(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを放出するためのターミナル(17)と、このターミナルによって放出されるイオンビームを案内するためのビームライン部(15)と、このビームライン部によって案内されたイオンビームを受け入れるターゲット部(16)とを備え、前記ビームライン部(15)は、第１平面におけるイオンビームを調整可能に質量分析するための静電レンズ(36)を含んでおり、この静電レンズは、(a) 第１，第２部分(37A,37B) を有し、その間に形成されるギャップ(d37) 内をイオンビームが通過するターミナル電極(37)と、(b) 第１，第２部分(39A,39B) を有し、その間に形成されるギャップ(d39) 内をイオンビームが通過する分析電極(39)と、(c) 可変電圧が印加され、前記ターミナル電極と分析電極の間に配置され、しかも第１，第２部分(38A,38A) を有し、その間に形成されるギャップ(d38) 内をイオンビームが通過する抑制電極(38)と、(d) 前記抑制電極及び分析電極の各第１部分(38A,39A) が、それぞれ前記抑制電極及び分析電極の各第２部分(38B,39B) に接近離間するように同時に移動するための運動機構(60,62) 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】
抑制電極(38)及び分析電極(39)の各第１部分(38A,39A) は、それぞれ互いに対面する湾曲表面(108A,110A) を有し、前記抑制電極(38)及び分析電極(39)の各第２部分(38B,39B) は、それぞれ互いに対面する湾曲表面(108B,110B) を有していることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項３】
抑制電極(38)の第１，第２部分(38A,38B) は、互いに対面する溝表面(112A,112B) を有しており、この溝表面に沿ってイオンビームが通過することを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記抑制電極のギャップ(d38)及び前記分析電極のギャップ(d39) は、所定の範囲内で限定的に調整可能であることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項５】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) は、互いに対面する溝表面(114A,114B) を有しており、この溝表面に沿ってイオンビームが通過することを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項６】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第１端部の間に配置された第１端部プレート(56)と、前記分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第２端部の間に配置された第２端部プレート(58)とを更に含み、前記第１，第２端部プレート(56,58) と前記溝表面(114A,114B) は、イオンビームが通過する通路を形成することを特徴とする請求項５記載のイオン注入装置。
【請求項７】
分析電極(39)は、アース電位に維持され、ターミナル電極(37)は、イオンビームが加速される作動モードでは正電圧に、または、イオンビームが減速される作動モードでは負電圧に維持されることを特徴とする請求項５記載のイオン注入装置。
【請求項８】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) は、第１の湾曲表面(110A,110B) にほぼ平行に伸びる第２の湾曲表面(120A,120B) を備えていることを特徴とする請求項５に記載のイオン注入装置。
【請求項９】
第１平面におけるイオンビームを調整可能に質量分析し、かつ前記第１平面及びこれに直交する第２平面にイオンビームを調整可能に集束させるための静電３極レンズであって、(a) 第１，第２部分(37A,37B) を有し、その間に形成されるギャップ(d37) 内をイオンビームが通過するターミナル電極(37)と、(b) 第１，第２部分(39A,39B) を有し、その間に形成されるギャップ(d37) 内をイオンビームが通過する分析電極(39)と、(c) 可変電圧が印加され、前記ターミナル電極と分析電極の間に配置され、しかも第１，第２部分(38A,38A) を有し、その間に形成されるギャップ(d38) 内をイオンビームが通過する抑制電極(38)と、(d) 前記抑制電極及び分析電極の各第１部分(38A,39A) が、それぞれ前記抑制電極及び分析電極の各第２部分(38B,39B) に接近離間するように同時に移動するための運動機構(60,62) と、を備えていることを特徴とする静電３極レンズ。
【請求項１０】
抑制電極(38)と分析電極(39)の各第１部分(38A,39A) は、それぞれ互いに対面する湾曲表面(108A,110A) を有し、また、前記抑制電極(38)及び分析電極(39)の各第２部分(38B,39B) は、それぞれ互いに対面する湾曲表面(108B,110B) を有していることを特徴とする請求項９記載の静電３極レンズ。
【請求項１１】
抑制電極(38)の第１，第２部分(38A,38B) は、互いに対面する溝表面(112A,112B) を有しており、この溝表面に沿ってイオンビームが通過することを特徴とする請求項９記載の静電３極レンズ。
【請求項１２】
前記抑制電極のギャップ(d38)及び前記分析電極のギャップ(d39)は、所定の範囲内で限定的に調整可能であることを特徴とする請求項９記載の静電３極レンズ。
【請求項１３】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) は、互いに対面する溝表面(114A,114B) を有しており、この溝表面に沿ってイオンビームが通過することを特徴とする請求項９記載の静電３極レンズ。
【請求項１４】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第１端部の間に配置された第１端部プレート(56)と、前記分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第２端部の間に配置された第２端部プレート(58)とを更に含み、前記第１，第２端部プレート(56,58) と前記溝表面(114A,114B) は、イオンビームが通過する通路を形成することを特徴とする請求項１３記載の静電３極レンズ。
【請求項１５】
分析電極(39)は、アース電位に維持され、ターミナル電極(37)は、イオンビームが加速される作動モードでは正電圧に、または、イオンビームが減速される作動モードでは負電圧に維持されることを特徴とする請求項１３記載の静電３極レンズ。
【請求項１６】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) は、第１の湾曲表面(110A,110B) にほぼ平行に伸びる第２の湾曲表面(120A,120B) を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の静電３極レンズ。
【請求項１７】
イオン注入装置において、ターミナルとエンドステーションの中間に位置するビームラインに用いられ、そして、第１平面におけるイオンビームを調整可能に質量分析し、かつ前記第１平面及びこれに直交する第２平面にイオンビームを調整可能に集束させるため調整可能なレンズサブアセンブリ(40)であって、このレンズサブアセンブリは、前記ターミナルの近くに配置され、かつ(a) 可変電圧が印加され、第１，第２部分(38A,38A) を有し、その間に形成されるギャップ(d38) 内をイオンビームが通過する抑制電極(38)と、(b) 第１，第２部分(39A,39B) を有し、その間に形成されるギャップ(d37) 内をイオンビームが通過する分析電極(39)と、(c) 前記抑制電極及び分析電極の各第１部分(38A,39A) が、それぞれ前記抑制電極及び分析電極の各第２部分(38B,39B) に接近離間するように同時に移動するための運動機構(60,62) と、を備えていることを特徴とするレンズサブアセンブリ。
【請求項１８】
抑制電極(38)と分析電極(39)の各第１部分(38A,39A) は、それぞれ互いに対面する湾曲表面(108A,110A) を有し、また、前記抑制電極(38)及び分析電極(39)の各第２部分(38B,39B) は、それぞれ互いに対面する湾曲表面(108B,110B) を有していることを特徴とする請求項１７記載のレンズサブアセンブリ。
【請求項１９】
抑制電極(38)の第１，第２部分(38A,38B) は、互いに対面する溝表面(112A,112B) を有しており、この溝表面に沿ってイオンビームが通過することを特徴とする請求項１７記載のレンズサブアセンブリ。
【請求項２０】
前記抑制電極のギャップ(d38)及び前記分析電極のギャップ(d39) は、所定の範囲内で限定的に調整可能であることを特徴とする請求項１７記載のレンズサブアセンブリ。
【請求項２１】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) は、互いに対面する溝表面(114A,114B) を有しており、この溝表面に沿ってイオンビームが通過することを特徴とする請求項１７記載のレンズサブアセンブリ。
【請求項２２】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第１端部の間に配置された第１端部プレート(56)と、前記分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第２端部の間に配置された第２端部プレート(58)とを更に含み、前記第１，第２端部プレート(56,58) と前記溝表面(114A,114B) は、イオンビームが通過する通路を形成することを特徴とする請求項２１記載のレンズサブアセンブリ。
【請求項２３】
分析電極(39)は、アース電位に維持されていることを特徴とする請求項２１記載のレンズサブアセンブリ。
【請求項２４】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) は、第１の湾曲表面(110A,110B) にほぼ平行に伸びる第２の湾曲表面(120A,120B) を備えていることを特徴とする請求項２１記載のレンズサブアセンブリ。
【請求項２５】
抑制電極(38)と分析電極(39)を含む調整可能な静電レンズを用いて、直交する平面にイオンビームを集束させる方法であって、(a) 抑制電極(38)の第１，第２部分(38A,38A) の間に、第１距離(d38) を有する第１ギャップを設け、(b) 分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の間に、第２距離(d39) を有する第２ギャップを設け、(c) 前記第１，第２ギャップを通過するようにイオンビームを指向させ、(d) 前記抑制電極(38)に印加される電圧の大きさを変化させて、第１平面にイオンビームを集束させ、(e) 前記第１，第２距離(d38,d39) を同時に変えて、前記第１平面に対してほぼ垂直に配置されている第２平面にイオンビームを集束させることを特徴とするイオンビームの集束方法。
【請求項２６】
第１距離(d38) は、第２距離(d39) よりも大きいことを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
抑制電極(38)の第１，第２部分(38A,38B) 上に湾曲表面(108A,108B) を有し、また、分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) 上に湾曲表面(110A,110B) を有し、前記湾曲表面(108,110) は互いに対面していることを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
イオンビームは、前記抑制電極のギャップ(d38)及び前記分析電極のギャップ(d39)を通過するとき減速することを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
抑制電極(38)の第１，第２部分(38A,38B) 上に互いに対面する溝表面(112A,112B) と、分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) 上に互いに対面する溝表面(112A,112B) とを設けるステップをさらに有していることを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項３０】
分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第１端部の間に配置された第１端部プレート(56)と、前記分析電極(39)の第１，第２部分(39A,39B) の第２端部の間に配置された第２端部プレート(58)とを更に設けるステップを含み、前記第１，第２端部プレート(56,58) と前記溝表面(114A,114B) によって形成される通路を通ってイオンビームが指向されることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にイオン注入装置の分野に関し、特に、イオンを加速及び減速する作動モードにおいて、イオン注入装置におけるイオンビームを可変して集束して質量分析するための静電レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置は、集積回路の大規模製造において、半導体に不純物を混入させるために、産業界に望ましい技術として発展してきた。イオン線量及びイオンエネルギーは、注入工程を定めるために用いられる２つの重要な変数である。イオン線量は、与えられた半導体材料に対して注入されたイオンの濃度に関係する。
【０００３】
一般的に、高電流注入装置（イオンビーム電流が約１０ミリアンペア（ｍＡ）以上）は高いイオン線量の注入装置であり、中電流注入装置（イオンビーム電流が約１ｍＡまで可能）は、低いイオン線量のために使用される。
【０００４】
イオンエネルギーは、半導体素子における接合部深さを制御するために使用される。イオンビームを作り上げるイオンのエネルギーレベルは、注入されたイオンの深さの度合いを決定する。半導体素子におけるレトログレード・ウエル(retrograde wells)を形成するために用いられる高いエネルギープロセスでは、数１００万電子ボルト（ＭｅＶ）に達する注入を必要とし、また浅い接合部(shallow  junctions)を形成するために１０００電子ボルト（１ＫｅＶ）以下のエネルギーが必要とされる。
【０００５】
一般的なイオン注入装置は、３つの部分またはサブシステム、すなわち、(a) イオンビームを出力するためのターミナルと、(b) 質量分析し、かつイオンビームの集束及びエネルギーレベルを調整するためのビームラインと、(c) イオンビームによってイオンが注入される半導体ウエハを包含するターゲット室とを備えている。
【０００６】
ビームラインは、一般的に、固定された寸法の質量分析のための開口と、イオンビームを集束するための加速及び減速用のレンズを含む。半導体素子が益々小さくなる傾向において、ビームラインは、低いエネルギーで高いビーム電流を供給できる構成を必要とする。高いビーム電流は、必要な注入線量レベルを与え、低いエネルギーは、浅い注入を可能にする。従って、半導体素子における浅いソース／ドレイン接合部の形成は、たとえば、このような高電流かつ低エネルギーを必要とする。
【０００７】
所定のビームラインの構造体を介して伝達する低エネルギーイオンビームは、ビーム発散(beam blow up)として知られている状態を呈する。このビーム発散は、イオンビーム内の荷電イオンが互いに反発し合い、イオンビームが全体として発散することを意味する。このような相互反発により、好ましい形に反してビームが意図されたビームライン径路から離れて発散する。
【０００８】
ビーム発散は、高電流かつ低エネルギーの利用における特定の問題であって、その理由は、イオンビーム（高電流）におけるイオンの高集中によって、イオンの相互反発力が増大し、イオンの伝達ポテンシャル（低エネルギー）が相互反発力に対抗するには不十分となるからである。このビーム発散の問題は、ビームラインの全長が長くなるほど大きくなる。それゆえ、好ましいビームラインの設計構造は、ビームラインの長さを短くすることである。
【０００９】
静電レンズは、イオンビーム内のイオンを加速したり減速したりして、適当なエネルギーレベルを達成し、また、相互反発する電荷がビーム発散現象をもたらすのを妨げるようにイオンビームを集束させるためのものとしても知られている。一般的に、このようなレンズは、電位を次第により大きくまたはより小さくするために多くの電極を含んでいる。ビーム内の個々のイオンは、この電位勾配（即ち、電場の大きさ）によって加速または減速され、また、集束は、電極により生じる電界によって達成される。
【００１０】
静電レンズにおける加速及び減速時の集束の実施例は、キング氏等に付与され、本出願人に譲渡された米国特許第５，１７７，３６６号によって開示されており、これらは参考として本明細書に包含される。
【００１１】
この米国特許では、質量分析開口及び静電レンズは、一対の偏向電極によって分離されている。質量分析開口は、ビームから不適当な質量の電荷を有するイオンを排除する。
【００１２】
静電レンズは、(a) 一対の偏向電極によって最初に偏向されたイオンビームを直交平面に集束させ、(b) 所望の注入エネルギーレベルを達成するのにイオンビーム内のイオンを加速するために、すぐ近くの下流にある加速器と共に用いられる。レンズによって達成される集束は、電極間のギャップ、電極の曲率、電極の電位、またはイオンビームが通過する第１電極に設けたスロットの寸法を変えることによって調整される。
【００１３】
電極に設けたスロットの寸法を変えることは、スロット形状を定める電極プレートの移動および置き換えを必要とする。注入動作の異なる形式（種々の電流またはエネルギーレベル）を収容するためにビームラインの構成要素の移動および置き換えることは好ましくない。それは、これらの構成要素が配置された真空室は、開かれなければならないからである。真空室を開くことは、大気圧に保持しかつその後に再び排気する必要があり、これとともに室の内部が汚染にさらされる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、イオンビーム電流またはエネルギーレベルに関し、特に、高電流、低エネルギーを必要とするイオン注入機に用いるために、第１平面に関して質量分析を調整し、さらに、第１平面とこの平面に直交する第２平面に関してイオンビームの集束を調整する静電レンズアセンブリを提供することを目的としている。
本発明の目的は、質量分析を第１平面に関して調整可能にし、かつ前記第１平面と、この第１平面に垂直の、即ち、直交する第２平面とに関して、イオンビームを調整可能に集束させる静電レンズアセンブリを提供することである。
【００１５】
別の本発明の目的は、レンズ部品の取り外し、および取り換えを必要とすることなく、容易にイオンビームを集束できるように、ある範囲内に限定的に調整可能な電極ギャップを有する調整可能な静電レンズを提供することである。
【００１６】
更なる本発明の目的は、ビームの発散状態を防止するために、イオン注入装置内のビームラインの全長を最小限にするイオン注入装置を提供することである。
【００１７】
また、さらに別の本発明の目的は、イオンビームの減速モードではビームの集束を可変でき、かつ作動の加速モードでは質量分析を可変できる分析開口を備え、この分析開口と調整可能で可変できる静電レンズを結合したレンズサブアセンブリを提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、請求項に記載の各構成を有する。本発明によれば、イオン注入装置に使用するために静電３極レンズが設けられている。このレンズは、ターミナル電極、及び抑制電極と分析電極を含む調整可能なレンズサブアセンブリを有する。レンズサブアセンブリは、ビームが第１（分散的）平面において最小の「くびれ(waist) 」を有するターミナル電極の近くに配置されている。このような配置は、電極間の必要とされるギャップを最小にし、その結果、イオンビームの減速モードにおいて、ビームの発散を少なくして、ビーム発散領域、およびこれに対応する電子の空乏領域を最小にするのに役立つ。
【００１９】
抑制電極及び分析電極は、それぞれ、各ギャップによって分離された第１，第２部分を有する。同時に運動機構は、抑制電極及び分析電極の第１部分をそれぞれの電極の第２部分から引き離す方向に移動し、それぞれのギャップを調整する。調整可能なレンズ・サブアセンブリがターミナル電極によって出力されるイオンビームを、(a) イオンビームが減速モードにあるとき、互いに直交する第１平面と第２平面（分散平面と非分散平面）において、ビームを可変して集束することにより（この場合、質量分析はビームの集束よりも重要ではない）、また、(b) イオンビームが加速モードにあるとき、第１平面（分散平面）において質量分析を変更できることにより（この場合、ビームの集束は質量分析よりも重要ではない）、それぞれ調整する。
【００２０】
一般に、分析電極対の間のギャップは、イオンビームが加速モードのとき、第１平面における質量分析を調整するために調整される。作動の加速モードにおいて、レンズ・サブアセンブリの集束効果は、ビームの「剛直性(stiffness) 」およびビームの発散の減少傾向により無視できる。
【００２１】
しかし、可変できる質量分析は、分析電極対の間のギャップを調整することによって加速モードにおいて達成される。抑制電極のギャップと分析電極のギャップとを同時に調整できるようにすることによって、ターミナル電極での大きな正電圧の存在にも関わらず、抑制電極の好ましい小さな電圧を用いて、負の抑制電圧がギャップ軸上に維持されるとともに質量分析を可変できる。
【００２２】
作動の減速モードにおいて、レンズ・サブアセンブリは、相互に直交する（分散および非分散）平面においてビームを集束させるように機能する。分析電極のギャップの調整によって、調整可能な分散表面（第１平面）内での集束が与えられる。この分散平面における集束の増加は、分析電極のギャップを減少させることにより達成される。一般に、分散平面と直交する非分散表面（第２平面）内での集束をより高めるには、抑制電極に印加される負電圧の大きさを増大させることにより達成される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はイオンビーム注入装置１０を示しており、この注入装置は、イオン源１２、質量分析磁石１４、ビームラインアセンブリ１５、およびターゲットすなわち端部ステーション１６とを含む。各々電源を伴うイオン源１２および質量分析磁石１４は、集約してターミナル１７と呼ばれる（図２参照）。
【００２４】
本発明は、図１に示すように低エネルギーイオン注入装置において利用され、このビームラインアセンブリ１５は、そのビーム伝搬中にビームの発散が生じやすい低エネルギービームのために比較的短くなっている。
【００２５】
イオン源１２は、プラズマ室２０とイオン引出しアセンブリ２２を形成するハウジング１８を有する。ビームラインアセンブリ１５は、分析ハウジング２３とビーム中和器２４を有する。
【００２６】
以下で説明するように、この分析ハウジング２３は、本発明の要部を含んでいる。ビーム中和器２４は、ビーム発散を最小限にするように機能する。ビーム中和器２４の下流には、端部ステーション１６が設けられ、このステーションは、処理すべきウエハを取付けるためにディスク形状のウエハ支持体２５を有している。ウエハ支持体２５は、イオンビームの方向に対してほぼ直交するターゲット面にある。
【００２７】
イオン源１２は、Ｌ形状フレーム２６に取付られる。直接的に圧縮ガスの形で、または、間接的に固体から気化して形成されるガスのいずれかから得られるイオン化可能な不純物ガスが、プラズマ室２０に放射される。一般的に、イオン源のイオン種は、ボロン（Ｂ）、燐（Ｐ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ひ素（Ａｓ）である。これらのイオン種は、ガス状の三フッ化ホウ素(boron trifluoride) またはジボラン(diborane)の形式で一般的に与えられるボロンを除いて固体形状で与えられる。
【００２８】
エネルギーは、イオン化可能不純物ガスに分配され、プラズマ室２０内でイオンを発生する。本発明は、負イオンがイオン源により発生する装置に利用できるものであるが、一般的には、正イオンが発生する。正イオンは、複数の電極２７からなるイオン引出しアセンブリ２２によってプラズマ室２０に設けたスリットを通って引き出される。
【００２９】
電極は、負電位に荷電され、プラズマ室のスリットからの距離が増加するほどその大きさが増加する。したがって、イオン引出しアセンブリは、プラズマ室からの正イオンのビーム２８を引出し、フレーム２６によって支持される質量分析磁石１４内で引き出されたイオンを加速するように機能する。
【００３０】
質量分析磁石１４は、分析ハウジング２３に適切な電荷質量比(charage to mass rate)を有するイオンのみを通過させる。この質量分析磁石１４が必要なのは、イオン源１２が、適切な荷電質量比のイオンを発生するとともに、所望よりも大きなあるいは小さな電荷質量比のイオンも発生させるからである。不適当な電荷質量比のイオンがウエハ内に注入されることは好ましくない。
【００３１】
質量分析磁石１４は、湾曲したビーム通路２９を含み、この通路はアルミニウム製のビームガイド３０によって形成され、真空ポンプ３１によってこのガイド内部の脱気が行われる。この通路に沿って伝搬するイオンビーム２８は、質量分析磁石１４によって発生する磁界により影響される。この磁界の強さおよび方向は、磁気コネクタ３３を通る磁石１４の界磁巻線を通る電流を調整する制御電子装置３２によって制御される。磁界の勾配「すなわち、屈折率(indexing)」を確定することまたは磁石１４の入口側または出口側の各極を回転させることによって、磁石１４によるイオンビームの部分的な集束が、分散(dispersive)平面（湾曲したビーム通路２９の平面）において達成される。
【００３２】
磁界によって、イオンビーム２８は、第１すなわち、イオン源１２に近い入口軌道３４から分析ハウジング２３に近い第２すなわち出口軌道３５に向かう湾曲した通路２９に沿って移動する。
【００３３】
不適当な荷電質量比を有するイオンからなるビーム２８の部分２８’，２８”は、湾曲した軌道から離れてアルミニウム製のビームガイド３０の壁内に偏向される。このようにして、磁石１４は、望ましい荷電質量比を有するビーム２８内のイオンのみを分析ハウジングを通過させる。
【００３４】
イオンビーム２８の入口軌道３４及び出口軌道３５は、分散平面に位置する湾曲したビーム通路２９の平面内にある。非分散平面は、ここでは、分散平面とターゲット平面の両方に垂直な平面として定義する。したがって、磁石１４は、不適当な荷電質量比のイオンをビームから取り除くことによって分散平面における質量分析を実行し、イオンビームを入口軌道３４から出口軌道３５に指向させ、ウエハがあるターゲット平面に向かわせる。
【００３５】
分析ハウジング２３は、本発明の原理に従って構成された静電レンズ３６を含み、このレンズにより磁石１４によって出力されたイオンビーム２８の質量分析と集束を行う。静電レンズ３６は、３極の電極（triode) 構造で構成され、ターミナル電極対３７、抑制電極対３８、及び接地電極対すなわち分析電極対３９を含んでいる。ターミナル電極対は、ターミナル１７に固定されて、加速モードにおいて正電圧、減速モードにおいて負電圧で操作される。抑制電極対３８のそれぞれは、接地電極対３９のそれぞれと同様に、互いに接近離間する方向に移動可能であり、図３以下に示すように電極対の間のギャップを調整する。抑制電極３７は、負電位で作動し、分析電極３９は、接地電位（０ボルト）で作動する。
【００３６】
抑制電極３８及び分析電極３９の各対は、集約して調整可能なレンズサブアセンブリ４０として言及される。分析ハウジング２３は、室４１を形成し、この室内に、本発明の部分を構成しないファラデーフラッグ４２等の線量測定の指示器とともに静電レンズ３６を含んでいる。
【００３７】
室４１は、真空ポンプ４３により脱気される。隣接するビーム中和器２４は、電子シャワー４５を含む室４４を形成する。この電子シャワー４５は、正電荷を中和するものであり、この正電荷は、中和されなければ、その結果として、正に荷電されたイオンビーム２８が注入されるターゲットウエハ上に蓄積する。
【００３８】
端部ステーション１６にあるディスク形状のウエハ支持体２５は、モータ４６によって回転する。こうして、ウエハが円形径路内を移動しているとき、イオンビームは、支持体に取付られたウエハに衝突する。端部ステーション１６は、イオンビームの径路にほぼ平行な軸４７に沿って旋回可能であり、その結果、ターゲット平面は、この軸回りに調整できる。このように、イオン注入の角度は、ターケット表面に直交する方向に対してわずかに傾斜している。
【００３９】
調整可能なレンズサブアセンブリ４０は、特に減速モードにおいてイオンビームを集束させ、特に加速モードでイオンビームの質量分析を行う。このサブアセンブリ４０は、端子電極３７の近くの下流に配置されている。その理由は、イオンビームの断面積がこの位置で最小になる。（すなわち、この位置でくびれを有する）からである。このような配置は、必要とする電極間のギャップを最小にして、ビームの発散を抑制するので、イオンビームの減速モードにおいて、ビーム発散領域、およびこれに対応する電子の空乏領域を最小にするのに役立つ。
【００４０】
作動の加速モード時には、レンズ３５は、第１に質量分析器として機能させ（集束を抑えて）、また作動の減速モード時には、レンズは、第１に集束要素として機能させる（質量分析を抑えて）。したがって、同一のレンズ３５を加速モード（２５ｍＡで１０〜３０キロボルト（ｋＶ）から９０ｋＶまで）と減速モード（２ｍＡで２〜５キロボルト（ｋＶ）から０．５ｋＶまで）の両方に使用することができる。
【００４１】
作動の両モードは、図２に示すように、イオン注入装置１０内に包含された可変の高電圧源を調整することによって作ることが可能である。第１電源ＰＳ１は、イオン源１２に電圧（＋Ｖ１）を供給し、第２電源ＰＳ２は、ターミナル１７に電圧（−Ｖ２）を供給し、また、第３電源ＰＳ３は、静電レンズ３６の抑制電極３８に電圧（−Ｖ３）を供給する。この例では、ＰＳ１は約０．５から９０ｋＶまで作動し、ＰＳ２は約−２ｋＶから−３０ｋＶまで作動し、さらにＰＳ３は約−５ｋＶから−２５ｋＶまで作動する。
【００４２】
さらに、この例示によれば、作動の加速モード時に、ＰＳ１は、イオン源１２に直接印加される９０ｋＶで作動する。ＰＳ２は、−３０ｋＶで作動し、ＰＳ１に接続されることにより、磁石１４に６０ｋＶ（９０ｋＶ−３０ｋＶ）が印加される。したがって、ターミナルは、ターミナル電極３７の電圧である６０ｋＶで作動する。
【００４３】
電気絶縁体のブッシュ４８が、ターミナル１７を装置の包囲体（アース接地）から絶縁し、また、ブッシュ４９が、同様にアース接地された分析ハウジング２３から端子１７を絶縁する。イオン源１２から磁石１４までの３０ｋＶの電圧降下によって初期に加速されたイオンビームは、ターミナルに関して負の電位（アース接地）にある端部ステーション内のターゲットウエハに向かう径路でさらに加速される。
【００４４】
作動の減速モードにおいて、ＰＳ１は、イオン源１２に直接印加される０．５ｋＶで作動し、ＰＳ２は、−５ｋＶで作動し、ＰＳ１に接続されることにより、磁石１４に−４．５ｋＶ（０．５ｋＶ−５ｋＶ）が印加される。したがって、ターミナルは、ターミナル電極３７の電圧である−４．５ｋＶで作動する。イオン源１２から磁石１４までの５ｋＶの電圧降下によって初期に加速されたイオンビームは、ターミナルに関して正の電位（アース接地）にある端部ステーション内のターゲットウエハに向かう径路でさらに減速される。
【００４５】
図３及び図４は、調整可能なレンズサブアセンブリ４０を詳細に示すもので、このサブアセンブリは、抑制電極対３８Ａ，３８Ｂと、分析電極対３９Ａ，３９Ｂを含んでいるが、ターミナル１７に固定されているターミナル電極対３７Ａ，３７Ｂは含まない。
【００４６】
図１に示すように、イオンビームが、分析磁石１４から第２軌道を通過して、ターミナル電極対３７Ａ，３７Ｂを通り、さらに、これに続く抑制電極対３８（３８Ａ，３８Ｂ）と分析電極対３９（３９Ａ，３９Ｂ）の間のギャップを通るように、電極対３８，３９が配置されている。
【００４７】
図４に示すように、分析電極対３９Ａ，３９Ｂは、図示しないねじ等の適当な締結具を用いて、水冷されたスチール製ブロック５０Ａ，５０Ｂにそれぞれ直接取付けられている。
【００４８】
抑制電極３８Ａ，３８Ｂは、それぞれ分析電極３９Ａ，３９Ｂに絶縁体５２Ａ，５２Ｂによって直接取付けられている。Ｌ形状のブラケット５４Ａ，５４Ｂは、中間ブロック５０Ａと分析電極３９Ａ、および中間ブロック５０Ｂと分析電極３９Ｂにそれぞれ取付られ、分析電極３９Ａ，３９Ｂ間のギャップの両端部を閉鎖するように機能する端部プレートを形成する（図７及び図１０を参照）。
【００４９】
抑制電極３８Ａ，３８Ｂ間のギャップｄ３８と、分析電極３９Ａ，３９Ｂ間のギャップｄ３９（図８参照）を調整するための手段は、摺動可能な軸６０，６２により形成され、これらの軸に沿う方向に互いに独立して移動する。望ましいギャップ距離は、レンズの好適な集束及び質量分析効果とイオンビームの好適なエネルギーレベルによって選択される。
【００５０】
軸６０は、水冷したスチール製のブロック５０Ｂに直接連結され、孔６４の位置で分析電極３９Ｂと抑制電極３８Ｂに間接的に連結される。また、軸６２は、水冷したスチール製のブロック５０Ａに直接連結され、孔６６の位置で分析電極３９Ａと抑制電極３８Ａに間接的に連結される。
【００５１】
軸６０，６２がこれらの軸方向に沿って摺動できるような機構は、図示されていないが、例えば、サーボモータ等の適当な機構を利用することができる。好ましい実施の形態では、分析ハウジング２３の外側に配置される一対のサーボモータが軸６０，６２にそれぞれ連結される。このような機構は、一定の範囲内で限定的に調整可能で、ギャップ距離ｄ３８，ｄ３９を同時に調整するための手段を与える。
【００５２】
図５および図６は、３極静電レンズ３６が分析ハウジング２３に連結されかつ分析室４１内に配置されている様子を詳細に説明するためのものである。図５に示すように、分析ハウジング２３は、ハウジング２３をターミナル１７から絶縁するブッシュ４９にボルト６８を用いて固定される。シール７０は、ハウジング２３内の真空度を維持するために設けられている。
【００５３】
グラファイトで作られたターミナル電極３７Ａ，３７Ｂは、グラファイト７６で被覆されたアルミニウム製ロッド７４からなる複数のスタンドオフ７２によってターミナル１７に取付られている。シール部材７８は、複数のスタンドオフ７２を取り囲み、このスタンドオフを、特に作動の減速モード時に、分析ハウジングから電気的にシールドする。
【００５４】
絶縁バッフル８０Ａ，８０Ｂは、それぞれターミナル電極３７Ａ，３７Ｂを分析ハウジング２３から電気的に絶縁する。保持部材８２，８４が絶縁バッフル８０Ａ，８０Ｂのいずれかの側に配置され、かつこれらの絶縁バッフルの位置を維持する。
【００５５】
調整可能なレンズサブアセンブリ４０は、ハウジング２３に固定されるブラケット８６によって分析ハウジングに取付られる。このブラケット８６は、摺動可能なロッド６０，６２の軸線に沿って摺動できるナイロン製の軸受８８を備えている。シール９０は、ハウジング２３内の真空度を維持するために設けられている。伸長性のある真空シール９２は、真空を維持することができるとともに、分析室の内外にロッド６０，６２を摺動して移動することができる。
【００５６】
支持部材９４，９６は、それぞれ、分析室４１内で摺動するロッド６０，６２を支持する。また、支持部材９８，１００は、それぞれ、分析室の外側で摺動可能なロッド６０，６２を支持する。整列カップリング１０１が、軸６０，６２を適切に整列させることを可能にする。
【００５７】
図７は、３極レンズ３６の電極要素間の空間を示し、また、図８は、３極レンズにおける同一の電極対の間のギャップを示しており、この３極レンズは、ターミナル電極３７と、調整可能なレンズサブアセンブリ４０（抑制電極３８と分析電極３８を含む）を有している。
【００５８】
図７は、ターミナル電極３７Ｂ、抑制電極３８Ｂ、分析電極３９Ｂを示し、これらの電極は、スパッタリングの影響を減ずるために全てグラファイトから作られている。空間１０４は、電極３７Ｂと電極３８Ｂを分離し、空間１０６は、電極３８Ｂと電極３９Ｂを分離する。端部プレート５６，５８は、電極の頂部端と底部端に配置されている。空間１０４，１０６と端部プレート５６，５８は、図７の平面に伸びており、対応する電極３７Ａ、３８Ａ、３９Ａも同様である。
【００５９】
空間１０４，１０６の各幅Ｗ１，Ｗ２は、ここに示す実施の形態では、１５ｍｍと５ｍｍである。幅Ｗ２は、それぞれ抑制電極３８Ａ及び分析電極３９Ａに形成された互いに対面する湾曲表面１０８Ｂ，１１０Ｂによって定められる。抑制電極３８Ａ及び分析電極３９Ａは、それぞれ同様に、湾曲表面１０８Ａ及び１１０Ａを備えている。電極３７Ｂ，３８Ｂ，３９Ｂの各幅Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５は、それぞれ、２ｍｍ、２０ｍｍ（中心で）、３０ｍｍ（中心で）である。電極３７Ａ，３８Ａ，３９Ａの幅は、同一である。
【００６０】
図８は、各電極対３７，３８，３９を形成する個々の電極間のギャップを示す。この個々の電極間の距離は、それぞれｄ３７，ｄ３８，ｄ３９で表示される。好ましい実施の形態では、ターミナル電極３７Ａ，３７Ｂ間の固定距離ｄ３７は、約６６ｍｍである。抑制電極３８Ａ，３８Ｂ間の固定距離ｄ３８と、分析電極３９Ａ，３９Ｂ間の固定距離ｄ３９は、連動して可変できる。
【００６１】
電極３８，３９上に交差する汚染物の付着およびスパッタリングの影響を減少するために、ノッチ１１２Ａ，１１２Ｂが、抑制電極３８Ａ，３８Ｂのそれぞれに切り込まれ、またノッチ１１４Ａ，１１４Ｂが、分析電極３９Ａ，３９Ｂのそれぞれに切り込まれている。ノッチ１１２，１１４は、逆に、３極レンズ３６の集束性能に影響を与えることなく、各距離ｄ３８，ｄ３９によって表されるギャップを定める表面領域を最小化する。
【００６２】
３極レンズ３６のターミナル電極３７は、質量分析磁石１４に関連して機能し、質量分析磁石１４から脱出したイオンビームからの、必要とされる荷電質量比に同一でないがそれに近い比を有する不適当なイオン種を除去する。したがって、ターミナル電極は、さらに、イオンビームを分散平面において分析し、そして、ターミナル１７の電位でイオンビーム２８の形を定める。
【００６３】
調整可能なレンズサブアセンブリ４０は、ターミナルからの定められたイオンビームを、(a) 作動の減速モードにおいて、分散平面と非分散平面にイオンビームを集束させ、一方、(b) 作動の加速モードにおいて、分散平面での可変の質量分析を行えるように条件付けをする。
【００６４】
一般的に、分析電極対３９の間のギャップｄ３９は、作動の加速モードにおいて、分散平面で調整可能な質量分析が行えるように調整され、ビームの集束は、問題とならない。作動の減速モードにおいて、質量分析は、より重要ではなくなり、ギャップｄ３９を調整することにより、調整可能な分散平面での集束が与えられ、一方、抑制電極３８での電圧が調整されて、非分散平面内でのイオンビームの集束が調整される。
【００６５】
作動の加速モードにおいて、３極レンズ３６の入口近くの等ポテンシャル線の湾曲により、入射するイオンビームは分散平面に集束する。（電界が電位の勾配に反対方向となるので、等ポテンシャル線は、電極から発散する電界に垂直である。）しかし、反対作用の反集束効果は、レンズの出口近くの等ポテンシャル線の反対側の湾曲によって生じる。この反対作用の反集束効果は、集束効果より少なく、その理由は、反対側の湾曲（電界の強さと同様に）は、電極により近い場合よりもギャップ軸上の方が少ないからであり、また、入射するイオンビームは、この中央のギャップ軸に向けてより集束されるからである。
【００６６】
全体として、作動の加速モードにおいて、このレンズ３６の集束効果および反集束効果は、イオンビームの「剛直性」及びビーム発散の減少傾向により、分散平面（非分散平面も同様に）において無視できる。
【００６７】
しかし、可変できる質量分析は、質量分析電極対３９の間のギャップｄ３９を調整することによって、作動の加速モードにおいて達成される。分析電極のギャップｄ３９と共に抑制電極のギャップｄ３８を同時に調整できるように構成する場合、ターミナル電極３７での大きな正電圧の存在にもかかわらず、かなり小さい抑制電極電圧（−１０ｋＶ〜−１５ｋＶ）を抑制電極間に維持して、可変できる質量分析を行う。
【００６８】
例えば、同時に距離ｄ３８，ｄ３９を調整することにより、分散平面のフィールドポテンシャルは、抑制電極３８に−１２ｋＶだけ加えられるとき、レンズの中心軸では、−１６５Ｖとなる。
【００６９】
作動の減速モードにおいて、３極レンズ３６は、イオンビームが分散平面（図９）及び非分散平面（図１０）の両方に集束するように機能する。図９において、入射ビーム径路３５に沿って伝搬する入射するイオンビーム１１６は、調整可能なレンズサブアセンブリ４０の入口近くの等ポテンシャル線１１８の曲線によって、初めに分散平面に反集束する。
【００７０】
しかし、より大きな反対作用の集束効果が、レンズの出口近くの等ポテンシャル線の反対側の湾曲によって生じる。この反対作用の集束効果は、初期の反集束効果よりも大きい。その理由は、反対側の湾曲（電界の強さと同様に）は、軸上よりも電極近くのほうがより大きいからであり、また、入射ビームは、これらの電極に向かって反集束するからである。
【００７１】
この時点で、イオンビームは、約０．５ｋＶに減速される。こうして、イオンビームは、等ポテンシャル線の曲線に対して大いに敏感であり、また、ビーム発散を受けやすい。分散平面における集束を高めることは、分析電極３９のギャップｄ３９を減少することにより、電界の強さと等ポテンシャル線の湾曲を増加させ、そして、分散平面の集束の強くすることによって達成される。
【００７２】
図１０において、減速モードにおいて非分散平面に集束させることは、抑制電極３８及び分析電極３９のそれぞれの湾曲面１０８，１１０（図７参照）によって達成される。
【００７３】
抑制電極３８に印加される電圧は、対応する湾曲した等ポテンシャル線１１０（図１０参照）に帰する。非分散集束は、分析電極３９あるいはその最終出口形状の幅Ｗ５に敏感ではない。その理由は、接地電位（ゼロ電界）にあるからである。しかし、分析電極３９は、第２湾曲面１２０を備えて、この湾曲面は、レンズ３６によって集束されたイオンビーム１２２の不必要なクリッピングを防止する。
【００７４】
端部プレート５６，５８は、電極ギャップ内の非分散平面における等ポテンシャル線１１８の湾曲を増加させるのに役立つ。これにより、分散平面内の独立した位置に集束する一貫した非分散平面を生じさせることによって集束のはずれを効果的に取り除く。
【００７５】
非分散平面での集束は、一般的に、−１０ｋＶないし−２５ｋＶの範囲内で、抑制電極３８に加えられる電圧を変えることによって調整される。一般的に、非分散平面の集束を多くするには、負電圧の大きさを増加させること、すなわちレンズの出口近くの等ポテンシャル線の湾曲を増加することによって達成される。分散平面と非分散平面の両方の集束を制御することは、ここに開示した本発明を用いて、作動の減速モードにおいて、容易に達成することができる。第１に、非分散平面の集束は、抑制電極電圧を変えることによって調整される。その時、分散平面の集束の調整は、分析電極のギャップｄ３９（すなわち、同時に距離ｄ３８，ｄ３９を変えること）を調整することによって完成する。
【００７６】
抑制電極３８と分析電極３９を共に移動することは、作動の減速モードにおける集束効果を妨げない。初めに、調整可能な距離ｄ３８は、約５０ｍｍに設定され、調整可能な距離ｄ３９は、１０ｍｍ少なく、すなわち、約４０ｍｍに設定される。
【００７７】
こうして、本発明の静電レンズ３６は、減速モードにおいて、高電流（１５〜２０ミリアンペア）かつ低エネルギー（０．５ｋＶまで下がっている）応用に特に用いられるけれども、加速モードの高エネルギー応用にも利用される。両方の利用において、イオンビームの幅は、分散平面において約４ｃｍであり、非分散平面においては１０ｃｍである。イオンビームの集束は、図９に示す分散平面内でのイオンビーム１２２に対して強く作用するため、静電レンズ３６から１０ｃｍ下流に焦点があり、図１０に示す非分散平面内での集束に対しては、イオンビームが集束しない状態にあるので、静電レンズ３６から５ｍ上流に焦点がある。したがって、イオンビームの集束と質量分析を可変するための、調整可能な静電レンズの好ましい形態をここに記述してきた。しかし、上記記載において、これら記載は、例示として示されたものであり、本発明は、ここに記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、種々の再構成、修正、及び置換は、付随する特許請求の範囲及びこれらの同等のものによって限定された本発明の範囲から逸脱しない範囲において包含できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従う３極構造の静電レンズの実施の形態を示すイオン注入装    置の平面図である。
【図２】図１の注入装置の種々の要素に電圧を供給するのに使用する電源を示す概略図である。
【図３】図１の３極レンズの調整可能なレンズサブアセンブリの一部を示す斜視図である。
【図４】図３のレンズサブアセンブリの一部を示す分解斜視図である。
【図５】図１のイオン注入装置の３極レンズのより詳細な平面図である。
【図６】図５の３極レンズのレンズサブアセンブリ部分を示す、図５の６−６線から見た断面図である。
【図７】図５の７−７線から見た、３極レンズの電極要素を示す断面図である。
【図８】図５の３極レンズの電極要素を示す平面図である。
【図９】図８の電極要素を示し、さらに、イオンビームが通過する分散平面における電極の集束効果を示す平面図である。
【図１０】図７の電極要素を示し、さらに、イオンビームが通過する非分散平面における電極の集束効果を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ イオン注入装置
１２ イオン源
１４ 分析磁石
１５ ビームラインアセンブリ
１６ 端部ステーション
１７ ターミナル
３６ 静電レンズ
３７ ターミナル電極
３８ 抑制電極
３９ 分析電極
ｄ３８，ｄ３８，ｄ３９ ギャップ
５６，５８ 端部プレート
６０，６２ 軸
【図１】
0003994406.tif 000002
【図２】
0003994406.tif 000003
【図３】
0003994406.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003994406.tif 000006
【図６】
0003994406.tif 000007
【図７】
0003994406.tif 000008
【図８】
0003994406.tif 000009
【図９】
0003994406.tif 000010
【図１０】
0003994406.tif 000011