JP2005327713A - イオン注入装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 イオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性の低下、平行度の悪化および基板処理速度の低下を抑制しつつ、基板の大型化に対応可能なイオン注入装置を提供する。
【解決手段】 このイオン注入装置は、所望のイオン種を含み基板８２の短辺幅よりも幅の広いシート状のイオンビーム２０を発生するイオン源と、イオンビーム２０をそのシート面２０ｓに直交する方向に曲げて所望のイオン種を選別して導出する質量分離マグネット３６と、質量分離マグネット３６と協働して所望のイオン種を選別して通過させる分離スリット７２と、分離スリット７２を通過したイオンビーム２０の照射領域内で、基板８２を、イオンビーム２０のシート面２０ｓに実質的に直交する方向に往復駆動する基板駆動装置８６とを備えている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば半導体基板、フラットパネルディスプレイ用の基板等の基板（換言すれば、加工体または被処理体。以下同様）にイオンビームを照射してイオン注入を行うイオン注入装置に関し、より具体的には、基板の大型化（換言すれば、大面積化。以下同様）にうまく対応することができるイオン注入装置に関する。なお、イオンドーピング装置と呼ばれるものも、ここで言うイオン注入装置に含まれる。
基板に、幅が広くかつ平行化されたイオンビームを照射することのできるイオン注入装置の一例が特許文献１に記載されている。当該イオン注入装置は、小型のイオン源から、一方向に発散する扇形のイオンビームを引き出し、当該イオンビームを、ビーム平行化マグネットを兼ねる質量分離マグネットを通して扇面に平行な面内で曲げることによって、所望のイオン種を選別（質量分離）すると共に平行化して、幅が広くかつ平行化されたイオンビームを形成して、当該イオンビームを基板に照射する構成をしている。
特表２０００−５０５２３４号公報（第１４頁第１４行−第１５頁第１５行、図１）
上記イオン注入装置においては、質量分離マグネットの質量分解能は、イオンビームの偏向領域の外周部は高く、内周部は低くなる。これは、イオンビームを曲げながら平行化するために、外周部ほど偏向角が大きくなって質量分解能が高くなるからである。ところが、質量分解能が高くなるほど、イオン種が厳しく選別されることになるので、得られるイオン種の量が少なくなり、この質量分離マグネットから導出されるイオンビームのビーム電流密度は、外周部を通った所は低く内周部を通った所は高いという不均一な分布になる。即ち、イオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性が悪化する。
上記特許文献１に記載のイオン注入装置において、上記理由によるビーム電流密度分布の不均一性を、質量分離マグネットの上流側に設けられている多極イオンレンズを用いてイオンの局所的な偏向で修正することが考えられるが（例えば、電流密度の低い領域側にイオンビームを曲げて当該領域の電流密度を上げる）、上記理由によるビーム電流密度分布の不均一性は大きく、これを多極イオンレンズで修正するのには限界がある。
また、多極イオンレンズでイオンビームを大きく偏向して上記ビーム電流密度分布の不均一性を修正しようとすると、この偏向に起因して、イオンビームの幅方向における平行性が悪化するという別の問題が生じる。
上記のような問題は、基板の大型化（例えば短辺幅が６００ｍｍ程度以上の基板）に対応するために、質量分離マグネットから導出するイオンビームの幅をより大きくすると、より深刻になる。
更に、イオン源から引き出したイオンビームの発散を利用してイオンビームの幅を広げる上記従来技術では、イオンビームの幅を広げる程そのビーム電流密度が低下するので、基板の大型化に対応しようとすると、１枚の基板当たりの処理速度が低下する。
そこでこの発明は、イオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性の低下、平行度の悪化および基板処理速度の低下を抑制しつつ、基板の大型化に対応することができるイオン注入装置を提供することを主たる目的としている。
この発明に係るイオン注入装置は、イオン源で発生させた、基板の短辺幅よりも幅の広いシート状のイオンビームを、当該幅の関係を保った状態で基板に輸送して基板に照射するイオン注入装置であって、
基板に注入すべき所望のイオン種を含み前記幅の関係を有するシート状のイオンビームを発生するイオン源であって、当該シート状のイオンビームの元になるプラズマを生成するのに用いられ、当該シート状のイオンビームの幅方向に配列された複数のフィラメントを有するイオン源と、
このイオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができる１以上のフィラメント電源と、
前記イオン源で発生させたシート状のイオンビームを受けるものであって、当該イオンビームの幅よりも大きい間隔の磁極を有していて当該イオンビームをそのシート面に直交する方向に曲げて前記所望のイオン種を選別して導出する質量分離マグネットと、
この質量分離マグネットから導出されたシート状のイオンビームを受けて、当該質量分離マグネットと協働して、前記所望のイオン種を選別して通過させる分離スリットと、
基板を保持するホルダを有していて、前記分離スリットを通過したシート状のイオンビームの照射領域内で、ホルダ上の基板を、当該イオンビームのシート面に交差する方向に往復駆動する基板駆動装置とを備えることを特徴としている。
このイオン注入装置によれば、イオン源で発生させた、基板の短辺幅よりも幅の広いシート状のイオンビームを、当該幅の関係を保った状態で輸送して、かつ質量分離マグネットおよび分離スリットによって所望のイオン種を選別して（即ち質量分離を行って）、ホルダ上の基板に照射してイオン注入を行うことができる。そして、上記幅の関係を有するシート状のイオンビームと、基板駆動装置による基板の上記往復駆動との協働によって、基板の全面にイオン注入を行うことができる。
前記イオン源と前記分離スリットとの間に、前記シート状のイオンビームの幅方向における電流密度分布を均一化する電界レンズまたは磁界レンズを設けておいても良い。
前記質量分離マグネットの主磁極の外周側および内周側に、主磁極間の磁界を平行化する第１副磁極および第２副磁極を設けておいても良い。両副磁極の少なくとも一方の間隔を可変にしておいても良い。
前記質量分離マグネットの磁極（副磁極がある場合は主磁極）の入口および出口の少なくとも一方に、可動磁極を設けておいても良い。
前記分離スリットの下流側に、前記シート状のイオンビーム全体をそのシート面に直交する方向に往復走査する走査電極を設けておいても良い。
前記ホルダ上の基板の上流側または下流側に、前記シート状のイオンビームを受けてその幅方向のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタを設けておいても良い。
前記ビームプロファイルモニタによる測定情報に基づいて、前記フィラメント電源、前記電界レンズ用の電界レンズ直流電源、前記磁界レンズ用の磁界レンズ直流電源、前記副磁極用の副磁極駆動装置または前記可動磁極用の可動磁極駆動装置を制御して、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う制御装置を設けておいても良い。
請求項１に記載の発明によれば、イオン源で発生させた、基板の短辺幅よりも幅の広いシート状のイオンビームを、当該幅の関係を保った状態で基板に輸送するので、しかも質量分離マグネットではイオンビームをその幅方向ではなくシート面に直交する方向に曲げて質量分離を行うので、イオン源で発生させたシート状のイオンビームを、その幅方向におけるビーム電流密度の均一性および平行性を悪化させることなく質量分離を行って基板に入射させることができる。即ち、前記従来技術のようにイオンビームを曲げる位置の違いによる質量分解能の差やそれに伴うビーム電流密度分布の均一性、およびそれを修正することに伴うイオンビームの平行性悪化が生じることはない。しかも、基板の大型化に対しては、基板の短辺幅に応じた幅のシート状のイオンビームをイオン源から発生させて輸送することで容易に対応することができる。従って、イオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性の低下および平行性の悪化を抑制しつつ、基板の大型化に対応することができる。
また、イオン源は前記のような複数のフィラメントを有しており、かつ当該各フィラメントに流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができるので、幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性の良いシート状のイオンビームを発生させることが容易になる。
しかも、イオン源から前記幅の関係を有するシート状のイオンビームを発生させ、当該幅の関係を保った状態で基板に輸送するので、前記従来技術のようにイオンビームの発散を利用して幅を広げることに起因するビーム電流密度低下は生じない。即ち、基板の大型化に対しては、基板の短辺幅に応じた幅のシート状のイオンビームを発生させて輸送することで容易に対応することができ、それによってビーム電流密度低下を防止することができるので、１枚の基板当たりの処理速度を低下させずに、基板の大型化に対応することができる。
請求項２に記載の発明によれば、前記電界レンズによって、シート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を調整してその均一性をより高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項３に記載の発明によれば、前記電界レンズにおいて前記のようにビームエミッタンスを制御することができ、それによってイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の微視的な（細かな）不均一性を平坦化することができるので、シート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項４に記載の発明によれば、前記磁界レンズによって、シート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を調整してその均一性をより高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項５に記載の発明によれば、前記磁界レンズにおいて前記のようにビームエミッタンスを制御することができ、それによってイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の微視的な（細かな）不均一性を平坦化することができるので、シート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項６に記載の発明によれば、第１副磁極間の磁界および第２副磁極間の磁界によって主磁極間の磁界を平行化することができるので、主磁極間においてシート状のイオンビームを曲げる際に、イオンビームのシート面に沿う方向にローレンツ力が発生するのを抑制して、イオンビームの幅方向において集束または発散が起こるのを抑制することができる。その結果、シート状のイオンビームの幅方向における平行性をより高めることができ、ひいては当該イオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項７に記載の発明によれば、主磁極間の磁界をより平行化する調整が可能になる、という更なる効果を奏する。
請求項８に記載の発明によれば、副磁極駆動装置を用いることによって、主磁極間の磁界をより平行化する調整が容易になる、という更なる効果を奏する。
請求項９および１０に記載の発明によれば、前記角度を調整することで、可動磁極近傍を通過するイオンビームをエッジフォーカス効果で集束または発散させることができるので、シート状のイオンビームの幅方向に働くクーロン反発力等によるイオンビームの発散を補償して、イオンビームの平行性をより高めることができ、ひいては当該イオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項１１に記載の発明によれば、可動磁極駆動装置を用いることによって、可動磁極の前記角度の調整が容易になる、という更なる効果を奏する。
請求項１２に記載の発明によれば、分離スリットを通過して厚さ（これは基板の往復駆動方向の幅でもある）が非常に小さくなったイオンビームの厚さを大きくすることができる。イオンビームの厚さが非常に小さい場合は、基板の往復駆動速度やイオンビームの電流値の揺らぎにより注入量の不均一性が生じる可能性があるけれども、この不均一性を、イオンビームの厚さを大きくすることによって緩和することができる、という更なる効果を奏する。
請求項１３に記載の発明によれば、ビームプロファイルモニタによる測定情報を用いることができるので、シート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性や平行性を高める調整を行うことが容易になる、という更なる効果を奏する。
請求項１４に記載の発明によれば、ビームプロファイルモニタおよび制御装置によって、イオン源のフィラメント電流をフィードバック制御して、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項１５に記載の発明によれば、ビームプロファイルモニタおよび制御装置によって、電界レンズをフィードバック制御して、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項１６に記載の発明によれば、ビームプロファイルモニタおよび制御装置によって、磁界レンズをフィードバック制御して、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項１７に記載の発明によれば、ビームプロファイルモニタおよび制御装置によって、質量分離マグネットの副磁極の間隔をフィードバック制御して、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向における平行性ひいてはビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる、という更なる効果を奏する。
請求項１８に記載の発明によれば、ビームプロファイルモニタおよび制御装置によって、質量分離マグネットの可動磁極の角度をフィードバック制御して、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向における平行性ひいてはビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる、という更なる効果を奏する。
図１は、この発明に係るイオン注入装置の一部分を示す横断面図であり、線Ａ1 −Ａ1 の部分で図２に続く。図２は、この発明に係るイオン注入装置の残りの部分を示す横断面図であり、線Ａ1 −Ａ1 の部分で図１に続く。図３は、図１および図２に示したイオン注入装置の一部分を示す縦断面図であり、線Ａ2 −Ａ2 の部分で図４に続く。図４は、図１および図２に示したイオン注入装置の残りの部分を示す縦断面図であり、線Ａ2 −Ａ2 の部分で図３に続く。
このイオン注入装置は、原則的には、例えば図６に示すような矩形の基板８２を被処理体としている。この基板８２の短辺８２ａの幅を短辺幅ＷS と呼ぶ。但し、基板８２が正方形や円形の場合は、その一辺の長さや直径を上記短辺幅ＷS と同様に扱えば良い。それによって、正方形や円形の基板８２も被処理体として扱うことができる。基板８２は、例えば、半導体基板、フラットパネルディスプレイ用の基板（例えばガラス基板）等である。
このイオン注入装置は、イオン源２で発生させた、基板８２の短辺幅ＷS よりも幅ＷB （図５、図６も参照）の広いシート状のイオンビーム２０を、当該幅の関係（即ちＷB ＞ＷS の関係）を保った状態で、電界レンズ２４、質量分離マグネット３６、分離スリット７２等を通過させて、処理室容器８０内のホルダ８４に保持された基板８２に輸送して基板８２に照射して、当該基板８２にイオン注入を行う構成をしている。
イオン源２から処理室容器８０までのイオンビーム２０の経路（ビームライン）は、真空容器３４によって囲まれている。この真空容器３４は、少なくとも質量分離マグネット３６内およびその前後の部分は、非磁性材から成る。イオン源２、真空容器３４および処理室容器８０の内部は、当該イオン注入装置の運転時には、図示しない真空排気装置によって真空に排気される。真空容器３４および処理室容器８０は電気的に接地されている。
イオン源２は、基板８２に注入すべき所望のイオン種を含み前記幅の関係を有するシート状のイオンビーム２０を発生する。「所望の」というのは、「所定の」または「特定の」と換言することができる（以下同様）。所望のイオン種は、イオンの質量と価数とによって特定することができる。
シート状のイオンビーム２０は、その一例を図５に簡略化して示すように、その進行方向に垂直な断面形状は、Ｙ方向（例えば垂直方向。以下同様）に細長い概ね長方形の形状をしている。概ねと言ったのは、実際のイオンビーム２０の断面形状は、図示のような完全な長方形をしているわけではなく、外周の境界部は幾分ぼやけていて、線で引いたように明確には定められないからである。
この明細書では、この長方形断面の長軸２０ａに沿う方向の寸法を幅ＷB と呼び、短軸２０ｂに沿う方向の寸法を厚さＴB と呼び、シート状のイオンビームの主面（幅ＷB を含む面）をシート面２０ｓと呼び、イオンビーム２０の進行方向の中心の軸を中心軸２０ｃと呼ぶ。従って、イオンビーム２０の幅ＷB 方向は長軸２０ａ方向と同義であり、厚さＴB 方向は短軸２０ｂ方向と同義である。また、この実施形態では、イオンビーム２０の幅ＷB 方向はＹ方向と同義である。
シート状のイオンビーム２０は、その幅ＷB に比べて厚さＴB が十分に小さい（例えば１／１０〜１／１００程度の）イオンビームのことであり、これは、帯状のイオンビームと換言することもできる。
イオン源２は、この例ではバケット型イオン源と呼ばれるものであり、イオンビーム２０の幅ＷB 方向に長く、１面が開いている長方形箱状のプラズマ生成容器４を有している。このプラズマ生成容器４内に、前記所望のイオン種の原料となる物質を含む原料ガスが導入される。
プラズマ生成容器４内には、イオンビーム２０の幅ＷB 方向に、複数の熱陰極用のフィラメント６が等間隔で配列されている。フィラメント６の数は、図３に示す３個に限られるものではなく、イオンビーム２０の幅ＷB に応じて決めれば良い。例えば、当該幅ＷB が８００ｍｍ程度の場合、フィラメント６の数は６個程度にすれば良い。
上記各フィラメント６に流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができるフィラメント電源を設けている。その一例として、この例では、図３に示すように、各フィラメント６ごとに独立したフィラメント電源８を設けている。即ち、フィラメント６の数だけ電圧可変のフィラメント電源８を設けている。但し、そのようにせずに、複数の電源を一つにまとめる等して、一つのフィラメント電源を用いて、各フィラメント６に流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができるようにしても良い。
上記のようにすると、イオン源２は上記のような複数のフィラメント６を有しており、しかも当該各フィラメント６に流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができるので、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるプラズマ１０の密度分布の均一性を良くして、幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性の良いシート状のイオンビーム２０を発生させることが容易になる。
即ち、上記の各フィラメント６とプラズマ生成容器４との間でアーク放電を生じさせて原料ガスを電離させて、イオンビーム２０の幅ＷB 方向に長く分布したプラズマ１０をプラズマ生成容器４内に均一性良く生成することができる。
プラズマ生成容器４の開口部付近には、前記プラズマ１０から電界の作用で前記シート状のイオンビーム２０を引き出し、かつ所望のエネルギーまで加速する引出し電極系１２が設けられている。引出し電極系１２は、この例では、３枚の電極１４〜１６を有している。但し、３枚に限られるものではない。各電極１４〜１６は、イオン引出し孔として、イオンビーム２０の幅ＷB 以上の長さのスリットを有していても良いし、イオンビーム２０の幅ＷB 以上に亘って並設された複数の（多数の）小孔を有していても良い。図３は前者の場合を示すが、後者の方が好ましい。その方が、イオンビーム２０の幅ＷB 方向のビーム電流密度分布の均一性をより良くすることができるからである。
上記のような構成によって、イオン源２から、より具体的にはそのプラズマ生成容器４内に生成されたプラズマ１０から、基板８２に注入すべき所望のイオン種を含み前記幅の関係を有していて、幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性の良いシート状のイオンビーム２０が引き出される。
イオン源２の下流側（換言すればイオンビーム２０の進行方向側。以下同様）には、イオン源２で発生させたシート状のイオンビーム２０を受けるものであって、当該イオンビーム２０の幅ＷB よりも大きい間隔Ｌ1 （即ちＬ1 ＞ＷB ）の磁極（具体的には主磁極３８）を有していて当該イオンビーム２０をそのシート面２０ｓに直交する方向に曲げて前記所望のイオン種を引き出して（即ち質量分離を行って）シート状のイオンビーム２０を導出する質量分離マグネット３６が設けられている。上記のようにＬ1 ＞ＷB なので、イオンビーム２０はその平行性をほぼ保ったまま質量分離マグネット３６を通過することができる。この質量分離マグネット３６の詳細は後述する。
質量分離マグネット３６では、イオンビーム２０を構成するイオンには、その質量に応じて固有の軌道半径が与えられるが、この質量分離マグネット３６の下流側にあって所望のイオン種がイオンビーム２０の厚さＴB 方向において集束する位置付近には、質量分離マグネット３６から導出されたシート状のイオンビーム２０を受けて、質量分離マグネット３６と協働して、所望のイオン種を選別して通過させる分離スリット７２が設けられている。この分離スリット７２のイオンビーム２０の幅ＷB 方向の長さは、図４に示すように、当該幅ＷB よりも長い。
分離スリット７２は、この例では図２に示すように、中心７０を中心にして矢印Ｃに示すように可動であり、それによって、この分離スリット７２の開口幅（スリット幅）を機械的に変更することができる。これによって、質量分離の分解能を変化させることができる。例えば、スリット幅を狭めるほど分解能は向上するが、得られるビーム電流密度は低下する。水素の結合数に応じて分子量に広がりを持つホスフィンイオン（ＰＨx + ）では、質量分解能（Ｍ／ΔＭ。Ｍは質量、ΔＭはその差）は５程度が適当であるが、イオン源２に供給する原料ガスにＢＦ3 ガスを用いたホウ素イオン（Ｂ+ ）では８程度が好ましい。
分離スリット７２の下流の処理室容器８０内には、基板駆動装置８６が設けられている。この基板駆動装置８６は、基板８２を保持するホルダ８４を有していて、分離スリット７２を通過したシート状のイオンビーム２０の照射領域内で、ホルダ８４上の基板８２を、矢印Ｄに示すように、当該イオンビーム２０のシート面２０ｓに交差する方向に一定速度で往復駆動する（図６も参照）。このホルダ８４上の基板８２の往復運動方向は、この例では、イオンビーム２０のシート面２０ｓに実質的に直交する方向（即ち、９０度または約９０度で交差する方向。以下同様）である。より具体的には、図２を参照して、イオンビーム２０の中心軸２０ｃと基板８２の表面とが実質的に直交する方向である。但し、９０度より幾分小さい角度（例えば８０度前後）または幾分大きい角度（例えば１００度前後）で交差する方向に往復運動させても良い。
この例では、基板駆動装置８６自身が、図示しないレールに沿って、矢印Ｄに示すように往復運動をする。これによって、基板８２の全面に、所望のイオン種のイオンビーム２０を照射してイオン注入を行うことができる。このイオン注入を、例えば、フラットパネルディスプレイ用の基板８２の表面に多数の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する工程に用いることができる。
処理室容器８０内に、例えば、上記のような基板駆動装置８６を、ビーム進行方向の前後に２台設けておいて、２台の基板駆動装置８６を交互に用いて、そのホルダ８４にそれぞれ保持した基板８２に交互にイオン注入を行うようにしても良い。そのようにすれば、スループットが向上する。
このイオン注入装置によれば、イオン源２で発生させた、基板８２の短辺幅ＷS よりも幅ＷB の広いシート状のイオンビーム２０を、当該幅の関係（即ちＷB ＞ＷS ）を保った状態で基板８２に輸送するので、しかも質量分離マグネット３６ではイオンビーム２０をその幅ＷB 方向ではなくシート面２０ｓに直交する方向に曲げて質量分離を行うので、イオン源２で発生させたシート状のイオンビーム２０を、その幅ＷB 方向におけるビーム電流密度の均一性および平行性を悪化させることなく質量分離を行って基板８２に入射させることができる。即ち、前記従来技術のようにイオンビームを曲げる位置の違いによる質量分解能の差やそれに伴うビーム電流密度分布の均一性、およびそれを修正することに伴うイオンビームの平行性悪化が生じることはない。しかも、基板８２の大型化に対しては、基板８２の短辺幅ＷS に応じた幅ＷB のシート状のイオンビーム２０をイオン源２から発生させて輸送することで容易に対応することができる。従って、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性の低下および平行性の悪化を抑制しつつ、基板８２の大型化に対応することができる。例えば、短辺幅ＷS が８００ｍｍ、１０００ｍｍ、またはそれ以上の基板８２にも対応することができる。
また、イオン源２は上記のような複数のフィラメント６を有しており、しかも当該各フィラメント６に流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができるので、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるプラズマ１０の密度分布の均一性を良くして、幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性の良いシート状のイオンビーム２０を発生させることが容易になる。
しかも、イオン源２から前記幅の関係を有するシート状のイオンビーム２０を発生させ、当該幅の関係を保った状態で基板８２に輸送するので、前記従来技術のようにイオンビームの発散を利用して幅を広げることに起因するビーム電流密度低下は生じない。即ち、基板８２の大型化に対しては、基板８２の短辺幅ＷS に応じた幅ＷB のシート状のイオンビーム２０を発生させて輸送することで容易に対応することができ、それによってビーム電流密度低下を防止することができるので、１枚の基板当たりの処理速度を低下させずに、基板８２の大型化に対応することができる。
この実施形態のイオン注入装置を更に説明すると、イオン源２と後述する電界レンズ２４（または磁界レンズ１００）との間には、この実施形態のように、矩形の開口を持つゲートバルブ２２を設けておくのが好ましい。そのようにすると、ゲートバルブ２２よりも下流側の真空容器３４や処理室容器８０等の内部を真空に保ったままで、イオン源２のメインテナンスを行うことができるので、当該メインテナンス後のこのイオン注入装置の再立ち上げ時間を大幅に短縮することができる。
質量分離マグネット３６の上流側には、即ちイオン源２（ゲートバルブ２２を設ける場合はそれ）と質量分離マグネット３６との間には、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布を均一化する電界レンズ２４を設けておくのが好ましい。
この電界レンズ２４は、図７も参照して、シート状のイオンビーム２０のシート面２０ｓを挟んで相対向する電極２６の対（電極対）であって、シート面２０ｓに沿いかつビーム進行方向に対して直角方向（換言すれば幅ＷB 方向またはＹ方向。以下同様）に多段に並設された複数の（例えば１０対の）電極対を有している。各電極２６は、先端付近が半円筒状または半円柱状をしている。相対向して対を成す二つの電極２６間は、図７に示すように、電気的に並列接続されている。なお、図７ではこの並列接続のための線がイオンビーム２０を横切っているように見えるかも知れないが、これは図示を簡略化したためであり、実際は上記線がイオンビーム２０が横切ることはない。
上記各段の電極対と基準電位部（例えば接地電位部）との間に、互いに独立した直流電圧をそれぞれ印加する電界レンズ直流電源の一例として、この例では、図７に示すように、各段の電極対ごとに独立した電圧可変の電界レンズ直流電源３２を設けている。即ち、電極対の数だけ電界レンズ直流電源３２を設けている。但し、そのようにせずに、複数の電源を一つにまとめる等して、一つの電界レンズ直流電源を用いて、各電極対に印加する直流電圧を互いに独立して制御することができるようにしても良い。
各段の電極対に印加する直流電圧は、正電圧よりも負電圧が好ましい。負電圧にすると、イオンビーム２０と共にその周辺に存在するプラズマ中の電子が電極２６に引き込まれるのを防止することができる。上記電子を引き込むと、空間電荷効果によるイオンビーム２０の発散が大きくなるけれども、これを防止することができる。
各段の電極対に印加する直流電圧を調整することによって、イオンビーム２０の幅ＷB 方向に電界Ｅを生じさせて（図７中の電界Ｅはその一例を示す）、この電界Ｅの強さに応じて、イオンビーム２０を構成するイオンを幅ＷB 方向に曲げることができる。
従って、上記電界レンズ２４によって、シート状のイオンビーム２０の任意の領域にあるイオンを幅ＷB 方向に曲げて、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度を調整してその均一性をより高めることができる。
なお、上記多段に並べた電極対は、必ずしもイオンビーム２０の幅方向に等間隔で配置する必要はなく、シート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向の両端部付近におけるイオン同士間に強く働くクーロン反発力によるビーム発散を抑制する等の目的で、上記電極対を、イオンビーム２０の幅ＷB 方向の両端部付近が密になるように配置しても良い。
電界レンズ２４を構成する電極２６の上流側と下流側とには、図１および図３に示すように、シールド板２８、３０を設けておいても良い。両シールド板２８、３０は、真空容器３４に接続されて電気的に接地されている。このシールド板２８、３０を設けると、電極２６から電界が電界レンズ２４の上流側および下流側に漏れ出すのを防止することができる。その結果、電界レンズ２４の上流側付近および下流側付近においてイオンビーム２０に不所望な電界が作用するのを防止することができる。
上記電界レンズ直流電源３２に代えて、図１０に示す例のように、電界レンズ２４の奇数番目と偶数番目との電極対間に振動電圧を印加して、電界レンズ２４における電界の強さを周期振動させて、シート状のイオンビーム２０のＷB 方向のビームエミッタンスを制御する電界レンズ振動電源９６を設けても良い。例えば、電界レンズ振動電源９６は交流電源であり、振動電圧は交流電圧であるが、一周期に亘っての平均値が零であるという交流に限られるものではない。
上記のような電界レンズ振動電源９６を設けると、電界レンズ２４において上記のようにビームエミッタンスを制御することができ、それによってイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の微視的な（細かな）不均一性を平坦化することができるので、シート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる。
上記電界レンズ直流電源３２と共に、上記電界レンズ振動電源９６を設けても良い。即ち両電源３２および９６を併用しても良い。その場合は、図１０中に破線で示すように、奇数番目の電極対同士間を接続する回路に直列にコンデンサ９８を挿入して、奇数番目の電極対同士間が直流的に並列接続されるのを防止すれば良い。偶数番目の電極対同士間についても同様にすれば良い。このようにすれば、各電極対に、電界レンズ直流電源３２からの直流電圧と電界レンズ振動電源９６からの振動電圧とを重畳させて印加することができる。
上記のように両電源３２および９６を併用すると、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の微視的な不均一性を電界レンズ振動電源９６によって平坦化することと、それよりも大きな不均一性を電界レンズ直流電源３２によって平坦化することとを併用することができるので、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより一層高めることができる。
また、前述したイオン源２におけるフィラメント電流の制御によるビーム電流密度分布の均一化は、上記電界レンズ２４による均一化よりも巨視的なものであり（即ち、より大きな変動の均一化であり）、これらを併用することによって、巨視的な均一化および微視的な均一化の相乗効果によって、ビーム電流密度分布の均一性を極めて良好なものにすることができる。
上記電界レンズ２４の代わりに、例えば図１１に示す例のような磁界レンズ１００を設けても良い。この磁界レンズ１００は、シート状のイオンビーム２０のシート面２０ｓを挟んで相対向する磁極１０２の対（磁極対）であって、シート面２０ｓに沿いかつビーム進行方向に対して直角方向に多段に並設された複数の（例えば１０対の）磁極対および各磁極対をそれぞれ励磁する複数の励磁コイル１０４を有している。
各磁極１０２の背後は、ヨーク１０６で磁気的に接続されている。各磁極１０２の先端のイオンビーム２０の経路は、非磁性材から成る真空容器１０８で囲まれている。
各磁極対用の励磁コイル１０４に直流電流をそれぞれ流す複数の磁界レンズ直流電源１１０を設けている。即ち、磁極対の数だけ磁界レンズ直流電源１１０を設けている。この各電源１１０は、少なくともその出力電流の大きさが可変である。更に各電源１１０は、両極性電源にして、出力電流の方向を反転可能にしておくのが好ましい。
図１１では配線を簡略化して示しているけれども、対を成す二つの磁極１０２にそれぞれ巻かれた励磁コイル１０４は、図１２に示すように、互いに同一方向に磁界Ｂを発生させるように互いに直列接続されて磁界レンズ直流電源１１０に接続されている。後述する磁界レンズ振動電源１１２に接続する場合も同様である。
各段の磁極対の励磁コイル１０４に流す直流電流を調整して、各段の磁極対で発生させる磁界Ｂを調整して、イオンビーム２０の幅ＷB 方向に働くローレンツ力Ｆ（図１１中の磁界Ｂおよびローレンツ力Ｆはその一例を示す）を調整して、イオンビーム２０中のイオンを幅ＷB 方向に曲げることができる。
従って、上記磁界レンズ１００によって、シート状のイオンビーム２０の任意の領域にあるイオンを幅ＷB 方向に曲げて、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布を調整してその均一性をより高めることができる。
上記多段に並べた磁極対は、必ずしもイオンビーム２０の幅ＷB 方向に等間隔に配置する必要がないことは、電界レンズ２４の電極対の場合と同様である。
上記磁界レンズ直流電源１１０に代えて、図１３に示す例のように、磁界レンズ１００の各励磁コイル１０４に振動電流をそれぞれ流して、磁界レンズ１００における磁界の強さを周期振動させて、シート状のイオンビーム２０のＷB 方向のビームエミッタンスを制御する複数の磁界レンズ振動電源１１２を設けても良い。例えば、各磁界レンズ振動電源１１２は交流電源であり、振動電流は交流電流であるが、一周期に亘っての平均値が零であるという交流に限られるものではない。
上記のような磁界レンズ振動電源１１２を設けると、磁界レンズ１００において上記のようにビームエミッタンスを制御することができ、それによってイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の微視的な（細かな）不均一性を平坦化することができるので、シート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる。
上記磁界レンズ直流電源１１０と共に上記磁界レンズ振動電源１１２を設けても良い。その場合は、各磁界レンズ直流電源１１０と各磁界レンズ振動電源１１２とを互いに直列接続して、前者からの直流電圧に後者からの振動電圧を重畳させれば良い。
上記のように両電源１１０および１１２を併用すると、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の微視的な不均一性を磁界レンズ振動電源１１２によって平坦化することと、それよりも大きな不均一性を磁界レンズ直流電源１１０によって平坦化することとを併用することができるので、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより一層高めることができる。
上記のような電界レンズ２４または磁界レンズ１００は、イオン源２と分離スリット７２との間に設ければ良い。即ち、質量分離マグネット３６の上流側に設ける代わりに、質量分離マグネット３６の下流側に設けても良い。より具体的には、質量分離マグネット３６と分離スリット７２との間に設けても良い。もっとも、電界レンズ２４または磁界レンズ１００によってイオンビーム２０に電界や磁界を印加してイオンビーム２０に偏向力を与えてもイオンビームが所定距離だけ偏向するにはある程度の距離が必要であり、この距離をイオンビーム２０が基板８２に入射する前において大きく取るためには、電界レンズ２４または磁界レンズ１００は質量分離マグネット３６の上流側に設ける方が好ましい。
質量分離マグネット３６の磁極の間隔Ｌ1 は、上記のようにイオンビーム２０の幅ＷB よりも大きくて広いので、当該磁極間の磁界の平行性（イオンビーム２０の厚さＴB 方向における平行性。以下同様）を、磁極の幅（イオンビーム２０の厚さＴB 方向における幅。以下同様）を巨大化することなく良くするためには、この実施形態のように、質量分離マグネット３６に、主磁極３８、第１副磁極４０および第２副磁極４２を設けるのが好ましい。
即ち、この実施形態における質量分離マグネット３６は、図８および図９も参照して、前記シート状のイオンビーム２０の幅ＷB よりも大きい間隔Ｌ1 をあけて相対向していてその間をイオンビーム２０が通過する一対の主磁極３８と、主磁極３８の外周側に設けられていて主磁極３８よりも小さい間隔Ｌ2 （即ちＬ2 ＜Ｌ1 ）をあけて相対向していて主磁極３８間の磁界を平行化する一対の第１副磁極４０と、主磁極３８の内周側に設けられていて主磁極３８よりも小さい間隔Ｌ3 （即ちＬ3 ＜Ｌ1 ）をあけて相対向していて主磁極３８間の磁界を平行化する一対の第２副磁極４２とを備えている。図９では、主磁極３８は可動磁極５６の陰になっている。
対を成す上下の各磁極３８、４０、４２間は、ヨーク４４によって一括して磁気的に接続されている。また、主磁極３８、第１副磁極４０および第２副磁極４２は、励磁コイル４６によって一括して励磁される。
主磁極３８間の磁界、第１副磁極４０間の磁界および第２副磁極４２間の磁界の例を、それぞれ、磁力線４８、５０および５２で図９中に模式的に示す。上記のようにＬ2 ＜Ｌ1 、Ｌ3 ＜Ｌ1 にすることにより、主磁極３８間の磁界よりも、それを挟む第１副磁極４０間の磁界および第２副磁極４２間の磁界が強くなるので、主磁極３８間の磁力線４８が膨れて磁界の平行性が低下しようとするのを、両側の磁力線５０、５２によって抑え込んで、主磁極３８間の磁力線４８を平行化することができる。
上記のようにして、主磁極３８間の磁界を平行化することができるので、主磁極３８間においてシート状のイオンビーム２０を曲げる際に、イオンビーム２０のシート面２０ｓに沿う方向にローレンツ力が発生するのを抑制して、イオンビーム２０の幅ＷB 方向において集束または発散が起こるのを抑制することができる。その結果、シート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向における平行性をより高めることができ、ひいては当該イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる。これを、主磁極３８の幅を巨大化することなく実現することができる。その結果、質量分離マグネット３６の寸法および重量が巨大化するのを防止することができる。
第１副磁極４０の間隔Ｌ2 および第２副磁極４２の間隔Ｌ3 は、予めコンピュータシミュレーション等によって最適化した大きさに固定しておいても良いけれども、第１副磁極４０および第２副磁極４２の少なくとも一方は、図９中に矢印Ｈで示すように上下方向に可動式にして、その間隔Ｌ2 、Ｌ3 を可変にしておくのが好ましい。そのようにすると、主磁極３８間の磁界をより平行化する調整が可能になる。第１副磁極４０および第２副磁極４２の両方を可動式にしてその両方の間隔Ｌ2 およびＬ3 を可変にしておくのがより好ましく、そのようにすると、上記調整をより精密かつ容易に行うことができる。この場合、対を成す上下の副磁極４０または４２は、互いに移動距離を同じにしても良いし、異ならせても良い。
間隔が可変の副磁極４０、４２を手作業で動かしても良いけれども、この実施形態のように、それらを矢印Ｈで示すように上下にそれぞれ移動させてその間隔Ｌ2 、Ｌ3 をそれぞれ変化させる副磁極駆動装置６２を設けておくのが好ましい。この例では、四つの副磁極４０、４２をそれぞれ駆動する四つの副磁極駆動装置６２を設けている。この副磁極駆動装置６２を用いることによって、主磁極３８間の磁界をより平行化する調整が容易になる。また、後述する制御装置９４による自動制御も可能になる。
質量分離マグネット３６には、図８および図９を参照して、主磁極３８の入口部および出口部の少なくとも一方に、半円柱状をしていてイオンビーム２０の進行方向（即ち前記中心軸２０ｃ）に垂直な線６０と可動磁極５６の平らな磁極端面５８との成す角度α、βが可変の可動磁極５６を設けておいても良い。この実施形態では、入口部および出口部の両方に可動磁極５６をそれぞれ設けている。両可動磁極５６は、軸５９を中心にして矢印Ｇに示すように左右に回転可能であり、それによって上記角度α、βが可変である。入口部の上記角度αおよび出口部の上記角度βは、図８に示すように、質量分離マグネット３６の内周側が内側に入り込む場合をマイナス（−）に取り、その逆をプラス（＋）に取る。上下の可動磁極５６の角度αまたはβは、互いに同じにしても良いし、異ならせても良い。
上記可動磁極５６の角度α、βを調整することで、可動磁極５６近傍を通過するイオンビーム２０をエッジフォーカス効果で集束または発散させることができるので、シート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向に働くクーロン反発力等によるイオンビーム２０の発散を補償（相殺）して、イオンビーム２０の平行性をより高めることができ、ひいては当該イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性をより高めることができる。
エージフォーカス効果自体は、公知であり、例えば、物理学辞典編集委員会編、「物理学辞典」、初版、株式会社培風館、昭和５９年９月３０日、ｐ．１８２に記載されている。
上記イオンビーム２０の平行性およびビーム電流密度分布の均一性を高める効果は、主磁極３８の入口部および出口部の少なくとも一方に可動磁極５６を設けることで奏することができるけれども、この実施形態のように入口部および出口部の両方に可動磁極５６を設けておくと、片側の場合に比べて調整の自由度が高く、上記効果をより高めることができる。
第１副磁極４０および第２副磁極４２を設けない場合にも、上記可動磁極５６を設けても良い。その場合は、主磁極３８に相当する磁極に上記可動磁極５６を設ければ良い。その他は上述のとおりである。
上記可動磁極５６を手作業で回転させても良いけれども、この実施形態のように、可動磁極５６を矢印Ｇに示すように左右に回転させて前記角度α、βを変化させる可動磁極駆動装置６６を設けておくのが好ましい。この例では、主磁極３８の入口部の上および下の可動磁極５６と、出口部の上および下の可動磁極５６の四つの可動磁極５６をそれぞれ回転させる四つの可動磁極駆動装置６６を設けている。この可動磁極駆動装置６６を用いることによって、可動磁極５６の前記角度α、βの調整が容易になる。また、後述する制御装置９４による自動制御も可能になる。
なお、質量分離マグネット３６の前記間隔が可変の副磁極４０、４２および可動磁極５６用の軸５９についての真空シール構造は、具体的にはそれらとヨーク４４との間の真空シール構造は、この例では公知の構造（例えば、真空シール用のパッキンを用いた構造）を採用しているので、図９ではその図示を省略している。
分離スリット７２の下流側に、図２および図４に示す例のように、シート状のイオンビーム２０のシート面２０ｓ全体を挟んで相対向するように配置されていて、シート状のイオンビーム２０全体をそのシート面２０ｓに直交する方向に往復走査する一対の走査電極７４を設けておいても良い。走査電極７４は、この例では、一対の平行平板電極であるが、これに限らない。例えば、下流側に向かって幾分広がった電極でも良い。
上記一対の走査電極７４間には、走査電源７６から振動電圧が印加される。この振動電圧は、例えば交流電圧であるが、一周期に亘っての平均値が零であるという交流に限られるものではない。
上記走査電極７４および走査電源７６によって、イオンビーム２０全体をそのシート面２０ｓに直交する方向に走査することができる。その結果、分離スリット７２を通過して厚さＴB （これは基板の往復駆動方向Ｄの幅でもある）が非常に小さくなったイオンビーム２０の厚さＴB を大きくすることができる。イオンビーム２０の厚さＴB が非常に小さい場合は、基板８２の往復駆動速度やイオンビーム２０の電流値の揺らぎにより注入量の不均一性が生じる可能性があるけれども、この不均一性を、イオンビーム２０の厚さＴB を大きくすることによって緩和することができる。
前記ホルダ８４上の基板８２の下流側近傍に、図２および図４に示す例のように、前記シート状のイオンビーム２０を受けてその幅ＷB 方向全体のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタ９０を設けておいても良い。このビームプロファイルモニタ９０は、ホルダ８４上の基板８２に近づけて設けるのが好ましい。そのようにすると、基板８２の位置でのイオンビーム２０のビーム電流密度分布をより正確に測定することができる。このビームプロファイルモニタ９０から、上記ビーム電流密度分布を表す測定情報ＤP が出力される。
ビームプロファイルモニタ９０は、この例のように基板８２の下流側に設けておくと、当該モニタ９０が基板８２へのイオンビーム２０の照射に邪魔にならないので当該ビームプロファイルモニタ９０を退避させる必要がない。もっとも、ビームプロファイルモニタ９０を基板８２の上流側近傍に設けて、それを、基板８２へのイオンビーム２０の照射時に退避させるようにしても良い。
このビームプロファイルモニタ９０は、この例では、シート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向に、当該幅ＷB よりも広い領域に亘って並設された複数の（例えば２９個の）ファラデーカップ９２を有している。従ってこの例では、上記測定情報ＤP は、ｎ6 個（ｎ6 はファラデーカップ９２と同数）の測定情報から成る。各ファラデーカップ９２の横幅は、例えば、ビームプロファイルモニタ９０に入射するイオンビーム２０の厚さＴB よりも幾分大きくしている。但し、このようなビームプロファイルモニタ９０の代わりに、１個のファラデーカップをイオンビーム２０の幅ＷB 方向に移動させる構造のビームプロファイルモニタを設けても良い。いずれの場合も、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布を測定することができる。
上記ビームプロファイルモニタ９０を設けておくと、それによる測定情報ＤP を用いることができるので、シート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性や平行性を高める調整を行うことが容易になる。
上記ビームプロファイルモニタ９０による測定情報ＤP に基づいて、イオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布や平行性を高める方法には、（１）測定情報ＤP に基づいて人が対象機器の調整を行う調整方法と、（２）制御装置９４（図２参照）を設けておいてそれに測定情報ＤP を取り込んでこの制御装置９４を用いて対象機器を自動制御する方法の二つがある。上記対象機器は、例えば、前述したフィラメント電源８、電界レンズ直流電源３２、磁界レンズ直流電源１１０、副磁極４０、４２、可動磁極５６である。副磁極駆動装置６２、可動磁極駆動装置６６を設けている場合は、それらも対象機器に含まれる。自動制御の場合は、副磁極４０、４２、可動磁極５６を直接制御するのではなく、それら用の駆動装置６２、６６を制御する。
人が行う調整方法は、簡単に言うと次のようなものである。即ち、前記各対象機器に初期値を与えておき、イオン源２からイオンビーム２０を引き出してそれをビームプロファイルモニタ９０で受けて前記ビーム電流密度分布を測定し、その結果が目標値から離れている場合は、前記対象機器の内の一つの状態を所定方向に所定値だけ変化させ、その状態でビーム電流密度分布を再び測定し、その測定結果が目標値に近づいていれば、前記のように変化させる調整を続け、目標値から離れていれば前記とは逆方向に所定値だけ変化させ、このようなステップごとの調整を、ビームプロファイルモニタ９０で測定するビーム電流密度分布が目標値になるまで、または目標値にある程度近づくまで、繰り返せば良い。一つの対象機器の調整で不十分な場合は、対象機器を変えて上記と同様の調整を行えば良い。
上記制御装置９４は、この実施形態では、次の（ａ）〜（ｅ）に示す制御を行うことができるけれども、必ずしも（ａ）〜（ｅ）の全ての制御を行うものである必要はなく、制御装置９４は、それらの内の少なくとも一つの制御を行うものであっても良い。また、一つの制御装置９４を用いる代わりに、（ａ）〜（ｅ）の制御を複数の制御装置に分担させても良い。例えば、（ａ）〜（ｅ）の制御をそれぞれ行う複数の制御装置を設けても良い。
（ａ）制御装置９４は、ビームプロファイルモニタ９０による測定情報ＤP に基づいて、前記フィラメント電源８を制御して、ビーム電流密度が他よりも低い低電流密度領域がある場合は、当該低電流密度領域に対応する前記フィラメント６に流すフィラメント電流を増大させ、逆の場合は逆にして（即ち、フィラメント電流を減少させて）、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う。
より具体例を示すと、ビームプロファイルモニタ９０の各ファラデーカップ９２とイオン源２の各フィラメント６との位置の対応関係は予め決まっているので、制御装置９４は、上記低電流密度領域がどのフィラメント６に対応するかを決定することができる。そして、上記低電流密度領域が例えばＹ方向の上からｍ番目（ｍは任意の番目。以下同様）のフィラメント６に対応する場合は、制御装置９４は、当該ｍ番目のフィラメント６に流すフィラメント電流を上記のように増減して、それを所定のビーム電流密度分布が得られるまで繰り返す。
上記のような制御を行うために、制御装置９４は、ｎ1 個（ｎ1 はフィラメント６の数と同数）の制御信号Ｓ1 を出力してそれを各フィラメント電源８にそれぞれ与えて各フィラメント電源８をそれぞれ制御する。
上記のようにして、ビームプロファイルモニタ９０および制御装置９４によって、イオン源２のフィラメント電流をフィードバック制御して、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる。
（ｂ）制御装置９４は、ビームプロファイルモニタ９０による測定情報ＤP に基づいて、前記電界レンズ直流電源３２を制御して、ビーム電流密度が他よりも低い低電流密度領域がある場合は、当該低電流密度領域に対応する前記電界レンズ２４中の領域にその隣から電界Ｅ（図７参照）が向くように、前記低電流密度領域に対応する前記電極対に印加する電圧を下げ、逆の場合は逆にして（即ち、電圧を上げて、上記電界Ｅが小さくなる、または逆向きになるようにして）、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う。
より具体例を示すと、ビームプロファイルモニタ９０の各ファラデーカップ９２と電界レンズ２４の各電極対との位置の対応関係は予め決まっているので、制御装置９４は、上記低電流密度領域がどの電極対に対応するかを決定することができる。そして、上記低電流密度領域が例えばＹ方向の上からｍ番目の電極対に対応する場合は、制御装置９４は、当該ｍ番目の電極対に印加する電圧を上記のように上下させて、それを所定のビーム電流密度分布が得られるまで繰り返す。低電流領域が電極対間にある場合も上記と同様である。
上記ｍ番目の電極対の両側（即ちｍ−１番目およびｍ＋１番目）の電極対に印加する電圧も、ｍ番目の電極対に印加する電圧と所定の関係で上下させても良い。
上記のような制御を行うために、制御装置９４は、ｎ2 個（ｎ2 は電極対の数と同数）の制御信号Ｓ2 を出力してそれを各電界レンズ直流電源３２にそれぞれ与えて各電界レンズ直流電源３２をそれぞれ制御する。
上記のようにして、ビームプロファイルモニタ９０および制御装置９４によって、電界レンズ２４をフィードバック制御して、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる。
（ｃ）制御装置９４は、ビームプロファイルモニタ９０による測定情報ＤP に基づいて、前記磁界レンズ直流電源１１０を制御して、ビーム電流密度が他よりも低い低電流密度領域がある場合は、当該低電流密度領域に対応する前記磁界レンズ１００中の領域にその隣から向かうローレンツ力Ｆ（図１１参照）が増大するように、前記低電流密度領域に対応する領域付近の前記磁極対の励磁コイル１０４に流す電流を調整し、逆の場合は逆にして（即ち、ローレンツ力Ｆが減少する、または逆向きになるようにして）、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布を均一化する。
より具体例を示すと、ビームプロファイルモニタ９０の各ファラデーカップ９２と磁界レンズ１００の各磁極対との位置の対応関係は予め決まっているので、制御装置９４は、上記低電流密度領域がどの磁極対に対応するかを決定することができる。そして、上記低電流密度領域が例えばＹ方向の上からｍ番目の磁極対に対応する場合は、制御装置９４は、ｍ−１番目の磁極対の励磁コイル１０４に流す電流を増大させて（図１１に示す磁界Ｂの方向の場合）、上記低電流密度領域に向かうローレンツ力Ｆが増大するようにする。この場合、ｍ＋１番目の磁界レンズ直流電源１１０の極性を反転させて、ｍ＋１番目の磁極対が発生する磁界Ｂの方向を反転させて、ｍ＋１番目の磁極対から上記低電流密度領域に向かうローレンツ力Ｆが増大するようにすることを併用しても良い。このような制御を所定のビーム電流密度分布が得られるまで繰り返す。低電流密度領域が磁極対間にある場合も上記と同様である。
上記ｍ−１番目およびｍ＋１番目の磁極対の両側（即ちｍ−２番目およびｍ＋２番目）の磁極対に流す電流も、ｍ−１番目およびｍ＋１番目の磁極対に流す電流と所定の関係で上記のように制御しても良い。
上記のような制御を行うために、制御装置９４は、ｎ3 個（ｎ3 は磁極対の数と同数）の制御信号Ｓ3 を出力してそれを各磁界レンズ直流電源１１０にそれぞれ与えて各磁界レンズ直流電源１１０をそれぞれ制御する。
上記のようにして、ビームプロファイルモニタ９０および制御装置９４によって、磁界レンズ１００をフィードバック制御して、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向におけるビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる。
（ｄ）制御装置９４は、ビームプロファイルモニタ９０による測定情報ＤP に基づいて、前記副磁極駆動装置６２を制御して、ビーム電流密度分布が所定の目標値よりも発散している場合は、前記質量分離マグネット３６から導出されるイオンビーム２０をそのシート面２０ｓに平行な面内において集束させる方向に、前記間隔Ｌ2 、Ｌ3 が可変の副磁極４０、４２の間隔Ｌ2 、Ｌ3 を変え、逆の場合は逆にして（即ち、イオンビーム２０を発散させる方向に間隔Ｌ2 、Ｌ3 を変えて）、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向における平行性を高める制御を行う。
より具体例を示すと、制御装置９４は、ビーム電流密度分布が目標値よりも発散し過ぎている場合は、外周側の第１副磁極４０の間隔Ｌ2 を広げ、内周側の第２副磁極４２の間隔Ｌ3 を狭める。目標値よりも集束し過ぎている場合は、上記とは逆にする。
上記のような制御を行うために、制御装置９４は、ｎ4 個（ｎ4 は副磁極駆動装置６２の数と同数）の制御信号Ｓ4 を出力してそれを各副磁極駆動装置６２にそれぞれ与えて各副磁極駆動装置６２をそれぞれ制御する。
上記のようにして、ビームプロファイルモニタ９０および制御装置９４によって、質量分離マグネット３６の副磁極４０、４２の間隔Ｌ2 、Ｌ3 をフィードバック制御して、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向における平行性ひいてはビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる。
（ｅ）制御装置９４は、ビームプロファイルモニタ９０による測定情報ＤP に基づいて、前記可動磁極駆動装置６６を制御して、ビーム電流密度分布が所定の目標値よりも発散している場合は、前記質量分離マグネット３６から導出されるイオンビーム２０をそのシート面２０ｓに平行な面内において集束させる方向に前記可動磁極５６を回転させ、逆の場合は逆にして（即ち、イオンビーム２０を発散させる方向に回転させて）、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向における平行性を高める制御を行う。
より具体例を示すと、制御装置９４は、ビーム電流密度分布が目標値よりも発散し過ぎている場合は、前記角度α、βをよりプラス方向に向かわせ、目標値よりも集束し過ぎている場合は、前記角度α、βをよりマイナス方向に向かわせる。
上記のような制御を行うために、制御装置９４は、ｎ5 個（ｎ5 は可動磁極駆動装置６６の数と同数）の制御信号Ｓ5 を出力してそれを各可動磁極駆動装置６６にそれぞれ与えて各可動磁極駆動装置６６をそれぞれ制御する。
上記のようにして、ビームプロファイルモニタ９０および制御装置９４によって、質量分離マグネット３６の可動磁極５６の角度α、βをフィードバック制御して、基板８２に入射するシート状のイオンビーム２０の幅ＷB 方向における平行性ひいてはビーム電流密度分布の均一性を自動制御によって高めることができる。
この発明に係るイオン注入装置の一実施形態の一部分を示す横断面図であり、線Ａ1 −Ａ1 の部分で図２に続く。 この発明に係るイオン注入装置の一実施形態の残りの部分を示す横断面図であり、線Ａ1 −Ａ1 の部分で図１に続く。 図１および図２に示したイオン注入装置の一部分を示す縦断面図であり、線Ａ2 −Ａ2 の部分で図４に続く。 図１および図２に示したイオン注入装置の残りの部分を示す縦断面図であり、線Ａ2 −Ａ2 の部分で図３に続く。 イオンビームを簡略化して部分的に示す斜視図である。 イオンビームと基板との関係の一例を示す正面図である。 電界レンズおよびその電源の一例を示す図である。 質量分離マグネットの他の例をその磁極部分を拡大して示す平面図であり、図１および図２中の磁極部分に相当する。 質量分離マグネットの他の例を拡大して示す縦断面図であり、図８のＫ−Ｋ断面に概ね相当する。 電界レンズおよびその電源の他の例を示す図である。 磁界レンズおよびその電源の一例を示す図である。 図１１中の各励磁コイルと各電源との結線のより具体例を示す図である。 磁界レンズおよびその電源の他の例を示す図である。
符号の説明
２ イオン源
６ フィラメント
８ フィラメント電源
２０ イオンビーム
２４ 電界レンズ
２６ 電極
３２ 電界レンズ直流電源
３６ 質量分離マグネット
３８ 主磁極
４０ 第１副磁極
４２ 第２副磁極
５６ 可動磁極
６２ 副磁極駆動装置
６６ 可動磁極駆動装置
７２ 分離スリット
７４ 走査電極
７６ 走査電源
８２ 基板
８４ ホルダ
８６ 基板駆動装置
９０ ビームプロファイルモニタ
９４ 制御装置
９６ 電界レンズ振動電源
１００ 磁界レンズ
１０２ 磁極
１１０ 磁界レンズ直流電源
１１２ 磁界レンズ振動電源

Claims (18)

  1. イオン源で発生させた、基板の短辺幅よりも幅の広いシート状のイオンビームを、当該幅の関係を保った状態で基板に輸送して基板に照射するイオン注入装置であって、
    基板に注入すべき所望のイオン種を含み前記幅の関係を有するシート状のイオンビームを発生するイオン源であって、当該シート状のイオンビームの元になるプラズマを生成するのに用いられ、当該シート状のイオンビームの幅方向に配列された複数のフィラメントを有するイオン源と、
    このイオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を互いに独立して制御することができる１以上のフィラメント電源と、
    前記イオン源で発生させたシート状のイオンビームを受けるものであって、当該イオンビームの幅よりも大きい間隔の磁極を有していて当該イオンビームをそのシート面に直交する方向に曲げて前記所望のイオン種を選別して導出する質量分離マグネットと、
    この質量分離マグネットから導出されたシート状のイオンビームを受けて、当該質量分離マグネットと協働して、前記所望のイオン種を選別して通過させる分離スリットと、
    基板を保持するホルダを有していて、前記分離スリットを通過したシート状のイオンビームの照射領域内で、ホルダ上の基板を、当該イオンビームのシート面に交差する方向に往復駆動する基板駆動装置とを備えることを特徴とするイオン注入装置。
  2. 前記イオン源と前記質量分離マグネットとの間または前記質量分離マグネットと前記分離スリットとの間に設けられていて、前記シート状のイオンビームのシート面を挟んで相対向する電極対であって当該シート面に沿いかつビーム進行方向に対して直角方向に並設された複数の電極対を有していて、シート状のイオンビームの任意の領域にあるイオンを当該イオンビームのシート面に沿いかつビーム進行方向に対して直交する方向に曲げて、当該シート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を均一化する電界レンズと、
    この電界レンズの各電極対と基準電位部との間に、互いに独立した直流電圧をそれぞれ印加する１以上の電界レンズ直流電源とを更に備えている請求項１記載のイオン注入装置。
  3. 前記電界レンズ直流電源に代えて、または前記電界レンズ直流電源と共に、前記電界レンズの奇数番目と偶数番目との電極対間に振動電圧を印加して、前記電界レンズにおける電界の強さを周期振動させて、前記シート状のイオンビームのシート面に沿いかつビーム進行方向に対して直角方向のビームエミッタンスを制御する電界レンズ振動電源を備えている請求項２記載のイオン注入装置。
  4. 前記イオン源と前記質量分離マグネットとの間または前記質量分離マグネットと前記分離スリットとの間に設けられていて、前記シート状のイオンビームのシート面を挟んで相対向する磁極対であって当該シート面に沿いかつビーム進行方向に対して直角方向に並設された複数の磁極対および各磁極対をそれぞれ励磁する複数の励磁コイルを有していて、シート状のイオンビームの任意の領域にあるイオンを当該イオンビームのシート面に沿いかつビーム進行方向に対して直交する方向に曲げて、当該シート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を均一化する磁界レンズと、
    この磁界レンズの各励磁コイルに直流電流をそれぞれ流す複数の磁界レンズ直流電源とを更に備えている請求項１記載のイオン注入装置。
  5. 前記磁界レンズ直流電源に代えて、または前記磁界レンズ直流電源と共に、前記磁界レンズの各励磁コイルに振動電流をそれぞれ流して、前記磁界レンズにおける磁界の強さを周期振動させて、前記シート状のイオンビームのシート面に沿いかつビーム進行方向に対して直角方向のビームエミッタンスを制御する複数の磁界レンズ振動電源を備えている請求項４記載のイオン注入装置。
  6. 前記質量分離マグネットは、前記シート状のイオンビームの幅よりも大きい間隔をあけて相対向していてその間を前記シート状のイオンビームが通過する一対の主磁極と、この主磁極の外周側に設けられていて主磁極よりも小さい間隔をあけて相対向していて主磁極間の磁界を平行化する一対の第１副磁極と、前記主磁極の内周側に設けられていて主磁極よりも小さい間隔をあけて相対向していて主磁極間の磁界を平行化する一対の第２副磁極と、前記主磁極、第１副磁極および第２副磁極を励磁する励磁コイルとを備えている請求項１ないし５のいずれかに記載のイオン注入装置。
  7. 前記第１副磁極および第２副磁極の少なくとも一方は、その間隔が可変である請求項６記載のイオン注入装置。
  8. 前記間隔が可変の副磁極を移動させてその間隔を変化させる副磁極駆動装置を備えている請求項７記載のイオン注入装置。
  9. 前記質量分離マグネットは、前記磁極の入口および出口の少なくとも一方に、半円柱状をしていて前記イオンビームの進行方向に垂直な線と磁極端面との成す角度が可変の可動磁極を備えている請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン注入装置。
  10. 前記質量分離マグネットは、前記主磁極の入口および出口の少なくとも一方に、半円柱状をしていて前記イオンビームの進行方向に垂直な線と磁極端面との成す角度が可変の可動磁極を備えている請求項６ないし８のいずれかに記載のイオン注入装置。
  11. 前記可動磁極を回転させて前記角度を変化させる可動磁極駆動装置を備えている請求項９または１０記載のイオン注入装置。
  12. 前記分離スリットの下流側にあって、前記シート状のイオンビームのシート面全体を挟んで相対向するように配置されていて、前記シート状のイオンビーム全体をそのシート面に直交する方向に往復走査する一対の走査電極と、
    この一対の走査電極間に振動電圧を印加する走査電源とを更に備えている請求項１ないし１１のいずれかに記載のイオン注入装置。
  13. 前記ホルダ上の基板の上流側または下流側に設けられていて、前記シート状のイオンビームを受けてその幅方向のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタを更に備えている請求項１ないし１２のいずれかに記載のイオン注入装置。
  14. 前記ホルダ上の基板の上流側または下流側に設けられていて、前記シート状のイオンビームを受けてその幅方向のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、 このビームプロファイルモニタによる測定情報に基づいて、前記フィラメント電源を制御して、ビーム電流密度が他よりも低い低電流密度領域がある場合は、当該低電流密度領域に対応する前記フィラメントに流すフィラメント電流を増大させ、逆の場合は逆にして、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う制御装置を備えている請求項１記載のイオン注入装置。
  15. 前記ホルダ上の基板の上流側または下流側に設けられていて、前記シート状のイオンビームを受けてその幅方向のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、 このビームプロファイルモニタによる測定情報に基づいて、前記電界レンズ直流電源を制御して、ビーム電流密度が他よりも低い低電流密度領域がある場合は、当該低電流密度領域に対応する前記電界レンズ中の領域にその隣から電界が向くように、前記低電流密度領域に対応する前記電極対に印加する電圧を下げ、逆の場合は逆にして、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う制御装置を備えている請求項２記載のイオン注入装置。
  16. 前記ホルダ上の基板の上流側または下流側に設けられていて、前記シート状のイオンビームを受けてその幅方向のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、 このビームプロファイルモニタによる測定情報に基づいて、前記磁界レンズ直流電源を制御して、ビーム電流密度が他よりも低い低電流密度領域がある場合は、当該低電流密度領域に対応する前記磁界レンズ中の領域にその隣から向かうローレンツ力が増大するように、前記低電流密度領域に対応する領域付近の前記磁極対の励磁コイルに流す電流を調整し、逆の場合は逆にして、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向におけるビーム電流密度分布を均一化する制御を行う制御装置を備えている請求項４記載のイオン注入装置。
  17. 前記ホルダ上の基板の上流側または下流側に設けられていて、前記シート状のイオンビームを受けてその幅方向のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、 このビームプロファイルモニタによる測定情報に基づいて、前記副磁極駆動装置を制御して、ビーム電流密度分布が所定の目標値よりも発散している場合は、前記質量分離マグネットから導出されるイオンビームをそのシート面に平行な面内において集束させる方向に、前記間隔が可変の副磁極の間隔を変え、逆の場合は逆にして、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向における平行性を高める制御を行う制御装置を備えている請求項８記載のイオン注入装置。
  18. 前記ホルダ上の基板の上流側または下流側に設けられていて、前記シート状のイオンビームを受けてその幅方向のビーム電流密度分布を測定するビームプロファイルモニタと、 このビームプロファイルモニタによる測定情報に基づいて、前記可動磁極駆動装置を制御して、ビーム電流密度分布が所定の目標値よりも発散している場合は、前記質量分離マグネットから導出されるイオンビームをそのシート面に平行な面内において集束させる方向に前記可動磁極を回転させ、逆の場合は逆にして、基板に入射するシート状のイオンビームの幅方向における平行性を高める制御を行う制御装置を備えている請求項１１記載のイオン注入装置。
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