JP3286528B2

JP3286528B2 - イオン注入装置

Info

Publication number: JP3286528B2
Application number: JP15408096A
Authority: JP
Inventors: 関　　孝義; 克己登木口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: JPH103873A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、不純物ドーピング
や表面改質等に用いられるイオン注入装置、特にSIMOX
(Separation by Implanted Oxygen)用基板作製に用いら
れ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、イオン源から引き出
したイオンビームをターゲットに照射することで、ター
ゲットを加工等するものである。

【０００３】イオン注入装置の一例を図５を用いて説明
する。

【０００４】イオンビーム１５は、引き出し電極２に印
加された電圧による引き出し電界によってイオン源１か
ら引き出される。そして、質量分離器３でイオン種毎に
イオン軌道が変えられる。この後、イオンビームに質量
分離が施されて、所望のイオンだけがターゲット９に照
射される。この質量分離は、磁場に垂直な方向（Ｘ方
向）におけるイオン軌道が、イオン種によって異なるこ
とを利用して行っている。つまり、Ｘ方向のビーム収束
点に幅の狭いスリット（質量分離スリット４）を設置す
ることで、所定のイオンだけを通過させ、他のイオンは
遮断している。

【０００５】イオン源より引き出されたイオンビームを
質量分離する場合、引き出し電極の幅によって分解能が
決定される。このため高分解能（７０以上）を必要とす
る従来のイオン注入装置では、引き出し孔の横幅の狭い
スリット型引き出し電極が用いられていた。

【０００６】分解能を損なうことなくイオンビームを大
電流化することは、特開平2-183940号に記載されている
ように、スリットの長手方向を長くすることで可能であ
る。この場合、質量分離器の大型化を極力抑えるため、
スリットの長手方向について引き出し電極を湾曲させて
いた。

【０００７】イオン注入装置は、SIMOX基板等の作製に
用いられるようになっている。SIMOX基板等を作製する
際には、１×１０¹⁷イオン/ｃｍ²以上の高ドーズ量注入
が必要となる。このような高ドーズ量注入を行うには、
スループット向上のため２０mAを越える大電流化が必要
であった。しかし、上述したスリット長をのばす方法で
は機器が大型化するため、このような大電流化に対応で
きなかった。

【０００８】SIMOX用の注入装置は、酸素イオンを注入
するだけであるから分解能は従来の注入装置の１０分の
１（８程度）程度でも足り、ビーム幅は大きくても構わ
ない。そのため、Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research B21(1987)229-234に記載の SIMOX製
造用のイオン注入装置では、分解能の低下と引き替え
に、大電流（50〜100mA）が得られる多孔引き出し電極
を用いていた。多孔引き出し電極とは、所定直径の円内
に引き出し孔を複数個備えた平板電極である。イオンビ
ームは、この引き出し孔を通じて平行に引き出される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のイオン注入装置
では、立体収束の光学系が採用されるのが一般的であ
る。立体収束の光学系とは、質量分離器３の偏向角が90
度で、且つ、イオン源１のビーム形状（物点）と質量分
離スリット４（像点）でのビーム径が一致するような光
学系である。

【００１０】立体収束のイオン光学系を採用している場
合、図５に示したとおり、イオン源１から質量分離器３
までの距離と質量分離器３から質量分離スリット４まで
の距離とを等しく、且つ、その値を質量分離器３の偏向
半径ｒの２倍とするのが一般的である。例えば、質量分
離器３の偏向半径ｒを540mmとした場合、イオン源１か
ら質量分離器３までの距離は1080mmとなる。これ以外に
も、図６に示すように、イオン源１から質量分離器３ま
での距離を図１に比べて小さくし、質量分離器３の偏向
半径ｒと同じにする場合もある。但し、この場合には、
立体収束させるには、質量分離器３から質量分離スリッ
ト４までの距離を大きく伸ばす必要がある。例えば、イ
オン源１から質量分離器３までの距離を540mmにした場
合、質量分離器３から質量分離スリット４までの距離は
2944mmと非常に長くなってしまう。

【００１１】このように従来のイオン注入装置はイオン
ビーム軌道の全長が長かった。イオンビーム軌道の全長
が長いと、イオンビームの発散によりイオンビーム透過
率が減少し、その結果、注入電流が少なくなってしま
う。従って、イオンビーム軌道は極力短い方がよい。ま
た、イオンビーム軌道の全長が長くなるため装置が大型
化するという問題があった。

【００１２】本発明の目的は、イオンビーム軌道の全長
を短くすることで、イオンビームの軌道中での電流減少
を抑えた、大電流，小型のイオン注入装置を提供するこ
とにある。

【００１３】本発明の目的は、SIMOXなどの高ドーズ量
の注入に最適な、大電流，小型のイオン注入装置を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであり、その第１の態様として
は、イオン源から引き出したイオンビームから所望のイ
オン種のみを取り出して別途用意されたターゲットに照
射するイオン注入装置において、上記イオン源からイオ
ンビームを引き出す引き出し手段と、上記イオン源から
出射されるイオンビームに含まれているイオン種のそれ
ぞれを、当該イオン種毎に異なる軌道で偏向させる質量
分離器と、上記質量分離器から出射されるイオンビーム
から、所望のイオン種のみ選択するスリットとを備え、
上記スリットは、上記質量分離器から出射されたイオン
ビームのイオン光学的収束点よりも上記質量分離器に近
い位置に設置されていることを特徴とするイオン注入装
置が提供される。

【００１５】上記引き出し電極は、上記イオン源からイ
オンビームを引き出す孔を複数備えたものであり、上記
孔の中心線は互いに一点で交差しており、且つ、該引き
出し電極から上記中心線の交差する点までの距離は、上
記引き出し電極から上記質量分離器の出口部までのイオ
ンビーム中心の軌道距離よりも長いことを特徴とするイ
オン注入装置が提供される。

【００１６】上記引き出し電極は、イオンビームの引き
出し方向に凹な球面状に湾曲したものであり、該球面の
湾曲半径は、該引き出し電極から上記質量分離器出口部
までのイオンビーム中心軌道距離よりも長いことが好ま
しい。

【００１７】作用を説明する。

【００１８】スリットをイオン光学的収束点より質量分
離器側に設置しているため、イオンビームの軌道を短く
できる。このような構成を採用した場合、分解能は低下
する。しかし、ＳＩＭＯＸ基板の製造という目的にとっ
ては、さほど高い分解能は必要ないため実用上問題はな
い。スリットは、所望のイオン種を、他のイオン種と分
離できる範囲内で近づけることができる。

【００１９】この場合、引き出し電極から中心線の交差
する点までの距離を、引き出し電極から質量分離器の出
口部までのイオンビーム中心の軌道距離よりも長くすれ
ば、引き出し電極から出射した時点でのビーム径を大き
くしても、ビーム径を細く絞ることができる。従って、
スリットをより質量分離器に近づけることができる。ま
た、スリットに当たって無駄になるイオンビームの量が
少なくなるため、電流減少を最小限に抑えることができ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面を用いて
説明する。

【００２１】第１の実施形態該第１の実施形態はSIMOX用の酸素イオン注入装置であ
る。該第１の実施形態は、質量分離スリットをイオン光
学的収束点よりも質量分離器に近い位置に設置した点を
最大の特徴とする。このような特徴は、SIMOX用の酸素
イオン注入装置においては、さほど高い分解能は必要な
いという点に着目してなされたものである。

【００２２】この酸素イオン注入装置は、図１に示すと
おり、イオン源１、引き出し電極２、質量分離器３、質
量分離スリット４、後段加速電極５、四重極レンズ６、
偏向器７、注入室８により構成される。SIMOX基板を製
造する場合には、ターゲット９としてSiウェハが使用さ
れる。

【００２３】イオン源１は熱電子放電タイプでもマイク
ロ波放電タイプでもかまわない。但し、SIMOXのように
酸素などの活性ガスを用いる場合は、マイクロ波放電タ
イプの方がフィラメント等の損耗部分が無く寿命も長
く、有利である。

【００２４】質量分離器３は、磁場型のものであり、水
平方向にイオンビームを偏向するようになっている。そ
の偏向角は90度である。この酸素イオン注入装置はSIMO
X製造用であるため、酸素イオン（質量数１６）と、残
留空気やイオン源１の構成部品などから生成される窒素
イオン（質量数１４）とを分離できさえすればよい。従
って、偏向半径ｒは、300mm以上あれば十分である。し
かし、偏向半径ｒをあまり小さくすると端部磁場効果に
より均一磁場部分が無くなるという問題があるため、本
実施例では540mmとしている。

【００２５】後段加速電極５は、加速電極、減速電極お
よび設置電極からなる３枚構造としている。電子の逆流
を防止するため、中間の電極を負電位としている。

【００２６】偏向器７は、エネルギー汚染等を十分に除
去可能な偏向角３０度である。

【００２７】上述した各部の位置関係について、図２を
用いて詳細に説明する。

【００２８】図２は、質量分離した場合の酸素イオン
（Ｏ＋）と窒素イオン（Ｎ＋）の軌道を示したものであ
る。本実施形態では、イオン源１から質量分離器３まで
の距離Ｌ１を、質量分離器３の偏向半径ｒと同じ値（本
実施形態では、Ｌ１＝ｒ＝540mm）にしている。このよ
うな構成を取った場合、質量分離器３からイオンビーム
のイオン光学的収束点までの距離は2944mmとなる。ま
た、該収束点における酸素イオンと窒素イオンとの軌道
の差Ｄは299mmとなる。

【００２９】引き出し電極２から引き出された直後のイ
オンビーム１５のビーム幅を20mmとすれば、イオン光学
的収束点でのイオンビーム幅も20mmとなる。従って、イ
オン光学的収束点よりも質量分離器３に近い側に質量分
離スリット４を設置しても、酸素イオンと窒素イオンと
を分離できる（図２では、このような位置に設置したス
リットに符号“４'”を付した）。

【００３０】具体的には、本実施形態では質量分離器３
から質量分離スリット４'までの距離Ｌ２'を400mmとし
ている。該質量分離スリット４'の位置（質量分離器３
からイオンビーム進行方向に400mmの位置）における、
酸素イオンと窒素イオンの軌道の差Ｄ'は54.3mmであ
る。イオン源１におけるビーム幅が20mm、発散角が1.5
度と仮定すると、該位置（質量分離器３からイオンビー
ム進行方向に400mmの位置）におけるビーム幅は約50mm
となり、上述した位置に質量分離スリットを配置しても
十分分離可能である。従って、質量分離スリットからタ
ーゲットまでの距離を一定にして考えた場合、ビームラ
インの全長（イオン源１〜ターゲット９）を短くでき
る。

【００３１】以上説明した通り本実施形態では、質量分
離スリットを、必要なイオンを分離できる範囲内におい
てイオン光学的収束点よりも質量分離器に近い側に配置
したことで、大電流化、機器の小型化が可能である。

【００３２】第２の実施形態該第２の実施形態は、イオン引き出し電極の形状等を工
夫することで、第１の実施形態に較べて、質量分離スリ
ットを質量分離器にさらに接近して配置することを可能
としている。

【００３３】本実施形態のイオン引き出し電極２ａは、
多孔引き出し電極である。つまり、複数の引き出し孔を
備えており、該引き出し孔のそれぞれからビームを引き
出すことで、大電流のイオンビームが得られるようにな
っている。また、各々の引き出し孔は、それぞれの中心
線が互いに一点で交差するような向きで開けられてお
り、引き出されたイオンビームは該交差する点（以下
“交差点”という）において収束するようになってい
る。しかも、引き出し電極からこの交差点までの距離
は、引き出し電極２ａから質量分離器３の出口部までの
距離と同じにしている。つまり、このイオン光学系にお
いて、該中心先の交差点は、質量分離器３の出口部に位
置している。このような構成を採った結果、イオンビー
ムは質量分離器３の出口部において最も細く絞り込まれ
る。そのため、質量分離スリットをより質量分離器３に
近い位置に配置することができる。なお、ここでいう
“中心線”とは、当該引き出し孔のイオン源１側開口面
の中心点と、質量分離器３側開口面の中心点とを通過す
る直線である。

【００３４】該第２の実施形態における引き出し電極２
ａは、具体的には、直径３０ｍｍの円内に、直径５mmの
引き出し孔を１３個設けた構成となっている（図４参
照）。そして、引き出し電極２の凹面を球面とし、上記
交差点を該球面の中心に一致させている。該球面の湾曲
半径ｓｒは1388mmとしている。

【００３５】イオン源１から質量分離器３までの距離Ｌ
１を540mm、偏向半径ｒを540mm、偏向角度を90度とした
場合、質量分離器３内のイオンビーム１５の軌道距離は
848mmとなる。そして、質量分離器３の出口での酸素イ
オンと窒素イオンの軌道の差D"は13mmとなる。

【００３６】これに対し質量分離器３の出口部でのビー
ム幅は、空間電荷効果によるビーム発散を加味しても直
径10mm程度に過ぎない。従って、質量分離器３の出口部
付近に質量分離スリット４をおいても、十分分離可能で
ある（図２においては、このような位置に設置した質量
分離スリットに符号“４””を付した。）。

【００３７】以上説明した通り、該第２の実施形態では
質量分離スリットをより質量分離器に近づけても酸素イ
オンと窒素イオンとを分離できる。従って、質量分離ス
リットからターゲットまでの距離を一定にして考えた場
合、ビーム全長を短くできる。そのため、ビームの電流
減少を最小限に抑えて、大電流化が容易となる。これは
機器の小型化にもつながる。また、質量分離器からの出
口部分において質量分離器の容器等にイオンビームが当
たってしまうことも防ぐことができる。

【００３８】該第２の実施形態では、引き出し電極から
この交差点までの距離は、引き出し電極２ａから質量分
離器３の出口部までの距離と同じにしていた。しかし。
引き出し電極からこの交差点までの距離は、引き出し電
極２ａから質量分離器３の出口部までの距離よりも長く
してもよい。

【００３９】質量分離スリットを、第１の実施形態と同
じ位置（質量分離器の後方400mmの位置）においても、
酸素イオンと窒素イオンとを分離できる。また、イオン
源１から質量分離器３までの距離Ｌ１を短くしても、同
様の結果が得られ、さらなる小型化が可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、イオ
ンビーム軌道の全長の短かいイオン注入装置が提供でき
る。また、大電流化、小型化が可能なイオン注入装置が
提供できる。このようなイオン注入装置は、特にSIMOX
用基板作製時の酸素イオン注入装置として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態であるイオン注入装置
を示す図である。

【図２】質量分離スリットの位置と軌道差との関係を示
す図である。

【図３】本発明の第２の実施形態であるイオン注入装置
の全体構成を示す模式図である。

【図４】引き出し電極２ａの構成を示す断面図である。

【図５】立体収束のイオン光学系を採用した、従来のイ
オン注入装置を示す図である。

【図６】従来のイオン注入装置を示す図である。

【符号の説明】

１・・・イオン源、２・・・引き出し電極、３・・・質
量分離器、４・・・質量分離スリット、５・・・後段加
速電極、６・・・四重極レンズ、７・・・偏向器、８・
・・注入室、９・・・ターゲット、１０・・・加速電
極、１１・・・減速電極、１２・・・設置電極、１５・
・・イオンビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−219544（ＪＰ，Ａ) 特開平２−144842（ＪＰ，Ａ) 特開平１−248451（ＪＰ，Ａ) 特開平５−174777（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−285648（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/05 H01J 37/317 H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源から引き出したイオンビームから
所望のイオン種のみを取り出して別途用意されたターゲ
ットを照射するイオン注入装置において、前記イオン源からイオンビームを引き出す引き出し手段
と、該引き出し手段から引き出されたイオンビームに含
まれているイオン種のそれぞれを、当該イオン種毎に異
なる軌道に偏向させる質量分離器と、該質量分離器から
出射されるイオンビームのイオン光学的収束点よりも前
記質量分離器に近い位置に設置され、所望のイオン種の
イオンビームのみを通過させるスリットとを備え、前記
引き出し手段は多孔電極からなり、その孔の中心線は互
いに一点で交差し、かつ、前記多孔電極から前記中心線
の交差する点までの距離は、前記多孔電極から前記質量
分離器出口部までのイオンビーム中心の軌道距離よりも
長いことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】前記多孔電極は、イオンビームの引き出し
方向に凹な球面状に湾曲しており、その湾曲半径は、前
記多孔電極から前記質量分離器出口部までのイオンビー
ム中心の軌道距離よりも長いことを特徴とする請求項１
記載のイオン注入装置。