(57)【要約】【課題】原材料の供給量を安定化することができ、ひいてはイオンを安定して発生させることができるイオン源装置およびイオン発生方法、ならびに前記イオン源装置を備えるイオン注入装置および前記イオン発生方法によってイオンを発生させるイオン注入方法を提供する。【解決手段】原材料容器２２とアークチャンバ２３とを接続する配管２４の内部にオリフィス板３１を設け、原材料容器２２で発生した塩化アルミニウム気体８を、オリフィス板３１に形成される連通孔を通して流下させる。これによって、原材料容器２２内では、圧力が上昇して、塩化アルミニウムが液化する圧力以上の圧力になり、固体であった塩化アルミニウムが塩化アルミニウム液体２７になる。この塩化アルミニウム液体２７の蒸発によって発生した塩化アルミニウム気体８をアークチャンバ２３に供給する。【選択図】図２
2010272228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原材料が収容される原材料容器と、
前記原材料容器に収容される固体状態の前記原材料を加熱して、前記原材料の蒸気を発生させる加熱手段と、
前記加熱手段によって原材料容器で発生されて供給される前記原材料の蒸気を収容するチャンバを有し、前記チャンバに収容される前記原材料の蒸気からイオンを発生させるイオン発生手段と、
前記原材料容器内の圧力を、前記原材料が液化する圧力以上の圧力に保持可能な圧力保持手段とを備えることを特徴とするイオン源装置。
【請求項２】
前記原材料は、塩化アルミニウムであり、
前記圧力保持手段は、前記原材料容器内の圧力を、２気圧以上の圧力に保持することを特徴とする請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項３】
前記原材料容器と前記チャンバとを接続し、前記原材料容器で発生する前記原材料の蒸気を前記チャンバに供給する配管を備え、
前記圧力保持手段は、前記配管の内部に設けられ、前記原材料の蒸気が前記配管を流下するときの抵抗として機能する流下抵抗手段であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン源装置。
【請求項４】
前記流下抵抗手段は、前記配管を前記原材料容器に接続される容器側接続部分と、前記チャンバに接続される発生手段側接続部分とに仕切る仕切り部材であり、
前記仕切り部材には、前記容器側接続部分と前記発生手段側接続部分とを連通する連通孔が形成されることを特徴とする請求項３に記載のイオン源装置。
【請求項５】
前記圧力保持手段は、前記原材料容器と前記チャンバとを接続し、前記原材料容器で発生する前記原材料の蒸気を前記チャンバに供給する配管であり、
前記配管は、前記原材料容器に接続される容器側接続部分の内径Ｒ１が、前記イオン発生手段に接続される発生手段側接続部分の内径Ｒ２よりも小さく（Ｒ１＜Ｒ２）形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン源装置。
【請求項６】
前記原材料容器に、前記原材料容器内を加圧する加圧ガスを供給する加圧ガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のイオン源装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のイオン源装置と、
前記イオン源装置のイオン発生手段で発生されるイオンを、注入対象物に注入する注入手段とを備えることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項８】
原材料容器に収容される固体状態の原材料を加熱して、前記原材料の蒸気を発生させる蒸気発生ステップと、
前記蒸気発生ステップで発生された前記原材料の蒸気からイオンを発生させるイオン発生ステップとを備え、
前記蒸気発生ステップでは、前記原材料容器内の圧力を、前記原材料が液化する圧力以上の圧力に保持可能な状態で、前記原材料を加熱することを特徴とするイオン発生方法。
【請求項９】
前記原材料容器に収容される固体状態の原材料は、塩化アルミニウムであり、
前記蒸気発生ステップでは、前記原材料容器内の圧力を、２気圧以上の圧力に保持可能な状態で、前記原材料を加熱することを特徴とする請求項８に記載のイオン発生方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のイオン発生方法によってイオンを発生させ、発生させたイオンを注入対象物に注入することを特徴とするイオン注入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源装置およびイオン発生方法、ならびにイオン注入装置およびイオン注入方法に関し、より詳細には、半導体デバイスの製造におけるアルミニウムイオンの注入に好適に用いることができるイオン源装置およびイオン発生方法、ならびに前記イオン源装置を備えるイオン注入装置および前記イオン発生方法によってイオンを発生させるイオン注入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造に用いられるイオン注入装置では、主に電子衝突型のイオンソースが用いられている。電子衝突型のイオンソースでは、フィラメントに数百アンペア（Ａ）の電流を流して熱電子を放出させ、同時に外部から磁場をかけた空間にイオン化させたい気体を導入することで、気体を熱電子と衝突させてイオンを生成する。このようにして生成したイオンを用いてイオン注入が行われる（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
炭化珪素（ＳｉＣ）デバイスを製造する場合は、前述のイオン注入装置を用いて、ＳｉＣ基板にｐ型不純物としてアルミニウム（Ａｌ）イオンが注入される。アルミニウムイオンの発生方法としては、以下に述べる第１〜第４の方法がある。
【０００４】
第１の方法としては、常温、常圧で固体であってＡｌを含有する昇華性固体、たとえば塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）またはフッ化アルミニウム（ＡｌＦ3）などを昇温して、蒸気を発生させ、この蒸気を原材料としてアークチャンバに導いてイオン化する方法（たとえば、非特許文献２参照）がある。
【０００５】
第２の方法としては、常温、常圧で液体であってＡｌを含有する有機金属、たとえばトリメチルアルミニウム［（ＣＨ3）3Ａｌ］2またはトリエチルアルミニウム［（Ｃ2Ｈ3）3Ａｌ］2などを溶かした液体を、窒素（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）などのキャリアガスでバブリングさせるなどしてアークチャンバに導き、イオン化する方法がある。
【０００６】
第３の方法としては、腐食させたアルミニウム化合物で形成されるアークチャンバの内壁をスパッタして、Ａｌ原子およびＡｌ分子を発生させ、これらを衝突させることでアルミニウムイオンを発生させる方法がある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
さらに第４の方法としては、アルミニウム金属から成るアークチャンバの内壁から、直接アルミニウムイオンをスパッタによって発生させる方法がある（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２３８４８５号公報
【特許文献２】特開平１１−１４４６３６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「２００７半導体テクノロジー大全」、株式会社電子ジャーナル、２００７年５月２２日、ｐ３１４−３１５
【非特許文献２】関根幸平、外２名、「アルミニウムイオンＡ１+、Ａｌ2+発生法の検討」、２００３年春季第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、社団法人応用物理学会、２００３年、Ｎｏ．２、ｐ．７８８（２９ａ−ＹＨ−３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述の第２の方法では、アルミニウムイオンの原材料であるトリメチルアルミニウム［（ＣＨ3）3Ａｌ］2などの有機金属が極めて反応性が高く、爆発する可能性があり、取り扱いに注意を要するため、原材料の供給装置が大掛かりになり、イオン源装置およびイオン注入装置に組み込むことが困難であるという問題がある。
【００１１】
前述の第３および第４の方法では、アークチャンバの内壁が、腐食させたアルミニウム化合物またはアルミニウム金属で形成されており、融点が６６０度と比較的低いので、アーク放電によるアルミニウムイオンの発生量を多くしたい場合には有効かもしれない。しかし、第３および第４の方法では、チャンバ内壁から原材料を供給するために、壁面が粗くなったり、内壁表面が変質したりすることにより、アルミニウムイオンの発生量を制御することが困難であるという問題がある。
【００１２】
前述の第１の方法で用いられる昇華性固体のうち、フッ化アルミニウムは、昇華時の蒸気圧が低いので、イオンビーム電流を十分に得るために高温に上げる必要があり、加熱ヒータや断熱に工夫が必要となる。
【００１３】
これに対し、塩化アルミニウムは、昇華温度が低いので、容易に十分な昇華量を得ることができ、さらに、イオンビーム電流を得ることができる。しかし、長時間にわたって使用したときに供給量が安定しないという問題がある。
【００１４】
具体的に述べると、第１の方法では、昇華性固体である塩化アルミニウムの粉末を詰めた原材料容器を加熱して、塩化アルミニウムを昇華させる。長時間使用していると、昇華によって原材料容器内の塩化アルミニウム粉末の充填量が減少するので、それに伴って粉末と粉末との間に隙間が生じて、加熱にむらが生じる。この加熱のむらによって加熱効率が減少して昇華量が大幅に低下する。したがって昇華量、すなわち原材料の供給量を安定的に制御することは困難であり、前述の供給量が安定しないという問題が生じる。
【００１５】
このように塩化アルミニウムを昇華性固体として使用した場合でも、塩化アルミニウムの昇華量が不安定になり、原材料の供給量が安定せず、アルミニウムイオンを安定して発生させることができないという問題が生じる。
【００１６】
したがって本発明の目的は、原材料の供給量を安定化することができ、ひいてはイオンを安定して発生させることができるイオン源装置およびイオン発生方法、ならびに前記イオン源装置を備えるイオン注入装置および前記イオン発生方法によってイオンを発生させるイオン注入方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のイオン源装置は、原材料が収容される原材料容器と、前記原材料容器に収容される固体状態の前記原材料を加熱して、前記原材料の蒸気を発生させる加熱手段と、前記加熱手段によって原材料容器で発生されて供給される前記原材料の蒸気を収容するチャンバを有し、前記チャンバに収容される前記原材料の蒸気からイオンを発生させるイオン発生手段と、前記原材料容器内の圧力を、前記原材料が液化する圧力以上の圧力に保持可能な圧力保持手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明のイオン注入装置は、前記イオン源装置と、前記イオン源装置のイオン発生手段で発生されるイオンを、注入対象物に注入する注入手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明のイオン発生方法は、原材料容器に収容される固体状態の原材料を加熱して、前記原材料の蒸気を発生させる蒸気発生ステップと、前記蒸気発生ステップで発生された前記原材料の蒸気からイオンを発生させるイオン発生ステップとを備え、前記蒸気発生ステップでは、前記原材料容器内の圧力を、前記原材料が液化する圧力以上の圧力に保持可能な状態で、前記原材料を加熱することを特徴とする。
【００２０】
本発明のイオン注入方法は、前記イオン発生方法によってイオンを発生させ、発生させたイオンを注入対象物に注入することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のイオン源装置によれば、原材料容器に収容される固体状態の原材料が加熱手段で加熱されて、原材料の蒸気が発生され、イオン発生手段のチャンバに供給される。供給された原材料の蒸気からイオン発生手段によってイオンが発生される。原材料容器内の圧力は、圧力保持手段によって、原材料が液化する圧力以上の圧力に保持可能であるので、固体状態の原材料が加熱されて昇華し、原材料の蒸気が発生すると、この蒸気によって原材料容器内の圧力が上昇し、原材料が液化する圧力以上の圧力に達する。これによって固体状態の原材料が液体状態となるので、イオン発生手段には、液体状態の原材料の蒸発によって発生した蒸気が供給される。
【００２２】
したがって、固体状態の原材料を昇華させて原材料の蒸気をイオン発生手段に供給する場合に比べて、原材料の加熱状態を安定化することができるので、イオン発生手段への原材料の供給量を正確に制御することができ、イオンを安定して発生させることができる。
【００２３】
本発明のイオン注入装置によれば、前述のようなイオン源装置のイオン発生手段によってイオンが安定的に発生され、注入手段によって注入対象物に注入される。これによって、注入対象物にイオンを安定して注入することができる。
【００２４】
本発明のイオン発生方法によれば、蒸気発生ステップにおいて、原材料容器に収容される固体状態の原材料が加熱されて、原材料の蒸気が発生される。発生された原材料の蒸気から、イオン発生ステップにおいてイオンが発生される。蒸気発生ステップでは、原材料容器内の圧力を、原材料が液化する圧力以上の圧力に保持可能な状態で、原材料を加熱するので、固体状態の原材料が加熱されて昇華し、原材料の蒸気が発生したとき、この蒸気によって原材料容器内の圧力を上昇させ、原材料が液化する圧力以上の圧力にすることができる。これによって固体状態の原材料が液化し、液体状態となるので、液体状態の原材料の蒸発によって発生した蒸気がイオン発生ステップに供される。
【００２５】
したがって、固体状態の原材料の昇華によって発生した蒸気がイオン発生ステップに供される場合に比べて、原材料の加熱状態を安定化することができるので、イオン発生ステップに供される原材料の供給量を正確に制御することができる。これによって、イオン発生ステップに供される原材料の供給量を安定化することができるので、イオンを安定して発生させることができる。
【００２６】
本発明のイオン注入方法によれば、前述のようにイオンを安定して発生させることのできるイオン発生方法によってイオンが発生され、注入対象物に注入される。これによって、注入対象物にイオンを安定して注入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の前提となるイオン注入装置の従来型のイオン源装置１の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態であるイオン注入装置２０のイオン源装置２１の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態であるイオン注入装置２０の構成を模式的に示す側面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態におけるイオン注入装置のイオン源装置５０の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態におけるイオン注入装置のイオン源装置６０の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態におけるイオン注入装置のイオン源装置７０の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
＜前提技術＞
本発明のイオン注入装置を説明する前に、本発明の前提となるイオン注入装置について説明する。図１は、本発明の前提となるイオン注入装置の従来型のイオン源装置１の構成を模式的に示す断面図である。
【００２９】
前提技術のイオン注入装置では、イオン源装置１において、塩化アルミニウムの固体粉末７を入れた原材料容器２を、原材料容器２を外囲する容器加熱部３２によって加熱して昇温し、塩化アルミニウム気体８を昇華によって発生させ、配管４を介してアークチャンバ３に塩化アルミニウム気体８を導入する。アークチャンバ３内に導入された塩化アルミニウム気体８は、フィラメント６で発生した熱電子９によるアーク放電でイオン化され、アルミニウムイオン１０となる。
【００３０】
このようにしてイオン源装置１で生成されたアルミニウムイオン１０は、引出し板５によってアークチャンバ３内から引出され、図示しない質量分析部および加速管を通って所望の加速エネルギを得て、図示しないエンドステーションに設置される半導体基板にイオン注入される。
【００３１】
前提技術のイオン注入装置では、塩化アルミニウム気体８の供給源として、塩化アルミニウムの固体粉末（以下、単に「固体粉末」という場合がある）７が用いられる。長時間使用していると、昇華によって原材料容器２内の塩化アルミニウムの固体粉末７の充填量が減少するので、固体粉末７と固体粉末７との間に隙間が生じて、加熱にむらが生じる。この加熱のむらによって加熱効率が減少して昇華量が大幅に変化する。したがって昇華量、すなわち原材料の供給量を安定的に制御することは困難であり、原材料の供給量が安定しないという問題がある。
【００３２】
そこで、本発明のイオン注入装置では、以下に示す各実施の形態の構成を採用している。
【００３３】
＜第１の実施の形態＞
図２は、本発明の第１の実施の形態であるイオン注入装置２０のイオン源装置２１の構成を模式的に示す断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態であるイオン注入装置２０の構成を模式的に示す側面図である。イオン注入装置２０は、イオン源装置２１と、質量分析部４０と、加速管４１と、スキャナ部４２と、エンドステーション４３とを備える。質量分析部４０、加速管４１およびスキャナ部４２は、注入手段に相当する。本実施の形態のイオン注入装置は、前述の前提技術のイオン注入装置と類似するので、対応する箇所には同一の参照符を付して、前提技術と共通する説明を省略する。
【００３４】
イオン源装置２１は、原材料容器２２と、アークチャンバ２３と、原材料容器２２とアークチャンバ２３とを接続する配管２４と、引出し板５と、アークチャンバ２３の内部空間に設けられるフィラメント６と、原材料容器２２を外囲する容器加熱部３２とを備える。容器加熱部３２は、加熱手段に相当する。アークチャンバ２３およびフィラメント６は、イオン発生手段に相当する。フィラメント６は、原材料容器２２と絶縁されているものとする。
【００３５】
原材料容器２２には、原材料、本実施の形態では塩化アルミニウムが収容される。原材料容器２２は、密閉可能、かつ取外し可能に構成される。原材料は、固体状態で原材料容器２２に投入される。
【００３６】
容器加熱部３２は、たとえばカーボランダムなどから成るヒータであり、図示しない容器加熱用電源から電力が供給されて発熱し、原材料容器２２を加熱する。容器加熱部３２は、原材料容器２２を加熱することで、原材料容器２２に収容される固体状態の原材料を加熱して、原材料を昇華させることによって、原材料の蒸気、本実施の形態では、塩化アルミニウム気体８を発生させる。
【００３７】
アークチャンバ２３は、内方の空間に、原材料容器２２で発生されて供給される原材料の蒸気を収容する。アークチャンバ２３は、導電性材料で形成され、フィラメント６との間に正の数百Ｖの電圧が印加されて使用される。アークチャンバ２３は、内方の空間が、図示しない真空ポンプによって真空引き、すなわち真空吸引されて、真空状態で使用される。ここで「真空状態」とは、圧力が標準大気圧（１．０１３×１０5Ｐａ）よりも低い状態のことである。アークチャンバ２３は、たとえば圧力１×１０-5Ｐａ以上１×１０-2Ｐａ以下の真空状態で使用される。
【００３８】
アークチャンバ２３の内部空間に設けられるフィラメント６には、図示しないフィラメント電源が接続され、数十〜数百アンペア（Ａ）の電流が流される。これによって熱電子９が発生し、アーク放電が起こる。
【００３９】
配管２４は、原材料容器２２内で発生する原材料の蒸気である塩化アルミニウム気体８をアークチャンバ２３に供給する。配管２４の内部には、オリフィス板３１が設けられる。オリフィス板３１は、圧力保持手段に相当する。より詳細には、オリフィス板３１は、流下抵抗手段に相当し、配管２４の内部に設けられることによって、原材料の蒸気８が配管２４を流下するときの抵抗として機能する。
【００４０】
オリフィス板３１は、仕切り部材であり、配管２４を、原材料容器２２に接続される容器側接続部分と、アークチャンバ２３に接続されるチャンバ側接続部分とに仕切る。オリフィス板３１は、配管２４の原材料容器２２に接続される一端部と、アークチャンバ２３に接続される他端部との間の中央部付近に設けられる。
【００４１】
オリフィス板３１は、円板状に形成され、その中心部には、容器側接続部分と発生手段側接続部分とを連通する連通孔が形成される。連通孔が大きいと、原材料容器２２とアークチャンバ２３との間に圧力差をつけ難いため、連通孔は小さい方がよい。したがって、連通孔は一つの孔ではなく、ニードルバルブの開口のようにリング状の連通孔であってもよい。原材料容器２２で発生した塩化アルミニウム気体８は、配管２４の容器側接続部分から、オリフィス板３１の連通孔を通して、配管２４の発生手段側接続部分に流下し、アークチャンバ２３に供給される。
【００４２】
イオン注入装置２０が使用されるとき、イオン発生源となるアークチャンバ２３は、前述のように真空引きされており、真空状態になっている。イオン注入装置２０の使用開始時の状態では、原材料容器２２には、原材料である塩化アルミニウムの固体が充填されている。原材料容器２２とアークチャンバ２３とは、配管２４で接続されているので、配管２４内にオリフィス板３１が設けられていなければ、原材料容器２２も真空状態またはそれに近い状態となる。
【００４３】
これに対し、本実施の形態では、原材料容器２２とアークチャンバ２３とを接続する配管２４には、その両端部間の中央部付近にオリフィス板３１が設けられている。オリフィス板３１は、原材料の蒸気８が配管２４を流下するときの抵抗として機能するので、オリフィス板３１を設けることによって、原材料容器２２内の圧力を高め、アークチャンバ２３の内方の空間と圧力差を生じさせることができる。具体的には、原材料容器２２内では、真空状態と３気圧程度の圧力差を生じさせることができる。
【００４４】
これによって、原材料容器２２内の圧力（以下「原材料容器の内圧」という場合がある）を、原材料が液化する圧力以上の圧力に保持することが可能である。つまり、原材料容器２２に収容される原材料を液化して、液体状態の原材料、本実施の形態では塩化アルミニウム液体２７にすることが可能である。
【００４５】
具体的に述べると、イオン注入装置２０の使用開始時の状態から、原材料容器２２を容器加熱部３２で加熱して、原材料が昇華する温度、本実施の形態では２００℃付近まで昇温していくと、固体であった塩化アルミニウムが徐々に昇華し、原材料容器２２の内圧が上昇する。そして、原材料容器２２の内圧が２気圧付近になると、固体であった塩化アルミニウムが液化し、塩化アルミニウム液体２７になる。塩化アルミニウム液体２７からは塩化アルミニウム気体８が発生するので、原材料容器２２内の圧力は、塩化アルミニウムが液化可能な圧力である２気圧以上の圧力に保持される。
【００４６】
したがって塩化アルミニウム液体２７から蒸発した塩化アルミニウム気体８が、配管２４を介してアークチャンバ２３に供給されることになる。塩化アルミニウムが液化した後は、原材料容器２２に収容される塩化アルミニウム液体２７は、原材料容器２２を介して容器加熱部３２によって、所望のイオンビーム電流を得るために必要な量の塩化アルミニウム気体８を発生可能な温度、具体的には２００℃以上の温度に保持される。このようにして原材料の蒸気である塩化アルミニウム気体８を発生させるステップは、蒸気発生ステップに相当する。
【００４７】
配管２４の内径および配管長さ、ならびにオリフィス板３１に形成される連通孔の径であるオリフィス径は、塩化アルミニウムが液化した状態で、所望のイオンビーム電流を得るために必要な量の塩化アルミニウム気体８がアークチャンバ２３に供給されるように選ばれる。具体的には、数ｓｃｃｍ以上、数十ｓｃｃｍ以下、より詳細には、２〜３０×１０-4Ｐａ・ｍ3／ｓｅｃ以下の塩化アルミニウム気体８がアークチャンバ２３に供給されるように選ばれる。配管２４は、一様な内径で形成される。また配管２４の管壁の厚みは、原材料容器２２とアークチャンバ２３との間で生じる圧力差に耐え得る厚みに選ばれる。
【００４８】
ｓｃｃｍ（Standard cc per minute）とは、気体の流量（ｃｃ／ｍｉｎ）を表す単位であり、１分間あたりに流れる気体の体積を０℃かつ１ａｔｍ（１０１３２５Ｐａ）の状態に換算したときの気体の流量を表す単位である。
【００４９】
このようにしてアークチャンバ２３に供給された塩化アルミニウム気体８が、フィラメント６で発生した熱電子９によるアーク放電でイオン化され、アルミニウムイオン（以下「Ａｌイオン」と表記する場合がある）１０となる。このようにして目的イオンであるアルミニウムイオン１０を発生させるステップは、イオン発生ステップに相当する。
【００５０】
アークチャンバ２３で発生したＡｌイオン１０を含むイオンは、引出し板５によってアークチャンバ２３内から引出され、図３に示す質量分析部４０に与えられる。質量分析部４０は、与えられたイオンから、目的とするイオン（以下「目的イオン」という場合がある）、本実施の形態ではＡｌイオン１０を選別して分離し、加速管４１に与える。
【００５１】
イオン源装置２１のアークチャンバ２３内では、目的とするＡｌイオン１０以外に、Ａｌイオンよりも質量の重いイオンと、Ａｌイオンよりも質量の軽いイオンが発生する。アルミニウムイオン１０は、図３の参照符ａで示される軌跡を描いて質量分析部４０を通過し、加速管４１に到達する。
【００５２】
Ａｌイオンよりも質量の重いイオンは、質量分析部４０において、図３の参照符ｂで示される軌跡を描いて、屈曲部の外側で捕捉されるので、質量分析部４０を通過することができない。Ａｌイオンよりも軽いイオンは、質量分析部４０において、図３の参照符ｃで示される軌跡を描いて、屈曲部の内側で捕捉されるので、質量分析部４０を通過することができない。
【００５３】
したがって、加速管４１には、アルミニウムイオン１０のみが導かれる。加速管４１に導かれたＡｌイオン１０は、加速管４１を通過して所望の加速エネルギを得て、スキャナ部４２で走査されて、エンドステーション４３に設置される注入対象物であるＳｉＣ基板などの半導体基板４４に注入される。
【００５４】
以上のように本実施の形態のイオン源装置２１によれば、原材料容器２２に収容される固体状態の原材料である塩化アルミニウム固体が加熱されて、原材料の蒸気である塩化アルミニウム気体８が発生し、アークチャンバ２３に供給される。供給された塩化アルミニウム気体８からアルミニウムイオン１０が発生される。
【００５５】
本実施の形態では、配管２４の内部にオリフィス板３１を設けているので、このオリフィス板３１によって、原材料容器２２内の圧力を、原材料である塩化アルミニウムが液化する圧力以上の圧力に保持することが可能である。
【００５６】
つまり、塩化アルミニウム固体が加熱されて昇華し、塩化アルミニウム気体８が発生したとき、この塩化アルミニウム気体８によって原材料容器２２内の圧力を上昇させ、塩化アルミニウムが液化する圧力以上の圧力にすることができる。これによって塩化アルミニウム固体が液化し、液体状態の塩化アルミニウム液体２７となるので、アークチャンバ２３には、塩化アルミニウム液体２７の蒸発によって発生した塩化アルミニウム気体８が供給される。
【００５７】
したがって、前述の図１に示す前提技術のイオン源装置１のように塩化アルミニウム固体７を昇華させて発生させた塩化アルミニウム気体８をアークチャンバ３に供給する場合に比べて、原材料である塩化アルミニウムの加熱状態を安定化することができるので、アークチャンバ２３への塩化アルミニウムの供給量を正確に制御することができる。これによって、アークチャンバ２３への塩化アルミニウムの供給量を安定化することができるので、アルミニウムイオン１０を安定して発生させることができる。
【００５８】
このようにアルミニウムイオン１０を安定して発生させることのできるイオン源装置２１を備えて、本実施の形態のイオン注入装置２０が構成されるので、注入対象物である半導体基板４４に、目的とするイオンであるアルミニウムイオン１０を安定して注入することができる。
【００５９】
また本実施の形態のイオン源装置２１には、もう一つ利点がある。それは、原材料容器２２内の原材料が使用されて減少したときに、原材料容器２２への原材料の再充填を容易に行うことができる、ということである。
【００６０】
従来技術のイオン源装置では、真空引きされたアークチャンバと原材料容器とが一体化されているので、原材料を原材料容器に再度充填するためには、アークチャンバを大気に解放する必要がある。アークチャンバを大気に解放すると、再度使用するときに、アークチャンバへの密閉用パッキンなどの部品の組付けおよび再度の真空引きが必要となる。この作業によって、アークチャンバに接続されるアウトガス装置の稼働率が低下してしまう。したがって、半導体の生産効率が低下してしまう。
【００６１】
これに対し、本実施の形態のイオン源装置２１では、原材料容器２２とイオン源であるアークチャンバ２３とを接続する配管２４にオリフィス板３１が設けられており、配管２４の流下する気体に対する抵抗が大きいので、原材料容器２２を取外しても、配管２４の一端部から流出する気体の流量は、数ｓｃｃｍ〜数十ｓｃｃｍである。したがって、アークチャンバ２３を真空引きしたまま、原材料容器２２を取外しても、アークチャンバ２３を真空引きしているターボポンプなどの真空ポンプを含む排気システムを傷めることはなく、原材料である塩化アルミニウム固体粉末を原材料容器２２に容易に再充填することができる。
【００６２】
＜第２の実施の形態＞
図４は、本発明の第２の実施の形態におけるイオン注入装置のイオン源装置５０の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態のイオン注入装置は、前述の第１の実施の形態のイオン注入装置２０と類似するので、対応する箇所には同一の参照符を付して、第１の実施の形態と共通する説明を省略する。
【００６３】
本実施の形態のイオン源装置５０は、加圧ガス供給手段であるガス供給部５４を備える。ガス供給部５４は、原材料容器２２に接続され、原材料容器２２に、原材料容器２２内を加圧する加圧ガス５２を供給するガス導入管５１と、ガス導入管５１に加圧ガス５２を供給する加圧ガス源５３とを有する。加圧ガス５２としては、アルゴン（Ａｒ）ガスなどが用いられる。
【００６４】
イオン注入装置の使用開始時の状態から、原材料容器２２を容器加熱部３２によって加熱して２００℃付近まで昇温していくと、固体であった塩化アルミニウムが徐々に昇華し、原材料容器２２の内圧が上昇してくる。原材料容器２２を加熱するとき、本実施の形態では、ガス導入管５１を介して、原材料容器２２内に、Ａｒガスなどの加圧ガス５２が導入される。
【００６５】
このように原材料容器２２の外部から加圧ガス５２を導入することによって、塩化アルミニウムの昇華で発生した塩化アルミニウム気体８による圧力上昇だけでなく、加圧ガス５２の導入による圧力上昇によって、原材料である塩化アルミニウムの液化を促進することができる。
【００６６】
原材料容器２２に導入される加圧ガス５２の量は、塩化アルミニウム気体８をアークチャンバ２３に搬送するためのキャリアガスとして必要な量ではなく、原材料容器２２の内部圧力を上昇させるために必要な量に選ばれる。
【００６７】
このようにして、加熱初期には固体であった塩化アルミニウムが、昇温および昇圧して、原材料容器２２内の圧力が２気圧付近になると液化する。配管２４の内径および配管長さ、ならびにオリフィス板３１のオリフィス径は、塩化アルミニウムが液化した状態で、所望のイオンビーム電流を得るために必要な量、すなわち数ｓｃｃｍ〜数十ｓｃｃｍの塩化アルミニウム気体８がアークチャンバ２３に供給されるように選ばれる。配管２４は、一様な内径で形成される。また配管２４の管壁の厚みは、原材料容器２２とアークチャンバ２３との間で生じる圧力差に耐え得る厚みに選ばれる。
【００６８】
このようにしてアークチャンバ２３に供給された塩化アルミニウム気体８がフィラメント６で発生した熱電子９によるアーク放電でイオン化され、アルミニウムイオン１０となる。そして、第１の実施の形態と同様に、Ａｌイオン１０を含むイオンのうちＡｌイオン１０のみが質量分析部４０を通過して加速管４１を通り、所望の加速エネルギを得て、スキャナ部４２で走査されて、エンドステーション４３に設置されたＳｉＣ基板などの半導体基板４４にイオン注入される。
【００６９】
以上のように本実施の形態のイオン源装置５１では、ガス供給部５４によってガス導入管５１を介して原材料容器２２内に加圧ガス５２が導入されるので、原材料容器２２内の圧力を高め、原材料の液化を促進することができる。したがって、アークチャンバ２３への原材料の供給量をさらに安定化することができるので、アルミニウムイオン１０をより安定して発生させることができる。
【００７０】
＜第３の実施の形態＞
図５は、本発明の第３の実施の形態におけるイオン注入装置のイオン源装置６０の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態のイオン注入装置は、前述の第１および第２の実施の形態のイオン注入装置と類似するので、対応する箇所には同一の参照符を付して、第１および第２の実施の形態と共通する説明を省略する。
【００７１】
本実施の形態のイオン源装置６０は、保温手段である保温部６１を備える。保温部６１は、配管２４の直線状部分を外囲して配置される管加熱部６２と、配管２４と管加熱部６２との間に配置される均熱管６３とを有する。
【００７２】
管加熱部６２は、たとえばカーボランダムなどから成るヒータであり、図示しない管加熱用電源から電力が供給されて発熱し、均熱管６３および配管２４を加熱する。均熱管６３は、たとえばステンレス鋼などから成る円筒状部材である。均熱管６３は、管加熱部６２が発生する熱によって加熱されて昇温し、均熱管６３から伝わる熱によって均熱管６３の半径方向内方に配置される配管２４を加熱する。これによって、配管２４が一定温度以上の温度に保温され、配管２４の内部空間、すなわち配管２４内の流路が、一定温度以上の温度に保温される。具体的には、配管２４およびその内部空間は、塩化アルミニウム分子が真空下で固体化する温度以上の温度に保温される。
【００７３】
このように本実施の形態では、配管２４が、塩化アルミニウム分子が真空下で固体化する温度以上の温度に保温されており、原材料容器２２で発生した塩化アルミニウム気体８が、配管２４の途中で固化することを防ぐことができる。これによって、原材料である塩化アルミニウムを、固体として配管２４の内部に付着させることなく、塩化アルミニウム気体８のまま、アークチャンバ２３に供給することができる。
【００７４】
したがって、アークチャンバ２３への原材料の供給量をさらに安定化することができるので、アルミニウムイオン１０をより安定して発生させることができる。
【００７５】
以上に述べた第１〜第３の実施の形態では、流下抵抗手段として、オリフィス板３１が設けられる。流下抵抗手段は、オリフィス板３１に限定されるものではなく、原材料の蒸気８が配管２４を流下するときの抵抗として機能するものであればよい。たとえば、配管２４の半径方向内方に突出する突起部を、流下抵抗手段として配管２４の内部に形成してもよい。
【００７６】
＜第４の実施の形態＞
図６は、本発明の第４の実施の形態におけるイオン注入装置のイオン源装置７０の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態のイオン注入装置は、前述の第１および第２の実施の形態のイオン注入装置と類似するので、対応する箇所には同一の参照符を付して、第１および第２の実施の形態と共通する説明を省略する。
【００７７】
本実施の形態のイオン源装置７０では、配管７１は、圧力保持手段として機能する。配管７１は、原材料容器２２に接続される容器側接続部分７２の内径Ｒ１が、アークチャンバ２３に接続されるチャンバ側接続部分７３の内径Ｒ２よりも小さく（Ｒ１＜Ｒ２）形成される。以下、容器側接続部分７２を小径部分といい、チャンバ側接続部分７３を大径部分という場合がある。
【００７８】
すなわち配管７１は、小径部分７２と大径部分７３とを有する。小径部分７２と大径部分７３とは、配管７１の両端部間の中央部付近で接続される。配管７１は、小径部分７２と大径部分７３との接続部分では、内径が緩やかに変化する。ここで、「小径部分７２の内径Ｒ１」とは、小径部分７２の内径の最大値をいい、「大径部分７３の内径Ｒ２」とは、大径部分７３の内径の最大値をいう。
【００７９】
配管７１の小径部分７２の内径Ｒ１は、前述の図４に示す第２の実施の形態における配管２４の内径Ｒ０よりも小さくなるように選ばれる。配管７１の大径部分７３の内径Ｒ２は、前述の第２の実施の形態における配管２４の内径Ｒ０と同程度に選ばれる。つまり、配管７１は、前述の第２の実施の形態における配管２４を、イオン発生部であるアークチャンバ２３側の部分のみ内径を拡大した形状、換言すれば、原材料容器２２側の部分のみ内径を縮小した形状に形成される。
【００８０】
このように本実施の形態では、配管７１は、容器側接続部分７２の内径Ｒ１が、チャンバ側接続部分７３の内径Ｒ２よりも小さく（Ｒ１＜Ｒ２）形成されるので、配管７１内に形成される流路の断面積は、容器側接続部分７２の方が、チャンバ側接続部分７３よりも小さい。この小さな内径Ｒ１の容器側接続部分７２では、チャンバ側接続部分７３に比べて、原材料容器２２で発生した原材料の蒸気８が流下しにくいので、原材料容器２２内の圧力を相対的に高め、アークチャンバ２３の内方の空間と圧力差を生じさせることができる。
【００８１】
具体的には、第１および第２の形態において配管２４内にオリフィス板３１を設ける場合と同様に、原材料容器２２内において、真空状態に対し、３気圧程度の圧力差を生じさせることができる。これによって、原材料容器２２内の圧力を、原材料が液化する圧力以上の圧力に保持することが可能であるので、原材料容器２２に収容される原材料を液化して、塩化アルミニウム液体２７にすることが可能である。
【００８２】
したがって、イオン注入装置２０の使用開始時の状態から、原材料容器２２を加熱して固体状態の塩化アルミニウムを昇華させ、塩化アルミニウム気体８を発生させたとき、原材料容器２２の内圧を上昇させ、３気圧付近にすることができる。これによって、固体であった塩化アルミニウムを液化させ、塩化アルミニウム液体２７にすることができるので、塩化アルミニウム液体２７から蒸発した塩化アルミニウム気体８を、配管７１を介してアークチャンバ２３に供給することができる。
【００８３】
これによって、前述の図１に示す前提技術のイオン源装置１のように塩化アルミニウム固体７を昇華させて発生させた塩化アルミニウム気体８をアークチャンバ３に供給する場合に比べて、原材料である塩化アルミニウムの加熱状態を安定化することができるので、アークチャンバ２３への塩化アルミニウムの供給量を正確に制御することができる。これによって、アークチャンバ２３への塩化アルミニウムの供給量を安定化することができるので、アルミニウムイオン１０を安定して発生させることができる。
【００８４】
また本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、ガス供給部５４によってガス導入管５１を介して原材料容器２２内に加圧ガス５２が導入されるので、原材料容器２２内の圧力を高め、原材料の液化を促進することができる。したがって、アークチャンバ２３への原材料の供給量をさらに安定化することができるので、アルミニウムイオン１０をより安定して発生させることができる。
【００８５】
配管７１の小径部分７２の内径Ｒ１および大径部分７３の内径Ｒ２、ならびに配管７１の配管長さは、塩化アルミニウムが液化した状態で、所望のイオンビーム電流を得るために必要な量の塩化アルミニウム気体８がアークチャンバ２３に供給されるように選ばれる。具体的には、数ｓｃｃｍ以上、数十ｓｃｃｍ以下、より詳細には、２〜３０×１０-4Ｐａ・ｍ3／ｓｅｃ以下の塩化アルミニウム気体８がアークチャンバ２３に供給されるように選ばれる。配管７１の管壁の厚みは、原材料容器２２とアークチャンバ２３との間で生じる圧力差に耐え得る厚みに選ばれる。
【００８６】
以上に述べた本実施の形態では、配管７１の内部には、オリフィス板は設けられていないが、オリフィス板を設けてもよい。これによって、原材料容器２２内の圧力を高め、原材料の液化を促進することができる。したがって、アークチャンバ２３への原材料の供給量をさらに安定化することができるので、アルミニウムイオン１０をより安定して発生させることができる。
【００８７】
また配管７１の周囲には、第３の実施の形態と同様に、配管７１を保温する保温部を設けてもよい。これによって、原材料である塩化アルミニウムを、固体として配管７１の内部に付着させることなく、塩化アルミニウム気体８のまま、アークチャンバ２３に供給することができる。したがって、アークチャンバ２３への原材料の供給量をさらに安定化することができるので、アルミニウムイオン１０をより安定して発生させることができる。
【００８８】
以上に述べた第１〜第４の実施の形態のイオン源装置２１，５０，６０，７０を備えるイオン注入装置は、アルミニウムイオンの注入に好適に用いられる。本発明のイオン注入装置の用途は、アルミニウムイオンの注入に限定されない。イオン源装置２１，５０，６０，７０で発生される目的イオンの原材料が昇華性固体であるものであれば、本発明のイオン注入装置を用いることができる。
【００８９】
また、本実施の形態では原材料容器２２内を２００℃以上に昇温し、約２気圧に昇圧させる条件で説明したが、この温度および圧力条件は、塩化アルミニウムを液化できる条件であれば、異なる条件であってもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１，２１，５０，６０，７０  イオン源装置、２，２２  原材料容器、３，２３  アークチャンバ、４，２４，７１  配管、８  塩化アルミニウム気体、１０  アルミニウムイオン、２０  イオン注入装置、２７  塩化アルミニウム液体、３１  オリフィス板、３２  容器加熱部。
【図１】
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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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