KR100571015B1 - 데카보란 이온화기 - Google Patents

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액셀리스 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

기화기(51), 및 공급 튜브(62)에 의해 기화기에 접속되는 떨어져 위치된 이온화 장치(53)를 포함하는 이온 주입기용 이온 소스(50)가 제공된다. 기화기는 데카보란과 같은 고체 소스 재료를 수용하고 데카보란을 승화시키는(기화시키는) 승화기(52)를 포함한다. 승화기, 및 승화기를 이온화 장치에 접속시키는 공급 튜브를 가열하는 가열 메커니즘이 제공되어, 기화된 데카보란에 대하여 적절한 온도를 유지시킨다. 이온화기(53)는 기화된 데카보란을 수용하는 유입구(119)를 갖는 본체(96), 기화된 데카보란이 에너지 방출 소자(110)에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성할 수 있는 이온화 챔버(108), 플라즈마로 이루어진 이온 빔을 추출하는 유출구(126)를 포함한다. 기화된 데카보란의 이온화 동안에 이온화 챔버(108)의 벽(128)의 온도를 낮추어(예를 들어, 350℃ 이하까지), 기화된 데카보란 분자의 원자 붕소 이온으로의 해리를 방지하는 냉각 메커니즘(100, 104)이 제공된다. 또한, 에너지 방출 소자는 충분히 낮은 전력 레벨에서 동작하여 이온화 챔버(108) 내의 플라즈마 밀도를 최소화해서 플라즈마 자체에 의한 기화된 데카보란 분자의 추가적인 해리를 방지한다.

Description

데카보란 이온화기{DECABORANE IONIZER}
도 1은 종래의 이온 주입기용 이온 소스의 부분적인 투시 단면도.
도 2는 본 발명의 원리에 따라서 구성된 이온 주입기용 이온 소스의 제1실시예의 개요적인 부분 단면도.
도 3은 선 3-3을 따라서 본 도2의 이온 소스의 변형 실시예의 접속 튜브의 단면도.
도 4는 도 2의 이온 소스의 이온화부의 부분 단면도.
관련 출원
본 발명의 양수인에게 공동으로 양도되고, 1998년 4월 30일자로 출원된, 명칭이 "DECABORANE VAPORAZER"인, 미합중국 특허 출원 제09/070,685호가 본원에 참조되어 있다.
본 발명은 일반적으로 이온 주입 장치용 이온 소스(ion source) 및 이온화기에 관한 것이며, 특히, 데카보란을 이온화하는 이온 소스 및 이온화기에 관한 것이다.
이온 주입은 집적 회로 및 평판 디스플레이(flat panel display)와 같은 품목의 대규모 제조에 있어서 실리콘 웨이퍼 또는 유리 기판과 같은 워크피스(workpiece)에 불순물을 도핑하기 위한 표준 수용된 산업 기술이 되었다. 종래의 이온 주입 시스템은 원하는 도펀트 요소를 이온화하고 나서 가속되어 소정 에너지의 이온 빔을 형성하는 이온 소스를 포함한다. 이온 빔은 워크피스에 도펀트 요소를 이온 주입하도록 워크피스의 표면으로 지향된다. 이온 빔의 활성 이온(energetic ions)은 워크피스의 표면에 침투하여, 이들 이온이 워크피스 재료의 결정성 격자내로 매입되어, 원하는 전도성 영역을 형성하도록 한다. 주입 공정은 전형적으로,잔류 가스 분자와의 충돌에 의한 이온 빔의 분산을 방지하고, 또한 공기 중의 미립자에 의한 워크피스의 오염 위험을 최소화하는 고 진공 공정 챔버에서 수행된다.
이온 선량(dose) 및 에너지는 주입 단계를 규정하는데 사용되는 두 개의 가장 중요한 변수이다. 이온 선량은 소정의 반도체 재료에 대하여 주입된 이온의 농도와 관련된다. 전형적으로, 높은 선량의 주입의 경우에 고전류 주입기(일반적으로 10mA 보다 큰 이온 빔 전류)가 사용되는 반면, 낮은 선량 애플리케이션의 경우에는 중간 전류 주입기(일반적으로 최대 약 1mA 빔 전류)가 사용된다. 이온 에너지는 반도체 소자의 접합 깊이를 제어하는데 사용된다. 이온 빔을 구성하는 이온의 에너지는 주입되는 이온의 깊이 정도를 결정한다. 반도체 장치에서 레트로그레이드 웰(retrograde well)을 형성하는데 사용되는 것과 같은 고 에너지 공정은 수백만 전자 볼트(MeV)까지의 주입을 필요로 하지만, 얕은 접합은 단지 1천 전자 볼트(keV) 보다 작은 에너지만을 요구할 수 있다.
반도체 장치의 소형화 추세로 인하여 낮은 에너지에서 높은 빔 전류를 전달하는 역할을 하는 이온 소스를 갖춘 이온 주입기가 필요로 된다. 높은 빔 전류는 필요한 선량 레벨을 제공하는 반면, 낮은 에너지 레벨은 얕은 주입을 허용한다. 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 장치의 소스/드레인 접합은 예를 들어, 이와 같은 고전류, 저 에너지의 애플리케이션을 필요로 한다.
고체 형태로부터 이온화를 위한 원자를 얻기 위한 전상적인 이온 소스(10)가 도 1에 도시되어 있다. 이온 소스는 한 쌍의 기화기(12 및 14) 및 이온화 챔버(16)를 포함한다. 각각의 기화기는 고체 원소 또는 화합물이 배치되고 가열기 코일(20)에 의해 가열되어 고체 소스 재료를 기화시키는 도가니(18)를 가지고 있다. 가열기 코일 리드선(22)은 가열기 코일에 전류를 전도시키고, 열전대(24)는 온도 피드백 메커니즘을 제공한다. 공냉 도관(26)과 수냉 도관(28)이 또한 제공되어 있다.
기화된 소스 재료는 흑연 노즐 리테이너(retainer)(32)에 의해 도가니(18)에 고정되고, 기화기의 유입구(34)를 통해 이온화 챔버(16)의 내부에 고정되는 노즐을 통과한다. 대안으로, 압축 가스가 가스 유입구(36)에 의하여 가스 라인(38)을 통해서 이온화 챔버 내로 직접 공급될 수 있다. 어느 경우에도, 가스 상태의/기화된 소스 재료는 가열되어 열적으로 전자를 방출하는 아크 챔버 필라멘트(40)에 의하여 이온화된다.
종래의 이온 소스는 압축 가스 소스로부터 직접적으로, 또는 기화되는 고체로부터 간접적으로 취득되는 이온화 가능 도펀트 가스를 사용한다. 전형적인 소스 원소는 붕소(B), 인(P), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sb), 및 비소 (As)이다. 이러한 소스 원소의 대부분은 통상적으로 예를 들어, 3불화붕소(BF3)와 같이, 거의 전적으로 가스 형태로 제공되는 붕소를 제외하면, 고체 및 가스 형태 둘 다로 사용된다.
3불화붕소(boron trifluoride)를 주입하는 경우에, 단일 하전된 붕소(B+) 이온을 포함하는 플라즈마가 생성된다. 충분히 높은 선량의 붕소를 생성하여 기판으로 주입하는 것은 통상적으로 빔의 에너지 레벨이 팩터가 아닌 경우, 문제가 되지 않는다. 그러나, 저 에너지를 애플리케이션에서, 붕소 이온의 빔은 이온 빔 내의 동일하게 하전된 이온이 서로 상호간에 반발하는 경향을 나타내는 "빔 블로우-업(beam blow-up)"으로 공지된 상태를 겪을 것이다. 이와 같은 상호 반발력은 이온 빔이 전송 중에 직경이 확장하여, 빔라인의 다수의 개구에 의해서 빔을 흐려지게 한다. 이로 인해, 빔 에너지가 감소될 때 빔 전송이 심하게 감소된다.
각각의 데카보란 분자(B10H14)는, 기화되어 이온화될 때, 10개의 붕소 원자로 이루어지는 분자 이온을 제공할 수 있기 때문에, 데카보란 분자(B10H14)는 붕소 주입을 위한 공급 재료의 우수한 소스인 화합물이다. 분자 데카보란 이온 빔이 1원자 붕소 이온 빔이 주입할 수 있는 전류 단위당 붕소 선량의 10배를 주입할 수 있기 때문에, 이와 같은 소스는 얕은 접합을 생성하는데 사용되는 높은 선량/저 에너지 주입 공정에 특히 적합하다. 또한, 데카보란 분자가 워크피스 표면에서 원래의 빔 에너지의 대략 1/10의 각각의 붕소 원자로 쪼개지기 때문에, 빔은 선량이 동등한 1원자 붕소 이온 빔의 에너지의 10배의 에너지로 전송될 수 있다. 이러한 특징으로 인하여, 분자 이온 빔은 저 에너지 이온 빔 전송에 의해서 전형적으로 야기되는 전송 손실을 피할 수 있게 된다.
그러나, 지금까지의 데카 보란 이온 소스는 붕소 주입의 제조 애플리케이션에 충분한 이온 빔 전류를 발생시키는데 있어서 성공적이지 않았다. 공지된 열 음극 소스는 음극에서 발생되는 열 및 이에 따른 아크(arc)가 벽 및 구성 요소를 500℃ 보다 높게 가열하여, 데카보란 분자를 보란 프래그먼트(borane fragment) 및 원소 붕소로 해리시키기 때문에, 데카보란 이온화에는 적합하지 않다. 공지된 플라즈마를 근거로 하는 소스는 플라즈마 자체가 데카보란 분자의 해리, 및 소망하는 부모 이온(parent ion)인, B10HX + 의 프래그멘테이션(fragmentation)을 일으킬 수 있기 때문에, 데카보란 이온화에 적합하지 않다. 따라서, 공지된 데카보란 이온 소스에서, 소스 챔버 압력은 충분히 낮게 유지되어 국부 플라즈마의 지속(sustenance)을 방지한다. 지금까지는, 이와 같은 소스로부터 개발되는 이온 빔 전류는 제조 애플리케이션에 너무 낮다.
따라서, 본 발명의 목적은 충분한 데카보란을 정확하고, 제어 가능하게 이온화하여, 수용 가능한 제조 이온 빔 전류 레벨을 생성하고, 공지된 이온 소스의 결함을 극복할 수 있는, 이온 주입기용 이온 소스를 제공하는 것이다.
기화기, 및 공급 튜브에 의해 상기 기화기에 접속된 원격 위치된 이온화기를 포함하는 이온 주입기용 이온 소스가 제공된다. 기화기는 데카보란과 같은 고체 소스 재료를 수용하고 데카보란을 승화시키는(기화시키는) 승화기를 포함한다. 승화기, 및 상기 승화기를 이온화기에 접속하는 공급 튜브를 가열하는 가열 메커니즘이 제공되어, 기화된 데카보란에 대하여 적합한 온도를 유지시키도록 한다.
이온화기는 기화된 데카보란을 수용하는 유입구를 갖는 본체, 기화된 데카보란이 에너지 방출 소자에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성하는 이온화 챔버, 플라즈마로 이루어진 이온 빔을 추출하는 유출구를 포함한다. 기화된 데카보란의 이온화 동안에 이온화 챔버의 벽의 온도를 낮추어(예를 들어, 350℃ 보다 아래까지), 기화된 데카보란 분자의 원자 붕소 이온으로의 해리를 방지하는 냉각 메커니즘이 제공된다. 또한, 에너지 방출 소자는 충분히 낮은 전력 레벨에서 동작하여 이온화 챔버 내의 플라즈마 밀도를 최소화하여 플라즈마 자체에 의한, 기화된 데카보란 분자의 추가적인 해리를 방지하도록 한다.
도 2 내지 도 4를 참조하는데, 우선 도 2를 참조하면, 기화기(51) 및 이온화기(53)를 포함하는 이온 소스(50)가 본 발명에 따라서 구성되어 도시되어 있다. 기화기(51)는 비반응성의, 열 전도성 승화기 또는 도가니(52), 가열 매체 저장실(54), 가열 매체 펌프(55), 온도 제어기(56), 및 질량 흐름 제어기(60)를 포함한다. 이온화기(53)는 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 도가니(52)는 이온화기(53)로부터 떨어져 위치되고, 석영 또는 스테인레스 강으로 이루어진 공급 튜브(62)에 의해서 이온화기에 접속된다. 개시된 실시예에서, 공급 튜브(62)는 실질적으로 전체 길이를 따라서 외부의 단일 챔버의 환형 피복(sheath)(90)으로 둘러싸여져 있다.
도가니(52)는 소스 재료(68)을 함유하는 캐비티(cavity)(66)를 둘러싸는 용기(64)를 갖추고 있다. 용기는 스테인레스 강, 흑연, 석영 또는 질화붕소와 같은 적절한 비반응성(불활성) 재료로 이루어지고, 데카보란(B10H14)과 같은 충분한 양의 소스 재료를 유지할 수 있는 것이 바람직하다. 본 발명은 이하에서 단지 데카보란에 관해서만 상세히 설명되지만, 본 발명의 원리는 낮은 융점(즉, 20℃와 250℃사이의 승화 온도) 및 유효한 실온 증기압(즉, 10-2Torr과 103Torr의 사이) 둘 다를 갖는 것을 특징으로 하는, 3염화인듐(InCl3)과 같은 다른 분자 고체 소스 재료에 대하여 사용될 수도 있다는 것이 고려된다.
데카보란은 저장실(54)에 포함된 가열 매체(70)로 용기(64)의 벽을 가열함으로써 승화 공정을 통해서 기화된다. 와이어 메시(wire mesh)(71)는 기화되지 않은 데카보란이 도가니(52)를 탈출하는 것을 방지한다. 종래 기술에 공지된 바와 같이, 완전히 기화된 데카보란은 공급 튜브(62)를 통하여 도가니(52)로부터 나와서, 증기의 흐름을 제어하는 질량 흐름 제어기(60)에 들어가므로, 이온화기(53)에 제공되는 기화된 데카보란의 양을 측정한다.
대안으로, 본 발명의 제2 실시예에서, 공급 튜브(62)는 모세관 튜브(capillary tube) 형태로 제공되고, 피복(90)은 외부 피복(90B)으로 둘러싸인 내부 피복(90A)을 포함하는 동축의 이중 챔버 피복의 형태로 제공되어 있다(도 3 참조).가열 매체는 내부 피복(90A)(모세관 튜브(62)에 인접하여 위치됨)내로 펌핑될 수 있고, 외부 피복(90B)(내부 피복(90A)으로부터 반경 방향으로 외측에 위치됨) 밖으로 펌핑된다. 제2 실시예에서, 질량 흐름 제어기(60)는 공급 튜브/이온화기 인터페이스에 위치되는 가열된 차단 밸브(도시되지 않음)로 대체되고, 질량 흐름은 저장실(54)의 온도를 직접 변경함으로써 증가되거나 감소된다. 대안으로, 차단 밸브용의 별도의 가열 소스가 제공될 수 있다. 모세관 튜브를 둘러싸는 동축 피복의 배열은 모세관 튜브의 내경을 둘러싸는 절연 피복을 제공하는 장점을 가짐으로써, 온도가 더욱 균일하게 된다.
이온화기(53)는 도 4에 보다 상세하게 도시되어 있다. 이온화기(53)는 바람직한 실시예에서 모두 알루미늄으로 구성된, 일반적으로 원통형의 본체(96), 및 일반적으로 환형의 베이스(base) 또는 장착 플랜지(98)를 포함한다. 알루미늄은 중요한 오염 문제를 일으키지 않는다. 본체(96)는 후술되는 바와 같이 수냉을 용이하게 하는 단일 머시닝된 알루미늄 편(piece)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 게다가, 알루미늄은 열 전도성이 양호하다.
알루미늄 본체(96)는 유입구(102)에 의해 공급되는 유입 냉각 통로(100)와, 유출구(106)를 통하여 본체(96)에서 나가는 유출 냉각 통로(104)에 의해서 냉각된다. 냉각 매체는 물 또는 높은 열 용량을 갖는 임의의 다른 적절한 유체일 수 있다. 유입 및 유출 냉각 통로는 물이 통과하여 이온화기 본체(96)를 냉각시키는 연속적인 통로를 제공한다. 도 4에는 통로의 단편 부분만이 가상적으로 도시되어 있지만, 임의의 공지된 구성에서 통로는 본체의 외주 부근 및 외주 정도에 확장하여 본체 전체가 효율적으로 냉각되는 것을 보장할 수 있다. 본체(96)를 냉각함으로써, 이온화기(53) 내의 이온화 챔버(108)는 이온화된 데카보란 분자의 해리를 방지하는데 충분한(350℃ 보다 적은) 낮은 온도로 유지될 수 있다.
이온화기 본체(96)의 범위 내에, 환형 피복(90)으로 둘러싸이고, 이온화 챔버(108)에서 종료되는 공급 튜브(62)의 외연부가 존재한다. 이온화 챔버 내에는 열음극(110), 및 대음극(anti-cathode) 또는 리펠러(repeller)(112)가 존재한다. 열 음극(110)은 실린더(116)로써 둘러싸이고 엔드캡(endcap)(118)에 의해 캡핑되는 가열된 필라멘트(114)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 필라멘트와 엔드캡은 텅스텐으로 이루어져 있고, 실린더는 몰리브덴으로 이루어진다. 가열된 필라멘트(114)는 알루미늄 본체(96)를 통과하고 알루미늄 본체(96)와 전기적으로 절연된, 전력 피드쓰루(120 및 122)를 통해서 전력이 공급된다. 리펠러(112)는 또한, 자신을 냉각된 이온화 챔버(108)에 물리적으로 결합시키는 (사파이어와 같은) 열 전도성의 전기 절연 재료를 통하여 본체(96)와 전기적으로 절연되어 있다.
동작시에, 기화된 재료는 이온화기 유입구(119)에서 공급 튜브(62)를 통하여 이온화 챔버 내에 주입된다. 피드쓰루(120, 및 122) 양단에 전위차를 인가함으로써 텅스텐 필라멘트(114)에 전기적으로 전력이 공급될 때, 필라멘트는 엔드캡(118)을 향해서 가속하여 충돌하는 전자를 방출한다. 엔드캡(118)이 전자 폭격에 의해서 충분히 가열되면, 이어서 이온화 챔버(108) 내에 전자를 방출하고, 이 전자가 기화된 가스 분자를 충돌시켜 챔버내에 이온을 생성한다.
이로써, 저밀도 이온 플라즈마가 생성되고, 이로부터 이온 빔이 소스 개구(126)를 통해서 챔버로부터 추출된다. 챔버(108)에서 저밀도 플라즈마는 소스에서 유지되는 비교적 낮은 아크 방전 전력(50mA에서 약 5watts(W))에 의해 부분적으로 제공된다. 엔드캡(118)은 필라멘트(114)가 저밀도 플라즈마에 접촉하는 것을 차폐함으로써, 필라멘트의 수명을 연장시킨다. 도 4에 도시된 간접 가열되는 음극 장치는 다른 종래의 소스 장치, 예를 들어, 프리맨 유형(Freeman-type) 또는 버나스 유형(Bernas-type) 이온 소스에 사용되는 바와 같은 간단한 필라멘트로 대체될 수 있다.
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데카보란 이온을 생성하기 위하여 이온화 챔버에서 데카보란 분자에 충돌하지 않는, 음극(110)에 의해 발생되는 전자는 이러한 전자들을 음극을 향해서 역으로 편향시키는 리펠러(112)를 향하여 이동한다. 리펠러는 몰리브덴으로 이루어지고, 음극과 같이, 이온화기 본체(96)로부터 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다. 최소의 데카보란 분자 해리가 리펠러에 기인한다는 것이 발견되는 경우, 리펠러는 수냉될 수 있다(또는 열 전도성이 큰 전기 절연체를 사용하여 본체(96)에 물리적으로 결합될 수 있다).
이온화 챔버(108)의 벽(128)은 국부적인 전기적 접지 전위로 유지된다. 엔드캡(118)을 포함하는 음극(110)은 벽(118)의 전위 보다 대략 50 내지 150볼트 낮은 전위로 유지된다. 필라멘트(114)는 엔드캡(118)의 전위의 대략 200 볼트 및 600 볼트 보다 낮은 전압으로 유지된다. 필라멘트(114)와 엔드캡(118)간의 큰 전위차는 필라멘트로부터 방출된 전자에 높은 에너지를 부여하여 엔드캡(118)을 충분히 가열해서 이온화 챔버(108) 내로 역적으로 전자를 방출시킨다.
대안으로, 도 4에 도시된 음극/리펠러 조합 대신에, 안테나와 같은 RF 여기장치(exciter)(도시되지 않음)에 전력을 공급하여 챔버(108) 내의 기화된 데카보란 분자를 이온화하여 플라즈마를 생성하는 RF 신호를 방출할 수 있다. 이와 같은 RF 안테나와 관련된 전력은 40W-50W 정도이다. 챔버(108) 내에 또한 배치된 자기 필터(도시되지 않음)는 플라즈마를 필터링하고, 소스 개구(126) 외부에 위치한 추출기 전극(도시되지 않음)은 종래 기술에 공지된 바와 같이, 이온화 챔버로부터 플라즈마를 추출한다. 또 다른 대안으로, 마이크로웨이브 소스로부터 이온화 챔버(108)로 마이크로웨이브 에너지가 지향되어 기화된 데카보란 분자를 이온화해서 플라즈마를 생성할 수 있다.
본 발명의 이온 소스(50)는 도가니(52)의 동작 온도 뿐만 아니라, 공급 듀브(62)의 동작 온도를 제어하는 제어 메커니즘을 제공하는데, 이 메커니즘을 통해서, 기화된 데카보란이 진행하는 도중에 이온화기(53)를 통과한다. 가열 매체(70)는 저항 또는 유사한 가열 소자(80)에 의해서 저장실(54) 내에서 가열되고 열 교환기에 의해서 냉각된다. 온도 제어 수단은 열전대(92)를 통해서 저장실(54)로부터의 입력 온도 피드백으로서 획득하고, 이하에서 부가적으로 설명되는 바와 같이, 가열 소자(80)에 제어 신호를 출력하여, 저장실 내의 가열 매체(70)가 적절한 온도로 가열되도록 하는 온도 제어기(56)를 포함한다. 기화기(51)와, 이온화기(53) 내의 공급 튜브 둘 다를 가열하는 동작 온도 제어 메커니즘은 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 단일 회로에 의해 제공될 수 있다. 대안으로, 기화기(51)와 이온화기(53)를 위한 별도의 온도 제어 회로가 제공될 수 있다.
가열 매체(70)는 높은 열 용량을 제공하는 광유(mineral oir) 또는 다른 적절한 매체(예를 들어, 물)를 포함한다. 기름은 가열 소자(80)에 의해서 20℃ 내지 250℃ 범위 내의 온도로 가열되고, 펌프(55)에 의해서 도가니(52) 주위, 및 피복(90)을 통해서 공급 튜브 주위를 순환한다. 펌프(55)는 유입구 및 유출구(82 및 84)를 각각 가지고 있고, 저장실(54)은 마찬가지로 유입구 및 유출구(86 및 88)를 각각 가지고 있다. 도가니(52) 및 공급 튜브(62)에 대한 가열 매체의 흐름 패턴은 도 2에서 단방향 시계 방향 패턴으로 도시되어 있을지라도, 도가니(52)와 공급 튜브(62)에 대하여 매체의 적절한 순환을 제공하는 임의의 패턴일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 도가니 캐비티(66)는 도가니(52)로부터 공급 튜브 (62)를 통하여 이온화 챔버(108)로의 기화된(승화된) 데카보란 재료 전송을 용이하게 하도록 가압된다. 캐비티(66) 내의 압력이 증가함에 따라서, 재료 전송 속도는 대응적으로 증가한다. 이온화 챔버는 거의 진공(약 1millitorr)에서 동작하므로, 도가니(52)로부터 이온화 챔버(108)로의 공급 튜브(62)의 전체 길이에 따라서 압력 기울기(pressure gradient)가 존재한다. 도가니의 압력은 통상적으로 1torr 정도이다.
도가니(52)를 이온화 챔버(108)로부터 멀리 위치시킴으로써, 도가니 캐비티 (66) 내의 재료가 열적으로 절연되어서, 이온화 챔버 내의 온도에 영향을 받지 않는 열적으로 안정된 환경을 제공한다. 이와 같이, 데카보란 승화 공정이 발생하는 도가니 캐비티(66)의 온도는 이온화 챔버(108)의 동작 온도에 관계없이 높은 정밀도로(1℃ 이내) 제어될 수 있다. 또한, 가열된 공급 튜브(62)를 통하여 이온화 챔버로의 전달 동안에 기화된 데카보란을 일정 온도로 유지함으로써, 증기의 응축 또는 열적 분해가 발생하지 않는다.
온도 제어기(56)는 가열 매체 저장실(70)용 가열 소자(80)의 동작을 제어함으로써 도가니(52) 및 공급 튜브(62)의 온도를 제어한다. 열전대(92)는 저장실 (70)의 온도를 감지하여 온도 제어기(56)로 온도 피드백 신호(93)를 전송한다. 온도 제어기는 저장실 가열 소자(80)에 제어 신호(94)를 출력함으로써, 공지된 방법으로 이 입력 피드백 신호에 응답한다. 이러한 방법으로, 고체 상태의 데카보란 및 기화된 데카보란이 노출되는, 이온화 챔버의 위치까지의, 모든 표면에 대하여 균일한 온도가 제공된다.
(펌프(55)를 통한) 시스템에서의 가열 매체의 순환, 및 (가열 소자(80)를 통한) 가열 매체의 온도를 제어함으로써, 이온 소스(50)는 20℃ 내지 250℃(+/-1℃) 정도의 동작 온도로 제어될 수 있다. 도가니의 압력을 제어하여 도가니 밖으로의 증기 흐름 속도를 제어하기 위해서는, 이온화 챔버에 가장 가까운 공급 튜브의 말단부에 비해서, 도가니에서의 정확한 온도 제어가 더욱 중요하다.
데카보란 분자의 해리를 방지하기 위해서, 본 발명의 소스를 사용하여 플라즈마 밀도가 (1010/cm3 정도로) 낮게 유지되기 때문에, 종래 크기의 소스 개구를 사용할 때, 총 추출된 이온 빔 전류는 낮아질 것이다. 비교 가능한 빔 전류 밀도를 가정하면, 본 발명의 이온화기(53) 내의 개구(126)는 적절한 이온 빔 전류 출력을 보장할 만큼 충분히 크게 이루어진다. 1㎠(0.22㎝ ×4.5㎝)의 개구는 워크피스에서 제곱 센티미터 당 약 100마이크로암페어(㎂/㎠)(즉, 1㎂), 및 소스로부터 추출된 빔 전류에 대하여 1㎃/㎠ (즉, 1㎃)까지의 (이보다 작거나 같은) 빔 전류 밀도를 허용한다. (워크피스에 전달되는 실제의 집속된 빔 전류는 총 추출된 빔 전류의 단지 일부이다.) 어떤 주입기에서 대략 5㎠의 개구 크기가 가능한데, 이는 워크피스에 대략 500㎂의 B10HX + 빔 전류를 발생시킨다. 초저 에너지(ULE; ultra low energy) 주입기에서는, 훨씬 큰 개구 크기(13㎠ 까지)도 가능하다.
이온 주입기에서 도 2의 소스(50)의 실시예를 사용하면, 전체 분자(10개의 붕소 원자)가 워크피스에 주입된다. 분자는 워크피스 표면에서 분할되어, 각각의 붕소 원자의 에너지가 10-붕소 클러스터(B10H14의 경우에)의 에너지의 대략 1/10이 된다. 따라서, 빔은 소망하는 붕소 주입 에너지의 10배로 운반되어, 상당한 빔 전송 손실없이 매우 얕은 주입을 가능하게 한다. 또한, 소정의 빔 전류에서, 각각의 전류 단위는 워크피스로의 선량의 10배를 전달한다. 결과적으로, 단위 선량당 전하가 1원자 빔 주입의 전하의 1/10이기 때문에, 소정의 선량에 대한 워크피스 하전 문제는 훨씬 덜 심각하다.
따라서, 이온 주입기용의 개선된 이온 소스의 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 상기의 설명을 염두에 두고, 본 설명은 단지 예이며, 본 발명은 본원에 기재된 특정 실시예로 한정되지 않고, 상기의 설명에 대하여, 후속 청구 범위 등으로써 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 각종 재구성, 변형, 및 대체가 실시될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
승화기, 및 승화기를 이온화기에 접속하는 공급 튜브를 가열하는 가열 메커니즘이 제공되어, 기화된 데카보란에 대하여 적절한 온도를 유지시킨다. 또한, 기화된 데카보란의 이온화 동안에 이온화 챔버(108)의 벽(128)의 온도를 낮추어(예를 들어, 350℃ 이하까지), 기화된 데카보란 분자의 원자 붕소 이온으로의 해리를 방지하는 냉각 메커니즘(100, 104)이 제공된다. 그리고, 에너지 방출 소자는 충분히 낮은 전력 레벨에서 동작하여 이온화 챔버(108) 내의 플라즈마 밀도를 최소화해서 플라즈마 자체에 의한 기화된 데카보란 분자의 추가적인 해리를 방지한다.

Claims (20)

  1. 이온 주입기용 이온화기(53)로서:
    기화된 소스 재료를 수용하는 유입구(119)를 갖는 본체(96);
    기화된 소스 재료가 전자 방출 소자(110)에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성하는 이온화 챔버(108);
    상기 플라즈마로 이루어진 이온 빔을 추출하는 유출구(126); 및
    상기 기화된 재료의 이온화 동안에 상기 이온화 챔버(108)의 벽(128)의 온도를 낮추는 냉각 메커니즘(100, 104)을 포함하는 이온 주입기용 이온화기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기화된 재료는 기화된 데카보란인 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체(96)는 일반적으로 원통형이고, 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 메커니즘은 냉각 매체가 순환될 수 있는 하나 이상의 통로(100, 104)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 메커니즘은 상기 이온화 챔버(108)의 상기 벽(128)을 350℃ 보다 낮게 유지하여, 기화된 데카보란 분자의 해리를 방지하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 개구(126)는, 제곱 센티미터 당 1㎃(㎃/㎠) 미만의 빔 전류 밀도에서 100 내지 500마이크로암페어(㎂) 사이의 집속된 이온 빔 전류를 제공하도록 크기화되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 상기 챔버(108) 내에서 1010/cm3의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 전자 방출 소자(110)는 엔드캡(118)을 향하여 가속되는 제1군의 전자를 방출하고, 그 후 상기 이온화 챔버(108) 내에서 기화된 데카보란에 충돌하여 플라즈마를 생성하는 제2군의 전자를 방출하는 필라멘트(114)를 포함하며, 상기 이온화기는 상기 제2군의 전자의 일부를 상기 전자 방출 소자를 향하여 역으로 반사시키는 리펠러(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입용 이온화기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 리펠러(112)는 수냉되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 엔드캡(118) 및 이온화 챔버 벽(128)간의 아크 방전은 5와트(W)의 전력 레벨과 50밀리암페어(mA)의 전류 레벨에서 동작되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기용 이온화기.
  11. 이온 소스(50)로서:
    (1) 기화될 소스 재료(68)를 수용하고 소스 재료를 기화시키는 캐비티(66)를 갖는 기화기(51);
    (2) 상기 기화기로부터 떨어져 위치되며, 상기 기화된 소스 재료를 수용하는 유입구(119)를 갖는 본체(96), 상기 기화된 소스 재료가 에너지 방출 소자에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성할 수 있는 이온화 챔버(108), 상기 플라즈마로 이루어진 이온 빔을 추출하는 유출구(126), 및 상기 기화된 재료의 이온화 동안에 상기 이온화 챔버(108)의 벽(128)의 온도를 낮추는 냉각 메커니즘 (100, 104)을 포함하는 이온화기(53);
    (3) 상기 기화기(51)를 상기 이온화 챔버(108)에 연결하는 공급 튜브(62); 및
    (4) 상기 공급 튜브(62) 및 상기 기화기(512)의 일부를 가열하는 가열 매체(70)를 포함하는 이온 소스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기화된 재료는 기화된 데카보란인 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가열 매체(70)의 온도를 제어하는 제어 메커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지 방출 소자는 무선 주파수(RF) 여기장치인 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지 방출 소자는 마이크로웨이브 소스인 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 본체(96)는 일반적으로 원통형이고, 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 메커니즘은 냉각 매체가 순환될 수 있는 하나 이상의 통로(100, 104)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 메커니즘은 상기 이온화 챔버(108)의 상기 벽 (128)을 350℃ 보다 낮게 유지하여, 기화된 데카보란 분자의 해리를 방지하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 개구(126)는 제곱 센티미터 당 1㎃(㎃/㎠) 미만의 빔 전류 밀도에서 100 내지 500마이크로암페어(㎂) 사이의 집속된 이온 빔 전류를 제공하도록 크기화되는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 상기 챔버(108) 내에서 1010/cm3의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
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