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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-12-10
(54)【発明の名称】環状運動が強化されたイオン源
(51)【国際特許分類】
H01J 27/08 20060101AFI20241203BHJP
H01J 37/08 20060101ALI20241203BHJP
H01J 37/317 20060101ALI20241203BHJP
【ＦＩ】
H01J27/08
H01J37/08
H01J37/317 Z
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024534481
(86)(22)【出願日】2022-11-29
(85)【翻訳文提出日】2024-08-01
(86)【国際出願番号】 US2022051139
(87)【国際公開番号】W WO2023113995
(87)【国際公開日】2023-06-22
(31)【優先権主張番号】17/551,849
(32)【優先日】2021-12-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】キム， ジュンユン
(72)【発明者】
【氏名】チェ， ジニョン
(72)【発明者】
【氏名】ファン， ヨンソク
(72)【発明者】
【氏名】チョン， ギョンジェ
(72)【発明者】
【氏名】クー， ボンウォン
【テーマコード（参考）】
5C101
【Ｆターム（参考）】
5C101AA25
5C101DD03
5C101DD22
5C101DD25
5C101DD30
(57)【要約】
高いプラズマ電位を有するIHCイオン源が開示される。特定の複数の実施形態では、より高いプラズマ電位を実現するために、抽出プレートがアークチャンバの本体よりも高い電圧でバイアスされる。シールド電極を利用して、バイアスされた抽出プレートとプラズマとの間の相互作用を除去することができる。アークチャンバの断面は、チャンバ内での電子の回転を容易にするために、円形又は略円形であってよい。別の一実施形態では、バイアスされた電極が、チャンバ内で高さ方向において抽出開口の両側に配置され得る。幾つかの実施形態では、電極の一方のみがアークチャンバの本体よりも高い電圧でバイアスされる。
【選択図】図２Ａ
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
チャンバを備えるイオン源であって、前記チャンバは、第１の端、第２の端、底部、及び複数の壁を備える本体、
前記チャンバの前記第１の端に配置された間接加熱カソード、
イオンが抽出される幅と高さとを有する抽出開口を含む抽出プレートであって、前記抽出プレートは前記本体から電気的に絶縁され、前記本体と前記抽出プレートとは閉じた空間を形成する、抽出プレート、
前記抽出プレートに隣接して、前記抽出プレートに物理的に接触しないように前記閉じた空間内に配置された１以上のシールド電極であって、前記本体に電気的に接続された１以上のシールド電極、並びに
前記抽出プレートに通じている抽出電源であって、前記抽出プレートは前記本体に対して正にバイアスされている、抽出電源を備える、イオン源。
【請求項2】
前記１以上のシールド電極は、前記抽出開口の前記幅に沿って前記抽出開口の上方及び下方に配置されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項3】
前記１以上のシールド電極の内面が湾曲している、請求項１に記載のイオン源。
【請求項4】
前記底部と前記複数の壁とは、湾曲した内面を有する一体型部品であり、それによって、前記一体型部品と前記１以上のシールド電極との前記内面は、前記チャンバの一部分に沿って前記チャンバ内に円形又は略円形の断面を形成する、請求項３に記載のイオン源。
【請求項5】
前記円形又は略円形の断面は、前記抽出開口の前記幅に沿って延在する、請求項４に記載のイオン源。
【請求項6】
前記底部と前記複数の壁とは、別個の部品であり、前記イオン源は、前記底部と各壁との間で形成された角部内に配置された湾曲した電極を更に備え、前記湾曲した電極は、前記本体に電気的に接続されている、請求項３に記載のイオン源。
【請求項7】
前記底部、前記複数の壁、前記湾曲した電極、及び前記１以上のシールド電極の内面の露出された部分は、前記チャンバの一部分に沿って円形又は略円形の断面を形成する、請求項６に記載のイオン源。
【請求項8】
前記円形又は略円形の断面は、前記抽出開口の前記幅に沿って延在する、請求項７に記載のイオン源。
【請求項9】
前記抽出プレートは、前記本体の電圧よりも１０Vから１００V高い電圧でバイアスされている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項10】
請求項１に記載のイオン源、質量分析器、及び
加速／減速段を備える、イオン注入システム。
【請求項11】
チャンバを備えるイオン源であって、前記チャンバは、第１の端、第２の端、底部、及び複数の壁を備える本体、
前記チャンバの前記第１の端に配置された間接加熱カソード、
前記本体に電気的に接続された抽出プレートであって、前記抽出プレートは、イオンが抽出される幅と高さとを有する抽出開口を含み、前記本体と前記抽出プレートとは、閉じた空間を形成する、抽出プレート、
前記閉じた空間内で前記抽出プレートに隣接して配置された２つの電極であって、一方の電極は、高さ方向において前記抽出開口の上方に配置され、他方の電極は、前記高さ方向において前記抽出開口の下方に配置されている、２つの電極、並びに
前記２つの電極のうちの第１の電極に通じている電極電源であって、前記第１の電極は、前記本体から電気的に絶縁され、前記本体に対して正にバイアスされ、第２の電極は、前記本体に電気的に接続されている、電極電源を備える、イオン源。
【請求項12】
前記２つの電極は、平面的な内面と平面的な裏面とを有するプレートであって、前記抽出プレートに平行に配置されたプレートを備える、請求項１１に記載のイオン源。
【請求項13】
前記２つの電極は、平面的な内面と平面的な裏面とを有するプレートであって、前記抽出プレートに対してある角度で配置されたプレートを備える、請求項１１に記載のイオン源。
【請求項14】
チャンバを備えるイオン源であって、前記チャンバは、第１の端、第２の端、底部、及び複数の壁を備える本体、
前記チャンバの前記第１の端に配置された間接加熱カソード、
前記本体に電気的に接続された抽出プレートであって、前記抽出プレートは、イオンが抽出される幅と高さとを有する抽出開口を含み、前記本体と前記抽出プレートとは、閉じた空間を形成する、抽出プレート、
前記閉じた空間内に配置された１以上の電極であって、高さ方向において前記抽出開口の上方と前記抽出開口の下方とに配置された１以上の電極、並びに
前記１以上の電極のうちの少なくとも１つに通じている電極電源を備え、前記１以上の電極の内面は湾曲し、前記１以上の電極は、前記本体と前記抽出プレートとの間の接合部において形成された角部内に又は前記角部に隣接して配置されている、イオン源。
【請求項15】
前記底部と前記複数の壁とは、湾曲した内面を有する一体型部品であり、それによって、前記一体型部品と前記１以上の電極との前記内面は、前記チャンバの一部分に沿って円形又は略円形の断面を形成する、請求項１４に記載のイオン源。
【請求項16】
前記底部と前記複数の壁とは、別個の部品であり、前記イオン源は、前記底部と各壁との間で形成された角部内に配置された湾曲した電極を更に備え、前記湾曲した電極は、前記本体に電気的に接続されている、請求項１４に記載のイオン源。
【請求項17】
前記底部、前記複数の壁、前記湾曲した電極、及び前記１以上の電極の内面の露出された部分は、前記チャンバの一部分に沿って円形又は略円形の断面を形成する、請求項１６に記載のイオン源。
【請求項18】
前記１以上の電極は２つの電極を含み、前記２つの電極は異なる電圧でバイアスされている、請求項１４に記載のイオン源。
【請求項19】
請求項１４に記載のイオン源、質量分析器、及び
加速／減速段を備える、イオン注入システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２１年１２月１５日に出願された米国特許出願第17/551,849号の優先権を主張し、該米国特許出願の開示は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【0002】
本開示の実施形態は、イオン源に関し、特に、プラズマ電位が上昇するように、少なくとも１つのバイアスされた構成要素がチャンバ内に配置された間接加熱カソードイオン源に関する。
【背景技術】
【0003】
様々な種類のイオン源を使用して、半導体処理装置で使用されるイオンを生成することができる。例えば、間接加熱カソード（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動作する。フィラメントは熱イオン電子を放出し、それらの電子がカソードに向かって加速してカソードを加熱し、今度は、カソードにイオン源のアークチャンバの中へ電子を放出させる。カソードは、アークチャンバの一端に配置される。反射電極（repeller）が、カソードに対向するアークチャンバの端に配置され得る。カソード及び反射電極は、電子を反発させ、それらをアークチャンバの中心に向かって戻すようにバイアスされ得る。他の複数の実施形態では、冷陰極（cold cathode）が、アークチャンバの反対側の端に配置され得る。幾つかの実施形態では、電子をアークチャンバ内に更に閉じ込めるために、磁場が使用される。アークチャンバの２つの端を接続するために、複数の側面が使用される。
【0004】
アークチャンバの中心に近接し、これらの側面のうちの１つに沿って、抽出開口が配置され、その抽出開口を通して、アークチャンバ内で生成されたイオンが抽出され得る。
【0005】
IHCイオン源には、様々な関心のあるパラメータが存在する。これには、抽出ビーム電流、ドーパントフラクショナリゼーション、及びプラズマ安定性が含まれる。しかし、これらのパラメータの全てを最適化することは困難な場合がある。例えば、高い抽出電流はプラズマ安定性を低下させ得る。
【0006】
したがって、これらの問題を克服するIHCイオン源があれば有益であろう。特に、高い抽出電流でも改善されたプラズマ安定性を有するIHCイオン源が存在すれば有利であろう。
【発明の概要】
【0007】
高いプラズマ電位を有するIHCイオン源が開示される。特定の複数の実施形態では、より高いプラズマ電位を実現するために、抽出プレートがアークチャンバの本体よりも高い電圧でバイアスされる。シールド電極を利用して、バイアスされた抽出プレートとプラズマとの間の相互作用を低減させることができる。アークチャンバの断面は、チャンバ内での電子の回転を容易にするために、円形又は略円形であってよい。別の一実施形態では、バイアスされた電極が、チャンバ内で高さ方向において抽出開口の両側に配置され得る。幾つかの実施形態では、電極の一方のみがアークチャンバの本体よりも高い電圧でバイアスされる。
【0008】
一実施形態によれば、イオン源が開示される。イオン源は、チャンバを備える。該チャンバは、第１の端、第２の端、底部、及び複数の壁を備える本体、チャンバの第１の端に配置された間接加熱カソード、イオンが抽出される幅と高さとを有する抽出開口を含む抽出プレートであって、該抽出プレートは本体から電気的に絶縁され、本体と抽出プレートとは閉じた空間を形成する、抽出プレート、抽出プレートに隣接して、抽出プレートに物理的に接触しないように閉じた空間内に配置された１以上のシールド電極であって、本体に電気的に接続された１以上のシールド電極、及び、抽出プレートに通じている抽出電源であって、抽出プレートは本体に対して正にバイアスされている、抽出電源を備える。幾つかの実施形態では、１以上のシールド電極が、抽出開口の幅に沿って抽出開口の上方及び下方に配置される。幾つかの実施形態では、１以上のシールド電極の内面が湾曲している。幾つかの実施形態では、底部と複数の壁とが、湾曲した内面を有する一体型部品であり、それによって、一体型部品と１以上のシールド電極との内面が、チャンバの一部分に沿ってチャンバ内に円形又は略円形の断面を形成する。幾つかの実施形態では、円形又は略円形の断面が、抽出開口の幅に沿って延在する。特定の複数の実施形態では、底部と複数の壁とが、別個の部品であり、イオン源は、底部と各壁との間で形成された角部内に配置された湾曲した電極を更に備える。その場合、湾曲した電極は、本体に電気的に接続されている。幾つかの実施形態では、底部、複数の壁、湾曲した電極、及び１以上のシールド電極の内面の露出された部分が、チャンバの一部分に沿って円形又は略円形の断面を形成する。幾つかの実施形態では、円形又は略円形の断面が、抽出開口の幅に沿って延在する。幾つかの実施形態では、抽出プレートが、本体の電圧よりも１０Vから１００V高い電圧でバイアスされる。
【0009】
別の一実施形態によれば、イオン注入システムが開示される。イオン注入システムは、上述されたイオン源、質量分析器、及び加速／減速段を備える。
【0010】
別の一実施形態によれば、イオン源が開示される。イオン源は、チャンバを備える。該チャンバは、第１の端、第２の端、底部、及び複数の壁を備える本体、チャンバの第１の端に配置された間接加熱カソード、本体に電気的に接続された抽出プレートであって、該抽出プレートは、イオンが抽出される幅と高さとを有する抽出開口を含み、本体と抽出プレートとは、閉じた空間を形成する、抽出プレート、閉じた空間内で抽出プレートに隣接して配置された２つの電極であって、一方の電極は、高さ方向において抽出開口の上方に配置され、他方の電極は、高さ方向において抽出開口の下方に配置されている、２つの電極、及び、２つの電極のうちの第１の電極に通じている電極電源を備える。その場合、第１の電極は、本体から電気的に絶縁され、本体に対して正にバイアスされ、第２の電極は、本体に電気的に接続されている。幾つかの実施形態では、２つの電極が、平面的な内面と平面的な裏面とを有するプレートであって、抽出プレートに平行に配置されたプレートを備える。幾つかの実施形態では、２つの電極が、平面的な内面と平面的な裏面とを有するプレートであって、抽出プレートに対してある角度で配置されたプレートを備える。
【0011】
別の一実施形態によれば、イオン源が開示される。イオン源は、チャンバを備える。該チャンバは、第１の端、第２の端、底部、及び複数の壁を備える本体、チャンバの第１の端に配置された間接加熱カソード、本体に電気的に接続された抽出プレートであって、該抽出プレートは、イオンが抽出される幅と高さとを有する抽出開口を含み、本体と抽出プレートとは、閉じた空間を形成する、抽出プレート、閉じた空間内に配置された１以上の電極であって、高さ方向において抽出開口の上方と抽出開口の下方とに配置された１以上の電極、及び、１以上の電極のうちの少なくとも１つに通じている電極電源を備える。その場合、１以上の電極の内面は湾曲し、１以上の電極は、本体と抽出プレートとの間の接合部において形成された角部内に又は角部に隣接して配置されている。幾つかの実施形態では、底部と複数の壁とが、湾曲した内面を有する一体型部品であり、それによって、一体型部品と１以上の電極との内面が、チャンバの一部分に沿って円形又は略円形の断面を形成する。幾つかの実施形態では、底部と複数の壁とが、別個の部品であり、イオン源は、底部と各壁との間で形成された角部内に配置された湾曲した電極を更に備える。その場合、湾曲した電極は、本体に電気的に接続されている。幾つかの実施形態では、底部、複数の壁、湾曲した電極、及び１以上の電極の内面の露出された部分が、チャンバの一部分に沿って円形又は略円形の断面を形成する。幾つかの実施形態では、１以上の電極が２つの電極を含み、２つの電極は異なる電圧でバイアスされる。
【0012】
別の一実施形態によれば、イオン注入システムが開示される。イオン注入システムは、上述されたイオン源、質量分析器、及び加速／減速段を備える。
【0013】
本開示をより良く理解するために、参照により本明細書に援用される添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
プラズマ電位が操作されるIHCイオン源の様々な実施形態が開示される。プラズマ電位は、プラズマに曝露されるアークチャンバ内の１以上の構成要素を、アークチャンバの本体の残りの部分よりも高い電圧でバイアスすることによって高められ得る。
【0016】
図１は、一実施形態によるIHCイオン源１０を示す。IHCイオン源１０は、アークチャンバ１００を含む。アークチャンバ１００は、２つの対向する端、及びこれらの端を接続する底部と壁１０１とを備える、本体を有する。２つの対向する端同士の間の方向は、Ｘ方向と呼ばれる。壁１０１同士の間の方向は、Ｙ方向と呼ばれる。底部と抽出プレート１０３との間の方向は、Ｚ方向と呼ばれる。アークチャンバ１００の端と壁１０１とは、導電性材料で構築されてよく、互いに電気的に通じていてよい。幾つかの実施形態では、壁１０１のうちの１以上に近接して、ライナが配置されてよい。カソード１１０が、アークチャンバ１００の第１の端１０４においてアークチャンバ１００内に配置される。フィラメント１６０が、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、電流をフィラメント１６０に流すように構成されている。それによって、フィラメント１６０は熱電子を放出する。カソードバイアス電源１１５が、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。したがって、これらの熱電子は、フィラメント１６０からカソード１１０に向けて加速され、これらの熱電子がカソード１１０の裏面に当たると、カソード１１０を加熱する。カソードバイアス電源１１５は、例えば、カソード１１０の電圧よりも負に２００Vから１５００Vの間にある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アークチャンバ１００の中に放出する。
【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。カソードバイアス電源１１５は、フィラメント１６０をバイアスする。それによって、フィラメント１６０はカソード１１０よりも負になる。その結果、電子はフィラメント１６０からカソード１１０に向けて引き寄せられる。特定の複数の実施形態では、カソード１１０が、バイアス電源１１１などによって、アークチャンバ１００に対してバイアスされてよい。他の複数の実施形態では、カソード１１０が、アークチャンバ１００の壁１０１と同じ電圧になるように、アークチャンバ１００に電気的に接続され得る。これらの実施形態では、バイアス電源１１１が採用されなくてもよく、カソード１１０は、アークチャンバ１００の壁１０１と電気的に接続され得る。特定の実施形態では、アークチャンバ１００が、電気的に接地される。
【0018】
第１の端１０４に対向する第２の端１０５には、反射電極１２０が配置されてよい。反射電極１２０は、反射電極バイアス電源１２３によって、アークチャンバ１００に対してバイアスされてよい。他の複数の実施形態では、反射電極１２０が、アークチャンバ１００の壁１０１と同じ電圧になるように、アークチャンバ１００に電気的に接続され得る。これらの実施形態では、反射電極バイアス電源１２３が採用されなくてもよく、反射電極１２０は、アークチャンバ１００の壁１０１に電気的に接続され得る。更に他の複数の実施形態では、反射電極１２０が採用されない。
【0019】
カソード１１０と反射電極１２０は、各々、金属又はグラファイトなどの導電性材料で作製される。カソード１１０の中心と反射電極１２０の中心とは、中心軸１０８に沿って配置されている。
【0020】
アークチャンバ１００の本体を構成する部品は、全て電気的及び機械的に互いに結合されている。言い換えると、第１の端１０４、第２の端１０５、底部、及び壁１０１は、全て同じ電位にある。
【0021】
特定の複数の実施形態では、磁場１９０が、Ｘ方向と平行にアークチャンバ１００に沿って印加される。この磁場１９０は、電子を１つの方向に沿って閉じ込めることを目的とする。磁場１９０は、通常、第１の端１０４から第２の端１０５まで、壁１０１に平行に通っている。例えば、電子は、カソード１１０から反射電極１２０までの方向（すなわち、Ｘ方向）に平行なカラム内に閉じ込められてよい。したがって、電子は、Ｘ方向に移動する電磁力を全く受けない。しかし、他の方向における電子の移動は、電磁力を受ける可能性がある。
【0022】
更に、IHCイオン源１０はまた、イオン化される供給ガスがアークチャンバ１００に導入され得るガス入口１０６も備える。
【0023】
アークチャンバ１００の片側は、抽出プレート１０３と呼ばれる。抽出プレート１０３は、抽出開口１４０を含む。図１では、抽出開口１４０が、Ｘ‐Ｙ平面に平行な（ページに対して垂直な）側面に配置されている。抽出プレート１０３は、金属又はグラファイトなどの導電性材料で作製されている。特定の複数の実施形態では、抽出開口１４０が、その高さ（すなわち、Ｙ方向）よりもかなり大きい幅（すなわち、Ｘ方向）を有し得る。
【0024】
抽出プレート１０３は、絶縁体１４１を使用することによってアークチャンバ１００の本体から電気的に絶縁されている。言い換えると、第１の端１０４、第２の端１０５、底部、及び壁１０１は、共通の電位に維持されている。これは、接地されているかもしれない。しかし、他の複数の実施形態では、これらの部品が、電源を使用してバイアスされ得る。
【0025】
上述されたように、抽出プレート１０３は、絶縁体１４１を使用することによってアークチャンバ１００の本体から電気的に絶縁されている。特に、絶縁体１４１は、抽出プレート１０３を、２つの壁１０１、第１の端１０４、及び第２の端１０５から分離し得る。これらの絶縁体１４１は、窒化ホウ素（BN）やアルミナ（Al2O3）などの誘電材料で構築され得る。
【0026】
アークチャンバ１００の内部と抽出プレート１０３との間には、１以上のシールド電極１５０が配置されている。１以上のシールド電極１５０は、抽出プレート１０３に隣接してよいが、抽出プレート１０３に物理的に接触しているわけではない。このやり方では、１以上のシールド電極１５０が、抽出プレート１０３の一部分がプラズマに曝露されることを阻止し得る。
【0027】
図２Ａで見られるように、１以上のシールド電極１５０は、Ｙ方向において抽出開口１４０の上方及び下方に配置され得る。１以上のシールド電極１５０は、抽出開口１４０の幅全体に延在し得る。幾つかの実施形態では、１以上のシールド電極１５０が、Ｘ方向において抽出開口１４０を越えて延在し得る。図２Ａで示されている一実施形態では、２つのシールド電極１５０が存在し得る。すなわち、高さ方向において抽出開口１４０の両側に１つずつ配置されている。図２Ｂで示されている別の一実施形態では、シールド電極１５０が、抽出開口１４０に対応する開口部を有する一体型部品であり得る。
【0028】
上記の開示は、高さよりもかなり大きい幅を有する抽出開口を説明しているが、他の抽出開口も可能である。例えば、抽出開口１４０は、丸い開口部であってもよい。この実施例では、図２Ａの１以上のシールド電極１５０が、高さ方向において抽出開口１４０の両側に依然として配置され得る。一実施形態では、２つのシールド電極１５０が存在し得る。すなわち、高さ方向（すなわち、Ｙ方向）において抽出開口の両側に１つずつ配置されている。これらのシールド電極１５０は、Ｘ方向において丸い開口部を越えて延在し得る。別の一実施形態では、シールド電極１５０が、一体型部品であり得る。その場合、抽出開口１４０に対応する孔が、図２Ｂで示されているものと同様である。例えば、一体型部品は、丸くてよく、正方形状であってよく、菱形であってよく、矩形状であってよく、又は孔を有する任意の他の形状であってよい。
【0029】
１以上のシールド電極１５０は、アークチャンバ１００に面する湾曲した内面を形成するように成形され得る。湾曲した内面は凹面であってもよい。更に、シールド電極１５０は、１以上のシールド電極１５０と抽出プレート１０３との間の絶縁体１４３又は間隙を使用することなどによって、抽出プレート１０３から電気的に絶縁される。これらの絶縁体１４３は、窒化ホウ素（BN）やアルミナ（Al2O3）などの誘電材料で構築され得る。
【0030】
１以上のシールド電極１５０は、高融点金属から構築されてよく、導電性である。１以上のシールド電極１５０は、アークチャンバ１００の本体と同じ電位でバイアスされ得る。特定の複数の実施形態では、アークチャンバ１００が組み立てられると、１以上のシールド電極１５０が、アークチャンバ１００の本体に接触する。「アークチャンバの本体」という用語は、第１の端１０４、第２の端１０５、底部、及び壁１０１を指す。１以上のシールド電極１５０は、本体と同じ電圧を有するように、本体と物理的及び／又は電気的に接触し得る。一実施形態では、１以上のシールド電極１５０が、本体と物理的に接触している。別の一実施形態では、図３Ａ及び図３Ｂで示されているように、１以上のシールド電極が、ワイヤー又は導電性材料１４４などによって、本体に電気的に接続されている。
【0031】
図２Ａ、図２Ｂ、及び図３Ａで示されているものなどの特定の複数の実施形態では、本体の一部分、特に底部や複数の壁が、底部（抽出プレート１０３に対向する）及び２つの壁を有する一体型部品１５１を構成する。底部と抽出プレート１０３との間の方向は、Ｚ方向と呼ばれる。この実施形態では、一体型部品１５１が、Ｕ形状内面を有し得る。
【0032】
組み立てられると、図３Ａで示されているように、一体型部品１５１のＵ形状内面とシールド電極１５０の内面とが、アークチャンバ１００の一部分に沿ってＹ‐Ｚ平面内に円形又は略円形の断面を形成し得る。この円形又は略円形の断面は、抽出開口１４０の幅全体についてＸ方向に沿って延在し得る。「略円形」という用語は、中心軸１０８から一体型部品１５１又はシールド電極１５０の内面上の任意のポイントまでの最短距離が３０％未満の差を有する構成と規定される。
【0033】
図３Ｂは、第２の構成を示す。この実施形態では、壁１０１が、底部１５２や２つの壁１５３などの別個の部品から構築され得る。円形又は略円形の断面を生成するために、湾曲した電極１５４が、底部１５２と壁１５３の各々との間の角部内に配置され得る。湾曲した電極１５４の内面は凹面であってよい。湾曲した電極１５４は、底部１５２と壁１５３とに電気的に接続され得る。一実施形態では、湾曲した電極１５４が、底部１５２及び／又は壁１５３に対して寄りかかり得る。別の一実施形態では、図３Ｂで示されているように、湾曲した電極１５４が、ワイヤー又は導電性材料１４４などによって本体に電気的に接続されている。
【0034】
湾曲した電極１５４は、第１の端１０４から第２の端１０５へ延在し得る。別の一実施形態では、湾曲した電極１５４が、抽出開口１４０の幅全体に延在する。湾曲した電極１５４は、アークチャンバ１００の本体に電気的に接続され得る。
【0035】
底部１５２、壁１５３、湾曲した電極１５４、及び１以上のシールド電極１５０の露出された部分は、アークチャンバ１００の一部分に沿ってＹ‐Ｚ平面内に円形又は略円形の断面を形成する。この実施形態では、「略円形」という用語が、中心軸１０８から底部１５２、壁１５３、湾曲した電極１５４、又はシールド電極１５０の露出された内面上の任意のポイントまでの最短距離が３０％未満の差を有する構成と規定される。
【0036】
動作中、組み立てられると、アークチャンバ１００の抽出プレート１０３と本体とは、閉じた空間を形成する。供給ガスが、ガス入口１０６を介して閉じた空間に入る。IHCイオン源１０の中に導入された供給ガスは、イオン化されてプラズマを生成する。このプラズマは、プラズマ電位と呼ばれる電位を有し、該プラズマ電位は、閉じた空間を形成する壁の電位に関連する。
【0037】
この実施形態では、抽出プレート１０３が、抽出電源１４５を使用して、独立してバイアスされる。特定の複数の実施形態では、抽出電源１４５が、アークチャンバ１００の本体を基準とする。抽出電源１４５は、アークチャンバ１００の本体に対して正の電圧を抽出プレート１０３に供給することができる。これらの電圧は、５Vと１００Vの間だけ本体よりも正であってよいが、他の値も可能である。
【0038】
アークチャンバ１００の本体に対して正にバイアスされた抽出プレート１０３は、より高いプラズマ密度での効率的なイオン源の動作を提供する。このモードでは、抽出プレート１０３が、アークチャンバ１００の本体よりも高い電位にバイアスされるため、プラズマ電位は、アークチャンバ１００の本体のものよりも高い電圧になる。特に、抽出開口１４０付近では、プラズマ電位が、抽出プレート１０３に印加される電圧以上になり得る。中心軸１０８に沿って、プラズマ電位は、アークチャンバ１００の電圧よりも高く、抽出プレート１０３に印加される電圧の概ね５０％から７５％であり得る。
【0039】
これにより、中心軸１０８から径方向外向きに延在するアークチャンバ１００内の電界が生成される。言い換えると、プラズマ電位は、アークチャンバ１００の本体及びシールド電極１５０の電圧よりも高いので、径方向において電圧の勾配が存在する。更に、前述されたように、中心軸１０８に平行な磁場１９０が存在し得る。
【0040】
径方向の電界と軸方向の磁場１９０とは、図３Ａ～図３Ｂの矢印によって示されている回転力をもたらす。この回転力は、プラズマに曝露され本体よりも高い電圧にある内面の表面積を最小化することによって最適化され得る。したがって、１以上のシールド電極１５０の使用は、２つの機能を果たす。先ず、１以上のシールド電極１５０は、アークチャンバ１００の一部分に沿ってＹ‐Ｚ平面内にアークチャンバ１００の円形又は略円形の断面を形成するのに役立つ。次に、１以上のシールド電極１５０はまた、プラズマに曝露されアークチャンバ１００の本体とは異なる電位を有する内面の表面積を減少させる。特定の複数の実施形態では、プラズマに曝露されるアークチャンバ１００内の全表面積に対するプラズマに曝露される抽出プレート１０３（アノードとして作用する）の表面積の比を最小化することが有利であり得る。図３Ａで示されている一実施形態では、この全表面積が、１以上のシールド電極１５０の露出された内面、一体型部品１５１の露出された内面、第１の端１０４、第２の端１０５、及び抽出プレート１０３の露出された部分を含む。図３Ｂで示されている一実施形態では、この全表面積が、１以上のシールド電極１５０の露出された内面、湾曲した電極１５４の露出された内面、壁１５３の露出された内面、底部１５２の露出された内面、第１の端１０４、第２の端１０５、及び抽出プレート１０３の露出された部分を含む。特定の複数の実施形態では、アークチャンバ１００内の全表面積に対するプラズマに曝露される抽出プレート１０３の表面積の比が、０．０１と０．３の間であり得る。特定の複数の実施形態では、この比が、０．０１と０．２の間であり得る。幾つかの実施形態では、この比が、０．０１と０．１の間であり得る。
【0041】
図４は、別の一実施形態によるIHCイオン源１０を示す。この図では、図１と同一の構成要素には、同じ参照番号が付されている。この実施形態では、抽出プレート１０３が、アークチャンバ１００の本体に電気的に接続されている。抽出開口１４０は、その高さよりもかなり大きい幅を有するスリットであり得る。
【0042】
したがって、プラズマ電位を高めるために、１以上の電極３００が、アークチャンバ１００内に配置されている。この実施形態では、電極３００が、電極電源３１０を使用してバイアスされ得る。特定の複数の実施形態では、電極電源３１０が、アークチャンバ１００の本体を基準とする。電極電源３１０は、アークチャンバ１００の本体に対して正の電圧を電極３００に供給することができる。これらの電圧は、５Vと１００Vの間だけ本体よりも正であってよいが、他の値も可能である。このやり方では、電極３００の１以上がアノードとして働き得る。
【0043】
１以上の電極３００は、アークチャンバ１００内の様々な異なる場所に配置され得る。各場所は、抽出プレート１０３の少なくとも一部分に隣接している。図５Ａ～図５Ｂで示されているように、１以上の電極３００は、高さ方向において又は幅方向において抽出開口１４０の両側で抽出プレート１０３に隣接して配置され得る。特定の複数の実施形態では、電極３００が、抽出プレート１０３の内面表面積の３％と５０％の間のプラズマに曝露される表面積を有し得る。幾つかの実施形態では、プラズマに曝露される電極３００の表面積が、抽出プレート１０３の内面表面積の３％と３０％の間であり得る。幾つかの実施形態では、プラズマに曝露される電極３００の表面積が、抽出プレート１０３の内面表面積の３％と２０％の間であり得る。幾つかの実施形態では、プラズマに曝露される電極３００の表面積が、抽出プレート１０３の内面表面積の３％と１０％の間であり得る。アークチャンバ１００の本体は、図５Ａで示されているように、一体型部品１５１であり得る。代替的に、アークチャンバ１００の本体は、図５Ｂで示されているように、底部１５２と壁１５３とを構成する別個の部品を含み得る。電極３００は、プラズマに面する平面的な内面と抽出プレート１０３に面する平面的な裏面とを有するプレートであり得る。これらの実施形態では、電極３００が、抽出プレート１０３と平行に配置され得る。
【0044】
図５Ｃは、電極３００用の別の位置を示す。この実施形態では、上述されたように、電極３００がプレートである。更に、電極３００は、抽出プレート１０３に対してある角度で配置されている。一実施形態では、電極３００が、抽出プレート１０３と４５度の角度を形成し得るが、他の角度も可能である。電極３００のこの位置は、図５Ｃで示されているように、一体型部品１５１と共に使用され得るか、又は図５Ｂで示されているように、別個の部品から構成されている本体と共に使用され得ることに留意されたい。
【0045】
図５Ｄ～図５Ｅは、電極３００が、本体と抽出プレート１０３との間の接合部、より具体的には、壁と抽出プレート１０３との間の接合部において形成された角部内に又は角部に隣接して配置されている、複数の実施形態を示す。更に、電極３００はまた、湾曲した内面も有し得る。この湾曲した内面は凹面であってもよい。図５Ｄで示されている一実施形態では、底部と壁とが、一体型部品１５１である。それによって、一体型部品１５１と電極３００とは、アークチャンバ１００の一部分に沿ってＹ‐Ｚ平面内に円形又は略円形の断面を形成する。「略円形」という用語は、中心軸１０８から一体型部品１５１又は電極３００の内面上の任意のポイントまでの最短距離が３０％未満の差を有する構成と規定される。図５Ｅで示されている一実施形態では、アークチャンバ１００の本体が、底部１５２や壁１５３などの別個の部品から形成されている。この実施形態では、本体に電気的に接続された湾曲した電極１５４が利用され得る。このやり方では、アークチャンバ１００の断面が、アークチャンバ１００の一部分に沿ってＹ‐Ｚ平面内において円形又は略円形である。この実施形態では、「略円形」という用語が、中心軸１０８から底部１５２、壁１５３、湾曲した電極１５４、又は電極３００の露出された内面上の任意のポイントまでの最短距離が３０％未満の差を有する構成と規定される。この円形又は略円形の断面は、抽出開口１４０の幅全体に沿って延在し得る。
【0046】
【0047】
図５Ｄ‐図５Ｅで示されている複数の実施形態では、１以上の電極３００が、Ｙ方向において抽出開口１４０の上方及び下方に配置され得る。電極３００は、抽出開口１４０の幅全体に延在し得る。幾つかの実施形態では、電極３００が、Ｘ方向において抽出開口１４０を越えて延在し得る。一実施形態では、２つの電極３００が存在し得る。すなわち、高さ方向において抽出開口１４０の両側に１つずつ配置されている。電極が共通にバイアスされる別の一実施形態では、電極３００が、抽出開口１４０に対応する開口部を有する一体型部品であり得る。
【0048】
図５Ｄ‐図５Ｅで示されている複数の実施形態では、１以上の電極３００が、共通の電極電源３１０を使用してアークチャンバ１００の本体に対して正にバイアスされ得る。別の一実施形態では、２つの電極３００が利用され、２つの電極３００のうちの一方のみがバイアスされてよく、他方はアークチャンバ１００に電気的に接続される。別の一実施形態では、２つの電極３００が、２つの異なる電極電源を使用してバイアスされ得る。例えば、第２の電極は、第１の電極と同じ電圧、第１の電極よりも大きい電圧、又は第１の電極よりも小さい電圧でバイアスされ得る。更に、特定の複数の実施形態では、電極３００の一方が、アークチャンバ１００に対して負にバイアスされ得る。特に、電極３００の１以上が、本体とは異なる電圧でバイアスされる場合、間隙の使用によって又は絶縁体１４２の使用によって、抽出プレート１０３から電気的に絶縁され得る。特に、絶縁体１４２は、電極３００から抽出プレート１０３を分離してよく、又は電極３００から本体を分離してよい。これらの絶縁体１４２は、窒化ホウ素（BN）やアルミナ（Al2O3）などの誘電材料で構築され得る。電極３００のうちの一方が、本体と同じ電圧である場合、図５Ｄ及び図５Ｅで示されているように、ワイヤー又は導電性材料１４４などによって、本体又は抽出プレート１０３に物理的及び／又は電気的に接触し得る。
【0049】
湾曲した電極１５４は、底部１５２と壁１５３とに電気的に接続され得る。一実施形態では、湾曲した電極１５４が、底部１５２及び／又は壁１５３に対して寄りかかり得る。別の一実施形態では、図５Ｅで示されているように、湾曲した電極１５４が、ワイヤー又は導電性材料１４４などによって本体に電気的に接続されている。
【0050】
上記の開示は、高さよりもかなり大きい幅を有する抽出開口を説明しているが、他の抽出開口も可能である。例えば、抽出開口１４０は、丸い開口部であってもよい。この実施例では、図５Ａ～図５Ｅの１以上の電極３００が、高さ方向において抽出開口１４０の両側に依然として配置され得る。一実施形態では、２つの電極３００が存在し得る。すなわち、高さ方向（すなわち、Ｙ方向）において抽出開口の両側に１つずつ配置されている。これらの電極３００は、Ｘ方向において丸い開口部を越えて延在し得る。電極３００が共通にバイアスされる別の一実施形態では、電極３００が、抽出開口１４０に対応する孔を有する一体型部品であり得る。例えば、一体型部品は、丸くてよく、正方形状であってよく、菱形であってよく、矩形状であってよく、又は孔を有する任意の他の形状であってよい。
【0051】
特定の複数の実施形態では、アークチャンバ１００内の全表面積に対する、正にバイアスされプラズマに曝露される１以上の電極３００の表面積の比が、０．０１と０．３の間であり得る。特定の複数の実施形態では、この比が、０．０１と０．２の間であり得る。幾つかの実施形態では、この比が、０．０５と０．２の間であり得る。
【0052】
図６は、図１又は図４のIHCイオン源１０を使用するイオン注入システムを示す。図１及び図４で示されているように、IHCイオン源１０の抽出開口の外側及び近傍に、１以上の抽出電極２００が配置されている。１以上の抽出電極２００は、電極電源２０１を使用してバイアスされ得る。
【0053】
抽出電極２００から下流には、質量分析器２１０が配置されている。質量分析器２１０は、磁場を使用して、抽出されたイオン１の経路を導く。磁場は、それらのイオンの質量と電荷に従ってイオンの飛行経路に影響を与える。分解開口（resolving aperture）２２１を有する質量分解デバイス（mass resolving device）２２０が、質量分析器２１０の出力部（すなわち、遠位端）に配置される。磁場を適切に選択することによって、選択された質量及び電荷を有するイオン１のみが、分解開口２２１を通して導かれることとなる。他のイオンは、質量分解デバイス２２０又は質量分析器２１０の壁に衝突し、システム内でそれ以上移動することができないことになる。
【0054】
コリメータ２３０が、質量分解デバイス２２０から下流に配置され得る。コリメータ２３０は、分解開口２２１を通過したイオン１を受け入れ、複数の平行な又は略平行なビームレットから生成されるリボンイオンビームを生成する。質量分析器２１０の出力部（すなわち、遠位端）と、コリメータ２３０の入力部（すなわち、近位端）とは、一定の距離だけ離隔し得る。質量分解デバイス２２０は、これら２つの構成要素間のスペースに配置される。
【0055】
コリメータ２３０から下流に、加速／減速段２４０が配置されてよい。加速／減速段２４０は、エネルギー純度モジュールと呼ばれ得る。エネルギー純度モジュールは、イオンビームの偏向、減速、及び集束を独立して制御するように構成されたビームラインレンズ構成要素である。例えば、エネルギー純度モジュールは、垂直静電エネルギーフィルタ（VEEF）又は静電フィルタ（EF）であってよい。加速／減速段２４０から下流に、ワークピース２５０が配置されている。
【0056】
本出願において上述された複数の実施形態は、多くの利点を有し得る。図３Ａ～図３Ｂ及び図５Ａ～図５ＥのIHCイオン源は、回転方式で電子のＥ×Ｂドリフトを可能にする。これにより、アークチャンバ１００の本体に失われる電子の数が減る。利用可能な電子の数を増やすことによって、より多くのイオン化が行われ得る。したがって、プラズマ密度は、従来のIHCイオン源と比較して高められ得る。更に、各実施形態では、プラズマ電位が上昇する。プラズマ電位が上昇すると、結果として、より大きなプラズマ密度が生じ得る。ある実験では、１０Vでバイアスされた電極３００又は抽出プレート１０３の使用によって、中心軸１０８に沿ったプラズマ電位が、従来のIHCイオン源と比較して約７V増加した。その結果、中心軸１０８に沿って約３００％のプラズマ密度の増加がもたらされた。プラズマ密度が高いほど、高い抽出電流、良好なフラクショナリゼーション、及び低いプラズマノイズがもたらされ得る。
【0057】
本開示は、本明細書で説明される特定の複数の実施形態による範囲には限定されない。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、前記載及び添付図面から当業者には明らかだろう。このため、そ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と意図される。更に、本明細書では、本開示を、特定の目的のための特定の環境における特定の実施態様の文脈で説明したが、当業者は、そ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装され得ることを認識するであろう。したがって、以下で説明される特許請求の範囲は、本明細書に記載した本開示の範囲及び精神を最大限広く鑑みた上で解釈されたい。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6】
【国際調査報告】