KR100856807B1 - 이코사보란 주입 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
이온화된 이코사보란(B20HX), 트리안타보란(B30HX) 및 사란타보란(B40HX)을 소재 내로 주입시키는 방법으로서, (i) 플라즈마를 생성시키기 위하여, 이온 소스(50) 내에서 데카보란을 증발하여 이온화시키는 단계와; (ii) 이온빔을 형성하기 위하여, 소스 구멍(126)을 통해서 플라즈마 내에서 이코사보란, 트리안타보란 및 사란타보란(통틀어, "고차의 보란(borane)")을 추출하는 단계와; (iii) 이온화된 이코사보란(B20HX +) 또는 다른 고차의 보란들중 하나가 질량 분석 자석을 통과하도록 하여 상기 질량 분석 자석(127)으로 이온빔의 질량을 분석하는 단계와; (iv) 이온화된 이코사보란(B20HX +) 또는 다른 고차의 보란들 중 하나를 소재내로 주입시키는 단계를 포함한다. 상기 데카보란을 증발하여 이온화시키는 단계는 (i) 증발기(51) 내에서 데카보란을 증발시키는 단계 및 (ii) 이온화기(53) 내에서 증발된 데카보란을 이온화하는 단계를 더 포함한다.
증발기, 이온화기, 주입기, 질량 분석 자석,
Description
본 발명의 양수인에게 양도된 이하의 미합중국 특허 및 특허 출원(Horsky에게 허여된 발명의 명칭이 "DECABORANE VAPORIZER"인 미합중국 특허 번호 제6,107,634호 및 1999년 10월 11일에 출원된 발명의 명칭이 "DECABORANEION SOURCE"인 미합중국 특허 출원 제 09/416,159호)의 전반적인 내용이 본원에 참조되어 있다.
본 발명은 일반적으로 반도체 주입(semiconductor implantation)에 관한 것이며, 특히 이코사보란(icosaborane), 트리안타보란(triantaborane) 및 사란타보란(sarantaborane) 이온을 반도체에 주입시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
반도체와 같은 소재를 도핑하는데 사용되는 종래의 이온 주입 시스템은 소망의 도펀트 요소(dopant element)를 이온화하고 나서 가속되어 소정 에너지의 이온빔을 형성하는 이온 소스를 포함한다. 이온빔은 소재의 표면으로 지향되어, 도펀트 요소를 소재에 주입시킨다. 이온빔의 강력한 이온(energetic ions)은 소재의 표면을 관통함으로써, 이들 이온이 소재의 결정 격자(crystallization lattice) 내로 임베드(embed)되어 소망의 도전 영역을 형성하도록 한다. 주입 공정은 통상적으로, 고 진공 처리실에서 수행되는데, 상기 처리실은 잔여 가스 분자와의 충돌로 인한 이온빔의 분산을 방지하고 공중부유 입자(ariborne particulates)에 의해 소재의 오염 위험성을 최소화한다.
특정한 종에 대한 주입 단계를 규정하는데 있어 가장 중요한 두 가지 변수는 이온 도우스(ion dose) 및 에너지이다. 이온 도우스는 소정 반도체 재료에 대한 주입된 이온의 농도와 관계한다. 통상적으로, 고전류 주입기(implanters)(일반적으로, 10밀리암페아(mA) 이온빔 전류보다 크다)가 고 도우스 주입을 위하여 사용되는 반면; 중간 전류 주입기(일반적으로 약 1mA 빔 전류에 이를 수 있다)는 저 도우스 애플리케이션에 사용된다.
이온 에너지는 반도체 장치에서 접합 깊이를 제어하는데 사용된다. 이온빔을 구성하는 이온 에너지는 주입된 이온의 깊이 정도를 결정한다. 반도체 장치 내에 리트로그레이드 웰(retrograde wells)을 형성하는데 사용되는 공정과 같은 고 에너지 공정은 수백만 전자-볼트(MeV)까지 주입할 필요가 있는 반면에; 얕은 접합(shallow junctions)은 1,000 전자 볼트(keV) 보다 낮은 에너지 만을 필요로 하고, 극히 얕은 접합(ultra-shallow junctions)은 250 전자-볼트(eV) 만큼 낮은 에너지를 필요로 할 수 있다.
반도체 장치가 점점 더 작아짐으로써, 낮은 에너지로 높은 빔 전류를 계속해서 전달하는 이온 소스를 지닌 주입기가 필요로 된다. 높은 빔 전류는 필요한 도세지 레벨(dosage level)을 제공하는 반면; 낮은 에너지 레벨은 얕은 주입을 허용 한다. 예를 들어, 상보형 금속-산화물-반도체(CMOS) 장치에서의 소스/드레인 접합은 이와 같은 고 전류, 저 에너지 애플리케이션을 필요로 한다.
종래의 이온 소스는 압축된 가스원으로부터 직접적으로 또는 증발된 고체로부터 간접적으로 얻어지는 이온화가능한 도펀트 가스(dopant gas)를 사용한다. 통상적인 소스 원소는 붕소(B), 인(P), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sb), 및 비소(As)이다. 대부분의 이들 소스 원소는 통상적으로 고체 및 붕소를 제외한 기상 형태 둘 다로 사용되는데, 상기 붕소는 기상 형태, 예를 들어, 삼불화 붕소(BF3) 또는 데카보란(B10H14)과 같은 고체(분말) 형태의 화합물로서 거의 배타적으로 제공된다.
테카보란(B10H14)은 붕소 주입을 위한 우수한 공급 재료원일 수 있는데, 그 이유는 각 데카보란 분자(B10H14)는, 증발되고 이온화될때, 10개의 붕소 원자를 포함하는 분자 이온을 제공할 수 있다. 이와 같은 소스는 특히, 얕은 접합을 생성하는데 사용되는 고 도우스/저 에너지 주입 공정에 적합한데, 그 이유는 분자 데카보란 이온빔이 1원자로 된(monatomic) 붕소 이온빔이 할 수 있는 것 보다 전류 단위 당 붕소 도우스를 10배 주입할 수 있기 때문이다. 게다가, 데카보란 분자는 소재 표면에서 원래의 빔 에너지의 대략 1/10인 10개의 개별적인 붕소 원자로 쪼개지기 때문에, 이 빔은 도우스-등가의 1원자로 된 붕소 이온빔의 에너지의 10배로 전송(transport)될 수 있다. ( 전압 V로 가속된 10개의 동일한 붕소 원자의 단일 충전된 데카보란 분자(B10HX +)의 개별적인 붕소 원자 각각은, eV/10의 에너지를 갖으며, 이에 따라서, 이온빔은 필요한 에너지보다 10배 높게 추출될 수 있다) 이와 같은 특징으로 인해, 분자 이온빔은 통상적으로 저 에너지 이온빔 전송에 의해 초래되는 전송 손실을 피하게 된다.
최근 공정 및 이온 소스 개선은, 장차 데카보란 주입의 애플리케이션을 생성하는데 충분하다라고 판명될 수 있는 이온빔 전류를 발생시킨다. 이런 개선에 대한 중요점은 이온 소스 냉각 메커니즘인데, 이는 데카보란 분자(decaborane molecule)의 분리 및 희망하는 어미 분자 이온(B10Hx +)을 보란 조각(borane fragments) 및 붕소 원소로 분열되는 것을 막는다. 게다가, 미합중국 특허 번호 제 6,107,634호에서 보여지는 것과 같은 공지된 데카보란 이온 소스에서, 저-밀도 플라즈마는 플라즈마 자신이 이런 분리 및 분열을 야기하는 것을 방지하도록 유지된다.
상술된 바와 같이, 반도체에서 미래에 극히 얕은 접합이 250eV만큼 낮은 주입 에너지로 보란 주입을 필요로 할 가능성이 있다. 이와 같은 저 에너지에서, 이온빔 전류 밀도는 반드시 감소할 것이다. 심지어 최신 기술의 데카보란 주입 기술을 사용하면, 동일한 이온빔 전류의 레벨에 대해서 주입 도우스가 증가될 수 없는 한, 반도체 주입 처리량은 감소될 것이다. 게다가, 주입된 개별적인 붕소 원자의 에너지 레벨을 증가시킴이 없이 이온빔 에너지 전송 레벨을 증가시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 것이다.
상술된 바와 같이, 반도체에서 미래에 극히 얕은 접합이 250eV만큼 낮은 주입 에너지로 보란 주입을 필요로 할 가능성이 있다. 이와 같은 저 에너지에서, 이온빔 전류 밀도는 반드시 감소할 것이다. 심지어 최신 기술의 데카보란 주입 기술을 사용하면, 동일한 이온빔 전류의 레벨에 대해서 주입 도우스가 증가될 수 없는 한, 반도체 주입 처리량은 감소될 것이다. 게다가, 주입된 개별적인 붕소 원자의 에너지 레벨을 증가시킴이 없이 이온빔 에너지 전송 레벨을 증가시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 것이다.
이온화된 이코사보란(B20HX), 트리안타보란(B30HX) 및 사란타보란(B40HX)을 소재로 주입하는 방법은, (i) 플라즈마를 생성시키기 위하여, 이온 소스(50) 내에서 데카보란을 증발하여 이온화시키는 단계와; (ii) 이온빔을 형성하기 위하여, 소스 구멍(126)을 통해서 플라즈마 내에서 이코사보란, 트리안타보란 및 사란타보란(통틀어, "고차의 보란(borane)")을 추출하는 단계와; (iii) 이온화된 이코사보란(B20HX +) 또는 다른 고차의 보란들 중 하나가 질량 분석 자석을 통과하도록 하여 상기 질량 분석 자석(127)으로 이온빔의 질량을 분석하는 단계와; (iv) 이온화된 이코사보란(B20HX +) 또는 다른 고차의 보란들 중 하나를 소재내로 주입시키는 단계를 포함한다. 상기 데카보란을 증발하여 이온화시키는 단계는 (i) 증발기(51)에서 데카보란을 증발하고 (ii) 상기 증발된 데카보란을 이온화기(53)에서 이온화하는 단계를 포함한다.
도1은 본 발명의 원리를 따라서 구성된 제1 실시예의 이온 주입기용 이온 소스를 개요적으로 도시한 부분적인 단면도.
도2는 선 2-2를 따라서 절취한, 도1의 대안적인 실시예의 이온 소스의 연결관을 도시한 단면도.
도3은 도1의 이온 소스의 이온화기 부분을 부분적으로 도시한 단면도.
도4 및 도5 모두는 도1의 이온 소스를 사용하여 얻어진 이온빔에 대한 전류 대 원자 질량 단위의 플롯으로서, 이코사보란, 트리안타보란 및 사란타보란 성분의 존재를 나타내는 도면.
지금부터, 도 1 내지 도3을 참조하면, 우선, 도1에 본 발명에 따라서 구성된 증발기(51) 및 이온화기(53)를 포함하는 이온 소스(50)가 도시되어 있다. 이 증발기(51)는 비반응적이며, 열전도성의 승화기(sublimator) 또는 도가니(52), 열매체 저장고(54), 열매체 펌프(55), 온도 제어기(56) 및 질량 흐름 제어기(60)를 포함한 다. 이온화기(53)는 도3에 보다 상세히 도시되어 있다. 도가니(52)는 이온화기(53)로부터 떨어져서 위치되어 있고, 석영 또는 스테인레스 강철로 구성된 공급 관(62)에 의해 상기 이온화기에 연결된다. 서술된 실시예에서, 공급 관(62)은 실질적으로 자신의 전체 길이를 따라서 외부 단일-챔버 환형 시드(single-chamber annular sheathe)(90)에 의해 둘러쌓인다.
이 도가니(52)는 소스 재료(68)를 포함하기 위한 캐비티(66)를 둘러쌓는 컨테이너(64)를 제공한다. 이 컨테이너는 스테인레스 강철, 흑연, 석영 또는 붕소 질화물과 같은 적절한 비반응성(비활성) 재료로 이루어지는 것이 바람직하고, 데카보란(B10H14)과 같은 충분한 량의 소스 재료를 유지할 수 있다.
이 데카보란은 컨네이너(64)의 벽을 저장고(54) 내에 포함된 열매체(70)로 가열함으로써 승화(sublimation) 공정을 통해서 증발된다. 데카보란은 통상적으로, 실온에서 0.1torr 및 100℃에서 19torr의 증기압을 갖는 미세 분말 형태로 이용될 수 있다. 완전히 증발된 데카보란은 공급 관(62)을 통해서 도가니(52)에서 방출되어 질량 흐름 제어기(60)로 들어가는데, 상기 제어기는 증기의 흐름을 제어하여 이온화기(53)에 제공되는 증발된 데카보란 량을 측정한다.
대안적으로, 본 발명의 제2 실시예에서, 공급 관(62)은 모세관 형태로 제공되고, 시드(90)는 동축 이중-챔버 시드 형태로 제공되는데, 상기 시드는 외부 시드(90B)에 의해 둘러쌓여진 내부 시드(90A)를 포함한다(도2 참조). 열매체는 내부 시드(90A)(모세관(62)에 인접하여 위치됨)내로 펌핑되고 외부(90B)(내부 시드(90A)로부터 방사 방향으로 위치됨) 밖으로 펌핑된다. 이 제2 실시예에서, 질량 흐름 제어기(60)는 공급 관/이온화기 인터페이스에 위치된 가열된 차단 밸브(도시되지 않음)로 대체되고, 질량 흐름은 저장고(54)의 온도를 직접적으로 변경함으로써 증가되거나 감소된다.
이온화기(53)가 도3에 보다 상세하게 도시되어 있다. 이온화기(53)는 일반적으로 원통형 본체(96) 및 일반적으로 환형 베이스 또는 설치 플랜지(98)를 포함하는데, 이들 둘 다는 본 실시예에선 알루미늄으로 이루어진다. 알루미늄 본체(96)는 흡입구(102)에 의해 피드되는 인입 냉각 통로(entry cooling passageway)(100) 및 방출구(106)를 통해서 본체(96)를 방출시키는 방출 냉각 통로(104)에 의해 냉각된다. 냉각 매체는 물 또는 높은 열용량을 갖는 그외 다른 적절한 유체일 수 있다. 인입 및 방출 냉각 통로는 물을 통과시켜 이온화기 본체(96)를 냉각시키는 연속적인 통로를 제공한다. 단지 경로의 단편 부분(fragmented portion)이 도3에 가상선으로 도시되어 있지만, 이 경로는 임의의 공지된 구성으로 본체의 외부 주변 근처 및 상기 외부 주변 부분에 대해서 신장되어, 전체 본체가 효율적으로 냉각되도록 한다.
본체(96)를 냉각하면, 충분히 높게되는 이온화 챔버 내에서 데카보란 압력을 수용할 온도로 상기 이온화 챔버(108)를 유지시킨다. 이온화기(53)는 이온화된 데카보란 분자의 해리 및 단편형성(fragmentation)을 방지할 정도로 충분히 낮은 온도(350℃ 보다 낮게, 바람직하게는 300℃ 및 350℃ 사이)로 유지되어야 한다.
도3을 다시 참조하면, 환형 시드(90)에 의해 둘러쌓여지며 이온화 챔버(108)에서 종료되는 공급 관(62)의 이온화기 본체(96)의 경계 내에서 신장된다. 이온화 챔버 내에는 핫 캐소드(110) 및 안티-캐소드 또는 리펠러(anti-cathode or repeller)(112)가 존재한다. 이 핫 캐소드(110)는 몰리브덴 실린더(116)에 의해 둘러쌓여지고 텅스텐 엔드캡(118)에 의해 캐핑된(capped) 가열된 텅스텐 필라멘트(114)를 포함한다. 이 가열된 필라멘트(114)는 알루미늄 본체(96)를 통과하고 이 알루미늄 본체와 전기적으로 절연되는 전력 피드쓰루(power feedthroughs)(120 및 122)를 통해서 활성화된다. 리펠러(112)는 또한, 열전도성 전기 절연 재료(예를 들어, 사파이어)에 의해 본체(96)와 전기적으로 절연되는데, 상기 절연 재료는 상기 리펠러를 냉각된 이온화 챔버(108)에 물리적으로 결합한다.
동작시에, 증발된 데카보란 분말은 이온화기 흡입구(119)에서 공급 관(62)을 통해서 이온화 챔버내로 주입된다. 텅스텐 필라멘트(114)가 피드쓰루(120 및 122) 양단의 전위차 인가에 의해 전기적으로 활성화될 때, 필라멘트는 엔트캡(118)을 향하여 가속되어 충돌하는 전자를 방출시킨다. 엔드캡(118)이 전자 폭격(electron bombardment)에 의해 충분히 가열될 때, 증발된 가스 분자를 충돌시켜 챔버 내에서 이온을 생성시키는 이온화 챔버(108) 내로 전자를 방출시킨다.
이로 인해, 저밀도 이온 플라즈마가 생성되는데, 이로부터 이온빔은 소스 구멍(126)을 통해서 챔버로부터 추출된다. 이 플라즈마는 데카보란 이온(B10HX +)(여기서, X는 14까지의 정수), 이코사보란 이온(B20HX +)(여기서, X는 28까지의 정수), 트리안타보란 이온(B30HX +)(여기서, X는 42까지의 정수), 사란타보란 이온(B40HX +)(여기서, X는 56까지의 정수)을 포함하는데, 이들 모두는 소재로 주입될 수 있다. 용어 "이코사보란"은 B20HX 분자 및/또는 2개의 데카보란 분자의 클러스트를 포함한다. 용어 "트리안타보란"은 B30HX분자 및/또는 3개의 데카보란 분자의 클러스터를 포함한다. 용어 "사란타보란"은 B40HX 분자 및/또는 4개의 데카보란 분자의 클러스터를 포함한다. 그리고 나서, 이 추출된 이온빔은 질량 분석 자석(127)에 의해 질량 분석되어, 소정의 전하-대-질량비를 갖는 이온만이 상기 자석을 통과하도록 한다. 챔버(108) 내에서 데카보란/이코사보란 플라즈마의 저 밀도는 소스( 50밀리암페아(mA)에서 약 5와트(W))내에 유지되는 상대적으로 낮은 아크 방전 전력에 의해 부분적으로 제공된다.
이온화기(53)에서의 저밀도 플라즈마의 구성이 도4 및 도5에 그래프로 도시되어 있는데, 이들 도면 모두는 도1의 이온 소스를 사용하여 얻어진 이온빔의 성분에 대한 전류 대 원자 질량 단위(AMU)의 플롯을 도시한 것이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 개별적인 한정가능한 피크는 도4의 데카보란(B10HX) 및 이코사보란(B20HX)과, 도5의 B30HX 및 B40H
X를 나타낸다. 도4에서, 데카보란 피크는 117AMU에서 관찰되고, 이코사보란 피크는 236 AMU에서 관측된다. 도5에서, B30HX 피크는 대략 350AMU에서 관측되고 B40HX 피크는 대략 470AMU에서 관측된다.
이온 주입기에서 도1의 소스(50)를 사용하면, 전체 데카보란 분자(10개의 붕소 원자)는 소재로 주입된다. 이 분자는 소재 표면에서 쪼개져, 각 붕소 에너지는 대략 10개의 붕소 원자 그룹(B30H14의 경우)의 에너지의 대략 1/10이 되도록 한다. 따라서, 이 빔은 소망의 붕소 주입 에너지의 10 배로 전송되어, 상당한 빔 전송 손실 없이 매우 얕게 주입시킨다. 게다가, 소정의 빔 전류에서, 각 전류 유닛은 10배의 도우스를 소재로 전달한다. 최종적으로, 단위 도우스 당 전하가 1원자 빔 주입의 것보다 1/10이기 때문에, 소재 충전 문제는 소정의 도우스 레이트에 대하여 크게 완화된다.
소스 구멍(126)을 통해서 이온 소스로부터 추출되는 이온빔의 이코사보란(B20HX) 성분에 대해서, 이코사보란은 소스(50)의 이온화기(53) 내에서 H 또는 H2 이온으로 데카보란을 조사(irradiation)함으로써 형성된다고 간주된다. 특정한 소스 상태하에서, 이온화기(53) 내의 데카보란 증기는 질량 130AMU 내지 240AMU(도4 참조)의 인접 서브-스펙트럼(데카보란 스펙트럼과 유사하게 나타남)에서 발생한다. 따라서, 이온 소스 구멍(126)을 통해서 추출되는 이온빔은 단편화된 데카보란 스펙트럼 이외에, 단편화된 데카보란 "디머(dimer)"(또한, 본원에선 분자 데카보란 또는 이코사보란(B20HX)이라 함)을 포함한다. 이온화된 이코사보란(B20HX +)은 1.6 밀리암페아(mA) 만큼 높은 붕소 입자 전류에서, 500eV 보다 아래, 심지어 250eV 만큼 낮게 붕소 원자 당 에너지로 주입될 수 있다.
이온 주입기에서 도1의 소스(50)를 사용하면, 전체 이코사보란 이온(20개의 붕소 원자)은 소재로 주입된다. 이 이온은 소재 표면에서 쪼개져, 각 붕소 원자의 에너지가 20개의 붕소 원자 그룹(B20HX의 경우)의 에너지의 대략 1/20이 되도록 한다. 따라서, 이 빔은 소망의 붕소 주입 에너지보다 20배로 전송되어, 상당한 빔 전송 손실 없이 매우 얕게 주입시킨다. 게다가, 소정 빔 전류에서, 각 전류 유닛은 20배의 도우스를 소재로 전달한다. 최종적으로, 단위 도우스 당 전하가 1원자 빔 주입의 것보다 1/20이기 때문에, 소재 충전 문제는 소정 도우스 레이트에 대해서 크게 완화된다.
질량 분석 자석(127)은 본 기술에 공지된 바와 같이 조정되어, 특정 범위 내의 전하-대-질량비를 갖는 입자 만이 이 자석을 통과하도록 한다. 따라서, 질량 분석 자석(127)은 조정되어, 분자 데카보란(B10H14) 또는 이코사보란(B20HX) 중 하나가 이 자석을 통과하도록 한다. 게다가, 이 자석은 조정되어, 이온빔에서의 다른 보다 고차의 보란(B30HX 및 B40HX) 중 하나가 상기 자석을 통과하도록 한다.
데카보란 또는 이코사보란 이온을 생성시키기 위하여 이온화 챔버에서 보다 높은 차수의 보란들 중 하나 또는 데카보란 분자가 충돌하지 않는 캐소드(110)에 의해 발생된 전자는 리펠러(112)를 향하여 이동하는데, 이는 캐소드를 향하여 이들 전자를 다시 편향시킨다. 이 리펠러는 몰리브덴으로 이루어지는 것이 바람직하고, 캐소드와 같이, 이온화기 본체(96)로부터 전기 절연된다. 이온화 챔버(108)의 벽(128)은 국부 전기 접지 전위(local electrical ground potential)로 유지된다. 엔드캡(118)을 포함하는 캐소드(110)는 벽(128)의 전위보다 아래의 대략 50 내지 150 볼트의 전위로 유지된다. 필라멘트(114)는 엔드캡(118)의 전위 보다 아래의 대략 200 및 600 간의 전압으로 유지된다. 필라멘트(114) 및 엔드캡(118)간의 큰 전압 차는 고 에너지를 필라멘트로부터 방출되는 전자에 부여하여, 엔드캡(118)을 충분히 가열함으로써 전자를 이온화 챔버(108)로 열이온적으로 방출시킨다.
이온 소스(50)는 도가니(52)의 동작 온도뿐만 아니라 공급 관(62)의 동작 온도를 제어하는 제어 메카니즘을 제공하는데, 상기 공급관을 통해서 증발된 데카보란은 이온화기(53)로 통과한다. 열매체(70)는 저항성 또는 이와 유사한 가열 소자(80)에 의해 저장고(54) 내에서 가열되고 열 교환기에 의해 냉각된다. 온도 제어 수단은 온도 제어기(56)를 포함하는데, 이 온도 제어기는 열결합(92)을 통해서 저장고(54)로부터 피드백되는 입력 온도로서 얻고, 후술되는 바와 같이, 제어 신호를 가열 소자(80)에 출력시켜, 저장고 내의 열 매체(70)를 적절한 온도로 가열시킨다.
열매체(70)는 고 열용량을 제공하는 미네랄 오일 또는 그외 다른 적절한 매체(예를 들어, 물)를 포함한다. 이 오일은 가열 소자(80)에 의해 20℃ 내지 250℃ 범위 내의 온도로 가열되고 시드(90)를 통해서 공급관(62) 및 도가니(52) 주위의 펌프(55)에 의해 순환된다. 이 펌프(55)에는 흡입구(86) 및 방출구(88) 각각이 제공되고, 유사하게, 저장고(54)에는 흡입구(86) 및 방출구(88) 각각이 제공된다. 도2에 단방향성의 시계방향 패턴이 도시되어 있지만, 도가니(62) 및 공급관(62)에 대한 열 매체의 흐름 패턴은 도가니(52) 및 공급관(62)에 대한 매체의 적절한 순환을 제공하는 어떤 패턴일 수 있다.
도1을 다시 참조하면, 도가니 캐비티(66)는 가압되어, 도가니(52)로부터 공급관(62)을 통해서 이온화 챔버(108)로 증발된(승화된) 데카보란의 재료 전달을 용이하게 한다. 캐비티(66) 내의 압력이 상승될 때, 이에 대응하여 재료 전달 속도 또한 증가한다. 이온화 챔버는 거의 진공 상태(약 1millitorr)로 동작하고, 이에 따라서, 압력 기울기(pressure gradient)는 공급관(62)의 전체 길이를 따라서, 즉 도가니(52)로부터 이온화 챔버(108)까지 존재한다. 도가니의 압력은 통상적으로, 1torr 정도이다.
도가니(52)를 이온화 챔버(108)로부터 떨어져 위치시킴으로써, 도가니 캐비티(66) 내의 재료는 열적으로 유리(isolate)됨으로써, 이온화 챔버 내의 온도에 의해 영향받지 않는 열적으로 안정한 환경을 제공한다. 데카보란 승화 공정이 발생되는 도가니 캐비티(66)의 온도가 이온화 챔버(108)의 동작 온도와 관계없이 높은 정확도(1℃ 내)로 제어될 수 있다. 또한, 가열된 공급관(62)을 통해서 이온화 챔버로 전송 동안 증발된 데카보란의 온도를 일정하게 유지시킴으로써, 증기의 열분해 또는 응축은 발생하지 않는다.
온도 제어기(56)는 열매체 저장고(70)를 위한 가열 소자(80)의 동작을 제어함으로써 도가니(52) 및 공급관(62)의 온도를 제어한다. 열결합(92)은 저장고(70)의 온도를 감지하고 온도 피드백 신호(93)를 온도 제어기(56)에 전송한다. 온도 제어기는 제어 신호(94)를 저장고 가열 소자(80)로 출력함으로써 공지된 방식으로 이 입력 피드백 신호에 응답한다. 이 방식으로, 이온화 챔버의 위치까지, 고상 데카보란 및 증발된 데카보란이 노출되는 모든 표면에 대하여 균일한 온도가 제공된다.
(펌프(55)를 통해서) 시스템 내의 열 매체의 순환 및 (가열 소자(80)를 통해서) 열매체의 온도를 제어함으로써, 이온 소스(50)는 20℃ 내지 250℃(+/-1℃)의 정도의 동작 온도로 제어된다. 도가니의 압력을 제어하여 도가니에서 나오는 증기 흐름 속도를 제어하기 위해선, 이온화 챔버에 가장 근접한 공급관의 끝과 비교하면, 도가니에서 정확하게 온도를 제어하는 것 보다 중요하다.
본 발명의 소스를 사용하는 플라즈마 밀도는 낮게(1010/cm3 범위) 유지되어 데카보란/이코사보란 분자 구조의 해리를 방지하기 때문에, 전체 추출된 이온빔 전류는 종래 크기의 소스 구멍을 사용시 낮게될 것이다. 비교가능한 빔 전류 밀도를 추정하면, 본 발명의 이온화기(53) 내의 구멍(126)은 적절한 이온빔 전류를 출력하도록 하는데 충분할 정도로 크게 이루어진다. 1cm2(.22cm ×4.5cm)구멍은 소재에서 평방 센티미터 당 약 100 마이크로암페아(㎂/cm2) 및 소스로부터 추출된 빔의 1mA/cm2(이보다 작거나 같음)까지의 빔전류 밀도를 허용한다. (소재로 전달되는 실제 포커스된 빔 전류는 단지 전체 추출된 빔 전류의 프랙션(fraction)이다). 어떤 주입기에선 약 5cm2의 구멍 크기가 가능한데, 상기 주입기는 소재에서 약 500㎂의 B10HX +를 산출한다. 초 저에너지(ULE) 주입기에서, 훨씬 큰 구멍 크기(13cm2)가 가능하다.
따라서, 데카보란 또는 이코사보란을 주입하는 개선된 방법 및 시스템의 바람직한 실시예가 서술되었다. 그러나, 이 설명은 단지 예를 든 것이며, 본원에 서술된 특정 실시예로 국한되는 것이 아니며, 각종 재배열, 변형 및 대체가 이하의 청구범위의 영역을 벗어남이 없이 상술된 설명과 관련하여 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
Claims (10)
- 이온화된 고차 보란을 소재 내로 주입시키는 방법으로서,(i) 플라즈마를 생성시키기 위하여, 이온 소스(50)내에서 데카보란을 증발하여 이온화시키는 단계와;(ii) 이온빔을 형성하기 위하여, 소스 구멍(126)을 통해서 플라즈마 내에서 이온화된 고차 보란을 추출하는 단계와;(iii) 선택된 이온화된 고차의 보란들 중 하나가 질량 분석 자석(127)을 통과하도록 하여 상기 질량 분석 자석(127)으로 이온빔의 질량을 분석하는 단계 및;(iv) 상기 선택된 이온화된 고차 보란을 소재 내로 주입시키는 단계를 포함하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 1 항에 있어서,이온 소스(50) 에서 데카보란을 증발하여 이온화시키는 상기 단계는 (i)(a) 증발기(51) 내에서 데카보란을 증발시키는 단계 및 (i)(b) 이온화기(53) 내에서 상기 증발된 데카보란을 이온화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 고차 보란은 이코사보란(B20HX), 트리안타보란(B30HX) 및 사란타보란(B40HX)을 포함하고, 상기 선택된 이온화된 고차 보란은 이온화된 이코사보란(B20HX +)인 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 고차 보란은 이코사보란(B20HX), 트리안타보란(B30HX) 및 사란타보란(B40HX)을 포함하고, 상기 선택된 이온화된 고차 보란은 이온화된 트리안타보란(B30HX +)인 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 보란은 이코사보란(B20HX), 트리안타보란(B30HX) 및 사란타보란(B40HX)을 포함하고, 상기 선택된 이온화된 고차 보란은 이온화된 사란타보란(B40HX +)인 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 이온화기(53)에는 이온화 챔버(108)가 제공되며, 상기 증발된 데카보란을 이온화하는 상기 단계 동안 상기 이온화 챔버(108)의 벽(128)을 능동적으로 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 이온화 챔버 벽(128)을 냉각시키는 단계는 350℃ 보다 아래로 상기 벽의 온도를 유지하여, 증발된 데카보란 분자의 해리를 방지하는 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 벽의 온도는 300℃ 및 350℃ 간에서 유지되는 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 소스 구멍(126)은 평방 센티미터당 1밀리암페아(mA/cm2) 보다 작은 빔 전류 밀도에서, 100-500마이크로암페아(㎂)간의 포커스된 이온빔 전류를 제공하도록 하는 크기로되는 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 플라즈마는 상기 이온화 챔버(108) 내에서 1010/cm3 범위의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 이온화된 고차 보란 주입 방법.
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