(57)【要約】      （修正有）【課題】固体から昇華した蒸気流れを制御する新規システムを提供する。【解決手段】昇華された蒸気５０の定常流れを真空チャンバ１３０へ送達する蒸気送達システムは、固体物質２９の気化器２８、機械式スロットルバルブ１００および圧力ゲージ６０、真空チャンバへの蒸気導管３２を備える。蒸気の流量は、その気化器の温度およびその気化器とその真空チャンバとの間に置かれる機械式スロットルバルブのコンダクタンスの設定の両方により決定される。気化器の温度は閉ループ制御３５により設定点温度に決定される。機械式スロットルバルブは電気制御され、バルブの位置は圧力ゲージの出力に対する閉ループで制御１２０される。蒸気の流量は圧力ゲージの出力に比例し得る。気化器から真空チャンバへの蒸気に曝露されるすべての表面３７は、凝縮を防ぐために加熱される。ゲートバルブおよび回転式バタフライバルブが、上記スロットルバルブとして作用し得る。【選択図】図１
2010156047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、圧力低下をほとんど伴わない、生成された蒸気の真空チャンバへの流れの正確な制御と組み合わされた、真空下での固体物質の制御された昇華に関する。１つの重要な用途は、イオンビームを生成するためのイオン源の排気されたイオン化チャンバへの制御された蒸気供給である。このビームは、半導体基板へのイオン注入のために使用され得る。別の重要な用途は、工作物との相互作用のための真空処理チャンバへの蒸気の制御された流れである。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
イオン源のイオン化チャンバは、真空下で機能し、そしてイオン化されるべき物質が非常に正確にそして再現性よくガス形態で供給されることを必要とする。
【０００３】
多くの製造プロセスはまた、真空中で実施される。工作物に対する化学反応を組込む製造プロセスは、代表的には、ガス形態の試薬の導入を必要とし、この試薬は特定のプロセス化学を通して互いにおよび／または工作物と反応させられる。このようなプロセスは、その工作物の組成の変化、その工作物上への薄膜の堆積、またはエッチングもしくはその工作物からの物質の除去を生じ得る。例えば、半導体製造においては、このようなプロセスは、非常に正確にかつ再現性よく実施されねばならない。
【０００４】
従って、そして工作物加工チャンバに対するのと同様、イオン源に対しても、真空チャンバへのガスの正確かつ安定な流れの導入が必要とされる。多くの供給物質が加圧ガスシリンダからガス形態で利用可能であるが、固体形態でしか利用可能でないものもある。固体物質は、ガス供給源とともに使用される取扱い工程とは異なる特別の取扱い工程を必要とする。興味深い固体物質には、デカボラン、オクタデカボラン、三塩化インジウム、トリメチルインジウムおよびトリエチルアンチモンがある。
【０００５】
興味深い固体は、代表的には、低い蒸気圧を有し、最初に減圧環境中での加熱を通して昇華され、一定体積のガスが生成されねばならない。次いで、この蒸気は、そのチャンバ中で実施されるべき操作によって必要とされる流れ、すなわち１秒あたりの分子の数でその真空チャンバに導入されねばならない。この流れの要件は、通常のガスの導入に対して必要とされる要件と類似しているので、標準的なガス取扱い設備が、固体由来の蒸気の送達のために使用されてきた。しかし、上首尾不首尾さまざまである。代表的なガスの取扱いにおいて、ガス供給源は、真空チャンバに対する入口送達圧力ＰＤよりも実質的に高い圧力Ｐ０に保持されねばならない。真空チャンバへのガスの流れを正確に制御するために、ＰＤは、正確に制御されねばならない。これは、通常、ガス供給源と真空チャンバ入口との間に置かれる、市販されているマスフローコントローラ（ＭＦＣ）によって達成される。ＭＦＣは、数値制御デバイスであり、それは、閉ループ様式で、（１秒あたりのグラム数での）送達される質量流量と要求される質量流量とを合致させるようにそのコンダクタンスを変化させる。ＭＦＣは、一般的に比較的高圧のガス供給源とともに使用されるので、ＭＦＣは、対応して小さいコンダクタンスの範囲で作動するように一般的に構築されており、このことは比較的大きい圧力低下を確立する。水素化ホウ素であるデカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）またはオクタデカボラン（Ｂ１８Ｈ２２）のような気化された固体物質に対して、このアプローチは、いくつかの重大な問題を抱えている。
【０００６】
このような固体水素化ホウ素の蒸気圧は低く、それゆえ、十分に高い蒸気圧を確立してＭＦＣの使用を許容するためには、この物質は、その融点（デカボランについては１００℃）近くまで加熱されねばならない。これは、熱に敏感な水素化ホウ素分子の分解の危険をもたらす。
【０００７】
この水素化ホウ素蒸気は、表面上、特にその物質が気化され温度未満の表面上に容易に凝縮するので、比較的小さいＭＦＣコンダクタンス（小さい通路）の詰まりが、不安定な操作および早期の構成要素不良を生じる。
【０００８】
これらの問題は、イオン源（ここでは、生成されたイオンビームは、半導体のドーピングのためのイオン注入器（ｉｏｎ  ｉｍｐｌａｎｔｅｒ）中で使用される）に供給されるこのような水素化ホウ素の蒸気の制御された送達のための蒸気流れ制御システムの商業的に実行可能な実施の過程において大きく立ちはだかっている。
【０００９】
蒸気が不揮発性の固体投入物に由来する場合は、さらなる厄介な問題が起こる。代表的には、大きい表面積を提供するために、その投入物は粉末形態で気化器内に置かれる。その不揮発性投入物の気化領域は、その投入物が消費されるにつれて経時的に消失し、そして特にその固体物質が温度があまりに高くなると分子解離しやすい場合は、そうである。特に、蒸気が採用されるはずの操作が、蒸気の流れの正確な維持を必要とする場合には重大な問題が生じ、これはしばしばあることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
固体物質からの蒸気の流れの制御は、所望されるほどには正確ではなく、そして、例えば、流れ制御設備を分解して流れ制御設備の作動に影響する凝縮物の堆積を取り除くために、設備のしばしばのメインテナンスの必要性が関与してきた。所望のドーパント物質であるデカボラン、オクタデカボランおよび他の熱的に不安定であるかまたは別様に熱に敏感な化合物を使用しようとする場合は、これらの不利益な状態のすべてが、半導体基板のイオン注入に立ちはだかる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（要旨）
昇華された蒸気の定常流れを真空チャンバへ送達するための蒸気送達システムは、固体物質の気化器、機械式スロットルバルブ、および圧力ゲージ、およびそれに続くこの真空チャンバへの蒸気導管を備える。蒸気流量は、気化器の温度およびこの機械式スロットルバルブのコンダクタンスの設定の両方により決定される。好ましい実施形態は、以下の特徴の１つ以上を有する。上記気化器の温度は、閉ループ制御により設定点温度に決定される。機械式スロットルバルブは、電気制御される（例えば、バルブ位置は、圧力ゲージの出力への閉ループ制御下にある）。このようにして、上記蒸気の流量は、ほぼ圧力ゲージの出力に比例する。気化器から真空チャンバへの蒸気に曝露されるすべての表面は、凝縮を防ぐために加熱される。ゲートバルブは、上流スロットルバルブとして作用する。ロータリーバタフライバルブは、上流スロットルバルブとして作用する。固体物質の固定投入量を採用すると、上記気化器の温度は、長期間の間定常状態に維持され得、その間に、その投入物が昇華するにつれて、上記スロットルバルブは、その作動範囲においてより低いコンダクタンスから徐々に開かれる。より大きいバルブの変位に到達すると、その温度が上昇され、そのバルブがより低いコンダクタンス設定に再調整されることが可能になり、そのより低いコンダクタンス設定からそのバルブは、再び開き得る。
【００１２】
１つの特定の特徴は、真空チャンバへの、固体物質から昇華された蒸気の制御された流れを送達するための蒸気送達システムであって、この蒸気送達システムは、
大気圧以下で作動可能な、この固体物質のための加熱された気化器；ならびに
この気化器からこの真空チャンバへの蒸気送達通路であって、この蒸気送達通路は、スロットルバルブ、それに続く蒸気導管、このスロットルバルブとこの蒸気導管との間に置かれる大気圧以下に応答する圧力ゲージを備え、この昇華された蒸気に曝露される蒸気送達通路の表面（このスロットルバルブ、この圧力ゲージおよびこの蒸気導管の表面を含む）は、この固体材料の凝縮温度より上の温度に維持されるように適合されている、蒸気送達通路；ならびに
閉ループ制御システムであって、この閉ループ制御システムは、この圧力ゲージの出力に応答してこのスロットルバルブの下流の蒸気を大気圧以下に制御するためにこのスロットルバルブのコンダクタンスを変化させるように構築されている圧力ゲージを組込み、この真空チャンバへの蒸気の流れがこのスロットルバルブとこの蒸気導管との間の通路の領域における蒸気圧により決定される、閉ループ制御システム、
の組合せを備える。
【００１３】
この特徴の実施形態は、以下の特徴の１つ以上を有する。
【００１４】
この蒸気送達システムは、上記送達通路の表面の温度を上記気化器の温度よりも高く保持するように適合されている温度制御システムを備える。
【００１５】
上記蒸気送達システムは、上記気化器からの段階がより遠いほど、漸進的により高い温度に保持されるように適合されている多段階の蒸気送達通路を有する。
【００１６】
上記システムは、上記気化器の温度のための制御システムと上記スロットルバルブのコンダクタンスのための制御システムとの両方により決定されるように、蒸気の流量が適合されている。
【００１７】
上記気化器の温度は、閉ループ制御により設定点温度に決定される。
【００１８】
上記スロットルバルブの最大Ｎ２コンダクタンスは、少なくとも毎秒１リットルである。
【００１９】
上記スロットルバルブが完全に開いている場合、このスロットルバルブを横切る圧力低下は、１００ｍＴｏｒｒ未満である。
【００２０】
上記スロットルバルブの最大コンダクタンスは、上記蒸気導管のコンダクタンスの少なくとも５倍または１０倍である。
【００２１】
上記スロットルバルブは、可動位置ゲートバルブであるか、またはバタフライ型のものである。
【００２２】
上記気化器は、固体物質の再投入可能な固定投入量で作動するように構築されており、この固体物質は、この固体物質の蒸気放出領域を減らす様式で漸進的に消費される。そしてコントロールシステムは、上記スロットルバルブを越える流れまたは圧力の減少に応答して、このスロットルバルブの位置を再設定して所望の流れを回復するように、そしてまた時折このスロットルバルブがその最大有用コンダクタンスに近づく場合に、上記気化器の温度を上昇させてこの気化器内の圧力を高め、このスロットルバルブがその好ましい動的コンダクタンス範囲内で作動することを可能にするように構築されている。
【００２３】
好ましい形態では、上記気化器送達システムは、上記気化器温度を上記設定点に維持し得る気化器加熱器のレギュレーターに気化器設定点温度値を提供し得るスロットルバルブベースの検出制御システムを備え、この検出制御システムは、このスロットルバルブのための所望の上限コンダクタンスを意味する少なくとも１つの所定のバルブ変位値を記憶し、この検出制御システムは、このスロットルバルブの位置をモニタリングするように構築されており、そしてバルブがこの変位値に近づくかまたはそれに到達しようとするのを検出する際に、この検出制御システムは、レギュレータ加熱器に対して、設定値温度を上昇させてこのスロットルバルブの上流の蒸気発生および蒸気圧の増加をもたらし、それによりこのスロットルバルブの閉ループ制御が、このバルブを実質的により低いコンダクタンス位置に戻させるように構築されている。この特徴の好ましい実施形態では、上記気化器送達は、作動に適した温度上昇の所定の増分についての参照表および制御システムを備え、この検出制御システムは、バルブが上記変位値に近づくかまたはそれに到達しようとするのを検出する際に、上記気化器温度設定点をこの参照表の次の段階に増加させるのに有効である。
【００２４】
上記蒸気送達システムは、イオン化可能蒸気をイオン源に送達するような構成および配置である。
【００２５】
上記蒸気送達システムは、イオン化可能蒸気をイオン注入器のイオン源に送達するような構成および配置である。
【００２６】
上記蒸気送達システムは、イオン化可能蒸気を工作物加工真空チャンバまたは半導体に添加するための加工チャンバに送達するような構成および配置である。
【００２７】
上記蒸気送達システムは、その蒸気を高真空に運搬するように構築されており、前記スロットルバルブの下流の大気圧以下の減少に応答して気化器の温度を上昇させるように構築されている。
【００２８】
上記蒸気送達システムの制御システムは、サーボループを備え、このサーボループは、上記圧力ゲージの出力シグナルに応答してこのスロットルバルブの位置を調節し、この圧力ゲージにおけるこの蒸気圧を設定点値に維持する。
【００２９】
上記蒸気送達システムは、デカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）またはオクタデカボラン（Ｂ１８Ｈ２２）を含みそして蒸発させるよう構成される。
【００３０】
蒸気送達システムは、三塩化インジウム（ＩｎＣｌ３）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）または他の固体低温ドーパント供給物質を含みそして蒸発させるよう構成される。
【００３１】
別の特徴は、固体物質から昇華された蒸気の制御されたイオン化可能な流れをイオン化チャンバに送達するように適合される場合の、記載される蒸気送達システムの使用によって実施される、真空チャンバ中のイオンビームを生成する方法である。
【００３２】
別の特徴は、上記の特徴の１つ以上を有する蒸気送達システムの使用により実施される、固体物質から昇華された蒸気の制御された流れを真空チャンバに送達する方法である。
【００３３】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に示される。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかである。
より特定すれば、本願発明は以下の項目に関し得る。
（項目１）
真空チャンバ（１３０；２５８；２６０）への、固体物質（２９；１４０；２００）から昇華された蒸気の制御された流れを送達するための蒸気送達システムであって、
大気圧以下で作動可能な上記固体物質のための加熱された気化器（２８；１４５；２０５；４００）；ならびに
上記気化器から上記真空チャンバへの蒸気送達通路（３７；２３７）であって、上記蒸気送達通路は、蒸気導管（３２；１５０；２２８）につながるスロットルバルブ（１００；１００’；２３５；４３０）、上記スロットルバルブと上記蒸気導管との間に置かれる大気圧以下に応答する圧力ゲージ（６０；２４０；４５０）を備え、上記スロットルバルブ、上記圧力ゲージおよび上記蒸気導管の表面を含む上記昇華された蒸気に曝露される蒸気送達通路の表面は、上記固体材料の凝縮温度より上の温度に維持されるように適合されている、蒸気送達通路；ならびに
閉ループ制御システム（６０；１２０；２４０、２５０、２４５；ＰＩＤ２）であって、上記閉ループ制御システムは、上記スロットルバルブのコンダクタンスを変化させて上記圧力ゲージの出力に応答して上記スロットルバルブの下流の大気圧以下の蒸気を制御するように構築されている圧力ゲージを組込み、それにより上記真空チャンバへの蒸気の流れが上記スロットルバルブと上記蒸気導管（３２；１５０；２２８）との間の通路の領域における蒸気圧により決定される、閉ループ制御システム、
の組合せを備える、蒸気送達システム。
（項目２）
上記送達通路（３７；２３７）の表面の温度を上記気化器の温度よりも高く保持するように適合されている温度制御システム（３５）を備える、項目１に記載の蒸気送達システム。
（項目３）
上記気化器からの段階がより遠いほど、漸進的により高い温度に保持されるように適合されている多段階の蒸気送達通路を有する、項目２に記載の蒸気送達システム。
（項目４）
上記蒸気の流量が、上記気化器の温度のための制御システム（３５；２２５；２１５；２４８；ＰＩＤ１）と上記スロットルバルブのコンダクタンスのための制御システム（６０；１２０；２４０；２５０；２４５；ＰＩＤ２）との両方により決定されるように適合されている、項目１、２または３に記載のシステム。
（項目５）
上記気化器の温度が、閉ループ制御により設定点温度に決定される、項目１〜４のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
上記スロットルバルブの最大Ｎ２コンダクタンスが少なくとも毎秒１リットルである、項目１〜５のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目７）
上記スロットルバルブが作動的に完全に開いている場合、上記スロットルバルブを横切る圧力低下が、１００ｍＴｏｒｒ未満である、項目１〜６のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目８）
上記スロットルバルブ（１００；１００’；２３５；４３０）の最大コンダクタンスが、上記蒸気導管（３２；１５０；２２８）のコンダクタンスの少なくとも５倍である、項目１〜７のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目９）
上記スロットルバルブの最大コンダクタンスが、上記蒸気導管のコンダクタンスの少なくとも１０倍である、項目１〜８のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目１０）
上記スロットルバルブが可動位置ゲートバルブである、項目１〜９のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目１１）
上記スロットルバルブがバタフライ型のものである、項目１〜１０のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目１２）
項目１〜１１のいずれかに記載の蒸気送達システムであって、固体物質（２９；１４０；２００）の再投入可能な固定投入量で作動するように構築されており、上記固体物質は、上記固体物質の蒸気放出領域を減らす様式で漸進的に消費され、そして上記スロットルバルブ（１００；１００’；２３５；４３０）を越える圧力の減少に応答して、上記スロットルバルブの位置を所望の流れを回復するように再設定するように、そしてまた時折、上記スロットルバルブがその最大有用コンダクタンスに近づく場合に、上記気化器（２８；１４５；２０５；４００）の温度を上昇させて上記気化器内の圧力を高め、上記スロットルバルブがその好ましい動的コンダクタンス範囲内で作動することを可能にするように構築されている、蒸気送達システム。
（項目１３）
スロットルバルブベースの検出制御システムと組み合わせた、項目１２に記載の蒸気送達システムであって、上記検出制御システムは、上記気化器温度を上記設定点に維持し得る気化器加熱器のレギュレーターに気化器設定点温度値を提供し得、上記検出制御システムは、上記スロットルバルブのための所望の上限コンダクタンスを表す少なくとも１つの所定のバルブ変位値を保存し、上記検出制御システムは、上記スロットルバルブの位置をモニタリングするように構築されており、そして上記バルブが上記変位値に近づくかまたはそれに到達しようとするのを検出する際に、上記検出制御システムは、レギュレータ加熱器に対して、入力２４６によるように、設定点温度値を上昇させて上記スロットルバルブの上流の蒸気発生および蒸気圧の増加をもたらし、それにより上記スロットルバルブの閉ループ制御が、上記バルブを実質的により低いコンダクタンス位置に戻させることを可能にするように構築されている、蒸気送達システム。
（項目１４）
項目１３に記載の蒸気送達システムであって、作動に適した温度上昇の所定の増分の参照表を備え、そして上記検出制御システムが、上記バルブが上記変位値に近づくかまたはそれに到達しようとするのを検出する際に、上記気化器温度設定点を上記参照表の次の段階に増加させるのに有効である、上記送達システム。
（項目１５）
イオン化可能蒸気をイオン源に送達するような構成および配置である、項目１〜１４のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目１６）
イオン化可能蒸気をイオン注入器のイオン源に送達するような構成および配置である、項目１５に記載の蒸気送達システム。
（項目１７）
蒸気を工作物加工真空チャンバに送達するような構成および配置である、項目１〜１６のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目１８）
半導体に添加するための加工チャンバにイオン化可能蒸気を送達するような構成および配置である、項目１７に記載の蒸気送達システム。
（項目１９）
項目１〜１８のいずれかに記載の蒸気送達システムであって、上記蒸気送達システムは、その蒸気を高真空に運搬するように構築されており、上記スロットルバルブ（１００；１００’；２３５；４３０）の下流の大気圧以下の減少に応答して上記気化器（２８；１４５；２０５；４００）の温度を上昇させるように構築されている、蒸気送達システム。
（項目２０）
項目１〜１９のいずれかに記載の蒸気送達システムであって、上記スロットルバルブのための制御システムが、サーボループを備え、上記サーボループは、上記圧力ゲージ（６０；２４０；４５０）の出力シグナルに応答して上記スロットルバルブ（１００；１００’；２３５；４３０）の位置を調整し、上記圧力ゲージにおける上記下流蒸気圧を設定点値に維持する、蒸気送達システム。
（項目２１）
上記気化器が、デカボラン、Ｂ１０Ｈ１４を含みそして蒸発させるよう構成される、項目１〜２０のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目２２）
上記気化器が、オクタデカボラン、Ｂ１８Ｈ２２を含みそして蒸発させるよう構成される、項目１〜２０のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目２３）
上記気化器が、三塩化インジウム、ＩｎＣｌ３を含みそして蒸発させるよう構成される、項目１〜２０のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目２４）
上記気化器が、トリメチルインジウム、Ｉｎ（ＣＨ３）３を含みそして蒸発させるよう構成される、項目１〜２０のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目２５）
上記気化器が、トリエチルアンチモン、Ｓｂ（Ｃ２Ｈ５）３を含みそして蒸発させるよう構成される、項目１〜２０のいずれかに記載の蒸気送達システム。
（項目２６）
項目１〜２５のいずれかに記載の蒸気送達システムの使用により実施される、固体物質から昇華された蒸気の制御された流れを真空チャンバに送達する方法。
（項目２７）
固体物質から昇華された蒸気の制御されたイオン化可能な流れをイオン化チャンバに送達するために、項目１５または１６のいずれかに記載の蒸気送達システムの使用によって実施される、真空チャンバ中のイオンビームを生成する方法。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
種々の図面における類似の記号は、類似の要素を示す。
【図１】図１は、本発明の蒸気送達システムの簡略図を示す。
【図１Ａ】図１Ａは、蒸気送達システムを備えたイオン源を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、上記イオン源の１つの実施形態の詳細を示す。
【図２】図２は、最大スロットルバルブコンダクタンスの関数として、気化器出口から真空チャンバへの有効コンダクタンスの計算値をプロットする。
【図３】図３は、別の蒸気送達システムを備えたイオン源を示す。
【図４】図４は、真空チャンバの中への固体供給物質からの昇華蒸気の正確に制御された流れを生成するための制御設定点を採用するシステムをブロック図で示す。
【図５】図５は、図４と類似の形態で、昇華蒸気の正確に制御された流れを生成するためのシステムを示す。図５は、真空ドーピングプロセスへの半導体ドーパントの流れを示す。
【図６】図６は、図４と類似の形態で、昇華蒸気の正確に制御された流れを生成するためのシステムを示す。図６は、半導体基板の表面への高真空イオン注入のためのイオンビームを生成するイオン源への流れを示す。
【図７】図７は、図４と類似の形態で、昇華蒸気の正確に制御された流れを生成するためのシステムを示す。図７は、質量分解注入ドーパントイオンを半導体基板の表面に注入するための高真空イオン注入チャンバのイオン源への流れを示す。
【図７−１】図７Ａは、閉じている場合のバタフライ型スロットルバルブのクリアランスを、概略図の形態で示す。図７Ｂは、有用範囲のより低領域にある場合のバタフライ型スロットルバルブのクリアランスを、概略図の形態で示す。図７Ｃは、有用範囲のより上方領域にある場合のバタフライ型スロットルバルブのクリアランスを、概略図の形態で示す。
【図７−２】図７Ｄは、図１０、１１および１２を生成するために使用される１．４インチスロットルバルブのＮ２コンダクタンスの計算値を示す。
【図７−３】図７Ｅは、閉じた場合のゲート型スロットルバルブのクリアランスを示す。図７Ｆは、１０％開いた場合のゲート型スロットルバルブのクリアランスを示す。図７Ｇは、３０％開いた場合のゲート型スロットルバルブのクリアランスを示す。
【図８】図８は、イオン注入器のイオン源へ供給蒸気を送達するための、本発明の蒸気送達システムの好ましい実施形態の上面図を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、イオン注入器のイオン源へ供給蒸気を送達するための、本発明の蒸気送達システムの好ましい実施形態の側面図を示す。
【図９】図９は、図８の蒸気送達システムの概略図を示し、本発明の実施のための顕著な制御点を示す。
【図１０】図１０は、開ループ条件下で、そして一定気化器温度で、半導体ドーパント固体供給物質デカボランを使用する、気化器から図８および９の実施形態のスロットルバルブを通ってイオン源への蒸気の流れをグラフ化する。
【図１１】図１１は、図８および９の構成に対する、バタフライ回転角の関数として、スロットルバルブの直ぐ下流にある制御圧力ゲージの圧力を示す。
【図１２】図１２は、図８および９の蒸気送達システムの有効Ｎ２コンダクタンス（１秒当たりのリットル単位で）を示す。
【図１３】図１３は、設定点圧力が変化するときの図８〜１２の蒸気送達システムの段階的な応答を示す。
【図１４】図１４は、上記蒸気送達システムの遠隔実施を示す。
【図１５】図１５は、上記気化器の温度が、上記スロットルバルブの動的範囲に適合するように周期的に更新される場合の、固体供給物質が消費されるにつれての経時的なバルブ位置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（詳細な説明）
図１Ａは、イオン源１０のダイヤグラムである。その構成およびそのイオン化作用の好ましい様式の詳細は、Ｈｏｒｓｋｙら、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２０１９７号（２００３年６月２６日出願）：「Ａｎ  ｉｏｎ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ
ａｎｄ  ａ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｂｙ  ｔｈｅ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂｏｒｏｎ  ｈｙｄｒｉｄｅ  ｃｌｕｓｔｅｒ  ｉｏｎｓ」およびＨｏｒｓｋｙら、米国特許出願第１０／１８３，７６８号（２００２年６月２６日出願）：「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｉｍｐａｃｔ  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ」、米国特許第６，６８６，５９５号に詳細に開示され、これらの各々は、本明細書中で参考として援用される。イオン源１０は、取り付けフランジ３６を介してイオン注入器から外に出た真空チャンバにつなぐように作製される。従って、図１Ａに示されるフランジ３６の右側のイオン源１０の部分は、高真空下（１×１０−４Ｔｏｒｒ未満の圧力で）にある。このイオン源は、高電圧電源により高い電圧に維持され、そして高真空ハウジングの残りの部分から電気的に隔離されている。ガス状物質は、イオン化チャンバ４４に導入され、そこでそのガス分子は、電子ビーム７０Ａまたは７０Ｂからの電子衝撃によりイオン化される。この電子ビームは、反対側の開口部７１Ｂまたは７１Ａを通ってイオン化チャンバ４４を出るか、あるいはビームダンプ（ｂｅａｍ  ｄｕｍｐ）またはビームダンプとして作用するそのチャンバの壁により吸収され得る。図１Ｂに示される単一の電子銃およびビームダンプを組込む１つの実施形態では、電子ビームは、電子銃１１２のカソードから生じて、磁石１３０および磁極片１２５によって生成される磁場１３５により曲げられ、電子入口開口部７１Ａまたは７１Ｂを通ってイオン化チャンバ４４に入り、その結果、電子ビーム７０Ａまたは７０Ｂが細長いイオン抽出開口部８１に平行に移動する。イオン化チャンバ４４を離れた後、電子ビーム７０は、イオン化チャンバ４４の外部に位置するビームダンプ７２により止められる。従って、イオンは、イオン抽出開口部プレート８０中のスロットとして現れるイオン抽出開口部８１に隣接して生成される。次いでこのイオンは、抽出され、イオン抽出開口部プレート８０の前に位置する抽出電極（示さず）によってエネルギーをもつ電子ビームに形成され、そして実質的に低電圧に保持される。
【００３６】
図１Ａを参照して、ガスは、ガス導管３３を介してイオン化チャンバ４４に供給され得る。デカボランおよびオクタデカボランのような固体供給物質は、気化器２８中で気化され得、そしてその蒸気は供給源ブロック３５内の蒸気導管３２を経由してイオン化チャンバ４４に供給される。代表的には、イオン化チャンバ４４、イオン抽出開口部８０、供給源ブロック３５（蒸気供給導管３２を含む）および気化器ハウジング３０は、すべてアルミニウムで製作される。穿孔された分離バリア３４ａの下に位置する固体供給物質２９は、気化器ハウジング３０の閉ループ温度制御により均一の温度に保持される。バラスト容積３１に蓄積する昇華された蒸気５０は、導管３９を通ってそしてスロットルバルブ１００および閉鎖バルブ１１０を通って供給される。スロットルバルブ１００と閉鎖バルブ１１０との間の蒸気５０の見かけ上の圧力は、静電容量型圧力計圧力ゲージ６０によりモニタリングされる。蒸気５０は、供給源ブロック３５の中に位置する蒸気導管３２を通ってイオン化チャンバ４４に供給される。従って、ガス状物質および気化された物質の両方がこのイオン源によりイオン化され得る。
【００３７】
イオン化チャンバ４４への蒸気の流れは、蒸気供給導管３２の直前の領域、すなわち閉鎖バルブ１１０内の蒸気圧により決定される。これは、スロットルバルブ１００と閉鎖バルブ１１０との間に位置する静電容量型圧力計圧力ゲージ６０により測定される。一般に、流量は、蒸気圧に比例する。これにより、圧力シグナルが流れを示すことが可能になり、圧力シグナルが流れを選択するための設定点として使用されることが可能になる。蒸気イオン源への所望の蒸気流れを発生するために、気化器ハウジング３０は、スロットルバルブ１００がその完全開位置にあるとき、所望の流量が超過されるような温度に設定される。次いで、スロットルバルブ１００は、所望の圧力出力に到達するように調節される。経時的に安定な流れを確立するために、気化器温度および蒸気圧の別個の閉ループ制御が、Ｏｍｒｏｎ  Ｅ５ＣＫデジタルコントローラのような二重のＰＩＤコントローラを使用して実施される。その制御（フィードバック）変数は、温度についての熱電対出力および圧力についてのゲージ出力である。
【００３８】
示される特定のイオン源は、完全に温度制御された電子衝撃イオン源である。イオンを生成するためのアーク放電プラズマをぶつける代わりに、このイオン源は、１つ以上の集束した電子ビームの形態で注入されるエネルギーをもつ電子による、プロセスガスの「ソフトな」電子衝撃イオン化を使用する。この「ソフトな」イオン化プロセスは、大きな分子を維持し、イオン化されたクラスターが形成される。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、固体水素化ホウ素が気化器で加熱され、そして蒸気導管を通って金属チャンバすなわちイオン化チャンバに流される。このイオン化チャンバの外部に位置する電子銃は、エネルギーをもつ電子の高電流ストリームをイオン化チャンバに送達する；この電子ストリームは、そのチャンバの前の拡張されたスロットと大体平行にそしてそれに隣接して方向付けられる。イオンは、このスロットからイオン抽出電極により抽出され、エネルギーをもつ電子ビームが形成される。イオン化チャンバへの昇華された水素化ホウ素蒸気の輸送の間、すべての表面は、気化器の温度よりも高い（が分解温度よりも十分に低い）温度に保持され、その蒸気の凝縮が防がれる。試験の長い時間に渡って、出願人らは、この蒸気供給およびバルブの表面が実際に清浄なままであることを確認している。
【００３９】
蒸気スロットルバルブは、変化するコンダクタンスを有する蒸気通路を提示する。図７Ｅ、７Ｆおよび７Ｇは、それぞれ、閉じたゲートバルブ、第１の量だけ開いたゲートバルブ、および第２のより多い量だけ開いたゲートバルブ（最高コンダクタンスのスロットルバルブとして機能する）を図示する。
【００４０】
図１にダイヤグラムにより一般的に示されるように、蒸気送達システムは、真空チャンバ１３０への昇華蒸気の定常流れを送達するために提供される。この真空チャンバは、上記のイオン化作用とは異なるイオン化作用を有するイオン化チャンバであってもよく、またはその蒸気が他の物質と相互作用する真空加工チャンバであってもよい。この蒸気送達システムは、気化器２８、機械式スロットルバルブ１００、および圧力ゲージ６０から構成される。蒸気の流量は、気化器２８の温度および上記気化器と上記真空チャンバへの入口導管３２との間に置かれる機械式スロットルバルブ１００のコンダクタンスの両方により決定される。気化器２８の温度は、閉ループ制御３５により、設定点温度に決定される。機械式スロットルバルブ１００は、電気制御され、すなわち、そのバルブ位置は、圧力ゲージの出力に対する閉ループ制御１２０の下にある。蒸気の流量は、その圧力ゲージ出力に比例して保持され得る。
【００４１】
記載される蒸気送達システムは、真空システム中へ、例えばイオン源のイオン化チャンバ中へ、そしてより一般的には真空チャンバ内で実施される操作へ、長時間にわたって制御された蒸気流れを送達することにおける本来的な課題を満たす。このシステムによって、特定の規則を観察することが可能になる。このことは、特にデカボランまたはオクタデカボランのような低温物質を使用する場合に、先行するシステムに優る以下の顕著な利点を提供する。
【００４２】
・気化器中の温度、従って蒸気圧をできるだけ低くする；
・一連の送達の蒸気コンダクタンスをできるだけ大きくする；
・高コンダクタンス、加熱可能バルブを使用する；
・最大構成要素温度を低く、例えば水素化ホウ素に対しては１５０℃未満に維持する；
・蒸気に対する表面接触を与えるすべての表面を温度制御し、凝縮を防ぐ；
・質量流れを直接測定しようとするよりはむしろ、スロットルバルブの下流の圧力についてループを閉じ、従来のＭＦＣに対する必要性を排除する；
・供給物質が消失するにつれて、経時的に気化器温度を上方に調整することを可能にして、気化器による完全な消費を可能にし、そしてスロットルバルブをそのコンダクタンスの動的範囲の「スイートスポット」で作動することを可能にすることにより圧力サーボループを安定化する。
【００４３】
当然、これらの規則はすべてが独立しているわけではなく、これらの変数は、互いに関連しているが、しかし各規則は、先行するシステムに見出される別個の問題を解決するかまたは改善しており、そのことが明瞭に述べられるべきである。
【００４４】
昇華した気相物質を連続的なポンプを用いて真空チャンバに送達することを意図された閉ループ制御の圧力ベースのシステムの形式は、明確な法則に従う。再び図１を参照して、固体物質２９は、レザバ３１に収容される蒸気５０に気化される。この蒸気は、気化器出口３９を通ってレザバ３１を出て、スロットル（または「スロットリング」）バルブ１００の前で蒸気圧を生成する。スロットルバルブ１００の向こうに圧力ゲージ（またはセンサー）６０が存在し、相対的に流れを制限する蒸気導管３２につながれ、この蒸気導管３２は、真空チャンバに導く流れ制限を示す。スロットルバルブ１００および圧力センサ６０は、閉ループコントローラ１２０と組合せて、そのスロットルバルブのコンダクタンスの閉ループ制御により、（導管３２の前の）スロットルバルブ１００を越える圧力を制御するための手段を提供する。従って、スロットルバルブ１００が開いている程度（バルブ位置）は、圧力センサの出力に対してループを閉じることにより、リアルタイムで能動的に設定され、従ってそのバルブ位置を下流の圧力設定点にサーボ機構制御する。真空チャンバ１３０への蒸気の流量は、この下流圧力および蒸気出口導管３２のコンダクタンスにより決定される。一般的な命名法のもとでの導管３２は、この流れ制御システムの「計量セクション」として特徴付けられる。導管３２は、蒸気を真空チャンバ１３０に導入し、他方所望の値の真空は、真空ポンプ１３５により真空チャンバ１３０中で維持される。
【００４５】
このようなシステムにおける流れに対するガスの基本的な動的要件は、制御されるべきその物質の気相圧力が、真空チャンバ１３０におけるよりも蒸気レザバ３１において高いことである。圧力ベースの質量流れ制御は、このようなシステムにおいて、真空系における流れを支配する基本方程式考慮することにより、実施される。モデル化するための最も単純な場合は、ガス分子平均自由行程がその真空系の物理的寸法に対して大きい分子流れの場合である。分子流れの状況（ｒｅｇｉｍｅ）は、例えば蒸気通路のいずれの位置での圧力も＜＜１Ｔｏｒｒである本発明のシステムを使用するイオン注入システムへの蒸気流れを記述するのに適切である。任意のこのようなシステムについて、任意の２点間の質量流量は、目的のその２点の各々における圧力Ｐとその２点間のコンダクタンスＣが既知であれば、計算され得る。
【００４６】
計量セクション３２に対する質量流れ方程式は、
（１）Ｑ（計量セクション）＝（Ｐ（圧力センサー）−Ｐ（真空チャンバ））（Ｃ（計量セクション））
である（Ｑは、例えばｇ／秒単位の質量流れまたはスループットを表す）。
【００４７】
Ｐ（真空チャンバ）＜＜Ｐ（圧力センサ）である場合（これは、Ｃ（計量セクション）＜＜Ｓ（真空チャンバ）［すなわち、真空チャンバ１３０におけるポンプ輸送速度Ｓ］であれば、非常に低質量流量である場合に当たる）、式（１）は、
（２）Ｑ（計量セクション）≒（Ｐ（圧力センサー））（Ｃ（計量セクション））
へと単純になることに留意のこと。
【００４８】
定常状態流れに対するガス動力学の連続性の要件から、そして定義された流れ通路から、蒸気レザバ３１の下流の送達連鎖の任意の点におけるＱは、その他の送達連鎖の任意の他の場所におけるＱと等しくなければならない。従って、
（３）Ｑ（スロットルバルブを横切る）＝Ｑ（計量セクション）
である。
【００４９】
蒸気レザバ３１からスロットルバルブ１００までのコンダクタンスは、Ｃ（計量セクション）と比べて大きいことに留意する。Ｐ（上流）を気化器からの気化器出口３９での圧力と定義すれば、
（４）Ｑ（スロットルバルブを横切る）＝（Ｐ（上流）−Ｐ（圧力センサ））（Ｃ（スロットルバルブ））
である。
【００５０】
Ｑが上記連鎖全体で保存されるので、
（５）Ｑ（スロットルバルブを横切る）＝Ｑ（計量セクション）＝（Ｐ（上流）−Ｐ（真空チャンバ））（Ｃ（上流−真空チャンバ））
であることも明らかである。
【００５１】
分子流れであり、かつ発散効果（ｂｅａｍｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）がない一続きのコンダクタンスであり、かつ散発的な出口損失がない単純な場合に対して、全体のコンダクタンスは、
（６）１／Ｃ（全体）＝１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃ３．．．１／Ｃｎ
この場合に対しては、上記気化器からの蒸気出口と真空チャンバ１３０との間の有効コンダクタンスを計算し得ると：
（７）１／Ｃ（上流−真空チャンバ）＝１／Ｃ（スロットルバルブ）＋１／Ｃ（計量セクション）
項を整理すると、
（８）Ｃ（上流−真空チャンバ）＝（（Ｃ（スロットルバルブ））（Ｃ（計量セクション））／（Ｃ（スロットルバルブ）＋Ｃ（計量セクション））。
【００５２】
図２にプロットされるこの方程式は、上記送達システムのための所望の動的範囲を達成するために上記スロットルバルブの適切な最大コンダクタンスを見積もるために使用され得る。例えば、図２は、Ｃ（スロットルバルブ最大）＝Ｃ（計量セクション）である場合、達成可能な最大全コンダクタンスは、計量長さのコンダクタンス（すなわち、上記導管３２のコンダクタンス）の１／２に過ぎないことを示す。気化された物質とともに作動する場合（その場合は、作業蒸気圧（および、本発明における場合、従って上記気化器温度）を低くすることが有利である）、少なくとも約５：１かまたは１０：１かそれ以上でさえあるＣ（スロットルバルブ最大）／Ｃ（計量セクション）比は、所定の計量長さのコンダクタンスに対する蒸気流速の動的範囲を最大にするために有利である。
【００５３】
図３は、イオン注入器中でデカボランイオンまたはオクタデカボランイオンを生成するために適したイオン源を断面で示す。それは、図１Ａに示されるようなスロットルバルブとしてゲートバルブ１００を使用するよりはむしろ、バタフライ型の機械式スロットルバルブ１００’を描写する点で図１Ａおよび図１Ｂとは異なる。
【００５４】
この図に示されるバタフライ型スロットルバルブ１００’の例では、可動要素は、円筒状の通路に密にフィットするサイズの円形の流れ妨害ディスクであり、その通路の軸に直交して存在するディスクの直径の周りで回転するように取り付けられる。それは、制御されたコンダクタンスの蒸気通路を提示する（図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃを参照のこと）。
【００５５】
気化器からイオン化チャンバまでの蒸気通路は、明瞭に示される。図３の蒸気導管１５０は、図１、１Ａおよび１Ｂの蒸気導管３２（計量セクション）と同じ機能を果たす。この供給源では、（例えば、デカボランまたはオクタデカボランのような）固体水素化ホウ素物質１４０が、気化器１４５によって昇華物蒸気１６５に加熱され、この昇華物蒸気１６５は、気化器出口ポート１５５を通り、バタフライ型スロットルバルブ１００’を通り、隔離バルブ１６０を通り、蒸気導管１５０を通り、そしてイオン化チャンバ１７０の中へ通過し、そこで蒸気は電子ビーム１７５によりイオン化される。イオン源の電位とは大きく異なるある電位にある抽出電極（示さず）は、イオン化チャンバ１７０の前プレート１９０にある縦方向スロット１８５を通してイオンビームを抽出し、形成する。
【００５６】
図４は、より詳細に、利用地点２７０へと真空チャンバ２６０への蒸気流れを提供するように設計された本発明の１つの実施形態を図示する。真空プロセス、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）プロセスまたは低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）プロセス、あるいは薄膜（例えば、窒化ホウ素のようなホウ素含有薄膜）が工作物の上に堆積される他のプロセスが、実施され得る。気化器２０５に存在する固体供給物質２００は、気化器ハウジング２１０を室温よりも上の温度Ｔへ加熱することにより、明確な温度に保持される。気化器ハウジング２１０内に収容される抵抗加熱器は、デジタル蒸気供給コントローラ２２０内の気化器加熱器制御２１５により能動的に制御される。気化器加熱器制御２１５は、（例えば、Ｏｍｒｏｎ  モデルＥ５ＣＫ−ＡＡ１−５００のような）閉ループＰＩＤコントローラを組込み、このコントローラは、デジタル蒸気供給コントローラ２２０からの設定点温度を受け取り、気化器ハウジング２１０内に包埋される熱電対（ＴＣ）出力２２５により提供される温度読み戻し（ｒｅａｄ  ｂａｃｋ）に基づきそのループを閉じ、そして可変電力２４８を、例えばパルス幅調節された加熱器電圧の形態で、上記抵抗加熱器に提供する。供給物質２００から生成された蒸気は、スロットルバルブ２３５の上流の気化器出口２３０を通過する。スロットルバルブ２３５の目的は、圧力ゲージ２４０が特定の設定点圧力値に到達するように、そのバルブの下流の蒸気流れを減らすことである。この設定点圧力値は、デジタル蒸気供給コントローラ２２０により閉ループスロットルバルブ位置制御２４５に提供され、この閉ループスロットルバルブ位置制御２４５は、スロットルバルブ２３５を（位置シグナル２４７をスロットルバルブアセンブリに組込まれたモータに送ることにより）ゲージ出力２５０が設定点値に等しい機械的位置へサーボ機構制御する。すなわちスロットルバルブ位置制御２４５は、ゲージ出力２５０に基づきそのループを閉じる。２つの設定点値、加熱器設定点値および圧力設定点値は、デジタル蒸気供給コントローラ２２０へ、ユーザーインターフェースを介して手動によるか、または高められた自動化能力を提供するコード化された手順により提供される。スロットルバルブ２３５がバタフライバルブ（例えば、Ｎｏｒ−Ｃａｌ  モデル０４０４１１−４）を備える場合には、Ｎｏｒ−Ｃａｌ  モデルＡＰＣ−２００−Ａにより提供されるようなスロットルバルブ位置制御が使用され得る。蒸気が接触するようになるすべての表面は、少なくとも気化器温度まで、またはそれよりいくらか高くまで加熱される。従って、スロットルバルブ２３５および圧力ゲージ２４０は、通路壁（計量セクション２３２の通路壁を含めて）と同様加熱される。１００℃と１５０℃との間の温度が、気化器２０５において代表的に使用される供給物質の凝縮を防ぐのに十分である。図４に示される構成においてデカボランで実施する場合の代表的な気化器温度は、２５℃から４０℃の範囲であり、他方例えば、オクタデカボランに対しては、それは８０℃と１２０℃との間である。従って、ＭＫＳ  Ｂａｒａｔｒｏｎ  モデル６２８Ｂ−２２５９７または６３１Ａ−２５８４５のような加熱された静電容量型圧力計が圧力ゲージ２４０として使用され得る。このようなゲージは、数ミリＴｏｒｒから数Ｔｏｒｒの範囲の圧力を読み取り得、そしてこの用途に適している。特定の場合では、１００ｍＴｏｒｒまたは５００ｍＴｏｒｒのいずれかの最大圧力（フルスケール示度）を読み取るように製造業者から構成されたゲージが使用され得る。このような圧力限界は、２０ｍＴｏｒｒと約１００ｍＴｏｒｒとの間の制御ゲージの読みに対して、優れたシグナル対ノイズ比を提供するように選択される（範囲の最低部近くのシグナルは、ノイズが多くなりがちであり、潜在的にサーボループをあまり安定にはしない）。
【００５７】
適切な設定点圧力は、真空チャンバ２６０中の蒸気の所望の分圧、およびスロットルバルブ２３５と真空チャンバ２６０との間の蒸気コンダクタンスにより決定される。
【００５８】
図５は、真空環境中で蒸気流れ２２７が半導体工作物２８０にぶつかるプロセスを示す。このようなプロセスは、薄膜堆積プロセス、例えばポリシリコン膜またはシリコン−ゲルマニウム膜の製造であり得、そのプロセスでは、ドーパント含有蒸気が、膜成長の間、半導体膜のＰ型ドーピングまたはＮ型ドーピングを可能にする。別の重要な用途は、プラズマドーピング（ＰＬＡＤ）である。ＰＬＡＤでは、基板は、真空チャンバから電気的に隔離されたプラテン上に保持され、ドーパント蒸気が導入され、そしてプラズマがそのプラテンに隣接して形成される。１つ以上の高電圧パルスがそのプラテン、従って基板に印加され、そしてプラズマのエネルギーをもつイオンが引き抜かれてその基板をドーピングする。
【００５９】
図６は、イオン注入を実施するためのイオンビームを形成するために、蒸気がイオン源に供給されるシステムを示す。蒸気は、スロットルバルブ２３５を通り、イオン源２８５の蒸気導管２２８を通り、そしてイオン源２８５のイオン化チャンバ２８７中に通る。イオン化チャンバ２８７は、高電圧に保持される。蒸気は、イオン化チャンバ２８７内で適切なエネルギー化手段によりイオン化される；一旦、イオンが生成されると、それらは、排気されたチャンバの中に抽出され、抽出用光学機器２９０により加速され、そしてエネルギーをもつイオンビーム２９５へと形成される。この抽出用光学機器２９０は、イオン化チャンバの電圧とは実質的に異なる電圧にある。このイオンビームは、注入チャンバに向けられ、ドーピングのために半導体基板２９８に注入される。このプロセスは、例えば、フラットパネルディスプレイを作製するための大サイズのガラスパネル上のポリシリコンコーティングへのイオン注入（ＦＰＤドーピング）であり得る。このようなシステムにより生成されるイオンビームは、質量分析さてもよいが、大抵は質量分析されない。このイオン源は、代表的には、非常に大きく、そのイオン化チャンバは、実施されようとするパネルのより短い寸法よりも多少大きい１つの寸法を有し、それは１メートル長またはそれより大きくあり得る。代表的なシステムでは、イオンの固定の「リボン」ビームがイオン源から抽出され、フラットパネル上に集束され、他方そのパネルは、パネルの長いほうの寸法に沿ってビームを横切って機械的に走査される。このプロセスは、ディスプレイパネルの周辺に沿ってＣＭＯＳドライバ回路を有するＦＰＤを製造する際、例えば、薄膜トランジスタベースのテレビまたはコンピューターモニターを製造する際に重要である。
【００６０】
図７は、質量分析を有する従来のビーム線イオン注入器の場合に適合されたシステムを示す。イオンビーム２９５が、抽出用光学機器２９０によりイオン源２８５から抽出された後、そのビームは分散性双極子電磁石の中へ通り、この分散性双極子電磁石は、未分解のビーム２９５を、当該分野で公知のように、そのイオンの質量対電荷比に従って間隔を空けて分けられたビームレット（ｂｅａｍｌｅｔ）に分離する。この電磁石電流およびこれにより曲がった、分散性双極子場は、特定の質量対電荷比（または、分解開口部２９７の幅に依存して、特定の好ましい範囲の質量対電荷比）を有するイオンのみが分解開口部２９７により半導体基板へ通されれるように、調整され得る。
【００６１】
半導体ウエハ（例えば、シリコン結晶）中へイオンを注入するために、イオン化チャンバ２８７は、約１００ｍｌ未満の容積を有し、そしてチャンバへの昇華蒸気の最大流れは、１ｓｃｃｍのオーダーである。
【００６２】
図７Ａ〜７Ｃは、定性的な様式で、以下に大体対応するバタフライバルブの相対的位置を図示する：図７Ａ中：閉位置；図７Ｂ中：７．５°回転；図７Ｃ中：１５°回転。回転位置は、ロータリーステッパーモータにより電気制御される。バタフライの回転可能な円形プレートＢの外周とその円筒状ハウジングＨとの間のクリアランスは、Ｃ＜Ｃ’＜Ｃ”により示され、ここでＣは、数千分の１インチの「閉」位置での最小クリアランスである。図７Ｄは、１．４インチ直径の円形バタフライに対する回転角の関数としてのＮ２コンダクタンスの計算値を示す。図７Ａ〜７Ｃに対応する点は、図７Ｄの曲線上に印をつけられており、そしてそれぞれ、約０リットル／秒、２リットル／秒および８リットル／秒にほぼ等しい。
【００６３】
図７Ｅ〜７Ｇは、定性的な様式で、スロットルバルブとし用いられるスライド式ゲートバルブの相対的位置を図示する（図１Ａおよび図１Ｂを参照のこと）。示されるのは、図７Ｅ：閉位置のゲートＧ；図７Ｆ：１０％開いたゲートＧ；図７Ｇ：３０％開いたゲート（Ｇ）である。ゲートバルブは、約０．５インチ〜２．５インチの種々の直径で利用可能であり、遮断バルブ（閉のとき、シールする）およびスロットルバルブ（バルブアクチュエータを作動するステッパーモータとともに）の両方として機能する。このバタフライバルブは、シールバルブではない；すなわち、それは、閉のとき、小さいが有限のコンダクタンスを有する。
【００６４】
図８および８Ａは、イオン注入器のイオン源（例えば、図３のイオン源）に蒸気を提供するための蒸気送達システムの好ましい実施形態の２つの図を示す。そのバルブ連鎖の全長は、最小にされ、そしてイオン源に密に結合するように設計されている。示されるのは、気化器４００、気化器隔離バルブＶ１、４１０、バルブアクチュエータ４１５、（Ｖ３（示さず）に連結する）排気ポート４２０、スロットルバルブＴＶ１、４３０、スロットルバルブモータアクチュエータ４３５、イオン源隔離バルブＶ２、４４０、Ｖ２アクチュエータ４４５、加熱された静電容量型ゲージＧ１、４５０、Ｎ２ベントバルブＶ４、４６０である。
【００６５】
図９は、図８の蒸気送達システムの概略図を示し、顕著な制御点を示す。この蒸気送達システムは、オペレータインターフェース７００を通して制御されるように描かれており、そのオペレータインターフェース７００を通してオペレータがバルブＶ１、４１０（気化器隔離バルブ）、バルブＶ２、４４０（イオン源隔離バルブ）、バルブＶ３、４４１（荒引き真空バルブ）、バルブＶ４、４６０（ベントバルブ）、およびバルブＴＶ１  ４３０（スロットルバルブ）を開閉するための入力を提供し得る；これらのバルブのすべてが、バルブの状態を確認するためのオペレータインターフェースに対する読み戻しを提供する。Ｖ３は、２つの隔離バルブＶ１とＶ２との間に置かれ、そしてこれら２つのバルブの間のデッドボリュームを排気することが必要な場合、例えば、気化器４００が修理点検のためか再充填のために（Ｖ１とともに）取り除かれて交換された後、開かれる。同じ様式で、Ｖ４を使用して、このデッドボリュームを排気して、構成要素の取り外し（例えば、気化器４００の取り外し）の準備をする。他の使用者がアクセス可能な入力としては、３つの温度設定点が挙げられる：気化器４００に対するＰＩＤ１、バルブＶ１〜Ｖ４およびＴＶ１に対するＰＩＤ３、および図３の蒸気導管１５０を含むイオン源ブロックに対する温度設定点。一般に、蒸気と接触するようになるすべての表面は、この気化器の温度と少なくとも同程度に高い温度に維持される。イオン源設定点温度＞ＰＩＤ３＞ＰＩＤ１を維持することが好ましい。従って、イオン源ブロックを介して、導管１５０の表面は、好ましくは、ＰＩＤ３の設定点よりも高い温度に維持される。ＰＩＤ２は、スロットルＴＶ１、４３０の位置を調整する閉ループコントローラであり、圧力ゲージＧ１、４５０により読取られる圧力値をその設定点値に動かす。加熱された圧力ゲージＧ１、４５０に対するこの圧力設定点は、オペレータインターフェースに読み戻される。この圧力読み戻しシグナルは、スロットルバルブＴＶ２とイオン源への蒸気導管（図３における蒸気導管１５０）との間の蒸気圧を示し、ＴＶ１位置の閉ループ制御のための制御シグナルを提供する。上記イオン源のイオン化チャンバ１７０へと蒸気導管１５０を通る蒸気の流量は、ほぼこの入口圧力に比例するので、ＰＩＤ２を介する安定かつ再現性のある入口圧力を提供することは、イオン化チャンバ１７０内での安定かつ明確な圧力を可能にし、次いでこれは、上記イオン源から抽出されるべき非常に安定なイオン電流を可能にする。
【００６６】
図１０は、図９の蒸気送達システムを使用する、図３のイオン源へのデカボラン蒸気の流れをプロットする。図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃに概略を示したバタフライ型スロットルバルブの位置が図９の曲線上に示される。この蒸気送達システムの有用な動的範囲は、約１０倍（３０℃の気化器温度に対して、約０．１ｓｃｃｍ（１分間あたりの標準状態のｃｃ）〜１．０ｓｃｃｍを越える）の範囲に及び、このことは、上記スロットルバルブの上流の一定蒸気圧を送達する。より高い流れを得るために、より高い気化器温度が使用される。イオン源により消費されるイオン注入器に向けた代表的なガス流量は、約２ｓｃｃｍ未満である。従って、蒸気送達コンダクタンスおよび圧力は、図２および付随する本文に示されるように、必要とされる蒸気流速およびイオン源入口のコンダクタンスに調整され、これは図１２の考察においてさらに展開される。
【００６７】
図１１は、図３および８〜１０に例示されるシステムにおけるスロットルバルブの回転制御圧力ゲージ４５０の応答を示す。約４０ｍＴｏｒｒの圧力ゲージ圧力（上記イオン源への入口での圧力）でのイオン化チャンバ１７０内の蒸気圧は、約１ｍＴｏｒｒであるが、他方上記スロットルバルブ（気化器の出口）の上流の圧力は、約６５ミリＴｏｒｒである。従って、最大の圧力低下は、図３のイオン源の蒸気導管１５０を横切る。図３のイオン源は、例として約０．５リットル／秒のＮ２コンダクタンスを有する。
【００６８】
図１２は、図３および８〜１０の蒸気送達連鎖全体の有効Ｎ２コンダクタンスを、バタフライ型スロットルバルブの回転角の関数としてプロットする。このスロットルバルブが開のとき、このシステムの全コンダクタンスは、そのイオン源の蒸気導管１５０のコンダクタンスにほぼ等しい。上記スロットルバルブのコンダクタンスの動的範囲は、そのシステムの最小コンダクタンス（この場合はイオン源への導管１５０のコンダクタンス）に合致されるべきである。例としての図３の蒸気導管１５０は、直径約１ｃｍ、長さ２５ｃｍの円筒状ボアである。より大きいかまたはより小さいコンダクタンスのイオン源入口導管に対しては、それぞれにより大きいかより小さいスロットルバルブ（その動的範囲にわたって、それぞれにより大きいかより小さいコンダクタンスを備えたスロットルバルブ）が使用されるべきである。本明細書中で開示される蒸気送達システムは、凝縮した蒸気によって容易には詰まらない「開」バルブおよび通路構造（高コンダクタンス）の使用を可能にする。さらに、すべてのバルブおよび連結要素は、容易に気化器温度よりも高い温度に保持される。例えば、ここで図９を参照して、デカボランを使用する操作に対して、気化器は３０℃に維持され、Ｖ１〜Ｖ４およびＴＶ１は５０℃であり、圧力ゲージＧ１は１００℃であり、そしてイオン源は５０℃より高くに保持される。この連鎖を下る連続する要素の温度のこの「段階設定」は、昇華した蒸気のあらゆる顕著な凝縮を防ぐ。重要なことは、気化器に続く高コンダクタンス要素の使用は、所望の流量に到達しそれを維持するために必要とされる蒸気圧、従って気化器温度を最低にする。これは、気化器中に保存される水素化ホウ素または他の固体供給投入物の有用寿命を伸ばす。なぜなら、それらは高温で解離したり、温度の強い関数である反応物と重合したりすることが公知だからである。
【００６９】
実施の所望の範囲にわたって、上記スロットルバルブの最大Ｎ２ガスコンダクタンスは、少なくとも毎秒１リットルかそれより大きく、そしてスロットルバルブが完全に開いている場合のそのバルブを横切る圧力低下は、１００ｍＴｏｒｒ未満であり、好ましい場合には、しばしば２５ｍＴｏｒｒである。
【００７０】
上記の図１０〜１２のすべては、説明の目的のために、スロットルバルブのいわゆる「開ループ」操作を示す。すなわちそこではバルブ位置が独立変数として設定されている。図１３は、その通常の「閉ループ」様式で操作される場合の、上記蒸気送達システムの時間特徴を示す。この様式では、ここで図７を参照して、圧力設定点は、デジタル蒸気供給コントローラ２２０によりスロットルバルブ位置制御２４５に提供される。この位置制御は、バルブ位置を制御圧力ゲージ出力２５０と圧力設定点値との間の「エラー」を最少にするように調整する。このことは、例えば、速度および沈降時間、ならびにオーバーシュートの程度のような明確な応答特徴を有するようにプログラムされ得るいわゆるＰＩＤ（比例積分微分）制御ループにより達成され得る。Ｎｏｒ−Ｃａｌ  モデルＡＰＣ−２００−Ａは、バタフライバルブの円形プレートが取り付けられているシャフトを回すステッパーモータに連結されたこのようなＰＩＤコントローラを組み込む。（ここで、この例で使用されるバタフライバルブは、真空チャンバでポンプ輸送速度を絞る根本的に異なる用途、つまり下流圧力制御用途のためにその製造業者によって設計されたものであるが、他方本発明はこのハードウェアを「上流」制御、真空チャンバへのガスの導入のために使用することを指摘するべきである。同様に、上流スロットル制御を達成するためのモータ制御下のシールゲートバルブの使用は新規と考えられる）図１３の時間特徴を生成するために、３つの異なる圧力設定値（２０ｍＴｏｒｒ、３０ｍＴｏｒｒ、および４０ｍＴｏｒｒ）がグラフィカルユーザーインターフェースを介してデジタル蒸気供給コントローラ２２０に、データを生成するための約１０秒の間隔をおいて、ランダムに入力される。図１３は、オクタデカボラン（Ｂ１８Ｈ２２）供給物質を使用する場合の、このシステムの急激な沈降時間および優れた再現性を示す。詳細に図１３を参照して、時間＝０秒で制御圧力は２０ｍＴｏｒｒを読み；Ｔ＝１０秒で３０ｍＴｏｒｒの設定点（ＳＰ１）がオペレータによりコントローラ２２０に入力される；Ｔ＝２５秒で２０ｍＴｏｒｒの設定点（ＳＰ２）が入力され、などＳＰ７まで繰り返された。図１３に記録された「段階的応答」特徴は、圧力の沈降時間は、代表的には数秒であり、安定性は良好であり、そしてオーバーシュートは最小であることを示す。
【００７１】
図１４は、図４〜７の蒸気送達システム遠隔実施を示し、例えば、気化器、スロットルバルブおよび他の流れ制御要素がイオン注入器のガス分配ボックス内に置かれており、そのイオン源を入口に連結するために、１メートルまでの長さの管が必要とされる。大直径の管（少なくとも直径１インチ）を使用することにより、その蒸気送達連鎖の全コンダクタンスは、顕著に減少され、図２に従ってイオン源の蒸気入口のコンダクタンスにより支配されるままである。
【００７２】
図１５は、上記蒸気送達システムのさらに重要な特徴を図示する。供給物質が気化する速度はその開放表面積の関数、特に固体−真空インターフェースの利用可能な表面積の関数であることは公知である。気化器内の粉末形態の供給物質が経時的に消費されるにつれて、この利用可能な表面積は着実に減少し、蒸気の発生速度が所望の蒸気流量を支持し得なくなるまで、上記スロットルバルブの前にある蒸気圧の低下をもたらす。これは、「発生速度制限」操作として公知である。従って、気化器内の所定の供給物質の新しい投入量を用いて、例えば、２５℃という気化器温度が、その動的範囲の下端（例えば、図１０の曲線上に示される点７Ｂにより示される）での見かけ上のスロットルバルブの位置で、必要とされる蒸気流量を支持する。時間経過後（例えば、供給物質の２０％が消費された後）、図１０の曲線上に示される点７Ｃに応じたバルブ位置は、その場合、同じ所望の流れを維持することが必要であり得る。ここで、このシステムの状態は、スロットルバルブがその動的範囲の変位の上限の近くにあるような状態である。適切な設備によって、この変位は、蒸気供給コントローラ２２０によって検知される。それは、図１４のシグナル２４６によるような新しいより高温の加熱器設定点温度を気化器加熱器制御（またはレギュレータ）２１５に送る。蒸気供給コントローラは、常駐ルックアップテーブル情報を保有し、この情報によって蒸気発生の所望の増加およびスロットルバルブの前にある圧力増加を生成する次の温度変化の増分が決定される。例えば、名目上３０℃の操作に対して、次の増分は２℃（３２℃への変化）であり得る。この増分は、いったん気化器温度がその新しい値（図１０の７Ｂに対する名目上のスロットルバルブ作動点）に落ち着くと、その動的範囲の変位の下端の近くに戻すように選択される。従って、デジタルコントローラ２２０が、設定点蒸気圧の短時間スケールの変化および気化器温度の長時間スケールの変化の両方に対応させる能力は、供給物質の投入量の寿命にわたる蒸気流れの制御を非常に強固なものにする。
【００７３】
本発明の多くの実施形態が、説明された。しかしながら、種々の改変が本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解される。従って、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内である。
【符号の説明】
【００７４】
１０  イオン源
２８  気化器
３２  計量セクション
３３  ガス導管
３５、１２０  閉ループ制御
３６  フランジ
４４  イオン化チャンバ
６０  圧力ゲージ
７０  電子ビーム
１００  機械式スロットバルブ
１２５  磁石片
１３０  真空チャンバ
１３５  真空ポンプ
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図７−３】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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