JP3975363B2 - 原子及び分子イオンで表面を照射するために有用な振動磁場をワーキング・ギャップにおいて生成するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入装置等のイオン・ビームを利用するためのシステムに関し、さらに概説すれば、ワーキング・ギャップ(working gaps)に強磁場を適用する磁気システムに関する。

シリコン・ウエハ等の半導体の改良は、しばしばイオン注入装置によって実施され、ここでは表面が特定の種及び所定のエネルギーのイオン又は分子ビームによって統一的に照射される。普通、ウエハ又は基板の物理的な寸法(例えば8インチ以上)は、有限サイズ(例えば1"×2")のスポットとしてウエハに沈積される照射ビームの断面よりも大きい。高電流の機械では共通して、必要な統一的な放射束密度は、ウエハの往復運動又は往復運動と軸周辺との回転の組み合わせのいずれかの方法で、ウエハの端から端までビームを機械的に走査することによって達成される。

以下の多くの理由から、少なくとも一方向において高い走査速度を有することが明らかに有利である。放射束密度の統一性がイオン・ビーム集束の変化による影響を受けにくい。低い投与レベルで高いウエハ処理が可能である。高い投与量の適用について、局部表面充電、熱パルシング、及びスパッタリング及び照射ダメージ等の局部粒子誘発現象からの減損が大幅に減ぜられる。

機械的走査のすべての態様は、速度的に非常に制限があり、さらにウエハの表面構造を劣化する粒子を生成するという不利益がある。

共通偏差において、時間で変動する電場が、ビームを一方向の往復で走査するために使用される一方、ウエハが別の方向に往復運動するか又は軸回転する。この混成タイプの注入装置において、ウエハを処理できるビーム電流−移動率（current and hence rate）は、時間で変動する電子偏向場の区域において作用する空間負荷力によって厳しく制限される。この力は、ビーム内のイオンを外方向に発散させ、管理不能なほど大きいビーム曲線(beam envelope)を生成する。このような空間負荷制限は、２方向にビームを走査するために時間で変動する電場を使用する注入装置においても発生する。

空間負荷ブローは、ビームの横断速度がビーム軸に沿った距離とともに増大する割合である。これは、直交ビーム・パービアンス質量に比例する。
ξ ＝ Ｉ Ｍ ^1/2 Ｅ ^-3/2 (1)
Ｉはビーム電流、Ｍはイオン質量、Ｅはイオン・エネルギーである。(ザ・フィジックス・アンド・テクノロジー・オブ・イオン・ソーセズ、Ed．イアン・Ｇ・ブラウン、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ニューヨーク、1989年)。

イオン・ビーム・インプランターにおいてみられる典型的なイオン・ビーム構成について、空間負荷効果は、ξ＝ 0.02(mA)（amu）^1/2（keV）^3/2のパービアンスで制限的となる。従って、80keVヒ素ビームは、−1.7mAで限定される空間負荷となる一方、5keVビームはちょうど-0.03mAで限定される空間負荷である。10mAを超えるビーム電流を要する多くの商業的な工程について、また場合によっては極めてエネルギー量が低い場合においても、時間で変動する電場での走査は実行できない。

電子ビーム走査のために高周波数で使用される時間で変動する磁場が、随時注入装置におけるイオン・ビームの走査のために提案されてきた。これは、通常の空間負荷力が磁場において中立のまま維持されるからである。残念ながら、イオン注入装置に使用されるホウ素(B⁺)、酸素(O⁺)、リン(P⁺)及びヒ素(As⁺)等の重イオンの偏向にははるかに大きな磁場エネルギーを要する。実際、同等のビーム・エネルギー及び偏向角度について言えば、磁場エネルギーは、電子について必要なものの10,000倍ないし100,000倍が必要とされる。従って、電子の速やかな磁気走査のために開発された技術は、重イオン・ビームの速やかな走査に適した構造を得るように適合させることができない。よって、イオン注入装置に使用される磁気走査技術は、わずかなヘルツ(Hz)の周波数に限定されている。

イオン注入には、時間によって速やかに変動できる要素を伴った大きなワーキング・ギャップ(working gaps)及び大きな磁場を有する構造を製造することが望ましいという状況がある。かかる構造の性能は、正確に確定される時間変化磁場の製造に関連するむずかしさによって限定されたものとなっている。

本発明は、20Hzないし300Hzの状態の周波数で稼働できる磁気走査システムを使用した、連続的混成タイプ及びバッチ・タイプ両方の重イオン注入装置を提供する。また、本発明は、さらに一般的に、比較的大きなワーキング・ギャップ(working gaps)での高周波数高電力振動磁場生成のための磁気構造及び励磁回路の設計及び性能上の改良を提供するものである。

一つの側面において、本発明は、適切な配列によって高電流のイオン・ビームの基板表面の全体に亘る速やかな走査が可能であり、時間で変動する磁場の組み合わせを生成する組み合わせ構造を提供する。

本発明は、最高400KeV以上のエネルギーで、最高200mA以上のイオン・ビーム電流を伴う極めて広い範囲のイオンについて稼働できるイオン注入器を構築する能力を提供する。
また、本発明は、上記目的のみならず他の適用についても有用な改良された要素及びサブシステムを提供する。また、本発明は、イオンで表面を照射するための改良された方法を提供する。

本発明の重要な側面は、選択される表面を照射するために原子又は分子イオンの高パービアンス・ビームを偏向できる強振動磁場を生成するための磁気偏向装置であって、イオン・ビームが通過する偏向間隙を画定する極面及び極面を接続する磁気回路を有する磁気構造、励磁コイル及び20Hz以上のオーダーの基本周波数及び実質的により高いオーダーの調波を有する励磁電流をコイルに適用するよう適合される関連励磁回路を備え、磁気構造において磁場を生成するために選択される電流の基本周波数及び波形は、ビーム偏向の振動周波数及び速度特性を画定する基本周波数及びより高いオーダーの調波要素を有し、磁気回路が、少なくとも部分的に、それぞれの厚みが0.2ないし1ミリメートルの範囲である磁気浸透度の高い素材の複数の積層であって、比較的薄い電気絶縁層によって分離され、かつ強磁場の基本周波数及びより高いオーダーの調波要素について磁気抵抗の低い磁気浸透可能な経路を提供する積層を備え、積層がそれぞれの積層における局部経路において誘発される渦電流を限定的な値に制限するよう作用し、よって高パービアンス・ビームについて所望の偏向を可能とする装置を提供する。

一つの重要なケースにおいて、偏向装置は、主走査器の特徴を有する。別の重要なケースでは、偏向装置は、選択される表面を照射するために、あらかじめ周期的に偏向された原子又は分子の高パービアンス・ビームを再方向付することを可能とするものであり、この場合、波形は、別の場合ではこれもより高いオーダーの調波を有するものであるが、正弦曲線状であることが望ましい。

本発明のさらに概括的な側面は、ワーキング・ギャップ(working gaps)において所望される強磁場を生成するための磁気装置に関し、磁気構造が磁場が所望されるワーキング・ギャップ(working gaps)を固定する極面及び極面を接続する磁気回路、並びに励磁コイル及び関連励磁回路を有する。

このさらに概括的な特徴により、かつ上記走査及び補償装置の好適な実施例にも適用されるものとして、磁気回路の少なくとも一部は、スタックの一つにおける当該積層を通過する磁束が磁気回路における経路完了の際に別のスタックの多重の積層に配されるような態様で交差するよう設けられる異なった組の積層を備える。

負荷粒子のビームのための走査器の様式において、励磁回路は、基本周波数及びより高いオーダーの調波によって表示される実質的に三角形の波形を励磁コイルに適用するよう適合されていることが望ましい。

本発明のこれら様々な側面の実施例は、以下の一つ又は複数の特徴を有する。極面を画定する極片は、それぞれの極面を形成する積層の端を有する少なくともいくつかの積層を備え、積層の端は、磁場の効果を及ぼすために所定の形状を有する極面を提供するような形状をとることが望ましい。

極面を画定する極片は、フェライト素材製とし、極面が磁場の効果を及ぼすために所定の形状の極面を提供するような形状をとることが望ましい。磁気装置の間隙は小さく、極面と平行に伸張する長いリボン−プロファイル(ribbon-profile)のイオン・ビームを受けるよう構成されており、磁気構造は、リボン−プロファイル(ribbon-profile)の長手方向においてビームを偏向するよう配されている。磁気回路は、一体的にヨーク及び極片を形成する積層のスタックを一つを備える。

動的フィードバック制御が設けられ、これは磁気装置の磁場を検出し、励磁コイルによって生成された磁場を表示する信号を生成するための磁場検出手段と、磁気励磁回路及び磁場検出手段との閉鎖されたループ配列(closed loop arrangement)において磁場を生成する励磁電流を制御するためのフィードバック制御システムとを備え、磁気検出手段が磁気回路内に少なくとも一つの誘導コイルを備えることが望ましい。

磁気回路は、第１及び第２極片並びに極片を接続するヨークを備え、ヨークは、積層のスタックを効率よく形成するようコイルの様式での連続的な積層帯状巻線を備える。特定の好適な実施例において、極片はそれぞれ、積層のそれぞれのスタックによって形成され、また各極片の積層の端は、積層されるヨーク・コイルの側面に対向して設けられ、よって各極片の各積層が、その間に磁束を生じるようコイルの多重の積層を交差し、また各極片が、一つの部分が一つのヨーク・コイルの各側面に設けられる少なくとも２つの部分を備えることが望ましく、また極片の横幅が累進的に偏向するビームに適応するよう各極片の第１部分から第２部分に向けて増大することが望ましい。

他の好適なケースにおいて、極片はそれぞれ積層されるヨーク・コイルの側面に対向して設けられるフェライト素材のブロックそれぞれによって形成され、よって各極片がその間に磁束を配するようコイルの多重積層と交差し、また特定の好適な実施例では、各極片が、一つの部分が一つの積層されるヨーク・コイルの各側面に設けられる少なくとも２つの部分を備え、また極片の横幅が、累進的に偏向されるビームに適応するよう各極片の第１部分から第２部分へ向けて増大することが望ましい。

少なくとも一つの冷却板が、誘発される渦電流によって生ずる熱を除去するために提供されており、冷却板は、多数の積層との熱接触状態において積層のスタックの側面に添着されている。

磁気装置は２つの積層されるヨーク・コイル及び積層されるヨーク・コイルの間に設けられる極片を備える。特定の好適なケースにおいて、極片は積層のスタックを備え、各極片の積層の反対方向に向けられる端が、それぞれ積層されるヨーク・コイルの側面に対向して設けられ、よって各極片の各積層がその間にその磁束を生じるよう両コイルの多重の積層と交差し、また他の好適なケースでは、極片がフェライト素材のブロックを備え、極片がそれぞれ積層されるヨーク・コイルの側面に対向して設けられ、よって各極片がその間にその磁束を生じるよう積層されるヨーク・コイルの多重の積層と交差する。

イオン・ビームのための磁気走査器とともに使用するための補償構造の様式において、特定の好適なケースでは、磁気回路が第１及び第２の極片と、極片を接続するヨークとを備え、極片がそれぞれ積層の各スタックによって形成され、その第１端が磁気構造の間隙を形成し、ヨークが積層のスタックを効率よく形成するためにコイルの形状における少なくとも一つの連続的な積層帯状巻線を備え、各極片の積層の第２端が積層されるヨーク・コイルの側面に対向して設けられ、よって各極片の各積層がその間に磁束を生じるようコイルの多重の積層と交差し、極片の間の間隙がビームを受けるような寸法をとり、極片の幅が走査器によってあらかじめ偏向されたビームに適応するよう調整され、また極片の長さが偏向されるビームを所望の状態に再方向付するよう設計されている。極片の長さは、補償器が受けるビームの偏向範囲に亘って補償器の軸に対して所望される角度方向を取るようビームを再方向付するよう構成されることが望ましく、また磁気構造は、磁気構造のフォースフィールド（force field）にさらされるイオン・ビーム経路の長さを、ビームを予定される出力軸と平行にするようビームの偏向角度にともなって変化させるよう構成されることが望ましい。

重要な好適なケースにおいて、磁気補償構造のための励磁コイルは、共鳴補償励磁回路によって駆動し、励磁回路は、連続的に接続される励磁コイル、励磁コイルと平行して接続されるタンク容量(a tank capacitance)、共鳴作用を達成するために回路のインダクタンスに関連する値を有する結合容量及び励磁回路及び磁気構造におけるエネルギー損失を補填するために回路に配電するための基本周波数信号によって駆動する電力増幅器とを備えることが望ましい。

走査励磁回路によって基本周波数で駆動する走査器とともに使用するよう構成される補償器の好適な実施例において、共鳴補償器励磁回路は、所定の位相角度差で、これと位相ロック関係(phase locked relationship)において走査励磁回路の基本周波数と共鳴して作用するよう構成されている。磁気補償構造は、走査励磁回路のより高いオーダーの調波によって生じた偏向角に対する補償（contribution）を補填するために、磁気補償構造のフォースフィールド（force-field）にさらされるイオン・ビーム経路の長さをビームの偏向角に従属して増大するよう協同的に選択される形状のビーム入口及び出口側面に表面を有する極片を備えることが望ましい。

特定の実施例において、磁気回路の一部は、磁束分配関係において相互に交差して設けられる平坦な積層の個別のスタックによって形成される。

本発明の他の重要な側面は、選択される表面に亘って、当初所定の方向に伝搬される、原子又は分子イオンの高パービアンス・ビームを速やかに走査するための磁気走査システムであって、一つの次元において基本周波数及び回路からの励磁電流によって誘発されるより高いオーダーの調波を有する振動磁場に対応して繰り返しイオン・ビームを走査するための磁気走査構造及び関連走査励磁回路、並びに走査構造によって走査された後にイオン・ビームを連続的に偏向し、ビームをシステムの出力軸と実質的に平行な方向に再方向付するための、ビーム軸に沿った走査構造とは離間した個別の磁気補償構造及び関連補償励磁回路とを備え、走査回路及び補償回路がそれぞれの走査及び補償機能について同一の基本周波数で波形を有する個別の電源を有し、回路が所定の位相角度差で一定の位相関係にあることを特徴とする。

本発明のこの側面の好適な実施例は以下の一つまたは複数の特徴を有する。走査及び補償回路について異なった、補足的な波形を生成する手段が設けられている。磁気走査構造の入口地点での間隙の横幅の、間隙間隔に対する割合は3対1のオーダーである。走査構造及び補償構造の極片の横幅は、累進的に幅広となるビーム走査に適応するようビーム軸の長さに沿って増大する。

磁気走査構造及び磁気補償構造それぞれが、厚みが約0.2ないし1ミリメートルの範囲の磁気浸透度の高い素材の複数の積層を備え、積層は比較的薄い電気絶縁層によって分離され、積層はイオン・ビームが通過する間隙を画定する極片を接続するヨークを形成し、積層は基本周波数及び磁場のより高いオーダーの調波要素について磁気抵抗の低い磁気浸透可能な経路を提供し、積層はそれぞれの積層における局部経路において誘発される渦電流を限定された値に制限するよう作用する。

高パービアンス・イオン・ビームに走査構造に侵入するリボンプロファイル(ribbon-profile)を提供する手段が設けられており、走査構造は、イオン・ビームをリボンプロファイル(ribbon-profile)の長い方向において偏向するよう配設される。

補償励磁回路は、あらかじめ偏向されたビームの振動の基本周波数と共鳴して作用するよう構成され、シンセサイザーが基本周波数を生成することが望ましく、また励磁回路が連続的に接続される励磁コイルと、励磁コイルと平行に接続されるタンク容量(a tank capacitance)と、共鳴作用を達成するために回路のインダクタンスに関連する値を有する結合容量と、励磁回路及び磁気構造におけるエネルギー損失を補填するために回路に配電を行うために基本周波数信号によって駆動される電力増幅器を備えることが望ましい。

磁気走査システムはさらに、基本周波数及び重畳されたより高いオーダーの調波によって形成される通常三角形の波の励磁電流によって磁気走査構造を駆動する手段と、基本周波数と共鳴する励磁電流によって磁気補償構造を駆動する手段とを備え、通常三角形の波形が照射される表面の走査動作の要素を補填するために選択されることが望ましい。

システムは、磁気走査システムの時間による磁場の変更率を検出し、磁場を表示する信号を生成する磁場検出手段と、それぞれの磁気励磁回路及び磁場検出手段と閉鎖されたループ配列(closed loop arrangement)において所定の磁場を生成する励磁電流を制御するためのフィードバック制御システムを備える動的フィードバック制御を含み、磁場検出手段が磁気回路内に少なくとも一つの誘導コイルを備えることが望ましく、またフィードバック制御システムがさらに誘導コイルに接続され、かつ検出信号の利得及び形状を調整することによって検出信号の回路によって誘発される歪を排除するよう適合される信号コンディショナと、信号コンディショナからの信号を受け、かつ電気的遅滞時間及びヨーク素材の有限浸透度から生ずる移相について検出された信号を修正するよう適合される位相補償器と、参照信号とコンディショナ及び補償器によってそれぞれ調整されかつ補償された検出信号との間の差であるエラー電圧を生成しかつ増幅するために適合される差動増幅器と、エラー電圧を受け、所定の磁場を生成するために励磁コイルに対してエラー電圧に比例する励磁電力を生成するよう適合される共鳴励磁回路の電力増幅器とを備えることが望ましい。

システムは、磁気走査構造及び磁気補償構造についてそれぞれの動的フィードバック制御を含むことが望ましい。磁気走査構造及び磁気補償構造のビーム入口面及びビーム出口面の表面は、システムに侵入するビームの形状(profile)に対して所定の協同関係にある形状を取り、両磁気構造のために、ビームの走査される位置にかかわらず、所望されるビームの形状(profile)及びビーム内のイオンの角度逸脱に所望される制限を生ずるよう協同する磁気フリンジングフィールド（fringing field）を確定する。

磁気走査構造の前に、原子又は分子イオンの高パービアンス・ビームの加速及び集束のための静電−静磁システムであって、電源によって充電される静電加速システムを形成する一組の加速電極であって、一つの次元においてイオン・ビームを静電収束するよう適合され、電極を横切る電位差に対応した方向にイオン・ビームを加速する静電エネルギー供給するよう適合される電極と、ビーム内の電子を維持するためのサプレッサ電極であって、アパーチャーを有し、静電加速システムの出口に位置する電極と、他の次元においてビームを集束するよう設けられる後段加速分析用（アナライザー）磁石であって、後段加速磁石の入口及び出口区域へのイオン・ビームの入射及び排出の角度を調整するための手段を有する磁石とを備えるシステムが設けられている。

この加速及び集束システムの好適な実施例は、以下の一つ又は複数の特徴を有している。
電極は隙間アパーチャーを形成し、隙間アパーチャーの長さが短い方向にビームを集束するよう適合されている。

加速システムに侵入するリボンプロファイル(ribbon-profile)の高パービアンス・イオン・ビームを提供するための手段が配され、加速システムは、リボンプロファイル(ribbon-profile)の短い方向においてビームを集束するよう配されている。
一組の加速電極は、イオン・ビームの静電集束のために相対的に移動可能な２つの電極を備え、かつ／又は一組の加速電極は、中央電極の電位を変化させることによってイオン・ビームを静電集束するよう適合される３つの固定される電極を備える。加速後磁石の入口及び出口区域へのイオン・ビームの入射及び排出角を調整するための手段は、後段加速磁石をビーム経路に対して横方向に移動するための手段を備え、よってビームを集束する一方、イオン・ビームからの所望されないモーメンタム・イオンの中立粒子及びイオンを取り除く。静電磁場をともなう多極磁石が、後段加速分析用磁石によって創造されるイオン・ビームの収差を取り除くために設けられ、多極磁石が六極であることが望ましい。

本発明の加速及び集束特性はそれ自身の調整（right）において重要性がある。従って、本発明の別の側面は、隙間アパーチャーを有する静電加速システムの一組の加速電極であって、電極を横切る電位差に対応する方向にイオン・ビームを加速するために静電エネルギーを供給するよう適合される電極と、ビーム内の電子を維持するためのサプレッサ電極であって、隙間アパーチャーを有し、静電加速システムの出口に位置する電極とを備えた、あらかじめ生成された原子又は分子イオンの高パービアンス・ビームを加速しかつ集束するための静電システムである。

本発明の別の側面は、実質的に統一的なイオン投与量を投下するためのシステムにおける高パービアンス原子又は分子ビームの選択される表面への提供、高パービアンス・ビーム生成のための手段、隙間アパーチャーを有する一組の加速電極であって、スロットの長さの短い方向においてビームを集束するよう適合される電極と、隙間アパーチャーによって集束されていないビーム面においてビームを集束するためのビーム軸に沿って位置する集束装置と、ビームによる選択される表面の統一的な照射を達成するためにイオン・ビームを速やかに走査するための走査システムとを有する、ビームを加速しかつ集束するための静電システムである。

上記の好適な実施例の様々な特定の特徴は、もちろんこれらの側面にも適用されている。
記載されている磁気走査システムの特定の好適な実施例は、一つの面における走査を遂行するためにビームの下においてキャリアにマウントされた選択される表面を繰り返し運搬するために往復運動キャリアが使用されており、磁気走査システムが直交する面においてイオン・ビームを速やかに走査するように設けられている。他の好適な実施例は、一つの面における走査を遂行するためにビームの下においてキャリアにマウントされた選択される表面を繰り返し運搬するための駆動回転キャリアと、他の面における走査を遂行するために回転キャリアの半径方向にイオン・ビームを速やかに走査するために設けられる磁気走査システムと、その走査動作、ビーム中心の瞬間的な位置と回転キャリアの回転軸の間の半径距離の変化に逆従属する走査速度の変化に関連する励磁波形の機能従属を支配するための磁気走査システムに適用される励磁波形を生成するための手段を特徴とする。

いずれのケースにおいても、システムは、磁気走査の方向及びこれと垂直な方向におけるビームの次元の決定のための集束装置を含むことが望ましく、集束装置が隙間アパーチャーを有する調整可能な加速器を備え、アパーチャーの細い面が磁気走査次元に垂直な方向に対応することが望ましい。

第２方向における機械的な走査のいずれの例においても、磁気補償構造は、そのビーム入口及び出口側面を、磁気補償構造のフォースフィールド（force field）にさらされるイオン・ビーム経路の長さを、補償構造において生成された磁場と協同関係にある偏向角にともなって変化させるような協同的な形状とし、機械的な走査装置によって運搬される選択される表面の統一的な照射を達成する。

本発明の別の側面は、一つの次元における走査を遂行するためにビームの下においてキャリアにマウントされた選択される表面を繰り返し運搬するための駆動回転キャリアと、他の次元における走査を遂行するために回転キャリアの半径方向にイオン・ビームを速やかに走査するために設けられる磁気走査システムと、走査動作及びビーム中心の瞬間的な位置と回転キャリアの回転軸の間の半径距離の変化に逆従属して走査速度の変化に関連する波形の機能従属を支配するための磁気走査システムに適用される励磁波形を生成するための手段とを備える、選択される表面に高パービアンス原子又は分子ビームの実質的に統一的な投与量のイオンを配するためのシステムである。

この側面の好適な実施例において、励磁波形の機能従属は、ビーム位置Ｙの走査速度Ｙ’についての以下の数式によって決定される。
Ｙ’＝ｋ／（Ｙ+Ｒ）

ｋは、走査範囲及び波形の周期数Ｔについての従属定数であり、Ｒは軸とウエハ中心の間の距離である。

また、本発明は、別の側面として、(a)イオン・ビームを磁気走査構造に導入し、(b)一貫して偏向角を生成するために、一つの次元においてイオン・ビームを少なくとも20Hzの基本周波数及び走査励磁回路によって生成された走査励磁電流によって誘発されるより高いオーダーの調波を有する振動磁場によって走査し、かつ(c)個別の磁気補償構造を使用して、偏向されたイオン・ビームを連続的に再偏向し、走査励磁電流と同一の基本周波数を有する補償励磁電流で磁気補償構造を駆動することによってイオン・ビームを補償器の排出軸と実質的に平行な方向に再方向付する工程を備え、補償励磁電流が走査励磁回路と位相ロックモード(phase-locked mode)において作用する個別の補償回路によって生成される、当初所定の方向に伝搬された原子又は分子イオンの高パービアンス・ビームを選択される表面に亘って速やかに走査する方法を特徴とする。

この方法の好適な実施例において、補償励磁電流は、走査励磁電流の基本周波数との共鳴において生成され、また磁気補償構造のフォースフィールド(force-field)にさらされるイオン・ビーム経路の長さは、走査励磁電流のより高いオーダーの調波によって生ずる偏向角に対する補償（contribution）を補填するために偏向されることが望ましい。

本発明の別の側面は、埋没された酸化物の層を形成するためにシリコン・ウエハに統一的な投与量の酸素イオンを注入する方法であり、(a)50mAを超える電流の高パービアンス酸素イオン・ビームを100keVを超えるエネルギーに加速し、(b)キャリアにマウントされたシリコン・ウエハを50rpmを超える速度で回転し、(c)磁気走査システムで、50Hzを超える周波数でイオン・ビームをキャリアの半径方向に走査する一方、シリコン・ウエハの表面に対するビームの入射角を実質的に一定に保ち、かつ(d)実質的に統一的な温度条件のもとでウエハ全体を通じて実質的に統一的な投与量を得るようシステムを制御する工程を備えるイオン注入システムを使用することである。

本発明のこの側面の好適な実施例は、以下の一つ又は複数の特徴を有する。イオン・ビーム・エネルギーは約200keVである。走査工程は、実質的に三角の波形による磁気走査器ドライブ(magnetic scanner drive)を使用した振動パターンにおいてビームを偏向し、その後所望の方向に偏向されたビームを再方向付するために補償磁場を適用する工程を含み、補償工程が、走査と位相ロック関係(phase locked relationship)にある同一の周波数で駆動される動的磁気偏向補償器システムによって遂行されることが望ましく、またこの補償器が走査との共鳴において駆動されることが望ましい。

システムを制御する工程は、走査速度のビーム中心の瞬間的な位置と回転キャリアの回転軸との間の半径距離に対する逆機能従属を維持することによって統一的な酸素イオンの注入投与量を得るために、走査されるビームの走査速度を変化することを含む。

第１図及び第７図を参照すると、走査器２において、その後補償器４によってそれぞれ生成されるイオンの２つの時間振動磁気偏向を使用した、本発明によるイオン・ビームの磁気走査システムの好適な実施例の要素が図によって示されている。２つの振動磁場６、８は、通常150Hzの周波数に対応する同一の周期性を有するものとなっている。ｚ軸１０にほぼ平行な経路に沿って移動するイオンは、走査器２によってｙｚ平面において振動による偏向を経験し、ｙ方向は第１図の平面に垂直となっている。即時的に、ちょうど走査器２から出たイオンは、ビームの形状をとどめているが、ビームの長手軸方向１２は、走査器２において生成されるｙ磁気偏向の結果ｚ軸１０に対する一定の角度に方向付けられている。

その後間もなく、イオンはｚ軸から大きく転置されたｙ位置において補償器４に到達する。補償器４はｙｚ平面において、但し走査器において生成された第１偏向と反対の方向に向けてイオンを再び偏向する。この好適な実施例の一つの重要な特徴は、走査器及び補償器のそれぞれの振動磁場６、８が協同し、よって、補償器４から出た時点で、いまだビーム１４の形状にあるイオンが、再びｚ軸１０と平行な方向に移動することである。

しかしながら、ターゲット１６でのイオン・ビームの位置は、ｙ方向に沿って時間とともに急速に変化し、振動磁場の反復周波数で往復振動し、走査器における振動磁場６の振幅に主に関連する、またより小さい範囲で補償器における振動磁場８の振幅に関連する距離を走査し、またビーム方向はｚ軸１０と平行であり、またビームにおける角度逸脱又は広がり、並びに目標に到達したビームの断面の寸法２０(ビーム・スポットの寸法)は、ｙ位置にかかわらずほぼ一定である。この平行走査技術は、第７図において、一つの時点で走査システムに侵入するイオンがたどるビーム曲線(beam envelope)２２及び別の時点で生ずる曲線(envelope)２４によって示されている。

第９図は、等式(1)によって定義される高パービアンス・ビームを速やかに走査するための本発明の偉大な利用性を示したものである。好適な実施例における重要な特徴は、走査器及び補償器の磁場６、８が磁気のみの性質のものであることである。電場がないことによって、残余電子がビーム内に残存し、反発イオン・空間負荷力が中立化される。このような平行走査技術は、イオン・ビーム電流が増加されても制限なしに効率を維持する。

本発明の有用性の一つの例としては、シリコン・ウエハにおいて埋没された二酸化ケイ素絶縁層を形成するための200keVの範囲のエネルギーで酸化イオンでシリコン・ウエハの表面を重照射するためのSIMOX工程におけるニーズである。シリコン・ウエハは直径１２インチの大きさであっても良い。一束のウエハ１６は、軸２８について回転する回転盤２６にマウントされ、転置されるが、第１図及び第７図に示すように通常ｚ軸に平行である。通常50ないし100mA電流である酸素イオン・ビームは、ｙ方向２７、すなわち回転盤の半径方向において、ウエハ１６の表面を横切って速やかに走査され、表面の一つの区域に余りに長時間ビームをとどめた場合に生じ得る熱パルシング及びイオン・ダメージの結果として生ずる注入品質の劣化を生じず、またウエハ表面１６を統一的に照射するよう、回転する回転盤に関するビームの半径距離の変化を補填するための時間にともなって変化する走査速度で走査される。

さらに、第１図及び第７図は、ホウ素、酸素、リン、ヒ素又はアンチモン等の選択される種の正電荷イオンがソース３２のプラズマ・チャンバ３０において生成され、通常環状又は望ましくはスロット状のオリフィス３４(又はオリフィスのアレイ)から出る好適な実施態様によるイオン注入装置の詳細を示したものである。イオンは、抽出電極３６によって抽出され、抽出電極は、電源３８によるプラズマ・チャンバの電位よりも通常5ないし80kVを超えてマイナスの電位で維持される。プラズマ・チャンバ・オリフィス３４に関する抽出電極３４の幾何学的な形状及び位置は、最適なビームがイオン軌道の角度の広がりが通常２°未満であるよう抽出電極３６から出るように選択される。

イオン・ビームは、有限幅のスリット状のアパーチャー４４を画定する分析用磁石（アナライザーマグネット）４０及び冷却板４２によって、イオン・モーメンタムに従って電荷率(Mv/Q，v = イオン速度)まで精製される。この好適な実施例は、その細い面を走査器２の間隙内の振動磁場６の方向に有するリボン状のビームを形成し、よって上記間隙を最少のものとし、また振動磁場エネルギーを最少のものとし、ビームを走査器２でのビームの長手方向に平行なｙ方向に走査させることを可能とする。リボン状のビームは、イオン源３２から出たビーム自体がリボン状であれば分析用磁石４０によって最も容易に生成できる。イオン注入装置においてしばしば使用される、ザ・フィジックス・アンド・テクノロジー・オブ・イオン・ソーセズ、Ed.イアン・Ｇ・ブラウン、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ニューヨーク、1989年に記載される、フリーマン及びECRの両方のタイプのイオン源が、プラズマ・チャンバ・オリフィス３４及び抽出アパーチャー３６において長いスロット状を有することによってリボン状のビームを生成する。

抽出電極３６よりもマイナスの電位で維持されるサプレッサ電極４６は、逆流電子がイオン源プラズマ・チャンバ３０に達しこれを傷つけることを防止している。このサプレッサ電極も、イオン・ビームが分析用磁石４０を通過する際電子がイオン・ビームから漏れ出ることを防止している。かかる電子は、イオン負荷を中立化し、イオン源３２と分析用磁石４０の間のドリフト区域におけるビームの空間負荷ブロー(blow up)を防止している。
酸素注入等の一部の重要な適用において、所望される最終イオン・エネルギーに到達するために加速の第２段階が必要とされている。これは、第１図に示す、電源５０によって異なった電極電位で維持される２個以上の電極を備える、後段加速器４８として示されている。ビームにおける陽イオンは、最後の電極５２が第１の電極５１よりもマイナスの電位であるときに加速される。(また、減速も、最後の電極を第１の電極５１よりもプラスの電位に設定することによって実施できる。場合によっては、低エネルギーで高いビーム電流を達成するために有用である。)サプレッサ電極５４は、電源５０における不必要な電子の負荷を防止し、かつ電子が後段加速器のいずれかの側面においてビームから漏れ出て、ビームを中立でない状態とし、かつ反発する空間負荷力の対象となることを防止するよう、後段加速器４８の各端に設けられている。

第１サプレッサ電極は、ビームを減速する場合に限り必要となる。イオンは、電源３８及び５０それぞれの設定値によって決定されるエネルギーをもって後段加速器から出る。後段加速が使用される場合において、後段加速器４８は、通常分析用磁石４０の後に位置する。これは、分析用磁石（アナライザー）がより低い磁気エネルギーのもとで作動することを可能とするものである。さらに、ソース３２からの所望されないイオン種が後段加速器４８に侵入することが、分解アパーチャー４４によって防止され、よって後段加速器電源５０について必要な電流及び可能電気出力を最少のものとする。分解アパーチャー４４から後段加速器４８の出口端までの区域におけるビームと残存背景ガスとの間で生ずる電荷交換過程の結果として生成される所望されないモーメンタムを有する中立粒子及びイオンを取り除くために、後段加速器４８の後に位置する第２分析用磁石（アナライザーマグネット）５６を使用することが有益である。

第２図は、好適な実施例の重要な特徴を示すものであり、ターゲット１６でのビームの寸法及び角度逸脱は、後段加速器４８の第１電極５１及び第２電極５２の間のスペース４５を調整することによって主にｘ方向に、また後段加速器分析用磁石５６の横位置５５を調整することによってｙ方向に制御される。ｘ方向はｙ方向及びビームの瞬間的に形成される主軸(instantaneous principal axis)の両方と直交する横方向と定義される。分析用磁石４０は、後段加速器４８に侵入するビーム５７が上記のようにｘ方向においてより小さい寸法であるリボン状であり、またｘ方向に収束するようソース３２の位置と整合的に作用している。

後段加速器４８の第１電極５１及び第２電極５２におけるアパーチャー４９は、第４図に示すように長い次元をｙ方向に有するスロット状である。これらのアパーチャーのよって生成されたｘ方向における強い電場傾斜は、ビームにおいてｘ方向の全体的な収束動作を生じ、中立電子が、後段加速器４８に存するゼロではない電場によってビームから漏れ出た結果としてｘ方向においてビームに作用する空間負荷力の発散動作を補填する。ｘ集束動作は、第１電極５１と第２電極５３の間の距離が減少するにつれて増大し、これは実際には等式１に従って当該ビーム・パービアンスを適合させるモーター・ドライブ５３を通じて遠隔操作によって変化させられる。

第５図に示される別の実施例において、後段加速器４８は、第２図の２個の電極５１及び５２に代えて、３局電極１８１、１８２、１８３を備え、各電極がここでも第４図に示されるようなスロット状のアパーチャー４９を有している。ｘ方向の可変集束効果は、中央電極１８２の電圧を変化し、よって電場傾斜を変化させることによって達成される。

ビームは、後段加速器４８から出た時点で、ｘ方向においてまだ細いものであるが、後段加速器４８内で作用する補填されない空間負荷力の結果ｙ方向への分散動作を経験している。ｙ分散は、ビームが後段加速器検分子磁石５６のフリンジングフィールド（fringing field）に侵入しかつこれを出たときに生成されるｙ集束動作によって修正される。ディフレクティング・マグネッツ(フォーカシング・オブ・チャージド・パーティクルス、VII、Ed．Ａ・セプティアー、アカデミック・プレス、ニューヨーク、1967年において公表されている)においてＨ・Ａ・エンジによって開示されているように、有効な磁場境界６３の法線６１に関する角度α５９でフリンジングフィールド（fringing field）を通過するイオン・ビームに関連する焦点距離Ｆは、以下の算式によって求められる。
Ｆ＝Ｌ／（θｔａｎα） （２）
Ｌは磁石を通じた通過距離４７であり、Θは偏向角度６５である。第２図に示すプラスの角度α５９は、プラスのｙ集束及びマイナスのｘ集束を生ずる。ビームのｘ軸は、ｙ軸よりもはるかに小さいので、フィリンジングフィールド（fringing field）のビームにおけるイオンのｙ方向に与える影響は、ｘ方向に対するものよりもはるかに大きな範囲のものである。

好適な実施例の重要な特徴は、第２図に示すように、モータ５７を使用してマイナスｘ軸における後段加速器分析用磁石の位置を調整できることである。後段加速器磁石の極は、磁石５６がｘ方向に移動したときに動作がα５９を増大させ、また磁石を通じて路程Ｌ４７を同時に減少させ、等式２によって両方の効果がＦを減少し、すなわち集束力を増大させるような構成となっている。逆に、後段加速器磁石５６をプラスのｘ方向に移動することにより集束力が減少する。

ビームの大きなｙ軸成分に適応し、十分なｙ集束を生ずるために、後段加速器分析用磁石５６は、磁石を通過するイオンよって決定される路程と比較して小さい曲げ半径及び大きな間隙を有する。この場合、フリンジングフィールド（fringing field）集束動作は、実質的な収差を伴う。収差は、ビーム内でのイオンの非対称分配を生じ、またターゲット１６でのビームのｘ軸成分を増加する。例えば、酸素注入装置において、収差なしで、かつ若干のイオンのガウスｘ成分をともなって90mmのｘ軸成分を有している酸素ビームは、収差によって歪を生じ、ｘ方向への約10mmの重心移動に沿ってｘ方向に100mm拡張する。通常、この第２オーダー収差は、後段加速器分析用磁石５６の入口及び出口極境界を湾曲させることによって修正できるが、この磁石がｙ集束を達成するためにｘ方向に往復移動するため、イオン・ビームの収差を修正するために別の個別の装置を追加しなければならない。

第３図は、好適な実施例の特徴を示しており、後段加速分析用磁石５６のダイポールフィールド（dipole field）の直後に六極磁石１５０を配置し、ビームの上記収差を取り除いている。

六極１５２は、電荷コイル１５６によって交互の極(Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ)をもって励磁されている。極は、ヨーク１５４によって磁気接続されている。六極のアパーチャー内の磁場は、ｚ軸からの距離の平方の大きさで増大し、よってｚ軸から最も離れたイオンのｘ偏向を好適に生じる。

第８図は、ビームが走査器からウエハを通る際のビーム内でのイオン曲線(envelpoe)の通常の形質転換を示したものである。走査器の区域において、ビームの断面はｘ方向において狭く、走査器２の間隙を上記のように最少のものとすることを可能としている。ウエハへ向かう経路中に、ビーム曲線(envelpoe)のｙ軸方向には重大な変化はないが、ｘ軸方向がｙ軸方向よりも実質的に大きくなるように成長する。ウエハ１６でのｘ及びｙ軸は、後段加速器４８及び後段加速器分析用磁石５６の調整可能な集束動作によってそれぞれ制御される。ウエハ１６でのビーム面積(πｘｙ)は、過度に局部的な熱パルシング負荷、及びイオン誘発ダメージを回避するに十分な大きさであるが、要求されるオーバースキャンの量を減ずるようｙ軸成分がｘ軸成分よりも小さくなることが望ましい。

第１図を参照すると、好適な実施例の別の側面は、高い真空度でのビームのイオン源３２からターゲット１６への全行程に亘る移送である。高真空状態は、標準的な高真空ポンプを使用することによって真空ハウジング１７内部で維持されている。

第１０図を参照すると、好適な実施例の別の重要な側面は、走査器２及び補償器４において生成される振動磁場６、８の間で維持される一定の位相関係である。

これは、ターゲット１６上での平行走査を達成するために必要であり、この場合補償器４において生成されたイオンの偏向は、走査器２において生じた偏向と等しくかつこれと反対のものでなければならない。位相同期を実施するためには多くの慣例的な方法がある。例えば、第１図及び第２２図のそれぞれの走査器及び補償器制御装置６０、６２を位相同期化信号で駆動することができる。代替となるものとして、走査器２の位相を補償器４の測定される位相に閉鎖することもできる。平行走査を得るためには、走査器２の振動磁場６と補償器４の振動磁場８の間の位相差φ５８は、イオンが走査器２から補償器４を通るときに要する飛行時間に比例したものでなければならない。しかしながら、通常、走査器と補償器の間の飛行時間は、１μsecを下回るものであり、振動磁場の周期性をはるかに下回るものであり、この場合、実際的なすべての目的においてφは180度である。

第１１図は、好適な実施例における走査器磁石２の基本構造を示したものであり、振動磁場６４が、浸透度の高い、商業的に入手可能な範囲の厚み(例えば0.2ないし1.0ミリメートル)を有する薄い強磁性積層から構成され、これもかかる浸透度の高い薄い磁気積層から構成されるヨーク７４によって磁気的に相互接続される極７０を取り巻いている、一組のコイル６８の巻きを通過する振動電流６６によって励磁される磁気回路によって生成される。積層によって形成される２つの極の対向面７６は、通常相互に平行であり、また間隙７８によって分離されており、間隙７８を通ってイオン・ビームが通過する。間隙内では、磁場の方向及びイオンの速度ベクトルの方向の両方と垂直な方向にイオンに力が作用する。極幅８０の寸法Ｗを少なくとも極間隙７８の寸法Ｇの３倍の大きさ(すなわち、Ｗ≧３Ｇ)とすることによって極間隙において適切に画定された磁場Ｂが実現される。好適な実施例における磁石の重要な特徴は、極７０及びヨーク７４の高い相対磁気浸透度(少なくとも1000)であり、これは、極間隙７８の区域でほぼ完全に磁気エネルギーを集中し、よって高周波数で磁石を励磁するために必要となる磁場エネルギー及び電力が最少化される。周波数ｆで折曲状振動角偏向αを生ずるために必要な励磁力Ｐは、MKS単位において、以下の通りである。

Ｐ＝２．５×１０⁵ｆ（（ａ²ｋ²ＷＧ）／Ｌ） （３）
Ｌは、ｚ方向における磁石の有効な長さであり、Ｋは、以下の数式で求められたイオンの磁気剛性率である。
Ｋ＝（２ＭＥ）^1/2／（Ｑ²） （４）

Ｑはイオン負荷である。リボン・ビームにより小さい磁気間隙Ｇを使用する利点は、等式３から明らかであり、等式３は、磁力が幅及び間隙の積として、またＷ＝３Ｇという限定されたケースでは、間隙の平方として変化することが示されている。
等式３及び４は、さらに、磁力Ｐが質量Ｍを伴って直線的に変化し、従って重イオンの磁気偏向の要件と、その電子偏向の要件の間には極めて大きな差があり、例えば、与えられた周波数及び磁石次元では、酸素イオン・ビームは、同一のエネルギーの同等の電子偏向に必要な力の28,800倍の磁力を要する。

第７図及び第１３図は、好適な実施例の別の重要な側面を示しており、走査器の磁場エネルギー及び作動磁力は、極の水平側面をその幅８０がビームがｙ方向に著しく偏向しない侵入地点で可能な限り小さくなり、増大したｙ偏向に適応するよう出口端で広くなるような形状又は段差（stepping）によって減ぜられる。

第１５図及び第１６図はさらに、積層磁石の好適な構造を示したものであり、積層７２は絶縁素材８４の層によって相互に電気絶縁されている。積層７２内部の時間で変動する磁場から生成される渦電流８６が各積層の境界内で流され、極及びヨークのペリメータ(perimeter)８８周辺に流れることが妨げられる。渦電流はコイル電流に反するもので、磁束を第７図に示すように積層の表面区域に集中させる。積層の厚みの内部では、折曲状の磁場が積層表面からの距離とのほぼ指数関数的な規模で減少する。要求される深さδで、磁場の表皮厚さは、δ＝(１／πμσｆ)^1/2で、μを積層素材の磁気浸透度とし、σを電気伝導率とし、ｆを磁場Ｂの折曲周波数とした場合に、表面でのその大きさの１／ｅである。しかしながら、走査器２における振動磁場６は、通常の正弦曲線状ではなく、さらに一般的にはターゲット１６の表面に対して統一的な照射を達成するよう、時間によって三角形の変化を有する。このような波形は、多くのより高いオーダーの調波を有する−例えば、最高2KHzの調波を100Hzの基本折曲周波数で、最高20kHzを1000Hzの基本周波数で重畳することができる。一見すると、極めて薄い(かつ重要な場合に、実際的でない)積層が、より高いオーダーの調波を収容するためには必要であるように見える。実際、表皮厚δは、２ＫＨｚでわずかに≒0.1ｍｍであり、また20kHzで-0.03mmであるが、通常商業的に入手可能な変圧鋼の厚みは、0.2mm以上である。

しかしながら、我々は、三角形の波形について、より高いオーダーの調波の振幅が、周波数の増加にともなって大きく減少することに気づき、またさらに我々は、変圧鋼が１ないし1.5テスラの非常に高い磁場で磁気飽和することに気づいた。我々は、従って、第１１図のヨーク７４及び極７０について、高いオーダーの調波の表皮厚みよりも実質的に厚い(例えば0.2ないし１mmの範囲の厚みの)積層素材で実際的な、高周波数の走査器磁石を構成することが可能であることに気づいた。明かではないが、本発明のこの優れた面は、磁場が浸透度の高い極表面９０(第１６図参照)に垂直の連続幅であるという事実を考慮することによって質的に確定でき、この場合間隙７８における磁場Ｂ６４は、以下の表現に従って積層素材における磁場Ｂ_sに関連している。

Ｂ＝Ｂｓ（δ／ｄ）（2(ｃｏｓｈｄ/δ―ｃｏｓｄ/δ)／（ｃｏｓｈｄ/δ＋ｃｏｓｄ/δ））^1/2
・・・・・・・・・・・・・・（５）
ｄは積層の厚みである。第１７図は、積層の厚みｄを0.36、0.5及び0.64mmとし、σ＝2.5 × 10⁶S/mとし、μ₀＝4π×10^-7が真空浸透度であるときに、μ＝7000μ₀とした場合に、等式(5)に従って、最高10kHzの折曲周波数でのＢの変化を示したものである。曲線は、積層内で１テルサの飽和磁場Ｂ_sに一定に適用され、間隙における0.1テルサの高さの磁場が10kHzの周波数で可能であることを示している。実際的な磁石が通常の商業的な積層の厚みにおいて可能であることの妥当性は、最終的には、第１８図において確定されており、第１８図では、0.5mmの厚みの積層の場合について、基本周波数に第１の１１奇数オーダーの調波を加えることによって得られる三角波８９の振幅は、三角波の基本周波数と等しい周波数を有する純粋な正弦波の20%未満のものである。
さらに、500Hzの高さの基本周波数においても、0.5テルサの間隙磁場を実現することができる。実際、この周波数型において、積層構造によって達成できる磁場は、代替となる、電気絶縁体であり、かつ渦電流がないが、わずかに0.3ないし0.4テルサで磁気飽和する磁石を構成するためのより高価な素材である、今日のフェライトを利用して得られるものよりも高い。三角の波形は、ビームの一定速度での往復走査を生じ、ウエハが同時に垂直方向に一定速度で往復運動した場合には統一的な照射を生ずるので、有利である。

フーリエ変換原則に基づいて、一般的な形状の折曲波形を合成することが可能である。例えば、第１９図は、三角波形に適切な偶数オーダーの調波を加えて、走査範囲の一方の端９４において他方の端９６よりも遅い走査速度を生じた場合の結果を示している。この種の波形は、12"の大きさのウエハが第７図に示すように軸２８について回転する回転盤２６にマウントされたときに統一的な放射束密度を生ずるに必要な半径修正を含む。このような場合、軸から最も離れたウエハ表面の地点が、軸に近い地点よりも高い周速で移動する。これは、外側の円弧において内側よりもビーム・ドエルを長くするよう所定の励磁波形を成形することによって補填される。実際的には、ビームは、この間に走査方向が逆転される、走査範囲の先端において、ウエハに影響を与えないよう、十分な振幅をもって走査される。オーバー・スキャン区域において走査方向の逆転に要する時間は、磁石の調波反応及び駆動増幅器の旋回率による。通常の、現在入手可能な高電力の商業的な増幅器について、旋回率は、約40ないし80μsecであり、従って好適な実施例において記載された積層磁石構造の反応再積層時間に匹敵するものである。第１９図は、ウエハの直径サイズに従った波形の調整及び回転盤２６上のウエハ１６の配置を示したものである。

第１２図は、補償器磁石４の構造を示したものである。基本要素は、第１１図に記載した走査器磁石２と類似するものである。実際、補償器磁石４において、コイル６９の各組が積層された極７１を取り巻き、２個の極が一組の積層されたヨーク構造７５を通じて磁気的に接続されている。極の対向面７７は、通常相互に平行であり、またイオン・ビームが通過する間隙７９によって分離されており、極表面７７に直交する方向に方向付けられている磁場６７によって横方向８１に偏向される。極７１及びヨーク７５は、第１５図及び第１６図において述べかつ示したように、絶縁された積層から構成される。

第１２図は、積層された磁石の有利な構造に関する、本発明のさらに重要な面を示したものであり、これによって磁石の物理的な寸法及び重量を、分離可能な極７１及びヨーク７５構造において交差された(垂直)積層面を使用することによって実質的に減ずることができる。このような交差積層構造は、第７図において示されるように補償器が走査器２によって生成されたｙ偏向に適応するに十分な極幅８３を有していなければならない場合、例えば、12インチのウエハを走査するためには極幅が通常16ないし20インチである場合に、特に重要である。

第１１図に示す構成の一体的なＨフレーム構造は、結果として非常に広い面積の積層を生ずる。しかしながら、我々は、第１２図に示す交差積層構成を使用することによって、極７１とヨーク７５との間のインターフェース面において、極７１の一つの積層を通過する磁束が、ヨーク７５(これを通って磁束が進む)のすべての積層においてほぼ均等に分配され、また逆に、反対側の極とのインターフェースにおいて、ヨーク７５の一つの積層における磁束は、極(これを通って磁束が侵入する)のすべての積層においてほぼ均等に分配されることに気づいた。

結果として、ヨーク７５の寸法及び構成は、極７１の寸法及び構成からは独立して選択することができ、ヨーク７５において磁気飽和を生ずることなく極７１からの合計磁束を回収するためにヨーク７５において十分な合計断面積があるという制限のみに従うものである。また、交差積層とのインターフェースを使用することによって、極積層を、磁石の入口及び出口面に垂直(すなわち、第１図のｚ軸１０に平行)となるよう方向付けることが可能となる。これは、極端８５においてコンタワー（contour）を導入し、はがれ及び層剥離を回避するために望ましい方向付である。特定の極−端コンタワー（contour）の導入の利点については、本発明の他の側面に関連して以下に述べる。

また、第１２図は、積層内の渦電流によって生成された熱を取り除くよう冷却管１４２に適合された、冷却板１４０を追加したことを示している。冷却板は、積層から電気的に絶縁されており、積層の端と優良な熱接触状態をとるよう接着されている。同様の冷却板を極の積層端に接着することもできる。積層内の電力の散逸は、磁場の平方及び周波数の平方により、通常積層素材1キログラム当たり0.5ないし2ワットの範囲である。冷却板は、通常、積層における12ないし20°Cの温度上昇につき１cm²当たり0.6ないし1ワットを除去することができる。

第１３図に示す別の実施例において、走査器２及び補償器４の磁気構造が、上記の交差積層技術であるが、１個の積層コイルのみによって形成されるヨーク７５及び２個の積層部分によって形成される極片７１を有するものを使用して構築されている。ヨーク・コイルの一つの積層を通過する磁束は、極部分の積層すべてに分配される。各極片の個別の部分も、一部相互に磁気結合されている。各極の２部構造が、極幅の段階的な増加を可能とし、これは上記のように励磁力を最少化するために走査器２において有用である。

第１４図において、交差積層特徴を使用する代替モードとして、平坦な積層のブロックが極及びヨークのアセンブリを画定するよう配列されている。第１２図に示されている種類のヨーク冷却板１４０を積層において生じた熱力を取り除くために積層の端に接着することができる。

第２０図は、本発明の別の重要な面を示すものであり、ここでは、補償器４が励磁コイル６９のタンク・キャパシター９８、及び折曲波１０１によって駆動される電力増幅器と連続接続状態にある結合キャパシター１００との平行な接続によって共鳴的に励磁される。補償器が共鳴周波数ｆで励磁されるとき
ｆ＝１／（２π（Ｌ（Ｃｃ＋Ｃｔ））^1/2 （6）

Ｌは、走査器磁石のインダクタンス、Ｃ_cは、結合容量、またＣ_tはタンク容量(a tank capacitance)である。このとき、増幅器１０２が、コイル(及びキャパシター)におけるオーム抵抗損、積層内の渦電流に関連するオーム抵抗損、積層における磁気ヒステリシス損及び増幅器１０２における内部損等のシステムにおける抵抗損を補填するために配電することのみが必要である。増幅器は、補償器磁石４の間隙における振動磁場エネルギーに関連するはるかに高い反応電力を提供しなくともよい。通常の補償器について、無負荷回路質因数Ｑ＝20を達成でき、この場合、100kVAの反応電力を、わずか5kVAの電力増幅器によって生成できる。

結合容量Ｃ_cのタンク容量(a tank capacitance)Ｃ_tに対する割合は、最大電力変換のための電力増幅器１０２のものに対する共鳴回路の入力インピーダンスと適合するよう調整される。入力インピーダンスは、Ｃｔ²／2πｆＱＣｃ²（Ｃｃ＋Ｃｔ）である。この数式において、ｆは共鳴周波数であり、通常Ｃｃ≒１／５Ｃｔである。

補償器４の磁気エネルギーは、通常、走査器のものよりも大きい規模のオーダーである。なぜなら、極幅１０６が、第２図において明らかなように、走査器２において生成されるビームのｙ偏向に適応するに十分大きい寸法でなければならないからである。補償器を共鳴励磁で作動し、駆動増幅器１０２の電力要件を大幅に減ずることは、実施態様の一部であり、また有用である。補償器の共鳴励磁は、以下の時間ｔの関数として主に純粋な折曲振動磁場Ｂ₂(t)を生成する。
Ｂ₂(t) ＝ Ｂ₂ sin2π ft (7)

実施態様の別の面は、走査器２の振動磁場Ｂ₁(t)の時間ｔへの従属に関する。時間従属は、最終的には目標において走査速度を制御する。このために、走査器は、普通、共鳴モードで作動されない。なぜなら、目標での走査速度は、性質上折曲状のみが可能であり、通常これは、ほとんどの場合往復運動又は軸回転運動している目標の表面の統一的な放射束密度を生ずるために有用でないからである。実際、好適な実施例において、走査器は選択可能な、通常ほぼ三角形の波形で励磁される。走査範囲に亘る一定の走査速度の場合について、ビーム位置Ｙは、時間に対し直線的に変化しなければならない。すなわち、後述の（８）式のようである。（８）式において、Ｔ＝１／ｆは、振動期間、Ｙ₀は平均走査振幅である。

他方、ターゲット１６がｚ軸１０に平行な軸２８について回転する回転盤２６にマウントされている場合について、第２図を参照して、統一的な放射束密度には、回転盤軸２８からのビーム中心２９の距離と反比例して変化するよう半径修正される走査速度Ｙを要する。すなわち、後述の（９）式のようである。（９）式において、ｋは走査範囲及び周期数Ｔの従属定数であり、Ｒは、回転盤軸２８とｚ軸１０の距離である。等式(9)を統合することにより、以下の結果である後述の（１０）式及び（１１）式が得られる。
ｋ ＝ ４ｆＹ₀（Ｙ₂＋Ｙ₁＋２Ｒ） (11)

Ｙ₁及びＹ₂は、ｔ＝±Ｔ／４の時間で生ずる回転盤軸２８に関してビームがなす最少及び最大エクスカーションであり、Ｙ₀＝（Ｙ₂−Ｙ₁）／２は、平均走査振幅である。大きさ及び走査振幅Ｙ₁及びＹ₂は、可能な限り小さく、但し第１９図に示す当該寸法のウエハについて、走査の各先端において適切なオーバースキャン区域１６１を設けるに十分な大きさに設定される。ｔに対する波形ＹがＹ＝０について対称ではないので、ウエハの中心１６３は、第１９図に示されるように量Ｄ１ １６４分ｚ軸１０と回転盤軸２８の間の距離Ｒ２９を下回るようなピッチ円半径に位置する。より直径の小さいウエハについて、走査振幅Ｙ₁及びＹ₂を第１９図に示すように減ずることができる。

また、距離Ｄ１は、示されるようにＤ２に減ぜられる。磁場Ｂ₁とビーム位置Ｙとの関係は、走査器２及び補償器４のそれぞれの極境界の詳細、２個の走査器の距離及びビームにおけるイオンの磁気剛性(第４図参照)による。通常、ニュートン又はセカント方式等の標準的な数学的反復法(例えば、等式２５参照)を使用して時間又は位相角φ＝２πftの関数として磁場Ｂ₁(t)を見つけることは理にかなっている。通常の配列について、従属性は、主に直線的であり、この場合、以下のように書くことが適切である。
Ｂ₁＝ａＫＹ(１＋ε₁Ｙ＋ε₂Ｙ²＋・・・) (12)

'a'は定数であり、ε₁、ε₂・・・は、１より小さいものである。この最後の等式は、目標を横切る所定の走査速度を達成するために、等式８及び１０において与えられたＹの時間従属によってＢ₁の必要な時間従属を定義している。

実施例に含まれる本発明の別の重要な面は、平行な走査されたビームの生成に関連した、すなわち、ビーム１１０の主軸が、補償器４から出た後で、ｚ軸１０に平行な方向に方向付けられる、第２１図に示す補償器４の共鳴励磁及び極の有効な磁場境界１０８の輪郭に関する。地点Ｐ１１２で境界１０８の入口側に交差し、地点Ｑ１１４で排出されるイオン・ビームの主軸の路程は、ビームが走査器２で生成された偏向角θ１１５と等しいがこれと反対の角度で偏向するに十分なものでなければならない。走査器２又は補償器４のいずれかを通過するイオンの飛行時間が振動磁場６、８の周期性に対して非常に小さいものである限りにおいて、振動磁場は、当該時間（瞬時）ｔでのイオン軌道を記載するために一定であると看做すことができる。さらに、補償器４が統一的な極間隙を有する場合には、磁場境界の入口地点から出口地点までの経路は、後述の（１３）数式によって得られる一定半径の円弧である。この場合、後述の（１４）式のようになる。

ｄは、第２１図に定義する走査器２と補償器４の間の有効距離１１３である。ｄはＹによってわずかに変化するだけなので、以下のように表現することができる。
ｄ＝ｄ₀（１＋αＹ＋βＹ²・・・） (15)

α及びβは、１よりも小さい。等式７及び８を１３に置き換えると、一定速度での平行走査をなすために必要なＹの関数としての曲げ半径ρが得られる。後述の（１６）式。

同様に、等式７及び１０を１３に置き換えると、半径速度修正をして平行走査を行った場合の対応する結果が得られる。後述の（１７）式。

ηは、半径修正因数である。後述の（１８）式。

等式１４を１５及び１６と組み合わせると、補償器の有効磁場境界１０８の出口輪郭に対する入口輪郭の、出力ビーム位置Ｙに関する軌跡(ｓ，ｐ)が定義される。出口境界１０９は、ある程度任意に、平坦又は湾曲のいずれかを選択できる。

第２１図は、一例として、ｙ方向と平行な平坦な境界を示している。一つの境界の他方の境界に対する輪郭に関する、等式(16)及び(17)の要件を満たすために、少なくとも一つの境界を湾曲させ、通常凹状としなければならない。軌跡の等式の適用において、等式１５によりｄがわずかにＹに従属していることに留意すべきである。イオン種又はエネルギーが変化すると、等式１２ないし１８は、振動磁場振幅Ｂ₁，及びＢ₂のみを、平行走査条件を得るために、等式４において定義されるイオンの磁気剛性Ｋに比例して励磁電流を調整することによって調整する必要があることを示している。補償器の有効磁場境界の(ｓ、ｐ)軌道は、ウエハの異なった種類の機械走査に応じた他の走査対時間特性についても同様に得られる。

第２１図は、ビーム走査がターゲット１６を横切る際の、走査器の有効磁場境界の輪郭及びビームの寸法の制御に関する好適な実施例の別の面を示したものである。走査器２の入口境界１１６は、ｚ軸１０に対し垂直であり、この場合、境界１１６に関連するフリンジングフィールド（fringing field）は、ビーム偏向の方向(＋ｙ又は−ｙ)にかかわらず、ターゲット１６でのビームの寸法に影響を与えない。走査器の出口境界１１８は、一般的な輪郭を有しているが、ｚ軸について対称である。ここでも、出口境界１１８に関連するフリンジングフィールド（fringing field）は、境界が、常に偏向されたビームの主軸１２に垂直であるような形で凹状である場合には、ターゲットにおけるビームの寸法に影響を与えない。但し、凹のきつすぎる出口境界は、主軸１２に対して垂直な、ｙｚ平面においてマイナスの光学的な力（optical powers）を生じ、また等式２により、垂直なｘ方向においてプラスの光学的な力（optical powers）を生ずる。逆に、凹が緩いか、平坦であるかまたは凸状の境界は、２つのそれぞれの方向においてプラス及びマイナスの光学的な力（optical powers）を有する。フリンジングフィールド（fringing field）におけるゼロでない光学的な力（optical powers）は、通常、ウエハ１６においてビーム・サイズに影響を与える。走査器の出口境界の輪郭は、補償器のフリンジングフィールド（fringing field）の光学的な効果に関連して、ビーム内のサイズ及び角度逸脱が、ビームがウエハ１６を横切って走査する際にほぼ一定であるよう選択される。

ビームのサイズ及び角度逸脱の絶対的な一貫性を達成することは理論上不可能であるが、変動は通常わずかなものであって全く容認可能なものである。実際、典型的な値、Ｌ＝0.25m、α＝θ(max)＝10°について、等式２から、Ｆ＝20mの焦点距離が得られる。これは光学的に非常に弱いものである。例えば、磁場に侵入し、主軸から10mm転置したイオンは、わずか0.5ミリラジアン（milliradian）分方向を変更する。これは、通常5ないし10ミリラジアン（milliradian）のビーム内の固有角逸脱に匹敵する。

第２２図は、第１図の磁石２及び４における振動磁場を励磁するために使用される電気制御回路を概略的に示したものである。個別の回路及びピックアップ・コイルが各磁石について使用されている。回路は、フィードバック・ループを含み、よって振動磁場の振幅及び位相並びに波形が第７図のビーム２２を目標ペリメーター外の所定のオーバースキャン区域で所定の照射投与量をなすような態様で目標６を横切って往復走査するように制御される。補償器４が共鳴励磁される場合において、正弦波１０１が第２０図に示すように電力増幅器１０２に対するインプットとして使用される。ピックアップ・コイル１２４は、態様の如何を問わず補償器４における振動磁場の振幅及び位相を制御するために使用される。

第２２図の制御回路１２２は、以下の方法で機能する。例えば走査磁石２の間隙７８に配置された、ピックアップ・コイル１２４を通過する時間で変動する磁場によって生成された電圧信号が信号コンディショナ１２６、これに続いて位相補償器１２８に供給され、この結果生ずる信号を、基板に適用される投与量でのエラーを反映する、エラー電圧を得るため参照波形信号１３０から差し引く。エラー電圧は、増幅器１３２によって適切な利得Ｇで統合されかつ増幅され、また結果として生じた信号が、参照信号に加えられ、電流１６６を走査磁石２のコイル６８に配する電力増幅器１０２の入力端末に適用される。参照信号１３０は、走査磁石２のコイルを横切る電圧について要求される所望される波形を表したものである。ピックアップ・コイル１２４は、ピックアップ・コイル１２４を通過する磁束連係の変化の割合に比例した信号コンディショナ１２６に対する電圧信号を配信する。すなわち、
Ｖ_c＝ｎＡ ｄＢ／ｄｔ (20)

Ａは面積であり、ｎはピックアップ・コイル１２４の巻きの回数である。
第２２図に示される電力増幅器１０２は、これに与えられた信号入力の電圧を増幅するので、電圧増幅器として作用する。この増幅器が走査磁石２のコイル６８に配信する電圧Ｖは、以下の等式に従って、走査磁石２のコイル６８を通って流れる電流６６に関連する。
Ｖ＝Ｌ ｄＩ／ｄｔ＋ＩＲ (21)

Ｒは、走査磁石２のコイルのオーム抵抗に、渦電流から生ずる走査磁石２の積層における電力損失を表す負荷抵抗及び積層及びヨークにおける磁気ヒステリシスを加えたものであり、Ｌは、走査磁石２の電気インダクタンスである。

走査磁石２の間隙７８における磁場は、ここで磁石のヨーク構造の小さな磁気抵抗を無視すれば、走査磁石２のコイル６８を通って流れる電流６６にほぼ比例する。相応して、磁場の変化率は、コイルを通る電流の変化率と比例する。
すなわち、
ｄＢ／ｄｔ ∝ （μ₀Ｎ／Ｇ）ｄＩ／ｄｔ (22)

Ｎは、磁石コイル６８の巻きの数であり、Ｇは、磁石の間隙７８の寸法である。等式(21)における誘導条件が抵抗条件よりもはるかに大きい限りにおいて、コイルを横切る電圧、Ｖ、がほぼ以下のものと等しくなることがわかる。
Ｖ＝（ＧＬ／μ₀Ｎ） ｄＢ／ｄｔ (23)
等式(20)を等式(23)に置き換えると、以下の通りとなる。
Ｖ＝ＧＬＶ_c／（μ₀ＮＡｎ） (24)

従って、統一的な投与量を達成するために電力増幅器１０２によって磁石コイル６８に適用されなければならない電圧Ｖが、ピックアップ・コイル１２４によって検出される電圧Vcに比例することを示している。

この単純な関係は、概算にすぎず、信号コンディショナ１２６及び位相補償器１２８は、電源増幅器１０２にコイル６８に配されなければならない電圧と正確に関連する信号を配信するために必要である。信号コンディショナ１２６は、信号の利得及び形状を調整することによって信号を調整し、また回路に関連する信号の歪を除去する。位相補償器１２８は、常に電子的な遅滞時間から生ずる移相があるために必要である。また、ヨーク素材の有限浸透度の結果として走査器磁石の電流及び磁場の間にも移相がある。

ピックアップ・コイル１２４は磁石２の磁場の時間変更率に比例する。ターゲット１６を横切るビームの走査速度も、等式１２により、走査磁石２における磁場の変化率にほぼ直接的に比例する。従って、ピックアップ・コイル１２４からの信号は、ターゲット１６を横切るビームの走査速度の直接的な尺度である。目標に導入される単位時間当たりの投与量は、走査速度に反比例し、従って、ピックアップ・コイル１２４において測定される電圧信号Ｖ_cに反比例する。イオンに与えられた偏向は、磁場から純粋に生成される。電場がない場合には、この状況を生じない。

従って、好適な実施例の有利な特徴は、第２２図の回路によって投与量の統一性を正確に制御できることである。所望される投与量特性からの逸脱は、対応する電圧特性からの逸脱に対応し、また制御コンピュータ１９９を通じて参照信号１３０を調整することによって作動中に連続的に修正することができる。

電力増幅器１０２は、電圧増幅器よりはむしろ電流増幅器として作用でき、走査磁石２に対し、入力電流に比例する電流を供給する。第２２図において示されるほぼ正方形の波の電圧参照信号１３０よりはむしろ、第１９図のほぼ三角形の波形が参照信号として使用される。等式(20)により、信号コンディショナ１２６は、参照信号と比較される波形を生成するためにピックアップ・コイル１２４からの信号を統合する。

電気的偏向システムにおいて、少なくとも原則的に、電気的偏向板に適用される電圧の変化率を測定することによって、走査速度を監視できる。しかしながら、ビーム電流が高くなり、空間負荷力が大きくなると、これらの偏向板から測定される電圧信号は、もはや単に板の間の電場がビームによって生成する走査速度に関連しなくなる。実際、ある電流では、走査動作がほぼ完全に劣化する。高パービアンス(Ｉ／Ｅ^3/2)のビームについて、投与量の統一性を確実に制御する第２２図に記載したものに類似するフィードバック・システムを持つことは不可能である。

好適な実施例は、第２２図に記載するフィードバック・ループ(feedback loop)を導入するために近代的な高速デジタル・エレクトロニクスを使用している。

ピックアップ・コイルからのアナログ信号がデジタル化され、位相補償及び信号調整がデジタルで遂行される。対応して、参照シグナルは、デジタル的に合成される。デジタル導入は、フィードバック・ループ(feedback loop)を厳密に数学的な方法で作用でき、純粋なアナログ・フィードバック回路でしばしば存在した不安定要素を回避する点で有用である。さらに、走査器２の振動磁場６と補償器４の振動磁場８(第１図参照)の間の同期化される位相関係は、第１０図において記載されかつ示されているように、波形の生成にデジタル合成を使用したときに絶対的に確保される。

走査器制御装置６０及び補償器制御装置６２のための同期化された参照信号の波形、振幅及び位相の適切な生成のために必要なデータは、第１図及び第２２図に示すように制御コンピュータ１９９から出される。参照波形の厳密な性質は、投与量監視情報及び実施態様について選択される特定のパラメータ及び代替事項による。例えば、走査器及び補償器の両方が直接励磁される場合には、ウエハが往復運動するケースについて、電圧参照波形は、ほぼ正方形の波となる。他方、補償器が共鳴回路によって励磁される場合には、その参照波形は折曲状となる。上記のように、また第３１図に示すように、半径方向に補償される走査について正方形の電圧波(又は三角形の電流波)から若干の逸脱が生ずる。

通常、波形合成のときに、磁石２及び４並びに電力増幅器１０２の調波反応に注意を払うことが必要であり、またこれらの反応は、走査範囲の全部であるが先端に対し適切でなければならない。先端において、ビームは、オーバースキャン区域にあり、また走査速度が厳密に入力波形に従わない場合には、これはウエハ１６表面の放射束密度の統一性に影響を与えないため、重要でない。

実際的に、電力増幅器１０２及び走査磁石２はいずれも、有限周波数反応を有する。特定の周波数を超える調波要素は、電力増幅器１０２における周波数反応制限の結果コイル電流６６には移送されず、また電力増幅器１０２及び走査磁石２の両方の周波数反応制限の結果磁場にも移送されない。しかしながら、第２３図及び第２４図に示すように、約20-40kHzを下回るもののみを含めるようフーリエ級数における周波数要素を切り捨てることは、第２３図に示すようにわずかに丸みを帯びた鋸型を呈するにすぎない。走査磁石２の周波数反応については既に述べたとおりであり、第１７図及び第１８図に示されている。商業的に入手可能な電力増幅器は、完全な鋸型の波形を呈することを防ぐ２つの制限を有している。ひとつは、本質的な周波数帯域幅容量であり、いま一つは、鋸型の波形を呈するには、第２２図の参照信号１３０に示すように、ほぼ正方形の波形の磁石コイルにかけるべき電圧を要する。

正方形の波形は、走査の半分の期間の端に電圧が突然大きく反転しなければならないという特徴を有している。商業的な電力増幅器はつねに限定的な電圧旋回率、電圧が反転できる割合に対する制限を有する。電圧が反転する期間中、ビームは目標上のオーバースキャン位置にあり、よって厳密な波形はもはや重要ではない。可能な限り高い旋回率が望ましい。現時点での商業的な増幅器は、フル・プラス電圧からフル・マイナス電圧まで約40μsecの旋回率を有し、これは最高500Hzまでの走査周波数についての約2000μsecの走査期間の小さな部分である。

電力増幅器１０２は、非常に高い効率及び極めて小さい内部電力損失をもって、走査器又は補償磁石等において、誘導率の高い負荷を励磁できるものでなければならない。（マサチューセッツ州ニュートン所在、テクロン、エルクハート、インディアナ・アンド・コプリー・コントロールズ・コープがこのような電力増幅器を商業的に提供している。）しかしながら、この増幅器のパルス幅調整操作は、40-80kHzの典型的な周波数及び1-3%の典型的な大きさの電圧出力における高周波リップルを生ずる。このソースからコイルを横切って適用されるリップル電圧は、等式(21)及び(22)による統一的な投与量において直接リップルを生ずる。

しかしながら、ビームは目標において寸法が有限であり、またこのリップル周波数が走査周波数よりもはるかに大きいものとなるので、通常２つの大きさのオーダーによって、統一的な投与量においてリップルは大きく減衰される。限られた数のより高いオーダーの調波からの投与量統一性の変動が第２３図及び第２４に示すように有限ビーム幅によって大きく減衰されるように、電力増幅器における電圧リップルから生ずるリップル要素についても同様のことが言える。実際、3%の高さのリップル電圧振幅及び15度の範囲の走査位相角に対応する典型的なビーム幅の寸法について、投与量の統一性のリップルへの影響は0.1%をはるかに下回るものである。

目標でのビームが性質的に点状に集束される場合であっても(イオン注入では使用されない状態)、ウエハの表面を横切る１回の走査において、電力増幅器１０２に関連するリップル及び電力増幅器１０２の帯域幅制限の結果として生ずる波形における調波数の制限に関連する変動は、投与量統一性において明らかとなる。しかしながら、このような場合であっても、２、３の走査周期の後に、リップル周波数が走査周波数の整数倍ではないように走査周波数を事前選択することによってリップルが大幅に減衰される。好適な実施例の一つの適用において、発明は、SIMOX工程(酸素の注入による分離)において使用される高電流(50-200mA)酸素イオン・ビーム注入装置である。

注入装置は、シリコン・ウエハ全体に1%以内の統一的な投与量をもって高電流高処理能力酸素イオン注入を達成することができる。SIMOX工程に要求される合計酸素投与量は、3X10¹⁷ないし2X10¹⁸イオン／cm²の範囲である。最適な注入エネルギーは、約200keVであり、これは2X10¹⁸イオン／cm²の投与量についてシリコン・ウエハの表面から2000ű25Åの深さに埋没された酸化ケイ素の層を生成する。一般的にこれより少ない投与量によって深さが増大する。

より浅い酸化ケイ素の層が所望される場合には、注入エネルギーは、第１図の後段加速器における加速電圧を調整することによって減ぜられる。シリコン・ウエハは50RPMと200RPMの間の角速度で回転する回転盤２６(第１図参照)にマウントされる。磁気走査システムの走査周波数は、熱パルシングを回避するために50Hzと150Hzの間である。走査は、シリコン・ウエハ内のチャネリング効果を利用することも排除することもでき、ひいては埋没される酸化物層の深さをさらに制御できるようにウエハを方向付けることを可能とする正確性の度数である1.0°よりもよい平行度である。

高い注入エネルギー及び高いビーム電流が組み合わされて、大量の電力を所望の値のウエハに移送し、よってウエハを約1000°Kに加熱する。50Hzを超えるビームの走査周波数で、温度統一性は、注入中ウエハを通じて10ないし20°Kである。注入温度を規制するために、回転盤にマウントされたウエハを加熱するために追加的なヒータを使用することができる。また、第２６図に示し、また以下に詳述するように一つの回転盤に複数のビーム・ラインを使用することによってさらに高い水準での加熱が達成できる。走査振幅は、最高直径12インチのウエハに注入できるような大きさに設定できる。

関連工程SIMNI(窒素の注入による分離)には、同様の機械を要するが、窒素は、酸素イオンとは違って埋没される絶縁体を創造するために使用される。
好適な実施態様の作用及び性能の例

既に述べたSIMOX工程に適した好適な実施態様の一つの適用を考察する。第１図を参照すると、ECRソース(ザ・フィジックス・アンド・テクノロジー・オブ・イオン・ソーセズ、Ed．イアン・Ｇ・ブラウン、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ニューヨーク、1989年に記載されている)は、40ないし77keVの範囲のエネルギーで50ないし100mAの一価酸素イオンを生成する。ソース・プラズマ・スリット３４は、高さ40mm、幅3mmである。分析用磁石４０は、320mmの曲げ半径、105°の曲げ角度及び55mmの隙間を有する。磁場強度は70keV酸素イオン・ビームを曲げるために十分であるよう最高5kGまで変更できる。分析用磁石４０の極特性は、ディフレクティング・マグネット(フォーカシング・オブ・チャージド・パーティクルズ、VII、Ed．Ａ・セプティアー、アカデミック・プレス、ニューヨーク 1967年において発表されている)においてＨ・Ａ・エンジが開示しているように既知の技術を使用して、後段加速器４８の入口においてリボン状のビームを生成するように選択されている。

第２７図を参照して、加速器間隙の入口でのビームの寸法は、それぞれｘ−及びｙ−方向において△Ｘ−10mm及び△Ｙ−30mmである。後段加速器間隙は、好適な実施態様について既に述べたように、第１ｃ図に示すようにスロット状の電極を有し、ビームは、後段加速器から出たときに、電場傾斜からのｘ集束、及び空間負荷力からのｘ−及びｙ収束を経験した後、ｘ及びｙ両方向において発散する。加速後のビームのエネルギーは、100から200keVに調整可能である(40ないし70keVの当初エネルギーに対応する)。

ここでも、既に述べたように、第１図及び第２図の後段加速器磁石５６が、第1６図に示すようにビームをｙ方向に好適に集束する。第２７図におけるデータは320mmの曲げ半径、30°の曲げ角度及び8.1kGの磁場(200keV酸素について)、並びに21°の入口及び出口フリンジングフィールド（fringing field）角α(第３図に定義する)を有する後段加速器磁石に対応する。ウエハでは、入口から後段加速器間隙への下方2mの距離で、ビームの寸法は△Ｘ−95mm及び△Ｙ−46mmである。

75mAのビーム電流について、これは約2mA/cm²の電流密度に対応する。この電流密度は、局部的な熱パルシング、ウエハ負荷及びスパッタリングからの注入中の劣化を回避するに十分低いものである。後段加速器磁石のフリンジングフィールド（fringing field）角αが21°から23°に増加されたときに、既に述べたようにより強いｙ集束が生じ、また第２８図に示すように、ウエハではｙ−ビームの寸法は、半減する一方、ｘビームの寸法はほとんど変化しない。後段加速器４８(第３図参照)の第１電極５１及び最終電極５２の間のスペース４５でのビームの寸法の変化は、第２９図に示されている。概説すると、第２７図、第２８図及び第２９図におけるデータは、小さいｙ軸成分を有することによってオーバースキャン区域の範囲を最少化するためにウエハでのビームの寸法を制御する一方、電力密度の高いビームにともなう熱パルシング及び他の劣化効果を回避するために十分に広いビーム面積を維持することに関して、好適な実施態様の大きな有用性及び有利な特徴を強調している。

第３０図は、走査器２及び補償器４の有効磁場境界の相対的な位置及び輪郭を示している。入射ビーム軸１０は、回転盤軸２８から731mmである。振動期間の2/1の等間隔でのビーム偏向の主軸１２も第３０図に示されている。磁石は、150Hzの周波数で作用し、また補償器は第２０図に示す共鳴モードで励磁される。走査器及び補償器は、それぞれ第１３図及び第１２図に示すような交差積層構造を有し、極積層及びヨーク積層に冷却板を有する。走査器における極間隙は38mmであり、極幅は入口における110mから、入口境界から140mmの地点での160mmまで段階的に増加する。

出口極境界は、入口から300mmの地点にあり、3m^-1の凸曲率(すなわち半径0.33m)を有する。補償器４の入口極境界は、等式(17)によって記載されるように平行走査に半径補償を提供するように凹状である。統一的な放射束密度のための半径方向の修正は、大きな円弧よりはむしろ小さい円弧で高い走査速度を要し、また第３０図において、小さい円弧での隣接する主軸１２の間のより広い間隔によって明らかである。補償器の極ルート(pole root)の長さは244mmである。補償器の極間隙は100mm、極幅は600mmである。第３０図に示されている最大偏向は、回転盤軸２８から外へ向けて9.3°であり、また回転盤軸から内へ向けて12.4°であり、ウエハにおいてＲ＝490mmないし910mmの平行走査(300mm(12インチ)のウエハ全体の走査に十分なもの)を生じ、先端において60mmのオーバースキャンを有する。200keVの酸素ビーム及び150Hzの周波数について、走査器は1.93kGのピーク磁場で12kVAに励磁され、また補償器は、1.5kGのピーク磁場で150kVAに励磁される。積層素材が0.35mmの厚みのグレイン オリエンテェッド Ｍ６ シリコンスチール(grain oriented M6 silicon steel)(イリノイ州ナイルズ所在、テンペル・スチールが製造している)である場合に、走査器及び補償器の鉄損及び抵抗損は、それぞれ約1及び6kWである。補償器の入口極境界の輪郭が等式17の正確な解よりも適した放物線である場合には、走査は、Ｒ＝560ないし860mmの範囲で±0.3°よりも優れた平行を示す。

第３１図を参照すると、走査範囲全体に亘って統一的な放射束密度を生ずるために必要な波形は、補償器における折曲磁場の位相φ＝２πｆｔ(等式７参照)に対して描かれている。走査器の磁場Ｂ₁波形１９１は、φへの以下の多項従属によってほぼ三角形である。
Ｂ₁(t)＝1.1535φ(1-0.08579φ-0.02008φ²-0.00053φ³-0.00314φ⁴ +0.00036φ⁵) (25)

φは、ラジアンであり、(−π/2≦φ≦π/2)、Ｂ₁の単位はkGである。この多項式の係数は、走査器及び補償器の特定の極境界を使用して、等式10、11及び12から得られたものである。もちろん、他の極境界及び／又は走査範囲によって、Ｂの多項式展開において異なった組の係数が得られる。第３１図は、Ｂの派生物１９３ ｄＢ／ｄｔを示しており、これは、第３１図に示されている半径修正された走査速度１９５(及び統一的な放射束密度)を最終的に生ずる修正された正方形波である。

第３２図は、ビーム走査がウエハを横切る際のｘ及びｙ方向におけるビームの寸法の変化を示したものである。ｘビームの寸法の変化はウエハを通じて±5%未満である。ｙビームの寸法の変化は±25%であるが、ｙ方向は高速度走査方向であるのであまり重大ではない。
第３４図は、第７図に示すように、チャネリングを回避するようウエハが7°で偏向されたときに、ビーム走査がウエハを横切る際の注入角における変化を示したものである。第８図に示すように、注入角の広がりはビーム内の角度逸脱から生ずるが、これは、実際、ビームが走査器からウエハに移動する際ｘ方向に発散・拡張させるゼロでない放射を有するため、常に有限である。これにかかわらず、ウエハの区域に亘って、極角度は最高2°、方位角は最高0.4°逸脱する。このいずれもチャネリングを回避するために十分に少ないものである。

本発明の重要な特徴は、実施態様全体のイオン源から補償器までの横方向のコンパクトさである。これによって、１本を超えるビーム・ラインを回転盤周辺に配することができる。実際、上記のビーム・ラインは、第３０図に示すように、回転盤軸２８から731mm転置したビーム軸１０を伴って、第２６図に示すように(明確性をきすために可能性のある4本のビーム・ラインのうち2本だけが示されている)、回転盤軸周辺に90度の間隔で最高4本のビーム・ラインを配することを可能とする。もう一つの可能性は、180度の距離で2本のビーム・ラインを使用することである。この場合、回転盤からの軸の距離を、650mmに減ずることができる。複数のビーム線を使用する利点は、高い処理能力を実現できることである。また、追加のビーム電力を使用することにより、上記のSIMOX工程の要件である、注入中の1000°Kのウエハ温度を維持することが容易となる。

第２の好適な実施例
別の適用において、好適な実施態様は、第１図に示すような回転盤２６にマウントされた一束のウエハではなく、１ときに１個のウエハを工程に導入する手段を有する連続イオン注入装置である。かかる注入装置は、通常、シリコン・ウエハに、ホウ素、リン、ヒ素又はアンチモンをドープするために使用される。高い頻度で、高電流であるが、比較的低いエネルギー(最低5keV)のビームが使用される。このために、電力放散は、一束のウエハにビーム電力を分散させる必要を回避するに十分低いものである。他方、ビーム・パービアンスは高く、また非常に高い走査周波数を有し、また空間負荷ブロー(space charge blow up)のない好適な実施例の特徴は、このような連続注入装置に有利である。
上記のような本発明による走査システムがウエハを横切る一つの方向においてビームを走査するために使用される一方、別の走査方向が、第６図に示す機械的な往復によって好適に達成される。この場合、回転する回転盤の場合に必要であった磁気走査の半径方向の補償が必要でなく、従って、励磁波及び磁気構造がそれぞれの軸について対称である。ウエハ表面における溝の下の統一的な放射束密度を得るために、ウエハはその表面に対し最適な（nominal）中央軸周辺に回転させることができ、また往復運動させることもできる。

代替となる実施態様
第２５図は、２つの走査器磁石についての代替となる実施態様を示すものであり、ヨーク１７２を通じてすべて磁気接続関係にある多重の極１７０がある。渦電流を減ずるために、ヨーク１７２及び極１７０はいずれも強磁性積層から構成される。ｘ−ｙ平面に、均等な角度間隔θ₁、θ₂、θ_nで偶数の極が位置しており、角度θ_rで極に設けられるコイル１７６の巻きの数がsinθ_rの絶対値と比例する場合には、かかるすべてのコイルが連続的に接続され励磁されたときに、振動磁場が間隙１７８においてｘ方向に生成され、よってｚ方向に移動するイオン・ビームのｙ偏向を生ずる。

別の実施例において、走査器又は補償器の磁気構造は、一部又は完全にフェライトで組み立てることができる。別の実施例において、走査器磁石及び補償器磁石の両方を真空ハウジングの外に位置することが可能である。この実施例において、真空ハウジングの走査器又は補償器の磁気間隙内に設けられた部分は、非磁気素材(例えば、ステンレス鋼)又は絶縁体によって作成することができ、これによって磁場がいかなる態様でも妨げられない。真空ハウジンクが電導素材で製作される場合には、渦電流を容認可能な水準まで減ずるようチャンバを適切に積層しなければならない。この装置は、エポキシ表面積が大きい、大きな磁気構造がイオン注入装置内の汚染高真空度状態を汚染することを防ぐ。通常、イオン・ビームの望ましくない変化交換工程を防ぐために、イオン注入装置内で高真空度を維持することが望ましい。これは、分子イオン種ＢＦ⁺、ＢＦ₂ ⁺又はＢＦ₃ ⁺がしばしば使用される場合のホウ素の注入に特に重要である。

本発明は、高イオン・ビーム電流、特に半導体基板に埋没される絶縁バリアの生成のための酸素イオンの注入に特に有用であるが、通常の基板のドーピング及びその他多くの適用にも有用である。

本発明による好適なイオン・ビーム磁気走査システムを図によって概括的に表示したものである。 特定の好適な実施例の詳細を示した第１図の静電部分の拡大図である。 第２図の１ｂ−１ｂ線に沿った図面であり、第１図の実施例の六極の極配列を示している。 第２図及び第３図に示された後段加速器のスロット形状の電極の図面である。 代替実施例としての３電極加速器間隙を示している。 磁気走査方向に直交する方向に往復運動する、ターゲット サブスタティック（target substatic）を伴う本発明による好適なイオン・ビーム磁気走査システムを図によって概括的に表示したものである。 ２つの異なった時間において第１図のシステムの走査器及び補償器によって偏向されたイオンがたどるビーム曲線(beam envelope)の概略図である。 好適な実施例の一つの側面について、走査器から目標に向けて通過するビームの断面における累進的な変化を示したものである。 本発明のシステムが特徴的に適用されるビームのパービアンスの範囲を示したグラフである。 通常三角形の走査電流波形と補償磁石のための好適な共鳴励磁電流によって生成される折曲状の補償器電流波形の間の同期化される位相関係を示した図である。 第１図の好適な実施例について有用な積層された極及びヨークを使用した基本磁気システムを図によって示したものである。 好適な実施例のデザインについて、２個の積層されたコイル状のヨークと、交差される積層を示した補償器磁石の磁気構造の詳細な点を三次元図によって示したものである。 積層されたコイル状のヨーク及び交差される積層を使用した代替となる実施例における磁気構造の詳細な点をさらに三次元図によって示したものである。 積層されたブロック及び交差された積層を使用した磁気構造をさらに三次元図によって示したものである。 好適な実施例の連続的な積層において誘発される渦電流状態を図面によって示したものである。 好適な実施例の積層及び極片間のワーキング・ギャップ(working gaps)における磁束分配を示している。 本発明による積層を使用した折曲状の周波数をともなうギャップ・インダクションＢの変化を示したグラフである。 折曲状の波形と比較した三角の波形におけるギャップ・インダクションを示し、厚み0.5mmの積層に関する本発明の実際性を確定するグラフである。 走査速度において、ビーム下でウエハを担持する第１図の回転ウエハ・キャリアの回転の中心から走査されるビームの部分の半径距離の変化を補填する電位を生成する好適な励磁波形に関連するウエハの位置を示している。 第１図の好適な補償器のための共鳴励磁回路の概略図である。 第１図の走査器及び補償器の磁気構造の入口及び出口面の概略の例を概略的な形で示したものである。 第１図の実施例の走査器及び補償器装置の磁石における振動磁場を励磁するために使用される好適な電子制御回路の概略図である。 異なった条件下で請求項１のシステムによって使用される有限ビーム幅によって達成される投与量の統一性の変動の減衰を示した座標である。 異なった条件下で請求項１のシステムによって使用される有限ビーム幅によって達成される投与量の統一性の変動の減衰を示した座標である。 本発明の特定の広義の側面に従って有用な代替となる磁気構造の斜視図である。 ４ビーム・ライン注入装置における２本のビーム・ラインの通常の構成を示したものである。 好適な実施例のSIMOX適用における後段加速器からウエハへのビームの寸法の変化を示したものである。 後段加速器磁石が第３図に示すようにさらにｙ−集束を高めるよう横方向に移動されたときにいかにｙ−ビームの寸法が第２７図のものよりも小さくなるかを示したものである。 好適な実施例のSIMOX適用における後段加速器の電極間の様々な間隔についてのウエハにおけるビームの寸法の変化を示したものである。 好適な実施例のSIMOX適用について振動期間の２分の１の等しい時間的な間隔での偏向されたビームの主要な光線を示したものである。 好適な実施例のSIMOX適用についてのウエハでの走査器波形及び走査速度を示したものである。 好適な実施例のSIMOX適用における走査範囲に亘る半径位置に伴うウエハでのビームの寸法の変化を示したものである。 好適な実施例のSIMOX適用における走査範囲に亘る半径位置に伴う注入角の変化を示したものである。

Claims (14)

1. 埋没される酸化物の層を１以上のシリコン・ウエハに形成するために所定の投与量の酸素イオンを当該ウエハに注入する方法であって、
   当該方法は、
   50Hzを超える周波数で前記酸素イオン・ビームを走査する際に渦電流による使用不能化作用を回避するように構成された高周波磁気走査システムであって、その磁気構造が導電性の強磁体層、フェライト又はそれらの組合せにより構成される高周波磁気走査システムを含むイオン注入システムを使用し、
   (a) 50mAを超える電流の高パービアンス酸素イオン・ビームを、100keVを超えるエネルギーに加速し、
   (b) 前記シリコン・ウエハのキャリアを回転し、
   (c) 前記磁気走査システムを使用して、50Hzを超える周波数で前記キャリアの半径方向に前記イオン・ビームを走査する、工程を備え、
   前記高電流酸素イオン・ビームの磁気走査における高周波は、熱パルシング及びイオン誘発ダメージから生じる前記注入の品質劣化を回避するように作用する、方法。
2. 埋没される酸化物の層を１以上のシリコン・ウエハに形成するために所定の投与量の酸素イオンを当該ウエハに注入する方法であって、
   当該方法は、50Hzを超える周波数で前記酸素イオン・ビームを走査する際に渦電流による使用不能化作用を回避するように構成された高周波磁気走査システムを含むイオン注入システムを使用し、
   (a) 50mAを超える電流の高パービアンス酸素イオン・ビームを、100keVを超えるエネルギーに加速し、
   (b) 前記シリコン・ウエハのキャリアを回転し、
   (c)前記磁気走査システムを使用して、50Hzを超える周波数で前記キャリアの半径方向に前記イオン・ビームを走査する、工程を備え、
   前記高電流酸素イオン・ビームの磁気走査における高周波は、熱パルシング及びイオン誘発ダメージから生じる前記注入の品質劣化を回避するように作用し、
   採用される前記高周波磁気走査システムは、少なくとも一部が各積層の局部経路において誘発される渦電流を限定的な値に制限するように作用する導電性の強磁体層で構成された磁気構造を有する、方法。
3. 埋没される酸化物の層を１以上のシリコン・ウエハに形成するために所定の投与量の酸素イオンを当該ウエハに注入する方法であって、
   当該方法は、50Hzを超える周波数で前記酸素イオン・ビームを走査する際に渦電流による使用不能化作用を回避するように構成された高周波磁気走査システムを含むイオン注入システムを使用し、
   (a) 50mAを超える電流の高パービアンス酸素イオン・ビームを、100keVを超えるエネルギーに加速し、
   (b) 前記シリコン・ウエハのキャリアを回転し、
   (c)前記磁気走査システムを使用して、50Hzを超える周波数で前記キャリアの半径方向に前記イオン・ビームを走査する、工程を備え、
   前記高電流酸素イオン・ビームの磁気走査における高周波は、熱パルシング及びイオン誘発ダメージから生じる前記注入の品質劣化を回避するように作用し、
   採用される前記高周波磁気走査システムは、少なくとも一部が実質的に渦電流の影響を受けない絶縁体であるフェライトから成る磁気構造を有する、方法。
4. 前記高パービアンス酸素イオン・ビームの電流が75mA以上である、請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記イオン・ビーム・エネルギーが約200keVである、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記走査が、実質的に三角形の波形により駆動される磁気走査器を使用した振動パターンにおいて前記ビームを偏向することを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記走査により偏向された前記イオン・ビームを更なる磁場にさらして、当該イオン・ビームを前記シリコン・ウエハの表面に対して所定の方向に方向付けすることを含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記走査と位相ロック関係(phase locked relationship)にある50Hzを超える同一周波数で駆動される動的磁気偏向システムを用いて、前記イオン・ビームは、動的にかつ走査により誘導された屈曲と反対の方向に、前記更なる磁場にさらされる、請求項７に記載の方法。
9. 前記動的磁気偏向システムが前記走査と共鳴して駆動される、請求項９に記載の方法。
10. 前記システムの操作態様は、前記走査されたビームの走査速度のビーム中心の瞬間的な位置と前記回転キャリアの回転軸の間の半径距離に対する逆機能従属を維持することによって酸素イオンの前記所定の注入投与量を得るために、走査振動の間、前記走査速度を変化させることを含む、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
11. イオン注入システムを使用して実行される、請求項1乃至１０のいずれかに記載の方法であって、上記注入システムは、一つの次元での走査を遂行するために前記酸素イオン・ビーム下において前記キャリアにマウントされた前記１以上のウエハを繰り返し運搬するための駆動回転キャリアを備え、 前記高周波磁気走査システムは他の面における走査を遂行するために前記回転キャリアの半径方向において前記イオン・ビームを速やかに走査するために配列され、上記注入システムはまた、その走査動作を支配するために前記高周波磁気走査システムに適用される励磁波形を生成するための手段を備え、前記波形の機能従属が、ビームの中心の瞬間的な位置と前記回転キャリアの回転軸の間の半径距離の変化と逆従属関係にある走査速度の変化に関連する、方法。
12. 前記励磁波形の前記機能従属がビーム位置Ｙの走査速度をＹ’とした数式に従って決定される、請求項１１に記載の方法。
    Ｙ’＝ｋ／（Ｙ+Ｒ）
    ｋは、走査範囲及び波形の周期数Ｔへの従属定数であり、Ｒは、前記軸とウエハ中心の距離である。
13. 前記所定の投与量の酸素イオンの前記シリコン・ウエハへの注入は、前記イオン注入システムの単一のイオン・ビームによって達成される、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 酸素イオンの前記所定の投与量は、前記ウエハの表面にわたって実質的に統一的な投与量であり、実質的に平行な経路を移動する当該イオンは、前記ウエハ上で実質的に一定の入射角を有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。