JP2000100372A

JP2000100372A - イオンビ―ム注入装置、イオンビ―ムのエネルギ―測定装置、及びイオンの平均運動エネルギ―の測定方法

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Publication number: JP2000100372A
Application number: JP11252995A
Authority: JP
Inventors: Jr Edward K Mcintyre; キルビーマッキンタイヤー，ジュニアエドワード; William Frank Divergilio; フランクディバーギリオウイリアム; Kourosh Saadatmand; サダトマンドクーロシュ; Ernst Frederick Scherer; フレデリックシュエラーアーネスト; David Richard Swenson; リチャードズベンソンデビッド; Kevin Wayne Wenzel; ウエイニーベンゼルケヴィン
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2000-04-07
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: TW493199B; EP0986091A3; KR20000023063A; EP0986091A2; KR100411873B1; SG78388A1; JP4432003B2; US6137112A

Abstract

(57)【要約】【課題】イオンビームのエネルギーを測定しかつ制御す
るための飛行時間エネルギー測定装置及びこれを含むイ
オン注入装置を提供すること。【解決手段】イオン注入装置は、イオン源、イオン加速
器、ビーム形成・指向装置を含み、イオンビーム14は、
所定の周波数を有する一連のイオンパルスを構成する。
エネルギー測定装置200 は、第１，第２センサ210,220
、タイミング回路204 、及び変換回路206 を有して、
イオンの平均運動エネルギーを測定する。イオンビーム
14が各センサを通過すると、それぞれ信号を発生し、タ
イミング回路204 によって、選択されたイオンパルスが
第１，第２センサ間の所定距離を通過する経過時間を決
定し、さらにイオンパルスの平均数を計算して、オフセ
ット時間を計算する。変換回路206 は、経過時間をイオ
ンビームのエネルギーの測定値に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオンビーム注入
装置に関するものであり、特にイオンビーム注入装置に
おいて、半導体加工物にイオンドーピングするために使
用されるイオンビーム内のイオンの平均運動エネルギー
を測定するための飛行時間処理技術を用いる装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】イオンビーム注入装置は、所望のイオン
種を有する半導体ウエハの注入工程で広く使用されてい
る。イオンビーム注入装置は、所望の核種の正の荷電イ
オンを含むイオンビームを発生する。イオンビームは半
導体ウエハの加工物の露出表面に衝突し、それによっ
て、所望のイオンを加工物表面に「ドーピング」あるい
は注入する。イオン注入装置の中には、連続的注入が行
われることがあり、そこでは単一の半導体ウエハの加工
物は、注入室内の支持体に配置される。支持体は加工物
がイオンビームライン内にあるように向けられ、イオン
ビームは所望のイオン注入量を注入するために加工物上
に繰返し走査される。注入が完了すると、加工物は支持
体からはずされ、他の加工物が支持体上に配置される。

【０００３】イオンビーム注入装置の他のタイプは、加
工物が取り付けられて回転し、移動するディスク型支持
体を使用している。複数の半導体加工物は、ディスク型
支持体上に取り付けられる。支持体は、イオンビーム注
入装置の端部あるいは注入ステーションの注入室内に支
持される。支持体の回転及び移動により、複数の加工物
の各々を製造工程中にイオンビームにさらすことができ
る。

【０００４】(a) 注入工程中の半導体ウエハ内に注入さ
れるイオン量と、(b) 加工表面におけるイオン注入の注
入深さの両方の精度を保つことが、許容できる製品を製
造する場合にきわめて重要となる。このイオン注入深さ
とイオン注入量、すなわち、多くの半導体素子を製造す
る場合のドーズ量における許容公差は、現在、多くの利
用において、１％の範囲内にある。

【０００５】イオン注入装置における加工物のイオン注
入深さは、直接イオンビームのエネルギーに係わってい
る。それゆえ、所望の注入深さを達成するには、イオン
ビームのエネルギーの正確な制御、測定、及び監視が必
要である。

【０００６】従来の高エネルギーイオン注入装置は、最
終エネルギー磁石（ＦＥＭ）を用いるイオンビームエネ
ルギーを制御する。ＦＥＭを用いるイオンビームエネル
ギーの制御することによって、イオンビームのエネルギ
ーが選択され、曲げることが必要とされる、即ち、イオ
ンビームを構成する所望のイオン種が、注入室内の支持
体に支持された加工物に向けて所定のアーチ状通路内で
移動させるための磁界の強さを選ぶことができる。

【０００７】このイオンビームは、ＦＥＭを介して指向
される。この磁界は、イオンビームを構成するイオンを
アーチ状通路内を移動させる。磁界の強さは、特定のモ
ーメントを有する所望のイオン種が、曲線通路から、加
工物が配置される注入室に向かうように調整される。

【０００８】しかし、残念なことに、イオンビームエネ
ルギーを計算するＦＥＭ方法の精度では、重大な欠点が
ある。それは、イオンビームの曲げの強さは、ＦＥＭの
磁界の強さにおけるイオンの入射角の関数である。イオ
ンの入射角（２〜３°）の差がわずかであって、ＦＥＭ
の磁界が入ると、イオンビームの曲げの強さに重大な影
響を与える。ＦＥＭのエネルギーのリードバック(read
back) は、ある条件の下でイオンビームの所望エネルギ
ーの±１０％以内まで修正できることが、数値的なシミ
ュレーションおよび経験的な試験により示されている。

【０００９】必要とされているものは、イオン注入装置
に対する、より正確なイオンビームエネルギー測定装置
である。また、このようなエネルギー測定装置におい
て、必要なことは、比較的安価で、耐久性があり、さら
に、イオンビームの更新が急速でかつ実時間で与えられ
ることである。さらに、必要なことは、注入装置の広範
囲の修正を必要とすることなく、注入装置のイオンビー
ム電流の発生のために使用する改良を行うことができ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
事情に鑑みて、本発明は、イオンビームのエネルギーを
測定しかつ制御するための飛行時間エネルギー測定装置
及びこれを含むイオンビーム注入装置を提供することを
目的としている。また、本発明の目的は、イオンビーム
のエネルギー測定装置、及びイオンの平均運動エネルギ
ーの測定方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、各請求項に記載の構成を有している。本
発明によれば、半導体ウエハの複数の加工物に対してイ
オンビームを指向するためのイオンビーム注入装置が開
示される。このイオン注入装置は、注入室を形成する注
入ステーションを含んでいる。複数の加工物は、注入室
内に配置されたディスク形状の回転及び並進可能な支持
体上に支持されている。このイオン注入装置は、さら
に、イオンビームを発生するイオン源と、イオンビーム
をイオン源から注入ステーションへ向かわせる内部領域
を形成するビーム形成及び指向装置とを含んでいる。こ
の内部領域の圧力を増圧及び減圧するためのポンプ装置
が設けられている。無線周波(rf)のイオン加速器がイオ
ン源と注入ステーションの間に配置され、イオンビーム
と共にイオンを加速し、所望の高ビームエネルギーを達
成する。

【００１２】このイオン注入装置は、イオンビームのイ
オンパルスにおけるイオンの平均運動エネルギーを決め
るために、飛行時間の処理技法を利用する新規な、イオ
ンビームエネルギー測定装置を含んでいる。エネルギー
測定装置は、高エネルギー注入応用に無線周波イオン加
速器を用い、イオンビームが一連のビームパケット(bea
m packets)またはパルス列であるという事実を利用して
いる。飛行時間の処理技法は、エネルギー測定装置によ
って有効に加えられ、イオンビーム内の平均イオンエネ
ルギーを正確に決定する。エネルギー測定装置のタイミ
ング回路は、２つのセンサ間の所定の距離を移動するパ
ルス（複数のイオンを含む）に対する時間ｔを決定す
る。重要なことは、エネルギー測定装置がＦＥＭによっ
て発生したイオンビーム内のイオンのエネルギーを粗く
概算するのに利用し、タイミング回路によって決定され
たパルス経過時間が正確であることを保証する。

【００１３】イオンの束またはイオンパルスの平均速度
は、次式を用いる変換回路によって決定される。
ｖ（パルス）＝ｄ／ｔここで、ｄは、第１，第２セン
サ間の距離、ｔは、パルスが第１センサから第２センサ
に移動する経過時間である。

【００１４】パルスの速度が一度決定されると、イオン
のエネルギーＥは、Ｅ（イオン）＝（１／２）ｍｖ² ここで、ｖは、パルスの速度、ｍは、パルス内のイオン
の質量である。所望の注入イオン種のイオンの質量は、
正確に知られている。

【００１５】エネルギー測定装置は、イオンビームに隣
接配置されかつ所定の距離だけ離れた第１，第２センサ
を含み、第２センサは、第１センサの下流にある。第１
センサは、第１センサを通過するイオンビームのパルス
として信号を発生し、第２センサは、第２センサを通過
するイオンビームのパルスとして信号を発生する。

【００１６】エネルギー測定装置の第１実施形態におい
て、この装置は、無線周波イオン加速器が一定の周波数
で一連のビームパルスを発生することを利用しており、
その結果、ビームラインにおける隣接パルス間の間隔が
既知となる。エネルギー測定装置のタイミング回路は、
第１センサを通過する第１パルスと第２センサを通過す
る第２パルス間の経過時間Δｔを決定する。ＦＥＭから
のパルス速度の概算に基づく連続パルス間の間隔がわか
ると、第１，第２センサ間の距離を移動する第１パルス
の時間ｔは、次式のようにタイミング回路によって計算
される。

【００１７】ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔここで、Ｎ＝第１，第２センサ間のパルスの数Ｔ＝パルス間の時間間隔上述したように、パルス間の時間間隔Ｔは、パルスの周
波数が無線周波イオン加速器からわかるので、既知とな
る。第１，第２センサ間のパルスの数Ｎは、ＦＥＭのエ
ネルギー概算値に基づいて既知となる。

【００１８】タイミング回路は、第１，第２センサから
受け取ったデジタル波形の相関関係を用いてΔｔを決定
する。第１，第２センサ間の距離ｄを移動するパルスの
時間ｔが正確に知れると、変換回路は、次のようにイオ
ンパルスの速度を計算する。ｖ（パルス）＝ｄ／ｔここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離である。

【００１９】第２実施形態では、エネルギー測定装置
は、わずかに異なる方法でＦＥＭのイオンエネルギー概
算値を用いるタイミング回路を含んでいる。この形態に
おいて、エネルギー概算は、単一パルスの飛行時間が第
１，第２センサ間を移動することを保証するのに利用さ
れる。タイミング回路は、第１タイミング差分器、第２
タイミング差分器、及び遅延回路を含む。

【００２０】第１タイミング差分器は、第１センサに電
気的に接続され、かつ第１センサからの信号を受けたと
き第１信号を発生する。第２タイミング差分器は、第２
センサに電気的に接続され、かつ第１センサからの信号
を受けたとき第２信号を発生する。

【００２１】遅延回路は、第１，第２タイミング差分器
に電気的に接続され、２つの差分器によって発生した第
１，第２信号を入力する。遅延回路は、また、イオンビ
ームのエネルギーの概算測定のデータ値を受け入れる。
この概算エネルギ測定データは、ＦＥＭの上流側の第１
センサから受け入れられる。遅延回路は、概算エネルギ
ー測定データを変換し、加速されたイオン種の質量を用
いてイオンビームパルスのための遅延時間を生じる。

【００２２】選択されたイオンパルスに対して、タイミ
ング回路は、前記選択されたイオンパルスに対応する第
１，第２信号を用い、第１，第２センサ間の所定の距離
を移動する前記選択パルスの経過時間を計算する。

【００２３】エネルギー測定装置は、さらに、選択され
たイオンパルスに対する経過時間をイオンビームのエネ
ルギーの測定値に変換するための変換回路を含んでい
る。本発明のエネルギー測定装置は、注入室の支持体の
後に位置したファラデーケージと無関係に、電流を測定
するための代替手段を設けることにより、イオンビーム
のドーズ量モニターとして有用である。

【００２４】注入室の上流側にビーム形成及び指向装置
によって形成される内部領域は、注入中、一定に減圧さ
れた状態にある。エネルギー測定装置からの信号の振幅
は、イオンビーム電流のレベルによる。エネルギー測定
装置は、比較的一定の圧力を有するイオン注入装置の内
部領域に配置されるので、イオンビーム電流は、ビーム
ラインの領域に生じる電荷を中和する衝突に無関係に、
エネルギー測定装置の下流側の注入室圧力がより高くで
きる場所にあるセンサを用いて、正確に測定することが
できる。注入ステーションのようなイオン注入装置の他
の部分では、ガス圧力が変化し、イオンビームを電気的
に中和して、ファラデーゲージの電流測定において誤差
を生じさせる。

【００２５】従来のイオン注入装置は、支持体の１回転
毎にファラデーゲージをイオンビームにさらすために支
持体内に開口が設けられている。このファラデーゲージ
は、支持体の１回転毎にイオンビーム電流を読取る。本
発明のエネルギー測定装置は、回転支持体の後に配置さ
れたファラデーゲージを用いる場合よりも、イオンビー
ムのエネルギーと電流をより早く走査することができ
る。

【００２６】本発明のエネルギー測定装置の１つの作動
形態では、第１，第２センサが誘導性センサからなる。
誘導性の第１，第２センサは、ビームラインに隣接して
所定の距離離れて置かれている。第１の誘導性センサ
は、パルスが第２センサを通過するとき信号を発生す
る。

【００２７】本発明のエネルギー測定装置の第２の作動
形態では、第１，第２センサが誘導性センサではなく容
量性センサからなる。誘導性センサと同様に、容量性セ
ンサもイオンビームラインに沿って所定の距離離れて配
置されている。

【００２８】本発明のこれらの目的、特徴、および効果
は、図面と関連して記載される本発明の好ましい実施形
態の詳細な説明から、より理解されるであろう。

【００２９】

【発明の実施の形態】イオンビーム注入装置１０の構造イオンビーム注入装置は、図１の参照番号１０で示され
る。注入装置１０は、１０〜５０００ＫｅＶの範囲のビ
ームエネルギーを有するイオンビーム１４を発生する。
この注入装置１０は、イオン源１２を含み、注入ステー
ションまたは端部ステーション１６へのビーム通路を通
過するイオンビーム１４を形成するイオンを供給する。
さらに、注入装置１０は、無線周波イオン加速器１８を
用いてイオンビーム１４内のイオンを適当な高速度で加
速して所望のイオンビームエネルギーを達成する。高エ
ネルギーの注入装置において用いる適当なイオン加速器
１８は、グラヴィシュ(Glavish) 他に付与され、本発明
の譲受人に譲渡された米国特許第４，６６７，１１１号
に開示されている。この米国特許は、ここで参考として
包含される。

【００３０】注入装置１０等の高エネルギー注入装置に
おいて、イオンビーム１４は、１つのトレイン、即ち、
個別の一連のパルスとして分析され、個々のパルスは、
１０ ¹³個程度のイオンを有する多数のイオンからなる。
イオンビーム１４のイオンパルスの数は、図３〜図５に
おいてP0,P1,P3......P(n-1),Pn,P(n+1)のように概略示
される。

【００３１】図２において、制御電子機器（概略２０で
示される）が、注入ステーション１６の注入領域あるい
は注入室２２内の複数の半導体ウエハ加工物２１に受け
入れられるイオン注入量を監視しかつ制御するために設
けられている。この制御電子機器２０へのオペレータの
入力は、ユーザ操作盤６７を介して実行される。

【００３２】イオン源ハウジング１２は、注入室２２内
で回転及び並進可能な円盤９０上に配置したウエハ加工
物２１に衝突するイオンビームを発生する。イオンビー
ム１４内のイオンは、ビームがイオン源１２と注入ステ
ーション１６の間の距離を通過するとき、発散する傾向
にある。イオン源１２は、イオン源の材料が注入される
内部領域を形成するプラズマ室２８を含んでいる。イオ
ン源の材料は、イオン化し得るガスあるいは気化したイ
オン源材料を含んでよい。

【００３３】プラズマ室２８に注入される固定形状のイ
オン源材料は、蒸発器内に置かれる。ｎ型不純物半導体
のウエハ材料を所望の場合、ボロン（Ｂ）、ガリウム
（Ｇａ）、あるいはインジウム（Ｉｎ）が使用される。
ガリウムあるいはインジウムは固体化されたイオン源材
料であり、一方、ボロンは、ガスとして、一般的に、三
フッ化ホウ素（ＢＦ₃)またはジボラン（Ｂ₂Ｈ₆)として
プラズマ室２８内に注入される。その理由は、ボロンの
蒸気圧が余りに低いので、単に固体のボロンを加熱した
だけで使用可能な圧力にすることができないからであ
る。

【００３４】また、Ｐ型不純物半導体材料を製造する場
合には、固体イオン源材料として、アンチモニー（Ｓ
ｂ）、ひ素（Ａｓ）、（Ｐ）リンが選択される。エネル
ギーは、イオン源材料に加えられてプラズマ室２８内
に、正に荷電したイオンを発生する。図２に見られるよ
うに、正に荷電したイオンは、プラズマ室２８の開口側
を覆うカバープレート３０内の長円状のアークスリット
２９を介して、プラズマ室２８を出る。

【００３５】製造動作中、すなわち、半導体ウエハ加工
物２１が、イオンビーム１４によって衝突され、それに
よってイオン注入されるとき、イオンビーム１４は、イ
オン源１２から注入室２２へ伸びているビーム形成及び
指向装置５０によって形成されかつ排気された内部領域
５２（図１参照）を通る排気された通路を通過する。製
造動作中のビーム通路を形成する内部領域５２の排気
は、一対の真空ポンプ３１を含む圧力調整システム５５
によって行われる。

【００３６】プラズマ室２８内のイオンは、プラズマ室
カバープレート３０のアークスリット２９を介して引き
出され、ビーム形成・指向装置５０によってイオン源１
２と注入ステーション１６の間の距離を通過するイオン
ビーム１４に形成される。ビーム形成・指向装置５０
は、質量分析あるいは分解磁石２４、ｒｆ（無線周波）
イオン加速器１８、最終エネルギー磁石（ＦＥＭ）３２
及び一組の電極３４を含む。一組の電極３４は、プラズ
マ室内部からイオンを引き出し、質量分析磁石３２によ
って、定められた領域内でイオンを加速する。

【００３７】質量分析磁石２４は、質量分析磁石ハウジ
ング内に支持され、この磁石領域を介してイオンビーム
通路は、アルミニウムビームガイド２６により制限され
ている。イオン注入ステーション１６に到達するための
適当な質量電荷比を有するイオンのみを生ずる。プラズ
マ室２８内のイオン源材料のイオン化は、所定の原子質
量を有する正に荷電したイオン種を発生する。しかしな
がら、望ましいイオン種に加えて、イオン化の過程で
は、適当な原子質量以外の他のものを含んだ比率でイオ
ンを発生する。適当な原子質量以上の、あるいは以下の
原子質量を有するイオンは、イオン注入には適さない。

【００３８】質量分析磁石２４によって発生する磁界に
よって、イオンビーム１４内のイオンが曲線軌道内で移
動する。制御電子機器２０によって達成される磁界は、
望ましいイオン種の原子質量に等しい原子質量を有する
イオンのみが、注入ステーションの注入室２２へ湾曲し
たビーム通路を通過する。

【００３９】所望の原子質量を有するイオンは、質量分
析磁石２４を出て、そして、ｒｆイオン加速器１８のモ
ジュール18a,18b,18c,18d,18e によって高速度に加速さ
れる。所望エネルギーレベルへのイオンの加速は、ｒｆ
コントローラ１９によって制御される。加速器１８の作
用で重要なことは、イオンビーム１４は、図３におい
て、P0,P1,P2,P3......P(n-1),Pn,P(n+1) のように概略
示した一連のイオンパルスから構成されていることであ
る。

【００４０】エネルギー分析のために、ビーム１４は、
一連の別個のイオンパルスとして考えることができる。
各イオンパルス P0,P1,P2,P3......P(n-1),Pn,P(n+1)
は、１０¹³個程度の多数の個々のイオンから構成され
る。さらに、イオン加速器１８の特性から、イオンパル
スの周波数は、予め決められた既知の値である。

【００４１】イオン加速器に対する一般的な周波数値
は、ｆ＝１３．５６メガヘルツである。これは、連続す
るパルス間の、即ち、Ｐ０とＰ１との間の時間間隔ＴがＴ＝１／ｆ＝（１／１３．５６）ＭＨｚ＝７３．７５
（ｎｓｅｃ．）を意味する。

【００４２】イオン加速器１８によって加速された後
で、ビーム１４は、ＦＥＭ制御回路４０（図２において
概略示された）の制御の下で、作動するＦＥＭ３２によ
って発生した磁界を通過する。このＦＥＭ３２は、ハウ
ジング３３内に支持され、質量分析磁石２４のように、
イオンビーム１４が通過するアルミニウムのビームガイ
ド４２を含んでいる。

【００４３】イオンビーム１４を作り上げるイオンは、
イオン源１２から質量分析磁石３２によって設定される
磁界内を移動する。ＦＥＭ３２によって生じる磁界の強
さと方向は、制御電子機器２０のＦＥＭ制御回路によっ
て制御され、磁界巻線を通る電流を調整する。ＦＥＭ３
２は、イオンビームエネルギーの概算値を与えて、ビー
ム１４のエネルギーが注入室２２内の目標加工物２１に
向けられるように、適当なアーチ状通路に沿ってビーム
を曲げるのに必要な磁気エネルギーにビームエネルギー
が比例するようになる。それゆえ、ＦＥＭ３２は、イオ
ンエネルギーを制御する。一般的に、ＦＥＭのエネルギ
ー制御は、所望イオンビームエネルギーの±１０％の範
囲内に正確に収まる。

【００４４】分析磁石３２から下流側に配置されたビー
ム形成・指向装置５０の一部は、４極子アセンブリ７
０、分析プレート８０、回動するファラデーフラッグま
たはカップ７２、及びイオンビーム中和器７４である。
４極子アセンブリ７０は、イオンビーム１４の回りに配
置された一組の電極を含み、制御電子機器２０によって
選択的に活性化させ、イオンビーム１４の高さ位置を調
整する。この４極子アセンブリ７０は、注入装置ハウジ
ング７５内に支持されている。

【００４５】分析磁石３２に対面する４極子アセンブリ
７０の端部には、分析プレート８０（図１参照）が連結
されている。ファラデーフラッグ７２は、ハウジング７
５に回動可能に連結され、イオンビーム１４の特性を測
定するためにイオンビームを交差させる位置に回動可能
であり、この測定が満足である時、ビームラインを揺動
させ、注入室２２でウエハ加工物への注入を妨害しない
ようにする。

【００４６】分析プレート８０は、ガラス質のグラファ
イトから構成され、イオンビーム１４内のイオンが通過
する細長い開口を形成している。分析磁石２４と同様に
ＦＥＭ３２は、好ましくないイオン種をイオンビーム１
４から取り除くように機能する。

【００４７】以上説明したように、ＦＥＭの磁界の強さ
と方向は、ＦＥＭ制御回路４０と制御電子機器２０によ
って確立され、これにより、所望のイオン種の原子質量
に等しい原子質量を有するイオンのみが、予め決められ
た、所望のビーム通路を通過して注入ステーション１６
に到達する。好ましくないイオン種は、所望のイオン原
子質量より大きいかまたは小さいものであり、大きく偏
向され、アルミニウムのビームガイド４２または分析プ
レート８０によって形成されたスリット境界に衝突す
る。

【００４８】ビーム形成・指向装置５０は、また、通常
電子シャワーとして当該技術で言われるビーム中和器を
含む。プラズマ室２８から引き出されるイオンは、正に
荷電されている。正に荷電したイオンが、ウエハの注入
より前に中和されなければ、ドープしたウエハは正味の
正電荷を示すだろう。ウエハ加工物上の、そのような正
味の正電荷は、望ましくない特性を有している。ビーム
中和器７４によって発生した電子は、イオンビームライ
ンに沿う下流側で一掃され、イオンビーム中和器７４の
下流側に中性の空間電荷密度が与えられる。

【００４９】イオンビームの中和器７４の上流側には、
磁気レペラ８２があり、このレペラ８２は、中和器７４
から電子の逆流を防止するための永久磁石を含んでい
る。中和器７４とレペラ８２は、一体ユニットとして形
成され、かつ注入ハウジング７５の共通ベース８５によ
って支持されている。

【００５０】適当なイオン中和器と磁石レペラは、チェ
ン(Chen)他に付与されかつ本発明の譲受人に譲渡された
米国特許第５，６９１，５３７号に開示される。この米
国特許は、ここで参考として包含されている。

【００５１】ビーム中和器７４の下流端は、半導体ウエ
ハ加工物２１にイオンが注入される注入室２２に隣接し
ている。円盤形状の半導体ウエハの加工物支持体９０が
注入室内に支持されている。処理されるべきウエハ加工
物２１は、ウエハ支持体９０の外側端の近くに位置して
おり、この支持体は、モータ９２によって一定の角速度
で回転する。モータ９２の出力軸は、ベルト９６によっ
て支持体の駆動軸９４に連結されている。代わりに、ウ
エハ支持体９０の駆動軸９４は、モータ９２の出力軸に
直接連結するようにしてもよい。イオンビーム１４は、
ウエハ加工物が円形通路内で約１２００ｒｐｍの速度で
回転するとき、ウエハ加工物に衝突する。ステップモー
タ９８は、垂直方向（図２において、矢印Ａで示すよう
に）に支持体９０を変位させるためにリードねじ９９を
駆動する。

【００５２】これにより、多数列の半導体ウエハが、製
造動作時にイオン注入できるようになる。加工物２１
は、ロードロック室を介して搬入及び搬出され、ウエハ
の出し入れ中、ビームラインが真空状態に保たれるよう
にする。注入ステーション１６は、伸縮自在のベローズ
１００（図１参照）によってビーム中和器ハウジング７
５に関して旋回可能である。注入ステーション１６を旋
回できる能力を備えたことにより、イオンビームが注入
室２２内のウエハに衝突するとき、イオンビームの入射
角を調整できる。

【００５３】ファラデーゲージ１１０は、加工物支持体
９０の後側に取付けられ、支持体９０内に形成されたス
ロット１１２を通過する、ファラデーゲージ内のイオン
ビーム電流Ｉ_f を測定するのに用いられる。

【００５４】制御電子機器２０は、加工物２１によって
受け入れられたイオンドーズ量とイオン注入深さを制御
するドーズ量制御回路６６を含む。ドーズ量制御回路６
６は、注入室２２内のイオンゲージ１１４から注入室内
の入力に関する圧力Ｐを、またファラデーゲージ１１０
（図２）からイオンビーム電流Ｉ_f をそれぞれ受け入れ
る。加工物２１のドーズ量を制御するために、ドーズ量
制御回路６６は、モータ制御装置６８を制御して、支持
体９０の各速度と垂直移動を調整する。加工物２１のイ
オン注入深さを制御するために、ドーズ量制御回路６６
は、ｒｆ制御回路１９を制御して、イオンビーム１４の
エネルギーを調整する。

【００５５】飛行時間エネルギー測定装置２００の第１
実施形態イオンビーム注入装置１０におけるイオンビーム飛行時
間エネルギー測定装置またはアセンブリの新規な第１実
施形態が図３で参照番号２００で概略示されている。飛
行時間エネルギー測定装置２００は、イオンビーム１４
のエネルギーを連続的に測定する機能を有する。これに
より、制御電子機器２０によってイオン注入深さを正確
に制御できる。一般的に従来技術では、「イオンビーム
のエネルギー」は、実際に測定されていないが、一方、
エネルギー測定装置２００では、イオンビーム１４にお
ける所望のイオン種のイオンの平均運動エネルギーを絶
えず測定する機能を有する。

【００５６】イオンの平均運動エネルギーは、装置２０
０の第１，第２センサ２１０，２２０間の所定の距離ｄ
を通過するとき、イオンパルスの平均速度に基づいて計
算される。本発明のエネルギー測定装置２００は、１秒
につき約２０回のイオンビーム１４の平均運動エネルギ
ーを測定する。

【００５７】本発明のエネルギー測定装置２００に設け
られたイオンビームエネルギー測定は、ほとんど瞬時に
更新可能であり、１ナノ秒(nsec)で１メガエレクトロン
ボルト（ＭｅＶ）のボロンのイオンビームに対して、タ
イミングの分解能は、イオンビーム１４の１つのイオン
の真のエネルギー値の±０．５％以内に収まる。さら
に、エネルギー測定装置２００によって測定されたイオ
ンビームエネルギーの測定は、製造動作時に圧力はほと
んど変わらないイオン注入装置１０の内部領域で行われ
るので、飛行時間センサの信号は、イオンビーム電流、
即ち、ファラデー電流Ｉ_f （図２において概略示されて
いる。）の個別の圧力モニターとして大いに役立つ。

【００５８】イオンビーム測定装置２００は、適当な飛
行時間（ＴＯＦ）技術に基づき、高エネルギーイオンビ
ーム（例えば、９０ＫｅＶ以上の）が、概略P0,P1,P2,P
3 として示される一連のパルスとして、正確にモデル化
できる。このＴＯＦ技術は、パルスが第１，第２センサ
センサ２１０，２２０間の所定の距離を通過するための
経過時間にイオンパルスの速度を決定する。センサ２１
０，２２０は、所定の距離（例えば、２５ｃｍ）離れて
配置され、かつイオンビームライン１４に隣接して配置
される。

【００５９】有利なことに、イオンビーム測定装置２０
０は、ＦＥＭ制御回路４０からビームエネルギーの概算
値（真のビームエネルギーの±１０％の範囲内にある）
を受け入れる。この測定装置２００は、イオン加速器１
８が一定周波数の一連のビームパルスを発生するという
事実を利用する。２．５ＭｅＶのボロンのイオンビーム
に対して、一般的な周波数Ｆは、１３．５６ＭＨｚであ
る。こうして、イオンビームラインにおける隣接パルス
間の時間間隔は、周波数の逆数である。即ち、Ｔ＝１／Ｆ＝１／１３．５６ＭＨｚ＝７３．７５ｎｓｅｃ．第１，第２センサ２１０，２２０に加えて、測定装置２
００は、エネルギー測定回路２０２を備えている。この
回路２０２は、イオンパルスが第１，第２センサ２１
０，２２０間の距離ｄを通過する時間ｔを決定するため
のタイミング回路２０４と、イオンビーム１４内のイオ
ンのエネルギーを決定するための変換回路２０６とを含
んでいる。

【００６０】タイミング回路２０４は、先ず、第１セン
サ２１０を通過する第１パルスと第２センサ２２０を通
過する第２パルスの間の遅延時間Δｔを決定する。即
ち、図３及び図４を見ると、時間ｔ₁ で、パルスＰ０
は、第１センサを通過し、かつパルスＰｎは第２センサ
２２０に接近しつつある。時間ｔ₂ で、パルスＰｎは第
２センサ２２０を通過する。遅延時間Δｔは、パルスＰ
ｎが図４において、ラベル付けされたΔｄの距離を通過
する時間に等しい。即ち、Δｔ＝ｔ₂ −ｔ₁ である。

【００６１】操作的には、二重チャネルデジタルオシロ
スコープ２３０が使用され、パルスＰ０，Ｐ１，Ｐ２が
第１センサ２１０（図８(a) 参照）を通過した時、およ
びパルスＰ(n-1),Ｐ(n),Ｐ(n+1) が第２センサを通過し
た時、図８(a) ，(b) に示された形式のデジタル化され
た波形が発生する。デジタルデータは、遅延時間Δｔの
関数として、交差補正値(cross correlation) Ｃ（Δ
ｔ）を計算するのに用いられる。

【００６２】

【数１】ここで、ｆ1(t)は、パルスＰ０が第１センサ２１０を通
過することにより発生した波形信号を表すデジタルデー
タであり、ｆ2(t)は、パルスＰｎが第２センサ２２０を
通過することにより発生した波形信号を表すデジタルデ
ータである。ｔ’は、パルスＰ０によって発生した波形
信号が開始する時間であり、ｔ”はパルスＰ０によって
発生した波形信号が終了する時間である。

【００６３】遅延時間Δｔの最も良い概算値を見出すた
めに、０．０nsec. から時間Ｔ（パルス間の時間間隔７
３．７５nsec. ）までの遅延時間の異なる値が、タイミ
ング回路２０４によってその積分値に代入される。交差
補正値Ｃ（Δｔ）を最大にする０．０〜７３．７５nse
c. の間の遅延時間Δｔの値は、タイミング回路２０４
によって遅延時間の最も良い概算値として選択される。
この遅延時間を決定する手順は、センサ２１０，２２０
によって発生した波形信号の特定の形によって影響され
ることがほとんどないという利点を有する。さらに、こ
の手順は、波形信号が低信号対ノイズ比を有するときで
も遅延時間を正確に決定できる。対照的に、レベル交差
方法を用いる時間遅延測定は、波形信号がスローの立ち
上がり時間または低信号対ノイズ比によりだめになる傾
向がある。

【００６４】ＦＥＭ制御回路４０からのパルス速度の概
算値に基づいて連続するパルス間の時間間隔を知ること
によって、第１，第２センサ間の距離を通過する選択さ
れたパルスＰ０の経過時間ｔが、適当なアルゴリズムを
用いるタイミング回路２０４によって計算される。以下
に記載する、校正部分を含んでいないアルゴリズムは、
次のとおりである。

【００６５】ｔ＝ｔ(offset)＋Δｔ＝［Ｎ×（１／Ｆ）］＋Δｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔここで、ｔ(offset)は、選択されたパルスが、第１，第
２センサ間の所定の距離ｄよりも少ない距離を通過する
ためのオフセット時間、Ｎは、第１，第２センサ間の期
待される整数番目のパルス、Ｆは、イオンパルスの周波
数、Ｔは、イオンパルス間の時間間隔である。

【００６６】上述したように、パルス間の時間間隔Ｔ
は、パルスの周波数がｒｆイオン加速器１８から知られ
ているので、既知（Ｔ＝７３．７５nsec. ）である。第
１，第２センサ間のパルスの数Ｎは、ＦＥＭエネルギー
概算に基づいて既知となる。図９において、ひ素（＋）
イオンビーム、リン（＋）イオンビーム、及びボロン
（＋）イオンビーム、の経験に基づくチャートが示され
ている。例えば、５００ＫｅＶのリンイオンビームが発
生すると、パルスの数Ｎは、Ｎ＝２である。チャートか
ら見いだされる数は、常に次の整数値の下側にあり、即
ち、チャートＮ値が２．８であれば、Ｎ値として、Ｎ＝
２が使用される。

【００６７】図９に示されるように、Ｎ値の経験的なチ
ャートに対応するデータは、タイミング回路２０４によ
って発生でき、そしてアクセス可能なメモリに入力す
る。タイミング回路２０４は、データをアクセスしてイ
オンビーム１４の組成によるＮの適当な値と所望のビー
ムエネルギーを決定する。

【００６８】代わりに、タイミング回路２０４は、第
１，第２センサ間のパルスの期待数Ｎを計算し、連続す
るイオンパルス間の時間間隔Ｔを直接知り、かつパルス
がＦＥＭエネルギー概算に基づく所定の距離ｄを通過す
る概算時間を決定することができる。即ち、ＦＥＭエネ
ルギー概算に基づいて、タイミング回路２０４は、イオ
ンパルスの概算速度を計算し、それにより、パルスが第
１，第２センサ２１０，２２０間の所定の距離ｄを通過
する概算時間を計算することができる。

【００６９】第１，第２センサ間の距離を通過するパル
スＰ０の経過時間ｔが正確にわかると、変換回路２０６
は、次のようにパルスＰ０の速度を計算する。ｖ(pulseP0) ＝ｄ／ｔここで、ｄは、第１，第２センサ２１０，２２０間の距
離である。

【００７０】最終的に、変換回路２０６は、次式を用い
てパルスＰ０におけるイオンＥ(ion) のエネルギーを計
算する。Ｅ(ion) ＝（１／２）ｍ(ion) ｖ² ここで、ｍは、ビーム１４における所望のイオン種のイ
オンの質量である。

【００７１】校正手順校正手順は、エネルギー測定装置２００がイオンビーム
１４の正確なエネルギーを測定することを確実にするた
めに必要とされる。測定装置２００を分離または組み合
わせのいずれかで有効に利用するには４つの校正手順が
ある。その校正手順は、(a) バランスした信号の技術、
(b) 光の速度を用いて確認する技術、(c) 公知の遅延ラ
インを挿入する技術、および／または、(d) 既知のエネ
ルギーの直流ビームを用いる技術、これら全ての技術
は、直流ビームを除いて、分離した信号発生器から２つ
の飛行時間センサ２１０，２２０に入射した外部信号を
用いる。

【００７２】(a) バランスした信号の技術は、２つのセ
ンサ２１０，２２０間にバランスしたスプリッタを備え
て分離される信号を用いる。この信号は、２つのセンサ
２１０，２２０内に同一長さのケーブルに沿って送られ
る。この結果、互いに遅延することなく２つのセンサ２
１０，２２０から２つの信号が出力される。この２つの
センサ出力間に遅延が発生した場合には、個々の信号を
測定するのに使用する２つのチャネル間にタイミング上
の不均衡があることを示している。それゆえ、この「バ
ランス」測定の結果は、測定された平均イオンパルスま
たは複数の速度からのビームエネルギーを計算するため
に使用するアルゴリズムに含まれる一定のタイミングオ
フセットである。

【００７３】(b) 光の速度を用いて確認する技術は、光
の速度に近い早さで硬い同軸ケーブルに沿って伝搬する
信号を用いる。このケーブルは、２つのセンサ２１０，
２２０を貫通して挿入され、ケーブル上に伝搬する信号
が各センサを通過する毎にパルス信号を発生する。この
場合、測定されるべき時間遅れは、Δｔ＝ｄ／ｃであ
り、ここでｃは、同軸ケーブルにおける光の速度であ
る。

【００７４】測定された時間がこの値と異なる場合、そ
れは、２つのセンサ２１０，２２０間の距離ｄが基準値
から変化したことを示し、この新しい値は、校正手順か
ら見いだされ、次に続く後のエネルギー測定に使用す
る。この方法は、ベンチトップシステム(bench top sys
tem)の手段を提供し、飛行時間測定装置２００がイオン
注入装置１０のビームラインに沿って設置される前にセ
ンサ間の有効な距離を確認することができる。

【００７５】(c) 公知の遅延ラインを挿入する技術は、
上述の光の速度の測定技術と同様であるが、この場合、
遅延時間が既知のケーブルが２つのプローブ間に配置さ
れる。（正確なケーブル上の遅延時間は、ネットワーク
分析器を用いて容易にかつ正確に測定される。）遅延ラ
インを有するケーブルに信号が入力し、２つのセンサの
出力信号間の遅延時間が測定される。

【００７６】測定された遅延時間が予想遅延時間と異な
る場合、２つの分析チャネル間にあるタイミングの不均
衡があることを示す。そして、遅延時間からエネルギー
を計算するために、修正要素がアルゴリズム内に組み込
まれる。

【００７７】(d) 直流ビームの校正技術は、イオン源１
２の引出し電極３４に加えられる直流電圧によって加速
されるイオンビームを用いる。このようなビームのエネ
ルギーは、引出し電極３４に加えられる電圧の正確さの
範囲内で識別される。イオン加速器１８のモジュール18
a,18b,18c,18d,18e 内の１つの電極に加えられる小さな
ＲＦ電圧によって、小さなＲＦ信号が直流ビームに加え
られる。直流ビーム上での小さなＲＦ信号の変調は、ビ
ームの平均エネルギーを変更することはない。多数の直
流ビームエネルギーを飛行時間測定装置２００によって
測定することにより、予想遅延時間は、ｔ(expected)＝ｄ／ｖここで、ｄは、第１，第２センサ２１０，２２０間の距
離であり、ｖは、直流イオンビームにおけるイオンの速
度である。

【００７８】第１センサの作動形態（誘導性センサ）イオンビームエネルギー測定装置２００の好ましい第１
作動形態は、第１，第２誘導性センサ２１０，２２０
（図６参照）を含んでおり、このセンサは、エネルギー
測定回路２０２（図３参照）に電気的に接続され、さら
に、特にデジタルオシロスコープ２３０に電気的に接続
されている。

【００７９】第１センサ２１０と第２センサ２２０は、
所定の、既知の距離、例えば２５ｃｍに間隔を置き、Ｆ
ＥＭ３２の下流側でかつ注入室２２の上流側のイオンビ
ーム１４に隣接して配置されている。

【００８０】誘導性センサ２１０は、高透磁率を有する
コア材料３１２の回りを取り巻いた導体３１４を含む。
好ましくは、センサ２１０は、リング形状であり、図７
に示すようにイオンビームライン１４がセンサを通過す
るように配置されている。このセンサ２１０は、支持部
材２１８に固定されている。

【００８１】支持体２１８は、ボルト２１９を用いてＦ
ＥＭハウジング３３の内部部分に固定され、センサ２１
０をイオンビームライン１４に対して適当な位置に支持
する。第２誘導性センサ（図示略）は、第１センサ２１
０の下流側のビーム形成・指向装置５０の内部部分に同
様にボルトで固定されている。

【００８２】誘導性センサは、容量性センサと比較して
空間電荷中和効果に反応を示さないという利点を有す
る。

【００８３】第２センサの作動形態（容量性センサ）イオンビームエネルギー測定装置２００の好ましい第１
作動形態は、第１，第２容量性センサ３１０，３２０
（図７参照）を含んでおり、このセンサは、エネルギー
測定回路２０２に電気的に接続されている。第１、第２
センサ３１０，３２０は、構造的に同一であり、第１セ
ンサのみを以下に詳述する。

【００８４】図７において、第１センサ３１０は、ガラ
ス等の高絶縁材料から作られた、Ｊ形状のガラスチュー
ブ３１２から構成され、アーチ状の上部部分３１３を有
している。センサ３１０は、アーチ状部分３１３がイオ
ンビーム１４を部分的に取り巻くように配置されてい
る。チューブ３１２は、リード導体（金属コア）３１６
が貫通する長手方向の中央孔３１４を有する。リード導
体３１６の一端部は、アーチ状の上部部分３１３の遠端
３１７に終端し、またリード導体の他端部は、オシロス
コープ２３０に連結されている。リード導体３１６は、
キャパシタの負側プレート即ちカソードとして機能し、
イオンビーム１４は、正側プレートまたはアノードとし
て機能する。

【００８５】イオンビーム１４の電流が変わると、負側
プレート上の電荷も変化する。リード導体３１６は、エ
ネルギー測定装置２０２を通じて適当に放電される。第
１センサ３１０の負側の容量性ピックアップは、イオン
ビーム１４の電界に反応する。

【００８６】図４に見られるように、第１容量性センサ
３１０は、支持部材３１８に固定される。支持部材３１
８は、ボルト３１９を用いてＦＥＭハウジング３３の内
部部分に固定され、センサ３１０をイオンビームライン
１４に対して適当な位置に支持する。第２容量性センサ
３２０は、第１センサ３１０の下流側のビーム形成・指
向装置５０の内部部分に同様にボルトで固定されてい
る。

【００８７】この実施形態のセンサは、誘導性センサよ
りもより感応性を有する利点がある。

【００８８】飛行時間エネルギー測定装置４００（第２
実施形態）本発明のエネルギー測定装置の好ましい第２実施形態
は、図５において参照番号４００で示されている。タイ
ミング回路４０４は、イオンパルスが第１，第２センサ
２１０，２２０間の距離ｄを通過するための概算遅延周
期を計算するための遅延回路４０８を含んでいる。第
１，第２センサは、上述の実施形態と同様の形状をして
いる。タイミング回路４０４のタイマ４７０が単一のイ
オンパルスを計時するのを確実にするために、遅延回路
によって計算された遅延周期が使用される。

【００８９】第１センサ２１０と第２センサ２２０は、
２５ｃｍ離れて置かれ、イオンビーム１４に隣接して配
置されている。第１センサ２１０は、ＦＥＭ３２の下流
側に配置され、一方、第２センサ２２０は、そこから２
５ｃｍの位置にある。パルスＰ０等のイオンパルスが第
１センサを通過するとき、センサは、確実な零調整した
バイポーラ信号を発生する。

【００９０】第１タイミング差分器４３０は、好ましく
は、フェアチャイル社のμＡ７４１等のオペアンプを含
み、このオペアンプはゼロクロス検出器として構成され
る。第１センサ２１０の出力が、ゼロボルトに交差した
とき、第１タイミング差分器４３０は、信号を発生す
る。こうして、ビーム通路を通過する各パルスＰ０，Ｐ
１，Ｐ２，Ｐ３等が、第１センサを通過する度に、第１
タイミング差分器４３０は、開始信号を発生する（図３
参照）。第１タイミング差分器４３０によって発生した
開始信号は、タイミング回路４０４のパルス高さ変換器
用のタイマ４７０に入力し、そして、遅延回路４０８の
ゲート・遅延発生器に入力する。

【００９１】同様に、第２タイミング差分器４４０は、
第１タイミング４３０と同様の構造をしている。ビーム
通路１４を通過する各イオンパルスは、第２センサを通
過し、第２タイミング差分器４４０は停止信号を発生す
る。第２タイミング差分器４４０から発生した信号は、
遅延回路４０８のアンドゲート４６０に入力する。ゲー
ト・遅延発生器４５０は、イオンビーム１４のエネルギ
ー概算値を与えるＦＥＭ制御回路４０からデータを受取
る。

【００９２】ゲート・遅延発生器４５０は、ＦＥＭ３２
からのイオンビームエネルギーの概算測定値を利用し、
イオンパルスのための概算オフセット時間ｔ(offset)を
計算する。即ち、第１，第２センサ２１０，２２０間の
距離ｄをイオンパルスが通過するのにどのくらいの時間
がかかるかの概算値により、所定のファクターによって
減じられたイオンビーム１４の概算エネルギーが与えら
れる。

【００９３】例えば、ＦＥＭの概算エネルギー測定値
は、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄをイオ
ンパルスが通過する概算経過時間ｔ(est.)を決定するの
に用いることができる。ゲート・遅延発生器４５０は、
概算したビームエネルギーＥ(approx.) をイオンパルス
の速度ｖ(pulse) に変換する。第１，第２センサ２１
０，２２０間の距離ｄが既知となると、パルス速度ｖ(p
ulse) は、式ｔ(est.)＝ｄ／ｖ(pulse) を用いてゲート・遅延発生器４５０が概算経過時間ｔ(e
st.)を決定するために使用される。

【００９４】そのとき、概算時間ｔ(est.)は、オフセッ
ト時間ｔ(offset)を発生するのに、例えば、１０％だ
け、その時間を減少させる。オフセット時間ｔ(offset)
は、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄよりも
少ない距離をパルスが通過する経過時間としてみなすこ
とができる。このｔ(offset)に固有の過小評価は、パル
スが第２センサ２２０を通過するとき、選択されたイオ
ンパルスを見失うことを防止する。

【００９５】選択されたイオンパルス、即ち、Ｐ０に対
して、第１タイミング差分器４３０は、パルスが第１セ
ンサ２１０を時間ｔ₁ （図３に示した位置）で通過する
とき開始信号を発生する。開始信号は、時間ｔ₁ でタイ
マ４７０の開始入力に入力され、選択されたパルスに対
する経過時間を開始する。この開始信号は、また、時間
ｔ₁ でゲート・遅延発生器４５０に入力される。ゲート
・遅延発生器４５０は、計算された概算オフセット時間
ｔ(offset)に等しい時間だけ開始信号を遅らせる。そし
て、遅延した開始信号と考えられるロジックハイ信号を
出力する。遅延した開始信号は、アンドゲート２６０の
第１入力に時間ｔ₁ ＋ｔ(offset)で入力し、この入力を
ロジックハイにラッチさせる。

【００９６】アンドゲート４６０の第１入力が時間ｔ₁
＋ｔ(offset)でロジックハイに切換った後で起こる時間
ｔ₂ において、第２タイミング差分器４４０によって発
生した次の停止信号は、第２センサを通過する選択され
たイオンパルスＰ０に対応している。この時間ｔ₂ で発
生した停止信号は、アンドゲート４６０の第２入力をロ
ジックハイに移行させる。両方のゲート入力がハイであ
るので、ロジックハイの停止信号がアンドゲート４６０
から時間ｔ₂ で出力され、さらに、タイマ４７０の停止
入力に接続される。この停止信号によって、タイマ４７
０が選択されたパルスに対する経過時間を停止させる。
第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄを通過する
選択されたパルスＰ０に対する経過時間は、ｔ＝ｔ₂ −
ｔ₁1に等しい。

【００９７】選択されたイオンパルスに対する開始信号
を遅らせるゲート・遅延発生器４５０の別の方法は、図
９に示すような経験的なチャートを用いて、オフセット
時間ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔを決めることである。ここで、
Ｎは、発生器の出力がロジックハイに切換わる前にゲー
ト・遅延発生器４５０に入力されなければならないパル
スの数であり、Ｔは、連続したイオンパルス間の時間間
隔である。

【００９８】上述したように、図９に示した経験的なチ
ャートに対応するデータは、メモリに記憶され、タイミ
ング回路４０４を用いて、Ｎ、即ち、ゲート・遅延発生
器４５０にがロジックハイに切換わる前にどのくらいの
数のイオンパルスを無視するかを決めるのに使用され
る。

【００９９】例えば、５００ＫｅＶのリンのイオンビー
ムが発生した場合、ゲート・遅延発生器４５０は、連続
した無線周波数(RF)と第１センサ２１０によって発生し
た選択されたイオンパルスＰ０がセンサ２１０を通過し
たことに続いてイオンパルスＰ１，Ｐ２がセンサ２１０
を通過した結果として、第１センサ２１０によって発生
した連続した無線周波数(RF)またはカウント数Ｎ＝２
の間待つ。

【０１００】２サイクルが経過した後、即ち、選択され
た開始信号に続く２つの開始信号は、第１タイミング差
分器２３０によって発生される。そして、ゲート・遅延
発生器４５０は、ロジックハイの出力に切換わる。

【０１０１】連続的なイオンパルス（ｒｆサイクル）間
の周期は、７３．７５nsec. と仮定すると、第１タイミ
ング差分器４３０は、概算７３．７５ｎｓの開始信号を
発生する。Ｎ＝２サイクルの遅延は、第１タイミング差
分器４３０からイオンパルス開始信号を受け取った後
で、オフセット時間ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔ＝２×７３．７
５＝１４７．５nsec. を生じる。ゲート・遅延発生器４
５０は、選択された開始信号（選択されたイオンパルス
に対応する）に続く２つの開始信号を受け取った後で、
ロジック杯の出力を発生する。ゲート・遅延発生器４５
０によってカウントされるこのパルスは、第２タイミン
グ差分器４４０からの次の停止信号を受けたとき、アン
ドゲート４６０からロジックハイを出力することができ
る。

【０１０２】変換回路４０６（図５参照）は、選択され
たイオンパルスＰ０の経過時間ｔをイオンパルスＰ０の
イオンのエネルギーＥ(ion) に変換するマルチチャネル
分析器を含んでいる。

【０１０３】イオンビーム１４の選択されたパルスＰ０
の速度ｖ(pulse) は、公式ｖ(pulse) ＝ｄ／ｔここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離、ｔは、パル
スが第１センサ２１０から第２センサ２２０へ移動する
ための経過時間である。パルスの速度ｖ(pulse) が決定
されると、このパルスのイオンのエネルギーＥ(ion)
は、上述した第１実施形態で設定したように決定され
る。

【０１０４】以上、本発明の好ましい実施形態を記載し
てきたが、当業者であれば、他の変更は、本発明の範囲
から逸脱しないで作ることができ、また、本発明は、特
許請求の範囲内に含まれるすべての修正および変形が可
能であることを意図している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオンビーム注入装置に係る概略平面
図である。

【図２】図１のイオンビーム注入装置の選択した構成要
素の概略斜視図である。

【図３】本発明のエネルギー測定装置の第１実施形態に
おける選択された回路を示す概略ブロック図である。

【図４】図１のイオンビーム注入装置によって発生した
イオンビームの一部を構成するイオンパルスを表す概略
図である。

【図５】本発明のエネルギー測定装置の第２実施形態に
おける選択された回路の概略ブロック図である。

【図６】本発明のエネルギー測定装置の誘導性センサを
示す概略図である。

【図７】本発明のエネルギー測定装置の容量性センサを
示す概略図である。

【図８】８(a) は、第１センサを通過する連続パルスか
ら得られる波形を示すデジタルオシロスコープの軌跡を
示し、８(b) は、第２センサを通過する連続パルスから
得られる波形を示すデジタルオシロスコープの軌跡を示
す図である。

【図９】第１，第２センサが２５ｃｍ離れている場合
の、イオンパルスの経過時間を完了する前に、カウント
される無線周波のサイクル数とイオンビームエネルギー
との間の関係を示す図である。

【符号の説明】

１０イオンビーム注入装置１２イオン源１４イオンビーム１６注入ステーション１８イオン加速器２１加工物２２注入室３２ＦＥＭ４０ＦＥＭ制御回路２００，４００エネルギー測定装置２０４，４０４タイミング回路２０６，４０６変換回路２１０，３１０第１センサ２２０，３２０第２センサ２３０オシロスコープ３１６リード導体４０８遅延回路４３０第１タイミング差分器４４０第２タイミング差分器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390033020 ＥａｔｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者ウイリアムフランクディバーギリオアメリカ合衆国マサチューセッツ 01915 ベバレイレイクビューアベニュー 10 (72)発明者クーロシュサダトマンドアメリカ合衆国マサチューセッツ 01860 マーリマックウイローダイルドライブ６ (72)発明者アーネストフレデリックシュエラーアメリカ合衆国マサチューセッツ 01982 ハミルトンオールドカートロード６ (72)発明者デビッドリチャードズベンソンアメリカ合衆国マサチューセッツ 01833 ジョージタウンレイクリッジドライブ４ (72)発明者ケヴィンウエイニーベンゼルアメリカ合衆国マサチューセッツ 02478 ベルモントグレンロード 11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンビーム(14)を加工物(21)に指向させ
るイオンビーム注入装置(10)であって、(a) 内部に加工
物(21)が支持される注入室(22)を形成する注入ステーシ
ョン(16)と、(b) 所定の時間間隔(T) を置いた一連のイ
オンパルス(P0,Pi,....,P(n+1)) を含み、かつイオン源
(12)から前記注入室(22)に伸びているイオン注入装置(1
0)の内部領域(52)を通過するイオンビーム(14)を発生す
るためのイオン源(12)及びイオン加速器(18)と、(c) 前
記イオンビームの選択されたイオンパルスに含まれるイ
オン(E(ion))の平均運動エネルギーを測定するための飛
行時間エネルギー測定装置(200) とを含み、このエネルギー測定装置(200) が、 1) イオンビームに隣接しされかつ所定の距離を置いて
配置された第１，第２センサ(210,310;220,320) を含
み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１
センサ(210,310) は、イオンビームのイオンパルスが第
１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ
(220,320) は、イオンビームのイオンパルスが第２セン
サを通過するとき信号を発生し、 2) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)
に電気的に連結されたタイミング回路(204) を含み、 (a) 前記第１，第２センサ(210,310;220,320) 間のイオ
ンビーム内におけるイオンパルスの平均数(N) をイオン
ビームエネルギーの概算値(E(approx.))に基づいて計算
し、 (b) 公式ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔを用いる選択されたイオン
パルスに対するオフセット時間ｔ(offset)を計算し、 (c) 前記選択されたイオンパルスが前記第１，第２セン
サによって発生した信号と前記計算されたオフセット時
間を利用して前記第１，第２センサ間の所定の距離を通
過する経過時間ｔを計算し， 3) 前記選択されたイオンパルスに対する前記経過時間
ｔを、イオンビームのエネルギー(E(ion))の測定値に変
換するための変換回路(206) を含むことを特徴とする、
イオンビーム注入装置。
【請求項２】イオンビームに磁界を加えて注入ステーシ
ョン(16)に向かう所定のアーチ状径路に沿ってイオンビ
ームを湾曲させる最終エネルギー磁石(32)と、前記加え
られた磁界の大きさに基づいてイオンビームエネルギー
の概算値(E(approx.))を発生する回路(40)を更に含んで
いることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入
装置。
【請求項３】前記タイミング回路(204) は、デジタルオ
シロスコープ(230) を含み、前記第１，第２センサ(21
0,310;220,320) によって発生した複数の信号が前記オ
シロスコープ(230) に入力することを特徴とする請求項
１記載のイオンビーム注入装置。
【請求項４】前記タイミング回路(204) は、(a) 前記選
択されたイオンパルスが第１センサを通過した時の時間
と次のイオンパルスが前記第２センサ(220,320) を通過
した時の次の最先時間との間における遅延時間Δｔを決
定し、 (b) 次式ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔを用いる選択されたパルスに対する経過時間を計算する
ことを特徴とする請求項３記載のイオンビーム注入装
置。
【請求項５】前記タイミング回路(204) は、前記第１，第２センサによって発生した信号を表すデジ
タルデータに加えられる交差補正値（Ｃ( Δｔ))を最大
にする一組の遅延時間から遅延時間の値を選択すること
によって遅延時間を決定することを特徴とする請求項４
記載のイオンビーム注入装置。
【請求項６】前記第１，第２センサは、容量性センサ(3
10,320) であり、各センサは、アノードとして機能する
イオンビームに対して、１つのキャパシタのカソードと
して機能する金属コア(316) を有することを特徴とする
請求項１記載のイオンビーム注入装置。
【請求項７】前記第１，第２センサは、誘導性センサ(2
10,220) であることを特徴とする請求項１記載のイオン
ビーム注入装置。
【請求項８】イオンビーム(14)を加工物(21)に指向させ
るイオンビーム注入装置(10)であって、(a) 内部に加工
物(21)が支持される注入室(22)を形成する注入ステーシ
ョン(16)と、(b) 所定の時間間隔(T) を置いた一連のイ
オンパルス(P0,Pi,....,P(n+1)) を含み、かつイオン源
(12)から前記注入室(22)に伸びているイオン注入装置(1
0)の内部領域(52)を通過するイオンビーム(14)を発生す
るためのイオン源(12)及びイオン加速器(18)と、(c) 前
記イオンビームの選択されたイオンパルスに含まれるイ
オン(E(ion))の平均運動エネルギーを測定するための飛
行時間エネルギー測定装置(400) とを含み、このエネルギー測定装置(200) が、 1) イオンビームに隣接しされかつ所定の距離を置いて
配置された第１，第２センサ(210,310;220,320) を含
み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１
センサ(210,310) は、イオンビームのイオンパルスが第
１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ
(220,320) は、イオンビームのイオンパルスが第２セン
サを通過するとき信号を発生し、 2) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)
に電気的に連結されかつイオンビームエネルギーの概算
値(E(approx.))に基づくオフセット時間ｔ(offset)を計
算し、さらに第１タイミング差分器(430) 、第２タイミ
ング差分器(440) 、および遅延回路(408) を有するタイ
ミング回路(404) を含み、 (a) 前記第１タイミング差分器(430) は、第１センサに
電気的に接続され、かつ第１センサから信号を受けると
き第１信号を発生し、 (b) 前記第２タイミング差分器(440) は、第２センサに
電気的に接続され、かつ第２センサから信号を受けると
き第２信号を発生し、 (c) 遅延回路(408) は、前記第１，第２タイミング差分
器に電気的に接続され、かつ第１，第２タイミング差分
器とオフセット時間とによって発生した第１，第２信号
を入力しかつ、 (イ) 前記１タイミング差分器から、前記第１センサを通
過する選択されたイオンパルスに対応する信号を受ける
とき、開始信号を発生し、 (ロ) オフセット時間ｔ(offset)に等しい時間だけ待ち、 (ハ) 続いて前記オフセット時間に等しい時間が経過した
後、第２センサを通過するイオンパルスに対応する次の
信号を受けるとき、停止信号を発生し、 (d) 前記タイミング回路(404) は、前記開始信号及び停
止信号を用いて、前記選択されたイオンパルスが第１，
第２センサ間の所定の距離を通過するための経過時間ｔ
を計算し、 3) さらに、前記選択されたイオンパルスに対して、前
記経過時間ｔを前記イオンビームのエネルギーの測定値
に変換する変換回路(206) を含むことを特徴とするイオ
ンビーム注入装置。
【請求項９】前記タイミング回路(400) は、さらに、第
１タイミング差分器に電気的に接続されたタイマ(470)
を備えていることを特徴とする請求項８記載のイオンビ
ーム注入装置。
【請求項１０】前記第１，第２センサは、容量性センサ
(310,320) であり、各センサは、アノードとして機能す
るイオンビームに対して、１つのキャパシタのカソード
として機能する金属コア(316) を有することを特徴とす
る請求項８記載のイオンビーム注入装置。
【請求項１１】前記第１，第２センサは、誘導性センサ
(210,220) であることを特徴とする請求項８記載のイオ
ンビーム注入装置。
【請求項１２】前記第１，第２タイミング差分器は、ゼ
ロクロス検出器であることを特徴とする請求項８記載の
イオンビーム注入装置。
【請求項１３】イオン注入装置(10)のイオンビーム(14)
の選択されたイオンパルスに含まれるイオン(E(ion))の
平均運動エネルギーを測定するための飛行時間エネルギ
ー測定装置(200) であって、 (a) イオンビームに隣接しされかつ所定の距離を置いて
配置された第１，第２センサ(210,310;220,320) を含
み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１
センサ(210,310) は、イオンビームのイオンパルスが第
１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ
(220,320) は、イオンビームのイオンパルスが第２セン
サを通過するとき信号を発生し、 2) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)
に電気的に接続されるタイミング回路を含み、 1) 前記第１，第２センサかつイオンビームエネルギー
の概算値(E(approx.))に基づいて、前記第１，第２セン
サ間のイオンビームにおけるイオンパルスの平均数(N)
を計算し、 2) 公式ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔを用いる選択されたイオン
パルスに対するオフセット時間ｔ(offset)を計算し、 (c) 前記選択されたイオンパルスが前記第１，第２セン
サによって発生した信号と前記計算されたオフセット時
間を利用して前記第１，第２センサ間の所定の距離を通
過する経過時間ｔを計算し， 3) 前記選択されたイオンパルスに対する前記経過時間
ｔを、イオンビーム(E(ion))のエネルギーの測定値に変
換されるに変換するための変換回路(206) を含むことを
特徴とする、エネルギー測定装置。
【請求項１４】前記タイミング回路(204) は、デジタル
オシロスコープ(230) を含み、前記第１，第２センサ(2
10,310;220,320) によって発生した複数の信号が前記オ
シロスコープ(230) を入力されることを特徴とする請求
項１３記載のエネルギー測定装置。
【請求項１５】前記タイミング回路(204) は、(a) 前記
選択されたイオンパルスが第１センサを通過した時の時
間と次のイオンパルスが前記第２センサ(220,320) を通
過した時の次の最先時間との間における遅延時間Δｔを
決定し、 (b) 次式ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔを用いる選択されたパルスに対する経過時間を計算する
ことを特徴とする請求項１４記載のエネルギー測定装
置。
【請求項１６】前記タイミング回路(204) は、前記第１，第２センサによって発生した信号を表すデジ
タルデータに加えられる交差補正値（Ｃ( Δｔ))を最大
にする一組の遅延時間から遅延時間の値を選択すること
によって遅延時間を決定することを特徴とする請求項１
５記載のエネルギー測定装置。
【請求項１７】前記第１，第２センサは、容量性センサ
(310,320) であり、各センサは、アノードとして機能す
るイオンビームに対して、１つのキャパシタのカソード
として機能する金属コア(316) を有することを特徴とす
る請求項１３記載のエネルギー測定装置。
【請求項１８】前記第１，第２センサは、誘導性センサ
(210,220) であることを特徴とする請求項１３記載のエ
ネルギー測定装置。
【請求項１９】イオン注入装置(10)のイオンビーム(14)
の選択されたイオンパルスに含まれるイオン(E(ion))の
平均運動エネルギーを測定するための飛行時間エネルギ
ー測定装置(400) であって、 (a) イオンビームに隣接しされかつ所定の距離を置いて
配置された第１，第２センサ(210,310;220,320) を含
み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１
センサ(210,310) は、イオンビームのイオンパルスが第
１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ
(220,320) は、イオンビームのイオンパルスが第２セン
サを通過するとき信号を発生し、 (b) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)
に電気的に接続され、かつイオンビームエネルギー(E(a
pprox.))に基づくオフセット時間ｔ(offset)を計算し、
さらに第１タイミング差分器(430) 、第２タイミング差
分器(440) 、および遅延回路(408) を有するタイミング
回路(404) を含み、 1) 前記第１タイミング差分器(430) は、第１センサに
電気的に接続され、かつ第１センサから信号を受けると
き第１信号を発生し、 2) 前記第２タイミング差分器(440) は、第２センサに
電気的に接続され、かつ第２センサから信号を受けると
き第２信号を発生し、 3) 遅延回路(408) は、前記第１，第２タイミング差分
器に電気的に接続され、かつ第１，第２タイミング差分
器とオフセット時間とによって発生した第１，第２信号
を入力しかつ、 (イ) 前記１タイミング差分器から、前記第１センサを通
過する選択されたイオンパルスに対応する信号を受ける
とき、開始信号を発生し、 (ロ) オフセット時間ｔ(offset)に等しい時間だけ待ち、 (ハ) 続いて前記オフセット時間に等しい時間が経過した
後、第２センサを通過するイオンパルスに対応する次の
信号を受けるとき、停止信号を発生し、 4) 前記タイミング回路(404) は、前記開始信号及び停
止信号を用いて、前記選択されたイオンパルスが第１，
第２センサ間の所定の距離を通過するための経過時間ｔ
を計算し、 (c) さらに、前記選択されたイオンパルスに対して、前
記経過時間ｔを前記イオンビームのエネルギーの測定値
に変換する変換回路(406) を含むことを特徴とするエネ
ルギー測定装置。
【請求項２０】前記タイミング回路(404) は、さらに、
第１タイミング差分器(430) に電気的に接続されたタイ
マ(470) を備えていることを特徴とする請求項１９記載
のエネルギー測定装置。
【請求項２１】前記第１，第２センサは、容量性センサ
(310,320) であり、各センサは、アノードとして機能す
るイオンビームに対して、１つのキャパシタのカソード
として機能する金属コア(316) を有することを特徴とす
る請求項１９記載のエネルギー測定装置。
【請求項２２】前記第１，第２センサは、誘導性センサ
(210,220) であることを特徴とする請求項１９記載のエ
ネルギー測定装置。
【請求項２３】イオン注入装置(10)のイオンビーム(14)
の選択されたイオンパルスに含まれるイオン(E(ion))の
平均運動エネルギーを測定するための方法であって、 (a) イオンビームに沿ってかつ所定の距離を置いて配置
された第１，第２センサ(210,310;220,320) を設け、第
２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１センサ
(210,310) は、イオンビームのイオンパルスが第１セン
サを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ(220,3
20) は、イオンビームのイオンパルスが第２センサを通
過するとき信号を発生する工程と、 (b) イオンビームエネルギー(E(approx.))を概算する工
程と、 (c) この概算値を用いて、前記第１，第２センサ間のイ
オンビームにおけるイオンパルスの平均数(N) に比例す
るオフセット時間ｔ(offset)と、前記イオンパルス間の
平均時間間隔を計算する工程と、 (d) 前記計算されたオフセット時間と、前記第１，第２
センサによって発生した信号を用いて、前記選択された
イオンパルスに対する経過時間を決定する工程とを含む
ことを特徴とする測定方法。
【請求項２４】前記経過時間を決定する工程は、 (a) 前記選択されたイオンパルスが第１センサを通過し
た時の時間と次のイオンパルスが前記第２センサ(220,3
20) を通過した時の次の最先時間との間における遅延時
間Δｔを決定し、 (b) 次式ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔを用いる選択されたパルスに対する経過時間を計算す
る、各ステップを含むことを特徴とする請求項２３に記
載の測定方法。