(57)【要約】      （修正有）【課題】イオン注入装置のイオンビームの断面形状にかかわりなく、ビームスキャナに適した収束と整形を実現する。【解決手段】イオン注入装置は、イオン源１０、質量分析磁石装置２２、質量分析スリット２８、ビームスキャナ３６等で構成される。質量分析磁石装置の出口から質量分析スリット入射前のビームライン区間に、第１の四重極縦収束電磁石２４を設け、質量分析スリットの出口からビームスキャナ入射前のビームライン区間に、第１の四重極縦収束電磁石よりも有効磁場効果の大きな第２の四重極縦収束電磁石３０を設けて、イオンビームの収束と整形を行う。具体的には、第２の四重極縦収束電磁石におけるイオンビーム進行方向の長さを、第１の四重極縦収束電磁石２４における長さよりも長くしている。その結果、第２の四重極縦収束電磁石によるイオンビームの収束力は、第１の四重極縦収束電磁石による収束力よりも大きくなる。【選択図】図１
2008262750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源から引き出されたイオンビームを、質量分析磁石装置及び質量分析スリットを経由させ、ビームスキャナにより往復走査させてウェハに照射し、ウェハにイオン注入を行うビームラインを有するイオン注入装置において、
前記質量分析磁石装置の出口から前記質量分析スリット入射前のビームライン区間に、第１の四重極収束電磁石を設けるとともに、前記質量分析スリットの出口から前記ビームスキャナ入射前のビームライン区間に、前記第１の四重極収束電磁石よりも有効磁場効果の大きな第２の四重極収束電磁石を設けて、イオンビームの収束と整形を行うよう構成したことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記第２の四重極収束電磁石は、ビームライン上における有効磁場区間が前記第１の四重極収束電磁石より長いことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記有効磁場効果は磁束密度で与えられることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記有効磁場効果は均一磁場の有効磁場区間の長さで与えられることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記第２の四重極収束電磁石の磁心の直径を前記第１の四重極収束電磁石よりも大きくすることにより前記有効磁場効果を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項６】
前記第２の四重極収束電磁石の磁心を前記第１の四重極収束電磁石よりもビームライン方向に長くすることにより前記有効磁場効果を大きくしたことを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
【請求項７】
前記第２の四重極収束電磁石の巻線回数を、前記第１の四重極収束電磁石よりも多くすることにより前記有効磁場効果を大きくしたことを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項８】
前記第２の四重極収束電磁石の励磁電圧又は電流を前記第１の四重極収束電磁石よりも大きくすることにより前記有効磁場効果を大きくしたことを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項９】
前記第２の四重極収束電磁石の前記有効磁場効果の大きさを前記第１の四重極収束電磁石の２倍以上としたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１０】
前記第１の四重極収束電磁石と同型のものをビームライン方向に二つ並べて配置することで前記第２の四重極収束電磁石としたことを特徴とする請求項９に記載のイオン注入装置。
【請求項１１】
前記第２の四重極収束電磁石を上下方向収束用電磁石とし、イオンビームに対する上下方向収束のレンジを広くしたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１２】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石はそれぞれ、上下方向収束用電磁石であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１３】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石はそれぞれ、上下方向収束用電磁石、横方向収束用電磁石であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１４】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石はそれぞれ、横方向収束用電磁石、上下方向収束用電磁石であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１５】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石はそれぞれ、横方向収束用電磁石であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１６】
前記質量分析スリットの出口から前記ビームスキャナ入射前のビームライン区間のビームライン上であって、イオンビームの収束と発散の中間状態の位置に前記第２の四重極収束電磁石を配置したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１７】
前記第２の四重極収束電磁石が上下方向収束用電磁石であり、前記ビームスキャナはイオンビームを間にして配置された一対の走査電極と、該一対の走査電極の上流側近傍、下流側近傍にそれぞれ設けられたスキャナサプレッション電極と、これらのスキャナサプレッション電極に接続されるとともに、前記一対の走査電極の対向電極面によって挟まれる空間内に設けられた一対の電場補正電極とを含み、前記ビームスキャナを、前記一対の走査電極による走査角度がゼロの時のゼロ電場効果により前記第２の四重極収束電磁石による上下方向収束を緩和させる横方向収束手段として作用させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１８】
前記第２の四重極収束電磁石の入口に近い上流側位置に、イオンビームを横方向に関して調整するステアリングコイルを配置したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【請求項１９】
イオン源から引き出されたイオンビームを、質量分析磁石装置及び質量分析スリットを経由させ、ビームスキャナにより往復走査させてウェハに照射し、ウェハにイオン注入を行うイオン注入装置において、
前記質量分析磁石装置の出口から前記質量分析スリット入射前のビームライン区間に配置した第１の四重極収束電磁石によりイオンビームに対して上下方向の収束を行い、
前記質量分析スリットの出口から前記ビームスキャナ入射前のビームライン区間に配置した、前記第１の四重極収束電磁石よりも有効磁場効果の大きな第２の四重極収束電磁石によりイオンビームに対して更に上下方向の収束を行うことにより、イオンビームを前記ビームスキャナに適した断面形状に整形できるようにしたことを特徴とするイオン注入装置におけるイオンビームの収束・整形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン注入装置に関し、特にイオンビームの収束、整形技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハにｎ型またはｐ型の導電層を形成する方法として、イオン源でイオン化した導電型ドーパントを電界で加速してウェハに打ち込む、いわゆるイオン注入技術が用いられている。イオン注入技術においては、イオン源に供給されたガスをプラズマ室でイオン化することによってプラズマを発生させ、引出電極に所定電圧を印加することによりプラズマからイオンビームを引き出している。続いて、引き出したイオンビームを質量分析磁石装置に入射させることにより所望の質量を持つイオンからなるイオンビームを取り出し、更にこのイオンビームを質量分析スリットを通過させた後、ビームスキャナで往復走査させてウェハに照射することによりイオン注入を行っている（特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、イオン注入を良好に行うための１つの要因として、ウェハに照射されるイオンビームの断面形状があげられ、イオンビームは所定の収束と整形が行われた状態でウェハに照射される必要がある。これを実現するために、これまでは、質量分析磁石装置とビームスキャナとの間のビームライン区間に、同型、同性能の四重極収束電磁石を対として配置してイオンビームの収束、整形を行い、最適なイオンビームをビームスキャナに入射させることができるようにしている。通常、ビームラインの上流側に配置されるのは上下（縦）方向収束用の四重極収束電磁石であり、下流側に配置されるのは横方向収束用の四重極収束電磁石である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５６２５９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような対の四重極収束電磁石により収束、整形を行う方法は、イオンビームの有効直径が比較的小さい時には、収束と整形に支障は生じない。しかし、イオンビームの有効直径がかなり大きい場合、特に横方向に大きな径を持つ断面楕円あるいは扁平の特殊形状のイオンビームの場合には、イオン種、ビーム量、ビームエネルギーなどの注入条件の違いに対応しながら所望の収束と整形を行うことが難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、イオンビームの断面形状にかかわりなく、ビームスキャナに適した収束と整形を実現できるようにしたイオン注入装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるイオン注入装置は、上下あるいは横方向に大きな径を持つ特殊断面形状のイオンビームをビームスキャナ入射前のビームライン区間において特に十分な収束と整形を実施するようにしたものであり、質量分析磁石装置の出口から質量分析スリット入射前のビームライン区間に第１の四重極収束電磁石を設けるとともに、質量分析スリットの出口からビームスキャナ入射前のビームライン区間に、第１の四重極収束電磁石より有効磁場効果の大きな第２の四重極収束電磁石を設けて、イオンビームの収束と整形を行うようにした点に特徴を有する。
【０００８】
本発明によるイオン注入装置は、具体的には、以下のような態様で実現されることが望ましい。
【０００９】
前記第２の四重極収束電磁石は、ビームライン上における有効磁場区間が前記第１の四重極収束電磁石より長くされる。
【００１０】
前記有効磁場効果は、磁束密度又は均一磁場の有効磁場区間の長さ（有効ポテンシャル長）で与えられる。
【００１１】
前記第２の四重極収束電磁石の磁心の直径を前記第１の四重極収束電磁石よりも大きくすることにより前記有効磁場効果を大きくする。
【００１２】
前記第２の四重極収束電磁石の磁心を前記第１の四重極収束電磁石よりもビームライン方向に長くすることにより前記有効磁場効果を大きくする。
【００１３】
前記第２の四重極収束電磁石の巻線回数を、前記第１の四重極収束電磁石よりも多くすることにより前記有効磁場効果を大きくする。
【００１４】
前記第２の四重極収束電磁石の励磁電圧又は電流を前記第１の四重極収束電磁石よりも大きくすることにより前記有効磁場効果を大きくする。
【００１５】
前記第２の四重極収束電磁石の前記有効磁場効果の大きさを前記第１の四重極収束電磁石の２倍以上とする。
【００１６】
前記第１の四重極収束電磁石と同型のものをビームライン方向に二つ並べて配置することで前記第２の四重極収束電磁石とする。
【００１７】
前記第２の四重極収束電磁石を上下方向収束用電磁石とし、イオンビームに対する上下方向収束のレンジを広くする。
【００１８】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石をそれぞれ、上下方向収束用電磁石とする。
【００１９】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石をそれぞれ、上下方向収束用電磁石、横方向収束用電磁石とする。
【００２０】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石をそれぞれ、横方向収束用電磁石、上下方向収束用電磁石とする。
【００２１】
前記第１の四重極収束電磁石、前記第２の四重極収束電磁石をそれぞれ、横方向収束用電磁石とする。
【００２２】
前記質量分析スリットの出口から前記ビームスキャナ入射前のビームライン区間のビームライン上であって、イオンビームの収束と発散の中間状態の位置に前記第２の四重極収束電磁石を配置する。
【００２３】
前記第２の四重極収束電磁石を上下方向収束用電磁石とし、前記ビームスキャナが、イオンビームを間にして配置された一対の走査電極と、該一対の走査電極の上流側近傍、下流側近傍にそれぞれ設けられたスキャナサプレッション電極と、これらのスキャナサプレッション電極に接続されるとともに、前記一対の走査電極の対向電極面によって挟まれる空間内に設けられた一対の電場補正電極とを含む場合、前記ビームスキャナを、前記一対の走査電極による走査角度がゼロの時のゼロ電場効果により前記第２の電磁石による上下方向収束を緩和させる横方向収束手段として作用させることができる。
【００２４】
前記第２の四重極収束電磁石の入口に近い上流側位置に、イオンビームを横方向に関して調整するステアリングコイルを配置する。
【００２５】
本発明によればまた、前記質量分析磁石装置の出口から前記質量分析スリット入射前のビームライン区間に配置した第１の四重極収束電磁石によりイオンビームに対して上下方向の収束を行い、前記質量分析スリットの出口から前記ビームスキャナ入射前のビームライン区間に配置した、前記第１の四重極収束電磁石よりも有効磁場効果の大きな第２の四重極収束電磁石によりイオンビームに対して更に上下方向の収束を行うことにより、イオンビームを前記ビームスキャナに適した断面形状に整形できるようにしたことを特徴とするイオン注入装置におけるイオンビームの収束・整形方法が提供される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によるイオン注入装置においては、第２の四重極収束電磁石による有効磁場効果を第１の四重極収束電磁石による有効磁場効果より大きくしたことにより、第２の四重極収束電磁石における収束力は、第１の四重極収束電磁石における収束力よりも大きくなる。従って、第２の四重極収束電磁石は、第１の四重極収束電磁石よりもイオンビームを収束させることができる。よって、イオンビームのビームエネルギー、イオン種の違い、更には質量分析スリットにおけるスリットサイズの違いにより第２の四重極収束電磁石に入射するイオンビームの断面形状が異なっていても、第２の四重極収束電磁石でイオンビームを収束させることができるので、ビームスキャナに最適なイオンビームを供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明によるイオン注入装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明を枚葉式のイオン注入装置に適用した場合の模式図であり、特に図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。イオン注入装置１の構成について、イオン源１０を起点とするビームラインの最上流から説明する。イオン源１０の出口側には、イオンチャンバー内で生成されたプラズマからイオンビームを引き出す引出電極１２が設けられている。引出電極１２の下流側近傍には、引出電極１２から引き出されたイオンビーム中に含まれる電子が引出電極１２に向かって逆流するのを抑制するサプレッション電極１４が設けられている。イオン源１０には、イオン源高圧電源１６が接続され、引出電極１２とターミナル１８との間には、引出電源２０が接続されている。
【００２８】
引出電極１２の下流側には、入射するイオンビームから所定のイオンを分離し、分離したイオンからなるイオンビームを取り出すための質量分析磁石装置２２が配置されている。質量分析磁石装置２２の下流側には、イオンビームを上下（縦）方向に収束させる第１の四重極縦収束電磁石（ＱＤ:Quadrupole Defocusing）２４、イオンビームをビームラインから偏向させるパーク電極２６、イオンビームのうち所定の質量のイオンからなるイオンビームを通過させる質量分析スリット２８、イオンビームを上下方向に収束させる第２の四重極縦収束電磁石（ＱＤ）３０が配置されている。パーク電極２６と質量分析スリット２８とは、アルミニウム等のクロスコンタミネーションのほとんどない材料からなるパークハウジング２７に収容されている。なお、質量分析スリット２８は、固定式の専用スリットのほか、複数段の切替え式（例えば、高ビーム電流用の楕円形／または長円形スリット、低ビーム電流用の細長円形スリット、ビーム軌道軸確認用の極小径スリットの三段のスリットサイズを機械的に切り替えるもの）の質量分析スリットが用いられる。
【００２９】
第２の四重極縦収束電磁石３０の下流側には、イオンビームを必要に応じて遮断するとともにビーム電流を計測するインジェクタフラグファラデーカップ３２、イオンビームの進行方向と直交する水平方向にイオンビームを周期的に往復走査させるビームスキャナ３６が配置されている。ビームスキャナ３６の上流側、下流側にはそれぞれ、イオンビームの断面サイズの大きさも制限することができる開口を有し、イオンビームの発散を抑制するとともにスキャン電場を周りから遮蔽するためのスキャナサプレッション電極３４、３８が設けられている。なお、インジェクタフラグファラデーカップ３２は後で説明されるように、ここでは上下方向の駆動機構によりビームライン上に入れ出し可能にされている。また、インジェクタフラグファラデーカップ３２、ビームスキャナ３６及びスキャナサプレッション電極３４，３８は、アルミニウムからなるスキャナハウジング３７に収容されている。
【００３０】
引出電極１２からパークハウジング２７を含むスキャナハウジング３７に至るビームラインの各部材はターミナル１８に収容されており、ターミナル１８にはターミナル電源１９が接続されている。従って、パークハウジング２７及びスキャナハウジング３７の電位は、ターミナル１８と同電位であり、ターミナル電源１９の電位となる。
【００３１】
ビームスキャナ３６の下流側には、ビームライン（ビームスキャナ３６で走査する前のイオンビームの中心軌道）に対し水平方向に角度を持つように偏向されたイオンビームを、ビームラインに平行となるように再偏向するパラレルレンズ４０、イオンビームを加速または減速する加速／減速コラム４２が配置されている。パラレルレンズ４０は、中央にイオンビームが通過する孔が透設された円弧形状の電極で構成されており、上流側から１枚目の電極は、ターミナル電位に保たれている。２枚目の電極は、サプレッション電極と呼ばれ、サプレッション電源４４が接続されて電子の流入を抑制している。３枚目の電極には、パラレルレンズ電源４６が接続されて、２枚目の電極と３枚目の電極との間に電界が発生し、水平方向に偏向されたイオンビームが偏向前のイオンビーム中心軌道に平行なイオンビームとなる。パラレルレンズ４０は、電界を利用する構造であり、２枚目の電極と３枚目の電極との間の電位差により、イオンビームは減速される。すなわち、ビームスキャナ３６により偏向されたイオンビームが、２枚目の電極と３枚目の電極との間の電界により偏向前のイオンビーム中心軌道に平行な方向に軌道修正されるとともに減速されることとなる。
【００３２】
加速／減速コラム４２は、直線形状の電極で構成されており、上流側から１枚目の電極には、パラレルレンズ４０の３枚目の電極と同様に、パラレルレンズ電源４６が接続されている。２枚目及び３枚目の電極には、それぞれ第１加速／減速コラム電源４８、第２加速／減速コラム電源５０が接続されており、これらの電源電圧を調整してイオンビームを加減速させる。また、４枚目の電極はグランド電位に接地されている。
【００３３】
加速／減速コラム４２の下流側には、ハイブリッド型の角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ： Angular Energy Filter）５２が配置されている。ＡＥＦ５２は、目的の加速エネルギーが得られているイオンビームを選別するエネルギーフィルタである。ＡＥＦ５２は、磁界偏向用の磁気偏向電磁石と電界偏向用電極とを備えている。磁界偏向用の磁気偏向電磁石は、ＡＥＦチャンバー５４の上下を囲むように配置されており、上下左右を囲むヨーク部材とそのヨーク部材に巻回された上下及び左右のコイル群とから構成されている。そして、磁界偏向用の磁気偏向電磁石には、直流電圧電源（図示省略）が接続されている。
【００３４】
一方、電界偏向用電極は、上下一対のＡＥＦ電極５６から構成され、イオンビームを上下方向より挟み込むように配置されている。一対のＡＥＦ電極５６のうち、上側のＡＥＦ電極５６には正電圧を、下側のＡＥＦ電極５６には負電圧をそれぞれ印加している。磁気による偏向時には、磁気偏向電磁石からの磁界によりイオンビームを下方に約２０度偏向させ、目的エネルギーのイオンビームのみが選択されることとなる。一方、磁界と電界もしくは電界のみによる偏向時には、磁気偏向電磁石からの磁界と一対のＡＥＦ電極５６間で発生する電界とによる併用作用もしくは電界の偏向作用によって、イオンビームを下方に約２０度偏向させ、目的エネルギーのイオンビームのみが選択されることとなる。
【００３５】
このようにＡＥＦ５２は、必要に応じてそれぞれ使用する磁界と電界のハイブリッド型であるので、低エネルギービームの輸送には電子閉じ込め効果の高い磁界を主として使用し、高エネルギービームの輸送には、常時使用する磁界に加えて電界偏向を併用することに加えて、電界のみの偏向作用を用いることもできる。なお、磁界を常時使用する場合と、磁界と電界とを併用するもしくは電界のみの偏向作用を用いる場合との使い分けは、エネルギーやイオン源１０のガスの種類によって異なっている。
【００３６】
ＡＥＦ５２には、電子を供給することでイオンビームの発散を抑え、ウェハ５８までのイオンビームの輸送効率を向上させるＡＥＦプラズマシャワー６０が設けられている。また、ＡＥＦ５２は、ＡＥＦサプレッション電極６２，６４をＡＥＦプラズマシャワー６０の上流側及び下流側に備えている。このＡＥＦサプレッション電極６２，６４は、電子障壁及びイオンビームの形状サイズの大きさを制限することが主な役割である。
【００３７】
ＡＥＦチャンバー５４の壁面には、カスプ磁場を形成する複数の永久磁石６６が配置されている。このカスプ磁場の形成によって、電子がＡＥＦチャンバー５４内に閉じ込められている。各永久磁石６６は、磁極をＡＥＦチャンバー５４内に向け、かつ、隣り合う磁極が互いに反対になるように配置されている。なお、ＡＥＦチャンバー５４の出口側には、ＡＥＦ５２で偏向されずに直進する、イオンが中性化した中性粒子などを受けるストライカープレート６８が設けられている。
【００３８】
プロセスチャンバー（真空処理室）７０は、ＡＥＦチャンバー５４と連通している。プロセスチャンバー７０内には、エネルギー分解可変スリット（ＳＥＳ：Selectable Energy Slit）７２が配置されている。エネルギー分解可変スリット７２は、イオンビームを上下方向から挟むように配置されており、上下の切り替えスリットは４つのスリット面を備えており、これらのスリット面を切り替えた後、さらに上下スリットの軸を上下方向に調整させたり、回転させたりすることによって、所望のスリット幅に変更する。これら４つのスリット面をイオン種に応じて順次切り替えることにより、クロスコンタミネーションを低減している。
【００３９】
プラズマシャワー７４は、低エネルギー電子をイオンビームとともにウェハ５８の前面に供給し、イオン注入で生じる正電荷のチャージアップを中和するととともに抑制している。プラズマシャワー７４の左右端に配置されたドーズカップ７６は、ドーズ量を測定する。具体的には、電流測定回路に接続されている左右のドーズカップに入ってくるイオンビームが、その回路を流れてくる電子により中性化されるので、この電子の流れを測定することによってイオンビームの測定を行う。
【００４０】
ビームプロファイラ７８は、イオン注入位置でのビーム電流の強弱測定を行うためのビームプロファイラカップ（図示省略）と、ビーム形状・ビームＸ−Ｙ位置を測定するためのバーティカルプロファイルカップ（図示省略）とを備えている。ビームプロファイラ７８は、イオン注入前などに水平方向へ移動させながら、イオン注入位置のイオンビーム密度を測定する。ビームプロファイル測定の結果、イオンビームの予想不均一性（PNU:Predicted Non Uniformity）がプロセスの要求に満たない場合には、ビームスキャナ３６の印加電圧などをプロセス条件に満たすように自動的に調整する。バーティカルプロファイルカップは、注入位置でのビーム形状を測定し、ビーム幅やビーム中心位置の確認を行う。
【００４１】
ビームラインの最下流には、ファラデーカップと同様のビーム電流計測機能を有して最終セットアップビームを計測するトリプルサーフェスビームダンプ（TSBD：Triple Surface Beam Dump）８０が配置されている。トリプルサーフェスビームダンプ８０は、イオン源１０のガスの種類に応じて三角柱の３面を切り替えることにより、クロスコンタミネーションを低減している。なお、ビームラインは高真空で維持されていることは言うまでもない。
【００４２】
これまでのイオン注入装置では、イオンビームのビームエネルギーの高低、イオン種（例えばＰ、Ｂ、Ａｓ等）の違い、ビームサイズの大小とビーム電流密度の大小、更には質量分析スリットにおけるスリットサイズの違いによってビームスキャナに入射するイオンビームの断面形状が変化し、イオンビームを均一な状態でウェハに照射することは簡単ではなかった。
【００４３】
これに対し、本発明によるイオン注入装置１においては、イオンビームを第１の四重極縦収束電磁石２４により上下方向に収束させるとともに、有効磁場効果の大きな第２の四重極縦収束電磁石３０によって更に上下方向に収束させることによって、ビームスキャナ３６に最適なイオンビーム、つまり断面形状の変化の小さい均一なイオンビームを入射させることができる。特に、第２の四重極縦収束電磁石３０の有効磁場効果を第１の四重極縦収束電磁石２４の有効磁場効果の２倍以上として上下方向の収束レンジを広くすることで様々なイオンビームに対応できるようにしている。以下に、これを実現するための具体的の構成について説明する。
【００４４】
図２（ａ）は、第１の四重極縦収束電磁石２４を示す正面図であり、図２（ｂ）は、第１の四重極縦収束電磁石２４のうちの２つの電磁石の概観を上方から示した図である。図２（ｃ）は、第１の四重極縦収束電磁石２４におけるイオンビーム進行方向の長さと磁束密度との関係を示した図である。
【００４５】
図２（ａ）に示すように、第１の四重極縦収束電磁石２４は、中央にイオンビームを通過させる空間１００が形成され、略八角形状に形成されている。また、第１の四重極縦収束電磁石２４は、互いに対向し合う２つのＮ極磁心１０２，１０４と２つのＳ極磁心１０６，１０８とを備え、破線の矢印で示すように、２つのＮ極磁心１０２，１０４の先端からは２つのＳ極１０６，１０８に向かう磁界を発生する。このためにＮ極磁心１０２，１０４及びＳ極磁心１０６，１０８にはそれぞれ巻線１１２が巻回され、各磁心の後端はヨーク１１０で結合されている。ここで、ビーム電流の方向は、正電荷の移動方向と定義されているので、イオンビームが図面の表面側から裏面側に向かって進行している場合には、ビーム電流が表面側から裏面側に向かって流れていることと同じである。図２（ａ）においては、表面側から裏面側に向かうイオンビームの進行方向を矢尻（○に×を加えた記号）で示している。
【００４６】
図２（ａ）に示す磁極配置によれば、イオンビームが表面側から裏面側に向かって進行している場合には、フレミングの左手の法則により、イオンビームを上下方向に収束させようとする力が働く。すなわち、Ｎ極磁心１０２の磁極端からＳ極磁心１０６に向かう磁界によってイオンビームには下向きに力が働き、Ｎ極磁心１０４の磁極端からＳ極磁心１０８に向かう磁界によってイオンビームには上向きに力が働く。一方、Ｎ極磁心１０２の磁極端からＳ極磁心１０８に向かう磁界によってイオンビームには左向きに力が働き、Ｎ極磁心１０４の磁極端からＳ極磁心１０６に向かう磁界によってイオンビームには右向きに力が働く。その結果、図２（ａ）に白抜きの矢印で示すように、イオンビームには、上下方向に収束させる力が作用し、左右（横）方向に発散させる力が作用することとなる。なお、第１の四重極縦収束電磁石２４におけるＮ極磁心１０２，１０４及びＳ極磁心１０６，１０８は、図２（ｂ）に二点鎖線で示すイオンビームの進行方向に関して長さＬ１の延在長を持つ。以下の説明では、各磁心の延在長Ｌ１を、イオンビームの進行方向における第１の四重極縦収束電磁石２４の延在長と呼ぶことがある。
【００４７】
図３は、イオンビームが第１の四重極縦収束電磁石２４で上下方向に収束される様子を説明するための図である。図３に示すように、破線で示す縦長楕円形状の断面を持つイオンビームが第１の四重極縦収束電磁石２４の空間１００を通過すると、第１の四重極縦収束電磁石２４の作用による収束力によって斜線で示す横長楕円形状の断面を持つイオンビームとなる。
【００４８】
図４（ａ）は、第２の四重極縦収束電磁石３０を示す正面図であり、図４（ｂ）は、第２の四重極縦収束電磁石３０のうちの２つの電磁石の概観を上方から示した図である。図４（ｃ）は、第２の四重極縦収束電磁石３０におけるイオンビーム進行方向の長さと磁束密度との関係を示した図である。図４（ａ）に示すように、第２の四重極縦収束電磁石３０は、中央にイオンビームを通過させる空間２００が形成され、略八角形状に形成されている。また、第２の四重極縦収束電磁石３０は、２つのＮ極磁心２０２，２０４と２つのＳ極磁心２０６，２０８とを備えており、２つのＮ極磁心２０２，２０４の磁極端からは２つのＳ極磁心２０６，２０８に向かう磁界を発生する。このためにＮ極磁心２０２，２０４及びＳ極磁心２０６，２０８にはそれぞれ巻線２１２が巻回され、各磁心の後端はヨーク２１０で結合されている。なお、図４（ｂ）において、第２の四重極縦収束電磁石３０におけるＮ極磁心２０２，２０４及びＳ極磁心２０６，２０８は、二点鎖線で示すイオンビームの進行方向に関して長さＬ２の延在長を持つ。第２の四重極縦収束電磁石３０においても、各磁心の延在長Ｌ２を、イオンビームの進行方向における第２の四重極縦収束電磁石３０の延在長と呼ぶことがある。
【００４９】
ここで、第２の四重極縦収束電磁石３０の構成について第１の四重極縦収束電磁石２４の構成と比較しつつ説明する。図４（ｂ）に示す第２の四重極縦収束電磁石３０の延在長Ｌ２を、図２（ｂ）に示す第１の四重極縦収束電磁石２４の延在長Ｌ１の２倍としている。第２の四重極縦収束電磁石３０の巻線２１２の巻数は、第１の四重極縦収束電磁石２４の巻線１１２の巻数と同じである。勿論、巻線１１２，２１２の太さも同じである。また、第２の四重極縦収束電磁石３０の巻線２１２に流れる励磁電流は、第１の四重極縦収束電磁石２４の巻線１１２に流れる励磁電流と同じである。その結果、第２の四重極縦収束電磁石３０のヨーク２１０を貫く磁束密度は、第１の四重極縦収束電磁石２４のヨーク１１０を貫く磁束密度と同じである。しかし、前述したように、第２の四重極縦収束電磁石３０の延在長Ｌ２は、第１の四重極縦収束電磁石２４の延在長Ｌ１の２倍である。このため、第１の四重極縦収束電磁石２４の空間１００と第２の四重極縦収束電磁石３０の空間２００とをイオンビームが同じ速度で通過する場合、第２の四重極縦収束電磁石３０の空間２００を通過する時間は、第１の四重極縦収束電磁石２４の空間１００を通過する時間の２倍となる。これは、図２（ｃ）、図４（ｃ）に示すように、第２の四重極縦収束電磁石３０は、第１の四重極縦収束電磁石２４と同じ磁束密度Ｇ１であっても、イオンビームに有効に作用する有効磁場区間Ｌ２’、言い換えれば有効磁場効果を呈する均一磁場の有効磁場区間の長さ（有効ポテンシャル長）が第１の四重極縦収束電磁石２４の有効磁場区間Ｌ１’の２倍となることを意味する。励磁電流に比例する磁束密度Ｇと有効磁場区間Ｌとの積はＧＬ積と呼ばれ、電磁石の有効磁場効果を示す１つの指標となっている。
【００５０】
いずれにしても、第２の四重極縦収束電磁石３０の空間２００を通過する間にイオンビームが受ける力は、第１の四重極縦収束電磁石２４の空間１００を通過する間にイオンビームが受ける力の２倍となる。その結果、第２の四重極縦収束電磁石３０のヨーク２１０を貫く磁束密度が、第１の四重極縦収束電磁石２４のヨーク１１０を貫く磁束密度と同じでも、第２の四重極縦収束電磁石３０においてイオンビームに作用する収束力は、第１の四重極縦収束電磁石２４においてイオンビームに作用する収束力の２倍となる。従って、第２の四重極縦収束電磁石３０は、第１の四重極縦収束電磁石２４よりもイオンビームを収束させることができ、第１の四重極極縦収束電磁石２４よりもイオンビームに対する上下方向収束のレンジを広くすることができる。
【００５１】
図５は、イオンビームが第２の四重極縦収束電磁石３０で上下方向に収束される様子を示す説明するための図である。図５に示すように、破線で示す縦長楕円形状の断面を持つイオンビームが第２の四重極縦収束電磁石３０の空間２００に進行してきた場合には、第２の四重極縦収束電磁石３０の収束力によって斜線で示す横長楕円形状の断面を持つイオンビームとなる。このとき、第２の四重極縦収束電磁石３０に進行してきたイオンビームが、第１の四重極縦収束電磁石２４の空間１００に進行してきたイオンビームよりも大きい楕円形状のイオンビームであっても、第２の四重極縦収束電磁石３０の収束力が第１の四重極縦収束電磁石２４の収束力の２倍であることから、設計通りに収束、整形されたイオンビームを得ることができ、ビームスキャナ３６に最適なイオンビームを入射させることができる。
【００５２】
上記のように、本発明によるイオン注入装置１では、質量分析磁石装置２２を通過したイオンビームは、第１の四重極縦収束電磁石２４によって上下方向に収束される。その後、パーク電極２６を通過し、所定の質量のイオンからなるイオンビームのみが質量分析スリット２８を通過する。質量分析スリット２８を通過したイオンビームは、第２の四重極縦収束電磁石３０によって上下方向に収束される。前述したように、第２の四重極縦収束電磁石３０の延在長Ｌ２は、第１の四重極縦収束電磁石２４の延在長Ｌ１の２倍なので、第２の四重極縦収束電磁石３０を通過するときには、第１の四重極縦収束電磁石２４の収束力の２倍の収束力でイオンビームが上下方向に収束される。従って、イオンビームのビームエネルギーの高低、ビームサイズの大小とビーム電流密度の大小、イオン種の違い等によってイオンビームの断面形状が異なった場合、第１の四重極縦収束電磁石２４による収束、整形の作用は小さいものの、有効磁場効果のより大きな第２の四重極縦収束電磁石３０により設計通りのイオンビームに収束、整形することができ、ビームスキャナ３６に最適なイオンビームを入射させることができる。これは、質量分析スリット２８におけるスリットサイズの違いによってイオンビームの断面形状が異なった場合でも同様である。
【００５３】
図６（ａ）、図６（ｂ）を参照して、イオン源１０から加速／減速コラム４２までのイオンビームの収束、整形について説明する。図６（ａ）はイオン注入装置の主な構成要素とこれらを通るイオンビームを上方から見た図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）を側方から見た図である。なお、理解し易くするために、各構成要素の間には十分な間隔をおいて示している。
【００５４】
イオン源１０から引出電極１２により引き出されたイオンビームは質量分析磁石装置２２に出射される。引出電極１２に設けられている引出スリットの作用によりイオンビームは上下（縦）方向に収束し、横方向に発散するイオンビームとして出射される。質量分析磁石装置２２では入射したイオンビームに対する質量分析が行われて必要なイオン種のみが選択される。上述した引出電極１２の極縦収束レンズ作用および質量分析磁石装置２２の横方向における凸レンズ作用により、質量分析磁石装置２２に入射したイオンビームは、質量分析磁石装置２２の中心位置で上下方向のビーム幅（径）が最小になるとともに横方向のビーム幅（径）が最大になり、質量分析磁石装置２２の中心位置を通過したイオンビームは、上下方向についてビーム幅が発散するとともに横方向についてはビーム幅が収束するようにされる。
【００５５】
第１の四重極縦収束電磁石２４は、前述したように、質量分析磁石装置２２を通過したイオンビームのビーム幅を上下方向に収束させるとともに横方向に発散させるように作用する。つまり、図３に破線で示すように第１の四重極縦収束電磁石２４には上下方向のビーム幅が大きく（上下方向に発散）、横方向のビーム幅が小さい（横方向に収束）縦長断面形状を持つイオンビームが入射するが、このイオンビームのビーム幅を、斜線で示すように上下方向に収束させるとともに横方向に発散させるように作用する。その結果、上下方向についてビーム幅が発散しつつあるとともに横方向についてはビーム幅が収束しつつあるイオンビームは、質量分析スリット２８の位置で上下方向のビーム幅が最大、横方向のビーム幅が最小になる。第１の四重極縦収束電磁石２４が質量分析スリット２８より上流側にあると、より横幅の広い多くのイオンビームを質量分析スリット２８を通過させることができる。また、上下方向の発散を抑えることもでき、上下方向についてより多くのイオンビームを通過させることができる。つまり、不要なカット、不要な発散を防ぐことができる。
【００５６】
質量分析スリット１５を通過したイオンビームは、収束していた横方向についてはビーム幅が発散に転じるため、縦方向についてビーム幅が収束するようになる。
【００５７】
第２の四重極縦収束電磁石３０は、質量分析スリット２８を通過したイオンビームのビーム幅を上下方向に収束させるとともに横方向に発散させるように作用する。つまり、図５に破線で示すように第２の四重極縦収束電磁石３０には上下方向のビーム幅が大きく（上下方向に発散）、横方向のビーム幅が小さい（横方向に収束）縦長断面形状を持つイオンビームが入射する。第２の四重極縦収束電磁石３０は、このイオンビームのビーム幅を、斜線で示すように上下方向に収束させるとともに横方向に発散させるように作用する。これにより、上下方向に強く収束し、横方向に発散したイオンビーム、つまり断面形状が横方向に長い楕円形状又は扁平形状のイオンビームがビームスキャナ３６に送られる。これにより、イオンビームは、一対の走査電極３６ａ、３６ｂを持つビームスキャナ３６の入り口近く（図１のスキャナサプレッション電極３４近傍）で上下方向のビーム幅が最小、横方向のビーム幅が最大になる。このような観点から、第２の四重極縦収束電磁石３０の設置箇所は、質量分析スリット２８の出口からビームスキャナ３６に入射する前のビームライン区間のビームライン上であって、イオンビームの収束と発散の中間状態の位置であることが好ましい。これは、イオンビームに対して上下方向に大きな収束力を作用させるためにはイオンビームの断面サイズ（上下方向のサイズ）が大きい方が好ましいからである。
【００５８】
図６（ａ）、図６（ｂ）には、理解を容易にするために、質量分析磁石装置２２の中心位置、質量分析スリット２８、ビームスキャナ３６、パラレルレンズ４０におけるイオンビームの断面形状を引出線で引き出して示している。これらの断面形状に付されたＸ、Ｙは、Ｘが横方向、Ｙが上下（縦）方向を示す。
【００５９】
ビームスキャナ３６は、上記のようにして得られた、断面形状が横方向に長い楕円形状又は扁平形状のイオンビームを周期的に横方向に往復走査させる。
【００６０】
イオンビームは、パラレルレンズ４０によりビームスキャナ３６へ入射する前のビームラインに平行になるように再平行化される。つまり、イオンビームは偏向角０度の軸に平行にされる。なお、パラレルレンズ４０の位置でのイオンビームは円形に近い断面形状になる。パラレルレンズ４０からのイオンビームは、１つ以上の電極から成る加速／減速コラム４２を経由してＡＥＦ５２（図１）に送られる。ＡＥＦ５２では、イオンビームのエネルギーに関する分析が行われ、必要なエネルギーのイオン種のみが選択される。
【００６１】
ところで、図１では図示を省略したが、以下のようにしても良い。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、質量分析スリット２８と第２の四重極縦収束電磁石３０との間、好ましくは第２の四重極縦収束電磁石３０の入口に近い上流側位置に横方向調整用のステアリングコイルＣｘを配置してイオンビームを横方向に関して調整するようにしても良い。
【００６２】
次に、第２の四重極縦収束電磁石３０とビームスキャナ３６との組み合わせによる効果について説明するが、その前にビームスキャナ３６の構成、作用について簡単に説明する。
【００６３】
図７（ａ）は、ビームスキャナ３６の構成を斜視図で示す。ビームスキャナ３６は、イオンビームを間にして対向するように配置された一対の走査電極３６ａ、３６ｂと、一対の走査電極３６ａ、３６ｂの上流側近傍、下流側近傍にそれぞれ、走査電極３６ａ、３６ｂを挟むようにして設けられたスキャナサプレッション電極３４、３８を有する。ビームスキャナ３６は更に、ビームラインと平行に延びてスキャナサプレッション電極３４、３８に接続されるとともに、一対の走査電極３６ａ、３６ｂの対向電極面によって挟まれる空間内に設けられたゼロ電場効果抑制用の電場補正電極３６−１、３６−２とを備える。電場補正電極３６−１、３６−２はスキャナサプレッション電極３４、３８と同じ負電位にされる。
【００６４】
図８は、ビームスキャナ３６によるゼロ電場効果抑制作用を説明するための図であり、ビームスキャナ３６を横断面図で示し、電場補正電極は図示を省略している。
【００６５】
図８（ａ）においては、ビームスキャナ３６を通過する正の電荷をもつイオンは、負の電圧を持つ左側の走査電極３６ａに引き寄せられる。一方、イオンビームに巻きついた電子は、正の電圧を持つ右側の走査電極３６ｂに引き付けられる。これによりビームスキャナ３６を通過するイオンビームは電子が失われ、正の電荷をもつイオン同士は空間電荷効果により反発するため、イオンビームは発散する傾向にある。電子はイオンよりも質量が軽いため、イオンよりも偏向角が大きい。
【００６６】
図８（ｃ）においても、図８（ａ）と同じ理由でビームスキャナ３６を通過するイオンビームは発散する傾向にある。
【００６７】
一方、図８（ｂ）は、交流走査電源に接続された一対の走査電極３６ａ、３６ｂに印加される電圧がちょうど０の瞬間におけるイオンビームの状態を示す。イオンビームに巻きついた電子は走査電極３６ａ、３６ｂに引き付けられることは無いが、電場補正電極３６−１、３６−２からの負の電場の作用によりイオンビーム内に残存せずにランダムな方向に飛散する。これにより、イオンビームが残存電子によって収束する傾向が抑制される。このような作用により、電場補正電極３６−１、３６−２はゼロ電場電極とも呼ばれている。
【００６８】
いずれにしても、電場補正電極３６−１、３６−２の上記の作用により、図７（ｂ）に破線で示すように、ビームスキャナ３６の下流側における走査端部、走査中心部のいずれにおいてもイオンビームの断面形状は変化せず、均一となる。
【００６９】
このようなゼロ電場電極を備えたビームスキャナ３６においては、一対の走査電極３６ａ、３６ｂによる走査角度がゼロで左右走査電極の電位の差がない時に限り、そのゼロ電場効果により第２の四重極縦収束電磁石３０による上下方向収束を緩和させる横方向収束手段として機能させることができる。
【００７０】
以上、本発明によるイオン注入装置を好ましい実施形態について説明したが、本発明によるイオン注入装置は、次のように変更して実現されても良い。
【００７１】
イオンビームの進行方向における第２の四重極縦収束電磁石３０の延在長Ｌ２を第１の四重極縦収束電磁石２４の延在長Ｌ１の２倍とするための構成を、第１の四重極縦収束電磁石２４と同じものをイオンビームの進行方向に二つ並べて配置し、対応する磁心の巻線を直列あるいは並列接続することで実現しても良い。
【００７２】
イオンビームの進行方向における第２の四重極縦収束電磁石３０の延在長Ｌ２は、第１の四重極縦収束電磁石２４の延在長Ｌ１の２倍以上であっても良い。
【００７３】
上記実施形態では、第２の四重極縦収束電磁石３０における巻線２１２の巻数は、第１の四重極縦収束電磁石２４における巻線１１２の巻数と同じであったが、これに代えて、イオンビームの進行方向における延在長は同じとし、第２の四重極縦収束電磁石３０における巻線の巻数を、第１の四重極縦収束電磁石２４における巻線の巻数の２倍以上にすることで磁束密度を増加させ有効磁場効果を２倍以上としても良い。
【００７４】
上記実施形態では、第１の四重極縦収束電磁石２４及び第２の四重極縦収束電磁石３０の巻線に流す励磁電圧又は電流は同じであったが、これに代えて、イオンビームの進行方向における延在長は同じとし、第２の四重極縦収束電磁石３０の巻線に流す励磁電圧又は電流を、第１の四重極縦収束電磁石２４の巻線に流す励磁電流の２倍以上にすることで磁束密度を増加させ有効磁場効果を２倍以上としても良い。
【００７５】
第２の四重極縦収束電磁石３０の磁心の直径を第１の四重極縦収束電磁石２４よりも大きくすることにより磁束密度を増加させ有効磁場効果を２倍以上としても良い。
【００７６】
イオンビームを第１の四重極縦収束電磁石で上下方向に収束させ、第２の四重極横収束電磁石で横（左右）方向に収束させることによって、ビームスキャナ３６に最適なイオンビームを供給することができるビームの諸条件（イオン種、ビーム量、ビームエネルギー等）においては、イオンビームを第１の四重極縦収束電磁石で上下方向に収束させ、第２の四重極横電磁石で横（左右）方向に収束させる構成としても良い。
【００７７】
イオンビームを第１の四重極横収束電磁石で横方向に収束させ、第２の四重極縦収束電磁石で上下方向に収束させることによって、ビームスキャナ３６に最適なイオンビームを供給することができるビームの諸条件（イオン種、ビーム量、ビームエネルギー等）においては、イオンビームを第１の四重極横収束電磁石で横方向に収束させ、第２の四重極縦収束電磁石で上下方向に収束させる構成としても良い。
【００７８】
イオンビームを第１の四重極横収束電磁石及び第２の四重極横収束電磁石で横方向に収束させることによって、ビームスキャナ３６に最適なイオンビームを供給することができるビームの諸条件（イオン種、ビーム量、ビームエネルギー等）においては、イオンビームを第１の四重極横収束電磁石及び第２の四重極横収束電磁石で横方向に収束させる構成としても良い。
【００７９】
上記実施形態では、イオンビームの進行方向と直交する水平方向にイオンビームを周期的に往復走査させる構成であったが、これに代えて、イオンビームを水平方向以外の特定方向、例えば垂直方向に周期的に往復走査させる構成であっても良い。
【００８０】
上記実施形態は、本発明を枚葉式のイオン注入装置に適用した場合であるが、本発明はバッチ式のイオン注入装置に適用されても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１（ａ）は本発明を枚葉式のイオン注入装置に適用した場合の構成を模式的に示した平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したイオン注入装置を側面から模式的に示した図である。
【図２】図２（ａ）は図１に示された第１の四重極縦収束電磁石を示す正面図、図２（ｂ）は第１の四重極縦収束電磁石のうちの２つの電磁石の概観を上方から示した図、図２（ｃ）は第１の四重極縦収束電磁石におけるイオンビーム進行方向の長さと磁束密度との関係を示した図である。
【図３】図３はイオンビームが第１の四重極縦収束電磁石で上下方向に収束される様子を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）は図１に示された第２の四重極縦収束電磁石を示す正面図、図４（ｂ）は第２の四重極縦収束電磁石のうちの２つの電磁石の概観を上方から示した図、図４（ｃ）は第２の四重極縦収束電磁石におけるイオンビーム進行方向の長さと磁束密度との関係を示した図である。
【図５】図５はイオンビームが第２の四重極縦収束電磁石で上下方向に収束される様子を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）は図１に示されたイオン源から加速／減速コラムまでのイオンビームの収束、整形について説明するための平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）を側面から見て示した図である。
【図７】図７（ａ）はビームスキャナの構成を斜視図で示し、図７（ｂ）はビームスキャナに備えられる電場補正電極について説明するための図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は図７に示されたビームスキャナの作用を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
１    イオン注入装置
１０    オン源
２２    質量分析磁石装置
２４    第１の四重極縦収束電磁石
２６    パーク電極
２８    質量分析スリット
３０    第２の四重極縦収束電磁石
３６    ビームスキャナ
１０２，１０４，２０２，２０４    Ｎ極磁心
１０６，１０８，２０６，２０８    Ｓ極磁心
１１０，２１０    ヨーク
【図１】
2008262750.tif 000003
【図２】
2008262750.tif 000004
【図３】
2008262750.tif 000005
【図４】
2008262750.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008262750.tif 000008
【図７】
2008262750.tif 000009
【図８】
2008262750.tif 000010