JP6045445B2 - 高エネルギーイオン注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、高エネルギーイオン注入装置に関する。

半導体素子製造工程では、真空中で半導体ウェハにイオンを打ち込んで半導体ウェハの結晶に不純物を添加することにより導電性を変化させ、半導体ウェハを半導体素子化させるための重要な工程が標準的に実施されている。この工程で使用される装置は、一般に半導体素子化させるための不純物原子をイオンとして加速して、半導体ウェハに打ち込むイオン注入装置と呼ばれる。

半導体素子の高集積化・高性能化に伴い、より深く半導体ウェハに打ち込むための高エネルギーのイオン注入が可能な装置が従来利用されてきた。このような装置は、特に高エネルギーイオン注入装置と呼ばれている。その一例として、イオンビームの加速系をタンデム型静電加速器で構成する方法がある（特許文献１参照）。

（バッチ式）
また、高周波加速を行う高周波線形加速器を備えたバッチ処理式高エネルギーイオン注入装置も長年使用されてきた（特許文献２参照）。

バッチ処理式のイオン注入は、十数枚のシリコンウェハを直径１ｍ程度のアルミディスクの外周側に乗せ、ディスクを毎分１０００回転程度で高速回転させながら、イオンを均一に注入する手法である。遠心力によってウェハが飛び出さないように、ディスクのウェハを乗せる部分には、回転面（回転軸に直交する面）に対して５°程度の角度が付けられている。この角度と、ウェハの回転運動とによって、ウェハの中心部と端部とで、注入角度（イオンがウェハに入射する角度）が、１°前後異なる（注入角度偏差）問題を、バッチ処理式のイオン注入方法は持っている。

一般に、ウェハ上のダイには、イオン注入を行いたい領域と行ってはいけない領域があり、行ってはいけない領域は、フォトレジストと呼ばれる有機物で覆われている。注入時にイオンはフォトレジストを突き抜けてはいけないため、高エネルギーイオン注入時に塗布されるフォトレジストは、非常に厚くなる。注入が必要な領域は、リソグラフィーによって、フォトレジストが除かれているが、集積度が高く、注入領域が微小であると、そそり立つフォトレジストの壁に囲まれた深い穴の底に垂直にイオンを打ち込むような状況になる。このようなアスペクト比の高い構造へのイオン注入には、高い注入角度精度が要求される。

特に、ＣＣＤなど、高品位の撮像素子の製造では、深くイオン注入するほど解像度が上がり、感度が高くなるため、超高エネルギーのイオン注入（３〜８ＭｅＶ）も行われるようになってきた。この場合、許される注入角度誤差は、０．１°程度であり、大きな注入角度偏差のあるバッチ式装置は、使えなくなっている。

（枚葉式高エネルギーイオン注入装置）
そこで、近年、枚葉式高エネルギーイオン注入装置が実用化された（特許文献３）。バッチ方式が、ビームを固定してウェハを動かすこと（ディスク上の回転移動）によって、水平方向に均一な注入を行っているのに対して、枚葉式装置では、ビームを動かして（水平方向にビームスキャンして）ウェハを固定している。この方式では、スキャンビームを平行化することによって、ウェハ面内で注入ドーズを均一にするだけでなく、注入角度も均一にすることができ、注入角度偏差の問題を解消できる。なお、鉛直方向のドーズ均一性は、両方式ともウェハを一定速度で平行移動させることによって実現しているが、この運動によっては、角度誤差は発生しない。

この他にも、枚葉式イオン注入装置は、小数枚数の処理を行う際に無駄なシリコンウェハの消費がないなどの理由から、多品種少量生産に適しており、近年需要が増大している。

ただし、高品位撮像素子の生産では、角度精度だけでなく、金属汚染がないこと、注入ダメージ（アニール後の残留結晶欠陥）が少ないこと、注入深さ精度（エネルギー精度）が良いことなど、厳しい要求が多々あり、枚葉式イオン注入装置にも、改善すべき点が多数残されている。

従来の枚葉式高エネルギーイオン注入装置では、高エネルギー加速方式として、タンデム式静電加速装置、または、高周波加速方式の重イオンリナック（線形加速器）が用いられている。

このような加速系の下流には、エネルギーフィルタリングマグネット、ビームスキャナー、磁場によるスキャン軌道の平行化を行うパラレル（平行化）マグネットが設けられている。そして、パラレルマグネットによって、ビームがどのスキャン位置にあっても、ウェハへの入射角（注入角）は同じになるようにされている。イオンのエネルギーは、３〜４ＭｅＶ程度までである。

また、高エネルギーイオン注入装置よりも低いエネルギー領域（１０〜６００ｋｅＶ）で使用される（枚葉式）中電流イオン注入装置の一部では、電場（電極）によってスキャン軌道を平行化する電場式パラレルレンズが使われている（特許文献４）。電場式パラレルレンズは、軌道の対称性を保ちながらスキャン軌道を平行化できるので、パラレルマグネットより角度精度を上げられる。また、この装置には、ＡＥＦ（Angular Energy Filter）と呼ばれる電場式偏向電極が、ウェハの近傍に取り付けられている。ＡＥＦによって、ビーム輸送中に価数変化したイオンやビームラインで発生したパーティクルが除去されるので、純度の高いビームを供給することができる。

特許第３３７４３３５号公報 特開２０００−１１９４４号公報 米国特許第８０３５０８０号公報 特開２００３−２８８８５７号公報

ところで、前述のイオン注入装置では、加速器から出たイオンをエネルギー分析電磁石で偏向した後、分解スリットを通過させてそのままウェハに注入する。そのため、高エネルギーのイオンビームの発散を抑制し、所望のエネルギーを持った十分な量のイオンをウェハまで輸送するためには更なる改善の余地がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、ビームの発散を抑えた高エネルギーイオン注入装置を提供することである。また、本発明の他の目的の一つは、エネルギー精度が保証された高エネルギーイオン注入装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の高エネルギーイオン注入装置は、イオン源から引き出したイオンビームを加速し、ビームラインに沿ってウェハまで輸送し、該ウェハに注入する高エネルギーイオン注入装置であって、イオン源と質量分析装置を有するビーム生成ユニットと、イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームを生成する高エネルギー多段直線加速ユニットと、高エネルギーイオンビームをウェハに向けて方向転換する高エネルギービームの偏向ユニットと、偏向された高エネルギーイオンビームをウェハまで輸送するビーム輸送ラインユニットと、輸送された高エネルギーイオンビームを均一に半導体ウェハに注入する基板処理供給ユニットと、を備える。ビーム輸送ラインユニットは、ビーム整形器と、高エネルギー用の電場式ビーム走査器と、高エネルギー用の電場式ビーム平行化器と、高エネルギー用の電場式最終エネルギーフィルターとを有する。偏向ユニットを出た高エネルギーイオンビームを、電場式ビーム走査器および電場式ビーム平行化器により、ビームスキャンするとともに平行化し、高エネルギー用の電場式最終エネルギーフィルターにより、質量、イオン価数及びエネルギーの少なくとも一つが異なる混入イオンを取り除いて、ウェハに注入するように構成されており、偏向ユニットは、複数の偏向電磁石で構成され、複数の偏向電磁石の間に少なくとも１つの横収束要素が挿入されている。

本発明のある態様によれば、ビームの発散を抑えることができる。また、本発明の他の態様によれば、エネルギー精度が保証された高エネルギーイオン注入装置を実現できる。

本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置の概略レイアウトとビームラインを模式的に示した図である。 図２（ａ）は、イオンビーム発生ユニットの概略構成を示す平面図、図２（ｂ）は、イオンビーム発生ユニットの概略構成を示す側面図である。 高エネルギー多段直線加速ユニットの概略構成を含む全体レイアウトを示す平面図である。 複数の高周波共振器先端の加速電場（ギャップ）を直線状に並べた高エネルギー多段直線加速ユニット及び収束発散レンズの制御系の構成を示すブロック図である。 図５（ａ）、図５（ｂ）は、ＥＦＭ（エネルギー分析用偏向電磁石）、エネルギー幅制限スリット、エネルギー分析スリット、ＢＭ（横方向中心軌道補正用偏向電磁石）、ビーム整形器、ビーム走査器（スキャナー）の概略構成を示す平面図である。 図６（ａ）は、ビーム走査器からビーム平行化器以降のビームラインから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、ビーム走査器からビーム平行化器以降のビームラインから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す側面図である。 ビーム走査器の一例の主要部を上方から見た模式図である。 ビーム走査器の一例の主要部を側方から見た模式図である。 ビーム走査器の一例をイオンビームラインの途中経路に着脱自在に装着した構造を下流側から見た正面模式図である。 角度エネルギーフィルターの偏向電極の他の態様を示す模式図である。 図１１（ａ）は、横収束レンズである四重極レンズを模式的に示す平面図、図１１（ｂ）は、四重極レンズを模式的に示す正面図である。 図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、電磁石の構成の一例を示す斜視図である。 電磁石が備える開閉装置を模式的に示した図である。 図１４（ａ）は、インジェクターファラデーカップとほぼ同じ構成のリゾルバーファラデーカップを正面から見た模式図、図１４（ｂ）は、同じくリゾルバーファラデーカップの動作を説明するための模式図である。 横長ファラデーカップを正面から見た模式図である。 図１６（ａ）は、本実施の形態に係るビーム整形器からビーム走査器までの概略構成を示す上面図、図１６（ｂ）は、本実施の形態に係るビーム整形器からビーム走査器までの概略構成を示す側面図である。 下流側グランド電極の開口幅とサプレッション電極の開口幅と上流側グランド電極の開口幅との大きさの関係を説明するための模式図である。 ビーム平行化器の他の例を模式的に示す図である。 図１９（ａ）は、本実施の形態のある態様のビーム平行化器の概略構成を示す上面図、図１９（ｂ）は、本実施の形態のある態様のビーム平行化器の概略構成を示す側面図である。 本実施の形態の変形例に係るビーム平行化器の概略構成を示す上面図である。 図２１（ａ）は、本実施の形態の他の変形例に係る最終エネルギーフィルターから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す上面図、図２１（ｂ）は、本実施の形態の変形例に係る最終エネルギーフィルターから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す側面図である。 ビーム輸送行列の定義を説明するための図である。 横収束レンズがない場合（点線）と横収束レンズに式（６）から求められる電圧を印加した場合（実線）の、分散関数値を示す模式図である。 分散を消去したとき（実線）と分散を消去しないとき(点線)のビーム中心軸に沿ったビーム幅（サイズ）の推移を模式的に示した図である。

以下、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置の一例についてより詳細に説明する。はじめに、本願発明者らが本願発明に想到した経緯について説明する。

（平行化マグネット）
偏向磁場によって軌道を平行化する平行化マグネットを使用している従来の高エネルギーイオン注入装置には、次のような課題がある。

フォトレジスト付きウェハに高エネルギーイオンを注入すると、大量のアウトガスが発生し、このアウトガスの分子とビームイオンとが相互作用し、一部のイオンの価数が変化する。平行化マグネット通過中にこの価数変化が起こると、偏向角が変わるので、ビームの平行性が崩れ、ウェハへの注入角が一様ではなくなる。

また、注入されるイオンの量（個数またはドーズ）は、ウェハ付近に置かれたファラデーカップで、ビーム電流値を測定することによって求められるが、価数変化によってその計測値が狂い、予定の注入量から外れ、半導体素子の特性が予定された通りにならない。

さらに、１台の平行化マグネットによる平行化は、内側の軌道と外側の軌道で、偏向角と軌道長が異なるため、外側の軌道ほど価数変化するイオンの割合が増え、ウェハ面内のドーズ均一性も悪化する。

したがって、従来の高エネルギーイオン注入装置のビーム輸送方式では、最近の高精度注入への要求に十分応えることができない。

また、平行化マグネットは、スキャン方向に幅の広い磁極と、ある程度長い平行化区間とを必要とし、エネルギーが高くなるとさらに磁極が長く大きくなるので、重量が非常に大きくなる。装置を安全に据え付けし維持するために、半導体工場自体の強度設計を強化する必要が出てくる上に、消費電力も非常に大きくなる。

これらの問題は、前述の中電流イオン注入装置で用いられている電場式平行化レンズと、電場式（電極式）エネルギーフィルター（ＡＥＦ：Angular Energy Filter）を高エネルギー領域で使うことができれば、解消する。電場式平行化レンズは、軌道の対称性を保ちながらスキャン軌道を中心軌道方向に揃えて平行化し、ＡＥＦは、ウェハ直前で価数変化したイオンを除去する。これによって、アウトガスが多いときでも、エネルギーコンタミネーションのないビームを得ることができ、平行化マグネットのようなスキャン方向の注入角度のバラツキも発生せず、結果として、正確な深さ方向の注入分布と注入量（ドーズ）を均一に注入できるとともに、注入角度も一様になって、非常に精度の高いイオン注入が実現する。また、軽量な電極部材で構成され、電磁石と比べて、消費電力も少なくできる。

本発明の核心は、この中電流イオン注入装置の優れたシステムを高エネルギーイオン注入装置に導入し、高エネルギー装置でありながら中電流装置と同等の高精度注入ができる装置を生み出した点にある。その過程で解決されてきた課題について以下で述べる。第一に問題になるのは、装置の長さである。

イオンビームを同じ角度偏向する場合、必要な磁場はエネルギーの平方根に比例するのに対して、必要な電場はエネルギーそのものに比例する。したがって、偏向磁極の長さはエネルギーの平方根に比例するのに対して、偏向電極の長さはエネルギーに比例して長くなる。高エネルギーイオン注入装置に前記の電場式平行化レンズと電場式ＡＥＦを搭載して、高精度角度注入を実現しようとすると、ビーム輸送系（スキャナーからウェハまでの距離）が、平行化マグネットを使う従来の装置に比べて、大幅に長くなる。

例えば、このような電場による平行化機構を備える高エネルギーイオン注入装置として、従来の高エネルギーイオン注入装置と同様に、イオン源、質量分析磁石、タンデム型静電加速装置若しくは高周波線形加速装置、ビーム走査器、スキャン軌道平行化装置、エネルギーフィルター、注入処理室および基板搬送機器（エンドステーション）等の構成機器を、ほぼ直線状に据え付ける構造が考えられる。この場合、従来の装置の長さが８ｍ程度であるのに対して、装置の全長が２０ｍ程度まで長くなり、設置場所の設定と準備、設置作業等が大がかりとなって、しかも設置面積も大きくなる。また、各機器の据付けアライメントの調整、装置稼働後のメンテナンスや修理、調整のための作業スペースも必要である。このような大がかりなイオン注入装置は、半導体製造ラインにおける装置サイズを、工場の製造ラインの配置の実状に合わせることへの要求を満たすことができない。

このような状況から、本発明のある態様におけるビームライン構成の目的は、十分な作業領域を確保しつつ設置場所の設定と準備、設置作業やメンテナンス作業を簡略化・効率化し、設置面積を抑える技術を実現することによって、電場式平行化レンズと電場式エネルギーフィルターとを備えた高精度の高エネルギーイオン注入装置を提供することである。

前記目的は、高エネルギーイオン注入装置のビームラインを、イオン源で生成したイオンビームを加速する複数のユニットから成る長直線部と、スキャンビームを調整してウェハに注入する複数のユニットから成る長直線部とで構成し、対向する長直線部を有する水平のＵ字状の折り返し型ビームラインにすることによって達成できる。このようなレイアウトは、イオン源からイオンを加速するユニットの長さに合わせて、ビーム走査器、ビーム平行化器、エネルギーフィルターなどから成るビーム輸送ユニットの長さをほぼ同じ長さに構成することで実現している。そして、二本の長直線部の間に、メンテナンス作業のために十分な広さのスペースを設けている。

このようなＵ字状のビームライン形状によって、装置サイズは適正になるが、イオン源からビーム照射部までのビームラインの全長が短くなるわけではない。むしろ、Ｕ字状の偏向に要する長さと、その後のビーム輸送ユニットの長さをリナック加速ユニットに合わせるための長さとが加わるので、全体では直線状の構成より長くなっている。装置サイズの適正化と良好なメンテナンス性を得るためにビームラインをこのように長くする代償として、次の２つの課題が生じ得る。

第一に、長いビームラインでは、各機器の据付け誤差が積み重なることによって、終端でのビームの位置や入射角の設計値からのずれが大きくなる。そのままでは、注入角度精度の良さを買って、電場式のパラレルレンズや最終エネルギーフィルターを採用した意味がなくなる。

第二に、長いビームラインでは、ビーム輸送効率が下がり、終端まで届くビーム電流値が下がりやすいことである。残留ガスとの衝突で失われるビームイオンの数が、距離に応じて指数関数的に増えるだけでなく、ビームサイズが大きかったり、中心軌道ずれが大きかったりすると、スリットやアパチャーの壁に当たって失われるビームイオンの数がどんどん増えてしまう。十分な量のイオンビームをウェハまで輸送できなければ、１時間当たりに処理できるウェハの枚数が減り、産業機械としての役割を担えない。

イオンビームは、イオン源から引き出されるときに有限の大きさの開口から引き出されるので、もともとある程度の空間分布を持っている（これをビームサイズと呼ぶ）。これに加えて加速にリナックを利用する高エネルギーイオン注入装置では、高周波線形加速に伴うシンクロトロン振動によってビームエネルギーに数％の幅の分布が生じる。ビームを偏向させると、このエネルギー分布は、分散によって空間的な分布に変化する。こうして、リナックで加速されたビームのビームサイズは、イオン源からの引き出し時に決まるビームサイズにエネルギー分布から来るビームサイズが加算されたものになるので、発散しやすい大きなビームになる。

また、偏向電磁石のポールギャップに挿入される真空容器は、扁平で容積の小さい物になるため、真空のコンダクタンスが小さくなる。このため、複数の偏向電磁石で偏向部を構成すると、この領域の排気効率が悪くなり、残留ガスの圧力が高くなる。残留ガス分子が多いと、ビームイオンとの衝突が頻発し、ビーム電流が低下する。

本実施の形態では、前述の第二の問題に対する解決策を提供することを目的の一つとしている。すなわち、リナックを加速装置として用いたＵ字状の長いビームラインにおいて、エネルギー幅によるビームの発散を抑制し、また高い真空度を保つことによって、ビーム輸送効率の低下を防いで、従来の高エネルギーイオン注入装置と同等以上の生産性を持ちながら、従来より高い精度でイオン注入ができる高エネルギーイオン注入装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の高エネルギーイオン注入装置では、イオン源で生成したイオンビームを加速する複数のユニットから成る長直線部と、スキャンビームを調整してウェハに注入する複数のユニットから成る長直線部とを対向させ、水平のＵ字状の折り返し型ビームラインを形成し、さらに前記Ｕ字状の偏向部を複数の偏向電磁石で構成する。そして、前記複数の偏向電磁石の間に少なくとも１つの横収束要素を挿入し、複数の偏向電磁石と組み合わせてビームの分散を抑制することによって、エネルギー幅のあるビームの発散を防止する。これによって、ビームが長直線部に備えてあるアパチャーや電極に衝突して失われることを防ぐ。

また、電磁石と電磁石の間には真空ポンプを取り付け、Ｕ字状偏向部の真空度を上げて、ビームイオンが残留ガス分子と衝突して失われることを防ぐ。

はじめに、前述のように配置された偏向電磁石と横収束要素による分散コントロールの詳細について、Ｕ字状偏向部に横収束四重極レンズが挿入されている場合を例に以下に述べる。横収束要素の‘横（方向）’とは、偏向電磁石の偏向面内でビーム軸と垂直な方向を指す。‘縦（方向）’または‘上下（方向）’とは、偏向電磁石の偏向面に垂直な面内でビーム軸と垂直な方向を指す。また、２台以上の四重極レンズの組合せレンズは、ダブレット、トリプレット等の横集束レンズと横発散レンズを規則的に組み合わせたものである。

次に、イオンビームについて詳述する。ビームライン中心軸上の任意の位置（ビームライン起点からの飛行距離）ｓにおける水平面（偏向面）内横方向（ビーム軸と直交する方向）のイオンビームのサイズσ（ｓ）は、次の式（１）で与えられる。

ここで、εはビームのエミッタンス、Ｅはビームエネルギー、Δ_ＥＷはエネルギー幅である。β(ｓ)はベータトロン関数、η（ｓ）はエネルギー分散関数と呼ばれ、それぞれビーム輸送方程式の解である。エミッタンスεとエネルギー幅Δ_ＥＷは、加速終了後、またはスリットなどによる整形後は不変量になる。またエネルギーＥはイオンの注入エネルギーなので、あらかじめ決まっている。したがって、ビームサイズσの調整は、ビームラインに多数設けられている収束発散要素によって、βとηを調整することで行う。

前述の式（１）の第一項は、イオン源からの引き出しの際に発生するビームの空間的な広がりに由来しており、どのような加速器・ビーム輸送系でも消滅させることはできない。つまり、β（ｓ）は、必ず正の有限の値を取る。一方、式（１）の第二項は、リナックやシンクロトロンなど高周波加速によって生じたエネルギー分布を持つビームのみに現れ、軌道の偏向によってエネルギー分布が空間分布に変換されるときに発生し（この現象をビームのエネルギー分散という）、その変換現象をコントロールすることによって、消滅させることができる。つまり、第二項のη（ｓ）は、負の値をとることもでき、ゼロにすることもできる。

ビーム偏向終了点で、ηとその変化率η’（ｓ）とを共にゼロにすると、それより下流のビームライン全ての位置でηはゼロになる。つまり、ビームサイズは

となり、大きさが半減するとともに、エネルギー幅のないビームと同じように、βの調整をするだけで良くなるので、ビーム電流を低下させることなく、容易に輸送することができる。

典型的な高エネルギーイオン注入装置のビームラインでは、エミッタンスεは１Ｅ−４（πｍ・ｒａｄ）、βは１０（ｍ）程度なので、式（２）のビームサイズは３０ｍｍ程度である。また、エネルギー幅は０．０５（５％）、ηは２ｍ程度なので、分散を消去していない式（１）のビームサイズは、８０ｍｍにもなる。

具体的な分散の消去は、上流の偏向電磁石で発生した分散関数の符号を反転させ、下流側の偏向電磁石で発生する正の分散関数を打ち消すという手法を取る。したがって、必ず複数の偏向電磁石と、その間に符号を反転させるための横収束要素（偏向面が水平の場合）が必要である。以下で、その手法を、ビーム光学の理論を用いて説明する。

図２２は、ビーム輸送行列の定義を説明するための図である。偏向角θ、曲率半径ｒの２台の偏向電磁石の間に、何らかの横方向収束要素がある場合を想定する。上下ポール面が平行な（フィールドインデックスのない）偏向電磁石の輸送行列（Tｒansfer Matrix）は、次のように表される。

この輸送行列は、偏向電磁石の中の運動方程式を、時間をビーム中心軸上の飛行距離に変換し、近軸近似を用いて解いた結果である。一つの要素に一つずつこのような輸送行列が対応し、それらを掛け合わせることにより、ビームライン全体の運動方程式の解が得られる。収束要素としては、静電四重極レンズ（Electro-static Quadrupole）、四重極電磁石（Quadrupole Magnet）、一台目の偏向電磁石の出口側ポール面角(Pole Face Rotation Angle)、二台目の偏向電磁石の入り口側ポール面角などがあるが、ここでは、これらのうちの１つまたは複数の要素、及びそれらの間のドリフトスペースとの組み合わせの結果として、輸送行列の一般形でこの区間を表現する。

上流側の偏向電磁石出口の分散関数ηとその変化率η’は、（η₀，η’₀）＝（ｒ（1１−ｃｏｓθ），ｓｉｎθ）なので、下流側の偏向電磁石の出口（偏向終了点）の分散関数は、次のように表される。

偏向終了後、エネルギー分散がなくなる（Dispersion Free）条件は、η＝η’＝０なので、上記行列の積を実行することにより、次の２つの連立方程式を得る。

さらに、Ｋ_１１Ｋ_２２−Ｋ_１２Ｋ_２１＝１などの一般条件を使って整理すると、結局、分散が消去される条件は、次の式（３）、式（４）で表される。

これらの条件は、最終的に、偏向電磁石間の収束要素の強さの条件になる。そこで、一例として２台の偏向電磁石の中間点に収束性能（焦点距離の逆数）がｋ_１の静電四重極レンズがあり、上流側の偏向電磁石の出口と下流側偏向電磁石の入り口にポール面角εが付いている場合について、四重極レンズの電圧がどのように決まるか説明する。四重極レンズ中心と偏向電磁石の出口との距離をｄとすると、Ｋ_ｉｊは次のように計算される。

ただし、ｋ_２＝ｔａｎε／ｒである。この場合は、式（４）は自動的に満たされており、式（３）から四重極レンズの強さの条件；

を得る。

例えば、ｒ＝０．７ｍ、ｄ＝０．４ｍ、θ＝９０°、ε＝４５°のとき、ｋ_１＝２．６７ｍ^−１で、四重極レンズの焦点距離が３７．５ｃｍになるように調整すれば、偏向終了後エネルギー分散を消すことができる。同じく、偏向電磁石に面角がない場合（ε＝０）は、ｋ_１＝１．８２ｍ^−１で焦点距離を５５ｃｍにすれば良い。式（５）から、偏向電磁石の曲率半径ｒが小さいほど、また二台の電磁石の間隔２ｄが狭いほど、四重極レンズを強くしなければならないことが分かる。

静電四重極レンズの強さｋと印加電圧±Ｖの間には、次の関係がある。

式（６）において、ｒ_Ｑは四重極レンズのボア半径、Ｌ_Ｑは四重極レンズの長さ、Ｅはビームエネルギー、ｑはイオン価数である。例えば、Ｐ^３＋，８０００ｋｅＶのビームに対して、ｒ_Ｑ＝０．０３ｍ、Ｌ_Ｑ＝０．３ｍの四重極レンズの焦点距離を３７．５ｃｍに設定するためには、印加電圧Ｖを２１．４ｋＶにすれば良い。

このようにして、二台の偏向電磁石の間にビームに横収束作用を及ぼす機器を挿入することにより、偏向終了時点でエネルギー分散を消去することができる。これによって、偏向後の長い直線部で、エネルギー分散のない場合と同様にビームを輸送することができ、発散によるビーム損失を防ぐことができる。

図２３は、横収束レンズ（ＱＲ１）がない場合（点線）と、横収束レンズ（ＱＲ１）に式（６）から求められる電圧を印加した場合（実線）の、分散関数値を示す模式図である。横軸は、イオン源からのイオンの飛行距離の推移を表しており、そのすぐ上に、各装置の位置が示されている。横収束レンズＱＲ１に適切な電圧を印加することにより、分散関数は二台目の偏向電磁石（ＢＭ）の出口から下流の全領域でゼロになり、エネルギー分散によるビームの広がりを消去できる。

図２４は、分散を消去したとき（実線）と分散を消去しないとき(点線)のビーム中心軸に沿ったビーム幅（サイズ）の推移を模式的に示した図である。エネルギー幅±２．５％のビームは、分散を消さないと直径が１００ｍｍを越える。このようなビームをビーム走査器でスキャンすると、ビーム走査器の電極やビーム平行化器の電極にビームが大量に当たって、電源が故障する。実際は、スリットによってビームの一部が遮蔽され（図２４の鎖線）、ビーム輸送ラインでは、不具合が起こるほどの大きさにはならないが、ビームの一部が遮蔽されることでウェハに届くビーム電流値が低下し、生産性が下がるので、半導体製造装置として好ましくない。一方、分散を消去すれば、エネルギー幅±２．５％のビームのほとんど全てをウェハまで輸送することができる。

また、エネルギー分散を消去すると、注入点でのビームサイズが小さくなりすぎて不都合が生じる場合は、四重極レンズの設定値を式（５）の値から少しずらすことによって、ビームサイズを少し大きくすることもできる。

なお、ここでは、Ｕ字状偏向部を二台の電磁石で構成する場合について述べたが、さらに多数の偏向電磁石がある場合でも、また四重極電磁石など、他の収束要素がＵ字状偏向部に挿入されている場合でも、同様な手法で、エネルギー分散をコントロールすることができる。

前記のように分散を消し、ビームサイズを小さくして輸送することは、スリットの壁などとの衝突によるビームロスを免れる有力な手段であるが、ビームラインに充満している残留ガスの分子との衝突には、ほとんど効果がない。この衝突を減らすためには、残留ガスの分子を減らす以外に、有効な手段はない。

残留ガスとの衝突以外のビーム損失要因がない理想的な場合、加速後のビームラインの平均圧力をＰ、長さをＬとすると、加速されたビーム電流Ｉ_０と、ウェハまで輸送されたビーム電流Ｉ_Ｗとの間には、次の関係がある。

λは、残留ガスやビームのイオン種・エネルギーに依存する係数である。式（７）は、ビームラインの長さＬが長くなるほど、平均真空度Ｐを下げないかぎり、ビームの輸送効率（Ｉ_Ｗ／Ｉ_０）が維持できないことを表している。

長直線部に設置する真空ポンプの台数を増やすことで、この区間の真空度は上げることができる。しかし、偏向部の両端の長直線部から偏向部のアウトガスを排気しても、十分な真空度は得られず、偏向部での低真空度によるビームロスが支配的になる。偏向電磁石のポールギャップは５０ｍｍ程度と狭いため、そこに真空容器を入れると、コンダクタンスが小さくなるためである。コンダクタンスＣのビームダクト（ビームガイド）を介して、長直線部端に設置された排気速度Ｓの真空ポンプで排気する場合、偏向部の中央付近とポンプ近傍の圧力差ΔＰとアウトガス量Ｑとの関係は、次の式で与えられる。

一定のアウトガスＱがある場合、コンダクタンスＣが小さいと、排気速度Ｓが幾ら大きいポンプを取り付けても、排気量はコンダクタンスに支配されるため、圧力上昇ΔＰが大きくなってしまう。偏向部では、エネルギー分析などで、ビームが壁を叩きやすく、それによるアウトガス量が多くなることも、不利な要因である。

この問題を解決するには、まず偏向部を複数の偏向電磁石で構成することが好ましい。そして、偏向電磁石の間に比較的大きな真空容器を設けて、四重極レンズやスリットを収納すると同時に、そこに真空ポンプを取り付ければよい。

しかし、ビームラインに取り付けられるポンプは、現在では磁気浮上式のターボ分子ポンプが普通であることから、また新たな問題が生じる。偏向電磁石の間の空間には、コイルから漏れてくる磁場があり、これが“磁気浮上”に影響して、ポンプが動かなくなるのである。

ただ、幸いなことに、ビームラインの上側と下側にそれぞれ１か所だけ、両側のコイルから漏れてくる磁場が打ち消しあって、問題ないレベルまで下がる小さな領域がある。そこに、ターボ分子ポンプの回転軸が来るように、配置することによって、動作エラーは発生しなくなる。そのような領域は、３Ｄ磁場計算と磁場測定によって見いだされる。これによって、特別な磁気シールドを製作することなく、必要な高真空が得られる。

以上のように、Ｕ字型偏向部を複数の偏向電磁石で構成し、その間の真空容器の漏れ磁場が小さくなる位置にターボ分子ポンプを取り付けることにより、高効率のビーム輸送が可能な１Ｅ−４Ｐａ以下の真空度を実現することができる。

また、電場式のパラレルレンズと、電場式の最終エネルギーフィルターを有する輸送距離の長いビームラインにおいて、輸送中のビーム電流低下を防止することができ、従来と同等以上の生産性を有する高精度の高エネルギーイオン注入装置を実現できる。

以上の知見に基づいて高エネルギーイオン注入装置を説明する。本実施の形態のある態様の高エネルギーイオン注入装置は、イオン源で発生したイオンを加速し、ビームラインに沿ってウェハまでイオンビームとして輸送し、ウェハに注入するイオン注入装置である。この装置は、イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームを生成する高エネルギー多段直線加速ユニットと、高エネルギーイオンビームの軌道をウェハに向かって方向転換する偏向ユニットと、偏向された高エネルギーイオンビームをウェハまで輸送するビーム輸送ラインユニットとを備え、平行化したイオンビームをメカニカルに走査移動中のウェハに高精度に照射して、ウェハに注入するものである。

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

ビーム偏向ユニットは、少なくとも二つの高精度偏向電磁石と少なくとも一つのエネルギー幅制限スリットとエネルギー分析スリット、及び、少なくとも一つの横収束機器とを備える。複数の偏向電磁石は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析とイオン注入角度の精密な補正、及び、エネルギー分散の抑制とを行うよう構成されている。高精度偏向電磁石のうちエネルギー分析を行う電磁石には、核磁気共鳴プローブとホールプローブが取り付けられており、他の電磁石にはホールプローブのみ取り付けられている。核磁気共鳴プローブは、ホールプローブの校正に使用され、ホールプローブは、磁場一定のフィードバック制御に使用される。

ビーム輸送ラインユニットは、高エネルギーのイオンビームをビームスキャンおよびビーム平行化させて、メカニカルに走査移動中のウェハに高精度にスキャンビームを照射して、イオンを注入することができる。

以下、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置の一例について、図面を参照しながら、より詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（高エネルギーイオン注入装置）
はじめに、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置の構成を簡単に説明する。なお、本明細書の内容は、荷電粒子の種類の一つであるイオンビームのみならず荷電粒子ビーム全般にかかる装置にも適用できるものである。

図１は、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置１００の概略レイアウトとビームラインを模式的に示した図である。

本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置１００は、高周波線形加速方式のイオン加速器と高エネルギーイオン輸送用ビームラインを有するイオン注入装置であり、イオン源１０で発生したイオンを加速し、ビームラインに沿ってウェハ（基板）２００までイオンビームとして輸送し、ウェハ２００に注入する。

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

イオンビーム生成ユニット１２は、イオン源１０と、引き出し電極４０と、質量分析装置２２と、を有する。イオンビーム生成ユニット１２では、イオン源１０から引き出し電極を通してビームが引き出されると同時に加速され、引き出し加速されたビームは質量分析装置２２により質量分析される。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａ、質量分析スリット２２ｂを有している。質量分析スリット２２ｂは、質量分析磁石２２ａの直後に配置する場合もあるが、実施例では、その次の構成である高エネルギー多段直線加速ユニット１４の入り口部内に配置している。

質量分析装置２２による質量分析の結果、注入に必要なイオン種だけが選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次の高エネルギー多段直線加速ユニット１４に導かれる。高エネルギー多段直線加速ユニット１４により、さらに加速されたイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６により方向が変化させられる。

ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー幅制限スリット２７（後述する図５参照）と、エネルギー分析スリット２８と、ステアリング機能を持つ偏向電磁石３０とを有する。なお、エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルター電磁石（ＥＦＭ）と呼ばれることもある。高エネルギーイオンビームは、偏向ユニットによって方向転換され、基板ウェハの方向へ向かう。

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

ビーム輸送ラインユニット１８の下流側の終端には、基板処理供給ユニット２０が設けられており、注入処理室の中に、イオンビームのビーム電流、位置、注入角度、収束発散角、上下左右方向のイオン分布等を計測するビームモニター、イオンビームによる基板の帯電を防止する帯電防止装置、ウェハ（基板）２００を搬入搬出し適正な位置・角度に設置するウェハ搬送機構、イオン注入中ウェハを保持するＥＳＣ（Electro Static Chuck）、注入中ビーム電流の変動に応じた速度でウェハをビームスキャン方向と直角方向に動かすウェハスキャン機構が収納されている。

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

次に、高エネルギーイオン注入装置１００を構成する各ユニット、各装置について更に詳述する。

（イオンビーム発生ユニット）
図２（ａ）は、イオンビーム発生ユニットの概略構成を示す平面図、図２（ｂ）は、イオンビーム発生ユニットの概略構成を示す側面図である。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、ビームラインの最上流に配置されているイオン源１０の出口側には、イオンチャンバ（アークチャンバー）内で生成されたプラズマからイオンビームを引き出す引き出し電極４０が設けられている。引き出し電極４０の下流側近傍には、引き出し電極４０から引き出されたイオンビーム中に含まれる電子が引き出し電極４０に向かって逆流するのを抑制する引き出しサプレッション電極４２が設けられている。

イオン源１０は、イオン源高圧電源４４と接続されている。引き出し電極４０とターミナル４８との間には、引き出し電源５０が接続されている。引き出し電極４０の下流側には、入射するイオンビームから所定のイオンを分離し、分離したイオンビームを取り出すための質量分析装置２２が配置されている。

後述する図５に示すように、高エネルギー多段直線加速ユニット１４の直線加速部ハウジング内の最前部に、イオンビームの総ビーム電流値を計測するためのファラデーカップ８０ａ（インジェクター）が配置されている。

図１４（ａ）は、インジェクターファラデーカップ８０ａとほぼ同じ構成のリゾルバーファラデーカップ８０ｂを正面から見た模式図、図１４（ｂ）は、同じくリゾルバーファラデーカップ８０ｂの動作を説明するための模式図である。

インジェクターファラデーカップ８０ａは、駆動機構によりビームライン上に上下方向から出し入れ可能に構成され、また、水平方向に長い長方形の枡状形状で、開口部をビームライン上流側に向けて構成されており、イオン源や質量分析電磁石の調整時に、イオンビームの総ビーム電流を計測する目的の他、ビームライン下流に到達するイオンビームを必要に応じてビームライン上で完全に遮断するために用いられる。さらに、インジェクターファラデーカップ８０ａの直前の高エネルギー多段直線加速ユニット１４の入り口部内には、前述の通り、質量分析スリット２２ｂが配置されており、単一の質量分析スリット、あるいは、質量の大きさにより、幅の異なる多数スリットの選択方式、または質量スリット幅を無段階または多段に変更できる方式の構成としている。

（高エネルギー多段直線加速ユニット）
図３は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４の概略構成を含む全体レイアウトを示す平面図である。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置、すなわち、一つ以上の高周波共振器１４ａを挟む加速ギャップを備えている。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、高周波（ＲＦ）電場の作用により、イオンを加速することができる。図３において、高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、高エネルギーイオン注入用の基本的な複数段の高周波共振器１４ａを備えた第１線形加速器１５ａと、さらに、超高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器１４ａを備えた第２線形加速器１５ｂとから構成されている。

一方、高周波（ＲＦ）加速を用いたイオン注入装置においては、高周波のパラメータとして電圧の振幅Ｖ[ｋＶ]、周波数ｆ［Ｈｚ］を考慮しなければならない。更に、複数段の高周波加速を行う場合には、お互いの高周波の位相φ［ｄｅｇ］がパラメータとして加わる。加えて、加速の途中や加速後にイオンビームの上下左右への広がりを収束・発散効果によって制御するための磁場レンズ（例えば、四極電磁石）や電場式レンズ（例えば、静電四極電極）が必要であり、それらの運転パラメータは、そこを通過する時点でのイオンのエネルギーによって最適値が変わることに加え、加速電界の強度が収束・発散に影響を及ぼすため、高周波のパラメータを決めた後にそれらの値を決めることになる。

図４は、複数の高周波共振器先端の加速電場（ギャップ）を直線状に並べた高エネルギー多段直線加速ユニット及び収束発散レンズの制御系の構成を示すブロック図である。

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

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

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

イオンビームを効率的に輸送するための収束発散レンズ６４は、高周波線形加速器の内部あるいはその前後に、必要な数が配置される。すなわち、複数段の高周波共振器１４ａの先端の加速ギャップの前後には交互に発散レンズまたは収束レンズが備えられている、その一方で、第２線形加速器１５ｂの終端の横収束レンズ６４ａ（図５参照）の後方には追加の縦収束レンズ６４ｂ（図５参照）が配置され、高エネルギー多段直線加速ユニット１４を通過する高エネルギー加速イオンビームの収束と発散を調整して、後段のビーム偏向ユニット１６に最適な二次元ビームプロファイルのイオンビームを入射させるようにしている。

高周波線形加速器の加速ギャップに生じる電界の方向は、イオンを加速する方向と減速する方向が数十ナノ秒毎に切り替わる。イオンビームを高エネルギーまで加速するためには、数十か所ある加速ギャップの全てで、イオンが加速ギャップに入ったとき、電界は加速方向を向いていなければならない。ある加速ギャップで加速されたイオンは、次の加速ギャップの電界が加速方向を向くまでの間に、二つの加速ギャップの間の電界がシールドされた空間（ドリフトスペース）を通過しなければならない。速すぎても遅すぎても減速されるので、高エネルギーに到達できない。全加速ギャップで加速位相に乗るのは、非常に厳しい条件になるため、予定エネルギーに達するということは、高周波線形加速器による、質量、エネルギー、電荷（速度を決める要因）に対する厳しい選別をくぐり抜けたことになる。その意味で、高周波線形加速器は良い速度フィルターでもある。

（ビーム偏向ユニット）
図１に示すように、ビーム偏向ユニット１６は、エネルギーフィルター偏向電磁石（ＥＦＭ）であるエネルギー分析電磁石２４と、エネルギー幅制限スリット２７（図５参照）と、エネルギー分析スリット２８と、偏向後のエネルギー分散を制御する横収束四重極レンズ２６と、注入角度補正機能を有する偏向電磁石３０を含む。

図５（ａ）、図５（ｂ）は、ＥＦＭ（エネルギー分析用偏向電磁石）、エネルギー幅制限スリット、エネルギー分析スリット、ＢＭ（横方向中心軌道補正用偏向電磁石）、ビーム整形器、ビーム走査器（スキャナー）の概略構成を示す平面図である。なお、図５（ａ）に示す符号Ｌは、イオンビームの中心軌道を示している。

高エネルギー多段直線加速ユニット１４通過後のイオンビームは、シンクロトロン振動によってエネルギー分布ができてしまう。また、加速位相の調整量が大きいときに、中心値が予定のエネルギーからややずれたビームが高エネルギー多段直線加速ユニット１４から出てくることがある。そこで、後述のビーム偏向ユニット１６により所望のエネルギーのイオンのみが通過できるように、エネルギーフィルター偏向磁石（ＥＦＭ）の磁場を設定して、エネルギー幅制限スリット２７とエネルギー分析スリット２８により、ビームの一部を選択的に通過させ、イオンのエネルギーを設定値に揃える。通過できるイオンビームのエネルギー幅はエネルギー幅制限スリットと分析スリットの開口横幅によってあらかじめ設定できる。エネルギー分析スリットを通過したイオンのみが後段のビームラインに導かれ、ウェハに注入される。

エネルギー分布を持ったイオンビームが、前述したフィードバックループ制御系で磁場を一定値に制御されたエネルギーフィルター電磁石（ＥＦＭ）に入射すると、入射イオンビーム全体が設計軌道に沿って偏向されながらエネルギー分散を起こし、所望のエネルギー幅の範囲にあるイオンが、ＥＦＭ出口付近に設置されたエネルギー幅制限スリット２７を通過する。この位置では、エネルギー分散は極大値に向かって増加中であり、エミッタンスによるビームサイズσ１（エネルギー幅がないときのビームサイズ）は、極小値に向かって減少中であるが、エネルギー分散によるビーム幅がエミッタンスによるビーム幅より大きくなっている。このような状態のイオンビームをスリットで切る場合、空間的な分布はシャープに切られるが、エネルギー分布は２σ１に対応するエネルギー幅でなまらされた切り口になる。言い換えると、例えば、スリット幅を、３％のエネルギー幅に対応する寸法に設定したとしても、予定注入エネルギーとのエネルギー差が３％より小さいイオンの一部はスリットの壁に当たって失われ、逆にエネルギー差が３％より大きいイオンの一部は、スリットを通過してしまう。

エネルギー分析スリットは、σ１が極小になる位置に設置する。この位置では、σ１はスリット幅に比べて無視できるほど小さくなるので、エネルギー分布も空間分布とほとんど同じくシャープに切断される。例えば、エネルギー分析スリットの開口幅もエネルギー幅３％に相当する寸法（０．０３η）に設定した場合、エネルギー幅制限スリットを通過できたエネルギー差が３％を超えるイオンは、全てここで阻止される。この結果、最初矩形のエネルギー分布だったビームが二枚のスリットを通過した後では、０％でピークになり、±３％で高さが１／２に減り、その後急激にゼロまで低下するドーム状の分布に変わる。エネルギー差の小さいイオンの数が相対的に多くなるので、一枚のエネルギー分析スリットだけ設置して、ほぼ矩形のエネルギー分布のままスリットを通過させたときより、エネルギー幅が実質的に小さくなる。

二重のスリットシステムは、エネルギー分布の端部を削る効果によって、リナックにより加速されたビームのエネルギーが予定注入エネルギーからわずかにずれている場合、通過後のビームのエネルギーずれを小さくする効果がある。例えば、エネルギー幅が±３％で、エネルギーずれも３％ある場合、二重スリットを通過した後のエネルギー分布は、前記ドーム状分布のエネルギーのプラス側半分になり、その分布の重心であるエネルギー中心は、ほぼΔＥ／Ｅ＝１％付近に来る。一方、単一のエネルギー分析スリットでカットした場合、中心はΔＥ／Ｅ＝１．５％になる。分布をなまらせる効果は、必ずエネルギー中心のずれを抑える方向に働く。

このように、エネルギー幅とエネルギーずれの両方を持つ加速システムで、エネルギー幅とエネルギー中心のずれを両方縮小して、エネルギー精度を上げるためには、二重スリットによるエネルギー制限が有効である。

エネルギー分析電磁石には高い磁場精度が必要であるので、精密な磁場測定を行う高精度な測定装置８６ａ，８６ｂが、取り付けられている（図５（ｂ）参照）。測定装置８６ａ，８６ｂは、ＭＲＰ（磁気共鳴プローブ)とも呼ばれるＮＭＲ(核磁気共鳴)プローブとホールプローブとを適宜組み合わせたもので、ＭＲＰはホールプローブの校正に、ホールプローブは磁場一定のフィードバック制御にそれぞれ使用される。また、エネルギー分析電磁石は、磁場の不均一性が０．０１％未満になるように、厳しい精度で製作されている。さらに、それぞれの電磁石には、電流設定精度と電流安定度とが１×１０−４以上の電源とその制御機器が接続されている

また、エネルギー分析スリット２８の上流側であって、エネルギー分析スリット２８とエネルギー分析電磁石２４との間に、横収束レンズとして四重極レンズ２６が配置されている。四重極レンズ２６は、電場式若しくは磁場式で構成することができる。これによって、イオンビームがＵ字状に偏向された後のエネルギー分散が抑制され、ビームサイズが小さくなるので、高効率のビーム輸送ができる。また、偏向電磁石の磁極部ではコンダクタンスが小さくなるため、例えば、エネルギー分析スリット２８の近傍に、アウトガス排出用の真空ポンプを配置することが有効である。磁気浮上式のターボ分子ポンプを使用する場合は、エネルギー分析電磁石２４や偏向電磁石３０の電磁石の漏れ磁場の影響を受けない位置に設置しなければならない。この真空ポンプによって、偏向ユニットでの残留ガス散乱によるビーム電流低下が防がれる。

高エネルギー多段直線加速ユニット１４中の四重極レンズや、分散調整用四重極レンズ２６、ビーム整形器３２に、大きな据付け誤差があると、図５（ｂ）に示されているビームの中心軌道が歪み、ビームがスリットに当たって失われやすくなり、最終的な注入角度と注入位置も狂ってしまう。これに対しては、注入角度補正機能を有する偏向電磁石３０の磁場補正値によって、水平面上では、ビームの中心軌道が、必ずビーム走査器３４の中心を通るようになっている。これによって、注入角度の狂いは矯正される。さらに、ビーム走査器３４に適切なオフセット電圧を加えると、走査器からウェハまでの中心軌道の歪みはなくなり、注入位置の左右ずれは解消される。

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

また、ビーム偏向ユニット１６は、複数の磁石を用いることで、イオンビームを１８０°偏向させることができる。これにより、ビームラインがＵ字状の高エネルギーイオン注入装置１００を簡易な構成で実現できる。

図５（ａ）に示すように、ビーム偏向ユニット１６は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４から出たイオンビームを、エネルギー分析電磁石２４で９０°偏向する。そして、軌道補正兼用偏向電磁石３０によりビーム進路をさらに９０°偏向し、後述するビーム輸送ラインユニット１８のビーム整形器３２に入射させる。ビーム整形器３２は、入射したビームを整形してビーム走査器３４に供給する。また、図５（ｂ）に示す四重極レンズ２６のレンズ作用により、ビームのエネルギー分散による発散を防止し、あるいは、エネルギー分散によるビーム拡大効果を利用して、ビームが小さくなりすぎることを防いでいる。

図１１（ａ）は、横収束レンズである四重極レンズを模式的に示す平面図、図１１（ｂ）は、四重極レンズを模式的に示す正面図である。図１１（ａ）の平面図では、四重極レンズ２６のビームライン進行方向の電極長さを示すとともに、エネルギー分析器（ＥＦＭ偏向磁石）２４に選別されたエネルギーのビームについて、横発散していくビームが四重極レンズ２６により横収束される作用を示す。図１１（ｂ）の正面図では、四重極レンズ２６の電極による収束発散作用によるビームの横収束作用を示す。

上述のように、ビーム偏向ユニット１６は、イオン源で発生したイオンを加速してウェハまで輸送して打ち込むイオン注入装置において、高エネルギー多段直線加速ユニット１４とビーム輸送ラインユニット１８との間において、イオンビームの１８０°の偏向を複数の電磁石で行っている。つまり、エネルギー分析電磁石２４および軌道補正兼用偏向電磁石３０は、それぞれ偏向角度が９０度となるように構成されており、その結果、合計の偏向角度が１８０度となるように構成されている。なお、一つの磁石で行う偏向量は９０°に限られず、以下の組合せでもよい。
（１）偏向量が９０°の磁石が１つ＋偏向量が４５°の磁石が２つ
（２）偏向量が６０°の磁石が３つ
（３）偏向量が４５°の磁石が４つ
（４）偏向量が３０°の磁石が６つ
（５）偏向量が６０°の磁石が１つ＋偏向量が１２０°の磁石が１つ
（６）偏向量が３０°の磁石が１つ＋偏向量が１５０°の磁石が１つ

エネルギー分析部としてのビーム偏向ユニット１６は、Ｕ字状のビームラインにおける折り返し路であり、それを構成する偏向電磁石の曲率半径ｒは、輸送できるビームの最大エネルギーを限定するとともに、装置の全幅や中央のメンテナンスエリアの広さを決定する重要なパラメータである（図５参照）。その値を最適化することによって、最大エネルギーを下げることなく、装置の全幅を最小に抑えている。そして、これにより、高エネルギー多段直線加速ユニット１４とビーム輸送ラインユニット１８との間の間隔が広くなり、十分な作業スペースＲ１が確保できている（図１参照）。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、電磁石の構成の一例を示す斜視図である。図１３は、電磁石が備える開閉装置を模式的に示した図である。エネルギー分析電磁石２４や偏向電磁石３０を構成する電磁石は、例えば、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、アッパーヨーク８７、ロアーヨーク８８、内側と外側のサイドヨーク８９ａ，８９ｂ、上ポール（不図示）、下ポール９３、上コイル９１ａ、下コイル９１ｂ、で構成されている。また、図１３に示すように、外側サイドヨーク８９ｂは、２つの部材８９ｂ１，８９ｂ２に分割されており、開閉装置９２ａ，９２ｂによって、外側に観音開きできるようになっており、図示しない、ビームラインを構成するビームガイド容器を着脱できるよう構成されている。

また、ビーム偏向ユニット１６の中央部の真空容器、例えば、エネルギー幅制限スリット、四重極レンズ２６、エネルギー分析スリット２８等を収納している容器は、ビームラインから容易に脱着できる構造になっている。これによって、メンテナンス作業時に、Ｕ字状ビームライン中央の作業エリアに、簡単に出入りすることができる。

高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、イオンの加速を行う複数の線形加速装置を備えている。複数の線形加速装置のそれぞれは、共通の連結部を有しており、その連結部は、複数の電磁石のうちエネルギー分析スリット２８よりも上流側にあるエネルギー分析電磁石２４に対して着脱可能に構成されている。同様に、ビーム輸送ラインユニット１８は、偏向電磁石３０に対して着脱可能に構成されていてもよい。

また、エネルギー分析スリット２８より上流側に設けられている、電磁石を含むエネルギー分析電磁石２４は、上流の高エネルギー多段直線加速ユニット１４に対して着脱したり連結したりできるように構成してもよい。また、後述するビーム輸送ラインユニット１８をモジュール型のビームラインユニットで構成した場合、エネルギー分析スリット２８より下流側に設けられている偏向電磁石３０は、下流のビーム輸送ラインユニット１８に対して着脱したり連結したりできるように構成してもよい。

リナック、ビーム偏向ユニットは、それぞれ平面架台上に配置され、それぞれの機器を通過するイオンビーム軌道が実質的に１水平面に含まれる（最終エネルギーフィルターの偏向後の軌道は除く）ように構成されている。

（ビーム輸送ラインユニット）
図６（ａ）は、ビーム走査器からビーム平行化器以降のビームラインから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、ビーム走査器からビーム平行化器以降のビームラインから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す側面図である。

ビーム偏向ユニット１６によって必要なイオン種のみが分離され、必要なエネルギー値のイオンのみとなったビームは、ビーム整形器３２により所望の断面形状に整形される。図５、図６に示すように、ビーム整形器３２は、Ｑ（四重極）レンズ等（電場式若しくは磁場式）の収束／発散レンズ群により構成される。整形された断面形状を持つビームは、ビーム走査器３４により図１（ａ）の面に平行な方向にスキャンされる。例えば、横収束（縦発散）レンズＱＦ／横発散（縦収束）レンズＱＤ／横収束（縦発散）レンズＱＦからなるトリプレットＱレンズ群として構成される。ビーム整形器３２は、必要に応じて、横収束レンズＱＦ、横発散レンズＱＤをそれぞれ単独で、あるいは複数組み合わせて構成することができる。

図５に示すようにスキャナーハウジング内の最前部のビーム整形器３２の直前部とには、イオンビームの総ビーム電流値を計測するためのファラデーカップ８０ｂ（リゾルバーファラディカップと呼ぶ）が配置されている。

図１４（ａ）は、リゾルバーファラデーカップ８０ｂを正面から見た模式図、図１４（ｂ）は、リゾルバーファラデーカップ８０ｂの動作を説明するための模式図である。

リゾルバーファラデーカップ８０ｂは、駆動機構によりビームライン上に上下方向から出し入れ可能に構成され、また、水平方向に長い長方形の枡状形状で、開口部をビームライン上流側に向けて構成されており、リナック及びビーム偏向部の調整の際に、イオンビームの総ビーム電流を計測する目的の他、ビームライン下流に到達するイオンビームを必要に応じてビームライン上で完全に遮断するために用いられる。またリゾルバーファラデーカップ８０ｂ、ビーム走査器３４及びサプレッション電極７４、グランド電極７６ａ、７８ａ、７８ｂは、スキャナーハウジング８２に収容されている。

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

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

高エネルギーイオン注入された際に、シリコンウェハ内部に生成される結晶ダメージの量は、スキャン周波数に反比例する。そして、結晶ダメージの量が、生産される半導体デバイスの品質に影響することがある。このような場合に、スキャン周波数を自由に設定できるようにすることにより、生産される半導体デバイスの品質を高めることができる。

さらに、走査電圧をかけない状態で、ウェハ直近で測定されたビーム位置ずれ量を補正するために、オフセット電圧（固定電圧）が走査電圧に重畳される。このオフセット電圧によって、スキャン範囲が左右に偏ることがなくなり、左右対称なイオン注入が実施できる。

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

また、偏向電極８７ａ，８７ｂの上方と下方には、グランド遮蔽板８９が配置されている。グランド遮蔽板は、ビームに付随する二次電子が、外側から回り込んでビーム走査器３４の正電極に流れ込むことを防いでいる。サプレッション電極とグランド遮蔽板により、走査器の電源が保護されるとともに、イオンビームの軌道が安定化される。

ビーム走査器３４の後方側にビームパーク機能を持っている。ビームパークは、ビームスキャナーを通過したイオンビームを必要に応じて水平に大きく偏向させてビームダンプに導くように構成されている。

ビームパークは、電極の放電など、イオン注入中に予期せぬ障害が発生し、そのまま注入動作を続けると、ドーズの均一性不良などの注入不良が発生する場合に、瞬間的（１０μｓ以内）にビーム輸送を中止するシステムである。実際には、ビーム電流の著しい低下を観測した瞬間に、ビームスキャナー電源の出力電圧を最大スキャン幅に対応する電圧の１．５倍に上げて、ビームをパラレルレンズ横のビームダンプに導いている。障害が発生した時点のウェハ上のビーム照射位置を記憶しておき、障害が解消した後、上下に走査運動しているウェハがその位置に来た瞬間にビームを元の軌道に戻すことによって、あたかも何もなかったかのように、イオン注入が継続される。

このように高速応答する電源は、主としてコスト上の問題から、あまり電圧を高くできない。一方で、高度な注入ドーズの均一性を得るためには、走査範囲をウェハより広く取らなければならない。そのためには、ビーム走査器に高エネルギービームを十分偏向できる能力が必要である。これは、ビーム走査器の偏向電極の間隔と長さに制約を設けることで実現できる。本実施の形態におけるエネルギー領域では、電極長を間隔の５倍以上とすればよい。

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

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

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

図７は、ビーム走査器の一例の主要部を上方から見た模式図である。図８は、ビーム走査器の一例の主要部を側方から見た模式図である。図９は、ビーム走査器の一例をイオンビームラインの途中経路に着脱自在に装着した構造を下流側から見た正面模式図である。

ビーム走査器１３４は、図７、図８に示すように、一対の偏向電極１２８、１３０とこれらの上流側近傍、下流側近傍に組み付けられたグランド電極１３２、１３３とが箱体１５０内に収容、設置されている。箱体１５０の上流側側面及び下流側側面であって、グランド電極１３２、１３３の開口部に対応する箇所には、それぞれ、上流側開口部（図示省略）、グランド電極１３３の開口部より大きめの開口部１５２Ａ（図８参照）が設けられている。

偏向電極と電源との接続は、フィードスルー構造にて実現されている。一方、箱体１５０の上面には偏向電極１２８、１３０と電源とを接続するためのターミナルとグランド用のターミナルが設けられている。また、箱体１５０には、ビーム軸に平行な２つの側面に、着脱や持ち運びに都合のよい取っ手が設けられている。なお、箱体１５０には、ビーム走査器１３４内の圧力を下げるための真空排気用の開口部が形成されており、図示しない真空排気装置に接続されている。

図９に示すように、箱体１５０は、架台１６０上に固定設置されたビームガイドボックス１７０内にスライド自在に設置されている。ビームガイドボックス１７０は箱体１５０より十分に大きく、底部には箱体１５０をスライド可能にするための２本のガイドレールが敷設されている。ガイドレールは、ビーム軸に直交する方向に延びており、その一端側のビームガイドボックス１７０の側面は扉１７２により開閉自在にされている。これにより、ビーム走査器１３４の保守・点検時には、箱体１５０をビームガイドボックス１７０から簡単に取り出すことができる。なお、ビームガイドボックス１７０内に押し込まれた箱体１５０をロックするために、ガイドレールの他端には係止機構（不図示）が設けられている。

これらのスキャナー周辺のユニット部材は、ビームラインのメンテナンス時の作業対象であり、メンテナンス作業は作業スペースＲ１から容易に実施することができる。高エネルギー多段直線加速ユニット１４のメンテナンス作業時にも、同様に、作業スペースＲ１から容易に実施することができる。

ビーム平行化器３６には、電場式平行化レンズ８４が配置されている。図６に示すように、電場式平行化レンズ８４は、略双曲線形状の複数の加速電極対と減速電極対で構成されている。各電極対は、放電が起きない程度の広さの加速・減速ギャップを介して向き合っており、加速減速ギャップには、イオンビームの加減速を引き起こす軸方向の成分と、基準軸からの距離に比例して強くなって、イオンビームに横方向の収束作用を及ぼす横成分とを併せ持つ電界が形成される。

加速ギャップを挟む電極対のうち下流側の電極と、減速ギャップの上流側の電極、及び、減速ギャップの下流側の電極と次の加速ギャップの上流側の電極とは、同一電位になるように、それぞれ一体の構造体を形成している。図６（ｂ）に示すように、さらにこれらの構造体は、上部ユニットと下部ユニットの上下対の組体で構成され、上部ユニットと下部ユニットの間には、イオンビームが通過する空間部が設けられている。

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

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

このように、ビーム走査器３４によりスキャンされたビームは、電場式平行化レンズ等を含むビーム平行化器３６により、スキャン前のイオンビーム進行方向（ビームライン軌道方向）に平行な偏向角０度の軸（基準軸）に対して平行になる。このとき、スキャン領域は、基準軸に関して左右対称になる。

電場式平行化レンズ８４から出たイオンビームは、電場式最終エネルギーフィルター３８（ＡＥＦ（９４）：Angular Energy Filter）に送られる。最終エネルギーフィルター９４では、ウェハに注入する直前のイオンビームのエネルギーに関する最終的な分析が行われ、必要なエネルギー値のイオン種のみが選択されるとともに、合わせて、中性化した価数のない中性粒子や、イオン価数の異なるイオンの除去が行われる。この電界偏向による最終エネルギーフィルター９４は、ビームライン軌道方向の上下方向に対向する一対の平面若しくは曲面からなる板状の偏向電極により構成され、ビームライン軌道方向の上下方向において最終エネルギーフィルター９４自身の偏向作用により下方に曲がっていくイオンビーム軌道に合わせて屈曲している。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、電界偏向用電極は、一対のＡＥＦ電極１０４から構成され、イオンビームを上下方向より挟み込むように配置されている。一対のＡＥＦ電極１０４のうち、上側のＡＥＦ電極１０４には正電圧を、下側のＡＥＦ電極１０４には負電圧をそれぞれ印加している。電界による偏向時には、一対のＡＥＦ電極１０４間で発生する電界の作用によって、イオンビームを下方に約１０〜２０度偏向させ、目的エネルギーのイオンビームのみが選択されることとなる。図６（ｂ）に示されるように、最終エネルギーフィルター９４においては選択された価数のイオンビームのみが設定した軌道角度で下方に偏向される。このようにして選択されたイオン種のみからなるビームが正確な角度で一様に被照射物であるウェハ２００に照射される。

実際に高エネルギービームを偏向する上では、上下方向に対向する一対の板状の偏向電極２０４は、図１０に示すように、イオンビーム軌道に合わせて屈曲させるときに、偏向角と曲率半径に合わせて、前後にｎ分割し、それぞれの上部電極および下部電極が各々同電位に保たれた板状の電極とした方が、製作精度や経済性の点で優れている。また、前後にｎ分割された板状の偏向電極は、上部電極および下部電極を各々同電位に保つ構成のほか、ｎ分割の上下一対の板状電極として、それぞれ別の電位設定とすることも可能である。

このような構造を取ることによって、電場式のエネルギーフィルターを高エネルギーのスキャンビーム輸送ラインに搭載することが可能になっている。電場によって、ビームスキャン面と直交する方向にビームを偏向するため、ビームスキャン方向の注入イオン密度分布（均一性）に影響を与えず、エネルギー分析を行うことができるようになっている。

さらに、最終エネルギーフィルターの搭載によって、本ビームラインには、高エネルギー多段直線加速ユニット１４の高周波線形加速装置、Ｕ字状偏向部の磁場式のＥＦＭ（エネルギー分析電磁石２４）とＢＭ（偏向電磁石３０）と合わせて、３種類のビームフィルターが搭載されることになった。前述のように、高周波線形加速装置は速度（ｖ）フィルターであり、ＥＦＭとＢＭは運動量（ｍｖ）フィルターであり、この最終エネルギーフィルターはその名の通りエネルギー（ｍｖ^２／２）フィルターである。このように、方式の異なる三重のフィルターをかけることにより、従来と比べてエネルギー純度が高いだけでなく、パーティクルやメタルコンタミネーションも少ない非常に純粋なイオンビームをウェハに供給できるようになっている。

なお、機能的には、ＥＦＭは高分解能で、高周波線形加速装置をすり抜けたエネルギーコンタミネーションの除去やエネルギー幅の制限を行い、ＡＥＦは比較的低分解能で、ＥＦＭによるエネルギー分析後のビーム輸送ラインユニットで、主にレジストアウトガスによって価数が変化したイオンを除去する役割を担っている。

最終エネルギーフィルター９４は、最終エネルギーフィルター９４の上流側にグランド電極１０８、および下流側の２つのグランド電極の間にＡＥＦサプレッション電極１１０を設けた電極セットを備えている。このＡＥＦサプレッション電極１１０は、正電極へ電子の侵入を抑制する。

最終エネルギーフィルター９４の最下流側のグランド電極の左右端に配置されたドーズカップ１２２により、ドーズ量の目安とする注入注のビーム電流量を測定する。

（基板処理供給ユニット）
図６（ａ）においてウェハ２００に隣接して示した矢印はビームがこれらの矢印の方向にスキャンされることを示し、図６（ｂ）においてウェハ２００に隣接して示した矢印はウェハ２００がこれらの矢印の方向に往復移動、すなわち機械走査されることを示している。つまり、ビームが、例えば一軸方向に往復スキャンされるものとすると、ウェハ２００は、図示しない駆動機構により上記一軸方向に直角な方向に往復移動するように駆動される。

ウェハ２００を所定の位置に搬送供給し、イオン注入による処理を行う基板処理供給ユニット２０は、プロセスチャンバ（注入処理室）１１６に収納されている。プロセスチャンバ１１６は、ＡＥＦチャンバ１０２と連通している。プロセスチャンバ１１６内には、エネルギー制限スリット（ＥＤＳ：Energy Defining Slit）１１８が配置されている。エネルギー制限スリット１１８は、所用以外のエネルギー値と価数を持つイオンビームの通過を制限することにより、ＡＥＦを通過した所用のエネルギー値と価数を持つイオンビームだけを分離するために、スキャン方向に横長のスリットで構成されている。また、エネルギー制限スリット１１８は、スリットの分離の間隔を調整するために上下方向から可動式の部材でスリット体を構成し、エネルギー分析や、注入角度の測定など、複数の測定目的に対応できるようにしても良い。さらに、可動式の上下の切替えスリット部材は、複数のスリット面を備えて、これらのスリット面を切り替えた後、さらに上下スリットの軸を上下方向に調整させたり、回転させたりすることによって、所望のスリット幅に変更するよう構成しても良い。これら複数のスリット面をイオン種に応じて順次切り替えることにより、クロスコンタミネーションを低減する構成とすることも可能である。

プラズマシャワー１２０は、低エネルギー電子をイオンビームのビーム電流量に応じて軌道上のイオンビームとウェハ２００の前面に供給し、イオン注入で生じる正電荷のチャージアップを抑制する。なお、最終エネルギーフィルター９４の最下流側のグランド電極の左右端に配置されたドーズカップ１２２の代わりに、プラズマシャワー１２０の左右端にドーズ量を測定するドーズカップ（不図示）を配置しても良い。

ビームプロファイラ１２４は、イオン注入位置でのビーム電流の測定を行うためのビームプロファイラカップ（図示省略）を備えている。ビームプロファイラ１２４は、イオン注入前に水平方向へ移動させながら、イオン注入位置のイオンビーム密度を、ビームスキャン範囲において測定する。ビームプロファイル測定の結果、イオンビームの予想不均一性（ＰＮＵ:Predicted Non Uniformity）がプロセスの要求に満たない場合には、ビーム走査器３４の印加電圧の制御関数を補正して、プロセス条件を満たすように自動的に調整する。また、ビームプロファイラ１２４に、バーティカルプロファイルカップ（図示省略）を併設して、ビーム形状・ビームＸ−Ｙ位置を測定して、注入位置でのビーム形状を確認し、ビーム幅やビーム中心位置、ダイバージェンスマスクと組み合わせて注入角度やビーム発散角を確認できるよう構成することも可能である。

ビームラインの最下流には、スキャン範囲のイオンビームをウェハ領域において全て計測できるビーム電流計測機能を有する横長ファラデーカップ１２６が配置されており、最終セットアップビームを計測するよう構成されている。図１５は、横長ファラデーカップを正面から見た模式図である。なお、クロスコンタミネーションを低減するために、横長ファラデーカップ１２６は、イオン種に応じて三角柱の３面を切り替えることができるトリプルサーフェス構造のファラデーカップの切り換え式底面を持つ構成とすることも可能である。また、横長ファラデーカップ１２６に、バーティカルプロファイルカップ（図示省略）を併設して、ビーム形状やビーム上下位置を測定して、注入位置での上下方向の注入角度やビーム発散角をモニターできるよう構成することも可能である。

前述のように、高エネルギーイオン注入装置１００は、図１に示すように、作業スペースＲ１を囲むように、各ユニットがＵ字状に配置されている。そのため、作業スペースＲ１にいる作業者は、最小限の移動により、多くのユニットに対して部品の交換やメンテナンス、調整を行うことができる。以下では、ビーム走査器を例に、ユニット内部へのアクセスを可能とする開閉機構について説明する。

（全体レイアウト、メンテナンス性、製造性、地球環境配慮）
以上、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置１００は、イオンビーム生成ユニット１２にて生成したイオンビームを、高エネルギー多段直線加速ユニット１４にて加速するとともに、ビーム偏向ユニット１６により方向転換し、ビーム輸送ラインユニット１８の終端に設けられている基板処理供給ユニット２０にある基板に照射する。

また、高エネルギーイオン注入装置１００は、複数のユニットとして、高エネルギー多段直線加速ユニット１４と、ビーム輸送ラインユニット１８と、を含んでいる。そして、高エネルギー多段直線加速ユニット１４およびビーム輸送ラインユニット１８は、図１に示す作業スペースＲ１を挟んで対向するように配置されている。これにより、従来装置ではほぼ直線状に配置されてきた高エネルギー多段直線加速ユニット１４と、ビーム輸送ラインユニット１８とが折り返して配置されるため、高エネルギーイオン注入装置１００の全長を抑えることができる。また、ビーム偏向ユニット１６を構成する複数の偏向電磁石の曲率半径は、装置幅を最小にするように最適化されている。これらによって、装置の設置面積を最小化するとともに、高エネルギー多段直線加速ユニット１４とビーム輸送ラインユニット１８との間に挟まれた作業スペースＲ１において、高エネルギー多段直線加速ユニット１４やビーム輸送ラインユニット１８の各装置に対する作業が可能となる。

また、高エネルギーイオン注入装置１００を構成する複数のユニットは、ビームラインの上流側に設けられている、イオンビームを発生させるイオンビーム生成ユニット１２と、ビームラインの下流側に設けられている、イオンが注入される基板を供給し処理する基板処理供給ユニット２０と、イオンビーム生成ユニット１２から基板処理供給ユニット２０へ向かうビームラインの途中に設けられている、イオンビームの軌道を偏向するビーム偏向ユニット１６とを含んでいる。そして、イオンビーム生成ユニット１２および基板処理供給ユニット２０をビームライン全体の一方の側に配置し、ビーム偏向ユニット１６をビームライン全体の他方の側に配置している。これにより、比較的短時間でメンテナンスの必要なイオン源１０や、基板の供給、取り出しが必要な基板処理供給ユニット２０が隣接して配置されるため、作業者の移動が少なくてすむ。

また、高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、イオンの加速を行う複数の一連の線形加速装置を備えており、複数の一連の線形加速装置のそれぞれは、共通の連結部を有していてもよい。これにより、基板へ注入するイオンに必要とされるエネルギーに応じて、線形加速装置の数や種類を容易に変更できる。

また、スキャナー装置であるビーム走査器３４および平行化レンズ装置であるビーム平行化器３６は、隣接するユニットとの連結部として標準化された形状を有していてもよい。これにより、線形加速装置の数や種類を容易に変更できる。そして、ビーム走査器３４やビーム平行化器３６は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４が備える線形加速装置の構成および数に応じて選択されてもよい。

また、高エネルギーイオン注入装置１００において、各装置のフレームと真空チャンバとを一体化し、装置フレームまたは真空チャンバの基準位置に合わせて組付けを行うことにより、ビームの芯出し（位置調整）が可能となるように構成してもよい。これにより、煩雑な芯出し作業が最小限となり、装置立ち上げ時間が短縮でき、作業間違いによる軸ずれの発生が抑制できる。また、連続する真空チャンバ同士の芯出しを、モジュール単位で実施してもよい。これにより、作業負荷を低減できる。また、モジュール化された装置の大きさを、装置の移動がし易い大きさ以下にしてもよい。これにより、モジュールや高エネルギーイオン注入装置１００の移設負荷を低減できる。

また、高エネルギーイオン注入装置１００は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４、ビーム輸送ラインユニット１８、排気装置等を含む構成機器を一体の架台に組み込んでもよい。また、高エネルギーイオン注入装置１００は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４やビーム偏向ユニット１６、ビーム輸送ラインユニット１８を平面基盤上にほぼ一水平面に含まれるようにしている。これにより、高エネルギーイオン注入装置１００を一水平面の平面基盤上に固定された状態で調整しブロック毎にそのまま運搬することもできるので、輸送中に調整ずれを生ずることが少なく、現地で再調整する手間が大いに省ける。そのため、現場に多数の熟練者を送り込んで長期間滞在させる不経済を避けることができる。

また、上記の平面基盤を架台の床でなく中間に形成すると、平面基盤上に、イオンビーム軌道に直接的に関係する上述の機器のみを搭載するようにできる。そして、これらに対する補助的な機器である高周波立体回路等の部材を、全て平面基盤の下に形成される空間中に組み込むことで、空間利用率を向上させ、よりコンパクトなイオン注入装置を実現することも可能になる。

したがって、上述の高エネルギーイオン注入装置１００は、設置場所に余裕がない場所でも設置でき、製作工場内で組み付け調整したままの状態で需要箇所に輸送して、現地に据え付け、最終調整により使用ができる。また、高エネルギーイオン注入装置１００は、半導体製造工場の半導体製造装置ラインの標準的な水準における利用に耐えられる以上の高エネルギーのイオン注入を実現できる。

このように、高エネルギーイオン注入装置１００は、各ユニットや各装置のレイアウトを工夫することで、従来と比較して大いに小型化され、従来の半分程度の設置長さに納めることができる。また、本実施の形態に係るイオン注入装置は、製造工場内で各構成要素を基盤上に組み込み、基盤上で位置調整してイオンビーム軌道を確立したまま輸送車に搭載して現地に輸送し、架台ごと据え付けた上で輸送中に生じた狂いを微調整して除去することにより稼働させることができる。そのため、熟練者でなくとも現場調整が格段に容易かつ確実に実施でき、また立ち上げ期間を短縮できる。

また、長いＵ字状の折り返し型ビームラインのようなレイアウトを取ることによって、最高５〜８ＭｅＶの高エネルギーイオンを高精度で注入できるイオン注入装置を実現することができる。また、このイオン注入装置は、中央通路（中央領域）を持つこのレイアウトによって、小さな設置面積で十分なメンテナンスエリアを持つ。また、イオン注入装置の運転時においては、電場式パラレルレンズや電場式スキャナー、電場式ＡＥＦ等の使用による低消費電力運転によって、消費電力を少なくできる。換言すると、本実施の形態に係るイオン注入装置は、電場式偏向式の平行化レンズ装置の使用によるスキャンビームの平行化機構を有することで、低消費電力運転が可能となる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

以下、本願発明の異なる態様を実施の形態に沿って列挙する。

高エネルギーイオン注入装置１００は、ビーム偏向ユニット１６を出た高エネルギーイオンビームを、電場式のビーム走査器３４および電場式のビーム平行化器３６により、ビームスキャンするとともに平行化し、高エネルギー用の電場式の最終エネルギーフィルター３８により、質量、イオン価数及びエネルギーの少なくとも一つが異なる混入イオンを取り除いて、ウェハに注入するように構成されている。そして、ビーム偏向ユニット１６は、複数の偏向電磁石（２４，３０）で構成され、複数の偏向電磁石の間に少なくとも１つの横収束要素（四重極レンズ２６）が挿入されている。これにより、エネルギー幅のあるビームの発散が抑制されている。

また、横収束要素の強さは、ビーム偏向ユニット１６の終端の角度偏向電磁石３０出口において、イオンビームのエネルギー分散関数とその変化率とを実質的にゼロにするように設定されている。

横収束要素は、イオン注入位置においてイオンビームの断面サイズが所望の大きさになるように、エネルギー分散関数とその変化率とが調整されている。所望の大きさとは、注入対象のウェハの大きさや生産性を考慮して適宜設定される大きさである。

上述の実施の形態では、横収束要素が、１台の四重極レンズまたは２台以上の四重極レンズの組合せレンズで構成されている。また、横収束要素は、四重極電磁石または静電四重極電極であってもよい。

複数の偏向電磁石は、エネルギー分析のための偏向を行う第１の電磁石（エネルギー分析電磁石２４）と、イオンビームの軌道を偏向しながらウェハへのビーム注入角を精密制御する第２の電磁石（角度偏向電磁石３０）とで構成されている。

また、ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４の下流側であって、横収束要素である四重極レンズの上流側および下流側に、エネルギー幅制限スリット２７およびエネルギー分析スリット２８が設けられている。

エネルギー分析電磁石２４および角度偏向電磁石３０は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４で加速された高エネルギーのイオンビームを約１８０°偏向するように構成されている。また、エネルギー分析電磁石２４および角度偏向電磁石３０は、それぞれの電磁石の偏向角度が９０度となるように構成されている。

複数の偏向電磁石（エネルギー分析電磁石２４および角度偏向電磁石３０）は、少なくとも一方がポール面角を個別設定できるように構成されている。そして、ビーム偏向ユニット１６は、横収束要素と複数の偏向電磁石とにより、分散関数を調整するよう構成されている。また、ポール面角の付いた偏向電磁石は、面角調整装置を備えてもよい。また、複数の偏向電磁石は、同じポール面角を持つ同じ形状の電磁石であり、同一の動作条件で動作するように構成されている。

横収束要素の強さは、第１の偏向電磁石で発生する分散関数が第２の偏向電磁石で発生する分散関数で打ち消されて分散関数が実質的にゼロとなるように設定され、複数の偏向電磁石は、高エネルギー多段直線加速ユニット１４で発生したエネルギー幅によるビームの広がりを消して、エネルギー幅のないイオンビームと同等のイオンビームをビーム輸送ラインユニット１８に供給するよう構成されている。

高エネルギー多段直線加速ユニット１４の出口部に縦収束調整機構（縦収束レンズ６４ｂ）と横収束調整機構（横収束レンズ６４ａ）が配設されており、縦収束及び横収束が調整されたイオンビームをエネルギー分析ユニットに入射するよう構成されている。

前述の高エネルギーイオン注入装置は、少なくともビーム輸送ラインユニットに含まれる各装置が電場式のため、装置構成の簡略化や電源の低出力化が可能となる。

図１６（ａ）は、本実施の形態に係るビーム整形器３２からビーム走査器３４までの概略構成を示す上面図、図１６（ｂ）は、本実施の形態に係るビーム整形器３２からビーム走査器３４までの概略構成を示す側面図である。

図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示すように、電場式のビーム走査器３４は、一対の偏向電極８７ａ，８７ｂを有している。また、偏向電極８７ａ，８７ｂの上方と下方には、グランド遮蔽板８９が配置されている。グランド遮蔽板８９は、ビームに付随する二次電子が、外側から回り込んでビーム走査器３４の電極に流れ込むことを防いでいる。外側から一対の偏向電極８７ａ，８７ｂの平行部の間隔をＷ_１、偏向電極８７ａ，８７ｂのビーム進行方向の長さをＬ_１とすると、Ｌ_１≧５Ｗ_１を満たすように構成されてもよい。また、電源（増幅器）は、０．５ｋＨｚ〜４ｋＨｚの範囲の任意の走査周波数で動作が可能なように構成されてもよい。また、平行部のない一対の偏向電極８７ａ，８７ｂの間隔をＤ_１とすると、Ｌ_１≧５Ｄ_１を満たすように構成されていてもよい。

一般に高エネルギービームを十分に偏向するためには，ビームを、高い電界の中を長い距離通過させる必要がある。高い電界を作るためには高い電圧を利用するか電極間隔を狭める必要がある。また、ビーム走査器では、電圧を１ｋＨｚ程度の周波数で変化させることのできる高圧電源を使用する必要があるが，この種の電源で高い電圧を出力できるものを一般に入手することは困難である。したがって、ビーム走査器における偏向電極の間隔を狭める必要がある。

偏向電極８７ａ，８７ｂの間隔は、通過させるビームの幅より大きくなければならない。これによって、電極の最低間隔が決定される。また、電極の長さは、ビームエネルギー、電界および偏向する角度によって決まる。また、ビームエネルギーは装置仕様で決められている。電界は上の条件により決まる。よって、偏向する角度を決めることで電極の長さが決まる。

例えば、本実施の形態に係るビーム走査器における左右スキャナー電極の間隔は６０ｍｍ程度（ビームサイズ最大４０ｍｍを想定、電極間の耐圧については問題がない程度。）、スキャナー電極のビーム進行方向幅は４６０ｍｍ程度と長くした。また、スキャン電圧±３０ｋＶ、走査周波数は０．５〜４ｋＨｚ程度である。

電場式のビーム走査器３４を有する一対の偏向電極８７ａ，８７ｂの平行部の間隔をＷ_１、偏向電極の高さをＨ_１とすると、Ｈ_１≧１．５Ｗ_１を満たすように構成されていてもよい。ビームの全体にわたって均一な走査を行うためには，スキャナー中の電界は上下方向に一様になっている必要がある。そこで、電極高さが十分に高い偏向電極を用いることで、電界を一様にすることができる。

偏向電極８７ａ（８７ｂ）は、長方形のロングプレート形状であり、他の偏向電極８７ｂ（８７ａ）との対向面が平面または曲面で構成されており、対向面と反対側の外側面は段差形状となるように構成されていてもよい。

また、偏向電極８７ａ（８７ｂ）は、他の偏向電極８７ｂ（８７ａ）との対向面が二段平面で構成されており、対向面と反対側の外側面は段差形状となるように構成されていてもよい。これにより、加工性（製作性）が向上する。このように、外側面を簡易な平面構造とすることで加工費用を低減することができる。また、段差を付けてより多く外側を削ることにより部品重量が軽なり、取付け作業時の作業者負担を軽減することができる。

また、偏向電極８７ｂ（８７ａ）は、他の偏向電極８７ｂ（８７ａ）との対向面がノコギリ刃状に加工された段差で構成されていてもよい。これにより、メタルコンタミネーションの発生を抑えることができる。

なお、上述のように、ビーム走査器の偏向電極の間隔は狭い方が望ましい。しかしながら、スキャンされたビームは幅を持っているため、電極間隔が狭すぎると電極にビームが当たってしまう。そこで、一対の偏向電極は、スキャン幅がまだ広がっていない上流側の間隔が狭くなるように上流側の形状は互いに平行な直線構造とし、スキャン幅の広がる下流に向かって約±５度で広がっていく形状とした。広がる部分を曲線や段差にすることもできるが、直線構造は加工がより簡易であり低コストで作ることができる。

高エネルギーイオン注入装置１００は、電場式のビーム走査器３４のビームライン下流側に配置され、イオンビームの通過域に開口を有する上流側のグランド電極７８ａおよび下流側のグランド電極７８ｂと、上流側のグランド電極７８ａと下流側のグランド電極７８ｂとの間に配置されているサプレッション電極７４と、を更に備えている。

図１７は、下流側グランド電極の開口幅とサプレッション電極の開口幅と上流側グランド電極の開口幅との大きさの関係を説明するための模式図である。上流側のグランド電極７８ａの開口７８ａ１の幅をＷ_１、サプレッション電極７４の開口７４ａ１の幅をＷ₂、下流側のグランド電極７８ｂの開口７８ｂ１の幅をＷ₃、とすると、各電極は、Ｗ_１≦Ｗ_２≦Ｗ_３２を満たすように構成されていてもよい。スキャンされたビームは、下流に向かうにつれて横方向に広がるため、サプレッション電極７４、グランド電極７８ａ，７８ｂのそれぞれの開口幅を上述の関係を満たすように構成することで、スキャンされたビームが各部材に当たらないようにできる。

電場式のビーム走査器３４は、図１６（ａ）に示すように、偏向角度が±５°以下であってもよい。これにより、下流にある電場式のビーム平行化器３６（図６参照）への入射角が小さくなり、収差の発生を抑えられる。収差（ビーム平行化器中心と端部との焦点距離の差）はこの入射角の２乗に比例して大きくなる。

電場式のビーム走査器３４と電場式のビーム平行化器３６との間に、電場式のビーム走査器３４の偏向角度を小さくするためのビーム走査空間９６が設けられている。これにより、電場式のビーム走査器３４と電場式のビーム平行化器３６との間隔を広げることができる。そのため、電場式のビーム走査器３４における偏向角度が小さくても、スキャンされたビームが電場式のビーム平行化器３６に到達するまでに十分に広がる。そのため、電場式のビーム平行化器３６でのビームの収差を抑えつつ十分な広さのスキャン範囲を確保できる。

電場式のビーム走査器３４が収納され、ビーム走査空間９６が設けられている真空容器９１と、真空容器９１に接続され、真空容器の内部の気体を排出するための真空ポンプ（不図示）と、を備えてもよい。例えば、電場式ビーム走査器の位置に真空度確保のためのターボ分子ポンプを設け、電場式ビーム走査器の直下にターボポンプを配置してもよい。これにより、電場式のビーム走査器３４のビームライン真空度を確保することができる。また、電場式のビーム走査器３４近傍のアパチャーや電極等にイオンが衝突することで発生するアウトガスを効率よく排気できる。このように、発生したガスを発生源付近でできるだけ多く取り除くことができれば周囲に拡散するガスが少なくなる。また、不要なガスがなければそのガスに邪魔されずビームが通過できるため、ビームの輸送効率が向上する。

電場式のビーム平行化器３６（図６参照）は、ビーム走査空間９６を挟んで上流側に配置されている電場式のビーム走査器３４が有する一対の偏向電極８７ａ，８７ｂの間の領域に焦点Ｆが位置するように構成される。走査範囲が一定のとき、ビーム平行化器の収差はその焦点距離の２乗に反比例するため、焦点距離の長いビーム平行化器３６を設置することで、収差を抑えることができる。

図１８は、ビーム平行化器の他の例を模式的に示す図である。図１８に示す電場式のビーム平行化器１３６は、多段の平行化レンズ８４ａ，８４ｂ，８４ｃを有している。これにより、スキャンされたビームを徐々に平行化することができるため、電場式のビーム走査器３４と電場式のビーム平行化器１３６との間隔、例えば上述のビーム走査空間９６の長さ、を短くできる。そのため、ビームライン全長を短縮できる。

本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置１００は、図１に示すように、イオン源１０を有するイオンビーム生成ユニット１２および高エネルギー多段直線加速ユニット１４を含む、長い軌道を有する第１セクションと、ビーム偏向ユニット１６を含む偏向部による方向変換のための第２セクションと、ビーム輸送ラインユニット１８を含む、長い軌道を有する第３セクションと、により高エネルギーイオン注入ビームラインを構成し、第１セクションと第３セクションとを対向させて配置して、対向する長直線部を有するＵ字状の装置レイアウトを構成した。

また、高エネルギーイオン注入装置１００は、図５に示すように、イオンビーム生成ユニット１２と高エネルギー多段直線加速ユニット１４との間に、イオンビームの総ビーム電流量を測定するインジェクターファラデーカップ８０ａを、ビームラインへの挿入退避が可能なように設けた。

同様に、ビーム偏向ユニット１６とビーム輸送ラインユニット１８との間に、イオンビームの総ビーム電流量を測定するリゾルバーファラデーカップ８０ｂを、ビームラインへの挿入退避が可能なように設けた。

また、高エネルギーイオン注入装置１００は、図１に示すように、ビーム輸送ラインユニット１８の下流側に配置され、イオン注入による処理を行う基板処理供給ユニット２０を更に備えている。基板処理供給ユニット２０は、図６に示すように、イオン注入位置の後方に、イオンビームの総ビーム電流量を測定する固定式の横長ファラデーカップ１２６を設けた。

また、高エネルギーイオン注入装置１００は、図１等に示すように、イオンビーム生成ユニット１２に設けたビーム方向調整部を含む引き出し電極装置（引き出し電極４０：図２参照）と、高エネルギー多段直線加速ユニット１４の終端内部に設けた、ビーム方向性並びに収束発散の調整を行う調整部（横収束レンズ６４ａ、縦収束レンズ６４ｂ：図５参照）と、エネルギー分析ユニット（ビーム偏向ユニット１６：図１参照）に設けた電場式の高エネルギービーム調整部（軌道調整四重極レンズ２６：図５参照）と、ビーム輸送ラインユニット１８が有する電場式のビーム整形器３２および電場式のビーム平行化器３６と、を調整することにより、ビーム収束発散量が均質で軌道ずれの少ない方向性が均一なビームを生成し、そのビームを電場式のビーム走査器３４に供給するよう構成した。

電場式のビーム走査器３４は、図１６に示すように、イオンビームを通常のスキャン範囲の更に外側に偏向させて、電場式のビーム平行化器３６の手前部に配設された左右いずれか一方のビームダンプ部９５ａ，９５ｂに導くことで、ビームを一時的にダンプできるように構成されていてもよい。

また、電場式のビーム走査器３４は、走査範囲の左右の偏りを補正するためのオフセット電圧（電界がゼロになる位置を左右の中心からずらすための一定電圧）が印加できるように構成されている。また、ビーム走査器３４は、オフセット電圧を、電場式のビーム走査器３４の中心付近を通るように調整されたビームがウェハに到達したときの位置ずれから逆算して決められるようにし、注入角度・注入位置微調整システムの一部を構成するようにした。

上述の実施の形態では、電場式のビーム平行化器を例に説明したが、場合によっては磁場式のビーム平行化器を採用してもよい。

図１９（ａ）は、本実施の形態のある態様のビーム平行化器の概略構成を示す上面図、図１９（ｂ）は、本実施の形態のある態様のビーム平行化器の概略構成を示す側面図である。なお、図６に示すビーム平行化器３６と同じ構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。

図１９（ａ）、図１９（ｂ）に示されるビーム平行化器１４２は、複数対の加速用電極１４３，１４４と、複数対の減速用電極１４５，１４６と、を有する加速減速電極レンズ群から構成されており、スキャンされたイオンビームを段階的に平行化するように構成されている。これにより、一つの加速用電極または一つの減速用電極に印加される電圧を小さくできるため、電源の簡素化、小型化が可能となり、また、放電の発生も抑制できる。

また、加速用電極１４３の下流側の電極１４３ｂと減速用電極１４５の上流側の電極１４５ａは同電位となるように導通されており、第１の平行化電源１４７が接続されている。また、減速用電極１４５の下流側の電極１４５ｂと加速用電極１４４の上流側の電極１４４ａは同電位となるように導通されており、第２の平行化電源１４８が接続されている。また、加速用電極１４４の下流側の電極１４４ｂと減速用電極１４６の上流側の電極１４６ａは同電位となるように導通されており、第１の平行化電源１４７が接続されている。なお、加速用電極１４３の上流側の電極１４３ａと減速用電極１４６の下流側の電極１４６ｂは、それぞれ接地電位となっている。このように一部の電極に印加される電圧を同じにすることで、用いられる電源を少なくできる。

なお、複数対の加速用電極１４３，１４４および複数対の減速用電極１４５，１４６のうち、ビームラインの最上流側に配置されている入り口接地電極である電極１４３ａと電極１４３ａに隣接する電極１４３ｂとにより電子の流入を抑制する第１サプレッション電極を構成し、ビームラインの最下流側に配置されている出口接地電極である電極１４６ｂと電極１４６ｂに隣接する電極１４６ａとにより電子の流入を抑制する第２サプレッション電極を構成してもよい。これにより、サプレッション電極を別に設ける必要がなくなる。

また、第１の平行化電源１４７により加速用電極１４３の下流側の電極１４３ｂに印加する電圧を−Ｖ１［Ｖ］（Ｖ１＞０）、第２の平行化電源１４８により減速用電極１４５の下流側の電極１４５ｂに印加する電圧をＶ２［Ｖ］（Ｖ２＞０）、加速用電極１４３の２つの電極１４３ａ，１４３ｂの間隔をＧ１、減速用電極１４５の２つの電極１４５ａ，１４５ｂの間隔をＧ２とすると、以下の関係を満たすとよい。
｜Ｖ１｜／Ｇ１＝｜Ｖ１＋Ｖ２｜／Ｇ２

このように、加速用電極と減速用電極における各電極間での電界強度が一様になるようにすることで、イオンビームをバランスよく加減速しながら平行化できる。

また、ビーム平行化器１４２は、ビーム平行化器への入射直前のイオンビームのエネルギーとビーム平行化器から出射直後のイオンビームのエネルギーとが同じとなるよう構成されている。より詳述すると、ビーム平行化器１４２は、ビーム走査器によりスキャンされたイオンビームのエネルギーと加速用電極対（１４３，１４４）および減速用電極対（１４５，１４６）により平行化されたイオンビームのエネルギーとが同じとなるように、ビーム平行化器１４２の入射電極（１４３ａ）および出射電極（１４６ｂ）が共に接地され、加速ギャップ出口側の電極（１４３ｂ，１４４ｂ）と減速ギャップ入り口側の電極（１４５ａ，１４６ａ）、及び、減速ギャップ出口側の電極１４５ｂと加速ギャップ入り口側の電極１４４ａとが正または負の同電位に構成されている。

また、ビーム平行化器１４２は、ビームライン上においてビーム走査器により基準軌道の両側にスキャンされたイオンビームを、スキャン平面上において、電極対が作る電界により段階的に基準軌道側に近づく方向に偏向させることにより、基準軌道と平行な軌道に方向を一致させるように各電極電位が設定されている。

図２０は、本実施の形態の変形例に係るビーム平行化器の概略構成を示す上面図である。図２０に示すビーム平行化器１６１は、加速用電極および減速用電極からなる３つの平行化レンズ１６２，１６３，１６４が設けられている。ビーム走査器により偏向走査されたイオンビームは、ビームラインＬ１の下流に向かって広がる。そこで、３つの平行化レンズ１６２，１６３，１６４は、ビームラインＬ１の上流側から下流側に向かって幅が徐々に大きくなるようにそれぞれが構成されている。これにより、上流側の平行化レンズを小型化することができる。

なお、ビーム平行化器１６１は、平行化された後のイオンビームのスキャン方向の幅Ｗ１が、ビーム走査器によりスキャンされたイオンビームがビーム平行化器１６１に入射する際の幅Ｗ２の２倍以上になるように構成されていてもよい。これにより、ビーム走査器からビーム平行化器までの距離を小さくできる。

本実施の形態に係るビーム平行化器においては、図６、図１９、図２０に示す加速用電極や減速用電極のように、対の弓形ギャップ電極で構成されている。また、加速用電極対のビームライン下流側の電極および減速用電極対のビームライン上流側の電極は、それぞれの両端で連結され、一体的に連続した電極ユニットとして構成されている。また、上述の各ビーム平行化器は、入射電極および出射電極が接地電位であるが、入射電極および出射電極の一方を接地電位、他方を特定電位とする、若しくは、それぞれ別々の特定電位とすることで、ビーム平行化器に入射したビームを平行化することにより出射したイオンビームのエネルギーを変化させることができる。

このように、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置は、高エネルギーイオンビームをビーム電流密度の均一性を保持しながら、低い電圧で動作できるとともに、ビーム平行化器の通過前後のビームエネルギーを変化させない電場を得ることができる。

また、本実施の形態に係る高エネルギーイオン注入装置は、高エネルギーのイオンビームを長い区間の電場を通過させることでビーム平行化するよう構成したものである。そして、さらにイオンビームの加減速が可能な複数の電極レンズ群でビーム平行化するよう構成するとともに、加減速の電極レンズ群を弓形ギャップ電極対レンズで構成し、通過前後でビームエネルギーを変化させないように構成した。

これにより、平行化電源の制御および平行化電場自体の調整が容易であり、平行度の精度と平行化されたビームの進行方向の角度精度を良くすることができる。しかも、左右（スキャン）方向のビーム行路差が対称で、左右均一とすることができるため、高エネルギーイオンビームにおいて、ビームの収束発散の一様性を保つことができる。その結果、平行度の精度と平行化されたビームの進行方向の角度精度を高くすることができる。さらに、ビームスキャンの範囲における高エネルギーイオンビームの密度分布（プロファイル）とビームサイズの変化をほとんどなくすることができ、ビーム電流密度の均一性を保持することができる。

また、ビームスキャン偏向角度を小さくし、ビームスキャン幅をできるだけ小さくするよう構成したビーム走査器の下流にある本実施の形態に係るビーム平行化器は、ビームスキャン幅が狭い入射ビームについても、ウェハをスキャンできる幅まで緩やかに高精度で平行化できる。その結果、ビームの質の変化を小さくして、ビーム電流密度の均一性を保持することができる。

なお、加速減速電極レンズ群が、ｎ個の加速用電極対およびｎ個の減速用電極対で構成されており、ビームラインに沿って第１の加速用電極対、第１の減速用電極対、第２の加速用電極対、第２の減速用電極対、・・・、前記第ｎ（ｎは１以上の奇数）の加速用電極対、前記第ｎの減速用電極対、が順に配置されていた場合、以下のように電位設定するとよい。具体的には、加速減速電極レンズ群において、第１の加速用電極対の入り口側電極の第１電位を接地電位とし、第１の加速用電極対の出口側電極および第１の減速用電極対の入り口側電極の第２電位を−Ｖ１［Ｖ］（Ｖ１＞０）とし、第１の減速用電極対の出口側電極および前記第２の加速用電極対の入り口側電極の第３電位をＶ２［Ｖ］（Ｖ２＞０）とし、第２の加速用電極対の出口側電極および第２の減速用電極対の入り口側電極の第４電位を−Ｖ１［Ｖ］（Ｖ１＞０）とし、第２の減速用電極対の出口側電極および第３の加速用電極対の入り口側電極の第５電位をＶ２［Ｖ］（Ｖ２＞０）とし、第ｎの加速用電極対の出口側電極の第（２ｎ＋１）電位を接地電位とする。ここで、第２電位と前記第３電位とは、Ｖ１＝Ｖ２を満たすように設定してもよいし、Ｖ１≠Ｖ２を満たすように設定してもよい。

図２１（ａ）は、本実施の形態の他の変形例に係る最終エネルギーフィルターから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す上面図、図２１（ｂ）は、本実施の形態の変形例に係る最終エネルギーフィルターから基板処理供給ユニットまでの概略構成を示す側面図である。

図２１（ａ）、図２１（ｂ）に示される最終エネルギーフィルター１４９は、スキャンされたイオンビームをスキャン方向Ｙ１と直交する方向Ｚへ偏向するための３対の偏向電極１５１ａ，１５１ｂ，１５２ａ，１５２ｂ，１５３ａ，１５３ｂを有する。偏向電極１５１ａ，１５１ｂ，１５２ａ，１５２ｂ，１５３ａ，１５３ｂは、真空容器であるＡＥＦチャンバ１０２の内部に配置されている。各偏向電極には、ビームラインＬ１の上方または下方の空間と連通する複数の孔１５４が形成されている。複数の孔１５４は、電場を均一に保つように規則的な若しくは不規則的な配列に形成されている。

電気的な観点からは、偏向電極に孔を開けずに一体で作った方が電界の弱まりがなく望ましい。しかしながら、孔のない偏向電極の場合、対向する偏向電極の間の空間が密閉状態に近くなり、真空度が悪化する。特に、最終エネルギーフィルターの偏向電極間は、下流側の基板処理供給ユニット２０におけるレジストウェハ注入時に発生するガスが流入し、排気が困難になる領域である。その結果、放電の可能性が高くなったり、ビームのロスが増加すると考えられる。そこで電極に孔を開け、コンダクタンスを改善することで良好な真空を保つことができるようになる。なお、孔による電界の弱まりは、電圧を余分にかけることで補うこともできる。

最終エネルギーフィルター１４９においては、複数の孔１５４を、ビーム進行方向Ｘ１と交差する方向（スキャン方向Ｙ１）に分散することで、イオンビームの偏向がスキャン方向Ｙ１において不均一になることを抑制できる。

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

１０ イオン源、 １２ イオンビーム生成ユニット、 １４ 高エネルギー多段直線加速ユニット、 １４ａ 高周波共振器、 １５ａ 第１線形加速器、 １５ｂ 第２線形加速器、 １６ ビーム偏向ユニット、 １８ ビーム輸送ラインユニット、 ２０ 基板処理供給ユニット、 ２２ 質量分析装置、 ２４ エネルギー分析電磁石、 ２６ 四重極レンズ、 ２８ エネルギー分析スリット、 ３０ 偏向電磁石、 ３２ ビーム整形器、 ３４ ビーム走査器、 ３６ ビーム平行化器、 ３８ 最終エネルギーフィルター、 ４２ サプレッション電極、 ４４ イオン源高圧電源、 ６２ 高周波電源、 ６４ 収束発散レンズ、 ６４ａ 横収束レンズ、 ６４ｂ 縦収束レンズ、７４ サプレッション電極、 ８２ スキャナーハウジング、 ８４ 平行化レンズ、 ９４ 最終エネルギーフィルター、 １００ 高エネルギーイオン注入装置、 １０２ ＡＥＦチャンバ、 １０４ ＡＥＦ電極、 １０８ グランド電極、 １１０ ＡＥＦサプレッション電極、 １１６ プロセスチャンバ、 １１８ エネルギー制限スリット、 １２０ プラズマシャワー、 １２４ ビームプロファイラ、 １２８ 偏向電極、 １３２ グランド電極、 １３３ グランド電極、 １３４ ビーム走査器、 １５０ 箱体、 １６０ 架台、 １７０ ビームガイドボックス、 １７２ 扉、 ２００ ウェハ。

Claims (16)

1. イオン源から引き出したイオンビームを加速し、ビームラインに沿ってウェハまで輸送し、該ウェハに注入する高エネルギーイオン注入装置であって、
   イオン源と質量分析装置を有するビーム生成ユニットと、
   前記イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームを生成する高エネルギー多段直線加速ユニットと、
   前記高エネルギーイオンビームをウェハに向けて方向転換する高エネルギービームの偏向ユニットと、
   偏向された高エネルギーイオンビームをウェハまで輸送するビーム輸送ラインユニットと、
   輸送された高エネルギーイオンビームを均一に半導体ウェハに注入する基板処理供給ユニットと、を備え、
   前記ビーム輸送ラインユニットは、ビーム整形器と、高エネルギー用の電場式ビーム走査器と、高エネルギー用の電場式ビーム平行化器と、高エネルギー用の電場式最終エネルギーフィルターとを有し、
   前記偏向ユニットを出た高エネルギーイオンビームを、前記電場式ビーム走査器および前記電場式ビーム平行化器により、ビームスキャンするとともに平行化し、前記高エネルギー用の電場式最終エネルギーフィルターにより、質量、イオン価数及びエネルギーの少なくとも一つが異なる混入イオンを取り除いて、前記ウェハに注入するように構成されており、
   前記偏向ユニットは、複数の偏向電磁石で構成され、前記複数の偏向電磁石の間に少なくとも１つの横収束要素が挿入されていることを特徴とする高エネルギーイオン注入装置。
2. 前記横収束要素の強さは、前記偏向ユニットの終端の偏向電磁石出口において、イオンビームのエネルギー分散関数とその変化率とを実質的にゼロにするように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。
3. 前記横収束要素は、イオン注入位置においてイオンビームの断面サイズが所望の大きさになるように、エネルギー分散関数とその変化率とが調整されていることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。
4. 前記横収束要素が、１台の四重極レンズまたは２台以上の四重極レンズの組合せレンズで構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高エネルギーイオン注入装置。
5. 前記横収束要素は、四重極電磁石または静電四重極電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高エネルギーイオン注入装置。
6. 前記複数の偏向電磁石は、エネルギー分析のための偏向を行う第１の電磁石と、イオンビームの軌道を偏向しながらウェハへのビーム注入角を精密制御する第２の電磁石とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。
7. 前記第１の電磁石の下流側であって、前記横収束要素である四重極レンズの上流側および下流側に、エネルギー幅制限スリットおよびエネルギー分析スリットを設けたことを特徴とする請求項６に記載の高エネルギーイオン注入装置。
8. 前記複数の偏向電磁石は、前記高エネルギー多段直線加速ユニットで加速された高エネルギーのイオンビームを約１８０°偏向するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。
9. 前記複数の偏向電磁石は、第１の電磁石と第２の電磁石とを有し、それぞれの電磁石の偏向角度が９０度となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。
10. 前記複数の偏向電磁石の間に設けられている真空容器を更に備え、
    前記真空容器は、アウトガス排出用の真空ポンプを備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高エネルギーイオン注入装置。
11. 前記真空ポンプは、前記偏向電磁石の漏れ磁場が少ない位置に配置された磁気浮上式のターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項１０に記載の高エネルギーイオン注入装置。
12. 前記複数の偏向電磁石のうち少なくとも一つの偏向電磁石は、ポール面角を個別設定できるように構成されており、
    前記横収束要素と前記複数の偏向電磁石とにより、分散関数を調整するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。
13. ポール面角の付いた前記偏向電磁石は、面角調整装置を備えることを特徴とする請求項１２に記載の高エネルギーイオン注入装置。
14. 前記複数の偏向電磁石は、同じポール面角を持つ同じ形状の電磁石であり、同一の動作条件で動作するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の高エネルギーイオン注入装置。
15. 前記複数の偏向電磁石は、第１の偏向電磁石と第２の偏向電磁石とを有し、
    前記横収束要素の強さは、前記第１の偏向電磁石で発生する分散関数が前記第２の偏向電磁石で発生する分散関数で打ち消されて分散関数が実質的にゼロとなるように設定され、
    前記複数の偏向電磁石は、前記高エネルギー多段直線加速ユニットで発生したエネルギー幅によるビームの広がりを消して、エネルギー幅のないイオンビームと同等のイオンビームを前記ビーム輸送ラインユニットに供給するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。
16. 前記高エネルギー多段直線加速ユニットの出口部に縦収束調整機構と横収束調整機構が配設されており、縦収束及び横収束が調整されたイオンビームを前記偏向ユニットに入射するよう構成されている請求項１に記載の高エネルギーイオン注入装置。

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