JP2006147244A

JP2006147244A - イオン注入装置

Info

Publication number: JP2006147244A
Application number: JP2004333358A
Authority: JP
Inventors: Seiji Ogata; 誠司小方; Masayuki Sekiguchi; 雅行関口; Yuzo Sakurada; 勇蔵桜田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】基板に入射する際のイオンビームの平行度測定が可能で平行度の調整が容易なイオン注入装置を提供する。
【解決手段】イオン注入装置において、走査器により走査されたイオンビームの空間分布を測定するイオンビーム分布測定装置３０と、このイオンビーム分布測定装置３０の上流側前面に配置され、イオンビーム分布測定装置３０の前面から取り外し可能で、かつ、複数の開口２２を有する遮蔽板２０と、この遮蔽板２０の複数の開口２２を透過したイオンビームの空間分布を測定することにより、当該複数の領域でのイオンビームの平行度を検出する電気回路等の平行度検出機能とを有し、基板に入射するイオンビームの平行度を測定する平行度測定装置１０を備えた構成とした。
また、平行化電磁石の一方の縦ヨークに、平行化電磁石の主励磁コイルとは独立に励磁電流の調整が可能な補助コイルを取り付けると、平行度の調整が容易になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン注入装置に係り、特に、基板に入射する際のイオンビームの平行度が測定できるイオン注入装置、及び、イオンビームの平行度調整が容易なイオン注入装置に関する。

イオン源からのイオンを所望のエネルギーに加速又は減速し、半導体等の固体表面に注入する種々のタイプのイオン注入装置が実用に供されている（特許文献１参照）。
以下、従来のイオン注入装置の具体例として、非特許文献１記載のものについて、図５を用いて説明する。
図５は、従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

イオン注入装置１００の主要構成は、図５に示すように、イオン源１１０、質量分離器１２０、質量分離スリット１３０、加減速管１４０、四重極レンズ１５０、走査器１６０、平行化装置１７０、イオンビーム分布測定装置１９０である。
なお、同図中、１８０は、図示しないエンドステーションに配置されたイオンを注入するターゲットとなる基板である。
また、ＢＭは、中心軸（以下、「光軸」ともいう）を中心に進行するイオンであるが、以下、「イオンビーム」又は「ビーム」という場合がある。

以下、イオン注入装置１００の上記各主要構成について、順次、補足説明する。
先ず、イオン源１１０は、原子や分子から電子を剥ぎ取ってイオンを生成する装置であり、図示しない引き出し口に高電圧を印加して、イオン源１１０内のイオンを引き出す。

質量分離器１２０は、イオンや電子等の荷電粒子が磁場又は電場中で偏向される性質を利用して、磁場、或いは、電場、又は、その双方を発生して、基板１８０に注入したいイオン種を特定するための装置である。
図５では、磁場の作用によりイオンＢＭを選定するタイプの質量分離器１２０で図示されている。

加減速管１４０は、質量分離スリット１３０を通過した所望のイオン種を加速又は減速する装置であるが、図５に示すように、通常は軸対象で、複数の電極を等間隔に並べ、それらの電極に等しい高電圧を印加して、静電界の作用により、イオンビームＢＭを所望の注入エネルギーに加速又は減速する。

四重極レンズ１５０は、イオンビームＢＭの基板１８０上でのビームスポット形状を調整するために、図５に示すように、加減速管１４０と走査器１６０との間に設置される場合が多い。
四重極レンズ１５０は、光学上の凸レンズが光を収束するのと同様に、イオンビームＢＭがその進行方向に対して垂直な平面において収束させる機能を有する。

走査器１６０は、イオンビームＢＭの進行方向と直交する方向に一様な外部電界を発生させ、この電界の極性や強度を変化させることにより、イオンの偏向角度を制御し、図５に示すように、基板１８０の注入面の所望の位置にイオンＢＭを走査し、均一に注入する。
図５に示すものでは、１ｋＨｚ程度の高速で走査されている。

以下、所望のイオン種を注入したい基板１７０の注入面を含む平面を「走査面」といい、また、イオンビームＢの「走査方向」とは、走査器１６０によりイオンビームが偏向される方向をいうものとする。

平行化装置１７０は、荷電粒子であるイオンＢＭが磁場中で偏向される性質を利用して、イオンビームＢＭを構成する各イオンの経路の違いによって、ビームの広がりを抑えて、ビームＢＭを基板１８０に平行に入射させる電磁石である。
従って、以下、「平行化装置」を「平行化電磁石」という場合がある。

次に、この平行化装置１７０の基本動作を説明する。
一般に、図５に示す平行化電磁石１７０のような扇形電磁石は、イオンビームＢＭを収束させる収束レンズ作用を持つ。
そこで、扇形電磁石である平行化装置１７０の焦点位置が、走査器１６０の偏向中心に一致するように配置することにより、平行化装置１７０を通過したイオンビームは走査器１６０での走査角度に依存せずに一定の角度になる。
従って、走査器１６０の下流側に平行化装置１７０を、上記した位置関係となるように配置することにより、イオンビームＢＭをスキャンさせても、平行に基板１８０に注入することができる。

図５に示すように、基板１８０の下流側にはイオンビームＢＭの走査面における空間分布を測定するためのイオンビーム分布測定装置１９０を設置する場合がある。
従来のイオンビーム分布測定装置１９０は非特許文献２に記載されているが、図５に示すように、複数の小さなファラデーカップ１９２が所定幅の間隙を隔てて、ビームの走査方向に多数並んだ構造となっている。

従来のイオンビーム分布測定装置１９０によりイオンビームＢＭの空間分布を測定する場合は、基板１８０を、機械的にイオンビームＢＭの照射面から外し、走査器１６０により走査されたイオンビームＢＭを、イオンビーム分布測定装置１９０の全面に照射し、この状態でイオンビームＢＭの空間分布を測定する。
通常は、基板１８０にイオン注入を行う前に、イオンビームＢＭの空間分布を予め測定し、この分布ができるだけ一様になるように走査器１６０での走査波形を調整する。

ここで言う走査波形の調整とは、例えば、イオンビームＢＭのドーズ量の分布が、ある領域で平均より５％多いとすると、その領域に対応する走査角度での走査速度が５％速くなるように、走査器１６０に印加する外部電界の波形を制御することである。

以上の構成において、次に、従来のイオン注入装置１００の基本動作を図５を用いて説明する。
従来のイオン注入装置１００では、基板１８０のイオンビームＢＭの注入面全面に渡って一様な密度で所定のイオン種を所定のエネルギーでイオン注入を行うために、イオン源１１０から３０ｋｅＶ程度のエネルギーで引き出されたイオンビームＢＭは、質量分離器１２０で偏向され、質量分離スリット１３０で所定のイオン種のみが選別される。

選別されたイオンビームＢＭは加減速管１４０で、１０乃至５００ｋｅＶの所定のエネルギーに加速又は減速され、上述したように、外部電界を走査器１６０に印加し、この電界の極性や強度を変化させることにより、イオンＢＭの光軸に直交する一つの面内（通常は水平面内）で、±数°程度の角度で、イオンＢＭを走査し、更に、平行化装置１７０により平行化された後に、基板１８０の機械的な走査と組み合わせ、基板１８０の注入面上に走査される。
なお、上記では、外部電界によりイオンビームＢＭをスキャンする静電タイプの走査器１６０を取り上げたが、走査器１６０には静電タイプの代わりに磁気タイプのものが用いられる場合がある。

イオンＢＭが固体中に入り込む深さは、イオンＢＭのエネルギーで正確に制御できるので、例えば、イオン注入装置１００の立ち上げ時等で、イオンビームのドーズ量分布をモニタリングすることにより、基板１８０の注入面にイオンビームＢＭを走査することにより所望のイオン種の均一なイオン注入処理が容易に行える。

特開平８−２１３３３９号 T.Nishihashi et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)150- T.Hisamune et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)411-

ところで、半導体デバイスの微細化に伴い、イオン注入装置においても、基板に注入されるイオンビームの平行度に対する要求がますます厳しくなっている。
具体的には、基板全面に渡って±０．１°程度の平行度を維持することが望ましい。

一方、平行化電磁石のような電磁石の磁場分布の形状は、電磁石を構成する磁極の形状とは若干異なるが、このことを図５を用いて補足説明する。
平行化電磁石１７０のような電磁石のイオンビームＢＭの軸方向の磁場分布は、イオンビームＢＭの入射側磁極端面１７０ａで急に設計磁場強度に立ち上がり、出射側磁極端面１７０ｂで、急に０に立ち下がるのではなく、磁極端面１７０ａ、１７０ｂ近傍内側からなだらかに設計値から０に収束するテール状の漏洩磁場を持つ形状である。

また、一般に、電磁石の磁極やヨークを構成する純鉄などの磁性材料の透磁率が、特に、磁気飽和を起こす近傍で非線形特性を持つために、磁場の強さによっても上記した磁場分布の形状が若干異なる場合もある。

以下、平行化電磁石の磁場分布形状が、磁極の形状とは若干異なることや、磁場の強さによって若干異なることによる問題点を、図６を用いて具体的に説明する。
図６は、従来のイオン注入装置１００において、平行化装置１７０を通過したイオンビームＢＭが平行でなくなってしまう問題を説明するための、平行化電磁石１７０近傍の平面図である。

一般に、イオンビームＢＭの注入エネルギーと、電磁石における旋回半径と、そのときの電磁石の磁束密度Ｂの関係は、次式（１）で与えられる。

ここで、Ｒは、電磁石でのイオンビームＢＭの旋回半径、ｅはイオンの電荷、φはイオンの持つ静電ポテンシャル、ｍはイオンの質量である。
なお、イオンの注入エネルギーはｅφで与えられる。

従って、イオン種や注入エネルギーの異なるイオンビームＢＭを設計されたビームライン上を進行させるためには、平行化電磁石１７０中のイオンビームＢＭの旋回半径Ｒを一定に保持しなければならない。
このためには、イオンの種類や注入エネルギーに対応して、平行化電磁石１７０の磁場の強度を変化させる必要がある。

このような理由により、イオン種や注入エネルギーによって平行化電磁石１７０の実効的な磁場端面が設計値と若干異なり、走査器１６０の偏向中心と平行化装置１７０の焦点が設計値と若干ずれる可能性がある。
この結果、従来のイオン注入装置１００では、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームＢＭの角度が走査角度によって若干異なり、基板１８０上の位置によって注入角度が変化してしまうという問題があった。

ここで、上記した「有効端面」について補足説明をする。
上述したように、電磁石は磁極端面で漏洩磁場を持つが、ビームラインの設計段階では、この漏洩磁場の形状を考慮して補正した実効的な磁場の端面を算出して、電磁石の磁場は、入射側有効端面から設計磁場強度に立ち上がり、出射側有効端面で０に立ち下がり、有効端面間では一様磁場であるという矩形の等価の磁場形状に近似する。
こうすると、一様磁場中では、荷電粒子は円軌道又は円弧軌道を描くことは良く知られているので、イオンビームＢＭの電磁石入出射前後の軌道は、電磁石中の一様磁場に入射するまでは直線になり、電磁石中では、上述したように旋回半径Ｒの円弧となり、イオンビームＢＭの軌道解析が非常に簡単になる。

ところで、上記したように、従来のイオン注入装置１００では、平行化装置１７０を通過した後のイオンビームＢＭの角度が走査角度によってよって若干異なり、基板１８０上の位置によって注入角度が変化してしまうという問題がある。
この平行化装置１７０の有効端面が設計値と異なってしまうことによって、平行化装置１７０を通過したイオンビームが平行でなくなってしまう従来装置１００の問題を図６を用いて説明する。

図６に示すように、平行化装置１７０において、イオンビームＢＭの入射側の有効端面の設計値をＡ１、出射側の有効端面の設計値をＢ１とする。
一方、入射側の実際の有効端面をＡ２、出射側の実際の有効端面をＢ２とし、走査器１６０における偏向中心をＣとする。

なお、以下、平行化電磁石１７０の作る磁場は、上記した通り、設計値では、入射側の有効端面Ａ１から設計磁場強度に立ち上がり、出射側の有効端面Ｂ１から０に立ち下がり、入射側の有効端面Ａ１から出射側の有効端面Ｂ１の間は設計された一様磁場であるという近似を行う。
また、実際上の有効端面Ａ２、Ｂ２における磁場についても同様の近似を行う。

このようにすると、入射側の有効端面Ａ１から出射側の有効端面Ｂ１までは、イオンビームＢＭは円弧軌道を描くと見なすことができるので、平行化電磁石１７０が作るイオンビームＢＭの軌道は、設計上では、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ３のようになり、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ４のようになるはずである。

しかし、有効端面が、上述した理由などにより、有効端面Ａ２、Ｂ２のように変化した場合、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ５のようになり、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ６のようになる。
即ち、従来のイオン注入装置１００では、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームＢＭの平行度が、走査器１６０による走査角度に依存して変化してしまうことが示される。

ところで、平行化電磁石１７０の入射部及び出射部の端面１７０ａ、１７０ｂは、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭに対して斜めの角度を持たせたり曲線としたりする（図５では斜め入出射）。
しかし、ここでは、以下、具体的には数値を検討するに当たり、簡単のために平行化電磁石１７０の入射部及び出射部の端面１７０ａ、１７０ｂは、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭに対して垂直であるとし、かつ、線形光学理論で考える。

平行化電磁石１７０における基板１８０の中央に到達させるイオンビームの偏向角をθ、イオンビームの旋回半径をＲ、走査器１６０の偏向中心Ｃと平行化電磁石１７０の有効端面Ａ１までの距離をＬとし、走査器１６０を通過後のイオンビームが基板１８０中央に到達させるイオンビームＢＭとなす角をδ１とすると、平行化電磁石１７０を通過後のイオンビームＢＭが基板１８０の中央に到達させるイオンビームとなす角δ２は、次式（２）で与えられる。

従って、例えば、平行化電磁石１７０の偏向角θを６０°、旋回半径Ｒを０．８ｍとすると、走査器１６０の偏向中心Ｃと有効端面Ａ１との距離Ｌが、０．４６１ｍであるとすれば、平行化電磁石１７０を通過後の角度δ２は、走査器１６０を通過後の角度δ２に依存せずに常に０°である。

しかし、有効端面Ａ２、Ｂ２が入射側および出射側でそれぞれΔＬ＝２０ｍｍ広がったとする。
この場合、平行化電磁石１７０での基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの偏向角θが設計値と一致するためには、平行化電磁石１７０での旋回半径Ｒ´は、

Ｒ´＝Ｒ＋２ΔＬ／θ ・・・（３）

とする必要があるため、Ｒ´＝０．８３８ｍとなる。

また、偏向中心と有効端面との距離は、
Ｌ´＝Ｌ−ΔＬ
となるため、Ｌ´＝０．４４１ｍとなる。
この結果、走査器１６０を通過後の角度が５°のイオンビームは、平行化電磁石１７０を通過後の角度が０．２°となってしまい、上記した平行度に対する要求の上限を超えてしまう。

このように、従来のイオン注入装置１００では、平行化電磁石１７０の実際の有効端面Ａ２、Ｂ２が、設計値の有効端面Ａ１、Ｂ１と異なるなどの理由で、基板１８０に入射するイオンビームの角度が基板１８０上の位置によって変化してしまうという問題があった。

また、従来のイオン注入装置１００では、イオンビームＢＭが、基板１８０に入射する角度が基板１８０上の異なった位置において微妙にずれてしまうことを測定する手段がなかった。

本発明は、上記従来の課題を解決し、基板に入射する際のイオンビームの平行度が測定できるイオン注入装置、及び、基板に入射する際のイオンビームの平行度調整が容易なイオン注入装置を提供することを目的とする。

本発明のイオン注入装置は、請求項１に記載のものでは、イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、前記イオンを走査器により走査し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して半導体ウェーハ等の基板の注入面に注入するイオン注入装置において、前記走査器により走査されたイオンビームの空間分布を測定するイオンビーム分布測定装置と、このイオンビーム分布測定装置の上流側前面に配置され、前記イオンビーム分布測定装置前面から取り外し可能で、かつ、複数の開口を有する遮蔽板と、この遮蔽板の複数の開口を透過したイオンビームの空間分布を測定することにより、当該複数の領域でのイオンビームの平行度を検出する電気回路等の平行度検出機能とを有し、前記基板に入射するイオンビームの平行度を測定する平行度測定装置を備えた構成とした。

請求項２に記載のイオン注入装置は、イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、前記イオンを走査器により走査し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して半導体ウェーハ等の基板の注入面に注入するイオン注入装置において、前記平行化電磁石の内側磁極内の磁束密度及び／又は外側磁極内の磁束密度を調整可能とする磁極内磁束密度制御機構を有し、前記平行化電磁石の磁極間磁場強度分布が調整可能である構成とした。

請求項３に記載のイオン注入装置は、前記平行化電磁石の内側磁極内の磁束密度及び／又は外側磁極内の磁束密度を調整可能とする磁極内磁束密度制御機構は、前記平行化電磁石の一方又は双方の縦ヨークに設けられると共に、前記平行化電磁石の主励磁コイルとは独立に励磁電流の調整が可能である補助コイルである構成とした。

請求項４に記載のイオン注入装置は、請求項１に記載の平行度測定装置及び請求項３記載の補助コイルとを具備したイオン注入装置において、前記平行度測定装置により測定されたイオンビームの平行度を測定し、この測定値により平行度のずれを算出し、このずれを補正する電流を前記補助コイルに流す補助コイル用電流制御機能を備え、イオンビームの平行度が所望の設定値以内に制御できるように構成した。

請求項５に記載のイオン注入装置は、請求項１に記載の平行度測定装置及び請求項３記載の補助コイルとを具備したイオン注入装置において、前記平行度測定装置により測定されたイオンビームの平行度を測定し、この測定値より平行度のずれを算出し、このずれが漸次縮小するように前記補助コイルに流す電流量を調整する補助コイル用負帰還電流制御機能を備え、イオンビームの平行度が所望の設定値以内に制御できるように構成した。

本発明のイオン注入装置は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、従来のイオン注入装置では、イオンビームが、基板に入射する角度が基板上の異なった位置において微妙にずれてしまうことを測定する手段がなかったが、平行度を測定することによりそのずれを検出でき、そのずれを補正する迅速な対応が可能となる。

（２）請求項２に記載したように構成すると、平行化電磁石において磁場の有効端面が種々の要件で変化した場合でも、イオンビームが基板に入射する際の平行度のずれを補正することができる。

（３）請求項３に記載したように構成すると、簡単な構成の磁極内磁束密度制御機構により、平行化電磁石において磁場の有効端面が種々の要件で変化した場合でも、イオンビームが基板に入射する際の平行度のずれを補正することができる。

（４）請求項４に記載したように構成すると、平行化電磁石において磁場の有効端面が種々の要件で変化した場合でも、イオンビームが基板に入射する際の平行度を常時所望の設定値以内に制御できる。

（５）請求項５に記載したように構成すると、平行化電磁石において磁場の有効端面が種々の要件で変化した場合でも、イオンビームが基板に入射する際の平行度を常時所望の設定値以内に制御できる。

本発明のイオン注入装置の第１乃び第２の各実施の形態について、図１乃至図４を用いて、順次説明する。
第１の実施の形態：
先ず、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態について、図１及び図２を用い、図５を参照して説明する。

図１は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いるイオンビームの平行度測定装置の主要構成を示す斜視図である。
図２は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いるイオンビームの平行度測定装置の基本動作を説明するための平面図である。

先ず、本実施の形態のイオン注入装置の基本構成について説明する。
本実施の形態のイオン注入装置のの特徴は、図５に示す従来のイオン注入装置１００において、イオンビームＢＭの平行度測定装置１０を平行化電磁石１７０のビームラインの下流側に配置した点にある。
従って、以下、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行度測定装置１０を中心に説明し、それ以外の各構成については、図５に示す従来のイオン注入装置１００と同一の構成であり、その説明については割愛するものとする。

先ず、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行度測定装置１０の基本構成について説明する。
本実施の形態の平行度測定装置１０は、図１に示すように、イオンビーム分布測定装置３０とこのイオンビーム分布測定装置３０の上流側前面に配置される遮蔽板２０である。

イオンビーム分布測定装置３０は、図５に示すもの同様に、小さいファラデーカップ３２を多数配置して構成される。
また、遮蔽板２０は、図１の矢印に示すように、イオンビーム分布測定装置３０の前面から取り外し可能で、複数（図示のものは３）の開口２２を有している。

図示は省略するが、本実施の形態のイオンビームＢＭの平行度測定装置１０は、遮蔽板２０の複数の開口２２を透過したイオンビームＢＭの空間分布を測定することにより、複数の領域でのイオンビームＢＭの平行度を検出する電気回路を有している。

次に、本実施の形態のイオン注入装置の平行度測定装置１０の基本動作について、図１及び図２を用いて説明する。
先ず、本実施の形態のイオン注入装置の平行度測定装置１０において、平行度を測定する原理について説明する。
図１に示すように、先ず、多数のファラデーカップ３２からなるイオンビーム分布測定装置３０の前面に機械的にイオンビームの照射面に挿入できると共に、複数の開口２２を持つ遮蔽板２０を配置する。

基板１８０がイオンビームＢＭの照射面から外れている状態では、イオンビームＢＭはイオンビーム分布測定装置３０の全面に走査されている。
この状態で、上記したように遮蔽板２０を平行化電磁石１７０（図５参照）とイオンビーム分布測定装置３０の間で、イオンビーム分布測定装置３０の前面に配置すると、図２に示すような遮蔽板２０の開口２２を透過したイオンビームＢＭの強度分布Ｓが得られる。
ここで、イオンビームＢＭの強度分布ＳのピークＰを平行度測定装置１０の電気回路により電気的に検出し、それぞれの遮蔽板２０の開口２２と得られた分布ＳのピークＰ位置との幾何学的な関係から、それぞれの開口２２を通過したイオンビームＢＭが、基準軸Ｊとなす角度δθ（即ち、平行度）が測定できる。

上述したように、従来のイオン注入装置１００では、イオンビームＢＭが、基板１８０に入射する角度が基板１８０上の異なった位置において微妙にずれてしまうことを測定する手段がなかったが、本実施の形態のイオン注入装置のイオンビームＢＭの平行度測定装置１０によれば、平行度δθを測定することによりそのずれを検出でき、後述するように、そのずれを補正する迅速な対応が可能となる。

第２の実施の形態：
次に、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態について、図３及び図４を用い、図５を参照して説明する。
図３は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる平行化電磁石の主要構成を示す断面図である。
図４は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための平面図である。

先ず、本実施の形態のイオン注入装置の基本構成について説明する。
本実施の形態のイオン注入装置の特徴は、第１の実施の形態のイオン注入装置において、平行化電磁石１７０を改良した点にある。
従って、以下、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行化電磁石４０を中心に説明し、それ以外の各構成については、第１の実施の形態の同一の構成であり、その説明については割愛するものとする。

先ず、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行化電磁石４０の基本構成について図３を用いて説明する。
この平行化電磁石４０の基本構成は、従来の平行化電磁石１７０同様に、主励磁コイル４２、磁極６６及び６８、ヨーク４０ａ及び４０ｂを備えているが、平行化電磁石４０の外側磁極４４Ｂ内の磁束密度を調整可能とする磁極内磁束密度制御機構として、平行化電磁石４０外側磁極６６側の縦ヨーク４０ａに補助コイル５０が設けられている。
また、図３から分かるように、平行化電磁石４０は、磁極間間隙の形状がＨ字型のＨ型電磁石である。
同図において、６０は、真空チャンバーであり、イオンビームＢＭはこの高真空に維持された真空チャンバー６０の中を通過する。

図示は省略するが、この補助コイル５０は、平行化電磁石４０の主励磁コイル４２とは独立に励磁電流を供給する電源が接続されている。
また、第１の実施の形態で示した平行度測定装置１０により測定されたイオンビームＢＭの平行度を測定し、この測定値により平行度のずれを算出し、このずれを補正する電流を補助コイルに流す補助コイル用電流制御機能を備えている。
この補助コイル用電流制御機能には予め平行度のずれとそのずれを補正して、イオンビームＢＭの平行度を所望の設定値以内に制御するために必要な補助コイル５０に流す電流量の関係が記憶されている。

また、図３は、平行化電磁石４０を上流側から眺めた断面図であり、左側が走査器１６０で平行化電磁石４０の外側に偏向されたイオンビームＢＭが通過する領域、即ち、外側磁極６６を表し、右側が内側磁極６８を表すものとする。
なお、図３に示すようなＨ型電磁石４０では、外側磁極６６と内側磁極６８との明確な境界はないが、中心より左側を外側磁極６６、中心より右側を内側磁極６８とするものとする。

次に、本実施の形態のイオン注入装置の基本動作について、図３及び図４を用いて説明する。
先ず、本実施の形態の平行化電磁石４０において、平行度を調整する原理について説明する。
図３に平行化電磁石４０のイオンビームＢＭの光軸に直交する面で、ビームラインの上流から眺めた断面図を示す。
図３において、上述したように、左側が走査器１６０で平行化電磁石４０の外側に偏向されたイオンビームＢＭが通過する領域を表している。

イオンビームＢＭは図面手前側から図面奥側、即ち紙面に垂直に進むとすると、主励磁コイル４２による磁場ｆ１は、真空チャンバー６０の中で上向きである。
説明のため、補助コイル５０は偏向の外側の縦ヨーク４０ａに取り付けた場合で述べるが、内側の縦ヨーク４０ｂに取り付けても良い。

先ず、平行化電磁石４０において、実際の有効端面Ａ２、Ｂ２が設計上の有効端面Ａ１、Ｂ１（図６参照）より外側にずれた場合を考える。
図４に示したように、走査器１６０で平行化電磁石４０の外側に走査されたイオンビームＢＭは外側に、平行化電磁石４０の内側に走査されたイオンビームＢＭは内側に角度を持って出射する。
この場合は、補助コイル５０に真空チャンバー６０の内部で上向きの磁場が発生するような向きに、補助コイル用電流制御機能によって算出された量の電流を流す。
補助コイル５０によって発生された磁束ｆ２は、補助コイル５０に近い方に寄って発生するため、外側寄りの磁場は内側寄りの磁場よりも強くなる。

この状態で基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの旋回半径が設計値に等しくなるように主励磁コイル４２に流す電流を若干弱くすると、平行化電磁石４０の外側を通過するイオンビームＢＭの旋回半径は若干小さくなり、内側を通過するイオンビームＢＭの旋回半径は若干大きくなる。
この結果、平行化電磁石４０の外側を通過するイオンビームＢＭと内側を通過するイオンビームＢＭが同じ角度となり、基板１８０の位置に関わらず一定の角度でのイオン注入ができるようになる。

次に、当該原理を図４を用いて検証する。
図４に、走査器１６０で、平行化電磁石４０の外側に偏向されたイオンビームＢＭの調整前の軌道を実線Ｋ１で、調整後の軌道を破線Ｋ２で示す。
外側に偏向されたイオンビームＢＭの平行化電磁石４０における旋回半径Ｒ″が調整前の旋回半径Ｒ´より若干小さくなり外側に開いていたイオンビームＢＭの軌道が設計通りに基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭと平行になるように修正されていることが分かる。

一方、平行化電磁石４０の有効端部Ａ２、Ｂ２が設計値より内側にずれた場合は、補助コイル５０に逆向きに電流を流せばよい。
また、イオンビーム分布測定装置３０でのピークＰの位置の基準位置からのずれと補助コイル５０の電流量との比例関係を上記した補助コイル用電流制御機能に予め設定しないでも、イオンビーム分布測定装置３０でのピークＰの位置の基準位置からのずれが小さくなるように、補助コイル５０に流す電流を負帰還制御しても良い。

上述したように、本実施の形態のイオン注入装置の平行度測定装置１０は、従来のものとは相違して、イオンビームＢＭの平行度を容易に調整することができる。

本発明のイオン注入装置は、上記各実施の形態には限定されず、種々の変更が可能である。
先ず、上記第２の実施の形態としては、補助コイルを平行化電磁石の縦ヨークに取り付けたもので説明したが、本発明の特徴は、平行化電磁石の内側磁極内の磁束密度及び／又は外側磁極内の磁束密度を調整し、平行化電磁石の径方向の磁極間磁場強度分布が調整可能としていることである。
従って、補助コイルの取付位置を変更したものや、他の手段によって磁束密度の強度分布を調整するものは、本発明に含まれるのは勿論のことである。

また、図５に示した構成のイオン注入装置の例で説明したが、必ずしもこの従来例にのみ適用できるのではなく、走査器及び平行度測定装置を備えたイオン注入装置全般に本発明が適用できるのは言うまでもないことである。

本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行度測定装置の主要構成を示す断面図である。本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行度測定装置の基本動作を説明するための断面図である。本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる平行化電磁石の主要構成を示す断面図である。本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための平面図である。従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。従来のイオン注入装置において、平行化装置を通過したイオンビームが平行でなくなってしまう問題を説明するための、平行化電磁石近傍の平面図である。

符号の説明

１０：平行度測定装置
２０：遮蔽板
２２：開口
３０：イオンビーム分布測定装置（ファラデーカップ）
４０：平行化電磁石
４２：主励磁コイル
４０ａ、４０ｂ：平行化電磁石の縦ヨーク
５０：補助コイル
６６：外側磁極
６８：内側磁極
１００：イオン注入装置
１２０：質量分離器
１４０：加減速管
１６０：走査器
１８０：基板
ＢＭ：イオンビーム

Claims

イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、前記イオンを走査器により走査し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して半導体ウェーハ等の基板の注入面に注入するイオン注入装置において、
前記走査器により走査されたイオンビームの空間分布を測定するイオンビーム分布測定装置と、このイオンビーム分布測定装置の上流側前面に配置され、前記イオンビーム分布測定装置前面から取り外し可能で、かつ、複数の開口を有する遮蔽板と、この遮蔽板の複数の開口を透過したイオンビームの空間分布を測定することにより、当該複数の領域でのイオンビームの平行度を検出する電気回路等の平行度検出機能とを有し、前記基板に入射するイオンビームの平行度を測定する平行度測定装置を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、前記イオンを走査器により走査し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して半導体ウェーハ等の基板の注入面に注入するイオン注入装置において、
前記平行化電磁石の内側磁極内の磁束密度及び／又は外側磁極内の磁束密度を調整可能とする磁極内磁束密度制御機構を有し、前記平行化電磁石の磁極間磁場強度分布が調整可能であることを特徴とするイオン注入装置。
前記平行化電磁石の内側磁極内の磁束密度及び／又は外側磁極内の磁束密度を調整可能とする磁極内磁束密度制御機構は、
前記平行化電磁石の一方又は双方の縦ヨークに設けられると共に、前記平行化電磁石の主励磁コイルとは独立に励磁電流の調整が可能である補助コイルであることを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
請求項１に記載の平行度測定装置及び請求項３記載の補助コイルとを具備したイオン注入装置において、
前記平行度測定装置により測定されたイオンビームの平行度を測定し、この測定値により平行度のずれを算出し、このずれを補正する電流を前記補助コイルに流す補助コイル用電流制御機能を備え、イオンビームの平行度が所望の設定値以内に制御できるようにしたことを特徴とするイオン注入装置。
請求項１に記載の平行度測定装置及び請求項３記載の補助コイルとを具備したイオン注入装置において、
前記平行度測定装置により測定されたイオンビームの平行度を測定し、この測定値より平行度のずれを算出し、このずれが漸次縮小するように前記補助コイルに流す電流量を調整する補助コイル用負帰還電流制御機能を備え、イオンビームの平行度が所望の設定値以内に制御できるようにしたことを特徴とするイオン注入装置。