KR100602319B1

KR100602319B1 - 이온 빔 가이드 내 플라즈마의 마이크로파 여기를 위한도파관

Info

Publication number: KR100602319B1
Application number: KR1020010044819A
Authority: KR
Inventors: 벤베니스트빅터모리스; 예존; 디버길리오윌리엄프랭크
Original assignee: 액셀리스 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2006-07-14
Also published as: EP1176623B1; US6541781B1; KR20020009504A; TW527617B; JP4947402B2; JP2002110080A; EP1176623A3; EP1176623A2; DE60134091D1; SG106056A1

Abstract

이온 주입 장치에 저 에너지 고 전류 이온 빔을 제공하는 장치와 방법이 개시되었다. 이 장치는 이온 빔의 통로(129)를 따라 통로(139, 202)에 장착된 질량 분석 자석(114), 통로(139, 202)에 전기장을 제공하는 전원(174), 및 통로(139, 202)에 다수 커스프 자장(multi-cusped magnetic field)을 제공하는 자기 장치(170)를 포함하며, 통로(139, 202)의 적어도 일부분을 따라 장착되는 다수의 자석(220)을 포함할 수 있다. 전원(174)과 자석들(220)은 협동적으로 상호 작용하여 통로(139, 202)의 적어도 일부분을 따라 ECR(전자 싸이클로트론 공명) 조건을 제공한다. 다수 커스프 자장은 질량 분석기 통로의 영역에 특정 자장 세기로 쌍극자 자장에 중첩되어, 주어진 저 에너지 이온 빔의 공지된 RF 또는 마이크로파 주파수의 전기장과 상호 작용한다. 본 발명은 질량 분석기 도파관을 더 포함하는데, 이것은 질량 분석기 통로(202)의 길이를 따라 변함 없이 전기장과 빔 플라즈마를 결합시켜, ECR 조건의 생성을 개선한다. 따라서, 본 발명은 외부에서 생성된 플라즈마의 도입 없이 저 에너지 이온 빔을 위한 질량 분석기 쌍극자 자장 내에서의 빔 플라즈마의 향상을 제공한다. 본 발명은 이온 주입 시스템 뿐 아니라 저 에너지 이온 주입 시스템에서의 이온 빔 봉쇄(ion beam containment)를 제공하는 방법(300)을 더 포함한다.

이온 주입 시스템, 질량 분석기, ECR 조건, 도파관

Description

이온 빔 가이드 내 플라즈마의 마이크로파 여기를 위한 도파관{WAVEGUIDE FOR MICROWAVE EXCITATION OF PLASMA IN AN ION BEAM GUIDE}

도 1a는 본 발명의 빔 봉쇄 장치 및 방법이 적용될 수 있는 질량 분석기를 갖는 전형적인 저 에너지 이온 주입 시스템을 도시한 개략적인 블록 다이어그램;

도 1b는 본 발명에 따르는 빔 봉쇄 장치를 포함하며, 가공품의 이온 빔 처리를 위한 이온 주입기의 개략도;

도 2는 본 발명의 일 특징에 따르는 예시적인 질량 분석기 빔 가이드의 평면도;

도 3a는 본 발명의 다른 특징에 따라 다수 커스프 자장을 형성하기 위한 다수의 자석들을 가지며, 도 2에 도시한 예시적인 질량 분석기의 정면도;

도 3b는 도 3a의 3B-3B선을 따라 절취한 예시적인 질량 분석기의 단면도;

도 4는 도 2의 4-4선을 따라 절취한 예시적인 질량 분석기의 단면도;

도 5는 도 2의 5-5선을 따라 절취한 예시적인 질량 분석기의 단면도;

도 6은 도 5의 예시적인 질량 분석기 내의 예시적인 다수 커스프 자장을 도시한 단면도;

도 7a는 본 발명의 다른 특징에 따라 도파관을 갖는 다른 예시적인 질량 분석기의 단면도;

도 7b는 도 7a의 예시적인 질량 분석기와 도파관의 다른 측의 단면도;

도 8a는 본 발명의 다른 특징에 따라 다수 커스프 자장을 생성하기 위한 질량 분석기 내의 예시적인 도파관과 자석들의 일부를 도시한 단면도;

도 8b는 도 8a의 예시적인 도파관과 자석들을 도시한 일부의 평면도;

도 8c는 도 8a와 도 8b에 도시한 예시적인 도파관의 일부를 도시한 도 8b의 8C-8C선을 따라 절취한 단면도;

도 8d는 도 8a 내지 도 8c에 도시한 예시적인 도파관의 일부를 나타낸 도 8b의 8D-8D선을 따라 절취한 단면도;

도 9는 본 발명의 다른 특징에 따라 다수 커스프 자장을 형성하기 위한 자석들을 갖는 예시적인 질량 분석기를 도시한 평면도;

도 10은 본 발명의 다른 특징에 따르는 예시적인 도파관을 도시한 평면도; 및

도 11은 본 발명의 다른 특징에 따라 이온 주입 시스템에서 이온 빔을 봉쇄하는 방법을 설명하는 개략적인 순서도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 저 에너지 이온 주입기

114 : 질량 분석 자석

129 : 통로(path)

139 : 통로(passageway)

170 : 자석

174 : 전원

250 : 도파관

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템에 관한 것이며, 특히 이온 빔 가이드 내 플라즈마를 마이크로파 여기하기 위한 도파관에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조에 있어서,이온 주입은 불순물들로 반도체들을 도핑하는데 이용된다. 이온 빔 주입기는 집적 회로를 제조할 때 n형 또는 p형 외인성 재료(extrinsic material) 도핑을 발생시키거나 패시베이션 층들(passivation layers)을 형성하기 위해 이온 빔으로 실리콘 웨이퍼들을 처리하는데 사용된다. 반도체들을 도핑하기 위해 사용될 때, 이온 빔 주입기는 선택된 이온 종들을 주입하여 원하는 외인성 재료를 생성한다. 안티몬, 비소 또는 인과 같은 소스 물질들로부터 생성된 주입 이온들은 "n형" 외인성 재료 웨이퍼들이 되는 반면, "p형" 외인성 재료 웨이퍼가 바람직한 경우, 붕소, 갈륨 또는 인듐과 같은 소스 물질에 의해 생성된 이온이 주입될 것이다.

대표적인 이온 빔 주입기들은 이온화가능한 소스 물질들로부터 + 대전된 이온들을 생성하기 위한 이온 소스를 포함한다. 생성된 이온들은 빔으로 형성되어 소정의 빔 통로를 따라서 주입 스테이션으로 향한다. 이온 빔 주입기는 이온 소스와 주입 스테이션 사이에서 연장되는 빔 형성 및 형상 구조체(beam forming and shaping structures)를 포함할 수 있다. 빔 형성 및 형상 구조체는 이온 빔을 유지하며, 주입 스테이션 쪽으로 가는 도중에 빔이 관통하여 지나는 신장된 내부 캐비티(cavity) 또는 통로의 경계를 이룬다. 주입기를 구동시킬 때, 이온들이 공기 분자들과의 충돌로 인해 소정 빔 통로로부터 이탈할 가능성을 줄이기 위해서 이 통로를 반드시 진공상태로 하여야 한다.

전하에 대한 이온의 질량(예를 들어, 전하 대 질량 비(charge-to-mass ratio))은 정전기 또는 자장에 의해 축방향 및 횡단방향으로 가속되는 정도에 영향을 미친다. 그러므로, 분자량이 바람직하지 않은 이온들이 빔으로부터 벗어나서 편향되고 바람직한 물질들 이외의 물질 주입은 피할 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼 또는 다른 타겟의 소정 영역에 도달하는 빔은 매우 순수하게 만들어 질 수 있다. 바람직한 그리고 바람직하지 않은 전하 대 질량 비의 이온들을 선택적으로 분리하는 공정은 질량 분석으로 공지되어 있다. 질량 분석기들은 통상적으로, 쌍극자 자장을 생성하는 질량 분석 자석을 사용하여, 상이한 전하 대 질량 비의 이온들을 효과적으로 분리시키는 활 모양의 통로에서 자기 편향을 통해 이온 빔의 각종 이온들을 편향시킨다.

깊이가 얕은(shallow depth) 이온 주입에서는 고 전류, 저 에너지 이온 빔들이 바람직하다. 이 경우, 이온들의 감소된 에너지들은 같은 전하를 갖는 이온들의 상호 반발(mutual repulsion)로 인하여 이온 빔의 수렴(convergence)을 유지하는 데 약간 어려움을 야기한다. 높은 전류 이온 빔들은 통상적으로, 상호 반발에 의해 분산되는 경향이 있는 고농도의 유사하게 대전된 이온들을 포함한다.

저압에서 저 에너지, 고 전류 이온 빔 완전성(integrity)을 유지하기 위해, 이온 빔 주위를 둘러싸도록 플라즈마가 생성될 수 있다. 고 에너지 이온 주입 빔들은 통상적으로, 빔이 잔류 또는 배경 가스(background gas)와 작용하여 생긴 부산물인 약한 플라즈마를 관통하여 전파된다. 이 플라즈마는 이온 빔에 의해 야기되는 공간 전하들을 중성화시키는 경향이 있는데, 이로인해 횡 전기장(transverse electric fields)을 제거하는데, 만일 제거되지 않으면 빔을 분산시킨다. 그러나, 저 이온 빔 에너지에서는 배경 가스들과의 이온화 충돌의 가능성은 매우 낮다. 게다가, 질량 분석기의 쌍극자 자장에서, 자장 선들을 가로지나는 플라즈마 확산이 현저하게 저감되는데 반해, 이 자장의 방향을 따르는 확산은 제한되지 않는다. 결과적으로, 질량 분석기 내의 저 에너지 빔 봉쇄를 개선하기 위한 추가적인 플라즈마의 도입은 큰 효과가 없는데, 그 이유는 도입된 플라즈마가 쌍극자 자장 선들을 따라 통로 챔버 벽들 쪽으로 빠르게 전환되기 때문이다.

이온 주입 시스템에서, 낮은 압력에서 가동될 수 있으며, 질량 분석기 빔 가이드의 전체 길이를 따라 균일한 빔 봉쇄를 제공하는 고 전류 저 에너지 이온 빔들에 사용할 빔 봉쇄 장치 및 방법의 필요성이 존재한다.

본 발명은 이온 주입 장치들에 저 에너지 고 전류 이온 빔을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 보조 플라즈마의 도입 없이 이온 빔을 봉쇄하고, 대신 빔 가이드 내의 배경 가스를 사용함으로써 이온 빔과 결합하는 빔 플라즈마를 향상시켜 적절한 빔 봉쇄에 필요로 되는 부가적인 전자들을 생성한다. 이것은 제어되는 방식으로 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 조건을 생성하기 위해 빔 가이드 통로에 다수 커스프 자장(multi-cusped magnetic field)과 RF 또는 마이크로파 에너지를 제공함으로써 성취된다. 이에 대해 이하에서 보다 상세히 설명할 것이다.

잔류 가스 또는 배경 가스와 빔 상호 작용으로 생성된 빔 플라즈마와 같은 플라즈마를 통하여 전파되는 이온 빔들은 정상 상태 평형에 도달하는데, 이 정상 상태 평형에서, 전하 교환 및 이온화에 의해 생성된 전하들은 빔 가이드에서 상실된다. 남아있는 플라즈마 밀도는 이온화 충돌의 가능성으로 인한 전하 형성과, 잔류 공간 전하에 의한 + 전하들의 반발 및 운동 에너지의 결과로 생기는 전자의 탈출에 의한 빔 부피로부터의 손실 간의 균형으로 인한 것이다.

외부에서 생성된 플라즈마 또는 빔 플라즈마의 향상의 도입을 통한 플라즈마 향상이 없다면, 매우 낮은 이온 빔 에너지에서의 배경 가스와의 이온화 충돌의 가능성은 낮다. 이와 같은 방식으로 생성된 전자들은 빔의 높은 포텐셜 안에서 양호하게 트랩(trap)되어, 빔 중심(beam center) 주위 및 이를 통해 선회하며, 쿨롱 충돌(Coulomb collision)에 의해 상호 작용함으로써, 전자 에너지 분포를 열화(thermalization) 시킨다. 잔류 가스 분자의 이온화 포텐셜보다 높은 에너지를 가지는 분포에서의 이러한 전자들은 분자와 같이 이온화 가능성을 갖는다. 이온화 가능성은 전자 에너지가 감소함에 따라 감소한다.

저 에너지 빔 플라즈마에서, 대다수의 이온화는 트랩된 전자들에 의해 생성된다. 이 전자들은 자신들의 에너지를 중앙 대 가장자리의 빔 포텐셜 차이로부터 도출하는데, 이것은 빔 "블로우-업(blow-up)"을 야기시키는 파라미터이다. 따라서, 외부에서 생성된 플라즈마 또는 빔 플라즈마의 향상 없이 저 에너지 이온 빔들의 전송은 어렵다. 질량 분석기들은 본래 자장들을 포함하기 때문에, 외부에서 생성된 플라즈마는 질량 분석기 빔 가이드의 활 모양의 길이를 따라 적절하게 확산되는 것이 곤란하고, 대신 자장 선들의 방향을 따라 신속하게 확산된다. 본 발명에 따라 다수 커스프 자장과 함께 질량 분석기 빔 가이드 통로에서 RF 또는 마이크로파 에너지를 사용하는 것은 통로내에서 ECR 조건의 제어된 생성을 통해 저 압력 저 에너지 고 전류 이온 빔 시스템에서의 빔 플라즈마의 향상을 위해 제공된다. 게다가, 다수 커스프 자장은 자기 미러 효과(magnetic mirror effect)에 의해 플라즈마 밀도를 향상시킨다.

따라서, 부가적인 플라즈마는 RF 또는 마이크로파 주파수에서의 전기장에 의해 이온 빔 공간 내에서 생성될 수 있다. 이 RF 또는 마이크로파 에너지는 적절한 자장이 제공될 때, ECR 조건을 조성하는 크기로 플라즈마 전자들에 효과적으로 전달된다. RF 또는 마이크로파 에너지는 임의의 커플링 방법들( 예를 들면, 윈도우들, 안테나들 등)을 통해 이온 빔 가이드 안의 적절한 포트에서 통로 내로 도입될 수 있다. 비록 ECR 조건의 생성을 위해 쌍극자 자장만이 사용될 수 있지만, 질량 분석 자석을 위한 쌍극자 자장의 세기의 선택은 주입을 위하여 선택된 입자의 운동량에 의해 결정된다. 결국, RF 또는 마이크로파 전원 주파수는 쌍극자 자장의 세기에 따르는 ECR 조건을 제공하는 주파수에 동조될 필요가 있을 것이다.

예를 들어, 매우 낮은 에너지 붕소 빔에 있어서, 쌍극자 자장은 통상 2.45 ㎓ 마이크로파 주파수에서 ECR 조건 하에서 적당하다. 보다 낮은 주파수 에너지 소스들(또는 가변 주파수 소스들)이 사용될 수 있으나, 고가이다. 게다가, 사용 가능한 주파수 중 최고 주파수를 사용할 때 이점이 있는데, 그 이유는 플라즈마 밀도 한계가 사용되는 주파수의 제곱에 비례하기 때문이다. 따라서, 제어된 다수 커스프 자장의 선택적인 사용을 통해 저 에너지 이온 빔 장치에서의 고 주파수 전원을 사용할 수 있는 능력은 저가일 뿐 아니라 플라즈마 밀도를 높게한다.

본 발명의 한가지 특징에 의하면, 이 장치는 이온 빔의 통로를 따라 통로의 주위에 장착된 질량 분석 자석, 통로내에 전기장을 제공하는 RF 전원, 통로 내에 다수 커스프 자장을 제공하는 자기 장치를 포함한다. 따라서, 통로는 빔의 가이드 뿐만 아니라 도파관의 역할을 한다. 본 발명의 다른 특징에 의하면, 자기 장치는 통로의 적어도 일부를 따라 장착된 다수의 자석을 구비함으로써, 통로의 적어도 일부를 따라 ECR(전자 싸이클로트론 공명) 조건을 제공하도록 전원과 자석들을 협동하여 상호작용시킨다.

다수 커스프 자장은 질량 분석기 통로의 한 영역 내의 특정 자장 세기로 쌍극자 자장에 중첩되어, 주어진 저 에너지 이온 빔용의 공지된 RF 또는 마이크로파 주파수의 전기장과 상호 작용한다. 이러한 방법에서, 질량 분석기 쌍극자 자장 내의 빔 플라즈마는 외부에서 생성된 플라즈마의 도입 없이 저 에너지 이온 빔에 대해 향상된다. RF 또는 마이크로파 에너지는 ECR 조건을 조성하는 자장의 존재시에 플라즈마 전자들에게 효과적으로 전달된다. 본 발명의 한 양상을 따르면, 특정 이온 빔 유형에 대한 ECR 조건은 전기장 주파수와 자장의 세기에 의존한다. 그러나, 질량 분석 자석의 쌍극자 자장은 통상적으로, 이온 전하 대 질량 비의 원하는 선택과 타겟 웨이퍼로 향하는 빔 에너지의 크기에 따라 고정된다.

따라서, 다른 ECR 조건 변수들이 고정되면, 전기장 에너지 소스 주파수가 결정된다. 본 발명에 따라 질량 분석기의 통로에서 다수 커스프 자장이 생성되는 것은 통로 내의 자장 세기에 대해 국부적인 제어를 제공하는데 유용한데, 이것은 통상적으로 또는 상업적으로 사용 가능한 주파수들(예를 들어 2.45 ㎓)에서 RF 또는 마이크로파 에너지 소스들의 사용을 가능하게 한다. 적절한 주파수에 대한 ECR 조건을 만족하는 자장 세기의 영역들을 제공하는 것 이외에도, 다수 커스프 자장이 또한, 자기 미러 효과를 통한 플라즈마 제한을 증가시키는데, 이것은 손실들을 줄임으로써 플라즈마 밀도를 현저하게 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 특징을 따르면, 자기 장치는 질량 분석기 빔 가이드 통로의 상부면 및 하부면들에 배치되는 길이 방향으로 이격되어 측 방향으로 신장되는 다수의 자석들을 구비할 수 있다. 자석들은 대향 자석 극성의 길이 방향의 대향 자 극(magnetic poles)들을 포함하는데, 즉 서로 마주보는 인접 자석들은 같은 극성을 갖는 극으로 구성되어, 다수 커스프 자장이 통로에서 발생된다. 이러한 방법에서, ECR 조건은, 상부면 및 하부면들 중 하나로부터 소정 거리만큼 이격된, 적어도 2개의 인접한 자석들의 적어도 길이 방향으로 마주보는 2개의 자극들 근처에서 설정된다. 따라서, 다수 커스프 자장을 생성하는 자석은 하나 이상의 통로 벽으로부터 이격된 ECR 영역을 생성하여, 통과 이온빔을 제한하거나 봉쇄하도록 제어하도록 설계될 수 있다.

본 발명의 다른 양상을 따르면, 통로를 따라 이온 빔을 발생시키는 이온 소스 및 내부 통로를 갖는 질량 분석기를 포함하는 이온 주입 시스템이 제공된다. 질량 분석기는 고 주파수 전원, 내부 통로에 장착되는 질량 분석 자석, 및 내부 통로에 장착되는 자기 장치를 포함하는데, 여기서 질량 분석기는 이온 소스로부터의 이온 빔을 수용하여 상기 통로를 따라서 웨이퍼로 적절한 전하 대 질량 비를 갖는 이온들을 향하게 하는데 사용된다. 고 주파수 전원은 내부 통로에 RF 또는 마이크로파 전기장을 제공하는데 사용되며, 자기 장치는 내부 통로에 다수 커스프 자장을 제공하는데 사용된다. 자기 장치는 통로의 적어도 일부에 따라 장착되는 다수의 자석들을 포함하는데, 이것이 다수 커스프 자장을 생성한다. 자장 및 전기장은 질량 분석기 내에서 빔 플라즈마를 유용하게 향상시키는 ECR 조건을 생성하도록 상호 작용함으로써, 이온 빔의 공간 전하를 중성화시킨다.

본 발명의 또 다른 양상을 따르면, 저 에너지 이온 주입 시스템에서 이온 빔 을 봉쇄시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 이온 소스를 사용하여 길이 방향 통로를 따라 이온 빔을 발생시키는 단계, 내부 통로와 이 내부 통로를 따라 장착된 질량 분석 자석을 가지는 질량 분석기를 제공하는 단계, 및 이온 소스로부터의 이온 빔을 질량 분석기에서 수용하는 단계를 포함한다. 이 방법은 질량 분석기로부터 상기 통로를 따라 웨이퍼로 적절한 전하 대 질량 비와 에너지를 갖는 이온들을 향하게 하는 단계, 고 주파수 전원을 사용하여 통로에서 전기장을 형성하는 단계, 및 통로를 따라 장착된 자기 장치를 사용하며 통로의 적어도 일부에서 다수 커스프 자장을 발생시키는 단계를 더 포함한다. 게다가, 상기 방법은 전기장 및 자장을 이용하는 통로 내의 적어도 한 영역에 ECR 조건을 생성하는 단계를 더 포함한다.

플라즈마 향상과 이로 인한 빔 봉쇄는 질량 분석기의 통로 내의 제어된 전기장 에너지의 제어에 의해 더욱 지원받을 수 있다. 통로 내에 전기장을 발생시키는 것은 분리 도파관을 추가로 사용하여, 제어된 방법으로 통로 내에 전기장 에너지를 일정하게 분포시킨다. 이 방법에서, 에너지 분포는 빔 가이드의 길이 방향 통로를 따라 보다 균일하게 될 수 있어, 전체 길이에 걸쳐서 ECR 영역들을 생성시킨다.

본 발명의 또한 다른 양상을 따르면, 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드의 통로에서 전원으로부터의 마이크로파 에너지와 빔 플라즈마를 결합시키는데 사용되는 도파관이 제공되어 있다. 도파관은 금속 코팅에 의해 둘러 싸여진 제1 유전체 층을 포함하는데, 이것은 빔 가이드 통로의 길이 전체에 걸쳐서 전원으로부터 마이크로파 에너지를 전파하는데 사용된다. 따라서, 금속 코팅은 제1 층의 상부 및 하부면들상에 제2 및 제3 층을 형성할 수 있다. 제1 층은 제1 평면에서 활 모양 통로를 따라 길이 방향으로 입구단에서 출구단으로, 그리고 내부 반경 측과 외부 반경 측 사이에 측 방향으로 신장된다. 도파관은 빔 가이드 통로를 마주보는 측 상의 금속 코팅을 통해서 측방향으로 신장하여 길이 방향으로 이격되어 있는 포트들 또는 슬롯들을 더 포함한다. 길이 방향으로 이격되어 있는 포트들 또는 슬롯들은 정재파의 노드들에 해당하는 도파관을 따라 유용하게 배치되어 빔 가이드로 효율적으로 전력을 전달한다.

이 점에서, 도파관을 따라 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 다수의 자석이 제공되는데, 이 자석은 빔 가이드 통로 내에 다수 커스프 자장을 제공하도록 한다. 이 방법에서, 다수 커스프 자장 및 전원으로부터의 마이크로파 에너지는 빔 봉쇄를 위해 통로의 적어도 일부를 따라 ECR 조건을 생성하도록 협동적으로 상호 작용할 수 있고, 플라즈마는 자기 미러 효과를 통해서 더욱 향상될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상을 따르면, 이온 주입 시스템 내 통로를 따라 이온 빔을 조절하기 위해 질량 분석기 빔 가이드 장치가 제공된다. 이 장치는 통로를 따라 통로 내에 장착되는 질량 분석 자석, 통로 내에 전기장을 제공하는 전원, 이온 빔과 관계되는 빔 플라즈마를 전기장과 결합시키는 도파관, 및 통로에 다수 커스프 자장을 제공하는 자기 장치를 포함한다. 따라서, 전원, 도파관, 및 자기 장치는 협동하여 통로의 적어도 일부에서 이온 빔을 봉쇄하도록 사용된다. 빔 봉쇄는 전자 싸이클로트론 조건을 통해 유용하게 성취되는데, 이 조건은 전원과 자기 장치에 의해 전력을 공급받는 RF 또는 마이크로파 전기장의 통로 내에서의 협동적인 상호작용을 통해 설정되는데, 이것이 통로의 내부에서 다수 커스프 자장을 생성시킨다.

본 발명의 또한 다른 특징을 따르면, 도파관이 이온 빔 질량 분석기 통로에서 플라즈마와 전기장을 결합시키기 위하여 제공된다. 이 도파관은 마이크로파 에너지를 전원으로부터 전파하는데 사용되는 제1 평면에 위치한 베이스 층을 포함하며, 이 베이스 층은 상부, 하부 및 측면 금속 층들을 가지는데, 이들 금속층은 입구단으로부터 출구단으로 활 모양 통로를 따라 길이 방향으로 그리고 내부 반경 측과 외부 반경 측 사이에 측 방향으로 신장된다. 하부 층은 통로의 내부와 베이스 층 사이에서 측 방향으로 신장되는 길이 방향으로 이격된 다수의 포트 또는 슬롯을 포함할 수 있다. 전원으로부터 베이스 층을 따라 전파되는 마이크로파 에너지는 측 방향으로 신장되는 길이 방향으로 이격된 포트들 또는 슬롯들 부근의 통로의 내부에 있는 플라즈마와 결합된다.

앞서 언급되고 이와 관련된 목적들을 성취하기 위해, 본 발명은 이하에서 상세히 설명될 특징들을 포함하며, 특히 청구범위에서 명시되어 있다. 이하 설명과 첨부 도면들은 본 발명의 특정 예를 설명하는 것이다. 그러나, 이러한 특징들은 본 발명의 원리가 사용될 수 있는 각종 방법들 중 몇가지 만을 설명하고 있다. 본 발명의 다른 목적들, 이점들 및 신규한 특징들이 아래에서 도면들과 함께 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명은 동일한 구성 요소들에 대해 같은 도면 부호를 사용한 도면들을 참고하여 설명될 것이다. 본 발명은 질량 분석기 내의 ECR 조건을 생성하기 위해 RF 또는 마이크로파 에너지의 조합 내에서 다수 커스프 자장을 사용하는 빔 플라즈마를 향상시킴으로써 외부에서 발생된 플라즈마의 도입을 필요로 하지 않으며 낮은 압력에서 저 에너지 고 전류 이온 주입 시스템에서 빔 봉쇄를 위해 제공된다. 그러나, 본원에서 예시되고 설명된 바와 다른 장치에도 유용하게 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

지금부터 도면들을 참조하면, 도 1a에 터미널(12), 빔라인 어셈블리(14) 및 엔드 스테이션(16)을 갖는 저 에너지 이온 주입기(10)가 도시되어 있다. 터미널(12)은 고 전압 전원(22)에 의해 전력 공급받는 이온 소스(20)를 포함한다. 이온 소스(20)는 빔라인 어셈블리(14)에 제공되는 이온 빔(24)을 발생시킨다. 이온 빔(24)은 질량 분석 자석(26)에 의해 조절된다. 질량 분석 자석(26)은 적절한 전하 대 질량 비의 이온들만을 웨이퍼(30)로 통과시킨다. 그 후, 조절된 이온 빔(24)은 엔드 스테이션(16)에 있는 타겟 웨이퍼(30)를 향한다.

또한, 도 1b를 참조하면, 이온 주입기(100)가 본 발명의 전형적인 양상에 따라 보다 상세히 도시되어 있는데, 이것은 이온 소스(112), 질량 분석 자석(114), 빔라인 어셈블리(115), 및 타겟 또는 엔드 스테이션(116)을 포함한다. 빔라인 어셈블리(115)에 대한 엔드 스테이션(116)의 이동을 허용하는, 신장될 수 있는 스테인레스 강철 벨로우즈 어셈블리(118)가 엔드 스테이션(116)과 빔라인 어셈블리(115)를 연결시킨다. 비록 도 1b가 초 저 에너지(ultra low energy: ULE) 이온 주입기를 도시하고 있지만, 본 발명은 다른 유형의 주입기들에도 또한 적용될 수 있다.

이온 소스(112)는 플라즈마 챔버(120)와 이온 추출 어셈블리(122)를 포함한다. 이온화가능한 도펀트 가스에 에너지가 가해져, 플라즈마 챔버(120) 내에서 이온을 발생시킨다. 본 발명은 음이온을 상기 소스(112)에 의해 발생시키는 시스템에 적용 가능하지만, 일반적으로 양 이온들이 발생된다. 양 이온들은 플라즈마 챔버(120) 내의 슬릿을 통해 다수의 전극(127)을 구비한 이온 추출 어셈블리(122)에 의해 추출된다. 따라서, 이온 추출 어셈블리(122)는 플라즈마 챔버(120)로부터 양이온들의 빔(128)을 추출하고 이 추출된 이온들을 질량 분석 자석(114) 내로 가속시키는 기능을 한다.

질량 분석 자석(114)은 적절한 전하 대 질량 비를 갖는 이온만을 리졸버 하우징(resolver housing)(123)과 빔 중성화기(beam neutralizer)(124)를 포함하는 빔라인 어셈블리(115)로 통과시키는 기능을 한다. 질량 분석 자석(114)은 측벽(130)들을 갖는 알루미늄 빔 가이드에 의해 정해진 통로(139) 내에서 굽은 빔 통로(129)를 포함하며, 이 것의 진공은 진공 펌프(131)에 의해 제공된다. 이 통로(129)를 따라 전파되는 이온 빔(128)은 질량 분석 자석(114)에 의해 발생된 자장에 의해 영향을 받아 부적절한 전하 대 질량 비를 갖는 이온들을 거부한다. 이 쌍극자 자장의 세기 및 방향은 자석 커넥터(133)를 통해 자석(114)의 필드 권선(field windings)을 통해 전류를 조절하는 제어 전자 장치(132)에 의해 제어된다.

쌍극자 자장은 이온 빔(128)을, 굽은 빔 통로(129)를 따라 이온 소스(112) 부근에 있는 제1 또는 입구 궤도(trajectory)(134)로부터 리졸버 하우징(123) 부근에 있는 제2 또는 출구 궤도(135)로 이동시킨다. 부적절한 전하 대 질량 비를 갖는 이온들로 이루어진 빔(128)의 부분들(128', 128")은 굽은 궤도로부터 벗어나서 편향되어 알루미늄 빔 가이드(130)의 벽들 내로 향해진다. 이런 방법으로, 자석(114)은 빔(128) 내의 바람직한 전하 대 질량 비를 갖는 이온들만을 리졸버 하우징(123) 으로 통과시킨다.

통로(139)는 빔 통로(129)를 따라 측 방향으로 배치된 하나 이상의 자석들(170)을 갖는 자기 장치를 더 포함한다. 자석들(170)은 빔 통로(129)의 위아래에 장착되어, 통로(139) 에서 다수 커스프 자장(도 1b에는 도시하지 않음)를 생성시킨다. 또한, 고 주파수 전기장(도 1b에는 도시하지 않음)는 통로(139)와 전원(174)을 결합하는 마이크로파 주입 포트(172)를 통해 통로(139)에 제공된다. 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 통로(139)의 다수 커스프 자장과 고 주파수 전기장은 협동적으로 상호작용하여, 통로의 적어도 한 영역(도 1b에 도시하지 않음)에서 ECR 조건을 조성하여 이온 빔(128)의 빔을 봉쇄한다.

리졸버 하우징(123)은 터미널 전극(137), 이온 빔(128)을 집중시키는 정전 렌즈(138), 및 파라데이 플래그(Faraday flag)(142)와 같은 선량 표시기(dosimetry indicator)를 포함한다. 빔 중성화기(124)는 양 전하를 중성화하기 위한 플라즈마 샤워(145)를 포함하는데, 만일 이렇게 하지 않으면, 양 전하는 + 대전된 이온 빔(128)의 주입으로 인하여 타겟 웨이퍼 상에 축적된다. 빔 중성화기와 리졸버 하우징은 진공 펌프(143)에 의해 진공으로 된다.

빔 중성화기(124)의 하류에는 처리될 웨이퍼들이 장착되는 디스크-형 웨이퍼 서포트(144)를 포함하는 엔드 스테이션(116)이 있다. 웨이퍼 서포트(144)는, 일반적으로 주입 빔의 방향에 수직 지향되는 타겟 평면 내에 놓여진다. 엔드 스테이션(116)에 있는 디스크-형 웨이퍼 서포트(144)는 모터(146)에 의해 회전한다. 따라서, 이온 빔은 원형 통로에서 이동할때 상기 서포트에 장착된 웨이퍼와 충돌한다. 엔드 스테이션(116)은 이온 빔과 웨이퍼(W)의 통로(164)가 교차하는 지점(162)을 중심으로 회전하여, 타겟 평면이 이 점에 대해서 조절될 수 있도록 한다.

도 2는 저 에너지 이온 주입 시스템(예를 들면, 도 1b의 저 에너지 이온 주입기(10))에 사용되는 전형적인 질량 빔 가이드(200)를 도시한 것인데, 이것은 활 모양의 내부 및 외부 측벽들(204, 206) 각각에 의해 이온 빔 통로(208)를 따라 정해진 활 모양의 길이 방향 통로(202)를 갖는다. 빔 가이드(200)는 통로(208)를 따라 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로 예를 들어 대략 135°인 아크 각(θ)으로 길이 방향으로 신장되어 있다. 빔 가이드(200)는 케이블(218)을 통해 전원(216)으로부터의 RF 또는 마이크로파 에너지를 통로(202)과 결합시키는 마이크로파 주입 포트(214)를 더 포함한다. 빔 가이드는 질량 분석 자석을 더 포함하는데, 이 자석은 선택된 전하 대 질량 비의 이온들을 통로(208)를 따라 출구단(212)에 도달하도록 하는 통로(202)에 쌍극자 자장을 제공하기 위해 두 개의 활 모양 자석 극들(도 2에는 도시하지 않음)을 포함한다.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 한 양상에 따라 다수 커스프 자장을 발생시키기 위하여 관련된 다수의 자석(220)을 가지는 도 2에 도시한 전형적인 질량 분석기 빔 가이드(200)의 정면도 및 단면도를 각각 나타낸다. 자석들(220)은 이격 각도(θ2)(예를 들어, 5.326°)를 가진채, 통로(208)를 따라 길이 방향으로 이격된 관계의 통로(202) 내의 내부 반경(R1)과 외부 외경(R2) 사이에 측방향으로 신장되어 있다. 본 발명의 전형적인 일 구현예에서, 내부 반경(R1)은 약 300 ㎜이며, 외부 반경(R2)은 약 500 ㎜이다. 통로(202)는 또한, 상부 및 하부 벽(222, 224) 각각에 의해 정해진다. 쌍극자 자장은 전자석(도시하지 않음)에 의해 빔 가이드(200)로 외부에서 발생될 수 있다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 자석들(220)은 빔 가이드 벽들(222, 224)의 한 쪽 또는 양쪽에 그 외부으로부터 가공된 슬롯들 안에 매립되어, 자석들(220)이 진공 챔버 외부에 남아 있도록 한다. 게다가, 자석들(220)은 상부 및 하부 벽(222, 224)의 한쪽 또는 양쪽에 각각 제공되거나, 측 벽들(204, 206)의 한쪽 또는 양쪽에 각각 제공되거나, 또는 이들의 조합으로 제공되는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 4와 도5는 도 2의 4-4선과 5-5선을 따라 절취한 길이 방향 및 측 방향 단면으로 질량 분석기 빔 가이드(200)를 각각 도시한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 자석들(220)은 이온 빔 통로(208)가 전파되는 방향을 따라 길이 방향으로 자화되어 있으며, 인접하는 자석들이 서로 마주보는 동일 그성의 극을 갖도록 스태거(stagger)된다. 간결하게 하기 위하여, 빔 가이드(200)의 입구단(210) 쪽으로 마주보는 S극을 갖는 자석(220)들을 (220A)로 나타내었으며, 가이드(200)의 출구단(212) 향하여 마주보는 S극을 갖는 자석(220)들을 (220B)로 나타내었다. 질량 분석 기능을 용이하게 하기 위해, 쌍극자 자장이 통로(206) 안에 설정되는데, 예를 들어, 도 4에 도시한 수직 자장 선들(230)을 갖는 외부 전자석(도시하지 않음)을 통해 설정된다.

도 6을 참조하면, 전형적인 양극 자석들(220A, 220B)은 각각의 자장(자장 선(232A, 232B)으로 간략하게 도시되어 있다)을 발생시키는데, 이들 자장선은 협동하여 통로(206) 내에서 상부 및 하부 벽들(222, 224) 각각의 근처에서 이격되어 다수 커스프 자장들을 형성한다. 여러 도면들에서 도시된 자석들(220A, 220B)의 전형적인 배치는 동일하게 지향되는 자석들이 수직으로 정렬되어 있다는 것을 나타내고 있다(예를 들어, 자석(220A)은 자석(220A)의 바로 위에, 자석(220B)은 자석(220B)의 바로 위에). 그러나, 본원에 특정하게 예시되고 설명된 것 이외에 지향이 가능하며, 이러한 지향은 본 발명의 범위 안에 있다는 것을 인지할 것이다.

예를 들어, 비록 본 발명에 필요한 것은 아니지만, 도 5와 도6에 도시한 자석들(220A, 220B)의 지향은 인접하는 자석들(220) 사이의 영역에서 추가적인 자장 선들을 제공하는데 유용하다. RF 또는 마이크로파 에너지가 통로(206) 안에 제공되는 경우(예를 들어, 도 2의 전원(216)과 마이크로파 주입 포트(214)를 통해), 자장과 전기장간의 협동적인 상호작용은 자석들(220)로부터 거리(236A, 236B) 만큼 이격된 영역(234)에 ECR 조건을 생성시킨다.

영역(234) 내 ECR 조건은 통로(208)를 따라 통로(206)를 통하여 이동하는 이온빔과 관계되는 빔 플라즈마를 향상시키는데 유용한데, 이로 인해, 빔 완전성이 질량 분석기 빔 가이드(200)의 길이 방향의 길이를 따라 개선된다. 이온 빔 주위의하나 이상의 영역들(234)에서 ECR 조건이 생성되면은, 상기 빔을 둘러싸는 플라즈마에 에너지 전달을 촉진시킴으로써 빔 "블로우-업(blow-up)"을 방지하여, 플라즈마를 향상시킨다. ECR 조건은, 교류 전기장이 정자장(static magnetic field) 내의 대전된 입자에 가해질 때 발생하여, 전기장의 주파수가 정자장 선들 주위에서 대전된 입자의 고유 회전 주파수와 정합하도록 한다. 이러한 공명 조건이 얻어지는 경우(예를 들어 영역들(234)에서), 단일 주파수 전자기 파가 대전된 입자를 매우 효율적으로 가속시킬 수 있다.

통로(206) 내의 자석들(220)의 크기, 지향 및 부피는 소망 이온 빔 봉쇄 목표에 따라 ECR 영역(234)의 위치가 생성되도록 한다는 것을 인지할 것이다. 예를 들어, 자석들(220)의 세기는 자석들(220)의 내부 표면들과 ECR 영역(234) 사이의 거리(236A 및/또는 236B)를 변경시키도록 변화될 수 있다. 이러한 방법에서, 거리(236A, 236B)는 통로의 크기 및/또는 원하는 이온 빔 크기에 따라 조절될 것이다. 게다가, 인접 자석들(220)간의 간격은 인접하는 ECR 영역들(234) 간의 간격을 변화시키기 위하여 변경될 수 있다. 게다가, 인접 자석들의 자극면들의 상대적인 지향은 인접하는 자석들(220) 사이에 부가적인 자장 선들을 제공하기 위해 변경될 수 있다. 많은 다양한 자석 크기, 지향 및 간격이 가능한데, 이들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

본 발명에 따르면, ECR 조건을 얻기 위해 사용되는 다수 커스프 자장이 쌍극 자의 가장자리들 부근에 성공적으로 중첩될 수 있다. 정확한 자장 세기 값이 얻어지는 곳인 공명 표면에서 생성된 플라즈마는 자장 구배(field gradient)의 대향 방향인 쌍극자 자장선들을 따라 이온 빔의 중앙 쪽으로 신장된다. 빔 가이드 통로(202) 내로의 전기장의 도입은, 이하에서 상세히 예시되고 설명되는 바와 같이 통로 내의 도파관의 사용에 의해 부가적으로 지원받을 수 있다.

지금부터, 도 7a와 도 7b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 양상인 질량 분석기 빔 가이드(200)가 측 단면도로 제공되어 있다. 빔 가이드(200)는 각각의 상부 및 하부 벽들(222, 224), 외부 측벽(206), 및 통로(202)를 정하는 내부 측벽(도시하지 않음)을 포함하는데, 상기 통로를 통해 이온 빔(도시하지 않음)이 통로(208)를 따라서 전파된다. 다수의 자석들(220A, 220B)('220'으로 총칭함)이 도 3a 내지 도 6의 자석들(220)과 유사한 방법으로 제공되는데, 이들 자석은 인접하는 자석들(220)의 길이방향으로 대향되는 자극들이 서로 마주보도록 서로에 대해 이격된 관계로 내부 측벽 및 외부 측벽(206)간에 측방향으로 신장되어 있다. 이와 같은 방법으로 지향되는 자석들(220)은 상부 및 하부 벽들(222, 224) 부근의 통로(202) 에 다수 커스프 자장을 제공하는데, 이 자장은 전형적인 자장선들(232A, 232B)로 도시되어 있다. 빔 가이드 외부의 질량 분석 전자석(도시하지 않음)은 위에서 논의된 질량 분석 기능을 제공하기 위해 쌍극자 자장(도시하지 않음)를 제공할 것이다.

앞 도면의 질량 분석기 구현 방식과 달리, 도 7a와 도 7b의 빔 가이드(200)는 하나 이상의 도파관(250)을 더 포함한다. 도파관은 석영과 같은 적절한 전파 매체를 구비하는데, 이것은 모든 측면상에 얇은 코팅(예: 알루미늄)으로 금속화된다. 2.54 ㎓에서의 스킨 깊이(skin depth)가 1 마이크로미터보다 작기 때문에, 금속 층 코팅 두께는 수 미크론이 적합하다. 후술되는 바와 같이, 도파관(250)으로부터 빔 가이드(200)의 통로(202) 내로 RF 또는 마이크로파 에너지를 결합시키기 위해, 측 방향으로 신장되어 있는 포트들 또는 슬롯들(254)이 인접 자석(220) 간의 도파관(250)의 안쪽방향으로 마주보는 금속 층들에 제공된다. 이 도파관(250)은 임의의 공지된 방법(예를 들어 윈도우, 안테나 등)에 의해 RF 또는 마이크로파 전원(예를 들어 도 2의 소스(216))에 결합됨으로써, 정재파 공명이 길이방향의 길이를 따라서 도파관(250) 내에 설정될 것이다. 비록 도면에서는 2개의 도파관(예를 들어 상부 및 하부)(250)이 도시되었지만, 단일 도파관(250)을 포함하는 다른 구성들이 본 발명에 따라 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

RF 또는 마이크로파 에너지는 도 7b에서 전형적인 전기장 선들(256A, 256B)로 도시된 통로(202)에 전기장들을 제공하는데, 이것은 자석들(220)에 의해 발생된 다수 커스프 자장들과 협동적으로 상호작용하여 상부 및 하부 벽들(222, 224)로부터 이격된 ECR 영역들(234)을 제공한다.

위에서 설명한 바와 같이, ECR 조건은 통로(208)를 따라 빔 가이드(200)의 통로(202)를 통해서 전파되는 이온 빔(도시하지 않음)과 관계되는 빔 플라즈마의 향상을 촉진시킴으로써, 빔 "블로우-업"의 감소 또는 제거에 의해 빔의 완전성을 유지시킨다. 도파관(250) 내의 포트들 또는 슬롯들(254)은 폭(26)을 갖는 외부 측벽(206) 및 내부 측벽(도 7a와 도 7b에는 도시되어 있지 않음) 사이에 측 방향으로 신장되어 있으며, 인접하는 포트들 및 슬롯들(254)은 자석들(220)의 피치 간격인 각도 피치 거리(262)에 의해 길이 방향으로 이격되어 있다.

지금부터 도 8a와 도 8b를 참조하면, 벽(222)과 다수 커스프 자장 자석들(220) 사이에 배치되는 또 다른 전형적인 도파관(250)이 설명된다. 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 도파관(250)은 빔 가이드(200)의 통로(202) 내로 도입하기 위한 RF 또는 마이크로파 에너지를 전파하는 베이스 층(284) 위 및 아래 각각에 상부 및 하부 금속층들(280, 282)을 포함한다. 측면으로 신장되는 포트들 또는 슬롯들(254)은 통로(202) 내부로 베이스 층(284)을 노출하는 하부 지지 층(282)에 제공된다. 게다가, 진공 영역으로부터 자석들을 밀봉하기 위해 O-링(286)이 슬롯들(254)을 둘러싸게 제공될 수 있다. 본 발명의 다른 전형적인 특징에 따르면, 베이스 층(284)은 석영으로 만들어질 수 있으며, 상부 및 하부 금속층들(280, 282)은 각각 알루미늄으로 만들어 질 수 있으며, O-링(286)은 적합한 엘라스토머로 만들어질 수 있으며 빔 가이드 커버(288)는 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 그러나, 대안적으로, 다른 물질들이 사용될 수 있으며 이것은 본 발명의 범위 안에 있는 것으로 간주될 것이다.

지금부터 도 8c와 8D를 참조하면, 예시적인 빔 가이드(200)와 도파관(250)의 측단면도가 도시되어 있다. 본 발명을 따르면, 상부 벽(222)은 시팅 표면뿐 아니라 도파관(250)을 지지하기 위한 리세스를 포함하여, 슬롯(254) 주위에서 O-링(286)을 압축시킨다. 빔 가이드(200)는 상부 벽(222)을 더 포함하여, 상기 상부벽(222)에 서 도파관(250)을 제거가능하게 설치하도록 한다. 도 8d를 참조하면, 상부 벽(222)은 자석들(220)이 장착되는 리세스 또는 포켓을 또한 포함할 수 있다. 따라서, 슬롯들(254) 주변의 O-링들(286)은 내부 통로(202)의 진공으로부터 자석을 격리시킨다.

지금부터, 도 9를 참조하면, 도파관(250)은 빔 가이드(200) 내에 설치되어 도시되어 있는데, 여기서 도파관(250)은 이온 빔 전파의 통로(208)를 따라 신장되어 있다. 자석들(220)의 피치 간격은 도파관 포트들 또는 슬롯들(254)의 피치 간격과 동일한데, 예를 들어 5.326°인 각도 값(θ2)을 갖는데, 예를 들어 약 135°인 각도 빔 가이드 길이인(θ1)을 따라 25개의 등 간격으로 배치되는 자석들(220)을 제공한다.

작동 중에, RF 또는 마이크로파 에너지(예를 들어 케이블(218)과 마이크로파 주입 포트(214)를 통해 전원(216)으로 공급되는)가 다수 커스프 자장 발생 자석들(220)의 후방에 위치하는 도파관(250)에 전파된다. 이 에너지는 빔 봉쇄를 위하여 사용되는 플라즈마 향상에 대해 전도성이 있는 ECR 조건(예를 들어 도 7a와 도 7b의 영역들(234))의 생성을 위해, 주기적으로 분포되는 포트들 또는 슬롯들(254)을 통해 빔 플라즈마(도시하지 않음)와 결합된다.

도 10에 또한 도시된 바와 같이, 도파관(250)은 빔 전파 통로(208)를 따라 많은 위치들(예를 들어 도 7a와 도 7b의 영역들(234))의 고정된 자장들에 직교하는데 충분한 크기의 RF 또는 마이크로파 전기장을 더욱 발생시킨다. 이를 위하여, 도파관(250)의 길이가 RF 또는 마이크로파 전원 주파수(예를 들어 2.45 ㎓)에 대응하는 파장(예를 들어 nλ/2, 여기서 n은 정수)의 배수로 설정되는데, 결합 포트들 또는 슬롯들(254)은 1/2 파장 위치에 위치된다. 그러므로, 도파관(250)은 E 필드(E field)가 최소이고 H 필드(H field)가 최대인(예를 들어 "H" 커플링)곳에 위치되는 포트들 또는 슬롯들(254)과 함께 그 내에서 발생되는 정재파들이 발생되는 공명 구조를 구성한다. 도파관(250) 내에서의 포트들 또는 슬롯들(254)의 길이는 최대화되고(예를 들어, 슬롯들(254)은 거의 도파관(250)의 폭만큼 측방향으로 길게된다), 이 폭은 공칭 임피던스 정합(nominal impedance matching)하도록 최적화 될 수 있다. 예를 들어, 전형적인 도파관(250)에서, 각도 슬롯 간격(즉, 자석들(220)의 간격)은 약 5.326°이며, 내부 반경 R1은 약 370 ㎜이며, 외부 반경 R2는 약 430 ㎜이다. 이 예에서 포트들 또는 슬롯들(254)의 길이는 약 50 ㎜이며 그 폭은 약 5 ㎜이다.

빔 가이드(200)에서 일정한 전기장 패턴을 얻기 위해, 단일 우세 전파 모드(single dominant propagation mode)를 여기시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 직사각형 단면의 도파관에 사용되는 TE10 전파 모드는 브로드월(broadwall)의 중심에서 (1) 피크를 지닌 가이드의 브로드월에 수직인 전기장을 제공한다. 이 자장 크기는 좁은 벽에 평행한 방향을 따라 일정하게 된다(예를 들어, "0" 피크). 이 TE10 은 최저 컷-오프(cut-off) 주파수를 갖는다. TEx0 모드를 위한 컷-오프 주파수들은 브로드월 치수(broadwall dimension)에만 의존한다. 보다 높은 차수 모드 TEn0는 점진적으로 보다 높은 컷-오프 주파수를 갖는다. 본 발명의 한 양상을 따르면, TE20 모드에 대한 컷-오프 주파수가 작동 주파수(예를 들어, 2.45 ㎓)보다 약간 크게되도록 브로드월의 크기를 선택함으로써, 가능한 가장 넓은 도파관(250)이 선택되어 단일 TE10 모드만을 전파한다. 일단 도파관의 치수들이 이와 같이 선택되면, 전파 파장이 결정된다.

전기장이 빔 가이드 통로(202)의 내부에서 도파관(250)의 외부 포트들 또는 슬롯들(254)을 가로지고, 이는 이온 빔 전파 방향(예를 들어 통로(208))을 따라 지향된다. 자장(예를 들어, 다수 커스프 자장)가 전기장에 수직으로 그리고 통로(202)의 영역들(234) 내에 ECR 조건을 생성할 정도의 적절한 크기로 발생된다. 예를 들어, 에너지가 1.19 keV인 BF2+ 이온 빔은 ECR 조건을 생성하기 위한 공칭 400 ㎜의 휨 반경인 질량 분석기 내에서 적절한 궤도를 따르기 위해서 873 가우스의 자장 세기가 필요하다. 유익하게는, ECR 영역들(234)은 높은 전기장 강도로부터 이익을 얻도록 도파관(250) 내의 슬롯들(254)에 충분히 가깝게 배치되거나, 플라즈마 손실을 최소화하기 위해 어떤 표면(예를 들어 자석들(220), 도파관(250) 등)으로부터 충분히 이격된다. 예를 들어, 도 7a와 도 7b의 ECR 영역들(234)은 자석들(220)로부터 거리(236)만큼 이격되어 위치되는데, 이는 약 4∼6 ㎜의 범위이며, 적절한 작동을 제공하는 공칭 거리는 약 5 ㎜이다.

지금부터 도 11을 참조하면, 저 에너지 이온 주입 시스템에서의 이온 빔 봉쇄를 제공하는 방법(300)이 도시되어 있다. 이 방법은 단계(302)에서 시작되는데, 이 단계에서 이온 소스들 사용하여 길이 방향 통로를 따라 이온 빔을 생성한다. 질량 분석기가 단계(304)에서 제공되는데, 이 분석기는 내부 통로, 고 주파수 전원, 내부 통로 내에 장착되는 질량 분석 자석, 및 내부 통로 내에 장착되는 자기 장치를 포함한다. 단계(306)에서, 이온 빔이 이온 소스로부터 질량 분석기에 수용되고, 단계(308)에서 전하 대 질량 비가 적절한 이온들이 통로를 따라서 질량 분석기로부터 이온으로 주입될 웨이퍼 또는 다른 타겟으로 향하게 된다. 단계(310)에서, 고 주파수 전원을 사용하는 전기장이 통로에 생성된다. 단계(312)에서, 통로에 장착된 자기 장치를 사용하여 다수 커스프 자장이 발생되는데, 이것은 그 내에서 ECR 조건을 유용하게 조성할 수 있다.

비록 본 발명이 특정 시스템들과 방법들에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서 및 첨부된 도면들을 통해서 당업자는 본 발명과 등가인 변경 및 변형을 행할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 특히, 상술된 구성 요소들(어셈블리들, 장치들, 회로들, 시스템들 등)에 의해 수행되는 여러 기능들에 관하여, 비록 본원에 예시된 전형적인 구현 방식으로 기능을 수행하는 개시된 구조체와 등가가 아닐지라도, 이와 같은 부품을 설명하는데 사용된 용어들("수단"에 관한 것을 포함)은 달리 표현되지 않는 한, 설명된 구성 요소들(예를 들어 기능적으로 같은)의 특정 기능을 수행하는 모든 구성 요소에 대응하는 것으로 간주된다.

게다가, 본 발명의 특정한 특징은 여러 방법들 중 단지 하나에 대해서만 개시되었는데, 이런 특징은 어떤 주어진 또는 특정 장치에 유용하고 바람직한 경우에 다른 방법들의 하나 이상의 특징들과 조합될 수 있을 것이다. 게다가, "포함한다", "포함하는", "갖는다", "가진", 및 그 외 기타 상세한 설명과 청구항에서 사용된 용어들에 있어서는, 이들 용어들은 용어 "구비하는(comprising)"과 유사한 것으로 간주된다.

본 발명의 시스템 및 방법은 이온 빔 가이드에서 플라즈마의 마이크로파를 여기시키기 위하여 이온 주입과 같은 반도체 공정 분야에서 사용될 수 있다.

Claims

이온 빔 질량 분석기 빔 가이드(200)를 갖는 이온 주입 시스템에 있어서:

상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드(200)와 결합되는 도파관(250)을 포함하며,

상기 도파관(250)은 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드(200)에 RF 또는 마이크로파 전력을 결합시키며,

상기 도파관은 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드에 상기 RF 또는 마이크로파 전력을 결합시키는 다수의 비차단 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 도파관(250)은 상기 RF 또는 마이크로파 전력을 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드(200)에 결합시키는 다수의 포트들(254)을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 도파관(250)은 그 내에서 ECR 조건을 조성하도록 구성되며, 상기 다수의 포트들(254)은 상기 도파관(250)을 따라 위치되어 상기 RF 또는 마이크로파 전력을 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드(200)에 결합시키는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 다수의 포트들(254)은 nλ/2 (여기서, n은 정수) 거리만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
이온 빔 질량 분석기 빔 가이드(200)의 통로(202)에서 전원으로부터의 마이크로파 에너지를 빔 플라즈마와 결합시키는 도파관(250)에 있어서:

상기 전원으로부터의 마이크로파 에너지를 전파하기 위하여 상부면과 하부면을 갖는 제1 층(284)으로서, 상기 제1 층은 제1 평면의 활 모양 통로(208)를 따라 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로 길이방향으로 신장되고 내부 반경 측면(204)과 외부 반경 측면(206) 사이에서 측방향으로 신장되는, 제1 층(284); 및

상기 제1 층(284)의 상기 상부면 및 하부면에 각각 장착되며, 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로의 경로를 따라서 제2 및 제3 평면 각각에서 길이방향으로 신장되고, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206) 사이에서 측방향으로 신장되는 제2 층(280) 및 제3 층(282)을 포함하며,

상기 제2 및 제3 평면들은 대체로 상기 제1 평면과 평행하며, 상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282) 중 적어도 한 층(282)은 상기 통로(202)의 내부와 마주보며 상기 통로(202) 및 상기 제1 층(284) 사이에 측 방향으로 신장되어 길이방향으로 이격된 다수의 비차단 슬롯(254)을 포함하며, 상기 제2 층(280) 및 상기 제3 층(282) 중 나머지 한 층(280)은 상기 통로(202)의 내부와 이격되어 마주보며,

상기 도파관은 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드에 상기 RF 또는 마이크로파 전력을 결합시키는 다수의 비차단 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 5 항에 있어서,

상기 빔 가이드 통로(202)에 다수 커스프 자장을 제공하는 측방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 다수의 자석(220)을 더 포함함으로써, 상기 다수 커스프 자장 및 상기 전원으로부터의 마이크로파 에너지가 협동적으로 상호작용하여 상기 통로의 적어도 한 부분을 따라 ECR 조건을 생성하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 6 항에 있어서,

상기 다수의 자석(220) 및 상기 통로(202)의 내부 사이에 위치되고, 상기 다수의 자석들(220)을 커버하고 상기 다수의 슬롯(254)을 노출시키는 빔 가이드 커버(288)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 7 항에 있어서,

측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 상기 슬롯들(254)을 개별적으로 둘러싸는 다수의 O-링(286)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 8 항에 있어서,

상기 제1 층(284)은 석영으로 만들어지며, 상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282)은 알루미늄으로 만들어지며, 상기 O-링들(286)은 엘라스토머 물질로 만들어지며, 상기 빔 가이드 커버(288)는 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 9 항에 있어서,

상기 제2 층(280)과 제3 층(282) 중 적어도 한 층(282)을 통하여 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 상기 다수의 슬롯(254)은 약 50 ㎜의 측 방향 슬롯 길이 및 약 5 ㎜의 길이 방향 슬롯 폭을 가진채 약 5.326°의 각 피치로 위치하고, 상기 도파관(250)은 약 135°의 활 모양 각을 통해 신장되고, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206)은 각각 약 370 ㎜, 430 ㎜의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 6 항에 있어서,

상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282) 중 적어도 한 층(282)을 통해서 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 다수의 슬롯(254)은 약 50 ㎜의 측 방향 슬롯 길이 및 약 5 ㎜의 길이 방향 슬롯 폭을 가진채 약 5.326°의 각 피치로 배치되며, 상기 도파관(250)은 약 135°의 활 모양 각을 통해 신장되고, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206)은 각각 약 370 ㎜, 430 ㎜의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 5 항에 있어서,

상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282) 중 적어도 한 층(282)을 통해 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 다수의 슬롯(254)은 약 50 ㎜의 측 방향 슬롯 길이 및 약 5 ㎜의 길이 방향 슬롯 폭을 가진채 약 5.326°의 각 피치로 배치되며, 상기 도파관(250)은 약 135°의 활 모양 각을 통해 신장되며, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206)은 각각 약 370 ㎜, 430 ㎜의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 12 항에 있어서,

상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282) 중 나머지 한 층(280)은 상기 빔 가이드 통로(202)의 쌍극자 자석 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 5 항에 있어서,

상기 제2 층과 상기 제3 층 중 다른 한 층은 빔 가이드 통로(202) 내의 쌍극자 자석 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 5 항에 있어서,

상기 제1 층(284)은 석영으로 만들어지며, 상기 제2 층(280) 및 제3 층(282)은 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 도파관.
이온 주입 시스템 내의 통로(129)를 따라 이온 빔을 조절하기 위한 질량 분석기 빔 가이드 장치에 있어서:

상기 통로(129)를 따르는 통로(139)를 따라 장착되는 질량 분석 자석(114);

상기 통로(139) 내에 전기장을 제공하는 전원(174);

상기 전기장을 상기 이온 빔과 결합되는 빔 플라즈마에 결합시키는 도파관(250); 및

상기 통로(139) 내에 다수 커스프 자장을 제공하는 자기 장치(170)를 포함하며,

상기 전원(174), 상기 도파관(250), 및 상기 자기 장치(170)는 협동하여 상기 통로(139)의 적어도 한 부분 내에서 이온 빔을 봉쇄하며,

상기 빔 가이드는 상기 통로를 정하는 상부면, 하부면 및 측방향 마주보는 제 1 및 제2 측들을 더 포함하는데, 상기 상부면, 하부면, 제1 및 제2 측들의 입구단 및 출구단 사이의 경로를 따라서 길이방향으로 신장되며,

상기 도파관은:

상기 전원으로부터의 마이크로파 에너지를 전파하기 위하여 상부면과 하부면을 갖는 제1 층(284)으로서, 상기 제1 층은 제1 평면의 활 모양 통로(208)를 따라 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로 길이방향으로 신장되고 내부 반경 측면(204)과 외부 반경 측면(206) 사이에서 측방향으로 신장되는, 제1 층(284); 및

상기 제1 층(284)의 상기 상부면 및 하부면에 각각 장착되며, 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로의 경로를 따라서 제2 및 제3 평면 각각에서 길이방향으로 신장되고, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206) 사이에서 측방향으로 신장되는 제2 층(280) 및 제3 층(282)으로서, 상기 제2 및 제3 평면들은 대체로 상기 제1 평면과 평행하며, 상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282) 중 적어도 한 층(282)은 상기 통로(202)의 내부와 마주보며 상기 통로(202) 및 상기 제1 층(284) 사이에 측 방향으로 신장되어 길이방향으로 이격된 다수의 비차단 슬롯(254)을 포함하며, 상기 제2 층(280) 및 상기 제3 층(282) 중 나머지 한 층(280)은 상기 통로(202)의 내부와 이격되어 마주보는, 제2 및 제3 층을 더 포함하며,

상기 자기 장치(170)는 상기 빔 가이드 통로(202)에서 다수-커스프 자장을 제공하도록 측방향으로 신장되어 길이방향으로 이격된 다수의 자석(220)을 포함하며

상기 다수-커스프 자장 및 상기 전원(174)으로부터의 전기장은 협동적으로 상호작용하여 상기 통로(202)의 적어도 한 부분을 따라서 ECR 조건을 생성하며,

상기 도파관은 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드에 전기장을 결합시키는 다수의 비차단 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 분석기 빔 가이드 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 전원(174)과 상기 자기 장치(170)는 협동하여 상기 통로(139)의 적어도 한 부분을 따라 ECR 조건을 제공하는 것을 특징으로 하는 질량 분석기 빔 가이드 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 도파관은:

상기 전원(174)으로부터의 마이크로파 에너지를 전파하기 위하여 상부면과 하부면을 갖는 제1 층(284)으로서, 상기 제1 층은 제1 평면의 활 모양 통로(208)를 따라 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로 길이방향으로 신장되고 내부 반경 측면(204)과 외부 반경 측면(206) 사이에서 측방향으로 신장되는, 제1 층(284); 및

상기 베이스 층(284)의 상기 상부면 및 하부면에 각각 장착되며, 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로의 경로를 따라서 제2 및 제3 평면 각각에서 길이방향으로 신장되고, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206) 사이에서 측방향으로 신장되는 제2 층(280) 및 제3 층(282)으로서, 상기 제2 및 제3 평면들은 대체로 상기 제1 평면과 평행하며, 상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282) 중 적어도 한 층(282)은 상기 통로(202)의 내부와 마주보며 상기 통로(202) 및 상기 제1 층(284) 사이에 측 방향으로 신장되어 길이방향으로 이격된 다수의 슬롯(254)을 포함하며, 상기 제2 층(280) 및 상기 제3 층(282) 중 나머지 한 층(280)은 상기 통로(202)의 내부와 이격되어 마주보는, 제2 및 제3 층을 더 포함하며,

상기 자기 장치(170)는 상기 빔 가이드 통로(202)에서 다수-커스프 자장을 제공하도록 측방향으로 신장되어 길이방향으로 이격된 다수의 자석(220)을 포함하며

상기 다수-커스프 자장 및 상기 전원(174)으로부터의 전기장은 협동적으로 상호작용하여 상기 통로(202)의 적어도 한 부분을 따라서 ECR 조건을 생성하는 것을 특징으로 하는 질량 분석기 빔 가이드 장치.
제 18 항에 있어서,

상기 제1 층(284)은 석영으로 만들어지며, 상기 제2 층(280) 및 상기 제3 층(282)은 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 질량 분석기 빔 가이드 장치.
제 19 항에 있어서,

상기 제2 층(280)과 상기 제3 층(282) 중 적어도 한 층(282)을 통해서 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 상기 다수의 슬롯(254)은 약 50nm의 측 방향 슬롯 길이 및 약 5mm의 길이 방향 슬롯 폭을 가진채 약 5.326°의 각 피치로 배치되며, 상기 도파관(250)은 약 135°의 활 모양 각을 통해 신장되어 있으며, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206)은 각각 약 370 ㎜, 430 ㎜의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 질량 분석기 빔 가이드 장치.
이온 빔 질량 분석기 통로(202)에서 플라즈마와 전기장을 결합시키는 도파관(250)에 있어서:

전원(174)으로부터의 마이크로파 에너지를 전파하도록 제1 평면에 위치하며, 활 모양의 통로를 따라 입구단(210)으로부터 출구단(212)으로 길이방향으로 그리고 내부 반경 측면(204)과 외부 반경 측면(206) 사이에서 측방향으로 신장되는 상부면과 하부면을 갖는 베이스 층(284); 및

상기 통로(202)의 내부와 마주하는 상기 상부면과 상기 하부면 중 한 면상에 설치되고, 상기 통로(202)의 내부와 상기 베이스 층(284) 사이에 이를 통하여 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 다수의 비차단 슬롯(254)을 가진 제2 층(282)을 포함하는데,

상기 베이스 층(284)을 따라 전파되는 상기 전원(174)으로부터의 마이크로파 에너지가 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 비차단 슬롯(254) 부근의 상기 통로(202)의 내부에서 플라즈마와 결합되며,

상기 도파관은 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드에 상기 RF 또는 마이크로파 전력을 결합시키는 다수의 비차단 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 21 항에 있어서,

상기 전원(174)으로부터의 마이크로파 에너지를 상기 도파관(250)에 제공하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 21 항에 있어서,

상기 베이스 층(284)은 석영으로 만들어지며, 상기 제2 층(282)은 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 21 항에 있어서,

상기 제2 층(282)을 통하여 측 방향으로 신장되어 길이 방향으로 이격된 상기 다수의 슬롯(254)은 약 50nm의 측 방향 슬롯 길이 및 약 5mm의 길이 방향 슬롯 폭을 가진채 약 5.326°의 각 피치로 배치되고, 상기 도파관(250)은 약 135°의 활 모양 각을 통해 신장되어 있으며, 상기 내부 반경 측면(204)과 상기 외부 반경 측면(206)은 각각 370 ㎜, 430 ㎜의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 도파관.
이온 빔 질량 분석기 빔 가이드에 RF 또는 마이크로파 에너지를 전달하는 방법(300)에 있어서:

다수의 비차단 슬롯을 포함하는 빔 가이드에 도파관을 제공하는 단계;

상기 도파관에 RF 또는 마이크로파 전원을 결합시키는 단계(310); 및

상기 도파관을 통해 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드 내의 상기 비차단 슬롯들 중 적어도 한 슬롯 근처의 하나 이상의 영역에 RF 또는 마이크로파 에너지를 전달하는 단계(310)를 포함하며,

상기 도파관은 상기 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드에 상기 RF 또는 마이크로파 전력을 결합시키는 다수의 비차단 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 도파관을 통해 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드 내의 하나 이상의 영역에 RF 또는 마이크로파 에너지를 전달하는 단계는 상기 도파관 내에 정재파를 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 방법.
제 26 항에 있어서,

상기 도파관을 통해 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드 내의 하나 이상의 영역에 RF 또는 마이크로파 에너지를 전달하는 단계는 상기 빔 가이드 내에서 서로 nλ/2 (여기서, n은 정수)거리 만큼 이격된 영역에서 RF 또는 마이크로파 전력을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 도파관을 통해 이온 빔 질량 분석기 빔 가이드 내의 하나 이상의 영역에 RF 또는 마이크로파 에너지를 전달하는 단계는 상기 빔 가이드 내에서 서로 nλ/2 (여기서, n은 정수)의 거리 만큼 이격된 영역에서 RF 또는 마이크로파 전력을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 방법.