JP2014053319A - イオン注入に使用するためのイオンをイオン源から抽出するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極への付着物形成および不安定な動作を防止し、かつ、凝縮可能な蒸気から生成されるイオンの使用、および低温動作および高温動作するイオン源の使用を可能にする。
【解決手段】イオン源４００が低温動作中は抽出電極４０５を加熱し、また高温動作中は抽出電極４０５を冷却する。また昇華蒸気などの凝縮可能なガスの付着を低減するよう抽出電極４０５の温度制御を行う。遠隔プラズマ源４５５は、イオン源４００および抽出電極４０５の付着物を浄化するために、電力が遮断されたイオン源４００にＦイオンまたはＣｌイオンを供給し、インサイチュー食刻浄化を行う。これらの技法は昇華蒸気などの凝縮可能なガスを用いる場合や、供給物質としてデカボランおよびオクタデカボランが使用され、また気化単体ヒ素およびリンが使用される場合に、設備の使用可能時間を延長し、システム寿命を延長するとともに、イオン注入時のビーム安定性を改善する。
【選択図】図１

Description

本発明は、１つまたは複数のガス状供給物質または気化供給物質が、抽出電極によってイオンが抽出されるイオン源の中でイオン化されるイオンビーム生成に関する。また、本発明は、半導体基板およびフラット・パネル・ディスプレイのための基板にイオンを注入するためのイオンビームを生成するためのイオン源および抽出電極を動作させるための方法および装置に関する。詳細には、本発明は、イオンビームを生成するシステムの生産時間（つまり「使用可能時間」）の延長および生産時間中における安定したイオン抽出条件の維持に関する。

イオンビームは、イオン源から抽出されるイオンから生成される。通常、イオン源には、高電圧電源に接続された電離箱が使用されている。電離箱は、たとえば、アーク放電、電子放出カソードすなわち高周波アンテナまたはマイクロ波アンテナからの高エネルギー電子などのイオン化エネルギー源に結合されている。所望するイオン種源が、ガス状または蒸気の形態の供給物質として電離箱の中に導入され、そこでイオン化エネルギーに露出される。抽出開口を介した電離箱から得られるイオンの抽出は、イオンの電荷に基づいている。抽出電極は、電離箱の外側に、抽出開口と整列して配置されており、電離箱の電圧より低い電圧が印加されている。電極は、イオンを引き出し、一般的にはイオンビームを形成する。イオンのビームは、所望の用途に応じて、質量およびエネルギー純度を設定するために質量分析し、加速し、集束させ、かつ、走査力にさらすことができる。ビームは、次に、たとえば処理チャンバ内のその使用点に輸送される。イオンビームの正確なエネルギー品質の結果、半導体基板中の所望の深さに高い精度でそのイオンを注入することができる。

イオンビーム生成システムの表面、詳細にはイオン化、イオン抽出および加速に影響を及ぼす表面への供給物質またはその分解生成物の凝縮および付着は、イオンビームの正確な品質に選択的に影響を及ぼすことがある。

イオン注入プロセス
半導体ウェーハ中にドーパント元素を導入するための従来の方法は、イオン注入のための制御されたエネルギーのイオンビームを導入する方法である。この方法によれば、半導体基板の材料中に所望の不純物種が導入され、所望の深さにドープ（すなわち「不純物」）領域が形成される。不純物元素は、半導体材料と結合して電気キャリアを生成し、したがって半導体材料の導電率が変化するように選択される。電気キャリアは、電子（Ｎ型ドーパントによって生成される）またはＰ型ドーパントによって生成される「正孔」（すなわち電子が存在しない）のいずれかであってもよい。このようにして導入されるドーパント不純物の濃度によってドープ領域の導電率が決まる。半導体デバイスとして集合的に機能するトランジスタ構造、隔離構造および他のこのような電子構造を形成するためには、多くのこのようなＮ型およびＰ型不純物領域を生成しなければならない。

イオン注入のためのイオンビームを生成するために、ガス供給物質または蒸気供給物質は、所望のドーパント元素を含有するように選択される。排気された高電圧電離箱の中にガスまたは蒸気が導入され、かつ、それをイオン化するためにエネルギーが導入される。それにより、ドーパント元素を含有したイオンが生成される（たとえばケイ素の場合、元素Ａｓ、ＰおよびＳｂがドナーすなわちＮ型ドーパントであり、一方、ＢおよびＩｎがアクセプタすなわちＰ型ドーパントである）。一般的には正に帯電したイオンを電離箱から抽出し、かつ、加速させて所望のイオンビームを生成するために、抽出電極によって加速電界が提供される。高い純度を必要とする場合、当分野で知られているように、注入すべき種を選択するために質量分析を介してビームが輸送される。イオンビームは、最終的には、半導体ウェーハ中に注入するための処理チャンバへ輸送される。

ディスプレイに存在する薄膜トランジスタを動作させるための基板上ドライバ回路を組み込んだフラット・パネル・ディスプレイ（ＦＰＤ）の製造にも同様の技術が使用されている。この場合、基板は、半導体層が加えられたガラスなどの透明パネルである。ＦＰＤの製造に使用されるイオン源は、イオンを注入すべき基板が入ったチャンバの中へ導かれる、たとえばホウ素、リンおよびヒ素を含有した材料の広域イオンビームを生成するために、通常は物理的に大型のイオン源である。ほとんどのＦＰＤ注入器は、基板への到達に先立つイオンビームの質量分析を実施しない。

イオン汚染
通常、ＰまたはＡｓなどのＮ型ドーパントのイオンビームは、Ｐ型ドーパントイオンのいかなる有意部分も含んでいてはならず、また、ＢまたはＩｎなどのＰ型ドーパントのイオンビームは、Ｎ型ドーパントイオンのいかなる有意部分も含んでいてはならない。このような状態は、「交差汚染」と呼ばれ、望ましくない状態である。交差汚染は、供給物質源がイオン源の中に蓄積し、次に、供給物質源が交換された場合に生じることがあり、たとえば、最初に単体リン供給物質を走らせてＮ型Ｐ^＋ビームを生成し、次にＢＦ_３ガスに切り換えてＰ型ＢＦ_２ ^＋ビームを生成する場合に生じることがある。

供給物質がイオン源の中に蓄積し、それらがイオン源の良好な動作を妨害するようになると、重大な汚染の影響が生じる。このような状態が生じると、浄化または交換のために必ずイオン源および抽出電極を除去することになるが、そのためにイオン注入システム全体の「動作不能」時間が長くなり、延いては生産性が損失することになる。

デバイスウェーハを製造するためのイオン注入器に使用される多くのイオン源は「熱」源である。つまり、それらは、アーク放電を維持し、かつ、密度の高いプラズマを生成することによって動作し、このような「熱」源の電離箱は、場合によっては動作温度が８００Ｃ以上に達し、多くの場合、固体付着物の蓄積を実質的に少なくする。さらに、ＢＦ_３プラズマを生成する場合、おびただしい量のフッ素イオンが生成されるため、ＢＦ_３をこのようなイオン源に使用してホウ素を含有したイオンビームを生成することによって付着物がさらに抑制される。フッ素は、場合によっては、イオン源の壁を食刻し、詳細には、ガス状ＢＦ_３の化学生成によって付着したホウ素を回復することができる。しかしながら、他の供給物質の場合、熱イオン源の中に有害な付着物が形成される。アンチモン（Ｓｂ）金属および固体インジウム（Ｉｎ）などはその一例であり、それらのイオンを使用してケイ素基板がドーピングされる。

冷イオン源、たとえば液浸ＲＦアンテナを使用してイオン源プラズマを励起するＲＦバケット型イオン源（たとえば、参照により本明細書に組み込まれているＬｅｕｎｇらの米国特許第６，０９４，０１２号を参照されたい）は、温度をそれらのキュリー温度未満に維持しなければならない永久磁石がイオン源の設計に含まれるアプリケーション、または熱い表面に露出されると破壊する熱感応供給物質を使用するようにイオン源が設計されるアプリケーションのいずれかに使用され、あるいはこれらの両方の条件が存在するアプリケーションに使用される。冷イオン源は、熱イオン源より多くの供給物質が付着する問題を抱えている。供給物質の付着は、ハロゲン化供給物質を使用してドーパントを生成することによってある程度少なくすることができるが、水素化物などの非ハロゲン供給物質の方がハロゲン化化合物より好ましい場合もある。非ハロゲンアプリケーションの場合、ガス状Ｂ_２Ｈ_６、ＡｓＨ_３およびＰＨ_３などのイオン源供給物質が使用される。蒸気の形態の単体ＡｓおよびＰが使用される場合もある。これらのガスおよび蒸気を冷イオン源に使用することにより、物質が大量に付着することになり、また、場合によっては頻繁にイオン源を除去し、浄化する必要が生じる結果となった。Ｂ_２Ｈ_６およびＰＨ_３を使用する冷イオン源は、現在、ＦＰＤ注入ツールにごく普通に使用される。これらのイオン源は、交差汚染（Ｎ型ドーパントとＰ型ドーパントの間の交差汚染）の問題を抱えており、また、付着物の存在による粒子形成の問題を抱えている。粒子は、それらが基板へ輸送されると、歩留りに悪影響を及ぼすことになる。交差汚染の影響は、歴史的に、専用イオン注入器、つまり１つがＮ型イオン専用で、もう１つがＰ型イオン専用の注入器の使用をＦＰＤ製造者に強制し、所有コストに重大な影響を及ぼしてきた。

ホウ水素化物
Ｂ_１０Ｈ_１４（デカボラン）およびＢ_１８Ｈ_２２（オクタデカボラン）などのホウ水素化物材料は、イオン注入源材料として注目を集めてきた。これらの材料は、正規の条件の下で、イオンＢ_１０Ｈ_ｘ ^＋、Ｂ_１０Ｈ_ｘ ⁻、Ｂ_１８Ｈ_ｘ ^＋およびＢ_１８Ｈ_ｘ ⁻を形成する。これらのイオンは、注入されると、ＣＭＯＳ製造における浅い接合を形成するための極めて浅い高ドーズＰ型注入を可能にする。これらの材料は室温で固体であるため、イオン化させるためにはそれらを気化させ、その蒸気をイオン源の中に導入しなければならない。これらの材料は低温材料であり（たとえばデカボランは１００Ｃで融解し、室温で約０．２トールの蒸気圧を有する。また、デカボランは、３５０Ｃより高い温度で解離する）、したがって冷イオン源に使用しなければならない。これらの材料は壊れやすい分子であり、たとえば熱プラズマ源の中で容易に解離する。

ホウ水素化物の汚染問題
デカボランおよびオクタデカボランなどのホウ水素化物には、イオン源の中で容易に解離する性質があり、したがってそれらを使用してイオンビームを生成する場合、重大な付着問題が露呈する。これらの材料がＢｅｒｎａｓ型アーク放電イオン源および電子衝撃（「軟」）イオン源に使用されると、ホウ素を含有した付着物が相当な割合でイオン源の中に蓄積することが分かっている。実際、イオン源の中に導入されるホウ水素化物蒸気のうちの半分が、解離した凝縮物質としてイオン源の中に留まることがある。イオン源の設計によっては、蓄積した凝縮物質が最終的にはイオン源の動作を妨害し、そのためにイオン源の除去および浄化が余儀なくされることになる。

また、これらの材料を使用する場合、抽出電極の汚染も問題である。ホウ素を含有したこれらの層は、電気絶縁体として出現するため、イオンビームの直接的な衝突および凝縮した蒸気の両方が、イオンビームを形成する光学系の動作を劣化させる層を形成する可能性がある。電気絶縁体層が付着すると、それによって電荷が蓄積し、崩壊時に、真空放電いわゆる「グリッチ」が生成される。このような不安定性は、イオンビームの正確な品質に影響を及ぼし、また、汚染粒子が生成される原因になることがある。

本発明の目的は、イオンビームを生成するための方法および装置であって、抽出電極における放電によってイオンビームの安定性が妨害されることのない方法および装置を提供すること、ならびにイオンビームを生成するための方法および装置であって、設備の寿命を長くし、かつ、設備の動作不能時間を短くする方法および装置を提供することである。

本発明は、イオン源からイオンを抽出するための抽出電極であって、能動熱制御システムを備えた抽出電極を特徴とする。

また、本発明は、イオン源および関連する抽出電極ならびにイオンビーム生成システム
の同様のコンポーネントのためのインサイチュー浄化手順および装置であって、システムを分解する必要なく付着物が定期的に化学的に除去され、寿命が長くなり、かつ、性能が改善されるインサイチュー浄化手順および装置を特徴とする。

また、本発明は、能動的に加熱されるイオン抽出電極であって、放電の頻度および発生を少なくする、金属であることが好ましい材料からなるイオン抽出電極を特徴とする。

他の特徴は、一般に、抽出電極をイオン源への供給物質の凝縮温度より高い温度に加熱することであり、好ましい事例では、電極は、金属、好ましくはアルミニウムまたはモリブデンからなる。

本発明は、さらに、アルミニウムからなる、インサイチュー反応性ガス浄化に適したイオン抽出電極を特徴とする。好ましい実施形態は、抽出電極の温度を能動制御するための準備であって、その電極が動作するように構築されるイオン源のタイプに適合された準備を備える。これらの実施形態は、冷動作イオン源で動作させるための抽出電極の能動加熱、熱動作イオン源で動作させるための抽出電極の能動冷却、および冷動作イオン源と熱動作イオン源で選択的に動作させるための抽出電極の能動加熱と能動冷却の両方を特徴とする。

本発明のこれらおよび他の革新は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。

反応性ガスのサプライが提供され、イオン源に導入される。また、原子フッ素Ｆまたは分子フッ素Ｆ_２などのそのサプライからの反応生成物への露出によってイオン源および抽出電極がインサイチューで浄化される。原子または分子フッ素は、遠隔プラズマ源からイオン源に注入される。遠隔サプライから流れるガス状ＣｌＦ_３への露出によってイオン源および抽出電極が浄化される。浄化動作フェーズの間、電離装置の反応性コンポーネントが反応性ガスから遮蔽される。イオン源はアルミニウムでできており、抽出電極もアルミニウムでできている。抽出電極の前面は、鋭い形またはざらざらした形のデボイドである。抽出電極のプレートの温度は能動的に制御される。抽出電極のプレートは能動的に加熱される。抽出電極の加熱は放射性または抵抗性である。他の状況では、抽出電極のプレートは能動冷却される。

他の特徴は、とりわけ、熱破壊しやすく、また、付着しやすい供給物質の「クラスタ」または「分子状」イオンビームの形成に適した装置を使用して記述されている特徴の使用である。

ほとんどのイオン注入の専門家は、Ｂ_１０Ｈ_ｘ ^＋およびＢ_１８Ｈ_ｘ ^＋などの「クラスタ」イオンビームを形成するためのホウ水素化物の使用は、浅い接合の形成には極めて魅力的であることに同意するであろうが、これらの大型分子をイオン化し、かつ、輸送するための手段は、いくつかの問題を露呈している。たとえば、米国特許第６，２８８，４０３号および第６，４５２，３３８号に、首尾よくデカボラン・イオン・ビームを生成したイオン源が記載されている。しかしながら、このようなデカボランイオン源は、イオン注入に使用される他の商用イオン源と比較すると、とりわけ寿命が短いことが分かっている。この短い寿命は、主として、ホウ素を含有した付着物がイオン源の中に蓄積し、イオン抽出電極に絶縁コーティングが付着することによるものであり、そのためにビームが不安定になり、注入器の運転停止および保全を余儀なくしている。

他の特徴によれば、ホウ水素化物イオン源の中およびイオン抽出電極へのこのような付着物の付着を実質的に抑制する手段が提供され、また、これらのコンポーネントに付着した付着物をそれらをイオン注入器から除去することなく浄化する手段、つまりインサイチューで浄化する手段が提供される。本発明によれば、ホウ水素化物クラスタビームを半導体の製造に長い寿命で商用的に使用することができる。

本発明の特定の態様は、温度が能動的に制御される抽出電極および反応性ガス浄化システムと組み合わせたイオン源を備えた、イオンビームを生成するためのシステムである。イオン源は、高電圧電源に接続された、ガス状供給物質または気化供給物質のための入口を有する電離箱と、電離箱の中の供給物質をイオン化するための電力供給可能電離システムと、真空ハウジングと連絡している抽出開口とを備える。真空ハウジングは、真空ポンプシステムによって排気される。電離箱の外側の真空ハウジング内に、電離箱の抽出開口と整列し、かつ、電離箱の電圧より低い電圧に維持されるように適合された、抽出開口を介して電離箱の中からイオンを抽出するための抽出電極が配置されている。反応性ガス浄化システムは、電離箱および電離システムの電力が遮断されると、電離箱およびイオン抽出開口を通る反応性ガスの流れを提供し、イオン生成システムの表面の少なくとも一部に付着した付着物と反応し、それらを除去するように動作させることができる。

この態様の好ましい実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有する。

システムは、半導体ウェーハ中へのイオン注入に使用するために構築されており、電離箱は、約１００ｍｌ未満の体積および約２００ｃｍ^２未満の内部表面積を有する。

システムは、毎分約２標準リットル未満の流量で電離箱に反応性ガスの流れを生成するように構築されている。

抽出電極は、利用点への輸送に適した加速イオンのビームを生成するように構築されている。

抽出電極は、抽出電極が反応性ガスによって浄化されるよう、反応性ガスが抽出開口から真空ポンプシステムへ移動する経路内に配置されている。

抽出電極は、電離箱の中に生成されたイオンを抽出電極によって抽出している間、電極を高められた温度、たとえば固体誘導熱感応蒸気の凝縮温度より高く、その解離温度より低い温度に維持するために加熱器に結合される。

抽出電極は、たとえば電極が熱感応材料で形成され、かつ、熱イオン源と共に使用される場合、冷却デバイスに結合される。

抽出電極は、滑らかな、特徴のないアスペクトを有する。

反応性ガス浄化システムは、チャンバ出口を通り、かつ、反応性ガスを電離箱へ輸送するためのコンジットを通る反応性ガスの流れを生成するために、プラズマによって解離させることができる供給ガスを受け取るように配置されたプラズマチャンバを備える。

プラズマチャンバは、原子フッ素、たとえばＮＦ_３、Ｃ_３Ｆ_８またはＣＦ_４に解離させることができる化合物を受け取り、かつ、解離させるように構築され、かつ、配置されている。

反応性ガス浄化システムは、イオン源に結合されたサービス設備を共有するように構築され、かつ、配置されている。

システムは、質量分析計を介してイオンビームを導くように構築されており、反応性ガス浄化システムは、サービス設備を質量分析計と共有するように構築され、かつ、配置されている。

反応性ガス浄化システムは、加圧反応性ガス、たとえばＣｌＦ_３の容器からのコンジットを備える。

システムは、反応性ガスと、イオンビームを生成するためのシステムの表面の汚染との反応の実質的な完了の検出を少なくとも補助するように適合された終点検出システムと組み合わされている。

終点検出システムは、反応性ガス浄化システムが動作している間、表面に露出されたガスの化学メイクアップのための分析システムを備える。

反応性ガスとシステムの表面の汚染との発熱反応の実質的な終了を検出するための温度検出器が配置されている。

電力供給可能電離システムは、電離箱の中に、あるいは電離箱と連絡している、反応性ガスによる害を受けやすいコンポーネントを備え、また、システムを通って流れる反応性ガスからコンポーネントを遮蔽する手段が提供される。

コンポーネントを遮蔽する手段は、コンポーネントを通過するアルゴンなどの不活性ガスの流れを生成するための構造を備える。

コンポーネントを遮蔽するための手段は、反応性ガスを通さない遮蔽部材を備える。

システムは、反応性ガスとして反応性ハロゲンガスを使用して動作するように構築されており、抽出電極および関連する部品は、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）でできている。

イオン源は、アーク放電、ＲＦ電界、マイクロ波電界または電子ビームによって電離箱の中にイオンを生成するように構築されている。

システムは、電離箱への供給蒸気を生成するために、凝縮可能な固体供給物質の蒸発器に結合されている。

イオン源は、クラスタイオンまたは分子状イオンを生成することができる供給物質を蒸発させるように構築されており、また、電離システムは、供給物質をイオン化し、注入のためのクラスタイオンまたは分子状イオンを形成するように構築されている。

システムの真空ハウジングは、高真空を生成することができる高真空ポンプおよび真空を生成することができるバッキングポンプを備えたポンプシステムに結合されている。高真空ポンプは、イオン源が動作している間、動作させることができ、また、反応性浄化システムが動作している間、真空ハウジングから隔離することができる。バッキングポンプは、反応性ガス浄化システムが動作している間、動作させることができる。

システムは、真空チャンバ内の抽出電極注入ステーションに続いてイオンを輸送するように構築されたイオン注入装置に結合されている。好ましい実施形態には、反応性ガス浄化システムが動作している間、注入ステーションを電離箱および抽出電極から隔離するための隔離弁が含まれる。

イオン源は、半導体を処理するためのドーパントイオンを生成するように構築され、かつ、適合されており、また、反応性ガス浄化システムは、表面の付着物を浄化するためのフッ素Ｆイオンまたは塩素Ｃｌイオンを電離箱または抽出電極に引き渡すように適合されている。

イオン源は、所与の温度に温度制御されるように適合されている。

イオン源は、ホウ素を含有したイオンビームを生成するように適合されており、好ましい実施形態では、気化ホウ水素化物材料、とりわけデカボランＢ_１０Ｈ_１４またはオクタデカボランＢ_１８Ｈ_２２のいずれかをイオン源に供給することにより、ホウ素を含有したイオンビームが生成される。

イオン源は、ヒ素を含有したイオンビームを生成するように適合されている。

イオン源は、リンを含有したイオンビームを生成するように適合されている。

イオン源の電離箱はアルミニウムでできている。

イオン源の電離箱または抽出電極は、フッ素Ｆなどのハロゲンガスによる腐食に対して耐性のある材料でできている。

本発明の他の特定の態様は、上で説明したシステムのうちの任意のシステムを使用し、あるいはイオン注入器に結合された任意のイオン源および温度制御イオン抽出電極を使用したインサイチュー浄化方法であり、イオン源およびイオン抽出電極の電力が遮断され、かつ、真空下にある間、反応性ハロゲンガスがイオン源に流入する。

この態様の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有する。

反応性ハロゲンガスがフッ素Ｆである。

反応性ハロゲンガスが塩素Ｃｌである。

フッ素ガスが遠隔プラズマ源からイオン源の中に導入される。

フッ素ガスがＮＦ_３プラズマによって遠隔プラズマ源の中に生成される。

フッ素ガスがＣ_３Ｆ_８プラズマまたはＣＦ_４プラズマによって遠隔プラズマ源の中に生成される。

反応性ハロゲンガスがＣｌＦ_３である。

イオン源がデカボランＢ_１０Ｈ_１４をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

イオン源がオクタデカボランＢ_１８Ｈ_２２をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

イオン源がアルシンＡｓＨ_３または単体ヒ素Ａｓなどのヒ素を含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

イオン源が単体リンＰまたはホスフィンＰＨ_３などのリンを含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

イオン源がトリメチルアンチモンＳｂ（ＣＨ_４）_３または五フッ化アンチモンＳｂＦ_５などのアンチモンを含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

異なるイオン種を注入するためにイオン源供給物質を交換している間に、イオン注入器の中でインサイチューでイオン源を浄化するための浄化手順が実行される。

本発明の他の特定の態様は、イオン源と、イオン源からイオンを抽出するための抽出電極とを有するイオン注入システムである。抽出電極は、イオン化されるガスまたは蒸気の電極上への凝縮、およびガスまたは蒸気から生成される生成物の電極上への凝縮を実質的に抑制するだけの十分に高められた温度に電極を維持するように構築された加熱器を備える。他の態様は、このようなシステムに本質的に有用な抽出電極である。

これらの態様の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有する。

電極はアルミニウムでできている。

電極はモリブデンでできている。

放射性加熱によって電極が加熱される。

抵抗性加熱エレメントによって電極が加熱される。

電極の温度が所望の温度に制御され、これらの実施形態では、温度は１５０Ｃと２５０Ｃの間である。

反応性ハロゲンを含有したガスへの露出によって電極がインサイチューで定期的に浄化される。

電極は、イオン源からのビーム経路に沿って緊密に連続するように構築され、かつ、配置された少なくとも２つの電極エレメントを備える。電極エレメントは、細長いスロット状のビーム開口を有し、このビーム開口を通ってリボン様のイオンビームが通過する。加熱器は、スロット状開口の長辺の各々に配置された加熱器部分を備える。いくつかの好ましい形態では、少なくとも１つの電極エレメントは、そのビーム開口を画定する内部部分および内部部分に対して熱伝導関係にある外部部分を備える。外部部分は、放射熱を吸収するための熱受容体面を画定する。いくつかの好ましい形態では、複数の電極エレメントのうちの少なくとも１つは、そのビーム開口を画定する部分を備え、この部分が露出されて、放射熱を吸収するための受容体になる。

加熱器は、連続電気抵抗加熱エレメントを備える。好ましい形態では、この加熱エレメントは、放射性加熱によって複数の電極エレメントを加熱するようになされている。管状加熱器を形成するためには、加熱エレメントは、保護管の中に密閉されていることが好ましい。保護管は、加熱エレメントによって内部的に加熱されるように構築されており、また、放射性加熱によって電極エレメントを加熱するために露出されている。また、この保護管は、その構成が円形であり、電極エレメントの一部を画定するビーム経路を取り囲むように配置されていることが好ましい。

好ましい形態では、電極エレメントは、そのビーム開口を画定する内部部分および内部部分に対して熱伝導関係にある外部部分を備える。外部部分は、放射熱を吸収するための熱受容体面を画定する。管状加熱器は、ビーム経路を取り囲んでおり、放射加熱関係で受容体面と対向している。好ましい一形態では、抽出電極の一対の電極エレメントは、それぞれ、そのビーム開口を画定する内部部分および内部部分に対して熱伝導関係にある外部部分を備える。外部部分は、放射熱を吸収するための熱受容体面を画定する。管状加熱器は、これらの２つの電極エレメントの受容体面と受容体面の間に、放射加熱の関係で配置されている。この構造は、２電極エレメント構成に使用することができ、あるいは３つ以上の電極エレメントを有する構成に使用することができる。好ましい一形態では、これらの電極エレメントの対の他に、この対の間に配置された少なくとも第３の電極エレメントが存在する。この第３の電極エレメントは、そのビーム開口を画定する部分を備え、この部分が露出されて、周囲の管状加熱器から内側に向かって放射状に放射する熱のための熱受容体になる。

本発明の他の態様は、上で説明したシステムのうちの任意のシステムのイオン抽出電極またはイオン注入器に結合された温度制御イオン抽出電極をインサイチューで浄化する方法であり、電極がインサイチューであり、かつ、真空下にある間、反応性ハロゲンガスがイオン抽出電極に沿って流れる。他の態様は、このようなガスによるインサイチュー浄化のために構築された温度制御イオン抽出電極である。

この態様の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有する。

反応性ハロゲンガスがフッ素Ｆまたは塩素Ｃｌである。

フッ素ガスが、遠隔プラズマ源から、抽出電極が存在している真空ハウジングの中に導入される。

フッ素ガスがＮＦ_３プラズマによって遠隔プラズマ源の中に生成される。

フッ素ガスがＣ_３Ｆ_８プラズマまたはＣＦ_４プラズマによって遠隔プラズマ源の中に生成される。

反応性ガスがＣｌＦ_３である。

イオン源がデカボランＢ_１０Ｈ_１４をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

イオン源がオクタデカボランＢ_１８Ｈ_２２をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

イオン源がアルシンＡｓＨ_３または単体ヒ素Ａｓなどのヒ素を含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

イオン源が単体リンＰまたはホスフィンＰＨ_３などのリンを含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。

異なるイオン種を注入するためにイオン源供給物質を交換している間に浄化手順が実行される。

インサイチュー食刻浄化を備えたイオン源およびイオン抽出電極
好ましい実施形態によれば、イオン源および抽出電極をイオンビーム生成システムに設置したままの状態でイオン源およびイオン抽出電極から付着物を有効に除去するために、原子Ｆガスがインサイチュー化学浄化プロセスに利用される。好ましい実施形態では、冷却されたチャンバ壁を備えた電子衝撃イオン源が使用される。電離箱およびイオン源ブロックならびに抽出電極は、アルミニウムでできていること、つまり、これらは、Ｆによるそれ以上の化学腐食を防止するパッシベーティング層として作用させるために、アルミニウムの表面にフッ化アルミニウムを生成することができるアルミニウムまたはアルミニウムを含有した合金から製造されることが好ましい。アセンブリの絶縁体は、同じくＦによる腐食に対して耐性のあるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）から形成されることが好ましい。

この特徴の一実施形態には、イオン源への入口に直接結合された遠隔反応性ガス源の出口が使用される。

好ましい実施形態では、反応性ガス源は、ＮＦ_３またはＣ_３Ｆ_８などの食刻供給ガスを補助電離箱の中に導入するプラズマ源である。補助電離箱の中でプラズマを持続させることにより、ＦおよびＦ_２などの反応性ガスが生成され、主イオン源に導入されるこれらの反応性ガスが付着した物質を化学的に腐食させる。気相中に解放された副産物が電離箱の抽出開口から引き出され、抽出電極を通り越して、設備の真空システムによってポンプ除去され、電離箱およびイオン抽出電極が浄化される。

付着モデル
２つの物体が相互作用すると複数の結果が存在し得ることは、一般的に観察される物理学の原理である。また、可能なすべての結果を考慮する場合、それらの個々の確率の合計が１００％になるように個々の結果に確率すなわち尤度を割り当てることができる。原子物理学および分子物理学では、このような可能な結果は、場合によっては「チャネル」と呼ばれ、また、個々の相互作用チャネルと結合した確率は、「断面積」と呼ばれる。より詳細には、互いに少しでも相互作用している２つの粒子（たとえば電子とガス分子）の尤度は、「総断面積」であり、一方、特定のタイプの相互作用（電子自らがガス分子に取り付き、したがって負のイオンが形成されるような相互作用、または電子がガス分子から除去され、したがって正のイオンが形成されるような相互作用、または分子が断片に解離するような相互作用、または分子からのその分子の化学的な変化を伴わない弾性散乱のような相互作用など）の尤度は「部分断面積」である。

この事態は、総断面積σ_Ｔをそのｉ個の部分断面積の合計で表す数学的関係で表現することができる。

イオン注入器に使用されるイオン源は、通常、適度な電離フラクションを示す。つまり、イオン源の中に供給されるガスまたは蒸気のごく一部のみ（数パーセントないし数十パーセント）がイオン化される。これらのガスまたは蒸気の残りの部分は、通常、その元の状態または何某かの他の中性状態のいずれかの気相でイオン源から離れる。つまり、イオン化断面積は、総断面積よりはるかに小さい。広く使用される注入供給物質の場合、全体の数パーセントになる傾向があるが、当然、ガス成分の一部は、付着物質としてイオン源の中に留まることになる。加熱によって気化された単体ＡｓまたはＰなどの供給物質は、通常のガス状供給物質より容易に付着物を生成するが、加熱された蒸気には、イオン源の壁の温度が蒸発器の温度より高い場合、気相で留まる傾向があり、重大な付着の危険を示すことはない。しかしながら、たとえばガス状ＢＦ３供給ガスからホウ素ビームを生成する場合、ならびにＩｎおよびＳｂからビームを生成する場合、有害な大量の付着物が生成される可能性が依然として存在する。

また、一般に、抽出電極およびイオン生成システムの他の特定のコンポーネントには、常に、凝縮可能な物質の付着が実際に生じ、分解および浄化の前のそれらの動作寿命を短くしている。

さらに、ホウ水素化物の場合、イオン化媒体（すなわちイオン源の中の電子）とのあらゆる相互作用を表す総断面積が大きくなって現われ、イオン化断面積が小さく、また、全部のうちで群を抜いて最大の最大断面積が、イオン源内の表面に残留することになる不揮発性断片にホウ水素化物分子が解離するチャネルを表す。これらの断片が付着する問題は、供給物質の熱分解を小さくする努力の一環として電離箱の壁を冷却することによってさらに深刻化する。要するに、イオン源におけるホウ素を含有した断片のホウ水素化物からの付着は、この物質に作用するどのようなタイプのイオン源にも観察される基本的な現象であり、この問題に対する解決法は、半導体製造産業にとっては、多岐にわたる極めて重要な問題であると思われる。また、絶縁性付着物によるイオン抽出電極の汚染も、以下でより詳細に説明するように、ホウ水素化物に関わる問題であることが分かっている。

ホウ水素化物に適した電子衝撃イオン源
とりわけホウ水素化物に適したイオン源は、温度が完全に制御される電子衝撃イオン源である（いずれも参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，４５２，３３８号および第６，６８６，５９５号ならびに国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２０１９７号を参照されたい）。また、同じく図７を参照されたい。このイオン源には、アーク放電プラズマを衝突させてイオンを生成する代わりに、１つまたは複数の集束電子ビームの形態で注入される高エネルギー電子によるプロセスガスの「軟」電子衝撃電離が使用されている。この「軟」電離プロセスによれば、これらの大型分子が保存され、したがってイオン化されたクラスタが形成される。図７に示されるように、固体ホウ水素化物材料が蒸発器の中で加熱され、蒸気コンジットを通って金属チャンバすなわち電離箱へ蒸気が流れる。電離箱の外側に配置された電子銃によって電離箱の中に高エネルギー電子の大きな電流の流れが引き渡され、この電子流が、概ね平行に、かつ、電離箱の前面に展開しているスロットに隣接して導かれる。このスロットからイオン抽出電極によってイオンが抽出され、高エネルギーイオンビームが形成される。昇華したホウ水素化物蒸気を電離箱へ輸送している間、蒸気の凝縮を防止するために、すべての表面が蒸発器の温度より高い温度（ただし解離温度より十分に低い温度）に保持される。何時間に及ぶ試験の結果、このような温度制御を実施すると、蒸気供給表面および弁が真にきれいな状態を維持することが確認された。

デカボランを使用した、浄化と浄化の間のイオン源寿命の延長
イオン源の寿命（保全間隔）に対する蒸気流量の影響が定量的な方法で研究された。電子衝撃イオン源が、物質の蓄積によってデカボランビーム電流が著しく減少したことが決定されるまで、デカボラン供給物質を使用して、所与の蒸気流で、制御された条件の下で連続的に運転された。約０．４０ｓｃｃｍから１．２ｓｃｃｍまでの範囲に及ぶ５つの異なる流量が試験された。その結果、質量分析されたデカボランビーム電流（Ｂ_１０Ｈ_ｘ ^＋）の範囲は、約１５０μＡから７００μＡであった。イオン注入に使用されるイオン源内における典型的な供給ガス流の範囲は、１ｓｃｃｍから約３ｓｃｃｍまでであり、したがってこの試験範囲は、「低」流量レジームと見なされることに留意されたい。

図５は、これらの寿命試験の結果を要約したものである。図５は、単純なモデルである双曲線関数を示唆する。これは予想外のことではなく、蒸気流がゼロであると仮定すると、原理的にはイオン源の寿命が発散し、また、蒸気流が極めて大きいと仮定すると、イオン源の寿命は、漸近的にゼロに減少することになる。したがってこのモデルは、
（３） （流量）×（流れの継続期間）＝定数
で表すことができる。

式（３）は、単純に、寿命（すなわち流れの継続期間）は流量に反比例し、定数は、付着する物質の量であることを表す。式（３）が正確である場合、付着する物質のフラクションは物質の流量に無関係であり、これは、解離およびそれに引き続く付着に対する固定断面積を記述している本出願人らのモデルと一致している。これらのデータは、デカボラン蒸気流が約０．５ｓｃｃｍである電子衝撃イオン源を使用することにより、１００時間を超える期間にわたって専用デカボラン動作を維持することができることを示す。これは、多くの場合、許容可能であるが、商用半導体製造設備の場合、イオン源の寿命は、２００時間を優に超えることが望ましい。イオン源を本発明による新規なインサイチュー浄化手順と共に使用することにより、著しく長いイオン源寿命が達成される。インサイチュー浄化には、以下で詳細に説明するように、イオン抽出電極アセンブリの浄化が含まれる。

イオン源およびイオン抽出電極をインサイチューで化学浄化する特定の特徴の利点
イオン源およびイオン抽出電極をインサイチューで浄化するための反応性ガスを補助イオン源を使用して生成することには、いくつかの極めて重要な利点がある。プロセス排気システム（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ社により提供されるＬｉｔｍｕｓ １５０１など）からの廃物除去アプリケーションのため、および大型ＣＶＤプロセスチャンバ（ＭＫＳ Ａｓｔｒｏｎ反応性ガス発生器など）を浄化するためのこのようなプラズマ源が開発されているが、本発明者の知識によれば、イオンビームを生成するために使用されるイオン源の電離箱および抽出電極をインサイチューで浄化するために遠隔反応性ガス発生器を有効に適用することができることは、これまでに未だ認識されていない。プロセスチャンバ（つまり半導体ウェーハが処理される比較的大きい真空チャンバ）を浄化するためにＭＫＳ Ａｓｔｒｏｎなどの遠隔反応性ガス発生器が使用されており、そのアプリケーションには、大量の供給ガスの流れ（１分当たり数標準リットル（ＳＬＭ））が使用され、また、大きなＲＦ電力（約６ｋＷ）がプラズマ源に印加される。本発明によるシステムは、浄化されるイオン源の電離箱の体積が極めて小さい場合、はるかに適度な供給ガス流量を使用することができ、たとえば約０．５ＳＬＭ未満のＮＦ_３を使用することができ、また、はるかに少ないＲＦ電力（約２．５ｋＷ未満）を使用することができる（半導体ウェーハの注入器の場合、電離箱の体積は、通常、約１００ｍｌ未満であり、たとえば約７５ｍｌにすぎず、また、電離箱の表面積は、約２００ｃｍ^２未満、たとえば約１００ｃｍ^２である）。電離箱に流入する反応性ガスは、毎分約２標準リットル未満である。

システムの主イオン源にただ単に（たとえばＮＦ_３）ガスを直接導入して、そのイオン源の中でプラズマ副産物を直接生成することをせず、何故、主イオン源に導入するためのプラズマ副産物を外部イオン源を使用して生成するのか、疑問を覚える向きもいるかも知れない。その理由は明らかではないように思われる。イオン注入システムの使用可能時間（生産期間）の微小部分の間に、供給ガスからの付着速度よりはるかに速い食刻速度を達成するためには、イオンを注入するための主イオン源の場合の１〜３ｓｃｃｍの範囲の典型的な供給流量と比較して、比較的大量の流量、たとえば１０^２ｓｃｃｍないし１０^３ｓｃｃｍ程度の流量で反応性ガスを生成し、かつ、微小電離箱の中に導入しなければならないことが分かっている。このような大量の流れにより、主イオン源の電離箱の中の圧力がイオン注入のための動作に必要な圧力よりはるかに高くなる。さらに、高密度ＮＦ_３プラズマを主イオン源内に維持することにより、熱タングステンフィラメントなどの敏感なコンポーネントが食刻除去されることになる。これは、ハロゲンガスが耐火金属を高速で食刻し、そのために温度が指数的に上昇することによるものである。（たとえばＲｏｓｎｅｒらは、タングステン基板のＦ食刻のモデルを提案している。

（４） 速度（ミクロン／分）＝２．９２×１０^−１４Ｔ^１／２Ｎ_Ｆｅ^{−３９００／Ｔ}上式で、Ｎ_Ｆは原子／ｃｍ^３単位のフッ素濃度であり、Ｔはケルビン単位の基板温度である。）
事実上、イオン注入のためのすべてのイオン源には熱フィラメントが組み込まれており、また、多くの場合、イオン源チャンバも同じくＭｏおよびＷまたは黒鉛（Ｆによって侵略的に腐食される）などの耐火金属でできているため、これらのイオン源は、高温動作条件下で急速に機能が停止し、食刻浄化プロセスが使用不能になる。

現時点における好ましい実施形態では、電力が遮断された主イオン源の冷電離箱に原子フッ素が１００ｓｃｃｍ以上の流量で導入され、電離箱に流入する総ガス流量は５００ｓｃｃｍ以上である。これらの条件の下で、電離箱の中のガス圧は約０．５トールであり、一方、注入器の真空源ハウジングの中の圧力は数十ミリトール以上である。好ましい動作モードでは、浄化フェーズに先立って、イオン源の真空ハウジングと注入器真空システムの間の隔離弁が閉められ、イオン源のターボ分子ポンプが隔離される。次に、真空システムの高容量粗引きポンプ（つまり通常はターボ分子ポンプを後退させて、真空システムを「ラフ」真空まで排気するポンプ）を使用して、イオン抽出電極を含む空間を含むイオン源のハウジングがポンプ排気される。

図５に示される、関連する食刻浄化プロセスの異なる実施形態には、ＣｌＦ_３などの「ドライ食刻」ガスが利用されている。既に観察されているように、ＣｌＦ_３分子は、浄化すべき付着表面に接触すると解離し、したがってプラズマの生成を必要とすることなく原子フッ素および原子塩素が解放される。ＣｌＦ_３ガスはその性質が高度に反応性であるため、ＣｌＦ_３ガスを処理するためには特殊な設備が必要であるが、原理的には、それは、補助的な反応性ガスプラズマ源を必要としない程度まで化学浄化プロセスを単純化することができる。有毒ガスがイオン注入器のイオン源の中に機械的に供給されるため、ほとんどの設備は、既に「有毒ガスに優しい」設備になるように構築されており、ＣｌＦ_３を組み込んだ個別のガス分配システムを簡単な方法で追加することができる。

イオン注入器のイオン源およびイオン抽出電極をインサイチューで化学浄化する利点には、ａ）保全を必要とするまでの間のイオン源の寿命が、数百時間、場合によっては数千時間に延長される、ｂ）注入する種を変更し、たとえばオクタデカボランイオン注入からヒ素またはリンイオン注入へ切り換える際に生じる交差汚染、また、ヒ素またはリンイオン注入からオクタデカボランイオン注入へ切り換える際に生じる交差汚染が抑制され、あるいは除去される、およびｃ）イオン源の寿命の間、イオン源の性能が最大に維持される、がある。

たとえば、８時間毎に（つまり運転職員のシフトが代わる毎に）１０分間の化学浄化プロトコルを実行し、また、種を変更する毎に１０分間の化学浄化プロトコルを実行することにより、注入器の使用可能時間に対する影響を最小にすることができ、また、近代の半導体製造設備への受け入れが可能になる。

終点検出
有効性に関する定量的な情報および浄化プロセスの必要な継続期間を得ることができ、また、化学浄化プロセスの再現性を保証することができるよう、浄化プロセスの間、終点検出が提供されることが有利であることを認識されたい。図３は、浄化プロセスをサンプリングする差動ポンプ四重極質量分析計（Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｇａｓ Ａｎａｌｙｚｅｒ、ＲＧＡ）を示したものである。たとえばＦ、Ｃｌ、ＢＦ_３、ＰＦ_３、ＡｓＦ_３、ＡｌＦ_３、ＷＦ_６などの浄化ガス生成物の濃度をモニタすることにより、浄化プロセスを調整し、かつ、検証することができる。別法としては、プロセスをモニタする光学手段を利用することも可能である。ＦＴＩＲ光学分光計は、注入器のイオン源の真空ハウジング内に存在するガスをビューポートを通してモニタすることができる。化学種を識別するためのこの非侵略性（エクスサイチュー）手段は、場合によってはインサイチュー・モニタリング・デバイスより好ましい。別法としては、図４に示されるように、抽出性ＦＴＩＲ分光計をイオン源真空ハウジングに結合して終点をモニタすることも可能である。終点検出を達成するための新規な手段は、浄化中、電離箱の温度をモニタすることからなる。化学反応が発熱反応であるため、反応中にエネルギーが解放され、電離箱の温度が上昇する。原理的には、この効果を使用して、反応速度が減速したことを決定することができる。

新規なイオン抽出電極
デカボランおよびオクタデカボランなどのホウ水素化物は感熱物質である。これらの物質は、２０Ｃと１００Ｃの間の温度で蒸発し、かつ、凝縮する。したがって、凝縮を防止するためには、これらの物質と接触するすべての表面の温度を蒸発器の温度より高い温度（ただしそれらが解離する温度より低い温度）に維持することが重要である。本出願人らは、抽出電極の汚染は、このようなホウ水素化物を使用する場合に問題になることを見出した。ホウ素を含有したこれらの層は、電気絶縁体として出現するため、イオンビームの直接的な衝突および凝縮した供給蒸気またはその分子解離の生成物の両方が、イオンビームを形成する光学系の動作を劣化させる可能性がある。電気絶縁体層が付着すると、それらは電荷を獲得し（「チャージアップ」）、崩壊時に、真空放電すなわち「グリッチ」が生成される。このような放電は、イオンビーム電流を不安定にし、また、イオンビームが導かれるプロセスチャンバに到達する可能性のある粒子が生成される原因になることがある。１時間当たりに多くのグリッチに遭遇するイオンビーム生成システムを有するイオン注入器は、近代の半導体製造設備においては、製造するに足るイオン注入器とは見なされない。さらに、このような放電が存在しない場合であっても、絶縁コーティングが分厚くなると、電極表面の電荷によって、ビームステアリング効果をもたらし、ビームを損失させ、また、イオンビームの品質に悪影響を及ぼすことになる望ましくない漂遊電界が生成される。

新しい情報の発見により、この問題に対する確かな解決法が導かれた。ほとんどの注入器のイオン抽出電極は黒鉛でできている。黒鉛は、このアプリケーションにおいては、材料費が安いこと、機械加工が容易であること、導電率が大きいこと、熱膨張率が小さいこと、および高温における機械的安定性が良好であることなどを始めとする多くの利点を有すると見なされている。しかしながら、黒鉛抽出電極を使用した場合、ホウ水素化物のイオンビームを生成した後に不安定性が観察された。この不安定性は、抽出電極の表面が絶縁体になったためである、と推測された。電極付着物のサンプルが収集され、ｘ線蛍光分光学によって化学分析が実施された。その結果、ホウ素−炭素化合物の形態のＢ_２Ｃと化学量論比が一致することが明らかになり、絶縁体であることが分かった。また、イオン源に近い、イオン源の前面プレート（つまりイオン抽出開口プレート）を含む金属表面にも、長期間にわたる使用の後に、絶縁コーティングが付着していることが分かった。アルミニウムの電極を製造し、かつ、良好に制御された、デカボランおよびオクタデカボランの凝縮を防止するだけの十分に高い温度（図９、１１参照）に電極プレートすなわちサプレッションおよび接地電極を維持するために放射加熱器を提供することが考えられた。さらに、イオン源と対向しているサプレッション電極が、滑らかな、特徴のないアスペクトを有するアルミニウムの単一機械加工片を使用して製造され、すべてのファスナがプレートの背面に配置された。この構成により、絶縁コーティングが形成された場合の放電点の数および重大性が劇的に減少し、「点」すなわち鋭い特徴における電界応力は、滑らかな表面における電界応力より何倍も大きい、という原理が使用されている。

このようにして製造された抽出電極は、優れた性能を示し、極めて低いグリッチ周波数で、１００時間を超える期間にわたって（黒鉛電極の場合の少なくとも１０倍の期間にわたって）高い信頼性で動作した。この大きな改善は、ｉ）Ａｌ構造である（つまり金属対黒鉛）、ｉｉ）電極プレートが能動加熱され、かつ、温度制御される、およびｉｉｉ）電極の表面が滑らかである、ことによるものである。デカボランを走らせる場合、電極プレートを２００Ｃで動作させることによって良好な結果が得られ、付着する物質の量が著しく減少することが分かった。一般に、抽出電極の温度は、供給物質の解離温度より低い温度に維持しなければならない。デカボランの場合、３５０Ｃ未満の温度に維持しなければならず、１５０Ｃから２５０Ｃまでの範囲であることが好ましい。オクタデカボラン動作の場合、１６０Ｃより高い温度ではオクタデカボランが化学的に変化するため、オクタデカボランを走らせる場合、その温度は１６０Ｃを超えてはならず、抽出電極の温度が１２０Ｃと１５０Ｃの間である場合に良好な結果が得られる。

図１１に示される放射設計は、極めて良好な温度一様性を示した。また、とりわけ図１２に示されるようなアルミニウム電極を使用した抵抗性加熱器を組み込むことによっても、同じく良好な一様性が得られ、また、保全の必要性がより少ない、よりコンパクトな設計が得られる。図１１および１２の両方の設計からの望ましい特徴を組み込んだ他の設計については、図１Ａ〜１Ｌを参照して説明される。

また、他の金属、たとえばモリブデンを使用して、加熱抽出電極を構築することも可能である。モリブデンは、耐火性であるという利点を有し、したがって極めて高い温度に耐えることができる。また、モリブデンは、良好な熱伝導率を有する。一方、アルミニウムは、周期表のＩｎおよびＢなどの第ＩＩＩ列の元素であり、したがって提供している利点は、ケイ素中における軽度の汚染物質であるということだけであるが（アルミニウムは、ケイ素中ではＰ型ドーパントである）、モリブデンなどの遷移金属が集積回路におけるキャリアの寿命に極めて有害である。また、アルミニウムは、ハロゲンによって容易に腐食しないが、モリブデンなどの遷移金属は、とりわけ高められた温度で腐食しやすい。しかしながら、アルミニウムの主な欠点は、それが高温材料ではなく、約４００Ｃ未満で使用しなければならないことである。

これらの理由により、特定の用途に応じて、選択された耐熱材料を使用して加熱電極が構築され、インサイチュー食刻浄化に関連して使用される場合、アルミニウムまたはアルミニウムを含有した合金であることがしばしば好ましい。

能動電極冷却ならびに能動加熱の代替を提供することにより、ハロゲン浄化に適したアルミニウムからなる温度制御イオン抽出電極を、異なるタイプの交換可能イオン源と共に、あるいは多重モードイオン源と共に使用することができる。アルミニウム電極は、冷イオン源と共に使用することができ（その間、汚染を防止し、かつ、不安定な動作を回避するために抽出電極が加熱される）、また、熱イオン源と共に使用することができる（その間、その寸法的な安定性を維持するために抽出電極が冷却され、約４００Ｃ未満の温度に維持される）。

反応性ガス浄化を組み込んだイオンビーム生成システムを示す図である。 図１のシステムに有用なイオン抽出電極アセンブリを示す図である。 図１Ａの線１Ｂに沿って取った断面図である。 図１Ａの線１Ｃに沿って取った断面図である。 イオン抽出電極アセンブリの分解図である。 マニピュレータ上に取り付けられたイオン抽出電極アセンブリの斜視図である。 マニピュレータ上に取り付けられたイオン抽出電極アセンブリの斜視図である。 図１Ａのイオン抽出電極アセンブリの加熱器の直交図である。 図１Ａのイオン抽出電極アセンブリの加熱器の直交図である。 図１Ａのイオン抽出電極アセンブリの加熱器の直交図である。 加熱器の末端部分の切欠き図である。 加熱器の末端部分の側面図である。 加熱器制御回路を示す図である。 反応性ガス浄化を組み込んだイオンビーム生成システムの第２の実施形態を示す図である。 蒸発器および特定のガス分配エレメントを組み込んだ、図１と同様のイオンビーム生成システムを示す図である。 蒸発器および特定のガス分配エレメントを組み込んだ、図２と同様のイオンビーム生成システムを示す図である。 ＣｌＦ_３の導入による反応性ガス浄化を組み込んだイオン生成システムを示す図である。 反応性ガスプラズマ源、供給蒸気源、イオン源電子機器およびプラズマ源のための設備を備えたイオン注入器のためのガス箱を示す図である。 蒸気流制御システムを示す、図６と同様の図である。 イオンビーム生成システムのための弁の概要を示す図である。 電子衝撃イオン源を示す図である。 エレメントの遮蔽を示す、図７の一部の拡大図である。 一実施形態の制御線図である。 イオン抽出電極を示す図である。 イオン抽出電極光学系を示す図である。 Ｂ_１８Ｈ_ｘ ^＋ビームのプロファイルを示すグラフである。 加熱特徴および冷却特徴ならびに２つの電極エレメントを有する抽出電極を示す図である。 加熱特徴および冷却特徴ならびに３つの電極エレメントを有する抽出電極アセンブリを示す図である。 抽出電極およびマニピュレータを示す図である。 電極ヘッドの分解図である。 電極ヘッドの第２の実施形態を示す図である。 Ｂ_１０Ｈ_ｘ ^＋ビーム電流対デカボラン流量を示すグラフである。 寿命対デカボラン蒸気流量を示すグラフである。 Ｓｉクーポンの食刻速度を示すグラフである。 イオン注入器を示す図である。

新規なイオンビーム生成システム
図１は、イオンビーム生成システムを示したものである。この実施例に示されるように、イオンビーム生成システムは、半導体ウェーハまたはフラット・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へ輸送するためのイオンビームを生成するように適合されている。図には、イオン源４００、抽出電極４０５、真空ハウジング４１０、電気絶縁性材料の電圧隔離ブッシング４１５、真空ポンプシステム４２０、真空ハウジング隔離弁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および得られるイオンビーム４７５が示される。イオンビーム輸送ハウジングは４１１で示される。イオン源４００は、クラスタイオンおよび分子状イオンを提供するように構築されており、たとえばホウ水素化物イオンＢ_１０Ｈ_ｘ ^＋、Ｂ_１０Ｈ_ｘ ⁻、Ｂ_１８Ｈ_ｘ ^＋およびＢ_１８Ｈ_ｘ ⁻、あるいはこれらの他にもっと伝統的なＰ^＋、Ａｓ^＋、Ｂ^＋、Ｉｎ^＋、Ｓｂ^＋、Ｓｉ^＋およびＧｅ^＋などのイオンビームを提供するように構築されている。イオン源４００は、たとえば、イオン注入のために最も広く使用されているＢｅｒｎａｓ型アーク放電イオン源、イオンを生成するためのＲＦ（高周波）電界を形成する液浸ＲＦアンテナを使用する「バケット」型水冷イオン源、マイクロ波イオン源、または電子衝撃イオン源であってもよい。イオン化すべきガス状の状態の供給物質のためのガスおよび蒸気入口４４１は、適切な蒸気源４４５に接続されている。この蒸気源４４５は、ガスおよび蒸気入口４４１の近傍に配置することも、あるいはターミナルエンクロージャ内のどこかに配置されたガス分配箱の中などのもっと離れた場所に配置することもできる。ターミナルエンクロージャは、図には示されていないが、イオンビーム生成システムを密閉している金属箱である。この金属箱には、ポンプシステム、配電設備、ガス分配設備および制御設備などのイオン源のための必要な設備が含まれる。質量分析を使用してビーム中のイオン種を選択する場合、質量分析システムを同じくこのターミナルエンクロージャの中に配置することができる。

明確に定義されたエネルギーのイオンを抽出するために、イオン源４００は、高電圧電源４６０によって、抽出電極４０５および真空ハウジング４１０に対して高い正の電圧に保持される（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）。抽出電極４０５は、電離箱の抽出開口５０４の近くに、抽出開口５０４と整列して配置されている。抽出電極４０５は、電離箱５００に最も近いいわゆるサプレッション電極４０６と「接地」電極４０７の少なくとも２つの開口含有電極プレートからなる。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際に、さもなければ正にバイアスされたイオン源４００に引き付けられることになる望ましくない電子を拒絶、または抑制するために、接地電極４０７に対して負にバイアスされている。接地電極４０７、真空ハウジング４１０およびターミナルエンクロージャ（図示せず）は、すべて、たとえば中間電流イオン注入器の場合がそうであるが、特定の注入システムの場合のようにターミナル全体を接地の上方に浮かせることが望ましい場合を除き、アース接地であるいわゆる終端電位にある。抽出電極４０５は、以下で説明する新規な温度制御金属設計の電極であってもよい。

（負に帯電したイオンビームを生成する場合、イオン源は、他の適切な変更を伴って高められた負の電圧に保持され、ターミナルエンクロージャは、通常、接地に維持される。
）
新規な能動加熱抽出電極
抽出電極のイオン加速およびイオンビーム形成効果（「イオン光学効果」）については、イオン注入システムの設計分野の当業者には良く理解されている。

図９、９Ｂ、９Ｃ、１１および１２は、本明細書において追って説明するが、能動温度制御抽出電極設計を示したものである。次に説明する図１Ａないし１Ｌは、デカボランおよびオクタデカボランのイオンビームに適した「サンドイッチ」形の能動加熱抽出電極構造を示したものである。

図１Ａないし１Ｌを参照すると、抽出電極８０５は、イオンビーム経路に沿って緊密に連続して取り付けられたサプレッション電極エレメント８１０および接地電極エレメント８２０からなる。イオンは、電界効果によって、正にバイアスされた図１のイオン源４００から抽出電極８０５へ引き出される。イオンは、高エネルギー集束リボン状イオンビーム４７５として、ビーム軸５３０に沿って、電極８０５を通って伝播する。接地電極は、周囲の真空ハウジング４１０の電位に維持され、イオンビームが抽出電極を越えて移動する際のその電位を確立する。接地電極に対して数千ボルトの負の電圧にバイアスされたサプレッション電極８１０は、ビームが衝突することによってサプレッション電極の下流側に生成される二次電子を抑制する働きをする。この働きにより、正にバイアスされたイオン源４００へのこのような高エネルギー電子の逆流が防止される。

サプレッション電極エレメント８１０および接地電極エレメント８２０は、アルミニウムを使用して製造され、局部電界を最小にするために、滑らかな、慎重に研磨された表面を有する。これらのエレメントからなる抽出光学コンポーネント８０５は、図１Ｅおよび１Ｆに示されるように、マニピュレータ６１０Ａの上に取り付けられている。このマニピュレータは、たとえば電極８０５とイオン源および下流側のコンポーネントを整列させ、かつ、イオン光学系の焦点距離を変化させるために使用される。図に示されるように、マニピュレータは、スロット状開口の短い寸法に対して横方向のＸ方向における直線的な調整、およびイオンビームの軸に沿ったＺ方向の直線的な調整を可能にする。また、マニピュレータは、Ｘ軸の周りの回転を可能にする。

電極エレメント８１０および８２０の各々は、それぞれ、内部開口を画定する部分８１０Ａ、８２０Ａおよび円板状外部部分８１０Ｂ、８２０Ｂの２つの部分からなる。加熱器８３０は、これらの電極エレメントの間に配置されている（「はさまれて」いる）が、加熱器から電極エレメントへ放射によって熱が伝達されるよう、それらとは間隔を隔てている。内部部分８１０Ａおよび８２０Ａは、イオン源４００からのイオンが通過する細長いスロット状開口Ａを電極エレメントの中に形成し、これらのイオンが露出される電界を確立する働きをする。電極エレメントの外部部分８１０Ｂおよび８２０Ｂは、複数の機能を担っており、すなわち、内部電極部分を支持し、それらの間に配置されている放射加熱器８３０から概ね軸方向に放射する熱を吸収するための、軸方向に導かれた広域熱受容体として機能し、また、伝導によって外部部分から内部部分へ熱が放射状に流れることができる低抵抗熱伝導経路を画定する。図に示される好ましい形態では、個々の電極エレメントは、アルミニウム製の機械加工された一片の電極エレメントであり、したがって、その外部電極部分からその内部電極部分まで、優れた熱伝導経路を提供する。他の設計では、電極の内部部分は、交換可能なユニットとして離散的に形成することができ、また、これらの２つの部分の間に圧縮された熱伝導性金属ガスケットによって恒久的に取り付けられた外部部分へ熱的に接続することができる。また、電極エレメントの外部部分は、平らな円板の代わりに、他の熱受容形態の外部部分にすることも可能であり、たとえば円錐形または断面が湾曲した外部部分にすることも可能である。

２つの外部電極部分８１０Ａおよび８２０Ａの間に取り付けられた放射加熱器８３０は、内部電極部分８１０Ｂおよび８２０Ｂならびにイオンビーム経路を取り囲むように構成されている。この実施態様では、加熱器は、図１Ａおよび１Ｆに示されるように、円形管加熱器である。総合寸法がスロット状イオンビーム開口Ａの長い方の寸法Ｌより長い加熱器８３０は、開口を取り囲んでいる。加熱器８３０の中心は、ビーム軸５３０上に位置している。加熱器８３０は、たとえばＩｎｃａｌｏｙ（商標）などのステンレス鋼の中空外部耐化学性放射管８３１からなる。管８３１の内部の中心に、たとえばニクロム線などの電気抵抗加熱エレメント８３２が位置している。抵抗線は、図１Ｊに示されるように、たとえば酸化マグネシウムなどの絶縁材料８３３によってその中心位置に保持される。このような加熱器は、たとえばＷａｔｌｏｗからＷａｔｒｏｄ（商標）加熱器として入手することができる。加熱器管の末端には、反応性ガス浄化の間、加熱器の線を化学蒸気から保護するために、ガラス・ハーメチック・エンド・シール８３５が使用される。ニッケルめっきスチール・エンド・コンダクタ８３４は、外部から、シール内の中心を通って、加熱器管内の抵抗エレメント８３２との電気接続部まで延在している。たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の絶縁がいしを適切に選択し、また、ステンレス鋼コネクタを使用することにより、抽出電極ユニット全体が耐フッ素性になり、反応性ガスによるインサイチュー浄化に適した抽出電極になる。

図１Ｌは、加熱器８３０のための適切な電力制御回路の一実施例を示したものである。熱電対８５０は、抽出電極アセンブリ８０５の熱を代表する部分に良好な熱接触で接続されている。熱電対８５０は、たとえばＯｍｒｏｎ Ｅ５ＣＫなどの閉ループＰＩＤコントローラ８６０にフィードバックする。コントローラ８６０は、電力回路８７０の固体リレー８６５に接続されている。動作中、抽出電極アセンブリを加熱するための設定点が、イオンビーム生成システムのための総合制御ユニット８８０で決定される。この設定点が閉ループＰＩＤコントローラ８６０に供給される。コントローラ８６０は、この設定点信号を解釈し、熱電対８５０の温度出力を読んで、熱電対８５０に所望の温度が達成されるよう、電源８７５から加熱器８３０へ適切な電力が供給される方法でリレー８６５のオンおよびオフステージを制御する。

以下で説明する他の実施形態の場合と同様、この加熱構造も、良好に制御された、以下で説明する図７および７Ａの比較的冷たい動作イオン源から放出されるデカボラン蒸気またはオクタデカボラン蒸気の凝縮を防止するだけの十分に高い温度に抽出電極を維持することができる。抽出電極が耐フッ素性材料でできているため、関連するイオン源４００の抽出開口を介して引き出されるフッ素蒸気を使用して定期的に電極をインサイチューで浄化することができ、それによりあらゆる付着物を除去することができる。以下、このような浄化システムについて説明する。

反応性ガス浄化
図１は、たとえばＡｌ_２Ｏ_３などの絶縁性セラミックを使用して製造することができる高電圧ブレーク４３１を組み込んだ反応性ガス入口４３０を備えた、終端電位における反応性ガス源４５５を示す。イオン注入のためのイオン源は、通常、約９０ｋＶの最大電圧までバイアスすることができるため、この高電圧ブレーク４３１は、そのアプリケーションのためには９０ｋＶを隔離しなければならない。以下で説明するように、浄化システムは、イオン源のみを使用して、高電圧がオフ（電力が遮断された状態）で使用されるため、真空ハウジング４１０が高電圧スタンドオフ・クリアランス要求事項により容易に合致する高真空下にある場合に存在するのは、ブレーク４３１の両端間の高電圧のみである。化学浄化の間、真空ハウジング４１０と連絡している専用終端検出器４７０を使用して、反応性ガス生成物がモニタされる。

イオン注入システムとの使用に適したイオン源、たとえば半導体ウェーハをドーピングするのに適したイオン源の場合、電離箱は小さく、その体積は約１００ｍｌ未満であり、また、内部表面積は約２００ｃｍ^２未満であり、毎分約２００標準リットル未満の流量の反応性ガスの流れ、たとえば原子フッ素または反応性フッ素を含有した化合物の流れを受け取るように構築される。

図１のシステムから、インサイチュー浄化が可能であること、つまりイオン源および抽出電極を真空ハウジング内のそれらの動作位置から除去することなく、また、ほとんどサービスを中断することなく浄化することができることが分かる。

図２は、他の実施形態を示したものである。図１に対する図２の主な相違は、反応性ガス源４５５および反応性ガス入口４３０が、イオン源の電位にあることである。この手法の利点は２つあり、１つは構造がよりコンパクトであること、もう１つは、反応性ガス源４５５およびその関連ガスサプライを、市販されている典型的なイオン注入システムの場合と同様、イオン源の電位でイオン源４００にガスおよび電力を供給するガス箱の中に入れることができることである。

化学浄化システム
図１に類似した多くの特徴を有する図３の実施形態は、クラスタイオンおよび単量体イオンの両方を選択的に生成するように構築されている。この実施形態は、通常はガス状の状態の供給物質のための専用ガス入口４３５を有し、ホウ水素化物および他の気化供給物質を生成するための蒸気源４４５と弁４４３を介して連絡している。イオン源および電極をインサイチューで化学浄化するために、遠隔プラズマ源４５５は、浄化ガスサプライ４６５によって供給されるガス、たとえばＮＦ_３を、Ｆ、Ｆ_２およびＮを含有した化合物などの分解生成物に解離させる。浄化が望ましい場合、イオン源の電力を遮断した後、分解生成物が専用反応性ガス入口４３０によって遠隔プラズマ源４５５の出口４５６から電離箱の中へ供給される。遠隔プラズマ源４５５は、電圧隔離ブッシング４１５の終端電位側に取り付けられている。イオン源４００は高い電圧で動作するため、真空中の高電圧ブレーク４３１によって電圧隔離が提供される。

浄化サイクルを開始するためには、イオン源の運転が停止され、真空ハウジング隔離弁４２５が閉じられ、真空ポンプシステム４２０の高真空ポンプ４２１が隔離され、バッキングポンプ４２２によりハウジングを能動ポンプ排気しながら乾燥したＮ_２ガスを導入することによって真空ハウジング４１０が１トール未満のラフ真空状態に置かれる。ラフ真空状態になると、アルゴンガス（Ａｒガス源４６６からの）がプラズマ源４５５に導入され、かつ、高周波（ＲＦ）電力をプラズマ源４５５中に結合するオンボード回路によってプラズマ源に電力が供給される。プラズマ放電が起動されると、Ａｒの流れが減少し、Ｆを含有した浄化ガス供給４６５、たとえばＮＦ_３がプラズマ源４５５に導入される。中性の形態の反応性Ｆガスおよび解離した浄化ガス供給４６５の他の副産物が、反応性ガス入口４３０を介して、イオン源４００の電力が遮断された電離箱５００の中に導入される。ＡｒおよびＮＦ_３（たとえば）の流量は大きく、０．１ＳＬＭ（１分当たりの標準リットル）と数ＳＬＭの間である。したがって、この方法によれば、解離生成物として最大約１ＳＬＭの反応性Ｆをイオン源４００に導入することができる。電離箱５００の体積および表面積は微小であるため、付着物質に対する極めて速い食刻速度が得られる。電離箱５００は、抽出電極と対向している、約０．２ｃｍ^２と２ｃｍ^２の間の断面積の抽出開口５０４を備えた前面プレートを有し、電力供給動作の間、抽出電極４０５によって、この抽出開口５０４を介してイオンが抽出される。浄化の間、ハウジング４１０の真空によって電離箱５００から開口５０４を介して反応性ガス負荷が引き出され、また、粗引きポンプ４２２によってハウジング４１０からガス負荷がポンプ排気される。抽出電極４０５（たとえば図１Ａの電極８０５として構築された抽出電極）は、電離箱５００の開口５０４に近く、かつ、開口５０４と対向しているため、電極表面は、かなりの体積の反応性ガスの流れを遮断する。それが電極浄化として作用し、電極の表面、とりわけ、最大量の付着物が付着する所定の位置に配置されたサプレッション電極４０６（たとえば図１Ａのサプレッション電極８１０）の前面から付着物が除去される。したがって、抽出電極およびその取付け具をＡｌ（アルミニウムまたはアルミニウム合金のいずれか）などの耐フッ素性材料を使用して製造し、また、絶縁体エレメントをＡｌ_２Ｏ_３を使用して製造することが有利である。

また、図３の実施形態は、腐食作用を発揮するように構築された差動ポンプＲｅｓｉｄｕａｌ Ｇａｓ Ａｎａｌｙｚｅｒ（ＲＧＡ）からなる終点検出器を有する。分析計ＲＧＡは、真空ハウジング４１０と連絡している。分析計ＲＧＡは、フッ素を含有した反応生成物（たとえばＢとＦが結合することによって生じるＢＦ_３ガス）の分圧をモニタすることによって浄化作用の終点を検出するための検出器として使用される。他のタイプの終点検出器を使用することも可能であり、このＲＧＡは、特定の一実施形態を実例で示したものである。ホウ素を含有した分圧がＲＧＡで減退すると、浄化プロセスはほぼ完了する。浄化プロセスが終了すると、プラズマ源４５５がターンオフされ、Ａｒガスで手短にパージされる（電離箱５００、ハウジング４１０およびハウジング４１０内に含まれるエレメントも同じくパージされる）。次に、粗引きポンプ４２２が、その真空ハウジング４１０との直接連絡から隔離され、高真空ポンプ４２１の隔離弁が開けられ、真空ハウジング４１０が高真空（約１×１０^−５トール以下）に復帰する。次に、真空ハウジング隔離弁４２５が開けられる。これでシステムはいつでもイオンビームの生成を再開することができる。イオン源電圧電源４６０に電力を供給し、イオン源４００を正規に動作させることができる。

図３の実施形態の利点は、遠隔プラズマ源４５５をサポートするために必要なサービス設備、たとえば冷却水循環および電力などをイオン注入器の終端電位にすることができることである（図１６の２０８を参照されたい）。そのため、冷却水および電力などのＳで示される設備を注入器の質量分析計磁石２３０と共有することができる。浄化モードの間、プラズマ源４５５に電力が供給されると、分析計２３０の電力が遮断され、したがって冷却水または電力が不要であり、また、その逆のイオンビーム生成モード中においても同様である。この「共有」は、冷却水循環および電源接続などのサービス設備を、破線矢印Ｓの方向の分析計磁石２３０へ、あるいは実線矢印Ｓの方向の遠隔プラズマ源４５５へ、使用される動作モードに応じて交互に切り換える、Ｓ’で図式的に示される適切な制御構造によって達成することができる。

図４は、図２と同様の、イオン源４００および抽出電極４０５をインサイチューで化学浄化するための実施態様を示したものである。それぞれ、プラズマ源４５５からの反応性ガス４３０、多数の貯蔵体積４５０のうちの選択された１つからの供給ガス４３５、および蒸発器４４５からの供給蒸気４４０のための３つの入口通路がイオン源４００に統合されている。図３とは異なり、図４の実施形態は、イオン源４００の高電圧に置かれたプラズマベース反応性ガス源４５５を有する。そのため、遠隔プラズマ源４５５は、イオン源４００の制御点を共有することができ、また、同じく図６および６Ａに示されるように、浄化供給ガス４６５および貯蔵器４６６からのアルゴンパージガスを、イオン源電位にあるイオン源ガス分配箱から供給することができる。また、図には、異なるタイプの終点検出器、すなわちＦｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＦＴＩＲ）光学分光計が示される。この検出器は、水晶窓を通してエクスサイチュー（真空ハウジングの外側）で機能することができる。あるいは、図４に示されるように、浄化中、真空ハウジング４１０内のガスを直接サンプルする抽出タイプのＦＴＩＲ分光計を使用することも可能である。また、温度センサＴＤは、電離箱の表面の熱的に隔離された代表的な領域を知覚することによって、電力が遮断された電離箱の温度を知覚することができる。センサＴＤは、Ｆと汚染付着物の発熱反応によって生成される熱をモニタし、終点検出器として機能することができる。

図５は、図４のシステムに類似しているが、基本的に異なるタイプの反応性ガス源４５５を組み込んだイオンビーム生成システムを示したものである。この場合、ガスシリンダの中の反応性ＣｌＦ_３ガスが、遠隔プラズマ源を使用することなく、直接イオン源４００の中に供給される。したがって、遠隔プラズマ源のための電力および制御が不要であるため、設備費およびフットプリントが潜在的に節約される。しかしながらＣｌＦ_３は自然発火性であり、したがって危険であり、かつ、特殊なガス処理が必要である。一方、ＮＦ_３（たとえば）は、本質的に窒息性であり、ＢＦ_３、ＰＨ_３またはＡｓＨ_３などの多くの半導体ガスより毒性が少なく、したがって安全である。

図６は、既存のイオン注入器設備に改装するための、プラズマ源４５５、蒸気源４４５、イオン源電子機器およびガス箱Ｂの中に含まれるプラズマ源のためのサービス設備Ｓを示したものである。

図６ａの実施形態は、以下で説明する好ましい蒸発器および流量制御システムが組み込まれている点で上記図６の実施形態とは異なる。図６Ｂは、図４のイオン源および自己浄化システムのための弁の略図である。

好ましいイオン源および蒸発器
図７は、好ましいイオン源１０およびその様々なコンポーネントの線図であり、図７Ａを参照されたい。その構造ならびにその好ましい動作モードの詳細は、いずれも参照により本明細書に組み込まれている、Ｈｏｒｓｋｙらによって開示された、２００３年６月２６日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２０１９７号「Ａｎ ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｒｏｎ ｈｙｄｒｉｄｅ ｃｌｕｓｔｅｒ ｉｏｎｓ」、およびＨｏｒｓｋｙによって開示された、２００２年６月２６日出願の米国特許出願第１０／１８３，７６８号「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｍｐａｃｔ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ」に類似している。イオン源１０は、新規な電子衝撃電離システムの一実施形態である。図７は、イオン源の構造を略断面図で示したもので、イオン源１０を構築しているコンポーネントの機能を明確にする。イオン源１０は、取付けフランジ３６によってイオン注入器の排気真空チャンバにインタフェースするように構築されている。したがって、図７に示される、イオン源１０のうちのフランジ３６の右側の部分は、高真空下にある（１×１０^−４トール未満の圧力）。ガス状の物質が電離箱４４の中に導入され、電離箱４４の中で、電子ビーム７０’がイオン抽出開口８１と整列する（つまりイオン抽出開口８１に隣接して、平行に展開する）ように電子入口開口７１を通って電離箱４４に流入する電子ビーム７０による電子衝撃によってガス分子がイオン化される。したがって、イオン抽出開口プレート８０中のスロットとして出現するイオン抽出開口８１に隣接してイオンが生成される。次に、生成されたイオンが、イオン抽出開口プレート８０の前面に配置されている抽出電極２２０（図８および９）によって抽出され、高エネルギーイオンビーム４７５が形成される。図７を参照すると、たとえばアルゴン、ホスフィンまたはアルシンなどのガスをガスコンジット３３を介して電離箱４４の中に供給することができる。蒸発器２８の中でデカボランまたはオクタデカボランなどの固体供給物質２９を蒸発させ、その蒸気をイオン源ブロック３５内の蒸気コンジット３２を介して電離箱４４の中に供給することができる。通常、電離箱４４、イオン抽出開口プレート８０、イオン源ブロック３５（蒸気コンジット３２を含む）および蒸発器ハウジング３０は、すべてアルミニウムを使用して製造される。固体供給物質２９は、蒸発器ハウジング３０の閉ループ温度制御によって一様な温度に保持される。昇華した蒸気５０は、バラスト体積３１中に蓄積し、コンジット３９を介して、また、絞り弁１００および遮断弁１１０を介して供給される。容量マノメータであることが好ましい加熱圧力計６０によって、絞り弁１００と遮断弁１１０の間の蒸気５０の公称圧力がモニタされる。蒸気５０は、イオン源ブロック３５内に配置された蒸気コンジット３２を介して電離箱４４の中へ供給され、また、ガスコンジット３３を介してガスが電離箱４４の中へ供給されるため、必要に応じて、分子状イオン（Ｂ_１８Ｈ_ｘ ^＋など）または単量体イオン（Ａｓ^＋など）のいずれかからなるイオンビーム４７５を生成することができるこのイオン源によって、ガス状の物質と気化した物質の両方をイオン化することができる。イオン源は、あるいは、２００６年４月４日発行の、「Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ，Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国特許第７，０２２，９９９号、あるいは２００５年１１月７日出願の、「Ｄｕａｌ Ｍｏｄｅ ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎ−Ｔｙｐｅ Ｒｅｇｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ Ａｒｓｅｎｉｃ Ｉｏｎｓ」という名称の米国特許出願第１１／２６８，００５号に記載されているような多重モードイオン源であってもよい。上記文献の内容は、それぞれ、多重モードイオン源が記述されている範囲まで、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

イオン生成システムへの蒸気流制御
図７（同じく図７Ｂを参照されたい）の電離箱への蒸気の流れは、蒸気供給通路３２の直前の領域、つまり図７の遮断弁１１０内の蒸気圧によって決定される。この蒸気圧は、絞り弁１００と遮断弁１１０の間に配置された、たとえば容量マノメータなどの圧力計６０によって測定される。通常、流量は、蒸気圧に比例する。したがって、圧力信号を使用して流量を表すことができ、また、流量を選択するための設定点としてこの圧力信号を使用することができる。所望の蒸気流をイオン源の中に生成するために、蒸発器ハウジング３０は、絞り弁１００が完全に開いた位置にある場合に、所望の流量を超えるようにその温度が設定される。次に、所望の圧力出力に到達するように絞り弁１００が調整される。

常に安定した流れを確立するために、Ｏｍｒｏｎ Ｅ５ＣＫ制御ループ・ディジタル・コントローラなどの二重ＰＩＤコントローラを使用して、蒸発器温度および蒸気圧の閉ループ制御が個別に実施される。制御（フィードバック）変数は、温度に対しては熱電対の出力であり、圧力に対してはゲージ出力である。図７Ｂの線図は、これらの閉ループ制御機能を実行するためのディジタル蒸気供給コントローラ２２０を示したものである。

図７Ｂでは、圧力計６０からのゲージ出力２５０が絞り弁位置制御２４５に印加されており、絞り弁位置制御２４５は、絞り弁１００に絞り弁位置制御信号２４７を印加している。蒸発器２８からの熱電対出力２２５は、蒸発器２８に印加される加熱器電力２４８を制御する蒸発器加熱器制御２１５に印加されている。

第２の低速レベルの制御は、ディジタル供給コントローラ２２０によって実施されており、固体供給物質が蒸発する速度が、その開放表面積、とりわけ固体−真空界面における利用可能な表面積の関数であるように適応させている。蒸発器内の供給物質は、常に消費されるため、この利用可能表面積は、蒸気の進化速度が所望の蒸気流量をサポートすることができなくなり、その結果、絞り弁１００の上流側の蒸気圧が減少することになるまで着実に減少する。これは、「進化速度制限」動作として知られている。したがって、供給物質を蒸発器内に新しく投入する場合、たとえば２５Ｃの蒸発器温度が、絞り弁のダイナミックレンジの最下端における公称絞り弁位置（つまり絞り弁は、そのごく一部分しか開かない）で必要な蒸気流量をサポートすることになる。弁の位置は、所望の流量を維持するために、常に（たとえば供給物質の２０％が消費された後）、ますます開くことになる。絞り弁が、そのダイナミックレンジの高コンダクタンス限界に近づくと（つまり弁がほとんど開くと）、コントローラ２２０によってこの弁位置が知覚され、コントローラ２２０は、新しい、より高い加熱器設定点温度を蒸発器加熱器制御２１５に送る。蒸発器の温度がその新しい値に整定すると、そのダイナミックレンジの最下端に近い公称絞り弁動作点に復帰するための増分が選択される。したがって、短い時間スケールにおける設定点蒸気圧の変化と、長い時間スケールにおける蒸発器温度の変化の両方に適応するディジタル・コントローラ２２０の能力が、供給物質投入の寿命に対する蒸気流の制御を極めて頑丈にする。このような制御により、電離箱への蒸気の過剰供給が防止される。これには、イオン生成システムの表面に付着する望ましくない付着物の量を制限する効果があり、したがって浄化と浄化の間のイオン源の寿命が長くなる。

図８は、新規なイオン源１０と対向しているイオン抽出電極２２０の上面図（上から見下ろした図）を示したものである。イオン源１０は、イオン抽出電極２２０に対して正の電位Ｖ_Ａに保持され、イオン抽出電極２２０は、局部接地電位、つまり真空ハウジングの電位に保持される。イオン抽出電極２２０は単純なダイオードであり、電極プレート３０２は「接地」電極であり、プレート３００は「サプレッション」電極である。プレート３００は、通常、サプレッション電源Ｖ_Ｓによって接地電位より数千ボルト低い電圧に保持される。イオン源１０の電離箱４４およびイオン抽出開口プレート８０は、図には抽出電極２２０と対向して示される。３つのプレート８０、３００、３０２は、長方形のスロットすなわち開口を備え、これらの開口を介してイオン９０が抽出される。図８は、「短い」方向、つまり分散方向のスロット輪郭を示す。

新規な加熱電極の他の実施形態
図１４に示されるデカボラン寿命試験の間、新規な加熱アルミニウム電極が使用された。図９は、一次元「スロット」開口レンズの分散平面における抽出システムの基本光学設計の上面図を示したものである。使用された注入器の場合、イオン源の電離箱４９０は、図８に示されるように、正の高電圧電源Ｖ_Ａによって所望のイオンビームエネルギーに保持された。たとえば、２０ｋｅＶのイオンビームが望ましい場合、Ｖ_Ａ＝２０ｋＶである。イオン抽出開口プレート５００は、バイポーラ電源Ｖ_Ｂによって−７５０Ｖから７５０Ｖまでバイアスすることができるよう、電離箱４９０から電気的に隔離されている。この隔離は、イオン抽出開口プレート５００と電離箱４９０の間にはさまれた熱伝導電気絶縁ポリマーガスケットによって達成される。イオン源ボディのうちの蒸気に露出される部分（図７のイオン源ブロック３５、電離箱４４および抽出開口プレート８０）は、イオン源動作の間、制御された温度表面を維持するために、互いに良好な熱接触で維持される。電離箱４９０の中に生成されたイオンは、サプレッション電極５１０および接地電極５２０からなる抽出電極５４０によって、イオン抽出開口プレート５００内の開口を介して抽出される。イオンは、集束イオンビームとして、ビーム軸５３０に沿って伝搬する。電源Ｖ_Ｓによって数千ボルトの負の電圧にバイアスされたサプレッション電極５１０は、ビームが衝突することによってサプレッション電極の下流側に生成される二次電子を抑制する働きをし、正にバイアスされたイオン源へのこれらの高エネルギー電子の逆流を防止する。電離箱４９０、イオン抽出開口プレート５００、サプレッション電極５１０および接地電極５２０は、すべてアルミニウムを使用して製造され、局部電界を最小にするために、滑らかな、慎重に研磨された表面を有する。

イオン抽出開口プレート５００をバイアスする重要な効果は、図９のイオン光学系の焦点距離を変化させることである。負のバイアスによって焦点距離が長くなり、一方、正のバイアスによって焦点距離が短くなる。この効果は、バイアスが大きいほど顕著になる。診断を目的として、走査線プロフィルメータが設置され、イオン源ハウジング隔離弁の直ぐ下流側の分析計磁石への入口に配置された（図１６の２１０）。このスキャナは、イオンビームがいかに良好に分散平面に集束するかを決定するのに有用な、分散平面のビーム電流分布を記録した。図９ａは、３つの異なるバイアス条件、−４８３Ｖ、０Ｖおよび＋３００Ｖに対する２０ｋｅＶオクタデカボランのビームプロファイルを示したものである。ゼロボルト条件では実質的に過剰集束し、正の電圧条件ではさらに過剰集束し、負の電圧条件で適切に集束した。電極位置は、これらの３つの測定の間、一定に保持された。期待された通り、適切な集束条件で最大イオンビーム電流が得られた。

光学焦点距離を変化させる能力、延いては光学系を調整して最大イオンビーム電流を得る能力により、最少量の供給物質を蒸発器に導入することができる。この場合も、これには、イオン生成システムの表面に付着する望ましくない付着物の量を制限する有利な効果があり、浄化と浄化の間のイオン源の寿命が長くなる。

本発明によれば、たった今上で説明した、抽出開口プレートをバイアスして光学系を集束させる以外に、抽出電極光学エレメントを上記光学系の他のコンポーネントに対して移動させるための手段が提供される。図１０は、座標系６２０によって画定されるＸ、ＺおよびΘ方向の運動（イオン源に対する運動）を可能にする３軸マニピュレータ６１０の上に取り付けられた新規な電極６００を示したものである。アクチュエータ６１３はＸ方向の運動を制御し、アクチュエータ６１２はＺ方向の運動を制御し、アクチュエータ６１１はΘ方向の運動を制御する。マニピュレータ６１０は、取付けフランジ６１５を介して注入器真空ハウジングの側面に取り付けられている。

図１１は、新規な電極ヘッドの放射加熱バージョンの部分分解図を示したものである。図には、サプレッション電極７００、接地電極７１０、加熱器プレート７２０および放射加熱器線７３０が示される。サプレッション電極および接地電極はアルミニウムを使用して製造され、また、加熱器プレートおよび加熱器線７３０は、それぞれステンレス鋼およびニクロム線を使用して製造される。電極を２００Ｃで動作させた場合、その温度を維持するための消費電力は約６０Ｗであった。加熱器の電力は、閉ループＰＩＤコントローラであるＯｍｒｏｎ Ｅ５ＣＫを使用して、熱電対のリードバックに基づいて制御される。

図１２は、新規な電極ヘッドの抵抗性加熱バージョンの部分分解図を示したものである。図には、サプレッション電極８００、接地電極８１０および抵抗性加熱器８２０が示される。４つの抵抗性加熱器８２０がスリーブ８３０に嵌合しており、２つの抵抗性加熱器８２０が個々の電極プレートに嵌合している。スリーブ８３０は、加熱器がスリーブにプレス嵌合し、緊密な接触が達成されるよう、分割設計になっている。電極の適切な加熱を保証し、かつ、加熱器の早期のバーンアウトを防止するためには、加熱器と電極の間の緊密な接触が重要である。この場合も、Ｏｍｒｏｎ Ｅ５ＣＫまたは等価物を使用して、熱電対のリードバックに基づいて電極の温度を制御することができる。

上で説明したように、これらの加熱構造を抽出電極に使用することにより、良好に制御された、図７および７Ａの比較的冷たい動作イオン源によって生成されるデカボランおよびオクタデカボランなどの凝縮を防止するだけの十分に高い温度が維持される。抽出電極を耐フッ素性の材料、たとえばアルミニウムを使用して構築することにより、抽出開口を介して引き出されるフッ素蒸気によってあらゆる付着物を除去するべく、インサイチューで定期的に電極を浄化することができる。

本質的に非常に高温で動作するので、抽出電極アセンブリが低温材料でできている場合、その熱が場合によっては抽出電極アセンブリに害をもたらすプラズマイオン源では、異なる状況に遭遇することになる。図９を参照すると、熱伝達関係でそれぞれアルミニウム電極部材５１０および５２２の背面に固着された円形冷却コイル５１２および５２２が点線で示される。これらの冷却コイルを通って循環する冷却流体によってアルミニウム電極が冷却され、それにより熱イオン源からの熱による変形が防止される。したがって、供給物質あるいは反応性浄化ガスによって提供されるあらゆるフッ素による腐食に対する耐性を提供する耐フッ素性材料、たとえばアルミニウムまたはコンプレックスを含有したアルミニウムを抽出電極に使用することができる。

図９Ｂを参照すると、低温モードおよび高温モードで交互に動作することができる多重モードイオン源４９０Ａと共に使用するため、あるいはそれぞれ低温モードおよび高温モードで動作する交換可能ユニットと共に使用するための温度制御抽出電極５４０Ａが提供されている。たとえばアルミニウムから形成された抽出電極アセンブリ５４０Ａは、能動加熱および能動冷却のために装備されている。

デカボランおよびオクタデカボランの蒸気との使用が有効である冷イオン源モードでは、抽出電極は、電極表面への付着物の形成を防止するために能動的に加熱される。イオン源は、たとえば「軟」電子衝撃によって動作させることができる。その場合、イオン源には、図７および７Ａに関連して上で説明した集束電子ビーム７０が使用される。

高温モードでは、抽出電極は、アルミニウムなどの比較的低温の材料で形成することができるよう、能動的に冷却される。たとえば熱モードイオン源の場合、極限磁界内に配置された電子放出カソードおよび負にバイアスされた電子リペラーによって生成される、電離箱内のアーク放電によって熱プラズマを維持することができる。設計の原理およびアーク放電プラズマイオン源の構造については、それ自体良く知られており、たとえば、参照によりその点に関して本明細書に組み込まれている、Ｆｒｅｅｍａｎの米国特許第４，０１７，４０３号およびＲｏｂｉｎｓｏｎの米国特許第４，２５８，２６６号を参照されたい。アーク放電によって、電離箱に導入されるガスをイオン化する比較的熱いプラズマが生成される。熱動作イオン源モードおよび冷動作イオン源モードのいずれの場合においても、生成されるビームはリボン形のビームにすることができ、その細長い断面は、イオン源の抽出開口および抽出電極を貫通している開口の同様に細長い形状によって生成される。

図９Ｂに示されるように、たとえば図１Ａ〜１Ｋを参照して説明した管状加熱器などの円形放射管加熱器５５０は、イオン源からのイオンのリボン形経路５３０と同軸になるように配置されている。加熱器５５０の直径は、電極エレメントを貫通しているスロット状開口の長い方の寸法より大きい。管状加熱器は、サプレッション電極エレメントの下流側の所定の位置に取り付けられており、接地電位の抽出電極エレメント５２０および比較的負の電位のサプレッション電極エレメント５１０の両方の外部構造に直接熱を放射する。サプレッション電極エレメントの形態は、上で説明した通りの形態であり、外部円板形部分は、加熱器５５０から放射される熱を受け取り、かつ、吸収するように適合され、また、電極エレメントの内部部分に向かって熱を放射状に導くように適合された、軸方向に導かれた広い面領域を画定する。接地電極エレメントは、半径方向の範囲がもっと小さく、主として、周囲の加熱器から内側に向かって放射状に放射される熱によって加熱されるように構築されている。

たとえば図１Ｌの熱電対を使用して温度を適切に知覚することにより、抽出電極アセンブリを代表する温度が検出される。適切なコントローラを使用することにより、電気加熱電流が管状加熱器の内部抵抗エレメントを通って流れ、熱電対の温度が設定点に維持される。図１Ｌに示されるコントローラの場合と同様、設定点は、抽出電極に到達する供給蒸気の凝縮が防止されるように選択される。たとえばデカボランおよびオクタデカボランをイオン化する場合、加熱器によって能動加熱することにより、抽出電極の温度を約１５０Ｃに維持することができる。

図９Ｂの抽出電極アセンブリも、ビーム経路を取り囲んでいる冷却コイル５１２および５２２を備える。これらのコイルは、伝導熱伝達の関係でアルミニウム電極エレメント５１０および５２２の背面に固着されている。図９に関連して説明したように、これらの冷却コイルを通って循環する冷却流体によってアルミニウム電極エレメントが冷却され、それにより、さもなければ電極エレメントによって生成される電界を攪乱する可能性のある、熱イオン源からの熱による電極の変形が防止される。

適切な種のイオンビームを生成するために、多重モードイオン源装置を熱モードで使用することが望ましい場合、電離箱の壁を実質的に高められた温度、たとえば４００Ｃより高い温度で動作させることができる。この動作モードの場合、抽出電極アセンブリの加熱が無能力化され、コイル５１２および５２２の冷却液の流れが維持され、それによりアルミニウム電極エレメントが、電極の有害なひずみが生じることになる温度より低い温度、つまり約４００Ｃ未満の温度に冷却される。

多重モードイオン源と組み合わせたこの電極アセンブリは、図１ないし６Ｂおよび７Ｂに関連して説明したインサイチュー反応性ガス浄化を有するシステムに使用するのに適している。電極エレメントのアルミニウム組成および管状加熱器の耐食性シースは、フッ素による腐食に対して耐食性である。

図９Ｃを参照すると、抽出アセンブリは、その代わりに、図９Ｂに示されるようなサプレッション電極５１０、中央電極５１５および主抽出電極５２０’の３つの電極エレメントを備えることも可能である。電極５２０’は、接地（ハウジング）電位に維持される。中央電極５１５の電位は可変であり、接地とかなり大きい値、たとえば−３０ＫｅＶの間で選択される電位に維持することができる。サプレッション電極５１０の電位は、中央電極に対して電圧Ｖｓ、たとえば−１０ＫｅＶで浮かせることができる。この構造によれば、電極システムのイオン加速効果および焦点距離調整効果を変化させることができ、それによりイオンビームに対する所望の効果を得ることができる。

電極エレメントは、図９Ｃに示されるように、電極エレメントを貫通するビームが３つのエレメントの対応する電位にのみ露出されるよう、入れ子にされている。図に示される構造では、２つの外部電極エレメントは、円形の放射熱受容熱伝導円板部分によって支持されており、一方、横方向の範囲が小さい中央電極は、図には示されないが、適切な支持構造によってこれらの外部電極の間に支持されている。２つの外部電極構造５１０と５２０’の間に適切な寸法の管状加熱器５６０が配置されており、内部電極構造５１５を取り囲んでいる。この加熱器は、互いに対する直接放射によって３つの電極構造を加熱するように構築され、かつ、配置されている。放射は、通常、外部の２つの電極エレメントの外部円板部分に向かって軸方向に進行し、また、中央電極に向かって内側に放射状に進行する。たとえば上で言及した熱電対を使用して温度を適切に知覚することにより、電極アセンブリを代表する温度が検出される。電気加熱電流が管状加熱器を通って流れて、熱電対の温度が設定点に維持され、それによりアセンブリに到達する供給蒸気の電極上への凝縮が防止される。たとえば、「軟」電子衝撃によってデカボランおよびオクタデカボランをイオン化する場合、電極エレメントの温度を約１５０Ｃに維持することができる。図９Ｂの実施形態と同様、これらの電極構造の各々も、冷却コイル５１２および５２２を備えており、イオン源が熱モードで動作する場合、加熱の代わりに、上で説明したように図９Ｃのアセンブリを冷却することができる。

図９Ｃには、３電極システムの加熱構造が多重モードイオン源に関連して示されるが、この構造は、当然、交換可能な熱モードイオン源および冷モードイオン源との使用にも有用である。図７および７Ａに示されるような冷動作イオン源のみと共に使用する場合、電極アセンブリから冷却特徴を省略し、あるいは冷却特徴を保持して、適宜、軟電子衝撃源の代わりに使用することができるアーク放電熱プラズマ源と共に使用するために利用することができる。

デカボランを走らせる場合のイオン源の寿命測定
図１４は、広範囲にわたるデカボラン流量に対するイオン源寿命試験の結果を示したものである。これらのデータに対する当てはめは、式（３）によるものである。これらの試験の間、イオン源の故障は記録されず、個々の試験は、むしろ、デカボランイオン電流がその最初のレベルのほぼ半分に低下した時点で終了された。イオン源を検査した結果、ホウ素を含有したかなりの量の物質が電離箱の中に付着し、その大半が電離箱の内壁に粘着していたことが分かった。イオン抽出開口が部分的に塞がれている場合もあった。式（３）のモデルは、データを良好に当てはめているように思われ、インサイチュー化学浄化手順とインサイチュー化学浄化手順の間または分解と分解の間のイオン源の寿命を長くするためには、「低品質の」動作がその秘訣であることを示唆する。

Ｆ浄化中における電離箱内の食刻速度の測定
図７のイオン源１０を備えたシステムを使用して、電離箱４４の内側に付着した厚さ１ｍｍのケイ素クーポンに対するＦ浄化プロセスが、以下の修正を加えて試験された。専用反応性供給コンジットを組み込む代わりに、蒸気供給コンジット３２を使用して反応性ガスが導入された。ＦによるＳｉの食刻は十分に理解されており、また、純粋なＳｉ材料を利用してＳｉウェーハを形成することができるため、Ｓｉが使用された。この試験には、浄化サイクルと浄化サイクルの間、蒸発器を除去する必要があった。反応性ガス入口（つまり蒸気供給３２）と視線関係を有する位置と、視線を有していない位置の２つのクーポン位置が試験された。図１５は、ＮＦ_３の流量を関数とした食刻速度を示したものである。このプロセスの間、遠隔プラズマ源への７００ｓｃｃｍのアルゴンの流れが維持され、一方、ＮＦ_３の流量は、５０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍまで変化した。視線幾何学は、食刻速度が約５倍以上速くなることを示しており、したがって、一様に実施することができる場合、好ましい幾何学である。そのためには、図３に示される幾何構造は、図４に示される幾何構造より、イオン源電離箱４４のより良好な食刻一様性を提供しなければならない。また、この試験は、食刻に敏感なコンポーネントをある程度保護するためには、ガスの流れから遮蔽されたこれらのコンポーネントの位置が有効であることを示す。

自己浄化イオン生成システムのコンポーネントの寿命を長くするために、反応性ガスに対して耐性のある構造材料が選択され、また、敏感なコンポーネントを遮蔽するための準備を施すことができる。

上で説明したように、電離箱の内部にアルミニウムが使用される場合、アルミニウムコンポーネントは反応性ガスフッ素に耐えることができるため、電離反応の温度が許容される。もっと高い温度の電離操作が望ましい場合は、電離箱の表面または抽出電極にアルミニウム−炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）合金が選択されることが望ましい。電離箱内の表面のための他の材料は、ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。

フッ素に露出されるが、電離反応には露出されないコンポーネント、たとえば電極などの電子源コンポーネントの場合、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ、耐フッ素性ステンレス鋼およびニッケルめっき金属、たとえばニッケルめっきモリブデンを使用してそのコンポーネントを製造することができる。

不活性ガス遮蔽および可動物理障壁は、いずれも、浄化中、システムのコンポーネントを反応性ガスから保護することができる。たとえば、図７Ａを参照すると、図には示されないが、たとえばアルゴンなどの不活性ガスのためのコンジット１１３がガス源から展開している。コンジット１１３の出口は、浄化サイクルが起動された場合に、不活性ガスの流れが保護すべきコンポーネントに満ち溢れるよう、イオン源内の戦略的な位置に配置されている。図７Ａでは、不活性ガスコンジット１１３の出口１１３ａは、溢れ出るアルゴンの流れを、電子放出カソードを含む電子銃１１２の能動コンポーネントの方へ向けている。また、図７Ａには、浄化サイクルのための位置へ移動させることができる可動遮蔽部材７３が示される。図に示される実施例では、この可動遮蔽部材７３は、ビームダンプ７２の方に向かっているか、あるいは電離箱４４のその面にもう１つの電子銃が提供されている場合、その電子銃の方に向かっている開口７１Ａの上方へ移動させることができる。

上で説明した浄化プロセスは、電離箱の中および図７の新規なイオン源１０のイオン抽出開口の内部に付着するホウ素付着物に対するその効果を観察するために実施された。観察された食刻速度は、図１５のプロットと同様の特性を有していたが、その速度は１／３であった。したがって流量が５００ｓｃｃｍのＮＦ_３の場合、デカボラン付着物に対する食刻速度は、７μｍ／分（非視線）および３６μｍ／分（視線）であった。０．８ｓｃｃｍの蒸気流量で４時間にわたってデカボランを走らせた後にイオン抽出開口の内部に付着した、浄化に先立つホウ素含有付着物の厚さは約１３３μｍであった。観察は、これらの流量を使用した５分間のＦ浄化の後、および１５分間のＦ浄化の後に実施された。開口プレートの一方の面は、蒸気供給と視線内であった。浄化パターンから、蒸気供給開口は、垂直方向の中心に位置していることが分かった。１５分間の浄化の後、プレートからほぼ完全に付着物が除去された。また、長期間にわたる運転の後、図１０の新規な加熱アルミニウムイオン抽出電極が除去され、検査された。新規な加熱アルミニウムイオン抽出電極は、極めてきれいで、観察可能なデカボラン付着物は存在しなかった。これは、間違いなく、電極を反応性Ｆに露出させたことによるものであった（Ｆは、蒸気コンジットの前面に配置されたイオン源のイオン抽出開口を通って、その直ぐ前面の抽出電極へ流れることができる）。また、Ａｌ電極アセンブリの高められた温度が、その付着物の実効食刻速度を速くした。

電離箱に関しても、同じく１５分間の食刻浄化によってほとんどの付着物が電離箱から除去された。システムが次の方法で反復して循環される試験が実施された。２時間にわたってデカボラン運転される（５００μＡを超える分析ビーム電流）。イオン源がターンオフされ、フィラメントが冷却される。続いて１５分間にわたって、５００ｓｃｃｍのＮＦ_３供給ガスおよび７００ｓｃｃｍのＡｒで化学浄化され、反復化学浄化ステップの実施がイオン源または抽出電極に少しでも有害であるかどうかチェックされる。２１サイクルにわたる試験の後、イオン源または電極の動作特性に測定可能な変化は存在しなかった。この結果は、このＦ浄化プロセスが凝縮可能な種のイオン源運転の極めて長い寿命を可能にすることを示す。

例示的イオン注入器に組み込まれたイオン生成システム
図１６は、図７のイオン源を組み込んだ新規なイオンビーム生成システムの実施形態が設置された商用イオン注入器の基本構成要素を示したものである。イオン源１０は、イオン注入器のイオン源真空ハウジング２０９の中に挿入されている。イオン源１０は、絶縁体２１１によってハウジング２０９から電気的に絶縁されている。イオン抽出電極２２０は、イオン源１０からイオンを抽出し、かつ、加速させてイオンビーム２００を形成する。イオンビーム２００は、真空中をその全体にわたって伝搬し、電極２２０から分析計ハウジング２９０、３００に入り、そこで、ダイポール分析計磁石２３０によって湾曲し、かつ、それらの電荷対質量比によって異なる個別のビームレットに分散する。重要なイオンビームレットが質量分解開口２７０を通過して、最終加速（または減速）ステージ３１０に入る。このようにして生成され、選択され、かつ、加速されたイオンビーム２４０がイオンビーム形成システム２０８から離れ、プロセスチャンバ３３０に導入される。イオンビーム２４０は、そこで、回転円板３１４上の１つまたは複数のデバイスウェーハ３１２によって遮られる。イオン源真空ハウジング２０９は、隔離弁２１０を閉じることによって注入器の真空システムの残りの部分から隔離することができる。たとえば、隔離弁２１０は、イオン源およびイオン抽出電極２２０のインサイチュー浄化に先立って閉められる。抽出電極２２０は、上で説明した任意の方法で温度制御することができる。

以上の教示に照らして、本発明には多くの修正および変形形態が可能であることは明らかである。したがって、特許請求の範囲内において、とりわけ上で説明した以外の方法で本発明を実践することができることを理解されたい。

Claims (35)

1. 低温動作モードを有するイオン源を有するイオン注入システムに使用するために構築されたイオン抽出電極であって、前記イオン抽出電極が、イオン注入のために表面に輸送するためのイオンビームとして前記イオン源からイオンを抽出するように構築かつ適合され、前記イオン抽出電極が、前記イオン源から離れるガスまたは蒸気が前記電極に凝縮するのを阻止するために、前記抽出電極を高められた温度に維持するように構築された制御可能な加熱器と組み合わされたイオン抽出電極。
2. アルミニウムからなる、請求項１に記載のイオン抽出電極。
3. モリブデンからなる、請求項１に記載のイオン抽出電極。
4. アルミニウムからなり、かつ、比較的高い温度動作モードを有するイオン源を有するイオン注入システムに使用するために構築された、請求項１に記載のイオン抽出電極であって、前記イオン抽出電極が、前記イオン源の高温動作中における動作のために冷却デバイスと組み合わされ、かつ、前記電極を約４００Ｃ未満の温度に冷却するために前記加熱器の電力が遮断される、請求項１に記載のイオン抽出電極。
5. 約１５０Ｃと２５０Ｃの間の温度に加熱されるように構築かつ配置された、請求項１に記載のイオン抽出電極。
6. デカボランまたはオクタデカボランのための蒸発器を備えた、低温で動作するイオン源と共に使用するために構築された、請求項１に記載のイオン抽出電極。
7. デカボランおよびオクタデカボランとの交互動作のために約１５０Ｃに加熱することができる、請求項６に記載のイオン抽出電極。
8. 真空ハウジング内の、イオン源に隣接する所定の位置に設置された、注入のためのイオンビームを形成するために前記イオン源から抽出開口を介してイオンを抽出するための、請求項１、２または４に記載のイオン抽出電極を備えたイオン注入システム。
9. 前記イオン抽出電極が、前記真空ハウジング内にある間、反応性ハロゲンを含有したガスへの露出によって定期的に浄化されるようになされた、請求項８に記載のイオン注入システム。
10. 前記電極が、前記イオン源の電離箱からイオン抽出開口を介して発散する、反応性ハロゲンを含有したガスに露出されるようになされた、請求項９に記載のイオン注入システム。
11. イオン源から正に帯電したイオンを抽出するために構築された、請求項１に記載のイオン抽出電極であって、少なくとも２つの電極エレメントを備え、これらの電極エレメントがこれらの電極エレメントを通るイオンビーム経路に沿って連続しており、前記電極エレメントが、前記イオン源に向かう電子の移動を抑制するために、後続する電極エレメントよりさらに負の電圧に維持されるように適合されたサプレッション電極を備えた前記イオン源に最も近くなるように構築された、請求項１に記載のイオン抽出電極。
12. 前記加熱器が、放射によって前記イオン抽出電極を加熱するように構築された、請求項１に記載のイオン抽出電極。
13. イオン注入のために表面に輸送するために、リボン様イオンビームを通過させるように適合された細長いスロット状の開口を有する、請求項１に記載のイオン抽出電極。
14. 前記加熱器が、前記スロット状開口の長辺の各々に配置された加熱器部分を備えた、請求項１３に記載のイオン抽出電極。
15. 前記加熱器が、前記スロット状開口の前記長辺の各々に配置された部分を有する連続電気抵抗エレメントを備えた、請求項１４に記載のイオン抽出電極。
16. 前記加熱器が、前記電気抵抗エレメントが展開している管を備えた管状加熱器を備え、前記管状加熱器の一部が前記スロット状開口の前記長辺の各々に配置された、請求項１５に記載のイオン抽出電極。
17. 前記加熱器が複数の離散カートリッジ加熱器ユニットを備え、前記複数の加熱器ユニットのうちの少なくとも１つが前記スロット状開口の長辺の各々に配置された、請求項１３に記載のイオン抽出電極。
18. 前記抽出電極の少なくとも１つの電極エレメントが、ビーム開口を画定する内部部分および前記内部部分に対して熱伝導関係にある外部部分を備え、前記外部部分が、前記加熱器から放射される熱を吸収するための熱受容表面を画定する、請求項１に記載のイオン抽出電極。
19. 前記熱受容表面が、概ね前記電極を通るビーム経路の範囲の方向に面しており、前記加熱器が、前記熱受容表面からの前記ビーム経路の範囲の方向に間隔を隔てている、請求項１８に記載のイオン抽出電極。
20. 前記熱受容表面が円板の形態である、請求項１９に記載の抽出電極。
21. 熱を吸収するための熱受容表面を個々に有する２つの電極エレメントが存在し、前記加熱器が、前記２つの電極エレメントの前記熱受容表面の間の、それぞれ放射によって加熱する所定の位置に配置された熱ラジエータを備えた、請求項１９に記載のイオン抽出電極。
22. 前記エレメントの各々の前記熱受容表面が円板の形態であり、前記加熱器が、前記ビーム経路を実質的に取り囲むように形成された管状加熱器ユニットを備えた、請求項２１に記載のイオン抽出電極。
23. 前記電極エレメントの間に配置された第３の電極エレメントを有する、請求項２１に記載のイオン抽出電極であって、前記抽出電極の前記第３の電極エレメントが、ビーム開口および前記加熱器から放射される熱を吸収するための熱受容表面の両方を画定する部分を備えた、請求項２１に記載のイオン抽出電極。
24. 前記抽出電極の少なくとも１つの電極エレメントが、ビーム開口および前記加熱器から放射される熱を吸収するための熱受容表面の両方を画定する部分を備えた、請求項１に記載のイオン抽出電極。
25. 前記低温で動作するイオン源が、デカボランまたはオクタデカボランのための蒸発器を備えた、請求項８に記載のイオン注入システム。
26. デカボランおよびオクタデカボランとの交互動作のために前記イオン抽出電極を約１５
    ０Ｃに加熱することができる、 請求項２９に記載のイオン注入システム。
27. 真空ハウジング内の、イオン源に隣接する所定の位置に設置された、注入のためのイオンビームを形成するために前記イオン源から抽出開口を介してイオンを抽出するためのイオン抽出電極を備えたイオン注入システムであって、前記イオン源が高温動作モードを有し、前記イオン抽出電極がアルミニウムからなり、前記イオン源が高温で動作している間の動作のために、前記電極を約４００Ｃ未満の温度に冷却するための冷却デバイスと組み合わされたイオン注入システム。
28. 前記電極が、前記真空ハウジング内にある間、反応性ハロゲンを含有したガスへの露出によって定期的に浄化されるようになされた、請求項２７に記載のイオン注入システム。
29. 前記電極が、前記イオン源の電離箱からイオン抽出開口を介して発散する、反応性ハロゲンを含有したガスに露出されるようになされた、請求項２８に記載のイオン注入システム。
30. 真空ハウジング内の、イオン源に隣接する所定の位置に設置するための、注入のためのイオンビームを形成するために前記イオン源から抽出開口を介してイオンを抽出するためのイオン抽出電極であって、前記イオン源が高温動作モードを有し、前記イオン抽出電極がアルミニウムからなり、前記イオン源が高温で動作している間の動作のために、前記電極を約４００Ｃ未満の温度に冷却するための冷却デバイスと組み合わされたイオン抽出電極。
31. イオン注入のために表面に輸送するためのイオンビームを生成するためにイオン源および抽出電極を使用した、イオン注入のためのイオンビームを生成する方法であって、電気加熱器を使用して前記抽出電極を加熱するステップを含む方法。
32. 前記イオン源が選択された温度で動作し、前記抽出電極が電気加熱によって前記選択された温度より高い温度に維持される、請求項３１に記載の方法。
33. 前記イオン源を使用して、選択されたホウ水素化物のイオンが生成され、また、前記抽出電極が、約１５０Ｃと２５０Ｃの範囲の温度に加熱される、請求項３２に記載の方法。
34. 前記イオン源を使用して、デカボランまたはオクタデカボランのイオンが生成され、また、前記抽出電極が約１５０Ｃに加熱される、請求項３３に記載の方法。
35. 加熱するステップが電気加熱器からの放射による、請求項３１に記載の方法。
    

Images