JPH06310082A - イオン注入装置におけるビーム軌道の復元方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオンビーム軌道のドリフトを検出しかつそ
れを自動的に復元することができるビーム軌道の復元方
法を提供する。 【構成】 ターゲットの前方にあるマスク２２のスリッ
ト２２ａのＸ方向の両外側に複数のファラデーカップ４
２をＸ方向にそれぞれ並列配置して成るドリフト検出フ
ァラデー４４を設けておく。そしてこのドリフト検出フ
ァラデー４４を用いて、それを構成するファラデーカッ
プ４２のどの部分までイオンビーム２が入射しているか
によってイオンビーム軌道のドリフト量およびドリフト
方向を求め、このドリフト量がある規定値以上か否かを
判定し、ドリフト量が規定値以上の場合は、それが規定
値より小さくなるように、分析電磁石電源８の出力電流
を自動的に調整する。これらの処理を制御回路４８によ
って行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン注入装置にお
いて各種の要因によって生じるイオンビーム軌道のドリ
フト（変動）を検出しかつそれを自動的に復元する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、ハイブリッドスキャン方式のイ
オン注入装置の一例を示す平面図である。図５は、図４
の装置のマスク周りを示す側面図である。

【０００３】このイオン注入装置は、イオン源４から射
出され、質量分析電磁石６によって質量分析され、加速
管１２によって加速され、かつＱレンズ１４によって整
形の行われたスポット状のイオンビーム２を、図示しな
い走査電源から互いに１８０度位相の異なる走査電圧
（三角波に近い電圧）が印加される二組の走査電極１６
および１８の協働によって、即ち一方で偏向させたイオ
ンビーム２を他方で同じ角度だけ逆方向に偏向させるこ
とにより、Ｘ方向（例えば水平方向。以下同じ）に静電
的に平行走査して幅広のイオンビーム（パラレルビー
ム）２を作るようにしている。この例ではこの走査電極
１６および１８がビーム走査手段を構成している。

【０００４】質量分析電磁石６は、前記Ｘ方向を含む面
内（例えば水平面内）でイオンビーム２を偏向させるも
のであり、その下流側に設けられた分析スリット１０と
の協働によってイオンビーム２の質量分析を行う。この
質量分析電磁石６には分析電磁石電源８から電流が供給
される。

【０００５】両走査電極１６、１８の間には、一組の偏
向電極２０が設けられており、これによってイオンビー
ム２を前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向（例えば垂
直方向。以下同じ）に所定の角度θ（例えば７度程度）
偏向させ、直進する中性ビームを分離するようにしてい
る。

【０００６】また、走査電極１８の下流側に、注入対象
物であるターゲット（例えばウェーハ）３２を保持する
ホルダ３３を配置すると共に、それらをターゲット駆動
装置３４によってイオンビーム２の照射領域内において
前記Ｙ方向に機械的に走査し、これとイオンビーム２の
前記Ｘ方向の走査との協働によって（即ちいわゆるハイ
ブリッドスキャンによって）、ターゲット３２の全面に
均一にイオン注入を行うようにしている。

【０００７】走査電極１８とターゲット３２との間に
は、マスク２２が設けられている。このマスク２２は、
図６も参照して、Ｙ方向に角度θだけ偏向されたイオン
ビーム２を通過させるＸ方向に細長いスリット２２ａを
有しており、ターゲット３２にはこのスリット２２ａを
通過したイオンビーム２が照射される。

【０００８】このスリット２２ａのＸ方向の両外側に
は、この例では、ドーズモニタファラデー２６およびビ
ームモニタファラデー２８が設けられている。ドーズモ
ニタファラデー２６は、ターゲット３２に対するイオン
注入時にイオンビーム２のビーム電流を計測するもので
あり、ターゲット３２に対する注入量（ドーズ量）の制
御は、このドーズモニタファラデー２６で計測されたビ
ーム電流を用いて行われる。そのため、イオンビーム２
はこのドーズモニタファラデー２６を通り越すように走
査（即ちオーバースキャン）される。ビームモニタファ
ラデー２８は、ターゲット３２に対するイオン注入前
に、こちら側のイオンビーム２のオーバースキャンを確
認するためのものである。

【０００９】なお、この明細書中でファラデーと名の付
くものは、マスクのスリットの後方にビーム電流計測用
のファラデーカップを設けたものである（図２参照）。
但し、図１、図５および図６では、図が複雑になるのを
防止するために、マスクのスリットの後方にあるファラ
デーカップの図示を省略している。

【００１０】更にこの例では、マスク２２のスリット２
２ａの上部にフロントファラデー３０が設けられてお
り、かつターゲット３２の更に下流側にバックファラデ
ー３８が設けられている。３６はバックファラデー３８
用のマスクである。両ファラデー３０および３８は、複
数の互いに同一面積のファラデーカップをＸ方向に並設
したものであり、これらを設けているのは、これらによ
るイオンビーム２のビーム電流の計測データに基づい
て、イオンビーム２のターゲット３２上での注入均一性
測定（より具体的にはターゲット３２上でのイオンビー
ム２の走査速度測定に基づく注入均一性予測）、イオン
ビーム２の平行度測定、更には走査電極１６、１８に供
給する走査電圧の波形整形等を行うことができるように
するためである。フロントファラデー３０で測定すると
きはイオンビーム２のＹ方向の偏向角度を小さく（例え
ばθ／２に）し、バックファラデー３８で測定するとき
はその邪魔にならない位置にターゲット３２を移動させ
ておく。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなイオン注
入装置においては、主として分析電磁石電源８の出力電
圧のドリフトおよび質量分析電磁石６の負荷変動、更に
はイオン源４の引出し電極の熱膨張等によって、イオン
ビーム２の軌道が時間経過と共にＸ方向にドリフトする
現象が起こる。Ｘ方向にドリフトするのは、質量分析電
磁石６におけるイオンビーム２の偏向方向がＸ方向を含
む面内方向だからである。

【００１２】このようなイオンビーム２の軌道のドリフ
トに対しては、従来は、分析電磁石電源８単体でその出
力を安定化させることでドリフト抑制対策を実施してい
るが、それだけではドリフト要因は皆無とはならず、従
ってイオン注入装置としては特に対策を取っていないと
言える。

【００１３】このように従来では、イオンビーム２の軌
道にドリフトが生じても、それを放置したままであり、
それによってイオン注入処理に悪影響が及ぶ。例えば、
この種のイオン注入装置では、走査電極１６、１８に印
加する走査電圧波形は、ターゲット３２の全面でイオン
ビーム２の走査速度が一定になるように、三角波から若
干補正されており、ビーム軌道が規定のものからずれる
と、この補正が正しく働かないようになり、ターゲット
３２の全面でイオンビーム２の走査速度が一定にならな
いようになり、注入量分布が変化、即ち注入均一性が悪
化してしまう。

【００１４】また、ターゲット３２に対するドーズ量の
カウントに使用するビーム電流計測を、前述したように
マスク２２のスリット２２ａの側方にあるドーズモニタ
ファラデー２６で行っているこの種のイオン注入装置に
おいては、注入処理に入る前に、このドーズモニタファ
ラデー２６で計測するビーム電流と、実際にターゲット
３２に照射されるビーム電流（これはバックファラデー
３８で計測するビーム電流に相当する）との間の補正を
行うドーズ補正係数を求めておいて、これを使用して注
入処理を行っており、注入処理途中にビームドリフトが
生じると、この補正が正しく働くなり、注入量にばらつ
きが生じてしまう。なお、このドーズ補正係数の詳細に
ついては後述する。

【００１５】そこでこの発明は、前述したようなイオン
ビーム軌道のドリフトを検出しかつそれを自動的に復元
することができるビーム軌道の復元方法を提供すること
を主たる目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のビーム軌道の復元方法は、前述したよう
なマスクのスリットのＸ方向の両外側に複数のファラデ
ーカップをＸ方向にそれぞれ並列配置して成るドリフト
検出ファラデーを設け、このドリフト検出ファラデーを
用いて、それを構成するファラデーカップのどの部分ま
でイオンビームが入射しているかによってイオンビーム
軌道のドリフト量およびドリフト方向を求め、このよう
にして求めたドリフト量がある規定値以上か否かを判定
し、ドリフト量が規定値以上の場合は、それが規定値よ
り小さくなるように、前述したような分析電磁石電源の
出力電流を自動的に調整することを特徴とする。

【００１７】

【作用】分析電磁石電源の出力電流を変化させると、質
量分析電磁石におけるイオンビームの偏向の程度が変化
するので、この質量分析電磁石における偏向方向が含ま
れている面内におけるイオンビーム軌道を変化させるこ
とができる。従って、この分析電磁石電源の出力電流を
上記のようにして調整することにより、イオンビーム軌
道をある一定の範囲内に保つことができる。

【００１８】

【実施例】図１は、ドリフト検出ファラデーを設けたマ
スクの正面および制御系を示す図である。図２は、図１
中のドリフト検出ファラデーの一部分を拡大して示す斜
視図である。イオン注入装置全体の構成は図４および図
５を参照するものとする。また、従来例で説明した部分
と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下に
おいては従来例で説明した部分との相違点を主に説明す
る。

【００１９】この実施例においては、前述したようなマ
スク２２のスリット２２ａのＸ方向の両外側に、しかも
この例ではドーズモニタファラデー２６およびビームモ
ニタファラデー２８があるので更にそれらの外側に、幅
の狭い複数のファラデーカップ４２をＸ方向にそれぞれ
並列配置して成るドリフト検出ファラデー４４を設けて
いる。各ファラデーカップ４２は、イオンビーム２のビ
ーム電流を計測するものであり、かつ各ファラデーカッ
プ４２の前方には、マスク２２に設けられた幅の狭いス
リット２２ｂがそれぞれ位置している。

【００２０】このドリフト検出ファラデー４４を構成す
る各ファラデーカップ４２からのビーム電流は、信号変
換器４６に入力されてそこでノイズ等の外乱の影響を受
けにくい信号（例えば光信号）に変換され、制御回路４
８に与えられる。但しこの例では、各ファラデーカップ
４２で計測するビーム電流の値そのものを計測する必要
はなく、あるしきい値を超えるビーム電流か否かを信号
変換器４６内で判断し、制御回路４８には２値の（即ち
１，０の）信号を与えるようにしている。

【００２１】制御回路４８は、この例ではこのイオン注
入装置の電源周りを制御するシーケンサの一部分であ
り、この制御回路４８によって、図３に示すような動作
に従って分析電磁石電源８を制御して、ビーム軌道を自
動的に復元するようにしている。

【００２２】即ち、図３を参照して、まず注入開始直前
に、次のようにしてドーズ補正係数ｋを求めると共に
（ステップ６０）、ドリフト検出ファラデー４４を用い
てビーム位置を検出しておく（ステップ６１）。もっと
もこのドーズ補正係数ｋを求めることは前述したように
従来から行っており、これ自体はこの発明に特有のもの
ではない。

【００２３】まずドーズ補正係数ｋについて説明する
と、ターゲット３２へのドーズ量Ｄは、一般的に次のよ
うに表される。

【００２４】

【数１】Ｄ＝Ｉ・ｔ／ｎ・ｅ・Ｓ ここでＩはビーム電流、ｔは注入時間、ｎはイオンの価
数、ｅは電気素量、Ｓは注入面積である。

【００２５】実際にターゲット３２に注入されるビーム
は、このイオン注入装置では前述したバックファラデー
３８全体で受けるビーム電流に相当するので、ｎ＝１と
すると、ドーズ量Ｄは次のように表される。

【００２６】

【数２】Ｄ＝Ｉ_B・ｔ／ｅ・Ｓ_B ここでＩ_B はバックファラデー３８全体に流れるビーム
電流であり、Ｓ_B はバックファラデー３８全体の開口面
積である。

【００２７】前述したドーズモニタファラデー２６で計
測するビーム電流と、実際にターゲット３２に照射され
るビーム電流（これはバックファラデー３８で計測する
ビーム電流に相当する）との間の補正を行うドーズ補正
係数ｋを次のように定義する。

【００２８】

【数３】ｋ＝（Ｓ_B／Ｓ_D）×（Ｉ_D／Ｉ_B） ここでＩ_D はドーズモニタファラデー２６に流れるビー
ム電流であり、Ｓ_D はドーズモニタファラデー２６の開
口面積である。このＳ_B およびＳ_D は予め分かっている
ので、注入開始直前にＩ_D およびＩ_B を求めることによ
り、ドーズ補正係数ｋを求めることができる。

【００２９】ちなみに、この数３より求めたＩ_B を数２
に代入し整理すると次の式が得られる。

【００３０】

【数４】Ｄ＝Ｉ_D・ｔ／ｋ・ｅ・Ｓ_D 即ち、ドーズモニタファラデー２６で計測したビーム電
流Ｉ_D およびドーズ補正係数ｋを用いて、この式から、
ターゲット３２に実際に注入されるドーズ量Ｄを求める
ことができる。

【００３１】ドリフト検出ファラデー４４を用いてビー
ム位置を検出するには、このドリフト検出ファラデー４
４を構成するファラデーカップ４２のどの範囲までイオ
ンビーム２が入射しているかを、即ちどの範囲のファラ
デーカップ４２に規定値以上のビーム電流が流れている
かを検出することによって行うことができる。例えば、
イオンビーム２が図１に示す状態にある場合は、スリッ
ト２２ａの左右にあるファラデーカップ４２の２個ずつ
にイオンビーム２が入射しているので、イオンビーム２
のビーム軌道の中心がスリット２２ａの中心と一致して
いることが分かる。仮にビーム軌道が右にずれていれ
ば、右側の方がビーム電流が流れているファラデーカッ
プ４２の個数が多くなる。

【００３２】次に、例えば実際の注入中に、イオンビー
ム２の軌道のドリフト量およびドリフト方向を検出する
（ステップ６２）。即ち、ドリフト検出ファラデー４４
のどの範囲までイオンビーム２が入射しているかによっ
てイオンビーム２の位置を検出することができ、この位
置と、ステップ６１で予め求めておいたイオンビーム２
の位置との差により、イオンビーム２が左右のどちら側
に（ドリフト方向）、ファラデーカップ４２の何個分ず
れているか（ドリフト量）が検出できる。このビームド
リフトの検出および後述する復元の精度は、ドリフト検
出ファラデー４４の分解能、即ちドリフト検出ファラデ
ー４４を構成する各ファラデーカップ４２間の間隔ａに
よって決まる。分析電磁石電源８の制御精度は、通常は
ドリフト検出ファラデー４４の分解能より良いので殆ど
問題にならない。

【００３３】次に、ステップ６２で求めたドリフト量が
ある規定値以上か否かを判定する（ステップ６３）。規
定値内ならば、問題ないのでそのまま注入処理を続け
る。規定値以上であれば、ステップ６４に進んで復元動
作を行う。

【００３４】ステップ６４におけるビーム位置の復元動
作は次のようにして行う。即ち、この例では、復元動作
を速くかつ精度良く行うために、粗調動作と微調動作を
併用している。

【００３５】粗調動作は、ビームドリフト量と分析電磁
石電源８の出力電流の関係を予めデータとして蓄えてお
き、このデータを用いてビーム位置を大まかに復元する
ものである。このようなデータの一例であるテーブルデ
ータの一部分を表１に示す。この表においてドリフト単
位とは、ドリフト検出ファラデー４４においてビームド
リフトを検出することのできる単位であり、具体的には
前述したように二つのファラデーカップ４２間の間隔ａ
のことである。この間隔ａは、必要とするドリフト量認
識精度、ドリフト復元精度に依存する。

【００３６】

【表１】

【００３７】この表１の例であれば、例えばイオンビー
ム２のイオン種がＢ⁺ でエネルギーが５ＫｅＶの場合
に、イオンビーム２が２単位分ドリフトしたのであれ
ば、分析電磁石電源８の出力電流を０．０２Ａ増加また
は減少させてやれば良いことが分かる。この増減の方向
は、例えばイオンビーム２が図１において左側にドリフ
トしているのであれば、質量分析電磁石６においてイオ
ンビーム２をより強く偏向させれば元に戻るから分析電
磁石電源８の出力電流を増加させれば良く、右側にドリ
フトしている場合はその逆だから減少させれば良い。

【００３８】微調動作は、ドリフト検出ファラデー４４
によってビーム位置をモニタしながら、分析電磁石電源
８の出力電流の最小設定単位（例えば０．０１Ａ）ある
いは一定値ずつを増減し、フィードバック制御によって
ビーム軌道を復元するものである。この微調動作は、フ
ィードバック制御であるので、ビーム軌道の復元精度は
高いけれども、ドリフト量が大きい場合は、初めからこ
の微調動作で復元すると時間がかかる。これに対して上
記粗調動作は、テーブルデータを参照して一気に復元す
るので速いけれども、フィードバック制御ではないので
復元精度は劣る。従って、両者を併用して、上記粗調動
作後に上記微調動作を行えば、復元動作を速くかつ精度
良く行うことができることになり、この実施例ではその
ようにしている。

【００３９】次に、ステップ６５において、ステップ６
３と同様にして、ドリフト量が規定値内になったか否か
を判定し、規定値内になければステップ６４に戻って復
元動作を続け、規定値内であればこの例ではステップ６
６に進む。ステップ６５でドリフト量が規定値内と判定
された場合、一応目的は達成されたのであるから、それ
で復元動作を終了しても良い。そのようにする場合は、
前述したステップ６０のドーズ補正係数ｋを演算する処
理も必要はない。この例ではそのようにせずに、ステッ
プ６６に進むのは次のような理由による。

【００４０】即ち、前述したドーズ補正係数ｋの値に
は、イオンビーム２がどのような状態でドーズモニタフ
ァラデー２６およびバックファラデー３８に入射してい
るかの状況、より具体的にはイオンビーム２の走査電圧
波形とイオンビーム２の位置の両方が影響しており、イ
オンビーム２の走査電圧波形を固定と考えれば、イオン
ビーム２の位置の情報がこのドーズ補正係数ｋに含まれ
ている。

【００４１】元々、従来から注入前にこのドーズ補正係
数ｋを求めることを行っており、そのデータを流用し
て、ビーム軌道復元後にドーズ補正係数ｋを再度求め
（ステップ６６）、これで求めたドーズ補正係数ｋが先
にステップ６０で求めたものを基準にしてある範囲内に
入っているか否かを判定する（ステップ６７）ことで、
イオンビーム２の軌道が確実に復元できたか否かを判定
することができる。このような理由から、この例ではス
テップ６６以降を続けるようにしている。

【００４２】ドーズ補正係数ｋが基準内に入っていれ
ば、ビーム軌道は確実に復元できているから、例えばそ
の状態でターゲット３２に対するイオン注入処理を続行
すれば良い（ステップ６８）。ドーズ補正係数ｋが基準
内に入っていなければ、自動でビーム軌道を復元できて
いないことであるから、例えばオペレータの判断を待つ
ために注入処理を中断する（ステップ６９）。

【００４３】以上のような動作によって、イオンビーム
２のビーム軌道のドリフトを検出しかつそれを自動的に
復元することができる。その結果、ビームドリフトによ
って生じる注入均一性の悪化および注入量のバラツキを
自動的に抑制することができ、ターゲット３２に対して
正確なイオン注入処理を行うことができるようになる。

【００４４】なお、以上においては、イオンビーム２を
二組の走査電極１６および１８によって平行走査する、
いわゆるパラレルスキャン方式のイオン注入装置を例に
説明したが、上記説明からも分かるように、この発明は
イオンビーム２の平行走査を前提としていないので、イ
オンビーム２をＸ方向において単に走査する方式のイオ
ン注入装置にもこの発明を適用することができる。ま
た、イオンビーム２の電気的な走査手段は、静電走査手
段でも電磁走査手段でも良い。

【００４５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、イオン
ビームのビーム軌道のドリフトを検出しかつそれを自動
的に復元することができる。その結果、ビームドリフト
によって生じる注入均一性の悪化および注入量のバラツ
キを自動的に抑制することができ、ターゲットに対して
正確なイオン注入処理を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ドリフト検出ファラデーを設けたマスクの正面
および制御系を示す図である。

【図２】図１中のドリフト検出ファラデーの一部分を拡
大して示す斜視図である。

【図３】この発明に係るビーム軌道の復元方法の一例を
示すフローチャートである。

【図４】ハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置の
一例を示す平面図である。

【図５】図４の装置のマスク周りを示す側面図である。

【図６】図４および図５中のマスク部分を示す正面図で
ある。

【図７】図４および図５中のバックファラデー部分を示
す正面図である。

【符号の説明】

２ イオンビーム ４ イオン源 ６ 質量分析電磁石 ８ 分析電磁石電源 １６，１８ 走査電極（ビーム走査手段） ２２ マスク ２２ａ スリット ２６ ドーズモニタファラデー ３２ ターゲット ３４ ターゲット駆動装置 ３８ バックファラデー ４２ ファラデーカップ ４４ ドリフト検出ファラデー ４６ 信号変換器 ４８ 制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオンビームを射出するイオン源と、こ
   のイオン源からのイオンビームを偏向させて質量分析を
   行う質量分析電磁石と、この質量分析電磁石に電流を供
   給する分析電磁石電源と、質量分析電磁石からのイオン
   ビームを、当該質量分析電磁石における偏向方向が含ま
   れる面内においてＸ方向に電気的に走査するビーム走査
   手段と、このビーム走査手段の下流側に設けられていて
   イオンビームを通過させるＸ方向に細長いスリットを有
   するマスクと、このマスクの下流側に設けられた注入対
   象物であるターゲットと、このターゲットを前記Ｘ方向
   と実質的に直交するＹ方向に機械的に走査するターゲッ
   ト駆動装置とを備えるイオン注入装置において、前記マ
   スクのスリットのＸ方向の両外側に複数のファラデーカ
   ップをＸ方向にそれぞれ並列配置して成るドリフト検出
   ファラデーを設け、このドリフト検出ファラデーを用い
   て、それを構成するファラデーカップのどの部分までイ
   オンビームが入射しているかによってイオンビーム軌道
   のドリフト量およびドリフト方向を求め、このようにし
   て求めたドリフト量がある規定値以上か否かを判定し、
   ドリフト量が規定値以上の場合は、それが規定値より小
   さくなるように、前記分析電磁石電源の出力電流を自動
   的に調整することを特徴とするイオン注入装置における
   ビーム軌道の復元方法。