(57)【要約】【課題】非接触式のイオンビーム計測を提供する。【解決手段】イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１に測定電磁波１２を照射するための照射部２０と、イオンビーム１１中の荷電粒子による測定電磁波１２の弾性散乱によって生じる散乱電磁波を検出するための検出部３０と、を備える。測定電磁波１２は、イオンビーム１１に斜めに入射されてもよい。測定電磁波１２の弾性散乱は、レイリー散乱またはトムソン散乱を含んでもよい。【選択図】図１
2013211177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームに測定電磁波を照射するための照射部と、
前記イオンビーム中の荷電粒子による前記測定電磁波の弾性散乱によって生じる散乱電磁波を検出するための検出部と、を備えることを特徴とするイオンビーム計測装置。
【請求項２】
前記測定電磁波は前記イオンビームに斜めに入射されることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム計測装置。
【請求項３】
前記弾性散乱はレイリー散乱を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のイオンビーム計測装置。
【請求項４】
前記検出部は、前記イオンビームの走査範囲に沿って配列され、前記散乱電磁波を受けるための複数の受光部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のイオンビーム計測装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のイオンビーム計測装置を備えることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項６】
イオンビームに測定電磁波を照射することと、
前記イオンビーム中の荷電粒子による前記測定電磁波の弾性散乱によって生じる散乱電磁波を検出することと、を含むことを特徴とするイオンビーム計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビーム計測装置、イオンビーム計測方法、及びイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被処理物にイオンビームを照射するためのイオンビーム照射装置が知られている。例えば、所望のイオン種を半導体基板に注入するためのイオン注入装置がある。イオン注入装置には一般に、イオンビームの照射を直接受けてビーム計測をするための計測器、例えばファラデーカップが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６２７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうしたイオンビームの入射を直に受ける方式のいわば接触式のビーム計測は、計測中に計測器がビームを占有することになるから、計測中は被処理物にイオンビームを照射することはできない。同様に、被処理物にイオンビームを照射しているときに計測をすることもできない。そのため、被処理物への照射処理のスループットを高めることとイオンビームの高頻度の計測によるビーム品質の保証とがトレードオフの関係となってしまう。また、被照射物への照射という本来の目的以外に計測のためにイオン材料が余分に消費されてしまう。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオンビームを対象に照射しながら計測することを可能とする、いわば非接触式の計測を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、イオンビーム計測装置である。この装置は、イオンビームに測定電磁波を照射するための照射部と、前記イオンビーム中の荷電粒子による前記測定電磁波の弾性散乱によって生じる散乱電磁波を検出するための検出部と、を備える。
【０００７】
本発明の別の態様は、イオンビーム計測方法である。この方法は、イオンビームに測定電磁波を照射することと、前記イオンビーム中の荷電粒子による前記測定電磁波の弾性散乱によって生じる散乱電磁波を検出することと、を含む。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、非接触式のイオンビーム計測が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置により検出される散乱電磁波の分光スペクトルを模式的に例示する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るイオンビームの計測方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置を模式的に示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置を模式的に示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るイオン注入装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係り、イオン注入装置にて実行され得る走査シーケンスを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置１０を模式的に示す図である。イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１による測定電磁波１２の散乱を検出するよう構成されている。イオンビーム１１中の荷電粒子は測定電磁波１２に弾性散乱を生じさせる。例えば、イオンビーム１１中の束縛電子によって、測定電磁波１２にレイリー散乱が生じる。イオンビーム計測装置１０は、検出された散乱電磁波１３の強度に基づいて、イオンビーム１１についての計測結果を提供するよう構成されている。
【００１２】
イオンビーム１１は所定のイオンビーム経路１４（図１に破線で示す）に沿って処理室１６へと供給される。イオンビーム１１は例えば、イオン源とビームラインとを備えるイオンビーム生成部（図示せず）により生成される。処理室１６には被処理物１８が収容されている。処理室１６は、被処理物１８を支持する支持部（図示せず）を備える。この支持部は、イオンビーム１１に対し移動可能にまたは静止状態に被処理物１８を支持する。こうして、イオンビーム１１は、イオンビーム経路１４上に配置された被処理物１８へと照射される。
【００１３】
イオンビーム１１は、固定されたイオンビーム経路１４に沿って被処理物１８に照射されてもよい。あるいは、イオンビーム１１は、図示されるイオンビーム経路１４に垂直な方向に走査範囲１９（図１に矢印で示す）にわたって走査されてもよい（即ちイオンビーム１１は走査範囲１９を往復してもよい）。イオンビーム経路１４に垂直なイオンビーム１１の断面は、スポット状（例えば円形）であってもよいし、長手方向（イオンビーム経路１４に垂直な方向）に延びる形状であってもよい。
【００１４】
イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１を照射するためのイオンビーム照射システム（例えばイオン注入装置や粒子線治療装置）に、イオンビーム１１を計測するためのサブシステムとして組み込まれて構成されていてもよい。または、イオンビーム計測装置１０は、独立型のいわゆるスタンドアローン型の計測装置として構成されてもよい。イオンビーム計測装置１０は、図示されるように処理室１６に配置されていてもよいし、イオンビーム経路１４に沿って上流に設けられている処理室１６とは別室（例えば、ビームライン）に配置されていてもよい。
【００１５】
図６を参照して後述するように、イオンビーム計測装置１０がイオン注入装置に組み込まれる場合には、被処理物１８は例えば半導体基板（例えばシリコンウェーハ）である。処理室１６はエンドステーションと呼ばれることもある。
【００１６】
処理室１６は、イオンビーム１１が照射されるときは少なくとも、所望の真空状態とされる。処理室１６を真空にするために、処理室１６には真空排気装置（例えばクライオポンプまたはその他の真空ポンプ（図示せず））が付設されている。よって処理室１６は真空チャンバとも呼ばれる。ここで、真空チャンバは、イオンビーム１１のための真空環境を囲む任意の構造を指し、例えば、真空容器、真空室、真空槽、又は真空ダクトであってもよい。
【００１７】
イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１に測定電磁波１２を照射するための照射部２０を備える。照射部２０は、測定電磁波１２を発する電磁波源２２を備える。イオンビーム１１による弾性散乱はいかなる波長をもつ電磁波であっても生じ得るから、測定電磁波１２の波長は任意である。本実施形態とは異なり非弾性散乱（例えばイオンからの脱励起光）を観察する方式の場合、使用する電磁波はイオンの励起を引き起こす特定の波長に限定される。本実施形態は、容易に入手可能である任意の電磁波源を使用することができるという点で有利である。
【００１８】
電磁波源２２は、例えばレーザ源であってもよい。本実施形態では、測定電磁波１２は例えば、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）である。なお以下では、「電磁波」の例として「光」に言及して説明する場合があるが（例えば、測定光、散乱光、入射光など）、これは例示であり、限定を意図していない。
【００１９】
電磁波源２２は、処理室１６の外に設けられている。そのため、照射部２０は、処理室１６の外から中へ測定電磁波１２を導入するための入射窓２４を備える。入射窓２４は、処理室１６の壁に設けられている。入射窓２４は、測定電磁波１２に透過性を有する材料で形成されている。
【００２０】
照射部２０は、測定電磁波１２がイオンビーム１１に斜めに入射するよう構成されている。測定電磁波１２の照射方向は、イオンビーム経路１４に平行な成分と垂直な成分との両方をもつ。電磁波源２２は、出射される測定電磁波１２が当該照射方向を有するように配設されている。代案として、測定電磁波１２をイオンビーム１１に斜めに入射させるための光学系が電磁波源２２とイオンビーム１１との間に設けられていてもよい。以下では説明の便宜上、測定電磁波１２が照射されるイオンビーム１１の部位を、照射位置２６と称することがある。
【００２１】
よって、図１に示すように、測定電磁波１２は照射位置２６でイオンビーム１１に斜めに交差する。すなわち、測定電磁波１２とイオンビーム１１との交差角度θは、０度より大きく９０度より小さい。散乱電磁波１３に生じるドップラーシフト（後述）を大きくするためには交差角度θを小さくすることが好ましく、交差角度θは例えば４５度より小さく、または３０度より小さくてもよい。一方、イオンビーム計測装置１０の配置のために交差角度θを大きくすることが好ましいこともあり得る。その場合、交差角度θは４５度以上であってもよい。
【００２２】
なお、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１を通過した測定電磁波１２を吸収するための吸収部２８を備えてもよい。測定電磁波１２の進行経路に沿って照射位置２６の一方の側に照射部２０が設けられ、他方の側に吸収部２８が設けられる。吸収部２８は例えば、処理室１６に設けられた公知のビームダンパであってもよい。処理室１６における測定電磁波１２の反射によるノイズ（例えば、検出部３０に入射する迷光）を減らすことができる。代案として、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１を通過した測定電磁波１２を、入射窓２４と同様の出射窓を通じて処理室１６の外へ導くよう構成されていてもよい。
【００２３】
図１において複数の矢印で模式的に示されるように、散乱電磁波１３が照射位置２６から周囲に放出される。イオンビーム計測装置１０は、散乱電磁波１３を検出するための検出部３０を備える。検出部３０は、ビューポート３２と、検出器３４と、を備える。
【００２４】
ビューポート３２は、散乱電磁波１３を処理室１６の外部に導くための窓であり、処理室１６の壁に設けられている。ビューポート３２は測定電磁波１２の入射を直に受けないようにするために、測定電磁波１２の経路から外れた場所に設けられている。ビューポート３２は、散乱電磁波１３に透過性を有する材料で形成されている。ビューポート３２は、散乱電磁波１３を集光するためのレンズであってもよい。このようにすれば、より多くの散乱電磁波１３を検出器３４へと入射させることができる。
【００２５】
検出器３４がビューポート３２に光学的に接続されている。すなわち、検出器３４は、ビューポート３２を透過する光が検出器３４の受光部（入射する光を受け入れる部位）に入射するように配設されている。例えば、図示されるように、検出器３４の受光部がビューポート３２に直接取り付けられている。または、ビューポート３２を透過する光を検出器３４に導くための光学系（例えば光ファイバ等の導光部材を含む光学系）を介して、ビューポート３２と検出器３４の受光部とが接続されていてもよい。光学系を介することにより、検出器３４の設置場所を選ぶことができる。
【００２６】
なお、検出部３０は、複数のビューポート３２を備えてもよい。複数のビューポート３２はそれぞれ処理室１６の壁に設けられる。複数のビューポート３２を設けることにより、ビューポート３２を通じて処理室１６の外部に導かれる散乱電磁波１３を増やすことができる。より多くの散乱電磁波１３を検出器３４へと入射させることができる。
【００２７】
検出器３４は、処理室１６の外に配置されている。検出器３４は例えば、入射する光を電気信号に変換する光センサ（例えばフォトディテクタ）を少なくとも備える。検出器３４の電気信号は、散乱電磁波１３の強度を表す信号を含む。
【００２８】
また、検出器３４は、入射光を分光するための分光器を備える。よって、検出器３４は、分光検出器（例えば、分光放射照度計）である。この場合、検出器３４は、入射光の分光スペクトル（つまり、計測される波長範囲にわたる波長ごとの発光強度分布）を出力する。
【００２９】
イオンビーム計測装置１０は、演算処理ユニット４０を備える。演算処理ユニット４０は、検出器３４により検出された散乱電磁波１３の強度に基づいて、イオンビーム１１についての計測結果を提供するよう構成されている。
【００３０】
演算処理ユニット４０は、検出器３４の出力する電気信号を受信するよう検出器３４に接続されている。演算処理ユニット４０は、検出器３４とは別体に設けられた、例えば公知のパソコン等の演算装置であってもよい。演算処理ユニット４０は検出器３４に一体に搭載されていてもよい。また、演算処理ユニット４０は、必要に応じて、イオンビーム１１の計測結果を表示手段（例えばディスプレイ等）に出力するよう構成されている。あるいは、演算処理ユニット４０は、イオンビーム１１の制御装置（図示せず）によるイオンビーム１１の制御のために、当該制御装置に計測結果を出力するよう構成されている。
【００３１】
本実施形態に係るイオンビーム計測の原理を説明する。
【００３２】
散乱電磁波１３は上述のように、イオンビーム１１中の荷電粒子による測定電磁波１２の弾性散乱によって生じる。一般に、電磁波が荷電粒子に照射され電磁波と荷電粒子とが相互作用をするとき、入射した電磁波とは異なる方向に荷電粒子から電磁波が放射される（すなわち、電磁波の散乱が生じる）。弾性散乱とは、散乱により生じた電磁波が、入射した電磁波と同じ波長である場合を言う。弾性散乱には例えば、レイリー散乱、及びトムソン散乱が含まれる。散乱電磁波１３は、イオンビーム１１中の荷電粒子を光源として全立体角に拡散される。
【００３３】
イオンビーム１１中の束縛電子によって、測定電磁波１２にレイリー散乱が生じる。レイリー散乱はイオンビーム１１中のイオンによって生じているとも言える。また、イオンビーム１１中の自由電子によって、測定電磁波１２にトムソン散乱が生じる。
【００３４】
処理室１６内に存在する残留ガスを構成する原子または分子もまた、散乱光の発生源となり得る。例えば、そうした原子の束縛電子によって、測定電磁波１２にレイリー散乱が生じ得る。残留ガスには例えば、処理室１６の真空排気プロセスにおいて室内に残されたガスと、処理室１６内の物体から放出されたガスとが含まれる。
【００３５】
イオンビーム１１中の荷電粒子は被処理物１８に向けてイオンビーム経路１４に沿って速度を有して飛行しているから、散乱電磁波１３にはドップラーシフトが生じる。測定電磁波１２の波長λｉに対して、散乱電磁波１３の波長λｏは波長シフトΔλだけ異なる（すなわち、λｏ＝λｉ−Δλ）。波長シフトΔλは、イオンビーム１１中の荷電粒子の速度と測定電磁波１２の照射方向とによって変化する量であり、測定電磁波１２の波長λｉの例えば数％程度である。以下では、測定電磁波１２の波長λｉを入力波長λｉと称し、散乱電磁波１３の波長λｏを出力波長λｏと称する場合がある。
【００３６】
図２は、本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置１０により検出される散乱電磁波１３の分光スペクトルＳを模式的に例示する図である。図２の縦軸は光強度Ｉを示し、横軸は波長λを示す。図２は、入力波長λｉの近傍の波長域の分光スペクトルを示す。図２に示されるように、分光スペクトルＳは例えば、入力波長λｉの付近にピークをもつ概ね単峰形状を有する。
【００３７】
散乱電磁波１３は実際には、発生原因の異なる複数種類の散乱電磁波が混ざったものである。散乱電磁波１３の主要な発生原因には、イオンビーム１１によるレイリー散乱、イオンビーム１１によるトムソン散乱、残留ガスによるレイリー散乱がある。よって、散乱電磁波１３の分光スペクトルＳもまた、実際には、図２に示すように、異なる散乱電磁波によるスペクトルが合わさったものである。分光スペクトルＳは、イオンビーム１１によるレイリー散乱に由来する第１スペクトルＲ、イオンビーム１１によるトムソン散乱に由来する第２スペクトルＴ、及び、残留ガスによるレイリー散乱に由来する第３スペクトルＧを含む。図２においては、第１スペクトルＲ及び第３スペクトルＧを破線で示し、第２スペクトルＴを一点鎖線で示す。
【００３８】
第１スペクトルＲは、上述のようにドップラーシフトにより、出力波長λｏに強度Ｉｏのピークをもつ。第２スペクトルＴは、イオンビーム１１中の自由電子の速度分布に依存するスペクトル形状を有する。第２スペクトルＴのピーク強度ＩＴは、第１スペクトルＲのピーク強度Ｉｏよりも小さいと予測される。第２スペクトルＴは、第１スペクトルＲよりも広い波長域に広がっており、裾野部分ｓｋを第１スペクトルＲの外側に有する。第２スペクトルＴの裾野部分ｓｋは、分光スペクトルＳの裾野部分に一致する。第３スペクトルＧは、入力波長λｉの付近にピークをもつ。
【００３９】
なお、図においては、第１スペクトルＲと第３スペクトルＧのピークを概ね同程度の強度と仮定しているが、実際には、イオンビーム１１のイオン密度と残留ガス濃度とによって、両者の大小は変わりうる。両者の強度ピークの大きさと波長シフトΔλとによっては、分光スペクトルＳが第１スペクトルＲ及び第３スペクトルＧの双方に対応するピークをもつ双峰形状をもつ場合もあり得る。
【００４０】
イオンビーム１１によるレイリー散乱に由来する第１スペクトルＲの出力波長λｏにおける強度Ｉｏは、イオンビーム１１のイオン密度に相関する。したがって、第１スペクトルＲからイオンビーム１１のイオン密度を求めることができる。
【００４１】
測定電磁波１２をイオンビーム１１に斜めに入射させることの利点は、イオンビーム１１によるレイリー散乱に由来する第１スペクトルＲを、残留ガスによるレイリー散乱に由来する第３スペクトルＧから分離できることにある。イオンビーム１１による散乱電磁波にドップラーシフトを発生させることにより、残留ガスによる散乱電磁波から波長をずらすことができる。このようにして、残留ガスの影響を排除してイオンビーム１１のみを正確に計測することが可能となる。
【００４２】
イオンビーム照射装置においてはたいてい、イオンビーム１１中のイオンの運動エネルギーが均一に制御されている。よって、第１スペクトルＲの波長シフトΔλは個々のイオンによらず一定であり、出力波長λｏに鋭いピークが生じる。トムソン散乱の第２スペクトルＴが自由電子の速度分布に依存する広がりをもち、相対的にピークが低くなることと対照的である。よって、レイリー散乱を用いることにより、ノイズの影響を受けにくいロバストな計測を提供することができる。
【００４３】
図３は、本発明の一実施形態に係るイオンビーム１１の計測方法を説明するためのフローチャートである。イオンビーム計測装置１０は、照射部２０からイオンビーム１１に測定電磁波１２を照射する（Ｓ１０）。イオンビーム計測装置１０は、照射位置２６から周囲に放出される散乱電磁波１３を検出部３０によって検出する（Ｓ１２）。散乱電磁波１３は、イオンビーム１１中の荷電粒子による測定電磁波１２の弾性散乱によって生じる電磁波を含む。散乱電磁波１３の分光分析が行われる（Ｓ１４）。検出部３０は散乱電磁波１３の分光スペクトルＳを表す信号を演算処理ユニット４０に出力する。
【００４４】
演算処理ユニット４０は、分光スペクトルＳの第１スペクトルＲからイオンビーム１１のビーム電流密度を演算する（Ｓ１６）。演算処理ユニット４０は、第１スペクトルＲのピーク強度Ｉｏを取得するために、必要に応じて、公知のピーク分離処理を分光スペクトルＳに実行してもよい。
【００４５】
ここで、演算処理ユニット４０は、第１スペクトルＲのピーク強度Ｉｏとイオンビーム１１のイオン密度との相関関係を使用する。この相関関係は、例えば、既知の特性をもつイオンビームに測定電磁波を照射しその散乱を測定することによって予め取得され、演算処理ユニット４０に記憶されている。演算処理ユニット４０は、ピーク強度Ｉｏに当該相関関係を適用してイオン密度に換算する。さらに、演算処理ユニット４０は、イオン密度からイオンビーム１１のビーム電流密度を演算する。イオン密度、電気素量及びイオンの速度がビーム電流密度を与える。
【００４６】
演算処理ユニット４０は、演算されたビーム電流密度を出力する（Ｓ１８）。演算処理ユニット４０は、イオンビーム１１の電流密度が所望の水準にあるか否かを判定し、その水準から外れている場合には警告を出力してもよい。イオンビーム計測装置１０は、こうした計測処理を連続的に反復してもよいし、間欠的に適時に実行してもよい。
【００４７】
ビーム電流密度が所望の水準から外れる原因には例えば、イオンビーム１１中のイオンの個数が減少したことや、個数が減少していなくてもイオンビーム１１のビーム断面積が広がったことが想定される。いずれにしても、所望の（または正常な）状態から乖離していることに変わりはなく、どちらの現象が生じたのかを必ずしも厳密に区別する必要はない。ビーム電流密度を計測することにより、イオンビーム１１が所望の（または正常な）状態にあるか否かを判定することができる。
【００４８】
本実施形態によれば、散乱電磁波１３を検出することによりイオンビーム１１を計測することができる。接触式の検出素子でイオンビーム１１を遮断することなく、非接触にイオンビーム１１を計測することができる。
【００４９】
ところで、イオンビーム１１が走査される場合には照射位置２６がイオンビーム１１とともに移動する。イオンビーム１１の走査位置によってビューポート３２から照射位置２６までの距離が変わり、イオンビーム１１の電流量が等しくても計測される散乱電磁波１３の強度が変化しうる。
【００５０】
そこで、イオンビーム１１の走査位置による計測への影響を抑えるために、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１の走査に計測を同期させるよう構成されていてもよい。イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１が走査範囲１９において特定の位置にあるときの電磁波強度を検出するようにしてもよい。
【００５１】
代案として、図４に示すように、イオンビーム計測装置１０は、走査範囲１９に沿って複数の受光部４２を備えてもよい。図４は、イオンビーム１１の進行方向に沿って被処理物１８を見たときの平面図である。以下の説明では、図４に示すイオンビーム計測装置１０について、図１に示すイオンビーム計測装置１０と同様の箇所は冗長を避けるため説明を適宜省略する。
【００５２】
イオンビーム計測装置１０は、散乱電磁波１３を受けるための複数の受光部４２を処理室１６内に備える。各受光部４２は、図１を参照して述べた検出器３４を内蔵する（図示せず）。複数の受光部４２は、イオンビーム１１の走査範囲１９に沿って配列されている。複数の受光部４２は、走査範囲１９全体にわたって一列に配列された受光部アレイ４４を構成する。受光部アレイ４４の出力信号は、図１に示すイオンビーム計測装置１０と同様に、演算処理ユニット４０に与えられる。
【００５３】
受光部アレイ４４は例えば、最終段アパーチャ４６に搭載されている。最終段アパーチャ４６は、イオンビーム経路１４（図１参照）において被処理物１８の直前に、ビーム整形のために配設された部材である。最終段アパーチャ４６は例えば、イオンビーム１１の走査範囲１９に対応する開口４８を有するプレートであり、処理室１６内で被処理物１８の近傍に支持されている。
【００５４】
各受光部４２の受光面４３はイオンビーム１１の走査範囲１９に向けられている。複数の受光部４２は互いに隣接しており、隣り合う受光部４２の間にはコリメータ５０が設けられている。コリメータ５０は、各受光部４２の受光面４３に横方向から入射する散乱光を遮断するために設けられている。コリメータ５０は、各受光部４２から開口４８まで延びている。
【００５５】
図４に示すイオンビーム計測装置１０によれば、走査中のイオンビーム１１からの散乱光が、走査位置に対応する受光部４２により検出される。走査中のイオンビーム１１と受光部アレイ４４のうちイオンビーム１１に最も近い受光部４２との距離が実質的に一定に保たれる。よって、距離による発光強度の計測誤差を小さくすることができる。
【００５６】
なお、受光部４２は検出器３４を備えずに、受光した散乱光を処理室１６の外部に導くよう構成されていてもよい。その場合、受光部４２は、受光のための光学素子（例えば、集光レンズ、又は、光ファイバ等の導光部材の末端）を受光面４３に備えてもよい。このようにすれば、図１に示すイオンビーム計測装置１０と同様に、検出器３４を処理室１６の外部に配置することができる。
【００５７】
また、一実施形態においては、図５に示すように、イオンビーム計測装置１０は、測定電磁波検出器５２を備えてもよい。測定電磁波検出器５２は、測定電磁波１２を検出し、測定電磁波１２の強度を表す信号を演算処理ユニット４０に出力するよう構成されている。測定電磁波１２を測定電磁波検出器５２に入射させるための光学系５４が測定電磁波１２の経路上に設けられている。光学系５４は例えば、測定電磁波１２の一部を測定電磁波検出器５２に向けるためのビームスプリッタを備える。測定電磁波検出器５２は、照射部２０の電磁波源２２に内蔵されていてもよい。
【００５８】
電磁波源２２から放射される測定電磁波１２は、仕様の上では均一強度の放射が可能とされていても実際上は時間的にいくらか変動し得る。例えばレーザ光源の場合、ごく短時間においてビーム強度は揺らぎ得るし、あるいは長期的にもビーム強度は変化し得る。測定電磁波１２の強度に応じて散乱電磁波１３の強度も変わる。そのため、測定電磁波１２と同一源から放射されイオンビーム１１を経由していない測定電磁波１２と散乱電磁波１３とを対照することにより、電磁波源２２に起因する測定電磁波１２の強度変動のイオンビーム計測への影響を軽減または補償することができる。
【００５９】
図６は、本発明の一実施形態に係るイオン注入装置１００の全体構成を概略的に示す図である。図６にはイオン注入装置１００の有する代表的な構成要素を示す。イオン注入装置１００は、元素をイオン化してイオンビーム１０２を生成し基板（例えば半導体基板）１０４へと照射することにより、基板１０４にその元素を注入するイオン注入処理を行うための装置である。
【００６０】
イオン注入装置１００は、イオン源１０８、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２を備える。イオン源１０８は、注入する元素をイオン化するよう構成されている。
【００６１】
ビームラインアセンブリ１１０は、イオン源１０８にてイオン化されたイオンのうち基板１０４に注入すべきイオンを質量によって選別するための質量分析器１１４と、イオンビーム１０２を輸送し、加速し、整形し、または走査するためのビーム輸送系１１６と、を備える。質量分析器１１４の下流側には所定の質量のイオンからなるイオンビーム１０２をビーム輸送系１１６へと通過させるための質量分析スリット１１８が設けられている。ビーム輸送系１１６は、イオンビーム１０２を走査するためのビームスキャナ１２０を備える。ビームスキャナ１２０によるイオンビーム１０２の走査可能範囲を矢印１３８で図示する。
【００６２】
処理室１１２は、接触式のイオンビーム検出器（例えばファラデーカップ）１２２を備えてもよい。イオンビーム検出器１２２は計測結果をイオン注入制御部１２８に出力してもよい。こうした接触式の検出器を設けることは必須ではない。イオンビーム検出器１２２は、イオンビーム走査方向に基板１０４に隣接する位置に配置することが好ましい。イオンビーム検出器１２２は、基板１０４の片側（図示の場合）または両側に配置してもよい。イオンビーム検出器１２２は、計測の必要に応じてビームラインに出し入れされる進退可能な検出器であってもよい。
【００６３】
処理室１１２は、基板１０４を支持するための基板支持部１２４を備える。基板１０４は基板支持部１２４に支持されて処理室１１２に収容されている。基板支持部１２４は、基板１０４をイオンビーム１０２に対し移動させるためのいわゆるメカニカルスキャン系として構成され、基板１０４を保持するためのテーブルまたはプラテンと、そのテーブルまたはプラテンを移動するための駆動機構と、を含む。メカニカルスキャン系は例えば、イオンビーム１０２の進行方向と走査方向とに垂直な方向の走査範囲に基板１０４を往復移動させるよう構成されている。
【００６４】
図６に示されるように、イオン注入装置１００は、イオン源１０８、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２をイオン注入処理のための所望の真空環境に保つための真空排気系１２６を備える。真空排気系１２６は例えば、クライオポンプ等の高真空ポンプと、高真空ポンプの作動圧力まで粗引きをするための粗引きポンプとを備える。
【００６５】
また、イオン注入装置１００は、本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置１０を備える。イオンビーム計測装置１０は、イオン注入装置１００に非接触のビームモニタリングを提供する。イオンビーム計測装置１０は例えば処理室１１２に設けられている。これに代えて、またはこれとともに、イオンビーム計測装置１０がビームラインアセンブリ１１０に設けられていてもよい。イオン注入装置１００はビームラインに沿って複数のイオンビーム計測装置１０を備えてもよい。
【００６６】
接触式のイオンビーム検出器１２２による計測は、イオンビーム１０２が基板１０４の周縁部外方に走査されたときに制限される。これに対して、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１０２が基板１０４の中心部にあるときにもイオンビーム１０２を計測することができるという点で有利である。
【００６７】
イオンビーム計測装置１０の測定電磁波１２の照射方向は、イオンビーム１０２の走査範囲１３８を横断するように定められている。そのため、イオンビーム１０２の走査位置にかかわらず、測定電磁波１２はイオンビーム１０２に交差する。よって、イオンビーム計測装置１０は、連続的にイオンビーム１０２をモニタすることができる。
【００６８】
また、イオン注入装置１００は、例えばイオン源１０８、質量分析器１１４、ビーム輸送系１１６、基板支持部１２４、及び真空排気系１２６を制御してイオン注入処理を実行するためのイオン注入制御部１２８を備える。イオン注入制御部１２８は、イオンビーム計測装置１０及びイオンビーム検出器１２２を含むビーム計測系からの入力信号、メモリに保存されている各種データ、及び操作者からの入力指令等に従って、イオン注入装置１００を統括的に制御する。
【００６９】
イオン注入制御部１２８は例えば、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等を含む任意のハードウエアと、各種演算または制御を実行するためのプログラム等のソフトウエアと、を含んで構成される。イオン注入制御部１２８は、操作者からの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段や、他の装置との通信をするための通信手段、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含んでもよい。
【００７０】
イオン注入制御部１２８による制御のもとで、基板１０４には断面が例えばスポット状のイオンビーム１０２が照射される。イオンビーム１０２はビームスキャナ１２０によってある方向に走査され（ビームスキャンとも呼ばれる）、基板１０４はその直交方向に機械的に走査される（メカニカルスキャンとも呼ばれる）。ビームスキャンとメカニカルスキャンとを協調させることにより、所与の走査シーケンスに従って基板１０４上のイオンビーム照射領域にイオンビーム１０２を照射することができる。こうした一方向のビームスキャンとその垂直方向へのメカニカルスキャンとを組み合わせるスキャン方式はハイブリッドスキャンと呼ばれることもある。
【００７１】
なおイオン注入装置１００はハイブリッドスキャン方式には限られない。イオン注入装置１００は例えば、一軸方向にビーム断面が延びるいわゆるリボンビームとその直交方向へのメカニカルスキャンとを組み合わせる走査方式を採用してもよい。あるいは、イオン注入装置１００は、スポットビームに対しビーム進行方向に垂直面内で２次元にメカニカルスキャンを行う方式を採用してもよい。
【００７２】
図６に示すイオン注入装置１００はいわゆる枚葉式に構成されている。すなわち、イオン注入装置１００は、基板支持部１２４に一度に一枚の基板１０４が保持され、一枚ずつイオン注入処理が行われる形式である。なお必ずしも一枚ずつの処理に限られるわけではなく、基板支持部１２４は２枚以上を同時に保持して少なくとも一方向にメカニカルスキャンを提供するよう構成されていてもよい。また、イオン注入装置１００は、多数の基板を回転可能なテーブルに載置して回転させながらイオン注入を多数の基板に同時に行ういわゆるバッチ式に構成されていてもよい。
【００７３】
イオンビーム計測装置１０は上述のように、演算処理ユニット４０を備える。演算処理ユニット４０は、イオンビーム１０２の制御のためにイオン注入制御部１２８にイオンビーム１０２の計測結果を出力するよう構成されている。演算処理ユニット４０は、イオン注入制御部１２８とは別体に設けられていてもよいし、イオン注入制御部１２８に内蔵されていてもよい。
【００７４】
イオン注入制御部１２８は、イオンビーム１０２の計測結果に基づいて、基板１０４へのイオン注入処理中にイオンビーム１０２に変動が生じたか否かを判定してもよい。当該判定結果に基づいて、イオン注入制御部１２８は、当該基板１０４へのイオン注入処理について警告を出力してもよい。
【００７５】
イオン注入制御部１２８は、ある時点におけるビームスキャン位置情報とその時点のイオンビーム計測結果とを関連付けてもよい。その関連付けを用いて、イオン注入制御部１２８は、あるイオンビーム計測結果を得たビームスキャン位置を特定してもよい。同様にして、イオン注入制御部１２８は、ある時点におけるメカニカルスキャン位置情報とその時点のイオンビーム計測結果とを関連付けてもよい。その関連付けを用いて、イオン注入制御部１２８は、あるイオンビーム計測結果を得たメカニカルスキャン位置を特定してもよい。
【００７６】
イオン注入制御部１２８は、あるイオンビーム計測結果を得たビームスキャン位置とメカニカルスキャン位置とを総合することにより、そのイオンビーム計測結果を得た基板１０４上のイオンビーム照射位置を特定してもよい。このようにして、イオン注入制御部１２８は、イオンビーム１０２と基板１０４との相対位置情報とイオンビーム１０２の計測結果とに基づいて、イオンビーム１０２に変動が生じた位置を特定してもよい。このようにすれば、接触式のイオンビーム検出器１２２では測定し得ない照射中のイオンビーム１０２の変動を詳細に捉えることができる。
【００７７】
また、イオンビーム計測装置１０の演算処理ユニット４０は、イオン注入制御部１２８からイオンビーム１１中のイオンの速度を表す情報を取得してもよい。イオンの速度を表す情報は、例えばイオンのもつエネルギーを表す情報であり、イオン源からの引出電圧、ビームラインにおける加速電圧（または減速電圧）を含む。
【００７８】
上述のように、イオンの速度は散乱電磁波１３の波長シフトΔλを決める。よって、イオンの速度を表す情報を予め取得することにより、演算処理ユニット４０は、第１スペクトルＲを得るために要する分光スペクトルＳの分析帯域を狭く特定することができる。演算処理ユニット４０の演算負荷を軽減することができる。
【００７９】
図７は、本発明の一実施形態に係り、イオン注入装置１００にて実行され得る走査シーケンスを例示する図である。ここで、走査シーケンスとは基板１０４上の表面全域またはその一部であるイオンビーム照射領域をイオンビーム１０２により走査するための手順をいう。走査シーケンスは、イオン注入制御部１２８に操作者により直接入力されて与えられてもよいし、所与のイオン注入処理を実現するようイオン注入制御部１２８により設定されてもよい。イオン注入制御部１２８によって走査シーケンスが実行される。
【００８０】
図７に示される走査シーケンス１５０は、以下に詳述するように、本来的には基板１０４の外側にイオンビーム１０２を照射する必要のない枚葉式のイオン注入装置１００に好適な走査法を表す。走査シーケンス１５０の実行中、イオンビーム１０２はイオンビーム計測装置１０により継続してまたは間欠的にモニタされる。
【００８１】
走査シーケンス１５０は、走査開始位置１５２から開始され、走査終了位置１５４で終了する。イオン注入制御部１２８が走査開始位置１５２から走査終了位置１５４まで走査シーケンス１５０を実行されることにより、基板１０４上のイオン注入領域（例えば基板１０４の全域、または、基板１０４の周縁部を除く領域）の全体またはその一部へのイオンビーム照射が完了する。
【００８２】
走査シーケンス１５０は典型的には、第１方向への少なくとも１回の走査移動とその垂直方向である第２方向への少なくとも１回の走査移動とを含む。通常は図示されるように、走査シーケンス１５０は、第１方向への複数回の走査移動と第２方向への複数回の走査移動とを含み、第１方向への走査移動と第２方向への走査移動とを交互に含む。その結果として、走査開始位置１５２から走査終了位置１５４へと蛇行状の走査経路となる。ハイブリッドスキャンの場合、第１方向のビームスキャンと第２方向のメカニカルスキャンとが交互に繰り返されることになる。
【００８３】
イオン注入制御部１２８は、イオンビーム１０２のビームスキャンによる走査範囲を基板１０４のメカニカルスキャン中に変更してもよい。すなわち、今回のビームスキャンによる走査範囲と、それに続くメカニカルスキャンを経た次回のビームスキャンによる走査範囲と、を異ならせてもよい。各回のビームスキャンの走査範囲は例えば、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の幅に基づいて設定されてもよい。
【００８４】
このようにして決められた走査シーケンス１５０の一例が図７に示されている。イオン注入制御部１２８は、基板１０４上のイオン注入領域の輪郭または境界の内側をイオンビーム照射領域が占めるように設定された例えば蛇行状の走査シーケンス１５０を実行する。代案として、制御の簡単のために、ビームスキャンの走査範囲は、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の最大幅（例えば円形基板の場合、直径）に基づいて固定値に設定されてもよい。
【００８５】
図７には比較のために、典型的なイオン注入処理におけるイオンビームの照射領域１６０を示す。照射領域１６０は矩形領域となる。図示されるように、基板１０４に比べて（すなわち走査シーケンス１５０の占める領域に比べて）、かなり広い範囲にわたってイオンビームが照射されることがわかる。基板１０４の外側は、イオン注入という本来の目的からすればイオンビームを照射する必要のない区域である。典型的な構成においてこうした区域にも照射されるのは、毎回のビームスキャンでファラデーカップによりビーム電流を計測するために、ビームスキャン長さがファラデーカップの配置に制約され固定されているからである。
【００８６】
よって、本実施形態に係る走査シーケンス１５０によれば、必ずしもイオン注入を要しない領域を最小化することができる。好ましくは、イオンビームの照射領域をイオン注入領域に一致させることができる。走査シーケンス１５０の総走査距離を短くすることができるので、イオン注入処理のスループットを改善することができる。イオン注入不要領域への照射が最小化され、イオン材料の消費も抑制される。
【００８７】
走査シーケンス１５０は、イオンビーム検出器１２２をイオンビーム１０２が経由する第１走査と、イオンビーム検出器１２２を経由せずにイオンビーム１０２が基板１０４を走査する第２走査と、を含んでもよい。図７においては第１走査の例を破線で示し、第２走査の例を実線で示す。第１走査はビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方、またはそれら両方を含んでもよい。第２走査もまた上述のように、ビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方、またはそれら両方を含んでもよい。
【００８８】
そのために、走査シーケンス１５０は例えば、イオンビーム検出器１２２を走査範囲に含む相対的に長距離のビームスキャン１５６と、イオンビーム検出器１２２を走査範囲に含まない相対的に短距離のビームスキャン１５８と、を含んでもよい。長いビームスキャン１５６は、基板１０４上のイオン注入領域とイオンビーム検出器１２２とを走査範囲に含むよう走査距離が定められ、短いビームスキャン１５８は、基板１０４上のイオン注入領域のみを走査範囲に含むよう走査距離が定められてもよい。走査シーケンス１５０は、長いビームスキャン１５６を少なくとも１回含むようにしてもよい。このようにすれば、イオンビーム計測装置１０とイオンビーム検出器１２２とを併用してイオンビーム１０２を監視しながらイオン注入処理を行うことができる。
【００８９】
なお、他の一実施例においては、走査シーケンス１５０と同様にして、イオン注入制御部１２８は、リボン状のイオンビームのビーム幅を、基板に照射される位置に応じて変化させてもよい。
【００９０】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００９１】
例えば、演算処理ユニット４０は、イオンビーム１１のビーム電流を演算することに代えて、イオンビーム１１に関連する任意の量、例えば、被処理物１８への単位時間あたりのイオンビーム照射量（例えばイオン注入量）に関連する量を演算してもよい。このようにしても、イオンビーム計測装置１０の計測結果を用いてイオンビーム照射量（例えばイオン注入量）を制御することが可能となる。
【００９２】
検出部３０は、分光器を備えなくてもよい。散乱電磁波１３がイオンビーム１１のみに由来するとみなすことができる場合がある。例えば、処理室１６の残留ガス濃度が十分に低い場合には、イオンビーム１１による第１スペクトルＲのピークは分光スペクトルＳのピークとして現れる。こうした場合には、分光スペクトル分析を要せずに、検出部３０による散乱電磁波１３の検出強度からイオンビーム１１の電流密度を求めることができる。
【００９３】
イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１の相対的な変動を計測してもよい。例えば、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１の有無を計測してもよい。この場合、測定電磁波１２がイオンビーム１１に垂直に入射されてもよい。演算処理ユニット４０は、検出された散乱電磁波１３の強度を所定のしきい値と対照することにより、ビーム強度低下の有無を判定してもよい。
【００９４】
測定電磁波１２がイオンビーム１１に垂直に入射される場合、上述のドップラーシフトは生じないため、イオンビーム１１による第１スペクトルＲと残留ガスによる第３スペクトルＧとが同一波長λｉにおいて重なり合う。残留ガスの影響を排除するために、演算処理ユニット４０は、残留ガス濃度と当該濃度における残留ガスによる散乱電磁波強度との相関関係を使用してもよい。この相関関係は、例えば、既知の残留ガス濃度において測定電磁波１２を照射しその散乱を測定することによって予め取得され、演算処理ユニット４０に記憶されている。
【００９５】
この場合、イオンビーム計測装置１０は、残留ガス量（例えば残留ガス濃度、又は残留ガス分圧）を検出するための残留ガス分析計（例えば真空計又は質量分析器）を備えてもよい。演算処理ユニット４０は、検出された残留ガス量に当該相関関係を適用して散乱電磁波強度に換算する。演算処理ユニット４０は、検出部３０により検出された散乱電磁波強度から、換算により得た残留ガスの寄与分を差し引いて、イオンビーム１１による散乱電磁波強度を求めることができる。
【００９６】
また、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１１によるレイリー散乱に由来する第１スペクトルＲに加えて、トムソン散乱による第２スペクトルＴを得ることができる（図２参照）。よって、演算処理ユニット４０は、トムソン散乱に基づきイオンビーム１１の計測結果を演算することもできる。演算処理ユニット４０は、分光スペクトルＳの裾野部分ｓｋ（つまり第２スペクトルＴの裾野部分ｓｋ）を用いてイオンビーム１１の電流密度を演算してもよい。これは例えば、残留ガス濃度が大きいために第１スペクトルＲのピークを特定し難い場合の代替手段として有用である。
【００９７】
イオンビーム計測装置１０は、測定電磁波１２の非弾性散乱によって生じる散乱電磁波１３を検出するよう構成されていてもよい。この場合、イオンビーム計測装置１０は、レーザー誘起蛍光法を用いることができる。測定電磁波１２の波長は、イオンビーム１１中のイオンを励起するよう選択され、例えばボロンの１価イオンの場合、波長１３０ｎｍの真空紫外光である。検出部３０は、イオンビーム１１から発せられる脱励起光を検出する。このようにしても、非接触のイオンビーム計測を提供することができる。
【００９８】
ところで、イオンビーム計測装置１０に関連する光学素子（例えばビューポート３２、または集光レンズ等）は、例えばイオンビームに含まれるイオンや、イオンビームが照射された物質からのアウトガス等の汚染粒子によって汚染され得る。汚染により光学素子の例えば透過率または反射率等の光学特性が劣化して、計測に影響を与えることもあり得る。
【００９９】
そこで、イオンビーム計測装置１０は、光学素子を汚染から保護するための保護手段を備えてもよい。保護手段は、汚染粒子に電気的な斥力を作用させ、保護されるべき光学素子への汚染粒子の接近を妨げるよう構成されていてもよい。例えば、ビューポート３２への陽イオンの接近を妨げるために、適当なバイアス電源によりビューポート３２に正の電位が与えられる。こうして、ビューポート３２に与えられた電位と共通の電荷をもつ汚染粒子の接近が妨げられ、ビューポート３２への汚染粒子の付着が抑制される。ビューポート３２表面の透過率の低下を抑えることができる。
【０１００】
この場合、例えばビューポート３２は、導電性を有する（例えば透明導電膜を備える）透明部材であってもよい。または、ビューポート３２を囲む保護部材（例えば金網）が設けられ、その保護部材が帯電されてもよい。
【０１０１】
本発明の一実施形態に係るイオンビーム計測装置を備える粒子線治療装置が提供されてもよい。この粒子線治療装置は、イオンビームの照射を受ける被照射体を収容するための治療室、または、被照射体をイオンビームに対し支持するための支持台を備えてもよい。粒子線治療装置は、被照射体へのイオンビームの照射処理を制御するための制御システムを備えてもよい。照射処理は、被照射体に対するイオンビームの照射を（または照射位置を）制御することを含んでもよい。一実施例においては粒子線治療装置は陽子線治療装置であり、イオンビームは陽子線ビームであってもよい。
【０１０２】
粒子線治療装置は、イオンビームに測定電磁波を照射し、イオンビーム中の荷電粒子による測定電磁波の弾性散乱によって生じる散乱電磁波を検出するよう構成されていてもよい。上述のイオンビーム計測装置１０及びイオン注入装置１００に関連して述べた各種の実施形態は、粒子線治療装置、及び当該装置のためのイオンビーム計測装置に適用してもよい。その場合、「被処理物」は「被照射体」と読み替えればよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  イオンビーム計測装置、  １１  イオンビーム、  １２  測定電磁波、  １３  散乱電磁波、  １４  イオンビーム経路、  １６  処理室、  １９  走査範囲、  ２０  照射部、  ３０  検出部、  ４０  演算処理ユニット、  ４２  受光部、  １００  イオン注入装置。
【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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