KR20140030052A - 이온생성방법 및 이온원 - Google Patents

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Abstract

이온원을 구성하는 아크챔버에 대한 래디칼의 작용을 억제하는 기술을 제공한다.
이온생성방법은, 고융점 재료로 구성된 아크챔버를 구비한 직류 방전형 이온원을 이용하는 이온생성방법으로서, 아크챔버 내에서 소스가스의 분자와 열전자를 충돌시켜 플라즈마 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 이온발생공정과, 이온발생공정에서 발생한 래디칼을, 아크챔버의 내벽의 적어도 일부를 덮도록 배치된 라이너와 반응시키는 반응공정을 포함한다. 라이너는, 아크챔버와 비교하여, 소스가스가 분해되었을 때에 발생하는 래디칼과 반응하기 쉬운 재료로 구성되어 있다.

Description

이온생성방법 및 이온원{ION GENERATION METHOD AND ION SOURCE}
본 출원은, 2012년 8월 28일에 출원된 일본 특허출원 제2012-187168호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 이온생성방법 및 이온원에 관한 것이다.
반도체 제조공정에서는, 도전성을 변화시킬 목적, 반도체 웨이퍼의 결정 구조를 변화시킬 목적 등을 위하여, 반도체 웨이퍼에 이온을 주입하는 공정이 표준적으로 실시되고 있다. 이 공정에서 사용되는 장치는, 일반적으로 이온주입장치라고 불린다.
이러한 이온주입장치에 있어서의 이온원으로서, 직류 방전형의 이온원이 알려져 있다. 직류 방전형의 이온원은, 직류 전류에 의하여 필라멘트를 가열하여 열전자를 발생시키고, 이 열전자에 의하여 캐소드가 가열된다. 그리고, 가열된 캐소드로부터 발생한 열전자가 아크챔버 내에서 가속되어, 도입되고 있는 소스가스 분자와 충돌함으로써, 소스가스 분자에 포함되어 있는 원자가 이온화된다(특허문헌 1 참조).
일본 특허 제3516262호
그런데, 아크챔버 내에 도입되는 소스가스 분자에는, 불화물이나 염화물 등의 할로겐화물이 이용되는 경우가 많다. 할로겐화물의 소스가스 분자는, 이온화의 과정에서 할로겐 래디칼을 발생시키고, 이 할로겐 래디칼이 이온원을 구성하는 부품, 예를 들면 아크챔버 내벽의 금속재료에 작용하여, 화학 결합한다. 그리고, 화학 결합한 금속재료는, 소스가스 분자와 함께 이온화되어, 이온빔으로서 이온원으로부터 인출된다.
그 결과, 아크챔버 내벽의 금속재료가 이온으로서 반도체 웨이퍼에 주입되어, 웨이퍼가 금속 등의 불순물 이온으로 오염될 우려가 있다. 특히, 직류 방전형의 이온원의 경우, 아크챔버 내가 고온이 되기 때문에, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈(Ta) 등의 고융점 금속을 아크챔버 내벽에 이용하는 경우가 있지만, 이러한 고융점 금속에 의한 오염은, 반도체 소자의 성능 향상을 위해서도 최대한 저감시키는 것이 요망된다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 이온원을 구성하는 부분, 특히 아크챔버로의 래디칼의 작용을 억제하는 기술을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양태의 이온생성방법은, 고융점 재료로 구성된 아크챔버를 구비한 직류 방전형 이온원을 이용하는 이온생성방법으로서, 아크챔버 내에서 소스가스의 분자와 열전자를 충돌시켜 플라즈마 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 이온발생공정과, 이온발생공정에서 발생한 래디칼을, 아크챔버의 내벽의 적어도 일부를 덮도록 배치된 라이너와 반응시키는 반응공정을 포함한다. 라이너는, 아크챔버와 비교하여, 소스가스가 분해되었을 때에 발생하는 래디칼과 반응하기 쉬운 재료로 구성되어 있다.
본 발명의 다른 양태는, 이온원이다. 이 이온원은, 고융점 재료로 구성된 아크챔버와, 아크챔버 내로 열전자를 방출하는 열전자방출부와, 아크챔버 내로 소스가스를 도입하는 가스도입구와, 아크챔버의 내벽의 적어도 일부를 덮는 라이너와, 아크챔버 내에서 발생한 이온을 인출하는 개구부를 구비한다. 라이너는, 아크챔버와 비교하여, 소스가스가 분해되었을 때에 발생하는 래디칼과 반응하기 쉬운 재료로 구성되어 있다.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 상호 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 이온원을 구성하는 아크챔버를 래디칼로부터 보호할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 이온원의 A-A단면을 나타내는 모식도이다.
도 3은 제2 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다.
도 4는 제3 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다.
도 5는 제4 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다.
도 6은 제5 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다.
도 7은 도 6에 나타내는 이온원의 C-C단면을 나타내는 모식도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 다만, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 적절히 생략한다. 또, 이하에 서술하는 구성은 예시이며, 본 발명의 범위를 전혀 한정하는 것은 아니다.
(제1 실시형태)
도 1은, 제1 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다. 도 2는, 도 1에 나타내는 이온원의 A-A단면을 나타내는 모식도이다.
제1 실시형태에 관한 이온원(10)은, 직류 방전형의 이온원이며, 아크챔버(12)와, 열전자방출부(14)와, 라이너(16)와, 리펠러(18)와, 서프레션전극(20)과, 그라운드전극(22)과, 각종 전원을 구비한다.
아크챔버(12)는, 소스가스를 도입하는 가스도입구(24)와, 이온빔이 인출되는 개구부로서의 프론트슬릿(26)이 형성되어 있다.
열전자방출부(14)는, 아크챔버 내로 열전자를 방출하는 것이며, 필라멘트(28)와, 캐소드(30)를 가진다. 리펠러(18)는, 열전자방출부(14)와 대향하는 위치에 설치되어 있으며, 리펠러플레이트(32)를 가진다. 캐소드(30)와 리펠러플레이트(32)는, 대향하여 대략 평행으로 설치되어 있다. 라이너(16)는, 아크챔버(12)의 내벽을 덮도록 설치되어 있다.
필라멘트(28)는, 필라멘트전원(34)으로 가열되어, 선단에 열전자를 발생시킨다. 필라멘트(28)에서 발생한 (1차) 열전자는, 캐소드전원(36)으로 가속되어, 캐소드(30)에 충돌하며, 그 충돌 시에 발생하는 열로 캐소드(30)를 가열한다. 가열된 캐소드(30)는 (2차) 열전자(40)를 발생시키고, 이 (2차) 열전자(40)가, 아크전원(38)에 의하여 캐소드(30)와 아크챔버(12)와의 사이에 인가된 아크 전압에 의하여 가속되어, 가스 분자를 전리(電離)하기에 충분한 에너지를 가진 빔전자로서 아크챔버(12) 중에 방출된다.
한편, 이온원(10)은, 캐소드(30)와 리펠러(18)를 잇는 축방향으로 소스자장코일에 의하여 야기되는 외부자장(B)이 인가되어 있다. 또, 빔전자를 방출하는 캐소드(30)와 대향시켜 리펠러(18)가 설치되어 있기 때문에, 빔전자는 자장(B)을 따라 캐소드(30)와 리펠러(18)와의 사이를 왕복 이동하여, 아크챔버(12)에 도입된 소스가스 분자와 충돌 전리하여 이온을 발생시켜, 아크챔버(12)에 플라즈마(42)를 생성한다. 빔전자는, 인가 자장에 의하여 대략 국한된 범위에 존재하므로 이온은 그 범위에서 주로 생성되어, 확산에 의하여 아크챔버(12) 내벽, 프론트슬릿(26), 캐소드(30), 리펠러(18)에 도달하여, 벽면에서 소실된다.
본 실시형태에 관한 이온원(10)은, (2차) 열전자(40)를 방출하는 직류 방전형의 이온원이며, 아크챔버(12)의 내부는 매우 고온이 된다. 이로 인하여, 아크챔버(12)는, 고융점 재료, 구체적으로는, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈(Ta) 등의 고융점 금속이나 그들의 합금, 그래파이트(C) 등으로 구성되어 있다. 이로써, 직류 방전형 이온원과 같이, 아크챔버 내가 비교적 고온이 되는 환경하에서도, 아크챔버를 녹기 어렵게 할 수 있다.
소스가스에는, Ar 등의 희가스나 H2, PH3, AsH3 등의 수소화물, BF3, GeF4 등의 불화물이나 InCl3 등의 염화물(할로겐화물), CO2, CO 등의 산화물이 이용된다. 이들 소스가스는, 아크챔버(12)에 도입되어, (2차) 열전자(40)에 의하여 이온화되지만, 여기된 이온은, 아크챔버(12) 내벽, 프론트슬릿(26), 캐소드(30), 리펠러(18)에 입사하여 충돌하면, 각 부의 구성 소재(W, Ta, Mo, 그래파이트 등)를, 스퍼터에 의하여 마멸시킨다. 또, 소스가스가 불화물인 경우, 예를 들면, BF3의 경우, 이온화에 의하여 B＋, BF＋, BF2 ＋, F＋, F2＋가 생성되어, 이들 이온이 아크챔버(12) 내부의 벽면에서 중성화되면, F, F2 등의 반응성이 높은 불소 래디칼(통상, 반도체 제조 프로세스의 Si나 SiO2막의 에칭에서 사용되고 있다.)이 생성된다.
불소 래디칼은, 이온원(10)을 구성하는 부품의 재료와 화학 결합하여, WFx, TaFx, MoFx, CFx 등의 불화물이 된다. 이들 불화물은, 비교적 저온에서 가스화되기 때문에 아크챔버 내에서 도입 소스가스와 함께 이온화되어, W＋, Ta＋, Mo＋ 등의 이온빔으로서 도입 소스가스의 주이온빔과 함께 인출되어 버린다.
한편, 최근의 이온주입에서는 반도체 소자의 성능 향상을 위하여, 고융점 금속과 같은 중금속 이온(W＋, Ta＋, Mo＋ 등)에 의한 금속 오염(메탈 오염)의 저감이 엄격하게 요구되고 있다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이, 이온소스가스에 포함되는 불소와, 이온원을 구성하는 아크챔버(12) 등의 고융점 재료가 화학 결합하여 가스화되어, 오염 이온으로서 아크챔버(12)로부터 인출되는 것은 바람직하지 않다.
또, 이온빔으로서 인출된 이들 중금속 이온은, 빔라인 내에 퇴적됨과 함께, 그 일부는 이온주입부에 도달하여, 주입 웨이퍼의 중금속 오염을 일으켜, 반도체 소자의 수율을 저하시킨다. 또한, 불소 래디칼은 고온의 이온원의 구성물(캐소드, 리펠러, 프론트슬릿, 아크챔버 등)을 단시간에 부식마모시킴과 함께, 일부의 고온 부재에 퇴적되어, 절연 불량 등의 문제를 일으킨다. 이로 인하여, 각 부품을 빈번하게 교환할 필요가 있어, 이온원이나 이온원을 구비하는 이온주입장치의 메인터넌스 사이클을 짧게 하여 그 생산성을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명자가 예의 검토한 결과, 이하의 기술에 상도했다. 즉, 고온의 이온소스 내에서 발생하는 소스 물질의 불화물이나 염화물 등의 할로겐화물 유래의 반응성이 높은 래디칼을, 이온원을 구성하는 고융점 금속으로 이루어지는 아크챔버(12)와 화학 결합하지 않도록, 효율적으로 저감시킴으로써, 이온빔 중에 포함되는 이온원(10)의 구성부재 유래의 중금속 이온을 억제할 수 있다는 점에 상도했다. 또, 이 기술에 의하여, 아크챔버(12)를 비롯한 이온원(10)을 구성하는 부품의 손모가 억제되어, 이온원(10)의 장수명화를 도모하는 것도 가능해진다.
이러한 지견을 고려하여, 본 실시형태에 관한 이온생성방법은, 고융점 재료로 구성된 아크챔버(12)를 구비한 직류 방전형의 이온원(10)을 이용하는 이온생성방법이다. 이 이온생성방법은, 아크챔버(12) 내에서 소스가스의 분자와 열전자(40)를 충돌시켜 플라즈마 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 이온발생공정과, 이온발생공정에서 발생한 래디칼을, 아크챔버(12)의 내벽의 적어도 일부를 덮도록 배치된 라이너(16)와 반응시키는 반응공정을 포함한다. 라이너(16)는, 아크챔버(12)와 비교하여, 소스가스가 분해되었을 때에 발생하는 래디칼과 반응하기 쉬운 재료로 구성되어 있다
이로써, 이온원(10)은, 래디칼이 라이너(16)와 반응함으로써 아크챔버(12) 내의 래디칼이 감소되어, 라이너(16) 이외의 이온원을 구성하는 부분, 예를 들면, 아크챔버(12), 리펠러(18), 프론트슬릿(26), 캐소드(30)로의 래디칼의 작용이 감소된다. 이로 인하여, 예를 들면, 아크챔버(12)에 작용하는 것이 억제됨으로써, 아크챔버(12)에 포함되는 고융점 재료가 이온으로서 프론트슬릿(26)으로부터 인출되는 것이 저감된다.
본 실시형태에 관한 소스가스는, 할로겐화물 또는 산화물의 가스이다. 구체적으로는, 소스가스는, BF3, GeF4, PF3, InCl3, InI, InBr, CO2 및 CO로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 가스이다. 이들 가스는, 고온이어도 가스의 상태를 유지할 수 있기 때문에, 직류 방전형 이온원에 있어서의 소스가스에 적합하다.
이들 소스가스 중 할로겐화물, 예를 들면, BF3나 GeF4 등의 불화물이 이온원(10)의 아크챔버(12)에 도입되면, 상기 서술한 바와 같이 원하는 도펀트 이온을 얻기 위하여 아크챔버(12) 내에서 플라즈마화되어, 각종 이온이 생성된다. 예를 들면, BF3의 경우, 생성되는 이온은 B＋, BF＋, BF2 ＋, F＋, F2＋이며, 이들 이온의 일부는 프론트슬릿(26)의 개구부로부터 인출되고, 질량 분리되어, B＋ 또는 BF2 ＋만 반도체 소자에 주입된다. 그러나, 대부분의 이온은 아크챔버(12)나, 캐소드(30), 리펠러(18)의 표면에 유입되어 중성화된다.
이들 이온 중에서 F＋나 F2＋는 중성화되어, F나 F2의 불소 래디칼이 된다. 특히 반응성이 높은 불소 래디칼은, 아크챔버(12) 내벽에 흡착되어, 벽면 부재(W, Mo, Ta, C 등)와 화학적으로 결합하여, WFx, MoFx, TaFx, CFx 등이 발생한다. 이들 불화물은, 수백도 이하의 비교적 저온에서 기화되기 때문에, 이온원(10)이 이온을 발생시키고 있는 운전 시에 600℃ 이상(또는 1000℃ 이상, 또는 1500℃ 이상)에 도달하는 아크챔버(12) 내의 벽면으로부터 기화되어 아크챔버(12)의 내벽을 부식마모시킨다.
기화된 불화물은, 더욱 고온의 캐소드(30) 주변이나 리펠러(18)의 표면에서 열분해되어, F가 해리되고, W, Mo, Ta, C 등이 퇴적되거나 하는, 이른바, 할로겐 사이클이 일어난다. 아크챔버(12) 내에서 불소 래디컬에 의한 부식마모나 퇴적이 일어나면, 상기 서술한 바와 같이 부재의 형상 변화나, 초기 간극의 저하 등에 의하여 절연 불량이나 빔 성능의 저하가 일어날 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 이러한 래디칼을 효율적으로 제거하기 위하여, 라이너(16)의 재료로서, W, Mo, Ta, C 등의 고융점 재료보다 융점이 낮은 실리콘(Si)을 이용하고 있다. 반도체 프로세스에 있어서의 결정 Si나 폴리 Si의 에칭에는, CF4의 플라즈마가 많이 사용되고 있으며, 고융점 금속이나 카본(C)과 비교하여 Si는, CF4 플라즈마 중의 불소 래디칼이나 CF2 래디칼에 대하여 매우 선택성이 높다.
이 때의 반응은,
Si(고체)＋4F→SiF4(가스)
로서 나타난다.
즉, Si로 이루어지는 라이너(16)는, 고융점 재료보다 용이하게 에칭되기 쉬운 희생 재료로서 기능한다. 또, 라이너(16)의 Si는, SiF4 가스로서 배기되어, Si의 에칭이 효율적으로 행해진다. 반대로, 불소 래디칼이 발생하는 개소에 Si를 두면, 효율적으로 불소 래디칼을 제거할 수 있다고도 할 수 있다. 다만, 래디칼이 산소 래디칼인 경우이더라도 동일하다. 또, 배기되는 가스에, SiF3, SiO, SiO2 등의 실리콘 화합체의 기체가 포함되어 있어도 된다.
이와 같이 본 실시형태에 관한 이온형성방법은, 상기 서술한 반응공정에서 발생한, 래디칼과 라이너의 재료인 Si와의 화합물 가스(SiF4)를 이온원(10)으로부터 배기하는 배기 공정을 더욱 포함하고 있다. 이로써, 래디칼을 화합물 가스로서 효율적으로 아크챔버(12)의 밖으로 배출할 수 있다.
반응공정에 있어서 이용되는 라이너(16)는, 상기 서술한 Si 이외에, 게르마늄(Ge)이나 탄화규소(SiC)를 포함하는 재료여도 된다. 다만, Si의 순도는, 99.999% 이상이 바람직하다.
다만, Si는, 단결정 실리콘이어도 된다. 단결정 실리콘은, 예를 들면, 래디컬에 의하여 에칭되는 속도가 빠르기 때문에, 래디칼을 보다 효율적으로 화합물 가스로 변화시킬 수 있다. 또, 단결정 실리콘은, 아크챔버 내에서 발생하는 플라즈마와 대향하는 면이 (100)면이 되도록 배치되어 있어도 된다. 단결정 실리콘의 (100)면은, 래디컬에 의하여 에칭되는 속도가 빠르기 때문에, 래디칼을 보다 효율적으로 화합물 가스로 변화시킬 수 있다.
또, 실리콘은, 다결정 실리콘이나 아모퍼스 실리콘이어도 된다. 다결정 실리콘이나 아모퍼스 실리콘은, 단결정 실리콘보다, 에칭되는 속도가 느리기 때문에, 라이너의 수명을 늘릴 수 있다.
또, 본 실시형태를 다른 양태로 표현하면, 이온원(10)은, 고융점 재료로 구성된 아크챔버(12)와, 아크챔버(12) 내에 열전자를 방출하는 열전자방출부(14)와, 아크챔버(12) 내에 소스가스를 도입하는 가스도입구(24)와, 아크챔버(12)의 내벽의 적어도 일부를 덮는 라이너(16)와, 아크챔버(12) 내에서 발생한 이온을 인출하는 프론트슬릿(26)을 구비한다. 라이너(16)는, 아크챔버(12)와 비교하여, 소스가스가 분해되었을 때에 발생하는 래디칼과 반응하기 쉬운 재료로 구성되어 있다.
또, 라이너(16)는, 적어도 일부가 아크챔버(12)와 접하고 있어도 된다. 이로써, 아크챔버를 통하여 라이너의 열을 외부로 방열할 수 있다.
다만, 아크챔버(12)와 별도 부재의 라이너(16)를 설치하는 것이 아니라, 아크챔버(12)나 이온원(10)의 그 외의 구성부품의 내벽측의 표면에 Si나 Ge 등의 재료를 코팅해도 된다. 이 때, 그 재료는, 단결정, 다결정, 아모퍼스 중 어느 것으로부터 적절히 선택하면 된다.
(제2 실시형태)
도 3은, 제2 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다. 제2 실시형태에 관한 이온원(50)은, 라이너의 형상이 제1 실시형태에 관한 이온원(10)과 상이하다.
이온원(50)에 있어서, 아크챔버(12)는, 열전자방출부(14) 근방에 있어서 라이너(52)로 덮인 라이너피복영역(12a)과, 라이너(52)로 덮여 있지 않은 노출영역(12b)을 가지고 있다. 열전자방출부(14) 근방은, 래디칼이 발생하기 쉽기 때문에, 라이너(52)를 열전자방출부(14) 근방에 배치함으로써 래디칼을 효율적으로 제거할 수 있다. 한편, 라이너로 덮여있지 않은 노출영역(12b)을 형성함으로써, 라이너(52)의 양을 저감시킬 수 있어, 라이너(52)의 재료가 이온빔으로서 과잉으로 발생하는 것이 억제된다.
(제3 실시형태)
도 4는, 제3 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다. 제3 실시형태에 관한 이온원(60)은, 라이너의 형상이 제1 실시형태에 관한 이온원(10)과 상이하다.
이온원(60)에 있어서, 아크챔버(12)는, 열전자방출부(14)와 대향하는 리펠러(18) 근방에 있어서 라이너(62)로 덮인 라이너피복영역(12a)과, 라이너(62)로 덮여있지 않은 노출영역(12b)을 가지고 있다. 리펠러(18) 근방은, 래디칼이 발생하기 쉽기 때문에, 라이너(62)를 리펠러(18) 근방에 배치함으로써 래디칼을 효율적으로 제거할 수 있다. 한편, 라이너(62)로 덮여있지 않은 노출영역(12b)을 형성함으로써, 라이너(62)의 양을 저감시킬 수 있어, 라이너(62)의 재료가 이온빔으로서 과잉으로 발생하는 것이 억제된다.
(제4 실시형태)
도 5는, 제4 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다. 이온원(70)에 있어서, 아크챔버(12)는, 프론트슬릿(26)의 주변부로서 라이너로 덮여있지 않은 노출영역(12b)을 가지고 있다. 라이너(72)는 래디컬에 의하여 에칭되어 감소된다. 이로 인하여, 프론트슬릿(26)의 가장자리까지 라이너를 설치해 두면, 개구부 근방의 형태가 경시적으로 변화되어, 프론트슬릿(26)으로부터 인출되는 이온빔의 형상이 안정되지 않게 될 우려가 있다. 따라서, 프론트슬릿(26)의 주변부는 라이너(72)로 덮지 않음으로써, 이온빔의 형상을 안정되게 할 수 있다.
이와 같이, 이온빔의 인출 성능에 대해서는, 프론트슬릿(26)에 확산되어 온 플라즈마로부터 자장에 평행한 슬릿을 통하여 행해지지만, 인출되는 빔전류량이나 빔의 발산량은 프론트슬릿부의 마멸이나 소스 물질의 퇴적에 의한 개구 형상의 변화에 크게 좌우되며, 나아가서는, 이온주입부에서의 주입 빔전류의 저하를 초래하여, 이온주입장치의 생산성을 저하시킨다.
따라서, 본 실시형태에 관한 라이너 형상으로 함으로써, 불소 래디컬에 의한 프론트슬릿(26) 근방의 부식마모나 소스 물질의 퇴적이 저감되어, 개구 형상의 변화가 억제되기 때문에, 빔 형상에 대한 영향이 저감되어, 이온주입장치의 안정적인 운전을 유지할 수 있다.
(제5 실시형태)
도 6은, 제5 실시형태에 관한 이온원의 아크챔버 내를 나타내는 모식도이다. 도 7은, 도 6에 나타내는 이온원의 C-C단면을 나타내는 모식도이다.
이온원(80)에 있어서, 아크챔버(12)는, 프론트슬릿(26)과 대향하는 아크챔버 내벽으로서 라이너로 덮여있지 않은 노출영역(12b)을 가지고 있다. 프론트슬릿(26)과 대향하는 아크챔버 내벽에는, 이온빔을 인출할 때에, 고에너지의 백스트림전자(82)가 프론트슬릿(26)으로부터 아크챔버(12) 내로 침입하여, 프론트슬릿(26)과 대향하는 아크챔버 내벽에 충돌한다. 이로 인하여, 도 6에 나타내는 백스트림조사부(84)가 고온이 되기 때문에, 라이너(86)가 녹을 우려가 있다. 따라서, 프론트슬릿(26)과 대향하는 아크챔버 내벽을 라이너(86)로 덮지 않음으로써, 라이너(86)의 용출을 방지할 수 있다.
상술과 같이, 특히 고온에서 운전되는 이온원에 있어서, 불화물을 소스가스로서 사용하는 경우, 예를 들면, Si 라이너를 아크챔버 내에 배치하면, 불소 래디칼은 가스로서 SiF4 혹은 SiF2로서 효율적으로 배출되어, 고융점 금속이나 카본 등의 부식마모나 퇴적이 억제된다. 따라서, 소스 수명이 현저하게 개선되게 된다.
또, Si 라이너로 아크챔버 내벽을 덮음으로써, 중금속이나 카본의 불화물이 적어지기 때문에, 인출되는 빔 중의 중금속 이온도 현저하게 감소되어, 중금속 오염의 저감이 가능해진다.
다만, 통상의 이온원은, 인출 전극에 전압을 인가하기 위하여 절연물(인슐레이터)이 배치되어 있지만, 중금속 이온이나 카본 이온이 인출되면, 그들 이온은 그 절연물 표면에 부착되어, 절연 불량을 발생시킨다. 한편, 상술한 실시형태와 같이, Si 라이너의 경우는, 발생한 SiF4 가스로부터 이온화된 Si＋도 인출되지만, Si는 절연물이기 때문에 퇴적되어도 절연 불량을 발생시키지 않는다. 따라서, 인출 전극이나 이온원 주변의 절연 특성이 개선되어, 빔 인출의 안정화가 도모된다.
이상, 본 발명을 상술한 각 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명은 상술한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 각 실시형태의 구성을 적절히 조합한 것이나 치환한 것에 대해서도 본 발명에 포함되는 것이다. 또, 당업자의 지식에 근거하여 각 실시형태에 있어서의 조합이나 처리의 순서를 적절히 재조합하는 것이나 각종 설계 변경 등의 변형을 각 실시형태에 대하여 더하는 것도 가능하며, 그러한 변형이 더해진 실시형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
상술한 라이너는, 요구되는 이온원의 수명에 따른 부식마모에 의하여 관통되지 않는 충분한 두께(예를 들면 1mm 이상)를 가지는 것이 바람직하다. 또, 라이너가 단결정 Si판인 경우에는 고온 운전 시의 강도를 유지하게 하기 위하여 벽개(劈開)를 따라 잘라낸 것이 바람직하다. 또, 라이너의 플라즈마에 접하는 면은 경면이 바람직하다. 또, 라이너는, 코스트 저감을 위하여 잉곳으로부터 잘라낸 채로의 Si 기판이어도 된다. 또, 라이너는, 얇은 Si 기판을 복수 매 겹친 것이어도 된다.
또, 열전자방출부(14)는, 필라멘트로부터 발생시킨 (1차) 열전자에 의하여 직접 이온화시키는 전자충돌형 이온소스나, 필라멘트로부터 발생시킨 (1차) 열전자를 캐소드 캡에 충돌시켜 캐소드 캡으로부터 (2차) 열전자(40)를 발생시키는 방열형 전자충돌형 이온소스여도 된다.
또, 가스도입구(24)나 프론트슬릿(26) 근방의 라이너를 그래파이트로 하고, 그 이외의 라이너를 Si로 해도 된다.
또, 라이너가 Si 단결정인 경우, 벽개를 따라 잘라낸 것이어도 된다. 이로써, 고온 운전 시의 강도를 유지시킬 수 있다.
또, 라이너의 표면 조도는, 불소 래디칼 등과의 반응성을 높이기 위하여, 표면적이 커지도록, 특히 플라즈마에 접하는 영역의 조도를 거칠게 해도 된다.
다만, 상술한 이온원은, 라이너를 소스로 하는 Si 빔을 발생 장치로서 기능시켜도 된다. 또, 플라즈마는, RF 안테나 등의 다른 수단에 의하여 발생시켜도 된다.
10 이온원
12 아크챔버
12a 라이너피복영역
12b 노출영역
14 열전자방출부
16 라이너
18 리펠러
20 서프레션전극
22 그라운드전극
24 가스도입구
26 프론트슬릿
28 필라멘트
30 캐소드
32 리펠러플레이트
34 필라멘트전원
36 캐소드전원
38 아크전원
40 열전자
42 플라즈마
82 백스트림전자
84 백스트림조사부

Claims (16)

  1. 고융점 재료로 구성된 아크챔버를 구비한 직류 방전형 이온원을 이용하는 이온생성방법으로서,
    상기 아크챔버 내에서 소스가스의 분자와 열전자를 충돌시켜 플라즈마 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 이온발생공정과,
    상기 이온발생공정에서 발생한 래디칼을, 아크챔버의 내벽의 적어도 일부를 덮도록 배치된 라이너와 반응시키는 반응공정을 포함하고,
    상기 라이너는, 상기 아크챔버와 비교하여, 상기 소스가스가 분해되었을 때에 발생하는 래디칼과 반응하기 쉬운 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응공정에서 발생한, 래디칼과 라이너의 재료와의 화합물 가스를 이온원으로부터 배기하는 배기 공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응공정에 있어서 이용되는 라이너는, 실리콘 또는 게르마늄을 포함하는 재료인 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘은, 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘은, 아크챔버 내에서 발생하는 플라즈마와 대향하는 면이 (100)면이 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘은, 다결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘은, 아모퍼스 실리콘인 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스가스는, 할로겐화물 또는 산화물의 가스인 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스가스는, BF3, GeF4, PF3, InCl3, InI, InBr, CO2 및 CO로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 가스인 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고융점 재료는, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 및 탄소 중 적어도 1종의 원자를 포함하는 재료인 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온발생공정은, 아크챔버 내의 온도가 600℃ 이상이 되는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  12. 고융점 재료로 구성된 아크챔버와,
    상기 아크챔버 내로 열전자를 방출하는 열전자방출부와,
    상기 아크챔버 내로 소스가스를 도입하는 가스도입구와,
    상기 아크챔버의 내벽의 적어도 일부를 덮는 라이너와,
    상기 아크챔버 내에서 발생한 이온을 인출하는 개구부를 구비하고,
    상기 라이너는, 상기 아크챔버와 비교하여, 상기 소스가스가 분해되었을 때에 발생하는 래디칼과 반응하기 쉬운 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온원.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 아크챔버는,
    상기 열전자방출부 근방에 있어서 상기 라이너로 덮인 라이너피복영역과,
    상기 라이너로 덮여있지 않은 노출영역
    을 가지는 것을 특징으로 하는 이온원.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 아크챔버는,
    상기 열전자방출부와 대향하는 리펠러 근방에 있어서 상기 라이너로 덮인 라이너피복영역과,
    상기 라이너로 덮여있지 않은 노출영역
    을 가지는 것을 특징으로 하는 이온원.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 아크챔버는, 상기 개구부의 주변부로서 상기 라이너로 덮여있지 않은 노출영역을 가지는 것을 특징으로 하는 이온원.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 아크챔버는, 상기 개구부와 대향하는 아크챔버 내벽으로서 상기 라이너로 덮여있지 않은 노출영역을 가지는 것을 특징으로 하는 이온원.
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