(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入装置内に、回転円板を設け、該回転円板は回転機構をおよび該回転円板を回転中心軸に垂直方向に往復運動させる機構を有し、該回転円板は、その周辺部にウエハー状試料を保持する試料ステージを有し、かつ、イオンビームを通過させるところの半径方向に長辺を有するスリットを有し、さらに、該回転円板のバックサイドには、該スリットを通過するイオン電流値を測定する固定式のイオン電流検出機構を設け、測定されるイオンビーム電流値と、該回転円板の中心からウエハ状試料面上の特定位置までの距離に応じて往復運動速度を変化させることを特徴としたコンビナトリアルイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハーやセラミックス、ガラスなどの無機材料、金属材料などの各種の試料にイオン注入し、新規材料合成の組成、ドーズ量、注入エネルギーの最適化などを行うための機械式コンビナトリアルイオン注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入法は、様々な元素のイオンを高真空中で加速し、材料中に注入させる方法で、現代の情報社会を支える半導体産業では欠かすことのできない技術である。イオン注入法は、極めて容易に、かつ精密に元素組成をコントロールすることができ、さらに、結晶格子と高エネルギーイオンビームとの相互作用により、材料中に多量に格子欠陥を導入させたり、化学物質の反応を促進させたりすることが際立った特徴である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
イオン注入を用いた材料開発では、イオンが注入される材料が極めて多様な可能性を秘めた材料であることが重要である。酸化亜鉛、ペロブスカイト基化合物のような酸化物セラミックスは新規機能性材料の宝庫であるといわれている。これらを基本とする材料を対象として革新的な機能を持つ材料の探索が行われており、イオン注入法にコンビナトリアルケミストリ手法を取り込むことで、材料探索が容易にかつ短時間でできるものと期待される。
【０００４】
イオン注入法を用いると基板となる材料の表面からミクロン程度までの領域においてppmオーダから％オーダーまでの広い範囲で組成を制御することが可能である。従来、様々な組成をパラレルに処理し、評価していくコンビナトリアル対応の試料を作成するために各種のマスキング装置が開発されている。（特開2001-167727号公報）
【０００５】
従来の機械的走査方式イオン注入装置においては、ウエハ状試料が搭載された円板（図２）を、該円板の一半径方向に往復運動させながら、該円板を一定の高速度で回転させている。該円板には図２に示したような長方形のスリットが開けられており、照射イオンビームが通過する。該円板のウエハ状試料搭載面の裏には、円板から少し離れた位置にファラデーカップが固定されて設けられ、該スリットを通過したイオンビーム電流値が円板１回転あたり１度測定され、該円板の往復運動速度が、これに比例するように制御される。このようにすることにより、ウエハ状試料面に一様にイオン注入が行われる。
【０００６】
［従来の機械式イオン注入の原理］
この原理を簡単な数式で説明する。ウエハ状試料面上の位置が円板中心からの距離ｒの場所にイオン注入が行われている状態を考えると、円板１回転あたり以下の式が成り立つ。
【式１】
0004257404.tif 000002
【０００７】
ここで、Ｄ＝イオン注入量（ｃｍ-2）、ｅ＝１．６×１０19（Ｃ）、Ｎ＝円板往復回数（イオン注入前に所望の値に設定）、Ｉ＝イオンビーム電流（時間的に変動）、ｉ＝ファラデーカップで測定される電流値（Ａ）（Ｉに比例して時間的に変動）、ｗ＝長方形スリットの半径に直行する方向の幅（ｃｍ）（既知の一定値）、ｖ＝円板往復の直線運動速度（ｃｍ／秒）である。
【０００８】
上式より、
ｖ＝（２Ｎｉ）／（ｅＤｗ）  （式２）
を得る。すなわち、ｖをｉに比例させることによって、任意のｒの位置で、ｒに依存せずに、ウエハ状試料面に一様なイオン注入が可能となる。
【０００９】
このような円板往復速度の制御方式は、ウエハ状試料面内でイオン注入量を均一にすることが要求されるマスプロダクションにおいて優れた方式である。一方、ウエハ状試料へのイオン注入量の最適値を模索するような製品開発段階において同一ウエハ状試料面内へのイオン注入量を変化させたい場合（通常これをコンビナトリアルイオン注入と称する）には適していない。従来、上記の制御方式を用いたイオン注入装置を用いてコンビナトリアルイオン注入を行う場合、ウエハ状試料内のイオン注入を行わない場所にマスク材で遮蔽し、それ以外の部分にイオンビームが照射されるようにしていた。そのため、ウエハ状試料面内にイオン注入量の異なる領域を設けたい場合、１バッチのイオン注入を行うたびにマスク遮蔽位置の変更を行う必要があったため、作業効率が極めて悪かった。
【００１０】
しかし、マスキング装置はある面積で均一領域を製作することが目的であり、試料面内において注入量のグラデーションをウエハ状試料に持たせることを目的とした仕様ではない。また、ウエハ状試料の前面にマスクを搭載することでは、マスクからのイオンの回り込みの現象が発生し、１×１mm以下のピクセルを製作することだけでなく、本発明が目指しているドーズ量のグラデーションを有するウエハ状試料を製作することは難しい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、イオン注入装置内に、回転円板を設け、該回転円板を回転機構および該回転円板を回転中心軸に垂直方向に往復運動させる機構を有し、該回転円板は、その周辺部のイオンビームが照射される位置にターゲットとなるウエハ状試料を保持する試料ステージを有し、該回転円板にはイオンビームを通過させるところの半径方向に長辺を有するスリットを有し、さらに該回転円板のバックサイドには該スリットを通過するイオン電流値を測定する固定式のイオン電流検出器を設けた機械式コンビナトリアルイオン注入装置である。この仕様により、該回転円板の中心からウエハ状試料面上の特定位置までの距離に応じて往復運動速度を変化させることによりイオン注入量のグラデーションを１つの試料の面内に有する各種の材料の試料の製作が可能になる。
【００１２】
［原理］
上記の目的を達成するために、本発明では、ウエハ状試料を搭載させる回転円板の方向移動速度（ｖ）を回転円板の中心からウエハ状試料面上の距離（ｒ）に応じてイオン注入量を変化させるようにした。ウエハ状試料面内でのイオン注入量の等高線の一例を図１に示す。これを実現するためには、次式のようにｖをｒの関数にすれば良い。
ｖ＝ｆ（ｒ）×（２Ｎｉ）／（ｅＤｗ）    （式３）
このとき、Ｄはｆ（ｒ）＝１のときに得られるイオン注入量である。
最も簡単な例として、ｖをｒに比例させる場合を考える。これを実現するためにはｖの制御を次式で行えばよい。
ｖ＝（２Ｎｉｋｒ）／（ｃＤｄ）          （式４）
ここで、ｋは比例定数（ｃｍ-1）である。
【００１３】
このような制御によって、図１に示すようなイオン注入量面内分布が実現できる。この例では、ｆ（ｒ）をｒの１次関数としたが、ｆ（ｒ）は任意の関数でよいため、イオン注入量の面内勾配を急峻にしたいときは、例えば、ｆ（ｒ）を２次関数や３次関数といった高次関数とすれば良い。また、半径方向の帯状領域のイオン注入量を一定にさせたいときは、ｆ（ｒ）としてステップ関数を与えれば良い。
以上のような方式で、円板の往復直線方向の移動速度（ｖ）の制御を行うことによって、イオン注入遮蔽用のマスクを一切用いずに、ウエハ状試料面内の１方向にイオン注入量変化を系統的に作り出すことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、イオン注入を制御して１つの試料の面内にイオン注入量のグラデーションを有する試料を製作する本発明の装置における回転円板の概略平面図を示す。図２は、図１のA-A’方向断面図である。
【００１５】
長方形のウエハ状試料３を複数個搭載するステージを有する回転円板２は回転運動と同時に回転中心軸に垂直方向（図２に矢印で示す）に往復運動する機構を（図示せず）を設けている。回転円板２には、固定したイオン源（図示せず）から回転円板２の平面と直交する方向にイオンビームが通過するように、半径方向に長辺を有するスリット１を設ける。スリット１の長さよりウエハ状試料３の長さは短くする。ウエハ状試料３の形状、厚み、幅、長さなどには特に制限はない。配置するウエハ状試料３の数はその形状、大きさに応じて適宜定める。同種の試料のみならず異種の試料を配置してもよい。イオンビーム源を固定し、回転円板２を回転運動と同時に回転中心軸に垂直方向に往復運動することによりウエハ状試料３の全面がイオンビームで走査される。。
【００１６】
イオン注入中のイオン電流値は、図２に示すように、回転円板２のバックサイドに設けた固定式のイオン電流検出装置４で、スリット１を通過したイオン量を測定する。測定されたイオン量の時間での積分量が注入量となる。このイオン注入システムで、試料３の面内に注入量のグラデーションを実現できる。
【００１７】
図３は、本発明の装置を用いたイオン注入で得られるウエハ状試料の面内でのイオン注入量の一例を示す模式図である。図の中の太さの異なる６本の縦線はイオン注入量の等濃度線であり、太さの違いがイオン注入量の違いに相当し、回転軸中心方向に注入量が多くなっている。ウエハ状試料としては無機材料、有機材料全般を使用可能である。注入イオン種としては、B、Ｐ、Ａｒ、Ａｓ、などが挙げられる。
【００１８】
従来、イオン注入技術においては、ある目的の面積に均一なイオン注入を行うことを目的として行われ、それに伴う技術開発が主であった。本発明の装置によれば、イオン注入法にコンビナトリアルケミストリーの手法を持ち込むことによりウエハ試料内に組成のグラデーションが製作可能となり、各種の材料のウエハ状試料内に制御された組成またはドーズ量のグラデーションを作り込むことができる。
【００１９】
【実施例】
実施例１
図１、図２に示すとおりの回転円板２をイオンビームを走査せず、試料を走査する仕様を高電流イオン注入装置内に設けた。回転円板２の半径は７０ｃｍであり、固定パラメーターである回転円板２上のスリット１の幅は２cm、長さは２２ｃｍとし、その中心部はr＝１０cmの位置とした。回転円板２の回転速度は１２００ｒｐｍとした。イオン注入量は１×１０16ｃｍ−2、回転円板２の回転中心軸と垂直方向の往復振幅は１９ｃｍ、往復回数（A-A’方向）は３０回に設定した。イオン注入エネルギーは８０ＫｅＶとした。回転円板２のバックサイド５ｃｍの位置に固定式のイオン検出機構４としてファラデーカップを設けた。
【００２０】
回転円板２の回転中心からウエハ状試料３までの距離は２５〜４０ｃｍの範囲とし、イオンビーム走査範囲は、回転円板２の回転中心からウエハ状試料３までの距離＝２３〜４２ｃｍとした。イオンビーム電流値および回転円板中心からウエハ状試料３までの距離に比例するように直線方向往復速度を制御した。制御方法は上述の式３に基づいている。
【００２１】
ウエハ状試料３は長方形の（１００）シリコンチップ（１５×５ｃｍ2）を、注入イオンはヒ素の一価プラスイオンを用いた。スリット１を通過するイオン電流値を測定した。イオンビームの電流値(I)は１〜２ｍＡの範囲であった。ウエハ状試料３中のヒ素の深さ方向分布測定は二次イオン質量分析装置を用い、検出されたヒ素イオンの積分値とシリコン中のヒ素の相対感度因子からイオン注入量を求めた。
【００２２】
測定場所は、チップ中央、長辺側チップ端近傍（ｒ＝２４ｃｍおよび３９ｃｍ）の計３点で行った。その結果、狙ったイオン注入量である１．０×１０16ｃｍ-2（ｒ＝３２．５ｃｍ）、１．２×１０16(ｒ＝２４ｃｍ)、および７．４×１０15ｃｍ−2（ｒ＝３９ｃｍ）がそれぞれ測定され、狙い通りのコンビナトリアルイオン注入が行われた。
【００２３】
【発明の効果】
上記のとおり、本発明は、イオン注入法で連続的なコンビーケミカルライブラリーの製作を目的とした仕様であり、これにより新規材料合成の組成の最適化が短時間で行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、イオン注入を制御して１つのウエハ状試料の面内に注入量のグラデーションを有する試料を製作する本発明の装置における回転円板の概略平面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ’方向断面図である。
【図３】図３は、本発明の装置を用いたイオン注入で得られる長方形試料の面内でのイオン注入量のグラデーションの一例を示す模式図である。
【図１】
0004257404.tif 000003
【図２】
0004257404.tif 000004
【図３】
0004257404.tif 000005