CN104752127B - 支承结构及使用该支承结构的离子发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够减少反射极的绝缘性降低的支承结构及离子发生装置。离子发生装置(10)具备：电弧室(12)；反射极(62)，具有设置于电弧室内的反射板(64)、及插通于连通电弧室(12)内外的贯穿孔(60)的反射极延长部(66)；以及支承结构(70)，设置于电弧室(12)的外侧，并以确保反射极延长部(66)与贯穿孔(60)的内壁之间的间隙(60a)的方式支承反射极。支承结构(70)具有：罩部件(80)，在电弧室(12)的外部划分与间隙(60a)连通的小室(88)；以及绝缘部件(72)，将电弧室(12)与反射极(62)之间电绝缘。

Description

支承结构及使用该支承结构的离子发生装置

技术领域

本申请主张基于2013年12月25日申请的日本专利申请2013-267764号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种反射极的支承结构及使用该支承结构的离子发生装置。

背景技术

在半导体制造工序中，为了改变导电性的目的、改变半导体晶片的结晶结构的目的等，规范地实施着向半导体晶片注入离子的工序。该工序中所使用的装置通常被称为离子注入装置。

作为这种离子注入装置中的离子源，已知有直流放电型的离子源。直流放电型的离子源通过直流电流加热灯丝而产生热电子，阴极通过该热电子被加热。并且，从被加热的阴极产生的热电子在电弧室内被加速，并与电弧室内的源气体分子碰撞，从而使源气体分子所含有的原子被离子化。

在电弧室内的与阴极对置的位置上设有使在电弧室内被加速的电子反弹的反射极。反射极通过与电弧室之间电绝缘而具有使电子反弹的功能，可提高电弧室内的离子化效率。反射极例如经由设置于电弧室内的绝缘部件被安装(参考专利文献1)。

专利文献1：日本特开平8-227688号公报

被导入到电弧室内的源气体分子多使用氟化物、氯化物等卤化物。卤化物的源气体分子在离子化过程中产生卤自由基，该卤自由基作用于构成离子源的部件、例如电弧室内壁的金属材料，并进行化学结合。并且，进行了化学结合的金属材料与源气体分子一同被离子化，可以作为离子化物质堆积在电弧室的内壁等而形成导电性膜。

若通过离子源的使用而使金属材料被堆积于反射极的绝缘部件并形成导电性膜，则反射极的绝缘性降低。若绝缘性降低，则反射极使电子反弹的功能大大降低，因此离子的生成效率降低，缩短离子源的寿命。其结果，若绝缘性降低的部件的更换频率增加，则使用离子注入装置的工序的生产性降低。

发明内容

本发明是鉴于这种状况而完成的，其提供一种能够减少反射极的绝缘性降低的反射极的支承结构及使用该支承结构的离子发生装置。

为了解决上述课题，本发明的一种实施方式的离子发生装置具备：电弧室；反射极，具有设置于电弧室内的反射板、及插通于连通电弧室内外的贯穿孔的反射极延长部；以及支承结构，设置于电弧室的外侧，并以确保反射极延长部与贯穿孔的内壁之间的间隙的方式支承反射极。支承结构具有：罩部件，在电弧室的外部划分与间隙连通的小室；以及绝缘部件，将电弧室与反射极之间电绝缘。

本发明的另一实施方式为支承结构。该支承结构将插通于连通电弧室内外的贯穿孔的反射极的基部，以确保与该贯穿孔的内壁之间的间隙的方式进行支承。支承结构具有：罩部件，在电弧室的外部划分与间隙连通的小室；以及绝缘部件，将电弧室与反射极之间电绝缘。

另外，在方法、装置、系统等之间相互置换以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件和表现形式，作为本发明的实施方式同样有效。

发明效果

根据本发明，能够提供一种减少反射极的绝缘性降低且生产性高的离子发生装置。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的离子发生装置的电弧室及反射极的支承结构的示意图。

图2是表示图1所示的离子发生装置的A-A线截面的示意图。

图3是表示比较例所涉及的离子发生装置的电弧室及反射极的支承结构的示意图。

图4是表示变形例1所涉及的离子发生装置的反射极的支承结构的示意图。

图5是表示变形例2所涉及的离子发生装置的反射极的支承结构的示意图。

图6是表示变形例3所涉及的离子发生装置的反射极的支承结构的示意图。

图中：10-离子发生装置，12-电弧室，14-热电子放出部，42-等离子体，50-侧壁板，52-上板，54-下板，58-连接部，58a-同轴螺栓，60-贯穿孔，60a-间隙，62-反射极，64-反射板，66-反射极延长部，70-支承结构，72-绝缘部件，76-屏蔽部件，80-罩部件，88-小室。

具体实施方式

以下，参考附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。另外，在附图说明中，对相同的要件附加相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下所述的结构为示例，并没有对本发明的范围做任何限定。

图1是表示本实施方式所涉及的离子发生装置10的电弧室12及反射极62的支承结构70的示意图。图2是表示图1所示的离子发生装置10的A-A线截面的示意图。

本实施方式所涉及的离子发生装置10为直流放电型的离子源，具备电弧室12、热电子放出部14、反射极62、支承结构70、抑制电极20、接地电极22及各种电源。

电弧室12具有大致长方体的箱型形状。电弧室12由高熔点材料、具体而言由钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)等高熔点金属或它们的合金、石墨(C)等构成。由此，即使电弧室内的温度变得比较高的环境下，也能够使电弧室不易熔化。

电弧室12具备侧壁板50、上板52、下板54。在侧壁板50形成有导入源气体的气体导入口24、及作为引出离子束的开口部的前狭缝26。上板52上设有热电子放出部14，下板54的贯穿孔60被反射极62插通。

另外，在以下的说明中，有时将从上板52朝向下板54的方向称为轴向。并且，沿着轴向的方向上，也会将从下板54朝向上板52的方向称为上方或上侧、将从上板52朝向下板54的方向称为下方或下侧。并且，也会将电弧室12的内部称为内侧、将电弧室12的外部称为外侧。

下板54具有连通电弧室12的内外并沿轴向延伸的贯穿孔60。贯穿孔60的轴向的截面形状为圆形。在贯穿孔60的内侧的出口设有从内表面54a向上方突出的突端部56。另一方面，在贯穿孔60的外侧的出口设有从外表面54b向下方突出的连接部58。在连接部58的侧面设有被实施螺纹加工并连接有支承结构70的同轴螺栓58a。同轴螺栓58a与贯穿孔60的中心轴共轴。

热电子放出部14在电弧室内放出热电子，并具有灯丝28及阴极30。热电子放出部14被插入于上板52的安装孔52a并以与电弧室12绝缘的状态被固定。

灯丝28被灯丝电源34加热，并在前端产生热电子。在灯丝28产生的(1次)热电子被阴极电源36加速而与阴极30碰撞，并用该碰撞时产生的热量加热阴极30。被加热的阴极30产生(2次)热电子40，该(2次)热电子40通过利用电弧电源38施加于阴极30与电弧室12之间的电弧电压被加速，并作为具有足够电离气体分子的能量的束电子而被放出于电弧室12中。

反射极62具有反射板64及反射极延长部66。反射板64设置于与热电子放出部14对置的位置，并设为与阴极30对置且大致平行。反射板64将电弧室内的电子反弹并将电子滞留于生成等离子体42的位置，从而提高离子生成效率。

反射极延长部66为与反射板64大致垂直延伸的圆柱形状的部件，且为反射极62的基部。反射极延长部66插通于下板54的贯穿孔60，并被安装于设置在电弧室外的支承结构70。在反射极延长部66的端部66a设有与贯穿孔60的中心轴同轴的螺纹孔66b，并通过连接螺钉68被固定于绝缘部件72。由此，反射极延长部66以确保与贯穿孔60的内壁之间的间隙60a的方式被固定，反射极62与电弧室12之间成为电绝缘的状态。

支承结构70具有绝缘部件72、屏蔽部件76及罩部件80。支承结构70设置于电弧室12的外侧，并设置成在电弧室12的外部划分与贯穿孔60中的间隙60a连通的小室88。小室88的内部设有与反射极62连接的绝缘部件72。由此，支承结构70以确保电弧室12与反射极62之间的绝缘的状态支承反射极62。

罩部件80具有在圆筒形状的侧面82设有底面84的杯形的形状。罩部件80在侧面82的开口端82a的内表面被实施螺纹加工并被拧入下板54的同轴螺栓58a，从而被固定于下板54的外侧。由此，罩部件80与下板54一同划分小室88。小室88相对于电弧室12的外部密闭，小室88经由贯穿孔60中的间隙60a与电弧室12的内部相连。

罩部件80的底面84设有被止动螺钉86插通的螺纹孔84a。螺纹孔84a以与贯穿孔60的中心轴同轴的方式形成。由此，将设置于罩部件80的内部的绝缘部件72固定在贯穿孔60的中心轴上。

罩部件80与成为高温的电弧室12连接，因此优选由高熔点材料构成。罩部件80例如由钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)等高熔点金属或它们的合金、石墨(C)等构成。

绝缘部件72为连接罩部件80与反射极62的部件。绝缘部件72存放于罩部件80的内部，并具有与罩部件80的形状对应的圆筒形状。另外，只要是能够存放于罩部件80的内部的形状，棱柱等的上表面72a与下表面72b也可以为多角形的柱状形状。绝缘部件72由氧化铝(Al₂O₃)等陶瓷材料构成。

绝缘部件72的上表面72a及下表面72b设有同轴的螺纹孔74a、74b。在上表面72a的螺纹孔74a中安装有连接螺钉68且被固定在反射极延长部66与绝缘部件72之间。在下表面72b的螺纹孔74b中安装有止动螺钉86且被固定在绝缘部件72与罩部件80之间。

屏蔽部件76被设置成覆盖绝缘部件72的上表面72a与侧面72c并具有杯形的形状。屏蔽部件76夹在绝缘部件72的上表面72a与反射极延长部66的端部66a之间而被固定。屏蔽部件76抑制进入到小室88的内部的离子化物质附着于绝缘部件72的外表面即上表面72a和侧面72c。屏蔽部件76与罩部件80相同地由钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)等高熔点金属或它们的合金、石墨(C)等构成。

在具有以上结构的离子发生装置10中连结阴极30与反射极62的轴向上施加有由源磁场线圈诱发的外部磁场B。并且，由于与放出束电子的阴极30对置而设置反射极62，因此束电子沿着外部磁场B在阴极30与反射极62之间往复移动。往复移动的束电子与导入到电弧室12的源气体分子碰撞电离而产生离子，从而在电弧室12生成等离子体42。由于束电子通过施加磁场而存在于大致被限定的范围，因此主要在该范围生成离子，并通过扩散到达电弧室12的内壁、前狭缝26、阴极30及反射极62，消失在壁面。

源气体使用希有气体，或氢(H₂)、磷化氢(PH₃)、砷化氢(AsH₃)等氢化物，三氟化硼(BF₃)、四氟化锗(GeF₄)等氟化物、三氯化铟(InCl₃)等氯化物等卤化物。这些源气体被导入电弧室12并通过(2次)热电子40被离子化。若被激发的离子入射并碰撞于电弧室12的内壁、阴极30及反射极62，则通过溅射或化学蚀刻磨耗各部分的构成材料(W、Ta、Mo、石墨等)。

并且，当源气体为氟化物时，例如为BF₃时，通过离子化生成B⁺、BF⁺、BF₂ ⁺、F⁺、F₂ ⁺，若这些离子在电弧室12的内部的壁面被中和，则生成F、F₂等反应性较高的氟自由基。氟自由基与构成离子发生装置10的部件的材料化学结合而成为WF_x、TaF_x、MoF_x、CF_x等氟化物。这些氟化物在比较低的温度下气化，在电弧室内被离子化，并可以作为WF_x ⁺、TaF_x ⁺、MoF_x ⁺、CF_x ⁺等离子化物质流入并附着于电弧室的内壁等而形成导电性膜。

这种导电性膜也会附着于构成离子发生装置10的绝缘部件而成为绝缘性降低的原因。例如，若在反射极的绝缘部件的外表面形成导电性膜，则反射极的绝缘性降低。若绝缘性降低，则反射极使电子反弹的功能大大降低，因此离子的生成效率降低，缩短离子源的寿命。其结果，绝缘性降低的部件的更换频率增加，使用离子注入装置的工序的生产性大大降低。

本实施方式中，绝缘部件72被设置于在电弧室12的外部设置的小室88的内部，而非电弧室12的内部。小室88相对于电弧室12的外部密闭，且通过贯穿孔60的间隙60a与电弧室12的内部相连，因此与电弧室12相同地被源气体充满，间隙60a中不会产生气体的流动。因此，可抑制在电弧室12的内部生成的离子化物质流入小室88，小室88的内部成为比电弧室12的内部更不易附着导电性膜的环境。本实施方式中，在这种小室88的内部设置绝缘部件72，因此能够延缓绝缘部件72的绝缘性降低。由此，能够延长离子源的寿命。

并且，本实施方式中，绝缘部件72的外表面被屏蔽部件76覆盖。因此，即使离子化物质流入小室88的内部，其一部分也会在屏蔽部件76的表面形成导电性膜。即，通过设置屏蔽部件76，绝缘部件72的外表面不易被导电性膜污染。由此，能够延缓绝缘部件72的绝缘性降低。

并且，本实施方式中，绝缘部件72配置于下板54的正下方且配置于反射极62与罩部件80之间的位置。反射极62及罩部件80通过使用离子发生装置10而成为高温，因此配置于夹在二者之间的位置的绝缘部件72保持为高温。并且，绝缘部件72存放于小室88的内部，因此易维持高温状态。若将绝缘部件72的温度设为较高，则所流入的离子化物质不易附着于表面，因此能够阻碍导电性膜的形成。由此，能够延缓绝缘部件72的绝缘性降低。

并且，根据本实施方式，反射极62及构成支承结构70的部件相对于电弧室12配置在同一轴上。罩部件80通过与贯穿孔60的中心轴共轴的同轴螺栓58a被固定，固定绝缘部件72的止动螺钉86及固定反射极62的连接螺钉68也被同轴配置。因此，能够将反射极62以良好的位置精度固定于贯穿孔60的中心，能够良好地保持反射极延长部66与贯穿孔60的内壁之间的间隙60a。尤其，与利用图3进行后述的比较例相比，能够防止因反射极62的位置偏离而使反射极延长部66与贯穿孔60的内壁接触，从而成为绝缘不良的情况。

图3是表示比较例所涉及的离子发生装置110的电弧室112及反射极118的支承结构120的示意图。离子发生装置110与上述实施方式相同地具备电弧室112、热电子放出部114及反射极118。反射极118插通于在电弧室112的底部112a设置的贯穿部112b，并被固定于在电弧室112的外部设置的支承结构120。

比较例所涉及的支承结构120具有反射极支承板124及绝缘部件132a、132b。反射极支承板124沿着与电弧室12的轴向交叉的方向(左右方向)延伸。在反射极支承板124的一端即连接部124a上连接有反射极118，在另一端即固定部124b上经由绝缘部件132a、132b而被固定于腔室支承部130。在比较例中，通过沿左右方向延伸的反射极支承板124使绝缘部件132a、132b的位置远离电弧室112，由此防止离子化物质附着于绝缘部件132的表面而形成导电性膜。

在比较例中，为了确保绝缘部件132a、132b的绝缘性而设为获取连接部124a与固定部124b的距离L。因此，若用于与绝缘部件132a、132b进行固定的螺钉128松动而使得反射极支承板124向θ方向偏离，则即使该偏离较小，也会使反射极支承板124的连接部124a较大移动。其结果，导致反射极118与贯穿部112b的内壁接触，可能无法确保反射极118的绝缘性。即，在比较例中，若为了确保绝缘性而将反射极支承板124设为较长，则该长度可能成为绝缘不良的原因。

并且，在比较例中，即使想出使绝缘部件132a、132b的位置远离电弧室112的对策，也会产生源气体通过贯穿部112b从电弧室112内向外流动，且离子化物质流出。其结果，可看到离子化物质附着于绝缘部件132a、132b的表面而形成导电性膜，从而成为绝缘不良的情况。

另一方面，本实施方式中设为贯穿孔60、反射极62、绝缘部件72及罩部件80配置于同一轴上的结构，因此，即使这些部件的连接部分松动，反射极62的位置也不易向与轴交叉的方向偏离。由此，能够维持反射极延长部66与贯穿孔60的内壁之间的间隙60a。并且，通过维持间隙60a，能够防止在贯穿孔60的内壁形成导电性膜，并防止因间隙60a通过导电性材料相连而引起的绝缘不良。

并且，本实施方式中，在贯穿孔60的内侧的出口设有从内表面54a向上方突出的突端部56。因此，即使在堆积于电弧室12的侧壁板50或上板52的导电性物质剥离而落到下板54的情况下，这些导电性物质也不易进入贯穿孔60的内部。因此，通过设置突端部56，能够抑制反射极62的绝缘性降低。

图4是表示变形例1所涉及的离子发生装置10的反射极62的支承结构70的示意图。在变形例1中未设有覆盖绝缘部件72的外表面的屏蔽部件，这一点与上述实施方式不同。在变形例1中，在小室88的内部也设有绝缘部件72，因此离子化物质不易流入小室88的内部，设为绝缘部件72保持为高温的环境。因此，能够防止在绝缘部件72的表面形成导电性膜，并减少反射极62的绝缘性降低。并且，通过配置在同一轴上的支承结构70，也能够提高反射极62的位置精度。

图5是表示变形例2所涉及的离子发生装置10的反射极62的支承结构70的示意图。在变形例2中，代替在下板54的连接部58设置同轴螺栓，而在连接部58的侧面设置螺纹孔58b，且罩部件80通过连接螺钉90被固定于连接部58，这一点与上述实施方式不同。并且，在罩部件80的开口端82a设有螺纹孔82b来代替被实施螺纹加工，连接螺钉90插通于该螺纹孔82b。在变形例2中也能够得到与上述实施方式相同的効果。

图6是表示变形例3所涉及的离子发生装置10的反射极62的支承结构70的示意图。在变形例3中，绝缘部件92被设置于罩部件80与电弧室12之间，而非反射极62与罩部件80之间，这一点与上述实施方式不同。以下，以与实施方式的不同点为中心对变形例3进行说明。

支承结构70具有罩部件80及绝缘部件92。罩部件80具有在圆筒形状的侧面82设有底面84的杯形的形状。罩部件80与连接部58及绝缘部件92一同划分小室88，并使小室88的内部相对于电弧室12的外部密闭。在罩部件80的内侧连接有反射极延长部66的端部66a。反射极延长部66通过配置在贯穿孔60的中心轴上的连接螺钉98被固定于罩部件80的底面84。

绝缘部件92为环形状的部件，且分别对内壁92a和外壁92b实施螺纹加工。内壁92a与在下板54的连接部58设置的同轴螺栓58a啮合而将绝缘部件92固定于下板54。在绝缘部件92的外壁92b通过与罩部件80的开口端82a的内表面啮合而连接有罩部件80。通过将绝缘部件92设置于下板54与罩部件80之间，能够使反射极62相对于电弧室12绝缘。

变形例3中与上述实施方式不同，并未设为绝缘部件72被存放于小室88的内部的结构。但是，与上述实施方式相同地，气体不易流入小室88的内部，因此能够抑制离子化物质附着于面向小室88的绝缘部件92的下表面92d而形成导电性膜。并且，面向电弧室12的外部的绝缘部件92的上表面92c成为电弧室12的外侧，因此与电弧室12的内部相比离子化物质不易附着。由此，能够抑制绝缘部件92的绝缘性降低。

并且，在变形例3中，绝缘部件92与下板54直接连接，因此能够使绝缘部件92保持为高温。由此，能够防止在绝缘部件92的表面形成导电性膜。

并且，在变形例3中也设为贯穿孔60、反射极62、罩部件80及绝缘部件92配置在同一轴上的结构，因此，即使这些部件的连接部分松动，反射极62的位置也不易向与轴交叉的方向偏离。由此，能够维持反射极延长部66与贯穿孔60的内壁之间的间隙60a。

以上，参考上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，对实施方式的结构进行适当组合或置换的方式也包含在本发明中。并且，也可以根据本领域技术人员的知识，适当地重新排列实施方式中的组合及处理的顺序，或对实施方式加以各种设计变更等变形，加以这种变形的实施方式也可包含在本发明的范围中。

上述实施方式及变形例中示出小室88的内部被密闭的支承结构70。在另一变形例中，也可以设为小室88的气密性因在设置于支承结构70的螺纹孔等产生的间隙而受损的结构，而非小室88在严格意义上被密闭的结构。该情况下，电弧室12内部的源气体的一部分通过贯穿孔60的间隙60a流入小室88，并通过螺纹孔等间隙流出腔室外，因此可能会出现一些气体从电弧室12向小室88的流动。但是，与未通过支承结构70设置小室88的情况相比，可以减少进入小室88的离子化物质的量。因此，即使在严格意义上小室88并未被密闭的情况下，也能够减少设置于支承结构70的绝缘部件72的绝缘性降低。

上述实施方式及变形例中，作为固定反射极延长部66与支承结构70之间的连接部件，示出了使用连接螺钉的情况。在另一变形例中，也可以使用螺钉以外的连接部件。例如，可使用螺栓或螺栓与螺母的组合作为连接部件而进行固定。

Claims (6)

1.一种离子发生装置，其特征在于，具备：

电弧室；

反射极，具有设置于所述电弧室内的反射板、及插通于连通所述电弧室内外的贯穿孔的反射极延长部；以及

支承结构，设置于所述电弧室的外侧，并以确保所述反射极延长部与所述贯穿孔的内壁之间的间隙的方式支承所述反射极，

所述支承结构具有：罩部件，在所述电弧室的外部划分与所述间隙连通的小室；以及绝缘部件，将所述电弧室与所述反射极之间电绝缘，

所述绝缘部件设置于所述小室的内部，并连接所述反射极延长部与所述罩部件之间，

所述支承结构还具有屏蔽部件，该屏蔽部件设置于所述反射极延长部与所述绝缘部件之间，并被设置成覆盖所述绝缘部件的外表面。

2.根据权利要求1所述的离子发生装置，其特征在于，

所述小室相对于所述电弧室的外部被密闭。

3.根据权利要求1或2所述的离子发生装置，其特征在于，

所述罩部件经由所述绝缘部件安装于所述电弧室的外侧。

4.根据权利要求1或2所述的离子发生装置，其特征在于，

所述反射极延长部通过与所述贯穿孔的中心轴同轴设置的连接部件被固定于所述支承结构。

5.根据权利要求1或2所述的离子发生装置，其特征在于，

所述电弧室在该电弧室的外侧具有与所述贯穿孔的中心轴同轴的螺纹结构，

所述支承结构通过拧入所述螺纹结构而被固定于所述电弧室。

6.一种支承结构，将插通于连通电弧室内外的贯穿孔的反射极的基部，以确保与该贯穿孔的内壁之间的间隙的方式进行支承，其特征在于，

所述支承结构具有：罩部件，在所述电弧室的外部划分与所述间隙连通的小室；以及绝缘部件，将所述电弧室与所述反射极之间电绝缘，

所述绝缘部件设置于所述小室的内部，并连接所述反射极延长部与所述罩部件之间，

所述支承结构还具有屏蔽部件，该屏蔽部件设置于所述反射极延长部与所述绝缘部件之间，并被设置成覆盖所述绝缘部件的外表面。