(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選ばれた表面上でイオンビームを走査するため少なくとも２０Ｈｚの基本周波数で変調した強力な磁界を作るための磁気偏向システムであって、該システムは、
間にイオンビームが通る間隙を定める磁極面をそれぞれ有する複数の磁極を備え、少なくとも部分的にはそれぞれ約０．２〜１．０ｍｍの範囲の厚さの高い透磁性材料でできた積層体からなり、該積層体の各層は、比較的薄い電気的絶縁層によって仕切られており、該積層体は前記強力な磁界の基本周波数及びこれより高いオーダーの調波要素のための磁気抵抗の低い磁気浸透可能な経路を提供し、該積層体は誘発された渦電流を各層の局部経路において限定された値に制限するよう作用する磁気走査構造体と、
前記磁気走査構造体と関連し走査電流源で励起され、前記走査電流源が、少なくとも２０Ｈｚの速度でイオンビームを走査させる時間の関数として予め選んだ５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を前記間隙に発生させる励起電流を供給するために選ばれている走査コイルと、
を具備する磁気偏向システム。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気偏向システムであって、前記間隙内の前記磁界のマグニチュードは選ばれた表面上をイオンビームが走査している間、少なくとも２００ガウス以上である、磁気偏向システム。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気偏向システムを含む装置であって、さらにイオンビームを前記間隙内に導入するイオンビーム源を具備してる、装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、前記イオンビーム源は前記磁極面によって定められる間隙の一方の側近くにイオンビームを導入するように配置されている、装置。
【請求項５】
請求項３に記載の装置は、さらに走査されるイオンビームを受けるための選ばれた表面を有する半導体基板を走査イオンビームの経路に置く様に構成されたエンドステーションを具備する、装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置は、さらにイオン源から、磁気システムを通ってエンドステーションに至る真空容器を具備しており、これによってビームがイオン源からエンドステーションまで真空中を進む間に、ビームは磁気偏向システムの磁極表面に直接曝される、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の磁気偏向システムであって、前記イオンビームは第１のビーム経路を通って前記間隙に入り、前記システムは、さらに前記ビームが前記間隙を通過し、前記単一極性の磁界の影響を受けて第１のビーム経路の一方の側に偏向されてから、イオンビームを受けるような位置に置かれた直流扇形磁石を有し、該扇形磁石は、常に前記走査平面で第１のビーム経路からさらに離れる方向に走査イオンビームを偏向させる実質上静的な磁界をイオンビームに加えるように形成され、かつ配置されている、磁気偏向システム。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気偏向システムであって、前記直流扇形磁石は二次よりも大きな次数の多項式に従う磁極の輪郭を有する、磁気偏向システム。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気偏向システムであって、前記直流扇形磁石は四次多項式に従う磁極の輪郭を有する、磁気偏向システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の磁気偏向システムがさらにイオンビームの位置を感知するためのビーム収集カップと、前記直流扇形磁石がつくる静的磁界のマグニチュードをイオンビームが選ばれた表面に当たる角度を実質的に制御するために前記収集カップが感知したイオンビームの位置に基づいて選ばれた値に調節するための手段と、を具備する磁気偏向システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の磁気偏向装置に含まれる装置であって、イオンビームによって照射すべき多数の基板を保持するカルーセル、該カルーセルはイオンビームの経路に置かれ、軸を中心に回転可能である、を具備する、装置。
【請求項１２】
イオン注入システムであって、該システムは、
イオンビーム内のイオンの選ばれた種を提供するイオン源と組み合わせて選ばれた表面上でイオンビームを走査するために少なくとも２０ヘルツの基本周波数で変調した強い磁界をつくる磁気偏向システムと、
前記イオンビームを受けるための選ばれた表面を有する半導体基板をイオンビームの経路に位置させるように配置したエンドステーションと、イオンビームは真空中をイオン源からエンドステーションまで進みながら前記偏向システムの表面に直接曝され、前記イオン源から磁気システムを通ってエンドステーションに達する真空容器と、
を具備し、
前記磁気偏向システムは、
前記基板にイオン注入を行うエンドステーションで基板上でイオンビームを均一に走査するように形成され、かつ配置されており、前記磁気偏向システムは、間にイオンビームが通る間隙を定める磁極面をそれぞれ有する複数の磁極を備え、少なくとも部分的にはそれぞれ約０．２〜１．０ｍｍの範囲の厚さの高い透磁性材料でできた積層体からなり、該積層体の各層は、比較的薄い電気的絶縁層によって仕切られており、該積層体は前記強力な磁界の基本周波数及びこれより高いオーダーの調波要素のための磁気抵抗の低い磁気浸透可能な経路を提供し、該積層体は誘発された渦電流を各層の局部経路において限定された値に制限するよう作用する磁気走査構造体と、
前記磁気走査構造体と関連し走査電流源で励起され、前記走査電流源が、少なくとも２０Ｈｚの速度でイオンビームを走査させる時間の関数として予め選んだ５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を前記間隙に発生させる励起電流を供給するために選ばれている走査コイルと、
を具備する磁気偏向システム。
【請求項１３】
選ばれた表面上にイオンビームを走査する磁気偏向システムであって、
間にイオンビームが通る間隙を定める磁極面をそれぞれ有する複数の磁極を備えた磁気走査構造体と、
前記磁気走査構造体と関連し走査電流源で励起され、前記走査電流源が、イオンビームを走査させる時間の関数として予め選んだ５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を前記間隙に発生させる励起電流を走査コイルに供給するために選ばれている走査コイルと、
を具備する磁気偏向システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁気偏向システムであって、イオンビームの経路に配置された、中性粒子が選ばれた表面に当たる前に、イオンビームから出る中性粒子を分離できるようにイオンビームを選ばれた表面に向かう方向に偏向させるように構成された少なくともひとつの扇形磁石をさらに具備する、磁気偏向システム。
【請求項１５】
選ばれた表面上にイオンビームを走査する磁気偏向システムであって、
間にイオンビームが通る間隙を定める磁極面をそれぞれ有する複数の磁極を備えた磁気構造体と、
前記磁気走査構造体と関連し、イオンビームを走査させる時間の関数として予め選んだ５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を前記間隙に発生させるため波形発生手段よって励起される走査コイルと、
を具備する磁気偏向システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の磁気偏向システムに含まれる装置であって、イオンビームによって照射すべき多数の基板を保持し、イオンビームの経路に置かれ、軸を中心に回転可能であるカルーセを具備する、装置。
【請求項１７】
選ばれた表面上でイオンビームを走査する方法であって、該方法は、
それぞれ走査コイルおよびその間に間隙を定める磁極面を持つ磁極を備える磁気構造体を用意し、
第１のビーム経路を経て間隙中にイオンビームを通す、
第１のビーム経路の方回の一方の側にイオンビームを走査するため時間の関数として予め選択した５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を間隙の中に発生させる走査コイルに励起電流波形を生じさせ、
ビームが間隙を通り、前記第１のビーム経路の方の側へ偏向された後、走査面において走査イオンビームを第１のビーム経路からさらに遠ざけるように偏向させる、
ステップからなるイオンビーム走査方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の磁気偏向システムであって、
前記イオンビームは第１のビーム経路を通って間隙に入り、ビームが間隙を通過し、単一極性の走査磁界に影響されて第１のビーム経路の一方の側面へ偏向された後、走査されたイオンビームを第１のビーム経路からさらに遠ざかる方向に走査イオンビームを偏向させる実質的に静的な磁界を走査されたイオンビームに加えるように扇形磁石を構成する、磁気偏向システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の磁気偏向システムであって、前記扇形磁石はイオンビームに対して実質上静的な磁界を加えるように構成された直流扇形コリメータである、磁気偏向システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載の磁気偏向システムであって、イオンビームはひとつのビーム経路を通って前記扇形磁石に入って行き、扇形磁石はイオンビームが前記ひとつのビーム経路に対して少なくとも３０°の角度に偏向されたビーム経路を通って扇形磁石を出ていくようにイオンビームを偏向させるように構成されている、磁気偏向システム。
【請求項２１】
選ばれた表面上でイオンビームを走査するため少なくとも２０Ｈｚの基本周波数で変調した強力な磁界を作るための磁気偏向システムであって、該システムは、
間にイオンビームが通る間隙を定める磁極面をそれぞれ有する複数の磁極を備え、少なくとも部分的にはそれぞれ約０．２〜１．０ｍｍの範囲の厚さの高い透磁性材料でできた積層体からなり、該積層体の各層は、比較的薄い電気的絶縁層によって仕切られており、該積層体は前記強力な磁界の基本周波数及びこれより高いオーダーの調波要素のための磁気抵抗の低い磁気浸透可能な経路を提供し、該積層体は誘発された渦電流を各層の局部経路において限定された値に制限するよう作用する磁気走査構造体と、
前記磁気走査構造体と関連し走査電流源で励起され、前記走査電流源が、少なくとも２０Ｈｚの速度でイオンビームを走査させる時間の関数として予め選んだ５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を前記間隙に発生させる励起電流を供給するために選ばれている、走査コイルと、前記イオンビームは第１のビーム経路を通って前記隙間に入り、前記ビームが前記間隙を通過し、前記単一極性の偏向磁界の影響を受けて前記第１のビーム経路の一方の側に偏向されてから、イオンビームを受けるような位置に置かれた直流扇形磁石と、を具備し、該扇形磁石は、前記走査平面で第１のビーム経路からさらに離れる方向に走査イオンビームを偏向させる実質上静的な磁界をイオンビームに加えるように形成され、かつ配置されている、磁気偏向システム。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は各元素の原子および分子の重イオンビームを走査させるイオン注入装置のような磁気システムに関する。
発明の背景
表面にイオンビームを均一に照射する必要がある工業的および科学的使用例は多い。例えば、シリコンウェーハのような半導体の改質は、しばしば特定の種およびエネルギーのイオンもしくは分子のビームを照射することによって行われる。ウェーハあるいは基板の物理的サイズ（例えば、直径約５インチ、あるいはそれより大）は照射するビームの断面積（例えば、直径約２インチ、あるいはそれより小）より大きいので、要求される均一な照射は、通常ウェーハ面上にビームを走査させるか、ビーム中に対してウェーハを走査させるか、あるいはこれらの技術を組み合わせることによって達成される。
下記のいくつかの理由で基板上において高いビーム走査速度で走査することが有利であるのは明白である。即ち、照射均一性が高いのでイオンビーム束の変化に影響される度合いがより低く；低い線量レベルで高いウェーハスループットが達成でき；高い線量の使用例では、局部的表面チャージ、熱パルスによる劣化およびスパッタリングと照射による損傷などの局所的な粒子が原因である現象を大幅に減少できることが挙げられる。
機械的往復運動のみに頼る走査技術は、速度がかなり制限される。ビームに対してウェーハが円弧運動を行う場合には、走査速度を大幅に向上させることが可能であるが、ビームの有効利用のためには回転するカルーセル上に同時に多数のウェーハまたは基板を装填する必要がある。
一般的な変形例においては、時間的に変化する電界は、ウェーハをある方向に往復運動させながらビームを別の方向に往復走査させるときに使用される。この様な複合形注入装置においては、ビーム電流、したがってウェーハが処理される速度は、時間的に変化する偏向電場内の空間電荷力によって大きく制限される。これらの力は、ビームの中のイオンを外側に広げる働きがあり、その結果、制御不可能な程大きなビーム束になる。この様な空間電荷による制限は、時間的に変化する電場を用いてビームを２方向に走査する注入装置においても生ずるものである。
空間電荷増大はビームの軸方向の距離が大きくなるにつれてビームの横方向走査速度が早くなる上昇率で表される。これは質量正規化ビームパービアンス（空間電荷制限電流）に比例する。
ξ＝Ｉ・Ｍ1/2・Ｅ-3/2                               （１）
ただし、Ｉはビーム電流、Ｍはイオン質量、Ｅはイオンエネルギーである。（The Physics and Technology of IonSources, Ian G.Brown, Jhon Wiley Sons刊, New York 1989）
イオンビーム注入装置で見られる典型的なイオンビーム形状では、空間電荷効果はパービアンスξ  ０．０２［ｍＡ］［ａｍｕ］1/2［ｋｅＶ］-3/2で限度に達する。したがって、８０ｋｅＶの素ビームにおいては１．７ｍＡ近辺にて空間電荷制限に達し、５ｋｅＶビームにおいては僅か約０．０３ｍＡ近辺で空間電荷制限に達する。したがって、エネルギーが１０ｋｅＶと低くても、ビーム電流が数ミリアンペアよりも大きいことが望ましい能率的な生産用イオン注入装置では、振動電場でイオンビームを走査することは実行不可能である。
注入装置でイオンビームを走査するため高い周波数で時間的に変化する磁界を発生させる走査磁石について、米国特許５、３１１、０２８の発明者の一人が述べている。その中で、比較的薄い電気的絶縁体で仕切られた高透磁率の積層物により構成されたヨークを有する走査磁石を使って最大１０００Ｈｚの周波数の高パービアンスイオンビームを走査できることが開示されている。
発明の要約
本発明は、磁気イオンビーム走査において発生し得る現象であって、実際に観察したところの予期できないプラズマ状態を扱うものであり、イオンビーム走査の照射均一性、精度ならびに再現性を高める技術を提供する。この影響はイオンビームを走査する際の磁界がゼロ点を通過するか、あるいはそれに近づいてビームエミッタンス（すなわち、イオン角対位置を対比した図に示した時、全イオンによって占められる領域）の急激な変化として現れる。
本発明の第１の態様によれば、前記の影響を略消滅させるか、これを補償する均一に走査するイオンビームを形成するため少なくとも２０Ｈｚの基本周波数で変調した強力な磁界を作るために磁気システムが発明された。この磁気システムは、間にイオンビームが通る間隙を定める磁極面をそれぞれ有する複数の磁極を備え、少なくとも部分的にはそれぞれ約０．２〜１．０ｍｍの範囲の厚さの高い透磁性材料でできた積層体からなり、該積層体の各層は、比較的薄い電気的絶縁層によって仕切られており、該積層体は前記強力な磁界の基本周波数及びこれより高いオーダーの調波要素のための磁気抵抗の低い磁気浸透可能な経路を提供し、該積層体は誘発された渦電流を各層の局部経路において限定された値に制限するよう作用する磁気走査構造体と、前記磁気走査構造体と関連し走査電流源で励起され、前記走査電流源が、少なくとも２０Ｈｚの速度でイオンビームを走査させる時間の関数として予め選んだ５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を前記間隙に発生させる励起電流を供給するために選ばれている走査コイルとを備えている。
時間的に変化する走査磁界と関連した誘起電場は、走査磁界のマグニチュードの相対的変化に応じてイオンビーム中の中性化電子を電磁誘導的に加速あるいは減速する。走査磁界のマグニチュードが小さくなるにつれて、ビーム中の中性化電子はビーム断面積と同等あるいはより大きい領域まで広がる。一方、走査磁界が例えば５０ガウスよりも大きなマグニチュードに増大するにつれ、中性化電子は典型的にはビーム断面積より小さな領域に圧縮される。発明者等は前記の誘導電場がもたらす電子密度の再分布によって、イオンビームのエミッタンスを前述した様に変動させるプラズマ効果を生じさせると信じている。
本発明の新しい走査システムは、イオンビームがある選ばれた表面上を走査している間イオンビームの断面積の大きさが変動するのを防ぐのに充分なレベルに間隙内の磁界のマグニチュードを保つ磁気回路を提供する。
したがって、発明者等はビームの大きさの変化あるいは変動を略最小にし、高い速度、高い精度ならびに向上した再現性による繰り返し走査を可能にする磁気走査システムを見いだした。
本発明の望ましい実施例は下記のひとつあるいはそれ以上の特徴を含んでいる。
隙間内の磁界のマグニチュードは、望ましくは２００ガウス以上である。望ましくは間隙中にイオンビームを導入するイオンビーム発生源を有する装置が提供される。この装置は望ましくは走査されるイオンビームを照射するための選ばれた表面を有する半導体基板を装填するようにしたエンドステーションを備えている。
いくつかの望ましい実施例では、イオンビームを磁極面によって定められた間隙の一方の側面に導入できる位置にイオン源を配設する。この他のいくつかの実施例では、イオンビームは、第１ビーム経路を通って間隙に入り、時間的に変化する磁界はイオンビームを走査面において偏向させる。
いくつかの望ましい実施例では、イオンビームは第１ビーム経路を通って間隙に入り、ビームが間隙を通過し、単一極性の走査磁界に影響されて第１ビーム経路の一方の側面へ偏向された後、イオンビームが照射されるように直流扇形コリメータを配設する。選ばれた表面をビームが照射する前にイオンビーム内にあるかなりの割合の中性粒子がビームから除かれるよう常にビームが第１ビーム経路の方向に対してかなりの角度で進ませるため、走査面において走査されるイオンビームを第１ビーム経路からさらに遠ざかる方向に走査イオンビームを偏向させる実質的に静的な磁界を走査されたイオンビームに加えるように扇形磁石を形成し、配置する。望ましくは、直流扇形磁石は、二次よりも大きな次数の多項式に基づいて形成された磁極の輪郭を有し、さらに望ましくは、四次の多項式である。ひとの重要な実施例は、イオンビームの近傍に設けられイオンビームの横断位置を感知するためのビーム収集カップと、イオンビームが選ばれた表面に当たる角度を実質的に制御するため収集カップによって感知されたイオンビームの位置に基づいて選択した値に、収集カップに結合され直流扇形磁石の静的磁界のマグニチュードを調節する手段とを具備している。
本発明の別の重要な態様における特徴は、イオン源から、磁気システムを通ってエンドステーションに至る真空容器を具備していることであり、これによってビームがイオン源からエンドステーションまで真空中を進む間に、ビームが偏向システムの表面に直接曝される。
また別の態様における特徴は、選ばれた表面上にイオンビームを走査する磁気走査偏向システムが提供されることであり、この磁気システムは、間にイオンビームが通る間隙を定める磁極面をそれぞれ有する複数の磁極を有する磁気走査構造体と、磁気走査構造体に関連した走査コイルであって、またイオンビームの走査を行うため予め選んだ最小値よりも大きいマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を間隙の中に発生させる励起電流を走査コイルに加えるように構成された走査コイルに結合された電流源によって励起される走査コイル、この場合、前記最小値はイオンビームが選ばれた表面を走査している間、イオンビームの横断面の大きさが実質的に変動しないようにゼロよりも充分に大きい、走査コイルとを有している。本態様による望ましい実施例は、イオンビームの経路に配置された、中性粒子が選ばれた表面に当たる前に、イオンビームから出る中性粒子を分離できるようにイオンビームを選ばれた表面に向かう方向に偏向させるように構成された少なくともひとつの扇形磁石を有している。
また別の態様における特徴は、選ばれた表面にイオンビームを走査する方法が提供されることである。この方法は、それぞれ走査コイルおよびその間に間隙を定める磁極面を持つ磁極を備える磁気構造体を用意し、第１のビーム経路を経て間隙中にイオンビームを通す；第１のビーム経路の方向の一方の側にイオンビームを走査するため時間の関数として予め選択した５０ガウス以上のマグニチュードで変化する実質的に単一極性の走査磁界を間隙の中に発生させる走査コイルに励起電流波形を生じさせ；ビームが間隙を通り、前記第１のビーム経路の方側へ偏向された後、走査面において走査イオンビームを第１のビーム経路からさらに遠ざけるように偏向させるステップからなる。
本発明のこの他の特徴および利点は以下の記述ならびに特許請求の範囲によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１はウェーハ表面に照射するイオンビームに働く走査磁石を含む望ましいイオンビームシステムの概略図である。
図２は図１に示されたイオンビームシステムの透視図である。
図３は図１に示されたイオンビームシステムの走査磁石の透視図である。
図４はビームセンタリング電極を持つビーム収集カップの透視図である。
図５は磁石の磁極表面上に置かれたシリコンライナーの透視図である。
図６は時間変化に対し走査コイルに流れる励起（励振）電流の変化する関係を示す概略的グラフである。
図７は走査磁界のマグニチュード変化に対するウェーハ表面上での酸素イオンビーム電流の変化を示すグラフである。
図８は磁界強度およびエレクトロン（電子）エネルギーの関数として、エレクトロンのジャイロ半径を示すグラフである。
図９は振動磁界と時間の関係を示すグラフであり、誘導電界がエレクトロン（電子）を加速または減速する領域を示す。
図１０は磁場（磁界）のマグニチュードが時間と共に減少する際、どの様に誘導減速がイオンビーム中のエレクトロン軌道を外向渦巻状にさせるかを示す概略図である。
図１０Ａは磁界のマグニチュード（振幅）が時間と共に増大する際、誘導加速がイオンビーム中のエレクトロン軌道をどの様に内向渦巻状にさせるかを示す概略図である。
図１１はウェーハ表面に照射するイオンビームに働く走査磁界を含む別のイオンビームシステムの概略図である。
好ましい実施例の詳細説明
図１および図２について言及すると、イオン注入装置２は本発明による方法で高空間制限電流（高パービアンス）、重イオンビームを搬送しまた走査する走査磁石３４およびコリメーター磁石８０を有している。ビームは磁気走査器３４の作動間隙５４内に発生した時間的に変化する磁場により走査される。走査磁石は磁場が垂直方向Ｘに働き、ビームが時間の関数でＹＺ平面上で前後に走査される様その向きを定めて設置される。ビームは図２に示す様に、走査器により常に扇形包絡面４０を描く様に偏向させられる。扇形コリメーター磁石８０は、実質的な時間非依存の磁場をコリメーターの磁極片８７の間にある作動間隙８８を通過するビームに与える。
コリメーターで発生した磁場は走査器を通る元のビーム軸から更に離れた方向へＹＺ平面でビームを更に偏向させる（即ち、走査磁石で曲げられた方向と同じ方向Ｘ）。コリメーターの入口磁極端８４と出口磁極端８６は特別な輪郭を持ちイオンビーム３２を偏向する様になっているので、コリメーターを抜け出たビームの主軸は、走査磁石により与えられた偏向角とは関係なく常に実質的に一定である。したがって位置限界１００および１０１の間で、ウェーハ３５の表面上において、ビームは時間の関数としての並行走査を実行する。ウェーハをプラテン４２上に装填し、直線または円弧状の経路を通りながら多くて一秒間に１〜２回の速度で走査イオンビーム３２を横切る様にＸ方向に機械的に往復運動８９させる。機械的往復運動周波数に比較して高い磁気走査周波数を用いて、好ましくは最小２０Ｈｚ、より好ましくは１００〜５００Ｈｚでウェーハを一度ビームを通すだけでウェーハ表面の広い領域が照射される。この様にして、ビームに対しほんの数度往復動することによりウェーハ全表面に対する均一な照射を成就することができる。
もし走査磁界のマグニチュードがゼロ点を通過するか、あるいは約５０〜２００ガウスより小さくなるとウェーハ表面を横切るビームの大きさが実質的に変動することを我々は発見した。この変動（ゆらぎ）が修正されないままにすると照射均一性が低下する。本発明によって、ビームが選択された面に走査されている間、通過するイオンビームの横断面の大きさが実質的に変動するのを防ぐに充分な大きさの最小マグニチュードの、時間的に変化する単一極性の磁場をつくる電流波形で走査器のコイル５８に通電することにより、表面照射の均一性を実質的に改善することができる。
ホウ素，窒素，酸素，リン，ヒ素，アンチモン等の元素から得られる重イオンはイオン源４により発生しビーム６となる。（参照、例えばTHE PHYSICS AND TECHNOLOGY OF ION SOURCES, IAN G. BROWN編、JOHN WILEY & SONS, NEW YORK 1989）該イオン源は式１で定義される様に非常に高いパービアンスのイオンビームを作り出す。調整可能な電圧源５がイオンビームを一電荷蓄積状態当り最大約８０keＶの調整可能なエネルギーまで加速するために用いられる。イオンビーム６の付勢により発生した電子はイオンビーム内に捕捉され、あるいは閉じ込められる。この様にして、外部電界および絶縁表面が無い状態でイオンビームは電気的にほぼ中性となるこの様な条件下でイオンビームは空間電荷反発力に基づくビーム拡散（発散）を呈することなくイオン注入装置２の高真空領域での移送が可能となる。
該イオンビーム中の複数種の原子または分子は、磁極片９を有する扇形磁石８および分解スリット１０の働きにより精製される。該磁極片はその間に作動間隙７を形成し、そこにイオンビーム６を受け入れる。Ｘ軸方向の静的磁場磁界は該ビームをＹＺ平面上に偏向させ、スリット１０を通過して送られるイオン種を電荷とイオン運動量の比に従って精製する。（即ち、Ｍｙ／ｑ，ここにおいてｙはイオンの速度、ｑはイオンの電荷量、Ｍは既に式１にて定義されたイオンの質量である）。イオン種は正に帯電させたり、負に帯電させたりする。典型的なイオン源においては、正に帯電されたイオンはより容易に多量に作られることを指摘する扇形磁石８は磁石を抜け出したイオンビーム１２を集中させるのに適した形状の（磁極端）を持っており、狭い部分が分解スリット１０の幅に相当する多少帯状のビームにする。（例えば、H. A. ENGE, "DEFLECTING MAGNETS," FOCOUSING OF CHARGED PARTICLE,巻III、A. SEPTIER編、ACADEMIC PRESS. NEW YORK 1967刊を参照されたい。）
多くの適用では、最終的必要エネルギーを得るため後段加速器１４を必要としている。一般的に後段加速は、静電的にイオンビーム路に沿って最初の電極と最終の電極１８，１６の間に電位差を設けることにより達成され、これには適正な極性で最初の電極と最終の電極の間に電場を形成し、重イオンを最終電極の方向へ加速する高電圧電源２０が用いられる。絶縁リング２４が各電極を電気的に絶縁するために用いられる。減速は電源２０の極性を反転させることにより可能となる。電源２３の電位を用いて変えることにより、イオンビームを集束させるため中間電極の電位を調整することが出来る。サップレッサ器電極２６が後段加速器の逆方向（マイナス）端に取りつけられ、空間電荷効果の結果ビームを発散させる原因となる可能性のある中性粒子（中和電子）のビームからの流出を抑制する。
磁極片３１でその範囲を決められた作動間隙３７を持つ最終エネルギー偏向磁石３６が走査磁石３４の上流側に置かれる。偏向磁石３６はＸ軸方向に実質的に静的な磁場を形成し、これによってＹＺ平面上にビームを屈折させる。第２の分解スリット１１がビーム内のイオン種を更に精製する。
ビームは真空ポンプ４６により高真空に保たれた真空容器４４の中を、イオン源４からウェーハ３５へと運ばれる。
走査磁石３４の基本構造を図３に示す。ヨーク５０は薄い強磁性の積層体５１により構成され、この積層体は好ましくは０．２〜１ｍｍの範囲内の厚さで、これよりはるかに薄い層間絶縁体（例えば０．０３ｍｍ厚のエポキシ含浸セルローズ）を有している。磁極面５２はその間に作動間隙５４を形成し、その間隙内に高い空間電荷制限電流（高パービアンス）の重イオンビーム１３を受入れ、走査コイルに、ある電流を流し励起することにより発生した時間的に変化する磁界５６により、磁極面５２に平行な平面上で前後に走査する。前述の電流は図６に示す様に時間依存の振動成分に対し充分な直流成分が重畳しているので、ビームがウェーハを照射している間は時間的に変化する磁場（磁界）が極性を転じたり、小さすぎる値になったりすることは決して無い。前述した様に、弱い、時間的に変化する磁界を避けることはウェーハを通過するイオンビームの大きさに変動が生ずることを無くし、結果としてウェーハ表面に亘り照射均一性を改善することとなる。図６に示す様にバイアスされた三角波形の電流で走査コイルを励起することの結果、ビームは図１および図２に示す様に屈折（偏向）が入射ビームの方向に対し常に一定の側であるバイアス走査が行われることとなる。
本イオン注入装置はバイアス走査を行うために必要な励起電力量を最小とする様に設計されている。図６に示す様に、入射ビーム方向に対して両側に等分に振り分ける実質的に振動する磁界と同じ振り角を発生させるためには、バイアス走査を行う場合には、比例的に、２倍以上のピーク磁界強さを持たなければならない。Ｙ軸方向の走査器作動間隙幅が一定の場合、ピーク磁界強さを２倍にするためには励起電力もまた比例的に２倍にしなければならない。大きな間隙幅を用いることにより、より大きな電力を要求することが無い様、入射ビームの軸は実際上作動間隙の一つの面に近く、他の面からは遠くなる様な位置に走査磁石は配置され、図１に示す様ビームは入射ビーム軸に近い面から遠ざかり、もう一つの面に近づく方向へ曲げられる。
図１に示す様に、走査磁石は完全に真空容器４４の内部に置かれている。無視できる程小さな層間絶縁体の端面を除いて、ビームに面する磁極面は電気的に導電性があり、ビーム近辺で電界が発生することを防ぐため接地電位に保たれているこれは走査磁石間隙を通過する高パービアンスの重イオンビームの移送に際し空間電荷力の影響を避けるため必要なことである。同じ理由によりコイル表面およびコイルの接続導体の絶縁面は接地電位のシールド５９で隠されている。もし真空容器が作動間隙を通り、走査磁石の間に設けられた場合には、ビームを自由に受け入れるための作動間隙に要する磁界の容量、したがって要求電力は非常に大きなものとなるであろう。更にビーム近傍を一定の電位とするために真空容器壁は絶縁体でなく導電材質である必要がある。真空容器壁に誘起される大きな渦電流を避けるため、真空壁自身は半導体材質か、積層体が非磁性であれば別であるが、走査磁石と同様の積層構造で作られねばならない。
前述の積層構造は最小要求電力および最小渦電流抵抗損失で作動間隙に強力な磁界を発生させるための有効な方法である。走査磁石の基本構造に関するその他の詳細および別の形態については、H. F. GLAVISHの米国特許番号５，３１１，０２８MAY 10 1994,及びH. F. GLAVISH及びM. A. GUERRA共著NUCL. INSTR. & METHODS, B 74(1993)397に詳述されている。
また前述の参照文献では特に大きな渦電流を避ける特別の目的で積層体よりもフェライト材の使用について詳述している。フェライト材は実際的には積層材よりもかなり高価である。また現在の素材はその様に強力な磁界を維持し得ない。フェライト材は電気的絶縁体である。したがって、もしそれが磁極片あるいはビームに面する表面に使われるならばその様な図５に示す様なシリコンのシールドあるいは渦電流効果を除去する様に作られた導電性のワイヤメッシュまたは格子を用いてビームから遮蔽されなければならない。
図５には磁極表面１３０からビーム１３２を遮蔽する薄いシリコンライナー１３１が示されている。純シリコンは２つの理由からライナーとして用いられる。第１にライナーがシリコンで出来ているためライナーから生ずるいかなる飛散粒子も、少なくとも、例えばシリコンウェーハ基板と一緒に使用できるものであり、照射されたウェーハ上に形成されるデバイスを汚損したり、品質を劣化させたりしないからである。第２の理由は、シリコンは導電体であるためビーム近傍に一定の電位を形成するからであり、かつシリコンの導電性は充分に低く渦電流効果は許容出来る程小さいので走査磁石内にも用いることが出来る。またシリコンはウェーハへのスパッターによる汚損を避ける目的でコリメーター８０の様な直流磁石のライナーとしても用いることが出来る。
数エレクトロンボルトのエネルギーの電子は、典型的には真空システム中の残留ガス分子とイオンビーム中のイオンとの原子相互作用により発生する。（参照、例えば、A. J. T. HOLMES, BEAM TRANSPORT OF THE PHYSICS AND TECHNOLOGY OF ION SOURCE, IAN G. BROWN編JOHN WILEY & SONS, NEW YORK 1989）。イオンビームの近傍では、この様な電子はビームのイオンに関連した少量の正電荷を除く全ての部分を中性化するのに重要な役割を果たす。またある場合には、中性化電子は、熱せられたフィラメントやプラズマ銃によって直接発生するが、このことは一般的には、典型的イオン注入装置に見られる磁石や磁界のない領域を通して高パービアンスの重イオンの移送するために必要ではない。イオン注入装置に使われる約１０-6トルの真空下では、ビームの電荷中性を維持するのに充分な数の電子が即座（ミリセコンド）に発生する。
今迄、イオン注入装置に用いられるイオンビームの磁気走査においては、ビームの横断位置の変化の速度に比し電子発生の速度が非常に高いので、時間に依存しての有害な空間電荷効果は発生しないだろうと考えられていた。
実際、この分野に通じた人々の間では、走査器の磁界は一般的に空間電荷効果に対しては準静的であると考えられている。
しかしながら、我々は間隙内の磁界のマグニチュードがゼロ点を通るか、それに近付いた時、ビームエミッタンスの急激な変化として現われるプラズマ効果を発見した。
我々の実験データの一例を図７に示す。ここにおいて、ゼロ磁場近傍では高パービアンス１７８keＶ，１５０Ｈｚの走査酸素ビームが、どのように約０．７％の突然の変動を起こすかが如実に図示されている。
これは位相範囲φが−７０°から＋６０°、ただし、φ＝３６０ｆｔにおける走査周波数１５０Ｈｚを用いて得られたデータである。振動磁界（ガウス表示）は次式のように位相と共に変化する。
0003797672.tif 000002
図７に示されたゼロ磁界近傍の変動は一走査掃引についてであるが、これ以後の走査掃引でも正確に再現する。電流測定具の前に置かれた制限開口のため、走査方向を横切る方向のビームの位相−空間エミッタンスに生ずる変化に対しては、図７に示されるビーム電流測定値は敏感に反応する。もし前述の効果が、励起波形の適切な補正により、除去されるか補正されなければ１％かそれ以上の照射不均一性が生じ得る。
磁場Ｂの存在する場合はビームの中性化電子は、ローレンツカを受け磁界線の回りを角周波数ωで旋回する。
ω＝（ｅ／ｍ）・Ｂ                   （3）
この場合、Ｂ＝｜Ｂ｜は磁界のマグニチュード、ｍは電子の質量、そしてｅは電子の電荷である。Ｂに対して垂直な面に投影すると、電子は半径ｒの円を描く。
ｒ＝（ｍＶｔ）／ｅＢ                 （4）
ここにおいてＶｔは磁界Ｂを横切る方向の電子の速度成分である。軌道運動に関連したエネルギ−Ｕは、
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エレクトロンジャイロ周波数（ｗ〜１７．６ＭＨｚ／ガウス）は磁界の走査振動数（〜１ｋＨｚ以下）よりはるかに大きいので、軌道半径ｒに生ずる微々たる変化するには、電子はＢの廻りを何回転もするという意味で電子軌道運動は断熱的なものである。図８に電子エネルギーと磁界の関係で電子ジャイロ半径がグラフ化されている。数十ガウス以下の磁界ではジャイロ半径はビーム寸法と同程度迄増大する。しかしこの現象のみが、観察されたイオンビーム電流の時間に依存した変動を説明するものとは思えない、何となれば強力な磁界が無い状況下では電子の運動は主として粒子荷電に関連した力のみにより決定されるからである。更に既に論じた様に、ビーム中性化は変動が発生する時間間隔（〜１ミリ秒）に比べ非常に短い時間で発生するからである。
この観察された現象を更に分かり易く説明するため、我々の理解したところを以下に述べる。古典的電磁現象を説明するマックスウェルの式によれば、走査磁界Ｂの時間変化に関連して次式により与えられる電界Ｂがある。
▽×Ｅ＝−δＢ／δｔ             （6）
そして図９に示す様に磁界Ｂの振幅（アンプリチュード）が増加しているか減少しているかによりこの様な電界は電子を誘電的に加速、あるいは減速することが分かった。実際に、一回転当り軒道エネルギーの変化をδＵは、
δＵ＝■eE・ds＝e∫s（▽×Ｅ）・ds＝-e∫s（δＢ／δt）ds       （7）
で示される。
もし一回転の間は回転半径は本質的に一定であるという断熱状態を考えるならば、式３，４及び５から下式が得られる。
δ［Ｕ／Ｂ］＝０                  （8）
δ（ｒ2Ｂ）＝δ（ｒ2Ｕ）＝０
これらの式のうちの第１の式は電子回転エネルギーは磁界強さに比例して変化することを示す。第２の式は角運動量の保存を示し、電子軌道の面積πｒ2は磁界強さの振幅及び電子エネルギーに逆比例することを示している。誘導電界から生ずる効果は重要である。例えば、磁界が５ガウスから５０ガウスに増大したとすると、電子密度は１０倍に圧縮される。電子エネルギーもまた１０倍に増加し、磁界の存在下では電子はビーム近傍領域に拘束される。磁界のマグニチュードが増大するのに際して発生した新しい電子もまた誘導加速がもたらす圧縮を受ける。この状態においては、電子空間分布はビームのイオン電荷の系の働きよりも磁界の働きによって支配される。
磁界が５０ガウスを超えると、圧縮は引続き生ずるが、電子のジャイロ半径は既に実質的にはビームの典型的な横断寸法より小さいので、その効果はあまり大きなものではない。磁界の振幅（磁界の増幅度）がゼロに向って減少する時、電子軌道は式８に従って拡大する。
磁界強さが約５０ガウスより小さくなると、それ以前には圧縮されていた電子軌道の電子は急速に減速されビーム断面積と同等かそれより大きな領域に発散する。新しく発生した電子は、既に低いエネルギーを持っているが、誘導電界の影響はあまり大きくは受けない。
時間経過に従い走査器内に順次生起する状景を図１０および図１０Ａに示す。
図１０について言及すると、磁界１２３がゼロに近付くと誘導減速により、電子軌道は外広がりの螺旋状包絡線１２１を描く様になり、イオンビーム１２４近傍の電子密度を減少させる。磁界がゼロ点を通り過ぎるとそれは逆方向となり電子軌道１２０の回転方向は図１０Ａに示す様に逆転する。磁界１２２の振幅が増大すると、誘導加速は電子軌道を断熱的内向き螺旋とし、それによりイオンビーム１２４近傍のイオン密度を増大させる。磁界のゼロ点通過に起因する急激な電子密度変化はイオンビームの位相・空間エミッタンスに観察された変動についての妥当な説明を提供する。
実験上の観察は磁気走査された高パービアンスの正の重イオンビームについてのみ行われた。しかしながら、電子は負イオンビームによっても高い速度で発生するものである。正負両電位プラズマ領域での、全てのビーム中性化現象の一部でもあるので、同様の変動は負イオンビームについても発生すると予想され、また本発明は高パービアンス負イオンビームの走査においても重要な応用がなされるものと期待される。
図１および２について言及すると、本発明の重要な特徴は扇形コリメーター磁石８０と走査磁石３４との間で協同作業を行わせて、走査サイクルの間、ビームがウェーハに達するまでの経路が時間が経過する中で次々と異なることに対応できることである。入口側、出口側の磁極端８４，８６の輪郭は四次の多項式形状であり、イオンがウェーハ上に照射される間、走査位置に無関係に下記のイオンの光学的搬送及び集束条件を同時に達成出来る様に定数が選定されている。即ち、
１．前述の平行走査の精度は±０．５°以内、好ましくは±０．２°以内を維持する。
２．前述のビームの最大発散角度（典型的には約０．５０°〜１．５０°）の変動範囲を実質的に±０．５°の限度内に維持する。
３．前述の横断ビームのサイズ（典型的には３０ミリメートルから５０ミリメートル）を実質的に±５ミリメートルの限度内に維持する。
４．ビームの充分な偏向（例えば、少なくとも約３０°、好ましくは約４５°以上）を行い、ビームが扇形コリメーター磁石に入る前に真空系中に存在する残留ガス分子とビーム中のイオンが相互作用を行うことにより形成される中性粒子３９のウェーハに当る数を最小化する。
一般的に磁極端輪郭が入口側と出口側ともに二次曲線に限定された従来の扇形磁石では、上記の要求を同時に満たすことは出来ない。（例えば、H. A. ENGE " DEFLECTING MAGNETS," FOCUSING OF CHARGED PARTICLE, VOL. II、公表。A. SEPTIER, ACADEMIC PRESS. NEW YORK 1967刊を参照されたし。）コリメーター偏向が約３０°以上、より望ましくは約４５°以上であれば、二次曲線での限界が顕在化する。扇形コリメーター磁石の入口側と出口側磁極端の四次式で表わされる輪郭形状は、その様に大きな角度の偏向を可能とし、その結果中性粒子をウェーハから充分に隔離し、また前述のイオン光学的搬送および集束における拘束も実現が可能となる。
図１および図２について言及すると、本発明のもう一つの特徴は、最終エネルギー磁石３６及び扇形コリメーター磁石８０それぞれの磁界強さを、正確なイオンエネルギーを知るが、あるいは測定するかに拘らずイオンがウェーハ３５に突き当る角度が所要の角度であることを保証する設定値にするためのビーム収集カップ１０４，１０５を使用することにある。図４について言及すると、小電極１０７と大電極１０６に集められた電流を測定することによりビーム収集カップはビームの横断位置を感知することが出来る。二次電子は電極１０８を相対的に負の電位に保つことにより任意に抑制することが出来る。
実際上、最終エネルギー磁石の磁界を設定するためには、走査器及び扇形コリメーター磁石の磁界をゼロに設定する。そしてビームがビーム収集カップ１０４の中心に来る様に最終エネルギー磁石の磁界が調整される。次にビームがビーム収集カップ１０５の中心に来る様にコリメーター磁石の磁界が調整される。これによって、走査器は、扇形コリメーター磁石の位置に関連して配置された二つのビーム収集カップの位置で定められる設定（所要の）角度でウェーハ表面に対し平行走査すべく付勢することが出来る。
もう一つの好ましい実施例においては、図２に示された様に走査ビームに対し往復動をする一枚のウェーハを用意する代わりに、図１１に示す様に回転するカルーセル１３３上に多数のウェーハを装填することが出来る。この実施例はイオン注入時の高いビームパワーが多数のウェーハに配分されるので、非常に高いイオンビーム電流の場合には好ましい。特定の特徴はいくつかの図面に示したが、その他の図面では示していない場合もある。これは単に便宜上であり、各々の特徴は他のいかなる特徴ともあるいは全ての特徴とも、本発明に従って組み合わせることができる。他の実施例はこの分野に通じた人々は考えつくであろう。またそれらの実施例も下記の特許に含まれるであろう。
【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１０ａ】
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【図１１】
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