JP4662610B2 - 立体収束質量分離器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器に関するものである。なお、本明細書において用語「中電流」は３０ｍＡ〜１２ｍＡの範囲を意味するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン注入装置は、添付図面の図６に示すように、イオン源Ａと、質量分離器Ｂと、加速管Ｃと、収束レンズ系Ｄと、イオンビームをＹ方向に偏向させる静電偏向器Ｅと、イオンビームをＸ方向に偏向させる静電偏向器Ｆと、ターゲットに所望のイオンを照射する照射室Ｇとを備え、イオン源Ａから引出されたイオンビームは質量分離器Ｂにおいて同一質量数のイオンからなるイオンビームに分離し、加速管Ｃで加速し、収束レンズ系Ｄで収束し、静電偏向器ＥによりＹ方向に偏向し、そして静電偏向器ＦにおいてＸ方向に偏向して、途中残留ガス分子と衝突し荷電交換により発生した中性ビームを除去した後、ターゲットに注入する。
【０００３】
このようなイオン注入装置において使用される質量分離器では、セクター型電磁石のポールピースの入出射端面が系の軸線すなわちイオンビームの中心軸線に対して直角であるためイオンビームの完全な立体収束を得るためには、イオン源からのイオンビームの斜め入射角を大きく採る必要がある。しかしながら、イオンビームの斜め入射角を大きく採っても、縦方向にイオンビームが広がってしまい立体収束は十分ではない。
【０００４】
図７には従来のイオン注入装置における質量分離器を示し、ａはセクターマグネットで、そのセクターマグネットａの出射側には回転鉄片ｂが設けられている。セクターマグネットａのポールピース間のギャップは６０ｍｍで、ｃは有効な磁場端縁を示し、ｄはフリーマン型イオン源の出口スリットで、その幅は３ｍｍである。またｅはイオンビームの集束点で、この集束点ｅにおけるイオンビームの幅は２ｃｍとなるようにされる。
【０００５】
図７に示す質量分離器において、幅１０ｍｍ、高さ３５ｍｍのデファイニングアパーチャーをＰ＋５０ｋｅＶで３０ｍＡ、またＡｓ＋３０ｋｅＶで１２．５ｍＡ通過させることを目標値として実験を行った。
セクターマグネットａにシム部材を取付け、幅方向の磁場分布の均一範囲を１０．５ｃｍにし、セクターマグネットａの出射側に回転鉄片ｂを取付け、集束点ｅをデファイニングアパーチャーに合わせることにより、基板上で測定した結果、目標値とおり、Ｐ＋１５ｍＡ（引出し電圧３０ｋＶ）、Ａｓ＋１２ｍＡ（引出し電圧５０ｋＶ）を、後段加速電圧１７０ｋＶ及び１５０ｋＶで基板に注入することができた。
【０００６】
つぎに本発明の対象概念としている立体収束の原理について説明する。
図８に示すように、メディアン面上で質量分離器の端面中心に右手直角座標０−ｘｙｚを取り、磁場のｘ、ｙ、ｚ成分をＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚとし、イオンビームの速度成分をＶｘ、Ｖｙ、Ｖｚとし、イオンに働く力の成分をＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとすると、
→ → →
Ｆ＝ｅｖ×Ｈ （１）
である。イオンに対してｚ方向に働く力Ｆｚは
Ｆｚ＝ｅ（ＶｘＨｙ−ＶｙＨｘ） （３）
となる。
中心の単位ベクトルをＫとすると、いま、質量分離器の入射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより大きく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより大きいと、イオンに働く力Ｆの方向は上から下（−Ｋ）の方向となり、質量分離器の入射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより小さく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより大きいと、イオンに働く力Ｆの方向は下から上（＋Ｋ）方向となる。一方、質量分離器の出射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより小さく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより小さいと、イオンに働く力Ｆの方向は上から下（−Ｋ）の方向となり、質量分離器の出射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより大きく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより小さいと、イオンに働く力Ｆの方向は下から上（＋Ｋ）の方向となる。
図８に示すように、Ｈｘ成分が大きいほど、イオンに働く縦方向の力の成分は大きくなり、立体収束効果は大きくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の質量分離器では、図８に示すように、ポールピース（ポールピース）の端面が直角に切ってあるので、磁場のＨｘ成分の大きさが完全な立体収束を得るためには、斜め入射角を大きくしなければならない。
このことは、イオン源から磁石の入射側端縁までの距離Ｌ１とし、磁石の出射側端縁から集束アパーチャーまでの距離をＬ２とし、イオン軌道半径の原点と磁石の入射側端縁の中央位置を通る軸線に対して磁石の入射側端縁の成す角度をαとし、イオン軌道半径の原点と磁石の出射側端縁の中央位置を通る軸線に対して磁石の出射側端縁の成す角度をβとするとき、Ｅｎｇｅの式
Ｌ２＝（Ｌ１ｔａｎα＋Ｒｍ）／（Ｌ１／Ｒｍ（１−ｔａｎαｔａｎβ）−ｔａｎβ）
からわかるように、イオン源から磁石の入射側端縁までの距離Ｌ１を大きくしなければならず、その結果分離器の大きさが大きくなるという問題点がある。
【０００８】
一方、中電流型イオン注入装置に用いられる質量分離器においては、イオン通過率を高め、イオンの収量を多くできるものが求められている。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためメディアン面だけでなくメディアン面に垂直な方向にもイオンビームを収束できる中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、イオンビームを生成するイオン源からのイオンから所望のイオンを分離し、加速し、偏向した後エンドステーションの基板へ注入するようにした中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器において、
９０°セクターマグネットのポールピースの端面を予定の斜め入出射角度に設定すると共に、ポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部の高さの１／２を３０±３°の角度で削ぎ落として、ポールピースの入出射側端縁近傍の磁場のイオンビームの入射方向及び出射方向の成分を大きくする面取り部を形成し、
面取り部を形成したポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部に対向して、イオンビーム通路の開口部の全幅にわたってのびる帯状のシム部材を設けたこと
を特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面の図１〜図５を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には本発明の立体収束質量分離器の一実施の形態を示す。図１において１は９０°セクターマグネットで、この９０°セクターマグネット１はポールピース２と、巻線３と、ヨーク４とを備えている。巻線３は図示していないが冷却水で冷却するように構成されている。また図１において５はイオン源の出口スリットであり、また６は集束アパーチャーである。
【００１４】
ポールピース２の入出射側端面７、８の各々において、ポールピース２間のギャップすなわちイオンビーム通路９の開口部の縁部は、図２及び図３に示すように、削ぎ落されて面取り部７a、８aを形成している。すなわちポールピース２の入出射側の各端面７、８に形成された面取り部７a、８aは、図示実施の形態ではそれぞれの端面のイオンビーム通路９の開口部の縁部から１／２の高さまでそれぞれの端面に対して角度３０±３°を成すように形成されている。
【００１５】
また図２及び図３に示すように、イオンビーム通路９の端部すなわちポールピース２間のギャップの端部に対向して、イオンビーム通路の開口部の全幅にわたってのびる帯状の純鉄製のシム１０が銀ろうによって取付けられている。これにより散乱が少なくなり、均一な磁場が広くなる。
【００１６】
ポールピース２の入出射側端面７、８はそれぞれ、図１及び図２に示すように、イオン源（図示していない）のスリツト５からのイオンビームの中心軸線１１に垂直な面１２に対して角度α＝２０°及びポールピース２から集束アパーチャー６へ向うイオンビームの中心軸線１３に垂直な面１４に対して角度β＝２０°を成すように形成されている。
【００１７】
また図１において、Ｌ１はイオン源のスリツト５からセクターマグネット１におけるポールピース２の入射側端面７までの距離であり、Ｌ２はポールピース２の出射側端面８からイオンビームの集束アパーチャー６までの距離である。
【００１８】
このように構成した本発明の立体収束質量分離器においては、一例としてイオン源のスリツト５からセクターマグネット１におけるポールピース２の入射側端面７までの距離Ｌ１はを３０．５ｃｍ、ポールピース２の出射側端面８からイオンビームの集束アパーチャー６までの距離Ｌ２は３９．４ｃｍにでき、またα、βをそれぞれ２０°とすると、Ｅｎｇｅの式によりセクターマグネット１を通るイオンビームの軌道半径は２６．６ｃｍとすることができる。
【００１９】
図４には図１〜図３に示す本発明の立体収束質量分離器におけるｙ方向に対する磁場の強さを示し、１０〜５０アンペアの電流値においてｙ方向約１００ｍｍ亘って磁場の強さがほぼ一様となっていることが認められる。
また図５にはｚ方向における磁場を示している。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、９０°セクターマグネットのポールピースの端面を予定の斜め入出射角度に設定すると共に、ポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部の高さの１／２を３０±３°の角度で削ぎ落として、ポールピースの入出射側端縁近傍の磁場のイオンビームの入射方向及び出射方向の成分を大きくする面取り部を形成し、面取り部を形成したポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部に対向して、イオンビーム通路の開口部の全幅にわたってのびる帯状のシム部材を設けたことにより、イオン源からセクターマグネットのポールピースの端面間での距離は従来の方法による立体収束の場合に比べて約半分にでき、ギャップに入るビームの割合が大きくなり、スリットを通過するイオンの収量が約２倍になる。また電磁石の重量も従来の構造に比べて８０％程度となり、製造コストも小型軽量化により従来のものの約６０％にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体収束質量分離器の一つの実施の形態を示す概略線図。
【図２】（ａ）図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの入射側端面部分の構成を示す図１のＡ−Ａに沿った拡大断面図、（ｂ）図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの出射側端面部分の構成を示す図１のＢ−Ｂ沿った拡大断面図。
【図３】図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの入射側端面部分の構成を示す概略拡大斜視図、（ｂ）図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの出射側端面部分の構成を示す概略拡大斜視図。
【図４】図１に示す立体収束質量分離器における種々の電流値に対するｙ方向磁場分布を示すグラフ。
【図５】図１に示す立体収束質量分離器における種々の電流値に対するｚ方向磁場の強さを示すグラフ。
【図６】本発明の適用されるイオン注入装置の一例を示す概略線図。
【図７】従来のイオン注入装置における質量分離器を示す概略線図。
【図８】立体収束の原理を示す概略斜視図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器に関するものである。なお、本明細書において用語「中電流」は３０ｍＡ〜１２ｍＡの範囲を意味するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン注入装置は、添付図面の図６に示すように、イオン源Ａと、質量分離器Ｂと、加速管Ｃと、収束レンズ系Ｄと、イオンビームをＹ方向に偏向させる静電偏向器Ｅと、イオンビームをＸ方向に偏向させる静電偏向器Ｆと、ターゲットに所望のイオンを照射する照射室Ｇとを備え、イオン源Ａから引出されたイオンビームは質量分離器Ｂにおいて同一質量数のイオンからなるイオンビームに分離し、加速管Ｃで加速し、収束レンズ系Ｄで収束し、静電偏向器ＥによりＹ方向に偏向し、そして静電偏向器ＦにおいてＸ方向に偏向して、途中残留ガス分子と衝突し荷電交換により発生した中性ビームを除去した後、ターゲットに注入する。
【０００３】
このようなイオン注入装置において使用される質量分離器では、セクター型電磁石のポールピースの入出射端面が系の軸線すなわちイオンビームの中心軸線に対して直角であるためイオンビームの完全な立体収束を得るためには、イオン源からのイオンビームの斜め入射角を大きく採る必要がある。しかしながら、イオンビームの斜め入射角を大きく採っても、縦方向にイオンビームが広がってしまい立体収束は十分ではない。
【０００４】
図７には従来のイオン注入装置における質量分離器を示し、ａはセクターマグネットで、そのセクターマグネットａの出射側には回転鉄片ｂが設けられている。セクターマグネットａのポールピース間のギャップは６０ｍｍで、ｃは有効な磁場端縁を示し、ｄはフリーマン型イオン源の出口スリットで、その幅は３ｍｍである。またｅはイオンビームの集束点で、この集束点ｅにおけるイオンビームの幅は２ｃｍとなるようにされる。
【０００５】
図７に示す質量分離器において、幅１０ｍｍ、高さ３５ｍｍのデファイニングアパーチャーをＰ＋５０ｋｅＶで３０ｍＡ、またＡｓ＋３０ｋｅＶで１２．５ｍＡ通過させることを目標値として実験を行った。
セクターマグネットａにシム部材を取付け、幅方向の磁場分布の均一範囲を１０．５ｃｍにし、セクターマグネットａの出射側に回転鉄片ｂを取付け、集束点ｅをデファイニングアパーチャーに合わせることにより、基板上で測定した結果、目標値とおり、Ｐ＋１５ｍＡ（引出し電圧３０ｋＶ）、Ａｓ＋１２ｍＡ（引出し電圧５０ｋＶ）を、後段加速電圧１７０ｋＶ及び１５０ｋＶで基板に注入することができた。
【０００６】
つぎに本発明の対象概念としている立体収束の原理について説明する。
図８に示すように、メディアン面上で質量分離器の端面中心に右手直角座標０−ｘｙｚを取り、磁場のｘ、ｙ、ｚ成分をＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚとし、イオンビームの速度成分をＶｘ、Ｖｙ、Ｖｚとし、イオンに働く力の成分をＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとすると、
→ → →
Ｆ＝ｅｖ×Ｈ （１）
Ｆｚ＝ｅ（ＶｘＨｙ−ＶｙＨｘ） （３）
となる。
中心の単位ベクトルをＫとすると、いま、質量分離器の入射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより大きく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより大きいと、イオンに働く力Ｆの方向は上から下（−Ｋ）の方向となり、質量分離器の入射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより小さく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより大きいと、イオンに働く力Ｆの方向は下から上（＋Ｋ）方向となる。一方、質量分離器の出射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより小さく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより小さいと、イオンに働く力Ｆの方向は上から下（−Ｋ）の方向となり、質量分離器の出射端面における磁場のｘ成分Ｈｘがゼロより大きく、イオンビームの速度成分Ｖｙがゼロより小さいと、イオンに働く力Ｆの方向は下から上（＋Ｋ）の方向となる。
図８に示すように、Ｈｘ成分が大きいほど、イオンに働く縦方向の力の成分は大きくなり、立体収束効果は大きくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の質量分離器では、図８に示すように、ポールピース（ポールピース）の端面が直角に切ってあるので、磁場のＨｘ成分の大きさが完全な立体収束を得るためには、斜め入射角を大きくしなければならない。
このことは、イオン源から磁石の入射側端縁までの距離Ｌ１とし、磁石の出射側端縁から集束アパーチャーまでの距離をＬ２とし、イオン軌道半径の原点と磁石の入射側端縁の中央位置を通る軸線に対して磁石の入射側端縁の成す角度をαとし、イオン軌道半径の原点と磁石の出射側端縁の中央位置を通る軸線に対して磁石の出射側端縁の成す角度をβとするとき、Ｅｎｇｅの式
Ｌ２＝（Ｌ１ｔａｎα＋Ｒｍ）／（Ｌ１／Ｒｍ（１−ｔａｎαｔａｎβ）−ｔａｎβ）
からわかるように、イオン源から磁石の入射側端縁までの距離Ｌ１を大きくしなければならず、その結果分離器の大きさが大きくなるという問題点がある。
【０００８】
一方、中電流型イオン注入装置に用いられる質量分離器においては、イオン通過率を高め、イオンの収量を多くできるものが求められている。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためメディアン面だけでなくメディアン面に垂直な方向にもイオンビームを収束できる中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、イオンビームを生成するイオン源からのイオンから所望のイオンを分離し、加速し、偏向した後エンドステーションの基板へ注入するようにした中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器において、
９０°セクターマグネットのポールピースの端面を予定の斜め入出射角度に設定すると共に、ポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部の高さの１／２を３０±３°の角度で削ぎ落として、ポールピースの入出射側端縁近傍の磁場のイオンビームの入射方向及び出射方向の成分を大きくする面取り部を形成し、
面取り部を形成したポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部に対向して、イオンビーム通路の開口部の全幅にわたってのびる帯状のシム部材を設けたこと
を特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面の図１〜図５を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には本発明の立体収束質量分離器の一実施の形態を示す。図１において１は９０°セクターマグネットで、この９０°セクターマグネット１はポールピース２と、巻線３と、ヨーク４とを備えている。巻線３は図示していないが冷却水で冷却するように構成されている。また図１において５はイオン源の出口スリットであり、また６は集束アパーチャーである。
【００１４】
ポールピース２の入出射側端面７、８の各々において、ポールピース２間のギャップすなわちイオンビーム通路９の開口部の縁部は、図２及び図３に示すように、削ぎ落されて面取り部７a、８aを形成している。すなわちポールピース２の入出射側の各端面７、８に形成された面取り部７a、８aは、図示実施の形態ではそれぞれの端面のイオンビーム通路９の開口部の縁部から１／２の高さまでそれぞれの端面に対して角度３０±３°を成すように形成されている。
【００１５】
また図２及び図３に示すように、イオンビーム通路９の端部すなわちポールピース２間のギャップの端部に対向して、イオンビーム通路の開口部の全幅にわたってのびる帯状の純鉄製のシム１０が銀ろうによって取付けられている。これにより散乱が少なくなり、均一な磁場が広くなる。
【００１６】
ポールピース２の入出射側端面７、８はそれぞれ、図１及び図２に示すように、イオン源（図示していない）のスリツト５からのイオンビームの中心軸線１１に垂直な面１２に対して角度α＝２０°及びポールピース２から集束アパーチャー６へ向うイオンビームの中心軸線１３に垂直な面１４に対して角度β＝２０°を成すように形成されている。
【００１７】
また図１において、Ｌ１はイオン源のスリツト５からセクターマグネット１におけるポールピース２の入射側端面７までの距離であり、Ｌ２はポールピース２の出射側端面８からイオンビームの集束アパーチャー６までの距離である。
【００１８】
このように構成した本発明の立体収束質量分離器においては、一例としてイオン源のスリツト５からセクターマグネット１におけるポールピース２の入射側端面７までの距離Ｌ１はを３０．５ｃｍ、ポールピース２の出射側端面８からイオンビームの集束アパーチャー６までの距離Ｌ２は３９．４ｃｍにでき、またα、βをそれぞれ２０°とすると、Ｅｎｇｅの式によりセクターマグネット１を通るイオンビームの軌道半径は２６．６ｃｍとすることができる。
【００１９】
図４には図１〜図３に示す本発明の立体収束質量分離器におけるｙ方向に対する磁場の強さを示し、１０〜５０アンペアの電流値においてｙ方向約１００ｍｍ亘って磁場の強さがほぼ一様となっていることが認められる。
また図５にはｚ方向における磁場を示している。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、９０°セクターマグネットのポールピースの端面を予定の斜め入出射角度に設定すると共に、ポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部の高さの１／２を３０±３°の角度で削ぎ落として、ポールピースの入出射側端縁近傍の磁場のイオンビームの入射方向及び出射方向の成分を大きくする面取り部を形成し、面取り部を形成したポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部に対向して、イオンビーム通路の開口部の全幅にわたってのびる帯状のシム部材を設けたことにより、イオン源からセクターマグネットのポールピースの端面間での距離は従来の方法による立体収束の場合に比べて約半分にでき、ギャップに入るビームの割合が大きくなり、スリットを通過するイオンの収量が約２倍になる。また電磁石の重量も従来の構造に比べて８０％程度となり、製造コストも小型軽量化により従来のものの約６０％にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体収束質量分離器の一つの実施の形態を示す概略線図。
【図２】（ａ）図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの入射側端面部分の構成を示す図１のＡ−Ａに沿った拡大断面図、（ｂ）図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの出射側端面部分の構成を示す図１のＢ−Ｂ沿った拡大断面図。
【図３】図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの入射側端面部分の構成を示す概略拡大斜視図、（ｂ）図１の立体収束質量分離器におけるポールピースの出射側端面部分の構成を示す概略拡大斜視図。
【図４】図１に示す立体収束質量分離器における種々の電流値に対するｙ方向磁場分布を示すグラフ。
【図５】図１に示す立体収束質量分離器における種々の電流値に対するｚ方向磁場の強さを示すグラフ。
【図６】本発明の適用されるイオン注入装置の一例を示す概略線図。
【図７】従来のイオン注入装置における質量分離器を示す概略線図。
【図８】立体収束の原理を示す概略斜視図。
Claims (1)
- イオンビームを生成するイオン源からのイオンから所望のイオンを分離し、加速し、偏向した後エンドステーションの基板へ注入するようにした中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器において、
９０°セクターマグネットのポールピースの端面を予定の斜め入出射角度に設定すると共に、ポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部の高さの１／２を３０±３°の角度で削ぎ落として、ポールピースの入出射側端縁近傍の磁場のイオンビームの入射方向及び出射方向の成分を大きくする面取り部を形成し、
面取り部を形成したポールピースの端面におけるイオンビーム通路の開口部の縁部に対向して、イオンビーム通路の開口部の全幅にわたってのびる帯状のシム部材を設けたこと
を特徴とする中電流型イオン注入装置用の立体収束質量分離器。
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|---|---|---|---|---|
| JP2008300149A (ja) * | 2007-05-30 | 2008-12-11 | Jeol Ltd | 荷電粒子ビーム偏向装置 |
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