CN109314025A - 离子源以及离子注入装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种令在离子源的离子生成容器中令离子化气体与离子原料反应而生成离子时产生的中间生成物附着到气体供给管的供给侧末端部及内壁面的量尽可能减少的技术。本发明的离子源具有令经由筒状的气体导入管（13）导入到容器中的离子化气体与释放到容器中的离子原料反应以生成离子的离子生成容器（11）。气体导入管（13）构成为通过气体供给管（14）将离子化气体导入至气体导入管（13）的内部空间（13b）。在气体导入管（13）的内部空间（13b）中设置具有冷却并捕集在离子生成容器（11）中产生的中间生成物的冷却捕集部（33）的拆装自如的冷却捕集构件（30）。冷却捕集部（33）在气体导入管（13）的内部空间（13b）的气体供给管（14）的供给侧末端部（14a）附近，配置为不接触气体导入管（13）的内壁面。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子源、特别是用于离子注入装置的离子源的技术。
背景技术
今年，相比于现有的硅（Si）基板而言耐热性、耐电压性优良的碳化硅（SiC）基板的制造方法得到了确立且变得能够较为低价地获得。
在使用SiC基板的工艺中具有注入铝离子作为掺杂剂的工艺，使用离子注入装置，其具有生成铝离子束的离子源。
在这样的离子源中，作为生产铝离子的方法，有令设置于容器内的氮化铝或氧化铝与被导入到容器内的氟类气体（例如PF3）发生反应的方法。
但是，在令氮化铝和PF3的反应的方法中，作为中间生成物而生成氟化铝（AIFx），存在该生成的氟化铝（AIFx）附着于气体导入管的内部空间的低温面，、特别是气体供给管的供给侧末端部以及内壁面而阻塞气体供给管的问题。
因此，在现有技术中，存在必须频繁地进行离子源的维护的问题。
专利文献1：日本特开2015-95414号公报。
发明内容本
发明是为了解决所述现有技术的问题而提出的，其目的在于提供一种技术，在离子源的离子生成容器内令离子化气体与离子原料发生反应而生成离子时生成的中间生成物附着于气体供给管的供给侧末端部以及内壁面的量尽可能地减少。
解决问题的手段
为了解决所述问题，本发明为一种离子源，用于生成离子束，其具有离子生成容器，所述离子生成容器令经由筒状的气体导入管被导入到容器内的离子化气体与被释放到该容器内的离子原料反应而生成离子，所述气体导入管构成为通过气体供给管向该气体导入管的内部空间导入所述离子化气体，并且在所述气体导入管的内部空间中设置有拆装自如的冷却捕集构件，所述冷却捕集构件具有冷却并捕集在所述离子生成容器内生成的中间生成物的冷却捕集部，所述冷却捕集部在所述气体导入管的内部空间的所述气体供给管的供给侧末端部的附近配置为不与所述气体导入管的内壁面接触。
本发明是一种离子源，所述冷却捕集构件为，所述冷却捕集部具有在所述气体导入管的内部空间中配置在比所述气体供给管的供给侧末端部靠所述离子生成容器侧的部分。
本发明是一种离子源，所述冷却捕集构件为，所述冷却捕集部在所述气体导入管的内部空间中配置在相对于所述气体供给管的供给侧末端部从所述离子生成容器离开的方向侧。
本发明是一种离子源，所述冷却捕集构件构成为通过螺纹固定拆装自如地固定于所述气体导入管的从所述离子生成容器离开的方向侧的端部。
本发明是一种离子源，所述冷却捕集构件的冷却捕集部在棒状的部分的顶部设置有平面状的捕集面。
本发明是一种离子源，所述冷却捕集构件的冷却捕集部在棒状的部分的中间部具有槽状的退避部，突出到所述气体导入管的内部空间中的所述气体供给管的供给侧末端部配置为进入所述退避部的槽内而隐藏在该槽的所述离子生成容器侧的侧部的背后。
本发明是一种离子源，所述离子化气体是氟类气体，所述离子是从氮化铝得到的铝离子。
本发明为一种离子注入装置，是用于向基板照射离子束进行注入的离子注入装置，具有所述任意的离子源，构成为通过向基板照射从该离子源释放的离子束而进行注入。
本发明的效果
根据本发明，在由气体供给管导入了离子化气体的气体导入管的内部空间中设置了具有冷却捕集部的冷却捕集构件，所述冷却捕集部将在离子生成容器中生成的中间生成物冷却并捕集，所以当在离子源的离子生成容器内离子化气体与离子原料发生反应而生成离子时，能够尽可能地减少气体状态的中间生成物以固体形态附着于气体导入管的气体供给管的供给侧末端部及其内壁面的量，从而能够防止气体导入口被堵塞，能够获得稳定的离子束电流。
其结果，与现有技术相比，能够延长离子源的维护周期。
另外，如果将本发明的冷却捕集构件构成为通过螺纹固定而拆装自如地连安装于气体导入管，则能够容易地通过手动进行维护作业。
附图说明
图1是示出使用本发明的离子源的离子注入装置的整体的的概略结构图。
图2是示出本发明的离子源的结构例的剖视图。
图3是表示本实施方式的主要部分的剖视图。
图4（a）至（c）是表示向该实施方式的气体导入管安装冷却捕集构件的方法的流程图。
图5是示出冷却捕集构件的另一示例的结构图。
图6是示出冷却捕集构件的又一示例的结构图。
附图标记说明
1...离子注入装置
10、10A、10B......离子源
11...离子生成容器
12...气体供给部
13...气体导入管
13a...气体导入口
13b...内部空间
13c...收容部
13d...螺纹部
13e...开口部
14...气体供给管
14a...供给侧末端部
20...热电子释放部
21...阴极部
22...细丝
23...离子原料构件
30、30A、30B...冷却捕集构件
31...抓钮部
32...螺纹部
33...冷却捕集部
33a...退避部
34...安装构件
34a、34b...螺纹部。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。
图1是示出使用了本发明的离子源的离子注入装置的整体的概略结构图。
如图1所示，本例的离子注入装置1以下述顺序连接后述的离子源10、行进室2、质量分析装置3、加速装置4、扫描装置5、注入室6而构成。
另外，在该离子注入装置1中，离子源10、行进室2、加速装置4和注入室6分别借助真空排气装置9a~9d被真空排气。
离子源10与气体供给部12连接，将气体供给部12所供给的气体离子化，令生成的离子作为离子束在行驶室2的内部行进，令其入射到质量分析装置3的内部。
在质量分析装置3的内部，对离子束中的离子进行质量分析，令具有所期望的电荷质量比的离子通过，作为离子束入射到加速装置4。
在加速装置4中，令离子束中的正离子加速并入射到扫描装置5，扫描装置5一边控制离子束的行进方向一边令其入射到注入室6的内部。
在注入室6的内部配置多个（在此为两个）基板8，借助所述扫描装置5，离子束朝向多个基板8的某个的方向，一张张地对基板8的表面进行扫描同时照射离子，从而将离子注入到基板8的内部。
图2是示出本发明的离子源的结构例的剖视图。
如图2所示，本例的离子源10配置在所述的离子注入装置1（参见图1）内，具有用于生成离子的离子生成容器11。
该离子生成容器11由金属材料构成，形成为例如长方体的箱型形状。
本实施方式的离子生成容器11以其长度方向朝向正交于离子释放（行进）方向P的方向的方式配置。
而且，在离子生成容器11的离子释放方向P的上游侧，设置有用于供给例如由三氟化磷（PF3）构成的离子化气体的气体供给部12。
该气体供给部12经由气体供给管14与气体导入管13的气体导入口13a（参照图3）连接，所述气体导入管13设置于离子生成容器11的离子释放方向P的上游侧且向离子生成容器11内导入离子化气体。
另一方面，在离子生成容器11的离子释放方向P的下游侧，设置有用于从离子生成容器11内释放离子的狭缝15。
在离子生成容器11内，在垂直于离子释放方向P的方向的一个壁部上设置有热电子释放部20，该热电子释放部20借助热阴极所进行的加热而释放热电子，此外，在垂直于离子释放方向P的方向的另一个壁部上设置对置反射电极（推斥极）16，其以与热电子释放部20对置的方式设置，构成为成为负的电位。
热电子释放部20由例如有底圆筒形状的阴极部21和设置在阴极部21的内部的背面侧且与电源24连接的细丝22构成热阴极。在此，阴极部21使用例如由钨（W）构成的部件。
另一方面，在阴极部21周围，设置离子原料构件23。
离子原料构件23由氮化铝（AlN）构成，围绕阴极部21的周围，设置成被阴极部21加热。
在这样的构造中，如果从气体供给管14经由气体导入管13的气体导入口13a以及内部空间13b（参见图3）向离子生成容器11内导入氟类气体（PF3）而在该容器内生成等离子体，则氮化铝与氟类气体反应而生成铝（Al）离子，在该反应过程中，作为中间生成物而以气体状态产生氟化铝（AlFx）。
此时，为了引发所述反应，需要通过由作为热阴极的细丝22进行的加热来加热阴极部21，进而通过阴极部21的加热使离子原料构件23达到预定温度。
另外，在离子生成容器11的外部，在狭缝15的离子释放方向P的下游侧，设置有将在离子生成容器11内生成的离子引出而生成离子束的引出电极17。
图3是表示本实施方式的主要部分的剖视图，图4（a）〜（c）是表示该实施方式中向气体导入管安装冷却捕集构件的安装方法的工序图。
如图3所示，本实施方式的冷却捕集构件30与后述的安装构件34一起安装在例如由钼（Mo）构成的气体导入管13的相对于离子生成容器11离开的方向侧的端部。
冷却捕集构件30例如由不锈钢等的金属构成，且一体地形成。
该冷却捕集构件30同心状地设置例如圆柱形的抓钮部31、由阳螺纹构成的螺纹部32、例如圆柱形状的冷却捕集部33而构成。
在此，冷却捕集构件30的螺纹部32形成为以非接触状态收纳在收容部13c内，所述收容部13c内在筒状（例如圆筒形状）的气体导入管13的内壁部分设置于相对于离子生成容器11离开的方向侧的端部，内径大于螺纹部32。
此外，冷却捕集构件30的冷却捕集部33的尺寸被设定为其外径小于气体导入管13的内径并且不接触气体导入管13的内壁面。
而且，优选构成为当将冷却捕集构件30安装于气体导入管13时，冷却捕集部33具有在气体导入管13的内部空间13b中配置在比气体导入口13a还靠离子生成容器11侧的部分。
如下所述，冷却捕集构件30的冷却捕集部33具有物理地捕集（排气）氟化铝的功能，其结果，令设置在气体导入口13a内的气体供给管14的供给侧末端部14a附近的气体状态的氟化铝的存在比率（分压）降低。
而且，由此能够起到阻止氟化铝向气体供给管14的供给侧末端部14a以及气体供给管14的内壁面附着的效果。
设置在气体导入管13的侧部的孔即气体导入口13a与插入到气体导入口13a内的气体供给管14的嵌合关系是JISB0401-1所示的间隙嵌合，为保持气体导入管13的内部空间13b的气密的构造。
该构造具有简化装置构成的效果，但是气体导入管13与气体供给管14之间的热阻变大。
即，装置构成上气体供给管14暴露于室温环境的面积大，所以气体供给管14的供给侧末端部14a的温度变得主要受装置周围的室温的影响，相对于此，作为设置于气体导入管13的孔的气体导入口13a的温度主要受离子生成容器11的温度的影响。
因此，如果仅考虑温度的影响，则流入气体导入管13的内部空间13b的氟化铝不会附着在气体导入口13a的内壁面，而会优先附着于气体供给管14的供给侧末端部14a以及气体供给管14的内壁面。
但是，在本实施方式中，冷却捕集构件30的冷却捕集部33以下述方式设定其尺寸：与气体供给管14的供给侧末端部14a对置，并且其顶部的捕集面30a位于比气体供给管14的供给侧末端部14a更靠离子生成容器11侧。
在此，冷却捕集构件30的排热部分是相对于所述捕集面30a位于最远离侧的抓钮部31，从气体导入管13对抓钮部31的热经由后述的安装构件34的螺纹部34a、34b以及螺纹部32（参见图4（a）、（b））流入，此外，内部空间13b的热从冷却捕集部33经由螺纹部32流入抓钮部31。
该冷却捕集构件30的抓钮部31构成为暴露于装置周围的室温的环境而借助自然对流被散热，从而冷却捕集部33的温度比气体导入管13的内壁面的温度低，被保持在能够捕集氟化铝的温度。因此，本实施方式的冷却捕集构件30不需要主动冷却机构。
而且，根据这样的构成，相对于气体供给管14的供给侧末端部14a位于离子生成容器11侧的冷却捕集部33的捕集面30a及其侧面能够捕集流入到气体导入管13的内部空间13b的氟化铝，由此能够令气体供给管14的供给侧末端部14a附近的氟化铝的存在比率（分压）降低，其结果，能够令对气体供给管14的供给侧末端部14a以及气体供给管14的内壁面的氟化铝的附着的进行速度大幅减缓。
另外，本实施方式的冷却捕集构件30能够通过加工公知的螺栓而容易地制作。
为了将这样的冷却捕集构件30安装于气体导入管13，首先，如图4（a）（b）所示，将安装构件34安装在气体导入管13的相对于离子生成容器11离开的方向侧的端部。
该安装构件34例如由不锈钢等的金属构成，一体地形成为有底圆筒形状。
在安装构件34的缘部的内壁部分上设置有由阴螺纹构成的螺纹部34a，所述螺纹部34a形成为与在气体导入管13的外壁部分设置于相对于离子生成容器11离开的方向侧的端部的由阳螺纹部构成的螺纹部13d相啮合。
此外，在安装构件34的中心的底部设置有由阴螺纹构成的螺纹部34b，该螺纹部34b与所述冷却捕集构件30的螺纹部32啮合。
此后，将冷却捕集构件30的冷却捕集部33从气体导入管13的相对于离子生成容器11离开的方向侧的端部插入到其内部空间13b，令冷却捕集构件30的螺纹部32与安装构件34的螺纹部34b啮合，将冷却捕集构件30安装固定于气体导入管13（参照图4（b）（C））。
在具有这样的构成的本实施方式中，如果加热离子原料构件23而令其释放氮化铝并且从气体供给管14向离子生成容器11内导入氟类气体而进行等离子处理，则如上所述，氮化铝与氟类气体反应而生成铝原子，通过电子轰击生成铝离子。
在该反应过程中，作为中间生成物而以气体状态生成氟化铝（AlFx）。
在该离子化时，离子生成容器11内的热电子释放部20的温度变为2000℃以上，如上所述地离子生成容器11内的温度的影响为主要因素的气体导入管13的温度也上升到600℃左右，所以氟化铝不会附着于气体导入管13的内壁面以及气体导入口13a。
另一方面，配置在气体导入管13的气体导入口13a内的气体供给管14的供给侧末端部14a的温度如上所述地主要受装置周围的室温的影响，所以变得比气体导入管13的内壁面的温度低。
此外，冷却捕集构件30的冷却捕集部33的温度比气体导入管13的内壁面的温度低，被保持为能够捕集氟化铝的温度。
但是，如上所述，在本实施方式中，如图3中所示，冷却捕集构件30的冷却捕集部33与气体供给管14的供给侧末端部14a对置，并且冷却捕集部33的顶部的捕捉面30a位于比气体供给管14的供给侧末端部14a靠离子生成容器11侧，所以流入到气体导入管13的内部空间13b的氟化铝被冷却捕集部33的捕集面30a以及其侧面捕集，从而气体供给管14的供给侧末端部14a附近的氟化铝的存在比率（分压）降低，其结果是，能够令氟化铝相对于气体供给管14的供给侧末端部14a以及气体供给管14的内壁面的附着的进行速度非常慢。
而且，根据这样的本实施方式，能够防止在离子源10的离子生成容器11内生成铝离子时作为中间生成物而生成的氟化铝的附着导致的气体供给管14的堵塞，所以能够获得稳定的离子束电流。
其结果，与现有技术相比能够延长离子源10的维护的周期。
另外，如果更详细地表述本发明的效果，能够得到下述效果。
即，如果流入到气体导入管13的内部空间13b的氟化铝优先地附着于气体供给管14的供给侧末端部14a及气体供给管14的内壁面的原因在于气体供给管14的温度主要受到装置周围的室温的影响而低于气体导入管13的内壁面的温度，则可以考虑采用加热气体供给管14自身而令其为一定温度以上从而避免氟化铝的附着的构成。
但是，在本发明这样的离子源10中，需要令其自己的电位为高压，气体供给管14也为该高压电位，所以如果要进行通常进行的基于带式加热器的配管加热，则需要确保用于加热气体供给管14的加热器的通电回路的耐压。但是，通用产品时实际上不可能确保这样的耐压。
此外，加热气体供给管14时难以均匀地加热配管整体，所以有可能在某些部位温度降低，其结果，在气体供给管14的内部发生氟化铝的附着引起的堵塞。
此时除去气体供给管14内的附着物是非常困难的，所以不得不更换零件。
但是，根据本发明，能够避免如上所述的不利。
此外，本实施方式的冷却捕集构件30利用螺纹固定而拆装自如地被安装固定于气体导入管13，所以能够容易地利用人工来进行维护作业。
另外，本发明不限于所述实施方式，能够进行各种变更。
例如，在所述实施方式中，冷却捕集构件30的冷却捕集部33形成为圆柱形状，但是本发明不限于此，也能够以令冷却捕集部33的侧面弯曲的方式形成。
图5表示冷却捕集构件的另一例的结构图，以下，对于与所述实施方式对应的部分标注相同的附图标记而省略其详细的说明。
如图5所示，本例的离子源10A的冷却捕集构件30A中，冷却捕集部33的长度形成得比图3所示的短。
而且，冷却捕集部33的顶部的捕集面30a在气体导入管13的内部空间13b中如下地设定其尺寸：配置在相对于气体供给管14的供给侧末端部14a从离子生成容器11离开的方向侧。因此，本例的冷却捕集部33在气体导入管13的内部空间13b中没有设置在与气体供给管14的供给侧末端部14a对置的位置。
进而，在本例中，在气体导入管13的气体导入口13a内，气体供给管14的供给侧末端部14a设置为相对于气体导入口13a的开口端部13f位于稍内侧（在图3所示的示例中，基本是同一面）。
在具有这种结构的本例中，气体导入管13的内部空间13b的容积大于图3所示的例子，气体导入管13的内部空间13b中、特别是气体导入口13a内的气体供给管14供给侧末端部14a附近的气体状态的氟化铝的存在比率（分压）变得比图3所示的例子小。
进而，在本例中，气体供给管14的供给侧末端部14a相对于气体导入口13a的开口端部13f位于稍内侧，所以流入气体导入管13的内部空间13b内的气体状态的氟化铝容易以固体状态附着于冷却捕集构件30A的冷却捕集部33的顶部的捕集面30a，几乎不会附着于气体供给管14的供给侧末端部14a及其内壁面。
根据这样的本例，能够防止在离子源10A的离子生成容器11内生成铝离子时，气体供给管14由于作为中间生成物而生成的氟化铝的附着而被堵塞，所以能够获得稳定的离子束电流。
其结果，与现有技术相比，能够延长离子源10A的维护周期。
特别是在本例中，气体导入管13的内部空间13b的容积比图3所示的例子大，气体状态的氟化铝的分压更小，所以能够进一步延长离子源10A的维护周期。
图6是示出冷却捕集构件的又一示例的结构图。
如图6所示，本例的离子源10B的冷却捕集构件30B中，冷却捕集部33的长度形成为比图3所示的更长，在其中间部，在与配置在气体导入管13的气体导入口13a内的气体供给管14的供给侧末端部14a对置的位置处设置有退避部33a。
该退避部33a以具有比冷却捕集部33的其他部分的外径小的外径的方式形成为例如圆柱或棱柱等的形状，从而在冷却捕集部33的与气体供给管14的供给侧末端部14a对置的位置遍及柱部分的全周而设置为槽状。
在此，退避部33a的槽形成为比气体供给管14的供给侧末端部14a的宽度稍宽，从气体导入口13a向气体导入管13的内部空间13b突出的气体供给管14的供给侧末端部14a配置为进入退避部33a的槽内而接近槽底部。
此时，优选气体供给管14的供给侧末端部14a隐藏在退避部33a的槽的离子生成容器11侧的侧部33b的背后，配置在从气体导入管13的开口部13e侧看时不能直接看到的位置。
根据这样的本例，从气体导入口13a突出到气体导入管13的内部空间13b的气体供给管14供给侧末端部14a配置为隐藏在退避部33a的槽的离子生成容器11侧的侧部33b的背后，所以能够令在离子源10B的离子生成容器11中生成铝离子时作为中间生成物而生成的氟化铝附着在气体供给管14的供给侧末端部14a及其内壁面的量尽可能地减少，从而能够可靠地防止气体供给管14堵塞，所以能够得到稳定的离子束电流。
最后，在本发明中，离子生成容器和热电子释放部的构造不限于所述实施方式，能够使用各种构造。
Claims (8)
1.一种离子源，用于生成离子束，其特征在于，
具有离子生成容器，所述离子生成容器令经由筒状的气体导入管被导入到容器内的离子化气体与被释放到该容器内的离子原料反应而生成离子，
所述气体导入管构成为通过气体供给管向该气体导入管的内部空间导入所述离子化气体，并且
在所述气体导入管的内部空间中设置有拆装自如的冷却捕集构件，所述冷却捕集构件具有冷却捕集部，所述冷却捕集部冷却并捕集在所述离子生成容器内生成的中间生成物，
所述冷却捕集部在所述气体导入管的内部空间的所述气体供给管的供给侧末端部的附近以不与该气体导入管的内壁面接触的方式配置。
2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，
所述冷却捕集构件中，所述冷却捕集部具有在所述气体导入管的内部空间中配置在比所述气体供给管的供给侧末端部靠所述离子生成容器侧的部分。
3.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，
所述冷却捕集构件中，所述冷却捕集部在所述气体导入管的内部空间中配置在相对于所述气体供给管的供给侧末端部从所述离子生成容器离开的方向侧。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的离子源，其特征在于，
所述冷却捕集构件通过螺纹固定而拆装自如地固定于所述气体导入管的从所述离子生成容器离开的方向侧的端部。
5.根据权利要求1至3的任一项所述的离子源，其特征在于，
所述冷却捕集构件的冷却捕集部在棒状的部分的顶部设置有平面状的捕集面。
6.根据权利要求1至3的任一项所述的离子源，其特征在于，
所述冷却捕集构件的冷却捕集部在棒状的部分的中间部具有槽状的退避部，突出到所述气体导入管的内部空间中的所述气体供给管的供给侧末端部配置为进入所述退避部的槽内而隐藏在该槽的所述离子生成容器侧的侧部的背后。
7.根据权利要求1至3的任一项所述的离子源，其特征在于，
所述离子化气体是氟类气体，所述离子是从氮化铝得到的铝离子。
8.一种离子注入装置，是用于向基板照射离子束而进行注入的离子注入装置，其特征在于，
具有离子源，该离子源具有离子生成容器，所述离子生成容器令经由筒状的气体导入管被导入到容器内的离子化气体与被释放到该容器内的离子原料反应而生成离子，所述气体导入管构成为通过气体供给管向该气体导入管的内部空间导入所述离子化气体，并且在所述气体导入管的内部空间中设置有拆装自如的冷却捕集构件，所述冷却捕集构件具有冷却捕集部，所述冷却捕集部冷却并捕集在所述离子生成容器内生成的中间生成物，所述冷却捕集部在所述气体导入管的内部空间的所述气体供给管的供给侧末端部的附近以不与该气体导入管的内壁面接触的方式配置，
通过向基板照射从该离子源释放的离子束而进行注入。
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