KR100386875B1

KR100386875B1 - 2차전자방출이강화된이온주입기전자샤우어

Info

Publication number: KR100386875B1
Application number: KR10-1998-0036755A
Authority: KR
Inventors: 데비트 번스테인 제임스; 스코트 후리어 브리안; 로우렌스 켈러맨 피터
Original assignee: 액셀리스 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2003-08-21
Also published as: JP4470126B2; KR19990029595A; EP0901149A2; TW399239B; DE69828469T2; US5909031A; EP0901149A3; JPH11154484A; EP0901149B1; DE69828469D1

Abstract

대체할 수 있는 흑연 라이너(84)에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 챔버(84)가 제공되는 타겟(64)을 포함하는 이온 주입 시스템(10)용 플라즈마 강화 전자 샤우어(62)가 제공된다. 상기 타겟에 부착된 필라멘트 조립체(67)는 상기 흑연 라이너에 의해 제공되는 표면 쪽으로 1차 전자를 발생시키고 향하게 하는데, 이 흑연 라이너는 -10 V 정도(개략 -6 V)의 낮은 음 전압으로 바이어스되어서 충돌하는 1차 전자의 결과로 거기로부터 방출되는 2차 전자들이 균일하게 낮은 에너지를 갖도록 보장한다. 필라멘트 조립체(67)는 1차 전자들을 열이온적으로 방출하기 위한 필라멘트(68)와, 방출된 1차 전자들을 집속하기 위한 바이어스된(- 300 V) 필라멘트 전극(70), 및 집속된 1차 전자들을 흑연 표면(118) 쪽으로 추출하기 위한 접지된 추출 구멍(72)을 포함한다. 타겟(64)에 부착된 가스 노즐(77)은 1차 전자들에 의해 이온화될 가스 분자들 챔버 안으로 공급하도록 안내한다. 노즐의 방향은 가스 분자들의 이온화율을 최대화하도록 필라멘트 조립체(67)에 대해 설정된다.

Description

2차 전자 방출이 강화된 이온 주입기 전자 샤우어{ION IMPLANTER ELECTRON SHOWER HAVING ENHANCED SECONDARY ELECTRON EMISSION}

다음의 미국 특허 출원, 즉 1997년 9월 8일 출원되고 출원 일련 번호가 제 929,180호이고, 발명의 명칭이 "이온 주입기 전자 샤우어에 사용되는 바이어스가 인가된 톱니 모양 연장 튜브(Biased and serrated extension tube for ion implanter electron shower)"인 출원을 참고로 여기에 포함하였다.

본 발명은 일반적으로 이온 주입기 분야, 및 더욱 상세하게는, 이온 주입기 내의 개량된 전자 샤우어, 또는 전자 범람(electron flood), 즉, 전자 사태(electron avalanche)에 관한 것이다.

이온 주입은 집적 회로의 대규모 제조에 있어서 반도체에 불순물을 주입하는데에 산업계에서 선호하는 기술이 되었다. 통상적인 이온 주입기는 (ⅰ) 이온 빔 방출 터미널(terminal), (ⅱ) 이 터미널에 의해 방출된 빔을 방향 지정 및 조절(directing and conditioning)하는 빔라인(beamline), 및 (ⅲ) 이 조절된 이온 빔으로씨 이온 주입되는 반도체 웨이퍼를 포함하는 엔드 스테이션(end station)과같은 3개의 부분 또는 서브시스템을 포함한다. 터미널은 양(陽)으로 대전(帶電)된 이온 빔이 추출되는 소오스(source)를 포함한다. 빔라인 구성 요소는 주입될 웨이퍼로 향하는 그 경로의 도중에 양으로 대전되어 추출된 이온 빔의 에너지 레벨과 초점을 조정한다.

이러한 이온 주입기를 사용할 때 발생하는 문제점은 웨이퍼 대전이다. 양으로 대전된 이온 빔이 웨이퍼에 계속해서 충돌하므로, 웨이퍼의 표면은 바람직하지 않은 과잉의 양 전하가 축적될 수 있다. 그 결과로 웨이퍼 표면에 형성되는 전기장은 웨이퍼 위에 있는 마이크로 회로를 손상시킬 수 있다. 소형 회로 소자는 그 결과로서 생기는 전기장에 의한 손상에 더 민감하기 때문에, 주입되는 회로 소자가 작아짐에 따라 축적되는 표면 전하의 문제는 더 많이 거론되고 있다.

이러한 이온 주입기의 사용에 있어서, 특히 낮은 에너지의 적용에 있어서 발생하는 또 다른 문제점은 빔 "블로우-업(blow-up)"이라고 하는 현상이며, 이것은 이온 빔 안에 동일하게(양으로) 대전된 이온들이 서로 반발하는 경향(또한 공간 전하 효과(space charge effect)로 알려짐)에 관계되는 것이다. 이러한 상호간 반발은 반발이 없을 경우의 바람직한 형태의 빔을 원하는 빔라인 경로로부터 발산하게 한다. 이온 빔 안에 있는 고(高) 밀도 이온(고 전류)은 이온의 상호 반발력을 지나치게 강하게 하고, 저속도 이온(낮은 에너지)은 이온들이 웨이퍼에 도달하기 전에 더 많은 시간동안 이온에 반발력이 작용하게 하므로, 빔 블로우-업은 고 전류, 저 에너지를 적용할 때 특히 문제가 된다.

웨이퍼 대전(wafer charging) 및 빔 블로우-업 현상 모두에 대한 알려진 해결 방법은 전자 샤우어 또는 플라즈마 샤우어를 이용하는 것이다. 또한, 이러한 샤우어는 전자 범람 또는 플라즈마 범람이라고도 한다. 전자 및 플라즈마 샤우어 모두는 저 에너지 전자를 발생시키고, 이 전자들을 빔 내로 유도한다. 플라즈마 범람은 아크 챔버(arc chamber) 안에 플라즈마를 발생시키고, 이온 빔 전위(電位)는 저 에너지 플라즈마 및 전자들을 빔 안으로 추출한다. 전자 샤우어는 빔을 강화하는데 이용되는 2차(저 에너지)전자를 발생시켜 공간 전하(빔 블로우-업) 경향 및 웨이퍼 대전 효과를 줄인다.

통상적인 전자 샤우어는 2차 전자가 발생되는 타겟(target) 챔버와 타겟 챔버의 하류(下流; downstream)에 연결된 연장 튜브를 포함한다. 이온 빔이 타겟 챔버를 통과함에 따라서, 2차 전자는 빔에 침투하며 빔을 부분적으로 중화(中和)시킨다. 부분적으로 중화된 빔은 연장 튜브를 통과하여 주입될 웨이퍼 쪽으로 향한다. 따라서, 포획된(trapped) 저 에너지 전자는 빔의 순 전하(net charge)를 중화시키고, 이어서 이온 빔이 웨이퍼 표면에 충돌함에 따라 웨이퍼 상에 축적되는 양전하를 감소시킨다. 또한, 이 중화된 빔은 유해한 빔 블로우-업 특성도 감소시킨다. 이러한 시스템은 팔레이(Farley)가 발명했으며 본 발명의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제4,804,837호에 기재되어 있고, 충분히 설명한 참조로서 여기에 포함된다.

2차 전자들은 후술하는 바와 같이 타겟 챔버 안에서 생성된다. 타겟 챔버 안에 있는 필라멘트는 전기적으로 가열되어 고 에너지 1차 전자들을 챔버 안으로 열 이온적으로 방출한다. 이들 1차 전자들은 타겟 챔버의 내부 표면을 가격하며 충돌의 결과로 2차 전자들을 방출한다. 타겟 챔버는 높은 2차 전자 생산율(yield) 때문에 보통 알루미늄으로 형성된다. 게다가, 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 기체가 타겟 챔버 안으로 도입되고 이온화되어 불활성 기체 분자들과 고 에너지 전자들 사이의 충돌에 의해 이온화된 플라즈마를 형성한다. 이온화된 플라즈마의 존재는 타겟 챔버의 내부 표면으로부터 2차 전자의 추출 비율을 향상시킴으로써 2차 전자들의 발생을 향상시킨다.

필라멘트에 의해 생성된 고 에너지 1차 전자들은 이온 빔 안에 포획되기에 너무 높은 에너지를 갖기 때문에 2차 전자들처럼 빔 블로우-업 경향을 줄이는데 도움을 주지 못한다. 더욱이, 웨이퍼의 표면에 도달한 1차 전자들은 불리하게도 웨이퍼에 손상을 야기할 정도까지 웨이퍼 표면을 음으로 대전할 수 있다. 따라서, 필라멘트에 의해 방출된 1차 전자들은 불활성 가스 분자들 또는 타겟 챔버의 내부 표면 중 하나와 충돌함으로써 소비되는 것이 바람직하다.

게다가, 알루미늄으로 만들어진 공지된 전자 샤우어 타겟 챔버에서 그 내부 표면의 산화는 알루미늄 산화물 코팅을 생성한다. 알루미늄 산화물과 충돌하는 고 에너지 전자들은 음 전위가 형성되게 하는데, 이 음 전위는 산화물 코팅의 두께가 늘어남에 따라 증가한다. 고 에너지 전자들을 충돌하게 한 결과로 코팅 표면으로부터 방출되는 2차 전자들은 산화물 전위와 일치하는 에너지 수준을 갖는다. 따라서, 산화물 코팅이 시간이 지나가면서 두꺼워질수록 2차 전자들의 에너지 수준은 점점 높아진다.

특정 전자 샤우어의 유효성은 일관되게 낮으며 예측할 수 있는 에너지 수준을 갖는 2차 전자들의 충분한 공급을 효율적으로 생산하는 것에 어느 정도 달려 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 2차 전자의 에너지 수준이 최소화되고 일정하게 되는 것을 보장하면서 그 2차 전자 방출 흐름을 늘린 전자 또는 플라즈마 샤우어를 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 다른 목적은 고 에너지 전자들을 원하는 타겟 챔버 표면 쪽으로 그리고 챔버 안으로 도입되는 불활성 가스 흐름 쪽으로 향하게 함으로써 고 에너지 전자들이 저 에너지 2차 전자들을 생성하는데 효율적으로 사용되어 고 에너지 1차 전자의 공급을 최대로 소비하고 저 에너지 2차 전자들의 발생을 강화한 전자 또는 플라즈마 샤우어를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 타겟 챔버가 그 표면의 산화를 줄일 수 있는 재료로 형성되어 그로부터 방출되는 2차 전자들의 에너지 수준에 대한 보다 양호한 제어를 제공하는 전자 또는 플라즈마 샤우어를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 백 스퍼터링 오염을 견디고 그 안에 포함된 이온화된 플라즈마의 용적과 밀도를 모두 향상시키는 구성으로 된 타겟 챔버를 갖는 전자 또는 플라즈마 샤우어를 제공하는 것이다.

대체될 수 있는 흑연 라이너에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 챔버 안에 공급되는 타겟을 포함하는, 이온 주입 시스템용 플라즈마-강화 전자 샤우어가 제공된다. 타겟에 부착되는 필라멘트 어셈블리는 1차 전자들을 생성하고 흑연 라이너에 의해 제공되는 표면 쪽으로 이 1차 전자들의 공급을 향하게 한다. 흑연 라이너는 -10 V (대략 -6 V)의 낮은 음 전압으로 바이어스되어 1차 전자들을 충돌하게 한 결과로 그로부터 방출된 2차 전자들이 균일한 저 에너지를 갖도록 보장한다.

필라멘트 어셈블리는 1차 전자들을 열이온적으로 방출하기 위한 필라멘트, 필라멘트의 각 측면에 위치되어 그들 사이에서 1차 전자들이 집중되는 제1 및 제2 부분들로 구성되는 바이어스(- 300 V)된 필라멘트 전극, 및 필라멘트로부터 필라멘트 전극 부분들을 통해 1차 전자들을 추출하기 위한 접지된 추출 구멍으로 구성된다. 이것에 의해 추출된 1차 전자들은 챔버의 상류 또는 하류 쪽으로 향해지기 보다는 흑연 표면 상에 집중된다. 가스 노즐은 1차 전자들에 의해 이온화될 가스 분자들의 공급을 챔버 안으로 안내하기 위해 타겟에 부착된다. 노즐의 방향은 필라멘트 어셈블리에 대해서 가스 분자들의 이온화 비율을 최대화하도록 설정된다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 전자 샤우어(electron shower)의 한 실시예를 포함하는 이온 주입 시스템의 평면도,

도 2는 도 1에 도시한 이온 주입 시스템의 전자 샤우어에 대한 전기적인 개략도,

도 3은 도 2에 도시한 전자 샤우어의 타겟/튜브 조립체(target/tube assembly)의 단면도,

도 4는 도 3의 4-4선에서 본 타겟/튜브 조립체의 필라멘트 소조립체(subassembly)의 부분 단면도,

도 5는 도 2에 도시한 전자 샤우어에 대한 가스 주입 노즐의 평면도,

도 6은 도 5의 6-6선에서 본 가스 주입 노즐의 부분 단면도,

도 7은 도 6에 도시한 노즐의 출구 방향, 및 도 4에 도시한 필라멘트 소조립체의 추출 구멍을 나타내는 도면,

도 8은 도 3에 도시한 타겟/튜브 조립체의 부분 단면도,

도 9는 도 3에 도시한 타겟/튜브 조립체의 연장 튜브에 대한 부분 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 이온 주입 시스템 62 : 전자 샤우어

66 : 연장 튜브 86 : 외부 표면

88 : 내부 표면 89 : 고정구

90 : 유입 구멍 92 : 출구 구멍

이어서 도면을 참조하면, 도 1은 '10'으로 표시된 이온 주입기를 나타내고, 이 이온 주입기는 터미널(12), 빔라인 조립체(14) 및 엔드 스테이션(16)을 포함한다. 일반적으로, 터미널(12)은 이온 빔을 출력하고, 빔라인 조립체(14)는 이온 빔의 초점과 에너지 레벨을 조정하며 엔드 스테이션(16)에 놓인 웨이퍼 방향으로 향하게 한다.

터미널(12)은 도펀트(dopant) 가스가 가스 박스(box)(20)로부터 그 안으로 주입되는 챔버를 갖춘 이온 소오스(18)를 포함한다. 이온화될 수 있는 도펀트 가스에 에너지를 제공하여 소오스 챔버 안에 양이온을 발생시킨다. 고전압 전원(24)에 의해서 전력이 공급되는 추출 전극(22)은 소오스 챔버로부터 양이온 빔(26)을 추출하고 추출된 이온을 질량 분석 자석(28) 쪽으로 가속시킨다. 질량 분석 자석(28)은 적절한 전하 대 질량 비율을 갖는 이온만을 빔라인 조립체(14)상에 인도하는 기능을 한다. 질량 분석 자석(28)에 의해서 구성되는 빔 통로(29)의 배기는 진공 펌프(30)에 의해 실행된다.

상기 빔라인 조립체(14)는 사각형 렌즈(quadrature lens)(32), 플래그 패러데이(flag Faraday) (34), 전자 샤우어(36)를 포함하며, 선택적으로 이온 빔 가속/감속 전극(도 1에 도시되어 있지 않음)을 포함한다. 사각형 렌즈(32)는 터미널(12)에 의해서 방출된 이온 빔을 집속(集束)하고, 플래그 패러데이(34)는 시스템이 기동(起動)하는 동안 이온 빔 특성을 측정한다. 본 발명의 전자 샤우어(36)는 이하에 더욱 상세히 설명한다. 가속/감속 전극은 엔드 스테이션(16)에서 웨이퍼에 주입하기 전에 집속된 이온 빔을 원하는 에너지 레벨로 가속 또는 감속하는데 이용된다. 빔라인 조립체(14)에 의해서 구성된 빔 통로의 배기는 진공 펌프(38)에 의해 실행된다.

엔드 스테이션(16)은 복수의 웨이퍼가 그 위에 장착되는 디스크(40), 디스크에 회전 운동을 부여하는 회전 구동 기구(rotary drive mechanism)(42), 및 디스크에 선형운동을 부여하는 선형 구동 기구(linear drive mechanism)(44)를 포함한다. 로봇 팔(46)은 로드 로크 챔버(load lock chamber)(48)를 지나 웨이퍼를 디스크 위에 장착한다. 시스템의 동작은 엔드 스테이션(16)의 말단에 위치한 오퍼레이터 제어 스테이션(50)에 의해서 제어된다.

전자 샤우어(36)는 도 2 내지 도 9에 더욱 상세하게 나와 있다. 도 2는 바이어스가 인가된 자기(magnetic) 전자 반사기(60) 및 타겟/튜브 조립체(62)를 포함하는 전자 샤우어(36)의 개략도이다. 타겟/튜브 조립체(62)는 타겟(64) 및 연장 튜브(66)를 포함하고, 바람직한 실시예에서 그 모두는 원통형의 형상이다. 타겟(64)은 1차 전자를 열이온으로 방출하는 필라멘트(68)와 방출된 1차 전자의 이동 궤적의 방향을 지정하는 필라멘트 전극(70)을 포함하는 필라멘트 소조립체(67), 및 추출구멍(72)을 포함한다. 가스 송출 시스템(74)은 밸브(76)와 가스 주입 노즐(77)수단으로써 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 가스를 타겟 소조립체(64)의 안으로 주입한다. 가스 주입 노즐(77) 및 필라멘트 소조립체(67)는 타겟(64)의 차단장치(78)의 위치에 부착된다(도 3).

자기 전자 반사기(60)는 전원(PS1)에 의해 약 -2500볼트(V)의 전위(電位)로 설정된다. 바이어스가 인가된 반사기(60)는 고 전류 이온 빔이 전자를 끌어당기지 못하게 하여 빔 블로우-업을 방지한다. 타겟/튜브 조립체(64)로부터 (상류쪽(upstream)으로) 별도로 떨어져 있는 바이어스가 인가된 반사기의 위치는 1차 전자를 웨이퍼 쪽 연장 튜브(66) 안으로 몰아서 반사기의 전기장이 1차 전자의 이동 궤적에 악영향을 끼치지 않도록 보장한다. 낮은 빔 에너지에서는 바이어스가 제거되어(차단되어) 전자가 빔으로부터 벗어나는 것을 방지할 수 있다.

(필라멘트 전극(70)에 대해) 약 -12V의 전원(PS2)이 필라멘트(68)에 전력을 공급하고, 약 -300V의 전원(PS3)은 필라멘트 전극(70)에 전력을 공급한다. 따라서, 필라멘트는 접지 전위에 대하여 약 -312V의 전위이다. 추출 구멍(72)은 전기적으로 접지되고, 바이어스 (제너)다이오드(79)에 의해서 -6V 바이어스 전압이 타겟(64)에인가된다. 오직 예로서만 제시된 값인 이러한 전위차의 목적은 도 3을 참조로 아래에서 추가로 설명한다.

도 3은 도 2에 도시한 타겟/튜브 조립체(62)의 단면도를 나타낸다. 타겟/튜브 조립체(62)의 타겟(64)은 외부의 알루미늄 하우징(80)과 흑연 등의 비산화(non-oxidizable)(절연 산화물을 형성할 수 없는) 물질로 형성되어 플라즈마/2차 전자 타겟 챔버(84)를 구성하는 내부 라이너(liner)(82)를 포함한다. 또한, 타겟/튜브 조립체의 연장 튜브(66)는 외부의 알루미늄 하우징(86)과 나사(89) 등의 고정구(固定具)에 의해 외부 하우징(86)에 부착된 내부 흑연 라이너(88)를 포함한다. 이온 빔은 주입되는 웨이퍼(W)로 향하는 도중에 타겟(64)(입구 구멍(90)을 통하여 도착하고 출구 구멍(92)을 통하여 나가는)과 연장 튜브(66)(입구 구멍(94)을 통하여 도착하고 출구 구멍(96)을 통하여 나가는)를 모두 통과한다. 타겟(64) 및 연장 튜브(66)는 볼트(bolt)(98) 및 칼라(collar)(99) 등의 고정구에 의해 단단히 고정된다. 다이오드(79)(도2를 볼 것)는 접속 와이어(100)에 의하여 타겟 및 연장 튜브의 내부 흑연 라이너(82 및 88)에 -6V의 바이어스 전압을 각각 인가한다.

타겟/튜브 조립체(62)는 볼트(106)에 의해서 장착판(mounting plate)(104)에 연결되어 있는 수냉(水冷) 지지대(102)에 부착된다. 물 유입구(107)는 냉각수가 지지대(102)에 유입되도록 한다(물 출구는 도시되어 있지 않음). 절연체(insulator)(108)는 타겟/튜브 조립체(-6V)를 장착판(전기적으로 접지됨)으로부터 전기적으로 절연시킨다. 장착판(104)은 타겟/튜브 조립체를 도 1의 이온 주입 시스템 안에 설치하는 수단을 제공한다.

가스 주입 노즐(77) 및 필라멘트 소조립체(67)는 모두 타겟(64)에 부착된다. 필라멘트 소조립체(67)는 고 에너지 1차 전자를 발생시키고, 이 1차 전자가 타겟(64)의 내부 흑연 라이너(82)에 충돌함에 따라 저 에너지 2차 전자를 방출시킨다. 또한, 고 에너지 전자는 가스 주입 노즐(77)에 의해서 챔버(84) 안으로 주입되는 이온화 가스에 의해 상기 2차 전자 방출율을 간접적으로 향상시킨다. 가스 분자의 이온화는 내부 흑연 라이너(82)의 2차 전자 방출을 증가시키는 플라즈마를 생성한다.

필라멘트 조립체(67)는 도 4에 더욱 상세히 도시되어 있다. 필라멘트(68)는 복수의 텅스텐 세그먼트(segment)로 구성되며, 이 세그먼트는 단말과 단말이 접속되며 고정구(110)에 의해 전기 절연 블록(108)에 단단히 부착된 탄탈 레그(tantalum legs)(106)에 의해 지지된다. 필라멘트 전극(70)은 고정구(112)로써 절연 블록(108)에 부착되고, 추출 구멍(72)은 고정구(114)로써 절연 블록에 부착된다. 전력은 접속기(112 및 114)를 통하여 PS2(도2)로부터 필라멘트(68)에 공급된다. 또한, PS2의 음의 단자(접속기 114)는, 도체(116) 및 고정구(112)에 의하여 필라멘트 전극(70)에 접속된다. 흑연으로 만들어진 추출 구멍(72)은 전기적인 접지 전위로 유지된다.

필라멘트(68)는 열전자 방출에 의하여 1차 전자를 방출하고, 이 전자는 접지된 구멍(72)에 의하여 챔버(84)(도 3) 안으로 유도된다. 이러한 고 에너지 전자는 타겟(64)의 내부 흑연 라이너(82)의 내부 표면(118)에 충돌한다. 충돌하면, 흑연 라이너의 표면(118)은 충돌하는 1차 전자보다 훨씬 작은 에너지를 갖는 2차 전자를방출한다. 예를 들어, 1차 전자는 필라멘트 전극(-312V)에 의해서 형성된 전기장을 통과할 때 312eV 까지의 에너지를 갖는 반면 방출된 2차 전자의 대부분은 20eV 이하의 에너지를 가질 뿐이다. 불과 약 6eV 이하(타겟(64)의 내부 라이너(82)에 인가된 -6V 전위에 일치하는)가 라이너(82)에 의해 2차 전자 레벨에 부가된다. 약 10~l2V의 이온 빔 전위로써, 2차 전자는 빔 안으로 포획되어 주입되는 웨이퍼 쪽으로 이송되기에 충분히 낮은 에너지 레벨을 갖는다.

도 4에 도시한 필라멘트 조립체(67)에는 필라멘트(68)에 의해 열전자 방출된 1차 전자를 방향 지정하는 접속 메커니즘(focusing mechanism)이 구성된다. 필라멘트의 단말에서 단말까지의 길이(2~3인치)는 1차 전자를 적절히 공급하기에 충분한 표면적을 제공한다. 음으로 바이어스가 인가된 필라멘트 전극(70)은 부분(70A 및 70B)을 포함하는데, 이 부분들은 필라멘트(68)를 둘러싸서 필라멘트가 추출 구멍(72) 방향으로만 전기장을 형성하는 것을 보장한다. 따라서, 필라멘트 전극(70)은 1차 전자를 전극(70)의 중심 방향으로 집속하여, 접지된 추출 구멍(72)의 중심을 통하여 챔버(84) 안으로 추출되도록 한다. 따라서, 1차 전자는 웨이퍼 쪽 하류(챔버 출구 구멍(92)을 통과하는) 또는 터미널(12) 쪽 상류(챔버 유입 구멍(90)을 통과하는)가 아닌, 챔버(84)의 흑연 라이너(82)의 내부 표면(118)에 직접 집속된다. 따라서, 더 많은 1차 전자가 흑연 내부 표면(118)으로 진행하여, 2차 전자 발생 효율을 향상시키고, 챔버(84)의 상류 또는 하류에 표류하는 1차 전자의 역효과를 최소화한다.

2차 전자 발생 효율의 개선에 추가하여, 본 발명은 발생된 2차 전자의 에너지 레벨의 균일성을 더욱 양호하게 한다. 흑연을 챔버(84)의 대체 가능한 내부 라이너로, 사용함으로써 내부 표면(118)의 산화를 방지하는데, 그렇지 않고 내부 표면을 알루미늄으로 구성한다면 산화가 발생할 것이다. 이와 같이, 고 에너지 1차 전자의 충돌 결과로 흑연 표면(118)에서 방출되는 2차 전자의 에너지 레벨은 표면상의 제어되지 않은 산화물 코팅의 형성으로 인하여 상향으로 이동하지 않는다. 오히려, 표면(118)으로부터 방출되는 2차 전자는 보통 흑연 내부 라이너에 인가된 바이어스와 일치하는, 2차 전자 정규 분포내의, 에너지 레벨을 가지므로, 2차 전자의 에너지 레벨을 더욱 양호하게 제어하게 된다. 이러한 저 에너지 전자는 챔버(84) 안에 생성된 플라즈마 내에서 열중성자화(熟中性子化; thermalize)되고 빔 전위에 의해 용이하게 포획된다. 저 에너지 전자는 진동 폭이 작고, 이온 빔 코어(core) 안에서 대부분의 시간을 소비한다.

플라즈마가 챔버(84) 안에서 생성되어 표면(118)으로부터 2차 전자를 추출함으로써 2차 전자 방출율을 향상시킨다. 플라즈마는 아르곤 또는 크세논 등의 불활성 가스에 의해서 생성되는데, 이 가스는 도 5와 도 6의 노즐(77)을 통하여 상기 챔버(84) 안으로 주입되고(도 2와 도 3을 또한 참조할 것), 필라멘트(68)로부터 방출된 고 에너지 전자와 충돌하여 이온화된다. 플라즈마는 챔버(84)의 내부 표면(118)과 플라즈마 사이에 시스(sheath)를 생성시키면서 이온 빔을 둘러싸고 있다(도 8 참조).

노즐(77)은 알루미늄으로 구성되고, 구멍(119)을 관통하여 설치되는 고정구에 의해 타겟(64)의 차단 장치(78)(도 3)의 위치에 부착된다. 곡면(120)은 원통형타겟(64)에 맞게 되어 있다. 노즐은 각각 물이 공급되고 배출되는 유체 유입구(121 및 122)를 포함하여 작동하는 동안 냉각 매체를 공급한다. 가스는 통로(123)를 통하여 공급되고, 유입구(124)를 통하여 챔버(84) 안으로 주입된다.

유입구(124)는 5:1(바람직한 실시예에서 대략 10:1)보다 큰 종횡비(縱橫比; aspect ratio)(길이 대 직경)를 가지며 필라멘트(68)로부터 방출되는 1차 전자의 흐름(stream)을 향하고 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 유입구(124)는 접지된 추출구멍(72) 너머로 약 10~30도(바람직하게는 15~25도)의 각도 θ만큼 약간 전방을 향하고 있다. 따라서, 1차 전자와 가스 분자의 흐름은 약 60~80도(바람직하게는 65~75도)의 각도 α로 교차되는 방향으로 방출된다. 1차 전자 추출 구멍(72)에 대한 이러한 가스 유입구(124)의 방향은, 유입구(124)에서 방출될 때 발산하기 시작하는 (약 10도로) 가스 분자 흐름과 구멍(72)에서 방출될 때 또한 발산하는 1차 전자의 흐름이 최대한 교차하는 것을 보장한다. 따라서, 가스 분자의 이온화 비율이 증가되고 그 결과 플라즈마 밀도가 증가하고 이에 따라 2차 전자 방출율이 증가한다.

또한, 2차 전자 방출율은 훨씬 큰 원통형의 내부 표면(118) 면적에 의해서 증가되는데, 이 표면적은 반경 방향으로 넘어서 위치하지 않는 대신 구멍(90, 92)의 반경 위치에 형성될 경우보다 크다(도 3). 구멍(90 및 92)의 반경은 원통형 챔버(84)의 반경보다 실질적으로 작기 때문에, 원통형 챔버(84)의 종단부(終端部)들은 부분적으로 폐쇄되어 플라즈마 압력(이에 따라서 밀도)을 유지하고 플라즈마가 상류로 이동하는 것을 방지한다. 또한 출구 구멍(92)은 웨이퍼(W) 및 디스크(40)로부터 스퍼터링된 물질이 챔버의 내부를 오염시키는 것을 방지한다.

더 높은 밀도의 플라즈마는 소정의 전위를 차폐하기 위해서 더 얇은 시스를 필요로 하기 때문에, 챔버(84) 안 플라즈마의 체적과 밀도가 증가하면 이에 대응해서 플라즈마와 챔버의 내부 표면(118) 간 거리(d)가 감소하게 된다(도 8). 칠드랑뮈에 법칙(Child-Langmuir law)에 따라 2차 전자 방출율은 거리(d)가 감소함에 따라서 증가한다. 또한, 이온화가 증가하면 1차 전자는 가스 분자와 충돌할 기회가 더 많으므로, 2차 전자 방출율은 플라즈마 밀도 및 체적이 증가함에 따라서 증가한다.

도 9는 연장 튜브를 상세하게 나타내는데, 이 연장 튜브는 원통형 알루미늄 하우징(86) 및 흑연 등의 비산화 물질로 형성된 원통형 내부 라이너(88)로 구성된다. 연장 튜브(66)는 타겟(64) 안에서 발생된 고 에너지 1차 전자를 분로하여, 이 전자가 웨이퍼의 표면에 도달하는 것을 방지한다. 이러한 방법으로, 연장 튜브(66)는 바람직하지 않은 음 전하가 웨이퍼 표면에 축적되는 것을 방지한다.

내부 흑연 라이너는 톱니 모양(126)으로 구성된다. 이 톱니 모양(126)은 각각 제1방향 및 제2방향을 향하고 교대로 나타나며 인접한 웨이퍼에 직면한 표면(128) 및 타겟에 직면하는 표면(130)으로 구성되어 있다. 이온 주입 시스템이 작동하는 동안 웨이퍼(W) 또는 디스크(40)로부터 백 스퍼터링될 수도 있는 포토레지스트 또는 (규소 또는 이산화 규소와 같은) 기타 물질은 웨이퍼에 직면한 표면(128) 위에 모인다. 시간이 지남에 따라, 웨이퍼에 직면한 표면은 전기적으로 비전도성이 된다. 타겟에 직면한 표면은 깨끗하게 유지되어 전도성이 된다. 전도성인 타겟에 직면하는 표면은 전자 샤우어에서 발생된 고 에너지 전자에 대해 접지로의 분로(저 저항) 통로를 제공한다. 여기서 사용된, 용어 "톱니로 된" 및 "톱니 모양"은 웨이퍼에 직면한 표면 및 타겟에 직면한 표면을 모두 갖는 표면, 예를 들어 노칭(notching)된, 물결 모양의 또는 단계진 표면을 폭넓게 설명하는데 사용된다.

톱니 모양(126)에 추가하여, 튜브가 타겟(64)에 접속되므로, 튜브도 제너 다이오드(79)에 의해 -6V의 바이어스가 인가된다. 낮은 음 전위로 연장 튜브(66)에 바이어스를 인가하면, 심지어 전자 샤우어를 처음 사용하는 경우라도, 전자 샤우어에 의해 발생된 저 에너지 2차 전자가 웨이퍼에서 멀리 떨어져 분로되는 것을 방지되고, 이 들 2차 전자를 웨이퍼 전하의 중화에 계속 이용할 수 있게 한다. 그러므로, 바이어스가 인가된 튜브는 작동이 안정화되기 전까지 일정 시간이 필요 없는데, 이 시간은 튜브에 바이어스가 인가되지 않으면 필요하다.

또한, 본 발명은 사용 가능한 수명 기간에 걸쳐서 용이하게 교체될 수 있는 플라즈마 강화 전자 샤우어를 제공한다. 타겟/튜브 조립체(62)의 타겟(64) 및 연장 튜브(66)는 모두 보수 작업시 쉽게 교체되는 내부 흑연 라이너(82 및 88)를 각각 구비하고 있다. 도 3을 참조하면, 연장 튜브(66)는 볼트(98) 및 칼라(99)를 제거함으로써 타겟(64)으로부터 분리할 수 있다. 필라멘트 조립체(67)는 타겟(64)의 차단장치(78) 내 그 위치로부터 제거될 수 있다. 연장 튜브 및 필라멘트 조립체가 제거되면, 내부 라이너(82)는 출구 구멍(92)의 방향으로 알루미늄 하우징(80) 밖으로 미끄러져 나온다. 그 다음 새로운 라이너가 알루미늄 하우징(80) 안에 설치될 수 있다.

또한, 연장 튜브(66)가 타겟(64)으로부터 분리되고 나사(89)를 제거함으로써, 내부 라이너(88)가 입구 구멍(94) 쪽으로 미끄러져 알루미늄 하우징(80) 밖으로 나온다. 이어서, 새로운 내부 라이너(88)를 알루미늄 하우징(86) 안에 설치하고, 나사(89)로 제 위치에 고정한다. 다음, 새로운 라이너로 된 연장 튜브(66)가 새로운 라이너로 된 타겟(64)에 볼트(98) 및 칼러(99)로 재부착되어 타겟/튜브 조립체 재구성 과정을 완료한다.

따라서, 2차 전자 발생을 향상시킨 개선된 이온 주입기 전자 샤우어의 바람직한 실시예를 설명하였다. 그러나, 상기의 설명을 고려하면, 이러한 설명은 예일뿐이고, 본 발명은 여기에 기재한 특정 실시예에 한정되지 않으며, 또한, 아래 청구범위 등에 의해 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 상기 설명에 대하여 다양한 재구성, 변형, 및 대체가 실행될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

이온 주입 시스템에 본 발명의 전자 샤우어 또는 플라즈마 샤우어를 적용하면, 고 에너치 1차 전자를 최대로 소비하고 2차 전자 발생을 강화하여 2차 전자 방출율을 증가시킬 수 있으며, 타겟 챔버의 산화가 방지되어 2차 전자의 에너지 수준을 보다 양호하게 제어할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

이온 주입 시스템(10)용 전자 샤우어(62)에 있어서,

(ⅰ) 이온 빔이 타겟의 상류로부터 타겟의 하류 쪽으로 그를 통해서 지나가는 입구 구멍(90)과 출구 구멍(92)을 가지며, 비산화 표면(118)에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 챔버(84)를 제공하는 타겟(64);

(ⅱ) 1차 전자를 생성시키고 상기 1차 전자들을 상기 비산화 표면(118) 쪽으로 향하게 하기 위한 필라멘트 조립체(67);

(ⅲ) 전기적인 바이이서를 제공하기 위해 상기 비산화 표면에 인가할 전압을 형성하기 위한 전원; 및

(ⅳ) 비산화 물질로 구성되어 있으며 소정 전압으로 전기적으로 바이어스되는 내부 표면을 가지며, 상기 타겟(64)의 하류에서 상기 타겟(64)에 연결되어 있는 연장 튜브(66)를 포함하는 전자 샤우어.
제1항에 있어서, 상기 내부 표면은 대체할 수 있는 흑연 내부 라이너(88)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 샤우어(62).
이온 주입 시스템(10)용 전자 샤우어(62)에 있어서,

(ⅰ) 챔버(84)를 제공하는 타겟(64);

(ⅱ) 실질적으로 제1방향으로 향해지는 1차 전자를 공급하기 위해 상기 챔버에 부착된 필라멘트 조립체(67); 및

(ⅲ) 상기 1차 전자에 의해 이온화될 가스 분자의 공급을 상기 챔버 안으로 안내하기 위해 상기 챔버에 부착된 노즐(77)을 포함하며,

상기 노즐(77)에는 실질적으로 제2방향으로 상기 가스 분자들의 공급을 제공하기 위한 유입구(124)가 제공되며, 상기 제1 및 제2 방향은 서로 각도가 60 내지 80 도에 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전자 샤우어(62).
제3항에 있어서, 상기 노즐 유입구(124)는 5:1보다 큰 종횡비를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 샤우어(62).
제3항에 있어서, 상기 노즐(77)은 알루미늄으로 된 것을 특징으로 하는 전자 샤우어(62).
제4항에 있어서, 상기 노즐(77)에는 냉각수 통로(121, 122)가 제공되는 것을 특징으로 하는 전자 샤우어(62).
필라멘트 조립체(67)와 거기에 부착되는 연장 튜브(66)를 포함하는 타겟(64)으로 구성되는 이온 주입 전자 샤우어의 타겟/튜브 조립체(62)에서, 대체할 수 있는 내부 라이너(82)에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 챔버(84)를 갖는 타겟(64)을 재구성하는 방법에 있어서,

(ⅰ) 상기 내부 라이너(82)를 노출시키기 위해서 상기 타겟(64)을 상기 연장 튜브(66)로부터 떼어내는 단계;

(ⅱ) 상기 내부 라이너를 상기 타겟으로부터 제거하는 단계;

(ⅲ) 상기 타겟 안에 대체 내부 라이너를 설치하는 단계; 및

(ⅳ) 그 안에 설치된 대체 내부 라이너를 갖는 상기 타겟(64)을 연장 튜브(66)에 재부착하는 단계를 포함하는 타겟(64)의 재구성 방법.
제7항에 있어서, 상기 타겟으로부터 상기 내부 라이너(82)를 제거하기 전에 상기 필라멘트 조립체(67)를 상기 타겟(64)으로부터 떼어내고, 대체 내부 라이너를 상기 타겟 안에 설치한 후에 상기 필라멘트 조립체를 상기 타겟에 재부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟의 재구성 방법.
제7항에 있어서, 상기 내부 라이너 및 대체 내부 라이너는 비산화 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 타겟의 재구성 방법.
제9항에 있어서, 상기 내부 라이너 및 대체 내부 라이너는 흑연으로 구성되는 것을 특징으로 하는 타겟의 재구성 방법.
이온 주입 시스템(10)용 전자 샤우어(62)에 있어서,

(ⅰ) 이온 빔이 타겟의 상류로부터 타겟의 하류 쪽으로 그를 통해서 지나가는 입구 구멍(90)과 출구 구멍(92)을 가지며, 대체할 수 있는 흑연 내부 라이너(82)가 제공되는 흑연 표면(118)에 의해 적어도 부분적으로 정의되는 챔버(84)를 제공하는 타겟(64);

(ⅱ) 1차 전자를 생성시키고 상기 1차 전자들을 상기 흑연 표면(118) 쪽으로 향하게 하기 위한 필라멘트 조립체(67);

(ⅲ) 전기적인 바이어서를 제공하기 위해 상기 흑연 표면에 인가할 전압을 형성하기 위한 전원; 및

(ⅳ) 비산화 물질로 구성되어 있으며 소정 전압으로 전기적으로 바이어스되는 내부 표면을 가지며, 상기 타겟(64)의 하류에서 상기 타겟(64)에 연결되어 있는 연장 튜브(66)를 포함하는 전자 샤우어.