TW201440110A

TW201440110A - 離子源

Info

Publication number: TW201440110A
Application number: TW103112104A
Authority: TW
Inventors: Takashi Sakamoto
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-10-16
Also published as: JP6048829B2; JP2015053208A; TWI575548B

Abstract

本發明係抑制電漿生成用容器內部所生成之碳化合物之蒸發，而使離子源於長期間內穩定運行。一種離子源IS，其產生包含碳離子之離子束，且具備：電漿生成容器1，其被供給至少含有碳之處理氣體及至少含有氦之稀釋氣體；及熱電子釋出部，其係以與容器壁面電性地相隔之方式配置於電漿生成容器1之端部，釋出熱電子。

Description

離子源

本發明係關於一種將碳離子照射至矽晶圓等半導體基板之離子注入裝置中所使用的離子源。尤其係關於一種在離子束生成之過程中使用含碳之處理氣體與稀釋氣體之混合氣體的離子源。

習知，對半導體基板照射包含碳離子之離子束之方法被用於抑制基板深度方向上之摻雜劑之擴散或減少非晶質層下方之結晶缺陷等。

然而，產生碳離子之情形時，有離子源之壽命變短之問題。例如，作為生成碳離子之氣體之代表例，有二氧化碳。使用二氧化碳作為處理氣體之情形時，氧與構成離子源之金屬構件反應，而使該金屬構件氧化。因該氧化，例如，導致如下問題產生：來自燈絲之熱電子之釋出或反射電極進行之電子之反射未順利地發揮功能，而離子源之性能劣化。

為解決如上所述之問題，近年來，使用專利文獻1記載之技術。於專利文獻1中，使用二氧化碳作為處理氣體，並且使氫作為稀釋氣體混合於該處理氣體中。

因使氫混合而自二氧化碳分解出之氧與氫反應，氧與構成離子源之金屬構件之反應得以抑制，從而離子源之性能劣化得以緩和，因此，認為能夠使離子源長期地穩定運行。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]美國申請案公開第2012/0118232號公報

然而，即便使用使二氧化碳與氫混合所得之氣體，能夠維持離子源之性能之期間亦有限。另一方面，對於半導體製造裝置之生產性提昇之要求並無極限，要求使離子源更長期地穩定運行。

又，自二氧化碳分解出之碳與離子源之燈絲等金屬構件反應，而生成碳化合物。離子源中所使用之燈絲等金屬構件一般係由鎢構成，而有如下擔憂：該等材料與碳之反應物於離子源之運轉過程中蒸發，並進入至離子源內電性地獨立之構件間，而導致該構件間短路。進而，亦有如下擔憂：若燈絲與碳反應後該反應物蒸發，則燈絲變細，而離子源之壽命極端地變短。關於該等方面，即便於使用氫作為混合氣體之情形時，仍然作為擔憂事項而存在。

為了達成上述要求、改善擔憂事項，本案發明之發明者反覆致力於研究，結果成功使用氦作為代替氫之氣體而使離子源於遠比氫長之期間內穩定運行。

作為離子源之具體構成，係一種離子源，其產生包含碳離子之離子束，且具備：電漿生成容器，其被供給至少含有碳之處理氣體及至少含有氦之稀釋氣體；及熱電子釋出部，其係以與容器壁面電性地相隔之方式配置於上述電漿生成容器之端部，釋出熱電子。

雖然理論上未明確地解釋清楚，但認為與使用氫作為稀釋氣體之情形相比，藉由使用氦作為稀釋氣體，可使離子源內所生成之電漿之溫度降低，藉此，可抑制自處理氣體分解出之碳與構成離子源之金屬構件之反應物之蒸發。其結果，可使離子源比使用氫作為稀釋氣體之情形更長期地穩定運行。

上述處理氣體理想的是二氧化碳。

二氧化碳相對廉價且容易獲得。又，利用氦作為稀釋氣體之情形時，有可於電漿生成室內抑制O⁺離子之生成之特殊效果。二氧化碳被分解時，生成與C⁺離子同等程度之O⁺離子。該O⁺離子成為將構成離子源之金屬構件氧化之原因，但藉由使用氦而可顯著抑制O⁺離子之生成，因此，構成離子源之金屬構件之氧化得以抑制，從而可使離子源長期地穩定運行。

上述稀釋氣體理想的是氦與氬。

氬相對廉價且質量數大。而且，具有不易與其他物質反應之性質。藉由與氦一同地使用此種氣體，可利用濺鍍效應將構成離子源之金屬構件表面所生成之反應物去除。

上述熱電子釋出部理想的是包含向上述電漿生成容器內釋出熱電子之陰極及加熱該陰極之燈絲。

藉由採用上述構成且使用作為旁熱型離子源而廣為人知之類型之離子源，可進一步延長離子源之壽命。

理想的是於上述陰極之周圍配置有環狀之熱屏(heat shield)。

藉由使用如上所述之構成，可將釋出熱電子之陰極保持於高溫。又，由於使用氦作為稀釋氣體，故而可抑制如下情況產生：即便於陰極之周圍配置環狀之熱屏，陰極與碳之反應物亦因蒸發而附著於兩構件間，從而導致兩構件間之接觸面積增加。於兩構件間之接觸面積增加之情形時，陰極之熱通過熱屏而散熱，但藉由使用氦而可抑制兩構件間之物理性接觸，因此，可將陰極之溫度維持於高溫。

藉由使用氦作為稀釋氣體，可抑制自處理氣體分解出之碳與構成離子源之金屬構件之反應物之蒸發，而使離子源比使用氫作為稀釋氣體之情形更長期地穩定運行。

1‧‧‧電漿生成容器

2‧‧‧陰極

3‧‧‧燈絲

4‧‧‧反射電極

5‧‧‧第一氣體瓶

6‧‧‧第二氣體瓶

7‧‧‧流量調整器

8‧‧‧磁鐵

10‧‧‧第一氣體供給路

11‧‧‧第二氣體供給路

12‧‧‧槽

13‧‧‧線

14‧‧‧熱屏

B‧‧‧磁場

IS‧‧‧離子源

Vf‧‧‧燈絲電源

Vh‧‧‧熱電源

Varc‧‧‧電弧電源

Vsub‧‧‧副電弧電源

Y、Z‧‧‧軸

圖1係表示應用本發明之離子源之一例之概略圖。

圖2係表示不同之稀釋氣體之條件下之熱電壓(thermal voltage)之時間變化之曲線圖。

圖3係圖1記載之離子源之陰極附近之放大圖。

圖4係圖3記載之A-A線之剖面圖。

於圖1中描繪出表示應用本發明之離子源之一例之概略圖。該離子源IS係利用燈絲3加熱陰極2且自陰極2向電漿生成容器1內釋出熱電子的稱為旁熱型離子源之類型之一種。此種離子源IS被認為壽命較習知之伯納斯型離子源長。

應用本發明之離子源IS並不限定於旁熱型離子源，但藉由與此種離子源進行組合而使用本發明，可使離子源更長期地穩定運行。再者，亦可代替旁熱型離子源而使用無圖示之陰極2之伯納斯型離子源。於本發明中，使用旁熱型離子源之情形時，將組合陰極2與燈絲3所得者稱為熱電子釋出部，使用伯納斯型離子源之情形時，將燈絲3稱為熱電子釋出部。

於電漿生成容器1連接有第一氣體供給路10與第二氣體供給路11。該等氣體供給路係經由流量調整器7分別連接於第一氣體瓶5與第二氣體瓶6。於第一氣體瓶5封入有例如二氧化碳，於第二氣體瓶6封入有包含氦與氬之混合氣體。

又，如圖所示，離子源IS係於與陰極2對向之電漿生成容器1之端部包含反射電極4。該反射電極4係為了將自陰極2釋出之熱電子逐回至陰極2側而使用。進而，於電漿生成容器1之外部設置有一對磁鐵8，因該磁鐵8而於電漿生成容器1之內部生成磁場B。再者，此處，雖設想配置於電漿生成容器1之外部之磁鐵8為永久磁鐵，但亦可代替此而使用電磁鐵。

於構成離子源之各部連接有各種電源。於燈絲3之端子間連接有燈絲電源Vf，藉由該電源，進行流至燈絲3之電流量之調整。又，於燈絲3與陰極2之間連接有熱電源Vh，藉由該熱電源Vh進行陰極2之溫度調整。進而，於陰極2與電漿生成容器1之間連接有電弧電源Varc，藉由該電源實現陰極2與電漿生成容器1之間之電弧放電。而且，於電漿生成容器1與反射電極4之間連接有副電弧電源Vsub，藉由該電源進行反射電極4之電位調整。

供給至電漿生成容器1內之氣體因自陰極2釋出之熱電子而游離，於電漿生成容器1內生成電漿。自該電漿通過設置於Z軸方向側之未圖示之電漿生成容器壁面之引出開口部進行離子束之引出。

於圖2中描繪出表示不同之稀釋氣體之條件下之熱電壓之時間變化之曲線圖。該曲線圖係模式性地表示實驗資料者。

圖2之曲線圖表示使離子源IS之除熱電源Vh之值以外之各種參數(氣體流量或各電源電壓之值)保持固定之後以電弧電流(於陰極2與電漿生成容器1間流動之電流)成為固定之方式改變熱電源Vh之值時的情況。

又，於圖2中描繪出3種曲線圖為，分別供給至電漿生成容器1之氣體之種類不同。由一點鏈線描繪之曲線圖表示對電漿生成容器1僅供給二氧化碳之情形，由虛線描繪之曲線圖表示對電漿生成容器1供給將氫混合於二氧化碳中所得之氣體之情形，由實線描繪之曲線圖表示對電漿生成容器1供給將氦混合於二氧化碳中所得之氣體之情形。

通常，陰極2因經時變化而減少，因此，於欲獲得相同之電弧電流之情形時，由熱電源施加之電壓值將隨時間變大。然而，熱電源之額定由電源之規格所決定，因而無法施加額定以上之電壓。

根據圖2之曲線圖，於熱電源之額定為80V之情形時，若無稀釋氣體則約36小時後無法獲得所期望之電弧電流。同樣地，於使用氫作為稀釋氣體之情形時，約44小時後無法獲得所期望之電弧電流，於使用氦作為稀釋氣體之情形時，約52小時後無法獲得所期望之電弧電流。

根據該實驗結果，使用氦作為稀釋氣體之情形與使用氫之情形相比，可使離子源IS穩定運行約1.2倍之時間。即，離子源IS之壽命變長約1.2倍。考慮該實驗結果，於本發明中，代替習知之專利文獻1中所使用之氫而使用氦作為與處理氣體混合之混合氣體。關於為何氦比氫更優異之原因，雖然理論上未明確地解釋清楚，但認為與使用氫作為稀釋氣體之情形相比，藉由使用氦作為稀釋氣體，可使離子源IS內所生成之電漿之溫度降低，藉此，可抑制自處理氣體分解出之碳與構成離子源IS之金屬構件(圖1之例中為陰極2或反射電極4等)之反應物之蒸發。

於圖3中描繪出圖1記載之離子源IS之陰極2附近之放大圖。於旁熱型離子源IS中，自陰極2進行熱電子之釋出。為了使熱電子有效率地釋出，而必須將陰極2保持於高溫。為了達成該目的，而於陰極2之周圍配置有環狀之熱屏14。該熱屏14係為了封閉來自陰極2之輻射熱而將陰極2之溫度保持於高溫而使用。

於圖4中描繪出圖3記載之A-A線之剖面圖。於陰極2之端部形成有環狀之槽12，且於此處繫止有線13。兼作陰極2之保持器之熱屏14係一部分朝陰極2側突出，且該突出部分抵接於線13之下部。再者，於離子源IS安裝陰極2之情形時，Y軸方向成為鉛垂下方，因而線13掛在熱屏14上，因此，陰極12不會自熱屏14脫落。又，於陰極2之背面配置有燈絲3，燈絲3與熱屏14分別由未圖示之夾持器個別地支持。

於使用氫作為稀釋氣體之情形時，若陰極2或熱屏14之材料為鎢且處理氣體含有碳，則因與碳之反應而於陰極2或熱屏14之表面生成碳化鎢。而認為有如下情況：該碳化鎢熔點相對較低而於高溫之電漿生成容器1內蒸發，並進入至陰極2與熱屏14之間所形成之間隙，於此恢復成鎢。

如此一來，熱屏14與陰極2物理性地接觸。於該接觸面積增加之情形時，陰極2之熱經由熱屏14而散熱，因此，若不將熱電壓設定為更高之值，則無法獲得相同之電弧電流。

另一方面，於使用氦作為混合氣體之情形時，如上所述，可抑制離子源IS內之金屬構件與碳之反應物之蒸發，因此，可抑制陰極2與熱屏14之物理性接觸之產生而將陰極2之溫度保持於高溫。因如上所述之原由，代替氫而使用氦作為混合氣體。

於至此為止之實施形態中，因廉價且容易獲得而將二氧化碳用作處理氣體。若將二氧化碳用作處理氣體且將氦用作稀釋氣體，則可在以下方面獲得特殊效果。

若二氧化碳被電漿化，則生成與C⁺離子同等程度之O⁺離子。該O⁺離子成為將構成離子源之金屬構件氧化之原因，但使氦混合之情形時，可顯著抑制O⁺離子之生成，因此，構成離子源之金屬構件之氧化得以抑制，而能夠使離子源長期地穩定運行。

即便使用氦作為稀釋氣體，與處理氣體之反應物亦堆積於構成離子源之金屬構件上。因該堆積物對離子源之性能造成不良影響，故考慮如圖1記載之構成般將氬與氦一起用作稀釋氣體。若事先使氬混合，則可利用由氬所產生之濺鍍作用在上述堆積物成為較大之塊體之前將其去除。再者，亦可代替氬而使用氙等其他稀有氣體。使用氬之原因在於：價格相對較低且容易獲得，質量數亦某種程度地大。

<其他變形例>

由於電漿生成容器1之壁面亦由高熔點金屬構成，故認為與處理氣體之反應物堆積於該部分。有如下擔憂：若堆積物變大而其剝落，則導致配置於離子源內之電位不同之構件間短路。因此，為了抑制堆積物之剝落，亦可將電漿生成容器1之壁面加工成凹凸狀。

根據實驗資料可知，理想的是氦與二氧化碳之混合比設為同等程度，且氬較其為少，例如設為氦之30%以下。其原因在於：若極端地過分增加氦(例如設為二氧化碳之2倍以上)，則含有碳離子之離子束之電流量減少，若過分減少氦則產生金屬構件之蒸發等問題。

於上述實施形態中，於第一氣體瓶5中封入有二氧化碳，但亦可代替此而使用一氧化碳。又，亦可代替氣體瓶而使用環己烷、環戊烯等碳氫化合物可使用之烘箱。進而，若使用如聯苄(dibenzyl)般之固體材料，則只要代替氣體瓶而使用可將材料加熱至高溫之蒸發器，使材料汽化而能夠向電漿生成容器1供給即可。

又，朝向電漿生成容器1之氣體之供給路無需按照處理氣體與稀釋氣體而各自分開。例如，亦可將自各氣體瓶起之供給路於中途連接，而使最終之朝向電漿生成容器1之氣體之供給路為1個。又，無需使稀釋氣體一開始便於第二氣體瓶6內混合，亦可構成為預先將氦與氬封入於個別之氣體瓶而獨立地向電漿生成容器1內供給各氣體。

進而，於圖1中，陰極2配置於電漿生成容器1之外側，但關於陰極2之配置，亦可配置於電漿生成容器1之內側。

除上述情況以外，當然亦可於不脫離本發明之主旨之範圍內進行各種改良及變更。