JP6959935B2 - 改善されたイオン源のリペラシールド - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔関連出願の参照〕
本願は、「改善されたイオン源のリペラシールド」（IMPROVED ION SOURCE REPELLER SHIELD）というタイトルが付された米国仮出願第６２／３１７，８９２号（２０１６年４月４日出願）による利益を主張する。当該仮出願の全体の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。

〔技術分野〕
本発明は、全体としてイオン注入システムに関し、より具体的には、イオン源のリペラのための改善されたシールドに関する。当該シールドは、ボロンナイトライドシール（窒化ホウ素のシール）（boron nitride seal）の寿命を改善し、その結果、イオン源からのガスの漏出を概ね防止できる。

〔背景〕
半導体デバイスの製造において、イオン注入は、半導体に不純物をドープ（ドーピング）するために用いられている。多くの場合、イオン注入システムは、集積回路の製造時に、（ｉ）ｎ型材料またはｐ型材料のドーピングを生じさせるために、または、（ｉｉ）パッシベーション層を形成するために、イオンビームに由来するイオンによってワークピース（例：半導体ウェハ）をドープすることを目的として使用される。多くの場合、集積回路の製造時に、半導体材料を生成するために、所定のエネルギーレベルで、かつ、制御された濃度によって、ウェハに特定のドーパント材料の不純物を選択に注入するために、このようなビーム処理が利用される。イオン注入システムが半導体ウェハをドーピングするために使用される場合、イオン注入システムは、所望の外因性材料（extrinsic material）を生成するために、ワークピースの内部に選択されたイオン種を注入する。アンチモン、砒素、またはリン等のソース材料に由来して生成されたイオンを注入することにより、例えば「ｎ型」の外因性材料のウェハが得られる。一方、多くの場合、「ｐ型」の外因性材料のウェハは、ボロン（ホウ素）、ガリウム、またはインジウム等のソース材料を用いて生成されたイオンから得られる。

一般的なイオン注入器は、イオン源（イオンソース）、イオン引出（抽出）（extraction）装置、質量分析装置、ビーム輸送装置、およびウェハ処理装置を含む。イオン源は、所望の原子または分子のドーパント種のイオンを生成する。これらのイオンは、引出システムによって前記ソースから引き出される。当該引出システムは、一般的には電極のセットである。当該引出システムは、ソースから来たイオン流（flow of ions）にエネルギーを与え、かつ、当該イオン流を方向付けることにより、イオンビームを形成する。質量分析装置において、イオンビームから所望のイオンが分離される。当該質量分析装置は、一般的には、引き出されたイオンビームに対して質量分散または質量分離を行う磁気ダイポール（双極子）である。イオン輸送装置は、一般的には、一連の焦点調整（合焦）（focusing）装置を含む真空システムである。当該イオン輸送装置は、イオンビームの所望の特性を維持しつつ、ウェハ処理装置に向けてイオンビームを輸送する。最終的には、半導体ウェハは、ウェハハンドリングシステムを用いて、ウェハ処理装置の内外へと輸送される。当該ウェハハンドリングシステムは、処理予定のウェハをイオンビームの前面に配置し、かつ、処理後のウェハをイオン注入器から取り出すために、１つ以上のロボットアームを含んでいてもよい。

イオン源（一般的には、アークイオン源とも称される）は、イオン注入器において使用されるイオンビームを生成する。そして、イオン源は、イオンを生成するための加熱フィラメントカソードを含んでいてもよい。当該イオンは、ウェハ処理のために適切なイオンビームへと成形される。例えば、Sferlazzo et al.のＵＳ特許５，４９７，００６は、カソードを有するイオン源を開示している。当該カソードは、ベースによって支持されており、かつ、イオン化電子（ionizing electrons）をガス閉じ込めチャンバの内部へと排出するために、当該ガス閉じ込めチャンバに対して配置されている。Sferlazzo et al.のカソードは、ガス閉じ込めチャンバの内部へと部分的に延びるエンドキャップを有する、導電性を有する管状のボディ（tubular conductive body）である。フィラメントは、管状のボディの内部において支持されており、かつ、電子を放出する。当該電子は、電子衝撃（electron bombardment）によってエンドキャップを加熱する。これにより、イオン化電子をガス閉じ込めチャンバの内部へと熱電子的に（thermionically）放出できる。

従来のイオン源ガス、例えばフッ素または他の揮発性腐食性種（volatile corrosive species）は、時間の経過と共に陰極の内径部およびリペラのシールを腐食させる（エッチングする）ことがあるため、揮発性ガスが漏れて、付近の絶縁体（例えば、リペラアセンブリ絶縁体）にダメージを与えるおそれがある。このような漏出により、イオン源の耐用寿命が短くなる。その結果、イオン注入器をシャットダウン（停止）させて、当該イオン注入器内の各部品を交換することに至る。

〔概要〕
そこで、本開示は、イオン源の寿命を向上させるシステムおよび機構を提供する。なお、下記の内容は、本発明の一部の態様に対する基本的な理解を提供することを目的として、本開示の簡略化された概要を示すものである。本概要は、本発明の概略を広範に述べるものではない。また、本概要は、本発明の基幹要素もしくは重要な要素を特定するものでもなければ、本発明の範囲を規定するものでもない。本概要の目的は、後述するより詳細な説明の前置きとして、本発明の一部の概念を簡潔に示すことである。

本開示の一態様によれば、イオン源が提供される。当該イオン源は、アークチャンバを備える。前記アークチャンバは、当該アークチャンバの内部領域を画定するボディを有している。ライナは、前記アークチャンバの前記ボディと操作可能に接続（連結）されている。前記ライナは、第１表面と第２表面とを有している。前記第２表面は、例えば、前記第１表面に対して窪んでいることにより、ライナ凹領域を画定する。前記ライナは、前記ライナ凹領域内において当該ライナを貫通するように画定された孔をさらに有している。前記孔は、第１直径を有している。前記ライナは、例えば、前記第２表面から前記第１表面に向かって、上方へ延伸するライナリップをさらに含んでいる。前記ライナリップは、（ｉ）前記孔を取り囲むとともに、（ｉｉ）前記ライナリップに関する第２直径を有している。

別の例示的な態様によれば、シャフトおよびヘッドを有する電極がさらに提供される。前記シャフトは、前記第１直径よりも小さい第３直径を有している。前記シャフトは、前記ボディと前記ライナの前記孔とを貫通する。さらに、前記シャフトは、環状ギャップによって、前記ライナから電気的に絶縁されている。前記電極の前記ヘッドは、例えば、（ｉ）第４直径を有するともに、（ｉｉ）第３表面を含んでいる。前記第３表面は、当該第３表面から前記第２表面に向かって、下方へ延伸する電極リップを有している。前記電極リップは、例えば、当該電極リップに関する第５直径を有している。前記第５直径は、前記第２直径と前記第４直径との間の大きさの直径である。それゆえ、前記ライナリップと前記電極リップとの間における空隙は、（ｉ）ラビリンスシールを概ね画定するとともに、（ｉｉ）前記環状ギャップへの汚染物の侵入を概ね防止する。

別の例示的な態様によれば、前記イオン源は、ボロンナイトライドシールをさらに備えている。前記シャフトは、例えば、当該シャフトに画定された環状溝をさらに備えている。前記環状溝は、前記第３直径よりも小さい第６直径を有している。前記ボロンナイトライドシールは、例えば、前記環状溝に嵌合することにより、前記アークチャンバの前記内部領域を、前記アークチャンバの外部領域に対して封止（シール）する。前記環状溝は、例えば、前記ライナリップおよび前記電極リップとともに、前記ラビリンスシールを概ね画定することにより、前記環状ギャップを介するガス伝導（ガスコンダクタンス）を低減させる。

一例として、前記ボロンナイトライドシールは、前記シャフトの前記環状溝に嵌合することにより、前記アークチャンバの前記内部領域を、前記アークチャンバの外部領域に対して封止する。別の例として、前記環状溝は、前記ボロンナイトライドシールと前記シャフトとの間のシール面を、腐食性ガスから保護する。

さらに別の例として、前記ライナリップと前記電極リップとの間における前記空隙は、前記シャフトと前記ライナとの間における前記環状ギャップとほぼ等しい。前記電極は、例えば、リペラ（リペラ電極）またはアンチカソード（対陰極）を含んでいてもよい。別の例として、前記ラビリンスシールは、前記シャフトの外径内（外径部内）において画定されている。前記ラビリンスシールは、ボロンナイトライドシールを受容するように構成されている。前記ラビリンスシールは、例えば、前記ボロンナイトライドシールに関する領域内への腐食性ガスの伝導を低減させることにより、前記シャフトのシール面を、前記イオン源に関する前記腐食性ガスから概ね保護する。

別の例として、前記ボロンナイトライドシールは、前記ラビリンスシールと前記アークチャンバボディとの間にさらに配置されてもよい。前記ボロンナイトライドシールは、前記電極を、前記アークチャンバボディから電気的に絶縁する。前記ラビリンスシールは、例えば、当該ラビリンスシールに関する領域内への腐食性ガスの伝導を低減させることにより、前記ボロンナイトライドシールに関するシール面を、前記イオン源に関する腐食性ガスから概ね保護する。

本開示の別の例示的な態様によれば、イオン源（例：イオン注入システムのためのイオン源）が提供される。前記イオン源は、例えば、前記アークチャンバとガス源（ガスソース）とを備える。前記ガス源は、前記アークチャンバボディの前記内部領域へとガスを導入するように、さらに構成されている。

別の例として、前記イオン源は、前記カソードとは反対側に（対向するように）（opposite）配置されたリペラをさらに備える。前記アークチャンバからイオンを引き出すために、当該アークチャンバ内に、アークスリットがさらに設けられてもよい。

上述の目的および関連する目的を達成するために、本開示は、以下に十分に説明され、かつ、特許請求の範囲において具体的に示された構成を備えている。以下の説明および添付の図面は、本発明の所定の例示的な実施形態を詳細に開示する。これらの実施形態は、本発明の原則において採用されうる様々な手法の一部を例示している。本発明の他の目的、利点、および新たな構成は、図面とともに考慮されることにより、以下の本発明の詳細な説明から、明確になるであろう。

〔図面の簡単な説明〕
図１は、本開示の複数の態様に係るイオン源カソードシールドを用いた例示的な真空システムのブロック図である。

図２は、本開示の様々な態様に係るイオン源の斜視図である。

図３は、図２の拡大図であり、隆起したリップを有するライナを備えたアークチャンバを示す。

図４は、例示的なイオン源ライナを示す斜視図である。

図５は、イオン源と、本開示の複数の例における、隆起したリップを有するライナを備えたアークチャンバと、を示す斜視図である。

図６は、図５の拡大図であり、本開示の複数の例における、隆起したリップを有するライナを備えたアークチャンバを示す。

図７は、本開示の複数の例における、隆起したリップを有するライナを備えた例示的なイオン源のためのアークチャンバの平面図である。

図８は、本開示の複数の例における、隆起したリップを備えた例示的なイオン源ライナを示す斜視図である。

図９は、本開示の複数の例における例示的なイオン源ライナの底面を示す平面視図である。

図１０は、図９の断面図であり、本開示の複数の例における、隆起したリップを備えたイオン源ライナを示す。

図１１は、電極を有する例示的なアークチャンバ、および、本開示の様々な態様におけるラビリンスシールを示す断面図である。

図１２は、図１１の拡大図であり、本開示の複数の例における、隆起したリップを備えたライナと、リップを備えた電極とを有するアークチャンバを示す。

〔詳細な説明〕
本開示は、全体として、イオン注入システムおよび当該イオン注入システムに関連するイオン源を対象としている。特に、本開示は、前記イオン源の生産力を向上させる、前記イオン源用の改善されたアークチャンバと当該アークチャンバに関連するコンポーネントとに関する。

そこで、図面を参照して本発明を説明する。同様の参照番号は、同様の部材を一貫して参照するために用いられてよい。様々な態様についての説明は単なる例示であると理解されるべきであり、限定的な意味合いで解釈されるべきではない。以下の記載では、説明のために、様々な具体的な細部が、本発明に対する十分な理解を与えるために開示されている。但し、本発明はこれらの具体的な細部がなくとも実施されてよいことは、当業者にとって明白であろう。さらに、本発明の範囲は、添付の図面を参照して以下に説明される実施形態または実施例に限定されることは意図されていない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその実質的な均等物によってのみ限定されることが意図されている。

また、図面は、本開示の実施形態の様々な態様を例示するために提供されていることに留意されたい。このため、図面は、単に概略的なものとみなされるべきである。特に、図面に示された各部材は、必ずしも互いにスケール通りに描かれているわけではない。また、図面における様々な部材の位置は、各実施形態に対する明確な理解をもたらすために選択されたものである。このため、当該位置は、本発明の実施形態に係る実装における、様々な部材の実際の相対的な位置関係を必ずしも示しているわけではないと解釈されるべきである。さらに、本明細書において説明される様々な実施形態および実施例の構成は、特に明記されない限り、互いに組み合わせられてもよい。

また、以降の説明において、図面に示されたまたは明細書において説明された機能ブロック、デバイス、部品、素子、またはその他の物理的または機能的なユニット間における任意の直接的な接続または連結は、間接的な接続または連結によって実現されてもよいと理解されるべきであることに留意されたい。さらに、図面における機能ブロックまたはユニットは、ある実施形態では、個別の構成として実装されてよい。あるいは、当該機能ブロックまたはユニットは、別の実施形態では、全体的または部分的に、共通の構成として実現されてもよい。

本開示の一態様に係る図面を参照する。図１は、例示的な真空システム１００を示す。本実施例の真空システム１００は、イオン注入システム１０１を備える。但し、様々な他のタイプの真空システム（例：プラズマ処理システムまたは他の半導体処理システム）も、考慮されてよい。イオン注入システム１０１は、例えば、ターミナル１０２、ビームラインアセンブリ１０４、およびエンドステーション１０６を備える。

一般的には、ターミナル１０２内のイオン源（イオンソース）１０８は、電源１１０に接続されている。この場合、当該イオン源に供給されるソースガス１１２（ドーパントガスとも称される）は、イオンビーム１１４を形成するために、複数のイオンへとイオン化させられる。本実施例のイオンビーム１１４は、ビームステアリング装置１１６を通過して、開口１１８を出て、エンドステーション１０６に向かうように方向付けられている。エンドステーション１０６において、イオンビーム１１４は、ワークピース１２０（例：シリコンウェハ等の半導体、ディスプレイパネル等）に衝突する。当該ワークピースは、チャック１２２（例：静電チャックまたはＥＳＣ）に選択的にクランプまたは取付される。注入されたイオンがワークピース１２０の格子の内部に埋め込まれると、当該注入されたイオンは、ワークピースの物理的および／または化学的な特性を変化させる。このため、イオン注入は、材料科学の研究における様々な用途と同様に、半導体デバイスの製造および金属の仕上げ加工にも用いられている。

本開示のイオンビーム１１４は、任意の形状（例：ペンシルビーム、スポットビーム、リボンビーム、スキャンビーム、または他の形状）を取りうる。これらの形状のイオンビーム内のイオンは、エンドステーション１０６に向けられる。これらの形状は全て、本開示の範囲に含まれると考慮される。

１つの例示的な態様によれば、エンドステーション１０６は、プロセス環境１２８と関連付けられたプロセスチャンバ１２４（例：真空チャンバ１２６）を備える。プロセス環境１２８は、概してプロセスチャンバ１２４の内部に存在する。一例として、プロセス環境１２８は、真空源（真空ソース）１３０（例：真空ポンプ）によって生成された真空を含む。真空源１３０は、プロセスチャンバと連結されており、当該プロセスチャンバを十分に減圧排気（evacuate）するように構成されている。さらに、真空システム１００を全体的に制御するために、コントローラ１３２が設けられている。

本開示は、上述のイオン注入システム１０１におけるイオン源１０８の稼働時間（utilization）を増加させ、かつ、当該イオン源１０８の不稼働時間（downtime）を低減させるように構成された装置を提供する。但し、本開示の装置は、他の半導体処理装置（例：ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＭＯＣＶＤ、エッチング装置、および様々なその他の半導体処理装置）において実施されてもよいことが理解されるであろう。これらの実施は全て、本開示の範囲内に含まれると考慮される。有利なことに、本開示の装置は、予防保全（preventive maintenance）サイクル間のイオン源１０８の使用期間（length of usage）を増加させる。その結果、真空システム１００の全体的な生産性および寿命を向上させることができる。

イオン源１０８（イオン源チャンバとも称される）は、例えば、好適な高い温度性能（temperature performance）を提供するために、耐熱金属（refractory metal）（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、等）およびグラファイト（黒鉛）を用いて製作されてよい。この場合、これらの材料は、半導体チップの製造者によって一般的に容認される。ソースガス１１２は、イオン源１０８の内部において使用される。ソースガスは、自然状態では、導電性を有していてもよく、導電性を有していなくともよい。但し、ひとたびソースガス１１２が分解またはフラグメント化される（cracked or fragmented）と、イオン化ガスの副生成物（ionized gas by-product）は、非常に高い腐食性を有しうる。

ソースガス１１２の一例として、三フッ化ホウ素（ボロントリフルオリド）（ＢＦ_３）がある。三フッ化ホウ素は、イオン注入システム１０１において、ホウ素−１１またはＢＦ_２のイオンビームを生成するためのソースガスとして使用されうる。ＢＦ_３分子のイオン化時には、３つのフッ素のフリーラジカルが生成される。耐熱金属（例：モリブデンまたはタングステン）は、約７００℃付近の動作温度下でイオン源チャンバ１０８の構造上の健全性（structural integrity）を維持するために、当該イオン源チャンバ１０８を構成または補強（line）するために使用されうる。但し、耐熱金属のフッ素化合物は、揮発性を有しており、室温においてさえも、非常に高い蒸気圧を有する。イオン源チャンバ１０８内において生成されたフッ素ラジカルは、タングステン金属（モリブデンまたはグラファイト）をアタック（侵食）し、六フッ化タングステン（タングステン（ＶＩ）ヘキサフルオリド）（ＷＦ_６）（フッ化モリブデンまたはフッ化炭素）を形成する。すなわち、

または、

の通りである。

一般的に、六フッ化タングステンは、高温の表面上で分解する。例えば、図２に示すイオン源２００内において、六フッ化タングステンまたはその他の生成物（resultant material）は、イオン源の様々な内部コンポーネント２０３の表面２０２（例えば、カソード２０４の表面、リペラ２０６の表面、および、イオン源のアークチャンバ２０８に関連するアークスリット光学部材（不図示）の表面）上において分解し得る。このことは、前記式（１）に示すように、ハロゲンサイクルと称される。しかし、前記生成物は、汚染物質２１４（例えば、固体状態の微粒子状汚染物）の形態として、アークチャンバ２０８の壁２１０、ライナ２１２、または他の構成要素、ならびにアークスリット上に戻って沈着および／または凝結しうる。ライナ２１２は、例えば、アークチャンバ２０８のボディ（本体）２１６と操作可能に連結される交換可能な部材２１５を含む。当該ライナは、グラファイトまたは他の様々な材料から構成されている。交換可能な部材２１５は、例えば、アークチャンバ２０８が一定時間稼働した後、簡単に交換可能な装着面（wear surface）を提供する。

カソードが間接的に加熱される場合、内部コンポーネント２０３上に堆積される汚染物質２１４の別の発生源は、カソード２０４（例：タングステンまたはタンタルによって構成されたカソード）である。この場合、当該間接的に加熱されたカソードは、イオン源プラズマの開始および維持（例：熱電子放出）のために使用される。間接的に加熱されたカソード２０４およびリペラ２０６（例：アンチカソード）は、例えば、アークチャンバ２０８のボディ２１６に対して負電位にある。そして、カソードおよびリペラの両方は、イオン化ガスによってスパッタリングされうる。リペラ２０６は、例えば、タングステン、モリブデン、またはグラファイトによって構成されてよい。アークチャンバ２０８の内部コンポーネント２０３上に堆積される汚染物質２１４のさらに別の発生源は、ドーパント材料（ドーパント物質）（不図示）それ自体である。時間の経過に伴い、これらの汚染物質２１４の堆積膜には、応力の発生による剥離が起こりうる。このため、イオン源２００の寿命が短くなる。

表面状態は、基板と当該基板上に堆積した膜との間において重要な役割を果たす。ロンドン分散力（London dispersion force）は、例えば、物質中の異なる部分における過渡的な双極子間もしくは多極子間の弱い相互作用を表し、ファンデルワールス引力（attractive van der Waals force）の大部分を占める。これらの成果は、異なる金属基板上での原子吸着および分子吸着についてより良く理解する上で、重大な意味合いを有する。第１原理計算と運動速度の方程式解析とを統合したマルチスケールモデリングは、１０００℃から２５０〜３００℃への成長温度の大幅な降下を示している。

界面領域内では強い原子結合が形成される可能性は低いため、（ｉ）基板（例えば、カソード２０４、ライナ２１２、および／またはリペラ２０６）と堆積した汚染物質２１４との間の熱膨張係数差、（ｉｉ）高出力イオンビームと低出力イオンビームとが切り替わった場合の熱サイクル、および、（ｉｉｉ）不均一なプラズマ境界内に留まる注入物質の解離によって、早期の故障が引き起こされうる。このような堆積物中の残留応力には、２種類ある。一方（１つ目）は、成膜時の欠陥に起因して発生する残留応力である。他方（２つ目）は、基板と堆積膜との間の熱膨張係数の不一致に起因する残留応力である。

汚染物質２１４の膜厚が増加すると、基板との界面における引張応力および／または圧縮応力が閾値レベル（限界レベル）に達し、イオン源２００内でピーリングまたは剥離が発生しうる。図３の部分拡大図２１９に示されるように、汚染物質２１４の剥離が発生した場合、剥離した直後の汚染物質が、アークチャンバ２０８のボディ２１６内のリペラ２０６とライナ２１２との間に画定されたギャップ（隙間）２１８に落下し、当該ギャップを通過しうる。なお、当該ギャップは、電気的にバイアスされたリペラを、アークチャンバの本体から、電気的にデカップリングする。

図４は、図２および図３に示すイオン源２００に設けられたボトムライナ（底部ライナ）２２０を示す。当該ボトムライナは、凹部２２２と孔２２４とを含む。当該孔は、図２および図３に示すリペラ２０６のシャフト２２６を受容するように構成されている。それゆえ、シャフトとボトムライナ２２０との間には、必要なギャップ２１８が設けられている。但し、リペラ２０６を図４に示すボトムライナ２２０内に収容できるよう、凹部２２２は概ね平面状である。図２および図３に示すように、リペラ２０６のヘッド２２８は、視野方向（line of sight）では、リペラのシャフト２２６とアークチャンバ２０８のボディ２１６との間におけるギャップ２１８を覆っている。しかし、依然として、汚染物質２１４の小さい粒子が凹部２２２内に落下し、シャフト２２６とボトムライナ２２０との間のギャップ２１６に侵入しうる。ギャップ２１８内に位置するこの導電性の汚染物質２１４は、バイアスされたリペラ２０６とアークチャンバ２０８のボディ２１６とを電気的に短絡させうる。このため、予定外のメンテナンスおよび／またはプラズマ不安定性を引き起こし、ひいては、形成されるイオンビームの品質に影響を及ぼすおそれがある。

そこで、図５および図６は、本開示のイオン源３００を示す。当該イオン源は、図２および図３のイオン源３００とある程度類似した構成およびコンポーネントを有する。但し、図５および図６に示すイオン源３００は、例示的なアークチャンバ３０２を含む。当該アークチャンバは、電極３０８（例えばリペラ）とアークチャンバのボトムライナとの間の環状ギャップ３０６内への前記汚染物質の侵入を概ね防止するように構成されたボトムライナ３０４を有する。これにより、イオン源の早期の故障を概ね防止できる。

例示的な一態様によれば、アークチャンバ３０２のボディ３２０は、当該アークチャンバの内部領域３１２を概ね画定する。さらに、アークチャンバ３０２のボディ３１０には、１つ以上のライナ３１４が操作可能に接続されている。当該１つ以上のライナは、アークチャンバの内部領域３１２の露出面３１６を概ね画定する。例えば、１つ以上のライナ３１４は、少なくともボトムライナ３０４を含む。なお、本説明では、ボトムライナ３０４について用語「ボトム（底部）」を用いているが、当該ボトムライナは必ずしもアークチャンバ３０２の最下部に位置している必要はない。露出面３１６は、例えば、アークチャンバ３０２の内部領域３１２内で生成されたプラズマ（不図示）に暴露されるとともに、当該プラズマを少なくとも部分的に閉じ込めるように構成されている。

一例によれば、電極３０８（例えば、リペラ）は、シャフト３１８を含む。当該シャフトは、図７に示す第１直径３２０を有している。シャフト３１８は、ボディ３１０およびボトムライナ３０４を貫通する。後述するように、電極３０８は、ボディ３１０から電気的に絶縁されている。ボトムライナ３０４は、プレート３２２を含む。当該プレート３２２は、第１表面３２４を含む。当該第１表面内には、凹部３２６が画定されている。一例として、図８および図１０に詳細に示されるように、凹部３２６は、当該凹部内に画定された第２表面３２８を有する。さらに、当該凹部を貫通する孔３３０が画定されている。図９は、ボトムライナ３０４の底面図３２７を示す。図１０は、ボトムライナの断面３２９を示す。孔３３０は、例えば、図５〜図７に示す電極３０８のシャフト３１８が当該孔を貫通するように、構成されている。孔３３０は、第２直径３３２を有する。当該第２直径３３２は、図６に示すシャフト３１８の第１直径３２０よりも大きい（長い）。従って、プレート３２２とシャフト３１８との間には、環状ギャップ３０６が画定される。これにより、シャフトを底部ライナ３０４から電気的に絶縁できる。

本開示によれば、プレート３２２は、リップ（縁部）３３４をさらに含む。当該リップは、第２表面３２８から第１表面３２４に向かって延伸している。それゆえ、リップ３３４は、ボトムライナ３０４において凹部３２６内の孔３３０を概ね取り囲んでいる。その一方で、当該リップ３３４は、プレート３２２と電極３０８のシャフト３１８との間に、この両者間の電気的絶縁のための環状ギャップ３０４を残している。リップ３３４は、底部ライナ３０４において凹部３２６内の孔３３０を概ね取り囲んでいる。従って、リップ３３４は、粒子状の汚染物が重力によって環状ギャップ３０６内に侵入することを概ね防止できる。これにより、アークチャンバ３０２における、電極３０８とボディ３１０と底部ライナ３０４との間の電気的短絡を防止できる。

図１０に示すように、一例によれば、第２表面３２８は、第１表面３２４に対して、第１距離３３６だけ窪んでいる。本例では、リップ３３４は、第２表面３２８から第１表面３２４に向かって、第２距離３３８だけ延伸している。本例では、第１距離３３６は、第２距離３３８の約２倍である。但し、これらの距離は、図５〜図７に示す電極３０８の設計またはその他の設計基準に応じて変化しうる。図１０に示すように、第１表面３２４および第２表面３２８の一方または両方が、概ね平面状である。但し、図示していないが、第１表面３２４および第２表面３２８の一方または両方は、（ｉ）傾斜してもよいし、あるいは、（ｉｉ）曲線状の輪郭（プロファイル）を有してもよい。このような形状も全て、本開示の範囲内に含まれるものと考慮される。

別の例によれば、リップ３３４は、第３表面３４０を含む。当該第３表面は、図８に示す孔３３０の円周３４２に隣接している。図１０に示すように、一例において、第３表面３４０は概ね平面状である。また、図８に示すように、別の例によれば、凹部３２６は、孔３３０の軸３４４に沿って見た場合に、概ねＵ字状である。

図１０に示すように、さらに別の例によれば、リップ３３４は、当該リップに関する第３直径３４６を有する。図７に示す電極３０８は、例えば、アークチャンバ３０２の底部に位置するリペラ３４８（アンチカソードと称される場合もある）を含んでいてもよい。リペラ３４８は、例えば、アークチャンバ３０２の内部領域３１２内で生成されたプラズマ（不図示）に暴露されるヘッド３５０を有している。当該ヘッドは、第４直径３５２を有する。当該第４直径は、図１０に示すリップ３３４の第３直径３４６よりも大きい。

図５〜図７の例に示すように、プレート３２２は、アークチャンバ３０２の内部領域３１２の底面３４６を画定する。リップ３３４は、微粒子状の汚染物３４８が重力によって環状ギャップ３０６内に侵入することを概ね防止する。従って、アークチャンバ３０２内で剥離した微粒子状の汚染物３４８は、重力によって概ね底面３４６上に落下する。

リペラ２０６は、視野方向では、図２のアークチャンバ２０８のボディ２１６と電極との間におけるギャップ２１８を覆いうる。但し、結局は、物質２１４の小さい粒子がギャップ内に入ってしまうことがある。しかし、図５〜図７に示すアークチャンバ３０２のリップ３３４は、微粒子状の汚染物３４８がギャップ３０６に侵入することを概ね防止する。さらに、本開示におけるリップ３３４は、ギャップ３０６を介したプロセスガスの漏出を低減させる。当該リップの隆起構造は、伝導（コンダクタンス）を低減させるためである。なお、高揮発性を有するとともに、多くの場合導電性を有するこのようなガスは、アークチャンバの構成に用いられる任意の絶縁体を覆うため、当該絶縁体の寿命を短縮させる。

本開示の別の例示的な態様において、図１１は別の例示的なアークチャンバ４００を示す。図１１に示すアークチャンバ４００は、図５に示すアークチャンバ３０２とは類似点が多いが、ギャップ３０６に関わるガス伝導を実質的に低減させるように構成された構造をさらに有する。図１１に示すように、アークチャンバ４００は、当該アークチャンバの内部領域４０４を画定するボディ４０２を有する。アークチャンバ４００は、例えば、イオンを当該アークチャンバから引き出すためのアークスリット４０５を含む。ライナ４０６は、アークチャンバ４００のボディ４０２と操作可能に連結されている。当該ライナは、第１表面４０８および第２表面４１０を有する。第２表面４１０は、例えば、第１表面４０８に対して窪んでいることにより、ライナ凹領域４１２を画定する。図１２においてより詳細に示すように、ライナ４０６は、例えば、孔４１４をさらに有する。当該孔は、ライナ凹領域４１２内において当該ライナを貫通するように画定されている。ライナ４０６の孔４１４は、例えば、第１直径４１６を有する。当該ライナは、第２表面４１０から第１表面４０８に向かって、上方へ延伸するライナリップ４１８をさらに含む。ライナリップ４１８は、孔４１４を概ね取り囲んでいる。そして、ライナリップ４１８は、当該ライナリップに関連する第２直径４２０を有する。

図１１および図１２に示すアークチャンバ４００は、電極４２２（例えばリペラ）をさらに含む。当該電極は、シャフト４２４およびヘッド４２６を有する。当該シャフトは、第３直径４２８を有する。第３直径４２８は、第１直径４１６よりも小さい（短い）。従って、シャフト４２４は、ボディ４０２とライナ４０６の孔４１４とを貫通するとともに、環状ギャップ４３０によってライナから電気的に絶縁されている。電極４２２のヘッド４２６は、例えば、第４直径４３２を有し、かつ、第３表面４３４を含む。第３表面４３４は、電極リップ４３６を有する。当該電極リップは、当該第３表面からライナ４０６の第２表面４１０に向かって、下方へ延伸する。それゆえ、電極リップ４３６は、当該電極リップに関する第５直径４３８を有する。当該第５直径は、（ｉ）ライナリップ４１８に関する第２直径４２０と、（ｉｉ）電極４２２のヘッド４２６の第４直径４３２と、の間の大きさの直径である。従って、ライナリップ４１８と電極リップ４３６との間における空隙４４０（例えば、ライナリップと電極リップとの間の配置に実質的に対応する）は、環状ギャップ４３０への汚染物の侵入を概ね防止するとともに、該環状ギャップ４３０を介するガス伝導を概ね制限する。一例として、ライナリップ４１８と電極リップ４３６との間における空隙４４０は、シャフト４２４とライナ４０６との間における環状ギャップ４３０とはほぼ等しい。

さらに別の例によれば、電極４２２のシャフト４２４は、当該シャフト内に画定された環状溝４４２をさらに含む。環状溝４４２は、当該環状溝に関する第６直径４４４を有する。当該第６直径は、第３直径４２８よりも小さい。環状溝４４２は、例えば、ボロンナイトライドシール４４６を受容するように構成されている。これにより、当該環状溝は、ライナリップ４１８および電極リップ４３６とともに、ラビリンスシール４４８を概ね画定する。これにより、シャフト４２４とボディ４０２との間における環状ギャップ４３０内へのガス流（例えば、ガス伝導）を低減させる。一例として、ボロンナイトライドシール４４６は、シャフト４２４の環状溝４４２に嵌合することにより、アークチャンバの内部領域４０４を、当該アークチャンバの外部領域４５０に対してシール（封止）する。環状溝４４２は、例えば、さらに、当該領域（シール領域）への腐食性ガスの伝導を低減させることにより、ボロンナイトライドシール４４６とシャフト４２４との間のシール面を、当該腐食性ガスから保護する。

従来、イオン源内で使用されるガスは、フッ素または他の揮発性を有する腐食性種でありうる。これらのガスは、時間の経過と共に、従来のボロンナイトライドシールの内径部分を腐食して穴を開けることがある。このため、揮発性ガスが漏出し、付近の絶縁体（例えば、カソードアセンブリの絶縁体）にダメージを与えてしまう。このようなガスによる腐食およびガスの漏出は、イオン源の耐用寿命が短縮させる。そして、多くの場合、腐食またはダメージを受けたコンポーネントを交換するために、イオン注入器がシャットダウンさせられる。

本開示は、本開示に係るイオン源（例えば、図１に示すイオン源１０８、または図２に示すイオン源２００）の例示的なアークチャンバ４００を提供する。当該アークチャンバによれば、イオン源からのガス漏出が改善される。それゆえ、本開示によれば、イオン源から外部へのガス漏出を概ね防止できるため、シール４４６の寿命を向上させることができる。また、上述したように、ライナリップ４１８は、電極リップ４３６とほぼ向き合っている。これにより、シャフト４２４とボディ４０２における対応する孔４１４との間における環状ギャップ４３０へのガス伝導をさらに低減できる。また、電極４２２（リペラまたはアンチカソードとも称される場合）のシャフト４２４の外径の内部（外径部内）へ組み込まれるよう設計されたラビリンスシールは、ボロンナイトライドシール４４６を受容する。これにより、当該領域（シール領域）への腐食性ガスの伝導を低減させることで、シール面を腐食性ガスからさらに保護する。

本発明は特定の好適な１つ以上の実施形態に関して図示および説明されているが、上述の実施形態は本発明の一部の実施形態の実施に関する例としてのみの役割を果たしており、本発明の適用例はこれらの実施形態に限定されないことに留意されたい。特に、上述の部材（アセンブリ、デバイス、および回路等）によって実現される様々な機能に関して、これらの部材を説明するために使用される用語（「手段」（means）への言及を含む）は、特に明示されない限り、説明された部材の特定の機能を実現する任意の部材（つまり、機能的に等価である部材）に対応するものであると意図されている。このことは、例え当該任意の部材が、本明細書において、本発明の例示的な実施形態にて説明された機能を実現する開示された構造と、構造的に等価でない場合にも当てはまる。さらに、本発明の特定の構成は、複数の実施形態のうちの１つの実施形態のみに関して開示されている場合がある。但し、任意または特定の応用例について、望ましくかつ有益である場合には、このような構成は、他の実施形態の１つ以上の構成と組み合わせられてもよい。従って、本発明は、上述の実施形態に限定されるべきではない。本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが意図されている。

本開示の複数の態様に係るイオン源カソードシールドを用いた例示的な真空システムのブロック図である。 本開示の様々な態様に係るイオン源の斜視図である。 図２の拡大図であり、隆起したリップを有するライナを備えたアークチャンバを示す。 例示的なイオン源ライナを示す斜視図である。 イオン源と、本開示の複数の例における、隆起したリップを有するライナを備えたアークチャンバと、を示す斜視図である。 図５の拡大図であり、本開示の複数の例における、隆起したリップを有するライナを備えたアークチャンバを示す。 本開示の複数の例における、隆起したリップを有するライナを備えた例示的なイオン源のためのアークチャンバの平面図である。 本開示の複数の例における、隆起したリップを備えた例示的なイオン源ライナを示す斜視図である。 本開示の複数の例における例示的なイオン源ライナの底面を示す平面視図である。 図９の断面図であり、本開示の複数の例における、隆起したリップを備えたイオン源ライナを示す。 電極を有する例示的なアークチャンバ、および、本開示の様々な態様におけるラビリンスシールを示す断面図である。 図１１の拡大図であり、本開示の複数の例における、隆起したリップを備えたライナと、リップを備えた電極とを有するアークチャンバを示す。

Claims (19)

1. イオン源であって、
   アークチャンバと、
   ライナと、
   電極と、を備えており、
   前記アークチャンバは、当該アークチャンバの内部領域を画定するボディを有しており、
   前記ライナは、前記アークチャンバの前記ボディと操作可能に接続されており、
   前記ライナは、第１表面と第２表面とを有しており、
   前記第２表面は、前記第１表面に対して窪んでいることにより、ライナ凹領域を画定し、
   前記ライナは、前記ライナ凹領域内において当該ライナを貫通するように画定された孔をさらに有しており、
   前記孔は、第１直径を有しており、
   前記ライナは、前記第２表面から前記第１表面に向かって、上方へ延伸するライナリップをさらに含んでおり、
   前記ライナリップは、
   前記孔を取り囲むとともに、
   前記ライナリップに関する第２直径を有しており、
   前記電極は、シャフトおよびヘッドを有しており、
   前記シャフトは、前記第１直径よりも小さい第３直径を有しており、
   前記シャフトは、
   前記ボディと前記ライナの前記孔とを貫通するとともに、
   環状ギャップによって前記ライナから電気的に絶縁されており、
   前記ヘッドは、
   第４直径を有するともに、
   第３表面を含んでおり、
   前記第３表面は、当該第３表面から前記第２表面に向かって、下方へ延伸する電極リップを有しており、
   前記電極リップは、当該電極リップに関する第５直径を有しており、
   前記第５直径は、前記第２直径と前記第４直径との間の大きさの直径であり、
   前記ライナリップと前記電極リップとの間における空隙は、
   ラビリンスシールを画定するとともに、
   前記環状ギャップへの汚染物の侵入を防止し、
   前記イオン源は、ボロンナイトライドシールをさらに備えており、
   前記シャフトは、当該シャフトに画定された環状溝をさらに備えており、
   前記環状溝は、前記第３直径よりも小さい第６直径を有しており、
   前記ボロンナイトライドシールは、前記環状溝に嵌合することにより、前記アークチャンバの前記内部領域を、前記アークチャンバの外部領域に対して封止する、イオン源。
2. 前記ライナリップと前記電極リップとの間における前記空隙は、前記シャフトと前記ライナとの間における前記環状ギャップと等しい、請求項１に記載のイオン源。
3. 前記シャフトは、当該シャフトに画定された環状溝をさらに備えており、
   前記環状溝は、当該環状溝に関する第６直径を有しており、
   前記第６直径は、前記第３直径よりも小さい、請求項２に記載のイオン源。
4. 前記環状溝は、前記ボロンナイトライドシールを受容するように構成されており、
   前記環状溝は、前記ライナリップおよび前記電極リップとともに、前記ラビリンスシールをさらに画定することにより、前記環状ギャップを介するガス伝導を低減させる、請求項３に記載のイオン源。
5. 前記ボロンナイトライドシールは、
   前記シャフトの前記環状溝に嵌合することにより、前記アークチャンバの前記内部領域を、前記アークチャンバの外部領域に対して封止する、請求項４に記載のイオン源。
6. 前記環状溝は、前記ボロンナイトライドシールと前記シャフトとの間のシール面を、腐食性ガスから保護する、請求項５に記載のイオン源。
7. 前記電極は、リペラを含んでいる、請求項１に記載のイオン源。
8. 前記ラビリンスシールは、前記シャフトの外径内においてさらに画定されており、
   前記ラビリンスシールは、前記ボロンナイトライドシールを受容するように構成されている、請求項１に記載のイオン源。
9. 前記ラビリンスシールは、前記ボロンナイトライドシールに関する領域内への腐食性ガスの伝導を低減させることにより、前記シャフトのシール面を、前記イオン源に関する前記腐食性ガスから保護する、請求項８に記載のイオン源。
10. イオン源であって、
    アークチャンバと、
    ライナと、
    電極と、
    ボロンナイトライドシールと、を備えており、
    前記アークチャンバは、当該アークチャンバの内部領域を画定するボディを有しており、
    前記ライナは、前記アークチャンバの前記ボディと操作可能に接続されており、
    前記ライナは、第１表面と第２表面とを有しており、
    前記第２表面は、前記第１表面に対して窪んでいることにより、ライナ凹領域を画定し、
    前記ライナは、前記ライナ凹領域内において当該ライナを貫通するように画定された孔をさらに有しており、
    前記孔は、第１直径を有しており、
    前記ライナは、前記第２表面から前記第１表面に向かって、上方へ延伸するライナリップをさらに含んでおり、
    前記ライナリップは、
    前記孔を取り囲むとともに、
    前記ライナリップに関する第２直径を有しており、
    前記電極は、シャフトおよびヘッドを有しており、
    前記シャフトは、前記第１直径よりも小さい第３直径を有しており、
    前記シャフトは、
    前記ボディと前記ライナの前記孔とを貫通するとともに、
    環状ギャップによって前記ライナから電気的に絶縁されており、
    前記ヘッドは、
    第４直径を有するともに、
    第３表面を含んでおり、
    前記第３表面は、当該第３表面から前記第２表面に向かって、下方へ延伸する電極リップを有しており、
    前記電極リップは、当該電極リップに関する第５直径を有しており、
    前記第５直径は、前記第２直径と前記第４直径との間の大きさの直径であり、
    前記ライナリップと前記電極リップとの間における空隙は、
    ラビリンスシールを画定するとともに、
    前記環状ギャップへの汚染物の侵入を防止し、
    前記シャフトは、当該シャフトに画定された環状溝をさらに備えており、
    前記環状溝は、前記第３直径よりも小さい第６直径を有しており、
    前記ボロンナイトライドシールは、前記環状溝に嵌合することにより、前記アークチャンバの前記内部領域を、前記アークチャンバの外部領域に対して封止する、イオン源。
11. 前記環状溝は、前記ライナリップおよび前記電極リップとともに、前記ラビリンスシールをさらに画定することにより、前記環状ギャップを介するガス伝導を低減させる、請求項１０に記載のイオン源。
12. 前記環状溝は、前記ボロンナイトライドシールと前記シャフトとの間のシール面を、腐食性ガスから保護する、請求項１０に記載のイオン源。
13. 前記ラビリンスシールは、前記ボロンナイトライドシールに関する領域内への腐食性ガスの伝導を低減させることにより、前記シャフトのシール面を、前記イオン源に関する前記腐食性ガスから保護する、請求項１０に記載のイオン源。
14. 前記ライナリップと前記電極リップとの間における前記空隙は、前記シャフトと前記ライナとの間における前記環状ギャップと等しい、請求項１０に記載のイオン源。
15. 前記電極は、リペラを含んでいる、請求項１０に記載のイオン源。
16. 前記アークチャンバからイオンを引き出するためのアークスリットをさらに備えている、請求項１０に記載のイオン源。
17. アークチャンバのボディの内部領域から前記アークチャンバの前記ボディの外部領域へのガス漏出を防止するための装置であって、
    前記装置は、
    ライナと、
    電極と、
    ボロンナイトライドシールと、を備えており、
    前記ライナは、第１表面と第２表面とを有しており、
    前記第２表面は、前記第１表面に対して窪んでいることにより、ライナ凹領域を画定し、
    前記ライナは、前記ライナ凹領域内において当該ライナを貫通するように画定された孔をさらに有しており、
    前記孔は、第１直径を有しており、
    前記ライナは、前記第２表面から前記第１表面に向かって、上方へ延伸するライナリップをさらに含んでおり、
    前記ライナリップは、
    前記孔を取り囲むとともに、
    前記ライナリップに関する第２直径を有しており、
    前記電極は、シャフトおよびヘッドを有しており、
    前記シャフトは、前記第１直径よりも小さい第３直径を有しており、
    前記シャフトは、
    前記ボディと前記ライナの前記孔とを貫通するとともに、
    環状ギャップによって前記ライナから電気的に絶縁されており、
    前記ヘッドは、
    第４直径を有するともに、
    第３表面を含んでおり、
    前記第３表面は、当該第３表面から前記第２表面に向かって、下方へ延伸する電極リップを有しており、
    前記電極リップは、当該電極リップに関する第５直径を有しており、
    前記第５直径は、前記第２直径と前記第４直径との間の大きさの直径であり、
    前記ライナリップと前記電極リップとの間における空隙は、
    前記シャフトと前記ライナとの間における前記環状ギャップと等しく、かつ、
    ラビリンスシールを画定するとともに、
    前記環状ギャップへの汚染物の侵入を防止し、
    前記シャフトは、当該シャフトに画定された環状溝をさらに備えており、
    前記環状溝は、前記第３直径よりも小さい第６直径を有しており、
    前記ボロンナイトライドシールは、前記環状溝に嵌合することにより、前記アークチャンバの前記内部領域を、前記アークチャンバの外部領域に対して封止し、
    前記ラビリンスシールは、前記ボロンナイトライドシールに関する領域内への腐食性ガスの伝導を低減させることにより、前記シャフトのシール面を、前記アークチャンバの前記内部領域に関する前記腐食性ガスから保護する、装置。
18. 前記アークチャンバからイオンを引き出するためのアークスリットをさらに備えている、請求項１７に記載の装置。
19. 前記電極は、リペラを含んでいる、請求項１７に記載の装置。

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