JP2003031176A

JP2003031176A - イオンビーム照射装置

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Publication number: JP2003031176A
Application number: JP2001248413A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Sasaki; 雄一朗佐々木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-14
Filing date: 2001-07-14
Publication date: 2003-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】一度に処理する基板枚数やイオンビーム加工方
法、またはイオン種に関わらず基板へのイオン注入量を
正確に制御できる方法を提供する。【構成】ターゲットに照射されるイオンビーム電流強度
の変動要因となる部位の直後でビーム電流強度を非接触
で精度良く測定し、変動要因に帰還をかける構成とす
る。ビーム電流強度の測定は、イオンビーム電流に対応
した磁場を検知する検知部と検知された磁場に対応した
磁束に感応する超伝導素子を有する測定部と前記検知部
と測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間か
ら磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気
遮蔽部を少なくとも有するイオンビーム電流強度測定装
置で行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、照射量または注入
量を精密に制御できるイオンビーム照射装置またはイオ
ン注入装置に関する。

【従来の技術】半導体製造におけるイオン注入では基板
へのイオン注入量を精密に制御することが求められる。
一般に、イオン注入プロセスでは基板全体にわたって均
一にイオンを打ち込むことが望ましい。この均一性は、
イオンビームがその全走査領域において同一の特性を有
することに加えて、全イオン注入プロセスの全時間にお
いて同一の特性を有するということに依存する。このよ
うな均一性が望まれるのは、イオン注入量のばらつきは
半導体特性のばらつきの原因になるためである。しかし
実際には、イオンビームはイオン注入プロセスの間の異
なった時間において異なった電流強度を示す。その原因
は各注入装置固有のことであるが、イオン源の温度変動
や質量分析器の電磁場が時間的に変動することが原因で
あることが多い。これらを精密に一定にしておくことは
困難なので次のような対策が採られる。例えばファラデ
ーカップでビーム電流を受け止めてその電流値をモニタ
ーしておき、所望の電流値になるようにイオン源等のパ
ラメータを微調整するように帰還をかける工夫が考えら
れる。基板はファラデーカップの底面に配置する構成で
ある。一方、１０〜１００ｍＡの大電流の注入装置は、
一般に、その内部を真空にして、エンドステーション部
に設けられている回転円板に複数の基盤を載置して、こ
の回転盤を振り子運動させつつ、回転させることにより
イオンビームを基板面に走査させながら照射してイオン
注入を行う。イオンビーム電流値は回転盤に設けられた
小孔を通過してくるイオンビームをファラデーカップで
受け止めて測定される。これらの例ではファラデーカッ
プで測定したビーム電流値を帰還してイオン源等のパラ
メータを微調整することが可能である。しかしながら、
前者の基板をファラデーカップの底面に配置する構成で
は一度に複数の基板を処理することはできない。また、
後者の回転円板に複数の基盤を載置する構成では、測定
されるイオンビームは小孔を通過してきたイオンビーム
だけであり、さらにイオンビームは一般に照射位置でそ
のビーム電流値が異なるために測定値自体が注入量を正
確に反映した値ではないという課題があった。ところ
で、半導体の設計ルールが小さくなるとソースとドレイ
ン接合部を浅く接合することが求められるようになっ
た。これに対して、イオン注入技術には表面から深さ方
向に数十ｎＡの浅い注入層を形成することが求められて
いる。さらにこの注入層は不純物濃度が高いことが望ま
れる。これらの要望に応える技術としてクラスターイオ
ン注入技術が期待されている。これは従来の単原子を用
いた注入ではなく、数百から数千個の原子を塊状とした
クラスターイオンを用いる注入方法である。クラスター
イオン注入装置は、まず、所望の物質の圧縮ガスを膨張
型ノズルより噴出し、スキマーより取り出したガスクラ
スターとする。その後、電子線を照射してイオン化して
クラスターイオンを得る。ここで、圧縮ガスの圧力、膨
張型ノズルの大きさや形状を制御することでクラスター
サイズを選択することができる。このクラスターイオン
ビームを質量分析器に通することで所望のクラスターサ
イズ範囲のビームとし、加速管で加速して基板に照射す
る注入方法である。このような注入方法の場合、クラス
ターとしてからイオン化し、質量分析した後のイオンビ
ームのみをファラデーカップで測定し、帰還をかける方
法では基板に照射されているイオンビーム電流強度の変
位の原因を特定することが困難なので、イオン注入量を
安定化させることは困難であるという課題があった。以
上のように、従来のイオン注入技術では、数百ｎｍ以下
設計ルールの半導体製造における浅い接合部のイオン注
入量を正確に制御することが困難という課題があった。
さらに、０．１μｍ以上設計ルールの半導体製造におい
ても、基板に照射された全イオンビームを測定するため
には複数の基板を処理できないという課題があった。ま
た、複数の基板を回転盤にのせて処理する方法では基板
に照射されたイオンビームを測定できず小穴を通過した
ビーム電流値を用いて間接的にしか測定できないという
課題があった。

【発明が解決しようとする課題】基板をファラデーカッ
プの底面に配置する構成では一度に複数の基板を処理す
ることはできないという課題があった。回転円板に複数
の基盤を載置する構成では、測定されるイオンビームは
小孔を通過してきたイオンビームだけであり、さらにイ
オンビームは一般に照射位置でそのビーム電流値が異な
るために測定値自体が注入量を正確に反映した値ではな
いという課題があった。また、例えばクラスターイオン
注入のような場合、クラスターとしてからイオン化し、
質量分析した後のイオンビームのみをファラデーカップ
で測定し、帰還をかける方法では基板に照射されている
イオンビーム電流強度の変動の原因を特定することが困
難なので、イオン注入量を安定化させることは困難であ
るという課題があった。この課題は単原子イオンの場合
も、従来よりも精密に注入量を制御したいときに変動要
因を制御したいときにもあてはまる課題であった。以上
のように、一度に処理する基板枚数やイオンビーム加工
方法、またはイオン種に関わらず基板へのイオン注入量
を正確に制御できる方法の提供が求められていた。

【課題を解決するための手段】イオンビーム電流強度の
変位測定を、イオンビーム電流に対応した磁場を検知す
る検知部と検知された磁場に対応した磁束に感応する超
伝導素子を有する測定部と前記検知部と測定部をイオン
ビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超
伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部を少なくと
も有するイオンビーム電流強度測定装置を用いて行う。
前記イオンビーム電流強度測定装置は非接触でイオンビ
ーム電流強度の変位を高精度で測定できる。さらに、イ
オンビーム電流強度の絶対値が大きいときには、前記イ
オンビーム電流強度測定装置の零点調整のために前記イ
オンビーム電流強度測定装置の後段にファラデーカップ
を有する構成としても良い。零点の設定は以下のように
行う。まず、前記イオンビーム電流強度測定装置の内径
を通してファラデーカップにビームが入る位置にファラ
デーカップを配置する。その後、ビームを発生させて前
記イオンビーム電流強度測定装置の内径に導入する。内
径を貫いたビームのビーム電流強度をファラデーカップ
で受け止めて正確に測定する。その測定値は制御回路に
送られる。この状態で前記イオンビーム電流強度測定装
置の零点を設定する。つまり、前記イオンビーム電流強
度測定装置の零点はファラデーカップで測定したビーム
電流強度の有限な値に設定される。零点で一定のビーム
電流を基板に照射して、それを照射時間で積分すること
で所望のイオン注入量を得ることができるように零点を
調整することが有効である。ファラデーカップは零点設
定後にビームを遮らない位置まで移動する。これでビー
ムはファラデーカップで遮られることなくビームライン
の次段に通過できる。一方、前記イオンビーム電流強度
測定装置はその内径を貫くビーム電流強度の変位を非接
触で測定して制御回路に送付する。これによりビーム電
流強度が変動すれば、前記の零点と変位幅の和をとるこ
とで、各時間におけるビーム電流強度の絶対値を知るこ
ともできる。イオン注入量を安定化させるために以下の
方法を採る。ビームラインの所望の位置に配置された前
記イオンビーム電流強度測定装置からのビーム電流強度
の変位量は制御回路に送られる。制御回路は変位量を零
にするようにイオン源等のパラメータを微調整する。例
えばクラスターイオン注入装置では、前記イオンビーム
電流強度測定装置はビームラインの電子線照射後段と、
基板前段の２点に設置することが有効である。電子線照
射後段に置かれた前記イオンビーム電流強度測定装置か
らの信号は、物質の圧縮ガス供給量や膨張型ノズルの大
きさや形状、電子線照射量に帰還することで、イオン源
からのビーム発生量を精密に一定に保つことができる。
基板前段に置かれた前記イオンビーム電流強度測定装置
からの信号は、質量分析器の電磁場や温度、ビームライ
ンの真空度に帰還することで、基板に照射されるイオン
ビーム電流を精密に一定に保つことができる。以上のよ
うに、ターゲットに照射されるイオンビーム電流強度の
変動要因となる部位の直後でビーム電流強度を測定し、
変動要因に帰還をかける構成とする。またビームを基板
上に走査させるときにもビーム電流強度測定装置の移動
は必要ない。ビーム電流強度測定装置は検知コイルを貫
いたビーム電流に比例した出力を発生させる。検知コイ
ルの中心をビームが貫く必要はない。よって、検知コイ
ルを貫く範囲であればビームを走査しても差し支えな
い。

【作用】ターゲットへのイオン照射量を精密に制御する
ことができる。例えば、従来のイオン注入技術ではイオ
ンビーム電流強度の測定はファラデーカップを用いて行
っていた。そして、その測定値をもとにしてイオン注入
量を一定にするさまざまな工夫されていた。しかし、イ
オン注入量を一定に保ち、所望の注入量を正確に注入す
るためには課題が多かった。その課題の原因は下記にあ
る。すなわちファラデーカップでは測定時にビームを遮
ることが不可欠なので、基板に照射した全イオンビーム
に対して時間的または空間的に一部のビームしか測定す
ることができなかった。つまり、基板に照射中はイオン
ビーム電流強度を精密に測定できなかった。さらにビー
ムラインの途中でビームを遮らずにビーム電流強度を測
定することはできなかった。一方、本発明では、イオン
ビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と検知され
た磁場に対応した磁束に感応する超伝導素子を有する測
定部と前記検知部と測定部をイオンビームが流れる空間
を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャ
ップを有する磁気遮蔽部を少なくとも有するイオンビー
ム電流強度測定装置をイオンビーム電流強度の変動要因
となるビームライン中の部位の直後に設置し、そこでの
ビーム電流強度変動値を変動要因に帰還する構成とし
た。これにより基板へのイオン注入量を精密に一定に制
御することが可能となった。例えば、本発明のクラスタ
ーイオン注入装置を用いることで浅い接合部のイオン注
入量を精密に制御した数百ｎｍ以下設計ルールの半導体
が安定して製造できる。

【発明の実施の形態】本発明の構成を以下で説明する。
ただし、これは実施例の一つである。［イオンビーム電流強度測定装置］ビーム電流４に対応
した磁場を検知する検知部は、磁心に超伝導線を１ター
ンまたは複数ターン巻いた構成の検知コイル１とした。
磁心はＳＱＵＩＤ８の動作温度でできるだけ大きな透磁
率をもつものの方が、装置の感度を良くできるので望ま
しい。検知された磁場に対応した磁束に感応する超伝導
素子を有する測定部は、超伝導素子にＤＣＳＱＵＩＤ
８を用いた超伝導回路とした。検知部と測定部を磁気的
に結合させるトランスを設けた。ただし、トランスを設
けなくても同等の性能を得ることができる場合は省略し
ても良い。検知部と測定部を超伝導磁気遮蔽２により囲
んだ。ただし、この超伝導磁気遮蔽２は閉じた構造では
なく、ギャップ１７を設けた。超伝導磁気遮蔽２は、加
工性がよいのでギャップを小さく、また磁気遮蔽の厚み
を薄くできるのでニオブでつくることが望ましい。イオ
ンビームが流れる空間とターゲット１２、および他の装
置は超伝導磁気遮蔽２の外部にある構成とした。またＳ
ＱＵＩＤ８の動作温度に冷却するためにクライオスタッ
ト３に液体ヘリウムを入れて冷却した。ビーム電流４の
測定原理を図１に示す。イオンビームは荷電粒子の流れ
なので、その周りにはアンペールの法則に従って電流強
度に応じた磁場が発生する。この磁場はビーム電流４に
比例するのでこの磁場を測定することでビームに非接触
で電流強度を測定できる。ビーム電流４により発生した
磁場は超伝導磁気遮蔽２で減衰されることなく通過し、
検知コイル１で収集される。つまり、検知コイル１は、
検知コイル１が作る閉ループを貫く電流に比例した磁場
を減衰させることなく収集できる。例えば、１０ｎＡの
ビーム電流４によってつくられる磁場はビーム中心から
２０ｃｍ離れた点で１０^−１４Ｔのオーダーであり、こ
れは磁気遮蔽によって減衰されることなく検知コイル１
で収集される。一方、環境磁場を含む外部磁場は少なく
とも１０^−５Ｔのオーダーはある。このことから、バッ
クグラウンドの方がはるかに大きいことになる。しか
し、本装置では外部磁場は、超伝導体のマイスナー効果
を利用した超伝導磁気遮蔽２で約１０^−８〜１０^−１０
倍のオーダーで大幅に減衰される。このことを実現する
ために超伝導磁気遮蔽２の形状が工夫されている。超伝
導磁気遮蔽２は狭いギャップ１７を備えており、必要な
減衰率に応じてギャップ１７の長さや内径および外径を
決めることができる。ＳＱＵＩＤ８を貫く磁束量が零ま
たはある有限な値のときに、その磁束量を一定にするよ
うに回路を動作させる。これを、磁束をロックさせると
いう。また、磁束をロックしたときに検知コイルを貫い
ているビーム電流の値を零点とする。ここで説明するイ
オンビーム電流強度測定装置は、零点からのビーム電流
強度の変位を測定する。従って、ビーム電流が零のとき
を零点に設定したときを除いては、ビーム電流の絶対値
を測定できない。このときには、ファラデーカップ等で
あらかじめ零点のビーム電流を測定しておき、後にイオ
ンビーム電流強度測定装置で測定した零点からの変位と
の和をとることで、非接触でビーム電流強度の絶対値を
求めることができる。ただし、ビーム電流強度の絶対値
が、ビーム照射の全時間においてイオンビーム電流強度
測定装置の測定レンジ内でしか変化しないものであれ
ば、ビーム電流が零のときを零点に設定することでビー
ム電流強度の絶対値を求めることができる。以下、回路
説明ではビーム電流が零のときを零点とした場合につい
て説明する。零点が有限な値の場合は、ビーム電流４の
記述がビーム電流４の変化量に変わるだけであり同様の
原理である。検知コイル１で収集された磁場により、検
知コイル１とトランス入力コイル１１で構成される超伝
導閉ループに超伝導電流が誘起される。次に、トランス
入力コイル１１はトランスの巻き数に応じた超伝導電流
をトランス出力コイル１０に誘起させる。トランス出力
コイル１０に誘起された超伝導電流はＳＱＵＩＤ入力コ
イル９に流れ、ＳＱＵＩＤ８を貫くように磁束を発生さ
せようとする。しかし、ＳＱＵＩＤ８にはＳＱＵＩＤ８
を貫く磁束量を一定に保つようにフィードバックコイル
５が配置されており、ＳＱＵＩＤ８を貫く磁束量の変化
を打ち消すようにフィードバックコイル５にフィードバ
ック電流が流れる。このフィードバック電流はビーム電
流４に比例するので、フィードバック電流がフィードバ
ック抵抗７の両端に発生させる電位差を測定することで
ビーム電流４の測定が可能となる。さらに詳しくＳＱＵ
ＩＤ８と駆動回路を図２に示す。ビーム電流４がフィー
ドバック電流に変換される超伝導磁気回路の磁気結合を
以下で説明する。検知コイル１で収集された磁束は式１
〜３の磁気結合によってＳＱＵＩＤ８に伝達される。（Ｌ_ｐ＋Ｌ_ｔ１）ΔＩ_ｐ＋Ｍ_ｔ・ΔＩ_ｔ＝Ｎ_ｐ・ΔΦ_Ｂ（式１）（Ｌ_ｔ２＋２ｌｉ＋２ｌ_ｗ）ΔＩ_ｔ＋２ｍ_ｆｉ・ΔＩ_ｆ＋Ｍ_ｔ・ΔＩ_ｐ＝０（式２）Ｍｉｓ・ΔＩ_ｔ−ｍ_ｆｓ・ΔＩ_ｆ＝０（式３）ここで、検知コイル１の自己インダクタンスをＬ_ｐ、ト
ランス入力コイル１１の自己インダクタンスをＬ_ｔ１、
検知コイル１とトランス入力コイル１１がつくる超伝導
閉ループに流れる電流をＩ_ｐ、トランス入力コイル１１
とトランス出力コイル１０間の相互インダクタンスをＭ
_ｔ、トランス出力コイル１０とワッシャーコイル１３と
ＳＱＵＩＤ入力コイル９がつくる超伝導閉ループに流れ
る電流をＩ_ｔ、検知コイル１の巻き数をＮ_ｐ、検知コイ
ル１断面を貫く磁束量をΦ_Ｂ、トランス出力コイル１０
の自己インダクタンスをＬ_ｔ２、各ＳＱＵＩＤ入力コイ
ル９の自己インダクタンスをｌｉ、各ワッシャーコイル
１３の自己インダクタンスをｌ_ｗ、各フィードバックコ
イル５とワッシャーコイル１３間の相互インダクタンス
をｍ_ｆｉ、フィードバックコイル５に流れる電流を
Ｉ_ｆ、各ＳＱＵＩＤ入力コイル９とＳＱＵＩＤ８間の相
互インダクタンスをＭｉｓ、各フィードバックコイル５
とＳＱＵＩＤ８間の相互インダクタンスをｍ_ｒｓとす
る。式１〜３からΔＩ_ｐとΔＩ_ｔを消去して、さらにΔ
Φ_Ｂ＝ｌｐ・ΔＩ_ｂの関係を用いてΦ_Ｂを消去すると式
４を得る。 ΔＩ_ｆ／ΔＩ_ｂ＝｛（Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）Ｍ_ｔ・ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ｝／［｛２ｌｉ＋２ｌ_ｗ＋（２ｍ_ｆｉ・Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）＋（Ｌ_ｐ・Ｌ_ｔ２／（Ｌ_ｐ＋Ｌ_ｔ１））｝・（Ｌ_ｐ＋Ｌ_ｔ１）］（式４）ここで、１ターン巻いた検知コイル１の自己インダクタ
ンスをｌ_ｐ、ビーム電流強度をＩ_ｂとする。さらに１タ
ーン巻いたトランスの自己インダクタンスをｌｏ、トラ
ンス入力コイル１１の巻き数をＮ_１、トランス出力コイ
ル１０の巻き数をＮ_２とすると、トランス入力コイル１
１の自己インダクタンスＬ_ｔ１＝ｌｏ・Ｎ_１ ^２、トラン
ス出力コイル１０の自己インダクタンスＬ_ｔ２＝ｌｏ・
Ｎ_２ ^２である。また、検知コイル１の自己インダクタン
スＬ_ｐ＝ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２である。これらを式４に代入して
式５を得る。 ΔＩ_ｆ／ΔＩ_ｂ＝｛（Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）ｌｏ・Ｎ_１・Ｎ_２・Ｎ_ｐ・ｌ_ｐ｝／［｛２ｌｉ＋２ｌ_ｗ＋（２ｍ_ｆｉ・Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）＋（ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２・ｌｏ・Ｎ_２ ^２／（ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２＋ｌｏ・Ｎ_１ ^２））｝・（ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２＋ｌｏ・Ｎ_１ ^２）］（式５）式５で可変な変数をＮ_ｐ、Ｎ_１、Ｎ_２とし、これらは互
いに独立とすると、式５の右辺を最大にする条件は式６
となる。Ｎ_２＝［（ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２＋ｌｏ・Ｎ_１ ^２）・｛２ｌｉ＋２ｌ_ｗ＋（２ｍ_ｆｉ・Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）｝／ｌｏ・Ｉ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２］^１／２且つ、Ｎ_１は無限大（式６）式６の条件は検知コイル１の自己インダクタンスＬ_ｐを
用いて書き直すことができる。すなわち式６を二乗する
と式７を得る。Ｌ_ｐ・（Ｎ_２／Ｎ_１）^２＝｛（ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２／ｌｏ・Ｎ_１ ^２）＋１｝｛２ｌｉ＋２ｌ_ｗ＋（２ｍ_ｆｉ・Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）｝（式７）ここでＮ_１を無限大にとると、右辺の（ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ ^２／
ｌｏ・Ｎ_１ ^２）は１に対して無視できるので式８を得
る。Ｌ_ｐ・（Ｎ_２／Ｎ_１）^２＝２ｌｉ＋２ｌｗ＋（２ｍ_ｆｉ・Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）（式８）このときに与えられる式５右辺の最大値は式９となる。（ΔＩ_ｆ／ΔＩ_ｂ）_ＭＡＸ＝｛（Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）・ｌ_ｐ ^１／２｝／［２｛２ｌｉ＋２ｌ_ｗ＋（２ｍ_ｆｉ・Ｍｉｓ／ｍ_ｆｓ）｝^１／２］）（式９）以上まとめると、ビーム電流４がフィードバック電流に
変換される最適な条件は、式８に加えて、（ｌ_ｐ・Ｎ_ｐ
^２／ｌｏ・Ｎ_１ ^２）を１に対して無視できるだけＮ_１を
大きくとるというものにまとめることができる。そし
て、そのときにビーム電流４がフィードバック電流に変
換される割合は式９によって与えられる。ＳＱＵＩＤ８
の冷却には液体ヘリウムを用いた。液体ヘリウム温度で
は磁心の比透磁率は室温より低下する。本実施例では液
体ヘリウム温度での比透磁率が２．５×１０^４の磁心を
用いて実験を行った。磁心の寸法は内径φ１５０ｍｍ、
外径φ２６０ｍｍ、高さ３０ｍｍである。よって、１タ
ーン巻いた検知コイル１の液体ヘリウム温度での自己イ
ンダクタンスｌ_ｐは８３μＨである。液体ヘリウム温度
でのその他の各種パラメータは、各ＳＱＵＩＤ８の自己
インダクタンスは２５０ｐＨ、各ＳＱＵＩＤ入力コイル
９の自己インダクタンスは１００ｎＨ、各フィードバッ
クコイル５の自己インダクタンスは７５ｎＨ、各ＳＱＵ
ＩＤ入力コイル９とＳＱＵＩＤ８間の相互インダクタン
スは５ｎＨ、各フィードバックコイル５とワッシャーコ
イル１３間の相互インダクタンスは３ｎＨ、各ワッシャ
ーコイル１３の自己インダクタンスは１２５ｐＨ、各フ
ィードバックコイル５とＳＱＵＩＤ８間の相互インダク
タンスは２．２ｐＨのものを用いた。上記のイオンビー
ム電流強度測定装置を用いて１０ｎＡのビーム電流４を
測定した。検知コイル１の巻き数は４ターン、トランス
入力コイル１１の巻き数は９８ターン、トランス出力コ
イル１０の巻き数は１０ターンである。このときの出力
は１２７ｍＶ／１０ｎＡ、雑音レベルは１０ｍＶであっ
た。すなわち分解能は０．７９ｎＡであった。また、ト
ランスを取り外して検知コイル１の巻き数を１ターンと
して１０ｎＡのビーム電流４を測定した。このときの出
力は９０ｍＶ／１０ｎＡ、雑音レベルは１０ｍＶであ
り、すなわち分解能は１．１ｎＡであった。トランスの
有無、巻き数は必要な感度と分解能、測定レンジにより
選択できる。［イオンビーム照射装置］本発明のクラスターイオン注
入装置を図３に示す。これは本発明のイオン照射装置の
一例である。図３のクラスターイオン注入装置では、イ
オン化部後段にビーム電流強度測定装置Ａとファラデー
カップを設置している。ビーム電流強度測定装置Ａは制
御回路を通してイオン化部とノズルとガス供給部につな
がっており、各部分のパラメータを調整できる構成にな
っている。さらに基板前段にも、ビーム電流強度測定装
置Ｂとファラデーカップを設置している。ビーム電流強
度測定装置Ｂは制御回路を通して質量分析器につながっ
ており、質量分析器のパラメータを調整できる構成にな
っている。制御回路では上記のパラメータを組み合わせ
て調整できる構成になっている。クラスターイオンは下
記のように発生させる。ノズルの小孔からガスを噴出さ
せ、断熱膨張による過冷却現象により中性クラスタービ
ームを発生させる。この中性クラスタービームに電子を
照射して、クラスターを構成する原子のうちの１個の原
子をイオン化してクラスターイオンビームを得る。クラ
スターイオンビームを質量分離した後、必要なエネルギ
ーに加速し偏向した後、基板に照射する。質量分離前の
クラスターサイズは３０〜３０００ａｔｏｍｓ／ｃｌｕ
ｓｔｅｒの広い範囲に及ぶ。質量分離後のビーム電流強
度は、数十μＡ〜数ｍＡ程度の範囲である。ここでは２
００μＡ〜２ｍＡ程度の範囲で使用するクラスターイオ
ン注入装置を用いたとき、単位時間あたりに基板に注入
されるイオン注入量を一定に保つための方法を説明す
る。基板にイオン注入した試作の結果から最適な注入量
が把握されている。また、それをもとにビームラインの
各部における最適なビーム電流強度のねらいも決まって
いるものとする。まず、ファラデーカップＡを、ビーム
を受け止めて測定できる位置まで移動させる。次にクラ
スターイオンビームを発生させる。クラスターイオンビ
ームはファラデーカップＡで精密に測定され、制御回路
に測定値が伝送されている。次に、イオン化部とノズル
とガス供給部のパラメータを調整して、ねらいのビーム
電流強度に調整する。この状態でビーム電流強度測定装
置Ａの磁束をロックして零点を設定する。これで、零点
はねらいのビーム電流強度に設定された。以降、零点つ
まりねらいのビーム電流強度からの変位はビーム電流強
度測定装置Ａで測定され、その変位を零とするようにイ
オン化部とノズルとガス供給部のパラメータを微調整す
る信号が制御回路から送られる。つづいて、ファラデー
カップＡを、ビームを遮らない位置まで移動させる。こ
れによりビームはその電流強度を精密に一定に保ちなが
らビームラインの次段に通過する。ところで、一枚の基
板を交換してイオン注入処理する場合には、ファラデー
カップＢの底面に基板を配置しても良い。すなわち基板
に照射されたイオンビーム電流強度はファラデーカップ
Ｂで測定できる。一方、大型の回転盤に複数の基盤をつ
けて処理する場合にはファラデーカップＢの底面に基板
を配置できない。このときは、回転盤に小孔をあけて小
孔を通過したイオンビームの電流強度を測定する方法が
一般的である。しかし、この方法は基板に照射されたビ
ームを測定していない。すなわち、その近傍のビームを
測定しているに過ぎない。また、近傍のビームのうちで
も、小孔を通過したものしか測定できないので、時間
的、空間的に一部しか測定できていないことになる。こ
れらのことから、そのビーム電流強度測定値は誤差を大
きく含んだものとなっている。このような場合には、基
板の前段に設置したビーム電流強度測定装置Ｂで測定す
ることが有効である。まず、ファラデーカップＢでビー
ム電流強度を測定しながら質量分析器のパラメータを調
整してねらいのビーム電流強度とする。ここで、ビーム
電流強度測定装置Ｂの零点を設定する。以降はビーム電
流強度測定装置Ｂがねらいのビーム電流強度からの変位
を測定し、質量分析器のパラメータを微調整する。次に
ファラデーカップＢを、ビームを遮らない位置まで移動
させる。これにより精密に一定に制御された電流強度の
ビームを基板に照射することができる。注入時間は別途
測定し、積分することでイオン注入量を精密に制御でき
る。ビームを走査させるときも、ビーム電流強度測定装
置Ｂで測定することができる。ビーム電流強度測定装置
Ｂは検知コイルを貫くビーム電流の変位に比例した出力
を出すので、ビームが検知コイルを貫いていれば、その
位置に依存するものではない。よって、ビームを走査さ
せるときも、ビーム電流強度測定装置Ｂを移動させる等
の必要はなく、走査させないときと同等に測定できる。

【発明の効果】以上の方法で基板へのイオン注入量を精
密に制御することができる。例えば、分解能が１ｎＡの
ビーム電流強度測定装置を用いた本発明のクラスターイ
オン注入装置は、１ｍＡのビーム電流をねらいとして照
射する場合、基板に照射されるビーム電流強度のばらつ
きは１／１０^６のオーダーで制御できる。本発明の電子
ビーム露光装置、正負イオンビーム物質合成装置も、同
様の手段で精密に一定強度に制御されたビームをターゲ
ットに照射できる。また、ビーム電流強度測定装置でビ
ーム電流強度を測定しながら各パラメータを調整するこ
とで、ビーム電流強度を所望の強度に変化させながらタ
ーゲット上を走査することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】非接触イオンビーム電流測定の原理を示す要
部断面図

【図２】ＳＱＵＩＤと駆動回路の模式図

【図３】クラスターイオン注入装置の構成

【符号の説明】

１検知コイル２超伝導磁気遮蔽３クライオスタット４ビーム電流５フィードバックコイル６電子制御７フィードバック抵抗８ＳＱＵＩＤ９ＳＱＵＩＤ入力コイル１０トランス出力コイル１１トランス入力コイル１２ターゲット１３ワッシャーコイル１４出力１５プリアンプ１６積分器１７ギャップ１８ガス供給部１９ビーム電流測定装置Ａ２０ビーム電流測定装置Ｂ２１質量分析器２２基板２３制御回路２４ファラデーカップＡ２５ファラデーカップＢ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｔ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源と、イオンビーム電流に対応した
磁場を検知する検知部と検知された磁場に対応した磁束
に感応する超伝導素子を有する測定部と前記検知部と測
定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁
気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽
部を少なくとも有するイオンビーム電流強度測定装置を
少なくとも有することを特徴とするイオンビーム照射装
置。
【請求項２】イオンビーム電流に対応した磁場を検知す
る検知部と検知された磁場に対応した磁束に感応する超
伝導素子を有する測定部と前記検知部と測定部をイオン
ビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超
伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部を少なくと
も有するイオンビーム電流強度測定装置を用いて測定し
たイオンビーム電流強度測定値を帰還する制御回路を少
なくとも有することを特徴とする請求項１記載のイオン
ビーム照射装置。
【請求項３】イオンビーム電流に対応した磁場を検知す
る検知部と検知された磁場に対応した磁束に感応する超
伝導素子を有する測定部と前記検知部と測定部をイオン
ビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超
伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部を少なくと
も有するイオンビーム電流強度測定装置の後段にファラ
デーカップを有することを特徴とする請求項１記載のイ
オンビーム照射装置。
【請求項４】イオンビーム電流に対応した磁場を検知す
る検知部と検知された磁場に対応した磁束に感応する超
伝導素子を有する測定部と前記検知部と測定部をイオン
ビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超
伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部を少なくと
も有するイオンビーム電流強度測定装置の零点を設定す
る機能を有することを特徴とする請求項３記載のイオン
ビーム照射装置。
【請求項５】イオンがクラスターイオンであることを特
徴とする請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項６】イオン源が、物質の圧縮ガスを膨張型ノズ
ルより噴出しスキマーより取り出したガスクラスターに
電子線を照射してイオン化する構成であることを特徴と
する請求項５記載のイオンビーム照射装置。
【請求項７】クラスターイオンビームをターゲットに照
射中にガス噴出量を調整する機能を有することを特徴と
する請求項６記載のイオンビーム照射装置。
【請求項８】クラスターイオンビームをターゲットに照
射中に膨張型ノズルの口径を調整する機能を有すること
を特徴とする請求項６記載のイオンビーム照射装置。
【請求項９】クラスターイオンビームをターゲットに照
射中に電子線照射量を調整する機能を有することを特徴
とする請求項６記載のイオンビーム照射装置。
【請求項１０】クラスターイオンビームをターゲットに
照射中に質量分析器の電磁場を調整する機能を有するこ
とを特徴とする請求項５記載のイオンビーム照射装置。
【請求項１１】イオンビームを走査することを特徴とす
る請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項１２】検知部が超伝導線を磁心に巻いた構成で
あることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム照射
装置。
【請求項１３】検知部と測定部を磁気的に結合させるト
ランスを有することを特徴とする請求項１記載のイオン
ビーム照射装置。
【請求項１４】磁束に感応する超伝導素子がＳＱＵＩＤ
であることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム照
射装置。
【請求項１５】磁気遮蔽する超伝導体がニオブであるこ
とを特徴とする請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項１６】イオンビーム照射装置がクラスターイオ
ン注入装置であることを特徴とする請求項１記載のイオ
ンビーム照射装置。
【請求項１７】イオンビーム照射装置が電子ビーム露光
装置であることを特徴とする請求項１記載のイオンビー
ム照射装置。
【請求項１８】イオンビーム照射装置が集束イオンビー
ム照射装置であることを特徴とする請求項１記載のイオ
ンビーム照射装置。
【請求項１９】イオンビーム照射装置が正負イオンビー
ム物質合成装置であることを特徴とする請求項１記載の
イオンビーム照射装置。
【請求項２０】請求項１記載のイオンビーム照射装置を
用いて製造した半導体。