KR100808081B1 - 이온빔 장치 - Google Patents

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마사오 나이토
히데키 후지타
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닛신 이온기기 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 이온빔 장치는, 이온빔(4)을 추출하는 이온 소스(2)와, 상기 이온 소스(2)로부터 추출된 이온빔(4)에서 원하는 질량의 이온빔(4)을 분리하는 질량 분리 전자석(6)과, 입사된 이온빔(4)을 소정 주사면내에 소정 주사 중심을 중심으로 주사하는 주사기(12)와, 원하는 에너지의 이온빔이 상기 주사 중심에 중심을 둔 원호형 편향 영역 내에서 상기 주사면에 수직한 방향으로 진행하도록, 이온빔을 정전적으로 90°편향시키는 정전 편향기(3), 그리고 타겟(50)을 유지하고, 상기 타겟이 정전 편향기(30)로부터 출사된 이온빔에 소정 각도로 교차하는 방향으로, 상기 타겟(50)을 기계적 및 왕복적으로 이동시키는 주사 기구(54)를 포함한다.

Description

이온빔 장치{ION BEAM APPARATUS}
본 발명은, 타겟에 이온빔을 조사하여 이온 주입을 행하는 이온 주입 장치에 관한 것이고, 그 이온 주입 장치를 구성하는 것으로 이온빔의 주사 및 편향을 행하는 이온빔 편향 장치 등을 포함한 개념의 이온빔 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이온빔 라인의 길이를 짧게 하는 것을 가능하게 하는 이온빔 장치에 관한 것이다.
이온 주입 장치와 같은 이온빔 장치(이하, 이온 주입 장치로 대표함)에 있어서, 지금까지는 타겟(예컨대, 반도체 기판)의 면내에서 이온빔의 입사각을 균일하게 하기 위해서 이온빔의 평행화가 이루어지고 있다.
또한, 원하는 에너지의 이온과 함께, 원하지 않는 에너지의 이온(이를 "에너지 오염 물질" 또는 "에너지 오탁 물질" 이라고 함)이 타겟에 주입되는 것(이러한 주입을 "에너지 오염" 또는 "에너지 오탁"이라고 함)을 방지하기 위해서, 원하지 않는 에너지의 이온을 제거한다(이러한 공정을 "에너지 분리" 또는 "에너지 분석"이라고 함).
지금까지 이온빔의 평행화와 에너지 분리는 별개의 기능 요소의 사용을 통해 수행되고 있었다.
따라서, 이온빔의 빔 라인 길이가 길어져, 이온빔의 발산 등으로 인한 손실이 증가하였다. 그 결과, 이온빔 수송 효율이 저하하여, 충분한 양의 빔을 확보하기가 곤란해진다. 특히, 낮은 에너지의 이온빔의 수송에 있어서는, 이온빔의 공간 전하 효과가 현저하게 나타나, 이온빔이 발산하고 이온빔의 효율적인 수송이 곤란해진다. 따라서, 빔 라인 길이를 가능한 한 짧게 할 수 있는 이온 주입 장치가 요구되고 있다.
이제, 종래 기술의 구체적인 예를 언급한다. 일본 특허 공개 평3-233845호 공보(제1 페이지 우측 칼럼∼제2 페이지 좌측 상측 칼럼, 도 6)(이하, 특허문헌 1이라 함)에는, 정전 편향을 통한 에너지 분리 기술이 기재되어 있다. 그러나, 에너지 분리에 이용되는 정전 편향 전극은 평행 평판형 전극이며, 이온빔은 정전 편향 전극에 의해 평행화되지 않는다. 이온빔의 평행화는, 평행화를 위해서만 마련된 별도의 평행 평판형의 주사 전극에 의해서 이루어진다. 따라서, 전술한 바와 같이 빔 라인의 길이가 길어진다고 하는 문제가 역시 발생한다.
다른 에너지 분리 기술로는, 이온빔이 최종 에너지까지 가속된 후에, (하류 위치에) 편향 전자석을 배치하고 이온빔의 선회 반경(R1)을 다음 식으로 결정하는 것이 있다. 여기서, "B"는 자속 밀도를 나타내고, "m"은 이온빔을 구성하는 이온의 질량을 나타내며, "q"는 전하를 나타내고, "V1"은 이온빔의 가속 전압을 나타내며, 이는 에너지에 해당한다.
R1=(1/B)×(2mV1/q)1/2
이러한 기술은, 예컨대 일본 특허 제3358336호 공보(단락 0002, 0003, 도 1)(이하, 특허문헌 2이라 함)에 에너지 분석 마그넷으로서 기재되어 있다. 그러나, 이 기술은, 주사도 평행화도 이루어져 있지 않은 이온빔에 대하여 행해지는 것이다. 이온빔의 평행화는, 평행화를 위해서만 마련된 별도의 빔 평행화 마그넷이라고 불리우는 편향 전자석의 사용을 통해 이루어진다. 따라서, 전술한 바와 같이 빔 라인의 길이가 길어진다고 하는 문제가 역시 발생한다.
주사된 이온빔의 평행화와, 단일 요소(부채꼴 전자석)를 이용한 에너지 분리를 위한 기술이 일본 특허 공개 평11-354064호 공보(단락 0016∼0018, 도 1)(이하, 특허문헌 3이라 함)에 기재되어 있다.
특허문헌 3에 기재된 기술은, 부채꼴 전자석이라 불리우는 편향 전자석을 이용하여 이온빔의 평행화와 에너지 분리를 행하기 위한 것이다. 이온빔의 에너지(수학식 1의 V1에 상당) 및 원하는 이온의 질량(m)이 커지는 경우에, 200 keV 이상의 에너지를 갖는 인듐(In) 이온을 추출하고자 하면, 상기 수학식 1로부터도 알 수 있는 것과 같이, 일정한 선회 반경(R1)을 실현하기 위해서는, 자속 밀도(B)를 매우 크게 하여야 한다. 이 때문에, 편향 전자석을 구성하는 철심 및 코일이 매우 커져, 편향 전자석이 거대화된다. 또한, 편향 전자석의 중량 및 비용, 편향 전자석용 전원 등도 커진다고 하는 다른 문제가 발생한다.
또한, 특허문헌 3에 기재된 기술은 후술하는 문제점이 있다. 즉, 정전 편향 기라 불리우는 주사기(scanner)가 이온빔의 주사를 행하는 면내에서 이온빔이 편향 전자석에 의해서 편향된다. 따라서, 편향 전자석에 있어서의 이온빔의 편향각을 매우 크게 하지 않으면, 에너지 분리를 충분히 행할 수 없어, 원하지 않는 에너지의 이온을 충분히 제거하지 못하게 된다. 그 이유는 다음과 같다. 원하는 에너지의 이온빔도 원하지 않는 에너지의 이온빔도 주사기에 의해서 주사된 후 펼쳐진다. 이렇게 펼쳐진 이온빔을 단일 면내에서 서로 분리하기 위하여, 폭이 좁은 이온빔을 서로 분리하는 경우, 혹은 이온빔을 다른 면내에서 서로 분리하는 경우에 비해, 이온빔의 편향각을 매우 크게 하여야 한다. 편향각을 매우 크게 한다는 것은, 수학식 1에 표현된 자속 밀도(B)를 매우 크게 하여 선회 반경(R1)을 매우 작게 하는 것에 상응한다. 이러한 경우에도, 전술한 것과 유사한 문제와 당면한다.
편향 전자석의 편향각을 현저히 크게 하지 않으면서, 원하지 않는 에너지의 이온이 타겟에 입사하는 문제를 해결하고자 하는 경우, 편향 전자석 출구로부터 타겟까지의 거리를 크게 하여야 한다. 그 결과, 빔 라인 길이가 길어진다고 하는 문제가 생긴다.
또한, 편향 전자석의 안이나 그 상하측에서, 분위기 중에 잔류하고 있는 분자가 이온빔과 충돌하여 생긴 중성 입자는, 편향 전자석 안을 직진한다. 편향 전자석의 편향각을 크게 하지 않으면, 또는 편향 전자석으로부터 타겟까지의 거리를 크게 하지 않으면, 직진 중성 입자가 타겟에 입사한다. 그 결과, 타겟에 대한 이온의 주입이 불균일해진다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 편향 전자석의 편향각을 크게 하는 것과, 편향 전자석의 출구로부터 타겟까지의 거리를 크게 하는 것 중 적어도 하나를 선택하여야 한다. 여하튼 간에, 역시 빔 라인 길이가 길어진다고 하는 문제가 발생한다.
본 발명은, 이온빔의 평행화 및 이온빔의 에너지 분리를 행할 수 있고, 이온빔의 빔 라인 길이를 단축시킬 수 있는 이온빔 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 제1 이온빔 장치는, 입사된 이온빔을 소정 주사면내에 소정 주사 중심을 중심으로 주사하는 주사기; 및 원하는 에너지의 이온빔이 상기 주사 중심에 중심을 둔 원호형 편향 영역 내에서 상기 주사면에 수직한 방향으로 진행하도록, 상기 주사기로부터 출사된 이온빔을 정전적으로 90°편향시키는 정전 편향기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 이온빔 장치는 이온빔의 주사 및 편향을 행하는 구성을 갖는다. 따라서, 상기 이온빔 장치는 이온빔 편향기라고 부를 수도 있다.
본 발명에 따른 제2 이온빔 장치는, 이온빔을 추출하는 이온 소스; 상기 이온 소스로부터 추출된 이온빔에서 원하는 질량의 이온빔을 분리하는 질량 분리 전자석; 질량 분리 전자석을 통과한 이온빔을 소정 주사면내에 소정 주사 중심을 중심으로 주사하는 주사기; 원하는 에너지의 이온빔이 상기 주사 중심에 중심을 둔 원호형 편향 영역 내에서 상기 주사면에 수직한 방향으로 진행하도록, 상기 주사기로부터 출사된 이온빔을 정전적으로 90°편향시키는 정전 편향기; 및 이온 주입하여야 할 타겟을 유지하고, 상기 타겟이 상기 정전 편향기로부터 출사된 이온빔에 소정 각도로 교차하는 방향으로, 상기 타겟을 기계적 및 왕복적으로 이동시키는 주사 기구를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 이온빔 장치는 이온빔의 주사, 편향 및 타겟으로의 입사 등을 행하는 구성을 갖는다. 따라서, 상기 이온빔 장치는 이온 주입 장치라고 부를 수도 있다.
상기 이온빔 장치에 따르면, 주사기에 의해서 주사된 이온빔은 부채꼴로 펼쳐지고, 정전 편향기에 입사한다.
정전 편향기에 입사된 이온빔에서 원하는 에너지의 이온빔이, 상기 주사 중심에 중심을 둔 원호형의 편향 영역내에서 상기 주사면에 수직한 방향으로 진행하도록 정전적으로 90도 편향된 후, 정전 편향기로부터 출사된다(방출된다).
이와 같이 정전 편향기로부터 출사된 원하는 에너지의 이온빔을 구성하는 이온빔은 서로 평행하다. 이것은, 하나의 면에 세워지는 복수 개의 수직선이 상호 평행한 것과 마찬가지로, 하나의 주사면으로부터 직각으로 출사되는 각 이온빔이 주사 위치에 상관없이 서로 평행하기 때문이다. 따라서, 정전 편향기로부터 출사되는 이온빔의 평행화가 가능하다.
정전 편향기에 입사되는 이온빔 안의 원하지 않는 에너지의 이온은, 원하는 에너지의 이온빔과는 편향 반경(즉, 선회 반경)에 있어서 다르다. 따라서, 원하지 않는 에너지의 이온은 원하는 에너지의 이온빔으로부터 분리될 수 있다. 이와 같이 하여, 에너지 오염 물질의 제거, 즉 에너지 분리를 할 수 있다.
또한, 정전 편향기에 의해 이온빔이 편향되는 방향은, 주사기에 의해 이온빔이 주사되는 방향과는 수직한 방향이다. 특허문헌 3에 기재되어 있는 기술과 달리, 주사기의 주사 작동을 통해 펼쳐진 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 이온빔은, 단일 면내에서 서로 분리되는 것이 아니라 서로 다른 면내에서 분리된다. 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 이온의 분리는 간단하므로, 에너지 분리 기능은 매우 강력하다. 또한, 정전 편향기에 의해 이온빔이 편향되는 각도는 90°만큼 크다. 이 점을 고려하여도, 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 이온의 분리는 용이하며, 따라서 에너지 분리 기능은 매우 강력하다. 이러한 특징의 조합으로 인하여, 정전 편향기의 에너지 분리 기능은 매우 강력하다.
편향 전자석의 경우와는 달리, 정전 편향기의 경우에는 편향 각도를 크게 하는 것이, 정전 편향기를 구부리는 것 등에 의해서 비교적 간단하게 실현될 수 있다. 또한, 편향 각도는 이온빔을 구성하는 이온의 질량에 의존하지 않고, 큰 질량의 이온이 쉽게 편향된다. 편향 각도를 90°로 크게 하더라도, 특허문헌 3에 기재되어 있는 편향 전자석이 갖는 상기 거대화 등의 문제 발생이 방지될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이온빔 장치에 의하면, 하나의 정전 편향기의 사용을 통하여, 이온빔의 평행화와 에너지 분리 모두를 행할 수 있다. 따라서, 특허문헌 1 또는 2에 기재된 기술의 경우와 같이, 이온빔의 평행화와 에너지 분리를 별개의 기능 요소를 사용하여 행하는 경우에 비하여, 이온빔의 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다.
정전 편향기의 에너지 분리 기능은 매우 강력하기 때문에, 특허문헌 3에 기재된 기술의 경우에 비하여, 정전 편향기의 출구로부터 타겟까지의 거리를 대폭 짧게 할 수 있다. 따라서, 이러한 관점에서도 이온빔의 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다.
본 발명에 따른 제3의 이온빔 장치에서, 주사 기구는 타겟을 타겟의 표면에 평행한 방향으로 이동시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제4의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 서로 간격을 두고서 마주보는 1쌍의 편향 전극을 구비한다.
본 발명에 따른 제5의 이온빔 장치에서, 1점에서 서로 직교하는 3개의 축을 X축, Y축 및 Z축으로 했을 때, 이온빔은 Z축에 평행하게 주사기에 입사하고; 주사기는 상기 입사된 이온빔을 Y-Z 평면에 평행한 주사 면내에서 주사 중심을 중심으로 하여 주사하며; 정전 편향기는 상기 입사된 이온빔 안의 원하는 에너지의 이온빔을 90° 편향시켜 X축에 평행하게 출사하며; 상기 주사 및 편향된 이온빔 안에서 원하는 에너지를 갖는 하나의 이온빔의 궤도를 고려한 경우에, 그 궤도는 직선부의 선단에, X축에 평행하게 되도록 호(弧) 형상으로 90°구부러진 호형부를 지니고; 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면은 각각, 상기 주사 중심을 통과하고 X축에 평행한 축에 기초한한 주사 방향으로 상기 하나의 이온빔의 궤도를 소정 각도 회전시켰을 때에, 상기 호형부가 그리는 회전면과 거의 정렬된 형상을 하고 있다.
본 발명에 따른 제6의 이온빔 장치에서, 편향 전극을 구성하는 각 편향 전극의 서로 대향하는 면은 각각, 상기 주사 중심을 통과하고 X축에 평행한 토러스 중심축에 중심을 둔 토러스(torus)를 원주 방향으로 소정 각도만큼 잘라내고, 또한 토러스 종단면의 외주를 90°만큼만 잘라냄으로써 형성된 형상을 지닐 수 있다.
본 발명에 따른 제7의 이온빔 장치에서, 편향 전극을 구성하는 1쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면은 각각 상기 회전면과 정렬된 복수의 면의 조합에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 제8의 이온빔 장치에서, 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극 중 적어도 하나는 편향각이 증대되는 방향으로 간극을 두고서 복수의 부분으로 분할될 수 있다.
본 발명에 따른 제9의 이온빔 장치에서, 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 적어도 서로 대향하는 면은 카본으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 제10의 이온빔 장치에서, 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면에, 직류 전압이고 접지 전위에 대하여 대칭인 편향 전압을 인가하는 편향 전원을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 제11의 이온빔 장치에서, 주사기는 주사기에 입사된 이온빔을 이온빔의 입사축에 대하여 대칭으로 주사할 수 있다. 본 발명에 따른 제12의 이온빔 장치에서, 주사기는 주사기에 입사된 이온빔을 이온빔의 입사축에 대하여 한 쪽에 있는 영역에만 주사할 수 있다.
본 발명에 따른 제13의 이온빔 장치에서, 이온빔 장치는, 주사기와 정전 편향기 사이에 개재되어 상기 주사된 이온빔을 정전적으로 가속 또는 감속하는 가감속기를 더 포함하고; 이 가감속기는 이온빔의 진행 방향으로 소정 간격을 두고서 배치된 적어도 2개의 전극을 구비하며, 이 전극은 각각, 주사 중심에 중심을 둔 원호 형상부와, 상기 주사된 이온빔의 주사 방향의 폭보다도 넓은 빔 통과 구멍을 구비한다.
본 발명에 따른 제14의 이온빔 장치에서, 가감속기를 구성하는 입구 전극이, 원하는 질량의 이온빔의 통과를 허용하고 원하지 않는 질량의 이온의 통과를 저지하는 분석 슬릿을 겸하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제15의 이온빔 장치에서, 원하는 에너지의 이온빔의 통과는 허용하고 원하지 않는 에너지의 이온의 통과는 저지하는 빔 마스크가 정전 편향기의 출구 부근에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 제16의 이온빔 장치에서, 상기 정전 편향기로부터 출사된 이온빔에 있어서 이온빔 진행 방향에 수직한 주사 빔의 단면이 호 형상을 지니고, 상기 빔 마스크는 상기 호형의 주사 빔 단면과 실질적으로 유사한 호형 기하 구조를 가진 빔 통과 구멍을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 제17의 이온빔 장치에서, 주사기는 서로 평행한 1쌍의 주사 전극과, 이 1쌍의 주사 전극 사이에 Vs=ct/(1-c2t2)1/2("c"는 상수, "t"는 시간)로 표현되는 주사 전압(Vs)을 인가하는 주사 전원을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 제18의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 정전 편향기에 입사된 이온빔 중에서 원하는 에너지의 이온빔을 감속시키면서 편향시키는 기능을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 제19의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 정전 편향기에 입사된 이온빔 중에서 원하는 에너지의 이온빔을 가속시키면서 편향시키는 기능을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 제20의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 소정 간격을 사이에 두고서 서로 마주보는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며, 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극의 서로 대향하는 면 사이의 간격은 편향기의 출구로 갈수록 넓어진다.
본 발명에 따른 제21의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 소정 간격을 사이에 두고서 서로 마주보는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며, 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극의 서로 대향하는 면 사이의 간격은 편향기의 출구로 갈수록 좁아진다.
본 발명에 따른 제22의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 소정 간격을 사이에 두고서 서로 마주보는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하고; 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극은 편향각이 증대되는 방향으로 "n"쌍(n은 2 이상의 정수)로 분할되어, "n"쌍의 편향 전극을 형성하며; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 내측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Va1, Va2, …, Van으로 취하고; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 외측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Vb1, Vb2, …, Vbn으로 취하는 조건에서, 다음의 관계가 충족될 수 있다.
Va1<Va2< … <Van,
Vb1<Vb2< … <Vbn, 그리고
Va1<Vb1, Va2<Vb2, …, Van<Vbn
본 발명에 따른 제23의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 소정 간격을 사이에 두고서 서로 마주보는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하고; 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극은 편향각이 증대되는 방향으로 "n"쌍(n은 2 이상의 정수)로 분할되어, "n"쌍의 편향 전극을 형성하며; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 내측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Va1, Va2, …, Van으로 취하고; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 외측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Vb1, Vb2, …, Vbn으로 취하는 조건에서, 다음의 관계가 충족될 수 있다.
Va1>Va2> … >Van,
Vb1>Vb2> … >Vbn, 그리고
Va1<Vb1, Va2<Vb2, …, Van<Vbn
본 발명에 따른 제24의 이온빔 장치에서, 상기 n쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면 사이의 간격은, 정전 편향기의 입구로부터 출구까지 일정하다.
본 발명에 따른 제25의 이온빔 장치에서, 상기 n쌍의 편향 전극 각각의 서로 대향하는 면 사이의 간격은, 출구로 갈수록 넓어진다.
본 발명에 따른 제26의 이온빔 장치에서, 상기 n쌍의 편향 전극 각각의 서로 대향하는 면 사이의 간격은, 출구로 갈수록 좁아진다.
본 발명에 따른 제27의 이온빔 장치에서, 정전 편향기는 소정 간격을 사이에 두고서 서로 마주보는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하고; 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극의 서로 대향하는 면의 반경을 각각 ra 및 rb로 취하며; 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극에 인가되는 전압을 각각 Va 및 Vb로 취하고; 정전 편향기 내에서 원하는 에너지의 이온빔의 궤도에 있어서의 전위를 V로 취하며; 정전 편향기의 출구에서의 이온빔의 운동 에너지에 상당하는 전압을 Ve로 취하고; 정전 편향기 내에서 이온빔의 설계상의 궤도 반경을 rc로 취하는 조건에서, 다음 식 또는 동등한 수학적 관계가 실질적으로 충족된다.
Va=V-2(Ve-V)log(rc/ra), 그리고
Vb=V+2(Ve-V)log(rb/rc)
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 단일 정전 편향기를 사용하여 이온빔의 평행화와 에너지 분리 모두를 행할 수 있다. 따라서, 이온빔의 평행화와 에너지 분리를 서로 다른 기능 요소를 사용하여 수행하는 경우에 비하여, 이온빔의 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다.
또한, 정전 편향기의 에너지 분리 기능은 매우 강력하기 때문에, 공지의 편향 전자석을 이용하는 경우에 비해 정전 편향기 출구로부터 타겟까지의 거리를 대폭 짧게 할 수 있다. 따라서, 이러한 관점에서도 이온빔의 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다.
그 결과, 예컨대, 이온빔의 분산 등으로 인한 손실을 저감함으로써 빔 수송 효율이 향상될 수 있어, 다량의 빔을 확보할 수 있다. 이 효과는, 특히 이송되는 이온빔의 에너지가 낮은 경우에 두드러진다.
빔 라인의 길이를 짧게 할 수 있기 때문에, 전체 시스템을 컴팩트하게 할 수 있다.
자기장을 이용하는 편향 전자석에 비해, 정전 편향기는 중량 감소 및 전력 소비의 저감을 달성할 수 있다.
상기 제3의 이온빔 장치는, 이온빔이 타겟에 주입되는 각도가 O°가 아닌 경우에도, 타겟에 입사된 이온빔의 입사 위치가 타겟 면내에 있어서 변화되지 않고 일정하게 유지된다고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제8의 이온빔 장치는, 분할된 편향 전극 사이에 존재하는 간극에 의해 정전 편향기의 내부를 효율적으로 배기할 수 있고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제9의 이온빔 장치는, 원하지 않는 에너지의 이온이 편향 전극의 서로 대향하는 면에 충돌하여 스퍼터되고 타겟에 잘못 도달되더라도, 스퍼터 입자는 카본을 스퍼터링하는 것에 의해 발생되는 것이기 때문에, 타겟의 표면에 제조되는 반도체 디바이스의 특성에 주는 영향이 적다고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제10 이온빔 장치는 후술하는 바와 같은 추가적인 장점을 갖는다. 구체적으로, 원하는 에너지의 이온빔은 정전 편향기 내에 있어서 접지 전위 영역 부근을 통과한다. 따라서, 이온빔은 정전 편향기에서 가속되거나 감속되지 않는다. 또한, 정전 편향기의 바로 상류에 배치된 기기 및 정전 편향기의 바로 하류에 배치된 기기는 대개 접지 전위로 유지된다. 따라서, 이온빔은 정전 편향기의 전후에 있어서도 가속되거나 감속되지 않는다. 따라서, 정전 편향기를 통과한 이후에도 이온빔의 에너지가 변화되지 않은 채 유지된다.
상기 제12의 이온빔 장치는, 중성 입자가 주사기에 의해 주사되지 않고 직진하기 때문에, 중성 입자와 이온빔과의 분리가 용이해진다고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제13의 이온빔 장치는, 주사기에 의해서 주사된 이온빔의 주사 위치에 상관없이 항상 가감속기에 입사되는 이온빔의 방향에 평행한 방향으로 가감속기의 전기장이 인가되기 때문에, 주사된 이온빔이 전기장에 의해서 가속되거나 또는 감속되더라도, 이온빔이 전기장에 의해 구부러지지 않고 이온빔의 방향이 변하지 않은 채로 유지된다고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제14의 이온빔 장치는, 별도의 분석 슬릿을 마련하지 않아도 되기 때문에, 분석 슬릿을 별도로 마련하는 경우에 비해서, 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제15의 이온빔 장치는, 정전 편향기와 빔 마스크가 협동하여, 에너지 분리 성능을 향상시킬 수 있다고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제16의 이온빔 장치는, 정전 편향기와 빔 마스크가 협동하여, 에너지 분리 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제17의 이온빔 장치는, 정전 편향기로부터 출사된 이온빔이 주사 방향의 라인 상에서 주사되는 속도가 일정해진다고 하는 추가적인 장점을 갖는다.
상기 제18∼제26의 이온빔 장치는 후술하는 추가적인 장점을 갖는다. 구체적으로, 정전 편향기는 이온빔을 편향하면서 감속시킬 수 있어, 별도의 이온빔 가감속기를 마련하지 않아도 된다. 그 결과, 정전 편향기에 별도의 가감속기를 마련하는 경우에 비해서, 빔 라인이 짧아질 수 있다. 따라서, 이온빔의 분산 등으로 인한 손실이 더 줄어들어, 빔 수송 효율이 향상된다. 그에 따라, 다량의 빔을 확보하기가 용이해진다. 또한, 빔 라인이 짧아질 수 있기 때문에, 전체 이온빔 장치를 보다 컴팩트하게 할 수 있다.
특히, 이온빔을 감속하는 경우, 이온빔을 가감속기에 의해 원하는 에너지 레벨로 완전히 감속한 후에 정전 편향기를 통과시키면, 낮은 에너지에서의 빔 라인이 길어져 공간 전하 효과로 인한 이온빔의 분산이 증대된다. 이와는 달리, 본 발명에 따르면 정전 편향기는 이온빔을 원하는 에너지 레벨까지 서서히 감속하면서, 정전 편향기 내에서 이온빔을 편향시킨다. 낮은 에너지의 빔 라인은 정전 편향기 내의 임의의 위치에서 짧아진다. 따라서, 공간 전하 효과로 인한 이온빔의 분산이 억제될 수 있다. 그 결과, 낮은 에너지 레벨에서 큰 전류의 이온빔을 추출하는 것이 용이해진다.
상기 제19∼제26의 이온빔 장치는 후술하는 추가적인 장점을 갖는다. 구체적으로, 정전 편향기는 이온빔을 편향하면서 가속할 수 있어, 별도의 이온빔 가감속기를 마련하지 않아도 된다. 그 결과, 정전 편향기에 별도의 이온빔 가감속기를 마련하는 경우에 비해, 빔 라인을 짧게 할 수 있다. 따라서, 이온빔의 분산 등으로 인한 손실이 더 줄어들어, 빔의 수송 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 보다 큰 빔량을 확보하는 것이 용이해진다. 또한, 빔 라인을 짧게 할 수 있기 때문에, 전체 이온빔 장치를 보다 컴팩트하게 할 수 있다.
상기 제27의 이온빔 장치에 따르면, 소정의 빔 궤도상에 있어서 이온빔의 소정의 가속 또는 감속이 정전 편향기 내에서 보다 원활하게 수행될 수 있다. 따라서, 궤도가 정렬되어 있는 이온빔을 정전 편향기로부터 출사할 수 있게 된다고 하는 다른 장점이 도출된다.
도 1은 본 발명에 따른 이온빔 장치의 실시예를 도시하는 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 이온빔 장치를 화살표 F 방향에서 바라본 경우에 부분적으로 도시하는 정면도로서, 이온 소스로부터 정전 편향기의 출구까지의 영역을 보여준다.
도 3은 도 1에 도시된 정전 편향기 주위의 일례를 도시하는 사시도.
도 4는 토러스의 일례를 도시하는 사시도.
도 5는 도 1에 도시된 주사기와 정전 편향기 사이의 위치 관계를 보여주는 도면.
도 6은 도 1에 도시된 빔 마스크의 일례를 보여주는 정면도.
도 7은 정전 편향기의 다른 예를 보여주는 단면도.
도 8은 정전 편향기의 또 다른 예를 보여주는 단면도.
도 9는 정전 편향기의 또 다른 예를 보여주는 사시도.
도 10은 도 9에 도시된 정전 편향기와 유사한 정전 편향기의 예를 보여주는 단면도.
도 11은 타겟에 대한 이온빔의 제1 및 제2의 주입각을 보여주는 사시도.
도 12는 도 1에 도시된 편향 전자석의 일례를 자기장(44) 방향에서 보아 도시한 도면.
도 13은 도 1에 도시된 편향 전자석의 다른 예를 자기장(44) 방향에서 보아 도시한 도면.
도 14는 정전 편향기로부터 출사된 이온빔의 호형 주사 빔 단면과 타겟의 동작 사이의 상대적 관계의 일례를 도시한 도면.
도 15는 주사 전압 파형의 일례를 도시한 도면.
도 16은 주입각(φ)이 0°가 아닌 경우, 정전 편향기로 출사된 이온빔과 타겟의 동작 사이의 상대적 관계의 일례를 도시한 도면.
도 17a는 타겟에 입사되고 X축에 평행한 평행빔의 일례를 보여주는 개략도.
도 17b는 타겟에 입사되고 X축에 평행한 방향으로부터 펼쳐지는 빔의 일례를 보여주는 개략도.
도 17c는 타겟에 입사되고 X축에 평행한 방향보다 좁아지는 빔의 일례를 보여주는 개략도.
도 18은 정전 편향기가 이온빔의 가감속 기능을 갖는 실시예를 보여주는 도면.
도 19는 원호형 단면 프로파일을 각각 갖는 편향 전극을 구비한 정전 편향기가, 이온빔의 가감속 기능을 갖는 경우의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 20은 원호형 단면 프로파일을 각각 갖는 2쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기가, 이온빔의 가감속 기능을 갖는 경우의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 21은 원호형 단면 프로파일을 각각 갖는 2쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기에 의해 이온빔을 감속하는 경우에 얻어지는 빔 궤도 등의 시뮬레이션 결과의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 22는 각각 정전 편향기의 출구로 갈수록 넓어지는 4쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기에 의해 이온빔을 감속하는 경우에 얻어지는 빔 궤도 등의 시뮬레이션 결과의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 23은 도 22에 도시된 예에 있어서 각 편향 전극의 반경의 각도 의존성을 보여주는 도면.
도 24는 각각 정전 편향기의 출구로 갈수록 좁아지는 4쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기에 의해 이온빔을 가속하는 경우에 얻어지는 빔 궤도 등의 시뮬레이션 결과의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 25는 원호형 단면 프로파일을 각각 갖는 9쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기에 의해 이온빔을 감속하는 경우에 얻어지는 빔 궤도 등의 시뮬레이션 결과의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 26은 원호형 단면 프로파일을 각각 갖는 9쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기에 의해 이온빔을 가속하는 경우에 얻어지는 빔 궤도 등의 시뮬레이션 결과의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 27은 각각 정전 편향기의 출구로 갈수록 넓어지는 1쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기에 의해 이온빔을 감속하는 경우에 얻어지는 빔 궤도 등의 시뮬레 이션 결과의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 28은 각각 정전 편향기의 출구로 갈수록 좁아지는 1쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기에 의해 이온빔을 감속하는 경우에 얻어지는 빔 궤도 등의 시뮬레이션 결과의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 29는 저항 분할법에 기초한 편향 전원의 일례를 보여주는 회로도.
도 30은 다중 전원법에 기초한 편향 전원의 일례를 보여주는 회로도.
한편, 도면 중의 부호, 2는 이온 소스, 4는 이온빔, 4a는 원하는 에너지의 이온빔, 6은 질량 분리 전자석, 12는 주사기, 16은 주사 전원, 22는 가감속기, 28은 가감속 전원, 30은 정전 편향기, 32, 32a, 32b는 편향 전극, 33은 서로 대향하는 면, 40a, 40b는 편향 전원, 42는 편향 전자석, 46은 빔 마스크, 50은 타겟, 52는 홀더, 54는 주사 기구를 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 이온빔 장치(보다 구체적으로는 이온 주입 장치)의 실시예를 도시하는 평면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 이온빔 장치를 화살표 F 방향으로 보아 부분적으로 도시하는 정면도로서, 이온 소스로부터 정전 편향기의 출구까지를 도시한다. 이하의 설명에 있어서, 이온 소스(2)으로부터 사출(射出)된 이온빔(4)이 따라 진행하는 경로의 영역에 있어서, 이온 소스에 가까운 영역을 "상류 영역", 그 반대측을 "하류 영역"이라고 한다.
이온빔 장치는, 이온빔(4)을 사출하는 이온 소스(2)와; 이 이온 소스(2)로부터 사출된 이온빔(4)으로부터 원하는 질량의 이온빔(4)을 분리하는[즉, 이온빔(4) 의 질량 분리를 행하는] 질량 분리 전자석(6)과; 질량 분리 전자석(6)을 통과한 이온빔(4)을 소정 주사면(13)(도 3 참조) 내에서 소정 주사 중심(P)을 중심으로 주사하는 주사기(12)를 포함한다. 주사기(12)에 의해 이온빔(4)이 주사되는 주사 각도를 θ로 취한다.
이 실시예에서는, 1점에서 서로 직교하는 3개의 축을 X축, Y축 및 Z축으로 했을 때, 이온빔(4)은 Z축에 평행하게 주사기(12)에 입사된다. 주사기(12)는 이렇게 입사된 이온빔(4)을 Y-Z 평면에 평행한 주사면(13) 내에서 주사 중심(P)을 중심으로 주사한다.
도 1 이후의 도면에서는, 이온빔(4)의 진행 방향과, 다른 기기의 방향 등의 이해를 용이하게 하기 위해, X축, Y축 및 Z축이 나타내어져 있다.
이온 소스(2)로부터 사출되는 이온빔(4)의 단면 프로파일(진행 방향에 직교하는 단면)은, 예컨대 원형 스폿 형상을 지닌다. 그러나, 상기 단면 프로파일은 다른 형상(예컨대, 타원형 또는 직사각형)을 지닐 수도 있다.
이 실시예의 경우와 같이, 질량 분리 전자석(6)과 주사기(12) 사이에는 필요에 따라서, 이온빔(4)의 단면 프로파일을 정형하는 4중극 렌즈(Q 렌즈)(8)가 개재될 수 있다.
이 실시예의 경우와 같이, 질량 분리 전자석(6)과 협동하여 원하는 질량의 이온빔(4)의 통과를 허용하고 원하지 않는 질량의 이온의 통과를 저지하는(즉, 질량 분리를 행하는) 분석 슬릿(10)이 질량 분리 전자석(6)의 하류에 배치될 수 있다. 이 실시예에서, 분석 슬릿(10)은 주사기(12)의 바로 상류에 배치되지만, 분석 슬릿(10)은 후술하는 가감속기(22)의 입구(최상류 위치)에 마련된 전극(24)의 바로 상류에 배치될 수도 있다. 별법으로서, 상기 입구에 배치된 전극(24)이 분석 슬릿을 겸하게 할 수도 있다. 전극(24)이 분석 슬릿의 역할을 겸하면, 분석 슬릿을 별도로 설치하지 않아도 된다. 따라서, 분석 슬릿을 별도로 마련하는 경우에 비해, 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다.
이 실시예에서, 이온 소스(2)로부터 주사기(12)까지의 범위에 배치된 각 기기는 고전압 박스(18) 내에 수납된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고전압 박스(18)는 접지 전위부(21) 위의 위치에서 지지 애자(20)에 의해 지지된다. 고전압 박스(18)와, 고전압 박스(18)에 접속된 가감속기(22)의 입구에 배치되는 입구 전극(24), 그리고 접지 전위부(21) 사이에는, 직류 전원으로서 기능하는 가감속 전원(28)으로부터 가감속 전압(VA)이 인가된다. 이온빔(4)이 가감속기(22)에 의해 가속되는 가속 모드의 경우에, 도시된 실시예의 경우와 같이 가감속 전원(28)은 양극 단자가 고전압 박스(18)에 접속되도록 고전압 박스(18)에 접속된다. 이와는 반대로, 이온빔(4)이 감속되는 감속 모드의 경우에는, 도시된 실시예와는 반대로 음극 단자가 고전압 박스(18)에 접속된다. 가속 모드에 사용되는 가감속 전원(28)과 감속 모드에 사용되는 가감속 전원(28)은 단일 전원일 수도 있고, 서로 다른 전원일 수도 있다. 별법으로서, 감속 모드의 경우, 이온 소스(2)와 접지 전위부(21) 사이에는 감속 모드용으로 특별히 구성된 전원(도시 생략)이 개재되어, 가감속기(22)로 하여금 이온빔(4)을 감속하게 할 수 있다.
이 실시예에서, 주사기(12)는 서로 평행한 1쌍의 평행판 타입의 주사 전극(14)을 갖는 정전 타입의 것이다. 삼각파 또는 대략 삼각파의 형상을 갖는 주사 전압(VS)(예컨대, 도 15 참조)이 주사 전원(16)으로부터 주사 전극(14) 사이에 인가된다. 보다 구체적으로, 이 실시예에서는, 고전압 박스(18)의 전위에 기준한 고전압측과 저전압측 사이에서 대칭으로 진동하는 주사 전압(VS)(즉, ±VS)이 주사 전극(14) 사이에 인가된다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예의 경우와 같이, 주사기(12)는 주사기(12)에 입사되는 이온빔(4)을 입사축(62)(즉, Z축에 평행한 축)에 대하여 대칭으로 주사하는 것일 수 있다. 별법으로서, 주사기(12)는 입사축(62)에 대하여 한 쪽에 있는 영역(즉, Y축 방향에 있어서 한 쪽)만을 주사하는 것일 수 있다. 주사기(12)가 후자의 경우와 같이 주사 동작을 행하게 하려면, 예컨대 주사 전압(VS)의 중심 전위를, 고전압 박스의 전위보다도 높거나 낮은 레벨을 향하여 오프셋하여 바이어스를 인가하기만 하면 된다. 후자의 경우와 같이 주사가 행해지면, 중성 입자는 주사기(12)에 의해 주사되지 않고 직진하여, 중성 입자를 이온빔(4)으로부터 분리하기가 용이해진다.
이 이온빔 장치는, 이온빔(4) 안의 원하는 에너지의 이온빔(4a)이 주사 중심(P)에 중심을 둔 원호형 편향 영역 내에서 주사면(13)에 수직한 방향으로, 즉 X축에 평행한 방향으로 진행하도록, 주사기(12)로부터 출사된 이온빔(4)을 정전적으로 90°편향하는 정전 편향기(30)와; 이온 주입해야 할 타겟(예컨대, 반도체 기 판)(50)을 유지하고, 타겟(50)이 정전 편향기(30)를 통과한 이온빔(4a)과 소정 각도로 교차하는 방향으로 타겟(50)을 기계적으로 왕복 이동시키는 주사 기구(54)를 더 포함한다. 이 실시예에서, 타겟(50)은 홀더(52)에 의해 유지된다.
이 실시예의 경우와 같이, 주사기(12)에 의해 주사된 이온빔(4)을 정전적으로 가속 또는 감속하는 가감속기(22)는 주사기(12)와 정전 편향기(30) 사이에 개재될 수 있다. 가감속기(22)는 이온빔(4)의 진행 방향으로 소정 간격을 두고 배치된 적어도 2개의 전극(24)을 구비한다. 도 3을 참조하면, 각 전극(24)은 주사 중심(P)에 중심을 둔 원호 형상을 갖고, 이온빔(4)의 진행 방향에 있어서 주사된 이온빔(4)의 폭보다도 넓은 빔 통과 구멍(26)을 갖는다.
이 실시예에서, 가감속기(22)를 구성하는 각 전극(24)의 전위를 살펴보면, 입구에 마련된 전극(24)의 전위는 고전압 박스(18)와 동일한 전위이다. 출구(즉, 최하류 위치)에 마련된 전극(24)의 전위는 접지 전위에 상당하며, 입구와 출구 사이에 위치한 각 전극(24)의 전위는 고전압 전위와 접지 전위 사이의 전위에 상당한다.
상기와 같은 가감속기(22)를 이용하면, 가감속기(22)에 나타나는 전기장은, 주사기(12)에 의해 주사된 이온빔(4)의 주사 위치에 상관없이, 항상 가감속기(22)에 입사되는 이온빔(4)에 평행하게 인가된다. 주사된 이온빔(4)이 전기장에 의해 가속 또는 감속되더라도, 이온빔(4)은 전기장에 의해서 구부러지지 않고, 이온빔(4)의 진행 방향은 변하지 않은 채로 유지된다.
정전 편향기(30)에 대해서 도 3 등을 참조하여 더 설명한다.
정전 편향기(30)는 소정의 간격을 두고서 마주보는 1쌍(1조)의 편향 전극(32)을 구비한다.
전술한 바와 같이, 정전 편향기(30)는 입사된 이온빔(4) 안의 원하는 에너지의 이온빔(4a)을 90°편향시킨 후, X축에 평행하게 출사한다. 이제, 주사기(12)에 의해 주사되고 정전 편향기(30)에 의해 편향된 이온빔(4) 안에서 원하는 에너지를 갖는 하나의 이온빔(4a)의 궤도를 살펴보도록 한다. 궤도는 직선부와, 직선부의 선단에 형성된 호형부를 포함하는 것으로, 상기 호형부는 X축에 평행하게 되도록 호형상으로 90°구부러져 있다. 정전 편향기(30)를 구성하는 1쌍의 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)은, 상기 하나의 이온빔(4a)의 궤도가 상기 주사 중심(P)을 지나고 X축에 평행한 축(60)에 대하여 주사 방향으로 소정 각도 회전되었을 때에 상기 원호형부가 그리는 회전면과 정렬되거나 거의 정렬되는 형상을 각각 갖는다.
각 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)의 반대측 면은 임의의 특정 형상에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 1에 도시된 실시예의 경우와 같이, 서로 대향하는 면(33)의 형상 또는 그 외의 형상을 따르는 형상을 지닐 수 있다. 그 이유는, 이온빔(4)을 편향하는 데 사용되는 전기장이 서로 대향하는 면(33) 사이에 형성되므로, 서로 대향하는 면(33)의 형상이 중요하기 때문이다.
이온빔(4)이 정전 편향기(30)에 의해 편향되는 위치는, 주사기(12)가 이온빔(4)을 주사하는 각도와는 상관없이 주사 중심(P)으로부터 등거리에 위치한다. 또한, 편향력이 이온빔(4)에 작용하는 방향은, 각각의 주사된 이온빔(4)과 관련된 주사면(13)에 수직한 면내에 있으며, 이 면은 이온빔(4)이 진행하는 방향을 포함한다. 구체적으로, 정전 편향기(30)의 구성은, 즉 서로 대향하는 면(33)의 구성은 이온빔(4)의 주사 각도(θ)에 대하여 대칭성(즉, 방위각 방향에서 대칭)을 갖는다.
정전 편향기(30)의 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33) 사이에 형성된 공간은 이온빔(4)이 입사되는 입구 단부면(36)과; 원하는 에너지의 이온빔(4a)이 90°편향되는 편향 영역(34); 그리고 이온빔(4a)이 출사하는 출구 단부면(38)을 포함한다. 입구 단부면(36)은 이온빔(4)의 주사면(13)에 대하여, 즉 Y-Z 평면에 대하여 수직이고, 주사 중심(P)에 중심을 둔 원호 형상으로 구부러져 있다. 출구 단부면(38)은 Y-Z 평면에 평행하고, 출구 단부면(38)을 포함하는 소정 평면의 소정 점에 중심을 둔 원호 형상으로 구부러지는 것으로, 주사 중심(P)은 상기 소정 평면의 소정 점에 투영된 것이다. 편향 영역(34)은 이온빔(4)이 임의의 주사 각도(θ)로 주사되더라도 동일하게 구부러지고, 입구 단부면(36)을 출구 단부면(38)에 접속한다.
예컨대, 도 1∼도 3에 도시된 편향 전극(30)을 구성하는 각 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)은 곡면(100)의 형상과 동일한 형상 또는 곡면의 형상을 거의 따르는 형상을 각각 지닌다. 여기서, 곡면(100)은 점 "e", "f", "g", 및 "h"에 의해 형성된다. 점 "e", "f", "g", 및 "h"는 주사 중심(P)을 통과하고 X축에 평행한 토러스 중심축(96)에 중심을 둔 도 4에 도시된 바와 같은 토러스(torus)(95)를 원주 방향으로 소정 각도만큼 잘라내고, 또한 토러스(95) 종단면(98)(즉, 폴로이달 단면)의 외주를 90°만큼만 잘라냄으로써 정해진다.
외측 편향 전극(32)으로부터 내측 편향 전극(32)으로 향하는 전기장이 정전 편향기(30)를 구성하는 1쌍의 편향 전극(32) 사이에 형성된다. 이온빔(4)을 전술한 바와 같이 편향시키는 직류 편향 전압이 편향 전원으로부터 인가된다.
이 경우, 편향 전원은 단순히 내측 편향 전극(32)에 인가되는 것보다도 높은 편향 전압을 외측 편향 전극(32)에 인가하는 것이다. 예컨대, 내측 편향 전극(32)에 접지 전위를 인가하고 외측 편향 전극(32)에 양의 편향 전압을 인가하는 편향 전원을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시예의 경우와 같이, 접지 전위에 대하여 대칭(즉, 동일한 절대값을 갖지만 반대의 극성을 가짐)인 편향 전압(-VD, +VD)을 인가하는 편향 전원(40a, 40b)은 내측 및 외측 편향 전극(32)에 마련되는 것이 바람직하다.
그와 같이 하면, 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33) 사이에 있는 중간 위치의 전위가 접지 전위가 된다. 그 결과, 원하는 에너지의 이온빔(4a)은 정전 편향기(30) 안에서 접지 전위 영역 부근을 통과한다. 따라서, 이온빔(4a)은 정전 편향기(30) 안에서 가속되거나 감속되지 않는다. 또한, 정전 편향기(30)의 바로 상류에 배치된 기기와 바로 하류에 배치된 기기는 대개 접지 전위로 유지된다. 따라서, 전술한 가감속기(22)의 출구에 배치된 출구 전극(24)은 접지 전위로 유지되고, 홀더(52) 및 후술하는 빔 마스크(46)도 접지 전위로 유지된다. 그러므로, 이온빔(4, 4a)은 정전 편향기(30)의 전후에 있어서도 가감속되지 않는다. 따라서, 이온빔은 정전 편향기(30)를 통과한 후에도 이온빔의 에너지는 변하지 않은 채로 유지된다.
이 이온빔 장치에 따르면, 주사기(12)에 의해 주사된 이온빔(4)은 부채꼴로 펼쳐지면서 정전 편향기(30)에 입사한다.
정전 편향기(30)에 입사한 이온빔(4) 안의 원하는 에너지의 이온빔(4a)은, 주사 중심(P)에 중심을 둔 원호형 편향 영역(34)에서 주사면(13)에 수직한 방향으로 진행하도록 정전적으로 90°편향된다. 따라서, 이온빔(4a)은 정전 편향기(30)로부터 출사된다.
이러한 방식으로 정전 편향기(30)로부터 출사된 원하는 에너지의 이온빔(4a)을 구성하는 각각의 이온빔(4a)은 서로 평행하다. 이 실시예에서, 이온빔(4a)은 X축에 평행하면서 서로 평행하다. 이온빔(4a)의 상태가 도 9, 도 11 및 도 17a에 도시되어 있다. 하나의 면에 세워진 복수 개의 수직선이 서로 평행하므로, 하나의 주사면(13)에 직각으로 입사되는 이온빔(4a)은 주사 위치에 상관없이 서로 평행하다. 따라서, 정전 편향기(30)로부터 출사되는 이온빔(4a)은 평행해 질 수 있다.
정전 편향기(30)에 입사된 이온빔(4) 안의 원하지 않는 에너지의 이온(4b)은, 원하는 에너지의 이온빔(4a)과는 편향 반경(선회 반경)에 있어서 다르다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 이온(4b)은 원하는 에너지의 이온빔(4a)으로부터 분리된다. 이러한 방식으로, 에너지 오염 물질은 제거될 수 있으며, 즉 에너지 분리가 수행될 수 있다.
또한, 이온빔(4)이 정전 편향기(30)에 의해 편향되는 방향은, 이온빔(4)이 주사 중에 주사기(12)에 의해 주사되는 방향과 수직한 방향이다. 특허문헌 3에 기 재되어 있는 기술과 달리, 서로 다른 에너지 레벨을 갖고 주사기(12)의 주사 동작을 통해 펼쳐지는 이온빔은, 단일 면내에서 서로 분리되는 것이 아니라 서로 다른 면내에서 분리된다. 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 이온의 분리는 간단하고, 따라서 에너지 분리 기능은 매우 강력하다. 또한, 이온빔(4a)이 정전 편향기(30)에 의해 편향되는 각도가 90°정도로 크다. 이러한 관점에서도, 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 이온의 분리는 쉽고, 따라서 에너지 분리 기능은 매우 강력하다. 이러한 특징의 조합의 결과로서, 정전 편향기(30)의 에너지 분리 기능은 매우 강력하다.
편향 전자석의 경우와 달리, 정전 편향기(30)의 경우, 편향 각도의 증대는 정전 편향기(30)를 구부리는 것 등에 의해서 비교적 간단하게 실현될 수 있다. 또한, 편향 각도는 이온빔을 구성하는 이온의 질량 "m"에 의존하지 않고, 질량 "m"의 이온은 쉽게 편향된다. 편향 각도가 90°로 증대되더라도, 특허문헌 3에 기재된 편향 전자석이 갖는 거대화 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이제, 정전 편향기(30)의 편향 각도가 이온의 질량 "m"에 의존하지 않는 이유를 설명한다. 일반적으로, 평행면 타입의 편향 전극을 이용한 정전 편향을 통해 얻어지는 편향 각도(Θ)는, 입사 이온빔의 에너지를 EB, 그 이온빔을 구성하는 이온의 전하를 q, 편향 전극 사이에 인가되는 편향 전압을 V, 편향 경로의 길이를 L이라고 하면, 다음의 식으로 표현될 수 있다.
tanΘ=kVLq/EB, (k는 이온의 질량에 의존하지 않는 상수)
원통형 편향 전극의 사용을 통해 이온빔의 편향 궤도가 원을 그리게 되는 정전 편향인 경우, 수학식 2는 tanΘ를 Θ(라디언)으로 치환하여 표현된다.
상기 식으로부터 분명한 바와 같이, 정전 편향에서 유래한 편향 각도(Θ)는, 자기장 편향(수학식 1 참조)과는 달리 이온빔을 구성하는 이온의 질량 "m"에 의존하지 않는다. 정전 편향기(30)의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 큰 질량 "m"을 갖는 이온에 대하여 에너지 분리를 하는 경우에, 질량 "m"에 따라서 편향 전압(V)을 증대시킬 필요가 없다. 따라서, 편향 전원의 용량, 전력 소비 및 치수의 비정상적인 증대를 필요로 하는 문제는 생기지 않는다. 정전 편향기(30)는 자기장을 이용하는 편향 전자석에 비해, 중량 감소, 소비 전력의 감소 및 비용 저감을 달성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이 이온빔 장치에 따르면, 이온빔(4)의 평행화 및 에너지 분리를 하나의 정전 편향기(30)를 사용하여 달성될 수 있다. 따라서, 특허문헌 1 또는 2에 기재된 기술의 경우와 같이 이온빔의 평행화 및 에너지의 분리가 서로 다른 기능 요소를 사용하여 수행되는 경우에 비교해 보면, 이온빔(4)의 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다.
전술한 바와 같이 정전 편향기(30)의 에너지 분리 기능은 매우 강력하기 때문에, 특허문헌 3에 기재된 기술의 경우에 비해, 정전 편향기(30)의 출구로부터 타겟(50)까지의 거리를 대폭 짧게 할 수 있다. 이러한 관점에서도, 이온빔(4)의 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다.
특허문헌 1에 기재된 기술에 따르면, 원하는 에너지의 이온빔의 통과를 허용 하고 원하지 않는 에너지의 이온의 통과를 저지하는 빔 마스크가, 에너지 분리 성능을 향상시키기 위해 정전 편향기의 출구로부터 상당히 떨어진 위치에 배치되어 있다. 이와는 달리, 본 발명의 이온빔 장치에는 상기 빔 마스크와 동일한 목적 및 작용을 갖는 빔 마스크가 설치되더라도, 빔 마스크는 정전 편향기(30)의 출구 부근에 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 빔 마스크(46)는 그러한 빔 마스크의 일례이다. 전술한 바와 같이, 이는 정전 편향기(30)의 에너지 분리 기능이 매우 강력하기 때문이다. 따라서, 빔 마스크(46)가 설치되는 경우에도, 정전 편향기(30)로부터 빔 마스크(46)까지의 거리를 역시 매우 짧게 할 수 있으므로, 빔 라인 길이도 짧게 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 이온빔 장치는 주사 중심(P)으로부터 정전 편향기(30)의 입구까지의 거리(L1)를 비교적 짧게 할 수 있다. 이러한 이온빔 장치의 비교 대상으로서, 1992년에 발행된 다음 문헌에 기재되어 있는 정전적으로 이온빔의 평행화를 행하는 기술을 들 수 있다.
이온 주입 기술-92(ION IMPLANTATI0N TECHN0L0GY-92), 에이·엠·레이 외(A. M. Ray et al.), 이튼 NV-8200P의 개요(Overview of the Eaton NV-8200P), p.401-404.
상기 문헌에 기재된 기술에 따르면, 주사된 이온빔을 평행화하는데 사용되는 복수 개의 전극의 입구에 있어서, 이온빔의 주사 폭은 이온이 주입되는 타겟의 직경과 동일하여야 한다. 이와는 달리, 본 발명의 이온빔 장치에서 충족하여야 하는 유일한 요건은, 이온빔(4)의 평행화 등을 위한 정전 편향기(30)의 출구에 있어서, 이온빔(4a)의 주사 폭이 타겟(50)의 직경에 상당하는 값을 가져야 한다는 것이다. 하나의 이온빔의 주사 각도가 이용된다는 가정하에서 두 기술을 서로 비교해보면, 본 발명의 이온빔 장치는 분명히 상기 문헌에 기재된 기술에서 얻어지는 것보다 훨씬 큰 범위로 거리(L1)를 짧게 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이온빔 장치에서, 주사 중심(P)으로부터 정전 편향기(30)의 출구(Q)까지의 빔 라인 길이(LP)는, 주사기(12)의 주사 각도를 ±θ, 정전 편향기(30)의 유효 편향 반경을 R, 타겟(50)의 직경을 D라고 하면, 다음의 식으로 표현된다. 도 5는 도 1에 도시된 주사기(12)와 정전 편향기(30)를 빼내어 확대한 방식으로 보여준다.
LP=L1+πR/2
=L2-R+πR/2
=D/(2tanθ)-R+πR/2
=D/(2tanθ)+(π/2-1)R
D=300 mm, θ=±15°, R=400 mm라 하면, 상기 식으로부터 빔 라인 길이(LP)가 구해지며, 즉 LP≒788 mm이다.
전술한 바와 같이, 공지된 기술과 비교하더라도, 본 발명의 이온빔 장치는 이온빔(4)의 빔 라인 길이를 짧게 할 수 있다. 그 결과, 예컨대, 이온빔(4)의 분산 등으로 인한 손실을 저감하여 빔의 수송 효율의 향상을 도모할 수 있고, 큰 빔량을 확보할 수 있게 된다. 이러한 효과는 낮은 에너지의 이온빔(4)을 수송하는 경우에 특히 현저해진다.
빔 라인 길이를 짧게 할 수 있기 때문에, 전체 시스템을 컴팩트하게 할 수 있다.
주사기(12) 이후의 단에서는, 이온빔(4)의 주사 각도 방향의 대칭성이 유지된다. 따라서, 주사기(12) 이후의 단에 있어서의 기기 구성이 간단하다. 또한, 이온빔(4)의 특성이 주사 각도의 방향에 대해 균일하다. 전자의 이점은, 대칭성을 갖는 기기의 설계, 가공, 배치의 용이성에 기인한다. 후자의 이점은, 예컨대 스폿형 이온빔(4)의 단면 프로파일 등이 주사 각도의 방향에 따라 변하지 않은 채로 유지된다는 사실에 기인한다.
정전 편향기(30)로부터 출사되는 이온빔(4a)의 진행 방향에 수직한 방향에서 취한 주사 빔 단면(5)의 형상, 즉 Y-Z 평면을 따라 취한 주사 빔 단면(5)의 형상은, 도 2, 도 6 및 도 14에 도시된 바와 같이 호 형상을 지닌다. 보다 구체적으로, 주사 빔의 단면(5)은, 상기 주사 중심(P)을 Y-Z 평면에 평행한 면에 투영함으로써 얻어진 점(P1)(도 14 참조)에 중심을 둔 호 형상을 지닌다. 각 도면에 있어서, 주사된 이온빔(4a)의 스폿형 단면 중 일부는 작은 원으로 예시되어 있다. 주사된 이온빔(4a)의 전체 단면이 주사 빔 단면(5)에 해당한다.
따라서, 빔 마스크(46)를 마련하는 경우, 빔이 통과하는 구멍(48)(즉, 빔 통과 구멍)의 형상은 도 6에 실선으로 표시된 바와 같이, 호형(예컨대, 원호형)의 주사 빔 단면(5)에 대한 닮은꼴 또는 거의 닮은꼴로 만들어지는 것이 바람직하다. 또한, 빔 통과 구멍(48)은 주사 빔 단면(5)보다 약간 크게 만들어지는 것이 바람직하다. 그와 같이 하면, 정전 편향기(30)가 빔 마스크(46)와 협동하여, 에너지 분리 성능을 한층 더 향상시킨다. 또한, 정전 편향기(30)는 이온 주입 중에 (탈기 또는 기체 제거를 통해) 타겟(50)으로부터 빠져나온 가스에 의해 영향을 받게 되는 것(즉, 진공도의 열화)이 효과적으로 방지되어, 정전 편향기(30)의 불안정한 동작의 발생을 보다 효율적으로 방지하는데, 그렇지 않으면 편향 전극(32) 사이에 형성되는 방전으로 인하여 정전 편향기(30)의 불안정한 동작이 초래될 수 있다.
전술한 바와 같이, 정전 편향기(30)의 에너지 분리 성능은 매우 높다. 따라서, 빔 마스크(46)에 형성되는 빔 통과 구멍(48)의 형상은 도 6에 점선으로 나타낸 바와 같이 호형 주사 빔 단면(5)을 포함하는 직육면체 형상으로 설정될 수 있다. 이와 같이 하면, 빔 통과 구멍(48)의 형상이 간단해진다.
정전 편향기(30)의 내부, 즉 편향 영역(34)은, 이온빔(4, 4a)이 분위기 중의 분자 및 입자와 충돌하는 것이나 방전을 야기하는 것 등을 방지하기 위해, 고진공으로 유지되는 것이 바람직하다. 편향 영역(34)의 진공 배기를 충분히 행할 수 있는 진공 배기 장치를 마련하는 것이 바람직하다. 편향 영역(34)의 진공 배기는 도 3에서 화살표 80 또는 82로 표시된 바와 같이, 이온빔(4a)의 진행 방향에 수직한 방향으로 수행되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 편향 영역(34)에 굴곡부가 존재하더라도, 그 굴곡부가 배기의 컨덕턴스 저하를 초래하는 일이 적다. 따라서, 편향 영역(34)은 효율적으로 진공 배기될 수 있다.
정전 편향기(30)에 강요되는 요건은, 1쌍의 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)이 전술한 바와 같이 이온빔(4)의 주사 각도 방향에 대하여 대칭성을 유지하는 것과; 편향이 90°의 각도로 수행되는 것뿐이다. 따라서, 이들 요건이 충족되면, 편향 전극(32)의 형상, 보다 구체적으로는 서로 대향하는 면(33)의 형상이 전술한 것 이외의 형상으로 실시될 수 있으며; 예컨대, 서로 대향하는 면은 이온빔(4a)의 진행 방향을 따라서 분할되거나; 복수의 곡면의 조합에 의해 형성되거나; 복수의 평면 및 곡면의 조합에 의해 형성된다.
예컨대, 도 7은 도 1 내지 도 3에 도시된 편향 전극(32)을 각각, 편향각이 증대되는 방향으로 편향 전극(32)의 각각에 간극(70)을 형성함으로써, 2개의 부분으로 분할한 예를 보여준다. 편향 전극(32)은 더 많은 수의 부분으로 분할될 수 있다. 별법으로서, 편향 전극(32) 중 하나만을 분할할 수 있다. 이와 같이 하면, 화살표 84 또는 86으로 표시된 바와 같이, 정전 편향기(30)의 내부, 즉 편향 영역(34)은 간극(70)에 의해 효율적으로 진공 배기될 수 있다. 이는, 편향 영역(34)이 전술한 바와 같이 구부러져 있더라도, 굴곡부가 배기의 컨덕턴스 저하를 초래하지 않기 때문이다.
도 8은 각 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)의 단면 프로파일이 타원으로 형성된 예를 보여준다. 이 예에서, 타원은 각각 Z축의 방향을 따르는 장축을 갖는다. 그러나, 타원은 X축의 방향을 따르는 장축을 가질 수 있다.
도 9는 각 편향 전극(32)이 복수의(도시한 예에서는 3개) 편향 전극 부재(32d)의 조합(접속)에 의해 구성되는 예를 보여준다. 구체적으로, 각 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)은, 도 3에 도시된 것과 동일한 축(60)에 중심을 둔 회전면과 정렬되는 복수의(도시한 예에서는 3개) 면의 조합(접속)에 의해 형성된다. 서로 대향하는 면은 도 10에 도시된 것과 실질적으로 동일한 단면을 지닌다. 각 편향 전극 부재(32d) 및 서로 대향하는 면(33)은 축(60)을 중심축으로 하는 원뿔의 일부분으로 이루어진다.
상기 어느 예에 있어서도, 적어도 각 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)은 카본, 실리콘, 알루미늄 또는 이들의 화합물로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 편향 전극(32) 자체는 상기 재료로 형성될 수 있고, 또는 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)이 상기 재료의 막으로 피복될 수 있다.
원하지 않는 에너지의 이온(4b)(도 1 참조)이 서로 대향하는 면(33)과 충돌할 수 있고, 서로 대향하는 면은 마침내 스퍼터될 수 있다. 구체적으로, 서로 대향하는 면(33)을 구성하는 물질을 포함하는 스퍼터 입자가 서로 대향하는 면(33)으로부터 배출될 수 있다. 따라서, 서로 대향하는 면(33)이 전술한 것과 같은 재료로 형성된다면, 스퍼터 입자가 뜻하지 않게 타겟(50)에 도달하더라도, 타겟(50)의 표면에 만들어지는 반도체 디바이스의 특성에 주는 영향은 미미하다.
그러나, 상기 수학식 2로부터 분명한 바와 같이, 정전 편향기(30)에 있어서 이온빔(4)의 편향 각도는 이온빔(4)을 구성하는 이온의 질량 "m"에 의존하지 않는 다. 따라서, 질량 "m"이 다르더라도, q/EB(EB는 에너지, "q"는 전하)가 동일한 값을 갖는 이온은 동일한 궤도를 따라 이동한다. 서로 다른 질량 "m"을 갖는 이온은 대개 주사기(12)에 들어가지 전에 질량 분리 전자석(6)을 통과하게 되며, 이로써 원하는 질량 "m"을 갖는 이온만으로 구성된 이온빔(4)이 얻어진다. 그러나, 일부 경우에, 예컨대 많은 수소 원자를 함유하는 이온이나, 동위체를 갖는 이온이 타겟(50)에 주입된다. 이러한 경우에, 질량 "m"이 약간 다른 유용한(원하는) 이온은 복수 타입의 이온빔(4) 중에 존재한다.
이러한 이온은, 예컨대 B2Hx +(x=1, 2, 3, 4, 5, 6), B10Hy +(y=1, 2, …, 14), Sbz +(z=121, 123)이다.
이러한 이온을 이용하여 가능한 최대량의 이온빔으로 주입을 행하는 것이 요구되는 경우, 질량 분리 전자석(6)의 질량 분해능을 의도적으로 저하시킨다. 그 결과, 상기와 같은 이온이 추출되어 주사기(12)에 입사될 수 있게 된다. 이온은 정전 주사 타입의 주사기(12) 및 상기 정전 편향기(30)를 통과한 후 추출된다. 이렇게 추출된 이온은 타겟(50)에 이온을 주입하는 데 사용되는 이온빔(4a)으로서 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이온이 서로 다른 질량 "m"을 갖더라도, 질량의 차이로 인한 차이가 정전 주사나 정전 편향 중에 이온의 궤도에 나타나지 않는다. 이온은 빔에 의해 주사되는 타겟(50) 상의 영역과, 이온이 타겟(50)에 입사되는 각도에 대해서 완전히 동일한 방식으로 주입된다.
특허문헌 2 및 3에 기재되어 있는 이온빔의 평행화를 위한 편향 전자석과 비교해 보면, 이온빔이 자기장에 의해 편향되는 경우, 이온빔에 의해 주사되는 타겟 상의 위치와 이온빔이 타겟에 주입되는 각도는 이온의 질량 "m"에 의존한다. 서로 다른 질량 "m"을 갖는 이온에 대해서, 상기 위치 및 각도는 다른 값을 지닌다. 따라서, 타겟(50)의 면내에 주입되는 이온의 양과 이온이 주입되는 각도에 있어서 불균일성이 나타난다. 이온 주입에 의해서 제조되는 반도체 디바이스의 특성에 변동이나 열화가 발생할 가능성을 부정할 수 없다.
또한, 약간 다른 질량을 갖는 이온의 이용 제한이 묵인되거나, 적당한 주사 폭이 설정된다면, 주사기(12)에 대해서, 자기장에 의해 이온빔(4)을 주사하는 자기장 주사 타입의 주사기(12)가 이용될 수 있다.
이어서, 이하의 설명을 준비하기 위해, 이온빔(4a)이 타겟(50)의 표면에 입사되는 각도, 즉 주입각을 이제 설명한다. 2가지 타입의 주입각이 이용되며, 이들을 도 11을 참조로 하여 이제 설명한다. 도시된 예는 제1 주입각(φ) 및 제2 주입각(ψ)이 0°인 경우이다. 타겟(50)의 표면에 세워지는 수직선(64)을 고려하면, 이온빔(4a)의 주사 방향과 직교하는 방향에 있어서 이온빔(4a)과 수직선(64) 사이에 형성되는 각이 제1 주입각(φ)이다. 이온빔(4a)은 Y축과 정렬된 방향으로 주사된다. 따라서, Y축에 평행한 축(66)을 중심축으로 타겟(50) 또는 이온빔(4a)이 상대적으로 회전하게 되면, 주입각(φ)은 변화한다. 수직선(64a)은 주입각(φ)이 0°가 아닌 경우의 예이다.
이온빔(4a)의 주사 방향에 있어서 이온빔(4a)과 수직선(64) 사이에 형성되는 각이 제2 주입각(ψ)이다. Y축에 직교하는 Z축에 평행한 축(68)을 중심축으로 하여 타겟(50) 또는 이온빔(4a)이 상대적으로 회전하게 되면, 주입각(ψ)은 변화한다. 수직선(64b)은 주입각(ψ)이 0°가 아닌 경우의 예이다.
도 1에 도시된 실시예의 경우와 같이, 정전 편향기(30)와 타겟(50) 사이에는 이온빔(4a)을 자기장(44)에 의해 편향시키는 편향 전자석(42)이 개재될 수 있다. 편향 전자석(42)은 이온빔(4a)의 경로를 사이에 두고 마주보는 자극을 갖는다. 도 12 및 도 13은 자기장(44)이 진행하는 방향에서 본 평면의 예를 보여준다.
편향 전자석(42)의 입구 단부에서 이온빔(4a)은 이미 평행화되어 있고, X-Y 평면에 실질적으로 평행한 거의 시트형의 이온빔으로 되어 있다. 이 시트면과 거의 동일한 면내에 이온빔(4a)이 편향 전자석(42)에 의해 편향되는 것이 바람직하고, 모든 이온빔(4a)이 동일한 각도로 편향되는 것이 바람직하다. 이러한 편향 전자석(42)의 자극의 표면은 대략 직사각형 형상을 지닌다.
이러한 편향 전자석(42)을 마련함으로써, 예컨대 (a) 제2 주입각(ψ)의 조정(도 12 참조); (b) 이온빔(4a)의 주사 폭(W)의 확대(도 13 참조) 또는 축소(도 12 참조); (c) 타겟(50)의 근방과 정전 편향기(30) 사이에서 이온빔(4a) 중의 전자의 이동 또는 이온빔(4a) 이외의 이온빔 중의 이온의 이동을 방지가 수행될 수 있다.
이제 (a)의 주입각(ψ)의 조정을 설명한다. 예컨대, 이온빔 장치의 기계적 조립 정밀도가 불충분하고, 본래 타겟(50)이 부적절한 방향으로 방위되어 있는 상태로 이온빔 장치가 조립되어 있는 경우, 주입각(ψ)은 편향 전자석(42)에 의해 쉽 게 기준치(대개 0°)로 조정될 수 있다.
이제 (b)의 주사 폭(W)의 조정을 설명한다. 편향 전자석(42)의 배치 및 이온빔(4a)이 편향 전자석(42)에 의해 편향되는 각도를 적절히 설정함으로써, 입사 이온빔(4a)의 주사 폭을 W1, 출사 이온빔(4a)의 주사 폭을 W2로 설정했을 때, 도 13에 도시된 경우와 같이 주사 폭은 W1<W2로 확대될 수 있다. 도 12에 도시된 경우와 같이 주사 폭은 W1>W2로 축소될 수 있다. 주사 폭(W)을 확대하는 경우를 예로 들면, 편향 전자석(42) 이외에는 이온빔 장치에 변경을 가하는 일없이, 주사 폭은 타겟(50) 치수의 증가 또는 감소에 따라 쉽게 변경될 수 있다.
이제 (c)의 방지 작용을 설명한다. 전자나 이온빔(4a) 이외의 이온이 타겟(50)과 정전 편향기(30)의 사이에서 이동하는 경우, 이온빔(4a)의 양의 계측에 있어서 에러가 발생하거나; 타겟(50)이 금속에 의해 오염되는 범위의 증대, 또는 타겟(50)에 대한 입자의 부착 등과 같은 문제가 발생할 것이다. 상기 전자나 이온의 에너지는 이온빔(4a)에 비해서 충분히 작다. 따라서, 상기 전자나 이온은 편향 전자석(42)의 작은 편향 전자기장 강도로 상기 전자나 이온을 크게 편향시키는 것에 의해 이온빔(4a)으로부터 크게 분리될 수 있다. 따라서, 상기 문제점의 발생을 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 정전 편향기(30)를 출사되어 주사된 이온빔(4a)의 전체적인 주사 빔 단면(5)은 원호형을 하고 있다. 예컨대 도 14 참조를 참조하라. 주사 빔 단면(5)에 대하여, 타겟(50)은 원호의 중심(P1)으로부터 반경 방향으로 기계적으 로 왕복 이동(왕복 운동)된다. 이에 의해, 타겟(50)은 이온빔(4a)을 가로지른다(교차한다). 그 결과, 타겟의 전면(全面)에 이온빔(4a)을 조사함으로써, 이온을 타겟에 주입할 수 있다. 여기서, 도 14는 정전 편향기(30)로부터 출사된 이온빔(4a)을 도 2와 동일한 방향에서 보아 도시하는 것이다.
도 14는, 이온빔(4a)이 지면(紙面)(즉, Y-Z 평면에 평행한 면)에 수직한 방향에 있어서 전방을 향하여 출사되고 있는 것을; 즉, 이온빔(4a)이 타겟(50)에 직각으로 입사되는 경우[즉, 주입각(φ 및 ψ)이 0°인 경우]를 보여준다. 따라서, 도면은 타겟(50)의 표면이 지면에 평행하고, 타겟(50)의 왕복 방향도 지면에 평행한 경우의 예를 보여준다. 타겟(50)의 왕복 방향과 이온빔(4a)의 주사 방향 사이에 존재하는 관계는 다음과 같다.
타겟(50)의 중심은 원호형 주사 빔 단면(5)의 원호의 중심(P1)을 지나고, 타겟(50)은 Z축에 평행한 직선(72)을 따라 왕복 운동하도록 왕복 이동한다. 이러한 왕복 주사 작동의 결과, 타겟(50)이 주사 빔 단면(5)의 Y축에 평행한 방향에 있어서 주사 폭(WS)으로부터 벗어나지 않도록, 직경(D)의 타겟(50)이 왕복 이동한다. 타겟(50)의 기계적인 주사 폭을 WM으로 한다. 중심(P1)에서부터 주사 빔 단면(5)의 중심까지의 반경을 L2로 한다. 반경(L2)은 도 5에 도시된 거리(L2)와 같다.
도 14의 구성에 있어서, 타겟(50)의 면내에 이온을 균일하게 주입하기 위한 조건을 이제 살펴본다. 이온빔(4a)이 주사되는 각도를 θ라 하면, Y축에 평행한 방향에 있어서 이온빔(4a)의 위치[즉, 직선(72)으로부터의 거리]는 L2sinθ이다. 따라서, Y축에 평행한 방향에 있어서 이온빔(4a)의 이동 속도(vY)는 다음 식으로 표현된다.
vY=L2·cosθ·dθ/dt
=L2·cosθ·ω, (ω는 이온빔 주사의 각 속도)
평행판 타입의 주사 전극을 사용하는 정전 주사의 경우에[도 1 및 도 2에 도시된 주사기(12)에도 동일한 것이 적용됨], 주사 전압의 증가율이 시간에 대해 일정한 상태로 주사 동작이 수행될 때, 이온빔의 주사 폭 "y"은 다음 식으로 표현되며, 시간 "t"에 비례한다.
y=k·tanθ(t)=st, ("k", "s"는 상수, "t"는 시간)
따라서, 평행판 타입의 주사 전극만을 사용하여 주사가 수행되었을 때, Y축에 평행한 방향에 있어서 이온빔의 이동 속도(vY)는, vY=dy/dt=s(일정)로 표현된다. 상기 이동 속도와 상기 수학식 5로부터 다음의 식을 얻을 수 있다.
k·sec2θ(t)·ω=dy/dt=s(일정)
이온빔(4a)이 정전 편향기(30)로부터 출사된 이후에, Y축에 평행한 방향에 있어서 이온빔(4a)의 이동 속도(vY)는 수학식 6과 상기 수학식 4를 이용하여 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
vY=L2·cos3θ(t)·s/k
수학식 7에 의해 표현된 이동 속도(vY)는, 시간에 대하여 일정한 값이 아니다. 구체적으로, tanθ가 시간에 비례할 때, Y축에 평행한 방향에 있어서 이온빔(4a)이 출사되는 위치는 일정하지 않게 되고, Y축에 평행한 방향에 있어서 이온빔(4a)의 이동 속도(vY)는 일정하지 않게 된다. 환언하면, 이동 속도(vY)를 일정하게 하기 위한 유일한 요건은 sinθ=ct("c"는 상수, "t"는 시간)로 설정하는 것이다. 이런한 관계를 tanθ를 사용하여 표현하면, 다음 식이 얻어진다.
tanθ=sinθ/(1-sin2θ)1/2=ct/(1-C2t2)1/2
여기서, tanθ는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 평행판 타입의 주사 전극(14) 사이에 인가되는 주사 전압(VS)에 비례한다. 결국, 주사 전압(Vs)은 다음 식으로 표현되는 바와 같이 시간에 대하여 변화되는 것으로 이해된다.
vS=ct/(1-c2t2)1/2 ("c"는 상수, "t"는 시간)
주사 전압(VS)이 시간의 경과에 따라 변화하는 방식, 즉 파형은 도 15에 실선 92로 나타내어져 있다. 도면은 이러한 변화를 과장하여 보여준다. 참고로, 단순한 삼각파형은 파선 94로 나타내어져 있다.
따라서, 상기 수학식 9로 나타내어지는 주사 전압(VS)은 주사 전원(16)으로부터 주사기(12)를 구성하는 1쌍의 평행한 주사 전극(14) 사이에 인가된다. 그 결과, 정전 편향기(30)로부터 출사된 이온빔(4a)의 주사 방향에 있어서 직선이 주사되는 속도; 즉 Y축에 평행한 방향에 있어서의 주사 속도가 일정해진다.
주사 속도가 일정해지고, 이와 아울러 타겟(50)이 주사 기구(54)에 의해 Z축에 평행한 방향에 있어서 소정 주사 속도로 기계적으로 왕복 운동하게 되며, 그 결과 타겟(50)의 전면에 걸쳐서 균일한 이온 주입량 분포가 얻어질 수 있다.
이상의 설명은 제1 주입각(φ) 및 제2 주입각(ψ)이 0°인 경우(즉, 수직 빔이 타겟에 주입되는 경우)에 대한 것이다. 도 16은 제1 주입각(φ)이 0°가 아닌 경우(즉, 빔이 소정 각도로 타겟에 주입되는 경우)의 예를 보여준다. 이 도면은, 타겟(50) 주위를 도 1과 동일한 방향에서 보아 도시하는 것이다. 도 16에 있어서, 주입각(φ)을 일정하게 유지하면서 주사 기구(54)에 의해 타겟(50)을 왕복 이동시키기 위해서는, 두 가지 경우가 가능하며; 즉 (a) 타겟(50)을 위치 A와 B 사이에서 화살표 86으로 나타내는 바와 같이 타겟(50)의 표면에 평행하게 왕복 운동시키는 경우와; (b) 타겟(50)을 위치 A와 C 사이에서 화살표 88로 나타내는 바와 같이 Z축에 평행한 축(72)(도 14 참조)에 평행하게 왕복 운동시키는 경우가 가능하다. 타 겟(50)이 (a)와 (b) 중 어느 방향으로 주사되더라도, 이온빔(4a)의 타겟(50)의 표면에 대한 주입각(φ)은 일정하다.
(a)의 경우, 이온빔(4a)이 주입되는 타겟(50) 상의 위치는, 이온빔(4a)의 진행 방향; 즉 X축에 평행한 방향에 있어서 타겟(50)의 면내에서 변화되지 않고 일정하게 유지된다. 구체적으로, 이온빔(4a)은 타겟(50)의 모든 면내에 있어서 축(72)으로부터 소정 거리(L4)만큼 이격된 위치에 주입된다. 따라서, 이온빔(4a)의 상태(즉, 단면 프로파일의 치수)에 있어서 그 진행 방향으로 변화가 일어난 경우에도, 이온빔(4a)을 타겟(50)의 전면에 동일 조건으로 조사하여 이온 주입을 행할 수 있게 된다. 그러나, 타겟(50)의 기계적인 왕복 주사 폭은 (b)의 경우에 달성되는 것보다도 1/cosφ만큼 커진다.
(b)의 경우, 이온빔(4a)이 주입되는 타겟(50) 상의 위치는, X축에 평행한 방향에 있어서 타겟(50)의 면내에서 변화한다. 구체적으로, 타겟(50)의 표면이 위치 A에서 C까지 주사된 경우를 살펴보면, 이온빔(4a)은 타겟(50)의 일단부(50a)로부터 중앙부(50b)를 지나 타단부(50c)까지 조사된다. 이온빔은 타겟(50)의 면내에 있어서 거리(L3)만큼 변화(전진 및 후진)한다. 따라서, (a)의 경우의 단점이 (b)의 경우의 단점이 되고, (a)의 경우의 장점이 (b)의 경우의 단점이 된다.
(a), (b) 어느 경우라도, 타겟(50)의 면내에 있어서의 우수한 주입 균일성을 확보하는 데 요구되는 주사 전압(VS)의 시간 경과에 따른 변화는, 수학식 9에 기초하여 달성될 수 있다.
이 이온빔 조사 장치에서는, 타겟(50)에 대한 주입 균일성의 측정과, 그 측정 정보에 기초한 이온빔(4)의 주사파형 등의 정형을 위한 방법으로서, 일본 특허 제2969788호 공보에 기재되어 있는 기술을 이용할 수 있다.
이제 이것을 도 1을 참조하여 간단히 설명한다. Y축에 평행한 방향으로 주사되는 이온빔(4a)을 받을 수 있는 다중점으로 구성된 다중점 패러데이열(56 및 58)을, 주사 방향(즉, Y축에 평행한 방향)에 있어서 타겟(50) 유지용 홀더(52)의 상류 및 하류 위치에 미리 마련해 둔다. 또한, 하류의 다중점 패러데이열(58)은 이온빔(4a)의 빔 라인에 고정될 수 있다. 그러나, 상류의 다중점 패러데이열(56)은 화살표 78로 나타내는 바와 같이 이동되고, 측정시에만 이온빔(4a)의 빔 라인으로 이동된다.
주사된 이온빔(4a)의 주사 방향에 있어서 빔 전류량(즉, 빔 전류의 시간 적분치)의 분포에 관한 정보와, 이온빔의 평행성에 관한 정보는 2개의 다중점 패러데이열(56 및 58)로부터 얻어진다. 이 정보에 기초하여, 상기 빔 전류량 분포 및 평행성이 향상되도록, 주사기(12)에 공급되는 주사 전압(VS)의 파형과, 정전 편향기(30)에 공급되는 편향 전압(VD)의 크기를 조정한다. 구체적으로, 한 영역의 빔 전류량이 다른 영역보다도 많다면, 상기 영역에 상응하는 주사 전압(VS)을 천천히 변화시킨다. 빔 전류량이 다른 영역보다도 적은 영역에서는, 상기 영역에 상응하는 주사 전압(VS)을 빠르게 변화시킨다.
이제, 타겟(50)에 입사하는 이온빔(4a)의 평행성을 도 17a 내지 도 17c를 참 조하여 설명한다. 편향 전압(VD)이 적절할 때는, 도 17a에 도시한 바와 같이 이온빔(4a)은 X축에 평행해진다. 편향 전압(VD)이 부족하여져 이온빔의 편향 각도가 90°보다도 작아진 때에는, 도 17b에 도시한 바와 같이 이온빔은 X축에 평행해지는 것이 아니라 넓어진다. 편향 전압(VD)이 과대하고 편향 각도가 90°보다도 클 때에는, 도 17c에 도시한 바와 같이 이온빔은 X축에 평행해지는 것이 아니라 좁아진다. 따라서, 2개의 다중점 패러데이열(56 및 58)에 대한 정보에 기초한 측정을 통하여 얻어진 상태가 도 17b 또는 도 17c에 도시된 상태인 것으로 있는 것이 결정되면, 편향 전압(VD)은 상태의 정도에 따라서 증대되거나 감소된다.
본 발명에 따른 이온빔 장치(보다 구체적으로 이온 주입 장치)의 사양의 일례는 다음과 같다.
X-Z 평면의 방향 : 수평
Y-Z 평면의 방향 : 수직
이온빔이 주사기(12)에 입사되는 방향 : Z축에 평행
타겟(50)에 입사되는 이온빔(4a)의 에너지 : 1 keV∼300 keV
이온빔(4a)을 구성하는 이온의 질량 "m" : 10 AMU∼250 AMU
이온 소스(2)로부터의 이온빔(4)의 인출 전압 : 10 kV∼50 kV
질량 분리 전자석(6) : 설치됨
분석 슬릿(10) : 주사기(12)의 바로 상류에 형성됨. 슬릿 폭을 변화시킴으로써, 질량 분해능을 조정할 수 있음(질량 분해능의 가변 범위는 m/Am=10∼100).
정전형 주사기(12)에 인가되는 주사 전압(VS) : 최대 ±20 kV
주사기(12)의 주사 각도(θ) : 최대 ±20°
가감속기(22) : 설치됨
가감속 전압(VA) : 0∼250 kV
편향 전압(±VD) : 최대 ±100 kV
정전 편향기(30)의 편향 전극(32)의 재료 : 카본
편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)의 형상 : 토러스의 일부
정전 편향기(30)의 편향 반경(R) : 최대 1000 mm
거리(L1)(도 5 참조) : 최대 1000 mm
정전 편향기(30) 출구로부터 타겟(50)까지의 거리 : 최대 500 mm[편향 전자석(42)이 마련되지 않은 경우]
빔 마스크(46)의 빔 통과 구멍(48)의 형상 : 원호
주입시 홀더(52)의 왕복 이동 방향 : 수평
각도 주입 : 가능; 즉 홀더(52)를 축(66)(도 11 참조)의 주위로 회전시켜 주입각(φ)을 설정할 수 있음.
홀더(52)의 왕복 주사 방향 : 타겟(50)의 표면에 평행
다중점 패러데이열(56 및 58) : 마련됨. 패러데이열의 측정에 대한 정보에 기초하여, 주사 전압(VS) 및 편향 전압(VD)을 설정할 수 있음.
이어서, 전술한 기능(즉, 이온빔의 평행화 및 에너지 분리 기능) 이외에, 이온빔을 가속 및 감속하는 기능이 정전 편향기(30)에 제공되는 실시예를, 이 실시예와 전술한 각 실시예 사이의 차이점에 주로 초점을 맞춰 설명한다. 이하의 설명은 주로 이온빔의 가속 및 감속에 관한 것이며, 에너지 분리의 작용은 전술한 바와 동일하다. 따라서, 도면 부호 4는 이온빔을 대표한다.
도 18은 정전 편향기가 이온빔의 가감속 기능을 갖는 실시예를 보여준다. 이 실시예에서, 정전 편향기(30)는 간격을 두고서 서로 마주보는 내측 편향 전극(32a)과 외측 편향 전극(32b)을 구비한다. 내측 편향 전극(32a) 및 외측 편향 전극(32b)은 각각 편향각이 증대되는 방향으로 "n"개("n"은 2 이상의 정수)로 분할되어, "n"쌍의 편향 전극을 형성한다. 구체적으로, 내측 편향 전극(32a1)과 그에 대응하는 외측 편향 전극(32b1)이 1쌍의 편향 전극을 구성한다. 또한, 내측 편향 전극(32a2)과 그에 대응하는 외측 편향 전극(32b2)이 다른 1쌍의 편향 전극을 구성한다. 이하의 설명에 있어서 임의의 등가물에 대해 동일한 것이 적용된다. 도시 공간의 한정 때문에, 도 18에는 4쌍(즉, n=4)의 편향 전극이 마련되어 있다. 그러나, 편향 전극의 쌍의 수는 4에 한정되는 것이 아니다.
이 실시예에서, "n"쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면(33) 사이의 간격은 정전 편향기(30)의 입구로부터 출구까지 일정하게 유지된다. 이러한 편향 전극은 대개 원호형 단면 프로파일을 갖는 것으로 간략히 지칭된다.
정전 편향기(30)의 입구의 전위를 V1, 정전 편향기(30)의 출구의 전위를 V2 라고 하면, 이온빔(4)은 정전 편향기(30)가 이온빔을 편향시키면서 감속시킬 때 수학식 10의 관계를 충족시키게 되고, 정전 편향기(30)가 이온빔을 편향시키면서 가속시킬 때 수학식 11의 관계를 충족시키게 된다.
V1<V2
V1>V2
n쌍의 편향 전극 중 내측 편향 전극(32a1∼32an) 각각에는 제1(내측) 편향 전원(40a)으로부터 입구측으로 전압(Va1∼Van)이 인가된다. n쌍의 편향 전극 중 외측 편향 전극(32b1∼32bn)의 각각에는 제2(외측) 편향 전원(40b)으로부터 입구측으로 전압(Vb1∼Vbn)이 인가된다. 편향 전원(40a, 40b)은 단일 전원 또는 복수 개의 전원으로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 내외의 편향 전극(32a1∼32an, 32b1∼32bn) 각각에 전압(Va1∼Vbn)을 인가하는 편향 전원(40a, 40b)의 예로서, (1) 저항 분할법 또는 (2) 다중 전원법을 이용할 수 있다.
(1) 저항 분할법에 기초한 편향 전원
도 29는 이 편향 전원의 회로도의 일례를 도시한다. 내외의 편향 전극(32a1 ∼32an, 32b1∼32bn)에 인가되는 최대 전압의 범위 내에서 최대 전압을 공급할 수 있는 전원[도시된 실시예에서는 편향 가속 전원(112) 및 편향 감속 전원(114)]이 편향 전원(40a, 40b)에 각각 마련된다. 이들 전원으로부터 출력된 전압은 각각 복수의 가변 저항기(116)에 의해 분할 및 출력되어, 이온빔의 요건에서 원하는 전압(Va1∼Van, Vb1∼Vbn)이 발생될 수 있다. 내외의 편향 전극에 인가되는 전압의 범위가 플러스의 범위 및 마이너스의 범위에 걸치는 경우에는, 도시된 실시예의 경우와 같이 플러스 및 마이너스에 할당된 2개의 전원(112, 114)을 편향 전원(40a, 40b)에 마련하면 된다. 편향 전원이 가속 모드 또는 감속 모드 중 어느 한쪽으로 사용되는 경우에는, 편향 가속 전원(112) 또는 편향 감속 전원(114)만을 편향 전원에 마련하면 된다. 편향 전원을 가속 모드와 감속 모드 사이에서 스위칭하면서 사용하는 경우에는, 도시된 실시예의 경우와 같이 각 편향 전원에 편향 가속 전원(112) 및 편향 감속 전원(114)을 마련한다. 또한, 가속 모드 또는 감속 모드에 따라 스위칭 가능한 방식으로 전압이 출력되도록, 편향 전원에 전환 스위치(118)를 마련하는 것이 더 바람직하다. 이 저항 분할법은 전원의 수를 줄일 수 있다는 이점을 제공한다.
(2) 다중 전원법에 기초한 편향 전원
도 30은 이 편향 전원의 회로도의 일례를 도시한다. 각각의 내측 편향 전극(32a1∼32an) 및 외측 편향 전극(32b1∼32bn)에 대응하고, 가속 모드 및 감속 모드에 대응하며, 직렬로 접속된 복수의 전원[도시된 실시예에서는 편향 가속 전 원(112) 및 편향 감속 전원(114)]이 편향 전원(40a, 40b)에 마련된다. 내측 편향 전극(32a1∼32an)에 인가되는 전압(Va1∼Van)과 외측 편향 전극(32b1∼32bn)에 인가되는 전압(Vb1∼Vbn)의 범위가 플러스 범위와 마이너스 범위에 걸치는 경우에는, 일부 전원에 대하여 플러스 전압 또는 마이너스 전압을 출력할 수 있는 전원을 사용하는 것이 더 바람직하다. 가속 모드와 감속 모드의 전환에는 (1)의 경우와 같이, 편향 전원에 복수 개의 전환 스위치(118)를 마련하기만 하면 된다. (2)의 방법의 경우, 모든 편향 전극(32a1∼32an, 32b1∼32bn)에 전원을 마련하는 것은 비경제적이다. 따라서, 일부 전원은 (1)의 방법을 병용하는 저항 분할법에 기초한 전원으로 대체될 수 있다. 실제로, 복수 개의 전원을 개별적으로 마련한 것은 곤란한 경우가 많다. 따라서, 통합된 하나의 전원으로부터 다수의 전압을 공급하는 것이 바람직하다.
이온빔(4)이 정전 편향기(30)에 의해 감속되는 경우, 각 전압은 다음 관계를 충족시킨다.
Va1<Va2<…<Van
Vb1<Vb2<…<Vbn
Va1<Vb1, Va2<Vb2, …, Van<Vbn
이온빔(4)이 정전 편향기(30)에 의해 가속되는 경우, 각 전압은 다음 관계를 충족시킨다.
Va1>Va2>…>Van
Vb1>Vb2>…>Vbn
Va1>Vb1, Va2>Vb2, …, Van>Vbn
수학식 10 및 12에 정의된 관계가 충족됨으로써, 정전 편향기(30)는 이온빔(4)을 편향하면서 서서히 감속할 수 있다. 또한, 수학식 11 및 수학식 13에 정의된 관계가 충족됨으로써, 정전 편향기(30)는 이온빔(4)을 편향하면서 서서히 가속할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이 실시예에서 정전 편향기(30)는 이온빔(4)을 편향하면서 감속 또는 가속할 수 있다. 전술한 바와 같이, 가감속기(22)를 별도로 마련할 필요가 없다. 따라서, 도 18에 도시된 실시예에는 가감속기(22)가 마련되어 있지 않다. 그 결과, 가감속기를 별도로 마련하는 경우에 비해, 빔 라인 길이를 더 짧게 할 수 있다. 따라서, 이온빔(4)의 분산 등으로 인한 손실이 더 저감하여, 빔 수송 효율이 향상되고, 보다 큰 빔량이 쉽게 확보된다. 또한, 빔 라인 길이를 대폭 짧게 할 수 있어, 전체 시스템을 보다 컴팩트하게 할 수 있다.
특히, 이온빔(4) 감속의 경우, 가감속기(22)가 마련되고 이 가감속기에 의해 이온빔이 원하는 에너지 레벨까지 완전히 감속되었을 때, 그리고 이온빔이 그 후에 정전 편향기(30)를 통과하게 되었을 때, 낮은 에너지의 빔 라인은 길어지고, 공간 전하 효과로 인한 이온빔(4)의 분산이 커진다. 이와는 달리, 이 실시예에서는, 정 전 편향기(30) 내에서 이온빔(4)이 편향되면서 서서히 원하는 에너지 레벨까지 감속되었을 때, 낮은 에너지의 빔 라인이 정전 편향기(30) 내의 임의의 위치에서 더 짧아진다. 따라서, 공간 전하 효과로 인한 이온빔(4)의 분산이 억제될 수 있다. 그 결과, 낮은 에너지로 큰 전류의 이온빔(4)을 추출하는 것이 용이해진다.
이 실시예의 정전 편향기(30)는 이온빔(4)을 가속 또는 감속할 수 있다. 전술한 바와 같이, 가속 및 감속이 필요하지 않다면, 이온빔의 편향만이 수행될 수 있다. 이 경우, V1=V2로 설정하고 다음 식의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.
Va=Va1=Va2= …=Van
Vb=Vb1=Vb2= …=Vbn
Va<Vb
도 18에 2점 쇄선으로 표시된 바와 같이, 주사기(12)와 정전 편향기(30) 사이에는; 보다 구체적으로 정전 편향기(30) 입구의 상류 부근 위치에는 렌즈 시스템(110)이 필요에 따라 마련될 수 있는데, 이 렌즈 시스템은 정전 편향기(30)에 입사하는 이온빔(4)의 방향 조정이나 정형 등을 행하고; 예컨대 X 방향의 방향 조정이나 X 방향의 두께 조정을 행한다. 렌즈 시스템(110)은, 예컨대 정전 렌즈; 보다 구체적으로 유니포텐셜 렌즈이다. 렌즈 시스템(110)의 빔 통과 구멍은 도시되어 있지 않지만, 가감속기(22)의 빔 통과 구멍(26)과 동일한 형상으로 만들어지는 것이 바람직하다.
이제, 정전 편향기(30)가 이온빔(4)을 편향하면서 감속 또는 가속하는 원리와, 원활한 가감속을 위한 요건(즉, 전극의 형상, 인가 전압 등)을 상세히 설명한다.
(1) 정전 편향기(30)가 원호형 단면 프로파일의 편향 전극을 구비하는 경우
(1-1) 이온빔이 가속 또는 감속되지 않고 단지 90°편향된 경우
이 경우를 도 19를 참조하여 설명한다. 내측 편향 전극(32a)의 반경[구체적으로 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)의 반경; 이하 마찬가지임]을 ra로 한다. 외측 편향 전극(32b)의 반경[구체적으로 편향 전극(32)의 서로 대향하는 면(33)의 반경; 이하 마찬가지임]을 rb로 한다. 이온빔(4)(보다 구체적으로 원하는 에너지의 이온빔)의 궤도 반경을 rc로 한다. 내외의 편향 전극(32a, 32b)에 인가되는 전압을 각각 Va, Vb로 한다. 이온빔은 90°편향되었기 때문에, Va<Vb이 성립한다. 정전 편향기(30)의 입구의 전위를 V1로 하고, 그 출구의 전위를 V2로 한다. 이 경우, 가속 또는 감속을 행하지 않기 때문에, V1=V2=O[V]이다.
이 경우에 얻어지는 전기장(E)은 다음 식으로 주어진다. 여기서, log는 자연대수이고; "r"은 편향 전극(32a, 32b) 사이에 있는 임의의 점의 반경을 나타낸다.
E=(Vb-Va)/r·log(rb/ra)
반경 "r"의 점의 전위(V)는 수학식 15의 적분에 의해 다음 식으로 주어진다. 여기서, r=ra에서 V=Va이고, r=rb에서 V=Vb이다.
V={(Vb-Va)/log(rb/ra)}log(r/ra)+Va
이온빔(4)의 궤도가 반경 "r"의 원 궤도를 취하게 하기 위해, 이온빔(4)을 형성하는 이온의 전하를 "q"로 하고 빔 속도를 "v"로 하면, 반경 "r" 방향의 균형을 위한 요건으로부터 다음 식이 성립한다.
qE=mv2/r
이온빔(4)의 운동 에너지에 대응한 가속 전압을 Vm으로 하면, 다음 식이 성립한다.
mv2/2=qVm
수학식 17 및 수학식 18로부터 E=2Vm/r이 유도되고, 이 식을 수학식 15에 대입하면, 다음 식이 얻어진다.
Vb-Va=2Vmlog(rb/ra)
내외의 편향 전극(32a, 32b) 사이의 전위차는 반경(ra)과 반경(rb) 사이의 비의 대수의 2배에, 이온빔(4)의 운동 에너지에 대응하는 가속 전압(Vm)을 곱함으로써 결정된다. 가속 또는 감속이 행해지지 않은 경우, 전압(Vb)을 대개 +VD로 취하고, 전압(Va)을 대개 -VD로 취하여, 이온빔(4)의 궤도상에서의 전위가 0 V가 되도록 결정된다. 이 때, 수학식 19로부터 수학식 20을 얻어진다.
VD=Vmlog(rb/ra)
가속 또는 감속이 행해지는 경우, 대개 전압은 평행판 타입의 전극의 경와와 마찬가지로 바이어스 전압(Vbias)을 고려하여 다음 식과 같은 형태로 다루어진다. 이 바이어스 전압(Vbias)은 가속 및 감속에 이용된다.
Va=-VD+Vbias, Vb=VD+Vbias
(1-2) 이온빔을 90°편향하고 가속 또는 감속을 행하는 경우
이 경우를 도 20을 참조하여 설명한다. 여기서, 두 쌍의 편향 전극이 이용된다. 도 19와 공통되는 것의 도면 부호의 대부분이 생략되어 있다.
예로서, 정전 편향기(30)의 입구에서의 에너지 레벨이 20 keV인 이온빔(4)을 15 keV만큼만 감속하여, 이온빔(4)을 정전 편향기의 출구에서의 에너지 레벨이 5 keV에 이르기까지 감속하는 경우를 고려한다. 이 경우, 정전 편향기(30)의 입구에 서의 전위(V1)를 -15 kV로 설정하고, 정전 편형기의 출구에서의 전위(V2)를 O V로 설정한다. 출구에서 얻어지는 이온빔(4)의 운동 에너지(qVe)에 대응하는 전압(Ve)은 5 kV이다.
각 내측 편향 전극(32a1, 32a2)의 반경(ra)은 변하지 않은 채 유지되는 것으로 가정한다. 또한, 외측 편향 전극(32b1, 32b2)의 반경(rb)도 변하지 않은 채 유지되는 것으로 가정한다. 간단하게 하기 위해, K1=log(rb/ra)으로 설정한다.
정전 편향기(30)의 입구에서 얻어지는 이온빔(4)의 운동 에너지는 qVm1[eV]이다. 따라서, 수학식 20으로부터 다음 식을 얻을 수 있다.
VD1=K1(Ve-V1)=K1Vm1
수학식 21에서 Vbias를 V1로 함으로써, 편향 전극(32a1, 32b1)의 입구측 영역에서 나타나는 전압(Va1, Vb1)은 다음 식으로 정의된다.
Va1=-VD1+V1
Vb1=VD1+V1
마찬가지로, 정전 편향기(30)의 출구에서 얻어지는 이온빔(4)의 운동 에너지 는 qVm2[eV]이다. 전술한 바와 동일한 방식으로, 수학식 24가 얻어진다. 또한, 출구측의 편향 전극(32a2, 32b2)의 전압(Va2, Vb2)은 수학식 25로 표현된다.
VD2=K1(Ve-V2)=K1Vm2
Va2=-VD2+V2
Vb2=VD2+V2
내측 편향 전극(32a1, 32a2) 사이의 전위차(Vin)는 수학식 23 및 수학식 25에 의해 다음과 같이 결정된다.
Vin=Va2-Va1=(1+K1)(V2-V1)
마찬가지로, 외측 편향 전극(32b1, 32b2) 사이의 전위차(Vout)는 수학식 23 및 수학식 25에 의해 다음과 같이 결정된다.
Vout=Vb2-Vb1=(1-K1)(V2-V1)
전술한 바와 같이, 예컨대 ra=0.35[m], rb=0.45[m]인 경우, K1=O.251이 얻어진다. 전술한 바와 같이, V1=-15[kV], V2=0[V]이므로, Vin=18.77[kV], Vout=11.23[kV] 이 얻어진다. Vout보다도 Vin이 크고, 양자의 차는 감속 전압(즉, V2와 V1사이의 차)이 커질수록 커진다. 따라서, 인접 편향 전극(32a1과 32a2) 사이에 형성되는 전기장이 커진다. 이 전기장에 주의하지 않으면, 이러한 전기장의 증대는 이온빔(4)의 궤도에 교란을 야기하게 된다. 평행판 전극의 경우, K1=0이므로 이러한 교란은 발생하지 않는다.
상기 전기장의 교란은 인접 편향 전극 사이의 간격을 넓히는 것에 의해 어느 정도 완화된다. 그러나, 상기 간격을 지나치게 넓히면, 이온빔(4)의 편향이 어려워져, 약간의 주의가 요구된다.
도 20에 도시된 원리에 기초하여 수행한, 빔 궤도 등의 시뮬레이션 결과의 일례를 도 21에 도시한다.
이제, 도 21∼도 28에 도시된 시뮬레이션에서 공통되는 사항을 설명한다. 여기서, 이 시뮬레이션은 2차원 해석이고, 이온빔(4)을 형성하는 이온의 질량수는 11으로, 이온빔(4)의 빔 전류 밀도는 25 mA/m으로 설정하였다(빔 전류 밀도의 분모가 m2가 아닌 것은, 2차원 해석이 행해지고, 상기 밀도는 지면의 전방으로부터 후방으로 나아가는 방향에 있어서 지면으로부터 1 m에 위치하는 깊은 내부 위치에서 얻어지는 전류 밀도이기 때문이다). 정전 편향기(30)의 입구 및 출구에서 얻어지는 이온빔(4)의 에너지는 각 도면에 도시되어 있다. 동일한 하첨자 1, 2 …가 할당되어 있는 내측 편향 전극(32a)과 외측 편향 전극(32b)은 각 쌍을 이룬다. 정전 편향기(30)의 입구 및 출구 부근을 둘러싸는 굵은 실선(102, 104)은 시뮬레이션의 경 계 조건을 정하기 위해 마련된 것이며, 빔 라인의 벽면을 모의한 것이다(이것은 실제 장치의 빔 라인이 도시된 형상을 지닌다는 것을 의미하는 것은 아님). 이 경계 조건의 전위는 괄호 안에 나타내어져 있다. 이들 전위는 정전 편향기(30)의 입구 전위(V1) 및 출구 전위(V2)에 상당한다. 정전 편향기(30)의 출구 전위는 통상 0 V이기 때문에, 이 시뮬레이션에서도 동일한 전위가 사용된다. 또한, 도 21에 도시된 굵은 실선(103)은 전술한 바와 동일한 방식으로 경계 조건을 정하기 위해 마련된다. 도면 부호 106은 등전위면(상기 시뮬레이션은 2차원 해석이므로, 등전위면은 등전위선이라고도 할 수 있음)을 나타내고 있다. 2개의 등전위면(106) 사이의 전위차는 각 도면에 ΔV로 나타내어져 있다. 0 V의 등전위면에는 0 V가 표시된다.
도 21은 원호형 단면 프로파일을 각각 갖는 2쌍의 편향 전극(32a1, 32a2, 32b1, 32b2)을 포함하는 정전 편향기(30)가, 이온빔(4)을 20 keV의 에너지 레벨에서 5 keV의 에너지 레벨로 감속하는 경우를 보여준다. 물론, 이온빔(4)은 90°편향된다(이는 모든 실시예에 대해서 공통의 사항이므로, 이하에서는 반복 언급하지 않는다).
각 편향 전극의 전압은 다음과 같다.
32a1 : -20 kV, 32b1 : -9.9 kV
32a2 : -1.4 kV, 32b2 : 1.4 kV
도 21에 도시된 실시예에서는, 인접 편향 전극 사이의 간격과 각 편향 전극 에 인가되는 전압에 주의했기 때문에, 이온빔(4)의 궤도의 교란이 비교적 작은 레벨로 감소될 수 있다.
(2) 정전 편향기(30)에 있어서 이온빔(4)을 원활하게 가속 및 감속하는 방법
이온빔(4)이 정전 편향기(30) 내에서 급격하게 감속될 때, 공간 전하가 이온빔에 집중하여 이온빔의 분산이 증대된다. 이러한 공간 전하의 집중을 피하기 위해, 이온빔(4)의 완만한 감속이 바람직하다. 가속의 경우에도, 정도의 차는 있으나, 이온빔(4)의 완만한 가속이 역시 바람직하다.
다시 도 19를 참조하면, 정전 편향기(30) 내에서 이온빔(4)의 궤도상의 임의의 각도(β)에서 얻어지는 이온빔(4)의 전위(V)는, 일례로서 다음 식으로 표현된 일차식에 따라 변화되는 것으로 고려된다(완만한 경사를 갖는 다른 함수도 고려할 있음). 여기서, 각도(β)는 입사 이온빔(4)에 평행한 선(108)(즉, Z축)에 대한 각도이다. 정전 편향기(30)의 입구의 개시각(βstart)이 90°, 그 출구의 최종각(βend)이 180°이다. 개시각(βstart)에서 V=V1, 최종각(βend)에서 V=V2로 변화되도록 설정한다.
V={(V2-V1)/(βend-βstart)}·(β-βstart)+V1
가속 또는 감속되는 중에 이온빔(4)의 운동 에너지는 다음 식으로 주어진다. 여기서, 전술한 바와 같이, Vm은 운동 에너지에 대응한 전압을; Ve는 정전 편향기(30)의 출구에서 얻어지는 운동 에너지에 대응하는 전압을 나타낸다.
mv2/2=qVm=q(Ve-V)
정전 편향기(30) 내의 반경 "r"의 점에서 얻어지는 전위(V)는 수학식 16에 의해 결정된다. 이 식은 다시 다음과 같이 표현된다.
V={(Vb-Va)/log(rb/ra)}log(r/ra)+Va
이제, 수학식 30과 상기 수학식 28을 같다고 해 두면, 원하는 빔 궤도상의 전위는, 내외의 편향 전극(32a, 32b)에 인가되는 전압(Va 및 Vb)으로 설정될 수 있다. 수학식 30을 변형하면 다음 식이 얻어진다.
log(r/ra)={(V-Va)/(Vb-Va)}log(rb/ra)
내외의 편향 전극(32a, 32b) 사이의 전기장 형성 조건은 수학식 19와 수학식 29에 의해 다음 식으로 결정된다.
log(rb/ra)=(Vb-Va)/2(Ve-V)
수학식 31과 수학식 32에 기초하여, 정전 편향기(30) 내의 임의의 반경(r)에서의 전위에 대한 조건은 다음 수학식 33 또는 수학식 34로 주어진다.
log(r/ra)=(V-Va)/2(Ve-V)
log(rb/r)=(Vb-V)/2(Ve-V)
수학식 28로 표현된 궤도상의 전위(V)는 각도(β)의 함수이다. 각도(β)를 파라미터로 취하면서, 수학식 28로부터 전위(V)를 계산한다. 이온빔(4)의 설계 궤도 반경은 수학식 33에 의해 r=rc로 결정되어, 내측 편향 전극(32a)의 반경(ra)이 결정된다. 마찬가지로, 외측 편향 전극(32b)의 반경(rb)은 수학식 34에 의해 결정된다. 이들 반경은 수학식 35에 의해 표현된다.
ra=rcexp{-(V-Va)/2(Ve-V)}
rb=rcexp{(Vb-V)/2(Ve-V)}
전위(V)는 내외의 편향 전극(32a, 32b)의 전압(Va, Vb) 사이에 있고, 이들 전압 사이의 중간; 즉 Vb>V>Va이어야 한다. 또한, 이온빔(4)이 정전 편향기(30)를 통과하게 하기 위해, Ve>V이어야 한다. 수학식 35로부터, 이온빔(4)은 상기 조건하에서 rb>rc>ra로 편향 전극(32a, 32b) 사이를 통과하는 것으로 이해된다.
내외의 편향 전극(32a, 32b)의 전압(Va, Vb)의 관점에서 상기 식들을 나타내 면, 다음 식이 r=rc에서 수학식 31, 32로부터 주어진다.
Va=V-2(Ve-V)log(rc/ra)
Vb=V+2(Ve-V)log(rb/rc)
수학식 35와 수학식 36은 서로 수학적으로 등가의 관계에 있다. 따라서, 수학식 35 또는 36에 정의된 관계가 충족되면, 이온빔(4)은 이온빔(4)의 설계 궤도 반경에서 원활하게 가속 또는 감속될 수 있다. 이 경우, 상기 관계를 엄밀하게 충족하는 것이 가장 바람직하지만, 실제로는 조금 벗어나는 것은 허용된다. 따라서, 단지 상기 관계를 실질적으로 충족시키면 된다. 다시 말하면, 실질적인 요건은 상기 관계를 충족시키는 것이다.
실제의 정전 편향기(30)의 사양의 예로서는 다음과 같은 것을 채용할 수 있다.
(a) 전압(Va, Vb)을 일정하게 유지하면서, 각도(β)에 대하여 반경(ra, rb)을 변경한다.
(b) 반경(ra, rb)을 일정하게 유지하면서, 각도(β)에 대하여 전압(Va, Vb)을 변경한다. 이 경우, 인가 전압(Va, Vb)을 변경하기 위해, 편향 전극(32a, 32b)을 복수 쌍으로 나눈다.
(c) 궤도 반경(rc)을 변경한다.
(d) 이상의 조합을 채택한다.
엄밀하게는, 정전 편향기(30)의 전극의 최적 형상은, 빔 에너지 또는 가감속 등과 같은 조건에 따라 변화한다. 낮은 에너지의 경우, 이온빔(4)의 에너지는 낮으므로, 미세한 전기장의 리플(ripple)을 무시하기 어려워진다. 따라서, 이 때에 얻어지는 전극의 형상은 특히 중요하다. 그러나, 빔의 에너지가 높아질 때, 전극의 형상이 완전히 적합하지는 않지만 평균적인 것이라면, 빔 궤도상에서는 이미 동일한 전기장이 발생되었기 때문에, 빔 궤도에서 큰 차이는 나타나지 않는다. 따라서, 미세한 전기장의 리플은 무시할 수 있다.
한 가지 방법에서, 감속 모드에 적합한 다수의 편향 전극의 쌍을 마련하고, 가속 모드에서는 이들 다수 쌍의 편향 전극에 평균 전압을 인가함으로써, 동일한 편향 전극이 가속 모드에 호환 사용할 수 있게 된다. 다수의 전극이 감속 모드에서만 요구되는 것이 아니지만, 높은 에너지 모드(즉, 가속 모드)에도 호환 사용될 수 있도록, 다수의 전극이 바람직하다.
또한, 비교적 제조하기 쉽고 반경이 일정하며 원호형 단면 프로파일을 갖는 복수의 편향 전극을 이용하여, 각 편향 전극에 평균 전압을 인가함으로써, 가속 모드 및 감속 모드에 호환 사용될 수 있는 다른 방법도 채용될 수 있다.
별법으로서, 내외의 편향 전극의 각도를 기계적으로 조작함으로써, 전극 각도와 전압을 바꿔, 최적의 운전을 하는 방법도 채용할 수 있다.
도 22는 출구로 갈수록 넓어지고 있고 편향 전극(32a1∼32a4, 32b1∼32b4)으 로 구성되는 4쌍의 편향 전극을 구비하는 정전 편향기(30)로서, 이온빔(4)의 에너지가 20 keV에서 5 keV로 감속되는 정전 편향기의 일 실시예를 보여준다.
각 편향 전극의 전압은 다음과 같다.
32a1 : -20.3 kV, 32b1 :-5.2 kV
32a2 : -12.1 kV, 32b2 : -1.9 kV
32a3 : -6.6 kV, 32b3 : 0.2 kV
32a4 : -2.8 kV, 32b4 : 1.8 kV
ra=0.35[m], rb=0.51[m], rc=0.4[m], 전위 V1=-15[kV], V2=0[V], βstart=90[°] , βend=180[°], log(rc/ra)=0.1335, log(rb/rc)=0.24295로 하고, 편향 전극의 초기 위치(β)=90[°]에서 빔 편향 방향으로 편향 전극이 연장되는 조건에서, βstart에서 전위 V=V1가 얻어진다. 따라서, 수학식 36으로부터 다음 식이 얻어진다.
Va=-1500-2×0.1335×(5000+15000)=-20340[V]
Vb=-1500+2×0.24295×(5000+15000)=-5282[V]
전술한 방식으로 전압(Va, Vb)이 결정되면, 각도(β)에 대한 반경(ra, rb)이 식 28에 따라 계산되어, β=148.3[°]에서 V=Vb가 얻어진다. 각도가 상기 값을 넘 으면, V>Vb가 되어 적용 한계에 도달한다. 이 경우, 수학식 35에 따라 rb는 Vb=V에서 rb=rc가 된다. 상기 각도가 이 때에 얻어지는 값을 초과하면, rb<rc가 되어, 외측 편향 전극(32b)이 결국 이온빔(4)의 궤도에 들어가게 된다. 이러한 경우, 각도(β) 앞의 각도(βS)를 취하고 다음 전극 쌍을 설정하는 것이 더 바람직하다. 예컨대, 반경(ra, rb)의 초기값을 다시 취하고(본 발명의 실시예에서 ra=0.35[m], rb=0.51[m]); 수학식 28에 따라 각도(βS)에 대응하는 궤도상의 전위 V(βS)를 결정하며; 전술한 바와 동일한 방식으로 수학식 36에 따라 전압(Va, Vb)을 다시 결정하고; 수학식 35에 따라 각도(β)에 대응하는 반경(ra, rb)을 계산하는 것이 더 바람직하다. 각도(β) 앞의 각도(βS)는 이온빔(4)의 단면 치수(즉, 빔 직경)를 고려하여 내외의 편향 전극(32a, 32b)이 이온빔(4)에 접촉하지 않도록 결정되어야 한다. 이상의 이유로, 도 22에 도시된 실시예에서는 단차부 형성된 4쌍의 편향 전극을 채용하고 있다.
도 23은 도 22에 도시된 편향 전극(32a1∼32a4, 32b1∼32b4)의 반경(ra, rb)의 각도(β)에 대한 의존성을 보여준다. 각 쌍의 내외의 편향 전극 사이의 간격은 각도(β)가 커짐에 따라서 커지며; 즉 정전 편향기(30)의 출구로 갈수록 커진다.
도 22 및 도 23에 도시된 실시예는, 편향 전극의 쌍의 수를 4로 줄여서 도시하고 있다. 그러나, 편향 전극의 쌍의 수는 4에 한정되는 것이 아니다. 쌍의 수 는 4보다 크거나 작을 수 있다. 편향 전극의 쌍의 수가 커지면, 이온빔(4)의 궤도에서의 교란(발산)이 작아져, 이온빔(4)의 원활한 감속(또는 가속)이 가능해진다. 또한, 후술하는 도 24∼도 26에 도시된 실시예에도 같은 것이 적용될 수 있다.
도 22에 도시된 실시예에서는, 도 21에 도시된 실시예에 비해서, 이온빔(4)의 궤도에 있어서 교란이 적고 이온빔(4)이 원활하게 감속되는 것으로 이해된다. 구체적으로, 궤도가 정렬된 이온빔(4)이 정전 편향기(30)로부터 출사될 수 있다.
도 24는 편향기의 출구로 갈수록 좁아지고 있는 편향 전극(32a1∼32a4, 32b1∼32b4)으로 구성된 4쌍의 편향 전극을 구비한 정전 편향기(30)의 실시예로서, 이온빔(4)의 에너지가 40 keV에서 200 keV로 가속되는 정전 편향기를 보여준다. 도 22에 도시된 실시예와는 달리, 각 쌍의 내외의 편향 전극 사이의 간격은 각도(β)가 커짐에 따라서; 즉 정전 편향기(30)의 출구로 갈수록 좁아진다.
각 편향 전극의 전압은 다음과 같다.
32a1 : 125.5 kV, 32b1 : 177.8 kV
32a2 : 85.8 kV, 32b2 : 166.O kV
32a3 : 26.2 kV, 32b3 : 148.3 kV
32a4 : -66.4 kV, 32b4 : 120.7 kV
이 경우에서도, 이온빔(4)의 궤도의 교란이 적고 이온빔(4)이 원활하게 가속되는 것으로 이해된다. 구체적으로, 궤도가 정렬된 이온빔(4)이 정전 편향기(30) 로부터 출사될 수 있다.
도 25는 각각 원호형 단면 프로파일을 갖는 편향 전극(32a1∼32a9, 32b1∼32b9)으로 구성된 9쌍의 편향 전극을 구비하는 정전 편향기(30)의 실시예로서, 이온빔(4)의 에너지가 20 keV에서 5 keV로 감속되는 정전 편향기를 보여준다. 내외의 편향 전극의 반경(ra, rb)은 각각 일정하다. 구체적으로, 내외의 편향 전극 사이의 간격은 정전 편향기(30)의 입구로부터 출구에 이르기까지 일정하다.
각 편향 전극의 전압은 다음과 같다.
32a1 : -22.7 kV, 32b1 : -9.6 kV
32a2 : -20.3 kV, 32b2 : -8.3 kV
32a3 : -17.8 kV, 32b3 : -7.1 kV
32a4 : -15.4 kV, 32b4 : -5.8 kV
32a5 : -13.0 kV, 32b5 : -4.5 kV
32a6 : -10.6 kV, 32b6 : -3.2 kV
32a7 : -8.2 kV, 32b7 : -2.0 kV
32a8 : -5.8 kV, 32b8 : -O.7 kV
32a9 : -3.4 kV, 32b9 : 0.5 kV
도 25에 도시된 실시예의 경우에도, 이온빔(4)의 궤도의 교란이이 적고, 이온빔(4)이 원활하게 감속되고 있는 것으로 이해된다. 보다 구체적으로, 궤도가 정렬된 이온빔(4)이 정전 편향기(30)로부터 출사될 수 있다.
도 26은 각각 원호형 단면 프로파일을 갖는 편향 전극(32a1∼32a9, 32b1∼32b9)으로 구성된 9쌍의 편향 전극을 구비하는 정전 편향기(30)의 실시예로서, 이온빔(4)의 에너지가 40 keV에서 200 keV로 가속되는 정전 편향기를 보여준다. 내외의 편향 전극의 반경(ra, rb)은 각각 일정하다. 구체적으로, 내외의 편향 전극 사이의 간격은 정전 편향기(30)의 입구로부터 출구에 이르기까지 일정하다.
각 편향 전극의 전압은 다음과 같다.
32a1 : 129.2 kV, 32b1 : 162.6 kV
32a2 : 103.5 kV, 32b2 : 149.0 kV
32a3 : 77.8 kV, 32b3 : 135.4 kV
32a4 : 52.1 kV, 32b4 : 121.8 kV
32a5 : 26.4 kV, 32b5 : 108.2 kV
32a6 : O.7 kV, 32b6 : 94.6 kV
32a7 : -24.9 kV, 32b7 : 81.0 kV
32a8 : -50.6 kV, 32b8 : 67.4 kV
32a9 : -76.4 kV, 32b9 : 53.9 kV
도 26에 도시된 실시예의 경우에서도, 이온빔(4)의 궤도의 교란이 적고, 이온빔(4)이 원활하게 가속되고 있는 것으로 이해된다. 보다 구체적으로, 궤도가 정렬된 이온빔(4)이 정전 편향기(30)로부터 출사될 수 있다.
도 25에 도시된 정전 편향기(30)와, 도 26에 도시된 정전 편향기(30)는 각각의 편향기를 구성하는 편향 전극이 동일한 형상을 지니도록 구성될 수 있다. 따라서, 정전 편향기는 이온빔(4)의 감속 및 가속 모두를 위해 사용될 수 있다. 전극에 전압을 인가하는 방법은 이온빔이 가속되는지 또는 감속되는지에 기초하여 변경되는 것이 바람직하다.
도 27은 각각 편향기의 출구로 갈수록 넓어지는 편향 전극(32a, 32b)으로 구성된 한 쌍의 편향 전극을 구비하는 정전 편향기(30)의 실시예로서, 이온빔(4)의 에너지가 20 keV에서 5 keV로 감속되는 정전 편향기를 보여준다.
각 편향 전극의 전압은 다음과 같다.
32a : -19.2 kV, 32b : 1.2 kV
이 실시예의 경우와 같이 출구로 갈수록 넓어지는 1쌍의 편향 전극의 경우에서도, 이온빔(4)의 궤도의 교란이 적고, 이온빔(4)이 원활하게 감속되고 있는 것으로 이해된다. 보다 구체적으로, 궤도가 정렬된 이온빔(4)이 정전 편향기(30)로부터 출사될 수 있다.
도 28은 각각 편향기의 출구로 갈수록 좁아지는 편향 전극(32a, 32b)으로 구 성된 1쌍의 편향 전극을 구비하는 정전 편향기(30)의 실시예로서, 이온빔(4)의 에너지가 40 keV에서 112 keV로 가속되는 정전 편향기를 보여준다.
각 편향 전극의 전압은 다음과 같다.
32a : -35.8 kV, 32b : 76.2 kV
이 실시예의 경우와 같이 출구로 갈수록 좁아지는 1쌍의 편향 전극의 경우에도, 이온빔(4)의 궤도의 교란이 적고, 이온빔(4)이 원활하게 가속되고 있는 것으로 이해된다. 보다 구체적으로, 궤도가 정렬된 이온빔(4)이 정전 편향기(30)로부터 출사될 수 있다.
본 발명을 특정 실시형태를 참조하여 상세히 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이나 수정이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 분명하다.
본 출원은, 2003년 12월 4일에 출원된 일본 특허 출원 제2003-405342호와, 2004년 3월 17일에 출원된 일본 특허 출원 제2004-76756호에 기초한 것으로, 이러한 특허의 내용은 본원에 참조로서 인용되어 있다.

Claims (27)

  1. 이온빔을 추출하는 이온 소스;
    상기 이온 소스로부터 추출된 이온빔에서 원하는 질량의 이온빔을 분리하는 질량 분리 전자석;
    질량 분리 전자석을 통과한 이온빔을 주사면 내에 주사 중심을 중심으로 주사하는 주사기로서, 서로 평행한 1쌍의 주사 전극과, 이 1쌍의 주사 전극 사이에 Vs=ct/(1-c2t2)1/2("c"는 상수, "t"는 시간)로 표현되는 주사 전압(Vs)을 인가하는 주사 전원을 구비하는 것인 주사기;
    원하는 에너지의 이온빔이 상기 주사 중심에 중심을 둔 원호형 편향 영역 내에서 상기 주사면에 수직한 방향으로 진행하도록, 상기 주사기로부터 출사된 이온빔을 정전적으로 90°편향시키는 정전 편향기; 및
    이온 주입하여야 할 타겟을 유지하고, 상기 타겟이 상기 정전 편향기로부터 출사된 이온빔에 교차하는 방향으로, 상기 타겟을 기계적 및 왕복적으로 이동시키는 주사 기구
    를 포함하고,
    상기 주사 기구는, 상기 타겟의 표면에 평행한 방향으로 상기 타겟을 이동시키는 것인 이온빔 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정전 편향기는 서로 간격을 두고서 마주보는 1쌍의 편향 전극을 구비하는 것인 이온빔 장치.
  3. 제2항에 있어서, 1점에서 서로 직교하는 3개의 축을 X축, Y축 및 Z축으로 했을 때,
    상기 이온빔은 Z축에 평행하게 상기 주사기에 입사하고;
    상기 주사기는 상기 입사된 이온빔을 Y-Z 평면에 평행한 주사면 내에서 주사 중심을 중심으로 하여 주사하며;
    상기 정전 편향기는 상기 입사된 이온빔 안의 원하는 에너지의 이온빔을 90° 편향시켜 X축에 평행하게 출사하고;
    상기 주사 및 편향된 이온빔 안에서 원하는 에너지를 갖는 하나의 이온빔의 궤도를 고려한 경우에, 그 궤도는 직선부의 선단에, X축에 평행하게 되도록 호(弧) 형상으로 90°구부러진 호형부를 지니며;
    상기 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면은 각각, 상기 주사 중심을 통과하고 X축에 평행한 축을 기준으로, 상기 주사기가 상기 입사된 이온빔을 주사하는 방향으로, 상기 하나의 이온빔의 궤도를 회전시켰을 때에, 상기 호형부가 그리는 회전면과 정렬된 형상을 갖는 것인 이온빔 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 정전 편향기를 구성하는 각 편향 전극의 서로 대향하는 면은 각각, 상기 주사 중심을 통과하고 X축에 평행한 토러스(torus) 중심축에 중심을 둔 토러스를 원주 방향으로 잘라내고, 토러스 종단면의 외주를 90°만큼만 잘라냄으로써 형성된 형상을 지니는 것인 이온빔 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면은 각각, 상기 회전면을 따라서 정렬되는 복수의 면을 조합하여 형성되는 것인 이온빔 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 서로 대향하는 면은 각각, 상기 회전면을 따라서 정렬되는 복수의 면을 조합하여 형성되는 것인 이온빔 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극 중 적어도 하나는 편향각이 증대되는 방향으로 간극을 두고서 복수의 부분으로 분할되어 있는 것인 이온빔 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극 중 적어도 하나는 편향각이 증대되는 방향으로 간극을 두고서 복수의 부분으로 분할되어 있는 것인 이온빔 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 상기 서로 대향하는 면에, 직류 전압이고 접지 전위에 대하여 대칭인 편향 전압을 인가하는 편향 전원을 더 포함하는 것인 이온빔 장치,
  10. 제8항에 있어서, 상기 정전 편향기를 구성하는 1쌍의 편향 전극의 상기 서로 대향하는 면에, 직류 전압이고 접지 전위에 대하여 대칭인 편향 전압을 인가하는 편향 전원을 더 포함하는 것인 이온빔 장치,
  11. 제1항에 있어서, 상기 주사기는 주사기에 입사된 상기 이온빔을 이온빔의 입사축에 대하여 대칭으로 주사하는 것인 이온빔 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 주사기와 상기 정전 편향기 사이에 개재되어 상기 주사된 이온빔을 정전적으로 가속 또는 감속하는 가감속기를 더 포함하고;
    상기 가감속기는 상기 이온빔의 진행 방향으로 간격을 두어 배치된 적어도 2개의 전극을 구비하며;
    상기 전극은 각각, 상기 주사 중심에 중심을 둔 원호 형상부와, 상기 주사된 이온빔의 주사 방향의 폭보다도 넓은 빔 통과 구멍을 구비하는 것인 이온빔 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 가감속기를 구성하는 입구 전극이, 원하는 질량의 이온빔의 통과를 허용하고 원하지 않는 질량의 이온의 통과를 저지하는 분석 슬릿을 겸하는 있는 것인 이온빔 장치.
  14. 제13항에 있어서, 원하는 에너지의 이온빔의 통과는 허용하고 원하지 않는 에너지의 이온의 통과는 저지하는 빔 마스크가 정전 편향기의 출구 부근에 배치되는 것인 이온빔 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 정전 편향기를 통과한 상기 이온빔에 있어서 상기 이온빔의 진행 방향에 수직한 주사 빔의 단면이 호 형상을 지니고, 상기 빔 마스크는 상기 호 형상의 주사 빔 단면과 실질적으로 닮은꼴인 호 형상의 기하 구조를 가진 빔 통과 구멍을 구비하는 것인 이온빔 장치.
  16. 삭제
  17. 제7항에 있어서, 상기 정전 편향기의 입구의 전위는 그 출구의 전위보다도 낮고, 상기 정전 편향기는 정전 편향기에 입사된 이온빔 중에서 원하는 에너지의 이온빔을 감속시키면서 편향시키는 것인 이온빔 장치.
  18. 제8항에 있어서, 상기 정전 편향기의 입구의 전위는 그 출구의 전위보다도 낮고, 상기 정전 편향기는 정전 편향기에 입사된 이온빔 중에서 원하는 에너지의 이온빔을 감속시키면서 편향시키는 것인 이온빔 장치.
  19. 제7항에 있어서, 상기 정전 편향기의 입구의 전위는 그 출구의 전위보다도 높고, 상기 정전 편향기는 정전 편향기에 입사된 이온빔 중에서 원하는 에너지의 이온빔을 가속시키면서 편향시키는 것인 이온빔 장치.
  20. 제8항에 있어서, 상기 정전 편향기의 입구의 전위는 그 출구의 전위보다도 높고, 상기 정전 편향기는 정전 편향기에 입사된 이온빔 중에서 원하는 에너지의 이온빔을 가속시키면서 편향시키는 것인 이온빔 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 정전 편향기는, 서로 마주보며 이격되어 있는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며,
    상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극의 서로 대향하는 면 사이의 간격은 편향기의 출구로 갈수록 넓어지는 것인 이온빔 장치.
  22. 제19항에 있어서, 상기 정전 편향기는, 서로 마주보며 이격되어 있는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며,
    상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극의 서로 대향하는 면 사이의 간격은 편향기의 출구로 갈수록 좁아지는 것인 이온빔 장치.
  23. 제17항에 있어서, 상기 정전 편향기는, 서로 마주보며 이격되어 있는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며; 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극은 편향각이 증대되는 방향으로 "n"쌍(n은 2 이상의 정수)로 분할되어, "n"쌍의 편향 전극을 형성하며; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 내측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Va1, Va2, …, Van으로 하고; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 외측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Vb1, Vb2, …, Vbn으로 하는 조건에서, 다음의 관계가 충족되는 것인 이온빔 장치.
    Va1<Va2< … <Van,
    Vb1<Vb2< … <Vbn, 그리고
    Va1<Vb1, Va2<Vb2, …, Van<Vbn
  24. 제19항에 있어서, 상기 정전 편향기는, 서로 마주보며 이격되어 있는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며; 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극은 편향각이 증대되는 방향으로 "n"쌍(n은 2 이상의 정수)로 분할되어, "n"쌍의 편향 전극을 형성하며; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 내측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Va1, Va2, …, Van으로 하고; 상기 "n"쌍의 편향 전극 중 외측 편향 전극에 인가되는 전압을 입구측에서부터 차례로 Vb1, Vb2, …, Vbn으로 하는 조건에서, 다음의 관계가 충족되는 것인 이온빔 장치.
    Va1>Va2> … >Van,
    Vb1>Vb2> … >Vbn, 그리고
    Va1<Vb1, Va2<Vb2, …, Van<Vbn
  25. 제17항에 있어서, 상기 정전 편향기는, 서로 마주보며 이격되어 있는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며; 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극의 서로 대향하는 면의 반경을 각각 ra 및 rb로 하며; 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극에 인가되는 전압을 각각 Va 및 Vb로 하고; 정전 편향기 내에서 원하는 에너지의 이온빔의 궤도에 있어서의 전위를 V로 하며; 정전 편향기의 출구에서의 이온빔의 운동 에너지에 상당하는 전압을 Ve로 하고; 정전 편향기 내에서 이온빔의 설계상의 궤도 반경을 rc로 하는 조건에서, 다음 식 또는 동등한 수학적 관계가 실질적으로 충족되는 것인 이온빔 장치.
    Va=V-2(Ve-V)log(rc/ra), 그리고
    Vb=V+2(Ve-V)log(rb/rc)
  26. 제19항에 있어서, 상기 정전 편향기는, 서로 마주보며 이격되어 있는 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극을 구비하며; 상기 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극의 서로 대향하는 면의 반경을 각각 ra 및 rb로 하며; 내측 편향 전극 및 외측 편향 전극에 인가되는 전압을 각각 Va 및 Vb로 하고; 정전 편향기 내에서 원하는 에너지의 이온빔의 궤도에 있어서의 전위를 V로 하며; 정전 편향기의 출구에서의 이온빔의 운동 에너지에 상당하는 전압을 Ve로 하고; 정전 편향기 내에서 이온빔의 설계상의 궤도 반경을 rc로 하는 조건에서, 다음 식 또는 동등한 수학적 관계가 실질적으로 충족되는 것인 이온빔 장치.
    Va=V-2(Ve-V)log(rc/ra), 그리고
    Vb=V+2(Ve-V)log(rb/rc)
  27. 삭제
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