JP4822055B2 - Mass spectrometer for ion implantation equipment - Google Patents

Description

本発明は、基板上のシリコン膜に不純物を注入するイオン注入装置用の質量分析器に関する。   The present invention relates to a mass analyzer for an ion implantation apparatus that implants impurities into a silicon film on a substrate.

イオン注入装置は、薄膜トランジスタ等の製造のため、ガラス基板等の基板上のシリコン薄膜に不純物を注入する装置である。かかるイオン注入装置は、例えば特許文献１〜３に開示されている。
これらのイオン注入装置において、注入する不純物は、リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）などであり、フォスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）の水素希釈ガスなどを材料ガスとして、装置内でプラズマを生成し、これからリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）を含むイオンを引き出し、これを加速してイオンビームとして薄膜に照射して不純物を注入する。 An ion implantation apparatus is an apparatus for injecting impurities into a silicon thin film on a substrate such as a glass substrate in order to manufacture a thin film transistor or the like. Such an ion implantation apparatus is disclosed in Patent Documents 1 to 3, for example.
In these ion implantation apparatuses, impurities to be implanted are phosphorus (P), boron (B), etc., and plasma is generated in the apparatus using phosphine (PH3), diborane (B2H6) hydrogen dilution gas, or the like as a material gas. Then, ions containing phosphorus (P) and boron (B) are extracted from this, and accelerated to irradiate the thin film as an ion beam to implant impurities.

しかし、材料ガスとして、フォスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）の水素希釈ガスなどを使用するため、注入するＰイオンやＢイオンの他に水素イオンなどの不要なイオンが注入されることがある。
そのため、イオン注入装置には、イオンビーム中の必要なイオン種（Ｐ、Ｂ）の量を測定または制御する質量分析器が不可欠となる。 However, since phosphine (PH3) or diborane (B2H6) hydrogen dilution gas is used as the material gas, unnecessary ions such as hydrogen ions may be implanted in addition to the implanted P ions and B ions.
Therefore, a mass analyzer that measures or controls the amount of necessary ion species (P, B) in the ion beam is indispensable for the ion implantation apparatus.

イオン注入装置用の質量分析器は、特許文献４，５にも開示されている。
質量分析器は、イオンビームの一部を分析して、測定した各イオンの電流量から必要なイオン種の比率を求め、これをイオン注入装置にフィードバックして薄膜への注入量を制御するために用いられる。 Patent Documents 4 and 5 disclose mass analyzers for ion implantation apparatuses.
The mass analyzer analyzes a part of the ion beam, determines the required ion species ratio from the measured current amount of each ion, and feeds this back to the ion implanter to control the implantation amount into the thin film. Used for.

従来の質量分析器は、（１）電磁石又はコイルを用いる磁場分析方式、（２）電場と磁場の両方を用いるＥ×Ｂ分析方式、（３）四重極間の電場を用いた四重極分析方式などに大別することができる。   Conventional mass analyzers are (1) a magnetic field analysis method using an electromagnet or a coil, (2) an E × B analysis method using both an electric field and a magnetic field, and (3) a quadrupole using an electric field between quadrupoles. It can be roughly divided into analysis methods.

特許文献１は、図５に示すように、イオンの入射方向に対して垂直方向成分をもつ電場及び磁場を備えた電磁型エネルギー分析器５４を開示している。この電磁型エネルギー分析器５４は、Ｅ×Ｂ分析方式の質量分析器である。   As shown in FIG. 5, Patent Document 1 discloses an electromagnetic energy analyzer 54 having an electric field and a magnetic field having components perpendicular to the incident direction of ions. The electromagnetic energy analyzer 54 is an E × B analysis type mass analyzer.

特許文献２は、図６に示すように、イオン源６２から引き出したイオンビーム６６の一部を、ビームモニタ部６０で受けてイオンビーム電流を計測し、その間にそこを通過するイオンビーム６６を質量分析する質量分析器６４を開示している。この質量分析器６４は、磁極と電極を直交配置し、磁界および電界を用いるＥ×Ｂ分析方式の質量分析器である。   In Patent Document 2, as shown in FIG. 6, a part of an ion beam 66 extracted from an ion source 62 is received by a beam monitor unit 60 to measure an ion beam current, and an ion beam 66 passing therethrough is measured. A mass analyzer 64 for mass analysis is disclosed. The mass analyzer 64 is an E × B analysis type mass analyzer in which magnetic poles and electrodes are arranged orthogonally and a magnetic field and an electric field are used.

特許文献３は、図７に示すように、イオンビーム７１からイオン種と水素イオンとの比率を求めるためのＥ×Ｂモニタ７５を開示している。このＥ×Ｂモニタ７５は、磁界を与える１対の永久磁石と、磁界と直交する方向に電界を与える１対の電極を備えたＥ×Ｂ分析方式の質量分析器である。   Patent Document 3 discloses an E × B monitor 75 for obtaining a ratio of ion species and hydrogen ions from an ion beam 71 as shown in FIG. The E × B monitor 75 is an E × B analysis type mass analyzer including a pair of permanent magnets for applying a magnetic field and a pair of electrodes for applying an electric field in a direction orthogonal to the magnetic field.

特許文献４は、図８に示すように、透孔８１を塞ぐように設けられた質量分析器８４を開示している。この質量分析器８４は、曲げられた管体８６と、その管体８６の外部に設けられた磁場発生手段としてのコイル８８とで構成される。従って、この質量分析器８４は、コイルを用いる磁場分析方式の質量分析器である。   Patent Document 4 discloses a mass analyzer 84 provided so as to close the through hole 81 as shown in FIG. The mass analyzer 84 includes a bent tube body 86 and a coil 88 as a magnetic field generating means provided outside the tube body 86. Accordingly, the mass analyzer 84 is a magnetic field analysis type mass analyzer using a coil.

特許文献５は、図９に示すように、基板を保持するサセプタのガラス基板周辺部に、ドープ量を計測する固定ファラデー９６を配置し、さらに質量分析を可能とする電磁石または永久磁石を固定ファラデーに設けたものが開示されている。従って、この質量分析器は、電磁石または永久磁石を用いる磁場分析方式の質量分析器である。   In Patent Document 5, as shown in FIG. 9, a fixed Faraday 96 for measuring a dope amount is arranged around the glass substrate of a susceptor that holds the substrate, and an electromagnet or permanent magnet that enables mass spectrometry is further fixed to the fixed Faraday. Is provided. Therefore, this mass analyzer is a magnetic field analysis type mass analyzer using an electromagnet or a permanent magnet.

特開平５−６７４５０号公報、「イオン注入装置」Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-67450, "Ion implantation apparatus" 特開平６−３６７３７号公報、「イオン注入装置」Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-36737, “Ion implantation apparatus” 特開平８−２２５９３８号公報、「イオンシャワードーピング装置」JP-A-8-225938, “Ion shower doping apparatus” 特開２００２−２３１６５２号公報、「不純物注入量計測装置および不純物注入量計測方法」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-231652, “Implanted impurity amount measuring device and impurity implanted amount measuring method” 特開２００２−３５８９２１号公報、「イオンドーピング装置及びそれに用いるドーズ量の管理方法」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-358921, “Ion doping apparatus and dose management method used therein”

従来の質量分析器には、以下の問題点があった。
（１）電磁石を用いる磁場分析方式では、電磁石自体の重量が重く体積も大きくなる。また、電磁石励起のため大電力が必要である。
これらの方式で電力を低減しようとすると分析長を長くとる必要があり、体積がさらに大きくなる。また、分離したイオンの検出のために、可動式のファラデーカップやスリットを組み込む必要があり、体積の増大につながっている。
（２）Ｅ×Ｂ分析方式は、磁場分析方式と比べれば小型にできるが、入射したイオンビームの全電流量の測定ができない。そのため、イオン種比率の正確な測定ができない。
（３）また、Ｅ×Ｂ分析方式や四重極分析方式では、広範囲な特性のイオンビームを分析するためには、電力または体積のいずれかを増す必要がある。 The conventional mass spectrometer has the following problems.
(1) In the magnetic field analysis method using an electromagnet, the electromagnet itself is heavy and large in volume. Moreover, a large electric power is required for electromagnet excitation.
In order to reduce the electric power by these methods, it is necessary to take a long analysis length, and the volume further increases. Moreover, in order to detect the separated ions, it is necessary to incorporate a movable Faraday cup or slit, which leads to an increase in volume.
(2) Although the E × B analysis method can be made smaller than the magnetic field analysis method, the total current amount of the incident ion beam cannot be measured. Therefore, it is impossible to accurately measure the ion species ratio.
(3) Further, in the E × B analysis method or the quadrupole analysis method, in order to analyze an ion beam having a wide range of characteristics, it is necessary to increase either power or volume.

以下、問題点をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the problem will be described in more detail.

（イオン量測定）
Ｅ×Ｂ分析方式や四重極分析方式では、各イオン量の総和と実際の総イオン量とが一致しないという不具合が生じる場合がある。また、磁場分析方式でも可動式の検出器を用いた場合には、総イオン量測定が確かでない問題がある。 (Ion content measurement)
In the E × B analysis method or the quadrupole analysis method, there may be a problem that the total amount of each ion does not match the actual total ion amount. Further, when a movable detector is used even in the magnetic field analysis method, there is a problem that the total ion amount measurement is not certain.

（中性粒子測定）
Ｅ×Ｂ分析方式や四重極分析方式では、直進する方向にイオン検出器を設置するため、中性粒子の計測は事実上不可能であった。そのため、中性粒子量がイオン量に比べて無視できない量である場合、実際の注入量はイオン量の測定のみでは不正確になる。 (Neutral particle measurement)
In the E × B analysis method and the quadrupole analysis method, since the ion detector is installed in the straight direction, it is practically impossible to measure neutral particles. Therefore, when the amount of neutral particles is an amount that cannot be ignored compared to the amount of ions, the actual implantation amount becomes inaccurate only by measuring the amount of ions.

（リアルタイム測定）
従来の質量分析器では、実際に基板に注入処理する直前にイオン種比率の計算を行い、これを注入量にフィードバックしていた。しかしこの場合では、イオン注入中のイオン種比率の変動は加味されない。 (Real time measurement)
In the conventional mass spectrometer, the ion species ratio is calculated immediately before the substrate is actually implanted, and this is fed back to the implantation amount. However, in this case, the variation of the ion species ratio during ion implantation is not taken into account.

（消費電力の低減）
電磁石分析方式、Ｅ×Ｂ分析方式、四重極分析方式などはすべて励磁や電界形成のために電源を必要とする。
また、検出部のファラデーカップサイズには、電場による２次電子抑制機構が用いられてきた。
そのため、電源が不可欠であり、電源故障や配線不良など、電源関係の不具合の可能性があり、機器としての安定性や信頼性が低い。 (Reduction of power consumption)
The electromagnet analysis method, the E × B analysis method, the quadrupole analysis method, etc. all require a power source for excitation and electric field formation.
Moreover, the secondary electron suppression mechanism by an electric field has been used for the Faraday cup size of a detection part.
Therefore, a power source is indispensable, and there is a possibility of a power-related malfunction such as a power failure or wiring failure, and the stability and reliability as a device is low.

（サイズ縮小）
従来の多くの分析器では、入射側から見て分析器を越えた位置に検出部を設置し、ビーム電流を測定している。この結果、分析器が入射方向に長くなり、結果的に装置全体の体積を増加させる要因となっていた。 (Size reduction)
In many conventional analyzers, a detector is installed at a position beyond the analyzer when viewed from the incident side, and the beam current is measured. As a result, the analyzer becomes longer in the incident direction, resulting in an increase in the volume of the entire apparatus.

本発明は、上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の第１の目的は、入射したイオンビームの全電流量（総イオン量）、イオンビーム中のイオン種比率、及びイオンビーム中の中性粒子量の正確な測定ができるイオン注入装置用の質量分析器を提供することにある。
また、第２の目的は、少なくともイオンビーム中のイオン種比率の測定を、実際のイオン注入中にできるイオン注入装置用の質量分析器を提供することにある。
また、第３の目的は、励磁、電界形成および２次電子抑制のための電源を不要にして小電力で作動でき、かつ装置全体を小型化できるイオン注入装置用の質量分析器を提供することにある。 The present invention has been made to solve the various problems described above. That is, a first object of the present invention is to provide an ion implantation apparatus capable of accurately measuring the total current amount (total ion amount) of an incident ion beam, the ion species ratio in the ion beam, and the amount of neutral particles in the ion beam. It is to provide a mass spectrometer for use.
A second object of the present invention is to provide a mass analyzer for an ion implanter that can measure at least the ratio of ion species in an ion beam during actual ion implantation.
A third object is to provide a mass analyzer for an ion implantation apparatus that can be operated with low power without using a power source for excitation, electric field formation, and suppression of secondary electrons, and that can downsize the entire apparatus. It is in.

本発明によれば、イオン源でプラズマを発生させ、加速電極系でプラズマ中のイオンをイオンビームとして出力し、出力されたイオンビームを基板に照射して基板上のシリコン膜に不純物を注入するイオン注入装置用の質量分析器であって、
該質量分析器は、イオン源と対向しかつ基板の周囲を通過したイオンビームの一部が入射する位置に設置されており、
入射したイオンビームに直交する方向に磁場を形成する磁石と、
前記磁場で曲げられたイオンビームが全て入射し、総イオン量と各イオン種量を測定可能なイオン量測定器と、
前記磁場で曲がらない中性粒子が全て入射するように配置された中性粒子測定器と、を備えたことを特徴とするイオン注入装置用の質量分析器が提供される。 According to the present invention, plasma is generated by an ion source, ions in the plasma are output as an ion beam by an accelerating electrode system, and the substrate is irradiated with the output ion beam to inject impurities into the silicon film on the substrate. A mass analyzer for an ion implanter,
The mass analyzer is installed at a position where a part of the ion beam that is opposed to the ion source and passes around the substrate is incident,
A magnet that forms a magnetic field in a direction perpendicular to the incident ion beam;
An ion quantity measuring device capable of measuring the total amount of ions and the amount of each ion species by entering all of the ion beam bent by the magnetic field;
There is provided a mass spectrometer for an ion implantation apparatus, comprising: a neutral particle measuring device arranged so that all neutral particles that are not bent by the magnetic field are incident thereon.

本発明の好ましい実施形態によれば、前記イオン量測定器は、一端が前記中性粒子測定器に近接し、他端が磁場に入射したイオンビームの最大偏向位置まで延びる直線状または円弧状の長いファラデーカップと、
該ファラデーカップと前記磁場との間に位置し、イオンビームを遮蔽する可動式遮蔽板とからなり、
該可動式遮蔽板は、全開から全閉まで連続的に開閉可能に構成されている。 According to a preferred embodiment of the present invention, the ion content meter has a linear or arc shape in which one end is close to the neutral particle meter and the other end extends to the maximum deflection position of the ion beam incident on the magnetic field. With a long Faraday cup,
A movable shielding plate that is positioned between the Faraday cup and the magnetic field and shields the ion beam;
The movable shielding plate is configured to be continuously openable and closable from fully open to fully closed.

また、前記磁石は、永久磁石であり、
さらに、永久磁石を用いた磁場で２次電子抑制を行う２次電子抑制装置を備える。 The magnet is a permanent magnet,
Furthermore, the secondary electron suppression apparatus which performs secondary electron suppression with the magnetic field using a permanent magnet is provided.

上記本発明の構成によれば、磁場で曲げられたイオンビームが全て入射するイオン量測定器（すなわち直線状または円弧状の長いファラデーカップ）を備えるので、これにより入射したイオンビームを全て検出でき、総イオン量の測定が正しく行える。
また、ファラデーカップと磁場との間にイオンビームを遮蔽する可動式遮蔽板を備えるので、これを連続的に開閉してファラデーカップの検出範囲を変化させることで、ファラデーカップサイズとその電流との関係によりイオンスペクトルが得られる。
さらに、イオン量測定器のみで総イオン量と各イオン種量を測定できるため、正確なイオン種比率を計算することができる。 According to the configuration of the present invention, an ion quantity measuring device (that is, a long Faraday cup having a linear shape or an arc shape) on which all ion beams bent by a magnetic field are incident can be detected. The total ion content can be measured correctly.
In addition, a movable shielding plate that shields the ion beam is provided between the Faraday cup and the magnetic field. An ion spectrum is obtained by the relationship.
Furthermore, since the total ion amount and each ion species amount can be measured only with an ion amount measuring device, an accurate ion species ratio can be calculated.

また本発明では、永久磁石で形成する磁場によってイオンビームを曲げて分析するため、分析部（磁場中）を直進する中性粒子も中性粒子測定器で分離検出することができる。これにより、実際に薄膜に注入される粒子はイオンと中性粒子の両方であるため、中性粒子量を測定できることで注入量の信頼性が向上する。   Further, in the present invention, since the ion beam is bent and analyzed by a magnetic field formed by a permanent magnet, neutral particles traveling straight through the analysis unit (in the magnetic field) can be separated and detected by the neutral particle measuring instrument. Thereby, since the particles actually injected into the thin film are both ions and neutral particles, the amount of neutral particles can be measured, thereby improving the reliability of the injected amount.

また本発明の質量分析器は、注入中でも測定できる位置にあり、また特定のイオン種量を連続測定することができる。これにより注入中のイオン種量変動を捉えて、注入量にフィードバックすることが可能である。   The mass spectrometer of the present invention is in a position where it can be measured even during injection, and can continuously measure the amount of specific ion species. As a result, it is possible to capture fluctuations in the amount of ion species during implantation and feed back to the implantation amount.

また、磁場形成のために永久磁石を使用することで、電磁石を使用した場合と比べて、重量、体積を大幅に縮小できる。
さらに、電磁石分析方式、Ｅ×Ｂ分析方式、四重極分析方式などはすべて励磁や電界形成のために電源を必要とするが、永久磁石では不要である。 Further, by using a permanent magnet for magnetic field formation, the weight and volume can be greatly reduced as compared with the case where an electromagnet is used.
Furthermore, the electromagnet analysis method, the E × B analysis method, the quadrupole analysis method, and the like all require a power source for excitation and electric field formation, but are not necessary for a permanent magnet.

また、本発明では、永久磁石を用いた磁場で２次電子抑制を行う２次電子抑制装置を備えるので、分析部と検出部に永久磁石を用いることで、電源を不要とし、電源故障や配線不良など、電源関係の不具合の心配がなくなり、機器としての安定性や信頼性が向上する。   Moreover, in this invention, since the secondary electron suppression apparatus which suppresses a secondary electron with the magnetic field using a permanent magnet is provided, a power supply becomes unnecessary by using a permanent magnet for an analysis part and a detection part, a power supply failure, wiring There is no need to worry about defects such as defects, and the stability and reliability of the equipment is improved.

さらに本発明では、強力な磁場を形成して、分析部で分解されたビームを大きな偏向角で曲げ、分析部と並ぶ位置に設置した検出器へ飛行させる機構とした。これにより分析器の長さを短縮でき、分析器のサイズ低減により装置全体の体積削減が可能である。   Furthermore, in the present invention, a mechanism is formed in which a strong magnetic field is formed, the beam decomposed by the analysis unit is bent at a large deflection angle, and then is made to fly to a detector installed at a position aligned with the analysis unit. Thereby, the length of the analyzer can be shortened, and the volume of the entire apparatus can be reduced by reducing the size of the analyzer.

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図１は、本発明の質量分析器を備えたイオン注入装置の全体構成図であり、図２は別の実施形態を示す図である。
図１及び図２において、イオン注入装置１は、イオン源２でプラズマ３を発生させ、加速電極部４でプラズマ中のイオンをイオンビーム５として出力し、出力されたイオンビーム５を基板（液晶ガラス基板）６に照射して基板上のシリコン膜に不純物を注入するようになっている。
また、これらの図で、２ａは熱電子を発生するためのフィラメント、２ｂはプラズマ閉じ込めのための磁石である。 FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ion implantation apparatus provided with a mass analyzer of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing another embodiment.
1 and 2, an ion implantation apparatus 1 generates a plasma 3 with an ion source 2, outputs ions in the plasma as an ion beam 5 with an acceleration electrode unit 4, and outputs the ion beam 5 to a substrate (liquid crystal). A glass substrate 6 is irradiated to inject impurities into the silicon film on the substrate.
In these figures, 2a is a filament for generating thermoelectrons, and 2b is a magnet for confining plasma.

本発明の質量分析器１０は、イオン注入装置１の構成機器の１つであり、図のようにプロセス室のイオン源２と対向する位置（この例で下部）で、基板６の周囲を通過したイオンビーム５の一部が入射する位置に設置されている。   The mass analyzer 10 of the present invention is one of the components of the ion implantation apparatus 1 and passes around the substrate 6 at a position facing the ion source 2 in the process chamber (lower part in this example) as shown in the figure. The ion beam 5 is installed at a position where a part of the ion beam 5 enters.

イオン（不純物）としては、リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）を注入するため、材料ガスとしては、フォスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）を水素希釈したガスなどが使用される。そのため、注入するイオンビームには、例えばジボランの場合には、Ｂ２Ｈｘイオン、ＢＨｘイオン、Ｈｘイオン（ｘは０以上の整数）などの複数種のイオンが含まれる。注入に必要なＢ２Ｈｘイオンの量を測定するために、質量分析器１０が用いられる。   As ions (impurities), phosphorus (P) and boron (B) are implanted, and as a material gas, a gas obtained by diluting phosphine (PH3) or diborane (B2H6) with hydrogen is used. Therefore, the ion beam to be implanted includes, for example, diborane, a plurality of types of ions such as B2Hx ions, BHx ions, and Hx ions (x is an integer of 0 or more). A mass analyzer 10 is used to measure the amount of B2Hx ions required for implantation.

本発明の質量分析器１０は、分離部１２と検出部１４の２つの部分で構成されている。
分離部１２には、入射したイオンビーム５に直交する方向（この図で紙面に垂直方向）に磁場を形成する磁石１３が設けられている。この磁石１３はこの例では永久磁石１３であるが、電磁石でもよい。
分離部１２では、入射したイオンビーム５をコリメートした後で磁場発生部１２ａを通過させて質量によって分離する。磁場発生部１２ａは永久磁石１３を用いた磁気回路により磁場を形成している。 The mass analyzer 10 of the present invention is composed of two parts, a separation unit 12 and a detection unit 14.
The separation unit 12 is provided with a magnet 13 that forms a magnetic field in a direction perpendicular to the incident ion beam 5 (in the drawing, a direction perpendicular to the paper surface). The magnet 13 is a permanent magnet 13 in this example, but may be an electromagnet.
In the separation unit 12, the incident ion beam 5 is collimated and then passed through the magnetic field generation unit 12a to be separated by mass. The magnetic field generator 12 a forms a magnetic field by a magnetic circuit using the permanent magnet 13.

永久磁石１３による強力な磁場により図に示すように、水素などの軽いイオンビーム５ａは偏向を受けて検出部１４のファラデーカップ１５に到達する。またＰＨｘやＢ２Ｈｘなどの重いイオンビーム５ｂはより低い角度で偏向してファラデーカップ１５に到達する。
各イオンの質量と加速エネルギーによって偏向角が異なるため、到達位置とそこで検出される電流を計測することで、各イオン量を測定できる。 As shown in the figure, the light ion beam 5 a such as hydrogen is deflected and reaches the Faraday cup 15 of the detection unit 14 by a strong magnetic field generated by the permanent magnet 13. Further, the heavy ion beam 5b such as PHx or B2Hx is deflected at a lower angle and reaches the Faraday cup 15.
Since the deflection angle differs depending on the mass and acceleration energy of each ion, the amount of each ion can be measured by measuring the arrival position and the current detected there.

検出部１４は、イオン量測定器１５，１６と中性粒子測定器１７とを備える。イオン量測定器１５，１６は、ファラデーカップ１５と可動式遮蔽板１６とからなり、磁場発生部１２ａの磁場で曲げられたイオンビーム５が全て入射し、総イオン量と各イオン種量を測定可能に構成されている。
中性粒子測定器１７は、磁場発生部１２ａの磁場で曲がらない中性粒子５ｃが全て入射するように、入射したイオンビーム５の延長上に配置されている。 The detection unit 14 includes ion amount measuring devices 15 and 16 and a neutral particle measuring device 17. The ion amount measuring devices 15 and 16 are composed of a Faraday cup 15 and a movable shielding plate 16, and all the ion beams 5 bent by the magnetic field of the magnetic field generating unit 12a are incident thereon, and measure the total ion amount and each ion species amount. It is configured to be possible.
The neutral particle measuring device 17 is arranged on the extension of the incident ion beam 5 so that all the neutral particles 5c that are not bent by the magnetic field of the magnetic field generation unit 12a are incident.

検出部１４では、磁場で分離したイオンビーム５ａ，５ｂをファラデーカップ１５で検出して電流を測定する。また直進する方向に設置された中性粒子検出器１７で中性粒子５ｃの量を測定する。   In the detection unit 14, the ion beam 5a, 5b separated by the magnetic field is detected by the Faraday cup 15, and current is measured. Further, the amount of the neutral particles 5c is measured by the neutral particle detector 17 installed in the straight direction.

ファラデーカップ１５は、分離されたイオンビーム５ａ，５ｂの全てを検出できるように、一端が中性粒子測定器１７に近接し、他端が磁場に入射したイオンビームの最大偏向位置まで延びる形状をしている。この形状は図１では円弧状であり、図２では直線状である。
この構成により、分離したイオンビーム５ａ，５ｂを全て検出できるため、総イオン量の測定が正しく行える。 The Faraday cup 15 has a shape in which one end is close to the neutral particle measuring device 17 and the other end extends to the maximum deflection position of the ion beam incident on the magnetic field so that all of the separated ion beams 5a and 5b can be detected. is doing. This shape is arcuate in FIG. 1 and linear in FIG.
With this configuration, since all the separated ion beams 5a and 5b can be detected, the total ion amount can be measured correctly.

また、可動式遮蔽板１６は、ファラデーカップ１５と磁場発生部１２ａの磁場との間に位置し、イオンビーム５を遮蔽する全開から全閉まで、図示しない駆動装置で連続的に開閉可能に構成されている。   The movable shielding plate 16 is located between the Faraday cup 15 and the magnetic field of the magnetic field generator 12a, and can be continuously opened and closed by a driving device (not shown) from fully open to fully closed to shield the ion beam 5. Has been.

すなわちファラデーカップ１５のビーム入射側に設置した可動式遮蔽板１６により、ファラデーカップ１５のサイズを可変にしている。ファラデーカップサイズとその電流との関係によりイオンスペクトルが得られる。例えば、初めに遮蔽板１６を全て閉じ、測定開始とともに遮蔽板１６を開いていく。ファラデーカップサイズが徐々に大きくなり、分離されたイオンが低い質量数から順に流入するようになる。
可動式遮蔽板１６の開度（ファラデーカップのサイズ）をイオンの質量に変換してファラデーカップに流れる電流をプロットすればイオンスペクトルが得られ、各イオン種の量とそれらの総和としての総イオン量が測定可能である。
この結果からビーム中の必要なイオン種の比率が計算できる。 That is, the size of the Faraday cup 15 is made variable by the movable shielding plate 16 installed on the beam incident side of the Faraday cup 15. An ion spectrum is obtained by the relationship between the Faraday cup size and its current. For example, first, all the shielding plates 16 are closed, and the shielding plates 16 are opened with the start of measurement. The Faraday cup size gradually increases, and the separated ions flow in order from the lowest mass number.
If the opening of the movable shielding plate 16 (the size of the Faraday cup) is converted into the mass of ions and the current flowing through the Faraday cup is plotted, an ion spectrum can be obtained, and the amount of each ion species and the total ion as a sum of them. The quantity can be measured.
From this result, the ratio of the necessary ion species in the beam can be calculated.

可動式遮蔽板１６の機構としては、直線状では回転駆動を直線移動に変換した機構、円弧状の場合には回転駆動をそのまま遮蔽板の駆動としたものを用いることができる。   As a mechanism of the movable shielding plate 16, a mechanism in which the rotational drive is converted into a linear movement in a linear shape, and a mechanism in which the rotational drive is directly used as the driving of the shielding plate in the case of an arc shape can be used.

検出部１４のファラデーカップ１５には、イオンビーム５ａ，５ｂが照射されることによって発生する２次電子を抑制してファラデーカップに戻すための２次電子抑制装置１８が付加されている。（図３参照）   A secondary electron suppression device 18 is added to the Faraday cup 15 of the detection unit 14 for suppressing secondary electrons generated by irradiation with the ion beams 5a and 5b and returning them to the Faraday cup. (See Figure 3)

図３は、本発明の２次電子抑制装置１８の模式図である。この図に示すように、本発明の２次電子抑制装置１８は、永久磁石１９を用いた磁場で２次電子抑制を行うものであり、永久磁１９を用いてファラデーカップの入口に磁場を形成し、発生した２次電子を捕捉してファラデーカップに戻すことができる。
従来の電気的な抑制機構では電源が必要であるが、永久磁石回路を用いることで電源が不要となる。また電源を不要とした分離部とともに電源関係の不具合の可能性を本質的になくすことができる。 FIG. 3 is a schematic diagram of the secondary electron suppressing device 18 of the present invention. As shown in this figure, the secondary electron suppression device 18 of the present invention performs secondary electron suppression with a magnetic field using a permanent magnet 19, and forms a magnetic field at the entrance of the Faraday cup using the permanent magnet 19. Then, the generated secondary electrons can be captured and returned to the Faraday cup.
The conventional electrical suppression mechanism requires a power source, but the use of a permanent magnet circuit eliminates the need for a power source. In addition, the possibility of power supply related problems can be essentially eliminated together with the separation unit that does not require a power supply.

質量分析器１０は図示しないプロセス室とバルブで分離することができる。質量分析器１０には真空ポンプが設置され差動排気し、またプロセス室とは独立して大気開放と真空引きができる構造となっている。
またイオンビーム５または材料ガスにより、ファラデーカップなどの真空部品が汚染されるため、定期的にメンテナンスする必要がある。そのため真空容器にはメンテナンス用ハッチがあり、交換部品の取付け、取外しができるようになっている。 The mass analyzer 10 can be separated from a process chamber and a valve (not shown). The mass analyzer 10 is provided with a vacuum pump for differential evacuation and can be opened to the atmosphere and evacuated independently of the process chamber.
Moreover, since vacuum components, such as a Faraday cup, are contaminated by the ion beam 5 or material gas, it is necessary to maintain regularly. For this reason, the vacuum vessel has a maintenance hatch so that replacement parts can be attached and detached.

イオンスペクトル測定は、制御装置２０により自動で行われる。制御装置２０からの指令でファラデーカップ１５の前面にある可動式遮蔽板１６を移動する。希望する質量測定範囲を遮蔽板位置に変換し、その範囲を遮蔽板が移動する。遮蔽板移動開始と同時にイオン量測定器１５，１６でファラデーカップ電流を測定開始するように指令する。可動式遮蔽板１６が目的の移動を終了すると電流計測も終了する。
可動式遮蔽板１６を連続で移動させて、その間にファラデーカップ電流を連続で測定し、一連の測定が終了した後に遮蔽板の位置とファラデーカップ電流を同期させてプロットすることでビームのイオンスペクトルが得られる。 The ion spectrum measurement is automatically performed by the control device 20. The movable shielding plate 16 on the front surface of the Faraday cup 15 is moved by a command from the control device 20. A desired mass measurement range is converted into a shielding plate position, and the shielding plate moves within that range. Simultaneously with the start of the movement of the shielding plate, the ion amount measuring devices 15 and 16 are instructed to start measuring the Faraday cup current. When the movable shielding plate 16 finishes the intended movement, the current measurement is also finished.
The movable shield plate 16 is continuously moved, while the Faraday cup current is continuously measured during that time, and after a series of measurements is completed, the position of the shield plate and the Faraday cup current are plotted in a synchronized manner, thereby the ion spectrum of the beam. Is obtained.

図４は、イオンビームの質量数と電流量との関係図である。この図において、横軸はイオンビームの質量数であり、左端は遮蔽板の全閉位置、右端は全開位置に相当する。
また左側の縦軸は電流量すなわちファラデーカップ電流であり、図中の太い実線に対応する。さらに右側の縦軸は電流量の差分であり、図中の細線に対応する。
なおこの例は、材料ガスとしては、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を水素希釈したガスを用いた場合であり、図中の細線の山は、左からＨｘ，ＢＨｘ，Ｂ２Ｈｘにそれぞれ対応する。 FIG. 4 is a relationship diagram between the mass number of the ion beam and the current amount. In this figure, the horizontal axis represents the mass number of the ion beam, the left end corresponds to the fully closed position of the shielding plate, and the right end corresponds to the fully open position.
The left vertical axis represents the amount of current, that is, the Faraday cup current, and corresponds to the thick solid line in the figure. Further, the vertical axis on the right is the difference in current amount, and corresponds to the thin line in the figure.
In this example, a gas obtained by diluting diborane (B2H6) with hydrogen is used as the material gas, and the thin line peaks in the figure correspond to Hx, BHx, and B2Hx, respectively, from the left.

従来のイオンスペクトル測定では遮蔽板を逐次移動させて位置を確認し、その度にファラデーカップ電流を計測する方式がとられていた。そのため、測定に長時間を要していた。
これに対し、本発明では一体のファラデーカップ１５を用いてファラデーカップ電流を一括で測定する方式をとることにより、可動式遮蔽板１６を全開から全閉に移動するだけの短時間にイオンスペクトル測定ができる。従って、従来と比較して測定時間を大幅に短縮することができる。 In the conventional ion spectrum measurement, the position is confirmed by sequentially moving the shielding plate, and the Faraday cup current is measured each time. Therefore, it took a long time for the measurement.
On the other hand, in the present invention, the Faraday cup current is collectively measured using the integrated Faraday cup 15, so that the ion spectrum measurement is performed in a short period of time when the movable shielding plate 16 is moved from the fully open position to the fully closed position. Can do. Therefore, the measurement time can be greatly shortened compared to the conventional case.

この一括測定方式により、可動式遮蔽板１６の位置情報をイオンの質量に変換して、その情報とファラデーカップ１５の電流情報とを組み合わせて図４の電流量のようなビームのイオンスペクトルが得られる。この電気量から、例えばＢ２Ｈｘを対象イオンとした場合、その必要イオン種電気量と総電気量の比率を容易に求めることができる。   By this collective measurement method, the position information of the movable shielding plate 16 is converted into ion mass, and the information and the current information of the Faraday cup 15 are combined to obtain an ion spectrum of the beam like the amount of current in FIG. It is done. From this amount of electricity, for example, when B2Hx is the target ion, the ratio of the necessary ionic species electricity amount and the total electricity amount can be easily obtained.

またこの電流値を差分表示することで、図４の変換データのような、一般的なピーク分布表示ができ、質量数と各イオン量の関係がより明確になる。   Further, by displaying this current value as a difference, a general peak distribution display such as the conversion data of FIG. 4 can be performed, and the relationship between the mass number and the amount of each ion becomes clearer.

さらに、図１及び図２において、制御装置２０により必要なイオン種の比率を求め、その結果を装置の運転条件（注入量設定値、電極電圧等）にフィードバックすることにより、必要なイオンの注入量の精度を向上することができる。
また希望するイオン種のみを連続して測定する定点測定を可能とした。イオンスペクトル測定は実際の注入処理の直前に実施され、注入量の設定値にフィードバックされる。 Further, in FIG. 1 and FIG. 2, the required ion species ratio is obtained by the control device 20, and the result is fed back to the operation conditions (injection amount setting value, electrode voltage, etc.) of the device, thereby implanting the necessary ions. The amount accuracy can be improved.
In addition, fixed point measurement is possible in which only the desired ion species is continuously measured. The ion spectrum measurement is performed immediately before the actual implantation process, and is fed back to the set value of the implantation amount.

質量分析器１０は注入中もイオンビームを取り込んで測定可能なように、基板の外側に設置されている。そのため例えば、イオンスペクトル測定でＢ２Ｈｘイオンの検出範囲を特定し、その範囲のみを検出できるよう他の部分を複数の可動式遮蔽板１６で覆い、ファラデーカップ電流を連続的に測定することにより、Ｂ２Ｈｘイオン量の変動を注入中でも観測することができる。この変動をリアルタイムで注入量にフィードバックすることにより、より正確な注入が可能となる。   The mass analyzer 10 is installed outside the substrate so that an ion beam can be taken in and measured even during implantation. Therefore, for example, the B2Hx ion detection range is specified by ion spectrum measurement, the other part is covered with a plurality of movable shielding plates 16 so that only the range can be detected, and the Faraday cup current is continuously measured. Changes in the amount of ions can be observed even during implantation. By feeding back this fluctuation to the injection amount in real time, more accurate injection can be performed.

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.

本発明の質量分析器を備えたイオン注入装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the ion implantation apparatus provided with the mass spectrometer of this invention. 本発明の質量分析器を備えた別のイオン注入装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of another ion implantation apparatus provided with the mass spectrometer of this invention. 本発明の２次電子抑制装置の模式図である。It is a schematic diagram of the secondary electron suppression device of the present invention. イオンビームの質量数と電流量との関係図である。It is a relationship diagram between the mass number of an ion beam and the amount of current. 特許文献１の装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus of patent document 1. FIG. 特許文献２の装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus of patent document 2. FIG. 特許文献３の装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus of patent document 3. FIG. 特許文献４の装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus of patent document 4. 特許文献５の装置の模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram of an apparatus disclosed in Patent Document 5.

符号の説明Explanation of symbols

１ イオン注入装置、２ イオン源、２ａ フィラメント、２ｂ 磁石、
３ プラズマ、４ 加速電極部、５，５ａ，５ｂ イオンビーム、
５ｃ 中性粒子、６ 基板（ガラス基板）、
１０ 質量分析器、１２ 分離部、１２ａ 磁場発生部、
１３ 永久磁石、１４ 検出部、１５ ファラデーカップ、
１６ 可動式遮蔽板、１７ 中性粒子検出器、
１８ ２次電子抑制装置、１９ 永久磁石、２０ 制御装置
1 ion implanter, 2 ion source, 2a filament, 2b magnet,
3 plasma, 4 acceleration electrode part, 5, 5a, 5b ion beam,
5c neutral particles, 6 substrate (glass substrate),
10 mass analyzer, 12 separation unit, 12a magnetic field generation unit,
13 permanent magnets, 14 detectors, 15 Faraday cups,
16 movable shielding plate, 17 neutral particle detector,
18 Secondary electron suppression device, 19 Permanent magnet, 20 Control device

Claims (2)

イオン源でプラズマを発生させ、加速電極系でプラズマ中のイオンをイオンビームとして出力し、出力されたイオンビームを基板に照射して基板上のシリコン膜に不純物を注入するイオン注入装置用の質量分析器であって、
該質量分析器は、イオン源と対向しかつ基板の周囲を通過したイオンビームの一部が入射する位置に設置されており、
入射したイオンビームに直交する方向に磁場を形成する磁石と、
前記磁場で曲げられたイオンビームが全て入射し、総イオン量と各イオン種量を測定可能なイオン量測定器と、
前記磁場で曲がらない中性粒子が全て入射するように配置された中性粒子測定器と、を備え、
前記イオン量測定器は、一端が前記中性粒子測定器に近接し、他端が磁場に入射したイオンビームの最大偏向位置まで延びる直線状または円弧状の長いファラデーカップと、
該ファラデーカップと前記磁場との間に位置し、イオンビームを遮蔽する可動式遮蔽板とからなり、
該可動式遮蔽板は、全開から全閉まで連続的に開閉可能に構成されている、ことを特徴とするイオン注入装置用の質量分析器。 Mass for an ion implantation apparatus that generates plasma with an ion source, outputs ions in the plasma as an ion beam with an acceleration electrode system, and irradiates the substrate with the output ion beam to inject impurities into the silicon film on the substrate. An analyzer,
The mass analyzer is installed at a position where a part of the ion beam that is opposed to the ion source and passes around the substrate is incident,
A magnet that forms a magnetic field in a direction perpendicular to the incident ion beam;
An ion quantity measuring device capable of measuring the total amount of ions and the amount of each ion species by entering all of the ion beam bent by the magnetic field;
E Bei and a neutral particle measuring apparatus disposed so as neutral particles are incident all unbent by the magnetic field,
The ion amount measuring device has a linear or arc-shaped long Faraday cup having one end close to the neutral particle measuring device and the other end extending to the maximum deflection position of the ion beam incident on the magnetic field;
A movable shielding plate that is positioned between the Faraday cup and the magnetic field and shields the ion beam;
The mass spectrometer for an ion implantation apparatus, wherein the movable shielding plate is configured to be continuously openable and closable from fully open to fully closed . 前記磁石は、永久磁石であり、
さらに、永久磁石を用いた磁場で２次電子抑制を行う２次電子抑制装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置用の質量分析器。 The magnet is a permanent magnet,
Further, the mass analyzer for ion implantation apparatus according to claim 1, further comprising a secondary electron suppression device for performing secondary electron blocking in a magnetic field using a permanent magnet, characterized in that.

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