JP2006324051A - 荷電粒子ビーム照射方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転体を回転させながら各被照射物に荷電粒子ビームを照射する装置または方法において、被照射物の角度可変機構を設けることなく、各被照射物中における荷電粒子の飛程の分布を均一化する。
【解決手段】 この荷電粒子ビーム照射装置は、回転体６上の被照射物４に入射する荷電粒子ビーム２のエネルギーを変化させる電圧可変電源２０、２８を備えている。更に、電圧可変電源２０または２８を制御するものであって、回転体６の回転に伴う荷電粒子ビーム２の入射角度の変化に同期させて、各被照射物４に入射する荷電粒子ビーム２のエネルギーを変化させて、各被照射物４中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布を均一化するエネルギー制御器３２を備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、回転体に複数の被照射物を配置して回転体を回転させながら各被照射物に、イオンビーム、電子ビーム等の荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射方法および荷電粒子ビーム照射装置に関する。この方法および装置は、荷電粒子ビームとしてイオンビームを使用する場合は、イオンビーム照射方法およびイオンビーム照射装置と呼ぶことができる。また、イオンビームを使用して被照射物にイオン注入を行う場合は、イオン注入方法およびイオン注入装置と呼ぶことができる。この技術は、後でも述べているように、例えば、半導体デバイスの製造、半導体デバイスを製造する元になるシリコン基板およびＳＯＩ基板の製造等の分野に利用することができる。

上記分野で使用されている荷電粒子ビーム照射装置の例として、大電流イオン注入装置がある。この装置では、荷電粒子として、水素イオンまたはそれよりも重い重イオン（例えばヘリウムイオン、アルゴンイオン等）を用い、そのビーム電流値は例えば１０ｍＡを超し、そのビームエネルギーは例えば１０ｋｅＶを超すので、被照射物（例えばシリコン基板）は、ビーム照射による加熱と、その結果として生じる変質を防ぐために、回転体（例えば回転ディスクまたは回転円筒）に保持して高速回転させつつ、荷電粒子ビームの照射を受けるよう構成されている。回転体には、通常は複数の被照射物が保持される。

各被照射物は、回転体の高速回転時の遠心力を利用して回転体に押し付けて保持するために、かつ遠心力で被照射物が飛び出すのを防ぐために、回転体の回転軸に直交する方向に対して斜めに交差させて配置されている。

図１２は、回転体６として回転ディスクを用いた場合の従来の荷電粒子ビーム照射装置の一例を示す。なお、各被照射物４は、この例では円形をしており、従って図１２（Ｂ）では実際は楕円形に図示されるべきであるが、ここでは図示を簡略化して円形で図示している（図８においても同様）。

回転体６は、その周縁部が内側に傾斜しており、回転軸８を中心にして例えばＱ方向に高速回転する。この回転体６に、複数の被照射物４を、回転軸８を中心とする円周方向に並べると共に、回転軸８に直交する線９に交差させて（例えば斜めに傾けて）配置して、回転体６を回転させながら各被照射物４に荷電粒子ビーム２（例えばイオンビーム）を照射するよう構成されている。仮に線９と平行に被照射物４を配置すると、遠心力で被照射物４は飛び出してしまう。

荷電粒子ビーム２は、この例では断面がスポット状をしているので、各被照射物４の全面に荷電粒子ビーム２を照射するために、回転体６は、図示しない機械走査機構によって、矢印Ｘに示すように、被照射物４の回転方向と交差する方向（例えば実質的に直交する方向）に機械的に走査される。

このような回転ディスクを用いたイオン注入装置の一例が、特許文献１に記載されている。

図１３は、回転体６として回転円筒を用いた従来の荷電粒子ビーム照射装置の一例を示す。回転ディスクを回転円筒にした以外は、図１２の例とほぼ同様であるが、線９に対する各被照射物４の交差角度が大きいので、この例の方が被照射物４の保持により大きな遠心力を利用することができる。

特開２００４−２２７９５８号公報

上記従来の荷電粒子ビーム照射装置においては、回転体６が回転すると、その回転に伴い、各被照射物４に対する荷電粒子ビーム２の入射角度が逐次変化する。これを図１４を参照して説明する。

この明細書においては、被照射物４の表面に立てた垂線５と荷電粒子ビーム２との成す角度であって、被照射物４の矢印Ｑに示す回転の前後方向における角度を入射角度θとしている。図１４（Ａ）に示すように、被照射物４の回転方向前端の位置ａでの入射角度θは最大となり、同（Ｂ）に示すように被照射物４の回転方向の中央の位置ｂでは入射角度θは０度となり、同（Ｃ）に示すように被照射物４の回転方向後端の位置ｃでは入射角度θは負の最大となる。即ち、中央の位置ｂ以外では入射角度θの絶対値は０度よりも大きくなる。これは、各被照射物４が、ある回転半径上を回転しているからであり、程度の差はあれ、図１２の例も図１３の例も同様の現象が生じる。

入射角度θの変化は、図１５に示す例のように、被照射物４中の荷電粒子（例えばイオン）の飛程に差を生じさせ、当該飛程のビーム入射面から垂直方向成分Ｒ_P （以下、これを「飛程の垂直方向成分Ｒ_P 」と呼ぶ）の分布Ｐ₁ を不均一にする。これは、簡単に言えば、被照射物４中の荷電粒子の進行距離が同じとすると、入射角度θが大きいほど荷電粒子は斜めに進行して、それが止まる入射表面からの深さは浅くなるので、飛程の垂直方向成分Ｒ_P が小さくなるからである。

上記のように飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布Ｐ₁ が不均一になると、種々の不具合が生じる。例えば、貼り合わせ方法でＳＯＩ基板を製造する場合、上記分布Ｐ₁ を境界にして基板を剥離した後に研磨することになるが、分布Ｐ₁ が不均一であるためにこの研磨が難しくなる。ＳＯＩ基板の製造に限らず、分布Ｐ₁ を境界にして被照射物４を剥離して金属や非金属の薄片を製造する場合にも、薄くて平坦な薄片を得ることが困難になる。

上記飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布の不均一を防ぐために、各被照射物への荷電粒子ビームの入射角度を一定にするように、各被照射物の保持部ひいてはそれに保持された各被照射物の角度を、回転体の回転に同期させてそれぞれ変化させる角度可変機構を設けるという技術が従来から提案されている（上記特許文献１に記載の技術もその一種である）。

しかし、上記のような角度可変機構を設けると、装置の構造が複雑になり、それによって装置のコストが嵩み、動作の信頼性も低下し、かつ機構部から汚染物質が発生して被照射物を汚染しやすくなる。

そこでこの発明は、回転体を回転させながら各被照射物に荷電粒子ビームを照射する装置または方法において、被照射物の角度可変機構を設けることなく、各被照射物中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化することを主たる目的としている。

この発明に係る荷電粒子ビーム照射方法は、回転体に複数の被照射物を、回転体の回転軸を中心とする円周方向に並べると共に当該回転軸に直交する方向に対して交差させて配置して、回転体を回転させながら各被照射物に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射方法において、被照射物の表面に立てた垂線と荷電粒子ビームとの成す角度であって被照射物の回転の前後方向における角度を荷電粒子ビームの入射角度としたとき、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度が０度のときに、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが所定値となり、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度の絶対値が０度よりも大きいときに、当該入射角度の絶対値の大きさに応じて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが前記所定値よりも大きくなるように、回転体の回転に伴う荷電粒子ビームの入射角度の変化に同期させて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームの入射エネルギーを変化させて、各被照射物中における荷電粒子の飛程のビーム入射面から垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化することを特徴としている。

上記荷電粒子ビーム照射方法によれば、被照射物の角度可変機構を設けることなく、各被照射物中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化することができる。

前記荷電粒子ビームの入射エネルギーであって前記入射角度が０度の場合のものからの差を、前記入射角度の２乗に比例させて変化させるのが好ましい。

前記荷電粒子ビームを、前記被照射物の回転方向と交差する方向に走査し、かつ当該走査方向と逆方向に曲げ戻して平行ビーム化しても良い。

前記荷電粒子ビームの走査速度を、前記回転体の回転中心からの距離が大きくなるほど遅くして、各被照射物が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物の面内において均一化するのが好ましい。

前記荷電粒子ビームの走査および曲げ戻しを行う電気信号の大きさを、時間の平方根に比例させて変化させるのが好ましい。

この発明に係る荷電粒子ビーム照射装置は、回転体に複数の被照射物を、回転体の回転軸を中心とする円周方向に並べると共に当該回転軸に直交する方向に対して交差させて配置して、回転体を回転させながら各被照射物に荷電粒子ビームを照射する構成の荷電粒子ビーム照射装置において、前記被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーを変化させるエネルギー変化手段と、前記エネルギー変化手段を制御するものであって、被照射物の表面に立てた垂線と荷電粒子ビームとの成す角度であって被照射物の回転の前後方向における角度を荷電粒子ビームの入射角度としたとき、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度が０度のときに、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが所定値となり、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度の絶対値が０度よりも大きいときに、当該入射角度の絶対値の大きさに応じて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが前記所定値よりも大きくなるように、回転体の回転に伴う荷電粒子ビームの入射角度の変化に同期させて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームの入射エネルギーを変化させて、各被照射物中における荷電粒子の飛程のビーム入射面から垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化するエネルギー制御器とを備えていることを特徴としている。

上記荷電粒子ビーム照射装置によれば、上記エネルギー変化手段とエネルギー制御器とによって、被照射物の角度可変機構を設けることなく、各被照射物中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化することができる。

前記エネルギー制御器は、前記荷電粒子ビームの入射エネルギーであって前記入射角度が０度の場合のものからの差を、前記入射角度の２乗に比例させて変化させる制御を行うものが好ましい。

前記荷電粒子ビームを、前記被照射物の回転方向と交差する方向に走査し、かつ当該走査方向と逆方向に曲げ戻して平行ビーム化するビーム平行走査器を備えていても良い。

前記ビーム平行走査器に前記荷電粒子ビームの走査および曲げ戻しを行う走査電気信号を供給するものであって、前記ビーム平行走査器による前記荷電粒子ビームの走査速度を、前記回転体の回転中心からの距離が大きくなるほど遅くして、各被照射物が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物の面内において均一化する走査電源を備えているのが好ましい。

前記走査電源は、前記走査電気信号の大きさを、時間の平方根に比例させて変化させるものが好ましい。

前記ビーム平行走査器は、２対の磁極を有しており、その一方の対の磁極間で前記荷電粒子ビームの走査を行い、他方の対の磁極間で前記荷電粒子ビームの曲げ戻しを行うよう構成されていても良い。

前記ビーム平行走査器は、２対の電極を有しており、その一方の対の電極間で前記荷電粒子ビームの走査を行い、他方の対の電極間で前記荷電粒子ビームの曲げ戻しを行うよう構成されていても良い。

請求項１および６に記載の発明によれば、被照射物の角度可変機構を設けることなく、各被照射物中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化することができる。その結果、角度可変機構を設ける場合に比べて、装置の構造が簡単になり、それによって装置のコストが安くなり、動作の信頼性も向上し、かつ機構部からの汚染物質による被照射物の汚染を防ぐことができる。

請求項２および７に記載の発明によれば、各被照射物中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布をより正確に均一化することができる、という更なる効果を奏する。

請求項３および８に記載の発明によれば、荷電粒子ビームを平行ビーム化することによって、回転体を機械的に走査することなく、各被照射物の全面に荷電粒子ビームを照射することができると共に、各被照射物に平行性の良い荷電粒子ビームを入射させることができる、という更なる効果を奏する。

請求項４および９に記載の発明によれば、回転体を機械的に走査することなく、各被照射物が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物の面内において均一化することができる、という更なる効果を奏する。

請求項５および１０に記載の発明によれば、各被照射物が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物の面内においてより正確に均一化することができる、という更なる効果を奏する。

図１は、この発明に係る荷電粒子ビーム照射方法を実施する荷電粒子ビーム照射装置の一実施形態を示す概略図である。図１２〜図１５に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。

この荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子源１２から引き出した荷電粒子ビーム２を、質量分離器２２を通して質量分離し、質量分離後の荷電粒子ビーム２を、加減速器２４を通して加速または減速し、中性粒子分離器３０を通して中性粒子を分離（除去）した後、前記回転体６上の各被照射物４に照射して、各被照射物４にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。荷電粒子源１２および質量分離器２２は高電位部２３に設置されている。

なお、荷電粒子源１２から引き出された荷電粒子ビームと、質量分離器２２による質量分離後の荷電粒子ビームとは、その内容が異なるが、即ち前者は不要荷電粒子を含む荷電粒子ビームであり、後者は質量分離された所要荷電粒子ビームであるが、両者の相違は自明であるので、この明細書では両者の符号を区別せずに、いずれも荷電粒子ビーム２として表している。

荷電粒子ビーム２は、例えば、前述したように、イオンビームである。その場合、荷電粒子源１２はイオン源と呼ばれる。このイオンビームを構成するイオンは、例えば、水素イオン、ヘリウムイオン、アルゴンイオン等の不活性ガスイオンも含むが、具体的には、被照射物４に対する処理内容に応じて決めれば良い。

被照射物４は、例えばシリコン基板であるが、シリコン以外の材質でも良い。即ち、被照射物４の材質、大きさ、形状等は、特定のものに限定されない。

荷電粒子源１２は、荷電粒子発生部１４と、そこから荷電粒子ビーム２を引き出す荷電粒子引出し部１６とを有している。荷電粒子引出し部１６は、この例では２枚の電極１６ａおよび１６ｂを有している。荷電粒子発生部１４と電極１６ａとの間には、直流の引出し電源１８から、荷電粒子ビーム２を引き出す引出し電圧Ｖ_E が印加される。更にこの実施形態のように、電極１６ａと１６ｂとの間に、出力電圧が可変の電圧可変電源２０を接続しておいても良い。この電圧可変電源２０は、被照射物４に入射する荷電粒子ビーム２のエネルギーを変化させる、一つのエネルギー変化手段を構成している。

加減速器２４の両端には、直流の加減速電源２６から、荷電粒子ビーム２を加速または減速する加減速電圧Ｖ_A が印加される。図１中の加減速電源２６は、正の荷電粒子ビーム２を加速する場合の向きを示しており、減速する場合はこれとは逆向きに接続される。更にこの実施形態のように、加減速電源２６に直列に、出力電圧が可変の電圧可変電源２８を設けておいても良い。この電圧可変電源２８は、被照射物４に入射する荷電粒子ビーム２のエネルギーを変化させる、もう一つのエネルギー変化手段を構成している。

但し、必ずしも電圧可変電源２０および２８の両者を設ける必要はなく、電圧可変電源２０および２８の少なくとも一方を設けて、それでエネルギー変化手段を構成しておいても良い。例えば、加減速器２４を設けない場合は電圧可変電源２０を設ければ良い。加減速器２４を設ける場合は、電圧可変電源２８を設けて電圧可変電源２０を省略しても良い。

回転体６は、回転装置１０によって、回転軸８を介して、前記のように例えばＱ方向に回転させられる。

回転体６は、図１の例では、図１２に示したのと同様の回転ディスクであるが、図１３に示したような回転円筒でも良い。

荷電粒子ビーム２の断面は、例えばスポット状、長方形等の形状をしており、後述するようなビーム平行走査器４０ａまたは４０ｂを設けない場合は、従来例と同様に、回転体６を、矢印Ｘに示すように、被照射物４の回転方向と交差する方向（例えば実質的に直交する方向）に機械的に走査する機械走査機構を設けておいても良い。それによって、各被照射物４の全面に荷電粒子ビーム２を照射することができる。

電圧可変電源２０および２８の少なくとも一方は、簡単には電圧可変電源２０または２８の一方は、エネルギー制御器３２によって制御されて、それらから出力する出力電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が制御される。

上記制御に供するために、エネルギー制御器３２には、回転装置１０から回転体６の回転速度を表す信号が供給される。またエネルギー制御器３２には、回転体６に配置されている各被照射物４の回転半径および荷電粒子ビーム２の入射位置を表す情報が与えられる。これらの信号、情報を用いて、エネルギー制御器３２は、回転体６上の各被照射物４に対する前述した入射角度θ（図２参照）を求める機能を有している。更に必要に応じて、回転装置１０からエネルギー制御器３２に、回転体６の回転位置の同期信号および回転体６の回転角度を表す信号が供給される。またエネルギー制御器３２に、回転体６上の各被照射物４の寸法、間隔を表す情報が与えられる。エネルギー制御器３２は、これらの信号、情報を更に用いて、上記出力電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ を制御しても良い。

そしてエネルギー制御器３２は、図２をも参照して、各被照射物４に対する荷電粒子ビーム２の入射角度θが０度のときに、各被照射物４に入射する荷電粒子ビーム２のエネルギーが所定値となり、各被照射物４に対する荷電粒子ビーム２の入射角度θの絶対値が０度よりも大きいときに、当該入射角度θの絶対値の大きさに応じて、各被照射物４に入射する荷電粒子ビーム２のエネルギーが前記所定値よりも大きくなるように、回転体６の回転に伴う荷電粒子ビーム２の入射角度θの変化に同期させて、各被照射物４に入射する荷電粒子ビーム２の入射エネルギーを変化させて、各被照射物４中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布を均一化する機能を有している。

例えば、エネルギー制御器３２は、電圧可変電源２８からの出力電圧Ｖ₂ を図３に示す例のように、波状に、より具体的にはこの例では富士山の山型状に変化させる。即ち、出力電圧Ｖ₂ を、入射角度θが０度のときに０になり、入射角度θの絶対値が０度よりも大きいときに０よりも大になり、入射角度θの絶対値が最大のときに最大になるように変化させる。この出力電圧Ｖ₂ は、回転体６の回転速度を一定とすると、一つの被照射物４の一端から他端まで荷電粒子ビーム２が通過する時間を１周期とする波状のものである。この出力電圧Ｖ₂ の波形の決定方法は後で詳述する。図３中の位置ａ〜ｃは、図２中の位置ａ〜ｃにそれぞれ対応している。

上記制御によって、被照射物４の角度可変機構を設けることなく、例えば図４に示す例のように、被照射物４中における荷電粒子（例えばイオン）の飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布Ｐ₂ を均一化することができる。その結果、角度可変機構を設ける場合に比べて、装置の構造が簡単になり、それによって装置のコストが安くなり、動作の信頼性も向上し、かつ機構部からの汚染物質による被照射物４の汚染を防ぐことができる。

なお、出力電圧Ｖ₂ が０のときの荷電粒子ビーム２のエネルギーが前記所定値であって、当該エネルギーの所定値は、この例では前記引出し電圧Ｖ_E および加減速電圧Ｖ_A によって決定される。

図３は、回転体６上に複数の被照射物４が互いの間に間隔をあけずに配置されている場合の例であり、間隔をあけて配置されている場合は、図５に示す例のように、当該間隔に相当する期間Ｔ₂ だけ、各周期Ｔ₁ の波形をずらせば良い。

図３に示した出力電圧Ｖ₂ の波形の決定方法の一例を図６を参照して説明する。

前記回転体６上の各被照射物４の回転半径をＲとして、半径Ｒの円Ｓを描く。この円Ｓの接線をＡＢとする。接線ＡＢに垂直の線で、円Ｓの中心Ｋを通る線をＣＤとする。直線ＣＤが円Ｓの中心Ｋからα度傾いた直線をＥＦとする。このαは、前記入射角度θに相当する。直線ＥＦと円Ｓとの交点をＬとする。直線ＣＤと円Ｓとの交点をＭとする。点Ｌを通り円Ｓの接線をＧＨとする。接線ＧＨと直線ＣＤとの交点をＮとする。点ＭＮ間の距離をｙとすると、次の数１が成立する。

［数１］
ｙ＝ＮＫ−ＭＫ＝Ｒ／ｃｏｓα−Ｒ
＝Ｒ（１−ｃｏｓα）／ｃｏｓα

一方、回転体６の回転速度（回転角速度）をω、時間をｔとすると、α＝ωｔである。このαが微小（α≪１）であると、次の数２が成立し、この数２と上記数１とから次の数３が得られる。

［数２］
ｃｏｓα≒１−α² ／２

［数３］
ｙ＝Ｒ｛１−（１−α² ／２）｝／（１−α² ／２）
≒Ｒ・（α² ／２）・（１＋α² ／２）
≒Ｒα² ／２

荷電粒子ビーム２を構成する荷電粒子の被照射物４中での透過距離ＵとそのエネルギーＥとの関係は、一般的に、エネルギーＥの増大と共に透過距離Ｕが増大する関係にあり、次の数４で表すことができる。ここでｆ（Ｅ）はＥの関数を表す意味である。

［数４］
Ｕ＝ｆ（Ｅ）

上記数３で表される距離ｙは、被照射物４中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分Ｒ_P を一定にするために必要な、角度α（即ち入射角度θ）のときの荷電粒子の被照射物４中での過剰透過距離（飛程の垂直方向成分Ｒ_P ではなくて進む距離）であり、従って数３および数４から次の数５が得られる。これは、荷電粒子ビーム２のエネルギーを変化させる波形を表す式である。

［数５］
ｆ（Ｅ）≒Ｒα² ／２＝Ｒ（ωｔ）² ／２

一方、回転体６に保持される被照射物４の枚数をｋとすると、上記ｆ（Ｅ）で表される関係は、１枚の被照射物４につき２回表れるから、回転体６の１回転当たり２ｋ回表れる。これを、回転体６の回転速度ωで表せば、１秒当たり次の数６の回数表れる。これは、荷電粒子ビーム２のエネルギーを変化させる周期に相当する式である。

［数６］
２ｋω

回転体６の回転速度ωを一定とすれば、ある被照射物４の片端が直線ＣＤ上にあり、その被照射物４の中心線が直線ＥＦ上にあるとすると、回転体６が回転して角度αが最大の＋α₁ から順次減少し、０となり、更に−α₁ に移行すると、＋α₁ から−α₁ までの変化に応じて、荷電粒子ビーム２のエネルギーの関数ｆ（Ｅ）の変化の様子は、当該関数ｆ（Ｅ）がエネルギーＥの一次式で代用されるとすれば、その時間変化は、上記数５から、（ωｔ）² すなわちα² に比例するので、図３に示す出力電圧Ｖ₂ と同様に、富士山の山型状になる。

上記出力電圧Ｖ₂ を図３のように変化させることは、取りも直さず荷電粒子ビーム２のエネルギーを図３のように変化させることである。即ち、荷電粒子ビーム２の被照射物４への入射エネルギーであって前記入射角度が０度の場合のものからの差を、上記角度αの２乗、即ち入射角度θの２乗に比例させて変化させることによって、入射角度θに依らずに、被照射物４中の荷電粒子の飛程の垂直方向成分Ｒ_P を一定にすることができる。即ち、被照射物４中における荷電粒子の飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布をより正確に均一化することができる。

また、図３に示す出力電圧Ｖ₂ の周期Ｔ₁ は、回転体６の回転速度ωを一定とすれば、上記数６から、次の数７で表すことができる。

［数７］
Ｔ₁ ＝１／ｋω

なお、図３に示す出力電圧Ｖ₂ の振幅は、具体的には、回転体６に保持される被照射物４の枚数ｋ、各被照射物４の回転半径Ｒおよび被照射物４への荷電粒子ビーム２の入射エネルギーＥ等に応じて決めれば良い。

また、エネルギー制御器３２によって、電圧可変電源２８の代わりに電圧可変電源２０を制御するときは、電圧可変電源２０の出力電圧Ｖ₁ を上記出力電圧Ｖ₂ と同様に制御すれば良い。

次に、回転体６を上記Ｘ方向に機械的に走査することなく、各被照射物４の全面に荷電粒子ビーム２を照射することができる実施形態を説明する。

例えば図７に示すようなビーム平行走査器４０ａを、回転体６の上流側に設ける。このビーム平行走査器４０ａは、図１との関係で言えば、中性粒子分離器３０と回転体６との間に設けても良いし、ビーム平行走査器４０ａに中性粒子分離器３０の機能を兼ねさせても良い。後述するビーム平行走査器４０ｂの場合も同様である。中性粒子分離器３０の機能を兼ねさせる場合は、後述する走査電流Ｉ_S または走査電圧Ｖ_S に、直流のバイアス電流またはバイアス電圧を重畳させれば良い。

ビーム平行走査器４０ａは、荷電粒子ビーム２を、回転体６上の各被照射物４の回転方向Ｑと交差する（好ましくは実質的に直交する）Ｘ方向に走査し、かつ当該走査方向と逆方向に曲げ戻して、各走査された荷電粒子ビーム２を互いに平行にする（即ち平行ビーム化する）ものである。

より具体的には、このビーム平行走査器４０ａは、荷電粒子ビーム２が通るギャップをあけて相対向する２対の磁極４４、４６を有する鉄心４２と、それを励磁するコイル４８とを有している。コイル４８には、荷電粒子ビーム２の走査および曲げ戻しを行う走査電気信号（この例では走査電流Ｉ_S ）を当該コイル４８に供給する走査電源５４ａが接続されている。

上記磁極４４間のギャップと、磁極４６間のギャップには、互いに逆方向の交番磁界５０、５２が発生し、上流側の磁界５０によって荷電粒子ビーム２はＸ方向に走査され、下流側の磁界５２によって荷電粒子ビーム２は走査方向と逆方向に曲げ戻され、全体として、荷電粒子ビーム２はＸ方向に平行走査される。図８も参照して、荷電粒子ビーム２のＸ方向の走査幅は、各被照射物４より幾分大きくする（オーバースキャンする）のが好ましい。

ビーム平行走査器４０ａによって荷電粒子ビーム２を平行ビーム化することによって、荷電粒子ビーム２の断面がスポット状、長方形等の形状をしていて、被照射物４の全体をカバーする大きさでなくても、回転体６を機械的に走査することなく、回転体６上の各被照射物４の全面に荷電粒子ビーム２を照射することができる。しかも、各被照射物４に平行性の良い荷電粒子ビーム２を入射させることができる。

走査電源５４ａは、ビーム平行走査器４０ａによる荷電粒子ビーム２の走査速度を、回転体６の回転軸８からの距離が大きくなるほど（即ち外側ほど）遅くして（反対に言えば当該距離が小さくなるほど（即ち内側ほど）速くして）、各被照射物４が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物４の面内において均一化する走査電流Ｉ_S を供給するものが好ましい。そのような走査電流Ｉ_S の波形の一例を図９に示す。図９中の位置ｄ、ｅは、図８中の位置ｄ、ｅにそれぞれ対応している。

回転体６の回転速度が一定の場合、被照射物４はその外側ほど移動速度が速く、内側ほど移動速度が遅いので、上記のようにそれと逆の関係の速度で荷電粒子ビーム２を走査する走査電源５４ａを設けることによって、回転体を機械的に走査することなく、各被照射物４が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物４の面内において均一化することができる。

図９に示した走査電流Ｉ_S の波形の決定方法の一例を図１０を参照して説明する。

回転体６に相当する円盤Ｓ₁ を考える。断面が長方形でＸ方向に走査される荷電粒子ビーム２が円盤Ｓ₁ に入射するとする。円盤Ｓ₁ 上で長方形の長辺が直線Ｃ₁ Ｄ₁ に直角、短辺が直線Ｃ₁ Ｄ₁ に平行にあるとする。Ｋ₁ は円盤Ｓ₁ の中心である。荷電粒子ビーム２は直線Ｃ₁ Ｄ₁ に平行なＸ方向に走査される。そして、円盤Ｓ₁ 上にある被照射物４は、その全面に亘り均一な荷電粒子ビーム照射量を受けるとする。

この場合の走査電流Ｉ_S の波形を求める。ここで、円盤Ｓ₁ の中心Ｋ₁ から半径ｒだけ離れた所での荷電粒子ビーム照射量を考える。この場所での単位時間当たりの荷電粒子ビーム照射量をＤ₀ 、照射面積をＳ₀ 、照射時間をｔ、荷電粒子ビーム電流をＩ₀ 、定数をｃ₁ とすると、次の数８が成立する。

［数８］
Ｄ₀ Ｓ₀ ＝ｃ₁ Ｉ₀ ｔ

ここで、微小時間Δｔを考えると、Ｓ₀ ＝２πｒΔｒ、ｔ＝Δｔだから、数８は次の数９で表される。

［数９］
Ｄ₀ ２πｒΔｒ＝ｃ₁ Ｉ₀ Δｔ

上記数９を積分すると、次の数１０、数１１が得られる。ｃ₂ は定数である。

［数１０］
Ｄ₀ πｒ² ＝ｃ₁ Ｉ₀ ｔ

［数１１］
ｒ＝√（ｃ₁ Ｉ₀ ／Ｄ₀ π）・√ｔ
＝ｃ₂ √ｔ

上記数１１は、荷電粒子ビーム２が照射される位置（即ち走査位置）ｒの時間変化を示し、走査電流Ｉ_S が走査位置ｒに比例する場合、次の数１２となる。ｃ₃ は定数である。

［数１２］
Ｉ_S ＝ｃ₃ √ｔ

上記数１２は、走査電流Ｉ_S の大きさを、時間の平方根に比例させて変化させることを表している。その場合の走査電流Ｉ_S の波形の一例を図９に示す。この走査電流Ｉ_S は、椀型の波状をしている。このような走査電流Ｉ_S によって、回転体６上の各被照射物４が受ける荷電粒子ビーム量の分布を、各被照射物４の面内においてより正確に均一化することができる。

上記走査電流Ｉ_S の周期Ｔ₃ は、前記出力電圧Ｖ₂ の周期Ｔ₁ （図３等参照）に比べて十分に小さい値に（即ちＴ₃ ≪Ｔ₁ に）設定するのが好ましい。それによって、荷電粒子ビーム２の走査が、荷電粒子の飛程分布の均一化に及ぼす影響を排除することができる。

磁界によって荷電粒子ビーム２を走査する上記ビーム平行走査器４０ａの代わりに、図１１に示す例のように、電界によって荷電粒子ビーム２を走査するビーム平行走査器４０ｂを設けても良い。

このビーム平行走査器４０ｂは、荷電粒子ビーム２が通る空間をあけて相対向する２対の電極５６、５８を有している。上流側の１対の電極５６と、下流側の１対の電極５８とには、走査電源５４ｂから、走査電気信号として、互いに１８０度位相の異なる走査電圧Ｖ_S が印加される。これによって、上流側の電極５６によって荷電粒子ビーム２はＸ方向に走査され、下流側の電極５８によって荷電粒子ビーム２は走査方向と逆方向に曲げ戻されて、全体として、荷電粒子ビーム２はＸ方向に平行走査される。この場合も、荷電粒子ビーム２のＸ方向の走査幅は、各被照射物４より幾分大きくするのが好ましい。

ビーム平行走査器４０ａおよびそれ用の走査電源５４ａの場合と同様、走査電源５４ｂは、ビーム平行走査器４０ｂによる荷電粒子ビーム２の走査速度を、回転体６の回転軸８からの距離が大きくなるほど（即ち外側ほど）遅くして（反対に言えば当該距離が小さくなるほど（即ち内側ほど）速くして）、各被照射物４が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物４の面内において均一化する走査電圧Ｖ_S を供給するものが好ましい。そのような走査電圧Ｖ_S の波形は、例えば、図９に示した走査電流Ｉ_S の波形と同様であり、それの決定方法も前記と同様である。

上記のような走査電源５４ｂを設けることによって、回転体６を機械的に走査することなく、各被照射物４が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物４の面内において均一化することができる。

更に、走査電圧Ｖ_S の大きさを、時間の平方根に比例させて変化させることによって、回転体６上の各被照射物４が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物４の面内においてより正確に均一化することができる。

この発明は、例えば、半導体デバイスの製造、半導体デバイスを製造する元になるシリコン基板およびＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の製造、更にはＭＥＭＳ（Microelectro Mechanical System）等の製造に利用することができる。

この発明に係る荷電粒子ビーム照射方法を実施する荷電粒子ビーム照射装置の一実施形態を示す概略図である。 図１中の被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度の変化の様子の一例を示す図である。 電圧可変電源の出力電圧波形の一例を示す図である。 被照射物中の荷電粒子の飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布の一例を示す概略図である。 電圧可変電源の出力電圧波形の他の例を示す図である。 電圧可変電源の出力電圧波形の決定方法の一例を説明するための図である。 ビーム平行走査器の一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 回転体上の被照射物と、走査された荷電粒子ビームとの位置関係の一例を示す正面図であり、図７（Ａ）のＰ視図に相当する。 ビーム平行走査器に供給する走査電流波形の一例を示す図である。 走査電流波形の決定方法の一例を説明するための図である。 ビーム平行走査器の他の例を示す図である。 従来の荷電粒子ビーム照射装置の一例を示す概略図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）はＰ視正面図である。 従来の荷電粒子ビーム照射装置の他の例を示す概略図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 図１２または図１３中の被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度の変化の様子の一例を示す図である。 従来の荷電粒子ビーム照射装置による場合であって被照射物の支持部が角度変化を起こさないときの被照射物中の荷電粒子の飛程の垂直方向成分Ｒ_P の分布の一例を示す概略図である。

符号の説明

２ 荷電粒子ビーム
４ 被照射物
６ 回転体
８ 回転軸
２０ 電圧可変電源（エネルギー変化手段）
２８ 電圧可変電源（エネルギー変化手段）
３２ エネルギー制御器
４０ａ、４０ｂ ビーム平行走査器
５４ａ、５４ｂ 走査電源
θ 入射角度
Ｒ_P 飛程の垂直方向成分

Claims (12)

1. 回転体に複数の被照射物を、回転体の回転軸を中心とする円周方向に並べると共に当該回転軸に直交する方向に対して交差させて配置して、回転体を回転させながら各被照射物に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射方法において、
   被照射物の表面に立てた垂線と荷電粒子ビームとの成す角度であって被照射物の回転の前後方向における角度を荷電粒子ビームの入射角度としたとき、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度が０度のときに、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが所定値となり、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度の絶対値が０度よりも大きいときに、当該入射角度の絶対値の大きさに応じて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが前記所定値よりも大きくなるように、回転体の回転に伴う荷電粒子ビームの入射角度の変化に同期させて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームの入射エネルギーを変化させて、各被照射物中における荷電粒子の飛程のビーム入射面から垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化することを特徴とする荷電粒子ビーム照射方法。
2. 前記荷電粒子ビームの入射エネルギーであって前記入射角度が０度の場合のものからの差を、前記入射角度の２乗に比例させて変化させる請求項１記載の荷電粒子ビーム照射方法。
3. 前記荷電粒子ビームを、前記被照射物の回転方向と交差する方向に走査し、かつ当該走査方向と逆方向に曲げ戻して平行ビーム化する請求項１または２記載の荷電粒子ビーム照射方法。
4. 前記荷電粒子ビームの走査速度を、前記回転体の回転中心からの距離が大きくなるほど遅くして、各被照射物が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物の面内において均一化する請求項３記載の荷電粒子ビーム照射方法。
5. 前記荷電粒子ビームの走査および曲げ戻しを行う電気信号の大きさを、時間の平方根に比例させて変化させる請求項４記載の荷電粒子ビーム照射方法。
6. 回転体に複数の被照射物を、回転体の回転軸を中心とする円周方向に並べると共に当該回転軸に直交する方向に対して交差させて配置して、回転体を回転させながら各被照射物に荷電粒子ビームを照射する構成の荷電粒子ビーム照射装置において、
   前記被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーを変化させるエネルギー変化手段と、
   前記エネルギー変化手段を制御するものであって、被照射物の表面に立てた垂線と荷電粒子ビームとの成す角度であって被照射物の回転の前後方向における角度を荷電粒子ビームの入射角度としたとき、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度が０度のときに、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが所定値となり、各被照射物に対する荷電粒子ビームの入射角度の絶対値が０度よりも大きいときに、当該入射角度の絶対値の大きさに応じて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームのエネルギーが前記所定値よりも大きくなるように、回転体の回転に伴う荷電粒子ビームの入射角度の変化に同期させて、各被照射物に入射する荷電粒子ビームの入射エネルギーを変化させて、各被照射物中における荷電粒子の飛程のビーム入射面から垂直方向成分（Ｒ_P ）の分布を均一化するエネルギー制御器とを備えていることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
7. 前記エネルギー制御器は、前記荷電粒子ビームの入射エネルギーであって前記入射角度が０度の場合のものからの差を、前記入射角度の２乗に比例させて変化させる制御を行うものである請求項６記載の荷電粒子ビーム照射装置。
8. 前記荷電粒子ビームを、前記被照射物の回転方向と交差する方向に走査し、かつ当該走査方向と逆方向に曲げ戻して平行ビーム化するビーム平行走査器を備えている請求項６または７記載の荷電粒子ビーム照射装置。
9. 前記ビーム平行走査器に前記荷電粒子ビームの走査および曲げ戻しを行う走査電気信号を供給するものであって、前記ビーム平行走査器による前記荷電粒子ビームの走査速度を、前記回転体の回転中心からの距離が大きくなるほど遅くして、各被照射物が受ける荷電粒子ビーム量の分布を各被照射物の面内において均一化する走査電源を備えている請求項８記載の荷電粒子ビーム照射装置。
10. 前記走査電源は、前記走査電気信号の大きさを、時間の平方根に比例させて変化させるものである請求項９記載の荷電粒子ビーム照射装置。
11. 前記ビーム平行走査器は、２対の磁極を有しており、その一方の対の磁極間で前記荷電粒子ビームの走査を行い、他方の対の磁極間で前記荷電粒子ビームの曲げ戻しを行うよう構成されている請求項８、９または１０記載の荷電粒子ビーム照射装置。
12. 前記ビーム平行走査器は、２対の電極を有しており、その一方の対の電極間で前記荷電粒子ビームの走査を行い、他方の対の電極間で前記荷電粒子ビームの曲げ戻しを行うよう構成されている請求項８、９または１０記載の荷電粒子ビーム照射装置。

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