(57)【要約】  イオンストリームを作り出す好適なイオンソース１２は、アークチャンバのイオン化領域Ｒを少なくとも部分的に制限するアルミニウム合金のアークチャンバの筐体７６を備えている。アークチャンバの筐体は、熱フィラメントのアークチャンバのハウジングであって、電子がアークチャンバのイオン化領域を流れるのに十分な温度にカソード１２４を直接的又は間接的に加熱するハウジングとともに使用される。温度センサは、アークチャンバ７６の内部の温度を監視するとともに、感知温度に関する信号を供給する。コントローラは、センサにより測定された感知温度を監視するとともに、感知温度を範囲内に維持するように温度を調節する。
2009537951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンストリームを作り出すために使用されるイオンソースにおいて、
アルミニウム合金のアークチャンバのハウジングであって、当該ハウジングの内部に注入されたガス分子をイオン化する高エネルギー電子が高温の伝導体から移動する際に通過するイオン化領域を少なくとも部分的に制限するハウジングを備えていることを特徴とするイオンソース。
【請求項２】
上記アークチャンバのハウジングの動作温度を摂氏４００度以上摂氏５５０度以下の範囲内に維持する制御回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。
【請求項３】
上記制御回路が、上記アークチャンバのハウジングの温度を監視する温度センサを備えていることを特徴とする請求項２に記載のイオンソース。
【請求項４】
上記アークチャンバのハウジングの温度を監視する温度センサであって、感知温度に関する信号を供給する温度センサと、上記温度センサにより測定される感知温度を監視するとともに、上記感知温度を望ましい温度範囲に維持するコントローラと、をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。
【請求項５】
上記コントローラが上位望ましい温度範囲を維持する上記イオンソースの温度範囲は、摂氏４００度以上摂氏５５０度以下であることを特徴とする請求項４に記載のイオンソース。
【請求項６】
上記アークチャンバのハウジングが、上記アークチャンバのハウジングの温度を上下させるための上記コントローラに連結された抵抗加熱素子を支える通路を備えていることを特徴とする請求項４に記載のイオンソース。
【請求項７】
上記ハウジングと上記抵抗加熱素子との間の熱伝導を良好に保つために、温度変化に伴って膨張したり収縮したりする外部のフレキシブルジャケットを上記抵抗加熱素子が備えていることを特徴とする請求項６に記載のイオンソース。
【請求項８】
上記アークチャンバの筐体を支えるソースブロックを備え、
上記アークチャンバの筐体は、ガス状のイオン化物質を上記アークチャンバのハウジング内部に注入するための炉を備えるとともに、上記アークチャンバのハウジングと上記ソースブロックとの間に温度遮断のための熱シールドが挿入され、上記アークチャンバのハウジングと上記ソースブロックとの間に一定の間隔が開けられていることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。
【請求項９】
ガス状のイオン化物質を上記アークチャンバに注入する炉であって、アルミニウム合金のソースブロックにおいて支えられている炉をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。
【請求項１０】
上記炉を冷却するための冷却ガスを入れる空洞を、当該炉が備えていることを特徴とする請求項９に記載のイオンソース。
【請求項１１】
マウントポストに取り付けられた出射開口プレートと、上記アークチャンバのハウジングに対して上記開口プレートにバイアスをかけるばねとを備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンソース。
【請求項１２】
中心線に対していずれか一方の側の上記アークチャンバの筐体が膨張、及び収縮可能となるように、上記アークチャンバのハウジング内部に上記中心線に沿って一定の間隔で配置された、対応する穴とかみ合う位置決めピンを、上記ソースブロックが備えていることを特徴とする請求項９に記載のイオンソース。
【請求項１３】
上記アークチャンバの筐体が、膨張及び収縮する略中心線に並べられたアークスリットを備えた出射開口プレートをさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載のイオンソース。
【請求項１４】
イオンの伝播経路について、アークチャンバのハウジングを配置するためのソースブロックに上記アークチャンバのハウジングを取り付けることにより、イオンのストリームを放出するイオン化領域を少なくとも部分的に制限するアルミニウム合金のアークチャンバのハウジングを配置する工程と、
上記イオン化領域を制限する電子の加熱金属ソースから上記電子を放出することにより上記イオン化領域を通るように上記電子の放出方向を決定する工程と、
上記アークチャンバのハウジングからイオンを放出してイオンビームを形成する工程と、を含んでいることを特徴とするイオンビーム生成方法。
【請求項１５】
感知温度を摂氏４００度以上摂氏５５０度以下の温度範囲に維持するために上記アークチャンバに利用される電力を制御する工程をさらに含んでいることを特徴とする請求項１４に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項１６】
上記アークチャンバのハウジングの領域における温度を監視する工程と、上記アークチャンバに利用される電力の大きさを決定するために使用される、感知温度に関する信号を供給する工程と、をさらに含んでいることを特徴とする請求項１５に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項１７】
上記配置する工程は、イオンビームの伝播経路に対してソースブロックを固定する工程と、温度変化に伴って上記アークチャンバの筐体が膨張、及び収縮可能となるように中心線に沿って上記ソースの筐体に上記アークチャンバの筐体を接続する工程と、を含んでいることを特徴とする請求項１４に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項１８】
望ましい温度範囲の最高点における温度変化を抑制する熱伝導ガスケットにより、上記ソースブロックと上記アークチャンバの筐体との間に一定の間隔が開けられていることを特徴とする請求項１７に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項１９】
コントローラが、上記温度範囲を摂氏４００度以上摂氏５５０度以下の範囲に維持することを特徴とする請求項１５に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項２０】
上記アークチャンバの筐体に接するように抵抗ヒーターを配置して、上記抵抗ヒーターを通過する電流を調節することにより、上記アークチャンバのハウジングの温度を制御することを特徴とする請求項１４に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項２１】
上記抵抗ヒーターを覆うフレキシブルジャケットが、上記抵抗ヒーターとハウジングの筐体との間の熱伝導を維持することを特徴とする請求項２０に記載のイオンビーム生成方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔本発明の分野〕
本発明は、被加工物をビーム処理するためのイオンビームを形成するイオンを発するイオン生成源を備えたイオン注入装置に関する。
【０００２】
〔背景技術〕
イオン注入装置は、イオンビームをウェハに照射することによりシリコンウェハを処理するために使用することができる。集積回路の製造中に、制御された濃度の不純物を有するウェハを選択的にドープして半導体物質を生成することは、そのようなビーム処理の利用法のひとつである。
【０００３】
一般的なイオン注入装置は、イオンソース、イオン抽出装置、質量分析器、ビーム輸送装置、及びウェハ処理装置を備えている。イオンソースは、所望の原子ドーパント種、または分子ドーパント種のイオンを生成する。これらのイオンは、抽出装置（一般的には、電圧を加え、ソースからのイオンの流れを導く一組の電極）により上記ソースから抽出される。所望のイオンは、質量分析器（一般的には、抽出されたイオンビームの質量分散を行う磁気双極子）内のイオンソースの副生成物から分離される。ビーム輸送装置（一般的には、焦点調整装置の光列（optical train）を含む真空系）は、イオンビームの望ましい光学特性を維持しながら、イオンビームをウェハ処理装置に輸送する。最後に、半導体ウェハが、ウェハ処理装置に注入される。
【０００４】
バッチ式イオン注入装置は、イオンビーム中に複数のシリコンウェハを移動させるための回転円盤の支持材を備えている。支持材がイオンビーム中でウェハを回転させると、イオンビームがウェハの表面に衝突する。
【０００５】
シリアル型の注入装置は、一度にひとつのウェハを処理する。複数のウェハがカセット内で支えられ、一度にひとつずつ引き抜かれて支持台の上に載せられる。そして、イオンビームが単一のウェハに衝突するように、ウェハが注入方向に向けられる。これらのシリアル型の注入装置は、最初の軌道からビームをそらせるために、ビーム成形電極を使用する。また、これらのシリアル型の注入装置は、しばしば、選択的にドープしたり、あるいは、ウェハの表面全体を処理したりするために、協調して動作するウェハ支持材と接続して用いられる。
【０００６】
従来の注入装置に使用されるイオンビームを生成するイオンソースは、一般的に、「いわゆるイオンソース」であり、ウェハ処理に適したイオンビームに成形されるイオンを作り出すための加熱されたフィラメントカソードを備えている。Sferlazzo等による米国特許第5497006号は、ベースにより支えられたカソードであって、イオン化電子を放出するためのガス閉じ込めチャンバ（gas confinement chamber）に対して配置されたカソードを備えたイオンソースに関するものである。006号の特許のカソードは、管状の導電体、及び一部がガス閉じ込めチャンバに延びた円でキャップである。フィラメントは、管状体の内部で支えられ、電子照射を通じてエンドキャップを加熱する電子、すなわち、熱電子を放出するイオン化電子をガス閉じ込めチャンバに放出する。
【０００７】
また、Cloutier等による米国特許第5763890号は、イオン注入装置において使用するためのアークイオンソースを開示している。当該イオンソースは、導電性があるチャンバ壁であって、ガスイオン化ゾーンを制限するチャンバ壁を有するガス閉じ込めチャンバを備えている。ガス閉じ込めチァンバは、イオンが室外へ出るための開口部を備えている。ベースは、ガス閉じ込めチャンバを出るイオンからイオンビームを形成する構造に応じて、ガス閉じ込めチャンバを配置する。
【０００８】
他のソースは、ＲＦ（高周波）、マイクロ波、または電子ビームの放出を促進して所望のイオンを生成することができる。これらのソースは、アークイオンソースよりも１０〜１００倍低い濃度のプラズマを生成し、一般的に、イオン化電位が低い（イオン化しやすい種類の）ソース物質と共に使用されるか、あるいは、ソースチャンバのイオン抽出領域が広いときに使用される。Leung等による米国特許第6975072号に示されている低温のイオンソースは、ステンレススチール、銅、アルミニウムといった比較的低温の物質でできたソース物質を備えている。一方、アークイオンソースのような高温のソースは、モリブデン、タンタル、またはタングステンといった、高温（いわゆる難溶性）の物質でできた従来技術の注入装置のソースコンポーネントを必要としていたソースチャンバ壁を、摂氏数万度の高い熱出力密度を有するアークプラズマに触れさせる（Zhimin Wan等によるIEEE, 2002の"Water Cooled Plasma Flood Source for Intense Ion Beam Implantation"、及び米国出願公開２００３／０２１８４２９号を参照）。
【０００９】
〔本発明の概要〕
本開示は、少なくとも一部がアルミニウムで製造されたアークイオンソースに関するものである。「高温タイプ」のアークイオンソース、または、アークをベースとした”ベルナス（Bernas）”あるいは”フリーマン（Freeman）タイプ”の、あるいは、間接加熱カソード（ihc;indirectedly heated cathode）のイオンソースの温度制御の改善により、ハウジングを、ソースアークチャンバハウジングと同様にアルミニウムを用いて作ることができることが明らかになってきている。
【００１０】
イオンの流れを作る好適なイオンソースは、アルミニウム合金のアークチャンバの筐体であって、アークチャンバの領域内でイオン化されるガス状のイオン化物質を含むイオン化領域を少なくとも部分的に制限する筐体を備えている。好適な実施形態において、温度センサは、アークチャンバ内部の温度を監視し、感知温度に関する信号を供給する。コントローラは、当該センサによって測定された感知温度を監視し、感知温度が一定の範囲内を維持するように温度を調節する。
【００１１】
添付の図を参照して、下記の明細書を読むことにより、本発明のさらなる特徴は、当業者にとって明らかになると考えられる。
【００１２】
〔本発明を実施するための好適な実施形態〕
図を参照すると、図１は、イオンビーム注入装置１０を概略的に描いたものを示している。当該注入装置は、エンドまたは注入ステーション２０へのビームの経路を横断するように形成されたイオンビーム１４であって、選択的に偏向されたイオンビーム１４を形成するイオンを作り出すためのイオンソース１２を備えている。注入ステーションは、イオンビーム１４を形成するイオンの注入のために半導体ウェハなどの被加工物２４が配置される内部の領域を定める、真空チャンバ、または、注入チャンバ２２を備えている。
【００１３】
コントローラ４１として概略的に示されているコントロールの電子部品は、被加工物２４により受け取られるイオンの放射量を監視、及び制御するために備えられている。コントロールの電子部品に対するオペレータの入力は、エンドステーション２０の近くのユーザコントロールコンソール２６を介して行われる。イオンビーム１４中のイオンは、ビームがソースと注入チャンバとの間の領域を横断するにつれて分散する傾向がある。この分散を弱めるために、当該領域は１つ以上の真空ポンプ２７により低圧に保たれている。
【００１４】
イオンソース１２は、ソース物質が注入される内部領域を定めるプラズマチャンバを備えている。ソース物質は、イオン化ガス、または気化したソース物質を含んでいてもよい。プラズマチャンバ内部で生成されたイオンは、イオンの加速電場を作り出すたくさんの金属電極を備えたイオンビーム抽出装置２８により当該チャンバから抽出される。
【００１５】
イオンビーム１４を曲げてビームシャッター３２に向ける分析マグネット３０は、ビームの経路１６に沿って配置されている。ビームシャッター３２に続いて、ビーム１４を集める四連レンズシステム３６を、ビーム１４が通過する。そして、ビームは、コントローラ４１により制御される偏向マグネット４０を通過する。コントローラ４１は、順番にイオンビーム１４を、繰り返し、偏向させたり、または、数百ヘルツの周波数で水平にスキャンさせたりする当該マグネット４０の導電巻き線に交流電流信号を供給する。開示されている一実施形態においては、２００ヘルツから３００ヘルツのスキャン周波数が使用されている。この偏向、または水平スキャンにより、薄く、扇形をしたリボンイオンビーム１４ａを生成される。
【００１６】
扇形をしたリボンビーム内部のイオンは、マグネット４０を離れたあと、分散経路を進行し、平行化マグネット４２に入る。平行化マグネット４２において、ビーム１４ａを形成する複数のイオンは、異なる量だけ曲げられた結果、略平行なビーム経路に沿って移動しながら平行化マグネット４２から出るようになる。そして、イオンは、エネルギーフィルタ４４に入る。エネルギーフィルタ４４は、イオンが持つ電荷により、イオンを下方（図１のｙ方向）に偏向させる。これにより、上流のビーム成形中にビームの中に入り込んだ中性の粒子が取り除かれる。
【００１７】
平行化マグネット４２から出るリボンイオンビーム１４ａは、断面が、幅が非常に狭い長方形をしたイオンビーム、すなわち、一方向に延びるビームである。ビームは、例えば、垂直方向に限られた長さ（例えば、約１／２インチ）の広がりをもつとともに直交方向に広がりをもち、マグネット４０に対するスキャン、または偏向により、シリコンウェハなどの被加工物の直径を完全に覆うように外側に広がっている。
【００１８】
一般に、リボンイオンビーム１４ａの広がりは、スキャンされたときに被加工物２４の全表面を注入するのに十分である。被加工物２４の水平方向の寸法（あるいは直径）が３００ｍｍであると仮定すると、マグネット４０は、ビームが注入チャンバ２２内部の被加工物２４の注入表面に衝突するとすぐに、リボンイオンビーム１４ａの水平の広がりが少なくとも３００ｍｍになるようにビームを偏向させる。
【００１９】
被加工物サポート構造体５０は、被加工物２４を支えるとともに、被加工物２４の全注入表面に均一にイオンが注入されるように、注入中のリボンイオンビーム１４に対して（ｙ方向の上下に）被加工物２４を移動させる。注入チャンバの内部領域は排気されているので、被加工物はロードロック６０を通じてチャンバに出し入れしなければならない。注入チャンバ２２の内部に取り付けられたロボットアーム６２は、ロードロック６０からウェハの被加工物２４を自動的に移動させる。図１において、被加工物２４がロードロック６０の内部の水平位置に示されている。アームは、アーチ形に曲がったパスを通じて被加工物を回転させることにより、ロードロック６０からサポート５０に被加工物２４を移動させる。注入の前に、被加工物サポート構造体５０は、注入のために被加工物２４を垂直位置、または略垂直位置に回転させる。被加工物２４がイオンビーム１４に対して垂直、すなわち直角である場合、注入角、すなわち、イオンビームと被加工物の表面に対する法線との間の入射角は０度である。
【００２０】
一般的な注入動作においては、ドープされていない被加工物（一般的には半導体のウェハ）は、被加工物２４をオリエンタ８４に移動させる２つのロボット８０、及び８２のいずれかにより、多くのカセット７０〜７３のうちの１つから取り上げられる。オリエンタ８４においては、被加工物２４が、特定の方向に向くように回転される。ロボットアームは、向きを変えられた被加工物２４を取り上げて、ロードロック６０に移動させる。望ましい真空度になるようにロードロックは閉じてポンプダウンされ、その後、注入チャンバ２２に対して開かれる。ロボットアーム６２は、被加工物２４を掴んで注入チャンバ２２の内部に入れて、静電クランプ、または被加工物サポート構造体５０のチャンクに載せる。静電クランプは、電圧を加られることにより、注入中に置かれている被加工物２４を掴む。これに適した静電クランプが、１９９５年７月２５日にBlake等の特許となった米国特許第５４３６７９０号、及び１９９５年８月２２日にBlake等の特許となった米国特許第５４４４５９７号に開示されており、両特許とも、本発明の譲受人に譲渡されている。７９０号、及び５９７号の両特許は、この参照により、各特許の全体が本書に含まれている。
【００２１】
被加工物２４のイオンビーム処理の後、被加工物サポート構造体５０は、被加工物２４を水平位置に戻し、静電クランプは、電源の供給が切れて被加工物を離す。上記イオンビーム処理の後、アーム６２は、被加工物２４を掴んでサポート５０からロードロック６０に戻す。別の設計において、ロードロックは、上部の領域と下部の領域とが独立して、排気及び加圧される。この別の実施形態において、注入ステーション２０の第２のロボットアーム（図示せず）は、注入された被加工物２４を掴んで、注入チャンバ２２からロードロック６０に戻す。ロードロック６０から、複数のロボットのうち、１つのロボットのロボットアームが、注入された被加工物２４をカセット７０〜７３のうちのいずれか（最も一般的には、最初に取り出されたカセット）に戻す。
【００２２】
（イオンソース）
本発明を具現するイオン生成ソース１２（図２〜５）は、ハンドル８３を有するフランジ８２により支えられたソースブロック１２０を備えている。ハンドル８３は、注入装置からソース１２を取り除く。ソースブロック１２０は、プラズマアークチャンバ７６と電子放出型カソード１２４とを備えている。また、本発明の好ましい実施形態において、電子放出型カソード１２４は、アークチャンバ７６によって支えられているが、アークチャンバ７６から電気的に絶縁されている。
【００２３】
アークイオンソースは、Ed. W. Kunkel, MacGraw-Hill著のテキスト"Plasma Physics in Theory and Application"において、以下の言及により定義されている。すなわち、“ｅＶc＜Ｅ（Ｖc：カソード電圧降下、Ｅ：イオン化エネルギー）を満たすすべての放電は、カソードにおける具体的な状況、またはプラズマ体内部の具体的な状況に関わらず、電子アークと分類される。[...]このように、ガス圧においても電流密度においてもいかなる制限も受けないので、アークのカテゴリは明らかに非常に広い。実際、後に空間電荷の中性化を生じる上で十分なガスイオン化が発生する限り、放電プラズマという用語がなお適切となるために、すべてのサーマルダイオードをアークのカテゴリに含めなければならない。ガス濃度、電流濃度、及びカソードにおける状況に応じて、アーク放電は、その特性において大きく異なり得る。”と言及されている。
【００２４】
「熱フィラメント」イオンソースを、十分なエネルギーを有する電子のいずれかが直接電圧が印加されたフィラメントから放出される（すなわち、カソードの役割をする）場所、または、十分なエネルギーを有する電子を放出するカソードに、電圧が印加されたフィラメントからの電子が衝突してアークチャンバ内部のガスをイオン化する場所と呼ぶことにより、この定義は要約される。
【００２５】
ソースマグネット（図示せず）は、プラズマソースチャンバ７６を囲んで、電子を生成するプラズマを、チャンバ７６の内部の厳しく制限された伝播経路に閉じ込める。また、ソースブロック１２０は、気化してガスとなるとともに、熱シールド１３０を貫通する供給ノズル１２６、１２８によってプラズマチャンバ７６に注入される、気化性のある固体（例えば砒素）が充填された気化炉１２２、１２３を入れる空洞を定める。プラズマアークチャンバ７６は、アルミニウム合金でできた細長い金属構造物である。適合する合金のひとつに、優れた機会特性を有し、容易に入手可能な市販の６０６１アルミニウムがある。この合金は、０．８〜２％のマグネシウムと微量の他の構成物質（ソース：matweb.com）を含有する０．４〜０．８％のシリコンとが添加された９６〜９８％のアルミ有無を含有している。そのハウジングは、２つの細長い側壁、すなわち、上部及び下部の壁により区切られた内部のイオン化領域Ｒを定める。タングステン、またはモリブデンから構成されたプレート１３２を定める分離した正面の壁が、イオン化領域Ｒに接している。２つの側壁から外部に延びたアークチャンバは、ソースブロックに自身を取り付けるための支持フランジ１３４を備えている。
【００２６】
４つの細長い支柱１３６はプレート１３２の４つのノッチ１３９を貫通している。また、上記支柱１３６は、ソースブロックとプレート１３２に対してアークチャンバ７６の方向にバイアスをかけるスプリング１４８とにより支えられているブッシング１４６を貫通している。
【００２７】
ガス状物質は、ソースブロック１２０の開口部１３１、１３２を通じて伸びている供給ノズル１２６、１２８により、気化器１２２、１２３からプラズマアークチャンバ７６の内部に注入することができる。チャンバ７６の反対側には、通路１４１が、チャンバ７６の後部からチャンバの筐体を貫いて延びており、プラズマアークチャンバ７６の内部に開かれている。ノズルは、炉１２２、１２３からガス状のソース物質を供給するための、これらの通路の入り口に接している。さらに、ガスは、チャンバ後部の壁のポートまたは開口部１４２によって、チャンバ７６に直接送ることができる。開口部１４２に至る供給チューブ１４４は、ソース、またはイオンソースの外部の供給資源からアークチャンバ７６にガスを直接注入する。
【００２８】
アークチャンバの先端の壁は、チャンバ壁に触れることなくプラズマアークチャンバ７６の内部にカソード１２４が延びるような寸法で作られた開口部１５８を定めている。カソード１２４は、アークチャンバの後部に連結された絶縁マウントブロック１５０により支えられている。開口部１５８の大きさに合うカソードの筐体が、絶縁マウントブロック１５０により支えられている導電マウントプレート１５２に取り付けられている。
【００２９】
カソード１２４は、実質的に、Cloutier等による８９０号の特許の開示に従って構成されている。カソード１２４の外部の管状部材は、難溶性の物質でできている。この管状部材の下端は、マウントプレート１５２に接している。同様に、内部の管状部材も難溶性の物質でできており、その下端には、マウンティングプレート１５２内のねじ開口部にはめ込まれているねじ部を備えている。カソード１２４のエンドキャップ１６４は、導電性があり、難溶性の物質でできている。また、カソード１２４のエンドキャップ１６４は、管状部材の端ぐりに適合している。内部及び外部の管状部材の長さは、エンドキャップ１６４が外部の管状部材の先端を越えてアークチャンバ７６の上方に延びるような長さになっている。
【００３０】
２つの導電性のあるマウントアーム１７０、１７１は、カソード１２４の内部のフィラメント１７８を支える。アーム１７０、１７１は、ブロック１５０のねじ開口部とかみあわせるために、アームを貫通しているコネクタ１７２によって絶縁ブロック１５０に直接取り付けられている。導電性のある通電バンド１７４は、フィラメントに連結され、パワーフィードスルー１７５、１７６を介してハウジング８０のフランジ８２を経由して送られる信号により加圧される。フィラメント１７８は、らせん状のループになるように曲げられたタングステンのワイヤーでできている。フィラメント１７８の両端は、適切なクランプにより２つのアーム１７０、１７１と電気接触する、難溶性の物質でできた２つの支柱により支えられている。
【００３１】
タングステンワイヤーのフィラメント１７８がパワーフィードスルー１７５と１７６との間の電位差を利用して加圧されるとき、フィラメントは電子を放出し、電子はカソード１２４のエンドキャップの方向に加速してエンドキャップに衝突する。キャップが電子衝撃により十分に加熱されると、キャップは電子をアークチャンバ７６に放出し、電子はチャンバ７６の内部でガス分子と衝突してイオンを作り出す。そして、イオンプラズマが作り出され、このプラズマの内部のイオンは、プレート１３２の開口部７８から出ていき、イオンビームを形成する。キャップは、チャンバ内部のイオンプラズマとの接触からフィラメントを保護してフィラメントの寿命を延ばす。
【００３２】
カソード１２４により生成され、アークチャンバ７６に放出されるが、ガスイオン化領域内部のガス分子と接触しない電子は、反射電極１８０の周辺に移動する。アークチャンバ１６内部に位置する反射電極１８０はメタル部材を含んでおり、メタル部材は電子を曲折させてガス分子と衝突する可能性が高いガスイオン化領域に戻す。反射電極の金属部材は、難溶性の物質でできている。セラミック絶縁体は、プラズマアークチャンバ７６の下部の壁の電位から反射電極１８０を絶縁する。従って、カソード１２４と反射電極１８０とは、アークチャンバの壁から、電気的及び熱的に遮断されている。
【００３３】
チャンバ７６の壁は、局所接地されるか、または、基準電位になっている。カソードエンドキャップ１６４を含むカソードは、チャンバの壁の局所接地より５０〜１５０ボルト低い電位になっている。この電位は、カソードを支えるプレート１５２に導電体を付着させるためのパワーフィードスルーにより、プレート１５２と結合される。フィードスルー１８２は、図２及び図３に示されている。
【００３４】
フィードスルーからカソードブロックへの接続は、図示されていない。フィラメント１７６は、エンドキャップ１６４の電圧より２００〜６００ボルト低い電圧になっている。フィラメントとカソードとの最大電圧差は、エンドキャップを加熱して電子をチャンバ７６に熱放出するのに十分な高エネルギーを、フィラメントを離れる電子に与える。反射電極部材１８０は、チャンバ７６内部のガスプラズマの電位でフロートすることができる。
【００３５】
Sferlazzo等による006号の特許は、カソードとアノードとの間（アークチャンバのチャンバ壁）のアーク電流を制御する回路の略図を図示している。この回路の動作の説明は、chamber.Sferlazzo等の特許に含まれており、また、本書にも含まれている。イオン生成中にイオン化エネルギーをアークチャンバへ注入することにより、ソースはあたたまる。このエネルギーのすべてがアークチャンバ内部のガスをイオン化するわけではなく、一定量の熱が生成される。チャンバは、冷却水をフランジに送るとともに加熱した水をアークチャンバの領域から戻すウォータカップリング１９０、１９２を備えている。
【００３６】
カソード１２４をアークチャンバに取り付けるとともに、絶縁ブロック１５０は、カソードの筐体に対してフィラメント１７８を配置し、カソードの筐体をアークチャンバに対して配置する。これらの機能は、Cloutier等による特許に、より詳細に説明されている。
【００３７】
本発明の実施により、とりわけ、好適なソース１２を用いることにより、具体的な設計目的が達成される。電力の利用の最小値（例えば４００ワット）と最大値（例えば１５００ワット）との間の範囲におけるアークチャンバ７６の温度を、摂氏４００度以上摂氏５５０度以下に維持することが、本発明の目的のひとつである。摂氏４００度未満では、一般にソースガスとして使用されるＡｓｔｂのような砒素を含むソース物質は、イオンソースの内部で液化し、他のソースガスが後で使用される場合には、ソースの動作に影響を及ぼすとともにソースを汚染するおそれがある。摂氏５５０度より高い温度では、アルミニウム合金が硬度及び弾性に関する機械特性を失い、ソース部の機械的完全性と抽出特性とに影響を及ぼすことが立証されている。この範囲の温度では、ソースは、ソースブロック１２０に対して、アークスリット７８の位置を適切に調整しなければならない。好適な設計においては、組み立てられた部品、特に、アークチャンバ７６及びアークスリット７８の熱膨張が考慮されていなければならない。代表的な許容誤差は、すきまの幅についてはｌｍｍのオーダーであり、アークチャンバの水平位置については０．０３ｍｍであり、垂直軸に対するアークチャンバの出射開口部の傾きについては０．１度である。ウェハに対するイオンビームの正確な配置がより重要な中電流注入装置において、これらの設計上のガイドラインは特に重要である。
【００３８】
上述の、すなわち、望ましい温度範囲にアークチャンバを維持することにより、従来技術におけるアークチャンバの材質（例えばモリブデン）よりも製造費用が安価であるとともに軽量であるアルミニウムでソースのハウジングを作ることができる。また、（アークチャンバが取り付けられる）ソースブロック１２０は、アルミニウムで製造される。
【００３９】
気化器部２０２は、ステンレス鋼材でできており、スチールプレート２００に高温で蝋付けされている。気化部は、一定間隔で配置された内部の空洞であって、窒素が可とう管２１４、２１６を介して排出される空洞２１０、２１２を定める。窒素を空洞に送ることにより、アークソースのハウジングの温度を望ましい範囲に制御する追加的な方法を実現する。好適な実施形態においては窒素が使用されるが、通常の空気を空洞に出入りさせることもできる。コネクタ２１８は、通路１３１、１３３の領域にあるソースブロック１２０にはまっており、通路１３１、１３３内部に放射シールド（各気化器について１つ）を保持している。
【００４０】
気化炉の領域内部の温度は、ソースブロック内部に配置されたセンサであって温度応答性のある熱電対を備えたセンサ２２０、２２２により監視される。熱電対は、管２２４を介して信号をコネクタ２２６に送り、コネクタ２２６は出力信号を個々の気化器コントローラ（図示せず）に送信する。また、第３のセンサ（図示せず）が、アークソースのハウジング内部に配置され、導体２２４に連結される。導体２２４は、信号をアークソースのハウジングから、図６に示すフランジに取り付けられた、追加の、または第３のコネクタ２２６に信号を送り、同様に、コントローラに信号を送る。
【００４１】
また、好適なソースは、３つの細長い、一般的にはシリンダ型のヒーターを２セット（２３０、２３２）備えている。ヒーターは、一般的に、アークソースのハウジング内に平行して延びている通路に挿入されている。これらのヒーターは、独立して動作する抵抗ヒーターであり、外側がステンレス鋼材でできたフレキシブルジャケットを備えた、ダルトン社のヒーターであるワットフレックスとして入手可能である。外表面は、放射熱をアークチャンバに供給する。ジャケット内部の抵抗熱は、ジャケットを加熱する。外側のフレキシブルジャケットは、抵抗熱が対応する通路に押し込まれるにつれて、内側に圧縮される。アークチャンバのハウジングが温度変化に伴って、膨張、及び収縮するにつれて、内部に組み込まれた抵抗ヒーターと細長い空洞を定めるアルミニウムのアークチャンバのハウジングとの間の熱伝導性を良好に維持するために、これらのヒーターのカートリッジの外側ジャケットは、膨張及び収縮する。また、これらのヒーターは、直流の電力供給装置により電力供給され、最大２４０ボルトの直流／交流電流により作動させることができる。
【００４２】
２つのマウントピン２５０とコネクタ２５４とを使用することにより取り付けが正確になる。アークチャンバのハウジングの一端において、ハウジングは、直通路を有するボス２５２を備えている。直通路は、ソースブロック１２０に一列に並べて取り付けられたボス２５６のねじ開口部２５５にかみあう３つのねじコネクタ２５４のひとつを格納する。他のコネクタ（図示せず）は、アークチャンバハウジング７６内のねじ開口部２５５を通じて延びており、アークソースハウジングに面するソースブロックの横断面の周りに一定間隔で配置された他の２つのねじ開口部２５５にはめこまれている。
【００４３】
ソース１２の組み立ての間、アークチャンバはソースブロックにかみ合うようになる。この工程は、ソースブロックのむき出しの末端から延びるピン２５０により促進される。ねじコネクタは、ソースブロックにねじ止めされて固定されているアークチャンバを貫通している。ピンは、ソースブロックに対して、アークチャンバとアークスリットとを固定する。温度変化により、チャンバとソースブロックとの両方が、２つのマウントピン２５０を２等分する垂直の中心線を中心にして膨張及び収縮する。ソースブロックに対するアークチャンバのわずかな相対的な横方向の動きを許容する程度の遊びを有するねじコネクタ２５４の柔軟性により、アークチャンバとソースブロックとが異なる割合で膨張することが起こり得る。
【００４４】
また、ソースブロックとアークチャンバとの間の熱伝導は、アークチャンバとソースブロックとの間の２つのeGraf（登録商標）ガスケット２６０、２６２を使用することにより促進される。ガスケット２６０、２６２は、適切な位置にねじコネクタ２５４を格納する穴を定める。これらのガスケットは、グラファイトから構成され、熱抵抗の低い物質から構成され、具体的には、熱接触インターフェースのために作られている。これらのガスケットは、高い動作温度（望ましい温度範囲の最高限度）で熱伝導を促進し、高温の範囲で動作するときにアークチャンバから離れた熱流を促進することにより、それなりに、高温の温度スイングを遅らせる。好適な実施形態において、ガスケットは、厚さ５／１０００インチに制御されて製造される。eGraf（登録商標）ガスケットは、摂氏４００度以上の動作温度が指定されているが、実際には、ソース動作の上限である摂氏５５０度以上の高温で動作する。
【００４５】
図７は、目標温度範囲を維持する方法を記録する制御図、すなわち、フローチャートである。（温度を調節するコントローラ入力部３０２を有する）温度コントローラ３００は、交流入力部３１０、すなわち、アークチャンバの温度を監視する熱電対２２６から温度を感知するための入力部を備えている。コントローラ３００は、供給装置からの直流電流が同時に２組のヒーター素子に適用されるように、リレー３２０の接点を開閉する。コントローラ３００は、一定の電力制御を行い、アークソースのカソードと２セットの２３０、２３２を構成するヒーターとに対する全電力の入力が維持される。アークソースが高温で動作する場合（高いビーム電流）、ヒーターは、低い電力で動作する。逆に、アークソースが低温で動作する場合（低いビーム電流）ヒーターは、高い電力で動作する。上記制御はガス物質が直接アークチャンバに排出される利用において動作しなければならないので、気化炉は、この制御から分離される。
【００４６】
この制御を実現するために、ヒーターへの電力が温度に基づいて変化する場合に、コントローラ３００は、感知温度と制御ループとを利用する。アークチャンバの温度が上位の範囲に近づくにつれて、ヒーターへの電力は減少し、逆に、温度が下位の範囲に近づくにつれて、熱への電力は増加する。
【００４７】
たとえ、アークチャンバの温度の能動的な制御がなくても、注入装置が動作する電力範囲を制限することができる。アークチャンバの温度が摂氏４００度以上５５０度以下に維持される場合には、それによりソース電力の最低値と最大値とが定まり、その値は、熱回路の設計に依存する。専用の注入装置のように、ソースが限られた範囲の電力、または、ほぼ一定の電力で動作する適用例がある。この適用例においては、能動的な制御を必要としない。能動的な制御により、好適なシステムは、ずっと広い電力範囲で動作する。この範囲は、制御システムが供給することができる電力に従って拡大する。
【００４８】
本発明の好適な実施形態の上記説明から、当業者は、改善、変更、及び修正に気づくと考えられる。この分野における通常の知識の範囲内に該当する当該改善、変更、及び修正は、添付の請求の範囲に含まれていることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】回転する支持材に取り付けられたシリコンウェハといった被加工物をイオンビーム処理するためのイオン注入装置を示す略図である。
【図２】本発明に従って構成されたイオンソースを分解組み立て図として表わした透視図である。
【図３】本発明に従って構成されたイオンソースを分解組み立て図として表わした透視図である。
【図４】図２及び図３のイオンソースの断面図である。
【図５】図４における線５−５により定められた面から見た図である。
【図６】イオンソースの背面透視図である。
【図７】本発明に従って構成されたイオンソースを操作する制御回路の略図である。
【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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【国際調査報告】
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