JPS6231781B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高電流イオン注入機に関するものであ
る。本発明は、とくに、半導体生産に用いるイオ
ン注入機の製造に適用されるものである。

材料ドーピング（doping）分野において、イ
オン注入法が、拡散およびエピタキシヤル法に比
して、多くの利点を有することが知られている。
それは基本的に、周期表の又は群のイオンを
生成して、かつそれらを処理すべき材料に当てる
ことから成つている。しかしながら、この方法
は、一様な注入を得るための困難を解決した時の
み、良に結果をもたらすものである。従つて、一
般には、イオン注入機はこの一様性を得ることを
可能にする手段を包含している。それらは注入機
が、低又は中位電流装置の範疇に属するか又は、
高電流装置の範疇に属するかによつて変わるもの
であり、これらの二つの範疇の境界は、イオンの
質量とエネルギーによるが、一般には0.5mAであ
る。

低電流注入機の場合には、二つの異なつた走査
手段により、所望の一様性が得られるようにして
いる。第一番目のものは、約1KHzの周波数をも
つた鋸歯状の電圧が印加される二組のプレートか
ら成つている。一方の組のプレートは他方の組の
プレートと直角を成しており、そのため、イオン
ビームは直角な二方向において偏向されるように
なつている。従つて、それはXY静電走査法を用
いているということである。第二の手段は静電及
び機械による併用走査を利用するもので、それに
よつて、注入面を静電走査の方向に規則的にかつ
それと直角方向に移動させるものである。

低又は中位電流において使用される上記の二つ
の走査手段に加えて、注入機に、さらに高イオン
エネルギーを得るのに用いる加速管を設けること
が頻繁に行われている。この管は、下流側に配置
されかつ加速管による二次電子の加速を抑えて、
その結果としてＸ線の発生を制限する電子サプレ
ツサと協働することができるようになつている。
また所望のイオンを選別することができるような
イオン分析手段を設けることも可能である。上記
注入機はまた中性原子を排除するのに用いるビー
ム偏向手段とともに静電再集束手段（refocusing
mean）をも包含している。最後に、ターゲツト
の近傍に配置されかつ正確な電流測定を可能にす
る電子反発電極を設けることができる。

上記の異なつた手段に関連して、例えば、
Scientific Administration AERE Harwell，
Oxfordshire Atom GB 05：8147で公表されたJ.
H.フリーマン（J.H.Freeman）の報告、又は雑
誌「“Nuclear Instruments and Methods”
139，1976，pp.125―134」で公表された“The
Design Philosophy for ａ 200KV Industrial
High Current Ion Implanter”という標題のD.
エイトケン（Aitken）の記事、又は“Ion
Implantation”と題するG.デイアナレイ
（Dearnalay）の著書、（North Holland
Publishing Company，Amsterdam and
London，1970）を参照することができる。

二つの走査系、すなわち、純粋な静電走査系お
よび静電―機械併用走査系の場合において、１回
当りの注入量（イオン流量および放射時間の積で
ある）のチエツクは簡単である。試料上における
ビームの本数が多いため、或る極少単位時間の終
了時に起る照射の終了を検知するのは容易であ
る。さらに、この多数のビーム本数により、故障
等による予期し得ぬビーム流量の変動という避け
得ない問題を平均化により解決することができ
る。

しかしながら、上述した二方向の走査手段は
中・低位電流に対して適しているけれども、高電
流注入機には不適当であると思われている。高電
流装置の場合の従来例によれば、静電偏向手段
は、空間電荷現象による有効性に問題があるため
使用されなくなつている。

即ち、強いイオンビームにおいては、電気的反
発力がそのビームを破壊する傾向を有する為であ
る。この現象は、ガスの中性原子とイオンの衝突
又はその装置の固体部分との衝突により発生する
低エネルギー電子の発生により該イオンビームを
中性化してしまい、とりわけビームの変動が低い
振巾又は低周波数のものであれば、これらの電子
により該イオンビームは完全に中性化される。

もし、静電手段によつて、中性化したイオンビ
ームの軌道を変更しようとする場合には、この事
により、ビーム中に存在する電子集団は、ビーム
の中性化に影響が出るような乱れを生じる。ビー
ムが完全に中性化できない場合には、その制御上
に問題が発生する。

このため、従来のものでは、静電走査法は高電
流イオン注入機においては不適当であると考えら
れてきた。この事項については、エイトケンの上
述の記事、およびダヴリユ・シー・コー（W.C.
Ko）によるJournal IBM Technical Disclosure
BulletinのVol，18，No.６，Nov.1975，pp.1832〜
1835で公表された“Higt Current Electric
Scanning Method for Ion Beam Writing”とい
う標題の記事で肯定されている。

このように、静電および静電―機械混成走査法
は高電流注入機の場合、利用することができない
ので、純粋に機械的走査法を発展させなければな
らなかつた。それらは、例えば、ビームの照射区
域を固定しかつ試料を動かして順次その区域を通
過させることから成つている。この運動は、試料
を乗せたコンベアを駆動する一つ又はそれ以上の
リールによつて得ることができる。これらのリー
ルには二重の運動が与えられ、その一方は軸の回
りの回転で、かつ他方は上記軸に平行な並進運動
である。これらの二つの運動を組合せて、各々の
試料にら旋状の軌道を与える。

このリールの回転速度は、例えば、80r.p.m.で
かつリールの軸に平行なベルトの変換運動は約１
mm／回転である。もし、ベルトコンベアーが200
mm巾でかつその衝突区域の高さが50mmである場合
には、ベルトの横方向変位は250mmで、これは250
回転を要する。

この純粋に機械的な走査系は多くの欠点があ
る。すなわち、 １ 実施に際し、ビームの強度がゆつくりとした
変動を受ける場合には、それをビームの強度を
リールの変位によるか、又は上記変位を強度に
よるかして補償しなければならない。その手段
が極めて複雑でかつ実現困難なことは明らかで
ある。それらについては、以上で参照したエイ
トケンおよびフリーマンによる記事の中で詳述
されている。

上述の１つの欠点は解決することができるも
のの、他に解決不能なままになつている問題が
ある、すなわち、 ２ 機械走査の場合においては、その走査周期は
静電走査周期よりも少くとも100倍長くなつて
いるが、変動の持続時間が最小走査周期よりも
短くなければならないことになり、このような
条件を平均化によつて満たすことは到底不可能
である。もしこの欠点を排除したいとするな
ら、実際には不可能な程の極めて長い注入時間
を必要とし、かつイオンビームの強度を弱めな
ければならないので、すなわち低電流注入機の
場合と等しくなつてしまう。

３ ターゲツトの表面温度およびその結晶格子の
部分的な再配置は、ビームがターゲツトの同部
分を照射する（間の）時間に直接的に関連して
いる。機械的走査の場合においては、この時間
は長く、かつこれらの問題は生産工程によつて
は、解決不可能となる。

磁気走査手段が提案されているが、それらは、
高い走査周波数を使うことができないという欠点
がある。

従つて、高電流イオン注入機の場合において
は、高い走査速度を得るために、静電走査を用い
ることが必要であるが、しかし、これは空間電荷
の非中性化（non―neutralisation）中に生じる問
題を解決する手段が必要となる。

この目的のため、磁場を静電偏向空間に印加す
ることが提案されており、上記磁場は電気走査の
場およびビームの軸に対して直角である。この場
は電子を傾斜させ、電気走査の場によりイオンビ
ームの軸に沿つて振動させ、かつある程度、ビー
ム中の電子を偏向プレートの間に保持させること
を可能にしている。これに関連しては、上述のダ
ヴリユ・シー・コー（W.C.Ko）による記事を参
照されたい。しかしながら、この解決は厄介でか
つ困難である。

本発明は、空間電荷の非中性化に起因する問題
を解決しつつ、静電走査の本来の速度を保持する
ことを可能にする、より簡単でかつ困難性のより
少ない解決策を提供するものである。従つて、本
発明による注入機は、機械走査装置に関連して以
上で述べた欠点を取り除くものである。とくに、
それが短い照射時間で働くものであるため、ター
ゲツトの表面の温度上昇および結晶格子の再配置
の問題が解決できるのである。従つて、本発明に
よる注入機はあらゆる生産工程に適するものであ
り、そのため、経済的重要性が極めて高いもので
ある。

この目的のため、本発明のものは、静電走査手
段とビームの集束保持が可能な第二の手段を組み
合せることを提案するもので、この場合、上記第
二の手段は磁気方式のものである。それは、例え
ば、一つ又はそれ以上の四極子又は一つ又はそれ
以上の磁気レンズを包含している。この磁気集束
手段は、好ましくは、上流側の偏向プレートの近
傍に配置するのがよい。

この磁気手段は空間電荷を導入しないという利
点を有するものであり、さらに、もし過度集束さ
せた場合、すなわち、もしこの手段によつて形成
された磁場勾配（グラデイエント）がビームを集
束させるのに必要な場の勾配よりも高い場合に
は、空間電荷によるビームの散乱を弱めかつ無視
し得るものとすることができる。

本発明により提供される手段の組合せにより、
ターゲツト上で得られる像はより小さくなり、そ
れにより、ターゲツトのより広い走査が可能とな
り、かつその結果として、ビームをより良好に利
用することができるようになる。

従つて、本発明はとくに、真空で覆つたイオン
源、これらのイオンを抽出するための手段、走査
手段および試料ターゲツト用ホルダから成り、こ
れらの走査手段が静電方式のものでかつ可変電源
に接続された偏向プレートから成つており、かつ
調整自在な磁気再集束（refocusing）手段が上記
プレートの近傍でかつその上流側に配置されてい
る、ことを特徴とする高電流イオン注入機を得る
ことを目的とするものである。

好ましいことには、磁気手段が、それ本来の利
点により、上述のように過度集束
（overfocusing）するものである。しかしなが
ら、他の本発明の実施態様によると、過度集束
は、偏向プレートの上流側および／又は下流側に
配置された前記磁気手段とは別個の一つ又は二つ
の環状のレンズによつて、完全に、又は部分的に
得ることができる。これらのプレートが注入機接
地電位（ポテンシヤル）である基準電位に対して
交互に正および負の電位にされた時、前記一つ又
は二つのレンズを上記接地電位にすることができ
る。

好ましいことには、各レンズとも接地部に連結
された二つの保護リングを包含しており、その間
には、適当な電位にすることができるシリンダ状
の電極が配置されている。

これらのレンズは、ビームを再集束させ、その
結果、空間電荷の作用を受けても、そのビームの
拡散を制限できるように作用している。これらの
レンズは偏向プレートの近傍に配置できるという
利点を有しており、一方、磁気四極子レンズは、
その全体の寸法が大きいため偏向区域から離れて
配置されねばならないという欠点を有している。

本発明のものにおいて使用される静電走査手段
は、純粋に静電型のもの（二組の偏向プレートに
よるXY走査）か又は静電―機械併用型のいずれ
かのものである。

構造上の変形を施したものにおいて、かつ中性
原子を排除するため、恒常的偏向を、走査のため
に必要な鋸歯状電圧に重ねて直流電圧が印加され
る偏向プレートにより確保することができる。こ
の注入機は、以上で説明した手段に加えて、加速
管をイオン源の後側に付加保持し、それによつ
て、上記管にオプシヨンとして下流側電子サプレ
ツサーを設けることができ、イオン分析器にオプ
シヨンとして、後段加速管（post―accelerating
tube）をその分析器の後側に、配設することがで
き、かつそれにより、後者は、Ｘ線の発生を制限
する電子反発電極を配備することができる。

最後に、本発明の範囲内において、非中性空間
電荷をさらに減らす目的のため、従来技術によ
り、磁場をビームの軸および偏向電界に対して直
角に印加することができる手段を使用することが
できる。非中性空間電荷を減少させることのみが
必要な場合においては、従来の手段はどちらかと
云えば不満足なものではあるが、この考えは、本
発明による手段に加えて使用する場合には、適用
されない。その場合、印加される磁場は従来のも
のよりも弱く、それによりコストが下がりかつま
た使用すべき手段の全体寸法も小さくなる。

本発明の特徴および利点は、実施例に於て限定
されるものではないが以下の説明から、また添付
図面を参照することによりより明瞭となろう。

第１図に示すイオン注入機は、順に、イオン源
２、引き出しおよび加速手段４、磁気質量分離器
６、後段加速管８、選択自在な電子―サプレツサ
電極９、次に、本発明による二つの磁気四極子レ
ンズ１０および１２、それに続く、二つの環状の
レンズ１３および１５の間に挿入された静電偏向
系１４、および最後に、それ自身公知の方法によ
る、サンプル保持ターゲツト１６であつて、その
近傍に電子反発電極１８を配置したもの、を包含
している。この装置はポンプにより高真空にして
あり、かつ（ここでは）その一つのみが図示され
ており、番号２０で示されている。

以上で述べたように、第１図に示す全ての手段
はかならずしも一緒に用いる必要はなく、本発明
の基本的な事項は、磁気的再収束手段１１が静電
走査手段１４の近傍（この場合は上流側）に配置
されているということである。

第２図に示した好ましい実施例によれば、走査
手段１４は静電―機械混成型のものであり、それ
は、周期性電源２５に接続された一組のプレート
および、ターゲツトを静電偏向方向に直角な方向
に動かすことができる機構手段２７を包含してい
る。

走査電圧は鋸歯状に変化し、かつ、例えば、ピ
ークからピークまでが7KV程度で、1000Hzで変調
され、非直線性ができるだけ小さくかつ例えば１
％以下のものであればよい。この電圧は装置の接
地電位のいずれの側にも分配することができる。
しかしながら、電圧をまた鋸歯波形にて変化さ
せ、かつ正または０平均値を有することができ
る。

走査の機械的部分を構成するために、多数の手
段を用いることができるが、偏向プレートに実質
的に直角を成す軸を有する円筒（lens barrel）
を使用することが有利であることが明らかとなつ
た。それは、試料を円筒（barrel）の内壁上に配
置させて、その装置の回転中に、それとしつかり
と係合させておくようにすることができる。この
円筒の直線速度は１分間当たり数100メートルの
程度である。上記の特殊な手段に関連して、バル
ゼール（BALZERS）により1976年12月27日に出
願されたスイス特許出願06134276、を参照するこ
とができる。

第３図は、本発明による手段の実施例を示すも
ので、レンズ各々、二つの保護リング２８，３
０，２８′，３０′の間に挿入された電極２６，２
６′を包含している。この電極２６，２６′は装置
の接地部又は電源３２，３２′の正又は負極に接
続されており、かつリングは接地部に選択的に接
続される。電源３２および３２′により供給され
る電圧は、例えば、約300Vであるが、しかし数
キロボルトにまで達することができる。

保護リングは、第３図に示すように、下流側の
バリア（barrier）のためにその装置の外側覆い
の近傍まで延ばすことができる。

レンズが装置の接地部に接続されると、プレー
ト２２および２４に印加されている電圧は接地部
のいずれの側でも変わり得る。ピーク〜ピーク電
圧が7KVの場合には、この電圧は＋3.5KV〜−
3.5KVまで変化する。

磁気四極子レンズ１０および１２は公知の任意
のタイプのものでよい。それらは調整自在な二重
電源４２に接続された巻線３８，４０による磁束
が供給される極ピース（片）３４，３６を包含し
ている。

例として、以下の特性を有する磁気四極子を使
用し成功をおさめた。即ち、 極の長さ 225mm 極内に描かれた円の径 90mm 磁場の勾配 6Teslas／ｍ ヒ素イオンを用いかつ40KVの電圧で働く注入
機の場合、磁場の勾配は、100μＡの電流から２
ｍＡの電流に推移する際に実質的に２倍になる。

以下の操作は、イオンビームの過度収束を調整
するために有効に行なわれている。最初の変更例
においては、走査手段が作動され、再収束手段
は、ターゲツト上に収束されるビームを得るため
に調整される。第二の変更例においては、走査手
段は動作させないで、再収束手段を調整して、タ
ーゲツトの前部に収束するイオンビームを得るも
のである。いずれの場合も、空間電荷効果は過度
収束（overfocusing）により補償される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による、高電流イオン注入機
の概念図である。第２図は、静電―機械混成走査
装置を用いた別の実施例である。第３図は、二つ
の磁気四極子レンズと組合せた偏向プレート系を
とくに詳細に示したものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空室内においてイオンを引き出し加速する
   手段４と、可変電圧電源２５に接続された偏向プ
   レート２２，２４を有する静電型の走査手段１４
   と、サンプル保持ターゲツト１６と、磁気的再収
   束手段１１とから構成され、前記磁気的再収束手
   段が前記偏向プレートの上流に配置された少なく
   とも１つの磁気４極子レンズ１０，１２から成
   り、前記走査手段が前記偏向プレートと、該偏向
   プレートと前記磁気４極子レンズとの間に配置さ
   れた第１の環状レンズ１３と前記偏向プレートの
   下流に配置された第２の環状レンズ１５とから成
   り、前記各環状レンズが装置の接地部又は電源３
   ２，３２′に接続されている筒状の電極２６，２
   ６′と、前記各電極の上流および下流側に夫々１
   枚づつの接地部に接続された保護リング２８，３
   ０，２８′，３０′とから構成されている事を特徴
   とする高電流イオン注入機。 ２ 磁気的再収束手段１１が過度収束特性を有す
   る事を特徴とする前記特許請求の範囲第１項に記
   載の高電流イオン注入機。 ３ 偏向プレート２２，２４が装置接地部に対し
   交互に正負となる電位にされ、該電位の平均値が
   直流電圧の印加により正又はゼロとなつている事
   を特徴とする前記特許請求の範囲第１項に記載の
   高電流イオン注入機。 ４ 偏向プレート２２，２４に印加される電位が
   鋸歯波形で変化する事を特徴とする前記特許請求
   の範囲第３項に記載の高電流イオン注入機。