JP4662610B2

JP4662610B2 - Solid convergence mass separator

Info

Publication number: JP4662610B2
Application number: JP2000196341A
Authority: JP
Inventors: 修塚越; 和浩樫本; 純平湯山
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: JP2002015695A

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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid focusing mass separator for a medium current ion implantation apparatus. In the present specification, the term “medium current” means a range of 30 mA to 12 mA.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 6 of the accompanying drawings, this type of ion implantation apparatus includes an ion source A, a mass separator B, an acceleration tube C, a focusing lens system D, and an electrostatic that deflects an ion beam in the Y direction. A deflector E, an electrostatic deflector F for deflecting the ion beam in the X direction, and an irradiation chamber G for irradiating a target with desired ions are provided. The ion beam extracted from the ion source A is passed through the mass separator B. Separated into ion beams consisting of ions of the same mass number, accelerated by an accelerating tube C, converged by a converging lens system D, deflected in the Y direction by an electrostatic deflector E, and in the X direction by an electrostatic deflector F The neutral beam generated by the charge exchange by deflecting and colliding with the residual gas molecules is removed, and then injected into the target.
[0003]
In the mass separator used in such an ion implantation apparatus, the input / output end face of the pole piece of the sector type electromagnet is perpendicular to the axis of the system, that is, the central axis of the ion beam. In order to obtain this, it is necessary to increase the oblique incident angle of the ion beam from the ion source. However, even if the ion beam has a large oblique incident angle, the ion beam spreads in the vertical direction and the three-dimensional convergence is not sufficient.
[0004]
FIG. 7 shows a mass separator in a conventional ion implantation apparatus, in which a is a sector magnet, and a rotating iron piece b is provided on the exit side of the sector magnet a. The gap between the pole pieces of the sector magnet a is 60 mm, c indicates an effective magnetic field edge, d is the exit slit of the Freeman ion source, and its width is 3 mm. E is a focal point of the ion beam, and the width of the ion beam at the focal point e is set to 2 cm.
[0005]
In the mass separator shown in FIG. 7, an experiment was conducted with a target value of passing a defining aperture having a width of 10 mm and a height of 35 mm through P ⁺ 50 keV at 30 mA and As ⁺ 30 keV at 12.5 mA.
The shim member is attached to the sector magnet a, the uniform range of the magnetic field distribution in the width direction is set to 10.5 cm, the rotating iron piece b is attached to the exit side of the sector magnet a, and the focusing point e is aligned with the defining aperture. As a result of the measurement, P ⁺ 15 mA (drawing voltage 30 kV) and As ⁺ 12 mA (drawing voltage 50 kV) were injected into the substrate at the subsequent stage acceleration voltages 170 kV and 150 kV as the target values.
[0006]
Next, the principle of solid convergence, which is the target concept of the present invention, will be described.
As shown in FIG. 8, the right-handed rectangular coordinate 0-xyz is taken at the center of the end face of the mass separator on the median plane, the x, y, and z components of the magnetic field are Hx, Hy, and Hz, and the velocity component of the ion beam is Vx. , Vy, Vz, and Fx, Fy, Fz as force components acting on ions,
→ → →
F = ev × H (1)

It is. The force Fz acting in the z direction with respect to ions is Fz = e (VxHy−VyHx) (3)
It becomes.
Assuming that the central unit vector is K, when the x component Hx of the magnetic field at the incident end face of the mass separator is greater than zero and the velocity component Vy of the ion beam is greater than zero, the direction of the force F acting on the ions is from the top. When the x component Hx of the magnetic field at the incident end face of the mass separator is smaller than zero and the velocity component Vy of the ion beam is larger than zero, the direction of the force F acting on the ions is from the bottom to the top (-K). + K) direction. On the other hand, when the x component Hx of the magnetic field at the exit end face of the mass separator is smaller than zero and the velocity component Vy of the ion beam is smaller than zero, the direction of the force F acting on the ions is from the top to the bottom (−K), When the x component Hx of the magnetic field at the exit end face of the mass separator is larger than zero and the velocity component Vy of the ion beam is smaller than zero, the direction of the force F acting on the ions is from the bottom to the top (+ K).
As shown in FIG. 8, the greater the Hx component, the greater the force component in the vertical direction that acts on the ions, and the greater the stereo convergence effect.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional mass separator, as shown in FIG. 8, the end face of the pole piece (pole piece) is cut at a right angle, so that the Hx component of the magnetic field is obliquely incident in order to obtain a perfect three-dimensional convergence. The corner must be increased.
This means that the distance from the ion source to the entrance edge of the magnet is L1, the distance from the exit edge of the magnet to the focusing aperture is L2, and the origin of the ion trajectory radius and the center position of the entrance edge of the magnet The angle formed by the entrance edge of the magnet with respect to the axis passing through is α, and the angle formed by the exit edge of the magnet with respect to the axis passing through the origin of the ion trajectory radius and the center position of the exit edge of the magnet When β, the formula of L2 = (L1 tan α + Rm) / (L1 / Rm (1-tan α tan β) −tan β)
As can be seen, there is a problem that the distance L1 from the ion source to the incident side edge of the magnet must be increased, resulting in an increase in the size of the separator.
[0008]
On the other hand, a mass separator used in a medium current ion implantation apparatus is required to increase ion passage rate and increase ion yield.
[0009]
Accordingly, the present invention provides a solid focusing mass separator for a medium current ion implantation apparatus capable of focusing an ion beam not only in the median plane but also in a direction perpendicular to the median plane in order to solve the above-described problems. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, desired ions are separated from ions from an ion source that generates an ion beam, accelerated, deflected, and then injected into an end station substrate. In a stereofocusing mass separator for a current ion implantation system,
The end face of the 90 ° sector magnet pole piece is set to a predetermined oblique incident / exit angle, and half the height of the edge of the ion beam passage opening at the end face of the pole piece is set at an angle of 30 ± 3 °. As a shaving, forming a chamfered portion that increases the incident direction and exit direction components of the ion beam of the magnetic field near the entrance and exit side edges of the pole piece,
A band-shaped shim member extending across the entire width of the opening of the ion beam passage is provided opposite to the edge of the opening of the ion beam passage on the end face of the pole piece having the chamfered portion .
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 shows an embodiment of a three-dimensional convergence mass separator according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a 90 ° sector magnet. The 90 ° sector magnet 1 includes a pole piece 2, a winding 3, and a yoke 4. Although not shown, the winding 3 is configured to be cooled with cooling water. In FIG. 1, 5 is an exit slit of the ion source, and 6 is a focusing aperture.
[0014]
In each of the entrance and exit

side end faces

7 and 8 of the pole piece 2, the gap between the pole pieces 2, that is, the edge of the opening of the ion beam passage 9 is scraped off as shown in FIG. 2 and FIG. 7a and 8a are formed. In other words, the chamfered

portions

7a and 8a formed on the

end surfaces

7 and 8 on the incident / exit side of the pole piece 2 have a height of ½ from the edge of the opening of the ion beam passage 9 on each end surface in the illustrated embodiment. It is formed so as to form an angle of 30 ± 3 ° with respect to each end face.
[0015]
Further, as shown in FIGS. 2 and 3 , a band-shaped pure iron shim 10 extending across the entire width of the opening of the ion beam passage is opposed to the end of the ion beam passage 9, that is, the end of the gap between the pole pieces 2. Is installed by silver solder. This reduces scattering and increases the uniform magnetic field.
[0016]
As shown in FIGS. 1 and 2, the entrance and exit side end faces 7 and 8 of the pole piece 2 are respectively relative to a plane 12 perpendicular to the central axis 11 of the ion beam from the slit 5 of the ion source (not shown). And an angle β = 20 ° with respect to a plane 14 perpendicular to the central axis 13 of the ion beam from the pole piece 2 toward the focusing aperture 6.
[0017]
In FIG. 1, L1 is the distance from the slit 5 of the ion source to the incident side end face 7 of the pole piece 2 in the sector magnet 1, and L2 is from the emission side end face 8 of the pole piece 2 to the focusing aperture 6 of the ion beam. Distance.
[0018]
In the three-dimensional focusing mass separator of the present invention configured as described above, as an example, the distance L1 from the slit 5 of the ion source to the incident side end face 7 of the pole piece 2 in the sector magnet 1 is 30.5 cm, The distance L2 from the emission side end face 8 to the ion beam focusing aperture 6 can be 39.4 cm, and if α and β are each 20 °, the orbit radius of the ion beam passing through the sector magnet 1 is 26. It can be 6 cm.
[0019]
FIG. 4 shows the strength of the magnetic field in the y direction in the three-dimensionally converging mass separator of the present invention shown in FIGS. 1 to 3, and the strength of the magnetic field is approximately 100 mm over the y direction at a current value of 10 to 50 amperes. It is recognized that it is uniform.
FIG. 5 shows the magnetic field in the z direction.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the end face of the pole piece of the 90 ° sector magnet is set to a predetermined oblique incident / exit angle, and the height of the edge of the opening of the ion beam passage on the end face of the pole piece is set. A chamfered portion is formed by cutting 1/2 of the thickness at an angle of 30 ± 3 ° to increase the incident direction and the outgoing direction component of the ion beam of the magnetic field in the vicinity of the input and output side edges of the pole piece. A pole-shaped shim member extending across the entire width of the ion beam passage opening is provided opposite the edge of the ion beam passage opening on the end face of the pole piece formed with the pole piece of the sector magnet from the ion source. The distance between the two end faces can be reduced to about half that of the conventional method of three-dimensional convergence. Ion yield that is about 2-fold. Further, the weight of the electromagnet is about 80% compared with the conventional structure, and the manufacturing cost can be reduced to about 60% of the conventional one by reducing the size and weight.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a three-dimensional convergence mass separator according to the present invention.
2A is an enlarged cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 showing the configuration of the incident side end face portion of the pole piece in the three-dimensional converging mass separator in FIG. 1, and FIG. 2B is a three-dimensional converging mass separation in FIG. The expanded sectional view along BB of FIG. 1 which shows the structure of the output side end surface part of the pole piece in a container.
3 is a schematic enlarged perspective view showing a configuration of an incident side end surface portion of the pole piece in the solid convergence mass separator of FIG. 1, and FIG. 3B is a configuration of an output side end surface portion of the pole piece in the solid convergence mass separator of FIG. FIG.
4 is a graph showing a y-direction magnetic field distribution with respect to various current values in the solid convergence mass separator shown in FIG. 1; FIG.
5 is a graph showing the z-direction magnetic field strength with respect to various current values in the three-dimensional convergence mass separator shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of an ion implantation apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a mass separator in a conventional ion implantation apparatus.
FIG. 8 is a schematic perspective view showing the principle of solid convergence.

Claims

In a stereofocus mass separator for a medium current ion implanter that separates, accelerates, deflects, and injects desired ions from ions from an ion source that generates an ion beam, and then injects them into an end station substrate,
The end face of the 90 ° sector magnet pole piece is set to a predetermined oblique incident / exit angle, and half the height of the edge of the ion beam passage opening at the end face of the pole piece is set at an angle of 30 ± 3 °. As a shaving, forming a chamfered portion that increases the incident direction and exit direction components of the ion beam of the magnetic field near the entrance and exit side edges of the pole piece,
A medium-current type ion characterized in that a band-shaped shim member extending across the entire width of the opening of the ion beam passage is provided opposite to the edge of the opening of the ion beam passage on the end face of the pole piece having the chamfered portion Solid converging mass separator for injection devices.