(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析磁石とウエハとの間のビーム経路において、開口を有する複数のディセル電極を前記ビーム径路の基軸に垂直な軸に対して傾斜させるとともに、前記複数のディセル電極における前側電極の開口と後側電極の開口とを所定のオフセット距離だけ偏位させて配置し、
前記質量分析磁石を調整して、前記基軸から離れて位置する、前記前側電極の開口を通過するイオンビームが、前記複数のディセル電極のオン動作に応じて、前記基軸上に位置する、前記後側電極の開口を通過し、さらに前記ビーム経路の基軸上または基軸と平行にウエハに向かってイオンビームを進行させるディセルモードと、
前記複数のディセル電極をオフ状態にするとともに、前記前側電極の位置を変更して前記基軸上に位置するよう構成した前記前側電極の開口を、イオンビームが通過するようにし、かつ前記前側電極の後方に位置する他のディセル電極を電界の影響を受けない零電界の空間に位置させ、前記前側電極の開口を通過したイオンビームを減速させないで前記基軸に沿って進行させるドリフトモードとを備え、
前記ディセルモードでは、前記複数のディセル電極にイオンビームが入射する位置での、前記基軸からのイオンビームのオフセット距離と、前記入射するイオンビームの前記基軸に対する偏向角を決定し、前記複数のディセル電極の間に形成される間隙に電界を発生させることによって、イオンビームを減速かつ同時に中性粒子をイオンビームから分離することを特徴とする両立モードの傾斜ディセル装置。
【請求項２】
複数のディセル電極は、イオンビームのオフセット距離の修正及び中性粒子の分離を共に実現するために、前記イオンビームの進行方向に対して第１，第２，第３の間隙を形成しかつ前側電極と後側電極の間に一対の抑制電極を配置しており、前記第２の間隙が前記抑制電極間の電界のないドリフト空間であることを特徴とする請求項１記載の傾斜ディセル装置。
【請求項３】
イオンビームのオフセット距離と偏向角は、複数のディセル電極の前方に設けられた質量分析器を調整して決定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の傾斜ディセル装置。
【請求項４】
動作時において減速されたビームを調整するために、複数のディセル電極の後方にあってウエハに近接する位置に配置され、イオンビームのビーム電流を測定するための可動式ファラデーカップをさらに設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の傾斜ディセル装置。
【請求項５】
イオンビームの進行方向に対して所定の間隔でかつ傾斜した複数のディセル電極(17,18,19,20;21,22,23)を有し、これらのディセル電極が、それぞれ少なくとも１つの開口(25,26,27,28) を有し、かつこの前側と後側に位置する電極間にイオンビームを減速または加速させるための間隙と、その中間に位置する電極間に電界のないドリフト空間を形成する間隙とを有し、前記前側電極の前開口(25)を前記後側電極の後開口(28)に対して所定のオフセット距離(D) だけ偏位させたことを特徴とする請求項１記載の傾斜ディセル装置。
【請求項６】
質量分析磁石とウエハとの間のビーム経路において、開口を有する複数のディセル電極を前記ビーム径路の基軸に垂直な軸に対して傾斜させるとともに、前記複数のディセル電極における前側電極の開口と後側電極の開口とを所定のオフセット距離だけ偏位させて配置し、
前記質量分析磁石から放出されるイオンビームを、前記ビーム経路の基軸に対して所定の偏向角とオフセット距離で前記複数のディセル電極の前側電極の開口に入射させ、
前記複数のディセル電極のディセルモードの動作時に、前記基軸から離れて位置する、前記前側電極の開口を通過するイオンビームが、前記複数のディセル電極のオン動作に応じて、前記基軸上に位置する、前記後側電極の開口を通過し、さらに前記ビーム経路の基軸上または基軸と平行にウエハに向かってイオンビームを進行させ、
一方、前記複数のディセル電極がオフ状態にされるドリフトモードの動作時に、前記前側電極の位置を変更して前記基軸上に位置するよう構成した前記前側電極の開口を、イオンビームが通過するようにし、かつ前記前側電極の後方に位置する他のディセル電極を電界の影響を受けない零電界の空間に位置させ、前記前側電極の開口を通過したイオンビームをを減速させないで前記基軸に沿ってイオンビームを進行させ、
前記ディセルモードの動作時に、前記複数のディセル電極を通過するイオンビームのイオンと中性粒子を分離し、前記分離した中性粒子をウエハに到達する前に捕捉させ、イオンのみをウエハに衝突させるように、前記傾斜した複数のディセル電極を通過したイオンビームが前記基軸に沿う方向に移動する、各工程を有することを特徴とするイオンビームの形成方法。
【請求項７】
前記ディセルモードの動作時における各工程は、ディセル電極間に形成された第１の間隙において、イオンビームを加速及び偏向させ、次に、イオンビームがビーム径路の基軸に近づく方向に第２の間隙である電界のないドリフト空間を進み、さらに、第３の間隙において、イオンビームを減速及び偏向させる、３つのステップを備えることを特徴とする請求項６記載のイオンビームの形成方法。
【請求項８】
傾斜した複数のディセル電極における前側電極の１つの開口をオフセットされたイオンビームの通過位置に配置し、前記前側電極により偏向されたイオンビームラインと、ビーム経路の基軸ラインとが交わる位置に後側電極と対をなす抑制電極の一方を位置させ、イオンビームを中性粒子から分離させることを特徴とする請求項６記載のイオンビームの形成方法。
【請求項９】
複数のディセル電極は、前側電極(21)、抑制電極(22)及び後側電極(23)を含み、前記抑制電極(22)は、内部空間を有するボックス構造で、かつ前記前側電極(21)と後側電極(23)にそれぞれ対面する電極壁に開口(26,27) を有していることを特徴とする請求項７記載のイオンビームの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造技術等に利用される高電流型イオン注入装置に直接使用して、高電流でエネルギー汚染のない超低エネルギーのイオンビームを発生させることを可能にするディセル装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置は、イオン源からＢ+ 及びＰ+ 等のイオンを生成してイオンビームを形成し、イオン注入室内に設けられた１つまたは複数のウエハにイオンを注入して半導体製品の製造を行うものである。
【０００３】
イオン源室内で生成されてそこから放出されたイオンは、質量と電荷の差により質量分離され、そして加速されてイオンビームを形成する。このイオンビームは、イオンをウエハに注入するのに十分なエネルギーを有しており、ビーム径路に沿ってイオン注入室に向けられ、１つまたは複数のウエハに突入する。
【０００４】
従来のイオン注入装置では、マスクや不活性化層を使用する選択注入でＩＣ（集積回路）を製造することができる。この注入技術のための装置は、大きく、複雑で、高価であり、また、低いエネルギーでイオンを注入できるという点ではその能力が制限されている。
【０００５】
集積回路の製造において、ウルトラ−シャロウ(Ultra shallow) 接合を形成するために、近い将来、高電流及び超低エネルギーのイオン注入が必要となる。それゆえ、商業的に利用される最新の高電流型イオン注入装置は、その作動レンジを１ＫｅＶ（キロエレクトロンボルト）又は数百ｅＶ程度の低いエネルギーにまで拡張する必要がある。
【０００６】
超低エネルギーで高電流を得るために、イオンビームは、通常、比較的高エネルギーでイオン源から引き出され、それから、質量分析され、さらにウエハに近い位置まで運ばれる。そこで、イオンビームは、必要とされる超低エネルギーに減速される。このイオンビームを減速(deceleration)するための装置は、ディセル(decel) と呼ばれている。この減速されたイオンビームは、その後、ウエハ等のターゲットにまで運ばれる。
【０００７】
また、イオンビームを形成する荷電イオンは、いわゆる空間電荷力によって互いに反発し、この力は、低いエネルギーにおいてより強くなる。この空間電荷の力によって、イオンビームの横方向への拡がりは、
（√ｍ／√ｑ）×Ｉｚ2 ／Ｕ3/2                     （１）
に比例する。
【０００８】
ここで、イオンビームは断面が円形状の均一なビームを想定している。ｍ及びｑは、イオンの質量と電荷、Ｉは、ビーム電流、Ｕは、ビームエネルギー、ｚは、イオンビームの通過距離である。明らかなように、イオンビームの移動距離が短いと、より大きな電流を得るのに好適である。
【０００９】
そこで、高電流で超低エネルギービームを与える、現在の商業的なイオン注入装置を製造するために、ディセル装置を設けることが予想される。しかし、このディセル装置には、設計上の問題として重要な２つの技術的課題があると考えられている。
【００１０】
第１の課題は、エネルギー汚染（energy contamination）に起因するものである。これは、イオンがディセル電極に到着する前に残余ガス分子と衝突し、一部のイオンが中性粒子となり、そして、ディセル電極を通過した後に、イオンのエネルギーは減じられるが、中性粒子のエネルギーはそのまま保持されて、高いエネルギーの中性粒子がイオンとともにウエハに到達することにより起こるエネルギー汚染のことである。また、ビーム電流を増加させるために、減速前のビームエネルギーを増加させる程、よりエネルギー汚染の害はひどくなる。従って、理想的には、減速機能だけでなく、分離機能を有するディセル装置が一番望ましい。しかしながら、そのようなディセル装置は、商業的な高電流型イオン注入装置にこれまで使用されていない。
【００１１】
第２の課題は、超低エネルギービームの空間電荷力の急激な増加に起因するものである。イオンビームエネルギーが低くなると、空間電荷力が極端に大きくなり、荷電イオンが互いに反発し合う。このため、イオンビームのウエハまでの飛行距離が長くなると、イオンをウエハに到達させることが難しくなる。そこで、ディセル装置からウエハまでの距離を短くすることが必要であり、この距離の短縮は、大電流の超低エネルギービームを得るために非常に重要なことである。この第２の課題を解決するために、中性粒子をイオンビームから分離する分離装置を可能な限りコンパクトにすることが必要となる。
【００１２】
また、高電流型イオン注入装置のビームエネルギーよりも、より高いビームエネルギーを必要とする中電流型イオン注入装置などにおいて、ディセルが使用されることがある。この中電流型イオン注入装置などに使用される従来のディセルは、イオンビームの進行方向に対して全て垂直に位置する開口を有する電極である。従って、中性粒子（neutrals）は、それを通過することができる。
【００１３】
上述したように、分離機能を有する分離装置は、エネルギー汚染を除去するためにディセルの後段に設けられる。そこで中性粒子をイオンビームから分離するためには、一般的に、２種類の装置が用いられる。第１の装置は、横方向の電界がイオンビームを曲げ、かつ中性粒子に何ら影響を及ぼさない電気偏向装置である。イオンビームと中性粒子は、所定の移動距離を通過後、分離される。第２の装置は、イオンビームに進行方向に対して横向きの磁界によってイオンビームを曲げる磁石であり、これにより、イオンビームを中性粒子から分離する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の装置は、イオンビームの個々のイオンを広い領域に発散させてしまうので、長い距離に渡って超低エネルギービームを運ぶためには致命的な欠陥となり、我々の所望の目的に使用することができない。
【００１５】
また、第２の装置である磁石は、通常、大きくてウエハまでの距離が長くなり、超低エネルギービームに使用するにはあまりにビームの飛行経路が長くなってしまう。
【００１６】
また、超低エネルギーで高電流を得るための上述した概念は、高エネルギーの中性粒子に起因するいわゆるエネルギー汚染（energy contamination）が起こるために、商業的に利用可能な高電流型イオン注入装置には、現実にこれまで適用されていなかった。
【００１７】
有害な中性粒子（neutrals）は、イオンと残留ガス分子の間の衝突によってディセル電極の前側領域で生じる。ここで発生した中性粒子は、ディセル電極を直進して通過し、ウエハに到達する。中性粒子は、減速されたイオンよりも高いエネルギーを有しているので、ウエハのより深い領域へと入り込むことになる。これがエネルギー汚染と呼ばれ、ディセル装置を使用する際の本質的な問題となる。
【００１８】
エネルギー汚染は、イオンビームから中性粒子を分離することによって原則的に除去することが可能である。
【００１９】
そこで、本発明は、イオンビームの減速及び中性粒子の分離を同時に達成することのできるイオンビームの形成方法及びそのための新しい傾斜ディセル装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有している。本発明の新しいディセル装置を、傾斜ディセル装置と呼ぶことにするが、それは、傾斜した複数のディセル電極がイオン注入装置におけるビーム径路の基軸に対して垂直に配置されていないからである。また、本明細書において用いる基軸とは、質量分析磁石からウエハに直線で到達するイオンビームの中心軸線を表わすものである。
【００２１】
本発明は、現在の高電流型イオン注入装置に組み込んで使用できる傾斜ディセル装置の好ましい構造を開示する。この好ましい構造により、現在得ることができる電流よりも大きな電流で、エネルギー汚染のない超低エネルギーのイオンビームを得ることが可能である。傾斜ディセル装置は、簡素であり操作しやすいものである。
【００２２】
本発明は、イオンビームの減速及び中性粒子の分離の両機能を有する全く新しいディセル装置を提供するものであり、本発明における傾斜ディセル装置の高エネルギー部の長さは、従来のディセル装置の長さと比較して僅かに長くなり、ウエハに至るまでの減速されたビームの飛行距離をより短くするのに適した構造を備えている。
【００２３】
本発明の傾斜ディセル装置は、質量分析磁石とウエハとの間のビーム経路において、開口を有する複数のディセル電極を前記ビーム径路の基軸に垂直な軸に対して傾斜させるとともに、前記複数のディセル電極における前側電極の開口と後側電極の開口とを所定のオフセット距離だけ偏位させて配置し、
前記質量分析磁石を調整して、前記基軸から離れて位置する、前記前側電極の開口を通過するイオンビームが、前記複数のディセル電極のオン動作に応じて、前記基軸上に位置する、前記後側電極の開口を通過し、さらに前記ビーム経路の基軸上または基軸と平行にウエハに向かってイオンビームを進行させるディセルモードと、
前記複数のディセル電極をオフ状態にするとともに前記前側電極の位置を変更して前記基軸上に位置するよう構成した前記前側電極の開口を、イオンビームが通過するようにし、かつ前記前側電極の後方に位置する他のディセル電極を電界の影響を受けない零電界の空間に位置させ、前記前側電極の開口を通過したイオンビームを減速させないで前記基軸に沿って進行させるドリフトモードとを備え、
前記ディセルモードでは、前記複数のディセル電極にイオンビームが入射する位置での、前記基軸からのイオンビームのオフセット距離と、前記入射するイオンビームの前記基軸に対する偏向角を決定し、前記複数のディセル電極の間に形成される間隙に電界を発生させることによって、イオンビームを減速かつ同時に中性粒子をイオンビームから分離することを特徴としている。
【００２４】
そして、さらなる好ましい構成によれば、少なくとも２組のディセル電極間の間隙と、抑制電極で構成されたドリフト空間の間隙を有しており、ディセル電極を通過するビーム移動を確実にしかつウエハまでビームを移動させるための集束力を与え、該集束力は、傾斜ディセル装置の設計段階で、後述する抑制比を変えて調節することが可能である。
【００２５】
また、傾斜した複数のディセル電極の電極間の第１の間隙において、イオンビームを加速及び偏向させ、次に、イオンビームが、ビーム経路の基軸に近づく方向にドリフト空間の第２の間隙を進み、さらに、第３の間隙において、イオンビームを減速及び偏向させることにより、ビームのオフセット距離が修正されて、イオンビームが傾斜した複数のディセル電極を通過後にビーム径路の基軸に沿って平行に移動することができ、この場合、オフセット距離Ｄをゼロに修正することが可能となる。
【００２６】
また、ディセル電極の前開口と後開口が所定のオフセット距離だけ偏位して配置されていることから、ディセル電極の前側電極の前で発生する中性粒子は、ディセル電極の後側電極の開口を通過することができず、さらに、抑制電極を構成する抑制ボックス内で発生する中性粒子は、ウエハに到達する前に最終的に壁に衝突してなくなる。その結果、中性粒子がウエハに衝突するのを排除して、エネルギー汚染を発生させない。
【００２７】
さらに、本発明の構成によれば、傾斜したディセル電極の数が２つないし３つの場合において、中性粒子がディセル電極の各開口を通過できたとしても、イオンと中性粒子は確実に分離されており、中性粒子はウエハに到達する前に捕捉され、イオンのみがウエハに突入する。
【００２８】
このように、本発明によれば、中性粒子は、イオンビームからほぼ完全に分離されるので、減速前のビームエネルギーと減速後のビームエネルギーとの比をディセル比と呼ぶことにすると、ディセル比をかなり大きくすることができる。例えば、ディセル比を３とすると、３ＫｅＶから１ＫｅＶのビームを作ることができ、ディセル比を６とすると、３ＫｅＶから０．５ＫｅＶのビームを作ることができ、ディセル比を８程度の高いものとすると、２ＫｅＶから０．２５ＫｅＶを作ることができる。
【００２９】
さらに、減速した超低エネルギービームの電流を増加させるために、ディセル電極内で減速する前に電流を増加させて、ディセル比が非常に大きくなるように構成することもできる。従って、新しい傾斜ディセル装置は、現在の高電流型イオン注入装置において、超低エネルギービームに大きな電流を確実に与えることができる。
【００３０】
本発明の上記目的、優位性及び特徴は、本発明の好適な実施の形態を説明した詳細な説明及び図面に基いてより良く理解できるであろう。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明における第１の実施の形態を示す傾斜ディセル装置３を備えた高電流型イオン注入装置の概略図であり、傾斜ディセル装置３を複数のディセル電極１７，１８，１９，２０で表示している。イオン注入装置は、主として集積回路に用いられる半導体のシリコンウエハにイオンビームを衝突させてイオン注入を行うために使用されている。機械軸上に位置するイオンビーム１１は、イオン源１から引出され、さらに、質量分析磁石２によっておよそ９０°曲げられる。磁石２の水平方向の焦点にて、イオンビーム１１は、質量分析磁石によって、ビームが、質量差による曲折度の差により方向を分けられ、そして、質量分析器に設けた質量分離孔を通過することによって必要なイオンのみに分離される。
【００３２】
必要ならば、ビームサイズは、その焦点の水平投影面において小さいので、ディセル電極１７〜２０は、その焦点の位置に備えつけられる。これらの各ディセル電極の開口も質量分離孔として機能する。上記目的からして、本発明の傾斜ディセル装置３の前側電極１７は、焦点位置にセットすることができる。
【００３３】
図１では、これらのディセル電極は、２つの電極が対となって配置され、各対の電極は、基軸に垂直な軸に対してそれぞれ角度θ1 ，θ2 だけ傾斜している。また、各開口は、それぞれのディセル電極のほぼ中央に位置し、開口幅はオフセット距離にほぼ等しく、実施例における寸法は２ｃｍ程度である。一般に、ビームの断面は、楕円形で楕円の長手方向が開口の縦方向に対応している。したがって、電極の開口は、通常矩形状であり、その縦寸法が、イオンビーム断面の長手方向開口幅よりも大きくなっている。
【００３４】
ディセル電極１７〜２０のオン−オフに応じて、イオンビームは減速したりされなかったりする。ディセル電極１７〜２０を通過した後、イオンビームは最終的にウエハ７に到達する。そのウエハ７の背面において、ディスクファラデーカップ８がイオンビームのサンプル電流を検出する。傾斜ディセル装置３とウエハ７の間には、多くの他の必要な装置が配置されている。
【００３５】
図１に示すフラグファラデーカップ４は、ビームを調整しているときに、イオンビームの電流を測定する。電子反射器５は、プラズマシャワー６の影響を安定化させる。プラズマシャワー６は、ウエハの帯電を減少するための電子を供給する。もう１つの可動式ファラデーカップ９は、超低エネルギーイオンビームのビーム電流を測定するために、物理的に許容可能な範囲で、できるだけウエハに近接して取り付けられることが示唆されている。ファラデーカップ９は、減速された超低エネルギービームの調整を容易にし、さらに、大きな電流がウエハ７に到達できるようにしている。
【００３６】
本発明に係る新しい傾斜ディセル装置３は、他の実施の形態においても同様に、複数の電極で構成されるものであり、少なくとも２つの電極を備えている。全ての電極は、分離及び減速（あるいは加速）の両方を実現するために、ビーム径路の基軸１０に垂直な軸に対して傾いている。現在の商業的な高電流型イオン注入装置が、主作業モードであるドリフトモード（ディセルしないモード）で作動しているとき、本発明のディセル電極は、後述するように、適当な開口を有してフィールド・フリー空間に位置している。イオンビーム１１の中心は、常に機械軸すなわちビーム経路の基軸１０に沿って動く。イオンビームがディセルモードで作動しているとき、傾斜ディセル装置３の前方にある質量分析磁石２からウエハ７まで４つの開口の全てを通過することができる直線でないビーム軌道を形成するために、電極は、図１に示されるように調節される。
【００３７】
従って、中性粒子は、最も後方のディセル電極２０を通過することができず、さらにエネルギー汚染も全く生じない。各電極３の電位は、設計値に合わせられる。質量分析磁石２は、通常の設定よりも僅かに低い磁界強度で動作する。この質量分析磁石２の調整により、イオンビーム１２は、機械軸１０から所定のオフセット距離Ｄだけ離れた位置となりかつ磁石２の終端において、小さな偏向角δθを有するようになっている。
【００３８】
イオンビームがドリフトしかつディセル電極３の入口に到達すると、このオフセット距離Ｄは、偏向角δθにより増加している。全オフセット距離は、およそ２ｃｍ程度である質量分離孔より大きいか、少なくとも等しい程度の大きさが必要とされる。本発明の好ましい傾斜ディセル装置３は、４つのディセル電極を通過してこのオフセット距離を修正し、さらに同時にイオンビームを減速させる。ディセル通過後、減速されたイオンビームは、再び機械軸１０に沿って動き、ウエハの表面に到達する。ディセルモードにおけるイオンビームの中心は、図１において符号１２で示される。
【００３９】
本発明は、中性粒子をイオンビームから分離するとともに、イオンビームを減速させる両方の機能を同時に達成するために、ディセル電極を傾けて配置することを提案する。図２は、そのような傾斜した一対の電極の原理を図示したものである。
【００４０】
図２において、内部電界Ｅは、２つの電極１３，１４に対して垂直に作用する。両電極が同一の角度で傾斜されていると、電界は２つの分力Ｅx ，Ｅz が働くように作用する。分力Ｅz は、従来の減速電界である。この分力Ｅx により、イオンビームの進行方向は曲げられ、一方、中性粒子の移動方向（Ｅz の反対方向）は、真直ぐに保たれる。その結果として、イオンビームは減速されかつ中性粒子から分離される。
【００４１】
２つの電極の電位差に応じて、イオンは、減速又は加速される。電極に設けられた開口１５，１６は、その開口から内部電界が漏れるので、電界の分布に影響を与える。しかし、本発明は、電極の大きさと比較してその開口が小さいものであるならば、イオンビームにおける電界の総合的作用は、明らかに変化しないと考えている。
【００４２】
しかしながら、好ましいディセル装置には、図２に示すような２つの電極を有する傾斜ディセル電極の間に電子が加速されることを防止するために、２つの一対の電極の間に抑制電極を設けている。
【００４３】
この抑制電極は、ディセル装置の設計を複雑にする。本発明は、この抑制機能と上記２つの機能、即ち、減速と分離とを兼ね備えた現実的なディセル装置を提供する。図３，図４は、４つの電極と各対の電極間に形成される３つの間隙(gap) を有する傾斜ディセル装置が、いかに動作するのかを示した図である。図３は、図１に示すイオン注入装置の全体構成において使用される傾斜ディセル装置３に対応している。
【００４４】
すなわち、４つの電極は、二つの組に分けられる。第一組の２つの電極１７，１８は、機械軸１０に対して角度θ1 傾斜して第１の間隙を形成する。第二組の２つの電極１９，２０は、機械軸１０に対して角度θ2 傾斜して第３の間隙を形成する。第２，第３の電極１８，１９は抑制電極となっており、これらは同電位であるため、第一組、第二組の電極間は、第２の間隙として電界のないドリフト空間を形成する。
【００４５】
説明を容易にするために、ここで、各電極の電位をビームエネルギーレベルで表現することにする。図３において、Ｕ1 及びＵ2 は、傾斜ディセル装置３を通過する前後のビームエネルギーを表わし、Ｕ1 は、ディセル電極１７を通過する前のエネルギーレベルであり、Ｕ2 は、ディセル電極２０を通過した後のエネルギーレベルである。Ｕs は、抑制電極として作用するディセル電極１８，１９間でのビームエネルギーレベルである。これらのディセル電極に対して、通常、Ｕs ＞Ｕ1 ＞Ｕ2 の関係が成り立つ。便宜上、Ｕ1 ／Ｕ2 をディセル比、さらにＵs ／Ｕ1 を抑制比と定義する。
【００４６】
イオンビームは、ディセル電極の開口にイオンビームが入射する位置において定められた偏向角δθとオフセット距離Ｄを有してディセル電極に進入する。図３において、偏向角δθは、入射するイオンビームの基軸１０に対する角度であり、オフセット距離Ｄは、イオンビームがビーム経路の基軸１０から離れた距離を示している。このイオンビームは、ディセル電極１７に入射した後、ディセル電極１８までの第１の間隙で、最初加速されて偏向する。それから、ディセル電極１８，１９間の第２の間隙におけるドリフト空間でドリフトしてイオンビームは、基軸１０に接近し、ディセル電極１９，２０間の第３の間隙で減速され、基軸１０に戻るように再び偏向される。この第１の実施形態では、最終的に、オフセット距離はゼロに調整されている。
【００４７】
イオンビームにおける上記の最初のオフセット距離と偏向角は、質量分析磁石２を調整することによって与えられる。オフセット距離Ｄの一次近似値とディセルの入口での偏向角δθは、以下のように与えられる。
【００４８】
δθ＝δＲ／Ｒ                            （２）
Ｄ＝δＲ（１＋Ｆ／Ｒ）
ここで、Ｒは磁石２の曲率半径、Ｆは磁石からディセル電極１７までの距離、Ｄはディセル電極で要求されるオフセット距離、δθは偏向角、δＲは磁石の出口でのオフセット距離である（図１及び図３参照）。通常，ＲはＤより非常に大きい値であるので、δθおよびδＲは、かなり小さい値になり、磁石の性能に影響を及ぼさない。
【００４９】
いわゆるスネル（Schnell)の法則によると、その角は、以下の相関関係がある。
√Ｕ1 ｓｉｎ（θ1 ＋δθ）＝√Ｕs ｓｉｎ（θ1 ＋δθ−φ）    （３）
√Ｕs ｓｉｎ（θ2 −φ）＝√Ｕ2 ｓｉｎθ2           （４）
この運動方程式を解くことによって、ビームオフセット距離の焦点に合わせたディセル電極位置を推測することが可能である。また、オフセット修正距離Ｄc が以下の数式で示される。
【００５０】
【数１】
0004103016.tif 000002
この数式は、Ｄc ＝Ｄが望ましい。ここで、Ｌ1 （第１の間隙），Ｌ2 （第３の間隙）は、前側及び後側のギャップ長さであり、Ｌs は、２つの抑制電極間のドリフト空間である第２の間隙である。また、φは、ビーム基軸に対して第２の間隙で曲げられたイオンビームの偏向角度である。
ディセル装置は、概略的には、
Ｌd 〜Ｌ1 ＋Ｌ2 ＋Ｌs                       （６）
で与えられ、ここでＬd はディセル電極の長さである。
【００５１】
上記の全てのパラメータを変換することによって、商業的な高電流型イオン注入装置に一番適合するものを決定することができる。
ディセル装置を機械的に単純化すると、θ1 ，θ2 ，及びＤは、不変数とみなすことができ、さらに、ディセル電極は、ディセル比の広いレンジで作動すると考えれば、設計を単純化して、例えば、θ1 ＝３０°、θ2 ＝１５°とし、Ｄ＝２ｃｍ，Ｌ1 ＝Ｌ2 ＝１ｃｍ，Ｌs ＝８ｃｍとしたとき、現在の高電流型イオン注入装置において、Ｌd は約１０ｃｍとなる。
【００５２】
また、
【表１】
0004103016.tif 000003
は、上記設計値におけるいくつかのエネルギーレベルにおける作動パラメータを示す表である。各電極の傾斜角度は、固定されており、それぞれのオフセット修正距離Ｄc は、互いに接近している。イオン注入装置の性能は、機械軸から１または２ｍｍだけのわずかなオフセットされただけでは影響を受けない。後側電極が接地電位（０電位）にあるとするならば、他の電極の電位を決定することができ、抑制電極の電位は、−（Ｕs −Ｕ2 ）であり、前側電極の電位は、−（Ｕ1 −Ｕ2 ）である。
【００５３】
図５は、電極の傾斜角度が固定されている場合における傾斜ディセル装置の一例の詳細なグラフであり、オフセット修正距離と、ディセル比の関数として変化する抑制比を示している。これから、ディセル比が３より大きい場合には、オフセット修正距離が、ほんの僅かなだけ変化することが明らかである。この結果は、機械的構造を変更することなく、ディセル比の広範囲に渡って、傾斜ディセル装置３が動作可能であることを意味している。したがって、傾斜ディセル装置３は機械的に簡易に作製することができる。
【００５４】
空間電荷は、超低エネルギーのイオンビームの運動において、非常に大きな影響を与えるということが知られている。空間電荷の力に起因して、イオンビームの横方向への拡がりは、Ｕ-3/2の関数で与えられる。したがって、傾斜ディセル装置の第３の間隙の後方のビーム伝搬は、その設計研究における非常に重要な問題となる。
【００５５】
電位差に起因して、傾斜ディセル装置３の第１と第３の２つの間隙は、また、横方向に集束する力もイオンビーム上に与えることになる。他の通常の電極のように、各間隙の電位差は、ビームの集束力の大きさを決定する。傾斜ディセル装置に関して、Ｕs ／Ｕ1 の抑制比は、集束力の大きさを変更する手段を提供する。注意深いシミュレーションによる設計研究及び必要なビーム試験研究によって、傾斜ディセルのオフセット修正及び横方向の集束の両方を満足する抑制比を選択することができる。
【００５６】
図１において傾斜ディセル装置３の後段に置かれた可動式ファラデーカップ９は、物理的に許容される範囲内で可能な限りウエハ７に近設させて取り付けることが示唆されている。ファラデーカップ９から傾斜ディセル装置３までの距離は、長くなり、ファラデーカップ９からウエハ７までの距離が短くなる。このファラデーカップ９は、減速された超低エネルギービームにのみ働く。減速されたビームを調整しているとき、そのファラデーカップは機械軸１０上に位置している。
【００５７】
このファラーデカップ９の利点として、２つの面がある。第１には、作動中、オペレータは、ファラデーカップ９でのイオンビーム電流が最大となるように調整し、これによりオフセットは正しく修正され、イオンビームは機械軸１０に沿って進ませることができる。第２には、輸送経路が短くなるので、大部分のイオンビームがウエハに到達できる。低エネルギーの伝搬は困難なため、距離が長くなるとビーム損失が大きくなる。調整後、ファラデーカップ９は機械軸１０から引き離される。
【００５８】
次に、図６において、本発明における第２の実施の形態としての傾斜ディセル装置１００が示されている。機械的に単純構造にするために、２つの抑制電極は一緒に接続され、抑制ボックス２２を形成している。このボックスは、その表面に多くの溝が形成されており、真空達成率、すなわち、真空室からの空気排出の容易性が改善されている。抑制ボックス２２は、確実にその内部空間がフィールドフリー（零電界）である。
【００５９】
この良好な傾斜ディセル装置１００は、ディセルモード時の超低エネルギービームに動作するだけでなく、比較的高いエネルギービームに対して動作するドリフトモードにおいても、両立して動作可能である。この傾斜ディセル装置１００の好ましい機械的構造は、図７ａないし図７ｃに示されており、その好ましい形態において、３つの動作モードを有する。
【００６０】
傾斜ディセル装置１００は、前側電極２１、抑制ボックス２２及び後側電極２３の３つの主要部を含んでいる。その長さは、所定の商業的な高電流型イオン注入装置に最適となるように決定される。ディセルモードで動作しているときの電極の位置は、図７ａに示される。
【００６１】
この前側電極２１は、質量分析磁石２の焦点に位置している。前側電極２１は、二つの開口を有し、１つは、ボロン用の開口２５であり、他の１つは、リン用の開口２４である。両開口２４，２５は、高電流型イオン注入装置に備わる開口と同様の作用を呈する。選択されたイオンのために設けられる開口の１つは、機械軸１０から設計されたオフセット距離だけ離れた位置に置かれている。他の抑制ボックス２２と後側電極２３は、それらの設計位置に置かれている。終端に位置する後側電極２３の開口２８は、ちょうど機械軸１０上に位置する。また、これら３つの部材は、すべて設計された電位に接続されている。
【００６２】
前側電極２１の前で発生した中性粒子は、前開口２５と後開口２８が対向していないために、後側電極２３の開口２８を通過することができない。抑制ボックス２２内で発生したこれらの中性粒子は、最後の開口２８を通過することができるが、これらは、ウエハ７に到達する前に最終的にイオンビーム経路の壁に衝突する。したがって、イオン注入装置に傾斜ディセル装置１００を使用した場合、ウエハ等の加工物にイオン注入する際にエネルギー汚染が起こらない。
【００６３】
イオンビームは、第３の間隙から実際に減速される。これは、ウエハまでのビームの移動距離が、従来のディセル装置の場合の移動距離と比較して、傾斜ディセル電極の長さの分だけ短くなることを意味している。したがって、このビームの移動距離が短くなることによって、ウエハまでの輸送中に失われるイオンビームが少なくなり、それだけウエハに到達するイオンが増加し、傾斜ディセル電極１００によってビーム電流は、従来のディセルのビーム電流よりも高くなる。
【００６４】
図７ｂのように、ボロン用のドリフトモードで動作しているときには、電位が０のターンオフ状態になる。それから前側電極のボロン用開口２５は、機械軸１０上に位置するように合わせられ、また、抑制ボックス２２及び終端の後側電極２３は、機械軸１０から引き下げられている。このため、ボロンイオンのビームは、図７ｂに示すように、前側電極の開口２５を通過し、他の電極の影響を受けないでウエハまで直進することが可能となる。リンイオンのビームを使用する場合には、前側電極２１は、図７ｃに示されるように、軸１０上にリン用開口２４が位置するように再び調整される。このように、本発明の傾斜ディセル装置１００は、高電流型イオン注入装置のドリフトモードにおいて、ビーム経路の基軸上に所定のイオンを通過させる前側電極の開口を合わせるように調整できるので、傾斜ディセル電極は、ドリフトモードの操作に何ら悪影響を与えることがない。
【００６５】
次に、図８および図９において、本発明における第３の実施の形態としての傾斜ディセル装置２００が示されている。図８は、偏向角δθで、ディセル電極を通過するイオンビームの進行状態を示す原理図であり、図９は、このためのディセル電極３０〜３２の配置構造とイオンビームの進路を示している。この実施形態において、傾斜ディセル装置２００は、傾斜する３つのディセル電極で構成され、前側電極３０、抑制電極３１、後側電極３２からなる。各電極は、それぞれイオンビームが通過する開口３３，３４，３５を有している。前側電極３０は、機械軸（基軸）に垂直な軸に対してθ1 傾斜し、また後側電極３２はθ2 傾斜している。
【００６６】
図８において、質量分析磁石を通過したイオンビームは、偏向磁石によって、機械軸１０から偏向角δθだけ偏向した方向に進む。このイオンビームは、３つのディセル電極３０〜３２の開口を通過して、イオンと中性粒子が分離される。イオンは、各ディセル電極によってその進行方向が屈曲させられて、後側電極３２の開口から出るとき、イオンビームのオフセット距離Ｄが完全に修正されずに、機械軸１０から所定距離ｄ1 だけ離れて機械軸と平行に進む。このため、第３の形態においては、上述したオフセット距離Ｄをゼロに修正する第１，第２の実施形態とは異なっている。
【００６７】
このように、オフセット距離Ｄをｄ1 に修正する場合でも、イオンと中性粒子は分離される。すなわち、イオンは、機械軸１０から所定の距離だけ離れた状態でウエハ表面に衝突し、一方、中性粒子は、ディセル電極の影響を受けることなく開口を通過してまっすぐに進むが、ウエハに近い距離にあるスクラッパー(scraper) ５０によって、その進行が妨げられている。本形態では、中性粒子を捕捉するスクラッパー５０は、機械軸１０に直交した位置に配置されているが、ディセル電極３２を通過した中性粒子がウエハに到達できないように配置すれば良い。図８において、このスクレーパ５０に衝突する中性粒子と、ウエハ７に衝突する前にスクラッパーの延長線上を通過するイオンとの距離は、ｄ2 だけ離れており、イオンは中性粒子と完全に分離してウエハ７に衝突する。
【００６８】
次に、図１０および図１１において、本発明における第４の実施の形態としての傾斜ディセル装置３００が示されている。この形態では、ディセル電極が２つであり、ディセル電極４０，４１の各開口４２，４３をイオンと中性粒子は共に通過する。これらの電極は、機械軸１０に垂直な軸に対してθ傾斜している。この場合も、イオンはディセル電極４０，４１によって減速されて開口内を屈曲して進み、中性粒子は、影響されずに直進する。このために、イオンと中性粒子は分離され、そして中性粒子はスクラッパー５０によって捕捉されてしまうが、イオンはウエハ７に到達できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上述べたことから明らかなように、本発明の傾斜ディセル装置は、簡単なディセル電極の構造で、イオンビームの減速及び分離の両方を同時に兼ね備えているので、イオン注入装置を小型化し、かつエネルギー汚染を防止することができる。
【００７０】
また、この傾斜ディセル装置は、ディセル電極の長さ及び配置により、ウエハまでのビームの移動距離を短くし、さらにディセル比を飛躍的に大きくすることができるので、超低エネルギービームに対して大電流を供給することができる。さらに、傾斜ディセル装置自体も、操作が容易な機械的構造であるために単純化されている。
【００７１】
また、この傾斜ディセル装置は、ディセルモード以外に、高電流イオン注入装置のドリフトモードにおいても使用でき、完全に両立モードに対して適用できる。そのとき、ドリフトモードの操作に何ら影響を及ぼすことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る傾斜ディセル装置が設けられる高電流型イオン注入装置の概略図である。
【図２】イオンビームの減速及び中性粒子の分離を同時に実現するために、傾斜して配置した２つのディセル電極の原理を説明する図である。
【図３】４つの電極と３つの間隙を有する構造からなる本発明の第１の実施形態を示す傾斜ディセル装置の動作を説明するための図である。
【図４】図３における傾斜ディセル装置の構成を示す模式図である。
【図５】オフセット距離とディセル比の関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る第２の実施形態を示す３つのディセル電極を備える傾斜ディセル装置の構成を示す模式図である。
【図７】図６における本発明の傾斜ディセル装置における３つの動作モードを示し、(a) は、ディセルモード、(b) は、ボロンイオンビームのドリフトモード、(c) は、リンイオンビームのドリフトモード、における各ディセルの動作を説明するための図である。
【図８】本発明に係る第３の実施形態を示す３つのディセル電極を備える傾斜ディセル装置の動作を説明するための図である。
【図９】図８における傾斜ディセル装置の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明に係る第４の実施形態を示す２つのディセル電極を備える傾斜ディセル装置の動作を説明するための図である。
【図１１】図１０における傾斜ディセル装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１      イオン源
２      質量分析磁石
３      ディセル電極
４      フラグファラデーカップ
７      ウエハ
９      ファラデーカップ
１０      機械軸（基軸）
１１      ドリフトモードのイオンビーム
１２      ディセルモードのイオンビーム
１７，１８，１９，２０  ディセル電極
２１      前側電極
２２      抑制ボックス
２３      後側電極
２４，２５，２７，２８  開口
【図１】
0004103016.tif 000004
【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】
0004103016.tif 000009
【図７】
0004103016.tif 000010
【図８】
0004103016.tif 000011
【図９】
0004103016.tif 000012
【図１０】
0004103016.tif 000013
【図１１】
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