JP5433014B2 - リボンビーム用質量分析マグネット - Google Patents

Description

本発明は半導体デバイス製造の分野に関する。より詳しくは、本発明は半導体及び他のデバイスの製造に用いられるイオン注入器で使用されるイオンリボンビーム用の質量分析マグネットに関する。

一般に、ビームラインイオン注入器は所望のデバイス特性を得るために加工片を処理するイオンビームを供給するものである。一つの用途では、加工片は半導体ウェハであり、この場合にはイオンビームは半導体ウェハに特定の所望の不純物をドープする。他の用途では、イオンビームは加工片に精密な材料変形を与えることができる。半導体ウェハに加えて、加工片は、限定はされないが、フラットパネル、ソーラーパネル及びポリマー基板を含むこともできる。

イオン注入器は、一般に、プラズマを生成し、そのプラズマからイオンビームを引出し電極アセンブリによって引き出すイオン源チャンバを含む。イオンビームは次に、所望の電荷対質量比を有するイオンのみが質量分析器を通過するように特定の磁場を生成するよう構成された質量分析マグネットに供給することができる。質量分析されたイオンビームは次に、コレクタマグネット及び加減速レンズなどの当業者に周知の他のイオンビームライン素子で処理して加工片の表面に供給することができる。イオンビームは、イオンビームの移動、加工片の移動又は両者の組み合わせによって加工片の表面全域に分配することができる。イオンは加工片内の電子及び原子核と衝突するとエネルギーを失い、加速エネルギーに基づいて加工片内の所望の深さで静止する。

図１２は、イオンビーム４が通過するギャップ３を規定する１対の磁極片２を有する従来の質量分析マグネット１を示す。２つの磁極片２はギャップ３を走行するイオンビーム４に曲げ力を与える双極子磁場を生成する。曲げの量はビームの異なるイオン種ごとに僅かに変化し、イオンの荷電状態、エネルギー及び質量に依存する。従来のマグネットの磁極片２の間に生成される磁場はマグネットにより形成される像／焦点の方向に平行である。イオンの電荷に対する質量比が２つの磁極片の間に形成される磁場によりイオンが横方向に加速される程度に影響を与える。従って、イオン源からのイオンビームが従来の質量分析マグネット中を走行するとき、異なるイオン種は異なる軌道を走行し、質量分析マグネットは所望の質量対電荷比と関連する軌道を有するイオンを選択することができる。質量分析マグネットの下流に置かれた質量分解スリットは所望のイオン種（例えばＢ＋）を選択し、望ましくないイオン種は質量分解スリットを取り囲む導電版により収集される。僅かに低いイオン質量を有するイオン（大きな角度で偏向される）又は僅かに高い質量を有するイオン（小さい角度で偏向される）は通過されない。これらの磁気分析器の大部分はリボンビームの長さ方向を双極子磁場に平行に向ける。しかし、これらの質量分析マグネットにより収容されるイオンビームのサイズは磁極片ギャップのサイズにより限定される。

加工片のサイズの継続的な増大につれて（例えば、半導体ウェハディスクサイズは直径が３００ミリメートル（ｍｍ）から４５０ｍｍに増大し、さらにそれより大きくなり得る）、異なるサイズの加工片を処理する柔軟性を可能にするために、イオンビームの幅をリボンビームに増大するのが有利である。リボンビームは、リボン状又はビームの一方向の第１の寸法が第１の方向に直角の第２の方向の第２の寸法より大きい形状を有するイオンビームである。リボンビームは幅が高さの３倍以上であるおおむね矩形の断面形状を有することができる。

異なるイオンを異なる軌道に曲げる従来の質量分析マグネットは、磁極片ギャップが増大するにつれて減少する限定された磁場強度を有する。換言すれば、磁場はビームの幅に反比例する。ビームの幅方向の磁場の均一性も磁極片ギャップの増大により悪化する。曲げの量は異なるイオン種に対して僅かに変化するため、不均一磁場は異なるイオン種が磁場中を走行するときイオン軌道の質量分析に影響を与えるので、不所望な質量分析結果をもたらす。同じ質量及びエネルギーのより幅の広いリボンビームを収容するために、この従来の質量分析マグネットはより大きな曲率半径、従ってより長い軌道長を必要とする。その結果、物理的により大きなマグネットが必要になり、マグネットに所望の電流を供給してギャップ全体に特定の磁場強度を与えるためにより多量の電源電圧が必要とされる。しかし、所定のサイズにおいて、マグネットは飽和し、磁場は不均一のままになる。従って、従来の質量分析マグネットはサイズ、コスト及び電力消費が増大する。別のタイプの質量分析装置が特許文献１に見られる。この装置は細長い磁極片の配列を用い、これらの磁極片は配列延長方向に平行に移動するイオンビームに直角の平面内に構成される。従って、磁場はリボンビームの幅（Ｘ軸）及びビーム像の方向（Ｚ軸）の両方に直角である。しかし、このタイプのマグネットはマグネット中を走行するリボンビームの高さ（Ｙ軸）の周囲に巻かれ、動作のためにリボンビームの大きな横への動きを必要とする。これはマグネットのサイズ及びイオンビームが走行しなければならない距離を増大し、ビーム電流の損失の増大をまねく。

米国特許第６，４９８，３４８号明細書

従って、当該分野においては、上述した欠点及び短所を克服する、リボンビーム幅の増大によく対応する改良された質量分析マグネットが必要とされている。更に、当該分野においては、リボンビームの幅方向に不変の均一磁場を提供する質量分析マグネット構造が必要とされている。

本発明の模範的な実施例は、ビームラインイオン注入器に使用され、リボンイオンビーム内を走行する異なるイオン種の質量分析を実行する質量分析マグネットに関する。一つの模範的実施例においては、質量分析器は、イオンリボンビームを受け入れるように構成された入口空間及びイオンリボンビームを出力するように構成された出口空間を画定する第１のソレノイドコイルを含む。第１のソレノイドコイルは、第１のソレノイドコイル中を走行するイオンリボンビーム内のそれぞれのイオン種の軌道をそれぞれのイオンの質量に基づいて偏向するために、印加電流に応答して第１の磁場を生成するように構成される。質量分析器はイオンリボンビームの走行通路に沿って第１のソレノイドコイルから距離ｄ離れて位置する第２のソレノイドコイルを含む。第２のソレノイドコイルは、第１のソレノイドコイルの出口空間からのイオンリボンビームを受け入れるように構成された入口空間を画定する。第２のソレノイドコイルは、印加電流に応答して前記第１の磁場と反対方向に第２の磁場を生成するように構成される。第２のソレノイドコイルは、イオンリボンビーム内のイオンの軌道をそれぞれのイオンの質量に基づいて曲げる。質量分析器は更に第１の凹部及び第２の凹部を有する少なくとも一つのヨークを含む。第１の凹部は第１のソレノイドコイルの一部分を受け入れるように構成され、第２の凹部は第２のソレノイドコイルの一部分を受け入れるように構成される。ヨークは第１のソレノイドコイル及び第２のソレノイドコイルと接触し、ヨーク、第１のソレノイドコイル及び第２のソレノイドコイルの間に形成される回路を完成する。

別の実施例においては、イオン注入器はイオン源、質量分析器及びエンドステーションを含む。イオン源はリボンイオンビームを生成するように動作し得る。質量分析器は入口及び出口を有し、イオン源からの走行リボンイオンビームを入口から受け入れ、リボンビーム内の所望の電荷対質量比を有するイオンを所定の通路に沿って質量分析器の出口に出力するように偏向する。質量分析器はイオンリボンビームの走行方向に沿って指定の距離離れて位置する第１及び第２のソレノイドコイルを備える。ヨークは第１のソレノイドコイルの一部分を受け入れるように構成された第１の凹部及び第２のソレノイドコイルの一部分を受け入れるように構成された第２の凹部を有する。エンドステーションはリボンビームによる注入処理中加工片を支持するように構成される。

本発明のよりよい理解のために、添付図面いついて説明する。図面において、同等の要素は同等の番号で示されている。

本発明の一実施例によるリボンビーム質量分析器を有するビームラインイオン注入器の平面図である。 リボンビームの走行方向に下流方向に見た図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線に沿った本発明の一実施例による図１Ａのリボンビームの断面図である。 本発明の一実施例による図１のリボンビーム質量分析器の側面図である。 本発明の一実施例による図２に示す線２Ａ−２Ａに沿った断面図である。 本発明の一実施レスポンスによる図２の第１のソレノイドコイルの部分斜視図である。 本発明の一実施例による図２のリターンヨークの側面図である。 本発明の一実施例による図２のリターンヨークの端面図である。 本発明の一実施例による図２の分析器の入口側の端面図である。 本発明の一実施例によるイオンビーム軌道を示す図２の分析器の上面図である。 傾いたソレノイドコイルを有する、本発明の別の実施例によるリボンビーム質量分析器の側面図である。 図７の実施例によるリターンヨークの斜視図である。 相対的に傾けられたソレノイドオイルを有し、リボンビームの片側のみにリターンヨークを有する、本発明の別の他の実施例によるリボンビーム質量分析器の側断面図である。 分析器の各半部の軸上に位置する追加のリターン板及びコイルを有する、本発明の更に別の実施例によるリボンビーム質量分析器の側断面図である。 本発明によるリボンビーム質量分析器を有するイオン注入器の一例の上面図である。 従来の分析器マグネットの側面図である。

本発明の好適実施例が示されている添付図面を参照して本発明を以下に更に詳しく説明する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態に具体化することができ、ここに記載する実施例に限定されるものと解釈すべきでない。もっと正確に言うと、これらの実施例は本開示が詳細で完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるために示されている。図面において、全図を通して同等の要素には同等の番号が付けられている。

図１Ａは、本発明の一実施例による質量分析器マグネット１０６を有するビームラインイオン注入器１００の簡略ブロック図の平面図である。ビームラインイオン注入器１００は、チャンバ内に導入された特定のフィードガスに基づいて所望の種のイオンを生成するイオン源チャンバ１０２を含む。引出しアセンブリ（図示せず）は電界を生成するように構成された複数の電極を含む。電界の強度はイオン源チャンバ１０２内で生成されたイオンから特定のタイプのイオンリボンビーム１０４を引き出すために所望のビーム電流に調整される。質量分解スリット１１６が質量分析器マグネット１０６の下流に置かれ、この質量分析器はイオンが質量分析器マグネット１０６を出るとき特定の軌道を有するイオンを選択するように構成される。エンドステーション１５６はリボンビーム１０４で処理される加工片１１０を支持するチャック１１２を有するプロセスチャンバを含む。加工片１１０は一実施例ではディスク状の半導体ウェハとすることができる。加工片１１０は、限定はされないが、フラットパネル、ソーラーパネル及びポリマー基板であってもよい。エンドステーション１５６は加工片１１０を所望の方向に移動させる走査システム（図示せず）を含むこともできる。

エンドステーション１５６は当業者に周知の追加の構成要素を含んでもよい。例えば、エンドステーション１５６は、典型的には、加工片をイオン注入器１００内に導入し、イオン注入後に加工片を取り出す自動加工片取扱装置を含む。リボンビーム１０４が横断する全通路はイオン注入中排気される。注入器１００は注入器の種々のサブシステム及び構成要素を制御するコントローラ（図示せず）も含むことができる。

ビーム１０４はリボン状又はビームの一方向の第１の寸法が第１の方向に直角の第２の方向の第２の寸法より大きい形状を有する。ここに記載する実施例においては、リボンビームの重心がＺ軸を規定するカーテシアン座標を規定すると有益である。図１Ａの座標系で示されるように、Ｘ軸及びＹ軸で規定されるＸ−Ｙ平面はＺ軸に直角である。

図１Ｂは、リボンビーム１０４の走行方向に下流側に見た図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿った図１Ａのリボンビームの断面を上記の規定の座標系と関連して示す断面図である。本例では、リボンビーム１０４はほぼ矩形の断面形状を有する。リボンビームの断面形状は図１Ｂに示される形状に近似する全体的に不規則な形状であってもよいことは当業者に認識されよう。リボンビーム１０４はＸ方向に幅（Ｗ）を有し、Ｙ方向に高さ（Ｈ）を有する。リボンビーム１０４の重心１８０はＺ軸を規定し、ビームはイオン源１２０からエンドステーション１５６へ走行する。リボンビームの幅（Ｗ）はここに記載する実施例ではＸ方向であるが、リボンビームの幅（Ｗ）又は長さ次元は任意の方向に位置させることができる。例えば、リボンビーム１０４の長さ次元はＹ方向に位置させ、他の成分はそれに応じて再配置させてもよい。

動作中、イオン源１０２のアパーチャに近接して位置する引出し電極アセンブリ（図示せず）はイオン源１０２内のプラズマからリボンビーム１０４を引き出す。引出し電極アセンブリは、例えばアークスロット電極、サプレッション電極及び接地電極を含み、これらの電極はイオン源１０２内で生成されたイオンから特定のタイプのイオンビームを引き出すために所望のビーム電流に調整された特定の強度の電界を生成する。リボンビーム１０４は質量分析器マグネット１０６により収容できるＸ方向の幅（Ｗ）にすることができる。質量分析器マグネット１０６はここで更に説明されるようにリボンビームの質量分析を実行するため、質量分解スリット１１６はリボンビームから所望のイオンを選択することができる。質量分析されたリボンビーム１０４は次に加工片１１０に向けることができる。加工片１１０はエンドステーション１５６内に位置する走査システムによりリボンビーム１０４の長さ方向に直角の方向又は本例ではＹ方向に駆動することができる。

図２は、本発明の模範的実施例による、一般に入口側２５０及び出口側２５２を有する図１の質量分析器マグネット１０６の側面図である。質量分析器マグネット１０６は、上部リターンヨーク２０２及び下部リターンヨーク２０４により距離ｄだけ離して支持された第１のソレノイドコイル２０８及び第２のソレノイドコイル２１０を含む。ヨーク２０２，２０４は分析器マグネットの帰路を与えるためにスチールなどの強磁性材料で形成することができる。コイル２０８，２１０の各々は、図３に示されるコイル２０８の斜視図により詳しく示されように、「レーストラック」形状にすることができる。コイル２０８，２１０は、以下により詳細に説明されるように、マグネット中を走行するイオンビームの偏向／変位を与えるために、Ｘ軸の周囲に互いに反対方向に巻かれ、互いに反対向きの磁場を生成する。

ソレノイドコイル２０８及び２１０は、特定の質量対電荷比を有するイオンを選択するために、同一の一般的形状又は所望の磁場に応じて異なる形状にすることができる。リボンビーム１０４の入口開口２６０（図３参照）は第１のソレノイドコイル２０８の形状により画定することができ、出口開口２５２は第２のソレノイドコイル２１０の形状により画定することができる。一つ以上の電源（図示せず）がコイル２０８，２１０に必要な電圧を供給してこれらのコイルに矢２３３，２３５で示すように反対方向に駆動電流を流す。ヨーク２０２及び２０４はそれぞれのコイルと関連する反対方向２３３及び２３５の電流の流れの結果としてコイル２０８及び２１０間に磁力線の分離を与え、所望の磁場を生成する。一般に、２つのソレノイドコイル２０８，２１０は、質量依存性の像を生成するレンズとして作用し、質量分解スリット１１６により規定される開口２４０が所望の質量を有する像を選択し他の質量の像は除去することを可能にし、よって質量分解を達成することが可能になる。

図２に示されるように、リボンビーム１０４は質量分析器マグネット１０６の中央平面２８０から離れて収束する。それは、質量分析器マグネット１０６は中央平面２８０内の軸に平行なイオンの軌道を変更しないためである。換言すれば、中央平面内のイオンに対して質量分解は起こらない。中央平面２８０に対するリボンビーム１０４の角度（θ）はイオン軌道の所望の変更を与えるために変化させることができる。一実施例では、角度（θ）は約７．５°〜８．０°とすることができる。動作中、リボンビーム１０４は第１のソレノイドコイル２０８により画定される開口２６０内に質量分析器マグネット１０６の中央平面２８０に対して垂直角（θ）で向けられる。第１のソレノイドコイル１０８を矢２３３で示す方向に流れる電流により生成される磁場はリボンビーム１０４にＸ方向の変位／偏向を与える。第２のソレノイドコイル２１０を矢２３５で示す方方向に流れる電流により生成される磁場は同様にＸ方向であるが第１のソレノイドコイル２０８による変位／変更と反対方向の第２の変位を与える。従って、それぞれのソレノイドコイルにより生じるＸ方向の変更は質量分析器マグネット１０６中で互に相殺することになる。

上記の磁場及び関連する変更は質量依存性のリボンビームの像を提供する。例えば、リボンビームの第１の部分２２２は第１の質量のイオンを含み、第２の部分２２４は第２の質量のイオンを含み、第３の部分２２６は第１の質量のイオンを含む。この場合、質量分解スリット１１６の開口２４０を所望の質量を有するリボンビームの特定の部分に対応する位置に位置させることによって所望のイオンを選択することができる。図２の実施例においては、質量分解スリット１１６をＺ位置に固定することができ、その位置で開口２４０をＹ軸に沿って選択位置に移動可能にすることができる。図２に示す分析器の別の実施例においては、質量分解スリット１１６の中心をＹ及びＺ軸方向に固定し、コイル２０８，２１０の電流を所望の質量を有するイオンが開口２４０内に位置するように増減させることができる。

図２の実施例においては、開口２４０は質量分析されたリボンビームの第１部分２２２を選択するようにＹ軸に沿って定置される。開口２４０のサイズは異なるサイズのビームを収容するために可変にすることもできる。開口２４０は、リボンビームの所望部分の最大通過を可能にするために開口の片側又は両側に傾斜縁２４２によって画定することもできる。質量分析器スリット１１６の上部１１６Ａ及び下部１１６Ｂは質量分解能を向上するために異なるＺ位置に置くこともできる。例えば、図２では質量分析されたリボンビームの第１部分２２２と第２部分２２４の最大分離は第２部分２２４と第３部分２２６の最大分離と異なるＺ位置で起こる。質量分解スリット１１６を所望の位置に駆動するとともにその開口２４０のサイズを変更するために、一つ以上のアクチュエータ（図示せず）を質量分解スリット１１６に機械的に結合することもできる。また、同じ効果を達成するために質量分解スリットはＸ軸を中心に傾けることもできる。図８はこのように傾けられる質量分解スリットを示す。

図２Ａは図２に示す質量分析器マグネットの線２Ａ−２Ａに沿った簡略断面図である。ヨーク２０２は第１の凹部２０２Ａ及び第２の凹部２０２Ｂを含む。同様に、ヨーク２０４は第１の凹部２０４Ａ及び第２の凹部２０４Ｂを含む。第１のソレノイド２０８がヨーク２０２及び２０４の凹部２０２Ａ及び２０４Ａ内にそれぞれ部分的に配置される。第２のソレノイド２１０がヨーク２０２及び２０４の凹部２０２Ｂ及び２０４Ｂ内にそれぞれ部分的に配置される。質量分析器マグネット１０６は中央平面２８０に対してＺ方向にビーム１０４の通路に沿って延在する容器壁１３５によって画成される真空容器を含む。スクレーパ１３０は容器壁１３５から図２に示す中央平面２８０の上方へＹ方向に所定の距離、Ｘ方向のビーム１０４の幅に亘って延在する。スクレーパ１３０はいくつかの機能を有する。第１に、質量分析器マグネット１０６は中央平面２８０の軸に平行なイオンの軌道を変更しないため、スクレーパ１３０は中央平面に沿って位置するイオンが出口２５２から質量スリット１１６に向かって出るのを阻止する。更に、ソレノイド２０８，２１０の光学系のために、イオンが質量分析器マグネット１０６中を走行するにつれてイオンがビーム全域でＹ方向に曲げられ、中央平面２８０から遠いイオンは目的より僅かに大きく曲がり、焦点に僅かな収差を生じる。典型的には、最大質量を有するイオンは質量分析器マグネット１０６によってより少なく曲げられ、中央平面２８０から遠く離れて走行するが、比較的軽い質量を有するイオンは中央平面に近くなる。しかし、第１のソレノイド２０８がビーム１０４内のイオンの軌道を曲げるとき、中央平面から最も遠く離れた重いイオンは収差のために僅かに大きな曲げ角を受け、所望のビーム軌道に向け曲げ戻され、その結果、たとえこれらのより重いイオンが所望のビームと関連する質量を有しない場合でも、質量スリット１１６により選択される。スクレーパ１３０はこれらのより重いイオンを質量スリット１１６に到達する前に除去することによってこの収差を許容する。同様に、重いイオンより中央平面に近い軽いイオンは質量分析器マグネット１０６内でより少ない曲げを受け、これらの軽いイオンは所望の質量の軌道に向け戻される。スクレーパ１３０はこれらのより軽いイオンも質量スリット１１６に到達する前に除去する。更に、スクレーパ１３０の追加の部分（図示せず）を容器壁１３５から延長し、それらの間に、重いイオンがビーム通路に沿ってＺ方向に走行するのを阻止するように構成されたアパーチャを与えることもできる。最後に、所望の質量を持たないイオンは典型的にはグラファイトで被覆された容器壁１３５に堆積される。時間とともに、容器壁１３５へのイオンの衝突は破片（例えば、容器壁１３５の小片）を生じ、それらがエンドステーション１５６に向け走行し得る。スクレーパ１３０は、グラファイト容器壁１３５からのこの不所望な破片がエンドステーションへ走行して所望のドーピングプロファイルを汚染する可能性を低減するように定置される。

図３は、第１のソレノイドコイル２０８及び上部ヨーク２０２の切除部分の斜視図を示す。説明を容易にするために、ヨーク２０４は省略されている。ソレノイドコイル２０８は、リボンビーム１０４を受け入れるためにＸ方向に十分な幅を有する「レーストラック」形の開口２６０を形成するように横方向に配列された１対の湾曲端区分２０８Ａ及び１対の直線区分２０８Ｂにより画成される。直線区分２０８Ｂの各々は極端に広いリボンビームを収容するサイズの寸法（Ｘ１）を有する。例えば、寸法Ｘ１は約６０ｃｍとすることができ、開口２６０のＹ方向の寸法を規定する直線区分２０８Ｂ間の距離は２６ｃｍとすることができる。前述したように、コイル２０８は所望の磁場を生成するためにＺ軸の周囲に巻かれる。ヨーク２０２は、Ｙ方向に延在する１対の壁２１１と、コイルが配置される凹部２０２Ａを画成するように壁２１１と一体に形成されたＺ方向に延在する水平壁２１２とによって画定される。

図４は、上部リターンヨーク２０２及び下部リターンヨーク２０４の側面図であり、図を明瞭にするためにコイル２０８，２１０は省略されている。上部ヨーク２０２はコイル２０８，２１０の間の分離距離に対応する幅ｄを有する分離壁２１１Ａを含む壁２１１と水平壁２１２とによって画成される。同様に、下部ヨーク２０４はコイル２０８，２１０の間の分離距離に対応する幅ｄを有する分離壁２１３Ａを含む壁２１３と水平壁２１４とによって画成される。凹部２０２Ａ及び２０４Ａはコイル２０８の対応する直線部分を受け入れるように整列される。凹部２０２Ｂ及び２０４Ｂはコイル２１０の対応する直線部分を受け入れるように整列される。壁２１１及び２１３の外側部分の各々はそれぞれの分離壁２１１Ａ及び２１３Ａに向かって角度をつけて示されているが、コイル２０８，２１０を囲む回路を完成するためにヨーク２０２，２０４の各々に対して代替構成の壁構造を利用することもできる。

図５Ａは上部リターンヨーク２０２及び下部リターンヨーク２０４を示す図１Ａの線１Ｂ−１Ｂから見た端面図である。図５Ａに示す図の差はＸ，Ｙ，Ｚ座標の変化に対応する。壁２１１は上部ヨーク２０２の幅（Ｘ方向）を寸法Ｘ２に広がり、壁２１３は下部ヨーク２０４の幅を対応する寸法Ｘ２に広がる。模範的実施例では、寸法Ｘ２は約９２ｃｍとすることができる。距離ｄ２は上部ヨーク２０２と下部ヨーク２０４との間に規定され、コイル２０８，２１０の各々（及び図３に示す開口２６０）の直線区分間の距離に対応する。

図５Ｂは上部リターンヨーク２０２を仮想的に示す同様に図１の線１Ｂ−１Ｂから見た質量分析器マグネット１０６の入口の平面図及びビーム１０４の断面図である。第１のソレノイドコイル２０８は、Ｘ方向に幅、Ｙ方向に高さを有し、Ｚ方向に質量分析器マグネット１０６中を走行するリボンビーム１０４を受け入れる開口２６０を画成する。開口２６０内のＸ軸に沿う有効体積又は「フィルファクタ」は理想的には最大にすべきである。開口２６０内の磁場への端効果を最小にするために（さもなければリボンビーム１０４の幅が制限される）、コイル２０８に対する上部リターンヨーク２０２及び下部リターンヨーク（図示せず）の幅（Ｗ２）を最適化して開口２６０内の最大有効体積をもたらすことができる。リターンヨークの寸法を超えて延在する幅Ｗ３を有するコイル２０８，２１０の一部分を考慮してリターンヨーク２０２の幅（Ｗ２）を選択することによって、リボンビームのＸ方向の幅次元におけるコイル２０８，２１０の有効体積を最大にできることが確かめられた。

図６は、コイル２０８により決定される質量分析器マグネット１０６の第１半部内のリボンビーム１０４の水平変位（Ｘ方向）及びコイル２１０により決定される質量分析器マグネット１０６の第２半部内のリボンビーム１０４の反対方向の水平変位（Ｘ方向）を示す質量分析器マグネット１０６の上面図である。ビーム１０４は次に、図２につき説明したように、質量スリットで受け取られ、特定の質量を有する所望のイオンがそれらの軌道に基づいて選択される。このように、距離ｄで分離されたソレノイド２０８及び２１０の使用により発生される分析器の第１半部及び第２半部内のＸ方向の変位の鏡面反転又は相殺によって質量分析器マグネット１０６から所望の出力リボンビームが得られる。加えて、Ｘ方向のビームの変位の鏡面反転又は相殺によって、コイル２０８，２１０ひいては質量分析器マグネット１０６の全幅をコイル内の均一磁場を維持したまま最小にすることができる。

図７は簡略化したビームラインイオン注入器７００のブロック側面図を示し、該イオン注入器７００はリボン形成のために引き出される所望の種のイオンを発生するイオン源チャンバ１０２を含む。１対のソレノイドコイル７０８，７１０を含む質量分析器マグネット７０６がイオン源チャンバ１０２の下流に配置される。質量分解スリット１１６は特定の軌道を有するイオンをそれらが質量分析器マグネット７０６から出るとき選択するように構成される。エンドステーション１５６はリボンビーム１０４で処理される加工片１１０を支持するチャック１１２を有するプロセスチャンバを含む。加工片１１０は一実施例ではディスク状半導体ウェハとすることができる。

図１−６に示す実施例と比較して、この代替実施例の質量分析器マグネット７０６は、リボンビーム１０４の通路により密接に適合するように互いに角度β１及びβ２だけ傾けられたソレノイドコイル７０８，７１０を含む。各コイル７０８，７１０は同様に上部リターンヨーク７０２及び下部リターンヨーク７０４の凹部内に部分的に配置され、距離ｄ’だけ分離される。コイル７０８，７１０は上述したコイル２０８，２１０と同様のレーストラック形状を有する。これは質量分析器マグネット７０６の曲げ及び分解を可能にする質量エネルギー積を増大する。特に、ソレノイドコイルをビーム１０４の通路に適合するように傾けることによってビームをマグネット又は真空容器の上壁に衝突させることなく中央平面から大きく離れた位置を走行させることができる。前述したように、ソレノイドレンズの曲げ作用は中央平面から離れる距離とともに増大する。従って、傾斜コイル（７０８，７１０）構成は質量分析器マグネット７０６の曲げ作用を増大し、分析器の曲げ及び分解を可能にする質量エネルギー積の増大をもたらす。

図８は、図７に示す質量分析器マグネット７０６の一部分の線８−８に沿った斜視断面図である。第１のソレノイドコイル７０８は上部ヨーク７０２と下部ヨーク７０４との間に配置される。上部ヨーク７０２は横壁７１２により連結されたＹ方向に延在する壁７１１により画定される。凹部７０２Ａは壁７１１，７１２の内部表面で形成され、コイル７０８の上部を収容するように構成される。同様に、下部ヨーク７０４は横壁７１４により連結されたＹ方向に延在する壁７１３により画定される。凹部７０４Ａは壁７１３，７１４の内部表面で形成され、コイル７０８の下部を収容するように構成される。コイル７０８内に示す矢の方向はコイルの周囲のＸ方向の磁場の方向を示す。

次に図９は、本発明による質量分析器マグネットの別の実施例の側断面図である。図９は、図７の実施例と同様に、Ｙ軸に対して相対的に曲げられた又は傾けられたソレノイドコイル９０８，９１０を有する質量分析器マグネット９０６を示す。しかし、図９の実施例は上部リターンヨーク９０２のみを有し、下部リターンヨークはない。ソレノイドコイル９０８は凹部９０２Ａ内に配置され、ソレノイドコイル９１０は凹部９０２Ｂ内に配置される。この構成は、ビーム１０４が質量分析器マグネット９０６中を走行するため、許容可能なビーム光学系及び質量分解能並びに高い質量エネルギー積をもたらす。下部リターンヨークがないため、必要とされるスチールなどの強磁性材料が少なくなり、構成要素コスト及び設置の節約が得られる。更に、内部真空容器へのアクセスが良くなる。しかし、下部リターンヨークの除去は、さもなければリターンヨーク内を走行し得る磁場の領域における磁場が高くなり得る。これは、周囲磁場の安全基準が満たされるように質量分析器マグネット及び／又は注入器自体の筐体の周囲に適切なシールドを設置することによって補償することができる。

図１０は、分割ソレノイド１００８Ａ及び１００８Ｂを備える質量分析器マグネット１００６の更に別の実施例の側断面図である。この質量分析器マグネット１００６は図２に示す実施例の側断面図に類似し、ソレノイドコイル１００８Ａ及び１００８Ｂの各々はレーストラック形状を有する。しかし、質量分析器マグネット１００６は各半部の軸上に位置するリターン板（例えばスチール板）及びコイルアセンブリを含む。具体的には、ヨーク１００２は第１の凹部１００２Ａ及び第２の凹部１００２Ｂを含み、ヨーク１００４は第１の凹部１００４Ａ及び第２の凹部１００４Ｂを含む。第１のソレノイドコイル１００８Ａはヨーク１００２及び１００４のそれぞれの第１の凹部１００２Ａ及び１００４Ａ内に部分的配置され、第２のソレノイドコイル１００８Ｂはヨーク１００２及び１００４のそれぞれの第２の凹部１００２Ｂ及び１００４Ｂ内に部分的配置される。質量分析器マグネット１００６は、ソレノイド１００８Ａに形成された空間内の中央平面軸上に置かれたスチール板１０２０の周囲にコイル１０１２が設けられる。コイル１０２２はソレノイド１００８Ｂに形成された空間内の中央平面軸上に置かれた第２のスチール板１０２０の周囲に設けられる。中央平面軸上のコイル及びスチールアセンブリはそれぞれのソレノイド１００８Ａ,１００８Ｂ内の磁場を再分布するように機能する。これは光学的収差を低減し、位置依存像の品質を向上し、よって種々の質量を有するイオンの分離を向上する。

図１１は、イオン源１１０２、質量分析器マグネット１０６及びエンドステーション１１５６を含む本発明による簡略化されたイオン注入器１１００の上面図である。イオン源１１０２はアークチャンバ内で所望の種のイオンを有するプラズマを生成するように構成される。これらのイオンは特定のタイプのイオンリボンビーム１０４を形成するためにイオン源１１０２から引き出される。リボンビーム１０４を構成するイオンは先に詳述したような１対の分割ソレノイドコイル２０８，２１０を有する質量分析器マグネット１０６により質量分析される。ソレノイドコイル２０８，２１０は少なくとも一つのヨーク（図示せず）により画定されるスチール帰路内に埋設される。ソレノイド２０８はソレノイド２１０に対して反対方向の磁場を生成するように巻かれる。質量分析器マグネット１０６はより幅の広いリボンビームを収容するためにリボンビーム１０４の幅に亘って均一な磁場を与える。イオン源１１０２から引き出されたイオンの質量に基づいて、特定のイオン種を質量分析器マグネット１０６により選択し、エンドステーション１１５６に供給することができる。質量分析器マグネット１０６の下流に位置するエンドステーションは特定のイオン種を含むリボンビーム１０４による処理のために一以上の加工片１１１０を支持するように構成される。

本発明の範囲は本明細書に記載した特定の実施例に限定されない。以上の説明及び添付図面から、本明細書に記載された実施例に加えて、他の種々の実施例及び変更例が当業者に明らかである。従って、このような他の実施例及び変更例も本発明の範囲に含むことを意図している。更に、本発明は特定の目的に対する特定の環境における特定の実施に関連して記載したが、その有用性はこれに限定されず、本発明は任意の数の目的のために任意の数の環境において有益に実施できることは当業者に認識されよう。従って、以下に記載する請求項は本明細書に記載された本発明の範囲の広さ及び精神を考慮して解釈すべきである。

Claims (27)

1. 走行するリボンイオンビーム内の異なるイオン種の質量分析を実行し、その像を生成するイオン質量分析器であって、前記分析器は、
   イオンリボンビームが通る空間を画定する第１のソレノイドコイルを備え、前記第１のソレノイドコイルは、前記第１のソレノイドコイルの空間中を走行する前記イオンリボンビーム内のイオンと関連する軌道を前記イオンのそれぞれの質量に基づいて偏向するために印加電流に応答して第１の方向に第１の磁場を生成するように構成されており、
   前記第１のソレノイドコイルから前記走行イオンリボンビームの方向に距離ｄだけ下流に置かれ、前記第１のソレノイドコイルから受け取った前記イオンリボンビームが走行する空間を確定する第２のソレノイドコイルを備え、前記第２のソレノイドコイルは、印加電流に応答して前記第１の磁場と反対方向に第２の磁場を生成するように構成され、前記第１のソレノイドコイルからの前記イオンリボンビーム内のイオンの軌道を前記イオンのそれぞれの質量に基づいて更に曲げるように構成されており、
   更に第１の凹部及び第２の凹部を有する少なくとも一つのヨークを備え、前記第１の凹部は前記第１のソレノイドコイルの一部分を受け入れるように構成され、前記第２の凹部は前記第２のソレノイドコイルの一部分を受け入れるように構成され、前記ヨークは前記ヨーク、前記第１のソレノイドコイル及び前記第２のソレノイドコイルの間に形成される回路を完成するために前記第１及び第２のソレノイドコイルに接続されている、
   イオン質量分析器。
2. 前記第１のソレノイドコイルは前記空間内に規定された中央平面を有し、前記第１のソレノイドコイルの前記空間内に受け取られる前記イオンリボンビームは前記中央平面から離れている、請求項１記載のイオン質量分析器。
3. 前記第２のソレノイドコイルは前記空間内に規定された中央片面を有し、前記第１のソレノイドコイルから前記第２のソレノイドコイルにより受け取られる前記イオンリボンビームは前記中央平面から離れている、請求項１記載のイオン質量分析器。
4. 前記第１及び第２のソレノイドコイルの各々は上部及び下部を有し、前記ヨークの前記第１及び第２の凹部は前記第１及び第２のソレノイドコイルの各々の上部を受け入れるように構成されている、請求項１記載のイオン質量分析器。
5. 前記ヨークは第１のヨークであり、前記質量分析器は前記第１及び第２のソレノイドコイルの各々の下部を受け入れるように構成された第１及び第２の凹部を有する第２のヨークを更に備える、請求項４記載のイオン質量分析器。
6. 前記第１のソレノイドコイルは、第１及び第２の湾曲部分と、前記第１及び第２の湾曲部分を連結する第１及び第２のほぼ直線部分とを有し、前記第１及び第２の湾曲部分と前記第１及び第２のほぼ直線部分は前記入口及び出口空間を確定する、請求項１記載のイオン質量分析器。
7. 前記第２のソレノイドコイルは、第１及び第２の湾曲部分と、前記第１及び第２の湾曲部分を連結する第１及び第２のほぼ直線部分とを有し、前記第１及び第２の湾曲部分と前記第１及び第２のほぼ直線部分は前記第２のソレノイドコイルの前記入口空間を確定する、請求項１記載のイオン質量分析器。
8. 前記リボンビームは幅を有し、前記第１のソレノイドコイルの前記第１及び第２のほぼ直線部分は前記リボンビームの幅より大きい長さを有する、請求項６記載のイオン質量分析器。
9. 前記リボンビームは幅を有し、前記第２のソレノイドコイルの前記第１及び第２のほぼ直線部分は前記リボンビームの幅より大きい長さを有する、請求項７記載のイオン質量分析器。
10. 前記ヨークは、前記第１のソレノイドコイルの前記第１及び第２のほぼ直線部分の前記長さにほぼ等しい幅を有する、請求項６記載のイオン質量分析器。
11. 前記ヨークは、前記第２のソレノイドコイルの前記第１及び第２のほぼ直線部分の前記長さにほぼ等しい幅を有する、請求項９記載のイオン質量分析器。
12. 前記第１及び第２のソレノイドコイルにより画定された前記空間中を走行する前記イオンリボンビームの通路に沿って配置された少なくとも一つの容器壁を有する真空容器と、
    前記容器の少なくとも一つの容器壁から直角にある距離突出し、特定の質量を有するイオンが前記第２のソレノイドコイルの空間中を通過するのを阻止するように構成されたスクレーパと、
    を更に備える、請求項１記載のイオン質量分析器。
13. 前記リボンビームは前記第１及び第２のソレノイドコイルのそれぞれの空間中を第１の方向に走行し、前記第１及び第２のソレノイドコイルは前記第１の方向に対して直角に構成されている、請求項１記載のイオン質量分析器。
14. 前記リボンビームは前記第１及び第２のソレノイドコイルのそれぞれの空間中を第１の方向に基準角で走行し、前記第１のソレノイドコイルは前記基準角に対してある角度（β１）をなしている、請求項１記載のイオン質量分析器。
15. 前記リボンビームは前記第１及び第２のソレノイドコイルのそれぞれの空間中を第１の方向に基準角で走行し、前記第２のソレノイドコイルは前記基準角に対してある角度（β２）をなしている、請求項１記載のイオン質量分析器。
16. 前記第１のソレノイドコイルにより画定された空間内に前記中央平面に沿って置かれた第１の板及びコイルアセンブリと、
    前記第２のソレノイドコイルにより画定された空間内に前記中央平面に沿って置かれた第２の板及びコイルアセンブリと、
    を更に備える、請求項２記載のイオン質量分析器。
17. リボンイオンビームを生成するように動作し得るイオン源と、
    入口及び出口を有し、イオン源からの走行するリボンイオンビームを前記入口から受け入れ、リボンビーム内の所望の電荷対質量比を有するイオンを所定の通路に沿って前記出口に出力するように偏向する質量分析器と、
    前記質量分析器の下流にあって、前記リボンビームによる注入処理中加工片を支持するように構成されたエンドステーションと、
    を備え、前記質量分析器は、
    イオンリボンビームの走行方向に沿って規定の距離離れて位置し、それぞれ前記リボンイオンビームが走行する空間を画定する第１及び第２のソレノイドコイルと、
    前記第１のソレノイドコイルの第１の部分を受け入れるように構成された第１の凹部及び前記第２のソレノイドコイルの第１の部分を受け入れるように構成された第２の凹部を有するヨークと、
    を備える、イオン注入システム。
18. 前記第１及び第２のソレノイドコイルは均一磁場を生成し、前記リボンイオンビームが前記均一磁場中を走行する、請求項１７記載のイオン注入システム。
19. 前記第１のソレノイドコイルは前記リボンビームが走行する第１の空間を画定する、請求項１７記載のイオン注入システム。
20. 前記第２のソレノイドコイルは前記リボンビームが走行する第１の空間を画定する、請求項１７記載のイオン注入システム。
21. 前記ヨークは第１のヨークであり、前記イオン注入システムは前記第１のソレノイドコイルの第２の部分を受け入れるように構成された第１の凹部及び前記第２のソレノイドコイルの第２の部分を受け入れるように構成された第２の凹部を有する第２のヨークを更に備える、請求項１７記載のイオン注入システム。
22. 前記第１のソレノイドコイルは前記空間内に規定される中央平面を有し、前記第１のソレノイドコイルの前記空間内で受け取られるイオンリボンビームは前記中央平面から離れて位置する、請求項１７記載のイオン注入システム。
23. 前記質量分析器は、
    前記第１及び第２のソレノイドコイルにより画定された前記空間中を走行する前記イオンリボンビームの通路に沿って配置された少なくとも一つの容器壁を有する真空容器と、
    前記容器の少なくとも一つの壁から直角にある距離突出し、特定の質量を有するイオンが前記第２のソレノイドコイルの空間中を通過するのを阻止するように構成されたスクレーパと、
    を更に備える、請求項１７記載のイオン注入システム。
24. 前記質量分析器と前記エンドステーションとの間に位置する質量スリットを更に備え、前記質量スリットは、特定の質量及び軌道を有するイオンリボンビームからのイオンを質量分析器の出力イオンとして選択するように構成されている、請求項１７記載のイオン注入システム。
25. 前記第１のソレノイドコイルは、前記第１のソレノイドコイルの空間中を走行する前記イオンリボンビーム内のイオンと関連する軌道を前記イオンのそれぞれの質量に基づいて偏向するために印加電流に応答して第１の方向に第１の磁場を生成するように構成されている、請求項１７記載のイオン注入システム。
26. 前記第２のソレノイドコイルは、印加電流に応答して前記第１の磁場と反対方向に第２の磁場を生成するように構成され、前記イオンリボンビームが前記第２のソレノイドコイル中を走行するとき、前記第１のソレノイドコイルからの前記イオンリボンビーム内のイオンの軌道を前記イオンのそれぞれの質量に基づいて更に曲げるように構成されている、請求項２５記載のイオン注入システム。
27. 前記少なくとも一つの容器壁が第１の容器壁であり、前記真空容器は第２の容器壁を更に備え、前記スクレーパは前記少なくとも一つの容器壁から突出する第１の部分及び前記第２の容器壁から突出する第２の部分を備え、前記第１及び第２の部分は特定の質量を有するイオンが前記第２のソレノイドコイルの空間を通過するのを更に阻止するアパーチャを画成する、請求項２３記載のイオン注入システム。

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