JP4432003B2 - イオンビーム注入装置、イオンビームのエネルギー測定装置、及びイオンの平均運動エネルギーの測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビーム注入装置に関するものであり、特にイオンビーム注入装置において、半導体加工物にイオンドーピングするために使用されるイオンビーム内のイオンの平均運動エネルギーを測定するための飛行時間処理技術を用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム注入装置は、所望のイオン種を有する半導体ウエハの注入工程で広く使用されている。イオンビーム注入装置は、所望の核種の正の荷電イオンを含むイオンビームを発生する。イオンビームは半導体ウエハの加工物の露出表面に衝突し、それによって、所望のイオンを加工物表面に「ドーピング」あるいは注入する。イオン注入装置の中には、連続的注入が行われることがあり、そこでは単一の半導体ウエハの加工物は、注入室内の支持体に配置される。支持体は加工物がイオンビームライン内にあるように向けられ、イオンビームは所望のイオン注入量を注入するために加工物上に繰返し走査される。注入が完了すると、加工物は支持体からはずされ、他の加工物が支持体上に配置される。
【０００３】
イオンビーム注入装置の他のタイプは、加工物が取り付けられて回転し、移動するディスク型支持体を使用している。複数の半導体加工物は、ディスク型支持体上に取り付けられる。支持体は、イオンビーム注入装置の端部あるいは注入ステーションの注入室内に支持される。支持体の回転及び移動により、複数の加工物の各々を製造工程中にイオンビームにさらすことができる。
【０００４】
(a) 注入工程中の半導体ウエハ内に注入されるイオン量と、(b) 加工表面におけるイオン注入の注入深さの両方の精度を保つことが、許容できる製品を製造する場合にきわめて重要となる。このイオン注入深さとイオン注入量、すなわち、多くの半導体素子を製造する場合のドーズ量における許容公差は、現在、多くの利用において、１％の範囲内にある。
【０００５】
イオン注入装置における加工物のイオン注入深さは、直接イオンビームのエネルギーに係わっている。それゆえ、所望の注入深さを達成するには、イオンビームのエネルギーの正確な制御、測定、及び監視が必要である。
【０００６】
従来の高エネルギーイオン注入装置は、最終エネルギー磁石（ＦＥＭ）を用いるイオンビームエネルギーを制御する。ＦＥＭを用いるイオンビームエネルギーを制御することによって、イオンビームのエネルギーが選択され、曲げることが必要とされる、即ち、イオンビームを構成する所望のイオン種が、注入室内の支持体に支持された加工物に向けて所定のアーチ状通路内で移動させるための磁界の強さを選ぶことができる。
【０００７】
このイオンビームは、ＦＥＭを介して指向される。この磁界は、イオンビームを構成するイオンをアーチ状通路内を移動させる。磁界の強さは、特定のモーメントを有する所望のイオン種が、曲線通路から、加工物が配置される注入室に向かうように調整される。
【０００８】
しかし、残念なことに、イオンビームエネルギーを計算するＦＥＭ方法の精度では、重大な欠点がある。それは、イオンビームの曲げの強さは、ＦＥＭの磁界の強さにおけるイオンの入射角の関数である。イオンの入射角（２〜３°）の差がわずかであって、ＦＥＭの磁界が入ると、イオンビームの曲げの強さに重大な影響を与える。ＦＥＭのエネルギーのリードバック(read back) は、ある条件の下でイオンビームの所望エネルギーの±１０％以内まで修正できることが、数値的なシミュレーションおよび経験的な試験により示されている。
【０００９】
必要とされているものは、イオン注入装置に対する、より正確なイオンビームエネルギー測定装置である。また、このようなエネルギー測定装置において、必要なことは、比較的安価で、耐久性があり、さらに、イオンビームの更新が急速でかつ実時間で与えられることである。さらに、必要なことは、注入装置の広範囲の修正を必要とすることなく、注入装置のイオンビーム電流の発生のために使用する改良を行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術の事情に鑑みて、本発明は、イオンビームのエネルギーを測定しかつ制御するための飛行時間エネルギー測定装置及びこれを含むイオンビーム注入装置を提供することを目的としている。また、本発明の目的は、イオンビームのエネルギー測定装置、及びイオンの平均運動エネルギーの測定方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有している。
本発明によれば、半導体ウエハの複数の加工物に対してイオンビームを指向するためのイオンビーム注入装置が開示される。このイオン注入装置は、注入室を形成する注入ステーションを含んでいる。複数の加工物は、注入室内に配置されたディスク形状の回転及び並進可能な支持体上に支持されている。このイオン注入装置は、さらに、イオンビームを発生するイオン源と、イオンビームをイオン源から注入ステーションへ向かわせる内部領域を形成するビーム形成及び指向装置とを含んでいる。この内部領域の圧力を増圧及び減圧するためのポンプ装置が設けられている。無線周波(rf)のイオン加速器がイオン源と注入ステーションの間に配置され、イオンビームと共にイオンを加速し、所望の高ビームエネルギーを達成する。
【００１２】
このイオン注入装置は、イオンビームのイオンパルスにおけるイオンの平均運動エネルギーを決めるために、飛行時間の処理技法を利用する新規な、イオンビームエネルギー測定装置を含んでいる。エネルギー測定装置は、高エネルギー注入応用に無線周波イオン加速器を用い、イオンビームが一連のビームパケット(beam packets)またはパルス列であるという事実を利用している。飛行時間の処理技法は、エネルギー測定装置によって有効に加えられ、イオンビーム内の平均イオンエネルギーを正確に決定する。エネルギー測定装置のタイミング回路は、２つのセンサ間の所定の距離を移動するパルス（複数のイオンを含む）に対する時間ｔを決定する。重要なことは、エネルギー測定装置がＦＥＭによって発生したイオンビーム内のイオンのエネルギーを粗く概算するのに利用し、タイミング回路によって決定されたパルス経過時間が正確であることを保証する。
【００１３】
イオンの束またはイオンパルスの平均速度は、次式を用いる変換回路によって決定される。 ｖ（パルス）＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離、ｔは、パルスが第１センサから第２センサに移動する経過時間である。
【００１４】
パルスの速度が一度決定されると、イオンのエネルギーＥは、
Ｅ（イオン）＝（１／２）ｍｖ2
ここで、ｖは、パルスの速度、ｍは、パルス内のイオンの質量である。所望の注入イオン種のイオンの質量は、正確に知られている。
【００１５】
エネルギー測定装置は、イオンビームに隣接配置されかつ所定の距離だけ離れた第１，第２センサを含み、第２センサは、第１センサの下流にある。第１センサは、第１センサを通過するイオンビームのパルスとして信号を発生し、第２センサは、第２センサを通過するイオンビームのパルスとして信号を発生する。
【００１６】
エネルギー測定装置の第１実施形態において、この装置は、無線周波イオン加速器が一定の周波数で一連のビームパルスを発生することを利用しており、その結果、ビームラインにおける隣接パルス間の間隔が既知となる。エネルギー測定装置のタイミング回路は、第１センサを通過する第１パルスと第２センサを通過する第２パルス間の遅延時間Δｔを決定する。ＦＥＭからのパルス速度の概算値に基づく連続パルス間の間隔がわかると、第１，第２センサ間の距離を移動する第１パルスの経過時間ｔは、次式のようにタイミング回路によって計算される。
【００１７】
ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔ
ここで、
Ｎ＝第１，第２センサ間のパルスの数
Ｔ＝パルス間の時間間隔
上述したように、パルス間の時間間隔Ｔは、パルスの周波数が無線周波イオン加速器からわかるので、既知となる。第１，第２センサ間のパルスの数Ｎは、ＦＥＭのエネルギー概算値に基づいて既知となる。
【００１８】
タイミング回路は、第１，第２センサから受け取ったデジタル波形の相関関係を用いてΔｔを決定する。第１，第２センサ間の距離ｄを移動するパルスの時間ｔが正確に知れると、変換回路は、次のようにイオンパルスの速度を計算する。
ｖ（パルス）＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離である。
【００１９】
第２実施形態では、エネルギー測定装置は、わずかに異なる方法でＦＥＭのイオンエネルギー概算値を用いるタイミング回路を含んでいる。この形態において、エネルギー概算値は、単一パルスの飛行時間が第１，第２センサ間を移動することを保証するのに利用される。タイミング回路は、第１タイミング差分器、第２タイミング差分器、及び遅延回路を含む。
【００２０】
第１タイミング差分器は、第１センサに電気的に接続され、かつ第１センサからの信号を受けたとき第１信号を発生する。第２タイミング差分器は、第２センサに電気的に接続され、かつ第１センサからの信号を受けたとき第２信号を発生する。
【００２１】
遅延回路は、第１，第２タイミング差分器に電気的に接続され、２つの差分器によって発生した第１，第２信号を入力する。遅延回路は、また、イオンビームのエネルギーの概算測定のデータ値を受け入れる。この概算エネルギ測定データは、ＦＥＭの上流側の第１センサから受け入れられる。遅延回路は、概算エネルギー測定データを変換し、加速されたイオン種の質量を用いてイオンビームパルスのための遅延時間を生じる。
【００２２】
選択されたイオンパルスに対して、タイミング回路は、前記選択されたイオンパルスに対応する第１，第２信号を用い、第１，第２センサ間の所定の距離を移動する前記選択パルスの経過時間を計算する。
【００２３】
エネルギー測定装置は、さらに、選択されたイオンパルスに対する経過時間をイオンビームのエネルギーの測定値に変換するための変換回路を含んでいる。本発明のエネルギー測定装置は、注入室の支持体の後に位置したファラデーケージと無関係に、電流を測定するための代替手段を設けることにより、イオンビームのドーズ量モニターとして有用である。
【００２４】
注入室の上流側にビーム形成及び指向装置によって形成される内部領域は、注入中、一定に減圧された状態にある。エネルギー測定装置からの信号の振幅は、イオンビーム電流のレベルによる。エネルギー測定装置は、比較的一定の圧力を有するイオン注入装置の内部領域に配置されるので、イオンビーム電流は、ビームラインの領域に生じる電荷を中和する衝突に無関係に、エネルギー測定装置の下流側の注入室圧力がより高くできる場所にあるセンサを用いて、正確に測定することができる。注入ステーションのようなイオン注入装置の他の部分では、ガス圧力が変化し、イオンビームを電気的に中和して、ファラデーゲージの電流測定において誤差を生じさせる。
【００２５】
従来のイオン注入装置は、支持体の１回転毎にファラデーゲージをイオンビームにさらすために支持体内に開口が設けられている。このファラデーゲージは、支持体の１回転毎にイオンビーム電流を読取る。本発明のエネルギー測定装置は、回転支持体の後に配置されたファラデーゲージを用いる場合よりも、イオンビームのエネルギーと電流をより早く走査することができる。
【００２６】
本発明のエネルギー測定装置の１つの作動形態では、第１，第２センサが誘導性センサからなる。誘導性の第１，第２センサは、ビームラインに隣接して所定の距離離れて置かれている。第１の誘導性センサは、パルスが第２センサを通過するとき信号を発生する。
【００２７】
本発明のエネルギー測定装置の第２の作動形態では、第１，第２センサが誘導性センサではなく容量性センサからなる。誘導性センサと同様に、容量性センサもイオンビームラインに沿って所定の距離離れて配置されている。
【００２８】
本発明のこれらの目的、特徴、および効果は、図面と関連して記載される本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から、より理解されるであろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】
イオンビーム注入装置１０の構造
イオンビーム注入装置は、図１の参照番号１０で示される。注入装置１０は、１０〜５０００ＫｅＶの範囲のビームエネルギーを有するイオンビーム１４を発生する。この注入装置１０は、イオン源１２を含み、注入ステーションまたは端部ステーション１６へのビーム通路を通過するイオンビーム１４を形成するイオンを供給する。さらに、注入装置１０は、無線周波イオン加速器１８を用いてイオンビーム１４内のイオンを適当な高速度で加速して所望のイオンビームエネルギーを達成する。高エネルギーの注入装置において用いる適当なイオン加速器１８は、グラヴィシュ(Glavish) 他に付与され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，６６７，１１１号に開示されている。この米国特許は、ここで参考として包含される。
【００３０】
注入装置１０等の高エネルギー注入装置において、イオンビーム１４は、１つのトレイン、即ち、個別の一連のパルスとして分析され、個々のパルスは、１０13個程度のイオンを有する多数のイオンからなる。イオンビーム１４のイオンパルスの数は、図３〜図５においてP0,P1,P3......P(n-1),Pn,P(n+1)のように概略示される。
【００３１】
図２において、制御電子機器（概略２０で示される）が、注入ステーション１６の注入領域あるいは注入室２２内の複数の半導体ウエハ加工物２１に受け入れられるイオン注入量を監視しかつ制御するために設けられている。この制御電子機器２０へのオペレータの入力は、ユーザ操作盤６７を介して実行される。
【００３２】
イオン源ハウジング１２は、注入室２２内で回転及び並進可能な円盤９０上に配置したウエハ加工物２１に衝突するイオンビームを発生する。イオンビーム１４内のイオンは、ビームがイオン源１２と注入ステーション１６の間の距離を通過するとき、発散する傾向にある。イオン源１２は、イオン源の材料が注入される内部領域を形成するプラズマ室２８を含んでいる。イオン源の材料は、イオン化し得るガスあるいは気化したイオン源材料を含んでよい。
【００３３】
プラズマ室２８に注入される固定形状のイオン源材料は、蒸発器内に置かれる。ｎ型不純物半導体のウエハ材料を所望の場合、ボロン（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、あるいはインジウム（Ｉｎ）が使用される。ガリウムあるいはインジウムは固体化されたイオン源材料であり、一方、ボロンは、ガスとして、一般的に、三フッ化ホウ素（ＢＦ3)またはジボラン（Ｂ2Ｈ6)としてプラズマ室２８内に注入される。その理由は、ボロンの蒸気圧が余りに低いので、単に固体のボロンを加熱しただけで使用可能な圧力にすることができないからである。
【００３４】
また、Ｐ型不純物半導体材料を製造する場合には、固体イオン源材料として、アンチモニー（Ｓｂ）、ひ素（Ａｓ）、（Ｐ）リンが選択される。エネルギーは、イオン源材料に加えられてプラズマ室２８内に、正に荷電したイオンを発生する。図２に見られるように、正に荷電したイオンは、プラズマ室２８の開口側を覆うカバープレート３０内の長円状のアークスリット２９を介して、プラズマ室２８を出る。
【００３５】
製造動作中、すなわち、半導体ウエハ加工物２１が、イオンビーム１４によって衝突され、それによってイオン注入されるとき、イオンビーム１４は、イオン源１２から注入室２２へ伸びているビーム形成及び指向装置５０によって形成されかつ排気された内部領域５２（図１参照）を通る排気された通路を通過する。製造動作中のビーム通路を形成する内部領域５２の排気は、一対の真空ポンプ３１を含む圧力調整システム５５によって行われる。
【００３６】
プラズマ室２８内のイオンは、プラズマ室カバープレート３０のアークスリット２９を介して引き出され、ビーム形成・指向装置５０によってイオン源１２と注入ステーション１６の間の距離を通過するイオンビーム１４に形成される。ビーム形成・指向装置５０は、質量分析あるいは分解磁石２４、ｒｆ（無線周波）イオン加速器１８、最終エネルギー磁石（ＦＥＭ）３２及び一組の電極３４を含む。一組の電極３４は、プラズマ室内部からイオンを引き出し、質量分析磁石３２によって、定められた領域内でイオンを加速する。
【００３７】
質量分析磁石２４は、質量分析磁石ハウジング内に支持され、この磁石領域を介してイオンビーム通路は、アルミニウムビームガイド２６により制限されている。イオン注入ステーション１６に到達するための適当な質量電荷比を有するイオンのみを生ずる。プラズマ室２８内のイオン源材料のイオン化は、所定の原子質量を有する正に荷電したイオン種を発生する。しかしながら、望ましいイオン種に加えて、イオン化の過程では、適当な原子質量以外の他のものを含んだ比率でイオンを発生する。適当な原子質量以上の、あるいは以下の原子質量を有するイオンは、イオン注入には適さない。
【００３８】
質量分析磁石２４によって発生する磁界によって、イオンビーム１４内のイオンが曲線軌道内で移動する。制御電子機器２０によって達成される磁界は、望ましいイオン種の原子質量に等しい原子質量を有するイオンのみが、注入ステーションの注入室２２へ湾曲したビーム通路を通過する。
【００３９】
所望の原子質量を有するイオンは、質量分析磁石２４を出て、そして、ｒｆイオン加速器１８のモジュール18a,18b,18c,18d,18e によって高速度に加速される。所望エネルギーレベルへのイオンの加速は、ｒｆコントローラ１９によって制御される。加速器１８の作用で重要なことは、イオンビーム１４は、図３において、P0,P1,P2,P3......P(n-1),Pn,P(n+1) のように概略示した一連のイオンパルスから構成されていることである。
【００４０】
エネルギー分析のために、ビーム１４は、一連の別個のイオンパルスとして考えることができる。各イオンパルス P0,P1,P2,P3......P(n-1),Pn,P(n+1)は、１０13個程度の多数の個々のイオンから構成される。さらに、イオン加速器１８の特性から、イオンパルスの周波数は、予め決められた既知の値である。
【００４１】
イオン加速器に対する一般的な周波数値は、ｆ＝１３．５６メガヘルツである。これは、連続するパルス間の、即ち、Ｐ０とＰ１との間の時間間隔Ｔが
Ｔ＝１／ｆ＝（１／１３．５６）ＭＨｚ＝７３．７５（ｎｓｅｃ．）
を意味する。
【００４２】
イオン加速器１８によって加速された後で、ビーム１４は、ＦＥＭ制御回路４０（図２において概略示された）の制御の下で、作動するＦＥＭ３２によって発生した磁界を通過する。このＦＥＭ３２は、ハウジング３３内に支持され、質量分析磁石２４のように、イオンビーム１４が通過するアルミニウムのビームガイド４２を含んでいる。
【００４３】
イオンビーム１４を作り上げるイオンは、イオン源１２から質量分析磁石３２によって設定される磁界内を移動する。ＦＥＭ３２によって生じる磁界の強さと方向は、制御電子機器２０のＦＥＭ制御回路によって制御され、磁界巻線を通る電流を調整する。ＦＥＭ３２は、イオンビームエネルギーの概算値を与えて、ビーム１４のエネルギーが注入室２２内の目標加工物２１に向けられるように、適当なアーチ状通路に沿ってビームを曲げるのに必要な磁気エネルギーにビームエネルギーが比例するようになる。それゆえ、ＦＥＭ３２は、イオンエネルギーを制御する。一般的に、ＦＥＭのエネルギー制御は、所望イオンビームエネルギーの±１０％の範囲内に正確に収まる。
【００４４】
分析磁石３２から下流側に配置されたビーム形成・指向装置５０の一部は、４極子アセンブリ７０、分析プレート８０、回動するファラデーフラッグまたはカップ７２、及びイオンビーム中和器７４である。４極子アセンブリ７０は、イオンビーム１４の回りに配置された一組の電極を含み、制御電子機器２０によって選択的に活性化させ、イオンビーム１４の高さ位置を調整する。この４極子アセンブリ７０は、注入装置ハウジング７５内に支持されている。
【００４５】
分析磁石３２に対面する４極子アセンブリ７０の端部には、分析プレート８０（図１参照）が連結されている。ファラデーフラッグ７２は、ハウジング７５に回動可能に連結され、イオンビーム１４の特性を測定するためにイオンビームを交差させる位置に回動可能であり、この測定が満足である時、ビームラインを揺動させ、注入室２２でウエハ加工物への注入を妨害しないようにする。
【００４６】
分析プレート８０は、ガラス質のグラファイトから構成され、イオンビーム１４内のイオンが通過する細長い開口を形成している。分析磁石２４と同様にＦＥＭ３２は、好ましくないイオン種をイオンビーム１４から取り除くように機能する。
【００４７】
以上説明したように、ＦＥＭの磁界の強さと方向は、ＦＥＭ制御回路４０と制御電子機器２０によって確立され、これにより、所望のイオン種の原子質量に等しい原子質量を有するイオンのみが、予め決められた、所望のビーム通路を通過して注入ステーション１６に到達する。好ましくないイオン種は、所望のイオン原子質量より大きいかまたは小さいものであり、大きく偏向され、アルミニウムのビームガイド４２または分析プレート８０によって形成されたスリット境界に衝突する。
【００４８】
ビーム形成・指向装置５０は、また、通常電子シャワーとして当該技術で言われるビーム中和器を含む。プラズマ室２８から引き出されるイオンは、正に荷電されている。正に荷電したイオンが、ウエハの注入より前に中和されなければ、ドープしたウエハは正味の正電荷を示すだろう。ウエハ加工物上の、そのような正味の正電荷は、望ましくない特性を有している。ビーム中和器７４によって発生した電子は、イオンビームラインに沿う下流側で一掃され、イオンビーム中和器７４の下流側に中性の空間電荷密度が与えられる。
【００４９】
イオンビームの中和器７４の上流側には、磁気レペラ８２があり、このレペラ８２は、中和器７４から電子の逆流を防止するための永久磁石を含んでいる。中和器７４とレペラ８２は、一体ユニットとして形成され、かつ注入ハウジング７５の共通ベース８５によって支持されている。
【００５０】
適当なイオン中和器と磁石レペラは、チェン(Chen)他に付与されかつ本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，６９１，５３７号に開示される。この米国特許は、ここで参考として包含されている。
【００５１】
ビーム中和器７４の下流端は、半導体ウエハ加工物２１にイオンが注入される注入室２２に隣接している。円盤形状の半導体ウエハの加工物支持体９０が注入室内に支持されている。処理されるべきウエハ加工物２１は、ウエハ支持体９０の外側端の近くに位置しており、この支持体は、モータ９２によって一定の角速度で回転する。モータ９２の出力軸は、ベルト９６によって支持体の駆動軸９４に連結されている。代わりに、ウエハ支持体９０の駆動軸９４は、モータ９２の出力軸に直接連結するようにしてもよい。イオンビーム１４は、ウエハ加工物が円形通路内で約１２００ｒｐｍの速度で回転するとき、ウエハ加工物に衝突する。ステップモータ９８は、垂直方向（図２において、矢印Ａで示すように）に支持体９０を変位させるためにリードねじ９９を駆動する。
【００５２】
これにより、多数列の半導体ウエハが、製造動作時にイオン注入できるようになる。加工物２１は、ロードロック室を介して搬入及び搬出され、ウエハの出し入れ中、ビームラインが真空状態に保たれるようにする。注入ステーション１６は、伸縮自在のベローズ１００（図１参照）によってビーム中和器ハウジング７５に関して旋回可能である。注入ステーション１６を旋回できる能力を備えたことにより、イオンビームが注入室２２内のウエハに衝突するとき、イオンビームの入射角を調整できる。
【００５３】
ファラデーゲージ１１０は、加工物支持体９０の後側に取付けられ、支持体９０内に形成されたスロット１１２を通過する、ファラデーゲージ内のイオンビーム電流Ｉf を測定するのに用いられる。
【００５４】
制御電子機器２０は、加工物２１によって受け入れられたイオンドーズ量とイオン注入深さを制御するドーズ量制御回路６６を含む。ドーズ量制御回路６６は、注入室２２内のイオンゲージ１１４から注入室内の入力に関する圧力Ｐを、またファラデーゲージ１１０（図２）からイオンビーム電流Ｉf をそれぞれ受け入れる。加工物２１のドーズ量を制御するために、ドーズ量制御回路６６は、モータ制御装置６８を制御して、支持体９０の各速度と垂直移動を調整する。加工物２１のイオン注入深さを制御するために、ドーズ量制御回路６６は、ｒｆ制御回路１９を制御して、イオンビーム１４のエネルギーを調整する。
【００５５】
飛行時間エネルギー測定装置２００の第１実施形態
イオンビーム注入装置１０におけるイオンビーム飛行時間エネルギー測定装置またはアセンブリの新規な第１実施形態が図３で参照番号２００で概略示されている。飛行時間エネルギー測定装置２００は、イオンビーム１４のエネルギーを連続的に測定する機能を有する。これにより、制御電子機器２０によってイオン注入深さを正確に制御できる。一般的に従来技術では、「イオンビームのエネルギー」は、実際に測定されていないが、一方、エネルギー測定装置２００では、イオンビーム１４における所望のイオン種のイオンの平均運動エネルギーを絶えず測定する機能を有する。
【００５６】
イオンの平均運動エネルギーは、装置２００の第１，第２センサ２１０，２２０間の所定の距離ｄを通過するとき、イオンパルスの平均速度に基づいて計算される。本発明のエネルギー測定装置２００は、１秒につき約２０回のイオンビーム１４の平均運動エネルギーを測定する。
【００５７】
本発明のエネルギー測定装置２００に設けられたイオンビームエネルギー測定は、ほとんど瞬時に更新可能であり、１ナノ秒(nsec)で１メガエレクトロンボルト（ＭｅＶ）のボロンのイオンビームに対して、タイミングの分解能は、イオンビーム１４の１つのイオンの真のエネルギー値の±０．５％以内に収まる。さらに、エネルギー測定装置２００によって測定されたイオンビームエネルギーの測定は、製造動作時に圧力はほとんど変わらないイオン注入装置１０の内部領域で行われるので、飛行時間センサの信号は、イオンビーム電流、即ち、ファラデー電流Ｉf （図２において概略示されている。）の個別の圧力モニターとして大いに役立つ。
【００５８】
イオンビーム測定装置２００は、適当な飛行時間（ＴＯＦ）技術に基づき、高エネルギーイオンビーム（例えば、９０ＫｅＶ以上の）が、概略P0,P1,P2,P3 として示される一連のパルスとして、正確にモデル化できる。このＴＯＦ技術は、パルスが第１，第２センサセンサ２１０，２２０間の所定の距離を通過するための経過時間にイオンパルスの速度を決定する。センサ２１０，２２０は、所定の距離（例えば、２５ｃｍ）離れて配置され、かつイオンビームライン１４に隣接して配置される。
【００５９】
有利なことに、イオンビーム測定装置２００は、ＦＥＭ制御回路４０からビームエネルギーの概算値（真のビームエネルギーの±１０％の範囲内にある）を受け入れる。この測定装置２００は、イオン加速器１８が一定周波数の一連のビームパルスを発生するという事実を利用する。２．５ＭｅＶのボロンのイオンビームに対して、一般的な周波数Ｆは、１３．５６ＭＨｚである。こうして、イオンビームラインにおける隣接パルス間の時間間隔は、周波数の逆数である。即ち、
Ｔ＝１／Ｆ
＝１／１３．５６ ＭＨｚ
＝７３．７５ ｎｓｅｃ．
第１，第２センサ２１０，２２０に加えて、測定装置２００は、エネルギー測定回路２０２を備えている。この回路２０２は、イオンパルスが第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄを通過する時間ｔを決定するためのタイミング回路２０４と、イオンビーム１４内のイオンのエネルギーを決定するための変換回路２０６とを含んでいる。
【００６０】
タイミング回路２０４は、先ず、第１センサ２１０を通過する第１パルスと第２センサ２２０を通過する第２パルスの間の遅延時間Δｔを決定する。即ち、図３及び図４を見ると、時間ｔ1 で、パルスＰ０は、第１センサを通過し、かつパルスＰｎは第２センサ２２０に接近しつつある。時間ｔ2 で、パルスＰｎは第２センサ２２０を通過する。遅延時間Δｔは、パルスＰｎが図４において、ラベル付けされたΔｄの距離を通過する時間に等しい。即ち、Δｔ＝ｔ2 −ｔ1 である。
【００６１】
操作的には、二重チャネルデジタルオシロスコープ２３０が使用され、パルスＰ０，Ｐ１，Ｐ２が第１センサ２１０（図８ (a) 参照）を通過した時、およびパルスＰ(n-1),Ｐ(n),Ｐ(n+1) が第２センサを通過した時、図８(a) ，(b) に示された形式のデジタル化された波形が発生する。デジタルデータは、遅延時間Δｔの関数として、相互相関値(cross correlation) Ｃ（Δｔ）を計算するのに用いられる。
【００６２】
【数１】
ここで、ｆ1(t)は、パルスＰ０が第１センサ２１０を通過することにより発生した波形信号を表すデジタルデータであり、ｆ2(t)は、パルスＰｎが第２センサ２２０を通過することにより発生した波形信号を表すデジタルデータである。ｔ’は、パルスＰ０によって発生した波形信号が開始する時間であり、ｔ”はパルスＰ０によって発生した波形信号が終了する時間である。
【００６３】
遅延時間Δｔの最も良い概算値を見出すために、０．０nsec. から時間Ｔ（パルス間の時間間隔７３．７５nsec. ）までの遅延時間の異なる値が、タイミング回路２０４によってその積分値に代入される。相互相関値Ｃ（Δｔ）を最大にする０．０〜７３．７５nsec. の間の遅延時間Δｔの値は、タイミング回路２０４によって遅延時間の最も良い概算値として選択される。この遅延時間を決定する手順は、センサ２１０，２２０によって発生した波形信号の特定の形によって影響されることがほとんどないという利点を有する。さらに、この手順は、波形信号が低信号対ノイズ比を有するときでも遅延時間を正確に決定できる。対照的に、レベル交差方法を用いる時間遅延測定は、波形信号がスローの立ち上がり時間または低信号対ノイズ比によりだめになる傾向がある。
【００６４】
ＦＥＭ制御回路４０からのパルス速度の概算値に基づいて連続するパルス間の時間間隔を知ることによって、第１，第２センサ間の距離を通過する選択されたパルスＰ０の経過時間ｔが、適当なアルゴリズムを用いるタイミング回路２０４によって計算される。以下に記載する、校正部分を含んでいないアルゴリズムは、次のとおりである。
【００６５】
ｔ＝ｔ(offset)＋Δｔ
＝［Ｎ×（１／Ｆ）］＋Δｔ
＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔ
ここで、ｔ(offset)は、選択されたパルスが、第１，第２センサ間の所定の距離ｄよりも少ない距離を通過するためのオフセット時間、Ｎは、第１，第２センサ間の期待される整数番目のパルス、Ｆは、イオンパルスの周波数、Ｔは、イオンパルス間の時間間隔である。
【００６６】
上述したように、パルス間の時間間隔Ｔは、パルスの周波数がｒｆイオン加速器１８から知られているので、既知（Ｔ＝７３．７５nsec. ）である。第１，第２センサ間のパルスの数Ｎは、ＦＥＭエネルギー概算に基づいて既知となる。図９において、ひ素（＋）イオンビーム、リン（＋）イオンビーム、及びボロン（＋）イオンビーム、の経験に基づくチャートが示されている。例えば、５００ＫｅＶのリンイオンビームが発生すると、パルスの数Ｎは、Ｎ＝２である。チャートから見いだされる数は、常に次の整数値の下側にあり、即ち、チャートＮ値が２．８であれば、Ｎ値として、Ｎ＝２が使用される。
【００６７】
図９に示されるように、Ｎ値の経験的なチャートに対応するデータは、タイミング回路２０４によって発生でき、そしてアクセス可能なメモリに入力する。タイミング回路２０４は、データをアクセスしてイオンビーム１４の組成によるＮの適当な値と所望のビームエネルギーを決定する。
【００６８】
代わりに、タイミング回路２０４は、第１，第２センサ間のパルスの期待数Ｎを計算し、連続するイオンパルス間の時間間隔Ｔを直接知り、かつパルスがＦＥＭエネルギー概算値に基づく所定の距離ｄを通過する概算時間を決定することができる。即ち、ＦＥＭエネルギー概算値に基づいて、タイミング回路２０４は、イオンパルスの概算速度を計算し、それにより、パルスが第１，第２センサ２１０，２２０間の所定の距離ｄを通過する概算時間を計算することができる。
【００６９】
第１，第２センサ間の距離を通過するパルスＰ０の経過時間ｔが正確にわかると、変換回路２０６は、次のようにパルスＰ０の速度を計算する。
ｖ(pulseP0) ＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離である。
【００７０】
最終的に、変換回路２０６は、次式を用いてパルスＰ０におけるイオンＥ(ion) のエネルギーを計算する。
Ｅ(ion) ＝（１／２）ｍ(ion) ｖ2
ここで、ｍは、ビーム１４における所望のイオン種のイオンの質量である。
【００７１】
校正手順
校正手順は、エネルギー測定装置２００がイオンビーム１４の正確なエネルギーを測定することを確実にするために必要とされる。測定装置２００を分離または組み合わせのいずれかで有効に利用するには４つの校正手順がある。その校正手順は、
(a) バランスした信号の技術、
(b) 光の速度を用いて確認する技術、
(c) 公知の遅延ラインを挿入する技術、および／または、
(d) 既知のエネルギーの直流ビームを用いる技術、
これら全ての技術は、直流ビームを除いて、分離した信号発生器から２つの飛行時間センサ２１０，２２０に入射した外部信号を用いる。
【００７２】
(a) バランスした信号の技術は、２つのセンサ２１０，２２０間にバランスしたスプリッタを備えて分離される信号を用いる。この信号は、２つのセンサ２１０，２２０内に同一長さのケーブルに沿って送られる。この結果、互いに遅延することなく２つのセンサ２１０，２２０から２つの信号が出力される。この２つのセンサ出力間に遅延が発生した場合には、個々の信号を測定するのに使用する２つのチャネル間にタイミング上の不均衡があることを示している。それゆえ、この「バランス」測定の結果は、測定された平均イオンパルスまたは複数の速度からのビームエネルギーを計算するために使用するアルゴリズムに含まれる一定のタイミングオフセットである。
【００７３】
(b) 光の速度を用いて確認する技術は、光の速度に近い早さで硬い同軸ケーブルに沿って伝搬する信号を用いる。このケーブルは、２つのセンサ２１０，２２０を貫通して挿入され、ケーブル上に伝搬する信号が各センサを通過する毎にパルス信号を発生する。この場合、測定されるべき時間遅れは、Δｔ＝ｄ／ｃであり、ここでｃは、同軸ケーブルにおける光の速度である。
【００７４】
測定された時間がこの値と異なる場合、それは、２つのセンサ２１０，２２０間の距離ｄが基準値から変化したことを示し、この新しい値は、校正手順から見いだされ、次に続く後のエネルギー測定に使用する。この方法は、ベンチトップシステム(bench top system)の手段を提供し、飛行時間測定装置２００がイオン注入装置１０のビームラインに沿って設置される前にセンサ間の有効な距離を確認することができる。
【００７５】
(c) 公知の遅延ラインを挿入する技術は、上述の光の速度の測定技術と同様であるが、この場合、遅延時間が既知のケーブルが２つのプローブ間に配置される。（正確なケーブル上の遅延時間は、ネットワーク分析器を用いて容易にかつ正確に測定される。）遅延ラインを有するケーブルに信号が入力し、２つのセンサの出力信号間の遅延時間が測定される。
【００７６】
測定された遅延時間が予想遅延時間と異なる場合、２つの分析チャネル間にあるタイミングの不均衡があることを示す。そして、遅延時間からエネルギーを計算するために、修正要素がアルゴリズム内に組み込まれる。
【００７７】
(d) 直流ビームの校正技術は、イオン源１２の引出し電極３４に加えられる直流電圧によって加速されるイオンビームを用いる。このようなビームのエネルギーは、引出し電極３４に加えられる電圧の正確さの範囲内で識別される。イオン加速器１８のモジュール18a,18b,18c,18d,18e 内の１つの電極に加えられる小さなＲＦ電圧によって、小さなＲＦ信号が直流ビームに加えられる。直流ビーム上での小さなＲＦ信号の変調は、ビームの平均エネルギーを変更することはない。多数の直流ビームエネルギーを飛行時間測定装置２００によって測定することにより、予想遅延時間は、
ｔ(expected)＝ｄ／ｖ
ここで、ｄは、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離であり、ｖは、直流イオンビームにおけるイオンの速度である。
【００７８】
第１センサの作動形態（誘導性センサ）
イオンビームエネルギー測定装置２００の好ましい第１作動形態は、第１，第２誘導性センサ２１０，２２０（図６参照）を含んでおり、このセンサは、エネルギー測定回路２０２（図３参照）に電気的に接続され、さらに、特にデジタルオシロスコープ２３０に電気的に接続されている。
【００７９】
第１センサ２１０と第２センサ２２０は、所定の、既知の距離、例えば２５ｃｍに間隔を置き、ＦＥＭ３２の下流側でかつ注入室２２の上流側のイオンビーム１４に隣接して配置されている。
【００８０】
誘導性センサ２１０は、高透磁率を有するコア材料３１２の回りを取り巻いた導体３１４を含む。好ましくは、センサ２１０は、リング形状であり、図７に示すようにイオンビームライン１４がセンサを通過するように配置されている。このセンサ２１０は、支持部材２１８に固定されている。
【００８１】
支持体２１８は、ボルト２１９を用いてＦＥＭハウジング３３の内部部分に固定され、センサ２１０をイオンビームライン１４に対して適当な位置に支持する。第２誘導性センサ（図示略）は、第１センサ２１０の下流側のビーム形成・指向装置５０の内部部分に同様にボルトで固定されている。
【００８２】
誘導性センサは、容量性センサと比較して空間電荷中和効果に反応を示さないという利点を有する。
【００８３】
第２センサの作動形態（容量性センサ）
イオンビームエネルギー測定装置２００の好ましい第１作動形態は、第１，第２容量性センサ３１０，３２０（図７参照）を含んでおり、このセンサは、エネルギー測定回路２０２に電気的に接続されている。第１、第２センサ３１０，３２０は、構造的に同一であり、第１センサのみを以下に詳述する。
【００８４】
図７において、第１センサ３１０は、ガラス等の高絶縁材料から作られた、Ｊ形状のガラスチューブ３１２から構成され、アーチ状の上部部分３１３を有している。センサ３１０は、アーチ状部分３１３がイオンビーム１４を部分的に取り巻くように配置されている。チューブ３１２は、リード導体（金属コア）３１６が貫通する長手方向の中央孔３１４を有する。リード導体３１６の一端部は、アーチ状の上部部分３１３の遠端３１７に終端し、またリード導体の他端部は、オシロスコープ２３０に連結されている。リード導体３１６は、キャパシタの負側プレート即ちカソードとして機能し、イオンビーム１４は、正側プレートまたはアノードとして機能する。
【００８５】
イオンビーム１４の電流が変わると、負側プレート上の電荷も変化する。リード導体３１６は、エネルギー測定装置２０２を通じて適当に放電される。第１センサ３１０の負側の容量性ピックアップは、イオンビーム１４の電界に反応する。
【００８６】
図４に見られるように、第１容量性センサ３１０は、支持部材３１８に固定される。支持部材３１８は、ボルト３１９を用いてＦＥＭハウジング３３の内部部分に固定され、センサ３１０をイオンビームライン１４に対して適当な位置に支持する。第２容量性センサ３２０は、第１センサ３１０の下流側のビーム形成・指向装置５０の内部部分に同様にボルトで固定されている。
【００８７】
この実施形態のセンサは、誘導性センサよりもより感応性を有する利点がある。
【００８８】
飛行時間エネルギー測定装置４００（第２実施形態）
本発明のエネルギー測定装置の好ましい第２実施形態は、図５において参照番号４００で示されている。タイミング回路４０４は、イオンパルスが第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄを通過するための概算遅延周期を計算するための遅延回路４０８を含んでいる。第１，第２センサは、上述の実施形態と同様の形状をしている。タイミング回路４０４のタイマ４７０が単一のイオンパルスを計時するのを確実にするために、遅延回路によって計算された遅延周期が使用される。
【００８９】
第１センサ２１０と第２センサ２２０は、２５ｃｍ離れて置かれ、イオンビーム１４に隣接して配置されている。第１センサ２１０は、ＦＥＭ３２の下流側に配置され、一方、第２センサ２２０は、そこから２５ｃｍの位置にある。パルスＰ０等のイオンパルスが第１センサを通過するとき、センサは、確実な零調整したバイポーラ信号を発生する。
【００９０】
第１タイミング差分器４３０は、好ましくは、フェアチャイル社のμＡ７４１等のオペアンプを含み、このオペアンプはゼロクロス検出器として構成される。第１センサ２１０の出力が、ゼロボルトに交差したとき、第１タイミング差分器４３０は、信号を発生する。こうして、ビーム通路を通過する各パルスＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３等が、第１センサを通過する度に、第１タイミング差分器４３０は、開始信号を発生する（図３参照）。第１タイミング差分器４３０によって発生した開始信号は、タイミング回路４０４のパルス高さ変換器用のタイマ４７０に入力し、そして、遅延回路４０８のゲート・遅延発生器に入力する。
【００９１】
同様に、第２タイミング差分器４４０は、第１タイミング４３０と同様の構造をしている。ビーム通路１４を通過する各イオンパルスは、第２センサを通過し、第２タイミング差分器４４０は停止信号を発生する。第２タイミング差分器４４０から発生した信号は、遅延回路４０８のアンドゲート４６０に入力する。ゲート・遅延発生器４５０は、イオンビーム１４のエネルギー概算値を与えるＦＥＭ制御回路４０からデータを受取る。
【００９２】
ゲート・遅延発生器４５０は、ＦＥＭ３２からのイオンビームエネルギーの概算測定値を利用し、イオンパルスのための概算オフセット時間ｔ(offset)を計算する。即ち、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄをイオンパルスが通過するのにどのくらいの時間がかかるかの概算値により、所定のファクターによって減じられたイオンビーム１４の概算エネルギーが与えられる。
【００９３】
例えば、ＦＥＭの概算エネルギー測定値は、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄをイオンパルスが通過する概算経過時間ｔ(est.)を決定するのに用いることができる。ゲート・遅延発生器４５０は、概算したビームエネルギーＥ(approx.) をイオンパルスの速度ｖ(pulse) に変換する。第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄが既知となると、パルス速度ｖ(pulse) は、式
ｔ(est.)＝ｄ／ｖ(pulse)
を用いてゲート・遅延発生器４５０が概算経過時間ｔ(est.)を決定するために使用される。
【００９４】
そのとき、概算時間ｔ(est.)は、オフセット時間ｔ(offset)を発生するのに、例えば、１０％だけ、その時間を減少させる。オフセット時間ｔ(offset)は、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄよりも少ない距離をパルスが通過する経過時間としてみなすことができる。このｔ(offset)に固有の過小評価は、パルスが第２センサ２２０を通過するとき、選択されたイオンパルスを見失うことを防止する。
【００９５】
選択されたイオンパルス、即ち、Ｐ０に対して、第１タイミング差分器４３０は、パルスが第１センサ２１０を時間ｔ1 （図３に示した位置）で通過するとき開始信号を発生する。開始信号は、時間ｔ1 でタイマ４７０の開始入力に入力され、選択されたパルスに対する経過時間を開始する。この開始信号は、また、時間ｔ1 でゲート・遅延発生器４５０に入力される。ゲート・遅延発生器４５０は、計算された概算オフセット時間ｔ(offset)に等しい時間だけ開始信号を遅らせる。そして、遅延した開始信号と考えられるロジックハイ信号を出力する。遅延した開始信号は、アンドゲート２６０の第１入力に時間ｔ1 ＋ｔ(offset)で入力し、この入力をロジックハイにラッチさせる。
【００９６】
アンドゲート４６０の第１入力が時間ｔ1 ＋ｔ(offset)でロジックハイに切換った後で起こる時間ｔ2 において、第２タイミング差分器４４０によって発生した次の停止信号は、第２センサを通過する選択されたイオンパルスＰ０に対応している。この時間ｔ2 で発生した停止信号は、アンドゲート４６０の第２入力をロジックハイに移行させる。両方のゲート入力がハイであるので、ロジックハイの停止信号がアンドゲート４６０から時間ｔ2 で出力され、さらに、タイマ４７０の停止入力に接続される。この停止信号によって、タイマ４７０が選択されたパルスに対する経過時間を停止させる。第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄを通過する選択されたパルスＰ０に対する経過時間は、ｔ＝ｔ2 −ｔ 1 に等しい。
【００９７】
選択されたイオンパルスに対する開始信号を遅らせるゲート・遅延発生器４５０の別の方法は、図９に示すような経験的なチャートを用いて、オフセット時間ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔを決めることである。ここで、Ｎは、発生器の出力がロジックハイに切換わる前にゲート・遅延発生器４５０に入力されなければならないパルスの数であり、Ｔは、連続したイオンパルス間の時間間隔である。
【００９８】
上述したように、図９に示した経験的なチャートに対応するデータは、メモリに記憶され、タイミング回路４０４を用いて、Ｎ、即ち、ゲート・遅延発生器４５０がロジックハイに切換わる前にどのくらいの数のイオンパルスを無視するかを決めるのに使用される。
【００９９】
例えば、５００ＫｅＶのリンのイオンビームが発生した場合、ゲート・遅延発生器４５０は、連続した無線周波数(RF)と第１センサ２１０によって発生した選択されたイオンパルスＰ０がセンサ２１０を通過したことに続いてイオンパルスＰ１，Ｐ２がセンサ２１０を通過した結果として、第１センサ２１０によって発生した連続した無線周波数(RF)またはカウント数 Ｎ＝２の間待つ。
【０１００】
２サイクルが経過した後、即ち、選択された開始信号に続く２つの開始信号は、第１タイミング差分器２３０によって発生される。そして、ゲート・遅延発生器４５０は、ロジックハイの出力に切換わる。
【０１０１】
連続的なイオンパルス（ｒｆサイクル）間の周期は、７３．７５nsec. と仮定すると、第１タイミング差分器４３０は、概算値７３．７５ｎｓの開始信号を発生する。Ｎ＝２サイクルの遅延は、第１タイミング差分器４３０からイオンパルス開始信号を受け取った後で、オフセット時間ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔ＝２×７３．７５＝１４７．５nsec. を生じる。ゲート・遅延発生器４５０は、選択された開始信号（選択されたイオンパルスに対応する）に続く２つの開始信号を受け取った後で、ロジックハイの出力を発生する。ゲート・遅延発生器４５０によってカウントされるこのパルスは、第２タイミング差分器４４０からの次の停止信号を受けたとき、アンドゲート４６０からロジックハイを出力することができる。
【０１０２】
変換回路４０６（図５参照）は、選択されたイオンパルスＰ０の経過時間ｔをイオンパルスＰ０のイオンのエネルギーＥ(ion) に変換するマルチチャネル分析器を含んでいる。
【０１０３】
イオンビーム１４の選択されたパルスＰ０の速度ｖ(pulse) は、公式
ｖ(pulse) ＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離、ｔは、パルスが第１センサ２１０から第２センサ２２０へ移動するための経過時間である。パルスの速度ｖ(pulse) が決定されると、このパルスのイオンのエネルギーＥ(ion) は、上述した第１実施形態で設定したように決定される。
【０１０４】
以上、本発明の好ましい実施形態を記載してきたが、当業者であれば、他の変更は、本発明の範囲から逸脱しないで作ることができ、また、本発明は、特許請求の範囲内に含まれるすべての修正および変形が可能であることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオンビーム注入装置に係る概略平面図である。
【図２】図１のイオンビーム注入装置の選択した構成要素の概略斜視図である。
【図３】本発明のエネルギー測定装置の第１実施形態における選択された回路を示す概略ブロック図である。
【図４】図１のイオンビーム注入装置によって発生したイオンビームの一部を構成するイオンパルスを表す概略図である。
【図５】本発明のエネルギー測定装置の第２実施形態における選択された回路の概略ブロック図である。
【図６】本発明のエネルギー測定装置の誘導性センサを示す概略図である。
【図７】本発明のエネルギー測定装置の容量性センサを示す概略図である。
【図８】８(a) は、第１センサを通過する連続パルスから得られる波形を示すデジタルオシロスコープの軌跡を示し、８(b) は、第２センサを通過する連続パルスから得られる波形を示すデジタルオシロスコープの軌跡を示す図である。
【図９】第１，第２センサが２５ｃｍ離れている場合の、イオンパルスの経過時間を完了する前に、カウントされる無線周波のサイクル数とイオンビームエネルギーとの間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ イオンビーム注入装置
１２ イオン源
１４ イオンビーム
１６ 注入ステーション
１８ イオン加速器
２１ 加工物
２２ 注入室
３２ ＦＥＭ
４０ ＦＥＭ制御回路
２００，４００ エネルギー測定装置
２０４，４０４ タイミング回路
２０６，４０６ 変換回路
２１０，３１０ 第１センサ
２２０，３２０ 第２センサ
２３０ オシロスコープ
３１６ リード導体
４０８ 遅延回路
４３０ 第１タイミング差分器
４４０ 第２タイミング差分器
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビーム注入装置に関するものであり、特にイオンビーム注入装置において、半導体加工物にイオンドーピングするために使用されるイオンビーム内のイオンの平均運動エネルギーを測定するための飛行時間処理技術を用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム注入装置は、所望のイオン種を有する半導体ウエハの注入工程で広く使用されている。イオンビーム注入装置は、所望の核種の正の荷電イオンを含むイオンビームを発生する。イオンビームは半導体ウエハの加工物の露出表面に衝突し、それによって、所望のイオンを加工物表面に「ドーピング」あるいは注入する。イオン注入装置の中には、連続的注入が行われることがあり、そこでは単一の半導体ウエハの加工物は、注入室内の支持体に配置される。支持体は加工物がイオンビームライン内にあるように向けられ、イオンビームは所望のイオン注入量を注入するために加工物上に繰返し走査される。注入が完了すると、加工物は支持体からはずされ、他の加工物が支持体上に配置される。
【０００３】
イオンビーム注入装置の他のタイプは、加工物が取り付けられて回転し、移動するディスク型支持体を使用している。複数の半導体加工物は、ディスク型支持体上に取り付けられる。支持体は、イオンビーム注入装置の端部あるいは注入ステーションの注入室内に支持される。支持体の回転及び移動により、複数の加工物の各々を製造工程中にイオンビームにさらすことができる。
【０００４】
(a) 注入工程中の半導体ウエハ内に注入されるイオン量と、(b) 加工表面におけるイオン注入の注入深さの両方の精度を保つことが、許容できる製品を製造する場合にきわめて重要となる。このイオン注入深さとイオン注入量、すなわち、多くの半導体素子を製造する場合のドーズ量における許容公差は、現在、多くの利用において、１％の範囲内にある。
【０００５】
イオン注入装置における加工物のイオン注入深さは、直接イオンビームのエネルギーに係わっている。それゆえ、所望の注入深さを達成するには、イオンビームのエネルギーの正確な制御、測定、及び監視が必要である。
【０００６】
従来の高エネルギーイオン注入装置は、最終エネルギー磁石（ＦＥＭ）を用いるイオンビームエネルギーを制御する。ＦＥＭを用いるイオンビームエネルギーを制御することによって、イオンビームのエネルギーが選択され、曲げることが必要とされる、即ち、イオンビームを構成する所望のイオン種が、注入室内の支持体に支持された加工物に向けて所定のアーチ状通路内で移動させるための磁界の強さを選ぶことができる。
【０００７】
このイオンビームは、ＦＥＭを介して指向される。この磁界は、イオンビームを構成するイオンをアーチ状通路内を移動させる。磁界の強さは、特定のモーメントを有する所望のイオン種が、曲線通路から、加工物が配置される注入室に向かうように調整される。
【０００８】
しかし、残念なことに、イオンビームエネルギーを計算するＦＥＭ方法の精度では、重大な欠点がある。それは、イオンビームの曲げの強さは、ＦＥＭの磁界の強さにおけるイオンの入射角の関数である。イオンの入射角（２〜３°）の差がわずかであって、ＦＥＭの磁界が入ると、イオンビームの曲げの強さに重大な影響を与える。ＦＥＭのエネルギーのリードバック(read back) は、ある条件の下でイオンビームの所望エネルギーの±１０％以内まで修正できることが、数値的なシミュレーションおよび経験的な試験により示されている。
【０００９】
必要とされているものは、イオン注入装置に対する、より正確なイオンビームエネルギー測定装置である。また、このようなエネルギー測定装置において、必要なことは、比較的安価で、耐久性があり、さらに、イオンビームの更新が急速でかつ実時間で与えられることである。さらに、必要なことは、注入装置の広範囲の修正を必要とすることなく、注入装置のイオンビーム電流の発生のために使用する改良を行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術の事情に鑑みて、本発明は、イオンビームのエネルギーを測定しかつ制御するための飛行時間エネルギー測定装置及びこれを含むイオンビーム注入装置を提供することを目的としている。また、本発明の目的は、イオンビームのエネルギー測定装置、及びイオンの平均運動エネルギーの測定方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有している。
本発明によれば、半導体ウエハの複数の加工物に対してイオンビームを指向するためのイオンビーム注入装置が開示される。このイオン注入装置は、注入室を形成する注入ステーションを含んでいる。複数の加工物は、注入室内に配置されたディスク形状の回転及び並進可能な支持体上に支持されている。このイオン注入装置は、さらに、イオンビームを発生するイオン源と、イオンビームをイオン源から注入ステーションへ向かわせる内部領域を形成するビーム形成及び指向装置とを含んでいる。この内部領域の圧力を増圧及び減圧するためのポンプ装置が設けられている。無線周波(rf)のイオン加速器がイオン源と注入ステーションの間に配置され、イオンビームと共にイオンを加速し、所望の高ビームエネルギーを達成する。
【００１２】
このイオン注入装置は、イオンビームのイオンパルスにおけるイオンの平均運動エネルギーを決めるために、飛行時間の処理技法を利用する新規な、イオンビームエネルギー測定装置を含んでいる。エネルギー測定装置は、高エネルギー注入応用に無線周波イオン加速器を用い、イオンビームが一連のビームパケット(beam packets)またはパルス列であるという事実を利用している。飛行時間の処理技法は、エネルギー測定装置によって有効に加えられ、イオンビーム内の平均イオンエネルギーを正確に決定する。エネルギー測定装置のタイミング回路は、２つのセンサ間の所定の距離を移動するパルス（複数のイオンを含む）に対する時間ｔを決定する。重要なことは、エネルギー測定装置がＦＥＭによって発生したイオンビーム内のイオンのエネルギーを粗く概算するのに利用し、タイミング回路によって決定されたパルス経過時間が正確であることを保証する。
【００１３】
イオンの束またはイオンパルスの平均速度は、次式を用いる変換回路によって決定される。 ｖ（パルス）＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離、ｔは、パルスが第１センサから第２センサに移動する経過時間である。
【００１４】
パルスの速度が一度決定されると、イオンのエネルギーＥは、
Ｅ（イオン）＝（１／２）ｍｖ2
ここで、ｖは、パルスの速度、ｍは、パルス内のイオンの質量である。所望の注入イオン種のイオンの質量は、正確に知られている。
【００１５】
エネルギー測定装置は、イオンビームに隣接配置されかつ所定の距離だけ離れた第１，第２センサを含み、第２センサは、第１センサの下流にある。第１センサは、第１センサを通過するイオンビームのパルスとして信号を発生し、第２センサは、第２センサを通過するイオンビームのパルスとして信号を発生する。
【００１６】
エネルギー測定装置の第１実施形態において、この装置は、無線周波イオン加速器が一定の周波数で一連のビームパルスを発生することを利用しており、その結果、ビームラインにおける隣接パルス間の間隔が既知となる。エネルギー測定装置のタイミング回路は、第１センサを通過する第１パルスと第２センサを通過する第２パルス間の遅延時間Δｔを決定する。ＦＥＭからのパルス速度の概算値に基づく連続パルス間の間隔がわかると、第１，第２センサ間の距離を移動する第１パルスの経過時間ｔは、次式のようにタイミング回路によって計算される。
【００１７】
ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔ
ここで、
Ｎ＝第１，第２センサ間のパルスの数
Ｔ＝パルス間の時間間隔
上述したように、パルス間の時間間隔Ｔは、パルスの周波数が無線周波イオン加速器からわかるので、既知となる。第１，第２センサ間のパルスの数Ｎは、ＦＥＭのエネルギー概算値に基づいて既知となる。
【００１８】
タイミング回路は、第１，第２センサから受け取ったデジタル波形の相関関係を用いてΔｔを決定する。第１，第２センサ間の距離ｄを移動するパルスの時間ｔが正確に知れると、変換回路は、次のようにイオンパルスの速度を計算する。
ｖ（パルス）＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離である。
【００１９】
第２実施形態では、エネルギー測定装置は、わずかに異なる方法でＦＥＭのイオンエネルギー概算値を用いるタイミング回路を含んでいる。この形態において、エネルギー概算値は、単一パルスの飛行時間が第１，第２センサ間を移動することを保証するのに利用される。タイミング回路は、第１タイミング差分器、第２タイミング差分器、及び遅延回路を含む。
【００２０】
第１タイミング差分器は、第１センサに電気的に接続され、かつ第１センサからの信号を受けたとき第１信号を発生する。第２タイミング差分器は、第２センサに電気的に接続され、かつ第１センサからの信号を受けたとき第２信号を発生する。
【００２１】
遅延回路は、第１，第２タイミング差分器に電気的に接続され、２つの差分器によって発生した第１，第２信号を入力する。遅延回路は、また、イオンビームのエネルギーの概算測定のデータ値を受け入れる。この概算エネルギ測定データは、ＦＥＭの上流側の第１センサから受け入れられる。遅延回路は、概算エネルギー測定データを変換し、加速されたイオン種の質量を用いてイオンビームパルスのための遅延時間を生じる。
【００２２】
選択されたイオンパルスに対して、タイミング回路は、前記選択されたイオンパルスに対応する第１，第２信号を用い、第１，第２センサ間の所定の距離を移動する前記選択パルスの経過時間を計算する。
【００２３】
エネルギー測定装置は、さらに、選択されたイオンパルスに対する経過時間をイオンビームのエネルギーの測定値に変換するための変換回路を含んでいる。本発明のエネルギー測定装置は、注入室の支持体の後に位置したファラデーケージと無関係に、電流を測定するための代替手段を設けることにより、イオンビームのドーズ量モニターとして有用である。
【００２４】
注入室の上流側にビーム形成及び指向装置によって形成される内部領域は、注入中、一定に減圧された状態にある。エネルギー測定装置からの信号の振幅は、イオンビーム電流のレベルによる。エネルギー測定装置は、比較的一定の圧力を有するイオン注入装置の内部領域に配置されるので、イオンビーム電流は、ビームラインの領域に生じる電荷を中和する衝突に無関係に、エネルギー測定装置の下流側の注入室圧力がより高くできる場所にあるセンサを用いて、正確に測定することができる。注入ステーションのようなイオン注入装置の他の部分では、ガス圧力が変化し、イオンビームを電気的に中和して、ファラデーゲージの電流測定において誤差を生じさせる。
【００２５】
従来のイオン注入装置は、支持体の１回転毎にファラデーゲージをイオンビームにさらすために支持体内に開口が設けられている。このファラデーゲージは、支持体の１回転毎にイオンビーム電流を読取る。本発明のエネルギー測定装置は、回転支持体の後に配置されたファラデーゲージを用いる場合よりも、イオンビームのエネルギーと電流をより早く走査することができる。
【００２６】
本発明のエネルギー測定装置の１つの作動形態では、第１，第２センサが誘導性センサからなる。誘導性の第１，第２センサは、ビームラインに隣接して所定の距離離れて置かれている。第１の誘導性センサは、パルスが第２センサを通過するとき信号を発生する。
【００２７】
本発明のエネルギー測定装置の第２の作動形態では、第１，第２センサが誘導性センサではなく容量性センサからなる。誘導性センサと同様に、容量性センサもイオンビームラインに沿って所定の距離離れて配置されている。
【００２８】
本発明のこれらの目的、特徴、および効果は、図面と関連して記載される本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から、より理解されるであろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】
イオンビーム注入装置１０の構造
イオンビーム注入装置は、図１の参照番号１０で示される。注入装置１０は、１０〜５０００ＫｅＶの範囲のビームエネルギーを有するイオンビーム１４を発生する。この注入装置１０は、イオン源１２を含み、注入ステーションまたは端部ステーション１６へのビーム通路を通過するイオンビーム１４を形成するイオンを供給する。さらに、注入装置１０は、無線周波イオン加速器１８を用いてイオンビーム１４内のイオンを適当な高速度で加速して所望のイオンビームエネルギーを達成する。高エネルギーの注入装置において用いる適当なイオン加速器１８は、グラヴィシュ(Glavish) 他に付与され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，６６７，１１１号に開示されている。この米国特許は、ここで参考として包含される。
【００３０】
注入装置１０等の高エネルギー注入装置において、イオンビーム１４は、１つのトレイン、即ち、個別の一連のパルスとして分析され、個々のパルスは、１０13個程度のイオンを有する多数のイオンからなる。イオンビーム１４のイオンパルスの数は、図３〜図５においてP0,P1,P3......P(n-1),Pn,P(n+1)のように概略示される。
【００３１】
図２において、制御電子機器（概略２０で示される）が、注入ステーション１６の注入領域あるいは注入室２２内の複数の半導体ウエハ加工物２１に受け入れられるイオン注入量を監視しかつ制御するために設けられている。この制御電子機器２０へのオペレータの入力は、ユーザ操作盤６７を介して実行される。
【００３２】
イオン源ハウジング１２は、注入室２２内で回転及び並進可能な円盤９０上に配置したウエハ加工物２１に衝突するイオンビームを発生する。イオンビーム１４内のイオンは、ビームがイオン源１２と注入ステーション１６の間の距離を通過するとき、発散する傾向にある。イオン源１２は、イオン源の材料が注入される内部領域を形成するプラズマ室２８を含んでいる。イオン源の材料は、イオン化し得るガスあるいは気化したイオン源材料を含んでよい。
【００３３】
プラズマ室２８に注入される固定形状のイオン源材料は、蒸発器内に置かれる。ｎ型不純物半導体のウエハ材料を所望の場合、ボロン（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、あるいはインジウム（Ｉｎ）が使用される。ガリウムあるいはインジウムは固体化されたイオン源材料であり、一方、ボロンは、ガスとして、一般的に、三フッ化ホウ素（ＢＦ3)またはジボラン（Ｂ2Ｈ6)としてプラズマ室２８内に注入される。その理由は、ボロンの蒸気圧が余りに低いので、単に固体のボロンを加熱しただけで使用可能な圧力にすることができないからである。
【００３４】
また、Ｐ型不純物半導体材料を製造する場合には、固体イオン源材料として、アンチモニー（Ｓｂ）、ひ素（Ａｓ）、（Ｐ）リンが選択される。エネルギーは、イオン源材料に加えられてプラズマ室２８内に、正に荷電したイオンを発生する。図２に見られるように、正に荷電したイオンは、プラズマ室２８の開口側を覆うカバープレート３０内の長円状のアークスリット２９を介して、プラズマ室２８を出る。
【００３５】
製造動作中、すなわち、半導体ウエハ加工物２１が、イオンビーム１４によって衝突され、それによってイオン注入されるとき、イオンビーム１４は、イオン源１２から注入室２２へ伸びているビーム形成及び指向装置５０によって形成されかつ排気された内部領域５２（図１参照）を通る排気された通路を通過する。製造動作中のビーム通路を形成する内部領域５２の排気は、一対の真空ポンプ３１を含む圧力調整システム５５によって行われる。
【００３６】
プラズマ室２８内のイオンは、プラズマ室カバープレート３０のアークスリット２９を介して引き出され、ビーム形成・指向装置５０によってイオン源１２と注入ステーション１６の間の距離を通過するイオンビーム１４に形成される。ビーム形成・指向装置５０は、質量分析あるいは分解磁石２４、ｒｆ（無線周波）イオン加速器１８、最終エネルギー磁石（ＦＥＭ）３２及び一組の電極３４を含む。一組の電極３４は、プラズマ室内部からイオンを引き出し、質量分析磁石３２によって、定められた領域内でイオンを加速する。
【００３７】
質量分析磁石２４は、質量分析磁石ハウジング内に支持され、この磁石領域を介してイオンビーム通路は、アルミニウムビームガイド２６により制限されている。イオン注入ステーション１６に到達するための適当な質量電荷比を有するイオンのみを生ずる。プラズマ室２８内のイオン源材料のイオン化は、所定の原子質量を有する正に荷電したイオン種を発生する。しかしながら、望ましいイオン種に加えて、イオン化の過程では、適当な原子質量以外の他のものを含んだ比率でイオンを発生する。適当な原子質量以上の、あるいは以下の原子質量を有するイオンは、イオン注入には適さない。
【００３８】
質量分析磁石２４によって発生する磁界によって、イオンビーム１４内のイオンが曲線軌道内で移動する。制御電子機器２０によって達成される磁界は、望ましいイオン種の原子質量に等しい原子質量を有するイオンのみが、注入ステーションの注入室２２へ湾曲したビーム通路を通過する。
【００３９】
所望の原子質量を有するイオンは、質量分析磁石２４を出て、そして、ｒｆイオン加速器１８のモジュール18a,18b,18c,18d,18e によって高速度に加速される。所望エネルギーレベルへのイオンの加速は、ｒｆコントローラ１９によって制御される。加速器１８の作用で重要なことは、イオンビーム１４は、図３において、P0,P1,P2,P3......P(n-1),Pn,P(n+1) のように概略示した一連のイオンパルスから構成されていることである。
【００４０】
エネルギー分析のために、ビーム１４は、一連の別個のイオンパルスとして考えることができる。各イオンパルス P0,P1,P2,P3......P(n-1),Pn,P(n+1)は、１０13個程度の多数の個々のイオンから構成される。さらに、イオン加速器１８の特性から、イオンパルスの周波数は、予め決められた既知の値である。
【００４１】
イオン加速器に対する一般的な周波数値は、ｆ＝１３．５６メガヘルツである。これは、連続するパルス間の、即ち、Ｐ０とＰ１との間の時間間隔Ｔが
Ｔ＝１／ｆ＝（１／１３．５６）ＭＨｚ＝７３．７５（ｎｓｅｃ．）
を意味する。
【００４２】
イオン加速器１８によって加速された後で、ビーム１４は、ＦＥＭ制御回路４０（図２において概略示された）の制御の下で、作動するＦＥＭ３２によって発生した磁界を通過する。このＦＥＭ３２は、ハウジング３３内に支持され、質量分析磁石２４のように、イオンビーム１４が通過するアルミニウムのビームガイド４２を含んでいる。
【００４３】
イオンビーム１４を作り上げるイオンは、イオン源１２から質量分析磁石３２によって設定される磁界内を移動する。ＦＥＭ３２によって生じる磁界の強さと方向は、制御電子機器２０のＦＥＭ制御回路によって制御され、磁界巻線を通る電流を調整する。ＦＥＭ３２は、イオンビームエネルギーの概算値を与えて、ビーム１４のエネルギーが注入室２２内の目標加工物２１に向けられるように、適当なアーチ状通路に沿ってビームを曲げるのに必要な磁気エネルギーにビームエネルギーが比例するようになる。それゆえ、ＦＥＭ３２は、イオンエネルギーを制御する。一般的に、ＦＥＭのエネルギー制御は、所望イオンビームエネルギーの±１０％の範囲内に正確に収まる。
【００４４】
分析磁石３２から下流側に配置されたビーム形成・指向装置５０の一部は、４極子アセンブリ７０、分析プレート８０、回動するファラデーフラッグまたはカップ７２、及びイオンビーム中和器７４である。４極子アセンブリ７０は、イオンビーム１４の回りに配置された一組の電極を含み、制御電子機器２０によって選択的に活性化させ、イオンビーム１４の高さ位置を調整する。この４極子アセンブリ７０は、注入装置ハウジング７５内に支持されている。
【００４５】
分析磁石３２に対面する４極子アセンブリ７０の端部には、分析プレート８０（図１参照）が連結されている。ファラデーフラッグ７２は、ハウジング７５に回動可能に連結され、イオンビーム１４の特性を測定するためにイオンビームを交差させる位置に回動可能であり、この測定が満足である時、ビームラインを揺動させ、注入室２２でウエハ加工物への注入を妨害しないようにする。
【００４６】
分析プレート８０は、ガラス質のグラファイトから構成され、イオンビーム１４内のイオンが通過する細長い開口を形成している。分析磁石２４と同様にＦＥＭ３２は、好ましくないイオン種をイオンビーム１４から取り除くように機能する。
【００４７】
以上説明したように、ＦＥＭの磁界の強さと方向は、ＦＥＭ制御回路４０と制御電子機器２０によって確立され、これにより、所望のイオン種の原子質量に等しい原子質量を有するイオンのみが、予め決められた、所望のビーム通路を通過して注入ステーション１６に到達する。好ましくないイオン種は、所望のイオン原子質量より大きいかまたは小さいものであり、大きく偏向され、アルミニウムのビームガイド４２または分析プレート８０によって形成されたスリット境界に衝突する。
【００４８】
ビーム形成・指向装置５０は、また、通常電子シャワーとして当該技術で言われるビーム中和器を含む。プラズマ室２８から引き出されるイオンは、正に荷電されている。正に荷電したイオンが、ウエハの注入より前に中和されなければ、ドープしたウエハは正味の正電荷を示すだろう。ウエハ加工物上の、そのような正味の正電荷は、望ましくない特性を有している。ビーム中和器７４によって発生した電子は、イオンビームラインに沿う下流側で一掃され、イオンビーム中和器７４の下流側に中性の空間電荷密度が与えられる。
【００４９】
イオンビームの中和器７４の上流側には、磁気レペラ８２があり、このレペラ８２は、中和器７４から電子の逆流を防止するための永久磁石を含んでいる。中和器７４とレペラ８２は、一体ユニットとして形成され、かつ注入ハウジング７５の共通ベース８５によって支持されている。
【００５０】
適当なイオン中和器と磁石レペラは、チェン(Chen)他に付与されかつ本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，６９１，５３７号に開示される。この米国特許は、ここで参考として包含されている。
【００５１】
ビーム中和器７４の下流端は、半導体ウエハ加工物２１にイオンが注入される注入室２２に隣接している。円盤形状の半導体ウエハの加工物支持体９０が注入室内に支持されている。処理されるべきウエハ加工物２１は、ウエハ支持体９０の外側端の近くに位置しており、この支持体は、モータ９２によって一定の角速度で回転する。モータ９２の出力軸は、ベルト９６によって支持体の駆動軸９４に連結されている。代わりに、ウエハ支持体９０の駆動軸９４は、モータ９２の出力軸に直接連結するようにしてもよい。イオンビーム１４は、ウエハ加工物が円形通路内で約１２００ｒｐｍの速度で回転するとき、ウエハ加工物に衝突する。ステップモータ９８は、垂直方向（図２において、矢印Ａで示すように）に支持体９０を変位させるためにリードねじ９９を駆動する。
【００５２】
これにより、多数列の半導体ウエハが、製造動作時にイオン注入できるようになる。加工物２１は、ロードロック室を介して搬入及び搬出され、ウエハの出し入れ中、ビームラインが真空状態に保たれるようにする。注入ステーション１６は、伸縮自在のベローズ１００（図１参照）によってビーム中和器ハウジング７５に関して旋回可能である。注入ステーション１６を旋回できる能力を備えたことにより、イオンビームが注入室２２内のウエハに衝突するとき、イオンビームの入射角を調整できる。
【００５３】
ファラデーゲージ１１０は、加工物支持体９０の後側に取付けられ、支持体９０内に形成されたスロット１１２を通過する、ファラデーゲージ内のイオンビーム電流Ｉf を測定するのに用いられる。
【００５４】
制御電子機器２０は、加工物２１によって受け入れられたイオンドーズ量とイオン注入深さを制御するドーズ量制御回路６６を含む。ドーズ量制御回路６６は、注入室２２内のイオンゲージ１１４から注入室内の入力に関する圧力Ｐを、またファラデーゲージ１１０（図２）からイオンビーム電流Ｉf をそれぞれ受け入れる。加工物２１のドーズ量を制御するために、ドーズ量制御回路６６は、モータ制御装置６８を制御して、支持体９０の各速度と垂直移動を調整する。加工物２１のイオン注入深さを制御するために、ドーズ量制御回路６６は、ｒｆ制御回路１９を制御して、イオンビーム１４のエネルギーを調整する。
【００５５】
飛行時間エネルギー測定装置２００の第１実施形態
イオンビーム注入装置１０におけるイオンビーム飛行時間エネルギー測定装置またはアセンブリの新規な第１実施形態が図３で参照番号２００で概略示されている。飛行時間エネルギー測定装置２００は、イオンビーム１４のエネルギーを連続的に測定する機能を有する。これにより、制御電子機器２０によってイオン注入深さを正確に制御できる。一般的に従来技術では、「イオンビームのエネルギー」は、実際に測定されていないが、一方、エネルギー測定装置２００では、イオンビーム１４における所望のイオン種のイオンの平均運動エネルギーを絶えず測定する機能を有する。
【００５６】
イオンの平均運動エネルギーは、装置２００の第１，第２センサ２１０，２２０間の所定の距離ｄを通過するとき、イオンパルスの平均速度に基づいて計算される。本発明のエネルギー測定装置２００は、１秒につき約２０回のイオンビーム１４の平均運動エネルギーを測定する。
【００５７】
本発明のエネルギー測定装置２００に設けられたイオンビームエネルギー測定は、ほとんど瞬時に更新可能であり、１ナノ秒(nsec)で１メガエレクトロンボルト（ＭｅＶ）のボロンのイオンビームに対して、タイミングの分解能は、イオンビーム１４の１つのイオンの真のエネルギー値の±０．５％以内に収まる。さらに、エネルギー測定装置２００によって測定されたイオンビームエネルギーの測定は、製造動作時に圧力はほとんど変わらないイオン注入装置１０の内部領域で行われるので、飛行時間センサの信号は、イオンビーム電流、即ち、ファラデー電流Ｉf （図２において概略示されている。）の個別の圧力モニターとして大いに役立つ。
【００５８】
イオンビーム測定装置２００は、適当な飛行時間（ＴＯＦ）技術に基づき、高エネルギーイオンビーム（例えば、９０ＫｅＶ以上の）が、概略P0,P1,P2,P3 として示される一連のパルスとして、正確にモデル化できる。このＴＯＦ技術は、パルスが第１，第２センサセンサ２１０，２２０間の所定の距離を通過するための経過時間にイオンパルスの速度を決定する。センサ２１０，２２０は、所定の距離（例えば、２５ｃｍ）離れて配置され、かつイオンビームライン１４に隣接して配置される。
【００５９】
有利なことに、イオンビーム測定装置２００は、ＦＥＭ制御回路４０からビームエネルギーの概算値（真のビームエネルギーの±１０％の範囲内にある）を受け入れる。この測定装置２００は、イオン加速器１８が一定周波数の一連のビームパルスを発生するという事実を利用する。２．５ＭｅＶのボロンのイオンビームに対して、一般的な周波数Ｆは、１３．５６ＭＨｚである。こうして、イオンビームラインにおける隣接パルス間の時間間隔は、周波数の逆数である。即ち、
Ｔ＝１／Ｆ
＝１／１３．５６ ＭＨｚ
＝７３．７５ ｎｓｅｃ．
第１，第２センサ２１０，２２０に加えて、測定装置２００は、エネルギー測定回路２０２を備えている。この回路２０２は、イオンパルスが第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄを通過する時間ｔを決定するためのタイミング回路２０４と、イオンビーム１４内のイオンのエネルギーを決定するための変換回路２０６とを含んでいる。
【００６０】
タイミング回路２０４は、先ず、第１センサ２１０を通過する第１パルスと第２センサ２２０を通過する第２パルスの間の遅延時間Δｔを決定する。即ち、図３及び図４を見ると、時間ｔ1 で、パルスＰ０は、第１センサを通過し、かつパルスＰｎは第２センサ２２０に接近しつつある。時間ｔ2 で、パルスＰｎは第２センサ２２０を通過する。遅延時間Δｔは、パルスＰｎが図４において、ラベル付けされたΔｄの距離を通過する時間に等しい。即ち、Δｔ＝ｔ2 −ｔ1 である。
【００６１】
操作的には、二重チャネルデジタルオシロスコープ２３０が使用され、パルスＰ０，Ｐ１，Ｐ２が第１センサ２１０（図８ (a) 参照）を通過した時、およびパルスＰ(n-1),Ｐ(n),Ｐ(n+1) が第２センサを通過した時、図８(a) ，(b) に示された形式のデジタル化された波形が発生する。デジタルデータは、遅延時間Δｔの関数として、相互相関値(cross correlation) Ｃ（Δｔ）を計算するのに用いられる。
【００６２】
【数１】
【００６３】
遅延時間Δｔの最も良い概算値を見出すために、０．０nsec. から時間Ｔ（パルス間の時間間隔７３．７５nsec. ）までの遅延時間の異なる値が、タイミング回路２０４によってその積分値に代入される。相互相関値Ｃ（Δｔ）を最大にする０．０〜７３．７５nsec. の間の遅延時間Δｔの値は、タイミング回路２０４によって遅延時間の最も良い概算値として選択される。この遅延時間を決定する手順は、センサ２１０，２２０によって発生した波形信号の特定の形によって影響されることがほとんどないという利点を有する。さらに、この手順は、波形信号が低信号対ノイズ比を有するときでも遅延時間を正確に決定できる。対照的に、レベル交差方法を用いる時間遅延測定は、波形信号がスローの立ち上がり時間または低信号対ノイズ比によりだめになる傾向がある。
【００６４】
ＦＥＭ制御回路４０からのパルス速度の概算値に基づいて連続するパルス間の時間間隔を知ることによって、第１，第２センサ間の距離を通過する選択されたパルスＰ０の経過時間ｔが、適当なアルゴリズムを用いるタイミング回路２０４によって計算される。以下に記載する、校正部分を含んでいないアルゴリズムは、次のとおりである。
【００６５】
ｔ＝ｔ(offset)＋Δｔ
＝［Ｎ×（１／Ｆ）］＋Δｔ
＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔ
ここで、ｔ(offset)は、選択されたパルスが、第１，第２センサ間の所定の距離ｄよりも少ない距離を通過するためのオフセット時間、Ｎは、第１，第２センサ間の期待される整数番目のパルス、Ｆは、イオンパルスの周波数、Ｔは、イオンパルス間の時間間隔である。
【００６６】
上述したように、パルス間の時間間隔Ｔは、パルスの周波数がｒｆイオン加速器１８から知られているので、既知（Ｔ＝７３．７５nsec. ）である。第１，第２センサ間のパルスの数Ｎは、ＦＥＭエネルギー概算に基づいて既知となる。図９において、ひ素（＋）イオンビーム、リン（＋）イオンビーム、及びボロン（＋）イオンビーム、の経験に基づくチャートが示されている。例えば、５００ＫｅＶのリンイオンビームが発生すると、パルスの数Ｎは、Ｎ＝２である。チャートから見いだされる数は、常に次の整数値の下側にあり、即ち、チャートＮ値が２．８であれば、Ｎ値として、Ｎ＝２が使用される。
【００６７】
図９に示されるように、Ｎ値の経験的なチャートに対応するデータは、タイミング回路２０４によって発生でき、そしてアクセス可能なメモリに入力する。タイミング回路２０４は、データをアクセスしてイオンビーム１４の組成によるＮの適当な値と所望のビームエネルギーを決定する。
【００６８】
代わりに、タイミング回路２０４は、第１，第２センサ間のパルスの期待数Ｎを計算し、連続するイオンパルス間の時間間隔Ｔを直接知り、かつパルスがＦＥＭエネルギー概算値に基づく所定の距離ｄを通過する概算時間を決定することができる。即ち、ＦＥＭエネルギー概算値に基づいて、タイミング回路２０４は、イオンパルスの概算速度を計算し、それにより、パルスが第１，第２センサ２１０，２２０間の所定の距離ｄを通過する概算時間を計算することができる。
【００６９】
第１，第２センサ間の距離を通過するパルスＰ０の経過時間ｔが正確にわかると、変換回路２０６は、次のようにパルスＰ０の速度を計算する。
ｖ(pulseP0) ＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離である。
【００７０】
最終的に、変換回路２０６は、次式を用いてパルスＰ０におけるイオンＥ(ion) のエネルギーを計算する。
Ｅ(ion) ＝（１／２）ｍ(ion) ｖ2
ここで、ｍは、ビーム１４における所望のイオン種のイオンの質量である。
【００７１】
校正手順
校正手順は、エネルギー測定装置２００がイオンビーム１４の正確なエネルギーを測定することを確実にするために必要とされる。測定装置２００を分離または組み合わせのいずれかで有効に利用するには４つの校正手順がある。その校正手順は、
(a) バランスした信号の技術、
(b) 光の速度を用いて確認する技術、
(c) 公知の遅延ラインを挿入する技術、および／または、
(d) 既知のエネルギーの直流ビームを用いる技術、
これら全ての技術は、直流ビームを除いて、分離した信号発生器から２つの飛行時間センサ２１０，２２０に入射した外部信号を用いる。
【００７２】
(a) バランスした信号の技術は、２つのセンサ２１０，２２０間にバランスしたスプリッタを備えて分離される信号を用いる。この信号は、２つのセンサ２１０，２２０内に同一長さのケーブルに沿って送られる。この結果、互いに遅延することなく２つのセンサ２１０，２２０から２つの信号が出力される。この２つのセンサ出力間に遅延が発生した場合には、個々の信号を測定するのに使用する２つのチャネル間にタイミング上の不均衡があることを示している。それゆえ、この「バランス」測定の結果は、測定された平均イオンパルスまたは複数の速度からのビームエネルギーを計算するために使用するアルゴリズムに含まれる一定のタイミングオフセットである。
【００７３】
(b) 光の速度を用いて確認する技術は、光の速度に近い早さで硬い同軸ケーブルに沿って伝搬する信号を用いる。このケーブルは、２つのセンサ２１０，２２０を貫通して挿入され、ケーブル上に伝搬する信号が各センサを通過する毎にパルス信号を発生する。この場合、測定されるべき時間遅れは、Δｔ＝ｄ／ｃであり、ここでｃは、同軸ケーブルにおける光の速度である。
【００７４】
測定された時間がこの値と異なる場合、それは、２つのセンサ２１０，２２０間の距離ｄが基準値から変化したことを示し、この新しい値は、校正手順から見いだされ、次に続く後のエネルギー測定に使用する。この方法は、ベンチトップシステム(bench top system)の手段を提供し、飛行時間測定装置２００がイオン注入装置１０のビームラインに沿って設置される前にセンサ間の有効な距離を確認することができる。
【００７５】
(c) 公知の遅延ラインを挿入する技術は、上述の光の速度の測定技術と同様であるが、この場合、遅延時間が既知のケーブルが２つのプローブ間に配置される。（正確なケーブル上の遅延時間は、ネットワーク分析器を用いて容易にかつ正確に測定される。）遅延ラインを有するケーブルに信号が入力し、２つのセンサの出力信号間の遅延時間が測定される。
【００７６】
測定された遅延時間が予想遅延時間と異なる場合、２つの分析チャネル間にあるタイミングの不均衡があることを示す。そして、遅延時間からエネルギーを計算するために、修正要素がアルゴリズム内に組み込まれる。
【００７７】
(d) 直流ビームの校正技術は、イオン源１２の引出し電極３４に加えられる直流電圧によって加速されるイオンビームを用いる。このようなビームのエネルギーは、引出し電極３４に加えられる電圧の正確さの範囲内で識別される。イオン加速器１８のモジュール18a,18b,18c,18d,18e 内の１つの電極に加えられる小さなＲＦ電圧によって、小さなＲＦ信号が直流ビームに加えられる。直流ビーム上での小さなＲＦ信号の変調は、ビームの平均エネルギーを変更することはない。多数の直流ビームエネルギーを飛行時間測定装置２００によって測定することにより、予想遅延時間は、
ｔ(expected)＝ｄ／ｖ
ここで、ｄは、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離であり、ｖは、直流イオンビームにおけるイオンの速度である。
【００７８】
第１センサの作動形態（誘導性センサ）
イオンビームエネルギー測定装置２００の好ましい第１作動形態は、第１，第２誘導性センサ２１０，２２０（図６参照）を含んでおり、このセンサは、エネルギー測定回路２０２（図３参照）に電気的に接続され、さらに、特にデジタルオシロスコープ２３０に電気的に接続されている。
【００７９】
第１センサ２１０と第２センサ２２０は、所定の、既知の距離、例えば２５ｃｍに間隔を置き、ＦＥＭ３２の下流側でかつ注入室２２の上流側のイオンビーム１４に隣接して配置されている。
【００８０】
誘導性センサ２１０は、高透磁率を有するコア材料３１２の回りを取り巻いた導体３１４を含む。好ましくは、センサ２１０は、リング形状であり、図７に示すようにイオンビームライン１４がセンサを通過するように配置されている。このセンサ２１０は、支持部材２１８に固定されている。
【００８１】
支持体２１８は、ボルト２１９を用いてＦＥＭハウジング３３の内部部分に固定され、センサ２１０をイオンビームライン１４に対して適当な位置に支持する。第２誘導性センサ（図示略）は、第１センサ２１０の下流側のビーム形成・指向装置５０の内部部分に同様にボルトで固定されている。
【００８２】
誘導性センサは、容量性センサと比較して空間電荷中和効果に反応を示さないという利点を有する。
【００８３】
第２センサの作動形態（容量性センサ）
イオンビームエネルギー測定装置２００の好ましい第１作動形態は、第１，第２容量性センサ３１０，３２０（図７参照）を含んでおり、このセンサは、エネルギー測定回路２０２に電気的に接続されている。第１、第２センサ３１０，３２０は、構造的に同一であり、第１センサのみを以下に詳述する。
【００８４】
図７において、第１センサ３１０は、ガラス等の高絶縁材料から作られた、Ｊ形状のガラスチューブ３１２から構成され、アーチ状の上部部分３１３を有している。センサ３１０は、アーチ状部分３１３がイオンビーム１４を部分的に取り巻くように配置されている。チューブ３１２は、リード導体（金属コア）３１６が貫通する長手方向の中央孔３１４を有する。リード導体３１６の一端部は、アーチ状の上部部分３１３の遠端３１７に終端し、またリード導体の他端部は、オシロスコープ２３０に連結されている。リード導体３１６は、キャパシタの負側プレート即ちカソードとして機能し、イオンビーム１４は、正側プレートまたはアノードとして機能する。
【００８５】
イオンビーム１４の電流が変わると、負側プレート上の電荷も変化する。リード導体３１６は、エネルギー測定装置２０２を通じて適当に放電される。第１センサ３１０の負側の容量性ピックアップは、イオンビーム１４の電界に反応する。
【００８６】
図４に見られるように、第１容量性センサ３１０は、支持部材３１８に固定される。支持部材３１８は、ボルト３１９を用いてＦＥＭハウジング３３の内部部分に固定され、センサ３１０をイオンビームライン１４に対して適当な位置に支持する。第２容量性センサ３２０は、第１センサ３１０の下流側のビーム形成・指向装置５０の内部部分に同様にボルトで固定されている。
【００８７】
この実施形態のセンサは、誘導性センサよりもより感応性を有する利点がある。
【００８８】
飛行時間エネルギー測定装置４００（第２実施形態）
本発明のエネルギー測定装置の好ましい第２実施形態は、図５において参照番号４００で示されている。タイミング回路４０４は、イオンパルスが第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄを通過するための概算遅延周期を計算するための遅延回路４０８を含んでいる。第１，第２センサは、上述の実施形態と同様の形状をしている。タイミング回路４０４のタイマ４７０が単一のイオンパルスを計時するのを確実にするために、遅延回路によって計算された遅延周期が使用される。
【００８９】
第１センサ２１０と第２センサ２２０は、２５ｃｍ離れて置かれ、イオンビーム１４に隣接して配置されている。第１センサ２１０は、ＦＥＭ３２の下流側に配置され、一方、第２センサ２２０は、そこから２５ｃｍの位置にある。パルスＰ０等のイオンパルスが第１センサを通過するとき、センサは、確実な零調整したバイポーラ信号を発生する。
【００９０】
第１タイミング差分器４３０は、好ましくは、フェアチャイル社のμＡ７４１等のオペアンプを含み、このオペアンプはゼロクロス検出器として構成される。第１センサ２１０の出力が、ゼロボルトに交差したとき、第１タイミング差分器４３０は、信号を発生する。こうして、ビーム通路を通過する各パルスＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３等が、第１センサを通過する度に、第１タイミング差分器４３０は、開始信号を発生する（図３参照）。第１タイミング差分器４３０によって発生した開始信号は、タイミング回路４０４のパルス高さ変換器用のタイマ４７０に入力し、そして、遅延回路４０８のゲート・遅延発生器に入力する。
【００９１】
同様に、第２タイミング差分器４４０は、第１タイミング４３０と同様の構造をしている。ビーム通路１４を通過する各イオンパルスは、第２センサを通過し、第２タイミング差分器４４０は停止信号を発生する。第２タイミング差分器４４０から発生した信号は、遅延回路４０８のアンドゲート４６０に入力する。ゲート・遅延発生器４５０は、イオンビーム１４のエネルギー概算値を与えるＦＥＭ制御回路４０からデータを受取る。
【００９２】
ゲート・遅延発生器４５０は、ＦＥＭ３２からのイオンビームエネルギーの概算測定値を利用し、イオンパルスのための概算オフセット時間ｔ(offset)を計算する。即ち、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄをイオンパルスが通過するのにどのくらいの時間がかかるかの概算値により、所定のファクターによって減じられたイオンビーム１４の概算エネルギーが与えられる。
【００９３】
例えば、ＦＥＭの概算エネルギー測定値は、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄをイオンパルスが通過する概算経過時間ｔ(est.)を決定するのに用いることができる。ゲート・遅延発生器４５０は、概算したビームエネルギーＥ(approx.) をイオンパルスの速度ｖ(pulse) に変換する。第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄが既知となると、パルス速度ｖ(pulse) は、式
ｔ(est.)＝ｄ／ｖ(pulse)
を用いてゲート・遅延発生器４５０が概算経過時間ｔ(est.)を決定するために使用される。
【００９４】
そのとき、概算時間ｔ(est.)は、オフセット時間ｔ(offset)を発生するのに、例えば、１０％だけ、その時間を減少させる。オフセット時間ｔ(offset)は、第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄよりも少ない距離をパルスが通過する経過時間としてみなすことができる。このｔ(offset)に固有の過小評価は、パルスが第２センサ２２０を通過するとき、選択されたイオンパルスを見失うことを防止する。
【００９５】
選択されたイオンパルス、即ち、Ｐ０に対して、第１タイミング差分器４３０は、パルスが第１センサ２１０を時間ｔ1 （図３に示した位置）で通過するとき開始信号を発生する。開始信号は、時間ｔ1 でタイマ４７０の開始入力に入力され、選択されたパルスに対する経過時間を開始する。この開始信号は、また、時間ｔ1 でゲート・遅延発生器４５０に入力される。ゲート・遅延発生器４５０は、計算された概算オフセット時間ｔ(offset)に等しい時間だけ開始信号を遅らせる。そして、遅延した開始信号と考えられるロジックハイ信号を出力する。遅延した開始信号は、アンドゲート２６０の第１入力に時間ｔ1 ＋ｔ(offset)で入力し、この入力をロジックハイにラッチさせる。
【００９６】
アンドゲート４６０の第１入力が時間ｔ1 ＋ｔ(offset)でロジックハイに切換った後で起こる時間ｔ2 において、第２タイミング差分器４４０によって発生した次の停止信号は、第２センサを通過する選択されたイオンパルスＰ０に対応している。この時間ｔ2 で発生した停止信号は、アンドゲート４６０の第２入力をロジックハイに移行させる。両方のゲート入力がハイであるので、ロジックハイの停止信号がアンドゲート４６０から時間ｔ2 で出力され、さらに、タイマ４７０の停止入力に接続される。この停止信号によって、タイマ４７０が選択されたパルスに対する経過時間を停止させる。第１，第２センサ２１０，２２０間の距離ｄを通過する選択されたパルスＰ０に対する経過時間は、ｔ＝ｔ2 −ｔ 1 に等しい。
【００９７】
選択されたイオンパルスに対する開始信号を遅らせるゲート・遅延発生器４５０の別の方法は、図９に示すような経験的なチャートを用いて、オフセット時間ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔを決めることである。ここで、Ｎは、発生器の出力がロジックハイに切換わる前にゲート・遅延発生器４５０に入力されなければならないパルスの数であり、Ｔは、連続したイオンパルス間の時間間隔である。
【００９８】
上述したように、図９に示した経験的なチャートに対応するデータは、メモリに記憶され、タイミング回路４０４を用いて、Ｎ、即ち、ゲート・遅延発生器４５０がロジックハイに切換わる前にどのくらいの数のイオンパルスを無視するかを決めるのに使用される。
【００９９】
例えば、５００ＫｅＶのリンのイオンビームが発生した場合、ゲート・遅延発生器４５０は、連続した無線周波数(RF)と第１センサ２１０によって発生した選択されたイオンパルスＰ０がセンサ２１０を通過したことに続いてイオンパルスＰ１，Ｐ２がセンサ２１０を通過した結果として、第１センサ２１０によって発生した連続した無線周波数(RF)またはカウント数 Ｎ＝２の間待つ。
【０１００】
２サイクルが経過した後、即ち、選択された開始信号に続く２つの開始信号は、第１タイミング差分器２３０によって発生される。そして、ゲート・遅延発生器４５０は、ロジックハイの出力に切換わる。
【０１０１】
連続的なイオンパルス（ｒｆサイクル）間の周期は、７３．７５nsec. と仮定すると、第１タイミング差分器４３０は、概算値７３．７５ｎｓの開始信号を発生する。Ｎ＝２サイクルの遅延は、第１タイミング差分器４３０からイオンパルス開始信号を受け取った後で、オフセット時間ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔ＝２×７３．７５＝１４７．５nsec. を生じる。ゲート・遅延発生器４５０は、選択された開始信号（選択されたイオンパルスに対応する）に続く２つの開始信号を受け取った後で、ロジックハイの出力を発生する。ゲート・遅延発生器４５０によってカウントされるこのパルスは、第２タイミング差分器４４０からの次の停止信号を受けたとき、アンドゲート４６０からロジックハイを出力することができる。
【０１０２】
変換回路４０６（図５参照）は、選択されたイオンパルスＰ０の経過時間ｔをイオンパルスＰ０のイオンのエネルギーＥ(ion) に変換するマルチチャネル分析器を含んでいる。
【０１０３】
イオンビーム１４の選択されたパルスＰ０の速度ｖ(pulse) は、公式
ｖ(pulse) ＝ｄ／ｔ
ここで、ｄは、第１，第２センサ間の距離、ｔは、パルスが第１センサ２１０から第２センサ２２０へ移動するための経過時間である。パルスの速度ｖ(pulse) が決定されると、このパルスのイオンのエネルギーＥ(ion) は、上述した第１実施形態で設定したように決定される。
【０１０４】
以上、本発明の好ましい実施形態を記載してきたが、当業者であれば、他の変更は、本発明の範囲から逸脱しないで作ることができ、また、本発明は、特許請求の範囲内に含まれるすべての修正および変形が可能であることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオンビーム注入装置に係る概略平面図である。
【図２】図１のイオンビーム注入装置の選択した構成要素の概略斜視図である。
【図３】本発明のエネルギー測定装置の第１実施形態における選択された回路を示す概略ブロック図である。
【図４】図１のイオンビーム注入装置によって発生したイオンビームの一部を構成するイオンパルスを表す概略図である。
【図５】本発明のエネルギー測定装置の第２実施形態における選択された回路の概略ブロック図である。
【図６】本発明のエネルギー測定装置の誘導性センサを示す概略図である。
【図７】本発明のエネルギー測定装置の容量性センサを示す概略図である。
【図８】８(a) は、第１センサを通過する連続パルスから得られる波形を示すデジタルオシロスコープの軌跡を示し、８(b) は、第２センサを通過する連続パルスから得られる波形を示すデジタルオシロスコープの軌跡を示す図である。
【図９】第１，第２センサが２５ｃｍ離れている場合の、イオンパルスの経過時間を完了する前に、カウントされる無線周波のサイクル数とイオンビームエネルギーとの間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ イオンビーム注入装置
１２ イオン源
１４ イオンビーム
１６ 注入ステーション
１８ イオン加速器
２１ 加工物
２２ 注入室
３２ ＦＥＭ
４０ ＦＥＭ制御回路
２００，４００ エネルギー測定装置
２０４，４０４ タイミング回路
２０６，４０６ 変換回路
２１０，３１０ 第１センサ
２２０，３２０ 第２センサ
２３０ オシロスコープ
３１６ リード導体
４０８ 遅延回路
４３０ 第１タイミング差分器
４４０ 第２タイミング差分器
Claims (22)
- イオンビーム(14)を加工物(21)に指向させるイオンビーム注入装置(10)であって、
(a) 内部に加工物(21)が支持される注入室(22)を形成する注入ステーション(16)と、
(b) 所定の時間間隔(T)を置いた一連のイオンパルス(P0,Pi,....,P(n+1))を含み、かつイオン源(12)から前記注入室(22)に伸びているイオン注入装置(10)の内部領域(52)を通過するイオンビーム(14)を発生するためのイオン源(12)及びイオン加速器(18)と、
(c) 前記イオンビームの選択されたイオンパルスに含まれるイオンの平均運動エネルギーを測定するための飛行時間エネルギー測定装置(200)とを含み、
このエネルギー測定装置(200)が、
1) イオンビームに隣接しかつ所定の距離だけ離れて配置された第１，第２センサ(210,310;220,320)を含み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１センサ(210,310)は、イオンビームのイオンパルスが第１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ(220,320)は、イオンビームのイオンパルスが第２センサを通過するとき信号を発生し、
2) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)に電気的に連結されたタイミング回路(204)を含み、
(a) 前記第１，第２センサ(210,310;220,320)間のイオンビーム内におけるイオンパルスの平均数(N) をイオンビームエネルギーの概算値に基づいて計算し、
(b) 公式ｔ(offset)＝Ｎ×Ｔを用いて、選択されたイオンパルスに対するオフセット時間ｔ(offset)を計算し、
(c) 前記選択されたイオンパルスが前記第１，第２センサによって発生した信号と前記計算されたオフセット時間を利用して前記第１，第２センサ間の所定の距離を通過する経過時間ｔを決定し，
3) 前記選択されたイオンパルスに対する前記経過時間ｔを、イオンビームのエネルギーの測定値に変換するための変換回路(206) を含むことを特徴とする、イオンビーム注入装置。 - イオンビームに磁界を加えて注入ステーション(16)に向かう所定のアーチ状径路に沿ってイオンビームを湾曲させる最終エネルギー磁石(32)と、前記加えられた磁界の大きさに基づいてイオンビームエネルギーの概算値を発生する回路(40)を更に含んでいることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
- 前記タイミング回路(204) は、デジタルオシロスコープ(230)を含み、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)によって発生した複数の信号が前記オシロスコープ(230)に入力することを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
- 前記タイミング回路(204) は、(a) 前記選択されたイオンパルスが第１センサを通過した時の時間と次のイオンパルスが前記第２センサ(220,320)を通過した時の次の最先時間との間における遅延時間Δｔを決定し、(b) 次式 ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔを用いて、選択されたパルスに対する経過時間ｔを計算することを特徴とする請求項３記載のイオンビーム注入装置。
- 前記第１，第２センサは、容量性センサ(310,320)であり、各センサは、アノードとして機能するイオンビームに対して、１つのキャパシタのカソードとして機能する金属コア(316)を有することを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
- 前記第１，第２センサは、誘導性センサ(210,220)であることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム注入装置。
- イオンビーム(14)を加工物(21)に指向させるイオンビーム注入装置(10)であって、
(a) 内部に加工物(21)が支持される注入室(22)を形成する注入ステーション(16)と、
(b) 所定の時間間隔(T) を置いた一連のイオンパルス(P0,Pi,....,P(n+1))を含み、かつイオン源(12)から前記注入室(22)に伸びているイオン注入装置(10)の内部領域(52)を通過するイオンビーム(14)を発生するためのイオン源(12)及びイオン加速器(18)と、
(c) 前記イオンビームの選択されたイオンパルスに含まれるイオンの平均運動エネルギーを測定するための飛行時間エネルギー測定装置(400)とを含み、
このエネルギー測定装置(200)が、
1) イオンビームに隣接しかつ所定の距離だけ離れて配置された第１，第２センサ(210,310;220,320)を含み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１センサ(210,310)は、イオンビームのイオンパルスが第１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ(220,320)は、イオンビームのイオンパルスが第２センサを通過するとき信号を発生し、
2) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)に電気的に連結されかつ第１タイミング差分器(430)、第２タイミング差分器(440)、および遅延回路(408)を有するタイミング回路(404)を含み、
(a) 前記第１，第２センサ(210,310;220,320)間のイオンビーム内におけるイオンパルスの平均数(N)をイオンビームエネルギーの概算値に基づいて計算し、
(b) 公式ｔ (offset) ＝Ｎ×Ｔを用いて、選択されたイオンパルスに対するオフセット時間ｔ (offset) を計算し、
(c) 前記第１タイミング差分器(430)は、前記第１センサに電気的に接続され、かつ前記第１センサから信号を受けるとき第１信号を発生し、
(d) 前記第２タイミング差分器(440)は、前記第２センサに電気的に接続され、かつ前記第２センサから信号を受けるとき第２信号を発生し、
(e) 前記遅延回路(408)は、前記第１，第２タイミング差分器に電気的に接続され、かつ前記第１，第２タイミング差分器と前記オフセット時間とによって発生した第１，第２信号を入力しかつ、
(イ) 前記１タイミング差分器から、前記第１センサを通過する選択されたイオンパルスに対応する信号を受けるとき、開始信号を発生し、
(ロ) 前記オフセット時間ｔ (offset) に等しい時間だけ待ち、
(ハ) 続いて前記オフセット時間に等しい時間が経過した後、前記第２センサを通過するイオンパルスに対応する次の信号を受けるとき、停止信号を発生し、
(f) 前記タイミング回路(404)は、前記開始信号及び停止信号を用いて、前記選択されたイオンパルスが前記第１，第２センサ間の所定の距離を通過するための経過時間ｔを計算し、
3) さらに、前記選択されたイオンパルスに対して、前記経過時間ｔを前記イオンビームのエネルギーの測定値に変換する変換回路(206)を含むことを特徴とするイオンビーム注入装置。 - 前記タイミング回路(400)は、さらに、前記第１タイミング差分器に電気的に接続されたタイマ(470)を備えていることを特徴とする請求項７記載のイオンビーム注入装置。
- 前記第１，第２センサは、容量性センサ(310,320)であり、各センサは、アノードとして機能するイオンビームに対して、１つのキャパシタのカソードとして機能する金属コア(316) を有することを特徴とする請求項７記載のイオンビーム注入装置。
- 前記第１，第２センサは、誘導性センサ(210,220) であることを特徴とする請求項７記載のイオンビーム注入装置。
- 前記第１，第２タイミング差分器は、ゼロクロス検出器であることを特徴とする請求項７記載のイオンビーム注入装置。
- イオン注入装置(10)のイオンビーム(14)の選択されたイオンパルスに含まれるイオンの平均運動エネルギーを測定するための飛行時間エネルギー測定装置(200) であって、
1) イオンビームに隣接しかつ所定の距離だけ離れて配置された第１，第２センサ(210,310;220,320)を含み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１センサ(210,310)は、イオンビームのイオンパルスが第１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ(220,320)は、イオンビームのイオンパルスが第２センサを通過するとき信号を発生し、
2) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)に電気的に接続されるタイミング回路を含み、
(a) 前記第１，第２センサ(210,310;220,320)間のイオンビーム内におけるイオンパルスの平均数(N)をイオンビームエネルギーの概算値に基づいて計算し、
(b) 公式ｔ (offset) ＝Ｎ×Ｔ（ここで、Tは、イオンパルス間の所定時間間隔）を用いて、選択されたイオンパルスに対するオフセット時間ｔ (offset) を計算し、
(c) 前記選択されたイオンパルスが前記第１，第２センサによって発生した信号と前記計算されたオフセット時間を利用して前記第１，第２センサ間の所定の距離を通過する経過時間ｔを計算し，
3) 前記選択されたイオンパルスに対する前記経過時間ｔを、イオンビームのエネルギーの測定値に変換するための変換回路(206)を含むことを特徴とする、エネルギー測定装置。 - 前記タイミング回路(204) は、デジタルオシロスコープ(230)を含み、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)によって発生した複数の信号が前記オシロスコープ(230)に入力されることを特徴とする請求項１２記載のエネルギー測定装置。
- 前記タイミング回路(204)は、
(a) 前記選択されたイオンパルスが前記第１センサを通過した時の時間と次のイオンパルスが前記第２センサ(220,320)を通過した時の次の最先時間との間における遅延時間Δｔを決定し、
(b) 次式 ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔ（ここで、Nはイオンパルスの平均数であり、Tはイオンパルス間の所定時間間隔）を用いて、選択されたパルスに対する経過時間ｔを計算することを特徴とする請求項１３記載のエネルギー測定装置。 - 前記第１，第２センサは、容量性センサ(310,320)であり、各センサは、アノードとして機能するイオンビームに対して、１つのキャパシタのカソードとして機能する金属コア(316)を有することを特徴とする請求項１２記載のエネルギー測定装置。
- 前記第１，第２センサは、誘導性センサ(210,220)であることを特徴とする請求項１２記載のエネルギー測定装置。
- イオン注入装置(10)のイオンビーム(14)の選択されたイオンパルスに含まれるイオンの平均運動エネルギーを測定するための飛行時間エネルギー測定装置(400)であって、
1) イオンビームに隣接しかつ所定の距離だけ離れて配置された第１，第２センサ(210,310;220,320)を含み、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１センサ(210,310)は、イオンビームのイオンパルスが第１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ(220,320)は、イオンビームのイオンパルスが第２センサを通過するとき信号を発生し、
2) さらに、前記第１，第２センサ(210,310;220,320)に電気的に連結されかつ第１タイミング差分器(430)、第２タイミング差分器(440)、および遅延回路(408) を有するタイミング回路(404)を含み、
(a) 前記第１，第２センサ(210,310;220,320)間のイオンビーム内におけるイオンパルスの平均数(N)をイオンビームエネルギーの概算値に基づいて計算し、
(b) 公式ｔ (offset) ＝Ｎ×Ｔ（ここで、Tは、イオンパルス間の所定時間間隔）を用いて、選択されたイオンパルスに対するオフセット時間ｔ (offset) を計算し、
(c) 前記第１タイミング差分器(430)は、前記第１センサに電気的に接続され、かつ前記第１センサから信号を受けるとき第１信号を発生し、
(d) 前記第２タイミング差分器(440)は、前記第２センサに電気的に接続され、かつ前記第２センサから信号を受けるとき第２信号を発生し、
(e) 前記遅延回路(408)は、前記第１，第２タイミング差分器に電気的に接続され、かつ前記第１，第２タイミング差分器と前記オフセット時間とによって発生した第１，第２信号を入力しかつ、
(イ) 前記１タイミング差分器から、前記第１センサを通過する選択されたイオンパルスに対応する信号を受けるとき、開始信号を発生し、
(ロ) 前記オフセット時間ｔ (offset) に等しい時間だけ待ち、
(ハ) 続いて前記オフセット時間に等しい時間が経過した後、第２センサを通過するイオンパルスに対応する次の信号を受けるとき、停止信号を発生し、
(f) 前記タイミング回路(404)は、前記開始信号及び停止信号を用いて、前記選択されたイオンパルスが前記第１，第２センサ間の所定の距離を通過するための経過時間ｔを計算し、
3) さらに、前記選択されたイオンパルスに対して、前記経過時間ｔを前記イオンビームのエネルギーの測定値に変換する変換回路(406)を含むことを特徴とするエネルギー測定装置。 - 前記タイミング回路(404)は、さらに、前記第１タイミング差分器(430) に電気的に接続されたタイマ(470)を備えていることを特徴とする請求項１７記載のエネルギー測定装置。
- 前記第１，第２センサは、容量性センサ(310,320)であり、各センサは、アノードとして機能するイオンビームに対して、１つのキャパシタのカソードとして機能する金属コア(316) を有することを特徴とする請求項１７記載のエネルギー測定装置。
- 前記第１，第２センサは、誘導性センサ(210,220)であることを特徴とする請求項１７記載のエネルギー測定装置。
- イオン注入装置(10)のイオンビーム(14)の選択されたイオンパルスに含まれるイオンの平均運動エネルギーを測定するための方法であって、
(a) イオンビームに沿ってかつ所定の距離だけ離れて配置された第１，第２センサ(210,310;220,320)を設け、第２センサが第１センサの下流側にあり、前記第１センサ(210,310)は、イオンビームのイオンパルスが第１センサを通過するとき信号を発生し、前記第２センサ(220,320)は、イオンビームのイオンパルスが第２センサを通過するとき信号を発生する工程と、
(b) 前記第１，第２センサ(210,310;220,320)間のイオンビーム内におけるイオンパルスの平均数(N)をイオンビームエネルギーの概算値に基づいて計算し、公式ｔ (offset) ＝Ｎ×Ｔ（ここで、Tは、イオンパルス間の所定時間間隔）を用いて、選択されたイオンパルスに対するオフセット時間ｔ (offset) を計算する工程と、
(c) 前記計算されたオフセット時間と、前記第１，第２センサによって発生した信号を用いて、前記選択されたイオンパルスに対する経過時間ｔを決定する工程とを含むことを特徴とする測定方法。 - 前記経過時間ｔを決定する工程は、
(a) 前記選択されたイオンパルスが前記第１センサを通過した時の時間と次のイオンパルスが前記第２センサ(220,320) を通過した時の次の最先時間との間における遅延時間Δｔを決定し、
(b) 次式 ｔ＝［Ｎ×Ｔ］＋Δｔ（ここで、Nはイオンパルスの平均数であり、Tはイオンパルス間の所定時間間隔）を用いて、選択されたパルスに対する経過時間ｔを計算する、各ステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の測定方法。
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