CN101120428A - 离子注入装置的控制方法、控制系统、控制程序及离子注入装置 - Google Patents

Abstract

本发明以短时间内求出离子注入装置的工作条件为技术课题。本发明提供了一种离子注入装置的控制方法，所述离子注入装置将从离子源(12)引出的离子束通过光学元件照射到被处理材料(W)上，该方法包括：测定步骤，测定所述被处理材料(W)附近的离子束的空间分布；估计步骤，根据测定的所述空间分布，通过离子束的轨道计算方法估计发射度，所述发射度为所述离子源处离子束的空间分布和角分布；计算步骤，利用估计的所述发射度和所述轨道计算方法，计算使所述被处理材料附近的离子束呈现所期望的空间分布的所述光学元件的工作条件；运转步骤，采用计算出的所述光学元件的工作条件运转所述离子注入装置。

Description

离子注入装置的控制方法、控制系统、控制程序及离子注入装置

技术领域

本发明涉及离子注入装置的控制方法、控制系统、控制程序及离子注入装置。

本申请主张2005年2月24日申请的日本专利申请2005-048584号的优先权，在此引用其内容。

背景技术

在半导体工艺中，对半导体衬底的离子注入工序是必不可少的。该工序将从离子源引出的离子束通过加速管进行加速或减速，使其达到规定的能量，通过四极透镜等使其会聚并照射到衬底上。另外，为了向衬底均匀地注入离子，所以边扫描离子束边进行照射。

图8A和图8B是离子束的空间分布及扫描距离的说明图。照射到半导体衬底(衬底)W的离子束2具有电流密度的空间分布D。为了对衬底W的整个区域进行均匀的离子注入，需要进行扫描，直到离子束的空间分布D落到衬底的外侧为止。如图8A所示，离子束的空间分布D₁小时，离子束的扫描距离L₁短；如图8B所示，离子束的空间分布D₂大时，离子束的扫描距离L₂长。如果扫描距离短，离子注入时间就短，从而能够提高生产率，因此离子束的空间分布以小为宜。

另一方面，离子束的电流密度越大，就越能缩短注入时间。但电流密度越大，离子束因空间电荷效应而发散，因此空间分布就越大。因而，在通过设定离子源的工作条件来保证离子束电流密度的同时，还需要通过设定光学元件的工作条件来收缩空间分布。现有技术是通过对衬底附近的空间分布进行监测，同时手动变更加速管和四极透镜等的工作条件，来进行空间分布的收缩操作。

专利文献1：日本特开昭63-91949号公报

专利文献2：日本特开平5-135729号公报

上述空间分布的收缩操作通常需要5～10分钟左右的时间。该空间分布的收缩操作每当离子注入装置启动和制程(recipe)变更时都需要进行。为缩短半导体工艺的加工时间，就希望缩短空间分布收缩操作的时间。具体来讲，是希望离子注入装置的启动和制程变更在1分钟左右全部完成。

为了缩短该调整时间，专利文献1中提出了以下方法：存储过去使用过的制程中的最佳工作条件，根据存储的工作条件估计指定制程中的最佳工作条件。但是，离子源的实际工作因灯丝消耗等带来的时效变化大，所以根据估计的离子源工作条件而无法再现的情况有很多。因此，如专利文献2中的记载，目前，存储的最佳工作条件仅停留在作为使用束剖面测量仪(beamprofile monitor)来调整工作条件时的初始值使用，求出工作条件的最佳值仍然需要数分钟以上的时间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种离子注入装置的控制方法、控制系统、控制程序及离子注入装置，能够在短时间内求出工作条件的最佳值而无需太多的成本。

为了达到上述目的，本发明的离子注入装置的控制方法，是将从离子源引出的离子束通过光学元件照射到被处理材料上的离子注入装置的控制方法，其特征在于，该方法包括：测定步骤，测定所述被处理材料附近的离子束的空间分布；估计步骤，根据测定的所述空间分布，通过离子束的轨道计算方法估计发射度(emittance)，所述发射度为所述离子源处离子束的空间分布和角分布；计算步骤，利用估计的所述发射度和所述轨道计算方法，计算使所述被处理材料附近的离子束呈现所期望的空间分布的所述光学元件的工作条件；运转步骤，采用计算出的所述光学元件的工作条件运转所述离子注入装置。

在上述方法中，由于采用离子束的轨道计算方法，因此能够在短时间内求出离子注入装置工作条件的最佳值。而且，该方法利用离子注入装置通常所具有的离子束空间分布测定单元来估计发射度，求出光学元件工作条件的最佳值，因此不需要在离子注入装置中增设发射度测定单元等。因而，不需要太多成本就能够求出工作条件的最佳值。

而且，由于采用该工作条件的最佳值运转离子注入装置，因此能够在短时间内开始最佳工作条件下的离子注入装置的运转，从而能够缩短半导体工艺的加工时间。

另外，所述期望的空间分布优选为：使所述被处理材料附近的离子束的范围大致为最小的空间分布。

由此，能够缩短离子束的扫描距离，从而能够缩短离子注入时间、提高生产率。

另外，所述轨道计算方法优选为：利用卡普钦斯基-符拉基米尔斯基(KV，Kapchinskij and Vladimirskij)方程式的计算方法，该方程式将所述发射度假定为四维空间中的椭圆面。

由此，能够在极短时间内求出工作条件的最佳值。

另外，所述轨道计算方法优选为：利用多重椭圆卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式的计算方法，该方程式将所述发射度用四维空间中多个椭圆面的叠加来近似。

由此，能够在短时间内精确求出工作条件的最佳值。

另一方面，本发明的离子注入装置的控制系统，是将从离子源引出的离子束通过光学元件照射到被处理材料上的离子注入装置的控制系统，其特征在于，该系统包括：测定单元，用于测定所述被处理材料附近的离子束的空间分布；发射度估计部，用于根据测定的所述空间分布，通过离子束的轨道计算方法估计发射度，所述发射度为所述离子源处离子束的空间分布和角分布；工作条件计算部，用于利用估计的所述发射度和所述轨道计算方法，计算使所述被处理材料附近的离子束呈现所期望的空间分布的所述光学元件的工作条件；工作控制部，用于利用计算出的所述光学元件的工作条件运转所述离子注入装置。

由此，不需要太多成本就能够在短时间内求出工作条件的最佳值。

而且，由于采用该工作条件的最佳值运转离子注入装置，因此能够根据最佳工作条件在短时间内开始运转离子注入装置，从而能够缩短半导体工艺的加工时间。

另外，所述期望的空间分布优选为：使所述被处理材料附近的离子束的范围大致为最小的空间分布。

由此，能够缩短离子束的扫描距离，从而能够缩短离子注入时间、提高生产率。

另外，所述轨道计算方法优选为：利用卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式的计算方法，该方程式将所述发射度假定为四维空间中的椭圆面。

由此，能够在极短时间内求出工作条件的最佳值。

另外，所述轨道计算方法优选为：采用多重椭圆卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式的计算方法，该方程式将所述发射度用四维空间中多个椭圆面的叠加来近似。

由此，能够在短时间内精确求出工作条件的最佳值。

另一方面，本发明的离子注入装置的控制程序，其特征在于，该程序能够使计算机作用于上述离子注入装置的控制系统。

由此，不需要太多成本就能够在短时间内求出工作条件的最佳值。

另一方面，本发明的离子注入装置，其特征在于，该装置包括上述离子注入装置的控制系统。

由此，能够提供可在短时间内求出工作条件的最佳值而运转的离子注入装置。

本发明由于采用离子束的轨道计算方法，因此能够在短时间内求出离子注入装置的工作条件的最佳值。而且，本发明利用离子注入装置通常所具有的离子束的空间分布测定单元求出工作条件的最佳值，因此不需要太多成本。

附图说明

图1为离子注入装置的概略结构图；

图2为本发明一实施方式的离子注入装置控制系统框图；

图3为本发明一实施方式的离子注入装置控制方法流程图；

图4为带电粒子束的包络面(envelope)及坐标系的说明图；

图5A为X点电场的计算方法说明图；

图5B为X点电场的计算方法说明图；

图6为多重椭圆KV方程式的电场计算方法的说明图；

图7为控制方法实施前后离子束的空间分布图；

图8A为离子束的空间分布及扫描距离的说明图；

图8B为离子束的空间分布及扫描距离的说明图。

符号的说明

W      半导体衬底(被处理材料)

1      离子注入装置

12     离子源

24，26 光学元件

34     束剖面测量仪(空间分布测定单元)

40     离子注入装置的控制系统

42     工作控制部

50     发射度估计部

60     工作条件计算部

具体实施方式

下面参考附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下说明所使用的各附图中，适当变更了各部件的比例尺，以使各部件的大小能够看得清楚。

(离子注入装置)

图1是离子注入装置的概略结构图。本实施方式的离子注入装置1包括束传输管，该束传输管的结构为：在容纳离子源12的高电压终端(terminal)10与靶室(end station)30之间，依次连接有质量分离器14、聚束器20及偏转器32。其中，所述靶室30定位并支承作为被处理材料的半导体衬底(衬底)W。该束传输管具有以下功能：对从离子源12引出的离子进行质量分离，将离子束会聚偏转并照射到衬底W。

高电压终端10中设置有离子源12。使用伯纳斯(Bernas)型、弗里曼(Freeman)型等热阴极型离子源、电子回旋共振(ECR，Electron CyclotronResonance)型离子源等作为离子源12。从离子源12引出的离子被导入到质量分离器14。

质量分离器14中配备有电磁铁，用于对从离子源12引出的离子进行质量分离，使得只有满足目标质量的离子被抽出并导入到后续的聚束器20。

聚束器20中依次设置有口径可变光阑22、加速管24、四极透镜26和扫描器28等。口径可变光阑22用于将离子束收缩到规定直径进行质量分离。加速管24用于将离子束加速或减速到规定的能量。四极透镜26用于会聚离子束，调整其在衬底W上的形状。扫描器28由平行于光轴的两对电极组成，其以1kHz左右的速度向衬底W扫描离子束。

聚束器20后续连接有偏转器32。偏转器32在作为使离子束平行导出到靶室30侧的准直透镜(collimator lens)工作的同时，还用于去除因与束路径中的残留气体碰撞而发生电荷变化的离子和中性粒子。

靶室30中设置有支承衬底W的台子(stage)(无图示)。该台子通过驱动装置能够在一个方向上移动。

另外，在衬底W的附近，设置有束剖面测量仪(空间分布测定单元)34。该束剖面测量仪34用于测定衬底W附近的离子束电流密度的空间分布，由直线排列的多个法拉第杯(Faraday cup)构成。另外，也可以由直线排列的多个电流计或检流计代替法拉第杯来构成束剖面测量仪34。

要运转如上所述的离子注入装置，需要指定制程，例如需注入离子的种类、注入能量、注入量等。如果指定需注入离子的种类，则质量分离器14和口径可变光阑22等的工作条件被设定。并且，如果指定注入能量，则加速管24等的工作条件被设定。进而，如果指定注入量，则离子源等的工作条件被设定。

设定工作条件并运转离子注入装置后，则从离子源12以30keV左右的能量引出的离子束，由质量分离器14分离为规定种类的离子，由口径可变光阑22收缩为规定束径。接着，离子束由加速管24加速或减速到10～500keV左右的规定能量。

进而，由四极透镜26调整离子束，使之会聚于衬底W，由扫描器28对整个衬底W进行扫描。之后，由偏转器32将离子束平行照射到靶室30内的衬底W上。通常，以1kHz左右在水平方向上移动离子束，以1Hz左右在垂直方向上移动衬底W自身，从而在整个衬底上照射离子束。

图8A及图8B是离子束的空间分布及扫描距离的说明图。照射到衬底W上的离子束2具有电流密度的空间分布D。为了对衬底W的整个区域进行均匀的离子注入，需要进行扫描，直到离子束的空间分布D落到衬底外侧为止。如图8A所示，离子束的空间分布D1小时，离子束的扫描距离L₁短；如图8B所示，离子束的空间分布D₂大时，离子束的扫描距离L₂长。扫描距离越短，离子注入时间就越短，从而能够提高生产率，因此离子束的空间分布以小为宜。

另一方面，离子束的电流密度越大，就越能够缩短注入时间。但电流密度越大，离子束因空间电荷效应而发散，因此空间分布就越大。因而，在通过设定离子源的工作条件来保证离子束电流密度的同时，还需要通过设定光学元件(加速管、四极透镜等)的工作条件来收缩离子束的空间分布。另外，正如经凸透镜会聚的光形成焦点一样，经光学元件会聚的离子束的空间分布也具有最小值(极小值)。

在本实施方式中，通过下述的离子注入装置的控制系统及控制方法，自动进行空间分布的收缩操作。本实施方式的离子注入装置的控制方法，根据离子束空间分布的测定值，通过轨道计算方法估计离子束的发射度，进而利用估计的发射度，通过轨道计算方法估计光学元件工作条件的最佳值。

(离子注入装置的控制系统)

如图1所示，本实施方式的离子注入装置的控制系统40包括：离子束发射度估计部50、光学元件工作条件计算部60和光学元件工作控制部42。另外，离子束发射度是指，离子源附近的离子束电流密度的空间分布和角分布。

图2是本实施方式的离子注入装置控制系统框图。发射度估计部50主要包括：发射度估计值生成部52、离子束轨道计算部54、收敛判断部56和存储器58。

发射度生成部52用于生成供离子束轨道计算用的发射度估计值。轨道计算部54用于根据生成的发射度估计值和当前的光学元件工作条件进行离子束的轨道计算，计算出衬底W附近的离子束的空间分布。收敛判断部56用于比较离子束空间分布的计算值与实测值，判断两者的一致性。存储器58用于存储发射度生成部52、轨道计算部54及收敛判断部56中使用的发射度估计值、光学元件的工作条件、离子束空间分布的计算值及其实测值等信息。

另外，工作条件计算部60主要包括：光学元件工作条件生成部62、离子束轨道计算部64、收敛判断部66和存储器68。

光学元件工作条件生成部62用于生成供离子束轨道计算用的光学元件工作条件。轨道计算部64用于根据生成的光学元件工作条件和发射度估计值进行离子束的轨道计算，计算出衬底W附近的离子束的空间分布。收敛判断部66用于判断离子束空间分布的计算值是否为最小(极小)。存储器68用于存储工作条件生成部62、轨道计算部64及收敛判断部66中使用的光学元件工作条件、发射度估计值、离子束空间分布的计算值等信息。

另外，工作控制部42主要包括光学元件工作条件输出部44和存储器48。光学元件工作条件输出部44用于将计算出的工作条件输出到光学元件。存储器48用于存储当前的工作条件。

(离子注入装置的控制程序)

上述离子注入装置的控制系统能够利用其控制程序来实现。即，将存储离子注入装置控制程序的计算机可读取的存储介质安装到计算机读取装置中，在计算机上执行控制程序。由此，能够使计算机作为离子注入装置的控制系统而工作。

(离子注入装置的控制方法)

接着，对基于上述离子注入装置控制系统的离子注入装置控制方法进行说明。图3是本实施方式的离子注入装置控制方法流程图。

首先，用束剖面测量仪测定离子束的空间分布(步骤1)。

具体来讲，对图1所示的离子注入装置1的离子源12、质量分离器14和加速管24等输入指定的制程，并对光学元件输入常识性的工作条件的初始值，使离子注入装置1运转。接着，向靶室30的束剖面测量仪34中直接射入离子束，从而求出离子束空间分布的实测值。

接着，估计可实现步骤1中所测定的空间分布的离子束发射度(步骤2)。

该操作在发射度估计部50中进行。具体来讲，首先将步骤1中得到的离子束空间分布的实测值输入到图2所示的发射度估计部50的发射度生成部52中。发射度生成部52将输入的空间分布实测值存储到存储器58中。进而，发射度生成部52从存储器58中读出预先存储在存储器58中的常识性的发射度初始值。另外，也可以预先将多个初始值存储在存储器58中，从存储器58中选出用于实现空间分布实测值的最合适的初始值，这样能够缩短发射度估计时间。然后，发射度生成部52将读出的发射度初始值输出到轨道计算部54。

轨道计算部54首先从工作控制部42获取测定离子束空间分布时各光学元件的工作条件。具体来讲，工作控制部42的工作条件输出部44从存储器48中读出当前的工作条件，输出到发射度估计部50的轨道计算部54。轨道计算部54将获取的工作条件存储到存储器58中。

然后，在轨道计算部54中，根据输入的发射度初始值及光学元件的工作条件，进行离子束的轨道计算，计算出衬底附近的离子束的空间分布。

离子束的轨道计算方法优选采用卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式(以下称为“KV方程式”)。KV方程式是傍轴近似的常微分方程式，其假定离子源等带电粒子出发点的发射度(束的范围)为四维空间中的椭圆面，其描述的是考虑到空间电荷效应的三维带电粒子轨道包络面。

如图4所示，将带电粒子束的光轴作为Z轴，与之正交的两个轴作为X轴及Y轴。然后，假定带电粒子束的发射度为四维空间中的椭圆面，设X平面和Y平面中的发射度为ε_x和ε_y，则带电粒子束包络面X和Y由下述KV方程式描述。

[式1]

$\frac{d^2}{{\mathrm{dz}}^2}X+F_{x}X=\frac{2K}{X+Y}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x^2}{X^3}$

$\frac{d^2}{{\mathrm{dz}}^2}Y+F_{y}Y=\frac{2K}{X+Y}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_y^2}{Y^3}$

其中，F_x和F_y表示X面和Y面上的透镜作用，与四极透镜的工作条件相对应。如果是静电四极透镜，则其附近的电位φ在圆柱坐标系中描述如下。

[式2]

φ(r，θ，z)＝r²cos(2θ)g(r，z)

然后，假设离子束的静电电位为Ф_IB，则式1中的F_x和F_y近似描述如下。

[式3]

$F_x\≈-\frac{g(0,z)}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{IB}}}x$

$F_y\≈-\frac{g(0,z)}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{IB}}}y$

并且，式1中的K是被称为导流系数的物理量，用于描述由空间电荷效应导致的发散的强度。设束电流为I、静电电位为φ、带电粒子的质量为m、带电粒子的电荷量为e、真空介电常数为ε₀，则K由下式定义。

[式4]

$K=\frac{I}{{4\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\φ}}^{3/2}}\sqrt{\frac{m}{2e}}$

另外，与上述有所不同，像加速管这样的静电电位φ变化的光学元件内部的KV方程式如下。该静电电位φ与加速管的工作条件相对应。

[式5]

$\frac{d^2}{{\mathrm{dz}}^2}X+\frac{\mathrm{d\φ}/\mathrm{dz}}{2\mathrm{\φ}}\frac{d}{\mathrm{dz}}X+\frac{d^2\mathrm{\φ}/{\mathrm{dz}}^2}{4\mathrm{\φ}}X=\frac{2K}{X+Y}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x^2}{X^3}$

$\frac{d^2}{{\mathrm{dz}}^2}Y+\frac{\mathrm{d\φ}/\mathrm{dz}}{2\mathrm{\φ}}\frac{d}{\mathrm{dz}}Y+\frac{d^2\mathrm{\φ}/{\mathrm{dz}}^2}{4\mathrm{\φ}}Y=\frac{2K}{X+Y}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_y^2}{Y^3}$

另一方面，若采用本发明人开发的多重椭圆KV方程式来代替上述KV方程式作为离子束的轨道计算方法，则能够精确描述带电粒子的轨道包络面。在上述KV方程式中将带电粒子的发射度假定为四维空间中的椭圆面，而在多重椭圆KV方程式中，将带电粒子的发射度用四维空间中多个椭圆面的叠加来近似。此时，设每个椭圆包络面中X方向和Y方向的电场为E_x(X)和E_y(Y)，通过置换式1右边的第一项，带电粒子束的包络面X和Y描述如下。

[式6]

$\frac{d^2}{{\mathrm{dz}}^2}X+F_{x}X=\frac{E_x\left(X\right)}{2\mathrm{\φ}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x^2}{X^3}$

$\frac{d^2}{{\mathrm{dz}}^2}Y+F_{y}Y=\frac{E_y\left(Y\right)}{2\mathrm{\φ}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_y^2}{Y^3}$

关于上述E_x(X)和E_y(Y)的求法，由于X方向和Y方向的计算方法相同，因此只对E_x(X)的求法进行说明。

如图5A所示，设带电粒子的密度为n、椭圆的X方向的宽度为a、椭圆的Y方向的高度为b，分布于相同椭圆的带电粒子外部X点的电场E_x(X)描述如下。

[式7]

$E_x\left(X\right)=\frac{\mathrm{neab}}{{\mathrm{\π\ϵ}}_0}\frac{2}{\sqrt{X^2-a^2+b^2}}{\∫}_{-1}^1\frac{{(1-t^2)}^2}{(1+t^2)(1+{\mathrm{\αt}}^2+t^4)}\mathrm{dt}$

$\mathrm{\α}=2\frac{X^2-(b^2-a^2)}{X^2+(b^2-a^2)}$

另一方面，如图5B所示，分布于相同椭圆的带电粒子内部X点的电场E_x(X)描述如下。

[式8]

$E_x\left(X\right)=\frac{\mathrm{ne}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{bX}}{a+b}$

然后，如图6所示，将带电粒子的发射度用四维空间中多个椭圆面的叠加来近似时，X点位于其外部的椭圆P、Q的电场E_x(X)用式7计算，X点位于其内部的椭圆S及X点位于其包络面的椭圆R的电场E_x(X)用式8计算，将这些值相加，能够求出X点的电场E_x(X)。另外，式7中包含的积分由于函数形状比较平缓，因此易于进行数值积分。如上所述，如果将发射度用四维空间中的椭圆面的叠加来近似，则各个椭圆的包络面易于计算，因此，即使在带电粒子分布不相同的情况下，也能够迅速计算出带电粒子沿光轴的分布。

回到图2，发射度估计部50的轨道计算部54利用上述轨道计算方法进行离子束的轨道计算，计算出衬底附近的空间分布。然后，将计算出的空间分布存储到存储器58，同时输出到收敛判断部56。

接着，收敛判断部56判断离子束空间分布的计算值和实测值的一致性。具体来讲，首先，将存储在存储器58中的空间分布的实测值读出并与所输入的计算值进行比较。然后，当两者之差大于规定值时，判断为两者不一致，将两者之差输出到发射度生成部52。

在发射度生成部52中，参考所输入的信息，生成为了使空间分布计算值与实测值一致的新的发射度估计值，供下次轨道计算使用。采用KV方程式作为轨道计算方法时，新的发射度用于改变椭圆的形状；采用多重椭圆KV方程式时，新的发射度用于改变多个椭圆的权值。该估计值的生成可以使用无约束非线性最优化方法。可应用的无约束非线性最优化方法例如有：最速下降法、牛顿(Newton)法、共轭方向法和拟牛顿法等。然后，将新生成的发射度估计值存储到存储器58，同时输出到轨道计算部54。如上所述，使发射度作为参数而变化，进行重复计算，直到离子束空间分布的计算值与实测值一致为止。

另一方面，在收敛判断部56中，空间分布的计算值与实测值之差小于规定值时，判断为两者一致。此时，能够推定在最后一次轨道计算中使用的发射度与实际的发射度一致。因此，收敛判断部56将最后一次轨道计算中使用的发射度估计值和光学元件的工作条件、以及通过最后一次轨道计算而得到的空间分布的计算值，从存储器58读出并输出到工作条件计算部60。

接着，利用步骤2中估计的离子源的发射度，求出使离子束的空间分布最小的光学元件的工作条件(步骤3)。

输出到工作条件计算部60的发射度估计值和光学元件的工作条件，被输入到工作条件生成部62。工作条件生成部62将所输入的发射度估计值和光学元件的工作条件、以及空间分布的计算值存储到存储器68中。进而，工作条件生成部62参考所输入的信息，生成为了使离子束空间分布最小的新的工作条件，供下次轨道计算使用。然后，工作条件生成部62将生成的工作条件输出到轨道计算部64。

接着，轨道计算部64从存储器68中读出发射度估计值。然后，根据该发生密度估计值及所输入的光学元件的工作条件，进行离子束的轨道计算，计算出衬底附近的离子束的空间分布。可以利用上述的KV方程式、多重椭圆KV方程式等作为离子束的轨道计算方法。进而，轨道计算部64将计算出的空间分布存储到存储器68，同时输出到收敛判断部66。

接着，收敛判断部66判断计算出的空间分布是否为最小(极小)。具体来讲，首先，将上次轨道计算中计算出的空间分布从存储器68中读出，与本次轨道计算中计算出的空间分布进行比较。然后，当两者之差大于规定值时，判断为本次计算出的空间分布不是最小。另外，只要计算出的空间分布继续减少，就能够判断出不是最小。然后，收敛判断部66将上次和本次的空间分布之差输出到工作条件生成部62。

在工作条件生成部62中，参考输入的信息，生成为了使离子束空间分布计算值最小的新的光学元件的工作条件，供下次轨道计算使用。另外，由于实际的四极透镜等存在外加电压等的制约，因此在生成工作条件时可以使用有约束非线性最优化方法。可应用的有约束非线性最优化方法例如有：梯度投影法、广义简化梯度法、罚(penalty)函数法和乘数法等。然后，将新生成的工作条件存储到存储器68中，同时输出到轨道计算部64。如上所述，使工作条件作为参数而变化，进行重复计算，直到离子束的空间分布达到最小为止。

另一方面，在收敛判断部66中，上次和本次的空间分布之差小于规定值时，判断为本次计算出的空间分布最小。在这样的情况下，能够推定在轨道计算中使空间分布最小的光学元件的工作条件是在实际的离子注入装置中也使空间分布最小的工作条件。因此，收敛判断部66将使空间分布最小的光学元件的工作条件输出到工作控制部42。

接着，采用在步骤3中求出的光学元件工作条件的最佳值，使实际的离子注入装置进行工作(步骤4)。

输出到工作控制部42的光学元件的工作条件，被输入到图2所示的工作条件输出部44。工作条件输出部44将所输入的工作条件存储到存储器48，同时输出到图1所示的加速管24、四极透镜26等。从而，离子注入装置1在实现指定制程的同时，还在离子束空间分布最小的最佳条件下运转。

图7是本实施方式的控制方法实施前后离子束的空间分布图，取衬底半径方向的位置为横轴、束电流密度为纵轴。图7的曲线B是上述控制方法实施前离子束空间分布的实测值。

图7的曲线A是实施上述控制方法而得以最优化的离子束空间分布的计算值。另外，由于采用多重椭圆KV方程式作为轨道计算方法，通过多个椭圆相加来计算束电流密度，因此曲线A呈柱形图形状。

相对于曲线B，曲线A中离子束空间分布的宽度窄，电流密度大。这与入射光经凸透镜会聚形成焦点的现象相同。其结果证实，实施上述控制方法计算光学元件的工作条件，能够使离子束的空间分布最优化。

在现有的离子注入装置中，装置的启动和制程变更时，求出离子源、四极透镜等光学元件的最佳值需要5～10分钟左右的时间。

并且，即使采用存储且能有效利用过去的最佳值的控制系统，伴随离子源工作状态的时效变化，也需要数分钟的调整时间。进而，在进行这些调整时，需要实际操作四极透镜的高电压，因此产生放电或离子束照射室内壁的问题。

与此相对，在上述的本实施方式的离子注入装置控制方法中，根据离子束空间分布的测定值，通过轨道计算方法估计离子束的发射度，进而利用估计的发射度及轨道计算方法来估计光学元件工作条件的最佳值。

在上述方法中，由于采用离子束的轨道计算方法，因此能够在短时间内求出离子注入装置工作条件的最佳值。举一例来讲，在离子注入装置的启动和制程变更时，尽管离子源有时效变化，仍然能够在1～3分钟左右的短时间内求出四极透镜等光学元件的最佳值。另外，在求出工作条件最佳值的过程中，能够避免离子束对室内壁的照射和放电等是不言而喻的。而且，使用离子注入装置通常具有的束剖面测量仪估计发射度，求出光学元件工作条件的最佳值，因此不需要在离子注入装置中增设发射度测量仪。因而，不需要太多成本就能够求出工作条件的最佳值。

并且，采用将发射度假定为四维空间中的椭圆面的KV方程式作为离子束的轨道计算方法，从而能够在极短时间内求出离子注入装置工作条件的最佳值。并且，采用多重椭圆KV方程式作为离子束的轨道计算方法，将发射度用四维空间中多个椭圆面的叠加来近似，从而能够在短时间内精确求出离子注入装置工作条件的最佳值。

然后，采用计算出的工作条件最佳值运转离子注入装置，从而能够使离子束的空间分布最小。由此，能够缩短离子束的扫描距离，从而能够缩短离子注入时间、提高生产率。并且，采用计算出的工作条件最佳值运转离子注入装置，能够增大离子束的电流密度。从而，能够进一步缩短离子注入时间，大幅提高生产率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。即，在实施方式中所举的具体材料、结构、制造条件等仅为一例而已，可以做适当的变更。

本发明能够适用于半导体工艺中必不可少的对半导体衬底的离子注入工序。

Claims (10)

1.一种离子注入装置的控制方法，所述离子注入装置将从离子源引出的离子束通过光学元件照射到被处理材料上，其特征在于，该方法包括：

测定步骤，测定所述被处理材料附近的离子束的空间分布；

估计步骤，根据测定的所述空间分布，通过离子束的轨道计算方法估计发射度，所述发射度为所述离子源处离子束的空间分布和角分布；

计算步骤，利用估计的所述发射度和所述轨道计算方法，计算使所述被处理材料附近的离子束呈现所期望的空间分布的所述光学元件的工作条件；

运转步骤，采用计算出的所述光学元件的工作条件运转所述离子注入装置。

2.根据权利要求1所述的离子注入装置的控制方法，其特征在于，所述期望的空间分布为：使所述被处理材料附近的离子束的范围最小的空间分布。

3.根据权利要求1所述的离子注入装置的控制方法，其特征在于，所述轨道计算方法为：利用卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式的计算方法，该方程式将所述发射度假定为四维空间中的椭圆面。

4.根据权利要求1所述的离子注入装置的控制方法，其特征在于，所述轨道计算方法为：利用多重椭圆卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式的计算方法，该方程式将所述发射度用四维空间中多个椭圆面的叠加来近似。

5.一种离子注入装置的控制系统，所述离子注入装置将从离子源引出的离子束通过光学元件照射到被处理材料上，其特征在于，该系统包括：

测定单元，用于测定所述被处理材料附近的离子束的空间分布；

发射度估计部，用于根据测定的所述空间分布，通过离子束的轨道计算方法估计发射度，所述发射度为所述离子源处离子束的空间分布和角分布；

工作条件计算部，用于利用估计的所述发射度和所述轨道计算方法，计算使所述被处理材料附近的离子束呈现所期望的空间分布的所述光学元件的工作条件；

工作控制部，用于采用计算出的所述光学元件的工作条件运转所述离子注入装置。

6.根据权利要求5所述的离子注入装置的控制系统，其特征在于，所述期望的空间分布为：使所述被处理材料附近的离子束的范围最小的空间分布。

7.根据权利要求5所述的离子注入装置的控制系统，其特征在于，所述轨道计算方法为：利用卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式的计算方法，该方程式将所述发射度假定为四维空间中的椭圆面。

8.根据权利要求5所述的离子注入装置的控制系统，其特征在于，所述轨道计算方法为：利用多重椭圆卡普钦斯基-符拉基米尔斯基方程式的计算方法，该方程式将所述发射度用四维空间中多个椭圆面的叠加来近似。

9.一种离子注入装置的控制程序，用于权利要求5～8中任意一项所述的离子注入装置的控制系统中能够使计算机起作用。

10.一种离子注入装置，其特征在于，该离子注入装置包含权利要求5～8中任意一项所述的离子注入装置的控制系统。

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