专利名称：离子源的制作方法
技术领域：
本发明涉及在使用有机金属气体作为原料气制造如半导体器件的离子注入装置中使用的离子源。
这种常规的离子源显示在图3中。与此类似的离子源在JP-A-9-35648中有介绍。
所述离子源称做电子碰撞离子源，更具体地为Bernus型离子源。离子源配置有也作为阳极的等离子体制造容器2、配备在等离子体制造容器2内一侧的灯丝8(热阴极)、配备在等离子体制造容器2内另一侧的反射电极10、以及设置在等离子体制造容器2壁内的离子引导槽4。在离子引导槽4出口附近，设置引导电极14引导来自等离子体制造容器2内产生的等离子体12的离子束16。在等离子体制造容器2外部，设置有磁场发生器18用于在它的轴向产生磁场B。数字24和25表示绝缘材料。
在等离子体制造容器2内，引入有机金属气体28作为原料气(源气体)用于制造等离子体12和离子束16。通过没置在等离子体制造容器2壁内的气体引入口6和与其连接的气体引入管26引入有机金属气体28。
有机金属气体28为例如气态的三甲基铟[In(CH3)3]、三乙基铟[In(C2H5)3]、三甲基镓[Ga(CH3)3]、三乙基镓[Ga(C2H5)3]或三甲基锑[Sb(CH3)3]。
在所述离子源中，通过真空排出等离子体制造容器2内部和外部的空气。通过灯丝电源20加热灯丝8。有机金属气体28引入到等离子体制造容器2内。来自电弧源22的电弧放电电压施加在灯丝8和等离子体制造容器2之间。在灯丝8和等离子体制造容器2之间产生电弧放电。由此，使有机金属气体28电离产生等离子体12。然后，离子束16由所述等离子体12引出。例如，当有机金属气体28用做原料气时，可以引出含铟离子或镓离子的离子束16。
反射电极10排斥由灯丝8发出的电子以增强气体的电离效率和等离子体12的产生效率。
在许多情况中，有机金属气体28自身具有强反应性(此时为三甲基铟)，并且通过将有机金属气体28转变为具有强反应性的等离子体以产生激活分子或激活原子。在引入有机金属气体28的离子源中，随着有机金属气体28进入等离子体制造容器2内，产生以下问题(1)等离子体制造容器2中如灯丝8、反射电极以及绝缘材料24，25等的部件受到品质变化的影响，由此改变了产生的等离子体的量和产生的离子束的量，所以这些部件的寿命缩短，(2)在等离子体制造容器2中容易产生污物，由于污物灯丝8和等离子体制造容器2以及其它部件之间产生绝缘失效，由此干扰了离子源的稳定启动，以及(3)频繁地进行维护(拆卸、清洗等)以除去污物。
下面介绍具体的离子，如果有机金属气体28为三甲基铟气体，那么存在以下问题。
(1)由于三甲基铟的分解产生的碳降低了灯丝8和等离子体制造容器2之间，具体为绝缘材料24的绝缘容量。因此，电弧放电电压不能正常地施加其间，产生的等离子体的量和产生的离子束16的量变得不稳定。由于用于反射电极10的绝缘材料25的绝缘容量降低也使反射电极10的电子反射作用变得不稳定。产生的等离子体12的量和产生的离子束16的量变得不稳定。
(2)高温下的灯丝8被氢化或碳化，并且由三甲基铟的分解产生的激活氢或激活碳造成了品质变化。由此由灯丝产生的热电子的量改变，并且等离子体12的产生量改变，离子束16的产生量也相应地变化。灯丝8的寿命也缩短。
(3)通过三甲基铟的脆性分解产生的激活氢或激活碳使灯丝8变脆，由灯丝8产生的热电子的量改变。由此，等离子体12的产生量变化，离子束16的产生量也改变。灯丝8的寿命缩短。
(4)为了仅用三甲基铟作为原料气时得到稳定和连续的等离子体12，需要提供比所需要的更多的三甲基铟气体(即，比为得到期望量的铟离子束所需的量更多)。因此，存在于等离子体制造容器2中存在的过量的铟或碳增加，其中的污物变大。等离子体制造容器2的内部需要频繁地清理，否则很难得到离子源的稳定启动。
(5)由于需要提供多于用于稳定和连续等离子体12所需要的三甲基气体，因此在气体提供到等离子体制造容器2内之前，由热分解产生的铟金属会污染和容易堵塞气体引入管26的内部。由此，很难稳定地提供三甲基铟，离子束16的制造量变得不稳定。
除了三甲基铟气体之外，在上述的有机金属气体28情况下也存在如(1)到(2)类似的问题。
此外，近来对半导体衬底(例如，硅氧烷衬底或镓砷衬底)的铟离子注入已受到关注。
例如，对于用于所述目的的离子源，有一种称作热阴极型的离子源，使用由灯丝(热阴极)产生的热电子，由此电离等离子体制造容器2内含有铟的原料气引出含铟离子的离子束。
当使用例如氯化铟(InCl3)的气化材料作为用于离子源的原料气时，将产生如下问题。即，由于所述化合物具有潮解性(通过从空气中吸收水分变成液体的性质)，等离子体制造容器的内壁立即被熔化的物质污染。因此，很难通过真空排空等离子体制造容器内部的空气，并且产生等离子体。比外，由于熔化产生酸，腐蚀了等离子体制造容器的内壁。清理熔化的材料产生许多问题。
当使用例如金属铟(In)的气化材料作为原料气时，由于这些材料的蒸汽压低，将产生需高温加热炉用于气化的问题(例如，加热温度在800到1000℃左右)。
另一方面，三甲基铟[In(CH3)3]或三乙基铟[In(C2H5)3]蒸汽压高到某种程度。因此，不需要使用高温加热炉进行气化。由于它们没有潮解性，因此等离子体制造容器的内壁不会污染或腐蚀。由于所述优点，很方便使用这些气体作为原料气。
然而，现已发现当在以上提到的引出含铟离子的离子束的热阴极型离子源中使用三甲基铟气体或三乙基铟气体作为原料气时，灯丝在短时间内(约1到几小时)恶化并且它的服务寿命中止。对于灯丝，使用在离子源中通常使用的钨灯丝。
下面细查灯丝的恶化过程。对于图5中所示的例子，在灯丝30的内部和表面有许多孔隙(气孔)，由此表面变得粗糙。当这些孔隙产生并生长时，当驱动离子源时灯丝30的表面温度分布逐渐变得不均匀，同时，由此灯丝30发生局部恶化，一部分34变薄。温度分布的不均匀进一步发展，部分34快速变薄，因此灯丝30的寿命加速变短并且导致灯丝断开。
可以看出，当使用三甲基铟气体或三乙基铟气体作为原料气时，可以得到如上所述的许多优点，但另一方面，也存在灯丝寿命变短的严重问题。
本发明的一个目的是能够稳定离子源的启动，稳定产生的离子束的量，延长组成部件的寿命以及容易维护。
本发明的另一目的是能够延长灯丝的寿命，同时充分利用使用三甲基铟气体或三乙基铟气体作为原料气的优点。
本发明的离子源包括将惰性气体和有机金属气体引入到等离子体制造容器内的气体引入机构。
通过气体引入机构，可以将惰性气体和为原料气的有机金属气体引入到等离子体制造容器内。由此，可以降低有机金属气体的流量，同时确保等离子体制造容器内稳定和连续等离子体需要的总气体的流量和所需要离子种类的离子束的量。
因此，可以减少伴随使用有机金属气体产生的各种问题，并且可以稳定离子源的启动，稳定产生离子束的量，延长组成元件的寿命以及容易维护。
此外，在本发明的离子源中，原料气为三甲基铟气体或三乙基铟气体，灯丝包括钽。
在除了三甲基铟气体或三乙基铟气体之外的以上提到的气体中，没有钨灯丝的快速恶化现象。因此，可以认为该现象为钨灯丝和三甲基铟气体或三乙基铟气体的组合所特有。
为此，假设通过将三甲基铟气体或三乙基铟气体变成等离子体产生激活的氢或激活的碳，并且它们侵入由钨灯丝作为热阴极高温加热的钨灯丝的金属晶体之间，由此在钨灯丝的内部或表面出现许多孔隙。
另一方面，用钽(Ta)形成灯丝，可以确定与钨相比寿命变得很长(如后面提到的约为5到6倍)。
为此，假设钽灯丝封闭了激活的氢或激活的碳同时保持金属晶体的状态。因此，与钨灯丝相比很难产生孔隙。在例如暗红加热时钽可以封闭740体积的氢。
图1示出了根据本发明的离子源的一个实施方案的剖面图；图2示出了根据本发明的离子源的另一个实施例的气体引入机构的周边部分的剖面图；图3示出了常规离子源的剖面图；图4示出了根据本发明的离子源的一个实施方案的剖面图；以及图5示出了灯丝的一个实施例的示意图，灯丝的表面由于产生孔隙而变得粗糙。
下面参考附图介绍根据本发明的优选实施方案。
图1示出了根据本发明的离子源的一个实施方案的剖面图。与图3所示的常规离子源相同或相应的部件采用了相同的数字和标记，在下面的说明中，主要涉及与常规实施例的不同之处。
所述离子源设置有两个气体引入口6，配置在等离子体制造容器2壁内作为气体引入机构以将惰性气体32和有机金属气体28一起引入等离子体制造容器2内；以及气体引入管26和30，连接到各气体引入口6以便通过各气体引入口6将有机金属气体28和惰性气体32分别引入到等离子体制造容器2内。简单地说，所述气体引入机构用于分别地引入有机金属气体28和惰性气体32。
惰性气体32为氦、氖、氩、氪、氙或氡，它们也称做稀有气体。两种或多种混合气体是足够的。优选这些惰性气体32是由于即使在高温下引入等离子体制造容器2内，也不会与构成灯丝8或等离子体制造容器2的材料(例如，钽、钨、钼或铌)反应形成化合物。
根据所述离子源，当驱动它时(即，当引导离子束16时)，可以将惰性气体32和作为原料气的有机金属气体28一起通过气体引入机构引入等离子体制造容器2内。即，有机金属气体28和惰性气体32的混合气体，换句话说，用有机金属气体稀释的惰性气体32形成的气体可以用于产生等离子体12。
因此，有机金属气体的流量可以减少，同时可以确保在等离子体制造容器2中稳定和连续的等离子体12需要的总的气体流量(即，有机金属气体28和惰性气体32的总量)和所需离子种类(例如，铟离子)的离子束的量。由此，可以减少伴随使用有机金属气体产生的以上提到的各种问题。
参考有机金属气体28为三甲基铟气体以及惰性气体32为氩气体的情况，解释所述事实如下。
(1)由于减少了三甲基铟气体的提供量同时没有扰乱稳定连续的等离子体12，因此在等离子体制造容器2中由三甲基铟气体分解产生的碳量变少。因此可以减少灯丝8和等离子体制造容器2之间的绝缘材料24或反射电极10和等离子体制造容器2之间绝缘材料25的绝缘容量的降低。由此，可以稳定等离子体12的产生量和离子束16的产生量。
(2)由于减少了三甲基铟气体的提供量同时没有扰乱稳定连续的等离子体12，因此在等离子体制造容器2中由三甲基铟气体分解产生的激活氢或激活碳的量变少。因此，可以降低高温下灯丝8氢化或碳化的程度以及品质的改变。由此，稳定了由灯丝8产生的热电子的量，并且稳定了产生的离子束16的量。灯丝8的寿命也延长。
(3)由于因三甲基铟气体的分解产生的激活氢和激活碳量的变小，因此灯丝8变脆的程度减轻。由此，稳定了由灯丝8产生的热电子的量，并且稳定了产生等离子体12的量和产生的离子束16的量。灯丝8的寿命也延长。
(4)由于减少了三甲基铟气体的提供量同时没有扰乱稳定连续的等离子体12，因此该三甲基铟气体的量足以得到所需的铟离子束(束流)的量。因此，可以减缓等离子体制造容器2中产生的过量铟或碳。由此，由于在等离子体制造容器2内部的污染很少，因此可以稳定离子源的启动。此外，可以简化如清理等离子体制造容器2内部等的维护。
(5)由于减少了三甲基铟气体的提供量同时没有扰乱稳定连续的等离子体12，因此不需要提供多于所需的三甲基铟气体。因此可以减少提供到等离子体制造容器2内之前由所述气体的热分解产生的铟金属会污染和容易堵塞气体引入管26的内部的情况。因此，可以稳定地提供三甲基铟气体，并且稳定了产生的离子束16的量。
在除了三甲基铟气体之外的以上提到的有机金属气体28的情况中，可以得到和(1)到(5)类似的效果。
采用例如图2中所示的实施方案可以由气体引入机构将惰性气体32和有机金属气体28一起引入等离子体制造容器2内。在本实施方案中，气体引入口6设置在等离子体制造容器2的壁中，两个气体引入管26和30通过混合部件34连接到气体引入口6。简要地说，所述气体引入机构用于预先混合有机金属气体28和惰性气体32(即，在等离子体制造容器2之前)并引入到等离子体制造容器2内。
图2的实施方案示出了与图1例子相同的作用效果。
如果在混合惰性气体32的条件下产生等离子体12，虽然惰性气体的离子包含在离子束16中，但没有任何特别的问题。这是由于需要的离子种类(例如，铟离子)通常是通过对靶(例如，衬底)进行离子注入的质量分离器选择出的。
本发明不限于以上提到的Bernus型离子源，但可以广泛地适用于其它离子源，例如，如Kaufmann、Freeman、PIG、或bucket(多电极磁场型)型等的电子碰撞型。
根据本发明的以上实施方案，离子源提供有将惰性气体和作为原料气的有机金属气体一起引入等离子体制造容器2内的气体引入机构。因此，可以降低有机金属气体的流量。此外，可以确保等离子体制造容器内稳定和连续等离子体需要的总气体的流量和所需离子种类的离子束的量。
因此，可以减少伴随使用有机金属气体产生的各种问题。由此，可以稳定离子源的启动，稳定产生离子束的量，延长组成元件的寿命以及容易维护。
图4示出了根据本发明的一个实施方案的剖面图。与图1所示实施例和图3所示的常规离子源相同或相应的部件采用了相同的数字和标记，在下面的说明中，主要涉及与常规例的不同之处。
在本实施方案中的灯丝108由钽组成。作为比较例，对由常规的钨组成的灯丝进行试验。
在等离子体制造容器2内，通过气体引入口6以及连接其上的气体引入管26引入原料气128作为制造等离子体12和离子束16的原料气(源气)。对于原料气128，在本实施方案中使用三甲基铟气体。
在所述离子源中，通过真空排出等离子体制造容器2内部和外部的空气。通过灯丝电源20加热灯丝8以产生热电子。适当流量的原料气128引入到等离子体制造容器2内。来自电弧源22的电弧放电电压施加在灯丝8和等离子体制造容器2之间，从而在灯丝8和等离子体制造容器2之间产生电弧放电。然后，原料气28电离产生等离子体12。由此，离子束16由所述等离子体12引出。
反射电极10排斥由灯丝8发出的电子以增强气体的电离效率和等离子体12的产生效率。
当比较所述离子源中的灯丝8的寿命时，通常使用的钨灯丝的寿命为1到几小时，而钽灯丝的寿命为30到40小时或更长。即，可以确定如果使用钽灯丝，寿命将为钽灯丝的5到6倍。
用作原料气的三甲基铟的蒸汽压高到上述提到的某种程度。由此，不需要使用高温加热炉进行气化。例如，气化可以提供导致室温下保持其内固体三甲基铟的容器的真空度。它除了没有潮解性质外，也不会污染或腐蚀等离子体制造容器2的内壁。因此，可以得到离子源的稳定操作，离子源的寿命可以变长，并且可以简化如清理等的维护。
由于三乙基铟气体为与三甲基铟气体相同种类的有机金属气体，因此当原料气28为三乙基铟气体时，可以得到类似的效果。
原料气28，即三甲基铟气体或三乙基铟气体可以作为唯一的气体引入等离子体制造容器2内，也可以和如氩、氖及其它惰性气体(稀有气体)一起引入。如果和惰性气体一起引入引入，那么原料气的流量可以减少，同时可以确保等离子体制造容器内稳定和连续等离子体需要的总气体(即，原料气28和惰性气体32的总和)的流量和需要铟离子的离子束的量。此外，可以减少原料气28对灯丝8的影响，由此可以延长灯丝8的寿命。
本发明不限于以上提到的Bernus型离子源，但可以广泛地适用于其它离子源，例如，如Kaufmann、Freeman、bucket(多电极磁场型)型等的电子碰撞型或热阴极PIG型。
根据本发明，可以延长灯丝的寿命，同时可以充分利用使用三甲基铟气体或三乙基铟气体作为原料气，即，不需要使用高温炉的优点，和熔化的物质不会污染或腐蚀等离子体制造容器的内壁的优点。
权利要求
1．一种离子源，包括等离子体制造容器，作为原料气的有机金属气体引入其内以产生等离子体；气体引入机构，将惰性气体和有机金属气体引入等离子体制造容器内。
2．根据权利要求1的离子源，其中惰性气体和有机金属气体分别引入等离子体制造容器内。
3．根据权利要求1的离子源，其中情生气体和有机金属气体一起引入等离子体制造容器内。
4．一种离子源，包括产生热电子的灯丝；以及等离子体制造容器，由灯丝产生的热电子用于电离含有铟的原料气，以引导含有铟离子的离子束；其中原料气为三甲基铟气体或三乙基铟气体中的一种，并且灯丝包括钽。
全文摘要
一种离子源,它设置有将惰性气体和有机金属气体引入等离子体制造容器内的气体引入机构。
文档编号H01J27/16GK1282095SQ0012424
公开日2001年1月31日 申请日期2000年7月22日 优先权日1999年7月22日
发明者石田修也 申请人:日新电机株式会社