(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主スリットと主ファラディカップとを有し、前記主スリットから入射したイオンビームが前記主ファラディカップに照射されるように構成されたイオン電流検出装置であって、
副スリットと偏向器と副ファラディカップとを有し、
前記副スリットから入射したイオンビームは前記偏向器を通過し、質量分析された後、
前記副ファラディカップに入射するように構成され、
前記主ファラディカップは、異なる磁極を向けて対向配置された２個の磁石の間に配置され、
前記偏向器は、前記主ファラディカップが配置された２枚の磁石によって構成されたことを特徴とするイオン電流検出装置。
【請求項２】
前記副ファラディカップは、異なる磁極を向けて対向配置された２個の磁石の間に配置されたことを特徴とする請求項１記載のイオン電流検出装置。
【請求項３】
前記各磁石は平板状に形成され、互いに平行に配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のイオン電流検出装置。
【請求項４】
イオン源と、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のイオン電流検出装置とを有し、
前記イオン電流検出装置は、前記イオン源から引き出されたイオンビームの進行方向と略垂直方向に移動できるように構成されたことを特徴とするイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン注入装置の技術分野にかかり、特に、処理対象物に注入されるイオンの電荷質量比を測定できるイオン電流検出装置、及びそのイオン電流検出装置を有するイオン注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置は、半導体表面や金属表面等に所望の不純物を注入するために広く用いられている。
【０００３】
イオン注入装置は半導体の不純物注入に用いられるものの他、金属等の表面改質に用いられている。図６の符号１１０は、イオン注入装置に用いられる従来技術のイオン電流検出装置である。このイオン伝検出装置１１０は、容器１１１を有しており、該容器１１１内にはファラディカップ１１３が配置され、該ファラディカップ１１３の上方には、蓋部１１２が設けられている。
【０００４】
図６は、このイオン電流検出装置１１０が、処理対象物に入射する直前のイオンビーム１３１の経路上に挿入された状態を示しており、その状態では、蓋部１１２にイオンビーム１３１が照射されるようになっている。
【０００５】
蓋部１１２には、スリット１１４が開けられており、蓋部１１２に入射したイオンビーム１３１の一部はスリット１１４から容器１１１内に侵入し、ファラデーカップ１１３内に入射する。
【０００６】
ファラディカップ１１３は、図示しない電流計に接続されており、入射したイオン量を電流値に変換して測定できるようになっている。
【０００７】
上記のようなイオン電流検出装置１１０では、測定した電流値とスリット１１４の開口面積から、ファラディカップ１１３に入射したイオンビーム１３２の密度を求めることができる。また、イオン電流検出装置１１０をイオンビーム１３１の照射方向と垂直な面内で走査すると、イオンビーム１３１の密度分布を求め、処理対象物に照射されるイオンビームの量を測定できるようになっている。
【０００８】
しかし、半導体に用いられるイオン注入装置では、イオン源から引き出したイオンビームを質量分離機構に入射させ、所望のイオンだけを取り出して処理対象物に照射しているが、金属等の表面改質に用いられるイオン注入装置では、質量分離機構を持たず、大照射面積、大電流が特徴のシャワー型イオン注入装置が用いられている。
【０００９】
質量分離機構を有するイオン注入装置の場合、処理対象物には、単一の電荷質量比を有するイオンだけが入射するが、シャワー型イオン注入装置では、一般に質量分離機構が設けられていないため、種々の電荷質量比のイオンが入射してしまう。
【００１０】
従って、シャワー型イオン注入装置では、上記イオン電流検出装置１１０による電流値は、電荷質量比の値が異なるイオン種が含まれていることになる。
【００１１】
質量分離機構を有するイオン注入装置の場合、処理対象物には単一の電荷質量比を有するイオン種だけが入射するため、イオン電流検出装置から測定したイオンビーム量と加速電圧とから、数値計算によって深さ方向の分布を求められるが、近年では、シャワー型イオン注入装置でも、イオンの深さ方向の分布を算出したいという要望がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記要望に応じて創作されたものであり、その目的は、イオンビーム中に含まれるイオン種の割合を測定できる技術を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、主スリットと主ファラディカップとを有し、前記主スリットから入射したイオンビームが前記主ファラディカップに照射されるように構成されたイオン電流検出装置であって、副スリットと偏向器と副ファラディカップとを有し、前記副スリットから入射したイオンビームは前記偏向器を通過し、質量分析された後、前記副ファラディカップに入射するように構成され、前記主ファラディカップは、異なる磁極を向けて対向配置された２個の磁石の間に配置され、前記偏向器は、前記主ファラディカップが配置された２枚の磁石によって構成されたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のイオン電流検出装置であって、前記副ファラディカップは、異なる磁極を向けて対向配置された２個の磁石の間に配置されたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のイオン電流検出装置であって、前記各磁石は平板状に形成され、互いに平行に配置されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、イオン源と、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のイオン電流検出装置とを有し、前記イオン電流検出装置は、前記イオン源から引き出されたイオンビームの進行方向と略垂直方向に移動できるように構成されたことを特徴とする。
【００１４】
本発明は上記のように構成されており、主スリットと主ファラディカップとを有し、主スリットから入射したイオンビームが前記主ファラディカップに照射されるように構成されたイオン電流検出装置である。
【００１５】
そして、このイオン電流検出装置は、副スリットと偏向器と副ファラディカップとを有しており、副スリットから入射したイオンビームは偏向器を通過し、質量分析された後、
副ファラディカップに入射するように構成されている。
【００１６】
従って、偏向器内で質量分析される際に、所望のイオン種だけが副ファラデーカップに入射できるようにしておくと、そのイオン種のイオン電流だけを測定することができる。
主ファラディカップでは、全イオン種のイオン電流が測定できるので、主及び副ファラディカップの測定結果から、イオン種の割合を求めることができる。
【００１７】
異なる磁極を向けて対向配置させた２個の磁石によって電子トラップを構成させておき、副ファラディカップをその中に配置しておくと、副ファラディカップでイオン電流測定を測定する際に、２次電子放出による誤差を無くすことができる。
【００１８】
また、主ファラディカップについても、異なる磁極を向けて対向配置させた２個の磁石で電子トラップを形成し、主ファラディカップをその中に配置しておくと、２次電子放出による測定誤差を無くすことができる。
この場合、偏向器の磁石に、主ファラディカップの電子トラップの機能を兼用させることができる。
【００１９】
磁石は、永久磁石であっても電磁石であってもよいが、平板状のものを平行に対向配置させておくと平行磁場を形成できるので、質量分析を正確に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一例を図面を用いて説明する。
図２の符号５は本発明のイオン注入装置の一例であり、チャンバー２１を有している。
該チャンバー２１には、イオン走行管２６を介してシャワー型イオン源２５が接続されている。
【００２１】
チャンバー２１内のイオン走行管２６の接続部分付近には、シャッター２７が配置されており、その後方には、基板ホルダ２２が配置されている。
イオン源２５内には、図示しないイオン発生装置と、引き出し電極と、加速電極とが設けられており、イオン発生装置内に導入された気体をイオン化し、引き出し電極によって引き出し、イオンビームを形成するように構成されている。
【００２２】
イオン発生装置内から引き出されたイオンビームは、加速電極が形成する電界によって加速され、チャンバー２１内に向けて射出される。
チャンバー２１内に進入したイオンビームは所定の軌道上を直線的に走行する。その軌道上には、シャッター２７と基板ホルダ２２が配置されており、シャッター２７を閉じ、イオンビームを遮蔽したり、シャッター２７を開け、イオンビームを基板ホルダ２２側に照射させることができるように構成されている。
【００２３】
また、このイオン注入装置５内には回転装置２８に取り付けられたイオン電流検出装置１０が設けられており、回転装置２８を動作させると、イオン電流検出装置１０は、シャッター２７と基板ホルダ２２の間の位置で、イオンビームの軌道上を横断できるように構成されている。
【００２４】
このイオン注入装置５を用い、イオン注入を行う場合は、シャッター２７を閉じた状態で基板ホルダ２２に基板２３を保持させ、チャンバー２１内を真空排気し、高真空雰囲気にした後、イオン源２５からイオンビームを射出させる。
この状態では、イオンビームはシャッター２７に照射され、基板２３には照射されない。
【００２５】
次いで、イオンビームの出力が安定したところでシャッター２７を開け、イオンビームを通過させ、基板２３表面に入射させ、イオン注入を行う。
基板２３表面にイオンビームを所定時間照射した後、シャッター２７を閉じ、次いで、
イオンビームの射出を停止した後、イオン注入が終了した基板２３をチャンバー２１外に搬出する。
【００２６】
他方、基板２２に照射されるイオンビームの量を測定する場合には、イオン電流検出装置１０をイオンビームの軌道上に位置させ、シャッター２７を開け、イオンビームをイオン電流検出装置１０に入射させる。
【００２７】
図１(ａ)の符号３１は、イオン源２５から射出され、イオン電流検出装置１０に入射しているイオンビームを示している。
【００２８】
このイオン電流検出装置１０は、容器１１を有しており、該容器１１の開口部には蓋部１２が配置されている。イオン電流検出装置１０の姿勢は、イオンビーム３１がこの蓋部１２に垂直に入射するように設定されている。
【００２９】
蓋部１２には、主スリット１４と副スリット１５とが設けられており(面積１ｃｍ2)、図１(ａ)は、蓋部１２に照射されたイオンビーム３１のうち、一部のイオンビーム３２が主スリット１４から容器１１内に入射し、他の一部のイオンビーム３３が副スリット１５から容器１１内に入射している状態を示している。
【００３０】
容器１１内には、主検出部４０と副検出部５０とが配置されている。主検出部４０は蓋部１２近傍に配置され、副検出部５０は、主検出部４０の後方位置(イオンビーム３１の下流側)に配置されている。
【００３１】
主検出部４０内には、主ファラディカップ４３と偏向器４２とが配置されている。偏向器４２は、２枚の平板状の永久磁石４２1、４２2が互いに異なる磁極を向けて平行に対向配置されて構成されている。
【００３２】
図１(ａ)では、２枚の永久磁石４２1、４２2は重なって見えるが、一方の永久磁石４２1は紙面手前方向に配置されており、他方の永久磁石４２2は紙面奥方向に配置されている。従って、この主検出部４０を紙面左方から見た場合のＢ−Ｂ線截断面図は、図１(ｂ)に示すように、主ファラディカップ４３の右方に一方の永久磁石４２1が配置され、左方に他方の永久磁石４２2が配置されており、右方の永久磁石４２1のＳ極と、左方の永久磁石４２2のＮ極とが対向して配置され、従って、その間には平行磁場が形成されている。
【００３３】
主スリット１４及び副スリット１５から入射したイオンビーム３２、３３は、２枚の永久磁石４２1、４２2の間に入射するようになっている。
【００３４】
主ファラディカップ４３は有底円筒形形状にされており、永久磁石４２1、４２2間の主スリット１４の直下位置に配置されている。
その開口部は、主スリット１４に向けられており、従って、主スリット１４から入射したイオンビーム３２は、主ファラディカップ４３内に入射するようになっている。
【００３５】
他方、副スリット１５から入射したイオンビーム３３は、主ファラディカップ４３の側方位置を通過し、主検出部４０を透過して後方に照射されるように構成されている。
【００３６】
副スリット１５から入射した直後のイオンビーム３２の軌道は、永久磁石４２1、４２2が形成する磁場と垂直になっているが、主検出部４０を透過する際にその軌道が曲げられる。
【００３７】
イオン源２５内での加速電圧をＶ(単位Ｖ)、永久磁石４２1、４２2の磁束密度をＢ(単位Ｔ)とした場合、イオンビーム３２中に含まれるイオンの価数Ｚ(−)、分子量Ｍ(単位a.m.u)のイオンの回転半径をＲ(単位ｍ)は下記(１)式で表される。
【００３８】
【数１】
0004009013.tif 000002
【００３９】
上式から分かるように、イオンビーム３２中に含まれるイオン種は、平行磁場内ではその電荷質量比Ｚ／Ｍの値に応じた回転半径Ｒを有する。回転半径Ｒは、電荷質量比Ｚ／Ｍの値が小さいと大きくなり、電荷質量比Ｚ／Ｍの値が大きいと小さくなる。
【００４０】
従って、イオンビーム３２に中に含まれる異なる電荷質量比Ｚ／Ｍのイオン種は、主検出部４０内を通過する間に分離され、その結果、イオン種の質量分析が行われる。図１(ａ)の符号３６は、副スリット１５から入射した直後のイオンビーム３２の進行方向を示しており、符号３３1、３３2は、電荷質量比Ｚ／Ｍの値に応じて曲げられた２種類のイオン種の軌道を示している。
【００４１】
例えば、イオン源２５内で窒素ガスがイオン化されている場合には、イオンビーム３１中には、Ｎ+イオンとＮ2+イオンが含まれる。Ｎ+イオンは電荷質量比が大きいため、回転半径Ｒが小さい方の軌道３３1上を走行する。Ｎ2+イオンは電荷質量比が大きく、回転半径Ｒが大きい方の軌道３３2上を走行する。
【００４２】
上記(１)式から分かるように、回転半径Ｒは加速電圧Ｖの関数になっており、従って、加速電圧Ｖを調節することで、電荷質量比Ｚ／Ｍに対する回転半径Ｒの大きさを変えることができる。
【００４３】
副検出部５０は、有底円筒形形状の副ファラディカップ５３を有しており、該副ファラディカップ５３は、開口部を蓋部１２側に向けて配置されている。
【００４４】
ここで、副ファラディカップ５３は、イオン電流検出装置１０内で固定されており、その位置は、所定の加速電圧Ｖに対し、副スリット１５から入射したイオンビーム３３中のＮ2+イオンの軌道３３2上に配置されている。また、副ファラディカップ５３の位置は、
Ｎ+イオンの軌道３３1からは離れている。
【００４５】
従って、主検出部４０内で質量分析されたＮ2+イオンは、副ファラディカップ５３内に入射するのに対し、Ｎ+イオンは副検出部５０から逸れ、容器１１の壁面に入射する。このように、副スリット１５から入射したイオンビーム３３は、その中のＮ2+イオンによる電流値だけが副ファラディカップ５３で検出される。
【００４６】
他方、主スリット１４から主検出部４０内に入射したイオンビーム３２は、主ファラディカップ４３の両側に配置された永久磁石４２1、４２2の影響を受け、軌道が曲げられるものの、全量が主ファラディカップ４３に入射し、Ｎ+イオンとＮ2+イオンを合計した電流値が測定される。
【００４７】
このイオン電流検出装置１０は、イオンビーム３１が蓋部１２表面に垂直に入射するように配置されており、その状態で、イオンビーム３１の進行方向と略垂直方向(イオンビーム３１の径方向)に移動させられるようになっている。
【００４８】
主及び副ファラディカップ４３、５３は、配線１９によって図示しない電流計に接続されており、イオン電流値を測定しながらイオン電流検出装置１０をイオンビーム３２の径方向に移動させると、主検出部４０によるイオン電流の測定値(及び主スリット１４の面積)から、イオンビーム３１の全イオン量及びその径方向の分布が測定できるようになっている。
【００４９】
上記のようにイオンビーム３２、３３が主又は副ファラディカップ４３、５３に入射すると、ファラディカップ４３、５３壁面から２次電子が放出されてしまう。その２次電子は、イオン電流を測定する際の誤差原因となるが、副検出部５０内では、副ファラディカップ５３は電子トラップ５２内に配置されている。
【００５０】
この電子トラップ５２は、平板状の２枚の永久磁石５２1、５２2を有している。電子トラップ５２の図１(ａ)のＣ−Ｃ線切断面図を同図(ｃ)に示す。２枚の永久磁石５２1、５２2は、偏向器４２内の磁石４２1、４２2と同様に、異なる磁極を向けて互いに平行に対向配置されている。
【００５１】
従って、副検出部５０内では、有底円筒状の副ファラディカップ５３の中心軸線に対し、垂直方向の平行磁場が形成されており、副ファラディカップ５３から放出された２次電子は、電子トラップ５２が形成する磁場に捕捉され、副ファラディカップ５３に再入射する。このように、副検出部５０内で発生した２次電子は系外に脱出できず、高精度のイオン電流測定を行うことができる。
【００５２】
また、主検出部４０内でも、主ファラディカップ４３は２枚の永久磁石４２1、４２2で構成された偏向器４２内に配置されており、その２枚の永久磁石４２1、４２2はイオントラップとしても機能するから、主ファラディカップ４３内で発生した２次電子も主検出部４０の系外には放出されず、高精度のイオン電流測定ができるようになっている。
【００５３】
以上は副検出部５０にＮ2+イオンが入射する場合を説明したが、イオン源２５内の加速電圧Ｖ(Ｖ)を変えることにより、イオンの回転半径Ｒを変え、副検出部５０によってＮ+イオン等の種々の電荷質量比を有するイオン種を測定することができる。
【００５４】
図３は、イオン電流検出装置１０を、イオンビーム３２のほぼ中心付近に静止させ、加速電圧(ｋＶ)を変化させた場合に、副検出部５０で検出されるイオン電流の大きさを示したグラフである。
【００５５】
このグラフでは、加速電圧が約２５ｋＶのところと約５０ｋＶのところにピークが観察されるが、加速電圧が約２５ｋＶのときには、副検出部５０に窒素分子イオンが入射し、約５０ｋＶのときには窒素原子イオンが入射している。従って、このグラフのピークの比からイオンビーム３２中の分子イオンと原子イオンの比を求めることができる。
【００５６】
図４は、イオン電流検出装置１０をイオンビーム３２の径方向に移動させ、主検出部４０によってイオン電流密度を測定した場合のグラフである(移動量はイオンビーム３２の半径)。このグラフから、イオンビーム３２の均一性が分かる。
【００５７】
図５は、図３のグラフから求められる割合で窒素原子イオン(Ｎ+)と窒素分子イオン(Ｎ2+)が含まれるイオンビームをシリコンウェハに照射したときに得られる深さ方向の分布の数値計算(シミュレーション)結果である。
【００５８】
この図５のグラフは、加速電圧が５０ｋＶの場合であり、窒素原子イオン(Ｎ+)についてはその加速電圧で計算し、窒素分子イオン(Ｎ2+)については、２５ｋＶで加速された窒素原子イオン２個分に換算して計算し、両方のイオンの分布を図３のグラフで求めた割合で重みづけし、足し合わせて示してある。
【００５９】
以上説明したように、本発明のイオン電流検出装置１０を用いれば、イオンビーム中の原子イオンと分子イオンの比が分かるので、基板に注入した場合の深さ方向の分布を求めることが可能となっている。
また、イオンビームの径方向を走査できるので、イオンビームの均一性も知ることができる。
【００６０】
なお、上記図３のグラフでは、加速電圧を変えることでイオンの回転半径Ｒを変え、それによって副検出部５０で検出するイオン種を変えていたが、偏向器４０内の永久磁石４２1、４２2を移動可能に構成しておき、永久磁石４２1、４２2間の距離を変えることで、イオンの回転半径Ｒを変えるようにしてもよい。
【００６１】
また、上記偏向器(電子トラップ)４０と電子トラップ５０は、永久磁石４２1、４２2、５２1、５２2を用いて平行磁場を形成したが、永久磁石ではなく、電磁石を用いることも可能であり、偏向器４０内の電磁石への通電量を変え、磁場強度を調節することで、イオンの回転半径Ｒを変えることもできる。
【００６２】
更にまた、電子トラップ兼用の偏向器４０内では、電子トラップ用の磁石と偏向器用の磁石とを別々に設けてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、イオンビーム中のイオン種に対応付けてイオン電流を測定することができる。従って、イオンビームに含まれるイオン種の割合を求めることができる。
その結果、イオン注入深さを正確に計算できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明のイオン電流検出装置の一例
(ｂ)：主検出部のＢ−Ｂ線切断面図
(ｃ)：副検出部のＣ−Ｃ線切断面図
【図２】本発明のイオン注入装置の一例
【図３】イオンビーム中のイオン種の割合を示すグラフ
【図４】イオンビームの均一性を示すグラフ
【図５】注入量の深さ方向の計算結果を説明するためのグラフ
【図６】従来技術のイオン電流検出装置
【符号の説明】
５……イオン注入装置    １０……イオン電流検出装置    １４……主スリット    １５……副スリット    ２１……真空槽    ２３……基板    ２５……イオン源    ３１……イオンビーム    ３２……主スリットから入射したイオンビーム    ３３……副スリットから入射したイオンビーム    ４０……主検出部    ４２……電子トラップ兼用の偏向器(４２1、４２2……磁石)    ４３……主ファラディカップ    ５０……副検出部    ５２……電子トラップ(５２1、５２2……磁石)    ５３……副ファラディカップ
【図１】
0004009013.tif 000003
【図２】
0004009013.tif 000004
【図３】
0004009013.tif 000005
【図４】
0004009013.tif 000006
【図５】
0004009013.tif 000007
【図６】
0004009013.tif 000008