(57)【要約】蒸発器システムであって、その内部の均一な加熱条件のもとで、固体および／または液体の化学材料を蒸発するためのシステムであり、蒸発器内において、蒸発した材料の凝固を減少し、「コールドスポット」を最小限にして、下流の注入または堆積（たとえばＭＯＣＶＤ）システムへ、蒸気のほぼ連続的なフローを供給する。蒸発器には、蒸気材料を保持するために、内部に多数の細長いウェルを形成した熱伝導性ブロックが含まれる。熱伝導性ブロック内には、細長いウェルに連通している内部容積がある。熱伝導性ブロックを密閉して閉じた容器を形成し、そこに熱を印加して、全ての細長いウェルを同時に均一に加熱し、その中の材料を蒸発させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気源材料の配置のために多数の不動の細長いウェルを内部に形成した熱伝導性ブロックであって、前記多数の細長いウェルが、蒸気の蓄積のための前記熱伝導性ブロック内の内部空間に連通して接続されている熱伝導性ブロックと、
前記熱伝導性ブロック内の前記多数の細長いウェルに熱を印加するための手段と、
前記熱伝導性ブロックを密閉するための手段と、
前記蒸発器内に形成された蒸気を放出するための放出口と、
を備える蒸発器。
【請求項２】
熱を印加するための前記手段によって発生する温度を制御するための制御機構をさらに備える、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項３】
液体材料を含む、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項４】
固体源材料を含む、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項５】
デカボランを含む、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項６】
少なくとも４つの細長いウェルが、前記熱伝導性ブロックに形成される、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項７】
前記熱伝導性ブロックに熱を印加するための前記手段は、少なくとも１つの抵抗加熱要素を含む、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項８】
前記熱伝導性ブロックの各壁は、それぞれに少なくとも１つの抵抗加熱要素を取付けている、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項９】
温度を制御するための前記手段は熱電対を含む、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項１０】
温度を制御するための前記手段は、前記源材料を蒸発させるのに十分な温度に前記ブロックを維持するように配設されている、請求項６に記載の蒸発器。
【請求項１１】
前記熱伝導性ブロックは、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成される、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項１２】
前記熱伝導性ブロックは、約１６０ｃｍ３の内部容積を有する、請求項６に記載の蒸発器。
【請求項１３】
前記多数の細長いウェルは、約６０ｃｍ３の内部容積を構成する、請求項１２に記載の蒸発器。
【請求項１４】
前記熱伝導性ブロックが均一に加熱され、それによって、前記細長いウェルおよび内部空間内のコールドスポットを減少させる、請求項１に記載の蒸発器。
【請求項１５】
蒸気源材料を蒸発させるための方法であって、
熱伝導性ブロックに形成された多数の細長いウェルに源材料を導入するステップであって、前記多数の細長いウェルが、蒸発した源材料を蓄積するための、前記熱伝導性ブロック内の内部空間に連通して接続されている、ステップと、
前記多数のウェルおよび内部空間に真空を形成するように、前記熱伝導性ブロックを密閉するステップと、
源材料蒸気を形成するために、前記細長いウェルを同時に加熱し、その中の材料を源蒸発させて、前記熱伝導性ブロックに熱を印加するステップと、
源材料蒸気を堆積システムに送出するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記堆積システムは、イオン注入ユニット、化学気相成長ユニットおよび有機金属化学気相成長ユニットからなる群から選択されるプロセスユニットを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
熱を印加する前記ステップによって発生する温度を制御するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記源材料が液体または固体である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記源材料がデカボランを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも４つの細長いウェルが、前記熱伝導性ブロック内に形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
熱を印加する前記ステップは、前記熱伝導性ブロックを抵抗加熱することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱伝導性ブロック内の温度が、前記源材料を蒸発させるために十分な温度に維持される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記熱伝導性ブロックは、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記熱伝導性ブロックは均一に加熱され、それによって、前記細長いウェルおよび内部空間内のコールドスポットを減少させる、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
蒸気源材料の配置のために多数の固定された細長いウェルを内部に形成した熱伝導性ブロックであって、前記多数の細長いウェルが、蒸気の蓄積のため、前記熱伝導性ブロック内の内部空間に連通して接続されている、熱伝導性ブロックを備える蒸発器と、
前記源材料を蒸発させるように、前記熱伝導性ブロックに熱を印加する手段と、
前記熱伝導性ブロックを密閉するための手段と、
蒸発した源材料を、前記蒸発器から放出するための放出口と、
蒸気流連通した前記放出口と接合された堆積システムと、
を備える蒸発および堆積システム。
【請求項２６】
前記源材料が、細長いウェルの内側表面と直接接触する、請求項２５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は蒸発器に係り、より詳細には、蒸発器および送出システムであって、たとえば、イオン注入および化学気相成長プロセスにおいて使用される液体および固体源試薬など、液体および固体材料の蒸発のため、表面領域を増加させた多数の細長いウェルを有する蒸発器および送出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
集積回路の製造において、イオンビームを半導体ウエハへ当てる必要がある多くのプロセスが確立されてきた。これらのプロセスには、イオン注入、イオンビームミリングおよび反応性イオンエッチングが含まれる。
【０００３】
イオン注入は、標準として容認された技術となった。本技術は、集積回路で使用するシリコンウエハなどの被加工体に於ける不純物ドーピングのために、半導体産業によって利用されている。従来のイオン注入システムには、イオン源が含まれる。ここにおいて、ドーパント元素がイオン化され、次いで加速されて、注入のために被加工体表面へ向けたイオンビームが形成される。ドーパント材料は、その化学的および物理的特性に従って、液体または固体として供給することができる。固体ドーパント材料を使用する場合には、材料を加熱のために蒸発器に配置し、つぎに、形成された蒸気を、イオン化のためにイオン源へ送る。
【０００４】
集積回路の製造に用いる典型的な材料には、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）およびヒ素（Ａｓ）が含まれる。固体イオン源材料は、安全上の理由から非常に好まれているが、固体半導体ドーパントは、重大な技術上および操作上の問題をもたらしてきた。たとえば、蒸発器で固体前駆物質を使用すると、プロセスツール・ダウンタイムの増加、製造物品質の不良ならびに蒸発器およびイオン源における堆積物の増加が生じる。
【０００５】
先行技術による蒸発器システムには、蒸発器内で凝固した材料の蓄積、および蒸発器内で均一な加熱ができないために、蒸発器内に「コールドスポット」が形成されることを始めとして、数々の欠点がある。不要な堆積物の蓄積は、材料の個別バイアルおよび／またはウェルを回転させるための内部可動表面を必要とする蒸発器システムでは、増大する。これらの内部機構のために、蒸発器内でさらに「コールドスポット」がもたらされ、蒸発した材料の堆積がいっそう進む。さらに、内部可動機構上に堆積物が蓄積するために、これらの蒸発器の動作は、効率的ではなく、信頼性もない。先行技術による蒸発器の欠点が特に目立つのは、温度感受性で、蒸気圧が低い個体材料に関する。このように、蒸発した固体前駆体流を、下流の堆積システムまたはプロセスツールへ再現可能に送出できるように、制御した割合で固体を蒸発させることは困難である。
【０００６】
デカボランは、半導体基板におけるボロンドーピング用の、きわめて有利な固体源材料である。なぜなら、この化合物は、イオン化すると、１０個のボロン原子を含む分子イオンを供給できるからである。このような材料は、浅い接合を形成するために使用する高ドーズ量／低エネルギー注入プロセスに特に適している。なぜなら、分子デカボランイオンビームは、単体ボロンイオンビームよりも、単位電流あたり、１０倍もボロンドーズ量を注入できるからである。
【０００７】
しかしながら、デカボランは、蒸気圧が低く、熱感受性であり、したがって、先行技術の蒸発器において、蒸発は、完全には成功してこなかった。デカボランは、「コールドスポット」で凝固し、先行技術の蒸発器内で熱分解する傾向があり、それによって、内部可動機構上に堆積物を蓄積させ、および／またはイオン源チャンバへの送出可能デカボラン蒸気流を減少させる。
【０００８】
したがって、当該技術分野で必要なのは、源材料の熱解離、蒸発器内における堆積物の蓄積による、内部可動部品または表面の操作不能、蒸発器内の「コールドスポット」による、低蒸気圧化合物の凝固および／または下流堆積システムへのちぐはぐな蒸発流など、先行技術に付随する欠点がなく、固体および液体化学材料を効率的に蒸発する蒸発器システムである。
発明の概要
本発明は、固体および液体化学源材料を蒸発するための、蒸発器システムおよび方法に関する。このようなシステムおよび方法は、半導体製造用途において特に有用性がある。
【０００９】
本発明のシステムおよび方法により、蒸発器システム内で均一な加熱が提供され、蒸気圧が低い蒸発した固体前駆体の凝固が減少し、蒸発器内の「コールドスポット」が最小限になり、それにより、下流堆積システムへの連続的なフローが可能となる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様において、本発明は、内部の可動または回転表面がない蒸発器に関し、結果として、蒸発用源材料の均一な加熱が提供される。
【００１１】
別の態様において、本発明は、蒸発の方法であって、同時に多数の細長いウェルを加熱することによって、蒸発した源材料の連続的なフローを送出し、蒸発した材料の量およびフローを増加させる方法に関する。
【００１２】
本発明のさらに別の態様は、フリーマン型およびバーナス型装置を始めとするイオン源へ、蒸気の連続的なフローを供給する蒸発器システムに関する。
【００１３】
本発明のさらに別の態様は、源材料バイアルを機械的に破壊するための内部機構を使用する必要がなく、蒸発用源材料を導入することに関する。
【００１４】
本発明の一態様により、蒸気材料の配置のために、内部に多数の細長いウェルを形成した熱伝導性ブロックを含む蒸発器が提供される。熱伝導性ブロック内には、多数の細長いウェルと連通して接続された内部ボイド空間がある。熱伝導性ブロックを密閉して閉じた容器を形成し、そこに熱を印加して、内部ボイド空間および細長いウェルを同時および均一に加熱して、内部の材料を蒸発させる。
【００１５】
密閉した蒸発器内の温度および圧力は、温度管理装置で制御する。蒸発した材料は、下流の堆積システムへ連通して接続されている放出口を通して放出されるために、少なくとも内部ボイド空間内に蓄積する。堆積システムには、限定するわけではないが、プラズマドーピングシステム、イオン注入システム、化学気相成長システムおよび有機金属気相成長システム等を含むことができる。
【００１６】
蒸発器システムの一実施形態において、細長いウェルは、円筒状構造をしており、十分な量が設けられるので、それに対応して、材料に接触する追加的な表面領域が与えられ、またそれに対応して増加した量の、蒸発した源材料が生成される。
【００１７】
別の態様において、本発明は、
熱伝導性ブロック内の多数の細長いウェルに材料を導入するステップであって、多数の細長いウェルが、蒸発した源材料が蓄積するための、熱伝導性ブロック内の内部空間に連通して接続されているステップと、
熱伝導性ブロックを密閉して、密閉された蒸発器ならびに／または多数のウェルおよび内部空間内に真空を形成するステップと、
熱伝導性ブロックに熱を印加して、複数の細長いウェルを同時に加熱し、その中の材料を蒸発させるステップと、
蒸発した材料を、連通して接続された堆積システムに送出するステップと、
を含む、源材料を蒸発するための方法に関する。
【００１８】
本発明の他の態様、特徴および実施形態は、つぎの開示および添付の特許請求の範囲から、より完全に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
発明の詳細な説明およびその好ましい実施形態
本発明は、以下の観察に基づいている。すなわち、蒸発器システムで用いられる特定の源材料は、蒸発器内で蒸気の凝固を引き起こす、蒸発器内の「コールドスポット」のために、下流の堆積システムへ蒸気の連続的なフローを供給するのに十分な量では、適切に蒸発されないということである。
【００２０】
本発明の一実施形態による、図１に示す蒸発器は、先行技術による蒸発器の欠点を克服する。たとえば、銀、銀合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉛、ニッケル被覆、ステンレス鋼、グラファイトおよび／またはセラミック物質などの適切な熱伝導性物質で作成された熱伝導性ブロック１４には、その中にあけられた多数の細長いウェル１２がある。材料１６が、細長いウェルの内部側壁と直接接触するように、細長いウェルに導入されている。
【００２１】
熱伝導性ブロック１４には、さらに、細長いウェル１２に連通して接続された内部ボイド空間１８が含まれる。伝導性ブロックは、伝導性ブロックの外側表面に配置された加熱手段２０によって加熱される。この加熱手段は、十分な量の熱を供給し、細長いウェルのほぼ全ての内部表面が、ほぼ同時および均一に、確実に加熱されるようにするためのものである。
【００２２】
蒸発した材料は、管２４および遮断バルブ２６（開位置にある）を通って、堆積システム２８の中へと流れる。このシステムにおいて、蒸発した材料を、受け手側基板に注入または堆積することができる。管２４および遮断バルブ２６を加熱して、蒸発した材料がその中で凝固または堆積する量が最小となり、蒸気が、確実に連続的に流れるようにするのが好ましい。さらに、プロセスが要求する適切な流量で、より正確に送出するためには、送出システムに加熱したマスフローコントローラまたは圧力コントローラをよく用いる。
【００２３】
内部ヘッドスペース１８および細長いウェル１２を内部に画定する熱伝導性ブロック１４は、適切な伝導性物質で形成され、またアルミニウムまたは銅は高い熱伝導性を有するので、これらの金属で製造するのが好ましい。細長いウェルの穿孔に加え、内部ヘッドスペース１８が、ブロックに穿孔されている。伝導性ブロックの内部容積は、約１２０ｃｍ３から約２００ｃｍ３の範囲が好ましく、約１４０ｃｍ３から約１７０ｃｍ３の範囲がより好ましい。伝導性ブロックの内部容積は、内部ボイド空間および細長いウェルに分かれ、ウェルの内部容積は、伝導性ブロックの内部容積の約１／３〜約１／２が好ましい。例示的な一実施形態では、伝導性ブロックの内部容積は約１６０ｃｍ３であり、細長いウェルの合計内部容積は約６０ｃｍ３である。
【００２４】
細長いウェル１２は、任意の適切な幾何学的構造であってもよく、一般に、図２および３に示すような円筒状構造が好ましい。細長いウェルは、ウェルの側壁間に適切な量の伝導性物質を設けるために、伝導性ブロックにおいて十分に離間され、全ての細長いウェルにおける均一な加熱を確実にする。ウェルの内径は、約３ｍｍから約８ｍｍの範囲が好ましく、約４ｍｍから約６ｍｍの範囲がより好ましい。多数の細長いウェルによって、材料と接触する表面領域が劇的に増加し、したがって、単位時間当たり、より多くの材料が蒸発する。
【００２５】
有利なことに、細長いウェルは固定されており、可動表面上に配置されることも移動されることもなく、これにより、各細長いウェルは、その長さ全体にわたって、熱伝導性ブロックと直接接触する。同様に重要なことは、蒸発器の全内部容積が同時に加熱されるので、蒸発器の「コールドスポット」が、減少（先行技術の蒸発器に対して）することである。蒸発器内における「コールドスポット」の減少によって、蒸気材料が蒸発器内に存在する間に堆積または凝固することがほぼ排除される。さらに、本発明の蒸発器は簡潔な設計を用い、この設計では、先行技術の蒸発器において問題となる堆積表面のある回転または挿入機構が含まれない。
【００２６】
材料１６を細長いウェルに導入し、その後、密閉蓋２２で蒸発器を密閉する。有利なことに、本明細書に説明する蒸発器システムでは、液体源材料同様に固体源材料も使用する。材料は、例として、デカボラン、ボロンの固体塩、ガリウム、インジウム、アンチモン、リン、ヒ素、リチウム、テトラフルオロホウ酸ナトリウム等およびこれらの混合物を含む固体が好ましい。
【００２７】
源材料として使用する固体は、伝導性ブロックの壁を加熱することによって行う昇華プロセスを通して蒸発させる。昇華プロセスは、たとえばデカボランなどの固体の変化を伴い、中間の液体状態になることなく、固体状態から気体状態に変化する。本発明は、たとえば、昇華温度が、約２０℃から約１５０℃の範囲にあり、蒸気圧が、約１０−２Ｔｏｒｒから約１０３Ｔｏｒｒの範囲にあることを特徴とする固体源材料などの、任意の適切な固体源材料と使用すると効率的である。
【００２８】
温度は、任意の熱管理システムによって、蒸発器内で制御する。このシステムには、限定するわけではないが、ストリップヒータ、放射ヒータ、液体循環ヒータ、抵抗加熱システム、誘導加熱システム等の、温度操作を制御するために構成され配置されたものが含まれる。
【００２９】
本発明の一実施形態において、少なくとも１つの抵抗器２０、好ましくは少なくとも４つの抵抗器（抵抗加熱要素）が、伝導性ブロックの垂直外側表面に配置され、封入された材料を蒸発するための十分な熱、および伝導性ブロックの全容積を通して安定した温度を供給する。
【００３０】
さらに、抵抗器を遮断バルブ２６の上に配置し、管２４および遮断バルブが、バルブにおけるまたは蒸発器と堆積システム２８間のフロー経路における蒸気堆積を減少する温度に、確実に維持されるようにしてもよい。当業者は、蒸発器の温度を調節して、各特定の源材料に対し、最良の結果を達成することができるであろう。
【００３１】
伝導性ブロック内の温度は、熱電対３０もしくはサーミスタ、または熱伝導性ブロックの表面に接触するように配置された、任意の他の適切な温度感知接合器もしくは装置で感知する。したがって、このシステムには、図示のように、温度制御装置を含むようにしてもよい。この装置は、図４の配線図に従い、熱電対３０を介して伝導性ブロックから入力温度を入手し、抵抗器２０に制御信号を出力して、伝導性ブロックが適切な温度に加熱、維持されるようにする。
【００３２】
別の実施形態において、伝導性ブロックには、蒸発器内の内容を判定するために配置される窓を含んでもよい。適切な物質には、窓での蒸気の凝固および堆積を最小限にするために十分な熱伝導率のある、たとえば、ダイヤモンド、サファイア、シリコンカーバイド、透明セラミック物質等を始めとする透明物質が含まれる。
【００３３】
本発明の蒸発器システムを使用する方法には、材料１６を、熱伝導性ブロック１４内の細長いウェル１２に導入することが含まれる。一体として構成するのが好ましい密閉蓋２２および遮断バルブ２６は、伝導性ブロックの上部に配置され、またねじ２３などのオーリング部品および機械的な留め具によるなどして、伝導性ブロックにしっかり締め付けるのが好ましい。電気抵抗器２０が係合され、内部温度を、封入された材料を蒸発するのに十分な温度まで高くする。バルブ２６は、直径が約２ｍｍから約１０ｍｍの範囲のオリフィスを備えており、蒸発した材料を堆積ユニット２８へ送出するために開かれている。
【００３４】
本発明を、つぎに続く特定の、非限定的な実施例に関連して、さらに説明する。
【実施例】
【００３５】
実施例１
デカボランを、本発明に従って構成した蒸発器に導入した。蒸発器を異なる温度に加熱し、遮断バルブ内で様々なサイズのオリフィスを使用して、下流の堆積または注入システムへの、デカボランの最適で持続可能な流量を測定した。最大の達成可能流量は、表１に示す（表に載せた温度はすべて、蒸発器温度である）。
【００３６】
【表１】
2005530031.tif 000002
【００３７】
前記の結果が示すところによると、本発明の教示に従って蒸発されたデカボランは、オリフィスサイズが増加するにつれて、持続可能で連続的なフローを供給した。多数の細長いウェルによって、源材料と接触する表面領域が効率的に増加され、それに対応して、下流の堆積または注入システムへ送られる、増加した量の蒸発した材料が生み出された。
本発明を、本明細書において例示的な実施形態および特徴と関連して様々に開示してきたが、本明細書の上記で開示した実施形態および特徴は、本発明を限定するものではなく、他の変更、修正および他の実施形態が、当業者には思い浮かぶであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲と一致して、広く解釈すべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による蒸発器の側面図である。
【図２】本発明による熱伝導性ブロックに形成された多数の細長いウェルの平面図である。
【図３】図２における熱伝導性ブロックの斜視図である。
【図４】本発明の例示的な一実施形態による、加熱要素および制御装置の配線図である。
【図２】
2005530031.tif 000003
【図３】
2005530031.tif 000004
【図１】
2005530031.tif 000005
【図４】
2005530031.tif 000006
【国際調査報告】
2005530031.tif 000007