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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-15
(45)【発行日】2024-04-23
(54)【発明の名称】イオン注入システムのための熱的に絶縁された捕捉フィーチャ
(51)【国際特許分類】
H01J 27/08 20060101AFI20240416BHJP
H01J 37/08 20060101ALI20240416BHJP
H01J 37/20 20060101ALI20240416BHJP
【ＦＩ】
H01J27/08
H01J37/08
H01J37/20 A
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2022556512
(86)(22)【出願日】2021-03-05
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-05-10
(86)【国際出願番号】 US2021021052
(87)【国際公開番号】W WO2021194725
(87)【国際公開日】2021-09-30
【審査請求日】2022-11-21
(31)【優先権主張番号】16/826,921
(32)【優先日】2020-03-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】マクラフリン， アダム エム．
(72)【発明者】
【氏名】タイ， ジョーダン ビー．
【審査官】藤本 加代子
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２１３６８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－２２１６２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０８７５３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５２３５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－０２１８６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５１１２７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０３－０７７３５４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１３９７３９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３５７１５１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０１２４９０３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ２７／０８
Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
イオン源において使用するための電極であって、前記イオン源内に配置されるように適合された電極質量体であって、開口を介して当該電極質量体の外部と連通する囲まれた内部空洞を有し、前記開口は前記電極質量体を貫通して延在していない、電極質量体、並びに
ポスト及びフレア状ヘッドを有する電極ステムであって、前記フレア状ヘッドが、前記囲まれた内部空洞内に配置され、前記フレア状ヘッドの大きさが、前記開口を通過することができないほどの大きさであり、前記フレア状ヘッドは前記囲まれた内部空洞内に捕捉的に保持される、電極ステム
を備えている電極。
【請求項2】
前記電極がリペラを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項3】
前記フレア状ヘッドがディスクを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項4】
前記フレア状ヘッドが複数のスポークを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項5】
前記フレア状ヘッドが、ドーム形状、逆ドーム形状、ボール、テーパ状コーン、又は正方形を含む、請求項１に記載の電極。
【請求項6】
前記電極ステムの断面面積が、その長さに沿って減少する、請求項１に記載の電極。
【請求項7】
前記電極ステムと前記電極質量体とが互いに対して回転できないように、キーイングフィーチャをさらに備えている、請求項１に記載の電極。
【請求項8】
イオン注入システムにおいて使用するためのワークピースホルダであって、開口を介してプラテンの外部と連通する内部空洞を有する前記プラテン、並びに
シャフト及びフレア状ヘッドを有する係留ファスナであって、前記フレア状ヘッドが、前記内部空洞内に配置され、前記フレア状ヘッドの大きさが、前記開口を通過することができないほどの大きさである、係留ファスナ
を備えているワークピースホルダ。
【請求項9】
前記プラテンとベースとの間に間隔を設けるために、前記シャフト上に突出リングが配置される、請求項８に記載のワークピースホルダ。
【請求項10】
前記プラテン及び前記係留ファスナが、セラミックで構成されている、請求項８に記載のワークピースホルダ。
【請求項11】
前記係留ファスナが、前記プラテンの表面に対して直角をなして前記内部空洞から脱出する、請求項８に記載のワークピースホルダ。
【請求項12】
ベースであって、当該ベースが、貫通孔を有し、前記貫通孔を通って前記係留ファスナの前記シャフトが通過するベースをさらに備え、前記シャフトを前記ベースに固定するための保持ナットをさらに備えている、請求項８に記載のワークピースホルダ。
【請求項13】
前記プラテンと前記ベースとの間の分離を維持するために、前記係留ファスナを囲むスペーサをさらに備えている、請求項１２に記載のワークピースホルダ。
【請求項14】
前記係留ファスナが、前記プラテンの表面に対してある角度で前記内部空洞を脱出し、前記角度が直角ではない、請求項８に記載のワークピースホルダ。
【請求項15】
前記フレア状ヘッドが、シリンダを備えている、請求項８に記載のワークピースホルダ。
【請求項16】
半導体処理システムであって、イオン源、及び
構成要素であって、
内部空洞を有する本体であって、前記内部空洞が、開口を介して当該本体の外部と連通する、本体と、
フレア状ヘッドを有する係留ファスナであって、当該フレア状ヘッドが、前記内部空洞内に配置され、当該フレア状ヘッドの大きさが、前記開口を通過できないほどの大きさである、係留ファスナと
を備えた構成要素
を備えている半導体処理システム。
【請求項17】
前記構成要素が、取り付け壁又はチャンバ壁を備えている、請求項１６に記載の半導体処理システム。
【請求項18】
ライナ及び嵌合ファスナをさらに備え、前記嵌合ファスナを前記係留ファスナに取り付けることによって、前記ライナが、前記取り付け壁又は前記チャンバ壁に近接して保持される、請求項１７に記載の半導体処理システム。
【請求項19】
前記構成要素が、ライナを含む、請求項１６に記載の半導体処理システム。
【請求項20】
ねじ孔を有する壁をさらに備え、前記係留ファスナを前記ねじ孔内にねじ込むことによって、前記ライナが、前記壁に近接して保持される、請求項１９に記載の半導体処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は、熱的に絶縁された捕捉フィーチャに関し、より具体的には、イオン注入システムを用いる高温用途に使用するための捕捉フィーチャに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体処理設備で使用されるイオンを生成するために、様々な種類のイオン源が使用され得る。例えば、フリーマン型イオン源（Ｆｒｅｅｍａｎ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）は、チャンバの一端から反対側の端まで通されたフィラメントに電流を供給することによって作動する。バーナス型イオン源（Ｂｅｒｎａｓ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）及びカルトロン型イオン源（Ｃａｌｕｔｒｏｎ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）は、チャンバの一端の近くに配置されたフィラメントに電流を供給することによって作動する。これらの源では、フィラメントは熱イオン電子（ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を放出し、この熱イオン電子はチャンバ内に放出される。これらの電子は、供給ガスと衝突し、プラズマを発生させる。
【0003】
もう１つのタイプのイオン源は、間接加熱カソード（ＩＨＣ：ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ ｈｅａｔｅｄ ｃａｔｈｏｄｅ）イオン源である。ＩＨＣイオン源は、カソードの背後に配置されたフィラメントに電流を供給することによって作動する。フィラメントは熱イオン電子を放出し、これらの熱イオン電子は、カソードに向かって加速し、カソードを加熱し、次いでカソードに、イオン源のチャンバ内に向けて電子を放出させる。フィラメントはカソードによって保護されるので、バーナス型イオン源に比べて寿命が延びる場合がある。カソードは、チャンバの一端に配置される。リペラは、典型的に、カソードとは反対側のチャンバの一端に配置される。カソード及びリペラをバイアスさせることにより、電子を跳ね返し、チャンバの中心に向けて戻すことができる。幾つかの実施形態では、電子をチャンバの内部にさらに閉じ込めるために電界が使用される。
【0004】
これらのイオン源の特定の実施形態では、側部電極が、チャンバの１つ又は複数の壁にさらに配置される。これらの側部電極を正又は負にバイアスさせて、イオン及び電子の位置を制御し、チャンバの中心付近のイオン密度を増加させることができる。抽出開孔が、チャンバの中心近くの別の側部に沿って配置される。この抽出アパーチャによってイオンを抽出することができる。
【0005】
イオンを発生させたとき、所望のイオンの種が最適温度に影響を及ぼす場合がある。例えば、ある特定の種については、イオン源を比較的低温に維持することが好ましい場合がある。炭素系種のイオン化などの他の実施形態では、チャンバ内の堆積を最小限に抑えるためにより高い温度が望ましい場合もある。
【0006】
チャンバ内を高温に維持することが課題となり得る。アークチャンバ内の構成要素の温度は、多くの場合、フィラメントによって放散される電力の量によって制御されるが、各構成要素の温度は、放出される熱放射の量と、嵌合構成要素を介してこれらの構成要素から熱を奪う伝導量によって制限される。例えば、リペラ及び電極は、イオン源の外部に配置されたクランプであって、イオン源を所定の位置に保持するために使用されるクランプに取り付けられ得る。これらのクランプは、金属から構成されてもよく、アークチャンバベースのような冷却構成要素に取り付けられてもよい。この熱経路は、リペラ及び電極からの熱の逃げ道をつくることになり、リペラ及び電極が所望よりも低い温度で作動することになる。
【0007】
さらに、処理されるワークピースは、プラテン上に配置されてもよい。特定の実施形態では、プラテンを高温に維持することが有益であり得る。しかしながら、プラテンは、大型のベースとつながっていることが多い。このベースは、冷却されることが多く、プラテンから熱を奪う。さらに、高温の構成要素と低温の構成要素とが出会う場所は、応力がかなり集中する場合があり、これが故障を引き起こすことがある。
【0008】
したがって、イオン注入システム内の部品間の熱伝導を最小限に抑えるシステムが有益であり得る。このシステムは、部品を高温に維持するための電力を低減し、温度勾配を減らすことができ、より堅牢な設計を可能にする。さらに、当該システムが、これらの部品間の機械的接続も可能にすると有利である。このようにして、熱伝導を低減しながら、部品同士を機械的に取り付けることができる。
【発明の概要】
【0009】
イオン注入システムの様々な構成要素において配置された、熱的に絶縁された捕捉フィーチャが開示される。リペラ及び側部電極などの電極は、捕捉フィーチャを有するように構成されてもよく、捕捉フィーチャは電極ステムとして機能する。電極ステムのフレア状ヘッドを保持する内部空洞内に生じた間隙により、電極ステムと電極質量体との物理的接触は最小限となる。このようにして、伝導が低減されるので、電極質量体の温度は、物理的接触が最小限とならない場合に可能となる温度に比べて、高く維持することができる。さらに、この概念をワークピースホルダに適用することができる。例えば、セラミックプラテンは、プラテンをベースに固定するために使用される１つ又は複数の係留ファスナを有するように製造される。これにより、プラテンとベースとの間の熱伝導を最小限に抑え、改善された機械的接続を設けることができる。両方の場合において、捕捉フィーチャは高真空状態にある。これは、接続されている物体間の間隙にガスが存在しないことを意味する。２つの構成要素の間にガスが存在しないことにより、対流による熱伝達がなくなる。
【0010】
一実施形態によれば、イオン源において使用するための電極が開示される。電極は、イオン源内に配置されるように適合された電極質量体であって、開口を介して電極質量体の外部と連通する内部空洞を有する、電極質量体と、ポスト及びフレア状ヘッドを有する電極ステムであって、フレア状ヘッドが、内部空洞内に配置され、フレア状ヘッドの大きさが、開口を通過することができないほどの大きさである、電極ステムとを備えている。特定の実施形態では、電極は、リペラを含む。特定の実施形態では、フレア状ヘッドは、ディスクを含む。特定の実施形態では、フレア状ヘッドは、複数のスポークを含む。特定の実施形態では、フレア状ヘッドは、ドーム形状、逆ドーム形状、ボール、テーパ状コーン、又は正方形を含む。幾つかの実施形態では、電極ステムの断面面積が、その長さに沿って減少する。幾つかの実施形態では、電極は、電極ステムと電極質量体とが互いに対して回転できないように、キーイングフィーチャを備えている。
【0011】
別の実施形態によれば、イオン注入システムにおいて使用するためのワークピースホルダが開示される。ワークピースホルダは、開口を介してプラテンの外部と連通する内部空洞を有するプラテンと、シャフト及びフレア状ヘッドを有する係留ファスナであって、フレア状ヘッドが、内部空洞内に配置され、フレア状ヘッドの大きさが、開口を通過することができないほどの大きさである、係留ファスナとを備えている。特定の実施形態では、プラテンとベースとの間に間隔を設けるために、シャフト上に突出リングが配置されている。幾つかの実施形態では、プラテン及び係留ファスナは、セラミックで構成されている。特定の実施形態では、係留ファスナは、プラテンの表面に対して直角をなして内部空洞から脱出する。幾つかの実施形態では、ワークピースホルダは、ベースを備え、ベースは貫通孔を有し、貫通孔を通って係留ファスナのシャフトが通過し、ワークピースホルダは、シャフトをベースに固定するための保持ナットをさらに備えている。特定の実施形態では、ワークピースホルダは、プラテンとベースとの間の分離を維持するために、係留ファスナを囲むスペーサを備えている。幾つかの実施形態では、係留ファスナは、プラテンの表面に対してある角度で内部空洞を脱出し、当該角度は直角ではない。幾つかの実施形態では、フレア状ヘッドは、シリンダを備えている。
【0012】
別の実施形態によれば、半導体処理システムが開示される。半導体処理システムは、イオン源と、構成要素であって、内部空洞を有する本体であって、内部空洞が、開口を介して本体の外部と連通する、本体、及びフレア状ヘッドを有する係留ファスナであって、フレア状ヘッドが、内部空洞内に配置され、フレア状ヘッドの大きさが、開口を通過できないほどの大きさである、係留ファスナを備えた構成要素とを備えている。特定の実施形態では、構成要素は、取り付け壁又はチャンバ壁を備えている。特定のさらなる実施形態では、半導体処理システムは、ライナ及び嵌合ファスナを備え、嵌合ファスナを係留ファスナに取り付けることによって、ライナは、取り付け壁又はチャンバ壁に近接して保持される。別の実施形態では、構成要素は、ライナを含む。特定のさらなる実施形態では、半導体処理システムは、ねじ孔を有する壁を備え、係留ファスナをねじ孔内にねじ込むことによって、ライナは、壁に近接して保持される。
【0013】
本開示をより良く理解するために、添付の図面を参照する。これらの図面は、参照により本明細書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】一実施形態に係る、本明細書に記載されたリペラ及び電極の設計を利用し得るイオン源である。
【図3】一実施形態に係るリペラの断面図である。
【図4A】一実施形態に係るステムの斜視図である。
【図4B】別の実施形態に係るステムの斜視図である。
【図4C】別の実施形態に係るステムの断面図及び斜視図である。
【図5A-5E】電極の様々な構成を示す。
【図6】キーイングフィーチャを示す。
【図7A-7B】電極の２つの構成を示す。
【図8A-8B】電極の２つの構成を示す。
【図9A-9B】一実施形態に係るワークピースホルダを示す。
【図10】サーマルスペーサを有するワークピースホルダを示す。
【図11A-11D】別の実施形態に係るワークピースホルダを示す。
【図12A-12C】種々の実施形態に係るチャンバ壁及びライナを示す。
【発明を実施するための形態】
【0015】
上述のように、間接加熱カソード（ＩＨＣ）イオン源などのイオン源を、特定の状況において高温で作動させることは有益であり得る。しかしながら、リペラ及び電極は、かなりの量の熱をチャンバから放出させる。本開示は、この熱損失を最小限に抑える新しいリペラ及び電極の設計を説明する。
【0016】
図１は、これらの問題を克服した、リペラ１２０及び側部電極１０ａ、１３０ｂを含むイオン源１０を示す。図２は、図１のイオン源の断面を示す。イオン源１０は、間接加熱カソード（ＩＨＣ）イオン源であってもよい。イオン源１０は、チャンバ１００を含み、チャンバ１００は、２つの対向する端部、及びこれらの端部に接続する壁１０１を備える。これらの壁１０１は、側壁１０４、抽出プレート１０２、及び抽出プレート１０２に対向する底壁１０３を含む。チャンバ１００の壁１０１は、導電性材料で構成され得、互いに電気的に通じ得る。カソード１１０は、チャンバ１００の第１の端部１０５においてチャンバ１００内に配置される。フィラメント１６０は、カソード１１０の背後に配置される。フィラメント１６０は、フィラメント電源１６５と通じている。フィラメント電源１６５は、フィラメント１６０が熱イオン電子を放出するように、フィラメント１６０に電流を流すように構成されている。フィラメントバイアス電源１１５は、フィラメント１６０をカソード１１０に対して負にバイアスするため、これらの熱イオン電子は、フィラメント１６０からカソード１１０に向けて加速させられ、これらの熱イオン電子がカソード１１０の背面に衝突すると、カソード１１０を加熱する。フィラメントバイアス電源１１５は、例えば、カソード１１０の電圧よりも負に、２００Ｖから１５００Ｖの間の電圧を有するように、フィラメント１６０をバイアスし得る。次いで、カソード１１０は、その前面の熱イオン電子をチャンバ１００内へ放出する。
【0017】
したがって、フィラメント電源１６５は、フィラメント１６０に電流を供給する。フィラメントバイアス電源１１５は、カソード１１０よりも負になるようにフィラメント１６０をバイアスし、その結果、電子がフィラメント１６０からカソード１１０に向けて引き寄せられる。特定の実施形態では、カソード１１０は、カソードバイアス供給源１２５とも通じている。他の実施形態では、カソード１１０は接地されてもよい。特定の実施形態では、チャンバ１００は、電気接地に接続される。特定の実施形態では、壁１０１が他の電源のための接地基準を設ける。
【0018】
この実施形態では、リペラ１２０が、カソード１１０とは反対側のチャンバ１００の第２の端部１０６でチャンバ１００内に配置される。名称が示すように、リペラ１２０は、カソード１１０から放出された電子をチャンバ１００の中心に向けて跳ね返す（ｒｅｐｅｌ）働きをする。例えば、特定の実施形態では、リペラ１２０は、電源と通じ得る。他の実施形態では、リペラ１２０は、チャンバ１００に対して浮遊してもよい。言い換えると、浮動時には、リペラ１２０は電源又はチャンバ１００に電気的に接続されていない。この実施形態では、リペラ１２０の電圧は、カソード１１０の電圧に近い電圧に浮動する傾向がある。
【0019】
特定の実施形態では、磁界１９０がチャンバ１００内で発生する。この磁界は、１つの方向に沿って電子を閉じ込めることを意図されている。磁界１９０は、典型的に、第１の端部１０５から第２の端部１０６まで、側壁１０４に対して平行に延びる。例えば、電子は、カソード１１０からリペラ１２０への方向（すなわち、ｙ方向）に平行なカラム内に閉じ込められ得る。したがって、電子は、ｙ方向に移動する電磁力の影響をまったく受けない。しかし、他の方向への電子の移動は、電磁力の影響を受ける場合がある。
【0020】
図１に示された実施形態では、側部電極がチャンバ１００内に位置するように、第１の側部電極１３０ａ及び第２の側部電極１３０ｂは、チャンバ１００の側壁１０４に配置され得る。側部電極は、それぞれ、浮遊していてもよく、又は電源と通じていてもよい。図２は、図１のイオン源１０の断面図を示す。この図では、カソード１１０は、イオン源１０の第１の端部１０５に対して示されている。第１の側部電極１３０ａ及び第２の側部電極１３０ｂは、チャンバ１００の互いに対向する壁１０１に示されている。磁界１９０は、Ｙ方向に、ページ外に向かうように示されている。特定の実施形態では、絶縁体を使用することによって、電極をチャンバ１００の壁１０１から分離することができる。
【0021】
カソード１１０、リペラ１２０、第１の側部電極１３０ａ、及び第２の側部電極１３０ｂの各々は、金属などの導電性材料から製作されている。これらの構成要素の各々は、壁１０１から物理的に分離され得る。
【0022】
抽出プレート１０２には、抽出アパーチャ１４０が配置され得る。図１では、抽出アパーチャ１４０は、Ｘ－Ｙ平面と平行な（ページと平行な）側面に配置されている。さらに、図示されていないが、イオン源１０は、イオン化されるガスがチャンバ１００に導入されるガス入口も備えている。
【0023】
コントローラ１８０は、電源の１つ又は複数と通じることができ、これにより、これらの電源によって供給される電圧又は電流を修正することができる。コントローラ１８０は、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ、専用コントローラ、又は別の適切な処理ユニットといった処理ユニット１８１を含み得る。コントローラ１８０は、半導体メモリ、磁気メモリ、又は別の適切なメモリといった非一時的記憶要素を含み得る。この非一時的記憶要素は、コントローラ１８０が本明細書に記載された機能を実行することを可能ならしめる命令及び他のデータを含み得る。
【0024】
動作中、電子がカソード１１０によって放出される。これらの電子は、チャンバ１００内の磁界及び電界によって捕捉され得、それにより、供給ガスと衝突し、プラズマ１５０を生成する。抽出アパーチャ１４０を通してプラズマ１５０からイオンを抽出するために、チャンバ１００の外側の電極を使用することができる。
【0025】
上述のように、特定の実施形態では、イオン源を高温で作動させることが有利である。こうした高温は、チャンバ１００内の構成要素への材料の堆積を防止するのに役立つことができる。例えば、炭素系種をイオン化する際には、炭素が、内表面、リペラ１２０、及び側部電極１３０ａ、１３０ｂに蓄積する傾向がある。この堆積を最小限に抑える１つの方法は、チャンバ１００内の温度、特に、リペラ１２０及び側部電極１３０ａ、１３０ｂの温度を上昇させることである。
【0026】
上述のように、リペラ１２０及び側部電極１３０ａ、１３０ｂは、チャンバベース１９８によって支持されている外部クランプ１９５（図２を参照）に取り付けられ得る。チャンバベース１９８は、より低温、例えば、４００℃未満であり得る。しかしながら、リペラ１２０及び側部電極１３０ａ、１３０ｂをチャンバ１００内の温度に近い温度（６００℃以上であり得る）に維持することが望ましい場合がある。
【0027】
リペラ１２０及び／又は側部電極１３０ａ、１３０ｂは、熱的に絶縁された係留フィーチャを有するように形成され得る。図３は、熱的に絶縁された捕捉フィーチャを利用する電極の実施形態を示す。「電極」という用語は、リペラ１２０及び側部電極１３０ａ、１３０ｂの両方を包含するように用いられる。
【0028】
電極２５０は、電極質量体（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｓｓ）２００及び電極ステム２１０を含み得る。電極質量体２００は、ディスク形状、長方形、又は任意の他の適切な形状であってもよい。内部空洞２０１が、電極質量体２００内に配置される。内部空洞２０１は、開口２０２を介して電極質量体２００の外部と連通している。
【0029】
電極ステム２１０は、ポスト２１１及びフレア状ヘッド２１２を有し得る。ポスト２１１は、真っ直ぐな円筒状のロッドであってもよい。フレア状ヘッド２１２は、電極質量体２００の内部空洞２０１内に配置される。電極ステム２１０は、ポスト２１１の断面面積が開口２０２の断面面積よりも小さくなるようにサイズ形成される。加えて、フレア状ヘッド２１２は、フレア状ヘッド２１２の断面面積が開口２０２の断面面積よりも大きいようにサイズ形成される。このようにして、電極ステム２１０は、電極質量体２００によって捕捉的に保持される。特定の実施形態では、フレア状ヘッド２１２と内部空洞２０１との間の間隙は、０．００１”であり得るが、この値よりも大きくても小さくてもよい。
【0030】
さらに、特定の実施形態では、内部空洞２０１の容積は、フレア状ヘッド２１２の容積よりも大きく、その結果、ほとんど位置においてフレア状ヘッド２１２と電極質量体２００との間に間隙が存在する。開口２０２が、電極ステム２１０が電極質量体２００から脱着することを防止する限り、内部空洞２０１の内部形状はどんな形状であってもよい。
【0031】
特定の実施形態では、電極２５０は、付加製造技術を用いることによって製作されてもよい。付加製造技術は、構成要素を異なるように製造することを可能にする。従来行われているように材料を除去するのではなく、付加製造技術は、構成要素を層ごとに形成する。このような付加製造技術のうちの１つは、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）として知られており、粉体層及びレーザを使用する。粉末の薄層が、ワークピース空間に付加される。構成要素が形成される領域においてのみ、粉末を焼結するためにレーザが用いられる。金属粉末の残部が残存して、粉体層を形成する。レーザプロセスが完了した後、金属粉末の別の薄層が、既存の粉体層の上に付加される。特定の位置を焼結するために、レーザが再び使用される。このプロセスは、任意の回数繰り返してもよい。
【0032】
ＤＭＬＳは１つの技術であるが、他にも多くの技術がある。例えば、金属バインダ噴射（ｍｅｔａｌ ｂｉｎｄｅｒ ｊｅｔｔｉｎｇ）は、粉末を焼結するためにレーザを使用するのではなく、構成要素が形成される領域に液体バインダを塗布する点を除いて、ＤＭＬＳと似ている。付加製造の別の例としては、電子ビームプリンティング（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）が挙げられる。この実施形態では、金属の薄いフィラメントがノズルから押し出され、押し出されるにつれて金属を溶解するためにレーザ又は電子ビームが使用される。この実施形態では、金属は、構成要素の一部となるべき領域にのみ付加される。当然ながら、他の種類の付加製造、例えば、融解フィラメント製造に向けられたエネルギー堆積、シート積層、粉体層溶融結合、材料押出、及び液槽光重合（Ｖａｔ ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）も利用することができる。
【0033】
電極ステム２１０が電極質量体２００の内部に完全に捕捉され、いかなる組み立ても必要としないように、付加製造を使用して、一度に電極２５０をプリンティングするか成長させることができる。製造プロセスに応じて、電極質量体２００と電極ステム２１０との間の小さな間隙内に捕捉された粉末を除去するために、電極２５０を洗浄することができる。
【0034】
図４Ａは、一実施形態に係る電極ステム２１０の斜視図を示す。この実施形態では、フレア状ヘッド２１２は、ディスク２１３の形状をとる。このディスク２１３の外径は開口２０２の直径よりも大きく、これにより電極ステム２１０を捕捉状態に保つ。特定の実施形態では、ディスク２１３は凹状であってもよく、この場合、ディスク２１３は外向きに電極ステム２１０から離れる方向に延在する。他の実施形態では、ディスク２１３は、電極ステム２１０から外向きにのみ延在するように平面であってもよい。さらに、特定の実施形態では、ディスク２１３は、外周上に拡大リム２１４を有してもよい。
【0035】
図４Ｂは、第２の実施形態に係る電極ステム２１０の斜視図を示す。この実施形態では、フレア状ヘッド２１２は、複数のスポーク２１５を含む。図４Ｂは４つのスポーク２１５を示しているが、スポーク２１５の数は本開示によって限定されない。特定の実施形態では、スポーク２１５は、外向きに電極ステム２１０から離れる方向に延在する。他の実施形態では、スポークは、平面であってもよく、電極ステム２１０から外向きにのみ延在してもよい。各スポークは０．１インチの幅を有し得るが、他の寸法も可能である。
【0036】
【0037】
図５Ａは、フレア状ヘッド２１２がドーム形状である電極ステム２１０を示す。
【0038】
図５Ｂは、フレア状ヘッド２１２が逆ドーム形状である電極ステム２１０を示す。
【0039】
図５Ｃは、フレア状ヘッド２１２が円錐形状にテーパしている電極ステム２１０を示す。
【0040】
図５Ｄは、フレア状ヘッド２１２がボールである電極ステム２１０を示す。
【0041】
図５Ｅは、フレア状ヘッド２１２が正方形ブロックである電極ステム２１０を示す。これは、電極質量体２００と電極ステム２１０とが互いに対して回転できないという利点を有する。
【0042】
しかしながら、電極ステム２１０と電極質量体２００との間の相対的回転を阻止するように、他の実施形態をすべて変更することができる。例えば、キーイングフィーチャ（ｋｅｙｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅ）２１６が、内部空洞２０１及び／又はフレア状ヘッド２１２に追加されてもよい。図６は、内部空洞２０１の一部が切断されている実施形態を示す。これらの構成要素が互いに対して回転することができないように、フレア状ヘッド２１２も同様に切断される。
【0043】
これらの実施形態のすべてにおいて、電極ステム２１０は、真空条件においてチャンバ１００内で組み立てられたときに、電極質量体２００と最小限の物理的接触しかない。例えば、重力が電極質量体２００を下方に押しやる場合、物理的接触は、フレア状ヘッド２１２の外縁の一部分のみに沿った位置に限定される場合がある。このため、電極質量体２００と電極ステム２１０との間の熱伝導は非常に少なくなる。したがって、電極質量体２００と電極ステム２１０との間に大きな温度差が存在する場合がある。
【0044】
電極ステム２１０の断面面積を減少させることによって電極ステム２１０の熱伝導をさらに減少させることができる。例えば、図４Ｃに示すように、図４Ａと似たような電極ステム２１０が示されている。しかしながら、この実施形態では、電極ステム２１０の一部が中空であり得る。他の実施形態では、電極ステム２１０の断面面積を１つ又は複数の位置で低減させることができる。
【0045】
図３から図６は、電極質量体２００及び捕捉電極ステム２１０を例示していることに留意されたい。この構造は、リペラ１２０及び側部電極１３０ａ、１３０ｂに適用することができる。これらの実施形態では、側部電極質量体の形状は、リペラ質量体の形状と異なってもよい。しかしながら、内部空洞２０１、開口２０２、及びフレア状ヘッド２１２の構造及び機能は、上記で説明した通りである。
【0046】
特定の実施形態では、電極ステム２１０は、異なる機構を使用して捕捉状態が保持される。例えば、図７Ａに示されるように、電極質量体３００は、フレア状の突起３０１を有する。この実施形態における電極ステム３１０は、フレア状の突起３０１を係留状態に保持する内部空洞３１１を有する。この実施形態では、フレア状の突起３０１は、図４Ａから図４Ｂ及び図５Ａから図５Ｅに示されるもののような任意の所望の形状であってもよい。
【0047】
図７Ｂは、電極質量体３２０が内部空洞３２１を有し、その内部空洞３２１内フレア状の突起３２２が配置されている実施形態を示す。電極ステム３３０は、フレア状の突起３２２を捕捉状態に保持する内部空洞３３１を有し、内部空洞３２１内に捕捉的に保持されたフレア状頭部３３２も有する。
【0048】
特定の実施形態では、電極ステムの全体が捕捉されていない。例えば、図８Ａに示すように、電極質量体３４０は、上述したものと似たような内部空洞３４１を有する。しかしながら、電極ステム全体が捕捉状態に保持されるのではなく、ナット３５０が内部空洞３４１内で捕捉的に保持される。次いで、ねじ付き端部を有する電極ステム３６０がナット３５０内にねじ込まれる。この実施形態が電極質量体３４０の設計を単純化させることができる。
【0049】
図８Ｂは、電極ステム全体が係留状態に保持されていない別の実施形態を示す。電極質量体３７０は、上述したものと似たような内部空洞３７１を有する。しかしながら、電極ステム全体を係留状態に保持するのではなく、ねじ付きスタッド３８０が内部空洞３７１内に捕捉状態に保持される。次いで、ねじ付き開口を有する電極ステム３９０が、ねじ付きスタッド３８０内にねじ込まれる。
【0050】
したがって、幾つかの実施形態では、電極質量体が捕捉フィーチャを有するように製造される。係留フィーチャは、フレア状ヘッドが開口を通過できないため、電極質量体から取り外すことができないものである。しかしながら、捕捉フィーチャは、熱伝導が低減又は排除されるように、電極質量体から分離される。図４Ａから図４Ｃ、図５Ａから図５Ｅ、及び図６Ａから図７Ｂに示される多くの実施形態では、捕捉フィーチャが電極ステムの全体を構成する。図８Ａから８Ｂに示されるような他の実施形態では、捕捉フィーチャは、電極ステムを取り付けることができる構成要素である。
【0051】
多くの用途において、電極は、高真空環境において利用される。この環境では、電極質量体と電極ステムとの間に対流は存在しない。したがって、いかなる熱伝達も、放射及び伝導の結果でしかない。
【0052】
熱的に絶縁された捕捉フィーチャの概念は、イオン注入システム内の他の領域において利用することができる。例えば、図９Ａは、ベース４１０上に配置されたプラテン４００を備えたワークピースホルダを示す。プラテン４００は、所定の間隔「ｄ」だけベース４１０から分離され得る。特定の実施形態では、プラテン４００を高温に維持することが有利であり得る。しかしながら、ベース４１０は、典型的には、アルミニウムなどの金属から製作され、したがって、ヒートシンクとして作用する。しかしながら、プラテン４００をベース４１０に取り付けるために、機械的取り付け機構が使用される。この機械的取り付け機構は、プラテン４００とベース４１０との間の熱伝導源であり得る。
【0053】
この実施形態では、機械的取り付け機構は、プラテン４００から熱的に絶縁された係留ファスナ４５０である。図９Ｂに最もよく見られるように、係留ファスナ４５０は、プラテン４００の内部空洞４０１内に配置され得る。内部空洞４０１は、開口４０２を介して、プラテン４００の外部と連通している。係留ファスナ４５０及び開口４０２は、係留ファスナ４５０をプラテン４００から分離することができないようにサイズ形成される。特定の実施形態では、捕捉ファスナ４５０と内部空洞４０１との間の間隙は、０．００１インチの範囲内であり得るが、この間隙は実装形態に応じてより大きくても又はより小さくてもよい。プラテン４００は、セラミック材料で構成されてもよい。
【0054】
係留ファスナ４５０をプラテン４００から分離することができないので、プラテン４００及び係留ファスナ４５０は１つのアセンブリとして製造される。具体的には、付加製造を用いて、セラミック粉末と結合剤との混合物が堆積される。ほとんどの領域において、この混合物は、焼結後に一体型セラミックプラテンを形成する。内部空洞４０１の空洞部分のように、空隙を残すべき又は空にすべき領域では、セラミック粉末及び結合剤の一方のみが堆積される。付加製造プロセス中にプラテン４００の一体性を維持するために材料の堆積が用いられる。しかしながら、セラミック粉末及び結合剤のうちの一方のみが堆積されるので、この領域は焼結後に硬化されない。このようにして、係留ファスナ４５０が、物理的に取り付けられることなく、プラテン４００の内部空洞４０１に収容され得る。プラテン４００及び係留ファスナ４５０全体がプリンティングされるまで、堆積プロセスが各層に対して繰り返される。プラテン４００及び係留ファスナ４５０の形成に必要な材料が全て堆積された後、アセンブリが炉内に配置され、そこでアセンブリが焼結される。焼結後、プラテン４００及び係留ファスナ４５０は、硬化されたセラミックになる。しかしながら、空隙領域は硬化されない。セラミック粉末のみが空隙領域内に堆積される実施形態では、焼結後にセラミック粉末が粉末で残る場合がある。この実施形態では、内部空洞４０１を洗浄する必要があり得る。これは、内部空洞４０１内に加圧空気又は別の流体を導入することによって達成することができる。別の実施形態では、粉末を引き出すために内部空洞４０１に真空を適用してもよい。結合剤のみが空隙領域内に堆積される実施形態では、焼結プロセス中に結合剤が蒸発し、プラテン４００内にエアギャップを残すことがある。本実施形態では、洗浄処理は行われない場合がある。
【0055】
バインダ噴射は、セラミックを製作するための１つの方法にすぎない。しかしながら、他の方法も可能である。材料噴射又はステレオリソグラフィも、付加製造されたセラミック部品を製作するために使用される方法である。これらの場合、感光性樹脂はＵＶ光によって硬化される。依然として部品間に間隙が維持されるが、未硬化樹脂（ＳＬＡ）又は支持材料（材料噴射）で充填されることになる。これらの場合、支持材料／未硬化材料の除去が行われる。
【0056】
係留ファスナ４５０は、シャフト４６０を備え得る。シャフト４６０は、その長さの少なくとも一部に沿ってねじ切りされる。シャフト４６０は、フレア状ヘッド４７０において終端する。フレア状ヘッドは、図４Ａから図４Ｂ又は図５Ａから図５Ｅに示されたものと似たように構成され得る。フレア状ヘッド４７０は、プラテン４００の内部空洞４０１内に配置される。係留ファスナ４５０は、プラテン４００と同じ材料で作られる。突出リング４６１は、シャフト４６０に沿って配置され得る。プラテン４００とベース４１０との間に所定の間隔「ｄ」を形成するために突出リング４６１の位置が用いられる。
【0057】
係留ファスナ４５０が、ベース４１０の開口４１１内に挿入され得る。一実施形態では、開口４１１は貫通孔であってもよく、保持ナット４２０は、係留ファスナ４５０をベースに４１０に固定するために使用されてもよい。
【0058】
図９Ａは２つの係留ファスナ４５０を示すが、係留ファスナ４５０の数は本開示によって限定されない。
【0059】
さらに、図１０に示されるように、他の実施形態では、プラテン４００とベース４１０との間に所望の分離を維持するために、突出リング４６１を用いるのではなく、熱スペーサ４６２が静止ファスナ４５０の周りに配置されてもよい。熱スペーサ４６２は、係留ファスナ４５０を取り囲むワッシャであってもよい。
【0060】
【0061】
図１１Ａから図１１Ｄでは、係留ファスナ５５０を利用してプラテン５００をベース５１０に取り付ける別の実施形態を示す。この実施形態では、係留ファスナ５５０は、シャフト５６０を備える。シャフト５６０は、その長さの少なくとも一部に沿ってねじ切りされる。シャフトは、フレア状ヘッド５７０において終端する。この実施形態では、フレア状ヘッド５７０は円筒形状であるが、図３から図６に示すような他の形状を使用してもよい。上述のように、プラテン５００は、開口５０２を介して外部と連通する内部空洞５０１を有する。フレア状ヘッド５７０及び開口５０２は、係留ファスナ５５０をプラテン５００から分離することができないようにサイズ形成される。この実施形態では、捕捉ファスナ５５０をプラテン５００内で回転可能にするために開口５０２が伸長される。同様に、ベース５１０の開口５１１も伸張される。
【0062】
図１１Ｂに示されるように、係留ファスナ５５０は、ベース５１０の対応する開口５１１内に挿入される。これは、プラテン５００とベース５１０とを位置合わせして、係留ファスナ５５０が、ベース５１０の表面に対して直角をなして開口５０２から延びるようにすることによって実行することができる。次いで、係留ファスナ５５０は、ベース５１０の開口５１１を通過する。
【0063】
係留ファスナ５５０がベース５１０の開口５１１内に挿入されると、図１１Ｃに示されるように、係留ファスナ５５０が、プラテン５００の表面に対してある角度で回転され得る。この角度は、直角とは異なり、２５から６５度の間であってもよいが、他の角度も可能である。この角度により、プラテン５００を２つの方向でベース５１０に対して保持することが可能となり、より堅牢な接続が生じ得る。図１１Ｄに示されるように、係留ファスナ５５０は、保持ナット５１５を使用してベース５１０に取り付けられ得る。さらに、突出リング５５３を使用して、係留ファスナ５５０の動きを制限することができる。
【0064】
したがって、本開示は、捕捉ファスナを含む、電極質量体又はプラテンなどの本体を説明しており、捕捉ファスナと本体との間の物理的接触が最小限に抑えられる。これにより、質量体がその所望の温度に留まることが可能となり、本体と係留ファスナとの間の熱伝導の量が制限される。上記の開示は、これを電極及びプラテンに関連して説明しているが、半導体処理システム内には、この構成から利益を得ることができる他の構成要素がある。これらの構成要素には、イオン源内に配置されたライナが含まれる。係留ファスナを使用して、ライナとイオン源チャンバ壁との間の熱伝導を最小限に抑えながら、ライナを適所に保持することができる。
【0065】
図１２Ａから図１２Ｃは、チャンバ壁又は取り付け壁などの壁にライナを取り付けるために使用され得る様々な実施形態を示す。壁は、イオン源チャンバの内壁、質量分析器の内壁、スキャナの内面、コリメータ磁石の内面、又は別の適切な位置であってもよい。
【0066】
図１２Ａ及び図１２Ｂでは、壁１２００は、係留ファスナ１２１０を含む。壁１２００は、金属又は別の適切な材料などの導電性材料であってもよい。これらの実施形態では、ライナ１２３０は、例えば、イオンの衝突から壁１２００を保護するために、壁１２００に近接するように配置される。しかしながら、壁１２００とライナ１２３０との間の熱伝導率の制限が有益であり得る。上述のように、壁１２００は、係留ファスナを保持する内部空洞１２０１を含み、内部空洞１２０１は、開口１２０２を介して壁の外部と連通する。係留ファスナは、フレア状ヘッドが開口１２０２を通して抜き出されないようにサイズ形成されたフレア状ヘッドを有する。
【0067】
嵌合ファスナ１２２０は、壁１２００とは反対側のライナ１２３０の側部に配置される。特定の実施形態では、ライナ１２３０は、貫通孔１２３１を含む。係留ファスナ１２１０又は嵌合ファスナ１２２０は、貫通孔１２３１を通過する。係留ファスナ１２１０及び嵌合ファスナ１２２０が取り付けられると、壁１２００とライナ１２３０との間に隙間が残る。さらに、上述のように、壁１２００と係留ファスナ１２１０との間の熱伝導率は最小限である。
【0068】
図１２Ａでは、係留ファスナ１２１０はナットであるが、嵌合ファスナ１２２０はねじ又はねじ式ボルトである。図１２Ｂでは、係留ファスナ１２１０はねじ又はねじ式ボルトであり、嵌合ファスナ１２２０はナットである。
【0069】
【0070】
図１２Ｃは、別の実施形態を示す。この実施形態では、ライナ１３３０は、内部空洞１３３１内に保持された係留ファスナ１３２０を含む。この実施形態では、内部空洞は、ライナ１３３０の両側の開口１３３２、１３３３を介して、ライナ１３３０の外部と連通している。係留ファスナ１３２０は、フレア状ヘッド及びねじ式シャフト１３２１を有するねじを備える。フレア状ヘッドは、いずれの開口も通過することができない。ねじ式シャフト１３２１は、開口１３３２を通過する。壁１３００は、ねじ孔１３１０を含む。係留ファスナ１３２０は、ねじ孔１３１０内にねじ込まれ得る。特定の実施形態では、ライナ１３３０及び壁１３００を組み立てるために、開口１３３３は、ねじ回しなどのツールを内部空洞１３３１内に挿入することを可能にする。ねじ式シャフト１３２１の長さは、ねじ式シャフト１３２１がねじ孔１３１０内に完全に挿入されたときに、ライナ１３３０が壁１３００から分離されたままに留まるような長さである。
【0071】
当然ながら、半導体処理システム内の他の構成要素も、係留ファスナを有するように製作されてもよい。これには、加速／減速段階の電極、抽出光学系の電極、又は他の適切な位置が含まれる。
【0072】
本出願において上述した実施形態は、多くの利点を有し得る。電極設計に関しては、電極ステムと電極質量体との間の物理的接触が限られているため、非常に限られた熱伝導しかない。むしろ、ほとんどの熱伝達は放射を通じて生じる。この放射は、電極が典型的に真空条件で作動するという事実のために、典型的には、非常に低い。したがって、電極質量体は、従来の電極で達成される温度よりもはるかに高い温度に留まる場合がある。これは、約８００℃未満の温度のアークチャンバ内の任意の構成要素に堆積される傾向がある炭素を含むプロセスにとって有益であり得る。さらに、本明細書に開示される電極は、依然として所望の高温を達成するので、抵抗ヒータや放射線遮蔽などによってアークチャンバに熱を加えるように従来使用されてきた他の方法を排除することが可能である。
【0073】
さらに、この電極のアセンブリは、他の解決策よりも単純であり得る。例えば、幾つかの従来型のシステムでは、２部式リペラを使用することができる。この場合、ステムが、リペラディスクよりも低い導電性材料で製作される。しかしながら、これらのリペラは組み立てられなければならない。本明細書の記載には、電極のアセンブリはない。
【0074】
ワークピースホルダに関しては、本明細書に記載されたワークピースホルダは、ばね、断熱材、可動スタッド、及び緩い取り付け点を利用する従来のシステムよりも遙かに容易に組み立てることができる。
【0075】
さらに、係留フィーチャを使用することにより、限られた応力で熱膨張を起こすことが可能になる。言い換えれば、捕捉フィーチャの周りの内部空洞に間隙があるので、捕捉フィーチャは、内部空洞に接触することなく拡張することができる。これにより、高温の構成要素と低温の構成要素が共に接続されたときに典型的に生じる熱応力が低減される。
【0076】
本開示の範囲は、本明細書に記載した具体的な実施形態に限定されるものではない。実際、本明細書に記載のものに加えて、本開示の他の様々な実施形態及び修正例が、当業者には、以上の記載及び添付図面から明らかであろう。したがって、このような他の実施形態及び修正例は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、本明細書では、本開示が、特定の目的の特定の環境における特定の実装形態に関連して説明されたが、当業者であれば、本開示の有用性がそれに限定されず、本開示が、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され得ることを認識するであろう。したがって、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載される本開示の完全な範囲及び思想の観点から、解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A-5E】
【図6】
【図7A-7B】
【図8A-8B】
【図9A-9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A-12C】