JP4509781B2 - 注入装置のリボン形状イオンビームの特性制御 - Google Patents

Description

開示した方法及び装置は、一般に、リボンビーム内のイオンの強度分布を修正するための磁場集束及び補正要素の作製及び使用に関し、より詳細には、半導体デバイスへの注入及びドーピングに使用するイオンの入射角の正確な補正に関する。
発明の背景

イオン注入工程は半導体製造において有用であり、それはこの工程が、選択した不純物原子が表面層を貫通して、表面下の指定した深さで静止するように１つ１つをある速度で導入することによって、シリコンウエハの明確に境界を定めた領域の電気的性質を修正可能とするからである。この工程は、非常に精密に且つ高い再現性で３次元電気回路及びスイッチを作製可能とする。

注入をこのように有用な処理工程としている特徴は３つある。第１に、ウエハに衝突する荷電イオンが伝達した入力電荷を素直に特定することによって、導入するドーパント原子の濃度を正確に測定できる。第２に、上述のドーパント原子が挿入される領域は、周囲温度で高精度のドーパント・パターニングを可能とするフォトレジスト・マスクによって正確に境界を定めることができる。最後に、ドーパント原子が最終的に静止する深さは、イオンエネルギーを変化させることにより調節可能であり、従って層構造の作製が可能となる。イオン注入工程を向上させるためのシステム及び方法が望まれる。

シリコン注入に現在使用されているイオン種には、１ｋｅＶ未満から８０ｋｅＶを上回る範囲のエネルギーを備えたヒ素、リン、ゲルマニウム、ホウ素、及び水素が含まれる。数マイクロアンペアから数ミリ乃至数十ミリアンペアまでのイオン電流が必要である。概ね５ｍAを超える注入電流を提供する装置は、「大電流」注入装置と通常と呼ばれている。半導体業界の動向は、１ｋｅＶ未満の注入エネルギーと１°未満の入射角制御に向かいつつある。

典型的には、こうしたドーパント材料をシリコンウエハ又は他のワークに導入するためのイオン注入装置は、４つの主要なシステムにモデル化できる。第１は、注入される荷電イオンが生成されるイオン源である。第２は、イオンのエネルギーが指定された注入工程に必要なレベルまで増大される加速領域である。第３は、イオン源を出るイオン集団が成形されて所望の注入密度パターンを形成し、且つ不要な粒子が除去される光学イオン輸送システムである。最後は、個別のウエハが、入力イオンビームで走査される静電チャック又は回転ディスクの表面に載置され、且つロボットがウエハを装填及び取り出しする注入ステーションである。本発明の一様態は、イオンビーム輸送システムを向上又は改良することを狙いとする。

イオン注入装置設計の近年の改良には、リボンビーム技術の導入がある。この技術では、ワークがイオンビームの下を通過する時に、ワークに到着するイオンが、ワークを均等に覆うストライプに編成される。こうしたリボンビーム技術を用いるコスト的な利点は大きい。すなわち、ディスク型注入装置では、リボンビーム技術により、イオンビームを横切るディスクを走査する動作が不要になる。単一ウエハ注入装置では、ウエハを、入力リボンビームの下で単一次元に沿って移動させるだけでよく、終端ステーションの機械的設計を大幅に簡素化し、横断方向の電磁走査の必要性を無くしている。正しく成形したリボンビームを用いれば、単一の１次元通過によってワークにおける均一なドーズ密度が可能となる。

リボンビームを生成し取り扱うには無視できない技術的課題がある。その理由は、リボンビーム／終端ステーション構成が、１％よりも良好なドーズ均一性と１度より良好な角度精度とをもたらし、更に１ｋｅＶ未満のイオンエネルギーで動作しなければならないからである。Whiteらの「大電流リボンビームイオン注入装置(High
current ribbon beam ion implanter)」と題した米国特許第５，３５０，９２６号及び、「コンパクトな大電流幅広ビームイオン注入装置(Compact
high current broad beam ion implanter)」と題した米国特許第５，８３４，７８６号に、リボンビーム技術の特徴が記載されている。

又、Whiteらは、J.L. Dugan及びL. Morgan編集で、米国物理学会刊の「１９９９年度研究開発における加速器の応用に関する会議会報（The
Control of Uniformity in Parallel Ribbon Ion Beams up to 24 Inches in Size）」の８３０ページに「寸法にして２４インチまでの平行リボン・イオンビームの均一性の制御（The
Control of Uniformity in Parallel Ribbon Ion Beams up to 24 Inches in Size）」と題した論文でリボンビームを生成する上での幾つかの問題点についても検討している（１−５６３９６−８２５−８／９９）。

その性質により、リボンビームは、大きな幅／高さアスペクト比を備えている。従って、ｚ軸に沿って移動するこうしたビームを効率的に取り囲むには、こうしたビームの集束レンズはスロット状の特徴を備えると共に、そのスロットがｘ軸に沿って延伸し、短い次元がリボンの高さ（ｙ方向）にわたっている必要がある。この重要な点は、磁気四重極レンズの各次元方向の焦点距離は互いに等しいが反対の符号となる一方、リボンの境界光線の幅及び高さ次元における角度偏向は大きく異なりうることである。更に、レンズの磁場境界がイオンビームに近接可能であり、それら境界沿いに導入される局所摂動が、リボンビームの小さな領域に実質的に限定される偏向として現れる。
発明の概要

原理的には、所望形状のリボンビームをイオン源から直接的に生成可能だが、実際の状況では十分な長さのリボンを引き出せないことがある。しばしば、ほどほどの長さのリボンをイオン源で生成し、それをイオン光学的拡大を用いて注入に必要な幅まで拡大することが望ましい。本発明の別の様態は、イオンをイオン源から、中心軌道が平行で線形に配列されている多数の個別ビームレットの形状で引き出すことに関する。こうした幾何学的配置により、各ビームレットの起源及び角特性が正確に定められる。当業者であれば、仮に複数の平行列のビームレットを用いた場合も、ビームレットがイオン源の起源を出る時にビームレットの中心軌道が平行でなくても、或いはイオン取り出しにスリット形状を選択した場合でも、これら原理は有効であることは理解するはずである。

更に、当業者であれば、イオンをイオン源と、これら粒子が注入されるワークとの間で輸送するには、集束及び偏向要素が必要となることを理解するはずである。集束レンズが理想的な集束要素として作用するには、第１に、個別ビームレットの軌道に導入される角偏向が、レンズの対称軸からのビームレット距離に比例することが望ましい。すなわち、偏向場の大きさは、イオンビームの中心軌道からの距離と共に線形に増加すべきである。

上述の線形性要件を満足させ、大きな長さ-高さアスペクト比を備えた四重極レンズは、例えば、W.K. Panofskyらにより機関誌Review of
Scientific Instruments volume 30, 927, (1959)に記載されている。基本的には、W.K. Panofskyらの設計は、長方形状の高透磁率スチールフレームからなり、このフレームの長手側部は単一の均一巻きコイルを支持している。四重極場を生成するため、上方及び下方コイルはスチールフレーム部材の各長手側部に沿って均等に離間して巻き付けてあり、コイルを流れる電流は長方形配列の一端から見て反対方向に励磁される。バーの端部のＮ極はＳ極と向き合っている。各長手側部の両端における静磁気ポテンシャルを打ち消すため、長方形フレームの短手側部には追加コイルが設けてあり、端部バーを介した磁気短絡を防止する。四重極場を生成するには、各垂直バーに沿った対向するアンペア回数が、各長手バーに沿ったアンペア回数に等しくなる。これら２つの打ち消しコイルを流れる電流は等しいが、反対方向の磁場を生成するはずである。

多くの集束の応用例に関しては、中心から離れる方向の磁場の線形成長から偏向可能とすることが望ましく、低エネルギービームの収差補正及び非線形拡張の補正は極めて重要である。必要な多重極成分を磁場に導入するための方法は、Enge’328により米国特許第３，５４１，３２８号に記載されており、具体的には、この特許に記載されている方法は、イオンが通過する２つの鉄心間の空間に多重極集束磁場を生成するための方法である。独立して励磁可能な直列の巻線は、それぞれが特定の多重極の生成に適するようコイルが分散されており、各鉄心に沿って巻き付けられている。H.J.
Scheererは、機関誌Nuclear
Instruments and Methods, volume 136, 1976, p213-224において、米国特許第３，５４１，３２８号の記載に従ったこうした二本ロッド設計の集束特性を記載している。具体的は、この特許の図６で、各多重極のコイルが直列接続され、単一のユニットとして電力供給されることが分かる。

Panofskyの四重極及びEngeの多重極発生器は、イオン輸送要素のパラメータが１つの実験又は測定のために固定されているビーム輸送システムを介してイオンを伝達するために設計されたものである。ビームパラメータを補正するため偏向磁場を積極的に制御する必要がある場合は、これら発生器は様々な欠点が存在する。第１に、何れの設計も、Ｂ場が長方形の長手軸沿いに形成されるような双極場寄与を生成しない。第２に、対称の点（ｘ＝０）は、コイル及びスチールヨークの幾何学的形状により通常は決定されるので、レンズ・磁場分布の中心を移動させることによってｙ軸周りにステアリングを導入する簡単な方法はない。

本発明の一実施形態では、長方形スチールウィンドウ・フレーム構造が、所望の偏向磁場を生成するのに必要な磁気支持構造体を提供する。本実施形態の１つの特徴は、長手軸バーに沿った巻線が、独立して励磁される多数の短い部分からなっていることである。この構想により、専用巻線を用いずに大きな多重極が生成でき、更に、任意の多重極寄与の中心点を横断方向のｘ軸沿いに平行移動できる。端部バーの周りの追加コイルは、多重極成分を生成するに際して磁気短絡を防止するのに必須である。しかし、長方形の長手次元に対して垂直で長手軸バーの間に純粋な双極場を発生できるように、これらの端部バーコイルは独立して励磁可能である。最後に、端部バーのコイルの通電を停止すると、双極場をウィンドウ・フレームの長手軸に沿って生成できる。

本発明の別の実施形態では、イオン密度の局所変異又はイオン源からの出口におけるリボンビームの形状が、偏向磁場を局所修正することで補正できる。これら補正は、コンピュータ制御下で、スチールにおける渦電流の減衰率のみによって制限される時間尺度で実行できる。制御に必要な入力ビームパラメータは、上述したリボンビーム内のイオンの強度及び角分布を測定するための位置検知形ファラデーカップを必要とし、偏向磁場を修正することで所望の分布からの不一致が補正可能となる。

こうしたレンズ変異のそれぞれの応用例は後に説明するが、自由空間における磁場の線形重ね合わせによって、特定の種類の補正を行うため必要な電流は個別に計算できることは理解すべきである。この処理は必要となる補正の種類毎に繰り返し可能であり、完全な解が重ね合わせにより与えられる。選択した群の多重極場成分を単一のビーム輸送要素に導入することは、Whiteらにより機関誌Nuclear
Instruments and Methods volume A 258, (1987) pp. 437-442で「非双極場成分を用いた磁石の設計（The
design of magnets with non-dipole field components）」と題する論文に記載されている。

本発明の基礎をなす基本概念は、リボンビームを構成する全ての軌道を包囲する磁場を充満させた領域の生成である。この領域全体にわたる大きさと方向を持った直流磁場は、リボンビームを形成する全てのビームレットの所望の偏向を導入するのに適している。マクスウェルの方程式が示す制約条件内で、ビームレットの角座標に制御偏向を提供し、次の重ね合わせ補正を実現する磁場形状を選択できる。それらは、（１）角度誤差、（２）差強度誤差（原語：differential
intensity errors）、（３）（ｙ_０，ｚ_０）平面及び（ｘ_０，ｚ_０）平面両方に直角な軸周りの均一なステアリング、（４）線形のＮ極及びＳ極集束の導入、（５）収差補正のための特殊偏向磁場、である。

他の目的及び利点は、明細書及び図面を考慮すれば明らかになるはずである。

本発明によるシステムの独特の特性は、実例を参照すればより明確に説明できるはずである。この例では、一対の四重極レンズを用いて、当初は一組の平行なビームレットをより広い一組の平行なビームレット軌道に拡張する。

図１は、以下の説明に用いられるビーム座標系を示す。リボンビームを横切る３つの代表的な断面１２０が示されている。ｘ軸は、リボンビームを構成するビームレット１３０に直角をなした表面１２０に常に方向合わせされおり、この表面の長手軸に沿って延伸している。ｚ軸１１０は、リボンビームの中心軌道に接しており、イオン光学輸送システムの全長に沿って中心軌道と一致し、中心軌道１１０が方向を変えるとその方向も変わる。ビーム経路に沿った各点で、直交ｙ軸も表面１２０内に位置し、リボンビームの狭い寸法に対して直角をなす。

図２は、イオンビーム拡大器２００の必須の構造を示したもので、拡大器２００は、幅が狭いイオン源２０１を光学的に結合して、ワークすなわちウエハ２００においてリボン高さを形成する。これにより、直線的な往復運動２２１を用いてウエハ２００の１回の横送りによりウエハ全幅への同時リボンビーム注入が可能となる。イオン源２０１により生成される短いイオンビームは直線配列２１０のビームレット群からなり、収斂レンズ２５０におけるビーム幅が、注入されるワーク２２０で必要な幅と一致するように拡大される。ビーム拡大器２００は、自由空間ドリフト領域２４０の下流に発散レンズ２３０を更に含み、ここでは個々のイオンビームレットが次第に離され、その後、より幅広の収斂レンズ２５０により平行にコリメートされる。

好適な実施形態では、ワーク２２０は拡大したリボンビーム・パターン２６０の下を一定の速度で通過する。その際に、入射角は軸２７０を中心にウエハを回転することで調節でき、イオン衝突角θを修正する。ウエハが軸２７０を中心に大きな角度まで回転すると、ビーム幅は拡大率を修正することで調節して、ビーム浪費を最小化できる。図２の幾何学的配置では、イオン密度はリボンビームの幅全体にわたり一定にすべきである。しかし、回転ディスク型注入装置などの幾何学的配置では、リボンビーム内のイオン密度は注入半径と共に変化しなければならない。この場合、ワークにおいて均一なドーピングを実現するには、リボンビームのイオン密度は、一般にリボンビーム幅方向で積極的補正を必要とする。

図３は、本発明の実施形態によるレンズ補正器の基本的特徴を示す。透磁率が高い長方形スチール構造体３１０は、その長手軸がリボンビーム３２０の幅（ｘ座標）に平行で、その幾何学的中心がリボンビームの幾何学的中心に一致している。スチール構造体３１０は、所望の磁場を隙間３１２内に生成するコイル３３０、３４０を支持し、リボンビーム３２０を形成するイオンは、隙間３１２を通過するように配向されている。概略的に示した個別のコイル３３０、３４０は、長方形スチール構造体３１０の両方の長手軸バー３１４、３１６に沿って分散されており、個別制御可能な電源が、回路３５０、３５１を介して各コイルに電流を供給する。説明を明確にするため、３３０及び３４０とした個別コイルはかなり分離して図示してあるが、実際にはこれらコイルは現実的に可能な限り近づけて、ビーム領域３２２の軸における磁場を滑らかに変化させる。電力損を最小化するためコイル３３０、３４０が大きな断面を備える必要があるような応用例では、薄い強磁性板（図示しない）を用いて個別コイルを分離し、スカラーポテンシャルをイオンビーム境界の近くまで中継できる。別法として、コイル３３０及び３４０は連続的な１つのコイルとして連結できる。

図３に示した終端コイル３３２及び３４２は、必ずしも複数要素に分離する必要はない。終端コイルの主要な機能は、上方チールバー３１４と下方チールバー３１６との間で磁気短絡を防止する適切な静磁気ポテンシャルを生成することである。四重極作用時には、長方形構造体の長手軸に沿ったアンペア回数に対して、等しく反対のアンペア回数がコイル３３２及び３４２により生成されなければならない。複数の偏向モードを生成可能とするには、終端コイル３３２及び３４２を流れる電流は、可逆性とし且つ正確に調節可能とすべきである。ｘ軸沿いに双極磁場を生成する時は、コイル３３２及び３４２はオフとしてもよい。

図４は、図３に示した線Ａ−Ａ‘についてｘ方向で見た断面図を示す。上述した小型の高透磁率スチールタブ４２０及び４２２が、各バー３１４及び３１６に沿って生成される静磁気ポテンシャルをイオンビーム領域３２２の境界まで移動させるのが分かる。補正磁場要素（原語：correcting
field compomnents）の位置分解能を局在化するためには、スチールタブ４２０及び４２２の直線部分はイオンビームにできるだけ近く配置すべきである。

図５に示した投影図が、間違いなくレンズ補正器の封入容器の好適な実施形態を示している。この封入容器の設計目標は、真空環境をコイル及びそれらの絶縁体に曝さないことである。又、給電用及び水冷チャンネルの真空・空気フィードスルーを避けることも設計目的である。基本的に、磁気レンズ／補正器は、封入容器５１０などの内部において周囲大気圧で動作可能である。封入容器は、外側５００において真空で、内側５１０では周囲大気圧又は液体冷却となっている。この封入容器には、図３及び４に示したコイル構造体を含むことができるｚ軸方向の深さと、イオンを所望の補正角で偏向可能とするようにイオンビームに沿った十分な磁路長が必須である。当業者であれば、封入容器５１０を作製するための多くの方法が存在することを理解するはずだが、本実施形態では、この封入容器はアルミニウムのジグプレートの適切なブロックから機械加工される。動作時には、封入容器５１０は、注入システムの真空外囲容器５３０の一部であるハウジングにボルト止めされる。こうした構成は、注入装置で用いられるビーム輸送要素の一部である他の光学素子に対する、補正器要素の位置を規定する役割を果たす。図３及び４に示した補正器レンズを連結孔５４０及び５４２を介して周囲大気に連結してもよい。各コイルの電力リード線及びコイルの空気又は液体冷却が、これら孔５４０及び５４２を介して通過している。封入容器５１０は、単純なプレート５５０を平坦面５６０に取り付けて、Ｏリング５５２で密封することにより真空気密とする。

図６の断面図は、典型的なレンズ補正器６００の組み付け構造を示し、類似要素は上述の実施形態で説明されている。長方形の高透磁率バー構造体３１４及び３１５が、長方形窓フレームの基本となる。スチールバーを容易に配線し冷却するため、これらスチールバーは、配線及び冷却線の容易なアクセスを可能とする適切なスチール管材料から作製できることが分かるはずである。リボンビーム平面のｚ軸は、補正器の開口中心部３２２を通過する。電力及び冷却は貫通部５４２から導入する。電気接続は配電盤６１０を用いて配列する。

図７は、長方形バー３１４と３１６との間の領域における四重磁場の生成の背景と、収差を補正するためこうした分散がどのように修正できるかを示す。均一な電流シートｊ_ｚ（ｘ）７０１、７０２が、各バーの表面周りのモジュールで示したように生成されると仮定すれば、これら電流シートは、次の式で与えられる巻線の隣接面に磁場Ｂ_ｘ（ｘ）を生成するはずである。

純粋な四重磁場を生成するには、ｊ_ｚ（ｘ）はｘの全ての値に関して一定となる。アンペアの定理を当てはめる。

上記式で、ｄは各バーから中心線７１０までの距離である。

従って、図７に矢印で示した様態で流れる均一な電流に関して、一本のバーの端部に生成されたＮ極を挟んで隣接するスチールバーのすぐ反対側にＳ極が位置し、垂直の連結スチールバー７２１、７２２の間で測ると磁場Ｂ_ｙ（ｘ）がｘ次元の中心でゼロとなり、中心で符号が変わり中心から各端部まで直線的に増大する。

当業者であれば、重ね合わせによって、幾何学的配置の分解能限界以内で且つスチールの磁気飽和が無いと仮定すると、必要ないかなる多重極でも、適切な分布の電流密度ｊ（ｘ）を選択することで励磁（原語：excite）できることは理解するはずである。明らかに、定電流及び可変ピッチを備えた個別巻線であれば、米国特許第３，５４１，３２８号に開示されているようなｊ（ｘ）の必要な変異を実現できる。しかし、図３に示したように単一の巻線層が多数の短い個別励磁コイル３３０及び３４０に分割されていれば、必要となるいかなる多重極でも複数巻線からなる単一の群により励磁できる。
幾つかの具体的な幾何学的配置

図８は、本発明の実施形態によるレンズ補正器により導入可能な多重極場の生成を理解するためのグラフである。励弧電流は直流であるか、或いは時間と共に頻繁に変わることはないので、磁場の記述にベクトルポテンシャルを含める必要はない。こうした単純化により、静磁気ポテンシャルのみを用いて磁気Ｂ場（磁気誘導）を計算できる。このアプローチの有用性は、こうした条件では、同一の式が静電場に関して満足されられるのと同様に静磁場に関しても満足させられ、この場合、静磁場の駆動ポテンシャル（原語：driving
potential）はボルトでなくアンペア回数である。しかし、こうした分析は、個別のスチールバーを囲む電流励磁（原語：current
excitation）の領域を含んではいけないことは強調すべきである。式（２）を参照すると、四重極生成に関しては、各バーに沿って生成される磁気ポテンシャル間の差は、レンズの一端から遠隔端にかけて線形に増加することが分かる。従って、均一に離間された巻線及び等しい電流が各巻線に流れると仮定すれば、各バーに沿った関連した静磁気等ポテンシャルの軌跡（原語：loci）は、対称性のため、各バーの中心におけるゼロを通過する直線である。Ｂ_ｙ（ｘ）場は、図３に示したバー３１４と３１６との間に生成され、静磁気ポテンシャル差の負の勾配により励磁される。図４に示した高透磁率を備えたスチールタブ４２０と４２２との間の距離は、レンズ／補正器の幅に沿って一定なので、各バーの静磁気ポテンシャル間の差が、Ｂ_ｙ（ｘ）の直接的な計算を可能とする。

この同じ説明を使って、図９Ａ及び９Ｂは、リボンビーム集団が拡大（又は縮小）される様態を概略的に示す。図９Ａでは、等ポテンシャル９２０及び９２２により生成される完全に拡大したビーム９６０から開始して、図９Ｂの発散レンズ９３０に関連付けられた静磁気等ポテンシャル９１０及び９１２が、縮小サイズのリボンビーム９５０を生成する。全ての基本コイル３３０及び３４０を流れる全電流の単純な線形変化により、リボンビームがウエハ９７０に衝突する前に、リボンビーム幅を適切なサイズまで拡大可能となる。

図１０Ａ及び１０Ｂでは、単一のビームレット９８０が、残りのビームレットに関して予期されているものより低い強度でイオン源９０１を出ると推定する。リボンビームにおける低下した局所イオン密度を補償するため、発散レンズ９３０により生成される散開パターンは、軌道９８２と９８４との間の角度間隔を減少させることにより減衰ビームレット９８０の周りで局所的に圧縮される。満足できる均一性がレンズ９４０の入口で達成されると、図９Ａ及び９Ｂで示したように散開パターンの広がり全体が修正され、ワーク全体の均一な注入が可能となる。この静磁気ポテンシャルのプロットから、発散レンズ９３０を形成する両方のバーに関して、静磁気等ポテンシャル９２４及び９２６は各バーの中心から線形に増加せず、その代わり９２５及び９２７において局所的に減少し、軌道９８４に関し偏向角に非線形を導入し、その後はリボンビームの幅に沿って注入強度の均一性が回復することが分かる。必要なら、この非線形偏向を補償するための角度補正をレンズ９４０に導入できる。

最終リボンビームに沿った位置と最初の四重極バーに沿ったコイル位置との間には一対一の対応があり、コンピュータ補正アルゴリズムは単純且つ簡単となる。

図１１Ａ及び１１Ｂは、リボンビームをｘ方向に沿って移動させるか、図１１Ｂのｘ−ｚ平面に垂直なｙ軸周りに回転させるための方法を示す。基本的に、平行移動を導入するには、レンズ／補正器９３０の両方のバーに沿って個別コイル全てを通電して、レンズ９３０の名目上の中心からオフセットしたゼロ９９０を生成する。レンズ９９０に必要な補償補正。ｙ軸周りに回転させるには、レンズ９４０を通過する平行電流を適切に調節して、出力軌道がイオン源９０１を出るイオンと平行に戻らないようにする。

本発明の代替的実施形態で上述のオフセットを実現するのに用いる原理を図１２に示した。図３に示し、バー３１４及び３１６に沿って分散させたコイル３３０及び３４０は通電されておらず、混乱を避けるように図から省いてある。打ち消しコイル３３２、３４２は、正中面ではｙ軸方向と完全に平行となる均一な帯状の磁気Ｂ_ｙ場３２８を生成する。従って、ｘ方向にはＢ_ｘ場成分は存在しないので、ｘ−ｙ平面から出る動きを誘起することはできない。ｙ方向周りのステアリングは、ｘ方向周りのレンズ作用及びステアリングからは完全に分離（原語：decouple）されている。

図１３Ａ及び１３Ｂは、均一なＢ場をｘ軸沿いに生成するための方法を示す。図１３Ａでは、静磁気ポテンシャル１３１０及び１３１６が生成されており、それぞれが、同等の大きさと一端に対して個別のバーに沿った方向とを備えている。これは、図３に示したコイル集合３３０及び３４０を均一に且つ同一の旋進性（原語：same
hand）で通電することにより実現できる。両方のバーからの静磁気ポテンシャルへの寄与は理想的には等しいが、図１３Ａに示したように同等とならない可能性がある。

実際には、例外なく、重ね合わせによって、上述した磁場配列全てを合計でき、よって、集束、収差補正、イオン源出力の差変異（原語：differential variations）、及びｘ及びｙ軸周りのリボン・イオンビームの局所ステアリングをもたらす組合せ偏向構造を提供する。制約条件は、強磁性部材における磁気飽和を最小にすべきことである。
有用なレンズ／補正器の幾何学的配置

図１４は、２つの独立した要素１４３０及び１４３１から成るレンズ／補正器アセンブリの設計を示す。リボンビームは、要素１４３０と１４３１との間でスロット３２２を通過するように送出できる。こうしたレンズ／補正器アセンブリは、図３に示した長方形スチールバー構造体と位相的には同一である。このアセンブリは、ビーム輸送パイプの真空領域と磁気偏向器の外縁磁場領域（図３における長方形バー構造体３１０の垂直スチール部分が、偏向磁場を生成する極を短絡させるであろう領域）とに挿入するのに有用な特性を備えている。

原理的には、図３に示した垂直バー３１２は、それらに関連付けられた巻線３３２及び３３４と共に各打ち消し巻線の中心対称点において切断されている。図１４を再び参照すると、切り落とした上方バーに関連付けられた打ち消し巻線は１４００、１４０１で示した。集束磁場をもたらす巻線は１４１０で示した。切断した後も、得られる「半巻線」１４００、１４０１に同一電流が通り続けるように構成すべきで、レンズ／補正器がレンズモードで使用される時は、得られる半巻線それぞれが、図３に示した元々の巻線３３２及び３３４の半分のアンペア回数となるようにする。各要素は、独立して巻き付けた３つの励磁コイルを備えており、この励磁コイルは、多重極補正場の導入を可能とする、図３に示したもののように必要なら独立コイル３３０の集団としても巻き付けられる。バー構造体全体周りのアンペア回数を統合してゼロとなるべき図３に示した構造体と同様に、独立した要素配列１４３０及び１４３１の対称性により、各要素の全長に沿った静磁気ポテンシャル全体は統合してゼロになる必要がある。

図１４は、上述の規定に従って設計された四重極の断面を示す。一本の強磁性バーが各要素の中心に位置している。このバーの断面は円筒状でなくてもよいが、当業者であれば、断面積は飽和を避けるために適切とすべきことは理解するはずである。３つの独立した巻線部分１４００、１４０１、及び１４１０は各バーに巻き付けられている。多重極生成と収差補正とを行うには、個別の巻線部分自身も、図３に要素３３０として示したように独立して励磁する複数コイルの一群からなるものとすることができる。図４に示した様態で設けられた強磁性延長タブ４２０は、中心スチールバーの全長沿いに生成される静磁気ポテンシャルをリボン・イオンビームの境界近くまで移動させる。この効果は、生成しなければならない磁場の量と必要なアンペア回数とを最小にすることである。又、レンズ開口におけるイオンビーム境界でのレンズ／補正器磁場の空間的分解能を向上させる効果もある。間違いなく、これらバー及び関連付けられたコイル構成体は、長方形断面を備えた適切な非磁性体から製造される密閉管１４３０、１４３５内に封入される。この封入管構造体では、管の外側壁が真空中に置かれる一方、コイルへの電力リード線及び空冷又は水冷には端部１４６０及び１４６１を介して容易にアクセスできる。

図１４に示したレンズ／補正器の有用な一つの特徴は、各要素に沿って生成される静磁気ポテンシャルの合計は必ずゼロにならなければいけないが、等しい電流を要素１４３０及び１４３１内の巻線に流す必要はないことである。これら２つの要素間の電流比を不平衡とすると、レンズの中性軸の位置が変わってｙ方向に移動し、イオンビームのｘ軸周りのステアリングが導入される。
水素注入装置

図１５は本発明の更なる実施形態で、上述したイオン輸送要素を用いて、イオンを大径半導体ウエハに注入するための大電流Ｈ^＋注入装置の原理を示す。適切なイオン源１０がビームレット２１からなるリボン配列を発生し、全てのビームレットは１０ｋｅＶ乃至１００ｋｅＶの同一エネルギーを備えている。多重極補正発散レンズ２０は、ビームレット配列２２に発散角を導入して必要なリボン幅を提供する。運動量分散磁場３０は、そのＢ場ベクトルが発散ビームの平面にあり且つ配列の中心ビームレットに概ね垂直である。この磁場３０は、イオンをリボンビームの平面に対して直角に偏向させて、Ｈ^＋より重いイオンをカップ４０内に収集可能とする。この構成は重水素及び他の分子の寄与を排除する。第２の多重極補正レンズ５０は、発散ビームレットの配列をコリメートし、ビームレットを平行に戻す。プラテンがウエハ６０を支持し、ウエハをビームで均一に走査する。この新規で単純なシステムは電磁ビーム走査を利用しない。その利点は、長さが短く、低コストで、光学通路が単純で、フットプリントが小さいことである。

図１６は、幾つかの偏向モードで励磁するのに必要な大量アンペア回数を実現するために、多目的コイルを、一方の高透磁率バー１６１７の短手部分に沿って配置できる様態を示す。連続的な大電流容量の水冷コイル１６１６が、円柱状の磁気コア１６１７周りに基層として直接巻き付けられているのが図示されている。図３に要素３３０及び３４０として示したように、個別に励磁可能なコイル１６１８も高透磁率スチールバー１６１５を囲んでおり、集束及び収差補正を提供する。個別のスチールタブ４２０は、静磁気ポテンシャルをビームに近い領域まで移動させる。

当業者であれば、本明細書で説明し図示した部材の詳細、材料、及び配列に任意の付加的変更を行うことができる。従って、次の特許請求の範囲は、本明細書に開示された実施形態に限定されるものではなく、記載されたものとは異なる様態での実施を含むことができ、法律によって許された最大の範囲で解釈されるべきである。

本発明をより良く理解するため、参照して本明細書に援用する添付図面を参照する。
本発明の一実施形態と関連して用いられるビーム座標系を示す。 本発明の一実施形態と関連して用いられる光学拡大器の拡大光学素子を示す。 本発明の一実施形態によるレンズ補正器の幾何学的形状を示す。 ｘ方向での図３の断面図であって、本発明の一実施形態により、静磁気ポテンシャル移動プレートが、どのようにポテンシャルをリボンビーム領域まで移動させるかを示す。 本発明の一実施形態によるレンズ補正器の封入容器を示す。 本発明の一実施形態による集束レンズ及び補正器アセンブリを示す。 本発明の一実施形態による四重極作用を示す。 本発明の一実施形態において四重極磁場を生成するのに必要な静磁気ポテンシャルを示す。 （Ａ）本発明の一実施形態における、リボンビームのビーム幅の変化を伴う静磁気ポテンシャルの変化を示す。 （Ｂ）本発明の一実施形態に関連した図９Ａに示す静磁気ポテンシャル分布に関連したリボンビーム拡大／縮小を示す。 （Ａ）本発明の一実施形態に関連した局所リボン密度の変化に関連付けられた静磁気ポテンシャル補正を示す。 （Ｂ）本発明の一実施形態に関連したｙ軸周りのステアリングに関連した局所リボンビーム密度補正を示す。 （Ａ）本発明の一実施形態に関連したリボンビームのｙステアリングを導入するための静磁気ポテンシャルを示す。 （Ｂ）本発明の一実施形態に関連したウエハ・ステアリングにおけるｘ方向へのビームの移動又はリボンビームのｙ軸周りのステアリングを示す。 本発明の一実施形態に関連したｙ軸周りのリボンビームのステアリング方式を示す。 （Ａ）本発明の一実施形態に関連したｘ軸周りの偏向を可能とする方式に関連した両方のバーに沿った静磁気分布を示す。 （Ｂ）本発明の一実施形態に関連したリボンビームのｘ軸周りのステアリングを示す。 本発明の一実施形態に関連したレンズ／ステアラー補正器要素の位相的な等価幾可学的形状を示す。 本発明の一実施形態と関連して設計された水素イオン注入装置の原理を示す。 本発明の一実施形態と関連した多層バーの断面図を示す。

Claims (35)

1. 複数の荷電粒子を半導体材料に注入して該半導体材料の特性を修正するために使用される、荷電粒子の可変集束装置であって、
   上方磁気コア部材と、
   前記上方コア部材から離間した下方磁気コア部材であって、前記上方コア部材に概ね平行として配向された下方磁気コア部材と、
   前記上方コア部材に沿って分散された複数の集束コイルユニット及び前記下方コア部材に沿って分散された複数の集束コイルユニットであって、それぞれが個別にコア部材を囲む単一の連続的電気回路を含む、複数の集束コイルユニットと、
   前記上方コア部材に沿って分散された前記複数の集束コイルユニットと、前記下方コア部材に沿って分散された前記複数の集束コイルユニットとを励磁する電流コントローラであって、励磁する際に、前記上方コア部材に沿って分散された前記複数の励磁した集束コイルユニットそれぞれの前記連続的電気回路に流れる電流の方向が、前記上方及び下方コア部材の一端から見て前記下方コア部材に沿って分散された前記複数の集束コイルユニットの前記連続的電気回路に流れる電流の方向の反対となるように構成された、電流コントローラとを含む、装置。
2. 前記上方及び下方コア部材において、前記複数の集束コイルユニットが均等に離間されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記上方及び下方コア部材において、前記複数の集束コイルユニットが同一のコイル巻数を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記電流コントローラが、前記複数の集束コイルユニットを流れる電流を個別に変化させて、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間に制御可能な磁場形状を発生させるよう構成されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記上方及び下方磁気コア部材のそれぞれに直線配列で取り付けられた磁気コア延長コイルユニットを更に含む、請求項１に記載の装置。
6. それぞれが各コア部材の一端と連通して長方形フレームを形成する２つの横材を更に含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記横材が非磁性体を含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記横材が磁性体を含む、請求項６に記載の装置。
9. 前記横材それぞれに沿って巻き付けられた少なくとも１つのコイルユニットを更に含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記上方コア部材において前記複数の集束コイルユニットと前記上方コア部材の各端部との間に配置された終端コイルユニットと、前記下方コア部材において前記複数の集束コイルユニットと前記下方コア部材の各端部との間に配置された終端コイルユニットとを更に含む、請求項１に記載の装置。
11. 前記上方コア部材に配置された前記終端コイルユニットの電流が、前記上方及び下方コア部材の一端から見て前記下方コア部材に配置された前記終端コイルユニットの電流の反対方向となる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記上方コア部材に沿って分散された前記複数の集束コイルユニットそれぞれの電流が同一方向である、請求項１に記載の装置。
13. 複数の荷電粒子を半導体材料に注入して該半導体材料の特性を修正するために使用される、荷電粒子の可変集束装置であって、
    上方磁気コア部材と、
    前記上方コア部材から離間した下方磁気コア部材であって、前記上方コア部材に概ね平行として配向された下方磁気コア部材と、
    前記上方コア部材に沿って分散された複数の集束コイルユニット及び前記下方コア部材の対応する位置に分散された複数の集束コイルユニットであって、それぞれが個別にコア部材を囲む単一の連続的電気回路を含む、複数の集束コイルユニットと、
    前記上方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットの１つと、前記下方コア部材の対応する位置に分散された集束コイルユニットの１つとを励磁する電流コントローラであって、励磁する際に、前記上方コア部材に沿って分散された前記励磁した集束コイルユニットの前記連続的電気回路に流れる電流方向が、前記上方及び下方コア部材の一端から見て前記下方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットの前記連続的電気回路に流れる電流方向の反対となるように構成されている、電流コントローラとを含む、装置。
14. 前記上方及び下方コア部材において、前記複数の集束コイルユニットが均等に離間されている、請求項１３に記載の装置。
15. 前記上方及び下方コア部材において、前記複数の集束コイルユニットが同一のコイル巻数を含む、請求項１３に記載の装置。
16. 前記電流コントローラが、前記複数の集束コイルユニットを流れる電流を個別に変化させて、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間に制御可能な磁場形状を発生させるよう構成されている、請求項１３に記載の装置。
17. 前記上方及び下方磁気コア部材のそれぞれに直線配列で取り付けられた磁気コア延長コイルユニットを更に含む、請求項１３に記載の装置。
18. それぞれが各コア部材の一端と連通して長方形フレームを形成する２つの横材を更に含む、請求項１３に記載の装置。
19. 前記横材が非磁性体を含む、請求項１８に記載の装置。
20. 半導体デバイスを製造するためのプロセスであって、
    ａ） 前記デバイスに注入されるイオンを含むイオンビームを生成する段階と、
    ｂ） 上方磁気コア部材と、前記上方コア部材から離間した下方磁気コア部材であって、前記上方コア部材に概ね平行として配向された下方磁気コア部材との間に前記イオンビームを通過させることにより前記イオンビームを集束させる段階であって、複数の集束コイルユニットが前記上方コア部材に沿って分散されると共に、複数の集束コイルユニットが前記下方コア部材の対応する位置に分散されており、前記集束コイルユニットそれぞれが個別にコア部材を囲む単一の連続的電気回路を含む、集束させる段階と、
    ｃ） 前記上方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットと、前記下方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットとを励磁する段階であって、前記上方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットの前記連続的電気回路に流れる電流の方向が、前記上方及び下方コア部材の一端から見て前記下方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットの前記連続的電気回路に流れる電流の方向の反対となるように励磁する段階と、
    ｄ） 前記集束ビームを前記デバイスに向ける段階とを含む、プロセス。
21. 前記上方コア部材において前記複数の集束コイルユニットと前記上方コア部材の各端部との間に配置された終端コイルユニットと、前記下方コア部材において前記複数の集束コイルユニットと前記下方コア部材の各端部との間に配置された終端コイルユニットとを更に含む、請求項２０に記載のプロセス。
22. 前記上方コア部材に配置された前記終端コイルユニットを、前記下方コア部材に配置された前記終端コイルユニットに流れる電流と反対方向の電流で励磁する段階とを更に含む、請求項２１に記載のプロセス。
23. 前記上方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットそれぞれの電流が同一方向である、請求項２０に記載の装置。
24. 半導体デバイスを製造するためのプロセスであって、
    ａ） 前記デバイスに注入されるイオンを含むイオンビームを生成する段階と、
    ｂ） その端部の間に所定長さを備えた上方磁気コア部材と、前記上方コア部材から離間すると共にその端部の間に前記所定長さを備えた下方磁気コア部材であって、前記上方コア部材に概ね平行で且つその端部が前記上方コア部材の前記端部と概ね位置合わせされて配向された下方磁気コア部材と、前記磁気コア部材の前記端部を連結して長方形フレームを形成する付加部材との間に前記イオンビームを通過させることにより前記イオンビームを集束させる段階であって、複数の独立した電流励磁コイルユニットが前記コア部材の両方に沿って分散されており、前記コイルユニットそれぞれが個別にコア部材を囲む単一の連続的電気回路を含む、集束させる段階と、
    ｃ） 前記上方磁気コアの前記コイルユニットに含まれる前記連続的電気回路を一方向に流れる電流で励磁し、前記下方磁気コアの前記コイルユニットに含まれる前記連続的電気回路を前記上方及び下方コア部材の一端から見て反対方向に流れる電流で励磁する段階と、
    ｄ） 前記集束ビームを前記デバイスに向ける段階とを含む、プロセス。
25. 前記付加部材それぞれに巻き付けられた少なくとも１つのコイルユニットを更に含む、請求項２４に記載のプロセス。
26. 前記付加部材のいずれかの前記少なくとも１つのコイルユニットを一方向に流れる電流で励磁し、前記対向する付加部材の前記少なくとも１つのコイルユニットを反対方向に流れる電流で励磁する段階を更に含む、請求項２５に記載のプロセス。
27. 半導体デバイスを製造するためのプロセスであって、
    ａ） 前記デバイスに注入されるイオンを含むイオンビームを生成する段階と、
    ｂ） 上方磁気コア部材と、前記上方コア部材から離間した下方磁気コア部材であって、前記上方コア部材に概ね平行として配向された下方磁気コア部材との間に前記イオンビームを通過させることにより前記イオンビームを集束させる段階であって、複数の集束コイルユニットが前記上方コア部材に沿って分散されると共に、複数の集束コイルユニットが前記下方コア部材の対応する位置に分散されており、前記集束コイルユニットそれぞれが個別にコア部材を囲む単一の連続的電気回路を含む、集束させる段階と、
    ｃ） 前記上方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットの１つと、前記下方コア部材の対応する位置に分散された集束コイルユニットの１つとを励磁する段階であって、前記上方コア部材に沿って分散された前記１つの励磁した集束コイルユニットの前記連続的電気回路に流れる電流の方向が、前記上方及び下方コア部材の一端から見て前記下方コア部材の対応する位置に分散された前記集束コイルユニットの前記連続的電気回路に流れる電流の方向の反対となる、励磁する段階と、
    ｄ） 前記集束ビームを前記デバイスに向ける段階とを含む、プロセス。
28. 前記上方コア部材において前記複数の集束コイルユニットと前記上方コア部材の各端部との間に配置された終端コイルユニットと、前記下方コア部材において前記複数の集束コイルユニットと前記下方コア部材の各端部との間に配置された終端コイルユニットとを更に含む、請求項２７に記載のプロセス。
29. 前記上方コア部材に配置された前記終端コイルユニットを、前記下方コア部材に配置された前記終端コイルユニットに流れる電流と反対方向の電流で励磁する段階とを更に含む、請求項２８に記載のプロセス。
30. 前記上方コア部材に沿って分散された前記集束コイルユニットそれぞれの電流が同一方向である、請求項２７に記載のプロセス。
31. 前記電流コントローラが、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間に画定される隙間を通過するイオンビームの収差を補正するため、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間に前記制御可能な磁場を発生させるよう更に構成されている、請求項４に記載の装置。
32. 前記電流コントローラが、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間に画定される隙間を通過するイオンビームの状態に応答して、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間の前記制御可能な磁場を調節するよう更に構成されている、請求項４に記載の装置。
33. 前記イオンビームの前記状態が前記イオンビームのイオン密度である、請求項３２に記載の装置。
34. 前記イオンビームの前記状態が前記イオンビームの形状である、請求項３２に記載の装置。
35. 前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間に画定される隙間を通過するイオンビームの強度及び角分布を測定するファラデーカップを更に含み、
    前記電流コントローラが、前記ファラデーカップにより測定される前記イオンビームの前記強度及び前記角分布に応答して、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材との間の前記制御可能な磁場を調節するよう更に構成され、
    前記電流コントローラが、前記上方磁気コア部材と前記下方磁気コア部材における渦電流の減衰率のみによって制限される時間尺度で補正を行うよう構成された、請求項４に記載の装置。

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