JP2009515301A - イオン注入に関するデュアルモードイオン源 - Google Patents

イオン注入に関するデュアルモードイオン源 Download PDF

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Abstract

本発明は、ＣＭＯＳデバイスを製造する目的でシリコン基板にクラスタ注入およびモノマー注入を可能にし、高い生産性でそのようにするために、Ｂ２ＨＸ ＋、Ｂ５ＨＸ ＋、Ｂ１０ＨＸ ＋、Ｂ１８ＨＸ ＋、Ｐ４ ＋もしくはＡｓ４ ＋などのイオン化されたクラスタまたはＧｅ＋、Ｉｎ＋、Ｓｂ＋、Ｂ＋、Ａｓ＋、およびＰ＋などのモノマーイオンからなるある範囲のイオンビームを提供するイオン源が開示される。イオンビームの範囲は、イオン化されたクラスタを効率的に生成する電子衝撃モード、およびモノマーイオンを効率的に生成するアーク放電モードの２つの個別のモードで動作するように構成された本発明による汎用イオン源によって生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積回路を作製するためのＰＭＯＳおよびＮＭＯＳトランジスタ構造の半導体製造でのウェハをドーピングするためのイオンビームの生成用のイオン源に関し、より詳細には、たとえばアーク放電モードおよび電子衝撃モードなどのデュアルモードで動作するように構成された汎用イオン源に関する。
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第３７１条に基づいて、２０００年１２月１３日に出願の国際特許出願ＰＣＴ第ＵＳ００／３３７８６号に基づき出願された２００２年６月１２日に出願の本願の権利者が所有する同時係属の米国特許出願第１０／１７０，５１２号の一部継続出願であり、国際特許出願ＰＣＴ第ＵＳ００／３３７８６号は、１９９９年１２月１３日に出願の米国特許仮出願第６０／１７０，４７３号および２０００年１１月３０日に出願の米国特許仮出願６０／２５０，０８０号の利益を主張する。
半導体デバイスの製造は、部分的にはイオン注入によってシリコン基板内にトランジスタ構造の形成を伴う。イオン注入設備は、所望のドーパントの種類を含むイオンの流れを形成するイオン源、明確なエネルギーまたは速度を有するイオンビーム内にイオンストリームを加速し、合焦するビームライン、イオンビーム内に異なる種類のイオンが存在する可能性があるので対象とするイオンを選択するイオン濾過システム、およびイオンビームがその上に衝突するシリコン基板を収容するプロセスチャンバを備え、イオンビームは明確な距離で基板に貫入する。トランジスタ構造は、基板表面に直接的に形成されたマスクにイオンビームを通過させることによって形成され、マスクは基板の分離した部分のみがイオンビームに曝されるように構成される。ドーパントイオンはシリコン基板に貫入する場所では、基板の電気的特性は局所的に変更され、たとえばボロンまたはインジウムなどのｐ型ドーパントによる孔、およびリンまたはヒ素などのｎ型ドーパントによる電子のように、電気的なキャリアの導入によりソース、ドレーン、およびゲート構造を形成する。
従来から、ベルナス型イオン源がイオン注入設備に使用されている。そのようなイオン源は、たとえばＢＦ３、ＡｓＨ３、またはＰＨ３などのドーパントを含んだ供給ガスをその原子またはモノマー成分に分解し、Ｂ＋、Ａｓ＋、およびＰ＋のイオンを多量に生成することが知られている。そのようなイオン源は５０ｍＡまでの抽出されたイオン電流を生成し、それによってシリコン基板で２０ｍＡまでの濾過されたイオンビームを可能にすることが知られている。ベルナス型のイオン源は、熱プラズマまたはアーク放電型の供給源として知られ、一般にネイキッドフィラメントカソード（ｎａｋｅｄ ｆｉｌａｍｅｎｔ ｃａｔｈｏｄｅ）または間接加熱カソードの電子放出素子、およびいわゆる「反射形の」幾何学的形状に互いに対向して装着された電子リペラーまたは対カソードを組み込む。このタイプの供給源は、磁界によって閉じ込められたプラズマを生成する。
最近では、クラスタ注入源が設備市場に投入された。これらのイオン源は、たとえばＡｓｎ ＋、Ｐｎ ＋、またはＢｎＨｍ ＋（ただしｎおよびｍは整数、２≦ｎ≦１８）の形のイオンなどの分子の形でドーパント原子の「クラスタ」または団塊を生成するように設計された点でベルナス型の供給源とは異なる。そのようなイオン化されたクラスタは、シリコン基板の表面にはるかに近く、かつそのモノマー（ｎ＝１）カウンターパーツに対してより高い分量で注入でき、したがって、たとえば６５ｎｍ、４５ｎｍ、または３２ｎｍのゲート長さを有するトランジスタデバイスで、極浅ｐ−ｎトランジスタ接合を形成する大変興味深いものである。これらのクラスタ源は、イオン源に導入された供給ガスおよび蒸気の親分子を保存する。これらのうちで最も成功的なものは電子衝突のイオン化を使用し、高密度のプラズマを生成するのではなく、従来のベルナス供給源によって生成されたものの少なくとも１００分の１の低いイオン密度を生成する。
手短に言えば、本発明は、ＣＭＯＳデバイスを製造する目的でシリコン基板にクラスタ注入およびモノマー注入を可能にし、高い生産性でそのようにするために、Ｂ２Ｈｘ ＋、Ｂ５Ｈｘ ＋、Ｂ１０ＨＸ ＋、Ｂ１８ＨＸ ＋、Ｐ４＋、またはＡｓ４ ＋などのイオン化されたクラスタ、あるいはＧｅ＋、Ｉｎ＋、Ｓｂ＋、Ｂ＋、Ａｓ＋、およびＰ＋などのモノマーイオンからなるある範囲のイオンビームを提供するイオン源に関する。これは、イオン化されたクラスタを効率的に生成する電子衝撃モード、またはモノマーイオンを効率的に生成するアーク放電モードの２つの個別のモードで動作できるイオン源の新規な設計によって達成される。
ボロハイドライド分子イオンは、ガス状のＢ２Ｈ６、Ｂ５Ｈ９、Ｂ１０Ｈ１４、またはＢ８Ｈ２２をイオン源に導入することによって形成され、そこで、それは電子衝撃イオン化法などの「ソフトな」イオン化法によってイオン化され、それによって親分子内のホウ素の原子の数が保存される（イオンに取り付いて残された水素の数は親分子の数とは異なる可能性がある）。同様に、Ａｓ蒸気またはＰ蒸気が（元素のＡｓまたはＰを昇華させる蒸発器から）イオン源に導入されて、大量のＡｓ４ ＋、Ａｓ２ ＋、およびＡｓ＋、またはＰ４ ＋、Ｐ２ ＋、およびＰ＋イオンを生成できる。ＡｓおよびＰのクラスタを元素の蒸気から生成するメカニズムが下記により詳細に述べられる。モノマーイオンは、イオン源内にアーク放電を形成することによって生成され、それによって密度の高いプラズマを生成し、供給ガスのＢＦ３、ＡｓＨ３、ＰＨ３、ＳｂＦ５、ＩｎＣｌ３、ＩｎＦ３、およびＧｅＦ４をその構成原子に分解する。これによってＧｅ＋、Ｉｎ＋、Ｓｂ＋、Ｂ＋、Ａｓ＋、およびＰ＋イオンの高い電流が今日の多くの半導体プロセスによって必要に応じてもたらされる。本発明は、下記に詳細に述べられるように、単一または汎用イオン源を構築し、動作させる新規な方法によって開示され、そのイオン源はこれらの非常に異なるイオン種、すなわちクラスタおよびモノマーの両方を生成し、その２つの動作モードの間で迅速かつ容易に切り替え、半導体製造でその効率的な使用を可能にする。
本発明の目的は半導体デバイスを製造する方法を提供することであり、この方法はＰ４ ＋およびＡｓ４ ＋の形のイオン化されたクラスタを注入することによって半導体基板にＮ型の導電性の極浅の不純物をドープされた領域を形成することができる。
本発明のさらなる目的は、Ｐ４ ＋およびＡｓ４ ＋の形のクラスタイオンの使用により半導体基板にＮ導電性型の極浅の不純物をドープされた領域を形成するように設計された半導体デバイスを製造するイオン注入源およびシステムを提供することである。
本発明の１つの態様によれば、それぞれが複数のＡｓまたはＰのドーパント原子を含む分子の供給をイオン化の体積に与えるステップと、分子をドーパントクラスタイオンにイオン化するステップと、ドーパントクラスタイオンを電界によって抽出および加速するステップと、質量分析によって所望のクラスタイオンを選択するステップと、ドーパントクラスタイオンを半導体基板に注入するステップを含むクラスタイオンを注入する方法が提供される。
半導体製造に関するホウ化水素のＰ型クラスタの注入が説明されてきたが、イオン化された大きなクラスタを大量に生成するＮ型クラスタは全く述べられていない。Ｐｎ ＋およびＡｓｎ ＋（ただしｎ＝４以上）の形のイオンが少なくとも１ｍＡの電流で生成できる場合、Ｎ型およびＰ型の導電性の極めて低いエネルギーの高い分量の注入が可能になる。両方の導電性のタイプがＣＭＯＳプロセシングによって求められるので、そのような発見によりクラスタが全ての低いエネルギーの高い分量の注入に使用できるようになり、その結果コストの低下を伴って生産性の劇的な上昇がもたらされる。ウェハ当りの費用が劇的に減少するだけでなく、それを加工するのに必要なより少ないイオン注入装置しか必要でなくなり、床面積および資本投資を節約する。
６５ｎｍ以下のデバイスに関するドレーン延出部を形成する好ましい方法は、アグレッシブな熱活性化技術によってもたらされる過剰なドーパント拡散に依存せずに「ゲートの下の」十分なドーパントの濃度を生成するために、基板の法線からのウェハ傾斜≧３０°を組み込むことが期待される。ビーム角度の定義が卓越し、ビーム角度の開きが少ないこともこれらの注入に望ましく、高い電流の注入装置は広い角度の許容幅および大幅なビームの不均一性を有する傾向があるが、中間の電流の注入装置はこれらの傾斜が大きくかつ正確な角度の制御要件を満たす。中間の電流の注入装置は十分に高い電流を出力しないので、分量の多い注入装置でのその処理能力は生産用には少なすぎる。イオン注入装置が、必要な低エネルギービームを高い分量の割合で生産できる場合、大きな経済的な利益が達成できる。ドレーン延出部は注入物のうちで最も浅いものなので、それらは（たとえば６５ｎｍのノードで約３ｋｅＶＡｓの）最も低いエネルギーの状態でもあり、すなわち長い複雑なビームラインであり、それは中間の電流の注入装置がそのようなデバイスを製造するのに役立つような低いエネルギーの電流を十分に生成できない特徴を示している。中間の電流のビームラインおよびその他の走査された単一のウェハ注入装置でＡｓ４ ＋およびＰ４ ＋のクラスタ注入物を使用することにより、これらの注入装置の実用的な処理範囲が低いエネルギーおよび高い分量に広がる。これらのクラスタの高い電流を使用することにより、原子当り１ｋｅＶもの低さのＡｓおよびＰの効果的な注入物のエネルギーで高い分量（≧１０１４／ｃｍ２）の注入物に関して、処理能力で１６倍までの上昇が実現できる。
一般的に知られているように、元素の固体のＡｓおよびＰが四面体の（すなわち白リンのＰ４および黄色ヒ素Ａｓなどの）形で存在することが知られている。したがってそれらは、イオン源でテトラマーイオンを生成する理想的な候補であるように見える。しかし、これらの化合物が合成できる一方で、それらは一般的な形、すなわち赤リンおよび灰色ヒ素金属よりも反応性が高く、したがってより不安定である。これらの後者の形は容易に製造され、空気中で安定し、安価である。重要なのは、一般的な赤リンおよび灰色ヒ素が蒸発すると、それらは蒸気相で主にＰ４およびＡｓ４のクラスタを自然に形成することである。（たとえば、Ｍ．ＳｈｅｎおよびＨ．Ｆ．Ｓｃｈａｅｆｅｒ ＩＩＩのＪ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１０１（３）２２６１ページ〜２２６６ページ、１９９４年８月１日、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，２ｎｄ Ｅｄ．、著者Ｎ．Ｎ ＧｒｅｅｎｗｏｏｄおよびＡ．Ｅａｒｎｓｈａｗ、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ−Ｈｅｉｅｍａｎｎ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｏｘｆｏｒｄ、 Ｅｎｇｌａｎｄ、２００１年、第１３章５５ページ、ならびにＲ．Ｅ．ＨｏｎｉｇおよびＤ．Ａ．Ｋｒａｍｅｒ，ＲＣＡ Ｒｅｖｉｅｗ ３０、２８５ページ、１９６９年６月を参照されたい。）電子回折の研究で、蒸気相では四面体Ａｓ４が圧倒的に多いことが確かになった。しかし、この四面体相は壊れやすく、たとえば紫外線またはｘ線に曝されることにより容易に解離し、従来のイオン源によって形成されたタイプのプラズマに解離する。実際に、Ａｓ４はエネルギー的な光のボンバードメントの下で非常に容易に２Ａｓ２に解離することが知られている。
イオン化されたＡｓ４およびＰ４のクラスタの大きな電流が、（アモルファスまたは四面体の固体相の）固体の形のＡｓおよびＰを蒸発させることによって生成でき、新規の電子衝撃のイオン化供給源でのイオン化を通してこれらのクラスタを保存し、クラスタが電子衝撃を受けてもそのままになることを実証する。
従来技術のイオン源はイオンビームを生成するために蒸気化した固体ＡｓおよびＰを使用したが、テトラマーは保存されなかった。これらのアーク放電源によって生成されたイオンは、主としてモノマーおよびダイマーから構成される。テトラマーの形のＡｓ４およびＰ４は壊れやすく、エネルギーの導入によって容易に解離するので、それらを保存するために供給源は（たとえば高温のフィラメントによって放出されるなど）過剰なＵＶがない状態にする必要があり、最も重要なのは電子衝撃などの「ソフトな」イオン化技術によってイオン化されることである。下記により詳細に論じられるように、この技術は蒸発した元素のヒ素およびリンからＡｓ４ ＋イオンを生成するのに実用的である。
本発明のイオン源は、元素のＡｓまたはＰなどの固体の供給材料を加熱する蒸発器によってガス状のＡＳ４およびＰ４の蒸気を導入し、蒸気を蒸気導管を通してイオン源のイオン化チャンバに送達する。イオン源のイオン化チャンバに導入された後に、蒸気またはガスは外部の電子銃からイオン化ボリュームに通過する電子ビームと相互に作用し、イオンが形成される。電子銃はイオン化ボリュームの外部にあり、蒸気への照準線が全くないので、蒸気は高温のＵＶ生成カソードに曝されない。次いでイオンは静電オプティクス（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｏｐｔｉｃｓ）によってイオン化ボリュームの前の矩形の孔から抽出され、イオンビームを形成する。
本発明のこれらのおよびその他の利点は、以下の明細書および添付の図面を参照することによって容易に理解される。
本発明は、ＣＭＯＳデバイスを製造する目的でシリコン基板にクラスタ注入およびモノマー注入を可能にし、高い生産性でそのようにするために、Ｂ２ＨＸ ＋、Ｂ５ＨＸ ＋、Ｂ１０ＨＸ ＋、Ｂ１８ＨＸ ＋、Ｐ４ ＋、またはＡｓ４ ＋などのイオン化されたクラスタ、あるいはＧｅ＋、Ｉｎ＋、Ｓｂ＋、Ｂ＋、Ａｓ＋、およびＰ＋などのモノマーイオンからなるある範囲のイオンビームを提供するイオン源に関する。イオンビームの範囲は、イオン化されたクラスタを効率的に生成する電子衝撃モード、およびモノマーイオンを効率的に生成するアーク放電モードの２つの個別のモードで動作するように構成された本発明による汎用イオン源によって生成される。
本発明による汎用イオン源が下記に例示および説明される。図１４は、本発明によるイオン源アセンブリを通るｙ−ｚ平面（すなわち側面図）で切断部を断面で示す。図１５は、図１４と同様であるが供給源アセンブリを通るｘ−ｙ平面での切断部を断面で示す。図１６は、供給源アセンブリを通るｘ−ｚ平面での切断部を断面で示す。図１７は、間接加熱カソードおよびイオン化チャンバライナを示す、正面孔プレートが取り外された供給源の写真である。図１８は、蒸発器が取り外された、フィードスルーを備える取付けフランジを示す写真である。
イオン化されたクラスタを効率的に生成するために、本発明のイオン源は、以下の特徴を組み込んでいる。
・たとえば、イオン化ボリュームの外側、ならびにイオン化ボリュームに存在するいかなるプロセスガスまたは蒸気、の照準線から外れて配置された電子銃などの電子衝撃イオン化源が設けられ、イオン化チャンバ内の蒸気は同様に、電子銃の高温のカソードによって放出された電磁放射に曝されない。
・電子衝撃モードで動作する場合、供給源に導入された蒸気に曝された表面は、熱に反応しやすい親分子の解離を防止するのに十分に低く、前記表面の上への蒸気の望ましくない凝縮を防止または制限するのに十分に高い温度範囲内に保持される。
・供給源への蒸気の安定した流れを生成できる複数の蒸発器が設けられる（固体のボロハイドライド材料のＢ１０Ｈ１４およびＢ１８Ｈ２２の蒸発温度は２０℃から１２０℃の範囲にあり、ＡｓおよびＰなどの固体の元素の材料は必要な蒸気の流れをもたらすために４００℃と５５０℃の間の加熱を必要とする）。したがって１つまたは複数の「低温の」蒸発器および１つまたは複数の「高温の」蒸発器がイオン源に組み込まれる。
モノマーイオンを効率的に生成するために、本発明のイオン源は、以下の特徴も組み込む。
・電子源（カソード）、リペラー（対カソード）、および磁界が「反射形の」幾何学的形状でイオン源に組み込まれ、強力な磁界が電子源とリペラーを接合するラインに沿ってイオン源のイオン抽出孔に実質的に平行に向けられる。
・アーク放電がカソードと対カソードの間に維持できるように電子回路が設けられ、それによってプラズマ柱が磁界方向に沿って、すなわちイオン抽出孔に平行かつ近接して維持される。
・イオン化ボリュームライナ（「内側のチャンバ」）がイオン源内に設けられ、イオン化ボリュームを封入し、Ａｓ、Ｐ、およびイオン化ボリュームを囲む壁のその他の化学種の凝縮を制限するためにアーク放電の動作中に２００℃を十分に超える温度に達することができるようになる。
・従来のガス状のドーパント源をイオン源内に供給するためにプロセスガスの供給が行われる。
その他の新規の特徴がイオン源にもたらされ、信頼性および性能を実現可能にする。イオン源が、好ましくは原子状フッ素ガスの導入の制御によって、装置内の化学洗浄がプロセスを導入し、イオン源の元素を構成するのに使用される材料がＦによる侵食に耐性のある材料から選択されることが本発明の１つの特徴である。
イオン化チャンバライナは、ハロゲンガスによる侵食に耐性があり、優れた熱および電気の伝導性を有するが、アルミニウム、グラファイト、またはフッ素によって容易に侵食されないその他の電気および熱の伝導体からも実用的に製造できる二ホウ化チタン（ＴｉＢ２）から製造できる。
アーク放電電子源は間接加熱カソードであることができ、洗浄ガスに曝される部分は厚いタングステン、タンタラムまたはモリブデンの円板によって形成でき、したがって裸のフィラメントよりもハロゲン環境での故障に対してはるかに堅牢性がある。
間接加熱カソードアセンブリは、イオン化チャンバおよびライナへの放射性の熱負荷を制限するように水冷のアルミニウム「カソードブロック」の上に機械的に装着され（アルミニウムはＦ環境で不動態化し、したがって化学腐食に耐性があることに留意されたい）、これによってカソードがエネルギー遮断時と装置内の洗浄サイクルの開始との間のカソードの急速な冷却が可能になり、耐熱性金属のカソードの化学的な侵食の度合いが低下する。
電子衝撃のイオン化中に（すなわちクラスタビーム形成中に）エネルギー供給される電子銃は、イオン化ボリュームから距離があり、装置内の洗浄中にＦガス負荷に対して外側に装着され、照準線が全くなく、したがってＦの腐食による損傷に対して堅牢性がある。
その他の新規の特徴が供給源の性能および信頼性を向上させるために組み込まれる。
・アルミニウムカソードブロックまたはフレームはカソードの電位にあり、従来技術の供給源の間接加熱カソードと供給源チャンバの間に生じることが知られているカソード電圧の短絡の危険を排除する。このブロックも、カソード電位にあるリペラー構造を都合よく形成し、それによって専用の電子リペラーまたは対カソードが不要になる。
・イオン化ボリュームライナはカソードブロックおよび基部によって囲まれ、アルミニウムベースおよびカソードブロックは伝熱性であるが電気絶縁性のエラストマーガスケットを介して温度制御されたソースブロックと熱的に接触して保持される。この特徴は、ブロックおよび基部の最高温度をソースブロック温度付近に制限する（ソースブロックは一般に２００℃の下に保たれる）。
・イオン化ボリュームライナは、その温度がカソードブロックおよび基部の温度より高いことを確実にしながら、最高温度の遷移を制限するために、アルミニウムなどの高温の熱および電気的に伝導性のガスケットを介して基部と熱的に接触している。その他の知られたイオン源とは異なり、イオン化チャンバそれ自体は全く設けられない。
・供給源の磁界がイオン化チャンバアセンブリを囲む磁気ヨークアセンブリによってもたらされる。それはカソードブロックに埋め込まれる。これによって、ヨークアセンブリをその永久磁石のキュリー温度から十分に下の温度に維持する手段が提供される。
・イオン源は、電子衝撃モードおよびアーク放電モードの２つの個別のモードで動作する。それぞれに対する動作条件は下記に詳細に述べるように極めて異なる。
電子衝撃モードで動作する場合、以下の条件が適合する。
・ソースブロックは約１００℃と２００℃の間の温度に保たれる。イオン源にどの化学種が流れているかに応じて、これは供給源に関する参照温度を提供し、ボロハイドライドまたはその他の供給源材料などの供給源材料の凝結を防止する。
・間接加熱カソードはエネルギー供給されず、冷却水はカソードブロックに流れない。カソードブロックは、基部との熱平衡状態に達し、それによって伝熱性であるが電気絶縁性であるガスケットを介して熱的に接触する（基部はソースブロックと良好な熱接触状態にあり、ソースブロックの温度の付近に留まる）。
・カソードブロックは基部およびイオン化ボリュームライナと同じ電位に保たれる。
・電子銃は電子放出素子（すなわちカソード）に負の電位を加えることによってエネルギー供給され、アノードおよび銃の基部に正電位（すなわち電子ビームが銃を通って伝搬するときの電子ビームの局所的な環境の電位）を加える。
カソードおよびアノードの電圧はイオン化ボリュームに対して測定される。これによって、ガスまたは蒸気をイオン化する電子のエネルギーが銃の中に伝搬する電子ビームのエネルギーとは独立に変更でき、特にガス分子のより効率的なイオン化を行うように低減できるように、電子ビームが銃の基部とイオン化ボリュームの間に伝搬するとき「減速」場が電子ビームに作用することが可能になる。
・永久磁界は、電子ビームがイオン化チャンバに入り、通過すると電子ビームの閉じ込めをもたらし、イオン源のイオン抽出孔に隣接し、それに沿って均一のイオン濃度を形成可能にする。
・ＴｉＢ２ライナ（シリコン回路で有害な汚染物質でないＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、Ａｌ、Ｃ、または任意のその他の適切な導電性材料からも作製できる）が電気的におよび熱的に伝導性の高温のガスケットを介して（ソースブロックと熱的に連続している）基部と熱的に接触し、したがってイオン化ボリューム内で電子ビームによって非常にわずかの電力（一般には＜１０ワット）しか散逸しないのでソースブロック温度付近で安定する。したがってライナは、イオン化ボリュームおよびソースブロックと常に同じ電位である。
アーク放電モードで動作している場合、以下の条件が適合する。
・ソースブロックは約１００℃と２００℃の間に保たれる。
・間接加熱カソードがエネルギー供給され、冷却水がカソードブロックに流れる。したがってカソードブロック温度が水温の近くに、ソースブロックと熱接触する基部よりも低温に維持される。
・カソードブロックは、イオン化ボリュームを囲むライナに対して負に１００Ｖまで、カソードと同じ電位に保たれる。カソードブロックはリペラーまたは対カソードも備えるので、カソード電位のところにもある。永久的な軸方向の磁界の存在下では、これによって真の「反射形の」幾何学的形状が可能になり、したがって安定したプラズマ柱が可能になる。アーク電流がライナによって吸収され、その電位がプラズマの電位を確立する。
・電子銃はエネルギー供給されず、電子放出素子がソースブロック電位に設定され、銃の基部がカソードブロック電位に設定される。これによって、いかなる正味の場も銃の基部からカソードブロックの電子入口孔を通って進入するのが防止される。
・間接加熱カソードがエネルギー供給され、アーク放電が開始すると、ライナは放射熱の大きな負荷に曝される。これによってライナは、基部を十分に超えた平衡温度に達することができるようになる。最大の温度差は、ライナと基部の間の熱接触を低下または増加させることによって「調節」できる。
図１を参照すると、本発明によるイオン源を組み込む例示のイオンビーム生成システムの概略図が示される。この例に示されるように、イオン源４００は半導体ウェハまたはフラットパネルディスプレイに注入するためのイオン注入チャンバに移送するためのイオンビームを生成するようになされる。イオンビーム生成システムはイオン源４００、抽出電極４０５、真空ハウジング４１０、電気的に絶縁性の材料からなる電圧分離ブッシング４１５、真空ポンプシステム４２０、真空ハウジング分離バルブ４２５、反応性ガス入口４３０、供給ガスおよび蒸気入口４４１、蒸気源４４５、供給ガス源４５０、反応性ガス源４５５、イオン源高電圧電源４６０、およびイオンビーム移送ハウジング４１１を備える。イオン源４００は、矢印４７５によって示される、その結果生じるイオンビームを生成する。
イオン源４００は、たとえばボロハイドライドイオンＢ１０ＨＸ ＋、Ｂ１０ＨＸ ―、Ｂ１８ＨＸ ＋、およびＢ１８ＨＸ −ｏｒなどのクラスタイオンおよび分子イオン、あるいは、Ｐ＋、Ａｓ＋、Ｂ＋、Ｉｎ＋、Ｓｂ＋、Ｓｉ＋、およびＧｅなどのより従来的なイオンビームを提供するように構成される。ガス状の供給材料がイオン化される、ガスおよび蒸気入口４４１は、適切な蒸気源４４５に連結され、その蒸気源４４５はガスおよび蒸気入口４４１に近接したところにあることができ、または末端筐体内のどこかに配置されたガス分配ボックスの中などのより離れた位置に配置できる。
末端の筐体は、図示されない金属のボックスであり、イオンビーム生成システムを囲む。それは、ポンプシステム、配電部、ガス分配部、および制御部などのイオン源に関する必要な設備を含む。ビームのイオン化学種の選択のために質量分析を用いる場合、質量分析システムを末端の筐体に配置することもできる。
明確なエネルギーのイオンを抽出するために、（正に帯電したイオンビームが生成されるより一般的な場合に）高電圧電源４６０によって抽出電極アセンブリ４０５および真空ハウジング４１０に対してイオン源４００は高い正の電圧に保たれる。抽出電極アセンブリ４０５はイオン化ボリューム５００の一部分を形成する抽出孔プレートの抽出孔５０４の近くに配置され、その抽出孔５０４と整列する。抽出電極アセンブリは、少なくとも２つの孔を含む電極プレート、イオン化ボリューム５００に最も近いいわゆるサプレッション電極４０６および「接地」電極４０７からなる。サプレッション電極４０６は、正に帯電したイオンビームを生成する場合に正にバイアスをかけられたイオン源４００に引き寄せられる望ましくない電子を排除または除去するために接地電極４０７に対して負にバイアスをかけられる。接地電極４０７、真空ハウジング４１０、および末端の筐体（図示されない）は全ていわゆる末端の電位にあり、それは、たとえば中間の電流のイオン注入装置などのいくつかの注入システムの場合のように、端子全体が接地の上に浮くことが望ましい場合でない限り、接地のところにある。抽出電極４０５は、下記に述べられる新規の温度制御された金属の設計のものであることができる。
本発明の別の態様によれば、図１に示されたイオン源４００は、その場の洗浄のために、すなわちイオン源を真空のハウジングの動作位置から取り外さずに、動作の中断をわずかにして構成できる。実際に、たとえば半導体ウェハをドープする、イオン注入システムと共に使用するのに適したイオン源に関しては、供給源チャンバまたはイオン化ボリューム５００は、たとえば約１００ｍｌより少ない、またたとえば約２００ｃｍ２より少ない内部表面積などのボリュームを有する小さなものであり、たとえば原子のフッ素または反応性のフッ素を含む化合物を約２００標準リットル毎分（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｅｒｓ Ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）より少ない流量で反応性ガスの流れを受けるように構成される。したがって、真空のハウジング４１０と連通する専用の端点検出器４７０が、化学洗浄中に反応性ガス生成物を監視するのに使用できる。
図２は、抽出電極アセンブリ４０５を備えるイオン源４００の装置内の化学洗浄を実行するように構成された、図１と同様のイオン源の１つの実施形態を示す。装置内の洗浄システムが参照によって本明細書に組み込まれる、２００４年１２月９日に出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０４１５２５号に詳細に記載される。手短に言えば、３つの入口通路がそれぞれイオン源４００に一体化される。１つの入口通路がプラズマ源４５５から反応性ガス４３０に向かう。別の入口通路が、選択されるいくつかの貯蔵ボリューム４５０のうちの１つから供給ガス４３５に向かう。第３の入口が、蒸発器４４５から供給蒸気４４０に向かう。プラズマを基にした反応ガス源４５５がイオン源４００の高電圧でバイアスをかけられる。これにより離れたプラズマ源４５５がイオン源４００の制御点を共有することが可能になり、洗浄供給ガス４６５および貯蔵源４６６からのアルゴンパージガスがソース電位にあるイオン源ガス分配ボックスからも供給することが可能になる。異なるタイプの端点検出器、すなわちフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）光学分光計も示される。この検出器は、石英窓を通って、装置外で（真空ハウジングの外で）機能できる。その代わりに、図２に示されるように、抽出可能なタイプのＦＴＩＲ分光計が使用でき、それによって洗浄中に真空ハウジング４１０のガスが直接的に標本抽出される。温度センサＴＤが、チャンバの表面の熱的に分離したそれぞれの領域を感知することによって、エネルギーを遮断されたイオン化チャンバの温度を感知できる。センサＴＤは、端点検出として機能するために、Ｆの汚染堆積物との発熱反応によって生成される熱を監視できる。
図３ａは電子銃カソード１０、間接加熱カソード（ＩＨＣ）２０、イオン化ボリュームライナ３０、カソードブロック４０、基部またはインターフェースブロック５０、抽出孔プレート６０、ソースブロック７０、および取付けフランジ８０を示すイオン源の基本的構成要素の単純化された概略図である。イオン化ボリュームライナ３０は好ましくはＴｉＢ２またはアルミニウムから作製されるが、ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、Ｃ、またはシリコン回路で有害な汚染物質でない任意のその他の適切な電導性材料から実用的に構成でき、１００℃から５００℃の間の動作温度に耐えることができる。カソードブロック４０はその高い熱および電気的な伝導性、およびハロゲンガスによる浸食に対して耐性により、アルミニウムからなることが好ましい。Ａｌは非多孔性および非吸水性なので、直接的に水冷することも可能になる。優れた電気的および熱的な特性を有するタングステンやモリブデンのような耐熱性材料などのその他の材料が使用できるが、それらはハロゲンガスによって容易に侵食される。カソードブロックに関するその他の考察は、Ｐ＋、Ａｓ＋、およびアーク放電動作の下で生成されるその他の化学種のイオン・ボンバードメントとの互換性である。カソードブロックはＩＨＣカソード２０と均一電位であるので、プラズマイオンのイオン・ボンバードメントによって腐食を受ける。したがって対象となるイオンによるボンバードメントの下での材料のスパッタ速度は、それが供給源の耐用年数に影響を与えるので考慮されなければならない。ここでも、基部５０は、アルミニウムから作製されることが好ましいが、モリブデンまたはその他の電気的および熱的に伝導性の材料から作製できる。ソースブロック７０、取付けフランジ８０、およびイオン抽出孔プレート６０は、一般に２００℃以下で動作されるので、それらは同様にアルミニウムから実用的に構成できる。イオン化ボリュームライナ３０はイオン化ボリューム３５を囲み、取付け基部５０と軽度に熱接触状態にあり、その基部５０はそれ自体がソースブロック７０と優れた熱接触状態にある。イオン化ボリュームライナ３０を通るスロット、およびイオンが通過する抽出孔プレート６０を除き、イオン源のイオン化ボリュームはイオン化ボリュームライナ３０およびカソードブロック４０の頂部および底部プレートを通る円筒形のボアによって完全に範囲を定められる。たとえばソースブロック７０は、２００℃まで温度制御される。したがって、電子銃１０が作動している場合、イオン化ボリュームライナ３０に伝達される電力はほんのわずかであり、その温度はソースブロック７０の温度に近い。ＩＨＣ１００がエネルギー供給される場合、イオン化ボリュームライナ３０は何百ワットもの電力に曝され、（４００℃までまたはそれ以上の）ソースブロック７０よりもはるかに高い温度に達することができ、そのことはイオン化ボリュームライナ３０の表面上へのガスの凝縮を制限するのに有益である。
図３ｂは、本発明のイオン供給源がその主要なサブシステムを示す分解斜視図である。イオン源は抽出孔プレート６０、イオン化ボリュームまたはチャンバアセンブリ９０、ＩＨＣアセンブリ１００、電子銃アセンブリ１１０、供給源ブロックアセンブリ１２０、および取付けフランジアセンブリ１３０を備える。イオン源は、ポート１３５に連結された低温蒸発器（図示されない）も備える。蒸気導管１３７が蒸気をイオン化アセンブリ９０内に搬送するのに使用される。イオン源は複式の高温蒸気の入口ポート１３８、プロセスガス入口ポート１３９、および光学反応ガス入口ポート１４０も備える。例示の実施形態では、原子のＦが反応ガス入口ポート１４０を介してイオン化ボリュームアセンブリ９０に供給できる。蒸発したＡｓ、Ｐ、またはＳｂＯ３は複式の高温蒸気の入口ポート１３８に入り、Ｂ１８Ｈ２２の蒸気は蒸気導管１３７に送り込むことができる。
図４ａは、取付けフランジアセンブリ１３０、電子銃アセンブリ１１０、間接加熱カソードアセンブリ１００、抽出孔プレート６０が取り外されて示される、本発明によるイオン源の分解斜視図である。イオン源は、ソースブロック１２０、カソードブロック４０、取付け基部またはインターフェースブロック５０、イオン化ボリュームまたは供給源ライナ３０、ライナガスケット１１５、基部ガスケット１２５、およびカソードブロックガスケット１２７を備える。下記により詳細に論じられ、図４ｃに示されるように、磁気ヨークアセンブリ１５０が加えられる場合に、これらの部分はイオン化ボリュームアセンブリ９０（図３ｂ）を形成する。たとえば、ガスケット１２５および１２７は電気絶縁性であり、伝熱性のガスケットであり、ポリマーコンパウンドから作製される。それらの目的は、噛み合う部分の間の電位差を可能にしながら部分の熱的な分離を防止することである。たとえば、カソードブロック４０はアーク放電動作中に基部またはインターフェースブロック５０の電位の数百ボルト下であり、したがって電気的に絶縁されなければならない。しかし、電子衝撃動作中に、カソードブロック４０は基部またはインターフェースブロック５０の温度付近である必要があり、したがって熱的に絶縁することはできない。しかしガスケット１１５は、イオン化ボリュームライナ３０と基部またはインターフェースブロック５０との間の境界面を形成する金属のガスケットである。金属はイオン化ボリュームライナ３０がアーク放電動作中に達するより高い温度に耐える能力により選択された。基部またはインターフェースブロック５０は、（一定の温度リザーバ、すなわち閉ループ制御装置に連結された埋め込まれたオーム加熱器を通って能動的に温度制御される）供給源ブロック１２０に対する効果的な放熱を行うので、ソースブロック７０の温度に接近して追従する。ソースブロック７０は能動的に温度制御され、個別の供給源の要素が図１３に示されるような注意深く選択された温度接触経路を介してこの温度に追従する。ソースブロック７０の温度の閉ループ制御は、当分野で知られるようにソースブロックに埋め込まれるオーム加熱器に送出される電力のデューティサイクルの制御に使用できるオムロン社Ｅ５ＣＫデジタル制御装置などの従来のＰＩＤ制御装置を使用して実施できる。
図４ｂは、インターフェースブロック５０のプレナムおよびプレナムポートを示す、本発明によるイオン化ボリュームライナ３０およびインターフェースまたは基部ブロック５０の分解斜視図である。いくつかのガスおよび蒸気入口ポート、すなわち蒸気ポート１３７、反応ガスポート１４０、プロセスガスポート１３９、および複式の高温蒸気ポート１４１ａおよび１４１ｂが、基部またはインターフェースブロック５０に形成されたガスプレナム４５内に供給される。インターフェースブロック５０は、インターフェースブロック５０をソースブロック１２０に固定し、それによってインターフェースブロック５０とソースブロック１２０の間の導電性を確立する従来の留め具（図示されない）装着に対応するための１つまたは複数の穴１４２ａおよび１４２ｂを設けている。ガスプレナム４５はインターフェースブロック５０内に機械加工された空洞であることができ、プレナム４５に供給されるいかなるガスも収集し、それらを複数のライナポート３２に供給するのに使用できる。複数のライナポート３２は、イオン化ボリュームライナ３０内でイオン化ボリューム３５への異なる方向に沿ってガスを分配するための「シャワーヘッド」設計で構成される。バラストボリューム（ｂａｌｌａｓｔ ｖｏｌｕｍｅ）として働き、次いでガスをシャワーヘッドを通ってイオン化ボリューム３５に直接的に供給するプレナム４５に全てのガスまたは蒸気を移送することによって、ガスまたは蒸気の分子のイオン化ボリューム３５内での均一な分布が形成される。そのような構成により、抽出孔６０にもたらされるイオンがより均一に分布することになり、それに続いてより空間的に均一のイオンビームが形成される。
図４ｃは、イオン化ボリュームライナが取り外されて示された、イオン化ボリュームアセンブリ９０の斜視図である。イオン化ボリュームアセンブリ９０は、カソードブロック４０、インターフェースブロック５０、および磁気ヨークアセンブリ１５０から形成される。磁気ヨークアセンブリ１５０は、磁性鋼から構成され、イオン化ボリュームアセンブリ９０の周りを通って一対の永久磁石１５１ａおよび１５１ｂによって生成された磁気フラックスを伝導し、たとえばイオン化ボリューム３５内で約１２０ガウスの均一の磁界を生成する。電子衝撃動作中に、この永久場は、イオンがイオン抽出孔６０に隣接する明確な狭いコラムに生成されるように電子ビームを閉じ込める。アーク放電モード中に、同じ場が、カソードと対カソードとして機能するカソードブロック４０の上方プレートとの間のプラズマ柱に閉じ込めをもたらす。
図５ａは、間接加熱カソード（ＩＨＣ）アセンブリ１００の分解図である。ＩＨＣアセンブリは当分野で一般的に知られている。そのようなＩＮＣアセンブリの例は、米国特許第５，４９７，００６号、米国特許第５，７０３，３７２号、および米国特許第６，７７７，６８６号、ならびに米国特許出願第ＵＳ２００３／０１９７１２９Ａｌ号に開示され、その全てが参照によって本明細書に組み込まれる。本発明の原理がそのような全てのＩＨＣアセンブリに適用可能である。本発明に使用する別のＩＨＣアセンブリ１００は、間接加熱カソード１６０、カソードスリーブ１６１、フィラメント１６２、カソードプレート１６３、一対のフィラメントクランプ１６４ａおよび１６４ｂ、１対のフィラメントリード１６５ａおよび１６５ｂ、および一対の絶縁材１６７ａおよび１６７ｂ（図示されない）を備える。フィラメント１６２は、電子ボンバードメントによって間接加熱カソード１６０を白熱に加熱するたとえば２Ａの電子電流まで放出する。フィラメント１６２は、カソード電位の下の１ｋＶまでの負の電位に保持されるので、たとえばカソードの加熱に関して２ｋＷまでの電子ビーム加熱容量が可能である。実際に、１ｋＷと１．５ｋＷの間の加熱の電力が十分であるが、（２Ａのアークを超える）非常に高いアーク電流に関しては、より高い電力が必要になる可能性がある。カソード１６０は、カソード取付けプレート１６３と均一電位である。
絶縁材１６７ａおよび１６７ｂが１ｋＶまでのフィラメント電圧から距離をとる必要がある。
次に図５ｂおよび５ｃを参照すると、ＩＨＣ１６０がフランジ１５９を介してカソードプレート１６３の上に配置され、ねじ山を付けられた連結１５６を通るスリーブ１６１によって定位置に固定される。スリーブ１６１は、ＩＨＣ１６０に対して放射シールドとして働き、放出面１５７を除いて放射による熱損失を最小限に抑える。
間接加熱カソード（ＩＨＣ）１６０は、単一のタングステンシリンダから機械加工できる。例示のＩＨＣ１６０は、約９．５２５ｍｍ（０．３７５インチ）の厚さであることができ、Ｆの腐食およびイオンのボンバードメントの両方に対して堅牢性がある。図５ｃで分かるように、ＩＮＣ１６０は、取付け部分のカソードプレート１６３内でＩＨＣ１６０を位置合わせする底部フランジ１５９を有する中空のシリンダに接合された薄い円形の円板の外見を有する。２つ以上の円形溝１５８またはソーカットがカソード放射面１５７からカソードプレート１６３への熱伝導を低減するためのシリンダに機械加工され、電子ビームの加熱要件を低下させる。同様の溝１５３がスリーブ１６１に機械加工されて、カソードプレート１６３への熱伝達を低下させる。スリーブ１６１はプレート１６３およびスリーブ１６１のねじ山を介してカソードプレート１６３に取り付けられる。スリーブ１６１は、２つの機能を働かせる。ＩＨＣ１５８を「ロックダウンし（ｌｏｃｋｓ ｄｏｗｎ）」、ＩＨＣ１６０とその環境との間の放射シールドとして機能し加熱する電力要件を低下させる。ＩＨＣ１６０およびそのスリーブ１６１が、全体の供給源の加熱を低下させるために放射を吸収するように設計された水冷のカソードブロック４０によって囲まれることに留意されたい。フィラメント１６２は、３つの曲げのパターンでより合わされたおよそ１ｍｍ厚のタングステンワイヤから構成され、それによってＩＨＣ１６０のディスクの底部にかなり均一の放出電流の有効範囲がもたらされる。フィラメント１６２は電流を複式のリード１６５ａおよび１６５ｂを通って真空のフィードスルーおよび６０Ａフィラメント電源に導通する複式のクランプ１６４ａおよび１６４ｂに取り付けられる。この電源、およびしたがってフィラメントは、フィラメント１６２を出る電子放出電流がＩＨＣ１６０に対して加速され、電子ビーム加熱をもたらすように、高電圧電源によってＩＨＣに対する負の電位に浮動する。この２Ａ、１ｋＶ電源は、カソード表面１５７を電子放出させるのに２ｋＷまでの電子ビーム加熱電力を提供する。実際には（たとえば６００Ｖで１．７Ａなどの）１ｋＷの電子ビーム加熱が十分であるが、数アンペアを超えるＩＨＣアーク電流に関しては、より高いカソード温度、およびしたがってより高い電力が必要である。
ＩＨＣ１６０、スリーブ１６１、およびフィラメント１６２は、好ましくはタングステンから作製される。図５ｂに示されるフィラメントリードは、フィラメント１６２に圧着され、たとえばモリブデンまたはタンタラムから実用的に作製される。カソードプレート１６３は、グラファイト、ステンレス鋼、モリブデン、または優れた機械的な引張り強度を有する任意の高温の導電性材料から作製できる。カソードプレート１６３はカソードブロックに直接的に取り付けられるので、ＩＨＣ１６０がエネルギー供給されるときにカソード電位である。
図５ｄおよび５ｅは、水冷のカソードブロック４０の上に装着された間接加熱カソードアセンブリ１００を示す。１対の水フィッティング４１ａおよび４１ｂが真空の界面を通って脱イオン化された水を移送するのに使用される。水はカソードブロック４０を通って循環し、数ｋＷの電力を吸収でき、カソードブロック４０が常に１００℃の十分に下に維持できるようにする。ＩＨＣ１６０は、カソードブロック４０と均一電位である。したがって、カソード１６０とイオン化ボリューム３５の頂部および底部の境界面を形成するカソードブロック４０との間に絶縁が全く必要でない。従来技術のＩＨＣ供給源ではＩＨＣはそのすぐ近くの囲いと１５０Ｖまで異なるので、これによって非常に信頼性の高いシステムになる。これによって、極めて一般的な故障がＩＨＣ１６０とそれが貫通するイオン化ボリューム表面との間の砕片の収集によって析出される。構成のその他の利益は、カソードブロック４０の頂部プレートはカソード電位にあり、対カソードとして働くので、それは対カソードの腐食の一般的な不具合をなくすことである。プラズマ柱は、イオン化ボリュームライナ３０を通るボアおよびカソードブロック４０の頂部および底部プレートによって画成されるイオン化ボリューム３５によって範囲を定められる。これにより、アーク放電動作中にプラズマ柱を支えるための非常に安定したボリュームが画成される。
図５ｆは、カソードブロック４０およびイオン化ボリューム３５を囲む磁気ヨークアセンブリ１５０の詳細を示す。磁気ヨークアセンブリ１５０は、磁性鋼から構成され、イオン化ボリュームまたはチャンバアセンブリ９０を介して磁気フラックスを伝導し、たとえばイオン化ボリューム３５内で約１２０ガウスの均一の磁界を生成する。この磁気ヨークアセンブリ１５０は、動作の放電モード中にイオン化ボリューム３５に生成されるプラズマを閉じ込める磁界を生成するために使用される。電子衝撃動作モード中に、電子銃アセンブリ１１０が下記の図７に示されるようにヨークアセンブリ１５０と電子銃の間に挿入された磁気シールドによって磁界から遮蔽される。
図６ａおよび６ｂは、外部の電子銃アセンブリ１１０を示す。特に、そのような電子銃アセンブリが、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第６，６８６，５９５号、ならびに米国特許出願第ＵＳ２００４／０１９５９７３Ａ１号に詳細に開示される。図６ａは、外部の電子銃アセンブリ１１０の一部分を形成する例示の放出素子アセンブリ２１０の斜視図である。図６ｂは、静電シールドアセンブリ２５０が取り外されて示される、電子銃アセンブリ１１０の斜視図である。電子銃アセンブリ１１０は、放出素子アセンブリ２１０、アノード２１５、静電シールドアセンブリ２５０、および磁気シールド２５５を担持する基部２４０を備える。
放出素子アセンブリ２１０のフィラメント２００から放出された電子はアノード２１５によって抽出され、銃基部２４０の孔２３０を通過して磁気ダイポール２２０によって９０°曲げられる。電子ビームは、磁気ヨーク１５０によって生成されたイオン化ボリュームアセンブリ９０内の磁界から、磁気シールド２５５によって遮蔽される。アノード２１５、銃基部２４０、および静電シールドアセンブリ２５０は全て、たとえば電子衝撃動作中にソースブロック１２０の電位に保たれる、イオン化ボリュームアセンブリ９０の電位の２ｋＶ上程度の高さのアノード電位にある。たとえば、フィラメント電圧は数百ボルト負であり、したがってたとえば本明細書に参照によって組み込まれるＨｏｒｓｋｙの米国特許第６，６８６，５９５号に詳細に述べられるように、電子ビームが銃基部２４０とイオン化ボリューム３５の間で減速される。
図７は、電子銃アセンブリ１１０および磁気ヨークアセンブリ１５０と関連する磁気回路を物理的に示すものである。図示されるように、磁気回路は磁気ダイポール２２０、磁気シールド２５５、および磁気ヨークアセンブリ１５０からなる。磁気ダイポール２２０は磁気ステンレス鋼から作製され、ポール間に均一の横切った磁界を生成し、およそ９０°で電子銃放出装置によって生成される電子ビームを曲げる。したがって偏向された電子ビームが図６の孔２３０を通過し、イオン化ボリュームに入り、そこでチャンバの磁界によって閉じ込められる。
図８は、本発明の１つの態様による例示の複式の高温蒸発器アセンブリ３０１の斜視図である。複式高温蒸発器アセンブリ３０１は、複式の蒸発器オーブン３００ａおよび３００ｂ、加熱器巻き線３１０ａおよび３１０ｂ、および１対の蒸気ノズル３２０ａおよび３２０ｂを備える。Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ２Ｏ３、またはＩｎＦ３などの固体の供給源材料は、中空の鋼のシリンダであるオーブンキャビティ内にある。材料は、材料とシリンダの間のライナを形成する黒鉛るつぼによって捕らえられる場合もあり、オーブン壁の汚染を防止する。オーブン加熱器の巻き線３１０ａおよび３１０ｂは４８ＶＤＣで２０Ａの電流まで伝えることができ、１ｋＷまでの加熱器電力を放散できる。それらは良好な熱接触のためにオーブンの上に蝋付けされる。ノズル３２０ａおよび３２０ｂは良好な温度の均一性のためにモリブデンから実用的に製造されるが、鋼またはその他の高温の伝導性材料から作製できる。ノズルは、オーブンからイオン化ボリュームへの良好な蒸気の伝達を確実にするために６．３５ミリ（１／４インチ）の管で、５０．８ミリ（２インチ）以下の長さであることが好ましい。オーブン３００ａおよび３００ｂの温度は１対の熱電対３３０ａおよび３３０ｂによって監視される。ヒータ巻き線３１０ａおよび３１０ｂの温度は１対の熱電対３３１ａおよび３３１ｂによって監視される。
取付けプレート３４０は、複式の高温蒸発器アセンブリ３０１をソースブロック７０に連結するのに使用される。図９ａは、複式の高温蒸発器アセンブリ３０１が取り外されたソースブロック７０を示し、図９ｂは高温の蒸発器アセンブリ３０１が挿入されたソースブロックを示す。
図１０は、電子衝撃イオン化モードで動作している場合のイオン源の各要素に加えられる一般的な電圧を示す図である。全ての電圧は、接地に対して正であるソース電位Ｖｓを参照する。取付け基部またはインターフェースブロック５０、カソードブロック４０、およびソースブロック７０はＶｓに保たれる。フィラメント２００を出ていき電子ビーム２７を形成する電子の機械的エネルギーがｅ（Ｖａ−Ｖｃ）であるように、電子銃フィラメント２００はその関連する電源（−１ｋＶ ＜Ｖｃ＜−１００Ｖ）によってカソード電位Ｖｃに保たれ、アノード２４０Ｖａの電位は正（１ｋＶ ＜Ｖａ＜２ｋＶ）である。イオン抽出孔プレート６０は、抽出されたイオンビーム（−３５０Ｖ＜Ｖｂ＜３５０Ｖ）の合焦を改善するために正または負の電圧にバイアスをかけられる。ＩＨＣアセンブリ１００は電子衝撃イオン化モードの間にエネルギー供給されず、このモード中に電圧Ｖｓに保たれる。
図１１は、図１０と同様であるがアーク放電モードで動作している場合のイオン源の各要素に加えられる一般的な電圧を示す。全ての電圧は、接地に対して正であるソース電位Ｖｓを参照する。電子銃アセンブリ１１０は使用されないが、カソード供給がカソードブロック４０と均一電位であるＩＨＣカソード１６０Ｖｃ（−１００Ｖ＜Ｖｃ＜−０）に連結される。電子銃アセンブリはこのモードでは使用されないので、そのフィラメント２００およびアノード２４０がカソード電圧Ｖｃに保たれる。ＩＨＣフィラメント１６２は、ＩＨＣ２０の電位（−１ｋＶ＜ｋｆ＜０）の下の１ｋＶまでのところにあり、たとえば２Ａまでの電子ビーム加熱電流まで供給可能である。ＩＨＣ１６０はたとえば１００Ｖまでであり、その直近の周囲のものとは異なる。図１２ａおよび１２ｂは、各動作モードを連続して確立するのに必要なステップのシーケンスの論理流れ図である。イオン源の構成要素の電圧は２つの動作モードに関して異なるので、モード間を移動するために好ましいシーケンスがある。
図１２ａに示されるように電子衝撃モード６００からアーク放電モード６１４に切り替える場合、最初にステップ６０２で電子銃アセンブリ１１０が切断される。次にステップ６０４で、電子銃アノード２１５がその電源から切り離される。ステップ６０６では、電子銃アノード２１５がカソード電位に設定される。これによって、任意の場がカソードブロック４０の上方プレートでカソードブロック４０を突き抜けるのが防止され、これを効果的な対カソードにする。ステップ６０８では、イオン抽出孔プレート６０に加えられるバイアス電圧が中断される。抽出孔プレート６０のバイアスはクラスタモードでのみ必要であり、放電モードでは推奨されず、それは、特に電源が高密度のプラズマが近接しているために高い電流を引く可能性があることを理由としている。次にステップ６１０では、カソードブロック４０内への水の流れは空気圧で作動する水流バルブの自動シーケンスによって開始する。流れが確立されない限りＩＨＣにエネルギー供給できないように、水流バルブは水流センサおよびリレースイッチによってイオン源制御システムにインターロックされる。カソードブロック４０は、供給源の構成要素の過度の加熱を防止し、磁気ヨーク１５０の磁石１５１ａ、１５１ｂをそのキュリー温度の下に保つためにＩＨＣアセンブリ１００の動作中に水冷されなければならない。後にステップ６１２で、プロセスガスをイオン化ボリューム３５に導入し、当分野で知られるようにＩＨＣアセンブリ１００にエネルギー供給することによって、アークが開始できる。
図１２ｂに示されるように、アーク放電６１４から電子衝撃モード６００に切り替える場合、最初にステップでＩＨＣアセンブリ１００がエネルギーを遮断される。次にステップ６１８で、電子銃アノード２１５がその正の電源に接続される。ステップ６２０では、カソードブロック４０およびＩＨＣアセンブリ１００が供給電圧に接続される。ステップ６２２では、バイアス電圧が設定され、イオン抽出孔プレート６０に接続される。ステップ６２４では、カソードブロック４０の水冷が終了する。最後にステップ６２６では、電子銃アセンブリ１１０がエネルギー供給されて電子ビームを確立する。また、イオン化されたクラスタの形成を開始するために、蒸気がイオン化ボリューム３５に導入される。
図１３は、ソースブロック７０、インターフェースブロック５０、カソードブロック４０、およびイオン化ボリュームライナ３０の間の熱界面を示す。図４ａにさらに輪郭を描かれるように、熱経路がカソードブロック４０、イオン抽出孔６０、インターフェースまたは取付けブロック５０、イオン化ボリュームまたは供給源ライナ３０、ならびにこれらの構成要素の表面に水分を含んで接触した伝熱性ガスケットを通るソースブロック７０の間に画成される。したがって、イオン化ボリュームライナ３０は、能動的に温度制御されるソースブロック７０の温度よりも高い温度を得ることができる。さらに、水冷カソードブロック４０は水冷が不能になった後に取付け基部５０の温度に達するための熱経路を有する。
図１９は、イオン源から２メートル、かつ分析器マグネットから下流側に配置されたファラデーカップに送出された質量分析されたＢ１８Ｈｘ ＋ビーム電流、ならびにイオン源から抽出された総イオン電流のグラフである。
抽出されたイオン電流が右垂直軸にｍＡで示され、（ウェハ上の電流と同様の）ファラデー電流が左垂直軸に示される。電流は、イオン源への入口圧力として測定される、イオン源へのＢ１８Ｈ２２の蒸気流れの関数として測定される。蒸気は、ほかの場所に詳細に説明された固有の閉ループ蒸気流れ制御装置を通ってこのイオン源に供給された。抽出光学部品およびこの注入装置のビームラインを通る伝達は約２５％であり、おそらく残留蒸気と荷電交換することにより、最も高い蒸気流れのところで低下し始める。
図２０は、電子衝撃モードで本発明のイオン源から収集されたＢ１８Ｈ２２の質量スペクトルである。親ピークＢ１８ＨＸ ＋は、約８５％のビームスペクトラムを示す。親の２１０原子質量単位の質量の半分の小さなピークは、二重にイオン化されたＢ１８ＨＸ ＋、またはＢ１８ＨＸ ＋＋である。
図２１は、アーク放電モードで本発明のイオン源から収集されたＰＨ３の質量スペクトルである。１０ｍＡを超える３１Ｐ＋電流、および２ｍＡを超える二重にイオン化されたリンが、２０ｋＶの抽出電圧で注入装置のファラデーに送出された。この性能はイオン注入に使用される多くの市販のベルナス型イオン源と比肩できる。
図２２は、アーク放電モードで本発明のイオン源から収集されたＡｓＨ３の質量スペクトルである。１０ｍＡを超える７０Ａｓ＋電流、および約０．５ｍＡの二重にイオン化されたヒ素、ならびに０．５ｍＡのヒ素のダイマーが、２０ｋＶの抽出電圧で注入装置のファラデーに送出された。この性能はイオン注入に使用される多くの市販のベルナス型イオン源と比肩できる。
図２３は、電子衝撃モードで生成されたモノマーＰ＋、ダイマーＰ２ ＋、トリマーＰ３ ＋、およびテトラマーＰ４ ＋を示すリンのスペクトルを示す。モノマー、ダイマー、およびテトラマーのピークが全てほぼ同じ高さ（約０．９ｍＡ）である点でスペクトルは普通でなく、それによってテトラマーが最も高い分量の割合または約３．６ｍＡの効果的なリン原子電流をもたらす。スペクトルは複式モードの供給源の高温の蒸発器から元素のＰ蒸気を使用して生成された。高いクラスタの生成は、Ｐ蒸気が優先的にＰ４を生成し、この壊れやすいクラスタが蒸気を強力な放射または熱に曝さずに電子衝撃のイオン化によるイオン化プロセス中に保存されることによるものである。
図２４は、図２３と同様であるが、複式モードの供給源の高温の蒸発器によって生成された元素のＡｓ蒸気によって収集されたものである。Ａｓのスペクトルは、モノマー７０Ａｓ＋、ダイマーＡｓ２ ＋、トリマーＡｓ３ ＋、およびテトラマーＡｓ４ ＋を示す。２０ｋＶの抽出で、４ｍＡの５ｋｅＶのＡｓ＋の当量がファラデーに送出された。
明らかに、本発明の多くの変更形態および変形形態が上記の教示に照らして可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の範囲内で本発明が上記に具体的に述べられたものと別の様式で実施できることを理解されたい。
本発明による例示のイオンビーム生成システムの概略図である。 固体の蒸気供給源および装置内の浄化システムを示す、図１に示された例示のイオンビーム生成システムの別の実施形態の概略図である。 電子銃、間接加熱カソード、供給源ライナ、カソードブロック、基部、抽出孔、ソースブロック、および取付けフランジを備える、本発明によるイオン源の基本的な構成要素の概略図である。 イオン源の主要なサブシステムを示す、本発明のイオン源の分解図である。 取付けフランジアセンブリ、電子銃アセンブリ、間接加熱カソードアセンブリ、および抽出孔プレートが取り外して示される、図３ａに示されたイオン源の分解斜視図である。 イオン化ボリュームライナ、ならびにインターフェースブロックのプレナムおよびプレナムポートを示すインターフェースまたは基部ブロックの分解斜視図である。 イオン化ボリュームライナが取り外されて示された、イオン化ボリュームが、カソードブロック、インターフェースブロック、および磁気ヨークアセンブリから形成されたイオン化ボリュームアセンブリの斜視図である。 本発明の１つの態様による間接加熱カソード（ＩＨＣ）アセンブリの分解斜視図である。 ＩＨＣ、フィラメント、カソードスリーブ、およびカソードプレートの一部分を示す、ＩＨＣアセンブリの一部分の拡大分解図である。 図５ｂに示されたＩＨＣアセンブリの断面での正面図である。 本発明の１つの態様による図５ａに示されたＩＨＣアセンブリに組み込まれて示される水冷カソードブロックの斜視図である。 ＩＨＣアセンブリのカソードブロックおよびカソードプレートを断面で示す、図５ｄに示されたアセンブリの正面図である。 本発明によるカソードブロックおよびイオン化ボリュームを囲む磁気ヨークアセンブリの斜視図である。 本発明の１つの態様による外部の電子銃アセンブリの一部分を形成する放出素子アセンブリの斜視図である。 静電シールドアセンブリが取り外されて示される本発明による電子銃アセンブリの斜視図である。 電子銃およびイオン化ボリュームヨークアセンブリと関連する磁気回路を示す斜視図である。 本発明の１つの態様による例示の複式の高温蒸発器アセンブリの斜視図である。 本発明によるソースブロックの斜視図である。 図９ａと同様であるが高温の蒸発器アセンブリが取り外されて示される図である。 電子衝撃イオン化モードで動作している場合のイオン源の各要素に加えられる一般的な電圧を示す図である。 図１０と同様であるがアーク放電モードで動作している場合のイオン源の各要素に加えられる一般的な電圧を示す図である。 各動作モードを連続して確立するのに必要なステップのシーケンスを示す論理流れ図である。 各動作モードを連続して確立するのに必要なステップのシーケンスを示す論理流れ図である。 ソースブロック、インターフェースブロック、カソードブロック、およびイオン化ボリュームライナの間の熱界面を示す図である。 ｙ−ｚ平面で切断された供給源アセンブリの断面での側面図である。 図１４と同様であるがｘ−ｙ平面で切断された図である。 図１４と同様であるがｘ−ｚ平面で切断された図である。 間接加熱カソードおよびイオン化ボリュームライナを示す、正面孔プレートが取り外された供給源の写真である。 蒸発器が取り外されて示される、フィードスルーを備える取付けフランジを示す写真である。 イオン源から２メートル、かつ左垂直軸の分析器マグネットから下流側に配置された注入装置のファラデーカップに送出された質量分析されたＢ１８Ｈｘ ＋ビーム電流、ならびにイオン源への蒸気流れの関数として右垂直軸に示される同じイオン源から抽出された総イオン電流のグラフである。 本発明のイオン源から収集されたＢ１８Ｈ２２の質量スペクトルのグラフである。 本発明のイオン源から収集されたＰＨ３の質量スペクトルのグラフである。 本発明のイオン源から収集されたＡｓＨ３の質量スペクトルのグラフである。 モノマーＰ＋、ダイマーＰ２ ＋、トリマーＰ３ ＋、およびテトラマーＰ４ ＋を示すＰスペクトルのグラフである。 モノマーＡｓ＋、ダイマーＡｓ２ ＋、トリマーＡｓ３ ＋、およびテトラマーＡｓ４ ＋を示すＡｓスペクトルのグラフである。

Claims (1)

  1. 汎用イオン源であって、
    供給源ガスまたは蒸気をイオン化するためのイオン化ボリュームと、
    第１の動作モードで前記イオン化ボリュームでプラズマを生成するカソードアセンブリと、
    第２の動作モードで電子を生成する電子銃であって、前記イオン化ボリュームの外部に並列して置かれ、前記イオン化ボリューム内に電子を送るように構成された電子銃と、
    ガスまたは蒸気の供給源と、
    前記第１の動作モードと前記第２の動作モードの間を切り替える手段とを備える汎用イオン源。
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