選別する
    　イオンの選別方法。
  18. 　前記複数種のイオンに対する前記相互作用部中の影像電荷と前記複数種のイオンとの相互作用により、前記イオンビームの軌道を変化させる
    　請求項１７に記載のイオンの選別方法。
  19. 　前記イオンビームは、第１の質量ｍ１及び第１の電荷数ｑ１を有する第１のイオンと、第２の質量ｍ２及び第２の電荷数ｑ２を有する第２のイオンとを含み、
    　前記相互作用部と前記イオンビームとの相互作用により、ｍ１／（ｑ１）2とｍ２／（ｑ２）2との差によって前記第１のイオンの第１の軌道と前記第２のイオンの第２の軌道とを互いに異ならせる
    　請求項１７に記載のイオンの選別方法。
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