(57)【要約】【課題】  基板に入射するスポット状のイオンビームを構成するイオンまたはイオンビームの入射角度を精密に測定することのできるイオン注入装置を提供する。【解決手段】  このイオン注入装置は、基板４を保持するホルダ６の前面であって基板４を避けた所に取り付けられていてイオンビーム２を通過させる小孔１２を有するマスク板１０と、マスク板１０の小孔１２の背後に位置するようにホルダ６に取り付けられていて小孔１２を通過したイオンビーム２を受けて発光する蛍光板１６と、蛍光板１６の背後に位置するようにホルダ６に取り付けられていて蛍光板１６の発光像を捕らえる２次元のＣＣＤセンサ（電荷結合素子型撮像素子）１８とを備えている。【選択図】  図１
2005063874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポット状のイオンビームを電界または磁界によってＸ方向に平行走査すると共に、イオン注入すべき基板を保持するホルダをイオンビームの走査領域内で前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に走査する構成のイオン注入装置において、
前記ホルダの前面であって基板を避けた所に取り付けられていて、イオンビームを通過させる小孔を有するマスク板と、
このマスク板の小孔の背後に位置するように前記ホルダに取り付けられていて、当該小孔を通過したイオンビームを受けて発光する蛍光板と、
この蛍光板の背後に位置するように前記ホルダに取り付けられていて、当該蛍光板の発光像を捕らえる２次元の微細画像撮像素子とを備えていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記蛍光板と微細画像撮像素子との間に設けられていて、前記蛍光板の発光像を増幅するものであって、光を電子に変換する光電面と、電子を増倍するマイクロチャンネルプレートと、電子を光に変換する蛍光面とを有して成るイメージ増幅器を更に備えている請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記蛍光板の前面に設けられていて前記マスク板の小孔を通過したイオンビームを受けて２次電子を放出するバッフル板を更に備えており、前記蛍光板はこの２次電子を受けて発光するものである請求項１または２記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記蛍光板の代わりに、前記イオンビームまたは２次電子を受けて発光するシンチレータを備えている請求項１、２または３記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記微細画像撮像素子が、電荷結合素子型撮像素子である請求項１、２、３または４記載のイオン注入装置。
【請求項６】
前記微細画像撮像素子が、ＣＭＯＳトランジスタを用いた撮像素子である請求項１、２、３または４記載のイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スポット状のイオンビームをＸ方向に平行走査すると共に、基板を保持するホルダをＸ方向と実質的に直交するＹ方向に走査する、いわゆるハイブリッドパラレルスキャン方式のイオン注入装置に関し、より具体的には、基板に入射するイオンビームの入射角度を測定する手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット状のイオンビームを電界または磁界によってＸ方向に平行走査すると共に、イオン注入すべき基板を保持するホルダをイオンビームの走査領域内で前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に走査する構成のイオン注入装置において、基板に入射するイオンビームの入射角度を測定することは、基板に対して良好な（例えば注入均一性の良い）イオン注入を行う上で重要である。
【０００３】
ここで、図１１に示すように、基板４に対するイオンビーム２の入射角度は、基板４の表面に立てた垂線４ａに対するイオンビーム２の角度θ1 〜θn である。
【０００４】
上記入射角度を測定する技術として、特許文献１には、基板の上流側に設けた多点ビームモニタ（具体的には、Ｘ方向に多点のファラデーカップ）と、基板の下流側に設けた多点ビームモニタ（同前）とを用いて、互いに対応する時刻におけるイオンビームの上流側での位置および下流側での位置を求め、この両方の位置関係から基板に入射するイオンビームの平行度を、換言すればイオンビームの入射角度を測定する技術が記載されている。  
【０００５】
【特許文献１】特許第２９６９７８８号公報（第８欄６〜１８行、第１図、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術では、図１１を参照して、基板４に入射するスポット状のイオンビーム２の重心２ｍの入射角度θm を測定することはできるけれども、またこの入射角度θm の基板４の面内における分布を測定することはできるけれども、スポット状のイオンビーム２を構成するイオンまたはイオンビームの個々の入射角度θ1 、θ2 、・・・、θn を測定することはできない。従って当然、当該個々の入射角度の広がり（ばらつき）や、当該入射角度の空間分布を測定することもできない。
【０００７】
これは、前記従来技術では、多点ビームモニタの各検出点（具体的には、各ファラデーカップ）において、その検出点に入射するイオンビームのビーム電流のピーク位置（即ちイオンビーム２の重心２ｍの位置）を測定し、このピーク位置に基づく入射角度の測定を、基板４の領域をカバーするＸ方向の複数点（例えば１１点程度）において行っているに過ぎないからである。より具体例を示せば、入口のＸ方向の幅が３ｍｍ程度、Ｙ方向の高さが１００ｍｍ程度のファラデーカップを、基板４の全域をカバーするようにＸ方向に１１個程度並べて粗い測定を行っていた。即ち、前記従来技術では、スポット状のイオンビーム２のスポット面内におけるイオンまたはイオンビームの方向の変化（ばらつき）は全く考慮していないのである。
【０００８】
しかし、基板４に対してより精密なイオン注入処理を施すためには、基板に入射するスポット状のイオンビームを構成するイオンまたはイオンビームの入射角度を精密に測定することが重要である。例えば、基板表面に微細な半導体デバイスを形成するのにイオン注入を用いる場合、近年はこの微細化が非常に進んでいるので、正確なイオン注入を行う上で上記測定は重要である。
【０００９】
そこでこの発明は、基板に入射するスポット状のイオンビームを構成するイオンまたはイオンビームの入射角度を精密に測定することのできるイオン注入装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る第１のイオン注入装置は、前記ホルダの前面であって基板を避けた所に取り付けられていて、イオンビームを通過させる小孔を有するマスク板と、このマスク板の小孔の背後に位置するように前記ホルダに取り付けられていて、当該小孔を通過したイオンビームを受けて発光する蛍光板と、この蛍光板の背後に位置するように前記ホルダに取り付けられていて、当該蛍光板の発光像を捕らえる２次元の微細画像撮像素子とを備えていることを特徴としている（請求項１に相当）。
【００１１】
この構成によれば、スポット状のイオンビームの一部は、マスク板の小孔を通過して蛍光板に入射し、これによって、蛍光板はイオンビームの入射した領域が発光する。この蛍光板の発光像が、微細画像撮像素子によって捕らえられる。微細画像撮像素子は、前記従来技術の多点ビームモニタに比べて極めて多数の画素を有しているので、当該微細画像撮像素子によって、蛍光板に入射したイオンビームの入射位置および寸法を精密に測定することができる。
【００１２】
ここで、マスク板の小孔と蛍光板との幾何学的な関係は一定であるので、当該関係と、微細画像撮像素子で測定した上記イオンビームの入射位置および寸法とに基づいて、三角法によって、蛍光板に入射したイオンビームの入射角度および当該入射角度の広がりを精密に測定することができる。この測定を、微細画像撮像素子が２次元であるので、前記Ｘ方向およびＹ方向の２次元において行うことができる。
【００１３】
しかも、イオンビームはＸ方向に走査され、これによって、マスク板の小孔によって切り出すイオンビームの位置をビームスポット面内においてＸ方向に変化させることができるので、スポット状のイオンビームを構成するイオンまたはイオンビームの入射角度を、Ｘ方向における多数点において精密に測定することができる。更に、マスク板、蛍光板および微細画像撮像素子を取り付けたホルダはＹ方向に走査され、これによって、マスク板の小孔によって切り出すイオンビームの位置をビームスポット面内においてＹ方向に変化させることができるので、スポット状のイオンビームを構成するイオンまたはイオンビームの入射角度を、Ｙ方向における多数点において精密に測定することができる。
【００１４】
上記入射角度の測定はマスク板におけるものであるけれども、マスク板と基板とは同一のホルダに取り付けられていてほぼ同一の条件に置かれているので、上記測定によって、基板に入射するスポット状のイオンビームを構成するイオンまたはイオンビームの入射角度を多数点において精密に測定することができる。ひいては、当該入射角度の広がり（ばらつき）および当該入射角度の空間分布をも測定することができる。
【００１５】
前記蛍光板と微細画像撮像素子との間に設けられていて、前記蛍光板の発光像を増幅するものであって、光を電子に変換する光電面と、電子を増倍するマイクロチャンネルプレートと、電子を光に変換する蛍光面とを有して成るイメージ増幅器を更に備えていても良い（請求項２に相当）。
【００１６】
この構成によれば、イメージ増幅器を備えているので、微細画像撮像素子での撮像が高感度になる。従って例えば、マスク板の小孔の寸法をより小さくしても前記測定が可能になる。その結果、ビームスポット面内をより多くの区画に区切って前記測定を行うことができるので、前記測定をより精密に行うことができる。また、蛍光板に入射するイオンビームの量を少なくすることができるので、蛍光板がイオンビームによってスパッタされる度合いを軽減して、スパッタ粒子による基板へのコンタミネーション（不純物混入）を減少させることができると共に、蛍光板の寿命を長くすることができる。
【００１７】
前記蛍光板の前面に設けられていて前記マスク板の小孔を通過したイオンビームを受けて２次電子を放出するバッフル板を更に備えており、前記蛍光板はこの２次電子を受けて発光するものであっても良い（請求項３に相当）。
【００１８】
この構成によれば、バッフル板を備えているので、蛍光板がイオンビームによってスパッタされるのを防止することができる。その結果、蛍光板の寿命を長くすることができる。
【００１９】
前記蛍光板の代わりに、前記イオンビームまたは２次電子を受けて発光するシンチレータを備えていても良い（請求項４に相当）。
【００２０】
この構成によれば、シンチレータも蛍光板と同様に発光作用を奏するので、蛍光板の場合と同様の作用効果を奏する。また、シンチレータからのスパッタ粒子には、通常、蛍光板からのスパッタ粒子に比べて、金属粒子成分が少ないので、基板への金属コンタミネーションを減少させることができる。
【００２１】
前記微細画像撮像素子は、より具体例を挙げれば、例えば、電荷結合素子型撮像素子（以下、ＣＣＤセンサと略称する。）またはＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）トランジスタを用いた撮像素子（以下、ＣＭＯＳセンサと略称する。）である（請求項５、６に相当）。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように請求項１に記載の発明によれば、基板に入射するスポット状のイオンビームを構成するイオンまたはイオンビームの入射角度を多数点において精密に測定することができる。ひいては、当該入射角度の広がり（ばらつき）および当該入射角度の空間分布をも測定することができる。その結果例えば、この測定結果を、基板に対してより精密なイオン注入処理を施すこと等に利用することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、次のような更なる効果を奏する。即ち、イメージ増幅器を備えているので、微細画像撮像素子での撮像が高感度になり、マスク板の小孔の寸法をより小さくしても前記測定が可能になる。その結果、ビームスポット面内をより多くの区画に区切って前記測定を行うことができるので、前記測定をより精密に行うことができる。また、蛍光板に入射するイオンビームの量を少なくすることができるので、蛍光板がイオンビームによってスパッタされる度合いを軽減して、スパッタ粒子による基板へのコンタミネーションを減少させることができると共に、蛍光板の寿命を長くすることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、バッフル板を備えていて、蛍光板がイオンビームによってスパッタされるのを防止することができるので、蛍光板の寿命を長くすることができる、という更なる効果を奏する。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、シンチレータも蛍光板と同様に発光作用を奏するので、蛍光板の場合と同様の作用効果を奏する。また、シンチレータからのスパッタ粒子には、通常、蛍光板からのスパッタ粒子に比べて、金属粒子成分が少ないので、基板への金属コンタミネーションを減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す縦断面図である。図２は、図１中のマスク板および基板周りの正面図である。図３は、マスク板から電荷結合素子型撮像素子にかけての部分の一例を拡大して示す図である。
【００２７】
このイオン注入装置は、スポット状のイオンビーム２を電界または磁界による走査手段（図示省略）によってＸ方向に平行走査すると共に、イオン注入すべき基板（例えばシリコン基板）４を保持するホルダ６を、走査機構（図示省略）によって、イオンビーム２の走査領域内で前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に走査する構成をしている。いわゆるハイブリッドパラレルスキャン方式のイオン注入装置である。平行走査とは、イオンビーム２を、イオンビームの進行方向Ｚに平行またはほぼ平行な状態を保ちつつＸ方向に走査することである。
【００２８】
イオンビーム２のスポット形状は、イオン注入装置の仕様、運転条件等によって異なるが、例えば、ほぼ円形であり、その直径は例えば２ｃｍ〜３ｃｍ程度である。
【００２９】
ホルダ６の前面であって基板４を避けた所に、より具体的には、この実施形態では基板４の周囲を取り囲むように、マスク板１０が取り付けられている。このマスク板１０は、基板４と同系の材質から成るのが好ましい。例えば、基板４がシリコン基板であれば、マスク板１０もシリコン板からなるのが好ましい。そのようにすれば、マスク板１０がイオンビーム２によってスパッタされても、マスク板１０から叩き出されるスパッタ粒子は基板４と同系の物質（例えばシリコン）であるから、当該スパッタ粒子による基板４へのコンタミネーションの問題を大幅に減少させることができる。
【００３０】
マスク板１０は、その表面が基板４の表面と同一またはほぼ同一平面上に位置するように配置しておくのが好ましい。更に、マスク板１０の表面が基板４の表面と平行またはほぼ平行になるように配置しておくのが好ましい。いずれも、上記のようにする方が、イオンビーム２に対してマスク板１０と基板４とが互いにより同一条件に近づくので、測定がより正確になるからである。
【００３１】
マスク板１０には、イオンビーム２を通過させる小孔１２が設けられている。この小孔１２（およびその背後に設ける蛍光板１６、ＣＣＤセンサ１８等）は、１個でも良いけれども、この実施形態のように（図２参照）、前記Ｘ方向に複数個設けるのが好ましい。その場合、基板４のＸ方向のほぼ全域をカバーできる範囲に複数個（例えば５個程度）設けるのがより好ましい。小孔１２等が１個であれば、その位置においてのみ測定が可能であるが、小孔１２等をＸ方向に複数個配置しておけば、Ｘ方向に走査されるイオンビーム２の複数位置において、好ましくは基板４のＸ方向のほぼ全域に亘る複数位置において、測定が可能になるからである。
【００３２】
小孔１２等は、基板４にできるだけ近づけて配置するのが好ましい。その方が、基板４により近い条件で測定することができるので、より正確な測定が可能になるからである。  
【００３３】
各小孔１２の寸法は、μｍ単位であり、前記従来技術で用いているファラデーカップの前記寸法に比べて遙かに小さい。この小孔１２を小さくするほど、ビームスポット面内をより多くの区画に区切って測定することができるので測定がより精密になり、かつ後述するマスク板１０と蛍光板１６との間の距離Ｌをより小さくすることでき、更に蛍光板１６に入射するイオンビーム２の量を少なくして蛍光板１６の寿命をより長くすることができるけれども、蛍光板１６に入射するイオンビーム２の量が減って発光量が減りそれをＣＣＤセンサ１８で検知しにくくなるので、これらの兼ね合いで小孔１２の寸法を決めれば良い。具体例を挙げれば、各小孔１２は、直径が１０μｍ〜１００μｍ程度、より具体的には３０μｍ程度の円形孔である。
【００３４】
ホルダ６には、マスク板１０の各小孔１２の背後に位置するように、対応する小孔１２を通過したイオンビーム２を受けて発光する（蛍光を発する）蛍光板１６がそれぞれ取り付けられている。この蛍光板１６は、後述するＣＣＤセンサ１８やイメージ増幅器２０等と組み合わせたアセンブリ（組合せ体）としてホルダ６に取り付けても良く、この実施形態や後述する実施形態ではそのようにしている。
【００３５】
マスク板１０の表面と各蛍光板１６の表面との間の距離Ｌは、それを大きくする方が、三角法によるイオンビーム２の入射角度の測定はしやすくなる反面、奥行が大きくなるので、両者の兼ね合いで決めれば良い。例えば、距離Ｌは５ｍｍ〜３０ｍｍ程度、より具体的には１０ｍｍ程度である。
【００３６】
ホルダ６には、各蛍光板１６の背後に位置するように、前記微細画像撮像素子の一例として、対応する蛍光板１６の発光像１７を捕らえる（撮像する）２次元のＣＣＤセンサ１８がそれぞれ取り付けられている。このＣＣＤセンサ１８は、蛍光板１６にできるだけ近づけて（近接させて）配置するのが好ましい。その方が、蛍光板１６の発光像１７（図３参照）をより正確に読み取ることができるからである。後述する他の実施形態においても同様である。
【００３７】
各ＣＣＤセンサ１８の画素数は、万単位であり、例えば１０万画素〜５００万画素程度であり、より具体的には３０万画素または１００万画素であり、いずれにしても、前記従来技術の多点ビームモニタの測定点数が１１点程度であるのに比べて、極めて多数である。従って、イオンビーム２の入射に伴う蛍光板１６の発光像１７の精密な撮像が可能である。
【００３８】
なお、マスク板１０、蛍光板１６およびＣＣＤセンサ１８を組み合わせたものは、スポット状のイオンビーム２を構成するイオンまたはイオンビームの入射角度の空間分布を測定することができるので、ビーム角度分布測定器と呼ぶことができる。あるいは、このような入射角度の空間分布はエミッタンスと呼ばれるので、ビームエミッタンス測定器と呼ぶこともできる。後述する他の実施形態のものも同様である。
【００３９】
測定動作を説明する前に、イオンビームの広がり特性の種類を説明すると、大別して、図４Ａに示す高広がりビーム（高エミッタンスビームとも呼ばれる）２ａ、図４Ｂに示す低広がりビーム（低エミッタンスビームとも呼ばれる）２ｂ、図４Ｃに示す発散ビーム２ｃ、図４Ｄに示す集束ビーム２ｄの４種類がある。図４では、いずれのイオンビーム２ａ〜２ｄも、ある面８でのスポットサイズは同じにしている。また、各イオンビーム２ａ〜２ｄの重心の面８に対する入射角度はいずれも０度である。
【００４０】
高広がりビーム２ａは、それを構成するイオンまたはイオンビームの方向性の不揃いが大きく、かつ進行に伴う広がりも大きい。低広がりビーム２ｂは、それを構成するイオンまたはイオンビームの方向性の不揃いが小さく、かつ進行に伴う広がりも小さい。発散ビーム２ｃは、それを構成するイオンまたはイオンビームの方向性の不揃いは小さいけれども、進行に伴って発散している。集束ビーム２ｄは、それを構成するイオンまたはイオンビームの方向性の不揃いは小さいけれども、進行に伴って集束している。
【００４１】
さて、主に図３を参照して測定動作の例を説明する。測定に際しては、ホルダ６をＹ方向に駆動して、イオンビーム２がマスク板１０の小孔１２に入射する状態にする。その状態で、入射角度のＸ方向の分布を測定する場合は、イオンビーム２をＸ方向に走査する。入射角度のＹ方向の分布を測定する場合は、ホルダ６をＹ方向に走査する。両測定は個別に行うことができるし、同時に行うこともできる。いずれにしても、イオンビーム２が小孔１２の位置に来ると、図３に示すように、スポット状のイオンビーム２の一部は、小孔１２を通過して（換言すれば小孔１２によって切り出されて）蛍光板１６に入射し、これによって、蛍光板１６はイオンビーム２の入射した領域が発光する。即ち、イオンビーム２の入射した位置および寸法に応じて発光する。この蛍光板１６の発光像１７は、簡単に言えば、マスク板１０の小孔１２を、イオンビーム２の前記種類に応じて投影したものとなる。この蛍光板１６からの光がＣＣＤセンサ１８に入り、蛍光板１６の発光像１７がＣＣＤセンサ１８によって捕らえられる。これによって、蛍光板１６に入射したイオンビーム２の入射位置、寸法、形状を測定することができる。
【００４２】
ここで、マスク板１０の小孔１２と蛍光板１６との幾何学的な関係は一定であるので、例えば小孔１２の寸法やマスク板１０と蛍光板１６との間の距離Ｌ等は一定であるので、当該関係と、ＣＣＤセンサ１８で測定した上記イオンビーム２の入射位置および寸法とに基づいて、三角法によって、蛍光板１６に入射したイオンビーム２の入射角度および当該入射角度の幅を精密に測定することができる。この測定を、ＣＣＤセンサ１８が２次元であるので、前記Ｘ方向およびＹ方向の２次元において行うことができる。
【００４３】
即ち、蛍光板１６の表面における前記Ｘ方向に平行なｘ′軸上の座標をｘ′、前記Ｙ方向に平行なｙ′軸上の座標をｙ′とし、小孔１２の中心１３と同軸上にある蛍光板１６表面の点１４を測定の中心点と考えてその座標を（０，０）とすると、蛍光板１６での発光像１７の座標（ｘ′，ｙ′）の測定結果に基づいて、Ｘ方向における入射角度θは数１によって（図７Ａも参照）、Ｙ方向における入射角度θは数２によって、それぞれ測定することができる。なお、座標ｘ、ｘ′、入射角度θの正負を図７、図８に示すように定めるか、その逆に定めるかは任意である。座標ｙ、ｙ′についても同様である。
【００４４】
［数１］
θ＝ｔａｎ-1（ｘ′／Ｌ）
【００４５】
［数２］
θ＝ｔａｎ-1（ｙ′／Ｌ）
【００４６】
しかも、イオンビーム２はＸ方向に走査され、これによって、マスク板１０の小孔１２によって切り出すイオンビーム２の位置をビームスポット面内においてＸ方向に連続して変化させることができるので、スポット状のイオンビーム２を構成するイオンまたはイオンビームの入射角度θを、Ｘ方向における多数点において精密に測定することができる。更に、マスク板１０、蛍光板１６およびＣＣＤセンサ１８を取り付けたホルダ６はＹ方向に走査され、これによって、マスク板１０の小孔１２によって切り出すイオンビーム２の位置をビームスポット面内においてＹ方向に連続的に変化させることができるので、スポット状のイオンビーム２を構成するイオンまたはイオンビームの入射角度θを、Ｙ方向における多数点において精密に測定することができる。ひいては（即ち、多数点において測定することができるので）、当該入射角度θの、ビームスポット面内における前記Ｘ、Ｙ方向における広がり（ばらつき）、および、当該入射角度θの、ビームスポット面内における前記Ｘ、Ｙ方向における空間分布をも測定することができる。
【００４７】
上記Ｘ、Ｙ方向における入射角度θ、入射角度θの広がりおよび入射角度θの分布の測定は、Ｘ、Ｙ両方向において同時に行うこともできるし、個別に行うこともできる。即ち、ホルダ６を固定しておいてイオンビーム２のみを走査すればＸ方向におけるものを測定することができ、イオンビーム２を固定しておいてホルダ６を走査すればＹ方向におけるものを測定することができる。
【００４８】
上記入射角度θの空間分布は、イオンビーム２のエミッタンスと呼ばれるものである。ここで、マスク板１０の表面における前記Ｘ方向における平行な軸をｘ軸、前記Ｙ方向に平行な軸をｙ軸とし、マスク板１０の表面におけるビームスポット面内の測定点の座標を（ｘ，ｙ）とし、イオンビーム２の重心の座標を（０，０）とすると、ｘ軸上の入射角度θの分布を、即ち（ｘ，θ）位相空間における分布を、図４に示した４種類のイオンビーム２ａ〜２ｄについて図示したのが図５および図６のエミッタンス図である。各イオンビーム２ａ〜２ｄのエミッタンスを、菱形または長方形をしたエミッタンスＥ２ａ〜Ｅ２ｄでそれぞれ示している。
【００４９】
図５は、マスク板１０へのイオンビーム２の重心２ｍの入射角度θm が０度の場合の例である。図６は、例えば図３に示す例のように、マスク板１０へのイオンビーム２の重心２ｍの入射角度θm が０度でない場合の例である。図５と図６の基本的な違いは、図６では各エミッタンスＥ２ａ〜Ｅ２ｄの中心が入射角度θm だけシフトしていることである。  
【００５０】
そこで図５に代表させて、このようなエミッタンス図が得られる過程を、図７および図８をも参照して説明する。この場合、（ｘ，θ）位相空間におけるエミッタンスを測定するのであるから、説明を簡単にするために、ホルダ６のＹ方向の位置は一定と考える。また、マスク板１０の小孔１２は前述したように非常に小さい（例えば直径が３０μｍ程度）ので、説明を簡単にするために、図７、図８では、小孔１２は点で示しており、それを通過するイオンまたはイオンビームも発散しないものは線で示しており、その場合は発光像１７も点で示している。
【００５１】
まず、イオンビーム２が図４Ｃに示す発散ビーム２ｃの場合を説明すると、図７Ａに示すように、マスク板１０の表面におけるビームスポット面内の測定点の座標が＋ｘのとき、即ち座標＋ｘの点のイオンまたはイオンビームがマスク板１０の小孔１２を通過するとき、発散ビームであるから、蛍光板１６上の発光像１７は点でありその座標は＋ｘ′となる。図７Ｂに示すように、ビームスポット面内の測定点の座標が０のとき、発光像１７の座標も０となる。図７Ｃに示すように、ビームスポット面内の測定点の座標が−ｘのとき、発光像１７の座標は−ｘ′となる。そして、この図７Ａと図７Ｃとの間を連続して測定することができる。各場合の入射角度θは、前記数１から求めることができる（図８の場合も同様である）。
【００５２】
従って、イオンビーム２が発散ビーム２ｃの場合は、ビームスポット面内の測定点の座標ｘが正側に大きくなるに従って入射角度θも正側に大きくなり、同座標ｘが負側に大きくなるに従って入射角度θも負側に大きくなり、図５に示すように、正傾斜のエミッタンスＥ２ｃが得られる。なお、この場合のエミッタンスは、図７のように単純化して考えれば直線になるけれども、実際は小孔１２はある大きさを有しており、かつ小孔１２を通過するイオンは幾らかは広がる傾向にあるので、発光像１７も幾らかの大きさを有しており、従って実際は図５に示すエミッタンスＥ２ｃのように、入射角度θは幾らかの小さい幅を持っている。エミッタンスＥ２ｂ、Ｅ２ｄについても同様である。
【００５３】
イオンビーム２が、図４Ｄに示すように集束ビーム２ｄの場合は、発散ビーム２ｃとは点状の発光像１７の座標ｘ′の正負が逆になるので、図５に示すように、上記エミッタンスＥ２ｃとは逆の傾きのエミッタンスＥ２ｄが得られる。
【００５４】
イオンビーム２が図４Ｂに示す低広がりビーム２ｂの場合は、イオンビーム２をＸ方向に走査しても点状の発光像１７の座標は０から変化しないので、図５に示すように、ｘ軸上に乗るエミッタンスＥ２ｂが得られる。
【００５５】
イオンビーム２が図４Ａに示す高広がりビーム２ａの場合は、図８Ａに示すように、測定点の座標が＋ｘのとき、即ち座標＋ｘの点のイオンまたはイオンビームが小孔１２を通過するとき、高広がりビームであるから、蛍光板１６上の発光像１７はｘ′軸に沿って正側に広がっている。即ち、発光像１７の座標＋ｘ′は幅を持ったものになる。図８Ｂに示すように、ビームスポット面内の測定点の座標が０のとき、発光像１７の座標は０を中心に±ｘ′に広がっている。図８Ｃに示すように、ビームスポット面内の測定点の座標が−ｘのとき、発光像１７の座標−ｘ′は幅を持ったものになる。この図８Ａと図８Ｃとの間を連続して測定することができる。
【００５６】
従って、イオンビーム２が高広がりビーム２ａの場合は、図５に示したように、ビームスポット面内の測定点の座標ｘがどの場合も、入射角度θの広がりの大きい、大きな面積を持つエミッタンスＥ２ａが得られる。
【００５７】
マスク板１０、蛍光板１６およびＣＣＤセンサ１８を取り付けたホルダ６をＹ方向に走査することによって、ｙ座標についても、図５および図６に示したのと同様の過程によって、図５および図６に似たエミッタンス図を得ることができる。
【００５８】
上記のようなエミッタンス図、即ちスポット状のイオンビーム２を構成するイオンまたはイオンビームの入射角度θの空間分布を測定すれば、当該エミッタンス図にはビームスポット面内の多数の点（座標ｘまたはｙ）における個々の入射角度θの値および多数の点における入射角度θの広がり（図５または図６におけるθ軸に沿う幅）のデータが含まれているので、これらをも精密に測定したことになる。
【００５９】
上記入射角度θの測定は、厳密に言えばマスク板１０におけるものであるけれども、マスク板１０と基板４とは同一のホルダ６に取り付けられていてほぼ同一の条件に置かれているので、上記測定は、基板４に入射するイオンビーム２の入射角度θの測定と実質的に同一である。従ってこのイオン注入装置によれば、基板４に入射するスポット状のイオンビーム２を構成するイオンまたはイオンビームの入射角度θを多数点において精密に測定することができるだけでなく、当該入射角度θの広がり（ばらつき）および当該入射角度θの空間分布を測定することができる。
【００６０】
しかも、マスク板１０、蛍光板１６、ＣＣＤセンサ１８等の測定器を、基板４を保持するホルダ６に取り付けているので、イオンビーム２の前記測定を、基板４に対してイオン注入処理を施すのと全く同じ場所で（即ちインサイトで）測定することができる。従って、正確な測定が可能になる。
【００６１】
次に、他の実施形態を説明する。図９に示すように、蛍光板１６とＣＣＤセンサ１８との間に、蛍光板１６の発光像を増幅するイメージ増幅器２０を設けても良い。このイメージ増幅器２０は、蛍光板１６に近づけて（近接させて）配置するのが好ましい。その方が、蛍光板１６の発光像をより正確に捕らえて増幅することができるからである。このイメージ増幅器２０は、蛍光板１６からの光を電子に変換する光電面２２と、光電面２２からの電子を増倍するマイクロチャンネルプレート２４と、マイクロチャンネルプレート２４からの電子を光に変換する蛍光面２６とを有している。このイメージ増幅器２０によって、例えば、１０3 〜１０6 倍程度の増幅率を得ることができる。
【００６２】
マイクロチャンネルプレート２４は、非常に細いチャンネル（例えばガラスパイプ）を多数束ねた構造をしており、それぞれのチャンネルは独立した２次電子増倍器を形成している。このマイクロチャンネルプレート２４の前後両面には電極膜がそれぞれ形成されており、両電極膜間に電子増倍用の直流電圧が印加される。このマイクロチャンネルプレート２４としては、例えば、浜松ホトニクス株式会社のＦ１５５１型のマイクロチャンネルプレートを利用することができる。
【００６３】
この実施形態によれば、イメージ増幅器２０を備えているので、ＣＣＤセンサ１８での撮像が高感度になる。従って例えば、マスク板１０の小孔１２の寸法をより小さくしても前記測定が可能になる。その結果、ビームスポット面内をより多くの区画に区切って前記測定を行うことができるので、前記測定をより精密に行うことができる。また、蛍光板１６に入射するイオンビームの量を少なくすることができるので、蛍光板１６がイオンビーム２によってスパッタされる度合いを軽減して、スパッタ粒子による基板４へのコンタミネーション（不純物混入）を減少させることができると共に、蛍光板１６の寿命を長くすることができる。
【００６４】
イメージ増幅器２０と蛍光板１６との間およびＣＣＤセンサ１８との間に、より具体的にはイメージ増幅器２０の光電面２２と蛍光板１６との間および蛍光面２６とＣＣＤセンサ１８との間は、それぞれ直接近接させても良いけれども、この実施形態のように、ファイバーオプティクプレート２８、３０をそれぞれ介在させるのが好ましい。ファイバーオプティクプレート２８、３０は、数ミクロンの光ファイバを束にした光学デバイスであり、光を発散させずに伝送することができる。このようなファイバーオプティクプレート２８、３０を介在させると、イメージ増幅器２０（より具体的にはそれを構成するマイクロチャンネルプレート２４）に印加される前記電圧を電気的に絶縁することができると共に、蛍光板１６からの光を拡散させずにＣＣＤセンサ１８に導くことができるので正確な測定が可能になる。また、イメージ増幅器２０と蛍光板１６およびＣＣＤセンサ１８との間の距離を、測定精度を低下させることなく任意に設定することもできる。
【００６５】
蛍光板１６の前面に、例えば図１０に示す実施形態のように、マスク板１０の小孔１２を通過したイオンビーム２を受けて２次電子を放出するバッフル板３２を設けても良い。その場合、蛍光板１６はバッフル板３２から放出された２次電子を受けて発光する。図１０は、図９に示す蛍光板１６の前面にバッフル板３２を設けた例であるが、図３に示す蛍光板１６の前面にバッフル板３２を設けても良い。このバッフル板３２は、蛍光板１６の前面にできるだけ近づけて（近接させて）配置するのが好ましい。その方が、バッフル板３２へのイオンビーム２の入射位置および寸法と、蛍光板１６の発光位置および寸法とをより正確に一致させることができるからである。後述する実施形態のように、蛍光板１６の代わりにシンチレータを設ける場合も同様である。
【００６６】
この実施形態によれば、バッフル板３２を備えているので、蛍光板１６がイオンビーム２によってスパッタされるのを防止することができる。その結果、蛍光板１６の寿命を長くすることができる。
【００６７】
その場合、バッフル板３２は、基板４と同系の材質から成るのが好ましい。例えば、基板４がシリコン基板であれば、バッフル板３２もシリコン板からなるのが好ましい。そのようにすれば、バッフル板３２がイオンビーム２によってスパッタされても、バッフル板３２から叩き出されるスパッタ粒子は基板４と同系の物質（例えばシリコン）であるから、当該スパッタ粒子による基板４へのコンタミネーションの問題を大幅に減少させることができる。
【００６８】
更に他の実施形態として、前記蛍光板１６の代わりに、イオンビーム２またはバッフル板３２からの２次電子を受けて発光するシンチレータを設けても良い。
【００６９】
この実施形態によれば、シンチレータも蛍光板１６と同様に発光作用を奏するので、蛍光板１６の場合と同様の作用効果を奏する。また、シンチレータからのスパッタ粒子には、通常、蛍光板１６からのスパッタ粒子に比べて、金属粒子成分が少ないので、基板４への金属コンタミネーションを減少させることができる。
【００７０】
その場合、シンチレータには、プラスチック製のシンチレータを用いるのが、コンタミネーション減少の観点から好ましい。即ち、プラスチック製のシンチレータがイオンビーム２によってスパッタされても、スパッタ粒子の成分はプラスチックを構成する炭素、水素、酸素が主であるので、蛍光板１６を用いる場合に比べて、スパッタ粒子によるコンタミネーションの問題をより一層減少させることができる。特に、金属コンタミネーションを減少させる効果は大きい。
【００７１】
前記微細画像撮像素子の他の例として、上記ＣＣＤセンサ１８の代わりに、ＣＭＯＳセンサを用いても良く、その場合も上記のような作用効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
この発明は、例えば、半導体製造装置等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１中のマスク板および基板周りの正面図である。
【図３】マスク板から電荷結合素子型撮像素子にかけての部分の一例を拡大して示す図である。
【図４】各種態様のイオンビームを示す図であり、（Ａ）は高広がりビームの例を、（Ｂ）は低広がりビームの例を、（Ｃ）は発散ビームの例を、（Ｄ）は集束ビームの例をそれぞれ示す。
【図５】図４に示した各種イオンビームのエミッタンスの一例を示すエミッタンス図である。
【図６】図４に示した各種イオンビームのエミッタンスの他の例を示すエミッタンス図である。
【図７】イオンビームが発散ビームの場合の測定動作の一例を示す図である。
【図８】イオンビームが高広がりビームの場合の測定動作の一例を示す図である。
【図９】マスク板から電荷結合素子型撮像素子にかけての部分の他の例を拡大して示す図である。
【図１０】マスク板から電荷結合素子型撮像素子にかけての部分の更に他の例を拡大して示す図である。
【図１１】基板に入射するイオンビームの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
２  イオンビーム
４  基板
６  ホルダ
１０  マスク板
１２  小孔
１６  蛍光板
１８  ＣＣＤセンサ（電荷結合素子型撮像素子）
２０  イメージ増幅器
３２  バッフル板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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