JP2015207536A - イオン注入装置及びイオン注入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理物への注入角度誤差を低減する。
【解決手段】イオン注入装置１００のビームライン部は、ステアリング電磁石３０と、ビーム走査器３４と、ビーム平行化器３６と、を備える。ビームライン部はイオンビームの基準軌道を含み、ｚ方向は基準軌道に沿う方向を表し、ｘ方向はｚ方向に直交する一方向を表す。ステアリング電磁石３０はイオンビームをｘ方向に偏向する。ビーム走査器３４はイオンビームをｘ方向に往復的に偏向することによりイオンビームを走査する。ビーム平行化器３６は、走査されたイオンビームをｚ方向に平行化するよう構成されている平行化レンズを備え、平行化レンズはビーム走査器３４の走査原点に焦点を有する。制御部１０４は、偏向されたイオンビームの実軌道がｘｚ面において走査原点にて基準軌道と交差するように、ステアリング電磁石３０におけるｘ方向の偏向角度を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン注入装置及びイオン注入方法に関する。

エネルギー分析用電磁石をエンドステーションの直前に有するメカニカルスキャン方式のイオン注入装置が知られている。このイオン注入装置においては、エネルギー分析用電磁石がそのイオンビーム偏向により、ウェハに対するイオンビーム注入チルト角度を与えるべく構成されている。

実開平７−３１３１号公報

イオン注入装置のビームラインには、イオンビームをイオン源からウェハなどの被処理物へと適正に輸送するために種々のビームライン構成要素が備えられている。イオン注入装置を製造するときに、これらのビームライン構成要素は設計上の位置に可能な限り正確に据え付けられる。しかし、それでも現実には、いずれかの構成要素がその据付位置に、僅かな誤差をもって配置されるかもしれない。こうした据付誤差によって、輸送されるイオンビームの実際の中心軌道（以下、実軌道ともいう）には、イオンビームの設計上の中心軌道（以下、基準軌道ともいう）に対する誤差（以下、軌道誤差ともいう）が生じうる。

例えば、イオンビームの収束または発散を調整するためのビーム調整要素（例えば四重極レンズ）が、基準軌道に垂直な方向に基準軌道から僅かにずれて据え付けられている場合を考える。このビーム調整要素へと基準軌道に沿ってイオンビームが入射するとき、イオンビームはビーム調整要素の中心から僅かに外れた場所を通ることになる。その結果、ビーム調整要素の収束または発散の作用により、イオンビームは基準軌道から僅かに偏向される。

このような軌道誤差は、被処理物へ向けてイオンビームが輸送される間に拡大しうる。例えば、軌道誤差の発生位置から被処理物までの距離が長いほど、軌道誤差は輸送中に拡大しうる。また、複数のビームライン構成要素がそれぞれ据付誤差を有する場合には、個々の誤差が僅かであるとしても、それらが積み重なることで、軌道誤差は大きくなりうる。軌道誤差が大きければ、被処理物へのイオンビームの注入位置または注入角度の精度への影響を無視できない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、被処理物への注入角度誤差を低減するイオン注入装置及びイオン注入方法を提供することにある。

本発明のある態様によると、ビーム偏向器と、前記ビーム偏向器の下流に配設されているビーム走査器と、前記ビーム走査器の下流に配設されているビーム平行化器と、を備えるビームライン部と、前記ビームライン部の少なくとも前記ビーム偏向器を制御するよう構成されている制御部と、を備え、前記ビームライン部はイオンビームの基準軌道を含み、ｚ方向は前記基準軌道に沿う方向を表し、ｘ方向はｚ方向に直交する一方向を表し、前記ビーム偏向器は、前記イオンビームをｘ方向に偏向可能であるよう構成され、前記ビーム走査器は、前記イオンビームをｘ方向に往復的に偏向することにより前記イオンビームを走査するよう構成され、前記ビーム平行化器は、走査されたイオンビームをｚ方向に平行化するよう構成されている平行化レンズを備え、前記平行化レンズは、前記ビーム走査器の走査原点に焦点を有し、前記制御部は、前記ビーム偏向器により偏向されたイオンビームの実軌道がｘｚ面において前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように、前記ビーム偏向器におけるｘ方向の偏向角度を補正す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、イオンビームを、ビーム偏向器を使用してｘ方向に偏向することと、偏向されたイオンビームを、ビーム走査器を使用してｘ方向に走査することと、走査されたイオンビームを、平行化レンズを使用してｚ方向に平行化することと、を備え、ｘ方向はｚ方向に直交する一方向であり、ｚ方向はイオンビームの基準軌道に沿う方向であり、前記ビーム走査器は、前記偏向されたイオンビームをｘ方向に往復的に偏向することにより前記偏向されたイオンビームを走査し、前記平行化レンズは、前記ビーム走査器の走査原点に焦点を有しており、前記ビーム偏向器におけるｘ方向偏向角度は、前記偏向されたイオンビームがｘｚ面において前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように補正されていることを特徴とするイオン注入方法が提供される。

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、被処理物への注入角度誤差を低減することができる。

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２（ａ）は、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り、図２（ｂ）は、ビーム走査器の走査原点を示す概略図である。 本発明のある実施形態に係るビーム走査器とその上流に配設されたステアリング電磁石とを使用する水平方向の注入角度補正を説明するための図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明のある実施形態に係るステアリング電磁石による注入角度補正を示す模式図であり、図４（ｃ）は、ステアリング電磁石におけるビーム軌道を例示する模式図である。 本発明のある実施形態に係る注入角度補正方法を表すフローチャートである。 本発明のある実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

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。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、イオン源１０と、被処理物のための処理室と、を備えており、イオン源１０から被処理物（例えば基板またはウェハ４０）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。

本書においては説明の便宜上、ビームライン部における基準軌道に沿う方向をｚ方向とし、ｚ方向に直交する方向をｘ方向と表す。また、ｚ方向及びｘ方向に直交する方向をｙ方向と表す。本実施形態ではｘ方向は水平方向であり、ｙ方向は鉛直方向である。

また、本書においては、「ある面（例えばｘｚ面）においてビーム実軌道が基準軌道に交差する」といった言及をすることがある。こうした言及における「交差」とは、当該面に直交する方向（例えばｙ方向）から見て交差することをいう。よって、ビーム実軌道と基準軌道とはｙ方向には多少ずれていてもよい。「交差」がビーム走査器で生じる実施形態においては、ビーム実軌道と基準軌道とは、ビーム走査器の偏向電場の強さがｙ＝０（基準軌道のｙ方向位置）での強さと同じとみなせる範囲で、ｙ方向には多少ずれていてもよい。ある実施形態においては、偏向電場のずれ率が、例えば０．８％未満、または０．４％未満である場合には、偏向電場の強さが同じであるとみなすことができる。

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る。高エネルギーイオン注入装置は、イオン源１０で発生したイオンを高エネルギーに加速し、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まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。

図１に示すように、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軌道をＵ字状に曲げるビーム偏向ユニット１６と、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、イオン源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、イオン源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。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。

イオンビームを高加速する高周波（交流方式）の高エネルギー多段直線加速ユニット１４を出た高エネルギーイオンビームは、ある範囲のエネルギー分布を持っている。このため、後段の高エネルギーのイオンビームをビーム走査およびビーム平行化させてメカニカルに走査移動中のウェハに照射するためには、事前に高い精度のエネルギー分析と、中心軌道補正、及びビーム収束発散の調整を実施しておくことが必要となる。

ビーム偏向ユニット１６は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、中心軌道補正、エネルギー分散の制御を行う。ビーム偏向ユニット１６は、少なくとも２つの高精度偏向電磁石と少なくとも１つのエネルギー幅制限スリットとエネルギー分析スリット、及び、少なくとも一つの横収束機器とを備える。複数の偏向電磁石は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析とイオン注入角度の精密な補正、及び、エネルギー分散の抑制とを行うよう構成されている。

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）を提供するステアリング電磁石３０とを有する。エネルギー分析電磁石２４は、ビーム偏向ユニット１６の複数の偏向電磁石のうち最上流側の１つである。ステアリング電磁石３０は、ビーム偏向ユニット１６の複数の偏向電磁石のうち最下流側の１つである。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。

ビーム偏向ユニット１６の各偏向電磁石を通過中のイオンには、遠心力とローレンツ力が働いており、それらが釣り合って、円弧状の軌跡が描かれる。この釣合いを式で表すとｍｖ＝ｑＢｒとなる。ｍはイオンの質量、ｖは速度、ｑはイオン価数、Ｂは偏向電磁石の磁束密度、ｒは軌跡の曲率半径である。この軌跡の曲率半径ｒが、偏向電磁石の磁極中心の曲率半径と一致したイオンのみが、偏向電磁石を通過できる。言い換えると、イオンの価数が同じ場合、一定の磁場Ｂがかかっている偏向電磁石を通過できるのは、特定の運動量ｍｖを持ったイオンのみである。ＥＦＭは、エネルギー分析電磁石と呼ばれているが、実際は、イオンの運動量を分析する装置である。ＢＭや、イオン生成ユニットの質量分析電磁石も、全て運動量フィルターである。

また、ビーム偏向ユニット１６は、複数の磁石を用いることで、イオンビームを１８０°偏向させることができる。これにより、ビームラインがＵ字状の高エネルギーイオン注入装置を簡易な構成で実現できる。

上述のように、ビーム偏向ユニット１６は、イオン源で発生したイオンを加速してウェハまで輸送して打ち込むイオン注入装置において、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との間において、イオンビームの１８０°の偏向を複数の電磁石で行っている。エネルギー分析電磁石２４およびステアリング電磁石３０は、それぞれ偏向角度が９０度となるように構成されており、その結果、合計の偏向角度が１８０度となるように構成されている。なお、一つの磁石で行う偏向量は９０°に限られず、以下の組合せでもよい。
（１）偏向量が９０°の磁石が１つ＋偏向量が４５°の磁石が２つ
（２）偏向量が６０°の磁石が３つ
（３）偏向量が４５°の磁石が４つ
（４）偏向量が３０°の磁石が６つ
（５）偏向量が６０°の磁石が１つ＋偏向量が１２０°の磁石が１つ
（６）偏向量が３０°の磁石が１つ＋偏向量が１５０°の磁石が１つ

エネルギー分析電磁石２４には高い磁場精度が必要であるので、精密な磁場測定を行う高精度な磁場測定器８６が、取り付けられている。磁場測定器８６は、ＭＲＰ（磁気共鳴プローブ)とも呼ばれるＮＭＲ(核磁気共鳴)プローブとホールプローブとを適宜組み合わせたもので、ＭＲＰはホールプローブの校正に、ホールプローブは磁場一定のフィードバック制御にそれぞれ使用される。また、エネルギー分析電磁石２４は、磁場の不均一性が０．０１％未満になるように、厳しい精度で製作されている。ステアリング電磁石３０にも同様に、磁場測定器８６が設けられている。なおステアリング電磁石３０の磁場測定器８６には、ホールプローブのみ取り付けられていてもよい。さらに、エネルギー分析電磁石２４及びステアリング電磁石３０の各々には、電流設定精度と電流安定度とが１×１０^−４以内の電源とその制御機器が接続されている。

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、静電式の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いる。ビーム輸送ラインユニット１８は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４とビーム偏向ユニット１６により連結されて、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。

図２（ａ）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２（ａ）の紙面に平行な方向に走査される。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、周期的に変化する偏向角度で走査原点Ｓにてイオンビームをｘ方向に偏向することによりイオンビームを走査するよう構成されている。図２（ｂ）に示されるように、走査原点Ｓは、ビーム走査器３４への入射ビーム軌道３５ａの延長線とビーム走査器３４からの出射ビーム軌道３５ｂの延長線との交点である。

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である。図２（ａ）に示されるように、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）の走査電極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枚の走査電極３４ａ、３４ｂにそれぞれ逆符号で印加される。この走査電圧は、２枚の走査電極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走査される。

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走査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は、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、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。

ビーム平行化器３６には、電場式の平行化レンズ８４が配置されている。図２（ａ）に示すように、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。

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２（ａ）に示されるように、ビーム平行化器３６は、基準軌道（例えば、図２（ａ）に示すビームラインＬ１）上に焦点Ｆ_０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が基準軌道と平行化されるように、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、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_０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による走査の結果であるから、この平面は、ビーム走査器３４の走査面（ｘｚ面）に相当する。これらビーム軌道のいずれか（図２（ａ）においてはビーム軌道３７ｂ）が基準軌道に一致していてもよい。図２（ａ）に示す実施形態においては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_０がビーム走査器３４の走査原点Ｓに一致するよう構成されている。よって、走査原点Ｓにおいてビーム走査器３４により走査されたビームは、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、走査前のイオンビーム進行方向（ビームライン軌道方向）に平行な偏向角０度の軸（基準軸）に対して平行になる。このとき、走査領域は、基準軸に関して左右対称になる。

このようにして、ビーム輸送ラインユニット１８は、高エネルギーのイオンビームのビーム走査およびビーム平行化を行う。平行化されたイオンビームは、最終エネルギーフィルター３８を通じて基板処理供給ユニット２０に供給される。平行化されたイオンビームは、メカニカルに走査移動中のウェハ４０に高精度に照射され、ウェハ４０にイオンが注入される。

図１に示されるように、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、注入処理室の中に、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１０２、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をビーム走査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。基板処理供給ユニット２０は、ウェハ４０のメカニカルスキャンを提供するよう構成されている。

ビームモニタ１０２は、被処理物へのイオンビームＢのｘ方向注入角度を測定するよう構成されている。ビームモニタ１０２は、例えば０．１°以下の測定誤差でビーム角度を測定する高精度の角度モニタである。また、ビームモニタ１０２は、被処理物へのイオンビームＢのｘ方向注入位置を測定するよう構成されている。よって、ビームモニタ１０２はイオンビームの位置モニタでもある。ビームモニタ１０２は、被処理物の位置またはその近傍の測定位置でイオンビームＢを事前に測定し、注入処理中は測定位置から待避し測定を停止するか又は測定位置の近傍でビームをモニタする。

ビームモニタ１０２は、既知の位置を有するスリットと、スリットの下流に配置されたビーム検出器と、を備えてもよい。ビーム検出器は例えば、一次元または二次元に配列されたビーム検出素子を有する。ビーム検出器により検出されたビーム受光点とスリットとの相対位置からイオンビームＢの進行方向を取得することができる。ビームモニタ１０２は、基準軌道に垂直な面内で（例えばビーム走査方向に）移動可能であってもよく、当該面内の任意の位置でビーム角度を測定してもよい。

なお、ビームモニタ１０２は、ビーム平行化器３６と被処理物との間に配置され、被処理物の上流でイオンビームＢを測定してもよい。あるいは、ビームモニタ１０２は、被処理物の背後に配置され、被処理物の下流でイオンビームＢを測定してもよい。

また、イオン注入装置１００は、イオン注入装置１００の全体又はその一部（例えばビームライン部の全体又はその一部）を制御するための制御部１０４を備える。制御部１０４は、ビームモニタ１０２の測定結果に基づいてステアリング電磁石３０における偏向磁場を補正するよう構成されている。

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、イオン源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源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。

このようなＵ字状のビームラインレイアウトによって、イオン注入装置１００は適正なサイズを有する。しかし、Ｕ字状レイアウトは、イオン源１０から基板処理供給ユニット２０までのビームラインの全長を短くするわけではない。むしろ、Ｕ字状の偏向に要する長さと、その後段のビーム輸送ラインユニット１８の長さを高エネルギー多段直線加速ユニット１４に合わせるための長さとが加わるので、全体では直線状のレイアウトより長くなる。

長いビームラインでは、各機器の据え付け誤差が積み重なることによって、終端でのビームの位置や入射角の設計値からのずれが大きくなる。例えば、収束四重極レンズ（例えば、横収束四重極レンズ２６）の据え付け位置が横にずれている場合、基準軌道を飛んできたビームは、レンズ中心から外れた位置で四重極レンズに入射するため、収束作用を受けて内側に（四重極レンズがずれている方向に）軌道が曲がってしまう。一つ一つの機器での軌道のずれは小さくとも、多数の機器を通り、長い距離を飛行するうちに、基準軌道からの角度と位置のずれは大きくなる。中心軌道ずれを抑えるためには、まずビームライン機器を高精度で据え付けることが重要であるが、それにも限界がある。

本発明のある実施形態は、こうした問題を解決することを目的とする。より具体的には、本発明のある実施形態は、多数の収束要素が挿入されているＵ字状の長いビームラインにおいて、それら収束要素の据え付け誤差によるビーム偏向作用を打ち消し、最終的に注入角度誤差±０．１°以下の高い角度精度でイオン注入ができる高エネルギーイオン注入装置を提供することを目的とする。

そこで、ある実施形態に係る高エネルギーイオン注入装置では、イオン源１０で生成されたイオンビームを加速する複数のユニットから成る長直線部と、走査ビームを調整してウェハ４０に注入する複数のユニットから成る長直線部とを平行に配設することによって、水平のＵ字状の折り返し型ビームラインが構成される。Ｕ字状の偏向部は複数の偏向電磁石で構成される。

複数の偏向電磁石のうち下流側の少なくとも一台が、水平方向（走査面内）のイオン注入角度の精密調整用の偏向電磁石として使用される。ウェハ４０直近で測定された水平方向のビームの位置と入射角（注入角）から、補正後の軌道がビーム走査器３４の走査原点を通るように（上下方向の軌道位置は問わない）、偏向電磁石の出力値が設定される。このようにして、ウェハ４０への注入角度誤差が±０．１°以下になるように、偏向電磁石における偏向角度が補正される。

図３を参照して、ビーム走査器３４とその上流に配設されたステアリング電磁石３０とを使用する水平方向の注入角度補正の詳細を以下に述べる。ステアリング電磁石３０は、９０°の偏向と中心軌道補正（ステアリング機能）とを同時に行う。

ステアリング電磁石３０の中心Ｃにおけるビーム実軌道の基準軌道に対する水平方向の位置をＸｓ、傾きをＸｓ’と表記する。つまり、機器の据え付け誤差に起因して、ビーム実軌道はステアリング電磁石３０の中心Ｃにおいて、位置誤差Ｘｓ及び角度誤差Ｘｓ’のｘ方向軌道誤差を有する。こうした軌道誤差は例えば、静電Ｑレンズ、Ｑ電磁石（四重極電磁石）、偏向電磁石の面角といった収束要素がビーム偏向ユニット１６に挿入されている場合に生じうる。

ウェハ位置でのｘ方向軌道誤差、すなわち注入位置誤差Ｘｗ及び注入角度誤差Ｘｗ’は、ビーム輸送行列を用いて次の（１）式のように、ステアリング電磁石３０におけるｘ方向軌道誤差に関連づけられる。

ここで、

は、ステアリング電磁石３０からビーム走査器３４までのｘ方向のビーム輸送行列である。これを以下では、「第１ビーム輸送行列」ということがある。また、

は、ビーム走査器３４からウェハ４０までのｘ方向のビーム輸送行列である。これを以下では、「第２ビーム輸送行列」ということがある。

ビーム輸送行列とは、ビームラインを構成する種々の機器でのイオンの運動を表す運動方程式の解を行列形式で表現したものである。ビームラインのある区間内の機器に対応するビーム輸送行列を全て掛け合わせることにより、その区間での運動方程式の解を得ることができる。

注入位置誤差Ｘｗ及び注入角度誤差Ｘｗ’は、ビームモニタ１０２により測定されるウェハ４０上でのビーム位置及び角度として得られる。これら測定値から（１）式を逆算する。そうすると、ウェハ４０上でのビーム測定位置及び測定角度に対応するステアリング電磁石３０の中心Ｃでの位置誤差Ｘｓ及び角度誤差Ｘｓ’が求められる。（１）式を逆算するには、（１）式に左から逆行列を掛ければ良い。ビーム輸送行列の行列式は常に１であることに留意すると、（１）式から次の（２）式が得られる。

この計算により、注入点でのｘ方向軌道誤差の測定値Ｘｗ、Ｘｗ’から、補正点でのｘ方向軌道誤差Ｘｓ、Ｘｓ’が求められることになる。

これらの値を用いて、ステアリング電磁石３０における偏向角度の補正量が計算される。偏向の補正角Δｓは、ステアリング電磁石３０の規定の偏向角度である９０°に加算される。ステアリング電磁石３０で補正角Δｓがビーム実軌道に与えられることにより、実軌道の基準軌道に対する傾きがＸｓ’から（Ｘｓ’＋Δｓ）に変わる。

この角度補正の結果として、走査原点Ｓにて実軌道が基準軌道と角度Ｘｓｃ’で交差したと仮定する。そうすると、走査原点Ｓにおける実軌道のｘ方向位置及び角度は、第１ビーム輸送行列を用いて、補正後のステアリング電磁石３０におけるｘ方向軌道誤差と次の（３）式のように関連づけられる。ここで、走査原点Ｓにおける実軌道のｘ方向位置は、実軌道が基準軌道と交差しているから、ゼロである。

したがって、ビーム実軌道を走査原点Ｓにて基準軌道と交差させるための、ステアリング電磁石３０におけるｘ方向の補正角Δｓは、（３）式の第１行から、次の（４）式で表されるように、求められる。

次に、走査原点Ｓにて実軌道が基準軌道に交差するときウェハ４０上でｘ方向の注入角度誤差がゼロになることを説明する。このことは、第２ビーム輸送行列を具体的に考察することにより、理論的に証明される。

第２ビーム輸送行列は、次の３つの輸送行列、すなわち、ビーム走査器３４からビーム平行化器３６までの輸送行列、ビーム平行化器３６の輸送行列、及びビーム平行化器３６からウェハ４０までの輸送行列の積で表される。ビーム走査器３４からビーム平行化器３６までの輸送行列は、走査原点Ｓから平行化レンズ８４の中心Ｄまでの距離をＦとすると、

である。平行化レンズ８４は上述のように、この距離Ｆを焦点距離とするレンズであり、従って、走査原点Ｓを通るすべての軌道を基準軌道と平行にする。平行化レンズ８４の輸送行列は、

である。最終エネルギーフィルター３８は、ｙ方向に軌道を偏向するため、ｘ方向には影響を与えない。よって、平行化レンズ８４の中心Ｄからウェハ４０までの距離をＬ_２とすると、この区間の水平面内輸送行列は、

である。従って、第２ビーム輸送行列は、次の（５）式で表される。

（３）式及び（４）式で与えられる補正角Δｓのステアリングによって補正されたビーム実軌道が、ウェハ４０上で注入位置誤差Ｘｗ_２及び注入角度誤差Ｘｗ_２’をもつと仮定する。このとき、補正角Δｓのステアリングによってビーム実軌道は走査原点Ｓで基準軌道を角度Ｘｓｃ’で横切るから、注入位置誤差Ｘｗ_２及び注入角度誤差Ｘｗ_２’は、（５）式の第２ビーム輸送行列を用いて、次の（６）式により計算される。

（６）式の第２行から、注入角度誤差Ｘｗ_２’は、ゼロである。これは、ビーム実軌道が走査原点Ｓを通るようにステアリング電磁石３０における偏向角度を補正することにより、注入角度誤差がなくなることを表している。

（５）式から、第２ビーム輸送行列において、Ｂ_２＝Ｆ、Ｄ_２＝０である。よって、補正角Δｓを与える（４）式は、次の（７）式のように単純化される。

さらに、ステアリング電磁石３０からビーム走査器３４までの区間に他のビームライン構成要素が何も無く、その区間の距離がＬ_１である場合には、Ｂ_１＝Ｌ_１であるから、（７）式は、次の（８）式となる。

（８）式によって補正角Δｓの目安が与えられる。（８）式において補正角Δｓは、ウェハ位置で測定された未補正の注入角度誤差Ｘｗ’と定数（−Ｆ／Ｌ_１）との積である。この定数は、ビーム走査器３４からビーム平行化器３６までの距離Ｆと、ステアリング電磁石３０からビーム走査器３４までの距離Ｌ_１との比を表す。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、（８）式を用いるステアリング電磁石３０による注入角度補正を示す模式図である。図４（ａ）は未補正の状態を示し、図４（ｂ）は補正された状態を示す。図４（ｃ）は、ステアリング電磁石３０におけるビーム軌道を例示する模式図である。また、図５は、本発明のある実施形態に係る注入角度補正方法を表すフローチャートである。

図４（ａ）に示されるように、ステアリング電磁石３０においてビーム実軌道１０６が基準軌道１０８からｘ方向に外れており、その結果、ビーム実軌道１０６が走査原点Ｓからｘ方向に外れている場合には、ビーム平行化器３６により平行化されたイオンビーム１１０は注入角度誤差Ｘｗ’を有する。

図５に示される注入角度補正方法においては、注入角度誤差Ｘｗ’がビームモニタ１０２によりウェハ位置で測定される（Ｓ１０）。制御部１０４は、測定された注入角度誤差Ｘｗ’が規格内にあるか否かを判定する（Ｓ１２）。例えば、制御部１０４は、測定された注入角度誤差Ｘｗ’が予め定められた許容範囲内にあるか否かを判定する。測定された注入角度誤差Ｘｗ’が規格内にあると判定される場合には（Ｓ１２のＹ）、注入角度補正は必要とされない。その場合、制御部１０４は、注入角度誤差Ｘｗ’の測定を定期的に繰り返す。

測定された注入角度誤差Ｘｗ’が規格外であると判定される場合には（Ｓ１２のＮ）、制御部１０４は、ステアリング電磁石３０の磁場を補正する（Ｓ１４）。制御部１０４は、測定された注入角度誤差Ｘｗ’に対応する補正角Δｓがステアリング電磁石３０の偏向角度に付加されるように、ステアリング電磁石３０を制御する。

この場合、補正後の注入角度誤差Ｘｗ_２’が測定され（Ｓ１０）、制御部１０４は再度、測定された注入角度誤差Ｘｗ_２’が規格内にあるか否かを判定する（Ｓ１２）。測定された注入角度誤差Ｘｗ_２’が規格内にあると判定される場合には（Ｓ１２のＹ）、更なる補正は行われない。通常は１回の補正により、注入角度誤差Ｘｗ_２’が規格内に収まる。しかし、測定された注入角度誤差Ｘｗ_２’が規格外であると判定される場合には（Ｓ１２のＮ）、ステアリング電磁石３０における偏向角度が再び補正される（Ｓ１４）。以後、同様の処理が繰り返される。

図４（ｂ）に示されるように、ステアリング電磁石３０において補正角Δｓを与えることにより、ビーム実軌道１０６は走査原点Ｓで基準軌道１０８に交差する。上述のように走査原点Ｓを通るビーム軌道はビーム平行化器３６により基準軌道１０８と平行化される。よって、ビーム平行化器３６により平行化されたイオンビーム１１０は注入角度誤差を有しない。

このようにして、ビーム実軌道が走査原点Ｓから外れているときにウェハへの注入角度が測定され、注入角度誤差を相殺するようにビーム偏向器における補正量が決定される。本実施形態に係る注入角度補正方法は、イオン注入の準備段階で行われてもよいし、イオン注入中に定期的に行われてもよい。

好ましくは、ビーム走査器３４は、ビーム実軌道と基準軌道との交差角Ｘｓｃ’に相当する偏向角度でビーム実軌道を偏向するよう構成されていてもよい。これにより、以下に説明するように、注入角度誤差Ｘｗ_２’だけではなく、注入位置誤差Ｘｗ_２もゼロとすることができる。

（６）式の第１行から、Ｘｗ_２＝ＦＸｓｃ’である。注入位置誤差Ｘｗ_２は、ビーム走査器３４での実軌道と基準軌道との交差角Ｘｓｃ’に比例する。この交差角Ｘｓｃ’は、実軌道がビーム走査器３４で偏向されず直線的であるとき（すなわち、走査電極３４ａ、３４ｂ間の走査電圧がゼロであるとき）のビーム走査器３４の出口における基準軌道に対する実軌道の角度に相当する。したがって、交差角Ｘｓｃ’を相殺するように走査電圧に直流成分を付加することにより（いわゆるオフセット電圧を走査電圧に加えることにより）、注入位置誤差Ｘｗ_２をゼロにすることができる。オフセット電圧は、ビーム走査器３４の走査電極３４ａ、３４ｂ間でイオンビームに−Ｘｓｃ’（＝−Ｘｗ_２／Ｆ）の偏向角度を与えるように設定される。

なお、ここまでの注入角度補正の説明においては、理解を容易にするために、ビーム輸送行列を単純化している。実際には例えば、ステアリング電磁石３０とビーム走査器３４との間にビーム整形器３２が存在するが、上記の検討ではこれを考慮していない。また、ここでは薄肉近似と呼ばれる手法を用いたが、実際のビーム輸送行列の計算は、もっと複雑である。

また、図４（ａ）及び図４（ｂ）においては、ステアリング電磁石３０におけるイオンビームの偏向の図示を省略している。加えて、図４（ａ）においては、ステアリング電磁石３０への入射側と出射側とで軌道誤差が同一であるよう単純化しているが、一般にはそうではない。例えば、図４（ｃ）に例示されるように、ステアリング電磁石３０への入射側における基準軌道１０８に対する実軌道１０６のずれは、ステアリング電磁石３０からの出射側における基準軌道１０８に対する実軌道１０６のずれとは異なる。

本発明のある実施形態においては、イオン注入装置１００のビームライン部は、ビームライン上流部分と、ビームライン上流部分の下流に配設されているビームライン中間部分と、ビームライン中間部分の下流に配設されているビームライン下流部分と、を備える。ビームライン上流部分は、イオンビームを生成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する高エネルギー多段直線加速ユニット１４と、を備える。ビームライン中間部分はビーム偏向ユニット１６を備え、ビーム偏向ユニット１６は複数の偏向電磁石を備える。複数の偏向電磁石は、少なくとも１つのエネルギー分析電磁石２４と、その下流に配設されている少なくとも１つのステアリング電磁石３０と、を備える。ビームライン下流部分は、ビーム走査器３４と、ビーム走査器３４の下流に配設されているビーム平行化器３６と、を備える。

イオン注入装置１００のビームライン部は、イオンビームをｘ方向に偏向可能であるよう構成されているビーム偏向器を備える。ビーム偏向器は、例えば、ビーム偏向ユニット１６の少なくとも１つのステアリング電磁石３０である。あるいは、ビーム偏向器は、ステアリング電磁石３０とは異なるビーム偏向ユニット１６の偏向電磁石であってもよい。例えば、ビーム偏向器は、ステアリング電磁石３０の上流または下流に配設されている偏向電磁石であってもよい。あるいは、ビーム偏向器は、ビーム輸送ラインユニット１８に設けられていてもよい。例えば、ビーム偏向器は、ビーム整形器３２とビーム走査器３４との間に配設されていてもよい。

ビーム走査器３４は、ビーム偏向器の下流に配設されている。ビーム走査器３４は、基準軌道上に走査原点Ｓを有し、走査原点Ｓにおいてｘ方向にイオンビームを走査するよう構成されている。よってｘ方向はビーム走査器３４の走査方向である。ビーム平行化器３６は、イオンビームをｚ方向に平行化するよう構成されている平行化レンズ８４を備える。平行化レンズ８４の焦点Ｆ_０は、走査原点Ｓに実質的に一致する。

ビーム偏向器は、ビーム走査器３４における基準軌道に対するビーム実軌道のｘ方向についての位置誤差及び角度誤差が、ビーム偏向器における基準軌道に対するビーム実軌道のｘ方向についての位置誤差及び角度誤差に関連づけられるようビーム走査器３４の上流に配設されている。具体的には例えば、ビーム偏向器におけるｘ方向位置誤差及びｘ方向角度誤差は、ビーム輸送行列を用いて、ビーム走査器３４におけるｘ方向位置誤差及びｘ方向角度誤差に関連づけられる。

また、ビームライン部は、被処理物における基準軌道に対するビーム実軌道のｘ方向についての位置誤差及び角度誤差が、ビーム走査器３４における基準軌道に対するビーム実軌道のｘ方向についての位置誤差及び角度誤差に関連づけられるよう構成されている。具体的には例えば、ｘ方向の注入位置誤差及び注入角度誤差は、ビーム輸送行列を用いて、ビーム走査器３４におけるｘ方向位置誤差及びｘ方向角度誤差に関連づけられる。

制御部１０４は、ビーム走査器３４におけるビーム実軌道の所望のｘ方向角度誤差（及び／またはｘ方向位置誤差）を生じさせるように、ビーム偏向器におけるｘ方向についての偏向角度を補正する。ビーム走査器３４における所望のｘ方向角度誤差（及び／またはｘ方向位置誤差）は、被処理物への所望のｘ方向注入角度及び／またはｘ方向注入位置に関連づけられている。このようにして、ｘ方向のイオン注入角度の精密調整を行うことができる。

例えば、制御部１０４は、走査面においてビーム実軌道が走査原点Ｓにて基準軌道と交差するように、ビーム偏向器におけるｘ方向の偏向角度を補正するよう構成されている。上述のように、ビーム実軌道が走査原点Ｓにて基準軌道と交差するとき、被処理物へのｘ方向の注入角度誤差を実質的にゼロにすることができる。ビーム偏向器としてステアリング電磁石３０が用いられる場合、ｘ方向の９０°のビーム偏向と同時に、ｘ方向の精密なビーム角度調整が行われる。

制御部１０４は、例えばビームモニタ１０２により測定されたｘ方向注入角度に基づいて、ビーム実軌道が走査原点Ｓにて基準軌道と交差するようにステアリング電磁石３０における磁場を補正してもよい。ｘ方向注入角度の測定値からｘ方向注入角度誤差が得られる。走査原点Ｓでの実軌道と基準軌道との交差によって、注入角度誤差を相殺するようにステアリング電磁石３０における磁場が補正される。このようにして、好ましくは１回の磁場補正により注入角度誤差をゼロにすることができる。

ステアリング電磁石３０における磁場を測定する磁場測定器８６は、イオンビームの実軌道が走査原点Ｓにて基準軌道と交差するようにステアリング電磁石における磁場が補正された状態で、校正されてもよい。

ビーム偏向ユニット１６が２つの９０°偏向電磁石から成り、上流側がエネルギー分析電磁石２４、下流側がステアリング電磁石３０である場合、エネルギー分析電磁石２４を通過したイオンの質量とエネルギーは既知である。このとき、ステアリング電磁石３０の平均磁場（磁束密度）Ｂ［Ｔ］とイオンのエネルギーＥ［ｋｅＶ］及び質量ｍ［ａｍｕ］との間には以下の関係式が成り立つ。ここで、ｎはイオンの電価数、ｒ［ｍ］は偏向電磁石の曲率半径である。

一方、これまで述べてきた手順でイオンビームの注入角度をほぼ０°にしたときのステアリング電磁石３０の磁場測定値（読み値）がＢｍであったとすると、この測定値に係数Ｂ／Ｂｍをかけることにより磁場測定値の校正をおこなうことができる。このような校正を装置の据え付け時に一度おこなっておくと、その後は、単に磁場測定値を（９）式で表される値に調整することで、常に高い注入角度精度を得ることができる。

ビーム偏向器におけるｘ方向の偏向角度の補正範囲は例えば、ビーム偏向器における設計上の偏向角度の多くとも１％以内または０．５％以内である。つまり、イオンビームを設計上α°偏向するよう構成されているビーム偏向器が、（１±０．０１）α°の範囲または（１±０．００５）α°の範囲から選択される偏向角度でイオンビームを偏向するよう補正される。こうした意味で、ビーム偏向器は、イオンビームを約α°偏向するよう構成されている。

例えば、ビーム偏向ユニット１６の複数の偏向電磁石は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４により加速されたイオンビームを約１８０°偏向するよう構成されている。また、ビーム偏向ユニット１６の複数の偏向電磁石は、１つのエネルギー分析電磁石２４と１つのステアリング電磁石３０とであり、エネルギー分析電磁石２４及びステアリング電磁石３０はそれぞれイオンビームを約９０°偏向するよう構成されている。

ステアリング電磁石３０は、イオンビームＢをｘ方向に９０°偏向するとともに、イオンビームＢのｘ方向注入角度を精密に調整する。この精密調整のために設定される偏向角度補正量は、ステアリング電磁石３０の偏向角度９０°の例えば１％未満または０．５％未満の大きさである。ステアリング電磁石３０における補正された偏向角度は、規定の偏向角度９０°と補正量との和で与えられ、約９０°となる。

ビーム偏向ユニット１６が２つの９０°偏向電磁石から成り、上流側がエネルギー分析電磁石２４、下流側がステアリング電磁石３０である場合、ステアリング電磁石３０は、１×１０^−４（＝０．０５／９０×０．２０）程度の設定精度と安定度を持つ電源とその制御機器が接続されていることが好ましい。すなわち、ステアリング電磁石３０は、１×１０^−４以内の磁場設定精度及び磁場安定度をもつ電源部を備えてもよい。このようにすれば、仕様上最低エネルギーをもつ軽いイオンが最大磁場の２０％程度で９０°の偏向が可能である場合、０．０５°の精度で補正角Δｓを設定することができる。

以上説明したように、本発明のある実施形態によれば、ビームラインを折り返すための複数の偏向電磁石の１つであるステアリング電磁石３０と、ビーム走査器３４と、角度モニタとしてのビームモニタ１０２とがイオン注入装置１００に設けられており、ビーム実軌道が走査原点Ｓを通るようにステアリング電磁石３０の磁場が補正される。このようにして、注入角度誤差を打ち消して、高い注入角度精度を保証することができる。例えば、据え付け誤差をもって設置されうる多数の機器で構成されるビーム輸送距離の長いビームラインにおいて、注入角度誤差を０．１°未満に抑えることができる。高い角度精度をもつ静電式のビーム走査器３４及び静電式の最終エネルギーフィルター３８を有効に活かすことができる。

なお、ここでは水平方向（走査面内）の補正についてのみ述べたが、イオン注入装置１００は、これと直交する方向についても、注入角度の測定と、それに合わせてウェハのチルト角を微調整する機械システムとによって、やはり誤差０．１°未満のイオン注入が可能になっている。

ある実施形態においては、ステアリング電磁石３０は、軌道偏向用の主コイルと、偏向角度補正用の副コイルと、を備えてもよい。主コイルは主コイル電源を備える。主コイルは９０°の偏向を行うために設けられている。副コイルは、主コイル電源から独立に制御可能である副コイル電源を備える。副コイルの巻き数は主コイルに比べて少ない。制御部１０４は、イオンビームの実軌道が走査原点Ｓにて基準軌道と交差するように、副コイルを制御してもよい。

上述の実施形態のように９０°偏向の電磁石を使って微小磁場を制御する場合には、高い分解能をもつ電磁石電源を設けることが望まれる。これに対して、副コイル（一般にはトリムコイルともいう）を使いその巻き数を主コイルと比較し少なくし、それを別電源で励磁すれば、電源の分解能を上げる必要がない。この場合、副コイル電源（ステアリング電源）の設定精度と安定度は１×１０^−２程度で良い。

上述の実施形態ではビーム偏向ユニット１６の下流側の偏向電磁石がステアリング電磁石３０を兼ねているが、ある実施形態においては、ビーム偏向ユニット１６の最後の偏向電磁石の下流に、単独のステアリング電磁石を設置しても良い。この場合も、ステアリング電磁石の電源精度は１×１０^−２程度で良い。

上述の実施形態では高エネルギーイオン注入装置に適するイオン注入装置１００を例に挙げて説明したが、本発明は、ビーム偏向器、ビーム走査器、及びビーム平行化器を有する他のイオン注入装置にも適用することができる。ある実施形態においては、例えば、図６に示されるように、高エネルギー多段直線加速ユニット１４を有しないイオン注入装置２００において、ｘ方向のイオン注入角度の精密調整が行われてもよい。

図６は、本発明のある実施の形態に係るイオン注入装置２００の概略構成を示す平面図である。イオン注入装置２００は、図示されるように複数のビームライン構成要素を備える。イオン注入装置２００のビームライン上流部分は、上流側から順に、イオン源２０１、質量分析装置２０２、ビームダンプ２０３、リゾルビングアパチャー２０４、及び、電流抑制機構２０５を備える。イオン源２０１と質量分析装置２０２との間には、イオン源２０１からイオンを引き出すための引出電極（図示せず）が設けられている。電流抑制機構２０５は、一例としてＣＶＡ（Continuously Variable Aperture）を備える。ＣＶＡは、駆動機構により開口サイズを調整できるアパチャーである。

イオン注入装置２００のビームライン下流部分は、上流側から順に、第１ＸＹ収束レンズ２０６、第２ＸＹ収束レンズ２０８、ビーム走査器２０９、Ｙ収束レンズ２１０、ビーム平行化器２１１、ＡＤ（Accel／Decel）コラム２１２、及びエネルギーフィルター２１３を備える。ビームライン下流部分の最下流部にウェハ２１４が配置されている。イオン源２０１からビーム平行化器２１１までのビームライン構成要素は、ターミナル２１６に収容されている。なお、例えば第１ＸＹ収束レンズ２０６と第２ＸＹ収束レンズ２０８の間に、イオンビームの経路に対して出し入れ可能なビーム電流計測器（図示せず）が設けられていてもよい。

第１ＸＹ収束レンズ２０６、第２ＸＹ収束レンズ２０８、及び、Ｙ収束レンズ２１０は、縦横方向のビーム形状（ＸＹ面内のビーム断面）を調整するためのビーム整形器を構成する。このように、ビーム整形器は、質量分析装置２０２とビーム平行化器２１１との間でビームラインに沿って配設されている複数のレンズを備える。ビーム整形器は、これらのレンズの収束／発散効果によって、広範囲のエネルギー・ビーム電流の条件で下流まで適切にイオンビームを輸送することができる。

第１ＸＹ収束レンズ２０６は例えばＱレンズであり、第２ＸＹ収束レンズ２０８は例えばＸＹ方向アインツェルレンズであり、Ｙ収束レンズ２１０は例えばＹ方向アインツェルレンズまたはＱレンズである。第１ＸＹ収束レンズ２０６、第２ＸＹ収束レンズ２０８、及びＹ収束レンズ２１０は、それぞれ単一のレンズであってもよいし、レンズ群であってもよい。このようにして、ビーム整形装置は、ビームポテンシャルが大きくビームの自己発散が問題となる低エネルギー／高ビーム電流の条件から、ビームポテンシャルが小さくビームの断面形状制御が問題となる高エネルギー／低ビーム電流の条件まで、イオンビームを適切に制御できるように設計されている。

エネルギーフィルター２１３は例えば、偏向電極、偏向電磁石、またはその両方を備えるＡＥＦ（Angular Energy Filter）である。

イオン源２０１で生成されたイオンは、引出電場（図示せず）によって加速される。加速されたイオンは、質量分析装置２０２で偏向される。こうして、所定のエネルギーと質量電荷比を持つイオンのみがリゾルビングアパチャー２０４を通過する。続いて、イオンは、電流抑制機構（ＣＶＡ）２０５、第１ＸＹ収束レンズ２０６、及び第２ＸＹ収束レンズ２０８を経由して、ビーム走査器２０９へと導かれる。

ビーム走査器２０９は、周期的な電場または磁場（またはその両方）を印加することでイオンビームを横方向（縦方向または斜め方向でもよい）に往復走査する。ビーム走査器２０９によって、イオンビームはウェハ２１４上で横方向に均一な注入ができるように調整される。ビーム走査器２０９で走査されたイオンビーム２１５は、電場または磁場（またはその両方）の印加を利用するビーム平行化器２１１で進行方向を揃えられる。その後、イオンビーム２１５は、電場を印加することによりＡＤコラム２１２で所定のエネルギーまで加速または減速される。ＡＤコラム２１２を出たイオンビーム２１５は最終的な注入エネルギーに達している（低エネルギーモードでは、注入エネルギーよりも高いエネルギーに調整し、エネルギーフィルター内で減速させながら偏向させることも行われる。）。ＡＤコラム２１２の下流のエネルギーフィルター２１３は、偏向電極または偏向電磁石による電場または磁場（またはその両方）の印加によりイオンビーム２１５をウェハ２１４の方へと偏向する。それにより、目的とするエネルギー以外のエネルギーを持つコンタミ成分が排除される。こうして浄化されたイオンビーム２１５がウェハ２１４に注入される。

このようにして、イオン注入装置２００のビームライン上流部分は、イオン源２０１及び質量分析装置２０２を備え、イオン注入装置２００のビームライン下流部分は、ビーム走査器２０９の上流に配設されイオンビームの収束または発散を調整するビーム整形器と、ビーム走査器２０９と、ビーム平行化器２１１と、を備える。ビーム整形器は、第１ＸＹ収束レンズ２０６であってもよい。

ウェハ２１４の近傍には、ビームモニタ２１７が設けられている。ビームモニタ２１７は、ビーム平行化器２１１の下流に配設され、ウェハ２１４へのｘ方向注入角度を測定する。ビームモニタ２１７は、図１を参照して説明したビームモニタ１０２と同様に構成されている。

また、イオン注入装置２００は、イオン注入装置２００の全体又はその一部（例えばビームライン部の全体又はその一部）を制御するための制御部２１８を備える。制御部２１８は、ビームモニタ２１７の測定結果に基づいてビーム偏向器を制御するよう構成されている。ビーム偏向器は、ビーム整形器に設けられている。言い換えれば、ビーム整形器はいわゆるステアリング機能を提供するよう構成されている。

ビーム整形器は、少なくとも１つの四重極レンズを備え、四重極レンズは、ｘ方向に対向する一対の電極と、一対の電極それぞれに異なる電位を与える電源部と、を備える。制御部２１８は、ビームモニタ２１７により測定されたｘ方向注入角度に基づいて、イオンビーム２１５の実軌道が走査原点にて基準軌道と交差するように、ビーム整形器の一対の電極間の電位差を補正する。このようにして、ｘ方向のイオン注入角度の精密調整を行うことができる。

イオン注入装置２００においてはビーム偏向器がビーム整形器の一部を構成するが、ある実施形態においては、ビーム偏向器がビーム整形器とは別に設けられていてもよい。この場合、ビーム偏向器は、質量分析装置とビーム走査器との間（例えば、質量分析装置とビーム整形器との間、または、ビーム整形器とビーム走査器との間）に配設されていてもよい。

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。

１２ イオンビーム生成ユニット、 １４ 高エネルギー多段直線加速ユニット、 １６ ビーム偏向ユニット、 １８ ビーム輸送ラインユニット、 ２０ 基板処理供給ユニット、 ２２ 質量分析装置、 ２４ エネルギー分析電磁石、 ２６ 横収束四重極レンズ、 ３０ ステアリング電磁石、 ３２ ビーム整形器、 ３４ ビーム走査器、 ３６ ビーム平行化器、 ３７ａ，３７ｂ ビーム軌道、 ３８ 最終エネルギーフィルター、 ４０ ウェハ、 ８４ 平行化レンズ、 ８６ 磁場測定器、 １００ イオン注入装置、 １０２ ビームモニタ、 １０４ 制御部、 ２００ イオン注入装置。

Claims (16)

1. ビーム偏向器と、前記ビーム偏向器の下流に配設されているビーム走査器と、前記ビーム走査器の下流に配設されているビーム平行化器と、を備えるビームライン部と、
   前記ビームライン部の少なくとも前記ビーム偏向器を制御するよう構成されている制御部と、を備え、
   前記ビームライン部はイオンビームの基準軌道を含み、ｚ方向は前記基準軌道に沿う方向を表し、ｘ方向はｚ方向に直交する一方向を表し、
   前記ビーム偏向器は、前記イオンビームをｘ方向に偏向可能であるよう構成され、
   前記ビーム走査器は、前記イオンビームをｘ方向に往復的に偏向することにより前記イオンビームを走査するよう構成され、
   前記ビーム平行化器は、走査されたイオンビームをｚ方向に平行化するよう構成されている平行化レンズを備え、前記平行化レンズは、前記ビーム走査器の走査原点に焦点を有し、
   前記制御部は、前記ビーム偏向器により偏向されたイオンビームの実軌道がｘｚ面において前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように、前記ビーム偏向器におけるｘ方向の偏向角度を補正することを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記ビームライン部は、ビームライン上流部分と、前記ビームライン上流部分の下流に配設されているビームライン中間部分と、前記ビームライン中間部分の下流に配設されているビームライン下流部分と、を備え、
   前記ビームライン上流部分は、前記イオンビームを生成するイオンビーム生成ユニットと、前記イオンビームを加速する高エネルギー多段直線加速ユニットと、を備え、
   前記ビームライン中間部分は、複数の偏向電磁石を備え、前記複数の偏向電磁石は、少なくとも１つのエネルギー分析電磁石と、前記少なくとも１つのエネルギー分析電磁石の下流に配設されている少なくとも１つのステアリング電磁石と、を備え、
   前記ビームライン下流部分は、前記ビーム走査器と、前記ビーム平行化器と、を備え、
   前記ビーム偏向器は、前記少なくとも１つのステアリング電磁石であ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. 前記ビーム平行化器の下流に配設され、被処理物へのｘ方向注入角度を測定するビームモニタをさらに備え、
   前記制御部は、測定されたｘ方向注入角度に基づいて、前記イオンビームの実軌道が前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように、前記ステアリング電磁石における磁場を補正す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. 前記少なくとも１つのステアリング電磁石は、１×１０^−４以内の磁場設定精度及び磁場安定度をもつ電源部を備えることを特徴とする請求項２または３に記載のイオン注入装置。
5. 前記少なくとも１つのステアリング電磁石は、主コイル電源を備える軌道偏向用の主コイルと、副コイル電源を備える偏向角度補正用の副コイルと、を備え、副コイル電源は主コイル電源から独立に制御可能であり、
   前記制御部は、前記イオンビームの実軌道が前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように、前記副コイルを制御することを特徴とする請求項２または３に記載のイオン注入装置。
6. 前記複数の偏向電磁石は、前記高エネルギー多段直線加速ユニットにより加速された前記イオンビームを約１８０°偏向するよう構成されていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のイオン注入装置。
7. 前記複数の偏向電磁石は、１つのエネルギー分析電磁石と１つのステアリング電磁石とから成ることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載のイオン注入装置。
8. 前記エネルギー分析電磁石及び前記ステアリング電磁石はそれぞれイオンビームを約９０°偏向するよう構成されてい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. 前記ステアリング電磁石における磁場を測定する磁場測定器をさらに備え、
   前記磁場測定器は、前記イオンビームの実軌道が前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように前記ステアリング電磁石における磁場が補正された状態で、校正されることを特徴とする請求項２から８のいずれかに記載のイオン注入装置。
10. 前記ビームライン部は、ビームライン上流部分と、前記ビームライン上流部分の下流に配設されているビームライン下流部分と、を備え、
    前記ビームライン上流部分は、イオン源及び質量分析装置を備え、
    前記ビームライン下流部分は、前記ビーム走査器の上流に配設され前記イオンビームの収束または発散を調整するビーム整形器と、前記ビーム走査器と、前記ビーム平行化器と、を備え、
    前記ビーム整形器は、前記ビーム偏向器を備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
11. 前記ビーム整形器は、少なくとも１つの四重極レンズを備え、前記四重極レンズは、ｘ方向に対向する一対の電極と、前記一対の電極それぞれに異なる電位を与える電源部と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載のイオン注入装置。
12. 前記ビーム平行化器の下流に配設され、被処理物へのｘ方向注入角度を測定するビームモニタをさらに備え、
    前記制御部は、測定されたｘ方向注入角度に基づいて、前記イオンビームの実軌道が前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように、前記一対の電極間の電位差を補正することを特徴とする請求項１１に記載のイオン注入装置。
13. 前記ビームライン部は、ビームライン上流部分と、前記ビームライン上流部分の下流に配設されているビームライン下流部分と、を備え、
    前記ビームライン上流部分は、イオン源及び質量分析装置を備え、
    前記ビームライン下流部分は、前記ビーム偏向器と、前記ビーム走査器と、前記ビーム平行化器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
14. 前記ビーム偏向器におけるｘ方向の偏向角度の補正量は、被処理物へのｘ方向注入角度誤差を、１回の補正により規格内に収めるように設定され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. 前記ビーム走査器は、前記イオンビームの実軌道と前記基準軌道との交差角に相当する一定の偏向角度と走査のために周期的に変化する偏向角度との合計の偏向角度で前記イオンビームを往復的に偏向することにより前記交差角を相殺することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のイオン注入装置。
16. イオンビームを、ビーム偏向器を使用してｘ方向に偏向することと、
    偏向されたイオンビームを、ビーム走査器を使用してｘ方向に走査することと、
    走査されたイオンビームを、平行化レンズを使用してｚ方向に平行化することと、を備え、
    ｘ方向はｚ方向に直交する一方向であり、ｚ方向はイオンビームの基準軌道に沿う方向であり、
    前記ビーム走査器は、前記偏向されたイオンビームをｘ方向に往復的に偏向することにより前記偏向されたイオンビームを走査し、
    前記平行化レンズは、前記ビーム走査器の走査原点に焦点を有しており、
    前記ビーム偏向器におけるｘ方向偏向角度は、前記偏向されたイオンビームがｘｚ面において前記走査原点にて前記基準軌道と交差するように補正されていることを特徴とするイオン注入方法。

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