JP7284464B2 - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、照射対象物に向けてイオンビームを照射するイオンビーム照射装置に関し、特に、半導体製造工程またはフラットパネルディスプレイ製造工程で使用され、照射対象物となる基板にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置に関する。

半導体製造工程またはフラットパネルディスプレイ製造工程で使用されるイオンビーム照射装置として、例えば、特許文献１に記載されたイオン注入装置が知られている。このイオン注入装置は、内部に導入された原料ガスからプラズマを生成し、イオンビームを発生させるためのイオン源と、所定のビーム経路に沿ってイオンビームを通過させる真空チャンバーと、内部にウエハが配置される注入チャンバーを備えている。また、ビーム経路の途中には、イオンビームを偏向させて所望のイオンを通過させるための磁石が配置されている。つまり、イオン源から取り出されたイオンビームが当該磁石により偏向された後、注入チャンバーに導かれてウエハに照射されることによって、ウエハに所望のイオンが注入されることになる。

特許文献１のイオン注入装置は、当該磁石内のビーム経路にグラファイト性のライナー（内張り）を備えており、このライナーの表面には、イオン注入装置における汚染物となるパーティクルを補足する複数の溝が形成されている。すなわち、このイオン注入装置は、ライナーの溝にパーティクルを補足させることによって、注入チャンバーに到達する汚染物を低減させ、その結果、ウエハに付着する汚染物を低減させることができる。しかしながら、特許文献１のイオン注入装置においては、真空容器内に拡散した汚染物を補足しているのみであり、汚染物が真空容器内に拡散することを低減するものではない。

特表２００９－５１６３３２

イオン源内部に導入された原料ガス等がイオン源からビーム経路を形成する真空チャンバーに排出されると、当該原料ガス等が真空チャンバーの内壁面上で凝縮し、堆積物が生成する。これは、プラズマ生成時のイオン源と比較して真空チャンバーを形成する内壁の温度が低いためである。さらに、真空チャンバーの内壁と堆積物とは線膨張係数が異なるため、真空チャンバーが温度変化を繰り返すと、堆積物が真空チャンバーの内壁から剥がれ落ちることになる。すなわち、装置の運転と停止を繰り返すこと等によって堆積物は真空容器の内壁から剥がれ落ち、剥がれ落ちた堆積物はイオンビームのポテンシャルによって真空チャンバー内に拡散することになる。このように、特許文献１のイオン注入装置においては、真空容器に堆積する堆積物が真空容器内に拡散されるという問題があった。すなわち、真空容器内に堆積した堆積物が真空容器内に拡散されることを抑制する必要があった。

本発明は、上記課題を解決するものであり、真空容器内の堆積物が真空容器内に拡散されることを抑制できるイオンビーム照射装置を提供することを目的としている。

本発明におけるイオンビーム照射装置は、イオン源と、質量分析器と、前記イオン源から取り出されたイオンビームを第一の方向に通過させる内部空間を有する真空容器と、を備えるイオンビーム照射装置であって、前記真空容器は、前記イオン源と前記質量分析器との間の一部の領域において、前記内部空間を前記第一の方向と交差する第二の方向に拡張させる凹部を有し、前記内部空間において前記イオンビームから前記凹部の一部の領域を隠す閉塞部材をさらに備える構成とされている。

本発明のイオンビーム照射装置においては、真空容器は、イオン源と質量分析器との間の一部の領域に、内部空間をイオンビームが通行する方向である第一の方向と交差する第二の方向に拡張させる凹部を備える。したがって、真空容器のうち凹部が形成された領域は、他の領域と比較して内部空間を通過するイオンビームから離れることから、他の領域よりもイオンビームからの輻射熱による影響を受け難く、温度が上がり難い。すなわち、真空容器のうち凹部が形成された領域は、他の領域よりも低温となることから、イオン源から放出された原料ガス等から成る気体は凹部が形成された領域で凝縮しやすく、凹部には堆積物が発生する。
これに対し、本発明のイオンビーム照射装置は、内部空間においてイオンビームから凹部の一部の領域を隠す閉塞部材をさらに備えている。すなわち、本発明のイオンビーム照射装置は、他の領域よりも低温となる凹部において原料ガスを凝縮させ、凹部の一部の領域を閉塞部材によってイオンビームから隠すことで、イオンビームのビームポテンシャルが作用する堆積物の割合を少なくしている。その結果、堆積物を凹部に局所的に溜め込むことができ、堆積物が内部空間へ拡散することが抑制される。

また、本発明のイオンビーム照射装置においては、前記閉塞部材は、前記真空容器の内壁に取り付けられるライナーである構成としてもよい。

この構成によれば、真空容器の内壁に取り付けられるライナーを閉塞部材としても使用できることから、部品点数が削減され、簡易な構成とすることができる。

また、本発明のイオンビーム照射装置は、前記凹部を冷却する冷却装置をさらに備える構成としてもよい。

この構成によれば、冷却装置によって真空容器のうち凹部が形成される領域を、他の領域と比較してより低温にできることから、イオン源から放出された原料ガス等から成る気体をより凝集させやすくなる。

また、本発明のイオンビーム照射装置においては、前記真空容器は、前記第二の方向に開口する開口部を有する本体部材と、前記開口部を閉塞するように前記本体部材に着脱可能に取り付けられる箱状部材と、を備え、前記凹部は、前記本体部材に前記箱状部材が取り付けられることで形成される構成としてもよい。

この構成によれば、箱状部材が本体部材に着脱可能に取り付けられることになり、箱状部材を本体部材から離脱させてメンテナンス作業を行うことができる。したがって、清掃等のメンテナンス作業が容易となる。

本発明のイオンビーム照射装置によれば、真空容器内の堆積物が真空容器内に拡散されることを抑制できる

本発明の一実施形態におけるイオンビーム照射装置を模式的示す平面図。 同実施形態における真空容器を示す断面図。 図２に示すＣ―Ｃ線における断面図。 真空容器の変形例を示す断面図。

本発明の一実施形態におけるイオンビーム照射装置１０について説明する。
図１に示すように、イオンビーム照射装置１０は、イオンビームＩＢの照射対象である基板Ｓに所望するイオンを含むイオンビームＩＢを照射する装置である。より詳細には、イオンビーム照射装置１０は、半導体製造工程等で使用され、半導体ウエハである基板ＳにイオンビームＩＢを照射してイオン注入処理を施すためのイオン注入装置である。尚、イオンビーム照射装置１０の用途はこれに限定されるものではない。例えば、イオンビーム照射装置１０はフラットパネルディスプレイ製造工程で使用されるイオン注入装置であってもよい。この場合、基板Ｓはガラス基板であってよい。

図１に示すように、イオンビーム照射装置１０は、イオンビームＩＢを生成するためのイオン源１１と、内部に磁場を発生させる磁石１５を有する質量分析器１４を備えている。質量分析器１４は、磁石１５により発生された磁場によってイオンビームＩＢを偏向させ、所望のイオンを通過させるものである。

図１に示すように、イオン源１１は、内部でプラズマが生成されるプラズマチャンバー１２を備えており、プラズマチャンバー１２に供給される原料ガスから所望するイオンを含むプラズマを生成させるものである。また、プラズマチャンバー１２の外側近傍には、プラズマチャンバー１２内で生成したプラズマに含まれるイオンをイオンビームＩＢとして取り出すための引出電極１３が配置されている。尚、本実施形態におけるイオン源１１、引出電極１３、および質量分析器１４においては、いずれもイオン注入装置に一般的に用いられている構成が採用されている。尚、本実施形態におけるイオンビームＩＢは、イオン源１１の高さ方向、すなわち図中のＺ方向に沿った所定の長さを有するリボンビームであるが、イオンビームＩＢの形状はこれに限定されるものではない。

また、イオンビーム照射装置１０は、内部にイオン源１１を収容するイオン源チャンバー１６、および、質量分析器１４の磁石内部を通るように配置された質量分析チャンバー１７を備えている。

図１に示すように、イオンビーム照射装置１０は、イオン源チャンバー１６と質量分析チャンバー１７との間に配置された真空容器１８をさらに備えている。真空容器１８は、イオン源１１から取り出されたイオンビームＩＢを第一の方向Ｄ１に通過させる内部空間Ｒを有する。内部空間Ｒは、イオン源チャンバー１６の内部空間および質量分析チャンバー１７の内部空間のそれぞれに繋がっており、イオンビームＩＢを通過させる空間を形成している。真空容器１８は、イオンビーム照射装置１０の運転中、内部を高真空状態とされる。尚、図１～図４においては、第一の方向Ｄ１をＸ方向に、真空容器１８の高さ方向をＺ方向に一致させている。

図１および図２に示すように、本実施形態における真空容器１８は、第一容器１９、第二容器２０、および第三容器２１がＸ方向、すなわち第一の方向Ｄ１に沿って連結されることで構成されている。図２に示すように、第一容器１９は、第一内壁面１９ｂを有する第一壁部１９ａを有し、第二容器２０は、第二内壁面２０ｂを有する第二壁部２０ａを有する。同様に、第三容器２１は、第三内壁面２１ｂを有する第三壁部２１ａを有する。真空容器１８の内部空間Ｒは、第一内壁面１９ｂ、第二内壁面２０ｂ、および第三内壁面２１ｂによって形成された第一の方向Ｄ１に開口する空間である。尚、真空容器１８の上記構成は一例である。本実施形態においては、真空容器１８は、二つの容器または四つ以上の容器を連結する構成であってもよく、一つの容器のみから構成されるものであってもよい。

図２に示すように、第二容器２０の第二壁部２０ａは断面が凹形状を成すように形成されており、第二内壁面２０ｂによって内部空間ＲをイオンビームＩＢの進行方向である第一の方向Ｄ１と交差する第二の方向Ｄ２に拡張させる凹部２２が形成されている。換言すれば、真空容器１８は、イオン源１１と質量分析器１４との間の一部の領域において、内部空間ＲをイオンビームＩＢの進行方向である第一の方向Ｄ１と交差する第二の方向Ｄ２に拡張させる凹部２２を有する。

図３に示すように、本実施形態においては、凹部２２は第一の方向Ｄ１に進行するイオンビームＩＢの周囲全域を取り囲むように形成されている。すなわち、第二の方向Ｄ２は特定の方向を指すものではなく、第一の方向Ｄ１と交差する任意の方向を示すものである。尚、凹部２２は、凹部２２は第一の方向Ｄ１に進行するイオンビームＩＢの周囲全域を取り囲むように形成されていることに限定されない。また、本実施形態においては、第一の方向Ｄ１と第二の方向Ｄ２が直交するよう凹部２２は形成されているが、第一の方向Ｄ１と第二の方向Ｄ２は必ずしも直交している必要はない。凹部２２は、イオン源１１と質量分析器１４との間の一部の領域において、内部空間ＲにイオンビームＩＢからの距離が離れるような空間を形成するものであればよい。

図２に示すように、イオンビーム照射装置１０は、真空容器１８の内部空間Ｒにおいて、イオンビームＩＢから凹部２２の一部の領域を隠す第一閉塞部材２３ａおよび第二閉塞部材２３ｂをさらに備えている。第一閉塞部材２３ａは、カーボン材料により形成されており、第一容器１９の第一内壁面１９ｂに、第一内壁面１９ｂの全域および凹部２２一部の領域を覆うように配置されている。同様に、第二閉塞部材２３ｂは、カーボン材料により形成されており、第三容器２１の第三内壁面２１ｂに、第三内壁面２１ｂの全域および凹部２２一部の領域を覆うように配置されている。第一閉塞部材２３ａおよび第二閉塞部材２３ｂはいずれも、真空容器１８のライナー部材としても機能する。尚、第一閉塞部材２３ａおよび第二閉塞部材２３ｂは、ライナー部材とは別の部材により構成してもよく、本発明における閉塞部材は、ライナー部材を兼ねることに限定されるものではない。

凹部２２の内壁面、すなわち第二内壁面２０ｂは粗面加工が施されている。このように第二内壁面２０ｂの粗さを大きくすることで、後述する凹部２２に堆積した堆積物がアンカー効果によって剥がれ難くなる。また、凹部２２の内壁面、すなわち第二内壁面２０ｂにカーボン製のライナーや金属製のライナーを配置してもよい。この場合においても、ライナーに溝や凹凸を形成するなどして、当該堆積物が剥がれ難くすることができる。

図１に示すように、イオンビーム照射装置１０は、凹部２２を冷却するための冷却装置２４を備えている。本実施形態における冷却装置２４は、冷却水によって凹部２２を冷却するものであり、冷却水を供給する供給源２４ａと冷却水が流動する冷却水配管２４ｂを備えている。冷却水配管２４ｂは、第二容器２０の第二壁部２０ａに形成された孔部２４ｃに繋がっており、孔部２４ｃを冷却水が流動することで凹部２２が冷却される構成である。尚、上記構成は冷却装置２４の一例であり、例えば、冷却装置２４は、内部を冷却水が流動する冷却プレートを第二壁部２０ａに接触するように配置することで凹部２２を冷却する構成とされていてもよい。また、冷却装置２４は必ずしも必要とされるものではない。

本実施形態におけるイオンビーム照射装置１０においては、真空容器１８は、イオン源１１と質量分析器１４との間に配置された第二容器２０に、真空容器１８の内部空間ＲをイオンビームＩＢが通行する方向である第一の方向Ｄ１と交差する第二の方向Ｄ２に拡張させる凹部２２を備えている。

内部空間Ｒの凹部２２によって形成された領域は、他の領域と比較して内部空間Ｒを通過するイオンビームＩＢから第二の方向Ｄ２に離れることから、他の領域よりもイオンビームＩＢからの輻射熱による影響を受け難く、温度が上がり難い。すなわち、真空容器１８のうち凹部２２が形成された領域は、他の領域よりも低温となることから、イオン源１１から原料ガス等から成る気体が放出された場合には、凹部２２が形成された領域で、より詳細には第二容器２０の第二内壁面２０ｂにおいて、凝縮しやすくなり、凹部２２を形成する第二内壁面２０ｂには、当該気体が凝縮することで生成する堆積物が付着することになる。このとき、イオンビーム照射装置１０は、内部空間ＲにおいてイオンビームＩＢから凹部２２の一部の領域を隠す第一閉塞部材２３ａおよび第二閉塞部材２３ｂをさらに備えている。

イオンビーム照射装置１０は、他の領域よりも低温となる凹部２２において原料ガスを凝縮させ、凹部２２の一部の領域を第一閉塞部材２３ａおよび第二閉塞部材２３ｂによってイオンビームＩＢから隠すことで、イオンビームＩＢのビームポテンシャルが作用する堆積物の割合を少なくしている。その結果、堆積物を凹部２２に局所的に溜め込むことができ、堆積物が内部空間Ｒへ拡散することが抑制される。また、凹部２２内の堆積物の一部がイオンビームＩＢのポテンシャルにより引き寄せられた場合であっても、第一閉塞部材２３ａまたは第二閉塞部材２３ｂによって移動が規制され、当該堆積物が内部空間Ｒへ拡散することが妨げられる。その結果、真空容器内の堆積物が真空容器内に拡散されることを抑制でき、基板Ｓに付着する汚染物が低減される。

また、本発明のイオンビーム照射装置においては、第一閉塞部材２３ａおよび第二閉塞部材２３ｂは、真空容器１８の内壁面を構成するとなる第一内壁面１９ｂおよび第三内壁面２１ｂに取り付けられるライナーを兼ねている。したがって、部品点数が削減され、簡易な構成とすることができる。

また、イオンビーム照射装置１０は、イオン源チャンバー１６と質量分析チャンバー１７の間に配置され、板状の弁体２５ａを有するゲートバルブ２５を備える。イオンビーム照射装置１０がゲートバルブ２５を備えることにより、質量分析チャンバー１７内を高真空に保った状態でイオン源チャンバー１６を大気開放してメンテナンス作業等を行うことが可能となる。

図２に示すように弁体２５ａは第一の方向Ｄ１について、第一閉塞部材２３ａと第二閉塞部材２３ｂの間を通過するように配置されている。換言すれば、第一閉塞部材２３ａと第二閉塞部材２３ｂが第一の方向Ｄ１について所定間隔離間していることで、弁体２５ａが動作することを可能にしている。

次に、本実施形態におけるイオンビーム照射装置１０における真空容器１８の変形例である真空容器３１について説明する。尚、真空容器１８と同一の構成要素については図４に同一の符号を付与し、説明を省略する。
図４に示すように、真空容器３１は、内部空間Ｒを形成する壁部３２ａを有する本体部材３２を備える。壁部３２ａの一部の領域には、壁部３２ａの厚さ方向に開口する開口部３３が形成されている。

また、真空容器３１は、開口部３３を閉塞するように本体部材３２に着脱可能に取り付けられる箱状部材３４を備える。真空容器３１においては、本体部材３２に箱状部材３４が取り付けられることで凹部２２が形成される。本変形例においては、箱状部材３４は複数の板材等を組み合わせて形成されている。

この変形例によれば、箱状部材３４が本体部材３２に着脱可能に取り付けられることになり、箱状部材３４を本体部材３２から離脱させてメンテナンス作業を行うことができる。したがって、清掃等のメンテナンス作業が容易となる。

図４に示すように、第一閉塞部材２３ａと第二閉塞部材２３ｂとの間にカーボン材料により網状に形成された網状部材３５は配置されている。網状部材３５は、凹部２２から堆積物が剥がれた場合に、堆積物が内部空間Ｒに拡散することを規制する。また、例えば、第一閉塞部材２３ａまたは第二閉塞部材２３ｂの、凹部２２によって形成された空間を塞ぐ領域は、第一の方向Ｄ１と平行である必要はない。また、第一閉塞部材２３ａと第二閉塞部材２３ｂの向かい合うそれぞれの端部に第一の方向と交差する方向に延在する板材をさらに配置してもよい。この場合、仮に凹部２２から堆積物が剥がれた場合であっても、イオン源チャンバー１６側または質量分析チャンバー１７側に拡散されることが規制される。

また、本発明は前記実施形態および前記変形例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０ イオンビーム照射装置
１１ イオン源
１２ プラズマチャンバー
１３ 引出電極
１４ 質量分析器
１５ 磁石
１６ イオン源チャンバー
１７ 質量分析チャンバー
１８ 真空容器
１９ 第一容器
２０ 第二容器
２１ 第三容器
２２ 凹部２２
２３ａ、２３ｂ 閉塞部材
２４ 冷却装置
３２ 本体部材
３３ 開口部
３４ 箱状部材
３５ 網状部材
ＩＢ イオンビーム
Ｓ 基板
Ｒ 内部空間
Ｄ１ 第一の方向
Ｄ２ 第二の方向

Claims (4)

1. イオン源と、質量分析器と、前記イオン源から取り出されたイオンビームを第一の方向に通過させる内部空間を有する真空容器と、を備えるイオンビーム照射装置であって、
   前記真空容器は、前記イオン源と前記質量分析器との間の一部の領域において、前記内部空間を前記第一の方向と交差する第二の方向に拡張させる凹部を有し、
   前記凹部は前記第一の方向に進行する前記イオンビームの周囲全域を取り囲むように形成されており、
   前記内部空間において前記イオンビームから前記イオンビームの周囲全域にわたって前記凹部の一部の領域を隠す閉塞部材をさらに備えるイオンビーム照射装置。
2. イオン源と、質量分析器と、前記イオン源から取り出されたイオンビームを第一の方向に通過させる内部空間を有する真空容器と、を備えるイオンビーム照射装置であって、
   前記真空容器は、前記イオン源と前記質量分析器との間の一部の領域において、前記内部空間を前記第一の方向と交差する第二の方向に拡張させる凹部を有し、
   前記内部空間において前記イオンビームから前記凹部の一部の領域を隠す閉塞部材をさらに備え、
   前記閉塞部材は、前記真空容器の内壁に取り付けられるライナーであるイオンビーム照射装置。
3. 前記凹部を冷却する冷却装置をさらに備える請求項１または２に記載のイオンビーム照射装置。
4. 前記真空容器は、前記第二の方向に開口する開口部を有する本体部材と、前記開口部を閉塞するように前記本体部材に着脱可能に取り付けられる箱状部材と、を備え、
   前記凹部は、前記本体部材に前記箱状部材が取り付けられることで形成される請求項１～３のいずれか一項に記載のイオンビーム照射装置。

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