JP4747876B2 - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Description

この発明は、進行方向と交差する面内におけるＹ方向（長手方向）の寸法が当該Ｙ方向と直交するＸ方向の寸法よりも大きい、いわゆるリボン状（これはシート状または帯状と呼ばれることもある。以下同様）の形状をしたイオンビームをターゲットに照射して、例えばイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置に関する。この明細書において、リボン状のイオンビームには、Ｙ方向の走査を経ることなくリボン状をしているイオンビームと、Ｙ方向の走査を経てリボン状をしているイオンビームとが含まれている。

上記のようなリボン状のイオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置においては、イオンビームの長手方向であるＹ方向における軌道状態（例えば平行、発散または集束の状態）が重要である。例えば、ターゲットの広い領域（例えば実質的に全面）に所望の処理を均一性良く施す等のためには、イオンビームのＹ方向における平行性が重要である。

イオンビームを平行化する従来技術の一つに、静電場によってイオンビームを加速または減速するための電極（即ち加減速器を構成する電極）を用いてイオンビームを平行化する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平５−９４７９９号公報（段落００１０−００１１、図２）

上記のように加減速器を構成する電極を用いてイオンビームを平行化する技術では、即ちイオンビームの加減速の過程でイオンビームを平行化する技術では、当該電極の前後でイオンビームのエネルギーが異なるため、エネルギーを変えたくない場合に適用することができない。上記電極をイオンビームの平行化以外の発散または集束に用いる場合も同様である。

そこでこの発明は、イオンビームのエネルギーを変えることなく、イオンビームのＹ方向における軌道状態を所望のものにすることができるイオンビーム照射装置を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るイオンビーム照射装置は、進行方向と交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＸ方向の寸法よりも大きい形状をしている正のイオンビームをターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置であって、前記ターゲットよりも上流側の位置に設けられていて、そこを通過する前記イオンビームをＹ方向において曲げる作用を奏するものであって、イオンビーム進行方向に互いに隙間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有する電界レンズを備えており、前記電界レンズの中間電極は、イオンビーム進行方向の上流側および下流側の面に、Ｙ方向において湾曲した凹表面をそれぞれ有しており、前記電界レンズの入口電極および出口電極は、当該中間電極の凹表面に対向する面に当該凹表面にそれぞれ沿う凸表面をそれぞれ有しており、前記電界レンズの入口電極および出口電極は接地電位に保たれ、中間電極は負電位であって、前記電界レンズから導出されるイオンビームのＹ方向における軌道状態を所望のものにする電位に保たれる、ことを特徴としている。

このイオンビーム照射装置を構成する電界レンズも、ユニポテンシャルレンズの働きをするので、このような電界レンズを備えることによって、イオンビームのエネルギーを変えることなく、イオンビームのＹ方向における軌道状態を所望のものにすることができる。

上記イオンビーム照射装置において、前記電界レンズの入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する隙間をあけてＸ方向に並べられていて互いに電気的に導通している一対の電極から成るものでも良い。

また、前記電界レンズの中間電極を前記負電位に保つ直流電源を備えていても良い。

請求項１〜３に記載の発明によれば、上記のような電界レンズを備えているので、イオンビームのエネルギーを変えることなく、イオンビームのＹ方向における軌道状態を所望のものにすることができる。

しかも、電界レンズを構成する中間電極が上記のようにＹ方向において湾曲した表面を有しており、かつ入口電極および出口電極がそれに沿う表面を有しているので、各電極間の隙間における電界分布のＹ方向における均一性が非常に良くなる。その結果、Ｙ方向の寸法が大きい場合でも、イオンビームのＹ方向における軌道状態を、均一性良く所望のものにすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、電界レンズを構成する入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、上記のように隙間をあけてＸ方向に並べられた一対の電極から成るので、当該隙間付近のＹ方向両端部付近における電界分布の乱れが、板状の電極に開口を設けた場合よりも少なくなる。その結果、イオンビームのＹ方向両端部付近における軌道の乱れを少なくすることができる、という更なる効果を奏する。

図１は、この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。このイオンビーム照射装置は、イオン源２から引き出したイオンビーム４を、質量分離器（例えば質量分離マグネット）６を通して質量分離を行い、更に必要に応じて加速または減速を行った後、ホルダ１０に保持されたターゲット８に照射して、ターゲット８にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。イオンビーム４の経路は、図示しない真空容器内に収納されて、真空雰囲気に保たれる。質量分離器６を設けない場合もある。ターゲット８にイオン注入を行う場合は、この装置はイオン注入装置とも呼ばれる。

ターゲット８に照射されるイオンビーム４は、図２に示すように、その進行方向Ｚと交差（例えば直交）する面内におけるＹ方向（長手方向。例えば垂直方向）の寸法Ｗ_Y が、当該Ｙ方向と直交するＸ方向（例えば水平方向）の寸法Ｗ_X よりも大きい形状をしている。このような形をしているイオンビーム４は、リボン状のイオンビームと呼ばれている。シート状または帯状のイオンビームと呼ばれる場合もある。但し、Ｘ方向の寸法Ｗ_X が紙のように薄いという意味ではない。一例を挙げると、Ｙ方向の寸法Ｗ_Y は３５０ｍｍ〜４００ｍｍ程度、Ｘ方向の寸法Ｗ_X は５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。

この実施形態では、イオンビーム４は、Ｙ方向の走査を経ることなく、即ちイオン源２から引き出した形状自体がリボン状をしている。但し、ターゲット８に照射されるイオンビーム４は、前述したように、例えば質量分離器６の下流側においてＹ方向の走査（例えば平行走査）を経てリボン状をしているものでも良い。

ターゲット８は、例えば、半導体基板、ガラス基板等である。

ターゲット８は、この実施形態では、ホルダ１０に保持されて、ターゲット駆動装置１２によって、矢印Ａに示すように、前記Ｘ方向に沿って機械的に往復駆動（メカニカルスキャン）される。イオンビーム４のＹ方向の寸法Ｗ_Y は、ターゲット８の同方向の寸法よりも若干大きく、このことと、上記往復駆動とによって、ターゲット８の全面にイオンビーム４を照射することができる。

ホルダ１０上のターゲット８よりも上流側の位置に、より具体的には質量分離器６とターゲット８との間の位置に、そこを通過するイオンビーム４をＹ方向において曲げる作用を奏する電界レンズ２０ａが設けられている。

電界レンズ２０ａは、図３も参照して、イオンビーム４の進行方向Ｚに互いに隙間２８、３０をあけて直列に並べられた入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６を有している。これらの電極２２、２４、２６のＹ方向の長さは、通過させるイオンビーム４のＹ方向の寸法Ｗ_Y よりも若干大きく、例えば、４００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。各隙間２８、３０のＹＺ平面内における距離は、例えば、４０ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。但し、これらの寸法に限られるものではない。

これらの入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６は、即ち電界レンズ２０ａは、例えば、イオンビーム４の経路を真空雰囲気に保つ前記真空容器内に設けられている。後述する電界レンズ２０ｂも同様である。

図３に示すように、入口電極２２は、イオンビーム４が通過する隙間３２をあけてＸ方向に並べられた一対の電極２２ａ、２２ｂから成る。中間電極２４は、イオンビーム４が通過する隙間３４をあけてＸ方向に並べられた一対の電極２４ａ、２４ｂから成る。出口電極２６は、イオンビーム４が通過する隙間３６をあけてＸ方向に並べられた一対の電極２６ａ、２６ｂから成る。各隙間３２、３４、３６のＸ方向の寸法は、通過させるイオンビーム４のＸ方向の寸法Ｗ_X に応じて決めれば良く、例えば、５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。但しこの寸法に限られるものではない。

電極２２ａと２２ｂとは、図示しない導線等の導通手段によって、互いに電気的に導通していて同電位にある。電極２４ａと２４ｂも同様である。電極２６ａと２６ｂも同様である。

中間電極２４は、イオンビーム４の進行方向Ｚの上流側および下流側の面に、Ｙ方向において弧状に湾曲した凸表面４０、４２をそれぞれ有している。両凸表面４０、４２は、この例では、Ｘ方向においては湾曲していない。入口電極２２および出口電極２６は、この中間電極２４の凸表面４０、４２に対向する面に、当該凸表面４０、４２にそれぞれ沿う（より具体的には等間隔で沿う）凹表面３８、４４をそれぞれ有している。従って、上記隙間２８、３０も、Ｙ方向において弧状に湾曲しているけれども、Ｘ方向においては湾曲していない。

入口電極２２と出口電極２６とは、例えば導線５０のような導通手段で互いに電気的に接続されており、互いに同電位に保たれる。両電極２２、２６は、この例では接地電位に保たれる。そのようにすると、この電界レンズ２０ａからイオンビーム４の進行方向Ｚの上流側および下流側へ電界がはみ出すのを防止することができるので、当該電界がはみ出すことによってイオンビーム４等へ悪影響が及ぶのを防止することができる。

中間電極２４は、入口電極２２および出口電極２６とは異なる電位であって、当該電界レンズ２０ａから導出されるイオンビーム４のＹ方向における軌道状態を所望のものにする電位に保たれる。この軌道状態の例を、後で図４〜図７を参照して説明する。入口電極２２および出口電極２６と中間電極２４との間に、中間電極２４を上記電位に保つ電圧可変の直流電源５２が接続されている。直流電源５２の向きは、図３に示す例では中間電極２４側を負極にしているが、これとは逆にする場合もある。

この電界レンズ２０ａは、入口電極２２および出口電極２６は互いに同電位に保たれ、中間電極２４は入口電極２２および出口電極２６とは互いに異なる電位に保たれるので、ユニポテンシャルレンズの働きをする。従ってこのような電界レンズ２０ａを備えることによって、イオンビーム４のエネルギーを変えることなく、イオンビーム４のＹ方向における軌道状態を所望のものにすることができる。その例を以下に説明する。

図４は、中間電極２４を入口電極２２および出口電極２６よりも低い電位に保ったときの、より具体的には入口電極２２および出口電極２６を０Ｖに保ち、中間電極２４に−１５，０００Ｖを印加したときの、上記電界レンズ２０ａのＸ方向の中央部（即ちＸ＝０の座標）でのＹＺ平面上における上記電極間の隙間２８、３０付近の等電位線４８の分布の一例を示すものである。凸レンズ状に湾曲した等電位線４８が形成されている。

上記のような等電位線４８の分布を持つ電界レンズ２０ａにイオン（この明細書では正イオン）が入射すると、Ｙ方向に集束効果が生じる。これによって例えば、発散する入射イオンビーム４を平行ビーム化して導出することができる。平行な入射イオンビーム４を集束ビーム化して導出することもできる。中間電極２４の負電位を更に強くすれば、発散する入射イオンビーム４を集束ビーム化して導出することもできる。また、中間電極２４の極性を上記とは反転させて正電位にすれば、Ｙ方向においてイオンビーム４を発散させることもできる。

上記と同様に入口電極２２および出口電極２６に０Ｖ、中間電極２４に−１５，０００Ｖの電圧を印加して、エネルギー１５ｋｅＶ、１価のヒ素（Ａs ）イオン（原子量７５ＡＭＵ）から成るイオンビーム４を電界レンズ２０ａに入射した場合の例を図５、図６に示す。両図５、６の隙間２８、３０付近には、図示していないけれども、図４に示したのと同様の等電位線が形成されている。なお、図５〜図７、図９は、図４と同様、Ｘ＝０の座標でのＹＺ平面上におけるものである。

図５は、Ｙ方向において発散する入射イオンビーム４を平行ビーム化して導出している例を示す。入射イオンビーム４の発散角は、この例では、±１度〜±９度（Ｙ方向の中央部が±１度、そこから上下にずれるに従い１度ずつ増やしている）である。この明細書において平行ビームとは、この図５に示すように、Ｙ方向の異なった位置からそれぞれ導出されるイオンビーム４の軌道が（進行方向が）、互いに実質的に平行であるイオンビームのことを言う。この例ではＺ軸にも平行である。

図６は、Ｙ方向において平行な（即ち発散角が０度の。以下同様）入射イオンビーム４を集束ビーム化して導出している例を示す。イオンビーム４は空間電荷効果によって発散する性質を有しているので、特に低エネルギー、大ビーム電流のイオンビーム４はその性質が強いので、電界レンズ２０ａからこの例のように集束するイオンビーム４を取り出して、電界レンズ２０ａからターゲット８間での空間電荷効果による発散とバランス（相殺）させることによって、ターゲット８に入射する際のイオンビーム４を実質的に平行ビーム化することもできる。

図７は、入口電極２２および出口電極２６に０Ｖ、中間電極２４に＋１０，０００Ｖの電圧を印加して、上記と同様にエネルギー１５ｋｅＶ、１価のヒ素イオンから成り、Ｙ方向において平行な入射イオンビーム４を発散ビーム化して導出している例を示す。この電界レンズ２０ａの下流側にビーム集束手段を設けて、前者による発散と後者による集束とを組み合わせて、イオンビーム４を平行化することができる。そのようにすれば、イオンビーム４のＹ方向の寸法Ｗ_Y をより大きくすることができる。

以上のように、このイオンビーム照射装置によれば、上記のような電界レンズ２０ａを備えているので、イオンビーム４のエネルギーを変えることなく、イオンビーム４のＹ方向における軌道状態を所望のものにすることができる。例えば平行ビーム化することができる。従って、例えば平行ビーム化する際にイオンビーム４のエネルギーを変えたくない場合等に好適である。

しかも、電界レンズ２０ａを構成する中間電極２４が上記のようにＹ方向において湾曲した凸表面４０、４２を有しており、かつ入口電極２２および出口電極２６がそれに沿う凹表面３８、４４を有しているので、各電極間の隙間２８、３０における電界分布のＹ方向における均一性が非常に良くなる（図４参照）。その結果、Ｙ方向の寸法が大きい場合でも、イオンビーム４のＹ方向における軌道状態を、均一性良く所望のものにすることができる。従って、リボン状のイオンビーム４を用いる場合に特に好適である。仮に、入口電極２２および出口電極２６の表面３８、４４が平面であったり、中間電極２４の表面４０、４２が平面であったりすると、隙間２８、３０における複数の等電位線４８の間隔に、Ｙ方向において広狭の不均一が生じるので、隙間２８、３０における電界分布のＹ方向における均一性は低下する。

更に、この実施形態では、電界レンズ２０ａを構成する入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６は、それぞれ、上記のように隙間３２、３４、３６をあけてＸ方向に並べられた一対の電極から成るので、当該隙間３２、３４、３６付近のＹ方向両端部付近における電界分布の乱れが、板状の電極に開口を設けた場合よりも少なくなる。これを詳述すると、板状の電極に開口を設けた場合は、当該開口のＹ方向両端部の電位は電極の電位で決まるので、等電位線の分布は開口の形状（例えば細長い長方形）に似た形状の等電位線の集まりとなり、Ｙ方向両端部付近には、Ｘ方向に延びる複数の等電位線が形成され、それによって電界分布が乱れる。これに対して、この実施形態のように入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６を分割構造にすると、隙間３２、３４、３６のＹ方向両端は空間であり、Ｙ方向両端部付近には、Ｘ方向に延びる等電位線は形成されないので、電界分布の乱れは少なくなる。その結果、イオンビーム４のＹ方向両端部付近における軌道の乱れを少なくすることができる。

もっとも、入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６を、それぞれ、この実施形態のように分割構造にする代わりに、板状等をした一体物の電極に、イオンビーム４が通過する開口（より具体的にはスリット状の開口）を設けた構造にしても良い。そのようにすれば、各電極２２、２４、２６ひいては電界レンズ２０ａの構造、組立作業等を簡素化することができる。この場合は、開口のＹ方向の両端部付近における電界の乱れによるイオンビーム軌道の乱れを少なくすることができる程度に、開口のＹ方向の寸法をイオンビーム４のＹ方向の寸法Ｗ_Y よりも大きくするのが好ましい。

図８は、電界レンズの他の例を電源と共に示す斜視図である。このような電界レンズ２０ｂを上記電界レンズ２０ａの代わりに用いても良い。なお、図３等に示した電界レンズ２０ａと同一または相当する部分には同一符号を付しており、以下においては上記電界レンズ２０ａとの相違点を主体に説明する。

この電界レンズ２０ｂを構成する中間電極２４は、イオンビーム４の進行方向Ｚの上流側および下流側の面に、Ｙ方向において弧状に湾曲した凹表面４１、４３をそれぞれ有している。両凹表面４１、４３は、この例では、Ｘ方向においては湾曲していない。入口電極２２および出口電極２６は、この中間電極２４の凹表面４１、４３に対応する面に、当該凹表面４１、４３にそれぞれ沿う（より具体的には等間隔で沿う）凸表面３９、４５をそれぞれ有している。従って、上記隙間２８、３０も、Ｙ方向において弧状に湾曲しているけれども、Ｘ方向においては湾曲していない。

入口電極２２、中間電極２４および出口電極２６は、この実施形態では、上記電界レンズ２０ａの場合と同様に分割構造をしている。詳細は前記と同様である。

中間電極２４は、入口電極２２および出口電極２６とは異なる電位であって、当該電界レンズ２０ｂから導出されるイオンビーム４のＹ方向における軌道状態を所望のものにする電位に保たれる。この軌道状態の例を、後で図９を参照して説明する。入口電極２２および出口電極２６と中間電極２４との間に、中間電極２４を上記電位に保つ電圧可変の直流電源５２が接続されている。直流電源５２の向きは、図８に示す例では中間電極２４側を正極にしているが、これとは逆にする場合もある。

この電界レンズ２０ｂの隙間２８、３０付近には、図４に示した例とは反対の凹レンズ状に湾曲した等電位線が形成される。

この電界レンズ２０ｂも、入口電極２２および出口電極２６は互いに同電位に保たれ、中間電極２４は入口電極２２および出口電極２６とは互いに異なる電位に保たれるので、ユニポテンシャルレンズの働きをする。従ってこのような電界レンズ２０ｂを備えることによって、イオンビーム４のエネルギーを変えることなく、イオンビーム４のＹ方向における軌道状態を所望のものにすることができる。

即ち、上記電界レンズ２０ｂにイオンが入射すると、Ｙ方向に集束効果が生じる。これによって例えば、図９に示すように、発散する入射イオンビーム４を平行ビーム化して導出することができる。この図９は、中間電極２４を入口電極２２および出口電極２６よりも高い電位に保ったときの、より具体的には入口電極２２および出口電極２６を０Ｖに保ち、中間電極２４に＋１５，０００Ｖを印加したときの例である。入射イオンビーム４は、エネルギー１５ｋｅＶ、１価のヒ素イオンから成り、その発散角は±１度〜±９度である。

それ以外に、上記電界レンズ２０ｂは、平行な入射イオンビーム４を集束ビーム化して導出することもできる。中間電極２４の正電位を更に強くすれば、発散する入射イオンビーム４を集束ビーム化して導出することもできる。また、中間電極２４の極性を上記とは反転させて負電位にすれば、Ｙ方向においてイオンビーム４を発散させることもできる。

この電界レンズ２０ｂにおける上記以外の作用効果は、前述した電界レンズ２０ａの場合と同様であるので、ここでは重複説明を省略する。

なお、図１に示す例のように質量分離器６を設けている場合、それから導出されるイオンビーム４がＸ方向において焦点を結ぶようにする場合があるが、その場合は、例えば、上記電界レンズ２０ａ、２０ｂの入口付近、具体的には入口電極２２の入口付近に、焦点が来るような配置にしても良い。そのようにすれば、入口電極２２に、質量分離器６と協働してイオンビーム４の質量分離を行う分析スリットを兼ねさせることができるので、構造の簡素化を図ることができる。

この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。 イオンビームの一例を簡略化して部分的に示す斜視図である。 図１中の電界レンズを拡大して電源と共に示す斜視図である。 図３に示す電界レンズの電極間の等電位線の分布の一例を示す図である。 図３に示す電界レンズにおいて、Ｙ方向において発散する入射イオンビームを平行ビーム化して導出している例を示す図である。 図３に示す電界レンズにおいて、Ｙ方向において平行な入射イオンビームを集束ビーム化して導出している例を示す図である。 図３に示す電界レンズにおいて、Ｙ方向において平行な入射イオンビームを発散ビーム化して導出している例を示す図である。 電界レンズの他の例を電源と共に示す斜視図である。 図８に示す電界レンズにおいて、Ｙ方向において発散する入射イオンビームを平行ビーム化して導出している例を示す図である。

符号の説明

２ イオン源
４ イオンビーム
８ ターゲット
２０ａ、２０ｂ 電界レンズ
２２ 入口電極
２４ 中間電極
２６ 出口電極
５２ 直流電源

Claims (3)

1. 進行方向と交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＸ方向の寸法よりも大きい形状をしている正のイオンビームをターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置であって、
   前記ターゲットよりも上流側の位置に設けられていて、そこを通過する前記イオンビームをＹ方向において曲げる作用を奏するものであって、イオンビーム進行方向に互いに隙間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有する電界レンズを備えており、
   前記電界レンズの中間電極は、イオンビーム進行方向の上流側および下流側の面に、Ｙ方向において湾曲した凹表面をそれぞれ有しており、
   前記電界レンズの入口電極および出口電極は、当該中間電極の凹表面に対向する面に当該凹表面にそれぞれ沿う凸表面をそれぞれ有しており、
   前記電界レンズの入口電極および出口電極は接地電位に保たれ、中間電極は負電位であって、前記電界レンズから導出されるイオンビームのＹ方向における軌道状態を所望のものにする電位に保たれる、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
2. 前記電界レンズの入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、前記イオンビームが通過する隙間をあけてＸ方向に並べられていて互いに電気的に導通している一対の電極から成る請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. 前記電界レンズの中間電極を前記負電位に保つ直流電源を備えている請求項１または２記載のイオンビーム照射装置。

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