(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口部と出口部とを有するイオン偏向ケーシングの外部に、入口部を通るように導体を螺旋状に巻いて所要長さにした空芯励磁電流路を用い、空芯励磁電流路の長手方向に幅が広いイオンビームを、入口部の導体間を通して空芯励磁電流路の内部に導入し、空芯励磁電流路による磁場の作用によりイオンビームをイオンの質量に応じて湾曲させ、所望の質量のイオンビームを出口部から導体間を通して取出すことを特徴とするイオン質量分離方法。
【請求項２】
入口部と出口部とを有し、入口部と出口部とが形成する角度が９０゜であるイオン偏向ケーシングの外部に、入口部及び出口部を通るように導体を所定の間隔で螺旋状に巻くことにより所要長さに形成した空芯励磁電流路と、入口部における前記導体と重なる間隔位置に配置したイオン引出し電極と、イオン引出し電極に隣接したイオン発生装置と、出口部に配置したイオン加速電極と、を備えたことを特徴とするイオン質量分離装置。
【請求項３】
導体が、導電芯材と該導電芯材を包囲する外部導体とにより構成され、各外部導体が電気的に接続されて空芯励磁電流路電位がシールドされていることを特徴とする請求項２記載のイオン質量分離装置。
【請求項４】
入口部及び出口部の導体が直線部を形成していることを特徴とする請求項２記載のイオン質量分離装置。
【請求項５】
空芯励磁電流路が、外側円弧導体と、内側円弧導体と、両円弧導体の両端部間を夫々連結して入口部と出口部に配置される直線導体と、で構成した扇形電流路であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のイオン質量分離装置。
【請求項６】
空芯励磁電流路が、長辺導体と、短辺導体と、長辺導体及び端辺導体の両端部間を連結して入口部と出口部に配置される直線導体と、で構成した台形電流路であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のイオン質量分離装置。
【請求項７】
出口部の導体が、一部を残し遮蔽部材により遮蔽されてイオン取出口を形成していることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のイオン質量分離装置。
【請求項８】
イオン偏向ケーシングの長手方向端部内側に、イオンビームの空間電荷を中和する中和用電子供給源を備えていることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載のイオン質量分離装置。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれかに記載のイオン質量分離装置にて質量分離したイオンビームを基材に照射してイオン注入するようにしたことを特徴とするイオンドーピング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大口径、特に幅広のイオンビームにおいて安定してイオン質量分離を行えるようにしたイオン質量分離方法及び装置、並びにイオンドーピング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気的に活性な元素を半導体に添加したり、或いは基材に対して接着が困難な材料を接着するために接着材料の原子を基材に添加させるような場合には、イオンドーピング（注入）装置が使用されている。
【０００３】
しかし、現在、大口径（例えば３００ｍｍ×８００ｍｍ）のイオンビームを用いるイオンドーピング装置において、イオン質量分離を行うようにしたものは存在していない。即ち、従来のイオンドーピング装置では、イオン質量を分離しないままのイオンビームをイオンドーピングに使用する非質量分離方式か、又は、イオン発生装置のプラズマ発生部で簡易的に軽イオン種（例えば水素イオン）の比率を低下させる磁気フィルターを用いる磁気フィルター方式であった。
【０００４】
例えば、半導体に用いられるイオンドーピング装置としては、イオン発生装置のプラズマ発生部ソースガスとして、水素希釈のホスフィン（ＰＨ3）、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いるために、プラズマ発生部内では所望のＰＨx、Ｂ2Ｈx以外に、Ｈx、Ｐ2Ｈx、ＢＨx等のイオン種も発生し、プラズマ発生部からはこれらイオン種の混合ビームが引出される。このような所望のイオン種以外のイオン種の存在は、イオンドーピングによるＰ、Ｂの注入深さ分布を不均一にする問題があり、更に、基材に余分な熱負荷を与えるといった問題がある。
【０００５】
従って、大口径、特に幅広のイオンビームのイオン質量分離を安定して行える技術の早期確立が望まれている。
【０００６】
一方、小口径のイオンビームを湾曲させてイオン質量分離するイオン質量分離装置が考えられている。図６、図７は、小口径のイオンビームをイオン質量分離する装置の一例を示したものであり、このイオン質量分離装置１は、イオン発生装置２のプラズマ発生部（図示せず）にて発生させたイオンを、イオン引出し電極３により引出すと共に加速し、そのイオンビーム４を小口径の真空のイオン偏向流路５に一端の入口部６から導入するようにしている。イオン偏向流路５の中間部の外側には鉄心７ａにソレノイド７ｂを巻いた電磁石８が設けられており、この時、図７に示すように、電磁石８の磁力発生部９，９をイオン偏向流路５に接近させている。イオン偏向流路５内を移動するイオンビーム４のイオン（荷電粒子）は、電磁石８の磁場の磁力線Ｇの向きと直角の方向に曲げられる作用を受け、これによってイオンビーム４はイオン偏向流路５内で曲げられる。この時、強い磁場を形成することによって、イオンビーム４を大角度偏向（図６では９０゜）させることができ、これにより、質量が所望より小さいイオンは早く曲げられてイオン偏向流路５内面に衝突して分離され、又、質量が所望より大きいイオンは曲り切れずにイオン偏向流路５内面に衝突して分離されるようになり、これによって目的のイオンのみを、イオン偏向流路５の他端に設けたイオン加速電極１０により加速して出口部１１から取出すことができる。
【０００７】
そして、上記イオン質量分離装置１から取出されたイオンビーム４は、必要に応じてイオンビーム４の収束等の操作を行った後、被処理物である基材１２に照射してイオンを基材１２に注入するイオンドーピング装置１３として用いられる。この時、イオンドーピング装置１３では、基材１２を移動するか、又はイオンビーム４を電気的に走査することによって、基材１２の広い面に対してイオンドーピングを行うようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したように鉄心７ａにソレノイド７ｂを巻いた電磁石８を用いたイオン質量分離装置１においては、安定した強い磁場を形成してイオンビーム４を曲げるためには電磁石８の磁力発生部９，９をイオン偏向流路５に接近させて均一な磁力線Ｇが形成されるようにする必要があり、従って、図７におけるイオンビーム４の横方向の大きさＸは、電磁石８を大型化することによってある程度大きくすることはできるが、縦方向の大きさＹは大きくすることができない。即ち、縦方向の大きさＹを大きくするためには、図８に示すように電磁石８の磁力発生部９，９の間隔を大きくする必要があるが、磁力発生部９，９の間隔が大きくなると、磁力線Ｇが外側で歪むことによりイオン偏向流路５に均一な磁場が形成できなくなり、このためにイオンの曲りが不揃いになって安定したイオンビーム４が得られなくなる。このように、縦方向の大きさＹを大きくできないために、大口径のイオンビーム４でしかもイオン質量の分離が有効になされたイオンビーム４を得ることはできなかった。
【０００９】
本発明は、かかる従来装置のもつ問題点を解決すべくなしたもので、大口径のイオンビームのイオン質量分離が行えるようにしたイオン質量分離方法及び装置、並びにイオンドーピング装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入口部と出口部とを有するイオン偏向ケーシングの外部に、入口部を通るように導体を螺旋状に巻いて所要長さにした空芯励磁電流路を用い、空芯励磁電流路の長手方向に幅が広いイオンビームを、入口部の導体間を通して空芯励磁電流路の内部に導入し、空芯励磁電流路による磁場の作用によりイオンビームをイオンの質量に応じて湾曲させ、所望の質量のイオンビームを出口部から導体間を通して取出すことを特徴とするイオン質量分離方法、に係るものである。
【００１１】
本発明は、入口部と出口部とを有するイオン偏向ケーシングの外部に、入口部及び出口部を通るように導体を所定の間隔で螺旋状に巻くことにより所要長さに形成した空芯励磁電流路と、入口部における前記導体と重なる間隔位置に配置したイオン引出し電極と、イオン引出し電極に隣接したイオン発生装置と、出口部に配置したイオン加速電極と、を備えたことを特徴とするイオン質量分離装置、に係るものである。
【００１２】
上記イオン質量分離装置において、導体が、導電芯材と該導電芯材を包囲する外部導体とにより構成され、各外部導体が電気的に接続されて空芯励磁電流路電位がシールドされるようになっていてもよく、又、入口部及び出口部の導体が直線部を形成していてもよく、又、空芯励磁電流路が、外側円弧導体と、内側円弧導体と、両円弧導体の両端部間を夫々連結して入口部と出口部に配置される直線導体と、で構成した扇形電流路であってもよく、又、空芯励磁電流路が、長辺導体と、短辺導体と、長辺導体及び端辺導体の両端部間を連結して入口部と出口部に配置される直線導体と、で構成した台形電流路であってもよく、又、出口部の導体が、一部を残し遮蔽部材により遮蔽されてイオン取出口を形成していてもよく、又、イオン偏向ケーシングの長手方向端部内側に、イオンビームの空間電荷を中和する中和用電子供給源を備えていてもよい。
【００１３】
本発明は、上記イオン質量分離装置にて質量分離したイオンビームを基材に照射してイオン注入するようにしたことを特徴とするイオンドーピング装置、に係るものである。
【００１４】
本発明によれば、以下のように作用する。
【００１５】
イオン質量分離装置では、入口部と出口部を有するイオン偏向ケーシングの外部に導体を所要の間隔で螺旋状に巻いた空芯励磁電流路を備えて、入口部の直線導体の隙間を通して導入されるイオンビームを空芯励磁電流路の内部で曲げるようにしているので、空芯励磁電流路を長い形状としても長手方向に均一な磁場を形成することができ、よって幅広のイオンビームにおいても幅方向に均一に曲げることができるので、大口径で、しかも良好にイオン質量分離された良質のイオンビームを得ることができる。
【００１６】
又、上記イオン質量分離装置を用いたイオンドーピング装置では、余分のイオン種を含まない良質のイオンビームによってイオンドーピングを行うので、イオンの注入深さ分布を均一にすることができ、更に、基材に余分な熱負荷を与えることが防止できる効果がある。又、大口径を有するイオンビームによって、一回の操作で基材の広い面積にイオンドーピングを行うことができ、よって作業の能率を大幅に向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明におけるイオン質量分離装置１４とそれを用いたイオンドーピング装置１５の一例を示した概略図であり、図中、１６はプラズマ発生部を有するイオン発生装置、１７はイオン偏向ケーシングである。
【００１９】
図１のイオン偏向ケーシング１７は、側面の形状が扇形で、紙面と直角方向に所要の長い空間を形成している。そして、扇形の両端の直線部は入口部１８と出口部１９となっており、入口部１８は前記イオン発生装置１６に接続されている。そして、入口部１８と出口部１９とは、イオンビーム４の大角度偏向を行うために、相互間の例えば９０゜の角度が形成されるようにしている。
【００２０】
前記イオン偏向ケーシング１７の外部には、図２に示すように、図１の入口部１８及び出口部１９を通るように導体２０を所定の間隔で螺旋状に巻き付け、これにより、紙面と直角方向に長い空芯励磁電流路２１を形成している。従って、図１の空芯励磁電流路２１は、扇形電流路２１Ａとなっている。
【００２１】
図１の扇形電流路２１Ａでは、イオン偏向ケーシング１７の大径側外部に所要間隔で配置した外側円弧導体２０ａと、イオン偏向ケーシング１７の小径側外部に所要間隔で配置した内側円弧導体２０ｂと、入口部１８と出口部１９とに所要間隔で配置した直線部２０’を形成する直線導体２０ｃ，２０ｄとを、順次連結部２２で連結することによって螺旋を形成している。
【００２２】
上記導体２０は、図３、図４に詳細を示すように、導電芯材２３と該導電芯材２３を包囲する外部導体２４とによってロッド状に構成されており、導電芯材２３と外部導体２４との間には冷却用の純水が供給されるようになっており、又、導電芯材２３と外部導体２４との間は連結部２２に示す絶縁材２５によって絶縁されている。一方、前記外部導体２４の夫々は、互いに電気的に接続されていて空芯励磁電流路２１の電位がシールドされるようになっている。
【００２３】
入口部１８及び出口部１９の直線導体２０ｃ，２０ｄの相互間には、図４に示すように所要の隙間Ｓが形成されており、イオン発生装置１６からのイオンがこの隙間Ｓを通してイオン偏向ケーシング１７内に導入され、そして導出されるようになっている。
【００２４】
図１の前記入口部１８における直線導体２０ｃとイオン発生装置１６との間には、前記直線導体２０ｃと重なる間隔位置になるように棒状のイオン引出し電極２６が配置されている。
【００２５】
又、前記出口部１９にはイオン加速電極２７が配置されている。又、出口部１９における直線導体２０ｄの左右両側部には、直線導体２０ｄの相互間を閉塞するようにした遮蔽部材２８が設けられており、これにより左右方向中間部にイオン取出口２９が形成されている。
【００２６】
更に、扇形電流路２１Ａを構成するイオン偏向ケーシング１７の長手方向端部内側には、イオンビーム４の空間電荷を中和するためのフィラメント等の中和用電子供給源３０が内面に沿って設けられている。
【００２７】
上記イオン質量分離装置１４は、該イオン質量分離装置１４にて質量分離したイオンビーム４を、必要に応じてイオンビーム４の収束等の操作を行った後、被処理物である基材１２に照射して基材１２にイオン注入するようにしたイオンドーピング装置１５に適用することができる。
【００２８】
以下に、上記形態例の作用を説明する。
【００２９】
図１のイオン質量分離装置１４では、イオン発生装置１６のプラズマ発生部により発生したイオンは、入口部１８のイオン引出し電極２６により吸引加速され、更に直線導体２０ｃにより加速されながら直線導体２０ｃの相互の隙間Ｓを通して扇形電流路２１Ａのイオン偏向ケーシング１７内に導入される。イオン偏向ケーシング１７内に導入されたイオンビーム４は、出口部１９のイオン加速電極２７により吸引加速され、又この時、出口部１９の直線導体２０ｄによっても加速される。
【００３０】
扇形電流路２１Ａによれば、図２のように螺旋状に巻かれた導体２０によって、扇形電流路２１Ａの内部には、紙面と直角の長手方向に均一な磁場が形成されるようになる。更にこの時、導体２０の導電芯材２３を包囲している外部導体２４の夫々を互いに電気的に接続していることにより、扇形電流路２１Ａの電位がシールドされ、これによって扇形電流路２１Ａに電位の不均一が生じることが防止されて、更に均一な磁場が形成されるようになる。
【００３１】
上記したように扇形電流路２１Ａ内部に、長手方向に均一な磁場が形成されることにより、イオンビーム４のイオンはその質量に応じて扇形電流路２１Ａの長手方向で均一に曲げられることになる。そして、質量が所望より小さいイオンは図１に破線で示すように早く曲げられてイオン偏向ケーシング１７内面に衝突して中和用電子供給源３０により中和され、又、質量が所望より大きいイオンは曲り切れずにイオン偏向ケーシング１７内面に衝突して中和用電子供給源３０により中和される。
【００３２】
これにより、実線で示す所望のイオンのみがイオン偏向ケーシング１７の他端の出口部１９に導かれるようになる。この時、出口部１９における直線導体２０ｄの左右両側部に遮蔽部材２８を設けてイオン取出口２９を形成しているので、このイオン取出口２９の大きさと位置、及び導体２０による磁場の強さを選定することによって、所望のイオンのみを更に正確に分離して取り出すことができる。
【００３３】
従って、上記したイオン質量分離装置１４によれば、大口径、特に幅広で、確実にイオン質量分離された良質のイオンビーム４を得ることができる。
【００３４】
又、上記イオン質量分離装置１４を用いたイオンドーピング装置１５では、イオン質量分離装置１４にて作り出されたイオンビーム４を必要に応じて収束等の操作を行った後、被処理物である基材１２に走査しながら照射して、イオンを基材１２に注入する。この時、イオンビーム４は余分のイオン種を含まない所望のイオンのみからなっているので、イオンドーピング時のイオンの注入深さ分布を均一にすることができ、更に、基材１２に余分な熱負荷を与えることが防止できる。又、大口径を有するイオンビーム４によって、一回の操作で基材１２の広い面積にイオンドーピングを行うことができ、よって作業の能率を大幅に向上することができる。
【００３５】
尚、空芯励磁電流路２１の断面形状は、図１のように扇形に限定されるものではなく種々の形状とすることができるが、少なくとも入口部１８と出口部１９に配置される導体２０は直線部２０’を形成し、しかも大角度偏向（例えば９０゜）できる形状であることが好ましい。
【００３６】
図５は、空芯励磁電流路２１を台形電流路２１Ｂとした場合を示したものであり、台形電流路２１Ｂは、長辺導体２０ｅと、短辺導体２０ｆを有し、長辺導体２０ｅ及び短辺導体２０ｆの両端部間を連結する直線導体２０ｃ，２０ｄが入口部１８と出口部１９に形成されるようにしている。このように構成しても前記図１に示した扇形電流路２１Ａの場合と同様に作用することができる。
【００３７】
尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、空芯励磁電流路の形状、大角度偏向させる角度は種々選定し得ること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること、等は勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明におけるイオン質量分離方法及び装置では、入口部と出口部を有するイオン偏向ケーシングの外部に導体を所要の間隔で螺旋状に巻いた空芯励磁電流路を備えて、入口部の直線導体の隙間を通して導入されるイオンビームを空芯励磁電流路の内部で曲げるようにしているので、空芯励磁電流路を長い形状としても長手方向に均一な磁場を形成することができ、よって幅広のイオンビームにおいても幅方向に均一に曲げることができるので、大口径で、しかも良好にイオン質量分離された良質のイオンビームが得られる効果がある。
【００３９】
又、上記イオン質量分離装置を用いたイオンドーピング装置では、余分のイオン種を含まない良質のイオンビームによってイオンドーピングを行うので、イオンの注入深さ分布を均一にすることができ、更に、基材に余分な熱負荷を与えることが防止できる効果がある。又、大口径を有するイオンビームによって、一回の操作で基材の広い面積にイオンドーピングを行うことができ、よって作業の能率を大幅に向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオン質量分離装置及びイオンドーピング装置の形態の一例を示す切断側面図である。
【図２】導体を螺旋状に巻く状態を示す斜視図である。
【図３】図１の入口部の部分詳細図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ方向矢視図である。
【図５】台形電流路の例を示す概略形状図である。
【図６】従来のイオン質量分離装置及びイオンドーピング装置の概略側面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向矢視図である。
【図８】図７の電磁石の磁力発生部の間隔を大きくした状態を示す説明図である。
【符号の説明】
４  イオンビーム
１４  イオン質量分離装置
１５  イオンドーピング装置
１６  イオン発生装置
１７  イオン偏向ケーシング
１８  入口部
１９  出口部
２０  導体
２０’        直線部
２０ａ        外側円弧導体
２０ｂ        内側円弧導体
２０ｃ        直線導体
２０ｄ        直線導体
２０ｅ        長辺導体
２０ｆ        短辺導体
２１  空芯励磁電流路
２１Ａ        扇形電流路
２１Ｂ        台形電流路
２３  導電芯材
２４  外部導体
２６  イオン引出し電極
２７  イオン加速電極
２８  遮蔽部材
２９  イオン取出口
３０  中和用電子供給源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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