JPH0636735A

JPH0636735A - 多価イオン注入法による基板製造装置および基板製造方法

Info

Publication number: JPH0636735A
Application number: JP4189288A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Yamashita; 靖夫山下; Yasumasa Kaneda; 安正金田; Teruo Yamada; 輝雄山田; Yoshihiko Isotani; 嘉彦磯谷
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1992-07-16
Filing date: 1992-07-16
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】装置の大型化を抑えて，良好なコストパーフ
ォーマンスで、高いエネルギーによるイオン注入を実現
できる。【構成】プラズマチャンバ内で多価イオンを生成する
多価イオン生成部Ｂと、生成された多価イオンをプラズ
マチャンバ内から引き出す引出電極と、イオンビームを
集束させるビーム集束部Ｃと、イオンビーム中の目的価
数の多価イオンと他の多価イオンとを選別する価数選別
部Ｄと、ビーム偏向部Ｅと、ビーム加速部Ｆと、目的価
数の多価イオンによるイオンビームを照射してサブスト
レートｓにイオン注入するビーム照射部Ｇとを備える。【効果】ビーム加速部の能力に依らず、注入する多価
イオンの価数に依って高いエネルギーによるイオン注入
を実現させるため、装置の大型化が抑えられ、良好なコ
ストパーフォーマンスが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多価イオン注入法に
よる基板製造装置および基板製造方法に関し、さらに詳
しくは、高エネルギーによるイオン注入を実現できる多
価イオン注入法による基板製造装置および基板製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板に不純物を導入する方法とし
て、また、耐摩耗性，耐食性などを向上させる表面改質
の方法としてイオン注入法が用いられている。図４は、
イオン注入法による基板製造装置の一般的構成の説明図
である。この基板製造装置Ｊでは、試料ガスとして例え
ばＡｓＦ₃ を用いてイオン源ＫでＡｓ⁺¹を生成する。生
成されたＡｓ⁺¹はイオン引出部Ｌによりイオン源Ｋから
引き出されてイオンビームを形成し、ビーム集束部Ｍを
介して質量分析部Ｎへ導かれる。イオンビーム中のＡｓ
⁺¹は、質量分析部Ｎにて他の不要なイオン（例えば、真
空の不完全性に起因するＯ⁺¹）などから分離され、ビー
ム偏向部Ｐにて基板ｓの照射野に応じて偏向され、ビー
ム加速部Ｑにて目的エネルギーに加速されてから基板ｓ
に照射される。なお、図中、二点鎖線でイオン（ビー
ム）の飛跡を示している。前記ビーム加速部Ｑは、例え
ば電子ビームの加速に用いられる線形加速器であり、加
速電圧を印加してＡｓ⁺¹を 200keV 程度の目的エネルギ
ーに加速する。

【０００３】なお、関連する他の従来技術は、例えば特
開昭60-91600号公報や，特開昭62-229641号公報に開示
されている。

【０００４】

【発明が解決しょうとする課題】近年、新たな材料開発
などのために、より高いエネルギーによるイオン注入を
実現できる装置が要望されている。ところが、イオンを
高エネルギーにしようとすると、線形加速器などのビー
ム加速部が大型化し且つ複雑になってしまう問題点があ
る。例えば、Ａｓ⁺¹を2000keV 程度の目的エネルギーに
加速しようとすると、２〜３ｍの長さの線形加速器が必
要になる。

【０００５】そこで、この発明の目的は、装置の大型化
を抑えて，高いエネルギーによるイオン注入を実現でき
るようにした多価イオン注入法による基板製造装置およ
び基板製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の観点ではこの発明
は、電子サイクロトロン共振を利用してプラズマチャン
バ内で多価イオンを生成する多価イオン生成手段と、生
成された多価イオンをプラズマチャンバ内から引き出す
引出手段と、引き出された多価イオンによるイオンビー
ムを集束させてそのイオンビームの発散を抑制するビー
ム集束手段と、前記イオンビーム中の目的価数の多価イ
オンを価数の異なる他の多価イオンから選別する価数選
別手段と、基板の照射野などに応じて前記目的価数の多
価イオンによるイオンビームを偏向させるビーム偏向手
段と、前記目的価数の多価イオンによるイオンビームを
加速するビーム加速手段と、前記目的価数の多価イオン
によるイオンビームを照射して基板にイオン注入するビ
ーム照射手段とを具備したことを構成上の特徴とする多
価イオン注入法による基板製造装置を提供する。

【０００７】上記構成において、多価イオンとは、一般
に２価以上のイオンを意味するが、５価〜２０価が好ま
しく、８価〜１２価がさらに好ましい。イオンの種類
は、特に限定されないが、例えばＰ，Ｓ，Ｂ，Ｂａ，Ａ
ｓ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｏ₂，ＣＯ₂，Ｎ₂ などが挙げられる。

【０００８】第２の観点ではこの発明は、電子サイクロ
トロン共振を利用してプラズマチャンバ内で多価イオン
を生成させ、前記プラズマチャンバ内から引き出した前
記多価イオンによるイオンビームを集束させてから、前
記イオンビーム中の目的価数の多価イオンを価数の異な
る他の多価イオンから選別し、基板の照射野などに応じ
て前記目的価数の多価イオンによるイオンビームを偏向
させたのち目的エネルギーまで加速して、前記目的エネ
ルギーに達した前記目的価数の多価イオンによるイオン
ビームを照射して基板にイオン注入することを構成上の
特徴とする多価イオン注入法による基板製造方法を提供
する。

【０００９】

【作用】この発明のイオン注入法による基板製造装置で
は、多価イオン生成手段が電子サイクロトロン共振を利
用してプラズマチャンバ内で多価イオンを生成する。生
成される多価イオンは、例えばＡｓ⁺²，Ａｓ⁺³，…，Ａ
ｓ⁺¹⁰，… のように異なる価数の多価イオンからなって
いる。引出手段は前記多価イオンをラズマチャンバ内か
ら引き出し、引き出された多価イオンによるイオンビー
ムをビーム集束手段が集束させて前記イオンビームの発
散を抑制する。価数選別手段は、前記イオンビーム中の
目的価数の多価イオンと価数の異なる他の多価イオンと
を選別する。例えばＡｓ⁺¹⁰ イオンを、Ａｓ⁺¹，…，Ａ
ｓ⁺⁹，Ａｓ⁺¹¹，… イオンから選別する。

【００１０】ビーム偏向手段は基板の照射野などに応じ
て前記目的価数の多価イオンによるイオンビームを偏向
させ、ビーム加速手段は前記目的価数の多価イオンによ
るイオンビームを加速する。前記ビーム加速手段は、１
価イオンによるイオンビームを加速する従来のビーム加
速手段と同等なものであっても、目的価数を例えば１０
とすることによって従来に比べて１０倍のエネルギーま
で加速できることになる。例えば、Ａｓ⁺¹を200keV程度
のエネルギーに加速するビーム加速部を用いても、Ａｓ
⁺¹⁰ イオンなら2000keV 程度の目的エネルギーに加速す
ることが出来る。なお、従来と同じエネルギーまで加速
するのであれば、従来より小型のビーム加速部を用いる
ことが出来る。ビーム照射手段は、前記目的価数の多価
イオンによるイオンビームを基板に照射して、イオン注
入する。

【００１１】この発明の多価イオン注入法による基板製
造方法は、上記多価イオン注入法による基板製造装置に
より好適に実施される。

【００１２】

【実施例】以下、図に示す実施例に基づいてこの発明を
さらに詳細に説明する。なお、これによりこの発明が限
定されるものではない。図１は、この発明の一実施例の
イオン注入法による基板製造装置の説明図である。この
基板製造装置Ａは、多価イオン生成部Ｂ，ビーム集束部
Ｃ，質量分析部Ｄ，ビーム偏向部Ｅ，ビーム加速部Ｆ，
ビーム照射部Ｇから構成されている。なお、二点鎖線は
イオン（ビーム）の飛跡を示している。

【００１３】以下、各構成要素について説明する。図２
は、多価イオン生成部Ｂの縦断面図である。この多価イ
オン生成部Ｂは、その中央部分に両端が開口した円筒状
のプラズマチャンバ２を備えており、その一方の開口端
側（図中、右側）に配設されたガス導入管ｇ（図１参
照）と導波管ｍ（図１参照）とからそれぞれ試料ガスと
マイクロ波とが前記プラズマチャンバ２の内部に導入さ
れるようになっている。

【００１４】前記プラズマチャンバ２の外周には、永久
磁石３が設けられている。この永久磁石３は、前記プラ
ズマチャンバ２の径方向に６個の棒磁石を放射状に配置
してなる６極永久磁石の組をプラズマチャンバ２の軸線
方向に複数組だけ配列したものであって、その永久磁石
３により前記プラズマチャンバ２の径方向に磁場が形成
されるようになっている。

【００１５】前記永久磁石３の両側には、一対のソレノ
イドコイル４，５が配置されている。それらのソレノイ
ドコイル４，５は、その内外両側面及び外周面を取り囲
む鉄ヨーク６，７によってそれぞれ保持されている。そ
して、それら鉄ヨーク６，７の間は完全に切り離されて
いる。

【００１６】各鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７ａ及び
内側壁６ｂ，７ｂのプラズマチャンバ側の端面は、いず
れもプラズマチャンバ２の軸線に平行とされている。そ
して、その外側壁６ａ，７ａのプラズマチャンバ側の端
面は、ソレノイドコイル４，５の内周面とほぼ同径位置
となるようにされている。また、その外側壁６ａ，７ａ
のプラズマチャンバ側の端部は、プラズマチャンバ側に
向かって延出するようにされ、その端面の面積が大きく
なるようにされている。こうして、鉄ヨーク６，７は、
ソレノイドコイル４，５をそれぞれ個々に保持するもの
とされ、プラズマチャンバ２の軸線方向に独立して移動
可能とされている。

【００１７】プラズマチャンバ２の両端面には、それぞ
れＯリング８，９を介して絶縁碍子１０，１１が気密に
取り付けられている。また、その絶縁碍子１０，１１の
外端面には、それぞれＯリング１２，１３を介して鉄ヨ
ーク延長部材１４，１５が気密に取り付けられている。
それら鉄ヨーク延長部材１４，１５は鉄ヨーク６，７と
同様の強磁性材料からなるもので、プラズマチャンバ２
の入口側、すなわち図で右側の鉄ヨーク延長部材１４
は、プラズマチャンバ２の軸線方向に延びる円筒状のも
のとされている。また、プラズマチャンバ２の出口側、
すなわち図で左側の鉄ヨーク延長部材１５は、プラズマ
チャンバ２の軸線方向に延び、外側に向かって拡開する
円錐筒状のものとされている。

【００１８】こうして、図で右側の鉄ヨーク延長部材１
４から左側の鉄ヨーク延長部材１５に至るまでの内側
に、ソレノイドコイル４，５側から気密に遮蔽された空
間が形成され、その空間を真空吸引することによってプ
ラズマチャンバ２内が真空状態に保たれるようになって
いる。

【００１９】鉄ヨーク延長部材１４，１５には、プラズ
マチャンバ２の軸線に平行な円筒状の外周面が形成され
ている。そして、その外周面が鉄ヨーク６，７の外側壁
６ａ，７ａの端面に接するようにされ、それによって、
その間に磁気的に接続されるようになっている。

【００２０】プラズマチャンバ２の出口側の鉄ヨーク延
長部材１５には、その先端に引出し電極のカソード１６
が取り付けられている。そのカソード１６はプラズマチ
ャンバ２の中心軸線側に向かって突出するようにされて
いる。一方、プラズマチャンバ２の出口側の端部にはア
ノード１７が取り付けられている。そして、これらアノ
ード１７とカソード１６との間に１０〜２０kV程度の高
電圧が印加され、それによって、プラズマチャンバ２内
で生成されたイオンが出口側へと引き出されるようにな
っている。

【００２１】次に、この多価イオン生成部Ｂの作用につ
いて説明する。プラズマチャンバ２の入口側の鉄ヨーク
延長部材１４には、ガス導入管ｇ，導波管ｍが気密に接
続される。そこで、ガス導入管ｇを利用してプラズマチ
ャンバ２内を真空吸引し、そのプラズマチャンバ２内を
１０^-7Torr程度の高真空に保つ。そして、そのプラズマ
チャンバ２内に試料ガス及びマイクロ波を導入する。す
ると、試料ガスはマイクロ波によって励起されてプラズ
マ状となる。

【００２２】このとき、プラズマチャンバ２内には永久
磁石３によって径方向の磁場が形成されている。また、
ソレノイドコイル４，５に通電することによって、各鉄
ヨーク６，７を通りその端部から出る磁力線が形成され
る。そして、各鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７ａの端
部からそれに磁気的に接続されている鉄ヨーク延長部材
１４，１５内をとおり、その延長部材１４，１５間を結
ぶ磁力線２０が形成される。すなわち、プラズマチャン
バ２内に軸線方向の磁場が形成される。

【００２３】こうして、プラズマチャンバ２内に、永久
磁石３による径方向の磁場とソレノイドコイル４，５に
よる軸線方向の磁場とを重畳した合成磁場が形成され
る。そして、その合成磁場によって、プラズマチャンバ
２内のプラズマがほぼ軸線方向に向かうものを除いて閉
じ込められる。

【００２４】一方、プラズマチャンバ２内の試料ガスに
は、そのプラズマチャンバ２内に導入されるマイクロ波
の周波数とそのプラズマチャンバ２内に形成される磁場
の強さとを所定の条件に合致させることによって、電子
サイクロトロン共振が起こされる。したがって、その共
振によってプラズマ内の電子が加速され、高速電子とな
る。そして、その高速電子が試料ガスの粒子に衝突する
ことによって、その粒子のまわりの電子が跳ね飛ばされ
る。こうして、試料ガスの粒子が電離される。その場
合、試料ガスはプラズマ状として閉じ込められているの
で、一つの粒子に多数の高速電子が衝突する。その結
果、一つの粒子から複数個の電子が跳ね飛ばされ、その
粒子が多価イオンとなる。

【００２５】このようにして、プラズマチャンバ２内に
おいて多価イオンが生成される。例えばＡｓガスを試料
ガスとして導入すると、Ａｓ⁺²，Ａｓ⁺³，…,Ａｓ⁺¹⁰，
…のように異なる価数の多価イオンが生成される。な
お、１価イオンのＡｓ⁺¹も生成される。生成された多価
イオンは引出し電極のカソード１６によってプラズマチ
ャンバ２の出口側に引き寄せられ、軸線方向のイオン流
としてプラズマチャンバ２から引き出される。

【００２６】ところで、この多価イオン生成部Ｂにおい
ては、鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７ａの端部に鉄ヨ
ーク延長部材１４，１５が接続され、その外側壁６ａ，
７ａの端部を内側に向かって延出させたのと同様とされ
ている。したがって、ソレノイドコイル４，５によって
形成される磁力線はその延長部材１４，１５から出るこ
とになる。そして、その延長部材１４，１５と鉄ヨーク
６，７の内側壁６ｂ，７ｂの端部との間の距離は小さく
なっている。その結果、それらの間にも磁力線２１，２
２が形成されることになる。

【００２７】こうして、プラズマチャンバ２の端部近傍
には、一対の鉄ヨーク延長部材１４，１５間を結ぶ磁力
線２０，及び延長部材１４，１５と鉄ヨーク６，７の内
側壁６ｂ，７ｂの端部との間を結ぶ磁力線２１，２２が
形成される。したがって、その部分の磁束密度が高くな
り、磁場が強められる。その結果、ミラー磁場における
極大磁束密度が高められ、プラズマの閉じ込めが良好と
なる。また、引出し電極であるカソード１６付近の磁場
が高められることにより、プラズマの閉じ込め領域をそ
の引出し電極位置に近付けることが可能となるので、プ
ラズマチャンバ２内で生成されたイオンの引出しが効率
よく行われるようになり、大電流のイオンビームを得る
ことが可能となる。

【００２８】更に、この多価イオン生成部Ｂにおいて
は、各ソレノイドコイル４，５を保持する鉄ヨーク６，
７が互いに独立したものとされるので、その鉄ヨーク
６，７を軸線方向に移動させることによって、ソレノイ
ドコイル４，５間の間隔を変えることができる。そし
て、一定位置にあるソレノイドコイル４，５によって形
成される磁場の磁束密度が図３に実線で示されているよ
うなものであるとき、ソレノイドコイル４，５間の間隔
を小さくすると、その磁束密度は図３に一点鎖線で示さ
れているように変化し、ソレノイドコイル４，５間の中
央部における磁束密度の極小値が高くなる。また、ソレ
ノイドコイル４，５間の間隔を大きくすると、図３に破
線で示されているように、その間の磁束密度の極小値が
低くなる。一方、その磁束密度の極大値はほとんど変化
しない。そして、ソレノイドコイル４，５によって形成
されるミラー磁場のミラー比は、それら磁束密度の極大
値と極小値との比によって決定される。

【００２９】したがって、ソレノイドコイル４，５間の
間隔を調整することによりミラー比を変えることがで
き、その最適化を図ることが可能となる。また、引出し
電極位置と電子サイクロトロン共振領域との位置関係も
最適化することができる。その結果、この多価イオン生
成部Ｂにより、大電流の多価イオンを効率よく得ること
が可能となる。

【００３０】なお、各鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７
ａの端部を内側に延出させてその端面の面積を大きくす
ることにより、それらの鉄ヨーク６，７を軸線方向に移
動させたときにも鉄ヨーク延長部材１４，１５との接触
面積が十分に確保されるようにしているが、ミラー比の
調整のために移動される鉄ヨーク６，７の移動量は比較
的小さいので、そのような延出部は必ずしも必要ではな
い。そのような延出部をなくすと、ソレノイドコイル
４，５の装着がより容易となる。

【００３１】図１に戻り、ビーム集束部Ｃは、複数段の
静電レンズを備えており、前記多価イオン生成部Ｂから
引き出されたイオンビームを集束させてイオンビームが
発散するのを抑制する。

【００３２】質量分析部Ｄは、扇形の電磁石を備えてお
り、その電磁石により所定強度の磁場を発生させて、目
的価数の多価イオンとそれ以外の多価イオンとを選別す
る。前記所定強度の磁場内で、目的価数の多価イオン、
例えばＡｓ⁺¹⁰ は、旋回半径Ｒに沿ったイオンビームを
形成し、ビーム偏向部Ｅへ導かれる。価数が９以下の多
価イオンは旋回半径Ｒより大きな旋回半径に沿ってイオ
ンビームを形成し、図示せぬ吸収板に吸収される。ま
た、価数が１１以上の多価イオンは旋回半径Ｒより小さ
な旋回半径に沿ってイオンビームを形成し、図示せぬ吸
収板に吸収される。

【００３３】ビーム偏向部Ｅは、対向する一対の電極か
らなる偏向電極を２組だけ備えており、基板ｓの照射野
に応じて前記目的価数の多価イオンによるイオンビーム
のビーム径，向きを調整できるようになっている。

【００３４】ビーム加速部Ｆは、例えば電子ビームの加
速に用いられる線形加速器であり、加速電圧を印加して
前記目的価数の多価イオンによるイオンビームを目的エ
ネルギーに達するように加速する。前記ビーム加速部Ｆ
が従来のビーム加速部Ｑと同等なものとしても、目的価
数の多価イオンをＡｓ⁺¹⁰ とすると2MeV（=200keV×10
（価数））程度の高エネルギーまでは加速できることに
なる。

【００３５】ビーム照射部Ｇは、基板ｓを所望の位置に
セットするための基板ホルダｈ，イオンビームの照射時
間などを制御するためのシャッタｔなどを備えている。

【００３６】

【発明の効果】この発明のイオン注入法による基板製造
装置および基板製造方法によれば、多価イオンをイオン
注入に用いるため、価数の大きなものを目的価数の多価
イオンに設定して、高いエネルギーによるイオン注入を
実現できる。また、ビーム加速手段に依らず、注入する
多価イオンの価数に依って高いエネルギーによるイオン
注入を実現させるため、装置の大型化が抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のイオン注入法による基板製造装置の
一実施例の説明図である。

【図２】図１の装置の多価イオン生成部についての縦断
面図である。

【図３】図２の多価イオン生成部に係る一対のソレノイ
ドコイル間の間隔を変えたときの磁束密度の変化を示す
グラフである。

【図４】従来のイオン注入法による基板製造装置の一例
の説明図である。

【符号の説明】

Ａ基板製造装置Ｂ多価イオン生成部Ｃビーム集束部Ｄ質量分析部Ｅビーム偏向部Ｆビーム加速部Ｇビーム照射部ｇガス導入管ｍ導波管ｓ基板２プラズマチャンバ３永久磁石

フロントページの続き (72)発明者磯谷嘉彦千葉県四街道市鷹の台一丁目３番株式会社日本製鋼所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子サイクロトロン共振を利用してプラ
ズマチャンバ内で多価イオンを生成する多価イオン生成
手段と、生成された多価イオンをプラズマチャンバ内か
ら引き出す引出手段と、引き出された多価イオンによる
イオンビームを集束させてそのイオンビームの発散を抑
制するビーム集束手段と、前記イオンビーム中の目的価
数の多価イオンを価数の異なる他の多価イオンから選別
する価数選別手段と、基板の照射野などに応じて前記目
的価数の多価イオンによるイオンビームを偏向させるビ
ーム偏向手段と、前記目的価数の多価イオンによるイオ
ンビームを加速するビーム加速手段と、前記目的価数の
多価イオンによるイオンビームを照射して基板にイオン
注入するビーム照射手段とを具備したことを特徴とする
多価イオン注入法による基板製造装置。
【請求項２】電子サイクロトロン共振を利用してプラ
ズマチャンバ内で多価イオンを生成させ、前記プラズマ
チャンバ内から引き出した前記多価イオンによるイオン
ビームを集束させてから、前記イオンビーム中の目的価
数の多価イオンを価数の異なる他の多価イオンから選別
し、基板の照射野などに応じて前記目的価数の多価イオ
ンによるイオンビームを偏向させたのち目的エネルギー
まで加速して、前記目的エネルギーに達した前記目的価
数の多価イオンによるイオンビームを照射して基板にイ
オン注入することを特徴とする多価イオン注入法による
基板製造方法。