イオン注入装置及びイオンビーム生成方法
【課題】ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入するイオン注入装置であって、イオンビームのビーム幅をターゲット基板のサイズに応じて自在に調整する。
【解決手段】イオン注入装置１は、イオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４を介して拡がり角度を有するイオンビームＸを生成するとともに、生成されたイオンビームＸの幅方向の拡がりを４重極子デバイス１６により抑制することにより、イオンビームＸを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームとする。４重極子デバイス１６は、イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側方向に移動して位置決めされて固定される。この後、イオンビームＸの幅方向の拡がりを抑制するようにイオンビームの収束強度が調整される。
【解決手段】イオン注入装置１は、イオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４を介して拡がり角度を有するイオンビームＸを生成するとともに、生成されたイオンビームＸの幅方向の拡がりを４重極子デバイス１６により抑制することにより、イオンビームＸを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームとする。４重極子デバイス１６は、イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側方向に移動して位置決めされて固定される。この後、イオンビームＸの幅方向の拡がりを抑制するようにイオンビームの収束強度が調整される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入するイオン注入装置及びこのイオンビームを生成するイオンビーム生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセス処理、例えばＬＳＩの製造分野では、シリコンウエハに所望のイオンを注入するイオン注入処理が広く行われている。処理対象となるシリコンウエハは高度に標準化されており、種々の半導体を製造するに際し、同じ形状、同じサイズのシリコンウエを用いて製造する。
一方、近年需要の拡大しつつある低温ポリシリコンＴＦＴ液晶等に代表される平面型表示装置（以降、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）という）においてもガラス基板上にアクティブマトリクス素子としてＴＦＴ（薄膜トランジスタ）が形成される。すなわち、ガラス基板上に形成したポリシリコン層等に一定量のホウ素、りん、砒素等の不純物を極微少量（ｐｐｍ〜ｐｐｂの範囲）含ませるため、イオン注入処理が行われる。
このようなイオン注入では、チャンバ内に供給された原料ガスを電離させてプラズマを生成し、このプラズマから取り出された荷電粒子からなるイオンビームをターゲット基板に照射するイオン注入装置が用いられる。
【０００３】
ＬＳＩ等の作製に用いるシリコンウエハの場合、シリコンウエハは上述したように標準化されたサイズ、形状を有する。しかも、このときのシリコンウエハのサイズの大小と、このシリコンウエハから作製されるＬＳＩデバイスの機能の優劣との間には直接関係がなく、ＬＳＩデバイスの機能を保持し、あるいは高機能化しつつ、サイズの縮小化が可能である。一方において、ＬＳＩの生産性を向上するためにシリコンウエハは大型化の一途をたどっている。例えば１９９２年から１０年間の間に直径６インチのウエハから直径１２インチのウエハに、４倍に拡大されている。今後、ＬＳＩデバイスのサイズは縮小化し、一方シリコンウエハは大型化するため、イオン注入を含むシリコンウエハの処理効率は今後一層向上することが期待される。
【０００４】
一方、ＦＰＤの分野では、ＦＰＤのサイズ拡大が望まれており、サイズ自体が性能の一要素となっている。このため、例えば１９９２年から１０年間の間にＦＰＤ用ガラス基板は３６０ｍｍ×４６５ｍｍから１５００ｍｍ×１８００ｍｍに、略１６倍に拡大されている。
上記従来から用いられてきたイオン注入装置ではイオンビームのビーム幅が一定であり、固定されたものであるため、ＦＰＤの分野におけるイオン注入の処理効率は、今後のＦＰＤ用ガラス基板の大型化に伴って一層低下すると予想される。
【０００５】
このような状況下、下記特許文献１，２では、ビーム断面形状が一方向に長い、所定のビーム幅を有する幅広形状のリボン状イオンビームを用いるイオン注入装置が開示されている。また、下記特許文献３では、基板に対してイオンビームを走査することで大型の基板に対しても効率よく処理可能なイオン注入装置を開示している。
【０００６】
特許文献１，２で開示されるイオン注入装置では、ビーム断面形状が一方向に長い、所定のビーム幅を有する幅広形状のリボン状イオンビームを用いて基板に照射する。特許文献１では、リボン状のイオンビームを生成するシステムの構成により、特許文献２ではイオン源のサイズ及びイオンビームを生成するシステムの構成により、ビーム幅は一意的に定められている。これにより、処理対象基板のサイズも決定される。
このようなイオン注入装置では、ビーム幅の広いイオンビームを用いて小さいサイズの基板を処理することもできるが、基板に照射されないイオンビームは無駄となって効率が悪く、さらに装置を構成するイオン源の寿命を考慮すると、非効率な処理を行うことは好ましくない。このため、処理対象基板のサイズに応じたビーム幅を有するイオンビームを用いることが好ましい。
【０００７】
しかし、ＦＰＤ用ガラス基板のような急激に大型化する基板に対して、それぞれの処理対象基板のサイズに合ったリボン状イオンビームを生成するイオン注入装置を別々に設計し作製することは極めて装置作製業者にとって効率が悪い。
また、特許文献３のようにイオンビームを走査する装置では、別途走査機構を設ける必要があり、小型のイオン注入装置を提供することができない。
【０００８】
【特許文献１】特許第２８７８１１２号公報
【特許文献２】特許第３４４９１９８号公報
【特許文献３】特開平１１−３５４０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入するイオン注入装置であって、イオンビームのビーム幅をターゲット基板のサイズに応じて調整することができるイオン注入装置及びこのイオンビームを生成するイオンビーム生成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入するイオン注入装置であって、所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部と、生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制することにより、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部と、前記イオンビーム調整部が行うイオンビームの拡がりを抑制するためのイオンビームの収束強度の制御を行なう制御部と、ターゲット基板を配し、略平行ビームとなった幅広形状のイオンビームを照射してイオン注入処理を行う処理部と、を有することを特徴とするイオン注入装置を提供する。
【００１１】
その際、前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスであり、前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記イオンビーム調整部における前記収束強度を制御することが好ましい。
前記イオンビーム調整部は、前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に自らを移動する可動機構を有することが好ましい。
その際、前記イオンビーム調整部は、例えば、所定のビーム幅のイオンビームを生成するように位置決めされて前記処理部と前記イオンビーム生成部との間に固定されることが好ましい。あるいは、前記イオン注入装置は、前記制御部の制御により前記イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、前記イオンビーム調整部の移動により、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更することも、同様に好ましい。
【００１２】
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められるビーム幅に応じて、前記制御部は、前記収束強度を制御することが好ましい。
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められるビーム幅に応じて、前記可動機構を用いて前記イオンビーム調整部の位置を調整することが好ましい。
【００１３】
また、前記イオンビーム生成部は、所定のイオン種を含むイオンビームを生成するとともに、生成されたイオンビームから所定のイオン種を分離抽出し、前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスを有し、前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記多極子デバイスにおける前記収束強度を制御し、さらに、イオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットが、前記多極子デバイスの前記イオンビームの経路に沿った下流側に設けられ、前記制御部は、前記所定のイオン種、前記イオン源から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームの目標ビーム幅を設定することにより、前記収束強度を算出する演算手段を有するとともに、この演算手段で算出された前記収束強度の値を用いて、前記イオンビーム調整部における収束強度を制御し、さらに前記ビーム計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められる幅広形状のイオンビームのビーム幅が前記目標ビーム幅に近づくように前記収束強度を繰り返し変更して調整することが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームを所定の幅のターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入する際に、所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成し、生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度を制御することにより、イオンビームの拡がりを抑制した幅広形状のイオンビームを生成するステップと、生成された幅広形状のイオンビームの電流密度分布をターゲット基板の直前で計測するステップと、計測された電流密度分布から求められるビーム幅が、目標とするビーム幅に近づくように、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度の調整を繰り返し行うステップと、を有することを特徴とするイオンビーム生成方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制するイオンビーム調整部を有するので、このイオンビーム調整部の作用により、イオンビームを略平行ビームに制御することができる。特に、イオンビームの経路の上流側又は下流側方向にイオンビーム調整部を移動する可動機構を設けることで、イオンビームが所定のビーム幅になるようにイオンビーム調整部を所定の位置に位置決め調製して固定した後、イオンビーム調整部によりビーム幅を調整、制御することができる。
また、イオンビーム注入装置は、イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、この駆動モータの駆動によりイオンビーム調整部を自在に移動させることにより、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更することができる。これにより、ＦＰＤ用ガラス基板のようなサイズが種々変更される基板に対して、１つのイオン注入装置で対応することができ、装置開発の迅速化及び開発資源の簡素化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のイオン注入装置について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態であるイオン注入装置１を概念的に示す図である。
イオン注入装置１は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状（リボン形状）のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入する装置である。
イオン注入装置１は、イオンビームの上流側から、イオン源１０、イオン分析器１２、多極子レンズ１４、４重極子デバイス１６、分離板１８及びファラディカップ２２を有し、さらに、最下流側には、ターゲット基板２０を移動可能に支える処理部２４を有する。
【００１８】
イオン源１０は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンを取り出すことによりイオンビームを作るバーナス型イオン源である。図２は、イオン源１０の構成図である。
イオン源１０は、図２に示す様に、チャンバ３２、フィラメント３４、反射電極板（リペラープレート）３６、背面電極板３８、絶縁部材４０、原料ガス供給口４２、イオンビーム取出口４４、および所定の電圧を印加する引出電源４６、アーク電源４８、フィラメント電源５０、原料ガス調整バルブ５２を主に有して構成される。チャンバ３２は、図示されない減圧容器内に収納され、チャンバ３２内で１０−3〜１０−4（Ｐａ）に減圧された状態となっている。
チャンバ３２は、アーク放電に対して耐高温性を有する、タングステン、モリブデン、タンタル、炭素等の材料で構成され、導電性を有する放電箱である。
チャンバ３２の外側には、背面電極板３８、フィラメント３４および反射電極板３６の配置方向（図２中の左右方向）に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石４７が設けられている。
【００１９】
このようなチャンバ３２の内部空間では、フィラメント３４から放出された電子と、チャンバ３２とフィラメント３４との間に印加されたアーク電圧によりアーク放電を開始し、プラズマが励起される。このプラズマ中の電子は、磁石４７の磁場の作用によってらせん運動を起こしつつ反射電極板３６に向けて移動しながら反射電極板３６に到達し、反射電極板３６で反射し、背面電極板３８に向かう。さらに、背面電極板３８において電子は反射される。このように内部空間で移動する電子は、更にアルゴン等の原料ガス分子に衝突し、ガス分子はイオン化しプラズマが再生成され、生成されたプラズマが内部空間全体で保持される。この状態で、チャンバ３２の側壁に設けられたスリット状のイオンビーム取出口４４から、引出電極４９に印加された引出電圧によってイオンが引き出され、幅広形状のイオンビームＸが生成される。ここで、引出電極４９は、チャンバ３２との間で所定の電位が生ずるように引出電源４６が設けられ、引出電極がチャンバ３２から見て電位が低く設定される。
【００２０】
イオン分析器１２は、イオンビームＸの向きを変えることにより、所望の質量を有するイオンのみを選別するデバイスである。イオン源１０から取り出されて生成されたイオンビームＸは、一定の拡がりを持っており、質量の異なる種々の荷電粒子からなるイオンが含まれている。イオン注入装置１では所望のイオンのみをターゲット基板２０に注入するため、所望のイオンのみイオン照射することができるようにイオンの質量によって選別する。
イオン分析器１２は、扇形磁石（セクターマグネット）がイオンビームＸの両側に設けられて、図１中の紙面に垂直方向に磁場を形成するように構成されている。
このため、イオンビームＸ中のイオンが磁場によって曲がるときの軌道半径が、所望の質量を有するイオンのみ、設計されたイオンビームＸの経路半径に一致するように設計され、下流側に設けられた分離板１８の開口部Ａを通過してターゲット基板２０に照射される。所望の質量より軽いイオンは、軌道半径が小さく、大きく曲がり、扇形磁石の側面の位置Ｂや下流側の分離板１８の位置Ｂにおいて遮断される。一方、所望の質量より重いイオンは、軌道半径が大きく、曲がりが小さく、扇形磁石の出口の位置Ｃや下流側の分離板１８の位置Ｃにおいて遮断される。
【００２１】
多極子レンズ１４は、図３に示すように、複数の電磁石６０がイオンビームＸの幅方向に隣接して配置され、幅広形状のイオンビームＸの形成する幅広面に対して直交する方向に局所磁場を形成し、この局所磁場によって、イオンビームＸの電流密度分布を調整するデバイスである。イオン分析器１２にて分離され、多極子レンズ１４を透過した所望の質量を有するイオンから成る幅広形状のイオンビームＸは、６〜３０度の拡がり角度（イオンビームの幅方向の端における、イオンビームの中心に対する角度）を有する。
図３は多極子レンズ１４の概略図である。
各電磁石６０は、イオンビームＸの幅方向に平行して延びる支持棒６２に対して直交する方向に鉄心を配置し、その周りに巻き回されたコイルによって構成される。鉄心の断面は長方形〜長円形の形状を成しており、鉄心は、その断面の長手方向（断面が長方形の場合は長辺方向、長円形の場合は長軸方向）が、直下又は直上を通るイオンビームの進行方向に沿うように設けられるのが好ましい。
各電磁石６０は、制御ユニット６４とそれぞれ接続され、各電磁石６０に流れる電流を自在に制御できる構成となっている。電流の制御は、制御ユニット６４にて行われ、下流側のターゲット基板２０の照射直前の位置でファラディカップ２２によって計測され、データ処理装置６５にて作成された電流密度分布のプロファイルに基づいて、電磁石６０に流す電流を設定し、電磁石６０によって形成される局所磁場を調整、制御する。
なお、イオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４は、所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部として機能する。
【００２２】
４重極子デバイス１６は、イオンビームＸのビーム幅及びビームの収束性を制御するデバイスであり、図４に示すように、幅広形状のイオンビームＸの幅広面の両側に鉄心７１に巻き回された電磁石７０により構成される。電磁石７０の作用により、４重極の磁場を形成し、イオンビームＸの収束性を変化させる。すなわち、４重極子デバイス１６は、支持棒７１にコイルが巻き回された電磁石の対で構成され、イオンビームＸの幅方向に向けて配置されたデバイスである。４重極子デバイス１６は、イオンビームＸを中心としてイオンビームＸを挟むように対向する位置に設けられ、イオンビームＸの上側及び下側で磁極が互いに異なるように電流が制御されて４重極が形成される。この４重極デバイス１６は、制御ユニット６４に接続されて、電流の大小が自在に制御される。制御ユニット６４は、データ処理装置６５に接続され、データ処理装置６５にて作成された電流密度分布のプロファイルに基づいて、電流が制御されている。
すなわち、４重極子デバイス１６は、本発明において、６〜３０度の拡がり角度で拡がるイオンビームＸの収束強度を調整することにより、略平行ビーム（拡がり角度±１度以内）とするイオンビーム調整部として機能する。
【００２３】
さらに、この４重極子デバイス１６はスライドレール７２上を移動する移動台７０に設けられており、可動機構を有する。本装置のインストールの際、４重極子デバイス１６の位置を規制するスライドレール７２を所定の位置に固定し、４重極子デバイス１６を予め設定されたビーム幅となるように位置決め可能に構成される。すなわち、移動台７０及びスライドレール７２は、本装置をインストールする際、４重極子デバイス１６をイオンビームＸの経路に沿って上流側又は下流側方向に位置調整して位置決めするための位置決め調整用の可動機構を成している。多極子レンズ１４と処理部２４との間の所定の位置に位置決め調整された４重極子デバイス１６は、地面と固定するためにアンカー留めされる。
すなわち、多極子レンズ１４を通過したイオンビームＸは、５〜３０度の拡がり角度で拡がっているので、４重極子デバイス１６をイオンビームＸの上流側に移動することにより、略平行ビームとする４重極子デバイス１６は、イオンビームＸのビーム幅を狭め、下流側に移動することにより、ビーム幅を拡げる。このようなビーム幅の調整のために、移動台１７は移動可能になっている。
【００２４】
ファラディカップ２２は、ターゲット基板２０の前方に配置され、イオンビームＸの幅方向に自在に移動し、イオンビームＸの電流密度を計測するデバイスである。計測された電流密度はデータ処理装置６５に送られ、データ処理装置６５にて、電流密度のプロファイルが作成される。このプロファイルは電流密度の均一性及びビーム幅を求めるために用いられる。電流密度の均一性が十分でないと判断される場合、上述したように、多極子レンズ１４の電磁石２０に流す電流を電源６７を介して調整、制御する。ビーム幅が所定の目標ビーム幅の許容範囲内でないと判断される場合、４重極子デバイス１６の電磁石７０に流す電流を、電源６７を介して調整、制御する。電磁石７０に流す電流を調整、制御することにより、４重極子デバイス１６におけるイオンビームの収束強度を調整、制御する。こうして、４重極子デバイス１６によりイオンビームの収束強度を調整することにより、ターゲット基板２０の幅に応じて設定された目標ビーム幅を有する略平行のイオンビームＸを生成することができる。
【００２５】
処理部２４は、ターゲット基板２０を移動可能に支え、ターゲット基板２０に対して垂直な方向からイオンビームＸを照射することにより、イオン注入を行う部分である。
処理部２４は、高真空（１０−3〜１０−4（Ｐａ））に減圧されたチャンバ８０内に設けられ、図５に示すように、プーリ８２に張られたベルト８４に基台８６が設けられ、この基台８６にターゲット基板２０が支持固定されている。プーリ８２は、図示されないモータにより回転が制御され、基台８６が図５中の上下方向に移動する構成となっている。このため基台８６の移動によりターゲット基板２０がイオンビームＸの照射位置に対して上下方向に移動することで、ターゲット基板２０をイオンビームＸに対して走査移動する構成となっている。イオンビームＸは、ターゲット基板２０の幅に従ってビーム幅が調整されて、イオンビームＸのビーム幅はターゲット基板２０の幅と一致するか、あるいはそれよりも広くなっている。したがって、イオンビームＸを用いて幅の広いターゲット基板２０についても効率よくイオン注入することができる。
【００２６】
データ処理装置６５は、ファラディカップ２２によって計測されたデータから電流密度分布のプロファイルを算出する部分である。
制御ユニット６４は、算出されたプロファイルに基づいて、電磁石６０及び電磁石７０に流す電流を設定する制御部分である。すなわち、制御ユニット６４は、４重極子デバイス１６にて行うイオンビームの拡がりを抑制するための収束強度の制御を行なうとともに、多極子レンズ１４が行なうイオンビームの電流密度分布を所望の分布にするように制御する。
データ処理装置６５及び制御ユニット６４は、コンピュータ６６によって構成される。このコンピュータ６６は、イオン注入装置１の各部分の操作を調整し、制御する部分も兼ねる。
【００２７】
制御ユニット６４は、イオン源１０で生成されるイオン種（特に、イオンの質量）、イオン源１０から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームＸの目標ビーム幅が操作者から入力されると、コンピュータ６６の演算ユニットは、４重極子デバイス１６におけるイオンビームＸの収束強度を算出し、これに基づいて収束制御用磁場を算出する。制御ユニット６４は、演算ユニットで算出されたイオンビームの収束強度の値を用いて、４重極子デバイス１６に流す電流を生成する。
一方、制御ユニット６４は、データ処理装置６５から、電流密度分布のプロファイルの供給を受けると、プロファイルから求められるビーム幅と目標ビーム幅との差分を計算してイオンビームの収束強度の修正量を算出する。こうして、計測された電流密度のプロファイルから求められるビーム幅が目標ビーム幅に近づくように４重極子デバイス１６におけるイオンビームの収束強度を繰り返し変更して調整する。
【００２８】
また、制御ユニット６４は、上述したように、必要に応じて、電流密度のプロファイルに基づいて多極子レンズ１４に流す電流を繰り返し調整、制御する。例えば電流密度が均一でないと判断した場合、イオンビームＸが均一になるように電流を調整、制御する。
イオン注入装置１は以上のように構成される。
【００２９】
このようなイオン注入装置１では、イオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４を介して、所定の拡がり角度、例えば６〜３０度の拡がり角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームＸを生成する。このイオンビームＸは、４重極子デバイス１６により略平行ビームとされるが、４重極子デバイス１６は、イオンビームＸの上流側、あるいは下流側に移動調整して設定されるので、イオンビームＸのビーム幅をターゲット基板２０の幅に合わせて位置調整することができる。例えば、多極子レンズ１４の出口におけるビーム幅が６００ｍｍとなるようにイオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４が設計されている場合、例えば、４重極子デバイス１６を多極子レンズ１４の出口近辺に位置調整すると６００ｍｍのビーム幅となり、４重極子デバイス１６を上記出口から５３５ｍｍ下流側に位置調整する場合７４０ｍｍのビーム幅となる。また、イオンビームＸの拡がり角度が７度の場合、４重極子デバイス１６を１００ｍｍ移動することでビーム幅は、片側で１２ｍｍ両側で２４ｍｍ変化し、さらに、多極子レンズ１４の出口におけるビーム幅が６００ｍｍの場合、この出口から下流側へ６００ｍｍ移動させることで７５０ｍｍのビーム幅を実現できる。
【００３０】
このように、所定のビーム幅で略平行なイオンビームを生成するためには、イオンビームＸが略平行ビームであり、しかも均一な電流密度となるように、４重極子デバイス１６の収束強度用磁場、すなわち４重極子デバイス１６におけるイオンビームの収束強度を規定する磁場、及び多極子レンズ１４の局所磁場をそれぞれ調整、制御する必要がある。
本発明では、生成したイオンビームの電流密度のプロファイルがファラディカップ２２によって計測されてデータ処理装置６５で求められるので、この電流密度分布のプロファイルから、位置調整された４重極子デバイス１６及び多極子レンズ１４の電流の調整、制御を行う。
【００３１】
具体的には、制御ユニット６４において、設定入力されたイオン種（イオンの質量）、イオンビームＸの設定エネルギ、及びイオンビームＸの目標ビーム幅から、イオンビームの収束強度を規定する収束強度用磁場の初期値が算出される。収束強度用磁場の算出に際しては、イオンの質量、設定エネルギ及び目標ビーム幅を入力することで、収束強度、あるいは収束強度用磁場の値が一意的に計算されるように、予めパラメータによって規定された伝達関数が用いられる。この初期値を用いて、幅方向に所定の角度で拡がるイオンビームの拡がりが抑制される。
一方、幅広形状のイオンビームの電流密度がターゲット基板の直前でファラディカップ２２により計測される。計測されたデータはデータ処理装置６５に供給され、電流密度分布のプロファイルが求められる。このプロファイルは、制御ユニット６４に供給され、初期値が適切か否かが、電流密度分布のプロファイルから求められるビーム幅と目標ビーム幅との比較によって判断される。このとき、比較するビーム幅の差が所定値より大きい場合には、初期値の修正が必要と判断され、得られたプロファイルに応じて伝達関数のパラメータが修正される。この修正された伝達関数を用いて、上記設定入力されたイオンの質量、設定エネルギ及び目標ビーム幅から、初期値の修正量が算出される。
同様に、電流密度分布のプロファイルが所望のプロファイル形状とならない場合、多極子レンズ１４の各局所磁場の設定値も修正される。なお、多極子レンズ１４の局所磁場の設定値が修正されると、これに連動して上記伝達関数のパラメータを修正するようにしてもよい。こうして、多極子レンズ１４の局所磁場及び４重極子デバイス１６の収束強度用磁場が電源６７を介して修正される。
【００３２】
このように、計測されるイオンビームの電流密度分布及びビーム幅が、目標とする電流密度分布及び目標ビーム幅に近づくように、局所磁場及び収束強度用磁場の調整が繰り返し行われる。目標ビーム幅を処理対象のターゲット基板２０の基板幅とした場合、実際に生成され計測されるイオンビームのビーム幅の許容範囲は、目標ビーム幅以上この幅の１２０％以下、好ましくは目標ビーム幅以上この幅の１１０％以下、より好ましくは目標ビーム幅以上このビーム幅の１０５％以下であるのが好ましい。
【００３３】
このように、イオン注入装置１では、イオンビームＸのビーム幅をターゲット基板２０のサイズに応じて調整し、略平行なイオンビームを生成することができる。
なお、イオン注入装置１では、拡がり角度を持って拡がるイオンビームＸを略平行ビームとするデバイスとして４重極子デバイス１６を用いるが、多極子レンズ１４を、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部として用いてもよい。また、本発明において、イオンビーム調整部は、４重極子デバイス１６、多極子レンズ１４に限定されない。６重極子デバイス等の多極子デバイスを用いてもよい。また、例えば電場を利用してイオンビームの収束強度を制御する静電４重極レンズ等の静電レンズを用いることもできる。この場合、電流の代わりに電圧を制御する。
【００３４】
上述の実施形態では、本装置のインストールの際、４重極子デバイス１６をスライドレール７２に沿って位置決めして設置固定するが、本発明においては、４重極子デバイス１６をモータの駆動制御により常時自在に移動させるように構成してもよい。例えば、図６に示すようにスライドレール７２に替えてボールネジ７９を用い、モータ６８の駆動制御により、４重極子デバイス１６を載置する移動台１７をイオンビームの経路に沿った上流側又は下流側に自在に移動させて、ビーム幅を自在に調整、制御するように駆動機構を備えることもできる。すなわち、本発明において、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制するイオンビーム調整部は、制御ユニット６４の制御により４重極子デバイス１６を上流側又は下流側に自在に移動させるモータ６８を有する構成とし、ビーム幅を、ターゲット基板２０の幅に応じて自在に変更可能に調整できるようにすることもできる。
【００３５】
従来のようなイオンビームのビーム幅が固定されたイオン注入装置では、ターゲット基板のサイズが頻繁に変化し、また需要によりサイズも大型化の傾向にあるＦＰＤ用ガラス基板に対して、それぞれの基板サイズに対応した装置の開発及び設計には十分な時間が割けない。また、十分な時間を割いて開発、設計しても、費やされた開発設計投資の回収が困難となる場合も多い。
これに対して、図６に示すイオン注入装置１はイオンビームＸのビーム幅を変更できるので、上記問題は生じない。また、一般にイオン注入装置で行うイオンビームの照射時間は、ビームの電流強度と相反関係にある。このため、ビーム幅を可能な限りターゲット基板の幅に一致させて照射することは、イオン注入装置の処理能力及びメンテナンス頻度つまり運用効率に直接影響を与えるものである。このような点からイオンビームのビーム幅とターゲット基板の幅を可能な限り一致させることは装置能力を決定する上で重要であり、イオンビームのビーム幅を可変とする本発明を好適に用いることができる。
【００３６】
以上、本発明のイオン注入装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のイオン注入装置の一実施形態を概念的に示す図である。
【図２】本発明のイオン注入装置に用いるイオン源の構成図である。
【図３】図１に示すイオン注入装置に用いる多極子レンズの概略図である。
【図４】図１に示すイオン注入装置に用いる４重極子デバイスの概略図である。
【図５】図１に示すイオン注入装置に用いる処理部の構成図である。
【図６】本発明のイオン注入装置の他の実施形態を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ イオン注入装置
１０ イオン源
１２ イオン分析器
１４ 多極子レンズ
１６ ４重極子デバイス
１７ 移動台
１８ 分離板
２０ ターゲット基板
２２ ファラディカップ
２４ 処理部
３２ チャンバ
３４ フィラメント
３６ 反射電極板（リペラープレート）
３８ 背面電極板
４０ 絶縁部材
４２ 原料ガス供給口
４４ イオンビーム取出口
４６ 引出電源
４７ 磁石
４８ アーク電源
４９ 引出電極
５０ フィラメント電源
５２ 原料ガス調整バルブ
６０，７０ 電磁石
６２ 支持棒
６４ 制御ユニット
６５ データ処理装置
６６ コンピュータ
６７ 電源
６８ モータ
７２ スライドレール
７９ ボールネジ
８０ チャンバ
８２ プーリ
８４ ベルト
８６ 基台
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入するイオン注入装置及びこのイオンビームを生成するイオンビーム生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセス処理、例えばＬＳＩの製造分野では、シリコンウエハに所望のイオンを注入するイオン注入処理が広く行われている。処理対象となるシリコンウエハは高度に標準化されており、種々の半導体を製造するに際し、同じ形状、同じサイズのシリコンウエを用いて製造する。
一方、近年需要の拡大しつつある低温ポリシリコンＴＦＴ液晶等に代表される平面型表示装置（以降、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）という）においてもガラス基板上にアクティブマトリクス素子としてＴＦＴ（薄膜トランジスタ）が形成される。すなわち、ガラス基板上に形成したポリシリコン層等に一定量のホウ素、りん、砒素等の不純物を極微少量（ｐｐｍ〜ｐｐｂの範囲）含ませるため、イオン注入処理が行われる。
このようなイオン注入では、チャンバ内に供給された原料ガスを電離させてプラズマを生成し、このプラズマから取り出された荷電粒子からなるイオンビームをターゲット基板に照射するイオン注入装置が用いられる。
【０００３】
ＬＳＩ等の作製に用いるシリコンウエハの場合、シリコンウエハは上述したように標準化されたサイズ、形状を有する。しかも、このときのシリコンウエハのサイズの大小と、このシリコンウエハから作製されるＬＳＩデバイスの機能の優劣との間には直接関係がなく、ＬＳＩデバイスの機能を保持し、あるいは高機能化しつつ、サイズの縮小化が可能である。一方において、ＬＳＩの生産性を向上するためにシリコンウエハは大型化の一途をたどっている。例えば１９９２年から１０年間の間に直径６インチのウエハから直径１２インチのウエハに、４倍に拡大されている。今後、ＬＳＩデバイスのサイズは縮小化し、一方シリコンウエハは大型化するため、イオン注入を含むシリコンウエハの処理効率は今後一層向上することが期待される。
【０００４】
一方、ＦＰＤの分野では、ＦＰＤのサイズ拡大が望まれており、サイズ自体が性能の一要素となっている。このため、例えば１９９２年から１０年間の間にＦＰＤ用ガラス基板は３６０ｍｍ×４６５ｍｍから１５００ｍｍ×１８００ｍｍに、略１６倍に拡大されている。
上記従来から用いられてきたイオン注入装置ではイオンビームのビーム幅が一定であり、固定されたものであるため、ＦＰＤの分野におけるイオン注入の処理効率は、今後のＦＰＤ用ガラス基板の大型化に伴って一層低下すると予想される。
【０００５】
このような状況下、下記特許文献１，２では、ビーム断面形状が一方向に長い、所定のビーム幅を有する幅広形状のリボン状イオンビームを用いるイオン注入装置が開示されている。また、下記特許文献３では、基板に対してイオンビームを走査することで大型の基板に対しても効率よく処理可能なイオン注入装置を開示している。
【０００６】
特許文献１，２で開示されるイオン注入装置では、ビーム断面形状が一方向に長い、所定のビーム幅を有する幅広形状のリボン状イオンビームを用いて基板に照射する。特許文献１では、リボン状のイオンビームを生成するシステムの構成により、特許文献２ではイオン源のサイズ及びイオンビームを生成するシステムの構成により、ビーム幅は一意的に定められている。これにより、処理対象基板のサイズも決定される。
このようなイオン注入装置では、ビーム幅の広いイオンビームを用いて小さいサイズの基板を処理することもできるが、基板に照射されないイオンビームは無駄となって効率が悪く、さらに装置を構成するイオン源の寿命を考慮すると、非効率な処理を行うことは好ましくない。このため、処理対象基板のサイズに応じたビーム幅を有するイオンビームを用いることが好ましい。
【０００７】
しかし、ＦＰＤ用ガラス基板のような急激に大型化する基板に対して、それぞれの処理対象基板のサイズに合ったリボン状イオンビームを生成するイオン注入装置を別々に設計し作製することは極めて装置作製業者にとって効率が悪い。
また、特許文献３のようにイオンビームを走査する装置では、別途走査機構を設ける必要があり、小型のイオン注入装置を提供することができない。
【０００８】
【特許文献１】特許第２８７８１１２号公報
【特許文献２】特許第３４４９１９８号公報
【特許文献３】特開平１１−３５４０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入するイオン注入装置であって、イオンビームのビーム幅をターゲット基板のサイズに応じて調整することができるイオン注入装置及びこのイオンビームを生成するイオンビーム生成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入するイオン注入装置であって、所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部と、生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制することにより、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部と、前記イオンビーム調整部が行うイオンビームの拡がりを抑制するためのイオンビームの収束強度の制御を行なう制御部と、ターゲット基板を配し、略平行ビームとなった幅広形状のイオンビームを照射してイオン注入処理を行う処理部と、を有することを特徴とするイオン注入装置を提供する。
【００１１】
その際、前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスであり、前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記イオンビーム調整部における前記収束強度を制御することが好ましい。
前記イオンビーム調整部は、前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に自らを移動する可動機構を有することが好ましい。
その際、前記イオンビーム調整部は、例えば、所定のビーム幅のイオンビームを生成するように位置決めされて前記処理部と前記イオンビーム生成部との間に固定されることが好ましい。あるいは、前記イオン注入装置は、前記制御部の制御により前記イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、前記イオンビーム調整部の移動により、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更することも、同様に好ましい。
【００１２】
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められるビーム幅に応じて、前記制御部は、前記収束強度を制御することが好ましい。
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められるビーム幅に応じて、前記可動機構を用いて前記イオンビーム調整部の位置を調整することが好ましい。
【００１３】
また、前記イオンビーム生成部は、所定のイオン種を含むイオンビームを生成するとともに、生成されたイオンビームから所定のイオン種を分離抽出し、前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスを有し、前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記多極子デバイスにおける前記収束強度を制御し、さらに、イオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットが、前記多極子デバイスの前記イオンビームの経路に沿った下流側に設けられ、前記制御部は、前記所定のイオン種、前記イオン源から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームの目標ビーム幅を設定することにより、前記収束強度を算出する演算手段を有するとともに、この演算手段で算出された前記収束強度の値を用いて、前記イオンビーム調整部における収束強度を制御し、さらに前記ビーム計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められる幅広形状のイオンビームのビーム幅が前記目標ビーム幅に近づくように前記収束強度を繰り返し変更して調整することが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームを所定の幅のターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入する際に、所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成し、生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度を制御することにより、イオンビームの拡がりを抑制した幅広形状のイオンビームを生成するステップと、生成された幅広形状のイオンビームの電流密度分布をターゲット基板の直前で計測するステップと、計測された電流密度分布から求められるビーム幅が、目標とするビーム幅に近づくように、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度の調整を繰り返し行うステップと、を有することを特徴とするイオンビーム生成方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制するイオンビーム調整部を有するので、このイオンビーム調整部の作用により、イオンビームを略平行ビームに制御することができる。特に、イオンビームの経路の上流側又は下流側方向にイオンビーム調整部を移動する可動機構を設けることで、イオンビームが所定のビーム幅になるようにイオンビーム調整部を所定の位置に位置決め調製して固定した後、イオンビーム調整部によりビーム幅を調整、制御することができる。
また、イオンビーム注入装置は、イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、この駆動モータの駆動によりイオンビーム調整部を自在に移動させることにより、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更することができる。これにより、ＦＰＤ用ガラス基板のようなサイズが種々変更される基板に対して、１つのイオン注入装置で対応することができ、装置開発の迅速化及び開発資源の簡素化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のイオン注入装置について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態であるイオン注入装置１を概念的に示す図である。
イオン注入装置１は、ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状（リボン形状）のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを均一に注入する装置である。
イオン注入装置１は、イオンビームの上流側から、イオン源１０、イオン分析器１２、多極子レンズ１４、４重極子デバイス１６、分離板１８及びファラディカップ２２を有し、さらに、最下流側には、ターゲット基板２０を移動可能に支える処理部２４を有する。
【００１８】
イオン源１０は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンを取り出すことによりイオンビームを作るバーナス型イオン源である。図２は、イオン源１０の構成図である。
イオン源１０は、図２に示す様に、チャンバ３２、フィラメント３４、反射電極板（リペラープレート）３６、背面電極板３８、絶縁部材４０、原料ガス供給口４２、イオンビーム取出口４４、および所定の電圧を印加する引出電源４６、アーク電源４８、フィラメント電源５０、原料ガス調整バルブ５２を主に有して構成される。チャンバ３２は、図示されない減圧容器内に収納され、チャンバ３２内で１０−3〜１０−4（Ｐａ）に減圧された状態となっている。
チャンバ３２は、アーク放電に対して耐高温性を有する、タングステン、モリブデン、タンタル、炭素等の材料で構成され、導電性を有する放電箱である。
チャンバ３２の外側には、背面電極板３８、フィラメント３４および反射電極板３６の配置方向（図２中の左右方向）に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石４７が設けられている。
【００１９】
このようなチャンバ３２の内部空間では、フィラメント３４から放出された電子と、チャンバ３２とフィラメント３４との間に印加されたアーク電圧によりアーク放電を開始し、プラズマが励起される。このプラズマ中の電子は、磁石４７の磁場の作用によってらせん運動を起こしつつ反射電極板３６に向けて移動しながら反射電極板３６に到達し、反射電極板３６で反射し、背面電極板３８に向かう。さらに、背面電極板３８において電子は反射される。このように内部空間で移動する電子は、更にアルゴン等の原料ガス分子に衝突し、ガス分子はイオン化しプラズマが再生成され、生成されたプラズマが内部空間全体で保持される。この状態で、チャンバ３２の側壁に設けられたスリット状のイオンビーム取出口４４から、引出電極４９に印加された引出電圧によってイオンが引き出され、幅広形状のイオンビームＸが生成される。ここで、引出電極４９は、チャンバ３２との間で所定の電位が生ずるように引出電源４６が設けられ、引出電極がチャンバ３２から見て電位が低く設定される。
【００２０】
イオン分析器１２は、イオンビームＸの向きを変えることにより、所望の質量を有するイオンのみを選別するデバイスである。イオン源１０から取り出されて生成されたイオンビームＸは、一定の拡がりを持っており、質量の異なる種々の荷電粒子からなるイオンが含まれている。イオン注入装置１では所望のイオンのみをターゲット基板２０に注入するため、所望のイオンのみイオン照射することができるようにイオンの質量によって選別する。
イオン分析器１２は、扇形磁石（セクターマグネット）がイオンビームＸの両側に設けられて、図１中の紙面に垂直方向に磁場を形成するように構成されている。
このため、イオンビームＸ中のイオンが磁場によって曲がるときの軌道半径が、所望の質量を有するイオンのみ、設計されたイオンビームＸの経路半径に一致するように設計され、下流側に設けられた分離板１８の開口部Ａを通過してターゲット基板２０に照射される。所望の質量より軽いイオンは、軌道半径が小さく、大きく曲がり、扇形磁石の側面の位置Ｂや下流側の分離板１８の位置Ｂにおいて遮断される。一方、所望の質量より重いイオンは、軌道半径が大きく、曲がりが小さく、扇形磁石の出口の位置Ｃや下流側の分離板１８の位置Ｃにおいて遮断される。
【００２１】
多極子レンズ１４は、図３に示すように、複数の電磁石６０がイオンビームＸの幅方向に隣接して配置され、幅広形状のイオンビームＸの形成する幅広面に対して直交する方向に局所磁場を形成し、この局所磁場によって、イオンビームＸの電流密度分布を調整するデバイスである。イオン分析器１２にて分離され、多極子レンズ１４を透過した所望の質量を有するイオンから成る幅広形状のイオンビームＸは、６〜３０度の拡がり角度（イオンビームの幅方向の端における、イオンビームの中心に対する角度）を有する。
図３は多極子レンズ１４の概略図である。
各電磁石６０は、イオンビームＸの幅方向に平行して延びる支持棒６２に対して直交する方向に鉄心を配置し、その周りに巻き回されたコイルによって構成される。鉄心の断面は長方形〜長円形の形状を成しており、鉄心は、その断面の長手方向（断面が長方形の場合は長辺方向、長円形の場合は長軸方向）が、直下又は直上を通るイオンビームの進行方向に沿うように設けられるのが好ましい。
各電磁石６０は、制御ユニット６４とそれぞれ接続され、各電磁石６０に流れる電流を自在に制御できる構成となっている。電流の制御は、制御ユニット６４にて行われ、下流側のターゲット基板２０の照射直前の位置でファラディカップ２２によって計測され、データ処理装置６５にて作成された電流密度分布のプロファイルに基づいて、電磁石６０に流す電流を設定し、電磁石６０によって形成される局所磁場を調整、制御する。
なお、イオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４は、所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部として機能する。
【００２２】
４重極子デバイス１６は、イオンビームＸのビーム幅及びビームの収束性を制御するデバイスであり、図４に示すように、幅広形状のイオンビームＸの幅広面の両側に鉄心７１に巻き回された電磁石７０により構成される。電磁石７０の作用により、４重極の磁場を形成し、イオンビームＸの収束性を変化させる。すなわち、４重極子デバイス１６は、支持棒７１にコイルが巻き回された電磁石の対で構成され、イオンビームＸの幅方向に向けて配置されたデバイスである。４重極子デバイス１６は、イオンビームＸを中心としてイオンビームＸを挟むように対向する位置に設けられ、イオンビームＸの上側及び下側で磁極が互いに異なるように電流が制御されて４重極が形成される。この４重極デバイス１６は、制御ユニット６４に接続されて、電流の大小が自在に制御される。制御ユニット６４は、データ処理装置６５に接続され、データ処理装置６５にて作成された電流密度分布のプロファイルに基づいて、電流が制御されている。
すなわち、４重極子デバイス１６は、本発明において、６〜３０度の拡がり角度で拡がるイオンビームＸの収束強度を調整することにより、略平行ビーム（拡がり角度±１度以内）とするイオンビーム調整部として機能する。
【００２３】
さらに、この４重極子デバイス１６はスライドレール７２上を移動する移動台７０に設けられており、可動機構を有する。本装置のインストールの際、４重極子デバイス１６の位置を規制するスライドレール７２を所定の位置に固定し、４重極子デバイス１６を予め設定されたビーム幅となるように位置決め可能に構成される。すなわち、移動台７０及びスライドレール７２は、本装置をインストールする際、４重極子デバイス１６をイオンビームＸの経路に沿って上流側又は下流側方向に位置調整して位置決めするための位置決め調整用の可動機構を成している。多極子レンズ１４と処理部２４との間の所定の位置に位置決め調整された４重極子デバイス１６は、地面と固定するためにアンカー留めされる。
すなわち、多極子レンズ１４を通過したイオンビームＸは、５〜３０度の拡がり角度で拡がっているので、４重極子デバイス１６をイオンビームＸの上流側に移動することにより、略平行ビームとする４重極子デバイス１６は、イオンビームＸのビーム幅を狭め、下流側に移動することにより、ビーム幅を拡げる。このようなビーム幅の調整のために、移動台１７は移動可能になっている。
【００２４】
ファラディカップ２２は、ターゲット基板２０の前方に配置され、イオンビームＸの幅方向に自在に移動し、イオンビームＸの電流密度を計測するデバイスである。計測された電流密度はデータ処理装置６５に送られ、データ処理装置６５にて、電流密度のプロファイルが作成される。このプロファイルは電流密度の均一性及びビーム幅を求めるために用いられる。電流密度の均一性が十分でないと判断される場合、上述したように、多極子レンズ１４の電磁石２０に流す電流を電源６７を介して調整、制御する。ビーム幅が所定の目標ビーム幅の許容範囲内でないと判断される場合、４重極子デバイス１６の電磁石７０に流す電流を、電源６７を介して調整、制御する。電磁石７０に流す電流を調整、制御することにより、４重極子デバイス１６におけるイオンビームの収束強度を調整、制御する。こうして、４重極子デバイス１６によりイオンビームの収束強度を調整することにより、ターゲット基板２０の幅に応じて設定された目標ビーム幅を有する略平行のイオンビームＸを生成することができる。
【００２５】
処理部２４は、ターゲット基板２０を移動可能に支え、ターゲット基板２０に対して垂直な方向からイオンビームＸを照射することにより、イオン注入を行う部分である。
処理部２４は、高真空（１０−3〜１０−4（Ｐａ））に減圧されたチャンバ８０内に設けられ、図５に示すように、プーリ８２に張られたベルト８４に基台８６が設けられ、この基台８６にターゲット基板２０が支持固定されている。プーリ８２は、図示されないモータにより回転が制御され、基台８６が図５中の上下方向に移動する構成となっている。このため基台８６の移動によりターゲット基板２０がイオンビームＸの照射位置に対して上下方向に移動することで、ターゲット基板２０をイオンビームＸに対して走査移動する構成となっている。イオンビームＸは、ターゲット基板２０の幅に従ってビーム幅が調整されて、イオンビームＸのビーム幅はターゲット基板２０の幅と一致するか、あるいはそれよりも広くなっている。したがって、イオンビームＸを用いて幅の広いターゲット基板２０についても効率よくイオン注入することができる。
【００２６】
データ処理装置６５は、ファラディカップ２２によって計測されたデータから電流密度分布のプロファイルを算出する部分である。
制御ユニット６４は、算出されたプロファイルに基づいて、電磁石６０及び電磁石７０に流す電流を設定する制御部分である。すなわち、制御ユニット６４は、４重極子デバイス１６にて行うイオンビームの拡がりを抑制するための収束強度の制御を行なうとともに、多極子レンズ１４が行なうイオンビームの電流密度分布を所望の分布にするように制御する。
データ処理装置６５及び制御ユニット６４は、コンピュータ６６によって構成される。このコンピュータ６６は、イオン注入装置１の各部分の操作を調整し、制御する部分も兼ねる。
【００２７】
制御ユニット６４は、イオン源１０で生成されるイオン種（特に、イオンの質量）、イオン源１０から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームＸの目標ビーム幅が操作者から入力されると、コンピュータ６６の演算ユニットは、４重極子デバイス１６におけるイオンビームＸの収束強度を算出し、これに基づいて収束制御用磁場を算出する。制御ユニット６４は、演算ユニットで算出されたイオンビームの収束強度の値を用いて、４重極子デバイス１６に流す電流を生成する。
一方、制御ユニット６４は、データ処理装置６５から、電流密度分布のプロファイルの供給を受けると、プロファイルから求められるビーム幅と目標ビーム幅との差分を計算してイオンビームの収束強度の修正量を算出する。こうして、計測された電流密度のプロファイルから求められるビーム幅が目標ビーム幅に近づくように４重極子デバイス１６におけるイオンビームの収束強度を繰り返し変更して調整する。
【００２８】
また、制御ユニット６４は、上述したように、必要に応じて、電流密度のプロファイルに基づいて多極子レンズ１４に流す電流を繰り返し調整、制御する。例えば電流密度が均一でないと判断した場合、イオンビームＸが均一になるように電流を調整、制御する。
イオン注入装置１は以上のように構成される。
【００２９】
このようなイオン注入装置１では、イオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４を介して、所定の拡がり角度、例えば６〜３０度の拡がり角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームＸを生成する。このイオンビームＸは、４重極子デバイス１６により略平行ビームとされるが、４重極子デバイス１６は、イオンビームＸの上流側、あるいは下流側に移動調整して設定されるので、イオンビームＸのビーム幅をターゲット基板２０の幅に合わせて位置調整することができる。例えば、多極子レンズ１４の出口におけるビーム幅が６００ｍｍとなるようにイオン源１０、イオン分析器１２及び多極子レンズ１４が設計されている場合、例えば、４重極子デバイス１６を多極子レンズ１４の出口近辺に位置調整すると６００ｍｍのビーム幅となり、４重極子デバイス１６を上記出口から５３５ｍｍ下流側に位置調整する場合７４０ｍｍのビーム幅となる。また、イオンビームＸの拡がり角度が７度の場合、４重極子デバイス１６を１００ｍｍ移動することでビーム幅は、片側で１２ｍｍ両側で２４ｍｍ変化し、さらに、多極子レンズ１４の出口におけるビーム幅が６００ｍｍの場合、この出口から下流側へ６００ｍｍ移動させることで７５０ｍｍのビーム幅を実現できる。
【００３０】
このように、所定のビーム幅で略平行なイオンビームを生成するためには、イオンビームＸが略平行ビームであり、しかも均一な電流密度となるように、４重極子デバイス１６の収束強度用磁場、すなわち４重極子デバイス１６におけるイオンビームの収束強度を規定する磁場、及び多極子レンズ１４の局所磁場をそれぞれ調整、制御する必要がある。
本発明では、生成したイオンビームの電流密度のプロファイルがファラディカップ２２によって計測されてデータ処理装置６５で求められるので、この電流密度分布のプロファイルから、位置調整された４重極子デバイス１６及び多極子レンズ１４の電流の調整、制御を行う。
【００３１】
具体的には、制御ユニット６４において、設定入力されたイオン種（イオンの質量）、イオンビームＸの設定エネルギ、及びイオンビームＸの目標ビーム幅から、イオンビームの収束強度を規定する収束強度用磁場の初期値が算出される。収束強度用磁場の算出に際しては、イオンの質量、設定エネルギ及び目標ビーム幅を入力することで、収束強度、あるいは収束強度用磁場の値が一意的に計算されるように、予めパラメータによって規定された伝達関数が用いられる。この初期値を用いて、幅方向に所定の角度で拡がるイオンビームの拡がりが抑制される。
一方、幅広形状のイオンビームの電流密度がターゲット基板の直前でファラディカップ２２により計測される。計測されたデータはデータ処理装置６５に供給され、電流密度分布のプロファイルが求められる。このプロファイルは、制御ユニット６４に供給され、初期値が適切か否かが、電流密度分布のプロファイルから求められるビーム幅と目標ビーム幅との比較によって判断される。このとき、比較するビーム幅の差が所定値より大きい場合には、初期値の修正が必要と判断され、得られたプロファイルに応じて伝達関数のパラメータが修正される。この修正された伝達関数を用いて、上記設定入力されたイオンの質量、設定エネルギ及び目標ビーム幅から、初期値の修正量が算出される。
同様に、電流密度分布のプロファイルが所望のプロファイル形状とならない場合、多極子レンズ１４の各局所磁場の設定値も修正される。なお、多極子レンズ１４の局所磁場の設定値が修正されると、これに連動して上記伝達関数のパラメータを修正するようにしてもよい。こうして、多極子レンズ１４の局所磁場及び４重極子デバイス１６の収束強度用磁場が電源６７を介して修正される。
【００３２】
このように、計測されるイオンビームの電流密度分布及びビーム幅が、目標とする電流密度分布及び目標ビーム幅に近づくように、局所磁場及び収束強度用磁場の調整が繰り返し行われる。目標ビーム幅を処理対象のターゲット基板２０の基板幅とした場合、実際に生成され計測されるイオンビームのビーム幅の許容範囲は、目標ビーム幅以上この幅の１２０％以下、好ましくは目標ビーム幅以上この幅の１１０％以下、より好ましくは目標ビーム幅以上このビーム幅の１０５％以下であるのが好ましい。
【００３３】
このように、イオン注入装置１では、イオンビームＸのビーム幅をターゲット基板２０のサイズに応じて調整し、略平行なイオンビームを生成することができる。
なお、イオン注入装置１では、拡がり角度を持って拡がるイオンビームＸを略平行ビームとするデバイスとして４重極子デバイス１６を用いるが、多極子レンズ１４を、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部として用いてもよい。また、本発明において、イオンビーム調整部は、４重極子デバイス１６、多極子レンズ１４に限定されない。６重極子デバイス等の多極子デバイスを用いてもよい。また、例えば電場を利用してイオンビームの収束強度を制御する静電４重極レンズ等の静電レンズを用いることもできる。この場合、電流の代わりに電圧を制御する。
【００３４】
上述の実施形態では、本装置のインストールの際、４重極子デバイス１６をスライドレール７２に沿って位置決めして設置固定するが、本発明においては、４重極子デバイス１６をモータの駆動制御により常時自在に移動させるように構成してもよい。例えば、図６に示すようにスライドレール７２に替えてボールネジ７９を用い、モータ６８の駆動制御により、４重極子デバイス１６を載置する移動台１７をイオンビームの経路に沿った上流側又は下流側に自在に移動させて、ビーム幅を自在に調整、制御するように駆動機構を備えることもできる。すなわち、本発明において、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制するイオンビーム調整部は、制御ユニット６４の制御により４重極子デバイス１６を上流側又は下流側に自在に移動させるモータ６８を有する構成とし、ビーム幅を、ターゲット基板２０の幅に応じて自在に変更可能に調整できるようにすることもできる。
【００３５】
従来のようなイオンビームのビーム幅が固定されたイオン注入装置では、ターゲット基板のサイズが頻繁に変化し、また需要によりサイズも大型化の傾向にあるＦＰＤ用ガラス基板に対して、それぞれの基板サイズに対応した装置の開発及び設計には十分な時間が割けない。また、十分な時間を割いて開発、設計しても、費やされた開発設計投資の回収が困難となる場合も多い。
これに対して、図６に示すイオン注入装置１はイオンビームＸのビーム幅を変更できるので、上記問題は生じない。また、一般にイオン注入装置で行うイオンビームの照射時間は、ビームの電流強度と相反関係にある。このため、ビーム幅を可能な限りターゲット基板の幅に一致させて照射することは、イオン注入装置の処理能力及びメンテナンス頻度つまり運用効率に直接影響を与えるものである。このような点からイオンビームのビーム幅とターゲット基板の幅を可能な限り一致させることは装置能力を決定する上で重要であり、イオンビームのビーム幅を可変とする本発明を好適に用いることができる。
【００３６】
以上、本発明のイオン注入装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のイオン注入装置の一実施形態を概念的に示す図である。
【図２】本発明のイオン注入装置に用いるイオン源の構成図である。
【図３】図１に示すイオン注入装置に用いる多極子レンズの概略図である。
【図４】図１に示すイオン注入装置に用いる４重極子デバイスの概略図である。
【図５】図１に示すイオン注入装置に用いる処理部の構成図である。
【図６】本発明のイオン注入装置の他の実施形態を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ イオン注入装置
１０ イオン源
１２ イオン分析器
１４ 多極子レンズ
１６ ４重極子デバイス
１７ 移動台
１８ 分離板
２０ ターゲット基板
２２ ファラディカップ
２４ 処理部
３２ チャンバ
３４ フィラメント
３６ 反射電極板（リペラープレート）
３８ 背面電極板
４０ 絶縁部材
４２ 原料ガス供給口
４４ イオンビーム取出口
４６ 引出電源
４７ 磁石
４８ アーク電源
４９ 引出電極
５０ フィラメント電源
５２ 原料ガス調整バルブ
６０，７０ 電磁石
６２ 支持棒
６４ 制御ユニット
６５ データ処理装置
６６ コンピュータ
６７ 電源
６８ モータ
７２ スライドレール
７９ ボールネジ
８０ チャンバ
８２ プーリ
８４ ベルト
８６ 基台
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入するイオン注入装置であって、
所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部と、
生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制することにより、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部と、
前記イオンビーム調整部が行うイオンビームの拡がりを抑制するためのイオンビームの収束強度の制御を行なう制御部と、
ターゲット基板を配し、略平行ビームとなった幅広形状のイオンビームを照射してイオン注入処理を行う処理部と、を有することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスであり、
前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記イオンビーム調整部における前記収束強度を制御する請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記イオンビーム調整部は、前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に自らを移動する可動機構を有する請求項１又は２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記イオンビーム調整部は、所定のビーム幅のイオンビームを生成するように位置決めされて前記処理部と前記イオンビーム生成部との間に固定される請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記制御部の制御により前記イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、前記イオンビーム調整部の移動により、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更する請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項６】
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、
このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分から求められるビーム幅に応じて、前記制御部は、前記収束強度を制御する請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項７】
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、
このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分から求められるビーム幅に応じて、前記可動機構を用いて前記イオンビーム調整部の位置を調整する請求項５に記載のイオン注入装置。
【請求項８】
前記イオンビーム生成部は、所定のイオン種を含むイオンビームを生成するとともに、生成されたイオンビームから所定のイオン種を分離抽出し、
前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスを有し、
前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記多極子デバイスにおける前記収束強度を制御し、
さらに、イオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットが、前記多極子デバイスの前記イオンビームの経路に沿った下流側に設けられ、
前記制御部は、前記所定のイオン種、前記イオン源から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームの目標ビーム幅を設定することにより、前記収束強度を算出する演算手段を有するとともに、この演算手段で算出された前記収束強度の値を用いて、前記イオンビーム調整部における収束強度を制御し、さらに前記ビーム幅計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められる幅広形状のイオンビームのビーム幅が前記目標ビーム幅に近づくように前記収束強度を繰り返し変更して調整する請求項１〜７のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項９】
ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームを所定の幅のターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入する際に、
所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成し、生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度を制御することにより、イオンビームの拡がりを抑制した幅広形状のイオンビームを生成するステップと、
生成された幅広形状のイオンビームの電流密度分布をターゲット基板の直前で計測するステップと、
計測された電流密度分布から求められるビーム幅が、目標とするビーム幅に近づくように、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度の調整を繰り返し行うステップと、を有することを特徴とするイオンビーム生成方法。
【請求項１】
ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームをターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入するイオン注入装置であって、
所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成するイオンビーム生成部と、
生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制することにより、イオンビームを略平行ビームにして幅広形状のイオンビームを生成するイオンビーム調整部と、
前記イオンビーム調整部が行うイオンビームの拡がりを抑制するためのイオンビームの収束強度の制御を行なう制御部と、
ターゲット基板を配し、略平行ビームとなった幅広形状のイオンビームを照射してイオン注入処理を行う処理部と、を有することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスであり、
前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記イオンビーム調整部における前記収束強度を制御する請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記イオンビーム調整部は、前記イオンビームの経路に沿って上流側又は下流側に自らを移動する可動機構を有する請求項１又は２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記イオンビーム調整部は、所定のビーム幅のイオンビームを生成するように位置決めされて前記処理部と前記イオンビーム生成部との間に固定される請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記制御部の制御により前記イオンビーム調整部を上流側又は下流側に移動させる駆動モータを有し、前記イオンビーム調整部の移動により、ターゲット基板のサイズに応じてビーム幅を変更する請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項６】
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、
このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分から求められるビーム幅に応じて、前記制御部は、前記収束強度を制御する請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項７】
さらに、前記幅広形状のイオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットを有し、
このビーム計測ユニットにより計測された電流密度分から求められるビーム幅に応じて、前記可動機構を用いて前記イオンビーム調整部の位置を調整する請求項５に記載のイオン注入装置。
【請求項８】
前記イオンビーム生成部は、所定のイオン種を含むイオンビームを生成するとともに、生成されたイオンビームから所定のイオン種を分離抽出し、
前記イオンビーム調整部は、磁場又は電場を用いた多極子デバイスを有し、
前記制御部は、前記多極子デバイスに所望の電流又は電圧を与えることにより前記多極子デバイスにおける前記収束強度を制御し、
さらに、イオンビームの電流密度分布を計測するビーム計測ユニットが、前記多極子デバイスの前記イオンビームの経路に沿った下流側に設けられ、
前記制御部は、前記所定のイオン種、前記イオン源から出力されるイオンビームの設定エネルギ、及びイオンビームの目標ビーム幅を設定することにより、前記収束強度を算出する演算手段を有するとともに、この演算手段で算出された前記収束強度の値を用いて、前記イオンビーム調整部における収束強度を制御し、さらに前記ビーム幅計測ユニットにより計測された電流密度分布から求められる幅広形状のイオンビームのビーム幅が前記目標ビーム幅に近づくように前記収束強度を繰り返し変更して調整する請求項１〜７のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項９】
ビーム断面形状が一方向に長い、幅広形状のイオンビームを所定の幅のターゲット基板に照射して、ターゲット基板にイオンを注入する際に、
所定の角度でイオンビームの幅方向に拡がるイオンビームを生成し、生成されたイオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度を制御することにより、イオンビームの拡がりを抑制した幅広形状のイオンビームを生成するステップと、
生成された幅広形状のイオンビームの電流密度分布をターゲット基板の直前で計測するステップと、
計測された電流密度分布から求められるビーム幅が、目標とするビーム幅に近づくように、イオンビームの幅方向の拡がりを抑制する収束強度の調整を繰り返し行うステップと、を有することを特徴とするイオンビーム生成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１３９９９６（Ｐ２００６−１３９９９６Ａ）
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２７７６８（Ｐ２００４−３２７７６８）
【出願日】平成１６年１１月１１日（２００４．１１．１１）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１１日（２００４．１１．１１）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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