JP2014183040A - イオン源、その運転方法および電子銃 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的均一なイオンビームプロファイルを作り出すことのできる改良されたイオン源を提供する。
【解決手段】 少なくとも一つの電子銃１０４を含むイオン源が提供されている。電子銃１０４は、電子のビーム３０８を発生させる電子源３０２とガスを受け取る入口３１２とを含む。電子銃１０４はまた、少なくとも陽極３０４および接地要素３０６によって画定されたプラズマ領域を含んでおり、プラズマ領域は、入口３１２を通して受け取ったガスからプラズマ３１０を生成することができる。プラズマ３１０は電子のビーム３０８の少なくとも一部分によって維持される。電子銃１０４は更に、（ｉ）プラズマ３１０によって作られたイオンまたは（ｉｉ）電子源３０２によって作られた電子のビーム３０８の少なくとも一部分、の少なくとも一方を取り出す出口３１２を含んでいる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、一般的にイオン源に関し、特に、イオン化室の縦軸（換言すれば長手方向軸。以下同様）に沿って比較的均一なイオン密度分布を有しているイオンビームを発生させるように構成されているイオン源に関する。更に、当該イオン源の運転方法および電子銃に関する。

イオン注入は、半導体デバイス製造における重要な技術であり、現在、トランジスタ中のｐ−ｎ接合の製作を含む多くのプロセスに用いられている。特に、メモリーチップや論理チップなどのＣＭＯＳデバイスの製作に用いられている。シリコン基板中にトランジスタを製作するのに必要なドーパント要素を含んでいる正帯電のイオンを作り出すことによって、イオン注入装置は、トランジスタ構造に導入されるエネルギー（従って注入深さ）およびイオン電流（従ってドーズ量）の両者を選択的に制御することができる。伝統的には、イオン注入装置は、長さが約５０ｍｍまでのリボンビームを発生させるイオン源を用いてきた。当該ビームは基板まで輸送され、所要のドーズ量（注入量）およびドーズ量均一性は、基板を横切ってリボンビームを電磁的に走査したり、ビームを横切って基板を機械的に走査することによって、または両者によって達成される。幾つかの場合では、当初のリボンビームは、それを縦軸に沿って発散させることによって、細長いリボンビームに拡張することができる。幾つかの場合では、ビームは楕円形または円形の形態を取ることさえできる。

現在、この分野の産業において、従来のイオン注入装置の設計を拡張して、より大きい寸法を持つリボンビームを作り出すことに対する関心が存在する。拡張されたリボンビーム注入に対する当該産業の関心は、直径４５０ｍｍのシリコンウェーハのような、より大きい基板に向けての最近の全産業的な動向によって引き起こされている。注入の間に、基板は拡張されたリボンビームを横切って走査しても良く、一方、ビームは静止したままである。拡張されたリボンビームは、より高い注入量率を可能にする。これは、拡張されたリボンビームの空間電荷による発散（ブローアップ）が低減される結果として、より大きいイオン電流を注入装置のビームラインを通して輸送することができるからである。基板の全域に注入されたドーズ量における均一性を達成するためには、リボンビーム中のイオン密度は、ビームの長手寸法に沿って伸びている縦軸に関してかなり均一であることが必要である。しかしながら、そのような均一性は実際上は達成することが難しい。

イオン注入装置の中には、修正用光学系がビームライン中に組み込まれていて、ビーム輸送の間にイオンビームのイオン密度プロファイルを修正するようにしているものもある。例えば、バーナス型イオン源が５０ｍｍから１００ｍｍの長さを持つイオンビームを生成することに用いられていて、当該イオンビームはその後所望のリボン寸法に拡張されかつイオン光学系によって平行化されて、注入されるべき基板よりも長いイオンビームが作られる（例えば特許文献１参照）。イオンビームがイオン源からの引き出し時に非常に不均一な場合や、空間電荷の作用および／またはビーム輸送光学系によって収差が惹き起こされている場合、修正用光学系を用いることは、良好なビーム均一性を作り出すには一般的に十分ではない。

イオン注入装置の設計の中には、アークチャンバースリットの縦軸に沿って並べられた複数の陰極を有している大容積のイオン源を用いているものもあり、その各陰極からの電子放出を、イオン源内におけるイオン密度プロファイルを修正するように調整することができるようにしている（例えば特許文献２参照）。イオン密度プロファイルのより良い均一性を増進するために、複数のガス導入ラインが当該イオン源の長軸に沿って配置されている。これらの特徴は、ビーム引き出し時に均一なプロファイルを作り出すことを企図しているけれども、一方でビームプロファイル修正用光学系の使用を制限することになる。

特許第３９００９１７号公報 特開２００５−３２７７１３号公報

上記努力にもかかわらず、引き出されたイオンビーム中において均一なイオン密度プロファイルを確立することの問題は、リボンビームイオン注入装置の製造業者にとって、特に１００ｍｍを超える寸法の引出し開口を有するイオン源を利用する場合に、依然として大きな関心事の一つのままである。それゆえに、比較的均一なイオンビームプロファイルを作り出すことのできる改良されたイオン源設計に対する要望が存在する。

この発明は、均一なイオン密度プロファイルを有していて、しかも３００ｍｍまたは４５０ｍｍ基板などの基板に対してその長さの実質的に端から端へ注入するのに十分な寸法を持つリボンビームを発生させることができる改良されたイオン源を提供する。幾つかの実施形態では、４５０ｍｍリボンビームのような拡張されたリボンビームがこの発明に係るイオン源によって発生され、当該リボンビームはその後イオン注入装置を通して輸送され、一方、輸送の間にビーム寸法は実質的に保存される。基板は、ゆっくりした水平方向の機械的走査で、静止しているリボンビームを横切って走査しても良い。

一つの局面では、少なくとも一つの電子銃を含むイオン源が提供されている。当該電子銃は、電子のビームを発生させる電子源と、ガスを受け取る入口と、プラズマ領域と、出口とを含んでいる。前記プラズマ領域は、少なくとも陽極および接地要素によって画定されている。前記プラズマ領域は、前記入口を経由して受け取った前記ガスからプラズマを生成するように成されており、当該プラズマは、前記電子銃によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分によって維持される。前記出口は、（ｉ）前記プラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）前記電子源によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を取り出すように構成されている。

他の局面では、イオン化室および二つの電子銃を含むイオン源が提供されている。前記イオン化室は、（ｉ）当該イオン化室を通って伸びている縦軸に沿う方向の二つの反対側端にある二つの内部開口および（ｉｉ）当該イオン化室の側壁に沿っていて当該イオン化室からイオンを引き出すための引出し開口を含んでいる。前記二つの電子銃は、それぞれ、前記二つの内部開口の内の一つに関連して配置されている。各電子銃は、電子のビームを発生させる電子源と、前記イオン化室からのガスを受け取る入口と、前記ガスからプラズマを生成するプラズマ領域とを含んでいる。前記プラズマ領域は、前記電子源によって発生された電子のビームの少なくとも一部分によって維持される。各電子銃は、前記イオン化室に、（ｉ）対応する電子銃のプラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）対応する電子銃によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を供給する。

更に他の局面では、イオン源を運転する方法が提供されている。当該方法は、電子銃の電子源によって電子のビームを発生させるステップと、前記電子銃の入口でガスを受け取るステップと、前記ガスおよび前記電子のビームから前記電子銃のプラズマ領域中にプラズマを生成するステップと、イオン化室に、（ｉ）前記プラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）前記電子銃の出口を経由した前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を供給するステップとを含んでいる。

更に他の局面では、電子銃が提供されている。当該電子銃は、電子のビームを発生させる電子源と、ガスを受け取る入口と、プラズマ領域と、出口とを含んでいる。前記プラズマ領域は、少なくとも陽極および接地要素によって画定されている。前記プラズマ領域は、受け取った前記ガスのプラズマを生成するように成されており、当該プラズマは、前記電子源によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分によって維持される。前記出口は、（ｉ）前記プラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）前記電子源によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を供給するように構成されている。

更に他の局面では、イオン源が提供されている。当該イオン源は、ガスを供給するガス源と、少なくとも一つの電子銃と、イオン化室と、制御回路とを含んでいる。前記電子銃は、電子のビームを発生させるエミッターと、少なくとも陽極および接地要素によって画定されたプラズマ領域とを含んでいる。当該プラズマ領域は、前記ガスから、前記電子のビームの少なくとも一部分によって維持される第２プラズマを生成するように成されている。前記イオン化室は、前記少なくとも一つの電子銃から、（ｉ）前記第２プラズマによって生成された第１の組のイオンまたは（ｉｉ）前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を受け取る。前記イオン化室は、前記ガスおよび前記電子のビームの少なくとも一部分から第１プラズマを生成し、かつ当該第１プラズマが第２の組のイオンを発生させるように構成されている。前記制御回路は、陽極の電圧またはエミッターの電圧の少なくとも一方を調整して、所望量の前記第１の組のイオンおよび前記第２の組のイオンを作り出すように構成されている。前記第１の組のイオンは、前記第２の組のイオンよりもより解離したイオンを含んでいる。幾つかの実施形態では、前記制御回路は、前記第２の組のイオンよりも前記第１の組のイオンを多く作り出すことによって、モノマーモードで動作するように構成されている。幾つかの実施形態では、前記制御回路は、前記第１の組のイオンよりも前記第２の組のイオンを多く作り出すことによって、クラスターモードで動作するように構成されている。

他の例においては、どの上記局面も、次の特徴の１以上を含んでいても良い。幾つかの実施形態では、前記イオン源は、前記陽極の電圧を調整して、前記プラズマ領域中の前記プラズマを実質的に消す制御回路を更に含んでいる。そのような状況では、前記出口は、前記電子源によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分をイオンを伴わずに供給するように構成されている。

幾つかの実施形態では、前記接地要素は、前記電子のビームが前記出口を経由して前記少なくとも一つの電子銃を離れるより前に、前記電子銃によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分を減速させる少なくとも一つのレンズを備えている。

幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つの電子銃の前記入口および前記出口は、単一の開口を備えている。前記イオン源は、縦軸に沿って配置された二つの端部を有していて、当該二つの端部の内の一つが前記少なくとも一つの電子銃の開口に結合された構成のイオン化室を含んでいる。前記開口は、（ｉ）前記イオン化室から前記電子銃へガスを供給しかつ（ｉｉ）前記電子銃から前記イオン化室への前記イオンまたは前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を受け取るように構成されている。

幾つかの実施形態では、前記イオン源は、前記少なくとも一つの電子銃と実質的に同じ構成の第２の電子銃を含んでいる。各電子銃は、前記イオン化室の前記二つの端部に配置されていて、前記イオンまたは前記電子のビームの少なくとも一方を前記イオン化室へ供給する。

幾つかの実施形態では、前記イオン源は、前記イオン化室の引出し開口に、前記イオン化室からイオンを引き出す少なくとも一つの引出し電極を更に備えている。前記イオン化室または前記少なくとも一つの引出し電極は、またはそれらの組み合わせは、グラファイトで作られていても良い。幾つかの実施形態では、前記イオン源は、四つの引出し電極を更に含んでいる。当該引出し電極の内の少なくとも二つは、前記イオン化室に対して可動である。

幾つかの実施形態では、電子銃の前記電子源は、（ｉ）フィラメントおよび（ｉｉ）前記フィラメントによって熱電子的に放出された電子流によって間接的に加熱されて前記電子のビームを発生させる陰極を含んでいる。前記イオン源は、前記フィラメントに印加される電圧を調整して、前記陰極に向けての前記フィラメントの放出電流を基準電流値またはその近傍に維持する第１の閉ループ制御回路を含んでいても良い。前記イオン源は、前記フィラメントと前記カソード間の電位を調整して、前記陽極の電流を基準電流値またはその近傍に維持する第２の閉ループ制御回路を含んでいても良い。

幾つかの実施形態では、前記イオン化室は、当該イオン化室の側壁に沿っていて、ガスを当該イオン化室内に供給する複数のガス入口を含んでいる。当該ガスは、１以上の電子銃によって供給された前記電子のビームの少なくとも一部分によって電離させることができる。

この発明の他の局面および利点は、この発明の原理を例のみのために説明している添付図面と共に読むと、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

また、上述した技術の利点は、更なる利点と共に、以下の図面の簡単な説明を添付図面と共に参照することによって、より良く理解できるであろう。図面は必ずしも一定の縮尺比ではなく、代わりに、技術の原理を説明するために通常は強調が成されている。

この発明の実施形態による例示的なイオン源の概略図である。 この発明の実施形態による例示的なイオンビーム引出し系の概略図である。 この発明の実施形態による例示的な電子銃組立体の概略図である。 この発明の実施形態によるものであって、図３の電子銃組立体のための例示的な制御系の概略図である。 この発明の実施形態によるものであって、一組の磁界源を含む例示的なイオン源の概略図である。 この発明の実施形態によるものであって、図５の磁界源の例示的な構成の概略図である。 この発明の実施形態によるものであって、図５の磁界源の他の例示的な構成の概略図である。 この発明のイオン源によって発生されたイオンビームの例示的なイオン密度プロファイルの図である。 この発明の実施形態による他の例示的なイオン源の概略図である。

図１は、この発明の実施形態による例示的なイオン源の概略図を示している。イオン源１００は、イオン注入室へ輸送するためのイオンビームを生成するように構成されており、当該イオン注入室においてイオンビームを例えば半導体ウェーハなどの基板へ注入する。図示のように、イオン源１００は、イオン化室１０２の長手寸法に沿う縦軸１１８を規定しているイオン化室１０２と、一対の電子銃１０４と、プラズマ電極１０６と、引出し電極１０８と、複数のガス入口１１０および複数の流量調節器（ＭＦＣ）１１２を備えるガス配送システムと、ガス源１１４と、結果として生じるイオンビーム１１６とを含んでいる。動作の際には、ガス源１１４からのガス状の原料がガス入口１１０を経由してイオン化室１０２内に供給される。各ガス入口１１０を通してのガス流は、入口１１０に接続された各流量調節器１１２によって制御することができる。イオン化室１０２において、一対の電子銃１０４のそれぞれによって発生された電子ビームによる電子衝撃によって電離されたガス分子から第１プラズマが生じる。一対の電子銃１０４は、イオン化室１０２の相対する面に配置されている。幾つかの実施形態では、電子銃１０４は、付加的なイオンをイオン化室１０２へ供給することもできる。イオン化室１０２内のイオンは、引出し開口（図示せず）を経由して引き出すことができ、プラズマ電極１０６および引出し電極１０８を備える引出し系を用いてエネルギー値の高いイオンビーム１１６を形成することができる。縦軸１１８は、イオンビーム１１６の伝搬方向と実質的に垂直にすることができる。幾つかの実施形態では、１以上の磁界源（図示せず）をイオン化室１０２および／または電子銃１０４に近接して配置しても良く、それによって、電子銃１０４によって発生された電子ビームを電子銃１０４内およびイオン化室１０２内に閉じ込める外部磁界を発生させることができる。

ガス源１１４は、例えばＡsＨ₃ 、ＰＨ₃ 、ＢＦ₃ 、ＳiＦ₄ 、Ｘe 、Ａr 、Ｎ₂ 、ＧeＦ₄ 、ＣＯ₂ 、ＣＯ、ＣＨ₃ 、ＳbＦ₅ およびＣＨ₆ などの１以上の入力ガスをイオン化室１０２内に導入することができる。入力ガスは、ガス配送システムを経由してイオン化室１０２に入ることができる。当該ガス配送システムは、（ｉ）縦軸１１８に沿ってイオン化室１０２の側壁に間隔をあけて配置された複数のガス入口１１０、および（ｉｉ）各ガス入口１１０に接続された複数の流量調節器１１２を含んでいる。イオン化室１０２内の第１プラズマのイオン密度は入力ガスの密度に依存するので、各流量調節器１１２を別個に調節することによって、縦方向１１８におけるイオン密度分布の改善された制御を実現することができる。例えば、制御回路（図示せず）は、引き出されたイオンビーム１１６のイオン密度分布をモニターして、引き出されたイオンビーム１１６中の縦方向に沿うより均一なイオン密度プロファイルを達成するように、１以上のガス流量調節器１１２を経由する入力ガスの流量割合を自動的に調節することができる。幾つかの実施形態では、ガス源１１４は、Ｂ₁₀Ｈ₁₄、Ｂ₁₈Ｈ₂₂、Ｃ₁₄Ｈ₁₄および／またはＣ₁₆Ｈ₁₀などの固体供給原料を蒸発させて、イオン化室１０２内へ供給する蒸気入力を発生させる蒸発器を含んでいても良い。この場合は、前記蒸気入力をイオン化室１０２内へ導入するために１以上の別個の蒸気入口（図示せず）を用いて、入口１１０に接続された流量調節器を迂回させても良い。前記１以上の別個の蒸気入口は、縦軸１１８の方向において、イオン化室１０２の側壁に沿って均等に分散させても良い。幾つかの実施形態では、ガス源１１４は、１以上の液相ガス源を備えている。液相原料は、ガス入口１１０および流量調節器１１２を備える前記ガス配送システムを用いてガス化してイオン化室１０２内へ導入することができる。流量調節器１１２は、液相原料から放出されたガスの流れを容易にするように適切に調節することができる。

一般的に、イオン化室１０２は、横方向（図示せず）よりも縦方向１１８において長い長方形の形状を有していても良い。イオン化室１０２はまた、例えば円筒形状などの他の形状を有していても良い。イオン化室１０２の縦軸１１８に沿う長さは、約４５０ｍｍでも良い。引出し開口（図示せず）は、イオン化室１０２の細長い面上に位置していても良く、一方、各電子銃１０２は横の面に位置している。引出し開口は、イオン化室１０２の長さに沿って伸びていても良く、例えば長さが約４５０ｍｍである。

イオン化室１０２からイオンを引き出しかつ注入イオンのエネルギーを決定するために、イオン源１００は、イオン源電源（図示せず）によって、例えば１ｋＶから８０ｋＶなどの高い正のイオン源電圧に保持される。プラズマ電極１０６は、イオン化室１０２の縦軸１１８に沿う面上に引出し開口板を備えていても良い。幾つかの実施形態では、プラズマ電極１０６は、当該プラズマ電極１０６にバイアス電圧を印加することができるように、イオン化室１０２から電気的に絶縁されている。バイアス電圧は、イオン化室１０２内に生成されるプラズマの特性に、例えばプラズマ電位、イオンの滞留時間および／またはプラズマ内のイオン種の相対拡散特性などの特性に影響を及ぼすように印加される。プラズマ電極１０６の長さは、イオン化室１０２の長さと実質的に同じであっても良い。例えば、プラズマ電極１０６は、イオン化室１０２からのイオン引き出しを可能にする形状をした４５０ｍｍ×６ｍｍ開口を含む板を備えていても良い。

引出し電極１０８のような１以上の付加的な電極が、イオンビーム１１６の引出し効率を高めかつその集束を改善するために用いられる。引出し電極１０８は、プラズマ電極１０６と同様に構成されていても良い。これらの電極は、絶縁物によって互いに間隔をあけて配置し（例えば５ｍｍ間隔）、かつ異なった電位に保たれても良い。例えば、引出し電極１０８は、プラズマ電極１０６またはイオン源電圧に対して約−５ｋＶまでだけバイアスをかけても良い。しかし、これらの電極は、特定の注入プロセスのための所望のイオンビームを発生させる際の性能を最適化するために、広範囲の電圧に亘って動作させても良い。

図２は、この発明の実施形態による例示的なイオンビーム引出し系の概略図を示す。図示のように、当該イオンビーム引出し系は、イオン化室１０２に近接して配置されたプラズマ電極２０２と、それに続く引出し電極２０４と、抑制電極２０６と、接地電極２０８とを含んでいる。これらの電極の開口は、イオン化室１０２の縦軸１１８に実質的に平行である。プラズマ電極２０２および引出し電極２０４は、それぞれ、図１のプラズマ電極１０６および引出し電極１０８と同様のものである。幾つかの実施形態では、プラズマ電極２０２は、イオンビーム１１６の空間電荷拡散を打ち消すためにピアス（Pierce) 角に従って形作られており、それによって引き出し時に実質的に平行なビーム軌道を可能にしている。幾つかの実施形態では、プラズマ電極２０２の開口は、イオン化室１０２中のプラズマに最も近い面に切り込み（アンダーカット）を有しており、当該切り込みは鋭い端（以下「ナイフエッジ」と言う）を取り入れることによってプラズマ境界を画定するのを助けている。プラズマ電極開口の幅は、ナイフエッジの分散面に沿う幅と実質的に同じでも良い。この幅は図２中にＷ１で示されている。幅Ｗ１の値は、約３ｍｍから約１２ｍｍの範囲でも良い。更に、図２に示すように、引出し電極２０４の分散面における開口の幅Ｗ２は、プラズマ電極２０２の幅Ｗ１より広くても良く、例えば約１．５倍広い。接地電極２０８は、ターミナル（始端装置）電位に保持されても良く、当該ターミナル電位は、ある種のイオン注入装置の場合のようにターミナルを接地電位より下に浮かせることが望ましい場合を除いて、接地電位にある。抑制電極２０６は、接地電極２０８に対して約−３．５ｋＶなどの負にバイアスされて、もしそうしなければ正帯電のイオンビーム１１６を発生させたときに正にバイアスされたイオン源１００に引きつけられるであろう不所望な電子を押し戻したり抑制したりする。一般的に、引出し系は、二つの電極（例えば抑制電極２０６および接地電極２０８）に限定されるものではなく、必要に応じて更なる電極を付け加えても良い。

幾つかの実施形態では、制御回路（図示せず）は、イオンビーム１１６の焦点合せを高めるために、１以上の電極の間隔をイオンビーム１１６の伝搬方向に沿って（即ち縦軸１１８と垂直に）自動的に調整することができる。例えば、制御回路は、引出し電界を変えるために、イオンビーム１１６のビーム特性を監視し、かつ当該監視に基づいて、抑制電極２０６または接地電極２０８の少なくとも一方を互いにより近づける又はより離すように動かすことができる。幾つかの実施形態では、制御回路は、電極の配置による機械的誤差を補償するために、イオンビーム１１６の経路に関して、抑制電極２０６または接地電極２０８の少なくとも一方を傾ける又は回転させる。幾つかの実施形態では、制御回路は、抑制電極２０６および接地電極２０８（第１群電極）を共に特定のビーム経路に沿って、プラズマ電極２０２および引出し電極２０４を含む残りの電極（第２群電極。これらは静止状態に保持されても良い）に関して動かす。第１群電極と第２群電極との間のギャップは、イオンビーム形状、イオンビームの所要エネルギーおよび／またはイオン質量などの幾つかの要素に基づいて決定しても良い。

図３は、この発明の実施形態による例示的な電子銃１０４の概略図を示す。図示のように、電子銃１０４は、陰極３０２と、陽極３０４と、接地要素３０６と、制御回路（図示せず）とを含んでいる。陰極３０２によって熱電子が放出される。陰極３０２は、例えばタングステンまたはタンタルなどの高融点金属で構成されていても良く、そして直接または間接的に加熱しても良い。陰極３０２を間接的に加熱する場合は、間接加熱を行うためにフィラメント３１１を用いても良い。具体的に言えば、フィラメント３１１を加熱するためにフィラメント３１１に電流が流され、その結果フィラメント３１１は熱電子的に電子を放出する。フィラメント３１１に陰極３０２の電位よりも低い数百Ｖ（例えば陰極に対して６００Ｖまでの負の電圧）のバイアスをかけることによって、フィラメント３１１によって作られ熱電子的に放出された電子は、エネルギー値の高い電子衝撃によって陰極３０２を加熱することができる。陰極３０２は、熱電子的に電子を放出するように構成されており、陰極３０２に対して正電位に保持される陽極３０４の位置でエネルギー値の高い電子ビーム３０８を形成する。電子ビーム３０８は、イオン化室１０２の開口３１２を経由してイオン化室１０２内へ入るように構成されており、そしてイオン化室１０２内で当該室内のガスを電離させることによって第１プラズマ（図示せず）を発生させる。電子銃１０４は、更に、少なくとも陽極３０２および接地要素３０６によって画定されたプラズマ領域を含んでおり、当該プラズマ領域は、開口３１２を経由して受け取ったガスからプラズマ（具体的には第２プラズマ３１０）を生成するように構成されている。当該第２プラズマ３１０は、例えば、電子ビーム３０８の少なくとも一部分によって維持される。

更に、制御回路は、電子銃１０４内で陽極３０４と接地要素３０６との間のプラズマ領域に第２プラズマ３１０を生成することができる。具体的に言えば、電子ビーム３０８によって第２プラズマ３１０を生成するのに十分な電界を確立するような電位を陽極３０４と接地要素３０６との間に作り出しても良い。第２プラズマ３１０は、イオン化室１０２から開口３１２を経由して電子銃１０４に入るガスの電離によって作り出される。当該ガスは入口１１０を経由して供給することができる。電子ビーム３０８は、第２プラズマ３１０を長時間維持することができる。第２プラズマ３１０のプラズマ密度は、陽極３０４のアーク電流に比例しており、当該アーク電流は正の陽極電圧の増大に依存する。それゆえに、第２プラズマ３１０を制御しかつ安定させるために、制御回路によって、陽極電源４０６によって供給される電流の閉ループ制御と共に、陽極電圧の制御を用いても良い。第２プラズマ３１０は、正帯電のイオンを発生させるのに適しており、当該イオンは開口３１２を経由してイオン化室１０２内へ前進させることができ、それによって、引き出されたイオンビーム１１６のイオン密度を増大させることができる。当該前進運動は、第２プラズマ３１０によって生成された正帯電のイオンが正にバイアスされた陽極３０４によって跳ね返されてイオン化室１０２の方へ進むときに発生する。

制御回路は、正電圧を陽極３０４に印加することによって電子銃１０４内で第２プラズマ３１０を生成することができる。制御回路は、第２プラズマ３１０によって生成されるイオンの量を制御すると共に、陽極電源４０６によって供給される電流の閉ループ制御によって第２プラズマ３１０をある程度安定させることができる。この電流は、陽極３０４と接地要素３０６との間のプラズマ放電によって維持されるアーク電流である。以下において、この動作モードを「イオンポンピングモード」と呼ぶ。イオンポンピングモードにおいては、イオンに加えて、電子ビーム３０８もまた、開口３１２を経由してイオン化室１０２へ進み、イオン化室１０２内で第１プラズマを生成する。イオンポンピングモードは、増大させた引出し電流が必要な状況において有利であろう。あるいは、制御回路は、陽極３０４の電圧を適切に調整することによって、例えば陽極３０４の電圧をゼロに設定することなどによって、電子銃１０４内の第２プラズマ３１０を実質的に消すことができる。この場合、有意な量の正帯電のイオンを伴うことなく、電子ビーム３０８のみが電子銃１０４からイオン化室１０２へ流入する。以下において、この動作のモードを「電子衝撃モード」と呼ぶ。

更に他の動作モードでは、制御回路は、電子ビーム３０８をイオン化室１０２へ供給することなしに、電子銃１０４内に第２プラズマ３１０を生成することができる。これは、エミッター（即ち陰極３０２）の電圧を適切に調整することによって、例えば陰極３０２をそれがイオン化室１０２と同電位になるように接地することなどによって、達成することができる。その結果、電子ビーム３０８中の電子はイオン化室１０２へ入る時に低エネルギーを有していることになり、遥かに弱い電子ビームがイオン化室１０２へ入ること、またはそこへ入る電子ビームやイオン化室１０２内で有用な電子衝撃電離を生じさせる電子ビームが少しもないことを効果的に可能にする。この動作のモードでは、第２プラズマ３１０は、イオン化室１０２内への推進のための正イオンを発生させることができる。この動作モードでは、電子銃１０４はプラズマ源の働きをする。以下において、この動作のモードを「プラズマ源モード」と呼ぶ。プラズマ源モードは幾つかの利点を有している。例えば、典型的には２ｋＶ、１Ａの電源であるエミッター電源４３０を省くことによって、コストおよび複雑さが低減される。プラズマ源モードは、プラズマフラッドガン、プラズマドーピング装置、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）などにおいて用いることができる。幾つかの実施形態では、プラズマ源モードにおいて第２プラズマ３１０を発生させるのに高周波放電を用いることができる。しかし、一般的に、電子銃１０４は、プラズマ源および／またはイオン源の働きをすることができる。

一般的に、電子銃１０４において第２プラズマ３１０を作動させることによって、イオン源１００の使用可能寿命を長くすることができる。長いイオン源寿命を達成することにおける主要な制限要因は、主としてイオンスパッタリングによって引き起こされる陰極浸食による陰極３０２の損傷である。陰極３０２のイオンスパッタリングの程度は、（ｉ）局所的なプラズマまたはイオンの密度と、（ｉｉ）陰極３０２に到達するときのイオンの運動エネルギーとを含む幾つかの要因に依存している。陰極３０２はイオン化室１０２内の第１プラズマから離れているので、イオン化室１０２内で生成されたイオンが陰極３０２に達するためにはイオン化室１０２から流出しなければならない。そのようなイオンの流れは、陽極３０４の正電位によって大きく妨げられる。陽極３０４の電位が十分に高い場合、低エネルギーイオンは、この電位障壁に打ち勝って負帯電の陰極３０２に到達することはできない。しかし、陽極３０４と接地要素３０６との間のアーク中に生成されたプラズマイオンは、陽極３０４の電位と同じくらい高い初期運動エネルギー（例えば数百ｅＶ）を持つことができる。イオンスパッタ率は、イオンエネルギーＫの増加に依存するものである。具体的に言えば、電子銃１０４付近のイオンエネルギーＫの最大値は、Ｋ＝ｅ（Ｖe −Ｖa ）で与えられ、ここでＶa は陽極３０４の電圧であり、Ｖe は陰極３０２の電圧であり、ｅは電子電荷である。この関係によれば、イオンエネルギーＫは、陰極３０２と陽極３０４との間の電位差と同じくらい大きくなることができる。このように、陰極３０２の寿命を最大にするためには、この電位差を最小にしても良い。幾つかの実施形態では、陰極３０２付近のプラズマまたはイオン密度を低く保つために、プラズマ源モードのアーク電流もまた低く調整される。そのような条件は、プラズマ源モードよりも電子衝撃モードにより密接に合致している。もっとも、両モードは陰極寿命を犠牲にすることなく有効に採用することができる。一般的に、高融点金属のイオンスパッタ率は、約１００ｅＶ未満では最小であり、イオンエネルギーが増大するにつれて急速に増大する。それゆえに、幾つかの実施形態では、イオンエネルギーＫを約２００Ｖ未満に維持することは、イオンスパッタリングを最小にしかつ長寿命運転を実現することに貢献する。

幾つかの実施形態では、制御回路は、「クラスター」または「モノマー」モードのどちらかで動作することができる。上述したように、イオン源１００は、二つの別個の領域のプラズマを維持する能力がある。それは、（ｉ）陽極３０４と接地要素３０６との間のアーク放電から生成された第２プラズマ３１０および（ｉｉ）イオン化室１０２内におけるガスの電子衝撃電離から生成された第１プラズマ（図示せず）である。これら二つのプラズマ生成メカニズムの電離特性は異なっている。第２プラズマ３１０に対しては、陽極３０４と接地要素３０６との間のアーク放電は、分子ガス種を効率的に解離させて、負帯電種に加えて、解離された断片のイオンを生成する（例えば、ＢＦ₃ ガスをＢ⁺ 、ＢＦ⁺ 、ＢＦ₂ ⁺ およびＦ⁺ に効率的に転換する）。それと対照的に、電子ビーム３０８の電子衝撃電離によってイオン化室１０２内に生成される第１プラズマは、分子種を、実質的な解離（例えばＢ₁₀Ｈ₁₄をＢ₁₀Ｈ_x ⁺ イオンに転換すること。ここで「ｘ」は水素種の範囲を示し、例えばＢ₁₀Ｈ₉ ⁺ 、Ｂ₁₀Ｈ₁₀ ⁺ などである。）を伴わずに保存する傾向がある。これらの異種類の電離特性を考慮して、制御回路は、ユーザーの所望のイオン種に合せて電離特性を少なくとも部分的に調整するようにイオン源１００を運転することができる。制御回路は、特定のガス種の「分解パターン」（即ち、中性ガス種から生成される特定イオンの相対存在度）を変更して、所定の注入プロセスに必要な特定イオンの存在度を増大させることができる。

具体的に言えば、モノマーモードの動作では、制御回路は、イオン励起モードまたはプラズマ源モードのどちらかを始めることができ、その場合、第２プラズマは、より解離されたイオンの相対存在度を生み出すように生成される。これと対照的に、クラスターモードの動作では、制御回路は、電子衝撃モードを始めることができ、その場合、第１プラズマが支配的となり、第２プラズマは存在しない状態まで弱くなり、親イオンの相対存在度を生み出す。従って、モノマーモードは、より多くの正帯電イオンが電子銃１０４の第２プラズマ３１０からイオン化室１０２内へ推進されることを可能にする一方、より弱い電子ビーム３０８がイオン化室１０２内へ入ること、またはそこへ入る電子ビームが少しもないことを可能にする。これと対照的に、クラスターモードの動作は、より少ない正帯電イオンと、電子銃１０４からのより強い電子ビーム３０８がイオン化室１０２内に入ることを可能にする。

一例として、分子Ｃ₁₄Ｈ₁₄を考える。この分子の電離（イオン化）は、その結合構造における対称性のためにＣ₁₄Ｈ_x ⁺ およびＣ₇Ｈ_x ⁺ の両者を生じさせる。親分子はモノマーモードにおいてより容易に分解されるであろうから、イオン源をクラスターモードで運転することによってＣ₁₄Ｈ_x ⁺ イオンの相対存在度を増大させ、一方、イオン源をモノマーモードで運転することによってＣ₇Ｈ_x ⁺ イオンの相対存在度を増大させる。幾つかの実施形態では、ＡsＨ₃ 、ＰＨ₃ 、ＢＦ₃ 、ＳiＦ₄ 、Ｘe 、Ａr 、Ｎ₂ 、ＧeＦ₄ 、ＣＯ₂ 、ＣＯ、ＣＨ₃ 、ＳbＦ₅ 、Ｐ₄ およびＡs₄などのような気相または液相原料から所望のモノマー種が得られる。幾つかの実施形態では、Ｂ₁₀Ｈ₁₄、Ｂ₁₈Ｈ₂₂、Ｃ₁₄Ｈ₁₄およびＣ₁₆Ｈ₁₀などのような蒸発させた固体供給原料、および、Ｃ₆Ｈ₆ およびＣ₇Ｈ₁₆などのような気相または液相原料のいずれかから、所望のクラスター種が得られる。これらの原料は、所望の原子（これらの例ではＢおよびＣ）の数がイオン化の間に十分に保存され得る場合は、イオン化された注入種として有益である。

制御回路は、電子銃１０４の動作電圧を適切に設定することによって、上記二つモードの内の一つを始めることができる。一例として、モノマーモードを始めるために、制御回路は、（ｉ）陰極３０２の電圧のようなエミッターの電圧（Ｖe ）を約−２００Ｖに設定し、かつ（ｉｉ）陽極３０４の電圧（Ｖa ）を約２００Ｖに設定することができる。モノマーモードはまた、電圧Ｖe が約０Ｖ（即ちプラズマ源モード）に設定されているときに始めることができ、この場合、電子衝撃解離によってイオン化室１０２内に生成されるイオンは実質的に少しもない。クラスターモードを始めるためには、制御回路は、（ｉ）電圧Ｖe を約−４００Ｖに設定し、かつ（ｉｉ）電圧Ｖa を約０Ｖに設定することができる。

各イオンのタイプはそれぞれ利点を有している。例えば、低エネルギーのイオン注入ドーピングまたは物質の改質（例えば非晶質化注入）のためには、所望の多数の原子を含む重い分子種が好ましいであろう。これは、上述した例におけるホウ素および炭素などである。それと対照的に、シリコン基板にドーピング（イオン注入）を行ってトランジスタ構造（例えばソースおよびドレイン）を作るためには、Ｂ⁺ などのようなモノマー種が好ましいであろう。

異なった動作モード間で電子銃１０４の動作を制御するために、制御回路は、フィラメント３１１、陰極３０２および陽極３０４にそれぞれ関連付けられている電流および／または電圧を調整することができる。図４は、この発明の実施形態によるものであって、図３の電子銃１０４の例示的な制御回路４００の概略図を示している。図示のように、制御回路４００は、フィラメント３１１の両端間に電圧（Ｖf ）を供給してフィラメント放出を調整するフィラメント電源４０２と、フィラメント３１１を陰極３０２に対してバイアスする陰極電源４０４（電圧Ｖc ）と、陽極３０４に電圧（Ｖa ）を供給する陽極電源４０６と、陰極３０２の電圧のようなエミッターの電圧（Ｖe ）を供給するエミッター電源４３０とを備えている。一般的に、各電源４０２、４０４、４０６は、制御された電流モードで動作することができ、各電源は設定値電流に対処するのに十分な出力電圧を設定する。図示のように、制御回路４００は、二つの閉ループ制御器を含んでいる。即ち、（１）フィラメント３１１による電子流放出を制御することに用いられる閉ループ制御器４０８、および（２）第２プラズマ３１０内に生成されたアーク電流（これは陽極電源４０６によって供給された電流である）を調整することに用いられる閉ループ制御器４１８である。

制御動作の最初に、制御回路４００は、陰極電源４０４および陽極電源４０６をそれぞれの初期電圧値に設定する。制御回路４００はまた、例えばオペレータインターフェースを通して利用可能なフィラメントウォームアップユーティリティーを用いて、フィラメント３１１を電子放出の状態に至らせる。ひとたび電子放出が得られると、制御回路４００のオペレータは、制御器４０８および４１８を介して閉ループ制御を始めることができる。

閉ループ制御器４０８は、フィラメント３１１に対する設定放出電流値を維持しようと努める。この設定放出電流値は、陰極３０２に届けられる電子ビーム加熱電流である。閉ループ制御器４０８は、フィラメント電源４０２を調整してフィラメント電圧すなわちフィラメント３１１の両端間の電圧を調整することによって、上記設定放出電流値を維持する。具体的に言えば、制御器４０８は、入力として、設定フィラメント放出電流値４１０を受け取る。当該設定電流値は、陰極電源４０４によって供給される電流である。この設定電流値４１０は、例えば約１．２Ａでも良い。応答の際には、制御器４０８は、出力信号４１２を経由してフィラメント電源４０２を制御し、それによってフィラメント電源４０２は、当該電源４０２を出る電流が設定電流値４１０に近くなるのを可能にするのに十分な出力電圧を供給する。フィラメント電源４０２を出る実際の電流はモニターされて、フィードバック信号４１６として制御器４０８に返される。フィードバック信号４１６中の実際の電流と設定電流値４１０との間の差が誤差信号を作り出し、当該誤差信号は、制御器４０８の比例−積分−微分（ＰＩＤ）フィルターによって適切な状態に調整することができる。制御器４０８はその後、前記差を最小化するために、出力信号４１２をフィラメント電源４０２へ送る。

閉ループ制御器４１８は、電子ビーム３０８によって発生された電流を調整することによって、設定陽極電流値を維持しようと努める。これは、当該陽極電流は当該電子ビーム電流に比例しているからである。閉ループ制御器４１８は、フィラメント３１１による陰極３０２の電子ビーム加熱を調整することによって上記設定陽極電流値を維持し、それによって陰極３０２によって放出される電子の量を調整する。具体的に言えば、制御器４１８は、入力として設定陽極電流値４２０を受け取る。応答の際には、制御器４１８は、出力信号４２２を経由して陰極電源４０４を調整し、それによって陰極電源４０４は、陽極電源４０６での電流が設定陽極電流値４２０に近くなることを可能にするのに十分な出力電圧を供給する。上述したように、陰極電源４０４の電圧を調整することによって、陰極３０２の電子加熱の程度が調整され、それに従って電子ビーム３０８の電流が調整される。陽極３０４のアーク電流は電子ビーム３０８によって供給されるので、陽極電流はそれゆえに電子ビーム３０８の電流に比例している。更に、陽極電源４０６を出る実際の電流はモニターされて、フィードバック信号４２６として制御器４１８へ返される。フィードバック信号４２６中の実際の電流と設定陽極電流値４２０との間の差が誤差信号を作り出し、当該誤差信号は、制御器４１８のＰＩＤフィルターによって適切な状態に調整される。制御器４１８はその後、上記差を最小化するために、出力信号４２２を陰極電源４０４へ送る。

幾つかの実施形態では、電子ビーム３０８の運動エネルギーは、エミッター電源４３０の電圧の測定に基づいて、制御回路によって決定することができる。例えば、電子ビームエネルギーは、エミッター電源電圧（Ｖe ）と電子電荷（ｅ）との積として計算することができる。エミッター電源４３０はまた、電子ビーム電流（これはエミッター電源４３０を出る電流に相当する）を供給し、かつフィラメント電源４０２を浮かせている陰極電源４０４のための基準電位として働くことができる。

図３を引き続き参照して、電子銃１０４の接地要素３０６は、電子ビーム３０８がイオン化室１０２に入る前に電子ビーム３０８の最終エネルギーを減少させることによって、電子ビーム３０８を減速させるように構成されている。具体的に言えば、接地要素３０６は、逆ピアス構造に従った形状をしていて減速レンズとして働く１以上のレンズ（例えば二つのレンズ）を含んでいても良い。一例として、電子ビーム３０８は、５００ｅＶで接地要素３０６に近づき、接地要素３０６を通過した後に１００ｅＶに減速されても良い。結果として、このようにしない場合に比べて、より低エネルギーの電子流がイオン化室１０２に導入される。更に、電子ビーム３０８を螺旋軌道に閉じ込めるために、外部の実質的に均一な磁界３２０を加えても良い。磁界３２０はまた、第１プラズマ（図示せず）および第２プラズマ３１０をイオン源１００内に閉じ込めることができる。磁界３２０についての詳細は、図５−図７を参照して以下に説明する。

図３の少なくとも一つの電子銃１０４は、開口３１２を経由して電子ビームおよび／またはイオンをイオン化室１０２内へ導入することに用いることができる。開口３１２は、イオン化室１０２から電子銃１０４へのガスの輸送を許容することができ、当該ガスから、イオンポンピングモードの間に、電子銃１０４内の第２プラズマ３１０を生成することができる。幾つかの実施形態では、図１に示すように、二つの電子銃１０４が用いられていて、それぞれはイオン化室１０２の相対する面に配置されている。各電子銃１０４によって導入された電子ビームは、イオン化室１０２の内部で縦方向１１８に進むように構成されている。各電子銃１０４からの電子ビームは、イオン化室１０２内でガスを電離させてイオン化室１０２内にイオンを生成する。イオンポンピングモードを作動させている場合は、電子銃１０４によって付加的なイオンをイオン化室１０２内へ導入することができる。

一つの局面では、イオン源１００の１以上の構成要素は、例えば高い動作温度、イオンスパッタリングによる浸食およびフッ素化化合物との反応などによる何らかの有害な効果を最小にするために、グラファイトで構成されている。グラファイトの使用はまた、引き出されたイオンビーム１１６中において、高融点金属や遷移金属などの有害な金属成分の生成を制限する。幾つかの例では、電子銃１０４の陽極３０４および接地要素３０６はグラファイトで作られている。更に、イオン化室１０２からイオンを引き出すことに用いられる１以上の電極であって、プラズマ電極１０６および引出し電極１０８を含む電極も、グラファイトで作られていても良い。更に、アルミニウムで作られていても良いイオン化室１０２は、グラファイトでその内側を覆っておいても良い。

他の局面では、イオン源１００は、イオン化室１０２および／または電子銃１０４に近接して配置されていて、各電子銃１０４によって発生された電子ビームを電子銃１０４およびイオン化室１０２の内側に閉じ込める外部磁界を発生させる１以上の磁界源を含んでいても良い。当該磁界源によって生成された磁界はまた、引き出されたイオンビーム１１６がより均一なイオン密度分布を達成することを可能にする。図５は、この発明の実施形態によるものであって、一組の磁界源を含む例示的なイオン源の概略図を示している。図示のように、外部磁界は、一組の磁界源５０２によって提供することができ、当該磁界源５０２は、イオン化室１０２の両側に、電子ビーム３０８の経路に平行に、即ちイオン化室１０２の縦軸１１８に平行に配置されている。当該一組の磁界源５０２は、それぞれ、二つの相対する室壁５０４の外面に沿いかつ近接させて配置しておいても良く、ここで上記相対する室壁５０４は縦軸１１８に平行である。幾つかの実施形態では、イオン化室１０２の面の少なくとも一部に、上記相対する室壁５０４および電子銃１０４に対向する面を除いて、引出し開口を形成することができる。図５は、イオン化室１０２の一つの面に形成した引出し開口５１０の例示的な配置を示している。二つの磁界源５０２は、イオン化室１０２の中心軸であって縦軸１１８に平行な中心軸５１２を含む平面に関して対称であっても良い。各磁界源５０２は、少なくとも一つのソレノイドを備えていても良い。

上記相対する室壁の一つは、引出し開口を画定することができる。二つの磁界源５０２は、縦軸１１８に関して対称でも良い。各磁界源５０２は、少なくとも一つのソレノイドを備えていても良い。

磁界源５０２の縦の長さは、イオン化室１０２の縦の長さと少なくとも同じくらいである。幾つかの実施形態では、各磁界源５０２の縦の長さは、少なくとも、二つの電子銃１０４の長さにイオン化室１０２の長さを加えたのと同じくらいの長さである。例えば、各磁界源５０２の縦の長さは、約５００ｍｍ、６００ｍｍ、７００ｍｍまたは８００ｍｍでも良い。磁界源５０２は、実質的に、イオン化室１０２の引出し開口５１０（それからイオンが引き出される）の長さに亘っていても良い。磁界源５０２は、長手経路長に亘って電子ビーム３０８を閉じ込めるように構成されている。当該長手経路長は、図５に示すように、（２Ｘ＋Ｙ）で与えられる。ここで、Ｘは電子銃１０４の大きさであり、Ｙはイオン化室１０２の大きさである（Ｙはまた、おおよそ、イオン引出し開口５１０の長さや、引き出されたリボンイオンビーム１１６の所望長さである）。

図６は、この発明の実施形態によるものであって、図５の磁界源５０２の例示的な構成の概略図を示している。図示のように、各磁界源５０２は、（ｉ）磁気コア６０２、および（ｉｉ）一般的に磁気コア６０２の周りに巻かれている電磁コイル組立体６０４を含んでいる。イオン源構造体６０１は、イオン化室１０２および電子銃１０４を含んでいて、電磁コイル組立体６０４によって作られる軸方向磁界に浸される。幾つかの実施形態では、一対の磁界源５０２はどちらも磁気ヨークに結合されておらず、従って、磁界源５０２によって発生された磁束は空間に消散し、イオン源構造体６０１から遠く離れて戻る。この構成は、イオン源構造体６０１内に、引き出されたイオンビーム１１６の縦方向１１８におけるイオン密度分布の改善された均一性を実現することが見出された磁束を発生させる。更に、イオン源構造体６０１内の磁束は、縦方向１１８に向けられていても良い。幾つかの実施形態では、二つの磁界源５０２は、互いに物理的に離されており、かつそれらの磁気コア６０２は互いに電気的に絶縁されている。即ち、一対の磁気コア６０２間に電気的接続はない。

各コイル組立体６０４は、縦軸１１８に沿って分散配置されていて、制御回路６０８によって独立して制御される複数のコイルセグメント６０６を備えていても良い。具体的に言えば、制御回路６０８は、コイルセグメント６０６のそれぞれに異なる電圧を供給することができる。一例として、コイル組立体６０４ａは、独立していて部分的に重なっている磁界をイオン源構造体６０１の頂部、中間部および底部の部分に亘って発生させる三つのコイルセグメント６０６ａ−６０６ｃを備えていても良い。その結果として得られる磁界は、各電子銃１０４によって発生された電子ビーム３０８の閉じ込めを実現することができ、従って縦軸１１８に沿って、十分に画定されたプラズマ柱を作り出すことができる。

各コイルセグメント６０６によって作られる磁束密度は、引き出されたイオンビーム１１６のイオン密度プロファイルにおける不均一性を修正するために独立して調整しても良い。一例として、コイル組立体６０４ａに対して、中央のコイルセグメント６０６ｂは端のコイルセグメント６０６ａ、６０６ｃに供給される電流の半分の電流を有していても良い。幾つかの実施形態では、一対の磁界源５０２に対する対応する一対のコイルセグメント６０６には同一の電流が供給される。例えば、コイルセグメント６０６ａと６０６ｄは同一電流を有していても良く、コイルセグメント６０６ｂと６０６ｅは同一の電流を有していても良く、コイルセグメント６０６ｃと６０６ｆは同一の電流を有していても良い。幾つかの実施形態では、各コイルセグメント６０６ａ−６０６ｆには異なった電流が供給される。幾つかの実施形態では、複数の制御回路が１以上のコイルセグメント６０６を制御するために用いられる。図６は各コイル組立体６０４が三つのコイルセグメント６０６を有していることを示しているけれども、各コイル組立体６０４はそれよりも多い、または少ないコイルセグメントを有していても良い。更に、一対のコイル組立体６０４は、同じ数のコイルセグメント６０６を有している必要はない。各コイル組立体６０４に対するコイルセグメント６０６の数および配置は、引き出されたイオンビーム１１６における特定のイオン密度分布を達成するように適切に構成しても良い。

図７は、この発明の実施形態によるものであって、図５の磁界源５０２の他の例示的な構成の概略図を示している。図示のように、各磁界源５０２のコイル組立体７０４は、１）対応する磁気コア７０２の周りに実質的に巻かれた主コイルセグメント７０８、および２）主コイルセグメント７０８の周りに巻かれた複数の副コイルセグメント７１０を含んでいても良い。各コイル組立体７０４の主コイルセグメント７０８および副コイルセグメント７１０の各々は、少なくとも一つの制御回路（図示せず）によって独立して制御される。この構成は、オペレータに、磁界源５０２によって作られる磁束を調整することにおいてより大きい柔軟性を提供し、その結果、イオンビーム１１６は、縦方向１１８における所望のイオン密度分布を有することができる。例えば、主コイルセグメント７０８は、イオン源構造体６０１内の磁界の粗い制御を実現することに使用することができ、一方、副コイルセグメント７１０は、当該磁界の細かい制御に使用することができる。幾つかの実施形態では、各主コイルセグメント７０８の縦の長さは、少なくともイオン化室１０２の当該長さと同じであり、一方、各副コイルセグメント７１０の前記長さは、主コイルセグメント７０８の前記長さよりも小さい。

図８は、イオン源１００によって発生されたイオンビームの例示的なイオン密度プロファイルの図を示している。このプロファイルは、縦軸１１８に沿う電流密度を示している。図示のように、この例示的なイオンビームの全イオンビーム電流８００は約９６．１ｍＡであり、かつ電流密度は、縦軸１１８に沿って４００ｍｍの長さに亘って実質的に均一であり、その均一性は約±２．７２％以内である。

図９は、この発明の実施形態による他の例示的なイオン源の概略図を示している。イオン源９００は、陽極９０４と、接地要素９０６と、磁界源組立体９０８と、ガス供給部９１０とを含んでいる。陰極９０２は、図３の陰極３０２と実質的に同様のものでも良く、それは直接または間接的に加熱しても良い。陰極９０２を間接的に加熱する場合は、当該間接加熱を行うためにフィラメント９１３を用いることができる。陰極９０２は、熱電子的に電子を放出するように構成されており、陽極９０４の位置でエネルギー値の高い電子ビーム９１４を形成する。陽極９０４は陰極９０２に対して正電位に保たれる。更に、図３の電子銃１０４と同様に、イオン源９００内において陽極９０４と接地要素９０６との間にプラズマ９１６を生成することができる。プラズマ９１６は、ガス供給部９１０を経由しかつ接地要素９０６を通してイオン源９００内に直接導入されたガスの電離によって作られる。電子ビーム９１４は、プラズマ９１６を長時間維持することができる。プラズマ９１６は、正帯電のイオン９１８を発生させるのに適しており、当該イオン９１８は、開口９１２の部分で引出し系（図示せず）によって引き出され、かつ注入用の基板へ輸送することができる。このイオン源９００にイオン化室は必要ではない。それゆえに、イオン源９００は設計および配置において比較的コンパクトである。

幾つかの実施形態では、イオン源９００の動作を制御するために、フィラメント９１３、陰極９０２および陽極９０４と関連づけられた電流および／または電圧を制御するために少なくとも一つの制御回路（図示せず）を用いても良い。当該制御回路は、イオン源９００を、前述したようなイオン励起モードまたはプラズマ源モードの内の一つで動作させることができる。上記制御回路はまた、ガス供給部９１０の流量を調節して、引き出されたイオンビーム（図示せず）の特性を調整することができる。図９中のフィラメント電源９３２、陰極電源９３４、陽極電源９３６およびエミッター電源９３８は、それぞれ、図３中のフィラメント電源４０２、陰極電源４０４、陽極電源４０６およびエミッター電源４３０に相当するものである。

オプションとして、イオン源９００は、電子ビーム９１４をイオン源９００内に閉じ込めるための外部磁界９２２を発生させる磁界源組立体９０８を含んでいても良い。図示のように、磁界源組立体９０８は、強力かつ局在化させた磁界９２２を発生させるために、永久磁石に結合されたヨーク組立体を備えており、当該磁界９２２は電子ビーム９１４の方向と平行でも良い。それの代わりに、ヨーク構造の周りに巻かれた電磁コイル組立体を用いても良い。従って、多くのイオン源装置に典型的な大型の外部電磁コイルの組み込みは必要ではない。上記のような磁界源組立体９０８は、イオン源９００に近い磁界を終結させ、従って当該磁界はイオンの引出し領域の中へ遠くまで入り込むことはない。このことは、イオンが実質的に無磁界の領域から引き出されることを可能にする。

図９のイオン源設計は多くの利点を有している。例えば、イオン源９００のイオン化領域をエミッター組立体内に局在化させることによって（即ち大型のイオン化室を用いずに）、イオン源９００の寸法をかなり縮小することができる。更に、ガスを、大型のイオン化室へ導入する代わりに、プラズマ９１６へその使用部分で導入することによって、ガス効率がかなり向上し、このことはイオン源９００のコンパクトでモジュール方式の設計に寄与する。更に、適切な磁界クランプでプラズマ９１６の局所的な磁気閉じ込めを作り出すことは、イオン電流が実質的に無磁界の領域から引き出されることを可能にする。

当業者は、この発明の精神または本質的特性から離れることなしに、この発明が他の特定の態様で実施され得ることを理解できるであろう。前述した実施形態はそれゆえに、ここに記載されている発明の制限よりもむしろ例示として全ての態様において考慮されるべきである。この発明の範囲は、前述した記載よりもむしろ付属の特許請求の範囲によって示されており、かつ特許請求の範囲の均等の意味および範囲内にある全ての変更はそれゆえに、特許請求の範囲内に包含されることが意図されている。

１００ イオン源
１０２ イオン化室
１０４ 電子銃
１１０ ガス入口
１１６ イオンビーム
１１８ 縦軸
３０２ 陰極
３０４ 陽極
３０６ 接地要素
３０８ 電子ビーム
３１０ 第２プラズマ
３１１ フィラメント
３１２ 開口
３２０ 磁界
４００ 制御回路
４０２ フィラメント電源
４０４ 陰極電源
４０６ 陽極電源
４０８ 閉ループ制御器
４１８ 閉ループ制御器
４３０ エミッター電源

Claims (16)

1. 少なくとも一つの電子銃を備えるイオン源であって、当該電子銃は、
   電子のビームを発生させる電子源と、
   ガスを受け取る入口と、
   少なくとも陽極および接地要素によって画定されたプラズマ領域であって、前記入口を経由して受け取った前記ガスからプラズマを生成するように成されており、当該プラズマが前記電子のビームの少なくとも一部分によって維持されるプラズマ領域と、
   （ｉ）前記プラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を取り出す出口とを備えている、ことを特徴とするイオン源。
2. 前記陽極の電圧を調整して前記プラズマ領域中の前記プラズマを実質的に消す制御回路を更に備えており、
   前記出口は、前記電子のビームの少なくとも一部分を前記イオンを伴わずに供給するように構成されている、請求項１記載のイオン源。
3. 前記接地要素は、前記電子のビームが前記出口を経由して前記少なくとも一つの電子銃を離れるより前に、前記電子のビームの少なくとも一部分を減速させる少なくとも一つのレンズを備えている、請求項１記載のイオン源。
4. 前記少なくとも一つの電子銃の前記入口および前記出口は単一の開口を備えている、請求項１記載のイオン源。
5. 前記電子源は、（ｉ）フィラメントおよび（ｉｉ）当該フィラメントによって熱電子的に放出された電子流によって間接的に加熱されて前記電子のビームを発生させる陰極を含んでいる、請求項１記載のイオン源。
6. イオン化室であって、ｉ）当該イオン化室を通って伸びている縦軸に沿う方向の二つの反対側端にある二つの内部開口およびｉｉ）当該イオン化室の側壁に沿っていて当該イオン化室からイオンを引き出すための引出し開口を含むイオン化室と、
   それぞれが前記二つの内部開口の内の一つに関連して配置されている二つの電子銃とを備えており、
   前記各電子銃は、電子のビームを発生させる電子源と、前記イオン化室からガスを受け取る入口と、前記ガスからプラズマを生成するプラズマ領域であって前記電子のビームの少なくとも一部分によって維持されるプラズマ領域とを含んでおり、
   前記各電子銃は、前記イオン化室に、（ｉ）対応する電子銃のプラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）対応する電子銃によって発生された前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を供給する、ことを特徴とするイオン源。
7. 前記イオン化室の側壁に沿う複数のガス入口であって、前記電子銃の各々によって供給された前記電子のビームの少なくとも一部分による電離のためにガスを前記イオン化室内へ供給する複数のガス入口を更に備えている、請求項６記載のイオン源。
8. 電子銃の電子源によって電子のビームを発生させるステップと、
   前記電子銃の入口においてガスを受け取るステップと、
   前記ガスおよび前記電子のビームから前記電子銃のプラズマ領域中にプラズマを生成するステップと、
   イオン化室に、（ｉ）前記プラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）前記電子銃の出口を経由した前記電子のビームの少なくとも一部分、
   の少なくとも一方を供給するステップとを備えている、ことを特徴とするイオン源の運転方法。
9. 前記陽極の電圧を調整して前記プラズマ領域中の前記プラズマを実質的に消すステップと、
   前記電子のビームの少なくとも一部分のみを前記イオン化室へ供給するステップとを更に備えている、請求項８記載のイオン源の運転方法。
10. 前記電子源の陰極を間接的に加熱して前記電子のビームを発生させるステップを更に備えている、請求項８記載のイオン源の運転方法。
11. 前記イオン化室の複数のガス入口を経由して前記イオン化室へガスを供給するステップと、
    前記電子のビームの少なくとも一部分および前記ガスに基づいて前記イオン化室内に第２のプラズマを生成するステップとを更に備えている、請求項８記載のイオン源の運転方法。
12. 電子のビームを発生させる電子源と、
    ガスを受け取る入口と、
    少なくとも陽極および接地要素によって画定されたプラズマ領域であって、受け取った前記ガスに基づいてプラズマを生成するように成されており、当該プラズマが前記電子のビームの少なくとも一部分によって維持されるプラズマ領域と、
    （ｉ）前記プラズマによって生成されたイオンまたは（ｉｉ）前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を取り出す出口とを備えている、ことを特徴とする電子銃。
13. 前記陽極の電圧を調整して前記プラズマ中の前記プラズマを実質的に消す制御回路を更に備えており、
    前記出口は、前記電子のビームの少なくとも一部分を前記イオンを伴わずに供給するように構成されている、請求項１２記載の電子銃。
14. ガスを供給するガス源と、
    少なくとも一つの電子銃であって、当該電子銃は、（ａ）電子のビームを発生させるエミッターと、（ｂ）少なくとも陽極および接地要素によって画定されたプラズマ領域であって、前記ガスから第２プラズマを生成するように成されており、当該第２プラズマが前記電子のビームの少なくとも一部分によって維持されるプラズマ領域とを含む少なくとも一つの電子銃と、
    前記少なくとも一つの電子銃から、（ｉ）前記第２プラズマによって生成された第１の組のイオンまたは（ｉｉ）前記電子のビームの少なくとも一部分、の少なくとも一方を受け取るイオン化室であって、前記ガスおよび前記電子のビームの少なくとも一部分から第１プラズマを生成するように構成されており、当該第１プラズマが第２の組のイオンを発生させるイオン化室と、
    前記陽極の電圧または前記エミッターの電圧の少なくとも一方を調整して、所望量の前記第１の組のイオンおよび前記第２の組のイオンを作り出す制御回路であって、前記第１の組のイオンが前記第２の組のイオンよりもより解離したイオンを含んでいる制御回路とを備えている、ことを特徴とするイオン源。
15. 前記制御回路は、前記第２の組のイオンよりも前記第１の組のイオンを多く作り出すことによって、モノマーモードで動作するように構成されている、請求項１４記載のイオン源。
16. 前記制御回路は、前記第１の組のイオンよりも前記第２の組のイオンを多く作り出すことによって、クラスターモードで動作するように構成されている、請求項１４記載のイオン源。

Images