(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１２のための処理室１６内の残留ガスとイオンビーム１２との相互作用による残留ガスの発光を検出するための検出器２０と、検出器２０により検出された残留ガスの発光強度に基づいてイオンビーム計測結果を提供するための演算処理ユニット２２と、を備える。演算処理ユニット２２は、検出器２０により検出された残留ガスの発光強度と、予め取得された残留ガス発光強度とイオンビーム電流との相関関係と、からイオンビーム１２のビーム電流を演算してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームのための真空チャンバ内の残留ガスと前記イオンビームとの相互作用による前記残留ガスの発光を検出するための検出器と、
前記検出器により検出された前記残留ガスの発光強度に基づいてイオンビーム計測結果を提供するための演算部と、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】
前記演算部は、前記検出器により検出された前記残留ガスの発光強度と、予め取得された残留ガス発光強度とイオンビーム電流との相関関係と、から前記イオンビームのビーム電流を演算す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】
前記演算部は、前記検出器により検出された前記残留ガスの発光強度を、残留ガス量に応じて校正する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】
前記真空チャンバは、前記残留ガスからの光を透過する窓を備え、
前記検出器は、前記窓を通じて前記残留ガスの発光を検出するよう前記真空チャンバの外部に設けられてい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】
前記イオンビームの走査範囲に沿って配列され、前記残留ガスからの光を受けるための複数の受光部をさらに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６】
請求項１から５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７】
真空環境において残留ガスとイオンビームとの相互作用による前記残留ガスの発光を検出することと、
前記残留ガスの発光強度に基づいてイオンビーム計測結果を提供することと、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
【特許文献２】特開２０００−１１９４２号公報
【特許文献３】特開平７−１５３４１６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、イオンビームのための真空チャンバ内の残留ガスと前記イオンビームとの相互作用による前記残留ガスの発光を検出するための検出器と、前記検出器により検出された前記残留ガスの発光強度に基づいてイオンビーム計測結果を提供するための演算部と、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、真空環境において残留ガスとイオンビームとの相互作用による前記残留ガスの発光を検出することと、前記残留ガスの発光強度に基づいてイオンビーム計測結果を提供することと、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を模式的に示す図である。
【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、真空環境における残留ガスとイオンビーム１２との相互作用による残留ガスの発光を検出するよう構成されている。イオンビーム１２は残留ガスを励起（または電離）させる。励起した残留ガスは脱励起（または再結合）の際に発光する。イオンビーム計測装置１０は、検出された残留ガスの発光強度に基づいて、演算によりイオンビーム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１２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１２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、イオンビーム１２に対し移動可能にまたは静止状態に被処理物１８を支持する支持部（図示せず）を備える。こうして、イオンビーム１２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１２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１２は、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１２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１２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１２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１２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。
【００１５】
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。イオン注入装置は、イオンビーム１２を制御するためのイオンビーム制御装置（図示せず）を備える。
【００１６】
処理室１６は、イオンビーム１２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１２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、検出器２０を備える。検出器２０は、処理室１６の残留ガスとイオンビーム１２との相互作用による残留ガスの発光を検出するために設けられている。検出器２０は、処理室１６の外に配置されている。検出器２０は、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２０の電気信号は、処理室１６内の残留ガスの発光強度を表す信号を含む。検出器２０は、演算処理ユニット２２（後述）に信号を出力するよう接続されている。
【００１８】
検出器２０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２０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２０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。残留ガスからの光の波長は残留ガスの種類に応じて異なりうる。残留ガスの発光は、例えば可視光、赤外光、又は紫外光である。分光器を備えることにより、特定の残留ガス種の発光強度を得ることができる。なお、例えば残留ガスからの光の波長が既知である場合には（残留ガスの発光が単色の場合には）、検出器２０は分光器を備えなくてもよい。
【００１９】
なおここで、処理室１６内に存在するガスを総称して、残留ガスと呼ぶこととする。よって、残留ガスには、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。
【００２０】
イオンビーム計測装置１０は、ビューポート２１を備える。ビューポート２１は、残留ガスの発光を処理室１６の外部から観察するための窓であり、処理室１６の壁に設けられている。ビューポート２１は、残留ガスからの光に対し透過性を有する材料で形成されている。ビューポート２１は例えばガラス窓である。
【００２１】
検出器２０の受光部（入射する光を受け入れる部位）がビューポート２１に光学的に接続されている。すなわち、検出器２０は、ビューポート２１を透過する光が検出器２０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２０の受光部がビューポート２１に直接取り付けられている。または、ビューポート２１を透過する光を検出器２０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２１と検出器２０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２０の設置場所を選ぶことができる。
【００２２】
ビューポート２１は、残留ガスの発光を集光するための集光レンズであってもよい。そうした集光レンズが処理室１６内に設けられていてもよい。このようにすれば、検出器２０へと入射する光量を高めることができる。
【００２３】
イオンビーム計測装置１０は、演算処理ユニット２２を備える。演算処理ユニット２２は、検出器２０の出力する電気信号を受信するよう検出器２０に接続されている。演算処理ユニット２２は、検出器２０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２２は検出器２０に一体に搭載されていてもよい。また、演算処理ユニット２２は、イオンビーム計測に必要な情報（例えば、後述の「相関関係」など）を記憶するための記憶部（例えばメモリ）を備える。
【００２４】
演算処理ユニット２２は、検出器２０により検出された残留ガスの発光強度から、イオンビーム１２のビーム電流を演算するよう構成されている。そのために、演算処理ユニット２２は、残留ガス発光強度とイオンビーム電流との相関関係（以下では、単に「相関関係」と呼ぶことがある）を使用する。後述するように、相関関係は予め取得されている。演算処理ユニット２２は、検出された残留ガスの発光強度に相関関係を適用し、イオンビーム電流に換算する。
【００２５】
また、演算処理ユニット２２は、演算結果を出力するよう構成されている。演算処理ユニット２２は、必要に応じて、イオンビーム計測結果を表示手段（例えばディスプレイ等）に出力する。あるいは、演算処理ユニット２２は、イオンビーム１２の制御装置（図示せず）によるイオンビーム１２の制御のために、当該制御装置にイオンビーム計測結果を出力する。
【００２６】
また、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム計測器２３と、残留ガス分析計２４と、を備える。イオンビーム計測器２３は、相関関係の取得のために使用される。イオンビーム計測器２３は、例えば、イオンビーム１２の入射を直接受ける検出面をもつ接触式の計測器（例えば、ファラデーカップ）である。
【００２７】
残留ガス分析計２４は、残留ガス発光強度の校正（後述）のために使用される。残留ガス分析計２４は、残留ガス種、及び／または残留ガス量（例えば残留ガス濃度、又は残留ガス分圧）を検出するための検出器であり、例えば真空計又は質量分析器である。イオンビーム計測器２３及び残留ガス分析計２４は、各々の計測結果を表す出力を演算処理ユニット２２に与えるよう演算処理ユニット２２に接続されている。
【００２８】
イオンビーム計測のための前処理について説明する。この前処理は、相関関係の取得を含む。イオンビーム計測装置１０は、例えば、前処理を自動的に実行するよう構成されている。または、作業者によって前処理が行われてもよい。
【００２９】
相関関係の取得のために、イオンビーム計測装置１０は、異なる複数のイオンビーム電流について、検出器２０により残留ガス発光強度を検出する。このときイオンビーム１２はイオンビーム計測器２３に照射されており、イオンビーム計測器２３によってイオンビーム電流は既知である。演算処理ユニット２２は、あるイオンビーム電流の計測値とそのとき検出された発光強度とを関連付ける。検出された発光強度として例えば、検出された分光スペクトルにおける発光強度ピークが用いられる。２つの隣接する計測値の間は公知の手法で補間される。このようにして、残留ガス発光強度とイオンビーム電流との相関関係を得ることができる。
【００３０】
ところで、残留ガスの発光強度は残留ガス量または残留ガス種に依存する。残留ガスが多ければ発光は強く、逆に少なければ弱くなる。また、残留ガス種に応じて残留ガスからの光の波長は異なりうる。そこで、相関関係の取得に際しては、残留ガス分析計２４によって処理室１６内のガス組成が計測される。または、処理室１６内は既知のガス組成に調整されている。
【００３１】
残留ガスには、イオンビーム１２の照射プロセス（例えばイオン注入プロセス）には依存しないガスと、照射プロセスにおいて量が比較的大きく変動するガスと、が含まれる。ここでは、前者をプロセス非依存ガスと呼び、後者をプロセス依存ガスと呼ぶことにする。プロセス非依存ガスは例えば、真空排気プロセスにて排気されずに処理室１６に残されたガス（例えば水分など）である。プロセス依存ガスは例えば、被処理物１８に塗布されているレジストに由来するアウトガスである。
【００３２】
プロセス非依存ガスの発光を検出する場合には、前処理と実際の計測時（即ち照射プロセス中）とでその量は実質的に変わらないと期待される。よって、上述の前処理で取得された相関関係を使用して、検出された発光強度からイオンビーム電流を求めることができる。
【００３３】
一方、プロセス非依存ガスに比べて、プロセス依存ガスの量は計測時に処理室１６に多量にあり得る。プロセス非依存ガスよりも、プロセス依存ガスのほうが発光強度が強くなりうる。よって、プロセス依存ガスに着目する場合には、発光の検出が比較的容易であるという利点がある。しかし、そのときの処理室１６内の残留ガス組成が相関関係取得時のガス組成に一致するとは限らない。
【００３４】
そこで、イオンビーム計測のための前処理は、残留ガス組成に依存する発光強度の変化を校正するためのパラメタを取得することを含む。このパラメタを以下では校正係数と呼ぶことがある。校正係数は例えば、残留ガス量に応じた発光強度の変化量を表す。
【００３５】
校正係数の取得のために、イオンビーム計測装置１０は、既知のイオンビーム電流Ｉのもとで、異なる複数の残留ガス量（例えば残留ガス濃度、又は残留ガス分圧）についてイオンビーム１２の発光強度を検出する。この検出発光強度は残留ガス量によって異なる。既知のイオンビーム電流Ｉはイオンビーム計測器２３により計測される。既知のイオンビーム電流Ｉから上述の相関関係により得られる発光強度を、基準発光強度と呼ぶことにする。イオンビーム計測装置１０は例えば、検出発光強度の基準発光強度に対する比を、当該残留ガス量の校正係数とする。
【００３６】
イオンビーム計測装置１０の計測動作を説明する。計測に先立って、イオンビーム計測装置１０において上述の前処理が完了している。計測されるべきイオンビーム１２がイオンビーム経路１４に供給される。イオンビーム１２は被処理物１８に照射される。検出器２０により残留ガスの発光が検出され、その分光スペクトルを表す信号が演算処理ユニット２２に与えられる。残留ガス分析計２４により計測される残留ガス組成が演算処理ユニット２２に与えられる。
【００３７】
演算処理ユニット２２は、分光スペクトルから発光強度ピークを選ぶ。演算処理ユニット２２は、選択された発光強度ピークに対応する残留ガス種の残留ガス量に応じた校正係数を用いて、発光強度を校正する。演算処理ユニット２２は、校正された発光強度に相関関係を適用し、イオンビーム１２のビーム電流を演算する。
【００３８】
このようにして、上述の実施形態に係るイオンビーム計測装置１０は、処理室１６内の残留ガスの発光からイオンビーム１２を間接的に計測することができる。したがって、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１２を被処理物１８に照射しながら任意のタイミングで非接触に計測することができる。
【００３９】
演算処理ユニット２２は、検出器２０により検出された残留ガスの発光強度と、予め取得された相関関係と、からイオンビーム１２のビーム電流を演算する。イオンビーム電流を求めることができるので、イオンビーム１２を被処理物１８に照射しながら照射量を制御することが可能となる。
【００４０】
演算処理ユニット２２は、検出器２０により検出された残留ガスの発光強度を、残留ガス量に応じて校正する。これにより、計測中の残留ガス量変化の計測への影響を抑えることができる。また、上述のプロセス依存ガスの発光を計測に利用することができる。
【００４１】
処理室１６はビューポート２１を備えており、検出器２０はビューポート２１を通じて残留ガスの発光を検出するよう処理室１６の外部に設けられている。このようにすれば、処理室１６内の真空環境には必ずしも適合しない汎用の検出器を使用することができる。
【００４２】
典型的なイオン注入装置においては被処理物１８の外側に接触式検出器（例えばファラデーカップ）が設けられており、計測のためにこの接触式検出器にイオンビームを照射することが事実上必須とされている。ところが、本発明の一実施形態によれば、イオンビーム１２の計測のために被処理物１８の外側にイオンビーム１２を照射する必要がない。よって、イオンビーム１２の照射エリアを被処理物１８の内側に合わせて小さくすることができる。こうして、イオンビーム１２の照射処理のスループットの向上及びイオン材料の消費量低減が実現される。
【００４３】
イオンビームによって残留ガスから電離した電子を外部電磁場により検出器に導くことで、イオンビームを計測する手法もある。しかし、この手法は本発明とは異なり、外部電磁場によってイオンビームの軌道が変えられてしまう。本発明の一実施形態は、計測のための外部電磁場を要しないため、イオンビーム経路１４を保持することができるという利点もある。
【００４４】
ところで、イオンビーム１２による残留ガスの励起から脱励起までの時間は概してごく短い。そのため、イオンビーム１２が走査される場合にはイオンビーム１２が通過した直後にその場所の発光は終わり、イオンビーム１２とともに発光場所が移動していく。イオンビーム１２の走査位置によってビューポート２１から発光場所までの距離が変わり、イオンビーム１２の電流量が等しくても計測される発光強度が変化しうる。
【００４５】
そこで、イオンビーム１２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１２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１２が走査範囲１９において特定の位置にあるときの発光強度を検出するようにしてもよい。
【００４６】
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を模式的に示す図である。図２に示すイオンビーム計測装置１０は、走査範囲１９に沿って複数の検出器を備える点で、図１に示すイオンビーム計測装置１０とは異なる。図２は、イオンビーム１２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１及び図２に示すイオンビーム計測装置１０について同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。
【００４７】
イオンビーム計測装置１０は、残留ガスからの光を受けるための複数の受光部３０を処理室１６内に備える。各受光部３０は、図１を参照して述べた検出器２０を備える。複数の受光部３０は、イオンビーム１２の走査範囲１９に沿って配列されている。複数の受光部３０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３２を構成する。受光部アレイ３２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２２に与えられる。
【００４８】
受光部アレイ３２は、最終段アパーチャ３４に搭載されている。最終段アパーチャ３４は、イオンビーム経路１４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３４は例えば、イオンビーム１２の走査範囲１９に対応する開口３６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。
【００４９】
各受光部３０の受光面３１はイオンビーム１２の走査範囲１９に向けられている。複数の受光部３０は互いに隣接しており、隣り合う受光部３０の間にはコリメータ３８が設けられている。コリメータ３８は、各受光部３０の受光面３１に横方向から入射する光を遮断するために設けられている。コリメータ３８は、各受光部３０から開口３６まで延びている。
【００５０】
図２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１２による残留ガスの発光が、走査位置に対応する受光部３０により検出される。走査中のイオンビーム１２と受光部アレイ３２のうちイオンビーム１２に最も近い受光部３０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。
【００５１】
なお、受光部３０は検出器を備えずに、受光した光を処理室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３０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３１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、検出器を処理室１６の外部に配置することができる。
【００５２】
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。
【００５３】
例えば、演算処理ユニット２２は、イオンビーム１２のビーム電流を演算することに代えて、イオンビーム１２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。
【００５４】
また、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１２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１２の有無を計測してもよい。演算処理ユニット２２は、検出された発光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。この場合、上述の相関関係の取得をすることなく、計測結果を提供することができる。
【００５５】
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２１、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。
【００５６】
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２１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２１に正の電位が与えられる。こうして、ビューポート２１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２１への汚染粒子の付着が抑制される。ビューポート２１表面の透過率の低下を抑えることができる。
【００５７】
この場合、例えばビューポート２１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２１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。
【符号の説明】
【００５８】
１０  イオンビーム計測装置、  １２  イオンビーム、  １４  イオンビーム経路、  １６  処理室、  １９  走査範囲、  ２０  検出器、  ２１  ビューポート、  ２２  演算処理ユニット、  ３０  受光部。
【図１】
2013152859.tif 000003
【図２】
2013152859.tif 000004