JP7510617B2 - 放電検出方法、プラズマ安定化判別方法及びイオンビーム照射装置 - Google Patents

Description

ビームプロファイルを測定する際に用いられる放電検出方法と当該方法を実施するイオンビーム照射装置、さらには放電が検出された後に実施されるプラズマ安定化判別方法に関する。

イオン注入装置やイオンビームエッチング装置等のイオンビーム照射装置では、ウエハ（ＳｉやＳｉＣ等）やガラス基板といったターゲットにイオンビームを照射することでターゲットの処理が行われている。

ターゲットの処理を行う際、イオンビームの均一性がしばしば問題となる。この均一性が所望の範囲内になければ、ターゲット面内でのイオンビームの照射量分布に斑ができ、これが処理不良の要因となる。よって、ターゲット処理に先だってイオンビームのビームプロファイルを測定し、ターゲット処理を実施して問題がないかどうかの確認が行われている。

ビームプロファイルの測定は、例えば、特許文献１に記載されている移動式のビーム電流測定器、いわゆるムービングファラデーを用いて行われている。

特表２００４－５３０２６５

イオンビーム照射装置でイオンビームを生成するイオン源には、イオンビームの引き出しにあたって高電圧が印加されている。高電圧が印加される場所では、使用するガス種に応じて絶縁性の反応物が堆積する。堆積物に電荷が蓄積すると瞬時的な放電が発生する。

放電が発生すると、引き出されるイオンビームの形状が変動する。このことから、放電発生時に測定された移動式のビーム電流測定器での測定結果は、正常な測定結果と言えるものではない。これをもとにターゲット処理の実施可否にかかる判断を行うと、判断を誤ることになり、ひいてはターゲット処理が不良となることもある。
そこで、ビームプロファイル測定時の放電の発生が検出可能な放電検出方法と放電検出方法を実施するイオンビーム照射装置を提供することを主たる目的とする。

放電検出方法は、
イオンビームのビームプロファイルを測定する移動式のビーム電流測定器と、
ターゲットに照射されるイオンビームの進行方向で、前記移動式のビーム電流測定器の下流側に配置された固定式のビーム電流測定器と、を具備するイオンビーム照射装置で実施される放電検出方法で、
前記移動式のビーム電流測定器でのビームプロファイルの測定中に前記固定式のビーム電流測定器で測定されたビーム電流に基づいて、ビームプロファイル測定時の放電の発生を検出する。

移動式のビーム電流測定器でビームプロファイルの測定を行っている間に、固定式のビーム電流測定器でビーム電流を測定するようにしたので、ビームプロファイル測定中の放電を検出することが可能となり、ひいてはビームプロファイルの測定結果が正しいデータであるかどうかが明確になる。

より具体的な構成に基づく放電検出方法は、
前記固定式のビーム電流測定器は、複数の測定領域を備え、
各測定領域は、前記移動式のビーム電流測定器の移動方向に並んでおり、
放電の発生を検出するにあたって、前記固定式のビーム電流測定器で測定されたビーム電流の測定結果と、前記移動式のビーム電流測定器の位置情報を用いる。

放電後にビームプロファイルの測定を再開するには、事前に次のプラズマ安定化判別方法を用いることが望ましい。
上述した放電検出方法にて、放電が検出された場合、
前記固定式のビーム電流測定器でビーム電流を測定し、
測定されたビーム電流に基づいて、プラズマが安定したかどうかを判別する。

イオンビーム照射装置としては次の構成とする。
イオンビームのビームプロファイルを測定する移動式のビーム電流測定器と、
ターゲットに照射されるイオンビームの進行方向で、前記ビーム電流測定器の下流側に配置された固定式のビーム電流測定器と、
前記移動式のビーム電流測定器と前記固定式のビーム電流測定器との測定結果を受け取る制御装置とを有し、
前記制御装置が、前記移動式のビーム電流測定器でのビームプロファイルの測定中に前記固定式のビーム電流測定器で測定されたビーム電流に基づいて、ビームプロファイル測定時の放電の発生を検出する。

移動式のビーム電流測定器でビームプロファイルの測定を行っている間に、固定式のビーム電流測定器でビーム電流を測定するようにしたので、ビームプロファイル測定中の放電を検出することが可能となり、ひいてはビームプロファイルの測定結果が正しいデータであるかどうかが明確になる。

イオンビーム照射装置の構成例を示すＹＺ平面図 イオンビーム照射装置の構成例を示すＺＸ平面図 放電検出方法についてのフローチャート 固定式のビーム電流測定器の構成例を示すＸＹ平面図 固定式のビーム電流測定器の他の構成例を示すＸＹ平面図 プラズマ安定化判別処理についてのフローチャート イオンビーム照射装置の他の構成例を示すＹＺ平面図 イオンビーム照射装置の他の構成例を示すＺＸ平面図 放電検出方法の変形例にかかるフローチャート 図９の処理Ｓ２１と処理Ｓ２２についての補足説明図

図１、図２はイオンビーム照射装置の構成例を示す平面図である。各図に描かれるイオンビーム照射装置は同一のものであり、描かれている平面が相違している。

イオンビーム照射装置Ｍ１は、例えば、イオン注入装置やイオンビームエッチング装置といったイオンビームを用いてウエハ（ＳｉやＳｉＣ等）やガラス基板といったターゲットを処理する装置である。図１、図２に基づき、以下にその構成を説明する。

イオン源１は、一方向に長いリボン状のイオンビームＩＢ（リボンビームやシートビームとも呼ぶ）を引き出して、図示されるＺ方向に向けて射出する。イオンビームＩＢの進行方向であるＺ方向に垂直なＸＹ平面によるイオンビームＩＢの断面は、略長方形状であり、同断面における長手方向（以下、単にイオンビームの長手方向と呼ぶ）は図示されるＹ方向と一致している。

イオンビームＩＢは、均一化調整レンズ３を通過し、ターゲット２側に進行する。均一化調整レンズ３は、イオンビームＩＢの長手方向におけるビームプロファイルを調整するためのレンズである。
なお、本発明のイオンビーム照射装置Ｍ１において、ビームプロファイルの調整は必須ではない。必要に応じて、均一化調整レンズ３をイオンビーム照射装置Ｍ１に設けるようにしてもよい。

均一化調整レンズ３の例としては、図示されるＸ方向でイオンビームを挟むように設けられた一対の電極あるいは磁極をイオンビームＩＢの長手方向に沿って複数対配置した静電あるいは磁界レンズが挙げられる。他、均一化調整レンズ３の例としては、イオンビームを通過する空間を有するロの字状のヨークに複数のコイルが巻回された磁界レンズでもよい。ビームプロファイルが正常でないとき、このような均一化調整レンズ３を用いてビームプロファイルの調整を行ってもよい。

均一化調整レンズ３の下流側（Ｚ方向側）には、移動式のビーム電流測定器ＭＦが配置されている。移動式のビーム電流測定器ＭＦは、矢印Ｕで示されるごとく、イオンビームＩＢの長手方向に移動する。このビーム電流測定器ＭＦは、例えば単一のファラデーカップで構成されていて、矢印Ｕ方向へ移動しながら、ビーム電流を測定することでイオンビームＩＢの長手方向におけるビームプロファイルを測定する。

ターゲット２は、図示されないプラテンに支持されている。プラテンは、ターゲットの受け渡し時やビームプロファイルの測定が行われている間、図２に図示される位置に移動している。一方、ターゲット２へのイオンビーム照射処理にあたっては、Ｘ方向でイオンビームＩＢを横切ってターゲット全面にイオンビームＩＢが照射されるよう、図示されないプラテンがＶ方向へ搬送される。

ターゲット２の下流には、固定式のビーム電流測定器ＢＦが配置されている。移動式のビーム電流測定器ＭＦでビームプロファイルの測定が行われている間、固定式のビーム電流測定器ＢＦには、イオンビームＩＢの一部が照射されている。

Ｙ方向での寸法関係について言えば、移動式のビーム電流測定器ＭＦの寸法はイオンビームＩＢの寸法に比べて小さい。このことから、ビームプロファイルの測定中、移動式のビーム電流測定器ＭＦでイオンビームＩＢは部分的に遮られるが、移動式のビーム電流測定器ＭＦで遮られないイオンビームＩＢの一部は、固定式のビーム電流測定器ＢＦに照射されるので、固定式のビーム電流測定器ＢＦでのビーム電流の測定が可能となる。

制御装置Ｃは、固定式のビーム電流測定器ＢＦでのビーム電流の測定結果に基づいて、ビームプロファイル測定中の放電を検出する機能を有している。
また、制御装置Ｃは、移動式のビーム電流測定器ＭＦの移動を制御して、その位置情報を記録する機能を有していてもよい。
一方、移動式のビーム電流測定器ＭＦの移動制御は他の制御装置に任せておき、移動式のビーム電流測定器ＭＦの位置情報を受信して、この情報に基づいて後述する複数のビーム電流測定器を切り替えてビーム電流を測定してもよい。

図３は、放電検出方法にかかるフローチャートである。このフローチャートに基づき、制御装置Ｃで実施される放電検出方法について説明する。

イオンビームＩＢのビームプロファイルの測定にあたり、移動式のビーム電流測定器ＭＦを所定方向（イオンビームの長手方向）へ移動させながら、ビーム電流を測定する（Ｓ１）。これと同時に、固定式のビーム電流測定器ＢＦでイオンビームＩＢのビーム電流を測定する（Ｓ２）。
次に、固定式のビーム電流測定器ＢＦで測定されたビーム電流の平均値と標準偏差（σ）を算出する。算出値をもとに、測定値が平均値から標準偏差を３倍したものを引いた値から平均値に標準偏差を３倍したものを足した値の範囲内にあるかどうかを確認する（Ｓ３）。

処理Ｓ３で範囲外となる測定値が存在している場合には、放電有と判別し、ビームプロファイル測定を中止する（Ｓ４）。
一方、処理Ｓ３で測定値が範囲内であれば、移動式のビーム電流測定器ＭＦがビームプロファイルの測定終了位置まで移動しているかどうかの判別が行われる（Ｓ５）。

処理Ｓ５で、移動式のビーム電流測定器ＭＦがビームプロファイルの測定終了位置に到達していない、つまり、未だビームプロファイルの測定中である場合、処理Ｓ２に戻り、引き続き固定式のビーム電流測定器ＢＦでビーム電流の測定が行われる。
一方、処理Ｓ５で移動式のビーム電流測定器ＭＦがビームプロファイル終了位置に到達していれば、ビームプロファイルの測定を完了する（Ｓ６）。

図４、図５は固定式のビーム電流測定器ＢＦの構成例である。
図４の固定式のビーム電流測定器ＢＦは、単一の大口径ファラデーカップ４で構成されている。一方、図５の固定式のビーム電流測定器ＢＦは、複数のファラデーカップ４ａ～４ｅで構成されている。
いずれの固定式のビーム電流測定器ＢＦでも、上述した図３のフローチャートに記載の放電検出方法を実現することはできる。
しかしながら、イオンビームＩＢによるターゲット２の処理中や処理の前後に、短時間で簡易的に現在のビームプロファイルを確認したいという要望があれば、図５に示す固定式のビーム電流測定器ＢＦを採用する方が望ましい。図５に示す固定式のビーム電流測定器ＢＦであれば、ファラデーカップが離散的にＹ方向に並んでいるため、各ファラデーカップでのビーム電流の測定値からイオンビームＩＢのビームプロファイルを知ることができる。

図５のビーム電流測定器ＢＦでは、複数のファラデーカップ４ａ～４ｅを具備しているが、上述した放電検出方法において、必ずしも全てのファラデーカップを使用する必要はなく、特定のファラデーカップの組が使用される。
使用するファラデーカップの組み合わせは、ファラデーカップの配置や移動式のビーム電流測定器ＭＦの大きさに応じて変更される。
具体的には、ビーム電流の測定に利用するファラデーカップを切り替えて、いずれかのファラデーカップを用いてビーム電流の測定が継続して行える組み合わせを選択する。

図５において、例えば、ファラデーカップ４ａとファラデーカップ４ｅの組み合わせがこれに相当する。
移動式のビーム電流測定器ＭＦが紙面下側から上側へ向けて移動する場合、イオンビームＩＢの下端から中央に移動式のビーム電流測定器ＭＦが移動している間はファラデーカップ４ｅでビーム電流を測定し、イオンビームＩＢの中央から上端へ移動式のビーム電流測定器ＭＦが移動している間はファラデーカップ４ａでビーム電流を測定する。このようにビーム電流の測定に利用するファラデーカップを切り替えて、ビーム電流の測定を継続する。

放電を検出した結果、すぐにビームプロファイルの再測定を開始してもよいが、放電の発生場所や放電の要因によって、プラズマの点灯が安定しておらず、イオンビームＩＢの引き出しが不安定な状態が続くこともある。
この点を考慮して、ビームプロファイルの再測定を実施する場合には、再測定に先だって図６のフローチャートに示すプラズマ安定化判別方法を用いることが望ましい。

まず、固定式のビーム電流測定器ＢＦによるビーム電流の測定が行われる（Ｓ１１）。この測定にあたって、図３のフローチャートで処理Ｓ４を実行し、ビームプロファイルの測定を途中で中止した場合には、移動式のビーム電流測定器ＭＦを固定式のビーム電流測定器ＢＦによるイオンビームＩＢのビーム電流の測定に邪魔にならない位置に移動して、固定式のビーム電流測定器ＢＦの全測定領域を使ってビーム電流の測定を行うようにしてもよい。

移動式のビーム電流測定器ＭＦの移動場所は、図４や図５に示すイオンビームＩＢの下方位置や反対側のイオンビームＩＢの上方位置となる。
下方位置、上方位置のいずれに移動するかは予め決定しておいてもいいが、ビームプロファイルの測定を中断したときの移動式のビーム電流測定器ＭＦの位置に応じて、下方位置または上方位置の近い方の位置へ移動させるようにしてもよい。

一方、固定式のビーム電流測定器ＢＦで測定可能な測定領域の一部を用いて、ビーム電流の測定を行うようにしてもよい。例えば、図５の固定式のビーム電流測定器ＢＦであれば、ファラデーカップの１つをビーム電流の測定に使用する。この場合、移動式のビーム電流測定器ＭＦが固定式のビーム電流測定器ＢＦの測定対象とするファラデーカップに入射するイオンビームＩＢを遮らない位置に配置されているならば、移動式のビーム電流測定器ＭＦの位置を移動させておく必要はない。

所定時間内に固定式のビーム電流測定器ＢＦで測定されたビーム電流の最大値を基準として、この値から数％（ここでは５％）下回るビーム電流の測定値があるかどうかを確認する（Ｓ１２）。
ここで測定値が範囲内にあるとするならば、それが所定時間（ここでは５秒間）、継続してこの範囲内にあるかどうかを確認する（Ｓ１３）。例えば、測定間隔が１秒であれば、５秒間に得られた５つの測定値の全てが上述した範囲内にあれば、プラズマは安定したと判別する（Ｓ１５）。一方、そうではない場合や処理Ｓ１２で条件を充足しない場合には、プラズマは不安定な状態にあると判別する（Ｓ１４）。

ビームプロファイルの再測定にあたり、このようなプラズマ安定化判別方法を用いることで、正確なビームプロファイルの測定を実施することが可能となる。
なお、プラズマが不安定な状態が継続している場合には、プラズマ安定化のために装置内部を洗浄する等の対策を実施する必要がある。この点から、プラズマ安定化判別のフローチャートに、インターロック値としてプラズマ安定化判別に要した経過時間を設けておいてもよい。

図７、図８は、別のイオンビーム照射装置Ｍ２の構成例である。図１、図２のイオンビーム照射装置Ｍ１との違いは、イオン源１から射出されるイオンビームＩＢがスポット状であることと走査器１１及びビーム平行化器１２を具備することにある。他の符号が共通している箇所については、図１、図２で説明したものと同一であるため、これらの説明は省略する。

イオン源１から射出されたスポット状のイオンビームＩＢは走査器１１にて概略Ｙ方向へ時間的に偏向量を変えながら走査される。走査されたイオンビームはビーム平行化器１２でＺ方向に平行なイオンビームＩＢに偏向される。ビーム平行化器１２を通過したイオンビームＩＢの外形は、数秒といった長い時間でみれば、図１、図２に示すリボン状のイオンビームＩＢと同等のものになる。
このようなイオンビームを取り扱うイオンビーム照射装置Ｍ２にも、本発明を適用することが出来る。なお、図７、図８の構成において、イオンビームの長手方向はＹ方向をいう。

他、イオンビーム照射装置の構成としては、これまでに述べた構成に限られない。例えば、質量分析用の電磁石やエネルギー分析用の静電レンズを備えた構成であってもよい。

固定式のビーム電流測定器ＢＦの測定データ（ビーム電流）は、測定ノイズの影響から変動することがある。図３のフローチャートで説明した放電検出方法では、測定ノイズによるビーム電流の変動を放電によるものと誤検知してしまうことが懸念される。
この点については、測定ノイズを都度修正することも考えられるが、それでは測定に要する時間が長期化してしまう。
そこで、図３のフローチャートに追加の処理を加えることにより、ビーム電流の変動が放電によるものかどうかを正確に判別できるようにする。具体的な処理は図９のフローチャートと図１０の補足説明図を用いて説明する。

図９のフローチャートは、図３のフローチャートの処理Ｓ３の後ろに、処理Ｓ２１乃至処理Ｓ２４を追加したものである。他の処理は、図３のフローチャートで説明しているため、ここでは追加された処理についてのみ説明する。

処理Ｓ３で条件を充足していないビーム電流の測定値に対応する移動式のビーム電流測定器ＭＦの位置を特定する（Ｓ２１）。
その後、特定された移動式のビーム電流測定器ＭＦの位置での移動式のビーム電流測定器ＭＦによるビーム電流の測定値と前後１点の測定値（１秒単位でビーム電流を測定しているのであれば、１秒前と１秒後に測定されたビーム電流値）とを合わせた計３点の測定値の増減率が、設定範囲内(例えば、±１０％)に収まるかどうかを判別する（Ｓ２２）。

図１０を用いて処理Ｓ２１と処理Ｓ２２を具体的に説明する。
図１０は、ビームプロファイルの測定時に測定されたビーム電流のデータである。左下のグラフは、移動式のビーム電流測定器ＭＦで測定されたビーム電流のグラフで、グラフの横軸は移動式のビーム電流測定器ＭＦの測定位置であり、グラフの縦軸は測定されたビーム電流である。左上のグラフは、固定式のビーム電流測定器ＢＦで測定されたビーム電流のグラフで、グラフの横軸は下側のグラフの横軸と同じく移動式のビーム電流測定器ＭＦの測定位置であり、グラフの縦軸は測定されたビーム電流である。

左上のグラフにおいて、円で示される領域Ｅでのビーム電流の測定値は処理Ｓ３で所定条件を充足しない測定値である。グラフの横軸の値から、このときの移動式のビーム電流測定器ＭＦの位置（グラフ横軸の値）を特定する。
次に、左下のグラフから、特定された横軸の値が同じ値となるときのビーム電流の測定値を読み出す。このときの測定値は左下のグラフにおいて円で示される領域Ｆのビーム電流である。

左下のグラフの右側は領域Ｆの拡大図である。この図において、Ｈ点が対象とするビーム電流の測定値とすれば、その前後の測定値がＧ点、Ｉ点における測定値である。この例では、Ｇ点からＨ点に向けてビーム電流の測定値が１２．４％減少している。また、Ｈ点からＩ点に向けてビーム電流の測定値が９．４％増加している。増減率の設定値を±１０％とすれば、Ｇ点からＨ点に向けてのビーム電流の減少率は設定値を上回ることになるため、ノイズの影響を受けてビーム電流の測定値が変動したものではなく、放電により変動したものであると判別される（図９、Ｓ２４）。
反対に、増減率が±１０％の範囲内にあれば、放電無と判別する（図９、Ｓ２３）。
放電の有無に関わらず、処理Ｓ２３、処理Ｓ２４ではビーム電流に変動が生じていることになるため、ビームプロファイルの再測定を実施する。

図９の放電検出方法を用いることで、正確に放電の有無を検出することができる。これにより、ビーム電流の変動が放電によるものであることが特定できれば、放電発生の原因となりうる箇所（イオン源のチャンバや引出電極など）を洗浄する等して適切な対応を取ることができる。

放電以外の要因によってイオンビームの状態が不安定となることで、放電時のようにビーム電流は急激に大きく変動しないものの、ある程度のビーム電流の変動が発生することもある。このような変動発生時に測定されたビームプロファイルは正確なものとは言えない。
このことから、より正確なビームプロファイルの測定を実施するために、ビームプロファイルの測定中、放電検出とは別にイオンビームの安定性を判別する処理を追加してもよい。

具体的には、ビームプロファイルの測定中に、固定式のビーム電流測定器ＢＦで測定されたビーム電流の値に着目する。例えば、所定期間内に測定されたビーム電流の最大値を基準値として、この基準値に対して任意の割合（例えば、５％）を下回るビーム電流の有無をもって、イオンビームが安定か不安定かを判別する。

イオンビームのビーム電流が低いとき、測定ノイズの影響が大きくなる。このことから、イオンビームの安定性を判別する処理において、ビーム電流そのものの値を使用することに代えて、数点（例えば、１０点）の測定値を移動平均した値を用いてもよい。
移動平均を用いることで、ノイズ成分の影響を少なくすることができる。

その他、プラズマ安定化判別方法についても、図３や図９の放電検出方法と同じく、図１～２、図７～８に記載のイオンビーム照射装置Ｍ１、Ｍ２の具備する制御装置Ｃで実施される。

各フローや判別方法において用いられる判別基準は一例であって、別の基準を用いてもよい。例えば、放電検出にあたって、固定式のビーム電流測定器ＢＦで測定されたビーム電流の最小値と最大値の比（min/max）を算出し、これを基準値と比較して放電の有無を判別するようにしてもよい。また、ビーム電流の比を逆転させて、ビーム電流の最大値と最小値の比（max/min）を算出し、これを基準値と比較して放電の有無を判別するようにしてもよい。

図３、図９の放電検出方法は、ビームプロファイル測定中にリアルタイムで放電検出を実施することが想定されているが、ビームプロファイル測定を終了した後に放電検出を実施するようにしてもよい。
ビームプロファイル測定後の放電検出方法にかかる処理は、図３のフローチャートでは処理Ｓ３、図９のフローチャートでは処理Ｓ３、処理Ｓ２１乃至２４となる。これらの処理が、ビームプロファイル測定後に実施されることになる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

２ ターゲット
ＢＦ 固定式のビーム電流測定器
ＭＦ 移動式のビーム電流測定器
ＩＢ イオンビーム
Ｍ１、Ｍ２ イオンビーム照射装置

Claims (4)

1. イオンビームのビーム電流を一方向に沿って連続的に測定することで、ターゲットに照射される前記イオンビームの全域にわたるビームプロファイルを測定する移動式のビーム電流測定器と、
   前記イオンビームの進行方向で、前記移動式のビーム電流測定器の下流側に配置された固定式のビーム電流測定器と、を具備するイオンビーム照射装置で実施される放電検出方法で、
   前記移動式のビーム電流測定器でのビームプロファイルの測定と同時並行して測定された前記固定式のビーム電流測定器による前記イオンビームのビーム電流の測定結果に基づいて、ビームプロファイル測定時の放電の発生を検出する、放電検出方法。
2. 前記固定式のビーム電流測定器は、複数の測定領域を備え、
   各測定領域は、前記移動式のビーム電流測定器の移動方向に並んでおり、
   放電の発生を検出するにあたって、前記固定式のビーム電流測定器で測定されたビーム電流の測定結果と、前記移動式のビーム電流測定器の位置情報を用いる、請求項１記載の放電検出方法。
3. 請求項１または２記載の放電検出方法にて、放電が検出された場合、
   前記固定式のビーム電流測定器でビーム電流を測定し、
   測定されたビーム電流に基づいてプラズマが安定したかどうかを判別する、プラズマ安定化判別方法。
4. イオンビームのビーム電流を一方向に沿って連続的に測定することで、ターゲットに照射される前記イオンビームの全域にわたるビームプロファイルを測定する移動式のビーム電流測定器と、
   前記イオンビームの進行方向で、前記移動式のビーム電流測定器の下流側に配置された固定式のビーム電流測定器と、
   前記固定式のビーム電流測定器との測定結果を受け取る制御装置とを有し、
   前記制御装置が、前記移動式のビーム電流測定器でのビームプロファイルの測定と同時並行して測定された前記固定式のビーム電流測定器による前記イオンビームのビーム電流の測定結果に基づいて、ビームプロファイル測定時の放電の発生を検出する、イオンビーム照射装置。

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