(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に入射し、イオンエネルギーを保有するイオン種の角度分布をモニターする飛行時間（ＴＯＦ）型イオンセンサーシステムであって、
前記イオン種から一パルスのイオンを受け取る第１端と、前記一パルスのイオンのうち重いイオンおよび軽いイオンがそれぞれパケットとして到達する第２端とを有するドリフト管と、
前記ドリフト管の前記第２端に配置され、前記一パルスのイオンから引き出され、かつ異なるイオン質量にそれぞれ対応するイオンの前記パケットを検出するイオン検出器と
を備え、
前記ＴＯＦ型イオンセンサーシステムは、前記ドリフト管の角度を前記基板の平面に対して変化させる
ＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項２】
複数回のＴＯＦ測定において、対応する複数の前記ドリフト管の角度で、イオンを検出する請求項１に記載のＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項３】
前記ドリフト管の角度を前記基板の平面に対して変化させる位置決め装置をさらに備える請求項１または２に記載のＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項４】
前記異なるイオン質量は、前記パケットの異なる到達時間にそれぞれ対応する請求項１から３のいずれか１項に記載のＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項５】
前記ＴＯＦ型イオンセンサーシステムの筺体内に配置された一セットの電極をさらに備え、
前記一セットの電極は、
閉モードにおいて、逆電位を使用して、前記ドリフト管に入るイオンを阻止し、開モードにおいて、前記ドリフト管に向けてイオンを通過させるゲート電極と、
前記筺体に入るイオンに、前記イオンが前記ドリフト管に入る前に、減速電位を供給する減速電極と
を含み、
前記イオン検出器では、異なる質量を持つイオンを分解可能である
請求項１から４のいずれか１項に記載のＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項６】
前記イオン種のエネルギーが閾値より高い場合、減速モードで動作する請求項５に記載のＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項７】
所定のエネルギーを保有するイオンを第１検出器に向けて偏向させるエネルギー分析器をさらに備える請求項１から６のいずれか１項に記載のＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項８】
前記ドリフト管の前記第２端を出射し、前記エネルギー分析器によって軌跡を変更されていない粒子を検出するインライン検出器をさらに備える請求項７に記載のＴＯＦ型イオンセンサーシステム。
【請求項９】
基板平面に入射する、プラズマから受け取ったイオン種を測定する方法であって、
前記プラズマと、ドリフト管および検出器を有する飛行時間（ＴＯＦ）型センサーとの間に第１電位差を印加する段階と、
指定されたイオンエネルギーで、前記イオン種を前記ＴＯＦ型センサーに引き付ける段階と、
第１角度走査を実行する段階と
を備え、
前記第１角度走査を実行する段階は、
前記基板平面に対して第１の角度で前記ＴＯＦ型センサーを一つの基板領域に位置付ける段階と、
前記第１の角度で、前記イオン種のイオン質量を検出する段階と、
前記ＴＯＦ型センサーを前記基板平面に対して一つ以上のさらなる角度で位置付ける段階と、
前記一つ以上のさらなる角度のそれぞれで、前記イオン種のイオン質量を検出する段階と
を有する
方法。
【請求項１０】
容量性プローブとして動作する前記ＴＯＦ型センサーの電極にＲＦバイアス電圧を供給する段階と、
前記ＴＯＦ型センサーの抽出開口に蓄積した材料の堆積厚さをモニターする段階と、
前記ＴＯＦ型センサーの動作パラメータを、前記堆積厚さにしたがって調整する段階と
をさらに備える請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ドリフト管と前記検出器との間にエネルギー分析器を設ける段階と、
所望のエネルギーにしたがって、前記ドリフト管から受け取ったイオンを前記検出器に送るよう前記エネルギー分析器を設定する段階と、
をさらに備える請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記イオン種は、正イオンであり、
前記第１の角度または前記一つ以上のさらなる角度のそれぞれで前記イオン質量を検出する段階は、
前記ＴＯＦ型センサーの第１電極に、プラズマ電圧に対して負の電圧パルスを供給する段階と、
イオン種が前記ドリフト管を通過する飛行時間を前記検出器で記録する段階と
をさらに含む
請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記指定されたイオンエネルギーよりも低いイオンを、前記イオンが前記ドリフト管に入る前に減速させる減速電位を第２電極に供給する段階をさらに備える請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１電極は、閉モードにおいて、前記ＴＯＦ型センサーに入るイオンを阻止し、前記第１電極に対する前記電圧パルスの持続期間に対応する開モードにおいて、前記ドリフト管に向けてイオンを送るゲート電極を含む請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１電位差は、一連のＤＣパルスとして印加され、
前記開モードは、前記電圧パルスの間、一回以上トリガされる
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
プラズマチャンバにおいてプラズマ電位でプラズマを生成するプラズマ源と、
基板領域の基板平面に基板を位置付け、基板電位を受け取る基板ホルダーと、
前記基板ホルダーの近くに配置された飛行時間（ＴＯＦ）型イオンセンサーシステムと
を備え、
前記プラズマチャンバは、前記プラズマの電位と前記基板の電位との差によって決まるエネルギーで、ある範囲の角度で入射するイオンを含むイオンビームを前記基板領域に供給し、
前記ＴＯＦ型イオンセンサーシステムは、
前記基板領域でイオンを受け取る第１端を有し、前記基板の電位を受け取るＴＯＦ型センサーと、
前記基板平面に対する前記ＴＯＦ型センサーの角度を変化させる位置決め装置と
を有し、
複数の角度を含む前記範囲の角度で分散したイオンが、連続した複数のＴＯＦ測定において、対応する複数の前記ＴＯＦ型センサーの角度で、前記ＴＯＦ型イオンセンサーシステムに受け取られる
イオン打ち込みシステム。
【請求項１７】
前記プラズマチャンバは、前記範囲の角度で前記基板平面にイオンを供給する開口を含むプラズマシース変更器を有する請求項１６に記載のイオン打ち込みシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークピースの打ち込みに関し、特に、イオン打ち込みをモニターする方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、たとえば、多様なドーパントをウェハに打ち込み、または、薄膜の堆積もしくはエッチングを実行するべく、半導体製造で広く用いられる。プラズマドープ処理（ＰＬＡＤ）等のプラズマイオン打ち込み処理では、イオンを高圧シースを介して抽出し、ターゲットに向けて加速する。
【０００３】
典型的なＰＬＡＤ処理では、ファラデーカップ電流に基づいて打ち込みドーズ量を測定することにより、プラズマをモニターする。しかし、ファラデーカップは、全電荷の測定に限られるので、多様に帯電した粒子間が区別されず、プラズマについて何らの洞察も得られない。さらに、プラズマがオン状態とオフ状態とを交互するパルスプラズマ処理では、プラズマを時間分解して測定することがしばしば求められる。
【０００４】
上記の懸案に対処するべく、プラズマ中のイオンをモニターするための飛行時間型のイオンセンサー技術が開発されている。特に、２００９年１月１３日に発行され、本明細書にその全体を参照として組み込む米国特許第７，４７６，８４９号は、基板に衝突するイオンを含むプラズマ種を固定角度でモニターする飛行時間型センサーの使用を開示する。
【０００５】
多様なドーパントをウェハに打ち込む別の方法では、ビームライン器具を用いたイオン打ち込みを用いる。たとえば、従来のビームライン器具（および、新たに開発されたプラズマに基づくイオンビームシステム）では、イオンは広範な角度でワークピースに衝突する。図１は、基板上に広範な角度分布でイオンを打ち込むための周知の集束プレート構成の断面図である。集束プレート１１は、プラズマシース２４２の中で電界を変動させて、プラズマ１４とプラズマシース２４２との間の境界２４１の形状を制御する。したがって、プラズマ１４からプラズマシース２４２内へと引き付けられたイオン１０２は、広範な入射角度（たとえば、イオン軌跡２６９〜２７１を参照）でワークピース１０に打ち込まれる。
【０００６】
イオン種をサンプリングするのに加え、このようなイオンビームシステムでは、イオンの角度分布を測定するのが望ましい。たとえば、イオンの角度、エネルギー、および質量の正確な分布は、このような処理によって形成されるデバイスに結果として与えられる特性を判定するのに重要である。しかし、上記の技術のいずれによっても、イオン種の質量、イオンエネルギー、および角度分布に関する情報が与えられない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記を考慮すると、イオン打ち込みの処理結果を予測可能かつ再現可能なものとするには、イオンのエネルギー、角度分布、および質量等のイオンのパラメータを綿密にモニターして制御する必要があることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態では、基板に入射し、イオンエネルギーを保有するイオン種の角度分布をモニターする飛行時間（ＴＯＦ）型イオンセンサーシステムは、イオン種から一パルスのイオンを受け取る第１端を有するドリフト管を備え、一パルスのイオンのうち、重いイオンおよび軽いイオンは、それぞれパケットとしてドリフト管の第２端に到達し、イオンセンサーシステムは、基板の平面に対するドリフト管の角度を変化させる。イオンセンサーシステムは、イオンセンサーの第２端に配置されたイオン検出器を備え、イオン検出器は、一パルスのイオンから引き出され、かつ異なるイオン質量にそれぞれ対応するイオンのパケットを検出する。
【０００９】
別の実施形態では、基板平面に入射する、プラズマから受け取ったイオン種を測定する方法は、プラズマと、ドリフト管および検出器を有する飛行時間（ＴＯＦ）型センサーとの間に第１電位を印加する段階と、第１角度走査を実行する段階とを備え、イオン種は、指定されたイオンエネルギーでＴＯＦ型センサーに引き付けられる。第１角度走査は、基板平面に対して第１の角度、基板領域にＴＯＦ型センサーを位置付ける段階と、第１の角度でイオン種のイオン質量を検出する段階とを有する。第１角度走査は、基板平面に対して一つ以上のさらなる角度で飛行時間型センサーを位置付ける段階と、一つ以上のさらなる角度でイオン種のイオン質量を検出する段階とをさらに有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明のより良好な理解を促進するべく、本明細書に参照として組み込む添付の図面を参照する。
【図１】周知の処理構成の断面図である。
【図２ａ】典型的なＴＯＦシステムを備える処理システムの概略図である。
【図２ｂ】典型的なＴＯＦシステムを備える処理システムの概略図である。
【図３】典型的なＴＯＦセンサーの概略図である。
【図４】別の典型的なＴＯＦセンサーの概略図である。
【図５】別の典型的なＴＯＦセンサーの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書に開示する発明の実施形態は、改良された処理システムを提供し、特に、基板に広範な角度から入射するイオンを供給する場合を含むイオンビームおよびプラズマ処理を、現場でモニターして制御するのに適した改良された飛行時間型（ＴＯＦ）イオンセンサーシステムを提供する。一般的に、イオンのエネルギー、質量、および角度分布は、本発明のＴＯＦセンサー構成にしたがって測定される。各ＴＯＦイオンセンサーは、処理チャンバに多様な方法で設置され、たとえば、現場での処理制御、処理準備度の検証、障害検出、打ち込みドーズ量補正、および打ち込み均一性の測定等の多くの機能に向けて配備される。特に、イオンの質量、エネルギー、および角度分布は、基板をプラズマからのイオンに暴露するときにリアルタイムに測定され、それにより、とりわけ、基板の打ち込みプロファイルの作成および／またはプラズマパラメータの調整によるリアルタイムでの打ち込みプロファイルの補正等のために用いられるモニター器具が提供される。
【００１２】
図２ａは、本発明の実施形態に係るＴＯＦセンサーシステムを備える典型的なイオン処理システム（または「処理システム」）２００の要素を示す概略図である。処理システム２００は、プラズマ２０６を内包するプラズマチャンバ２０２を備える。プラズマは、コイル２０４を使用してＲＦ誘導により形成してよく、または、その他の周知の方法により形成してよい。さらに、プラズマ２０６は、周知の方法にしたがって、連続プラズマ、またはパルスプラズマとして形成してよい。
【００１３】
イオン処理システム２００を用いて、基板ホルダー２３０にイオンを供給し、基板２３４を処理してよい。このような処理としては、とりわけ、基板へのイオン打ち込み、およびフォトレジスト構造等のパターニングによる表面特徴物の処理がある。プラズマと基板ホルダーとの間にバイアスを印加し、プラズマ中のイオンを所望のエネルギーで基板ホルダー２３０に向けて移動させる。一例では、正のパルスＤＣバイアス２０８をプラズマ２０６に供給し、プラズマ２０６中の正イオンを、接地電位にある基板ホルダー２３０に向けて加速する。プラズマ境界（図１の要素２４１を参照）を出射して基板ホルダー２３０に衝突するイオンは、幅のある入射角度を形成する。図２ａおよび図２ｂに示す実施形態では、プレート２１０をプラズマチャンバ２０２の一方に設け、これにより、開口２１２から抽出されて多様な入射角度で現れるイオンビームを供給する。
【００１４】
プレート（またはプラズマシース変更器）２１０は、プラズマシースの形状を変更してイオンが多様な角度でプラズマチャンバ２０２から出射されるようにする点で、プレート１１（図１に示す）と同様に構成してよい。プラズマ２０６のイオンが基板ホルダー２３０に衝突するとき、その運動エネルギーは、特に、プラズマ２０６とワークピース２３４との間に無衝突シース（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｌｅｓｓ  ｓｈｅａｔｈ）が存在する場合は、プラズマ境界（図１の２４１）と基板ホルダー２３０との電位差によって一次（ｆｉｒｓｔ  ｏｒｄｅｒ）に決まる。しかし、エネルギー伝達、運動量（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）、および、様々な処理の中でも、基板へのイオン打ち込みの範囲は、同じ運動エネルギーを保有するが、基板への入射角度が異なる各々のイオン間で、実質的に異なる。
【００１５】
処理システム２００は、イオン種、イオンエネルギー、およびプラズマ２０６から抽出されるイオンの角度分布を調べるために使用されるＴＯＦシステム２２０をさらに備える。さらに、システム２００は、とりわけ、処理モニター機能、処理パラメータを調整してイオンプロファイルを測定する機能、および、イオンドーズ量モニター機能を提供する。
【００１６】
本発明の実施形態によると、システム２００は、多様なモードで動作してよい。第１モードでは、システム２００は、所望の方法または一セットの動作パラメータにしたがって、ワークピースまたは一セットのワークピースにイオンを供給する「製造」装置として動作してよい。この製造モードでは、ＴＯＦセンサーシステム２２０は、イオンのモニターをせず、図２ａに示すように、イオンに暴露されないように配置される。プラズマチャンバ２０２から抽出されたイオンは、処理チャンバ２１６に入り、製造モードでは通常、基板ホルダー２３０が内部に配置されるチャンバ２１６の基板領域２１４全体に拡散する。次に、イオンは、設計にしたがって、基板２３４に衝突し、打ち込まれる。製造モードでは、基板ホルダー２３０を、たとえばｘ方向に沿って走査して、基板２３４の全体が、開口２１２を通じてプラズマ２０６を出射したイオンによるイオン衝撃に暴露されるようにしてよい。
【００１７】
図２ｂに示す交換モードでは、ＴＯＦセンサーシステム２２０を基板領域２１４内に配置して、製造モードにおいて基板が置かれるのと同様の環境でイオンを収集させるようにし、他方で基板ホルダー２３０を製造モードでのその通常位置２３０ａから移動させて、イオン測定の利便性を図ってよい。
【００１８】
モニターモードでは、基板ホルダー２３０およびＴＯＦセンサーシステム２２０の両方を同時に、プラズマ２０６から抽出されたイオンに暴露して、「製造用」基板に打ち込みが実行され、基板にイオン打ち込みが実行されているのと同時に、ＴＯＦセンサーによってイオンが収集され分析されるようにしてよい。
【００１９】
イオンを受け取るセンサー２２２の端を、製造モードで使用されるワークピース２３０の平面を表すワークピース２３０の平面またはその近傍で、基板領域２１４内に配置してよい。このようにセンサー２２２を配置することで、製造モードでワークピースが被るイオンプロファイルの正確な測定が促進される。モニターモードでは、基板ホルダー２３０およびＴＯＦセンサーシステム２２０の両方を、プラズマ２０６から抽出されたイオンを受け取る位置に配置してよい。たとえば、基板ホルダー２３０の中間領域に、開口２１２と位置を揃えて開口を形成し、ＴＯＦシステム２２０にイオンが供給されるようにしてよい。しかし、ＴＯＦセンサー２２２を基板ホルダー２３０とプレート２１０との間に配置する等の、その他のモニターモード構成も可能である。
【００２０】
図２ａおよび図２ｂの例では、ＴＯＦシステム２２０は、ＴＯＦセンサー２２２と、ｘ方向およびｚ方向において回転運動および並進運動を与え、ｙ方向（紙面から出る方向）においても運動を与えるＴＯＦセンサー位置決め装置（またはホルダー）２２４を有する。しかし、ＴＯＦセンサー２２２を位置決めするためのその他のメカニズムも可能である。本明細書で使用する「ＴＯＦセンサー」、「ＴＯＦイオンセンサー」、および「イオンセンサー」という用語は、互換的に用いられ、とりわけ、抽出電極、ＴＯＦドリフト管、およびイオン検出器を有する装置を指す。ＴＯＦセンサーホルダー２２４は、それ自体がチャンバ２１６に取り付けられ、またはその一部を形成してよい。ＴＯＦセンサーホルダーは、一例では、基板ホルダー２３０等のホルダーまたはステージに取り付けられるように構成されてよく、別の例では、チャンバ２１６の外部に設けられたメカニズムに取り付けられ、制御されてよい。
【００２１】
本発明の実施形態によると、ＴＯＦシステム２２０は、入射角度の関数としてイオン種およびイオンエネルギーを測定する機能を提供してよい。ＴＯＦセンサー２２２の多くの部材は、米国特許第７，４７６，８４９号に開示された構成にしたがって構成してよい。図３を参照すると、センサー２２２の一実施形態にかかる典型的なイオンセンサー１００が示されている。イオンセンサー１００は、処理チャンバ２１６の別の部分、たとえばホルダー２２４に取り付けられるように適合させうる筺体１０２を有してよい。筺体１０２には、所望の電位Ｖｈｏｕｓｉｎｇで個別にバイアスをかけてよい。たとえば、モニターモードまたは交換モードでは、Ｖｈｏｕｓｉｎｇを、製造モードまたはモニターモードでホルダー２３０に印加される電位と等しい電位に設定して、プラズマ２０６からのイオンが、基板２３０に衝突するのと同様な態様でセンサー２２２に向けて引き付けられるようにしてよい。
【００２２】
イオンセンサー１００は、筺体１０２内に、たとえば、所望の電位ＶＬ３で個別にバイアスをかけてよいドリフト管１０４も有する。
【００２３】
いくつかの実施形態では、イオンセンサー１００を包囲する圧力は、プラズマチャンバの圧力、典型的には、１〜３０００ｍＴｏｒｒと同等であってよく、他方で、ドリフト管は、典型的には、２×１０−６Ｔｏｒｒ以下で動作される。したがって、圧力差を吸収するべく差動排気を行ってよい。しかし、その他の実施形態では、イオンセンサー１００を包囲する圧力は、約１０−６Ｔｏｒｒ以下であってよく、差動排気は必要でなくなる。
【００２４】
センサー１００は、適切な電位Ｖｅｘｔｒａｃｔｏｒでバイアスされてプラズマから正または負のイオンを引き付ける抽出電極１０６と、それぞれＶＬ１およびＶＬ２でバイアスしてよい付加的なレンズ１０８および１１０とを有してよい。ＶＬ３でバイアスされるドリフト管１０４は、これらの続きとして第３の静電レンズとして機能してよい。センサー１００は、検出器アセンブリ１１２を用いてイオンの飛行時間型測定を実行するべく、ドリフト管１０４にパルス状にイオンを受け入れるよう配置してよい。
【００２５】
イオンセンサーのいくつかの実施形態では、エネルギー分析器１１４を図４に示すように設けてよい。電極１０６〜１１０のうち一つがゲートとして動作してよく、ゲートが開放されて、イオンがドリフト管１０４に引き入れられたとき、イオンがドリフト管１０４の他方端へと、さらにはエネルギー分析器１１４へとドリフトするようにしてよい。エネルギー分析器１１４は、指定されたイオンエネルギーでイオンを検出器１１２に向けて偏向させる機能を有する周知の分析器であってよい。したがって、指定されたエネルギーを保有するイオンだけが検出器１１２に向かうよう偏向される。
【００２６】
したがって、一つのゲートパルスの後、検出器１１２は、エネルギー分析器１１４によって判定されたイオンエネルギーを保有し、イオン質量によって時間差で検出器１１２に到達する一連のイオン群を検出する。ゲートをパルシングし、各パルスの後に検出器１１２でイオン群を収集することにより、測定を連続的に実行してよい。一実施形態によると、電極１１０（つまり、ゲート電極）は、極短いゲーティング期間を除いては、プラズマ電位と同等の正電圧で順方向にバイアスしてよい。たとえば、ゲートパルス幅は、約１００ｎｓであってよい。
【００２７】
プラズマモニターモードまたは交換モードでは、センサー１００は、プラズマ２０６等のプラズマからイオンが加速される期間、またはその近辺でだけ、ゲートを開放するようにしてよい。たとえば、ＤＣ正電圧パルス２０８をプラズマ２０６に印加してよく、それにより、接地されてよいワークピース２３０（およびセンサー１００）は、プラズマ２０６に対して、たとえば、−１０Ｖ〜−５０ｋＶの負電位となる。イオンは、プラズマ境界（図１の２４１）から加速され、開口２１２を出射し、その後、センサー１００およびワークピース２３４（ワークピース２３４が定位置にある場合）に、印加されたＤＣプラズマ電位によって決まるエネルギーで衝突する。いくつかの実施形態では、イオンセンサーでイオンをサンプリングするためのゲートパルシングは、たとえば、１００ｎｓのゲートパルスを、２００μｓおきに発生するプラズマ２０６のＤＣパルスごとに印加することにより、僅かな時間の間だけ実行してよい。
【００２８】
その他の実施形態では、ＤＣパルスの印加の前、間、および／または後の多様な時点で、イオンセンサーゲートパルスを連続的に供給することにより、時間分解測定を実行してよい。１ミリ秒の約１０分の１の間持続するＤＣパルスでは、所望により、一つのＤＣプラズマの間に、複数の１００ｎｓゲートパルスを印加して複数回のＴＯＦ測定を実行してよい。
【００２９】
図２ｂを再び参照すると、システム２００の所定の動作条件セット下でワークピースが受けるイオンの分布を正確に測定するための情報を取得するべく、センサーシステム２２０を、基板２３０の平面に対して様々な角度（たとえば、θ１およびθ２を参照）に回転させて、各角度で１回以上のＴＯＦ測定を実行してよい。さらに、ｘ方向に沿ったＴＯＦセンサーの位置を変化させ、位置の関数としてＴＯＦ測定を実行してよい。たとえば、図１をさらに参照すると、システム２００は、ワークピースにイオンを供給するのに使用される抽出プレート１１と同様の抽出プレートを備えてよい。センサー１００として実施してよいセンサー２２０を、図２ａおよび図２ｂに示すように、プレート１１の開口の中心に位置合わせするべく、ホルダー２２４を指標化してよい。一例では、開口は、ｘ方向に沿った幅Ｇが、開口の下の基板平面に対するイオンの幅および角度広がりを決定するのに役立つスリットである。したがって、センサー１００の抽出側が開口の中心２３２付近にある間に、多様な配置角度θにおいて、ＴＯＦ測定を連続的に実行してよい。一例では、ＴＯＦセンサーの電極システムは、約１度程度のイオン受け入れ角度を提供してよい。したがって、各測定または一セットの測定ごとに少なくとも１度、センサー１００を回転させると利便性がよい。所望の角度範囲における離散的な角度でＴＯＦ測定を連続的に実行した後、寸法が小さい開口に対してホルダー２２４を走査してよく、つまり、ホルダー２２４を＋ｘ方向または−ｘ方向に移動させてよく、その後、ある角度範囲で次のセットの測定を連続的に実行してよい。
【００３０】
したがって、システム２２０等の典型的なＴＯＦセンサーシステムは、多様な角度で収集した質量種のスペクトルを表す一セットのＴＯＦ質量スペクトルを生成してよい。スペクトルセットに含まれる情報は、入射角度に応じて、各イオン種の相対量に開き（つまり、質量の差）を含むことがある。
【００３１】
さらに、エネルギー分析器１１４等のエネルギー分析器を用いて、所望の入射角度で一種類以上のイオンエネルギーにおける一つ以上のＴＯＦスペクトルを収集してよい。ドリフト管におけるイオンの速度、したがってイオンの飛行時間は、イオンの質量およびエネルギーの両方に依存するので、エネルギーに開きがあるイオンがドリフト管に進行して、エネルギー分析されないで直接に検出器に通されると、検出される信号は、イオンの質量およびエネルギーの両方が合成されている。したがって、エネルギー分析器１１４は、所定の測定において、指定されたエネルギーを保有するイオンだけを検出器１１２に向けて偏向するように設定される。このようにすると、所定の測定で検出されるイオンのエネルギーが固定されるので、所定の質量を持つイオンの全てが検出器に同時に到達するはずであり、したがって、ＴＯＦスペクトルにおける各ピークが固有の質量（または、質量／電荷の比）を有することが保証される。
【００３２】
一例では、１０ｋｅＶの電位をプラズマチャンバ２０２と基板２３０との間に印加し、その間、固定角度でのＴＯＦ測定を連続的に、エネルギー分析器１１４のイオンエネルギー設定を変化させて実行する。エネルギー分析器１１４のエネルギーは、当初は１０ｋｅＶに設定して、公称イオンエネルギーを保有するイオンを記録して調べるようにしてよい。その後、エネルギー分析器を１０ｋｅＶ付近の他のエネルギーに設定してよく、これにより、所定の公称イオンエネルギーにおけるイオンエネルギーおよびイオン質量の広がりに関する有益な情報が得られる。したがって、本発明の実施形態は、イオン種、エネルギー、および入射角度を含む多次元的なパラメータ分析を、基板に入射するエネルギーイオンに行うことができる。
【００３３】
実施形態は、実際の製造システムがコンパクトである場合にも、高エネルギーイオン処理をモニターする性能を高める。ＴＯＦセンサーを回転可能として、有利に位置決めして処理チャンバとともに回転させることができるようにするべく、ＴＯＦセンサーを比較的に短寸法に構成して、ドリフト管を短い設計にすることが望ましいかもしれない。しかし、イオンパルスを１０ｋｅＶ以上の高イオンエネルギーでドリフト管に向けて入射させたとき、イオンパルスは検出器に到達しても、様々な質量を持つイオンが近接していて、検出システムによって的確に別々の信号またはピークに分解できないかもしれない。これは、パルス内の高エネルギーイオンの全てが、イオンエネルギーにしたがって非常に速い速度でドリフト管に入射し、フィールドフリー領域での飛行時間が短くなりすぎ、異なる質量を持つイオンの飛行時間の継続長の差が小さすぎて、イオン検出に用いられるカウンターで分解できないからである。
【００３４】
本発明の実施形態によると、ＴＯＦセンサーにおける少なくとも一つの電極は、ＴＯＦセンサーに入る入射イオンのエネルギーを、イオンがドリフト管部に入射する前に、弱める減速電位を受け取るよう動作する。減速電位の大きさは、入射イオンのエネルギーを、イオンがフィールドフリー領域に入って、その領域の長さによりイオン質量ごとの飛行時間が決まってしまう前に、所望のレベルにまで低下させるように選択してよい。これにより、入射イオンのＴＯＦ測定の質量分解がより良好になる。図３を参照すると、センサー１００によって所望の質量分解が実現されるレベルにまでイオンエネルギーを低下させるべく、電極１０８および１１０、ドリフト管１０４、ならびに検出器アセンブリ１１２等のセンサー１００の部材にバイアスを印加してよい。
【００３５】
一例では、＋２５ｋＶの逆電位（ｒｅｔａｒｄｉｎｇ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）をセンサー１００の様々な部材に印加して、３０ｋｅＶのエネルギーを保有する正イオンを減速させてよい。一例では、電極１０６は、上記のようにゲート電極として動作してよく、ゲートが開放されると、３０ｋｅＶのイオンがドリフト管１０４に向けて入射できるようにする。次に、イオンは、電極１０８、１１０、および１０４に印加された＋２５ｋｅＶの電位により減速され、〜５ｋｅＶのイオンの減速パルスがドリフト管１０４に入る。様々な質量を持つ５ｋｅＶのイオンにおける飛行時間の差は、検出器が別々のパケットとして検出して質量スペクトルにおいて別々のピークを生成するのに十分である。
【００３６】
一実施形態では、入射イオンエネルギーが、たとえば１０ｋｅＶ超等の所定の指定範囲内である場合には、電極に印加する減速電位を用いてセンサー１００を動作させ、イオンが保有する入射エネルギーがそれより低い場合には、減速電位を印加しないようにしてよい。たとえば、２ｋｅＶのイオン等の低エネルギー正イオンの場合、電極１０８を閉ゲートモードで＋２ｋｅＶでバイアスし、開ゲートで−１ｋｅＶでパルス化し、上記のようにイオンをドリフト管に向けて加速させてよい。
【００３７】
さらなる実施形態では、センサー１００等のＴＯＦセンサーをＲＦバイアスで構成して、ＴＯＦセンサーが長時間のイオンへの暴露により導入されうるエラーを回避できるようにしよい。一例では、抽出電極１０６に無線周波数（ＲＦ）（１〜３００ＭＨｚ、典型的には１３．５６ＭＨｚ）バイアスを供給してよい。ＲＦバイアスされた抽出電極１０６は、堆積処理が主流の環境（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ−ｄｏｍｉｎａｎｔ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）では、イオンを抽出して、抽出開口から堆積物を除去する等の多様な機能を果たす。多くの製造プロセスは、導電性であるか絶縁性であるかにかかわらず、薄膜材料をプラズマチャンバで堆積させる堆積処理が主流の環境で実行される。厚い絶縁膜によって抽出開口が遮蔽された場合、抽出電極１０６へのＤＣバイアスが無効となってしまう。ＲＦバイアスによって、抽出開口をスパッタクリーニングして、堆積した材料を除去してよい。つまり、ＲＦバイアスによって、イオンセンサー３００に、「自浄」能力を与えてよい。イオン抽出には、ＲＦバイアスは、プラズマ電位に対して負の平均電位を有してよい。スパッタクリーニングには、ＲＦセルフバイアスは、スパッタ閾値より大きくてよく、ピーク・トゥ・ピーク値は、１００〜１０００Ｖ以上であってよい。ＲＦバイアスされた電極は、周知の技術によって堆積厚さに関する情報を提供する容量性プローブとして動作することもできる。この情報は、たとえば、センサー１００の動作パラメータ、たとえば電極電位を調整して、電極周囲への材料の蓄積によってＴＯＦ測定が影響されないようにするために使用することができる。
【００３８】
図５は、イオンセンサーのさらなる実施形態を示す。センサー５００は、イオンセンサー１００に関して上記したように、イオンの抽出、ゲーティング、および／または、減速を行う開口セット５０２を有する。さらに、センサー５００は、ドリフト管５０４、エネルギー分析器５０６、ならびに検出器５０８および５１０を備える。いくつかの実施形態では、センサー５００は、イオンだけでなく、エネルギー中性子（ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ  ｎｅｕｔｒａｌｓ）もモニターしてよい。たとえば、センサー５００を、エネルギービーム５２０を受け取るように構成してよい。センサー５００を、センサーシステム２２０に関して上記したように、ある範囲の角度にわたってビームを収集するように構成してよい。エネルギービーム５２０は、所望のイオンエネルギーまで加速されるエネルギーイオンと、抽出および／または減速の後に中性化したイオンから生じるエネルギー中性子とを含みうる。エネルギー中性子は、典型的には、所望のイオンエネルギーに近いエネルギー、または所望のイオンエネルギーよりも低いエネルギーを保有する。ビーム５２０がドリフト管５０４を通過するとき、イオンおよび中性子は、ドリフト管を一緒に移動する。イオン５１２は、エネルギー分析器５０６を通ると、図示のように偏向され、イオンセンサー５００の側部に配置された検出器５０８に検出される。エネルギー分析器５０６は、たとえば正イオン等の帯電種を図示の方向に偏向させるＢフィールド（Ｂ−ｆｉｅｌｄ）を形成する、たとえば磁気分析器であってよい。しかし、エネルギー中性子５１４は電荷を担持していないので、エネルギー中性子５１４は、図示のように真っ直ぐな軌跡を継続し、「インライン」検出器５１０に検出される。したがって、イオンセンサー５００は、図１〜図４に示す上記の実施形態によって提供されたのと同様のエネルギーイオンに関する情報だけでなく、エネルギー中性子の量および角度分布に関する情報を提供するべく使用しよてい。
【００３９】
上記の本発明に係るイオンセンサーシステムは、典型的に、入力データの処理と、ある程度の出力データの生成とを伴う。この入力データ処理および出力データ生成は、ハードウェアまたはソフトウェアで実装してよい。たとえば、イオンビーム処理器等、または上記の本発明に係るイオン種の現場でのモニタリングに関連する機能を実行する関連回路において、特定の電子コンポーネントを用いてよい。または、格納された命令にしたがって動作する一つ以上のプロセッサによって、上記の本発明に係るイオン種の現場でのモニタリングに関する機能を実行してよい。この場合、このような命令を一つ以上のプロセッサ読み出し可能な媒体（ｃａｒｒｉｅｒｓ）（たとえば、磁気ディスク）に格納し、または、一つ以上の信号により一つ以上のプロセッサに送信することは、本発明の範囲に含まれる。
【００４０】
本発明は、本明細書に記載した特定の実施形態にその範囲を限定されない。事実、本明細書に記載したものに加え、本発明のその他の多様な実施形態および変更が、当業者には上記の記載および添付の図面から明らかとなるであろう。たとえば、イオンビームシステムが抽出プレートを使用してイオンビームを形成する本発明の実施形態を記載したが、本発明のＴＯＦセンサーシステムは、このような抽出プレートを備えない装置を含む、イオンを生成する多くの種類の装置で有利に配備しうる。さらに、ＴＯＦセンサーシステムは、モニターモードだけ、または交換モードだけを実行可能な処理システムで動作することができる。
【００４１】
したがって、このようなその他の実施形態および変更は、本発明の範囲に含まれることが意図されている。さらに、本発明は、本明細書に、特定の目的用の特定の環境における特定の実施例を背景として記載されたが、本発明の有用性は、これらに限定されず、本発明は、任意の数の目的用の任意の数の環境において有利に実行しうることは、当業者には理解されよう。したがって、以下に定義される特許請求の範囲は、本明細書に記載された開示内容の全範囲および全趣旨に鑑みて解釈されるべきである。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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