JPS6068543A - 原子質量の測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般にはイオン注入装置、より限定して酉えは
、この棟の装置において用いられるべく選択されたイオ
ンビームの原子質量（ａｔｏｍｉｃ　ｍａｓｓ）を測定
するンステトに関する。

半導体＋４ｔ’Ｘ片の製造に用いられるイオン注入（ｉ
ｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ　）装置においては、イオン分
離マグネットによって、選択されている粒子の質量を測
定し表示することができるならば有用である〇イオン分
離マグネットにおけるイオンビームのエネルギ（ビーム
エネルギ）は、通常のイオン注入装置においてならば、
測定されているシステムパラメータであり、分離された
粒子の質ｒｔは、ＡＭＵ＝ＫＢ２／Ｖの式でめられる。

ただし、Ａ、１ｖｌＬＪ＝原子質量ユニット、Ｂ−イオ
ン分離マグネットにおける磁界の強さ、■＝ビームエネ
ルギ、そして１（はイオン分離マグネットの物理的特性
およびイオンの電荷に関係する比例定数である。

したがってＡＭυの測定を完結させるために必要な測定
は、磁界の強さの測定である。磁界の強さの測定を行い
うる検出の仕掛けや電気回路部分は、市販品の中でめら
れるが、これらは十分な精度をもたない０すなわち、イ
オン注入装置に応用する場合に必要とされる精度に対し
、その面線性か十分でない。

それ故に本発明の目的は、イオン注入装置において発生
され分離されたイオンの質量を正確に測定する方法を提
供すること、より限定して言えば、イオンの質量を、前
記の関係を用いて算出するために必要な情報としての、
イオン注入装置のイオン分Ｑ　−’　７”　；ｒ、ノ１
−のｆｉ文界の強さの、正確で信頼性ある４１１１定力
１去を提供−４−ることにある。

本％ｔ　ｊＪ］のそのｊｌ１２の目的や利点については
、添付の図面を用いて説明する以降の記述から明らかと
なく）う。

４１図にイオン注入装置１０を示す。イオンは、イオン
抽出エイ、ルキの供給部］３からエネルギ供給をう（Ｊ
イこ、イオノ抽出の電極１１によって、イオン発生；原
１２から抽出される。抽出されたイオンは、加速、威圧
が印加されている分離前加速のカラム１５かある場合、
これによって加速される０次い］ニイオノは、イオン分
離のマグオパノト１４によって、１Ｌ路を変えられた後
、そのイオンビーム・に追加的工不ルキを付与するため
の分離後加速のカラ４／・１６を通過せしめられる。イ
オンビーム１７は・ヒれか１っ１−ノス糸］８を通り、
直列に並んだスキャンプレー　ト２０．２１を経て、終
端部２２に至るか、この終端部にはり一ケノト薄片２４
が、支１寺７ノノバー　２６に収められて取付けられて
いる。

ここで断っておきたいが、通常のイオン注入装置では、
分離前加速、分離後加速のいずれか】−〕あるいは両者
が行われている。分離前加速か行われている場合、イオ
ン分離マクネットにおけるヒームエネルギ■は、イオン
抽出電圧と分離油加速電圧との和を測定することによっ
てめられる。分離前加速が行われない場合には、ヒーム
エ不ルキ■かイオン抽出′亀圧を測定することによりめ
られる。分離後加速が行われるか否かによって、クーゲ
ット薄片２４におけるヒームエネルギが影響されるが、
イオン分離マクネット１４におけるヒームエネルギは影
響をうけない。す、降の説明においては便宜上、分離後
加速か行われていて、分離前加速は行われていないもの
きする。イオン注入装置１０自体については広く知られ
ている故、ここてなお詳しく述べることはさし控える。

第２図に、イオン注入装置１０のイオノヒート１７の中
の粒子の原子質量を測定するシステムのブロックダイヤ
クラムを示す。このシステムは本質的に、イオン分離マ
クネット１４における磁界の強さを表わす信号を発生す
る２ｊのザブシステム２８１．イオン注入システムにお
けるヒームエネルギを表わす信号を発生する第２のサブ
システム３０、および、これら２つの信号を組合わせて
、原子質量ユニットが直読できるようにする第３のザブ
システム３２から成っている。

イオン分離マク不ソ１−１４における磁界の強さは、回
転コ・ｆル式のカラスメーター３４で測定される。ずな
わぢ、発情コイル３６が、イオン分離マクネットの磁界
の中で回転され、Ｂとωの積に比１９すし／こ電圧を出
力する。たた゛し７ここで、Ｂは磁界の強さ、ωは屯源
′屯圧の角周波数である。

４二述から重要なこととして知られるのは、ガウス、メ
ーターの圧力か、コイルの回転角速度の変動に敏感に影
やゼされ４〕ことである。その結果として、原子質１し
ユニットの？）ｉ’ｉ定の場合、必要な精度をもつＡ−
市販のカラスメーターは、安定化された周波数の市び１
１で駆動される同期電動機を用いている。

しかしながら、ここで問題にしている利用分野では、実
用的でないと考えられる高価で嵩の大きい計測装置が必
要とされている０″それ故ｔこここでは、商用電源で駆
動される同期電動機３８を用いること、すなわちコイル
３６を商用′−源局周波数決まってしまう速度で回転さ
せることさした。米国における商用電源周波数はかなり
安定しているが、短時間内での変動が、１％のオーター
に達することもあり、それによって実際の測定において
４１−１する誤差は、容認できるものでない。さらに、
磁界の強さの変動や電動機における摩擦による回転角度
の変動（遅れ／進み）に起因して、出力′電圧の波形に
おいて、ωの高調波が含まれて来ることが考えられる〇 回転コイル３６のような発信器の出力は一般に、全波整
流ののちｐ波され、Ｊ３の平均値に比例する直流電圧佐
が得られているか、実際問題として、ヂ波された直流電
圧ζこは、ωの高調波や低周波分（５ｕｂ−ｍｕｌ　ｔ
ｉｐｌｅｓ　）を含むリップル、回路の、ノイズ、およ
び、平常時６０Ｈｚの商用′醒源周波数の変動の結果が
含まれて来る故、測定されたＢの値は、それがθノのザ
イクルの中のどの時点てとられたかに従って変ることと
なる。

本発明によると回転コイルの出力は、電圧／周波数の変
換器によって、仏と瞬時的に比例関係にある周波数に変
換される。

第３図で示すように、刀の平均値はＢの平均値を表わす
のではあるが、時刻ｔＩ＋ｊ２およびｔ３でとられた測
定値は、それぞれに異なるはずである。

しかし、もし重圧／周波数変換器によって、４が、それ
と瞬時的に比例関係にある周波数に変換され、その周波
数の一す−イクル数が、第４図に示すように、２π／　
０４あるいは、それの整数倍の時間にわたって計数さＱ
ｆｒ−ならば、その結果、得られるカウント数は、稀の
平均値、したがってＢの平均値に比例することとなる。

カウンターのゲートの信号継続時間が、ｎＸ２π／ω（
ｎ＝１，２．３・・）であれは、波形の中に含まれる０
）の高調波、成分のすべてが平均化（ａｖｅｒａｇｉｎ
ｇ　）される０この平均化は、１＝０からｔ＝ｎＸ２π
／ωまでの時間にわたっての数値積分（ｍａｔｈｅｍａ
ｔｉｃａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　）を行うことと同様で
あって、この積分値は、ωの高調波成分のすべてに対し
て０となる。それ故、カウンターのゲートの信号継続時
間を電源周波数の１４ノ−イクルの整数倍とするならば
、このカウンターのケートによる仕切りの動作は、ωの
変化あるいは差違に起因する発信器出力の変動に対して
、正確な補償をすることとなる。

ガウスメーターの出力はＢωに比例し、得られる累計°
のカウント数はｎＸ２π／ωに比例することになるから
、 累計カウント数＝ｔ−（−工王）Ｗ　ｘＢω）＝’１３
となり、測定システムはωの変動や差違に対して、正確
に補償され、ω／２πが５０Ｈ，ｚ　、　６０１−１ｚ
　、あるいはさらに異った周波数であっても、同じＢの
測定値を生ずることとなる。

さらに、この測定システムでは、ωあるいはその高調波
と同期した周期的ノイズが排除され、また、非同期のノ
イズも、カウンターのケートの持続時間を長くすればす
るほど、効果的に排除される。計数式あるいは積分式の
データ変換による周期的ノイズ除去の機能については、
よく知られているが、そのような測定システムが、回転
コイルの発信器３６の同期電動機による駆動において用
いられる場合に（ま、ノイズ除去が行われると同時ζこ
、コイルの回転速度の変動に対する補償も行われろ。さ
らにある利点は、結果としてまるデータがディジタルで
ある故に、ＡＭＵを算出するための馴算が容易であるこ
とにある。

犯２図は上述の概念に基づいて、ＡＩＩＪＵをめるため
の測定システムを示す。

回転コ・ｆル式のガウスメーター３４の発信部３６か、
イオン分離マクネット］４のエアギャップの中で、同期
電動機３８によって回転される０ガウスメーターからの
出力・底圧〃は、増巾器４０によって増巾され、全波整
流器４２で整流された後、［］−パスフ／ｆルクー４４
によってＰ波される。その結果、得られる出力電圧は、
第３図に示すような形のものとなるが、それが電圧／周
波数変換器４６に入れられる。

ｆｆｉ’ｌ　定システムの中でさらにノイズを減少させ
るために、Ｂを表わす周波数信号ｆ１は、光フアイバ式
信号伝送装置の発信器５０および受信器５２を経て、第
１のカウンター４８に伝送される。しかし、ここで断っ
ておくが、特にノイズを減少させること、あるいは電圧
の縁、切ゆ植チイ刊−ψ′とか不必要な場合は、直接結
線で伝送することもてきる。

磁界強さＢを表わす周波数信号ｆ、のだめの第１のカウ
ンター４８は、前述のように、電源周波数の１サイクル
の整数倍の時間にわたって、高レベル（あるいは低レベ
ル）をもつ信号によってケート開閉される。すなわち、
カウンター４８におけるゲート信号は、電源周波数の信
号を電源用波数の信号発生部５４の点でとり、それをデ
イハイク（分周）回路５６によってｎＸ２で除して得ら
れているので、カウンター４．８に、ｎＸ２π／ωの継
続時間をもったケート開閉信号を送り、この時間内にお
ける平均の磁界強さ１３に比例した出力信号を出さしめ
る。

八ＭＩＪの算出は最終的には、ＡＭＩｊ　＝　ＫＢ２／
Ｖの関係から得られるのであるから、Ｂを表わす信号は
、ディンクルの自乗回路５８に入力される。

上述の１４５１係式により必要であるヒームエネルギ■
の信号は、イオン注入装置のイオン抽出エネルギの供給
部６０の電圧から問題なく得られる。抽出電圧を表わし
、したがってビームエネルギを表わす信号を得るために
、１０ＫＶから２０ＫＶで動作するエネルギ供給部から
の信号は、２０００　：１の電圧分割回路６２に入れら
れ、そこで電圧信号は５〜ＩＯＶ　のレンジに縮小され
、この電圧信号が、′峰Ｈ二、／周波数の変換器６４に
よって周波数信号ｆ２に変換され、そして元ファイバ式
信号伝送装置の発信器６８および受信器７０を経て、第
２のカウンター６６に入力される。Ｂを表わす信号につ
いる必要がある場合に採用されるものである０周波数信
号ｆ２のカウンター６６は、時間固定のケート信号発生
器７２によってゲート開閉され、ここでビームエネルギ
Ｖ＋こ比例した出力信号が作られる。この信号が、Ｂを
表わす信号と共にディジクルの除算回路７４に入力され
、ここで１３／■に比例した信号が得られる。この信号
が次（ζスケールレンジの設定回路７６に入力され、こ
こて式ＡＭＵ　＝　Ｋ］３２／Ｖｉ、：　従−）　テ、
ＡＭＵヲ直１ｅｅテきル出力信号が得られるよう、比例
定数Ｋか適用され、この出力信号が、適当なディジタル
の表示装置７８に入れられて、そこで表示されることに
なる。

第５図には本発明の前記とは異った実施態様を示す。こ
の実施態様は本質的にはε４２図の実施態様と同じであ
るが、カウンター４８および６Ｇ、自乗回路５８、ディ
ジクル除算回路７４、およびスケールレンジ設定回路７
６が、１つのマイクｌ」ブロセ゛ノサ８０で置き換えら
れている。

このマイクロプロセッサの中では、Ｂに対応した周波数
は、電源周波数の１２８サイクルの間にわたって計数さ
れる。この計数の時間ｌ］は、ノイズの影響を最小にす
るのに十分であり、そしてＡＭＵの値を読み出す際のお
くれが問題になる程に、長い時間ではない。Ｂのカウン
トはそれ故にとなる。たたしｆ　１ｉｎｅ　は電源周波
数、ｆｌはＢおよび電源周波数に比例する周波数である
。この電源周波数に関係しないカウノト数が、ＡＭＵの
算出に用いられる。

■１こ対応するカウント数を得るのにも、同様の方法で
、先ず電源周波数あるいはその高調波に同期したノイズ
をすべて除くことが行われる。すなわち、 となる。ただしｆｌｉ。θ　は電源周波数、ｆ２は■に
比例した５周波数である。■カウントは■に比例し、そ
して電源周波数とは無関係でなければならない故、■カ
ウントに対する補正のため、既知の周波数の計数を、電
源周波数の１サイクルの整数倍の間にわたって行う。実
際」二、 を用いる０ただしｆ　１１ｎθは電源周波数、ｆＭｐｕ
　ｉま、それによりマイクロプロセッサが計数するとこ
ろの一定の周波数（クロック周波数）である。１３とあ
るのは、計数を行う時間巾が電源周波数の１３サイクル
の間にわたることを示す。この１３なる値は、電源鼠波
数の測定における分解能（すなわち精度）をできるだけ
高くし、しかも扱われる数値を記憶に便利な限度内に止
めるという方針の下で決められたものであるＯ補正され
た、電源周波数に無関係なり力、ラントは、 １３ Ｊ二×上二×亘Ｘ　ｆＭＰＵ　Ｘ訂−Ｘ　Ｋ。

ｆｌｉｎｅ　ｆｇｐＬ１１３ ＝ｆ２ＸＫ、。

と言１算される。ここに、Ｋ、はスケールレンジを決め
る定数で、 となるように定められている。

そこてＡＭＵは、電係周波数に無関係なりカウントおよ
び、重分周波数に無関係なＶカウントを用いて、 の関係から算出さ、１″′Ｌる。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン注入装置の組立て概念図、第２図は第１
図に示す形式の装置において発生され分−１１されンγ
イオンの質量を屓１）定するシステムのブロッククイア
クラム、第３図は本発明によるガウスメー　ターの出力
電圧の時間的変化を示すクラ７、様ニおけるブロックダ
イアダラムである。 １０：イオン注入装置（全体） １２：イオン発生源 １３：イオン抽出エネルギ・供給部 １４：イオン分離マクネット ３６：発信コイル ５８二自乗回路 ６０：イオン抽出エネルギ供給部 ６２　：　２０００：　１電圧分割回路６４：電圧／周
波数変換器 ７４：除算回路 ７６：スケールレンジ設定回路 ７８：デイシタル表示装置 ８０：マイクログロセソザ ’％許出出８人　イートン　コーポレーンヨノ代　理　
人　若　林　忠 手　続　補　正　書　（自発） ■、小事件表示　昭和５９年特許願　第２６１９２号２
、発明の名称 原子質量の測定システム ３、補正をする者 事件との関係　出願人 イートン　コーポレーション ４、代理人 ５、補正の対象　図面 手　続　補　正　書（方　式） ％式％ １、事件の表示　昭和５９年特許願　第２６１９２号２
、発明の名称 原子質量の測定システム ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 イートン　コーポレーション ４、代理人 住所　東京都港区赤坂！丁目９番２ｏ号第１６興和ビル
８階 ６補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明」の欄。 ７補正の内容 ■）明細書の第１９頁末行目の次に下記の文章を加入す
る。 「第４図は時間でライン電圧の変化を説明するグラフ、
」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〕）イオン抽出エネルギ供給部（１３）、イオン発生源
   （１２）、このイオン発生源から発生されるイオンの中
   から注入のためにある種のイオンを選択することができ
   るようなイオン分離マグネット（１４）、および、この
   イオン分離マグネットにおける磁界の強さに比例した第
   １の電気信号を発生させるための回転コイル（３６）を
   包含するイオン注入装置（１０）であって、イオン分離
   マグネットにおけるビームエネルギに比例した第２の電
   気信号を発生させる装置（６０，６２゜６４）、上記５
   Ａ１および第２の電気信号から選択された種唄のイオン
   の原子質量をめるための計算を遂行する計算装置（５８
   ，７４，，７６，８０）、および請求められた原子質量
   を目視で読みとるための表示装置（７８）を有すること
   を特徴とするイオン注入装置。 ２）前記回転コイル（３６）が商用交流成分を用いる同
   期電動機（３８）で駆動されること、および、前記第１
   の電気信号を前記イオン分離マクネットの磁界の強さお
   よび電源周波数に比例した第１の周波数信号に変換する
   装置（４６）を包含することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の装置。 ３）前記第１の周波数信号を電源周波数の周期に対応し
   た時間にわたって計数することにより、前記イオン分離
   マグネットの磁界の強さに比例し電源周波数には無関係
   な第１のディジタルカウントを得て、これを前記計算装
   置に送出する装置（４８，５４，５６）を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ４）前記第２の電気信号を第２の周波θ信号に変換する
   装置（６４）、および、この第２の周波数信号をゲート
   で仕切って計数することによって前記イオン分離マグネ
   ットにおけるヒームエ不ルギに比例した第２のディジタ
   ルカウントを得てこれを前記計算装置に送出する装置（
   ６６，７２）をイｊし、前記装置は、磁界の強さの自乗
   をビームエネルギで除したものに比例した計算結果をイ
   ↓）ることにより、選択された種類のイオンの原子質量
   に比例した信号を出すことができるものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項にδ己威の装置。 ５）前記躬】および′−８２の周波数信号が光フアイバ
   式の１言号伝送装置（５０，５２，６８，７０）によっ
   て伝送されることを特徴とする特許請求の範囲第・１項
   に記載の装置０ ６）前記第１の信号が入力されるマイクロプロセッサ（
   ８０）かあって、このマイクロプロセッサはこのＱ↓１
   の周波数信号を予めきめられた数の電源周波数のサイク
   ル数にわたって計数する装置を包含していることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ７）前記マイクロプロセッサ（８０）か前記第２の周波
   数信号を予めきめられた数の電源周波数のサイクル数に
   わたって計数する装置およびこの周波数カウントを補正
   して、前記イオン分離マグネットにおけるビームエネル
   ギに比例し電源周波数には無関係な第２の周波数信号と
   なす装置を包含しでいるこさを特徴とする特許請求の範
   囲第６項に記載の装置。 ８）前記イオン分離マクネットのエアキャップ内でコイ
   ル（３６）を回転させてこのイオン分離′７グ不ソトの
   磁界の強さに比タリした第１の′電気信号を発生させる
   こと、イオン分離マグネットにおけるビームエネルギに
   比例した第２の・電気信号を発生させること、および、
   磁界の強さの信号値の自乗をビームエネルギの信号値で
   除し友ものに比例する信号を出さしめること、の各ステ
   ップで成る、イオン注入装置（１ｏ）のイオン分離マグ
   ネッ）（１４）によって選択された種類のイオンの原子
   質量を測定する方法。 ９）前記コイルを商用交流電源を用いる同期′１ＩｆＩ
   ｖＪ機（３８）で駆動すること、前記第１の電気信号を
   周波数信号に変換すること、および、この周波数信号を
   電源周波数の周期に対応した時間にわたって計数するこ
   とにより、前記イオン分離マグネットの磁界の強さに比
   例し電源周波数には無関係な信号を得ること、の各ステ
   ップがあることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記
   載の方法。 １０）Ｉ′ｌ１ｆｌ記コイルを面コイル電源を用いる同
   期電動機（３８）で連動すること、前記第１の電気信号
   を周波数信号に変換すること、および、この周波数信号
   を予めきめられた数の電源周波数のサイクル数にわたっ
   て計数すること、の各ステップがあることを特徴とする
   特許請求の範囲第８項に記載の方法。