CN113498243A - 离子生成装置及离子生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种有助于提高离子注入工序的生产率的离子生成装置。离子生成装置(12)具备：等离子体生成室(78)，生成用于引出离子的等离子体(P)；及加热装置(90)，构成为向区划等离子体生成室(78)的部件或暴露于等离子体生成室内的部件照射激光(LB)而加热等离子体生成室(78)。区划等离子体生成室(78)的部件也可以是电弧室(72)。加热装置(90)也可以构成为向电弧室(72)照射激光(LB)。

Description

离子生成装置及离子生成方法
技术领域
本申请主张基于2020年3月18日申请的日本专利申请第2020-047762号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
本发明涉及一种离子生成装置及离子生成方法。
背景技术
在半导体制造工序中，为了改变半导体的导电性、改变半导体的结晶结构等，常规实施向半导体晶圆注入离子的工序(也称为离子注入工序)。离子注入工序中使用的装置通常被称为离子注入装置。离子注入装置具备用于对源气体进行等离子体化而生成离子的离子生成装置。
在离子生成装置中，以变更离子种类或离子束电流之类的注入条件为目的，有时切换离子生成装置的运转条件。在利用电弧放电的离子生成装置的情况下，通过基于电弧放电的等离子体的生成，包围等离子体的腔室(也称为电弧室)被加热而成为高温(例如数百℃以上)。若电弧电流等运转条件变更，则等离子体的状态变化，电弧室的温度也根据该变化而变化(例如，参考专利文献1)。
专利文献1：日本特开2017-091906号公报
为了稳定地生成等离子体，优选根据离子生成装置的运转条件将电弧室维持在适当的温度。然而，由于电弧室具有相对大的热容量，因此其温度响应性差，在高温状态下由热辐射引起的热逃逸也大，因此，尤其在运转条件的切换时欲使电弧室上升到适当的温度的情况下消耗时间。并且，即使使电弧室上升到适当的温度，在等离子体的生成稳定化之前也会进一步产生等待时间。这样，运转条件的切换所需的时间变长，离子注入工序的生产率降低。
发明内容
本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于提供一种提高离子注入工序的生产率的技术。
本发明的一种实施方式的离子生成装置具备：等离子体生成室，生成用于引出离子的等离子体；及加热装置，构成为向区划等离子体生成室的部件或暴露于等离子体生成室内的部件照射激光而加热等离子体生成室。
本发明的另一种实施方式是离子生成方法。该方法包括：向区划等离子体生成室的部件或暴露于等离子体生成室内的部件照射激光而加热等离子体生成室的步骤；及从在等离子体生成室内生成的等离子体引出离子的步骤。
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或表述的内容，作为本发明的实施方式也同样有效。
发明效果
根据本发明的一种实施方式，能够提供一种有助于提高离子注入工序的生产率的离子生成装置。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的离子注入装置的概略结构的俯视图。
图2是表示图1的离子注入装置的概略结构的侧视图。
图3是概略地表示实施方式所涉及的离子生成装置的结构的图。
图4中(a)-(c)是概略地表示照射光学系统的结构例的图。
图5中(a)-(c)是概略地表示激光光源的结构例的图。
图6是概略地表示实施方式所涉及的控制装置的功能结构的图。
图中：10-离子注入装置，12-离子生成装置，70-等离子体生成装置，72-电弧室，74-阴极，76-反射极，78-等离子体生成室，86-反射器，90-加热装置，92-激光光源，100-真空腔室，106-真空窗，LB-激光。
具体实施方式
在详细叙述实施方式之前，进行概要说明。本实施方式为具备离子生成装置的离子注入装置。离子生成装置具备生成用于引出离子的等离子体的等离子体生成室。为了稳定地生成等离子体，需要使等离子体生成室上升到适当的温度(例如1000℃以上)。在本实施方式中，通过向区划等离子体生成室的部件或暴露于等离子体生成室内的部件照射激光而加热等离子体生成室，促进等离子体生成室的温度上升。由此，缩短稳定地生成等离子体为止所需的等待时间。
以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在附图的说明中对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为示例，对本发明的范围不做任何限定。
图1是概略地表示实施方式所涉及的离子注入装置10的俯视图，图2是表示离子注入装置10的概略结构的侧视图。离子注入装置10构成为对被处理物W的表面实施离子注入处理。被处理物W例如是基板，例如是半导体晶圆。为了便于说明，在本说明书中有时将被处理物W称为晶圆W，但这并不旨在将注入处理的对象限定为特定的物体。
离子注入装置10构成为使射束在一个方向上往复扫描，使晶圆W在与扫描方向正交的方向上往复运动，由此在晶圆W的整个处理面上照射离子束。在本说明书中，为了便于说明，将沿着设计上的射束线A行进的离子束的行进方向定义为z方向，将与z方向垂直的面定义为xy面。在对被处理物W扫描离子束的情况下，将射束的扫描方向设为x方向，将与z方向及x方向垂直的方向设为y方向。因此，射束的往复扫描在x方向上进行，晶圆W的往复运动在y方向上进行。
离子注入装置10具备离子生成装置12、射束线装置14、注入处理室16及晶圆输送装置18。离子生成装置12构成为将离子束提供给射束线装置14。射束线装置14构成为从离子生成装置12向注入处理室16输送离子束。在注入处理室16中容纳有成为注入对象的晶圆W，并进行将从射束线装置14提供的离子束照射到晶圆W上的注入处理。晶圆输送装置18构成为将注入处理前的未处理晶圆搬入注入处理室16，并将注入处理后的已处理晶圆从注入处理室16搬出。离子注入装置10具备用于向离子生成装置12、射束线装置14、注入处理室16及晶圆输送装置18提供所期望的真空环境的真空排气系统(未图示)。
射束线装置14从射束线A的上游侧依次具备质谱分析部20、射束停驻装置24、射束整形部30、射束扫描部32、射束平行化部34及角能量过滤器(AEF；Angular Energy Filter)36。另外，射束线A的上游是指靠近离子生成装置12的一侧，射束线A的下游是指靠近注入处理室16(或射束阻挡器46)的一侧。
质谱分析部20设置于离子生成装置12的下游，且构成为通过质谱分析从自离子生成装置12引出的离子束中选择所需的离子种类。质谱分析部20具有质谱分析磁铁21、质谱分析透镜22及质谱分析狭缝23。
质谱分析磁铁21对从离子生成装置12引出的离子束施加磁场，根据离子的质量电荷比M＝m/q(m为质量，q为电荷)的值，以不同的路径使离子束偏转。质谱分析磁铁21例如对离子束施加y方向(在图1及图2中为-y方向)的磁场，使离子束向x方向偏转。质谱分析磁铁21的磁场强度被调整为具有所期望的质量电荷比M的离子种类通过质谱分析狭缝23。
质谱分析透镜22设置于质谱分析磁铁21的下游，且构成为调整对离子束的收敛/发散力。质谱分析透镜22调整通过质谱分析狭缝23的离子束的射束行进方向(z方向)的收敛位置，并调整质谱分析部20的质量分辨率M/dM。另外，质谱分析透镜22并非是必须的结构，也可以在质谱分析部20中不设置质谱分析透镜22。
质谱分析狭缝23设置于质谱分析透镜22的下游，且设置于与质谱分析透镜22分开的位置。质谱分析狭缝23构成为由质谱分析磁铁21引起的射束偏转方向(x方向)与狭缝宽度方向一致，且具有x方向相对短，y方向相对长的形状的开口23a。
质谱分析狭缝23也可以构成为为了调整质量分辨率而狭缝宽度可变。质谱分析狭缝23也可以由能够在狭缝宽度方向上进行移动的两张屏蔽件构成，且构成为通过改变两张屏蔽件的间隔而能够调整狭缝宽度。质谱分析狭缝23也可以构成为通过切换为狭缝宽度不同的多个狭缝中的一个而狭缝宽度可变。
射束停驻装置24构成为从射束线A暂时退避离子束，屏蔽朝向下游的注入处理室16(或晶圆W)的离子束。射束停驻装置24能够配置于射束线A的中途的任意位置，例如能够配置于质谱分析透镜22与质谱分析狭缝23之间。由于在质谱分析透镜22与质谱分析狭缝23之间需要一定的距离，因此通过在其间配置射束停驻装置24，与配置于其他位置的情况相比，能够缩短射束线A的长度，且能够使离子注入装置10整体小型化。
射束停驻装置24具备一对停驻电极25(25a、25b)、射束收集器26。一对停驻电极25a、25b隔着射束线A对置，在与质谱分析磁铁21的射束偏转方向(x方向)正交的方向(y方向)对置。射束收集器26设置于比停驻电极25a、25b更靠射束线A的下游侧的位置，在停驻电极25a、25b的对置方向上与射束线A分开而设置。
第1停驻电极25a配置于比射束线A更靠重力方向上侧的位置，第2停驻电极25b配置于比射束线A更靠重力方向下侧的位置。射束收集器26设置于比射束线A更向重力方向下侧分开的位置，且配置于质谱分析狭缝23的开口23a的重力方向下侧。射束收集器26例如由质谱分析狭缝23的未形成开口23a的部分构成。射束收集器26也可以与质谱分析狭缝23分体构成。
射束停驻装置24利用施加于一对停驻电极25a、25b之间的电场使离子束偏转，并使离子束从射束线A退避。例如，通过以第1停驻电极25a的电位为基准对第2停驻电极25b施加负电压，使离子束从射束线A向重力方向下方偏转而入射到射束收集器26。在图2中，由虚线表示朝向射束收集器26的离子束的轨迹。并且，射束停驻装置24通过将一对停驻电极25a、25b设为相同电位，使离子束沿着射束线A向下游侧通过。射束停驻装置24构成为能够切换使离子束向下游侧通过的第1模式和使离子束入射到射束收集器26的第2模式而进行动作。
在质谱分析狭缝23的下游设置有注入器法拉第杯28。注入器法拉第杯28构成为能够通过注入器驱动部29的动作而出入射束线A。注入器驱动部29使注入器法拉第杯28在与射束线A的延伸方向正交的方向(例如y方向)上进行移动。如由图2的虚线所示，在注入器法拉第杯28配置于射束线A上的情况下，阻断朝向下游侧的离子束。另一方面，如由图2的实线所示，在注入器法拉第杯28从射束线A上移除的情况下，解除朝向下游侧的离子束的阻断。
注入器法拉第杯28构成为计测由质谱分析部20进行质谱分析的离子束的射束电流。注入器法拉第杯28能够通过一边改变质谱分析磁铁21的磁场强度一边测定射束电流来测定离子束的质谱分析频谱。使用所测定的质谱分析频谱，能够计算质谱分析部20的质量分辨率。
射束整形部30具备收敛/发散四极透镜(Q透镜)等收敛/发散装置，且构成为将通过质谱分析部20的离子束整形为所期望的截面形状。射束整形部30例如由电场式的三段四极透镜(也称为三极Q透镜)构成，具有三个四极透镜30a、30b、30c。射束整形部30通过使用三个透镜装置30a～30c，能够对x方向及y方向分别独立地调整离子束的收敛或发散。射束整形部30可以包含磁场式的透镜装置，也可以包含利用电场和磁场这两者对射束进行整形的透镜装置。
射束扫描部32构成为提供射束的往复扫描，是在x方向上扫描已整形的离子束的射束偏转装置。射束扫描部32具有在射束扫描方向(x方向)上对置的扫描电极对。扫描电极对与可变电压电源(未图示)连接，通过周期性地改变施加到扫描电极对之间的电压，改变在电极之间产生的电场，使离子束偏转为各种角度。其结果，离子束在x方向的整个扫描范围被扫描。在图1中，由箭头X例示射束的扫描方向及扫描范围，由单点划线表示扫描范围中的离子束的多个轨迹。
射束平行化部34构成为使已扫描的离子束的行进方向与设计上的射束线A的轨道平行。射束平行化部34具有在y方向的中央部设置有离子束的通过狭缝的圆弧形状的多个平行化透镜电极。平行化透镜电极与高压电源(未图示)连接，使通过施加电压而产生的电场作用于离子束，使离子束的行进方向平行地一致。另外，射束平行化部34也可以由其他射束平行化装置取代，射束平行化装置也可以构成为利用磁场的磁铁装置。
在射束平行化部34的下游也可以设置有用于使离子束加速或减速的AD(Accel/Decel)柱(未图示)。
角能量过滤器(AEF)36构成为分析离子束的能量并使所需的能量的离子向下方偏转并引导至注入处理室16。角能量过滤器36具有电场偏转用的AEF电极对。AEF电极对与高压电源(未图示)连接。在图2中，通过对上侧的AEF电极施加正电压，对下侧的AEF电极施加负电压，使离子束向下方偏转。另外，角能量过滤器36可以由磁场偏转用的磁铁装置构成，也可以由电场偏转用的AEF电极对和磁铁装置的组合构成。
如此，射束线装置14将应照射到晶圆W的离子束供给至注入处理室16。
注入处理室16从射束线A的上游侧依次具备能量狭缝38、等离子体喷淋装置40、侧杯42、中心杯44及射束阻挡器46。如图2所示，注入处理室16具备保持一张或多张晶圆W的平台驱动装置50。
能量狭缝38设置于角能量过滤器36的下游侧，与角能量过滤器36一起进行入射到晶圆W的离子束的能量分析。能量狭缝38是由在射束扫描方向(x方向)上横向长的狭缝构成的能量限制狭缝(EDS；Energy Defining Slit)。能量狭缝38使所期望的能量值或能量范围的离子束朝向晶圆W通过，并屏蔽除此以外的离子束。
等离子体喷淋装置40位于能量狭缝38的下游侧。等离子体喷淋装置40根据离子束的射束电流量向离子束及晶圆W的表面(晶圆处理面)供给低能量电子，并抑制由离子注入产生的晶圆处理面的正电荷的充电。等离子体喷淋装置40例如包含离子束通过的喷淋管和向喷淋管内供给电子的等离子体发生装置。
侧杯42(42R、42L)构成为在向晶圆W的离子注入处理时测定离子束的射束电流。如图2所示，侧杯42R、42L相对于配置在射束线A上的晶圆W向左右(x方向)错开而配置，并配置于在离子注入时不屏蔽朝向晶圆W的离子束的位置。由于离子束在x方向上扫描超过晶圆W所在的范围，因此即使在离子注入时，被扫描的射束的一部分也入射到侧杯42R、42L。由此，通过侧杯42R、42L测定离子注入处理时的射束电流量。
中心杯44构成为测定晶圆处理面上的射束电流。中心杯44构成为通过驱动部45的动作而可动，在离子注入时从晶圆W所在的注入位置退避，在晶圆W不在注入位置时插入到注入位置。中心杯44通过一边在x方向上进行移动一边测定射束电流，能够在x方向的整个射束扫描范围测定射束电流。中心杯44也可以将多个法拉第杯在x方向上排列而形成为阵列状，以使能够同时测定射束扫描方向(x方向)的多个位置上的射束电流。
侧杯42及中心杯44中的至少一者可以具备用于测定射束电流量的单一的法拉第杯，也可以具备用于测定射束的角度信息的角度测定仪。角度测定仪例如具备狭缝和在射束行进方向(z方向)上与狭缝分开地设置的多个电流检测部。角度测定仪例如通过利用在狭缝宽度方向上排列的多个电流检测部测定通过狭缝的射束，能够测定狭缝宽度方向的射束的角度成分。侧杯42及中心杯44中的至少一者也可以具备能够测定x方向的角度信息的第1角度测定器和能够测定y方向的角度信息的第2角度测定器。
平台驱动装置50包含晶圆保持装置52、往复运动机构54、扭转角调整机构56及倾斜角调整机构58。晶圆保持装置52包含用于保持晶圆W的静电卡盘等。往复运动机构54通过使晶圆保持装置52在与射束扫描方向(x方向)正交的往复运动方向(y方向)上往复运动，使被晶圆保持装置52保持的晶圆在y方向上往复运动。在图2中，由箭头Y例示晶圆W的往复运动。
扭转角调整机构56是调整晶圆W的旋转角的机构，通过以晶圆处理面的法线为轴使晶圆W旋转，调整设置于晶圆的外周部的对准标记与基准位置之间的扭转角。在此，晶圆的对准标记是指，设置于晶圆的外周部的缺口或定向平面，并且是指成为晶圆的晶体轴方向或晶圆的周向的角度位置的基准的标记。扭转角调整机构56设置于晶圆保持装置52与往复运动机构54之间，与晶圆保持装置52一起进行往复运动。
倾斜角调整机构58是调整晶圆W的倾斜的机构，调整朝向晶圆处理面的离子束的行进方向与晶圆处理面的法线之间的倾斜角。在本实施方式中，将晶圆W的倾斜角中的以x方向的轴为旋转的中心轴的角度调整为倾斜角。倾斜角调整机构58设置于往复运动机构54与注入处理室16的内壁之间，且构成为通过使包含往复运动机构54的平台驱动装置50整体向R方向旋转来调整晶圆W的倾斜角。
平台驱动装置50保持晶圆W，以使晶圆W能够在离子束照射到晶圆W的注入位置和在平台驱动装置50与晶圆输送装置18之间搬入或搬出晶圆W的输送位置之间进行移动。图2表示晶圆W位于注入位置的状态，平台驱动装置50以射束线A与晶圆W交叉的方式保持晶圆W。晶圆W的输送位置对应于由设置于晶圆输送装置18的输送机构或输送机械手通过输送口48搬入或搬出晶圆W时的晶圆保持装置52的位置。
射束阻挡器46设置于射束线A的最下游，例如安装于注入处理室16的内壁。在晶圆W不存在于射束线A上的情况下，离子束入射到射束阻挡器46。射束阻挡器46位于连接注入处理室16与晶圆输送装置18之间的输送口48的附近，设置于比输送口48更靠铅垂下方的位置。
离子注入装置10还具备控制装置60。控制装置60控制离子注入装置10的整体动作。控制装置60在硬件上由以计算机的CPU或存储器为代表的元件或机械装置来实现，在软件上由计算机程序等来实现。由控制装置60提供的各种功能能够通过硬件及软件的协作来实现。
图3是概略地表示实施方式所涉及的离子生成装置12的结构的剖面图。离子生成装置12具备等离子体生成装置70和加热装置90。
等离子体生成装置70具备区划等离子体生成室78的电弧室72，在等离子体生成室78内生成包含离子的等离子体P。在等离子体生成装置70中生成的离子通过引出电极82作为离子束IB引出。加热装置90向电弧室72的外表面72a照射激光LB来加热电弧室72，调整电弧室72的温度。
等离子体生成装置70配置于真空腔室100的内部102。加热装置90配置于真空腔室100的外部104。加热装置90生成的激光LB通过设置于真空腔室100的真空窗106而照射到电弧室72。在真空窗106上设置有用于冷却真空窗106的流体(冷却水等)通过的冷却流路108。
等离子体生成装置70具备电弧室72、阴极74及反射极76。电弧室72具有大致长方体的箱形状。电弧室72区划生成等离子体P的等离子体生成室78。在电弧室72的前表面设置有用于引出离子束IB的狭缝80。狭缝80具有沿从阴极74朝向反射极76的方向延伸的细长的形状。
电弧室72由高熔点材料构成，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。由此，在等离子体生成室78内成为高温(例如700℃～2000℃)的环境下，能够抑制电弧室72的由热引起的损伤。
在电弧室72的外侧配置有反射器86。反射器86配置为与电弧室72的外表面72a对置。反射器86可以由与电弧室72相同的高熔点材料构成，也可以由与电弧室72不同的材料构成。作为反射器86的材料，例如能够使用钨、钼、石墨、不锈钢或陶瓷材料。反射器86发挥使来自电弧室72的外表面72a的热辐射朝向电弧室72反射，抑制由热辐射引起的电弧室72的温度降低的功能。反射器86也可以作为用于防止来自电弧室72的热逃逸的马弗炉而发挥功能。在反射器86上设置有朝向电弧室72的外表面72a照射的激光LB通过的照射口86a。另外，也可以不设置反射器86。
阴极74向等离子体生成室78释放热电子。阴极74是所谓的旁热型阴极(IHC；Indirectly Heated Cathode)，并具有灯丝74a和阴极头74b。灯丝74a被灯丝电源88a加热而产生一次热电子。阴极电源88b连接在灯丝74a与阴极头74b之间，由灯丝74a产生的一次热电子被阴极电压加速。阴极头74b被来自灯丝74a的一次热电子加热，并向等离子体生成室78供给二次热电子。电弧电源88c连接在电弧室72与阴极74之间，由阴极头74b产生的二次热电子被电弧电压加速。
反射极76设置于与阴极74对置的位置。反射极76弹回向等离子体生成室78供给的二次热电子或由等离子体生成室78内的源气体分子的电离产生的电子，使电子滞留在等离子体生成室78中，提高等离子体生成效率。
在电弧室72的侧壁设置有气体导入口84。气体导入口84从未图示的气瓶罐等向等离子体生成室78供给源气体。作为源气体，使用稀有气体或氢(H2)、膦(PH3)、砷化氢(AsH3)等氢化物、三氟化硼(BF3)、四氟化锗(GeF4)等氟化物。并且，源气体还使用二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧(O2)等含有氧原子(O)的物质。
在等离子体生成室78中，在从阴极74朝向反射极76的方向(或其相反方向)上施加有磁场B。磁场B由未图示的电磁体等生成，并且通过调整流过电磁体的磁铁电流来调整磁场B的强度。在等离子体生成室78内运动的热电子被施加到等离子体生成室78的磁场B束缚，沿着磁场B以螺旋状运动。在等离子体生成室78中以螺旋状运动的电子与导入到等离子体生成室78的源气体分子碰撞，使源气体分子电离而产生离子和新的电子，在等离子体生成室78中生成等离子体P。通过使电子在等离子体生成室78中以螺旋状运动，能够提高等离子体生成效率。
加热装置90具备激光光源92和照射光学系统94。激光光源92生成用于加热等离子体生成装置70的激光LB。照射光学系统94使激光光源92生成的激光LB朝向等离子体生成装置70传播。
激光光源92及照射光学系统94配置于真空腔室100的外部104。另外，照射光学系统94的至少一部分可以配置于真空腔室100的内部102，照射光学系统94整体也可以配置于真空腔室100的内部102。并且，也可以激光光源92及照射光学系统94均配置于真空腔室100的内部102。此时，也可以在真空腔室100不设置有真空窗106。此外，代替设置真空窗106，也可以使用从真空腔室100的外部104朝向内部102延伸的光纤，使激光LB向真空腔室100的内部102传播。
激光光源92构成为生成例如200nm～2000nm的波长区域中包含的紫外、可见或近红外的激光LB。激光光源92的形式没有限制，例如能够使用小型且容易操作的半导体激光器。激光LB可以是连续光，也可以是脉冲光。激光光源92的输出例如为0.1kW～10kW左右。作为激光光源92的一例，能够使用以波长450nm输出1kW的连续光的半导体激光器。由于构成电弧室72的金属材料或石墨对相对短的波长的光的吸收率高，因此通过使用紫外或可见(蓝色或绿色)的激光LB，能够有效地加热电弧室72。
图4中(a)-图4中(c)是概略地表示照射光学系统94的结构例的图。照射光学系统94包括用于调整激光LB的照射范围、射束直径及面内强度分布之类的射束特性的光学系统94a、94b、94c。
图4中(a)示出用于扫描激光LB并照射到电弧室72的外表面72a的扫描光学系统94a。扫描光学系统94a具有用于扫描激光LB的第1反射镜96a及第2反射镜96b。来自激光光源92的激光LB被第1反射镜96a及第2反射镜96b反射，入射到电弧室72的外表面72a。通过驱动第1反射镜96a使第1反射镜96a的反射角变化，能够如箭头S所示那样扫描激光LB。由此，能够扩大激光LB的照射范围C，能够均匀地加热电弧室72的外表面72a的更宽的范围。另外，也可以构成为，驱动第2反射镜96b来扫描激光LB，而不是驱动第1反射镜96a。并且，激光LB可以一维扫描，也可以二维扫描。例如，通过在相互正交的方向上驱动第1反射镜96a及第2反射镜96b，能够二维扫描电弧室72的外表面72a，能够均匀地加热电弧室72的外表面72a的更宽的范围。另外，代替驱动反射镜等反射型光学元件，也可以通过驱动棱镜等折射型光学元件来扫描激光LB。
图4中(b)示出用于扩大激光LB的射束直径并照射到电弧室72的外表面72a的扩大光学系统94b。扩大光学系统94b例如具有第1透镜96c及第2透镜96d。通过使用扩大光学系统94b，能够将从激光光源92射出的具有小的射束直径D1的激光LB转换为具有大的射束直径D2的激光LB。由此，能够向电弧室72的外表面72a的更宽的范围照射激光LB，能够均匀地加热电弧室72。另外，也可以使用凸面镜或凹面镜之类的反射型光学元件来代替透镜等折射型光学元件。照射光学系统94也可以包含用于缩小射束直径的缩小光学系统。照射光学系统94也可以包含用于扩大或缩小射束直径的扩大缩小光学系统。
图4中(c)示出用于调整激光LB的面内强度分布的射束整形光学系统94c。射束整形光学系统94c将从激光光源92射出的具有高斯型强度分布P1的激光LB转换为具有顶帽型强度分布P2的激光LB。射束整形光学系统94c例如具有被称为均化器的非球面透镜96e。另外，射束整形光学系统94c能够由任意光学元件构成，也可以由多个透镜或反射镜等的组合构成。通过向电弧室72的外表面72a照射具有顶帽型强度分布P2的激光LB，能够防止由局部加热引起的电弧室72的损伤。
照射光学系统94可以具备扫描光学系统94a、扩大光学系统94b及射束整形光学系统94c中的两个以上，也可以具备它们全部。例如，也可以使用扫描光学系统94a扫描通过扩大光学系统94b扩大射束直径，通过射束整形光学系统94c使面内强度分布均匀化的激光LB。通过组合三个光学系统94a～94c，能够在电弧室72的外表面72a的更宽的范围照射具有均匀化的强度分布的激光LB。由此，能够更均匀地加热电弧室72的外表面72a。
图5中(a)-图5中(c)是概略地表示激光光源92的结构例的图，示出加热装置90具备多个激光光源92a、92b的情况。在图示的例子中，多个激光光源92a、92b均配置于真空腔室的外部，但多个激光光源92a、92b中的至少一者也可以配置于真空腔室的内部。
图5中(a)示出从第1激光光源92a射出的第1激光LB1和从第2激光光源92b射出的第2激光LB2照射到相互不同的照射范围C1、C2的情况。因此，从多个激光光源92a、92b射出的多个激光LB1、LB2照射到电弧室72的外表面72a的相互不同的部位。通过使用多个激光光源92a、92b向不同的照射范围C1、C2照射激光LB1、LB2，能够加热电弧室72的外表面72a的更宽的范围。
图5中(b)示出从第1激光光源92a射出的第1激光LB1和从第2激光光源92b射出的第2激光LB2照射到相互重叠的照射范围C3、C4的情况。因此，从多个激光光源92a、92b射出的多个激光LB1、LB2的至少一部分重地叠照射到电弧室72的外表面72a的相同部位。通过使用多个激光光源92a、92b向重复的范围照射激光LB1、LB2，例如能够有效地加热由热辐射而温度容易下降的部位。
图5中(c)示出从第1激光光源92a射出的第1激光LB1通过真空窗106照射到电弧室72的外表面72a，从第2激光光源92b射出的第2激光LB2通过光纤96f照射到电弧室72的外表面72a的情况。在该构成中，例如，为了加热电弧室72的外表面72a的相对宽的范围而能够使用第1激光LB1，为了加热电弧室72的外表面72a的相对狭窄的范围而能够使用第2激光LB2。
从加热装置90射出的激光LB也可以照射到电弧室72的外表面72a以外。激光LB可以照射到区划等离子体生成室78的任意部件，也可以照射到暴露于等离子体生成室78内的任意部件。激光LB也可以照射到等离子体生成室78的内壁78a。激光LB也可以照射到阴极74及反射极76的至少一者。电弧室72也可以具有用于向等离子体生成室78的内部照射激光LB的照射口。也可以向电弧室72的内部导入光纤，通过光纤向阴极74或反射极76照射激光LB。
图6是概略地表示实施方式所涉及的控制装置60的功能结构的图。控制装置60具备用于控制离子生成装置12的动作的离子生成控制部61。离子生成控制部61包括电源控制部62、电磁体控制部63、气体流量控制部64、加热控制部65、条件存储部66及监测部67。
电源控制部62控制与等离子体生成装置70连接的灯丝电源88a、阴极电源88b、电弧电源88c等各种电源的电流值及电压值。电磁体控制部63调整向等离子体生成室78施加磁场B的电磁体中流过的电流值，控制磁场B的强度。气体流量控制部64控制从气体导入口84供给的源气体的流量。
加热控制部65控制加热装置90的动作。加热控制部65控制激光光源92的通断或激光LB的输出。加热控制部65例如在需要使等离子体生成室78的温度上升的情况下，接通激光光源92，在不需要使等离子体生成室78的温度上升的情况下，断开激光光源92。加热控制部65也可以控制照射光学系统94的动作。
条件存储部66存储确定离子生成装置12的运转条件的各种参数。条件存储部66存储用于实现离子种类、离子价数及离子电流之类的注入条件的动作参数。条件存储部66例如将灯丝电流、阴极电流、阴极电压、电弧电流、电弧电压、气体流量、电磁体电流值等作为动作参数而存储。电源控制部62、电磁体控制部63及气体流量控制部64按照存储于条件存储部66的动作参数进行动作。
监测部67获取成为离子生成装置12的运转状态的指标的测定值。监测部67例如获取电弧室72的电弧电流值、电弧室72的温度、从离子生成装置12引出的离子的离子电流值等。监测部67获取的测定值例如用于加热控制部65控制加热装置90的动作。
离子生成控制部61为了生成与注入条件对应的离子种类、离子价数及离子电流的离子，控制在等离子体生成室78中生成的等离子体P的密度(也称为等离子体密度)。例如，能够增大通过提高等离子体密度而生成的离子的离子价数或离子电流，能够减小通过降低等离子体密度而生成的离子的离子价数或离子电流。并且，根据源气体的种类或应引出的离子的种类，为了实现所期望的离子价数及离子电流，最佳的等离子体密度也能够不同。
等离子体生成室78内的等离子体密度主要由电弧电流、电弧电压、气体流量及磁场强度来控制。例如，通过增大这些数值，能够提高等离子体密度。其中，由于由等离子体生成室78内的电弧放电产生的电弧电流的大小与等离子体密度大致对应，因此通过主要控制电弧电流来控制等离子体密度。电弧电流的大小能够通过灯丝电流、阴极电流、阴极电压、电弧电压、气体流量、磁场强度等来调整，但大多通过响应性优异的阴极电压来控制。另外，也能够通过调整气体流量来控制等离子体密度，但若使气体流量过少或过多，则等离子体的生成变得不稳定。因此，为了稳定地生成等离子体，需要将气体流量控制在规定范围内，相对难以通过使气体流量变化来调整等离子体密度。
在使用电弧室72生成等离子体的情况下，需要投入相对大的电力，因此电弧室72成为高温(例如1000℃以上)。电弧室72的温度主要由灯丝电源88a、阴极电源88b及电弧电源88c的投入电力的总计值来确定。因此，在为了控制等离子体密度而变更运转条件且使各种电源的电流值或电压值变化的情况下，电弧室72的温度也根据投入电力量的变化而变化。由于电弧室72的热容量相对大，因此电弧室72的温度响应性低，电弧室72达到热平衡状态为止消耗时间。尤其，在高温状态下，由热辐射引起的热逃逸大，因此在使电弧室72的温度上升的运转条件下，到电弧室72的温度稳定为止所需的时间变长。在电弧室72的温度不稳定的情况下，在等离子体生成室78中不能稳定地生成等离子体，从离子生成装置12引出的离子的稳定性也降低。因此，在本实施方式中，通过使用加热装置90促进等离子体生成室78的温度上升，缩短电弧室72达到热平衡状态为止的时间。
加热控制部65在将离子生成装置12的运转条件从低电弧条件切换为高电弧条件的情况下，接通激光光源92而向电弧室72照射激光LB。在此“低电弧条件”是指等离子体生成室78的等离子体密度成为相对低的密度的运转条件，是指由于投入电力量相对低而热平衡状态的电弧室72成为相对低的温度的条件。相反，“高电弧条件”是指等离子体生成室78的等离子体密度成为相对高的密度的运转条件，是指由于投入电力量相对高而热平衡状态的电弧室72成为相对高的温度的条件。
特定的运转条件是低电弧条件还是高电弧条件，可以相对确定。例如，考虑存在将等离子体密度作为第1密度的第1运转条件、将等离子体密度作为大于第1密度的第2密度的第2运转条件及将等离子体密度作为大于第2密度的第3密度的第3运转条件的情况。此时，在从第1运转条件切换为第2运转条件的情况下，第1运转条件成为“低电弧条件”，第2运转条件成为“高电弧条件”。另一方面，在从第2运转条件切换为第3运转条件的情况下，第2运转条件成为“低电弧条件”，第3运转条件成为“高电弧条件”。另外，成为低电弧条件或高电弧条件的哪一个，也可以根据投入电力量是否成为规定阈值以上来确定。
加热控制部65在从低电弧条件切换为高电弧条件的情况下，也可以根据低电弧条件与高电弧条件的运转条件之差使加热装置90的动作变化。例如，也可以根据低电弧条件下的投入电力量与高电弧条件下的投入电力量之差来调整激光光源92的输出。例如，也可以在投入电力量之差大的情况下增大激光LB的输出，在投入电力量之差小的情况下减小激光LB的输出。加热控制部65也可以根据投入电力量之差来调整激光LB的照射时间。加热控制部65例如也可以在投入电力量之差大的情况下延长激光LB的照射时间，在投入电力量之差小的情况下缩短激光LB的照射时间。
加热控制部65可以根据监测部67获取的测定值，使激光LB的照射条件相对于时间经过而可变。例如，也可以根据等离子体生成室78的等离子体密度的增加，或根据等离子体生成室78的温度的增加，使激光LB的输出逐渐降低。加热控制部65也可以通过随着电弧室72接近热平衡状态而使激光LB的输出降低，使电弧室72不会被过度加热。加热控制部65在从离子生成装置12引出的离子的离子电流稳定化的情况下，也可以使激光光源92断开。
离子生成控制部61在切换运转条件的情况下，为了去除蓄积于等离子体生成室78的内壁78a的物质，也可以进行清理运转。在等离子体生成室78的内壁78a上，伴随离子生成装置12的运转，堆积与向等离子体生成室78供给的源气体的种类对应的物质。若为了切换离子种类而变更源气体的种类，则去除在切换前蓄积于内壁78a的物质，并且蓄积与切换后的源气体的种类对应的物质，内壁78a的蓄积物质被更换。在蓄积于内壁78a的物质稳定之前，等离子体生成室78内的等离子体的状态可能会变化，因此无法稳定地引出离子。通过使离子生成装置12在清理条件下运转，能够促进蓄积于内壁78a的物质的去除，能够缩短蓄积于内壁78a的物质稳定为止的时间。
条件存储部66也可以存储清理运转条件作为运转条件之一。在清理运转条件下，为了促进等离子体生成室78的内壁78a的蓄积物质的去除，以成为高电弧条件的方式确定动作参数。清理运转条件也可以以等离子体密度比其他运转条件变高的方式确定运转条件。通过在等离子体生成室78中生成高密度的等离子体，能够使等离子体作用于内壁78a的蓄积物质而促进蓄积物质的去除。并且，通过在高电弧条件下进行清理，能够使等离子体生成室78的温度上升，促进通过蒸发或分解去除内壁78a的蓄积物质。在清理运转条件下，优选使用稀有气体(例如Ar、Xe)或反应性高的氟化物(例如BF3)作为源气体。通过使用稀有气体，能够防止向内壁78a蓄积多余的物质。并且，通过使用反应性高的氟化物，能够促进内壁78a的蓄积物质的去除。
加热控制部65在进行清理运转的情况下，也可以接通激光光源92而向电弧室72照射激光LB。通过在清理运转时使用激光LB来加热电弧室72，能够促进等离子体生成室78的温度上升，进一步促进内壁78a的蓄积物质的去除。
加热控制部65也可以在等离子体生成室78内未生成等离子体的状态下，接通激光光源92而向电弧室72照射激光LB。例如，也可以为了在停止等离子体的生成的状态下去除内壁78a的蓄积物质的清理运转而使用加热装置90。此时，可以通过停止源气体的供给来停止等离子体的生成，也可以通过断开各种电源来停止等离子体的生成。
加热控制部65也可以在等离子体生成室78内生成等离子体的状态下，接通激光光源92而向电弧室72照射激光LB。例如，在从低电弧条件切换为高电弧条件的情况下，也可以在生成高电弧条件的等离子体的状态下使用激光LB来加热电弧室72。此外，也可以在生成清理运转条件的等离子体的状态下，使用激光LB来加热电弧室72。
加热控制部65也可以控制加热装置90的动作，以抑制由电弧条件的差异引起的等离子体生成室78的温度的变动。例如，也可以在低电弧条件下生成等离子体的情况下提高激光LB的输出，在高电弧条件下生成等离子体的情况下降低激光LB的输出。由此，也可以减小低电弧条件下的等离子体生成室78的温度与高电弧条件下的等离子体生成室78的温度之差。
加热控制部65在使离子生成装置12从非运转状态启动为运转状态的情况下，也可以通过向室温程度的低温状态的电弧室72照射激光LB来加热电弧室72。此时，也可以在等离子体生成室78中未生成等离子体的状态下向电弧室72照射激光LB。通过照射激光LB来加热等离子体生成室78，能够促进从等离子体生成室78中未生成等离子体的状态切换为生成等离子体的状态。
根据本实施方式，通过使用激光LB来加热等离子体生成室78，能够与用于生成等离子体的电弧条件无关地促进等离子体生成室78的温度上升。为了使等离子体生成室78的温度上升优先，能够有意地提高投入电力量，但投入电力量有上限，并且若过度地提高投入电力量，则有可能产生构成等离子体生成装置70的组件劣化等不利影响。在本实施方式中，通过设置独立于与等离子体生成装置70连接的各种电源88a～88c的加热装置90，能够更灵活地控制等离子体生成室78的温度。例如，即使在以稳定地生成等离子体的观点维持最优化的投入电力量的情况下，也能够使用加热装置90促进等离子体生成室78的温度上升，能够缩短实现所期望的运转状态为止的等待时间。由此，能够缩短离子注入装置10的非运转时间，能够提高离子注入装置10的生产率。
以上，参考上述各实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述各实施方式，适当组合或替换各实施方式的结构的方式也属于本发明。并且，根据本领域技术人员的知识，也能够对各实施方式中的组合或处理的顺序适当进行重新排列或对实施方式增加各种设计变更等变形，增加这样的变形的实施方式也属于本发明的范围。

Claims (19)

1.一种离子生成装置，其特征在于，具备：
等离子体生成室，生成用于引出离子的等离子体；及
加热装置，构成为向区划所述等离子体生成室的部件或暴露于所述等离子体生成室内的部件照射激光而加热所述等离子体生成室。
2.根据权利要求1所述的离子生成装置，其特征在于，
所述加热装置包含用于向所述部件照射所扫描的激光的扫描光学系统。
3.根据权利要求1或2所述的离子生成装置，其特征在于，
所述加热装置包含用于向所述部件照射射束直径扩大或缩小的激光的扩大缩小光学系统。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述加热装置包含用于向所述部件照射具有顶帽型面内强度分布的激光的射束整形光学系统。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述加热装置包含多个激光光源，从所述多个所述激光光源射出的多个激光照射到所述部件的相互不同的部位。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述加热装置包含多个激光光源，从所述多个所述激光光源射出的多个激光重叠地照射到所述部件的相同部位。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述等离子体生成室配置于真空腔室的内部，
所述加热装置包含配置于所述真空腔室的外部的激光光源，从所述激光光源射出的所述激光通过设置于所述真空腔室的真空窗或通过从所述真空腔室的外部朝向内部延伸的光纤而照射到所述部件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述部件包含区划所述等离子体生成室的电弧室，
所述加热装置构成为向所述电弧室照射所述激光。
9.根据权利要求8所述的离子生成装置，其特征在于，
所述加热装置构成为向暴露于所述等离子体生成室外的所述电弧室的外表面照射所述激光。
10.根据权利要求9所述的离子生成装置，其特征在于，还具备：
反射器，设置于所述等离子体生成室外，构成为将来自所述电弧室的所述外表面的热辐射朝向所述电弧室反射。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述部件包含：阴极，朝向所述等离子体生成室内释放热电子；及反射极，在所述等离子体生成室内与所述阴极对置，
所述加热装置构成为向所述阴极及所述反射极中的至少一者照射激光。
12.一种离子生成方法，其特征在于，包括：
向区划等离子体生成室的部件或暴露于所述等离子体生成室内的部件照射激光而加热所述等离子体生成室的步骤；及
从在所述等离子体生成室内生成的所述等离子体引出离子的步骤。
13.根据权利要求12所述的离子生成方法，其特征在于，
通过照射所述激光而加热所述等离子体生成室，将所述等离子体生成室内的等离子体密度从第1密度切换为大于所述第1密度的第2密度。
14.根据权利要求12或13所述的离子生成方法，其特征在于，
通过照射所述激光而加热所述等离子体生成室，去除蓄积于所述等离子体生成室的内壁的物质。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的离子生成方法，其特征在于，
加热所述等离子体生成室的步骤包括在所述等离子体生成室内未生成等离子体的状态下照射所述激光的步骤。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的离子生成方法，其特征在于，
加热所述等离子体生成室的步骤包括在所述等离子体生成室内生成等离子体的状态下照射所述激光的步骤。
17.根据权利要求12所述的离子生成方法，其特征在于，
通过照射所述激光而加热所述等离子体生成室，从在所述等离子体生成室内未生成等离子体的状态切换为在所述等离子体生成室内生成等离子体的状态。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的离子生成方法，其特征在于，还包括：
监测在所述等离子体生成室内生成的等离子体的状态、所述等离子体生成室的温度及所述离子的离子电流中的至少一个的步骤，
根据所述监测的结果，使所述激光的照射条件相对于时间经过而可变。
19.根据权利要求18所述的离子生成方法，其特征在于，
根据在所述等离子体生成室内生成的等离子体密度的增加，或根据所述等离子体生成室的温度的增加，降低所述激光的输出。
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