イオン注入装置
【課題】 主として、基板に入射する際のイオンビームの平行度調整が容易なイオン注入装置を提供する。
【解決手段】 イオン注入装置において、平行化電磁石１０の内側磁極間隔Ｄｉ、外側磁極間隔Ｄｏの一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構２０を備え、この磁極間隔制御機構２０は、平行化電磁石１０の上部磁極１２と下部磁極１４との接合部に、上部磁極１２が下部磁極１４に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸２２と、平行化電磁石１０の上部磁極１２と下部磁極１４とを接合すると共に磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏを調整可能とするボルト２４とを備えている構成とした。
【解決手段】 イオン注入装置において、平行化電磁石１０の内側磁極間隔Ｄｉ、外側磁極間隔Ｄｏの一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構２０を備え、この磁極間隔制御機構２０は、平行化電磁石１０の上部磁極１２と下部磁極１４との接合部に、上部磁極１２が下部磁極１４に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸２２と、平行化電磁石１０の上部磁極１２と下部磁極１４とを接合すると共に磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏを調整可能とするボルト２４とを備えている構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入装置に係り、特に、基板に入射する際のイオンビームの平行度調整が容易なイオン注入装置、及び、走査器の偏心中心と平行化電磁石の焦点位置がずれた場合でも容易に調整可能なイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン源からのイオンを所望のエネルギーに加速又は減速し、半導体等の固体表面に注入する種々のタイプのイオン注入装置が実用に供されている（特許文献１参照）。
以下、従来のイオン注入装置の一例について、図８を用いて説明する。
図８は、従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
【０００３】
イオン注入装置１００の主要構成は、図８に示すように、イオン源１１０、質量分離器１２０、質量分離スリット１３０、加減速管１４０、四重極レンズ１５０、走査器１６０、平行化装置１７０である。
なお、同図中、１８０は、図示しないエンドステーションに配置されたイオンを注入するターゲットとなる基板である。
また、ＢＭは、中心軸（以下、「光軸」ともいう）を中心に進行するイオンであるが、以下、「イオンビーム」又は「ビーム」という場合がある。
【０００４】
以下、イオン注入装置１００の上記各主要構成について、順次、補足説明する。
先ず、イオン源１１０は、原子や分子から電子を剥ぎ取ってイオンを生成する装置であり、図示しない引き出し口に高電圧を印加して、イオン源１１０内のイオンを引き出す。
【０００５】
質量分離器１２０は、イオンや電子等の荷電粒子が磁場又は電場中で偏向される性質を利用して、磁場、或いは、電場、又は、その双方を発生して、基板１８０に注入したいイオン種を特定するための装置である。
図８では、磁場の作用によりイオンＢＭを選定するタイプの質量分離器１２０で図示されている。
【０００６】
加減速管１４０は、質量分離スリット１３０を通過した所望のイオン種を加速又は減速する装置であるが、図８に示すように、通常は軸対象で、複数の電極を等間隔に並べ、それらの電極に等しい高電圧を印加して、静電界の作用により、イオンビームＢＭを所望の注入エネルギーに加速又は減速する。
なお、加減速管１４０を軸対称の構造とするのは、製作が容易となるためである。
【０００７】
四重極レンズ１５０は、イオンビームＢＭの基板１８０上でのビームスポット形状を調整するために、図８に示すように、加減速管１４０と走査器１６０との間に設置される場合が多い。
四重極レンズ１５０は、光学上の凸レンズが光を収束するのと同様に、イオンビームＢＭがその進行方向に対して垂直な平面において収束させる機能を有する。
【０００８】
走査器１６０は、イオンビームＢＭの進行方向と直交する方向に一様な外部電界を発生させ、この電界の極性や強度を変化させることにより、イオンの偏向角度を制御し、図８に示すように、基板１８０の注入面の所望の位置にイオンＢＭを走査し、均一に注入する。
図８に示すものでは、１ｋＨｚ程度の高速で走査されている。
【０００９】
平行化装置１７０は、荷電粒子であるイオンＢＭが磁場中で偏向される性質を利用して、イオンビームＢＭを構成する各イオンの経路の違いによって、ビームの広がりを抑えて、ビームＢＭを基板１８０に平行に入射させる電磁石である。
従って、以下、「平行化装置」を「平行化電磁石」という場合がある。
【００１０】
この平行化装置１７０について、図８及び図９を用いて補足説明する。
図９は、平行化装置１７０の断面図である。
平行化装置１７０の主要構成は、図８及び図９に示すように、主として、上部磁極１７２、下部磁極１７４、励磁コイル１７６から構成される。
また、上部、下部磁極１７２、１７４の平面形状は扇形であり、断面形状は、図９に示すように、上部、下部磁極１７２、１７４間のギャップ形状がＨ字であるＨ型電磁石である。
【００１１】
次に、この平行化装置１７０の基本動作を説明する。
一般に、図８に示す平行化電磁石１７０のような扇形電磁石は、イオンビームＢＭを収束させる収束レンズ作用を持つ。
そこで、扇形電磁石である平行化装置１７０の焦点位置が、走査器１６０の偏向中心に一致するように配置することにより、平行化装置１７０を通過したイオンビームは走査器１６０での走査角度に依存せずに一定の角度になる。
従って、走査器１６０の下流側に平行化装置１７０を、上記した位置関係となるように配置することにより、イオンビームＢＭをスキャンさせても、平行に基板１８０に注入することができる。
【００１２】
以上の構成において、次に、従来のイオン注入装置１００の基本動作を図８を用いて説明する。
従来のイオン注入装置１００では、基板１８０のイオンＢＭの注入面全面に渡って一様な密度で所定のイオン種を所定のエネルギーでイオン注入を行うために、イオン源１１０から所定のエネルギーで引き出されたイオンビームＢＭは、質量分離器１２０で偏向され、質量分離スリット１３０で所定のイオン種のみが選別される。
【００１３】
選別されたイオンビームＢＭは加減速管１４０で、所望のエネルギーに加速又は減速され、上述したように、１ｋＨｚ程度の周期の外部電界を走査器１６０に印加し、更に、平行化装置１７０により平行化された後に、基板１８０の走査面に走査される。
なお、上記では、外部電界によりイオンビームＢＭをスキャンする静電タイプの走査器１６０を取り上げたが、走査器１６０には静電タイプの代わりに磁気タイプのものが用いられる場合がある。
【００１４】
イオンＢＭが固体中に入り込む深さは、イオンＢＭのエネルギーで正確に制御できるので、例えば、イオン注入装置１００の立ち上げ時等で、イオンビームのドーズ量分布をモニタリングすることにより、基板１８０の注入面にイオンビームＢＭを走査することにより所望のイオン種の均一なイオン注入処理が容易に行える。
【００１５】
【特許文献１】特開平８−２１３３３９号
【非特許文献１】T.Nishihashi et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)150-
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、半導体デバイスの微細化に伴い、イオン注入装置においても、基板に注入されるイオンビームの平行度に対する要求がますます厳しくなっている。
具体的には、基板全面に渡って±０．１°程度の平行度を維持することが望ましい。
【００１７】
一方、電磁石の磁場分布の形状は、電磁石を構成する磁極の形状とは若干異なるが、このことを図８を用いて補足説明する。
平行化電磁石１７０のような電磁石のイオンビームＢＭの軸方向の磁場分布は、イオンビームＢＭの入射側磁極端面１７０ａで急に設計磁場強度に立ち上がり、出射側磁極端面１７０ｂで、急に０に立ち下がるのではなく、磁極端面１７０ａ、１７０ｂ近傍内側からなだらかに設計値から０に収束するテール状の漏洩磁場を持つ形状である。
【００１８】
また、一般に、電磁石の磁極やヨークを構成する純鉄などの磁性材料の透磁率が、特に、磁気飽和を起こす近傍で非線形特性を持つために、磁場の強さによっても上記した磁場分布の形状が若干異なる場合もある。
【００１９】
従って、これらの理由により、平行化装置１７０において、磁極端面１７０ａ、１７０ｂにおける有効端面が設計値と異なり、走査器１６０の偏向中心と平行化装置１７０の焦点が設計値と若干ずれる可能性がある。
【００２０】
ここで、上記した「有効端面」について補足説明をする。
上述したように、電磁石は磁極端面で漏洩磁場を持つが、ビームラインの設計段階では、この漏洩磁場の形状を考慮して補正した実効的な磁場の端面を算出して、電磁石の磁場は、入射側有効端面から設計磁場強度に立ち上がり、出射側有効端面で０に立ち下がり、有効端面間では一様磁場であるという矩形の等価の磁場形状に近似する。
こうすると、一様磁場中では、荷電粒子は円軌道又は円弧軌道を描くことは良く知られているので、イオンビームＢＭの電磁石入出射前後の軌道は、電磁石中の一様磁場に入射するまでは直線になり、電磁石中では円弧となり、イオンビームＢＭの軌道解析が非常に簡単になる。
【００２１】
ところで、上記したように、従来のイオン注入装置１００では、平行化装置１７０を通過した後のイオンビームＢＭの角度が走査角度によってよって若干異なり、基板１８０上の位置によって注入角度が変化してしまうという問題がある。
この平行化装置１７０の有効端面が設計値と異なったり、磁場の強度が変化したりすることによって、平行化装置１７０を通過したイオンビームが平行でなくなってしまう従来装置の問題を図１０を用いて説明する。
図１０は、従来のイオン注入装置１００において、平行化装置１７０を通過したイオンビームＢＭが平行でなくなってしまう問題を説明するための平面図である。
【００２２】
図１０に示すように、平行化装置１７０において、イオンビームＢＭの入射側の有効端面の設計値をＡ１、出射側の有効端面の設計値をＢ１とする。
一方、入射側の実際の有効端面をＡ２、出射側の実際の有効端面をＢ２とし、走査器１６０における偏向中心をＣとする。
【００２３】
なお、以下、平行化電磁石１７０の作る磁場は、上記した通り、設計値では、入射側の有効端面Ａ１から設計磁場強度に立ち上がり、出射側の有効端面Ｂ１から０に立ち下がり、入射側の有効端面Ａ１から出射側の有効端面Ｂ１の間は設計された一様磁場であるという近似を行う。
また、実際上の有効端面Ａ２、Ｂ２における磁場についても同様の近似を行う。
【００２４】
このようにすると、入射側の有効端面Ａ１から出射側の有効端面Ｂ１までは、イオンビームは円弧軌道を描くと見なすことができるので、平行化電磁石１７０が作るイオンビームＢＭの軌道は、設計上では、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ１のようになり、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ２のようになるはずである。
【００２５】
しかし、有効端面が、上述した理由などにより、有効端面Ａ２、Ｂ２のように変化した場合、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ３のようになり、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ４のようになる。
即ち、従来のイオン注入装置１００では、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームの角度が、走査器１６０による走査角度に依存して変化してしまうことが示される。
【００２６】
ところで、平行化電磁石１７０の入射部及び出射部の端面１７０ａ、１７０ｂは、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭに対して斜めの角度を持たせたり曲線としたりする（図８では斜め入出射）。
しかし、ここでは、以下、具体的には数値を検討するに当たり、簡単のために平行化電磁石１７０の入射部及び出射部の端面１７０ａ、１７０ｂは、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭに対して垂直であるとし、かつ、線形光学理論で考える。
【００２７】
平行化電磁石１７０における基板１８０の中央に到達させるイオンビームの偏向角をθ、イオンビームの旋回半径をＲ、走査器１６０の偏向中心Ｃと平行化電磁石１７０の有効端面Ａ１までの距離をＬとし、走査器１６０を通過後のイオンビームが基板１８０中央に到達させるイオンビームＢＭとなす角をδ１とすると、平行化電磁石１７０を通過後のイオンビームＢＭが基板１８０の中央に到達させるイオンビームとなす角δ２は、次式（１）で与えられる。
【数１】
【００２８】
従って、例えば、平行化電磁石１７０の偏向角θを６０°、旋回半径Ｒを０．８ｍとすると、走査器１６０の偏向中心Ｃと有効端面Ａ１との距離Ｌが、０．４６１ｍであれば、平行化電磁石１７０を通過後の角度δ２は、走査器１６０を通過後の角度δ２に依存せずに常に０°である。
【００２９】
しかし、有効端面Ａ２、Ｂ２が入射側および出射側でそれぞれΔＬ＝５０ｍｍ広がったとする。
この場合、平行化電磁石１７０での基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの偏向角θが設計値と一致するためには、平行化電磁石１７０での旋回半径Ｒ´は、
Ｒ´＝Ｒ＋２ΔＬ／θ ・・・ （２）
とする必要があるため、Ｒ´＝０．８９５ｍとなる。
【００３０】
また、偏向中心と有効端面との距離は、
Ｌ´＝Ｌ−ΔＬ
となるため、Ｌ´＝０．４１１ｍとなる。
この結果、走査器１６０を通過後の角度が５°のイオンビームは、平行化電磁石１７０を通過後の角度が０．５°となってしまい、上記した平行度に対する要求の上限に到達してしまう。
【００３１】
このように、従来のイオン注入装置１００では、平行化電磁石１７０の実際の有効端面Ａ２、Ｂ２が、設計値の有効端面Ａ１、Ｂ１と異なるなどの理由で、基板１８０に入射するイオンビームの角度が基板１８０上の位置によって変化してしまうという問題があった。
【００３２】
また、従来のイオン注入装置１００では、図９に示すように、平行化電磁石１７０を一旦製作してしまうと、励磁コイル１７６の励磁電流量で、イオンビームＢＭのイオン種やエネルギーに合わせて磁場の強度を調整する機能を有するのみであり、例えば、径方向での磁場強度分布を調整する機能を一切有さず、有効端面がずれた場合には何ら対応できないという問題を備えていた。
【００３３】
更に、従来のイオン注入装置１００では、図８に示すように、走査器１６０を一旦ビームライン中に設置してしまうと、上記した理由等で平行化電磁石１７０の有効端面がずれ、これにより走査器１６０の偏心中心と平行化電磁石１７０の焦点位置がずれた場合に、何ら対応できないという問題も備えていた。
【００３４】
本発明は、上記従来の課題を解決し、基板に入射する際のイオンビームの平行度調整が容易なイオン注入装置、及び、走査器の偏心中心と平行化電磁石の焦点位置がずれた場合でも容易に調整可能なイオン注入装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明のイオン注入装置は、請求項１に記載のものでは、イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構を有し、前記平行化電磁石の磁極間磁場強度分布が調整可能である構成とした。
【００３６】
請求項２に記載のイオン注入装置は、前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構は、前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極との接合部に、前記上部磁極が前記下部磁極に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸と、前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極とを接合すると共に磁極間距離を調整可能とする１又は２以上のボルトとを備えている構成とした。
【００３７】
請求項３に記載のイオン注入装置は、イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、走査器により走査すると共に、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、前記走査器の軸方向位置が、変更可能となる位置制御機構を有し、前記走査器の偏向中心位置が調整可能である構成とした。
【００３８】
請求項４に記載のイオン注入装置は、前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、前記可動体を前記レールの所望の位置に固定する固定具とを備えた構成とした。
【００３９】
請求項５に記載のイオン注入装置は、前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、前記イオンの中心軸方向に平行に配置されると共に前記可動体を位置制御するボールネジとを備えた構成とした。
【発明の効果】
【００４０】
本発明のイオン注入装置は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、平行化電磁石を一旦製作した後でも、イオンビームの平行度を容易に調整することができる。
【００４１】
（２）請求項２に記載したように構成すると、簡単な構成の磁極間隔制御装置とすることができる。
【００４２】
（３）請求項３に記載したように構成すると、一旦ビームライン上に走査器を配置した後でも、走査器の偏向中心の軸方向位置を容易に調整することができる。
【００４３】
（４）請求項４に記載したように構成すると、簡単な構成の位置制御装置とすることができる。
【００４４】
（５）請求項５に記載したように構成すると、簡単な構成の位置制御装置とすることができるほか、遠隔操作で、リアルタイムで走査器の偏向中心を調整することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
本発明のイオン注入装置の第１乃び第２の各実施の形態について、図１乃至図７を用いて、順次説明する。
第１の実施の形態：
先ず、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態について、図１乃至図３を用い、図８を参照して説明する。
【００４６】
図１は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の主要構成を示す断面図である。
図２は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための断面図である。
図３は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための平面図である。
【００４７】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置の基本構成について説明する。
本実施の形態のイオン注入装置の特徴は、図８に示す従来のイオン注入装置１００において、平行化装置１７０を改良した点にある。
従って、以下、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行化装置を中心に説明し、それ以外の各構成については、図８に示す従来のイオン注入装置１００と同一の構成であり、その説明については割愛するものとする。
【００４８】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行化電磁石１０の基本構成について説明する。
本実施の形態の平行化電磁石１０は、図１に示すように、上部磁極１２、下部磁極１４、励磁コイル３０を具備すると共に、平行化電磁石１０の内側磁極間隔Ｄｉ、外側磁極間隔Ｄｏが変更可能となる磁極間隔制御機構２０を有したことに特徴がある。
また、図１は、平行化電磁石１０を上流側から眺めた断面図であり、左側が走査器１６０で平行化電磁石１０の外側に偏向されたイオンビームＢＭが通過する領域、即ち、外側磁極１６を表し、右側が内側磁極１８を表すものとする。
なお、図１に示すようなＨ型電磁石１０では、外側磁極１６と内側磁極１８との明確な境界はないが、中心より左側を外側磁極１６、中心より右側を内側磁極１８とするものとする。
【００４９】
また、当該磁極間隔制御機構２０は、平行化電磁石１０の上部磁極１２と下部磁極１４との接合部に、上部磁極１２が下部磁極１４に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸２２と、上部磁極１２と下部磁極１４とを接合すると共に磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏが調整可能とする１又は２以上（図示のものは２）のボルト２４とを備えている。
また、図１に示すように、上部磁極１２と下部磁極１４との接合面の左右両端部は、磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏの調整が容易になるために、数度の角度のテーパーが設けられている。
【００５０】
次に、本実施の形態の平行化電磁石１０の基本動作を図１乃至図５を用いて説明する。
本実施の形態の平行化電磁石１０の基本動作の特徴は、上部磁極１２と下部磁極１４とを接合するボルト２４により、内側及び外側磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏの一方又は両方を制御することにより、平行化電磁石１０の径方向磁場強度を制御し、平行化電磁石１０の実際の有効端面が、設計値の有効端面と異なるなどの理由で、基板に入射するイオンビームの角度が基板上の位置によって変化してしまうという問題を解決することである。
なお、ここでは、磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏが大きくなると磁場強度が小さくなり、磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏが小さくなると磁場強度が大きくなるという電磁石の性質を利用している。
【００５１】
次に、本実施の形態の平行化電磁石１０の基本動作を図１乃至図３を用いて検証するが、平行化電磁石１０におけるイオンビームＢＭの偏向面は水平面内にあるものとする。
図２に、平行化電磁石１０のイオンビームＢＭの光軸（中心軸）に直交する面での断面図を示す。
なお、図２においては、図面の簡略化のために、磁極間隔制御機構２０の図示は省略している。
【００５２】
先ず、平行化電磁石１０において、実際の有効端面Ａ２が設計上の有効端部Ａ１よりも外側にずれた場合を、図３を用いて考察する。
図３に示したように、走査器１６０で平行化電磁石１０の外側に走査されたイオンビームＢＭは外側に、平行化電磁石１０の内側に走査されたイオンビームＢＭは内側に角度を持って出射する。
【００５３】
この場合には、図２に示したように、平行化電磁石１０の下側磁極１４と上側磁極１２の間を、図１に示すボルト２４及び回転軸２２によりイオンビームの内側に偏向された側で広くなるように機械的に調整する。
上側磁極１２の内側を上げて、外側の磁極間距離Ｄｏより内側の磁極間距離Ｄｉが大きくなるように調整すると、外側の磁場が内側の磁場よりも相対的に強くなる。
【００５４】
この状態で、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの旋回半径が設計値に等しくなるように平行化電磁石１０の磁場を若干強くすると、外側を通過するイオンビームＢＭの旋回半径は若干小さくなり、内側を通過するイオンビームＢＭの旋回半径は若干大きくなる。
【００５５】
この結果、外側を通過するイオンビームＢＭと内側を通過するイオンビームＢＭが同じ角度となり、基板１８０の位置に関わらず、一定の角度で、基板１８０へのイオン注入ができる。
この状態を図３に示す。
図３では、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの調整前の軌道を実線Ｋ７で、調整後の軌道を破線Ｋ６で示す。
【００５６】
外側に偏向されたイオンビームＢＭの平行化電磁石１０における旋回半径Ｒ″が、調整前の旋回半径Ｒ´より若干小さくなり、外側に開いていたイオンビームＢＭの軌道が設計通りに基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭと平行になるように修正されていることが分かる。
【００５７】
逆に、平行化電磁石１０の有効端部Ａ２が設計値の有効端部Ａ１（図１０参照）より内側にずれた場合は、下側磁極１６と上側磁極１４の間隔を、イオンビームが外側に偏向された側で広くなるように図２とは逆の方向に機械的に調整すればよい。
【００５８】
即ち、本実施の形態のイオン注入装置の平行化電磁石１０は、従来のものとは相違して、一旦平行化電磁石１０を製作した後でも、イオンビームＢＭの平行度を容易に調整することができる。
【００５９】
次に、本実施の形態の平行化電磁石１０において、上記した有効端部の変化による偏向角のずれと、偏向角のずれと、このときの内側、外側磁極間ギャップＤｉ、Ｄｏの調整幅との関係について図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための断面図である。
図５は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための平面図である。
【００６０】
ところで、有効端部の変化により、平行化電磁石１０において、図５に示すように、旋回半径がＲからＲ＋ΔＲに微小に変化した場合、偏向角のずれΔθは次式（３）で与えられる。
【数３】
【００６１】
一般に、Ｒ∝１／Ｂ（Ｂは磁束密度とする）、Ｂ∝１／Ｄ（Ｄは磁極間ギャップ：図４参照）なので、偏向角をΔθだけ修正するには、
【数４】
従って、Δθ＝０．５°、θ＝６０°とすると、ΔＤ／Ｄ＝１％となる。
ここで、図４に示す、平行化電磁石１０の端部における調整幅ΔＸとΔＤとの関係は、平行化電磁石１０の構造にも依るが、概ね、ΔＸは、磁極間ギャップＤの数％程度でよい。
【００６２】
第２の実施の形態：
先ず、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態について、図６乃び図７を用い、図８を参照して説明する。
【００６３】
図６は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の主要構成を示す斜視図である。
図７は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の基本動作を説明するための断面図である。
【００６４】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置の基本構成について説明する。
本実施の形態のイオン注入装置の特徴は、図８の従来のイオン注入装置１００において、走査器１６０を改良した点にある。
従って、以下、本実施の形態のイオン注入装置に用いる走査器４０を中心に説明し、それ以外の各構成については、図８に示す従来のイオン注入装置１００と同一の構成であり、その説明については割愛するものとする。
【００６５】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置に用いる走査器４０の基本構成について説明する。
本実施の形態の走査器４０は、図６に示すように、走査器４０のイオンビームＢＭの軸方向位置が、変更可能となる位置制御機構５０を有することを特徴としている。
【００６６】
この当該位置制御機構５０は、イオンビームＢＭの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上（図示のものは２）のレール５４と、走査器本体１６０を載置すると共にレール５４上を移動可能となる可動体５２と、この可動体５２をレール５４の所望の位置に固定する固定具５６とを備えた構成である。
５８は、高電圧が印加される走査器本体１６０を支持する絶縁碍子である。
【００６７】
次に、本実施の形態の走査器４０の基本動作を図７を用いて説明する。
本実施の形態の走査器４０の基本動作の特徴は、走査器４０の軸方向位置を機械的に調整することにより、走査器４０の偏向中心を制御し、平行化電磁石１７０の実際の有効端面が、設計値の有効端面と異なるなどの理由で、基板１８０に入射するイオンビームの角度が基板１８０上の位置によって変化してしまうという問題を解決することである（図８参照）。
【００６８】
以下、本実施の形態の走査器４０の基本動作を図７を用いて検証する。
平行化電磁石１７０の実際の有効端面Ａ２が設計値の有効端面Ａ１（図１０参照）よりも外側にずれた場合は、偏向中心Ｃで外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ９のようになり、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームＢＭは開き気味になる。
【００６９】
この場合、本実施の形態のイオン注入装置では、走査器４０を上流側に移動し、走査器４０における偏向中心を設計値上のＣからＣ´に移動させることにより、外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ１０のようになり、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームＢＭは走査器４０による偏向角度に依存せずに一定の角度とすることができる。
また、平行化電磁石１７０の有効端面が内側にずれた場合は、逆に、走査器４０を下流側に移動すればよい。
【００７０】
即ち、本実施の形態のイオン注入装置の走査器４０は、従来のものとは相違して、一旦ビームライン上に走査器４０を配置した後でも、イオンビームの平行度を容易に調整することができる。
【００７１】
本発明のイオン注入装置は、上記各実施の形態には限定されず、種々の変更が可能である。
先ず、上記実施の形態としては、走査器の位置制御機構としては、レールの所望の位置に固定する固定具を備えた構成のもので説明したが、これを可動体を位置制御するボールネジを備えたものに置き換えても良い。
このように構成すると、ボールネジを遠隔操作することにより、イオン注入装置を運転したいる間でも、リアルタイムで走査器の偏向中心を調整することが容易になる。
【００７２】
また、図８に示した構成のイオン注入装置の例で説明したが、必ずしもこの従来例にのみ適用できるのではなく、走査器及び平行化電磁石を備えたイオン注入装置全般に本発明が適用できるのは言うまでもないことである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の主要構成を示す断面図である。
【図２】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための断面図である。
【図３】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための平面図である。
【図４】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための断面図である。
【図５】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための平面図である。
【図６】本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の主要構成を示す斜視図である。
【図７】本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の基本動作を説明するための断面図である。
【図８】従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
【図９】従来のイオン注入装置に用いる平行化装置の断面図である。
【図１０】従来のイオン注入装置において、平行化装置を通過したイオンビームが平行でなくなってしまう問題を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０：平行化電磁石（平行化装置）
１２：上部磁極
１４：下部磁極
１６：外側磁極
１８：内側磁極
２０：磁極間隔制御機構
２２：回転軸
２４：ボルト
３０：励磁コイル
４０：走査器
５０：位置制御機構
５４：レール
５２：可動体
５６：固定具
１００：イオン注入装置
１２０：質量分離器
１４０：加減速管
１８０：基板
Ｄｏ：外側磁極間隔
Ｄｉ：内側磁極間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入装置に係り、特に、基板に入射する際のイオンビームの平行度調整が容易なイオン注入装置、及び、走査器の偏心中心と平行化電磁石の焦点位置がずれた場合でも容易に調整可能なイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン源からのイオンを所望のエネルギーに加速又は減速し、半導体等の固体表面に注入する種々のタイプのイオン注入装置が実用に供されている（特許文献１参照）。
以下、従来のイオン注入装置の一例について、図８を用いて説明する。
図８は、従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
【０００３】
イオン注入装置１００の主要構成は、図８に示すように、イオン源１１０、質量分離器１２０、質量分離スリット１３０、加減速管１４０、四重極レンズ１５０、走査器１６０、平行化装置１７０である。
なお、同図中、１８０は、図示しないエンドステーションに配置されたイオンを注入するターゲットとなる基板である。
また、ＢＭは、中心軸（以下、「光軸」ともいう）を中心に進行するイオンであるが、以下、「イオンビーム」又は「ビーム」という場合がある。
【０００４】
以下、イオン注入装置１００の上記各主要構成について、順次、補足説明する。
先ず、イオン源１１０は、原子や分子から電子を剥ぎ取ってイオンを生成する装置であり、図示しない引き出し口に高電圧を印加して、イオン源１１０内のイオンを引き出す。
【０００５】
質量分離器１２０は、イオンや電子等の荷電粒子が磁場又は電場中で偏向される性質を利用して、磁場、或いは、電場、又は、その双方を発生して、基板１８０に注入したいイオン種を特定するための装置である。
図８では、磁場の作用によりイオンＢＭを選定するタイプの質量分離器１２０で図示されている。
【０００６】
加減速管１４０は、質量分離スリット１３０を通過した所望のイオン種を加速又は減速する装置であるが、図８に示すように、通常は軸対象で、複数の電極を等間隔に並べ、それらの電極に等しい高電圧を印加して、静電界の作用により、イオンビームＢＭを所望の注入エネルギーに加速又は減速する。
なお、加減速管１４０を軸対称の構造とするのは、製作が容易となるためである。
【０００７】
四重極レンズ１５０は、イオンビームＢＭの基板１８０上でのビームスポット形状を調整するために、図８に示すように、加減速管１４０と走査器１６０との間に設置される場合が多い。
四重極レンズ１５０は、光学上の凸レンズが光を収束するのと同様に、イオンビームＢＭがその進行方向に対して垂直な平面において収束させる機能を有する。
【０００８】
走査器１６０は、イオンビームＢＭの進行方向と直交する方向に一様な外部電界を発生させ、この電界の極性や強度を変化させることにより、イオンの偏向角度を制御し、図８に示すように、基板１８０の注入面の所望の位置にイオンＢＭを走査し、均一に注入する。
図８に示すものでは、１ｋＨｚ程度の高速で走査されている。
【０００９】
平行化装置１７０は、荷電粒子であるイオンＢＭが磁場中で偏向される性質を利用して、イオンビームＢＭを構成する各イオンの経路の違いによって、ビームの広がりを抑えて、ビームＢＭを基板１８０に平行に入射させる電磁石である。
従って、以下、「平行化装置」を「平行化電磁石」という場合がある。
【００１０】
この平行化装置１７０について、図８及び図９を用いて補足説明する。
図９は、平行化装置１７０の断面図である。
平行化装置１７０の主要構成は、図８及び図９に示すように、主として、上部磁極１７２、下部磁極１７４、励磁コイル１７６から構成される。
また、上部、下部磁極１７２、１７４の平面形状は扇形であり、断面形状は、図９に示すように、上部、下部磁極１７２、１７４間のギャップ形状がＨ字であるＨ型電磁石である。
【００１１】
次に、この平行化装置１７０の基本動作を説明する。
一般に、図８に示す平行化電磁石１７０のような扇形電磁石は、イオンビームＢＭを収束させる収束レンズ作用を持つ。
そこで、扇形電磁石である平行化装置１７０の焦点位置が、走査器１６０の偏向中心に一致するように配置することにより、平行化装置１７０を通過したイオンビームは走査器１６０での走査角度に依存せずに一定の角度になる。
従って、走査器１６０の下流側に平行化装置１７０を、上記した位置関係となるように配置することにより、イオンビームＢＭをスキャンさせても、平行に基板１８０に注入することができる。
【００１２】
以上の構成において、次に、従来のイオン注入装置１００の基本動作を図８を用いて説明する。
従来のイオン注入装置１００では、基板１８０のイオンＢＭの注入面全面に渡って一様な密度で所定のイオン種を所定のエネルギーでイオン注入を行うために、イオン源１１０から所定のエネルギーで引き出されたイオンビームＢＭは、質量分離器１２０で偏向され、質量分離スリット１３０で所定のイオン種のみが選別される。
【００１３】
選別されたイオンビームＢＭは加減速管１４０で、所望のエネルギーに加速又は減速され、上述したように、１ｋＨｚ程度の周期の外部電界を走査器１６０に印加し、更に、平行化装置１７０により平行化された後に、基板１８０の走査面に走査される。
なお、上記では、外部電界によりイオンビームＢＭをスキャンする静電タイプの走査器１６０を取り上げたが、走査器１６０には静電タイプの代わりに磁気タイプのものが用いられる場合がある。
【００１４】
イオンＢＭが固体中に入り込む深さは、イオンＢＭのエネルギーで正確に制御できるので、例えば、イオン注入装置１００の立ち上げ時等で、イオンビームのドーズ量分布をモニタリングすることにより、基板１８０の注入面にイオンビームＢＭを走査することにより所望のイオン種の均一なイオン注入処理が容易に行える。
【００１５】
【特許文献１】特開平８−２１３３３９号
【非特許文献１】T.Nishihashi et al. Proceedings of 1998 Int. Conf. on Ion Implantation Technology, (1999)150-
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、半導体デバイスの微細化に伴い、イオン注入装置においても、基板に注入されるイオンビームの平行度に対する要求がますます厳しくなっている。
具体的には、基板全面に渡って±０．１°程度の平行度を維持することが望ましい。
【００１７】
一方、電磁石の磁場分布の形状は、電磁石を構成する磁極の形状とは若干異なるが、このことを図８を用いて補足説明する。
平行化電磁石１７０のような電磁石のイオンビームＢＭの軸方向の磁場分布は、イオンビームＢＭの入射側磁極端面１７０ａで急に設計磁場強度に立ち上がり、出射側磁極端面１７０ｂで、急に０に立ち下がるのではなく、磁極端面１７０ａ、１７０ｂ近傍内側からなだらかに設計値から０に収束するテール状の漏洩磁場を持つ形状である。
【００１８】
また、一般に、電磁石の磁極やヨークを構成する純鉄などの磁性材料の透磁率が、特に、磁気飽和を起こす近傍で非線形特性を持つために、磁場の強さによっても上記した磁場分布の形状が若干異なる場合もある。
【００１９】
従って、これらの理由により、平行化装置１７０において、磁極端面１７０ａ、１７０ｂにおける有効端面が設計値と異なり、走査器１６０の偏向中心と平行化装置１７０の焦点が設計値と若干ずれる可能性がある。
【００２０】
ここで、上記した「有効端面」について補足説明をする。
上述したように、電磁石は磁極端面で漏洩磁場を持つが、ビームラインの設計段階では、この漏洩磁場の形状を考慮して補正した実効的な磁場の端面を算出して、電磁石の磁場は、入射側有効端面から設計磁場強度に立ち上がり、出射側有効端面で０に立ち下がり、有効端面間では一様磁場であるという矩形の等価の磁場形状に近似する。
こうすると、一様磁場中では、荷電粒子は円軌道又は円弧軌道を描くことは良く知られているので、イオンビームＢＭの電磁石入出射前後の軌道は、電磁石中の一様磁場に入射するまでは直線になり、電磁石中では円弧となり、イオンビームＢＭの軌道解析が非常に簡単になる。
【００２１】
ところで、上記したように、従来のイオン注入装置１００では、平行化装置１７０を通過した後のイオンビームＢＭの角度が走査角度によってよって若干異なり、基板１８０上の位置によって注入角度が変化してしまうという問題がある。
この平行化装置１７０の有効端面が設計値と異なったり、磁場の強度が変化したりすることによって、平行化装置１７０を通過したイオンビームが平行でなくなってしまう従来装置の問題を図１０を用いて説明する。
図１０は、従来のイオン注入装置１００において、平行化装置１７０を通過したイオンビームＢＭが平行でなくなってしまう問題を説明するための平面図である。
【００２２】
図１０に示すように、平行化装置１７０において、イオンビームＢＭの入射側の有効端面の設計値をＡ１、出射側の有効端面の設計値をＢ１とする。
一方、入射側の実際の有効端面をＡ２、出射側の実際の有効端面をＢ２とし、走査器１６０における偏向中心をＣとする。
【００２３】
なお、以下、平行化電磁石１７０の作る磁場は、上記した通り、設計値では、入射側の有効端面Ａ１から設計磁場強度に立ち上がり、出射側の有効端面Ｂ１から０に立ち下がり、入射側の有効端面Ａ１から出射側の有効端面Ｂ１の間は設計された一様磁場であるという近似を行う。
また、実際上の有効端面Ａ２、Ｂ２における磁場についても同様の近似を行う。
【００２４】
このようにすると、入射側の有効端面Ａ１から出射側の有効端面Ｂ１までは、イオンビームは円弧軌道を描くと見なすことができるので、平行化電磁石１７０が作るイオンビームＢＭの軌道は、設計上では、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ１のようになり、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ２のようになるはずである。
【００２５】
しかし、有効端面が、上述した理由などにより、有効端面Ａ２、Ｂ２のように変化した場合、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ３のようになり、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ４のようになる。
即ち、従来のイオン注入装置１００では、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームの角度が、走査器１６０による走査角度に依存して変化してしまうことが示される。
【００２６】
ところで、平行化電磁石１７０の入射部及び出射部の端面１７０ａ、１７０ｂは、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭに対して斜めの角度を持たせたり曲線としたりする（図８では斜め入出射）。
しかし、ここでは、以下、具体的には数値を検討するに当たり、簡単のために平行化電磁石１７０の入射部及び出射部の端面１７０ａ、１７０ｂは、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭに対して垂直であるとし、かつ、線形光学理論で考える。
【００２７】
平行化電磁石１７０における基板１８０の中央に到達させるイオンビームの偏向角をθ、イオンビームの旋回半径をＲ、走査器１６０の偏向中心Ｃと平行化電磁石１７０の有効端面Ａ１までの距離をＬとし、走査器１６０を通過後のイオンビームが基板１８０中央に到達させるイオンビームＢＭとなす角をδ１とすると、平行化電磁石１７０を通過後のイオンビームＢＭが基板１８０の中央に到達させるイオンビームとなす角δ２は、次式（１）で与えられる。
【数１】
【００２８】
従って、例えば、平行化電磁石１７０の偏向角θを６０°、旋回半径Ｒを０．８ｍとすると、走査器１６０の偏向中心Ｃと有効端面Ａ１との距離Ｌが、０．４６１ｍであれば、平行化電磁石１７０を通過後の角度δ２は、走査器１６０を通過後の角度δ２に依存せずに常に０°である。
【００２９】
しかし、有効端面Ａ２、Ｂ２が入射側および出射側でそれぞれΔＬ＝５０ｍｍ広がったとする。
この場合、平行化電磁石１７０での基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの偏向角θが設計値と一致するためには、平行化電磁石１７０での旋回半径Ｒ´は、
Ｒ´＝Ｒ＋２ΔＬ／θ ・・・ （２）
とする必要があるため、Ｒ´＝０．８９５ｍとなる。
【００３０】
また、偏向中心と有効端面との距離は、
Ｌ´＝Ｌ−ΔＬ
となるため、Ｌ´＝０．４１１ｍとなる。
この結果、走査器１６０を通過後の角度が５°のイオンビームは、平行化電磁石１７０を通過後の角度が０．５°となってしまい、上記した平行度に対する要求の上限に到達してしまう。
【００３１】
このように、従来のイオン注入装置１００では、平行化電磁石１７０の実際の有効端面Ａ２、Ｂ２が、設計値の有効端面Ａ１、Ｂ１と異なるなどの理由で、基板１８０に入射するイオンビームの角度が基板１８０上の位置によって変化してしまうという問題があった。
【００３２】
また、従来のイオン注入装置１００では、図９に示すように、平行化電磁石１７０を一旦製作してしまうと、励磁コイル１７６の励磁電流量で、イオンビームＢＭのイオン種やエネルギーに合わせて磁場の強度を調整する機能を有するのみであり、例えば、径方向での磁場強度分布を調整する機能を一切有さず、有効端面がずれた場合には何ら対応できないという問題を備えていた。
【００３３】
更に、従来のイオン注入装置１００では、図８に示すように、走査器１６０を一旦ビームライン中に設置してしまうと、上記した理由等で平行化電磁石１７０の有効端面がずれ、これにより走査器１６０の偏心中心と平行化電磁石１７０の焦点位置がずれた場合に、何ら対応できないという問題も備えていた。
【００３４】
本発明は、上記従来の課題を解決し、基板に入射する際のイオンビームの平行度調整が容易なイオン注入装置、及び、走査器の偏心中心と平行化電磁石の焦点位置がずれた場合でも容易に調整可能なイオン注入装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明のイオン注入装置は、請求項１に記載のものでは、イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構を有し、前記平行化電磁石の磁極間磁場強度分布が調整可能である構成とした。
【００３６】
請求項２に記載のイオン注入装置は、前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構は、前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極との接合部に、前記上部磁極が前記下部磁極に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸と、前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極とを接合すると共に磁極間距離を調整可能とする１又は２以上のボルトとを備えている構成とした。
【００３７】
請求項３に記載のイオン注入装置は、イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、走査器により走査すると共に、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、前記走査器の軸方向位置が、変更可能となる位置制御機構を有し、前記走査器の偏向中心位置が調整可能である構成とした。
【００３８】
請求項４に記載のイオン注入装置は、前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、前記可動体を前記レールの所望の位置に固定する固定具とを備えた構成とした。
【００３９】
請求項５に記載のイオン注入装置は、前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、前記イオンの中心軸方向に平行に配置されると共に前記可動体を位置制御するボールネジとを備えた構成とした。
【発明の効果】
【００４０】
本発明のイオン注入装置は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、平行化電磁石を一旦製作した後でも、イオンビームの平行度を容易に調整することができる。
【００４１】
（２）請求項２に記載したように構成すると、簡単な構成の磁極間隔制御装置とすることができる。
【００４２】
（３）請求項３に記載したように構成すると、一旦ビームライン上に走査器を配置した後でも、走査器の偏向中心の軸方向位置を容易に調整することができる。
【００４３】
（４）請求項４に記載したように構成すると、簡単な構成の位置制御装置とすることができる。
【００４４】
（５）請求項５に記載したように構成すると、簡単な構成の位置制御装置とすることができるほか、遠隔操作で、リアルタイムで走査器の偏向中心を調整することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
本発明のイオン注入装置の第１乃び第２の各実施の形態について、図１乃至図７を用いて、順次説明する。
第１の実施の形態：
先ず、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態について、図１乃至図３を用い、図８を参照して説明する。
【００４６】
図１は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の主要構成を示す断面図である。
図２は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための断面図である。
図３は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための平面図である。
【００４７】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置の基本構成について説明する。
本実施の形態のイオン注入装置の特徴は、図８に示す従来のイオン注入装置１００において、平行化装置１７０を改良した点にある。
従って、以下、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行化装置を中心に説明し、それ以外の各構成については、図８に示す従来のイオン注入装置１００と同一の構成であり、その説明については割愛するものとする。
【００４８】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置に用いる平行化電磁石１０の基本構成について説明する。
本実施の形態の平行化電磁石１０は、図１に示すように、上部磁極１２、下部磁極１４、励磁コイル３０を具備すると共に、平行化電磁石１０の内側磁極間隔Ｄｉ、外側磁極間隔Ｄｏが変更可能となる磁極間隔制御機構２０を有したことに特徴がある。
また、図１は、平行化電磁石１０を上流側から眺めた断面図であり、左側が走査器１６０で平行化電磁石１０の外側に偏向されたイオンビームＢＭが通過する領域、即ち、外側磁極１６を表し、右側が内側磁極１８を表すものとする。
なお、図１に示すようなＨ型電磁石１０では、外側磁極１６と内側磁極１８との明確な境界はないが、中心より左側を外側磁極１６、中心より右側を内側磁極１８とするものとする。
【００４９】
また、当該磁極間隔制御機構２０は、平行化電磁石１０の上部磁極１２と下部磁極１４との接合部に、上部磁極１２が下部磁極１４に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸２２と、上部磁極１２と下部磁極１４とを接合すると共に磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏが調整可能とする１又は２以上（図示のものは２）のボルト２４とを備えている。
また、図１に示すように、上部磁極１２と下部磁極１４との接合面の左右両端部は、磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏの調整が容易になるために、数度の角度のテーパーが設けられている。
【００５０】
次に、本実施の形態の平行化電磁石１０の基本動作を図１乃至図５を用いて説明する。
本実施の形態の平行化電磁石１０の基本動作の特徴は、上部磁極１２と下部磁極１４とを接合するボルト２４により、内側及び外側磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏの一方又は両方を制御することにより、平行化電磁石１０の径方向磁場強度を制御し、平行化電磁石１０の実際の有効端面が、設計値の有効端面と異なるなどの理由で、基板に入射するイオンビームの角度が基板上の位置によって変化してしまうという問題を解決することである。
なお、ここでは、磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏが大きくなると磁場強度が小さくなり、磁極間距離Ｄｉ、Ｄｏが小さくなると磁場強度が大きくなるという電磁石の性質を利用している。
【００５１】
次に、本実施の形態の平行化電磁石１０の基本動作を図１乃至図３を用いて検証するが、平行化電磁石１０におけるイオンビームＢＭの偏向面は水平面内にあるものとする。
図２に、平行化電磁石１０のイオンビームＢＭの光軸（中心軸）に直交する面での断面図を示す。
なお、図２においては、図面の簡略化のために、磁極間隔制御機構２０の図示は省略している。
【００５２】
先ず、平行化電磁石１０において、実際の有効端面Ａ２が設計上の有効端部Ａ１よりも外側にずれた場合を、図３を用いて考察する。
図３に示したように、走査器１６０で平行化電磁石１０の外側に走査されたイオンビームＢＭは外側に、平行化電磁石１０の内側に走査されたイオンビームＢＭは内側に角度を持って出射する。
【００５３】
この場合には、図２に示したように、平行化電磁石１０の下側磁極１４と上側磁極１２の間を、図１に示すボルト２４及び回転軸２２によりイオンビームの内側に偏向された側で広くなるように機械的に調整する。
上側磁極１２の内側を上げて、外側の磁極間距離Ｄｏより内側の磁極間距離Ｄｉが大きくなるように調整すると、外側の磁場が内側の磁場よりも相対的に強くなる。
【００５４】
この状態で、基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭの旋回半径が設計値に等しくなるように平行化電磁石１０の磁場を若干強くすると、外側を通過するイオンビームＢＭの旋回半径は若干小さくなり、内側を通過するイオンビームＢＭの旋回半径は若干大きくなる。
【００５５】
この結果、外側を通過するイオンビームＢＭと内側を通過するイオンビームＢＭが同じ角度となり、基板１８０の位置に関わらず、一定の角度で、基板１８０へのイオン注入ができる。
この状態を図３に示す。
図３では、走査器１６０で外側に偏向されたイオンビームＢＭの調整前の軌道を実線Ｋ７で、調整後の軌道を破線Ｋ６で示す。
【００５６】
外側に偏向されたイオンビームＢＭの平行化電磁石１０における旋回半径Ｒ″が、調整前の旋回半径Ｒ´より若干小さくなり、外側に開いていたイオンビームＢＭの軌道が設計通りに基板１８０の中央に到達させるイオンビームＢＭと平行になるように修正されていることが分かる。
【００５７】
逆に、平行化電磁石１０の有効端部Ａ２が設計値の有効端部Ａ１（図１０参照）より内側にずれた場合は、下側磁極１６と上側磁極１４の間隔を、イオンビームが外側に偏向された側で広くなるように図２とは逆の方向に機械的に調整すればよい。
【００５８】
即ち、本実施の形態のイオン注入装置の平行化電磁石１０は、従来のものとは相違して、一旦平行化電磁石１０を製作した後でも、イオンビームＢＭの平行度を容易に調整することができる。
【００５９】
次に、本実施の形態の平行化電磁石１０において、上記した有効端部の変化による偏向角のずれと、偏向角のずれと、このときの内側、外側磁極間ギャップＤｉ、Ｄｏの調整幅との関係について図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための断面図である。
図５は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための平面図である。
【００６０】
ところで、有効端部の変化により、平行化電磁石１０において、図５に示すように、旋回半径がＲからＲ＋ΔＲに微小に変化した場合、偏向角のずれΔθは次式（３）で与えられる。
【数３】
【００６１】
一般に、Ｒ∝１／Ｂ（Ｂは磁束密度とする）、Ｂ∝１／Ｄ（Ｄは磁極間ギャップ：図４参照）なので、偏向角をΔθだけ修正するには、
【数４】
従って、Δθ＝０．５°、θ＝６０°とすると、ΔＤ／Ｄ＝１％となる。
ここで、図４に示す、平行化電磁石１０の端部における調整幅ΔＸとΔＤとの関係は、平行化電磁石１０の構造にも依るが、概ね、ΔＸは、磁極間ギャップＤの数％程度でよい。
【００６２】
第２の実施の形態：
先ず、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態について、図６乃び図７を用い、図８を参照して説明する。
【００６３】
図６は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の主要構成を示す斜視図である。
図７は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の基本動作を説明するための断面図である。
【００６４】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置の基本構成について説明する。
本実施の形態のイオン注入装置の特徴は、図８の従来のイオン注入装置１００において、走査器１６０を改良した点にある。
従って、以下、本実施の形態のイオン注入装置に用いる走査器４０を中心に説明し、それ以外の各構成については、図８に示す従来のイオン注入装置１００と同一の構成であり、その説明については割愛するものとする。
【００６５】
先ず、本実施の形態のイオン注入装置に用いる走査器４０の基本構成について説明する。
本実施の形態の走査器４０は、図６に示すように、走査器４０のイオンビームＢＭの軸方向位置が、変更可能となる位置制御機構５０を有することを特徴としている。
【００６６】
この当該位置制御機構５０は、イオンビームＢＭの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上（図示のものは２）のレール５４と、走査器本体１６０を載置すると共にレール５４上を移動可能となる可動体５２と、この可動体５２をレール５４の所望の位置に固定する固定具５６とを備えた構成である。
５８は、高電圧が印加される走査器本体１６０を支持する絶縁碍子である。
【００６７】
次に、本実施の形態の走査器４０の基本動作を図７を用いて説明する。
本実施の形態の走査器４０の基本動作の特徴は、走査器４０の軸方向位置を機械的に調整することにより、走査器４０の偏向中心を制御し、平行化電磁石１７０の実際の有効端面が、設計値の有効端面と異なるなどの理由で、基板１８０に入射するイオンビームの角度が基板１８０上の位置によって変化してしまうという問題を解決することである（図８参照）。
【００６８】
以下、本実施の形態の走査器４０の基本動作を図７を用いて検証する。
平行化電磁石１７０の実際の有効端面Ａ２が設計値の有効端面Ａ１（図１０参照）よりも外側にずれた場合は、偏向中心Ｃで外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は実線Ｋ９のようになり、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームＢＭは開き気味になる。
【００６９】
この場合、本実施の形態のイオン注入装置では、走査器４０を上流側に移動し、走査器４０における偏向中心を設計値上のＣからＣ´に移動させることにより、外側に偏向されたイオンビームＢＭの軌道は破線Ｋ１０のようになり、平行化電磁石１７０を通過した後のイオンビームＢＭは走査器４０による偏向角度に依存せずに一定の角度とすることができる。
また、平行化電磁石１７０の有効端面が内側にずれた場合は、逆に、走査器４０を下流側に移動すればよい。
【００７０】
即ち、本実施の形態のイオン注入装置の走査器４０は、従来のものとは相違して、一旦ビームライン上に走査器４０を配置した後でも、イオンビームの平行度を容易に調整することができる。
【００７１】
本発明のイオン注入装置は、上記各実施の形態には限定されず、種々の変更が可能である。
先ず、上記実施の形態としては、走査器の位置制御機構としては、レールの所望の位置に固定する固定具を備えた構成のもので説明したが、これを可動体を位置制御するボールネジを備えたものに置き換えても良い。
このように構成すると、ボールネジを遠隔操作することにより、イオン注入装置を運転したいる間でも、リアルタイムで走査器の偏向中心を調整することが容易になる。
【００７２】
また、図８に示した構成のイオン注入装置の例で説明したが、必ずしもこの従来例にのみ適用できるのではなく、走査器及び平行化電磁石を備えたイオン注入装置全般に本発明が適用できるのは言うまでもないことである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の主要構成を示す断面図である。
【図２】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための断面図である。
【図３】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石の基本動作を説明するための平面図である。
【図４】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための断面図である。
【図５】本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いる平行化電磁石において、偏向角のずれと、磁極間ギャップの調整幅との関係を説明するための平面図である。
【図６】本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の主要構成を示す斜視図である。
【図７】本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いる走査器の基本動作を説明するための断面図である。
【図８】従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
【図９】従来のイオン注入装置に用いる平行化装置の断面図である。
【図１０】従来のイオン注入装置において、平行化装置を通過したイオンビームが平行でなくなってしまう問題を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０：平行化電磁石（平行化装置）
１２：上部磁極
１４：下部磁極
１６：外側磁極
１８：内側磁極
２０：磁極間隔制御機構
２２：回転軸
２４：ボルト
３０：励磁コイル
４０：走査器
５０：位置制御機構
５４：レール
５２：可動体
５６：固定具
１００：イオン注入装置
１２０：質量分離器
１４０：加減速管
１８０：基板
Ｄｏ：外側磁極間隔
Ｄｉ：内側磁極間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、
前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構を有し、前記平行化電磁石の磁極間磁場強度分布が調整可能であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構は、
前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極との接合部に、前記上部磁極が前記下部磁極に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸と、
前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極とを接合すると共に磁極間距離を調整可能とする１又は２以上のボルトとを備えてい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】
イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、走査器により走査すると共に、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、
前記走査器の軸方向位置が、変更可能となる位置制御機構を有し、前記走査器の偏向中心位置が調整可能であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項４】
前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、
イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、
前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、
前記可動体を前記レールの所望の位置に固定する固定具とを備えたことを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、
イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、
前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、
前記イオンの中心軸方向に平行に配置されると共に前記可動体を位置制御するボールネジとを備えたことを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項１】
イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、
前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構を有し、前記平行化電磁石の磁極間磁場強度分布が調整可能であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記平行化電磁石の内側磁極間隔及び外側磁極間隔の一方又は両方を変更可能とする磁極間隔制御機構は、
前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極との接合部に、前記上部磁極が前記下部磁極に対して軸回転可能となるように設けられた円筒状の回転軸と、
前記平行化電磁石の上部磁極と下部磁極とを接合すると共に磁極間距離を調整可能とする１又は２以上のボルトとを備えてい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】
イオンを生成するイオン源からイオンを引き出し、質量分離器により所望のイオン種を選定し、加減速管によりこのイオン種を所望のエネルギーに加速又は減速し、走査器により走査すると共に、平行化電磁石により前記イオンを平行化して、半導体ウェーハ等の基板の注入面に前記所望のイオンを注入するイオン注入装置において、
前記走査器の軸方向位置が、変更可能となる位置制御機構を有し、前記走査器の偏向中心位置が調整可能であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項４】
前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、
イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、
前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、
前記可動体を前記レールの所望の位置に固定する固定具とを備えたことを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記走査器の軸方向位置が変更可能となる位置制御機構は、
イオンビームの中心軸方向に平行に配置される１又は２以上のレールと、
前記走査器を載置すると共に前記レール上を移動可能となる可動体と、
前記イオンの中心軸方向に平行に配置されると共に前記可動体を位置制御するボールネジとを備えたことを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
【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２００６−１４００５３（Ｐ２００６−１４００５３Ａ）
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２９１６４（Ｐ２００４−３２９１６４）
【出願日】平成１６年１１月１２日（２００４．１１．１２）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１２日（２００４．１１．１２）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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