JP4325852B2 - イオンソース用ベーパライザ - Google Patents

Description

本発明は，イオン注入装置で固体ソースをイオン化する際に使用する，イオンソース用のベーパライザ（蒸気ガス発生オーブン）に関するものである。

半導体ウェハの製造において，イオン注入装置は，不純物原子をイオン化し，高エネルギーでイオンを加速して半導体ウェハに打ち込み，不純物のドーピングを行う装置である。

不純物原子のイオン化には，固体ソースを用いる場合と気体ソースを用いる場合があるが，固体ソースをイオン化させる場合，一般には，イオンソース部のベーパライザ内のるつぼに固体ソースを入れ，ヒータにて加熱して蒸気化し，るつぼ内にガス導入口が形成されたノズルを通してイオンソース部のアークチャンバ内に送られ，アークチャンバ内のプラズマによりイオン化される。

ベーパライザ内に入られた固体ソース，例えば砒素（Ａｓ）は，真空中にてヒータにより３７０℃前後まで加熱されて蒸気化される。この蒸気化されたＡｓは，ベーパライザのるつぼ内とアークチャンバ内との真空状態の圧力差によって，ノズルを通してアークチャンバ内へと送られる。

この固体ソースをマイクロ波を用いて高速に蒸気化させる方法が特許文献１に示されており，さらにベーパライザ部に螺旋状に巻かれた冷却ダクトを設けることにより，ソース切換のための迅速な冷却を可能にする方法が特許文献２に示されている。

特開平７−３２０６７１号公報 特開２００２−１００２９８号公報

しかし，質量の重い固体ソース，例えば固体Ａｓを用いた場合は，ベーパライザにて加熱され蒸気化されても，イオンソース部の真空状態の違いによりアークチャンバ内に所望の量のガスが取り込めず，蒸気化Ａｓ量の変動は大きいものであった。

そのため，アークチャンバ内に取り込んだガスをイオン化して，注入に必要なイオンビームを得る為には，必要蒸気圧以上にＡｓを蒸気化させなければならない場合があり，アークチャンバ内に引き込まれなかったＡｓは固形化してノズルの周りに付着し，ノズルの目詰まり，焼きつきが発生するという問題点があった。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，ノズルの目詰まり，焼きつきを防ぎ，イオンビームを得る為に必要以上に蒸気化させる必要のない，新規かつ改良されたイオンソース用ベーパライザを提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，るつぼ内で蒸気化された固体ソースを，ノズルを通してアークチャンバに送り込むベーパライザであって，るつぼの内面上端から下方に所望の間隔を有し，上向きにガス導入口が形成されたノズルを備えることを特徴とするイオンソース用ベーパライザが提供される。

ここで，るつぼの内面上端からガス導入口の間隔は，るつぼの内径が２６ｍｍであった場合に約１．１ｍｍであることが望ましく，アークチャンバへの取り込みを容易に効率的に行うことができる。本構造のノズルは，質量の重い固体ソースであるほど，ガス取り込み量の増加について効果的であり，例えば，砒素の固体ソースに適用することができる。

こうして，ガスの取り込みが容易になったことにより，固体ソースをるつぼで蒸気化し，アークチャンバで所望のガス濃度を得るためのヒータ温度を従来の約３７０℃から約３２０℃〜３５０℃程度に下げることができ，安定したイオン化を行うことができる。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，ベーパライザのるつぼ内で蒸気化された固体ソースを取り込むガス導入口が，るつぼ内上部に複数形成されていることを特徴とするイオンソース用ベーパライザが提供される。

複数のガス導入口は２つのガス導入口とすることが好ましく，ノズルがるつぼの中心部から分岐して，るつぼの垂直中心軸に対称に約４５度の方向に沿って形成されることにより，効果的なガスの取り込みが可能となる。

以上詳述したように本発明によるイオンソース用ベーパライザによれば，ノズルの形状を改良したことにより，蒸気化したソースガスのベーパライザからアークチャンバへの取り込みが容易にできるようになり，ノズルの目詰まり，焼きつきが解消された。また，ガスの取り込みが容易になったことで，ベーパライザでのヒータ温度を従来の温度より低温化することができ，安定したイオン化を行うことができるようになった。

以下に添付図面を参照しながら，本実施の形態にかかるイオンソース用ベーパライザについて詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態を示すベーパライザのノズル１２０の概略構成を示す説明図であり，（ａ）が正面図，（ｂ）が側面図である。ガス導入管１２１から，フランジ部１２２が形成され，フランジ部１２２で密閉されるるつぼ内の上部に上向きに蒸気化されたガスを取り込むガス導入口１３０が本体部１２４に形成されている。

ここで，るつぼの上端部からガス導入口１３０までの間隔が所望の長さＬを有するように，本体部１２４の上部をカットし，ガス導入口１３０の位置を，従来の位置よりもるつぼの中心寄りに下げた構造となっている。

図２は本実施の形態のノズル１２０を取付けたイオンソース部１００の構成図である。ベーパライザ１４０のるつぼ１２３内に入られた比較的質量の重い固体ソース１６０，例えば砒素（Ａｓ）は，真空中でヒータ１７０により加熱され，蒸気化される。

蒸気化されたＡｓは，ベーパライザ１４０のるつぼ１２３内とアークチャンバ１５０内との真空状態の圧力差によって，本実施の形態のノズル１２０を通してアークチャンバ１５０内に送られ，フィラメント１８０によりイオン化されてイオンビームとなってアークチャンバ１５０から引き出される。るつぼ１２３内にて蒸気化されたＡｓは，ガス導入口１３０が図６に示す従来ノズル２０のガス導入口３０位置と比較して下がっているので，るつぼ１２３上端との間隔が広くなって蒸気が通り易くなり，従来に比べて圧力差が小さい状態でも容易にアークチャンバ１５０内に蒸気化したガスを送ることができる。

るつぼ内の上部にガス導入口を設けるのは，蒸気化された固体ソースがるつぼ内に充満して，安定した状態でガス導入口からガスを取り込めるようにするためである。ガス導入口を下げすぎると，蒸気化した固体ソースの抜けが良くなりすぎて，べーパライザの温度及びるつぼ内の真空度等の影響を受けやすく，ビーム量が安定しない。従来のノズルは，るつぼ内の上部にガス導入口が設けられていたが，るつぼの内径に対しガス導入口との隙間が非常に狭かった。

るつぼ１２３とアークチャンバ１５０との圧力差は，イオンソース部１００の真空度に対するるつぼ１２３内での蒸気化したＡｓの量であり，ヒータ１７０の温度を高くするほど蒸気化するＡｓの量が増えて陽圧になるため，圧力差が小さくてもよいということは，ヒータ１７０の温度を従来の温度，約３７０℃より低く設定できるということである。もちろん，圧力差が小さいといっても，アークチャンバ１５０にガスを送り込むための必要最小限の陽圧でないと安定した量のガスがアークチャンバ内に流れなくなる。

そこで，このノズルのガス導入口のるつぼ（内径Ｍが２６ｍｍ）の上端とガス導入口との間隔に対する，ベーパライザのヒータ温度，アークチャンバ内で発生するイオンビームのビーム電流，及びビーム電流の安定度等について実験を行い，最適なカット面及びその時の温度条件を検討したのが図５である。

Ｌが１ｍｍと１．１ｍｍカット時ではビーム電流は安定するが，１．１ｍｍの方がビーム電流を高くとれることがわかる。また，使用後のノズルの汚れ具合をみても，１．１ｍｍの方がソースの付着した汚れは見られない。Ｌが０ｍｍのときは，立上げ時から最後まで（ソース交換するまで）の温度が安定しているが，ノズルの焼き付きがある。Ｌを１．４ｍｍにすると，立上げ時のビーム電流及び，ヒータ温度とも良好な状態であるが，時間経過とともに，ビーム電流が下がり，安定しなくなる。

上記結果から，内径が２６ｍｍのるつぼの上端とガス導入口との間隔Ｌつまり本体部をカットする長さは１．１ｍｍとするのが好ましいことがわかった。また，必要なイオンビーム電流を得るためのベーパライザのヒータ温度は，るつぼ内の固体Ａｓの残量により変動するが，３２０℃〜３５０℃とすることができる。

こうして第１の実施形態において，ノズルのるつぼ内面上端からガス導入口までの間隔を長くしたことにより，アークチャンバへのガスの取り込みが容易になり，従来よりも低いガスの蒸気圧で，ノズルの目詰まり等の不具合を起こすことなく，安定してソースのイオン化ができるようになった。

（第２の実施の形態）
図３は，第２の実施の形態を示すベーパライザのノズル２２０の概略構成を示す説明図である。ノズル２２０のガス導入管２２１から，フランジ部２２２で密閉されたるつぼ内の上部に，蒸気化されたガスを取り込む複数のガス導入口２３０，例えば２つのガス導入口２３０が本体部２２４に形成されている。このノズル２２０部分以外のイオンソース部の構成は第１の実施の形態と同様であるので，説明は省略する。

るつぼ内にて蒸気化された質量の重い固体ソース，例えばＡｓは，ノズル２２０のガス導入口２３０が２箇所になった為，るつぼ内のガスを取り込む量が増え，るつぼ内とアークチャンバ内との圧力差が小さい状態でも，容易にアークチャンバ内にガスを送り込むことができる。ガス導入口２３０を３箇所にしてもよいが，蒸気化した固体ソースの抜けが良すぎて，ベーパライザのヒータ温度及び真空度の影響を受けやすく，ビーム電流が安定しないことがある。

また，２つのガス導入口を有するノズルの形成角度について，ベーパライザのヒータ温度，アークチャンバ内で発生するイオンビームのビーム電流，及びビーム電流の安定度等について実験を行い，最適な角度について検討をしたところ，図４のノズル正面図に示すようにるつぼの中心部に位置するノズルの頂点からるつぼの垂直中心線に対照に４５度の方向に沿って設けるのが望ましいことがわかった。

ベーパライザ内とアークチャンバ内との圧力差は，第１の実施の形態と同様にイオンソース部の真空度に対するベーパライザのるつぼ内での蒸気化したＡｓの量であり，ヒータの温度が高いほど蒸気化するＡｓの量がふえ陽圧になるので，ヒータの温度を従来の温度３７０℃から３２０℃〜３５０℃（固体Ａｓの残量により変動）に下げることができる。第１の実施の形態と同様に圧力差が小さいといっても，必要最小限の陽圧は必要である。

こうして第２の実施形態において，ノズルのガス導入口を複数に増やしたことにより，アークチャンバへのガスの取り込みが容易になり，従来のガスの蒸気圧より低い蒸気圧で，ノズルの目詰まり等の不具合を起こすことなく，安定してソースのイオン化ができるようになった。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

固体ソースとして，砒素を用いて説明したが，他の質量が重い固体ソース，例えば，アンチモン等にも適用可能である。

本発明は，半導体製造装置などに設けられるイオン注入装置に適用可能であり，特にベーパライザ内で蒸気化した固体ソースガスを，ノズルを通して，ガスをイオン化するアークチャンバ内に引き込むイオンソース用ベーパライザに適用可能である。

第１の実施形態のノズルを示す概略図であり，（ａ）は正面図，（ｂ）は側面図である。 第１の実施形態を適用したイオンソース部全体を示す概略説明図である。 第１の実施形態のノズルを示す概略図であり，（ａ）は正面図，（ｂ）は側面図である。 第２の実施形態のガス導入口の設置位置を示す説明図である。 第１の実施形態の実験結果を示す説明図である。 従来のノズルを示す概略図であり，（ａ）は正面図，（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１００ イオンソース部
１２０ ノズル
１２１ ガス導入管
１２３ るつぼ
１２４ 本体部
１３０ ガス導入口
１４０ ベーパライザ
１５０ アークチャンバ
１６０ 固体ソース
１７０ ヒータ

Claims (4)

1. イオン注入装置の固体ソースをイオン化するためのイオンソース用ベーパライザであって，
   前記固体ソースが蒸気化されるるつぼ内の上部に，ガス導入口が形成されたノズルを備え，
   前記ガス導入口は，前記るつぼの内面から下方に所定の間隔を有して上向きに形成され，
   前記所定の間隔は，前記るつぼの内径が２６ｍｍの場合に約１．１ｍｍであることを特徴とする，イオンソース用ベーパライザ。
2. 前記ガス導入口は，複数のガス導入口として形成されることを特徴とする，請求項１に記載のイオンソース用ベーパライザ。
3. 前記ガス導入口は，２つのガス導入口として形成され，前記るつぼの中心部から分岐し，前記るつぼの垂直中心軸に対称に約４５度の方向に形成されていることを特徴とする，請求項２に記載のイオンソース用ベーパライザ。
4. 前記固体ソースは，砒素であることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載のイオンソース用ベーパライザ。

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