JPH04253149A - 二次元磁気走査を用いたイオン照射装置および関連装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばイオン注入装
置のようなイオンビームを利用する装置に関し、より具
体的には、イオンを磁気的に二次元で走査してターゲッ
トに照射する装置およびそれに関連する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】シリコンウェーハのような半
導体の改質は、しばしばイオン注入によって行われる。 通常、イオン照射の均一性は、二次元における時変電界
（時間的に変化する電界）を用いて、イオンビームを、
ウェーハ表面を横切ってラスターパターン状に走査する
ように急速に偏向させることにより達成される。各次元
で互いに反対方向に作用する一対の偏向によって、ウェ
ーハに対する平行走査を行うことができる。このような
イオン注入装置においては、ビーム電流すなわちウェー
ハのスループットは、時変電界領域において存在しかつ
ビームの「ブローアップ（膨張）」の原因となる空間電
荷力によって極端に制限される。

【０００３】一般的な変形例においては、時変電界は、
ビームを一つの軸に沿って前後に偏向させるために用い
られ、その間にウェーハは垂直軸に沿って機械的に往復
動させられる。しかし、前述したように多くの場合、ビ
ーム電流とウェーハのスループットは、空間電荷力によ
って非常に制限される。更に、ウェーハの機械的な動き
は比較的緩やかであり、全体の照射量が少ない場合、ウ
ェーハのスループットは制限される。

【０００４】電子走査のために高周波域で用いられてい
る時変磁界（時間的に変化する磁界）を、原子および分
子イオンビームを走査するのに用いることが提案されて
いる。しかしながら、ウェーハの処理にしばしば用いら
れる重イオン、例えば一価のホウ素（Ｂ＋　）、リン（
Ｐ＋　）、ヒ素（Ａｓ＋　）およびアンチモン（Ｓｂ＋
　）等に対して必要とする走査場エネルギーは、磁界偏
向の場合は電界偏向に比べて１０００〜１００００倍に
もなる。

【０００５】注入イオンよりも質量が１／１００００以
下である電子を高速で磁気走査するために開発された技
術を、イオン注入装置に適する構造を作るために拡張す
ることはできない。これまで、イオン注入装置に用いら
れていた磁気走査法は、ほんの数Ｈｚの走査周波数に限
定されていた。更にこれらの構造は、高速走査周波数で
の、即ち１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚあるいはそれ以上の
周波数での二次元ラスター走査を作るために適用できな
いし、拡張もできない。

【０００６】そこでこの発明は、大電流のイオンビーム
を二次元的に高い走査周波数でかつエネルギーの広い範
囲に亘り走査することを可能にする装置を提供すること
を主たる目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、この発明のイオン照射装置は、イオンビームを基準軸
に対して磁気的に二次元で偏向させる磁気走査装置と、
この磁気走査装置からのイオンビームを磁気的に二次元
で前記基準軸と所定の関係を有する方向に向け直してタ
ーゲットに入射させる磁気イオンビーム輸送装置とを備
えることを特徴とする。

【０００８】一つの局面において、この発明は、後に更
に他の磁界（これは好ましくは静的なもの）が続く時変
磁界の組み合わせを作る整合された構造に関し、この構
造は、適切な配置により、大電流の重イオンビームを二
つの直交方向に高走査周波数でエネルギーの広い範囲に
亘り走査することを可能にする。

【０００９】この発明により、イオン電流が１０μＡか
ら２０ｍＡ以上の範囲でエネルギーが例えば４００ｋｅ
Ｖから５ｋｅＶ以下の範囲という、イオンの非常に広い
範囲に亘って走査可能なイオン注入装置を構成すること
ができる。

【００１０】一つの重要な局面において、この発明の特
徴は、低パービアンスから高パービアンスの原子または
分子イオンビームに対する二次元磁気走査装置にあり、
この装置の後ろには、ターゲット上で所望の入射条件に
なるようにビームを二次元で向け直す磁気イオンビーム
輸送装置が続く。

【００１１】好ましくは、この局面は、軸方向に分離さ
れた一対の磁気偏向装置によって実施される。この磁気
偏向装置の一つは、第１の方向、例えばウェーハ面によ
り定義されるｘ−ｙ面でのｙ方向に走査するためのもの
であり、他の偏向装置はこのｙ走査装置に後に続いてい
てｘ方向に走査するためのものである。

【００１２】この走査装置を形成する磁石は、時変磁界
を発生する電磁石であり、ビームを二方向に偏向させる
のに必要とする電力を最小にするように配置および構成
されている。

【００１３】好ましい実施例において、二つの走査器の
動作に必要な電力を最小限にしながら注入ターゲットの
高いスループットを達成するために、小さいギャップ長
を有し小さい偏向を要求されるｙ走査器は、約１０００
Ｈｚまたはこれ以上の高い走査周波数で動作させられ、
一方、大きいギャップ長を有し大きい偏向角を要求され
るｘ走査器は、約５０Ｈｚあるいはそれ以上の低い走査
周波数で動作させられる。

【００１４】好ましくは、各種実施例において、走査器
の後に続く磁気イオンビーム輸送／変換装置が、ターゲ
ットでのイオンビームの所望の関係を達成するために二
つの次元で作用する静磁界を作り出す。好ましくはこの
装置は、ウェーハで平行ビームを作り出すテレセントリ
ック輸送装置（ＴＴＳ）である。このテレセントリック
輸送装置は、ビーム経路に沿って所定の静磁界を与える
ことにより、走査されたビームを、全てのビーム線が実
質的に平行であるテレセントリックビームに変換する。

【００１５】ｘ走査器に続くイオンビーム輸送装置は、
二つの走査器によって与えられるビーム偏向に適合する
比較的大きい開口部を有している。更に、この装置は、
ウェーハでのビームスポットサイズおよび固有偏差を最
適化するように、焦点距離を予め設定できる調整可能な
レンズのように働く。磁気輸送装置のパラメータの適当
な設定により、ウェーハでのビームスポットサイズを、
小ビーム電流に対しては例えばオーバースキャンを最小
にしてビームを効率的に使用するために非常に小さくす
ることもできるし、あるいは、大ビーム電流に対しては
、大電流密度での小さい焦点スポットがウェーハ表面を
損傷するのでスポットサイズを大きくすることもできる
。

【００１６】好ましくは、二つの別に配置された磁気走
査器を採用する走査装置においては、イオンビーム輸送
装置は少なくとも二つのイオン光学的輸送要素を含んで
いる。テレセントリックビームを規定するために、これ
らの組み合わされた要素の焦点は、走査器の中心に来る
ように選ばれる。

【００１７】この発明の他の局面は、走査器および磁気
イオンビーム輸送装置の他の実施例にある。

【００１８】他の局面において、この発明は、走査装置
に関連する磁界検出要素を採用する二次元磁気走査装置
、および、検出された磁界の値に基づいてこの走査装置
を二次元に亘り所定のイオンドーズプロファイルを作る
よう制御する閉ループ制御装置に関する。

【００１９】この発明の一つの特徴は、原子または分子
イオンでもってターゲットの表面を二次元で高速走査す
ることによって、ターゲットの表面に原子または分子イ
オンを照射する装置にある。この装置は、ターゲットを
ビームに対面させるエンドステーションと、原子または
分子イオンのビームを生成するイオン源および関連のビ
ーム形成装置と、基準軸に対してビームを二次元に偏向
させる磁気走査装置とを含んでいる。この走査装置は、
走査の各次元に対して、磁性材料から成るヨークおよび
磁極手段と、関連する励磁コイルとから成る個別の走査
電磁石手段を採用している。この装置はまた、走査装置
に続く磁気イオンビーム輸送装置を備えている。この輸
送装置は、走査装置からその二次元的な偏向の範囲に亘
ってビームを受けるよう配置されており、かつ次のよう
な特性の磁界条件をビーム経路に沿って課するよう構成
されている。即ちこの特性は、二次元的に偏向されたビ
ームを、その前記軸からの所望の瞬間的な二次元的変位
時に、二次元における軸と予め定められた所望の角度関
係を有する方向に向け直すよう選定された特性であり、
それによってターゲット上でビームの所望の走査を得る
ことができる。

【００２０】好ましい実施例においては、磁気走査手段
は、走査の少なくとも一つの次元に対して、ビームを１
００Ｈｚより大きい周波数でターゲットの表面上を走査
するよう構成されており、磁気イオン輸送装置は、二次
元的に偏向されたビームを次元的に非結合の状態で向け
直す特性を有しており、かつ走査装置は、ビームを第１
の次元において走査する時変磁界を発生する第１の磁気
走査器を備えており、かつその下流側に同軸状に位置し
ていて、ビームを第２の次元で走査するものであって第
１の走査器とは磁気的に非結合の時変磁界を発生する第
２の磁気走査器を備えている。この走査器は、ビームを
各瞬間に各次元において、ターゲット上におけるビーム
の所望の瞬間的な変位によって規定される各角度で、か
つ互いに非結合の状態で、各基準軸から偏向させるよう
に働く。

【００２１】この発明の他の特徴は、低パービアンスか
ら高パービアンス、即ち、０．０２／Ｍ［ａｍｕ］１／
２　（ｍＡ／ｋｅＶ３／２　、Ｍはイオンの質量）を越
えるパービアンスを含む広範囲のパービアンスでビーム
をターゲットの表面上を急速に走査することにより、所
望の均一性で原子または分子イオンをターゲット上に照
射する装置にある。この装置は、ターゲットを支持する
エンドステーションと、原子または分子イオンのビーム
を生成するイオン源と、ビームから不所望の質量あるい
はエネルギーのイオンを除去する運動量分析器を含み原
子または分子イオンのビームを生成するビーム形成装置
と、イオンの所望の最終速度を確立する加速器とを備え
ている。 基準軸に対して二次元にビームを偏向させる磁気走査装
置が設けられている。この走査装置は、各次元において
ビームを続けて偏向させる時変磁界を発生する第１およ
び第２の磁気走査器を装置の軸に沿って第１および第２
の位置に備えている。この第１の走査器は、ビームを第
１の次元において急速に走査するよう構成されており、
かつビームが通過する磁気ギャップであって第２の走査
器の磁気ギャップ長よりも短い磁気ギャップ長を有して
おり、かつ第２の走査器よりも急速にビームを走査する
よう構成されている。この走査器は、各瞬間に各次元に
おいて、ターゲット上でのビームの所望の瞬間的な変位
によって規定される各角度で、かつ互いに非結合の状態
で、各基準軸からビームを偏向させるように働く。磁気
走査器のそれぞれは、磁性材料から成るヨークおよび磁
極手段と、関連する励磁コイルとを備えており、かつそ
れぞれは、コイルに時変電流を供給する制御回路および
電源を備えている。この走査器の後ろには、磁気イオン
ビーム輸送装置が続いている。この輸送装置は、走査器
の二次元的な偏向の範囲に亘って走査器からビームを受
けるよう配置されており、かつビーム経路に沿って次の
ような特性の磁界条件を課するよう構成されている。即
ちこの特性は、二次元的に偏向されたビームを、その軸
からの所望の瞬間的な二次元的変位時に、二つの方向に
おいて軸に対して所望の角度関係を有する方向に、次元
的に非結合の状態で向け直すよう選定されており、それ
によって有限のイオン分布サイズをしたビームスポット
をターゲット上で所望に走査することができる。この磁
気イオンビーム輸送装置は、ターゲットにおいて実質的
に一定のビームサイズのビームを生じるよう構成されて
おり、それによってイオンの進行方向は全走査範囲に亘
り所望の方向から約２°未満しかずれない。

【００２２】上記およびこれから述べる好ましい各種実
施例においては、第２の走査器は、ビームに影響を及ぼ
す光学的要素を介在させることなく、第１の走査器に近
接して配置されている。第１の走査器は、第２の走査器
の走査周波数より約１０倍でしかもその有理倍数でない
走査周波数で動作するよう構成されている。この実施例
の装置は、前記走査装置にリボン状のイオンビームを与
えるよう構成されており、このリボンの断面の短辺側は
、第１の走査器のギャップの厚さ方向に整列させられて
いる。また第２の走査器のギャップは、状態では軸方向
に放射状に広がっており、かつ方向では第１の走査器に
よって作られる偏向ビームのエンベロープの広がりに対
応しており、一方、第２の走査器の磁極の（ギャップに
垂直方向の）幅はこれに対応して軸方向において徐々に
増大している。

【００２３】この発明の装置の更に他の各種実施例にお
いては、走査器のコイルおよび関連の磁気回路は、ビー
ムを二つの次元において非結合の状態で偏向させる磁界
を発生するよう働き、かつビーム経路に沿ってほぼ同じ
ように近接して配置されている。好ましくは、この発明
の装置は、円形の鉄ヨークと、ヨークの軸の周りにあっ
て当該軸に向かって延びる複数の磁極と、この磁極に組
み合わされた互いに別のｘ次元偏向コイルおよびｙ次元
偏向コイルとを備えている。各偏向方向に対する磁極上
のコイルの巻数は、各偏向軸に対する磁極の角度位置に
従って変えるのが好ましい。また、各組のコイルを、各
次元における偏向のための各励磁電流で駆動されるよう
に直列に接続する手段が設けられる。

【００２４】この発明の装置の更に他の実施例において
は、ビーム形成装置はイオン源の共役イオン光学像を形
成し、かつ走査装置はその磁気ギャップを比較的小さく
保つためにこの光学像の領域に設置される。磁気走査装
置の磁極およびヨークの構造は、厚さが１ｍｍ未満の磁
性材料の絶縁された積層体から成る。好ましくは、この
積層体の厚さは約０．５ｍｍにするのが良い。イオンビ
ーム輸送装置は、二次元的に偏向されたビームに対して
、当該ビームがターゲットに入射する最終的な位置およ
び角度がイオンビーム輸送装置に入るビームの角度方向
および変位の一次関数であるような線形変換を行うこと
ができる静磁界を確立するための電磁石装置である。 この磁気イオンビーム輸送装置は、好ましくは、各イオ
ンの角度方向が走査範囲に亘り所望の方向から約２°未
満しかずれないようなビームを作るのに十分な静磁界条
件をビーム経路に沿って課するよう構成されている。好
ましくはこの磁気的なイオン輸送装置は、ターゲット上
でのビームの角度を発散、平行および集束する値の範囲
に亘って調整するための調整可能なパラメータを有して
いる。好ましくはこの磁気イオンビーム輸送装置は、前
記二次元における前記基準軸に平行なビームを作る静磁
界条件を与える。好ましくはこの磁気イオンビーム輸送
装置は、ビーム経路に沿って、全走査範囲に亘りターゲ
ットでの実質的に一定のイオン分布スポットサイズを有
するビームを作る静磁界条件を課するよう構成されてい
る。好ましくはこの磁気イオンビーム輸送装置は、ター
ゲットでのビームサイズを調整するための調整可能なパ
ラメータを有している。

【００２５】この発明の更に他の実施例においては、イ
オンビーム輸送装置は、前記各磁気走査器が互いに異な
った軸上位置であることについての適応を可能にするよ
うに構成されており、かつ偏向されたビームを所望の角
度関係および変位へ線形変換を行うよう構成された複数
の、軸方向に分離して配置された静磁界印加要素を備え
ている。好ましくはこの磁気イオンビーム輸送装置は、
偏向の二つの次元で有効な静磁界を印加する第２の磁気
手段が後に続く少なくとも一つの静四重極磁界を印加す
る手段を備えている。好ましくは、この磁気イオンビー
ム輸送装置は、交替極性をした少なくとも三つの四重極
磁界を続けて印加する手段を備えている。好ましくはこ
の磁気イオンビーム輸送装置は、少なくとも三つの四重
極電磁石を直列に備えている。好ましくはこの磁気イオ
ンビーム輸送装置は、交替極性をしたそれぞれの四重極
磁界を発生するよう構成された少なくとも三つの異なる
セクションをその長さ方向に沿って有する偏向電磁石を
備えている。好ましくは、四重極磁界装置のｘおよびｙ
次元の対物点は、それぞれ、テレセントリック条件を満
たすような方法で、ｘおよびｙ次元磁気走査器において
生じる。好ましくはこのイオンビーム輸送装置は、後述
する表１に示したように実質的に配置される四重極電磁
石を備えている。好ましくはこの四重極磁界のパラメー
タは、ターゲットでのビームスポットサイズのイオン分
布スポットサイズを変化させるよう調整可能であり、従
ってこのビームスポットサイズは全走査範囲に亘り実質
的に一定のままである。好ましくは四重極装置のパラメ
ータは、走査範囲において所定の関係を維持しながら、
ターゲットでのビーム角度を発散、平行および集束関係
の全範囲で変化させるよう調整可能である。好ましくは
第２の磁気手段は、ソレノイド手段を備えている。好ま
しくはこのソレノイド手段は、反対極性をした隣接する
ソレノイドを備えている。

【００２６】他の各種実施例においては、イオンビーム
輸送装置はソレノイド装置を有している。好ましくはこ
のソレノイド装置は複数のソレノイドを有しており、こ
の各々のソレノイド中の電流を制御することによりビー
ム回転量を制御するように制御される。好ましくはこの
ソレノイド装置は、更に、所望の制御された量の回転を
与えるようにソレノイドの電流を互いに関連して調整す
る手段を備えている。好ましくはこのソレノイド装置は
、互いに逆方向に電流が流れる一対のソレノイドを備え
ており、それによって第２のソレノイドが第１のソレノ
イドによるビームの回転を補償する。ソレノイド中の電
流の大きさは、好ましくは、ビームの回転を阻止するよ
うに等しくされる。好ましくは走査装置は、異なる軸位
置に設置された第１および第２の走査器を備えており、
かつイオンビーム輸送装置は、更に、ソレノイド装置に
よって与えられるｘおよびｙ次元線の仮想対象を重ねる
磁気装置を備えている。好ましくは第１および第２の次
元に対する走査器は、実質的に重ねられており、かつイ
オンビーム輸送装置は単にソレノイド手段のみを備えて
いる。

【００２７】他の各種実施例においては、磁界を印加す
る磁気イオンビーム輸送装置は、四重極電磁石が後に続
く偏向電磁石を備えている。磁界を印加する磁気イオン
ビーム輸送装置は、少なくとも一つのソレノイドが後に
続く偏向電磁石を備えている。走査装置は更に、走査装
置の磁気コイルを所望の実質的に三角波電流励磁波形で
励磁するよう構成された電力増幅器を備えている。好ま
しくはこの電力増幅器は、走査装置に印加される電流を
走査周期の半分の約８０％に亘り実質的に線形変換する
方形電圧波形を作るよう構成されている。

【００２８】更に他の各種実施例においては、走査装置
は、ビームを一つの次元において約１０００Ｈｚ程度あ
るいはそれ以上の走査周波数で偏向させ、かつ他の次元
においてビームを約５０Ｈｚ程度あるいはそれ以上の走
査周波数で偏向させるよう構成されている。

【００２９】この発明の更に他の実施例においては、０
．０２／Ｍ［ａｍｕ］１／２　（ｍＡ／ｋｅＶ３／２　
）より実質的に上および下のパービアンスを含む広いパ
ービアンスの範囲に亘ってビームの走査を可能にするよ
う構成されている。好ましくは、約２０ｍＡのヒ素ビー
ムのような大ビーム電流を有するビームを１００ｋｅＶ
から約５ｋｅＶまでという低エネルギーで走査すること
を可能にしている。好ましくはこの発明の装置は、１０
ないし２０ｍＡの範囲の大ビーム電流を有するビームを
約１００ないし４００ｋｅＶの高エネルギーで走査する
ことを可能にしている。好ましくはこの発明の装置は、
ホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンのようなイオンを
ウェーハに注入するイオン注入装置として動作する。好
ましくはこの発明の装置は、直径１２インチまでの領域
の全面を走査する。好ましくはこの発明の装置は、ター
ゲット上で約１０ないし８０ｍｍのビーム径を作る。好
ましくはこの発明の装置は、直径１２インチまでのウェ
ーハの全面を複数回走査し、それによって１０秒未満で
ウェーハ全面に亘り０．５％より良好な照射均一性が１
０秒未満で達成できるよう構成されている。

【００３０】更に他の各種実施例においては、この発明
の装置は、走査装置の磁気走査器を駆動する電力増幅手
段を備えており、この電力増幅手段は固有電圧リップル
を発生するが、走査器の走査周波数はこの固有電圧リッ
プルの有理倍数にならないように選定されている。イオ
ンビーム輸送装置は、ラスター走査を行うよう構成され
た走査装置を備えている。この磁気イオンビーム輸送装
置は、回転ラスター走査を行うよう構成された走査装置
を備えている。イオンビーム輸送装置は、リサージュ運
動を行うよう構成された走査装置を備えている。

【００３１】他の実施例においては、この発明の装置は
、ダイナミックフィードバック制御装置を備えている。 このフィードバック制御装置は、走査装置の磁界を検出
しかつイオンビームの走査中にこのビームに作用する磁
界を表す信号を発生する磁界検出手段と、走査装置を制
御して、磁界検出手段に応答して二次元のそれぞれにお
ける規定の磁界プロファイルを閉ループ的に作り出すフ
ィードバック制御装置とを備えている。

【００３２】各種実施例において、この発明の装置は、
走査装置のターゲットでのドーズ量を検出しかつイオン
ビームの走査中のドーズ量を表す信号を発生するイオン
ドーズ量検出手段と、走査装置を制御して、このドーズ
量検出手段に応答して二つの次元での規定のイオンドー
ズ量を閉ループ的に作り出すフィードバック制御装置と
を備えている。

【００３３】この発明の他の特徴は、ターゲットの表面
に原子または分子イオンをターゲット全体に亘り所望の
均一性で照射する装置であって、０．０２／Ｍ［ａｍｕ
］１／２　（ｍＡ／ｋｅＶ３／２　）を越えるパービア
ンスを含む広範囲のパービアンスでビームの急速走査を
可能にするよう構成された装置にある。この装置は、タ
ーゲットをビームに対面させるエンドステーションと、
原子または分子イオンのビームを生成するイオン源およ
び関連のビーム形成装置と、ターゲットの全表面に亘り
ビームを二次元で走査することができる磁気走査装置と
を備えている。またこの装置は、走査の各次元について
、磁性材料から成るヨークおよび磁極手段ならびに関連
の励磁コイルから成る個別の走査電磁石手段と、規定の
イオンドーズプロファイルを作り出すために望ましい前
記ビームの位置を表す信号を発生する手段と、ダイナミ
ック閉ループフィードバック制御装置とを備えている。 このフィードバック装置は、走査装置の磁界を検出して
ビームの走査中にビームに作用する磁界を表す信号を発
生する磁界検出手段と、走査装置を制御して、この磁界
検出手段に応答して二つの次元における規定の磁界プロ
ファイルを閉ループ的に発生するフィードバック制御装
置とを備えている。

【００３４】この発明の他の特徴は、ターゲット表面に
原子または分子イオンをその全表面に亘り所望の均一性
で照射する装置であって、０．０２／Ｍ［ａｍｕ］１／
２　（ｍＡ／ｋｅＶ３／２　）を越えるパービアンスを
含む広範囲のパービアンスでビームの急速走査を可能に
するよう構成された装置にある。この装置は、ターゲッ
トをビームに対面させるエンドステーションと、原子ま
たは分子イオンのビームを生成するイオン源および関連
のビーム形成装置と、ターゲットの全表面に亘り二次元
におけるビームの走査を可能にする磁気走査装置とを備
えている。またこの装置は、走査の各次元について、磁
性材料から成るヨークおよび磁極手段ならびに関連の励
磁コイルから成る個別の走査電磁石手段と、ビームの所
望の位置を表す信号を発生して規定のイオンドーズプロ
ファイルを作り出す手段と、ダイナミック閉ループフィ
ードバック制御装置とを備えている。このフィードバッ
ク装置は、走査装置のターゲットでのドーズ量を検出し
てビームの走査中のドーズ量を表す信号を発生するイオ
ンドーズ量検出手段と、走査装置を制御して、このドー
ズ量検出手段に応答して二つの次元における規定のイオ
ンドーズ量を閉ループ的に作り出すフィードバック制御
装置とを備えている。

【００３５】好ましい実施例においては、この磁界検出
手段は、磁気走査装置内にある誘導コイルを備えており
、および／または制御装置は、磁界検出手段からの信号
をフーリエ成分および／または位相べき級数に分解する
手段を備えている。

【００３６】この発明の他の特徴は、原子または分子イ
オンのビームを基準軸に対して第１および第２の次元で
偏向させるよう構成された磁気走査装置にあり、この装
置は、装置の軸に沿って第１および第２の場所に配置さ
れていて各次元においてビームを続けて偏向させる時変
磁界を発生する第１および第２の磁気走査器を備えてい
る。各磁気走査器は、磁性材料から成るヨークおよび磁
極手段ならびに関連の励磁コイルを備えており、かつそ
れぞれは、コイルに時変電流を供給するそれぞれの検出
回路および電源を有している。第１の時変磁界磁気走査
器は、ビームが通過する磁気ギャップであって、この磁
気ギャップのギャップ長は第２の走査器の磁気ギャップ
のギャップ長よりも小さく、かつビームをその対応する
各次元で第２の走査器より速く走査するよう構成されて
おり、それによって第１の走査器に対して高い周波数で
課せられる電力要求が、当該走査器の小さなギャップ長
によって改善される。この走査器は、ビームを、各瞬間
に各次元において、イオンビームの所望の瞬間的な変位
によって規定される各角度で、かつ互いに非結合の状態
で、各基準軸から偏向させるように働く。

【００３７】この発明の他の特徴は、原子または分子イ
オンのビームを基準軸に対して第１および第２の次元で
偏向させる磁気走査装置にある。この装置は、磁性材料
から成るヨークおよび磁極手段ならびに関連の励磁コイ
ルから成る第１および第２の時変磁界磁気走査電磁石手
段をそれぞれ採用している。その各々は、コイルに時変
電流を供給する偏向回路および電源をそれぞれ備えてい
る。この走査器のコイルおよび関連の磁気回路は、磁界
を発生してビームを二つの次元において非結合の状態で
偏向させるように働き、かつビーム経路に沿ってほぼ同
様に配置されている。

【００３８】好ましい実施例においては、この発明の装
置は、走査装置の後に続くイオンビーム輸送装置を備え
ており、このイオンビーム輸送装置は、走査装置からそ
の二次元的な偏向の全範囲に亘ってビームを受けるよう
配置されており、かつ次のような特性の磁界条件をビー
ム経路に沿って課するよう構成されている。即ちこの特
性は、二次元的に偏向されたビームを、その軸からの所
望の瞬間的な二次元的変位時に、二つの次元における軸
と予め定められた所望の角度関係を有する方向に向け直
すよう選定された特性であり、それによってビームの所
望の走査を得ることができる。

【００３９】この発明の他の特徴は、原子または分子イ
オンのビームを二次元で走査する装置にある。この装置
は、イオンビームを二つの次元において基準軸に対して
偏向させる走査装置と、この走査装置の後に続く磁気イ
オンビーム輸送装置とを備えている。この輸送装置は、
二次元的に偏向されたビームを、その軸からの所望の瞬
間的な二次元的変位時に、二つの方向において軸に対し
て所望の角度関係を有する方向に向け直すよう選定され
た特性の磁界条件をビーム経路に沿って課するよう構成
されていて、互いに軸方向に離して設置された複数の静
磁界印加要素を備えており、それによって有限のイオン
分布サイズをしたイオンビームスポットの所要の走査を
作り出すようにしている。好ましい実施例においては、
このビームは異なる軸位置に配置された第１および第２
の走査器を備える装置によって走査される。また、ビー
ム輸送装置は、その各次元における焦点面が、第１およ
び第２の走査器の中心位置の差に各次元において適合す
るよう構成されている。

【００４０】この発明の前記種々の特徴には、上述した
ように、その他の好ましい各種実施例の特徴を含んでも
良いことが理解されよう。

【００４１】

【実施例】図１および図２を参照して、そこにはこの発
明に従っていて、かつイオンの二つの直交する時変磁気
偏向を利用する二次元イオンビーム走査装置の要素の概
略が示されている。この時変磁気偏向は、それぞれｙ走
査電磁石２６、ｘ走査電磁石２８および一連の三つの同
軸の磁気四重極電磁石５４、５６および５８によって作
られる。即ちこの実施例では、ｙ走査電磁石２６および
ｘ走査電磁石によって磁気走査装置２３０が構成されて
おり、三つの四重極電磁石５４、５６、５８によって磁
気イオンビーム輸送装置２４０が構成されている。ｘお
よびｙ方向に向けられておりかつイオンに作用する振動
性磁界が、ｙ走査電磁石２６により典型的に１０００Ｈ
ｚの周波数で、かつｘ走査電磁石２８により典型的に１
００Ｈｚの周波数で、それぞれ作られる。

【００４２】ｘおよびｙ次元的に制限された状態である
ビーム３１の形でｚ軸３２にほぼ沿う経路を進む正イオ
ンは、走査装置に入射し、かつ対応する周波数で、まず
ｙ走査電磁石２６によってｙ−ｚ平面内で、次いでｘ走
査電磁石２８によってｘ−ｚ平面内で、振動性角偏向を
受ける。ある瞬間においては、ｘ走査電磁石２８から出
て来たばかりのイオンはビームの形状を維持しているけ
れども、今度は、ｙ走査電磁石２６およびｘ走査電磁石
２８によってイオンに加えられた角偏向の結果として、
ビームの長手軸３３はｚ軸３２に対してある角度を持た
される。第１の四重極電磁石５４に達すると、このイオ
ンビーム３１の中心は、ｘ走査電磁石２８を通過する時
にｘ方向に受ける角偏向に比例する距離だけ、およびｙ
走査電磁石２６を通過する時にｙ方向に受ける角偏向に
比例する距離だけ、ｚ軸３２から変位させられる。この
三つの四重極電磁石５４、５６および５８は、それぞれ
、イオンビーム３１をｚ軸３２に対して更に向け直しか
つ位置変位させる静磁界を発生する。

【００４３】好ましい実施例の一つの重要な特徴におい
ては、この三つの四重極電磁石５４、５６および５８は
、偏向されたイオンビーム３１を向け直してターゲット
（基板、例えばウェーハ）１０でのその長手軸３４が、
ｘ−ｙ平面でのビームの位置に拘わらず、ｚ軸３２に平
行になる（即ちこのイオンビーム３１がテレセントリッ
クになる）ように組み合わされている。しかしながら、
ターゲット１０でのイオンビーム３１の位置は、ｘ走査
器２８およびｙ走査器２６のそれぞれの周波数で、ｘお
よびｙ方向に急速に変化している。このイオンビーム３
１の瞬間的なｘおよびｙの位置は、それぞれ、ｘ走査電
磁石２８およびｙ走査電磁石２６によってイオンに与え
られる角偏向に比例しており、かつビームサイズはビー
ム位置に拘わらずほぼ一定である。この二次元平行走査
法は、図１および図２中に実線または破線で描かれたビ
ームエンベロープによって示されており、実線のビーム
エンベロープ６０はある瞬間に走査装置に入射するイオ
ンによって描かれるものを表しており、破線のビームエ
ンベロープ６１は他の瞬間に入射するイオンによるもの
を示している。

【００４４】なお、前記各走査電磁石２６、２８は、制
御回路２００によってその励磁がそれぞれ制御される。 また、各四重極電磁石５４、５６、５８は、電源２２０
によっそれぞれ励磁され、この電源２２０はコンピュー
タ２１０によって制御される。

【００４５】好ましい実施例の更に他の重要な特徴は、
全ての走査器要素が、本質的に磁気的のみであるフィー
ルドを有しているということである。このように電界が
存在しないことにより、残留電子はビームエンベロープ
内に保持される。イオンビームは電気的に中性のままで
あり、反発する空間電荷力は存在せず、前述の平行走査
法はイオンビーム強度が増大しても制限なしに有効であ
る。

【００４６】これまでは、約０．００２／Ｍ１／２　よ
り大きいパービアンスＩ／Ｅ３／２　（Ｉはビーム電流
（ｍＡ）、Ｅはイオンエネルギー（ｋｅＶ））で重い（
Ｍが１〜１０００原子質量単位）イオンビームを急速に
（１ｋＨｚあるいはそれ以上で）走査することは不可能
であった。これに関して、現存の電気的偏向法で実現さ
れている走査法と比較してこの発明の効用が非常に大き
いことが図３１に示されている。

【００４７】この発明の重要性の一例は、ｘおよびｙ方
向にほぼ等しい大きさをしておりｚ軸３２に対して位置
が固定されたターゲット領域１０（図１）に、ホウ素（
Ｍ＝１１）、リン（Ｍ＝３１）、ヒ素（Ｍ＝７５）およ
びアンチモン（Ｍ＝１２１，１２３）のようなイオンの
ビームを、約４００ｋｅＶから５ｋｅＶまでのエネルギ
ーでかつ２０ｍＡあるいはそれ以上のビーム電流で、均
一にかつ急速に照射するという半導体イオン注入におけ
る要求に応えることができるということである。

【００４８】図１および図２は更に、イオン注入装置の
好ましい実施例を示しており、この装置では、ホウ素、
リン、ヒ素あるいはアンチモンのようなほぼ所定のイオ
ン種の正帯電のイオンがイオン源２のプラズマ室３で生
成され、かつ通常方形あるいは円形をしたオリフィス（
アパーチャとも呼ばれる）５（またはオリフィス列）か
ら出てくる。このイオンは、プラズマ室３のオリフィス
５と一直線上に対応しているオリフィス７を有する引出
し電極４によって引き出される。この引出し電極４は、
電源１６によりプラズマ室３の電位より典型的には５な
いし８０ｋＶだけ負の電位に保持される。プラズマ室の
オリフィス５に対する引出し電極４の幾何学的形状およ
び位置は、イオン軌道の広がり角が典型的に２°未満で
あるように良好に規定されたビームが引出し電極４から
出てくるように選定されている。イオンは、冷却された
分析スリット２４および中性粒子フィルタ電磁石１４と
組み合わされた分析電磁石６によって、その電荷（Ｑ）
と質量（Ｍ）の比Ｑ／Ｍに従って純化される。

【００４９】この好ましい実施例においては、狭い方の
寸法が第１の走査器２６のギャップの方向になっている
リボン状のビームが作られ、これによって当該ギャップ
が最小になるようにしている。

【００５０】プラズマ室のオリフィス５と引出し電極４
との間にある抑制電極９は、引出し電極４よりも更に負
電位に保たれており、それによって逆流電子がイオン源
のプラズマ室３に到達してこれを損傷させることがない
ようにしている。この抑制電極９はまた、イオンビーム
３１が運動量分析器６に向かって進む際にそこから電子
が排出されるのを防ぐ働きをする。イオンビームエンベ
ロープ内に含まれている低エネルギー電子は、ビーム中
のイオン同士の電気的相互作用により生じる反発力（空
間電荷力）の大きさを減らすのに役立つ。

【００５１】加速の第２段階は、電源１８によって異な
る電位に保たれている２以上の電極を有する後段加速器
８によって成される。その第１の電極１３は、引出し電
極４と同電位にある。ビーム中のイオンは、最後の電極
１５が第１の電極１３より更に負電位（典型的には０な
いし−４００ｋＶ）にある時に加速される。また、最終
のイオンエネルギーを非常に低くするためには、電源１
８の極性を逆転させても良く、その場合負の値の加速（
即ち減速）が後段加速器８によって行われる。この後段
加速器８は、その両端に電子抑制電極１９が設けられて
おり、それによってイオンと逆方向の電子の加速および
それによってもたらされる電源１８の不必要な電流負荷
を防止することができる。また、電子は、後段加速器８
のいずれの側の領域でもビームエンベロープから排出さ
れず、これによりイオンビーム中の空間電荷力の発散効
果が小さくされる。イオンは、電源１６および１８の出
力電圧を組み合わせることにより、イオン電荷状態当た
り５ないし４００ｋｅＶの範囲で選択できるエネルギー
で後段加速器８から出てくる。

【００５２】運動量分析器６は、後段加速器８の前に配
置されており、それによってより低い磁気エネルギーで
動作させることを可能にしている。また、この位置に設
ければ、イオン源２からの不所望のイオン種が後段加速
器８に入るのを防ぐことができ、それによって電源１８
の電流およびパワーを最小にすることができる。後段加
速器８に続く中性粒子フィルタ１４は、偏向電磁石であ
り、運動量分析器６あるいは後段加速器８で作られる中
性粒子とイオンビームとを分離する。即ち中性粒子フィ
ルタ１４で偏向されずに通過する中性粒子は、イオンビ
ーム３１から分離される。従って、ほぼ純粋なイオン種
のビーム３１が走査電磁石２６、２８に入ることになる
。冷却された分析スリット２４が、運動量分析器６の正
中面（ｚ−ｘ面）にあって引出し電極７のイオン光学的
共役像の場所にある点２２に配置されている。この共役
像点２２の位置は、運動量分析器６および後段加速器８
のイオン光学的性質に依存しており、共役像２２のｘ寸
法が約数ｍｍになるように選定される。従って、冷却さ
れた分析スリット２４の幅も同様に小さくなるので、不
所望のイオン種および多数の中性粒子は、冷却された分
析スリット２４の本体によって遮断される。ビーム３１
は、イオン源２からターゲット１０へ真空容器１２およ
び２４中を輸送される。ターゲット１０は、やはり真空
状態にあるエンドステーション４７内に設けられている
。典型的には、公知の技術に従って連続処理およびウェ
ーハハンドリングを可能にする適当なウェーハ供給機構
および真空インターロック構造（図示省略）が採用され
る。

【００５３】図１および図２に示す好ましい実施例の他
の局面では、磁気要素の全て（分析電磁石６、中性粒子
フィルタ１４、ｙおよびｘ走査器２６および２８、三つ
の四重極電磁石５４、５６および５８）は、その励磁コ
イル１１、１７、７８および４２の電流を調整すること
によりそれらの磁界の強さを整合して調整することがで
きる電磁石である。ローレンツ力（後に添付した表２の
文献１参照）によれば、磁気要素によって作られるラジ
アンで表した偏向角は、イオン経路に沿って積分した磁
界強度をイオンの磁気剛性Ｋで割ったものに等しく、こ
こで 　　　　Ｋ＝（２ＭＥ／Ｑ２　）１／２　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（１）であり、Ｍ、ＥおよびＱは、それぞれ、イオ
ンの質量、エネルギーおよび電荷である。各磁気要素の
コイル電流をイオンの磁気剛性Ｋに比例して調整するこ
とにより、特定のイオン種およびエネルギーに無関係に
、イオンの規定の幾何学的偏向が生じる。この特徴の重
要性は、選択された粒子種およびエネルギーの広範囲に
亘って、二次元平行走査装置をイオン注入において用い
ることができるということである。

【００５４】図３には好ましい実施例における走査電磁
石の構造が示されており、ここでは一対のコイル７８を
流れる振動性電流７７によって励磁される磁気回路にお
いて振動性磁界８０が発生される。この一対のコイル７
８の各々は、高透磁率の薄い強磁性積層体７０から成り
、同様に高透磁率の薄い強磁性積層体から成るヨーク７
３によって互いに結合された磁極７１を取り囲んでいる
。二つの磁極７１の開口面８２は、イオンビームが通過
するギャップ７４によって分離されている。ギャップ７
４内では、力は、磁界の方向とイオンの速度ベクトルの
方向の双方に垂直な方向でイオンに作用する。適切に定
義された磁界Ｂが、次式のように、磁極幅７９の寸法Ｗ
を磁極ギャップ７４の寸法Ｇの約３倍にすることによっ
て作られる。 　　　　Ｗ≒３Ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・（２）

【００５５】好ましい実施例における走査電磁石の重要
な特徴は、磁気エネルギーを殆ど全て磁極ギャップ７４
の領域内に集中させることができる高透磁率の磁極７１
およびヨーク７３にあり、それによって励磁パワーを最
小にすることができる。このような構造では、磁気剛性
Ｋのイオンに対して振幅α、周波数ｆで正弦振動的な角
偏向を生じさせるのに必要な励磁パワーＰは、ＭＫＳ単
位で、次のように表される。 　　　　Ｐ＝７．５×１０６Ｋ２α２ｆＧ２／Ｌ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）ここで、
Ｌは走査場の有効長（第１の走査器２６では約１５０ｍ
ｍ、第２の走査器２８では３００ないし４００ｍｍ）で
ある。このことから、小さなギャップ寸法Ｇが有利であ
ることが分かる。

【００５６】好ましい実施例の他の重要な局面は、走査
電磁石の相対的な順序および物理的な位置にある。図１
および図２を参照して、高い方の周波数のｙ走査電磁石
２６は、運動量分析器６の共役焦点および加速器８の近
傍の冷却された分析スリット２４のすぐ後に配置されて
いる。ここではリボン状ビームのｘ寸法は小さい。従っ
て、ｙ走査器２６のギャップ（これはｘ方向にある）は
それに対応して小さい（約１０ｍｍ）。ｘ走査器２８は
、ｙ走査器２６のすぐ後ろに配置されている。何故なら
、そのギャップ（これはｙ方向にある）が、ｙ走査器２
６によって作られる振動性偏向の領域に適合するために
かなり大きく（約５０ｍｍ）なければならないからであ
る。しかしながら、このｘ走査器２８は、低い周波数で
動作するので、それに必要とする励磁パワーは同様であ
る。ちなみに、高い周波数の走査器を第１の位置ではな
く第２の位置に配置すれば、二つの走査器に対する全動
作パワーはほぼ振幅の程度だけ増大する。

【００５７】好ましい実施例の更に他の重要な局面にお
いては、第２の走査器２８の動作パワーを、磁極７１を
図４および図５に示すように作ることにより減少させる
ことができる。その磁極ギャップ７４は、第１の走査器
２６によって作られるビーム７２の振動性偏向の範囲が
第２の走査器２８の入口から出口に向かって増大するの
と同程度に、その入口７５における寸法が出口７６にお
ける寸法より小さい。更に、入口での磁極幅Ｗ′は、式
（２）に従って、出口での幅Ｗよりも小さい（図４参照
）。好ましい実施例においては、この磁極ギャップ７４
は、ｚ軸３２に沿う距離と共に入口での寸法Ｇ′から出
口での寸法Ｇまで直線的に増大している。更に、磁極幅
もまた、ｚ軸３２に沿う距離と共に式（２）に従って直
線的に増大している。このような磁極プロファイルに対
しては、動作パワーは次式で与えられる。 　　　　Ｐ′＝Ｐ｛（１−β）／ｌｏｇｅ　β｝２　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）ここ
で、β＝Ｇ′／Ｇであり、Ｐは同じ長さを有し同じ偏向
を生じるけれども出口の磁極ギャップに等しい均一のギ
ャップを有するものの動作パワーである。この好ましい
実施例においては、β＝０．５でありその場合Ｐ′＝０
．５２Ｐである。換言すれば、第２の走査電磁石２８に
おける磁極７１の形状を調整することにより、同等の機
能を果たすけれども形状を調整していない一定のギャッ
プを有する走査電磁石に比べて、動作パワーを殆ど１／
２に減少させることができる。

【００５８】図６および図７は積層された電磁石の好ま
しい構造を更に示しており、ここでは積層体７０は絶縁
材料６９の層により互いに電気的に絶縁されている。時
変磁界によって積層体７０内に作られるうず電流６８は
、各積層体の境界内を流れ、磁極およびヨークの周囲を
回らないようにされている。このうず電流６８はコイル
電流とは反対に流れ、図７に示すように磁束８０を積層
体７０の表面領域に集中させる働きをする。磁界は、表
面からの距離と共にほぼ指数関数的に減少する。表皮深
さと呼ばれる深さδでは、磁界は表面での強度の１／ｅ
（ｅ≒２．７１８３）になる。磁束は磁極の表面８２間
で連続していなければならないので、ギャップ７４中の
磁界Ｂは、次式に示すように、積層体表面８１での磁界
ＢＳ　より常に小さい。 　　　　Ｂ／ＢＳ　 　　　　≒（δ／ｄ）・｛２［ｃｏｓｈ（ｄ／δ）−ｃ
ｏｓ（ｄ／δ）］　　　　／［ｃｏｓｈ（ｄ／δ）＋ｃ
ｏｓ（ｄ／δ）］｝１／２　ここでｄは積層厚みであり
、δ＝１／（πμσｆ）１／２　であり、μは積層材料
の透磁率であり、σはその導電率であり、ｆは磁界Ｂの
正弦周波数であり、単位はいずれもＭＫＳ単位である。

【００５９】図８はこの発明の更に重要な局面を示しお
り、ここでは積層厚ｄを十分に小さく、例えば１ｍｍ未
満、好ましくは約０．５ｍｍ以下にすることによって、
１０ｋＨｚまでの周波数において０．１テスラより大き
いギャップ磁界を実現することができる。図８中のカー
ブは、ｄ＝０．３６、０．５０および０．６４ｍｍ、σ
＝２．５×１０６　Ｓ／ｍおよびμ＝７０００μ０の値
に対して適用され、ここでμ０　＝４π×１０−７は自
由空間の透磁率である。ヨーク積層体における磁界ＢＳ
　は、ヨークの飽和を避けるために１テスラに制限され
ているけれども、十分なギャップ磁界が高い周波数にお
いても得られ、これにより基本周波数のみならず高調波
をも含む波形で２ｋＨｚまでの振動性磁界を発生させる
ことができる。フーリエ変換理論によれば、高調波成分
を基本正弦波周波数に加えることにより、任意の連続反
復波形を作ることができる。例えば、少量の奇数高調波
を基本周波数に加えることにより、図１０に示すような
三角波形を有する振動性磁界を作ることができる。この
ような波形は、例えば、半導体のイオン注入において有
利である。何故なら、それによってビームを一定速度で
前後に走査し、ターゲット１０を均一に照射することが
できるからである。

【００６０】図９は、ヨークの磁界ＢＳ　を１テスラお
よび積層体の厚さを０．５ｍｍに制限することによって
、基本周波数の関数としての三角波振動性磁界６６の強
度が、同じ周波数の正弦波磁界６５のそれよりもほんの
少しだけ小さいことを示している。実際、２ｋＨｚまで
の走査周波数に対しては、ギャップ内において現在のフ
ェライトと同等の三角波磁界強度を達成することができ
る。このようなフェライトは一般的に高価な材料である
が、約０．３テスラで磁気的に飽和する電磁石を構成す
るのに使用することができる。図９中の実線のカーブ６
６を構成するのに使われている三角波形は、走査サイク
ルの８３％に相当する−７５°から７５°までの走査位
相角に亘り、最も一定の走査速度を与える大きさを有す
る２１次までの奇数高調波を含んでいる。

【００６１】図１０は、三角波形を示しており、これは
、高調波の数を２１に制限した結果として、振幅６４の
先端で真ののこぎり波からはずれている。図１１は、こ
の高調波域に対して、走査速度が走査サイクルの１５０
°（即ち走査時間の８３％）に亘り０．２％より良く一
定であることを示している。実際上は、走査の大きさは
、走査速度が次の０を通過して符号を変える期間中（１
７％）、ビームがターゲット外周の外側にあるように十
分に大きくされる。高調波の数を２倍にすれば、走査速
度を上記と同様に一定にするのに、オーバースキャン時
間を約半分に（即ち１７％から９％に）減らすことがで
きる。この好ましい実施例の積層された走査電磁石は、
２１次より大きい高調波に適合することができるが、現
在商業的に利用できる典型的な電力増幅器では、２０〜
４０ｋＨｚの周波数範囲の高調波に制限されている。

【００６２】図１２は、磁気四重極電磁石５４、５６お
よび５８の基本構造を示すｘ−ｙ平面での断面図である
。四つの磁極４０が、図１および図２に示す構成に対し
ては、ｚ軸３２と一致する対称軸３８の周りに対称に配
置されている。この磁極４０の軸４１は、ｘ軸およびｙ
軸に対して４５°に配置されている。各磁極４０はコイ
ル４２で囲まれている。所定の四重極電磁石の全てのコ
イルは、物理的形状および巻数に関して同一であるが、
一連の磁極４０の先端に、磁気極性ＮＳＮＳを作るよう
に電気的に励磁される。これらの磁極４０は、隣接する
磁極対間に磁束の戻りを生じさせるヨーク３６と同様に
、高透磁率の鋼合金で構成されている。イオンビームは
、四重極電磁石の中心領域でかつ真空容器４４の内側を
通過する。適切な形状の磁極片を用いれば（表２の文献
２参照）、前記中心領域における磁界は本質的に純粋な
四重極形状となり、次式で表される。 　　　　Ｂ＝＋（Ｂ０　／ｒ０　）・（ｙｉ＋ｘｊ）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）ここ
でｉおよびｊはそれぞれｘおよびｙ方向の単位ベクトル
であり、Ｂ０　は対称軸３８から距離ｒ０　の所での磁
極先端での磁界の強さである。位置（ｘ，ｙ）における
正に帯電したイオンに作用するローレンツ力（表２の文
献１参照）は、次のように表される。 　　　　Ｆ＝Ｑｖ×Ｂ＝−（Ｂ０　／ｒ０　）・（ｘｉ
−ｙｊ）・（２Ｑ２　Ｅ／Ｍ）１／２　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・（６）このローレンツ力は、Ｂ０　＞０の場合
、ｘ方向に集束、ｙ方向に発散を生じさせ、かつｘ方向
およびｙ方向における力の成分は、それぞれｚ軸３２か
らのイオンの変位ｘおよびｙに線形的に依存している。 まん中の四重極電磁石５６は上記のような極性を有して
おり、一方その前後の第１の四重極電磁石５４および第
３の四重極電磁石５８は反対の極性を有しており、それ
によって、図１および図２中のビームエンベロープ６０
および６１の挙動によって示すように、ｘ方向の発散お
よびｙ方向の集束を生じさせる。

【００６３】イオンがターゲット１０に入射する時のｚ
軸３２に対する最終的な位置および角度は、二つの走査
器２６および２８において受ける角偏向および式（６）
に示したような三つの四重極電磁石５４、５６および５
８で受ける力の総合効果に依存している。詳述すると、
最初はｚ軸３２に沿って進み時間ｔにおいて第１の走査
器２６に入るイオンを考えてみる。このイオンによって
表される経路を、これ以降は「時間ｔにおける主線」と
呼ぶ。物理的には、この主線は、時間ｔにおける全イオ
ンビームのほぼ中心線である。第１の走査器２６におい
て作られるこの主線の角偏向α（ｔ）は、この走査器を
通過するイオン飛行時間で平均した振動性磁界の値に依
存している。同様のことが、第２の走査器２８で作られ
る角偏向β（ｔ）についても言える。殆どの場合、走査
器を通過するイオン飛行時間は、走査器の振動周期によ
り遙かに小さく、その場合、時間平均磁界は、一次につ
いては、イオンが走査器を通過する途中で受ける「瞬時
磁界」になる。とにかく、α（ｔ）およびβ（ｔ）は時
間の振動性関数であり、一般的に、異なる時間ｔにおけ
る主線は異なる角偏向を受ける。また、α（ｔ）および
β（ｔ）は、物理的に独立した振動性磁界によって作ら
れるので、互いに独立である。ビーム経路に沿う任意の
点において、主線の位置および方向は次の四つの座標で
特徴づけられる。ｘ　　：ｚ軸３２に対するｘ位置。 ｘ′：ｚ軸３２とｚ−ｘ平面への主線投射との間の角度
。 ｙ　　：ｚ軸３２に対するｙ位置。 ｙ′：ｚ軸３２とｙ−ｚ平面への主線投射との間の角度
。

【００６４】仮にｘ走査器２８およびｙ走査器２６の中
心が、第１の四重極電磁石５４の入口境界の前でそれぞ
れ距離ｐおよびｑの所にあれば、時間ｔにおける主線の
入口境界でのパラメータは、近軸光線近似で次のように
表される。 　　　　ｘｉ　＝ｐα（ｔ），ｘｉ　′＝α（ｔ），ｙ
ｉ　＝ｑβ（ｔ），　　　　ｙｉ　′＝β（ｔ）　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　・・・（７）式（６）は、四重極
電磁石において力成分Ｆｘ　およびＦｙ　がそれぞれｘ
およびｙに線形に依存していることを示している。従っ
て、四重極電磁石の出口での主線のパラメータは、入口
でのパラメータの同次形一次変換となる。更に、式（６
）によれば、ｘ方向における力Ｆｘ　は粒子のｙ位置に
依存せず、同様に、力Ｆｙ　は粒子のｘ位置に依存しな
い。その結果、粒子運動のｘ投射およびｙ投射は、互い
に非結合状態になる。従って、三つの四重極電磁石５４
、５６、５８、四重極電磁石間の無磁界ドリフト空間お
よびターゲット１０までの最後の無磁界ドリフト空間を
通過するイオンの動きは、ｘ−ｙで非結合の線形変換と
みなすことができる。従って、ターゲットでの主線のパ
ラメータは、次のような形で表すことができる。 　　　　ｘ　　＝Ｍ１１ｘｉ　＋Ｍ１２ｘｉ　′＝（Ｍ
１１ｐ＋Ｍ１２）α（ｔ）・・・（８ａ）　　　　ｘ′
＝Ｍ２１ｘｉ　＋Ｍ２２ｘｉ　′＝（Ｍ２１ｐ＋Ｍ２２
）α（ｔ）・・・（８ｂ）　　　　ｙ　　＝Ｍ３３ｙｉ
　＋Ｍ３４ｙｉ　′＝（Ｍ３３ｑ＋Ｍ３４）β（ｔ）・
・・（８ｃ）　　　　ｙ′＝Ｍ４３ｙｉ　＋Ｍ４４ｙｉ
　′＝（Ｍ４３ｑ＋Ｍ４４）β（ｔ）・・・（８ｄ）各
係数Ｍｒｓは、三つの四重極電磁石５４、５６、５８の
磁極先端磁界Ｂ１　、Ｂ２　およびＢ３　の関数であり
、次のように表される。 　　　　Ｍｒｓ≡Ｍｒｓ（Ｂ１　，Ｂ２　，Ｂ３　）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（９）

【００６５】正確な関数の形は、各四重極電磁石５４、
５６、５８の長さおよび磁極先端半径並びに四重極電磁
石間の距離に依存している。更に、Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ
３３およびＭ３４の関数形は、最後の四重極電磁石５８
からターゲット１０までの距離に依存している。リュー
ビルの定理によれば（表２の文献３参照）、ｘ、ｘ′、
ｙ、ｙ′位相空間における粒子密度は、四重極電磁石内
を輸送中保存されなければならない。即ち、ｘおよびｙ
運動は非結合であるから、ｘ、ｘ′およびｙ、ｙ′変換
の行列式はそれぞれ１に等しくなければならず、従って
次のようになる。 　　　　Ｍ１１Ｍ２２−Ｍ１２Ｍ２１＝１，Ｍ３３Ｍ４
４−Ｍ３４Ｍ４３＝１　　　　　　・・・（１０）この
結果、８個の変換係数Ｍｒｓの内の６個のみが独立であ
る。これらの係数は時間に関して静的なものであるので
、式（８ａ）〜（８ｄ）は、主線のターゲットパラメー
タｘ、ｘ′およびｙ、ｙ′がα（ｔ）およびβ（ｔ）と
全く同様に時間的に急速に振動することを示している。

【００６６】図１４は、ビーム位置が急速に変化するに
も拘わらず、ターゲット１０上で不変のビームサイズδ
ｘ、δｙをもたらすこの発明の他の局面を示している。 主線と同時に第１の走査電磁石２６に入るけれども主線
から量δｘ０、δｙ０　だけ変位しておりかつｚ軸３２
に対して角度方向δｘ０　′、δｙ０　′を有する経路
を描くイオンは、下記のパラメータで第１の四重極電磁
石５４の入口に到達する。 　　　　ｘｉ　　　＝δｘ０　＋ｐｘｉ　′　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
１１ａ）　　　　ｘｉ　′＝α（ｔ）＋δｘ０　′　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・
（１１ｂ）　　　　ｙｉ　　　＝δｙ０　＋ｑｙｉ　′
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・（１１ｃ）　　　　ｙｉ　′＝β（ｔ）＋δｙ
０　′　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　・・・（１１ｄ）四重極電磁石を通過することによ
る変換を式（８ａ）〜（８ｄ）に従って行えば、隣接す
る主線から下記の量だけ変位しているターゲット１０で
のパラメータが得られる。 　　　　δｘ　　＝Ｍ１１δｘ０　＋（Ｍ１１ｐ＋Ｍ１
２）δｘ０　′　　　　　　・・・（１２ａ）　　　　
δｘ′＝Ｍ２１δｘ０　＋（Ｍ２１ｐ＋Ｍ２２）δｘ０
　′　　　　　　・・・（１２ｂ）　　　　δｙ　　＝
Ｍ３３δｙ０　＋（Ｍ３３ｑ＋Ｍ３４）δｙ０　′　　
　　　　・・・（１２ｃ）δｙ′＝Ｍ４３δｙ０　＋（
Ｍ４３ｑ＋Ｍ４４）δｙ０　′　　　　　　・・・（１
２ｄ）

【００６７】これらの変位はα（ｔ）およびβ（ｔ）か
ら独立であり、従って時間ｔから独立であるので、ビー
ムサイズは結果として一定になる。ターゲット１０に対
する照射強度の不均一性は、これはビームサイズが変わ
る場合には起こるけれども、このようにして回避される
。このことは、例えば、高いドーズ均一性が要求される
半導体イオン注入においては有利である。このビームサ
イズの不変性は、式（６）で示したように、四重極電磁
石の作用の直線性から直接来ているということを強調す
ることができる。四重極電磁石が正確な四極対称性を有
しているとすれば、単色ビーム（即ち運動量の広がりを
無視できるビーム）の通常の場合には、式（６）中の第
２項は存在しなくなる。適切な磁極形状（表２の文献２
参照）および端磁界の制御により、高次多極成分（例え
ば１２および２０極）の影響を最小にすることができる
。利用可能な四重極電磁石アパーチャの８０％における
直線性から２％程度の離脱は、商業的な製造業者の仕様
に従って実際上容易に実現することができる（表２の文
献４参照）。

【００６８】図１５および図１６はこの発明の更に他の
有利な局面を示しており、ここでは二つの走査器２６、
２８および三つの四重極電磁石５４、５６、５８が、主
線を、それらのターゲット１０上での急速に振動してい
る位置にも拘わらず、最後の四重極電磁石５８からｚ軸
３２に平行に出現させている。図１５は、五つの時間ｔ
１　ないしｔ５　で起こっている代表的な主線４５のｚ
−ｘ平面への投射を示している。図１６は同様に、他の
五つの異なった時間ｔ１　′ないしｔ５　′で起こって
いる代表的な主線４６のｙ−ｚ平面への投射を示してい
る。三つの四重極電磁石５４、５６、５８のそれぞれに
おける磁界Ｂ１　、Ｂ２　およびＢ３　を、四重極変換
係数が次式に従ってｘおよびｙ走査器位置ｐおよびｑに
関連するように調節することができるので、平行走査モ
ードが可能である。 　　　　−Ｍ２２／Ｍ２１＝ｐ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（１３ａ）　　　　−Ｍ４４／Ｍ４３＝ｑ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・（１３ｂ）

【００６９】これらの結果を式（８ｂ）および（８ｄ）
に代入することにより、平行走査に必要な次の二次元テ
レセントリック条件が得られる。 　　　　ｘ′＝ｙ′＝０　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（１４）８インチのシリコンウェーハ上を平行走査
することができる一組の四重極電磁石のデザインおよび
運転パラメータの一例を後の表１に示す。

【００７０】図１７および図１８は、三つの四重極電磁
石５４、５６、５８の各々における磁界Ｂ１　、Ｂ２　
およびＢ３　を、平行走査を達成するだけでなく、ター
ゲット１０でのビームサイズおよび角広がりδｘ、δｘ
′、δｙ、δｙ′のある程度の制御および選択性を同時
に提供できるようにも調節することができるということ
を更に示している。図１７は、表１に記載した構成で、
第２の四重極電磁石５６における磁界Ｂ２　の異なった
値に対して、式（１３ａ）および（１３ｂ）のテレセン
トリック条件を維持するための第１および第３の四重極
電磁石５４、５８における磁界Ｂ１　およびＢ３　を示
している。この磁界の値は、２００ｋｅＶのヒ素イオン
ビームに適用される。他のイオン種およびエネルギーに
対しては、四重極磁界を式（１）で定義するようにイオ
ンの磁気剛性に比例して調整すれば良い。図１８は、冷
却された分析スリット２４でのイオンの変位δｘ０　、
δｘ０　′、δｙ０　、δｙ０　′の場合に対して、タ
ーゲット１０での対応するビームサイズおよび角広がり
Ｘ、Ｘ′、Ｙ、Ｙ′が、（１５）式で示す半サイズおよ
び半角広がりを持つビームエンベロープに拘束され、か
つ楕円エミッタンスが（１６）式のようにされることを
示している。 　　　　ｘ０　　　＝　　３ｍｍ 　　　　ｘ０　′＝１５ｍｒａｄ 　　　　ｙ０　　　＝　　７ｍｍ 　　　　ｙ０　′＝　　７ｍｒａｄ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（１５）　　　　｛δｘ０　／ｘ０　｝２　＋｛δｘ
０　′／ｘ０　′｝２　≦１　　　　｛δｙ０　／ｙ０
　｝２　＋｛δｙ０　′／ｙ０　′｝２　≦１　　　　
　　・・・（１６）

【００７１】ターゲット１０での最終のビームサイズお
よび角広がりは、初期ビームサイズを規定する式（１５
）のパラメータの他にエミッタンス形状（式（１６））
に依存している。即ち、これらのものは、イオン源２の
エミッタンスおよび運動量分析器６、後段加速器８およ
び中性粒子フィルタ１４のビーム変換特性に依存してい
る。一般的に、これらのものは、粒子種あるいはエネル
ギーを変えたときに変化する。四重極電磁石の長さ、間
隔ならびに走査器の位置ｐおよびｑのような四重極輸送
装置の固定されたパラメータは、特定の初期ビームに対
してターゲット１０でのビームが最適になるように選定
されている。異なる初期ビームに対しては、三つの四重
極電磁石５４、５６、５８の磁界は、ターゲット１０で
のビームサイズおよび角広がりを最適化するように調整
される。この好ましい実施例に記載しているようなター
ゲットでのビーム特性を制御する能力は、例えば、半導
体イオン注入において有利である。ビームがウェーハ表
面を横切って走査される時、走査速度は走査端で方向転
換するが、その期間中、ビームは照射強度（あるいはド
ーズ均一性）の不均一性を避けるためにウェーハ外周の
外側にある。ビームサイズが小さい場合には、オーバー
スキャンに費やされる時間が少なくなり、従って注入処
理の効率が高くなる。一方、大電流イオンビームの場合
には、パワー密度が高いとウェーハ表面を損傷するので
、ビームサイズをあまり小さくしてはいけない。ビーム
サイズおよびビーム位置に関係なく、ウェーハ表面への
入射角のｚ軸３２からの偏差は、チャネリング効果を避
けたり利用したりするためには、かつウェーハ表面での
壁や溝に陰ができるのを避けるためには、典型的には１
０ｍｒａｄ（ミリラジアン）未満にすべきである。

【００７２】図１７および図１８は、表１に定義した四
重極電磁石の構成では、平行走査および式（１５）およ
び（１６）に定義された初期ビームに対しては、第２の
四重極電磁石５６の磁界Ｂ２　を０．３２５テスラ（２
００ｋｅＶのヒ素の場合）に設定すると、ｚ軸３２から
の最大の角度偏差が｛Ｘ′２　＋Ｙ′２　｝１／２　≒
９ｍｒａｄになることを示している。ウェーハでのビー
ム形状は、直径が２ｘ≒２ｙ≒２７ｍｍのほぼ円である
。これは、５あるいは１０ｍＡまでのビーム電流でウェ
ーハに連続的に注入を行うイオン注入装置においては、
満足すべきものである。ウェーハ表面をｚ軸３２に対し
て適当に向けることにより、ウェーハ表面での入射角を
選定可能であることに注意すべきである。ここに記載し
ている好ましい実施例では、低エネルギー（５ｋｅＶ）
のイオンに対してさえ、このような大ビーム電流でウェ
ーハ上を急速かつ平行に走査することができる。これは
、走査および変換要素が全て磁気的なものであり、そう
でない場合にビーム内での空間電荷力の結果として存在
する電流制限を排除することができるからである。

【００７３】図１９および図２０は、ターゲットでのド
ーズ均一性に及ぼす有限のビームサイズの影響を示して
いる。点状ビームでは（これは高パワー密度の理由から
実用的でないが）、ドーズ均一性（図１９および図２０
中の破線のカーブ）は、有限数の高調波で走査電磁石に
おける三角波磁界波形を構成した場合、かなり高い周波
数で変動している。含有高調波が有限なのは、一般的に
、積層された走査電磁石の磁気的な周波数応答には関係
なく、商業的に利用可能な電源の有限の帯域幅の結果と
して生じるものである。図１９および図２０中の実線の
カーブは、ウェーハ上でのビームスポットサイズを平均
化すれば、高い周波数の変動が劇的に減衰していること
を示している。このビームスポットサイズは、この場合
、１５°の走査位相角の広がりに対応しており、これは
妥当なパワー密度に対する典型的かつ実際的なビームサ
イズである。その結果、高次調波の有限の数によって、
１８０°の内の１７０°（９４％）に迫るという走査サ
イクルの大部分に亘り、高い周波数の変動は別として、
一定速度の走査を作り出すことができる。半値幅１５°
の有限ビームサイズを平均化することにより、図１９お
よび図２０は、それぞれ２１次および４１次までの高調
波に対して、走査半サイクルの１４０°および１４５°
に亘り０．２％未満のドーズ変動を達成することができ
ることを示している。１５°のビーム半値幅に対する均
一なドーズ量の最大の範囲は、無限の周波数応答帯域に
対しても、１５０°である。従って、この好ましい実施
例においては、有限周波数帯域の結果として、二次元走
査に対するビーム利用の損失は、わずか７ないし１３％
（走査軸当たり３．５ないし６．５％）にしかならない
。

【００７４】好ましい実施例の他の動作モードにおいて
は、四重極磁界は次のように調整することができる。 　　　　−（Ｍ２２−ｃｘ　Ｍ１２）／（Ｍ２１−ｃｘ
　Ｍ１１）＝ｐ　　　　　　・・・（１７ａ）　　　　
−（Ｍ４４−ｃｙ　Ｍ３４）／（Ｍ４３−ｃｙ　Ｍ３３
）＝ｑ　　　　　　・・・（１７ｂ）この場合、ターゲ
ット１０でのビームの主線は、ｚ−ｘ平面およびｙ−ｚ
平面においてそれぞれ曲率ｃｘ　およびｃｙ　を有する
表面に垂直である。特に、ｃｘ　＝ｃｙ　に選定すれば
、球面（凹か凸かはｃｘ　の符号による）に対する垂直
照射が可能になる。係数ｃの一方または他方を０に設定
すれば、円筒面に対する垂直照射が可能になる。 垂直またはほぼ垂直の照射での利点は、例えばころ軸受
および玉軸受の注入においてスパッタリングを最小にす
ることができることである。

【００７５】図３２は、８個のアパーチャ２０１から成
るアレイの使用を示しており、このアパーチャ２０１は
、四重極電磁石５８の後ろに配置されており、対を成す
ように配列されており、その一対が走査領域の各隅近く
に配置される。一対のアパーチャの軸２０２は、ｚ軸３
２に対して所定の方向を有している。走査サイクル期間
中のある瞬間に、イオンは、四重極電磁石５４、５６お
よび５８が当該瞬間におけるビームの主線２０４がアパ
ーチャ軸２０２と一致するように励磁される場合に限り
、一対のアパーチャ２０１を通過する。この場合、最大
電気信号２０６が図３２に示すファラデーカップ２０８
で検出され、図３３には一つのアパーチャ対から得られ
る信号を示している。この最大電気信号は、式（１７）
に関連して先に説明した平行、集束または発散走査のよ
うな特定の照射角に対応している。ファラデーカップ２
０８で計測される一つの電気信号の時間間隔Ｔ１　は、
ｙ方向（高速走査方向）のビーム幅に比例しており、一
方、最初のパルスと最後のパルスとの間の時間間隔Ｔ２
　は、ｘ方向（低速走査方向）のビーム幅の大きさであ
る。また、一対のアパーチャ２０１の内の一方を電気信
号がちょうど消えるまで距離δｘ（またはδｙ）の間を
動かすことにより、ビーム中での内的角度偏差ｘ′＝δ
ｘ／Ｌおよびｙ′＝δｙ／Ｌの大きさを得ることができ
る。ここでＬは一対のアパーチャ間の距離である。 原理的には、一対のアパーチャ２０１だけが必要である
。しかしながら、図３２に示すように四対を用いれば、
左右および上下方向の走査の対称性の確認を行うことが
できる。

【００７６】好ましい実施例においては、狭いギャップ
長を有する第１のｙ走査電磁石２６は、広いギャップ長
を有する第２のｘ走査電磁石２８より高い周波数で励磁
される。前述したように、この構成によって、走査電磁
石を励磁するための膨大なパワーを避けかつ最小にする
ことができる。好ましい実施例においては、ｙ走査器２
６は５００ないし１０００Ｈｚの周波数で動作させられ
、ｘ走査器２８は５０ないし１００Ｈｚの周波数で動作
させられる。その結果、ビームはターゲット１０を横切
ってラスターパターン状に走査される。走査電磁石を図
１０に示す三角波振動磁界で励磁することによって、一
定走査速度を得ることができ、それによって図１１に示
すように、オーバースキャン領域を除く全ての領域で均
一な照射ドーズ量を得ることができる。ラスター走査さ
れたビームにおける不均一な強度プロファイルから生じ
るドーズ量のパターン化された変化は、二つの走査電磁
石２６、２８の周波数比に無理数を選ぶことによって、
幾つかの（典型的には約１００回程度の）ｘ走査の後に
ほぼ０に時間平均される。例えば、ｆｙ　＝２００πＨ
ｚ（≒６２８Ｈｚ）およびｆｘ　＝７９Ｈｚにすれば、
１０進法で、ｆｙ　／ｆｘ　＝７．９５３３９９１・・
・が得られる。

【００７７】図２１は、図１の走査電磁石２６および２
８における振動性磁界を励磁するのに使用される電子制
御回路を概略的に示す。各走査電磁石２６、２８に対し
て別々の回路およびピックアップコイルが使用される。 この回路はフィードバックループを備えており、それに
よって振動性磁界の振幅、位相および波形が次のように
制御される。即ち、この振動性磁界の振幅、位相および
波形によって、図１のイオンビーム３１は、ターゲット
１０を横切って前後に、ターゲット外周の外側に規定の
オーバースキャンを行いながら、規定の照射ドーズ量を
生み出すように走査される。

【００７８】図２１の制御回路２００は次のように機能
する。即ち、例えば走査電磁石２６のギャップ７４中に
置かれたピックアップコイル９０を通過する時変磁界に
よって発生される電圧信号は、信号調節器９２に供給さ
れ、次いで位相補償器９４に供給され、そしてこれから
得られた信号が基準波形信号９６から減算され、ターゲ
ットに与えられるドーズ量における誤差を反映する誤差
電圧が作られる。この誤差電圧は増幅器９８によって適
当なゲインＧＡで積分および増幅され、その結果の信号
は基準信号に加えられかつ電力増幅器１００の入力端子
に供給される。この電力増幅器１００は、走査電磁石２
６のコイル７８に電流Ｉを供給する。この基準信号９６
は、走査電磁石２６のコイルに印加される電圧に必要と
される所望の波形を表している。ピックアップコイル９
０は、それを通過する磁束鎖交数の変化率に比例する次
のような電圧信号を信号調節器９２に供給する。 　　　　Ｖｃ　＝ｎＡ・ｄＢ／ｄｔ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
１８）ここで、Ａはピックアップコイル９０の面積であ
り、ｎはピックアップコイル９０の巻数である。

【００７９】図２１に示す電力増幅器１００は、それに
与えられる入力信号の電圧を増幅するので、電圧増幅器
として動作する。この増幅器が走査電磁石２６のコイル
７８に供給する電圧Ｖは、走査電磁石２６のコイル７８
に流れる電流Ｉと次のような関係がある。 　　　　Ｖ＝Ｌ・ｄＩ／ｄｔ＋ＩＲ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１９
）ここでＲは、走査電磁石２６のコイル７８のオーム抵
抗に、積層体およびヨーク中のうず電流および磁気ヒス
テリシスによる走査電磁石２６の積層体中での電力損を
表す負荷抵抗を加えたものであり、Ｌは走査電磁石２６
の電気的インダクタンスである。

【００８０】走査電磁石２６のギャップ７４中の磁界は
、当該電磁石のヨーク構造の小さな磁気抵抗を当面無視
すれば、走査電磁石２６のコイル７８を流れる電流Ｉに
ほぼ比例している。従って、磁界の変化率は、コイルを
流れる電流の変化率に比例しており、次のようになる。 　　　　ｄＢ／ｄｔ≒（μ０　Ｎ／Ｇ）ｄＩ／ｄｔ　　
　　　　　　　　　　　　　　・・・（２０）ここで、
Ｎはコイル７８の巻数であり、Ｇは電磁石のギャップ７
４である。式（１９）における誘導性の項が抵抗性の項
より非常に大であるので、コイル間の電圧Ｖは次式のよ
うに表される。 　　　　Ｖ≒（ＧＬ／μ０　Ｎ）ｄＢ／ｄｔ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２１）従
って式（１８）を式（２１）に代入すれば次式が得られ
る。 　　　　Ｖ≒ＧＬＶｃ　／（μ０　ＮＡｎ）　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２２
）従って、均一なドーズ量を達成するために電力増幅器
１００によって磁気コイル７８に供給されなければなら
ない電圧Ｖが、ピックアップコイル９０によって検出さ
れる電圧Ｖｃ　に比例することになる。

【００８１】この単純な関係は概略的なものに過ぎず、
電力増幅器１００に対して、コイル７８に供給しなけれ
ばならない電圧に正確に関係する信号を供給するために
は、前記信号調節器９２および位相補償器９４が必要で
ある。この信号調節器９２は、利得および信号の形状を
調節することによって、かつまた回路に伴う信号の歪み
を減衰させることによって、信号を調節する。位相補償
器９４は、遅延時間から生じる位相シフトが常に存在す
るために必要である。ヨーク材料の透磁率が有限である
ために生じる走査電磁石の電流と磁界との間の位相シフ
トもまた存在している。

【００８２】ピックアップコイル９０からの信号は、電
磁石２６における磁界の時間的変化率に比例している。 ターゲット１０を横切るビームの走査速度もまた、走査
電磁石２６における磁界の変化率に直接比例している。 実際、式（８ａ）〜（８ｄ）を微分すると、ｄｘ／ｄｔ
がｄα／ｄｔに比例し、従ってｄＢ／ｄｔに比例するこ
とが分かる。従って、ピックアップコイル９０からの信
号は、ターゲット１０を横切るビームの走査速度の大き
さを直接表している。単位時間当たりにターゲット１０
に供給されるドーズ量は、走査速度の逆数に比例し、従
ってピックアップコイル９０で計測される電圧信号Ｖｃ
　の逆数に比例している。イオンに与えられる偏向は純
粋に磁界によって作られるので、電界（これは存在しな
い）によってこの条件が満たされることはなく、従って
この好ましい実施例の利点は、ドーズ均一性を図２１の
回路によって正確に制御することができるということで
ある。所望のドーズプロファイルからの偏差は、対応す
る電圧プロファイルからの偏差に対応しており、基準信
号９６を調節することにより連続的に補正することがで
きる。

【００８３】前記電力増幅器１００を電圧増幅器ではな
く電流増幅器として動作させることもでき、その場合、
この電力増幅器１００はその入力電流に比例する電流を
走査電磁石２６に供給する。図２１中に示すような方形
波電圧基準信号９６の代わりに、図１０中に示す三角波
形を基準信号として用いても良い。信号調節器９２は、
式（１８）に従い、ピックアップコイル９０からの信号
を積分してこの基準信号と比較すべき波形を発生する。 静電偏向装置では、走査速度は、少なくとも原理的には
、偏向電極に供給される電圧の変化率を計測することに
よってモニタすることができる。しかしながら、ビーム
電流がより大きくなり空間電荷力がより大きくなるにつ
れて、これらの偏向電極から計測される信号は、電極間
の電界がビームに対して発生させる走査速度には単純に
は関連しなくなる。実際、ある電流で走査作用は殆ど完
全に低下する。高いパービアンス（Ｉ／Ｅ３／２　）を
有するビームに対しては、ドーズ均一性を確実に制御す
る図２１中に示したフィードバック装置に類するフィー
ドバック装置を用いることは不可能であろう。

【００８４】好ましい実施例では、図２１に示したよう
なフィードバックループを実現するのに最新の高速ディ
ジタル電子回路を利用している。ピックアップコイル９
０からのアナログ信号はディジタル化され、位相補償お
よび信号調節がディジタル的に行われる。同様に、基準
信号はディジタル的に合成される。ディジタル的に実行
することにおいては、フィードバックループを正確な数
学的方法で動作させることができるという利点を有して
おり、それによって純粋なアナログフィードバック回路
にしばしば存在する不安定性を回避することができる。

【００８５】実際問題としては、電力増幅器１００およ
び走査電磁石２６のいずれも有限の周波数応答を有して
いる。ある周波数より上の高調波成分は、電力増幅器１
００における周波数応答の制限によってコイル電流Ｉに
伝えられない他、電力増幅器１００および走査電磁石２
６の双方の周波数応答の制限によって磁界にも伝えられ
ない。しかしながら、図１９および図２０中に示すよう
に、フーリエ級数の周波数成分を約２０〜４０ｋＨｚよ
りも低い成分だけを含むように切り詰めることにより、
図１０中に示すように、わずかに丸味のあるのこぎり波
になるだけである。走査電磁石２６の周波数応答は先に
説明しており、図８および図９中に示している。商業的
に入手できる電力増幅器には、完全なのこぎり波形を発
生させるのを妨げる二つの制約がある。一つはその内的
な周波数帯域幅の能力であり、他の一つは、のこぎり波
形を発生させるには、図２１中の基準信号９６に示すよ
うなほぼ方形波形状の電圧を磁気コイルに供給しなけれ
ばならないということである。この方形波形状は、走査
の半周期の端で、電圧がその大きさを急激に反転させな
ければならないという特性を有している。商業的に入手
できる電力増幅器には、電圧を反転させることができる
割合である電圧スルーレートの制限がある。電圧が反転
している期間中は、ビームはターゲット上のオーバース
キャン位置にあり、従って正確な波形は重要ではない。 しかし、可能な限り高いスルーレートが望ましい。現時
点で入手可能な増幅器は、最大正電圧から最大負電圧ま
でで約４０マイクロ秒（μｓｅｃ）のスルーレートを有
しており、この時間は２ｋＨｚまでの走査周波数に対す
る約５００μｓｅｃの走査期間のわずかの部分である。

【００８６】表２の文献５は、商業的に入手可能な電源
に言及している。この電源は、走査電磁石のような非常
に誘導性の負荷を、非常に高い効率および非常に小さい
内部電力損で励磁する能力を有している。しかしながら
、パルス幅変調は、電力増幅器からの電圧出力中に高周
波リップル、典型的には４０〜８０ｋＨｚで１〜３％の
大きさのリップルを生じさせる。この電源からコイルに
印加されるリップル電圧は、式（１９）および（２０）
に従ってドーズ均一性中にリップルを直接発生させる。 しかし、ビームがターゲットで有限の大きさをしており
、かつこのリップル周波数が走査周波数より非常に大き
い、典型的には殆ど二桁大きいため、ドーズ均一性中の
リップルは非常に減衰させられる。有限数の高調波から
生じるドーズ均一性での変動が図１９および図２０中に
示すように有限のビーム幅によって非常に減衰させられ
るのと同様のことが、電力増幅器における電圧リップル
から生じるリップル成分についても言える。実際、３％
程度のリップル電圧幅および１５°の走査位相角範囲に
対応する典型的なビーム幅の大きさに対して、ドーズ均
一性におけるリップルの影響は０．１％より遙かに小さ
い。仮にターゲットでのビームが四重極電磁石５４、５
６および５８によって点状に絞られれば（これはイオン
注入において採用されない条件であるけれども）、ウェ
ーハ表面を横切る１回の走査で、電力増幅器１００に関
連するリップル、および電力増幅器１００の帯域幅の制
限の結果生じる波形中の高調波の数が限られていること
に関連する変動は、ドーズ均一性にはっきり表れる。し
かしそれでも、数走査サイクルの後には、リップルは、
そのリップル周波数が走査周波数の整数倍でないように
走査周波数を予め選定することにより、大幅に減衰する
。

【００８７】他の実施例 図２２は二つの走査電磁石に対する代わりの実施例を示
しており、ここでは前述した二つの別個の走査電磁石（
一方がターゲットでのｘ方向のビームの振動性動作を起
こさせ、他方がターゲットでのｙ方向の振動性動作を起
こさせる）が、それらによって作られるターゲットでの
ビームの二次元走査と同じ最終結果を達成する一つの構
造によって置き換えられている。

【００８８】この例では、ヨーク１１２を介して磁気的
に接続された複数の磁極１１０がある。うず電流を減少
させるために、ヨーク１１２および磁極１１０のいずれ
もが強磁性の積層体１１４によって構成されている。コ
イル１１６（Ｂｘ　のためのコイル１１６ｂおよびＢｙ
　のためのコイル１１６ａ）が各磁極１１０を取り巻い
ており、これらのコイル１１６は、ヨーク１１２および
磁極１１０の構造によって囲まれた領域１１８内に振動
性磁界を発生させるように独立して励磁される。周囲に
多数の独立した磁極１１０が存在しているので、各コイ
ル１１６の励磁電流の位相および振幅を、ｚ軸３２に垂
直であるがｘ−ｙ平面内で任意の方向を向いた横方向磁
界１２０を発生させるように調節することができる。ｘ
−ｙ平面内に等間隔の角度θ１　、θ２　、θｎ　で配
置された偶数の磁極が存在すれば、かつ角度θｒ　で磁
極上に配置されたコイル１１６ａの巻数がｃｏｓθｒ　
の絶対値に比例していれば、そしてこのようなコイルの
全てが直列に接続されて励磁されると、振動性磁界はｙ
方向に発生する。もし更に他の組のコイル１１６ｂが、
角度θｒ　の磁極における巻数がｓｉｎθｒ　の絶対値
に比例するように磁極上に配置されており、かつこれら
のコイルが全て直列に接続されていれば、ｘ方向におけ
る振動性磁界が発生する。二組のコイル１１６ａ、１１
６ｂを、種々の走査パターンを発生させるように励磁す
ることができる。 それを下に示す。

【００８９】ａ）仮に二組のコイル１１６ａ、１１６ｂ
の励磁電流が独立でありかつ全く異なった周波数であれ
ば、図２３のようにラスター走査が作られる。 ｂ）仮に二組のコイル１１６ａ、１１６ｂのそれぞれに
低い周波数の電流および高い周波数の電流が与えられ、
かつコンポーネント電流の振幅が時間と共にゆっくり変
調されれば、ターゲット１０でラスター走査が作られる
が、図２４に示すように方向角はｚ軸３２の周りをゆっ
くり回転する。 ｃ）仮に二組のコイル１１６ａ、１１６ｂの励磁電流の
周波数が同じで、それらの相対位相が０とは異なってい
れば、ターゲット１０でのビームは図２５に示すように
、リサージュ運動を行い、一般的にｚ軸３２を中心に楕
円経路１２６を描く。特別の場合として、それらの相対
位相が９０°であれば、正楕円あるいは円形の軌跡が作
られる。

【００９０】注入の間にターゲット１０をｚ軸３２の周
りに機械的に回転させれば、上記（ｂ）に記載したのと
同様の結果が得られる。ｘ−ｙ平面における走査の向き
を変えることは、図１および図２に示したような固定さ
れたｘ走査電磁石２６およびｙ走査電磁石２８では不可
能である。しかしながら、二つの走査電磁石が単一のユ
ニットに組まれているこの代案では、別々の走査電磁石
で得られるのと同様の、励磁電力を最小にするという可
能性は得られない。図２２に示すような走査器を使用す
る場合は、四重極電磁石５４、５６および５８の励磁は
、図１５および１６中の距離ｐおよびｑが等しくなるよ
うに調節しなければならない。

【００９１】図２６は、走査器磁極の領域からターゲッ
ト１０への変換を行うテレセントリック輸送装置として
働くことができる磁気ソレノイド１３１の利用を示して
いる。このソレノイド１３１は、ｚ軸３２に対称であっ
て磁気効率を改善する電流搬送コイル１３０、強磁性材
料から成り平面状の端片１３４を有する円筒ヨーク１３
２から構成されている。レンズとして働く磁界１３６は
、このソレノイドに入り走査電磁石の作用の結果として
ｚ軸３２から変位されているビーム１３８に対して、更
に、ｚ軸３２からの変位および角度方向を与える。また
、このソレノイド１３１は前述した四重極電磁石のよう
な線形装置であり、ビーム１３８がターゲット１０に入
射する最終的な位置および角度は、四重極電磁石の場合
と同様に、ビーム１３８の当該ソレノイドへの入射時の
角度方向および変位の一次関数である。このソレノイド
１３１の効果を表す方程式は、当該ソレノイドがｚ軸３
２に対して軸対称であるためＭ１１がＭ３３に等しく、
Ｍ２２がＭ４４に等しく、Ｍ１２がＭ３４に等しく、か
つＭ２１がＭ４３に等しくなるということを除けば、式
（８ａ）〜（８ｄ）のものと同様になる。このようなソ
レノイド１３１は、一般的に、ｘ走査およびｙ走査に対
する中心がｚ軸３２上で同じ位置になるので、図２２に
示した形の走査器と共に使用される。ビーム１３８の集
束を発生させるのに加えて、このソレノイド１３１は、
同時に、ｘおよびｙ運動の結合の結果として生じるビー
ム１３８のｚ軸３２の周りの回転を発生させる。

【００９２】この単一のソレノイド１３１を、同様の構
成をしていて二つのコイル中の励磁電流が互いに反対向
きである二つの軸方向に並べられたソレノイドで置き換
えれば、二つのソレノイドを通過した後の正味の回転は
０であるが、集束作用は維持され、かつ二つのソレノイ
ドの長さを組み合わせたのと同じ長さをした単一のソレ
ノイドの集束作用とほぼ同じになる。この二つのソレノ
イドは物理的に分離されている。第１のソレノイドの中
心での磁界は、第２のソレノイドの磁界とは逆方向であ
る。角回転はこの磁界の方向に依存しており、従って二
つのソレノイドにおいては大きさが等しく方向が反対で
ある。一方、集束作用は磁界の大きさのみに依存してお
り、方向には依存していない。

【００９３】図２７を参照して、好ましい実施例の更に
他の変形例において、一対のソレノイド１３１ａおよび
１３１ｂ（または図示しない単一のソレノイド）を、走
査電磁石の中心を図に示すようにｚ軸３２上での位置に
おいて分離することができるように、四重極一重項と組
み合わせることができる。この四重極電磁石Ｑおよびソ
レノイドＳの励磁は、図１および図２の三つの四重極電
磁石５４、５６および５８で達成されるものと同様の方
法によって、ターゲット１０で平行走査ビームが得られ
るように調節することができる。

【００９４】図２８、図２９および図３０は好ましい実
施例の更に他の変形例を示しており、ここでは三つの四
重極電磁石５４、５６および５８が偏向電磁石１４０で
置き換えられている。偏向電磁石１４０は、二つの磁極
１４２および１４４を有しており、それぞれはコイル１
４６で囲まれている。二つの磁極１４２、１４４間のギ
ャップは、二重極項に重ねられた四重極項を有する磁界
が発生するように、磁極表面での位置と共に変化するよ
うにしても良い。このような電磁石は、これらの四重極
磁界が個々の四重極電磁石５４、５６および５８が行う
のと同一の機能を行うように働かせることができる。こ
の磁界中の二重極成分は、主線Ｐｒ　を図２８に示すよ
うに曲げる働きをする。この場合、出口ビーム軸１５０
は入射軸１５２とは異なる角度にある。仮にこの電磁石
１４０の第１の部分１４８および第３の部分１５４にお
ける磁極ギャップが半径外方向に増加し、一方電磁石の
中心部分１５６における磁極ギャップが半径外方向に減
少していれば、この電磁石１４０における四重極成分は
図１に示す個々の四重極電磁石５４、５６および５８と
同様の働きをする。

【００９５】このような偏向電磁石１４０は、大きなタ
ーゲット１０が必要な場合には、非常に大きな構造にな
る。これは、その磁極ギャップが少なくともターゲット
１０と同じ大きさをしていなければならず、かつ磁極幅
が少なくとも磁極ギャップの３倍なければならないから
である。一方、この偏向電磁石装置１４０は、その入口
においてビーム中になお存在している不所望な粒子種が
ターゲット１０に到達するのを防ぐことができるという
利点を備えている。この偏向電磁石１４０は二重極磁界
成分を備えているので、それによって運動量分散を起こ
させ、かつターゲット１０に輸送されるビームを更に純
化して、不所望の粒子種によるコンタミネーションを少
なくすることができる。

【００９６】磁気輸送装置の他の実施例は、四重極電磁
石またはソレノイドが後に続く偏向電磁石を備えており
（図示省略）、この偏向電磁石を、ターゲットでのビー
ムのスポットサイズおよびビームの軸に対する集束、平
行あるいは発散関係を調節可能にするのに使用すること
ができる。

【００９７】好ましい実施例に対する前述した変形例の
他の組み合わせを、同一の最終結果を達成するのに使用
することができるのは明らかである。事実、三つの代わ
りに四つの四重極電磁石を使用することができ、これは
、ターゲット１０でのビームサイズのより大きな独立し
た制御が要求される場合に有利となり得る。

【００９８】好ましい実施例の動作および作用の要約直
径１５０ｍｍのウェーハ上で均一なドーズ量を与えるよ
うに、ｙ方向において１０００Ｈｚの周波数で、かつｘ
方向において３０π≒９４．２４７８Ｈｚの周波数でラ
スター走査される２００ｋｅＶの一価のヒ素イオンビー
ムの場合を考えてみる。

【００９９】四重極電磁石５４、５６、５８は表１に示
すパラメータで設定される。このようにすれば、三つの
四重極電磁石５４、５６および５８が、三つの四重極の
組み合わせに対するｘおよびｙの対物点がｘ走査電磁石
２８およびｙ走査電磁石２６の中心にそれぞれ存在する
ように、即ち式（１３ａ）および（１３ｂ）で表したテ
レセントリック条件が満足されるように協働するので、
ウェーハ上でのビームの平行走査を作り出すことができ
る。一般的に、四重極磁界は、当該四重極磁界を計測す
るホール効果素子のような磁気プローブを用いることに
よって、かつ図３２に示すようなアパーチャ２０１を通
して伝達されるビームからの電気信号をモニタすること
によって、設定することができる。

【０１００】典型的なイオン源２、分析電磁石６、後段
加速器８および中性粒子フィルタ１４に対しては、イオ
ンビームのエミッタンスは式（１５）および（１６）で
与えられるようになる。この場合、ウェーハでのビーム
のサイズおよび角度のパラメータは、Ｂ２　＝０．３２
１テスラ（四重極電磁石５６の磁極先端での磁界）につ
いては図１８中に示されているようになる。ウェーハに
おける他のビームサイズを選定しても良く、その場合で
も三つの四重極電磁石５４、５６、５８における磁界を
図１７および図１８に示したデータに従って調和するよ
うに調節することによって、平行走査条件を維持するこ
とができる。

【０１０１】ウェーハでのｘ方向およびｙ方向における
走査範囲は、式（８ａ）および（８ｂ）で与えられ、か
つ走査電磁石２８および２６で作られる偏向角αおよび
βにそれぞれ依存している。一例として、直径１５０ｍ
ｍのウェーハをオーバースキャンするのに十分な±９０
ｍｍの走査範囲に対して、式（１０）ならびに式（１３
ａ）および（１３ｂ）におけるテレセントリック条件を
活用すれば、次のようになる。 　　　　α＝−９０Ｍ２１＝１１７ｍｒａｄ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２３ａ）　　
　　β＝−９０Ｍ４３＝　　４１ｍｒａｄ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　・・・（２３ｂ）これら
の偏向幅を作るためには、走査器は式（３）で与えられ
る実効電力で、しかも均一なドーズ量を実現するために
は正弦波形よりも三角波形で励磁されなければならない
。これは式（３）における定数７．５を５．０で置き換
えたものに等しい。

【０１０２】第１の走査電磁石２６について、１０００
Ｈｚで動作させ、ギャップが０．０２ｍ、長さが０．１
５ｍを仮定し、かつ２００ｋｅＶの一価のヒ素イオンに
ついて（１）式から計算した磁気剛性Ｋ＝０．５５７Ｔ
−ｍを用いると、実効電力は次のようになる。 　　　　Ｐ１　＝６．９６ｋＶＡ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・
（２４）第２の走査電磁石２８について、９４．２４７
８Ｈｚで動作させ、入口ギャップが０．０３ｍ、出口ギ
ャップが０．０６ｍおよび長さが０．４ｍと仮定すると
、実効電力は次のようになる。 　　　　Ｐ２　＝９．３８ｋＶＡ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・
（２５）

【０１０３】これらの走査器の適切な励磁電力は、前述
したようなピックアップコイルおよび積分器を用いてピ
ーク磁界をモニタすることにより、実験的に設定するこ
とができる。仮に二つの走査器の実効長がそれぞれＬ１
　およびＬ２　であれば、それぞれのピーク磁界は次の
ような値に設定される。 　　　　Ｂ１　＝（Ｋ／Ｌ１　）ｓｉｎα＝０．１５Ｔ
　　　　　　　　　　　　・・・（２６ａ）　　　　Ｂ
２　＝（Ｋ／Ｌ２　）ｓｉｎβ＝０．１６Ｔ　　　　　
　　　　　　　・・・（２６ｂ）

【０１０４】他のイオン種および／またはエネルギーに
対しては、四重極電磁石および走査器の励磁磁界は、式
（１）で与えられる磁気剛性Ｋに比例して調節しなけれ
ばならない。

【０１０５】走査電磁石および四重極電磁石には電界が
存在しないので、空間電荷力も存在せず、イオンビーム
のパービアンス（Ｉ／Ｅ３／２　）に対する制約も本質
的に存在しない。

【０１０６】多くの異なる実施例がこの発明の精神およ
び範囲内で可能であり、例えば、当面の任務、材料の利
用可能性およびコスト、更にはユーザの特定の設計嗜好
のような要因によって変わる。例えば、低いまたは中程
度のパービアンス範囲で運転する場合には、この発明に
よる輸送装置は静電走査器と組み合わせて使用しても良
い。

【０１０７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、大電
流のイオンビームを二次元的に高い走査周波数でかつエ
ネルギーの広い範囲に亘り走査することを可能にする装
置を提供することができる。

【０１０８】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表１（四重
極電磁石パラメータ）ｚ軸３２に沿う位置（ｍ） 　　　　「ｘ」対物点から四重極電磁石５４の入口まで
（ｐ）　　　　　　　　０．２５　　　　「ｙ」対物点
から四重極電磁石５４の入口まで（ｑ）　　　　　　　
　０．５５　　　　四重極電磁石５４の実効長　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　０．３６　　　　四重極電磁石５４と５６との間
隔　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　０．１０　　　　四重極電磁石５６の実効長　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　０．６０　　　　四重極電磁石５６と５８との
間隔　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　０．０７　　　　四重極電磁石５８の実効長　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　０．３６　　　　四重極電磁石５８の出口か
らウェーハまで　　　　　　　　　　　　　　　　　　
０．２５　　　　「ｙ」対物点からウェーハまで　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
２．２９２００ｋｅＶのＡｓ＋　のイオンに対する四重
極電磁石５４のパラメータ 　　　　開口部直径（ｍｍ）　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２００
　　　　幅（ｍｍ）　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　６９０　　　　磁極先端磁界（Ｔ）　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　０．１９８　　　　全コイル電力（ｋＷ）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　１．９２００ｋｅＶのＡｓ＋　の
イオンに対する四重極電磁石５６のパラメータ 　　　　開口部直径（ｍｍ）　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２８０
　　　　幅（ｍｍ）　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１
０００　　　　磁極先端磁界（Ｔ）　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　０．３２１　　　　全コイル電力（ｋＷ）　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　７．８２００ｋｅＶのＡｓ＋　のイ
オンに対する四重極電磁石５８のパラメータ 　　　　開口部直径（ｍｍ）　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２４０
　　　　幅（ｍｍ）　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　８２０　　　　磁極先端磁界（Ｔ）　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　０．２４３　　　　全コイル電力（ｋＷ）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　３．１四重極電磁石５４の入口か
らターゲットまでの伝達マトリクス要素 　　　　Ｍ１１　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　０．０４２　　　　Ｍ１２（ｍｍ／
ｍｒａｄ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　０．７５６　　　　Ｍ２
１（ｍｒａｄ／ｍｍ）　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　−１．３０５　　
　　Ｍ２２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　０．３２６　　　　Ｍ３３　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．０８
７　　　　Ｍ３４（ｍｍ／ｍｒａｄ）　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　２．１５３　　　　Ｍ４３（ｍｒａｄ／ｍｍ）　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　−０．４５４　　　　Ｍ４４　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．２５０

【
０１０９】表２（参考文献集） １．「電気力学の原理」、メルビィン　　シュワルツ（
Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａ
ｍｉｃｓ，　Ｍｒｌｖｉｎ　Ｓｃｈｗａｒｔｚ〔Ｄｏｖ
ｅｒ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．，　ＮＹ　
１９８７　〕ｐｐ．１３０−１３１．　） ２．「強力な集束レンズ」、アルバート　　セプチエ（
”Ｓｔｒｏｎｇ　Ｆｏｃｕｓｉｎｇ　Ｌｅｎｓｅｓ”，
　Ａｌｂｅｒｔ　Ｓｅｐｔｉｅｒ，　〔Ａｄｖａｎｃｅ
ｓ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄ　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ＸＩＶ，　Ａｃａｄｅｍｉｃ
Ｐｒｅｓｓ，　１９６１〕ｐｐ．８５−２０３．）３．
「四重レンズ、二重レンズおよび三重レンズによる集束
」、イー・レジェンストリーフ （”Ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｑｕａｄｒｕｐｏｌ
ｅｓ，　Ｄｏｕｂｌｅｔｓ，　ａｎｄ　Ｔｒｉｐｌｅｔ
ｓ”，　Ｅ．　Ｒｅｇｅｎｓｔｒｅｉｆ〔Ｆｏｃｕｓｉ
ｎｇ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　Ｉ
，　ｅｄ．Ａ．　Ｓｅｐｔｉｅｒ，Ａｃａｄｅｍｉｃ　
Ｐｒｅｓｓ　１９６７　〕ｐｐ．４００−４０２．　） ４．ダンフィシク、ジュリンゲ、デンマーク（Ｄａｎｆ
ｙｓｉｋ，　Ｊｙｌｌｉｎｇｅ，　Ｄｅｎｍａｒｋ．）
５．テクロン、エルクハート、インディアナ（Ｔｅｃｈ
ｒｏｎ，　Ｅｌｋｈａｒｔ，　Ｉｎｄｉａｎａ；Ｃｏｐ
ｌｅｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌｓ　Ｃｏｒｐ．，　Ｎｅｗｔｏ
ｎ，　Ｍａｓｓａｃｈｕｓｓｅｔｓ．　）

【図面の簡単な説明】

【図１】　　三つ一組の四重極電磁石が後に続く二次元
磁気走査を採用するイオン注入装置の概略上面図であり
、この図において四重極電磁石はｚ軸に対して約４５°
回転させて示している。

【図２】　　図１の四重極電磁石部分の部分側面図であ
り、この図において四重極電磁石はｚ軸に対して約４５
°回転させて示している。

【図３】　　図１の装置に用いられている積層構造の走
査電磁石の概略斜視図である。

【図４】　　図１の装置の第２の走査電磁石の特別に作
られた磁極の端面図である。

【図５】　　図４の線３ｂ−３ｂに沿う断面図である。

【図６】　　走査電磁石の好ましい積層構造の概略断面
図である。

【図７】　　積層体の表面領域における磁束の集中を示
す図である。

【図８】　　走査電磁石に薄い積層体を用いることによ
り、１０ｋＨｚまでの周波数でかなりのギャップ磁界（
０．１テスラより大きい）が実現可能であることを示す
グラフである。

【図９】　　積層電磁石により作られる三角振動性磁界
の大きさが、同じ周波数の正弦波のものよりわずかだけ
小さいことを示すグラフである。

【図１０】　　奇数次高調波を基本周波数に加えたこと
を表している三角波振動性磁界の波形を示すグラフであ
る。

【図１１】　　積層された走査電磁石によって達成され
る走査速度を、走査の８０％より大きい範囲に亘り０．
２％よりも一定にできることを示す図である。

【図１２】　　図１の装置に採用している四重極電磁石
の断面図である。

【図１３】　　図１２と同じ四重極電磁石の側面図であ
る。

【図１４】　　ターゲットでの全走査サイクルに亘るビ
ームサイズの一定性を示す図である。

【図１５】　　離して設置されたｙ走査器およびｘ走査
器によって偏向され、かつ図１に示す三つの四重極電磁
石の磁界を受ける主線の異なる時間におけるｚ−ｘ平面
への投射を示す図である。

【図１６】　　離して設置されたｙ走査器およびｘ走査
器によって偏向され、かつ図１に示す三つの四重極電磁
石の磁界を受ける主線の異なる時間におけるｙ−ｚ平面
への投射を示す図である。

【図１７】　　第２の四重極電磁石の磁界を変化させた
場合の、テレセントリック条件を維持するために図１の
第１および第３の四重極電磁石に必要な磁界の典型的な
例を示す図である。

【図１８】　　第２の四重極電磁石の磁界を変化させた
場合の、図１７の条件についてのビーム半サイズおよび
ビーム半角の変化を示す図である。

【図１９】　　２１次までの高調波での相対照射ドーズ
量を示す図であり、有限ビームサイズがターゲットでの
ドーズ均一性に及ぼす平滑化効果を示している。

【図２０】　　４１次までの高調波での相対照射ドーズ
量を示す図であり、有限ビームサイズがターゲットでの
ドーズ均一性に及ぼす平滑化効果を示している。

【図２１】　　図１の走査電磁石における振動性磁界を
作りかつ制御するのに使用される電子制御回路の概略図
である。

【図２２】　　ｘ走査およびｙ走査に対する単一構造を
採用する代替実施例の走査装置の概略斜視図である。

【図２３】　　図２２のコイル１１６ａおよび１１６ｂ
の励磁によって達成することができる走査パターンの一
例を示す図である。

【図２４】　　図２２のコイル１１６ａおよび１１６ｂ
の励磁によって達成することができる走査パターンの他
の例を示す図である。

【図２５】　　図２２のコイル１１６ａおよび１１６ｂ
の励磁によって達成することができる走査パターンの更
に他の例を示す図である。

【図２６】　　図２２の走査装置に対する磁気イオン輸
送装置として有用なソレノイドの断面図である。

【図２７】　　四重極電磁石の後に続く一連の二つのソ
レノイドを備えており、かつ例えば図１の装置において
その三つの四重極電磁石の代わりとして有用である磁気
イオンビーム輸送装置の断面図である。

【図２８】　　図１の装置における一組の四重極電磁石
の代わりとして有用な磁気イオンビーム輸送装置として
働くように四重極磁界を作るよう構成された偏向電磁石
のビーム軸に沿う断面図である。

【図２９】　　図２８と同じ偏向電磁石の図２８の線１
５ｂ−１５ｂに沿う断面図である。

【図３０】　　図２８と同じ偏向電磁石のビーム軸に沿
う端面図である。

【図３１】　　この発明の装置によれば、大ビーム電流
および低ビームエネルギーのような条件下で均一ドーズ
レートを達成するのに、低パービアンスから高パービア
ンスの原子および分子イオンビームを採用することがで
きることを示すパービアンス対質量の図である。

【図３２】　　走査領域の隅近くで最後の四重極電磁石
の後ろに配置されているアパーチャの組の配列を示すも
ので、アパーチャの各組は、各対を通る典型的な軸が規
定の方向にあるように配置されている。

【図３３】　　ビームが図３２のアパーチャをラスター
状に走査する時に、一対のアパーチャから得られる信号
の検出強度対時間を示す図である。

【符号の説明】

２　　イオン源 ６　　運動量分析器 ８　　後段加速器 １０　　ターゲット １４　　中性粒子フィルタ ２４　　分析スリット ２６　　第１の走査電磁石 ２８　　第２の走査電磁石 ３１　　イオンビーム ４７　　エンドステーション ５４　　第１の四重極電磁石 ５６　　第２の四重極電磁石 ５８　　第３の四重極電磁石 １３１，１３１ａ，１３１ｂ　　ソレノイド１４０　　
偏向電磁石 ２００　　制御回路 ２３０　　磁気走査装置 ２４０　　磁気イオンビーム輸送装置

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　イオンビームを基準軸に対して磁気的
   に二次元で偏向させる磁気走査装置と、この磁気走査装
   置からのイオンビームを磁気的に二次元で前記基準軸と
   所定の関係を有する方向に向け直してターゲットに入射
   させる磁気イオンビーム輸送装置とを備えることを特徴
   とするイオン照射装置。
2. 【請求項２】　　ビームを二次元でターゲット上を急速
   に走査することによってターゲットの表面に原子または
   分子イオンを照射する装置であって、ターゲットをビー
   ムに対面させるエンドステーションと、原子または分子
   イオンのビームを生成するイオン源および関連のビーム
   形成装置と、ビームを基準軸に対して二次元に偏向させ
   る磁気走査装置であって、走査の各次元に対して、磁性
   材料から成るヨークおよび磁極手段ならびに関連の励磁
   コイルから成る個別の走査電磁石手段を有するものと、
   この磁気走査装置の後に続く磁気イオンビーム輸送装置
   とを備えており、この磁気イオンビーム輸送装置は、前
   記磁気走査装置からその二次元的な偏向の範囲に亘って
   ビームを受けるよう配置されており、かつ二次元的に偏
   向されたビームを軸からの所望の瞬間的な二次元的変位
   時に、前記二次元における軸と予め定められた所望の角
   度関係を有する方向に向け直すよう選定された特性の磁
   界条件をビーム経路に沿って課するよう構成されており
   、それによってターゲット上でビームの所望の走査を行
   うことを特徴とするイオン照射装置。
3. 【請求項３】　　前記磁気走査装置は、ビームを第１の
   次元において走査する時変磁界を発生する第１の磁気走
   査器と、その下流側に位置していて、ビームを第２の次
   元で走査するものであって第１の磁気走査器とは磁気的
   に非結合の時変磁界を発生する第２の磁気走査器とを備
   えており、これらの磁気走査器は、ビームを各瞬間に各
   次元において、ターゲット上におけるビームの所望の瞬
   間的な変位によって規定される各角度で、かつ互いに非
   結合の状態で各基準軸から偏向させるように働く請求項
   ２記載の装置。
4. 【請求項４】　　ビームを０．０２／Ｍ［ａｍｕ］１／
   ２　（ｍＡ／ｋｅＶ３／２　、Ｍはイオンの質量）を越
   えるパービアンスを含む広範囲のパービアンスでターゲ
   ットの表面上を急速に走査することにより、所望の均一
   性で原子または分子イオンをターゲット上に照射する装
   置であって、ターゲットを支持するエンドステーション
   と、原子または分子イオンのビームを生成するイオン源
   と、ビームから不所望の質量あるいはエネルギーのイオ
   ンを除去する分析器およびイオンの所望の最終速度を確
   立する加速器を含み原子または分子イオンのビームを生
   成するビーム形成装置と、基準軸に対して二次元にビー
   ムを偏向させる磁気走査装置と、この磁気走査装置の後
   ろに続く磁気イオンビーム輸送装置とを備えており、前
   記磁気走査装置は、各次元においてビームを続けて偏向
   させる時変磁界を発生させる第１および第２の磁気走査
   器を装置の軸に沿って第１および第２の位置に備えてお
   り、この第１の磁気走査器は、ビームを第１の次元にお
   いて急速に走査するよう構成されており、かつビームが
   通過する磁気ギャップであって前記第２の磁気走査器の
   磁気ギャップ長よりも短い磁気ギャップ長を有しており
   、かつ第２の磁気走査器よりも急速にビームを走査する
   よう構成されており、これらの磁気走査器は、各瞬間に
   各次元において、ターゲット上でのビームの所望の瞬間
   的な変位によって規定される各角度で、かつ互いに非結
   合の状態で前記基準軸からビームを偏向させるように働
   き、かつ当該磁気走査器のそれぞれは、磁性材料から成
   るヨークおよび磁極手段ならびに関連の励磁コイルを備
   えており、かつそれぞれは、当該コイルに時変電流を供
   給する制御回路および電源をそれぞれ備えており、前記
   磁気イオンビーム輸送装置は、前記磁気走査器の二次元
   的な偏向の範囲に亘って前記磁気走査器からビームを受
   けるよう配置されており、かつビーム経路に沿って、二
   次元的に偏向されたビームを軸からの所望の瞬間的な二
   次元的変位時に、前記二次元における軸と所望の角度関
   係を有する方向に次元的に非結合の状態で向け直すよう
   選定された特性の磁界条件を課するよう構成されており
   、それによって有限のイオン分布サイズをしたビームス
   ポットをターゲット上で走査することができ、かつそれ
   によるイオンの進行方向は走査範囲に亘り所望の方向か
   ら約２°未満しかずれないことを特徴とするイオン照射
   装置。
5. 【請求項５】　　ターゲットの表面に原子または分子イ
   オンを所望の均一性で照射するものであり、０．０２／
   Ｍ［ａｍｕ］１／２　（ｍＡ／ｋｅＶ３／２　、Ｍはイ
   オンの質量）を越えるパービアンスを含む広範囲のパー
   ビアンスでビームの急速走査を可能にするよう構成され
   た装置であって、ターゲットをビームに対面させるエン
   ドステーションと、原子または分子イオンのビームを生
   成するイオン源および関連のビーム形成装置と、ターゲ
   ットの表面に亘りビームを二次元で走査することができ
   る磁気走査装置とを備えており、この磁気走査装置は、
   走査の各次元について、磁性材料から成るヨークおよび
   磁極手段ならびに関連の励磁コイルから成る個別の走査
   電磁石手段と、規定のイオンドーズプロファイルを作り
   出すために望ましい前記ビームの位置を表す信号を発生
   する手段と、当該磁気走査装置の磁界を検出してビーム
   の走査中にビームに作用する磁界を表す信号を発生する
   磁界検出手段および当該磁気走査装置を制御して、この
   磁界検出手段に応答して前記二次元における規定の磁界
   プロファイルを閉ループ的に発生するフィードバック制
   御装置を含むダイナミック閉ループフィードバック制御
   装置とを備えていることを特徴とするイオン照射装置。
6. 【請求項６】　　ターゲットの表面に原子または分子イ
   オンを所望の均一性で照射するものであり、０．０２／
   Ｍ［ａｍｕ］１／２　（ｍＡ／ｋｅＶ３／２　、Ｍはイ
   オンの質量）を越えるパービアンスを含む広範囲のパー
   ビアンスでビームの急速走査を可能にするよう構成され
   た装置であって、ターゲットをビームに対面させるエン
   ドステーションと、原子または分子イオンのビームを生
   成するイオン源および関連のビーム形成装置と、ターゲ
   ットの表面に亘りビームを二次元で走査することができ
   る磁気走査装置とを備えており、この磁気走査装置は、
   走査の各次元について、磁性材料から成るヨークおよび
   磁極手段ならびに関連の励磁コイルから成る個別の走査
   電磁石手段と、前記ビームの所望の位置を表す信号を発
   生して規定のイオンドーズプロファイルを作り出す手段
   と、当該磁気走査装置のターゲットでのドーズ量を検出
   してビームの走査中のドーズ量を表す信号を発生するイ
   オンドーズ量検出手段および当該磁気走査装置を制御し
   て、このドーズ量検出手段に応答して前記二次元におけ
   る規定のイオンドーズ量を閉ループ的に作り出すフィー
   ドバック制御装置を含むダイナミック閉ループフィード
   バック制御装置とを備えていることを特徴とするイオン
   照射装置。
7. 【請求項７】　　原子または分子イオンのビームを基準
   軸に対して第１および第２の次元で偏向させるよう構成
   された磁気走査装置であって、この装置は、装置の軸に
   沿って第１および第２の場所に配置されていて各次元に
   おいてビームを続けて偏向させる時変磁界を発生する第
   １および第２の磁気走査器を備えており、各磁気走査器
   は、磁性材料から成るヨークおよび磁極手段ならびに関
   連の励磁コイルを備えており、かつそれぞれは、コイル
   に時変電流を供給するそれぞれの偏向回路および電源を
   有しており、前記時変磁界を発生する第１の磁気走査器
   は、ビームが通過する磁気ギャップを持ち、このギャッ
   プのギャップ長は第２の磁気走査器の磁気ギャップ長よ
   りも小さく、かつビームをその対応する次元で、第２の
   走査器より速く走査するよう構成されており、それによ
   って第１の磁気走査器に対して高い周波数で課せられる
   電力要求が、当該磁気走査器の小さなギャップ長によっ
   て改善され、かつこれらの磁気走査器は、ビームを、各
   瞬間に各次元において、イオンビームの所望の瞬間的な
   変位によって規定される各角度で、かつ互いに非結合の
   状態で、各基準軸から偏向させるように働くことを特徴
   とする磁気走査装置。
8. 【請求項８】　　原子または分子イオンのビームを基準
   軸に対して第１および第２の次元で偏向させる磁気走査
   装置であって、この装置は、磁性材料から成るヨークお
   よび磁極手段ならびに関連の励磁コイルから成る時変磁
   界を発生する第１および第２の磁気走査電磁石手段をそ
   れぞれ採用しており、その各々は、コイルに時変電流を
   供給する制御回路および電源をそれぞれ備えており、前
   記コイルおよび関連の磁気回路は、磁界を発生してビー
   ムを二つの次元において非結合の状態で偏向させるよう
   に働き、かつビーム経路に沿ってほぼ同様に配置されて
   いることを特徴とする磁気走査装置。
9. 【請求項９】　　原子または分子イオンのビームを二次
   元で走査する装置であって、イオンビームを二次元にお
   いて基準軸に対して偏向させる走査装置と、この走査装
   置の後に続く装置であって、二次元的に偏向されたビー
   ムを軸からの所望の瞬間的な二次元的変位時に、基準軸
   と前記二次元において所望の角度関係を有する方向に向
   け直すよう選定された特性の静磁界条件をビーム経路に
   沿って課するよう構成されていて、互いに軸方向に離し
   て設置された複数の静磁界印加要素を有しており、それ
   によって有限のイオン分布サイズをしたイオンビームス
   ポットの所要の走査を作り出す磁気イオンビーム輸送装
   置とを備えることを特徴とするビーム走査装置。