JP2022500830A - 固体ドーパント材料のための挿入可能なターゲットホルダ - Google Patents

Abstract

固体ドーパント材料を保持するための挿入可能なターゲットホルダを有するイオン源が開示される。挿入可能なターゲットホルダは、固体ドーパント材料が配置されるポケット又は空洞を含む。固体ドーパント材料が溶融するとき、固体ドーパント材料はポケット内に含まれたままであるため、アークチャンバを損傷又は劣化させることはない。加えて、ターゲットホルダは、ポケットが少なくとも部分的にアークチャンバ内にある１つ又は複数の位置から、ポケットが完全にアークチャンバの外側にある１つ又は複数の位置まで移動させることができる。特定の実施形態では、ポケットの開放された上部の少なくとも一部を覆うために、スリーブが使用されうる。【選択図】図１Ａ

Description

本出願は、２０１８年９月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／７３３，３５３号に対する優先権を主張し、その開示は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。

本開示の実施形態は、イオン源に関し、より詳細には、固体ドーパント材料を保持するための挿入可能なターゲットホルダを有するイオン源に関する。

半導体処理装置で使用されるイオンを生成するために、様々なタイプのイオン源が使用されうる。例えば、間接的に加熱されるカソード（ＩＨＣ）イオン源は、カソードの背後に配置されたフィラメントに電流を供給することによって動作する。フィラメントは熱イオン電子を放出し、それらの電子がカソードに向かって加速してカソードを加熱し、次にカソードにイオン源のアークチャンバ内に電子を放出させる。カソードは、アークチャンバの一端に配置される。リペラは、カソードの反対側のアークチャンバの端に配置されうる。カソード及びリペラは、電子を反発させ、それらをアークチャンバの中心に向かって戻すようにバイアスされうる。いくつかの実施形態では、電子をアークチャンバ内に更に閉じ込めるために、磁場が使用される。アークチャンバの２つの端を接続するために、複数の側面が使用される。

アークチャンバの中心に近接し、これらの側面のうちの１つに沿って、抽出開孔が配置され、その抽出開孔を通して、アークチャンバ内に生成されたイオンが抽出されうる。

特定の実施形態では、固体形態の材料をドーパント種として利用することが望ましい場合がある。しかしながら、ＩＨＣイオン源と共に固体ドーパント材料を使用することに関連した問題がある。例えば、ＩＨＣイオン源の高温環境では、金属スパッタターゲットは、溶融し、滴下し、液体金属が流れてアークチャンバに溜まると、概してアークチャンバを劣化させ、破壊する傾向がある。結果として、対象となるドーパントを含有するセラミックは、概して、固体ドーパント材料として使用されるが、これは、これらのセラミックがより高い溶融温度を有しているためである。しかしながら、これらのセラミック材料が生成する、対象となるドーパントのビーム電流は、通常、より少なくなる。金属スパッタターゲットが溶融時に滴下又は変形することなくその形状を維持できれば、ドーパントビーム電流の著しい増加を実現することができるだろう。

したがって、特定の金属などの、溶融温度が低い固体ドーパント材料と共に使用することができるイオン源が有益だろう。更に、イオン源が固体ドーパント材料によって汚染されていなければ、有利だろう。加えて、アークチャンバが他のプロセスのための固体材料なしで利用できれば、有利だろう。

固体ドーパント材料を保持するための挿入可能なターゲットホルダを有するイオン源が開示される。この挿入可能なターゲットホルダは、固体ドーパント材料が配置されるポケット又は空洞を含む。固体ドーパント材料が溶融するとき、固体ドーパント材料はポケット内に含まれたままであるため、アークチャンバを損傷又は劣化させることはない。加えて、ターゲットホルダは、ポケットが少なくとも部分的にアークチャンバ内にある１つ又は複数の位置から、ポケットが完全にアークチャンバの外側にある１つ又は複数の位置まで移動させることができる。特定の実施形態では、ポケットの開放された上部の少なくとも一部を覆うために、スリーブが使用されうる。

１つの実施形態によれば、間接的に加熱されるカソードイオン源が開示される。この間接的に加熱されたカソードイオン源は、第１の端と第２の端を接続する複数の壁を備えるアークチャンバと、アークチャンバの第１の端に配置された間接的に加熱されるカソードと、ドーパント材料を保持するためのポケットを有するターゲットホルダとを備え、ターゲットホルダは、重力がターゲットホルダ内にドーパント材料を保持するように、アークチャンバ内に配向され、複数の壁のうちの１つを通ってアークチャンバに進入し、ポケットがアークチャンバの外側にある第１の位置と、ポケットの少なくとも一部がアークチャンバ内に配置される第２の位置とを有する。特定の実施形態では、イオン源は、ターゲットホルダを第１の位置から第２の位置まで移動させるために、ターゲットホルダと連絡するアクチュエータを備える。いくつかの実施形態では、ポケットは、底面、複数の側壁、及び開放された上部を備える。特定の更なる実施形態では、ターゲットホルダの上に配置され、開放された上部の少なくとも一部を覆うスリーブが配置される。特定の更なる実施形態では、スリーブが、ターゲットホルダの一部を取り囲み、開放された上部の少なくとも一部を覆う。いくつかの実施形態では、ターゲットホルダは、囲まれたポケットを備える。いくつかの更なる実施形態では、ターゲットホルダは、囲まれたポケットからターゲットホルダの外部への導管を備える。特定の更なる実施形態では、ターゲットホルダは、多孔質材料で作られる。特定の更なる実施形態では、ターゲットホルダは、囲まれたポケットへのアクセスを可能にするために、取り外し可能なシールを備える。いくつかの実施形態では、ターゲットホルダは、加熱要素を含む。特定の実施形態では、ターゲットホルダは、アークチャンバに対して電気的にバイアスされる。

別の実施形態によれば、間接的に加熱されるカソードイオン源が開示される。この間接的に加熱されるカソードイオン源は、第１の端と第２の端を接続する複数の壁を備えるアークチャンバと、アークチャンバの第１の端に配置された間接的に加熱されるカソードと、ドーパント材料を保持するためのポケットを有するターゲットホルダとを備え、ターゲットホルダは、第２の端に配置され、ポケットの少なくとも一部がアークチャンバ内に配置される第１の位置と、ポケットがアークチャンバの外側に配置される第２の位置とを有する。特定の実施形態では、ターゲットホルダが第２の位置にあるとき、ターゲットホルダの上面は、アークチャンバの第２の端として機能する。いくつかの実施形態では、イオン源は、ターゲットホルダを第１の位置から第２の位置まで移動させるために、ターゲットホルダと連絡しているアクチュエータを備える。特定の実施形態では、ポケットは、底面、複数の側壁、及び開放された上部を備える。

別の実施形態によれば、間接的に加熱されるカソードイオン源が開示される。この間接的に加熱されたカソードイオン源は、ハウジングと、第１の端と第２の端を接続する複数の壁を備えるアークチャンバと、アークチャンバの第１の端に配置された間接的に加熱されるカソードと、ドーパント材料を保持するためのポケットを有するターゲットホルダであって、アークチャンバに進入するターゲットホルダと、ハウジング及びターゲットホルダと連絡するアクチュエータとを備え、ターゲットホルダは、ポケットの少なくとも一部がアークチャンバ内に配置される第１の位置と、ポケットがアークチャンバの外側に配置される第２の位置とを有する。特定の実施形態では、ターゲットホルダは、複数の壁のうちの１つを通ってアークチャンバに進入する。特定の実施形態では、ターゲットホルダは、第２の端に配置される。いくつかの実施形態では、イオン源は、第３の位置を備え、ここで、ポケットは、アークチャンバの外側に配置され、ターゲットホルダは、ターゲットホルダが第３の位置にある間にドーパント材料が気化するように、アークチャンバと熱連絡している。

別の実施形態によれば、上記の間接的に加熱されるカソードイオン源を使用して異なるドーパントをイオン化する方法が開示される。この方法は、固体形態のドーパントをターゲットホルダのポケット内に配置することと、ガスを導入しイオン化して、プラズマを生成することと、ポケットがアークチャンバ内に配置されるようにアクチュエータを作動させることと、ドーパントを含むイオンを間接的に加熱されるカソードイオン源から抽出することと、ポケットがアークチャンバの外側に配置されるようにアクチュエータを後退させることと、アークチャンバ内に第２のドーパントを含む第２のガスを導入しイオン化することと、第２のドーパントを含むイオンを間接的に加熱されるカソードイオン源から抽出することとを含む。

本開示をより良く理解するために、添付図面を参照する。これらの図面は、参照することにより本明細書に組み込まれる。

１つの実施形態による挿入可能なターゲットホルダを有する間接的に加熱されるカソード（ＩＨＣ）イオン源である。 １つの実施形態による挿入可能なターゲットホルダを有する間接的に加熱されるカソード（ＩＨＣ）イオン源である。 挿入可能なターゲットホルダが後退した、図１ＡのＩＨＣイオン源である。 Ａ−Ｃは、図１Ａ−１Ｂの挿入可能なターゲットホルダの３つの図を示す。 別の実施形態による挿入可能なターゲットホルダを有する間接的に加熱されるカソード（ＩＨＣ）イオン源である。 挿入可能なターゲットホルダが後退した、図４のＩＨＣイオン源である。 Ａ−Ｄは、実施形態のいずれかと共に使用されうる様々なターゲットホルダを示す。 本明細書に記載のＩＨＣイオン源の操作方法を示す。 Ａ−Ｂは、スリーブを有する挿入可能なターゲットホルダの別の実施形態を示す。

上述のように、溶融点が低い固体ドーパント材料は、液体が流れアークチャンバ内に溜まると、液体に変わり、滴下し、アークチャンバを劣化させる傾向がある。

図１Ａは、これらの問題を克服するターゲットホルダを有するＩＨＣイオン源１０を示す。ＩＨＣイオン源１０は、２つの反対側の端と、これらの端に接続する壁１０１とを備えるアークチャンバ１００を含む。アークチャンバ１００の壁１０１は、導電性材料で構成され、互いに電気的に連絡しうる。いくつかの実施形態では、壁１０１のうちの１つ又は複数に近接して、ライナが配置されてもよい。カソード１１０は、アークチャンバ１００の第１の端１０４においてアークチャンバ１００内に配置される。フィラメント１６０は、カソード１１０の背後に配置される。フィラメント１６０は、フィラメント電源１６５と連絡している。フィラメント電源１６５は、電流をフィラメント１６０に流し、フィラメント１６０が熱イオン電子を放出するように構成される。カソードバイアス電源１１５は、フィラメント１６０をカソード１１０に対して負にバイアスするため、これらの熱イオン電子は、フィラメント１６０からカソード１１０に向かって加速され、これらの熱イオン電子がカソード１１０の裏面に当たると、カソード１１０を加熱する。カソードバイアス電源１１５は、例えば、カソード１１０の電圧よりも負に２００Ｖから１５００Ｖの間にある電圧を有するように、フィラメント１６０をバイアスしうる。次いで、カソード１１０は、その前面の熱イオン電子をアークチャンバ１００内に放出する。

これにより、フィラメント電源１６５は、フィラメント１６０に電流を供給する。カソードバイアス電源１１５は、フィラメント１６０をバイアスしてカソード１１０よりも負になるようにし、その結果、電子がフィラメント１６０からカソード１１０に向かって引き寄せられる。特定の実施形態では、カソード１１０は、バイアス電源１１１などによって、アークチャンバ１００に対してバイアスされうる。他の実施形態では、カソード１１０は、アークチャンバ１００の壁１０１と同じ電圧になるように、アークチャンバ１００に電気的に接続されうる。これらの実施形態では、バイアス電源１１１が用いられなくてもよく、カソード１１０は、アークチャンバ１００の壁１０１に電気的に接続されうる。特定の実施形態では、アークチャンバ１００は、電気接地に接続される。

第１の端１０４の反対側の第２の端１０５には、リペラ１２０が配置されうる。リペラ１２０は、リペラバイアス電源１２３によって、アークチャンバ１００に対してバイアスされうる。他の実施形態では、リペラ１２０は、アークチャンバ１００の壁１０１と同じ電圧になるように、アークチャンバ１００に電気的に接続されうる。これらの実施形態では、リペラバイアス電源１２３が用いられなくてもよく、リペラ１２０は、アークチャンバ１００の壁１０１に電気的に接続されうる。更に他の実施形態では、リペラ１２０が用いられない。

カソード１１０及びリペラ１２０は各々、金属又はグラファイトなどの導電性材料から作られる。

特定の実施形態では、アークチャンバ１００内に磁場が生成される。この磁場は、電子を１つの方向に沿って閉じ込めることを目的とする。磁場は、通常、第１の端１０４から第２の端１０５まで、壁１０１に平行に通っている。例えば、電子は、カソード１１０からリペラ１２０への方向（即ち、ｙ方向）に平行なカラム内に閉じ込められうる。したがって、電子は、ｙ方向に動く電磁力をまったく受けない。しかし、他の方向への電子の移動は、電磁力を受けうる。

抽出プレート１０３と呼ばれるアークチャンバ１００の一方の側に、抽出開孔１４０が配置される。図１Ａにおいて、抽出開孔１４０は、Ｙ−Ｚ平面に対して平行な（ページに対して垂直な）側に配置される。更に、ＩＨＣイオン源１０はまた、イオン化されるガスがアークチャンバ１００に導入されうるガス入口１０６を備える。

特定の実施形態において、第１の電極及び第２の電極が抽出プレート１０３に隣接する壁のアークチャンバ１００内にあるように、第１の電極及び第２の電極は、アークチャンバ１００のそれぞれの反対の壁１０１上に配置されうる。第１の電極及び第２の電極は各々、それぞれの電源によってバイアスされうる。特定の実施形態では、第１の電極及び第２の電極は、共通の電源と連絡されうる。しかしながら、他の実施形態では、最大限の柔軟性とＩＨＣイオン源１０の出力を調整する能力を可能にするために、第１の電極は、第１の電極電源と連絡し、第２の電極は、第２の電極電源と連絡しうる。

コントローラ１８０は、これらの電源によって供給される電圧又は電流が修正されうるように、電源の１つ又は複数と連絡しうる。コントローラ１８０は、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ、専用コントローラ、又は別の適切な処理ユニットといった処理ユニットを含みうる。コントローラ１８０はまた、半導体メモリ、磁気メモリ、又は別の適切なメモリといった非一時的ストレージ要素を含みうる。この非一時的ストレージ要素は、コントローラ１８０が本明細書に記載の機能を実行できるようにする命令及び他のデータを含みうる。

ＩＨＣイオン源１０はまた、アークチャンバ１００内に挿入され、そこから後退させることができるターゲットホルダ１９０を含む。図１Ａの実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、アークチャンバ１００の壁１０１のうちの１つに沿ってアークチャンバに進入する。特定の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、第１の端１０４と第２の端１０５との間の中央平面でアークチャンバ１００に進入しうる。別の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、中央平面とは異なる位置でアークチャンバ１００に進入してもよい。図１Ａに示す実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、抽出開孔１４０とは反対側を通ってアークチャンバ１００に進入する。しかしながら、他の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、抽出プレート１０３に隣接する側を通って進入してもよい。

ターゲットホルダ１９０は、ドーパント材料１９５が配置されうる空洞又はポケット１９１を有する。ポケット１９１は、底面と、底面から上に向かって延びる側壁とを有しうる。特定の実施形態では、側壁は垂直でありうる。他の実施形態では、側壁は、底面から外に向かって傾斜しうる。いくつかの実施形態では、側壁及び底面は、丸みを帯びたエッジで合流する。底面及び側壁は、底部で閉じられる空洞を形成する。言い換えれば、従来のカップと同様に、ドーパント材料１９５は、開放された上部を介して挿入又は取り外され、一方で、側壁及び底面は、ドーパント材料１９５が出られない密閉された構造を形成する。別の実施形態では、ポケット１９１は、底面を含まなくてもよい。むしろ、側壁は、まとまって先細り、底部の一点で合流しうる。更に別の実施形態では、ポケット１９１は半球形でありうる。

インジウム、アルミニウム、アンチモン又はガリウムのようなドーパント材料１９５は、ターゲットホルダ１９０のポケット１９１内に配置されうる。ドーパント材料１９５は、ポケット１９１内に配置されるとき、固体の形態でありうる。これは、材料のブロック、やすり粉、削り屑、ボール、又は他の形状の形態でありうる。特定の実施形態では、ドーパント材料１９５は、溶融し、液体になりうる。したがって、ある実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、開放端が上を向き、密閉された底部が下を向くように、アークチャンバ１００に進入するよう構成され、その結果、溶融されたドーパント材料１９５は、ターゲットホルダ１９０からアークチャンバ１００内に流入できず、むしろターゲットホルダ１９０内に留まる。換言すれば、ＩＨＣイオン源１０及びターゲットホルダ１９０は、ドーパント材料１９５が重力によってポケット１９１内に保持されるように、配向される。

動作中、フィラメント電源１６５は、電流をフィラメント１６０に流し、これによりフィラメント１６０に熱イオン電子を放出させる。これらの電子は、フィラメント１６０よりも正でありうるカソード１１０の裏面に当たって、カソード１１０を加熱させ、それによって次に、カソード１１０は、電子をアークチャンバ１００内に放出する。これらの電子は、ガス入口１０６を通ってアークチャンバ１００内に供給されるガスの分子と衝突する。アルゴンなどのキャリアガス、又はフッ素などのエッチングガスが、適切に配置されたガス入口１０６を通してアークチャンバ１００に導入されうる。カソード１１０からの電子と、ガスと、正電位との組み合わせが、プラズマを生成する。特定の実施形態では、電子及び陽イオンは、磁場によっていくらか閉じ込められうる。特定の実施形態では、プラズマは、抽出開孔１４０に近接して、アークチャンバ１００の中心付近に閉じ込められる。プラズマによる化学エッチング又はスパッタリングは、ドーパント材料１９５を気相に変換し、イオン化を引き起こす。イオン化された供給材料は、次いで、抽出開孔１４０を通して抽出され、イオンビームを準備するために使用することができる。

ドーパント材料１９５からスパッタされるか又は他の方法で放出される負イオン及び中性原子は、プラズマに向かって引き付けられるが、これは、プラズマがターゲットホルダ１９０よりも正の電圧に維持されるからである。

特定の実施形態では、ドーパント材料１９５は、プラズマによって生成された熱によって加熱され、気化される。しかしながら、他の実施形態では、ドーパント材料１９５は、追加の手段によっても加熱されうる。例えば、ドーパント材料１９５を更に加熱するために、加熱要素がターゲットホルダ１９０内に配置されうる。加熱要素は、抵抗加熱要素、又は何らかの他のタイプのヒータでありうる。

特定の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、導電性材料で作られ、接地されうる。別の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、導電性材料から作られ、電気的に浮遊されうる。別の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、導電性材料から作られ、壁１０１と同じ電圧で維持されうる。他の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、絶縁材料から作られうる。

更に別の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、アークチャンバ１００に対して電気的にバイアスされうる。例えば、ターゲットホルダ１９０は、導電性材料から作られ、壁１０１とは異なる電圧になるように、独立した電源（図示せず）によってバイアスされうる。この電圧は、壁１０１に印加される電圧よりも、より正又はより負でありうる。このようにして、ドーパント材料１９５をスパッタするために、電気バイアスが使用されうる。

ターゲットホルダ１９０は、アクチュエータ２００の一端と連絡している。アクチュエータ２００の反対側の端は、支持体２１０と連絡しうる。特定の実施形態では、この支持体２１０は、ＩＨＣイオン源１０のハウジングでありうる。特定の実施形態では、アクチュエータ２００は、その全変位を変更可能でありうる。例えば、アクチュエータ２００は、伸縮設計でありうる。

図１Ａは、カソード１１０がポケット１９１の開放端に面するアークチャンバ１００の第１の端１０４に配置されているＩＨＣイオン源１０を示す。しかし、他の態様も可能である。

図１Ｂは、カソード１１０がアークチャンバ９０１の第２の端１０５に配置されているイオン源９００を示す。図１Ａに示したものと同じ機能を有する構成要素には、同一の参照記号表示が付与されている。この第２の端１０５は、ポケット１９１の密閉された底部に面する端である。

図１Ｂの実施形態は、ポケット１９１内のドーパント材料１９５の動作温度を低下させうる。いくつかの実施形態では、カソード１１０に直接露出されるポケット１９１の部分は、リペラ１２０に露出されるポケット１９１の部分よりも高い温度でありうる。ポケット１９１に対するカソード１１０及びリペラ１２０の位置を交換することにより、ポケット１９１の開放端は、ここで、カソード１１０よりも低い温度でありうるリペラ１２０に面する。特定の実施形態では、ドーパント材料１９５の動作温度を低下させることにより、アークチャンバ内へのドーパント材料１９５の気化速度を低下させ、その結果、ドーパント材料１９５の消費速度を低下させうる。これにより、ポケット１９１内のドーパント材料１９５のその後の再充填の間の時間が増加しうる。

図２は、アクチュエータ２００が後退位置にある、図１ＡのＩＨＣイオン源１０を示す。この位置では、ポケット１９１は、アークチャンバ１００の完全に外側にある。特定の実施形態では、ポケット１９１がアークチャンバ１００の外側にあるときに、ドーパント材料１９５が冷却する。このようにして、アクチュエータ２００が後退位置にあるときには、アークチャンバに進入するドーパント材料１９５はない。

図１Ａ及び図１Ｂは、完全にアークチャンバ１００内にあるポケット１９１を示し、図２は、完全にアークチャンバ１００の外側にあるポケット１９１を示すが、他の位置付けも可能でありうる。ターゲットホルダ１９０がアークチャンバ１００内に挿入される距離を制御することによって、ターゲットホルダ１９０及びドーパント材料１９５の温度が制御されうる。更に、ターゲットホルダ１９０がアークチャンバ１００内に挿入される距離を制御することによって、アークチャンバ１００に露出されてエッチングされるドーパント材料１９５の表面積も決定される。

これらの要因は、ドーパント材料１９５から達成されるドーパントビーム電流の量を決定しうる。更に、ターゲットホルダ１９０が完全に後退される場合、ドーパントビーム電流は、ゼロになりうる。これにより、相互汚染の危険なしに、他のドーパント種をＩＨＣイオン源１０で使用することができる。言い換えれば、アクチュエータ２００を後退させると、ポケット１９１内に配置されたドーパント材料１９５からの汚染なしに、異なるドーパント種がガス入口１０６を通して導入され、イオン化されうる。

特定の実施形態では、ターゲットホルダ１９０をアークチャンバ１００に挿入せず、ドーパント材料１９５が加熱され、蒸気がアークチャンバ１００に進入するように十分に近接して配置することが可能になりうる。例えば、ターゲットホルダ１９０は、熱伝導率の高い材料で作られうる。このようにして、ターゲットホルダ１９０がアークチャンバ１００に接近している場合、図２に示すように、ターゲットホルダ１９０が後退している場合であっても、プラズマからの熱がドーパント材料１９５に伝達され、気化したドーパント材料がアークチャンバ１００に進入しうる。

この実施形態では、ターゲットホルダ１９０が依然としてアークチャンバ１００と熱連絡しており、ドーパント材料１９５が気化される第１の後退位置が存在しうる。また、ターゲットホルダ１９０がアークチャンバ１００から更に離れて移動され、ドーパント材料１９５が気化されない第２の後退位置も存在しうる。この第２の後退位置では、交互汚染の危険なしに、異なるドーパントがアークチャンバ内に導入されうる。

言い換えると、特定の実施形態では、ターゲットホルダ１９０は、少なくとも３つの異なる位置、即ち、ポケット１９１の少なくとも一部がアークチャンバ１００内に配置される第１の位置、ポケット１９１がアークチャンバ１００の外側に配置される第２の位置、及びポケット１９１がアークチャンバ１００の外側に配置されるが、ドーパント材料１９５が気化するようにアークチャンバ１００となおも熱的に連絡している第３の位置に配置されうる。

図３Ａ−３Ｃは、ターゲットホルダ１９０をより詳細に示す。図３Ａは、ターゲットホルダ１９０の斜視図を示す。図３Ｂは、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面に沿って切り取られた断面図を示す。図３Ｃは、Ｙ−Ｚ平面に平行な平面に沿って切り取られた断面図を示す。

ターゲットホルダ１９０のための材料は、アークチャンバ１００内の高温に耐えることができるように選択される。更に、材料は、液体と適合性がありうる。また、材料は、少なくとも、ドーパント材料１９５と同等のエッチング及びスパッタリングに対する耐性がありうる。これらの特性を有する材料には、タングステン、タンタル及びモリブデンなどの高融点金属、並びにアルミナ及びグラファイトなどのセラミックを含むものがある。

更に、特定の実施形態では、ドーパント材料１９５は、ターゲットホルダ１９０よりも大きい熱膨張係数を有しうる。したがって、ドーパント材料１９５が溶融する前に、体積が膨張し、ポケット１９１の側壁に機械的応力を加え、場合によってはターゲットホルダ１９０の亀裂又は破損を引き起こしうる。したがって、特定の実施形態では、ターゲットホルダ１９０の側壁は、熱膨張からの応力を最小限に抑え、鋭角のコーナー又はエッジといった任意の高応力変曲点を除去するように設計される。側壁の抜き勾配（ｄｒａｆｔ ａｎｇｌｅ）はまた、膨張を通して誘導される熱応力を導くように修正され最適化されうる。図３Ｃには、抜き勾配が最もよく示されている。

図４は、ターゲットホルダがアークチャンバ１００の第２の端として機能する別の実施形態を示す。図１Ａに示したものと同じ機能を有する構成要素には、同一の参照記号表示が付与されている。

この実施形態では、ターゲットホルダ３００は、ドーパント材料１９５が配置されうる空洞又はポケット３１０を有する。この実施形態では、ターゲットホルダ３００は、アクチュエータ２００の一端と連絡している。アクチュエータ２００の反対側の端は、ＩＨＣイオン源１０のハウジングなどの支持体２１０と連絡しうる。

図５は、アクチュエータ２００が後退した場合の図４の実施形態を示す。この構成では、ターゲットホルダ３００の上面３０１が、アークチャンバ１００の第２の端となる。ポケット３１０は、後退位置でアークチャンバ１００の外側にある。これにより、固体ドーパント材料１９５を露出させることなく、他の種の動作が可能になる。

また図４−５の実施形態により、ターゲットホルダ３００自体のサイズ及び構造に対して、より大きな柔軟性が可能になりうる。またこの実施形態により、アークチャンバ１００の構成に対して、より多くの柔軟性が可能になりうる。この実施形態はまた、ドーパント材料１９５とプラズマとの間により直接的な相互作用を提供しうる。

図１−２及び図４−５は、特に成形されたポケット１９１を有するターゲットホルダ１９０を示す。しかしながら、本開示は、この構成に限定されない。図６Ａは、図１−２及び４−５で使用されたターゲットホルダ１９０を示す。

図６Ｂは、囲まれたポケット４０１を有するターゲットホルダ４００を示す。ターゲットホルダ４００は、その上面に、外部環境を囲まれたポケット４０１に接続する導管４０３を有している。取り外し可能なシール４０２は、囲まれたポケット４０１の１つの表面を形成する。囲まれたポケット４０１内にドーパント材料を導入するために、取り外し可能なシール４０２が取り外される。次に、ドーパント材料が、囲まれたポケット４０１内に導入される。次に、取り外し可能なシール４０２が交換される。ターゲットホルダ４００は、導管４０３が上面又はその近傍にあるように、アークチャンバ１００内に導入される。この実施形態では、ドーパント材料は、囲まれたポケット４０１の内側で溶融する。温度が上昇するにつれて、ドーパント材料は気化又は昇華しうる。これにより、これらの固体ターゲット材料をエッチングするために典型的に使用されるフッ素化ガスよりむしろ、アルゴンなどの不活性ガスが使用可能となりうる。フッ素化プラズマでよりむしろアルゴンプラズマを実行できると、はるかに大きいソース寿命及び安定性がもたらされうる。

図６Ｃは、囲まれたポケット４１１を有するターゲットホルダ４１０を示す。図６Ｂの実施形態とは異なり、このターゲットホルダ４１０は導管を有していない。むしろ、ターゲットホルダ４１０は、多孔質タングステンなどの多孔質材料から構成されうる。図６Ｂの実施形態と同様に、ターゲットホルダ４１０は、ドーパント材料が導入されうる取り外し可能なシール４１２を有する。

図６Ｄは、ターゲットホルダ４２０の別の実施形態を示す。この実施形態では、ポケット４２１は、より円錐形でありうる。例えば、ポケット４２１は、円錐台形状でありうる。この形状は、ドーパント材料及びターゲットホルダ４２０の熱膨張係数の差に適応するのに役立ちうる。

ターゲットホルダ１９０がアクチュエータ２００と連絡しているので、固体ドーパントからイオンを抽出するためにＩＨＣイオン源１０を利用し、かつ供給ガスからイオンを抽出するためにＩＨＣイオン源１０を利用することも可能である。

図７は、ＩＨＣイオン源１０の動作を示すフローチャートを示す。この方法は、図１−２に示すＩＨＣ源又は図４−５に示すＩＨＣ源に使用することができる。まず、プロセス７００に示すように、固体ドーパント材料がターゲットホルダ１９０のポケット１９１内に配置される。ガスは、プロセス７１０に示されるように、ガス入口１０６を通ってアークチャンバ１００内に導入され、プラズマを生成するためにイオン化される。使用されるガスは、アルゴンなどの不活性ガスであってもよく、又はハロゲンガスであってもよい。次に、プロセス７２０に示すように、ポケット１９１の少なくとも一部がアークチャンバ１００内に配置されるように、ターゲットホルダ１９０が移動される。これら２つの処理は、逆の順序で実行されてもよい。プラズマは、固体ドーパントを昇華又はスパッタさせ、ドーパントのイオンを生成する。次に、プロセス７３０に示すように、ドーパントを含むこれらのイオンをアークチャンバ１００から抽出する。

その後、プロセス７４０に示すように、ターゲットホルダ１９０をアークチャンバから後退させ、ポケットがアークチャンバ１００の外側に配置されるようになる。次に、プロセス７５０に示すように、第２のドーパントを含む新しいガスがアークチャンバ１００に導入され、プラズマにイオン化される。ポケット１９１はここではアークチャンバの外側にあるので、固体ドーパントによる汚染はない。次に、プロセス７６０に示すように、第２のドーパントを含むイオンがアークチャンバ１００から抽出される。

加えて、ターゲットホルダは、スリーブを有するように構成されうる。図８Ａ−８Ｂは、スリーブ８３０を有するターゲットホルダ８００の別の実施形態を示す。他の実施形態と同様に、ターゲットホルダ８００は、アクチュエータ２００と連絡しうる。ターゲットホルダ８００はまた、ポケット８１０を有しうる。上述のように、ポケット８１０は、底面と、底面から上に向かって延びる側壁とを有しうる。特定の実施形態では、側壁は垂直でありうる。他の実施形態では、側壁は、底面から外に向かって傾斜しうる。いくつかの実施形態では、側壁及び底面は、丸みを帯びたエッジで合流する。底面及び側壁は、底部で閉じられる空洞又はポケット８１０を形成する。言い換えれば、従来のカップと同様に、ドーパント材料１９５は、開放された上部を介して挿入又は取り外され、一方で、側壁及び底面は、ドーパント材料１９５が出られない密閉された構造を形成する。別の実施形態では、ポケット８１０は、底面を含まなくてもよい。むしろ、側壁は、まとまって先細り、底部の一点で合流しうる。更に別の実施形態では、ポケット８１０は半球形でありうる。

スリーブ８３０は、ポケット８１０の一部を覆うために使用されうる。スリーブ８３０の材料は、アークチャンバ内の高温に耐えることができるように選択されうる。更に、材料は、液体と適合性がありうる。また、材料は、少なくとも、ドーパント材料１９５と同等のエッチング及びスパッタリングに対する耐性がありうる。これらの特性を有する材料には、タングステン、タンタル及びモリブデンなどの高融点金属、並びにアルミナ及びグラファイトなどのセラミックを含むものがある。

スリーブ８３０は、ターゲットホルダ８００の全体を取り囲んでもよく、又はターゲットホルダ８００の一部のみを覆ってもよい。例えば、図８Ａ−８Ｂに示すように、スリーブ８３０は、ターゲットホルダ８００の上をスライドするように寸法が決定されうる。スリーブ８３０は、ポケット８１０の一部を覆う。特定の実施形態では、スリーブ８３０は、ポケット８１０の異なる部分を覆うようにスライドするよう構成されうる。他の実施形態では、各スリーブ８３０は、ポケット８１０の特定の分画を覆うように設計される。例えば、図８Ａでは、スリーブ８３０は、ポケット８１０のおよそ９０％を覆うように設計されている。図８Ｂでは、スリーブ８３０は、ポケット８１０の約８０％を覆うように設計されている。したがって、特定の実施形態では、スリーブ８３０の長さは、ポケット８１０の所定の部分を覆うように変更される。

図８Ａ−８Ｂに示される１つの実施形態では、ターゲットホルダ８００の断面は、スリーブ８３０がターゲットホルダ８００の上をスライドする中空リングであるように、ほぼ円形でありうる。もちろん、ターゲットホルダ８００及びスリーブ８３０は、他の形状を有してもよい。

別の実施形態では、スリーブ８３０は、Ｃ字型状の部品であってもよく、スリーブ８３０が、ターゲットホルダ８００の一部のみを囲む。このスリーブは、ポケット８１０の様々な量を覆うように構成されうる。例えば、Ｃ字型スリーブは、軸方向にスライドされてもよく、又はターゲットホルダ８００を中心に回転させてもよい。別の実施形態では、スリーブのサイズは、調整されてもよい。例えば、Ｃ字型スリーブは、ポケット８１０よりも短く作られてもよい。あるいは、Ｃ字型スリーブの幅が調整されてもよい。ターゲットホルダ８００の断面が円形の場合には、Ｃ字型のスリーブが用いられることに留意されたい。ターゲットホルダ８００の断面が異なる形状を有する場合、スリーブの形状は、ターゲットホルダ８００に一致するように適合されうる。

更に、特定の実施形態では、スリーブ８３０は、クランプ８４０によって適所に保持されうる。

スリーブ８３０は、ドーパント材料１９５からの蒸気がポケット８１０からアークチャンバ内に逃げることができる開口部の面積を減少させる。蒸気がポケット８１０から逃げる面積を減少させることによって、アークチャンバの壁及びアークチャンバ内の他の構成要素への堆積を介して浪費されるドーパント材料の量を減少させる。この面積の減少は、ドーパント材料１９５の消費を減少させるのに役立ち、ドーパント材料１９５のその後の再充填間の時間を増加させうる。

スリーブ８３０はまた、熱反射材料を使用するか、又は熱反射性となるように外に向かう表面を修正することによって、熱シールドとして作用するように構成することができる。この実施形態では、スリーブ８３０は、カソード及びアークチャンバからの熱放射を反射し、ターゲットホルダ１９０及びドーパント材料１９５の温度を下げるだろう。

このターゲットホルダ８００は、図１Ａ−１ＢのＩＨＣイオン源と共に使用されうる。

図は、ポケット８１０の開放された上部が上に向かうように示しているが、他の実施形態も可能である。例えば、ポケット８１０の開放された上部は、アークチャンバの側部に向かうか又は底部に向かうターゲットホルダ８００の表面上に配置されうる。このポケット８１０はまた、ポケット８１０の内部をターゲットホルダ８００の外部と接続する導管を有しうる。例えば、そのような導管は、ターゲットホルダ８００の端又はターゲットホルダ８００の異なる側に配置されうる。この実施形態では、スリーブ８３０は、ターゲットホルダ８００内にドーパント材料を保持するように、ポケット８１０の開放された上部を覆うために使用されうる。ドーパント材料からの蒸気は、導管を介してポケット８１０を出る。開放された上部が上に向かっていなくても、ターゲットホルダ８００は依然として、重力がターゲットホルダ内にドーパント材料を保持するように配向されていることに留意されたい。

本出願において上述した実施形態は、多くの利点を有しうる。挿入可能なターゲットホルダを使用することにより、純金属ドーパントが、それらの溶融温度を超える環境でスパッタターゲットとして使用可能となる。従来、１２００℃を超える溶融温度を有するドーパントを含有する酸化物／セラミック又は他の固体化合物が使用される。純粋な材料ではなくドーパント含有化合物の使用は、利用可能なドーパント材料を著しく希釈する。例えば、純アルミニウムの代わりにＡｌ_２Ｏ_３を使用する場合、セラミック組成物の化学量論により、不純物がプラズマに導入されるだけでなく、対象となるドーパントとの望ましくない質量の一致がもたらされる可能性があり、純粋な元素ターゲットよりも低いビーム電流にもつながる。１つの実験では、純Ａｌスパッタターゲットを使用して最大４．７ｍＡのビーム電流が達成されたが、Ａｌ_２Ｏ_３ターゲットを使用すれば、２ｍＡ未満の最大ビーム電流が達成できるだろう。純金属の使用はまた、同じ金属種の酸化物／セラミックから得られるビーム電流と比較して、多重電荷ビーム電流を５０％−７５％増加させるだろう。挿入可能な容器では、必要なときに大量の純金属へのアクセスが可能であり、他の種を利用するために、固体ターゲットをアークチャンバから安全に取り出すことができる。

固体ターゲットドーパントの別の利点は、それが気化器種よりも優れた同調時間であることである。同調時間は、コールドスタートからの気化器よりも速い。加えて、固体ターゲットドーパントは、単一電荷種から多電荷種に同調する場合に、はるかに速い同調時間を実現する。

更に、別の利点は、固体材料をアークチャンバから容易に除去できることである。これにより、アークチャンバは、相互汚染の危険を伴わずに、他のドーパント及び化学物質のために使用可能となる。

更に、ランタン、インジウム、アルミニウム及びガリウムといった種々の金属ドーパントに対してより高いビーム電流を実現することができる。加えて、気化器種よりむしろ、固体スパッタターゲットを使用することの電荷寿命という利点がある。加えて、液体金属によっては、蒸気圧が十分に低い場合、ドーパント材料を直接昇華させて、ドーパントをエッチングする必要性を排除することができる。その代わりに、アークチャンバ内のプラズマを初期化及び安定化させるために、少量のアルゴンが使用されてもよい。

本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態による範囲内に限定されるものではない。実際、本明細書に記載のものに加えて、本開示の他の様々な実施形態及び修正例が、前記載及び添付図面から当業者には明らかだろう。このため、そのような他の実施形態及び修正例は、本開示の範囲内に含まれると意図される。更に、本開示は、特定の目的のための特定の環境の特定の実施態様の文脈で本明細書に記載されているが、当業者は、その有用性がそれに限定されず、かつ本開示が、有利には、任意の数の目的のために任意の数の環境で実施されうることを認識するだろう。したがって、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載される本開示の全幅及び主旨を考慮して解釈すべきである。

Claims (15)

1. 第１の端と第２の端を接続する複数の壁を備えるアークチャンバと、
   前記アークチャンバの前記第１の端に配置された間接的に加熱されるカソードと、
   ドーパント材料を保持するためのポケットを有するターゲットホルダと
   を備え、前記ターゲットホルダは、重力が前記ターゲットホルダ内に前記ドーパント材料を保持するように、前記アークチャンバ内に配向され、前記複数の壁のうちの１つを通って前記アークチャンバに進入し、前記ポケットが前記アークチャンバの外側にある第１の位置と、前記ポケットの少なくとも一部が前記アークチャンバ内に配置される第２の位置とを有する、間接的に加熱されるカソードイオン源。
2. 前記ポケットが、底面、複数の側壁、及び開放された上部を備える、請求項１に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
3. 前記ターゲットホルダの上に配置され、前記開放された上部の少なくとも一部を覆うスリーブを更に備える、請求項２に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
4. 前記ターゲットホルダが、囲まれたポケットを備える、請求項１に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
5. 前記ターゲットホルダが、前記囲まれたポケットから前記ターゲットホルダの外部への導管を更に備える、請求項４に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
6. 前記ターゲットホルダが、多孔質材料で作られている、請求項４に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
7. 前記ターゲットホルダが、加熱要素を備える、請求項１に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
8. 前記ターゲットホルダが、前記アークチャンバに対して電気的にバイアスされる、請求項１に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
9. 第１の端と第２の端を接続する複数の壁を備えるアークチャンバと、
   前記アークチャンバの前記第１の端に配置された間接的に加熱されるカソードと、
   ドーパント材料を保持するためのポケットを有するターゲットホルダと
   を備え、前記ターゲットホルダは、前記第２の端に配置され、前記ポケットの少なくとも一部が前記アークチャンバ内に配置される第１の位置と、前記ポケットが前記アークチャンバの外側に配置される第２の位置とを有する、間接的に加熱されるカソードイオン源。
10. 前記第２の位置において、前記ターゲットホルダの上面が、前記アークチャンバの前記第２の端として機能する、請求項９に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
11. 前記ターゲットホルダを前記第１の位置から前記第２の位置まで移動させるために、前記ターゲットホルダと連絡するアクチュエータを更に備える、請求項９に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
12. ハウジングと、
    第１の端と第２の端を接続する複数の壁を備えるアークチャンバと、
    前記アークチャンバの前記第１の端に配置された間接的に加熱されるカソードと、
    ドーパント材料を保持するためのポケットを有するターゲットホルダであって、前記アークチャンバに進入するターゲットホルダと、
    前記ハウジング及び前記ターゲットホルダと連絡するアクチュエータと
    を備え、前記ターゲットホルダは、前記ポケットの少なくとも一部が前記アークチャンバ内に配置される第１の位置と、前記ポケットが前記アークチャンバの外側に配置される第２の位置とを有する、間接的に加熱されるカソードイオン源。
13. 前記ターゲットホルダが、前記複数の壁のうちの１つを通って前記アークチャンバに進入する、請求項１２に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
14. 前記ターゲットホルダが、前記第２の端に配置される、請求項１２に記載の間接的に加熱されるカソードイオン源。
15. 請求項１２に記載の前記間接的に加熱されるカソードイオン源を使用して、異なるドーパントをイオン化する方法であって、
    固体形態のドーパントを前記ターゲットホルダの前記ポケット内に配置することと、
    ガスを導入しイオン化して、プラズマを生成することと、
    前記ポケットが前記アークチャンバ内に配置されるように前記アクチュエータを作動させることと、
    前記ドーパントを含むイオンを前記間接的に加熱されるカソードイオン源から抽出することと、
    前記ポケットが前記アークチャンバの外側に配置されるように前記アクチュエータを後退させることと、
    前記アークチャンバ内に第２のドーパントを含む第２のガスを導入しイオン化することと、
    前記第２のドーパントを含むイオンを前記間接的に加熱されるカソードイオン源から抽出することと
    を含む、方法。
    

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