アクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石
電磁石と、アクティブフィールド閉じ込めを含む関連のイオン注入システムを開示する。この電磁石は、最小限の歪み及び強度の劣化で、高く大きいギャップに双極子磁場を供給する。一実施形態では、イオンビームを変更する電磁石は、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にイオン注入に係り、より具体的には、イオンビームを変更するためにアクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石に係る。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入装置は、一般に、半導体ウェハの製造に使用される。イオンビーム注入システムは、荷電イオンのイオンビームを生成し、イオンは、半導体ウェハの表面上に当てられると、ウェハ表面に注入、即ち、「ドープ」される。イオン注入装置において、例えば、約３０ｃｍ幅より大きい幅広のビームが一般的となっている。広イオンビームは、２つの理由から有利である。つまり、低エネルギーで高電流のビームが移動する際の空間電荷を抑えることと、シングルウェハ注入に適したイオンビームを供給することに対して有利である。
【０００３】
注入前に、高エネルギーの中性粒子（エネルギー汚染物質とも呼ぶ）をフィルタリングすることが必要となる場合がある。このフィルタリング工程は、一般に、静電偏向又は磁気偏向のいずれかを使用してイオンビームを曲げることによって行われる。磁気偏向では、一般に、双極子磁場を使用してエネルギー汚染物質を取り除く。双極子磁場は、フィルタリング工程の上流側でイオンビームを質量分析するためにも使用される。
【０００４】
広イオンビームに関する１つの課題は、広イオンビームをリボンに対して垂直な面において曲げることができ、同時に、イオン注入システムを顕著に長くしない、イオンビーム内に収差をもたらさない、又は、大きい浮遊磁場をもたらさない、均一な双極子磁場を供給することである。浮遊磁場は、双極子磁場の前後のイオン注入装置の構成要素の動作に影響を与えるので、有害である。高電流で低エネルギーのイオンビームでは更に、マルチカスプ永久磁石を追加することでプラズマ中性化を高めることが望ましい。しかし、これらのマルチカスプ磁石は、イオンビームに近すぎる場合にはイオンビームを乱すので、高い（長い）ビームラインが望ましくなるが、高いビームラインの場合、高い磁石が必要となる。磁石がウェハに近い場合（エネルギー汚染フィルタの場合のように）、フリンジ磁場が急速にゼロになることが特に重要である。これは、磁石からのフリンジ磁場は、ウェハにおける電荷中性化に有害な影響を与える場合があるからである。
【０００５】
イオンビームに大きい収差を導入することなく磁場をクランプすることは、広イオンビーム用の高い双極子磁石の設計について問題を呈する。従来では、スチールを使用して、大きいギャップを有する双極子磁石の磁場がスチール面に対して垂直となるよう磁場をパッシブにクランプしている。更に、スチールは、磁束に対して低い磁気抵抗経路を与える。不都合なことに、このアプローチは、磁石内の磁界の質及び大きさを著しく低下してしまう。特に、このアプローチは、スチール面の方向と並行であった元の双極子磁場を著しくゆがませ、また、磁束はクランプによってシャントされ、それにより、磁石内の磁場の大きさを減少してしまう。例えば、図１は、磁場のクランピングのない１つの例示的な広ギャップの双極子永久磁石Ａの一部を示し、図２は、磁場をクランプするためにスチールＢが追加された同じ磁石Ａを示す。図２は更に、上述した磁場の歪みＣと、双極子磁場の減少を示す。従来のスチールを用いるアプローチの場合のように垂直境界条件を課すことなく双極子磁場を閉じ込める方法が望まれる。
【０００６】
上述に鑑みて、当該技術において、アクティブフィールド閉じ込めを有する、イオンビームを変更する電磁石が必要である。
【発明の概要】
【０００７】
電磁石と、アクティブフィールド閉じ込めを含む関連のイオン注入システムを開示する。この電磁石は、最小限の歪み及び強度の劣化で、高く大きいギャップに双極子磁場を供給する。一実施形態では、イオンビームを変更する電磁石は、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる。
【０００８】
本発明の第１の側面では、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオンビームを変更する電磁石を提供する。
【０００９】
本発明の第２の側面では、イオンビーム発生器と、電磁石とを含み、電磁石は、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システムを提供する。
【００１０】
本発明の第３の側面では、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システム用のエネルギー汚染物質フィルタリングシステムを提供する。
【００１１】
本発明の第４の側面では、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、質量分析磁石を提供する。
【００１２】
本発明の第５の側面では、ウィンドウフレーム型電磁石の磁場を閉じ込める方法であって、ウィンドウフレーム型電磁石の内面に沿い、且つ、各ウィンドウの面における各ウィンドウの周りの経路を有する複数の通電ワイヤを供給する段階と、複数の通電ワイヤに沿って電流を流す段階とを含む方法を提供する。
【００１３】
本発明の例示する側面は、本願に記載した問題、及び、当業者は発見可能である他の言及していない問題を解決するよう設計される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の上述の及び他の特徴は、本発明の様々な実施形態を図示する添付図面と共に本発明の様々な側面に関する以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。
【００１５】
【図１】磁場のクランピングのない広ギャップの双極子永久磁石の一例の一部を示す図である。
【００１６】
【図２】磁場をクランプするためにスチールが追加された図１の磁石の一部を示す図である。
【００１７】
【図３Ａ】本発明の一実施形態による例示的なイオン注入システムを示す平面図ある。
【００１８】
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による別の例示的なイオン注入システムを示す平面図である。
【００１９】
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による例示的なイオン注入システムを示す側面図である。
【００２０】
【図４】本発明によるアクティブフィールド閉じ込めを含む電磁石の一実施形態を示す斜視図である。
【００２１】
【図５】図４の電磁石を示す分解図である。
【００２２】
【図６】図４の電磁石の代替実施形態を示す側断面図である。
【００２３】
【図７】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す側断面図である。
【００２４】
【図８】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す平面断面図である。
【００２５】
【図９Ａ−９Ｂ】図４の電磁石の別の代替実施形態をそれぞれ示す側面図及び平面図である。
【００２６】
【図１０】横方向に曲げられたイオンビームを示す図である。
【００２７】
【図１１】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す側面図である。
【００２８】
【図１２】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す端面図である。
【００２９】
【図１３】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す端面図である。
【００３０】
なお、本発明の図面は縮尺が取られているわけではない。図面は、本発明の一般的な側面のみを示すことを意図するので、発明の範囲を限定すると考えるべきではない。図面中、同様の参照符号は、様々な図面での同様の構成要素を表す。
【詳細な説明】
【００３１】
詳細な説明には、体系化することのみを目的として以下の見出しが含まれる。即ち、Ｉ．序文、ＩＩ．例示的なイオン注入システム、ＩＩＩ．アクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石、ＩＶ．応用、及びＶ．結論。
Ｉ．序論
【００３２】
上述したように、一実施形態において、本発明は、イオン注入システムにおいてイオンビームを変更するために使用可能である、アクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石を提供する。例えば、曲げる、集中する、質量分析する目的でイオンビームを変更するのに使用される電磁石において、従来のスチールを用いる磁場クランプにおいて生じるような垂直境界条件を課すことなく、双極子磁場を閉じ込める方法があることが望ましい。このアクティブフィールド閉じ込めを提供する１つの理論上のアプローチは、スチールの高い透磁率ではなく、ゼロの透磁率（μ＝０）を有する領域を導入することである。この領域は、表面に対して接線方向に境界条件を課し、また、透磁率がゼロの領域の内側には磁場がないようにする。しかし、透磁率がゼロの領域の外側では、磁場はゼロではなく、その結果、この領域だけアクティブフィールド閉じ込め特性を有さないことになる。この状況に対処する１つのアプローチは、透磁率がゼロの領域を、透磁率の高い（例えば、スチール）領域で支持して、電磁石内に双極子磁場を閉じ込める所望の効果を得、同時にその方向を境界と並行に維持し、更に、外側にゼロの磁場を有するようにすることである。しかし、このアプローチにおける課題は、透磁率がゼロの材料は超電導状態においてしか存在しないので（マイスナー効果）、そのような条件をどのように実施するのかということである。更に、低温度においても、このアプローチでは、約１００Ｇ未満の磁場しか対処できないので、有用な解決策を提供しない。本願に記載する本発明の一実施形態では、表面電流を使用することで超電導スラブを模倣する領域が用いられ、それにより、イオンビームを変更するためのアクティブフィールド閉じ込めを供給する。
ＩＩ．例示的なイオン注入システム
【００３３】
図３Ａを参照するに、例示的なイオン注入システム１０の平面図を示す。イオン注入システム１０は、イオンビーム４を生成して、イオンビームフィルタリングサブシステム５、イオンビーム走査サブシステム６を介して、ターゲットサブシステム８に向けて送信するイオンビーム生成サブシステム２を含む。イオンビーム生成サブシステム２は、Ｖａｒｉａｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から販売されるような任意の既知又はこれから開発されるイオンビーム発生器を含みうる。一般的に、ターゲットサブシステム８は、プラテン１４に取り付けられる１つ以上の半導体ターゲット１２（例えば、ウェハ）を含む。プラテン１４、従って、ターゲット１２の特徴は、ターゲット１２、即ち、ウェハを回転させるプラテン駆動組立体（図示せず）と、ターゲット１２の垂直位置を制御するターゲット垂直走査位置コントローラ１８とによって制御されうる。イオン注入システム１０は、当業者には既知である追加の構成要素を含んでもよい。例えば、ターゲットサブシステム８は、一般に、ウェハをイオン注入システム１０内に運び、注入後にウェハを取り除く自動ウェハ取扱い機器、線量測定装置、電子フラッドガン等を含む。なお、イオンビーム４が通過する経路全体は、イオン注入時には真空にされることは理解されよう。
【００３４】
イオンビーム生成サブシステム２は更に、ガスフロー４０、イオンビーム源４２、抽出マニピュレータ４４、フィルタ磁石４６、及び加速／減速カラム４８を含みうる。フィルタ磁石４６は、イオンビーム源４２に近接して位置付けられることが好適である。抽出マニピュレータ４４は、フィルタ磁石４６とイオンビーム源４２との間に位置付けられる。加速／減速カラム４８は、ソースフィルタ４６と質量分析器５０との間に位置付けられる。イオンビームフィルタリングサブシステム５は、例えば、半円形の半径部５３を有する双極子の原子質量単位（ＡＭＵ）分析磁石５２と、分解アパーチャ５６を有する質量分解スリット５４とを含みうる質量分析器５０を含みうる。
【００３５】
走査サブシステム６は、例えば、走査器６０及び角度補正器６２を含みうる。静電走査器でありうる走査器６０は、フィルタリングされたイオンビームを偏向して、走査起点６４から発散する複数のイオン軌道を有する走査イオンビームを生成する。走査器６０は、離間された走査板６６及び６８を含みうる。イオンビーム４は、走査板６６と走査板６８との間の電界に従って偏向されうる。角度補正器６２は、走査イオンビーム４内のイオンを、並行のイオン軌道を有するべく、即ち、走査イオンビーム４を集中させるべく偏向するよう設計される。一実施形態では、角度補正器６２は、ギャップを画成するよう離間される複数の磁極片７２と、磁気コイル７４とを含みうる。走査イオンビーム４は、磁極片７２間のギャップを通過し、ギャップ内の磁場に従って偏向される。この磁場は、磁気コイル７４を流れる電流を変更することにより調節されうる。
【００３６】
本発明の様々な実施形態による電磁石１１０（図４）は、幾つかの方法で、イオン注入システム１０内に実装されうる。例えば、電磁石１１０（図４）は、角度補正器６２の磁石として使用されうる。
【００３７】
イオン注入システム１０は、システムの様々な構成要素を制御すべく使用されるコンピュータシステム１００に取り付けられうる。
【００３８】
ここでは、リボンイオンビームのイオン注入システムの形である、本発明の一実施形態による別の例示的なイオン注入システム３００の平面図である図３Ｂを参照する。イオン注入システム３００は、例えば、イオン源３０６、質量分析磁石３０８、及び質量分解アパーチャ３１０を含みうるリボンイオンビーム発生器３０４を含む。イオン注入システム３００は、例えば、１０ミリアンプ（ｍＡ）より大きいイオンビームを供給する高電流システムでありうる。図示するように、初期イオンビームは、従来の狭いスリットの抽出ポイントツーポイント（extraction-point-to-point）光学部品（発散する実線により示すビーム）、又は、長いスリットの抽出パラレルツーポイント（extraction-parallel-to-point）光学部品（並行の破線により示すビーム）を使用して生成されうる。いずれの場合でも、質量分析磁石３０８が、その初期イオンビームを精製する。なお、上述したようなリボンイオンビーム発生器３０４は、例示に過ぎず、他のシステムも、本発明の範囲内で用いうることは認識すべきである。イオン注入システム３００は更に、加速／減速並行化レンズシステム３２０と、エネルギーフィルタシステム３２２とを含みうる。加速／減速並行化レンズシステム３２０（以下、「レンズシステム３２０」と呼ぶ）は、リボンイオンビーム発生器３０４、より具体的には、質量分解アパーチャ３１０からファン状のリボンイオンビーム３２４を受取る。ファン状のリボンイオンビーム３２４は、例えば、約３５ｃｍまで広がりうる。用語「リボン」は、イオンビームが、横方向において実質的に細長いことを示す。レンズシステム３２０は、ファン状のリボンイオンビーム３２４を、実質的に並行なリボンイオンビーム３１２に少なくとも平行化し、また、リボンイオンビーム３２４を加速又は減速しうる。レンズシステム３２０は、ファン状のリボンイオンビーム３２４の平行化、及び、場合によっては加速又は減速のための複数の湾曲静電板３２６からなるセットと、実質的に並行なリボンイオンビーム３１２を加速又は減速する複数の加速／減速レンズ３３０からなるセットとを含みうる。なお、質量分解アパーチャ３１０は、湾曲静電板３２６のセットにおいて高さが均一のファン状のリボンビーム３２４を供給するので、これらの板（レンズ）３２６のスロットは、均一な幅を有することが必要である。レンズシステム３２０の下流側にあるエネルギーフィルタシステム３２２は、実質的に並行なリボンイオンビーム３１２によりワークピース３２８が注入される前にエネルギー汚染物質を除去する。本発明の様々な実施形態による電磁石１１０は、エネルギーフィルタシステム３２２内に実装されうる。
【００３９】
図３Ｃは、電磁石１１０を質量分析磁石４０８の一部及びエネルギーフィルタシステム４２２として使用すること以外は図３Ｂに示すリボンイオン注入システムと同様の別のリボンイオン注入システム４０２の側面図を示す。このシステム４０２も、上述したように、イオン源４０６、質量分解アパーチャ４１０、及び加速／減速並行化レンズシステム４２０を含む。質量分析磁石４０８は、例えば、以下に、図１１に示す及び図１１について説明するように電磁石１１０を含みうる。
【００４０】
例示的なイオン注入システムを上述したが、当業者は、本発明に任意の既知の又はこれから開発される、イオンビームを発生及び走査するシステムを用いうることは理解すべきである。上述した各イオン注入システムの動作は、当該技術において周知であるので、これらの処理の説明は、本発明の理解には必要ではない。しかし、本発明は、イオン注入の任意の既知の又はこれから開発される処理及び方法を用いうることは理解すべきである。簡潔にすることを目的として、必要である場合を除き、以下において図３Ａの実施形態だけを参照することにする。
ＩＩＩ．アクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石
【００４１】
図４及び５を参照して、イオンビームを変更すべくアクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石１１０の一実施形態を説明する。図４は、明瞭にすることを目的として１つの側面が取り除かれた電磁石１１０の一実施形態の斜視図を示し、図５は、電磁石１１０の分解図を示す。電磁石１１０は、例えば、スチールである強磁性体から形成される６つの側面を含むボックス構造１２０を含む。従って、ボックス構造１２０は、第１の側面１２２、第２の対向側面１２４、第３の側面１２６、第４の対向側面１２８、第５の側面１３０（図５のみ）、及び第６の対向側面１３２（図５のみ）を含む。本願に使用する「対向側面」とは、概して反対側であることを意味し、平行といったように必ずしも特定の角度位置にある必要はない。第２、第４、及び第６の側面１２４、１２８、及び１３２は、参照することのみを目的として「対向側面」と呼ぶのであって、各側面は、対応する側面に対向するとして論理的に参照できると認識すべきである。第１の側面１２０及び第２の対向側面１２２には、それぞれ、イオンビーム４が通過するためのウィンドウをボックス構造１２０に形成するような開口１３４を含む。従って、電磁石１１０は、「ウィンドウフレーム型電磁石」とも呼ばれる場合がある。
【００４２】
図５に最も明瞭に示すように、複数の通電ワイヤ１４０（以下「ワイヤ」）は、ボックス構造１２０の内面１４２に沿った経路を有するべくボックス構造１２０内に位置付けられる。内面１４２は、電流ループ１４４（図４）を形成すべく第１の側面１２２、第２の対向側面１２４、第３の側面１２６、及び第４の対向側面１２８を含む。図面には、個別のワイヤとして示しているが、当業者は、複数のワイヤ１４０は、実際には、単一の巻きワイヤであってもよいことは認識されよう。一実施形態では、複数のワイヤ１４０は、内面１４２に沿って実質的に均一に分布される。しかし、所望する場合には、特別なイオンビーム４の変更に対応するよう他の配置を用いてもよい。一実施形態では、複数のワイヤ１４０は、０．２５インチの中空コア銅線からなる５つの層といったように層状にされてもよい。図５に示すように、複数のワイヤ１４０は、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４の各開口１３４をよけるよう位置付けられる。図４は、矢印によって電流の流れを示す。
【００４３】
動作時、（図４における矢印により示すように）電流がワイヤ１４０の中を流れると、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２が磁極として機能する電磁場が形成される。磁束１４６は、図４における矢印に示す方向に流れる。複数のワイヤ１４０の中を流れる電流は、スチールの側面により引き起こされる垂直磁場（図２における歪みＣを参照）を相殺し、また、イオンビーム４用の広い開口１３４（図４）を依然として可能にしつつ、電流を第３の側面１２６から第４の対向側面１２８に戻す。これは、スチールの側面がなく、戻り電流をイオンビーム４からできるだけ遠くに維持すべく電流がボックスの外側に戻される従来のシステムとは対照的である。従来の場合では、スチールのクランプは、フリンジ磁場をクランプすべく磁石端部の外側に使用する必要がり、これは双極子磁場をシャントし歪ませる。しかし、電磁石１１０の電流は、エネルギー又は磁場閉じ込め壁として機能する側面１２２、１２４に対してボックス構造１２０内に戻される。理想的な限界では、これらの電流は、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４を均一に覆い、それにより、ボックス構造１２０内に完全な双極子磁場が、また、外側にゼロの磁場がもたらされる。しかし、側面１２２、１２４にイオンビーム４用の開口１３４を作成することを目的として、複数のワイヤ１４０は、開口１３４をよけて通されるので、開口１３４の側面への電流を倍加する必要がある（図５において、開口１３４の付近に集まる線を参照）。これは理想的な状況を乱すが、高い双極子磁場は依然として内側において維持され、磁極の距離間隔ではなく開口１３４の高さのオーダーの長さ内で外側においてゼロとなる。つまり、電磁石１１０は、アクティブフィールドを閉じ込め、また、イオンビーム４が見る磁場を劣化することなく要望通りに高い双極子ボックスを可能にする。図４の例示的な電磁石１１０では、高さは、約４０ｃｍでありうる。電磁石１１０は更に、第１、第２の、第３、及び第４の側面１２２、１２４、１２６、１２８に亘って磁束を均一に戻す。その結果、従来のシステムでは磁場クランプに戻される大きい磁束を回避することで、スチールの飽和の問題も良好に管理することができる。
【００４４】
図６乃至１３を参照するに、電磁石１１０の様々な代替実施形態を説明する。図６を参照するに、電磁石は更に、スチールを飽和させることなく高い電流密度を利用することを可能にし、それにより、高温超電導体（ＨＴＳ）電磁石２１０を製作する可能性をより現実的なものにする。従って、１つの代替実施形態では、複数の通電ワイヤ２４０（破線）は、高温超電導（ＨＴＳ）体を含みうる。この場合、クリオスタット２６０が、複数のワイヤ２４０に結合される。クリオスタット２６０は、ＨＴＳワイヤ２４０だけを囲み（ボックス構造１２０の強磁性体は囲まない）、電磁石２１０の内部に位置付けられうる。
【００４５】
図７及び８を参照するに、上述した電磁石構造は、電磁石１１０内に幾つかの追加の構造を設けることを可能にする。例えば、図７の側面図に示すように、高いビームガイドボックス２７０を、電磁石１１０のボックス構造１２０内に配置しうる。ビームガイドボックス２７０は、例えば、アルミニウムといった磁束により影響を受けない材料から形成されうる。ビームガイドボックス２７０は、イオンビーム４から距離の置かれたビームガイドボックス２７０の各側面に配置された複数のカスプ磁石２７２といったビームプラズマエンハンスメント特徴を収容しうる。コイル２７４が、ボックス構造１２０内でビームガイドボックス２７０を囲む。ビームガイドボックス２７０内は真空２７６でありうる。別の例では、図８の平面図に示すように、少なくとも１つのプラズマ源２８０を更に、例えば、各磁極（第５の側面１３０及び第６の側面１３２（図５））に隣接して１つずつ電磁石１１０内に配置してもよく、それにより、プラズマ２８４を中性化する。プラズマ源２８０は、一実施形態ではホットフィラメントＤＣ放電、又は、別の実施形態ではＲＦ誘導放電として実施されうる。１つ以上のプラズマ源２８０は、磁束１４６を使用して、イオンビーム４の中を、電子を運ぶことを可能にする。ビームガイドボックス２７０も、この実施形態内に設けてもよい。
【００４６】
図９Ａ及び９Ｂに示すように、別の代替実施形態では、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４はそれぞれ、各開口１３４に隣接する実質的に凸状の外面２９０を有しうる。開口１３４によって双極子磁場が乱されることにより、イオンビーム４の端におけるイオンは、中心におけるイオンよりも多く曲がり、それにより、イオンビーム４の断面は、図１０における湾曲２９２によって示されるような形となる。凸状の外面２９０は、イオンビーム４における湾曲を取り除くことによってこの歪みを補償する。外面２９０は、直線面として示すが、階段状であっても曲線状であっても各開口１３４の中心に向かって材料が徐々に増加することを可能にする任意の他の形状であってよい。
【００４７】
図１１の側面図を参照するに、別の代替実施形態において、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４は、イオンビーム４における曲げに対応すべく互いに対して非平行となるよう角度付けられる。図１１に更に示すように、第３及び第４の側面１２６、１２８は、電磁石１１０を通るイオンビーム４の経路に実質的に対応するよう形付けられうる。例えば、第３及び第４の側面１２６、１２８は、イオンビーム４の経路に依存して角度が付けられても湾曲されてもよい。
【００４８】
図１２の端面図を参照するに、別の代替実施形態では、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２は、イオンビーム４に異なる効果を与えるよう変更されうる。例えば、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２は、有効インデキシング（effective indexing）としても知られる垂直フォーカシングを可能にすべく互いに対し非平行となるよう角度付けられうる。この場合、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２は、磁極シムとして機能する。このように、角度付けは、フォーカシング効果を与えるべく傾斜磁場を形成する。更に、又は、或いは、図１３の端面図に示すように、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２のうち少なくとも１つは、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４における開口１３４によって引き起こされる磁場の異常を補償又は補正すべく湾曲された少なくとも一部分を含みうる。
【００４９】
上述した複数の代替実施形態は、別個に又は任意の所望の組み合わせで用いうる。
ＩＶ．応用
【００５０】
電磁石の上述した実施形態は、イオン注入システム内の様々な異なるロケーションに、また、荷電粒子ビームを発生及び集中させる任意の他のシステムにおいて用いることができる。一実施形態では、電磁石は、イオン注入システムの最後の加速／減速カラム１１４（図３Ａ）、３２０（図３Ｂ）、４２０（図３Ｃ）の後のエネルギー汚染物質フィルタリングシステム１１２（図３Ａ）、３２２（図３Ｂ）、４２２（図３Ｃ）として使用しうる。別の実施形態では、電磁石は、質量分析器５０（図３Ａ）、３０８（図３Ｂ）、４０８（図３Ｃ）において使用されるような質量分析磁石として使用しうる。
Ｖ．結論
【００５１】
本発明の様々な側面についての上述の説明は、例示及び説明することを目的として提示した。この説明は、本発明を網羅する又は開示した形式に発明を限定することを意図せず、また、明らかに多くの変更及び変形が可能である。当業者には明らかでありうるこのような変更及び変形は、特許請求の範囲により定義される発明の範囲に含まれることを意図する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にイオン注入に係り、より具体的には、イオンビームを変更するためにアクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石に係る。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入装置は、一般に、半導体ウェハの製造に使用される。イオンビーム注入システムは、荷電イオンのイオンビームを生成し、イオンは、半導体ウェハの表面上に当てられると、ウェハ表面に注入、即ち、「ドープ」される。イオン注入装置において、例えば、約３０ｃｍ幅より大きい幅広のビームが一般的となっている。広イオンビームは、２つの理由から有利である。つまり、低エネルギーで高電流のビームが移動する際の空間電荷を抑えることと、シングルウェハ注入に適したイオンビームを供給することに対して有利である。
【０００３】
注入前に、高エネルギーの中性粒子（エネルギー汚染物質とも呼ぶ）をフィルタリングすることが必要となる場合がある。このフィルタリング工程は、一般に、静電偏向又は磁気偏向のいずれかを使用してイオンビームを曲げることによって行われる。磁気偏向では、一般に、双極子磁場を使用してエネルギー汚染物質を取り除く。双極子磁場は、フィルタリング工程の上流側でイオンビームを質量分析するためにも使用される。
【０００４】
広イオンビームに関する１つの課題は、広イオンビームをリボンに対して垂直な面において曲げることができ、同時に、イオン注入システムを顕著に長くしない、イオンビーム内に収差をもたらさない、又は、大きい浮遊磁場をもたらさない、均一な双極子磁場を供給することである。浮遊磁場は、双極子磁場の前後のイオン注入装置の構成要素の動作に影響を与えるので、有害である。高電流で低エネルギーのイオンビームでは更に、マルチカスプ永久磁石を追加することでプラズマ中性化を高めることが望ましい。しかし、これらのマルチカスプ磁石は、イオンビームに近すぎる場合にはイオンビームを乱すので、高い（長い）ビームラインが望ましくなるが、高いビームラインの場合、高い磁石が必要となる。磁石がウェハに近い場合（エネルギー汚染フィルタの場合のように）、フリンジ磁場が急速にゼロになることが特に重要である。これは、磁石からのフリンジ磁場は、ウェハにおける電荷中性化に有害な影響を与える場合があるからである。
【０００５】
イオンビームに大きい収差を導入することなく磁場をクランプすることは、広イオンビーム用の高い双極子磁石の設計について問題を呈する。従来では、スチールを使用して、大きいギャップを有する双極子磁石の磁場がスチール面に対して垂直となるよう磁場をパッシブにクランプしている。更に、スチールは、磁束に対して低い磁気抵抗経路を与える。不都合なことに、このアプローチは、磁石内の磁界の質及び大きさを著しく低下してしまう。特に、このアプローチは、スチール面の方向と並行であった元の双極子磁場を著しくゆがませ、また、磁束はクランプによってシャントされ、それにより、磁石内の磁場の大きさを減少してしまう。例えば、図１は、磁場のクランピングのない１つの例示的な広ギャップの双極子永久磁石Ａの一部を示し、図２は、磁場をクランプするためにスチールＢが追加された同じ磁石Ａを示す。図２は更に、上述した磁場の歪みＣと、双極子磁場の減少を示す。従来のスチールを用いるアプローチの場合のように垂直境界条件を課すことなく双極子磁場を閉じ込める方法が望まれる。
【０００６】
上述に鑑みて、当該技術において、アクティブフィールド閉じ込めを有する、イオンビームを変更する電磁石が必要である。
【発明の概要】
【０００７】
電磁石と、アクティブフィールド閉じ込めを含む関連のイオン注入システムを開示する。この電磁石は、最小限の歪み及び強度の劣化で、高く大きいギャップに双極子磁場を供給する。一実施形態では、イオンビームを変更する電磁石は、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる。
【０００８】
本発明の第１の側面では、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオンビームを変更する電磁石を提供する。
【０００９】
本発明の第２の側面では、イオンビーム発生器と、電磁石とを含み、電磁石は、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システムを提供する。
【００１０】
本発明の第３の側面では、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システム用のエネルギー汚染物質フィルタリングシステムを提供する。
【００１１】
本発明の第４の側面では、６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、イオンビームを通過させるべく強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤとを含み、内面は、第１の側面、第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、複数の通電ワイヤは、第１の側面及び第２の対向側面の開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、質量分析磁石を提供する。
【００１２】
本発明の第５の側面では、ウィンドウフレーム型電磁石の磁場を閉じ込める方法であって、ウィンドウフレーム型電磁石の内面に沿い、且つ、各ウィンドウの面における各ウィンドウの周りの経路を有する複数の通電ワイヤを供給する段階と、複数の通電ワイヤに沿って電流を流す段階とを含む方法を提供する。
【００１３】
本発明の例示する側面は、本願に記載した問題、及び、当業者は発見可能である他の言及していない問題を解決するよう設計される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の上述の及び他の特徴は、本発明の様々な実施形態を図示する添付図面と共に本発明の様々な側面に関する以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。
【００１５】
【図１】磁場のクランピングのない広ギャップの双極子永久磁石の一例の一部を示す図である。
【００１６】
【図２】磁場をクランプするためにスチールが追加された図１の磁石の一部を示す図である。
【００１７】
【図３Ａ】本発明の一実施形態による例示的なイオン注入システムを示す平面図ある。
【００１８】
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による別の例示的なイオン注入システムを示す平面図である。
【００１９】
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による例示的なイオン注入システムを示す側面図である。
【００２０】
【図４】本発明によるアクティブフィールド閉じ込めを含む電磁石の一実施形態を示す斜視図である。
【００２１】
【図５】図４の電磁石を示す分解図である。
【００２２】
【図６】図４の電磁石の代替実施形態を示す側断面図である。
【００２３】
【図７】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す側断面図である。
【００２４】
【図８】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す平面断面図である。
【００２５】
【図９Ａ−９Ｂ】図４の電磁石の別の代替実施形態をそれぞれ示す側面図及び平面図である。
【００２６】
【図１０】横方向に曲げられたイオンビームを示す図である。
【００２７】
【図１１】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す側面図である。
【００２８】
【図１２】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す端面図である。
【００２９】
【図１３】図４の電磁石の別の代替実施形態を示す端面図である。
【００３０】
なお、本発明の図面は縮尺が取られているわけではない。図面は、本発明の一般的な側面のみを示すことを意図するので、発明の範囲を限定すると考えるべきではない。図面中、同様の参照符号は、様々な図面での同様の構成要素を表す。
【詳細な説明】
【００３１】
詳細な説明には、体系化することのみを目的として以下の見出しが含まれる。即ち、Ｉ．序文、ＩＩ．例示的なイオン注入システム、ＩＩＩ．アクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石、ＩＶ．応用、及びＶ．結論。
Ｉ．序論
【００３２】
上述したように、一実施形態において、本発明は、イオン注入システムにおいてイオンビームを変更するために使用可能である、アクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石を提供する。例えば、曲げる、集中する、質量分析する目的でイオンビームを変更するのに使用される電磁石において、従来のスチールを用いる磁場クランプにおいて生じるような垂直境界条件を課すことなく、双極子磁場を閉じ込める方法があることが望ましい。このアクティブフィールド閉じ込めを提供する１つの理論上のアプローチは、スチールの高い透磁率ではなく、ゼロの透磁率（μ＝０）を有する領域を導入することである。この領域は、表面に対して接線方向に境界条件を課し、また、透磁率がゼロの領域の内側には磁場がないようにする。しかし、透磁率がゼロの領域の外側では、磁場はゼロではなく、その結果、この領域だけアクティブフィールド閉じ込め特性を有さないことになる。この状況に対処する１つのアプローチは、透磁率がゼロの領域を、透磁率の高い（例えば、スチール）領域で支持して、電磁石内に双極子磁場を閉じ込める所望の効果を得、同時にその方向を境界と並行に維持し、更に、外側にゼロの磁場を有するようにすることである。しかし、このアプローチにおける課題は、透磁率がゼロの材料は超電導状態においてしか存在しないので（マイスナー効果）、そのような条件をどのように実施するのかということである。更に、低温度においても、このアプローチでは、約１００Ｇ未満の磁場しか対処できないので、有用な解決策を提供しない。本願に記載する本発明の一実施形態では、表面電流を使用することで超電導スラブを模倣する領域が用いられ、それにより、イオンビームを変更するためのアクティブフィールド閉じ込めを供給する。
ＩＩ．例示的なイオン注入システム
【００３３】
図３Ａを参照するに、例示的なイオン注入システム１０の平面図を示す。イオン注入システム１０は、イオンビーム４を生成して、イオンビームフィルタリングサブシステム５、イオンビーム走査サブシステム６を介して、ターゲットサブシステム８に向けて送信するイオンビーム生成サブシステム２を含む。イオンビーム生成サブシステム２は、Ｖａｒｉａｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から販売されるような任意の既知又はこれから開発されるイオンビーム発生器を含みうる。一般的に、ターゲットサブシステム８は、プラテン１４に取り付けられる１つ以上の半導体ターゲット１２（例えば、ウェハ）を含む。プラテン１４、従って、ターゲット１２の特徴は、ターゲット１２、即ち、ウェハを回転させるプラテン駆動組立体（図示せず）と、ターゲット１２の垂直位置を制御するターゲット垂直走査位置コントローラ１８とによって制御されうる。イオン注入システム１０は、当業者には既知である追加の構成要素を含んでもよい。例えば、ターゲットサブシステム８は、一般に、ウェハをイオン注入システム１０内に運び、注入後にウェハを取り除く自動ウェハ取扱い機器、線量測定装置、電子フラッドガン等を含む。なお、イオンビーム４が通過する経路全体は、イオン注入時には真空にされることは理解されよう。
【００３４】
イオンビーム生成サブシステム２は更に、ガスフロー４０、イオンビーム源４２、抽出マニピュレータ４４、フィルタ磁石４６、及び加速／減速カラム４８を含みうる。フィルタ磁石４６は、イオンビーム源４２に近接して位置付けられることが好適である。抽出マニピュレータ４４は、フィルタ磁石４６とイオンビーム源４２との間に位置付けられる。加速／減速カラム４８は、ソースフィルタ４６と質量分析器５０との間に位置付けられる。イオンビームフィルタリングサブシステム５は、例えば、半円形の半径部５３を有する双極子の原子質量単位（ＡＭＵ）分析磁石５２と、分解アパーチャ５６を有する質量分解スリット５４とを含みうる質量分析器５０を含みうる。
【００３５】
走査サブシステム６は、例えば、走査器６０及び角度補正器６２を含みうる。静電走査器でありうる走査器６０は、フィルタリングされたイオンビームを偏向して、走査起点６４から発散する複数のイオン軌道を有する走査イオンビームを生成する。走査器６０は、離間された走査板６６及び６８を含みうる。イオンビーム４は、走査板６６と走査板６８との間の電界に従って偏向されうる。角度補正器６２は、走査イオンビーム４内のイオンを、並行のイオン軌道を有するべく、即ち、走査イオンビーム４を集中させるべく偏向するよう設計される。一実施形態では、角度補正器６２は、ギャップを画成するよう離間される複数の磁極片７２と、磁気コイル７４とを含みうる。走査イオンビーム４は、磁極片７２間のギャップを通過し、ギャップ内の磁場に従って偏向される。この磁場は、磁気コイル７４を流れる電流を変更することにより調節されうる。
【００３６】
本発明の様々な実施形態による電磁石１１０（図４）は、幾つかの方法で、イオン注入システム１０内に実装されうる。例えば、電磁石１１０（図４）は、角度補正器６２の磁石として使用されうる。
【００３７】
イオン注入システム１０は、システムの様々な構成要素を制御すべく使用されるコンピュータシステム１００に取り付けられうる。
【００３８】
ここでは、リボンイオンビームのイオン注入システムの形である、本発明の一実施形態による別の例示的なイオン注入システム３００の平面図である図３Ｂを参照する。イオン注入システム３００は、例えば、イオン源３０６、質量分析磁石３０８、及び質量分解アパーチャ３１０を含みうるリボンイオンビーム発生器３０４を含む。イオン注入システム３００は、例えば、１０ミリアンプ（ｍＡ）より大きいイオンビームを供給する高電流システムでありうる。図示するように、初期イオンビームは、従来の狭いスリットの抽出ポイントツーポイント（extraction-point-to-point）光学部品（発散する実線により示すビーム）、又は、長いスリットの抽出パラレルツーポイント（extraction-parallel-to-point）光学部品（並行の破線により示すビーム）を使用して生成されうる。いずれの場合でも、質量分析磁石３０８が、その初期イオンビームを精製する。なお、上述したようなリボンイオンビーム発生器３０４は、例示に過ぎず、他のシステムも、本発明の範囲内で用いうることは認識すべきである。イオン注入システム３００は更に、加速／減速並行化レンズシステム３２０と、エネルギーフィルタシステム３２２とを含みうる。加速／減速並行化レンズシステム３２０（以下、「レンズシステム３２０」と呼ぶ）は、リボンイオンビーム発生器３０４、より具体的には、質量分解アパーチャ３１０からファン状のリボンイオンビーム３２４を受取る。ファン状のリボンイオンビーム３２４は、例えば、約３５ｃｍまで広がりうる。用語「リボン」は、イオンビームが、横方向において実質的に細長いことを示す。レンズシステム３２０は、ファン状のリボンイオンビーム３２４を、実質的に並行なリボンイオンビーム３１２に少なくとも平行化し、また、リボンイオンビーム３２４を加速又は減速しうる。レンズシステム３２０は、ファン状のリボンイオンビーム３２４の平行化、及び、場合によっては加速又は減速のための複数の湾曲静電板３２６からなるセットと、実質的に並行なリボンイオンビーム３１２を加速又は減速する複数の加速／減速レンズ３３０からなるセットとを含みうる。なお、質量分解アパーチャ３１０は、湾曲静電板３２６のセットにおいて高さが均一のファン状のリボンビーム３２４を供給するので、これらの板（レンズ）３２６のスロットは、均一な幅を有することが必要である。レンズシステム３２０の下流側にあるエネルギーフィルタシステム３２２は、実質的に並行なリボンイオンビーム３１２によりワークピース３２８が注入される前にエネルギー汚染物質を除去する。本発明の様々な実施形態による電磁石１１０は、エネルギーフィルタシステム３２２内に実装されうる。
【００３９】
図３Ｃは、電磁石１１０を質量分析磁石４０８の一部及びエネルギーフィルタシステム４２２として使用すること以外は図３Ｂに示すリボンイオン注入システムと同様の別のリボンイオン注入システム４０２の側面図を示す。このシステム４０２も、上述したように、イオン源４０６、質量分解アパーチャ４１０、及び加速／減速並行化レンズシステム４２０を含む。質量分析磁石４０８は、例えば、以下に、図１１に示す及び図１１について説明するように電磁石１１０を含みうる。
【００４０】
例示的なイオン注入システムを上述したが、当業者は、本発明に任意の既知の又はこれから開発される、イオンビームを発生及び走査するシステムを用いうることは理解すべきである。上述した各イオン注入システムの動作は、当該技術において周知であるので、これらの処理の説明は、本発明の理解には必要ではない。しかし、本発明は、イオン注入の任意の既知の又はこれから開発される処理及び方法を用いうることは理解すべきである。簡潔にすることを目的として、必要である場合を除き、以下において図３Ａの実施形態だけを参照することにする。
ＩＩＩ．アクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石
【００４１】
図４及び５を参照して、イオンビームを変更すべくアクティブフィールド閉じ込めを有する電磁石１１０の一実施形態を説明する。図４は、明瞭にすることを目的として１つの側面が取り除かれた電磁石１１０の一実施形態の斜視図を示し、図５は、電磁石１１０の分解図を示す。電磁石１１０は、例えば、スチールである強磁性体から形成される６つの側面を含むボックス構造１２０を含む。従って、ボックス構造１２０は、第１の側面１２２、第２の対向側面１２４、第３の側面１２６、第４の対向側面１２８、第５の側面１３０（図５のみ）、及び第６の対向側面１３２（図５のみ）を含む。本願に使用する「対向側面」とは、概して反対側であることを意味し、平行といったように必ずしも特定の角度位置にある必要はない。第２、第４、及び第６の側面１２４、１２８、及び１３２は、参照することのみを目的として「対向側面」と呼ぶのであって、各側面は、対応する側面に対向するとして論理的に参照できると認識すべきである。第１の側面１２０及び第２の対向側面１２２には、それぞれ、イオンビーム４が通過するためのウィンドウをボックス構造１２０に形成するような開口１３４を含む。従って、電磁石１１０は、「ウィンドウフレーム型電磁石」とも呼ばれる場合がある。
【００４２】
図５に最も明瞭に示すように、複数の通電ワイヤ１４０（以下「ワイヤ」）は、ボックス構造１２０の内面１４２に沿った経路を有するべくボックス構造１２０内に位置付けられる。内面１４２は、電流ループ１４４（図４）を形成すべく第１の側面１２２、第２の対向側面１２４、第３の側面１２６、及び第４の対向側面１２８を含む。図面には、個別のワイヤとして示しているが、当業者は、複数のワイヤ１４０は、実際には、単一の巻きワイヤであってもよいことは認識されよう。一実施形態では、複数のワイヤ１４０は、内面１４２に沿って実質的に均一に分布される。しかし、所望する場合には、特別なイオンビーム４の変更に対応するよう他の配置を用いてもよい。一実施形態では、複数のワイヤ１４０は、０．２５インチの中空コア銅線からなる５つの層といったように層状にされてもよい。図５に示すように、複数のワイヤ１４０は、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４の各開口１３４をよけるよう位置付けられる。図４は、矢印によって電流の流れを示す。
【００４３】
動作時、（図４における矢印により示すように）電流がワイヤ１４０の中を流れると、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２が磁極として機能する電磁場が形成される。磁束１４６は、図４における矢印に示す方向に流れる。複数のワイヤ１４０の中を流れる電流は、スチールの側面により引き起こされる垂直磁場（図２における歪みＣを参照）を相殺し、また、イオンビーム４用の広い開口１３４（図４）を依然として可能にしつつ、電流を第３の側面１２６から第４の対向側面１２８に戻す。これは、スチールの側面がなく、戻り電流をイオンビーム４からできるだけ遠くに維持すべく電流がボックスの外側に戻される従来のシステムとは対照的である。従来の場合では、スチールのクランプは、フリンジ磁場をクランプすべく磁石端部の外側に使用する必要がり、これは双極子磁場をシャントし歪ませる。しかし、電磁石１１０の電流は、エネルギー又は磁場閉じ込め壁として機能する側面１２２、１２４に対してボックス構造１２０内に戻される。理想的な限界では、これらの電流は、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４を均一に覆い、それにより、ボックス構造１２０内に完全な双極子磁場が、また、外側にゼロの磁場がもたらされる。しかし、側面１２２、１２４にイオンビーム４用の開口１３４を作成することを目的として、複数のワイヤ１４０は、開口１３４をよけて通されるので、開口１３４の側面への電流を倍加する必要がある（図５において、開口１３４の付近に集まる線を参照）。これは理想的な状況を乱すが、高い双極子磁場は依然として内側において維持され、磁極の距離間隔ではなく開口１３４の高さのオーダーの長さ内で外側においてゼロとなる。つまり、電磁石１１０は、アクティブフィールドを閉じ込め、また、イオンビーム４が見る磁場を劣化することなく要望通りに高い双極子ボックスを可能にする。図４の例示的な電磁石１１０では、高さは、約４０ｃｍでありうる。電磁石１１０は更に、第１、第２の、第３、及び第４の側面１２２、１２４、１２６、１２８に亘って磁束を均一に戻す。その結果、従来のシステムでは磁場クランプに戻される大きい磁束を回避することで、スチールの飽和の問題も良好に管理することができる。
【００４４】
図６乃至１３を参照するに、電磁石１１０の様々な代替実施形態を説明する。図６を参照するに、電磁石は更に、スチールを飽和させることなく高い電流密度を利用することを可能にし、それにより、高温超電導体（ＨＴＳ）電磁石２１０を製作する可能性をより現実的なものにする。従って、１つの代替実施形態では、複数の通電ワイヤ２４０（破線）は、高温超電導（ＨＴＳ）体を含みうる。この場合、クリオスタット２６０が、複数のワイヤ２４０に結合される。クリオスタット２６０は、ＨＴＳワイヤ２４０だけを囲み（ボックス構造１２０の強磁性体は囲まない）、電磁石２１０の内部に位置付けられうる。
【００４５】
図７及び８を参照するに、上述した電磁石構造は、電磁石１１０内に幾つかの追加の構造を設けることを可能にする。例えば、図７の側面図に示すように、高いビームガイドボックス２７０を、電磁石１１０のボックス構造１２０内に配置しうる。ビームガイドボックス２７０は、例えば、アルミニウムといった磁束により影響を受けない材料から形成されうる。ビームガイドボックス２７０は、イオンビーム４から距離の置かれたビームガイドボックス２７０の各側面に配置された複数のカスプ磁石２７２といったビームプラズマエンハンスメント特徴を収容しうる。コイル２７４が、ボックス構造１２０内でビームガイドボックス２７０を囲む。ビームガイドボックス２７０内は真空２７６でありうる。別の例では、図８の平面図に示すように、少なくとも１つのプラズマ源２８０を更に、例えば、各磁極（第５の側面１３０及び第６の側面１３２（図５））に隣接して１つずつ電磁石１１０内に配置してもよく、それにより、プラズマ２８４を中性化する。プラズマ源２８０は、一実施形態ではホットフィラメントＤＣ放電、又は、別の実施形態ではＲＦ誘導放電として実施されうる。１つ以上のプラズマ源２８０は、磁束１４６を使用して、イオンビーム４の中を、電子を運ぶことを可能にする。ビームガイドボックス２７０も、この実施形態内に設けてもよい。
【００４６】
図９Ａ及び９Ｂに示すように、別の代替実施形態では、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４はそれぞれ、各開口１３４に隣接する実質的に凸状の外面２９０を有しうる。開口１３４によって双極子磁場が乱されることにより、イオンビーム４の端におけるイオンは、中心におけるイオンよりも多く曲がり、それにより、イオンビーム４の断面は、図１０における湾曲２９２によって示されるような形となる。凸状の外面２９０は、イオンビーム４における湾曲を取り除くことによってこの歪みを補償する。外面２９０は、直線面として示すが、階段状であっても曲線状であっても各開口１３４の中心に向かって材料が徐々に増加することを可能にする任意の他の形状であってよい。
【００４７】
図１１の側面図を参照するに、別の代替実施形態において、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４は、イオンビーム４における曲げに対応すべく互いに対して非平行となるよう角度付けられる。図１１に更に示すように、第３及び第４の側面１２６、１２８は、電磁石１１０を通るイオンビーム４の経路に実質的に対応するよう形付けられうる。例えば、第３及び第４の側面１２６、１２８は、イオンビーム４の経路に依存して角度が付けられても湾曲されてもよい。
【００４８】
図１２の端面図を参照するに、別の代替実施形態では、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２は、イオンビーム４に異なる効果を与えるよう変更されうる。例えば、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２は、有効インデキシング（effective indexing）としても知られる垂直フォーカシングを可能にすべく互いに対し非平行となるよう角度付けられうる。この場合、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２は、磁極シムとして機能する。このように、角度付けは、フォーカシング効果を与えるべく傾斜磁場を形成する。更に、又は、或いは、図１３の端面図に示すように、第５の側面１３０及び第６の対向側面１３２のうち少なくとも１つは、第１の側面１２２及び第２の対向側面１２４における開口１３４によって引き起こされる磁場の異常を補償又は補正すべく湾曲された少なくとも一部分を含みうる。
【００４９】
上述した複数の代替実施形態は、別個に又は任意の所望の組み合わせで用いうる。
ＩＶ．応用
【００５０】
電磁石の上述した実施形態は、イオン注入システム内の様々な異なるロケーションに、また、荷電粒子ビームを発生及び集中させる任意の他のシステムにおいて用いることができる。一実施形態では、電磁石は、イオン注入システムの最後の加速／減速カラム１１４（図３Ａ）、３２０（図３Ｂ）、４２０（図３Ｃ）の後のエネルギー汚染物質フィルタリングシステム１１２（図３Ａ）、３２２（図３Ｂ）、４２２（図３Ｃ）として使用しうる。別の実施形態では、電磁石は、質量分析器５０（図３Ａ）、３０８（図３Ｂ）、４０８（図３Ｃ）において使用されるような質量分析磁石として使用しうる。
Ｖ．結論
【００５１】
本発明の様々な側面についての上述の説明は、例示及び説明することを目的として提示した。この説明は、本発明を網羅する又は開示した形式に発明を限定することを意図せず、また、明らかに多くの変更及び変形が可能である。当業者には明らかでありうるこのような変更及び変形は、特許請求の範囲により定義される発明の範囲に含まれることを意図する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを変更する電磁石であって、
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
前記イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、電磁石。
【請求項２】
前記強磁性ボックス構造は、スチールを含む材料から形成される、請求項１に記載の電磁石。
【請求項３】
前記複数のワイヤは、前記内面に沿って実質的に均一に分布される、請求項１に記載の電磁石。
【請求項４】
前記内面は、電流ループを形成し、
第５の側面及び第６の対向側面は、前記電磁石の磁極を形成する、請求項１に記載の電磁石。
【請求項５】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項４に記載の電磁石。
【請求項６】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面のうちの少なくとも一方は、少なくとも湾曲部分を含む、請求項４に記載の電磁石。
【請求項７】
前記強磁性ボックス構造内に位置付けられるビームガイドボックスを更に含み、
前記ビームガイドボックスの各側面は、マルチプルカスプ磁石を含む、請求項１に記載の電磁石。
【請求項８】
前記複数のワイヤは、高温超電導（ＨＴＳ）材料を含み、
前記複数のワイヤに結合されるクリオスタットを更に含む、請求項１に記載の電磁石。
【請求項９】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面はそれぞれ、それぞれの開口に隣接する実質的に凸状の外面を有する、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１０】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１１】
第５の側面及び第６の対向側面は、前記電磁石を通る前記イオンビームの経路に実質的に対応する形状を有する、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１２】
前記強磁性ボックス構造内に少なくとも１つのプラズマ源を更に含む、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１３】
前記複数のワイヤは、層状にされる、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１４】
イオンビーム発生器と、
電磁石と、
を含み、
前記電磁石は、
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システム。
【請求項１５】
前記強磁性ボックス構造は、スチールを含む材料から形成される、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項１６】
前記複数のワイヤは、前記内面に沿って実質的に均一に分布される、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項１７】
前記内面は、電流ループを形成し、
第５の側面及び第６の対向側面は、前記電磁石の磁極を形成する、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項１８】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項１７に記載のイオン注入システム。
【請求項１９】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面のうちの少なくとも一方は、少なくとも湾曲部分を含む、請求項１７に記載のイオン注入システム。
【請求項２０】
前記強磁性ボックス構造内に位置付けられるビームガイドボックスを更に含み、
前記ビームガイドボックスの各側面は、マルチプルカスプ磁石を含む、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２１】
前記複数のワイヤは、高温超電導（ＨＴＳ）材料を含み、
前記複数のワイヤに結合されるクリオスタットを更に含む、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２２】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面はそれぞれ、それぞれの開口に隣接する実質的に凸状の外面を有する、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２３】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２４】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面は、前記電磁石を通る前記イオンビームの経路に実質的に対応する形状を有する、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２５】
前記強磁性ボックス構造内に少なくとも１つのプラズマ源を更に含む、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２６】
前記複数のワイヤは、層状にされる、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２７】
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システム用のエネルギー汚染物質フィルタリングシステム。
【請求項２８】
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、質量分析磁石。
【請求項２９】
ウィンドウフレーム型電磁石の磁場を閉じ込める方法であって、
前記ウィンドウフレーム型電磁石の内面に沿い、且つ、各ウィンドウの面における各ウィンドウの周りの経路を有する複数の通電ワイヤを供給する段階と、
前記複数の通電ワイヤに沿って電流を流す段階と、
を含む方法。
【請求項３０】
前記供給する段階は、前記ウィンドウフレーム型電磁石の各ウィンドウに隣接する外面を、実質的に凸状の面として供給する段階を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項１】
イオンビームを変更する電磁石であって、
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
前記イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、電磁石。
【請求項２】
前記強磁性ボックス構造は、スチールを含む材料から形成される、請求項１に記載の電磁石。
【請求項３】
前記複数のワイヤは、前記内面に沿って実質的に均一に分布される、請求項１に記載の電磁石。
【請求項４】
前記内面は、電流ループを形成し、
第５の側面及び第６の対向側面は、前記電磁石の磁極を形成する、請求項１に記載の電磁石。
【請求項５】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項４に記載の電磁石。
【請求項６】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面のうちの少なくとも一方は、少なくとも湾曲部分を含む、請求項４に記載の電磁石。
【請求項７】
前記強磁性ボックス構造内に位置付けられるビームガイドボックスを更に含み、
前記ビームガイドボックスの各側面は、マルチプルカスプ磁石を含む、請求項１に記載の電磁石。
【請求項８】
前記複数のワイヤは、高温超電導（ＨＴＳ）材料を含み、
前記複数のワイヤに結合されるクリオスタットを更に含む、請求項１に記載の電磁石。
【請求項９】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面はそれぞれ、それぞれの開口に隣接する実質的に凸状の外面を有する、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１０】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１１】
第５の側面及び第６の対向側面は、前記電磁石を通る前記イオンビームの経路に実質的に対応する形状を有する、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１２】
前記強磁性ボックス構造内に少なくとも１つのプラズマ源を更に含む、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１３】
前記複数のワイヤは、層状にされる、請求項１に記載の電磁石。
【請求項１４】
イオンビーム発生器と、
電磁石と、
を含み、
前記電磁石は、
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システム。
【請求項１５】
前記強磁性ボックス構造は、スチールを含む材料から形成される、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項１６】
前記複数のワイヤは、前記内面に沿って実質的に均一に分布される、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項１７】
前記内面は、電流ループを形成し、
第５の側面及び第６の対向側面は、前記電磁石の磁極を形成する、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項１８】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項１７に記載のイオン注入システム。
【請求項１９】
前記第５の側面及び前記第６の対向側面のうちの少なくとも一方は、少なくとも湾曲部分を含む、請求項１７に記載のイオン注入システム。
【請求項２０】
前記強磁性ボックス構造内に位置付けられるビームガイドボックスを更に含み、
前記ビームガイドボックスの各側面は、マルチプルカスプ磁石を含む、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２１】
前記複数のワイヤは、高温超電導（ＨＴＳ）材料を含み、
前記複数のワイヤに結合されるクリオスタットを更に含む、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２２】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面はそれぞれ、それぞれの開口に隣接する実質的に凸状の外面を有する、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２３】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面は、互いに対し非平行に角度付けられる、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２４】
前記第１の側面及び前記第２の対向側面は、前記電磁石を通る前記イオンビームの経路に実質的に対応する形状を有する、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２５】
前記強磁性ボックス構造内に少なくとも１つのプラズマ源を更に含む、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２６】
前記複数のワイヤは、層状にされる、請求項１４に記載のイオン注入システム。
【請求項２７】
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、イオン注入システム用のエネルギー汚染物質フィルタリングシステム。
【請求項２８】
６つの側面を含む強磁性ボックス構造と、
イオンビームを通過させるべく前記強磁性ボックス構造の第１の側面及び第２の対向側面のそれぞれにある開口と、
前記強磁性ボックス構造の内面に沿った経路を有する複数の通電ワイヤと、
を含み、
前記内面は、前記第１の側面、前記第２の対向側面、第３の側面、及び第４の対向側面を含み、
前記複数の通電ワイヤは、前記第１の側面及び前記第２の対向側面の前記開口のそれぞれの周りを通過するよう位置付けられる、質量分析磁石。
【請求項２９】
ウィンドウフレーム型電磁石の磁場を閉じ込める方法であって、
前記ウィンドウフレーム型電磁石の内面に沿い、且つ、各ウィンドウの面における各ウィンドウの周りの経路を有する複数の通電ワイヤを供給する段階と、
前記複数の通電ワイヤに沿って電流を流す段階と、
を含む方法。
【請求項３０】
前記供給する段階は、前記ウィンドウフレーム型電磁石の各ウィンドウに隣接する外面を、実質的に凸状の面として供給する段階を含む、請求項２９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公表番号】特表２００９−５２７１００（Ｐ２００９−５２７１００Ａ）
【公表日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５５３００（Ｐ２００８−５５５３００）
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００３７００
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０９５１８９
【国際公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【出願人】（５００３２４７５０）バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド (88)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００３７００
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０９５１８９
【国際公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【出願人】（５００３２４７５０）バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド (88)
【Ｆターム（参考）】
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