JPH10294079A - 荷電粒子の質量測定の校正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオンビームを曲げることによって所望の質
量のものを選択する質量分離磁石において、熟練を要せ
ず、短時間でイオンビームの質量測定値を校正できるよ
うにした自動システムを提供すること。 【解決手段】 一つ又は複数の質量既知のイオン種をイ
オンビームとして引き出し、質量分析磁石に導き、出口
スリットからでて測定器に入射させるようにし、そのと
きの運動エネルギーＥを変えて、磁束密度Ｂを測定し、
複数のデータから、（２ｍＥ）^1/2 ／ｑとＢの関係式Ｂ
＝ａ（（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ）＋ｂの中の比例定数ａと切
片ｂとを最小二乗法によって決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン注入装置な
どイオンビームを発生し偏向させて試料に照射する装置
において、荷電粒子（イオン）の質量測定値を自動校正
するシステムに関する。イオン注入装置などイオンを試
料に打ち込む装置は、多くの種類のイオンの内所定のイ
オンだけを試料に注入するように設定されるべきであ
る。そのためにイオンの質量エネルギーが所定のものだ
けを通す機構が設けられる。

【０００２】これはスリットと磁石よりなる選別機構で
ある。希望のイオンのみがスリットを通過するようしな
ければならない。そのため発生したイオンの質量を正確
に測定できなければならない。磁石、加速電源、スリッ
トなどの組み合わせによってイオンの質量を測定するが
測定値を校正する必要がある。装置を設置し運転を始め
る時、或いは修理改造などをして運転を再開するときな
どにこのような校正が必要である。校正は従来手作業に
よって行ってきた。

【０００３】

【従来の技術】イオン質量測定の校正の必要性を、イオ
ン注入装置を例にして説明する。イオン注入装置は、原
料ガスをプラズマにし、イオンビームとして引き出し、
質量分離し、加速し（或いは減速し）、走査し、試料に
照射するものである。つまりある特定のイオンを、ある
深さに、ある所定の濃度だけ注入するのがイオン注入装
置である。打ち込みの深さは加速電圧により決まる。濃
度は走査の速さと電流量と照射時間で決まる。イオン種
を限定するのが質量分離装置である。これはイオン源か
ら出たイオンビームを質量分析磁石に通すことによって
なされる。

【０００４】質量分析磁石は電磁石であるが励磁電流を
変えると磁束密度Ｂが変わる。磁場と直交する速度を持
ったイオンは磁場中で円運動をする。円の半径をラーモ
ア半径Ｒという。これは磁束密度Ｂによって変わる。図
４によってその関係を示す。イオンの速度ｖは運動エネ
ルギーＥと、Ｅ＝ｍｖ² ／２という関係にある。磁場中
を運動する荷電粒子にはたらく力（ロ−レンツ力）の大
きさはＱｖＢで表されるが、この力は円運動の遠心力ｍ
ｖ² ／Ｒとつりあうので、 ＢＲ＝（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ （１）

【０００５】という関係がある。ｍはイオンの質量、ｑ
は電荷量、Ｂは磁束密度、Ｒはラーモア半径である。Ｅ
はイオンの運動エネルギーであり、これは加速電圧と引
き出し電圧の和と電荷の積であって正確に求めることが
できる。ｑは電荷素量に等しいかその整数倍でありイオ
ン種を決めると正確に決まる。ｍもイオンの質量で正確
に決まっている。Ｂは磁石によって作られる磁束密度で
あるから必ずしも一様でないし測定点も限られる。Ｒは
ラーモア半径であるが、実際にイオンは全周回転するの
ではなく限られた中心角の円弧を描くだけである。

【０００６】イオン源の出口から直進したビームが磁石
によって曲げられ狭いスリットの開口を通過するのであ
るから、開口の位置によりこの磁石を通過できるイオン
軌跡の半径Ｒが決まってしまう。つまり質量分析磁石と
スリットの設定だけでＢＲが決まってしまう。Ｒはスリ
ットの開口の位置で決まり微調整はできるが大きく改変
できない。磁石を決めると結局これは磁束密度を実効的
に表現していると言って良い。ＢＲはイオンの曲げ難さ
を表現するので、ＢＲはmagnetic rigidity という。

【０００７】イオン注入装置において、所望のイオン種
を薄膜などの試料に打ち込む必要がある。イオンの種類
は質量によって決められる。質量分析磁石によってそれ
を通過できるイオン質量を規定することができる。エネ
ルギ−が既知であれば磁束密度によってスリットを通過
できるイオンの質量がきまる。イオン種を決めるという
ことは、質量分析磁石の磁束密度を決めるということで
ある。イオンの質量ｍと磁石のＢの間には（１）の関係
があるはずである。ところが実際の装置では、組み立て
誤差や磁束密度測定プロ−ブの位置によるモニタ値のば
らつきなどがあって（１）式からずれてくる。それで質
量測定システムの校正が必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来は質量分析器の質
量測定システムにおいて校正を行っていないか、或いは
手作業によって校正を行っていた。校正をしない場合は
磁束密度Ｂの設定と、選択すべき所望のイオンビームの
エネルギー、質量の関係に誤りが起こり得る。手作業で
校正する場合は、多大の時間と手間がかかる。また作業
者はビーム状態に臨機応変に対処しなければならず熟練
を要する。このような難点を解決し、質量分析磁石にお
いて、熟練を要せず、短時間で質量測定を校正できるよ
うにした自動システムを提供することが本発明の目的で
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の質量測定システ
ムの校正方法は、一つ又は複数の質量既知のイオン種を
イオンビームとして引き出し、質量分析磁石に導き、出
口スリットからでて測定器に入射させるようにし、その
ときの運動エネルギーＥを変えて、磁束密度Ｂを測定
し、複数のデータから、（２ｍＥ）^1/2 ／ｑとＢの関係
式Ｂ＝ａ（（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ）＋ｂの中の比例定数ａ
と切片ｂとを最小二乗法によって決定する。校正した後
は、イオンビームのエネルギーＥと磁束密度Ｂとからそ
の質量分析磁石を通るイオンの質量ｍをｍ＝ｑ（Ｂ−
ｂ）² ／２ａ² Ｅによって計算する。

【００１０】

【発明の実施の形態】磁束密度Ｂのマグネットによって
電荷ｑ、エネルギーＥの荷電粒子を曲げる時曲げ半径
（ラーモア半径）をＲとすると、 ＢＲ＝（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ （２）

【００１１】という関係にあり、ＢＲがmagnetic rigid
itと言われるということは既に述べている。（２）式を
変形すると、 Ｂ＝（１／Ｒ）（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ （３）

【００１２】となる。しかし実際の装置では、組み立て
誤差や、プロ−ブの位置、磁場センサの誤差などのため
に、実測された磁束密度Ｂが、（３）からずれてくる。
そこで、Ｂと（１／Ｒ）（２ｍＥ）^1/2 ／ｑの間の関係
をつぎのように置き係数ａ、ｂの最適値を決める。 Ｂ＝ａ（（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ）＋ｂ （４）

【００１３】初期値はａ＝１／Ｒ、ｂ＝０であるが、何
度も測定を繰り返して最適のａ、ｂを決める。測定条件
はイオン注入するときと同じであるが、イオンビームは
試料に入射させるのではなくて試料の位置またはその近
くに置かれたファラディカップなどの検出器に入射させ
る。マグネットが１つでも２つでも３つであっても同様
にこの方法でパラメータａ、ｂを決めることができる。

【００１４】複数のマグネットＭ₁ 、Ｍ₂ 、Ｍ₃ 、…が
ある場合は、その一つに対して本発明の校正を行っても
良いし、全部のマグネットに対して本発明を実施しても
良い。それぞれにおいてパラメータａ，ｂは相違する。
その場合、荷電粒子の質量測定値が複数のマグネットか
ら得られるということになる。

【００１５】図２によって本発明の校正方法の手順を説
明する。スタートでプログラムが開始する。運転条件数
だけ以下の同じ操作を繰り返す。それで「運転条件数だ
けループ」と書いてある。運転条件の自動設定というの
は、イオン種（質量）、価数、エネルギーの設定などを
意味する。であるから式中のｍ、Ｅ、ｑが決まりＢの大
体の値が決まる。

【００１６】自動運転が開始される。イオン源からイオ
ンビームが出てマグネットによって曲げられファラディ
カップに入りイオンビーム電流が測定される。Ｂをその
辺りで少し振ってファラディカップに丁度イオンビーム
が入るようにし、最大のイオンビーム電流を与える時の
磁束密度が測定対象となる。もしもエラーが発生すると
初めからやり直す。エラー状態が解消されると再び測定
が続行される。エラーが解消されない場合は異常である
ことを理由として運転は自動的に停止される。

【００１７】磁束密度Ｂの値が測定できれば自動運転は
完了する。そのときの質量ｍ、電荷量ｑ、ビームエネル
ギーＥ、磁束密度Ｂが記憶される。このうちｍ、ｑは運
転条件からきまる理論値、Ｅ、Ｂは実際の観測値であ
る。マグネットが複数ある場合は、Ｅ、Ｂが複数のデー
タになる。これらの値の組が記憶される。複数のパラメ
ータの組がなければふたつの未知数が決まらない。２以
上であれば良いはずであるが高精度の結果を得るために
は１０組程度の測定パラメータが必要である。そこで運
転条件をｓ通りにしてｓ組のパラメータを測定する。従
って同じ工程をｓ回繰り返す。これが「運転条件数だけ
ループ」という意味である。ｍ、ｑ、Ｅ、Ｂはその運転
条件の度に異なる。｛ｍ₁ ，ｑ₁ ，Ｅ₁ ，Ｂ₁ ｝、…、
｛ｍ_s ，ｑ_s ，Ｅ_s ，Ｂ_s ｝のデータがメモリに蓄えら
れる。

【００１８】これらのＳ組のデータから Ｂ＝ａ（（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ）＋ ｂ （５） のパラメータａ、ｂを最小二乗法によって求める。これ
がデータフィッティングである。デフォルト（初期値）
の値はａ＝１／Ｒ、ｂ＝０である。この値と計算された
値をオペレータに提示する。オペレータは計算値ａ、ｂ
と初期値を比較しどちらを採用するか判断する。オペレ
ータが計算値を採用すべきと判断すると、デフォルト
（初期値）のａ，ｂを計算値に置き換える。これが
「ａ，ｂの値を計算値に変更」という意味である。これ
によってその質量分析磁石の測定系の定数ａ、ｂが決ま
る。定数を変更したときは以後その定数によって質量を
測定する。

【００１９】複数のデータから、ａとｂを求める方法を
次に説明する。独立変数は（２ｍＥ）^1/2 ／ｑで、従属
変数はＢである。独立変数は総加速電圧をＶとして、
（２ｍＶ／ｑ）^1/2 と書く事もできる。独立変数も従属
変数も測定値として与えられる。簡単のため独立変数を
Ｘと書く。Ｘ＝（２ｍＥ）^1/2 ／ｑである。ｓ個のデー
タの組（Ｘ₁ ，Ｂ₁ ）…（Ｘ_j ，Ｂ_j ）…（Ｘ_s ，Ｂ
_s ）が得られる。

【００２０】これが図３に示すように、Ｂ＝ａＸ＋ｂと
いう一次式のグラフの近くに点在するはずである。ａは
一次式グラフの傾きでｂは切片である。実際にはデータ
がそのグラフの上にきちんと載るわけではなく誤差があ
る。その誤差を最小にするという条件でパラメータａと
ｂを決める。誤差はｊ番目のデータについて、（Ｂ_j−
ａＸ_j −ｂ）である。これは正負の符号を取り得て、ど
ちらにずれていても同じだけの誤差と評価されるべきで
ある。そこでそれを２乗した値をｊ番面のデータの誤差
だと考える。ｓ個のデータがあるので誤差の和は、先ほ
どの値の二乗を加えたものである。これをＱとすると、

【００２１】

【数６】

【００２２】となるがこれが二乗誤差である。これを最
小にするａとｂであるから、δＱ／δａ＝０、δＱ／δ
ｂ＝０であるべきである。

【００２３】

【数７】

【００２４】

【数８】

【００２５】これを解いて、

【００２６】

【数９】

【００２７】

【数１０】

【００２８】を得る。但し

【００２９】

【数１１】

【００３０】

【数１２】

【００３１】

【数１３】

【００３２】

【数１４】

【００３３】この計算は簡単である。ｓ個のデータ（Ｘ
_j ，Ｂ_j ）（但しＸ_j ＝（２ｍ_j Ｅ_j）^1/2 ／ｑ_j ）か
ら容易にパラメータａ、ｂを計算することができる。最
小二乗法でパラメータを決めるというのはこういう事で
ある。ｓ個のデータの組が決まれば上の式から直ちにパ
ラメータが計算できる。

【００３４】

【実施例】あるイオン注入装置の質量分離マグネットに
適用した例について述べる。これは本出願人の製造する
ＥＸＣＥＥＤ２０００というイオン注入装置である。イ
オン源１では所望のガスのプラズマを作り引出電極によ
って引き出してイオンビームを生成する。エネルギーは
イオン源の引出電圧Ｖ_exと電荷ｑの積ｑＶ_exである。こ
れが第１の質量分析電磁石２によって軌跡を曲げられ
る。適当なエネルギ−と質量を持つイオンビームだけが
適当な半径Ｒを描いて曲がり分析スリット３を通過する
ことができる。それ以外の質量、エネルギーのイオンは
スリット又は分析管の壁に衝突して消滅する。スリット
を通過できた所望の質量のイオンはさらに加速管４によ
って適当なエネルギーまで加速される。加速管の電圧を
Ｖ_acc とするとエネルギーがｑ（Ｖ_ex＋Ｖ_acc ）に増え
る。これが第２の質量分析電磁石５によって更に軌跡を
曲げられる。所定のエネルギー質量のイオンのみが第２
の分析スリット７を通過できる。

【００３５】このビームはスイープマグネット６の作用
で左右に振られる。さらにコリメータマグネット８によ
ってビームが曲がり、試料１２に入るか、或いはファラ
ディカップ９に入る。イオン注入する場合はビームが試
料１２に入射する。ここでは質量測定の校正をするので
あるからファラディカップ９に入るようにスイープマグ
ネット６の磁場が設定されている。

【００３６】イオン源から出てファラディカップまでに
至る道には３つの質量分析電磁石２、５、８とスリット
３、７がある。これらを通過するには質量、エネルギー
ともに所定の値でなければならない。第１の質量分析電
磁石２を通る時は、引出電圧のエネルギーだけを持ち、
第２、第３の質量分析電磁石５、８を通るときはこれに
加速電圧分が加わっている。第１電磁石２と、第２、第
３電磁石でのmagneticrigidity は当然に違う。

【００３７】分析磁石でのパラメータはふたつしかない
ので、条件が違う１０個程度の試験値を与えると最小二
乗法によってパラメータを精度良く決める事ができる。
イオンの種類やエネルギーを変えると１０個程度の試験
値を与えることができる。イオン源のガスを変えるとイ
オン種を変えることができる。しかしそうするとガス交
換をしなければならず手数がかかる。エネルギーを変え
る事によっても必要な数の試験値を与えることができ
る。

【００３８】ここではＢＦ₃ を原料ガスとして用いた。
このガスを用いることにより、複数のイオン種のイオン
ビ−ムを引き出すことができる。ここではそのうちの２
つを使用する。これはガス交換しなくても２種類のイオ
ンを作る事ができる。質量数が１１のＢ⁺ と、質量数が
４９のＢＦ₂ ⁺のイオンである。引出電圧と加速電圧の何
れかを変えると幾つも条件の異なるイオンビームが生成
できる。これによりmagnetic rigidity を変えて測定が
できる。質量は既知であるしエネルギーも既知であるか
ら、パラメータａ、ｂが決まる。

【００３９】正確な校正をおこなうためには、それぞれ
のマグネット２、５、８を通過する際、ビームのmagnet
ic rigidity が取り得る値のほぼ全域を覆うような範囲
でデータ取りする必要がある。磁石２と、磁石５、８で
はエネルギーが違うのでmagnetic rigidity も違う。

【００４０】（１） 第１質量分析電磁石２を通過する
ビームのmagnetic rigidity の最低値、最高値は大体以
下の通りである。ここでmagnetic rigidity の単位は
（ａｍｕ・ｋＶ／ｅ）^1/2 である。ａｍｕは原子質量単
位を１としたときの質量であり、つまり質量数である。
ｋＶは電圧、ｅは電荷数であり１、２、…といった整数
である。 最低 ２１．０…… ２０ｋｅＶの¹¹Ｂ⁺ 又は８０ｋｅＶの¹¹Ｂ⁺⁺ 最高 ７７．５…… ４０ｋｅＶの⁷⁵Ａｓ⁺

【００４１】（２） 第２、第３質量分析電磁石５、８
を通過するビームのmagnetic rigidity の最低値と最高
値は大体つぎのようである。 最低 １．４８…… １０ｋｅＶの¹¹Ｂ⁺ 最高 １７３．２……２００ｋｅＶの⁷⁵Ａｓ⁺ これらの試験値はＳｉウエハ−にｐ型不純物、ｎ型不純
物を打ち込む場合の不純物のイオン注入を予想した値で
ある。だからイオンはＢ、Ａｓ、Ｐなどである場合が多
い。この中でＡｓは最も重いのでmagnetic rigidityの
上限を与える。ホウ素Ｂは最も軽いからmagnetic rigid
ity の下限を与える。

【００４２】Ｂ、Ａｓ、Ｐを通す質量分析電磁石の定数
ａ、ｂを決めるのであるから、Ａｓ、Ｂ、Ｐなどのイオ
ンビームを発生させて試験をしなければならないか、と
いうとそうではない。上に述べたmagnetic rigidity の
範囲を覆うのであれば、ホウ素Ｂだけのイオンビームに
よって十分な数の試験値を与えることができる。たええ
ばＢＦ₃ ガスを使って、質量が既知のＢ⁺ 、ＢＦ₂ ⁺２種
類のイオンビームを発生させいくつかの異なるエネルギ
ーによって加速すればよい。それだけで様々なmagnetic
rigidity の値を実現できるからパラメータを決定でき
る。

【００４３】例えばＢＦ₃ ガスを使用して、以下の条件
でビームを立ち上げ、３つの質量分析電磁石２、５、８
によってダンプファラディ９にビームを導き、そのとき
の各マグネットの磁束密度Ｂを測定記録する。例えばつ
ぎのような条件で行うことができる。

【００４４】

【表１】

【００４５】これらの条件の内、１番〜３番と１０番は
質量数が１１のＢ⁺ イオンによる。４番〜９番は質量数
が４９のＢＦ₂ ⁺イオンによる。所定の質量（Ｂ＝１１、
ＢＦ ₂ ＝４９）のイオンがファラディに丁度入射すると
きの３つの電磁石での磁束密度Ｂを測定する。粒子のエ
ネルギーＥは電荷ｑに電圧を掛けたもので既知である。
（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ＝（２ｍＶ／ｑ）^1/2 を計算して表
１の７列目、８列目の値が計算される。これらの１０個
の条件によって校正する場合、磁束密度Ｂのデータ取り
は約２時間で終わる。

【００４６】（２ｍＥ）^1/2 ／ｑを図３の横軸の値と
し、そのときの磁束密度測定値Ｂを縦軸の値として図３
のようなプロットが得られる。そこで最小二乗法によっ
てパラメータａ、ｂを決めることができる。パラメータ
が新規に求まった時自動的に値を更新しても良いし、オ
ペレータの許可を得てから値を書き換えるようにしても
良い。以後その値ａ、ｂを使えば、エネルギーＥ、磁束
密度Ｂを求め ｍ＝ｑ（Ｂ−ｂ）² ／２ａ² Ｅ （１４） によって質量測定することができる。パラメータの決定
にはＢＦ₃ ガスだけを使っているが、ＡｓやＰなどその
他の原子を含む任意のイオンの質量測定に使う事ができ
る。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、質量分析電磁石におい
てスリットを通過できるイオンの質量を正確に測定する
ことができるようになる。イオン注入時において所望の
イオンが選択されているかどうかを正しく判断すること
ができる。質量測定の為のパラメータを校正しない場合
に比べて、イオン選択の正しさの判断がより的確にな
る。手動操作によって校正するのに比べて時間が短くて
済み、熟練を要しない。また試験ガスは１種類だけでも
良いのでデータ取りの時間も短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本出願になるあるイオン注入装置の概略構成
図。

【図２】本発明の荷電粒子質量測定値校正システムの動
作を示すフローチャート。

【図３】横軸に（２ｍＥ）^1/2 ／ｑを、縦軸に磁束密度
Ｂを取り、質量エネルギーが既知のイオンビームを分析
磁石に通して、一次式の係数ａと切片ｂを決めるための
操作を説明するためのグラフ。

【図４】一般に磁束密度Ｂのマグネットによって電荷
ｑ、エネルギーＥのイオンビームが半径Ｒの円弧を描い
て行く事を示す軌跡図。

【符号の説明】

１ イオン源 ２ 質量分析電磁石 ３ 分析スリット ４ 加速管 ５ 質量分析電磁石 ６ スイープマグネット ７ 分析スリット ８ コリメータマグネット ９ ダンプファラディ １０ ターゲットチャンバ １２ 試料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一つ又は複数の質量既知のイオン種をイ
   オンビームとして引き出し質量分析磁石に導き出口スリ
   ットから出て測定器に入射するようにし、そのときの運
   動エネルギーＥを変えて、磁束密度Ｂを測定し、複数の
   データから、（２ｍＥ）^1/2 ／ｑとＢの関係式Ｂ＝ａ
   （（２ｍＥ）^1/2 ／ｑ）＋ｂの中の比例定数ａと切片ｂ
   とを最小二乗法によって決定することを特徴とする荷電
   粒子の質量測定の校正方法。