イオン注入装置、イオンビーム計測装置、及びイオンビームの計測方法
【課題】新たな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１４の経路に向けて測定ビーム１２を放射するための測定ビーム源２０と、イオンビーム１４によって反射された測定ビーム１２、またはイオンビーム１４を透過した測定ビーム１２を検出するための測定ビーム検出器２２と、を備える。イオンビーム計測装置１０は、例えばイオン注入装置に適用することができる。イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４に関連する出力をイオン注入装置の制御システムに提供してもよい。
【解決手段】イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４の経路に向けて測定ビーム１２を放射するための測定ビーム源２０と、イオンビーム１４によって反射された測定ビーム１２、またはイオンビーム１４を透過した測定ビーム１２を検出するための測定ビーム検出器２２と、を備える。イオンビーム計測装置１０は、例えばイオン注入装置に適用することができる。イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４に関連する出力をイオン注入装置の制御システムに提供してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入装置、イオンビーム計測装置、及びイオンビームの計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被処理物例えば半導体基板に注入すべきイオン種を含むイオンビームをその被処理物に照射してイオン注入をするためのイオン注入装置が知られている。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、イオンビームを被処理物に照射しながらイオンビームの計測を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、あるいはそうした計測を適用したイオン注入装置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、イオン注入装置である。この装置は、被処理物へのイオンビームによるイオン注入処理を制御するための制御システムと、イオンビーム経路に向けて放射された測定電磁波の反射または透過を検出することにより、前記イオンビームに関連する出力を前記制御システムに提供するイオンビーム計測装置と、を備える。
【０００７】
本発明の別の態様は、イオンビーム計測装置である。この装置は、イオンビームの経路に向けて電磁波を放射するための電磁波源と、前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出するための検出器と、を備える。
【０００８】
本発明の別の態様は、イオンビームの計測方法である。この方法は、イオンビームに電磁波を放射することと、前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出することと、を含む。
【０００９】
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】
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の一構成例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の一構成例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の一構成例を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態に係る測定電磁波の周波数と検出信号の強度との関係の一例を示す図である。
【図５】第１実施形態に係るイオンビームの計測方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の他の一例を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るイオン注入装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図８】第２実施形態に係るイオン注入装置の処理室を示す図である。
【図９】第２実施形態に係るイオンビーム計測装置の一変形例を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る走査シーケンスの一実施例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１乃至図３は、本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置１０の一構成例を模式的に示す図である。イオンビームの入射を直接受ける検出面をもつ接触式の計測器とは異なり、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４に測定ビーム１２を放射することにより非接触式のイオンビーム計測を提供する。言い換えれば、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４に作用した測定ビーム１２を検出することにより間接的にイオンビーム１４を計測する。イオンビーム１４自体の照射を受ける検出器は、イオンビーム計測装置１０の必須の構成要素ではない。その測定原理を図１乃至図３を参照して説明する。
【００１３】
イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４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）に、イオンビーム１４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。
【００１４】
図１並びに以下で参照する各図において説明の便宜上、イオンビーム１４の進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。なお図１はｙｚ面を示すのに対し、図３はｘｙ面を示していることに留意されたい。
【００１５】
後述するようにイオンビーム１４を被処理物１６に対し走査する場合には走査方向をｙ方向とし、ｚ方向及びｙ方向に垂直な方向をｘ方向と定義する。イオンビーム１４を走査したときにイオンビーム１４の中心軸の描く軌跡によって、イオンビーム１４の走査面（例えばｙｚ面）が定義される。イオンビーム１４は実際にはある大きさのビーム断面をもつから、その大きさの範囲で上下（例えばｘ方向）に走査面から離れた位置にもイオンビームは照射される。それを考慮に入れると、走査によるイオンビーム１４の通過領域は走査面の上下に広がる立体的な領域であると言える。
【００１６】
イオンビーム１４は被処理物１６への照射のために処理室１８へと導かれる。一実施例においては、イオンビーム１４は被処理物１６に連続的に照射される。すなわち、イオンビーム１４は、図示しないイオンビーム生成部により生成される。イオンビーム１４は、所望の目標プロファイル（例えば目標ビーム電流）に従って所望の照射期間連続して被処理物１６に照射される。他の一実施例においては、イオンビーム１４は、パルスイオンビームであってもよい。
【００１７】
イオンビーム計測装置１０がイオン注入装置に適用される一実施例においては、被処理物１６は半導体基板（例えばシリコンウェーハ）であり、ｘｙ面内でイオンビーム１４に対し移動可能にまたは静止状態に支持されて処理室１８に収容されている。イオンビーム処理のために処理室１８は所望の真空状態に保たれており、そのための真空排気装置（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。処理室１８は例えば真空チャンバまたはプロセスチャンバ等とも呼ばれる。イオン注入装置の場合には処理室１８はエンドステーションと呼ばれ、被処理物１６はターゲットと呼ばれることもある。
【００１８】
なお処理室１８に必ずしも被処理物１６が収容されていなくてもよく、処理室１８は被処理物１６に入射すべきイオンビーム１４に測定ビーム１２を放射するための計測室として構成されていてもよい。その場合、イオンビーム１４の経路に沿って処理室１８の下流に被処理物１６が配され、処理室１８に進入したイオンビーム１４は測定ビーム１２を経由して処理室１８を出射し、被処理物１６へと入射してもよい。
【００１９】
イオンビーム計測装置１０は、電磁波源の一例である測定ビーム源２０を備える。測定ビーム源２０は、測定ビーム１２を放射する。測定ビーム１２は、イオンビーム１４との間に相互作用を生じる波長または波長域をもつ電磁波である。効果的にイオンビーム１４に作用させるために、測定ビーム１２は好ましくは、指向性をもつ電磁波である。しかし、イオンビーム計測装置１０で使用される測定のための電磁波は、必ずしも指向性をもたなくてもよい。よって、測定ビーム源２０に代えて、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４との間に相互作用を生じる波長または波長域をもつ電磁波を放射する電磁波源を備えてもよい。イオンビーム計測装置１０で使用される測定のための電磁波を、以下では、測定電磁波と呼ぶことがある。測定ビーム１２は、測定電磁波の一例である。
【００２０】
イオンビーム計測装置１０は、測定ビーム１２を検出するための測定ビーム検出器２２を備える。測定ビーム検出器２２は、測定ビーム源２０からイオンビーム１４に放射され、イオンビーム１４を反射または透過した測定ビーム１２を検出するために設けられている。測定ビーム検出器２２は、その検出面に測定ビーム１２の入射を受けて検出信号Ｓ１を出力するよう構成されている。一実施例においては、測定ビーム検出器２２は、測定ビーム１２を受光または受信するための受光面または受信機を備える。測定ビーム検出器２２は、受光または受信した測定ビーム１２の例えば強度に関連する検出信号Ｓ１を生成する。
【００２１】
一実施例においては、測定ビーム源２０は、測定ビーム１２がイオンビーム１４の経路に交差して測定ビーム検出器２２に入射するよう配置されている。例えば、測定ビーム１２が測定ビーム源２０からイオンビーム１４を通過して測定ビーム検出器２２へと直線的なビーム経路をとるように、測定ビーム源２０と測定ビーム検出器２２とは、イオンビーム１４の入射経路を挟んで互いに向き合って配置されている。
【００２２】
イオンビーム計測装置１０は、検出信号Ｓ１を含む入力信号に基づき計測結果を与えるための演算処理ユニット２６を備えてもよい。演算処理ユニット２６は、測定ビーム検出器２２とは別体に測定ビーム検出器２２から検出信号Ｓ１を受信可能に設けられていてもよく、例えば公知のパソコン等の演算装置であってもよい。あるいは演算処理ユニット２６は、測定ビーム検出器２２に一体に搭載されていてもよい。
【００２３】
演算処理ユニット２６は例えば、検出信号Ｓ１に基づきイオンビーム量（例えばビーム電流または注入ドーズ量）を演算してもよい。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１に基づきイオンビーム量の相対変化量を演算してもよい。演算処理ユニット２６は例えば、予め記憶されているイオンビーム量と検出信号Ｓ１との関係を表すマップを参照することによりイオンビーム量を求めてもよい。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１またはそこから演算して得た値が、予め定められている許容範囲に含まれるか否かを判定してもよい。許容範囲外にあると判定された場合には、演算処理ユニット２６は、その判定結果を記憶するか、または警告を出力してもよい。
【００２４】
イオンビーム１４がプラズマ状態にあるとき、イオンビーム１４はその電子密度に応じた固有のプラズマ周波数ω０をもつ。電気素量をｅ、電子密度をＮ、電子質量をｍ、真空の誘電率をεと表すとき、プラズマ周波数ω０は、次式で表すことができる。電気素量ｅ、電子質量ｍ、及び真空の誘電率εは既知である。よって、イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０が取得された場合には、そのイオンビーム１４の電子密度Ｎを求めることができる。イオンビーム１４の電子密度Ｎは、後述するように、イオンビーム１４の電流密度に換算することができる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
イオンビーム１４はプラズマ状態にあるとき、電離層による電波反射と同様の現象により、測定電磁波を吸収、屈折、反射、または透過する。測定電磁波の周波数がイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０より小さい場合にはその電磁波の少なくとも一部がイオンビーム１４により反射される。逆に測定電磁波の周波数がイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０より大きい場合にはその電磁波の少なくとも一部がイオンビーム１４を透過する。
【００２７】
よって、測定ビーム源２０は、イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０に応じてイオンビーム１４を反射または透過する電磁波を放射する電磁波源、例えばミリ波源またはマイクロ波源であってもよい。測定電磁波の周波数は、イオンビームのイオン密度に依存し、例えば１０ＭＨｚ乃至１０ＧＨｚの範囲から選択される。
【００２８】
測定ビーム検出器２２は、測定ビーム源２０の放射する電磁波を受信するための受信機であってもよい。こうした受信機は、図１乃至図３に示されるように、測定ビーム１２がイオンビーム１４に反射して到達する位置及び透過して到達する位置の少なくとも一方に配置される。測定ビーム検出器２２は、イオンビーム１４によって反射された測定ビーム１２と、イオンビーム１４を透過した測定ビーム１２とのうち少なくとも一方を受信し、測定ビーム１２の強度を検出する。測定ビーム源２０と測定ビーム検出器２２との間に適切な光学系または中継器が設けられていてもよい。
【００２９】
イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４の電荷を中和するための中和器５０を備えてもよい。中和器５０は、イオンビーム１４の陽イオンの電荷を中和するために低エネルギー電子をイオンビーム１４に供給する構成要素である。中和器５０は例えば、プラズマブリッジまたはプラズマシャワーである。中和器５０は、イオンビーム１４のビームラインにおいて測定ビーム１２のイオンビーム照射位置３４よりも上流に設けられていてもよい。中和器５０は、空間電荷効果を抑えるために、イオンビーム１４のイオンによる電場を中和するに足りうる電子を供給することができる。
【００３０】
中和器５０を設けることにより、イオンビーム１４がプラズマ状態にあることを保証することが可能となる。よって、物理量（例えばビーム電流密度）の絶対測定にイオンビーム計測装置１０を使用するためには、イオンビーム計測装置１０は中和器５０を備えることが好ましい。
【００３１】
一方、イオンビーム１４の物理量の相対測定にイオンビーム計測装置１０を使用する場合（例えば、ビーム電流密度の初期値または基準値に対する変動量を測定する場合）には、イオンビーム計測装置１０は中和器５０を備えなくてもよい。イオンビーム１４の電荷が必ずしも完全に中和されていなくてもイオンビーム１４は上述のように測定ビーム１２の少なくとも一部を反射または透過する作用をもつため、イオンビーム１４の相対的な変動量の測定は可能である。
【００３２】
測定ビーム１２はイオンビーム１４に直交する方向に放射されてもよいし、あるいは図示されるように、斜めに交差するように放射されてもよい。直交放射の場合にはイオンビーム１４の進行方向に比較的コンパクトにイオンビーム計測装置１０を配置することが可能となる点で好ましく、斜め放射の場合には測定ビーム１２のイオンビーム１４への交差長さを大きくすることができるという点で好ましい。交差長さが大きいことにより測定ビーム１２のイオンビーム１４との相互作用を大きくすることができる。測定ビーム１２のイオンビーム１４への入射角度は、イオンビーム１４により測定ビーム１２の全反射が生じるよう定めることが好ましい。
【００３３】
図１は測定ビーム１２がイオンビーム１４を透過する状態を示し、図２は測定ビーム１２がイオンビーム１４に反射される状態を示す。図１に示すように、測定ビーム源２０から放射された測定ビーム１２は、イオンビーム１４に斜めに入射する。イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０よりも測定電磁波の周波数が大きい場合には、イオンビーム１４は測定電磁波にとって分散性媒質である。この場合、図示されるように、測定ビーム１２はイオンビーム１４を透過して測定ビーム検出器２２に到達する。測定ビーム検出器２２は測定ビーム１２の受信強度に応じた検出信号Ｓ１を出力する。
【００３４】
また、イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０よりも測定電磁波の周波数が小さい場合には、イオンビーム１４は測定電磁波にとってリアクティブ媒質であり、測定電磁波はイオンビーム１４によって全反射される。この場合、図２に示すように、測定ビーム１２はイオンビーム１４により反射され、測定ビーム１２は測定ビーム検出器２２に到達しない。よって、測定ビーム検出器２２の出力する検出信号Ｓ１は図１の状態に比べて大きく低下する。
【００３５】
図４は、本発明の一実施形態に係る測定電磁波の周波数と検出信号Ｓ１の強度との関係の一例を示す図である。図４に示す検出信号Ｓ１は、図１に示す測定ビーム検出器２２によって取得される。測定ビーム検出器２２はイオンビーム１４に対し測定ビーム源２０とは反対側にあり、イオンビーム１４を透過した測定ビーム１２の強度を測定する。
【００３６】
図示されるように、プラズマ周波数ω０を境界として、検出信号Ｓ１の強度が大きく変化する。上述のように、測定電磁波は、その周波数がプラズマ周波数ω０よりも小さい場合にイオンビーム１４で反射され、周波数がプラズマ周波数ω０よりも大きい場合にイオンビーム１４を透過する。そのため、測定電磁波の周波数がプラズマ周波数ω０よりも小さい場合に検出信号Ｓ１は第１レベルＢ１にあり、測定電磁波の周波数がプラズマ周波数ω０よりも大きい場合に検出信号Ｓ１は第２レベルＢ２へと増加する。この第１信号レベルＢ１は十分に低く、信号が検出されない状態とみなされる。第２信号レベルＢ２は第１信号レベルＢ１よりも十分に大きい。第１信号レベルＢ１と第２信号レベルＢ２との切り替えは、プラズマ周波数ω０を含むごく狭い帯域Δω０において生じる。
【００３７】
本発明の一実施形態においては、演算処理ユニット２６は、測定ビーム検出器２２の検出結果に基づいてイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０を演算するよう構成されている。そのために、測定ビーム源２０は、イオンビーム１４への計測放射を行う。計測放射は例えば、イオンビーム１４に放射する測定電磁波の周波数を掃引することを含む。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１の変化量がしきい値より大きい周波数を特定し、その特定周波数からプラズマ周波数ω０を決定する。
【００３８】
ここで、検出信号Ｓ１の変化量は、例えば、ある測定周波数ωのイオンビーム１４への放射によって得られた検出信号Ｓ１（ω）と、その測定周波数に隣接する測定周波数ω＋Δωの放射によって得られた検出信号Ｓ１（ω＋Δω）との差である。しきい値は例えば、上記の第１レベルＢ１と第２レベルＢ２との強度差を検出するために、当該強度差よりも小さく、かつ信号のノイズよりも大きい値に設定される。こうしたしきい値は、実験的にまたは経験的に適宜設定することができる。
【００３９】
図５は、本発明の一実施形態に係るイオンビーム１４の計測方法を説明するためのフローチャートである。イオンビーム計測装置１０は、測定ビーム源２０からイオンビーム１４に測定ビーム１２を放射する計測放射を行う。それとともに、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４によって反射された測定ビーム１２、またはイオンビーム１４を透過した測定ビーム１２を測定ビーム検出器２２によって検出する（Ｓ１０）。検出信号Ｓ１は測定ビーム検出器２２から演算処理ユニット２６に入力される。
【００４０】
演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１からイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０を決定する（Ｓ１２）。演算処理ユニット２６は、式１に示される関係を使用して、プラズマ周波数ω０からイオンビーム１４の電子密度を演算する（Ｓ１４）。
【００４１】
演算処理ユニット２６は、イオンビーム１４の価数分布を使用して、イオンビーム１４の電子密度からイオン密度を求める（Ｓ１６）。イオンビーム１４の価数分布は事前に取得されて演算処理ユニット２６に記憶されている。計測されるイオンビーム１４に含まれるイオン種は通常既知であるため、その価数分布を事前に取得することができる。例えばイオンビーム１４がＭ価のイオンのみを含む場合には、イオン密度は電子密度の１／Ｍとなる。
【００４２】
演算処理ユニット２６は、イオン密度からイオンビーム１４のビーム電流密度を演算する（Ｓ１８）。イオン密度、電気素量及びイオンの速度がビーム電流密度を与える。演算処理ユニット２６は、ビーム電流密度を必要に応じて出力する（Ｓ２０）。演算処理ユニット２６は、イオンビーム１４の電流密度が所望の水準にあるか否かを判定し、その水準から外れている場合には警告を出力してもよい。イオンビーム計測装置１０は、こうした計測処理を連続的に反復してもよいし、間欠的に適時に実行してもよい。
【００４３】
このようにして、測定ビーム１２を検出することによりイオンビーム１４の非接触計測が可能となる。物理的な検出素子でイオンビーム１４を受光することなく、イオンビーム１４を計測することができる。
【００４４】
ビーム電流密度が所望の水準から外れる原因には例えば、イオンビーム１４中のイオンの個数が減少したことや、個数が減少していなくてもイオンビーム１４のビーム断面積が広がったことが想定される。いずれにしても、所望の（または正常な）状態から乖離していることに変わりはなく、どちらの現象が生じたのかを必ずしも厳密に区別する必要はない。ビーム電流密度を計測することにより、イオンビーム１４が所望の（または正常な）状態にあるか否かを判定することができる。
【００４５】
上述の計測放射のために、測定ビーム源２０は、複数の異なる周波数をもつ電磁波を放射するよう構成されていてもよい。例えば、測定ビーム源２０は、電磁波の周波数を変更可能である電磁波源を含んでもよい。測定ビーム源２０は、第１周波数を有する第１測定電磁波と、第１周波数とは異なる第２周波数を有する第２測定電磁波と、を含む複数の電磁波を、切り替えて放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、互いに周波数の異なる更に多数の測定電磁波を切り替えて放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、現在の測定周波数に周波数増分を加えて得られる周波数を次の測定周波数としてもよい。周波数増分は一定であってもよいし、例えば測定周波数に応じて異なっていてもよい。
【００４６】
また、測定ビーム源２０は、周波数幅をもつ電磁波を放射する電磁波源を含んでもよい。測定ビーム源２０は、少なくとも第１測定電磁波と第２測定電磁波とを含む電磁波を放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、その周波数幅にわたってスペクトルが既知である電磁波を放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、電磁波の周波数幅を変更可能である電磁波源を含んでもよい。
【００４７】
測定周波数が可変である場合には、イオンビーム計測装置１０は、第１測定電磁波を放射して反射または透過電磁波を検出し、第２測定電磁波を放射して反射または透過を検出する。イオンビーム計測装置１０は、こうした放射及び検出を測定周波数を異ならせて繰り返す。イオンビーム計測装置１０は、検出信号Ｓ１の変化（有意な増加または減少）の認められた周波数からプラズマ周波数ω０を求める。
【００４８】
演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１に変化の認められた測定周波数をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。あるいは、検出信号Ｓ１が変化する測定周波数は帯域Δω０の上限または下限であると考えられるから（図４参照）、演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１が変化した測定周波数を補正して、プラズマ周波数ω０を求めてもよい。例えば、演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１の変化が増加（または減少）である場合には、検出信号Ｓ１が変化した測定周波数にω０／２を加えた（または、差し引いた）値をプラズマ周波数ω０としてもよい。また、演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１に増加が認められた測定周波数と、検出信号Ｓ１に減少が認められた測定周波数との平均値をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。
【００４９】
測定電磁波が周波数幅をもつ場合には、演算処理ユニット２６は、検出した反射（または透過）電磁波の周波数幅の上限（または下限）周波数からプラズマ周波数ω０を求めることができる。上限（下限）周波数は、測定ビーム源２０から放射した既知のビーム強度に対する検出信号強度の乖離がしきい値を超える周波数である。演算処理ユニット２６は、その上限（下限）周波数をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。演算処理ユニット２６は、上限（下限）周波数を補正してプラズマ周波数ω０を求めてもよい。演算処理ユニット２６は、上限周波数と下限周波数との平均値をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。
【００５０】
計測放射に使用される周波数帯域は、効率的にプラズマ周波数ω０を探索するために、特定の帯域に制限されていてもよい。この特定帯域Ｔは（図４参照）、プラズマ周波数ω０が含まれると予測される帯域であってもよい。例えば、イオンビーム１４が目標とする状態に制御される用途においては、その目標状態からプラズマ周波数ω０の含まれうる範囲を予測することが可能である。特定帯域Ｔは、検出信号Ｓ１の強度レベルが切り替わる狭帯域Δω０よりも広くてもよい。計測放射は、特定帯域Ｔを走査することを含んでもよい。また、計測放射は、特定帯域Ｔを含む周波数幅をもつ測定電磁波を放射することを含んでもよい。
【００５１】
計測放射に使用される周波数帯域は、測定ビーム源２０の提供する全帯域であってもよい。つまり、計測放射の周波数帯域は制限されていなくてもよい。この場合、計測放射は、相対的に大きい周波数増分で測定周波数を走査する第１段階（初期段階）と、相対的に小さい周波数増分で測定周波数を走査する第２段階と、を含んでもよい。第２段階は、第１段階に続いて実行される。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１の変化を検知したときに第１段階から第２段階へと切り替える。第１段階と第２段階とは逆方向に周波数が走査される。こうした検出信号Ｓ１の変化検知と走査段階の切り替えとを更に繰り返してもよい。このようにすれば、粗い周波数走査から細かい周波数走査へと往復しながら段階的にプラズマ周波数ω０へと比較的効率的に達することができる。
【００５２】
一実施例においては、イオンビーム１４のビームスポットよりも広範囲に、例えば被処理物１６の表面全域または所望のイオンビーム照射領域にイオンビーム１４を照射するために、イオンビーム１４は少なくとも一方向に走査されてもよい。イオンビーム１４の走査のために、イオンビーム走査制御部（図示せず）が設けられていてもよい。例えば図１に矢印２８で示されるように、イオンビーム１４はｙ方向に往復移動されてもよい。なおイオンビーム１４を走査するとともに、またはそれに代えて、被処理物１６がイオンビーム１４に対し移動されてもよい。
【００５３】
イオンビーム１４が走査される一実施例においては、測定ビーム１２は、イオンビーム１４の走査方向（図１においてはｙ方向）とイオンビーム１４の進行方向（ｚ方向）とにより定まる走査面（ｙｚ面）に沿ってイオンビーム１４に照射されることが好ましい。測定ビーム１２の照射方向が正確に走査面に沿うことは必ずしも要求されない。通常は、測定ビーム１２の経路は、走査によるイオンビーム１４の通過領域を横断するように定められれば十分である。このようにすれば、イオンビーム１４がいずれの走査位置にあるときにも（つまり走査範囲全体にわたって）イオンビーム１４に測定ビーム１２を照射することができる。すなわち、イオンビーム１４の走査移動中に継続してイオンビーム１４を計測することができる。
【００５４】
図３には、被処理物１６へのイオンビーム照射エリア４２が示されている。イオンビーム照射エリア４２は例えばイオンビーム１４（図１参照）の走査範囲を示す。またはイオンビーム照射エリア４２は、長手方向（図３においてはｙ方向）に延びるビーム断面をもつリボン状イオンビーム（または長尺ビームとも呼ばれる）であってもよい。被処理物１６は例えば円形の基板であり、その輪郭を破線で図示する。被処理物１６は円形基板には限られず、その他の形状例えば矩形の基板であってもよいし、必ずしも板状の部材でなくてもよく任意の三次元形状のイオンビーム照射対象であってもよい。
【００５５】
なお、以下ではリボンビームとの対比のために通常のイオンビーム１４をスポットビームと呼ぶこともあるが、これはリボンビームとの比較においてビーム断面がスポット状であることを意味するにすぎず、イオンビーム１４が特定のビーム断面形状を有することを限定するものではない。
【００５６】
図示されるように、測定ビーム源２０から放射された測定ビーム１２は、イオンビーム１４の立体的な通過領域を経由して、測定ビーム検出器２２へと直線的に入射する。イオンビーム１４の立体的な通過領域は、イオンビーム進行方向であるｚ方向とイオンビーム照射エリア４２とにより定まる。イオンビーム１４が走査されるスポットビームである場合、イオンビーム１４の立体的な通過領域は、スポットビームのビーム径に応じた厚さをもつ。
【００５７】
図示されるように、イオンビーム照射エリア４２の長手方向の寸法を被処理物１６の当該方向の幅に収めることが可能である。例えば典型的なイオン注入装置においては被処理物１６の片側または両側に接触式検出器（例えばファラデーカップ）が設けられており、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。そのため、イオンビームの照射エリアは被処理物１６の幅よりも長くする必要がある。ところが、本発明の一実施例によればそうした制約を受けずにイオンビーム照射エリア４２を被処理物１６の照射されるべき領域に合わせて小さくすることができる。こうして、本発明の一実施例によれば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。
【００５８】
イオンビーム１４が走査される一実施例においては、演算処理ユニット２６は、イオンビーム１４の走査のためのイオンビーム走査制御部（図示せず）からイオンビーム１４の走査位置を表す走査位置情報の入力を受けるよう構成されていてもよい。演算処理ユニット２６は、ある時点におけるイオンビーム走査位置情報とその時点の検出信号Ｓ１とを関連付けることにより、検出信号Ｓ１の得られたイオンビーム走査位置を特定してもよい。このようにすれば、イオンビーム１４に変動が生じた走査位置を求めることができる。
【００５９】
なお、測定ビーム源２０及び測定ビーム検出器２２の少なくとも一方は、処理室１８の外部に設けられていてもよい。この場合、測定ビーム１２を透過する窓部が処理室１８に設けられていてもよい。測定ビーム１２は窓部を通じて測定ビーム源２０からイオンビーム１４へと入射してもよい。測定ビーム１２は窓部を通じて測定ビーム検出器２２へと出射してもよい。
【００６０】
図１に示す実施例においては測定ビーム源２０と測定ビーム検出器２２とがイオンビーム１４の入射経路を挟んで互いに向き合って配置されているが、それは必須ではない。図２に破線で示されるように、測定ビーム検出器２２は反射されたイオンビーム１４を受ける位置に配置されていてもよい。この場合にイオンビーム１４が走査されると、イオンビーム１４と測定ビーム１２との交差位置３４が変化する。測定ビーム検出器２２が反射測定ビームを受けるべき位置も変化する。よって、測定ビーム検出器２２は、反射測定ビームを受けるようにイオンビーム１４の走査に同期して移動するよう構成されていてもよい。あるいは、イオンビーム１４と測定ビーム１２との交差位置３４の移動を抑えるように、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４の走査に同期して測定ビーム１２を走査するよう構成されていてもよい。そのために例えば、測定ビーム源２０がイオンビーム１４の走査に同期して移動するよう構成されていてもよい。
【００６１】
図６は、イオンビーム計測装置１０に係る他の一例を示す図である。イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４の入射を受けてイオンビームを計測する接触式の計測器、例えばイオンビーム１４のビーム電流を表すビーム電流信号Ｓ２を出力するファラデーカップ４８を備えてもよい。ファラデーカップ４８は例えば、被処理物１６の片側または両側に配置される。ファラデーカップ４８の出力するビーム電流信号Ｓ２は例えば、検出信号Ｓ１と同様に演算処理ユニット２６に入力されてもよい。そのために、矢印２８で示されるように、イオンビーム１４はファラデーカップ４８の検出面へと走査されてもよい。接触式の計測器（例えばファラデーカップ４８）は、本明細書に記載する他の実施例にも適用してもよい。
【００６２】
演算処理ユニット２６はビーム電流信号Ｓ２を用いて、検出信号Ｓ１に基づく計測結果を校正してもよい。校正処理は例えば、あるビーム電流範囲にわたってビーム電流信号Ｓ２と検出信号Ｓ１とを関連付けることを含んでもよい。演算処理ユニット２６はその関係を使用して、検出信号Ｓ１からイオンビーム１４のビーム電流を求めてもよい。
【００６３】
図７は、本発明の第２実施形態に係るイオン注入装置１００の全体構成を概略的に示す図である。図７にはイオン注入装置１００の有する代表的な構成要素を示す。また、図８は、第２実施形態に係るイオン注入装置１００の処理室１１２を示す図である。図８には、ビームラインアセンブリ１１０からビーム入射方向に処理室１１２を見たときの概略構成を示す。第２実施形態は、第１実施形態に係るイオンビーム計測装置１０をイオン注入装置１００に適用した例である。
【００６４】
イオン注入装置１００は、元素をイオン化してイオンビーム１０２を生成し基板（例えば半導体基板）１０４へと照射することにより、基板１０４にその元素を注入するイオン注入処理を行うための装置である。図１と同様に説明の便宜上、イオンビーム１０２の基板１０４への入射方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。ｚ方向は、ビームラインにおけるイオンビーム１０２の大局的な進行方向を指すものとする。また、後述するようにイオンビーム１０２を基板１０４に対し走査する場合には走査方向をｙ方向とし、ｚ方向及びｙ方向に垂直な方向をｘ方向と定義する。一実施例においてはｙｚ面は水平面であり、ｘ方向は鉛直方向である。
【００６５】
イオン注入装置１００は、第１実施形態に係るイオンビーム計測装置１０と共通の測定原理を使用してビームモニタ出力を与えるための非接触式のイオンビーム計測装置１０６を備える。イオンビーム計測装置１０６は、第１実施形態及びその変形例に係る各種のイオンビーム計測装置１０のうちいずれかであってもよい。
【００６６】
イオン注入装置１００は、イオン源１０８、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２を備える。イオン源１０８は、注入する元素をイオン化するよう構成されている。ビームラインアセンブリ１１０は、イオン源１０８にてイオン化されたイオンのうち基板１０４に注入すべきイオンを質量によって選別するための質量分析器１１４と、イオンビーム１０２を輸送し、加速し、整形し、または走査するためのビーム輸送系１１６と、を備える。質量分析器１１４の下流側には所定の質量のイオンからなるイオンビーム１０２をビーム輸送系１１６へと通過させるための質量分析スリット１１８が設けられている。
【００６７】
また、ビーム輸送系１１６は、イオンビーム１０２を少なくとも一方向（例えばｙ方向）に走査するためのビームスキャナ１２０を備える。ビームスキャナ１２０によるイオンビーム１０２のｙ方向の走査可能範囲を矢印１３８で図示する。
【００６８】
処理室１１２は、イオンビーム１０２をモニタするためのイオンビーム計測装置１０６を備える。イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２に測定ビーム１３０を作用させ、測定ビーム１３０を検出することによりイオンビーム１０２をモニタする。イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２に関連するモニタ出力を制御システム１２８に提供する。ビームモニタ出力は検出信号Ｓ１を含む。イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２に測定ビーム１３０を放射するための測定ビーム源１３４と、イオンビーム１０２に照射された測定ビーム１３０を検出するための測定ビーム検出器１３６と、を含む。
【００６９】
イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２の経路に向けて放射された測定電磁波を検出することにより、イオンビーム１０２に関連する出力を制御システム１２８に提供する。測定電磁波は例えば測定ビーム１３０である。イオンビーム計測装置１０６は、測定電磁波の反射電磁波または透過電磁波を検出することにより、イオンビーム１０２のイオン密度またはビーム電流密度を表す出力を制御システム１２８に提供する。
【００７０】
処理室１１２は、接触式のイオンビーム検出器（例えばファラデーカップ）１２２を備えてもよい。イオンビーム検出器１２２はビーム電流信号Ｓ２を制御システム１２８に出力してもよい。こうした接触式の検出器を設けることは必須ではない。イオンビーム検出器１２２は、イオンビーム走査方向に基板１０４に隣接する位置に配置することが好ましい。イオンビーム検出器１２２は、基板１０４の片側（図示の場合）または両側に配置してもよい。イオンビーム検出器１２２は、計測の必要に応じてビームラインに出し入れされる進退可能な検出器であってもよい。
【００７１】
また、イオン注入装置１００のイオンビーム計測系は、イオンビーム計測装置１０６及びイオンビーム検出器１２２に加えて、任意の計測器をさらに備えてもよい。なお、イオン注入装置１００は、制御システム１２８からの制御指令に応じて、またはイオンビーム計測装置１０６を含むイオンビーム計測系の計測結果に基づいて、イオンビーム１０２をビームラインの中途で遮断するためのビームシャッタ（図示せず）を備えてもよい。
【００７２】
また、処理室１１２は、基板１０４を支持するための基板支持部１２４を備える。基板１０４は基板支持部１２４に支持されて処理室１１２に収容されている。基板支持部１２４は、基板１０４をイオンビーム１０２に対し移動させるためのいわゆるメカニカルスキャン系として構成され、基板１０４を保持するためのテーブルまたはプラテンと、そのテーブルまたはプラテンを移動するための駆動機構と、を含む。メカニカルスキャン系は例えば、イオンビーム進行方向（ｚ方向）及び走査方向（ｙ方向）に垂直な方向（ｘ方向）の走査範囲に基板１０４を往復移動させるよう構成されている。こうした一方向のビームスキャンとその垂直方向へのメカニカルスキャン（以下では「機械的走査」ともいう）とを組み合わせるスキャン方式はハイブリッドスキャンと呼ばれることもある。
【００７３】
図８に示されるように、基板１０４には断面がスポット状のイオンビーム１０２が照射される。上述のようにイオンビーム１０２はｙ方向に走査され、基板１０４はｘ方向に機械的に走査される。イオンビーム１０２の走査範囲１３８において基板１０４の両側にイオンビーム検出器１２２が設けられている。イオンビーム検出器１２２は、基板１０４の周縁部外方に走査によって照射されたイオンビーム１０２に計測が制限される。これに対して、イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２が基板１０４の中心部にあるときにもイオンビーム１０２を計測することができるという点で有利である。
【００７４】
図７及び図８に示されるように、イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２の走査方向とイオンビーム１０２の進行方向とにより定まる走査面に沿って測定ビーム１３０をイオンビーム１０２に照射する。測定ビーム１３０の照射方向が正確に走査面に沿うことは必ずしも要求されない。測定ビーム１３０の経路はイオンビーム１０２の走査範囲１３８を横断するように定められていればよい。図示されるように、測定ビーム源１３４から放射された測定ビーム１３０は、測定ビーム検出器１３６へと直線的に入射する。このようにして、イオンビーム１０２の走査位置にかかわらず連続的にイオンビーム１０２をモニタすることができる。
【００７５】
なおイオン注入装置１００はハイブリッドスキャン方式には限られない。イオン注入装置１００は例えば、一軸方向にビーム断面が延びるいわゆるリボンビームとその直交方向へのメカニカルスキャンとを組み合わせる走査方式を採用してもよい。あるいは、イオン注入装置１００は、スポットビームに対しビーム進行方向に垂直面内で２次元にメカニカルスキャンを行う方式を採用してもよい。いずれの走査方式であってもイオンビーム計測装置１０６は適用可能である。
【００７６】
図９は、第２実施形態に係るイオンビーム計測装置１０６の一変形例を示す図である。イオンビーム計測装置１０６は、複数の測定ビーム源１３４と複数の測定ビーム検出器１３６とを備えてもよい。複数の測定ビーム源１３４はイオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って配列されている。イオンビーム照射エリア１３９は例えばリボン状のイオンビームのビーム断面に相当する領域である。複数の測定ビーム検出器１３６は、イオンビーム照射エリア１３９を挟んで複数の測定ビーム源１３４に対向してイオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って配列されている。複数の測定ビーム検出器１３６の各々は、対応する測定ビーム源１３４からの測定ビーム１３０を受ける位置に配列されている。これにより、イオンビーム照射エリア１３９に交差する複数の測定ビーム１３０がイオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って配列されている。
【００７７】
イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム照射エリア１３９の複数の位置に測定ビーム１３０を照射する。それら複数の照射位置は、イオンビーム照射エリア１３９の長手方向に並んでいる。各照射位置へは、複数の測定ビーム源１３４のそれぞれから測定ビーム１３０が照射される。イオンビーム計測装置１０６は、それら複数位置に照射された測定ビーム１３０を複数の測定ビーム検出器１３６により検出する。複数の測定ビーム検出器１３６はそれぞれ検出信号Ｓ１を制御システム１２８に出力する。このようにして、イオンビーム照射エリア１３９におけるイオンビームの長手方向分布を得ることができる。
【００７８】
複数の測定ビーム１３０は、図示の例ではスポット状の測定ビームであるがこれに限られず、イオンビーム照射エリア１３９の長手方向の長さに相当する幅を持つリボン状または長尺の測定ビームであってもよい。それに対応して、互いに分離された複数の測定ビーム検出器１３６に代えて、リボン状または長尺の測定ビームを包含する検出領域をもつ一次元検出器アレイを設けてもよい。
【００７９】
また、計測対象はリボン状のイオンビームには限られず、イオンビーム照射エリア１３９を走査するスポットビームの計測のために図９に示すイオンビーム計測装置１０６の構成を採用してもよい。複数の測定ビーム源１３４及び複数の測定ビーム検出器１３６は、イオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って可動式である測定ビーム源１３４及び測定ビーム検出器１３６であってもよい。この場合、可動式の測定ビーム源１３４及び測定ビーム検出器１３６は、測定ビーム１３０とスポットビームとの交差を継続するようにスポットビームの走査に同期して移動されてもよい。
【００８０】
図７及び図８に示すイオン注入装置１００はいわゆる枚葉式に構成されている。すなわち、イオン注入装置１００は、基板支持部１２４に一度に一枚の基板１０４が保持され、一枚ずつイオン注入処理が行われる形式である。なお必ずしも一枚ずつの処理に限られるわけではなく、基板支持部１２４は２枚以上を同時に保持して少なくとも一方向にメカニカルスキャンを提供するよう構成されていてもよい。また、イオン注入装置１００は、多数の基板を回転可能なテーブルに載置して回転させながらイオン注入を多数の基板に同時に行ういわゆるバッチ式に構成されていてもよい。
【００８１】
図７に示されるように、イオン注入装置１００は、イオン源１０８、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２をイオン注入処理のための所望の真空環境に保つための真空排気系１２６を備える。真空排気系１２６は例えば、クライオポンプ等の高真空ポンプと、高真空ポンプの作動圧力まで粗引きをするための粗引きポンプとを備える。
【００８２】
また、イオン注入装置１００は、例えばイオン源１０８、質量分析器１１４、ビーム輸送系１１６、基板支持部１２４、及び真空排気系１２６を制御してイオン注入処理を実行するための制御システム１２８を備える。制御システム１２８は、検出信号Ｓ１及びビーム電流信号Ｓ２を含むビーム計測系からの入力信号、メモリに保存されている各種データ、及び操作者からの入力指令等に従って、イオン注入装置１００を統括的に制御する。制御システム１２８は、イオンビーム計測装置１０６のための専用の制御装置であってもよい。
【００８３】
制御システム１２８は例えば、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等を含む任意のハードウエアと、各種演算または制御を実行するためのプログラム等のソフトウエアと、を含んで構成される。制御システム１２８は、操作者からの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段や、他の装置との通信をするための通信手段、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含んでもよい。
【００８４】
制御システム１２８は、ビームスキャンを制御するためのビームスキャン制御部１４０と、基板１０４の機械的走査を制御するためのメカニカルスキャン制御部１４２と、イオンビームモニタ演算部１４４と、を含んでもよい。ビームスキャン制御部１４０、メカニカルスキャン制御部１４２、及びイオンビームモニタ演算部１４４の少なくとも１つの要素（例えばイオンビームモニタ演算部１４４）が他の要素とは別個の制御部を構成していてもよい。ビームスキャン制御部１４０、メカニカルスキャン制御部１４２、及びイオンビームモニタ演算部１４４は、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩ等のハードウエア、またはメモリにロードされたプログラム等のソフトウエアによって実現される機能ブロックを示す。これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００８５】
イオンビームモニタ演算部１４４は、検出信号Ｓ１及びビーム電流信号Ｓ２を含むビーム計測系からの入力信号に基づいて、ビームモニタ出力を演算する。ビームモニタ出力は例えば、イオンビーム１０２のビーム電流、または基板１０４に注入されるドーズ量である。制御システム１２８は、イオンビームモニタ演算部１４４によるビームモニタ出力を保存する。あるいは、制御システム１２８は必要に応じて、ビームモニタ出力を使用してもよいし、外部に出力してもよい。
【００８６】
制御システム１２８は、ビームモニタ出力に基づいて、基板１０４へのイオン注入処理中にイオンビーム１０２に変動が生じたか否かを判定してもよい。当該判定結果に基づいて、制御システム１２８は、当該基板１０４へのイオン注入処理について警告を出力してもよい。あるいは、制御システム１２８は、ビームモニタ出力に基づいて、イオンビーム１０２のビーム電流または基板１０４に注入されるドーズ量に変動が生じたビーム照射位置を特定してもよい。
【００８７】
イオン注入処理は、処理室１１２へと入射するイオンビーム１０２の進行方向に垂直な面内の方向のイオンビーム１０２と基板１０４との相対移動を含む。この相対移動は上述のように、イオンビーム１０２及び基板１０４の少なくとも一方の走査を含む。よって、制御システム１２８は例えば、ビームスキャン制御部１４０とメカニカルスキャン制御部１４２とを協調して動作させることにより、所与の走査シーケンスに従ってイオンビーム１０２のビームスキャンと基板１０４の機械的走査とを制御する。こうしてイオンビーム断面よりも一般には広いイオンビーム照射領域にわたってイオンビーム１０２を照射することができる。
【００８８】
ここで、走査シーケンスとは基板１０４上の表面全域またはその一部であるイオンビーム照射領域をイオンビーム１０２により走査するための手順をいう。走査シーケンスは、制御システム１２８に操作者により直接入力されて与えられてもよいし、所与のイオン注入処理を実現するよう制御システム１２８により設定されてもよい。
【００８９】
図１０は、第２実施形態に係る走査シーケンス１５０の一実施例を説明するための図である。この走査シーケンス１５０は、以下に詳述するように、本来的には基板１０４の外側にイオンビーム１０２を照射する必要のない枚葉式のイオン注入装置１００に好適な走査法を表す。例えばハイブリッドスキャン方式の場合、走査シーケンス１５０のうち一方向（例えばｘ方向）の走査はイオンビーム１０２に対する基板１０４の移動により行われ、他の一方向（例えばｙ方向）の走査はイオンビーム１０２のビームスキャンにより行われる。
【００９０】
走査シーケンス１５０は、走査開始位置１５２から開始され、走査終了位置１５４で終了する。走査開始位置１５２から走査終了位置１５４まで走査シーケンス１５０が制御システム１２８により実行されることにより、基板１０４上のイオン注入領域（例えば基板１０４の全域、または、基板１０４の周縁部を除く領域）の全体またはその一部へのイオンビーム照射が完了する。一実施例においては、制御システム１２８は、基板１０４上のイオン注入領域の輪郭または境界の内側をイオンビーム照射領域が占めるように設定された例えば蛇行状の走査シーケンス１５０を実行してもよい。走査シーケンス１５０の実行中、イオンビーム１０２はイオンビーム計測装置１０６により継続してまたは間欠的にモニタされることが好ましい。
【００９１】
走査シーケンス１５０は典型的には、第１方向への少なくとも１回の走査移動とその垂直方向である第２方向への少なくとも１回の走査移動とを含む。通常は図示されるように、走査シーケンス１５０は、第１方向への複数回の走査移動と第２方向への複数回の走査移動とを含み、第１方向への走査移動と第２方向への走査移動とを交互に含む。その結果として、走査開始位置１５２から走査終了位置１５４へと蛇行状の走査経路となる。ハイブリッドスキャンの場合、第１方向のビームスキャンと第２方向の基板１０４の機械的走査とが交互に繰り返されることになる。
【００９２】
一実施例においては、制御システム１２８は、イオンビーム１０２のビームスキャンによる走査範囲を基板１０４の機械的走査中に変更してもよい。すなわち、あるビームスキャンによる走査範囲と、それに続く次回のビームスキャンによる走査範囲と、を異ならせてもよい。各回のビームスキャンの走査範囲は例えば、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の幅に基づいて設定されてもよい。イオン注入領域は、イオンが注入されるべき基板１０４の領域をいう。イオン注入領域は、基板１０４の表面全域であってもよいし、基板１０４の表面の一部であってもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、基板１０４の走査方向の幅に一致させるようビーム走査範囲を機械的走査中に変更してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、イオン注入領域の走査方向の幅に一致させるようビーム走査範囲を機械的走査中に変更してもよい。
【００９３】
また、制御の簡単のために、制御システム１２８は、ビームスキャンの走査範囲を、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の最大幅に基づいて固定値に設定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、ビームスキャンの走査範囲を基板１０４の最大幅（例えば円形基板の場合、直径）に固定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、ビームスキャンの走査範囲をイオン注入領域の最大幅に固定してもよい。
【００９４】
図１０には比較のために、典型的なイオン注入処理におけるイオンビームの照射領域１６０を示す。照射領域１６０は矩形領域となる。図示されるように、基板１０４に比べて（すなわち走査シーケンス１５０の占める領域に比べて）、かなり広い範囲にわたってイオンビームが照射されることがわかる。基板１０４の外側は、イオン注入という本来の目的からすればイオンビームを照射する必要のない区域である。典型的な構成においてこうした区域にも照射されるのは、毎回のビームスキャンでファラデーカップによりビーム電流を計測するために、ビームスキャン長さがファラデーカップの配置に制約され固定されているからである。
【００９５】
よって、第２実施形態に係る走査シーケンス１５０によれば、必ずしもイオン注入を要しない領域を最小化することができる。好ましくは、イオンビームの照射領域をイオン注入領域に一致させることができる。走査シーケンス１５０の総走査距離を短くすることができるので、イオン注入処理のスループットを改善することができる。イオン注入不要領域への照射が最小化され、イオン材料の消費も抑制される。
【００９６】
走査シーケンス１５０は、イオンビーム検出器１２２をイオンビーム１０２が経由する第１走査と、イオンビーム検出器１２２を経由せずにイオンビーム１０２が基板１０４を走査する第２走査と、を含んでもよい。図１０においては第１走査の例を破線で示し、第２走査の例を実線で示す。第１走査はビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方、またはそれら両方を含んでもよい。第２走査もまた上述のように、ビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方、またはそれら両方を含んでもよい。
【００９７】
そのために、走査シーケンス１５０は例えば、イオンビーム検出器１２２を走査範囲に含む相対的に長距離のビームスキャン１５６と、イオンビーム検出器１２２を走査範囲に含まない相対的に短距離のビームスキャン１５８と、を含んでもよい。長いビームスキャン１５６は、基板１０４上のイオン注入領域とイオンビーム検出器１２２とを走査範囲に含むよう走査距離が定められ、短いビームスキャン１５８は、基板１０４上のイオン注入領域のみを走査範囲に含むよう走査距離が定められてもよい。走査シーケンス１５０は、長いビームスキャン１５６を少なくとも１回含むようにしてもよい。このようにすれば、イオンビーム計測装置１０６とイオンビーム検出器１２２とを併用してイオンビーム１０２を監視しながらイオン注入処理を行うことができる。
【００９８】
なお、他の一実施例においては、走査シーケンス１５０と同様にして、制御システム１２８は、リボン状のイオンビームのビーム幅を、基板に照射される位置に応じて変化させてもよい。このようにしても、イオン注入が不要な領域への照射を最小化して、イオン材料の不必要な消費を抑制することができる。
【００９９】
すなわち、イオンビーム１０２は、長手方向（基板１０４の表面を横断する方向）に延びる断面形状をもつイオンビームであってもよい。制御システム１２８は、イオンビーム１０２の長手方向のビーム幅を基板１０４の機械的走査中に変更してもよい。イオンビーム１０２のビーム幅は、基板１０４上のイオン注入領域の当該長手方向の幅に基づいて設定されてもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、基板１０４の幅に一致させるようビーム幅を変更してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、イオン注入領域の幅に一致させるようビーム幅を変更してもよい。
【０１００】
また、制御の簡単のために、制御システム１２８は、イオンビーム１０２のビーム幅を、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の最大幅に基づいて固定値に設定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、基板１０４の最大幅にビーム幅を固定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、イオン注入領域の最大幅にビーム幅を固定してもよい。
【０１０１】
更なる一実施例においては、制御システム１２８は、イオンビーム１０２と基板１０４との相対位置情報とイオンビーム計測装置１０６の出力とに基づいてイオンビーム１０２の強度に変動が生じた位置を特定してもよい。制御システム１２８は、ある時点におけるビームスキャン位置情報とその時点のビームモニタ出力とを関連付けることにより、そのビームモニタ出力が得られたビームスキャン位置を特定してもよい。制御システム１２８は、ある時点におけるメカニカルスキャン位置情報とその時点のビームモニタ出力とを関連付けることにより、そのビームモニタ出力が得られたメカニカルスキャン位置を特定してもよい。こうして得られたビームスキャン位置情報とメカニカルスキャン位置情報とを総合することにより、制御システム１２８は、ビームモニタ出力に対応する基板１０４上のイオンビーム照射位置を特定してもよい。このようにすれば、イオンビーム１０２に変動が生じたイオンビーム照射位置を求めることができる。
【０１０２】
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。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ イオンビーム計測装置、 １２ 測定ビーム、 １４ イオンビーム、 ２０ 測定ビーム源、 ２２ 測定ビーム検出器、 １００ イオン注入装置、 １０２ イオンビーム、 １０４ 基板、 １０６ イオンビーム計測装置、 １１２ 処理室、 １２２ イオンビーム検出器、 １２８ 制御システム、 １３０ 測定ビーム、 １３４ 測定ビーム源、 １５０ 走査シーケンス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入装置、イオンビーム計測装置、及びイオンビームの計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被処理物例えば半導体基板に注入すべきイオン種を含むイオンビームをその被処理物に照射してイオン注入をするためのイオン注入装置が知られている。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、イオンビームを被処理物に照射しながらイオンビームの計測を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、あるいはそうした計測を適用したイオン注入装置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、イオン注入装置である。この装置は、被処理物へのイオンビームによるイオン注入処理を制御するための制御システムと、イオンビーム経路に向けて放射された測定電磁波の反射または透過を検出することにより、前記イオンビームに関連する出力を前記制御システムに提供するイオンビーム計測装置と、を備える。
【０００７】
本発明の別の態様は、イオンビーム計測装置である。この装置は、イオンビームの経路に向けて電磁波を放射するための電磁波源と、前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出するための検出器と、を備える。
【０００８】
本発明の別の態様は、イオンビームの計測方法である。この方法は、イオンビームに電磁波を放射することと、前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出することと、を含む。
【０００９】
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】
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の一構成例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の一構成例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の一構成例を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態に係る測定電磁波の周波数と検出信号の強度との関係の一例を示す図である。
【図５】第１実施形態に係るイオンビームの計測方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】第１実施形態に係るイオンビーム計測装置の他の一例を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るイオン注入装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図８】第２実施形態に係るイオン注入装置の処理室を示す図である。
【図９】第２実施形態に係るイオンビーム計測装置の一変形例を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る走査シーケンスの一実施例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１乃至図３は、本発明の第１実施形態に係るイオンビーム計測装置１０の一構成例を模式的に示す図である。イオンビームの入射を直接受ける検出面をもつ接触式の計測器とは異なり、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４に測定ビーム１２を放射することにより非接触式のイオンビーム計測を提供する。言い換えれば、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４に作用した測定ビーム１２を検出することにより間接的にイオンビーム１４を計測する。イオンビーム１４自体の照射を受ける検出器は、イオンビーム計測装置１０の必須の構成要素ではない。その測定原理を図１乃至図３を参照して説明する。
【００１３】
イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４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）に、イオンビーム１４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。
【００１４】
図１並びに以下で参照する各図において説明の便宜上、イオンビーム１４の進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。なお図１はｙｚ面を示すのに対し、図３はｘｙ面を示していることに留意されたい。
【００１５】
後述するようにイオンビーム１４を被処理物１６に対し走査する場合には走査方向をｙ方向とし、ｚ方向及びｙ方向に垂直な方向をｘ方向と定義する。イオンビーム１４を走査したときにイオンビーム１４の中心軸の描く軌跡によって、イオンビーム１４の走査面（例えばｙｚ面）が定義される。イオンビーム１４は実際にはある大きさのビーム断面をもつから、その大きさの範囲で上下（例えばｘ方向）に走査面から離れた位置にもイオンビームは照射される。それを考慮に入れると、走査によるイオンビーム１４の通過領域は走査面の上下に広がる立体的な領域であると言える。
【００１６】
イオンビーム１４は被処理物１６への照射のために処理室１８へと導かれる。一実施例においては、イオンビーム１４は被処理物１６に連続的に照射される。すなわち、イオンビーム１４は、図示しないイオンビーム生成部により生成される。イオンビーム１４は、所望の目標プロファイル（例えば目標ビーム電流）に従って所望の照射期間連続して被処理物１６に照射される。他の一実施例においては、イオンビーム１４は、パルスイオンビームであってもよい。
【００１７】
イオンビーム計測装置１０がイオン注入装置に適用される一実施例においては、被処理物１６は半導体基板（例えばシリコンウェーハ）であり、ｘｙ面内でイオンビーム１４に対し移動可能にまたは静止状態に支持されて処理室１８に収容されている。イオンビーム処理のために処理室１８は所望の真空状態に保たれており、そのための真空排気装置（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。処理室１８は例えば真空チャンバまたはプロセスチャンバ等とも呼ばれる。イオン注入装置の場合には処理室１８はエンドステーションと呼ばれ、被処理物１６はターゲットと呼ばれることもある。
【００１８】
なお処理室１８に必ずしも被処理物１６が収容されていなくてもよく、処理室１８は被処理物１６に入射すべきイオンビーム１４に測定ビーム１２を放射するための計測室として構成されていてもよい。その場合、イオンビーム１４の経路に沿って処理室１８の下流に被処理物１６が配され、処理室１８に進入したイオンビーム１４は測定ビーム１２を経由して処理室１８を出射し、被処理物１６へと入射してもよい。
【００１９】
イオンビーム計測装置１０は、電磁波源の一例である測定ビーム源２０を備える。測定ビーム源２０は、測定ビーム１２を放射する。測定ビーム１２は、イオンビーム１４との間に相互作用を生じる波長または波長域をもつ電磁波である。効果的にイオンビーム１４に作用させるために、測定ビーム１２は好ましくは、指向性をもつ電磁波である。しかし、イオンビーム計測装置１０で使用される測定のための電磁波は、必ずしも指向性をもたなくてもよい。よって、測定ビーム源２０に代えて、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４との間に相互作用を生じる波長または波長域をもつ電磁波を放射する電磁波源を備えてもよい。イオンビーム計測装置１０で使用される測定のための電磁波を、以下では、測定電磁波と呼ぶことがある。測定ビーム１２は、測定電磁波の一例である。
【００２０】
イオンビーム計測装置１０は、測定ビーム１２を検出するための測定ビーム検出器２２を備える。測定ビーム検出器２２は、測定ビーム源２０からイオンビーム１４に放射され、イオンビーム１４を反射または透過した測定ビーム１２を検出するために設けられている。測定ビーム検出器２２は、その検出面に測定ビーム１２の入射を受けて検出信号Ｓ１を出力するよう構成されている。一実施例においては、測定ビーム検出器２２は、測定ビーム１２を受光または受信するための受光面または受信機を備える。測定ビーム検出器２２は、受光または受信した測定ビーム１２の例えば強度に関連する検出信号Ｓ１を生成する。
【００２１】
一実施例においては、測定ビーム源２０は、測定ビーム１２がイオンビーム１４の経路に交差して測定ビーム検出器２２に入射するよう配置されている。例えば、測定ビーム１２が測定ビーム源２０からイオンビーム１４を通過して測定ビーム検出器２２へと直線的なビーム経路をとるように、測定ビーム源２０と測定ビーム検出器２２とは、イオンビーム１４の入射経路を挟んで互いに向き合って配置されている。
【００２２】
イオンビーム計測装置１０は、検出信号Ｓ１を含む入力信号に基づき計測結果を与えるための演算処理ユニット２６を備えてもよい。演算処理ユニット２６は、測定ビーム検出器２２とは別体に測定ビーム検出器２２から検出信号Ｓ１を受信可能に設けられていてもよく、例えば公知のパソコン等の演算装置であってもよい。あるいは演算処理ユニット２６は、測定ビーム検出器２２に一体に搭載されていてもよい。
【００２３】
演算処理ユニット２６は例えば、検出信号Ｓ１に基づきイオンビーム量（例えばビーム電流または注入ドーズ量）を演算してもよい。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１に基づきイオンビーム量の相対変化量を演算してもよい。演算処理ユニット２６は例えば、予め記憶されているイオンビーム量と検出信号Ｓ１との関係を表すマップを参照することによりイオンビーム量を求めてもよい。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１またはそこから演算して得た値が、予め定められている許容範囲に含まれるか否かを判定してもよい。許容範囲外にあると判定された場合には、演算処理ユニット２６は、その判定結果を記憶するか、または警告を出力してもよい。
【００２４】
イオンビーム１４がプラズマ状態にあるとき、イオンビーム１４はその電子密度に応じた固有のプラズマ周波数ω０をもつ。電気素量をｅ、電子密度をＮ、電子質量をｍ、真空の誘電率をεと表すとき、プラズマ周波数ω０は、次式で表すことができる。電気素量ｅ、電子質量ｍ、及び真空の誘電率εは既知である。よって、イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０が取得された場合には、そのイオンビーム１４の電子密度Ｎを求めることができる。イオンビーム１４の電子密度Ｎは、後述するように、イオンビーム１４の電流密度に換算することができる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
イオンビーム１４はプラズマ状態にあるとき、電離層による電波反射と同様の現象により、測定電磁波を吸収、屈折、反射、または透過する。測定電磁波の周波数がイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０より小さい場合にはその電磁波の少なくとも一部がイオンビーム１４により反射される。逆に測定電磁波の周波数がイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０より大きい場合にはその電磁波の少なくとも一部がイオンビーム１４を透過する。
【００２７】
よって、測定ビーム源２０は、イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０に応じてイオンビーム１４を反射または透過する電磁波を放射する電磁波源、例えばミリ波源またはマイクロ波源であってもよい。測定電磁波の周波数は、イオンビームのイオン密度に依存し、例えば１０ＭＨｚ乃至１０ＧＨｚの範囲から選択される。
【００２８】
測定ビーム検出器２２は、測定ビーム源２０の放射する電磁波を受信するための受信機であってもよい。こうした受信機は、図１乃至図３に示されるように、測定ビーム１２がイオンビーム１４に反射して到達する位置及び透過して到達する位置の少なくとも一方に配置される。測定ビーム検出器２２は、イオンビーム１４によって反射された測定ビーム１２と、イオンビーム１４を透過した測定ビーム１２とのうち少なくとも一方を受信し、測定ビーム１２の強度を検出する。測定ビーム源２０と測定ビーム検出器２２との間に適切な光学系または中継器が設けられていてもよい。
【００２９】
イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４の電荷を中和するための中和器５０を備えてもよい。中和器５０は、イオンビーム１４の陽イオンの電荷を中和するために低エネルギー電子をイオンビーム１４に供給する構成要素である。中和器５０は例えば、プラズマブリッジまたはプラズマシャワーである。中和器５０は、イオンビーム１４のビームラインにおいて測定ビーム１２のイオンビーム照射位置３４よりも上流に設けられていてもよい。中和器５０は、空間電荷効果を抑えるために、イオンビーム１４のイオンによる電場を中和するに足りうる電子を供給することができる。
【００３０】
中和器５０を設けることにより、イオンビーム１４がプラズマ状態にあることを保証することが可能となる。よって、物理量（例えばビーム電流密度）の絶対測定にイオンビーム計測装置１０を使用するためには、イオンビーム計測装置１０は中和器５０を備えることが好ましい。
【００３１】
一方、イオンビーム１４の物理量の相対測定にイオンビーム計測装置１０を使用する場合（例えば、ビーム電流密度の初期値または基準値に対する変動量を測定する場合）には、イオンビーム計測装置１０は中和器５０を備えなくてもよい。イオンビーム１４の電荷が必ずしも完全に中和されていなくてもイオンビーム１４は上述のように測定ビーム１２の少なくとも一部を反射または透過する作用をもつため、イオンビーム１４の相対的な変動量の測定は可能である。
【００３２】
測定ビーム１２はイオンビーム１４に直交する方向に放射されてもよいし、あるいは図示されるように、斜めに交差するように放射されてもよい。直交放射の場合にはイオンビーム１４の進行方向に比較的コンパクトにイオンビーム計測装置１０を配置することが可能となる点で好ましく、斜め放射の場合には測定ビーム１２のイオンビーム１４への交差長さを大きくすることができるという点で好ましい。交差長さが大きいことにより測定ビーム１２のイオンビーム１４との相互作用を大きくすることができる。測定ビーム１２のイオンビーム１４への入射角度は、イオンビーム１４により測定ビーム１２の全反射が生じるよう定めることが好ましい。
【００３３】
図１は測定ビーム１２がイオンビーム１４を透過する状態を示し、図２は測定ビーム１２がイオンビーム１４に反射される状態を示す。図１に示すように、測定ビーム源２０から放射された測定ビーム１２は、イオンビーム１４に斜めに入射する。イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０よりも測定電磁波の周波数が大きい場合には、イオンビーム１４は測定電磁波にとって分散性媒質である。この場合、図示されるように、測定ビーム１２はイオンビーム１４を透過して測定ビーム検出器２２に到達する。測定ビーム検出器２２は測定ビーム１２の受信強度に応じた検出信号Ｓ１を出力する。
【００３４】
また、イオンビーム１４のプラズマ周波数ω０よりも測定電磁波の周波数が小さい場合には、イオンビーム１４は測定電磁波にとってリアクティブ媒質であり、測定電磁波はイオンビーム１４によって全反射される。この場合、図２に示すように、測定ビーム１２はイオンビーム１４により反射され、測定ビーム１２は測定ビーム検出器２２に到達しない。よって、測定ビーム検出器２２の出力する検出信号Ｓ１は図１の状態に比べて大きく低下する。
【００３５】
図４は、本発明の一実施形態に係る測定電磁波の周波数と検出信号Ｓ１の強度との関係の一例を示す図である。図４に示す検出信号Ｓ１は、図１に示す測定ビーム検出器２２によって取得される。測定ビーム検出器２２はイオンビーム１４に対し測定ビーム源２０とは反対側にあり、イオンビーム１４を透過した測定ビーム１２の強度を測定する。
【００３６】
図示されるように、プラズマ周波数ω０を境界として、検出信号Ｓ１の強度が大きく変化する。上述のように、測定電磁波は、その周波数がプラズマ周波数ω０よりも小さい場合にイオンビーム１４で反射され、周波数がプラズマ周波数ω０よりも大きい場合にイオンビーム１４を透過する。そのため、測定電磁波の周波数がプラズマ周波数ω０よりも小さい場合に検出信号Ｓ１は第１レベルＢ１にあり、測定電磁波の周波数がプラズマ周波数ω０よりも大きい場合に検出信号Ｓ１は第２レベルＢ２へと増加する。この第１信号レベルＢ１は十分に低く、信号が検出されない状態とみなされる。第２信号レベルＢ２は第１信号レベルＢ１よりも十分に大きい。第１信号レベルＢ１と第２信号レベルＢ２との切り替えは、プラズマ周波数ω０を含むごく狭い帯域Δω０において生じる。
【００３７】
本発明の一実施形態においては、演算処理ユニット２６は、測定ビーム検出器２２の検出結果に基づいてイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０を演算するよう構成されている。そのために、測定ビーム源２０は、イオンビーム１４への計測放射を行う。計測放射は例えば、イオンビーム１４に放射する測定電磁波の周波数を掃引することを含む。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１の変化量がしきい値より大きい周波数を特定し、その特定周波数からプラズマ周波数ω０を決定する。
【００３８】
ここで、検出信号Ｓ１の変化量は、例えば、ある測定周波数ωのイオンビーム１４への放射によって得られた検出信号Ｓ１（ω）と、その測定周波数に隣接する測定周波数ω＋Δωの放射によって得られた検出信号Ｓ１（ω＋Δω）との差である。しきい値は例えば、上記の第１レベルＢ１と第２レベルＢ２との強度差を検出するために、当該強度差よりも小さく、かつ信号のノイズよりも大きい値に設定される。こうしたしきい値は、実験的にまたは経験的に適宜設定することができる。
【００３９】
図５は、本発明の一実施形態に係るイオンビーム１４の計測方法を説明するためのフローチャートである。イオンビーム計測装置１０は、測定ビーム源２０からイオンビーム１４に測定ビーム１２を放射する計測放射を行う。それとともに、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４によって反射された測定ビーム１２、またはイオンビーム１４を透過した測定ビーム１２を測定ビーム検出器２２によって検出する（Ｓ１０）。検出信号Ｓ１は測定ビーム検出器２２から演算処理ユニット２６に入力される。
【００４０】
演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１からイオンビーム１４のプラズマ周波数ω０を決定する（Ｓ１２）。演算処理ユニット２６は、式１に示される関係を使用して、プラズマ周波数ω０からイオンビーム１４の電子密度を演算する（Ｓ１４）。
【００４１】
演算処理ユニット２６は、イオンビーム１４の価数分布を使用して、イオンビーム１４の電子密度からイオン密度を求める（Ｓ１６）。イオンビーム１４の価数分布は事前に取得されて演算処理ユニット２６に記憶されている。計測されるイオンビーム１４に含まれるイオン種は通常既知であるため、その価数分布を事前に取得することができる。例えばイオンビーム１４がＭ価のイオンのみを含む場合には、イオン密度は電子密度の１／Ｍとなる。
【００４２】
演算処理ユニット２６は、イオン密度からイオンビーム１４のビーム電流密度を演算する（Ｓ１８）。イオン密度、電気素量及びイオンの速度がビーム電流密度を与える。演算処理ユニット２６は、ビーム電流密度を必要に応じて出力する（Ｓ２０）。演算処理ユニット２６は、イオンビーム１４の電流密度が所望の水準にあるか否かを判定し、その水準から外れている場合には警告を出力してもよい。イオンビーム計測装置１０は、こうした計測処理を連続的に反復してもよいし、間欠的に適時に実行してもよい。
【００４３】
このようにして、測定ビーム１２を検出することによりイオンビーム１４の非接触計測が可能となる。物理的な検出素子でイオンビーム１４を受光することなく、イオンビーム１４を計測することができる。
【００４４】
ビーム電流密度が所望の水準から外れる原因には例えば、イオンビーム１４中のイオンの個数が減少したことや、個数が減少していなくてもイオンビーム１４のビーム断面積が広がったことが想定される。いずれにしても、所望の（または正常な）状態から乖離していることに変わりはなく、どちらの現象が生じたのかを必ずしも厳密に区別する必要はない。ビーム電流密度を計測することにより、イオンビーム１４が所望の（または正常な）状態にあるか否かを判定することができる。
【００４５】
上述の計測放射のために、測定ビーム源２０は、複数の異なる周波数をもつ電磁波を放射するよう構成されていてもよい。例えば、測定ビーム源２０は、電磁波の周波数を変更可能である電磁波源を含んでもよい。測定ビーム源２０は、第１周波数を有する第１測定電磁波と、第１周波数とは異なる第２周波数を有する第２測定電磁波と、を含む複数の電磁波を、切り替えて放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、互いに周波数の異なる更に多数の測定電磁波を切り替えて放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、現在の測定周波数に周波数増分を加えて得られる周波数を次の測定周波数としてもよい。周波数増分は一定であってもよいし、例えば測定周波数に応じて異なっていてもよい。
【００４６】
また、測定ビーム源２０は、周波数幅をもつ電磁波を放射する電磁波源を含んでもよい。測定ビーム源２０は、少なくとも第１測定電磁波と第２測定電磁波とを含む電磁波を放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、その周波数幅にわたってスペクトルが既知である電磁波を放射するよう構成されていてもよい。測定ビーム源２０は、電磁波の周波数幅を変更可能である電磁波源を含んでもよい。
【００４７】
測定周波数が可変である場合には、イオンビーム計測装置１０は、第１測定電磁波を放射して反射または透過電磁波を検出し、第２測定電磁波を放射して反射または透過を検出する。イオンビーム計測装置１０は、こうした放射及び検出を測定周波数を異ならせて繰り返す。イオンビーム計測装置１０は、検出信号Ｓ１の変化（有意な増加または減少）の認められた周波数からプラズマ周波数ω０を求める。
【００４８】
演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１に変化の認められた測定周波数をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。あるいは、検出信号Ｓ１が変化する測定周波数は帯域Δω０の上限または下限であると考えられるから（図４参照）、演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１が変化した測定周波数を補正して、プラズマ周波数ω０を求めてもよい。例えば、演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１の変化が増加（または減少）である場合には、検出信号Ｓ１が変化した測定周波数にω０／２を加えた（または、差し引いた）値をプラズマ周波数ω０としてもよい。また、演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１に増加が認められた測定周波数と、検出信号Ｓ１に減少が認められた測定周波数との平均値をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。
【００４９】
測定電磁波が周波数幅をもつ場合には、演算処理ユニット２６は、検出した反射（または透過）電磁波の周波数幅の上限（または下限）周波数からプラズマ周波数ω０を求めることができる。上限（下限）周波数は、測定ビーム源２０から放射した既知のビーム強度に対する検出信号強度の乖離がしきい値を超える周波数である。演算処理ユニット２６は、その上限（下限）周波数をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。演算処理ユニット２６は、上限（下限）周波数を補正してプラズマ周波数ω０を求めてもよい。演算処理ユニット２６は、上限周波数と下限周波数との平均値をプラズマ周波数ω０と特定してもよい。
【００５０】
計測放射に使用される周波数帯域は、効率的にプラズマ周波数ω０を探索するために、特定の帯域に制限されていてもよい。この特定帯域Ｔは（図４参照）、プラズマ周波数ω０が含まれると予測される帯域であってもよい。例えば、イオンビーム１４が目標とする状態に制御される用途においては、その目標状態からプラズマ周波数ω０の含まれうる範囲を予測することが可能である。特定帯域Ｔは、検出信号Ｓ１の強度レベルが切り替わる狭帯域Δω０よりも広くてもよい。計測放射は、特定帯域Ｔを走査することを含んでもよい。また、計測放射は、特定帯域Ｔを含む周波数幅をもつ測定電磁波を放射することを含んでもよい。
【００５１】
計測放射に使用される周波数帯域は、測定ビーム源２０の提供する全帯域であってもよい。つまり、計測放射の周波数帯域は制限されていなくてもよい。この場合、計測放射は、相対的に大きい周波数増分で測定周波数を走査する第１段階（初期段階）と、相対的に小さい周波数増分で測定周波数を走査する第２段階と、を含んでもよい。第２段階は、第１段階に続いて実行される。演算処理ユニット２６は、検出信号Ｓ１の変化を検知したときに第１段階から第２段階へと切り替える。第１段階と第２段階とは逆方向に周波数が走査される。こうした検出信号Ｓ１の変化検知と走査段階の切り替えとを更に繰り返してもよい。このようにすれば、粗い周波数走査から細かい周波数走査へと往復しながら段階的にプラズマ周波数ω０へと比較的効率的に達することができる。
【００５２】
一実施例においては、イオンビーム１４のビームスポットよりも広範囲に、例えば被処理物１６の表面全域または所望のイオンビーム照射領域にイオンビーム１４を照射するために、イオンビーム１４は少なくとも一方向に走査されてもよい。イオンビーム１４の走査のために、イオンビーム走査制御部（図示せず）が設けられていてもよい。例えば図１に矢印２８で示されるように、イオンビーム１４はｙ方向に往復移動されてもよい。なおイオンビーム１４を走査するとともに、またはそれに代えて、被処理物１６がイオンビーム１４に対し移動されてもよい。
【００５３】
イオンビーム１４が走査される一実施例においては、測定ビーム１２は、イオンビーム１４の走査方向（図１においてはｙ方向）とイオンビーム１４の進行方向（ｚ方向）とにより定まる走査面（ｙｚ面）に沿ってイオンビーム１４に照射されることが好ましい。測定ビーム１２の照射方向が正確に走査面に沿うことは必ずしも要求されない。通常は、測定ビーム１２の経路は、走査によるイオンビーム１４の通過領域を横断するように定められれば十分である。このようにすれば、イオンビーム１４がいずれの走査位置にあるときにも（つまり走査範囲全体にわたって）イオンビーム１４に測定ビーム１２を照射することができる。すなわち、イオンビーム１４の走査移動中に継続してイオンビーム１４を計測することができる。
【００５４】
図３には、被処理物１６へのイオンビーム照射エリア４２が示されている。イオンビーム照射エリア４２は例えばイオンビーム１４（図１参照）の走査範囲を示す。またはイオンビーム照射エリア４２は、長手方向（図３においてはｙ方向）に延びるビーム断面をもつリボン状イオンビーム（または長尺ビームとも呼ばれる）であってもよい。被処理物１６は例えば円形の基板であり、その輪郭を破線で図示する。被処理物１６は円形基板には限られず、その他の形状例えば矩形の基板であってもよいし、必ずしも板状の部材でなくてもよく任意の三次元形状のイオンビーム照射対象であってもよい。
【００５５】
なお、以下ではリボンビームとの対比のために通常のイオンビーム１４をスポットビームと呼ぶこともあるが、これはリボンビームとの比較においてビーム断面がスポット状であることを意味するにすぎず、イオンビーム１４が特定のビーム断面形状を有することを限定するものではない。
【００５６】
図示されるように、測定ビーム源２０から放射された測定ビーム１２は、イオンビーム１４の立体的な通過領域を経由して、測定ビーム検出器２２へと直線的に入射する。イオンビーム１４の立体的な通過領域は、イオンビーム進行方向であるｚ方向とイオンビーム照射エリア４２とにより定まる。イオンビーム１４が走査されるスポットビームである場合、イオンビーム１４の立体的な通過領域は、スポットビームのビーム径に応じた厚さをもつ。
【００５７】
図示されるように、イオンビーム照射エリア４２の長手方向の寸法を被処理物１６の当該方向の幅に収めることが可能である。例えば典型的なイオン注入装置においては被処理物１６の片側または両側に接触式検出器（例えばファラデーカップ）が設けられており、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。そのため、イオンビームの照射エリアは被処理物１６の幅よりも長くする必要がある。ところが、本発明の一実施例によればそうした制約を受けずにイオンビーム照射エリア４２を被処理物１６の照射されるべき領域に合わせて小さくすることができる。こうして、本発明の一実施例によれば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。
【００５８】
イオンビーム１４が走査される一実施例においては、演算処理ユニット２６は、イオンビーム１４の走査のためのイオンビーム走査制御部（図示せず）からイオンビーム１４の走査位置を表す走査位置情報の入力を受けるよう構成されていてもよい。演算処理ユニット２６は、ある時点におけるイオンビーム走査位置情報とその時点の検出信号Ｓ１とを関連付けることにより、検出信号Ｓ１の得られたイオンビーム走査位置を特定してもよい。このようにすれば、イオンビーム１４に変動が生じた走査位置を求めることができる。
【００５９】
なお、測定ビーム源２０及び測定ビーム検出器２２の少なくとも一方は、処理室１８の外部に設けられていてもよい。この場合、測定ビーム１２を透過する窓部が処理室１８に設けられていてもよい。測定ビーム１２は窓部を通じて測定ビーム源２０からイオンビーム１４へと入射してもよい。測定ビーム１２は窓部を通じて測定ビーム検出器２２へと出射してもよい。
【００６０】
図１に示す実施例においては測定ビーム源２０と測定ビーム検出器２２とがイオンビーム１４の入射経路を挟んで互いに向き合って配置されているが、それは必須ではない。図２に破線で示されるように、測定ビーム検出器２２は反射されたイオンビーム１４を受ける位置に配置されていてもよい。この場合にイオンビーム１４が走査されると、イオンビーム１４と測定ビーム１２との交差位置３４が変化する。測定ビーム検出器２２が反射測定ビームを受けるべき位置も変化する。よって、測定ビーム検出器２２は、反射測定ビームを受けるようにイオンビーム１４の走査に同期して移動するよう構成されていてもよい。あるいは、イオンビーム１４と測定ビーム１２との交差位置３４の移動を抑えるように、イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４の走査に同期して測定ビーム１２を走査するよう構成されていてもよい。そのために例えば、測定ビーム源２０がイオンビーム１４の走査に同期して移動するよう構成されていてもよい。
【００６１】
図６は、イオンビーム計測装置１０に係る他の一例を示す図である。イオンビーム計測装置１０は、イオンビーム１４の入射を受けてイオンビームを計測する接触式の計測器、例えばイオンビーム１４のビーム電流を表すビーム電流信号Ｓ２を出力するファラデーカップ４８を備えてもよい。ファラデーカップ４８は例えば、被処理物１６の片側または両側に配置される。ファラデーカップ４８の出力するビーム電流信号Ｓ２は例えば、検出信号Ｓ１と同様に演算処理ユニット２６に入力されてもよい。そのために、矢印２８で示されるように、イオンビーム１４はファラデーカップ４８の検出面へと走査されてもよい。接触式の計測器（例えばファラデーカップ４８）は、本明細書に記載する他の実施例にも適用してもよい。
【００６２】
演算処理ユニット２６はビーム電流信号Ｓ２を用いて、検出信号Ｓ１に基づく計測結果を校正してもよい。校正処理は例えば、あるビーム電流範囲にわたってビーム電流信号Ｓ２と検出信号Ｓ１とを関連付けることを含んでもよい。演算処理ユニット２６はその関係を使用して、検出信号Ｓ１からイオンビーム１４のビーム電流を求めてもよい。
【００６３】
図７は、本発明の第２実施形態に係るイオン注入装置１００の全体構成を概略的に示す図である。図７にはイオン注入装置１００の有する代表的な構成要素を示す。また、図８は、第２実施形態に係るイオン注入装置１００の処理室１１２を示す図である。図８には、ビームラインアセンブリ１１０からビーム入射方向に処理室１１２を見たときの概略構成を示す。第２実施形態は、第１実施形態に係るイオンビーム計測装置１０をイオン注入装置１００に適用した例である。
【００６４】
イオン注入装置１００は、元素をイオン化してイオンビーム１０２を生成し基板（例えば半導体基板）１０４へと照射することにより、基板１０４にその元素を注入するイオン注入処理を行うための装置である。図１と同様に説明の便宜上、イオンビーム１０２の基板１０４への入射方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。ｚ方向は、ビームラインにおけるイオンビーム１０２の大局的な進行方向を指すものとする。また、後述するようにイオンビーム１０２を基板１０４に対し走査する場合には走査方向をｙ方向とし、ｚ方向及びｙ方向に垂直な方向をｘ方向と定義する。一実施例においてはｙｚ面は水平面であり、ｘ方向は鉛直方向である。
【００６５】
イオン注入装置１００は、第１実施形態に係るイオンビーム計測装置１０と共通の測定原理を使用してビームモニタ出力を与えるための非接触式のイオンビーム計測装置１０６を備える。イオンビーム計測装置１０６は、第１実施形態及びその変形例に係る各種のイオンビーム計測装置１０のうちいずれかであってもよい。
【００６６】
イオン注入装置１００は、イオン源１０８、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２を備える。イオン源１０８は、注入する元素をイオン化するよう構成されている。ビームラインアセンブリ１１０は、イオン源１０８にてイオン化されたイオンのうち基板１０４に注入すべきイオンを質量によって選別するための質量分析器１１４と、イオンビーム１０２を輸送し、加速し、整形し、または走査するためのビーム輸送系１１６と、を備える。質量分析器１１４の下流側には所定の質量のイオンからなるイオンビーム１０２をビーム輸送系１１６へと通過させるための質量分析スリット１１８が設けられている。
【００６７】
また、ビーム輸送系１１６は、イオンビーム１０２を少なくとも一方向（例えばｙ方向）に走査するためのビームスキャナ１２０を備える。ビームスキャナ１２０によるイオンビーム１０２のｙ方向の走査可能範囲を矢印１３８で図示する。
【００６８】
処理室１１２は、イオンビーム１０２をモニタするためのイオンビーム計測装置１０６を備える。イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２に測定ビーム１３０を作用させ、測定ビーム１３０を検出することによりイオンビーム１０２をモニタする。イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２に関連するモニタ出力を制御システム１２８に提供する。ビームモニタ出力は検出信号Ｓ１を含む。イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２に測定ビーム１３０を放射するための測定ビーム源１３４と、イオンビーム１０２に照射された測定ビーム１３０を検出するための測定ビーム検出器１３６と、を含む。
【００６９】
イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２の経路に向けて放射された測定電磁波を検出することにより、イオンビーム１０２に関連する出力を制御システム１２８に提供する。測定電磁波は例えば測定ビーム１３０である。イオンビーム計測装置１０６は、測定電磁波の反射電磁波または透過電磁波を検出することにより、イオンビーム１０２のイオン密度またはビーム電流密度を表す出力を制御システム１２８に提供する。
【００７０】
処理室１１２は、接触式のイオンビーム検出器（例えばファラデーカップ）１２２を備えてもよい。イオンビーム検出器１２２はビーム電流信号Ｓ２を制御システム１２８に出力してもよい。こうした接触式の検出器を設けることは必須ではない。イオンビーム検出器１２２は、イオンビーム走査方向に基板１０４に隣接する位置に配置することが好ましい。イオンビーム検出器１２２は、基板１０４の片側（図示の場合）または両側に配置してもよい。イオンビーム検出器１２２は、計測の必要に応じてビームラインに出し入れされる進退可能な検出器であってもよい。
【００７１】
また、イオン注入装置１００のイオンビーム計測系は、イオンビーム計測装置１０６及びイオンビーム検出器１２２に加えて、任意の計測器をさらに備えてもよい。なお、イオン注入装置１００は、制御システム１２８からの制御指令に応じて、またはイオンビーム計測装置１０６を含むイオンビーム計測系の計測結果に基づいて、イオンビーム１０２をビームラインの中途で遮断するためのビームシャッタ（図示せず）を備えてもよい。
【００７２】
また、処理室１１２は、基板１０４を支持するための基板支持部１２４を備える。基板１０４は基板支持部１２４に支持されて処理室１１２に収容されている。基板支持部１２４は、基板１０４をイオンビーム１０２に対し移動させるためのいわゆるメカニカルスキャン系として構成され、基板１０４を保持するためのテーブルまたはプラテンと、そのテーブルまたはプラテンを移動するための駆動機構と、を含む。メカニカルスキャン系は例えば、イオンビーム進行方向（ｚ方向）及び走査方向（ｙ方向）に垂直な方向（ｘ方向）の走査範囲に基板１０４を往復移動させるよう構成されている。こうした一方向のビームスキャンとその垂直方向へのメカニカルスキャン（以下では「機械的走査」ともいう）とを組み合わせるスキャン方式はハイブリッドスキャンと呼ばれることもある。
【００７３】
図８に示されるように、基板１０４には断面がスポット状のイオンビーム１０２が照射される。上述のようにイオンビーム１０２はｙ方向に走査され、基板１０４はｘ方向に機械的に走査される。イオンビーム１０２の走査範囲１３８において基板１０４の両側にイオンビーム検出器１２２が設けられている。イオンビーム検出器１２２は、基板１０４の周縁部外方に走査によって照射されたイオンビーム１０２に計測が制限される。これに対して、イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２が基板１０４の中心部にあるときにもイオンビーム１０２を計測することができるという点で有利である。
【００７４】
図７及び図８に示されるように、イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム１０２の走査方向とイオンビーム１０２の進行方向とにより定まる走査面に沿って測定ビーム１３０をイオンビーム１０２に照射する。測定ビーム１３０の照射方向が正確に走査面に沿うことは必ずしも要求されない。測定ビーム１３０の経路はイオンビーム１０２の走査範囲１３８を横断するように定められていればよい。図示されるように、測定ビーム源１３４から放射された測定ビーム１３０は、測定ビーム検出器１３６へと直線的に入射する。このようにして、イオンビーム１０２の走査位置にかかわらず連続的にイオンビーム１０２をモニタすることができる。
【００７５】
なおイオン注入装置１００はハイブリッドスキャン方式には限られない。イオン注入装置１００は例えば、一軸方向にビーム断面が延びるいわゆるリボンビームとその直交方向へのメカニカルスキャンとを組み合わせる走査方式を採用してもよい。あるいは、イオン注入装置１００は、スポットビームに対しビーム進行方向に垂直面内で２次元にメカニカルスキャンを行う方式を採用してもよい。いずれの走査方式であってもイオンビーム計測装置１０６は適用可能である。
【００７６】
図９は、第２実施形態に係るイオンビーム計測装置１０６の一変形例を示す図である。イオンビーム計測装置１０６は、複数の測定ビーム源１３４と複数の測定ビーム検出器１３６とを備えてもよい。複数の測定ビーム源１３４はイオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って配列されている。イオンビーム照射エリア１３９は例えばリボン状のイオンビームのビーム断面に相当する領域である。複数の測定ビーム検出器１３６は、イオンビーム照射エリア１３９を挟んで複数の測定ビーム源１３４に対向してイオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って配列されている。複数の測定ビーム検出器１３６の各々は、対応する測定ビーム源１３４からの測定ビーム１３０を受ける位置に配列されている。これにより、イオンビーム照射エリア１３９に交差する複数の測定ビーム１３０がイオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って配列されている。
【００７７】
イオンビーム計測装置１０６は、イオンビーム照射エリア１３９の複数の位置に測定ビーム１３０を照射する。それら複数の照射位置は、イオンビーム照射エリア１３９の長手方向に並んでいる。各照射位置へは、複数の測定ビーム源１３４のそれぞれから測定ビーム１３０が照射される。イオンビーム計測装置１０６は、それら複数位置に照射された測定ビーム１３０を複数の測定ビーム検出器１３６により検出する。複数の測定ビーム検出器１３６はそれぞれ検出信号Ｓ１を制御システム１２８に出力する。このようにして、イオンビーム照射エリア１３９におけるイオンビームの長手方向分布を得ることができる。
【００７８】
複数の測定ビーム１３０は、図示の例ではスポット状の測定ビームであるがこれに限られず、イオンビーム照射エリア１３９の長手方向の長さに相当する幅を持つリボン状または長尺の測定ビームであってもよい。それに対応して、互いに分離された複数の測定ビーム検出器１３６に代えて、リボン状または長尺の測定ビームを包含する検出領域をもつ一次元検出器アレイを設けてもよい。
【００７９】
また、計測対象はリボン状のイオンビームには限られず、イオンビーム照射エリア１３９を走査するスポットビームの計測のために図９に示すイオンビーム計測装置１０６の構成を採用してもよい。複数の測定ビーム源１３４及び複数の測定ビーム検出器１３６は、イオンビーム照射エリア１３９の長手方向に沿って可動式である測定ビーム源１３４及び測定ビーム検出器１３６であってもよい。この場合、可動式の測定ビーム源１３４及び測定ビーム検出器１３６は、測定ビーム１３０とスポットビームとの交差を継続するようにスポットビームの走査に同期して移動されてもよい。
【００８０】
図７及び図８に示すイオン注入装置１００はいわゆる枚葉式に構成されている。すなわち、イオン注入装置１００は、基板支持部１２４に一度に一枚の基板１０４が保持され、一枚ずつイオン注入処理が行われる形式である。なお必ずしも一枚ずつの処理に限られるわけではなく、基板支持部１２４は２枚以上を同時に保持して少なくとも一方向にメカニカルスキャンを提供するよう構成されていてもよい。また、イオン注入装置１００は、多数の基板を回転可能なテーブルに載置して回転させながらイオン注入を多数の基板に同時に行ういわゆるバッチ式に構成されていてもよい。
【００８１】
図７に示されるように、イオン注入装置１００は、イオン源１０８、ビームラインアセンブリ１１０、及び処理室１１２をイオン注入処理のための所望の真空環境に保つための真空排気系１２６を備える。真空排気系１２６は例えば、クライオポンプ等の高真空ポンプと、高真空ポンプの作動圧力まで粗引きをするための粗引きポンプとを備える。
【００８２】
また、イオン注入装置１００は、例えばイオン源１０８、質量分析器１１４、ビーム輸送系１１６、基板支持部１２４、及び真空排気系１２６を制御してイオン注入処理を実行するための制御システム１２８を備える。制御システム１２８は、検出信号Ｓ１及びビーム電流信号Ｓ２を含むビーム計測系からの入力信号、メモリに保存されている各種データ、及び操作者からの入力指令等に従って、イオン注入装置１００を統括的に制御する。制御システム１２８は、イオンビーム計測装置１０６のための専用の制御装置であってもよい。
【００８３】
制御システム１２８は例えば、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等を含む任意のハードウエアと、各種演算または制御を実行するためのプログラム等のソフトウエアと、を含んで構成される。制御システム１２８は、操作者からの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段や、他の装置との通信をするための通信手段、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含んでもよい。
【００８４】
制御システム１２８は、ビームスキャンを制御するためのビームスキャン制御部１４０と、基板１０４の機械的走査を制御するためのメカニカルスキャン制御部１４２と、イオンビームモニタ演算部１４４と、を含んでもよい。ビームスキャン制御部１４０、メカニカルスキャン制御部１４２、及びイオンビームモニタ演算部１４４の少なくとも１つの要素（例えばイオンビームモニタ演算部１４４）が他の要素とは別個の制御部を構成していてもよい。ビームスキャン制御部１４０、メカニカルスキャン制御部１４２、及びイオンビームモニタ演算部１４４は、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩ等のハードウエア、またはメモリにロードされたプログラム等のソフトウエアによって実現される機能ブロックを示す。これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００８５】
イオンビームモニタ演算部１４４は、検出信号Ｓ１及びビーム電流信号Ｓ２を含むビーム計測系からの入力信号に基づいて、ビームモニタ出力を演算する。ビームモニタ出力は例えば、イオンビーム１０２のビーム電流、または基板１０４に注入されるドーズ量である。制御システム１２８は、イオンビームモニタ演算部１４４によるビームモニタ出力を保存する。あるいは、制御システム１２８は必要に応じて、ビームモニタ出力を使用してもよいし、外部に出力してもよい。
【００８６】
制御システム１２８は、ビームモニタ出力に基づいて、基板１０４へのイオン注入処理中にイオンビーム１０２に変動が生じたか否かを判定してもよい。当該判定結果に基づいて、制御システム１２８は、当該基板１０４へのイオン注入処理について警告を出力してもよい。あるいは、制御システム１２８は、ビームモニタ出力に基づいて、イオンビーム１０２のビーム電流または基板１０４に注入されるドーズ量に変動が生じたビーム照射位置を特定してもよい。
【００８７】
イオン注入処理は、処理室１１２へと入射するイオンビーム１０２の進行方向に垂直な面内の方向のイオンビーム１０２と基板１０４との相対移動を含む。この相対移動は上述のように、イオンビーム１０２及び基板１０４の少なくとも一方の走査を含む。よって、制御システム１２８は例えば、ビームスキャン制御部１４０とメカニカルスキャン制御部１４２とを協調して動作させることにより、所与の走査シーケンスに従ってイオンビーム１０２のビームスキャンと基板１０４の機械的走査とを制御する。こうしてイオンビーム断面よりも一般には広いイオンビーム照射領域にわたってイオンビーム１０２を照射することができる。
【００８８】
ここで、走査シーケンスとは基板１０４上の表面全域またはその一部であるイオンビーム照射領域をイオンビーム１０２により走査するための手順をいう。走査シーケンスは、制御システム１２８に操作者により直接入力されて与えられてもよいし、所与のイオン注入処理を実現するよう制御システム１２８により設定されてもよい。
【００８９】
図１０は、第２実施形態に係る走査シーケンス１５０の一実施例を説明するための図である。この走査シーケンス１５０は、以下に詳述するように、本来的には基板１０４の外側にイオンビーム１０２を照射する必要のない枚葉式のイオン注入装置１００に好適な走査法を表す。例えばハイブリッドスキャン方式の場合、走査シーケンス１５０のうち一方向（例えばｘ方向）の走査はイオンビーム１０２に対する基板１０４の移動により行われ、他の一方向（例えばｙ方向）の走査はイオンビーム１０２のビームスキャンにより行われる。
【００９０】
走査シーケンス１５０は、走査開始位置１５２から開始され、走査終了位置１５４で終了する。走査開始位置１５２から走査終了位置１５４まで走査シーケンス１５０が制御システム１２８により実行されることにより、基板１０４上のイオン注入領域（例えば基板１０４の全域、または、基板１０４の周縁部を除く領域）の全体またはその一部へのイオンビーム照射が完了する。一実施例においては、制御システム１２８は、基板１０４上のイオン注入領域の輪郭または境界の内側をイオンビーム照射領域が占めるように設定された例えば蛇行状の走査シーケンス１５０を実行してもよい。走査シーケンス１５０の実行中、イオンビーム１０２はイオンビーム計測装置１０６により継続してまたは間欠的にモニタされることが好ましい。
【００９１】
走査シーケンス１５０は典型的には、第１方向への少なくとも１回の走査移動とその垂直方向である第２方向への少なくとも１回の走査移動とを含む。通常は図示されるように、走査シーケンス１５０は、第１方向への複数回の走査移動と第２方向への複数回の走査移動とを含み、第１方向への走査移動と第２方向への走査移動とを交互に含む。その結果として、走査開始位置１５２から走査終了位置１５４へと蛇行状の走査経路となる。ハイブリッドスキャンの場合、第１方向のビームスキャンと第２方向の基板１０４の機械的走査とが交互に繰り返されることになる。
【００９２】
一実施例においては、制御システム１２８は、イオンビーム１０２のビームスキャンによる走査範囲を基板１０４の機械的走査中に変更してもよい。すなわち、あるビームスキャンによる走査範囲と、それに続く次回のビームスキャンによる走査範囲と、を異ならせてもよい。各回のビームスキャンの走査範囲は例えば、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の幅に基づいて設定されてもよい。イオン注入領域は、イオンが注入されるべき基板１０４の領域をいう。イオン注入領域は、基板１０４の表面全域であってもよいし、基板１０４の表面の一部であってもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、基板１０４の走査方向の幅に一致させるようビーム走査範囲を機械的走査中に変更してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、イオン注入領域の走査方向の幅に一致させるようビーム走査範囲を機械的走査中に変更してもよい。
【００９３】
また、制御の簡単のために、制御システム１２８は、ビームスキャンの走査範囲を、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の最大幅に基づいて固定値に設定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、ビームスキャンの走査範囲を基板１０４の最大幅（例えば円形基板の場合、直径）に固定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、ビームスキャンの走査範囲をイオン注入領域の最大幅に固定してもよい。
【００９４】
図１０には比較のために、典型的なイオン注入処理におけるイオンビームの照射領域１６０を示す。照射領域１６０は矩形領域となる。図示されるように、基板１０４に比べて（すなわち走査シーケンス１５０の占める領域に比べて）、かなり広い範囲にわたってイオンビームが照射されることがわかる。基板１０４の外側は、イオン注入という本来の目的からすればイオンビームを照射する必要のない区域である。典型的な構成においてこうした区域にも照射されるのは、毎回のビームスキャンでファラデーカップによりビーム電流を計測するために、ビームスキャン長さがファラデーカップの配置に制約され固定されているからである。
【００９５】
よって、第２実施形態に係る走査シーケンス１５０によれば、必ずしもイオン注入を要しない領域を最小化することができる。好ましくは、イオンビームの照射領域をイオン注入領域に一致させることができる。走査シーケンス１５０の総走査距離を短くすることができるので、イオン注入処理のスループットを改善することができる。イオン注入不要領域への照射が最小化され、イオン材料の消費も抑制される。
【００９６】
走査シーケンス１５０は、イオンビーム検出器１２２をイオンビーム１０２が経由する第１走査と、イオンビーム検出器１２２を経由せずにイオンビーム１０２が基板１０４を走査する第２走査と、を含んでもよい。図１０においては第１走査の例を破線で示し、第２走査の例を実線で示す。第１走査はビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方、またはそれら両方を含んでもよい。第２走査もまた上述のように、ビームスキャン及びメカニカルスキャンの少なくとも一方、またはそれら両方を含んでもよい。
【００９７】
そのために、走査シーケンス１５０は例えば、イオンビーム検出器１２２を走査範囲に含む相対的に長距離のビームスキャン１５６と、イオンビーム検出器１２２を走査範囲に含まない相対的に短距離のビームスキャン１５８と、を含んでもよい。長いビームスキャン１５６は、基板１０４上のイオン注入領域とイオンビーム検出器１２２とを走査範囲に含むよう走査距離が定められ、短いビームスキャン１５８は、基板１０４上のイオン注入領域のみを走査範囲に含むよう走査距離が定められてもよい。走査シーケンス１５０は、長いビームスキャン１５６を少なくとも１回含むようにしてもよい。このようにすれば、イオンビーム計測装置１０６とイオンビーム検出器１２２とを併用してイオンビーム１０２を監視しながらイオン注入処理を行うことができる。
【００９８】
なお、他の一実施例においては、走査シーケンス１５０と同様にして、制御システム１２８は、リボン状のイオンビームのビーム幅を、基板に照射される位置に応じて変化させてもよい。このようにしても、イオン注入が不要な領域への照射を最小化して、イオン材料の不必要な消費を抑制することができる。
【００９９】
すなわち、イオンビーム１０２は、長手方向（基板１０４の表面を横断する方向）に延びる断面形状をもつイオンビームであってもよい。制御システム１２８は、イオンビーム１０２の長手方向のビーム幅を基板１０４の機械的走査中に変更してもよい。イオンビーム１０２のビーム幅は、基板１０４上のイオン注入領域の当該長手方向の幅に基づいて設定されてもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、基板１０４の幅に一致させるようビーム幅を変更してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、イオン注入領域の幅に一致させるようビーム幅を変更してもよい。
【０１００】
また、制御の簡単のために、制御システム１２８は、イオンビーム１０２のビーム幅を、基板１０４上のイオン注入領域の走査方向の最大幅に基づいて固定値に設定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面全域である場合には、制御システム１２８は、基板１０４の最大幅にビーム幅を固定してもよい。イオン注入領域が基板１０４の表面の一部である場合には、制御システム１２８は、イオン注入領域の最大幅にビーム幅を固定してもよい。
【０１０１】
更なる一実施例においては、制御システム１２８は、イオンビーム１０２と基板１０４との相対位置情報とイオンビーム計測装置１０６の出力とに基づいてイオンビーム１０２の強度に変動が生じた位置を特定してもよい。制御システム１２８は、ある時点におけるビームスキャン位置情報とその時点のビームモニタ出力とを関連付けることにより、そのビームモニタ出力が得られたビームスキャン位置を特定してもよい。制御システム１２８は、ある時点におけるメカニカルスキャン位置情報とその時点のビームモニタ出力とを関連付けることにより、そのビームモニタ出力が得られたメカニカルスキャン位置を特定してもよい。こうして得られたビームスキャン位置情報とメカニカルスキャン位置情報とを総合することにより、制御システム１２８は、ビームモニタ出力に対応する基板１０４上のイオンビーム照射位置を特定してもよい。このようにすれば、イオンビーム１０２に変動が生じたイオンビーム照射位置を求めることができる。
【０１０２】
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。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ イオンビーム計測装置、 １２ 測定ビーム、 １４ イオンビーム、 ２０ 測定ビーム源、 ２２ 測定ビーム検出器、 １００ イオン注入装置、 １０２ イオンビーム、 １０４ 基板、 １０６ イオンビーム計測装置、 １１２ 処理室、 １２２ イオンビーム検出器、 １２８ 制御システム、 １３０ 測定ビーム、 １３４ 測定ビーム源、 １５０ 走査シーケンス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物へのイオンビームによるイオン注入処理を制御するための制御システムと、
イオンビーム経路に向けて放射された測定電磁波の反射または透過を検出することにより、前記イオンビームに関連する出力を前記制御システムに提供するイオンビーム計測装置と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記イオンビーム計測装置は、走査による前記イオンビームの通過領域を前記測定電磁波が横断するように前記測定電磁波を前記イオンビームに放射することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記イオンビームの入射を受けて前記イオンビームを計測するためのイオンビーム検出器をさらに備え、
前記制御システムは、前記イオンビーム検出器を前記イオンビームが経由する第１走査と、前記イオンビーム検出器を経由せずに前記イオンビームが被処理物を走査する第２走査と、を含む走査シーケンスを実行することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記制御システムは、前記イオンビームの走査範囲が前記被処理物の幅に一致するよう、前記走査範囲の変更を前記被処理物の機械的走査中に許容することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記制御システムは、前記被処理物の最大幅に基づいて前記イオンビームの走査範囲を固定値に設定することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
【請求項６】
前記制御システムは、前記イオンビームと前記被処理物との相対位置情報と前記イオンビーム計測装置の出力とに基づいて前記イオンビームに変動が生じた位置を特定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のイオン注入装置。
【請求項７】
前記イオンビームは、長手方向に延びる断面形状をもつイオンビームであり、
前記イオンビーム計測装置は、前記イオンビームの前記長手方向の複数位置に前記測定電磁波を照射し、該複数位置に照射された前記測定電磁波を検出することにより、前記イオンビームの前記長手方向分布を前記制御システムに提供することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項８】
前記イオンビームは、長手方向に延びる断面形状をもつイオンビームであり、
前記制御システムは、前記イオンビームの前記長手方向の幅が前記被処理物の幅に一致するよう、前記イオンビームの前記長手方向の幅の変更を前記被処理物の機械的走査中に許容することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項９】
前記イオンビームは、長手方向に延びる断面形状をもつイオンビームであり、
前記制御システムは、前記被処理物の最大幅に基づいて前記イオンビームの前記長手方向の幅を固定値に設定することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項１０】
イオンビームの経路に向けて電磁波を放射するための電磁波源と、
前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出するための検出器と、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１１】
前記検出器の検出結果に基づいて前記イオンビームのプラズマ周波数を演算する演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のイオンビーム計測装置。
【請求項１２】
前記電磁波源は、前記電磁波の周波数を変更可能であることを特徴とする請求項１０または１１に記載のイオンビーム計測装置。
【請求項１３】
前記電磁波源は、周波数幅をもつ前記電磁波を放射するよう構成されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載のイオンビーム計測装置。
【請求項１４】
請求項１０から１３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１５】
イオンビームに電磁波を放射することと、
前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出することと、を含むことを特徴とするイオンビーム計測方法。
【請求項１】
被処理物へのイオンビームによるイオン注入処理を制御するための制御システムと、
イオンビーム経路に向けて放射された測定電磁波の反射または透過を検出することにより、前記イオンビームに関連する出力を前記制御システムに提供するイオンビーム計測装置と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記イオンビーム計測装置は、走査による前記イオンビームの通過領域を前記測定電磁波が横断するように前記測定電磁波を前記イオンビームに放射することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記イオンビームの入射を受けて前記イオンビームを計測するためのイオンビーム検出器をさらに備え、
前記制御システムは、前記イオンビーム検出器を前記イオンビームが経由する第１走査と、前記イオンビーム検出器を経由せずに前記イオンビームが被処理物を走査する第２走査と、を含む走査シーケンスを実行することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記制御システムは、前記イオンビームの走査範囲が前記被処理物の幅に一致するよう、前記走査範囲の変更を前記被処理物の機械的走査中に許容することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記制御システムは、前記被処理物の最大幅に基づいて前記イオンビームの走査範囲を固定値に設定することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
【請求項６】
前記制御システムは、前記イオンビームと前記被処理物との相対位置情報と前記イオンビーム計測装置の出力とに基づいて前記イオンビームに変動が生じた位置を特定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のイオン注入装置。
【請求項７】
前記イオンビームは、長手方向に延びる断面形状をもつイオンビームであり、
前記イオンビーム計測装置は、前記イオンビームの前記長手方向の複数位置に前記測定電磁波を照射し、該複数位置に照射された前記測定電磁波を検出することにより、前記イオンビームの前記長手方向分布を前記制御システムに提供することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項８】
前記イオンビームは、長手方向に延びる断面形状をもつイオンビームであり、
前記制御システムは、前記イオンビームの前記長手方向の幅が前記被処理物の幅に一致するよう、前記イオンビームの前記長手方向の幅の変更を前記被処理物の機械的走査中に許容することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項９】
前記イオンビームは、長手方向に延びる断面形状をもつイオンビームであり、
前記制御システムは、前記被処理物の最大幅に基づいて前記イオンビームの前記長手方向の幅を固定値に設定することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項１０】
イオンビームの経路に向けて電磁波を放射するための電磁波源と、
前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出するための検出器と、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１１】
前記検出器の検出結果に基づいて前記イオンビームのプラズマ周波数を演算する演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のイオンビーム計測装置。
【請求項１２】
前記電磁波源は、前記電磁波の周波数を変更可能であることを特徴とする請求項１０または１１に記載のイオンビーム計測装置。
【請求項１３】
前記電磁波源は、周波数幅をもつ前記電磁波を放射するよう構成されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載のイオンビーム計測装置。
【請求項１４】
請求項１０から１３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１５】
イオンビームに電磁波を放射することと、
前記イオンビームによって反射された前記電磁波、または前記イオンビームを透過した前記電磁波を検出することと、を含むことを特徴とするイオンビーム計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−３７９４３（Ｐ２０１３−３７９４３Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４０６１（Ｐ２０１１−１７４０６１）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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