JP2009176717A - 高い質量エネルギー性能を備えた広幅リボン形ビーム用イオン注入装置の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】リボン形イオンビームによるイオン注入システムにおいて、低エネルギーで高ビーム電流のイオンビームを可能にする。
【解決手段】イオン源１０２から幅w₁のリボン形イオンビームを引き出して質量分析磁石１１０に入れ、非分散平面（ｘｚ面）内で発散させ、分散平面（ｘｙ面）内で集束させる。所望のイオン種を質量分析スリット１１８で選別し、角度補正装置１２０に入れ、水平面（ｘｚ面）内で平行な幅w₂のリボン形イオンビームに変換して、エンドステーション１２２内の加工物１２４にイオン注入する。イオンビームの幅の狭い部分がどこにも現れないようにしたので、空間電荷による広がりを抑制でき、輸送損失を少なくできる。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、一般的には、リボン形イオンビーム注入システムに関し、より詳しくは、高い質量エネルギー性能を備えたリボン形イオンビームの注入システム及び方法に関する。

集積回路の製造において、半導体に不純物をドーピングするためにイオン注入システムが使用される。このようなシステムでは、所望のドーパント元素がイオン源でイオン化され、次いで、イオンンビームとしてイオン源から引き出される。イオンビームは、通常、質量分析されて所望の電荷対質量比を有するイオンが選別され、次いで、半導体加工物にドーパント元素を注入するために、加工物の表面に向けて導かれる。ビーム中のイオンは、例えば加工物にトランジスタ素子を作製する場合には、加工物の表面を貫通して所望の導電率の領域を形成する。典型的なイオン注入装置には、イオンビームを発生するイオン源と、磁界を使用してイオンビームを質量分析するための質量分析装置を含むビームラインアセンブリーと、イオンビームが注入される半導体ウエハまたは加工物を収容するターゲットチャンバーとが含まれる。イオンビーム注入装置は、イオン源と注入ステーションとの間に延在するビーム形成／整形構造体を含むものであってもよい。ビーム形成／整形構造体は、イオンビームを維持するものであり、また、イオンビームが注入ステーションへと至る過程で通過する細長い内部空洞または通路の境界を形成する。

静電界及び磁界によるイオンの軸方向及び横方向の加速度は、イオンの電荷に対する質量（例えば、電荷対質量比）の影響を受ける。これによって、不要な分子量を有するイオンをビームから離れた位置に偏向し、半導体化加工物または他のターゲットの所望の領域に到達するビームの純度を高めて、所望の材料以外の材料の注入を避けることができる。所望の電荷対質量比と不所望の電荷対質量比とを分離するプロセスは、上述したように、質量分析として知られている。質量分析装置は、通常、双極子磁界を形成する質量分析磁石を使用して、イオンビーム中の種々のイオンを磁界の作用により正確な通路に沿って偏向するものである。

特定の応用に対して所望の注入を達成するために、注入されるイオンの線量及びエネルギーを変化させることができる。与えられた半導体材料に注入されるイオンの濃度は、イオン線量によって制御される。通常、高線量注入に対しては、高電流注入装置が使用され、低線量の応用に対しては、中電流注入装置が使用される。また、イオンエネルギーは、半導体デバイスの接合部深さを制御するために使用される。ビーム中のイオンのエネルギーレベルによって、半導体または他の基板材料へのイオンの注入の程度、または、注入されるイオンの深さが定まる。半導体デバイスの微細化の傾向が続くことによって、高ビーム電流を低エネルギーで供給する機構、すなわち、高ビーム電流によって必要な線量レベルを提供し、一方、低エネルギー電流によって浅い注入を可能にすることが求められている。

先行技術における多くのシステムでは、イオン注入のためにペンシル形ビームが使用されており、イオン源によって比較的細いビームを形成し、このビームは、質量分析、次いで、ビーム調整及び走査を経た後、加工物に到達する。この場合、低エネルギーでは、同種電荷を帯びたイオンの相互斥力により、イオンビームの集束性を維持することが困難になる。この問題の１つの解決方法は、ペンシル形ビームではなく、リボン形イオンビームを使用することである。リボン形ビームの利点の１つは、ビームの断面積がペンシル形ビームよりも非常に大きいことである。例えば、典型的なペンシル形ビームの直径は約１〜５ｃｍであり、一方、リボン形ビームは、高さを約１〜５ｃｍとし、幅を約４０ｃｍとすることもできる。ビーム断面積が非常に大きいことによって、与えられたビーム電流における電流密度は非常に小さいものとなり、ビームのパービアンス（perveance）が低減する。しかしながら、リボン形ビームには、その使用に関連する多くの特有の問題が存在する。

典型的なリボン形イオンビームシステムでは、多くの場合、システム内に狭いビームスポットが形成されることを回避し、イオンビームの空間電荷膨張を低く抑えることが難しい。従来の方法の一例として、図１及び図２に、ニコラス アール． ホワイト（Nicholas R. White）に付与され、「広幅ビームイオン注入のための方法及び装置」と題された米国特許第５，１２６，５７５号に開示される方法を示す。図１及び図２には、イオンビーム１が、垂直方向の焦点１２において、質量分析磁石３中に位置する狭いビームスポットを有することが示されている（第４欄の第４〜１８行も参照）。ビーム１の垂直方向の焦点１２における「狭さ」によって、低エネルギービームにおいて空間電荷膨張を要因とするビーム品質の大きな損失が発生する結果、ビーム搬送が劣化する可能性がある。さらに、図３には、アンソニー ルノー（Anthony Renau）に付与され、「イオン注入装置のための高搬送、低エネルギーのビームライン構造」と題された米国特許第６，６３５，８８０号明細書に示された従来の方法の例が示されている。この方法では、イオンビーム１２は、イオン源１０の出口において狭いビームスポットを有している。

したがって、リボン形イオンビーム注入システムにおいても、低エネルギーで高ビーム電流を供給するリボン形イオンビーム注入システムに対する要望が存在する。

米国特許第５，１２６，５７５号明細書 米国特許第６，６３５，８８０号明細書

以下に、本発明の１つまたは複数の態様の基本的な理解のために、本発明の簡単な要約を呈示する。この要約は、本発明の全範囲に亘る概要ではない。また、この要約は、本発明の主要な又は決定的な概念を明示するものでも、本発明の範囲を定めるものでもなく、後述するより詳細な説明の導入として、本発明のいくつかの概念を簡単に呈示することを主要な目的とするものである。

本発明の一態様におけるリボン形イオンビームシステムは、第１ビーム経路に沿ってリボン形イオンビームを発生するように構成されたイオン源を含み、前記リボン形イオンビームは、高さ寸法（ｈ_１）とｘｙ平面に垂直な長さ寸法（ｈ_２）を有して質量分析磁石に入り、該質量分析磁石は、運動量の分散性平面（ｘｙ平面）を備え、前記リボン形イオンビームを受け入れて、前記リボン形イオンビームを第２ビーム経路に沿って伝播させる磁界を発生するように構成されており、前記質量分析磁石から出射した前記リボン形イオンビームは、非分散性平面（ｘｚ平面）内で発散し、かつｘｙ平面内で集束し、さらに、発散する前記リボン形イオンビームを受け入れて、前記質量分析磁石から出射した前記イオンビームから所望のイオン種を選別するための質量選別スリットと、前記質量選別スリットから出射した発散する前記リボン形イオンビームを受け入れて、第３ビーム経路に沿って水平面（ｘｚ平面）内では平行であり、かつ、ｘｚ平面内では発散する前記リボン形イオンビームに変換する角度補正装置と、を含んでおり、平行な前記リボン形イオンビームは、可変高さ（ｈ_２）と、長さ（幅）寸法（ｗ_２）とを有することを特徴とする。

本発明の別の態様におけるリボン形イオンビームを生成するための方法は、イオン源を使用して第１ビーム経路に沿って導かれるリボン形イオンビームを発生する段階と、高さ寸法（ｈ_１）とｘｙ平面に垂直な長さ寸法（ｗ_１）を備えた前記リボン形イオンビームを、質量分析磁石に入口シム角で受け入れる段階と、前記リボン形イオンビームを、出口シム角で第２ビーム経路に沿って伝播させて、前記質量分析磁石から出射した前記リボン形イオンビームをｘｚ平面内で発散させ、かつｘｙ平面内で集束させる段階と、前記質量分析磁石を出射した前記リボン形イオンビーム中の所望のイオンを、質量選別スリットを使用して選別する段階と、前記質量選別スリットから出射した前記リボン形イオンビームを、角度補正装置を使用して、高さ（ｈ_２）と長さ（幅）寸法（ｗ_２）を有し、第３軸に沿ってｘｚ平面内では平行であり、かつ、ｘｙ平面内では発散する前記リボン形イオンビームに変換する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明のさらに別の態様における加工物を制御可能に処置するためのリボン形イオンビーム注入システムは、（ａ）第１ビーム経路に沿って導かれるリボン形イオンビームを発生させるための発生手段と、（ｂ）可変高さ寸法（ｈ_１）とｘｙ平面に垂直な一定の長さ寸法（ｗ_１）を備えた断面を有して質量分析磁石に入る前記リボン形イオンビームを質量分析するための質量分析手段と、（ｃ）前記リボン形イオンビームを入口シム角で受け入れるための受け入れ手段と、（ｄ）ｘｚ平面に沿って発散する前記リボン形イオンビームを出口シム角で第２ビーム経路に沿って伝播させるための伝播手段と、（ｅ）質量選別スリットを使用して、ｘｚ平面に沿って発散する前記リボン形イオンビーム中の所望のイオン種を選別するための選別手段と、（ｆ）角度補正装置を使用して、ｘｚ平面に沿って発散する前記リボン形イオンビームを、第３ビーム経路に沿って伝播し、ｘｚ平面内で平行な前記リボン形イオンビームに変換する変換手段と、を含むことを特徴とする。

上述した目的及び関連する目的を達成するために、添付図面及びその説明には、本発明の特定の例示的な態様及び実施形態が詳細に記載されているが、これらは、本発明の原理を使用可能な様々な態様のごく一部を示すものである。本発明の他の態様、利点、及び新規な特徴は、以下に記載した本発明の詳細な説明を図面と共に考慮することによって、明らかになるであろう。

以下、図面を参照して本発明を説明するが、以下の説明を通じて、同様の要素には同一の参照符号を付して参照する。図及び以下の説明は、例示的なものであり、本発明を限定するものではない。したがって、例示されたシステム及び方法の変形例及び本明細書に例示された実施形態とは異なる実施形態は、本発明及び添付請求項の範囲に含まれるものである。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄに、本発明の１つまたは複数の態様を実施するために好適なリボン形イオンビームシステム１００を示す。図４Ａは、リボン形イオンビームシステム１００を簡略化して模式的に示す側面図、図４Ｂは、簡略化された上面図である。図５、図６には、様々なイオンビーム平面が詳細に示されている。

図４Ａに示すシステム１００は、リボン形イオンビーム１０４（例えば、図４Ｃ、図４Ｄ、図５、図６を参照）を発生するためのイオン源１０２を含む。イオン源１０２は、例えば、関連する電源（図示は省略する）を備えたプラズマ源（図示は省略する）を含む。プラズマ源は、例えば、プラズマ閉込チャンバーを含んでおり、このチャンバーからイオンビーム１０４が引き出されるものであってもよい。リボン形イオンビームを発生する他の方法とは異なり、本発明では、イオンビーム１０４を、イオン源１０２からｘｚ平面（図４Ｃ）内において発散または集束するように引き出すことを要しない。イオン源１０４から出射するリボン形イオンビーム１０４は、高さ（ｈ０）、及び典型的には約１００ｍｍの長さ（幅）寸法（ｗ０）を備えた長方形の断面を有している。イオン源１０２の下流には、イオン源からのリボン形イオンビーム１０４を受け入れる質量分析磁石１１０が備えられている。リボン形イオンビーム１０４の初期幅（ｗ０）は約１００ｍｍであり、約４００ｍｍである終期幅（ｗ_２）よりもかなり小さいものであるため、質量分析磁石１１０の間隙をそれ程大きくする必要はなく、これによって、質量分析磁石を、例えば８０ＫｅＶのイオンを偏向するために十分な高い質量エネルギー積を有するように構成することができる。これは、現在、従来の注入装置が備える質量エネルギー積と同等な高い質量エネルギー積である。質量分析磁石１１０の質量エネルギー積が高いことによって、リボン形イオンビーム１０４の偏向半径を小さくすること（例えば、３０ｃｍ）が可能になる。これによって、ビームの中性化が完全には満たされないことが知られており、したがってビームの空間電荷膨張が生じる可能性がある磁界中の経路が短くなるため、低エネルギービームの伝播が改善される。高い質量エネルギー積によって、大きな間隙を有する質量分析磁石で通常必要とされる大きな消費電力を低減することこともできる。双極子磁界の強さは、制御用電子装置により質量分析磁石１１０の界磁巻線を通じて流れる電流を調整することによって、制御される。

質量分析磁石１１０から出射するリボン形イオンビーム１０４は、ｘｙ平面１１７内で垂直方向（ｙ方向）１０７に僅かに集束し（例えば、図４Ｃ参照）、質量分析磁石１１０から長距離下流にきた箇所で交差部１１６を形成する。そこには、質量選別スリット１１８が配置されている。イオン源１０２から引き出された初期のイオンビーム１０４中の様々に異なる質量を有するイオンは、質量分析磁石１１０によってそれぞれ異なる態様で偏向され、質量選別スリット１１８の異なる垂直位置に到達する。質量分析磁石１１０の磁界を調整することによって、所望のイオンのみが質量選別スリット１１８を通過し、さらに角度補正装置１２０に進行するように設定される。リボン形イオンビーム１０４が垂直方向に僅かに集束することによって、角度補正装置１２０の通過時及び加工物１２４への衝突時に、ビーム高さを小さく維持することができる。上述したように、リボン形イオンビーム１０４をイオン源１０２から略平行に引き出すことは、空間電荷膨張を低く抑える点で非常に有利であるとことが分かった。この方法によって、狭いビームスポットがイオン注入システム１００内のどこにも現れないようにすることができ、例えば、低エネルギービームのイオンを大量に引き出して注入することが可能となる。

質量分析磁石１１０から出射するリボン形イオンビーム１０４を、水平面（ｘｚ平面）１１５内で強く発散させることもできる（図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ参照）。この場合でも、ビームは、質量分析のために、質量分析磁石１１０に対するシム角（例えば、入口シム角１１２及び出口シム角１１４）を選択することによって垂直方向１０７に僅かに集束し、質量選別スリット１１８において交差部（cross over）を形成する。それぞれのゼロではないシム角は、四重極子単レンズのように機能する。四重極子単レンズの基本的な特性は、ビーム１０４を一方向について集束させ、他の方向について発散させることである。あるいは、質量分析磁石１１０の直後に独立な四重極子単レンズを追加することによって、同様の集束特性を得るものであってもよい。これによって、質量分析磁石１１０を、より柔軟に設計することができる。シム角１１２、１１４は、出射ビーム１０４の水平方向の発散を微調整するために機械的に調整可能であってもよい。独立な四重極子レンズを使用する場合には、単にその磁界を変更することによって、水平方向のビーム発散の微調整を達成することができる。

図４Ａ及び図４Ｂに示す実施形態における質量分析磁石１１０は、リボン形イオンビーム１０４中の所望の質量及びエネルギーを有するイオンを、約３０度（例えば、図４Ａに示す角度δ）偏向する。質量分析磁石１１０は、例えば、ｘｙ平面１１７におけるイオンの偏向角度δが約３０度から９０度の範囲となるように設計することができる。リボン形イオンビーム１０４は、分解アパーチャ１１９の質量選別スリット１１８の略中央で、ｘｙ平面における交差部１１６を有する。

角度補正装置１２０は、質量選別スリット１１８からの水平方向に発散するビーム１０４を、広幅の平行ビーム１０４に変換するように構成されている。角度補正装置１２０は、水平方向（ｘ方向）における点／平行型集束レンズ（point to parallel focusing lens）として構成することができ、発散ビーム１０４がその焦点距離にわたって放射されているように見える仮想物点１０９（図４Ａ）を有している。図４Ａ及び図４Ｂに示す実施形態では、角度補正装置１２０は双極子磁石であり、間隙１３０中に図示された磁界１２８は垂直方向（ｙ）方向を向き、ビーム１０４をｘｚ平面内で偏向するものである。角度補正装置１２０は、図示したように双極子磁石として構成することも、その代わりに静電レンズを使用することもできる。角度補正装置は、双極子磁石、点／平行型集束レンズ（ｐレンズ）として構成された静電レンズ、及び、磁気的または静電的四重極子レンズのうちの少なくとも１つを含む。

システム１００は、さらに、減速モジュール（図示は省略する）を含むものであってもよい。減速モジュールは、リボン形イオンビーム１０４のエネルギーを変更するように制御可能かつ選択的に動作可能なものである。例えば、中程度のエネルギーにおいて、リボン形イオンビームのエネルギーを実質的に変更する必要がない場合、減速モジュールは、リボン形イオンビーム１０４を実質的に変更することなく通過させるものであってもよい。一方、低エネルギーの応用（例えば、半導体中に浅い接合部を形成すること）では、リボン形イオンビーム１０４のエネルギーを低減する必要がある可能性があり、このような状況において、減速モジュールは、ビーム１０４を減速することによって、ビーム１０４のエネルギーを所望のエネルギーレベルにまで低減するように動作可能なものである。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、システム１００は、エンドステーション１２２も備えている。エンドステーション１００は、質量分析され、角度補正装置１２０によって汚染除去されたリボン形イオンビーム１０４を受け入れるものである。エンドステーション１２２は、半導体ウエハのような１つ又は複数の加工物１２４を支持しており、加工物は、リボン形イオンビーム１０４を使用してイオン注入するために、第３ビーム経路１１１に沿って（但し、角度補正装置１２０により元のビームライン軸からは外れて）配置されている。このようなエンドステーション１２２には、図示したような単葉式エンドステーション１２２が含まれており、このエンドステーションでは、単一の加工物１２４がリボン形イオンビームを横切るように走査されるか、または、リボン形イオンビーム１０４が加工物１２４を横切るように走査される。本発明に係るエンドステーションには、バッチ式システムも含まれており、バッチ式システムでは、複数の加工物１２４がリボン形イオンビーム１０４を横切るように回転する。

図６は、リボン形イオンビーム１０４を三次元で表した図である。リボン形イオンビーム１０４は、位置１０２として図示されたイオン源１０２（例えば、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、及び図５参照）から、垂直面（ｘｙ平面）１１７内で約３０度の角度（例えば、図４Ｃ参照）を有して出射する。この際、リボン形イオンビーム１０４は、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、及び図６に示すように、平行ビームとしてイオン源１０２から出射する。これに対して、上述した米国特許第６，６３５，８８０号明細書を参照すると、リボン形イオンビーム１２は、イオン源１０から発散ビームとして出射している（例えば、図３参照）。同様に、上述した米国特許第５，１２６，５７５号明細書を参照すると、イオンビーム１は、イオン源９から出射するときに、明らかに平行ビームではなく、集束している（例えば、図１参照）。

リボン形イオンビーム１０４は、近似的な位置６０４として図示された質量分析磁石１１０（図４Ａ及び図４Ｂも参照）を通過し、ここで、第１双極子磁界により、垂直面（ｘｙ平面）１１７内で約３０度の角度αだけ偏向させることができる。さらに、リボン形イオンビーム１０４は、質量分析磁石１１０のゼロではない出口シム角１１４（図４Ａ参照）が四重極子単レンズとして機能することによって、水平面（ｘｚ平面）１１５内で発散する。上述したように、質量分析磁石１１０の直後に独立な四重極子単レンズを配置し、ビーム１０４を水平方向に発散させるものであってもよい。ビーム１０４の発散の程度、または仮想物点１０９（図４Ｂ）の位置は、出口シム角１１４を機械的に変更するか、または、独立な四重極子単レンズ（図示は省略する）内の磁界を変更することによって、調整することができる。質量分析磁石１１０から出射するリボン形イオンビーム１０４は、ｘｚ平面内で発散し、ｘｙ平面内で僅かに集束する。

質量選別スリット１１８は、質量分析磁石１１０から出射するリボン形イオンビーム１０４中の所望のイオン種を選別するために、不要のイオン種を遮蔽して所望のイオン種のみを通過させるものである。次いで、リボン形イオンビーム１０４は、角度補正装置１２０（図４Ａ）を通過する。角度補正装置１２０は、図６に示すように、リボン形イオンビーム１０４を、ｘｚ平面１１５内でｘｙ平面１１７に対して垂直に偏向するように構成することができる。リボン形イオンビーム１０４中の選別されたイオンの軌道は、角度補正装置１２０の磁界の作用によって、角度βの箇所に示されるように、発散ビームから略平行なビームに変換される。角度補正装置１２０は、双極子磁石、点／平行型集束レンズ（ｐレンズ）として構成された静電レンズ、及び、磁気的または電気的四重極子レンズのうちの少なくとも１つを含む。

図７は、リボン形イオンビーム１０４（例えば、図６参照）の断面寸法、高さ（ｈ）及び幅（ｗ）を、イオン源１０２（図６参照）からの距離の関数として示したグラフである。第１のグラフ７０２は、リボン形イオンビーム１０４（図６参照）の幅の２分の１（ｗ／２）を示し、第２のグラフ７０４は、リボン形イオンビーム１０４の高さの２分の１（ｈ／２）を示している。イオン源の開口部の寸法は、縦軸７０６上に示されており、垂直方向寸法７０４は約１ｍｍ、水平方向寸法７０６は約５０ｍｍである。したがって、リボン形イオンビーム１０４（図４Ａ及び図４Ｂ）の高さは約２ｍｍ、幅は約１００ｍｍである。図７のグラフ７０４及び図４Ａのビーム１０４に示すように、イオン源から出射するイオンビーム１０４は、領域７０８に示す初期状態において、高さ方向には発散し、幅方向には略平行である。イオンビーム１０４は、質量分析磁石１１０の集束作用によって、領域７１０において幅方向に僅かに発散し、高さ方向に僅かに集束する。これは、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、及び、図４Ｄに明瞭に示されている。

イオンビーム１０４は、領域７１２において、さらに、高さ方向に集束し、幅方向に発散して、イオン源１０２から約１．２ｍ下流の箇所に交差部１１６を形成する。イオンビーム１０４は、次いで、質量選別スリット１１８を通って進行し、ここで、高さ方向に僅かに発散し、幅方向には大きく発散する。これは、図４Ａ、図４Ｂ、及び図６のリボン形イオンビーム１０４に示されている。次いで、イオンビーム１０４は、その長さが約１．５ｍに達したときに、角度補正磁石１２０に入る。領域７１６は、角度補正磁石１２０内を示す。リボン形イオンビーム１０４は、角度補正磁石１２０から出射するときに、平行なリボン形イオンビームを形成する略一定の幅を有しており、ウエハ１２４（図４Ａ及び図４Ｂ）に注入される前に、領域７１８において高さ方向に僅かに発散する。

全体を通じて、垂直方向（ｙ方向）１０７のビームのサイズ及び角度は、ｚ方向１０５のビームのサイズ及び角度と比較して非常に小さく維持されている。さらに、図４Ａ及び図７のグラフ７０４に示すように、イオン源から１００ｍｍ幅（すなわち、ｘ軸１０８から±５０ｍｍ）の略平行なイオンビームが出射して質量分析磁石１１０に入る。イオンビームは、質量分析磁石１１０の選択された発散特性により、非分散性（non-dispersive）平面（ｘｚ平面）内で強く発散（約±８度）し、角度補正磁石１２０に向かって伝播するにつれて、その幅を急速に増大させる。角度補正磁石１２０は、±８度に発散するリボン形イオンビーム１０４を、約±１８０ｍｍ幅（すなわち、３６０ｍｍ幅）を有する平行なリボン形イオンビーム１０４に変換する。

図８は、本発明の少なくとも１つの態様に従って、イオン注入のために高い質量エネルギー性能を備えたリボン形イオンビームを生成するための方法８００を示すフローチャートである。この方法８００によれば、リボン形イオンビームによる注入のために、低エネルギーにおける高ビーム電流を容易に発生させることができる。尚、上述した図及び説明は、方法８００においても参照される。

方法８００は、段階８０２から開始し、ここで、所望のイオン種、エネルギー、電流等のイオン源のパラメータが選択される。イオン源１０２（例えば、図４Ａ及び図４Ｂ参照）は、アーク放電を用いたイオン源であってもアーク放電を用いないイオン源であってもよい。イオン源１０２として、例えば高周波（ＲＦ）を用いたイオン源または電子銃を用いたイオン源を使用することができる。イオン源１０４用の１つまたは複数のイオン源材料を選択することによって、単一または複数のイオン種を選択することができる。電流は、例えば、電力の値及び／または電極を調整することによって選択することができる。段階８０２では、第１ビーム経路１０１に沿って伝播するリボン形イオンビーム１０４（例えば、図４Ａ参照）を発生する。イオン源の開口部の寸法は、一実施形態では、高さが約２ｍｍ、幅が約１００ｍｍである。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、イオン源から出射して質量分析磁石１１０（図５）に入る前の初期状態のイオンビーム１０４は、高さ方向に僅かに発散し、幅方向には略平行である。言い換えれば、イオン源１０２から出射するリボン形イオンビーム１０４は、例えば約１０ｃｍの略一定の長さ（幅）寸法（ｗ_１）と僅かに発散する高さ（ｈ_１）とを備えた長方形の断面を有している。

質量分析磁石１１０は、イオン源からのリボン形イオンビーム１０４を受け入れるために、イオン源の下流に配置することができる。リボン形イオンビーム１０４の初期幅（ｗ_１）は約１００ｍｍであり、これは、注入のための終期幅（ｗ_２）（約４００ｍｍ）よりも非常に小さいため、質量分析磁石１１０に要する間隙をそれ程大きくする必要がない。これによって、質量分析磁石を、例えば、リボン形イオンビーム１０４または８０ＫｅＶのエネルギーを有するイオンを偏向するために十分な高い質量エネルギー積を有するように構成することができる。これは、現在使用されている従来のイオン注入装置で得られる質量エネルギー積と同等な、高い質量エネルギー積である。質量分析磁石１１０の質量エネルギー積が高いことによって、リボン形イオンビーム１０４の偏向半径を小さく（例えば３０ｃｍ）することが可能となる。これによって、磁界中の経路が短くなるため、低エネルギービームを良好に伝播することができる。また、質量エネルギー積が高いことによって、間隙の大きな質量分析磁石で通常必要とされる大きな電力消費を低減することも可能となる。双極子磁界の強さは、磁石１１０の巻線を流れる電流を調整する制御用電子装置によって制御される。

質量分析磁石のパラメータは、選択されたイオン種、及び基本角度または公称角度に応じて段階８０４で選択される。コイル巻線に供給される電流のようなパラメータは、質量分析磁石１１０及び出口シム角１１４に応じて、選択されたイオン種を段階８０６において第２ビーム経路１０３（図４Ａ）に沿って伝播させる磁界を生成するように、設定される。

段階８０８において、質量選別スリット１１８を使用して所望のイオンが選択される。イオン源１０２から引き出された初期的なイオンビーム１０４中の様々に異なる質量を有するイオンは、質量分析磁石１１０によってそれぞれ異なる態様で偏向され、質量選別スリット１１８の異なる垂直位置に到達する。質量分析磁石１１０の磁界を調整することによって、所望のイオンのみが質量選別スリット１１８を通過し、さらに角度補正装置１２０に進行するように設定される。段階８１０において、第２ビーム経路１０３に沿って伝播し、ｘｚ平面内で発散するリボン形イオンビーム１０４は、第３ビーム経路１１１に沿って伝播する平行なリボン形イオンビーム１０４に変換される。

以上、本発明を特定の態様及び実施形態に関連させて図示及び説明してきたが、当業者であれば、本明細書及び添付された図面の理解に基づいて、同等な変更及び修正に想至し得るものである。特に、上述した構成要素（アセンブリー、装置、デバイス、回路、システム等）によって実行される種々の機能に関して、そのような構成要素を説明するために使用された用語（「手段」に対する参照を含む）は、特に明示されない限り、ここに示された本発明の例示的な実施形態において特定の機能を実行する上述した構成要素のその機能を実行する（すなわち、機能的に同等である）任意の構成要素に、たとえ開示された構成に構造的に同等でなくても、相当するものである。加えて、本発明の特定の特徴がいくつかの態様のうちの１つのみに関連して開示された場合であっても、所定の又は特定の用途のために望ましくかつ有利であるように、そのような特徴を他の態様の１つ又はそれ以上の特徴と組み合わせることもできる。さらに、「含む（include）」、「含んでいる（including）」、「有する（have）」、「有している（having）」という用語は、及びそれらの変化形が発明の詳細な説明又は請求項で使用されている範囲に関して、これらの用語が、用語「含んでいる（comprising）」と同様な意味で包含的なものであることが意図されている。また、本明細書において、「例示的な（exemplary）」という用語は、単に一例であることを意味するものであり、模範的なものであることを意味するものではない。

図１は、先行技術のリボン形イオンビーム注入システムを示す等角投影図である。 図２は、図１に示す先行技術のリボン形イオンビーム注入システムにおける垂直面（非分散性平面）の機能を示す図である。 図３は、先行技術のリボン形イオンビーム注入装置を示す上面図である。 図４Ａは、本発明の１つまたは複数の態様に従う例示的なリボン形イオンビーム注入システムの構成要素を示す側面図である。 図４Ｂは、図４Ａに示した本発明の様々な態様が実施される例示的なリボン形イオンビーム注入システムの上面図である。 図４Ｃは、本発明の様々な態様が実施される例示的なリボン形イオンビームを示す透視図である。 図４Ｄは、図４Ｃに示した本発明の一態様に従う例示的なリボン形イオンビームの前方断面図である。 図５は、本発明の一態様に従う例示的なリボン形イオンビーム注入システムを示す透視図である。 図６は、本発明の別の態様に従う例示的なリボン形イオンビームを示す透視図である。 図７は、本発明に従って、リボン形イオンビームの高さ及び幅をイオン源からの距離の関数として示すグラフである。 図８は、本発明のさらに別の態様に従って、リボン形イオンビーム注入システムにおける質量分析方法を示すフローチャートである。

Claims (25)

1. 第１ビーム経路に沿ってリボン形イオンビームを発生するように構成されたイオン源を含み、
   前記リボン形イオンビームは、高さ寸法（ｈ_１）とｘｙ平面に垂直な長さ寸法（ｈ_２）を有して質量分析磁石に入り、
   該質量分析磁石は、運動量の分散性平面（ｘｙ平面）を備え、前記リボン形イオンビームを受け入れて、前記リボン形イオンビームを第２ビーム経路に沿って伝播させる磁界を発生するように構成されており、
   前記質量分析磁石から出射した前記リボン形イオンビームは、非分散性平面（ｘｚ平面）内で発散し、かつｘｙ平面内で集束し、
   さらに、発散する前記リボン形イオンビームを受け入れて、前記質量分析磁石から出射した前記イオンビームから所望のイオン種を選別するための質量選別スリットと、
   前記質量選別スリットから出射した発散する前記リボン形イオンビームを受け入れて、第３ビーム経路に沿って水平面（ｘｚ平面）内では平行であり、かつ、ｘｚ平面内では発散する前記リボン形イオンビームに変換する角度補正装置と、を含んでおり、
   平行な前記リボン形イオンビームは、可変高さ（ｈ_２）と、長さ（幅）寸法（ｗ_２）とを有することを特徴とするリボン形イオンビームシステム。
2. 前記角度補正装置の下流のエンドステーションは、前記角度補正装置から出射した平行な前記リボン形イオンビームによる加工物への注入のために、前記加工物を支持するように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記質量分析磁石の入口シム角及び出口シム角は、出射した前記リボン形イオンビームが、前記非分散性平面内で発散し、前記分散性平面内で集束するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記質量分析磁石の入口シム角及び出口シム角は、前記角度補正装置から出射した平行な前記リボン形イオンビームが所望の幅（ｗ_２）を有するために前記リボン形イオンビームのｘｚ平面内の発散を調整できるように、機械的に調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記質量分析磁石から出射した前記リボン形イオンビームのｘｚ平面内の発散を調整可能とするために、前記質量分析磁石の直後に四重極子単レンズが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記角度補正装置は、角度補正用磁石、点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）、磁気四重極子レンズアセンブリ及び静電四重極子レンズアセンブリのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記質量分析磁石は、該質量分析磁石に入った前記リボン形イオンビーム中のイオンを、ｘｙ平面内の約３０度から９０度の範囲の角度で偏向することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記リボン形イオンビームはｘｙ平面内で交差し、前記リボン形イオンビームの交差部は、前記質量選別スリットの略中央に生じることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. イオン源を使用して第１ビーム経路に沿って導かれるリボン形イオンビームを発生する段階と、
   高さ寸法（ｈ_１）とｘｙ平面に垂直な長さ寸法（ｗ_１）を備えた前記リボン形イオンビームを、質量分析磁石に入口シム角で受け入れる段階と、
   前記リボン形イオンビームを、出口シム角で第２ビーム経路に沿って伝播させて、前記質量分析磁石から出射した前記リボン形イオンビームをｘｚ平面内で発散させ、かつｘｙ平面内で集束させる段階と、
   前記質量分析磁石を出射した前記リボン形イオンビーム中の所望のイオンを、質量選別スリットを使用して選別する段階と、
   前記質量選別スリットから出射した前記リボン形イオンビームを、角度補正装置を使用して、高さ（ｈ_２）と長さ（幅）寸法（ｗ_２）を有し、第３軸に沿ってｘｚ平面内では平行であり、かつ、ｘｙ平面内では発散する前記リボン形イオンビームに変換する段階と、
   を含むことを特徴とするリボン形イオンビームを生成するための方法。
10. 前記角度補正装置は、双極子磁石、点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）、点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記リボン形イオンビームの経路の前記質量分析磁石の直後に焦点調節装置が配置され、該焦点調節装置は四重極子レンズを含んでおり、該四重極子レンズは、選択されたイオン種の軌道を調整するための可変焦点を備えるように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記角度補正装置の下流のエンドステーションは、前記角度補正装置から出射した平行な前記リボン形イオンビームによる加工物への注入のために前記加工物を支持するように作動可能であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記角度補正装置から出射する平行な前記リボン形イオンビームの幅（ｗ_２）を調整可能とするため、前記リボン形イオンビームのｘｚ平面内の発散が、前記質量分析磁石の入口シム角及び出口シム角を機械的に調整することによって調整可能であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 前記リボン形イオンビームのｘｚ平面内の発散を調整可能とするために、前記質量分析磁石の直後に四重極子単レンズが配置されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 前記角度補正装置は、角度補正用磁石、点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）、磁気四重極子レンズアセンブリ及び静電四重極子レンズアセンブリのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. 前記質量分析磁石は、前記リボン形イオンビーム中のイオンを、ｘｙ平面内の約３０度から９０度の範囲の角度で偏向することを特徴とする請求項９に記載の方法。
17. 前記リボン形イオンビームはｘｙ平面内で交差し、前記リボン形イオンビームの交差部は、前記質量選別スリットの略中央に生じることを特徴とする請求項９に記載の方法。
18. 前記角度補正装置は、双極子磁石、点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）及び点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
19. 加工物を制御可能に処置するためのリボン形イオンビーム注入システムであって、
    （ａ）第１ビーム経路に沿って導かれ、ビーム断面中心を備えたリボン形イオンビームを発生させるための発生手段と、
    （ｂ）可変高さ寸法（ｈ_１）とｘｙ平面に垂直な一定の長さ寸法（ｗ_１）を備えた断面を有して質量分析磁石に入る前記リボン形イオンビームを質量分析するための質量分析手段と、
    （ｃ）前記リボン形イオンビームを入口シム角で受け入れるための受け入れ手段と、
    （ｄ）ｘｚ平面に沿って発散する前記リボン形イオンビームを出口シム角で第２ビーム経路に沿って伝播させるための伝播手段と、
    （ｅ）質量選別スリットを使用して、ｘｚ平面に沿って発散する前記リボン形イオンビーム中の所望のイオン種を選別するための選別手段と、
    （ｆ）角度補正装置を使用して、ｘｚ平面に沿って発散する前記リボン形イオンビームを、第３ビーム経路に沿って伝播し、ｘｚ平面内で平行な前記リボン形イオンビームに変換する変換手段と、
    を含むことを特徴とするシステム。
20. 前記発生手段によって生成される前記ビーム断面は、高さ（ｈ_１）と一定の長さ寸法（ｗ_１）を有し、前記角度補正装置の下流のエンドステーションは、前記角度補正装置から出射した平行な前記リボン形イオンビームによる加工物への注入のために前記加工物を支持するように作動可能である請求項１９に記載のシステム。
21. 前記角度補正装置は、角度補正用磁石、点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）、磁気四重極子レンズアセンブリ及び静電四重極子レンズアセンブリのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
22. 前記リボン形イオンビームのｘｚ平面内の発散を調整可能とするために、前記質量分析磁石の直後に四重極子単レンズが配置されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
23. 前記角度補正装置は、角度補正用磁石、点／平行型集束用に構成された静電レンズ（ｐレンズ）、磁気四重極子レンズアセンブリ及び静電四重極子レンズアセンブリのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
24. 前記質量分析磁石は、前記リボン形イオンビーム中のイオンを、ｘｙ平面内の約３０度から９０度の範囲の角度で偏向することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
25. 前記リボン形イオンビームはｘｙ平面内で交差し、前記リボン形イオンビームの交差部は、前記質量選別スリットの略中央に生じることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。

Images