KR100855190B1 - 이온 질량 분리 방법 및 장치와 이온 도핑 장치 - Google Patents

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Abstract

입구부와 출구부를 갖고 굴곡된 이온 편향 케이싱의 외부에, 입구부 및 출구부를 통하여 굴곡 형상을 따르도록 도체(20)를 폭 방향으로 나선형으로 감음으로써 형성한 중공 코어(空芯) 여자 전류로(電流路)(21)를 사용하고, 이온 편향 케이싱의 내부에 폭 방향으로 균일한 강도의 자장을 형성하며, 이온 빔을 입구부의 도체(20c) 사이를 통하여 중공 코어 여자 전류로의 내부에 도입하고, 중공 코어 여자 전류로에 의한 자장의 작용에 의해 이온 빔을 이온의 질량에 따라서 만곡시켜, 필요한 질량의 이온 빔을 출구부의 도체(20d) 사이를 통과하여 추출함으로써, 대구경의 이온 빔을 균일하게 이온 질량 분리할 수 있도록 한다.
입구부, 출구부, 이온 편향 케이싱, 중공 코어 여자 전류로, 이온 인출 전극, 이온 발생 장치, 이온 가속 전극

Description

이온 질량 분리 방법 및 장치와 이온 도핑 장치{Method and device for separating ion mass, and ion doping device}
본 발명은 대구경, 특히 폭이 넓은 이온 빔에 있어서 안정되게 이온 질량 분리를 할 수 있도록 한 이온 질량 분리 방법 및 장치와, 이온 도핑 장치에 관한 것이다.
전기적으로 활성인 원소를 반도체에 첨가하거나, 또는 기재(基材)에 대하여 접착이 곤란한 재료를 접착하기 위해 접착 재료의 원자를 기재에 첨가시키는 경우에 이온 도핑(주입) 장치가 사용되고 있다.
그러나, 현재, 대구경(예를 들면 300 mm ×800 mm)의 이온 빔을 사용하는 이온 도핑 장치에 있어서, 이온 질량 분리를 하도록 한 것은 존재하지 않는다. 즉, 종래의 이온 도핑 장치는 이온 질량을 분리하지 않은 상태의 이온 빔을 이온 도핑에 사용하는 비질량 분리 방식이나 또는 이온 발생 장치의 플라즈마 발생부에서 간이적으로 경(輕) 이온 종류(예를 들면 수소 이온)의 비율을 저하시키는 자기 필터를 사용하는 자기 필터 방식이었다.
예를 들면, 반도체에 사용되는 이온 도핑 장치로서는, 이온 발생 장치의 플라즈마 발생부 소스 가스로서, 수소 희석의 포스핀(PH3), 디보란(B2H6)을 사용하기 때문에, 필요로 하는 PHx, B2Hx 이외에 Hx, P2Hx, BHx 등의 이온 종류도 플라즈마 발생부 내에서 발생하며, 플라즈마 발생부로부터 이러한 이온 종류의 혼합 빔이 인출된다. 이러한 필요로 하는 이온 종류 이외의 이온 종류의 존재는, 이온 도핑에 의한 P, B의 주입 깊이 분포를 불균일하게 하는 문제가 있으며, 더욱이, 기재에 여분의 열 부하를 준다는 문제가 있다.
따라서, 대구경, 특히 폭이 넓은 이온 빔의 이온 질량 분리를 안정되게 행할 수 있는 기술의 조기 확립이 요망되고 있다.
한편, 소구경의 이온 빔을 만곡시켜 이온 질량 분리하는 이온 질량 분리 장치가 고려되고 있다. 도 1, 도 2는 소구경의 이온 빔을 이온 질량 분리하는 장치의 일례를 도시한 것으로, 이 이온 질량 분리 장치(1)는 이온 발생 장치(2)의 플라즈마 발생부(도시하지 않음)에서 발생시킨 이온을 이온 인출 전극(3)에 의해 인출함과 동시에 가속하여, 그 이온 빔(4)을 일단(一端)의 입구부(6)로부터 소구경의 진공 이온 편향 유로(5, 流路)에 도입하도록 하고 있다. 이온 편향 유로(5)의 중간부 바깥쪽에는 철심(7a)에 솔레노이드(7b)를 감은 전자석(8)이 설치되어 있으며, 이 때, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전자석(8)의 자력 발생부(9, 9)를 이온 편향 유로(5)에 접근시키고 있다. 이온 편향 유로(5) 내를 이동하는 이온 빔(4)의 이온(하전 입자)은 전자석(8) 자장의 자력선(G) 방향과 직각 방향으로 굴곡되는 작용을 받고, 이러한 것에 의하여, 이온 빔(4)은 이온 편향 유로(5) 내에서 굴곡된다. 이 때, 강한 자장을 형성함으로써, 이온 빔(4)을 큰 각도로(도 1에서는 90°) 편향시킬 수 있으며, 이러한 것에 의하여, 질량이 필요로 하는 것보다 작은 이온은 빠르게 굴곡되어 이온 편향 유로(5)의 작은 반경측의 내면에 충돌하여 분리되며, 또한, 질량이 필요로 하는 것보다 큰 이온은 굴곡됨이 없이 이온 편향 유로(5)의 큰 반경측의 내면에 충돌하여 분리되게 된다. 이러한 것에 의하여, 목적하는 이온만을 이온 편향 유로(5)의 타단에 설치한 이온 가속 전극(10)으로 가속하여 출구부(11)로부터 추출할 수 있다.
그리고, 상기 이온 질량 분리 장치(1)로부터 추출된 이온 빔(4)은 필요에 따라서 이온 빔(4) 수속 등의 조작을 한 후, 피처리물인 기재(12)에 조사하여 이온을 기재(12)에 주입하는 이온 도핑 장치(13)로서 사용된다. 이 때, 이온 도핑 장치(13)에서는 기재(12)를 이동하거나, 또는 이온 빔(4)을 전기적으로 주사함으로써, 기재(12)가 넓은 면에 대하여 이온 도핑하고 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 철심(7a)에 솔레노이드(7b)를 감은 전자석(8)을 사용한 이온 질량 분리 장치(1)에 있어서는, 안정된 강한 자장을 형성하여 이온 빔(4)을 굴곡하기 위해서는 전자석(8)의 자력 발생부(9, 9)를 이온 편향 유로(5)에 접근시켜 균일한 자력선(G)이 형성되도록 할 필요가 있으며, 따라서, 도 2에서의 이온 빔(4)의 만곡 직경 방향의 크기(X)는 전자석(8)을 대형화하는 것에 의하여 어느 정도 크게 할 수는 있지만, 도 2의 세로 방향인 폭 방향의 크기(Y)는 크게 할 수 없다. 즉, 폭방향의 크기(Y)를 크게 하기 위해서는 도 3에 도시하는 바와 같이 전자석(8)의 자력 발생부(9, 9)의 간격을 크게 할 필요가 있지만, 자력 발생부(9, 9)의 간격이 크게 되면, 자력선(G)이 바깥쪽에서 왜곡되는 것에 의하여 이온 편향 유로(5)에 균일한 자장을 형성할 수 없게 되며, 이 때문에 이온의 굴곡이 불규칙하게 되어 안정된 이온 빔(4)이 얻어지지 않게 된다. 이와 같이, 폭 방향의 크기(Y)를 크게 할 수 없기 때문에, 대구경의 이온 빔(4)이고 더구나 이온 질량의 분리가 균일하게 되는 이온 빔(4)을 얻을 수는 없었다.
본 발명은 이러한 종래 장치가 갖는 문제점을 해결하도록 한 것으로, 대구경의 이온 빔의 이온 질량 분리를 균일하게 행할 수 있도록 한 이온 질량 분리 방법 및 장치와, 이온 도핑 장치를 제공하고자 하는 것이다.
입구부 및 출구부를 갖고 굴곡된 이온 편향 케이싱의 외부에, 입구부 및 출구부를 통하여 굴곡 형상을 따르도록 도체를 폭 방향으로 나선형으로 감은 중공 코어(空芯) 여자 전류로(電流路)를 구비하며, 입구부의 도체 사이를 통하여 도입되는 이온 빔을 이온 편향 케이싱의 내부에서 굴곡하여 이온 질량 분리를 하도록 하였기 때문에, 이온 편향 케이싱을 광폭 형상으로 하여도 폭 방향으로 균일한 자장을 형성할 수 있으며, 따라서 광폭의 이온 빔을 폭 방향으로 균일하게 굴곡할 수 있으므로, 대구경으로, 또한 균일하게 이온 질량 분리된 양질의 이온 빔을 얻을 수 있다.
또한, 균일하게 이온 질량 분리되어 여분의 이온 종류를 포함하지 않는 양질의 이온 빔에 의해 이온 도핑을 행하도록 되어 있으므로, 이온의 주입 깊이 분포를 균일하게 할 수 있으며, 더욱이, 기재에 여분의 열 부하가 주어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 대구경을 갖는 이온 빔에 의해, 1회의 조작으로 기재의 넓은 면적에 이온 도핑을 할 수 있으며, 따라서 작업 능률을 대폭 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 이온 질량 분리 장치 및 이온 도핑 장치의 개략 측면도.
도 2는 도 1의 화살표 II-II 방향으로 본 도면.
도 3은 도 2의 전자석의 자력 발생부의 간격을 크게 한 상태를 도시하는 설명도.
도 4는 본 발명의 이온 질량 분리 장치 및 이온 도핑 장치의 형태의 일례를 도시하는 절단 측면도.
도 5는 도체를 나선형으로 감은 상태를 도시하는 사시도.
도 6은 도 4의 입구부의 부분 상세도.
도 7은 도 6의 화살표 VII-VII 방향으로 본 도면.
도 8은 사다리꼴 전류로 예를 도시하는 개략 형상도.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 근거하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 있어서의 이온 질량 분리 장치(14)와 이를 이용한 이온 도핑 장치(15)의 일례를 도시한 개략도로, 도면에서, 도면부호 16은 플라즈마 발생부를 갖는 이온 발생 장치이고, 17은 이온 편향 케이싱이다.
도 4의 이온 편향 케이싱(17)은 측면 형상이 대략 부채꼴을 가지며, 도면의 면과 직각 방향으로 길고 폭이 넓은 공간을 형성하고 있다. 그리고, 대략 부채꼴로 굴곡된 양단의 직선부는 입구부(18)와 출구부(19)로 되어 있으며, 입구부(18)는 상기 이온 발생 장치(16)에 접속되어 있다. 그리고, 입구부(18)와 출구부(19)는 이온 빔(4)의 큰 각도로 편향을 행하기 위해, 상호간의 각도가 예를 들면 9O°로 형성되어 있다.
상기 이온 편향 케이싱(17)의 외부에는 도 4, 도 5에 도시하는 바와 같이, 입구부(18) 및 출구부(19)를 통하여 굴곡 형상을 따르도록 도체(20)가 폭 방향으로 소정 간격으로 나선형으로 감겨 있으며, 이러한 것에 의하여 도면의 면과 직각 방향으로 광폭의 중공 코어(空芯) 여자 전류로(電流路)(21)가 형성되어 있다. 따라서, 도 4의 중공 코어 여자 전류로(21)는 부채꼴 전류로(21A)로 되어 있다.
또한, 도 4의 부채꼴 전류로(21A)에서는 이온 편향 케이싱(17)의 큰 직경 측의 외부에 소정 간격으로 배치한 바깥 측 원호 도체(20a)와, 이온 편향 케이싱(17)의 작은 직경측의 외부에 소정 간격으로 배치한 안쪽 원호 도체(20b)와, 입구부(18)와 출구부(19)에 소정 간격으로 배치한 직선부(20')를 형성하는 직선 도체(20c, 20d)를 연결부(22)에서 순차적으로 연결함으로써 나선을 형성하고 있다.
상기 도체(20)는 도 6, 도 7에 상세히 도시한 바와 같이, 도전성 코어재(23)와 상기 도전성 코어재(23)를 포위하는 외부 도체(24)에 의하여 로드(rod)형상으로 구성되어 있으며, 도전성 코어재(23)와 외부 도체(24) 사이에는 냉각용 순수(純水)가 공급되도록 되어 있으며, 또한, 도전성 코어재(23)와 외부 도체(24)의 사이는 연결부(22)에 도시하는 절연재(25)에 의해 절연되어 있다. 한편, 상기 외부 도체(24) 각각은 서로 전기적으로 접속되어 있어 중공 코어 여자 전류로(21)의 전위가 차폐되도록 되어 있다.
입구부(18) 및 출구부(19)의 직선 도체(20c, 20d) 상호간에는 도 7에 도시하는 바와 같이 소정의 갭(S)이 형성되어 있으며, 이온 발생 장치(16)로부터의 이온이 상기 갭(S)을 통해 이온 편향 케이싱(17) 내로 도입되어 도출되도록 되어 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이 상기 입구부(18)의 직선 도체(20c)와 이온 발생 장치(16) 사이에는 상기 직선 도체(20c)와 중첩되는 간격 위치가 되도록 봉 형상 이온 인출 전극(26)이 배치되어 있다.
또한, 상기 출구부(19)의 근방에는 이온 가속 전극(27)이 배치되어 있다. 더욱이, 도 4의 출구부(19)에서의 직선 도체(20d)의 좌우 양측부에는 직선 도체(20d)의 상호간을 폐색하는 차폐 부재(28)가 설치되어 있으며, 이 좌우의 차폐 부재(28) 사이에 이온 추출구(29)가 형성되어 있다.
더욱이, 부채꼴 전류로(21A)를 구성하는 이온 편향 케이싱(17)의 폭방향 단부 내측에는 이온 빔(4)의 공간 전하를 중화하기 위한 필라멘트 등의 중화용 전자 공급원(30)이 내면을 따라 설치되어 있다.
상기 이온 질량 분리 장치(14)는, 상기 이온 질량 분리 장치(14)에서 질량 분리한 이온 빔(4)을 필요에 따라서 이온 빔(4)의 수속 등의 조작을 한 후, 피처리물인 기재(12)에 조사하여 기재(12)에 이온 주입하도록 한 이온 도핑 장치(15)에서 사용할 수 있다.
이하에, 상기 형태예의 작용을 설명한다.
도 4의 이온 질량 분리 장치(14)에서, 이온 발생 장치(16)의 플라즈마 발생부에 의해 발생한 이온은 입구부(18)의 이온 인출 전극(26)에 의해 흡인 가속되며, 또한, 직선 도체(20c)에 의해 가속되면서 직선 도체(20c)의 상호 갭(S)을 통하여 부채꼴 전류로(21A)의 이온 편향 케이싱(17) 내에 도입되고, 중공 코어 여자 전류로(21)의 작용에 의해 굴곡되며, 굴곡된 이온 빔(4)은 출구부(19)의 이온 가속 전극(27)에 의해 흡인 가속되어 외부로 추출되고, 또한 이 때, 출구부(19)의 직선 도체(20d)에 의해서도 가속된다.
도 4와 같이, 이온 편향 케이싱(17)의 외부에 입구부(18) 및 출구부(19)를 통하여 굴곡 형상을 따르도록 도체(20)를 폭 방향으로 나선형(도 5)으로 감은 중공 코어 여자 전류로(21)를 구성하고 있으므로, 이온 편향 케이싱(17)의 내부에 도 4의 도면의 면과 직각인 폭 방향으로 자력선이 연장하는 자장이 형성되며, 따라서, 이 자장은 부채꼴 전류로(21A)의 폭 방향으로 균일한 강도가 된다. 또한, 이때, 도체(20)의 도전성 코어재(23)를 포위하고 있는 외부 도체(24)의 각각을 서로 전기적으로 접속하여 부채꼴 전류로(21A)의 전위를 차폐하고 있으므로, 부채꼴 전류로(21A)의 전위차도 빔 궤도에 영향을 주지 않는다.
이와 같이, 부채꼴 전류로(21A) 내부에, 폭 방향으로 균일한 자장이 형성되는 것에 의하여, 이온 빔(4)의 이온은 그 질량에 따라서 부채꼴 전류로(21A)의 폭 방향에서 균일한 굴곡력을 받아, 균일하게 굴곡되게 된다. 그리고, 질량이 필요로 하는 것보다 작은 이온은 도 4에 파선으로 도시하는 바와 같이 빠르게 굴곡되어, 이온 편향 케이싱(17)의 작은 직경측의 내면에 충돌하여 중화용 전자 공급원(30)에 의해 중화되며, 또한, 질량이 필요로 하는 것보다 큰 이온은 굴곡되지 않고 이온 편향 케이싱(17)의 큰 직경측의 내면에 충돌하여 중화용 전자 공급원(30)에 의해 중화된다.
이러한 것에 의하여, 실선으로 도시하는 필요로 하는 질량의 이온만이 이온 편향 케이싱(17)의 다른 쪽 끝 출구부(19)로 유도되게 된다. 이때, 출구부(19)에서의 직선 도체(20d)의 좌우 양측부에 차폐 부재(28)를 설치하여 이온 추출구(29)를 형성하고 있으므로, 상기 이온 추출구(29)의 크기와 위치, 및 도체(20)에 의한 자장의 강도를 선정하는 것에 의하여, 필요로 하는 이온만을 더욱 정확하게 분리하여 추출할 수 있다.
따라서, 상기된 이온 질량 분리 장치(14)에 의하면, 대구경, 특히 넓은 폭으로 균일하게 이온 질량 분리된 양질의 이온 빔(4)을 추출할 수 있다.
또한, 상기 이온 질량 분리 장치(14)를 이용한 이온 도핑 장치(15)에서는, 이온 질량 분리 장치(14)에서 만들어진 이온 빔(4)을 필요에 따라서 수속 등의 조작을 한 후, 피처리물인 기재(12)에 주사하면서 조사하여, 이온을 기재(12)에 주입한다. 이 때, 이온 빔(4)은 여분의 이온 종류를 포함하지 않는 필요로 하는 이온만으로 이루어져 있으므로, 이온 도핑시의 이온의 주입 깊이 분포를 균일하게 할 수 있으며, 더욱이, 기재(12)에 여분의 열 부하를 주는 것을 방지할 수 있다. 또한, 대구경을 갖는 이온 빔(4)에 의해, 1회의 조작으로 기재(12)의 넓은 면적에 이온 도핑을 할 수 있으며, 따라서 작업 능률을 대폭 향상시킬 수 있다.
더구나, 중공 코어 여자 전자로(21)의 단면 형상은 도 4에 도시된 바와 같이 대략 부채꼴에 한정되는 것이 아니라 여러 형상으로 할 수 있지만, 적어도 큰 각도로 편향(예를 들면 90°)할 수 있는 형상인 것이 바람직하며, 또한, 입구부(18)와 출구부(19)에 배치되는 도체(20)는 직선부(20')를 형성하는 것이 바람직하다.
도 8은 중공 코어 여자 전류로(21)를 사다리꼴 전류로(21B)로 한 경우를 도시한 것으로, 사다리꼴 전류로(21B)는 긴 변의 도체(20e)와, 짧은 변의 도체(20f)를 갖고, 긴 변의 도체(20e) 및 짧은 변의 도체(20f) 양단부 사이를 연결하는 직선 도체(20c, 20d)가 입구부(18)와 출구부(19)에 형성되도록 하고 있다. 이렇게 구성하여도 상기 도 4에 도시한 부채꼴 전류로(21A)의 경우와 동일하게 작용할 수 있다.
대구경의 이온 빔을 균일하게 이온 질량 분리할 수 있기 때문에, 이온 도핑 시의 이온의 주입 깊이 분포를 균일하게 할 수 있어, 기재에 여분의 열 부하를 주는 것을 방지할 수 있으며, 대구경을 갖는 이온 빔에 의해, 1회의 조작으로 기재가 넓은 면적에 이온 도핑을 행함으로써 작업의 능률 향상을 도모할 수 있다.

Claims (9)

  1. 입구부와 출구부를 갖고 굴곡된 이온 편향 케이싱의 외부에, 입구부 및 출구부를 통하여 굴곡 형상을 따르도록 도체를 폭 방향으로 나선형으로 감은 중공 코어(空芯) 여자 전류로(電流路)를 이용하며, 이온 편향 케이싱의 내부에 폭 방향으로 균일한 강도의 자장을 형성하고, 입구부의 도체 사이를 통하여 이온 편향 케이싱(17)의 내부에 이온 빔을 도입하며, 중공 코어 여자 전류로에 의한 자장의 작용에 의해 이온 빔을 이온의 질량에 따라서 만곡시키고, 목적으로 하는 질량의 이온 빔을 출구부로부터 도체 사이를 통하여 추출하는 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 방법.
  2. 입구부와 출구부를 갖고 굴곡된 이온 편향 케이싱 외부에, 입구부 및 출구부를 통하여 굴곡 형상을 따르도록 도체를 폭 방향으로 나선형으로 감은 것에 의하여 형성되는 중공 코어 여자 전류로와, 상기 입구부에 배치한 이온 인출 전극과, 상기 이온 인출 전극에 인접한 이온 발생 장치와, 상기 출구부에 배치한 이온 가속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 도체는 도전성 코어재와 이 도전성 코어재를 포위하는 외부 도체로 구성되며, 각 외부 도체가 전기적으로 접속되어 중공 코어 여자 전류로 전위가 차폐되는 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 입구부 및 출구부의 도체는 직선부를 형성하는 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 중공 코어 여자 전류로는, 외측 원호 도체와, 내측 원호 도체와, 양 원호 도체의 양단부 사이를 각각 연결하여 입구부와 출구부에 배치되는 직선 도체로 구성되는 부채꼴 전류로인 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 중공 코어 여자 전류로는, 긴 변의 도체와, 짧은 변의 도체, 및 상기 긴 변의 도체와 짧은 변의 도체의 양단부 사이를 연결하여 입구부와 출구부에 배치되는 직선 도체로 구성되는 사다리꼴 전류로인 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 출구부의 도체가 일부를 남기고 차폐 부재에 의해 차폐되어 이온 추출구를 형성하는 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 이온 편향 케이싱의 폭 방향 단부 내측에 이온 빔의 공간 전하를 중화하는 중화용 전자 공급원을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 질량 분리 장치.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 이온 질량 분리 장치에서 질량 분리한 이온 빔을 기재에 조사하여 이온 주입하도록 한 것을 특징으로 하는 이온 도핑 장치.
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