JP5634992B2 - イオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン源から引き出されたイオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すためのイオンビーム照射装置に関し、特に空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制する機能を有するイオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法に関するものである。

従来、この種のイオンビーム照射装置としては、特許文献１に示すように、イオンビームを生成するイオン源と、このイオン源からのイオンビームを偏向するための偏向磁石と、この偏向磁石を構成する磁極内面に設けられた電子源とを備え、当該電子源から対向する磁極に電子線を照射することによって、空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制する（これを中性化ともいう。）ものが考えられている。

しかしながら、磁極内部で射出された電子は磁場に沿って進行するため、いずれは電子源が設けられた磁極と対向する磁極に衝突して消滅してしまう。このため、イオンビームの発散を抑制するための電子の利用効率が悪いという問題がある。なお、特許文献１の図６等において、電子源と磁極との間に絶縁体又は導電体を設けることによってイオンビームを横切った電子を反射させることが記載されているが、どのように反射されるか不明であり、空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制できるか否か不明である。

また、磁極内面に電子源を埋め込むために、磁極内面に凹部を設ける等の特別な加工が必要となり（特許文献１の図５等）、これによって磁極平面の構造が複雑になるだけでなく、加工コストが増大してしまうという問題もある。なお、上記のように、絶縁体又は導電体を設ける加工によっても加工コストが増大してしまうという問題がある。

さらに、磁極内面に凹部を設ける等の複雑な形状とすること又は絶縁体或いは導電体を設けることによって、磁極により形成される磁場を均一にすることが難しく、偏向されるイオンビームを所望の向きに精度良く変更することが難しいという問題がある。

特表２００６−５１０１６５号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、従来部品の配置が制約されていた磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要としながらも、電子の利用効率を向上して空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率的に抑制することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るイオンビーム照射装置は、イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームをターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、前記電子源が、前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置され、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されるとともに、前記電子源の電子射出方向が、前記磁場勾配領域に電子が供給されるように向けられて、前記電子源から射出された電子が、前記磁場勾配領域における前記イオンビームと交わる領域に供給されることを特徴とする。

このようなものであれば、電子源を磁石により形成される磁場勾配領域内に配置し、且つ、イオンビームが通過する領域外に配置するとともに、その磁場勾配領域内に電子が供給されるようにしているので、磁場勾配のミラー効果によって、供給された電子を磁場勾配領域内に閉じ込めることができる。その結果、磁石のイオンビーム上流側又は下流側に電子雲を形成することができ、空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制することができる。また、電子源を磁石近傍に設けていることから、磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要とすることができる。

前記磁石が、前記イオンビームを挟むように設けられた一対の平行な磁極平面を有する場合において、当該磁極平面により形成される磁場勾配領域内に電子を供給するためには、前記電子源からの電子射出方向が、前記磁極平面に対してその磁極平面に対向する磁極平面を向くように略垂直、又は前記偏向磁石よりも外側に向けられていることが望ましい。

電子源から出る電子を効率良く磁場勾配領域内に供給するためには、前記電子源の電子射出方向が、前記磁場勾配領域内の磁場の接線方向であることが望ましい。

前記磁石が、一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石を有する場合において、このコリメート磁石において、空間電荷効果によるイオンビームの広がりを好適に抑制するためには、前記電子源が、前記コリメート磁石により形成される磁場勾配領域内に設けられるものであって、前記電子源が、前記コリメート磁石の磁極平面間に発生する磁束密度をＢ_０とし、前記コリメート磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．７２の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられていることが好ましい。特に、磁場勾配領域内に充分な電子を閉じ込めるとともに、イオンビームに効率よく電子を供給するためには、電子源が、０．１２＜Ｂ／Ｂ_０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられていることが好ましい。

前記磁石が、一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石と、前記コリメート磁石の磁極平面に平行に配置された一対の平行な磁極平面により、前記コリメート磁石に入射するイオンビームの磁極平面に直交する方向の発散を補償する補償磁石と、を備える場合において、この補償磁石において、空間電荷効果によるイオンビームの広がりを好適に抑制するためには、前記電子源が、前記補償磁石を構成する一対の平行な磁極平面間に発生する磁束密度の最大値をＢ_０とし、前記補償磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜１の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられていることが望ましい。特に、磁場勾配領域内に充分な電子を閉じ込めるとともに、イオンビームに効率よく電子を供給するためには、前記電子源が、０．３０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域に設けられていることが好ましい。

磁場勾配領域内の均一磁場内に効率よく電子を供給して均一な電子雲を形成させるためには、前記電子源が、前記磁石を構成する一対の磁極平面と略平行な平面内に配置されるとともに、前記磁石におけるイオンビームの上流側側面及び／又は下流側側面に沿って配置されていることが望ましい。

イオンビームの両側から電子を照射することによって、空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率よく抑制するためには、前記電子源を２つ以上有し、それらの電子源が、前記イオンビームを挟んで配置されていることが望ましい。

電子源をコンパクトにするとともに、ミラー効果により生じる電子雲中に配置した場合であっても、電子源に電子が衝突することによる電子の減少を可及的に低減して、電子の利用効率を一層向上させるためには、前記電子源が、電界放出型電子源であることが望ましい。

また、本発明に係るイオンビーム発散抑制方法は、イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置における空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制するイオンビーム発散抑制方法であって、前記イオンビーム照射装置が、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、前記電子源を、前記磁石におけるイオンビームの上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置し、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置して、前記電子源から出る電子を前記磁場勾配領域内に供給して、前記電子源から射出された電子を前記磁場勾配領域における前記イオンビームと交わる領域に供給することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、従来部品の配置が制約されていた磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要としながらも、電子の利用効率を向上して空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るイオンビーム照射装置の全体構成を示す模式図である。 リボン状のイオンビームの一例を部分的に示す概略斜視図である。 コリメート磁石及び電子源を部分的に示す概略斜視図である。 コリメート磁石及び電子源の位置関係を示すＺ方向から見た図である。 コリメート磁石及び電子源の位置関係を示すＸ方向から見た図である。 コリメート磁石及び電子源の位置関係を示す模式的断面図である。 補償磁石及び電子源の位置関係を示すＺ方向から見た図である。 補償磁石及び電子源の位置関係を示す断面図である。 電子源の構成を模式的に示す断面図である。 コリメート磁石の磁場勾配領域に生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームの様子を表すシミュレーション結果を示す図である。 コリメート磁石近傍に電子雲がない場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 コリメート磁石近傍に電子雲がある場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 ^＋Ｐ^３１イオンを平行化するためのコリメート磁石における磁場領域を示す図である。 コリメート磁石及び電子源の距離に関する電子の閉じ込めのシミュレーション結果である。 コリメート磁石及び電子源の位置をＢ／Ｂ_０の値で示すシミュレーション結果である。 コリメート磁石の磁場勾配領域における電子源の配置とターゲット位置でのイオンビームの直径との関係を示す図である。 補償磁石の磁場勾配領域に生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 補償磁石近傍に電子雲がない場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 補償磁石近傍に電子雲がある場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 ^＋Ｐ^３１イオンを補償する補償磁石における磁場分布を示す図である。 補償磁石の磁場勾配領域における電子源の配置とターゲット位置でのイオンビームの直径との関係を示す図である。 コリメート磁石近傍に形成された磁場勾配領域内での電子運動を模式的に示す図である。 コリメート磁石近傍の一定強度を有する磁場に沿った電子運動のシミュレーション結果を示す図である。 補償磁石近傍の一定強度を有する磁場に沿った電子運動のシミュレーション結果を示す図である。 電子は磁場の方向に沿った電子運動のシミュレーション結果を示す図である。 コリメート磁石の磁場勾配領域内での電子運動を示すシミュレーション結果である。 コリメート磁石の磁場勾配領域内での電子運動を示すシミュレーション結果である。

１００・・・イオンビーム照射装置
ＩＢ・・・イオンビーム
Ｗ・・・ターゲット
２・・・イオン源
６・・・コリメート磁石
６１ａ、６１ｂ・・・コリメート磁石の磁極平面
７・・・補償磁石
７１ａ、７１ｂ・・・補償磁石の磁極平面
Ｋ・・・磁場勾配領域
１１・・・電子源

以下に本発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態において、図１に示すように、ターゲットＷに照射されるイオンビームＩＢの設計上の進行方向をＸ方向、Ｘ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＹ方向及びＺ方向とする。また、以下の説明で参照する図１０〜図１６、図１９〜図２３、図２７〜図３１に記載されているＸ、Ｙ、Ｚ軸の単位はｍｍである。

本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００は、図１にその模式的全体図を示すように、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源２と、このイオン源２及びターゲットＷの間に設けられ、イオン源２から出たイオンビームＩＢをターゲットＷに照射するために、発生する磁場によってイオンビームＩＢを偏向、収束又は発散させる複数の磁石と、を備えている。

本実施形態のイオンビーム照射装置１００は、磁石として、イオン源２から引き出されたイオンビームＩＢを質量分離するための質量分離器３と、イオンビームＩＢをエネルギー分離するためのエネルギー分離器４と、イオンビームＩＢをＹ方向（例えば水平方向）に走査するための走査器５と、この走査器５により走査されたイオンビームＩＢを平行ビーム化するビーム平行化器６と、走査器５及びビーム平行化器６の間に設けられ、イオンビームＩＢのＺ方向の発散を補償して、イオンビームＩＢの輸送効率を向上させる補償器７と、を備えている。

なお、質量分離器３及びエネルギー分離器４の間には、イオンビームＩＢを必要に応じて加速又は減速するための加減速器８が設けられている。また、ビーム平行化器６とターゲットＷの間には、イオンビームＩＢを通過させる開口を有し、イオンビームＩＢを整形するマスク９が設けられている。これにより、イオンビームＩＢのＹ方向の不要な裾の部分をカットしている。

質量分離器３は、磁場によってイオンビームＩＢの質量分離を行う質量分離磁石である。エネルギー分離器４は、磁場によってイオンビームＩＢのエネルギー分離を行うエネルギー分離磁石である。走査器５は、磁場によってイオンビームＩＢの走査を行う走査磁石である。ビーム平行化器６は、磁場によってイオンビームＩＢの平行化を行うコリメート磁石である。補償器７は、磁場によってイオンビームＩＢのＺ方向の発散を補償する補償磁石である。なお、加減速器８は、複数枚の電極を有していて静電界によってイオンビームＩＢの加減速を行う加減速管である。上記磁石３〜７は、電磁石により構成しても良いし、永久磁石により構成しても良い。

このように構成したイオンビーム照射装置１００により、ホルダ１０に保持されたターゲットＷにイオンビームＩＢを照射して、ターゲットＷにイオン注入等の処理を施すように構成されている。イオンビームＩＢの軌道は、真空雰囲気に保たれるように構成されている。質量分離器２を設けない場合もある。ターゲットＷにイオン注入を行う場合は、この装置１００はイオン注入装置とも呼ばれる。

ターゲットＷに照射されるイオンビームＩＢは、図２に示すように、Ｙ方向（例えば長手方向）の寸法が、当該Ｙ方向と直交するＺ方向の寸法よりも大きい形をしている。このような形状のイオンビームＩＢは、リボン状やシート状あるいは帯状のイオンビームと呼ばれる場合もある。但し、Ｚ方向の寸法が紙のように薄いという意味ではない。一例を挙げると、Ｙ方向の寸法は３５０ｍｍ〜４００ｍｍ程度、Ｚ方向の寸法は８０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。

ターゲットＷは、例えば、半導体基板又はガラス基板等である。ターゲットＷは、この実施形態では、ホルダ１０に保持されて、ターゲット駆動装置（不図示）によって、Ｚ方向に沿って機械的に往復進退駆動（メカニカルスキャン）される。イオンビームＩＢのＹ方向の寸法Ｗ_Ｙは、ターゲットＷの同方向の寸法よりも若干大きく、このことと、上記往復駆動とによって、ターゲットＷの全面にイオンビームＩＢを照射することができる。

しかして本実施形態のイオンビーム照射装置１００において、コリメート磁石６及び補償磁石７の近傍に電子を生成する複数の電子源１１を設け、それらコリメート磁石６及び補償磁石７近傍に電子雲を形成してイオンビームＩＢに電子を供給することによって、空間電荷効果によるイオンビームＩＢの発散を抑制する構成としている。

以下に具体的に説明する。

コリメート磁石６は、磁界によってイオンビームＩＢを走査する走査器５と協働して、Ｙ方向に走査されたイオンビームＩＢを、磁界によって基準軸Ｃ（Ｘ方向に沿った軸である。）に対して実質的に平行となるように曲げ戻して平行ビーム化して、Ｙ方向の寸法がＺ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームＩＢを射出するものである。このコリメート磁石６は、図３〜図６に示すように、Ｚ方向において相対向する２つの磁極６１と、それらの間を繋ぐヨーク６２と、各磁極６１を励磁する励磁コイル６３とを有し、Ｚ方向において相対向するように平行に配置された一対の磁極平面６１ａ、６１ｂ（ＸＹ平面に平行な平面である）を備えている。

補償磁石７は、イオンビームＩＢのＺ方向の発散を補償して、イオンビームＩＢの輸送効率を向上させるものである。この補償磁石７は、図７及び図８に示すように、Ｚ方向において相対向するように配置された第１の磁石７Ａと第２の磁石７Ｂとにより構成されている。各磁石７Ａ、７Ｂは、イオンビームＩＢの進行方向に張り出した弧状をなす鉄心７１と、この鉄心７１の長手方向に巻回されたコイル７２とを備えている。鉄心７１の２つの（即ち、イオンビームＩＢの入口側及び出口側の）長辺部７１１が、それぞれ、その実質的に全長に亘って異なる磁極を構成する。つまり、補償磁石７は、コリメート磁石６と同様、Ｚ方向において相対向するように平行に配置された一対の磁極平面７１ａ、７１ｂ（ＸＹ平面に平行な平面である。）を備えている（図８参照）。なお、第１の磁石７Ａ及び第２の磁石７Ｂには、それぞれ、直流電源（不図示）からの励磁電流が供給されている。

電子源１１は、図４、図７等に示すように、コリメート磁石６及び補償磁石７のイオンビーム上流側又は下流側において、イオンビームＩＢを挟むように、複数個設けられている。具体的には、図５に示すように、電子源ホルダ１２により直列状に且つ互いに等間隔となるように保持されている。なお、図５では、電子源１１をイオンビームＩＢを挟んで面対称となるように配置しているが、Ｙ方向において交互にずらすように配置しても構わない。

本実施形態の電子源１１は、電界放出型のものであり、図９の部分拡大断面図に示すように、導電性のカソード基板１１１と、このカソード基板１１１の表面に形成され先端が尖った形状をなす複数の微小（μｍ単位）なエミッタ１１２と、この各エミッタ１１２の先端近傍を微小（μｍ単位）な間隙Ｇを開けて取り囲む、各エミッタ１１２に共通の引き出し電極１１３（ゲート電極とも言う。）と、この引き出し電極１１３とカソード基板１１１との間に設けられて両者間を絶縁する絶縁層１１４とを備えている。カソード基板１１１と各エミッタ１１２とは互いに電気的に導通している。

以下、電子源１１の具体的な配置態様について説明する。

電子源１１は、図６又は図８に示すように、磁石６、７のイオンビームＩＢの上流側又は下流側に形成される磁場勾配領域Ｋ内に配置され、且つ、イオンビームＩＢが通過する領域外においてそのイオンビームＩＢの通過領域を挟むように配置されている。磁場勾配領域Ｋとは、コリメート磁石６又は補償磁石７において、磁極平面６１ａ、６１ｂ又は７１ａ、７１ｂの外側に膨らむように形成された磁場領域である。

そして、電子源１１の電子射出方向が、磁場勾配領域Ｋに電子が供給される向き、つまり磁場勾配領域Ｋを向く方向に設定されている。具体的には、電子源１１の電子射出方向が、磁極平面（例えば６１ａ又は７１ａ）に対してその磁極平面に対向する磁極平面（６１ｂ又は７１ｂ）を向くように略垂直、又は磁石６、７よりも外側に向けられている。より詳細には、電子源１１の電子射出方向が、磁場勾配領域Ｋ内の磁場の接線方向と略一致するように設定されていることが望ましい。なお、図６及び図８においては、電子源１１の電子射出方向が磁極平面６１ａ、６１ｂ又は７１ａ、７１ｂと略平行な方向となるように磁石６、７よりも外側に向けられた状態を示している。

また、電子源１１は、図５に示すように、コリメート磁石６又は補償磁石７を構成する一対の磁極平面（６１ａ、７１ａ等）と略平行な平面（ＸＹ平面）内にほぼ列状に配置されている。

さらに、電子源１１は、磁石６、７のイオンビーム上流側側面又は下流側側面に沿って、当該側面と各電子源１１との距離が略一定となるように設けられている。例えばコリメート磁石６及びその下流側に設けた電子源１１との距離は、コリメート磁石６の周囲方向において一定となるようにしている。補償磁石７及びその上流側又は下流側に設けた電子源１１との距離Ｌ２、Ｌ３は、補償磁石７の周囲方向において一定となるようにしている。つまり、電子源１１は、磁場勾配領域Ｋにおいて、磁石６、７の周囲方向における一定磁場内に配置されるように構成されている。

次に、電子源１１をコリメート磁石６のイオンビームＩＢの下流側近傍（出口近傍）に設けた場合の具体的な配置態様について説明する。

電子源１１をコリメート磁石６のイオンビームＩＢの下流側近傍に設ける場合には、コリメート磁石６の対向する磁極平面６１ａ、６１ｂ間に発生する磁束密度をＢ_０とし、コリメート磁石６外部に形成される磁場勾配領域Ｋでの磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．７２の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。より具体的には、電子源１１が、０．１２＜Ｂ／Ｂ_０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。なお、Ｂ／Ｂ_０の範囲は、磁石６の種類（磁場構成）、電子のエネルギー、取り扱うイオン種、又は偏向量等によって適宜変更される。

ここで、コリメート磁石６に対する電子源１１の位置とそのときの電子の閉じ込め作用についてシミュレーション結果に基づいて説明する。

図１０は、コリメート磁石６近傍の磁場勾配領域Ｋに生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームＩＢの様子を表すシミュレーション結果である。また、図１１は、コリメート磁石６近傍に電子雲がない場合でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図１２は、コリメート磁石６近傍に電子雲がある場合でのイオンビームＩＢのシミュレーション結果である。さらに、図１３は、電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図１４は、電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果である。なお、図１３、図１４において、Ｘ座標が０の位置がターゲットチャンバの入口であり、３４０ｍｍの位置がターゲット（ウエハ）Ｗが配置される位置である。これらの図から分かるように、コリメート磁石６近傍に電子雲を形成させることによって、イオンビームＩＢの発散が抑制されていることが分かる。

図１５は、Ｅ_ｉｏｎ＝５７５ｅＶを有する^＋Ｐ^３１イオンを平行化するためのコリメート磁石６における磁場領域を示す図である。このコリメート磁石６は、平面磁極間において２８０［Ｇｓ］（＝Ｂ_０）の一定磁場を形成しており、コリメート磁石６の磁極の物理的境界における磁場ＢとＢ_０との比は、Ｂ／Ｂ_０＝０．７２である。また、イオン電流（Ｉ_ｉｏｎ）は４［μＡ］、電子エネルギー（Ｅ_ｅ）は１０［ｅＶ］、電子電流（Ｉ_ｅ）は３４×Ｉ_ｉｏｎ［μＡ］としている。なお、この図１５においては、一対の磁極平面６１ａ、６１ｂがＺ方向に平行であるとしてシミュレーションを行っている。

コリメート磁石６に対して電子源１１を近づけすぎると、磁場勾配領域Ｋによるミラー効果が弱くなり、電子の閉じ込め効果が不十分になってしまう（図１６におけるｘ＝−３５５ｍｍ、−３０５ｍｍ）。また、電子源１１を磁石６から遠ざけすぎると、ミラー効果による電子の閉じ込めはできるが、電子を閉じ込めておく領域が広くなりすぎてしまい、効率よくイオンビームＩＢに電子を供給することができない（図１６におけるｘ＝−２３０ｍｍ）。このことから、ミラー効果による電子の閉じ込めが十分であり、イオンビームＩＢに十分な電子の供給が可能な閉じ込め領域を形成する位置に電子源１１を配置する（図１６におけるｘ＝−２９５ｍｍ）。上記各位置におけるＢ／Ｂ_０を考えると、図１７に示す結果から、電子源１１を設ける位置は、０．１２＜Ｂ／Ｂ_０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内であることが望ましいことが分かった。なお、図１７の磁場分布は、イオンビームＩＢの進行方向の中心軌道に沿ったものである。

ここで、コリメート磁石６の磁場勾配領域Ｋにおける電子源１１の配置とターゲット位置でのイオンビームの直径Ｄとの関係を図１８に示す。電子源１１が配置されない場合には、直径Ｄ＝６６ｍｍのイオンビームＩＢがターゲットＷに照射されることになる。なお、横軸は、コリメート磁石６の磁極間ギャップで割ることにより正規化している。この図から分かるように、電子源を設ける位置が０．１２＜Ｂ／Ｂ_０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内でイオンビームＩＢの直径Ｄが最小値となることが分かる。

次に、電子源１１を補償磁石７のイオンビームＩＢの上流側（入口）近傍及び下流側（出口）近傍に設ける場合の具体的な配置態様について説明する。

電子源１１が、補償磁石７を構成する一対の平行な磁極平面７１ａ、７１ｂ間に発生する磁束密度の最大値をＢ_０とし、補償磁石７外部に形成される磁場勾配領域Ｋでの磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜１の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。より具体的には、電子源１１が、０．３０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域Ｋに設けられている。

ここで、補償磁石７に対する電子源１１の位置とそのときの電子の閉じ込め作用についてシミュレーション結果に基づいて説明する。

図１９は、補償磁石７近傍の磁場勾配領域Ｋに生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームＩＢの様子を表すシミュレーション結果である。また、図２０は、補償磁石７近傍に電子雲がない場合でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図２１は、補償磁石７近傍に電子雲がある場合でのイオンビームＩＢのシミュレーション結果である。さらに、図２２は、電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図２３は、電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果である。なお、図２２、図２３において、Ｘ座標が０の位置がターゲットチャンバの入口であり、３４０ｍｍの位置がターゲット（ウエハ）Ｗが配置される位置である。これらの図から分かるように、補償磁石７近傍に電子雲を形成させることによって、イオンビームＩＢの発散が抑制されていることが分かる。

図２４は、Ｅ_ｉｏｎ＝５７５ｅＶを有する^＋Ｐ^３１イオンを補償する補償磁石７における磁場領域を示す図である。なお、図２４の磁場分布は、イオンビームＩＢの進行方向の中心軌道に沿ったものである。この補償磁石７は、平面磁極間において２８０［Ｇｓ］（＝Ｂ_０）の一定磁場を形成しており、補償磁石７の磁極の物理的境界における磁場ＢとＢ_０との比は、Ｂ／Ｂ_０＝１．０である。また、イオン電流（Ｉ_ｉｏｎ）は４［μＡ］、電子エネルギー（Ｅ_ｅ）は１０［ｅＶ］、電子電流（Ｉ_ｅ）は３４×Ｉ_ｉｏｎ［μＡ］としている。

このとき、図示しないが、補償磁石７に対する電子源１１の位置とそのときの電子の閉じ込め作用についてシミュレーション結果を行った結果、図２４に示すように、電子源１１を設ける位置は、０．３０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内であることが望ましいことが分かった。

ここで、補償磁石７の磁場勾配領域における電子源１１の配置とターゲット位置でのイオンビームＩＢの直径Ｄとの関係を図２５に示す。電子源１１が配置されない場合には、直径Ｄ＝９５ｍｍのイオンビームＩＢがターゲットＷに照射されることになる。なお、横軸は、補償磁石７の磁極間ギャップで割ることにより正規化している。この図から分かるように、電子源１１を設ける位置が０．３０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内でイオンビームＩＢの直径Ｄが最小値となることが分かる。

次にコリメート磁石６近傍に形成された磁場勾配領域Ｋ内での電子の運動について図２６を参照して説明する。なお、補償磁石７については説明しないが、コリメート磁石６の磁場勾配領域Ｋでの運動と同様である。

磁場勾配領域Ｋにおいてコリメート磁石６の周囲方向（ＸＹ平面に沿った方向）を考えた場合、一定強度の磁場が形成されているので、この一定強度を有する磁場に沿って電子が移動する（図２６中の（１）に示す矢印）。このときの電子運動のシミュレーションを図２７に示す。なお、図２８は、補償磁石７近傍に形成された磁場勾配領域Ｋに電子を照射した場合における電子運動の様子を表すシミュレーション結果である。

一方、Ｚ方向を考えた場合には、電子は磁場の方向に沿って移動する（図２６中の（２）に示す矢印）。なお、このときの電子運動のシミュレーションを図２９に示す。そして、Ｚ方向に移動した電子は、ミラー効果によって今まで飛んできた方向と逆の方向へ反射される（図２６中の（３）、（４））。なお、ミラー効果による電子の往復についてのシミュレーション結果を図３０に示す。図３０中（Ａ）は、ミラー磁場における電子の軌道を３次元で示すシミュレーション結果であり、（Ｂ）は、ミラー磁場における電子の軌道を２次元で示すシミュレーション結果である。

つまり、電子の軌道としては、磁場勾配によって磁石の周囲を回る動き、磁場勾配領域Ｋで磁力線の回りを回転しながら螺旋運動して磁場方向に沿った動き、磁極付近にてミラー効果によって反射される動きが組み合わされた動きをする。つまり、電子は、図３１に示すように、螺旋運動をしながら磁極平面間をジグザグ状に運動する。これにより、イオンビームＩＢが通過する領域に電子雲が形成され、イオンビームＩＢに電子が効率よく供給される。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００によれば、電子源をコリメート磁石６及び補償磁石７により形成される磁場勾配領域Ｋ内に配置し、且つ、イオンビームＩＢの通過領域外に配置するとともに、磁場勾配領域Ｋ内に電子が供給されるようにしているので、磁場勾配のミラー効果によって、供給された電子を磁場勾配領域Ｋ内に閉じ込めることができる。この結果、コリメート磁石６のイオンビーム下流側、及び補償磁石７のイオンビーム上流側及び下流側に電子雲を形成することができ、空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制することができる。また、電子源１１を磁石６、７近傍に設けていることから、従来部品の配置が制約されていた磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要とすることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では電子源をビーム平行化器近傍及び補償器近傍に設ける態様について説明したが、その他、イオン源及びターゲットの間に設けられるその他の磁石、例えば質量分離器、エネルギー分離器又は走査器近傍に設けるようにしても良い。また、イオンビーム照射装置に既存の磁石近傍に電子源を設けるだけでなく、別途磁石を設けて、その磁石近傍に電子源を設けることも考えられる。

また、前記実施形態では、コリメート磁石のイオンビーム下流側（出口）に電子源を設ける構成であったが、さらにイオンビーム上流側（入口）に電子源を設ける構成とすれば、一層イオンビームの中性化を行うことができる。補償磁石においては、上流側又は下流側の一方に電子源を設ける構成としても良い。

さらに、前記実施形態では、コリメート磁石及び補償磁石を電磁石により構成しているが、永久磁石により構成しても良い。

その上、補償磁石をコリメート磁石の下流側に設けるようにしても良い。

加えて、前記実施形態のシミュレーションでは、電子のエネルギーとして１０ｅＶのものが使用されているが、これに限られず、イオンビームの中和には、低エネルギーの電子が有効であるので、例えば５〜２５ｅＶのエネルギーを有する電子を用いることも考えられる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明により、磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要としながらも、電子の利用効率を向上して空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率的に抑制することができる。

Claims (6)

1. イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、
   正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、
   前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームをターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、
   電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、
   前記電子源が、前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置され、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されるとともに、
   前記電子源の電子射出方向が、前記磁場勾配領域に電子が供給されるように向けられて、前記電子源から射出された電子が、前記磁場勾配領域における前記イオンビームと交わる領域に供給されることを特徴とするイオンビーム照射装置。
2. 前記磁石が、前記イオンビームを挟むように設けられた一対の平行な磁極平面を有するものであり、
   前記電子源の電子射出方向が、前記磁極平面に対してその磁極平面に対向する磁極平面を向くように略垂直、又は前記磁石よりも外側に向けられている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. 前記磁石が、一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石を有し、
   前記電子源が、前記コリメート磁石により形成される磁場勾配領域内に設けられるものであって、
   前記電子源が、前記コリメート磁石の磁極平面間に発生する磁束密度をＢ_０とし、前記コリメート磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．７２の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられている請求項１又は２記載のイオンビーム照射装置。
4. 前記電子源が、０．１２＜Ｂ／Ｂ_０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられている請求項３記載のイオンビーム照射装置。
5. 前記磁石が、
   一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石と、
   前記コリメート磁石の磁極平面に平行に配置された一対の平行な磁極平面により、前記コリメート磁石に入射するイオンビームの磁極平面に直交する方向の発散を補償する補償磁石と、を備え、
   前記電子源が、前記補償磁石により形成される磁場勾配領域内に設けられるものであって、
   前記電子源が、前記補償磁石を構成する一対の平行な磁極平面間に発生する磁束密度の最大値をＢ_０とし、前記補償磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜１の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられている請求項１又は２記載のイオンビーム照射装置。
6. イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置における空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制するイオンビーム発散抑制方法であって、
   前記イオンビーム照射装置が、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、
   前記電子源を、前記磁石におけるイオンビームの上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置し、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置して、前記電子源から出る電子を前記磁場勾配領域内に供給して、前記電子源から射出された電子を前記磁場勾配領域における前記イオンビームと交わる領域に供給することを特徴とするイオンビーム発散抑制方法。