特許 5989613 イオン注入装置、磁場測定装置、及びイオン注入方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5989613

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月7日

(54)【発明の名称】イオン注入装置、磁場測定装置、及びイオン注入方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/317 20060101AFI20160825BHJP

   H01J 37/05 20060101ALI20160825BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20160825BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/317 C

   H01J37/05

   H01L21/265 T

   H01L21/265 603B

【請求項の数】11

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-170905(P2013-170905)

(22)【出願日】2013年8月21日

(65)【公開番号】特開2015-41440(P2015-41440A)

(43)【公開日】2015年3月2日

【審査請求日】2015年10月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000183196

【氏名又は名称】住友重機械イオンテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】狩谷 宏行

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−０１１９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−１５０３３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／００ −３７／０２

Ｈ０１Ｊ ３７／０５

Ｈ０１Ｊ ３７／０９ −３７／１８

Ｈ０１Ｊ ３７／２１

Ｈ０１Ｊ ３７／２４ −３７／２４４

Ｈ０１Ｊ ３７／２５２−３７／３６

Ｈ０１Ｌ ２１／２６ −２１／２６８

Ｈ０１Ｌ ２１／３２２−２１／３２６

Ｈ０１Ｌ ２１／４２ −２１／４２５

Ｈ０１Ｌ ２１／４２８

Ｈ０１Ｌ ２１／４７７−２１／４７９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン注入装置であって、
イオンソースと、被処理物のための処理室と、を備え、前記イオンソースから前記被処理物に向けてイオンビームを輸送するよう構成されているビームライン部と、
前記ビームライン部を制御するよう構成されている制御部と、を備え、
前記ビームライン部は、前記イオンソースと前記処理室との間に配設されている偏向電磁石を備え、
前記偏向電磁石は、
前記イオンビームを偏向するための偏向磁場を形成するようイオンビーム軌道を挟んで対向する一対の電磁石と、
前記一対の電磁石の間に配置され、前記偏向磁場に応じて測定出力を生成する磁気検出素子と、
前記一対の電磁石の間に配置され、ＮＭＲ出力を生成する核磁気共鳴吸収素子と、を備え、
前記制御部は、
前記偏向磁場と前記測定出力との既知の対応関係に従って前記偏向磁場を測定する磁場測定部と、
前記ＮＭＲ出力から前記偏向磁場を決定する磁場決定部と、
前記ＮＭＲ出力から決定された偏向磁場と、当該偏向磁場に対応づけられる前記磁気検出素子の新たな測定出力と、を使用して前記既知の対応関係を更新する磁気検出素子校正部と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。

【請求項2】

前記磁気検出素子校正部は、更新された対応関係が、前記既知の対応関係に関連して設定される許容範囲にあるか否かを判定し、
前記制御部は、前記更新された対応関係が前記許容範囲から外れていると判定された場合に、イオン注入処理を禁止し又は中止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】

前記磁場測定部は、前記既知の対応関係に従って前記測定出力を前記偏向磁場の測定値へと換算し、
前記制御部は、前記偏向磁場の測定値に基づいて前記偏向磁場を目標磁場に調整する磁場調整部を備え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】

前記制御部は、前記ＮＭＲ出力に基づく前記対応関係の更新を、前記対応関係に基づく前記偏向磁場の測定及び／または調整とは独立に実行することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のイオン注入装置。

【請求項5】

前記一対の電磁石の一方は平坦な第１磁極面を備え、前記一対の電磁石の他方は前記第１磁極面に対向し前記第１磁極面に平行である第２磁極面を備え、
前記核磁気共鳴吸収素子は、前記第１磁極面または前記第２磁極面に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のイオン注入装置。

【請求項6】

前記核磁気共鳴吸収素子は、前記イオンビーム軌道の直上または直下に配置されてい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】

前記磁気検出素子は、前記核磁気共鳴吸収素子が前記ＮＭＲ出力を生成する頻度よりも高い頻度で前記測定出力を生成することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のイオン注入装置。

【請求項8】

前記磁気検出素子は、ホール素子を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のイオン注入装置。

【請求項9】

前記偏向電磁石は、エネルギー分析電磁石であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のイオン注入装置。

【請求項10】

偏向電磁石のための磁場測定装置であって、前記偏向電磁石は、荷電粒子ビームを偏向するための偏向磁場を形成するよう構成されており、前記磁場測定装置は、
前記偏向磁場を測定するよう前記偏向電磁石に設けられている磁気検出素子と、
前記偏向磁場を決定するよう前記偏向電磁石に設けられている核磁気共鳴吸収素子と、を備え、
前記磁気検出素子は、前記核磁気共鳴吸収素子を使用して校正されることを特徴とする磁場測定装置。

【請求項11】

イオンソースから被処理物に向けてイオンビームを輸送することと、
前記イオンソースと前記被処理物との間に配設されている偏向電磁石を使用して、前記イオンビームを偏向するための偏向磁場を形成することと、
前記偏向電磁石に設けられている磁気検出素子を使用して、前記偏向磁場に応じて測定出力を生成することと、
前記偏向磁場と前記測定出力との既知の対応関係に従って前記偏向磁場を測定することと、
前記偏向電磁石に設けられている核磁気共鳴吸収素子を使用して前記偏向磁場を決定することと、
前記核磁気共鳴吸収素子を使用して決定された偏向磁場と、当該偏向磁場に対応づけられる前記磁気検出素子の新たな測定出力と、を使用して前記既知の対応関係を更新することと、を備えることを特徴とするイオン注入方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン注入装置、磁場測定装置、及びイオン注入方法に関する。

【背景技術】

【0002】

イオン注入装置におけるエネルギー分析電磁石の磁場測定に核磁気共鳴吸収素子を使用することが知られている。核磁気共鳴吸収素子を使用する磁場測定方法は、原理的には誤差が生じない。エネルギー分析電磁石の磁場を正確に測定することができるので、高精度のエネルギー分析を可能とするイオン注入装置を提供することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００−１１９４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

核磁気共鳴吸収素子を使用する磁場測定においては、ある周波数範囲で高周波磁場を掃引することにより、核磁気共鳴吸収周波数が同定される。このようないわゆる周波数トラッキングを要するので、測定に要する時間が比較的長い。磁場を測定するのは例えば、所望の注入条件に従って電磁石の磁場を設定するときである。この場合一般に、所望の磁場に設定されるまで、磁場測定とそれに基づく電磁石の電流調整とが反復される。磁場設定を早く終えることができればイオン注入処理を早く始めることができるから、イオン注入装置の生産性向上につながる。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、磁場測定に関連して生産性向上に寄与するイオン注入装置及びイオン注入方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、イオン注入装置であって、イオンソースと、被処理物のための処理室と、を備え、前記イオンソースから前記被処理物に向けてイオンビームを輸送するよう構成されているビームライン部と、前記ビームライン部を制御するよう構成されている制御部と、を備え、前記ビームライン部は、前記イオンソースと前記処理室との間に配設されている偏向電磁石を備え、前記偏向電磁石は、前記イオンビームを偏向するための偏向磁場を形成するようイオンビーム軌道を挟んで対向する一対の電磁石と、前記一対の電磁石の間に配置され、前記偏向磁場に応じて測定出力を生成する磁気検出素子と、前記一対の電磁石の間に配置され、ＮＭＲ出力を生成する核磁気共鳴吸収素子と、を備え、前記制御部は、前記偏向磁場と前記測定出力との既知の対応関係に従って前記偏向磁場を測定する磁場測定部と、前記ＮＭＲ出力から前記偏向磁場を決定する磁場決定部と、前記ＮＭＲ出力から決定された偏向磁場と、当該偏向磁場に対応づけられる前記磁気検出素子の新たな測定出力と、を使用して前記既知の対応関係を更新する磁気検出素子校正部と、を備えることを特徴とするイオン注入装置が提供される。

【0007】

本発明のある態様によると、偏向電磁石のための磁場測定装置であって、前記偏向電磁石は、荷電粒子ビームを偏向するための偏向磁場を形成するよう構成されており、前記磁場測定装置は、前記偏向磁場を測定するよう前記偏向電磁石に設けられている磁気検出素子と、前記偏向磁場を決定するよう前記偏向電磁石に設けられている核磁気共鳴吸収素子と、を備え、前記磁気検出素子は、前記核磁気共鳴吸収素子を使用して校正されることを特徴とする磁場測定装置が提供される。

【0008】

本発明のある態様によると、イオンソースから被処理物に向けてイオンビームを輸送することと、前記イオンソースと前記被処理物との間に配設されている偏向電磁石を使用して、前記イオンビームを偏向するための偏向磁場を形成することと、前記偏向電磁石に設けられている磁気検出素子を使用して、前記偏向磁場に応じて測定出力を生成することと、前記偏向磁場と前記測定出力との既知の対応関係に従って前記偏向磁場を測定することと、前記偏向電磁石に設けられている核磁気共鳴吸収素子を使用して前記偏向磁場を決定することと、前記核磁気共鳴吸収素子を使用して決定された偏向磁場と、当該偏向磁場に対応づけられる前記磁気検出素子の新たな測定出力と、を使用して前記既知の対応関係を更新することと、を備えることを特徴とするイオン注入方法が提供される。

【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、磁場測定に関連して生産性向上に寄与するイオン注入装置及びイオン注入方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明のある実施形態に係るイオン注入装置を概略的に示す上面図である。

【図2】本発明のある実施形態に係るエネルギー分析電磁石の断面図である。

【図3】本発明のある実施形態に係る制御部の機能及び構成を説明するためのブロック図である。

【図4】本発明のある実施形態に係るキャリブレーションデータの初期値を例示するグラフである。

【図5】本発明のある実施形態に係るイオン注入方法を表すフローチャートである。

【図6】本発明のある実施形態に係るエネルギー分析電磁石の磁場調整方法を表すフローチャートである。

【図7】本発明のある実施形態に係る磁気検出素子の校正方法を表すフローチャートである。

【図8】本発明のある実施形態に係り、更新されたキャリブレーションデータを例示するグラフである。

【図9】本発明のある他の実施形態に係るイオン注入装置を概略的に示す図である。

【図10】本発明のある他の実施形態に係るイオン注入装置を概略的に示す図である。

【図11】本発明のある他の実施形態に係るイオン注入装置を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

【0013】

図１は、本発明のある実施形態に係るイオン注入装置１００を概略的に示す上面図である。イオン注入装置１００は、いわゆる高エネルギーイオン注入装置に適する。高エネルギーイオン注入装置は、高周波線形加速方式のイオン加速器と高エネルギーイオン輸送用ビームラインを有するイオン注入装置であり、イオンソース１０で発生したイオンを加速し、そうして得られたイオンビームＢをビームラインに沿って被処理物（例えば基板またはウェハ４０）まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。

【0014】

図１には、イオン注入装置１００のビームライン部の構成要素のレイアウトが示されている。イオン注入装置１００のビームライン部は、イオンソース１０と、被処理物のための処理室と、を備えており、イオンソース１０から被処理物に向けてイオンビームＢを輸送するよう構成されている。ビームライン部は、イオンソース１０と処理室との間に配設されている少なくとも１つの偏向電磁石を備える。また、イオン注入装置１００は、ビームライン部を制御するよう構成されている制御部１０２（図３参照）を備える。

【0015】

図１に示すように、高エネルギーイオン注入装置１００は、イオンを生成して質量分離するイオンビーム生成ユニット１２と、イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームにする高エネルギー多段直線加速ユニット１４と、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、中心軌道補正、エネルギー分散の制御を行うビーム偏向ユニット１６と、分析された高エネルギーイオンビームをウェハ４０まで輸送するビーム輸送ラインユニット１８と、輸送された高エネルギーイオンビームを均一に半導体ウェハに注入する基板処理供給ユニット２０とを備える。

【0016】

イオンビーム生成ユニット１２は、イオンソース１０と、引出電極１１と、質量分析装置２２と、を有する。イオンビーム生成ユニット１２では、イオンソース１０から引出電極１１を通してビームが引き出されると同時に加速され、引出加速されたビームは質量分析装置２２により質量分析される。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａ、質量分析スリット２２ｂを有している。質量分析スリット２２ｂは、質量分析磁石２２ａの直後に配置する場合もあるが、実施例では、その次の構成である高エネルギー多段直線加速ユニット１４の入り口部内に配置している。

【0017】

質量分析装置２２による質量分析の結果、注入に必要なイオン種だけが選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次の高エネルギー多段直線加速ユニット１４に導かれる。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、高エネルギーイオン注入用の基本的な複数段の高周波共振器を備える第１線形加速器１５ａを備える。高エネルギー多段直線加速ユニット１４は、超高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器を備える第２線形加速器１５ｂを備えてもよい。高エネルギー多段直線加速ユニット１４により、さらに加速されたイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６により方向が変化させられる。

【0018】

ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー分析スリット２８と、ステアリング（軌道補正）を提供する偏向電磁石３０とを有する。なお、エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルター電磁石（ＥＦＭ）と呼ばれることもある。エネルギー分析電磁石２４にはその中心部に磁場測定装置１０４が設けられている。高エネルギーイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６によって方向転換され、ウェハ４０の方向へ向かう。

【0019】

ビーム輸送ラインユニット１８は、ビーム偏向ユニット１６から出たイオンビームＢを輸送するものであり、収束／発散レンズ群から構成されるビーム整形器３２と、ビーム走査器３４と、ビーム平行化器３６と、最終エネルギーフィルター３８（最終エネルギー分離スリットを含む）とを有する。ビーム輸送ラインユニット１８の長さは、イオンビーム生成ユニット１２と高エネルギー多段直線加速ユニット１４との長さに合わせて設計されており、ビーム偏向ユニット１６で結ばれて、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。

【0020】

ビーム輸送ラインユニット１８の下流側の終端には、基板処理供給ユニット２０が設けられており、注入処理室の中に、イオンビームＢのビーム電流、位置、注入角度、収束発散角、上下左右方向のイオン分布等を計測するビームモニター、イオンビームＢによるウェハ４０の帯電を防止する帯電防止装置、ウェハ４０を搬入搬出し適正な位置・角度に設置するウェハ搬送機構、イオン注入中ウェハ４０を保持するＥＳＣ（Electro Static Chuck）、注入中ビーム電流の変動に応じた速度でウェハ４０をビームスキャン方向と直角方向に動かすウェハスキャン機構が収納されている。

【0021】

このようにして、イオン注入装置１００のビームライン部は、対向する２本の長直線部を有する水平のＵ字状の折り返し型ビームラインに構成されている。上流の長直線部は、イオンソース１０で生成したイオンビームＢを加速する複数のユニットから成る。下流の長直線部は、上流の長直線部に対し方向転換されたイオンビームＢを調整してウェハ４０に注入する複数のユニットから成る。２本の長直線部はほぼ同じ長さに構成されている。２本の長直線部の間に、メンテナンス作業のために十分な広さの作業スペースＲ１が設けられている。

【0022】

このように各ユニットをＵ字状に配置した高エネルギーイオン注入装置１００は、設置面積を抑えつつ良好な作業性が確保されている。また、高エネルギーイオン注入装置１００においては、各ユニットや各装置をモジュール構成とすることで、ビームライン基準位置に合わせて着脱、組み付けが可能となっている。

【0023】

また、高エネルギー多段直線加速ユニット１４と、ビーム輸送ラインユニット１８とが折り返して配置されるため、高エネルギーイオン注入装置１００の全長を抑えることができる。従来装置ではこれらがほぼ直線状に配置されている。また、ビーム偏向ユニット１６を構成する複数の偏向電磁石の曲率半径は、装置幅を最小にするように最適化されている。これらによって、装置の設置面積を最小化するとともに、高エネルギー多段直線加速ユニット１４とビーム輸送ラインユニット１８との間に挟まれた作業スペースＲ１において、高エネルギー多段直線加速ユニット１４やビーム輸送ラインユニット１８の各装置に対する作業が可能となる。また、メンテナンス間隔が比較的短いイオンソース１０と、基板の供給／取出が必要な基板処理供給ユニット２０とが隣接して配置されるため、作業者の移動が少なくてすむ。

【0024】

図２は、本発明のある実施形態に係るエネルギー分析電磁石２４の断面図である。偏向電磁石の一例であるエネルギー分析電磁石２４は、対向する一対の電磁石２４ａ，２４ｂを備える。電磁石２４ａ，２４ｂは、イオンビーム軌道１０８を挟んで対向する。イオンビーム軌道１０８は、イオンビームの中心軌道を表す。エネルギー分析電磁石２４は、電磁石２４ａ，２４ｂ間に、イオンビームを偏向するための偏向磁場１０６を形成する。偏向磁場１０６は電磁石２４ａ，２４ｂの一方から他方へと向かう磁束密度である。

【0025】

磁場測定装置１０４は、エネルギー分析電磁石２４の磁場を測定する。エネルギー分析電磁石２４には高い磁場精度（例えば、０．０１％未満の磁場の不均一性）が望まれるので、磁場測定装置１０４は、精密な磁場測定が可能であるよう構成されている。

【0026】

磁場測定装置１０４は、ＮＭＲ（核磁気共鳴）プローブと、ホールプローブと、を備える。詳しくは後述するが、ＮＭＲプローブはホールプローブの校正に使用され、ホールプローブは磁場一定のフィードバック制御に使用される。またホールプローブは、エネルギー分析電磁石２４のリアルタイムの磁場制御に使用される。ＮＭＲプローブは核磁気共鳴吸収素子（以下、ＮＭＲ素子という）１１２を備え、ホールプローブはホール素子１１０を備える。よって磁場測定装置１０４はホール素子１１０及びＮＭＲ素子１１２を備える検出部を有し、この検出部は一対の電磁石２４ａ，２４ｂの間に配置されている。

【0027】

エネルギー分析電磁石２４の磁極部は平行磁極としてある。一方の電磁石２４ａは平坦な第１磁極面２５ａを備え、他方の電磁石２４ｂは第１磁極面２５ａに対向し第１磁極面２５ａに平行である第２磁極面２５ｂを備える。これら磁極部の周縁を除く中心領域において偏向磁場１０６は第１磁極面２５ａ及び第２磁極面２５ｂに垂直である。ＮＭＲ素子１１２及びホール素子１１０は第２磁極面２５ｂの中心領域に配置されている。そのため、ＮＭＲ素子１１２は、磁場勾配の小さな領域、すなわち磁束密度の空間的変化がほとんど無い領域に、ホール素子１１０と近接して配置されている。ＮＭＲ素子１１２及びホール素子１１０は第１磁極面２５ａの中心領域に配置されていてもよい。

【0028】

ＮＭＲ素子１１２は好ましくは、測定対象であるイオンビーム軌道１０８の直下（または直上）に配置される。このようにすれば、イオンビーム軌道１０８における磁場をＮＭＲ素子１１２の位置の磁場に一致させることができる。ホール素子１１０もまた、イオンビーム軌道１０８の直下（または直上）に配置されていてもよい。こうして、イオンビーム軌道１０８における磁場を直接的に測定することができる。

【0029】

ホール素子１１０は磁気検出素子の一例である。磁気検出素子は、偏向磁場１０６に応じて測定出力を生成するよう構成されている。ここで測定出力は、偏向磁場１０６の作用により磁気検出素子から出力される電気信号である。ホール素子１１０の場合、測定出力として、ホール効果によって生じる電圧（以下、ホール出力という）を生成する。ホール出力は偏向磁場１０６にほぼ比例する。いいかえれば、磁場とホール出力との間には一般に、わずかな非線形性がある。

【0030】

磁場が変化するときホール出力も瞬時に変化する。そのため、ホール素子１１０には磁場に対する応答性が極めて高いという利点がある。しかし欠点もある。ホール素子１１０は時とともに出力が変化し得るので、測定精度を維持するために定期的に校正することが望まれる。一般的な校正は、真の磁場と測定出力とを測定範囲にわたって改めて関係づけることを要する。その校正中はホール素子１１０は目的の磁場測定をすることができないので、校正が完了するまでイオン注入処理も中断されることになる。イオン注入装置１００の生産性を向上するうえで、こうした処理の中断は可能な限り避けることが望まれる。

【0031】

ＮＭＲ素子１１２は、ＮＭＲ出力を生成するよう構成されている。ＮＭＲ出力は、核磁気共鳴吸収周波数を表す信号である。ＮＭＲ素子１１２は、磁場によって変わる原子核（例えば水素原子）の核磁気スピンの共鳴吸収周波数を測定する。原子核の性質に由来する測定であり、ホール素子１１０に見られる経時変化のような誤差は原理的に生じない。したがって、ＮＭＲ素子１１２は、高精度の測定を継続的に安定して実行することができる。しかし、ＮＭＲ素子１１２は、測定に要する時間が比較的長いという欠点がある。上述のようにＮＭＲ素子１１２は、核磁気共鳴吸収周波数を同定するために周波数トラッキングを要するからである。

【0032】

磁気検出素子は、ＮＭＲ素子１１２がＮＭＲ出力を生成する頻度よりも高い頻度で測定出力を生成するよう構成されていることが好ましい。このようにすれば、磁気検出素子を使用して、リアルタイム性に優れる測定を実現することができる。とりわけ、ホール素子１１０はホール電圧を連続的に出力することができるので、リアルタイムの測定に好適である。

【0033】

図３は、本発明のある実施形態に係る制御部１０２の機能及び構成を説明するためのブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

【0034】

制御部１０２は、磁場測定部１１４と、磁場調整部１１６と、磁場決定部１１８と、磁気検出素子校正部（以下、ホール素子校正部という）１２０と、記憶部１２２と、を備える。制御部１０２には入力部１２４及び出力部１２６が設けられている。入力部１２４は演算に必要な情報の入力を受け付ける任意の手段であり、出力部１２６は演算結果を出力（例えば表示）する任意の手段である。また、イオン注入装置１００は、エネルギー分析電磁石２４のための電源２３を備える。図３において磁場測定部１１４及び磁場決定部１１８は制御部１０２の一部を構成するが、ある実施形態においては、ホール素子１１０（またはホールプローブ）に磁場測定部１１４が設けられ、及び／または、ＮＭＲ素子１１２（またはＮＭＲプローブ）に磁場決定部１１８が設けられていてもよい。

【0035】

磁場測定部１１４は、偏向磁場１０６と測定出力（本実施形態では、ホール出力）との既知の対応関係に従って偏向磁場１０６を測定するよう構成されている。この対応関係を以下では、キャリブレーションデータと呼ぶことがある。磁場測定部１１４は、ホール素子１１０から出力されたホール電圧をキャリブレーションデータに従って偏向磁場１０６の測定値へと換算する。キャリブレーションデータはホール素子１１０の校正式を表すデータである。

【0036】

磁場測定部１１４は、例えば以下の校正式を使用して、ホール素子１１０の出力電圧を磁場に変換する。
Ｂ＝ｆ（Ｖ）
ここで、Ｂは偏向磁場１０６、Ｖはホール出力、ｆ（Ｖ）は磁場Ｂと電圧Ｖとの相関関係を表す。ｆ（Ｖ）は相関関係を表す任意の式であってよい。

【0037】

キャリブレーションデータは、複数の校正測定点を表す測定データと、校正測定点間を補間するための補間データと、を含む。校正測定点は、測定されたホール出力Ｖとこれに対応する真の偏向磁場１０６とからなる。本実施形態においては、ＮＭＲ素子１１２により決定される磁場が真の偏向磁場１０６として使用される。補間データは例えば、隣接する２つの校正測定点間の直線補間を表す。

【0038】

キャリブレーションデータの初期値は、例えばイオン注入装置１００の製造業者によって予め設定される。製造されたイオン注入装置１００の使用が開始される前に、ｎ個の校正測定点（Ｖ_ｉ，Ｂ_ｉ）（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）が所定の測定工程により取得される。測定工程は例えば、エネルギー分析電磁石２４に与える電流を規定の範囲にわたって変化させ（例えば階段状に増加させ）、その間にホール出力Ｖ_ｉをホール素子１１０で測定するとともに対応する磁場Ｂ_ｉをＮＭＲ素子１１２で測定することを含む。そして、これら校正測定点間の直線補間のための関係式が決定される。こうして取得されたキャリブレーションデータは記憶部１２２に登録される。キャリブレーションデータは、必要に応じて磁場測定部１１４により読み出される。

【0039】

図４は、本発明のある実施形態に係るキャリブレーションデータの初期値を例示するグラフである。磁場測定部１１４は、区間Ｖ_ｉ〜Ｖ_ｉ＋１における磁場Ｂを、ホール出力Ｖから次式により計算する。こうして得られた磁場Ｂを、磁場測定部１１４は、偏向磁場１０６の測定値Ｂｍとして磁場調整部１１６に出力する。

【数1】

【0040】

磁場調整部１１６は、偏向磁場１０６の測定値Ｂｍに基づいて偏向磁場１０６を目標磁場Ｂ_０に調整するよう構成されている。目標磁場は、エネルギー分析電磁石２４においてイオンビームを偏向しエネルギー分析スリット２８（図１参照）に所望のエネルギーＥ（ｅＶ）のイオンを選択的に通過させるよう設定される。磁場調整部１１６は、この目標磁場Ｂ_０（Ｔ）を次式により計算する。

【0041】

【数2】

ここで、Ｍはイオンの質量（ａｍｕ）、ｎはイオンの電価数、ρはエネルギー分析電磁石２４内のビームの曲率半径（ｍ）を表す。所望のエネルギーＥ、イオンの質量Ｍ、及びイオンの電価数ｎはイオン注入条件によって定められる値であり、入力部１２４から制御部１０２に入力される。曲率半径ρは仕様として与えられる定数であり、同様に入力部１２４から制御部１０２に入力されてもよい。

【0042】

磁場調整部１１６は、偏向磁場１０６の測定値Ｂｍが目標磁場Ｂ_０に等しくなるように、エネルギー分析電磁石２４の電源２３を制御する。こうして、エネルギー分析電磁石２４のコイルへの励磁電流が調整され、エネルギー分析電磁石２４においてイオンビーム軌道１０８に目標磁場Ｂ_０が生じる。

【0043】

その結果、あるエネルギー分布を持つイオンビームがエネルギー分析電磁石２４に入射すると、所望のエネルギー幅にあるイオンのみがイオンビーム軌道１０８に沿って偏向し、エネルギー分析スリット２８を通過する。それ以外のエネルギーのイオンは、偏向半径が大きくなったり、あるいは小さくなることによってエネルギー分析スリット２８に衝突し分離されるので、ウェハ４０には注入されない。

【0044】

このように、イオン注入装置１００は、エネルギー設定値Ｅに相当する磁場Ｂ_０になるようにエネルギー分析電磁石２４を制御するフィードバック系を備える。これを以下では、磁場設定ループ１２８と呼ぶことがある。磁場設定ループ１２８は、ホール素子１１０の出力を連続的に読み取りそれを磁場に変換し、その磁場に基づきエネルギー分析電磁石２４の電流を制御することにより、リアルタイムに偏向磁場１０６を目標磁場Ｂ_０に調整する。イオン注入装置１００は、リアルタイムの磁場設定ループ１２８を備える。磁場設定ループ１２８は、ホール素子１１０、磁場測定部１１４、磁場調整部１１６、電源２３、及びエネルギー分析電磁石２４を備える。

【0045】

図３に示されるように、イオン注入装置１００は、もう１つの制御ループを磁場設定ループ１２８とは別に備える。これを以下では、磁気検出素子校正ループまたはホール素子校正ループ１３０と呼ぶことがある。ホール素子校正ループ１３０は、ＮＭＲ素子１１２を使用してホール素子１１０を校正するために設けられている。ホール素子校正ループ１３０は、ＮＭＲ素子１１２、磁場決定部１１８、及びホール素子校正部１２０を備える。

【0046】

よって、制御部１０２は、ＮＭＲ出力に基づくキャリブレーションデータの更新を、キャリブレーションデータに基づく偏向磁場１０６の測定及び／または調整とは独立に実行するよう構成されている。ホール素子校正ループ１３０により、キャリブレーションデータの更新を、磁場設定ループ１２８の動作と並行して行うことができる。

【0047】

磁場決定部１１８は、ＮＭＲ出力から偏向磁場１０６を決定する。ＮＭＲ素子１１２から磁場決定部１１８に与えられるＮＭＲ出力は上述のように核磁気共鳴吸収周波数を表す。磁場決定部１１８は、ＮＭＲ出力を偏向磁場１０６に換算する。ＮＭＲ素子１１２が水素原子を用いる場合、核磁気共鳴吸収周波数ｆ（Ｈｚ）と磁場Ｂ（Ｔ）とは次式により関係づけられる。
ｆ＝４．２５７６×１０^７×Ｂ

【0048】

こうして得られた磁場Ｂを、磁場決定部１１８は、偏向磁場１０６の真の値としてホール素子校正部１２０に出力する。言い換えれば、磁場決定部１１８は、ＮＭＲ出力から決定された偏向磁場１０６を、偏向磁場１０６の真の値とみなす。

【0049】

ホール素子校正部１２０は、ＮＭＲ出力から決定された偏向磁場１０６と、当該偏向磁場に対応づけられるホール素子１１０の新たな測定出力と、を使用してキャリブレーションデータを更新するよう構成されている。この処理は詳しく後述する。

【0050】

図５は、本発明のある実施形態に係るイオン注入方法を表すフローチャートである。図５に示されるように、このイオン注入方法は、入力ステップ（Ｓ１０）と、調整ステップ（Ｓ１２）と、イオン注入ステップ（Ｓ１４）と、を備える。この方法は、図６及び図７を参照して後述する方法と同様に、制御部１０２により実行される。

【0051】

入力ステップ（Ｓ１０）においては、所望のイオン注入条件が制御部１０２に入力される。これにより、制御部１０２に保持されている前回の注入条件が、次に行われるべき注入処理の注入条件に変更される。注入条件は、ウェハ４０に注入されるべきイオンビームのエネルギーを含む。この注入エネルギーに関連してエネルギー分析電磁石２４における所望のエネルギーＥが設定される。

【0052】

入力された注入条件に従ってイオン注入装置１００がイオンビームを発生するように、制御部１０２は、エネルギー分析電磁石２４を含むイオン注入装置１００の各構成要素を調整する（Ｓ１２）。エネルギー分析電磁石２４が所望のエネルギーＥに対応する目標磁場Ｂ_０をイオンビーム軌道１０８に印加するよう制御される。また、必要に応じてイオンビームのその他の調整作業も併せて行われる。こうしてイオン注入のための準備作業が終了する。

【0053】

制御部１０２はイオン注入処理を実行する（Ｓ１４）。ウェハ４０が処理室に搬入され、イオンビームがウェハ４０に照射される。注入条件に従ってウェハ４０にイオンが注入される。ウェハ４０が処理室から搬出される。ウェハ４０の搬入から搬出までの一連の工程が所望の枚数が処理されるまで繰り返されてもよい。こうして本方法は終了する。

【0054】

エネルギー分析電磁石２４における磁場調整が行われるのは、上述のように注入条件が変更されたときには限られない。イオン注入装置１００の運転中または注入処理中に偏向磁場１０６が常時監視され、必要に応じて適時に磁場が調整されてもよい。

【0055】

図６は、本発明のある実施形態に係るエネルギー分析電磁石２４の磁場調整方法を表すフローチャートである。この方法は、偏向磁場１０６を測定することと（Ｓ２０）、偏向磁場１０６の測定値Ｂｍ及び目標磁場Ｂ₀に基づいて磁場調整をするか否かを判定することと（Ｓ２２）、偏向磁場１０６を調整することと（Ｓ２４）、を備える。この方法は、偏向磁場１０６を目標磁場Ｂ₀に維持するために周期的に実行される。

【0056】

偏向磁場１０６の測定（Ｓ２０）においては、ホール素子１１０が使用される。磁場測定部１１４は、ホール出力を取得し、キャリブレーションデータを使用してホール出力から偏向磁場の測定値Ｂｍを求める。

【0057】

磁場調整部１１６は、偏向磁場の測定値Ｂｍが目標磁場Ｂ₀に一致するか否かを判定する（Ｓ２２）。例えば、偏向磁場の測定値Ｂｍと目標磁場Ｂ₀との差があるしきい値より小さいとき、磁場調整部１１６は、偏向磁場の測定値Ｂｍが目標磁場Ｂ₀に一致すると判定する（Ｓ２２のＮ）。しきい値は測定値と目標値とが一致するとみなすことができる程度に小さい値に予め設定されている。測定値Ｂｍが目標磁場Ｂ₀に一致する場合、磁場の調整は不要であるから、本方法は終了する。

【0058】

偏向磁場１０６の測定値Ｂｍが目標磁場Ｂ₀から外れていると判定される場合には（Ｓ２２のＹ）、磁場調整部１１６は、偏向磁場１０６を調整するためにエネルギー分析電磁石２４の電源２３を制御する（Ｓ２４）。電流の調整量は例えば、測定値Ｂｍの目標磁場Ｂ₀に対する偏差に基づいて決定される。こうして偏向磁場１０６は調整され、本処理は終了する。調整後の偏向磁場１０６が目標磁場Ｂ₀に一致するか否かは、次回の処理で確認される。

【0059】

図７は、本発明のある実施形態に係る磁気検出素子の校正方法を表すフローチャートである。この方法は、校正を開始するか否かを判定することと（Ｓ３０）、ＮＭＲ素子１１２により偏向磁場１０６を決定することと（Ｓ３２）、決定された偏向磁場１０６に対応づけられるホール出力を取得することと（Ｓ３４）、決定された偏向磁場１０６と対応するホール出力とに基づいてキャリブレーションデータを更新することと（Ｓ３６）と、を備える。この方法は、上述の磁場調整方法よりも低い頻度で周期的に実行される。

【0060】

ホール素子校正部１２０は、校正開始条件が成立しているか否かを判定する（Ｓ３０）。校正開始条件は例えば、注入条件の変更により調整ステップ（図５のＳ１２）の実行中であること、及び／または、磁場調整（図６のＳ２４）が完了し磁場が安定した状態にあること（例えば、現時点までの所定時間継続して磁場調整不要（Ｓ２２のＮ）と判定されていること）を含む。校正開始条件が成立していないと判定された場合には（Ｓ３０のＮ）、本方法は終了する。この場合、キャリブレーションデータは更新されず、元のデータは記憶部１２２に保持される。

【0061】

校正開始条件が成立したと判定された場合には（Ｓ３０のＹ）、ホール素子校正部１２０は、ＮＭＲ素子１１２を動作させ、偏向磁場１０６を測定する（Ｓ３２）。ＮＭＲ素子１１２は周波数トラッキングを実行し、核磁気共鳴吸収周波数を同定する。磁場決定部１１８により核磁気共鳴吸収周波数が偏向磁場１０６に換算される。

【0062】

同時に、ホール素子校正部１２０は、ホール素子１１０の出力電圧を取得する（Ｓ３４）。ホール素子校正部１２０は、ＮＭＲ素子１１２の周波数トラッキングにより核磁気共鳴吸収周波数が決定された時点におけるホール出力Ｖｎｅｗを、ＮＭＲ素子１１２により測定された磁場Ｂｎｅｗに対応づける。こうして、ホール素子校正部１２０は、新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）を生成する。

【0063】

ホール素子校正部１２０は、新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）を使用して、キャリブレーションデータを更新する（Ｓ３６）。ホール素子校正部１２０は、更新されたキャリブレーションデータを記憶部１２２に登録する。こうして本方法は終了する。

【0064】

図８は、本発明のある実施形態に係り、更新されたキャリブレーションデータを例示するグラフである。図示されるように、ホール素子校正部１２０は、新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）を元のキャリブレーションデータに追加する。また、ホール素子校正部１２０は、新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）と隣接する元の校正測定点との直線補間の関係式を算出し、これと元の直線補間式と置き換える。

【0065】

あるいは、ホール素子校正部１２０は、新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）と元のキャリブレーションデータのいずれかの校正測定点（例えば、新たな校正測定点に最も近い校正測定点）とを入れ替えてもよい。新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）がいずれかの元の校正測定点に比較的近い場合にはこのように入れ替えてもよいし、逆に比較的遠い場合には上述のように新たな校正測定点を追加してもよい。

【0066】

ホール素子校正部１２０は、新たな校正測定点と既存の校正測定点との位置関係に基づいて、新たな校正測定点をどのように使用してキャリブレーションデータを更新するかを決定してもよい。例えば、ホール素子校正部１２０は、新たな校正測定点とその新たな校正測定点に最も近い校正測定点との距離に基づいて、新たな校正測定点をキャリブレーションデータに追加するか、または、新たな校正測定点を最も近い既存の校正測定点と入れ替えるかを決定してもよい。

【0067】

更新されたキャリブレーションデータは、直ちに又は以降の適切なタイミングで磁場測定部１１４に読み出される。例えば、イオン注入処理が行われていないときに、磁場測定部１１４は、元のキャリブレーションデータを更新されたキャリブレーションデータに置き換える。こうして、次回以降の注入処理においては磁場測定部１１４は最新のキャリブレーションデータを使用して偏向磁場１０６を測定することができる。

【0068】

キャリブレーションデータの置き換えは、すなわちホール出力の校正式の変更である。よって、データ置き換えに際して、磁場測定部１１４が演算する偏向磁場１０６の測定値Ｂｍが見かけ上変化する。これは、現実の磁場変化ではなく、元のキャリブレーションデータに基づく相対的に不正確な測定値から新たなキャリブレーションデータに基づく正確な測定値への変化である。上述の磁場調整方法によると、こうした見かけ上の磁場変化についても現実の磁場変化が生じたときと同様に偏向磁場１０６が調整される。このようにして、キャリブレーションデータの更新に伴って、偏向磁場１０６を自動的に正確に調整することができる。

【0069】

注入条件が変更されたとき、上述の磁場調整及びキャリブレーションデータ更新は次のように並列に行われる。まず磁場が調整される。すなわち、ホール素子１１０の出力電圧がモニタされ、目標磁場Ｂ₀となるようエネルギー分析電磁石２４の電流が調整される。調整が済むと、ＮＭＲ素子１１２の磁場測定が開始され、キャリブレーションデータが更新される。たいていの場合、キャリブレーションデータの更新が完了したときにはイオンビームのその他の調整が未完であり、注入処理は開始されていない。そこで、更新されたキャリブレーションデータを使用して、偏向磁場１０６の再調整をすることができる。そうして、正確なエネルギー分析のもとでイオン注入をすることができる。

【0070】

ところで、ホール素子校正部１２０は、更新されたキャリブレーションデータが、元のキャリブレーションデータに関連して設定される許容範囲にあるか否かを判定してもよい。更新されたキャリブレーションデータが許容範囲から外れていると判定された場合に、制御部１０２は、イオン注入処理の開始を禁止し、又は実行中のイオン注入処理を中止してもよい。あるいは、制御部１０２は、磁場測定装置１０４に異常がある旨の警告を出力してもよい。

【0071】

この許容範囲は、更新されたキャリブレーションデータが元のキャリブレーションデータから大きく外れているか否かを判定するために設定される範囲である。例えば、この許容範囲は、ホール素子計測系の精度保証仕様値に基づき定められていてもよい。ホール素子校正部１２０は、例えば、新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）が元のキャリブレーションデータからあるしきい値を超えて外れている場合に、更新されたキャリブレーションデータが許容範囲から外れていると判定してもよい。

【0072】

新たな校正測定点（Ｖｎｅｗ，Ｂｎｅｗ）が元のデータから大きく外れた場合には、磁場測定装置１０４に異常が発生している可能性もある。よって、上述のように注入処理をしないようにすることで、誤った注入エネルギーで注入処理がなされることを防止することができる。

【0073】

図９は、本発明のある他の実施形態に係るイオン注入装置２００を概略的に示す図である。イオン注入装置２００はいわゆる高エネルギーイオン注入装置に適する。イオン注入装置２００は、イオンソース２０１、質量分析電磁石２０２、線型加速器２０３、エネルギー分析電磁石２０４、分解スリット２０５、及び注入処理室２０６を備える。図１を参照して説明したイオン注入装置１００と同様に、磁場測定装置１０４がエネルギー分析電磁石２０４に設けられている。

【0074】

イオン注入装置２００において、イオンソース２０１から引き出されたイオンビームは質量分析電磁石２０２を経由して、必要なイオン種だけが線型加速器２０３に導かれる。この時点でのイオンビームのエネルギーは、イオンソース２０１の引き出し電圧とイオンの価数のみで決まるため、均一（単色）である。線型加速器２０３は、高周波（ＲＦ）電場でイオンを加速あるいは減速することができる。線型加速器２０３通過後のイオンビームは高周波電界の影響でエネルギー分布に広がりができてしまう。そこで、所望のエネルギーのイオンのみが通過できるようにエネルギー分析電磁石２０４の磁場を設定して、分解スリット２０５によりエネルギーの選別を行う。通過できるエネルギー幅は分解スリット２０５の開口幅によってあらかじめ設定できる。分解スリット２０５を通過したイオンのみが注入処理室２０６に導かれ、ウェハ２０７に注入される。２０８は、イオンビームの中心軌道を示している。

【0075】

図１０は、本発明のある他の実施形態に係るイオン注入装置３００を概略的に示す図である。イオン注入装置３００は、イオンソース３０１と、質量分析電磁石３０２と、分解スリット３０３と、注入処理室３０４と、を備える。磁場測定装置１０４は、質量分析電磁石３０２に設けられていてもよい。

【0076】

図１１は、本発明のある他の実施形態に係るイオン注入装置４００を概略的に示す図である。イオン注入装置４００は、イオンソース４０１と、質量分析電磁石４０２と、分解スリット４０３と、スキャナー４０４と、平行化電磁石４０５と、注入処理室４０６と、を備える。磁場測定装置１０４は、平行化電磁石４０５に設けられていてもよい。

【0077】

イオン注入装置４００は、イオンソース４０１からイオンビームを引き出し、注入に必要な質量のイオン種のみを選別用の分析電磁石４０２により選別する。イオン注入装置４００は、選別されたイオンを電場あるいは磁場を用いたスキャナー４０４へ導きスキャンし、磁場を用いた平行化電磁石４０５により平行化する。イオン注入装置４００は、平行化されたイオンビームをウェハ４０７に注入する。

【0078】

以上説明したように、本実施形態によると、イオン注入装置１００，２００，３００，４００は、ホール素子１１０を使用してエネルギー分析電磁石２４の偏向磁場１０６を監視するとともに、並行してＮＭＲ素子１１２によりホール素子１１０を校正する。ホール素子１１０の校正のためにイオン注入装置１００，２００，３００，４００の運転を停止しなくてもよいので、装置の生産性への影響がない。イオン注入装置１００，２００，３００，４００の運転を継続しつつホール素子１１０の経時変化を適時に補償し、エネルギー分析電磁石２４により分析されるビームエネルギーの精度を向上することができる。

【0079】

以上、本発明を実施形態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。

【0080】

上述の実施形態において磁気検出素子はホール素子１１０であるが、これに限られない。ある実施形態においては、磁気検出素子は、ホール素子１１０以外の半導体磁気センサ（例えば磁気抵抗素子）であってもよいし、あるいは、偏向磁場１０６に応じて測定出力を生成するいかなる素子であってもよい。

【符号の説明】

【0081】

Ｂ イオンビーム、 １０ イオンソース、 ２４ エネルギー分析電磁石、 ２５ａ 第１磁極面、 ２５ｂ 第２磁極面、 ３０ 偏向電磁石、 ８６ａ 測定装置、 １００ イオン注入装置、 １０２ 制御部、 １０４ 磁場測定装置、 １０６ 偏向磁場、 １０８ イオンビーム軌道、 １１０ ホール素子、 １１４ 磁場測定部、 １１６ 磁場調整部、 １１８ 磁場決定部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】