JPH0594941U - Ｅ×ｂ回転照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン電子等の荷電粒子を基板に照射すると
き基板を回転できない場合、荷電粒子の基板上での照射
密度が不均一になる。荷電粒子を実質的に回転させ照射
密度を均一にすること。 【構成】 荷電粒子の流れの経路に軸方向に磁場を半径
方向に電場を加える。荷電粒子は電場と磁場のベクトル
積の方向にＥ／Ｂの速度で進行するので、円周方向に荷
電粒子が移動する。ために荷電粒子ビ−ムが軸中心の廻
りに実効的に回転する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、イオンビ−ムや電子ビ−ム等の荷電粒子のビ−ムを対象物（タ−ゲ ット、基板）に当てて対象物に何らかの処理をする際において対象物の中心とビ −ムの中心のずれがないようにする照射装置に関する。

【０００２】 種々の目的でイオンビ−ムを何らかの対象物に当てるという処理が行われる。 イオンの種類やエネルギ−、電流密度や、ビ−ム直径によってビ−ム照射の作用 が異なる。高いエネルギ−でイオンを打ち込むと、対象物の内部奥深くまでイオ ンが入り込む。これは半導体に不純物ド−ピングする場合などである。また中程 度のエネルギ−のイオンビ−ムを基板に当てて他の物質と化学反応させて薄膜を 成長させるということもある。さらにエネルギ−の低い稀ガスイオンを当てて他 の物質の蒸着を助けるという用途もある。電子ビ−ムの場合は電線被覆の架橋反 応を促進したり、塗膜を強化したりするために用いられることがある。

【０００３】 イオンビ−ムの場合はイオン源から発生したビ−ムをそのまま、あるいは加速 して又は減速して対象物に当てる。電子ビ−ムの場合も電子銃からでた電子を加 速、減速、あるいはそのままに対象物にあてる。

【０００４】

【従来の技術】

従来は、イオン源または電子銃から出た荷電粒子をそのままか、進行方向に加 速または減速して対象物に当てるようになっていた。加速のためには加速管を用 いる。これは絶縁円筒によって絶縁された複数のリング状の電極をビ−ム経路に 沿って並べて電極に適当な電圧を与えたものである。電界がビ−ムの経路に沿っ て生ずるので加速または減速される。 正イオンを加速する場合は、高電圧電極から順に低い電圧の電極をならべ最後 に接地電極を設ける。電子ビ−ムを加速する時は負の高電圧から順に低い電圧の 電極を設ける。減速の場合は逆にする。いずれにしても流れの方向に電界を生ず るものである。加速または減速のための電極は経路にそって設けられるリング状 の（中心にビ−ムの通し穴を持つ）電極である。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

図２に従来例にかかるイオンビ−ムの照射装置の概略を示す。荷電粒子ビ−ム 発生装置１はイオン源または電子銃である。これは荷電粒子のビ−ム２をある方 向に向けて発生するものである。その方向には対象物である基板３が基板ホルダ ４の上に固定されている。基板は半導体、誘電体、金属、ガラス等任意である。 基板の中心に立てた法線と反対の方向をｚ軸とする。荷電粒子ビ−ムは拡がりな がら基板に照射される。

【０００６】 荷電粒子ビ−ムの中心がｚ軸に合致しているのが望ましい。しかし荷電粒子ビ −ムの中心がｚ軸に合致していないときもある。例えば図３のようなビ−ムの空 間分布の場合である。これは横軸が直径方向を示す。縦軸がビ−ムの密度である 。イとエのピ−クを中心の近傍に持つ。ウで極小を取る。ウはｚ軸上から外れて いる。イとエの高さが違う。このように分布が非対称である。 あるいは図４に示すようにピ−クは一つであるが、ピ−ク点オがｚ軸から離れ ている。ｚ軸を切る点カは最大密度の点ではない。

【０００７】 このような非対称ビ−ムを対象物（基板）に照射すると基板における空間的な 照射密度が非対称になる。別段非対称であっても差し支えないということもある 。また非対称性を矯正する手段もある。それは基板と基板ホルダを中心軸ｚ軸の 周りに回転することである。すると時間平均的にビ−ムの分布が均等になる。た めに基板上のイオン照射の空間的密度が対称になる。これは真空装置の中で良く 行われる方法である。

【０００８】 しかし基板ホルダを回転するということが常に可能という訳ではない。真空装 置の中であるので、回転軸や回転機構を設けるのが難しいということがある。特 に対象物が大きいもので基板ホルダが大きいとこれを回転するというのは容易で はない。 本考案は基板を回転するのではなく、ビ−ムを回転させて基板上での空間的な 照射密度を均一にしようとするものである。ビ−ムを回転させても基板を回転さ せても密度の非対称性を矯正することができるはずである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本考案においてはビ−ムの軸方向に磁場を与え、半径方向には電場を与える。 電場によってビ−ムを半径方向に拡げ、磁場によって円周方向にビ−ムを回転す る。これにより実効的にビ−ムを軸周りに回転させる。ために対象物（基板、タ −ゲット）が静止していても、ビ−ムの照射密度が均一になる。 図５は本考案の電場磁場の分布の概略を示す。ある領域で電場が半径方向外向 きに存在する。磁場Ｂが軸方向に存在する。これは理想形である。実際には磁場 はコイルで発生するので磁力線が上下で外向きに曲がる。電場も電極が有限であ るから上下で電気力線が歪む。もちろんこのようなことがあっても本発明は十分 にビ−ム回転の効果を挙げることができる。 磁場は静磁場であるのが望ましいが、変動磁場でも良い。また電場は静電場で あるのが良い。しかし変動する電場でも良い。これらパラメ−タの値は、イオン の質量、エネルギ−、基板の大きさ等によって適当に定めるべきものである。

【００１０】

【作用】

イオンビ−ムの進行方向に磁場を加えるものに、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法など がある。これは軸方向に磁場を加えて電子をビ−ムの軸と平行な直線の周りに回 転させマイクロ波と共鳴させるものである。中心軸の廻りに集合的に回転するの ではなく、それぞれ孤立した磁力線の廻りに回転するものである。 また磁場によってプラズマを容器に閉じ込めるということも行われる。これは 磁力線に沿って電子やイオンが回転するので荷電粒子が磁力線に捕捉されるとい う性質を利用しているのである。一般に磁場によって荷電粒子の運動が拘束され ると考えられている。であるから軸方向に磁場を加えるという思想は古くからあ る。しかし磁場だけであると荷電粒子の運動が妨げられ発散する方向に回転する という訳にはゆかない。

【００１１】 さらに電場と磁場を併用したものとしてＥ×Ｂフィルタがある。これは直交す る静電場を形成しておきこれに直角方向に荷電粒子を通し直進するものだけを取 り出すものである。Ｅ＋ｖ×Ｂ＝０という条件を満足するものだけが直進するの で、エネルギ−、質量によってイオンを分離できる。 また磁場を縦に、電場を遠心方向に掛けるというのはマグネトロン等で採用さ れる配置である。しかし荷電粒子の運動は本考案とは全く異なる。マグネトロン は内部の軸電極が電子を放出するとき初速が０であり、これが円周方向に回るよ うになっている。しかし本考案では荷電粒子は軸方向から飛来して電場と磁場の 存在する領域に入ってくる。初期条件が全く異なる。また電場磁場の大きさも異 なる。

【００１２】 本考案はこのようなものに比較して全く斬新なものである。従来軸方向に磁場 をかけ、半径方向に電場を掛け荷電粒子を軸の廻りに回転させる。このような装 置はこれまでなかったと思われる。 しかも電場は一様電場ではない。ガウスの定理から静電場を細い軸線と円筒の 間に印加した時、

【００１３】 Ｅ＝Ｖ／ｒ｛ｌｏｇ（ｄ₂ ／ｄ₁ ）｝ （１）

【００１４】 となる。Ｖは電極間の電圧、ｒは中心からの距離、ｄ₂ は外円筒電極の内径、ｄ ₁ は中心の線電極の外径である。軸対称ではあるが、中心から離れると減衰して 行く。しかもこの減衰が１／ｒ² なのではない。磁場は一様でｚ軸方向にかかっ ている。運動方程式は、（ｄ／ｄｔ＝Ｄと書くことにして）

【００１５】 ｍ｛（Ｄ² ｒ）−ｒ（Ｄθ）² ｝＝ｑＥ−ｑＢｒ（Ｄθ）² （２） ｍＤ｛ｒ² Ｄθ｝／ｒ＝ｑＢ（Ｄｒ） （３）

【００１６】 となる。上式は半径方向の運動を、下式は円周方向の運動を示す。これは単純な サイクロトロン運動ではない。中心に関する角速度が一定ではない。（３）から これを積分して、

【００１７】 ｒ² Ｄθ＝ｒ² Ω／２＋Ｃ （４） Ω＝ｑＢ／ｍ （５）

【００１８】 となる。Ωはサイクロトロン角周波数である。荷電粒子はｚ軸方向に進行し、あ る地点で電場と磁場の作用を同時に受けるようになるか、あるいは異なる地点で 電場、磁場の作用を受けるようになる。電場磁場の作用を受け始める時点に関し ３つの場合がありうる。これらの先後関係はどうでも良いことである。 この時荷電粒子は円周方向の角速度を持たないから磁場の作用を受け始めると き（ｔ＝０）の初期条件はＤθ＝０である。ｔ＞０では

【００１９】 Ｄθ＝（Ω／２）｛１−（ｄ² ／ｒ² ）｝ （６）

【００２０】 となる。これはサイクロトロン運動を含みうる式である。半径ｒがｄより大きい と、これが負になり、小さいと正になるので、半径ｄのある地点の廻りに周回す る解を表現することができるからである。

【００２１】 しかし本発明では半径方向の電場があるのでサイクロトロン運動にはならない 。（２）式を解けば良いのであるが、これは容易でない。ひとつには電場Ｅが定 数でないからである。また円筒座標形で表された運動であるからである。これは 従来にはない、比類のない配置である。 しかし本質的には本発明の電場と磁場は直交しているし、このなかでの荷電粒 子の運動であるから、より単純化して、電場を一様とし経路が円周ではなく直線 であるとして運動を考察する。これは電磁気学の基本問題で良く考察される。ｘ ｙｚ三次元座標を考える。電場はｘ方向のみを持ち、磁場はｚ方向のみを持つ。 いずれも定数とする。電場（Ｅ，０，０）と磁場（０，０，Ｂ）の中の荷電粒子 のｘ方向成分をｕ、ｙ方向成分をｖとすると、

【００２２】 ｍＤｕ＝ｑｖＢ （７） ｍＤｖ＝−ｑｕＢ＋ｑＥ （８）

【００２３】 ここでＤは先述と同じく時間微分でｄ／ｄｔを意味する。ξ＝ｕ＋ｉｖとおくと これは容易に解けて、

【００２４】 ｕ＋ｉｖ−（Ｅ／Ｂ）＝Ａｅｘｐ（−ｉΩｔ） （９）

【００２５】 となる。Ωは（５）で定義されたサイクロトロン角周波数である。Ａは初期条件 によって決まる定数である。図６は速度成分ｕとｖの関係を示す線図である。点 （ｕ，ｖ）が点（Ｅ／Ｂ，０）を中心とする円上にあるのは（９）から明らかで ある。これは幾つも書くことができるが、図６では２つの例を示す。もしも初期 条件として荷電粒子が磁場電場の領域に入った時に初速がｕ＝０、ｖ＝０であれ ば、これは原点Ｏを通るということである。速度のトラジェクトリは円ルのよう になる。この初期条件を持つ荷電粒子が最も多いと考えられる。荷電粒子はｚ方 向に進行してくるので、ｘ、ｙ成分を持たない筈である。

【００２６】 しかし荷電粒子同士のク−ロン斥力や荷電粒子同士の衝突もありうるので、ｘ 、ｙ方向にも僅かに初速を持つかもしれない。これがＫ点の座標で表現されると すると、速度のトラジェクトリは円ワのようになる。こういうこともあるが殆ど は円ルのようになる。この場合、

【００２７】 ｕ＝（Ｅ／Ｂ）−（Ｅ／Ｂ）cos Ωｔ （１０） ｖ＝−（Ｅ／Ｂ）sin Ωｔ （１１）

【００２８】 これを積分して図７のように荷電粒子の経路を求めることができる。これは半円 を繰り返すような軌跡になる。これはｙ方向に蛇行しながらｘ方向へ進行して行 く軌跡である。前述のように初期条件が異なるということもあるが、それでも概 略は図７の軌跡を描き、ｘ方向へ進行してゆく。初期条件の違いはｘ方向への群 速度（Ｅ／Ｂ）には影響しない。どのような初期条件でも同様に進行する。つま り、直交する電場と磁場のなかでは荷電粒子は電場と磁場のベクトル積の方向に 荷電粒子が移動するということである。

【００２９】 速度は変動するが平均的には電場を磁場で割ったＥ／Ｂである。もしも多くの 荷電粒子が存在すればこれらの荷電粒子の初期条件は様々であるから、瞬間的な 速度は多様である。しかし全て平均化すればｘ方向に同一の速度Ｅ／Ｂで動く。 これは本考案者が発見したことではないけれども、考えてみれば不思議な性質で ある。荷電粒子といっても質量が違えば電磁場において速度が違うのが普通であ る。また荷電の違いによって速度が違う筈である。この場合はそうでない。不思 議であるが質量や荷電の違いを越えて全ての荷電粒子が同一の速度Ｅ／Ｂでｘ方 向に進行するのである。

【００３０】 これはｘｙｚ直交座標でｙ方向に電場、ｚ方向に磁場を持つという仮定である 。本考案の条件はそのままではない。しかしながら、ｘ方向を曲げて円周方向と みなすと本考案の場合の問題に合致する筈である。本考案では半径方向に電場が 存在する。したがってＥ×Ｂのベクトルの方向は円周方向である。荷電粒子は円 周方向に回転する筈である。図７のような運動が許されるかどうかの評価は、円 周方向の経路が荷電粒子のｙ方向の蛇行を許すかどうかに掛かっている。蛇行に よって壁や電極に衝突するのではいけない。蛇行の幅はＥ／ＢΩである。これが 電極の半径ｄ₂ ／２より十分に小さければ良い。

【００３１】 Ｅ／ＢΩ＜＜ｄ₂ ／２ （１２）

【００３２】 またｚ方向の速度ｗは加速エネルギ−をｑＶとすると、

【００３３】 ｗ＝（２ｑＶ／ｍ）^1/2 （１３） 円周方向の群速度をＵ（＝Ｅ／Ｂ）をこれと比較して、ｗとＵとが同程度であ れば、荷電粒子は円周方向にかなり回転できる。荷電粒子は電磁場で全体として 螺旋運動をすることになる。

【００３４】 軸に対する螺旋の傾角Θはtan^-1 （Ｕ／ｗ）である。もしもＵがｗに対して無 視できる程であると荷電粒子は回転しない。つまりビ−ム密度の不均一を直すこ とができない。反対にＵがｗよりも遥かに大きいとビ−ムは何回も回転する。ｗ とＵの関係は電場磁場が存在する長さＬにおいて何回転すべきかということから 決められる。 但しその時条件（１２）が同時に満足されなければならない。これはサイクロ トロン周波数Ωをかなり高い値に押し上げる。単に群速度Ｕが大きくてｗに匹敵 する程度というのではなく、Ωがかなり大きくてしかもＵ＝Ｅ／Ｂが大きいので ある。

【００３５】

【実施例】

図１は本考案の実施例に係るイオン照射装置の概略を示す。荷電粒子ビ−ム発 生装置１は荷電粒子を発生する。これはイオン源または電子銃である。荷電粒子 ビ−ム２はこれから直進し、対象物である基板３に向かう。基板３は基板ホルダ ４の上に固定される。これは回転しない。荷電粒子ビ−ムの進行経路の途中に細 い内部電極７と円筒状の外部電極６とが設けられる。電源８によって内外の電極 の間に電圧が印加される。ために中心の内部電極７から外部電極６に向かう遠心 的な電場Ｅが発生する。またコイル５が外側に設けられる。これが軸方向の磁場 Ｂを発生する。荷電粒子ビ−ム２は拡径しながら基板３に向かうがこの電場と磁 場の存在する領域に入ると前述のＥ／Ｂの群速度で軸の廻りを回転する。

【００３６】 したがって荷電粒子ビ−ム発生装置１に非対称性があってビ−ム密度に偏りが あっても、この回転によってビ−ムの分布が平均化されるので、基板３に当たっ た時は既に均一な分布になっている。 これは単なるサイクロトロン運動とは全く異なる。これに注意しなければなら ない。磁場を軸方向に印加することによるサイクロトロン運動は、荷電粒子をそ のまま凍結してここの磁力線の廻りに回転させるのである。中心軸の廻りではな い。ために分布は拡がらない。かえって分布の不均一を固定する作用がある。ク −ロン斥力を遮断し相互の拡大力を封ずるからである。

【００３７】 本考案ではそうではなく、直交する電場と磁場が荷電粒子を実効的にＥ×Ｂの 方向にＥ／Ｂの速度で送るという性質を用いている。本考案では円筒対称を持つ 電場を形成している。ＥとＢの直交性は確保されているがＥが一定方向を向いて いるという条件は最早ない。この点で先程考察した電磁場中の荷電粒子の運動と 厳密に対応していない。

【００３８】 しかし実は先述の無限遠まで拡がった静電場静磁場という仮定の方が非現実で ある。そのような電場磁場を形成することは事実上不可能である。翻って本考案 では直線的に無限遠まで拡がる代わりに、円筒の内部に電場と磁場とを閉じ込め て実効的に無限遠まで拡がっている電磁場を形成しているのである。現実的に無 限遠まで拡がった電場磁場を実効的に形成できる唯一の配置と言って良い。本考 案の希有な幾何学的電磁気学的意味はここにある。

【００３９】 厳密な直線軌道ではないとはいえ、速度Ｅ／ＢをΩで割った平均蛇行幅が円筒 の半径ｄ₂ に比して十分に狭ければ荷電粒子からみて円周状の軌道は実効的には 直線軌道と見做すことができる。上記の条件は磁場がかなり大きくΩが大きいと いうことを要求する。しかしこれは不可能ではない。 これまでＥは定数のように扱ってきたが、円筒対称の場であるから定数ではな く半径座標ｒの逆数に比例する。これは外周ほど速度が低いということを意味す るだけで、運動が円周方向に起こるということには違いがない。また流体力学的 にいえば、円周方向の速度がｒに反比例するというのは渦無しの条件（ｃｕｒｌ ｖ＝０）を満たす。Ωが１０⁷ 〜１０⁸sec^-1でｗが１０⁵ 〜１０⁷ ｍsec^-1 で あれば軸線に対する傾角Θが５°〜６０°程度にすることができる。

【００４０】 基板を回転するという場合とここでも異なる。基板を回転する場合円周方向の 速度は半径に比例する。本考案は半径に反比例している。この点で逆である。し かし実際のところは中心付近での不均一が問題であるから、中心部で高速回転す ればそれで良いのである。

【００４１】

【考案の効果】

本考案は基板や基板ホルダを軸線廻りに回転できない照射装置である場合に荷 電粒子ビ−ムの方を実効的に回転する。ためにビ−ムの密度に不均一や時間的な ゆらぎがあっても、基板に衝突した時には均一になっている。荷電粒子密度が一 定で平均化された荷電粒子の照射を行うことができる。 従来磁場によって荷電粒子をサイクロトロン運動させマイクロ波吸収を促進さ せるというものはイオン源などにおいて多用されている。サイクロトロン運動は 局所的な磁力線の廻りに荷電粒子を拘束するものでビ−ムを拡げるものではない 。反対にビ−ムを限定するものである。

【００４２】 しかし本考案の磁場は直交電場とともに使われ、実効的に中心軸廻りの回転を 誘起させている。直交電場磁場を用いてウイ−ンフィルタが作られるが、本考案 はこれとは全く機能が異なる。円筒容器で直交電場磁場を利用するものにマグネ トロンがある。しかし本考案は荷電粒子の運動の方向が異なる。 つまり従来の装置の構成に比較すべきものがない。比類のないものである。

【００４３】 ビ−ムの流れの中央に電極７を設けるという困難があるが本考案は作用効果に おいて従来の荷電粒子照射装置とは隔絶したものである。濃密な荷電粒子ビ−ム の内部に外部から電場を印加して荷電粒子に力を与えるということは難しい。荷 電粒子がプラズマ運動して外部の電場を遮蔽してしまうからである。ところが本 考案では荷電粒子ビ−ムの中心に内部電極７を設けているので電場の遮蔽が起こ らず、電磁場による実効的な旋回運動（サイクロトロン運動とは違う）を起こさ せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係る荷電粒子照射装置の概略
断面図。

【図２】従来例に係る荷電粒子照射装置の概略断面図。

【図３】従来の荷電粒子照射装置における半径方向のビ
−ム密度分布を示すグラフ。

【図４】従来の荷電粒子照射装置における他の半径方向
ビ−ム密度分布を示すグラフ。

【図５】本考案において電場磁場の方向を示す概略斜視
図。

【図６】直交する電場磁場の中で運動する荷電粒子の速
度成分の直交座標系でのトラジェクトリ。

【図７】直交する電場磁場の中での初速が０の荷電粒子
の運動軌跡を示す線図。

【符号の説明】

１ 荷電粒子ビ−ム発生装置 ２ 荷電粒子ビ−ム ３ 基板 ４ 基板ホルダ ５ コイル ６ 外部電極 ７ 内部電極 ８ 電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/265 21/027

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオンまたは電子のビ−ムを発生する荷
   電粒子ビ−ム発生装置と、荷電粒子を照射すべき対象物
   との間に、ビ−ムの進行方向に磁場を与える機構と、中
   心から外側にビ−ムを拡げる方向へ半径方向の電場を与
   える機構を設け、電場と磁場の作用によってビ−ム軸線
   の中心に関して円周方向にビ−ムを回転させるようにし
   たことを特徴とするＥ×Ｂ回転照射装置。