JP2015176750A - イオン注入装置、ビームエネルギー測定装置、及びビームエネルギー測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入装置においてイオンビームのエネルギーを測定する。【解決手段】イオン注入装置１００におけるビームエネルギー測定装置２００は、イオン注入装置１００のビーム平行化器３６の下流でイオンビームの平行度を測定する平行度測定部２０２と、測定された平行度からイオンビームのエネルギーを演算するエネルギー演算部２０４と、を備える。イオン注入装置１００は、演算されたイオンビームのエネルギーに基づいて、イオンビームが目標エネルギーを有するように高エネルギー多段直線加速ユニット１４を制御する制御部をさらに備えてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、イオン注入装置、ビームエネルギー測定装置、及びビームエネルギー測定方法に関する。

イオンビームのエネルギーを測定する装置がイオン注入装置に設けられていることがある。例えば、あるエネルギー測定装置は、規定の距離におけるイオンの飛行時間を測定し、その距離と測定飛行時間からイオンの速度を求め、その速度を用いてイオンのエネルギーを演算する。また、他の測定装置は、イオンビームをターゲットにあてたときに発生する特性Ｘ線からイオンビームのエネルギーを測定する。

特開２０００−１００３７２号公報 特開平８−１４８１１２号公報

上述の測定装置は、エネルギー測定のための専用の構成を追加的に要する。例えば、イオンの飛行時間を測定する場合には、規定の距離隔てて配置された２つのセンサが使用される。各センサでイオンの通過を検出し、その時間差がイオンの飛行時間とみなされる。また、特性Ｘ線を検出する場合には、特性Ｘ線を発生させる専用のターゲットとＸ線検出器が必要である。一般に、新たな構成をイオン注入装置に付加すれば、イオン注入装置の製造コストの上昇を招きうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオン注入装置においてコストの顕著な上昇を伴うことなくイオンビームのエネルギー測定を可能とすることにある。

本発明のある態様によると、ビーム基準軌道上に焦点を有するビーム平行化器であって、前記ビーム基準軌道を含む平面において前記焦点から前記ビーム平行化器へとそれぞれ異なる入射角度に方向付けられた複数のビーム軌道が目標ビームエネルギーのもとで前記ビーム基準軌道と平行になるように、前記複数のビーム軌道をそれぞれ入射角度に応じて異なる偏向角度で偏向するビーム平行化器と、前記平面内の前記ビーム基準軌道に垂直な方向に関するビーム角度の誤差を表すビーム平行度を、前記ビーム平行化器を通るイオンビームについて前記ビーム平行化器の下流で測定する平行度測定部と、前記目標ビームエネルギーに対する前記イオンビームのエネルギーずれ量を前記ビーム平行度に基づいて演算するエネルギー演算部と、を備えることを特徴とするイオン注入装置が提供される。

本発明のある態様によると、イオン注入装置におけるビームエネルギー測定装置であって、前記イオン注入装置のビーム平行化器の下流でビーム平行度を測定する平行度測定部と、目標ビームエネルギーに対するイオンビームのエネルギーずれ量を、前記目標ビームエネルギーを用いて定義される既知の関係に従って前記ビーム平行度から演算するエネルギー演算部と、を備えることを特徴とするビームエネルギー測定装置が提供される。

本発明のある態様によると、イオン注入装置においてビーム平行化器の下流でビーム平行度を測定することと、目標ビームエネルギーに対するイオンビームのエネルギーずれ量を、前記目標ビームエネルギーを用いて定義される既知の関係に従って前記ビーム平行度から演算することと、を備えることを特徴とするビームエネルギー測定方法が提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、イオン注入装置においてコストの顕著な上昇を伴うことなくイオンビームのエネルギーを測定することができる。

本発明のある実施形態に係るイオン注入装置を概略的に示す上面図である。 図１に示す高エネルギー多段直線加速ユニットの概略構成を含む全体レイアウトを示す平面図である。 図１に示す高エネルギー多段直線加速ユニットの制御部の機能及び構成を説明するためのブロック図である。 図１に示すビーム輸送ラインユニットの一部の概略構成を示す平面図である。 図５（ａ）、図５（ｂ）、及び図５（ｃ）は、本発明のある実施形態に係るビーム平行度の測定を説明するための図である。 本発明のある実施形態に係るビーム平行度の測定を説明するための図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明のある実施形態に係るビーム平行度の測定を説明するための図である。 本発明のある実施形態に係るビーム測定方法を例示するフローチャートである。 本発明のある実施形態に係るビームエネルギー測定装置の一例を概略的に示す。 図９に示す平行度測定部を概略的に示す図である。 図１０に示す平行度測定部をマスクのｙ方向中央で切断してｙ方向から見た図である。 図１０に示す平行度測定部をマスクのｙスリットのｘ方向位置で切断してｘ方向から見た図である。 図１０に示す平行度測定部をマスクのｘスリットのｘ方向位置で切断してｘ方向から見た図である。 図９に示す平行度測定部を用いる平行度測定処理の一例を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係るイオン注入装置１００を概略的に示す上面図である。イオン注入装置１００は、いわゆる高エネルギーイオン注入装置に適する。高エネルギーイオン注入装置は、高周波線形加速方式のイオン加速器と高エネルギーイオン輸送用ビームラインを有するイオン注入装置であり、イオンソース１０で発生したイオンを加速し、そうして得られたイオンビームＢをビームラインに沿って被処理物（例えば基板またはウェハ４０）まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。

図１には、イオン注入装置１００のビームライン部の構成要素のレイアウトが示されている。イオン注入装置１００のビームライン部は、イオンソース１０と、被処理物にイオン注入処理をするための処理室２１と、を備えており、イオンソース１０から被処理物に向けてイオンビームＢを輸送するよう構成されている。

図１に示すように、高エネルギーイオン注入装置１００は、イオンを生成して質量分離するイオンビーム生成ユニット１２と、イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームにする高エネルギー多段直線加速ユニット１４と、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、基準軌道補正、エネルギー分散の制御を行うビーム偏向ユニット１６と、分析された高エネルギーイオンビームをウェハ４０まで輸送するビーム輸送ラインユニット１８と、輸送された高エネルギーイオンビームを均一に半導体ウェハに注入する基板処理供給ユニット２０とを備える。

イオンビーム生成ユニット１２は、イオンソース１０と、引出電極１１と、質量分析装置２２と、を有する。イオンビーム生成ユニット１２では、イオンソース１０から引出電極１１を通してビームが引き出されると同時に加速され、引出加速されたビームは質量分析装置２２により質量分析される。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａ、質量分析スリット２２ｂを有している。質量分析スリット２２ｂは、質量分析磁石２２ａの直後に配置する場合もあるが、実施例では、その次の構成である高エネルギー多段直線加速ユニット１４の入り口部内に配置している。質量分析装置２２による質量分析の結果、注入に必要なイオン種だけが選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次の高エネルギー多段直線加速ユニット１４に導かれる。

図２は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４の概略構成を含む全体レイアウトを示す平面図である。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置、すなわち、一つ以上の高周波共振器１４ａを挟む加速ギャップを備えている。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、高周波（ＲＦ）電場の作用により、イオンを加速することができる。

高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、高エネルギーイオン注入用の基本的な複数段の高周波共振器１４ａを備える第１線形加速器１５ａを備える。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、超高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器１４ａを備える第２線形加速器１５ｂを備えてもよい。高エネルギー多段直線加速ユニット１４により、さらに加速されたイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６により方向が変化させられる。

高周波（ＲＦ）加速を用いたイオン注入装置においては、高周波のパラメータとして電圧の振幅Ｖ[ｋＶ]、周波数ｆ［Ｈｚ］を考慮しなければならない。更に、複数段の高周波加速を行う場合には、お互いの高周波の位相φ［ｄｅｇ］がパラメータとして加わる。加えて、加速の途中や加速後にイオンビームの上下左右への広がりを収束・発散効果によって制御するための磁場レンズ（例えば、四極電磁石）や電場レンズ（例えば、電場四極電極）が必要であり、それらの運転パラメータは、そこを通過する時点でのイオンのエネルギーによって最適値が変わることに加え、加速電界の強度が収束・発散に影響を及ぼすため、高周波のパラメータを決めた後にそれらの値を決めることになる。

図３は、複数の高周波共振器先端の加速電場（ギャップ）を直線状に並べた高エネルギー多段直線加速ユニット及び収束発散レンズの制御部１２０の構成を示すブロック図である。

高エネルギー多段直線加速ユニット１４には一つ以上の高周波共振器１４ａが含まれている。高エネルギー多段直線加速ユニット１４の制御に必要な構成要素としては、オペレータが必要な条件を入力するための入力装置５２、入力された条件から各種パラメータを数値計算し、更に各構成要素を制御するための制御演算装置５４、高周波の電圧振幅を調整するための振幅制御装置５６、高周波の位相を調整するための位相制御装置５８、高周波の周波数を制御するための周波数制御装置６０、高周波電源６２、収束発散レンズ６４のための収束発散レンズ電源６６、運転パラメータを表示するための表示装置６８、決定されたパラメータを記憶しておくための記憶装置７０が必要である。また、制御演算装置５４には、あらかじめ各種パラメータを数値計算するための数値計算コード（プログラム）が内蔵されている。

高周波線形加速器の制御演算装置５４では、内蔵している数値計算コードによって、入力された条件を基にイオンビームの加速並びに収束・発散をシミュレーションし、最適な輸送効率が得られるよう高周波パラメータ（電圧振幅、周波数、位相）を算出する。また同時に、効率的にイオンビームを輸送するための収束発散レンズ６４のパラメータ（Ｑコイル電流、またはＱ電極電圧）も算出する。計算された各種パラメータは、表示装置６８に表示される。高エネルギー多段直線加速ユニット１４の能力を超えた加速条件に対しては、解がないことを意味する表示が表示装置６８に表示される。

電圧振幅パラメータは、制御演算装置５４から振幅制御装置５６に送られ、振幅制御装置５６が、高周波電源６２の振幅を調整する。位相パラメータは、位相制御装置５８に送られ、位相制御装置５８が、高周波電源６２の位相を調整する。周波数パラメータは、周波数制御装置６０に送られる。周波数制御装置６０は、高周波電源６２の出力周波数を制御するとともに、高エネルギー多段直線加速ユニット１４の高周波共振器１４ａの共振周波数を制御する。制御演算装置５４はまた、算出された収束発散レンズパラメータにより、収束発散レンズ電源６６を制御する。

イオンビームを効率的に輸送するための収束発散レンズ６４は、高周波線形加速器の内部あるいはその前後に、必要な数が配置される。すなわち、複数段の高周波共振器１４ａの先端の加速ギャップの前後には交互に発散レンズまたは収束レンズが備えられている。また、第２線形加速器１５ｂの終端の横収束レンズ６４ａの後方には追加の縦収束レンズ６４ｂが配置され、高エネルギー多段直線加速ユニット１４を通過する高エネルギー加速イオンビームの収束と発散を調整して、後段のビーム偏向ユニット１６に最適な二次元ビームプロファイルのイオンビームを入射させるようにしている。

図１及び図２に示されるように、ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー分析スリット２８と、ステアリング（軌道補正）を提供する偏向電磁石３０とを有する。なお、エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルター電磁石（ＥＦＭ）と呼ばれることもある。高エネルギーイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６によって方向転換され、ウェハ４０の方向へ向かう。

ビーム輸送ラインユニット１８は、ビーム偏向ユニット１６から出たイオンビームＢを輸送するものであり、収束／発散レンズ群から構成されるビーム整形器３２と、ビーム走査器３４と、ビーム平行化器３６と、最終エネルギーフィルター３８（最終エネルギー分離スリットを含む）とを有する。ビーム輸送ラインユニット１８の長さは、イオンビーム生成ユニット１２と高エネルギー多段直線加速ユニット１４との長さに合わせて設計されており、ビーム偏向ユニット１６で結ばれて、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。

ビーム輸送ラインユニット１８の下流側の終端には、基板処理供給ユニット２０が設けられており、処理室２１の中に、イオンビームＢのビーム電流、位置、注入角度、収束発散角、上下左右方向のイオン分布等を計測するビームモニター、イオンビームＢによるウェハ４０の帯電を防止する帯電防止装置、ウェハ４０を搬入搬出し適正な位置・角度に設置するウェハ搬送機構、イオン注入中ウェハ４０を保持するＥＳＣ（Electro Static Chuck）、注入中ビーム電流の変動に応じた速度でウェハ４０をビームスキャン方向と直角方向に動かすウェハスキャン機構が収納されている。

このようにして、イオン注入装置１００のビームライン部は、対向する２本の長直線部を有する水平のＵ字状の折り返し型ビームラインに構成されている。上流の長直線部は、イオンソース１０で生成したイオンビームＢを加速する複数のユニットから成る。下流の長直線部は、上流の長直線部に対し方向転換されたイオンビームＢを調整してウェハ４０に注入する複数のユニットから成る。２本の長直線部はほぼ同じ長さに構成されている。２本の長直線部の間に、メンテナンス作業のために十分な広さの作業スペースＲ１が設けられている。

このように各ユニットをＵ字状に配置した高エネルギーイオン注入装置１００は、設置面積を抑えつつ良好な作業性が確保されている。また、高エネルギーイオン注入装置１００においては、各ユニットや各装置をモジュール構成とすることで、ビームライン基準位置に合わせて着脱、組み付けが可能となっている。

また、高エネルギー多段直線加速ユニット１４と、ビーム輸送ラインユニット１８とが折り返して配置されるため、高エネルギーイオン注入装置１００の全長を抑えることができる。従来装置ではこれらがほぼ直線状に配置されている。また、ビーム偏向ユニット１６を構成する複数の偏向電磁石の曲率半径は、装置幅を最小にするように最適化されている。これらによって、装置の設置面積を最小化するとともに、高エネルギー多段直線加速ユニット１４とビーム輸送ラインユニット１８との間に挟まれた作業スペースＲ１において、高エネルギー多段直線加速ユニット１４やビーム輸送ラインユニット１８の各装置に対する作業が可能となる。また、メンテナンス間隔が比較的短いイオンソース１０と、基板の供給／取出が必要な基板処理供給ユニット２０とが隣接して配置されるため、作業者の移動が少なくてすむ。

図４は、ビーム輸送ラインユニット１８の一部の概略構成を示す平面図である。ビーム偏向ユニット１６（図１参照）によって必要なイオン種のみが分離され、必要なエネルギー値のイオンのみとなったビームは、ビーム整形器３２により所望の断面形状に整形される。図示されるように、ビーム整形器３２は、Ｑ（四重極）レンズ等（電場式若しくは磁場式）の収束／発散レンズ群により構成される。整形された断面形状を持つビームは、ビーム走査器３４により図４の紙面に平行な方向にスキャンされる。例えば、横収束（縦発散）レンズＱＦ／横発散（縦収束）レンズＱＤ／横収束（縦発散）レンズＱＦからなるトリプレットＱレンズ群として構成される。ビーム整形器３２は、必要に応じて、横収束レンズＱＦ、横発散レンズＱＤをそれぞれ単独で、あるいは複数組み合わせて構成することができる。

ビーム走査器３４は、周期変動する電場により、イオンビームの進行方向と直交する水平方向にイオンビームを周期的に往復走査させる偏向走査装置（ビームスキャナーとも呼ばれる）である。

ビーム走査器３４は、ビーム進行方向に関して、イオンビームの通過域を挟むようにして対向配置された一対（２枚）の対向電極３４ａ、３４ｂ（二極式偏向走査電極）を備え、０．５Ｈｚ〜４０００Ｈｚの範囲の一定の周波数で正負に変動する三角波に近似する走査電圧が、２枚の対向電極３４ａ、３４ｂにそれぞれ逆符号で印加される。この走査電圧は、２枚の対向電極３４ａ、３４ｂのギャップ内において、そこを通過するビームを偏向させる変動する電場を生成する。そして、走査電圧の周期的な変動により、ギャップを通過するビームが水平方向にスキャンされる。

ビーム走査器３４の下流側には、イオンビームの通過域に開口を有するサプレッション電極７４が２つのグランド電極７８ａ、７８ｂの間に配置されている。上流側には、走査電極の前方にグランド電極７６ａを配置しているが、必要に応じて下流側と同じ構成のサプレッション電極を配置することができる。サプレッション電極は、正電極への電子の侵入を抑制する。

スキャンハウジング内において、ビーム走査器３４の下流側には、ビーム走査空間部３４ｃが長い区間において設けられ、ビーム走査角度が狭い場合でも十分なスキャン幅を得られるように構成されている。ビーム走査空間部３４ｃの下流にあるスキャンハウジングの後方には、偏向されたイオンビームを、ビーム走査偏向前のイオンビームの方向になるように調整する、つまり、ビームラインＬ１に平行となるように曲げ戻すビーム平行化器３６が設けられている。

ビーム平行化器３６で発生する収差（ビーム平行化器の中心部と左右端部の焦点距離の差）は、ビーム走査器３４の偏向角の２乗に比例するので、ビーム走査空間部３４ｃを長くして偏向角を小さくすることは、ビーム平行化器３６の収差を抑えることに大きく寄与する。収差が大きいと、半導体ウェハにイオンビームを注入する際に、ウェハの中心部と左右端部とでビームサイズとビーム発散角が異なるため、製品の品質にバラツキが生じることがある。

また、このビーム走査空間部３４ｃの長さを調整することによって、ビーム輸送ラインユニットの長さを、高エネルギー多段直線加速ユニット１４の長さに合わせることができる。

ビーム平行化器３６には、電場平行化レンズ８４が配置されている。図４に示すように、電場平行化レンズ８４は、略双曲線形状の複数の加速電極対と減速電極対で構成されている。各電極対は、放電が起きない程度の広さの加速・減速ギャップを介して向き合っており、加速減速ギャップには、イオンビームの加減速を引き起こす軸方向の成分と、基準軸からの距離に比例して強くなって、イオンビームに横方向の収束作用を及ぼす横成分とを併せ持つ電界が形成される。

加速ギャップを挟む電極対のうち下流側の電極と、減速ギャップの上流側の電極、及び、減速ギャップの下流側の電極と次の加速ギャップの上流側の電極とは、同一電位になるように、それぞれ一体の構造体を形成している。

電場平行化レンズ８４の上流側から最初の電極（入射電極）と最後の電極（出射電極）は、接地電位に保たれている。これによって、平行化レンズ８４通過前後で、ビームのエネルギーは変化しない。

中間の電極構造体において、加速ギャップの出口側電極と減速ギャップの入り口側電極には、可変式定電圧の負電源９０が、減速ギャップの出口側電極と加速ギャップの入り口側電極には、可変式定電圧の正電源が接続されている（ｎ段の時は負正負正負・・・）。これによって、イオンビームは加速・減速を繰り返しながら、ビームラインの基準軌道と平行な方向に段階的に向いていく。そして、最終的に偏向走査前のイオンビーム進行方向（ビームライン軌道方向）に平行な軌道に乗る。

図４に示されるように、ビーム平行化器３６は、設計上のビーム基準軌道（例えば、図４に示すビームラインＬ１）上に焦点Ｆを有する。ビーム平行化器３６に入射する複数のビーム軌道３７ａ、３７ｂ、３７ｃはそれぞれビーム基準軌道に対し異なる角度を有する。ビーム平行化器３６は、複数のビーム軌道３７ａ、３７ｂ、３７ｃのそれぞれを入射角度に応じて異なる偏向角度で偏向し、それにより複数のビーム軌道３７ａ、３７ｂ、３７ｃがビーム基準軌道と平行になるように、設計されている。ビーム平行化器３６は、所与のイオン注入条件（例えば目標ビームエネルギーを含む）に応じて予め定められた電気的入力（例えば電圧）を受けて作動する。

複数のビーム軌道３７ａ、３７ｂ、３７ｃは、ビーム基準軌道を含む一平面上にあり、この平面において焦点Ｆからビーム平行化器３６へとそれぞれ異なる入射角度に方向付けられている。本実施形態においては複数のビーム軌道３７ａ、３７ｂ、３７ｃはビーム走査器３４によるスキャンの結果であるから、この平面は、ビーム走査器３４のスキャン平面（ｘｚ面）に相当する。これらビーム軌道のいずれか（図４においてはビーム軌道３７ｂ）がビーム基準軌道に一致していてもよい。本実施形態においてはビーム基準軌道はビーム平行化器３６において偏向されずにビーム平行化器３６を直進する。

本実施形態に係るイオン注入装置１００は、ビーム平行化器３６の焦点Ｆがビーム走査器３４の走査原点に一致するよう構成されている。よって、走査原点においてビーム走査器３４によりスキャンされたビームは、電場平行化レンズ等を含むビーム平行化器３６により収束され、スキャン前のイオンビーム進行方向（ビームライン軌道方向）に平行な偏向角０度の軸（基準軸）に対して平行になる。このとき、スキャン領域は、基準軸に関して左右対称になる。

ビーム平行化器３６は上述のように、ビーム走査器３４から入射するイオンビームを平行化するよう構成されており、ビーム輸送方向に垂直な平面においてビーム輸送方向に垂直なｘ方向（水平方向）に沿って広がるビーム通過領域をビーム平行化器３６の下流に形成する。ビーム平行化器３６は、例えば、静電式のビーム平行化器である。

図１に示されるように、イオン注入装置１００には、ビームエネルギー測定装置２００が設けられている。ビームエネルギー測定装置２００は、平行度測定部２０２と、エネルギー演算部２０４と、を備える。平行度測定部２０２は、ビーム平行化器３６を通るイオンビームについてビーム平行化器３６の下流でイオンビームの平行度（以下、「ビーム平行度」または「平行度」ともいう）を測定するよう構成されている。平行度測定部２０２は、例えば、被処理物にイオン注入処理をするための処理室２１に設けられている。

詳しくは後述するが、ビーム平行度は、イオンビームにおけるビーム角度誤差を表す指標である。例えば、ビーム平行度として、ビーム平行化器３６を通る複数のビーム軌道３７ａ、３７ｂ、３７ｃにより定まる上記の平面においてビームラインＬ１に垂直な方向（ｘ方向）に関するビーム角度の誤差を表す指標を用いてもよい。本実施形態に係るビーム平行度は、設計上のビーム基準軌道に対するイオンビームの全体的な角度誤差を表すというよりも、イオンビームの局所部分間の相対的な角度誤差を表す。

平行度測定部２０２は、例えば、複数のスリットを有するダイバージェンスマスクと、ビーム電流を測定するプロファイラカップと、を備える。ダイバージェンスマスクは、ビーム平行化器３６によって平行化されたスキャンビームをスリットを通じて制限する。プロファイラカップは、ダイバージェンスマスクから所定距離Ｌだけ離れて配置される。既存のイオン注入装置１００の処理室２１にはたいてい、プロファイラカップのようなビーム電流検出器が設けられている。そうした既存の検出器を流用することで、ビームエネルギー測定装置２００を低コストに構成することができる。

平行度測定部２０２は、スキャン方向（ｘ方向）に沿って位置の関数としてビーム電流を測定する。ビーム走査器３４及びビーム平行化器３６を通るイオンビームの中心がビームラインＬ１に一致する理想的な場合には、平行度測定部２０２は例えば、ビーム電流が最大になった位置と設計上電流が最大になると予想される位置の差δｘおよび所定距離Ｌから平行度を算出してもよい。こうした平行度を測定するための構成についての詳細は後述する。

エネルギー演算部２０４は、測定された平行度からイオンビームのエネルギーを演算するよう構成されている。エネルギー演算部２０４は、目標ビームエネルギーに対するイオンビームのエネルギーずれ量をビーム平行度に基づいて演算する。エネルギー演算部２０４は、上述の制御部１２０の一部であってもよいし、それとは別個に設けられていてもよい。あるいは、エネルギー演算部２０４は、イオン注入装置１００を制御するよう構成されている制御装置の一部であってもよいし、それとは別個に設けられていてもよい。

ところで、ビーム平行化器３６はイオンビームの偏向または収束によりイオンビームを平行化するから、そうした平行化のために必要な偏向力または収束力はイオンビームのもつエネルギーに依存する。すなわち、エネルギーが大きいほど必要な偏向力または収束力も大きくなる。ビーム平行化器３６の偏向力または収束力は、ビーム平行化器３６への電気的入力（例えば、電場平行化レンズ８４の場合、電圧）に応じて変化する。

したがって、イオン注入装置１００においては、イオンビームの目標ビームエネルギーとそのイオンビームの平行化に必要なビーム平行化器３６への電気的入力とを関係づけるビーム平行化器３６の設定が予め定められている。所与のイオン注入条件（目標ビームエネルギーを含む）のもとで、この設定に従って定まる電気的入力がビーム平行化器３６に与えられ、ビーム平行化器３６は動作する。よって、ビーム平行化器３６に入射するイオンビームのエネルギーが目標ビームエネルギーに一致すれば、図５（ａ）に示されるように、ビーム平行化器３６はそのイオンビームを完全に平行化することができる。ビーム平行化器３６の焦点距離を図５（ａ）においてはＦ０と表記する。

しかし、もしイオンビームのエネルギーが目標ビームエネルギーと異なっていたとすると、その目標ビームエネルギーに応じた設定のもとではビーム平行化器３６によりイオンビームを完全に平行化することはできない。

例えば、イオンビームのエネルギーが目標ビームエネルギーより小さい場合には、ビーム平行化器３６によってイオンビームが過剰に収束または偏向され、ビーム平行度が完全平行からずれてしまう。これは、図５（ｂ）に示されるように、ビーム平行化器３６の焦点Ｆをビーム平行化器３６に近づけて焦点距離を小さくすることと等価である（Ｆ１＜Ｆ０）。また、イオンビームのエネルギーが目標ビームエネルギーより大きい場合にはビーム平行化器３６によるイオンビームの収束または偏向が不足し（ビームが発散し）、ビーム平行度は完全平行からずれてしまう。これは、図５（ｃ）に示されるように、ビーム平行化器３６の焦点Ｆをビーム平行化器３６から遠ざけて焦点距離を大きくすることと等価である（Ｆ２＞Ｆ０）。

このエネルギーずれと平行度ずれの関係は、平行化レンズ８４周辺の電場計算およびイオンビームの軌道計算によって求めることができる。エネルギーがα倍になったとき、焦点距離はβ倍になるとする。あるαの値について、ビーム走査器３４のスキャン範囲内のいくつかのスキャン角度それぞれに対応する平行化レンズ８４からの出射角を計算することができる。これらスキャン角度（つまり平行化レンズ８４への入射角）と平行化レンズ８４からの出射角とから、当該エネルギー比αに対応する焦点距離比βを求められる。多数のエネルギー比αの値それぞれについて対応する焦点距離比βを求めることにより、エネルギー比αと焦点距離比βとの関係が得られる。本発明者の解析によると、エネルギー比αと焦点距離比βとは直線関係を有しており、すなわち、α＝Ａ・β＋Ｂと表される（Ａ、Ｂは定数）。なお、この関係はスキャン角度に依存しない。焦点距離比βは平行度のずれに相当するから、平行度を測定することによりエネルギー比αを計算することができる。

例えば、目標ビームエネルギーＥ０のイオンビームを平行化レンズ８４に通すときの偏向角度（つまり入射角と出射角との差）をΦとするとき、実際に偏向された角度がΦ＋δΦであったとする。理想的な場合としてイオンビームの中心がビームラインＬ１に一致しているとすると、ビーム平行度として角度ずれδΦを用いることができる。角度ずれδΦはエネルギーずれδＥと比例する。つまり、δＥ＝Ｅ０×（δΦ／Φ）である。エネルギー演算部２０４は、こうした既知の関係に従って、測定されたビーム平行度（すなわち角度ずれδΦ）をエネルギーずれ量δＥへと換算する。

平行化レンズ８４は、目標エネルギーＥ０のイオンビームを平行化するための偏向角度Φを実現するように、予め精密に設計されている。また、平行度は注入処理において主要なパラメータの１つであり、そのため平行度測定部２０２は平行度（すなわちδΦ）を正確に測れるよう構成されている。目標エネルギーＥ０は、行われる注入処理の仕様として決定される。したがって、ビームエネルギー測定装置２００は、エネルギーのずれ量δＥを、つまりイオンビームのエネルギーＥ０＋δＥを、精度よく求めることができる。

ビーム平行度の測定に関し、図５（ｂ）及び図５（ｃ）を参照して具体例を説明する。平行度測定部２０２は、イオンビームの複数のビーム部分について、ビーム基準軌道に垂直な方向（ｘ方向）に関するビーム角度を測定する。ビーム平行度δΦは、複数のビーム部分のうち第１ビーム部分２０６のビーム角度δΦ１と第２ビーム部分２０８のビーム角度δΦ２との差を用いて定義される。例えば、δΦ＝（δΦ１−δΦ２）／２と定義する。

第１ビーム部分２０６は、ｘ方向においてイオンビームの外縁部に位置し、第２ビーム部分２０８は、ｘ方向において第１ビーム部分２０６と反対側のイオンビームの外縁部に位置する。第２ビーム部分２０８はビームラインＬ１に関して第１ビーム部分２０６と対称である。測定点の間隔はｘ方向においてなるべく大きいことが望ましい。なぜなら、イオンビームがビーム平行化器３６において収束または発散する場合、測定点どうしが離れているほうが角度差が大きくなる。よって、測定の感度が向上される。

図５（ｂ）及び図５（ｃ）にはイオンビームの中心がビームラインＬ１に一致するがイオンビームのエネルギーが目標ビームエネルギーと異なる場合を図示している。図５（ｂ）に例示されるように、δΦ１＝−δΦ２＝ξであるとき、δΦ＝（ξ−（−ξ））／２＝ξである。また、図５（ｃ）に例示されるように、δΦ２＝−δΦ１＝ξであるとき、δΦ＝（−ξ−ξ）／２＝−ξである。こうして得られたビーム平行度δΦをエネルギーずれδＥに換算し、それを用いてイオンビームのエネルギーを求めることができる。

これに対して、図６には、イオンビームのエネルギーが目標ビームエネルギーに一致するがイオンビームの中心がビームラインＬ１から外れている場合を図示している。図６に例示されるように、δΦ１＝δΦ２＝ξであるとき、δΦ＝（ξ−ξ）／２＝０である。ビーム平行度δΦがゼロであるので、エネルギーずれδＥもゼロである。つまり、第１ビーム部分２０６及び第２ビーム部分２０８にエネルギーずれは無く、イオンビームのエネルギーは目標ビームエネルギーに一致する。

ビーム平行度δΦがゼロであるので、第１ビーム部分２０６と第２ビーム部分２０８とはビーム平行化器３６により平行化されている。しかし、図６からわかるように、ビーム平行化器３６の上流でイオンビームはビームラインＬ１からずれているので、ビーム平行化器３６の下流においても第１ビーム部分２０６と第２ビーム部分２０８とはそれぞれ設計上のビーム軌道から外れている（傾いている）。

ビーム平行度として、ある１つの測定点におけるビーム角度によって定義される量を用いることも可能である。しかし、その場合、図６に示されるようにイオンビームがビームラインＬ１からずれていたとすると、こうした軌道ずれに起因する誤差が測定ビーム角度に含まれることになる。その結果、不正確なビーム平行度が取得される。そうすると、そこから得られるエネルギーずれも不正確になる。

これに対して、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に例示するように、２つの測定点におけるビーム角度差によって定義される量をビーム平行度として用いると、上述の軌道ずれによる誤差を排除することができる。軌道ずれによる誤差はイオンビームの局所部分間で共通する。言い換えれば、ビーム平行化器３６の上流における軌道ずれによって、ビーム平行化器３６の下流ではどのビーム部分にも同じ角度ずれが生じる。そのため、測定ビーム角度の差をとることにより、一方の測定ビーム角度に含まれる誤差と他方の測定ビーム角度に含まれる誤差することができる。こうして、ビーム部分間の相対的な角度ずれを正確に知ることができる。

ビーム角度の測定点は３つ以上であってもよい。平行度測定部２０２は、第１ビーム部分２０６、第２ビーム部分２０８、及び第３ビーム部分２１０を測定してもよい。図７（ａ）に例示するように、第１ビーム部分２０６及び第２ビーム部分２０８は上述のようにｘ方向において互いに反対側にあり、第３ビーム部分２１０はイオンビームの中心近傍にあってもよい。平行度測定部２０２による第１ビーム部分２０６、第２ビーム部分２０８、及び第３ビーム部分２１０のｘ方向測定位置をそれぞれ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３とする。

平行度測定部２０２は、測定された３つのビーム角度δΦ１、δΦ２、δΦ３に基づいて、ｘ方向位置に対するｘ方向ビーム角度の誤差分布を生成する。誤差分布は、公知の任意の方法（例えば最小二乗法）により求められる。誤差分布を図７（ｂ）に例示する。ビーム平行度は、この誤差分布におけるｘ方向位置の変化量δｘとそれに対応するｘ方向ビーム角度の変化量δΦとの比を用いて定義することができる。例えば、ビーム平行度は、比δΦ／δｘと定義してもよい。つまり、ビーム平行度は、ｘ方向の単位長さあたりの角度差であり、これは誤差分布の傾きである。

イオンビームに軌道ずれがあると、そのずれ量に応じて、測定された３つのビーム角度δΦ１、δΦ２、δΦ３が等しく増加または減少する。これは、図７（ｂ）に示す誤差分布の平行移動に相当する。つまり誤差分布の傾きは不変である。よって、比δΦ／δｘを用いてビーム平行度を定義することにより、ビーム平行度から軌道ずれによる誤差を排除することができる。

なお、このような誤差分布が、ビーム角度の測定点が２つである場合に生成されてもよい。この場合、２つのビーム部分のｘ方向測定位置と対応するｘ方向ビーム角度測定値から、比δΦ／δｘが演算されてもよい。

図１を参照して説明したように、イオン注入装置１００は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４、エネルギー分析電磁石２４、及びエネルギー分析スリット２８を備える。高エネルギー多段直線加速ユニット１４による加速は原理的に、イオンビームにエネルギー分布を与える。イオン注入装置１００は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４が適正なパラメータで動作する場合に、エネルギー分布の中心がスリットの中心に一致するように設計されている。スリット通過後のビームエネルギーは目標ビームエネルギーとなる。

ところが、適正なパラメータと若干異なるパラメータで高エネルギー多段直線加速ユニット１４が動作する場合には、そのパラメータの違いによりイオンビームのエネルギーが若干増減する。そうすると、エネルギー分析電磁石２４によるイオンビームの偏向角度が変わり、イオンビームのエネルギー分布の中心がエネルギー分析スリット２８の中心からずれる。ビーム中心がスリット中心からずれたとすると、それに応じてスリット通過後のビームエネルギーは目標ビームエネルギーからずれることになる。

そこで、測定されたイオンビームのエネルギーは、高エネルギー多段直線加速ユニット１４を制御するために使用されてもよい。例えば、制御部１２０は、演算されたイオンビームのエネルギーに基づいて、イオンビームが目標エネルギーを有するように高エネルギー多段直線加速ユニット１４を制御してもよい。

この場合、制御部１２０は、少なくとも１つの高周波共振器１４ａにおける電圧振幅Ｖ［ｋＶ］を制御してもよい。電圧を制御することはイオンビームのエネルギーを直接操作することに相当する。好ましくは、少なくとも１つの高周波共振器１４ａは、最終段の高周波共振器を含む。こうして最終段の高周波共振器において電圧を制御することにより、イオンビームのエネルギーを容易に調整することができる。

あるいは、制御部１２０は、少なくとも１つの高周波共振器１４ａにおける高周波の位相φ［ｄｅｇ］を制御してもよい。位相を調整することにより、ビームが加速されるときに受け取るエネルギーの割合を変化させることができる。

このようにすれば、ビームエネルギーを精度よく調整することができる。よって、例えば、基板Ｗへの注入深さを精密に制御することができる。

制御部１２０は、測定されたエネルギーずれ量が予め定められた第１しきい値を超えるか否かを判定してもよい。制御部１２０は、エネルギーずれ量が第１しきい値を超える場合に、イオンビームのエネルギーを目標ビームエネルギーに近づくように補正するよう高エネルギー多段直線加速ユニット１４を制御してもよい。制御部１２０は、エネルギーずれ量が第１しきい値を超えない場合には、イオンビームのエネルギーが許容範囲にあると判定してもよい。

また、制御部１２０は、測定されたエネルギーずれ量が予め定められた第２しきい値を超えるか否かを判定してもよい。制御部１２０は、エネルギーずれ量が第２しきい値を超える場合に、イオン注入処理を中断してもよい。第２しきい値は第１しきい値より大きくてもよい。第２しきい値は第１しきい値と等しくてもよい。制御部１２０は、測定されたエネルギーずれ量が予め定められたしきい値を超える場合に、イオン注入処理の中断またはエネルギーずれの補正を選択してもよい。

なお、制御部１２０は、エネルギーずれ量としきい値とを比較することに代えて、エネルギーずれ量から求まるイオンビームのエネルギーが予め定められた許容範囲にあるか否かを判定してもよい。また、制御部１２０に代えて、イオン注入装置１００に関連するその他の制御装置がこれらの判定を実行してもよい。

図８は、本発明のある実施形態に係るビーム測定方法を例示するフローチャートである。このビーム測定方法は、エネルギー測定ステップ（Ｓ１０）と、制御ステップ（Ｓ２０）と、を備える。この方法は、例えば、イオン注入処理の準備工程において、所定の頻度で繰り返し実行される。

エネルギー測定ステップ（Ｓ１０）においては、まず、ビームエネルギー測定装置２００の平行度測定部２０２を使用して、イオン注入装置１００のビーム平行化器３６の下流でイオンビームの平行度が測定される（Ｓ１１）。次に、ビームエネルギー測定装置２００のエネルギー演算部２０４を使用して、測定された平行度からイオンビームのエネルギーが演算される（Ｓ１２）。

ビームエネルギー測定装置２００または制御部１２０は、演算されたイオンビームのエネルギーが適正であるか否かを判定する（Ｓ１５）。例えば、演算されたエネルギーが目標エネルギーに一致するとき、または演算されたエネルギーが目標エネルギー近傍の許容範囲にあるときは、イオンビームのエネルギーは適正であると判定される。演算されたエネルギーが適正である場合には（Ｓ１５のＹ）、エネルギーの調整は不要であり、本方法は終了される。演算されたエネルギーが適正でない場合には（Ｓ１５のＮ）、制御ステップ（Ｓ２０）が実行される。

制御ステップ（Ｓ２０）においては、演算されたイオンビームのエネルギーに基づいて、イオンビームが目標エネルギーを有するようにイオン注入装置１００の高エネルギー多段直線加速ユニット１４が制御される。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、制御部１２０により制御される。

まず、演算されたイオンビームのエネルギーに基づいて、補正電圧が算出される（Ｓ２１）。補正電圧は、イオンビームに目標エネルギーを与えるための最終段の高周波共振器におけるＲＦ加速電圧の補正量である。次に、制御部１２０は、最終段の高周波共振器の電圧余力を確認する（Ｓ２２）。つまり、最終段の高周波共振器が補正電圧を追加的に発生させることができるか否かが判定される。電圧余力が補正電圧を上回る場合には（Ｓ２２のＹ）、補正電圧を発生させるよう最終段の高周波共振器が設定される（Ｓ２３）。こうしてイオンビームのエネルギーが適正に調整され、本方法は終了される。なお、補正電圧を発生させるよう最終段の高周波共振器が設定された後に、エネルギー測定ステップ（Ｓ１０）が実行され、演算されたイオンビームのエネルギーが適正であるか否かが再び判定されてもよい（Ｓ１５）。

一方、最終段の高周波共振器に電圧余力が補正電圧より不足する場合には（Ｓ２２のＮ）、イオンビームに目標エネルギーを与えるための代替処理が行われる（Ｓ２４）。例えば、少なくとも１つの高周波共振器１４ａにおいて位相調整が行われる。あるいは、最終段の高周波共振器以外の高周波共振器においてＲＦ加速電圧が調整されてもよい。なお、こうした代替処理と、補正電圧の一部を最終段の高周波共振器に設定することとを組み合わせることにより、イオンビームに目標エネルギーが与えられてもよい。こうして本方法は終了される。これらの調整後に、エネルギー測定ステップ（Ｓ１０）が実行され、演算されたイオンビームのエネルギーが適正であるか否かが再び判定されてもよい（Ｓ１５）。

図９には、本発明のある実施形態に係るビームエネルギー測定装置２００の一例を概略的に示す。上述のように、イオン注入装置１００は、被処理物Ｗの表面にイオン注入処理をするよう構成されている。被処理物Ｗは、例えば基板であり、例えば半導体ウエハである。よって本書では説明の便宜のため被処理物Ｗを基板Ｗと呼ぶことがあるが、これは注入処理の対象を特定の物体に限定することを意図していない。

イオン注入装置１００は、ビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方により基板Ｗの全体にわたってイオンビームＢを照射するよう構成されている。本書では説明の便宜上、設計上のイオンビームＢの進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。後述するようにイオンビームＢを被処理物Ｗに対し走査する場合には走査方向をｘ方向とし、ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。よって、ビームスキャンはｘ方向に行われ、メカニカルスキャンはｙ方向に行われる。

処理室２１は、１枚又は複数枚の基板Ｗを保持し、イオンビームＢに対する例えばｙ方向の相対移動（いわゆるメカニカルスキャン）を必要に応じて基板Ｗに提供するよう構成されている物体保持部（図示せず）を備える。図９において矢印Ｄによりメカニカルスキャンを例示する。また、処理室２１は、ビームストッパ９２を備える。イオンビームＢ上に基板Ｗが存在しない場合には、イオンビームＢはビームストッパ９２に入射する。

処理室２１にはビームエネルギー測定装置２００が設けられている。ビームエネルギー測定装置２００は上述のように、平行度測定部２０２とエネルギー演算部２０４とを備える。平行度測定部２０２は、もとのイオンビームＢを測定用イオンビームＢｍに整形するためのマスク１０２と、測定用イオンビームＢｍを検出するよう構成されている検出部１０４と、を備える。

図９に例示するように、基板ＷにイオンビームＢが照射されるとき、マスク１０２及び検出部１０４はイオンビームＢから外れた待避位置にある。このときマスク１０２及び検出部１０４にイオンビームＢは照射されない。測定の際には、マスク１０２及び検出部１０４は、図示しない移動機構により、イオンビームＢを横切る測定位置（図１０参照）に移動される。このときマスク１０２は、イオンビームＢの経路上において最終エネルギーフィルター３８（図１参照）と検出部１０４との間にあり、検出部１０４は、イオン注入処理において基板Ｗの表面が置かれるｚ方向位置にある。

また、平行度測定部２０２は、イオンビーム測定処理を実行するための測定制御部１０６を備える。測定制御部１０６は、イオン注入装置１００を制御するよう構成されている制御装置の一部であってもよいし、それとは別個に設けられていてもよい。エネルギー演算部２０４は測定制御部１０６の一部であってもよいし、それとは別個に設けられていてもよい。測定制御部１０６は、上述のようなマスク１０２及び検出部１０４の待避位置と測定位置との間の移動を司るよう構成されていてもよい。ある実施形態においては、イオン注入装置１００は、平行度測定部２０２による測定結果に基づいてイオン注入処理を制御するよう構成されていてもよい。

測定制御部１０６は、検出結果を表す検出部１０４の出力に基づいて、設計上の進行方向であるｚ方向に対して実際のイオンビームＢの進行方向がなす角度を演算するよう構成されているビーム角度演算部１０８を備える。ビーム角度演算部１０８は、測定用イオンビームＢｍのｙスリット１１０ｙを通過したビーム部分のｘ方向位置を用いてｘ方向ビーム角度を演算し、測定用イオンビームＢｍのｘスリット１１０ｘを通過したビーム部分のｙ方向位置を用いてｙ方向ビーム角度を演算するよう構成されている。

図１０は、図９に示す平行度測定部２０２を概略的に示す図である。図１１は、図１０に示す平行度測定部２０２をマスク１０２のｙ方向中央で切断してｙ方向から見た図である。図１２は、図１０に示す平行度測定部２０２をマスク１０２のｙスリット１１０ｙのｘ方向位置で切断してｘ方向から見た図である。図１３は、図１０に示す平行度測定部２０２をマスク１０２のｘスリット１１０ｘのｘ方向位置で切断してｘ方向から見た図である。

マスク１０２は、上流から供給されるイオンビームＢを部分的に透過させ測定用イオンビームＢｍを生成するよう構成されている。測定用イオンビームＢｍは、ｙビーム部分１１２ｙ及びｘビーム部分１１２ｘを備える（図１１ないし図１３参照）。ｙビーム部分１１２ｙは、ｘｙ面においてｙ方向に細長い断面を有する。ｘビーム部分１１２ｘは、ｘｙ面においてｘ方向に細長い断面を有する。

マスク１０２は、イオンビームＢを通過させる複数のスリット又は開口を有する板状の部材を備える。マスク１０２上の複数のスリットは、ｙ方向に細長いｙスリット１１０ｙと、ｘ方向に細長いｘスリット１１０ｘと、を含む。本書では、ｙスリット１１０ｙが形成されているマスク１０２の部分を「第１マスク部分」と称し、ｘスリット１１０ｘが形成されているマスク１０２の部分を「第２マスク部分」と称することがある。

図１０に示されるマスク１０２は、もとのイオンビームＢが入射するマスク１０２上の被照射領域に、３つの第１マスク部分及び２つの第２マスク部分を備える。これらの第１マスク部分及び第２マスク部分は、ｘ方向に互い違いに配置されている。各第１マスク部分は１本のｙスリット１１０ｙを備え、各第２マスク部分は１本のｘスリット１１０ｘを備える。

よって、マスク１０２は、３本のｙスリット１１０ｙと２本のｘスリット１１０ｘとを有し、ｙスリット１１０ｙとｘスリット１１０ｘとがｘ方向に互い違いに並んでいる。中央のｙスリット１１０ｙは、イオンビームＢが入射するマスク１０２上の被照射領域においてｘ方向中央に配置されている。残りの２本のｙスリット１１０ｙはそれぞれ、マスク１０２上の被照射領域においてｘ方向端部に配置されている。一方、２本のｘスリット１１０ｘは、ｙ方向に関して同じ位置にあり、マスク１０２上の被照射領域においてｙ方向中央に配置されている。

ｙスリット１１０ｙは、ｙビーム部分１１２ｙに対応する形状を有する貫通孔である。従ってｙスリット１１０ｙは、ある狭いスリット幅をｘ方向に有し、それよりも長いスリット長さをｙ方向に有する。一方、ｘスリット１１０ｘは、ｘビーム部分１１２ｘに対応する形状を有する貫通孔である。従ってｘスリット１１０ｘは、ある狭いスリット幅をｙ方向に有し、それよりも長いスリット長さをｘ方向に有する。

ｙスリット１１０ｙ及びｘスリット１１０ｘのスリット長さはスリット幅よりも顕著に長く、スリット長さはスリット幅の例えば少なくとも１０倍である。測定の精度を重視する場合にはスリット幅を狭くすることが望ましく、測定時間を短縮することを重視する場合にはスリット幅を広くすることが望ましい。ｙスリット１１０ｙのスリット長さはイオンビームＢのｙ方向の幅に応じて定められる。

また、マスク１０２は、測定用イオンビームＢｍが検出部１０４に入射するとき隣接する２つのビーム部分が互いに分離されているように、隣接する２つのスリットの間隔が定められている。図１１に示されるように、隣接するｙビーム部分１１２ｙとｘビーム部分１１２ｘとが検出部１０４のｚ方向位置において互いに重なり合わないように、隣接するｙスリット１１０ｙとｘスリット１１０ｘとのｘ方向の間隔が定められている。このようにすれば、マスク１０２から検出部１０４に各ビーム部分が達するまでに各ビーム部分の発散により、隣接するビーム部分が互いに混ざり合うことを避けることができる。

イオンビームＢが第１マスク部分に照射されｙスリット１１０ｙを通過することにより、ｙビーム部分１１２ｙが生成される。イオンビームＢが第２マスク部分に照射されｘスリット１１０ｘを通過することにより、ｘビーム部分１１２ｘが生成される。マスク１０２上のｙスリット１１０ｙ及びｘスリット１１０ｘの配置に対応して、３本のｙビーム部分１１２ｙと２本のｘビーム部分１１２ｘとがｘ方向に互い違いに配列された測定用イオンビームＢｍが生成される。

検出部１０４による検出の間、マスク１０２は静止している。よって、ｙビーム部分１１２ｙ及びｘビーム部分１１２ｘは、もとのイオンビームＢから切り出された特定の一部分に相当する。そのため、ｙビーム部分１１２ｙ及びｘビーム部分１１２ｘは、ｘｙ面におけるイオンビームＢの特定の位置でのビーム角度を保持する。

検出部１０４は、ｙビーム部分１１２ｙのｘ方向位置を検出し、ｘビーム部分１１２ｘのｙ方向位置を検出するよう構成されている。検出部１０４は、測定用イオンビームＢｍを横切るようにｘ方向に移動可能である移動検出器を備える。検出部１０４のｘ方向への移動を図１０において矢印Ｅにより例示する。検出器のｘ方向移動により、ｙビーム部分１１２ｙのｘ方向位置が検出される。また、検出部１０４は、ｙ方向に配列された複数の検出要素１１４を備える。検出部１０４におけるｘビーム部分１１２ｘの到達位置から、ｘビーム部分１１２ｘのｙ方向位置が検出される。

このようにして、検出部１０４は、移動検出器が測定用イオンビームＢｍを１回横切る間にｙビーム部分１１２ｙのｘ方向位置及びｘビーム部分１１２ｘのｙ方向位置を検出することができる。

検出部１０４または各検出要素１１４は、例えば、入射するイオンの量に応じて電流を生成する素子を備えており、あるいはイオンビームを検出可能である任意の構成であってもよい。検出部１０４または各検出要素１１４は、例えばファラデーカップであってもよい。また、図示される検出部１０４は５つの検出要素１１４が代表的に例示されているが、検出部１０４は典型的には、それより多数（例えば少なくとも１０個）の検出要素１１４の配列を備えてもよい。

図１１に示されるように、検出部１０４が測定用イオンビームＢｍを検出するためにｘ方向に移動するとき、例えばｘ方向位置ｘａにおいて、検出部１０４は、マスク１０２上のｘ方向端部のｙスリット１１０ｙからのｙビーム部分１１２ｙを受ける。また、検出部１０４は、例えばｘ方向位置ｘｂにおいて、一方のｘスリット１１０ｘからのｘビーム部分１１２ｘを受ける。さらに、検出部１０４は、例えばｘ方向位置ｘｃにおいて、ｘ方向中央のｙスリット１１０ｙからのｙビーム部分１１２ｙを受ける。同様にして、検出部１０４は、例えばｘ方向位置ｘｄにおいて他方のｘスリット１１０ｘからのｘビーム部分１１２ｘを受け、例えばｘ方向位置ｘｅにおいてｘ方向端部のｙスリット１１０ｙからのｙビーム部分１１２ｙを受ける。

検出部１０４は、ｘ方向移動の結果得られたｘ方向位置とビーム電流との関係をビーム角度演算部１０８に出力する。ビーム角度演算部１０８は、ｘ方向位置とビーム電流との関係から、ｙビーム部分１１２ｙのｘ方向位置を特定する。ビーム角度演算部１０８は、例えば、ｙビーム部分１１２ｙに対応するビーム電流ピークのｘ方向位置を、そのｙビーム部分１１２ｙのｘ方向位置と決定する。

図１２に示されるように、ｙビーム部分１１２ｙは、ｙ方向に並ぶいくつかの検出要素１１４にわたって入射する。そこで、本実施形態においては、個々の検出要素１１４から出力されるビーム電流が合計され、その合計のビーム電流がｙビーム部分１１２ｙのｘ方向位置を特定するために使用される。

知られているように、ｚ方向における第１位置と第２位置との間でのｘ方向のビーム変位量と、第１位置と第２位置とのｚ方向距離との比から、ｘ方向ビーム角度θｘを演算することができる。検出中にマスク１０２は規定の場所に保持されるから、マスク１０２上の各スリットのｚ方向位置、及び当該ｚ方向位置における各スリットのｘｙ面内位置は既知である。また、検出部１０４のｚ方向位置も既知である。したがって、これら既知の位置関係と、検出されたｙビーム部分１１２ｙのｘ方向位置とを用いて、ｘ方向ビーム角度θｘを演算することができる。

ここで、ビーム平行度は例えば、２つの測定点間の角度差δθ＝θｘ１−θｘ２と定義してもよい。測定点の間隔はスキャン平面内でなるべく離れている方が望ましい。ビームが収束軌道あるいは発散軌道となった場合、計測位置がなるべく離れていた方が角度差が大きくなるため感度が高くなるからである。

ｙビーム部分１１２ｙのｘ方向の幅は、図１１に示されるように、ｙスリット１１０ｙのｘ方向の幅に対応して細くなっている。したがって、ｙビーム部分１１２ｙに対応するビーム電流ピークのｘ方向位置の特定が容易である。また、ｙビーム部分１１２ｙは、図１２に示されるように、ｙスリット１１０ｙに対応してｙ方向に幅広である。そのため、従前のように円形小孔を有するマスクを使用する場合に比べて、検出部１０４が受けるビーム電流を大きくとることができる。

同様に、ｚ方向における第１位置と第２位置との間でのｙ方向のビーム変位量と、第１位置と第２位置とのｚ方向距離との比から、ｙ方向ビーム角度θｙを演算することができる。図１３に示されるように、ｘビーム部分１１２ｘのｙ方向の幅はｘスリット１１０ｘのｙ方向の幅に対応して細くなっている。ｘビーム部分１１２ｘは検出部１０４のある特定の検出要素１１４に到達し、その検出要素１１４のｙ方向位置をｘビーム部分１１２ｘのｙ方向位置とみなすことができる。こうして検出されたｘビーム部分１１２ｘのｙ方向位置と、マスク１０２と検出部１０４との既知の位置関係とを用いて、ｙ方向ビーム角度θｙを演算することができる。図１１に示されるように、ｘビーム部分１１２ｘはｘスリット１１０ｘに対応してｘ方向に幅広であるので、検出部１０４が受けるビーム電流を大きくとることができる。

このように、単一のマスク１０２にｘ方向スリット及びｙ方向スリットを形成することにより、１つのマスク１０２でｘ方向ビーム角度θｘ及びｙ方向ビーム角度θｙを同時に測定することができる。

複数のｙスリット１１０ｙをそれぞれｘ方向に異なる位置に設けることにより、イオンビームＢのｘ方向ビーム角度θｘのｘ方向分布を求めることができる。例えば、中央のｙビーム部分１１２ｙから得られるｘ方向ビーム角度θｘを、イオンビームＢのｘ方向ビーム角度の代表値として用いることができる。また、ｘ方向ビーム角度θｘの均一性を表す指標として例えば、この代表値と、端部のｙビーム部分１１２ｙから得られるｘ方向ビーム角度θｘとの差を用いることもできる。

また、複数のｘスリット１１０ｘをそれぞれｘ方向に異なる位置に設けることにより、イオンビームＢのｙ方向ビーム角度θｙのｘ方向分布を求めることができる。

上述の実施形態においては、検出部１０４は一定速度でｘ方向に移動している。これには検出部１０４の動作が単純になるという利点がある。しかし、ある実施形態においては、検出部１０４が受けるビーム電流量を大きくするために、検出部１０４は、移動検出器が測定用イオンビームＢｍを１回横切る間にその移動速度を調整するよう構成されていてもよい。例えば、移動検出器は、ｘビーム部分１１０ｘを受けるために減速し又は静止してもよい。具体的には例えば、移動検出器は、ｘビーム部分１１０ｘを受ける直前に減速し、そのｘビーム部分１１０ｘを通過するまで減速を継続してもよい。あるいは、移動検出器は、ｘビーム部分１１０ｘを受ける位置で所定時間停止してもよい。

図１４は、図９に示す平行度測定部２０２を用いる平行度測定処理の一例を説明するためのフローチャートである。まず、イオンビームが通過する位置にマスクがセットされる（Ｓ３１）。この操作は機械的に行われる。マスクには上述のようにｙスリット及びｘスリットが設けられている。以降、本方法の終了までマスクはその位置に保持され、測定の間マスクは静止している。

次にイオンビームの照射が開始される（Ｓ３２）。イオンビームがマスクのスリットを通過することにより、測定用イオンビームが準備される。測定用イオンビームは上述のように、イオンビーム進行方向に垂直であるｙ方向に長いｙビーム部分と、前記進行方向及びｙ方向に垂直であるｘ方向に長いｘビーム部分と、を備える。

続いて、ビーム角度が測定される（Ｓ３３）。マスクを通過したイオンビームの到達位置が、検出部を使用して測定される。ｙビーム部分のｘ方向位置が検出され、ｘビーム部分のｙ方向位置が検出される。このとき、必要に応じて検出部が測定用イオンビームに対して移動される。検出されたｘ方向位置を用いてｘ方向ビーム角度（すなわち平行度）が演算され、検出されたｙ方向位置を用いてｙ方向ビーム角度が演算される。その後イオンビームの照射は終了され（Ｓ３４）、最後にマスクのセットが解除される（Ｓ３５）。マスクは待避位置へと戻される。こうして、本方法は終了する。

以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施形態においては、イオン注入装置１００は、静電型のビーム平行化器３６を備えるが、本発明はこれに限られない。ある実施形態においては、イオン注入装置１００は、磁場型のビーム平行化器を備えてもよい。この場合、上記説明における電圧を磁場に置き換えることにより、同様にエネルギーを測定することが可能である。

また、ある実施形態においては、測定されたイオンビームのエネルギーは、高エネルギー多段直線加速ユニット１４以外のイオン注入装置１００の構成要素を制御するために使用されてもよい。

ある実施形態においては、イオン注入装置１００は、リボンビームと呼ばれることもあるｚ方向に垂直な一方向に長い断面を有するイオンビームを処理室２１に与えるよう構成されていてもよい。この場合、イオンビームは例えば、ｙ方向の幅よりも長いｘ方向の幅を有する。よって、ビームエネルギー測定装置は、ビーム平行化器の下流でリボンビームの平行度を測定する平行度測定部と、測定された平行度からイオンビームのエネルギーを演算するエネルギー演算部と、を備えてもよい。

１４ 高エネルギー多段直線加速ユニット、 １４ａ 高周波共振器、 ３４ ビーム走査器、 ３６ ビーム平行化器、 ８４ 電場平行化レンズ、 １００ イオン注入装置、 １２０ 制御部、 ２００ ビームエネルギー測定装置、 ２０２ 平行度測定部、 ２０４ エネルギー演算部、 ２０６ 第１ビーム部分、 ２０８ 第２ビーム部分、 ２１０ 第３ビーム部分。

Claims (21)

1. ビーム基準軌道上に焦点を有するビーム平行化器であって、前記ビーム基準軌道を含む平面において前記焦点から前記ビーム平行化器へとそれぞれ異なる入射角度に方向付けられた複数のビーム軌道が目標ビームエネルギーのもとで前記ビーム基準軌道と平行になるように、前記複数のビーム軌道をそれぞれ入射角度に応じて異なる偏向角度で偏向するビーム平行化器と、
   前記平面内の前記ビーム基準軌道に垂直な方向に関するビーム角度の誤差を表すビーム平行度を、前記ビーム平行化器を通るイオンビームについて前記ビーム平行化器の下流で測定する平行度測定部と、
   前記目標ビームエネルギーに対する前記イオンビームのエネルギーずれ量を前記ビーム平行度に基づいて演算するエネルギー演算部と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記平行度測定部は、前記イオンビームの複数のビーム部分について、前記平面内の前記ビーム基準軌道に垂直な前記方向に関するビーム角度を測定することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記ビーム平行度は、前記複数のビーム部分のうち第１ビーム部分のビーム角度と第２ビーム部分のビーム角度との差を用いて定義されることを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記複数のビーム部分は、第１ビーム部分、第２ビーム部分、及び第３ビーム部分を含む少なくとも３つのビーム部分であり、
   前記平行度測定部は、前記方向における位置に対するビーム角度の誤差分布を、測定された少なくとも３つのビーム角度に基づいて生成し、
   前記ビーム平行度は、前記誤差分布における前記位置の変化量と対応する前記ビーム角度の変化量との比を用いて定義されることを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
5. 前記第１ビーム部分は、前記方向において前記イオンビームの外縁部に位置し、前記第２ビーム部分は、前記方向において前記第１ビーム部分と反対側の前記イオンビームの外縁部に位置することを特徴とする請求項３または４に記載のイオン注入装置。
6. 前記エネルギー演算部は、前記目標ビームエネルギーを用いて定義される既知の関係に従って前記ビーム平行度から前記エネルギーずれ量を演算することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のイオン注入装置。
7. 前記ビーム平行化器の上流に配設され、複数段の高周波共振器を備える高エネルギー多段直線加速ユニットと、
   演算された前記イオンビームのエネルギーずれ量に基づいて、前記イオンビームが前記目標ビームエネルギーを有するように前記高エネルギー多段直線加速ユニットを制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のイオン注入装置。
8. 前記制御部は、少なくとも１つの高周波共振器における電圧振幅を制御することを特徴とする請求項７に記載のイオン注入装置。
9. 前記少なくとも１つの高周波共振器は、最終段の高周波共振器を含むことを特徴とする請求項８に記載のイオン注入装置。
10. 前記制御部は、少なくとも１つの高周波共振器における高周波の位相を制御することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載のイオン注入装置。
11. 前記平面内の前記ビーム基準軌道に垂直な前記方向をｘ方向とし、前記ビーム基準軌道及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とするとき、
    前記ビーム平行化器は、ｘ方向に沿って広がるビーム通過領域を前記ビーム平行化器の下流において形成し、
    前記平行度測定部は、前記イオンビームを、ｙ方向に長いｙビーム部分を有する測定用ビームに整形するためのマスクを備え、
    前記平行度測定部は、前記ｙビーム部分のｘ方向位置を検出し、検出されたｘ方向位置から前記ビーム平行度を測定することを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のイオン注入装置。
12. 前記ビーム平行化器の上流に配設されているビーム走査器をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のイオン注入装置。
13. 前記平行度測定部は、被処理物にイオン注入処理をするための処理室に設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のイオン注入装置。
14. 前記ビーム平行化器は、静電型のビーム平行化器であることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のイオン注入装置。
15. 前記ビーム平行化器は、磁場型のビーム平行化器であることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のイオン注入装置。
16. 前記エネルギーずれ量が予め定められたしきい値を超える場合にイオン注入処理を中断するよう構成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載のイオン注入装置。
17. 前記エネルギーずれ量が予め定められたしきい値を超える場合に前記イオンビームのエネルギーを前記目標ビームエネルギーに近づくように補正するよう構成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載のイオン注入装置。
18. イオン注入装置におけるビームエネルギー測定装置であって、
    前記イオン注入装置のビーム平行化器の下流でビーム平行度を測定する平行度測定部と、
    目標ビームエネルギーに対するイオンビームのエネルギーずれ量を、前記目標ビームエネルギーを用いて定義される既知の関係に従って前記ビーム平行度から演算するエネルギー演算部と、を備えることを特徴とするビームエネルギー測定装置。
19. イオン注入装置においてビーム平行化器の下流でビーム平行度を測定することと、
    目標ビームエネルギーに対するイオンビームのエネルギーずれ量を、前記目標ビームエネルギーを用いて定義される既知の関係に従って前記ビーム平行度から演算することと、を備えることを特徴とするビームエネルギー測定方法。
20. 前記エネルギーずれ量が予め定められたしきい値を超える場合にイオン注入処理を中断することをさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載のビームエネルギー測定方法。
21. 前記エネルギーずれ量が予め定められたしきい値を超える場合に前記イオンビームのエネルギーを前記目標ビームエネルギーに近づくように補正することを特徴とする請求項１９に記載のビームエネルギー測定方法。

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