(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抽出開口を有するアークチャンバ内で発生されるプラズマと、
プラズマと前記抽出開口に隣接するプラズマシースとの間の境界の形状を制御するように構成されたプラズマシース変調器と、
を備え、
前記プラズマシース変調器はそれらの間にギャップを画成する１対の絶縁体を備え、前記ギャップの位置における前記境界の形状が凹面形状である、イオン源。
【請求項２】
前記プラズマシース変調器は前記アークチャンバ内に定置される、請求項１記載のイオン源。
【請求項３】
前記１対の絶縁体は１対の絶縁シートを備え、前記抽出開口はスリット状である、請求項１記載のイオン源。
【請求項４】
前記ギャップの間隔を調整するために前記１対の絶縁体の少なくとも一つの絶縁体に機械的に結合されたアクチュエータを更に備える、請求項１記載のイオン源。
【請求項５】
前記ギャップの間隔を調整するために前記１対の絶縁体に機械的に結合されたアクチュエータを更に備える、請求項１記載のイオン源。
【請求項６】
前記１対の絶縁体は石英からなる、請求項１記載のイオン源。
【請求項７】
前記プラズマシース変調器は前記抽出開口を経て抽出されるイオンビームの所望のイオンビーム電流密度に応答して定置される、請求項２記載のイオン源。
【請求項８】
前記プラズマシース変調器は前記抽出開口を経て抽出されるイオンビームのイオンの所望の角拡散に応答して定置される、請求項２記載のイオン源。
【請求項９】
前記プラズマシース変調器は前記抽出開口を経て抽出されるイオンビームの所望の放射力に応答して定置される、請求項２記載のイオン源。
【請求項１０】
前記抽出開口は円形形状を有し、前記プラズマシース変調器は円形開口を有する絶縁シートである、請求項２記載のイオン源。
【請求項１１】
前記絶縁シートの円形開口は前記抽出開口の円形形状と同心であり、前記円形開口は前記抽出開口を経て抽出されるイオンビームの所望のイオンビーム電流密度に応答して設定される可変の直径を有する、請求項１０記載のイオン源、
【請求項１２】
イオン源からイオンビームを発生させる方法であって、該方法は、
抽出開口を有する前記イオン源のアークチャンバ内にプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマとプラズマシースとの間の境界の形状を制御するステップと、
を備え、
前記境界を制御するステップは、１対の絶縁体により画成されるギャップを生成するステップを含み、前記ギャップの位置における前記境界の形状は凹面形状である、方法
【請求項１３】
前記境界を制御するステップはプラズマシース変調器を前記アークチャンバ内に定置するステップを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記抽出開口を経て抽出される所望のイオンビームのイオンビーム電流密度に応答して前記プラズマシース変調器を定置するステップを更に備える、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記抽出開口を経て抽出されるイオンビームの放射力に応答して前記プラズマシース変調器を定置するステップを更に備える、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記キャップの間隔を調整するステップを更に備える、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン源、より詳しくはプラズマシース変調器を有するイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン源はイオン注入装置及びその他の処理装置の重要な構成要素である。イオン源は一般にフィードガスを受け入れるアークチャンバを含む。フィードガスはプラズマを発生するために従来既知の種々の技術によってアークチャンバ内でイオン化される。プラズマは 一般に（通常正電荷を有する） イオンと（通常負電荷を有する）電子の準中性集合である。プラズマはプラズマの大部分において約０ボルト／センチメートルの電界を有する。プラズマは一般にプラズマシースと呼ばれる領域により境界される。プラズマシースはプラズマより少数の電子を有する領域である。プラズマシースからの発光は、存在する電子が少数であり、よって生じる励起−緩和衝突が少数であるために、プラズマよりも弱くなる。従って、プラズマシースは「暗領域」と呼ばれることもある。
【０００３】
図１につき説明すると、アークチャンバ１０２を有する既知のイオン源１００の横断面図が示されている。アークチャンバ１０２は抽出開口１１０を有する側壁１０３を含む。フィードガス（図示せず）は、抽出開口１１０に隣接するプラズマシース１４２を有するプラズマ１４０を発生するためにアークチャンバ１０２内でイオン化される。プラズマ１４０と抽出開口１１０に隣接するプラズマシース１４２との間の境界１４１は、プラズマ１４０のプラズマ密度及び抽出電極アセンブリ（図示せず）により発生される電界に依存して、側壁１０３の内面により規定される平面１３２にほぼ平行になる。イオン１０６は抽出電極アセンブリにより境界明瞭なイオンビーム１１８として抽出される。
【０００４】
この従来のイオン源の一つの欠点は、抽出開口１１０から出るイオンビームの集束が不十分である点にある。イオン１０６はプラズマ１４０とプラズマシース１４２との間の境界１４１にほぼ直角にプラズマシース１４２を横切って加速される。境界１４１は平面１３２にほぼ平行であるため、イオンビーム１１８を形成するイオン１０６の角拡散制御が殆ど存在しない。この従来のイオン源の別の欠点は、境界１４１の形状が境界１４１を横切り抽出開口１１０を通って加速されるイオン１０６の数を制限することにある。これはイオン源によって達成可能なイオンビーム電流密度を制限し得る。イオンビーム電流密度は、典型的にはミリアンペア／平方センチメートル（ｍＡ／ｃｍ２）単位で表される単位面積当たりのビーム電流値である。比較的高いビーム電流密度が場合によっては望ましく、所定の製造プロセスのスループット性能を向上させることができる。従来のイオン源の更に別の欠点は、境界１４１の形状はプラズマ１４０のプラズマ密度及び電界の強度によって決まる点にある。例えば、所定のプラズマ密度において、高い電界は凹面境界を生じ得る。プラズマ密度の減少は凸面境界を生じ得る。これらの事実はすべて従来のイオン源からのイオンビームの放射力制御を制限する。イオンビームの放射力は一般にイオンビームの空間及び角度分布であり、ビーム直径と各点における横運動量の角拡散との積として大体決定することができる。
【０００５】
従って、上述した欠点及び短所を克服するイオン源が必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、イオン源が提供される。このイオン源は、抽出開口を有するアークチャンバ及びプラズマシース変調器を含む。前記プラズマシース変調器は、前記プラズマと前記抽出開口に隣接するプラズマシースとの間の境界の形状を制御するように構成される。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、イオン源からイオンビームを発生させる方法が提供される。この方法は抽出開口を有するイオン源のアークチャンバ内にプラズマを発生させるステップ及び前記プラズマと前記抽出開口に隣接するプラズマシースとの間の境界の形状を制御するステップを含む。
【０００８】
本発明のよりよい理解のためには添付図面を参照されたい。これらの図面においては、同様の素子は同様の番号で示されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術による通常のイオン源の横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるイオン源の横断面図である。
【図３】図２のアークチャンバの側壁の一実施形態を示す図である。
【図４】図２の境界を横切って加速されるイオンの軌道を示す図２と一致する横断面図である。
【図５】プラズマシース変調器の間隔を制御するシステムのブロック図である。
【図６】図５のプラズマシース変調器の異なる垂直位置におけるイオン軌道を示す部分横断面図である。
【図７】図５のプラズマシース変調器の異なる水平ギャップ位置におけるイオン軌道を示す部分横断面図である。
【図８】本発明によるイオン源のアークチャンバの側壁の別の実施形態を示す図である。
【図９】複数の開口を有する本発明によるイオン源のアークチャンバの側壁の別の実施形態を示す図である。
【図１０】図９の１０−１０線に沿った横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、本発明のいくつかの実施形態が示される添付図面を参照して以下により詳細に説明される。しかしながら、本発明は多くの異なる形態に具体化することができ、ここに記載される実施形態に限定されるものと解釈すべきでない。
【００１１】
図２につき説明すると、本発明の一実施形態によるイオン源２００の横断面図が示されている。イオン源２００は抽出開口１１０を有する側壁１０３を有するアークチャンバ１０２を含む。イオン源２００は、更に、プラズマ１４０と抽出開口１１０に隣接するプラズマシース２４２との間の境界２４１の形状を制御するプラズマシース変調器２２０を含む。抽出電極アセンブリがプラズマ１４０からイオン１０６を抽出し、それらをプラズマシース２４２を横切って境界明瞭なイオンビーム２１８の所望の抽出エネルギーまで加速する。抽出電極アセンブリは、アークスロット電極として機能する側壁１０３、抑制電極２１４及び接地電極２１６を含むことができる。抑制電極２１４及び接地電極２１６の各々は境界明瞭なイオンビーム２１８の抽出のために抽出開口１１０と整列する開口を有する。説明のために、直交座標系を規定し、イオンビーム２１８はＺ方向に走行する。Ｘ−Ｙ平面はＺ軸に直角であり、イオンビームの方向に依存して変化し得る。
【００１２】
図２の実施形態においては、プラズマシース変調器２２０はアークチャンバ１０２内に定置された１対の絶縁体２３０，２３２を含む。他の実施形態においては、変調器２２０はただ１つの絶縁体を含むことができる。絶縁体２３０，２３２は石英、アルミナ、窒化ホウ素、ガラス、磁器、窒化珪素などからなるものとし得る。１対の絶縁体２３０，２３２は１対の薄い平坦状シートとすることができる。他の実施形態においては、１対の絶縁体２３０，２３２は他の形状、例えば管状、楔状及び／又は傾斜エッジを有するものとすることができる。１対の絶縁体２３０，２３２はそれらの間に間隔（Ｇ）を有するギャップを規定する。１対の絶縁体２３０，２３２はまた抽出開口１１０を有する側壁の内面により規定される平面１３２の上に垂直間隔（Ｓ）を置いて定置することができる。
【００１３】
動作中、フィードガス（図示せず）がアークチャンバ１０２に供給される。フィードガスの例としては、限定されないが、ＢＦ３，ＰＨ３，ＡｓＨ３，Ｂ２Ｈ６，Ｈｅ，Ａｒ及びＧｅＨ４がある。フィードガスは所望の種に依存してガス源から発するもの又は固体源から蒸発されるものとし得る。フィードガスはプラズマ１４０を発生するためにアークチャンバ１０２内でイオン化される。当業者はプラズマを様々な方法で発生する様々なタイプのイオン源を知っており、例えば間接加熱陰極（ＩＨＣ）源、ベルナスイオン源、ＲＦイオン源、マイクロ波源及び電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）源がある。ＩＨＣ源は一般に陰極に近接配置されたフィラメントを含み、関連する電源も含む。陰極（図示せず）はアークチャンバ１０２内に配置される。フィラメントが加熱されると、フィラメントにより発生された電子が陰極に向かって加速されて陰極を加熱する。加熱された陰極は電子をアークチャンバ１０２内に供給し、これらの電子はフィードガスのガス分子と衝突してイオン化してプラズマを発生する。
【００１４】
側壁１０３、抑制電極２１４及び接地電極２１６を含む抽出電極アセンブリはアークチャンバ１０２内のプラズマ１４０からイオン１０６を境界明瞭なイオンビーム２１８内へ抽出する。イオン１０６は境界２４１及びプラズマシース２４２を横切って１対の絶縁体２３０，２３２間のギャップを通って加速される。アークソース電極として機能する側壁１０３は電源によってアークチャンバ１０２と同じ大きさの電位にバイアスすることができる。抑圧電極２１４は電子がアークチャンバ１０２内に戻らないように中間の負電圧値にバイアすることができる。接地電極２１６は接地電位にすることができる。この電極アセンブリにより発生される電界の強さは所望のビーム電流及びエネルギーを達成するように調整することができる。
【００１５】
プラズマシース変調器２２０はプラズマ１４０と抽出開口１１０に隣接するプラズマシース２４２との間の境界２４１の形状を有利に制御する。境界２４１の形状を制御するために、プラズマシース変調器２２０はプラズマシース２４２内の電界を変更又は制御する。プラズマシース変調器２２０が１対の絶縁体２３０，２３２を含む場合、境界２４１は図２に示すようにプラズマ１４０に対して凹面形状になり得る。例えば、限定されないが、絶縁体２３０，２３２間の水平間隔（ｇ）、これらの絶縁体の平面１３２に対する垂直間隔（Ｓ）、絶縁体材料の誘電率、絶縁体２３０，２３２の厚さ（Ｔ）及びイオン源の他のプロセスパラメータを含む多数のファクタに応じて、境界２４１の形状は制御することができる。
【００１６】
プラズマ１４０とプラズマシース２４２との間の境界２４１の形状はプラズマシース２４２内の電界勾配と一緒にイオンビームのパラメータを制御する。例えば、イオンビームの集束を助けるためにイオン１０６の角拡散を制御することができる。例えば、プラズマに対して凹面形状の境界２４１の場合には、ビーム集束を助けるために大きな角拡散のイオンがこの境界を横切って加速される。加えて。イオンビーム２１８のイオンビーム電流密度も制御することができる。例えば、従来の一つのイオン源の境界１４１と比較して、境界２４１はより大きな面積を有し、より多くのイオンを抽出する。従って、抽出されるより多くのイオンがイオンビーム電流密度の増加に寄与する。従って、他のすべてのパラメータが等しい場合に、境界２４１の形状は高いイオンビーム電流密度を有する集束されたイオンビームを提供することができる。更に、イオンビームの放射力も境界２４１の形状を制御することによって制御することができる。従って、抽出されるイオンビームのビーム品質を所定の粒子密度及び角度分布に関して良好に決定することができる。
【００１７】
次に図３につき説明すると、側壁１０３及び抽出開口１１０の一つの実施形態をＺ方向に上流側に見た図（イオンビーム２０８は紙面から出る）が示されている。図に示されるように、抽出開口１１０はイオンビーム２１８の抽出を許可するために細長い長方形を有することができる。この場合には、イオンビーム２１８はＹ方向の幅より少なくとも数倍長い長さをＸ方向に有する。このタイプのビームは当技術分野では「リボンビーム」と呼ばれている。このリボンビームの長さはＸ方向に示されているが、その長さは任意の所望の方向に向けることができ、例えばＹ方向又はＸ及びＹ方向に対して任意の角度をなす他の方向にすることができる。絶縁体２３０，２３２は仮想線で示されており、プラズマ１４０とプラズマシース２４２との間の境界２４１の形状を制御するために、図に示されるように長方形のシート状にすることができる。
【００１８】
図４は、１対の絶縁体２３０，２３２及び図２に従う抽出電極アセンブリを、境界２４１及びプラズマシース２４２を横切って加速されるイオンのシミュレーション軌道とともに示している。イオンは１対の絶縁体２３０，２３２により画成されるギャップを経て加速され、抽出開口１１０を経て抽出される。境界２４１の形状及びプラズマシース２４２内の電界勾配が与えられると、イオンビームの集束を助ける大きな角拡散のイオン軌道が達成され得る。加えて、境界２４１の形状は、平面１３２に平行な境界の形状に比べて比較的多数のイオンを抽出可能にする。従って、イオン源アセンブリから抽出されるイオンビームのイオンビーム電流密度を増大し、制御することができる。ビーム放射力及びイオンの角拡散も制御することができる。
【００１９】
次に図５につき説明すると、本発明による別の実施形態のブロック図が示され、本例ではプラズマシース変調器２２０の位置を変更し所望の位置に設定することができる。プラズマシース変調器２２０は１対の絶縁体２３０，２３２であり、絶縁体間のＹ方向の間隔（Ｇ）を調整することができる。側壁１０３の内面により規定される平面１３２からＺ方向の絶縁体２３０，２３２の間隔（Ｓ）も調整することができる。絶縁体２３０，２３２の位置を調整することによって、プラズマとプラズマシースとの間の境界２４１の形状を変更することができる。従って、イオンビームの集束、イオンビームの電流密度及びイオンビームの放射力も制御することができる。
【００２０】
絶縁体２３０，２３２の所望の位置を設定するために、図５のシステムはアクチュエータ５０２、コントローラ５０４、ユーザインタフェースシステム５０６及びセンサ５０８も含むことができる。アクチュエータ５０２は絶縁体２３０，２３２に機械的に結合され、これらの絶縁体を異なる方向、例えば間隔（Ｓ）を制御するために矢印５４１，５４３で示されるＺ方向及び／又はギャップ（Ｇ）を制御するためにＹ方向に駆動することができる。コントローラ５０４は、所望の入力／出力機能を実行するようにプログラムされた汎用コンピュータ又は汎用コンピュータのネットワークとすることができ、またそれを含むものとすることができる。コントローラ５０４は通信装置、データ記憶装置及びソフトウェアも含むことができる。ユーザインタフェースシステム５０６は、コマンド及び／又はデータの入力及び／又はシステムのモニタを可能にするためにタッチスクリーン、キーボード、ユーザポインティング装置、ディスプレイ、プリンタなどを含むことができる。センサ５０８はイオンビームのビーム電流を検出するために従来知られているファラデーセンサを含むことができる。センサ５０８は特定の位置におけるビームの角度を測定するためにビーム角度センサも含むことができる。様々なビーム角度センサが従来知られており、一例として、一以上のファラデーカップの上流に置かれたシールドがある。このシールドはイオンビームを横切って移動され、下流のファラデーカップに対して移動するにつれてビームの異なる部分を遮る。ビーム電流の測定値をシールド及びファラデーカップの既知の位置と一緒に用いてビーム角度を決定することができる。
【００２１】
動作中、コントローラ５０４はユーザインタフェースシステム５０６によって設定される所望のイオンビーム電流密度及び／又はビーム集束値及び／又は放射力値に応答することができる。コントローラ５０４はアクチュエータ５０２に、境界２４１の所望形状を達成するために絶縁体２３０，２３２を所望の位置に位置させるように命令する。コントローラ５０４は更にセンサ５０８からの検出状態に応答し、絶縁体２３０，２３２の位置をビーム電流及び／又はビーム角度及び／又はビーム放射力などの検出状態に基づいて更新し変更する。
【００２２】
図６は図５と一致する断面図で、１対の絶縁体２３０，２３２が平面１３２に対して異なる（Ｓ）位置にある場合（その他のすべてのパラメータは等しい）におけるイオン軌道を示す。第１の小さい間隔の位置６２０においては、絶縁体２３０，２３２は平面１３２から第１の距離（Ｓ１）に位置する。比較的大きな間隔の位置６４０においては、絶縁体２３０，２３２は平面１３２から第２の距離（Ｓ２）に位置し、ここで（Ｓ２）＞（Ｓ１）である。第１の位置６２０においては、プラズマとプラズマシースとの間の境界６４１は凹面形状を有する。境界６４１はまた円周の一部分（円弧）の形状に近似し、この円弧の頂点は絶縁体２３２の上面から距離（Ｚａ）にある。これに対し、第２の位置６４０における境界６４３は浅い形状を有し、その円弧形状の頂点は絶縁体２３２の上面からより短い距離（Ｚｂ）にあり、（Ｚｂ）＜（Ｚａ）である。
【００２３】
境界６４１，６４３の形状及びプラズマシース内の電界線はイオン源から抽出されるイオンの角拡散、イオンビームのイオンビーム電流密度及びイオンビームの放射力に影響を与える。例えば、比較的小さい間隔（Ｓ１）の位置６２０の場合のイオンの角拡散は比較的大きい間隔（Ｓ２）の位置６４０の場合のイオンの角拡散より大きい。加えて、比較的小間隔の位置６２０の場合のイオンビームのイオンビーム電流密度はそれより大きい間隔の位置６４０の場合のイオンビーム電流密度より大きくなり、他の全てのパラメータは等しいままで、イオン抽出面積の増大が得られる。図６には示されていないが、平面１３２に対する各絶縁体２３０，２３２の間隔（Ｓ）は互いに相違させてプラズマとプラズマシースとの間の境界の形状に更なる影響を与えることができる。
【００２４】
図７は図５と一致する断面図で、絶縁体２３０，２３２間のギャップ間隔が異なる場合（他の全てのパラメータは等しい）のイオン軌道を示す。第１の比較的小さいギャップ位置７２０においては、絶縁体２３０，２３２は互いに第１の距離（Ｇ１）に位置する。比較的大きなギャップ位置７４０においては、絶縁体２３０，２３２は互いに第２の距離（Ｇ２）に位置し、ここで（Ｇ２）＞（Ｇ１）である。第１の位置７２０においては、プラズマとプラズマシースとの間の境界７４１は凹面形状を有する。境界７４１はまた円周の一部分（円弧）の形状に近似する形状を有する。これに対し、第２の位置７４０における境界７４３は凹面形状を有するが、この境界７４３の中央部は平面１３２にほぼ平行になる。小さいギャップ位置７２０において得られるイオンの角拡散は大きなギャップ位置７４０において得られるイオンの各拡散より比較的大きくなる。加えて、小さいギャップ位置７２０において得られるイオンビーム電流密度は大きなギャップ位置７４０において得られるイオンビーム電流密度より比較的大きくなり、他の全てのパラメータは等しいままで、境界７４１のイオン抽出面積の増大が得られる。
【００２５】
次に図８につき説明すると、円形の抽出開口８１０を有する側壁１０３の別の実施形態をＺ方向に上流側に見た図（イオンビーム８０８は紙面から出る）が示されている。この実施形態においては、イオンビーム８１８はほぼ円形の横断面形状を有し、当技術分野では「スポット」ビームと呼ばれている。ほぼ円形の横断面を有するものとして示されているが、「スポット」ビームは一般に不ぞろいな形を有する。本実施形態では仮想線で示されるプラズマシース変調器８３０は円形の開口８３１を有する薄い長方形のシート状の絶縁体とすることができる。更に、円形開口８３１は円形抽出開口８１０と同心にすることができる。加えて、円形開口８３１の直径（Ｄ）はプラズマシース及びプラズマとプラズマシースとの間の境界の形状を制御するために可変にすることができる。可変直径（Ｄ）は、イオンビーム８１８の所望のビーム電流強度を含む種々のパラメータに応答して設定することができる。
【００２６】
次に図９について説明すると、イオン源の関連するアークチャンバの側壁９０３の別の実施形態をＺ方向に上流側に見た図が示されている。側壁９０３は複数の円形の抽出開口９１０を有する。図１０は図９の１０−１０線に沿った横断面図で、プラズマシース変調器１０２０及びプラズマとプラズマシースとの間の対応する境界１０４１を示す。境界１０４１を横切って加速されるイオンのイオン軌道も示されている。
【００２７】
従って、プラズマと抽出開口に隣接するプラズマシースとの間の境界の形状を制御するように構成されたプラズマシース変調器を有するイオン源が提供される。このイオン源は、境界及びプラズマシースを横切って加速されるイオンの角拡散をより良好に制御できるので、イオンビームのより良好な集束を可能にする。加えて、イオン源アセンブリから抽出されるイオンビームのイオンビーム電流密度も制御できる。更に、イオンビームの放射力も制御できる。高いイオンビーム電流密度はイオンビームを形成するためにイオンを抽出できる有効面積を増大させることによって達成することができる。高いイオンビーム電流密度は関連する製造プロセスのスループットを向上させることができる。
【００２８】
本発明の範囲は本明細書に記載した特定の実施形態に限定されない。以上の説明及び添付図面から、本明細書に記載された実施形態に加えて、他の種々の実施形態及び変更が当業者に明らかである。従って、このような他の実施形態及び変更も本発明の範囲に含むことを意図している。更に、本発明は特定の目的のために特定の環境における特定の実施に関連して記載したが、その有用性はこれに限定されず、本発明は任意の数の目的のために任意の数の環境において有益に実施できることは当業者に認識されよう。従って、以下に記載する請求項は本明細書に記載された本発明の範囲の広さ及び精神を考慮して解釈すべきである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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