JPH11500573A - リボン形イオンビーム発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 イオンビームが質量分析用磁界の方向と平行に整合させた主横寸法をもった薄い平らなリボンの形態をなしている質量分析式イオンビーム発生器。

Description

【発明の詳細な説明】 リボン形イオンビーム発生器 本発明は、混合イオンビームを先ず生成させ、混合イオンビームが、１つ又は それ以上の特定なタイプのイオンを選別するように磁界の作用を受けるタイプの イオンビーム発生器に関する。 選別されたイオンビームを生成させるためにアストン質量分光計の原理を利用 するイオンビーム発生器は周知であり、多年利用されてきた。代表的なかかるイ オンビーム発生器を添付図面の図１に示し、このイオンビーム発生器は出口孔３ を有するイオン発生室２と、イオン抽出／加速電極装置４とを含むイオン源１か らなる。イオン源１によって生成されたイオンビーム５はダイヤフラム７の入口 孔６を通過してイオンフライト管８の中へ入り、イオンフライト管８は第２のダ イヤフラム１０の出口孔９を有する。イオンフライト管８は第１の直線部分１１ と、弧状部分１２と、第２の直線部分１３とを有する。イオンフライト管８の弧 状部分１２は電磁石１５の極片１４内に置かれ、電磁石１５の極片１４はイオン フライト管８の平面に垂直な磁界Ｂを生じさせるように配列される。図１に示す 例では、磁界は均質であり、イオンフライト管８の弧状部分１２は６０°である 。電磁石１５の極片１４は、イオンビーム５が磁界Ｂに入り、磁界Ｂを出るとこ ろにそれぞれ回転可能な部分１６、１７を有する。電磁石１５の極片１４の回転 可能な部分１６、１７により、イオンビーム５の形態を、望むならば変化させる ことができる。２つのポート１８、１９により、イオンフライト管８を約１０^-5 トルの動的真空まで排気させることができる。イオン源１は又ポート１８’を有 し、このポートによって、同じレベルの真空をイオン源内に維持することができ る。 図１から分かるように、イオンビーム５は、これがイオンフライト管８に入る と発散し、イオンフライト管８の第１の直線部分及び弧状部分１２の中を通る間 中発散し続ける。典型的な発散角度は５°である。この発散角度は大きくないよ うに思われるが、実際には、多数のイオンがイオンビーム５の中に存在する場合 、重いイオンの相当な部分がイオンフライト管８の弧状部分１２及び第２の直線 部分の最初の部分の壁に衝突する。図１は、三弗化硼素が半導体デバイスのイオ ン 注入による、生産に使用される¹¹Ｂ⁺イオンを得る目的で、使用される場合の位 置を示す。この場合、¹⁰ＢＦ⁺ ₂；¹¹ＢＦ⁺ ₂；¹⁰ＢＦ⁺；¹¹ＢＦ⁺；Ｆ⁺；¹⁰Ｂ⁺及び¹¹ Ｂ⁺のイオンはすべてイオンビーム５内に存在する。イオンビーム５のエネル ギーが十分であれば、このことにより、イオンフライト管８の前記部分の比較的 大きな領域からの材料のかなりのスパッターをもたらすことがある。無秩序に向 いたフライト経路及び比較的低いエネルギーを有するこのスパッター材料の殆ど はイオンフライト管の壁に再び堆積し、或いは真空系によって抽出される。多く の目的で、何が残り、どれが所望のイオンビームに同伴されるか或いはどれがダ イヤフラム１０の出口孔９を通る路を求めるかは比較的重要ではないが、イオン ビーム発生器によって生成された最終イオンビーム５’が半導体デバイスの生産 に使用されるのだとすれば、かかるスパッター不純物は、特に、超大規模集積回 路デバイスの生産の場合に重大になる。今日、最終イオンビーム５’のかかる汚 染のレベルを下げるために、イオンフライト管８の関連部分を、処理されている 半導体ウエーハに影響を及ぼさないシリコーンのような材料で内張りする。また 、イオンフライト管８の出力端に追加のポンピング及びビーム偏向装置を採用し てもよいが、これは両方ともかかるイオンビーム発生器を採用する半導体デバイ スの生産のためのイオン注入器の大きさ及びコストを増す。 欧州特許明細書ＥＰ０１３９１７７は、イオンビームが分散平面において最初 発散するばかりでなく、分散平面と垂直方向にも発散する、上記タイプのイオン ビーム発生器を採用する磁気分析式イオン注入装置を開示し、これを装置の新規 な特徴としてクレームしている。 英国特許明細書９３４，１５３は、分析すべきイオンビームが、最初、分析用 磁界の分散平面と平行な主寸法を有する長方形断面を有するが、イオンビームが その平面で強く焦点合わせされるので、分析用磁界に入った瞬間に、イオンビー ムの主寸法が磁界の分散平面と垂直になる、質量分光計の形態を開示する。 開示された装置は磁界への入口スロットに正確な焦点合わせを必要とするばか りでなく、磁界の境界に正確な入射角を必要とする。従って、その装置は、両方 とも、実際には操作しにくく、高性能な、従って高価な制御装置を必要とする。 他の形式の質量分析式イオンビーム発生器では、１つの平面で平行な側面を有 し、且つ直交平面で殆ど又は全く発散のないリボン状イオンビームはイオンビー ムの主平面と垂直である磁界の中に通される。所望イオンは分解用開口における 焦点に導かれ、第２の同様に向いた磁界が、分解用開口を通る分散イオンビーム を他の平らな平行側面のイオンビームに再構成するのに使用される。２つのかか る装置は原理的には、イオン注入技術、９２、３５７ー３６４頁に本発明者によ って発表された「期待できるイオンビーム」に説明されており、その装置の内の １つを添付図面の図２に示す。このビーム形状は前に記載の装置よりも或る利点 を有するが、イオンビームの平行現象が大変正確で厳密に制御されない限り、セ パレータの分解は、最終イオンビームを不必要なイオンで汚染してしまうと言う 欠点を有する。又、イオンビームの幅にわたって一定な強さを維持することが困 難である。 本発明の目的は質量分析タイプの改良イオンビーム発生器を提供することにあ る。 本発明によれば、所望タイプのイオンを含み、長方形の断面を有するイオンビ ームを生成させるようになったイオン源と、第１の直線部分、中間の弧状部分、 及びイオン源によって生成されたイオンビームから選別された所望イオンのため の軸線方向に位置した出口開口をもった閉鎖体で終わっている第２の直線部分を 含むイオンフライト管と、イオンフライト管の弧状部分の領域に、選別されたイ オンをイオンフライト管の出口開口を通過させるように、イオンフライト管の軸 線の平面と実質的に垂直な磁界を確立するための装置とを含み、イオンビームの 断面が磁界に入る前実質的に一定であり、イオンビームの主横寸法が磁界の方向 と平行である、イオンビーム発生器を提供する。 この結合構造は先行技術のタイプの質量分析式イオンビーム発生器の両方の利 点を組み合わせるとともにそれらの欠点を回避する。イオンビームの主横寸法と 磁界との平行な整合は第１のタイプの先行技術の質量分析式イオンビーム発生器 の分解能を回復させるとともに、初期のイオンビーム形状の非常に複雑な制御、 及び第２のタイプの先行技術の質量分析式イオンビーム発生器が、うまくいくこ とになるのであれば、必要とする選別後のイオンビーム情報を必要とすることな く、横ビーム発散の有害な作用を回避する。 横ビーム発散（イオンビームの主横寸法の変化）がないことにより、イオンフ ライト管を、選別されたイオン、又はイオンビーム発生器によって生成させるべ きイオンのビーム経路に沿って整列された１つ又はそれ以上のスロットを有する 複数のダイヤフラムによって部分に分割させ、従って、イオンフライト管の種々 の部分の大変改善されたポンピング差を使用することができ、最大のポンプはイ オン源の領域に供給され、且つイオンがイオンフライト管の壁に衝突して壁から 材料のスパッターを生じさせるようなイオンフライト管のその部分に供給される 。万一このようなスパッターが起これば、ダイヤフラムは、スパッター材料を生 じさせる領域にスパッター材料を捕捉する傾向があり、従って、スパッター材料 が最終イオンビームを汚染する機会を減ずる。これは、前に述べたように、大規 模集積回路デバイスの生産のためのイオン注入装置に使用するイオンビーム発生 器にとって重要な配慮である。又、所定のポンピング能力に対してイオンフライ ト管内の全体の真空が改善され、従って、イオンビームからの損失及び電荷交換 及びイオンフライト管内の残留ガスとの他の衝突によるイオンビームの汚染を減 少させる。 イオンビームの主横寸法と磁界との平行な整合及びビームの横発散がないこと の他の重要な結果は、イオンフライト管の直線部分の両方の長さを非常に短くす ることができ、事実、少なくとも第１直線部分を、そのように望むならば、省く ことができる。かくして、イオンビーム発生器の全体の寸法形状を相当に短くす ることができ、イオンビーム発生器の全体のポンピング要件をさらに減じ、本発 明のイオンビーム発生器を利用するイオンビーム注入装置の寸法を短くすること ができる。 本発明のさらなる重要な利点は、平行な側面のイオンビーム（恐らくはたの平 面で収斂をもつ）がイオンを加工室の中へ注入するのに特に適していることであ る。図１に示す装置によって生成されるビームのような発散ビームは質量分析段 階後焦点合わせすることを必要とする。 今、本発明を添付図面を参照して例示として説明する。 図１は第１タイプの周知の質量分析式イオンビーム発生器を図式的に示す。 図２は提案した第２タイプの質量分析式イオンビーム発生器を図式的に示す。 図３は本発明を具体化した質量分析式イオンビーム発生器を図式的に示す。 図４は本発明を実施する際に使用するのに適したイオン源を図式的に示す。 図面の図１を参照すると、本明細書において最初の方で説明した周知形態の質 量分析式イオンビーム発生器が示されている。イオンビーム発生器は、半導体デ バイスの生産に使用される¹¹Ｂ⁺イオンを得るように設定され、そしてイオン源 １を含み、このイオン源はフリーマンタイプのイオン源であり、且つ約１０^-3の 圧力で三弗化硼素蒸気を収容する。イオン生成室１は硼素の両イソトープの全体 の範囲のイオンを生成し、その中には、発散イオンビーム５を一緒に形成するＢ Ｆ⁺ ₂，ＢＦ⁺，Ｆ⁺及びＢ⁺があり、そのエンベロープを図１に示す。ＢＦ⁺ ₂，Ｂ Ｆ⁺，及びＦ⁺のイオンはイオンフライト管８の弧状部分１１及び第２直線部分１ ２の内面のかなりの領域に衝突し、イオンフライト管８のこれらの部分の影響さ れた領域からの材料のスパッターを引き起こす危険がかなりある。スパッターが 起こらないとしても、最終イオンビーム５’の汚染の可能性は大きい。その上、 大規模集積回路半導体デバイスの生産に使用される大電流ビーム発生器のような 大電流ビーム発生器の場合には、相当な量のエネルギーがイオンフライト管８の 壁に捨てられる。 図３はほぼ図１のスケールと同じスケールに描かれた、本発明を具体化したイ オンビーム発生器を示す。全体的なレイアウトは図１のイオンビーム発生器のレ イアウトと同じであり、同様な要素は同じ参照番号を有する。本発明を具体化し たイオンビーム発生器において異なる要素は、比較的大きな入口開口６をもった ダイヤフラム７がイオンビーム５の長方形断面と整合させた幅狭いスリット開口 ３２を有するダイヤフラム３１で置き換えられていること、イオンフライト管８ の第１直線部分１１が除去されていること、イオンビーム５と整合させたスリッ ト開口３４をもった第２のダイヤフラム３３がイオンフライト管８の弧状部分１ ２の下流端に置かれていること、イオンフライト管８の第２直線部分１３が図１ のイオンビーム源の第２直線部分の約三分の一に過ぎないこと、ダイヤフラム１ ０の出口開口９が再び、イオンビーム発生器から出る最終イオンビーム５’の断 面と整合させたスリット３５の形態をなしていること、である。イオン源１、弧 状部分１２、第２直線部分には３つのポンピングポート３６、３７、３８がそ れぞれ設けられている。 これらの変更の効果として、図１のイオンビーム発生器の大きさのほぼ半分の 大きさのイオンビーム発生器を提供する。また、図で分かるように、種々のイオ ンの経路が良く定められ、より重いイオンはどれもダイヤフラム３３を侵入しな い。その結果、最大のポンピングがダイヤフラム３１、イオンフライト管８の弧 状部分１２、及びダイヤフラム３３によって形成された室に制限される。また、 イオンが依然としてイオンフライト管８の弧状部分１２の壁に衝突するとしても 、このことが起こる領域は制限され、比較的容易に冷やされる。 イオン源１は、イオン源によってイオンを生成させる材料を含む気体媒体中に プラズマを発生させるフリーマンタイプのイオン源である。イオン源を図４に示 す。このイオン源は前記気体媒体のための入口４２を有する円筒形のイオン室４ １と、イオン室４１の他の端壁４４に近接して位置決めされた陰極電極４３とか らなる。イオン室４１の端壁４４はスリットの形態をなした軸線方向に位置した 出口開口４５を有し、スリットの寸法形状はイオンビーム５に望まれる寸法形状 に対応する。イオン室４１の壁４４の外側には、正のイオンをイオン室４１から 抽出し、それらをイオンフライト管８を通して運ぶのに充分なエネルギーに加速 するために、一対の抽出／加速電極４６、４７（そのうちの電極４６に負の電位 が加えられる）がある。電極４８は接地電位にある。電極４６に適した電位は約 ５００ボルトの負の電位である。正の電位がイオン室４１に加えられる。この電 位は、イオンビーム５’を使用する用途で決まり、約１００ｋまで何でもよい。 普通の状況では、かかるイオン源は、イオン室４１内にできるプラズマの境界 の形状及び抽出装置４６、４７の性質のために発散したイオンビームを生成し、 イオンはプラズマの境界と垂直にプラズマから放出される。本発明では、プラズ マの境界は平らにされるので、平行な側面のイオンビームが確実に放出される。 これはイオン室４１と抽出／加速電極４６、４７との間に置かれた補助電極４８ によってなされる。電極４８に加えられる電位は、所望なプラズマ境界状態に達 し、且つ平らで平行な側面のイオンビームがイオン源によって生成されるまで、 イオン室４１の電位に対して調整される。電極４８の電位Ｖ_iに適した値は１０ −３０ｋＶの範囲に或るのがよい。 補助電極４８の電圧のかかる調整により、イオンビーム５の生成のための抽出 電界を、イオンビーム５の最終エネルギーに影響を及ぼすことなく、広い限度に わたって迅速且つ都合よく変えることができる。その上、補助電極４８がイオン 室４１と抽出／加速電極４６、４７との間に中間静電バリヤーをもたらすから、 補助電極は、電気故障の機会及びＸー線の生成を減らす追加の利点を有する。こ れは、イオン室４１内のプラズマの境界における同様な抽出状態について、イオ ン室４１と補助電極４８との間の電圧差が、補助電極のない在来のフリーマンタ イプ又はそれに類似のイオン源の場合におけるよりも小さいからである。 例えば、他のプラズマイオン及び他の抽出装置をフリーマンタイプのイオン源 の代わりに、使用することができるが、それらは平行な側面のイオンビームを生 成することができなけばならない。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所望タイプのイオンを含み、長方形の断面を有するイオンビームを生成させ るようになったイオン源と、第１の直線部分、中間の弧状部分、及びイオン源に よって生成されたイオンビームから選別された所望イオンのための軸線方向に位 置した出口開口をもった閉鎖体で終わっている第２の直線部分を含むイオンフラ イト管と、イオンフライト管の弧状部分の領域に、選別されたイオンをイオンフ ライト管の出口開口を通過させるように、イオンフライト管の軸線の平面と実質 的に垂直な磁界を確立するための装置とを含み、イオンビーム(５)の断面が磁界 （Ｂ）に入る前実質的に一定であり、イオンビームの主横寸法が磁界（Ｂ）の方 向と平行である、イオンビーム発生器。 ２．イオンフライト管の第１直線部分が省略され、イオンフライト管の弧状部分 （１２）のすぐ前に位置した第１ダイヤフラム（３１）と、イオンフライト管の 弧状部分（１２）の端に位置した第２ダイヤフラム（３３）と、イオンフライト 管の第２直線部分（１３）ない位置した第３ダイヤフラム（１０）と、を含み、 ダイヤフラム（３１）、（３３）、（１０）の各々は磁界（Ｂ）の分散平面と垂 直な整合した軸線方向のスリット開口（３２）、（３４）、（３５）をそれぞれ 有し、ダイヤフラム（３１）、（３３）、（１０）によって形成された室の各々 はポンピングポート（３６）、（３７）、（３８）それぞれを備え、それによっ て、室を異なる速度で排気させることができる、請求の範囲１に記載のイオンビ ーム発生器。 ３．イオン源は円筒形の室（４１）と、所望タイプのイオンを含むプラズマを室 内に発生させるための手段（４３）と、室の長手方向軸線を中心に対象的に配置 された、室（４１）の端壁（４４）の出口スリット（４５）と、室（４１）内の プラズマからイオンを抽出するための電極装置（４６、４７）と、平行な側面の イオンビームを室（４１）から抽出させるように、出口スリット(４５)に隣接し た、室(４１)内のプラズマの境界の形状を制御するための手段(４８)と、を有す る、請求の範囲１又は２に記載のイオンビーム発生器。 ４．出口スリット（４５）に隣接した、プラズマの境界の形状を制御するための 手段は前記電極装置（４６、４７）と室（４１）の出口スリット（４５）との 間に位置したプラズマ制御電極（４８）と、プラズマ制御電極（４８）を室（４ １）に対して、室（４１）内のプラズマの境界の平面部分を、室（４１）の出口 スリット（４５）の領域に生じさせるような電位に維持するための手段と、を有 する、請求の範囲３に記載のイオンビーム発生器。