JP2010521765A - イオン源用前板 - Google Patents

Abstract

本発明は、イオン注入機に適しているイオン源用前板（２７）に関する。本発明による前板は、表側（７０）および裏側（７２）と、表側と裏側との間の前板を実質的に真っすぐに通って延びるイオン源からのイオンの脱出を可能にするための出口アパーチャー（２８）と、前板をその深さの少なくとも一部に対して斜めに表側から裏側へと貫通するスロット（８０）であって、前板の側面（８２）から出口アパーチャー（２８）と結合するように延びるスロットと、を備える。スロットは、前から見た場合にイオン源への視線をふさぐように斜めであるが、熱応力を緩和するために膨張ギャップを提供する。
【選択図】 図９

Description

発明の分野

本発明は、イオン注入機に適しているイオン源用前板に関する。

発明の背景

本発明により企図される用途は、半導体デバイスまたは他の材料の製造において使用することができるイオン注入機内のイオン源においてであるが、他の多くの用途が可能である。このような用途においては、所望のドーパント種の原子をウェーハ体に注入して導電率が変動する領域を形成することによって半導体ウェーハが修正される。一般的なドーパントの例は、ホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンである。これらのドーパントはイオン源で生成される。

通常、イオン注入機は、真空チャンバ内真空下で保持されるイオン源を含有する。このイオン源は、アークチャンバ内で生成されるプラズマを用いてイオンを作り出す。アークチャンバ内のプラズマは、電位差および熱電子源を用いてもたらされる。Ｆｒｅｅｍａｎ型のイオン源やＢｅｒｎａｓ型のイオン源（傍熱加熱カソードを含む）など多くの異なる配置のうちの１つを用いて熱電子を生成することができる。

典型的なＢｅｒｎａｓ型のイオン源においては、熱原子がカソードから放出され、電界の影響を受けて加速され、対向カソードに向かってらせん経路に沿って移動するように磁界で拘束される。アークチャンバ内における前駆体気体分子との相互作用により、所望のプラズマが作り出される。

プラズマイオンは、前板に設けられたアパーチャーを経てアークチャンバから抽出される。「イオンシャワー」モードにおいては、イオンが半導体ウェーハなどのターゲットに注入されるように移動する。あるいは、抽出されたイオンを、所望の質量およびエネルギーのイオンが選択されて半導体ウェーハに注入されるよう前方へ移動するように、質量分析ステージを通り抜けさせることができる。イオン注入機についてのより詳細な説明は、米国特許第４７５４２００号に見つけることができる。

イオン源は、プラズマを含有するようにアークチャンバを備えることになる。チャンバ壁ならびに図１および図２に示すような前板が、アークチャンバを取り囲む。この２つ割（ｔｗｏ−ｐｉｅｃｅ）構成が組み立てられて、イオンがアークチャンバから抽出されることが可能となるようにスロット状のアパーチャーを形成する。前板の２つの部品の位置合わせを容易にするために、Ａで示す溝形（ｔｏｎｇｕｅ ａｎｄ ｇｒｏｏｖｅ）配置が設けられる。イオン源からイオンを抽出するために、アパーチャーの前には一般に引出し電極アセンブリが設けられ、前板はそのアセンブリの電極の１つを形成する。

発明の概要

この背景に対して、本発明はイオン源用前板にあり、このイオン源用前板は、表側と裏側との間の前板を実質的に真っすぐに通って延びる、前記イオン源からのイオンの脱出を可能にするための出口アパーチャーと、前板をその深さの少なくとも一部に対して斜めに表側から裏側へと貫通するスロットであって、前板の側面から出口アパーチャーと結合するように延びるスロットと、を備える。

斜めのスロットを設けることにより前板の膨張を収容することが可能となり、それにより熱応力が緩和される。このことは、イオン源の前板が熱くなることができるため有益である。たとえば、この前板をアークチャンバと共に使用した場合、プラズマ中の熱がある程度前板に移動し、その結果この前板が膨張することになる。前板は通常金属から作製されるため、温度上昇が急速で膨張が顕著である。黒鉛も前板に一般的に使用される。

本発明をイオン注入機で使用した場合、出口アパーチャーにより、後に続く注入のためにイオン源から自由にイオンを抽出することができるように、視線が直接イオン源を捕らえることが可能となる。斜めのスロットにより視線がイオン源を捕らえることはない。加えて、斜めのスロットの使用により、前板を通しての経路長が増大する。その結果、イオンおよびガスがスロットを通ってイオン源から漏れ出る傾向がかなり低減される。特に、斜めのスロットを設けることにより、イオン源への電界の侵入が効果的に阻止される。これらの電界は、イオン源からイオンを抽出するために使用する電極アセンブリの結果としてであってもよい。真っすぐな出口アパーチャーと斜めのスロットとの組合せは、抽出フィールド（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）が出口アパーチャーを通ってイオン源へと侵入するが、スロットを通って侵入することはないことを意味する。

場合により、スロットは、側面から出口アパーチャーへと直線に延びることができる。出口アパーチャーは直線であってもよく、また場合によりスロットと共に実質的に共直線性を有していてもよい。したがって、真っすぐな出口アパーチャーと斜めのスロットとは、スロットおよび出口アパーチャーの両側に対する前板の一部が結合しないように１点で交わることができ、また前板が膨張した際に互いに対して移動することができる。好ましい一実施形態において、前板は単体である。たとえば、前板は、Ｃ字型または類似の型を形成するように、スロットと結合していない出口アパーチャーの端部のまわりに伸びることができる。

単一の材料片から前板を構築することは、組立形（ｍｕｌｔｉ−ｐｉｅｃｅ）設計と比較して前板の位置合わせが単純となるため有利である。たとえば、抽出アパーチャーの縁部の位置合わせを制御することが容易となる。さらには、前板を正確に成形することができ、また単一の材料片を機械加工する場合には、この形状を制御することがはるかに容易になる。正確な形状は、前板が電極を形成し、したがって注意深く電場を成形するために使用される場合には非常に重要となる。

スロットを、前板を通して一定の傾きで形成することも、または前板を通って延びるようなドッグレッグ（ｄｏｇ−ｌｅｇ）で形成することもできる。このドッグレッグの一部は、前板を通って真っすぐに延びることもできる。

さらなる態様によれば、本発明は、上述のような前板を備えるイオン源に、またこのようなイオン源を備えるイオン注入機にある。

本発明をより良く理解するために、好ましい一実施形態を添付の図面を参照してこれから説明する。

発明の詳細な説明

本発明の状況を提供するために、例示的な用途を図３に示すが、これは単に本発明の用途の一例に過ぎず、決して限定的ではないことが理解される。

図３は、半導体ウェーハ１２にイオンを注入するための公知のイオン注入機１０を示し、このイオン注入機１０はイオン源１４と、本発明による前板２８を含む。抽出され、本実施形態においては質量分析ステージ３０を通過するように、イオン源１４によってイオンが生成される。質量分解スリット３２を通り抜け、その後半導体ウェーハ１２に当たるように所望の質量のイオンが選択される。

イオン注入機１０は、所望の種のイオンビームを生成するための、真空チャンバ１５内に位置するイオン源１４を含有する。イオン源１４は一般に、カソード２０がその一方の端部に位置するアークチャンバ１６を備える。アークチャンバ１６の壁１８によってアノードが提供されるようにイオン源１４を作動させることができる。カソード２０は、熱電子を生成するように十分に加熱される。

カソード２０によって放出された熱電子は、アノード、この場合には隣接するチャンバ壁１８に引きつけられる。これらの熱電子は、アークチャンバ１６を横切る際に気体分子イオン化し、それによりプラズマが形成され、また所望のイオンが生成される。

熱電子がたどる経路を制御して、チャンバ壁１８への最短経路をたどるだけの電子を阻止することができる。磁石アセンブリ４６は、熱電子がアークチャンバ１６の反対側端部に位置する対向カソード４４に向かってアークチャンバ１６の長さに沿ってらせん経路をたどるように、アークチャンバ１６中に延びる磁界を提供する。

ガス供給２２は、注入しようとする種で、または前駆体気体種でアークチャンバ１６を満たす。アークチャンバ１６は、真空チャンバ１５内で減圧保持される。アークチャンバ１６の中を移動する熱電子は、アークチャンバ１６内に存在する気体分子をイオン化し、また分子を分解することもできる。プラズマ内で生じるイオンは、微量の（たとえば、チャンバ壁の材料から生成される）汚染物質も含有することになる。

アークチャンバ１６内からのイオンは、負にバイアスされた（接地に対して）引出し電極２６を用いて、アークチャンバ１６の前板２７に設けられている出口アパーチャー２８を通して抽出される。絶縁体（図示せず）によって互いに電気的に絶縁されているイオン源１４と次に続く質量分析ステージ３０との間に電源２１によって電位差を印加して、抽出されたイオンを加速する。その後、抽出されたイオンの混合物に、磁界の影響を受けて湾曲経路をたどるように質量分析ステージ３０を通り抜けさせる。任意のイオンが移動する曲率半径は、そのイオンの質量、荷電状態およびエネルギーによって決まり、磁界は、設定したビームエネルギーについて、所望の質量電荷比およびエネルギーを有するそれらのイオンのみが質量分解スリット３２と一致する経路に沿って抜け出るように制御される。その後、ターゲット、すなわち注入しようとする基板ウェーハ１２へ、またはターゲット位置にウェーハ１２がない場合にはビームストップ３８へ、出現したイオンビームを輸送する。他の形態においては、質量分析ステージ３０とターゲット位置との間に位置するレンズアセンブリを用いてビームを加速するまたは減速することもできる。

半導体ウェーハ１２はウェーハホルダー３６に取り付けられるが、ウエア１２は連続注入のためにウェーハホルダー３６へ、またはウェーハホルダー３６から順次移動させることになる。あるいは、ウェーハ１２を順に入射イオンビームに提示するように回転する回転ラック３６上に多くのウェーハ１２が位置する並列加工を使用することもできる。

図４は、図３のイオン注入機１０で使用するイオン源１４をより詳細に示す。図４は傍熱加熱カソード配置に対応するが、フィラメントまたはＦｒｅｅｍａｎ型など他の配置を使用することもできる。

図４においては、アークチャンバ１６へとわずかに突き出るチューブ６０の末端キャップ５８によってカソードが設けられ、チューブ６０は加熱フィラメント６２を含有する。加熱フィラメント６２と末端キャップ５８とは、フィラメント６２によって放出された熱電子が確実に加速されて末端キャップ５８へと入るように異なる電位に保持され、チューブ６０とアークチャンバ１６のライナ５６との間には、電気的絶縁を保持するためにギャップが残されている。末端キャップ５８へと電子を加速すると、熱電子をアークチャンバ１６へと放出するために十分末端キャップ５８が熱くなるように末端キャップ５８へエネルギーが移動する。対向カソード４４がアークチャンバ１６の遠端に位置し、電気的絶縁を確実にするためにやはりライナ５６から少し分離されている。磁石アセンブリ４６（図３にしか図示せず）は、末端キャップ５８から放出される電子に対向カソード４４に向かってアークチャンバ１６の長さに沿ってらせん経路３４をたどらせる磁界を提供するように動作可能である。アークチャンバ１６は、ガス供給２２によって、あるいは固体または液体を加熱することができる１つ以上の蒸発器２３によって前駆体気体種で満たされる。

加熱フィラメント６２は、絶縁ブロック５２を用いてそれぞれイオン源１４の本体５０に接続されている２つのクランプ４８によって定位置に保持されている。絶縁ブロック５２は、アークチャンバ１６から漏れ出た任意の気体分子が絶縁ブロック５２に達することを阻止するためにシールド５４と嵌合している。

アークチャンバ１６は、その背面、側面、上面および底面にライナ５６が設けられている壁によって形成されている。アークチャンバ１６の前面は、そこを通してイオンが抽出される出口アパーチャー２８および後述のスリット２８を除いてアークチャンバ１６を密封する前板２７によって形成されている。

図５から図１０は、本発明の一実施形態による前板２７を示す。前板２７は、前面７０および背面７２を有するように、単一の材料片から機械加工される。前板２７は、電気電導性である高融点材料から作製することになる。黒鉛も、金属と同様に良い選択であるはずである。前板２７の前面７０（イオン源に取り付けた場合に見ると）は、隅部７６が丸い矩形である。端部７８が丸い細長いスロット２８は、出口アパーチャー２８となるように前板２７の中央に設けられる。より狭いスリット８０が、スロット２８の一方の端部７８ａから前板２７の隣接する側面８２へと延びる。

前板２７の背面７２は、アークチャンバ１６の側面に対して当接する直立フランジ８４を有する。出口アパーチャー２８はフランジ８４で囲まれた領域内に位置し、一方スリット８０は、フランジ８４にぶつかりその後突き破るように延びる。図から分かるように、出口アパーチャー２８は前板２７の前面７０から直角に延在し、一方スリット８０は角度を成している。したがって、出口アパーチャー２８により、前から見た場合視線が直接イオン源１４を捕らえるが、スリット８０ではそうでなはない。この角度およびより長い経路長の結果、スリット８０を通じてのアークチャンバ１６からのイオン損失およびガス損失が最小限に抑えられる。

当業者には理解されるように、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく上記実施形態に変更をなすことができる。

たとえば、前板２７の全体の形状を図示した矩形形状から変更することができる。加えて、隅部７６は丸みを帯びている必要はない。細長い出口アパーチャー２８が不可欠なわけではなく、他の形状を採用することもできる。これら出口アパーチャー２８およびスリット８０は共直線性を有する必要はない。実際には、出口アパーチャー２８もスリット８０も直線状である必要はなく、他の形状を使用することもできる。一定の傾きを採用するスリット８０を示してあるが、スリット８０が前板２８を通って延びる際に傾きを変更して、および／またはスリット８０をねじって、たとえばドッグレッグを形成してもよい。

好ましいイオン源１４においてアークチャンバ１６を示してあるが、本発明は他のイオン源１４にも及ぶ。たとえば、イオン化プロセスの結果として熱くなる任意のイオン源１４によって、本発明の恩恵が享受されよう。

従来技術による組み立てられた前板の斜視図である。 組立て前の図１の前板の斜視図である。 イオン注入機の略図である。 図３のイオン源の側面図である。 図４の前板の正面図である。 図５のVI−VI線に沿った断面図である。 図５のVII−VII線に沿った側面図である。 図５のVIII−VIII線に沿った側面図である。 図５の前板の前からの斜視図である。 図５の前板の後からの斜視図である。

符号の説明

１０…イオン注入機、１２…半導体ウェーハ、１４…イオン源、１５…真空チャンバ、１６…アークチャンバ、１８…チャンバ壁、２０…カソード、２１…電源、２２…ガス供給、２３…蒸発器、２６…引出し電極、２７…前板、２８…出口アパーチャー、スロット、３０…質量分析ステージ、３２…質量分解スリット、３４…らせん経路、３６…ウェーハホルダー、４４…対向カソード、４６…磁石アセンブリ、４８…クランプ、５０…本体、５２…絶縁ブロック、５４…シールド、５６…ライナ、５８…末端キャップ、６０…チューブ、６２…加熱フィラメント、７０…前面、７２…背面、７６…隅部、７８…端部、８０…スリット、８２…側面、８４…フランジ

Claims (11)

1. イオン源用前板であって、
   表側および裏側と、
   前記表側と前記裏側との間の前記前板を実質的に真っすぐに通って延びる、前記イオン源からのイオンの脱出を可能にするための出口アパーチャーと、
   前記前板をその深さの少なくとも一部に対して斜めに表側から裏側へと貫通するスロットであって、前記前板の側面から前記出口アパーチャーと結合するように延びるスロットと、
   を備えるイオン源用前板。
2. 前記スロットが、前記側面から前記出口アパーチャーへと直線に延びる、請求項１に記載の前板。
3. 前記出口アパーチャーが直線状である、請求項１または２に記載の前板。
4. 前記スロットおよび前記出口アパーチャーが実質的に共直線性を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の前板。
5. 前記スロットが、前記前板を通して一定の傾きで形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の前板。
6. 前記スロットが、前記前板を通って延びるようなドッグレッグを形成する、請求項１〜５のいずれかに記載の前板。
7. 単一片を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の前板。
8. 前記裏側が周辺フランジを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の前板。
9. 前記いずれかの請求項に記載の前記前板を備えるイオン源。
10. アークチャンバを備える、請求項９に記載のイオン源。
11. 請求項９または１０に記載の前記イオン源を備えるイオン注入機。

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