JP4915490B2 - イオン注入装置用の可変開口アセンブリ、ビームラインアセンブリ及びそのための制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に高エネルギーイオン注入装置に関し、特に、このような注入装置に使用する連続的に可変可能な開口に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置は、集積回路の大規模製造において、半導体に不純物を混入させるために、産業界に望ましい技術として発展してきた。高エネルギーイオン注入装置は、基板内に深く注入するために用いられる。このような深い注入は、例えば、レトログレード・ウエル(retrograde wells)を形成するために必要とされる。
【０００３】
イートン社のＧＳＤ／ＨＥ，ＧＳＤ／ＶＨＥイオン注入機は、このような高エネルギーイオン注入装置の一例である。これらの注入装置は、イオンビームを５ＭｅＶ（１００万電子ボルト）までエネルギーレベルを高めることができる。本発明の譲受人であるイートンコーポレーションに譲渡された米国特許第４，６６７，１１１号には、このような高エネルギーイオン注入装置が記載され、本明細書において以下で十分に説明するための参考文献として、ここに包含される。
【０００４】
一般的に、イオン注入は、半導体基板に上述した一連の処理または処方を用いて実行される。各一連の工程は、複数の処方を含み、それらは、特定レベルのイオンビーム電流を必要とする。異なる処方のためにイオンビーム電流を調整する方法は、特定レベルのイオンビーム電流に対するイオンビーム源の初期調整を含み、さらに、このイオンビーム源を順次異なるレベルのビーム電流に対して再調整する。
【０００５】
しかし、このような方法は、時間を浪費し、かつ通常のイオン種（例えば、ボロンまたはリン）を含むビーム処理構成が、直列連結で接続されている場合には、大きな損害を発生する。直列接続による処理構成によって短縮できる時間は、処理方法におけるイオンビーム電流源を再調整するのに必要な時間によって相殺される。
【０００６】
イオン注入装置のビームラインにおける寸法を可変できる開口を用いて、所望のイオンの同位体を１つまたはそれ以上、この開口を通過させて、基板にイオンを注入する。このような開口は、米国特許第５,１３０,５５２号明細書に示されており、ここでの開口の寸法は、各イオン注入工程に対して予め決められており、従って調整される。しかし、このような開口を高エネルギー注入装置に設けることは知られていない。
【０００７】
また、イオンビーム電流をフィードバックさせてダイナミックな調整を可能にするために使用される、このような開口用の制御回路を設けることも知られていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑みて、本発明は、注入装置用の可変開口アセンブリ、ビームラインアセンブリ及びそのための制御装置を提供することを目的としている。
また、本発明の他の目的は、高エネルギーイオン注入装置に用いる調整可能な開口を設けることである。更なる目的は、イオンビーム電流がフィードバック信号として制御装置に用いられる調整可能な開口を制御する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。本発明の可変開口アセンブリは、イオン注入装置内を通過するイオンビーム電流の量を制御するために設けられている。この開口アセンブリは、 第１,第２開口プレートを対向させることにより形成される開口と、前記第１,第２開口プレートに対してそれぞれ連結された制御アームと、前記開口プレート間のギャップを調整するために前記制御アームに対して同時に反対方向への動きを分け与え、この各移動の方向は、イオンビームが通過する方向の軸線に対して直交しており、これにより、前記開口を通過するビーム電流の量を制御するための開口駆動機構と、前記イオン注入装置を通過するイオンビームのビーム電流を表す入力に基づいて、前記開口駆動機構を制御することによって前記ギャップを調整するための閉ループ型の制御装置とを備えている。
この制御装置は、第１電流検出器で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲にある場合、前記開口の微調整を行い、第２電流検出器（36）で受入れ可能なビーム電流を生じさせ、前記第１電流検出器によって測定されるイオンビーム電流が受入れ範囲外である場合、前記開口を粗調整し、前記第１,第２電流検出器で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲内になるまで、連続して調整されるものであり、
前記第１電流検出器は、イオンビームの流れに沿って、前記開口駆動機構と加速器との間に配置され、前記第２電流検出器は、前記第１電流検出器の下流に位置する前記加速器の後方に位置しており、
イオン注入装置内を通過する実際のイオンビーム電流を表わすイオンビーム電流検出器からの第１入力信号を受け入れる第１入力と、所望のイオンビーム電流を表わす第２入力信号を受け入れる第２入力と、開口位置を表わす開口位置フィードバック機構から第３入力信号を受け入れる第３入力と、通過する前記イオンビーム電流を制御するために前記開口駆動機構に出力制御信号を出力する１つの出力と、前記第１、第２、第３の入力に基づいて前記出力制御信号を決定するための制御論理回路を含んでいることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明における制御装置は、イオン注入装置のビームラインを通過する実際のイオンビーム電流、所望のイオンビーム電流及び開口位置を表すそれぞれの入力に基づいて、開口ギャップを自動的に調整するために設けられている。すなわち、制御装置は、イオン注入装置を通過する実際のイオンビーム電流を表す電流検出装置からの第１入力信号を受け入れる第１入力と、所望のイオンビーム電流を表す第２入力信号を受け入れる第２入力と、開口位置を表す位置検出装置からの第３入力信号を受け入れる第３入力と、開口移動機構に制御信号を出力するための出力と、前記第１,第２,第３入力に基づいた出力制御信号を決定するために、これらの入力を受け入れ、かつ開口駆動機構に制御信号を出力して開口ギャップを調整する制御論理回路（122,124）を備えている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１には、高エネルギーイオン注入装置１０の概略的な平断面図が示されている。このイオン注入装置１０は、５つの部分すなわちサブ装置として、イオンビームを発生するためのイオン源(電流源）１４とイオンビームを質量分析するための質量分析磁石１６とを含むインジェクタ１２；イオンビームを高エネルギーで加速する複数の共振器モジュール２０を含む無線周波（RF)リニア加速器(linac)１８；加速されたイオンビームの質量分析を実行するための最終エネルギー磁石(FEM)２２；イオンビームの最終分解及び調整のためのリゾルバハウジング２３;イオンビームによって注入されるウエハを支持する回転ディスク２６を含む端部ステーション２４を含んでいる。
【００１２】
Linac（ライナック）１８の入口にある質量分析磁石１６の後に連続的に可変できる開口アセンブリが配置されており、この可変開口アセンブリ３０は、質量分析磁石１６からライナック１８に通過するイオンビーム電流の量を制御するように機能する。可変開口アセンブリ３０の直後に第１フラッグファラデー(第１電流検出器）３１が配置され、このフラッグファラデーは、開口アセンブリ３０から出てライナックに入るビーム電流を測定するのに用いられる。
【００１３】
質量分析磁石１６は、適当な電荷質量比を有するイオン源１４によって発生したイオンだけＲＦライナック１８を通過するように機能する。適切な電荷質量比のイオンを発生するのに加えて、所望の電荷質量比より大きいかまたは小さい電荷質量比のイオンを発生する場合に、質量分析磁石が必要とされる。不適当な電荷質量比を有するイオンは、ウエハ内にイオン注入するのに適していない。
【００１４】
質量分析磁石１６を通過するイオンビームは、一般的に、単一の同位体からなり、ＲＦライナック１８の中を通過して、付加的なエネルギーが与えられる。ＲＦライナック１８は、粒子を加速する磁界を生じ、時間に対して磁界を周期的に変化させ、その位相は、異なる速度を有する粒子と同様に異なる原子量の粒子を収容するために調整することができる。
【００１５】
ＲＦライナック１８における複数の共振器モジュール２０の各々は、前のモジュールで達成されるエネルギーを越えるエネルギーでイオンをさらに加速する機能を有する。リゾルブハウジング２３は、ライナック１８の下流に位置する。このハウジングは、第２のフラッグファラデー(第２電流検出器）３５を含み、ウエハにイオン注入する前にイオンビームの電流を測定する。
【００１６】
連続的に可変できる開口アセンブリ３０は、質量分析磁石１６とＲＦライナック１８の間に配置されており、図２において詳細に示されている。可変開口アセンブリ３０は、取付プレート３４の内側に一般的に置かれる開口サブアセンブリ３２と、取付プレート３４の外側に一般的に置かれる開口駆動機構３６とを含んでいる。取付プレート３４は、イオン注入ビームラインの内部と外部の間の境界を定め、ビームラインの内部は、真空状態下で作動し、外部は、周囲の大気圧中に置かれる。取付プレートは、水等の冷却媒体によって冷却され、この冷却媒体は、入口３８と出口４０を介して内部チャネルを介して運ばれる。
【００１７】
開口サブアセンブリ３２は、グラファイト製の固定開口４２と、その後方にあるグラファイト製の可変開口４４とを含み、この可変開口は、開口プレート４４Ａ,４４Ｂを備えている。開口プレート４４Ａ,４４Ｂは、ステンレス製の制御アーム４６Ａ,４６Ｂにそれぞれネジ等の締結手段により取り付けられる。
【００１８】
開口プレート４４Ａ,４４Ｂ（図３参照）間のギャップ５０は、長手方向軸線４９を有する空間を定め、図１のイオン注入装置の作動中に、このギャップ間をイオンビームが通過する。さらに、以下で説明するように、開口駆動機構３６は、制御アーム４６Ａ,４６Ｂを軸線５１に対して平行な方向に互いに離間接近して開口プレート４４Ａ,４４Ｂ間のギャップの幅を変えるように移動する。軸線５１は、一般的に、イオンビームの移動に沿う軸線に対してほぼ垂直である。
【００１９】
図２および図３において、開口駆動機構３６は、固定の取付ブロック５２を有し、この取付ブロックは、リニアシャフト（タイバー）５４,５６によって取付プレート３４から所定の距離だけ離れている。タイバー５４,５６は、それぞれマウント５８,６０を介して取付プレート３４に取り付けられている。このタイバーは、これに沿って開口駆動機構の移動部分を摺動させるための手段を与えて、開口プレート４４Ａ,４４Ｂ間のギャップを調整できるようにする。
【００２０】
制御アーム４６Ａ（これに開口プレート４４Ａが取付られている）は、タイバー５６に沿って両方向に摺動するブロックアセンブリ６２,６４,６６に連結されている。制御アーム４６Ａは、ブロック６２に取付られており、このブロック６２はブロック６４に固定され、ブロック６４はブロック６６に固定されている。
【００２１】
したがって、軸線５１に対して平行にブロック６６を移動することによって、タイバー５６に沿って摺動するブロック６４に動きが伝えられ、それによって、ブロック６２と制御アーム４６Ａに対して、対応する軸方向移動が与えられる。こうして、全ブロックアセンブリ６２,６４,６６は、軸５１に対して平行な方向に移動する。伸長可能なスチール製のベローズ７０が、制御アーム４６Ａと取付プレート３４の外側との境界に設けられており、取付プレート３４の内側を真空状態に保ち、また一方で、制御アーム４６Ａが取付プレート３４を介して移動できるようにする。
【００２２】
同様に、制御アーム４６Ｂ（これに開口プレート４４Ｂが取付られている）は、タイバー５４に沿って両方向に摺動するブロックアセンブリ７２,７４,７６に連結されている。制御アーム４６Ｂは、ブロック７２に取付られており、このブロック７２はブロック７４に固定され、ブロック７４はブロック７６に固定されている。
【００２３】
したがって、軸線５１に対して平行にブロック７６を移動することによって、タイバー５４に沿って摺動するブロック７４に動きが伝えられ、それによって、ブロック７２と制御アーム４６Ｂに対して対応する軸方向移動が与えられる。こうして、全ブロックアセンブリ７２,７４,７６は、軸５１に対して平行な方向に移動する。伸長可能なスチール製のベローズ８０が制御アーム４６Ｂと取付プレート３４の外側との境界に設けられて取付プレート３４の内側を真空状態に保ち、また一方で、制御アーム４６Ｂが取付プレートを介して移動できるようにする。
【００２４】
ブロックアセンブリ６２,６４,６６及び７２,７４,７６は、電動化したねじ付きシャフトアセンブリによって、軸線５１に対して平行で互いに反対方向に離間接近するように移動する。ネジ付きシャフトアセンブリは、直流モータ８２とネジ付きシャフト８４とを有する。ネジ付きシャフト８４は、第１ネジ付き部分８４Ａを備え、この部分は、軸受マウント８６によって、取付ブロック５２に連結された端部を有する。ネジ付きシャフト８４は、対向する第２ネジ付き部分８４Ｂを備え、この部分は、内部軸受(図示略）によって、取付プレート５２に連結された端部を有する。
【００２５】
このように、ネジ付きシャフト８４は、それらの端部が取付ブロック５２と取付プレート３４に固定され、また一方、軸線５１に沿って、両方向に回転できるようになっている。ブロック７６は、第１ネジ付き部分８４Ａと噛み合う内側ネジを備え、また、ブロック６６は、第２ネジ付き部分８４Ｂと噛み合う内側ネジを備えている。
【００２６】
直流モータ８２は、軸継手８８によってネジ付きシャフト８４に連結されている。動力は、リード線９０を介してモータ８２に加えられる。逆方向にバイアスされた電圧を直流モータに加えることによって、ネジ付きシャフト８４は、反対方向に回転する。第１,第２ネジ付き部分８４Ａ,８４Ｂは、反対方向にネジが切られているので、ネジ付きシャフトの回転は、ブロックアセンブリ６２,６４,６６を軸線５１に対して平行な一方向に移動する。このブロックアセンブリは、それぞれの制御アーム４６Ａ,４６Ｂに連結されている。
【００２７】
こうして、直流モータ８２を作動する電圧の正しい極性を選択することによって、開口ギャップ５０の幅は、互いに離間接近する開口プレート４４Ａ，４４Ｂを移動することによって、大きくまたは小さくすることができる。この方法により、開口４４を介して通過するイオンビーム電流は調整される。開口プレート４４Ａ,４４Ｂは、閉位置において互いに重なりまたは隣接させて、イオンビーム電流を通過させないようにすることもできる。好ましい実施形態では、傾斜角αは開口４４の軸線４９によって定められ、また、軸線５１は４５°程度の角度に固定される。
【００２８】
図２および図３において設けられた電動化したネジ付きシャフトアセンブリに代わるものとして、電動化したラックとピニオンのアセンブリ(図示略）がある。一対のラックバー間に配置されたピニオンをモータ駆動で回転移動させるために、一対のラックバーに対して反対方向の動きを与える。各ラックバーをそれぞれの制御アームに連結することにより、モータによるピニオンの回転移動を開口ギャップを調整するために使用することができる。
【００２９】
開口４４を通過するイオンビームは、かなりの熱量を発生するので、制御アーム４６Ａ,４６Ｂは、水等の媒体によって冷却される。制御アーム４６Ａは、内側シース９２と外側シース９４を用いる同軸構造を備え、内側シースの中に水が入口９６を介して噴射され、外側シースを介して水が出口９８から放出される。同様に、制御アーム４６Ｂは、内側シース１００と外側シース１０２を用いる同軸構造を備え、内側シースの中に水が入口１０４を介して噴射され、外側シースを介して水が出口１０６から放出される。
【００３０】
制御アーム４６Ａ,４６Ｂの位置は、取り付けブロック５２に取り付けられる近接スイッチ１０８,１１０を用いて監視することができる。フィン１１２,１１４は、それぞれブロック７２,６２に取り付けられ、フィンがスイッチに密接した状態にあるとき、それぞれのスイッチ１０８,１１０がオンする。
【００３１】
スイッチ１０８が作動すると、開口４４は、最も閉じた位置にあり、スイッチ１１０が作動すると、開口４４は、最も開いた位置(好適な実施形態では、概略０．１６インチ（0.41ｃｍ）となる。さらに、リニアポテンショメータ(開口位置検出装置）は、プランジャー１１６と受け入れ部分１１８を含み、この受け入れ部分には、ブロックアセンブリ６２,６４,６６および７２,７４,７６間の距離を表示するためにネジ付きシャフトアセンブリを含むこともできる。これにより、開口４４の位置の表示と開口ギャップ５０の幅を与える。このような位置情報を与えるために、上記の代わりに、回転エンコーダを直流モータ軸またはネジ付きシャフト８４に連結することもできる。
【００３２】
図４は、図２及び図３の連続的に可変できる開口を制御するのに使用される閉ループ回路、すなわち、制御装置１２０を概略的に示している。この制御装置１２０は、ソフトウエアまたはハードウエアのいずれも含ませることができる。特定の工程によって規定されるように所望のイオンビーム電流が回路に入力し、第２フラグファラデー３５によって設けられるイオンビーム電流測定およびリニアポテンショメータ(フィードバック機構）１１６,１１８によって与えられる開口位置の表示が実行される。回路１２０の出力は、制御信号すなわち直流モータ８２に供給される信号であり、制御アームの動きを制御して開口４４のギャップ５０を制御する。
【００３３】
比較器１２２は、所望のイオンビーム電流と、第２フラグファラデー３５からの測定されたビーム電流とを比較する。このビーム電流情報は、５０ミリ秒ごとに与えられ、ソフトウエアのデータベースに記憶される。比較器の出力は、モータコントローラ１２４に入力され、この信号は、測定されたイオンビーム電流が所望のイオンビーム電流よりも大きいか小さいかに基づいてモータ８２を制御する制御論理信号を含んでいる。測定されたイオンビーム電流が所望のイオンビーム電流よりも大きい場合、モータコントローラは、第１制御信号１２６を発生して、直流モータを第１方向に回転して、開口プレート４４Ａ，４４Ｂが互いに近づくように移動させる。こうして、開口ギャップ５０は狭くなり、イオンビーム電流を少なくしてライナック１８に供給する。
【００３４】
しかし、測定されたイオンビーム電流が、所望のイオンビーム電流よりも少ない場合、モータコントローラは、第２制御信号を発生して、直流モータを第２方向(第１方向とは逆）に回転して、開口プレート４４Ａ，４４Ｂが互いに離れるように移動させる。こうして、開口ギャップ５０は広くなり、イオンビーム電流を多くしてライナック１８に供給する。さらに、モータコントローラ１２４は、線形ポテンショメータ１１６,１１８から開口位置のフィードバック信号が供給される（このように、制御回路１２０は、閉ループで作動する）。
【００３５】
図４の開口制御機構は、所望の作動パラメータと感知された作動状態に基づいて、図１のイオン注入装置のイオンビーム電流を調整するために使用される全制御アルゴリズムの一部である。概略的なフローチャートは、この全制御アルゴリズム１３０を表し、このアルゴリズムは、図５に示され、ハードウエアまたはソフトウエアを含んでいる。この装置の調整方法の第１ステップ１３２では、イオンビームの経路内にフラッグを配置することによって第１フラグファラデー３１を閉じることを含んでおり、このフラッグは、従来技術で知られるように、連続的に可変できる開口３０のすぐ下流に配置されている。
【００３６】
次に、ステップ１３４では、開口４４の位置がプリセットされる。これは、イオン注入装置における過去の作動履歴に基づいて開口のギャップ５０を設定することを含んでいる。次に、ステップ１３６では、ライナック１８が所望の作動パラメータにプリセットされる。
【００３７】
判定ステップ１３８は、第１フラグファラデー３１を用いてイオンビーム電流を測定することを含んでいる。イオンビーム電流が、受け入れ可能な範囲内にある場合、連続的に可変できる開口アセンブリ３０の微調整が、下流の第２フラグファラデー３５で測定された受け入れ可能なビーム電流に生じるので、ステップ１４０において第１フラグファラデー３１は開き、そして、イオンビームは、開口３０を通ることができてライナック１８に入る。
【００３８】
しかし、第１フラグファラデー３１によって測定されたイオンビーム電流は、受け入れ可能な範囲外にあり、連続的に可変できる開口３０を調整しても、下流の第２フラグファラデー３５で測定されたビーム電流も受け入れ可能なビーム電流を生じないので、開口位置は、ステップ１４２において調整(例えば、粗い調整）されなければならない。
【００３９】
開口４４の位置を粗調整した後、判定ステップ１４４において、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流が受け入れ可能範囲にある場合、第１フラグファラデー３１は開かれる。しかし、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流が受け入れ可能範囲外にまだある場合、イオンビーム源１４は、ステップ１４６において、再調整されなければならない。イオン源１４の再調整後、判定ステップ１４８において、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流が受け入れ可能範囲内にある場合、第１フラグファラデー３１は開かれる。
【００４０】
しかし、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流がまだ受け入れ可能範囲外にある場合、イオンビーム源１４は、再びステップ１４６において再調整されなければならない。ステップ１４６とステップ１４８によって与えられるループは、タイムアウト機構が設けられているので当然無限ではないが、この場合、イオン源１４が所望の電流出力に対して調整できないことがわかる。
【００４１】
次に、ステップ１５０において、インジェクタ１２は、ライナック１８内にイオンビームが整列するように調整される。判定ステップ１５２は、第２フラグファラデー３５を用いてイオンビーム電流を測定することを含んでいる。イオンビーム電流が受け入れ可能範囲内にあれば、システム調整は、ステップ１５４において完了し、第２フラグファラデー３５は開かれる。しかし、イオンビーム電流が、受け入れ可能範囲内になければ、開口ギャップ５０は、図４の閉ループ回路、すなわち、制御回路１２０を起動することによってステップ１５６において微調整を行わなければならない。回路１２０が閉ループであるので、開口位置は、第２フラグファラデー３５での測定ビーム電流が受け入れ可能範囲内となるまで、連続して調整される。この時点で、システム調整は、ステップ１５４で完了し、第２フラグファラデー３５が開かれる。
【００４２】
図５の方法を用いることによって、イオンビーム電流における重要な変化をイオン源の再調整なしで迅速に達成することができる。さもないと、このために、多くの時間を消費する工程が必要となる。さらに、本発明は、イオンビーム電流を変化させる方法がより直接的であり、かつ正確になっている。
【００４３】
これに反して、イオン源の再調整は、更なる調整がなされる前に各調整の結果を分析する必要がある、より反動的で間接的な工程を多く含んでおり、これでは、本発明により提供される正確なビーム電流の調整を行うことができない。たとえば、好ましい実施形態では、開口４４の位置は、約５ミクロン(μm)の精度で制御することができる(すなわち、各制御アームは、それぞれの開口プレートを２．５ミクロン移動する）。これは、イオンビーム電流に関して単に０．１％に相当する。すなわち、イオンビーム電流が、開口ギャップ５０の幅を横切って均質であると仮定して、例えば、開口４４が完全に開いた場合に１００μＡで放出された電流は、次に続く各ステップにおいて、１μＡ程度の制御が可能になる。
【００４４】
図４の論理回路を用いる作業において、回路１２０は、所望のイオンビーム電流、測定されたビーム電流(第２フラグファラデー３５から）、及び開口位置（リニアポテンショメータまたは回転エンコーダのいずれかから）を調べる。測定されたビーム電流と所望のビーム電流の比較は、好ましい作動モードにおいて、少なくとも１秒間に１回繰り返して行われる。
【００４５】
図６および図７は、図４の論理回路を用いて、開口位置の調整に応答するビーム電流をグラフで示したものである。図６は、漸近法としてここに参照する第１の好ましい制御方法に基づいている。図７は、２分割法としてここに参照する第２の好ましい制御方法に基づいている。
【００４６】
漸近法（図６）では、時間t1において、所望のビーム電流と実際のビーム電流との間の差に基づいて、誤差信号が回路１２０により発生する。現在の開口位置がポテンショメータまたはエンコーダのフィードバック信号に基づいて決定される。測定された電流が所望の電流(図示略）より大きい場合、モータ８２を一方向に回転させて開口ギャップ５０を狭めるために、制御信号１２６が発生する。また、測定された電流が所望の電流(図６）より小さい場合、モータ８２を他方向に回転させて開口ギャップ５０を広くするために、制御信号１２８が発生する。開口位置のフィードバックを用いることにより、制御回路１２０は、現在の開口位置と評価した必要な開口位置とを決定することができる。
【００４７】
時間t1の後で約１秒またはそれより少ない時間が経過した時間t2において、第２の誤差信号が発生し、再び制御信号１２８がモータを駆動して開口ギャップ５０を広くさせる。図６において、所望のビーム電流と測定されたビーム電流との２つの付加的な比較 (時間t3と時間t4において）がなされる。そして、対応する誤差信号が示される。この手順は、測定されたビーム電流が受け入れ可能な範囲内に入るまで続行される。
【００４８】
モータが駆動される時点での速度、および開口が開閉する速度は、誤差信号の大きさと開口位置による。こうして、図６の時間t1において、第１(最大振幅)誤差信号が発生するとき、モータは、最も高速度で駆動される。次に続く時間（t2〜t4）において、誤差信号の振幅は、徐々に小さくなり、モータもより低速で駆動される。また、誤差信号の振幅がゼロに近づくと、モータは、停止するように早急に指示され、装置内の運動量を調整する。このように、図６に示す測定されたビーム電流は、所望のビーム電流目標値を越えないで、このビーム電流目標値に漸近的に近づく。
【００４９】
２分割法(図７）では、時間t1において、所望のビーム電流と実際のビーム電流との比較が回路１２０によりなされる。現在の開口位置は、ポテンショメータまたはエンコーダのフィードバック信号に基づいて決定される。測定された電流が所望の電流(図示略）より大きい場合、モータ８２を一方向に回転させて開口ギャップ５０を狭めるために、制御信号１２６が発生する。また、測定された電流が所望の電流(図７）より小さい場合、モータ８２を他方向に回転させて開口ギャップ５０を広くするために、制御信号１２８が発生する。
【００５０】
２分割法では、モータ８２は、時間t1での位置から時間t2での位置まで開口を移動するように指示され、最大距離の半分だけ正しい方向に移動できる。こうして、ポテンショメータまたはエンコーダは、開口が位置２０の状態(位置０が完全に閉じた状態で、位置１００が完全に開いた状態）を示し、かつ測定されたビーム電流が所望のビーム電流よりも小さい場合、モータ８２は、位置２０（ほぼ閉じた状態）から位置６０(少なくとも半分開いた状態）まで移動するように指示される。ギャップが４０の増分（位置２０から位置６０まで）だけ広がることは、現在の位置２０と完全に開いた位置１００との差の半分を表す。
【００５１】
時間t2において、回路１２０によって所望のビーム電流と実際のビーム電流との第２の比較がなされる。再び、現在の開口位置(６０）が判定される。図７の場合、所望のビーム電流が超過し、モータが、位置４０まで閉じるように指示される(現在位置６０と元の位置２０との間の半分の距離）。時間t3において、第３の比較がなされ、開口位置が決定される。図７に示すように、所望のビーム電流に到達しないと、モータ８２は、位置５０まで開くように指示される（現在位置４０と以前の位置６０との間の半分の距離）。時間t4において、第４の比較がなされ、測定されたビーム電流が今受け入れ可能な範囲内にあるので、開口位置は、位置５０に固定のままとなる。
【００５２】
実際には、本発明の連続的に可変できる開口アセンブリ３０を用いて、ビーム電流は、非常に短い時間、約２０秒程度で、特定の方法に対して調整できることが判明した。この時間は、連続的に可変できる開口を使用しない場合に、イオン源を再調整するのに必要となる２分ないし３分程度の時間と対比される。このように、本発明は、イオン注入装置１０におけるイオンビーム電流を調整するために効率的でかつ急速に作動する機構を提供する。
【００５３】
以上、イオン注入装置における可変開口を操作するための方法及び装置の好ましい実施形態について説明してきた。しかし、上述の記載は、一例としてのみ作られたものであり、本発明は、ここに記載した特定の実施形態に制限されるものではなく、種々の再構成、修正、置換が、特許請求の範囲およびこれに等価な構成によって限定されるものである限り、本発明の範囲から逸脱しないで作ることができることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の原理に従って構成された、連続的に可変できる開口を含むイオン注入装置の断面図である。
【図２】図１に示すイオン注入装置で示された連続的に可変できる開口アセンブリの斜視図である。
【図３】図２の可変開口アセンブリの平面図である。
【図４】図２及び図３の可変開口を制御するために使用される制御ループ機構を示す回路構成図である。
【図５】図４の開口制御機構を含む作動パラメータに基づいて、図１におけるイオンビーム電流を調整するために利用する全制御アルゴリズムを表す概略フローチャート図である。
【図６】第１の好ましい制御方法に基づいて図４の制御ループ機構の調整に応答したビーム電流を表すグラフ図である。
【図７】第２の好ましい制御方法に基づいて図４の制御ループ機構の調整に応答したビーム電流を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１０ イオン注入装置
１２ インジェクタ
１４ イオンビーム源
１６ 質量分析磁石
１８ ＲＦライナック
３０ 可変開口アセンブリ
３１ 第１フラグファラデー（第１検出器）
３４ 取付プレート
３５ 第２フラグファラデー（第２検出器）
３６ 開口駆動機構
４４ 可変開口
４４Ａ，４４Ｂ 開口プレート
４６Ａ，４６Ｂ 制御アーム
５０ ギャップ
８２ モータ
１１６,１１８ ポテンショメータ
１２０ 制御回路
１２６,１２８ 制御信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に高エネルギーイオン注入装置に関し、特に、このような注入装置に使用する連続的に可変可能な開口に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置は、集積回路の大規模製造において、半導体に不純物を混入させるために、産業界に望ましい技術として発展してきた。高エネルギーイオン注入装置は、基板内に深く注入するために用いられる。このような深い注入は、例えば、レトログレード・ウエル(retrograde wells)を形成するために必要とされる。
【０００３】
イートン社のＧＳＤ／ＨＥ，ＧＳＤ／ＶＨＥイオン注入機は、このような高エネルギーイオン注入装置の一例である。これらの注入装置は、イオンビームを５ＭｅＶ（１００万電子ボルト）までエネルギーレベルを高めることができる。本発明の譲受人であるイートンコーポレーションに譲渡された米国特許第４，６６７，１１１号には、このような高エネルギーイオン注入装置が記載され、本明細書において以下で十分に説明するための参考文献として、ここに包含される。
【０００４】
一般的に、イオン注入は、半導体基板に上述した一連の処理または処方を用いて実行される。各一連の工程は、複数の処方を含み、それらは、特定レベルのイオンビーム電流を必要とする。異なる処方のためにイオンビーム電流を調整する方法は、特定レベルのイオンビーム電流に対するイオンビーム源の初期調整を含み、さらに、このイオンビーム源を順次異なるレベルのビーム電流に対して再調整する。
【０００５】
しかし、このような方法は、時間を浪費し、かつ通常のイオン種（例えば、ボロンまたはリン）を含むビーム処理構成が、直列連結で接続されている場合には、大きな損害を発生する。直列接続による処理構成によって短縮できる時間は、処理方法におけるイオンビーム電流源を再調整するのに必要な時間によって相殺される。
【０００６】
イオン注入装置のビームラインにおける寸法を可変できる開口を用いて、所望のイオンの同位体を１つまたはそれ以上、この開口を通過させて、基板にイオンを注入する。このような開口は、米国特許第５,１３０,５５２号明細書に示されており、ここでの開口の寸法は、各イオン注入工程に対して予め決められており、従って調整される。しかし、このような開口を高エネルギー注入装置に設けることは知られていない。
【０００７】
また、イオンビーム電流をフィードバックさせてダイナミックな調整を可能にするために使用される、このような開口用の制御回路を設けることも知られていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑みて、本発明は、注入装置用の可変開口アセンブリ、ビームラインアセンブリ及びそのための制御装置を提供することを目的としている。
また、本発明の他の目的は、高エネルギーイオン注入装置に用いる調整可能な開口を設けることである。更なる目的は、イオンビーム電流がフィードバック信号として制御装置に用いられる調整可能な開口を制御する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。本発明の可変開口アセンブリは、イオン注入装置内を通過するイオンビーム電流の量を制御するために設けられている。この開口アセンブリは、 第１,第２開口プレートを対向させることにより形成される開口と、前記第１,第２開口プレートに対してそれぞれ連結された制御アームと、前記開口プレート間のギャップを調整するために前記制御アームに対して同時に反対方向への動きを分け与え、この各移動の方向は、イオンビームが通過する方向の軸線に対して直交しており、これにより、前記開口を通過するビーム電流の量を制御するための開口駆動機構と、前記イオン注入装置を通過するイオンビームのビーム電流を表す入力に基づいて、前記開口駆動機構を制御することによって前記ギャップを調整するための閉ループ型の制御装置とを備えている。
この制御装置は、第１電流検出器で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲にある場合、前記開口の微調整を行い、第２電流検出器（36）で受入れ可能なビーム電流を生じさせ、前記第１電流検出器によって測定されるイオンビーム電流が受入れ範囲外である場合、前記開口を粗調整し、前記第１,第２電流検出器で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲内になるまで、連続して調整されるものであり、
前記第１電流検出器は、イオンビームの流れに沿って、前記開口駆動機構と加速器との間に配置され、前記第２電流検出器は、前記第１電流検出器の下流に位置する前記加速器の後方に位置しており、
イオン注入装置内を通過する実際のイオンビーム電流を表わすイオンビーム電流検出器からの第１入力信号を受け入れる第１入力と、所望のイオンビーム電流を表わす第２入力信号を受け入れる第２入力と、開口位置を表わす開口位置フィードバック機構から第３入力信号を受け入れる第３入力と、通過する前記イオンビーム電流を制御するために前記開口駆動機構に出力制御信号を出力する１つの出力と、前記第１、第２、第３の入力に基づいて前記出力制御信号を決定するための制御論理回路を含んでいることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明における制御装置は、イオン注入装置のビームラインを通過する実際のイオンビーム電流、所望のイオンビーム電流及び開口位置を表すそれぞれの入力に基づいて、開口ギャップを自動的に調整するために設けられている。すなわち、制御装置は、イオン注入装置を通過する実際のイオンビーム電流を表す電流検出装置からの第１入力信号を受け入れる第１入力と、所望のイオンビーム電流を表す第２入力信号を受け入れる第２入力と、開口位置を表す位置検出装置からの第３入力信号を受け入れる第３入力と、開口移動機構に制御信号を出力するための出力と、前記第１,第２,第３入力に基づいた出力制御信号を決定するために、これらの入力を受け入れ、かつ開口駆動機構に制御信号を出力して開口ギャップを調整する制御論理回路（122,124）を備えている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１には、高エネルギーイオン注入装置１０の概略的な平断面図が示されている。このイオン注入装置１０は、５つの部分すなわちサブ装置として、イオンビームを発生するためのイオン源(電流源）１４とイオンビームを質量分析するための質量分析磁石１６とを含むインジェクタ１２；イオンビームを高エネルギーで加速する複数の共振器モジュール２０を含む無線周波（RF)リニア加速器(linac)１８；加速されたイオンビームの質量分析を実行するための最終エネルギー磁石(FEM)２２；イオンビームの最終分解及び調整のためのリゾルバハウジング２３;イオンビームによって注入されるウエハを支持する回転ディスク２６を含む端部ステーション２４を含んでいる。
【００１２】
Linac（ライナック）１８の入口にある質量分析磁石１６の後に連続的に可変できる開口アセンブリが配置されており、この可変開口アセンブリ３０は、質量分析磁石１６からライナック１８に通過するイオンビーム電流の量を制御するように機能する。可変開口アセンブリ３０の直後に第１フラッグファラデー(第１電流検出器）３１が配置され、このフラッグファラデーは、開口アセンブリ３０から出てライナックに入るビーム電流を測定するのに用いられる。
【００１３】
質量分析磁石１６は、適当な電荷質量比を有するイオン源１４によって発生したイオンだけＲＦライナック１８を通過するように機能する。適切な電荷質量比のイオンを発生するのに加えて、所望の電荷質量比より大きいかまたは小さい電荷質量比のイオンを発生する場合に、質量分析磁石が必要とされる。不適当な電荷質量比を有するイオンは、ウエハ内にイオン注入するのに適していない。
【００１４】
質量分析磁石１６を通過するイオンビームは、一般的に、単一の同位体からなり、ＲＦライナック１８の中を通過して、付加的なエネルギーが与えられる。ＲＦライナック１８は、粒子を加速する磁界を生じ、時間に対して磁界を周期的に変化させ、その位相は、異なる速度を有する粒子と同様に異なる原子量の粒子を収容するために調整することができる。
【００１５】
ＲＦライナック１８における複数の共振器モジュール２０の各々は、前のモジュールで達成されるエネルギーを越えるエネルギーでイオンをさらに加速する機能を有する。リゾルブハウジング２３は、ライナック１８の下流に位置する。このハウジングは、第２のフラッグファラデー(第２電流検出器）３５を含み、ウエハにイオン注入する前にイオンビームの電流を測定する。
【００１６】
連続的に可変できる開口アセンブリ３０は、質量分析磁石１６とＲＦライナック１８の間に配置されており、図２において詳細に示されている。可変開口アセンブリ３０は、取付プレート３４の内側に一般的に置かれる開口サブアセンブリ３２と、取付プレート３４の外側に一般的に置かれる開口駆動機構３６とを含んでいる。取付プレート３４は、イオン注入ビームラインの内部と外部の間の境界を定め、ビームラインの内部は、真空状態下で作動し、外部は、周囲の大気圧中に置かれる。取付プレートは、水等の冷却媒体によって冷却され、この冷却媒体は、入口３８と出口４０を介して内部チャネルを介して運ばれる。
【００１７】
開口サブアセンブリ３２は、グラファイト製の固定開口４２と、その後方にあるグラファイト製の可変開口４４とを含み、この可変開口は、開口プレート４４Ａ,４４Ｂを備えている。開口プレート４４Ａ,４４Ｂは、ステンレス製の制御アーム４６Ａ,４６Ｂにそれぞれネジ等の締結手段により取り付けられる。
【００１８】
開口プレート４４Ａ,４４Ｂ（図３参照）間のギャップ５０は、長手方向軸線４９を有する空間を定め、図１のイオン注入装置の作動中に、このギャップ間をイオンビームが通過する。さらに、以下で説明するように、開口駆動機構３６は、制御アーム４６Ａ,４６Ｂを軸線５１に対して平行な方向に互いに離間接近して開口プレート４４Ａ,４４Ｂ間のギャップの幅を変えるように移動する。軸線５１は、一般的に、イオンビームの移動に沿う軸線に対してほぼ垂直である。
【００１９】
図２および図３において、開口駆動機構３６は、固定の取付ブロック５２を有し、この取付ブロックは、リニアシャフト（タイバー）５４,５６によって取付プレート３４から所定の距離だけ離れている。タイバー５４,５６は、それぞれマウント５８,６０を介して取付プレート３４に取り付けられている。このタイバーは、これに沿って開口駆動機構の移動部分を摺動させるための手段を与えて、開口プレート４４Ａ,４４Ｂ間のギャップを調整できるようにする。
【００２０】
制御アーム４６Ａ（これに開口プレート４４Ａが取付られている）は、タイバー５６に沿って両方向に摺動するブロックアセンブリ６２,６４,６６に連結されている。制御アーム４６Ａは、ブロック６２に取付られており、このブロック６２はブロック６４に固定され、ブロック６４はブロック６６に固定されている。
【００２１】
したがって、軸線５１に対して平行にブロック６６を移動することによって、タイバー５６に沿って摺動するブロック６４に動きが伝えられ、それによって、ブロック６２と制御アーム４６Ａに対して、対応する軸方向移動が与えられる。こうして、全ブロックアセンブリ６２,６４,６６は、軸５１に対して平行な方向に移動する。伸長可能なスチール製のベローズ７０が、制御アーム４６Ａと取付プレート３４の外側との境界に設けられており、取付プレート３４の内側を真空状態に保ち、また一方で、制御アーム４６Ａが取付プレート３４を介して移動できるようにする。
【００２２】
同様に、制御アーム４６Ｂ（これに開口プレート４４Ｂが取付られている）は、タイバー５４に沿って両方向に摺動するブロックアセンブリ７２,７４,７６に連結されている。制御アーム４６Ｂは、ブロック７２に取付られており、このブロック７２はブロック７４に固定され、ブロック７４はブロック７６に固定されている。
【００２３】
したがって、軸線５１に対して平行にブロック７６を移動することによって、タイバー５４に沿って摺動するブロック７４に動きが伝えられ、それによって、ブロック７２と制御アーム４６Ｂに対して対応する軸方向移動が与えられる。こうして、全ブロックアセンブリ７２,７４,７６は、軸５１に対して平行な方向に移動する。伸長可能なスチール製のベローズ８０が制御アーム４６Ｂと取付プレート３４の外側との境界に設けられて取付プレート３４の内側を真空状態に保ち、また一方で、制御アーム４６Ｂが取付プレートを介して移動できるようにする。
【００２４】
ブロックアセンブリ６２,６４,６６及び７２,７４,７６は、電動化したねじ付きシャフトアセンブリによって、軸線５１に対して平行で互いに反対方向に離間接近するように移動する。ネジ付きシャフトアセンブリは、直流モータ８２とネジ付きシャフト８４とを有する。ネジ付きシャフト８４は、第１ネジ付き部分８４Ａを備え、この部分は、軸受マウント８６によって、取付ブロック５２に連結された端部を有する。ネジ付きシャフト８４は、対向する第２ネジ付き部分８４Ｂを備え、この部分は、内部軸受(図示略）によって、取付プレート５２に連結された端部を有する。
【００２５】
このように、ネジ付きシャフト８４は、それらの端部が取付ブロック５２と取付プレート３４に固定され、また一方、軸線５１に沿って、両方向に回転できるようになっている。ブロック７６は、第１ネジ付き部分８４Ａと噛み合う内側ネジを備え、また、ブロック６６は、第２ネジ付き部分８４Ｂと噛み合う内側ネジを備えている。
【００２６】
直流モータ８２は、軸継手８８によってネジ付きシャフト８４に連結されている。動力は、リード線９０を介してモータ８２に加えられる。逆方向にバイアスされた電圧を直流モータに加えることによって、ネジ付きシャフト８４は、反対方向に回転する。第１,第２ネジ付き部分８４Ａ,８４Ｂは、反対方向にネジが切られているので、ネジ付きシャフトの回転は、ブロックアセンブリ６２,６４,６６を軸線５１に対して平行な一方向に移動する。このブロックアセンブリは、それぞれの制御アーム４６Ａ,４６Ｂに連結されている。
【００２７】
こうして、直流モータ８２を作動する電圧の正しい極性を選択することによって、開口ギャップ５０の幅は、互いに離間接近する開口プレート４４Ａ，４４Ｂを移動することによって、大きくまたは小さくすることができる。この方法により、開口４４を介して通過するイオンビーム電流は調整される。開口プレート４４Ａ,４４Ｂは、閉位置において互いに重なりまたは隣接させて、イオンビーム電流を通過させないようにすることもできる。好ましい実施形態では、傾斜角αは開口４４の軸線４９によって定められ、また、軸線５１は４５°程度の角度に固定される。
【００２８】
図２および図３において設けられた電動化したネジ付きシャフトアセンブリに代わるものとして、電動化したラックとピニオンのアセンブリ(図示略）がある。一対のラックバー間に配置されたピニオンをモータ駆動で回転移動させるために、一対のラックバーに対して反対方向の動きを与える。各ラックバーをそれぞれの制御アームに連結することにより、モータによるピニオンの回転移動を開口ギャップを調整するために使用することができる。
【００２９】
開口４４を通過するイオンビームは、かなりの熱量を発生するので、制御アーム４６Ａ,４６Ｂは、水等の媒体によって冷却される。制御アーム４６Ａは、内側シース９２と外側シース９４を用いる同軸構造を備え、内側シースの中に水が入口９６を介して噴射され、外側シースを介して水が出口９８から放出される。同様に、制御アーム４６Ｂは、内側シース１００と外側シース１０２を用いる同軸構造を備え、内側シースの中に水が入口１０４を介して噴射され、外側シースを介して水が出口１０６から放出される。
【００３０】
制御アーム４６Ａ,４６Ｂの位置は、取り付けブロック５２に取り付けられる近接スイッチ１０８,１１０を用いて監視することができる。フィン１１２,１１４は、それぞれブロック７２,６２に取り付けられ、フィンがスイッチに密接した状態にあるとき、それぞれのスイッチ１０８,１１０がオンする。
【００３１】
スイッチ１０８が作動すると、開口４４は、最も閉じた位置にあり、スイッチ１１０が作動すると、開口４４は、最も開いた位置(好適な実施形態では、概略０．１６インチ（0.41ｃｍ）となる。さらに、リニアポテンショメータ(開口位置検出装置）は、プランジャー１１６と受け入れ部分１１８を含み、この受け入れ部分には、ブロックアセンブリ６２,６４,６６および７２,７４,７６間の距離を表示するためにネジ付きシャフトアセンブリを含むこともできる。これにより、開口４４の位置の表示と開口ギャップ５０の幅を与える。このような位置情報を与えるために、上記の代わりに、回転エンコーダを直流モータ軸またはネジ付きシャフト８４に連結することもできる。
【００３２】
図４は、図２及び図３の連続的に可変できる開口を制御するのに使用される閉ループ回路、すなわち、制御装置１２０を概略的に示している。この制御装置１２０は、ソフトウエアまたはハードウエアのいずれも含ませることができる。特定の工程によって規定されるように所望のイオンビーム電流が回路に入力し、第２フラグファラデー３５によって設けられるイオンビーム電流測定およびリニアポテンショメータ(フィードバック機構）１１６,１１８によって与えられる開口位置の表示が実行される。回路１２０の出力は、制御信号すなわち直流モータ８２に供給される信号であり、制御アームの動きを制御して開口４４のギャップ５０を制御する。
【００３３】
比較器１２２は、所望のイオンビーム電流と、第２フラグファラデー３５からの測定されたビーム電流とを比較する。このビーム電流情報は、５０ミリ秒ごとに与えられ、ソフトウエアのデータベースに記憶される。比較器の出力は、モータコントローラ１２４に入力され、この信号は、測定されたイオンビーム電流が所望のイオンビーム電流よりも大きいか小さいかに基づいてモータ８２を制御する制御論理信号を含んでいる。測定されたイオンビーム電流が所望のイオンビーム電流よりも大きい場合、モータコントローラは、第１制御信号１２６を発生して、直流モータを第１方向に回転して、開口プレート４４Ａ，４４Ｂが互いに近づくように移動させる。こうして、開口ギャップ５０は狭くなり、イオンビーム電流を少なくしてライナック１８に供給する。
【００３４】
しかし、測定されたイオンビーム電流が、所望のイオンビーム電流よりも少ない場合、モータコントローラは、第２制御信号を発生して、直流モータを第２方向(第１方向とは逆）に回転して、開口プレート４４Ａ，４４Ｂが互いに離れるように移動させる。こうして、開口ギャップ５０は広くなり、イオンビーム電流を多くしてライナック１８に供給する。さらに、モータコントローラ１２４は、線形ポテンショメータ１１６,１１８から開口位置のフィードバック信号が供給される（このように、制御回路１２０は、閉ループで作動する）。
【００３５】
図４の開口制御機構は、所望の作動パラメータと感知された作動状態に基づいて、図１のイオン注入装置のイオンビーム電流を調整するために使用される全制御アルゴリズムの一部である。概略的なフローチャートは、この全制御アルゴリズム１３０を表し、このアルゴリズムは、図５に示され、ハードウエアまたはソフトウエアを含んでいる。この装置の調整方法の第１ステップ１３２では、イオンビームの経路内にフラッグを配置することによって第１フラグファラデー３１を閉じることを含んでおり、このフラッグは、従来技術で知られるように、連続的に可変できる開口３０のすぐ下流に配置されている。
【００３６】
次に、ステップ１３４では、開口４４の位置がプリセットされる。これは、イオン注入装置における過去の作動履歴に基づいて開口のギャップ５０を設定することを含んでいる。次に、ステップ１３６では、ライナック１８が所望の作動パラメータにプリセットされる。
【００３７】
判定ステップ１３８は、第１フラグファラデー３１を用いてイオンビーム電流を測定することを含んでいる。イオンビーム電流が、受け入れ可能な範囲内にある場合、連続的に可変できる開口アセンブリ３０の微調整が、下流の第２フラグファラデー３５で測定された受け入れ可能なビーム電流に生じるので、ステップ１４０において第１フラグファラデー３１は開き、そして、イオンビームは、開口３０を通ることができてライナック１８に入る。
【００３８】
しかし、第１フラグファラデー３１によって測定されたイオンビーム電流は、受け入れ可能な範囲外にあり、連続的に可変できる開口３０を調整しても、下流の第２フラグファラデー３５で測定されたビーム電流も受け入れ可能なビーム電流を生じないので、開口位置は、ステップ１４２において調整(例えば、粗い調整）されなければならない。
【００３９】
開口４４の位置を粗調整した後、判定ステップ１４４において、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流が受け入れ可能範囲にある場合、第１フラグファラデー３１は開かれる。しかし、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流が受け入れ可能範囲外にまだある場合、イオンビーム源１４は、ステップ１４６において、再調整されなければならない。イオン源１４の再調整後、判定ステップ１４８において、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流が受け入れ可能範囲内にある場合、第１フラグファラデー３１は開かれる。
【００４０】
しかし、第１フラグファラデー３１によって測定されたビーム電流がまだ受け入れ可能範囲外にある場合、イオンビーム源１４は、再びステップ１４６において再調整されなければならない。ステップ１４６とステップ１４８によって与えられるループは、タイムアウト機構が設けられているので当然無限ではないが、この場合、イオン源１４が所望の電流出力に対して調整できないことがわかる。
【００４１】
次に、ステップ１５０において、インジェクタ１２は、ライナック１８内にイオンビームが整列するように調整される。判定ステップ１５２は、第２フラグファラデー３５を用いてイオンビーム電流を測定することを含んでいる。イオンビーム電流が受け入れ可能範囲内にあれば、システム調整は、ステップ１５４において完了し、第２フラグファラデー３５は開かれる。しかし、イオンビーム電流が、受け入れ可能範囲内になければ、開口ギャップ５０は、図４の閉ループ回路、すなわち、制御回路１２０を起動することによってステップ１５６において微調整を行わなければならない。回路１２０が閉ループであるので、開口位置は、第２フラグファラデー３５での測定ビーム電流が受け入れ可能範囲内となるまで、連続して調整される。この時点で、システム調整は、ステップ１５４で完了し、第２フラグファラデー３５が開かれる。
【００４２】
図５の方法を用いることによって、イオンビーム電流における重要な変化をイオン源の再調整なしで迅速に達成することができる。さもないと、このために、多くの時間を消費する工程が必要となる。さらに、本発明は、イオンビーム電流を変化させる方法がより直接的であり、かつ正確になっている。
【００４３】
これに反して、イオン源の再調整は、更なる調整がなされる前に各調整の結果を分析する必要がある、より反動的で間接的な工程を多く含んでおり、これでは、本発明により提供される正確なビーム電流の調整を行うことができない。たとえば、好ましい実施形態では、開口４４の位置は、約５ミクロン(μm)の精度で制御することができる(すなわち、各制御アームは、それぞれの開口プレートを２．５ミクロン移動する）。これは、イオンビーム電流に関して単に０．１％に相当する。すなわち、イオンビーム電流が、開口ギャップ５０の幅を横切って均質であると仮定して、例えば、開口４４が完全に開いた場合に１００μＡで放出された電流は、次に続く各ステップにおいて、１μＡ程度の制御が可能になる。
【００４４】
図４の論理回路を用いる作業において、回路１２０は、所望のイオンビーム電流、測定されたビーム電流(第２フラグファラデー３５から）、及び開口位置（リニアポテンショメータまたは回転エンコーダのいずれかから）を調べる。測定されたビーム電流と所望のビーム電流の比較は、好ましい作動モードにおいて、少なくとも１秒間に１回繰り返して行われる。
【００４５】
図６および図７は、図４の論理回路を用いて、開口位置の調整に応答するビーム電流をグラフで示したものである。図６は、漸近法としてここに参照する第１の好ましい制御方法に基づいている。図７は、２分割法としてここに参照する第２の好ましい制御方法に基づいている。
【００４６】
漸近法（図６）では、時間t1において、所望のビーム電流と実際のビーム電流との間の差に基づいて、誤差信号が回路１２０により発生する。現在の開口位置がポテンショメータまたはエンコーダのフィードバック信号に基づいて決定される。測定された電流が所望の電流(図示略）より大きい場合、モータ８２を一方向に回転させて開口ギャップ５０を狭めるために、制御信号１２６が発生する。また、測定された電流が所望の電流(図６）より小さい場合、モータ８２を他方向に回転させて開口ギャップ５０を広くするために、制御信号１２８が発生する。開口位置のフィードバックを用いることにより、制御回路１２０は、現在の開口位置と評価した必要な開口位置とを決定することができる。
【００４７】
時間t1の後で約１秒またはそれより少ない時間が経過した時間t2において、第２の誤差信号が発生し、再び制御信号１２８がモータを駆動して開口ギャップ５０を広くさせる。図６において、所望のビーム電流と測定されたビーム電流との２つの付加的な比較 (時間t3と時間t4において）がなされる。そして、対応する誤差信号が示される。この手順は、測定されたビーム電流が受け入れ可能な範囲内に入るまで続行される。
【００４８】
モータが駆動される時点での速度、および開口が開閉する速度は、誤差信号の大きさと開口位置による。こうして、図６の時間t1において、第１(最大振幅)誤差信号が発生するとき、モータは、最も高速度で駆動される。次に続く時間（t2〜t4）において、誤差信号の振幅は、徐々に小さくなり、モータもより低速で駆動される。また、誤差信号の振幅がゼロに近づくと、モータは、停止するように早急に指示され、装置内の運動量を調整する。このように、図６に示す測定されたビーム電流は、所望のビーム電流目標値を越えないで、このビーム電流目標値に漸近的に近づく。
【００４９】
２分割法(図７）では、時間t1において、所望のビーム電流と実際のビーム電流との比較が回路１２０によりなされる。現在の開口位置は、ポテンショメータまたはエンコーダのフィードバック信号に基づいて決定される。測定された電流が所望の電流(図示略）より大きい場合、モータ８２を一方向に回転させて開口ギャップ５０を狭めるために、制御信号１２６が発生する。また、測定された電流が所望の電流(図７）より小さい場合、モータ８２を他方向に回転させて開口ギャップ５０を広くするために、制御信号１２８が発生する。
【００５０】
２分割法では、モータ８２は、時間t1での位置から時間t2での位置まで開口を移動するように指示され、最大距離の半分だけ正しい方向に移動できる。こうして、ポテンショメータまたはエンコーダは、開口が位置２０の状態(位置０が完全に閉じた状態で、位置１００が完全に開いた状態）を示し、かつ測定されたビーム電流が所望のビーム電流よりも小さい場合、モータ８２は、位置２０（ほぼ閉じた状態）から位置６０(少なくとも半分開いた状態）まで移動するように指示される。ギャップが４０の増分（位置２０から位置６０まで）だけ広がることは、現在の位置２０と完全に開いた位置１００との差の半分を表す。
【００５１】
時間t2において、回路１２０によって所望のビーム電流と実際のビーム電流との第２の比較がなされる。再び、現在の開口位置(６０）が判定される。図７の場合、所望のビーム電流が超過し、モータが、位置４０まで閉じるように指示される(現在位置６０と元の位置２０との間の半分の距離）。時間t3において、第３の比較がなされ、開口位置が決定される。図７に示すように、所望のビーム電流に到達しないと、モータ８２は、位置５０まで開くように指示される（現在位置４０と以前の位置６０との間の半分の距離）。時間t4において、第４の比較がなされ、測定されたビーム電流が今受け入れ可能な範囲内にあるので、開口位置は、位置５０に固定のままとなる。
【００５２】
実際には、本発明の連続的に可変できる開口アセンブリ３０を用いて、ビーム電流は、非常に短い時間、約２０秒程度で、特定の方法に対して調整できることが判明した。この時間は、連続的に可変できる開口を使用しない場合に、イオン源を再調整するのに必要となる２分ないし３分程度の時間と対比される。このように、本発明は、イオン注入装置１０におけるイオンビーム電流を調整するために効率的でかつ急速に作動する機構を提供する。
【００５３】
以上、イオン注入装置における可変開口を操作するための方法及び装置の好ましい実施形態について説明してきた。しかし、上述の記載は、一例としてのみ作られたものであり、本発明は、ここに記載した特定の実施形態に制限されるものではなく、種々の再構成、修正、置換が、特許請求の範囲およびこれに等価な構成によって限定されるものである限り、本発明の範囲から逸脱しないで作ることができることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の原理に従って構成された、連続的に可変できる開口を含むイオン注入装置の断面図である。
【図２】図１に示すイオン注入装置で示された連続的に可変できる開口アセンブリの斜視図である。
【図３】図２の可変開口アセンブリの平面図である。
【図４】図２及び図３の可変開口を制御するために使用される制御ループ機構を示す回路構成図である。
【図５】図４の開口制御機構を含む作動パラメータに基づいて、図１におけるイオンビーム電流を調整するために利用する全制御アルゴリズムを表す概略フローチャート図である。
【図６】第１の好ましい制御方法に基づいて図４の制御ループ機構の調整に応答したビーム電流を表すグラフ図である。
【図７】第２の好ましい制御方法に基づいて図４の制御ループ機構の調整に応答したビーム電流を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１０ イオン注入装置
１２ インジェクタ
１４ イオンビーム源
１６ 質量分析磁石
１８ ＲＦライナック
３０ 可変開口アセンブリ
３１ 第１フラグファラデー（第１検出器）
３４ 取付プレート
３５ 第２フラグファラデー（第２検出器）
３６ 開口駆動機構
４４ 可変開口
４４Ａ，４４Ｂ 開口プレート
４６Ａ，４６Ｂ 制御アーム
５０ ギャップ
８２ モータ
１１６,１１８ ポテンショメータ
１２０ 制御回路
１２６,１２８ 制御信号
Claims (19)
- イオン注入装置（10）内を通過するイオンビームのビーム電流の量を制御する可変開口アセンブリ（30）であって、
(a) 第１,第２開口プレート(44A,44B)を対向させることにより形成される開口（44）と、
(b) 前記第１,第２開口プレート(44A,44B)に対してそれぞれ連結された制御アーム(46A,46B)と、
(c) 前記開口プレート(44A,44B)間のギャップ（50）を調整するために、前記制御アームに対して同時に反対方向への動きを分け与え、この各移動の方向は、イオンビームが通過する方向の軸線に対して直交しており、これにより、前記開口（44）を通過するビーム電流の量を制御するための開口駆動機構（36）と、
(d) 前記イオン注入装置を通過するイオンビームのビーム電流を表す入力に基づいて、前記開口駆動機構（36）を制御することによって前記ギャップ（50）を調整するための閉ループ型の制御装置（120）とを備え、
該制御装置は、
（i)第１電流検出器（31）で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲にある場合、前記開口（44）の微調整を行い、第２電流検出器（35）で受入れ可能なビーム電流を生じさせ、前記第１電流検出器（31）によって測定されるイオンビーム電流が受入れ範囲外である場合、前記開口（44）を粗調整し、前記第１,第２電流検出器（31,35）で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲内になるまで、連続して調整されるものであり、
前記第１電流検出器（31）は、イオンビームの流れに沿って、前記開口駆動機構（36）と加速器（18）との間に配置され、前記第２電流検出器（35）は、前記第１電流検出器（31）の下流に位置する前記加速器（18）の後方に位置しており、
（ii) イオン注入装置内を通過する実際のイオンビームのビーム電流を表わす前記第２電流検出器（35）からの第１入力信号を受け入れる第１入力と、
(iii) 所望のイオンビームのビーム電流を表わす第２入力信号を受け入れる第２入力と、
(iv) 開口位置を表わす開口位置フィードバック機構（116,118）から第３入力信号を受け入れる第３入力と、
(v) 前記開口（44）を通過するイオンビームのビーム電流を制御するために、前記開口駆動機構（36）に制御信号（126,128）を出力する１つの出力と、
(vi) 前記第１、第２、第３の入力に基づいて前記制御信号を決定するための制御論理回路（122,124）を含み、
前記第１,第２電流検出器（31,35）からの信号によって与えられた測定されたビーム電流に応じて、前記開口の幅が変化することを特徴とする可変開口アセンブリ。 - 前記開口駆動機構（36）は、モータ（82）によって駆動されるネジ付きシャフト（84）を含み、該シャフトは、反対方向にねじ切りされたネジ部分(84A,84B)を有し、各ネジ部分がそれぞれの前記制御アーム(46A,46B)に連結され、前記モータによって駆動されるシャフトの回転が、前記制御アームに対して同時に反対方向の動きを分け与えるようになっていることを特徴とする請求項１記載の可変開口アセンブリ。
- 前記制御アーム(46A,46B)は、前記開口駆動機構（36）によって約２．５ミクロン（μm)づつ反対方向に移動可能であることを特徴とする請求項２記載の可変開口アセンブリ。
- 前記開口位置フィードバック機構(116,118)は、前記制御アーム(46A,46B)に連結されるリニアポテンショメータを含んでいることを特徴とする請求項１記載の可変開口アセンブリ。
- 前記開口位置フィードバック機構(116,118)は、前記開口駆動機構（36）に連結される回転エンコーダを含んでいることを特徴とする請求項１記載の可変開口アセンブリ。
- 前記開口プレート(44A,44B)は、グラファイトから作られていることを特徴とする請求項１記載の可変開口アセンブリ。
- 前記制御アーム(46A,46B)は、水冷されていることを特徴とする請求項４記載の可変開口アセンブリ。
- 前記制御アームの移動方向に平行な軸線（51）と前記開口プレート間のギャップ（50）の軸線（49）とのなす角(α）が４５°の状態に固定されていることを特徴とする請求項１記載の可変開口アセンブリ。
- 高エネルギーイオン注入装置（10）のためのビームラインアセンブリ(14,16,18,30)であって、
(a) イオンビームを発生するイオン源（14）と、
(b) このイオン源によって発生するイオンビームを質量分析するための質量分析磁石(16)と、
(c) この質量分析磁石によって分析されたイオンビームを加速するリニア加速器（18）と、
(d) 前記質量分析磁石（16）とリニア加速器（18）の間に配置され、イオンビームが通過する開口（44）を有し、かつこの開口を通過するイオンビームのビーム電流の量を制御するために可変可能な開口幅を有している可変開口アセンブリ（30）と、
(e) 前記開口（44）を通過するイオンビームのビーム電流を制御するための開口駆動機構（36）と、
(f）前記イオン注入装置を通過するイオンビームのビーム電流を表す入力に基づいて、前記開口駆動機構（36）を制御することによって前記開口（44）のギャップ（50）を調整するための閉ループ型の制御装置（120）とを備え、
該制御装置は、
（i) 第１電流検出器（31）で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲にある場合、前記開口（44）の微調整を行い、第２電流検出器（35）で受入れ可能なビーム電流を生じさせ、前記第１電流検出器（31）によって測定されるイオンビーム電流が受入れ範囲外である場合、前記開口（44）を粗調整し、前記第１,第２電流検出器（31,35）で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲内になるまで、連続して調整されるものであり、
前記第１電流検出器（31）は、イオンビームの流れに沿って、前記開口駆動機構（36）と加速器（18）との間に配置され、前記第２電流検出器（35）は、前記第１電流検出器（31）の下流に位置する前記加速器（18）の後方に位置しており、
（ii) イオン注入装置内を通過する実際のイオンビームのビーム電流を表わす前記第２電流検出器（35）からの第１入力信号を受け入れる第１入力と、
(iii) 所望のイオンビームのビーム電流を表わす第２入力信号を受け入れる第２入力と、
(iv) 開口位置を表わす開口位置フィードバック機構（116,118）から第３入力信号を受け入れる第３入力と、
(v) 前記開口（44）を通過するイオンビームのビーム電流を制御するために、前記開口駆動機構（36）に制御信号（126,128）を出力する１つの出力と、
(vi) 前記第１、第２、第３の入力に基づいて前記制御信号を決定するための制御論理回路（122,124）を含み、
前記第１,第２電流検出器（31,35）からの信号によって与えられた測定されたビーム電流に応じて、前記開口の幅が変化することを特徴とするビームラインアセンブリ。 - 前記開口（44）は、イオンビームが通過する第１,第２開口プレート(44A,44B) を対向させることによって形成され、前記可変開口アセンブリ（30）は、さらに、前記第１,第２開口プレート(44A,44B)に対してそれぞれ連結された制御アーム(46A,46B)を含み、
前記開口駆動機構（36）は、前記制御アームに対して同時に反対方向への移動を分け与え、この各移動の方向は、イオンビームが通過する方向の軸線に対して直交しており、前記開口（44）を通過するイオンビームのビーム電流の量を制御することを特徴とする請求項９記載のビームラインアセンブリ。 - 前記制御アーム(46A,46B)は、前記開口駆動機構（36）によって約２．５ミクロン（μm)づつ反対方向に移動可能であることを特徴とする請求項１０記載のビームラインアセンブリ。
- 前記開口（44）は、ビームラインアセンブリの内側に配置され、真空状態下で作動し、前記開口駆動機構（36）は、ビームラインアセンブリの外側に配置され、周囲の大気圧下で作動し、前記制御アーム(46A,46B)は、前記ビームラインアセンブリの内側と外側の間の境界を形成するプレート（34）を通過することを特徴とする請求項１０記載のビームラインアセンブリ。
- 前記制御アーム(46A,46B)と前記プレート（24）外側部分との境界に配置され、かつビームラインアセンブリの内部を真空状態に維持するとともに、前記制御アームが前記プレートを通って移動できるようにした、伸長可能なスチール製のベローズ(70,80)をさらに備えていることを特徴とする請求項１２記載のビームラインアセンブリ。
- 前記開口駆動機構（36）は、モータ（82）によって駆動されるネジ付きシャフト（84）を含み、該シャフトは、反対方向にねじ切りされたネジ部分(84A,84B)を有し、各ネジ部分がそれぞれの前記制御アーム(46A,46B)に連結され、前記モータによって駆動されるシャフトの回転が、前記制御アームに対して同時に反対方向の動きを分け与えるようになっている請求項１２記載のビームラインアセンブリ。
- 前記開口プレート(44A,44B)は、グラファイトから作られていることを特徴とする請求項１２記載のビームラインアセンブリ。
- 前記制御アーム(46A,46B)は、水冷されていることを特徴とする請求項１２記載のビームラインアセンブリ。
- イオン注入装置（10）において、イオンビームが通過する開口（44）の幅（50）を調整して、イオンビームのビーム電流を制御するための閉ループ型の制御装置（120）であって、
制御アーム(46A,46B)によって前記開口（44）に連結され、かつモータ（82）によって駆動される開口駆動機構（36）を含み、該開口駆動機構（36）は、前記イオン注入装置を通過するイオンビームのビーム電流を表す入力に基づいて、前記開口の幅（50）を調整しており、
前記制御装置は、
(a) 第１電流検出器（31）で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲にある場合、前記開口（44）の微調整を行い、第２電流検出器（35）で受入れ可能なビーム電流を生じさせ、前記第１電流検出器（31）によって測定されるイオンビーム電流が受入れ範囲外である場合、前記開口（44）を粗調整し、前記第１,第２電流検出器（31,35）で測定されるイオンビーム電流が受入れ可能範囲内になるまで、連続して調整されるものであり、
前記第１電流検出器（31）は、イオンビームの流れに沿って、前記開口駆動機構（36）と加速器（18）との間に配置され、前記第２電流検出器（35）は、前記第１電流検出器（31）の下流に位置する前記加速器（18）の後方に位置しており、
(b) イオン注入装置を通過する実際のイオンビームのビーム電流を表す前記第２電流検出器（35）からの第１入力信号を受け入れる第１入力と、
(c) 所望のイオンビームのビーム電流を表す第２入力信号を受け入れる第２入力と、
(d) 開口位置を表す開口位置フィードバック機構(116,118)からの第３入力信号を受け入れる第３入力と、
(e) 前記通過するイオンビームのビーム電流を制御するために前記開口駆動機構（36）に制御信号(126,128)を出力するための１つの出力と、
(f) 前記第１,第２,第３の入力に基づいて前記制御信号を決定するための制御論理回路(122,124)とを含み、
前記第１,第２電流検出器（31,35）からの信号によって与えられた測定されたビーム電流に応じて、前記開口の幅が変化することを特徴とする制御装置。 - 前記開口駆動機構（36）は、モータ（82）によって駆動されるネジ付きシャフト（84）を含み、このシャフトは、反対方向にねじ切りされたネジ部分(84A,84B)を有し、各ネジ部分がそれぞれの前記制御アーム(46A,46B)に連結され、前記モータによって駆動されるシャフトの回転が、前記制御アームに対して同時に反対方向の動きを分け与えるようになっていることを特徴とする請求項１７記載の制御装置。
- 前記制御アーム(46A,46B)は、前記開口駆動機構（36）によって約２．５ミクロン（μm)づつ反対方向に移動可能であることを特徴とする請求項１８記載の制御装置。
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