TWI725323B - 離子源、離子源之運轉方法 - Google Patents

Abstract

本發明的課題在於不論燈絲的絲徑為何都可謀求與燈絲更換相關之離子源的稼動損失的降低。

本發明的離子源IS1係具備有：複數根燈絲F1至F3；控制裝置C，係個別地設定供給於各燈絲的通電電流；以及電壓計V1至V3，係量測在各燈絲F1至F3之電壓；其中，控制裝置C係從設定的電流值與量測的電壓值算出各燈絲F1至F3之目前的電阻值R1至R3，且根據基準的電阻值Rs與目前的電阻值R1至R3的差，將供給於各燈絲的通電電流I1至I3進行再設定，以使各燈絲之目前的電阻值R1至R3成為基準的電阻值Rs。

Description

離子源、離子源之運轉方法

本發明係關於一種使用複數個燈絲(filament)產生電漿(plasma)，且自同一電漿引導出離子射束的離子源及離子源之運轉方法。

離子注入裝置、離子摻雜裝置或離子射束蝕刻裝置中，為了產生離子射束而使用離子源。該離子源因電漿產生的機制(mechanism)的不同而會使用各種的形態。

離子源之一有一種具備了複數個燈絲的離子源。根據離子源的運轉時間及/或使用的氣體、燈絲的配置部位等，各燈絲的時間性消耗程度會不一致。

複數根燈絲當中，當一根燈絲的壽命比其他的燈絲還較早耗盡時，離子源的性能會顯著地劣化。這是因為使用所有的燈絲來擔保離子源性能的緣故。

在離子源性能降低的狀態下持續離子源的運轉時，會造成對於基板進行之離子射束照射處理不良。雖然由於這樣的緣故而停止離子源的運轉來進行燈絲的更換，但若在各燈絲中消耗程度不一致，則每當一根燈絲壽 命耗盡時，就要每次停止離子源來進行燈絲的更換。

前述的燈絲的更換方法會使離子源的稼動率顯著地降低。就改善離子源之稼動率的解決對策而言，專利文獻1已有：因應氣體種類與燈絲的配置部位而使燈絲的絲徑不同的提案。

具體而言，根據經驗法則而將容易斷線(壽命較早耗盡)的燈絲的絲徑設得比不易斷線(壽命較晚耗盡)的燈絲的絲徑大。

藉由不同絲徑之燈絲的使用，從而使在離子源所使用之各燈絲的壽命成為相同程度並一舉更換所有燈絲，藉此來改善肇因於燈絲更換所造成之離子源稼動率降低。

[現有技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2009-266779。

專利文獻1的手段中，由於必須預備對應燈絲所配置的部位及/或氣體種類之特殊絲徑的燈絲，故燈絲無法重複使用，使維護時的便利性有所闕如。

再者，由於是根據經驗法則而決定燈絲的絲徑，故例如當使用與假設的氣體種類不同的氣體時，就會在所有燈絲的壽命產生差異，而增加燈絲更換次數。結果，會有無法充分獲得上述之離子源的稼動率改善效果的疑慮。

本發明的主要課題在於：在具備複數根燈絲的離子源中，不論燈絲的絲徑為何，都可改善肇因於燈絲更換所造成之離子源的稼動率降低。

一種離子源，係具備有：複數根燈絲；控制裝置，係個別地設定供給於各燈絲的通電電流；以及電壓計，係量測在各燈絲的電壓；其中前述控制裝置係從設定的電流值與量測的電壓值算出各燈絲之目前的電阻值，且根據基準的電阻值與目前的電阻值之差，將供給於各燈絲的通電電流進行再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電阻值。

就另一種離子源而言，係具備有：複數根燈絲；控制裝置，係設定在各燈絲的施加電壓；以及電流計，係量測供給於各燈絲的通電電流；其中前述控制裝置係從設定的電壓值與量測的電流值算出各燈絲之目前的電阻值，且根據基準的電阻值與目前的電阻值之差，將在各燈絲的端子間的施加電壓進行再設定，以使各燈絲的目前的電阻值成為基準的電阻值。

控制裝置係根據各燈絲之目前的電阻值與基準的電阻值的差來進行供給於各燈絲的通電電流或施加電壓的再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電 阻值，從而，不論各燈絲的絲徑為何，都可使各燈絲的壽命一致。

藉由使壽命一致，更換各燈絲的時序也會一致，所以隨著燈絲更換所造成之離子源的停止頻度會變少，而使離子源的稼動率提升。

為了要使各燈絲的壽命更正確地一致而容易進行電阻值的校準，前述基準的電阻值較佳為將各燈絲之目前的電阻值予以平均而得的電阻值。

若考慮到與通電電流或施加電壓相對應之電阻值的變化量會在各燈絲相異的情形，較佳為：前述控制裝置還根據與各燈絲之配置部位相對應的權重係數，而將前述通電電流或施加電壓進行再設定。

為了維持從各燈絲所釋放之熱電子量的相對關係，較佳為：前述控制裝置於進行前述再設定之前，算出各燈絲之將目前的電阻值予以平均而得的電阻值與各燈絲之目前的電阻值之差，以作為初始電阻值，且儲存算出後之值，並且也考慮到該初始電阻值來實施前述再設定。

就離子源之運轉方法而言，係將供給於離子源所具備之複數根燈絲之通電電流進行再設定，該離子源之運轉方法包含：初始設定供給於各燈絲的通電電流，量測在各燈絲之端子間的電壓，從初始設定的電流值與量測的電壓值算出各燈絲之 目前的電阻值，且根據基準的電阻值與目前的電阻值之差將供給於各燈絲的通電電流進行再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電阻值。

就離子源的另一運轉方法而言，係將供給於離子源所具備之複數根燈絲的施加電壓進行再設定，該離子源之運轉方法包含：初始設定在各燈絲之端子間的施加電壓，量測在各燈絲的通電電流，從初始設定的電壓值與量測的電流值算出各燈絲之目前的電阻值，並根據基準的電阻值與目前的電阻值之差將在各燈絲之端子間的施加電壓進行再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電阻值。

根據各燈絲之目前的電阻值與基準的電阻值之差進行供給於各燈絲之通電電流或施加電壓的再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電阻值，從而，不論燈絲的絲徑為何，都可使各燈絲的壽命一致。

藉由使壽命一致，更換各燈絲的時序也會一致，所以隨著燈絲更換所造成之離子源的停止頻度會變少，而使離子源的稼動率提升。

1‧‧‧電漿產生容器

A1、A2、A3‧‧‧電流計

C‧‧‧控制裝置

F1、F2、F3‧‧‧燈絲

IB‧‧‧離子射束

IS1、IS2‧‧‧離子源

PS1、PS2、PS3‧‧‧電源

R1、R2、R3‧‧‧燈絲的電阻值

R1d、R2d、R3d‧‧‧基準的電阻值Rs與各燈絲的電阻值R1至R3的差

Rave‧‧‧平均電阻值

Ri‧‧‧初始電阻值

Rs‧‧‧基準的電阻值

S1~S5、S11~S20‧‧‧處理

T1‧‧‧時間

V1、V2、V3‧‧‧電壓計

第1圖係示意性顯示離子源的一構成例之圖式。

第2圖係示意性顯示離子源之另一構成例之圖式。

第3圖係電阻值控制的流程圖。

第4圖係顯示基準的電阻值與各燈絲的電阻值的時間變化的圖式。第4圖(A)係以不隨著時間性變化之任意值為基準的電阻值時的圖式；而第4圖(B)係以將各燈絲的電阻值予以平均化而得的值為基準的電阻值時的圖式。

第5圖係考慮到第4圖(B)中初始電阻值的差異時之圖式。

第6圖係考慮到初始電阻值之電阻值控制的流程圖。

第7圖係考慮到與燈絲的配置部位相對應之權重係數之電阻值控制的流程圖。

第1圖係離子源IS1的示意圖。同一離子源IS1係具有插入於以往眾所周知之電漿產生容器1之內部的複數根燈絲(在此例中，為三根U字型的燈絲F1至F3)的離子源。

經由未圖式的氣體噴出口(gas port)對電漿產生容器1的內部導入離子化氣體(例如BF₃或PH₃)。該氣體係被從各燈絲所釋放的熱電子所電離，而在容器內部產生電漿。

電漿係利用稱為引導電極系統E之複數枚電極(在本例中為四枚多孔電極)，而作為離子射束IB朝離子源IS1的下游側引導。

在各燈絲F1至F3的端子間係連接有電源PS1至PS3。控制裝置C係獨立控制各電源PS1至PS3， 從而設定供給於各燈絲F1至F3的通電電流的裝置。

本發明係於各燈絲F1至F3的端子間連接有電壓計V1至V3。在利用控制裝置C設定供給於各燈絲F1至F3的通電電流，並使對於各燈絲的通電開始之後，利用電壓計V1至V3量測供給於各燈絲F1至F3的施加電壓。

量測到的施加電壓係以有線或無線的方式傳送至控制裝置C。接收到其信號的控制裝置C係算出各燈絲F1至F3的電阻值R1至R3。因應其算出結果，控制裝置C會將供給於各燈絲F1至F3的通電電流進行再設定。

第2圖係顯示離子源的另一構成例的示意圖。基本構成係與在第1圖說明的離子源IS1相同。在此，針對不同點加以說明。

離子源IS2中，控制裝置C係進行連接於各燈絲F1至F3之端子間之電源PS1至PS3的電壓值的設定。在根據設定值施加電壓之後，利用連接於各燈絲F1至F3的電流計A1至A3進行供給於各燈絲F1至F3的通電電流的量測。

量測到的通電電流係以有線或無線的方式傳送至控制裝置C。接收到其信號的控制裝置C係算出各燈絲F1至F3的電阻值R1至R3。因應其算出結果，控制裝置C會將供給於各燈絲F1至F3的施加電壓進行再設定。

在本發明中，亦可採用在第1圖、第2圖所說明之任一個離子源。第3圖中繪製了：與藉由在第1圖、 第2圖所說明之各離子源的控制裝置C所進行之電流、電壓的再設定相關之具體流程圖。

根據該流程圖，詳細說明利用控制裝置C所進行之電阻值控制。在該流程圖或後述之其他流程圖中，雖是以量測施加電壓且將通電電流進行再設定之第1圖的離子源IS1的構成例為前題進行說明，惟只要將各個流程圖中所設定的對象設為施加電壓，且將量測的對象變更為通電電流，則亦可適用於第2圖之離子源IS2的構成例。

在處理S1，設定供給於各燈絲的通電電流I1至I3，且以設定後的電流對各燈絲通電。此時的設定值可為任意值，流通於各燈絲的通電電流值可為相同，亦可個別不同。

接著，在處理S2，量測在各燈絲的端子間的施加電壓V1至V3。量測到的施加電壓V1至V3的資料係傳送至控制裝置C，並在處理S3算出各燈絲的電阻值R1至R3。

之後，在處理S4個別地計算基準的電阻值Rs與先前計算出的各燈絲之目前的電阻值R1至R3的差。

在此所謂的基準的電阻值Rs可為任意的常數，亦可為將各燈絲之電阻值予以平均而得的值。

為了要補償前述的差，控制裝置C在處理S5進行供給於各燈絲之通電電流的再設定，且根據再設定後的電流值進行對於各燈絲的通電。

一般而言，若通電電流變大則燈絲越快消 耗，且電阻值向提高的方向急遽地變化。

反之，若通電電流變小則燈絲消耗變慢，雖然電阻值向提高的方向變化，但其變化平緩。

詳述在處理S5之具體的處理，若從前述之基準的電阻值Rs減去燈絲的電阻值後的值為正值，則將供給於燈絲的通電電流設為較目前的設定值還大，以使作為對象的燈絲的電阻值接近於基準的電阻值Rs。

反之，當減去後的值為負值時，則將供給於燈絲的通電電流設為較目前的設定值還小，以使作為對象的燈絲的電阻值接近於基準的電阻值Rs。

第4圖係顯示基準的電阻值Rs與各燈絲的電阻值R1至R3的時間變化之圖。第4圖(A)與第4圖(B)中，基準的電阻值Rs的採取方式不同。具體而言，第4圖(A)中，將基準的電阻值Rs設為恆定值，而第4圖(B)中，使其設為將各燈絲的電阻值予以平均化而得的值。

於各圖中所記載的R1d至R3d係顯示基準的電阻值Rs與各燈絲的電阻值R1至R3的差。

第4圖(A)中，將基準的電阻值Rs設為恆定值。各燈絲的電阻值R1至R3較基準的電阻值Rs還小時，雖然可將電阻值R1至R3校準成電阻值Rs(電阻值控制)，惟會在電阻值R1至R3超過電阻值Rs時於電阻值控制有缺失。

例如，在時間T1的時序中，各燈絲的電阻值R1至R3已經超過基準的電阻值Rs。隨著離子源的運 轉，各燈絲的電阻值R1至R3雖有程度上的差異但都是變高的傾向。當在時間T1的時序進行第3圖所述的電阻值控制時，並無法使變高後的電阻值R1至R3降低，所以無法進行往基準的電阻值Rs的校準。

如此，假若將基準的電阻值Rs設為恆定值，則當各燈絲的電阻值低於該值時，就要進行電阻值控值，以進行往基準的電阻值Rs的校準，但這樣的話，能夠進行電阻值控制的時序會受到時間性限制。

然而，相較於完全不進行電阻值控制的情形，由於進行過一次者會朝使各燈絲的壽命一致的方向運作，所以隨著燈絲更換所造成之離子源的停止頻度會變少，而使離子源的稼動率提升。

另外，雖然亦可考慮將前述之基準的電阻值Rs的值設為足夠大的值，惟若與各燈絲的電阻值之差變得太大，則難以使各燈絲的電阻值校準成基準的電阻值。

再者，即使已進行過校準，但若基準的電阻值被設定為較高的值，則各燈絲的電阻值會被校準成較高的電阻值，而使各燈絲的壽命變短，而且還會有離子源的稼動率降低的疑慮。

根據上述點，較佳為隨著各燈絲的電阻值經時性地增加，而使基準的電阻值Rs也經時性地增加。

具體而言，基準的電阻值Rs亦可選擇複數根燈絲當中的代表性的燈絲，且將被選擇的燈絲的電阻值設為基準的電阻值Rs。

但是，由於被選擇的燈絲的電阻值可能具有特異性，所以更佳的是將第4圖(B)所示之將所有燈絲的電阻值予以平均化而得的值(平均電阻值Rave)設為基準的電阻值Rs。

另外，該平均電阻值Rave亦可為將所有燈絲中之複數根燈絲的電阻值予以平均化而得的值。

相較於將基準的電阻值Rs設為恆定值的情形，藉由採用代表性之燈絲的電阻值或平均電阻值，可使各燈絲的壽命更正確地一致化、並且容易進行電阻值的校準。

另一方面，亦可預先設置一種在與各燈絲的電阻值無關係的一次函數或二次函數方面隨著時間性增加的電阻值的函數，且將此種函數設為基準的電阻值Rs。惟，相較於設置這樣的函數，使用實際的電阻值會更易於使校準電阻值時的調整幅度變得穩妥，且可無障礙地進行電阻值控制。

在開始離子源的運轉之前才剛將所有燈絲更換成新品的瞬間後，理想而言是如第4圖所示，在時間為零的時刻點的各燈絲的電阻值(初始電阻值)為一致。

然而，與電流導入端子的連接狀態及/或燈絲製作時的加工誤差會在各燈絲有所不同，而也會使得在時間為零的時刻點的各燈絲的電阻值大幅偏差。當該電阻值的偏差較大時，會有從各燈絲所釋放之熱電子量的相對關係在電阻值控制的前後大幅變化的疑慮。

第5圖係燈絲之電阻值的校準的說明圖，在此，假設為於各燈絲的初始電阻值有較大的差的情形。

大致的來自燈絲的熱電子釋放量係以供給於燈絲的通電電流與燈絲電阻值平方的積所決定，所以在各燈絲的燈絲電阻值的相對關係大幅失衡時，來自各燈絲的熱電子釋放量的相對關係也會大幅失衡。

第5圖中，當雖然於各燈絲之初始電阻值有差異但仍在時間T1進行電阻值控制而將各燈絲電阻R1至R3校準成電阻值平均值Rave時，若使各燈絲的電阻值與電阻值平均值Rave一致，則亦會致使來自各燈絲的熱電子釋放量的相對關係失衡。

來自各燈絲的熱電子釋放量的關係會大幅影響到自離子源引導出之離子射束的射束電流分布。例如，使用該離子源對基板進行離子射束照射處理時，若射束電流分布在電阻值控制的前後大幅變化，在某些狀況會引發基板的處理不良。

第6圖係考慮到前述初始電阻值之不一致的電阻值控制的流程圖。以下，針對該流程圖加以說明。

根據基板處理枚數及/或從離子源的運轉開始起的經過時間等，開始電阻值控制。之後，在處理S11，當目前的電阻值控制的實施次數為一次以上，並且，將在本次的電阻值控制所算出的各燈絲的電阻值予以平均化而得的值(平均電阻值)與在前次電阻值控制所算出的平均電阻值相比較會較預先決定的設定值還大時，就在處理 S12於電阻值控制次數輸入零，並前進至處理S13。

另一方面，在處理S11中未滿足條件時，則處理會自處理S11移動至處理S13。

在處理S13，判定目前的電阻值控制的次數是否被重置為零。在此，若電阻值控制的次數被重置為零，則移動至處理S14，並從目前的平均電阻值Rave減去各燈絲的電阻值R1至R3，而算出各燈絲的初始電阻值Ri。

之後，將在處理S15所算出的各燈絲的初始電阻值Ri記錄至控制裝置C，並在處理S16將電阻值控制次數增加一次之後，結束電阻值控制。

另一方面，在進行了處理S14至處理S16所示的處理之後的第二次的電阻值控制中，由於在處理S13中電阻值控制次數並不是零，所以前進至處理S17，且將電阻值控制次數增加一次。

之後，前進至處理S18，對各燈絲的電阻值R1至R3加上在第一次的電阻值控制中所算出的初始電阻值，而且還依每個燈絲算出與平均電阻值Rave的差。

以後，在處理S19，根據在處理S18的算出結果，將各燈絲的通電電流進行再設定，並結束電阻值控制。只要採用如上述之控制流程，即可進行有考慮到初始電阻值的電阻值控制，即使例如於各燈絲的初始電阻值有較大的差，仍可在電阻值控制的前後將在各燈絲的熱電子釋放量的相對關係保持在大致相同的狀態。

在前述實施形態，係針對所有的燈絲，若通 電電流進行相同程度增減就使電阻值進行相同程度變化來進行處理。

然而，依燈絲的不同，會有即使流通相同的通電電流卻仍使電阻值大幅變化的燈絲，也有不會這樣的燈絲。

考慮到這一點時，則亦可將第6圖所示的流程圖依第7圖所示的流程圖的方式變形。由於使用與第6圖之流程圖所記載的各處理相同的符號的第7圖的處理係進行相同的處理，所以在此僅針對各流程圖的相異點加以說明。

在第7圖的流程圖中，作為處理S20，設置有對第6圖所示之處理S18中的計算結果乘以權重係數K的處理。此點與第6圖的流程圖不同。

該權重係數K係依每個燈絲所決定的係數，且越容易消耗的燈絲(電阻值的經時性變化較大的燈絲)則設定越大的係數。其理由在於：若不使所設定的通電電流大幅變化，越纖細的燈絲就會越難校準成平均電阻值。

另外，燈絲的消耗的容易度會有取決於燈絲之配置部位的傾向，所以權重係數K亦可與燈絲的配置部位相對應來決定。

在上述實施形態中，係使用U字型的構成作為燈絲的形狀，惟燈絲的形狀並不限定於該形狀。例如，亦可使用將配置於電漿產生容器內部之燈絲的前端部構成為螺旋狀等各式各樣的形狀的燈絲。

再者，燈絲的根數不限定於三根，只要兩根以上則未限制根數。再者，第1圖、第2圖的離子源係將 燈絲排列在電漿產生容器內之一壁面的構成，惟亦可為在其他壁面也配置燈絲的構成。

其他，除上述之外，當然也可在不脫離本發明之要旨的範圍內進行各種的改良及變更。

S1、S2、S3、S4、S5‧‧‧處理

Claims (6)

1. 一種離子源，係具備有：複數根燈絲；控制裝置，係個別地設定供給於各燈絲的通電電流；以及電壓計，係量測在各燈絲的電壓；其中前述控制裝置係從設定的電流值與量測的電壓值算出各燈絲之目前的電阻值，且根據基準的電阻值與目前的電阻值之差，將供給於各燈絲的通電電流進行再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電阻值；其中，前述基準的電阻值係將各燈絲之目前的電阻值予以平均而得的電阻值。
2. 一種離子源，係具備有：複數根燈絲；控制裝置，係設定在各燈絲的施加電壓；以及電流計，係量測供給於各燈絲的通電電流；其中前述控制裝置係從設定的電壓值與量測的電流值算出各燈絲之目前的電阻值，且根據基準的電阻值與目前的電阻值之差，將在各燈絲的端子間的施加電壓進行再設定，以使各燈絲的目前的電阻值成為基準的電阻值；其中，前述基準的電阻值係將各燈絲之目前的電阻值予以平均而得的電阻值。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之離子源，其中，前述控制裝置還根據與各燈絲之配置部位相對應 的權重係數，而將前述通電電流或前述施加電壓進行再設定。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述的離子源，其中，前述控制裝置於進行前述再設定之前，算出各燈絲之將目前的電阻值予以平均而得的電阻值與各燈絲之目前的電阻值之差，以作為初始電阻值，且儲存算出後之值，並且也考慮到該初始電阻值來實施前述再設定。
5. 一種離子源之運轉方法，係將供給於離子源所具備之複數根燈絲之通電電流進行再設定，該離子源之運轉方法包含：初始設定供給於各燈絲的通電電流，量測在各燈絲之端子間的電壓，從初始設定的電流值與量測的電壓值算出各燈絲之目前的電阻值，且根據基準的電阻值與目前的電阻值之差，將供給於各燈絲的通電電流進行再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電阻值；其中，前述基準的電阻值係將各燈絲之目前的電阻值予以平均而得的電阻值。
6. 一種離子源之運轉方法，係將供給於離子源所具備之複數根燈絲的施加電壓進行再設定，該離子源之運轉方法包含：初始設定在各燈絲之端子間的施加電壓，量測在各燈絲的通電電流，從初始設定的電壓值與量測的電流值算出各燈絲 之目前的電阻值，並根據基準的電阻值與目前的電阻值之差，將在各燈絲之端子間的施加電壓進行再設定，以使各燈絲之目前的電阻值成為基準的電阻值；其中，前述基準的電阻值係將各燈絲之目前的電阻值予以平均而得的電阻值。

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