(57)【要約】向上した温度制御を有するイオン源が開示される。前記イオン源の一部はヒートシンクの凹部空洞の中に位置し、前記イオン源の前記一部及び前記凹部空洞は、前記イオン源の膨張が、前記ヒートシンクとの高圧熱接触を引起こすように、各々、形成される。例えば、前記イオン源は、前記ヒートシンクの凹部空洞内に適合する先細の円柱端部を有することができる。前記イオン源の熱膨張により、前記先細の円柱端部に、前記ヒートシンクの前記凹部空洞に対して、圧縮させる。前記ヒートシンクの前記温度、前記ヒートシンクを通る冷却流体の前記温度及び流れ、及び、前記ヒートシンクと前記イオン源との間のギャップのサイズの適切な選択により、前記イオン源の前記温度を制御することができる。
2019504442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを生成するための装置であって、該装置は、
複数のチャンバ壁を備えるイオン源であって、外側の突起が前記複数のチャンバ壁の内の１つから外側へ伸びる、イオン源と、
凹部空洞を有するヒートシンクであって、前記外側の突起が前記凹部空洞の中に配置される、ヒートシンクと、を備える、装置。
【請求項２】
室温で、前記外側の突起と前記凹部空洞との間に最初のギャップがあり、前記イオン源の温度は、前記ヒートシンク及び前記最初のギャップの温度に基づいて、決定される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の温度に基づいて、決定される、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の流速に基づいて、決定される、請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記外側の突起及び前記凹部空洞は、相補的形状である、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記外側の突起は円柱を備える、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記外側の突起は先細の円柱を備える、請求項５記載の装置。
【請求項８】
前記イオン源は、第１のチャンバ壁に引出しアパーチャーを備え、前記外側の突起は、前記第１のチャンバ壁と反対側の第２のチャンバ壁に配置される、請求項１記載の装置。
【請求項９】
イオンビームを生成するための装置であって、該装置は、
複数のチャンバ壁及び引出しアパーチャーを備えるイオン源と、
ヒートシンクと、を備え、
前記イオン源の熱膨張は、前記イオン源の温度を調整するように、前記ヒートシンクとの高圧熱接触を引起こす、装置。
【請求項１０】
前記イオン源の一部は、前記ヒートシンクの凹部空洞の中へ伸び、熱膨張により、前記一部に前記凹部空洞の側面に接触させる、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
イオンビームを生成するための装置であって、該装置は、
複数のチャンバ壁を備えるイオン源であって、先細の外側の突起が前記複数のチャンバ壁の内の１つから外側へ伸びる、イオン源と、
凹部空洞を有するヒートシンクであって、前記先細の外側の突起が前記凹部空洞の中に配置される、ヒートシンクと、を備え、
室温で、前記先細の外側の突起と前記凹部空洞との間に最初のギャップがあり、前記イオン源の温度は、前記ヒートシンク及び前記最初のギャップの温度に基づいて、決定される、装置。
【請求項１２】
前記先細の外側の突起及び前記凹部空洞は、相補的形状である、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の温度に基づいて、決定される、請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の流速に基づいて、決定される、請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記先細の外側の突起と前記凹部空洞との間に前記最初のギャップを定めるように、前記複数のチャンバ壁の内の１つと前記ヒートシンクとの間に配置される一組のシムを、さらに備え、
前記ヒートシンクの前記温度は、前記一組のシムの厚さに基づいて、決定される、請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【優先権主張】
【０００１】
本願は２０１５年１２月２２日に出願された米国特許出願第１４／９７７，７２０号の優先権を主張するものであり、その開示内容はその全体において参照することにより本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明はイオン源に関し、より詳しくは、その温度を、ヒートシンクにより制御し、調整することができるイオン源に関する。
【背景技術】
【０００３】
イオン注入は、電導度を変える不純物をワークピースへ導入するための標準的な技術である。所望の不純物材料はイオン源でイオン化され、イオンは加速されて所定のエネルギーのイオンビームを形成し、イオンビームはワークピースの表面に向けられる。ビームの中のエネルギーイオンは、ワークピースの材料の全体の中に入り込み、ワークピースの材料の結晶格子の中に埋め込まれ、所望の電導度の領域を形成する。
【０００４】
イオンビームを創生するために、イオン源は、通常、大量の電力を消費する。この電力の多くは、分子を所望のイオン種に変換するために、用いられるが、この電力の一部は熱に変換される。特定の実施態様において、熱の量はイオン源の温度を数百度、さらに数千度にさえ、高めることができる。
【０００５】
これらの極端な温度は、いくつかの不利益を有し得る。例えば、これらの温度でのイオン源は、非常に高い融点を有する金属を用いて、建造する必要があり得るが、これにより、それらのコストを増大し得る。さらに、ガス注入口、磁石、電極、及び他のコンポーネントなどの、イオン源に近い他のコンポーネントも、これらの高温に耐えなければならない。さらに、これらの温度は、イオン源の動作及び寿命に有害な影響を及ぼし得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、温度を制御し調整することができるイオンビームが、有利であろう。さらに、イオン源を所望の温度又は温度範囲に維持することができる場合に、有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
向上した温度制御を有するイオン源が開示される。前記イオン源の一部はヒートシンクの凹部空洞の中に位置し、前記イオン源の前記一部及び前記凹部空洞は、前記イオン源の膨張が、前記ヒートシンクとの高圧熱接触を引起こすように、各々、形成される。例えば、前記イオン源は、前記ヒートシンクの凹部空洞内に適合する先細の円柱端部を有することができる。前記イオン源の熱膨張により、前記先細の円柱端部に、前記ヒートシンクの前記凹部空洞に対して、圧縮させる。前記ヒートシンクの前記温度、前記ヒートシンクを通る冷却流体の前記温度及び流れ、及び、前記ヒートシンクと前記イオン源との間のギャップのサイズの適切な選択により、前記イオン源の前記温度を制御することができる。
【０００８】
一実施態様により、イオンビームを生成するための装置が開示される。該装置は、複数のチャンバ壁を備えるイオン源であって、外側の突起が前記複数のチャンバ壁の内の１つから外側へ伸びる、イオン源と、凹部空洞を有するヒートシンクであって、前記外側の突起が前記凹部空洞の中に配置される、ヒートシンクと、を備える。特定の実施態様において、室温で、前記外側の突起と前記凹部空洞との間に最初のギャップがあり、前記イオン源の温度は、前記ヒートシンク及び前記最初のギャップの温度に基づいて、決定される。特定の実施態様において、前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の温度に基づいて、決定される。特定の実施態様において、前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の流速に基づいて、決定される。特定の実施態様において、前記外側の突起及び前記凹部空洞は、相補的形状である。いくつかの実施態様において、前記外側の突起は円柱又は先細の円柱であってもよい。
【０００９】
別の実施態様において、イオンビームを生成するための装置が開示される。該装置は、複数のチャンバ壁及び引出しアパーチャーを備えるイオン源と、
ヒートシンクと、を備え、前記イオン源の熱膨張は、前記イオン源の温度を調整するように、前記ヒートシンクとの高圧熱接触を引起こす。特定の実施態様において、前記イオン源の一部は、前記ヒートシンクの凹部空洞の中へ伸び、熱膨張により、前記一部に前記凹部空洞の側面に接触させる。
【００１０】
別の実施態様において、イオンビームを生成するための装置が開示される。該装置は、複数のチャンバ壁を備えるイオン源であって、先細の外側の突起が前記複数のチャンバ壁の内の１つから外側へ伸びる、イオン源と、凹部空洞を有するヒートシンクであって、前記先細の外側の突起が前記凹部空洞の中に配置される、ヒートシンクと、を備え、室温で、前記先細の外側の突起と前記凹部空洞との間に最初のギャップがあり、前記イオン源の温度は、前記ヒートシンク及び前記最初のギャップの温度に基づいて、決定される。特定の実施態様において、前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の温度に基づいて、決定される。特定の実施態様において、前記ヒートシンクは流路を備え、前記ヒートシンクの前記温度は、前記流路を通って流れる冷却流体の流速に基づいて、決定される。特定の実施態様において、前記装置は、前記最初のギャップを定めるように、前記チャンバ壁の内の１つと前記ヒートシンクとの間に配置される一組のシムも、備える。
【００１１】
本発明をより良く理解するために、参照することにより、本明細書に組み込まれる添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態による装置の断面図を示す。
【図２Ａ】図１の装置の頂部の断面図を示す。
【図２Ｂ】図１の装置の分解組立図を示す。
【図２Ｃ】図１の装置の組立てられた図を示す。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは２つの異なるイオン源の比較を示す。
【図４】イオン源を冷却する効果を示すグラフを例示する。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは一実施形態による装置と共にシムの使用を示す。
【図６】図６Ａ〜６Ｉは、図１の装置と共に用いることができる様々な外側の突起を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
傍熱型陰極（IHC）イオン源に関連して、実施形態を本明細書で説明する。しかしながら、ベルナス及びフリーマンのイオン源又はRFイオン源などの他のイオン源を用いることができる。したがって、本発明は、以下に説明する特定の実施形態に限定されない。
【００１４】
図１は、イオンビームを生成するために用いることができる代表的な装置１００を示す。装置１００はイオン源１０及びヒートシンク８０を含む。他のイオン源も用いることができるけれども、イオン源１０は傍熱型陰極（IHC）イオン源とすることができる。イオン源１０は、イオン源チャンバ１２を画定する複数のチャンバ壁１１を有する。チャンバ壁１１は電導材料から建造することができる。チャンバ壁の内の１つは、そこを通ってイオン源チャンバ１２からイオンを引出すことができる引出しアパーチャー１５を有する。イオン源チャンバ１２の外側で、引出しアパーチャー１５に近接して、１つ以上の電極２０がある。特定の実施形態において、電極２０の他の構成も可能であるけれども、電極２０は抑制電極２１及び接地電極２２を含むことができる。これらの電極２０は１つ以上の電源（図示せず）と連通することができる。例えば、抑制電極２１は、イオン源チャンバ１２から正のイオンを引き付けるために、負の電圧でバイアスをかけることができ、一方、接地電極２２は接地することができる。もちろん、必要に応じて、電極２０は、異なる電圧でバイアスをかけることができる。
【００１５】
図２Ａ〜２Ｃでより良く示されるように、陰極３０がイオン源チャンバ１２の中に配置される。この陰極３０は、チャンバ壁１１に対して、陰極３０にバイアスをかけるのに役立つ陰極電源３１と連通する。特定の実施形態において、陰極電源３１は、チャンバ壁１１に対して、陰極３０に負のバイアスをかけることができる。例えば、陰極電源３１は、他の電圧を用いることができるけれども、０Ｖから−１５０Ｖの範囲の出力を有することができる。特定の実施形態において、陰極３０は、チャンバ壁１１に対して、０Ｖと−４０Ｖの間でバイアスをかけられる。フィラメント４０は陰極３０の後ろに配置される。
【００１６】
フィラメント４０はフィラメント電源４１と連通する。フィラメント電源４１は、フィラメント４０が熱電子を放出するように、電流をフィラメント４０に通すように構成される。陰極バイアス電源３２は、陰極３０に対して負に、フィラメント４０にバイアスをかけ、したがって、これらの熱電子は、フィラメント４０から陰極３０の方へ加速され、熱電子が陰極３０の背面に当たるときに、陰極３０を加熱する。陰極バイアス電源３２は、フィラメント４０が、陰極３０の電圧よりもっと負の、例えば、３００Ｖから６００Ｖの間の電圧を有するように、フィラメント４０にバイアスをかけることができる。熱陰極３０は、次いで、その前面からイオン源チャンバ１２の中に熱電子を放出する。
【００１７】
したがって、フィラメント電源４１は、電流をフィラメント４０に供給する。陰極バイアス電源３２は、フィラメント４０が陰極３０よりもっと負になるように、フィラメント４０にバイアスをかけ、したがって、電子はフィラメント４０から陰極３０の方へ引き付けられる。最後に、陰極電源３１は、チャンバ壁１１よりもっと負に陰極３０にバイアスをかける。
【００１８】
反射電極３５は、イオン源チャンバ１２の中で、陰極３０の反対側のイオン源チャンバ１２の一端に配置される。反射電極３５は、反射電極電源３６と連通することができる。名称が示唆するように、反射電極３５は、陰極３０から放出された電子をイオン源チャンバ１２の中心の方へ反発するために役立つ。例えば、反射電極３５は、電子を反発するために、チャンバ壁１１に対して、負の電圧にバイアスをかけられ得る。陰極電源３１と同様に、反射電極電源３６は、チャンバ壁１１に対して負の電圧で、反射電極３５にバイアスをかけることができる。例えば、反射電極電源３６は、他の電圧を用いることができるけれども、０Ｖから−１５０Ｖの範囲の出力を有することができる。特定の実施形態において、反射電極３５は、チャンバ壁１１に対して、０Ｖから−４０Ｖの間でバイアスをかけられる。
【００１９】
特定の実施形態において、陰極３０及び反射電極３５は、共通の電源に接続することができる。したがって、本実施形態において、陰極電源３１及び反射電極電源３６は、同一の電源である。
【００２０】
図示されないけれども、特定の実施形態において、イオン源チャンバ１２の中で磁界が生成される。この磁界は、電子を一方向に沿って閉じ込めるために、意図される。例えば、電子を陰極３０から反射電極３５の方向に平行な列に閉じ込めることができる。
【００２１】
特定の実施形態において、引出しアパーチャー１５の反対側のチャンバ壁１１などの１つのチャンバ壁１１を平坦にしないようにすることができる。むしろ、チャンバ壁１１の一部をイオン源チャンバ１２から外側へ伸ばすことができ、外側の突起５０を形成することができる。この外側の突起５０は、ヒートシンク８０の中の対応する凹部空洞８１と整合させることができる。図は、外側の突起５０が引出しアパーチャー１５の反対側のチャンバ壁１１にあることを示しているが、本発明は、本実施形態に限定されない。むしろ、外側の突起５０は、任意のチャンバ壁１１にあり得る。
【００２２】
外側の突起５０及び凹部空洞８１は、外側の突起５０が凹部空洞８１内に適合するように、相補的形状として形成することができる。特定の実施形態において、外側の突起５０及び凹部空洞８１は、外側の突起５０が凹部空洞８１を十分に占めるように、同一のサイズ及び形状を有することができる。他の実施形態において、外側の突起５０は、凹部空洞８１と同一形状を有することができるが、凹部空洞８１と同一の深さに伸びなくても良い。例えば、外側の突起５０は、４インチの直径及び２インチの高さを有する円柱とすることができる。凹部空洞８１も、円柱として形成することができるが、ヒートシンク８０内の２．５インチの深さで終わることができる。したがって、本実施形態において、外側の突起５０を凹部空洞８１の中に挿入するとき、凹部空洞８１の後端に（大体、５インチの）小さい空間がある。しかしながら、外側の突起５０は、膨張するときに、凹部空洞８１の側面に接触するように、形成される。したがって、凹部空洞８１の直径は、４インチより少し大きくすることができる。
【００２３】
特定の実施形態において、外側の突起５０及びヒートシンク８０の凹部空洞８１は、室温で、これらのコンポーネント間でギャップ８２があるように、形成することができる。このギャップは、最初のギャップといわれる。このギャップ８２の幅は、意図するアプリケーション及び温度に基づいて、変えることができる。
【００２４】
特定の実施形態において、外側の突起５０は、０．５インチと１インチとの間の高さ、及び、約４インチの直径を有する円柱とすることができる。凹部空洞８１も円柱とすることができ、外側の突起５０の直径より少し大きい直径を有することができる。特定の実施形態において、外側の突起５０が、その側面及び底面に沿って、凹部空洞８１の壁に接触するように、凹部空洞８１は、外側の突起５０の高さに大体等しい深さを有する。他の実施形態において、凹部空洞８１は、外側の突起５０の高さより大きい深さを有することができ、凹部空洞８１の壁のみが、その側面に沿って、外側の突起５０に接触することができる。別の実施形態において、外側の突起５０の直径は、外側の突起５０がチャンバ壁１１と接触する底面で最も大きく、先端で最も小さくなるように、外側の突起５０は先細り円柱とすることができる。本実施形態において、凹部空洞８１は相補的形状を有することができ、凹部空洞８１の直径は、ヒートシンク８０の外側面で最も大きい。もちろん、以下でもっと詳細に説明するように、外側の突起５０及び凹部空洞８１は、他の形状を有することができる。
【００２５】
ヒートシンク８０は、液体又は気体の形状で、冷却流体をヒートシンク８０の中の流路８５を通って流すことにより、冷却することができる。特定の実施形態において、ヒートシンク８０の所望の温度に依存して、他の冷却流体も用いることができるけれども、冷却流体は水とすることができる。冷却流体は、ヒートシンクを任意の温度に維持するために、用いることができる。例えば、ヒートシンク８０を水の沸点より高い温度に保つことが望ましい場合、エチレングリコール又はプロピレングリコールなどの他の流体を用いることができる。ヒートシンク８０を水の融点より低い温度に保つことが望ましい場合、エチルアルコールなどの他の流体を用いることができる。言い換えれば、ヒートシンク８０は、適切な冷却流体を流路８５を通して循環させることにより、任意の所望の温度に維持することができる。
【００２６】
特定の実施形態において、イオン源１０をヒートシンク８０により近くに引き寄せるために、引張ばね９０（図１も参照）を用いることができる。
【００２７】
動作において、ガスを、ガス注入口９５を通ってイオン源チャンバ１２へ導入する。上記で説明したように、フィラメント４０を通過する電流により、陰極３０に当たる熱電子を生成し、陰極３０は、順次、電子をイオン源チャンバ１２の中へ放出する。これらの電子は、ガスをイオン化するために役立ち、イオン、電子及び中性子を含むプラズマを創生する。陰極３０、フィラメント４０及び反射電極３５に印加される電圧は、これらのコンポーネントを大幅に加熱させることができる。この熱は、次いで、チャンバ壁１１を熱膨張させることができる。この熱は、同様に、外側の突起５０を膨張させ、外側の突起５０をヒートシンク８０の凹部空洞８１の壁に高圧熱接触に至らせる。高圧熱接触は、凹部空洞８１の壁に対する外側の突起５０の熱膨張により達成される熱接触として、画定される。この高圧熱接触は、引張ばねなどの、イオン源１０とヒートシンク８０を互いに近くに引き寄せる従来の方法を用いても、可能ではないかもしれない。
【００２８】
特定の実施形態において、高圧熱接触は、凹部空洞８１の壁に対する膨張した外側の突起５０の圧縮により、引き起すことができる。外側の突起５０は、加熱されるので、凹部空洞８１の寸法を超えて膨張することができ、凹部空洞８１の壁に対して、外側の突起５０に押し付けさせる。熱膨張により引き起されるこの力は、従来の方法を用いて生成することができる力より大きくすることができる。さらに、この圧縮の力は、外側の突起５０と凹部空洞８１との間で大体、均一にすることができ、均一な圧力を創生する。この高圧熱接触は、外側の突起５０と凹部空洞８１との間の熱伝達係数を向上する。これにより、ヒートシンク８０により、チャンバ壁１１からより多くの熱を引出させる。
【００２９】
どの特定の理論に縛られることなく、最初に、ヒートシンク８０とイオン源１０との間の第１の熱伝達係数があるとされている。この第１の熱伝達係数は、凹部空洞８１と外側の突起５０との間のギャップ８２、及び、ヒートシンク８０の温度に基づく。イオン源１０が動作を始めるときに、この第１の熱伝達係数により、熱がチャンバ壁１１から引出される。特定の実施形態において、この第１の熱伝達係数を用いることにより、ヒートシンク８０により引出すことができるよりもっと多くの熱がイオン源１０により生成される。その結果として、イオン源１０の温度は増大し始める。イオン源１０の温度のこの増大により、チャンバ壁１１及び外側の突起５０の熱膨張を引き起す。外側の突起５０が膨張するときに、ヒートシンク８０の凹部空洞８１と外側の突起５０との間のギャップ８２は低減し、これにより、熱伝達係数を向上する。ギャップの厚さが低減するときに、イオン源１０を一定の又はほとんど一定の温度に維持するために十分な熱の量を、ヒートシンク８０が引出すことができる点に達するとされている。この点において、イオン源１０の温度は大体一定のままであり、イオン源１０は、これ以上膨張しない。したがって、外側の突起５０と凹部空洞８１との間の関係は平衡に達する。
【００３０】
イオン源１０の最終温度は、最初のギャップともいわれる、室温でのギャップ８２、及び、ヒートシンク８０の温度に基づいて決定することができる。例えば、大きい最初のギャップがある場合、イオン源１０の外側の突起５０は、凹部空洞８１と高圧熱接触に入る前に、より大きい程度まで膨張するであろう。この膨張量を達成するために、イオン源１０はより高い温度に達せられる。
【００３１】
同様に、ヒートシンク８０の温度も、イオン源１０の最終温度を決定するのに役立つ。例えば、ヒートシンク８０は、アルミニウムなどの高い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する材料から作ることができる。ヒートシンク８０の温度が増大するとき、ヒートシンク８０の大きさも同様に増大し、より大きい凹部空洞８１を創生する。その結果として、外側の突起５０がヒートシンク８０の凹部空洞８１と高圧熱接触する前に、イオン源１０はより高い温度に達するであろう。さらに、熱伝達は、イオン源１０の温度とヒートシンク８０の温度との間の差異の関数であるため、より高い温度のヒートシンク８０へは、より少ない熱伝達であろう。最後に、特定の実施形態において、ヒートシンク８０のＣＴＥは、チャンバ壁１１及び外側の突起５０のＣＴＥより大きいように選択される。例えば、ヒートシンク８０の温度の１００°の増大は、一定量の熱膨張を引き起こすことができる。しかしながら、同一量の熱膨張を達成するために、イオン源１０の温度の増大は１００°より大きくなり得る。
【００３２】
ヒートシンク８０の温度は、様々な方法で決定することができる。一実施形態において、所望のヒートシンクの温度を達成するために、流路８５を通って流れる冷却流体の温度を変える。別の実施形態において、所望のヒートシンクの温度を達成するために、流路８５を通って流れる冷却流体の流速を変える。例えば、必要な熱を冷却流体の中に伝達するために、より低い流速はより高い実質の温度を必要とし得て、より高い流速と比較して、より高いヒートシンクの温度をもたらす。したがって、所望のヒートシンクの温度を達成するために、流路８５を通って流れる冷却流体の温度及び／又は流速を変えることができる。
【００３３】
したがって、最初のギャップを適切に選択し、ヒートシンク８０の温度を制御することにより、イオン源１０の温度を調整し制御することができる。
【００３４】
図３Ａ及び図３Ｂは、従来のイオン源と比べた、図１の装置を用いて得た結果との比較を示す。図３Ａは、３ｋＷで動作され、イオンビームを引出すために用いられる従来のイオン源の熱画像を示す。本実施形態において、見ることができるように、イオン源のほとんどの部分は１７７０℃より高い温度である。図３Ｂのイオン源は、上記の外側の突起５０を備え、凹部空洞８１を有するヒートシンクに取り付けられる。ヒートシンクは０℃に近い温度に維持され、外側の突起５０と凹部空洞８１との間のギャップは、大体、３ミルである。このイオン源は、図３Ａのイオン源と同じ電力レベルで動作されている。図３Ｂに示すように、このイオン源の全ての部分は６００℃より低く、１０００℃を超える低減である!
【００３５】
イオン源を冷却することに加えて、図１及び２に示す外側の突起５０の使用により、イオン源の性能が向上されることが見出された。例えば、図４は、従来のイオン源（すなわち、図３Ａのイオン源）を本明細書で説明した装置（すなわち、図３Ｂの装置）と比較するグラフを示す。本テストにおいて、クリプトンがドーパントガスとして用いられ、イオンビームは２５keVの引出し電圧を用いて引出された。線４００、４１０は、図３Ｂ及び図３Ａのイオン源をそれぞれ用いたKr+イオンのイオンビーム電流を表わす。見ることができるように、引出し電流ごとに、図３Ｂのイオン源を用いて、より大きいKr+のビーム電流が達成される。したがって、本アプリケーションにおいて、Kr+イオンビームを引出すのに、より冷却したイオン源がより効率的である。線４２０、４３０は、図３Ｂ及び図３Ａのそれぞれのイオン源チャンバの中へのクリプトンの流速を表わす。ここで留意すべきは、同じ引出し電流をつくるために、図３Ｂのイオン源により、ドーパントガス（すなわち、クリプトン）のもっとより低い流速が用いられることである。要約するに、より冷却したイオン源は、少なくとも２つの性能の利益を有する。第1に、引出し電流の％として、ドーパントイオンの濃度は増大する。第２に、引出したドーパントのイオンビーム電流のドーパントガスの流速に対する比率として画定される、イオン化効率は顕著に増大する。例えば、１１０ｍＡの引出し電流を仮定する。図３Ａのイオン源は、この出力をつくるために、約５．４SCCMのクリプトンの流速を用いる。さらに、Kr+のイオンビーム電流は、約５５ｍＡである。対照的に、図３Ｂの冷却イオン源は、約３．６SCCMのみのクリプトンの流速を用い、約６４ｍＡのKr+のイオンビーム電流をつくる。
【００３６】
したがって、高引出し電流が望ましい特定のアプリケーションにおいて、イオン源の温度を低減することにより、イオンビームの生成の効率を向上することができる。通常の動作パラメータを用いて、ドーパントガスのもっと効率的使用をする間に、より大きいドーパントビーム電流を創生することができる。
【００３７】
もちろん、各イオンビームのアプリケーションは、異なる最適な温度を有することができる。例えば、高電流イオンビームは、より低い電流イオンビームと異なる最適な温度を有することができる。さらに、イオンビームを創生するために用いるドーパントに基づく、温度依存もあり得る。本装置は、最初のギャップを変えることにより、ヒートシンクの温度を変えることにより、又は、両方により、各イオンビームのアプリケーションが最適にされることを可能にする。
【００３８】
したがって、任意の生成プロセスを実施する前に、キャリブレーションプロセスがあり得る。このキャリブレーションプロセスの間に、ヒートシンク８０の流路８５を通って流れる冷却流体の温度を変えることによる、又は、流路８５を通って流れる冷却流体の流速を変えることによる、などで、イオン源の温度を変えることができる。異なる温度において、イオンビーム電流、イオン化効率及び／又は他のパラメータを測定することができる。キャリブレーションプロセスが完了した後に、その特定のイオンビームのアプリケーション用のイオン源の最適温度を決定することができる。この最適温度に基づいて、そのイオンビームのアプリケーション用の最初のギャップ及びヒートシンクの温度を決定することができる。
【００３９】
特定の実施形態において、多数のイオンビームのアプリケーションに対して、ヒートシンク８０及び外側の突起５０を有するイオン源１０を用いることができる。このシナリオにおいて、ヒートシンクの流路８５を通って流れる冷却流体の温度を変えることだけにより、又は、流路８５を通って流れる冷却流体の流速を変えることにより、それらの各々はヒートシンク８０の温度を変えるが、温度の最適化を達成することができる。
【００４０】
他の実施形態において、各々が少し異なるサイズの凹部空洞を有する、複数の異なるヒートシンクを用いて、１つのイオン源を用いることができる。この実施形態において、温度の最適化は、最初のギャップ及び／又はヒートシンクの温度を変えることにより、達成することができる。
【００４１】
一例として、第１のイオンビームのアプリケーションは、６００℃のイオン源の温度を用いて最適化することができ、第２のイオンビームのアプリケーションは、１０００℃のイオン源の温度を用いて最適化することができる。一実施形態において、第２のイオンビームのアプリケーションに対して、流路８５を通って流れる冷却流体の温度が、より高いが、両方のイオンビームのアプリケーションに対して、単一のイオン源及びヒートシンクを用いる。あるいは、冷却流体の流速は、第２のイオンビームのアプリケーションにおいて、より低くすることができる。別の実施形態において、異なるサイズの凹部空洞を有する、２つの異なるヒートシンクを用いることができ、流路８５を通って流れる冷却流体の温度又は流速は、２つのヒートシンクに対して、異なり得る。さらに別の実施形態において、２つのイオンビームのアプリケーションに対して、異なるサイズの外側の突起を有する別個のイオン源を用いることができる。これらの２つのイオン源は、同一のヒートシンク又は異なるヒートシンクを用いて使用することができる。さらに、ヒートシンクは、同一の又は異なる温度に維持することができる。
【００４２】
さらに、特定の実施形態において、ギャップを調整するために、シムを用いることができる。例えば、図５Ａ〜５Ｂは、先細の円柱として形成される外側の突起５５０を有するイオン源５１０を示す。ヒートシンク５８０は、類似の形状の凹部空洞５８１を有する。外側の突起５５０が凹部空洞５８１に挿入される深さを変えることにより、ギャップ５８２を変えることができる。図５Ａは、イオン源５１０の本体とヒートシンク５８０の本体との間の第１の間隔を供給するために用いる第１の組のシム５０１を示す。外側の突起５５０及び凹部空洞５８１は、共に、先細のため、シムの使用により、凹部空洞５８１の背面での間隔と、外側の突起５５０の側面と凹部空洞５８１との間のギャップ５８２の両方を創生する。上記のように、最初のギャップのサイズはイオン源５１０の最終温度を決定するのに役立つことができる。図５Ｂは、それらの間に配置される第２の組のシム５０２を有するイオン源５１０及びヒートシンク５８０を示す。第２の組のシム５０２は、第１の組のシム５０１より厚く、その結果として、外側の突起５５０の側面と凹部空洞５８１の側面との間のより大きいギャップ５８２を創生する。したがって、外側の突起５５０及び凹部空洞５８１が先細の場合、シムは、これらのコンポーネント間の最初のギャップを変えるために、用いることができる。これにより、イオン源の温度を調整するために、別の機構を供給する。
【００４３】
さらに、図５Ａ〜５Ｂは、先細の円柱である外側の突起５５０、及び、相補的形状の凹部空洞５８１の使用を開示するが、他の実施形態も可能である。例えば、任意の先細の形状を用いることができる。例えば、図６Ｂ、６Ｄ、６Ｆ、６Ｈ、及び、６Ｉは、全て、用いることができる他の先細の形状を表わす。さらに、特定の実施形態において、外側の突起５５０及び凹部空洞５８１の内の１つのみが先細である。例えば、外側の突起５５０を先細の円柱とすることができ、一方、凹部空洞５８１は先細にしなくてもよい。
【００４４】
したがって、異なるサイズのシムと一体になって、先細の外側の突起５５０の使用により、イオン源の温度を調整するために、別のパラメータを使用することを可能にする。例えば、特定の実施形態において、複数の温度を創生するために、イオン源５１０及びヒートシンク５８０を含む一組のコンポーネントを用いる。例えば、異なる温度を達成するために、イオン源５１０及びヒートシンク５８０と共に、各組が異なる厚さを有する複数の組のシムを用いることができる。したがって、特定の実施形態において、ヒートシンク５８０の温度は一定に保持され、一方、イオン源５１０の温度は、異なる組のシムの使用により、調整される。
【００４５】
さらに、特定の実施形態において、イオンビームのアプリケーションに基づいて、これらの技術の組合せを用いることができる。言い換えれば、イオン源の温度を調整するために、１つ以上の以下の方法を用いることができる。
○ヒートシンクの温度は、以下により定めることができる。
○ヒートシンクの中の流路を通って流れる冷却流体の温度を変える。又は、
○ヒートシンクの中の流路を通って流れる冷却流体の流速を変える。
○外側の突起と凹部空洞との間の最初のギャップは、以下により定めることができる。
○先細の外側の突起を用いる場合に、シムの厚さを変える。
○多数のヒートシンクを用いることにより、凹部空洞のサイズを変える。又は、
○多数のイオン源を用いることにより、外側の突起のサイズを変える。
【００４６】
上記のように、本発明は、外側の突起５０及び凹部空洞８１の特定の実施形態に限定されない。複数の異なる形状を用いることができる。図６Ａ〜６Ｉは、外側の突起に適切な様々な異なる形状を示す。もちろん、これは、必ずしも、適切な全ての可能な形状を表わすものではなく、単に、様々な可能性を例示することを意味している。
【００４７】
図６Ａは、円柱の形状の、イオン源１０から伸びる外側の突起５０の頂面図及び側面図を示す。図６Ｂは、先細の円柱の形状の、イオン源１０から伸びる外側の突起５１の頂面図及び側面図を示す。図６Ｃは、平行六面体の形状の、イオン源１０から伸びる外側の突起５２の頂面図及び側面図を示す。図６Ｄは、先細の平行六面体の形状の、イオン源１０から伸びる外側の突起５３の頂面図及び側面図を示す。これらの実施形態の各々において、ヒートシンク８０の凹部空洞８１は、外側の突起が凹部空洞８１内に適合するように、相補的形状として形成される。さらに、これらの実施形態の各々において、チャンバ壁から伸びる単一の外側の突起がある。
【００４８】
しかしながら、他の実施形態も可能である。例えば、図６Ｅ〜６Ｉは、各々、複数の外側の突起を有するイオン源１０を示す。図６Ｅは、イオン源１０から伸びる、各々が円柱の形状の、複数の外側の突起５４の頂面図及び側面図を示す。図６Ｆは、イオン源１０から伸びる、各々が先細の円柱の形状の、複数の外側の突起５５の頂面図及び側面図を示す。図６Ｇは、イオン源１０から伸びる、各々が平行六面体の形状の、複数の外側の突起５６の頂面図及び側面図を示す。図６Ｈは、イオン源１０から伸びる、各々が先細の平行六面体の形状の、複数の外側の突起５７の頂面図及び側面図を示す。上記の実施形態の全ては、外側の突起が、底部と先端部において少なくとも同じ幅であることを表わしているが、他の実施形態も可能である。例えば、図６Ｉは、イオン源１０から伸びる、各々が先細の逆平行六面体の形状の、複数の外側の突起５８の頂面図及び側面図を示す。この実施形態において、イオン源１０はヒートシンク８０の適当な位置に滑動することができる。
【００４９】
本発明は、イオン源は外側の突起を有するとして説明したが、他の実施形態も可能である。例えば、イオン源は、イオン源の熱膨張が、ヒートシンクとの高圧熱接触を引起こすように、設計することができる。特定の実施形態において、イオン源の一部は、熱膨張が、その一部に凹部空洞の側面と接触させるように、ヒートシンクの中の凹部空洞の中に配置される。
【００５０】
本発明の実施形態は、多くの優位性を有する。最初に、真空環境でのイオン源とヒートシンクとの間の熱伝達は、不十分な傾向がある。イオン源の熱膨張、もっと具体的に、外側の突起の熱膨張を用いることにより、イオン源とヒートシンクとの間の高圧熱接触を創生し、熱伝達は、非常に向上する。事実、１つのテストにおいて、イオン源の温度は１０００℃！を超えて低減した。さらに、本装置により、ヒートシンクの温度、及び、外側の突起と凹部空洞との間の最初のギャップの２つの異なるパラメータを用いて、イオン源の温度を調整することが可能になる。２つの同調パラメータを有することにより、広い範囲のイオン源の温度を達成することが可能になる。さらに、これらの同調パラメータにより、各特定のイオンビームのアプリケーションの簡単で容易な最適化が可能になる。さらに、この装置により達成される冷却の量は、他の方法を用いて可能な量より大きい。最後に、高イオンビーム電流のアプリケーションなどのいくつかのイオンビームのアプリケーションにおいて、ドーパント種のビーム電流及びイオン化効率は、イオン源の温度を下げることにより、向上される。これにより、注入ドーパントの濃度を増大しながら、ドーパント種の消耗を低減することができる。
【００５１】
本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態によって範囲を限定されるものではない。実際に、本明細書に記載された実施形態に加えて、本発明の他の様々な実施形態および変更は、前述の記載および添付図面から当業者には明らかであろう。したがって、このような他の実施形態および変更は、本発明の範囲内に含まれるものと意図している。さらに、本発明は、特定の環境における特定の目的のための特定の実装の文脈にて本明細書中で説明したけれども、当業者は、その有用性はそれらに限定されるものでなく、本発明は任意の数の環境における任意の数の目的のために有益に実装し得ることを認識するであろう。従って、以下に記載する特許請求の範囲は本明細書に記載された本発明の全範囲及び精神に鑑みて解釈しなければならない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【国際調査報告】
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