(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを受ける有底筒状のファラデーカップと、このファラデーカップにイオンビームが入射することによって流れるイオンビーム電流を計測するビーム電流計と、前記ファラデーカップの入口付近に設けられていて負電圧が印加されるサプレッサ電極とを備えるビーム量計測装置において、前記ファラデーカップを、筒状の側壁部とイオンビームを受け止める底部とに電気的に分割した構造にし、当該底部に前記ビーム電流計を接続し、かつ前記側壁部と底部との間に前者に対して正電圧を印加する直流電源を設けており、しかも前記ファラデーカップの底部を、イオンビームが入射して来る側に向けて尖った形状にしていることを特徴とするビーム量計測装置。
【請求項２】
イオンビームを受ける有底筒状のファラデーカップと、このファラデーカップにイオンビームが入射することによって流れるイオンビーム電流を計測するビーム電流計と、前記ファラデーカップの入口付近に設けられていて負電圧が印加されるサプレッサ電極とを備えるビーム量計測装置において、前記ファラデーカップを、筒状の側壁部とイオンビームを受け止める底部とに電気的に分割した構造にし、当該底部に前記ビーム電流計を接続し、かつ前記側壁部と底部との間に前者に対して正電圧を印加する直流電源を設けており、更に、前記ファラデーカップの側壁部と底部との間に流れる電流を計測する２次電子電流計と、この２次電子電流計で計測する電流値に所定の係数を掛けて、前記ファラデーカップに入射するイオンビームの量と中性ビームの量の総和を演算する演算器とを備えていることを特徴とするビーム量計測装置。
【請求項３】
イオンビームを受ける有底筒状のファラデーカップと、このファラデーカップにイオンビームが入射することによって流れるイオンビーム電流を計測するビーム電流計と、前記ファラデーカップの入口付近に設けられていて負電圧が印加されるサプレッサ電極とを備えるビーム量計測装置において、前記ファラデーカップを、筒状の側壁部とイオンビームを受け止める底部とに電気的に分割した構造にし、当該底部に前記ビーム電流計を接続し、かつ前記側壁部と底部との間に前者に対して正電圧を印加する直流電源を設けており、しかも前記ファラデーカップの底部を、イオンビームが入射して来る側に向けて尖った形状にしており、更に、前記ファラデーカップの側壁部と底部との間に流れる電流を計測する２次電子電流計と、この２次電子電流計で計測する電流値に所定の係数を掛けて、前記ファラデーカップに入射するイオンビームの量と中性ビームの量の総和を演算する演算器とを備えていることを特徴とするビーム量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、イオンビームを半導体基板のような被処理物に照射してイオン注入、表面改質、薄膜形成等を行うイオンビーム照射装置（イオン注入装置を含む）に用いられるものであって、被処理物に照射するイオンビームのビーム量を計測するビーム量計測装置に関し、より具体的には、そのビーム量計測を正確に行う手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のようなイオンビーム照射装置においては、被処理物に照射するイオンビームのビーム量を計測するために、被処理物の近傍、上流側または下流側等であって上記イオンビームが入射する位置に、ビーム量計測装置を設けている。
【０００３】
この種のビーム量計測装置の従来例を図５に示す。このビーム量計測装置は、上記イオンビーム２を受ける有底筒状のファラデーカップ１０と、このファラデーカップ１０にイオンビーム２が入射することによって流れるイオンビーム電流Ｉ1 を計測するビーム電流計１２と、ファラデーカップ１０の入口付近に設けられていてサプレッサ電源８から負電圧（例えば−数百Ｖ〜−６００Ｖ程度）が印加されるサプレッサ電極６とを備えている。サプレッサ電極６の上流側近傍には、通常はこの例のようにマスク４が設けられている。負電位のサプレッサ電極６は、イオンビーム２の入射に伴ってファラデーカップ１０から放出される２次電子１４を押し戻して２次電子１４がファラデーカップ１０から逃れることを抑制することによって、イオンビーム電流Ｉ1 の計測に誤差が生じることを防止する作用を奏する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ファラデーカップ１０からは、イオンビーム２の入射に伴って、上述した２次電子１４だけでなく、正の２次イオン１６も発生する。即ち、ファラデーカップ１０からはイオンビーム２の入射に伴ってスパッタ粒子が発生し、このスパッタ粒子の大部分は中性粒子であるけれども、一部分（例えば数％程度）はイオン化しており、それが上記２次イオン１６である。
【０００５】
特に、イオン注入装置においては、レジストが付与された半導体基板（ウェーハ）にイオン注入を行うことによって、レジストからガス（アウトガス）が放出され、このアウトガスがファラデーカップ１０内に拡散して来てファラデーカップ１０内が汚れやすい。しかもレジストからのアウトガスだけでなく、イオンビーム２がその経路付近に存在する構造物に当たることによるスパッタ粒子もファラデーカップ１０内に飛び込んで来る。これらの結果、ファラデーカップ１０の底面１１が半導電性化（半絶縁物化）することが起こり、このような状態ではその部分がイオンビーム照射に伴って正に帯電（チャージアップ）して、正の２次イオン１６が底面１１から発生しやすくなる。
【０００６】
上記負電位のサプレッサ電極６は、この正の２次イオン１６がファラデーカップ１０から逃れることを抑制できないだけでなく、むしろ反対に２次イオン１６を積極的に引き出す作用をするので、２次イオン１６はファラデーカップ１０から逃れて、サプレッサ電極６やマスク４に流入する。従ってこの２次イオン１６がファラデーカップ１０から逃れ出る分、ビーム電流計１２によるイオンビーム電流Ｉ1 の計測値は真の値から小さくなり、計測誤差が生じる。
【０００７】
また、２次イオン１６は、サプレッサ電源８からサプレッサ電極６に印加された上記電圧によって加速されて（例えば６００ｅＶ程度に加速されて）サプレッサ電極６に衝突するので、それに伴ってサプレッサ電極６から３次電子１８が放出され、これがファラデーカップ１０に流入することも起こる。この３次電子１８の流入によっても、ビーム電流計１２によるイオンビーム電流Ｉ1 の計測値が真の値から小さくなり、計測誤差が生じる。
【０００８】
しかも、ファラデーカップ１０内の汚れ方が経時変化し、それによって２次イオン１６の発生量も経時変化するので、イオンビーム２のビーム量が一定であっても、ビーム電流計１２による見かけ上のビーム量計測値が経時変化することも起こる。
【０００９】
そこでこの発明は、ファラデーカップ内で２次イオンおよび２次電子が発生してもそれらがファラデーカップから逃げることを抑制して、イオンビームのビーム量計測を正確に行うことができるようにしたビーム量計測装置を提供することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明のビーム量計測装置は、前記ファラデーカップを、筒状の側壁部とイオンビームを受け止める底部とに電気的に分割した構造にし、当該底部に前記ビーム電流計を接続し、かつ前記側壁部と底部との間に前者に対して正電圧を印加する直流電源を設けており、しかも前記ファラデーカップの底部を、イオンビームが入射して来る側に向けて尖った形状にしていることを特徴としている（請求項１）。
【００１１】
上記構成によれば、イオンビームの入射に伴ってファラデーカップの底部から２次イオンが放出されても、ファラデーカップの側壁部には底部に対して正電圧が直流電源から印加されるので、この正電圧によって２次イオンは底部に押し戻される。従って、２次イオンがファラデーカップから逃げることを抑制することができる。
【００１２】
一方、イオンビームの入射に伴ってファラデーカップの底部から放出された２次電子は、側壁部に印加された正電圧に引かれて側壁部に流入する。万一、２次電子が側壁部の入口から上流側へ出ようとしても、そこには従来例と同様に負電位のサプレッサ電極が設けられているので、その負電圧によって２次電子は側壁部内に押し戻され、側壁部に流入する。
【００１３】
このようにして、２次イオンおよび２次電子がファラデーカップから逃げることを抑制することができるので、イオンビームのビーム量計測を正確に行うことができる。
【００１４】
しかも前記ファラデーカップの底部を、イオンビームが入射して来る側に向けて尖った形状にしているので、当該底部から発生する２次イオンおよび２次電子がファラデーカップの入口に向かって飛び出しにくくなるので、２次イオンおよび２次電子がファラデーカップから逃げることをより確実に抑制することができる。
【００１５】
ところで、イオンビームが雰囲気中のガス分子と衝突するとその一部が中性化して中性ビームになるけれども、被処理物に対するイオン注入等においては、中性ビームもイオンビームと同様にイオン注入等に寄与するので、中性ビーム量も含めて計測する必要がある。ところが、従来例のようにファラデーカップ１０に流れるイオンビーム電流Ｉ1 を計測する装置では、中性ビーム量を含めて計測することはできないので、その分、計測誤差が生じることになる。
【００１６】
これに対して、請求項２、３記載の発明のように、前記ファラデーカップの側壁部と底部との間に流れる電流を計測する２次電子電流計と、この２次電子電流計で計測する電流値に所定の係数を掛けて、ファラデーカップに入射するイオンビームの量と中性ビームの量の総和を演算する演算器とを更に設けることによって、イオンビームの量と中性ビームの量の総和を計測することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るビーム量計測装置の一例を示す断面図である。図５の従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００１８】
この実施例においては、従来例のファラデーカップ１０に相当するファラデーカップ２０を、筒状の側壁部２１とイオンビーム２を受け止める底部２２とに電気的に分割した構造にしている。この側壁部２１と底部２２との間は、この例では絶縁物２３によって電気的に絶縁している。
【００１９】
そして、上記底部２２に（より具体的には当該底部２２とアースとの間に）、前述したビーム電流計１２を接続している。
【００２０】
更に、側壁部２１と底部２２との間に、前者（側壁部２１）に対して例えば数十Ｖ〜数百Ｖ程度の正電圧を印加する直流電源２４を設けている。
【００２１】
このようにすれば、イオンビーム２の入射に伴って底部２２から２次イオン１６が放出されても、側壁部２１には底部２２に対して上記正電圧が印加されているので、この正電圧によって２次イオン１６は底部２２に押し戻される。従って、２次イオン１６がファラデーカップ２０から逃げることを抑制することができる。ひいては、２次イオン１６の衝突によってサプレッサ電極６等から前述した３次電子１８が発生してそれがファラデーカップ２０内に流入することを防止することもできる。
【００２２】
一方、イオンビーム２の入射に伴って底部２２から放出された２次電子１４は、側壁部２１に印加された上記正電圧に引かれて側壁部２１に流入する。万一、２次電子１４が側壁部２１の入口から上流側へ出ようとしても、そこには従来例と同様に負電位のサプレッサ電極６が設けられているので、その負電圧によって２次電子１４は側壁部２１内に押し戻され、側壁部２１に流入する。
【００２３】
このようにして、２次イオン１６および２次電子１４がファラデーカップ２０から逃れることを抑制することができるので、ファラデーカップ２０およびビーム電流計１２によるイオンビーム２のビーム量計測を正確に行うことができる。しかも、２次イオン１６がファラデーカップ２０から逃げ出ないので、ファラデーカップ２０内の汚れ方が経時変化し、それによって２次イオン１６の発生量が変化しても、ビーム量計測値に変動を生じさせず、安定して正確な計測値が得られる。
【００２４】
上記底部２２は、例えば図１〜図３に示す例のように、イオンビーム２が入射して来る側に向けて、即ちファラデーカップ２０（具体的にはその側壁部２１）の入口に向けて、尖った形状にするのが好ましい。そのようにすれば、底部２２の先端部の面積が非常に小さくなってイオンビーム２の入射方向と直交する部分の面積が非常に小さくなるので、底部２２から発生する２次イオン１６および２次電子１４がファラデーカップ２０の入口に向かって飛び出しにくくなる。換言すれば、２次イオン１６および２次電子１４はファラデーカップ２０の側壁部２１の壁面に向かって飛び出しやすくなるので、２次イオン１６および２次電子１４がファラデーカップ２０から逃げることをより確実に抑制することができる。従って、イオンビーム２のビーム量計測をより正確に行うことができる。
【００２５】
上記底部２２の形状は、具体的には、例えば、錐体状（例えば円錐状、角錐状等）、楔状等である。いずれを採用するかは、側壁部２１の形状等に応じて決めれば良い。例えば、側壁部２１が断面長方形の角筒状の場合は、底部２２を図２に示す例のような楔状にしても良いし、それを複数個並べても良いし、錐体状の底部２２を複数個並べても良い。また、側壁部２１が円筒状の場合は、底部２２を円錐状等にすれば良い。
【００２６】
上記底部２２の断面形状の例を図３に示す。図３Ａは斜面２２ｂが上に凸状をしており、図３Ｂは斜面２２ｂが平坦であり、図３Ｃは斜面２２ｂが下に凸状をしている。後のものほど、先端部２２ａの尖り方が鋭いので好ましい。図１および図２の底部２２は、この図３Ｃのような断面形状をしている。
【００２７】
上記底部２２の材質は、例えば、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓi ）、アルミニウム（Ａl ）、炭化シリコン（ＳiＣ）等が好ましい。その理由は次のとおりである。
【００２８】
カーボンは、耐熱性が高く、かつスパッタ率が小さいので２次イオン１６の放出量も少ない。また、後述する２次電子放出係数ｋは小さいが、温度変化に対して感度が小さい（即ち温度変化に対する２次電子放出係数ｋの変化が小さい）ので、２次電子放出係数ｋの安定性が高い。
【００２９】
シリコンは、耐熱性、スパッタ率および２次電子放出係数ｋについてはカーボンとほぼ同様である。しかもイオン注入時の被処理物は通常はシリコン基板であるので、スパッタ粒子がシリコン基板に到達しても同じシリコンであるから悪影響が少ない。
【００３０】
アルミニウムは、軽金属である等の理由から、スパッタ粒子がシリコン基板に到達しても悪影響が少ない。また、２次電子放出係数ｋが大きいので、後述する数１に従ったビーム量総和Ｂの算出精度が上がる。
【００３１】
炭化シリコンは、耐熱性が高く、かつスパッタ率が小さい。しかも、スパッタ粒子がシリコン基板に到達しても悪影響がシリコンに次いで少ない。また、２次電子放出係数ｋは小さいが温度変化に対して感度が小さいので、２次電子放出係数ｋの安定性が高い。
【００３２】
ところで、イオンビーム２が雰囲気中のガス分子と衝突すると、その一部が中性化して中性ビームになる。前述したようにレジストが付与された半導体基板にイオン注入を行う場合は特に、レジストからのアウトガスによって真空度悪化を招きやすいので、中性ビーム化する割合は高くなる。
【００３３】
このようにイオンビームの一部が中性ビーム化して被処理物に入射しても、イオンビーム入射の場合と同様にイオン注入等に寄与する。即ち、中性ビームも、イオンビームと同様に、被処理物に対するドーパント（注入不純物）として寄与し、被処理物に入射するドーパント量は、イオンビームの量と中性ビームの量の総和である。
【００３４】
ところが、図５に示した従来のビーム量計測装置は、ファラデーカップ１０に流れるイオンビーム電流Ｉ1 をビーム電流計１２で計測するため、電流を流さない中性ビームの計測はできない。従ってこのビーム量計測装置で計測するビーム量と、被処理物に実際に照射されるビーム量との間には、中性ビームの分、誤差が生じる。具体的には、このビーム量計測装置による計測値の方が小さくなるので、このビーム量計測装置を用いて被処理物に対する注入量を制御すると、過剰な注入が起こる。
【００３５】
これを解決する手段の一つとして、真空排気装置の真空排気速度を大きくすることが考えられるけれども、例えば半導体デバイスでは誤差１％以下の注入量制御を必要とするので、イオンビーム２の中性化率を少なくとも１％以下に抑制する必要がある。しかしそれを実現するためには真空排気装置の排気速度を極端に大きくしなければならず、真空排気装置の寸法、費用等の点で現実的ではない。
【００３６】
上記のような課題を、次のような手段によって解決することができる。即ち、例えば図１に示すように、前述したファラデーカップ２０の側壁部２１と底部２２との間に流れる電流Ｉ2 を計測する２次電子電流計２６を設ける。この電流Ｉ2 は、底部２２から放出された２次電子１４が側壁部２１に入射することによって流れる電流であるので、２次電子電流と呼ぶ。
【００３７】
更に、この２次電子電流計２６で計測する２次電子電流Ｉ2 の値に所定の係数１／ｋを掛けて、ファラデーカップ２０に入射するイオンビーム２の量と中性ビームの量の総和Ｂを演算する、即ち次式を演算する演算器２８を設ける。ｋは底部２２の２次電子放出係数である。
【００３８】
【数１】
Ｂ＝Ｉ2 ／ｋ
【００３９】
この式の算出根拠を証明すると、イオンビーム２の一部が中性化されて生じた上記中性ビームも、イオンビーム２と殆ど同じエネルギーを有しているので、当該中性ビームによる底部２２の２次電子放出係数は、イオンビーム２によるものと殆ど同じであり、この２次電子放出係数をここではｋとする。従って、底部２２からの２次電子１４の放出量は、即ち２次電子電流Ｉ2 の大きさは、ファラデーカップ２０に入射するイオンビーム２の量と中性ビームの量の総和Ｂに比例し、次式で表される。
【００４０】
【数２】
Ｉ2 ＝ｋＢ
【００４１】
この数２を変形したのが上記数１である。即ち、上記２次電子電流Ｉ2 の値に係数１／ｋを掛けることによって、上記総和Ｂを求めることができる。
【００４２】
この総和Ｂを用いて被処理物に対する注入量制御を行えば、アウトガス等によって雰囲気の真空度が悪化しても、前述した注入量異常（具体的には過剰注入）が起こるのを防止することができる。それによって例えば、雰囲気の真空度が悪いときでも、前述した誤差１％以下の注入量制御を達成することが可能になる。
【００４３】
あるいは、被処理物に対する注入開始時は、真空度が高くてイオンビーム２の中性化が殆どなく、ビーム電流計１２による計測値が正確なのでそれを用いて注入量を算出し、被処理物にイオンビームが当たってアウトガスが出始めたら上記総和Ｂを用いて注入量制御を行うようにしても良い。
【００４４】
上記２次電子放出係数ｋは、底部２２の材質およびイオンビーム２の条件（例えばイオン種、エネルギー等）によって変化するので、被処理物にイオンビーム２を照射して処理を行う前に、処理時と同じ条件で予め求めておき、それを実際の処理時に適用するのが好ましい。
【００４５】
上記２次電子放出係数ｋの求め方の一例を説明すると、雰囲気の真空度が良いときに（例えば１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の圧力時に）、イオンビーム２をファラデーカップ２０に入射して、ビーム電流計１２によってイオンビーム電流Ｉ1 を計測し、かつ２次電子電流計２６によって２次電子電流Ｉ2 を計測する。両計測値をそれぞれＩ10およびＩ20とする。このときは、イオンビーム２の中性化は無視できるほどに小さいので、ファラデーカップ２０に入射するのはイオンビーム２だけであると考えることができる。従って、底部２２の２次電子放出係数ｋは次式によって求めることができる。
【００４６】
【数３】
ｋ＝Ｉ20／Ｉ10
【００４７】
なお、上記２次電子放出係数ｋは、被処理物に対する実際のイオンビーム照射処理にできるだけ近い時点で求める方が好ましい。その方が、被処理物の処理時に最も近い条件で２次電子放出係数ｋを求めることができるので、２次電子放出係数ｋを最も正確に求めることができるからである。
【００４８】
また、図１を参照して、ビーム電流計１２と２次電子電流計２６との接続点３０と底部２２との間の部分３２に、そこを流れる電流Ｉ3 を計測する電流計（図示省略）を設け、ビーム量計測時に次式が成立することを監視するようにしても良い。それによって、ファラデーカップ２０外に逃れる、あるいはイオンビーム２以外で外から流入して来る、荷電粒子の有無を確認することができるので、このビーム量計測装置によるビーム量計測の信頼性を確認することができる。
【００４９】
【数４】
Ｉ3 ＝Ｉ1 ＋Ｉ2 
【００５０】
上記直流電源２４は、図４に示す例のように、上記接続点３０と底部２２との間に後者を負極側にして設けても良い。この直流電源２４の作用は図１の例の場合と同様であるので重複説明を省略する。
【００５１】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５２】
請求項１記載の発明によれば、ファラデーカップ内で２次イオンおよび２次電子が発生しても、それらがファラデーカップから逃げることを抑制することができるので、イオンビームのビーム量計測を正確に行うことができる。しかも、２次イオンがファラデーカップから逃げ出ないので、ファラデーカップ内の汚れ方が経時変化し、それによって２次イオンの発生量が変化しても、ビーム量計測値に変動を生じさせず、安定して正確な計測値が得られる。
【００５３】
しかもファラデーカップの底部を、イオンビームが入射して来る側に向けて尖った形状にしているので、ファラデーカップの底部から発生する２次イオンおよび２次電子がファラデーカップの入口に向かって飛び出しにくくなり、２次イオンおよび２次電子がファラデーカップから逃げることをより確実に抑制することができる。従って、ビーム量計測をより正確に行うことができる。
【００５４】
請求項２、３記載の発明によれば、イオンビームの量と中性ビームの量の総和を計測することができるので、雰囲気の真空度悪化によってイオンビームの一部が中性ビーム化した場合でも、被処理物に照射される総ビーム量を正しく計測することができる。従って例えば、この計測結果を用いて被処理物に対する注入量制御を行うことによって、注入量異常が生じるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るビーム量計測装置の一例を示す断面図である。
【図２】図１中のファラデーカップの底部の斜視図である。
【図３】ファラデーカップの底部の例を示す断面図である。
【図４】この発明に係るビーム量計測装置の他の例を示す断面図である。
【図５】従来のビーム量計測装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
２  イオンビーム
６  サプレッサ電極
１２  ビーム電流計
１４  ２次電子
１６  ２次イオン
２０  ファラデーカップ
２１  側壁部
２２  底部
２３  絶縁物
２４  直流電源
２６  ２次電子電流計
２８  演算器
【図１】
0004003308.tif 000002
【図２】
0004003308.tif 000003
【図３】
0004003308.tif 000004
【図４】
0004003308.tif 000005
【図５】
0004003308.tif 000006