(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) イオン化領域(R) と境を接するチャンバ壁(130) を有し、イオンを排出するための出口開口(78)を備える閉塞室(76)と、
(b) この閉塞室(76)にイオン化可能な材料を配給するための配給装置と、
(c) イオンが前記閉塞室(76)を出るときにイオンビームを形成するために、前記閉塞室(76)を所定の位置に支持する構造体と、
(d) イオン化電子を前記閉塞室(76)のイオン化領域(R) に放出し、このイオン化領域(R) 内にイオンを発生させるために、前記閉塞室(76)のイオン化領域に対して配置されているカソード(124) とを備えており、
前記カソード(124) は、電気的に絶縁されたカソード本体(300) に配置した熱源(178) を含み、このカソード本体(300) は、第１チューブ(162) と、前記熱源(178) に隣接して前記第１チューブの先端部(308) に支持されるエンドキャップ(164) とを含み、このエンドキャップ(164) は、前記熱源(178) が熱せられると、イオン化電子を前記閉塞室(76)のイオン化領域(R) に放出しており、
さらに、
(e) 前記エンドキャップ(164) は、第１端(320) と、本体部分(324) を介して離れた第２端(322) とを含み、かつ前記本体部分から外側に伸びて半径方向に突出する支持体(326) を有し、この支持体は、第１チューブ(162) の内側表面(301) に接触し、エンドキャップ(164) を第１チューブ(162) の先端部(308) 内に支持し、前記半径方向に突出する支持体(326) が本体部分(324) の軸方向延長部より短い軸方向厚さを有していることを特徴とする、イオン注入機に用いるためのイオン源。
【請求項２】
エンドキャップ(164) は、タングステンで作られ、エンドキャップ(164) の支持体(326) は、エンドキャップの本体部分(324) から外側に突出するリムを含んでいることを特徴とする請求項１のイオン源。
【請求項３】
リム(326) の外周面は、第１チューブ(162) の内側表面(301) に接触し、前記第１チューブの先端部(308) 内にエンドキャップ(164) を支持することを特徴とする請求項２のイオン源。
【請求項４】
第１チューブ(162) の先端部(308) は、半径方向内方に突出するリッジ(314)有する部分と、前記リッジ(314) に接触するリム(326) の外周面を含み、前記第１チューブの先端部(308) 内にエンドキャップ(164) を支持することを特徴とする請求項３のイオン源。
【請求項５】
エンドキャップ(164) の第１端(320) は、熱源(178) に隣接配置され、エンドキャップ(164) の第２端(322) は、閉塞室(76)の開口(158) を通って伸びており、イオン化電子をイオン化領域(R) 内に放出することを特徴とする請求項１のイオン源。
【請求項６】
熱源(178) は、絶縁ブロック(150) によって支持されるフィラメントであることを特徴とする請求項１のイオン源。
【請求項７】
第１チューブ(162) の外側表面(302) は、金属製取付ブロック(152) に螺合するねじ部(163) を備えて、カソード本体(300) を支持し、前記取付ブロック(152) は、絶縁ブロック(150) に固定されていることを特徴とする請求項６のイオン源。
【請求項８】
カソード本体(300) は、さらに第１チューブ(162) と同軸に配置され、かつ第１チューブの先端部(308) の少なくとも一部分に重なっている第２チューブ(160) を有することを特徴とする請求項１のイオン源。
【請求項９】
第１チューブ(162) の外側表面(302) は、ねじ部(163) を有し、第２チューブ(160) の内側表面(304) は、第１チューブ(162) に螺合するねじ部(161) を有することを特徴とする請求項８のイオン源。
【請求項１０】
カソード本体(300) の少なくとも一部分は、閉塞室(76)の開口(158) を通ってイオン化領域(R) 内に伸びていることを特徴とする請求項１のイオン源。
【請求項１１】
ガス分子をイオン化するため、閉塞室(76)のイオン化領域(R) 内にイオン化電子を放出するカソード(124) であって、
(a) 第１チューブ(162) と、この第１チューブ(162) の先端部(308) に支持されて電子を放出するエンドキャップ(164) とを含むカソード本体(300) と、
(b) 前記エンドキャップに隣接して前記第１チューブ(162) 内に配置されるとともに前記カソード本体(300) から電気的に絶縁され、前記エンドキャップ(164) を加熱してイオン化電子を放出させる熱源(178) と、
(c) 第１端(320) と、本体部分(324) を介して離れた第２端(322) とを含み、かつ前記本体部分(324) から外側に伸びて半径方向に突出する支持体(326) を有し、この支持体は、第１チューブ(162) の内側表面(301) に接触し、エンドキャップ(164) を第１チューブ(162) の先端部(308) 内に支持し、前記半径方向に突出する支持体(326) が本体部分(324) の軸方向厚さよりも短い軸方向厚さを有していることを特徴とする、イオン注入機に用いるためのカソード。
【請求項１２】
エンドキャップ(164) は、タングステンで作られ、エンドキャップ(164) の支持体(326) は、エンドキャップの本体部分(324) から外側に突出するリムを含んでいることを特徴とする請求項１１のカソード。
【請求項１３】
リム(326) の外周面は、第１チューブ(162) の内側表面(301) に接触し、前記第１チューブの先端部(308) 内にエンドキャップ(164) を支持することを特徴とする請求項１２のカソード。
【請求項１４】
第１チューブ(162) の先端部(308) は、半径方向内方に突出するリッジ(314)有する領域(312) と、前記リッジ(314) に接触するリム(326) の外周面を含み、前記第１チューブの先端部(308) 内にエンドキャップ(164) を支持することを特徴とする請求項１３のカソード。
【請求項１５】
エンドキャップ(164) の第１端(320) は、熱源(178) に隣接配置され、エンドキャップ(164) の第２端(322) は、閉塞室(76)の開口(158) を通って伸びており、イオン化電子をイオン化領域(R) 内に放出することを特徴とする請求項１１のカソード。
【請求項１６】
熱源(178) は、絶縁ブロック(150) によって支持されるフィラメントであることを特徴とする請求項１５のカソード。
【請求項１７】
第１チューブ(162) の外側表面(302) は、金属製取付ブロック(152) に螺合するねじ部(163) を備えて、カソード本体(300) を支持し、前記取付ブロック(152) は、絶縁ブロック(150) に固定されていることを特徴とする請求項１６のカソード。
【請求項１８】
カソード本体(300) は、さらに第１チューブ(162) と同軸に配置され、かつ第１チューブの先端部(308) の少なくとも一部分に重なっている第２チューブ(160) を有することを特徴とする請求項１１のカソード。
【請求項１９】
第１チューブ(162) の外側表面(302) は、ねじ部(163) を有し、第２チューブ(160) の内側表面(304) は、第１チューブ(162) に螺合するねじ部(161) を有することを特徴とする請求項１８のカソード。
【請求項２０】
カソード本体(300) の少なくとも一部分は、閉塞室(76)の開口(158) を通ってイオン化領域(R) 内に伸びていることを特徴とする請求項１１のカソード。
【請求項２１】
イオン化電子を閉塞室(76)のイオン化領域(R) 内に放出し、このイオン化領域(R) 内にイオンを発生させるために、第１チューブ(162) の先端部(308) 内に支持されたカソード本体のエンドキャップ(164) であって、
第１端(320) と、本体部分(324) を介して離れた第２端(322) とを含み、かつ前記本体部分から外側に伸びて半径方向に突出する支持体(326) を有し、前記エンドキャップ(164) の第２端(322)は、閉塞室(76)のイオン化領域(R) に対して配置されて、イオン化領域(R) 内にイオン化電子を放出し、また、エンドキャップ(164) の第１端(320)は、熱源(178) に隣接しており、
さらに、エンドキャップ(164) は、熱源(178) により加熱されるとき、前記閉塞室(76)のイオン化領域(R) 内にイオン化電子を放出し、エンドキャップ(164) の半径方向に突出する支持体(326) が、第１チューブ(162) の内側表面(301) に接触して、エンドキャップ(164) を第１チューブ(162) の先端部(308) 内に支持し、かつエンドキャップの本体部分(324) の軸方向延長部より短い軸方向厚さを有していることを特徴とする、イオン注入機に用いるためのエンドキャップ。
【請求項２２】
エンドキャップ(164) は、タングステンで作られ、エンドキャップ(164) の半径方向に突出する支持体(326) は、エンドキャップの本体部分(324) から外側に突出するリムを含んでいることを特徴とする請求項２１のエンドキャップ。
【請求項２３】
リム（326）の外周面は、第１チューブ(162) の内側表面(301) に接触し、前記第１チューブの先端部(308) 内にエンドキャップ(164) を支持することを特徴とする請求項２２のエンドキャップ。
【請求項２４】
第１チューブ(162) の先端部(308) は、半径方向内方に突出するリッジ(314)を有する内孔領域(312) を含み、前記リムの外周面が前記リッジ(314) に接触し、前記エンドキャップのリム形状の前記支持体(326)は、前記内孔領域(312) と境を接する第１チューブ(162) の内側表面上に形成される半径方向内方に伸びる段部(316) に接触して、前記第１チューブの先端部(308) 内にエンドキャップ(164) を支持することを特徴とする請求項２３のエンドキャップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工品のビーム処理用のイオンビームを形成するために、イオンを放出するイオン発生源を有する注入機に関し、特に、イオン発生源を有する間接的に加熱されたカソードのためのエンドキャップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入機は、ウエハにイオンビームを衝突させることによってシリコンウエハを処理するために使用されてきた。このイオンビームは、半導体ウエハを制御された不純物濃度にドーピングして、順次、集積回路を製造するために使用される半導体ウエハを生産する。
【０００３】
このようなイオン注入機の重要なファクターの１つは、所定時間で処理できるウエハの処理量すなわち数である。高電流イオン注入機は、イオンビームが通過する多数のシリコンウエハを移動するための回転ディスク支持体を有する。イオンビームの中で、この支持体がウエハを回転するとき、イオンビームはウエハ表面に衝突する。中電流イオン注入機は、１度に１つのウエハを処理する。複数のウエハがカセット内に支持され、１度に１つのウエハが引き出され、そして、１つのプラテン上に載置される。
【０００４】
このウエハは、注入方向に向けられ、イオンビームが単一ウエハに衝突する。これらの中電流イオン注入機は、初期軌道から比較的狭いビームを偏向する電気的に整形したイオンビームを用いて、全ウエハ表面を選択的にドーピングまたは処理する。
【０００５】
イオンビームを発生するイオン源は、一般的に使用とともに減退する傾向にある加熱フィラメントのカソードを有する。十分な効率でイオンを再び発生することができるように、比較的短い使用時間の後に、カソードフィラメントは取り替えなければならない。カソードフィラメントの取り替え間隔を最大にすることは、時間当りに注入されるウエハの量が増加し、その結果、注入機の効率が増加する。
【０００６】
スフェリアッゾ(Sferiazzo) 等に付与された米国特許第５，４９７，００６号は、基台により支持されかつイオン化電子を閉塞室内に放出するためにこの閉塞室すなわちアーク室に対して配置されたカソードを有するイオン源を開示している。この特許のカソードは、閉塞室内に部分的に伸びるエンドキャップと筒状の導電性カソード本体である。フィラメントは筒状の本体内に支持され、電子を放出する。この電子放出は、電子衝突を介してエンドキャップを加熱してイオン化電子を熱イオン的に閉塞室内に放出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、イオン注入機に用いる新規で改良されたイオン発生源、カソード及びそのエンドキャップを提供することを目的としている。このイオン発生源、即ちイオン源は、プラズマ流からカソードフィラメントを遮蔽するカソードを用いる。このカソードは、従来のイオン注入機の場合と比較して寿命が長い。また、本発明のカソードは、沈下したカソードに比較するとプラズマイオンによるスパッタリングに対して強固である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に従うイオン源は、請求項に記載の各構成を有する。請求項１によれば、イオン源は、ガスイオン化領域と境を接するチャンバ壁を有し、かつイオンを排出させるための出口開口を備える閉塞室を含んでいる。ガス配給装置がイオン化可能ガスを閉塞室に配給する。支持体は、イオンが閉塞室を出る時にイオンビームを形成するための構造体に対して所定の位置に閉塞室を支持する。
【０００９】
カソードは、イオン化電子を閉塞室のイオン化領域に放出するために、閉塞室のイオン化領域に対して位置づけられている。絶縁体は、このカソードを支持するために閉塞室に取り付けられ、カソードを閉塞室から電気的に絶縁する。また、カソードは、内部領域と境を接しかつ閉塞室の内部に伸びる外側表面を有する、導電性のカソード本体を含んでいる。フィラメントは、カソード本体の内部領域内の位置で絶縁体によって支持され、カソード本体のエンドキャップを加熱し、イオン化電子がこのエンドキャップから閉塞室内に放出される。
【００１０】
絶縁体とカソードは閉塞室に対して位置合わせされ、フィラメントがカソード本体から電気的に分離される。この好ましい絶縁体は、アルミナから構成されたセラミックブロックである。この絶縁ブロックは、絶縁本体の露出面から内側に伸びる切欠き部を形成する絶縁本体を有し、イオン源の作動中、イオン源によって放出された材料により露出面が被覆されるのを防ぐ。この絶縁体の構造は、ブロック上に導電材料を堆積させることによるイオン源の性能劣化を低減する。
【００１１】
カソード本体は、内側筒状部材、即ち内側チューブ（第１チューブ）と、外側筒状部材、即ち外側チューブ（第２チューブ）及びエンドキャップを含んでいる。このカソード本体の先端部は、開口を通過してガス閉塞室内に伸びている。カソード本体は、金属製の取付ブロックによって支持され、このブロックは絶縁体に固定されている。
【００１２】
内側筒状部材は、モリブデン合金からなることが好ましく、加熱されたカソードと金属製取付ブロックの間の熱伝達を遮断する機能を有する。この内側筒状部材は、その外側面にねじ部を有し、金属取付ブロック内にねじ切りされている。
【００１３】
さらに、内側筒状部材の先端部の内面は、内孔領域を形成するように穿孔され、この領域にエンドキャップを受け入れるもので、テーパー状の放射フィンまたは内方に伸びているリッジ(ridge) を有する。
【００１４】
外側筒状部材もまた、モリブデン合金からなることが好ましく、ガス閉塞室における励起したプラズマから内側筒状部材を保護する機能を有する。この外側筒状部材は、その内側表面にねじ部を有し、内側筒状部材に螺合して所定に位置に外側筒状部材を保持する。
【００１５】
エンドキャップは、円筒形状で、第１端と、本体部分を介して離れた第２端を有する。この本体部分は、その中央部分から外側に伸びている放射フィンを有する。好ましくは、エンドキャップは、加工したタングステン(wrought tungsten)からなっている。このエンドキャップは、内側筒状部材の内孔の先端部に圧入嵌合される。エンドキャップリムの外周面は、内側筒状部材の内面の半径方向内方に伸びるリッジに締まりばめされ、そして、このリムの端縁は、内孔領域の端部により形成される内面の段部に位置し、内側筒状部材の先端部の適所に保持される。
【００１６】
フィラメントは、内側筒状部材に配置されたエンドキャップの第１端に隣接し、一方、エンドキャップの第２端、即ち、放出端は、内側筒状部材の先端部を越えてガス閉塞室内に伸びている。
【００１７】
フィラメントが励起すると、エンドキャップは加熱され、そして、放出端からガス閉塞室内に電子を放出する。エンドキャップと内側筒状部材の間の接触領域は、リムの小さな部分に制限される。このエンドキャップと内側筒状部材の間の小さな接触領域により、エンドキャップから内側筒状部材への熱伝達が最小化され、また、内側筒状部材に螺合した外側筒状部材および金属取付ブロックへの熱伝達も最小化される。これにより、フィラメントの熱効率を増加させるとともに、部品の寿命を向上させる。
【００１８】
さらに、エンドキャップから伸びているリムにより、内側筒状部材の横断面積に比較してエンドキャップの円筒状本体部分の横断面積をかなり減少させることができる（横断面積において約５０％低減する）。
【００１９】
エンドキャップのこの減少した横断面積は、フィラメントの加熱パワーをより効率良くし、そのために、少ないパワーで、与えられた所望のアーク電流を得ることができる。さらに、与えられたフィラメントのパワーレベルに対して、エンドキャップの第２端、即ち、放出端の横断面積によって、ガス閉塞室内に流れるアーク電流の電流密度を増加し、さらに、より高い放出端温度をもたらす。この増加した電流密度とより高い放出端温度によって、(a) 単独に荷電されたイオンの分離作用（例えば、ＢＦ3 およびＢＦ2 の分離作用）及び(b) 増加した多数の荷電イオンの製造（例えば、増加したＢ＋＋及びＢ＋＋＋の製造）が提供される。
【００２０】
さらなる本発明の特徴は、当業者であれば、以下の記載及びこれに付随する図面を参照した本発明の好適な実施の形態についての詳細な説明から明白となるであろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はイオンビーム注入機１０を示しており、この注入機は、本発明に係るイオン源１２と、高電圧ハウジング１６に支持されたビーム用の質量分析磁石１４とを有する。イオン源１２から放出されるイオンビーム２０は、ハウジング１６の外に出る制御された軌道経路を通って排気管１８を介してイオン注入室２２に入る。イオン源１２から注入室２２へのイオンビーム２０の軌道経路に沿って、イオンビームは形を整え、濾過され、そして加速されて所望の注入エネルギーになる。
【００２２】
分析磁石１４は、適当な質量対電荷比を備えたイオンだけをイオン注入室２２に到達できるようにさせる。イオンビーム２０がハウジング１６を出る領域では、イオンビームは、高電圧ハウジング１６をイオン注入室２２から分離する電気絶縁材料で作られた高電圧分離用ブッシュ２６を通過する。
【００２３】
イオン注入室２２は移動可能な基台２８上に支持され、イオンビーム２０に対して注入室が軸合わせできるようになっている。１つ以上のシリコンウエハが、軸線４２の回りに回転するように取り付けられたウエハ支持体４０上に支持され、このウエハにイオンビーム２０が衝突する。ウエハ支持体４０は、その外周回りに多数のシリコンウエハを支持し、これらのウエハを円形経路に沿って移動する。
【００２４】
イオンビーム２０は、各ウエハに衝突し、選択的にウエハにイオン不純物をドーピングする。支持体とウエハを回転するモータ５０によって、ウエハ支持体の高速回転が発生する。リニア駆動部５２によってウエハ支持体４０は、注入室２２内を前後に移動して位置決めされる。このウエハ支持体４０は、未処理のウエハが注入室２２内に移動でき、かつウエハをこの注入室から引き出すことができるように配置されている。
【００２５】
従来のイオン注入システムに関して詳細な点は、アームストロング(Armstrong) 等に付与されかつ本出願人に譲渡された米国特許第４，６７２，２１０号に記載されており、これらの主要構成は、ここに参考文献として包含される。
【００２６】
シリコンウエハは、ロボットアーム７０によって真空ポート７１を介してイオン注入室２２内に挿入される。この注入室２２は、排気チューブ１８に沿う圧力に等しい低い圧力に真空ポンプ７２によって排気されている。ロボットアーム７０は、ウエハを収納するためにカセット７３との間でウエハを出し入れする。この移送を実現する機構は、従来から良く知られている。付加的な真空ポンプ７４，７５がイオン源１２からイオン注入室２２へのイオンビーム通路を排気する。
【００２７】
イオン源１２は、高密度のプラズマアーク室（閉塞室）７６（図２参照）を含み、このアーク室７６は、前壁に設けた細長く、ほぼ楕円形状の出口開口７８を有して、この開口を介してイオン源（図４参照）からのイオンを放出する。アーク室７６は、高電流ハウジング１６内に支持されたフランジ８２に取付けられたほぼ円筒のイオン源ハウジング８０によって、イオンビーム通路に対して位置決められている。
【００２８】
更なる詳細なイオン源の１つの従来例については、ベンベニステ(Benveniste)等に付与され、本出願人に譲渡された米国特許第５，０２６，９９７号に開示されており、これらは、ここに参考文献として包含される。イオンがプラズマアーク室７６から放出されると、これらのイオンは、このアーク室から離れて出口開口の直ぐ外側に配置された引出し電極（図１参照）９０によって設定された電界により加速される。
【００２９】
分析磁石１４は、磁界を発生して正しい質量を有するイオンを注入軌道に偏向させる。これらのイオンは、分析磁石１４を出て、注入室２２に導く軌道経路に沿って加速される。注入コントローラ８２は、高電圧ハウジング１６内に配置され磁界巻線に流れる電流を制御することによって分析磁石１４の磁界の強さを調整する。
【００３０】
イオン源１２は、イオン注入に用いられるイオンとは異なる質量の多くのイオンを作り出す。これらの望まないイオンは分析磁石によって偏向され、注入軌道からは外れる。重いイオンが大きい半径軌道に従う。例えば、注入に用いられたイオンよりも軽いイオンはより小さい半径軌道に従う。
【００３１】
イオン源
本発明に係るイオン源１２（図２〜図５参照）は、イオン源ハウジング８０の後壁８２によって支持されるイオン源ブロック（支持体）１２０を含んでいる。このイオン源ブロックは、プラズマアーク室７６を支持し、かつ本発明の好ましい形態ではアーク室７６から電気的に離れて支持されている電子放出カソード１２４を支持する。
【００３２】
図示されていないイオン源用磁石は、プラズマアーク室７６（図１６ないし図２０参照）を取り巻き、注入室７６内の狭く抑制された軌道経路にプラズマ発生電子を閉じ込める。イオン源ブロック１２０は、蒸気オーブン１２２，１２３を収容するキャビティを形成しており、このオーブンはガスに気化され、そして配給ノズル１２６，１２８によってプラズマアーク室７６に噴射されるひ素等の気化可能な固体が満たされている。
【００３３】
プラズマアーク室７６は、金属製の細長い構造体であり、チャンバ壁を構成する、２つの細長い側壁１３０ｂ、頂部壁１３０ｃ、底部壁１３０ｄ、及びイオン化領域Ｒと接触するプレート１３２を形成する前壁によって定められた内部イオン化領域Ｒを形成している。このアーク室には、２つの側壁１３０ａ，１３０ｂから外側に延出する支持フランジ１３４がアーク室を取り付けるために設けられている。
【００３４】
プレート１３２は、イオン源ハウジング８０に対して軸合わせされている。トルーエイラ(Trueira) 等に付与され、本出願人に譲渡されかつここに参考文献として包含された米国特許第５，４２０，４１５号に記載されているように、プレート１３２は、イオン源ハウジング８０に取り付けられる整合用固定具９５（図３及び図４参照）に取付られている。要するに、この整合固定具９５は、その固定面がイオンビーム軸に対して垂直であるようにイオン源ハウジング８０内に挿入される。この整合用固定具９５が適所に置かれると、イオン源は、整合用固定具９５に取り付けられた丸いヘッドピンＰ（図４参照）上に捕られることによって、整合用固定具９５に連結される。
【００３５】
４つの細長いボルト１３６がフランジ１３４内の４つの孔１３８を貫通してイオン源ブロック１２０のねじ孔１４０に螺合する。ボルト１３６はブッシュ１４６（図１０参照）を貫通し、バネ１４８がイオン源ブロック１２０から離れる方向にアーク室７８を付勢し、整合用固定具９５によってアーク室７８を捕捉することが容易となる。
【００３６】
４つのピン１４９（図１０にはそのうちの１つのみが見える。）がアーク室のフランジ１３２の４つのコーナーにある開口１５１を通過して伸びている。これらのピンは、ばね１５２によってイオン源ブロック１２０から離れる方向にばね付勢されている。わずかに大きくなったピンの端部１４９ａは、プレート１３２内に嵌り、このプレートとアーク室７６とが一体に連結される。
【００３７】
気化材料は、配給ノズル１２６，１２８によって、支持ブロック１２０からプラズマアーク室の内部に射出される。アーク室の両側の通路１４１は、チャンバ本体を介してチャンバ後方から伸びてプラズマアーク室の内部に開口する。さらに、ガスは、チャンバの後壁１３０ｅにあるポート、即ち、開口１４２によっアーク室７６内に直接導かれる。ノズル１４４は、開口１４２に接しており、ガスをイオン源の外部にある供給源からアーク室７６内に直接噴射する。
【００３８】
開口１５８（図１０及び図２０参照）を形成する壁１３０ｄは、カソード１２４（図２参照）が壁１３０ｄに触れることなくプラズマアーク室７６の内部に伸びることができるように寸法づけられる。このカソード１２４は、絶縁ブロック１５０によって支持され、絶縁ブロックは、アーク室の後壁に取付られる。カソード１２４は、アーク室の開口１５８に嵌り込むカソード本体３００（図６参照）を含んでいる。このカソード本体３００は、絶縁ブロック１５０によって支持された金属製取付プレート１５２（図６及び図１０参照）に取付られる。
【００３９】
カソード本体３００は、３つの金属部材、すなわち、第２チューブとしての外側チューブ（外側筒状部材）１６０、第１チューブとしての内側チューブ（内側筒状部材）１６２、及びエンドキャップ１６４から構成されている。カソード本体３００の外側筒状部材１６０は、好ましくはモリブデン合金材料から作られ、かつアーク室７６内で励起したプラズマから内側筒状部材１６２を保護する機能を有する。
【００４０】
また、この内部筒状部材１６２も好ましくは、モリブデン合金材料から作られ、エンドキャップ１６４を支持する機能を有する。この内側筒状部材１６２は、内側領域、すなわち空洞部Ｃを形成する内側表面３０１と、図８Ｂに良く見られるように外側表面３０２とを有しており、空洞部Ｃ内にタングステン線のフィラメント（熱源）１７８が配置され、また外側表面３０２には、ねじ切りされた下端部、すなわち基端部１６３を有する。
【００４１】
このねじ付き下端部１６３は、取付プレート１５２内のねじ孔１６７に螺合し、カソード本体３００を取付プレート１５２（図６参照）に固定する。外側筒状部材１６０の内側表面３０４の下端部すなわち基端部１６１もまたねじ切りされている。
【００４２】
図６で見られるように、この外側筒状部材の下端部１６１は、外側筒状部材１６０の基端部３０６が取付プレート１５２に当接するように、内側筒状部材のねじ付き下端部１６３に螺合する。外側筒状部材１６０及び内側筒状部材１６１は、好ましくは円筒形である。カソード１２４が組み付けられると、フィラメント１７８の先端部は、エンドキャップから、約０．０３０インチ（０．７６２mm）離れている。
【００４３】
図８Ｂに見られるように、内側筒状部材１６２の上部すなわち先端部３０８は、好ましくは、等間隔の６つの半径方向スロット３１０を有し、このスロットは、好ましくは、その幅が０．０２０インチ（０．５０８mm）で、深さが０．０６０インチ（１．５２４mm）である。図７Ａ，図８Ａに見られるように、先端部３０８に隣接する内側筒状部材１６２の内側表面３０１には、エンドキャップ１６４を受け入れる内孔が形成されている。
【００４４】
内側表面３０１の内孔領域３１２は、半径方向内方に伸びるテーパー状となった放射フィンすなわちリッジ３１４を有する。このリッジ３１４の端縁のテーパー角度は、垂直線に対して約３０°である。内側筒状部材１６２の内孔領域３１２は、内側筒状部材の残りの部分の壁厚さに比較して減少した壁厚さを有するので、内孔領域の境界部すなわち端部に段部３１６が形成される。この段部３１６は、先端部３０８より約０．０６５インチ（１．６５１mm）下方にある。
【００４５】
図７Ａに見られるように、エンドキャップ１６４は、内側筒状部材１６２内に圧入嵌合されるとき、エンドキャップ１６４は、内側筒状部材のテーパー状のリッジ３１４及び段部３１６上に支持されている。図８Ａにおいて、内側筒状部材１６２の適正な寸法は以下の通りである。
0003924736.tif 000002
２つの導電性取付アーム１７０，１７１は、カソードの内側筒状部材１６２内にタングステン線のフィラメント１７８を支持する。このアーム１７０，１７１は、コネクタ１７２（図７参照）によって絶縁ブロック１５０に直接取付けられており、コネクタ１７２はアームを貫通して絶縁ブロック１５０に設けたねじ付き孔に螺合する。導電性の励起バンド１７３，１７４はフィラメントに結合されて、電力供給用フィードスルー１７５，１７６を介してハウジング８０のフランジ８２を通って導かれた信号によって励起する。
【００４６】
２つのクランプ部１７７ａ，１７７ｂは、カソード本体３００の最内側の筒状部材１６２によって形成された空洞部Ｃ内にあるタングステンフィラメント１７８を固定する。このフィラメント１７８は、らせんループ（図５参照）に形成するように曲げられたタングステンワイヤにより作られる。フィラメント１７８の両端部は、第１，第２のタンタル製の脚部１７９ａ，１７９ｂによって支持され、この脚部は、クランプ部１７７ａ，１７７ｂによって２つのアーム１７０，１７１と電気的に接触している。
【００４７】
タングステンワイヤのフィラメント１７８が、電力供給用フィードスルー１７５，１７６間の差電圧が付加されることにより励起されると、フィラメントは、カソード１２４のエンドキャップ１６４に向けて加速され、そして衝突する電子を放出する。
【００４８】
エンドキャップ１６４が電子衝突によって十分加熱されると、電子をアーク室７６内に放出し、この室内でガス分子を衝突させ、イオンを作り出す。イオンプラズマが形成され、このプラズマ内のイオンがイオンビームを形成するために開口７８から放出される。エンドキャップ１６４は、フィラメント１７８が室内のイオンプラズマと接触しないように遮蔽し、フィラメントの寿命を伸ばす。さらに、フィラメントをカソード本体３００内に支持する方法により、フィラメントの交換を容易にする。
【００４９】
反射電極(repeller)１８０
カソード１２４によって発生する電子は、アーク室７６内に放出されるが、ガスイオン化領域内のガス分子が反射電極１８０（図２参照）の近くに移動するように引き付けはしない。反射電極１８０は、アーク室７６内に配置された金属部材１８１（図１０参照）を含み、このアーク室は、ガス分子と接触するためにガスイオン化領域内に戻るように電子を反射させる。この金属部材１８１は、モリブデンで作られている。セラミック絶縁体１８２は、プラズマアーク室７６の下方壁１３０ｃの電圧から反射電極部材１８１を絶縁する。カソード１２４と反射電極１８０は、アーク室の壁面から電気的かつ熱的に分離されている。イオンが絶縁体１８２を被覆するのを防止する金属キャップ１８４によって、反射電極部材１８１の短絡が防止される。
【００５０】
アーク室７６の壁面は、局部接地電位または基準電位に保持される。エンドキャップ１６４を含むカソード１４２は、アーク室の壁の局部接地電位よりも低い５０〜１５０ボルトの範囲の電位に保持される。カソード本体３００を支持するプレート１５２に電気導体１８７（図３参照）を取り付けることによって、この電位は、電力供給用フィードスルーによりプレート１５２に伝達される。フィラメント１７８は、エンドキャップ１６４のそれより低い２００〜６００ボルトの電圧範囲に保持される。フィラメント１７８とカソード本体３００との間の大きな差電圧は、エンドキャップ１６４を十分に加熱するフィラメントをそのままにして、電子に高いエネルギーを分与する。反射電極部材１８１は、アーク室７６内のガスプラズマの電位で浮動できるようになっている。
【００５１】
スフェリアッゾ(Sferiazzo) 等に付与された米国特許第５，４９７，００６号は、カソードとアノード（アーク室のチャンバ壁）の間のアーク電流を制御する回路の概略を記述している。この回路の作動も、上記米国特許に記載されており、これらもここに包含される。イオンの発生中に、イオン源は、イオン化エネルギーをアーク室内に噴射することにより熱くなる。このエネルギーの全てがアーク室内のガスをイオン化できるわけではなく、ある程度の熱が発生する。アーク室は、イオン源ブロック内に冷却水を導き、熱せられた水がアーク室の領域から離れるように導かれる管継手１９０，１９２を有している。
【００５２】
絶縁ブロック１５０
アーク室７６からカソード１２４を絶縁するために、絶縁ブロック１５０は、フィラメント１７８がカソード本体３００に対して位置決められ、かつカソード本体はアーク室に対して位置決められている。図１１〜図１４は、より詳細な絶縁ブロック１５０を示している。
【００５３】
この絶縁ブロック１５０は、９９％純粋なアルミナ（Al2O3)から構成された細長いセラミックの電気絶縁ブロックである。この絶縁ブロック１５０は、その長さ及び幅方向に伸びたほぼ平坦な第１表面２００を有する。この第１表面２００はカソード取付けフランジ２０２（図１９参照）に係合し、ガス閉塞室すなわちアーク室７６の後壁１３０ｅから伸びている。第１表面２００とは反対側の絶縁ブロックの側面に、絶縁ブロック１５０は、カソード１２４を支持するためのほぼ平坦なカソード第１支持面２１０と、このカソードの内側筒状部材１６２に対して離間したカソードフィラメント１７８を支持するためのほぼ平坦なフィラメント第２支持面２１２とを形成している。
【００５４】
図１１の平面図から最も明らかなように、カソード支持面２１０は、２つのコーナー切欠き部２２０，２２１を有し、そこに開口２２２，２２３を有する。この開口は切欠き部によって形成された絶縁ブロック１５０の幅が減少した部分を貫通している。
【００５５】
２つのコネクタ２２４（図９参照）は、開口２２２，２２３から延在する拡径ヘッド２２５を有し、絶縁ブロック１５０をアーク室７６のフランジ２０２に取り付けられる。このコネクタ２２４は、その長さ方向に沿ってねじ切りされている。これらのコネクタは、フランジ２０２内の開口２０４（図１９参照）に螺合する。バッキングプレート２０６（図９参照）もねじ付き開口を有し、その中にコネクタが延在し、絶縁ブロック１５０をアーク室７６に確実に固定する。
【００５６】
絶縁ブロック１５０がアーク室７６に取付られるとき、ほぼ平坦な第１表面２００は、アーク室の後壁１３０ｅに対してほぼ垂直となる角度に伸びている。２つの位置決めピン２０３は、フランジ２０２の表面２０２ａから離れる方向に伸びている。これらのピンは、対向する孔２２６（図１３参照）に嵌合し、設置時に絶縁ブロック１５０と整合できるように、絶縁ブロック１５０の表面２００内に形成されている。
【００５７】
金属製取付プレート
図面に見られるように、３部品構成のカソード本体３００を支持する金属プレート１５２が絶縁ブロック１５０のカソード支持面２１０に対向して配置され、かつ、この表面から離れるように伸びて、カソード本体３００を孔１５８に一致できるようにする。ねじ付きコネクタ２２８は、絶縁ブロック１５０の表面２００内に２つの凹んだウエル(well)２３０（図１３参照）内に伸び、かつ絶縁ブロック１５０内の孔２３２を通過して、プレート１５２のねじ付き孔２３４（図２１参照）に嵌り込む。
【００５８】
２つの位置決めピン２３６（図２１及び図２２参照）は、取付プレート１５２によって担持される。この取付プレート１５２は絶縁ブロック１５０に取付られるので、これらのピンは、ブロック１５０内の孔２３８（図１１参照）と整合するように伸びている。これは、ブロック１５０とプレート１５２の整合を助け、カソード１２４の組立時のみならずイオン注入機の使用後のカソード１２４のメインテナンス時においても修正を容易にする。
【００５９】
プレート１５２は、ブロック１５０に取付られ、さらにこのブロックがアーク室７６に取付られると、取付プレート１５２に設けたねじ付き孔１６７（図２１参照）は、３部品のカソード本体３００をアーク室７６内の壁１３０ｄを貫通する孔１５８に対して整合するように位置決める。
【００６０】
延長されたアーム１７０，１７１の平坦な表面２４０（図９参照）は、絶縁ブロック１５０のフィラメント支持面２１２（図１４参照）によって係合しかつ支持されており、この支持面２１２は、絶縁ブロック１５０の最大厚さによって対向する表面２００から間隔を置いて離れている。ねじ付きコネクタ２５０（図５参照）は、アーム１７０，１７１に設けた孔２５２を貫通した拡径ヘッドを有し、さらに、フィラメント支持表面２１２内のねじ孔２５４内に螺合する。
【００６１】
図９に最も良く見られるように、絶縁ブロック１５０の２つの平坦な第１，第２支持面２１０，２１２の間の相対間隔は、アーム１７０，１７１の表面２４０とプレート１５２の表面２６２（鵜９及び図２１参照）との間のギャップＧを形成する。このギャップ及びセラミックの絶縁ブロック１５０が電気絶縁材料で作られた事実により、２つのアーム１７０，１７１を互いからもまたカソード本体３００を支持する取付プレート１５２からも電気的に分離する。
【００６２】
このフィラメント支持アーム１７０，１７１にある各孔は、絶縁ブロック１５０にある孔と一致し、かつカソード本体３００の内側空洞部Ｃ内のフィラメント１７８を正確に位置決める。
【００６３】
図１１ないし図１４に見られるように、セラミックの絶縁ブロック１５０は、多数の細長い溝または通路Ｎ１〜Ｎ３（図１０参照）を形成する。これらの溝は、絶縁ブロック１５０のほぼ平坦な表面を分断する、アーク室７６の近くに取付られるとき、この絶縁ブロック１５０は、電気的に導電性の堆積物で被覆される。
【００６４】
スフェリアッゾ(Sferiazzo) 等に付与された米国特許第５，４９７，００６号に開示された絶縁体は、イオン源の作動中、表面が被覆されやすい。この被覆は、イオン源の未熟アーク形成、すなわち、ショーティング(shorting)や不完全さを導くことになる。単一の絶縁ブロック１５０における通路Ｎ１ないしＮ３は、このブロック自体の陰となり、イオンが絶縁ブロック１５０を横切って連続する表面を被覆することがなく、かつそれによりアークの未成熟を低減できる。
【００６５】
カソードのエンドキャップ１６４
カソードのエンドキャップ１６４は、アーク電流をアーク室に供給する機械加工されたタングステンの熱イオン放射器である。上記スフェリアッゾの特許に開示された単純なディスク形状のエンドキャップは、この特許に示されたカソード構造と両立できる他のエンドキャップ１６４に置き換えられる。
【００６６】
カソード本体３００のエンドキャップ１６４（図１５Ａ，図１５Ｂ，図１５Ｃ参照）は、導電性の、かつ精巧なタングステン材料から作られる。このエンドキャップ１６４は、ほぼ円筒形状で、第１端３２０と、本体部分３２４によって第１端から離れた第２端３２２を有する。第１端３２０は、フィラメント１７８に隣接しかつこれにより熱せられ、一方、第２端３２２は、アーク室７６内に電子を放出する。
【００６７】
リム形状の支持体すなわちリム３２６は、本体部分３２４から半径方向外側に伸びている。エンドキャップ１６４は、内側筒状部材１６２の先端部３０８の内孔領域３１２内に圧入嵌合される。内側筒状部材１６２の内方に伸びるリッジ３１４は、エンドキャップ１６４のリム形状の支持体３２６（０．４７３インチ［１．２０cm］）の外径よりもわずかに小さい内径（０．４７２インチ［１．１９８cm］）を有する。これにより締まりばめを生じさせる。
【００６８】
エンドキャップ１６４を内側筒状部材１６２内へ容易に圧入するために、リム形状の支持体３２６のフィラメントに面する側３３０の外周縁３２８は、面取りされている。さらに、図７Ａに良く見られるように、リム形状の支持体３２６のフィラメントに面する側３３０の、面取りされた周縁３２８の丁度内側にある部分には、内側筒状部材１６２の段部３１６が設けられている。この内側筒状部材１６２は、内側表面３０１の内孔領域３１２と非内孔領域の間の境界部を形成している。
【００６９】
こうして、エンドキャップ１６４は、内側筒状部材１６２の伸長リッジ３１４とエンドキャップ１６４のリム形状の支持体３２６との締まりばめによって、段部３１６上のリム形状の支持体３２６のフィラメント対向面３３０の座部とともに、イオン注入機１０の作動中、適所に保持される。
【００７０】
エンドキャップ１６４の本体部分３２４の先端部３３２は、内側及び外側筒状部材１６２，１６０の各先端を越えてアーク室内へ上方に伸びている。また、本体部分３２４の基端部３３４は、フィラメント１７８に向かうリム形状の支持体３２６から下方に伸びている。
【００７１】
図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて、エンドキャップ１６４の適切な寸法は次のとおりである。
0003924736.tif 000003
フィラメント１７８が励起すると、エンドキャップ１６４は熱せられ、そして、第２端すなわち放出端３２２がアーク室７６内に電子を放出する。図２に良く見られるように、カソード本体３００は、第１，第２（外側及び内側）の筒状部材１６０，１６２がアーク室の壁１３０ｄに設けた開口１５８を通り、アーク室の内部領域Ｒ内に伸びるように位置決められる。エンドキャップ１６４の放出端３２２は、出口開口７８の下方端３３６にほぼ軸合わせされる。
【００７２】
エンドキャップ１６４と内側筒状部材１６２の間の小さな接触領域は、フィラメント１７８から内側及び外側筒状部材１６２，１６０及び金属製取付プレート１５２への熱伝達を最小化する。これにより、カソードの寿命を向上させる。さらに、エンドキャップ１６４の伸長リムは、エンドキャップの円筒本体部分３２４が内側筒状部材１６２の横断面積と比較してかなり減少した横断面積を有することができる。
【００７３】
内側筒状部材１６２の横断面積Ａ１は、次式に等しい。
【００７４】
0003924736.tif 000004
エンドキャップ１６４の本体部分３２４の横断面積Ａ２は、次式に等しい。
【００７５】
0003924736.tif 000005
こうして、エンドキャップ１６４の断面積は、内側筒状部材１６２の断面積のほぼ５０％である。
【００７６】
エンドキャップ１６４と内側筒状部材１６２の間の小さな接触領域は、エンドキャップ１６４から内側筒状部材と絶縁ブロック１５０への熱の伝達をかなり減少させる。さらにエンドキャップの減少した断面積により、フィラメントの熱電力をより有効に使用することができ、一般に通用する所定のパワーより少ないパワーでよい。
【００７７】
所定のフィラメントの電力レベルに対して、エンドキャップ１６４の第２端すなわち放出端３２２の断面積をより小さくすることにより、アーク室７６内に流れるアーク電流の電流密度が増加し、放出端での温度をより高くすることができる。
【００７８】
より高い電子電流密度及びより高い放出端温度の組み合わせによって、多数の荷電イオンを増殖させることになる。この増加したアーク電流密度（減少した放射領域による）とより高い放出端温度（より小さな熱量と改良されたエミッタの温度分離による）によって、(a) 単独に荷電されたイオンの分離作用（例えば、ＢＦ3 及びＢＦ2 の分離作用）及び(b) 増加した多数の荷電イオンの製造（例えば、増加したＢ＋＋及びＢ＋＋＋の製造）を効率良く行うことができる。
【００７９】
さらに、本発明に係るエンドキャップ１６４は、一定のアーク電流に対してフィラメントを励起するのに必要なパワーが少なくてすむので、フィラメントのパワーをより有効に利用できる。このエンドキャップは、現在のアーク室の制御電子機器を用いて達成されるより高いアーク電流を使用できる。
【００８０】
上述した本発明の好ましい実施の形態から、当業者であれば、改良、変更、修正ができることは明らかであろう。このような全ての改良、変更、修正は、本発明の特許請求の範囲によって包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転支持体に取付られたシリコン等の加工物をイオンビームで処理するためのイオン注入機の概略図である。
【図２】図１のイオン注入機において、イオンビームを作り出す本発明のイオン源を示す一部断面図である。
【図３】イオン源のカソードの一部を形成する遮蔽されたフィラメントを励起するための電気接続を示すイオン源の平面図である。
【図４】イオンがイオン源から出るアークスリットを示すイオン源の立面図である。
【図５】イオン源のカソードを取り付けるための構造を示す拡大平面図である。
【図６】図５の６−６線からみた図である。
【図７】７Ａは、フィラメントを取り除いた図６に示すイオン源のカソードの端部を示す拡大断面図である。７Ｂは、カソード本体の一部である内側筒状部材の先端部を示す拡大断面図である。
【図８】８Ａは、カソード本体の一部である内側筒状部材の拡大端面図であり、８Ｂは、内側筒状部材の拡大上面図である。
【図９】図５の７−７線から見た図である。
【図１０】本発明に従うイオン源の分解斜視図である。
【図１１】イオンプラズマ室からカソードを電気的に分離するために用いる絶縁ブロックの上面図である。
【図１２】図１１の平面１０−１０から見た図である。
【図１３】図１１に示された絶縁ブロックの底部平面図である。
【図１４】図１１に示された絶縁ブロックの部分的に切断してみた立面図である。
【図１５】１５Ａは、イオン源の作動中にイオン化電子をアーク室内部に放出するカソードのエンドキャップの側面図であり、１５Ｂは、エンドキャップの上面図であり、１５Ｃは、エンドキャップの底面図である。
【図１６】イオン源のアーク室を示す前面図である。
【図１７】図１６の１５−１５面からみたアーク室の図である。
【図１８】図１７の１６−１６面からみたアーク室の図である。
【図１９】図１６の１７−１７面からみたアーク室の図である。
【図２０】図１６の１８−１８面からみたアーク室の図である。
【図２１】アーク室内に配置されるカソード本体を取り付けるための取付プレートの平面図である。
【図２２】図２１の２０−２０線からみた取付プレートの図である。
【符号の説明】
１０  イオン注入機
１２  イオン源
７６  アーク室
７８  出口開口
１２４ カソード
１３０  チャンバ壁
１５０  絶縁ブロック
１６０  外側筒状部材
１６２  内側筒状部材
１６４  エンドキャップ
１７８  フィラメント
３００  カソード本体
３０１  内側表面
３０８  先端部
３２０  第１端
３２２  第２端
３２４本体部分
３２６  支持体
【図１】
0003924736.tif 000006
【図２】
0003924736.tif 000007
【図３】
0003924736.tif 000008
【図４】
0003924736.tif 000009
【図５】
0003924736.tif 000010
【図６】
0003924736.tif 000011
【図７】
0003924736.tif 000012
【図８】
0003924736.tif 000013
【図９】
0003924736.tif 000014
【図１０】
0003924736.tif 000015
【図１１】
0003924736.tif 000016
【図１２】
0003924736.tif 000017
【図１３】
0003924736.tif 000018
【図１４】
0003924736.tif 000019
【図１５】
0003924736.tif 000020
【図１６】
0003924736.tif 000021
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0003924736.tif 000025
【図２１】
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【図２２】
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