(57)【要約】【課題】  広いエネルギー、及び、広いイオン質量の範囲に対応して十分な質量分離機能を発揮できる電磁石を備えた質量分離用電磁石とイオン注入装置を提供する。【解決手段】  イオン注入装置１において使用され、イオン源２で発生したイオンビームを変更させる質量分離用電磁石１０において、前記イオンビームを偏向させるための電磁石を、複数セットのコイル１５Ａ，１５Ｂと、該コイルの各セットの一つ又は組み合わせを選択して電力供給を可能にする電力切換装置１２と、該電力切換装置１２を介して前記コイル１５Ａ，１５Ｂに電力を供給する電源１１とを有して構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入装置で使用され、イオン源で発生したイオンビームを偏向させて質量分離するビーム光学系機構において、前記イオンビームを偏向させるための電磁石を、複数セットのコイルと、該コイルの各セットの一つ又は組み合わせを選択して電力供給を可能にする電力切換装置と、該電力切換装置を介して前記コイルに電力を供給する電源とを備えて構成することを特徴とする質量分離用電磁石。
【請求項２】
前記コイルのセットを２セットとすると共に、一方のコイルセットがイオンビームの通路部分に発生する磁場の強さを、他方のコイルがイオンビームの通路部分に発生する磁場の強さの１．０倍〜８．０倍になるように形成したことを特徴とする請求項１記載の質量分離用電磁石。
【請求項３】
前記イオン源で発生したイオンビームをリボン状イオンビームに変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の質量分離用電磁石。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の質量分離用電磁石を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子や液晶表示装置等の製造過程で不純物導入に使用されるイオン注入装置の質量分離用電磁石及びイオン注入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶表示装置等の製造過程の一つである不純物導入工程では、イオン注入法を使用して半導体素子の基板や液晶の基板にヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），ホウ素（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物を導入してトランジスタ等の構造のための低抵抗層を形成している（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【０００３】
そして、このイオン注入法に使用するイオン注入装置等の電子やイオン等の荷電粒子を加速して使用する機器では、所望の荷電粒子を磁場や電場によって荷電粒子の進路を屈曲して選別する方法が一般的に、採用されている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００４】
例えば、図３に示すような不純物導入に使用されているイオン注入装置１Ｘでは、イオン源２から発生させたイオンビームＢ１をビーム光学的機構（アナライザーマグネット）１０Ｘで所望の質量のイオンを選択して横長のリボン状イオンビームＢ２にしてから、所定のイオン電流密度分布に調整するマルチポール４を通過させて基板（ターゲット）３０に照射し、この基板３０をリボン状イオンビームＢ２が拡がっている面と垂直な方向（図２の紙面と垂直な方向）に走査（スキャン）してイオン注入を行っている。なお、プロファイラ６でイオン電流密度分布を計測し、このデータをフィードバックして、所望のイオン注入分布となるようにしている。
【０００５】
このビーム光学的機構１０Ｘでは、図４及び図５に示すように、制御装置２０によって制御される電源１１からポール１４の周りに巻いたコイル１５に電力を供給し、ポール１４ａとポール１４ｂとの間のビームＢが通過する部分に磁場を形成し、この磁場によってイオンビームＢ１の進路を偏向させると、図６に示すように、不要な軽いイオンは大きく曲がり、不要な重いイオンは小さく曲がるので、処理基板３０に届かず、イオンビームＢ１の中に混ざった同素体や他の化合物は質量の差を利用して分離され、所望の質量のイオンのみが選択される。
【０００６】
しかしながら、この質量分離に必要な磁場の強さは、荷電エネルギーと質量の積によって変化し、この積が大きくなるにつれて、著しく大きくなる。この関係について、磁場を発生するコイル側のコイル電流をＩ、コイル巻数をｎとし、イオンビーム側の荷電粒子質量をｍ、加速電圧をＥ、荷電粒子の帯電量をｑとすると、磁場の強さに関係する（Ｉ×ｎ）2 の値が、要求されるイオンビームの（ｍＥ／ｑ）の値に比例することが知られている。
【０００７】
従って、１００ｋｅＶのアンチモン（質量数１２２）のような高いエネルギーを持った重い粒子と、１ｋｅＶのホウ素（質量数１１）のような低いエネルギーを持った軽い粒子とでは、質量分離に必要な磁場の強さに１１００倍以上の差が生じる。この差をコイル電流Ｉに換算すると約３３倍の差となる。
【０００８】
そのため、従来技術のイオン注入装置のように、単一のコイルセットからなる電磁石を使用して、両方の粒子の質量分離を行おうとすると、コイル電流の制御において大きなダイナミックレンジと小さい分解能が必要となるため、単一のコイルセットでは、コイルの巻数や電源の設計等に自由度が無くなり、設計及び製造が著しく難しくなるという問題がある。
【０００９】
また、一方、コイルに電流を供給する電源の制御には、分解能が１２ビット程度のデジタル制御が一般的に使用されている。この時の分解能はフルレンジの１／４０９６程度となり、低エネルギー軽粒子の質量分離の電流は、高エネルギー重粒子の質量分離時の電流の１／３３となるため、フルレンジを高エネルギー重粒子に対して設定すると、低エネルギー軽粒子では、フルレンジの１／３３のレンジで制御を行うことになるため、残された分解能は１／１２２程度になってしまい、制御に必要な分解能が得られなくなるという問題が生じる。
【００１０】
特に、最近は、高エネルギー重粒子だけでなく、低エネルギー軽粒子でのイオン注入が実施される情況にあるため、この必要なレンジが異なることに対応することは重要な課題となっている。
【００１１】
その上、一旦イオン注入装置に組み込まれた質量分離用電磁石においてビーム偏向用の電磁石を取り替えるのは、手間や費用の問題もあるが、コイルは銅等で作られ、更に冷却水路が併設されている等構造が複雑で容易に取り替えられるものではなく、予め広い範囲に対応できるようにしておく必要がある。
【特許文献１】実開昭５２−３９３６９号公報
【特許文献２】実開平６−９７０８２号公報
【特許文献３】実開平８−１０２５３３号公報
【特許文献４】特開２０００−１１９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、広いエネルギー及び広いイオン質量の範囲に対応して十分な質量分離機能を発揮できる電磁石を備えた質量分離用電磁石とイオン注入装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明のイオン注入装置は、イオン注入装置で使用され、イオン源で発生したイオンビームを偏向させて質量分離する質量分離用電磁石において、前記イオンビームを偏向させるための電磁石を、複数セットのコイルと、該コイルの各セットの一つ又は組み合わせを選択して電力供給を可能にする電力切換装置と、該電力切換装置を介して前記コイルに電力を供給する電源とを備えて構成される。
【００１４】
この構成によれば、磁場を発生するコイルにおいて、電力を供給するコイルを選択できるので、高いエネルギーの重い粒子と低いエネルギーの軽い粒子の両方を同一の質量分離用電磁石で、所望の質量分解能で分離することが可能となる。
【００１５】
そして、上記の質量分離用電磁石において、前記コイルのセットを２セットとすると共に、一方のコイルセットがイオンビームの通路部分に発生する磁場の強さを、他方のコイルがイオンビームの通路部分に発生する磁場の強さの１．０倍〜８．０倍になるように形成する。この構成にすると、１００ｋｅＶのアンチモン（質量数１２２）のような高いエネルギーを持った重い粒子にも、１ｋｅＶのホウ素（質量数１１）のような低いエネルギーを持った軽い粒子にも、磁場を与える電流のレンジと分解能を最適にしながら対応できるようになる。
【００１６】
また、質量分離用電磁石において、前記イオン源で発生したイオンビームをリボン状イオンビームに変化させる。これにより、リボン状イオンビームを使用するイオン注入装置に使用できるようになる。
【００１７】
そして、イオン注入装置を上記の質量分離用電磁石を備えて構成する。この構成を採用することにより、高いエネルギーの重い粒子と低いエネルギーの軽い粒子の両方のイオン注入を精度良く行うことができるイオン注入装置となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る質量分離用電磁石とイオン注入装置によれば、高いエネルギーの重い粒子と低いエネルギーの軽い粒子の両方を同一の質量分離用電磁石で、所望の質量分解能で分離することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面を参照して本発明に係る質量分離用電磁石及びそれを備えたイオン注入装置の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１に示すように、この質量分離用電磁石１０は、図２に示すイオンビームＢ１を偏向させるための電磁石を、複数セットのコイルで、即ち、第１コイル１５Ａと第２コイル１５Ｂで構成する。この第１コイル１５Ａと第２コイル１５Ｂは、それぞれ、ポール１４の周りに巻かれ、別々に電力を供給できるように電力切換装置１２に接続される。この電力切換装置１２は電源１１から電力を供給される。そして、この電力切換装置１２と電源１１は制御装置２０によって制御される。
【００２１】
このポール１４は鉄や電磁軟鉄等の材料で形成され、コイルを巻き付ける芯となり、イオンビームＢの通路を挟んで、鉄や電磁軟鉄等の材料で形成されるヨーク１３の内側に対向して設けられる。また、電流を通すコイルの一方である第１コイル１５ＡはイオンビームＢの通路を挟んでそれぞれヨーク１３側に設けられ、２つで一セット（一対）となる。また、電流を通すコイルの他方となる第２コイル１５ＢはイオンビームＢの通路を挟んで第１コイル１５Ａの内側に設けられ、２つで一セット（一対）となる。この一対のコイルはそれぞれ電気的には直列に接続されるが、第１コイル１５Ａのセットと第２コイル１５Ｂのセットはそれぞれ独立して電流を流すことができるように構成される。
【００２２】
この実施の形態の質量分離用電磁石１０の一つの使用形態としては、イオン源で発生したイオンビームが偏平状に拡大する場合には、質量分離用電磁石１０を出るイオンビームをリボン状イオンビームに変化させる。一方、本実施の形態以外にも、仮にビームがスポット状であっても、同様に機能する。
【００２３】
そして、第１コイル１５ＡがイオンビームＢの通路部分に発生する磁場の強さＧａを第２コイル１５ＢがイオンビームＢの通路部分に発生する磁場の強さＧｂの１．０倍〜８．０倍になるようにコイルの巻数や電流等を調整して形成する。この構成では、外側の第１コイル１５Ａによる磁場の強さＧａを内側の第２コイル１５Ｂによる磁場Ｇｂの１．０倍〜８．０倍になるようにしているが、逆に、内側の第２コイル１５Ｂによる磁場Ｇｂを外側の第１コイル１５Ａによる磁場の強さＧａの１．０倍〜８．０倍になるようにしてもよい。
【００２４】
また、電力切換装置１２は、第１コイル１５Ａのセットのみに電力供給する場合、第２コイル１５Ｂのセットのみに電力供給する場合、両方のセットに電力供給する場合のいずれかを選択して電力を供給できる場合の３つを選択できるように構成される。なお、前記３つの場合すべてでなく、このうちの２つの場合を選択して電力を供給すれば十分な場合には、この２つの場合を選択して電力を供給することができるように構成する。
【００２５】
この構成により、電力切換装置１２を切り換えて第１コイル１５Ａと第２コイル１５Ｂに同時電流を流した時に最大の磁場が発生し、電力切換装置１２を切り換えて第１コイル１５Ａのみに電流を流した時に比較的大きな磁場が発生し、電力切換装置１２を切り換えて第２コイル１５Ｂのみに電流を流した時に最小の磁場が発生するようになる。そして、発生した磁場の強度の微調整はコイルに流れる電流を制御することによって行われる。
【００２６】
なお、イオンビームＢの通路部分は、真空にする必要があるため、この通路部分のみあるいはヨーク１３ごとチャンバーに入れるように構成する。図１に示すように内部にチャンバー１６を設ける場合には、磁場に影響を与えないようにチャンバー１６をアルミニウムやアルミ合金やステンレス等の非磁性体で形成する。  
【００２７】
上記の構成の質量分離用電磁石１０によれば、１００ｋｅＶのアンチモン（質量数１２２）のような高いエネルギーを持った重い粒子にも、１ｋｅＶのホウ素（質量数１１）のような低いエネルギーを持った軽い粒子にも、磁場を与える電流のレンジと分解能を最適にしながら対応できるようになる。
【００２８】
なお、上記の実施の形態では、コイルを２セットとしたが、本発明はこの２セットに限定されず、必要に応じて、３セット以上にし、よりきめ細かい段階別に磁場の発生をできるように構成することができる。
【００２９】
次に、質量分離用電磁石を備えたイオン注入装置の第１の実施の形態について説明する。図２に示すように、このイオン注入装置１は、イオンビームＢ１を発生するイオン源２と、上記の質量分離用電磁石１０と、リボン状イオンビームＢ２を所望のイオン電流密度分布に調整するマルチポール４と、リボン状イオンビームＢ２の照射方向に対して垂直な方向（図２の紙面と垂直な方向）に半導体や液晶等の基板３０をスキャンする基板スキャン機構５と、リボン状イオンビームＢ２のイオン電流密度分布を計測するプロファイラ６と、マルチポール４と基板スキャン機構５を制御するイオン注入制御装置２０とを備えて構成される。
【００３０】
そして、このイオン源２では、固体やガスで供給されるヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），ホウ素（Ｂ）等をイオン化して、このイオン化された不純物を加速電圧により加速してイオンビームＢ１とする。この扇状に拡がって入射してくるイオンビームＢ１を質量分離用電磁石１０においてイオンビームを偏向させて横長のリボン状イオンビームＢ２にすると共に、図６に示すように、重いイオンＩｈと軽いイオンＩｌを取り除き、所望のイオンＩｄのみに質量分離し、所望のエネルギー範囲のイオンビームのみを選択する。この通過させる質量の範囲は質量分利用電磁石１０と基板３０の距離とイオンビームＢ２の幅によって予め設定して置く。
【００３１】
このリボン状イオンビームＢ２を、上下１組の小型電磁石を複数組並べたマルチポール４において、各小型電磁石のコイルへの励磁電流を制御して、所定のイオン電流密度分布に調整して、基板３０に打ち込む。この基板３０は基板スキャン機構５により走査（スキャン）させて基板３０に注入されるイオン量の均一化を図る。この基板３０の走査とマルチポール４におけるイオン電流密度分布は、イオン注入制御装置２０により、ファラデーカップをビームを横断するように移動させるプロファイラ６で計測されたデータをフィードバックして制御される。なお、このイオンビームＢ１，Ｂ２の通る道筋は真空ポンプ（図示しない）で排気して高真空に保つ。
【００３２】
このイオン注入装置１においては、本発明の質量分離用電磁石１０を備えて構成されているので、図２に示すイオン注入制御装置２０によって制御される電源１１から、打ち込むイオンの質量等に応じて切り換え装置１２を切り換えて、第１コイル１５Ａ及び第２コイル１５Ｂのそれぞれ又は両方に電力を供給し、ポール１４の間のイオンビームＢが通過する部分に磁場を形成し、この磁場によってイオンビームＢ１の進路を偏向させて、図６に示すようにして、所望のエネルギー及び質量のイオンを分離及び選択することができる。
【００３３】
この質量分離に際して、電力供給を第１コイル１５Ａ及び第２コイル１５Ｂのそれぞれ又は両方に選択的に電力を供給できるので、高いエネルギーを持った重い粒子のイオン注入にも、低いエネルギーを持った軽い粒子のイオン注入にも使用できるイオン注入装置となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態の質量分離用電磁石の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のイオン注入装置の構成を示す模式的な図である。
【図３】従来技術のイオン注入装置の構成を示す模式的な図である。
【図４】図４の質量分離用電磁石のＸ−Ｘ断面図を示す図である。
【図５】図４の質量分離用電磁石のＹ−Ｙ断面図を示す図である。
【図６】イオンの質量分離の様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１Ａ    イオン注入装置
２，２Ａ    イオン源
４    マルチポール
５    基板スキャン機構
６    プロファイラ
１０    質量分離用電磁石
１１    電源
１２    電力切換装置
１３    ヨーク
１４    ポール
１５Ａ  第１コイル
１５Ｂ  第２コイル
２０，２０Ａ    イオン注入制御装置
３０    基板
Ｂ１  イオンビーム
Ｂ２  リボン状イオンビーム
Ｂａ  スポット状イオンビーム
【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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