KR20160006616A - 이온주입장치 및 이온주입장치의 제어방법 - Google Patents

이온주입장치 및 이온주입장치의 제어방법 Download PDF

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Abstract

전극장치에 인가되는 전압의 정밀도를 높인다.
이온주입장치는, 고전압전원(90)과, 고전압전원(90)의 출력전압(HVO)을 제어하는 지령신호를 생성하는 제어장치(104)와, 출력전압(HVO)이 인가되는 전극장치(80)와, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 계측하기 위한 측정장치(120)를 구비한다. 제어장치(104)는, 고전압전원(90)에 목표전압을 출력시키기 위한 제1 지령신호를 생성하는 제1 생성부(110)와, 측정장치(120)에 의하여 계측되는 실전압(HVR)이 목표전압 또는 목표전압에 가까운 전압이 되도록 제1 지령신호를 보완하는 제2 지령신호를 생성하는 제2 생성부(112)와, 고전압전원(90)에, 제1 지령신호 및 제2 지령신호를 합성하여 얻어지는 합성지령신호를 출력하는 지령부(114)를 포함한다.

Description

이온주입장치 및 이온주입장치의 제어방법{ION IMPLANTING DEVICE AND CONTROL METHOD OF ION IMPLANTING DEVICE}
본 출원은, 2014년 7월 9일에 출원된 일본 특허출원 제2014-141481호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 이온주입장치에 관한 것이다.
반도체 제조공정에서는, 도전성을 변화시킬 목적, 반도체웨이퍼의 결정 구조를 변화시킬 목적 등을 위하여, 반도체웨이퍼에 이온을 주입하는 공정(이하, "이온주입공정"이라고 칭하는 경우가 있음)이 표준적으로 실시되고 있다. 이온주입공정에서 사용되는 장치는, 이온주입장치라고 불리며, 이온원에 의하여 이온을 생성하고, 생성한 이온을 가속하여 이온빔을 형성하는 기능과, 그 이온빔을 진공처리실까지 수송하여, 처리실 내의 웨이퍼에 이온빔을 조사하는 기능을 가진다.
이온주입장치는, 예를 들면, 이온원, 인출전극, 질량분석자석장치, 빔주사장치, 빔평행화장치, 각도에너지필터장치, 웨이퍼처리실 등이, 빔라인을 따라 배치되어 있으며, 반도체용 기판인 웨이퍼에 이온을 주입하도록 구성되어 있다. 빔라인을 구성하는 이들 장치는, 전압을 인가한 전극 간에 발생하는 전계나, 자석장치가 발생시키는 자계를 이용하여 이온빔을 제어한다. 예를 들면, 빔라인을 구성하는 장치의 전극 간에 인가되는 전압을 제어하기 위하여, 고출력 전용전원과 저출력 전용전원이 조합되어 이용된다(특허문헌 1 참조).
일본 공개특허 평10-112277호 공보
빔라인을 구성하는 장치의 전극에 인가되는 전압이 변화되면, 빔라인에 의하여 수송되는 이온빔의 궤도나 웨이퍼에 대한 입사각도가 변화될 수 있다. 이온빔의 궤도나 웨이퍼에 대한 입사각도가 변화되면, 이온빔과 웨이퍼와의 상호작용의 양태가 변화되어, 이온주입의 처리결과에 영향을 줄 수도 있다.
본 발명의 일 양태의 예시적인 목적 중 하나는, 전극장치에 인가되는 전압의 정밀도를 높이는 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 양태의 이온주입장치는, 고전압전원과, 고전압전원의 출력전압을 제어하는 지령신호를 생성하는 제어장치와, 출력전압이 인가되는 전극장치와, 전극장치에 인가되는 실전압을 계측하기 위한 측정장치를 구비한다. 제어장치는, 고전압전원에 목표전압을 출력시키기 위한 제1 지령신호를 생성하는 제1 생성부와, 측정장치에 의하여 계측되는 실전압이 목표전압 또는 목표전압에 가까운 전압이 되도록 제1 지령신호를 보완하는 제2 지령신호를 생성하는 제2 생성부와, 고전압전원에, 제1 지령신호 및 제2 지령신호를 합성하여 얻어지는 합성지령신호를 출력하는 지령부를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는, 이온주입장치의 제어방법이다. 이 방법은, 고전압전원과, 고전압전원의 출력전압을 제어하는 지령신호를 생성하는 제어장치와, 출력전압이 인가되는 전극장치와, 전극장치에 인가되는 실전압을 계측하기 위한 측정장치를 구비하는 이온주입장치의 제어방법이며, 이 방법은, 고전압전원에 목표전압을 출력시키기 위한 제1 지령신호를 생성하는 것과, 측정장치에 의하여 계측되는 실전압이 목표전압 또는 목표전압에 가까운 전압이 되도록 제1 지령신호를 보완하는 제2 지령신호를 생성하는 것과, 고전압전원에, 제1 지령신호 및 제2 지령신호를 합성하여 얻어지는 합성지령신호를 출력하는 것을 포함한다.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 전극장치에 인가되는 전압의 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 이온주입장치를 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 빔수송라인유닛의 일부의 개략 구성을 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 최종 에너지필터의 개략 구성을 나타내는 측면도이다.
도 4는 제어장치의 기능구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 지령전압과 출력전압의 관계를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
도 6은 측정장치가 가지는 분압기의 구성을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 7은 단위지령전압과 스텝전압의 관계를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
도 8은 목표전압과 실전압에 차이가 발생하는 양태를 나타내는 그래프이다.
도 9는 목표전압과 실전압의 차이를 보정하는 양태를 나타내는 그래프이다.
도 10은 목표전압과 실전압의 차이를 보정하는 양태를 나타내는 그래프이다.
도 11은 출력전압 보정모드로 실전압을 보정하는 양태를 나타내는 그래프이다.
도 12는 출력전압 안정화모드로 실전압을 보정하는 양태를 나타내는 그래프이다.
도 13은 제어장치에 의한 전압제어의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 관한 이온주입장치의 개략 구성을 나타내는 평면도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 다만, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여, 중복되는 설명을 적절히 생략한다. 또한, 이하에 서술하는 구성은 예시이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 이온주입장치(100)를 개략적으로 나타내는 상면도이다. 도 1에는, 이온주입장치(100)의 빔라인부의 구성요소의 레이아웃이 나타나 있다. 이온주입장치(100)의 빔라인부는, 이온원(10)과, 피처리물을 위한 처리실을 구비하고 있으며, 이온원(10)으로부터 피처리물(예를 들면 기판 또는 웨이퍼(40))을 향하여 이온빔(B)을 수송하도록 구성되어 있다.
본 명세서에 있어서는 설명의 편의상, 빔라인부에 있어서의 기준궤도를 따르는 방향을 z방향으로 하고, z방향에 직교하는 방향을 x방향으로 나타낸다. 또한, z방향 및 x방향에 직교하는 방향을 y방향으로 나타낸다. 본 실시형태에서는 x방향은 수평방향이며, y방향은 연직방향이다.
이온주입장치(100)는, 이른바 고에너지 이온주입장치에 적합하다. 고에너지 이온주입장치는, 고주파 선형가속방식의 이온가속기와 고에너지 이온수송용 빔라인을 가지는 이온주입장치이다. 고에너지 이온주입장치는, 이온원(10)에서 발생한 이온을 고에너지로 가속하고, 그렇게 하여 얻어진 이온빔(B)을 빔라인을 따라 피처리물까지 수송하여, 피처리물에 이온을 주입한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 이온주입장치(100)는, 이온을 생성하여 질량 분리하는 이온빔생성유닛(12)과, 이온빔을 가속하여 고에너지 이온빔으로 하는 고에너지 다단직선가속유닛(14)과, 고에너지 이온빔의 궤도를 U자 형상으로 굽히는 빔편향유닛(16)과, 고에너지 이온빔을 웨이퍼(40)까지 수송하는 빔수송라인유닛(18)과, 수송된 고에너지 이온빔을 균일하게 반도체웨이퍼에 주입하는 기판처리공급유닛(20)을 구비한다.
이온빔생성유닛(12)은, 이온원(10)과, 인출전극(11)과, 질량분석장치(22)를 가진다. 이온빔생성유닛(12)에서는, 이온원(10)으로부터 인출전극(11)을 통하여 빔이 인출됨과 동시에 가속되고, 인출 가속된 빔은 질량분석장치(22)에 의하여 질량분석된다. 질량분석장치(22)는, 질량분석자석(22a), 질량분석슬릿(22b)을 가지고 있다. 질량분석슬릿(22b)은, 질량분석자석(22a)의 바로 뒤에 배치하는 경우도 있지만, 실시예에서는, 그 다음의 구성인 고에너지 다단직선가속유닛(14)의 입구부 내에 배치하고 있다.
질량분석장치(22)에 의한 질량분석의 결과, 주입에 필요한 이온종만이 선별되고, 선별된 이온종의 이온빔은, 다음의 고에너지 다단직선가속유닛(14)으로 유도된다. 고에너지 다단직선가속유닛(14)은, 고에너지 이온주입용의 기본적인 복수단의 고주파공진기를 구비하는 제1 선형가속기(15a)를 구비한다. 고에너지 다단직선가속유닛(14)은, 초고에너지 이온주입용의 추가 복수단의 고주파공진기를 구비하는 제2 선형가속기(15b)를 구비해도 된다. 고에너지 다단직선가속유닛(14)에 의하여 가속된 이온빔은, 빔편향유닛(16)에 의하여 방향이 변화된다.
이온빔을 고가속하는 고주파(교류방식)의 고에너지 다단직선가속유닛(14)을 나온 고에너지 이온빔은, 소정 범위의 에너지 분포를 가지고 있다. 이로 인하여, 후단의 고에너지의 이온빔을 빔주사 및 빔평행화시켜 메커니컬하게 주사이동 중인 웨이퍼에 조사하기 위해서는, 사전에 높은 정밀도의 에너지분석과, 중심궤도보정, 및 빔수렴발산의 조정을 실시해 두는 것이 필요하다.
빔편향유닛(16)은, 고에너지 이온빔의 에너지분석, 중심궤도보정, 에너지분산의 제어를 행한다. 빔편향유닛(16)은, 적어도 2개의 고정밀도 편향전자석과 적어도 1개의 에너지폭 제한슬릿과 에너지분석슬릿, 및 적어도 1개의 가로수렴기기를 구비한다. 복수의 편향전자석은, 고에너지 이온빔의 에너지분석과 이온주입각도의 정밀한 보정, 및 에너지분산의 억제를 행하도록 구성되어 있다.
빔편향유닛(16)은, 에너지분석 전자석(24)과, 에너지분산을 억제하는 가로수렴 4중극렌즈(26)와, 에너지분석슬릿(28)과, 스티어링(궤도보정)을 제공하는 스티어링 전자석(30)을 가진다. 에너지분석 전자석(24)은, 빔편향유닛(16)의 복수의 편향전자석 중 최상류측의 1개이다. 스티어링 전자석(30)은, 빔편향유닛(16)의 복수의 편향전자석 중 최하류측의 1개이다. 또한, 에너지분석 전자석(24)은, 에너지필터 전자석(EFM)이라고 불리는 경우도 있다. 고에너지 이온빔은, 빔편향유닛(16)에 의하여 방향 전환되어, 웨이퍼(40)의 방향을 향한다.
빔편향유닛(16)의 각 편향전자석을 통과 중인 이온에는, 원심력과 로렌츠력이 작용하고 있으며, 그것들이 균형을 이뤄, 원호형상의 궤적이 그려진다. 이 균형을 식으로 나타내면 mv=qBr이 된다. m은 이온의 질량, v는 속도, q는 이온가수, B는 편향전자석의 자속밀도, r은 궤적의 곡률반경이다. 이 궤적의 곡률반경 r이, 편향전자석의 자극 중심의 곡률반경과 일치한 이온만이, 편향전자석을 통과할 수 있다. 바꾸어 말하면, 이온의 가수가 동일한 경우, 일정한 자장 B가 걸려 있는 편향전자석을 통과할 수 있는 것은, 특정의 운동량 mv를 가진 이온뿐이다. EFM은, 에너지분석 전자석으로 불리고 있지만, 실제로는, 이온의 운동량을 분석하는 장치이다. BM이나, 이온생성유닛의 질량분석 전자석도, 모두 운동량 필터이다.
또한, 빔편향유닛(16)은, 복수의 자석을 이용함으로써, 이온빔을 180° 편향시킬 수 있다. 이로써, 빔라인이 U자 형상인 고에너지 이온주입장치를 간단한 구성으로 실현할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 빔편향유닛(16)은, 이온원에서 발생한 이온을 가속하여 웨이퍼까지 수송하여 주입하는 이온주입장치에 있어서, 고에너지 다단직선가속유닛(14)과 빔수송라인유닛(18)과의 사이에 있어서, 이온빔의 180°의 편향을 복수의 전자석으로 행하고 있다. 에너지분석 전자석(24) 및 스티어링 전자석(30)은, 각각 편향각도가 90도가 되도록 구성되어 있고, 그 결과, 합계 편향각도가 180도가 되도록 구성되어 있다. 또한, 1개의 자석으로 행하는 편향량은 90°에 한정되지 않고, 이하의 조합이어도 된다.
(1) 편향량이 90°인 자석이 1개＋편향량이 45°인 자석이 2개
(2) 편향량이 60°인 자석이 3개
(3) 편향량이 45°인 자석이 4개
(4) 편향량이 30°인 자석이 6개
(5) 편향량이 60°인 자석이 1개＋편향량이 120°인 자석이 1개
(6) 편향량이 30°인 자석이 1개＋편향량이 150°인 자석이 1개
에너지분석 전자석(24)에는 높은 자장 정밀도가 필요하므로, 정밀한 자장측정을 행하는 고정밀의 자장측정기(86)가, 장착되어 있다. 자장측정기(86)는, MRP(자기공명프로브)라고도 불리는 NMR(핵자기공명)프로브와 홀프로브를 적절히 조합한 것으로, MRP는 홀프로브의 교정에, 홀프로브는 자장이 일정한 피드백제어에 각각 사용된다. 또한, 에너지분석 전자석(24)은, 자장의 불균일성이 0.01% 미만이 되도록, 엄격한 정밀도로 제작되어 있다. 스티어링 전자석(30)에도 마찬가지로, 자장측정기(86)가 마련되어 있다. 또한 스티어링 전자석(30)의 자장측정기(86)에는, 홀프로브만 장착되어 있어도 된다. 또한, 에너지분석 전자석(24) 및 스티어링 전자석(30)의 각각에는, 전류설정정밀도와 전류안정도가 1×10-4 이내인 전원과 그 제어기기가 접속되어 있다.
빔수송라인유닛(18)은, 빔편향유닛(16)으로부터 나온 이온빔(B)을 수송하는 것이며, 수렴/발산렌즈군으로 구성되는 빔정형기(32)와, 빔주사기(34)와, 빔평행화기(36)와, 정전식의 최종 에너지필터(38)(최종 에너지분리슬릿을 포함함)를 가진다. 빔수송라인유닛(18)의 길이는, 이온빔생성유닛(12)과 고에너지 다단직선가속유닛(14)과의 길이에 맞춰 설계되어 있다. 빔수송라인유닛(18)은, 고에너지 다단직선가속유닛(14)과 빔편향유닛(16)에 의하여 연결되어, 전체적으로 U자 형상의 레이아웃을 형성한다.
도 2는, 빔수송라인유닛(18)의 일부의 개략 구성을 나타내는 평면도이다. 빔편향유닛(16)(도 1 참조)에 의하여 필요한 이온종만이 분리되고, 필요한 에너지값의 이온만이 된 빔은, 빔정형기(32)에 의하여 원하는 단면형상으로 정형된다. 도시되는 바와 같이, 빔정형기(32)는, Q(4중극)렌즈 등(전장식 혹은 자장식)의 수렴/발산렌즈군에 의하여 구성된다. 정형된 단면형상을 가지는 빔은, 빔주사기(34)에 의하여 도 2의 지면(紙面)에 평행한 방향으로 주사된다. 예를 들면, 가로수렴(세로발산)렌즈(QF)/가로발산(세로수렴)렌즈(QD)/가로수렴(세로발산)렌즈(QF)로 이루어지는 트리플렛 Q렌즈군으로서 구성된다. 빔정형기(32)는, 필요에 따라서, 가로수렴렌즈(QF), 가로발산렌즈(QD)를 각각 단독으로, 혹은 복수 조합하여 구성할 수 있다.
빔주사기(34)는, 주기적으로 변화하는 편향각도로 주사원점(S)에서 이온빔을 x방향으로 편향함으로써 이온빔을 주사하도록 구성되어 있다. 주사원점(S)은, 빔주사기(34)에 대한 입사빔궤도의 연장선(L1(37b))과 빔주사기(34)로부터의 출사빔궤도(37a, 37c)의 연장선과의 교점이다.
빔주사기(34)는, 주기 변동하는 전장에 의하여, 이온빔의 진행방향과 직교하는 수평방향으로 이온빔을 주기적으로 왕복 주사시키는 편향주사장치이다. 도 2에 나타나는 바와 같이, 빔주사기(34)는, 빔진행방향에 관하여, 이온빔의 통과역을 사이에 두도록 하여 대향 배치된 한 쌍(2매)의 주사전극(34a, 34b)(2극식 편향주사전극)을 구비하고, 0.5Hz~4000Hz의 범위의 일정한 주파수에서 정부(正負)로 변동하는 삼각파에 근사하는 주사전압이, 2매의 주사전극(34a, 34b)에 각각 역부호로 인가된다. 이 주사전압은, 2매의 주사전극(34a, 34b)의 갭 내에 있어서, 그 곳을 통과하는 빔을 편향시키는 변동하는 전장을 생성한다. 그리고, 주사전압의 주기적인 변동에 의하여, 갭을 통과하는 빔이 수평방향으로 주사된다.
빔주사기(34)의 하류측에는, 이온빔의 통과역에 개구를 가지는 서프레션전극(74)이 2개의 그라운드전극(78a, 78b)의 사이에 배치되어 있다. 상류측에는, 주사전극의 전방에 그라운드전극(76a)을 배치하고 있지만, 필요에 따라서 하류측과 동일한 구성의 서프레션전극을 배치할 수 있다. 서프레션전극은, 정전극에 대한 전자의 침입을 억제한다.
스캔하우징 내에 있어서, 빔주사기(34)의 하류측에는, 빔주사공간부(34c)가 긴 구간에 있어서 마련되어, 빔주사각도가 좁은 경우에도 충분한 주사폭이 얻어지도록 구성되어 있다. 빔주사공간부(34c)의 하류에 있는 스캔하우징의 후방에는, 편향된 이온빔을, 빔주사 편향 전의 이온빔의 방향이 되도록 조정하는, 즉, 연장선(L1)에 평행이 되도록 다시 펴는 빔평행화기(36)가 마련되어 있다.
빔평행화기(36)에서 발생하는 수차(빔평행화기의 중심부와 좌우 단부의 초점 거리의 차)는, 빔주사기(34)의 편향각의 2승에 비례하므로, 빔주사공간부(34c)를 길게 하여 편향각을 작게 하는 것은, 빔평행화기(36)의 수차를 억제하는 것에 크게 기여한다. 수차가 크면, 반도체웨이퍼에 이온빔을 주입할 때에, 웨이퍼의 중심부와 좌우 단부에서 빔사이즈와 빔발산각이 상이하기 때문에, 제품의 품질에 편차가 발생하는 경우가 있다.
또한, 이 빔주사공간부(34c)의 길이를 조정함으로써, 빔수송라인유닛의 길이를, 고에너지 다단직선가속유닛(14)의 길이에 맞출 수 있다.
빔평행화기(36)는, 빔주사기(34)로부터 입사되는 이온빔을 평행화하도록 구성되어 있으며, x방향(수평방향)을 따라 확산되는 빔통과영역을 빔평행화기(36)의 하류에 형성한다. 빔평행화기(36)는, 예를 들면, 정전식의 빔평행화기이다.
빔평행화기(36)에는, 전장식의 평행화렌즈(84)가 배치되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 평행화렌즈(84)는, 대략 쌍곡선 형상의 복수의 가속전극쌍과 감속전극쌍으로 구성되어 있다. 각 전극쌍은, 방전이 일어나지 않을 정도의 넓이의 가속·감속갭을 통하여 마주보고 있으며, 가속 감속갭에는, 이온빔의 가감속을 일으키는 축방향의 성분과, 기준축으로부터의 거리에 비례하여 강해지고, 이온빔에 가로방향의 수렴작용을 미치는 가로성분을 겸비하는 전계가 형성된다.
가속갭을 사이에 두는 전극쌍 중 하류측의 전극과, 감속갭의 상류측의 전극, 및 감속갭의 하류측의 전극과 다음의 가속갭의 상류측의 전극은, 동일 전위가 되도록, 각각 일체의 구조체를 형성하고 있다.
평행화렌즈(84)를 상류측에서 본 때의 최초의 전극인 입사전극(84a)과 최후의 전극인 출사전극(84g)은, 접지전위로 유지되어 있다. 이로써, 평행화렌즈(84)의 통과 전후에서, 빔의 에너지는 변화하지 않는다.
평행화렌즈(84)의 중간의 전극구조체에 있어서, 가속갭의 출구측 전극과 감속갭의 입구측 전극을 구성하는 제1 전극체세트(84b, 84d, 84f)에는, 가변식 정전압을 인가하기 위한 평행화렌즈용 부전원(91a)이 접속된다. 또한, 감속갭의 출구측 전극과 가속갭의 입구측 전극을 구성하는 제2 전극체세트(84c, 84e)에는, 가변식 정전압을 인가하기 위한 평행화렌즈용 정전원(91b)이 접속되어 있다. 이로써, 이온빔은 가속·감속을 반복하면서, 빔라인의 기준궤도와 평행한 방향으로 단계적으로 향해 간다. 그리고, 최종적으로 편향주사 전의 이온빔 진행방향(빔라인 궤도방향)에 평행한 궤도에 오른다.
도 2에 나타나는 바와 같이, 빔평행화기(36)는, 기준궤도(예를 들면, 도 2에 나타내는 연장선(L1)) 상에 초점(FO)을 가진다. 빔평행화기(36)에 입사하는 복수의 빔궤도(37a, 37b, 37c)는 각각 기준궤도에 대하여 상이한 각도를 가진다. 빔평행화기(36)는, 복수의 빔궤도(37a, 37b, 37c)의 각각을 입사각도에 따라 상이한 편향각도로 편향하고, 이로써 복수의 빔궤도(37a, 37b, 37c)가 기준궤도와 평행화되도록, 설계되어 있다. 빔평행화기(36)는, 주어진 이온주입조건(예를 들면 목표 빔에너지를 포함함)에 따라 미리 정해진 전기적 입력(예를 들면 전압)을 받아 작동한다.
복수의 빔궤도(37a, 37b, 37c)는, 기준궤도를 포함하는 일 평면 상에 있으며, 이 평면에 있어서 초점(FO)으로부터 빔평행화기(36)로 각각 상이한 입사각도로 방향지어져 있다. 본 실시형태에 있어서는 복수의 빔궤도(37a, 37b, 37c)는 빔주사기(34)에 의한 주사의 결과이기 때문에, 이 평면은, 빔주사기(34)의 주사면(xz면)에 상당한다. 이들 빔궤도 중 어느 것(도 2에 있어서는 빔궤도(37b))이 기준궤도에 일치하고 있어도 된다. 도 2에 나타내는 실시형태에 있어서는 기준궤도는 빔평행화기(36)에 있어서 편향되지 않고 빔평행화기(36)를 직진한다.
본 실시형태에 관한 이온주입장치(100)는, 빔평행화기(36)의 초점(FO)이 빔주사기(34)의 주사원점(S)에 일치하도록 구성되어 있다. 따라서, 주사원점(S)에 있어서 빔주사기(34)에 의하여 주사된 빔은, 전장 평행화렌즈 등을 포함하는 빔평행화기(36)에 의하여 수렴되어, 주사 전의 이온빔 진행방향(빔라인 궤도방향)에 평행한 편향각 0도의 축(기준축)에 대하여 평행이 된다. 이 때, 주사영역은, 기준축에 관하여 좌우 대칭이 된다.
이와 같이 하여, 빔수송라인유닛(18)은, 고에너지의 이온빔의 빔주사 및 빔평행화를 행한다. 평행화된 이온빔은, 최종 에너지필터(38)를 통하여 기판처리공급유닛(20)에 공급된다. 평행화된 이온빔은, 메커니컬하게 주사이동 중인 웨이퍼(40)에 고정밀도로 조사되어, 웨이퍼(40)에 이온이 주입된다.
도 3은, 도 1에 나타내는 최종 에너지필터(38)의 개략 구성을 나타내는 측면도이다. 빔평행화기(36)로부터 나온 이온빔은, 각도에너지필터(AEF: Angular Energy Filter)인 최종 에너지필터(38)로 보내진다. 최종 에너지필터(38)에서는, 웨이퍼에 주입하기 직전의 이온빔의 에너지에 관한 최종적인 분석이 행해지고, 필요한 에너지값의 이온종만이 선택됨과 함께, 중성화된 가수가 없는 중성입자나 이온가수가 상이한 이온의 제거가 행해진다. 최종 에너지필터(38)는, 빔라인 궤도방향의 상하방향으로 대향하는 적어도 한 쌍의 평면 혹은 곡면으로 이루어지는 판형상의 편향전극인 AEF전극(94)에 의하여 구성된다. AEF전극(94)은, 빔라인 궤도방향의 상하방향에 있어서 최종 에너지필터(38) 자신의 편향작용에 의하여 하방으로 굽어져 가는 이온빔궤도에 맞춰 굴곡되어 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 전계편향용 전극은, 적어도 한 쌍의 AEF전극(94)으로 구성되고, 이온빔을 상하방향에서 사이에 두도록 배치되어 있다. 적어도 한 쌍의 AEF전극(94) 중, 상측의 AEF전극(94a)에는 정전압을 인가하기 위한 AEF전극용 정전원(92a)이 접속되고, 하측의 AEF전극(94b)에는 부전압을 인가하기 위한 AEF전극용 부전원(92b)이 접속되어 있다. 전계에 의한 편향 시에는, 적어도 한 쌍의 AEF전극(94) 사이에서 발생하는 전계의 작용에 의하여, 이온빔을 하방으로 약 10~20도의 각도(θ)로 편향시켜, 목적에너지의 이온빔만이 선택되게 된다. 또한, 최종 에너지필터(38)에 있어서는 선택된 가수의 이온빔만이 설정한 궤도각도(θ)로 하방으로 편향된다. 이와 같이 하여 선택된 이온종에 의하여 구성되는 이온빔이 정확한 각도로 균일하게 피조사물인 웨이퍼(40)에 조사된다.
실제로 고에너지빔을 편향하는 경우, 상하방향으로 대향하는 적어도 한 쌍의 판형상의 AEF전극(94)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 이온빔궤도에 맞춰 굴곡 시킬 때에, 편향각과 곡률반경에 맞춰, 전후로 n분할(n은 2 이상의 정수)하여, 각각의 상부전극 및 하부전극이 각각 동일한 전위로 유지된 판형상의 전극으로 한 편이, 제작 정밀도나 경제성의 점에서 우수하다. 예를 들면, AEF전극(94)은, 도시되는 바와 같이 3분할된다. 또한, 전후로 n분할된 판형상의 편향전극은, 상부전극 및 하부전극을 각각 동일한 전위로 유지하는 구성 이외에, n분할의 상하로 쌍을 이루는 판형상전극으로 하여, 각각 다른 전위 설정으로 하는 것도 가능하다.
이와 같은 구조를 취함으로써, 전장식의 에너지필터를 고에너지의 스캔빔수송라인에 탑재하는 것이 가능하게 되어 있다. 전장에 의하여, 빔스캔면과 직교하는 방향으로 빔을 편향시키기 때문에, 빔스캔방향의 주입이온 밀도분포(균일성)에 영향을 주지 않고, 에너지분석을 행할 수 있도록 되어 있다.
또한, 최종 에너지필터(38)의 탑재에 의하여, 본 빔라인에는, 고에너지 다단직선가속유닛(14)의 고주파 선형가속장치, 빔편향유닛(16)의 에너지분석 전자석(24) 및 스티어링 전자석(30)과 함께, 3종류의 빔필터가 탑재되게 된다. 상기 서술한 바와 같이, 고에너지 다단직선가속유닛(14)은 속도(v)필터이고, 빔편향유닛(16)은 운동량(mv)필터이며, 최종 에너지필터(38)는 그 이름대로 에너지(mv2/2)필터이다. 이와 같이, 방식이 상이한 3중의 필터를 통과시킴으로써, 종래에 비하여 에너지 순도가 높을 뿐만 아니라, 파티클이나 메탈 컨테미네이션도 적은 매우 순수한 이온빔을 웨이퍼에 공급할 수 있도록 되어 있다.
또한, 기능적으로는, 에너지분석 전자석(24)은 고분해능으로, 고에너지 다단직선가속유닛(14)을 빠져나간 에너지 컨테미네이션의 제거나 에너지폭의 제한을 행해도 된다. 또한, 최종 에너지필터(38)는 비교적 저분해능으로, 에너지분석 전자석(24)에 의한 에너지분석 후의 빔수송라인유닛에서, 주로 레지스트아웃가스에 의하여 가수가 변화한 이온을 제거하는 역할을 담당해도 된다.
최종 에너지필터(38)는, AEF전극(94)의 상류측에 마련되는 그라운드전극(96)과, 하류측에 마련되는 서프레션전극장치(98)를 구비한다. 서프레션전극장치(98)는, 2매의 그라운드전극의 사이에 1매의 서프레션전극이 마련되는 구성을 가지고, 정전압이 인가되는 상측 AEF전극(94a)에 대한 전자의 침입을 억제한다.
도 1에 나타나는 바와 같이, 빔수송라인유닛(18)의 하류측의 종단에는, 기판처리공급유닛(20)이 마련되어 있고, 주입처리실 안에, 이온빔(B)의 빔전류, 위치, 주입각도, 수렴발산각, 상하좌우방향의 이온분포 등을 계측하는 빔모니터(102), 이온빔(B)에 의한 웨이퍼(40)의 대전을 방지하는 대전방지장치, 웨이퍼(40)를 반입 반출하고 적정한 위치·각도에 설치하는 웨이퍼반송기구, 이온주입 중 웨이퍼(40)를 유지하는 ESC(Electro Static Chuck), 주입 중 빔전류의 변동에 따른 속도로 웨이퍼(40)를 빔주사방향과 직각방향으로 작동시키는 웨이퍼스캔기구가 수납되어 있다. 기판처리공급유닛(20)은, 웨이퍼(40)의 메커니컬스캔을 제공하도록 구성되어 있다.
빔모니터(102)는, 피처리물에 대한 이온빔(B)의 x방향 주입각도를 측정하도록 구성되어 있다. 빔모니터(102)는, 예를 들면 0.1° 이하의 측정오차로 빔각도를 측정하는 고정밀도의 각도모니터이다. 또한, 빔모니터(102)는, 피처리물에 대한 이온빔(B)의 x방향 주입위치를 측정하도록 구성되어 있다. 따라서, 빔모니터(102)는 이온빔의 위치모니터이기도 하다. 빔모니터(102)는, 피처리물의 위치 또는 그 근방의 측정위치에서 이온빔(B)을 사전에 측정하고, 주입처리 중에는 측정위치로부터 대피하여 측정을 정지하거나 또는 측정위치의 근방에서 빔을 모니터한다.
빔모니터(102)는, 이미 알려진 위치를 가지는 슬릿과, 슬릿의 하류에 배치된 빔검출기를 구비해도 된다. 빔검출기는 예를 들면, 1차원 또는 2차원으로 배열된 빔검출소자를 가진다. 빔검출기에 의하여 검출된 빔수광점과 슬릿과의 상대위치로부터 이온빔(B)의 진행방향을 취득할 수 있다. 빔모니터(102)는, 기준궤도에 수직인 면 내에서(예를 들면 빔주사방향으로) 이동 가능해도 되고, 당해 면 내의 임의의 위치에서 빔각도를 측정해도 된다.
다만, 빔모니터(102)는, 빔평행화기(36)와 피처리물과의 사이에 배치되어, 피처리물의 상류에서 이온빔(B)을 측정해도 된다. 혹은, 빔모니터(102)는, 피처리물의 배후에 배치되어, 피처리물의 하류에서 이온빔(B)을 측정해도 된다.
또한, 이온주입장치(100)는, 이온주입장치(100)의 전체 또는 그 일부(예를 들면 빔라인부의 전체 또는 그 일부)를 제어하기 위한 제어장치(104)를 구비한다. 제어장치(104)는, 빔모니터(102)의 측정결과에 기초하여 스티어링 전자석(30)에 있어서의 편향자장을 보정하거나, 빔주사기(34)에 있어서의 주사전압을 제어하거나 하도록 구성되어 있다.
또한, 제어장치(104)는, 빔수송라인유닛(18)에 마련되는 전극장치에 가변식 정전압을 인가하기 위한 고전압전원의 동작을 제어한다. 여기에서, 빔수송라인유닛(18)에 마련되는 전극장치는, 빔평행화기(36)에 있어서의 평행화렌즈(84)나, 최종 에너지필터(38)에 있어서의 AEF전극(94) 등이다. 또한, 이들 전극장치에 정전압을 인가하는 고전압전원은, 빔평행화기(36)에 있어서의 평행화렌즈용 전원(91a, 91b)이나, 최종 에너지필터(38)에 있어서의 AEF전극용 전원(92a, 92b) 등이다. 본 실시예에서는, 이들 전극장치에 인가되는 전압을 높은 정밀도로 제어함으로써, 웨이퍼(40)에 입사하는 이온빔의 평행도나 입사각도의 정밀도를 높여, 이온주입처리의 품질을 높인다.
도 4는, 제어장치(104)의 기능구성을 나타내는 블록도이다. 제어장치(104)는, 전극장치(80)에 정전압(HVO)을 인가하기 위한 고전압전원(90)과, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 계측하기 위한 측정장치(120)에 접속되어 있다. 제어장치(104)는, 측정장치(120)에 의하여 계측되는 실전압(HVR)이 목표전압 또는 목표전압에 가까운 전압이 되도록, 고전압전원(90)의 출력전압을 제어하는 지령신호를 송신한다.
본 명세서의 블록도에 있어서 나타나는 각 블록은, 하드웨어적으로는, 컴퓨터의 CPU를 비롯한 소자나 기계장치로 실현할 수 있으며, 소프트웨어적으로는 컴퓨터 프로그램 등에 의하여 실현되지만, 여기에서는, 그들의 연계에 의하여 실현되는 기능블록을 그리고 있다. 따라서, 이들 기능블록은 하드웨어, 소프트웨어의 조합에 의하여 다양한 양태로 실현될 수 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다.
전극장치(80)는, 고전압전원(90)으로부터의 출력전압(HVO)이 인가되는 전극체를 구비하는 장치이며, 예를 들면, 상기 서술한 평행화렌즈(84)를 포함하는 평행화렌즈 전극장치나, 상기 서술한 AEF전극(94)을 포함하는 각도에너지필터 전극장치 등이다. 전극장치(80)는, 상기 서술한 이온원(10)으로부터 이온을 인출하기 위한 인출전극(11)이어도 되고, 이온주입장치(100)에 마련되는 정전식의 전극구조를 가지는 장치이면, 어떠한 장치여도 된다. 전극장치(80)는, 예를 들면, 빔주사기(34)에 마련되는 서프레션전극(74)이나, 최종 에너지필터(38)에 마련되는 서프레션전극장치(98)여도 된다.
고전압전원(90)은, 제어장치(104)로부터 지령되는 지령신호의 전압값(VC)(이하, 지령전압(VC)이라고도 함)에 따른 출력전압(HVO)을 출력하는 가변식 정전압전원이다. 고전압전원(90)은, 제어장치(104)로부터의 지령신호를 수신하기 위한 제어단자와, 원하는 고전압을 출력하는 고전압 출력단자를 가진다. 고전압전원(90)의 제어단자는, 제어장치(104)에 접속되고, 고전압전원(90)의 고전압 출력단자는, 전극장치(80)의 전극체에 접속된다.
도 5는, 지령전압(VC)과 출력전압(HVO)의 관계를 모식적으로 나타내는 그래프이다. 고전압전원(90)은, 그래프에 나타나는 관계에 따라, 제어장치(104)로부터 지령되는 지령전압(VC)에 대응하는 값의 고전압(HVO)을 출력한다. 도 5에서는, 예시로서, 지령전압(VC) 및 출력전압(HVO)이 비례관계(HVO=αVC, α는 비례계수)에 있으며, 고전압전원(90)의 출력 가능한 최대전압이 60kV인 경우를 나타내고 있다. 또한, 10V의 지령전압(VC)에 대하여 60kV의 출력전압(HVO)이 얻어지는 경우를 나타내고 있으며, 비례계수(α)=6000이 된다. 예를 들면, 지령전압(VC)=5V로 하면, 출력전압(HVO)=30kV가 얻어진다. 또한, 고전압전원(90)에 있어서의 출력전압(HVO)과 지령전압(VC)의 관계는, 반드시 비례할 필요는 없고, 임의의 함수 f에 의하여 HVO=f(VC)으로 나타나는 관계를 가져도 된다.
도 4로 되돌아가, 측정장치(120)에 대하여 설명한다. 측정장치(120)는, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 측정하기 위한 계측기이다. 측정장치(120)는, 고전압인 실전압(HVR)을 측정하기 위한 분압기를 가지고, 분압된 측정전압(VD)을 제어장치(104)에 출력한다.
도 6은, 측정장치(120)가 가지는 분압기(125)의 구성을 모식적으로 나타내는 도이다. 분압기(125)는, 제1 저항(121a-c)과, 제2 저항(122a-c)과, 제3 저항(123)과, 제4 저항(124)과, 측정단자(126)와, 분압단자(127)와, 기준단자(128)를 가진다.
측정단자(126)와 분압단자(127)의 사이에는, 복수의 저항체로서, 하나 이상의 제1 저항(121a-c) 및 하나 이상의 제2 저항(122a-c)이 직렬접속된다. 제1 저항(121a-c)은, 저항의 온도계수가 정(＋)인 정온도계수 저항기로 구성되고, 제2 저항(122a-c)은, 저항의 온도계수가 부(-)인 부온도계수 저항기로 구성된다. 정온도계수 저항기와 부온도계수 저항기를 조합함으로써, 측정단자(126)와 분압단자(127)의 사이의 합계의 저항값인 제1 저항값(R1)이 온도에 따라 변화하여 버리는 영향을 저감시킬 수 있다. 또한, 저항값 변화의 영향을 작게 하려면, 정온도계수인 제1 저항(121a-c)과 부온도계수인 제2 저항(122a-c)의 각각의 수가 동일한 수인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 정온도계수인 제1 저항(121a-c)에 의한 저항의 합계값과, 부온도계수인 제2 저항(122a-c)에 의한 저항의 합계값이 동일한 것이 요망된다.
분압단자(127)와 기준단자(128)의 사이에는, 복수의 저항체로서, 하나 이상의 제3 저항(123)과 하나 이상의 제4 저항(124)이 직렬 접속된다. 제3 저항(123)은, 정온도계수 저항기로 구성되고, 제4 저항(124)은, 부온도계수 저항기로 구성된다. 상기 서술한 제1 저항값(R1)과 마찬가지로, 정온도계수 저항기와 부온도계수 저항기를 조합함으로써, 분압단자(127)와 기준단자(128)의 사이의 합계의 저항값인 제2 저항값(R2)이 온도에 의하여 변화되는 영향을 저감시킬 수 있다. 또한, 저항값 변화의 영향을 작게 하려면, 정온도계수인 제3 저항(123)과 부온도계수인 제4 저항(124)의 각각의 수가 동일한 수인 것이 바람직하고, 제3 저항(123)에 의한 저항의 합계값과, 제4 저항(124)에 의한 저항의 합계값이 동일한 것이 보다 바람직하다.
측정단자(126)는, 전극장치(80)의 전극체에 접속되어, 전극장치(80)에 가해지는 실전압(HVR)이 인가된다. 기준단자(128)는, 기준전압이 인가되는 단자이며, 예를 들면, 그라운드전위가 인가되는 그라운드단자이다. 분압단자(127)는, 분압된 측정전압(VD)을 취출 가능한 단자이며, 제어장치(104)에 접속된다. 측정전압(VD)의 전압값은, 분압기(125)의 제1 저항값(R1) 및 제2 저항값(R2)에 의하여 정해지며, VD=HVR×R2/(R1＋R2)로 나타난다. 예를 들면, 500MΩ의 저항값을 가지는 제1 저항 및 제2 저항을 3개씩 이용함과 함께, 150kΩ의 저항값을 가지는 제3 저항 및 제4 저항을 1개씩 이용하는 경우, R1=3000MΩ, R2=300kΩ이 되고, 분압비는 약 1:10000이 된다. 따라서, 분압단자(127)에 출력되는 측정전압(VD)과 분압비를 이용함으로써, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 얻을 수 있다. 또한, 분압비를 결정하는 복수의 저항체로서, 정온도계수 저항기와 부온도계수 저항기를 조합함으로써, 저항체의 온도에 따른 분압비의 변화를 저감시켜, 실전압(HVR)의 값을 높은 정밀도로 도출할 수 있다.
분압기(125)는, 복수의 저항체를 격납하기 위한 케이싱(130)과, 냉각기구(132)를 가진다. 냉각기구(132)는, 케이싱(130)의 내부에 마련되는 저항체를 냉각하기 위한 것이며, 예를 들면, 통기구(133)와, 냉각팬(134)에 의하여 구성된다. 냉각기구(132)는, 냉각팬(134)을 구동시켜 통기구(133)로부터 공기를 취입하고, 케이싱(130)의 내부에 공기의 흐름(예를 들면, W방향)을 만듦으로써, 저항체를 공랭한다. 이로써, 고전압이 인가되는 것에 의한 저항체의 온도상승을 억제하고, 분압비의 온도변화를 저감시켜, 높은 정밀도로 실전압(HVR)의 값이 얻어지도록 한다. 또한, 냉각기구(132)는, 공랭식인 것에 한정되지 않고, 수랭식의 것을 이용해도 된다. 또한, 저항체에 히트싱크나 펠티에소자 등을 장착하여 냉각효율을 높이는 것으로 해도 된다.
또한, 도 4에서는, 예시적으로 전극장치(80)를 1개만 나타내고 있지만, 전극장치(80)는 복수 마련되어도 되고, 복수의 전극장치(80)의 각각에 상이한 직류고전압을 인가하기 위하여, 고전압전원(90)이 복수 마련되어 있어도 된다. 또한, 각각의 전극장치(80)에 인가되는 실전압을 측정 가능하게 되도록, 측정장치(120)도 복수 마련되어 있어도 된다. 예를 들면, 평행화렌즈용 부전원(91a), 평행화렌즈용 정전원(91b), AEF전극용 정전원(92a), AEF전극용 부전원(92b)의 각각에 대응하는 4대의 고전압전원(90)이 마련되어도 된다. 또한, 고전압전원(90)은, 복수의 고전압 출력단자를 가지고, 각각이 독립적인 고전압을 출력 가능하게 되도록 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 1대의 고전압전원(90)이 복수의 전극장치의 각각에 원하는 고전압을 공급하는 역할을 가져도 된다. 또한, 측정장치(120)는, 분압기를 가지지 않는 구성이어도 되고, 실전압(HVR)을 측정함과 함께, 실전압(HVR)을 나타내는 측정값을 제어장치(104)에 출력 가능한 다른 구성을 가져도 된다.
계속해서, 제어장치(104)의 기능구성에 대하여 설명한다. 제어장치(104)는, 관리부(106)와, 제1 생성부(110)와, 제2 생성부(112)와, 지령부(114)를 포함한다. 제1 생성부(110)는, 관리부(106)로부터의 제1 지령값(SA)에 기초하여 제1 지령신호를 생성하고, 제2 생성부(112)는, 관리부(106)로부터의 제2 지령값(SB)에 기초하여 제2 지령신호를 생성한다. 지령부(114)는, 제1 지령신호와 제2 지령신호를 합성하여 얻어지는 합성지령신호를 생성하여, 생성한 합성지령신호를 고전압전원(90)으로 송신한다.
제1 생성부(110) 및 제2 생성부(112)의 각각은, 관리부(106)로부터 수신되는 디지털 지령값(SA, SB)을 아날로그 지령전압(VA, VB)을 가지는 지령신호로 변환하는 D/A(Digital to Analog)컨버터를 포함한다. 제1 생성부(110)에 포함되는 제1 D/A컨버터는, 제1 지령값(SA)에 기초하여 제1 지령전압(VA)의 제1 지령신호를 생성하고, 제2 생성부(112)에 포함되는 제2 D/A컨버터는, 제2 지령값(SB)에 기초하여 제2 지령전압(VB)의 제2 지령신호를 생성한다.
제1 D/A컨버터 및 제2 D/A컨버터는, 각각 출력 가능한 전압범위가 상이하며, 제2 D/A컨버터보다 제1 D/A컨버터가 출력 가능한 전압범위가 넓어지도록 설정된다. 예를 들면, 제1 D/A컨버터는, 제1 지령전압(VA)이 0V~10V의 범위 내가 되는 제1 지령신호를 출력하고, 제2 D/A컨버터는, 제2 지령전압(VB)이 -0.05V~0.05V의 범위 내가 되는 제2 지령신호를 출력한다. 따라서, 제1 지령전압(VA)의 변경에 의하여 조정 가능한 출력전압(HVO)의 변화폭은 0~60kV가 되고, 제2 지령전압(VB)의 변경에 의하여 조정 가능한 출력전압(HVO)의 변화폭은 -300V~＋300V가 된다. 즉, 제1 지령전압(VA)의 변경에 의하여 조정 가능한 범위보다, 제2 지령전압(VB)의 변경에 의하여 조정 가능한 범위가 작게 설정된다.
제1 D/A컨버터 및 제2 D/A컨버터는, 고전압전원(90)으로 송신하는 지령전압을 미세조정 가능하도록, 분해능이 높은 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 제1 D/A컨버터 및 제2 D/A컨버터로서, 16비트의 D/A컨버터를 이용한다. 16비트의 D/A컨버터를 이용하면, 지령값을 2바이트의 정보량으로 취급할 수 있기 때문에, 제어장치(104)에 있어서 취급하기 쉽다. 16비트의 경우, 제1 D/A컨버터에 있어서, 제1 지령값의 단위량(1비트) 변화에 대응하는 제1 지령전압(VA)의 변화(이하, 제1 단위지령전압(ΔVA)이라고도 함)는, ΔVA=10V/216=1.53×10-4V이다. 한편, 제2 D/A컨버터의 입력에 있어서, 제2 지령값의 단위량 변화에 대응하는 제2 지령전압(VB)의 변화(이하, 제2 단위지령전압(ΔVB)이라고도 함)는, ΔVB=0.1V/216=1.53×10-6V이다. 또한, D/A컨버터의 분해능은 16비트에 한정되지 않고, 16비트보다 높은 분해능의 것을 이용해도 되며, 낮은 분해능의 것을 이용해도 된다.
지령부(114)는, 제1 생성부(110)가 생성하는 제1 지령신호와 제2 생성부(112)가 생성하는 제2 지령신호를 합성하여 합성지령신호를 생성한다. 지령부(114)는, 제1 D/A컨버터의 출력에 접속되는 제1 입력단자와, 제2 D/A컨버터의 출력에 접속되는 제2 입력단자와, 출력단자를 가지는 가산기를 포함한다. 가산기는, 제1 지령신호의 제1 지령전압(VA)과 제2 지령신호의 제2 지령전압(VB)을 가산하여, 합성지령전압(VC)=VA＋VB인 합성지령신호를 생성한다. 지령부(114)는, 가산기에 의하여 얻어지는 합성지령신호를 고전압전원(90)에 출력한다.
도 7은, 단위지령전압과 스텝전압의 관계를 모식적으로 나타내는 그래프이며, 도 5에 나타내는 영역(A)의 확대도이다. 도 7에서는, 합성지령전압(VC)과 출력전압(HVO)의 대응관계를 나타내고 있으며, 제1 단위지령전압(ΔVA)에 대응하는 출력전압(HVO)의 변화량인 제1 스텝전압(ΔHVA)과, 제2 단위지령전압(ΔVB)에 대응하는 출력전압의 변화량인 제2 스텝전압(ΔHVB)을 모식적으로 나타내고 있다. 예를 들면, 10V의 지령전압(VC)에 대하여 60kV의 출력전압(HVO)이 얻어지는 고전압전원(90)의 경우, ΔVA=1.53×10-4V에 대응하는 제1 스텝전압(ΔHVA)은 약 0.92V가 되고, ΔVB=1.53×10-6V에 대응하는 제2 스텝전압(ΔHVB)은, 약 0.0092V가 된다.
이와 같이 하여, 본 실시예에서는, 제1 지령신호의 변화에 대응하는 제1 스텝전압(ΔHVA)보다, 제2 지령신호의 변화에 대응하는 제2 스텝전압(ΔHVB)을 작게 하고 있으며, 그 비율은, ΔHVB/ΔHVA=1/100이다. 스텝전압의 크기에 차를 마련함으로써, 제1 지령신호에 의하여 출력전압을 대략적으로 제어함과 함께, 제2 지령신호에 의하여 출력전압을 미세조정할 수 있다. 또한, 스텝전압의 비율은 1/100에 한정되지 않고, 예를 들면, ΔHVB/ΔHVA=1/10~1/1000 정도가 되도록 제어장치(104)를 구성해도 된다.
관리부(106)는, 전극장치(80)에 인가해야 할 목표전압(HVT)을 설정하고, 고전압전원(90)에 목표전압(HVT)을 출력시키기 위한 제1 지령값(SA)을 제1 생성부(110)로 송신한다. 제1 지령값(SA)은, 예를 들면, 16비트의 D/A컨버터에 대응하여 16비트의 지령값을 포함한다. 관리부(106)는, 빔모니터(102)에 의하여 계측되는 값이나, 접수부(도시하지 않음)를 통하여 유저로부터 받아들이는 입력값에 기초하여 목표전압(HVT)을 설정한다.
관리부(106)는, 측정장치(120)로부터 측정전압(VD)을 취득하여 전극장치(80)에 인가되고 있는 실전압(HVR)을 산출한다. 관리부(106)는, 실전압(HVR)의 계측 정밀도를 높이기 위하여, 소정의 계측기간에 걸쳐서 계측되는 측정전압(VD)을 이용하여 평균치를 산출하거나, 측정전압(VD)에 대하여 통계처리를 실시하거나 함으로써, 산출되는 실전압(HVR)의 정밀도를 높여도 된다. 또한, 관리부(106)는, 측정전압(VD)을 디지털값으로 변환하는 A/D(Analog to Digital)컨버터를 포함하며, A/D컨버터에 의하여 얻어지는 디지털값을 이용하여 실전압(HVR)의 값을 산출해도 된다.
관리부(106)는, 실전압(HVR)과 목표전압(HVT)을 비교하여 목표보정전압(ΔHV)=HVT-HVR을 구한다. 관리부(106)는, 실전압(HVR)이 목표전압(HVT) 또는 목표전압(HVT)에 가까운 전압이 되도록, 목표보정전압(ΔHV)을 보완하기 위한 제2 지령값(SB)을 지령부(114)로 송신한다. 목표보정전압(ΔHV)의 산출은, 소정의 갱신기간마다 이루어지며, 그 갱신기간이 경과할 때마다 목표보정전압(ΔHV)을 보완하기 위한 제2 지령값(SB)이 지령부(114)로 송신된다. 제2 지령값(SB)은, 제1 지령값(SA)과 마찬가지로, 예를 들면, 16비트의 D/A컨버터에 대응하여 16비트의 지령값을 포함한다.
계속해서, 제2 지령신호를 이용한 보완처리의 필요성에 대하여 설명한다. 도 4에 나타내는 전원제어시스템을 이용하는 경우, 목표전압(HVT)에 대응한 지령전압(VC)의 지령신호를 제어장치(104)로부터 고전압전원(90)으로 송신하면, 목표전압(HVT)이 그대로 전극장치(80)에 인가될 것이다. 예를 들면, 목표전압(HVT)=30kV이면, 지령전압(VC)=5V로 해도 되고, 제1 지령전압(VA)=5V, 제2 지령전압(VB)=0V로 해도 된다. 그러나, 도 5에 나타나는 지령전압(VC)과 출력전압(HVO)의 관계는, 특정의 조건하에서 성립하는 것이며, 고전압전원(90)이 놓여진 환경에 따라서는, 도 5에 나타내는 관계에 따른 전압이 전극장치(80)에 인가되지 않을 수도 있다. 예를 들면, 고전압전원(90)의 출력이 온도 의존성을 가지는 경우, 통전에 의하여 고전압전원(90)의 온도가 상승하면, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)이 변화될 수 있다. 또한, 고전압전원(90)의 고전압 출력단자에는 전극장치(80)나 측정장치(120)가 접속되기 때문에, 제어시스템 전체적으로 임피던스가 영향을 미쳐, 고전압전원(90)의 출력전압(HVO)과 전극장치(80)에 실제로 인가되는 실전압(HVR)이 일치하지 않을 수도 있다. 그렇게 되면, 전극장치(80)가 이온빔에 대하여 부여하는 정전적인 작용량이 변화되어, 이온빔의 품질이 저하될 수도 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 이와 같은 지령신호의 변경에 기인하지 않는 인가전압의 차이를 보완하기 위하여 제2 지령신호를 이용한다.
도 8은, 목표전압(HVT)과 실전압(HVR1)에 차이가 발생하는 양태를 나타내는 그래프이다. 본 도면은, 도 5에 나타내는 비례계수(α)를 이용하여 HVT=αVA의 관계를 충족하는 제1 지령전압(VA)이 고전압전원(90)으로 송신되고 있음에도 불구하고, 측정장치(120)에 의하여 측정되는 실전압(HVR1)이 목표전압(HVT)과 상이한 상태를 나타내고 있다. 만일, 소정 조건하에 있어서의 실전압(HVR)과 지령전압(VC)의 관계성을 HVR=βVC로 나타낼 수 있었다고 하면, 여기에서 정의하는 비례계수(β)는, 출력전압(HVO)과의 비례계수(α)와 상이할 수도 있다. 이로 인하여, 목표전압(HVT)을 출력시키기 위한 제1 지령전압(VA)을 송신했다고 해도, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR1)이 목표전압(HVT)과 상이하여, 차분전압(ΔHV1)이 발생할 수도 있다.
도 9는, 목표전압(HVT)과 실전압(HVR1)의 차이를 보정하는 양태를 나타내는 그래프이며, 목표보정전압(ΔHV1)을 보완하기 위한 보정지령전압(ΔVC1)을 나타내고 있다. 보정지령전압(ΔVC1)은, 출력전압(HVO)을 목표보정전압(ΔHV1)만큼 변화시키는데 필요한 전압값에 상당하며, ΔHV1=αΔVC1의 관계를 충족한다. 본 실시예에서는, 보정지령전압(ΔVC1)과 동일한 제2 지령전압(VB1)을 가지는 제2 지령신호를 이용함으로써, 목표보정전압(ΔHV1)의 차이를 보정한다. 한편, 제1 지령전압(VA)은, 목표전압(HVT)에 대응하는 값인 채로 한다. 따라서, 본 보정에 의하여, 고전압전원(90)으로 송신되는 합성지령전압(VC1)은, VC1=VA-VB1(=VA-ΔVC1)이 된다. 이와 같이, 제2 지령신호에 의하여 보완된 합성지령신호를 송신함으로써, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 목표전압(HVT)에 근접시킬 수 있다.
도 10은, 목표전압(HVT)과 실전압(HVR2)의 차이를 보정하는 양태를 나타내는 그래프이며, 도 9에 나타내는 합성지령전압(VC1)을 이용함으로써 발생한 제2 목표보정전압(ΔHV2)을 보정하는 양태를 나타낸다. 예를 들면, 소정 조건하에 있어서, 실전압(HVR)과 지령전압(VC)과의 관계가 HVR=βVC라고 하면, 도 9에 나타내는 상태에 있어서 비례계수(α)에 의한 ΔHV1=αΔVC1의 관계를 이용하여 보정을 해도, 제2 차분전압(ΔHV2)이 남아 버릴 우려가 있다. 따라서, 제2 차분전압(ΔHV2)의 차이를 보정하기 위하여, ΔHV2=αΔVC2의 관계를 이용하여 또 다른 보정을 행한다. 또한, 제2 지령전압(VB1)에는, 이미 제1 목표보정전압(ΔHV1)을 보정하기 위한 제1 보정전압(ΔVC1)이 포함되어 있기 때문에, 본 보정이 이루어진 후의 제2 지령전압(VB2)을, VB2=ΔVC1-ΔVC2로 한다. 한편, 제1 지령전압(VA)은, 목표전압(HVT)에 대응하는 값인 채로 한다. 따라서, 고전압전원(90)으로 송신되는 합성지령전압(VC2)은, VC2=VA-VB2(=VA-(ΔVC1-ΔVC2))가 된다. 이와 같이 하여 제2 지령전압(VB2)을 갱신함으로써, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 목표전압(HVT)에 보다 근접시킬 수 있다.
관리부(106)는, 실전압(HVR)을 목표전압(HVT)에 근접시켜 일치시키기 위하여, 제2 생성부(112)로 송신되는 제2 지령값(SB)의 값을 정기적으로 갱신한다. 갱신의 타이밍은, 예를 들면, 20초 간격이다. 관리부(106)는, 갱신기간인 20초 동안, 200밀리초마다 측정전압(VD)을 취득하고, 합계 100회 취득한 측정전압(VD)에 기초하여, 그 갱신기간에서의 기준이 되는 실전압(HVR)을 산출하여 목표보정전압(ΔHV)을 구한다. 관리부(106)는, 또한, 목표보정전압(ΔHV)을 보완하기 위한 보정지령전압(ΔVC)을 산출하고, 전회 갱신 시의 제2 지령전압(VB1)의 값에 보정지령전압(ΔVC)을 가미한 새로운 제2 지령전압(VB2)을 구한다. 그리고, 새로운 제2 지령전압(VB2)의 값을 나타내게 되는 제2 지령값(SB)을 생성하여, 제2 생성부(112)로 송신한다.
또한 관리부(106)는, 1회의 갱신에 있어서 변동시키는 출력전압의 변동폭에 상한을 마련해도 된다. 관리부(106)는, 실전압(HVR)이 목표전압(HVT)에 가까워질 때까지, 제2 지령신호의 갱신에 의한 출력전압의 전압변동이 제1 임계값전압 이내가 되도록 제2 지령신호의 갱신을 제한하는 "출력전압 보정모드"를 제공해도 된다. 여기에서, 제1 임계값전압은, 1회의 갱신에 있어서의 전압변동의 상한값을 나타내며, 예를 들면, 제1 임계값전압으로서 200V가 설정된다. "출력전압 보정모드"에서는, 목표보정전압(ΔHV)이 200V를 넘는 경우이더라도, 1회의 갱신에 있어서의 전압변동폭을 200V 이내로 한다. 바꾸어 말하면, 출력전압의 전압변동폭이 제1 임계값전압(VT1) 이내가 되도록, 갱신타이밍에 있어서의 제2 지령전압(VB)의 변화량을 제한한다. 제1 임계값전압(VT1)=200V, 비례계수 α=6000으로 하면, 제2 지령전압(VB)의 변화량은, VT1/α=3.3×10-2V가 상한이 된다.
도 11은, 출력전압 보정모드로 실전압(HVR)을 보완하는 양태를 나타내는 그래프이며, 각각의 갱신타이밍 t1~t5에 있어서의 전압변동폭이 제1 임계값전압(VT1) 이내가 되도록 제한되는 조건하에서, 실전압(HVR)을 목표전압(HVT)에 근접시켜 가는 양태를 나타내고 있다. 만일, 1회의 갱신타이밍에 있어서의 전압변동폭을 제한하지 않는 것으로 하면, 갱신할 때마다 목표보정전압(ΔHV)을 넘어 출력전압이 변동될 수도 있다. 그렇게 되면, 갱신할 때마다 목표전압(HVT)을 상회하는 전압과 목표전압(HVT)을 하회하는 전압이 교대로 출력되어, 실전압(HVR)이 불안정해질 우려가 있다. 한편, 도 11에 나타내는 바와 같이, 1회의 갱신에 의한 전압변동폭을 제한함으로써, 실전압(HVR)을 목표전압(HVT)에 서서히 근접시켜 갈 수 있기 때문에, 실전압(HVR)을 안정적으로 목표전압(HVT)에 근접시킬 수 있다.
관리부(106)는, 실전압(HVR)이 목표전압(HVT)에 근접한 경우, 제2 지령신호의 갱신에 의한 출력전압의 전압변동을 더욱 제한하는 "출력전압 안정화모드"를 제공해도 된다. "출력전압 안정화모드"에서는, 목표보정전압(ΔHV)이 제1 임계값전압(VT1)보다 작은 제2 임계값전압(VT2) 이내가 된 경우, 그 이후의 갱신타이밍에 있어서, 제2 지령신호의 갱신에 의한 출력전압의 전압변동이 제2 임계값전압(VT2) 이내가 되도록 한다. 바꾸어 말하면, 출력전압의 전압변동폭이 제2 임계값전압(VT2) 이내가 되도록, 갱신타이밍에 있어서의 제2 지령전압(VB)의 변화량을 제한한다. 예를 들면, 제2 임계값전압(VT2)=2V, 비례계수(α)=6000으로 하면, 제2 지령전압(VB)의 변화량은, VT2/α=3.3×10-4V가 상한이 된다.
도 11에서는, 갱신타이밍(t5)에 있어서 실전압(HVR)과 목표전압(HVT)의 차인 목표보정전압(ΔHV)이 제2 임계값전압(VT2) 이내로 되어 있는 양태를 나타내고 있다. 따라서, 관리부(106)는, 갱신타이밍(t5) 이후에 있어서, 1회의 갱신타이밍마다의 전압변동폭을 제2 임계값전압(VT2) 이내로 제한하는 것으로 한다.
도 12는, 출력전압 안정화모드로 실전압(HVR)을 보완하는 양태를 나타내는 그래프이며, 도 11에 나타내는 갱신타이밍(t5) 이후의 실전압(HVR)의 추이를 나타내고 있다. 목표전압(HVT)과의 차가 제2 임계값전압(VT2) 이내가 된 경우, 관리부(106)는, 출력전압 안정화모드로 이행한다. 실전압(HVR)이 목표전압(HVT)에 가깝게 안정화된 상태에서 일시적인 전압변동이 발생하는 경우에, 이에 맞추어 실전압(HVR)을 크게 변화시켜 버리면, 오히려 실전압(HVR)이 불안정해질 우려가 있다. 따라서, 출력전압 안정화모드에서는, 도 12의 갱신타이밍(t8, t9)에 나타나는 바와 같이, 목표보정전압(ΔHV)이 제2 임계값전압(VT2)을 넘는 경우이더라도, 1회의 갱신에 의한 전압변동폭을 제2 임계값전압(VT2) 이내로 한다. 이로써, 이온주입장치를 가동시키고 있는 기간에 걸쳐서, 실전압(HVR)이 목표전압(HVT)에 일치하는 값 또는 가까운 값이 되도록 안정화시킬 수 있다. 이로써, 이온주입처리의 품질을 높일 수 있다.
도 13은, 제어장치(104)에 의한 전압제어의 동작을 나타내는 플로우 차트이다. 제어장치(104)는, 전압제어의 동작양태를 출력전압 보정모드로 설정하고(S12), 목표전압(HVT)에 대응하는 제1 지령전압(VA)의 제1 지령신호를 고전압전원(90)에 지령하여(S14), 측정장치(120)를 통하여 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 측정한다(S16). 동작양태가 출력전압 보정모드이며(S18의 Y), 목표보정전압(ΔHV)이 제2 임계값전압(VT2) 이상인 경우(S20의 Y), 전압변동의 상한이 제1 임계값전압(VT1)이 되도록 제2 지령신호를 생성한다(S22). 한편, 목표보정전압(ΔHV)이 제2 임계값전압(VT2) 미만인 경우(S20의 N), 전압제어의 동작양태를 출력전압 안정화모드로 설정하고(S24), 전압변동의 상한이 제2 임계값전압(VT2)이 되도록 제2 지령신호를 생성한다(S26).
그 후, 제1 지령신호와 제2 지령신호를 합성한 합성지령신호를 생성하고, 생성한 합성지령신호를 고전압전원(90)에 지령한다(S28). 목표전압이 변경되어 있으면(S30의 Y), 본 플로우를 종료한다. 목표전압이 변경되어 있지 않으면(S30의 N), S16~S28의 처리를 반복한다. 다만, S16~S28의 처리가 반복되기 전에, S26에 있어서 출력전압 안정화모드로 설정되어 있으면(S18의 N), S20~S24의 처리를 스킵하고, 전압변동의 상한이 제2 임계값전압(VT2)이 되도록 제2 지령신호를 생성하며(S26), 그 제2 지령신호가 합성된 합성지령신호를 고전압전원(90)에 지령한다(S28).
본 실시형태에 관한 이온주입장치(100)에 의하면, 측정장치(120)를 이용하여 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 계측하고, 계측한 실전압(HVR)에 기초하여 출력전압을 보정하기 때문에, 목표전압(HVT) 또는 목표전압(HVT)에 보다 가까운 값인 실전압(HVR)을 실현할 수 있다. 예를 들면, 고전압전원(90)에 내장되는 리드백출력을 기준으로 하는 경우, 고전압전원(90)이 발하는 열의 영향에 의하여 온도드리프트를 일으켜, 실전압(HVR)과 리드백출력 간에 차이가 발생할 우려가 있다. 그렇게 되면, 잘못된 기준전압에 기초한 피드백제어가 이루어져 버려, 실전압(HVR)이 목표전압(HVT)로부터 차이가 나서, 원하는 품질을 가지는 이온빔이 출력되지 않게 될 우려가 있다. 본 실시형태에 의하면, 정부의 온도계수를 가지는 저항을 조합한 측정장치(120)를 이용하여 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 계측하기 때문에, 온도변화에 의한 계측오차의 발생을 억제할 수 있다. 이로써, 전극장치(80)에 인가되는 실전압(HVR)을 높은 정밀도로 목표전압(HVT)에 일치시거나, 또는, 근접시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 제1 지령신호와 제2 지령신호가 합성된 지령신호가 고전압전원(90)으로 송신된다. 설정 가능한 전압범위가 넓은 제1 지령신호와, 단위량당 설정전압이 미세한 제2 지령신호를 조합함으로써, 넓은 전압범위에 걸쳐서 높은 정밀도로 출력전압을 설정할 수 있다. 특히, 이온주입장치(100)가 구비하는 평행화렌즈 전극장치나 각도에너지필터 전극장치에는, 웨이퍼에 조사해야 할 이온빔의 이온종, 가수, 에너지, 전류량 등의 다양한 조건에 따라 상이한 전압이 인가될 수 있다. 그 인가전압의 설정범위는, 수백 V 정도의 저전압에서 수십 kV 정도의 고전압까지 광범위에 걸쳐 있으며, 또한, 일정한 빔품질을 유지하기 위해서는, 인가전압의 정밀도를 1% 이하의 정밀도로 정할 필요가 있다. 본 실시형태에 의하면, ±2V 정도의 정밀도로 인가전압을 안정화시킬 수 있기 때문에, 수백 V 정도의 저전압을 인가하는 경우이더라도 인가전압의 정밀도를 0.5% 정도로 높일 수 있으며, 또한, 동일한 전원을 이용하여 수십 kV의 고전압을 인가할 수도 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 제1 지령신호를 목표전압에 대응하는 값으로 고정하고, 제2 지령신호만을 이용하여 출력전압의 보완을 하기 때문에, 쌍방의 지령신호를 제어하는 경우와 비교하여 제어상태를 간소화할 수 있다.
다만, 변형예에 있어서는, 제1 지령신호 및 제2 지령신호의 쌍방의 전압값을 변화시켜, 출력전압을 제어하는 것으로 해도 된다. 예를 들면, 제2 지령신호에 의하여 보정 가능한 전압범위를 넘은 보정이 필요한 경우에는, 제1 지령신호에 의하여 대략적인 전압 보정을 행함과 함께, 제2 지령신호에 의하여 목표전압에 근접시키기 위한 미보정을 행해도 된다. 또한, 목표전압(HVT)의 값이 제1 지령신호에 대응하는 제1 스텝전압(ΔHVA) 구간에서는 실현할 수 없는 중간적인 전압값인 경우에, 목표전압(HVT)을 출력시키기 위한 지령신호로서, 제1 지령신호와 제2 지령신호를 조합한 신호를 이용해도 된다.
상기 서술한 실시형태에서는 고에너지 이온주입장치에 적합한 이온주입장치(100)를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은, 빔편향기, 빔주사기, 및 빔평행화기를 가지는 다른 이온주입장치에도 적용할 수 있다. 일 실시형태에 있어서는, 예를 들면, 도 14에 나타나는 바와 같이, 고에너지 다단직선가속유닛(14)을 가지지 않는 이온주입장치(200)에 있어서, 이온주입장치(200)가 구비하는 전극장치에 대한 인가전압의 제어에 적용해도 된다.
도 14는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 이온주입장치(200)의 개략 구성을 나타내는 평면도이다. 이온주입장치(200)는, 도시되는 바와 같이 복수의 빔라인 구성요소를 구비한다. 이온주입장치(200)의 빔라인 상류부분은, 상류측으로부터 순서대로, 이온원(201), 질량분석장치(202), 빔덤프(203), 리졸빙애퍼처(204), 및, 전류억제기구(205)를 구비한다. 이온원(201)과 질량분석장치(202)와의 사이에는, 이온원(201)으로부터 이온을 인출하기 위한 인출전극(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 전류억제기구(205)는, 일례로서 CVA(Continuously Variable Aperture)를 구비한다. CVA는, 구동기구에 의하여 개구사이즈를 조정할 수 있는 애퍼처이다.
이온주입장치(200)의 빔라인 하류부분은, 상류측으로부터 순서대로, 제1 XY수렴렌즈(206), 제2 XY수렴렌즈(208), 빔주사기(209), Y수렴렌즈(210), 빔평행화기(211), AD(Accel/Decel)칼럼(212), 및 에너지필터(213)를 구비한다. 빔라인 하류부분의 최하류부에 웨이퍼(214)가 배치되어 있다. 이온원(201)으로부터 빔평행화기(211)까지의 빔라인 구성요소는, 터미널(216)에 수용되어 있다. 다만, 예를 들면 제1 XY수렴렌즈(206)와 제2 XY수렴렌즈(208)의 사이에, 이온빔의 경로에 대하여 출입 가능한 빔전류계측기(도시하지 않음)가 마련되어 있어도 된다.
제1 XY수렴렌즈(206), 제2 XY수렴렌즈(208), 및, Y수렴렌즈(210)는, 종횡방향의 빔형상(XY면 내의 빔단면)을 조정하기 위한 빔정형기를 구성한다. 이와 같이, 빔정형기는, 질량분석장치(202)와 빔평행화기(211)와의 사이에서 빔라인을 따라 배치되어 있는 복수의 렌즈를 구비한다. 빔정형기는, 이들 렌즈의 수렴/발산 효과에 의하여, 광범위의 에너지·빔전류의 조건으로 하류까지 적절히 이온빔을 수송할 수 있다.
제1 XY수렴렌즈(206)는 예를 들면 Q렌즈이고, 제2 XY수렴렌즈(208)는 예를 들면 XY방향 아인젤렌즈이며, Y수렴렌즈(210)는 예를 들면 Y방향 아인젤렌즈 또는 Q렌즈이다. 제1 XY수렴렌즈(206), 제2 XY수렴렌즈(208), 및 Y수렴렌즈(210)는, 각각 단일의 렌즈여도 되고, 렌즈군이어도 된다. 이와 같이 하여, 빔정형장치는, 빔포텐셜이 크고 빔의 자기발산이 문제가 되는 저에너지/고빔전류의 조건으로부터, 빔 포텐셜이 작고 빔의 단면형상제어가 문제가 되는 고에너지/저빔전류의 조건까지, 이온빔을 적절히 제어할 수 있도록 설계되어 있다.
에너지필터(213)는 예를 들면, 편향전극, 편향전자석, 또는 그 양방을 구비하는 AEF(Angular Energy Filter)이다.
이온원(201)에서 생성된 이온은, 인출전장(도시하지 않음)에 의하여 가속된다. 가속된 이온은, 질량분석장치(202)에서 편향된다. 이렇게 하여, 소정의 에너지와 질량전하비를 가지는 이온만이 리졸빙애퍼처(204)를 통과한다. 계속해서, 이온은, 전류억제기구(CVA)(205), 제1 XY수렴렌즈(206), 및 제2 XY수렴렌즈(208)를 경유하여, 빔주사기(209)로 유도된다.
빔주사기(209)는, 주기적인 전장 또는 자장(또는 그 양방)을 인가함으로써 이온빔을 가로방향(세로방향 또는 경사방향이어도 됨)으로 왕복 주사한다. 빔주사기(209)에 의하여, 이온빔은 웨이퍼(214) 상에서 가로방향으로 균일한 주입을 할 수 있도록 조정된다. 빔주사기(209)로 주사된 이온빔(215)은, 전장 또는 자장(또는 그 양방)의 인가를 이용하는 빔평행화기(211)로 진행방향을 정렬할 수 있다. 그 후, 이온빔(215)은, 전장을 인가함으로써 AD칼럼(212)에서 소정의 에너지까지 가속 또는 감속된다. AD칼럼(212)을 나온 이온빔(215)은 최종적인 주입에너지에 이르고 있다(저에너지모드에서는, 주입에너지보다 높은 에너지로 조정하고, 에너지필터 내에서 감속시키면서 편향시키는 것도 행해진다.). AD칼럼(212)의 하류의 에너지필터(213)는, 편향전극 또는 편향전자석에 의한 전장 또는 자장(또는 그 양방)의 인가에 의하여 이온빔(215)을 웨이퍼(214) 쪽으로 편향한다. 이로써, 목적으로 하는 에너지 이외의 에너지를 가지는 컨테미네이션 성분이 배제된다. 이렇게 하여 정화된 이온빔(215)이 웨이퍼(214)에 주입된다.
이와 같이 하여, 이온주입장치(200)의 빔라인 상류부분은, 이온원(201) 및 질량분석장치(202)를 구비하고, 이온주입장치(200)의 빔라인 하류부분은, 빔주사기(209)의 상류에 배치되어 이온빔의 수렴 또는 발산을 조정하는 빔정형기와, 빔주사기(209)와, 빔평행화기(211)를 구비한다. 빔정형기는, 제1 XY수렴렌즈(206)여도 된다.
웨이퍼(214)의 근방에는, 빔모니터(217)가 마련되어 있다. 빔모니터(217)는, 빔평행화기(211)의 하류에 배치되어, 이온빔(B)의 빔전류, 위치, 주입각도, 수렴발산각, 상하좌우방향의 이온분포 등을 계측한다. 빔모니터(217)는, 도 1을 참조하여 설명한 빔모니터(102)와 동일하게 구성되어 있다.
또한, 이온주입장치(200)는, 이온주입장치(200)의 전체 또는 그 일부(예를 들면 빔라인부의 전체 또는 그 일부)를 제어하기 위한 제어장치(218)를 구비한다. 제어장치(218)는, 빔모니터(217)의 측정결과에 기초하여 빔정형기나, 빔주사기를 제어하도록 구성되어 있다. 또한, 제어장치(218)는, 이온원(201)의 인출전극이나, 빔평행화기(211) 및 에너지필터(213)를 구성하는 전극장치에 소정의 목표전압이 인가되도록, 전극장치에 직류고전압을 출력하기 위한 고전압전원의 동작을 제어하도록 구성되어 있다. 제어장치(218)는, 전극장치에 접속되는 측정장치에 의하여 계측되는 실전압을 이용하여, 고전압전원의 동작을 제어하기 위한 지령신호를 생성하여 송신한다.
제어장치(218)는, 고전압전원에 목표전압을 출력시키기 위한 제1 지령신호를 생성하는 제1 생성부와, 측정장치에 의하여 계측되는 실전압이 목표전압 또는 목표전압에 가까운 전압이 되도록 제1 지령신호를 보완하는 제2 지령신호를 생성하는 제2 생성부와, 고전압전원에, 제1 지령신호 및 제2 지령신호를 합성하여 얻어지는 합성지령신호를 출력하는 지령부를 포함한다. 제1 지령신호와, 제1 지령신호를 보완하는 제2 지령신호를 조합함으로써, 전극장치에 인가되는 실전압을 목표전압에 높은 정밀도로 맞출 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 서술한 각 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명은 상기 서술한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 각 실시형태의 구성을 적절히 조합한 것이나 치환한 것에 대해서도 본 발명에 포함되는 것이다. 또한, 당업자의 지식에 기초하여 각 실시형태에 있어서의 조합이나 처리의 순서를 적절히 재조합하는 것이나 각종 설계 변경 등의 변형을 실시형태에 대하여 더하는 것도 가능하며, 그와 같은 변형이 더해진 실시형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
상기 서술한 제어장치, 전극장치 및 측정장치에 관한 구성은, 비교적 에너지가 낮은 이온빔을 출력하기 위한 저에너지 이온주입장치에 적용해도 된다. 여기에서, 에너지가 낮은 이온빔이란, 0.2keV~50keV 정도의 에너지를 가지는 이온빔이다. 이와 같은 이온빔을 출력하려면, 이온원으로부터 이온을 인출하기 위한 인출전극의 인가전압을 높은 정밀도로 설정할 필요가 있다. 상기 서술한 실시형태에 관한 제어장치, 전극장치 및 측정장치를 이용함으로써, 인출전압을 높은 정밀도로 설정할 수 있어, 품질이 높은 저에너지 이온빔을 생성할 수 있다.
10 이온원
11 인출전극
34 빔주사기
80 전극장치
90 고전압전원
100 이온주입장치
104 제어장치
106 관리부
110 제1 생성부
112 제2 생성부
114 지령부
120 측정장치
125 분압기
126 측정단자
127 분압단자
128 기준단자
132 냉각기구
200 이온주입장치
HVO 출력전압
HVT 목표전압
HVR 실전압
ΔHV 목표보정전압
SA 제1 지령값
SB 제2 지령값
VT1 제1 임계값전압
VT2 제2 임계값전압

Claims (19)

  1. 고전압전원과, 상기 고전압전원의 출력전압을 제어하는 지령신호를 생성하는 제어장치와, 상기 출력전압이 인가되는 전극장치와, 상기 전극장치에 인가되는 실전압을 계측하는 측정장치를 구비하고,
    상기 제어장치는,
    상기 고전압전원에 목표전압을 출력시키기 위한 제1 지령신호를 생성하는 제1 생성부와,
    상기 측정장치에 의하여 계측되는 실전압이 상기 목표전압 또는 상기 목표전압에 가까운 전압이 되도록 상기 제1 지령신호를 보완하는 제2 지령신호를 생성하는 제2 생성부와,
    상기 고전압전원에, 상기 제1 지령신호 및 상기 제2 지령신호를 합성하여 얻어지는 합성지령신호를 출력하는 지령부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 생성부 및 상기 제2 생성부의 각각은, 디지털 지령값을 아날로그 지령신호로 변환하는 D/A(Digital to Analog)컨버터를 포함하고,
    상기 지령부는, 상기 고전압전원에, 상기 목표전압의 값을 나타내는 제1 지령값을 D/A변환하여 얻어지는 제1 지령신호와, 상기 실전압을 상기 목표전압 또는 상기 목표전압에 가까운 전압으로 보완하기 위한 전압의 값을 나타내는 제2 지령값을 D/A변환하여 얻어지는 제2 지령신호를 합성한 상기 합성지령신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 지령값의 단위량 변화에 대응하는 상기 출력전압의 변화값인 제1 스텝전압보다, 상기 제2 지령값의 단위량 변화에 대응하는 상기 출력전압의 변화값인 제2 스텝전압이 작은 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 스텝전압은, 상기 제1 스텝전압의 1/10~1/1000이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 생성부는, 상기 제1 생성부가 생성 가능한 상기 제1 스텝전압 구간의 전압값에 대한 중간치를 실현하기 위하여 상기 제2 지령신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  6. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 지령값의 변경에 의하여 조정 가능한 상기 출력전압의 변화폭보다, 상기 제2 지령값의 변경에 의하여 조정 가능한 상기 출력전압의 변화폭이 작은 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 생성부는, 상기 지령신호의 변화에 기인하지 않는 상기 출력전압의 전압변동을 보정하기 위하여 상기 제2 지령신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 생성부는, 상기 고전압전원의 온도변화에 기인하는 상기 전압변동을 보정하기 위하여 상기 제2 지령신호를 생성하는 것을 특징으로 이온주입장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 소정의 갱신기간 내에 계측되는 상기 실전압과 상기 목표전압의 차인 목표보정전압에 기초하여, 상기 갱신기간이 경과할 때마다 상기 제2 지령신호의 출력치를 상기 제2 생성부에 갱신시키는 관리부를 더 포함하고,
    상기 관리부는, 상기 제2 지령신호의 갱신에 의한 상기 출력전압의 전압변동이 제1 임계값전압 이내가 되도록 상기 제2 지령신호의 갱신을 제한하는 출력전압 보정모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 관리부는, 상기 목표보정전압이 상기 제1 임계값전압보다 작은 제2 임계값전압 이내가 된 경우, 그 이후의 갱신기간에 있어서, 상기 제2 지령신호의 갱신에 의한 상기 출력전압의 전압변동이 상기 제2 임계값전압 이내가 되도록 상기 제2 지령신호의 갱신을 제한하는 출력전압 안정화모드를 제공하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정장치는, 상기 전극장치에 인가되는 실전압을 분압하여 계측하기 위한 분압기를 포함하고,
    상기 분압기는, 저항의 온도계수가 정인 정온도계수 저항기와, 저항의 온도계수가 부인 부온도계수 저항기가 조합되어 있는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 분압기는, 상기 고전압전원의 출력에 접속되는 측정단자와, 기준전압에 접속되는 기준단자와, 상기 측정단자와 상기 기준단자의 사이에 마련되는 분압단자를 가지고,
    상기 측정단자와 상기 분압단자의 사이에는, 1개 이상의 정온도계수 저항기와 1개 이상의 부온도계수 저항기가 직렬로 접속되며,
    상기 분압단자와 상기 기준단자의 사이에는, 1개 이상의 정온도계수 저항기와 1개 이상의 부온도계수 저항기가 직렬로 접속되고,
    상기 분압단자의 전압을 계측함으로써 상기 실전압을 도출하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 측정단자와 상기 분압단자의 사이에는, 정온도계수 저항기 및 부온도계수 저항기가 각각 동일한 개수로 마련되는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 분압단자와 상기 기준단자의 사이에는, 정온도계수 저항기 및 부온도계수 저항기가 각각 동일한 개수로 마련되는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 분압기는, 상기 정온도계수 저항기 및 상기 부온도계수 저항기를 냉각하기 위한 냉각기구를 더 가지는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  16. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    이온주입을 위한 이온빔을 소정의 주사방향으로 왕복 주사시키는 빔주사기와,
    상기 빔주사기에 의하여 왕복 주사되는 이온빔을 평행화하는 평행화렌즈 전극장치를 더 구비하고,
    상기 고전압전원은, 상기 평행화렌즈 전극장치에 직류고전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  17. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    이온주입을 위한 이온빔의 진행방향을 변화시키는 각도에너지필터 전극장치를 더 구비하고,
    상기 고전압전원은, 상기 각도에너지필터 전극장치에 직류고전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  18. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    이온주입을 위한 이온빔을 생성하는 이온원과, 상기 이온원으로부터 이온을 인출하기 위한 인출전극을 더 구비하고,
    상기 고전압전원은, 상기 인출전극에 직류고전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
  19. 고전압전원과, 상기 고전압전원의 출력전압을 제어하는 지령신호를 생성하는 제어장치와, 상기 출력전압이 인가되는 전극장치와, 상기 전극장치에 인가되는 실전압을 계측하는 측정장치를 구비하는 이온주입장치의 제어방법으로서,
    상기 고전압전원에 목표전압을 출력시키기 위한 제1 지령신호를 생성하는 것과,
    상기 측정장치에 의하여 계측되는 실전압이 상기 목표전압 또는 상기 목표전압에 가까운 전압이 되도록 상기 제1 지령신호를 보완하는 제2 지령신호를 생성하는 것과,
    상기 고전압전원에, 상기 제1 지령신호 및 상기 제2 지령신호를 합성하여 얻어지는 합성지령신호를 출력하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온주입장치의 제어방법.
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