JP2005527961A - イオン注入システムで用いるためのビームストップ - Google Patents

Abstract

本発明は熱伝導性材料で形成された基部と基部の表面に配置された半弾性材料で形成された熱伝達層とを含む、イオン注入システムで用いるためのビームストップを提供する。ビームストップはイオン注入システムのイオンビームに向き合うように半弾性材料の熱伝達層に配置された各々が熱伝導性の耐火材料で形成されたひとつまたは複数のタイルをさらに含んでいる。熱伝達層は基部へのイオンビームの衝突に応答してタイルに発生した熱を伝達する。同様に基部は基部から熱を取り除くためにヒートシンクに結合されていてよい。基部の厚みおよび熱伝導率、熱伝達層およびタイルの厚みおよび熱伝導率はビームストップがイオンビームの衝突によって加熱されたときに基部およびタイルが均一に膨張するように選択されている。

Description

本発明は大まかに言ってイオン注入システムに関し、より詳しく言うとイオンビームのエネルギーを吸収するように働くイオンストップに関する。

ビームストップはターゲットすなわち半導体ウェハーに向けられたイオンビームのうちのターゲットに衝突しない部分を遮断するためにイオン注入システムでごく普通に用いられている。ビームストップは典型的にはイオン注入システムの最終ステーション内に組み込まれていて、最終ステーションによってビーム通路内に保持された半導体ウェハーの下または後に位置している。ビームストップへのイオンの衝突は典型的にはスパッタ浸食として一般的に知られているプロセスによってビームストップからの材料の損失を引き起こす。このスパッタされた材料は半導体ウェハーの表面を含むイオン注入システムの排気されたチャンバのさまざまな表面に堆積して、それらの表面を汚染することがある。処理された半導体ウェハー上に形成された半導体デバイスの性能は少量の汚染によってさえも悪影響を及ぼされる。例えば、シリコンウェハーの金属またはアルカリ金属による汚染はとりわけ有害である。

したがって、ビームストップは低いスパッタ浸食速度を示しおよび／または半導体ウェハーを汚染しにくいスパッタ産物を放出する材料から好ましくは形成される。そのようなビームストップの材料のひとつはシリコンであり、その理由は放出されたシリコンは類似した組成の半導体ウェハーに悪影響を及ぼしにくいからである。しかし、ビームストップ全体をシリコンのような有意な汚染を引き起こさない材料から形成することは、非実用的なことが多い。典型的な大電流のイオン注入システムはビームストップを例えば５ｋＷから１５ｋＷまでの範囲内の高電力レベルにさらす。そのような高電力レベルにさらされるビームストップは効率良く冷却されなければならないが、シリコンの割れやすく耐火性の性質はシリコン自体に冷却用流体を循環させるための通路を形成するのを難しくしている。

したがって、典型的なシリコン製のビームストップは冷却用導管を設けるために機械加工でき容易に冷却される金属または金属に類似した材料から形成された基部に結合されなければならない。しかし、ビームストップを高電力レベルにさらすことがタイル（ビームストップ）を基部に結合するのを難しくしている。さらに、シリコンの熱膨張が基部の熱膨張と違うことによってシリコンにかなりの歪力／応力が及ぼされることがある。これらの歪力／応力はイオンビームにさらされるシリコン製のタイルの割れのような機械的な破損を導くことがある。

したがって、汚染を引き起こさずにイオン注入システムで用いることができるビームストップが必要とされている。

さらにイオン注入システム内で高電力レベルにさらされることに耐えられるビームストップも必要とされている。

本発明はビームを受ける表面を覆うために複数のタイルを用いることができるイオン注入システムで用いるためのビームストップを提供する。そのビームストップは熱伝導性の材料で形成された基部と基部の表面に配置され半弾性材料で形成された熱伝達層とを含んでいる。ビームストップの表面はイオン注入システム内でイオンビームに向き合うように半弾性材料の熱伝達層に配置された各々が熱伝導性の耐火材料で作られたひとつまたは複数のタイルを含んでいる。熱伝達層はイオンビームの衝突に応答してタイル中に発生した熱を基部に伝達する。基部に結合された例えば冷却用流体などのヒートシンクが基部から熱を除去する。

別の側面では、基部の厚みおよび熱伝導率、および熱伝達層およびタイルの厚みおよび熱伝導率はビームストップがイオンビームの衝突によって加熱されたときに基部およびタイルが均一に膨張するように選択されている。本発明のこの側面はたいていの「単一タイル」構造および「複数タイル」構造に適用できる。

関連した側面では、基部およびタイルの熱膨張率、および各々の熱伝導率は、熱伝達層の幅と共に、イオンの衝突によって生成された熱に対応するタイルの温度変化（ΔＴt ）が以下の関係式に基づいて基部の対応する温度変化（ΔＴb ）に関連付けられるように選択されている。
（ΔＴt ）αt ＝（ΔＴb ）αb
ここで、αt はタイルの熱膨張率であり、αbは基部の熱膨張率である。

ある実施の形態では、基部は熱伝達層を介して伝達された熱を除去するために水のような冷却用流体が基部を通って循環できるようにする少なくともひとつの内部通路を含んでいてよい。その内部通路は例えば熱伝達層に接触した基部の表面から選択された深さのところに設けられた流路として形成されていてよい。

別の側面では、本発明はタイルおよび基部が各々シリコンおよびアルミで作られていて銀充填エポキシが熱伝達層として用いられている上記のようなビームストップを提供する。アルミ製の基部はエポキシ製の熱伝達層に接触する基部の表面から実質的に０．００５ｃｍ（０．００２インチ）から実質的に０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）までの範囲内の深さのところに形成された流体循環用の流路を含んでいてよい。当業者にはチタン、ニッケル、銅、銀、およびさまざまな合金のようなその他の金属材料が基部を形成するのに用いられ、黒鉛またはゲルマニウムのようなその他の熱伝導性の耐火材料がタイルを形成するのに用いられることが適切に評価される。

別の側面では、本発明は本発明の技術に基づくビームストップを用いた磁気的に抑制されたまたは電気的に抑制されたファラデーカップを提供する。例えば、ファラデーカップは本発明のビームストップとビームストップへの導電性通路を維持するようにビームストップに結合された磁石とを含んでいてよい。磁石はイオンビームの衝突に応答してビームストップから放出された二次電子を捕獲するようにタイルの上方の空間に磁界を生み出す。ファラデーカップはファラデーカップを電気的に絶縁するために磁石に結合された絶縁体とビームストップによって吸収されたイオンによって誘起された電流を測定するためのビームストップに結合された回路とをさらに含んでいる。

関連した側面では、本発明はビームストップによって放出された二次電子と電界との相互作用が二次電子をビームストップに戻すようにタイルの上方の空間に電界を生み出すよう本発明に基づく技術に基づくビームストップが例えば電圧源によって電気的にバイアスされている電気的に抑制されたファラデーカップを提供する。ビームストップに入射したイオンが吸収された結果として誘起された電流を測定するために電気回路が設けられていてよい。

本発明は以下に簡単に記載される図面と共に以下の詳細な説明を参照することによってより理解される。

図１は本発明の技術に基づくビームストップ１２が用いられている例示的なイオン注入システム１０を示している。イオン注入システム１０はビーム伝達アセンブリ１４およびビーム形成装置１６を含んでいる。ビーム送達アセンブリ１４はイオンのビームを生み出すイオン供給源１８を含んでいてよい。ビーム送達アセンブリ１４は適正に帯電したイオンを選択する磁気アナライザーのようなイオンアナライザー２０をさらに含んでいてよい。加速器２２は選択されたイオンを例えば約２００ｋｅＶの望まれるエネルギーに加速し、ビーム形成装置１６は加速されたイオンを選択された断面形状および面積を有するイオンビーム２２の形状にする。

イオンビーム２２は選択されたドーズ量（線量）のイオンをターゲットに注入するために例えば半導体ウェハーなどの複数のターゲット２４に向けられている。この例示的な実施の形態では、ターゲットは最終ステーション２６内の回転する支持構造上すなわち最終ステーション２８上に配置されている。駆動機構（図示されていない。）はひとつまたは複数の半導体ウェハー２４を順番にイオンビーム２２にさらすために支持構造を回転させてよい。例えば、図２に示すように、例示的な支持構造２８は半導体ウェハーが配置される環状部分２８ａを含んでいてよい。イオンビーム２２に関連した露出ゾーン３０は支持構造２８の各向きで支持構造の半径方向に沿って並んで配置された２つの半導体ウェハーを覆う。しかし、露出ゾーン３０はイオンビーム２２に対してターゲットが呈する断面積を越えて広がることがある。したがって、ビーム２２の一部はターゲットによって妨げられないこともある。

図１を再度参照すると、本発明の技術に基づくビームストップ１２はイオンビーム中のイオンのうちターゲットによって妨げられないイオンを捕獲するために支持構造２８の後ろの最終ステーション２６内に配置されている。ビームストップ１２は好ましくは静止していてエネルギー吸収体としてだけでなく以下により詳しく記載されるようにターゲットによって妨げられないイオンビームの部分に関連した電流を測定するためのファラデーカップの構成要素としても働く。

図３は例えばアルミで形成された金属製の基部３２と基部３２および複数のシリコン製のタイル３６の間に挟まれ幅ｄを有する熱伝達層３４とを含む本発明の技術に基づいて形成されたビームストップ１２の例示的な実施の形態を模式的に示している。シリコン製のタイル３６は熱伝達層３４と接触する基部３２の表面３２ａの断面積と実質的に等しい断面積をイオンビームに対して全体で呈するような形状および寸法を有している。したがって、複数のシリコン製のタイル３６は基部３２の表面３２ａの全体を実質的に覆う。

基部３２は基部３２を通って例えば水などの冷却用流体（図示されていない。）が循環できるようにする流路の形態の内部通路３８を含んでいる。冷却用流体はビームストップがイオンビームの衝突によって加熱されたときにタイル３６から基部３２へ熱伝達層３４を介して伝達された熱を除去するためのヒートシンクとして働く。この例示的な実施の形態では、流路３８は基部３２の上部の表面３２ａから選択された深さＷのところに形成されている。

中間層（熱伝達層）３４は好ましくは熱伝導性の半弾性材料で形成されている。中間層３４の熱伝導率は好ましくは実質的に１Ｗ／（ｍ・℃）から実質的に１０Ｗ／（ｍ・℃）（実質的に１Ｗ／（ｍ・Ｋ）から実質的に１０Ｗ／（ｍ・Ｋ））までの範囲内にある。本発明で用いるのに適した半弾性材料の例はアメリカ合衆国ニューヨーク州ブルックリンのコトロニクス・コーポレーション（Cotronics Corporation）によって市販されているデュラルコ１２５（Duralco 125）のような銀充填エポキシである。熱伝達層３４の幅ｄはタイルおよび基部の熱伝導率、およびタイルおよび基部の熱膨張率のようなビームストップのその他の熱的なパラメータと共にタイルおよび基部がイオンの衝突によって発生した熱に応答して均一に膨張するように選択できる。例えば、ある実施の形態では、幅ｄは実質的に０．０５ｍｍから実質的に０．２ｍｍまでの範囲内にある。

この例示的な実施の形態では、銀充填エポキシで形成された熱伝達層３４は接着剤として働くだけでなくイオンが衝突した結果タイルに発生した熱を基部３２に伝達できるようにもしている。基部３２に発生した熱は今度は流路３８を通って循環する冷却用流体によって除去される。熱伝達層３４の幅および熱伝導率、タイル３６の熱膨張率および基部３２の熱膨張率、および例えば深さＷなどの流路３８の位置は、タイルおよび基部がイオンの衝突によって生み出された熱に応答して実質的に均一に膨張するように選択されている。言い換えれば、これらのパラメータはイオンの衝突によって生み出された熱に応答したタイルの温度変化（ΔＴt ）が以下の関係式に基づいて基部の対応する温度変化（Ｔb ）に関連付けられるように選択されている。
（ΔＴt ）αt ＝（ΔＴb ）αb （１）
ここで、αt はタイルの熱膨張率であり、αbは基部の熱膨張率である。均一な膨張はタイルに及ぼされる歪力／応力を有益に低減し、それによってタイルが割れるのを防止する。ここで用いられている「均一な膨張」および上記の式（１）に記載された等式はタイルの平均の熱膨張が基部の平均の熱膨張のプラス・マイナス５％以内にある限り満たされる。

ある実施の形態では、基部３２はアルミで形成されていてタイルはシリコンで形成されている。さらに、流路３８が熱伝達層３４に接触する基部３２の表面から実質的に０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）の深さのところに配置されている。銀充填エポキシで作られた熱伝達層はタイルで発生した熱を基部に伝達し、流路３８を通って循環する冷却用流体は基部３２の方向（ｘ）に沿った熱膨張が同じ方向に沿ったタイルの直線状の熱膨張と実質的に同じになるように基部３２から熱を除去して、タイルへ及ぼされる歪力／応力を最小にする。

例示的なビームストップ１２のような本発明のビームストップは異なるエネルギーおよびビームフルエンスを有するイオンを妨げるためにイオン注入装置で用いることができる。例えば、ビームストップは実質的に１０ｋｅＶから実質的に２５０ｋｅＶまでの範囲内のビームエネルギーおよび実質的に１０ｍＡから実質的に１００ｍＡまでの範囲内のビームフルエンス値に対して用いることができる。さらに、ひとつのタイルではなく複数のタイルをイオンを妨げるために用いることは、ビームストップの製造コストを大幅に低減する。

上記の例示的な実施の形態では、基部およびタイルは各々アルミおよびシリコンで形成されているが、当業者は基部、タイル、および熱伝達層のさまざまな熱的なパラメータが基部およびタイルがイオンの衝突によって生み出された熱に応答して実質的に均一に膨張するように選択される限りその他のさまざまな材料が本発明のビームストップを形成するために用いることができることを適切に評価する。

イオン注入システムでは、ターゲットを外したイオンを妨げるために用いられるだけでなくそれらのイオンに関連する電流を測定するためにファラデーカップに組み込まれていてもよい。例えば、図４は本発明の技術に基づくビームストップ１２と例えば基部３２（図３）を介してビームストップ１２に電気的に導通していてＮ極およびＳ極を備えた磁石４２とを含んだ磁気的に抑制されたファラデーカップ４０を示している。磁石４２に結合された絶縁体４４はファラデーカップ４０を電気的に絶縁している。さらに、グランドとビームストップ１２の間に接続された抵抗器４８と電圧計５０とからなる例示的な電気回路４６はイオンの衝突によってビームストップに蓄えられ電荷の結果として抵抗器４８に誘起された電流を測定する。磁気的な抑制がない場合、ビームストップの充電はビームストップに衝突したビーム中のイオンを吸収することによって生ずるだけでなくそのようなイオンの衝突によって生み出された二次電子を失うことによっても生ずる。この二次電子の損失はビームストップに入射したイオン電流の測定値を不正確にする。しかし、ファラデーカップ４０ではビームストップを覆う磁石によって生み出された複数の磁力線５２によって表された磁界が二次電子を捕獲して磁石へ向かわせる。ビームストップに電気的に導通した磁石によるこの二次電子の捕獲はビームストップからの二次電子の損失を相殺する。したがって、ビームストップに入射するイオンビームの電流の測定値が正確になる。

図５Ａおよび図５Ｂはイオン注入システム内のイオンビームに向けられた複数のタイル３６を備えたビームストップ１２を有する磁気的に抑制されたファラデーカップ４０の例示的な実施の形態を示している。構造５４は構造５４の下側部分内の磁石５６の集合と構造５４の上側部分内の磁石の同様な集合とを収容していて、下側部分の集合の磁石のある極性の磁極が上側部分の集合の磁石の逆の極性の磁極と向かい合ってタイル３６に平行な平面上の磁力線が生み出されるようになっている。複数の追加的な部材５８は絶縁を行いファラデーカップをイオン注入システムの他の構成要素に機械的に結合できるようにしている。

図６はビームストップの上方に電気力線６４によって表された電界を生み出すように電圧源６２によって電気的にバイアスされた本発明の技術に基づくビームストップ１２を含む例示的な電気的に抑制されたファラデーカップ６０を模式的に示している。電界はイオンの衝突に応答してビームストップから放出された二次電子をビームストップに戻すように、それによって抵抗器６４および電圧計６６で形成された電気回路がビームストップ１２によるイオンの吸収によって誘起された電流を正確に測定できるようにしている。さらに、絶縁構造６８はビームストップ１２を電気的に絶縁している。

当業者は特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱せずに上述された実施の形態がさまざまに変更できることが適切に理解される。

本発明の技術に基づくビームストップが用いられたイオン注入システムを示す模式図である。 図１のイオン注入システム内のイオンビームの通路に複数の半導体ウェハーを保持するための例示的な環状支持構造および半導体ウェハーに向けられたイオンビームに関連する露出ゾーンの上面図である。 複数のシリコン製のタイルとアルミ製の基部との間に挟まれた熱伝達層から構成された３層構造の本発明の技術に基づく例示的なビームストップの断面図である。 本発明の技術に基づく磁気的に抑制されたファラデーカップの模式的な断面図である。 図４の磁気的に抑制されたファラデーカップのある実施の形態の斜視図である。 図５Ａのファラデーカップの分解斜視図である。 本発明の技術に基づく電気的に抑制されたファラデーカップの模式的な断面図である。

符号の説明

１０ イオン注入システム
１２ ビームストップ
１４ ビーム伝達アセンブリ
１６ ビーム形成装置
１８ イオン供給源
２０ イオンアナライザー
２２ 加速器
２４ 半導体ウェハー
２６ 終了ステーション
２８ 終了ステーション
２８ａ 環状部分
３０ 露出ゾーン
３２ 基部
３２ａ 表面
３４ 熱伝導層
３６ タイル
３８ 流路
４０ ファラデーカップ
４２ 磁石
４４ 絶縁体
４６ 電気回路
４８ 抵抗器
５０ 電圧計
５２ 磁力線
５４ 構造
５６ 磁石
５８ 追加的な部材
６０ ファラデーカップ
６２ 電圧源
６４ 電気力線
６６ 電圧計
６８ 絶縁構造

Claims (20)

1. イオン注入システムで用いるためのビームストップであって、
   熱伝導性材料で形成されていて熱を除去するためにヒートシンクに結合されるように適合された基部と、
   半弾性材料で形成されていて上記基部の表面に配置された熱伝達層と、
   熱伝導性の耐火材料で形成されていて上記イオン注入システムのイオンビームに向き合うように上記熱伝達層に配置された少なくともひとつのタイルと
   を有する、ビームストップ。
2. 基部、熱伝達層、およびタイルの厚みおよび熱伝導率がビームストップがイオンビームの衝突によって加熱されたときに上記基部および上記タイルが均一に膨張するように選択されている、請求項１記載のビームストップ。
3. イオンの衝突によって生み出された熱に応答するタイルの温度変化（ΔＴt ）が対応する基部の温度変化（ΔＴb ）に以下の関係式に基づいて関連付けられ、
   （ΔＴt ）αt ＝（ΔＴb ）αb
   ここで、αt はタイルの熱膨張率を表し、αb は基部の熱膨張率を表す、
   請求項２記載のビームストップ。
4. 基部が冷却用流体を循環させるための少なくともひとつの内部通路をさらに有する、請求項１記載のビームストップ。
5. 内部通路が熱伝達層が配置されている基部の表面から選択された深さのところに形成されている、請求項４記載のビームストップ。
6. 選択された深さが実質的に０．００５ｃｍ（０．００２インチ）から実質的に０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）までの範囲内にある、請求項５記載のビームストップ。
7. 基部が、アルミ、銅、チタン、銀、またはニッケルで形成されている、請求項１記載のビームストップ。
8. 熱伝達層が銀充填エポキシで形成されている、請求項７記載のビームストップ。
9. タイルがシリコンで形成されている、請求項８記載のビームストップ。
10. 熱伝達層の幅が実質的に０．０５ｍｍから実質的に０．２ｍｍまでの範囲内にある、請求項７記載のビームストップ。
11. イオン注入システムで用いるためのビームストップであって、
    熱伝導性材料で形成されていて熱を除去するためにヒートシンクに結合されるように適合された基部と、
    半弾性材料で形成されていて上記基部の表面に配置された熱伝達層と、
    上記イオン注入システムのイオンビームに向き合うように上記熱伝達層に配置され、熱伝導性の耐火材料で形成され、上記熱伝達層が配置された上記基部の上記表面の全体を実質的に覆う複数のタイルと
    を有する、ビームストップ。
12. 基部、熱伝達層、およびタイルの厚みおよび熱伝導率がビームストップがイオンビームの衝突によって加熱されたときに上記基部および上記タイルが実質的に均一に膨張するように選択されている、請求項１１記載のビームストップ。
13. イオンの衝突によって生み出された熱に応答するタイルの温度変化（ΔＴt ）が対応する基部の温度変化（ΔＴb ）に以下の関係式に基づいて関連付けられ、
    （ΔＴt ）αt ＝（ΔＴb ）αb
    ここで、αt はタイルの熱膨張率を表し、αb は基部の熱膨張率を表す、
    請求項１２記載のビームストップ。
14. イオン注入システムで用いるためのビームストップであって、
    上部の表面と、底部の表面と、冷却用流体を循環させるために上記上部の表面から選択された深さのところに形成された通路とを備えた金属製の基部と、
    選択された熱伝導率を備えた材料で形成されていて選択された幅を有する上記金属製の基部の上記上部の表面に配置された半弾性の熱伝達層と、
    上記イオン注入システム内のイオンビームに向き合うように上記半弾性の熱伝達層に配置されたひとつまたは複数のシリコン製のタイルと
    を有し、
    上記通路が設けられた上記深さ、上記半弾性の熱伝達層の熱伝導率および幅、および上記基部および上記タイルの熱膨張率が、上記ビームストップがイオンビームによって加熱されたときに上記シリコン製のタイルの線寸法の変化が上記金属製の基部の対応する線寸法の変化と実質的に等しくなるように選択されている、ビームストップ。
15. 基部がアルミ、銀、銅、チタン、またはニッケルで形成されている、請求項１４記載のビームストップ。
16. 半弾性の熱伝達層が銀充填エポキシで形成されている、請求項１６記載のビームストップ。
17. イオン注入システムで用いるための磁気的に抑制されたファラデーカップであって、
    熱伝導性材料で形成されていて熱を除去するためにヒートシンクに結合されるように適合された基部と、半弾性材料で形成されていて上記基部の表面に配置された熱伝達層と、熱伝導性の耐火材料で形成されていて上記イオン注入システム内のイオンビームに向き合うように上記熱伝達層に配置された少なくともひとつのタイルとを備えた、ビームストップと、
    上記ビームストップに結合され上記基部と電気的に導通し、イオンビームの衝突に応答して上記ビームストップが放出した二次電子を捕獲するように上記タイルの上方の空間に磁界を生み出す磁石と、
    上記磁石に結合されていて電気的に絶縁するための絶縁体と
    を有する、ファラデーカップ。
18. イオンビームの衝突によって誘起された電流を測定するためのイオンストップに電気的に接続された電気回路をさらに有する、請求項１７記載のファラデーカップ。
19. イオン注入システムで用いるための電気的に抑制されたファラデーカップであって、
    熱伝導性材料で形成されていて熱を除去するためにヒートシンクに結合されるように適合された基部と、半弾性材料で形成されていて上記基部の表面に配置された熱伝達層と、
    熱伝導性の耐火材料で形成されていて上記イオン注入システム内のイオンビームに向き合うように上記熱伝達層に配置された少なくともひとつのタイルとを備えた、ビームストップと、
    イオンの衝突に応答して上記ビームストップによって生み出された二次電子を上記ビームストップに戻すために上記タイルの上方の空間に電界を生み出すように上記ビームストップをバイアスするための上記基部に電気的に接続された電圧源と
    有する、ファラデーカップ。
20. ビームストップに入射したイオンを吸収することによって誘起された電流を測定するための上記ビームストップに接続された電気回路をさらに有する、請求項１９記載のファラデーカップ。
    

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