JP4600426B2 - イオン注入装置およびイオンビームの偏差角補正方法 - Google Patents

Description

この発明は、Ｘ方向の寸法が当該Ｘ方向と直交するＹ方向の寸法よりも大きいリボン状（これは、シート状または帯状とも呼ばれる）の形をしているイオンビームをターゲットに照射してイオン注入を行う構成のイオン注入装置に関し、より具体的には、ターゲットに照射するエネルギー状態のイオンビームを磁界または電界によって偏向させてイオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器を備えているイオン注入装置および当該イオン注入装置におけるイオンビームの偏差角補正方法に関する。

この種のイオン注入装置の従来例を図１０に示す。これと同様のイオン注入装置が、例えば特許文献１に記載されている。なお、この明細書および図面においては、イオンビーム４の設計上の進行方向をＺ方向とし、このＺ方向と実質的に直交する平面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としている。例えば、Ｘ方向およびＺ方向は水平方向であり、Ｙ方向は垂直方向である。「設計上の進行方向」というのは、換言すれば、所定の進行方向、即ち本来進むべき進行方向のことである。

このイオン注入装置は、イオン源２から発生させた、リボン状のイオンビームの元になる小さな断面形状をしているイオンビーム４を、質量分離器６を通して質量分離し、加減速器８を通して加速または減速し、エネルギー分離器１０を通してエネルギー分離し、走査器１２を通してＸ方向に走査し、ビーム平行化器１４を通して平行ビーム化した後に、ホルダ２６に保持されたターゲット（例えば半導体基板）２４に照射して、ターゲット２４にイオン注入を行うよう構成されている。ターゲット２４は、ホルダ２６と共に、ビーム平行化器１４からのイオンビーム４の照射領域内で、ターゲット駆動装置２８によって、Ｙ方向に沿う方向に機械的に往復走査（往復駆動）される。

ビーム平行化器１４は、磁界または電界（この例では磁界）によってイオンビーム４を走査する走査器１２と協働して、Ｘ方向に走査されたイオンビーム４を、磁界または電界（この例では磁界）によって基準軸１６に対して実質的に平行になるように曲げ戻して平行ビーム化して、Ｘ方向の寸法が当該Ｘ方向と直交するＹ方向の寸法よりも大きいリボン状の形をしているイオンビーム４（図１１も参照）を導出する。リボン状と言っても、Ｙ方向の寸法が紙のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム４のＸ方向の寸法は３５ｃｍ〜５０ｃｍ程度であり、Ｙ方向の寸法は５ｃｍ〜１０ｃｍ程度である。ビーム平行化器１４は、この例のように磁界を使用する場合は、ビーム平行化マグネットと呼ばれる。

上記イオン注入装置は、Ｘ方向の走査を経てリボン状の形をしているイオンビーム４をターゲット２４に照射する場合の例であるが、イオン源２からリボン状のイオンビーム４を発生させて、Ｘ方向の走査を経ることなくリボン状の形をしているイオンビーム４をターゲット２４に照射する場合もある。

特開平８−１１５７０１号公報（段落０００３、図１）

上記イオンビーム４の輸送経路は、図示しない真空容器内にあり、真空雰囲気に保たれる。しかし、イオンビーム４の輸送経路には、残留ガスやアウトガス等のガスが僅かではあるが必ず存在する。

このガス分子にイオンビーム４が衝突して中性粒子が発生する。この中性粒子がターゲット２４に入射すると、注入量分布の均一性を悪化させたり、注入量誤差を生じさせたりする等の悪影響が生じる。

これを防止するために、ターゲット２４に照射するエネルギー状態（換言すれば、加減速器８を通した後の最終エネルギー状態）のイオンビーム４を、ターゲット２４の近くに設けたイオンビーム偏向器によって磁界または電界の作用で偏向させて、偏向したイオンビーム４と偏向せずに直進する中性粒子１８とを互いに分離して、中性粒子１８がターゲット２４に入射するのを防止する必要がある。上記ビーム平行化器１４は、このイオンビーム偏向器を兼ねている。

ビーム平行化器１４で分離された中性粒子１８がターゲット２４に入射しないようにするためには、ビーム平行化器１４の出口とターゲット２４との間にある程度の距離Ｌ₁ が必要である。この距離Ｌ₁ が不足すると、中性粒子１８がターゲット２４に入射するようになるからである。ビーム平行化器１４でイオンビーム４を大きく偏向させれば上記距離Ｌ₁ は小さくできるが、そのようにするとビーム平行化器１４およびその電源が大型化する等の問題が発生する。また、ターゲット２４が大型化するほど、大きな距離Ｌ₁ が必要になる。一例を挙げると、上記距離Ｌ₁ は７０ｃｍ〜８０ｃｍ程度必要である。

ところが、イオンビーム４は、上記ビーム平行化器１４とターゲット２４との間を輸送されている間においても、空間電荷効果によって発散する。装置のスループットを高めると共に、ターゲット２４上に形成する半導体デバイスの微細化のためにイオン注入深さを浅くする等の観点から、ターゲット２４に照射するイオンビーム４は低エネルギーかつ大電流のものが望まれているが、イオンビーム４が低エネルギーかつ大電流になるほど、空間電荷効果によるイオンビーム４の発散は大きくなる。また、上記距離Ｌ₁ が大きくなるほどイオンビーム４の発散は大きくなる。

このイオンビーム４の発散は、Ｘ、Ｙ両方向において生じるけれども、元々、イオンビーム４のＸ方向の寸法は上記のようにＹ方向に比べてかなり大きいので、Ｙ方向の発散による悪影響の方が大きい。そこで以下においてはこのＹ方向の発散に着目する。

イオンビーム４がＹ方向に発散すると、Ｙ方向におけるイオンビーム４の一部が、イオンビーム４の経路を囲む真空容器や、イオンビーム４を整形するマスク等によってカットされて、イオンビーム４のターゲット２４への輸送効率が低下する。

例えば、ビーム平行化器１４とターゲット２４との間には、図１０、図１１に示すように、また例えば特許第３５６７７４９号公報にも記載されているように、イオンビーム４を通過させる開口２２を有していてイオンビーム４を整形するマスク２０が設けられていることが多い。このマスク２０によって、イオンビーム４のＹ方向の不要な裾の部分をカットして、イオンビーム４からターゲット２４を逃がす距離Ｌ₂ を小さくすることができるからである。

イオンビーム４が空間電荷効果によってＹ方向に発散すると、例えばこのマスク２０によってカットされる割合が大きくなるので、マスク２０を通過することができるイオンビーム４の量が減り、イオンビーム４の輸送効率が低下する。

上記課題は、イオン源２からリボン状のイオンビーム４を発生させて、Ｘ方向の走査を経ることなくリボン状の形をしているイオンビーム４をターゲット２４に照射する場合にも同様に存在する。

そこでこの発明は、イオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器とターゲットとの間において、イオンビームの空間電荷効果によるＹ方向の発散を補償して、イオンビームの輸送効率を高めることを主たる目的としている。

この発明に係るイオン注入装置の一つは、イオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器の下流側に設けられていて、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置された複数の電極を有していて、イオンビームをＹ方向において絞る電界レンズを備えており、前記電界レンズは、イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置されていてイオンビームの面に実質的に平行な一対の電極から成り、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、かつこのイオン注入装置は、前記中間電極を構成する一対の電極に直流電圧をそれぞれ印加する第１および第２の直流電源を更に備えている、ことを特徴としている。

このイオン注入装置によれば、電界レンズによって、イオンビームをＹ方向において絞ることができるので、イオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器とターゲットとの間において、イオンビームの空間電荷効果によるＹ方向の発散を補償して、イオンビームの輸送効率を高めることができる。

この発明に係るイオン注入装置の他のものは、イオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器の下流側であってしかも前記マスクの上流側に設けられていて、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置された複数の電極を有していて、イオンビームをＹ方向において絞る電界レンズを備えており、前記電界レンズは、イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置されていてイオンビームの面に実質的に平行な一対の電極から成り、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、かつこのイオン注入装置は、前記中間電極を構成する一対の電極に直流電圧をそれぞれ印加する第１および第２の直流電源を更に備えている、ことを特徴としている。

このイオン注入装置によれば、電界レンズによって、イオンビームをＹ方向において絞ることができるので、イオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器とマスクとの間において、イオンビームの空間電荷効果によるＹ方向の発散を補償して、マスクの開口を通過するイオンビームの量を増やして、イオンビームの輸送効率を高めることができる。

Ｘ方向に走査されたイオンビームを、磁界または電界によって、基準軸に対して実質的に平行になるように曲げ戻して平行ビーム化して前記リボン状の形をしているイオンビームを導出するビーム平行化器を備えていて、このビーム平行化器が前記イオンビーム偏向器を兼ねており、前記電界レンズはこのビーム平行化器の出口近傍に設けられていても良い。

プラズマを生成して当該プラズマを前記ターゲットの上流側近傍に供給して、イオンビーム照射に伴うターゲット表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置を更に備えていて、前記電界レンズはこのプラズマ発生装置よりも上流側に設けられていても良い。

前記電界レンズを用いて、イオンビームのＹ方向の偏差角が小さくなるように偏差角を補正しても良い。

請求項１に記載の発明によれば、電界レンズによって、イオンビームをＹ方向において絞ることができるので、イオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器とターゲットとの間において、イオンビームの空間電荷効果によるＹ方向の発散を補償して、イオンビームの輸送効率を高めることができる。
しかも、電界レンズがユニポテンシャルレンズ（換言すればアインツェルレンズ。以下同様）の働きをするので、イオンビームのエネルギーを変えることなくイオンビームを絞ることができる。
更に、第１および第２の直流電源から、電界レンズの中間電極を構成する一対の電極に互いに異なる値の直流電圧を印加することができるので、電界レンズによってイオンビームのＹ方向の偏差角を調整することができる。

請求項２に記載の発明によれば、電界レンズによって、イオンビームをＹ方向において絞ることができるので、イオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器とマスクとの間において、イオンビームの空間電荷効果によるＹ方向の発散を補償して、マスクの開口を通過するイオンビームの量を増やして、イオンビームの輸送効率を高めることができる。
しかも、電界レンズがユニポテンシャルレンズ（換言すればアインツェルレンズ。以下同様）の働きをするので、イオンビームのエネルギーを変えることなくイオンビームを絞ることができる。
更に、第１および第２の直流電源から、電界レンズの中間電極を構成する一対の電極に互いに異なる値の直流電圧を印加することができるので、電界レンズによってイオンビームのＹ方向の偏差角を調整することができる。

請求項３に記載の発明によれば、イオンビーム偏向器を兼ねるビーム平行化器の出口近傍に電界レンズが設けられているので、早い段階においてより効果的に電界レンズによってイオンビームを絞ることができ、それによってイオンビームの輸送効率をより高めることができる、という更なる効果を奏する。

請求項４に記載の発明によれば、電界レンズをプラズマ発生装置よりも上流側に設けているので、プラズマ発生装置から発生させたプラズマ中の電子を、電界レンズを通過させることなくターゲットに供給することができる。従って、電界レンズを設けても、プラズマ発生装置によるターゲット表面の帯電抑制作用に対する影響を小さくすることが容易になる。

請求項５に記載の発明によれば、次の更なる効果を奏する。即ち、電界レンズを用いて、イオンビームのＹ方向の偏差角を小さくすることができるので、イオンビームの軌道が傾いていることによるターゲットへのイオンビームの入射角度のずれ、ひいてはイオン注入角度のずれを小さくすることができる。かつ、イオンビームの軌道を正して、イオンビームが構造物に衝突するのを抑制したり、マスクの開口を通過するイオンビームの量を増やしたりすることができるので、イオンビームの輸送効率を高めることができる。

請求項６に記載の発明によれば、上記偏差角を実質的に０度にするので、請求項５に示した効果をより高めることができる。即ち、イオンビームの入射角度のずれ、ひいてはイオン注入角度のずれを防止することができると共に、イオンビームの輸送効率をより高めることができる。

図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を部分的に示す平面図である。図２は、図１中の電界レンズ周りを矢印Ｐ方向に見て拡大して示す正面図である。図１０に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。

このイオン注入装置は、イオンビーム４と中性粒子１８（図１０参照）とを分離するイオンビーム偏向器を兼ねる前記ビーム平行化器１４の下流側に設けられていて、イオンビーム４をＹ方向において絞る電界レンズ３０を備えている。より具体的には、電界レンズ３０はビーム平行化器１４の出口近傍に設けられている。

電界レンズ３０は、イオンビーム４の進行方向Ｚに互いに間をあけて並べられた入口電極３２、中間電極３４および出口電極３６を有している。各電極３２、３４、３６は、イオンビーム４の進行方向Ｚに実質的に直角に配置されている。換言すれば、Ｘ方向に実質的に平行に配置されている。但しこの実施形態では、入口電極３２（具体的にはそれを構成する電極３２ａ、３２ｂ。図２参照）の入口側の辺は、ビーム平行化器１４（具体的にはその磁極１４ａ、１４ｂ。図２参照）の出口側の辺に沿った形状をしている。このようにすると、電界レンズ３０をビーム平行化器１４の出口により近づけて配置することができる。入口電極３２、中間電極３４および出口電極３６のＸ方向の長さは、イオンビーム４のＸ方向の寸法よりも大きい。

入口電極３２、中間電極３４および出口電極３６は、それぞれ、図２に示すように、イオンビーム４が通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置されていて、イオンビーム４の広い方の面（ＸＺ平面に沿う面）に実質的に平行な一対の電極３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂおよび３６ａ、３６ｂから成る。電極３２ａと３２ｂ、電極３４ａと３４ｂ、電極３６ａと３６ｂは、それぞれ、導体によって電気的に接続されている。

この実施形態では、電極３２ａ、３２ｂ、３６ａおよび３６ｂの内側面は、ビーム平行化器１４の磁極１４ａ、１４ｂの内側面とほぼ同一面上に位置させている。電極３４ａ、３４ｂは、上記面よりも幾らか外側に位置させている。

入口電極３２および出口電極３６（より具体的にはそれらを構成する電極３２ａ、３２ｂ、３６ａおよび３６ｂ）は、電気的に接地されている。中間電極３４（より具体的にはそれを構成する電極３４ａおよび３４ｂ）は、それに負または正（図１に示す実施形態では負）の直流電圧Ｖ₁ を印加する直流電源３８に接続されている。

電界レンズ３０は、その入口電極３２および出口電極３６が互いに同電位に保たれ、中間電極３４が入口電極３２および出口電極３６とは互いに異なる電位に保たれるので、ユニポテンシャルレンズの働きをし、イオンビーム４を絞る働きをする。従って、イオンビーム４のエネルギーを変えることなく、イオンビーム４をＹ方向において絞ることができる。

その結果、この電界レンズ３０によって、前述したイオンビーム偏向器を兼ねるビーム平行化器１４とターゲット２４との間において、イオンビーム４の空間電荷効果によるＹ方向の発散を補償して、イオンビーム４のターゲット２４への輸送効率を高めることができる。

より具体的には、この実施形態のように前述したマスク２０が設けられている場合は、ビーム平行化器１４とマスク２０との間において、イオンビーム４の空間電荷効果によるＹ方向の発散を補償して、マスク２０の開口２２を通過するイオンビーム４の量を増やして、イオンビーム４の輸送効率を高めることができる。

しかもこの実施形態のようにビーム平行化器１４の出口近傍に電界レンズ３０を設けておくと、イオンビーム４が空間電荷効果によってＹ方向に発散する前または途中の早い段階において、電界レンズ３０によってイオンビーム４を絞ることができるので、イオンビーム４の損失を少なくしてより効果的にイオンビーム４を絞ることができる。従って、イオンビーム４の輸送効率をより高めることができる。

直流電源３８から中間電極３４に印加する直流電圧Ｖ₁ の絶対値（大きさ）を大きくするほど、イオンビーム４を強く絞ることができる。また、イオンビーム４を絞る程度は、電界レンズ３０を通過する際のイオンビーム４のエネルギーによって変わる。イオンビーム４のエネルギーが大きくなるほど、直流電圧Ｖ₁ がイオンビーム４に及ぼす偏向作用は小さくなるので、イオンビーム４を強く絞るためには、直流電圧Ｖ₁ の絶対値を大きくすれば良い。

中間電極３４に負の直流電圧Ｖ₁ を印加して、電界レンズ３０によってイオンビーム４をＹ方向において絞ったシミュレーション結果の一例を図５に示す。この例は、電界レンズ３０にＹ方向において平行なイオンビーム４が入射した場合の例であり、かつ、Ｖ₁ ＝−１．５Ｖ_E の場合の例である。Ｖ_E は、イオンビーム４のエネルギーに相当する電圧である（例えば、イオンビーム４のエネルギーが５ｋｅＶなら電圧Ｖ_E は５ｋＶである）。−（マイナス）符号は、直流電圧Ｖ₁ が負電圧であることを表している（以下同様）。電界レンズ３０の下流側にイオンビーム４の焦点Ｆが形成されていることが分かる。

図示は省略するけれども、直流電圧Ｖ₁ の絶対値を１．５Ｖ_E よりも小さくすると、イオンビーム４を絞る作用は弱くなるので焦点Ｆは電界レンズ３０から遠ざかり、同絶対値を１．５Ｖ_E よりも大きくすると、イオンビーム４を絞る作用はより強くなるので焦点Ｆは電界レンズ３０に近づく。また、同じ大きさの直流電圧Ｖ₁ の場合でも、電界レンズ３０に平行ビームではなく発散したイオンビーム４が入射すると、焦点Ｆは電界レンズ３０から遠ざかる。

電界レンズ３０を設けた場合のターゲット２４でのイオンビーム４のビーム電流の最大増加率を、電界レンズ３０を通過する際のイオンビーム４のエネルギーを変えて測定した結果の一例を図４に示す。この場合のイオンビーム４のイオン種はＡs⁺ である。増加率とは、電界レンズ３０を設けていない場合に比べて、他の条件を同じにした場合、電界レンズ３０を設けた場合にイオンビーム電流が増加した割合をいう。最大増加率とは、直流電圧Ｖ₁ の大きさによって増加率が変わるので、最大の増加率を与える大きさの直流電圧Ｖ₁ を採用したときの増加率である。

この図４から、イオンビーム４のエネルギーが低い方が最大増加率が高くなっていることが分かる。これは、前述したように、イオンビーム４が低エネルギーになるほど、空間電荷効果によるイオンビーム４の発散が大きくなって輸送効率が低下するので、電界レンズ３０によってイオンビーム４の発散を抑えて輸送効率を向上させる効果が大きくなるからである。

直流電源３８の極性を逆にして、電界レンズ３０の中間電極３４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加するようにしても良い。この場合も、電界レンズ３０はユニポテンシャルレンズの働きをし、イオンビーム４を、そのエネルギーを変えることなく、Ｙ方向において絞ることができる。

中間電極３４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加して、電界レンズ３０によってイオンビーム４をＹ方向において絞ったシミュレーション結果の一例を図６に示す。この例は、Ｖ₁ ＝０．２５Ｖ_E の場合の例である。

図示は省略するけれども、直流電圧Ｖ₁ の大きさを０．２５Ｖ_E よりも小さくすると、イオンビーム４を絞る作用は弱くなり、０．２５Ｖ_E よりも大きくすると、イオンビーム４を絞る作用は強くなる。

電界レンズ３０の中間電極３４に印加する直流電圧Ｖ₁ を負から正までに亘って変化させたときの、ターゲット２４でのビーム電流の変化の概略例を図７に示す。直流電圧Ｖ₁ が負の電圧−Ｖ_N 付近のときと、正の電圧Ｖ_P 付近のときに、ビーム電流にピークが表れている。電圧−Ｖ_N は、例えば、−Ｖ_E 〜−１．５Ｖ_E 前後である。電圧Ｖ_P は、例えば、０．５Ｖ_E 〜０．７Ｖ_E 前後である。

従って、例えば、中間電極３４に印加する直流電圧Ｖ₁ として負の直流電圧を印加する場合は、−Ｖ_N ≦Ｖ₁ ＜０の範囲を使用すれば良い。正の直流電圧Ｖ₁ を印加する場合は、０＜Ｖ₁ ≦Ｖ_P の範囲を使用すれば良い。

直流電源３８として、直流電圧Ｖ₁ を正負両極性に亘って連続して出力することができるバイポーラ電源（両極性電源）を用いても良い。この直流電源３８から出力することができる直流電圧Ｖ₁ の範囲は、例えば、−Ｖ_N ≦Ｖ₁ ≦Ｖ_P にすれば良いが、これに余裕を持たせて、−２Ｖ_E ≦Ｖ₁ ≦Ｖ_E の範囲にするのが好ましい。

中間電極３４に印加する直流電圧Ｖ₁ の極性を、目的等に応じて正と負とで使い分けても良い。例えば、中間電極３４に負の直流電圧Ｖ₁ を印加すると、イオンビーム４は、入口電極３２と中間電極３４との間で一旦加速されることになり、元のエネルギーよりも一旦高くなる。この加速領域において、イオンビーム４が残留ガスと衝突して中性粒子が発生すると（発生空間距離が短いので、この発生確率は非常に小さい）、量はわずかではあるが、イオンビーム４の元のエネルギーよりも高いエネルギーの中性粒子が発生してそれがターゲット２４に入射する可能性がないとは言えない。これは、エネルギーコンタミネーションと呼ばれる。

低エネルギー（例えば１０ｋｅＶ程度以下）のイオンビーム４を用いて低エネルギー注入を行う場合は、イオンビーム４のエネルギーよりもエネルギーの高い高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションが特に問題になるので、それを避けたいのであれば、中間電極３４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加する方を選んでも良い。但し、中間電極３４に負の直流電圧Ｖ₁ を印加すると、後述するように、プラズマ発生装置４６から発生させたプラズマ中の電子を押し戻すことができるという利点がある。

中間電極３４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加する場合に、エネルギーコンタミネーションが発生しないわけではない。即ち、中間電極３４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加すると、イオンビーム４は、入口電極３２と中間電極３４との間で一旦減速されることになり、元のエネルギーよりも一旦低くなる。この減速領域において、イオンビーム４が残留ガスと衝突して中性粒子が発生すると（前記と同様にこの発生確率は非常に小さい）、量はわずかではあるが、イオンビーム４の元のエネルギーよりも低いエネルギーの中性粒子が発生してそれがターゲット２４に入射する可能性がないとは言えない。

しかしこのような、イオンビーム４のエネルギーよりも低いエネルギーの低エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションは、１０ｋｅＶ程度以下の低エネルギー注入を行う場合は、高エネルギー成分のエネルギーコンタミネーションに比べて問題になりにくい。但し、中間電極３４に正の直流電圧Ｖ₁ を印加する場合は、負の場合と違って、プラズマ発生装置４６から発生させたプラズマ中の電子を押し戻すことはできない。当該電子を引き込む可能性もある。これについては後述する手段で対処することができる。

上記のような長所短所を考慮して、中間電極３４に印加する直流電圧Ｖ₁ の極性を正と負とで使い分けても良い。

再び図１を参照して、ターゲット２４の上流側および下流側に、イオンビーム４のビーム電流を計測する複数の検出器がＸ方向にそれぞれ並設されて成る前段多点ファラデー４２および後段多点ファラデー４４をそれぞれ設けておいて、例えば特開２００５−１９５４１７号公報に記載されている技術と同様に、両多点ファラデー４２、４４とその前方でＹ方向に駆動されるシャッターとを組み合わせて用いて、イオンビーム４の進行方向Ｚの２箇所におけるイオンビーム４のＹ方向のビーム寸法ｄ_f 、ｄ_b と、両箇所間の距離Ｌ₃ および両箇所とターゲット間の距離Ｌ₄ 、Ｌ₅ とに基づいて、次式に従って、ターゲット２４の位置でのイオンビーム４のＹ方向のビーム寸法ｄ_t 、イオンビーム４のＹ方向における発散角αを計測しても良い。前段多点ファラデー４２の前方にシャッターを設ける代わりに、前段多点ファラデー４２を例えばマスク２０の下流側近傍に設ける等しておいて、前段多点ファラデー４２をＹ方向に駆動しても良い。

［数１］
ｄ_t ＝（Ｌ₅ ／Ｌ₃ ）ｄ_f ＋（Ｌ₄ ／Ｌ₃ ）ｄ_b 、（但しＬ₃ ＝Ｌ₄ ＋Ｌ₅ ）

［数２］
α＝ｔａｎ^-1｛（ｄ_b −ｄ_f ）／２Ｌ₃ ｝

そして、上記ビーム寸法ｄ_t 、発散角αの計測データに基づいて、上記直流電圧Ｖ₁ をフィードバック制御するようにしても良い。例えば、イオンビーム４のＹ方向のビーム寸法ｄ_t や発散角αが大きいときは、上記直流電圧Ｖ₁ の絶対値を大きくするように制御すれば良い。それによって、電界レンズ３０によってイオンビーム４がＹ方向においてより強く絞られるので、上記ビーム寸法ｄ_t や発散角αを小さくすることができる。この場合、例えば、図７に示したような特性を考慮して、直流電圧Ｖ₁ を制御する範囲を予め定めておくのが好ましく（例えば、負の直流電圧Ｖ₁ を使用する場合は−Ｖ_N ≦Ｖ₁ ＜０、正の直流電圧Ｖ₁ を使用する場合は０＜Ｖ₁ ≦Ｖ_P ）、そのようにすれば制御が簡単になる。後述する偏差角θを補正する場合も同様である。

電界レンズ３０の中間電極３４を構成する一対の電極３４ａ、３４ｂに一つの直流電源３８から同じ直流電圧Ｖ₁ を印加する場合、例えば図８に示すように、何らかの原因で電界レンズ３０に入射するイオンビーム４がＹ方向に傾いていると、電界レンズ３０を通過したイオンビーム４もＹ方向において偏差角θを持つことになる。偏差角θは、ＹＺ平面内において、イオンビーム４の中心軌道とＺ軸方向との成す角度である。より具体的には、電界レンズ３０を通過したイオンビーム４の中心軌道の、ＹＺ平面内におけるＺ方向からの角度である。

これを、例えば図３に示す実施形態で解決することができる。この実施形態では、中間電極３４を構成する一方の電極３４ａは、それに第１の直流電圧Ｖ₁ を印加する第１の直流電源３８に接続されており、他方の電極３４ｂは、それに第２の直流電圧Ｖ₂ を印加する第２の直流電源４０に接続されている。

図３に示す実施形態では、直流電源３８、４０から電極３４ａ、３４ｂに負の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ をそれぞれ印加する場合の例であるが、上記と同様に、直流電源３８、４０の極性を逆にして、電極３４ａ、３４ｂに正の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ をそれぞれ印加するようにしても良い。また、直流電源３８、４０として、直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ をそれぞれ正負両極性に亘って連続して出力することができるバイポーラ電源を用いても良い。電極３４ａ、３４ｂに印加する直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ を正と負とで使い分けても良い。

第１および第２の直流電源３８、４０を設けることによって、中間電極３４を構成する一対の電極３４ａ、３４ｂに互いに異なる値の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ を印加することができるので、イオンビーム４の上記Ｙ方向の偏差角θを調整することができる。

例えば、上記図８に示した例のようにイオンビーム４がＹ方向の上向きに傾いている場合、図９に示す例のように、傾いている側の電極３６ａに印加する直流電圧Ｖ₁ の絶対値よりも、傾いているのと反対側の電極３６ｂに印加する直流電圧Ｖ₂ の絶対値を大きくすれば良い。この例では、電極３４ａ、３４ｂに、それぞれ、−Ｖ_E 、−１．２４Ｖ_E の値の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ を印加した。図９は、直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が負の場合の例であるが、正の場合も同じ傾向になる。このようにして、上記偏差角θを小さくすることができる。上記偏差角θを実質的に０度にすることもできる。

上述した前段多点ファラデー４２、後段多点ファラデー４４等を有する偏差角測定手段によって、例えば上記特開２００５−１９５４１７号公報に記載されている技術と同様に、各多点ファラデー４２、４４にＹ方向においてイオンビームが徐々に入射するようにして、イオンビーム４の進行方向の２箇所におけるイオンビーム４のＹ方向の中心位置ｙ_f 、ｙ_b を求めて、両中心位置ｙ_f 、ｙ_b と両箇所間の距離Ｌ₃ とに基づいて、次式に従って、上記偏差角θを計測しても良い。

［数３］
θ＝ｔａｎ^-1｛（ｙ_b −ｙ_f ）／Ｌ₃ ｝

そして、上記偏差角θの計測データに基づいて、上記直流電圧Ｖ₁ およびＶ₂ の少なくとも一方をフィードバック制御等によって調整するようにしても良い。例えば、前述したように、イオンビーム４が傾いているのと反対側の電極３４ｂ（または３４ａ）に印加する直流電圧Ｖ₂ （またはＶ₁ ）の絶対値を大きくするように調整（制御）すれば良い。それによって、電界レンズ３０を通過したイオンビーム４の軌道が、元々傾いていたのと反対側に曲げられるので、上記偏差角θを小さくすることができる。上記偏差角θを実質的に０度にすることもできる。

上記偏差角θを小さくすることによって、イオンビーム４の軌道が傾いていることによるターゲット２４へのイオンビーム４の入射角度のずれ、ひいてはイオン注入角度のずれを小さくすることができる。かつ、イオンビーム４の軌道を正して、イオンビーム４が構造物に衝突するのを抑制することができるので、イオンビーム４の輸送効率を高めることができる。更に、この実施形態のようにマスク２０を有している場合は、マスク２０の開口２２を通過するイオンビーム４の量を増やすことができるので、この観点からもイオンビーム４の輸送効率を高めることができる。

上記偏差角θを実質的に０度にすることによって、上記効果をより高めることができる。即ち、イオンビーム４の入射角度のずれ、ひいてはイオン注入角度のずれを防止することができると共に、イオンビーム４の輸送効率をより高めることができる。

再び図１を参照して、例えば特許第３３８７４８８号公報、特許第３４１４３８０号公報にも記載されているように、プラズマを生成して当該プラズマをターゲット２４の上流側近傍に供給して、当該プラズマ中の電子によって、イオンビーム照射に伴うターゲット２４表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置４６を設ける場合がある。その場合は、上記電界レンズ３０はプラズマ発生装置４６よりも上流側に設けるのが好ましい。即ち、電界レンズ３０は、上記ビーム平行化器１４の下流側かつプラズマ発生装置４６の上流側に設けるのが好ましい。

そのようにすれば、プラズマ発生装置４６から発生させたプラズマ中の電子を、電界レンズ３０を通過させることなくターゲット２４に供給することができるので、電界レンズ３０を設けても、プラズマ発生装置４６によるターゲット２４表面の帯電抑制作用に対する影響を小さくすることが容易になる。

例えば、直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が負の場合は、仮に、電界レンズ３０をプラズマ発生装置４６の下流側に設けると、プラズマ発生装置４６から発生させたプラズマ中の電子は電界レンズ３０に印加される負の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ によって押し戻されて、ターゲット２４に到達するのが困難になる。特に、プラズマ発生装置４６から発生させるプラズマ中の電子のエネルギーは小さい方が望ましいので（例えば１０ｅＶ程度以下）、当該プラズマ中の電子は負の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ によって押し戻されやすい。

これに対して、電界レンズ３０をプラズマ発生装置４６よりも上流側に設けると、電界レンズ３０に負の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ を印加しても、プラズマ発生装置４６から発生させたプラズマ中の電子がターゲット２４に到達するのを妨げないだけでなく、負の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ によって当該電子をターゲット２４側へ押し戻してターゲット２４に到達するのを助ける作用も期待できる。従って、プラズマ発生装置４６によるターゲット２４表面の帯電抑制作用を電界レンズ３０が妨げないだけでなく、補助する作用も期待できる。

直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が正の場合は、電界レンズ３０をプラズマ発生装置４６よりも上流側に設けても、プラズマ発生装置４６から発生させたプラズマ中の電子をターゲット２４側へ押し戻す作用は期待できない。上記電子を正の直流電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ によって電界レンズ３０内へ引き込む場合があるかも知れない。

その場合は、例えば、図１中に二点鎖線で示すように、電界レンズ３０とプラズマ発生装置４６との間に、イオンビーム４が通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置されていて、図示しない直流電源から負電圧が印加される一対の電極５０を設けて、この電極５０に印加される負電圧によって、プラズマ発生装置４６から発生させたプラズマ中の電子をターゲット２４側へ押し戻すようにしても良い。この電子のエネルギーは上記のように低いので、電極５０に印加する電圧は、例えば、−数十Ｖ〜−１ｋＶ前後の範囲内にすれば良い。このような電極５０およびそれ用の直流電源を、必要に応じて設ければ良い。

なお、上記実施形態と違って、イオンビーム４と中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器は、イオンビーム４を平行ビーム化するビーム平行化器とは別個のものでも良い。その場合は、電界レンズ３０は、ビーム平行化器の下流側かつイオンビーム偏向器の下流側に設ければ良い。通常は、ビーム平行化器の下流側にイオンビーム偏向器が設けられるので、イオンビーム偏向器の下流側に電界レンズ３０を設ければ良い。イオン源２からリボン状のイオンビーム４を発生させる場合はビーム平行化器は不要であるので、イオンビーム偏向器の下流側に電界レンズ３０を設ければ良い。

また、上記のような電界レンズ３０を、イオンビーム４の進行方向に二つ設けて、両電界レンズ３０の協働によって、前述したイオンビーム４の偏差角θを小さくする補正を行うようにしても良い。これは、厳密に見れば、電界レンズ３０が一つの場合は、当該電界レンズ３０を用いて上記偏差角θを小さくする補正を行う場合に、電界レンズ３０に入射する際のイオンビーム４のＹ方向における中心軌道方向の違いによって、偏差角補正後のイオンビーム４のＹ方向における中心軌道位置が異なる可能性があるのに対して、二つの電界レンズ３０の協働によって上記偏差角θを小さくする補正を行うようにすると、（ａ）偏差角補正を行うことができることに加えて、（ｂ）上流側の電界レンズ３０に入射する際のイオンビーム４のＹ方向における中心軌道方向に違いがあっても、下流側の電界レンズ３０を通過して出てくるイオンビーム４のＹ方向における中心軌道位置を揃えることができる。ひいては、ターゲット２４に入射するイオンビーム４のＹ方向の中心位置を実質的に一定に保つことができる。

この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を部分的に示す平面図である。 図１中の電界レンズ周りを矢印Ｐ方向に見て拡大して示す正面図である。 電界レンズの電源構成の他の例を示す図であり、図２に相当している。 電界レンズを設けた場合のターゲットでのイオンビーム電流の最大増加率を、イオンビームのエネルギーを変えて測定した結果の一例を示す図である。 電界レンズによってイオンビームをＹ方向において絞ったシミュレーション結果の一例を示す図であり、中間電極に負の直流電圧を印加している。 電界レンズによってイオンビームをＹ方向において絞ったシミュレーション結果の他の例を示す図であり、中間電極に正の直流電圧を印加している。 電界レンズの中間電極に印加する直流電圧を変化させたときのターゲットでのビーム電流の変化を示す概略図である。 イオンビームがＹ方向において上向きに傾いているシミュレーション結果の一例を示す図である。 図８のイオンビームの傾きを補正したシミュレーション結果の一例を示す図である。 従来のイオン注入装置の一例を示す平面図である。 図１０中のマスクおよびターゲットをイオンビームの進行方向に見て拡大して示す正面図である。

符号の説明

４ イオンビーム
１４ ビーム平行化器（イオンビーム偏向器）
２４ ターゲット
３０ 電界レンズ
３２ 入口電極
３４ 中間電極
３６ 出口電極
３８、４０ 直流電源
４６ プラズマ発生装置

Claims (6)

1. イオンビームの設計上の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する平面内において互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の走査を経て、またはＸ方向の走査を経ることなく、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法よりも大きいリボン状の形をしているイオンビームをターゲットに照射する構成の装置であって、ターゲットに照射するエネルギー状態のイオンビームを磁界または電界によって偏向させてイオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器を備えているイオン注入装置において、
   前記イオンビーム偏向器の下流側に設けられていて、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置された複数の電極を有していて、イオンビームをＹ方向において絞る電界レンズを備えており、
   前記電界レンズは、イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置されていてイオンビームの面に実質的に平行な一対の電極から成り、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、
   かつこのイオン注入装置は、前記中間電極を構成する一対の電極に直流電圧をそれぞれ印加する第１および第２の直流電源を更に備えている、ことを特徴とするイオン注入装置。
2. イオンビームの設計上の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する平面内において互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の走査を経て、またはＸ方向の走査を経ることなく、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法よりも大きいリボン状の形をしているイオンビームをターゲットに照射する構成の装置であって、ターゲットに照射するエネルギー状態のイオンビームを磁界または電界によって偏向させてイオンビームと中性粒子とを分離するイオンビーム偏向器と、このイオンビーム偏向器とターゲットとの間に設けられていて、イオンビームを通過させる開口を有していてイオンビームを整形するマスクとを備えているイオン注入装置において、
   前記イオンビーム偏向器の下流側であってしかも前記マスクの上流側に設けられていて、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置された複数の電極を有していて、イオンビームをＹ方向において絞る電界レンズを備えており、
   前記電界レンズは、イオンビームの進行方向に互いに間をあけて並べられた入口電極、中間電極および出口電極を有していて、入口電極、中間電極および出口電極は、それぞれ、イオンビームが通過する空間を挟んでＹ方向において相対向して配置されていてイオンビームの面に実質的に平行な一対の電極から成り、入口電極および出口電極は電気的に接地されており、
   かつこのイオン注入装置は、前記中間電極を構成する一対の電極に直流電圧をそれぞれ印加する第１および第２の直流電源を更に備えている、ことを特徴とするイオン注入装置。
3. Ｘ方向に走査されたイオンビームを、磁界または電界によって、基準軸に対して実質的に平行になるように曲げ戻して平行ビーム化して前記リボン状の形をしているイオンビームを導出するビーム平行化器を備えていて、このビーム平行化器が前記イオンビーム偏向器を兼ねており、前記電界レンズはこのビーム平行化器の出口近傍に設けられている請求項１または２記載のイオン注入装置。
4. プラズマを生成して当該プラズマを前記ターゲットの上流側近傍に供給して、イオンビーム照射に伴うターゲット表面の帯電を抑制するプラズマ発生装置を更に備えていて、前記電界レンズはこのプラズマ発生装置よりも上流側に設けられている請求項１、２または３記載のイオン注入装置。
5. 請求項１または２に記載のイオン注入装置におけるイオンビームの偏差角補正方法であって、
   前記電界レンズを通過したイオンビームの中心軌道の、ＹＺ平面内におけるＺ方向からの角度である偏差角を偏差角測定手段によって測定し、
   当該測定した偏差角が小さくなるように、前記第１および第２の直流電源から前記電界レンズの中間電極を構成する一対の電極にそれぞれ印加する直流電圧の少なくとも一方を調整することを特徴とするイオンビームの偏差角補正方法。
6. 前記測定した偏差角を実質的に０度にする請求項５記載のイオンビームの偏差角補正方法。

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