JPH0232744B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、荷電粒子ビームの二重偏向走査する
ための装置に関するもので、特に、荷電粒子ビー
ムの二重偏向走査をおこなうための焦点装置に関
するものである。

荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子源、加速器
管、分離又は運動量分析ユニツト、及びターゲツ
トを典型的に組み込んでいる。ターゲツト全体に
わたつて荷電粒子を一様に分布させるため、又は
冷却するために、ターゲツトは固定されたビーム
のまわりに時々動かされる。このことは、アーン
ツ・ジユニア等による米国特許第3983402号“イ
オン注入装置”、又はジー・アイ・ロバートソン
による米国特許第3778626号の“イオン注入のた
めの機械的走査装置”に示されている。さもなけ
れば、ビームをターゲツトのまわりに電磁気的に
走査させてもよい。ピー・デイ・タウンゼツト等
の“イオン注入、スパツター、及びその応用”
171ページ（出版元アカデミツクプレス1976）を
参照。後者のアプローチは、ターゲツトの表面に
関してビームの入射角を始めから変えることとし
ている。ターゲツトがイオン注入機内で加工され
る半導体であると、この入射角が変わることは侵
透の深さを変化させるであろうし、さらにチヤン
ネリング効果によりその深さの変化はひどくな
り、他の不均一性を導くことになるかもしれな
い。この効果は半導体の直径の増加と共に高まつ
ていく。このような侵透の深さが変化すること
は、半導体装置にとつて望ましくない。（ジー・
アール・ブルーワによる米国特許第3569757号第
１欄、20―59行目を参照。） 従来技術では、電磁気的に走査された荷電粒子
ビームの入射角の変化は、ビームの径路に対して
横方向にビームを偏向させることにより、そして
ビームをその速度の横成分を取り除くために正反
対の方向へ逆偏向させることにより、実質的に除
去されてきた。初速度成分（ビーム源からターゲ
ツト方向への成分）は乱されないが、荷電粒子は
横方向に移動していく。ジー・デイールナレイ等
の“イオン注入”404−406ページ（1973）、ジ
ー・アール・ブリユーアの米国特許第3569757号
“資料にイオン注入のための加速器装置”、ジエ
ー・イー・ウオルフエの米国特許第4117339号
“半導体装置の組立に使用されている二重偏向電
子ビーム発生器”、及びエム・トーマスの“二重
偏向電子走査における収差と公差”、ジヤーナ
ル・バキユームサイエンス・アンド・テクノロジ
ー、12巻1156ページ（1975）を参照。これら二重
偏向装置において、帯電した一対のプレートが静
電的偏向をおこなうために使用されたか、又は交
流モードで動作される電磁石の集つたものが磁気
的偏向をおこなうために使用されたかである。従
つて、完全な二重偏向をおこなうには、静電的偏
向のために二組のプレートが必要となるか、又は
磁気的偏向のために交流モードで動作する少なく
とも一対の磁石が必要となる。Ｘ及びＹの両方向
に偏向をおこなうには、多数のプレート、又は電
磁石の数の二倍が必要である。

従つて、本発明の目的は、直流モードで動作す
る電磁石を利用している焦点装置によつて荷電粒
子ビームの二重偏向走査をおこなうことである。

更に、本発明の目的は、荷電粒子ビームの二重
偏向走査を最小の収差及び誤差でおこなうことで
ある。

更に、本発明の目的は、荷電粒子ビームの二重
偏向走査中の中性粒に加熱点をつくらないように
することである。

更に、本発明の目的は、荷電粒子ビームの走査
中に切り替わる末端ステーシヨンを提供すること
である。

要説すれば、本発明の荷電粒子ビームの二重偏
向走査をおこなうための装置は、セクター磁石の
集中化、又は光学的性質を荷電粒子ビームの角度
の変化を取り入れるための手段と組合せて利用し
ている。角度変化を取り入れ手段とは、荷電粒子
ビームを受け入れ、偏向、すなわち時間変調され
たビームフアンを形成するよう平面内でビーーム
の角度を変化させるものである。この角度を変化
させる偏向手段は、静電的、磁気的、又は機械的
であつてもよい。ビーム角が変化すると、ビーム
は、直流電流モードで動作しているセクター磁石
の極の間の間隙へと導かれる。セクター磁石の集
中化の性質は、時間変調されたビームフアンを時
間変調された平行ビームに移し変える。平行ビー
ムは二重に偏向させられ、たとえば、それをイオ
ン注入装置での基板に衝突するビームのように使
つてもよい。多重セクター磁石を多重末端ステー
シヨン用として使用してもよい。

以下好適実施例について説明する。

前述のように、一様な密度の荷電粒子をターゲ
ツトへ放出するのに二つのアプローチがある。イ
オン注入装置において、これらのアプローチは、
固定されたイオンビームの経路を横切つて半導体
ウエーハを機械的走査するか、又は固定された位
置に保持された半導体ウエーハの表面を横切つて
イオンビームを電磁気的走査をして、一様な分量
のイオンを半導体ウエーハに放出しようとするも
のである。まず、往復運動をおこなう横走査をお
こなうと、困難で機械的な問題が生じ、各走査の
末端で必要となる加速及び減速のために走査速度
に限界があらわれてくる。厳密に電磁気的手段に
よつてウエーハ全体について走査することが困難
であるのは、静電プレートの間隔、又は磁石の間
隙の幅が走査を調整するために広くする必要があ
るからである。この広くすることは、望ましくな
い効果を次々に生じさせる強い電磁場の強度、エ
ネルギーの非能率性、及び縁の電磁場があらわれ
てくる。両アプローチの良い特徴を組み込んだ混
成走査装置が個々のアプローチを採用する以上に
利点を与える。このような装置がターゲツト、す
なわち半導体ウエハーを取り付けてある取付け具
に対して回転走査を組み込むと、高速度の走査が
成し遂げられるが、その速度はあくまでもターゲ
ツトの回転によるアーチ形になつた動程の一次元
方向においてであり、横走査の高さはたいして高
くはないのである。たとえば、ジー・アイ・ロバ
ートソンによる米国特許第3778628号のこん跡の
パターンの議論を参照。横走査は時間変調の関数
であり、磁気的手段により、とりわけ二重偏向磁
気走査により精巧におこない得る。このことは、
偏向させる力が磁場(B)→の方向に垂直で、イオ
ンの速度の方向にも垂直な方向にイオンを動かす
ようにさせるので可能である。偏向（及び再偏
向）が二つの磁石の間〓を２等分する平面内で生
じるので、その両間隙は比較的小さくてもよい。
他方、静電的偏向は、偏向力が電場(E)→の方向
に印加し、走査がその間隙の幅にそつておこなわ
れるので、より大きな間隙を必要とする。磁気的
走査と回転走査との組合せにかわつて、最初の走
査が磁気的手段によつておこなえ、それに垂直な
次の走査が静電的手段によつてできる。どちらの
組み合せでも、ターゲツトは、衝突イオンビーム
に垂直に取り付けられるか、又はそのイオンビー
ムに関して僅かな角度をつけてある。従つて、本
発明の二重偏向走査のための焦点装置は、これら
混成走査装置の一つへの組合せにたやすく適応す
る。

前述した二重偏向走査は、合理的な高さとなつ
ているビームを横方向に変位させる当然の手法で
ある。かなりの高さのあるビームが、理想的に
は、磁気的走査に対して適していないのは、間隙
の長さがあまりにも長くなり、過度に強い磁場の
強度を必要とするからである。このような二重偏
向走査でもつて、イオンの量的一様性が重要なら
ば、偏向及び再偏向の磁場の強度を慎重に整合さ
せなければならない。典型的に、イオン量は１％
の誤差範囲内に一様に保たれなければならないの
で、分離した磁石を使用すると、この整合が必須
である。この整合問題は、偏向及び再偏向の両磁
石とも、交流モードで動作させるならば、より難
問となる。本発明の焦点装置で、この問題が部分
的に解消されるのは、本発明が再偏向をおこなう
ために直流モードで動作されるセクター磁石の焦
点化の、又は光学的な性質によるからである。
（セクター磁石は、通常逆に、つまりビームを点
から平行に集めるのではなく、平行から点に集め
るために動作されている。本質点には、同じこと
である。）セクター磁石の焦点化の性質は、公知
であり、本発明の焦点装置、すなわち以下で“動
作”というタイトルで示された節で説明されてい
る焦点機能で用いられている。エイチ・エー・エ
ング著“偏向用磁石”の203及び218ページとエ
ー・セプタイアー等（1967）の“荷電粒子の焦点
化”（11巻）を参照。従つて、セクター磁石内の
磁場Ｂは、イオン類のエネルギー及び質量に従つ
て、一度整える必要がある。そして、そのあと点
から平行の焦点化がおこなえる。この現象は、図
で示された軌跡で示されている。

構 造 第１図で、本発明の焦点装置を使用したイオン
注入機３０が示されている。フレーム２９によ
り、イオン源１０、イオン源パワー及びガス供給
器１２、運動量分析器１１、及び高電圧パワー供
給器１４が支えられている。二つの末端ステーシ
ヨンは、回転円盤組立体１５及び１６、と制御パ
ネル１９より成つている。破線３１で示されてい
る本発明の焦点装置は、荷電粒子ビーム２０の角
度を変えるための磁気的手段、すなわち、第１セ
クター磁石２３、第２セクター磁石２４、及び中
性ビームトラツプ２５から成つている。中性ビー
ムトラツプ２５は付着しない中性粒子を停止さ
せ、集める。交流パワー供給器３６は磁気的手段
３２のコイルを付勢させ、直流パワー供給器３５
は、対になつたセクター磁石２３及び２４を連続
的に付勢させる。他の実施例として、二つの間隙
を有する１つの電磁石が２つのセクター磁石を形
成するために使われる。この磁石は、ハンレイ等
の発明で同時係属出願、1979年６月４日に出願さ
れた米国出願第45035号（特願昭55−73801）、“荷
電粒子ビーム二重偏向走査のための単一電磁石装
置”に開示された物理的タイプである。しかし、
二つの間隙を有する１つの磁石は、直流で付勢さ
れ、主ビーム方向に対して横に設置されるので、
この磁石だけが二重偏向走査をおこなう手段では
ない。本発明の焦点装置を組み込んだ二つの末端
ステーシヨンを有する二重偏向装置は、経済的及
びエネルギーの有効的な配置を容易に提供する。
両セクター磁石は、粒子を最初の軸へ偏向させる
力を生じさせるのに必要であり、二つの間隙を有
する磁石は二つの間隙において正反対の極性を
元々有しているため、正反対のセクター磁石によ
つて生じた二つの力場は粒子を最初の軸へ向かせ
ることができる。

更に、本発明の焦点装置の配置は、第２図から
明確に得ることができる。対称的なビームフアン
５０及び５１は、実質的に偏平であり、セクター
磁石の極４５―４６及び４３―４４のそれぞれの
狭い間隙５３及び５４を通過することがわかる。
これらの間隙の長さは４cmのオーダである。前述
したように、垂直走査は、円盤４７及び４８のそ
れぞれの回転によつておこなえる。

荷電粒子ビームの角度を変えるための磁気手段
の構造は第３及び第３ａ図によつて示されてい
る。磁石６０に入つた荷電粒子が平行流にさせら
れるので、磁石６０の大きさは、粒子の重大な発
散がおこる前に粒子の角度を変えるため非常に小
さくて良い。従つて、巻線６３及び極部分５９を
有するありふれたコンパクトな電磁石を使用して
よい。セクター磁石６１及び６２はビームフアン
の幅を収容するよう大きなものでなければならな
い。それらセクター磁石はありふれた構造であ
る。それら磁石は平行から点へ（又は、本発明に
おいてのように点から平行へ）焦点化させられ
る。第３図で示されているように、セクター磁石
の粒子の入来する面の輪郭６６は、点から平行へ
の焦点化において、光学的に角度収差を補正する
ために僅かに凹面形にされている。セクター磁石
は、第３ｂ図で示されているように、ありふれた
線の巻かれた強磁性金属コアー構造となつてい
る。磁石６０の入口面の輪郭６７は、点から平行
の焦点化において、光学的に角度収差を更に補正
させるために僅かに凸面形にされている。磁極の
出入口の輪郭によつてなされる２次のオーダの補
正によつて、磁石６１及び６２と回転円盤組立体
の間に位置した質量スリツト（図示してない）に
よつて具現化される性能のよい質量分析を提供す
ることになる。

動 作 第１図に示されているように、荷電粒子ビーム
２０は、イオン源１０から放出され、運動量分析
器１１を通過し、制御可能な方法で偏向をおこな
うために交流パワー供給器３６で駆動され、又は
対称的で時間変調されたビームフアン２１及び２
２（説明する目的で同時に二つを示してあるが、
実際の動作中では、単に一つのフアンだけが、あ
る点に存在するのである。）に切り替える磁気的
手段３２により角度が変えられ、さらに、セクタ
ー磁石２３及び２４による平行走査の補整により
半導体ウエーハ、たとえば、回転円盤組立体１５
及び１６に取り付けられたウエーハ１８に衝突す
る平行な時間変調されたリボンビーム３３及び３
４に変換させられる。実際には、一方の末端ステ
ーシヨンが動作中に、他方にはウエーハが装填さ
れている。従つて、磁気的手段３２を付勢する交
流パワー供給器３６は、制御パネル１９により制
御され、適切な時間変調されたビームフアンが装
填された、適所にある回転円盤のために作られる
ようにする。

ビームの最小の高さ、すなわちビームフアンの
平面の上面から下面までの距離は、入射ビームの
光学的特性に非常に依存するだろう。本発明の焦
点装置は、ビームフアンの法線方向のビームに関
して、都合よく光学的に影響をおよぼさないの
で、作用力はビームフアンの平面内にのみ伝えら
れる。光学的特性は、半導体内にチヤンネリング
を慎重におこないたいとき、かかわつてくるかも
しれない。このことは、間隙の領域を変化させる
ことにより、又はセクター磁石の磁極面をさらに
成形することによりかかわつてくる。特定のビー
ムの高さを得ようとするならば、焦点装置及び運
動量分析器の相対的な位置を変えて、焦点をぼか
すことができ、その高さを増加させることができ
る。回転円盤が半導体ウエーハを取り付けるため
に使われるならば、回転円盤１７に取り付けられ
た半導体ウエーハの回転走査と横の走査との相互
作用は、ロバートソンの米国特許第3778626号に
説明されているこん跡のパターンと比較できるも
のである。

ビームの角度を変えるのに使用された第１図に
示されている磁気手段３２（第２図では４２）が
コンパクトであるから、間隙に貯えられたエネル
ギーは比較的少ない。更に、第１図のセクター磁
石２３及び２４（第２図では、磁極４３―４４及
び４５―４６）の焦点化又は光学的特性が信頼で
きるので、セクター磁石を直流（時間変調されて
いない）モードにより動作させることが可能とな
る。その結果は、交流モードで動作されている電
磁石を利用する従来技術の走査装置よりエネルギ
的に効率よい動作となる。

動作の際、機械の技手は、平行走査の補整をす
るのに十分なセクター磁石２３及び２４を横切る
磁場Ｂを発生させる直流パワー供給器３５から適
切な水準を単に選ぶだろう。磁場の方向は粒子の
電荷の極性に依存し、荷電粒子ビームの本来の軸
線に向つて再偏向させる作用力を発生させるよう
に必然的に選ばれるだろう。必要な磁場は、粒子
の質量、粒子の電荷、及び加速された粒子のエネ
ルギーに依存するだろう。装置の幾何学的配置は
すでに決定されている。だから、１度だけセツト
すれば特定の工程に十分であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の焦点装置を組み込んだ二つ
の末端ステーシヨンを有するイオン注入機の平面
図である。第２図は、イオン源、運動量分析器、
及びターゲツトの円盤と関連させて示した本発明
の焦点装置の斜視図である。第３図は、本発明の
焦点装置の一実施例の成分の断面図である。第３
ａ図は、イオンビームの角度を変化させるための
手段の形状を説明する第３図を線３ａで切断した
部分断面図である。第３ｂ図は、平行走査の調整
磁石を説明する第３図を線３ｂで切断したもう一
つの部分断面図である。 １０，４０…イオン源、１１，４１…運動量分
析器、１２…ガス供給器、１４…高電圧パワー供
給器、１５，１６，４７，４８…回転円盤組立
体、１９…制御パネル、２０…荷電粒子ビーム、
２１，２２，５０，５１…ビームフアン、２３，
２４，４３，４４，４５，４６，６１，６２…セ
クター磁石、２５…中性粒子トラツプ、３６…交
流パワー供給器、３２，４２，６０…磁気的手
段、６３，６４，６５…巻線、６６，６７…磁石
の輪郭。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ターゲツト全体にわたつて荷電粒子ビームを
   走査する方法であつて、 ビームを、選択された限定角度の間で走査する
   工程と、 前記ターゲツトを横切つて走査される、連続平
   行ビームを生成するための、ビームを再偏向する
   セクター磁石により形成される、時間に依存しな
   い磁場に前記走査されたビームを従わせる工程
   と、 から成る方法。 ２ 荷電粒子ビームをターゲツト全体にわたつて
   走査する装置であつて、 時間変調された第１フアンビームを形成するた
   めに、荷電粒子ビームを、選択された限定角度の
   間で走査する手段と、 第１磁極と第２磁極とから成り、該第１磁極お
   よび第２磁極がそれらの間で前記フアンビームを
   受け入れる間〓を画成するように向かい合わされ
   るところの第１セクター磁石と、 前記第１フアンビームを、前記ターゲツトを横
   切つて走査される連続平行ビームから成る時間変
   調されるリボンビームに変換する、前記間〓に選
   択可能な一定の磁場を生成する手段と、 から成る装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置であつて、
   前記走査手段が、電磁石から成るところの装置。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の装置であつて、
   荷電粒子ビームを、前記時間変調される第１フア
   ンビームを形成するために一対の選択された第１
   限定角度の間で、続いて前記時間変調される第２
   フアンビームを形成するために一対の選択された
   第２限定角度の間で走査する手段を有し、さらに
   第３磁極と第４磁極とから成り、該第３及び第４
   磁極が前記第２フアンビームを受け入れる第２間
   〓を画成するために向かい合わされたところの第
   ２セクター磁石、ならびに前記第２フアンビーム
   を、連続平行ビームから成る時間変調された第２
   リボンビームに変換する、選択可能な一定の第２
   磁場を前記第２間〓に生成する手段を有する、と
   ころの装置。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の装置であつて、
   前記第１セクター磁石および前記第２セクター磁
   石が、前記荷電粒子ビームの初期の方向と一致す
   る対称軸に関して対称的に配列される、ところの
   装置。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の装置であつて、
   前記選択された限定角度内には前記対称軸が含ま
   れず、前記ビームの中性粒子が前記対称軸にそつ
   て進行する、ところの装置。 ７ 特許請求の範囲第５項記載の装置であつて、
   前記第１セクター磁石および前記第２セクター磁
   石が、前記初期の荷電粒子ビームを横切るように
   配置され、 前記対称軸に平行な経路にそつて前記荷電粒子
   ビームを再偏向する、前記時間変調されるビーム
   フアン上に力を生成するように向けられた前記一
   定の磁場を有する、 ２つの間〓を有する１つの磁石から成る、とこ
   ろの装置。 ８ 特許請求の範囲第２項記載の装置であつて、
   前記第１磁極および前記第２磁極がほぼ三角形の
   形状を有する、ところの装置。 ９ 特許請求の範囲第８項記載の装置であつて、
   前記第１磁極および前記第２磁極の出口面が凸状
   である、ところの装置。 １０ 特許請求の範囲第８項記載の装置であつ
   て、前記第１磁極および前記第２磁極の出口面が
   凹状である、ところの装置。 １１ 特許請求の範囲第２項記載の装置であつ
   て、前記リボンビームと前記ターゲツトとの間で
   相対移動を行わせる手段を有する、ところの装
   置。 １２ 特許請求の範囲第１１項記載の装置であつ
   て、前記移動を行わせる手段が、前記リボンビー
   ムに関して前記ターゲツトを移動させる機械的手
   段から成る、ところの装置。 １３ 特許請求の範囲第１１項記載の装置であつ
   て、前記機械的手段が、前記ターゲツトが取り付
   けられた回転可能なデイスクから成る、ところの
   装置。 １４ 特許請求の範囲第１１項記載の装置であつ
   て、前記移動を行わせる手段が、前記ターゲツト
   に関して前記リボンビームを偏向するための静電
   手段から成る、ところの装置。