JP4875400B2 - リボンイオンビーム用高アスペクト比、高質量分解能アナライザマグネット及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、概して、質量分析リボン形状イオンビームに関し、特に事前に選ばれた角度で高アスペクト比リボンイオンビームを曲げ、高分解能及び高受容を有する質量分析用イオンビームに焦点を合わせることができる新規の高分解能マグネットに関する。

イオンビームシステムの分野ではリボン形状のビームの形で生成したイオンビームを生成することが所望されることがある。これらのリボンビームは、（シリコンウエハーまたはフラットパネルディスプレイなどの）母材がイオンビームを通って移動するイオン注入機装置及び注入システムにおいて一般的に使用される。これらの例では、リボンイオンビームは、該ビームが注入を受けている母材の任意のサイズ寸法より幅広くなり、したがってイオンビームのただ一度の通過において、イオンの均一な用量が表面上、及び該母材の内部物質中に注入できるような高アスペクト比を有する。これらの用途の性能において、リボンビームは平行して移動するそのイオン飛翔経路を有し、シリコンウエハーまたはフラットガラスパネル中へのイオンの均一な注入に適した均一な電流密度外形を示すように注意深く制御されることも非常に望ましい。

Ａ．技術分野及び市販されているシステムの概要
一般的に、イオン源が通常、イオン源フィード物質の中に、及び／または源自体の物質中に存在する１つまたは複数の望ましくない種類を含むビームを生じさせることは長い間公知のことである。したがって、あらゆる不必要な種類または成分をこれらのイオンビームから分離し、拒絶するために磁気分析を使用することは長年に渡ってこの業界では標準的な慣行であった。しかしながら、概して，及び特に高パービアンスのそれらのビーム用の大きなリボン形状ビームにとって、この種の磁気質量分析及びイオンビーム生成はかつてないほど困難且つ高価になってきている。

元々、用語パービアンスは、空間電荷された制限されている熱電子二極管中の電流を支配するチャイルド−ラングミュア（Ｃｈｉｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒ）方程式（Ｇ＝Ｉ／Ｖ^3/2）の中の定数Ｇとして定義されていたことが留意される。重いイオンビームの場合、この等式はイオン質量及び電荷を考慮するために法則化されなければならず、したがってさらに有効な定義は以下の式のとおりである。

ここではｍはイオン質量であり、Ｑはその電荷であり、Ｉはビーム電流であり、Ｖはそれがそこを通って加速される電位である。
リボンイオンビームを分析し、輸送するための技術の一般的な状態だけではなく、この特定の技術的な問題も、その全文が明示的に本書に組み込まれているＷｈｉｔｅら「サイズが最高２４インチまでの平行リボンイオンビーム中の均一性の制御（Ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ Ｉｎ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｒｉｂｂｏｎ Ｉｏｎ Ｂｅａｍｓ Ｕｐ Ｔｏ ２４ Ｉｎｃｈｅｓ Ｉｎ Ｓｉｚｅ）」、科学と工業における加速器の応用例（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｏｆ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ Ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）１９９８年、ＡＩＰ、８３０ページ、１９９９年によって見直されている。

今日、従来と同じように販売されている商業的なシステム
今日、販売のために商業的に提供されているイオン注入機装置及び注入システムの中には、日新イオン機器株式会社（Ｎｉｓｓｉｎ Ｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）（日本、京都）、住友イートンノバ株式会社（Ｓｕｍｉｔｏｍｏ Ｅａｔｏｎ Ｎｏｖａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（日本、東京）及び石川島播磨重工業社（Ｉｓｈｉｋａｗａｊｉｍａ−Ｈａｒｉｍａ Ｈｅａｖｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏ． Ｌｔｄ．）（日本、東京）によってフラットパネルディスプレイ（つまり「ＦＰＤ」）用のイオンビーム注入のために販売されているものがある。これらの商業的に販売されているシステムは、過去において、ビームがイオン源を離れるときにビーム中にほぼ常に存在する汚染物質種類を拒絶する能力がない、あるいはほとんどない装置及びイオンビームを構成していた。

対照的に、商業的な販売のための三井造船株式会社（Ｍｉｔｓｕｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ）は、適度な分解能（すなわち約２パワー）―多くの場合複数の異なった商業的に有効な源要素のイオンビームから著しい種の汚染物質を除去するために十分である―しか有さないマグネットを使用して質量分析されてきた均一なリボンビームでフラットパネルディスプレイを注入できる商業的な販売用の注入装置およびシステムを製造している（米国特許第5，８３４，７８６号から複写された従来技術、図１を参照すること）。

また、バリアンセミコンダクターイクイップメント株式会社（Ｖａｒｉａｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ， Ｉｎｃ．）も、フラットパネルディスプレイ用の前述した注入機と対照的に適切なリボン形状のビームを生成するために２種類の異なった磁石を使用するシリコンウエハーの注入用のイオン注入機を製造している。第1のマグネットはイオンビームを質量分析し、第２のマグネットはビームの中のイオンをより平行にさせる。このバリアン（Ｖａｒｉａｎ）の２つのマグネットシステムにおける分解能は他の市販されているイオン注入機が実現できるのと同程度に優れており、通常は８０Ｍ／△Ｍ ＦＷＨＭを超える。このため、この構造上のフォーマット―２つのマグネットシステムはイオンビームの均一性及び純度のデファクトスタンダードになり、現在、他のすべてのリボンビーム注入システムを突き合せて判断するシステムである。しかしながら、残念なことに、この２つのマグネットシステムには重大な欠点がある。つまり、それは複雑で高価であり、サイズが最高３００ｍｍのリボンイオンビームを生じさせるためだけに製造されているということである（米国特許第５，３５０，９２６号から複写される従来の技術図２を参照すること）。

質量分析に使用されるマグネットの主要な問題
多くの異なる問題が、質量分析に使用されるそれらのマグネットのこの技術分野で働く実践者により一般的に認識され、知られている。これらは、適切な分解能、注入システムの異常、［プラズマの不安定性及び／または磁化されたイオンビーム中の空間電荷の中和の損失に起因する。例えば、Ａｌｅｘｅｆｆ，Ｉ．「ただ１種の同位体種を用いるカルトロン（同位体分離装置）のための閾値（Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｆｏｒ ａ Ｃａｌｕｔｒｏｎ（Ｉｓｏｔｏｐｅ Ｓｅｐａｒａｔｏｒ） ｗｉｔｈ ｏｎｌｙ ｏｎｅ Ｉｓｏｔｏｐｅ Ｓｐｅｃｉｅｓ）」、プラズマ科学に関するＩＥＥＥ報告書（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第ＰＳ−１１巻、第２、９０−９１号（１９８３年）を参照すること］ビーム破裂を起こさずに高パービアンスのビームを伝達する、制限された能力、及び種々の他のイオン注入機システムの不具合及び欠陥を含むが、これらに限定されない。

適切な分解能
シリコンウエハー注入システムの技術分野中では、６０を超えるマグネット分解能［すなわち、密接に離間された磁気剛性率のイオン間を分離し、区別する能力］が最適、且つ望ましいこと、及び――生産性と引き換えることが可能ならば、及び可能なときには−−６０未満（すなわち分離及び区別能力が劣っている）の分解能を有するマグネットが日常的に使用に許容できると見なされていることは一般に認められている。したがって、適切なサイズのリボンビームを直接出力することができ、同時に約３０を超える分解能で分析できるマグネットがフラットパネルディスプレイ市場用に今日市販されているそれらの注入機およびシステムで使用されるのならば、これは納得でき、所望されるであろう。しかしながら、約３０を超える分解能を有する分析マグネットだけが最近、不完全に導入され、このようなシステムで活用されていることが留意される。これらのうち、フラットパネルディスプレイ用のただ１つの市販されているイオン注入機装置だけが３０を超える分解能を有しており、それはここに説明されるような高電力消費、極端な重量、及び漂遊磁界を含む重大な欠点を抱えている。

システム異常
システム異常の幅広い問題を描写するただ一つの代表的な例として、日新イオン機器は、最近、単一の大きな曲げ磁石を使用し、従来のシステムで利用できるより高い磁気分解能を達成するフラットパネルディスプレイを注入するための装置の製造を開始した。この日新システムでは、リボン形状ビームの長い方の（幅）寸法はイオン源のサイズによって決定され、それを横切って磁場が作られなければならない（北の磁極から南の磁極への）分析マグネット内の開空間空隙のサイズがイオンビームの寸法より大きい。構造上、日新のアナライザマグネットは、形状と断面が実質的に矩形である鋼ヨークを有する。ワイヤコイルがこの矩形ヨークの側面に多かれ少なかれ均一に巻き付けられ、該巻き付けられたコイルは、電流密度が必要に応じて替えられ、それによりヨークの中で生じる磁場の均一性を制御するように細分化されている（米国特許番号第６，１６０，２６２号から複写される、それぞれ従来の技術図３ａと図３ｂを参照すること）。

リボンビームを曲げる単一のマグネットの中で高い分解能を達成する主要な困難の１つは、イオンビームの形状の歪みを引き起こす深刻な二次異常を生じさせる非常に高い可能性である［例えば、前述されたＷｈｉｔｅら、ＡＩＰ出版物におけるこの問題に関する説明を参照すること］。このような歪みの発生及び存在には主要な関心事の２つの結果として生じる影響がある。つまり一方の影響は、アナライザマグネットから得られる質量分解能を削減することである。他方の結果はフラットガラスパネル（あるいはそれ以外の場合母材）がそれを通して走査されるビームの有効アスペクト比を悪化させ、それによりさらに長い走査距離を必要とし、走査の注入効率を減じることである。

これらの認識されたシステム異常を鑑みて、日新は、コイル電流分散が高アスペクト比イオンビームの側面に沿って均一に広がるように適切な高さのワイヤコイルを利用することによってこれらの重要な欠点を有意義な程度まで制御しようと試みた。これは「ウィンドウフレーム」マグネットとして知られている概念を拡大したものである。しかしながら、「ウィンドウフレーム」マグネットはヨーク内で内部的に必要とされる磁場を発生させることができるが、それはまた同時に磁石から距離が大幅に広がることができる非常に強力な漏れ磁場を発生させる「裸の」ダイポールマグネットをヨーク構造の外部上に生じさせる。

「漏れ磁場」の同時発生に関する問題
強力な「漏れ磁場」の同時発生における公知の欠点中には、（ｉ）人員の高磁場への曝露に関する、特にペースメーカー使用者に対する安全性の問題と規制の問題、（ｉｉ）装置内のイオン源の性能に対する漂遊磁界の影響、（ｉｉｉ）（フラットパネルディスプレイの使用により回避できる）陰極線管に対する漂遊磁界の影響、及び（ｉｖ）敏感な電子機器の動作中に実行されるシステム調整に対する影響がある。さらに、（漏れ磁場を発生させる）ウィンドウフレームマグネットの蓄積エネルギー及び電力消費が非常に大きい場合があり、これらの問題を和らげるために必要とされる磁気遮蔽と組み合わせて、装置とシステム全体の重量は非常に大きくなる場合がある。

したがって、過去においては漏れ磁場によって引き起こされる漂遊磁界問題を克服するためのいくつかの試みが行われてきた。例えば、バンヴェニスト（Ｂｅｎｖｅｎｉｓｔｅ）は、漂遊磁界を制御するために磁場クランプの使用を提案した（米国特許番号第６，７７０，８８８号及び第６，８３５，９３０号を参照すること）。しかしながら、この手法は、磁場クランプがビーム曲げ磁石の光学特性を微調整するために位置を調整された、多くの大アスペクト比システム――バリアン（Ｖａｒｉａｎ）ＳＨＣ−８０及びＶＩＩＳｔａ−８０注入機において顕著な――で使用されてきた、過去において使用された従来公知の解決策である。また、バンヴェニスト方法は、バリアン社（Ｖａｒｉａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）によって販売されたＳＨＣ８０イオン注入機の中でも１９９４年に初期に活用され、磁場クランプの同様な使用は多くの初期イオンビームシステムで実践されてきた。

さらにいくつかの顕著な早期の技術的な出版物が「漏れ磁場」の問題を直接扱ってきた。これらの印刷された出版物は、早期の例をいくつか示しているオックスフォード大学（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）のＮｉｃｈｏｌａｓ Ｒ．Ｗｈｉｔｅによる１９８３年学位論文、及び均一な場を有する分解能マグネット中の漏れ磁場の範囲を制御するための磁場クランプの使用を説明するだけではなく、マグネットの焦点特性に対するこのような漏れ磁場の影響の詳細な分析を行っているアカデミック出版（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ）（１９８０年）、Ｅｄ Ａ．Ｓｅｐｔｉｅｒ、応用荷電粒子光学（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ Ｏｐｔｉｃｓ）中のＨａｒｏｌｄ Ｅｎｇｅによる記事を含む。最後に、今日、漏れ磁場の影響を制御するための機能は調整可能であるパラメータとしてのＴＲＡＮＳＰＯＲＴなどのビーム光学プログラムの中に含まれると認識されている。

さらに、導電コイルがマグネット構造のほぼ全体を取り囲んでいるため、漏れ磁場は日新及びバンヴェニストによって開示されている型のウィンドウフレームマグネットにおいて何倍も強力且つ大規模である。したがって磁場クランプの手法はさらに必要とされ、効果的に配備するのがさらに困難である。より従来のマグネット構造はヨーク中の導電コイルの大部分を含んでいる。

Ｂ．最適に設計されたリボンビーム高電流イオン注入システム
理想的な高電流イオンビーム注入システムの設計
（それぞれが上記で見直された前記に引用されたシステム内の少なくとも１つで個別に見つけられてよい）以下の機能及び動作特性を提供する（少なくとも１つのイオン源と、イオンビーム加速システムと、分析マグネットとを備える）イオンビーム注入システムを設計することが最も望ましいであろう。

（ｉ）所望されるシステムは高アスペクト比及び矩形断面の大きなイオンビームを送達することができ、アプリケーションがそれを要求する場合、長い方の寸法で少なくとも８００ｍｍとなることができる。

（ｉｉ）所望されるシステムは少なくとも４５度、好ましくは９０度の角度でこのイオンビームを磁気的に偏向させ、狭いビーム寸法の方向で曲げ、それによって〜４０を超える分解能を達成する。これには二次異常の厳しい制御が必要である。

（ｉｉｉ）所望されるシステムの磁場は必要とされる領域に効率的に限定され、この領域外では急速に減衰する。

（ｉｖ）マグネットを通るビーム経路が所望されるシステム内のイオン源に提示する角度の受入れは、特に高パービアンスビームの伝達を最大限にするために可能な限り大きくなくてはならない。

また、これらの初期の目的を満たす一方、以下を行うことが最も望ましいであろう。
（ａ）（必要とされる磁気遮蔽を含む）マグネットシステムの重量を最小限に抑える、
（ｂ）コイルの電力消費を最小限に抑える、
（ｃ）出力ビームのサイズとアスペクト比を維持する一方、マグネットとイオン源の両方の必要とされる主寸法を縮小する、
（ｄ）システムの構造を簡略化し、その製造コストを削減する。

質量分析用に高アスペクト比及び高分解能を有するリボンイオンビーム生成の根本的な問題

質量分析用に高分解能を提供する注入システムにおいて高アスペクト比リボンビームを生じさせるという根本的な問題における解決策を見つけるために過去において行われた報告済みの努力のいくつかを検討することも適切である。長年に渡って、成功の程度はさまざまである多くの非常に異なった手法が試された。

当初、少なくとも２つまたはそれ以上のマグネットが組み合わされて活用されていた。権利の報告されている進展は以下を含む。

（１）１９８５年、Ｄｏｕｇｌａｓ Ｈａｍｉｌｔｏｎらは（７つまたは１３のビームレットから構成される）概して円形のビームが従来のアナライザマグネットで分析されてから、背の高い楕円形のビームを形成するために四極子型レンズの連続で成形されたシステム［米国特許番号第４，８１２，６６３号を参照すること］を開示した。

（２）１９９０年、Ｎ．Ｒ．Ｗｈｉｔｅは、従来の割合――すなわち、曲げ半径の＜２０％の極間隙及び１に近いマグネットにおけるビームのアスペクト比――の分析マグネットの中心で中央部を形成するために強力に収斂したビームを使用したシステム［米国特許番号第５，１２６，５７５号を参照すること］を開示した。イオンビームはマグネットを離れた後に拡大することを許され、最後に小さいセクタマグネットで視準された。

（３）１９９３年、Ｗｈｉｔｅらは、２つのマグネットを使用したシステムを開示した［米国特許番号第５，３５０，９２６号を参照すること］。つまり、第１のマグネットは分析スリットからの高い発散度（＋／−＞６度）を有するビーム中で高分解能を達成し、第２のマグネットは平行したビーム中にイオンを形成した。ビームの短い軸は磁場と位置合わせされた。

それ以後、装置及びシステム内でただ１つのマグネットのみを使用して、革新的な開発が行われた。これらの後の努力は以下によって例証され、表わされる。

（４）１９９５年、Ｗｈｉｔｅらは平行なビームを生じさせるが低い分解能（約２）を有する単一マグネット付きシステム［米国特許番号第５，８３４，７８６号を参照すること］を開示し、その中では高アスペクト比ビームは場の方向にその短い軸を向けられた。

（５）１９９８年、Ｎ．Ｒ．Ｗｈｉｔｅ［上記に示されたＡＩＰ引用］は、このようなシステムのためのオプションを見直し、従来の双極子（別々の極によって確定される場）が、深刻すぎたため場とリボンイオンビームの長い軸との位置合わせを可能にすることができなかった異常を有するであろうと結論した。

（６）また、１９９８年にＴａｋａｈａｓｈｉら［１９９９年ＩＥＥＥによって出版された日本京都、ＩＩＴ−９８会議］が、大きな開口度を提供するために、複数のコイルがヨークの脚部の回りに巻き付けられた「ウィンドウフレーム」マグネットの使用を開示した。最初に、これは１に近いアスペクト比を示したが、米国特許番号第６，１６０，２６２号の本文はこの特定の設計を高アスペクト比ビームとの使用に適していると開示している。

（７）さらに１９９８年に、Ａｉｔｋｅｎ［ＩＥＥＥ（１９９９）年１９６ページによって出版されたＩＩＴ’９８会議、日本京都］は、リボンビームにおける質量分解能を達成するための横断方向四極子型レンズの複雑なシステムを開示した。

（８）２０００年頃、私信が、垂直アレイ内の導体の間の平行した通路を介して均一な場の中に及び中からイオンビームが通され、それにより高アスペクト比マグネットの「漏れ磁場」を制御するための境界を形成するマグネットをＫａｗａｓａｋｉらが設計したことを明らかにした。

（９）最後に、Ｃｈｅｎらに２００２年６月１１日に発行された米国特許番号第６，４０３，９６７号は、ベッドステッドコイル（ｂｅｄｓｔｅａｄ ｃｏｉｌ）を備えるアナライザマグネットを説明しているが、その必須構造の一部としてコイルの二次的な対も組み込んでいる。さらに、そこに開示されるように、Ｃｈｅｎらの構造の明瞭に表現された目的及び真の目標は事実上、以下の２つの要素からなる。それは（ｉ）強力に非均一な磁場を有するマグネットを提供することと、（ｉｉ）イオンビームの非均一性を調整するために制御の要素を提供することである。このようにしてＣｈｅｎらの発明は、きわめて高いパービアンスビームでの空間電荷補償を維持するために設計、構造化される。また、Ｃｈｅｎらのマグネットを通過するイオンビームのアスペクト比は１であるとして開示されていることは特筆すべきである。

事象のこの短い年代準配列及び一覧によってさえも、主要な開発のイニシアチブ及び大きな努力が、複雑ではなく、コンパクトなシステムにおいてリボンイオンビームの高分解能分析を達成する相対的に簡略な方法を見つけるために使い果たされたことは明らかである。それらの大部分は、報告された技法内の多くの欠点及び欠陥にも関わらず、ある程度有効な成功をおさめた。

本発明は複数の態様及び応用例を有する。１つの主要な態様は、移動するリボンイオンビームから不必要なイオン種を分離するための磁気アナライザを提供し、前記磁気アナライザは、リボンイオンビームが移動するときにリボンイオンビームのための中心軸と意図された弧の経路であって、前記中心軸は曲線をなす形状を有し、弧形は０．２５メートルと２メートル間の半径を持ち、湾曲の角度は約４５度以上、約１１０度以下の範囲となる中心軸と意図された弧の経路と、前記所定の曲線を成す中心軸を包含し、連続リボンイオンビームが移動するときに連続リボンビームのための前記意図された弧の経路を取り囲む弓形ヨーク構造であって、少なくとも部分的に強磁性物質から形成され、固定された寸法と実質的に矩形の断面と、移動するビームの入口と出口としての役割をする２つの別々の開口端と、移動するビームのための空間通路としての役割をする決定可能な体積の内部空間領域とを備える前記弓形ヨーク構造と、位置合わせされたアレイとして平行に設定されるループ形状コイルの鏡面対称の対であって、（ａ）該位置合わせされたアレイ中の該対の各離散コイルは、（ｉ）少なくとも部分的に電気的に導電性材料から構成される細長い完全なループであり、（ｉｉ）それぞれが同じ方向に曲げられている２つの丸みを帯び、傾いた離散ループ端部を有する細長い完全なループであり、（ｉｉｉ）各セグメントが事前に選ばれたシーケンス位置にあり、リボンイオンビームが前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内を移動するとき前記リボンイオンビームのための中心軸及び意図されたアーク進路に関して個々の角度向きにある順次直列に配置される複数の導電性セグメントの組として形成される細長い完全なループであり、（ｂ）鏡面対称の２つのループ形状コイル組の位置合わせされたアレイは、（ｉｖ）対における他のループ形状コイルの２つの丸みを帯び傾いた端部のための曲げ方向と対向した１つのループ形状コイルの２つの丸みを帯び傾いた端部の曲げ方向を提示し、（ｖ）２つのコイルそれぞれにおける閉ループの空洞体積を介して中心の開空間チャネルを提供し、前記中心の開空間チャネルが傾いた丸みを帯びたループ端部の各対からアレイの線寸法距離で他方に伸張し、（ｖｉ）反対に曲げられた傾いたループ端部の１対が前記弓形ヨーク構造の２つの開口端のそれぞれから伸張し、隣接しているように前記弓形ヨーク構造の２つの対向する壁の内面に沿った前記内部空間領域内に配置され、（ｖｉｉ）前記曲線を成す中心軸のための制限境界として、及び連続イオンビームが前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内に配置された後に前記２つのループ形状コイル間の間隙空間内で移動するとき、連続リボンイオンビーム用の意図された弧の経路としての役割をする位置合わせされた平行に設定されるループ形状のコイルの鏡面対称の対とを備える。

本発明の第２の態様は、リボンビームを形成するための長穴付き開口をイオン源に提供し、該ビームは二次元でそれから分岐する。前述されたようなマグネットは４５度と１１０度間の角度で該リボンビームを曲げ、ビームが曲げられる方向で集束を提供するが、磁場の方向ではほとんど、またはまったく集束を提供しない。その結果、マグネットを離れるリボンビームは高アスペクト比の線焦点に焦点を合わせられる。

この焦点付近のビームの周りに配置されるレンズは、ほぼ平行になるためにイオン源長穴の長い軸の方向で飛翔経路を分岐させるために集束を提供する、四極磁場を発生させる。ターゲットはこのようにして生成された平行ビームを通過し、それによってその面全体に前記表面全体でのイオンの入射角でほとんどまたはまったく変動がないイオンの用量を注入してよい。

本発明のさらなる態様は、前記に加えて、マグネットの入口または出口近くでビームの周りに配置される多極レンズを提供し、リボンビームの均一性をその長い方向で制御できるようにする。

本発明の別の態様に従って、イオンビームの境界付ける弓形鋼ヨークは矩形断面から逸れ、境界となる鋼表面間の距離は曲線を成すビーム軸に沿った距離とともに変化し、イオンビームがマグネットを通過するときイオンビームの所望される拡大するサイズ外形と一致する。間隙は変化するため、磁場は一定ではなく、ビーム軸の曲率はその長さに沿って変化する。

本発明の追加の態様は、境界となる鋼表面の外形を曲げることおよび、イオンビームの形状の歪み及び異常を最小限に抑えるために鋼ヨークの入口端縁と出口端縁を曲げることに対して備える。

Ｉ．本発明を構成する（Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）全体としての主題

その最も簡略な形式で、本発明はアレイとして形成される1対の位置合わせされたベッドステッドコイルを有するアナライザマグネットを備え、高アスペクト比リボンイオンビームを少なくとも４５度の角度で、最高約１１０度まで曲げることができ、質量分析を提供するために、不必要なイオン成分が伝達されない一方、所望されるイオン成分が分解長穴を通過するようにリボンビームに焦点を合わせることができる。また、リボンイオンビームの長い横断方向軸が曲げ半径の５０％を超える場合があり、この軸がアナライザマグネットによって生じる磁場と位置合わせされる。

１対のベッドステッドコイルは位置合わせされたアレイとして鏡面対称で設置され、アナライザマグネット構造内で電流を運び、本質的に優れた磁場均一性及びうまく封じ込められた漏れ磁場（本来、ビームが出入りする領域において以外ゼロ）によって特徴付けられた磁場を発生させる。対にされたベッドステッドコイルの位置合わせされたアレイにより、イオン注入システムにおいて今日従来使用されていた他のマグネットを用いて過去に可能であったよりはるかに軽量の装置用の構造の製造が可能になる。

本発明を介して、リボンイオンビームは高分解能を達成するために少ない異常で再び焦点が合わせられ、それはイオン注入業界において実質的に貴重である。また、注入システムのサイズは、膨張及び質量分析（精製）後にリボンイオンビームの非常経路を視準する（平行にする）ために小さいイオン源及び四極レンズを使用することによって、現在、著しく縮小できる。

そのより精密且つ複雑な実施形態のどれかにおいて、本発明は、一連の飛びぬけた優位点及び種々の過去に手に入らなかった利点を提供する、（少なくとも１つのイオン源と、加速システムと、分析磁石として１対のベッドステッドコイルを有するウィンドウフレームマグネットとを備える）イオンビーム注入装置及び注入システムを提供する。

これらの実質的な優位点及び利点の中には以下の特徴、機能、作動パラメータ、及び全体的な特性がある。

１．本発明は高アスペクト比及び矩形断面の、直径３００ｍｍのシリコンウエハーを注入するためだけではなく、大型フラットパネルディスプレイの注入にも適した長い方の（高さ）寸法で少なくとも８００ｍｍの大きなイオンビームを送達することができる。

２．本発明は少なくとも４５度の角度で、好ましくは約９０度でリボンイオンビームを磁気的に偏向させ、ビームの短い方の（幅）寸法の方向でビームを曲げ、それにより約４０を超える分解能を達成する。この能力及び達成には二次（２ｎｄ−ｏｒｄｅｒ）異常の注意深く、正確な制御が必要になる。

３．本発明は、リボンイオンビームが通過するヨーク内部の中の指定された空間通路領域に効率的に閉じ込められ、この指定された空間通路領域の外側で急速に減衰するようになる磁場を発生させる。

４．本発明は（任意の必要とされる磁気遮蔽を含む）アナライザマグネットシステム全体の重量を最小限に抑える。

５．分析マグネットの構造中に配置される巻き付けられたワイヤコイルの電力消費を最小限に抑える。

６．本発明は、出力リボンイオンビームの所望される幅寸法サイズ及び高アスペクト比を維持する一方、アナライザマグネットとイオン源両方の必要なサイズ寸法を縮小する。

７．本発明は、全体として高アスペクト比リボンイオンビーム注入システムの構造及びサイズを簡略化し、その製造コストも著しく削減する。

ＩＩ．本発明の技術的根拠

Ａ．商業的なイオンビーム業界全体としては、平面層から構築されるワイヤコイル付きマグネットを製造することが普通になった。ワイヤコイルは移動するイオンビームのどちらかの側に位置する強磁性（通常は鋼）極部品の回りに配置される。ダイポールマグネットの鋼極間の空間的な距離（磁気）ギャップは一般的にビームが曲げられる半径の２５％未満であり、これらの条件下では、鋼極部品は磁石によって発生する磁場の成形の便利且つ効果的な手段となる。

極表面は、異常を制御する目的のために磁場を成形するためにたいていは非平面である。しかしながら、非平面の極表面に配置されるワイヤコイルの平面層は通常単純な形状であり、一般的には、異常を制御する主要な手段としての役割をするために、移動するイオンビームに十分に近くはない。したがって、ビーム曲げ磁石の磁気ギャップが曲げ半径の２０％から２５％を超えると、磁場の形状を制御し、それによって鋼極のみによって異常を制御することは非常に困難になる。

二次異常は、通常、ビーム焦点の幅における成長（増加）を引き起こし、多くの場合、リボンビームの断面外観を「スマイル（ｓｍｉｌｅ）」形状の歪みに曲げさせる。高次異常は、ビーム極値でのさらに悪化した曲線状または弓形の形状の歪みを引き起こす可能性がある。さらに、これらの種類の異常は、そのさらに長い横断方向（高さ）寸法に沿ってイオンビームの電流密度（均一性）において顕著な偏差を生じさせるであろう。

Ｂ．本発明は、より複雑なコイル形状が、極空間空隙が曲げ半径の約５０％を超えるときにきわめて重要である構造上の根拠である、アナライザマグネットによって発生する磁場の形状を制御する上で大きな優位点を提供するという認識に基づいている。より複雑なコイル形状の他の優位点は、強磁性ヨークの製造の簡略化、システムの質量におけるかなりの総合的な削減を含む。また、より複雑なコイル形状を形成する上でのいくつかの不利な点もある。これらは主にコイルの製造の費用にあるが、優位点が上回るのは明確である。

したがって、本発明のアナライザマグネットは、磁石によって発生する磁場全体を画定し、制御するために（ここで図５と図６により図示されるように）アレイと鏡面対称で位置合わせされた、１対の正確に配置され、角度方向付けられたベッドステッドコイルを使用する。位置合わせされた対における各ベッドステッドコイルは、三次元経路に沿って巻き付けられる導電材料を使用して個別に製造されてきた。さらに、位置合わせされた対における各コイルは閉ループまたは楕円構造として存在し、順次直列に接合された複数のセグメントの組により形成され、組の結果であり、組におけるそれぞれの個々のセグメントは予め選択された個々のシーケンス位置に、リボンイオンビームの移動の意図された曲線を成す軸に関して角度方向で順々に固定される。したがって、ループ形状コイル構造におけるその２つの丸みを帯びた端部のそれぞれに配置されるセグメントは傾斜、あるいは事前に選択された角度で曲げられており、これらの傾斜した端部を構成する丸みを帯びたセグメントの正確な角度向きはベッドステッド形状全体の外観を生じさせる。

位置合わせされたアレイにおけるベッドステッドコイルは鏡面対称で設置され、マグネットの内部中で所望される磁場を発生させるために相互に一致した対としてともに利用される。この構造上の配列は図６によって示される。

Ｃ．図３ａ及び図３ｂによってそれぞれここで示される代表的な従来技術のシステムで使用される幾何学形状は鋼ヨークによって包含される領域で所望される均一性を有する磁場を生じさせるが、ヨークの外部で付随して生じる漂遊磁気影響は本発明とは非常に異なる。

また、図３ａ及び図３ｂによって例証される従来の技術のシステムでは、イオンビームが鋼ヨークにおける空間間隙に出入りする場合に――したがって、これらのコイルを導電性対としてともに接合する電気的な接続が、物理的にビームがそこを通って移動するのを遮り、ヨークの空間間隙を通るビームの通過を妨げるであろうために――ヨークの一方の側にあるコイルのセグメントをヨークの他方の側にあるコイルの適切なセグメントに単に接続してから、電流がそれらの間で直接的に循環できるようにすることが不可能であることが一般的に認識されている。

したがって、この問題を解決するために、図３ａによって示される従来技術の構造は鋼ヨーク４の右脚部の外側に配置される導体５のための戻り経路を使用し、鋼ヨークの左脚部の外側に位置する導体６のための戻り経路を使用する。［図３ａ中の参照番号がＡｏｋｉらの米国特許番号第６，１６０，２６２号から複写され、ここで本発明のために使用されるそれらの参照数字とは異なることに注意すること。］しかしながら、この戻り導体により発生する磁場は望ましくなく、その場所は問題がある。この望ましくない漂遊磁界は図７ａに示されている。

この同じ問題を解決するための別の、異なった従来技術の解決策は、コイル端部で導体材料薄板を使用し、ビームの著しい量が遮られずに通過できる大きな間隙が間にある、それらを共に接合することであった。この手法の欠点は、かなりの量のビームが薄い導体の端縁によって遮られることである。

Ｄ．本発明は図５及び図６によって示されるように２つの個々の導体コイルセグメント間に電気的な回路及び連係を生じさせるためのまったく異なった技法を使用する。

そこに見られるように、ループ形状コイル１２０の上部の傾斜した丸みを帯びた端部の第１のセクタ１２０ａを形成するセグメントは上方へ曲げられ、ビームがヨークの空間間隙を介して移動するときにビームの上部全体で、及び上部で伸張し、上方へ曲げられた丸みを帯びた端部のこの第１のセクタ１２０ａは構造上傾斜した丸みを帯びた端部の第２のセクタ１２０ｂを形成するセグメントに接続され、電気的に接合される。この接続は、順次直列で配置されるセグメントの２つのセクタ１２０ａ、１２０ｂ間に第１の直接的な電気的連結を形成し、ループ形状コイル１２０の傾斜した丸みを帯びた端部を生じさせる。この構造はコイル１２０の他方の丸みを帯びた端部について同一であり、それにより全体としてのループ形状コイル１２０用の回路を完成する。

ループ形状コイル１２１について状況は類似しているが、方向的に対向する鏡面対称である。コイル１２１の下方に傾斜する丸みを帯びた端部の第１のセクタ１２１ａを形成するセグメントは下方に曲げられ、ビームがヨークの空間空隙を通って移動するにつれてビームの底部全体および底部下に広がる。そして該下方に曲げられた丸みを帯びた端部のこの第１のセクタ１２１ａは傾斜する丸みを帯びた端部の第２のセクタ１２１ｂを形成するセグメントに構造上接続され、電気的に結合されている。この接続が順次直列で配置されるセグメントの２つのセクタ１２１ａ、１２１ｂ間に第１の直接的な電気的な連結を形成し、ループ形状コイル１２１用の傾斜した丸みを帯びた端部を生じさせる。この構造はコイル１２１の他の下方に傾斜した丸みを帯びた端部に対して繰り返され、それによって全体としてループ形状のコイル１２１用の回路を完成する。

この構造は、図６に図示されるように、位置合わせされたアレイにおける２つの対向した傾斜したコイルのそれぞれのいくぶん複雑な弓形の形状を生じさせる。実際、導体を数十回または数百回、ループ形状コイルにおいてセクタを形成するセグメント内に含まれる経路上で巻きつけ、２本のリード線が電流源をこのコイルに接続するために設けられる。

この建築上の配列及び構造の総合的な結果は形状と機能の両方において他とは異なり、ループ形状コイル１２０、１２１のそれぞれのための２つの傾斜した丸みを帯びた端部のそれぞれを備える２つの広がった曲線状セクタ各々の、古い真鍮のベッドステッドの曲線状金属端部に対する位相的な相似はより一般的に使用されている記述的な名称、及び全体的な弓形ヨーク建築配列において「ベッドステッドコイル」としての短縮形の名称を与えたのは当然のことである。

このようにして、導体から形成される１対のベッドステッド形状コイルは、位置合わせされたアレイとして鏡面対称であり、２つのループ形状コイルのこのアレイはヨーク構造の内部中に設置され、イオンビーム移動軸の中央平面で一方の閉コイルループが鏡面対称の他方の上にのっている。アレイ対を形成するこれらの２つのコイルは電気的に直列で接続され、単一電流源に接続されても、または各個別ベッドステッド形状コイルは独立して、且つ個別に専用の電流源に接続されてもよい。

Ｅ．１つが移動するイオンビームの上に、１つが移動するイオンビームの下に伸張する２つの別々のコイルのそれぞれの長さはマグネット構造における弓形ヨークの内壁と外壁の周囲の距離の合計より少ないため、「ベッドステッドコイル」に頻繁に引用された優位点はその製造においてより少ない銅の含有量を使用し、電気的な電力要件の削減を提供するその能力である。これらの優位点は価値においてきわめて現実的であるが、この文脈で有されるさらに重大ないくつかの優位点がある。

１．図３ａ及び図３ｂによって示される従来技術の構造では、ヨークの外側で戻る導体は鋼ヨーク中における追加の磁束を発生させる。事実上、それらは側壁内で約２倍の磁束を発生させる。したがって、飽和を回避するためには、従来技術のマグネットは、本発明と比較してヨークの側壁における鋼の厚さを少なくとも２倍にしなければならない。したがって、本発明は必要とされる鋼の重量を削減する。

２．外部導体によって発生する磁場は大きな距離伸張する。それは、通常大きな双極子として現れる。遮蔽されていない磁気双極子からの場はマグネットからの距離の立方に比例して（双極子寸法と相対的に）大きな距離で落下する。対照的に、本発明の構造ヨークの外側で落下する磁場はほぼゼロに近い値であり、鋼材料自体の有限透磁率によって生じる最小の場のみを構成する。図３ａ及び図３ｂの従来技術のマグネットにより生じる外部磁場は図７ａに示されている。相対的に、図７ｂは本発明の外部磁場を示している。２つのケースで概して類似した規模のビーム経路に沿って伸張する外部場があることに注意しなければならない。しかしながら、相対的には、本発明のベッドステッドコイル端部はある距離をおいて場を減衰するのに役立ち、それは六極場に相似し、距離の５乗で落下する。本発明は遮蔽を必要とせず、著しく重量を節約する。

ＩＩＩ．本発明を構成する好適実施形態及びシステム

本発明を構成する全体としての主題は、単一双極子マグネットを使用してすべての前記に掲載された優位点及び利点を達成し、随意的に１つまたは複数の集束レンズを補助として含む。簡略であろうと、精密であろうと、多様なフォーマット及び実施形態は以下に詳細に説明される。

第１の好適実施形態
本発明の第１の好適なフォーマットは図４、図５、及び図６に示されている。そこに見られるように、単一偏向磁石が少なくとも４５度、好ましくは１１０度未満の角度でリボン形状イオンビームを曲げる。ヨークの真の形状はここに後述されるようにイオン光学を強化するためにわずかに改良されてよいが、双極子マグネットの強磁性のヨークは本来断面外観全体で矩形である。

Ａ．移動するリボンイオンビーム用の軸及び意図された経路

説明の目的で、主要なビーム軸は垂直であり、ビームは水平に移動していると推定される。ビームの中心の意図された経路は所望される「ビーム軸」と呼ばれ、「ビーム軸」は第１の直線状セクションと、曲線状セクションと、第２の直線状セクションとを備える。この曲線を成すビーム軸は平面、意図された経路の中央平面にある。

明らかに、ビーム軸は、リボンイオンビームがアナライザマグネットにおけるヨーク構造の内部空間体積を通過するときに移動するリボンイオンビームが移動する意図された経路となる。ビーム経路は中央平面を中心とし、中央平面内にあり、中央平面は、リボンイオンビームが弓形ヨーク中を移動するにつれて、リボンイオンビームの中心に曲線を成す軸を含み、この経路は実質的には、約０．２５メートルと２メートル間の範囲となる半径を有するアーチとなるであろう。最後に、リボンイオンビームは望ましくは、それがビーム軸に沿って移動するにつれて高アスペクト比を有するであろう。

Ｂ．強磁性弓形ヨーク構造

強磁性弓形ヨーク構造１１０は、意図されたビーム軸と移動経路の中心に配置され、約１メートルの半径を有するアーチを提供するために十分な寸法及び弓形の形状となる。図４、図５及び図６によって提供される図中では、弓形ヨーク構造は上部壁４０、底部壁１４１、及び２つの側壁１６０、１６１を備え、ヨーク内部の内部空間体積１５０の出入口としての役割をする２つの別々の開口端１６４、１６６も含む。

［弓形ヨーク構造におけるコイルの配置］
該配置はそれぞれ図４及び図６によって最もよく示されている。内部空間体積１５０中に配置され、弓形ヨーク構造の入口開口部と出口開口部１６４、１６６の両方から伸張するのは、個々のループ形状コイル１２０と１２１の鏡面対称の位置合わせされたアレイである。位置合わせされたアレイにおける各ループ形状コイル１２０、１２１は完全な閉ループ、あるいは導電性材料から成る楕円形であり、個々の閉ループの２つのそれぞれの端部は同じ方向（上方へまたは下方へのどちらか）で傾けられている。

各ループ形状コイルは順次直列における複数の導電性セグメントの組として形成され、該組における各個別セグメントは事前に選択された個々の系列位置で、及びリボンイオンビームの意図された曲線を成す移動軸に関して角度向きで固定されている。したがって、ループ形状のコイル構成におけるその２つの丸みを帯びた端部各々に配置されるセグメントは、ビーム軸を基準にして事前に選ばれた角度で傾斜、あるいは曲げられており、コイルのこれらの傾斜したループ端部を構成するセグメントの正確な角度及び向きは全体的なビームステッド外観を生じさせている。

対になったコイルの位置合わせされたアレイは２つのコイルそれぞれにおける閉ループの空洞体積を介して中心の開空間チャネルを提供し、この中心の開空間チャネルは該アレイの直線距離で傾斜した丸みを帯びたループ端部の各対から他方へ伸びることにも注意しなければならない。この構造上の配列により、アレイアセンブリの中心の開空間チャネルはリボンイオンビームのビーム軸と意図された移動経路を制限、封入するための構造上の手段になる。

したがって、１つの統合されたエンティティおよび配列された対の各ループ形状コイルとして位置合わせされたアレイは弓形ヨークにおける側壁１６０、１６１の内面に定位置にセットされ、取り付けられてよく、位置合わせされたアレイの各ループ形状のコイル１２０、１２１の一部は鏡面対称で弓形ヨークの中央平面の対向する側面にのるように配置され、中央平面は、リボンイオンビームが移動するにつれリボンイオンビームの中心に曲線を成す軸を含む。これは図４によく示されている。

ループ形状コイル１２０、１２１は、弓形ヨーク１１０の内側壁および外側壁１６０と１６１から直交に伸張し近接している。また、これらのヨーク側壁がわずかに曲がっているように図４に示されているが、節約のためにイオンビームの近傍における磁場の均一性を危うくすることなくまっすぐなセクションから作られてよいことにも注意しなければならない。

［弓形ヨーク内部のビーム制限境界範囲］
位置合わせされた対における各導電性コイルの矩形断面は図４及び図５に示されるように高アスペクト比であってよく、対にされたアレイにおける各コイルの長い方の寸法が、それが包含することを目的とするビームの長いほうの寸法の２分の１とサイズがほぼ等しい。しかしながら、図６に見られるように、同じ一般的なフォーマットは、特定のイオンビーム形状と磁気剛性率に応じて、低アスペクト比のさらに幅広い個々のコイルとともに使用されてもよい。

このようにして、対にされたアレイにおける導電性コイル１２０、１２１のそれぞれは類似または同一の電流を運び、２つの電流通過制限境界を、ヨーク構造の空間空隙１５０内で移動するビームの片側に１つずつ形成する。この構造上の配列は、移動するリボンイオンビームを取り囲む側面境界制限１３０および側面境界制限１３１として図５に示されている。

また、弓形鋼ヨーク１１０の上部壁１４０と底部壁１４１は、通常曲線状の形状であり、２つの他のビーム制限境界１４０と１４１を提供し、それにより中心に位置する、リボンイオンビーム１００の矩形形状の体積ゾーンが通過する空間空隙１５０を形成する。弓形鋼ヨーク１１０によって生じる構造上の境界制限内における曲線状の導電性コイル１２０と１２１における電流はビーム移動の方向に直交し、弓形ヨークを通るビームの通路と位置合わせされる弓形鋼ヨークフレームワークの内部の中に実質的に均一な磁場を発生させる。汚染したイオン種が以後の除去のために異なった経路指定に沿って偏向される一方、この発生した磁場はビーム中の所望されるイオン種を、意図された弓形の通路に曲げるために作用する。

［発生した磁場の制限された境界］
本発明のマグネットは、磁場の境界状態を画定するために、図５に図示されるようにほぼ矩形断面の弓形鋼ヨーク構造を使用し、ヨークの内部中に磁場を発生させるためだけではなく、意図されるまたは所望される容積測定のサイズ制限範囲に発生した磁場を限定するためにも（好ましくはここの図４によって示される構造上の設計の）ベッドステッド形状端部を有する、鏡面対称コイルの電気的に接合されたアレイを使用する。境界が限定され、体積が制限された磁場は、次にリボンイオンビームに効率的に適用され、その後マグネットの中心を通って移動することができる。

図５の断面図では、移動するリボンイオンビームが弓形ヨーク構造の中の空間間隙１５０に入り、曲げ磁石のほぼ中心を通過するにつれて、リボンイオンビーム１００が、断面外観が実質的に矩形である容積測定ゾーンを占有することが注意される。弓形鋼ヨーク構造１１０の内部空間内でともに作用するベッドステッド形状のコイル１２０と１２１によって発生する磁場は、ビームの容積測定ゾーン１００が通過する空間隙間距離で、及び空間隙間距離全体で実質的に均一である。

また図５によって断面でも示されるように、移動するリボンイオンビームの長い（高さ）軸が垂直であると仮定すると、このビームを封じ込める容積測定ゾーン１００の上部端および底部端、弓形ヨーク構造１１０の取り囲む鋼の上部壁と底部壁１４０と１４１によって制限され、境界付けられる。同様に、このビームを封じ込めるゾーンの垂直の側壁１６０と１６１もさらにサイズを制限され、位置合わせされたアレイにおける各ベッドステッド形状コイルの周囲の長さまたは厚さによって境界付けられる。最後に、コイル１２０、１２１の外部境界１３０と１３１は、弓形鋼ヨークの垂直側壁１６０，１６１内で平行に均一であり、便宜と節約両方のためにそれらに近接して位置している。この構造上の幾何学形状は望ましく均一な磁場を生じさせることで知られている。さらに、真空壁１７０の組が均一な磁場の領域内に存在する場合があり、これらはアルミニウムなどの非磁性体材料から形成される。

［均一な磁場を発生させるための境界条件］
図５によって示されるような矩形領域内に均一な磁場を発生させるために必要とされる境界条件は周知である。鋼ヨーク制限で、Ｂ磁場は表面に垂直でなければならない。したがって、鋼が上端部と下端部で矩形間隙空間と通路に境界付ける場合、磁場の方向が定められる。コイル導線の端縁における境界条件はさらに複雑であるが、マクスウェル回転方程式（Ｍａｘｗｅｌｌ ｃｕｒｌ ｅｑｕａｔｉｏｎ）は、局所的に

に縮小できる。

有効な解は、導体、及び導体内部のｘからゼロの関数としてのＢ_yの線形減少（ｌｉｎｅａｒ ｄｅｃｒｅａｓｅ）により境界付けられる領域内の一定電場Ｂｙである（これは、ビームがｚ方向で移動している座標フレームを使用し、磁場は概してｙ方向にあり、ｘ方向は両方に直交している）。

Ｃ．ベッドステッドコイルの正確に配置され、角度方向付けられたセグメント

弓形ヨークの出入口両方において、ループ形状コイル１２０および１２１のそれぞれは伸張され、それぞれの丸みを帯びた端部で「ベッドステッド端部」あるいはときには「サドルコイル」などの専門用語で知られる曲線状の形状に傾斜されている。この「ベッドステッド端部」形状は図６に関して最もよく示され、理解される。

図６中に表示される矢印は電流の流れの方向を示している。２つの個々のベッドステッドコイルが示され、そのそれぞれは曲線状のビームが通過する中央平面軸を包含する位置合わせされたアレイとして他方に鏡面対称である。

図６に示されるような各導電性コイル１２０、１２１の各閉じられたループは、好ましくは（であるが、必ずしもすべての例及び実施形態においてではなく）弓形ヨーク構造の強磁性曲線状側壁に嵌合するために巻き付けられ、強磁性曲線状側壁により支えられ、強磁性の曲線状のヨーク側壁から直交で伸張し（あるいは曲線状ではない場合には、この条件に近似する）、順次直列で電気的に接続される導電性ワイヤの百回を超える回転を備える。コイルの閉ループを形成する組として順次直列において導電性セグメントごとの設置も好ましくはであるが、必ずしもではなく、曲線を成すビーム軸の中央平面及び意図されたビーム経路を基準にして、以下の個々の固定された位置と角度向きであって、ビーム軸の中央平面に接線方向に、ビーム軸の曲線状セグメントに概して平行である第１の曲線状セグメントと、ビーム軸の中央平面から約９０度離れて曲がる第２の曲線状セグメントと、（その間の導体の直線状セクションを有する２つの９０度の弧にさらに分けることができるであろう）ビーム軸全体でアーチ状になる１８０度の第３の曲線状セグメントと、該第２のセグメントに概して平行にある９０度の角度の第４の曲線状セグメントと、曲線状のビーム軸セグメントと平行に、該第１のセグメントに対向してある第５の曲線状セグメントと、ビーム軸の中央平面から離れて９０度曲がる第６のセグメントと、ビーム軸全体で１８０度反り返る第７のセグメントと、９０度回転し、該第一のセグメントの開始部に接続する第８のセグメントと、にある。

いくつかの追加の小さい直線状コイルセグメントを追加することもでき、曲線状セグメント間に存在することがある。また、いくつかの例及びフォーマットでは、曲線状セグメントはいくぶん異なる形状のセグメントで置換されてもよいが、前記説明は本発明を備えるベッドステッドコイルの向きパターン及び位置構造を定める。

Ｄ．導電性アレイのベッドステッドコイル構成により提供される主要な利点及び予期せぬ優位点

ベッドステッド構成、つまりリボンイオンビームの高いアスペクト比とコイルの矩形断面と組み合わされた、対にされたアレイにおけるループ形状コイルそれぞれにある２つの傾斜した丸みを帯びた端部は本発明の必須な構造上の特徴であり、いくつかの望ましい目標を同時に達成する。これらは以下を含む。

（１）対にされたアレイにおける各ベッドステッドコイルの２つの傾斜した丸みを帯びた端部全体を流れる電流は、前述された（日新）従来技術のシステムにおけるヨークの外部周辺を流れていた電流に代わり、この変化が「裸の」磁気双極子の生成を回避する。

（２）「裸の」磁気双極子が不在であることにより、代わりに構造の外部からある距離で存在する磁場における劇的な削減が生じる。「裸の」双極子からの外部磁場は距離の３乗で低下し、相対的に本発明から伸張する外部磁場は、ヨーク内部中の双極子磁場の間、同時に発生した「漏れ磁場」に関して双極子として動作しない。代わりに、外部磁場ははるかに弱い六極子として出現し、よって漏れ磁場は距離の５乗に従って低下する。

（３）各ベッドステッドコイル構成の２つの傾斜した丸みを帯びた端部の中を流れる電流は、ヨークの中央平面から伸張し、磁気ポテンシャルの分散を制御し、それによってビームにより占有される領域に限定される漏れ磁場内での円滑ではあるが急激な低下を生じさせる。

（４）鏡面対称の対にされたアレイ（あるいは、細分化される場合には、すべての導電性コイルについて）における両方のループ形状コイルに必要とされるアンペアターンの総数はすべてのケースで磁気ギャップ、イオンがそれに沿って偏向する経路の半径、及びイオンの質量とエネルギーによって決定される。

（５）（矩形断面の）取り囲まれた空間領域中で内部的に発生する磁場は、鋼ヨーク構造と対にされたアレイにおける２つのループ形状コイルによって課される制限境界まで本質的にきわめて均一である場合がある。ヨーク壁の鋼表面は、磁場Ｂが垂直である容積測定境界を提供する。また、ループ形状のコイルによって提供される境界は、均一な磁場を所望される方向における境界に接線方向に存在できるようにし、それにより磁場のためのヨーク内部中の境界付けられた領域全体を活用するものでもある。

（６）また、漏れ磁場が短いことにも注意しなければならない。曲げ磁石の焦点特性は主要な磁場と漏れ地盤の両方に常駐するため、漏れ磁場の制御は重要である。これは、ここに引用されるＴＲＡＮＳＰＯＲＴ（トランスポート）コードのマニュアルの中だけではなく、前述されたＳｅｐｔｉｅｒ参考資料のＥｎｇｅ記事にも詳しく説明されている。

（７）高品質の集束を維持し、それにより分解能及び使用効率のために出力ビームの高アスペクト比を達成するために、異常が制御されなければならない。これは磁場分散のわずかな成形を必要とする可能性があり、それはソフトウェアプログラムＴＲＡＮＳＰＯＲＴによって例示される確立した方法に従って実行できる。

磁場分散のこのような制御は、単純な矩形形式から逸脱するために鋼ヨークの断面概観を成形し、電流分散を成形するために導体の設置を改良することにより磁場を意図的に非磁性にすることを含む場合がある。それ以外の場合、均一な磁場のこのような摂動は小さいことがある。

（８）ともに接合された、構成されたベッドステッドコイルを使用すると、製造メーカは磁気ヨークの側面で必要とされる鋼の量を半分に削減できる。この顕著な削減は、イオンビームの入口経路と出口経路以外の領域における鋼ヨークの外部の漏れ磁場を排除し、その結果飽和なくこのフラックスを運ぶために必要とされる鋼を排除することによって生じる。

（９）図４に図示される好適な構成では、鋼ヨークが磁気的に飽和に近くない限り、鋼ヨーク構造の外部にわずかな磁場がある。（日新の）従来技術の磁石設計における高い外部場を描写する従来技術の図７ａに、及び相対的にビーム通路内以外で本発明のマグネットアセンブリの構成された構造上の設計がどのようにして漏れ磁場を排除するのかを説明する図７ｂに注意を払わなければならない。図７ａと図７ｂ両方で、外部場の規模が粒子密度の等間隔で設定される等高線により示されていることに注意する。

［ベッドステッドコイルを有する従来技術のマグネットと比較した本発明の主要な相違点及び特徴］
（ａ）ベッドステッドコイルを備える本アナライザマグネット構造が、従来公知であり、従来技術で過去に使用された一見類似したマグネットフォーマッとは著しく異なり、はっきりと区別できることが注意され、理解されるべきである。このような実質的な相違点の１つの例示的な例として、ベッドステッドコイルを備えるアナライザマグネットを説明するＣｈｅｎらの米国特許番号第６，４０３，９６７Ｂ１号に注意が向けられる。このＣｈｅｎらのアナライザマグネットも、その必須構造の一部としてコイルの二次的な対を組み込んでいる。

そこに開示されているように、Ｃｈｅｎらの構造のための動機は強力に均一ではない磁場を有するマグネットを提供すること、及び非均一性を調整するための制御の要素をマグネットに提供することである。Ｃｈｅｎらの発明はこのようにして主に極めて高いパービアンスビームにおける空間−電荷の補償を維持することに関する。Ｃｈｅｎらの発明におけるイオンビームのアスペクト比は明示的に説明されていないが、１として示されていることも特筆すべきである。したがって、このＣｈｅｎらのマグネットには、それが電流密度の均一性を達成する、あるいは高アスペクト比を達成する、あるいは曲げ半径の一部分として特に大きな極間隙を達成するという要件は存在しない。逆にＣｈｅｎらのマグネットのベッドステッドコイルは、１に近いアスペクト比の断面を有すると言われている。

（ｂ）対照的に、本発明は、狭い幅を有する可能性がある大きな間隙を横切って――すなわち非常に高いアスペクト比、または任意に大きな幅を有する――実質的に均一な場を生じさせるように特に構造上設計されている。ベッドステッドコイル形状導電性アレイの使用は、ビーム経路における漏れ場の形状を制御し、それを短く、滑らかに、及び正しく配向させる。この特徴及び機能上の能力により、本システム中に存在する固有の異常を非常に小さくすることができ、この小さな程度の異常でさえわずかな非均一性の手段によって制御されてよく、このニーズはビームの断面全体で１％または２％以下の変動に達するため、それは全体的なシステム設計の一部として取り込まれてよい。

本発明はその最終寸法が曲げ半径と同程度であり、マグネット内でのそのサイズは曲げ半径の５０％を超えるビームのこの均一性を達成できる。革新は均一な場を発生させるためにポアゾンの方程式の極めて単純な２Ｄ解を利用するが、ベッドステッド端部を有する導電性のコイルアレイの使用は高アスペクト比ビーム及びビームチャネルに対して高い質量分解能を可能にする予想外の、予測しない改善策を構成する。

実際、本発明の１つの好適実施形態は約４：１というアスペクト比を有する断面のビームチャネルを有するが、ビームチャネルのアスペクト比を任意に高い数に増加する障害はない。対照的に、従来のＨ芯マグネットとＣ芯マグネットは、長いビーム寸法が磁場に直交ではない限り［すなわち、米国特許番号第５，３５０，９２６号及び第５，８３４，７８６号に開示され、使用される配列］実質的に１より大きいアスペクト比のビームに効果的に使用することはできず、これらの従来技術のフォーマットは、実質的に平行なビーム内で高分解能と高アスペクト比の両方を単一の磁石構造で達成することはできない。

Ｅ．本発明のイオン光学特性

アナライザマグネットにビームの断面領域で長い方向にほとんどまたはまったく集束を提供させないが、代わりに曲げ平面で良質の焦点を提供することが望ましい。この焦点では、ビームは質量分析システムの通常の様式で不必要なビームレットを停止できる長穴を通過することができる。分解能は、ビーム焦点の幅が長穴の幅未満であるならば、長穴の幅に対する質量分散の比率である。達成可能な分解能は焦点の質によって決まる。

Ｆ．本第１の好適実施形態により提供される他のシステム特徴及び機能

１．本発明により提供される追加の特徴はリボンビームを発生させるためにビームの最終寸法より実質的に小さいイオン源を使用すること、及びこのリボンイオンはそれがマグネットを通過するときその長い方の寸法で連続して拡大できるようにすることである。図４は、システムを通過し、大きな平行したリボンビームを形成するために拡大するイオン源（１）によって発生する小さいビームを示している。

２．分散方向では、本発明のシステムにおけるマグネットによりビームの中央部への集束が生じる。このようにして、マグネットの下流平面でのビームのアスペクト比は、多くの場合４０を超える非常に高い値となり、ビーム選択口径をこの点（図示せず）に設置すると高分解能（６０以上）が達成できる。

３．また、注入される基板の点から点のイオンビームの入射角の変動を最小限に抑えることが望ましいので、随意的に長い方向でのこのビームの発散を１度のわずかに削減するために、妥当な場であるが大きな口径の四極子型レンズを使用することができる。図４に図示されるように、制限のないパノフスキー四極子型レンズがこの目的で使用される。

４．さらに、四極子型レンズの代替策として、セクタマグネットまたは他のイオン光デバイスが使用されてもよいが、四極子型レンズは最も単純且つ最も費用効果の高い手法とみなされる。本発明のこの態様は従来の公知の従来技術のシステムに優る重量と電力の要件で約３０％の追加削減を生じさせるであろう。この重量の削減は前述された重量節約の利点の追加である。

Ｇ．システム用の全体的な設計パラメータ

本発明に従ってアナライザマグネットを設計するとき、システムから二次異常の大部分を取り除く、及び／または回避するための設計の従来の方法を使用することが非常に望ましい。これらの従来の公知の方法は、マグネットの入口と出口にある有効磁界境界の傾き及び曲率を制御することと、マグネットの中心にある磁場のわずかな非均一性を制御することを含む。

磁場指数を有するために本発明に従ってマグネットを設計することが可能である。しかしながら、大きい場合には、これは各コイルのさまざまなパーツにさまざまな割合を必要とすることによってコイル製造コストを増大させる可能性がある。異常の満足の行く制御は、名目上平な上部磁極片と下部磁極片に小さな修正を加え、ヨーク鋼の入口と出口を成形することによって可能である。

ＩＶ．フラットパネルディスプレイ注入用の第２の好適実施形態の構造

第２の好適実施形態のこの以下の説明は、それぞれ図４、図５、及び図６を参照することでよりよく理解される可能性がある。

［アナライザマグネット］
ここに説明されるマグネットは、１．０ｍという設計曲げ半径を使用してＰ⁺イオンの１００ｋｅＶビームを分析するのに十分である０．２５Ｔという場を生じさせる。曲げ平面は水平であり、リボンイオンビームの長い軸は垂直方向に向けられていることが推測される。注入はターゲット母材（フラットガラスパネル）に、事前に選ばれたターゲット平面でビームを通過させることにより達成される。しかしながら、システムは異なる向きで容易に取り付けられて、相対的な位置決めまたは配向に対してなど制限または制約は存在しない。

好適な例では、ビームの所望される高さは注入平面において８００ｍｍである。マグネットの必要とされる高さを削減するために、ビームは約１００ｍｍの高さの相対的に小さいイオンソースから生じ、このビームはマグネットを通るその通路で水平に及び垂直に分岐し、拡大する。

一般的に入手可能なタイプのイオン源がシステムで利用されるべきである［１つの共通な例は、ここで参照することにより明示的に組み込まれる米国特許番号第５，８３４，７８６号によって説明されている］。

源抽出スリットの長い軸は垂直方向にある。マグネットは垂直方向で集束を（このような集束を提供するためにその形状を改良することは可能であるだろうが）ほとんどまたはまったく提供しない。マグネットの垂直間隙はビームを十分に取り除かなければならず、これは通常約６００ｍｍの間隙を必要とする。

［随意的な四極子型レンズ］
母材の注入用システムによって平行なビームが必要とされる可能性があるため、随意的により詳しく後述されるような簡略な構造の四極子型レンズが提供される。

６０という分解能を達成するためには、ビームの幅は分析スリットで約１０ｍｍ未満でなければならない。イオン源からのビームは少なくとも＋／−４０ｍｒａｄで、水平に分岐すると仮定され、アナライザマグネットは既定された制約を満たすためにビームの焦点を合わせることが必要とされる。四極子型レンズ自体は、その必要とされる寸法及び電力の要件を削減するためにこの平面に、またはこの平面近くに位置する。

これらの一般的な制約を考慮すると、磁石の第２の好適実施形態はさらに詳しく提示できる。

［構造］
０．２５Ｔの必要とされる場及び６００ｍｍの磁気ギャップは、必要とされる場を生じさせるために導電性アレイごとに約６０，０００アンペアターンを必要とする。鏡面対称で位置合わせされ、図６に図示されるような対にされたアレイを形成する２つのベッドステッドコイルが提供され、アレイの対にされたコイルは中央平面軸で互いに物理的に接触している。各コイルは約１ｃｍである断面の正方形の中空導線を使用して、コイルセグメントごとに７回転の３０層で巻き付けられている。平均的な電流密度は１平方センチメートルあたり約２００Ａである。

アナライザマグネットの中央領域内において、構造上の配置は図５に図示されるような断面を有する。コイル１２０と１２１によって、及び鋼ヨーク１１０の上部壁と下部壁１４０、１４１によって境界付けられる内部空間領域においては、垂直に向けられるきわめて均一な磁場が生じる。移動するイオンビームはこの境界付けられた領域の空間空隙１５０の中の中心位置を占め、ビームは合計９０度を介して偏向される。

移動するビームを取り囲んでいるのは真空ハウジング１７０であり、その結果、イオンビーム自体は高真空のゾーンを移動するが、導電性コイル及びヨークは真空領域の外部に位置してもよい。この目的のために、真空ハウジングまたは容器の壁は非磁性でなければならない。

対にされたアレイにおける各ベッドステッドコイルの２つの傾斜した丸みを帯びた端部は商業的に利用可能な製造技法を使用して形成される。各傾斜した丸みを帯びた端部では、直列の導体セグメントの組が、製造技法が許可するのと同じ程度傾いた曲げの内部での半径で約９０度の曲げを提供する。したがって、セグメントは１８０度横向きに曲げられ、最後に再び反対方向に９０度曲げられ、コイルループの反対側にあるセグメントに戻る。

［異常制御］
アナライザマグネットの入口と出口での漏れ磁場の形状は優れたビーム集束には重要である。漏れ磁場は滑らかにであるが迅速に、その完全値から１０％未満に約０．５メートルで強度を減少し、ほぼゼロに近い値に迅速に落下し続ける。

場の輪郭はビーム経路で過剰な曲率を示さないが、他のどこかで迅速に切り捨てられる。漏れ磁場の形状が、コイルのベッドステッド端部の制御下でこれらの要件に見事に準拠することが図７ｂから分かる。漏れ磁場の焦点特性を定量化する、プログラムＴＲＡＮＳＰＯＲＴ中でＫａｒｌ Ｂｒｏｗｎによって使用、定義され、ＣＥＲＮ出版物８０−０４で説明される「Ｋ１」として知られている積分があり、Ｋ１の大きい方の数は長い場を表す。０．５以下の数は一般的に良好と見なされる。図示されている漏れ磁場のＫ１値は約０．３である。

出版されている科学参考文献によく説明されているように、その空間空隙が曲げ半径の０．２５を超えるマグネットの二次異常を制御することは概して困難である。本第２の実施形態では、空間間隙は曲げ半径の０．６であるが、これらの異常は十分に制御されている。したがって、以下の２つの二次影響は重要である。それは、（１）大きすぎる角度で曲げられる内側イオン飛翔経路と外側イオン飛翔経路の傾向、及び（２）ビームが分析スリットで「スマイル」形状の歪みに曲げられる傾向である。

これらの二次影響は、Ｂｒｏｗｎ及び（前述されたような）Ｅｎｇｅの技法に従って、磁場の中に小型の六極構成要素を導入することによって減衰できる。入口サイトと出口サイト両方でのヨークの上面と下面の形状は曲線状であってもよく、ヨーク鋼の上部壁と下部壁の横断方向外形は曲線状であってもよい。必要とされる計算は周知であるが、本発明で正確に、適切な規模を有するためにこれらの小さな補正を計算するには場及びイオン飛翔経路の有限要素モデリングの使用が必要になる。このモデリングはベクトルフィールド（Ｖｅｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ）のＯＰＥＲＡ（オペラ）ソフトウェアプログラムおよびトスカ（ＴＯＳＣＡ）ソフトウェアプログラムを使用することによって達成できる。

［ビーム内のイオンの視準］
ビームは母材を注入するために使用される前にレンズによって視準される。プロセスが非晶質基板または（ガラスなどの）多結晶基板のために均一であるためには、ビームの中の角発散が非常に低くなることは必ずしも必要とされないが、角度の発散及び質量中心の配向が基板の表面全体で変化しないことが必要とされる。これは四極子型レンズの手段によって達成できる。

図４に示されている好適な四極子型レンズ２００は簡略な構造である。それは［荷電粒子ビームのトランスポート（Ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ）、Ｓｐｏｎ、１９６０年中で］Ｂａｎｆｏｒｄによって説明されるように「パノフスキー」の四極子型レンズに基づいているが、ビームアスペクト比が非常に大きいので、四極子のヨークの短い鋼の脚部及びそれらの対応するコイル巻き線はすべて省略されている。このようにして改良され、四極子型レンズ２００は、ビームの両側に断面が矩形の１対の鋼バーを備え、各バーの回りには、リボンビームの上部および底部のすぐ真上と真下で伸びるほど十分に長い、長さ約７５０ｍｍのコイルが巻き付けられている。

［電流密度］
ビームの中の電流密度の均一性は、母材の中に注入されるイオン用量の均一性を制御する。均一性は、米国特許番号第５，８３４，７８６号および第５，３５０，９２６号に説明される従来技法を使用することによって、あるいは関連する特許参考文献中のどこか他のところで説明される方法を使用することによって制御されてもよい。この目的のために、多重極レンズまたはその同等物がマグネットの下流でビームの周りに設置される。

Ｖ．シリコンウエハー用単一ウエハーイオン注入機として使用するための第３の好適実施形態

Ａ．第３の好適なシステム設計

イオンビームは、高さ１００ｍｍ、幅５ｍｍのイオン源長穴から出射され、分岐するリボンイオンビームとして水平方向で移動する。イオン源長穴は凸状であり、＋／−２．５度のイオンビームで制御された線形の分岐を生じさせる。

移動するリボンイオンビームは、位置合わせされたアレイとして鏡面対称で対にされた２つのベッドステッドコイルと、ビームがアレイの２つのループ形状のコイルに対向して配置される導電性セグメントの間を通過するときにビーム用の空間的な通路と、ヨーク構造に取り付けられる鋼極によって上部と下部で境界付けられる鋼ヨーク構造とを備えるウィンドウフレームマグネットに入る。鋼極は、それぞれ図８ａ、図８ｂ、及び図８ｃに連続して示されるように、ビームが垂直に拡大する一方、空間的な通路を通って移動するときにビームの上下に約１５ｍｍの隙間を設けるためにその全長で先細る。また、鋼極は、マグネットにより発生する磁場の形状を制御するため、及びシステム異常を最小限に抑えるために輪郭を付けられる。

（それらがビーム通路を取り囲むときに）対にされたアレイを形成する個々のループ形状コイルは、約１００ｍｍｘ１３０ｍｍの均一な断面を有する。先細の鋼極は内側コイルセグメントと外側コイルセグメントにより示され、画定される平行な面に準拠しないため、極表面の形状はビームでの異常を制御するために有限要素モデリングを使用して最適化されなければならない。しかしながら、この補正の規模はイオン注入装置で従来使用されている平面状のマグネットを用いたケースよりはるかに少ない。

［真空領域の製作］
製作の都合上、ループ形状コイルは断面のサイズが均一であるが、鋼極面は先細の空間空隙を提供し、包含しなければならない。したがって、鋼ヨーク構造の上部壁と下部壁間に存在する垂直極間距離はいくつかの場所で、空間空隙を画定し、境界付けるコイル部分の高さより大きくまた、いくつかの場所では著しく小さい。移動するビームを境界付ける空間領域の外側端縁――特にビームと、コイルループまたは楕円形を形成する内側導電性部分と外側導電性部分の間――には、（高真空で保持されなければならない）イオンビームを（通常、都合上、真空ゾーンの外側にある）コイルから分離するために、非磁性物質から構成される真空壁が必要とされる。

これらの真空壁が会い、接合する領域では、その場所にある鋼材料は磁極（北または南）として機能して、その役割をし、コイルを包含し、磁束用の戻り経路を設ける鋼物質のその部分からの遷移である。その間に鋼の先細の極部分が、ビーム経路の側面を境界付ける、コイルセグメントを包含する戻りヨークの非先細部分に接合される製作ステップが発生しなければならない。これは全体として図８によって示されている。

この種の製作及び構造上の成形は妥協を必要とする。つまり、優れた磁場の均一性は、拡大するビームに極を従わせることとは相容れない。しかしながら、間隙がさらに幅広い場合に歪みをほぼ取り消すためにさらに狭い間隙のマグネットの部分における歪みの大きさに備え、製作できる満足のゆく妥協形状に達するために有限要素モデルを使用してさらなる最適化を行うことも可能である。図８ａに示される製作された形状により引き起こされる場の歪みは図８ｃに示されるものと対向し、注意してこの影響はビームに対する場歪みの影響を制御できるようにする。

［集束レンズ］
ビームは、垂直方向で約２４０ｍｍに成長した後、アナライザマグネットを出て、分岐し続ける。しかしながら、当初ビームはマグネットに入射するときに＋／−５度で分岐し、マグネットの光学部品は、ここで、ビームが高さ３４０ｍｍで、幅２０ｍｍ未満である下流位置で線集光を生じさせるために＋／−２．５度でビームを集束させた。したがって、この位置に配置された分析スリットは高分解能を達成できるようにする。

多重極レンズはアナライザマグネットのすぐ下流に（または代わりにすぐ上流に）位置し、この多重極レンズはリボンビームの垂直均一性を制御するために調整できる。

望ましくは、第２の多重極レンズも分析スリットの近くに位置する。その目的は、おもにここに前述されたような四極子型レンズとして機能し、垂直方向で準平行となるためにビームの飛翔経路の焦点を合わせることである。この目的のために、同じ電流がこの第２の多重極レンズ中のすべてのコイルを通過することを必要とする。均一性の調整によりそれらがビームの高さ全体で非単調に変化した場合、ビーム中の飛翔経路角度を補正する目的で個々のコイル中の電流に小さな調整を行うことが可能である。

［システム用の全体的な設計パラメータ］
本発明のシステムは、通常、分岐するリボンイオンビームを発するイオン源と、曲線状経路に沿って好ましくは約６０度と１１０度間の角度を通ってリボンビームを曲げるためのアナライザマグネットとを備える。アナライザマグネットは好ましくはベッドステッド形状導電性コイル付きウィンドウフレーム双極子マグネットであるが、リボンビームの長い軸を境界付けるヨークの強磁性の側壁は先細の空間空隙を有し、それによりイオンビームは、それが移動方向で曲げられるにとき大きさで分岐し続けることができる。磁場はヨークの側壁間の空隙に反比例しているため、半径は一定ではなく、空間空隙が増加するにつれていくぶん減少する。

ヨーク中の大きな空間空隙の場合、必要とされるアンペアターンの数は大きく、消費される電力は注入システムの総電力消費の大部分となる場合がある。この先細の側壁ヨーク配列が使用可能なアンペアターンの最も効率的な使用に役立つ。これはコンパクトなビームラインで３００ｍｍのウエハーを注入するために適した高さ３００ｍｍより大きいリボンイオンビームを生じさせるために、制限のないパノフスキー四極子型レンズなどの集束装置と組み合わせることができる。従来の公知の従来の技術野システムに優る重量及び電力のさらなる節約もある。

［この第３の好適なシステムの能力及び機能］
したがって、前記システム装置の手段によって、以下のすべてを達成できる。
（ａ）リボンビームは経済的な比率、ここでは１００ｍｍのイオン源から生成される。
（ｂ）ビームは必要とされる最終サイズ、ここでは高さ＞３００ｍｍに拡大される。
（ｃ）ビームは、少なくとも２０の分解能、及びたいていの場合には少なくとも６０という純粋なビームを得るために質量分析される。
（ｄ）ビーム内の角発散は低レベルに削減される。
（ｅ）イオンビームの均一性は上部から下部に制御できる。さらに、均一性多重極によって生じるビーム発散度の寄生性の増加は、部分的に第２の多重極によって取り除くことができる。
（ｆ）上部から下部への角発散の変動は最小限に抑え、制御することができる。

この好適なシステムを使用して、及びこれらの能力のおかげで、それらに一定の速度で水平にイオンビームを通過させることによって３００ｍｍのシリコンウエハーを注入できる。

本発明は、範囲で制限されるべきではなく、ここに添付されるクレーム以外の形で制限されるべきではない。

米国特許番号第５，８３４，７８６号から複写され、約２の分解能を有する従来技術の単一マグネットリボンビーム注入機を示す。 米国特許番号第５，３５０，９２６号から複写され、＞６０の分解能を有する従来技術の２つのマグネットシステムを示す。 米国特許番号第６，１６０，２６２号から複写され、大きな極空隙及び妥当な磁気分解能を有する従来技術の「ウィンドウフレーム」マグネットリボンビームシステムの上面図を示す。 米国特許第６，１６０，２６２号から複写され、ビームの方向に沿って見られるように、従来技術の「ウィンドウフレーム」マグネットの断面図を示す。 高分解能を有し、背の高い平行ビームを生じさせるために、開パノフスキー（Ｐａｎｏｆｓｋｙ）四極子型レンズを使用する単純な実施形態としての本発明の透視図を示す。 図４の軸ＡＡ’に沿ってビームの方向に沿って見られる、本発明の断面図を示す。 図４の本発明で利用される１対の曲線状ベッドステットコイルの透視図を示す。 米国特許第６，１６０，２６２号から複写され、従来技術のマグネット及び広域の漏れ磁場を示す。 図７ａと同じサイズの実施形態として本発明の断面を示すが、はるかに小さく、包含された漏れ磁場を描写している。 それぞれ、拡大するリボンイオンビームのために本発明に従って先細マグネットを通るビーム経路に沿って３段階で断面図を示す。 それぞれ、拡大するリボンイオンビームのために本発明に従って先細マグネットを通るビーム経路に沿って３段階で断面図を示す。 それぞれ、拡大するリボンイオンビームのために本発明に従って先細マグネットを通るビーム経路に沿って３段階で断面図を示す。

Claims (16)

1. 移動するリボンイオンビームから不必要なイオン種を分離するための磁気アナライザであって、
   前記磁気アナライザは、
   リボンイオンビームが移動するときのリボンイオンビームの中心軸および意図された弧の経路を備え、前記中心軸は、所定の曲線形状と、０．２５メートルと２メートルとの間の範囲の半径を有する弧形と、４５度以上から１１０度以下の範囲の曲率の固定角度と、を有し、
   前記中心軸を包含し、且つ前記意図された弧の経路を取り囲む弓形ヨーク構造を備え、前記弓形ヨーク構造は、強磁性物質の少なくとも一部に形成されると共に、固定した寸法及び矩形断面を有する弓形ウォール構造体と、前記移動するリボンイオンビームのための入口および出口としての機能を果たす２つの別々の開口端と、前記移動するリボンイオンビームの空間通路としての役割をし、該空間通路の上下間の距離が前記リボンイオンビームの進行方向に沿って拡張する内部空間領域と、を備え、
   位置合わせされたアレイとして平行にセットされる鏡面対称の対のループ形状コイルを備え、
   （ａ）前記位置合わせされたアレイの中の前記対の各別々のコイルが、
   （ｉ）少なくとも一部が導電性材料から構成される細長い完全なループであり、
   （ｉｉ）各々が同じ方向に曲げられる、２つの丸みを帯びて傾斜したループ端部を有する細長い完全なループであり、且つ、
   （ｉｉｉ）順次直列に設置される一組の複数の導電性セグメントとして形成される細長い完全なループであり、そこでは各セグメントは、前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内でリボンイオンビームが移動するときの前記リボンイオンビーム用の前記中心軸及び意図された弧の経路に関して事前に選ばれたシーケンス位置に個々の角度を向いて固定され、
   （ｂ）鏡面対称で対にされた２つのループ形状コイルの前記位置合わせされたアレイは、
   （ｉｖ）前記アレイにおける一方のループ形状コイルの前記２つの丸みを帯びて傾斜した端部のための曲げ方向と反対である、他方のループ形状コイルの前記２つの丸みを帯びた傾斜した端部のための前記曲げ方向を提示し、
   （ｖ）前記２つのコイルの各々における前記閉ループの空洞によって中心の開空間チャネルを提供し、前記中心の開空間チャネルは各対の前記傾斜したループ端部から他方の対に向かって延出し、
   （ｖｉ）一対の互いに反対方向へ湾曲された傾斜したループ端部が前記弓形ヨーク構造の前記２つの開口端の各々から延出し、前記開口端の各々に隣接しているように、前記弓形ヨーク構造の２つの対向する壁の内面に沿って前記内部空間領域内に位置され、
   （ｖｉｉ）前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内に位置される前記２つのループ形状コイル間に存在する間隙空間において、前記中心軸及び意図された弧の経路を制限する境界として機能する、磁気アナライザ。
2. ループ形状コイルの前記位置合わせされたアレイが、前記中心軸がある中央平面の対向する側面に対称的に配置されている、請求項１に記載の磁気アナライザ。
3. 前記位置合わせされたアレイにおける各ループ形状のコイルが、
   前記中心軸の前記曲線状セグメントに平行で前記中心軸がある中央平面に接する第１の曲線状セグメントと、
   前記中心軸の前記中央平面から離れるように曲がる第２の曲線状セグメントと、
   前記中心軸を横切るようにアーチ状になる第３の曲線状セグメントと、
   前記第２のセグメントに平行な第４の曲線状セグメントと、
   前記中心軸の曲線状のセグメントに平行で、前記第１の曲線状セグメントと対向する第５の曲線状セグメントと、
   前記中心軸を前記中央平面から離れるように曲がる第６のセグメントと、
   前記中心軸を横切るように反り返る第７のセグメントと、
   前記第１のセグメントの開始部に接続するように曲がる第８のセグメントと、
   を含む順次直列の８つの接続された導電性セグメントとを備える、請求項１に記載の高分解能磁気アナライザ。
4. 前記位置合わせされたアレイにおける各ループ形状コイルが、
   前記中心軸の前記曲線状セグメントに平行で前記中心軸がある中央平面に接する第１の曲線状セグメントと、
   前記中心軸の前記中央平面から離れるように９０度曲がる第２の曲線状セグメントと、
   前記中心軸を横切るようにアーチ状になる１８０度の第３の曲線状セグメントと、
   前記第２のセグメントに平行な９０度の角度の第４の曲線状セグメントと、
   前記中心軸の曲線状セグメントに平行で、第１のセグメントと対向する第５の曲線状セグメントと、
   前記中心軸の前記中央平面から離れるように９０度曲がる第６のセグメントと、
   前記中心軸を横切るように１８０度反り返る第７のセグメントと、
   前記第１のセグメントの開始部に対して９０度曲がって接続する第８のセグメントと、
   を含む、８個の順次直列で接続された導電性セグメントを備える請求項１に記載の磁気アナライザ。
5. 前記弓形ヨーク構造の前記空間通路は、前記空間通路の２つの長い方の寸法側面で前記アレイの前記ループ形状コイルにより、前記空間通路の短い方の寸法側面で前記弓形ヨーク構造の２つの壁表面により境界付けられる、請求項１に記載の高分解能磁気アナライザ。
6. 電流を供給するための前記手段が、前記弓形ヨーク構造の前記空間通路において均一な磁場を発生させ、前記リボンイオンビームが前記空間通路を通過するときに前記リボンイオンビームを有効に曲げる、請求項１に記載の磁気アナライザ。
7. 前記磁気アナライザが４５度以上から１１０度以下の範囲の曲率であって事前に選択された角度で前記リボンイオンビームにおける前記所望されるイオンを偏向させるため、及び少なくとも１０のアスペクト比を有する線焦点に前記偏向したリボンイオンビームの焦点を合わせるのに有効である、請求項１に記載の磁気アナライザ。
8. 前記弓形ヨーク構造及びループ形状コイルの配置されるアレイがともに外部漏れ磁場の生成を防止し、前記弓形ヨーク構造の前記開口端から出現する漏れ磁場が減衰され、閉じ込められる、請求項１に記載の磁気アナライザ。
9. 前記弓形ヨーク構造の前記矩形断面は、前記焦点特性を変更するように前記磁場を境界付ける前記壁表面を整形することによって変更され、それによって前記リボンイオンビームにおける前記線焦点の前記アスペクト比が増加される、請求項１に記載の磁気アナライザ。
10. 前記弓形ヨーク構造の前記矩形断面は、前記焦点特性を変更するように前記磁場を境界付ける前記壁表面を整形することによって変更され、それによって前記矩形断面の曲率が減少される、請求項１に記載の磁気アナライザ。
11. リボン形状ビームからイオンを用いて母材を注入するためのイオン注入機装置であって、前記イオン注入機装置は、
    スロット付きイオン源を備え、
    ２つの直交する次元で発散する前記イオン源から出るリボンイオンビームを備え、
    移動するリボンイオンビームから不必要なイオン種を分離するための磁気アナライザを備え、前記磁気アナライザは、
    リボンイオンビームが移動するときのリボンイオンビームの中心軸及び意図された弧の経路を備え、前記中心軸は、所定の曲線形状と、０．２メートルと２メートルの間の範囲の半径を有する弧形と、４５度以上から１１０度以下の範囲の曲率の固定角度とを有し、
    前記所定の中心軸を包含し、且つ前記リボンイオンビームが移動するときのリボンイオンビームの前記意図された弧の経路を取り囲む弓形ヨーク構造を備え、前記弓形ヨーク構造は、強磁性物質の少なくとも一部に形成されると共に、固定した寸法及び矩形断面を有する弓形ウォール構造体と、前記移動するリボンイオンビームのための入口及び出口としての機能を果たす２つの別々の開口端と、前記移動するリボンイオンビームの空間通路としての役割をし、該空間通路の上下間の距離が前記リボンイオンビームの進行方向に沿って拡張する内部空間領域とを備える前記弓形ヨーク構造と、位置合わせされたアレイとして平行に設定されるループ形状のコイルの鏡面対称の対であって、
    （ａ）前記位置合わせされたアレイの中の前記対の各別々のコイルが、
    （ｉ）少なくとも一部が導電性材料から構成される細長い完全なループであり、
    （ｉｉ）各々が同じ方向に曲げられる、２つの丸みを帯びて傾斜したループ端部を有する細長い完全なループであり、且つ、
    （ｉｉｉ）順次直列に設置される一組の複数の導電性セグメントとして形成される細長い完全なループであり、そこでは各セグメントは、前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内でリボンイオンビームが移動するときの前記リボンイオンビーム用の前記中心軸及び意図された弧の経路に関して事前に選ばれたシーケンス位置に個々の角度を向いて固定され、
    （ｂ）鏡面対称で対にされた２つのループ形状コイルの前記位置合わせされたアレイは、
    （ｉｖ）前記アレイにおける一方のループ形状コイルの前記２つの丸みを帯びて傾斜した端部のための曲げ方向と反対である、他方のループ形状コイルの前記２つの丸みを帯びた傾斜した端部のための前記曲げ方向を提示し、
    （ｖ）前記２つのコイルの各々における前記閉ループの空洞によって中心の開空間チャネルを提供し、前記中心の開空間チャネルは各対の前記傾斜したループ端部から他方の対に向かって延出し、
    （ｖｉ）一対の互いに反対方向へ湾曲された傾斜したループ端部が前記弓形ヨーク構造の前記２つの開口端の各々から延出し、前記開口端の各々に隣接しているように、前記弓形ヨーク構造の２つの対向する壁の内面に沿って前記内部空間領域内に位置され、
    （ｖｉｉ）前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内に位置される前記２つのループ形状コイル間に存在する間隙空間において、前記中心軸及び意図された弧の経路を制限する境界として機能し、
    前記対の位置あわせされたアレイにおける各ループ形状コイルに調整可能な電流を供給するための手段を備え、前記電流は、ループ形状コイルごとに同じ方向に循環し、
    分解開口を備え、前記リボンイオンビームが前記分解開口に導入され、リボンイオンビームがその分解開口から出現して、より短い次元で線集点に集束し、前記リボンイオンビームの望ましい部分を含む線焦点が前記分解開口を介して伝達されるが、前記分解開口は、不必要なイオンを遮断し、
    リボンイオンビームから発散および方向における空間的な変動を減少するためのレンズと、
    を備えるイオン注入機装置。
12. 更に、
    イオン源を備え、前記イオン源は、水平方向と垂直方向両方で発散するリボンイオンビームを生じさせ、
    磁気アナライザを備え、前記磁気アナライザは、該磁気アナライザの狭い寸法を横切る前記リボンイオンビームを線焦点に集光するが、前記リボンイオンビームが前記磁気アナライザの長いほうの寸法に発散し続けることを可能とし、
    分解開口を備え、前記集光されたリボンイオンビームが前記分解開口を通して伝達されるが、前記分解開口は、不必要なビーム汚染物質を遮断し、
    所望される強度の四重極場を生じさせることができるレンズを備え、前記レンズは、その長い方の寸法で少量だけ前記リボンイオンビームを集光し、それにより前記飛翔経路を平行にさせ、
    母材を移動させるための手段を備え、所望される用量のイオンを母材の中に注入するのに有効な速度で本手段の狭い寸法の方向に前記平行なリボンイオンビームを通過するように母材を移動させる、
    請求項１１に記載のイオン注入機装置。
13. 多重極レンズをさらに備え、前記多重極レンズの磁場傾斜が前記リボンイオンビームの均一性を制御するために調整できる、請求項１１に記載のイオン注入機装置。
14. 質量分析された連続平行リボンビームを生成する方法であって、前記方法は、
    前記所望される平行リボンイオンビームより小さい寸法のイオン源におけるスロットから２つの次元に発散するリボンイオンビームを生成するステップを備え、
    磁気アナライザによって４５度から１１０度の角度を介してリボンイオンビームを偏向するステップを備え、前記磁気アナライザは、
    リボンイオンビームが移動するときのリボンイオンビームの中心軸および意図された弧の経路を備え、前記中心軸は、所定の曲線形状と、０．２５メートルと２メートルとの間の範囲の半径を有する弧形と、４５度以上から１１０度以下の範囲の曲率の固定角度と、を有し、
    前記中心軸を包含し、且つ前記意図された弧の経路を取り囲む弓形ヨーク構造を備え、前記弓形ヨーク構造は、強磁性物質の少なくとも一部に形成されると共に、固定した寸法及び矩形断面を有する弓形ウォール構造体と、前記移動するリボンイオンビームのための入口および出口としての機能を果たす２つの別々の開口端と、前記移動するリボンイオンビームの空間通路としての役割をし、該空間通路の上下間の距離が前記リボンイオンビームの進行方向に沿って拡張する内部空間領域と、を備え、
    位置合わせされたアレイとして平行にセットされる鏡面対称の対のループ形状コイルを備え、
    （ａ）前記位置合わせされたアレイの中の前記対の各別々のループ形状コイルが、
    （ｉ）少なくとも一部が導電性材料から構成される細長い完全なループであり、
    （ｉｉ）各々が同じ方向に曲げられる、２つの丸みを帯びて傾斜したループ端部を有する細長い完全なループであり、且つ、
    （ｉｉｉ）順次直列に設置される一組の複数の導電性セグメントとして形成される細長い完全なループであり、そこでは各セグメントは、前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内でリボンイオンビームが移動するときの前記リボンイオンビーム用の前記中心軸及び意図された弧の経路に関して事前に選ばれたシーケンス位置に個々の角度を向いて固定され、
    （ｂ）鏡面対称で対にされた２つのループ形状コイルの前記位置合わせされたアレイは
    （ｉｖ）前記アレイにおける一方のループ形状コイルの前記２つの丸みを帯びて傾斜した端部のための曲げ方向と反対である、他方のループ形状コイルの前記２つの丸みを帯びた傾斜した端部のための前記曲げ方向を提示し、
    （ｖ）前記２つのコイルの各々における前記閉ループの空洞によって中心の開空間チャネルを提供し、前記中心の開空間チャネルは各対の前記傾斜したループ端部から他方の対に向かって延出し、
    （ｖｉ）一対の互いに反対方向へ湾曲された傾斜したループ端部が前記弓形ヨーク構造の前記２つの開口端の各々から延出し、前記開口端の各々に隣接しているように、前記弓形ヨーク構造の２つの対向する壁の内面に沿って前記内部空間領域内に位置され、
    （ｖｉｉ）前記弓形ヨーク構造の前記内部空間領域内に位置される前記２つのループ形状コイル間に存在する間隙空間において、前記中心軸及び意図された弧の経路を制限する境界として機能し、
    磁場を発生させるために前記磁気アナライザの前記対の位置合わせされたアレイにおける各ループ形状コイルに調整可能な電流を供給するステップを備え、前記電流が各ループ形状コイル毎に同じ方向に循環し、
    前記磁気アナライザによって発生された前記磁場によって前記磁場に対して垂直な方向へ前記リボンイオンビームを集光及び収束させると共に、その長い次元に最小の集光を引き起こし、それによって前記リボンイオンビームをその長い次元へ発散させ続けさせると共に、前記リボンイオンビームを前記磁場の下流に離れて線焦点に再集光するステップを備え、
    不必要なビーム成分を拒絶するのに有効なスロットを前記リボンイオンビームに通過させるステップを備え、
    リボンイオンビームの主要寸法を包含する平面において１度以内で前記リボンイオンビームを平行にさせるのに有効な磁気レンズをリボンイオンビームに通過させるステップと、を備え、
    前記磁気アナライザにより発生する前記磁場が、前記リボンイオンビームが通過し且つ前記指定された領域の外側で急速に減衰するように前記指定された空間通路に効率的に閉じ込められる、前記方法。
15. 高アスペクト比及び矩形断面の大きなリボンイオンビームが生成される、請求項１４に記載の質量分析された連続平行リボンイオンビームを生成する方法。
16. 前記長い方の寸法で少なくとも８００ｍｍのリボンイオンビームが生じる、請求項１５に記載の質量分析された連続平行リボンイオンビームを生成する方法。

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