JP2009152002A

JP2009152002A - イオンビーム照射装置

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Publication number: JP2009152002A
Application number: JP2007327452A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Inai; 裕井内; Shojiro Doi; 正二郎土肥; Masaaki Nukayama; 正明糠山
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】基板の大型化に対応することができ、かつ重量増大を軽減し、ビームライン長増大およびビーム電流密度低下を防止することができる装置を提供する。
【解決手段】このイオンビーム照射装置は、イオン源２ａ、２ｂ、分析電磁石６ａ、６ｂおよび基板駆動装置１４を備えている。イオン源２ａは、Ｙ方向の寸法が長いリボン状のイオンビーム４ａを発生させる。イオン源２ｂは、Ｙ方向の寸法が長くかつイオンビーム４ａとはＹ方向の中心位置が異なるリボン状のイオンビーム４ｂを発生させる。分析電磁石６ａは、イオンビーム４ａをその主面に交差する方向に曲げて運動量分析を行って通過させる。分析電磁石６ｂは、イオンビーム４ｂをその主面に交差する方向に、かつ分析電磁石６ａとは逆方向に曲げて運動量分析を行って通過させる。基板駆動装置１４は、基板１０を、分析電磁石６ａ、６ｂを通過した両イオンビーム４ａ、４ｂの主面と交差する方向に移動させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板にイオンビームを照射して、基板に例えばイオン注入、イオンビーム配向処理等の処理を施すイオンビーム照射装置に関し、より具体的には、基板にリボン状（これはシート状または帯状と呼ばれることもある。以下同様）のイオンビームを照射することと、基板をイオンビームの主面と交差する方向に移動させることとを併用する方式のイオンビーム照射装置に関する。このイオンビーム照射装置は、基板にイオン注入を行う場合は、イオン注入装置とも呼ばれる。

リボン状のイオンビームと基板移動とを併用するイオンビーム照射装置の代表例として、次の従来技術ＡおよびＢが挙げられる。

従来技術Ａは、イオン源から長手方向の寸法（後述するＹ方向の寸法Ｗ_Y）が大きい長尺のリボン状イオンビームを引き出し、そのイオンビームを長ギャップの分析電磁石を通して質量分析を行った後に基板に照射するものである（例えば特許文献１参照）。イオン源から引き出されたイオンビームの長手方向の寸法は、ビーム軌道上でほぼ保存される。

上記従来技術Ａは、イオン源から長尺のリボン状イオンビームを引き出すので、（ａ）イオンビームの長尺化のための距離が不要であり、従ってビームライン（イオン源から基板までのイオンビームの経路。以下同様）の長さを短くすることが可能である、（ｂ）イオンビームの大電流化が容易である、（ｃ）大電流イオンビームの割にビーム電流密度が小さくて済むので、イオンビームの空間電荷効果による発散が少なく、低エネルギーかつ大電流のイオンビームの輸送が容易である、（ｄ）イオンビーム長手方向のビーム強度分布（即ちビーム電流密度分布）がビームラインでほぼ保存されるので、基板に照射されるイオンビームの強度分布制御をイオン源によって行うことができ、ビーム強度分布の制御が容易である、等の長所を有している。

従来技術Ｂは、比較的小さなイオン源から扇状に広がる（発散する）イオンビームを引き出し、そのイオンビームを発散途中で分析電磁石を通して質量分析を行った後に、ビーム平行化器（例えば４重極子デバイス、ビーム平行化マグネット等）によって平行ビーム化して長尺のリボン状イオンビームにした後に基板に照射するものである（例えば特許文献２参照）。イオンビームを発散させることによって、イオンビームの長手方向の長さを確保している。

上記従来技術Ｂは、イオンビームをその長尺方向の寸法が小さい間に質量分析することが可能であるので（即ち最終的なビームの長さよりも小さなギャップ長の分析電磁石で良いので）、分析電磁石をあまり大きくせずに済む、等の長所を有している。

特開２００５−３２７７１３号公報（段落００１０−００１１、図１−図４）特開２００６−１３９９９６号公報（段落００１０−００１１、図１、図４）

例えばフラットパネルディスプレイの生産性を高める等のために、基板は大型化する傾向にあり、それに対応するために、イオンビームの更なる長尺化が求められている。

その場合、上記従来技術Ａでは、イオン源から引き出すイオンビームの長手方向の長さを大きくすることになるが、イオン源から引き出して輸送するイオンビームの長さが例えば２倍程度になると、分析電磁石の重さが４倍程度になるという課題がある。これは、簡単に言えば、分析電磁石のギャップ長が約２倍になるだけでなく、ギャップ長を大きくしたことに伴って漏れ磁場を防ぐために鉄心の厚さを大きくする等の必要があり、これらを総合すると、４倍程度になるからである。

一方、上記従来技術Ｂでは、リボン状イオンビームの長手方向の寸法を大きくするためには、イオンビームが広がる距離を確保するためにビームラインの長さを大きくする必要があり、ビームラインの長さが大きくなると、イオンビームの輸送効率が低下するという課題がある。これは、イオンビームが空間電荷効果によって発散することに加えて、イオンビームが構造物に衝突しやすくなるからである。低エネルギーかつ大電流のイオンビームは空間電荷効果による発散が大きいので、そのようなイオンビームの輸送はより困難になる。イオンビームの輸送効率が低下するとスループットが低下する。

また、上記従来技術Ｂでは、イオン源から引き出されるビーム電流が同じであれば、ビーム寸法拡大に応じて、最終的に基板に照射されるイオンビームのビーム電流密度が小さくなるという課題もある。ビーム電流密度が小さくなるとスループットが低下する。

以上のように、従来技術ＡおよびＢは、いずれも、それぞれ長所を有しているものの、基板の大型化に対応するためには上記のような課題を有している。

そこでこの発明は、基板の大型化に対応することができ、しかも重量増大を軽減し、かつビームライン長増大およびビーム電流密度低下を防止することができるイオンビーム照射装置を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るイオンビーム照射装置は、基板にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置であって、進行方向と実質的に直交する平面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と実質的に直交するＸ方向の寸法よりも大きいリボン状の第１のイオンビームを発生させる第１のイオン源と、前記第１のイオン源とは前記Ｙ方向における中心の位置を異にして配置されていて、進行方向と実質的に直交する平面内における前記Ｙ方向の寸法が前記Ｘ方向の寸法よりも大きく、かつ前記第１のイオンビームとは前記Ｙ方向における中心の位置が異なるリボン状の第２のイオンビームを発生させる第２のイオン源と、前記第１のイオン源からの第１のイオンビームを受けて当該イオンビームを、その主面に交差する方向に曲げて当該イオンビームの運動量分析を行って通過させる第１の分析電磁石と、前記第１の分析電磁石とは前記Ｙ方向における中心の位置を異にして配置されていて、前記第２のイオン源からの第２のイオンビームを受けて当該イオンビームを、その主面に交差する方向に、かつ前記第１の分析電磁石による方向とは逆方向に曲げて当該イオンビームの運動量分析を行って通過させる第２の分析電磁石と、前記基板を保持するホルダを有していて、当該ホルダに保持された前記基板に前記第１および第２の分析電磁石を通過した前記第１および第２のイオンビームが入射するように、前記基板を前記第１および第２のイオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置とを備えていることを特徴としている。

このイオンビーム照射装置によれば、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きい第１および第２のリボン状のイオンビームを、互いにＹ方向にずらして、即ちＹ方向の中心の位置を異にして、基板に照射することができる。基板は、基板駆動装置によって、第１および第２のイオンビームの主面と交差する方向に移動させられるので、基板には、上記第１および第２のイオンビームの両方が、互いにＹ方向にずれた状態で照射される。その結果、基板に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さを、第１または第２のイオンビーム単独の場合よりも大きくすることができる。

前記第１および第２の分析電磁石と前記基板駆動装置との間に設けられていて、前記第１および第２の分析電磁石をそれぞれ通過した前記第１および第２のイオンビームを、それらの主面に交差する方向に、かつ互いに逆方向に曲げて、前記第１および第２のイオンビーム間の前記Ｘ方向における距離を入射時よりも小さくして出射するビーム偏向器を更に備えていても良い。

前記第１および第２のイオンビームは、少なくとも前記ホルダ上の基板に入射する位置において、前記Ｙ方向の位置が互いに部分的に重なっていても良い。

前記ホルダ上の基板の下流側または上流側に設けられていて、前記第１および第２のイオンビームの前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、前記第１および第２のイオンビームの前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布をそれぞれ調整する第１および第２のビームプロファイル調整手段とを更に備えていても良い。

前記ビームプロファイルモニタからの測定情報に基づいて前記第１および第２のビームプロファイル調整手段を制御して、前記基板に照射されるイオンビームの、前記部分的に重なっている部分を含めた前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う機能を有している制御装置を更に備えていても良い。

前記第１および第２のイオン源の内の少なくとも一方を前記Ｙ方向に複数個有しており、前記第１の分析電磁石を前記第１のイオン源と同数有しており、かつ前記第２の分析電磁石を前記第２のイオン源と同数有していても良い。

請求項１に記載の発明によれば、基板に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さを、第１または第２のイオンビーム単独の場合よりも大きくすることができる。その結果、基板の大型化に対応することができる。

しかも、第１および第２のイオンビームの運動量分析を第１および第２の分析電磁石で個別に行うので、第１および第２の分析電磁石の重量を合計しても、上記Ｙ方向の合計の長さに相当する長尺のイオンビームを運動量分析する分析電磁石の重量に比べて、重量は軽くて済み、重量増大を軽減することができる。

更に、第１および第２のイオン源からリボン状のイオンビームをそれぞれ発生させるので、上記従来技術Ｂのように比較的小さなイオン源から扇状に広がるイオンビームを引き出しそれを平行ビーム化して長尺のリボン状イオンビームを得る技術に比べて、ビームライン長の増大およびビーム電流密度低下を防止することができる。従って、低エネルギーかつ大電流のイオンビームの輸送も容易である。

請求項２に記載の発明によれば、上記ビーム偏向器によって、第１および第２のイオンビーム間のＸ方向における距離を小さくすることができるので、そのぶん基板駆動装置による基板の移動距離を小さくすることができ、そのぶんスループットを向上させることができる、という更なる効果を奏する。

請求項３に記載の発明によれば、第１および第２のイオンビームのＹ方向の位置が互いに部分的に重なっているので、基板にＹ方向において切れ目なくイオンビームを照射することができる、という更なる効果を奏する。

請求項４に記載の発明によれば、上記のようなビームプロファイルモニタと、第１および第２のビームプロファイル調整手段とを備えているので、基板に照射されるイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整することが容易になる、という更なる効果を奏する。

請求項５に記載の発明によれば、上記のようなビームプロファイルモニタと、第１および第２のビームプロファイル調整手段と、制御装置とを備えているので、第１および第２のイオンビームのＹ方向の位置が互いに部分的に重なっていても、基板に照射されるイオンビームの、上記部分的に重なっている部分を含めたＹ方向におけるビーム電流密度分布を自動制御によって均一化することができる、という更なる効果を奏する。

請求項６に記載の発明によれば、基板に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さをより大きくすることができるので、基板のより大型化に対応することが容易になる、という更なる効果を奏する。

図１は、この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。図２は、図１中の線Ｃ−Ｃに沿う概略断面図である。図３は、図１中の矢印Ｑ方向に見た概略図であり、ホルダおよび基板駆動装置は省略している。図２と図３とは、見る方向が逆であるから、第１のイオンビーム４ａと第２のイオンビーム４ｂの左右の位置は逆になっている。

以下の図においては、イオンビーム４ａ、４ｂの進行方向を常にＺ方向とし、このＺ方向に実質的に直交する平面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としている。例えば、Ｘ方向およびＺ方向は水平方向であり、Ｙ方向は垂直方向である。またこの明細書において、イオンビーム４ａ、４ｂを構成するイオンは正イオンの場合を例に説明している。

このイオンビーム照射装置は、基板１０にリボン状のイオンビーム４ａおよび４ｂを照射して、基板１０にイオン注入、イオンビーム配向処理等の処理を施す装置である。

基板１０は、処理対象となる材料の総称であり、例えば、ガラス基板、配向膜付ガラス基板、半導体基板、その他の基板である。その平面形状は、例えば四角形であるが、それに限られるものではない。

このイオンビーム照射装置は、図４も参照して、Ｙ方向の寸法Ｗ_YがＸ方向の寸法Ｗ_Xよりも大きいリボン状の第１のイオンビーム４ａを発生させる第１のイオン源２ａと、このイオン源２ａとはＹ方向における中心の位置を異にして配置されていて、Ｙ方向の寸法Ｗ_YがＸ方向の寸法Ｗ_Xよりも大きく、かつイオンビーム４ａとはＹ方向における中心の位置が異なるリボン状の第２のイオンビーム４ｂを発生させる第２のイオン源２ｂとを備えている。

両イオンビーム４ａ、４ｂの寸法Ｗ_X、Ｗ_Yは、この実施形態では互いにほぼ同じであるが、異なるものでも良い。

両イオンビーム４ａ、４ｂは、リボン状と言ってもＸ方向の寸法Ｗ_Xが紙や布のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム４ａ、４ｂのＸ方向の寸法Ｗ_Xは３０ｍｍ〜８０ｍｍ程度、Ｙ方向の寸法Ｗ_Yは、４０ｃｍ〜８０ｃｍ程度である。このイオンビーム４ａ、４ｂの大きい方の面、即ちＹＺ面に沿う面が主面５である。

この実施形態では、第１のイオン源２ａ、第１のイオンビーム４ａおよび後述する第１の分析電磁石６ａよりも、第２のイオン源２ｂ、第２のイオンビーム４ｂおよび後述する第２の分析電磁石６ｂの方が、Ｙ方向における上側に位置しているが、この逆でも良い。

このイオンビーム照射装置は、更に、第１のイオン源２ａからの第１のイオンビーム４ａを受けて当該イオンビーム４ａを、その主面５（図４参照。以下同様）に交差する方向に曲げて当該イオンビーム４ａの運動量分析（例えば質量分析。以下同様）を行って通過させる第１の分析電磁石６ａと、この第１の分析電磁石６ａとはＹ方向における中心の位置を異にして配置されていて、第２のイオン源２ｂからの第２のイオンビーム４ｂを受けて当該イオンビーム４ｂを、その主面５に交差する方向に、かつ第１の分析電磁石６ａによる方向とは逆方向に曲げて当該イオンビーム４ｂの運動量分析（例えば質量分析）を行って通過させる第２の分析電磁石６ｂとを備えている。

両分析電磁石６ａ、６ｂには、例えば上記特許文献１に記載されているような公知の分析電磁石を使用することができる。

両分析電磁石６ａ、６ｂを、この実施形態のように、イオンビーム４ａ、４ｂを互いに逆方向に曲げるものにすると、図２に示す例のように、両分析電磁石６ａ、６ｂのＹ方向の位置が互いに部分的に重なるようにすることができるので、両イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向における位置を互いに近づけたり、両イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向における位置を互いに部分的に重ねることが容易になる。

両分析電磁石６ａ、６ｂは、この実施形態では、それらから出射するイオンビーム４ａ、４ｂが互いに実質的に平行になるように配置している。従って、基板１０には、両イオンビーム４ａ、４ｂは互いに実質的に平行に入射する。両分析電磁石６ａ、６ｂから出射する両イオンビーム４ａ、４ｂ間は、Ｘ方向において距離Ｌ₁（図３参照）だけ離れている。

各分析電磁石６ａ、６ｂの下流側には、この実施形態のように、各分析電磁石６ａ、６ｂとそれぞれ協働して第１および第２のイオンビーム４ａおよび４ｂの運動量分析をそれぞれ行う第１および第２の分析スリット８ａおよび８ｂをそれぞれ設けておくのが好ましい。そのようにすると、運動量分析の分解能を向上させることができる。

上記第１のイオン源２ａ、分析電磁石６ａおよび分析スリット８ａと、上記第２のイオン源２ｂ、分析電磁石６ｂおよび分析スリット８ｂとは、この実施形態では、平面的には、簡単に言えば、所定の中心線を中心にして線対称に配置されている。

なお、各イオン源２ａ、２ｂから引き出されたイオンビーム４ａ、４ｂは、Ｘ方向について細かく言えば、Ｘ方向において若干発散し、各分析電磁石６ａ、６ｂによって各分析スリット８ａ、８ｂ付近である程度絞られるように集束されるけれども、そのことはこの発明の本質には殆ど関係しないので、図面においては、そのようなＸ方向における発散、集束は無視して図示している。

このイオンビーム照射装置は、更に、基板１０を保持するホルダ１２を有していて、当該ホルダ１２に保持された基板１０に両分析電磁石６ａ、６ｂを通過した第１および第２のイオンビーム４ａおよび４ｂが入射するように、ホルダ１２に保持された基板１０を、例えば図１、図３中に矢印Ｄで示すように、両イオンビーム４ａ、４ｂの主面５と交差する方向（例えばＸ方向に沿う方向）に移動させる基板駆動装置１４を備えている。基板駆動装置１４による基板１０の上記移動は、例えば往復移動であるが、片道移動でも良い。

両イオン源２ａ、２ｂから基板１０までのイオンビーム４ａ、４ｂの経路および基板１０の周りは、図示しない真空容器内に収納されていて、真空雰囲気に保たれる。後述するビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂを設ける場合は、当該ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂまで真空雰囲気に保たれる。

このイオンビーム照射装置においては、各イオン源２ａ、２ｂから引き出された各イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向の寸法Ｗ_Yは、基板１０に照射されるまで、ビーム軌道上でほぼ保存される。

このイオンビーム照射装置によれば、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きい第１および第２のリボン状のイオンビーム４ａ、４ｂを、互いにＹ方向にずらして、即ちＹ方向の中心の位置を異にして、基板１０に照射することができる。基板１０は、基板駆動装置１４によって、第１および第２のイオンビーム４ａ、４ｂの主面５と交差する方向に移動させられるので、基板１０には、上記第１および第２のイオンビーム４ａ、４ｂの両方が、互いにＹ方向にずれた状態で照射される。即ち、両イオンビーム４ａ、４ｂ自体はＸ方向に距離Ｌ₁だけずれていて互いに重なっていないけれども、基板１０を上記のように移動させることによって、基板１０には、イオンビーム４ａおよび４ｂの両方が照射されることになる。

その結果、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さを、第１または第２のイオンビーム４ａ、４ｂ単独の場合よりも大きくすることができる。基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向の長さを、等価的にまたは実質的に大きくすることができると言うこともできる。

その結果、基板１０の大型化に対応することができる。しかも上記従来技術Ａの長所を維持しつつ、重量増大を軽減することができる。

即ち、第１および第２のイオンビーム４ａ、４ｂの運動量分析を第１および第２の分析電磁石６ａ、６ｂで個別に行うので、第１および第２の分析電磁石６ａ、６ｂの重量を合計しても、上記Ｙ方向の合計の長さ（例えば図３中の合計の長さＬ₃参照）に相当する長尺のイオンビームを運動量分析する分析電磁石の重量に比べて、重量は軽くて済み、重量増大を軽減することができる。

例えば、基板１０に照射するイオンビームのＹ方向の長さを２倍にしようとすると、上記従来技術Ａでは、前述したように、そのような長尺のリボン状イオンビーム用の分析電磁石の重量が４倍程度になるけれども、このイオンビーム照射装置では、上記構成によって基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さを、第１または第２のイオンビーム４ａ、４ｂ単独の場合の２倍程度にしても、各分析電磁石６ａ、６ｂの重量は変わらずその合計の重量が２倍（２台だから２倍）になるだけであるので、両分析電磁石６ａ、６ｂを含めた装置全体の重量も、２倍程度に抑えることができる。

更に、第１および第２のイオン源２ａ、２ｂからリボン状のイオンビーム４ａ、４ｂをそれぞれ発生させるので、上記従来技術Ｂのように比較的小さなイオン源から扇状に広がるイオンビームを引き出しそれを平行ビーム化して長尺のリボン状イオンビームを得る技術に比べて、ビームライン長の増大およびビーム電流密度低下を防止することができる。従って、低エネルギーかつ大電流のイオンビームの輸送も容易である。

これを詳述すると、このイオンビーム照射装置には次のような長所がある。

（ａ）初めから、即ちイオン源２ａ、２ｂからリボン状のイオンビーム４ａ、４ｂを発生させるので、イオンビームの長尺化のための距離が不要であり、従ってイオン源２ａ、２ｂから基板１０までのビームラインの長さが長くなるのを防止することができる。即ちビームラインの長さを短くすることが可能である。従って、空間電荷効果による発散等による損失を小さくして、イオンビームの輸送効率を高めることができる。

（ｂ）初めから、即ちイオン源２ａ、２ｂからリボン状のイオンビーム４ａ、４ｂを発生させるので、イオンビーム４ａ、４ｂの大電流化が比較的容易である。

（ｃ）初めから、即ちイオン源２ａ、２ｂからリボン状のイオンビーム４ａ、４ｂを発生させるので、大電流イオンビーム４ａ、４ｂの割にビーム電流密度は小さくて済む。その結果、イオンビーム４ａ、４ｂの空間電荷効果による発散が少なく、従って低エネルギーかつ大電流のイオンビーム４ａ、４ｂの輸送が容易である。

例えば、近年は、基板１０上に形成される半導体デバイスの微細化に対応してイオン注入深さを浅くする等の観点から、基板１０に照射するイオンビームには低エネルギーのものが望まれており、しかも装置のスループットを高める観点から大電流のイオンビームが望まれており、即ち低エネルギーかつ大電流のイオンビームが望まれているので、上記低エネルギーかつ大電流のイオンビーム４ａ、４ｂの輸送が容易であるという効果は大きい。

（ｄ）初めから、即ちイオン源２ａ、２ｂからリボン状のイオンビーム４ａ、４ｂを発生させるので、イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向のビーム電流密度分布がビームラインでほぼ保存される。従って、基板１０に照射されるイオンビーム４ａ、４ｂのビーム電流密度分布の制御をイオン源２ａ、２ｂによって行うことができ、ビーム電流密度分布の制御が容易である。

なお、両イオンビーム４ａ、４ｂは、この実施形態では、図３に示すように、少なくともホルダ１２上の基板１０に入射する位置において、Ｙ方向の位置が互いに部分的に重なっている。この明細書において「部分的に重なっている」と言うのは、イオンビーム自体が部分的に重なっているのではなく、図３に示すように、イオンビームのＹ方向の位置が部分的に重なっていることを言う。従って、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さＬ₃を、各イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向の寸法の約２倍弱にすることができる。例えば、各イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向の寸法を共に約８０ｃｍとし、上記重なっている部分Ｆの寸法Ｌ₂を約２０ｃｍとすると、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さＬ₃を約１４０ｃｍにすることができる。このように重なっている部分Ｆを設けておくと、基板１０にＹ方向において切れ目なくイオンビームを照射することができる。

もっとも、基板１０上にイオンビーム照射を必ずしも必要としない領域がある等の場合には、例えば基板１０の表面に複数のセルが分割帯を挟んでマトリックス状に配置されている場合は分割帯にイオンビームを照射する必要はないので分割帯にイオンビームの切れ目を位置させれば良く、従って両イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向の位置が互いに部分的に重なっていなくても良い場合もある。

この実施形態のように重なっている部分Ｆを有している場合、仮に両イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向におけるビーム電流密度分布が均一であると、基板１０に対するイオンビーム照射量（例えばイオン注入量）は、重なっている部分Ｆに対応する領域において他よりも多くなる。しかしこれは、イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整することによって解消することができる。これを以下に説明する。

図１、図３を参照して、このイオンビーム照射装置は、更に、ホルダ１２上の（即ちホルダ１２に保持された）基板１０の下流側の近傍に設けられていて、各イオンビーム４ａ、４ｂをそれぞれ受けて各イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向におけるビーム電流密度分布をそれぞれ測定する第１および第２のビームプロファイルモニタ２０ａおよび２０ｂを備えている。両ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂは、ホルダ１２上の基板１０の上流側の近傍に設けても良い。

両ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂをホルダ１２上の基板１０の下流側に設ける場合は、それらによる測定時には、基板駆動装置１４によって基板１０を測定の邪魔にならない位置に移動させれば良い。両ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂをホルダ１２上の基板１０の上流側に設ける場合は、基板１０へのイオンビーム照射時には、何らかの手段によって、両ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂを基板１０へのイオンビーム照射の邪魔にならない位置に移動させれば良い。

両ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂは、例えば、複数のビーム検出器（例えばファラデーカップ。以下同様）をＹ方向に並べたものである。

上記のように二つのビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂを設ける代わりに、両イオンビーム４ａ、４ｂを受けて各イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向のビーム電流密度分布をそれぞれ測定する一つのビームプロファイルモニタを設けても良い。この場合のビームプロファイルモニタは、例えば、複数のビーム検出器をＸ方向およびＹ方向に並べたものである。なお、以下の説明では、ビームプロファイルモニタとして、二つのビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂを用いる場合を例に説明しているが、上記のような一つのビームプロファイルモニタを用いる場合も同様である。

このイオンビーム照射装置は、更に、第１および第２のイオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向におけるビーム電流密度分布をそれぞれ調整する第１および第２のビームプロファイル調整手段を備えている。

第１および第２のビームプロファイル調整手段の一例を図５を参照して説明する。図５は、イオン源およびイオン源電源の構成の一例を示す概略図である。この実施形態では、イオン源２ａとイオン源２ｂとは同じ構成をしており、イオン源電源３０ａとイオン源電源３０ｂとは同じ構成をしているので、以下においてはイオン源２ａおよびイオン源電源３０ａで代表して説明する。

イオン源２ａは、バケット型イオン源と呼ばれるものであり、Ｙ方向に長く１面が開いている、例えば長方形箱状のプラズマ生成容器５０を有している。このプラズマ生成容器５０内に、プラズマ５６生成用の原料ガス（蒸気の場合を含む）が導入される。

プラズマ生成容器５０内には、プラズマ生成容器５０内へ熱電子を放出する複数のフィラメント５２がＹ方向に並べて設けられている。フィラメント５２の数は、図５に示す４個に限られるものではなく、イオンビーム４ａのＹ方向の寸法Ｗ_Yに応じて決めれば良い。例えば、当該寸法Ｗ_Yが８０ｃｍ程度の場合、フィラメント５２の数は６個程度にすれば良い。

プラズマ生成容器５０の開口部付近には、プラズマ生成容器５０内のプラズマ５６から電界の作用でイオンビーム４ａを引き出し、かつ所望のエネルギーまで加速する引出し電極系５４が設けられている。引出し電極系５４は、この例では、４枚の電極を有しているが、４枚に限られるものではない。引出し電極系５４を構成する各電極は、イオン引出し孔として、イオンビーム４ａのＹ方向の寸法Ｗ_Y以上の長さのスリットを有していても良いし、当該寸法Ｗ_Y以上に亘って並設された複数の（多数の）小孔を有していても良い。図５は後者の場合を示す。

イオン源電源３０ａは、各フィラメント５２に流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができるフィラメント電源を有している。その一例として、この例では、図５に示すように、各フィラメント５２ごとに独立したフィラメント電源３２を設けている。即ち、フィラメント５２の数だけ電圧可変のフィラメント電源３２を設けている。但し、そのようにせずに、複数の電源を一つにまとめる等して、一つのフィラメント電源を用いて、各フィラメント５２に流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができるようにしても良い。各フィラメント電源３２は、図示例のように直流電源でも良いし、交流電源でも良い。

イオン源電源３０ａは、更に、直流のアーク電源３４を有している。アーク電源３４は、各フィラメント５２とプラズマ生成容器５０との間にプラズマ生成容器５０を正極側にして接続されていて、各フィラメント５２から放出された熱電子を加速して、プラズマ生成容器５０内に導入された原料ガスを電離させると共にプラズマ生成容器５０内でアーク放電を生じさせて、プラズマ５６を生成する作用を奏する。アーク電源３４は、この例のように複数のフィラメント５２に共通のものでも良いし、各フィラメント５２とプラズマ生成容器５０との間に個別に設けても良い。

各フィラメント電源３２の出力を個別に調整（増減）することによって、即ち各フィラメント３２に流すフィラメント電流を個別に調整することによって、各フィラメント５２付近におけるプラズマ５６の密度を調整して、プラズマ５６のＹ方向における密度分布を調整することができる。ひいては、プラズマ５６から引き出されるイオンビーム４ａのＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整することができる。例えば、フィラメント電流を増大させたフィラメント５２に対応する位置付近のビーム電流密度が増大し、フィラメント電流を減少させたフィラメント５２に対応する位置付近のビーム電流密度が減少する。従って、この例では、上記複数のフィラメント５２および複数のフィラメント電源３２が、第１（または第２）のビームプロファイル制御手段を構成している。

アーク電源３４を各フィラメント５２に対して個別に設けている場合は、各アーク電源３４の出力を個別に調整（増減）することによっても、プラズマ５６のＹ方向における密度分布、ひいてはイオンビーム４ａのＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整することができる。その場合は、複数のフィラメント５２および複数のアーク電源３４が、第１（または第２）のビームプロファイル調整手段を構成している。

上記のように複数のアーク電源３４の出力を個別に調整することと、各フィラメント電源３２の出力を個別に調整することとを併用しても良く、その場合は、複数のフィラメント５２、複数のフィラメント電源３２および複数のアーク電源３４が、第１（または第２）のビームプロファイル調整手段を構成している。

上記のようなビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂと、第１および第２のビームプロファイル調整手段とを備えていることによって、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整することが容易になる。

上記ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂ、第１および第２のビームプロファイル調整手段を用いて、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整するより具体例を説明する。図６Ａに示すように、各イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向におけるビーム電流密度分布Ｐａ、Ｐｂを、それぞれ、上記重なっている部分Ｆでほぼ０にまで減少し、その他の領域ではほぼ均一なビーム電流密度分布に調整する。かつ、重なっている部分Ｆにおける両ビーム電流密度分布Ｐａ、Ｐｂを合成（加算）したビーム電流密度分布が、その他の領域のビーム電流密度分布とほぼ等しくなるように調整する。その結果、基板１０に照射されるイオンビーム（第１および第２のイオンビーム４ａ、４ｂを合せたイオンビーム）のビーム電流密度分布を、図６Ｂに示すビーム電流密度分布Ｐｃのように、上記重なっている部分Ｆを含めて、Ｙ方向において均一化することができる。

上記のようなビーム電流密度分布の調整は、上記ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂ、第１および第２のビームプロファイル調整手段を用いて、手動で行っても良いし、制御装置４０（図１参照）が行うようにしても良い。

制御装置４０は、ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂからの測定情報に基づいて、上記第１および第２のビームプロファイル調整手段を制御して、より具体的にはこの例では上記イオン源電源３０ａ、３０ｂの各フィラメント電源３２を制御して各フィラメント５２に流すフィラメント電流を制御して、基板１０に照射されるイオンビームの、上記重なっている部分Ｆを含めたＹ方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う機能を有している。図５中の符号ｍは、制御装置４０からの制御信号ラインがｍ本（即ちフィラメント電源３２の数と同数）あることを示している。

例えば、制御装置４０は、ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂで測定するＹ方向におけるビーム電流密度が相対的に大きい領域に対応するフィラメント５２に流すフィラメント電流を減少させることと、相対的に小さい領域に対応するフィラメント５２に流すフィラメント電流を増加させることとの少なくとも一方を行って、基板１０に照射されるイオンビームの、上記重なっている部分Ｆを含めたＹ方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う。

上記のようなビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂと、第１および第２のビームプロファイル調整手段と、制御装置４０とを備えていることによって、第１および第２のイオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向の位置が互いに部分的に重なっていても、基板１０に照射されるイオンビームの、上記部分的に重なっている部分Ｆを含めたＹ方向におけるビーム電流密度分布を自動制御によって均一化することができる。

基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を均一化する機能として、制御装置４０は、例えば特開２０００−３１５４７３号公報に記載されているように、ビームプロファイルモニタ２０ａ、２０ｂによる測定データをフィラメント５２に対応するようにグループ分けしてフィラメント電流の制御を行う機能を有していても良い。

基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を均一化する手段として、上記第１および第２のビームプロファイル調整手段に加えて、イオン源２ａ、２ｂの引出し電極系５４のイオン引出し孔の面積を不均一にすることを併用しても良い。例えば、上記重なっている部分Ｆに対応する部分のイオン引出し孔の面積を徐々に小さくする。これを併用することによって、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を均一化することが容易になる。第１および第２のビームプロファイル調整手段に以下に述べるようなものを用いる場合も同様である。

イオンビーム４ａ、４ｂのＹ方向におけるビーム電流密度分布をそれぞれ調整する第１および第２のビームプロファイル調整手段として、例えば特開２００７−１７２９２７号公報に記載されているようなビームプロファイル調整手段を用いても良い。即ち、分析電磁石６ａと基板１０との間におけるイオンビーム４ａの経路のＸ方向の少なくとも片側に、Ｙ方向に並べて配置されていて互いに独立してＸ方向に可動でありイオンビーム４をそれぞれ遮るための複数の可動遮蔽板と、この複数の可動遮蔽板を互いに独立してＸ方向に移動させる遮蔽板駆動装置とを有する第１のビームプロファイル調整手段と、イオンビーム４ｂについてこの第１のビームプロファイル調整手段と同様の構成を有する第２のビームプロファイル調整手段とを用いても良い。可動遮蔽板によるイオンビーム４ａ、４ｂの遮蔽量を多くした領域のビーム電流密度は小さくなり、遮蔽量を少なくした領域のビーム電流密度は大きくなる。

この第１および第２のビームプロファイル調整手段を、先に述べたビームプロファイル調整手段の場合と同様に、手動で調整しても良いし、制御装置４０によって制御しても良い。

先に述べた複数のフィラメント５２およびフィラメント電源３２を有するビームプロファイル調整手段は、イオン源２ａ、２ｂを出る際のイオンビーム４ａ、４ｂを制御するものであり、すぐ上に述べた複数の可動遮蔽板を有するビームプロファイル調整手段は、イオン源２ａ、２ｂを出た後のイオンビーム４ａ、４ｂをその輸送途中で制御するものである。必要に応じて両者を併用しても良い。そのようにすれば、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布をより精密に均一化することが可能になる。

図７、図８に示す実施形態のように、第１および第２の分析電磁石６ａ、６ｂと基板駆動装置１４（図１参照）との間に設けられていて、分析電磁石６ａ、６ｂを通過したイオンビーム４ａ、４ｂを、それらの主面５に交差する方向に、かつ互いに逆方向に曲げて、両イオンビーム４ａ、４ｂ間のＸ方向における距離Ｌ₁を入射時よりも小さくして出射するビーム偏向器６０を更に備えていても良い。ビーム偏向器６０は、この実施形態では、それから出射する両イオンビーム４ａ、４ｂが互いに実質的に平行になるように両イオンビーム４ａ、４ｂを曲げる。

この場合は、この実施形態のように、分析電磁石６ａ、６ｂを幾分内向き斜めに配置して（イオン源２ａ、２ｂおよび分析スリット８ａ、８ｂもそれに応じたものにして）、ビーム偏向器６０に、両イオンビーム４ａ、４ｂが集まるように入射させる方が、上記のようにイオンビーム４ａ、４ｂを曲げやすい。

ビーム偏向器６０は、この実施形態では、イオンビーム４ａ、４ｂを電界によって偏向するものであり、Ｘ方向における中間に設けられた第１の電極６１と、そのＸ方向の両側にイオンビーム４ａ、４ｂが通る間隔をあけて設けられた第２および第３の電極６２および６３とを有している。

電極６１よりも電極６２、６３を低電位にすることによって、中間の電極６１から両電極６２、６３に向かう電界が発生するので、両イオンビーム４ａ、４ｂを上記のように曲げることができる。

例えば、図８に示す例では、第１の電圧可変の直流電源６５から電極６１に＋Ｖ₁の直流電圧を印加し、第２の電圧可変の直流電源６６から電極６２に−Ｖ₂の直流電圧を印加し、第３の電圧可変の直流電源６７から電極６３に−Ｖ₃の直流電圧を印加するようにしている。直流電圧−Ｖ₂と直流電圧−Ｖ₃とは、通常は、互いに等しいまたはほぼ等しい電圧にすれば良い。

この実施形態のイオンビーム照射装置によれば、ビーム偏向器６０によって、両イオンビーム４ａ、４ｂ間のＸ方向における距離Ｌ₁を、図１に示した実施形態の場合よりも小さくすることができるので、そのぶん基板駆動装置１４による基板１０の移動距離を小さくすることができ、そのぶんスループットを向上させることができる。距離Ｌ₁は、例えば、図１に示した実施形態の場合は５０ｃｍ〜８０ｃｍ程度、図７に示す実施形態の場合は２０ｃｍ〜３０ｃｍ程度である。

また、上記のようなビーム偏向器６０を設けてイオンビーム４ａ、４ｂを曲げることによって、不所望の（即ち所望のエネルギーよりも大きいまたは小さい）エネルギーのイオンビームや中性粒子を分離して、所望のエネルギーのイオンビーム４ａ、４ｂを選別して導出することができるいう効果も期待できる。

ビーム偏向器６０の電極の構成やそれ用の電源の構成は、図７、図８に示すものに限られるものではない。

また、電界によるビーム偏向器６０の代わりに、磁界によってイオンビーム４ａ、４ｂを上記のように曲げるビーム偏向器を設けても良い。その場合も上記とほぼ同様の効果を奏することができる。

上記第１および第２のイオン源２ａ、２ｂの内の少なくとも一方をＹ方向に複数個有しており、上記第１の分析電磁石６ａを第１のイオン源２ａと同数有しており、かつ上記第２の分析電磁石６ｂを第２のイオン源２ｂと同数有していても良い。

その場合のビームプロファイルモニタ、ビームプロファイル調整手段および制御装置は、先に説明したものを拡張して考えれば良い。

例えば、ｎ個（ｎは２以上の整数。以下同様）のイオン源２ａおよび分析電磁石６ａをそれぞれＹ方向に重ねて配置し、同じくｎ個のイオン源２ｂおよび分析電磁石６ｂをそれぞれＹ方向に重ねて配置しても良い。

上記のようにすることによって、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さをより大きくすることができるので、基板１０のより大型化に対応することが容易になる。

例えば、イオン源２ａ、２ｂ、分析電磁石６ａ、６ｂを上記のようにｎ個ずつ設ければ、第１または第２のイオンビーム４ａ、４ｂ単独の場合に比べて、基板１０に照射されるイオンビームのＹ方向の合計の長さをｎ倍程度にすることができる。しかも、このようにＹ方向の合計の長さを大きくしても、図１の実施形態の場合と同様に、イオン源２ａ、２ｂから基板１０までのビームラインの長さが長くなるのを防止することができる。それに伴う効果は前述したとおりである。

なお、イオン源２ａおよび分析電磁石６ａ側の数と、イオン源２ｂおよび分析電磁石６ｂ側の数とは、上記例のように互いにｎ個ずつの同数にせずに、互いに異なる数にしても良い。例えば、一方側の数が他方側の数よりも一つだけ多くなるようにしても良い。より具体例を挙げると、イオン源２ａおよび分析電磁石６ａの数をそれぞれ２個とし、イオン源２ｂおよび分析電磁石６ｂの数をそれぞれ１個としても良い。

この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。図１中の線Ｃ−Ｃに沿う概略断面図である。図１中の矢印Ｑ方向に見た概略図であり、ホルダおよび基板駆動装置は省略している。リボン状のイオンビームの一例を部分的に示す概略斜視図である。イオン源およびイオン源電源の構成の一例を示す概略図である。Ｙ方向におけるビーム電流密度分布の例を示す概略図であり、（Ａ）は第１のイオンビームのビーム電流密度分布Ｐａおよび第２のイオンビームのビーム電流密度分布Ｐｂを示し、（Ｂ）は基板を移動させることによって基板上で等価的に得られるビーム電流密度分布Ｐｃを示す。ビーム偏向器周りを拡大して示す概略図である。図７中の線Ｅ−Ｅに沿う概略断面図であり、電源も併せて示している。

符号の説明

２ａ第１のイオン源
２ｂ第２のイオン源
４ａ第１のイオンビーム
４ｂ第２のイオンビーム
６ａ第１の分析電磁石
６ｂ第２の分析電磁石
１０基板
１２ホルダ
１４基板駆動装置
２０ａ第１のビームプロファイルモニタ
２０ｂ第２のビームプロファイルモニタ
３０ａ第１のイオン源電源
３０ｂ第２のイオン源電源
３２フィラメント電源
４０制御装置
６０ビーム偏向器

Claims

基板にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置であって、
進行方向と実質的に直交する平面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と実質的に直交するＸ方向の寸法よりも大きいリボン状の第１のイオンビームを発生させる第１のイオン源と、
前記第１のイオン源とは前記Ｙ方向における中心の位置を異にして配置されていて、進行方向と実質的に直交する平面内における前記Ｙ方向の寸法が前記Ｘ方向の寸法よりも大きく、かつ前記第１のイオンビームとは前記Ｙ方向における中心の位置が異なるリボン状の第２のイオンビームを発生させる第２のイオン源と、
前記第１のイオン源からの第１のイオンビームを受けて当該イオンビームを、その主面に交差する方向に曲げて当該イオンビームの運動量分析を行って通過させる第１の分析電磁石と、
前記第１の分析電磁石とは前記Ｙ方向における中心の位置を異にして配置されていて、前記第２のイオン源からの第２のイオンビームを受けて当該イオンビームを、その主面に交差する方向に、かつ前記第１の分析電磁石による方向とは逆方向に曲げて当該イオンビームの運動量分析を行って通過させる第２の分析電磁石と、
前記基板を保持するホルダを有していて、当該ホルダに保持された前記基板に前記第１および第２の分析電磁石を通過した前記第１および第２のイオンビームが入射するように、前記基板を前記第１および第２のイオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置とを備えていることを特徴とするイオンビーム照射装置。
前記第１および第２の分析電磁石と前記基板駆動装置との間に設けられていて、前記第１および第２の分析電磁石をそれぞれ通過した前記第１および第２のイオンビームを、それらの主面に交差する方向に、かつ互いに逆方向に曲げて、前記第１および第２のイオンビーム間の前記Ｘ方向における距離を入射時よりも小さくして出射するビーム偏向器を更に備えている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
前記第１および第２のイオンビームは、少なくとも前記ホルダ上の基板に入射する位置において、前記Ｙ方向の位置が互いに部分的に重なっている請求項１または２記載のイオンビーム照射装置。
前記ホルダ上の基板の下流側または上流側に設けられていて、前記第１および第２のイオンビームの前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、
前記第１および第２のイオンビームの前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布をそれぞれ調整する第１および第２のビームプロファイル調整手段とを更に備えている請求項１、２または３記載のイオンビーム照射装置。
前記ホルダ上の基板の下流側または上流側に設けられていて、前記第１および第２のイオンビームの前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、
前記第１および第２のイオンビームの前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布をそれぞれ調整する第１および第２のビームプロファイル調整手段と、
前記ビームプロファイルモニタからの測定情報に基づいて前記第１および第２のビームプロファイル調整手段を制御して、前記基板に照射されるイオンビームの、前記部分的に重なっている部分を含めた前記Ｙ方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う機能を有している制御装置とを更に備えている請求項３記載のイオンビーム照射装置。
前記第１および第２のイオン源の内の少なくとも一方を前記Ｙ方向に複数個有しており、前記第１の分析電磁石を前記第１のイオン源と同数有しており、かつ前記第２の分析電磁石を前記第２のイオン源と同数有している請求項１記載のイオンビーム照射装置。