KR100920438B1 - 이온 주입기 - Google Patents

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KR100920438B1
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다카토시 야마시타
다다시 이케지리
코헤이 다나카
웨이지앙 즈하오
히데유키 다나카
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닛신 이온기기 가부시기가이샤
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Abstract

이온 주입기를 구성하는 분석 전자석은 제1 내부 코일, 제2 내부 코일, 3개의 제1 외부 코일, 3개의 제2 외부 코일 및 요크를 구비한다. 내부 코일은 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키도록 서로 협력하는 새들 형상의 코일이다. 각각의 외부 코일은 메인 자기장를 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 새들 형상의 코일이다. 각각의 코일은, 적층된 절연체의 외주면에 절연 시트와 도체 시트의 라미네이션을 복수의 권선(turn)으로 권취하고, 적층된 절연체를 외주면에 형성함으로써 팬 형상의 통형 스택 코일(stacked coil)에 노치부가 배치되는 구조를 갖는다.

Description

이온 주입기{ION IMPLANTER}
본 발명은, 이온 빔의 운동량 분석(예컨대, 질량 분석)을 실시하도록 리본형 이온 빔을 분석 전자석을 통과시킨 후에, 기판에 입사하도록 하여, 기판에 대한 이온 주입을 실행하는 이온 주입기에 관한 것이다.
예컨대 큰 기판에 이온 주입을 실시하기 위해서는, 리본 형상(이는 시트형 또는 띠형으로도 지칭되며, 이하의 설명에도 동일하게 적용됨)을 갖는 이온 빔이 주로 사용된다.
이온 빔의 운동량 분석(예컨대, 질량 분석; 이하의 설명에도 동일하게 적용됨)을 실시하도록 리본형 이온 빔을 분석 전자석을 통과시킨 후에, 기판에 입사하도록 하여, 기판에 대한 이온 주입을 실행하는 이온 주입기의 예가, 예컨대 특허 문헌 1에 개시되어 있다.
리본형 이온 빔의 운동량 분석에 관련한 분석 전자석의 예는, 예컨대 특허 문헌 2에 개시되어 있다.
도 56을 참고로 하여, 특허 문헌 2에 개시된 종래의 분석 전자석을 설명하기로 한다. 도면에서는, 코일(12, 18)의 형상을 용이하게 이해할 수 있도록 하기 위 하여, 요크(36)가 이점쇄선으로 표시되어 있다. 이온 빔(2)의 진행 방향이 Z 방향으로서 설정되고, Z 방향에 실질적으로 직교하는 평면에서 서로 실질적으로 직교하는 2개의 방향을 각각 X 및 Y 방향으로서 설정한다. 분석 전자석(40)에 있어서, Y 방향으로 연장하는 리본형 이온 빔(2)은 입구(24)에서 수직으로 길게 입사하며, 출구로부터 방사된다.
분석 전자석(40)은, 특허 문헌 2의 도 1에 도시된 바와 같은 2개의 코일(12, 18), 또는 상부 및 하부 코일이 문헌의 도 21에 도시된 요크에 대응하는 요크(36)와 조합되는 구조를 갖는다.
코일(12)은 새들 형상 코일(특허 문헌 2에서는, 바나나 형상 코일로서 지칭됨)이며, 이온 빔(2)의 경로(빔 경로)를 가로질러 서로 대향하는 한 세트의 본체부(14; 특허 문헌 2에서는, 코일 메인부로서 지칭됨)와, 빔 경로를 피하도록 경사지게 상승하고 Z 방향으로 본체부(14)의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부(16; 특허 문헌 2에서는, 단부 상승부로서 지칭됨)를 구비한다. 연결부(16)는 입구(24) 및 출구(26)에서 경사지게 상승하여, 이온 빔(2)이 그 부분에 충돌하는 것을 방지하고 빔 통과 영역을 확보한다.
또한 코일(18)은 코일(12)과 유사한[그러나, 코일(12)에 대하여 면대칭인 형상을 갖는] 구조를 구비하는 새들 형상 코일이며, 한 세트의 본체부(20)와 한 세트의 연결부(22)를 구비한다.
각각의 코일(12, 18)은, 둘레가 절연체에 의해 피복되는 도체(피복 도체)가 복수회 권취되고, 평면도로 팬 형상을 갖는 코일을 양단부의 근처에서 구부러지게 하여 연결부(16, 22)를 형성하는 방법에 의하여 제조되는 다중 권선 코일이다. 도체로서는 일반적으로, 냉각 매체(예컨대, 냉각수)가 통하여 흐를 수 있는 중공 도체가 사용된다. 명세서에서, "절연"은 전기 절연을 의미하는 것이다.
요크(36)는 코일(12, 18)의 본체부(14, 20)의 외측을 집합적으로 둘러싼다.
[특허 문헌 1] JP-A-2005-327713(단락 0010, 도 1 내지 도 4)
[특허 문헌 2] JP-A-2004-152557(단락 0006 및 0022, 도 1 및 도 21)
분석 전자석(40)은 다음의 문제를 갖고 있다.
(1) 입구(24) 및 출구(26)에서, 빔의 입사 및 방사 방향으로 요크(36)로부터 돌출되는 연결부(16, 22)의 돌출 거리(L1)가 크다. 이는 주로 이하의 이유에 의해 초래된다.
(a) Y 방향으로 긴 리본형 이온 빔(2)을 가능한 한 균일하게 편향시킬 수 있도록 하기 위하여, 코일(12, 18)의 본체부(14, 20)는 Y 방향의 치수 a를 증가시킴으로써 수직으로 길게(도 56에 도시된 예보다 수직으로 더 길게) 되도록 설정되어야 한다. 전술한 바와 같이, 코일(12, 18)에 있어서는, 연결부(16, 22)를 형성하기 위하여 팬형 코일에 벤딩 공정을 적용한다. 따라서 치수 a는 돌출 거리(L1)에 실질적으로 직접적으로 반영된다. 따라서 치수 a가 더 증가함에 따라, 돌출 거리(L1)도 더 증가한다.
(b) 코일(12, 18)에 있어서, 연결부(16, 22)는 전술한 바와 같이 팬형 코일에 벤딩 공정을 적용함으로써 형성된다. 벤딩 공정에 대한 제한 때문에, 본체 부(14, 20)와 연결부(16, 22)의 사이의 경계 부근에는 비교적 큰 벤딩부(30, 32)가 불가피하게 형성된다. 벤딩부(30, 32)의 존재로 인하여, 요크(36)의 단부와 연결부(16, 22)의 단부 사이의 거리(L2)가 증가하게 된다. 거리 L2가 돌출 거리(L1)에 포함되기 때문에, 돌출 거리(L1)가 증가한다. 벤딩 공정에 대한 제한 때문에, 치수 a가 더 증가함에 따라, 벤딩부(30, 32)의 곡률 반경은 더 증가되어야 하며, 길이(L2)와 돌출 거리(L1)가 더욱 길어진다.
돌출 거리(L1)는 다음의 식으로 표시될 수 있다.
[식 1]
L1 = a + L2
(c) 연결부(16, 22)는 경사지게 상승한다. 이로 인하여, 돌출 거리(L1)가 증가한다.
전술한 바와 같이, 요크(36)로부터 연결부(16, 22)의 돌출 거리(L1)가 큰 때에는, 분석 전자석(40)이 상응하게 커지고, 또한 분석 전자석(40)을 설치하는 데 필요한 면적이 증가한다. 따라서 이온 주입기도 커지고, 또한 이온 주입기를 설치하는데 필요한 면적도 또한 증가한다. 또한, 분석 전자석(40)의 중량도 증가한다. 아울러, 요크(36)의 외측에 있는 연결부(16, 22)에 의해 발생된 자기장(프린지 필드로도 지칭됨)이 이온 빔(2)의 형태(형상 및 자세, 이하에도 동일하게 적용됨)를 동요시킬 가능성이 커진다.
(2) 코일(12, 18)의 전력 소모가 커진다. 이는 주로 다음의 이유에 의해 초래된다.
(a) 연결부(16, 22)는 이온 빔(2)을 편향시키는 자기장을 발생시키지 않는다. 전술한 바와 같이, 연결부(16, 22)의 돌출 거리(L1)가 크다. 따라서 연결부(16, 22)의 길이가 상응하게 길어지고, 연결부(16, 22)에서의 전력 소모가 쓸데없이 커진다. 이로 인하여, 코일(12, 18)의 전력 소모가 증가한다.
(b) 전술한 바와 같이, 코일(12, 18)은 피복 도체의 다중 권선 코일(multi-turn coil)이다. 따라서 코일(12, 18)의 단면에서 도체 영역의 비율[즉, 도체의 점적율(space factor)]을 증가시키는 것이 곤란하다. 이에 따라, 전력 손실이 상응하게 커지고, 전력 소모가 증가한다. 피복 도체가 중공 도체인 경우에, 도체의 점적율은 더욱 감속하므로, 전력 손실이 더욱 커진다. 따라서 전력 소모가 더욱 증가한다.
전술한 바와 같이, 코일(12, 18)의 전력 소모가 큰 경우에는, 분석 전자석(40)의 전력 소모가 커지고, 그에 따라 이온 주입기의 전력 소모가 커진다.
본 발명의 예시적인 실시예는, 코일의 연결부의 돌출 거리를 감소시켜, 분석 전자석의 사이즈 및 전력 소모를 줄일 수 있고, 이에 따라 이온 주입기의 사이즈 및 전력 소모를 줄일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 하나의 이온 주입기는
(a) 이온 빔의 진행 방향이 Z 방향으로서 설정되고, Z 방향에 실질적으로 직교하는 평면에서 서로 실질적으로 직교하는 두 방향이 각각 X 및 Y 방향으로서 설정되며, Y 방향의 치수가 X 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔이 기판을 조사하도록 전달되어, 이온 주입을 행하는 이온 주입기로서,
Y 방향의 치수가 상기 기판의 Y 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔을 발생시키는 이온 소스와,
상기 이온 소스로부터의 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하여 운동량을 분석하고, 소정 운동량의 이온 빔의 초점을 하류측에 형성하는 분석 전자석과,
상기 분석 전자석으로부터의 이온 빔의 초점 근처에 배치되고, 상기 분석 전자석과 협력하여 이온 빔의 운동량을 분석하는 분석 슬릿과,
상기 분석 슬릿을 통과한 이온 빔을 정전기장에 의해 X 방향으로 구부러지게 하고, 상기 정전기장에 의해 이온 빔을 가속 또는 감속시키는 가속/감속 장치와,
상기 가속/감속 장치를 통과한 이온 빔이 기판에 입사하게 되어 있는 주입 위치에서, 상기 기판을 이온 빔의 주면(主面)과 교차하는 방향으로 이동시키는 기판 구동 장치를 포함하며,
(b) 상기 분석 전자석은,
이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 적어도 한 세트의 연결부를 구비하며, 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시키는 코일과,
상기 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸는 요크를 포함하며,
(c) 상기 분석 전자석의 상기 코일은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일(stacked coil)에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면(外周面)에, 주면(主面)이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선(turn)으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성된다.
이온 주입기를 구성하는 분석 전자석에 있어서, 코일은, 본체부와 연결부를 남겨둔 상태로 전술한 바와 같이 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되도록 구성되어 있으므로, 연결부는 부분이 본체부의 단부로부터 실질적으로 평행하게 Y 방향으로 연장하는 상태로 있다. 따라서 본체부의 Y 방향의 치수가 증가하는 경우에 대해서는, 연결부의 Y 방향의 치수를 상응하게 증가시킴으로써 대처한다. 그 결과, 빔의 입사 및 방사 방향으로 연결부의 돌출 거리는 증가하지 않는다. 이러 한 구조에 따르면, 코일의 연결부가 빔의 입사 및 방사 방향으로 요크로부터 돌출하는 길이를 줄일 수 있다.
이에 따라, 코일의 연결부의 돌출 거리가 감속할 수 있고, 또한 연결부의 길이가 단축될 수 있으며, 이에 따라 연결부에서의 쓸데없는 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 코일은 사이에 절연 시트가 개재되는 상태로 도체 시트가 스택되는 구조를 갖는다. 따라서 피복 도체가 다수회 권취되어 있는 다중 권선 코일에 비교하여, 도체의 점적율이 높고, 전력 손실이 상응하게 낮다. 결과적으로, 전력 소모를 줄일 수 있다.
그 결과, 분석 전자석의 사이즈 및 전력 소모를 줄일 수 있고, 이에 따라 이온 주입기의 사이즈 및 전력 소모를 줄일 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 분석 전자석은,
이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 제2 코일과 협력하여 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시키는 제1 코일과,
빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, Y 방향으로 상기 제1 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 제1 코일 과 협력하여 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시키는 상기 제2 코일을 포함하도록 구성될 수 있고,
상기 요크는 상기 제1 코일 및 제2 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸며,
상기 분석 전자석의 상기 제1 및 제2 코일 각각은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 분석 전자석은,
이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 연결부를 구비하고, 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키는 내부 코일과,
상기 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제1 외부 코일과,
상기 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하 는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, Y 방향으로 상기 제1 외부 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제2 외부 코일을 포함하도록 구성될 수 있고,
상기 요크는 상기 내부 코일, 상기 제1 및 제2 외부 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸며,
상기 분석 전자석의 상기 내부 코일, 상기 제1 및 제2 외부 코일 각각은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성하고; 스택의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 분석 전자석은,
이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 제2 내부 코일과 협력하여 이온 빔을 X 방향 으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키는 제1 내부 코일과,
빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하고, Y 방향으로 상기 제1 내부 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 제1 내부 코일과 협력하여 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키는 상기 제2 내부 코일과,
상기 제1 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제1 외부 코일과,
상기 제2 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, Y 방향으로 상기 제1 외부 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제2 외부 코일을 포함하며,
상기 요크는 상기 제1 및 제2 내부 코일과, 상기 제1 및 제2 외부 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸며,
상기 분석 전자석의 상기 제1 내부 코일 및 상기 제1 외부 코일 각각은, 상 기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성하고; 스택의 외주면에, 주면이 Y 방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성되고,
상기 분석 전자석의 상기 제2 내부 코일 및 상기 제2 외부 코일 각각은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성하고; 스택의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성된다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 상기 분석 전자석은, 빔 경로를 가로질러 Y 방향으로 서로 대향하도록 상기 요크로부터 내측으로 돌출된 한 세트의 자극을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 이온 주입기는, 상기 이온 소스와 상기 분석 전자석 사이, 상기 분석 전자석과 상기 분석 슬릿 사이 중 하나 이상에 배치되어 있는 초점 교정 렌즈를 더 포함하고, 이 초점 교정 렌즈는 정전기장에 의하여 이온 빔의 초점의 위치를 상기 분석 슬릿의 위치와 일치하도록 교정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제7 양태에 따르면, 상기 초점 교정 렌즈는, 사이에 간극을 형성하면서 이온 빔 진행 방향으로 배치되어 있는 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극을 구비하고, 상기 초점 교정 렌즈의 상기 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극 각각은, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 한 쌍의 전극을 구비하며, 상기 초점 교정 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극은 동일한 전위로 유지되고, 상기 중간 전극은, 상기 입구 전극 및 출구 전극의 전위와 상이하며 이온 빔의 초점을 상기 분석 슬릿의 위치와 일치시키는 전위로 유지되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제8 양태에 따르면, 상기 가속/감속 장치는, 상류측에서 시작하여 이온 빔 진행 방향으로 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극의 순서로 배치되어 있는 제1 내지 제3 전극을 구비하도록 구성될 수 있고, 이온 빔을 제1 전극과 제2 전극 사이, 그리고 제2 전극과 제3 전극 사이의 두 스테이지에서 가속 또는 감속시키며, 상기 제2 전극은, 이온 빔의 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 이온 빔을 X 방향으로 편향시키도록 상이한 전위가 인가되는 2개의 전극 부재에 의해 구성되며, 상기 제3 전극은 편향 후에 특정 에너지를 갖는 이온 빔의 궤도를 따라 배치되어 있다.
본 발명의 제9 양태에 따르면, 상기 이온 주입기는, 상기 분석 전자석과 상 기 가속/감속 장치 사이에 배치되어 있고, 정전기장에 의해 이온 빔을 Y 방향으로 구부러지게 하며, 사이에 간극을 형성하면서 이온 빔 진행 방향으로 배치되어 있는 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극을 구비하는 궤도 제어 렌즈를 더 포함하도록 구성될 수 있으며, 상기 궤도 제어 렌즈의 상기 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극 각각은, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 한 쌍의 전극을 구비하며, 상기 궤도 제어 렌즈의 상기 중간 전극은, 이온 빔 진행 방향으로 상류측면 및 하류측면 각각에 Y 방향으로 만곡된 볼록면을 구비하며, 상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극 각각은 상기 중간 전극의 상기 볼록면에 대향하는 면에, 상기 볼록면을 따라 연장하는 오목면을 가지며, 상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극은 동일한 전위로 유지되고, 상기 중간 전극은, 상기 입구 전극 및 출구 전극의 전위와 상이하며 상기 궤도 제어 렌즈로부터 유도된 이온 빔의 Y 방향의 궤도 상태를 소정의 상태로 되게 하는 전위로 유지된다.
본 발명의 제10 양태에 따르면, 이온 주입기는, 상기 분석 전자석과 상기 가속/감속 장치 사이에 배치되어 있고, 정전기장에 의해 이온 빔을 Y 방향으로 구부러지게 하며, 사이에 간극을 형성하면서 이온 빔 진행 방향으로 배치되어 있는 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극을 구비하는 궤도 제어 렌즈를 더 포함하도록 구성될 수 있고, 상기 궤도 제어 렌즈의 상기 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극 각각은, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 한 쌍의 전극을 구비하며, 상기 궤도 제어 렌즈의 상기 중간 전극 은, 이온 빔 진행 방향으로 상류측면 및 하류측면 각각에 Y 방향으로 만곡된 오목면을 구비하며, 상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극 각각은 상기 중간 전극의 상기 오목면에 대향하는 면에, 상기 오목면을 따라 연장하는 볼록면을 가지며, 상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극은 동일한 전위로 유지되고, 상기 중간 전극은, 상기 입구 전극 및 출구 전극의 전위와 상이하며 상기 궤도 제어 렌즈로부터 유도된 이온 빔의 Y 방향의 궤도 상태를 소정의 상태로 되게 하는 전위로 유지된다.
본 발명의 제11 양태에 따르면, 이온 주입기는, 상기 분석 전자석과 상기 가속/감속 장치 사이에 배치되고, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 복수 쌍의 전극을 Y방향으로 구비하며, 정전기장에 의해 복수의 면에서의 궤도를 이온 빔의 Y 방향으로 구부러지게 하며, 주입 위치에서 이온 빔의 Y 방향으로의 빔 전류 밀도 분포를 균질화하는 균질화 렌즈를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제12 양태에 따르면, 이온 주입기는, 상기 분석 전자석과 주입 위치 사이에 배치되고, 이온 빔이 통과하는 빔 경로에, X 방향을 따라 연장하는 자기장을 발생시키는 편향 전자석을 더 포함하도록 구성될 수 있으며, 상기 편향 전자석은, 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제1 자극 쌍과, 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제2 자극 쌍과, 상기 제1 자극 쌍의 갭과 상기 제2 자극 쌍의 갭에 반대 자기장을 발생시키는 코일을 구비하며, 상기 제1 및 제2 자극 쌍을 구성하는 상기 자극의 이온 빔 진행 방향으로의 길이는, 빔 경로의 중심으로부터 Y 방향으로 더 외측으로 멀어질수록 더 크게 된다.
본 발명의 제13 양태에 따르면, 이온 주입기는, 상기 분석 전자석과 주입 위치 사이에 배치되고, 이온 빔이 통과하는 빔 경로에, X 방향을 따라 연장하는 자기장을 발생시키는 편향 전자석을 더 포함하도록 구성될 수 있고, 상기 편향 전자석은, 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제1 자극 쌍과, 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 대략 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제2 자극 쌍과, 상기 제1 자극 쌍의 갭과 상기 제2 자극 쌍의 갭에 반대 자기장을 발생시키는 코일을 구비하며, 상기 제1 및 제2 자극 쌍의 간극 길이는, 빔 경로의 중심으로부터 Y 방향으로 더 외측으로 멀어질수록 작아진다.
본 발명의 제1 내지 제4 양태에 따르면, 분석 전자석의 각 코일은 본체부와 연결부를 남겨둔 상태로 전술한 바와 같이 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되도록 구성되어 있으므로, 연결부는 그 부분이 본체부의 단부로부터 실질적으로 평행하게 Y 방향으로 연장하는 상태로 있다. 본체부의 Y 방향의 치수가 증가하는 경우에 대해서는, 연결부의 Y 방향의 치수를 상응하게 증가시킴으로써 대처한다. 그 결과, 빔의 입사 및 방사 방향으로 연결부의 돌출 거리는 증가하지 않는 다. 이러한 구조에 따르면, 코일의 연결부가 빔의 입사 및 방사 방향으로 요크로부터 돌출하는 거리를 줄일 수 있다.
분석 전자석의 사이즈를 줄일 수 있으므로, 분석 전자석을 설치하는데 필요한 면적을 줄일 수 있다. 또한 분석 전자석의 중량을 줄일 수 있다. 또한, 코일의 연결부에 의해 발생된 자기장이 이온 빔의 형태를 동요시킬 가능성이 줄어든다.
이에 따라서, 각 코일의 연결부의 돌출 거리를 감소시킬 수 있고, 또한 연결부의 길이를 단축시킬 수 있으며, 이에 따라 연결부에서의 쓸데없는 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 각각의 코일은 사이에 절연 시트가 개재되게 도체 시트가 스택되는 구조를 갖는다. 따라서 피복 도체가 복수회 권취되어 있는 다중 권선 코일과 비교할 때, 도체의 점적율이 높고, 전력 소모가 상응하게 낮다. 결과적으로, 전력 소모를 줄일 수 있다.
그 결과, 분석 전자석의 소형화에 따라, 이온 주입기의 사이즈를 줄일 수 있고, 이에 따라 이온 주입기를 설치하는 데 필요한 면적을 줄일 수 있다. 또한, 이온 주입기의 중량을 줄일 수 있다. 또한, 분석 전자석의 전력 소모의 감소에 따라서, 이온 주입기의 전력 소모를 줄일 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 양태에 따른 본 발명은 이하의 효과를 얻을 수 있다.
이온 주입기는 Y 방향의 치수가 기판의 Y 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔을 발생시키는 이온 소스를 포함한다. 따라서 이온 빔의 Y 방향으로의 확대 또는 분산을 사용하는 경우에 비교하여, 큰 기판의 경우에 대해서도 이온 주입을 높은 처리 속도(생산율)로 실행할 수 있다. 이러한 효과는 기판을 처리할 때에 더욱 현저하므로, 이온 빔은 큰 Y 방향 치수를 갖는다.
가속/감속 장치는 이온 빔의 가속/감속을 실행할 뿐 아니라, 이온 빔의 X 방향 편향을 실행할 수도 있다. 따라서 원하는 에너지의 이온 빔을 선택적으로 유도할 수 있고, 에너지 오염을 억제할 수 있다. 또한, 이들 기능은 단일의 가속/감속 장치에서 구현될 수 있다. 따라서 에너지 분석기가 별도로 설치되어 있는 경우에 비교하여, 이온 빔의 전달 경로를 단축시킬 수 있다. 따라서 이온 빔의 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 분석 전자석이 제1 및 제2 코일을 포함하기 때문에, Y 방향 치수가 큰 이온 빔에 대해서 용이하게 대처할 수 있다.
제3 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 분석 전자석이 내부 코일에 추가하여 제1 및 제2 코일을 포함하기 때문에, 이온 빔의 빔 경로에, Y 방향으로 자속 밀도 분포의 균질도가 높은 자기장을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 방사 시에 이온 빔의 형태의 동요를 낮은 수준으로 억제할 수 있다. 이러한 효과는 이온 빔의 Y 방향의 치수가 큰 경우에 더욱 현저하다.
제4 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 분석 전자석이 제1 및 제2 내부 코일에 추가하여 제1 및 제2 외부 코일을 포함하기 때문에, Y 방향의 치수가 큰 이온 빔에 용이하게 대처할 수 있고, 이온 빔의 빔 경로에, Y 방향으로 자속 밀도 분포의 균질도가 높은 자기장을 또한 발생시킬 수 있다. 그 결과, 방사 시에 이온 빔의 형태의 동요를 낮은 수준으로 억제할 수 있다. 이 러한 효과는 이온 빔의 Y 방향의 치수가 큰 경우에 더욱 현저하다.
제5 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 분석 전자석이 자극을 더 포함하기 때문에, 자기장은 자극 사이의 간극에 용이하게 집중될 수 있고, 이에 따라 빔 경로에 높은 자속 밀도의 자기장을 용이하게 발생시킬 수 있다.
제6 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 이온 주입기는 분석 전자석으로부터의 이온 빔의 초점의 위치를 정전기장에 의하여 분석 슬릿의 위치와 일치시키는 교정을 실행하는 초점 교정 렌즈를 구비하기 때문에, 공간 전하의 영향에 의해 이온 빔의 초점이 분석 슬릿의 위치로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 공간 전하의 영향을 상쇄하면서, 이온 빔의 전달 효율 및 분해능을 향상시킬 수 있다.
제7 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 초점 교정 렌즈가 유니포텐셜 렌즈(달리 말하면, 아인젤 렌즈, 이하에도 동일하게 적용됨)로서 기능하기 때문에, 이온 빔의 초점의 위치를 이온 빔의 에너지를 변경시키지 않고 교정할 수 있다.
제8 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 가속/감속 장치에 있어서, 이온 빔은 2개의 전극 부재로 분리되게 구성되는 제2 전극의 부분에 의해 편향될 수 있으며, 이로써 에너지 분배의 효과를 얻을 수 있다. 제3 전극의 존재로 인하여, 특정의 에너지를 갖는 이온 빔을 효율적으로 유도할 수 있고, 이온 빔 이외의 이온과 중성 입자를 제3 전극에 의해 효율적으로 차단할 수 있 다. 따라서 에너지 오염을 효율적으로 억제할 수 있다. 특히, 감속 모드에서, 제1 전극과 제2 전극의 사이에서 이온 빔의 감속 시의 전하 변환에 의해 중성 입자가 용이하게 발생하는 것은 경험적으로 알려져 있다. 많은 중성 입자가 발생하더라도, 이들 입자는 직선으로 진행하여 전극에 충돌하여 차단된다. 따라서 중성 입자는 가속/감속 장치에서 효과적으로 제거될 수 있다.
또한, 이온 빔은 두 스테이지에서 가속될 수 있고, 이중 후속 스테이지에서의 가속 전에 편향될 수 있다. 따라서 편향이 용이하게 된다. 또한, 원치 않는 이온의 충돌에 의해 발생된 전자는 제2 전극에 의해 구부러져서 전자가 제1 전극에 도달하는 것이 방지된다. 따라서 전자의 충돌에 의해 발생된 X선의 에너지가 낮아질 수 있다.
제9 및 제10 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 궤도 제어 렌즈는 유니포텐셜 렌즈로서 기능하므로, 이온 빔의 Y 방향의 궤도 상태를 이온 빔의 에너지를 변경시키지 않고 원하는 상태로 설정될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 궤도 제어 렌즈를 구성하는 중간 전극은 Y 방향으로 만곡된 오목면을 구비하고, 입구 및 출구 전극은 오목면을 따라 연장하는 표면을 각각 구비한다. 따라서 전극 사이의 간극에서 전기장 분포의 Y 방향의 균질화가 현저하게 개선된다. 그 결과, Y 방향의 치수가 크더라도, 이온 빔의 Y 방향의 궤도 상태를 높은 균질도로 원하는 상태로 설정할 수 있다.
제11 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 균질화 렌즈가 제공되기 때문에, 주입 위치에서 이온 빔의 Y 방향의 빔 전류 밀도 분포 를 균질화할 수 있고, 기판에 대한 이온 주입의 균질화를 개선할 수 있다. 이러한 효과는 기판을 처리할 경우에 더욱 현저하므로, 이온 빔의 Y 방향 치수가 크다.
제12 및 제13 양태에 따른 본 발명은 이하의 추가의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 제1 자극 쌍 및 제2 자극 쌍 사이의 간극에서, 이온 빔은 이온이 빔 경로의 중심으로부터 Y 방향으로 더 외측으로 멀어짐에 따라 더욱 강하게 구부러진다. 이러한 구조에 따르면, 이온 빔의 궤도 상태를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명, 첨부도면 및 클레임으로부터 명확하게 될 것이다.
(1) 전체 이온 주입기에 대하여
도 1은 본 발명의 이온 주입기의 실시예를 도시하는 개략적인 평면도이다. 명세서 및 도면에 있어서는, 이온 빔(50)의 진행 방향이 항상 Z 방향으로 설정되고, Z 방향에 실질적으로 직교하는 평면에서 서로 실질적으로 직교하는 두 방향이 각각 X 방향 및 Y 방향으로서 설정된다. 예컨대, X 방향과 Z 방향은 수평 방향이고, Y 방향은 수직 방향이다. Y 방향은 일정한 방향이지만, X 방향은 절대적인 방향이 아니고, 경로 상의 이온 빔(50)의 위치에 따라 변경된다(예컨대, 도 1 및 도 4 등 참조). 명세서에서는, 이온 빔(50)을 구성하는 이온이 양 이온인 경우를 예로서 설명하기로 한다.
이온 주입기는 리본형 이온 빔(50)으로 기판(60)을 조사하여 이온 주입을 행하는 이온 주입기로서, 리본형 이온 빔(50)을 발생시키는 이온 소스(100); 이 이온 소스(100)로부터의 이온 빔(50)을 X 방향으로 구부러지게 하여 운동량을 분석하고, 소정 운동량의 이온 빔(50)의 초점(56; X 방향의 초점이며, 이하에도 동일하게 적용됨)을 하류측에 형성하는 분석 전자석(200); 분석 전자석(200)을 통과한 이온 빔이 기판(60)에 입사하게 되어 있는 주입 위치에서, 기판(60)을 이온 빔(50)의 주면(52; 도 2 및 도 3 참조)과 교차하는 방향으로 이동시키는 기판 구동 장치(500)를 구비한다.
이온 소스(100)로부터 기판(60)으로의 이온 빔(50)의 경로는 진공 분위기로 유지되는 진공 용기(도시 생략) 내에 있다.
명세서에 있어서, "주면(主面)"은 리본형 또는 시트형 부재[예컨대, 후술하는 이온 빔(50), 절연 시트(266, 267) 및 도체 시트(268, 269)]의 단부면을 의미하는 것이 아니라, 부재의 넓은 면을 의미한다. "하류측" 또는 "상류측"은 이온 빔(50)의 진행 방향(Z)으로 하류측 또는 상류측을 의미한다. 이온 소스(100)로부터 발생한 이온 빔(50)과 분석 전자석(200)으로부터 유도된 이온 빔(50)은 개념이 서로 상이하다. 즉, 전자는 운동량 분석 이전의 이온 빔이고, 후자는 운동량 분석 이후의 이온 빔이다. 이온 빔 사이의 차이는 명백하다. 따라서 명세서에 있어서는, 이온 빔은 서로 구분되지 않으며, 양자가 모두 이온 빔(50)으로서 표시되어 있다.
이온 소스(100)로부터 발생하여 기판(60)으로 전달된 이온 빔(50)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대 Y 방향의 치수(Wy)가 X 방향의 치수(Wx)보다 큰, 즉 Wy>Wx인 리본 형상을 갖는다. 이온 빔(50)이 리본 형상을 갖기는 하지만, 이것이 X 방향의 치수(Wx)가 종이 또는 천만큼 얇다는 것을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 기판(60)의 치수에 따라 다르기는 하지만, 이온 빔(50)의 X 방향의 치수(Wx)는 약 30 내지 80 mm이고, Y 방향의 치수(Wy)는 약 300 내지 500 mm이다. 이온 빔(50)이 더 큰 평면, YZ 평면을 따른 평면이 주면(52)이다.
이온 소스(100)는, 도 3에 도시된 예에서와 같이, Y 방향의 치수(Wy)가 기판(60)의 Y 방향의 두께(Ty)보다 큰 리본형 이온 빔(50)을 발생시킨다. 예컨대 두께(Ty)를 300 내지 400 mm로 하면, Y 방향의 치수(Wy)는 약 400 내지 500 mm이다.
예컨대, 기판(60)은 반도체 기판, 유리 기판, 또는 그 외의 기판이다. 기판의 평면 형상은 원형 또는 사각형 형상이다.
분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)의 초점(56) 근처에는, 분석 전자석(200)과 협력하여 이온 빔(50)의 운동량을 분석하는 슬릿(70)이 배치되어 있다. 도 27에도 도시된 바와 같이, 분석 슬릿(70)은 Y 방향에 실질적으로 평행하게 연장하는 슬릿(72)을 갖는다. 분석 슬릿(70)을 이온 빔(50)의 초점(56) 근처에 배치하는 이유는, 이온 빔(50)의 전달 효율과 운동량 분석 능력 모두가 향상되기 때문이다.
이온 주입기는, 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치를 교정하는 초점 교정 렌즈(600, 610); 이온 빔(50)의 Y 방향으로의 궤도 상태를 제어하는 궤도 제어 렌즈(700a, 700b); 이온 빔(50)의 편향 및 가속/감속을 실행하는 가속/감속 장치(400)를 더 구비한다. 이들 구성 요소에 대해서는 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.
(2) 분석 전자석(200)에 대하여
이하에서는, 분석 전자석(200)의 전체 구성, 코일이 상세 구조, 코일 제조 방법, 분석 전자석(200)의 특징, 제어 방법 및 다른 예 등을 차례대로 설명한다.
(2-1) 분석 전자석(200)의 전체 구조
분석 전자석(200)의 예가 도 4 내지 도 6 등에 도시되어 있다. 도 6은 진공 용기(246)를 생략한 상태의 분석 전자석을 도시한다. 분석 전자석(200)은, 리본형 이온 빔(50)이 전자석에 충돌하고, 이온 빔(50)이 통과하는 빔 경로(202)에 Y 방향을 따른 자기장이 발생하며, 이온 빔(50)이 X 방향으로 구부러져 운동량 분석을 실시하도록 구성되어 있다. 자기장은 도 5 등에 자력선(204)에 의해 개략적으로 도시되어 있다. 이온 빔(50)이 분석 전자석(200)에 충돌할 때, 진행 중인 이온 빔(50)은 자기장에 의하여, 진행 방향(Z)으로 보았을 때 우측을 향하는 로렌츠의 힘(Fx)을 받고, 이로써 우측으로 편향된다. 그 결과, 운동량 분석이 실시된다. 이온 빔(50)의 중심 궤도는 도 4에 일점쇄선으로 표시되어 있고, 그 곡률반경은 R로 표시되어 있다. 이온 빔(50)이 분석 전자석(200)에 의해 편향되는 각도(편향각)는 α로 표시된다.
예컨대, 곡률 반경(R)은 300 내지 1,500 mm이고, 편향각(α)은 60 내지 90도이다. 도 4는 편향각(α)이 90도인 경우를 예시적으로 도시하고 있다.
또한 도 7을 참조하면, 분석 전자석(200)은 제1 내부 코일(206), 제2 내부 코일(212), 하나 이상(본 실시예에서는 3개)의 제1 외부 코일(218), 하나 이상(본 실시예에서는 3개)의 제2 외부 코일(224), 요크(230), 그리고 한 세트의 자극(232) 을 포함한다. 빔 경로(202)는, 비자성 물질로 제조되고 진공 분위기로 유지된 진공 용기(236)로 둘러싸여 있다. 진공 용기(236)는 분석기 튜브로도 지칭된다.
제1 및 제2 내부 코일(206, 212)이 추출되고, 도 8에 도시되어 있다. 도면을 참고하면 코일을 보다 용이하게 이해할 수 있다.
본 예에서, 코일(206, 212, 218, 224)은, 빔 경로(202)의 Y 방향으로 중심을 통과하고 XZ 평면에 평행한 대칭면(234; 도 5 등 참조)을 중심으로 Y 방향으로 실질적으로 면대칭인 형상을 갖는다. 후술하는 코일(320; 도 22 및 도 24 등 참조), 제1 코일(326) 및 제2 코일(328; 도 25 참조)은 유사한 방식으로 구성되어 있다. 그러한 면대칭 구조를 채용하는 경우에, Y 방향으로의 대칭성이 높은 자기장을 빔 경로(202)에 용이하게 발생시킬 수 있다. 이는, 분석 전자석(200)으로부터의 방사 시에 이온 빔(50)의 형태를 동요시키는 것을 억제하는 데에 기여한다.
이하에서는, 도 5, 도 9 및 도 13 등에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 외부 코일(218)과 복수의 제2 외부 코일(224)을 서로 구별해야 할 때에는, 제1 외부 코일(218)은 Y 방향으로 상측으로부터 시작하여 제1 외부 코일(218a, 218b, 218c)로서 지칭되고, 제2 외부 코일(224)은 Y 방향으로 하측으로부터 시작하여 제2 외부 코일(224a, 224b, 224c)로서 지칭되는데, 그 이유는 제2 외부 코일이 전술한 바와 같이 제1 외부 코일(218)에 대하여 면대칭이기 때문이다.
구성 요소를 지시하는 부호, 예컨대 코일(206)이 도면에서 밑줄이 그어져 있는 경우에, 그러한 부호는 코일과 같은 구성 요소 전체를 나타내는 것이다.
주로 도 8 및 도 12를 참조하면, 제1 내부 코일(206)은, 빔 경로(202)를 가 로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔(50)의 일측(실시예에서는 상측)의 대략 절반 또는 그 이상(달리 말하면, 실질적으로 절반 또는 그 이상)을 덮는 한 세트의 본체부(208)와, 상기 빔 경로(202)를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부(208)의 단부[달리 말하면, 분석 전자석(200)의 입구(238)측의 단부와 출구(240)의 단부를 말하며, 이는 다른 코일에도 또한 적용될 수 있음]를 서로 연결하는 한 세트의 연결부(210)를 구비하는 새들 형상의 코일이다. 제1 내부 코일은 제2 내부 코일(212)과 협력하여 이온 빔(50)을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시킨다. 메인 자기장은, 이온 빔(50)을 실질적으로 예정된 곡률 반경(R)으로 구부러지게 하는 자기장이다. 제1 내부 코일(206)은 새들 형상 코일로서 지칭되는데, 그 이유는 전체적으로 보았을 때, 코일이 새들과 유사한 형상을 갖기 때문이다. 동일한 것이 다른 코일(212, 218, 224)과, 후술하는 코일(326, 328)에 적용된다.
이온 빔(50)이 연결부(210)에 충돌하는 것을 방지하고, 그 연결부에 의해 발생된 자기장이 이온 빔(50)에 끼치는 영향을 줄이기 위하여, 연결부는 Y 방향으로 상측을 향하여 빔 경로(202)로부터 분리되어 있다. 위와 동일한 목적으로, 다른 코일의 연결부는 Y 방향으로 상측 또는 하측을 향하여 빔 경로(202)로부터 분리되어 있다.
주로 도 8을 참고하면, 제2 내부 코일(212)은, 빔 경로(202)를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔(50)의 타측(실시예에서는 하측)의 대략 절반 또는 그 이상(달리 말하면, 실질적으로 절반 또는 그 이상)을 덮는 한 세 트의 본체부(214)와, 상기 빔 경로(202)를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부(214)의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부(216)를 구비하는 새들 형상의 코일이다. 제2 내부 코일은 Y 방향으로 상기 제1 내부 코일(206)과 중첩되게 배치되며, 상기 제1 내부 코일(206)과 협력하여 이온 빔(50)을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시킨다. 즉, 제2 내부 코일(212)은 제1 내부 코일(206)과 방향이 동일한 자력선(204)을 발생시킨다.
제2 내부 코일(212)은 제1 내부 코일(206)과 유사한 치수 및 구조를 갖는다. 일반적으로, 도체[구체적으로는 도체 시트(268), 도 10 등 참조]의 권선의 수도 제1 내부 코일(206)의 권선 수와 동일하다. 그러나 전술한 바와 같이, 제2 내부 코일은 제1 내부 코일(206)에 대하여 대칭면(234)을 중심으로 면대칭인 형상을 갖는다. 연결부(216)는 빔 경로(202)를 가로질러 연결부(210)에 대하여 Y 방향으로 반대측(즉, 하측)에 배치되어 있다.
도 8에 선으로 지시되어 있지만, 제1 내부 코일(206)과 제2 내부 코일(212) 사이에는 작은(예컨대, 약 20 mm) 간극(242)이 형성되어 있다. 간극에는, 후술하는 총 2개의 냉각판(312; 도 19 참조)이 배치될 수 있는데, 즉 하나의 냉각판은 제1 내부 코일(206)측에, 하나의 냉각판은 제2 내부 코일(212)측에 있다.
주로 도 7을 참조하면, 제1 외부 코일(218) 각각은, 제1 내부 코일(206)의 외측에 있고 빔 경로(202)를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부(220)와, 빔 경로(202)를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부(220)의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부(222)를 구비하는 새들 형상의 코일이다. 상기 제1 외 부 코일은 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시킨다. 제1 외부 코일(218)은 Y 방향으로 서로 중첩되게 배치되어 있다.
구체적으로, 각각의 제1 외부 코일(218)의 본체부(220)와 연결부(222)의 측방향 부분[도 12에 도시된 측방향 부분(284)에 대응하는 부분]은 Y 방향으로 서로 중첩되게 배치되어 있다. 엄밀하게 말하면, 연결부(222)의 수직 부분[도 12에 도시된 수직 부분(282)에 대응하는 부분]이 전술한 바와 같이 중첩되게 배치되어 있다고 말하기는 어렵지만, 전체적으로 보았을 때에는, 제1 외부 코일(218)이 Y 방향으로 서로 중첩되게 배치되어 있다고 말할 수 있다. 제2 외부 코일(224)이 유사하게 구성되어 있다.
제1 외부 코일(218)은 제1 내부 코일(206)과 실질적으로 유사한 구조를 갖는다. 그러나 Y 방향의 치수는 제1 내부 코일(206)의 치수보다 작으며, 도체의 권선의 수도 일반적으로 제1 내부 코일(206)의 수보다 작다. 제1 외부 코일(218)은 동일한 수의 도체[구체적으로, 도체 시트(269), 도 10 등 참조] 권선(turn)을 갖는다. 실시예에서, 제1 외부 코일(218)은 상이한 Y 방향 치수를 갖는다. 대안으로, 제1 외부 코일들은 동일한 Y 방향 치수를 갖는다. 제2 외부 코일(224)이 유사하게 구성된다.
예컨대, 제1 내부 코일(206)과 제2 내부 코일(212)에 있어서 본체부와 연결부의 Y 방향 치수는 약 230 mm이며, 제1 외부 코일(218a)과 제2 외부 코일(224a)에 있어서의 치수는 약 50 mm이며, 제1 외부 코일(218b)과 제2 외부 코일(224b)에 있어서의 치수는 약 60 mm이며, 제1 외부 코일(218c)과 제2 외부 코일(224c)에 있어 서의 치수는 약 100 mm이다.
도 7에 선으로 지시되어 있지만, 제1 외부 코일(218)들 사이, 제2 외부 코일(224)들 사이, 그리고 최하측 제1 외부 코일(218; 218c)과 최상측 제2 외부 코일(224; 224c)에는 각각 작은 간극(244, 246, 248)이 형성되어 있다(또한 도 9 참조). 간극에는, 후술하는 냉각판(312; 도 19 참조)이 배치될 수 있다. 예컨대, 간극(244, 246)의 치수는 약 10 mm이고, 간극(248)의 치수는 간극(242)의 치수와 대응하거나, 약 20 mm이다. 간극(244, 246)은 각각의 외부 코일(218, 224)을 따라 전체 둘레에 배치되어 있다.
제1 외부 코일(218)은 제1 내부 코일(206)과 제2 내부 코일(212)에 의해 발생된 자기장과 동일한 방향 또는 반대 방향의 자기장을 발생시킬 수 있다. 대안으로, 자기장의 방향은 제어에 의해 역전될 수 있다. 제2 외부 코일(224)은 유사한 방식으로 구성된다. 제1 외부 코일(218)의 본체부(220)에 의해 발생된 자력선(자기장)의 일부는 빔 경로(202)를 향하여 퍼져서(달리 말하면, 누설되어), 메인 자기장이 영향을 받는다. 따라서 제1 외부 코일(218)은 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시킬 수 있다. 이 경우에, 각각의 제1 외부 코일(218)은 코일의 내측 근처의 영역에서의 자기장을 지원하거나 교정하는 효과를 부여한다. 제2 외부 코일(224)은 유사한 방식으로 구성된다.
주로 도 7을 참고하면, 각각의 제2 외부 코일(224)은, 제2 내부 코일(212)의 외측에 있고 빔 경로(202)를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부(226)와, 상기 빔 경로(202)를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부(226)의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부(228)를 구비하는 새들 형상의 코일이다. 제2 외부 코일은 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시킨다. 제2 외부 코일(224)은 Y 방향으로 서로 중첩되게, 그리고 Y 방향으로 제1 외부 코일(218)과 중첩되게 배치된다.
제2 외부 코일(224)은 제2 내부 코일(212)과 실질적으로 유사한 구조를 갖는다. 그러나 Y 방향의 치수는 제2 내부 코일(212)의 치수보다 작고, 또한 도체의 권선 수도 일반적으로 제2 내부 코일(212)의 권선 수보다 작다. 도체[구체적으로는 도체 시트]의 권선의 수와 제2 외부 코일(224)의 Y 방향 치수는 전술한 바와 같다.
각 도체의 권선 수에 대한 예를 설명하기로 한다. 제1 내부 코일(206)과 제2 내부 코일(212)의 권선의 수는 약 110 터언(turn)이며, 제1 외부 코일(218)과 제2 외부 코일(224)의 권선의 수는 약 85 터언이다.
코일의 각 본체부(208, 214, 220, 226)가 실질적으로 전체적으로 요크(230)에 배치되어 있으므로, 본체부는 빔 경로(202)에 소정의 자기장(메인 자기장 또는 서브 자기장)을 발생시키는 부분이라고 말할 수 있다. 후술하는 코일(320)의 본체부(322)는 유사하게 구성되어 있다.
코일의 연결부(210, 216, 222, 228)는, Z 방향으로 한 세트의 본체부 각각의 단부를 서로 전기적으로 연결하고, 본체부와 협력하여 루프형 도전 경로를 형성하는 부분이라고 말할 수 있다. 후술하는 코일(320)의 연결부(324, 325)는 유사하게 구성되어 있다.
도 5는 도 4의 선 A-A를 따라 취한 종단면도로서, 코일(206, 212, 218, 224)의 본체부(208, 214, 220, 226)를 도시한다. 또한 후술하는 도 24 내지 도 26도 코일의 본체부를 도시한다.
요크(230)는 강자성 재료로 제조되고, 코일(206, 212, 218, 224)의 본체부(208, 214, 220, 226)의 외측을 집합적으로 둘러싼다. 이와 같이 구성된 요크(230)는 또한 외측으로의 자기장 누설을 감소시킬 수 있는 효과를 부여한다. 요크(230)는 도 4에 도시된 바와 같이 소위 팬형의 평면도 형상을 갖는다. 요크(230)의 단면(XY 평면을 따른 단면) 형상은 사각형 프레임 형태의 형상이다. 이와 같이 구성된 요크(230)는 창틀형 요크로도 지칭된다.
실시예에 있어서, 요크(230)를 구성하는 상부 요크(231)는 탈착 가능하다. 상부 요크(231)를 사용하는 방식을 후술하기로 한다.
한 세트의 자극(232)은 강자성 재료로 제조되고, 빔 경로(202)를 가로질러 Y 방향으로 서로 대향하도록 요크(230)로부터 예컨대 약 15 mm만큼 내측으로 돌출한다. 각 자극(232)의 평면도 형상은, 도 4에 도시된 이온 빔(50)의 중앙 궤도(54)를 따라 연장하는 아치 형상이다. 이 형상은 팬과 유사한 형상(fan-like shape)으로도 지칭된다. 자극(232) 사이의 간극 길이(G)는 이온 빔(50)의 Y 방향으로의 치수(Wy)보다 어느 정도(예컨대, 100 내지 150 mm만큼) 크다. 자극(232)은 필수적인 것은 아니다. 그러나 자극이 배치되어 있으면, 자력선(204)이 자극(232) 사이의 간극에 용이하게 집중될 수 있으므로, 빔 경로(202)에 높은 자속 밀도를 갖는 자기장을 발생시키는 것이 용이하다.
예컨대, 자극(232) 사이의 간극 길이(G)는 곡률 반경(R)의 1/2과 동일하거나 그보다 작은 사이즈를 갖는다. 구체적으로 곡률 반경(R)이 800 mm이면, 간극 길이(G)는 예컨대 500 mm이다. 일반적으로, 간극 길이(G)는 자극(232)의 폭(WG)보다 크다. 즉, G≥WG 이다. 그러한 치수 관계에 따르면, 자극(232)과 요크(230)가 불필요하게 확대되는 것을 방지할 수 있다.
도 5 내지 도 7에 있어서, 제1 내부 코일(206)과 제1 외부 코일(218) 사이에, 그리고 제2 내부 코일(212)과 제2 외부 코일(224) 사이에 간극이 존재하는 것으로 보인다. 실시예에 있어서, 도 9 및 도 10에 도시된 스택 절연체(262)가 간극에 개재되어 있다.
(2-2) 코일의 구조 등
다음으로, 코일의 구조 등을 상세하게 설명하기로 한다. 도 9는 도 7의 선 D-D를 따라 취한 제1 내부 및 외부 코일의 단면을 확대하여 도시하는 개략도이고, 도 10은 도 9에 도시된 제1 내부 코일과 최상측 제1 외부 코일을 분해하여 도시하는 단면도이다.
제1 내부 코일(206)과 제1 외부 코일(218)은, 본체부(208, 220)와 연결부(210, 222)를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일(stacked coil; 290)에 노치부(272 내지 275; 도 7 참조)가 배치되어 있는 구조를 갖는다. 팬 형상의 통형 스택 코일에 있어서는, 주면(266a)이 Y 방향을 따라 연장하는 절연 시트(266)와 주면(268a)이 Y 방향을 따라 연장하는 도체 시트(268)의 라미네이션(세트 264)이 제1 스택 절연체(261)[Y 방향과 교차하는 화살표 270의 방향으로 스택되며, 이는 이하에도 동일하게 적용됨]의 외주면에 여러 개의 권선으로 감긴 상태로 스택되고, 제2스택 절연체(262)가 라미네이션의 외주면에 형성되고, 주면(267a)이 Y 방향을 따라 연장하는 절연 시트(267)와 주면(269a)이 Y 방향을 따라 연장하는 도체 시트(269)의 라미네이션(세트 265)이 절연체의 외주면에 여러 개의 권선으로 감긴 상태로 스택되고, 제3 스택 절연체(263)가 라미네이션의 외측에 형성된다.
노치부(272 내지 275)에 대한 이해를 용이하게 하기 위하여, 제1 내부 코일(206)의 노치부(272 내지 275)가 도 12에 도시되어 있다. 유사한 노치부(272 내지 275)가 제1 외부 코일(218)에도 배치되어 있다.
요크(230)는 곡률 반경(R)의 외측 및 내측 방향에 위치되어 있는 2개의 노치부(272, 273) 내로 끼워진다. 즉, 이들 노치부는 요크(230)의 형상에 대응하는 형상을 갖는다. 후술하는 코일(320)의 노치부(276 내지 279)는 유사하게 구성되어 있다. 이온 빔(50)의 진행 방향(Z)측에 있는 2개의 노치부(274, 275)는 각각 입구(238) 및 출구(240)의 상측 절반을 형성한다.
제2 스택 절연체(262)는 제1 내부 코일(206)을 구성할 수도 있고(도 10이 이 경우를 도시함), 제1 외부 코일(218)을 구성할 수도 있으며, 코일(206, 218)에 의해 공유될 수도 있다.
도 15는 도 14에 도시된 스택 코일(290)의 단면 구조를 도시한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 스택 코일은 도 10에서와 동일한 단면 구조를 갖는 내부 및 외부 코일(292, 294)에 의해 구성된다. 이 경우에도, 제2 스택 절연체(262)는 내부 코일(292)을 구성할 수도 있고(도 15가 이 경우를 도시함), 외부 코일(294)을 구성할 수도 있으며, 코일(292, 294)에 의해 공유될 수도 있다.
스택 코일(290)에 있어서, 노치부(272 내지 275)에 각각 대응하는 부분(272a 내지 275a)이 절단 공정 등에 의해 절결 제거되어 노치부(272 내지 275)를 형성한다. 그 후, 내부 코일(292)이 제1 내부 코일(206)로서 구성되고, 외부 코일(294)이 제1 외부 코일(218)로서 구성된다.
또한, 본 실시에는, 제1 외부 코일(218)을 3개의 부분(3개의 스텝)으로 분리하기 위하여, 절단 공정 등에 의하여 스택 코일(290)의 외부 코일(294)에 간극이 배치되어 있는 구조를 갖는다.
스택 코일(290)의 각각의 스택 절연체(261, 262, 263)는, 예컨대 프리프레그 시트(prepreg sheet)를 복수의 권선으로 권취함으로써 형성된다. 도 16의 프리프레그 시트(300)가 프리프레그 시트이다. 프리프레그 시트는, 절연성 및 내열성을 갖는 지지 부재에 절연성 수지를 침지하여 반경화 상태로 처리한 시트이다.
지지 부재는 예컨대 유리 섬유 또는 탄소 섬유에 의해 구성된다. 수지는 예컨대 에폭시 수지 또는 폴리이미드 수지에 의해 구성된다. 그러한 프리프레그 시트를 이용하여 형성된 스택 절연체(261 내지 263)는 섬유 보강 플라스틱(FRP)으로 지칭될 수 있다. 스택 절연체(261 내지 263)의 두께는 구조적 부재로서 필요한 강도에 따라서 적절하게 선택될 수 있다.
각각의 절연 시트(266, 267)는 예컨대 Nomex(등록 상표), Lumilar(등록 상표), 또는 Kapton(등록 상표), 또는 다른 절연 시트에 의해 구성된 시트이다. 절 연 시트(266, 267)의 두께는 요구되는 절연 강도 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예컨대, 두께는 약 75㎛이거나, 또는 이보다 작을 수도 있다.
각각의 도체 시트(268, 269)는 예컨대 구리 시트 또는 알루미늄 시트에 의해 구성된다. 두께는 통과하는 전류에 따라서 적절하게 선택될 수 있다. 예컨대, 구리 시트의 경우에, 두께는 약 0.4 mm이고, 알루미늄 시트의 경우에는, 두께가 약 0.5 mm이다. 이들 시트의 Y 방향에 대응하는 방향의 폭은 요구되는 코일의 Y 방향 치수에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 예컨대 약 230 mm이다(예컨대, 후술하는 공정 전의 폭이 약 234 mm임). 또한, 스택 절연체(261 내지 263)와 절연 시트(266, 267)의 폭도 상기 값에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
절연 시트(266)와 도체 시트(268)는 이하에서 설명하는 바와 같이 도 10과는 반대의 방식으로 중첩될 수 있다. 도체 시트(268)는 제1 내부 코일(206)의 내측[도 10의 좌측, 즉 스택 절연체(261)측]에 배치될 수 있고, 절연 시트(266)는 외측과 중첩되게 배치될 수 있다. 필요에 따라, 절연 시트(266)를 도체 시트(268)의 양측과 각각 중첩되게 배치할 수 있다. 제1 외부 코일(218)의 절연 시트(267)와 도체 시트(269)는 유사하게 구성되어 있다.
평면도로 나타낸 바와 같이, 제1 내부 코일(206)의 도체 시트(268)는, 도 11에 도시된 바와 같이 팬과 유사한 형상으로 복수의 권선으로 권취되는 구조를 갖고, 단자(340)가 시트의 단부에 연결되어 있다. 그러나 권선의 수는 도시된 것으로 한정되지 않는다. 도체 시트(268)를 통하여 전류(IM)가 흐를 때, 메인 자기장을 형성하는 자력선(204)이 발생될 수 있다. 동일한 전류(IM) 및 자력선(204)이 도 12에도 도시되어 있다.
평면도로 나타낸 바와 같이, 제1 외부 코일(218)의 도체 시트(269)도 도 11에서와 유사한 구조를 갖는다.
제2 내부 코일(212) 및 제2 외부 코일(224)은 제1 내부 코일(206) 및 제1 외부 코일(218)과 유사하게 구성된다. 전술한 바와 같이, 코일은 제1 내부 코일(206) 및 제1 외부 코일(218)에 대하여 대칭면(234)을 중심으로 면대칭 형상을 갖는다.
필요에 따라, 코일을 보강하기 위한 부재 등이 외부 스택 절연체(263)[도 23에 도시된 코일의 경우에는, 스택 절연체(262)]의 외주에 추가로 배치될 수 있다.
예로서 제1 내부 코일(206)을 취하여, 도 12를 참고로 코일의 연결부의 구조에 대한 예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
제1 내부 코일(206)의 각각의 연결부(210)는, Z 방향으로 본체부(208)의 단부에 실질적으로 수직으로 연결되고 Y 방향에 실질적으로 평행하게 연장하는 2개의 수직 부분(282)과, 수직 부분(282)에 실질적으로 수직으로 연결되고 XZ 평면에 실질적으로 평행하게 연장하는 측방향 부분(284)을 구비한다. 즉, 수직 부분(282)은 측방향 부분(284)에 의해 서로 연결되어 있다. 따라서 제1 내부 코일(206)은, Y 방향에 실질적으로 수직인 측방향 도전 경로(286)와, Y 방향에 실질적으로 평행한 수직 도전 경로(288)를 구비한다. 즉, 제1 내부 코일(206)의 도전 경로의 대부분은 에지 부분을 배제하고 도전 경로(286, 288)의 조합으로 구성되어 있다. 도전 경로(286, 288)의 모든 위치에서의 전류 밀도는 서로 동일하게 설정된다.
다른 코일(212, 218, 224)의 연결부(216, 222, 228)는 연결부(210)와 유사하게 구성되어 있다. 따라서 각각의 다른 코일(212, 218, 224)은 Y 방향에 실질적으로 수직인 측방향 도전 경로와, Y 방향에 실질적으로 평행한 수직 도전 경로를 구비한다. 즉, 코일의 도전 경로의 대부분은 에지 부분을 배제하고 측방향 도전 경로와 수직 도전 경로의 조합으로 구성되어 있다. 측방향 및 수직 도전 경로의 모든 위치에서의 전류 밀도는 서로 동일하게 설정된다. 후술하는 코일(320)은 유사하게 구성되어 있다.
코일의 연결부는 전술한 바와 같이 구성되는 것이 바람직하다. 그 구조에 따르면, 빔의 입사 및 방사 방향으로 분석 전자석(200)으로부터 연결부의 돌출 거리를 확실하게 단축시킬 수 있다. 돌출 거리에 대해서는 이하에서 상세하게 설명한다.
코일의 전원에 대한 구조적 예가 도 13에 도시되어 있다. 예에서는, DC 메인 전원(250)이 제1 내부 코일(206) 및 제2 내부 코일(212)에 각각 연결되어 있다. 메인 전원(250)은 서로 실질적으로 동일한 레벨의 전류(IM)를 제1 내부 코일(206) 및 제2 내부 코일(212)에 각각 공급할 수 있다. 2개의 메인 전원(250)이 개별적으로 배치될 필요는 없고, 단일의 조합된 메인 전원으로서 구성될 수 있다.
또한 이 예에서는, DC 서브 전원(252)이 제1 외부 코일(218; 218a 내지 218c)과 제2 외부 코일(224; 224a 내지 224c)에 각각 연결되어 있다. 서브 전원(252)은 제1 외부 코일(218) 및 제2 외부 코일(224)에 각각 전류(IS)를 공급할 수 있고, 제1 외부 코일(218) 및 제2 외부 코일(224)을 통하여 흐르는 전류(IS)는 독립적으로 제어될 수 있다. 복수의 서브 전원(252)은 개별적으로 배치될 필요는 없고, 각각 제1 외부 코일(218) 및 제2 외부 코일(224)을 통하여 흐르는 전류(IS)를 독립적으로 제어할 수 있는 단일의 조합된 서브 전원으로서 구성될 수 있다.
(2-3) 코일 제조 방법 등
다음으로, 제1 내부 코일(206)과 제1 외부 코일(218)을 예로서 하여 코일 제조 방법의 예를 설명하기로 한다.
먼저, 도 14에 도시된 팬 형상의 통형 스택 코일(290)을 제조한다. 이러한 제조 방법은 이하의 방식으로 실시된다.
먼저 도 16에 도시된 바와 같이, 도 14에 도시된 스택 코일(290)의 예리한 부분(291)과는 반대로 외측으로 돌출하는 예리한 부분(297)을 갖는 굴대(296)를 화살표 299로 표시된 바와 같이 축(298)을 중심으로 일정한 방향으로 회전시켜, 전술한 바와 같은 프리프레그 시트(300)를 복수의 권선으로 권취한다. 그 결과, 도 15 및 도 17에 도시된 스택 절연체(261)를 형성한다.
다음으로, 도 17에 도시된 바와 같이, 굴대(296)를 전술한 바와 동일한 방식으로 회전시켜 절연 시트(266)와 도체 시트(268)를 서로 중첩된 상태에서 스택 절연체(261)의 외주면 상에 복수의 권선으로 권취하고 적층한다. 그 결과, 도 15에 도시된 절연 시트(266)와 도체 시트(268)의 라미네이션을 형성한다.
다음으로, 도 16의 경우와 마찬가지로, 프리프레그 시트(300)를 절연 시트(266)와 도체 시트(268)의 라미네이션의 외주면에 복수의 권선으로 권취하여, 도 15에 도시된 스택 절연체(262)를 형성한다.
다음으로, 도 17의 경우와 마찬가지로, 절연 시트(267)와 도체 시트(269)를 서로 중첩된 상태에서 스택 절연체(262)의 외주면 상에 복수의 권선으로 권취하여, 도 15에 도시된 절연 시트(267)와 도체 시트(269)의 라미네이션을 형성한다.
다음으로, 도 16의 경우와 마찬가지로, 프리프레그 시트(300)를 절연 시트(267)와 도체 시트(269)의 라미네이션의 외주면에 복수의 권선으로 권취하여, 도 15에 도시된 스택 절연체(263)를 형성한다.
상기 단계 후에, 굴대(296)를 제거한 후에, 내부 코일(292)과 외부 코일(294)에 의해 구성되지만, 예리한 부분(291a)이 예리한 부분(291)과는 반대로, 즉 외측으로 돌출하는 스택 코일(290a)을 얻는다.
도체 시트(268)의 권취 시작 및 종료 부분에 리드판(lead plate)이 배치되어 있으면, 리드판을 이용하여 도체 시트(268)를 단자(340)에 연결할 수 있다. 도체 시트(269)는 유사하게 구성되어 있다.
권취 공정 전에, 바람직하게는 금속 그레인과 같은 연마 입자(숏)를 도체 시트(268, 269)의 전후측의 주면(268a, 269a)에 송풍하여 표면을 거칠게 한다(즉, 숏 블라스트 공정을 적용한다). 이러한 구조에 따르면, 표면적이 증가할 수 있고, 절연 시트(266, 267) 등에 대한 긴밀한 접촉을 개선할 수 있다. 각각의 도체 시트(268, 269)의 하나의 주면에만 숏 블라스트 공정을 적용한 경우에도, 효과를 얻을 수 있다. 그러나 양측 주면에 공정을 적용하는 것이 바람직하다. 이는 절연 시트(266, 267)에도 적용될 수 있다.
마찬가지로, 절연 시트(266, 267)의 전후측의 주면(266a, 267a)에 숏 블라스 트 공정을 적용하여 표면을 거칠게 하는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 따르면, 표면적이 증가할 수 있고, 도체 시트(268, 269) 등에 대한 긴밀한 접촉을 더욱 개선할 수 있다.
다음으로, 스택 코일(290a)의 외주 둘레에 열수축성 테이프(도시 생략)를 권취한 후에, 도 18에 화살표 302로 표시된 바와 같이 예리한 부분(291a)을 프레스하여 예리한 부분(291)을 형성하는 몰딩 공정을 실행한다. 결과로 얻은 물품을 가열 경화한다. 그 결과, 도 11에 도시된 스택 코일(290)을 형성하는 스택 코일(290b)을 얻는다. 열수축성 테이프의 권취로 인하여 구조의 강도가 향상된다. 열수축성 테이프 대신에, 전술한 프리프레그 시트와 유사하게 구성되는 프리프레그 테이프를 권취할 수 있다.
다음으로, 스택 코일(290b)에 수지를 진공 침투시킨 후에, 가압 상태하에서 가열 경화한다. 간략하게 말하면, 이는 수지 몰딩 공정을 실시한다는 것을 의미하는 것이다. 그 결과, 도 14에 도시된 스택 코일(290)을 얻는다. 수지 몰딩 공정은 스택 코일(290)의 층 사이의 접착 강도를 증가시켜 코일의 강도와 전기 절연성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 스택 코일(290)의 축방향(달리 말하면, 높이 방향)의 양단부면에 절단 공정을 실시하여 평탄면으로서 형성한다. 그 후에, 노치부에 대응하는 부분(272a 내지 275a)에 절단 공정을 실시하여 노치부(272 내지 275)를 형성한다.
외부 코일(294)이 복수의 제1 외부 코일(218)로서 구성되는 경우에, 간극(244)에 대응하는 외부 코일(294)의 부분에 홈 가공 공정을 적용하여 간극(244) 을 형성한다.
다음으로, 절단 공정 및 홈 가공 공정을 적용한 스택 코일(290c)을, 도체 시트(268, 269)의 재료(전술한 바와 같이, 구리 또는 알루미늄)를 에칭하는 에칭 용액에 침지하여, 에칭 공정을 실시한다. 그 결과, 절단 공정 및 홈 가공 공정 중에 가공면에 발생하는 도체 시트(268, 269)의 버 등이 제거되어 도체 시트(268, 269) 사이의 층 사이의 단락(층 단락)이 발생하는 것을 방지하며, 도체 시트(268, 269)의 단부면은 절연 시트(266, 267)의 단부면보다 더 둥글게 오목하게 되어 도체 시트(268, 269)에서 층 절연의 연면 거리(creepage distance)를 증가시키며, 이로써 절연 성능을 개선할 수 있다.
전술한 에칭 공정을 적용한 전체 스택 코일(290d)의 둘레에 열수축성 테이프를 권취한 후에, 가열 경화한다. 그 결과, 도 4 내지 도 10 등에 도시된 제1 내부 코일(206)과 제1 외부 코일(218)이 서로 합체되어 있는 팬 형상의 통형 스택 코일을 얻을 수 있다. 열수축성 테이프의 권취로 인하여 구조의 강도가 향상된다. 코일이 후술하는 강제 냉각 구조를 갖는 경우에는, 열수축성 테이프를 권취하기 전에 다음과 같은 방식으로 냉각판(312)을 부착할 수 있다. 열수축성 테이프 대신에, 전술한 프리프레그 시트와 유사하게 구성되어 있는 프리프레그 테이프를 권취할 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 냉매 통로(314)를 갖는 냉각판(312)이 절연체(316)를 통하여 상단부면(306) 및 하단부면(307)과, 제1 내부 코일(206) 및 제1 외부 코일(218)의 간극(244)에 각각 가압 접촉하여 부착된다. 바람직하게는, 냉각 판(312)은 코일(206, 218)의 본체부(208, 220)의 Y 방향의 상단부면 및 하단부면 뿐 아니라, 연결부(210, 222)의 Y 방향의 상단부면과 하단부면에도 배치되어 있다. 즉, 가능한 한 넓은 영역에 냉각판이 배치되는 것이 바람직하다. 예컨대, 냉각수가 냉매 통로(314)를 통하여 흐른다. 예에서, 냉각판(312)의 둘레에 절연체(316)가 권취되어 있다. 그러나 절연체를 권취하는 것이 필수적인 것은 아니다.
코일(206, 218)은 냉각판(312)에 의하여 단부면을 통해 강제 냉각될 수 있다. 이러한 냉각 구조는 단부 냉각 시스템으로도 지칭된다.
전술한 경우에, 열전도율이 높은 열확산 성분(예컨대 실리콘 그리스)이 냉각판(312)과 절연체(316) 사이에, 그리고 절연체(316)와 코일(206, 218)의 단부면 사이에 개재(예컨대 적용)되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 공기 공간을 가능한 한 제거할 수 있고, 열전도율 성능과 냉각 성능을 개선할 수 있다.
각각의 간극(244)은, 코일(218)의 내측(도 19의 좌측)을 향하여 진행할수록 폭이 협소하게 되는 쐐기와 유사한 형상으로서 구성될 수 있다. 또한 간극에 부착되는 냉각판(312)도 마찬가지로 쐐기와 유사한 형상으로 구성될 수 있으므로, 냉각판(312)이 간극 내로 가압 삽입된다. 이러한 구성에 따르면, 코일(218)의 단부면과 냉각판(312) 사이에 형성된 간극이 작게 될 수 있어서, 긴밀한 접촉을 향상시킬 수 있다. 따라서 냉각 성능을 더욱 개선할 수 있다.
냉각판(312)이 전술한 바와 같이 배치되어 있는 경우에는, 열수축성 테이프 또는 프리프레그 테이프를 도 19에 도시된 상태로 전체 코일의 둘레에 권취된 후에, 가열 경화한다. 이로 인하여 냉각판(312)의 고정 및 긴밀한 접촉을 실현할 수 있다.
마지막으로, 필요에 따라, 냉각판(312)이 배치되어 있는 경우와, 냉각판이 배치되어 있지 않은 경우 모두에 있어서, 제1 내부 코일(206)과 제1 외부 코일(218)을 포함한 전체 코일은 수지로 몰딩될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 코일의 내습성, 절연성, 기계적 강도 등을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 경우에, 5 내지 30 wt%의 필러(충전제)를 수지와 혼합할 수도 있다. 이러한 구성에 따르면, 수지의 내균열성 등을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 유사한 방식으로, 제2 내부 코일(212)과 제2 외부 코일(224)을 이들 코일이 합체되어 있는 코일로서 제조할 수 있다. 후술하는 코일, 즉 도 22 내지 도 24에 도시된 코일(320), 도 25에 도시된 제1 및 제2 코일(326, 328), 도 26에 도시된 내부 코일(330)과 제1 및 제2 외부 코일(218, 224)을 전술한 바와 유사한 방식으로 제조한다. 내부 및 외부 코일은 서로 일체로 제조될 수 있다.
코일(206, 212, 218, 224)을 이용하여, 도 4 및 도 5에 도시된 분석 전자석(200) 등을 예컨대 이하의 절차에 따라 조립할 수 있다. 즉, 요크(230)의 상부 요크(231)를 제거하여 분리한 상태에서, 제2 내부 코일(212)이 제2 외부 코일(224)과 합체되어 있는 부재를 상측으로부터 요크(230) 내로 삽입한 후에, 상측으로부터 진공 용기(236)를 삽입하고, 제1 내부 코일(206)이 제1 외부 코일(218)과 합체되어 있는 부재를 상측으로부터 삽입한다. 마지막으로, 상부 요크(231)를 부착한다.
(2-4) 분석 전자석(200) 등의 특징
분석 전자석(200)에 있어서, 제1 내부 코일(206)과 제1 외부 코일(218)은, 본체부(208, 220)와 연결부(210, 222)를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일(290)에 노치부(272 내지 275)가 배치되어 있는 구조를 가지므로, 연결부(210, 222)는 본체부(208, 220)의 단부로부터 Y 방향으로 실질적으로 평행하게 연장하는 상태로 있다. 따라서 본체부(208, 220)의 Y 방향의 치수가 증가하는 경우라도, 연결부(210, 222)의 Y 방향의 치수가 상응하게 증가함으로써 그러한 경우에 대처된다. 그 결과, 빔 입사 및 방사 방향으로 연결부(210, 222)의 돌출 거리는 증가하지 않는다.
도 8을 참고로 제1 내부 코일(206)을 예로서 하여 이상의 사항을 설명하기로 한다. 본체부(208)의 Y 방향의 치수 a가 증가하는 경우에는, 연결부(210)의 Y 방향의 치수 b를 상응하게 변경시킴으로써 대처된다. 구체적으로, 치수 a 및 c가 실질적으로 서로 동일하다. 따라서 치수 a가 증가하는 경우라도, 이온 빔(50)의 입사 및 방사 방향으로 연결부(210)의 돌출 거리(L3; 도 4 참조)는 증가하지 않는다. 돌출 거리(L3)는 요크(230)의 단부면과 연결부(210)의 단부면 사이의 거리(L5)와 연결부(210)의 두께(b)에 의해 결정된다. 즉, 돌출 거리(L3)는 다음과 같은 식으로 표시될 수 있다. 제1 내부 코일(206)의 구조에 대한 설명으로부터 알 수 있듯이, 본체부(208)도 두께 b를 갖는다.
[식 2]
L3 = b + L5
종래의 분석 전자석(40)의 돌출 거리(L1)를 나타내는 전술한 식 1과 달리, 상기 식 2는 Y 방향의 치수 a를 포함하지 않는다. 이것이 종래의 분석 전자석(40)과 크게 상이한 특징이다.
또한, 거리 L5는 종래의 분석 전자석(40)의 길이 L2보다 작을 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 종래의 코일(12)과는 달리, 연결부(210)는 벤딩 공정에 의해 연결부(16)를 경사지게 상승시킴으로써 형성되는 것이 아니고, 전술한 바와 같이 팬 형상의 통형 스택 코일(290)에 노치부(272 내지 275)를 배치함으로써 형성되며, 연결부(210)는 Y 방향으로 실질적으로 평행하게 연장한다. 또한, 본체부(208)와 연결부(210) 사이의 에지부(254)는, 이들 부분이 절단 공정 등에 의하여 덜 둥글게 또는 실질적으로 수직으로 있는 상태로 될 수 있다.
위와 같은 이유로, 빔의 입사 및 방사 방향으로 요크(230)로부터의 연결부(210)의 돌출 거리(L3)는 감소할 수 있다.
제2 내부 코일(212)과 제2 외부 코일(224)은 유사하게 구성되어 있다.
Y 방향의 치수 a가 동일한 값, 즉 250 mm로 설정되는 경우에, 종래의 분석 전자석(40)의 돌출 거리(L1)는 약 300 mm이고, 이와 달리 분석 전자석(200)의 돌출 거리(L3)는 약 110 mm이다.
위에서 설명한 것과 동일한 이유로, 내부 코일(206, 212)과 외부 코일(218, 224)이 분석 전자석(200)에서와 같이 2중으로 배치될 경우라도, 빔의 입사 및 방사 방향으로 요크(230)로부터의 외부 코일(218)의 돌출 거리(L4)가 감소할 수 있다. 종래의 분석 전자석(40)에 있어서는, 코일이 내측 및 외측에 2중으로 배치되어 있으면, 연결부의 돌출 거리가 크게 증가한다.
위와 같은 이유로, 분석 전자석(200)은 소형화될 수 있으므로, 분석 전자석(200)을 설치하는 데 필요한 면적을 줄일 수 있다. 또한 분석 전자석(200)의 중량도 줄일 수 있다. 또한, 코일(206, 212, 218, 224)의 연결부에 의해 발생한 자기장이 이온 빔(50)의 형태를 방해할 가능성이 감소한다.
이러한 구성에 따르면, 코일(206, 212, 218, 224)의 연결부의 돌출 거리를 줄일 수 있고, 또한 연결부의 길이를 단축시킬 수 있으므로, 연결부에서의 전력 낭비를 감소시킬 수 있다.
또한 코일(206, 212, 218, 224)은, 전술한 바와 같이, 절연 시트(266, 267)를 사이에 개재한 상태로 도체 시트(268, 269)가 스택되는 구조를 갖는다. 따라서 피복 도체가 다수 회에 걸쳐 권취되어 있는 다중-권선(multi-turn) 코일과 비교할 때, 도체의 점적율(space factor)이 높고, 전력 손실이 상응하게 낮아진다. 결과적으로, 전력 소비를 줄일 수 있다.
예컨대, 각 코일의 Y 방향으로의 치수 a가 250 mm로 설정되는 경우를 고려한다. 종래의 기술에 있어서 피복 도체의 다중-권선 코일의 도체의 점적율은 도체가 중공이 아닌 경우(중공 도체가 아닌 경우)라도 약 60 내지 70%이며, 중공 도체인 경우에는 더욱 감소한다. 이와 달리, 코일(206, 212, 218, 224)의 도체의 점적율은 약 84 내지 85%로 설정될 수 있다.
그 결과, 분석 전자석(200)에 있어서는, 종래의 분석 전자석(40)에서보다 작 은 전력 소모로, 요구되는 강도의 자기장을 발생시킬 수 있다. 동일한 전력 소모에서는, 종래의 분석 전자석(40)에 의해 발생된 것보다 강한 자기장을 발생시킬 수 있다. 후자의 경우에, 이온 빔 편향의 곡률 반경(R)이 감소할 수 있으므로, 분석 전자석(200)을 더욱 소형화할 수 있다.
각 코일의 Y 방향의 치수 a가 250 mm이고, 종래의 분석 전자석(40)과 동일한 방식으로 2개의 코일(206, 212; 코일 218, 224는 사용되지 않음)에 의해 0.2 테슬라의 자기장이 발생하는 경우에, 종래의 분석 전자석(40)의 전력 소모는 약 67 kW인데 비하여, 분석 전자석(200)의 전력 소모는 단지 약 24 kW이다.
도 1에 도시된 이온 주입기는 전술한 특징을 갖는 분석 전자석(200)을 구비한다. 따라서 분석 전자석(200)의 소형화에 따라, 전체 이온 주입기를 소형화할 수 있으므로, 이온 주입기를 설치하는 필요한 면적을 줄일 수 있다. 이온 주입기의 중량도 또한 줄일 수 있다. 또한, 분석 전자석(200)의 전력 소비의 감소에 따라서, 전체 이온 주입기의 전력 소비도 줄일 수 있다.
아울러, 분석 전자석(200)이 전술한 바와 같은 제1 내부 코일(206)과 제2 내부 코일(212)을 구비하고 있으므로, 상측 및 하측 각각에 하나의 코일이 사용되는 경우에 비하여, Y 방향의 치수(Wy)가 큰 이온 빔(50)에 용이하게 대처할 수 있다.
또한, 제1 외부 코일(218)과 제2 외부 코일(224)은 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시킬 수 있다. 서브 자기장 때문에, 메인 자기장을 교정할 수 있고, Y 방향으로 자속 밀도 분포의 균질도를 개선할 수 있다. 외부 코일(218, 224)에 의해 발생된 서브 자기장(218, 224)은 메인 자기장보다 약할 수 있으므로, 용이하게 제어될 수 있다.
전술한 메인 자기장 및 서브 자기장으로 인하여, 빔 경로(202)에 Y 방향의 자속 밀도 분포의 균질도가 높은 자기장을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 분석 전자석(200)으로부터의 방사 시에 이온 빔(50)의 형태의 동요(굴곡, 경사 등, 이하에도 동일하게 적용됨)를 낮은 수준으로 억제할 수 있다. 이러한 효과는, 이온 빔(50)의 Y 방향의 치수(Wy)가 큰 경우에 더욱 현저하다.
하나의 제1 외부 코일(218)과 하나의 제2 외부 코일(224)을 사용할 경우에도, 메인 자기장을 교정하는 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 예에서와 같이 복수의 제1 외부 코일(218)과 복수의 제2 외부 코일(224)을 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 이들 외부 코일(218, 224)에 의하여, 빔 경로(202)에 발생된 자기장의 Y 방향으로의 자속 밀도 분포를 더욱 미세하게 교정할 수 있다. 따라서 Y 방향으로의 균질도가 더욱 높은 자기장을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 방사 시에 이온 빔(50)의 형태의 동요를 더 낮은 수준으로 억제할 수 있다.
(2-5) 분석 전자석(200)의 제어 방법
분석 전자석(200)의 제어 방법의 예를 설명하기로 한다. 제1 외부 코일(218)과 제2 외부 코일(224)을 통하여 흐르는 전류를, 분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)의 형태가 입사 시의 이온 빔(50)의 형태에 접근하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)의 형태는, 분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)에 있어서 곡률 반경(R)의 내측을 향하여 중심축에 대하여 과도하게 구부러진 부분에 대응하는 제1 외부 코일(218) 및 제2 외부 코일(224)을 통하여 흐르는 전류를 감소시키는 것과, 내측을 향한 구부러짐이 부족한 부분에 대응하는 제1 외부 코일(218) 및 제2 외부 코일(224)을 통하여 흐르는 전류를 증가시키는 것 중 적어도 하나를 실시함으로써, Y 방향에 실질적으로 평행한 예정된 중심축[도 20 및 도 21에 도시된 중심축(318)]에 평행한 형태에 접근하도록 되어 있다. 이로 인하여, 분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)은, 경사지지 않은 직선이며 입사 시의 형태에 근접한 형태를 갖게 된다.
도 20 및 도 21은 분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)의 형태의 예를 각각 도시하고 있다. 도면에서, Y 방향에 실질적으로 평행한 예정된 중심축으로 318로 표시되어 있고, 대칭면은 234로 표시되어 있으며, 이온 빔(50)의 중심 궤도는 54로 표시되어 있고, 곡률 반경은 R로 표시되어 있다.
도 20에 도시된 형태의 경우에, 이온 빔(50)의 형태는 이온 빔(50)의 진행 방향으로 보았을 때 동요되지 않으므로, 제1 외부 코일(218a 내지 218c)과 제2 외부 코일(224a 내지 224c)을 통하여 흐르는 전류의 값이 유지될 수 있다.
도 21에 도시된 형태의 경우에, 이온 빔(50)은 진행 방향(Z)으로 보았을 때 L 형상과 유사한 아치 형상으로 왜곡(굴곡)되는데, 즉, Y 방향으로 상측을 향하여 더욱 진행함에 따라 곡률 반경(R)의 내측을 향하여 더 과도하게 구부러지고, 하측을 향하여 더욱 진행함에 따라 내측을 향하여 더욱 과도하게 구부러진다. 따라서 제1 외부 코일(218a)을 통하여 흐르는 전류가 크게 감소하고, 제1 외부 코일(218b)을 통하여 흐르는 전류는 약간 감소하며, 제1 외부 코일(218c) 및 제2 외부 코 일(224c)을 통하여 흐르는 전류는 현재의 값으로 유지되며, 제2 외부 코일(224b)을 통하여 흐르는 전류는 약간 감소하고, 제2 외부 코일(224a)을 통하여 흐르는 전류는 크게 감소한다. 그 결과, 분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)의 중심 궤도(54)의 위치를 유지하면서, 이온 빔의 형태를 중심축(318)에 평행한 형태에 근접하게 할 수 있다. 즉, 형태를 도 20에 도시된 형태에 근접하게 할 수 있다.
분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)의 형태가 도 21에 도시된 형태와 다른 형태로 동요되면, 전수한 바와 동일한 개념으로 교정을 실시하여, 형태를 도 20에 도시된 형태에 근접하게 할 수 있다.
분석 전자석(200)으로부터 방사된 이온 빔(50)의 형태가 동요되면, 주로 다음과 같은 문제가 발생한다. 제어 방법에 따르면, 그러한 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
일반적으로, 도 1 및 도 27에 도시된 분석 슬릿(71)은 분석 전자석(200)의 하류측에 배치되어 있다. 분석 슬릿(70)의 슬릿(72)은 선형이다. 따라서 이온 빔(50)의 형태가 동요되면, 분석 슬릿(70)에 의해 절단되는 부분이 발생하고, 분석 슬릿(70)을 통과하는 소정 이온 종의 이온 빔(50)의 양이 감소한다. 절단부가 발생하기 때문에, 이온 빔(50)의 균질화가 손상된다. 그러한 절단이 발생하는 것을 방지하기 위하여 슬릿(72)의 X 방향의 폭을 증가시키면, 분해능이 낮아진다.
분석 슬릿(70)의 전술한 문제에 추가로, 형태가 동요된 이온 빔(50)을 이용하여 기판(60)에 이온 주입을 실시할 때에는, 균질한 주입이 손상된다는 문제가 발생한다.
(2-6) 분석 전자석(200)의 다른 예
다음으로, 분석 전자석(200)의 다른 예를 설명하기로 한다. 도 4 내지 도 7 등에 도시된 이전의 예와 동일하거나 그에 대응하는 부분에는 동일한 도면 부호를 병기하여, 중복되는 설명을 피한다. 이하의 설명에서는, 이전의 예와 다른 점에 중점을 두고 설명한다.
또한 도 22를 참조하면, 도 24에 도시된 분석 전자석(200)은, 빔 경로(202)를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부(322)와, 빔 경로(202)를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부(322)의 단부를 서로 연결하는 두 세트의 연결부(324, 325)를 구비하는 코일(320)을 구비하며, 이 코일은 이온 빔(50)을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시킨다. 도 22의 상측에 있는 2개의 연결부(324)가 한 세트의 연결부이고, 하측에 있는 2개의 연결부(325)가 다른 세트의 연결부이다.
코일(320)의 단면 구조를 도시하는 도 23에서 알 수 있듯이, 코일은 제1 내부 코일(206; 도 10 참조)과, 스택 코일(290)의 내부 코일(292; 도 15 참조)과 동일한 단면 구조를 갖는다. 즉, 코일(320)은 본체부(322)와 연결부(324, 325)를 남겨둔 상태로 내부 코일(292)과 동일한 구조를 갖는 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부(276 내지 281)가 배치되어 있는 구조를 갖는다. 또한, 코일(320)은 전술한 바와 동일한 제조 방법으로 제조될 수 있다.
코일(320)은 전술한 제1 및 제2 내부 코일(206, 212; 도 8 참조)이 서로 수직으로 합체된 하나의 코일로서 구성되어 있다.
노치부(276, 277)의 형상은 전술한 노치부(272, 273)의 형상과 유사하다. 노치부(278, 279)는 노치부(276, 277)에 대하여 대칭면(도 24 참조)을 중심으로 면대칭의 형상을 갖는다. 구체적으로, 노치부(280, 281)는 관통 구멍으로, 입구(238) 및 출구(240)를 각각 형성하며, 이온 빔(50)이 노치부를 통과할 수 있다. 보다 구체적으로, 이온 빔(50)은 진공 용기(236)를 통하여 노치부를 통과할 수 있다.
진공 용기(236)는 진공 용기(236)를 노치부(280, 281)를 통하여 Z 방향으로 삽입함으로써 코일(320)을 통과할 수 있다. 이 경우에, 플랜지 등이 진공 용기(236)에 배치되어 방해를 하는 때에는, 일단 플랜지 등을 분리한다. 유사한 방법에 의해 분석 전자석(200)을 조립할 수 있다.
연결부(324)는 제1 내부 코일(206)의 연결부(210)와 유사한 구조로 되어 있다. 연결부(325)는 연결부(324)에 대하여 대칭면(234)을 중심으로 면대칭의 형상을 갖는다.
본체부의 Y 방향의 치수(a1)는 연결부(324)의 Y 방향의 치수(c1)와 연결부(325)의 Y 방향의 치수(c1)의 합(즉, 2c1)과 실질적으로 동일하다.
예의 분석 전자석(200)에서도, 코일(320)은 전술한 제1 및 제2 내부 코일(206, 212)이 서로 합체된 하나의 코일로서 구성되어 있다. 따라서 위에서 설명한 것과 동일한 이유로, 요크(230)로부터 코일(320)의 연결부(324, 325)의 돌출 거리가 감소하여, 분석 전자석(200)을 소형화하고 전력 소모를 줄일 수 있는 효과를 얻는다.
도 25에 도시된 분석 전자석(200)은, 서로 협력하여 이온 빔(50)을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시키는 제1 및 제2 코일(326, 328)을 포함한다. 코일(326, 328)은 제1 및 제2 내부 코일(206, 212; 도 8 참조)과 각각 유사한 구조로 되어 있다. 따라서 제1 및 제2 코일(326, 328)도 위에서 설명한 것과 동일한 제조 방법으로 제조될 수 있다.
예의 분석 전자석(200)에서도, 제1 및 제2 코일(326, 328)은 제1 및 제2 내부 코일(206, 212)과 유사한 구조로 되어 있다. 따라서 위에서 설명한 것과 동일한 이유로, 요크(230)로부터 코일의 연결부의 돌출 거리가 감소하여, 분석 전자석(200)을 소형화하고 전력 소모를 줄일 수 있는 효과를 얻는다.
분석 전자석이 제1 및 제2 코일(326, 328)을 구비하기 때문에, Y 방향의 치수(Wy)가 큰 이온 빔(50)에 용이하게 대처할 수 있다.
도 26에 도시된 분석 전자석(200)은, 코일(320)과 유사한 구조를 갖고 이온 빔(50)을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키는 내부 코일(330)과, 전술한 바와 같이 구성되고 내부 코일(330)의 외측에 있으며, 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 제1 및 제2 외부 코일(218, 224)을 포함한다. 즉, 도 5 등에 도시된 제1 및 제2 내부 코일(206, 212) 대신에, 분석 전자석은 내부 코일(330)을 포함한다. 따라서 위에서 설명한 것과 동일한 제조 방법으로 내부 코일(330)과 제1 및 제2 외부 코일(218, 224)을 제조할 수 있다.
이들 코일을 제조하는 경우의 특징적인 사항을 설명한다. 축방향 치수(높이)가 소정의 값으로 설정되어 있는 스택 코일(290; 도 14 참조)을 이용하여, 도 22의 노치부(276 내지 281)와 유사한 노치부를 절단 공정 등에 의하여 내부 및 외부 코일(292, 294)에 배치한다. 외부 코일(294)에 있어서는, 절단 공정 등에 의해 도 7에 도시된 간극(248)과 유사한 간극을 마련하고, 이로써 제1 및 제2 외부 코일(218, 224)을 형성한다. 도 7의 경우와 유사한 방식으로, 제1 및 제2 외부 코일(218, 224) 각각은 복수의 코일로 구성되어 있다.
도 26에 도시된 예에서는, 제1 외부 코일(218)의 수가 2개지만, 2개로 한정되는 것은 아니다. 제1 외부 코일의 수는 하나 이상의 임의의 개수이다. 제2 외부 코일(224)은 유사하게 구성되어 있다.
예의 분석 전자석(200)도 내부 코일(330)과 전술한 바와 같이 구성된 제1 및 제2 외부 코일(218, 224)을 포함한다. 따라서 위에서 설명한 것과 동일한 이유로, 요크(230)로부터 코일의 연결부의 돌출 거리가 감소하여, 분석 전자석(200)을 소형화하고 전력 소모를 줄일 수 있는 효과를 얻는다.
분석 전자석은, 내부 코일(330)에 추가하여, 전술한 바와 같이 구성된 제1 및 제2 외부 코일(218, 224)을 포함한다. 따라서 이온 빔(50)의 빔 경로(202)에 Y 방향으로의 자속 밀도 분포의 균질도가 높은 자기장을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 방사 시에 이온 빔(50)의 형태의 동요를 낮은 수준으로 억제할 수 있다. 이러한 효과는, 목적 이온 빔(50)의 Y 방향의 치수(Wy)가 큰 경우에 더욱 현저하다.
복수의 제1 외부 코일(218)과 복수의 제2 외부 코일(224)이 배치되어 있기 때문에, 이들 외부 코일(218, 224)에 의하여, 빔 경로(202)에 발생한 자기장의 Y 방향으로의 자속 밀도 분포를 더욱 미세하게 교정할 수 있다. 따라서 Y 방향으로 의 균질도가 더욱 높은 자기장을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 방사 시에 이온 빔(50)의 형태의 동요를 더 낮은 수준으로 억제할 수 있다.
또한 도 1에 도시된 이온 주입기가 각각의 예의 분석 전자석(200)을 구비할 경우에는, 분석 전자석(200)의 소형화에 따라, 전체 이온 주입기를 소형화할 수 있으므로, 이온 주입기를 설치하는 데 필요한 면적을 줄일 수 있다. 분석 전자석의 중량도 또한 줄일 수 있다. 또한, 분석 전자석(200)의 전력 소모의 감소에 따라, 전체 이온 주입기의 전력 소모를 줄일 수 있다.
(3) 초점 교정 렌즈(600, 610)에 대하여
도 1을 참조하면, 이온 빔(50)은 빔 자체가 갖는 공간 전하(space charge)에 의해 퍼지도록 되어 있는 특성을 갖는다. 따라서 공간 전하의 영향을 무시할 수 있는 소전류 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치는, 이온 빔을 확산시키는 방식의 차이에 의하여, 공간 전하의 영향을 무시할 수 없는 대전류 이온 빔(50)의 초점의 위치와 크게 다르다. 구체적으로, 대전류 이온 빔(50)의 경우의 초점(56)은, 소전류 이온 빔(50)의 경우에 비하여 하류측을 향하여 이동한다. 이는 공간 전하로 인하여 이온 빔(50)이 넓게 퍼지기 때문이다.
따라서, 예컨대 소전류 이온 빔의 초점 위치에 분석 슬릿(70)이 배치되어 있을 때에도, 대전류 이온 빔의 초점(56)은 분석 슬릿(70)의 위치로부터 하류측을 향하여 이탈되며, 이에 따라 이온 빔의 전달 효율과 분해능이 낮아진다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 정전기장에 의하여 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치를 분석 슬릿(70)의 위치와 일치하도록 교정하는 초점 교정 렌즈(600, 610) 를 이온 소스(100)와 분석 전자석 사이(200), 분석 전자석(200)과 분석 슬릿(70) 사이 중 하나 이상에 배치하는 것이 바람직하다. 초점 교정 렌즈(600, 610)는 전기장 렌즈(달리 말하면, 정전기 렌즈, 이하에도 동일하게 적용됨)의 부류에 속한다.
초점 교정 렌즈가 배치되어 있고 이온 소스(100)로부터 발생된 이온 빔(50)의 빔 전류의 레벨이 가변적인 경우에, 예컨대, 분석 슬릿(70)은 빔 전류가 비교적 작은(예컨대, 가변 범위의 최소 레벨로 있는) 경우에 초점(56)의 근처에 배치되는 것이 바람직하다.
도 28 내지 도 39를 참고로 하여 초점 교정 렌즈(600, 610)를 상세하게 설명하기로 한다. 도 28 및 도 1은, 이온 주입기가 이온 소스(100)와 분석 전자석(200) 사이에 배치된 제1 초점 교정 렌즈(600)와, 분석 전자석(200)과 분석 슬릿(70) 사이에 배치된 제2 초점 교정 렌즈(610)를 구비하는 예를 도시하고 있다. 대안으로, 초점 교정 렌즈(600, 610) 중 단지 하나만 배치될 수도 있고, 양 렌즈 모두 배치되고 이들 중 하나만 사용될 수도 있다.
초점 교정 렌즈(600, 610) 중 단지 하나만 배치되어 있거나, 렌즈 중 단지 하나만 사용되는 경우에, 초점 교정 렌즈(600, 610)에 의해 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치를 분석 슬릿(70)의 위치와 일치시키는 교정이 실행된다. 양 초점 교정 렌즈(600, 610)가 배치되어 있고 양 초점 교정 렌즈(600, 610)가 사용되는 경우에, 렌즈들은 서로 협력하여 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치를 분석 슬릿(70)의 위치와 일치시키는 교정을 실행한다.
도 30 내지 도 32는 교정의 예를 도시하고 있다. 도면에 있어서, 교정 전의 이온 빔(50)의 궤도는 이점쇄선으로 표시되어 있고, 교정 후의 궤도는 실선으로 표시되어 있다.
도 30은, 교정이 실시되지 않고, 이온 빔(50)이 공간 전하의 영향에 의해 이점쇄선으로 표시된 바와 같이 X 방향으로 퍼지고, 초점(56)이 분석 슬릿(70)에 대하여 하류측을 향하여 이탈되어 있을 때에, 이온 빔(50)이 분석 전자석(200)의 상류측에 있는 초점 교정 렌즈(600)에 의해 X 방향으로 구속되며, 초점(56)의 위치가 상류측을 향하여 복귀하고, 이로써 위치를 분석 슬릿(70)의 위치와 일치시키는 교정을 실행하는 예를 도시한다.
도 31은, 교정이 실시되지 않고, 이온 빔(50)이 공간 전하의 영향에 의해 이점쇄선으로 표시된 바와 같이 X 방향으로 퍼지고, 초점(56)이 분석 슬릿(70)에 대하여 하류측을 향하여 이탈되어 있을 때에, 이온 빔(50)이 분석 전자석(200)의 하류측에 있는 초점 교정 렌즈(610)에 의해 X 방향으로 구속되며, 초점(56)의 위치가 상류측을 향하여 복귀하고, 이로써 위치를 분석 슬릿(70)의 위치와 일치시키는 교정을 실행하는 예를 도시한다.
도 32는, 교정이 실시되지 않고, 이온 빔(50)이 공간 전하의 영향에 의해 이점쇄선으로 표시된 바와 같이 X 방향으로 퍼지고, 초점(56)이 분석 슬릿(70)에 대하여 하류측을 향하여 이탈되어 있을 때에, 이온 빔(50)이 분석 전자석(200)의 상류측 및 하류측에 있는 초점 교정 렌즈(600, 610)에 의해 특정 수준의 스텝에서 X 방향으로 구속되며, 초점 교정 렌즈(600, 610)가 서로 협력하여 초점(56)의 위치를 상류측을 향하여 복귀시키며, 이로써 위치를 분석 슬릿(70)의 위치와 일치시키는 교정을 실행하는 예를 도시한다.
이러한 방식으로, 초점 교정 렌즈(600, 610)에 의하여 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치를 분석 슬릿(70)의 위치와 일치시키는 교정을 실행할 수 있다. 따라서, 공간 전하의 영향에 의해 이온 빔(50)의 초점(56)이 분석 슬릿(70)의 위치로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 공간 전하의 영향을 상쇄하면서, 이온 빔(50)의 전달 효율 및 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 30의 예를 도 31의 예와 비교하여 설명한다. 도 30의 예의 경우에, 이온 빔(50)이 퍼져서 분석 전자석(200)의 벽 등에 충돌하여 소실되기 전에, 이온 빔(50)은 초점 교정 렌즈(600)에 의해 구속될 수 있고, 이에 따라 이온 빔(50)의 전달 효율을 용이하게 향상시킬 수 있다는 이점을 갖는다. 따라서 초점 교정 렌즈(600, 610) 중 하나가 사용(배치)되는 경우에는, 초점 교정 렌즈(600)가 바람직하다. 그러나 이온 빔(50)이 초점 교정 렌즈(600)에 의해 과도하게 구속되면, 이온 빔(50)의 전류 밀도가 커지고, 공간 전하 효과가 증가하며, 그에 따라 이온 빔(50)이 쉽게 퍼지는 경우가 있다. 따라서 특별한 주의가 필요하다.
이상의 사항을 만족시키도록, 도 32의 예에서와 같이, 이온 빔(50)은 양 초점 교정 렌즈(600, 610)에 의해 공유된 상태로 구속될 수 있다. 즉, 이온 빔(50)은 상류측에서 초점 교정 렌즈(600)에 의해 특정의 수준[구체적으로, 이온 빔(50)이 분석 전자석(200)을 효율적으로 통과할 수 있는 수준]으로 구속될 수 있고, 마지막으로 하류측에서 초점 교정 렌즈(610)에 의해 구속될 수 있다. 양 초점 교정 렌즈(600, 610)를 배치하고 사용하는 경우에, 이온 빔(50)의 초점 위치를 용이하고 확실하게 교정할 수 있으며, 이온 빔(50)의 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 공간 전하의 영향을 상쇄하면서 이온 빔(50)의 전달 효율과 분해능 모두를 향상시킬 수 있는 효과가 더욱 현저해진다.
초점 교정 렌즈(600, 610)의 구조에 대한 특정의 예를 설명하기로 한다.
도 28에 도시된 바와 같이, 초점 교정 렌즈(600)는 사이에 간극을 형성하면서 이온 빔(50)의 진행 방향(Z)으로 배치되어 있는 입구 전극(602), 중간 전극(604) 및 출구 전극(606)을 구비한다. 도 29의 예에서와 같이, 전극(602, 604, 606)은, 이온 빔(50)이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 이온 빔(50)의 주면(52)에 실질적으로 평행한 전극의 쌍(602a, 602b; 604a, 604b; 606a, 606b)을 구비한다. 전극(602a, 602b, 604a, 604b, 606a, 606b)은 이온 빔(50)의 진행 방향(Z)에 실질적으로 수직으로 배치된다. 전극(602a, 602b; 604a, 604b; 606a, 606b)은 도체를 통하여 서로 전기적으로 연결되어 있거나, 서로 전기적으로 도통한다.
도 28을 참조하면, 입구 및 출구 전극[602, 606; 구체적으로 전극을 구성하는 전극 602a 및 602b, 606a 및 606b]은 동일한 전위로 유지된다. 예에서, 전극은 바닥 준위로 유지된다. 이러한 구성에 따르면, 전기장이 초점 교정 렌즈(600)로부터 이온 빔(50)의 Z 방향으로 상류 및 하류측으로 돌출하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 전기장이 돌출하여 이온 빔(50) 등에 악영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다.
중간 전극[604, 구체적으로 전극을 구성하는 전극 604a, 604b]은 음 또는 양(도 28에 도시된 예에서는 음)의 DC 전압(V1)을 전극에 인가하는 DC 전원(608)에 연결되어 있다. 중간 전극(604)의 전위(예에서는, 그라운드 전위에 대한 전위)는 DC 전압(V1)에 의해, 입구 및 출구 전극(602, 606)의 전위와 상이하고 이온 빔(50)의 초점(56)을 분석 슬릿(70)의 위치와 일치시키는 전위로 유지된다. 이는 후술하는 DC 전압(V2)에도 적용될 수 있다.
초점 교정 렌즈(600)에서, 입구 및 출구 전극(602, 606)은 동일한 전위로 유지되고, 중간 전극(604)은 입구 및 출구 전극(602, 606)의 전위와 상이한 전위로 유지된다. 따라서 초점 교정 렌즈는 이온 빔(50)을 구속하는 유니포텐셜 렌즈로서 기능한다. 따라서 이온 빔(50)의 에너지를 변경시키지 않고 이온 빔(50)을 X 방향으로 구속할 수 있다.
대안으로, DC 전원(608)의 극성이 역전될 수 있고, 양의 DC 전압(V1)이 초점 교정 렌즈(600)의 중간 전극(604)에 인가될 수 있다. 대안에서도, 초점 교정 렌즈(600)는 유니포텐셜 렌즈로서 기능하며, 이온 빔의 에너지를 변경시키지 않고 X 방향으로 이온 빔(50)을 구속할 수 있다. 양의 DC 전압(V1)이 인가되는 때에, 전기장이 없는 드리프트 공간(drift space) 내의 전자는 중간 전극(604)으로 끌려가고, 드리프트 공간 내의 전자의 양은 감소하여 공간 전하 효과에 기인한 이온 빔(50)의 발산이 개선된다. 이와 달리, 음의 DC 전압(V1)의 경우에는, 그러한 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 도 28에 도시된 예에서와 같이 음의 DC 전압(V1)을 인가하는 것이 바람직하다. 이는 후술하는 DC 전압(V2)에도 적용될 수 있다.
DC 전원(608)으로부터 중간 전극(604)에 인가되는 DC 전압(V1)의 절대값(레벨)이 커짐에 따라, 이온 빔(50)은 보다 강하게 구속될 수 있다. 이온 빔(50)을 구속하는 정도는 빔이 초점 교정 렌즈(600)를 통과할 때의 이온 빔(50)의 에너지에 따라 좌우된다. 이온 빔(50)의 에너지가 높을수록, DC 전압(V1)에 의해 이온 빔(50)에 적용되는 편향 기능은 작아진다. 따라서 이온 빔(50)을 강하게 구속하기 위해서는, DC 전압(V1)의 절대값이 증가한다.
도 29를 참고하면, 초점 교정 렌즈(610)는, 초점 교정 렌즈(600)의 입구 전극(602; 한 쌍의 전극 602a, 602b), 중간 전극(604; 한 쌍의 전극 604a, 604b) 및 출구 전극(606; 한 쌍의 전극 606a, 606b)과 각각 유사하게 구성되는 입구 전극(612; 한 쌍의 전극 612a, 612b), 중간 전극(614; 한 쌍의 전극 614a, 614b) 및 출구 전극(616; 한 쌍의 전극 616a, 616b)을 구비한다. 중간 전극(614)은 DC 전원(608)과 유사한 DC 전원(618)에 연결되어 있다. DC 전원(618)은 음 또는 양(도 28에 도시된 예에서는, 음)의 DC 전압(V2)을 중간 전극(614)에 인가한다. 초점 교정 렌즈(610)와 DC 전원(618)의 구조 및 기능은 초점 교정 렌즈(600)와 DC 전원(608)과 유사하다. 따라서 전술한 설명을 인용하고, 중복되는 설명을 피한다.
초점 교정 렌즈(600, 610)가 전술한 바와 같은 유니포텐셜 렌즈의 구조를 갖는 경우에, 초점 교정 렌즈(600, 610)는 이온 빔(50)을 구속하는 기능만을 수행한다. 빔 전류가 전술한 바와 같이 비교적 작은 경우에 초점(56)의 근처에 분석 슬릿(70)이 배치되어 있으면, 빔 전류가 비교적 큰 경우에 초점 교정 렌즈(600, 610) 의 구속 기능에 의해서 초점(56)이 분석 슬릿(70)의 하류측으로 이동하는 것이 방지된다. 그 결과, 이온 빔(50)의 빔 전류의 수준이 변경되는 경우에도 적절하게 대처할 수 있고, 이온 빔(50)의 초점(56)이 분석 슬릿(70)의 위치로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
분석 전자석(200)의 하류측에 초점 교정 렌즈(600)를 사용하여 이온 빔(50)의 초점 위치를 교정하는 모의실험의 결과를 설명한다. As+를 포함하고 에너지가 13.5 keV이며 빔 전류가 30mA인 이온 빔(50)이 이온 소스(100)로부터 분석 전자석(200) 상에 충돌하는 동안에 다음과 같은 조건하에서 질량 분리를 실시하였다.
(A) 이온 빔(50)의 공간 전하 중성화율이 100%인 경우
이 경우에, 공간 전하는 이온 빔(50)에 영향을 끼치지 않는다. 따라서 이것은 소전류 이온 빔의 경우와 동일하다. 이 때에, 이온 빔(50)의 초점(56)은 분석 전자석(200)의 출구부로부터 하류측에 약 640 mm만큼 떨어진 위치에 형성되어 있다. 이러한 모의실험에서는 분석 슬릿(70)이 배치되어 있지 않지만, 분석 슬릿(70)은 실제 이온 주입기에는 640 mm의 위치에 배치될 것이다. X 방향으로 이온 빔(50)의 빔 전류 분포의 예가 도 33에 도시되어 있다. 도면에 있어서, 세로좌표는 X 방향으로 1 mm당 Y 방향 전류의 누적값을 표시한다. 즉, 이온 빔(50)이 Y 방향으로 긴 리본 형상을 갖기 때문에, 세로좌표는 빔의 X 방향으로 1mm당 Y방향 전류를 누적함으로써 얻어지는 전류값을 표시한다. 간략하게 말하면, 도면은 X 방향으로의 전류 밀도 분포에 대응한다. 이것은 도 34 및 도 35의 세로좌표에도 적용될 수 있다.
이 경우에, 빔 전류의 절반 폭(half-value width)은 약 22 mm이고, 분석 전자석(200)에 의한 질량 분석의 분해능 m/Δm은 약 27.3이다.
(B) 이온 빔(50)의 공간 전하 중성화율이 95%이고 초점 교정 렌즈(600)가 작동하지 않는 경우
이 경우에, 이온 빔(50)은 공간 전하의 영향에 의해 퍼지게 되어 있다. 따라서 이는 대전류의 이온 빔의 경우와 동일하다. 이 때에, 이온 빔(50)의 초점(56)은 분석 전자석(200)의 출구부로부터 하류측에 약 1,300 mm만큼 떨어진 위치에 형성되어 있다. X 방향으로 이온 빔(50)의 빔 전류 분포의 예가 도 34에 도시되어 있다.
이 경우에, 빔 전류의 절반 폭은 약 95 mm이고, 분석 전자석(200)에 의한 질량 분석의 분해능 m/Δm은 약 7.1이다.
(C) 이온 빔(50)의 공간 전하 중성화율이 95%이고, 초점 교정 렌즈(600)에 의해 초점 위치 교정이 실행되는 경우
이 경우에, 이온 빔(50)의 초점(56)이 분석 전자석(200)의 출구부로부터 하류측에 약 640 mm만큼 떨어진 위치에 형성되도록 초점 교정 렌즈(600)의 중간 전극(604)에 인가되는 DC 전압(V1)을 조정하였다. 이 때에, DC 전압(V1)은 -10 kV였다. 640 mm의 위치에서 X 방향으로 이온 빔(50)의 빔 전류 분포의 예가 도 35에 도시되어 있다.
이 경우에, 빔 전류의 절반 폭은 약 42 mm이고, 분석 전자석(200)에 의한 질량 분석의 분해능 m/Δm은 약 16이다. 상기 (B)의 경우에 비교하여, 분해능은 2배 이상 향상되었다.
다음으로, 초점 교정 렌즈(600, 610)에 인가되는 DC 전압(V1, V2)을 제어하는 것에 대해 설명한다.
도 28의 예에 도시된 바와 같이, 예컨대 분석 슬릿(70)을 통과한 이온 빔(50)을 수용하여 빔 전류(IF)를 측정하는 가동형의 제1 빔 전류 측정 장치(620)를 화살표 H로 표시된 바와 같이 이동시키고, 분석 슬릿(70)의 하류측에 있는 이온 빔(50)의 경로 내로 삽입한다. 예컨대, 빔 전류 측정 장치(620)는 패러데이 컵(Faraday cup)이다. 바람직하게는, 빔 전류 측정 장치(620)는, 분석 슬릿(70)을 통과한 전체 이온 빔(50)이 X 방향으로 충돌하는 폭(Kx)을 갖는다. Y 방향에 대하여, 이온 빔(50)이 리본 형상을 갖는 경우에, Y 방향으로 한 지점에서 측정을 행할 때에는 하나의 빔 전류 측정 장치(620)를 사용할 수 있다. Y 방향으로 여러 지점에서 측정을 행할 때에는, 빔 전류 측정 장치(620)는 복수의 측정 장치(예컨대, 패러데이 컵)가 Y 방향으로 나란히 배치되어 있는 다점 빔 전류 측정 장치일 수도 있고, 하나의 빔 전류 측정 장치(620)를 Y 방향으로 이동시키기 위한 구조를 가질 수도 있다.
그 후, 빔 전류 측정 장치(620)에 의해 측정한 빔 전류(IF)가 최대로 되도록 DC 전원(608, 618)으로부터 출력되는 DC 전압(V1, V2)을 조정한다. 즉, 초점 교정 렌즈(600)가 사용되는 경우에 DC 전압(V1)을 조정하고, 초점 교정 렌즈(610)가 사용되는 경우에 DC 전압(V2)을 조정하며, 초점 교정 렌즈(600, 610)가 사용되는 경우에 DC 전압(V1, V2)을 조정한다. 구체적으로, 전술한 바와 같이, DC 전압(V1, V2)은 음일 수도 있고 양일 수도 있으므로, 절대값 │V1│ 및 │V2│를 조정한다. 따라서 빔 전류(IF)가 최대인 DC 전압(V1, V2)이 유지된다.
도 36은 DC 전압(V1)의 절대값 │V1│이 조정되는 경우에 빔 전류(IF)의 변경의 예를 도시한다. 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치가 분석 슬릿(70)과 일치할 때에, 분석 슬릿(70)을 통과한 이온 빔(50)의 양이 최대로 되기 때문에, 그러한 곡선이 얻어진다. 이 예에서, 최대 빔 전류(IF)가 얻어지는 전압(V1a)가 유지된다. DC 전압(V2)의 절대값 │V2│이 조정되는 경우에도, 상기 곡선과 유사한 곡선이 얻어진다.
도 37은 DC 전압(V1, V2)의 절대값이 조정되는 경우에 빔 전류(IF)의 변경의 예를 도시한다. 이 예에서, DC 전압(V1)의 복수의 절대값[V1b, V1c, V1d; 절대값이 이들 값으로 한정되는 것은 아님]이 파라미터로서 사용되고, DC 전압(V2)의 절대값 │V2│이 변경된다. 따라서 빔 전류(IF)가 최대인 DC 전압(V1, V2)을 얻을 수 있다. 이 예에서, 최대 빔 전류(IF)가 얻어지는 전압(V1d, V2a)이 유지된다. 도 37의 경우와 달리, DC 전압(V2)의 복수의 절대값이 파라미터로서 사용되고, DC 전압(V1)의 절대값이 변경될 수 있다.
조정 방법에 따르면, 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치가 분석 슬릿(70)과 일치할 때에, 빔 전류(IF)가 최대이다. 따라서 이온 빔(50)의 초점 위치를 초점 교정 렌즈(600, 610)에 의해 분석 슬릿(70)과 일치시키는 교정을 용이하게 실행할 수 있다.
이온 주입기는, 빔 전류 측정 장치(620)에 의해 측정된 빔 전류(IF)가 최대로 되도록 전술한 조정 방법과 유사한 제어 내용에 의해, DC 전원(608, 618)으로부터 출력된 DC 전압(V1, V2)[구체적으로, 이들 절대값 │V1│ 및 │V2│]을 제어하는 제1 초점 제어 장치(622; 도 28 참조)를 더 포함할 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 이온 빔(50)의 초점 위치를 분석 슬릿(70)과 일치시키는 교정을 전력을 절감하는 방식으로 실행할 수 있다.
도 38의 예에 도시된 바와 같이, 분석 슬릿(70)을 통하여 흐르는 빔 전류(IS)를 측정하는 제2 빔 전류 측정 장치(624)가 사용되고, DC 전원(608, 618)으로부터 출력된 DC 전압(V1, V2)[구체적으로, 이들 절대값 │V1│ 및 │V2│]은 제2 빔 전류 측정 장치(624)에 의해 측정된 빔 전류(IS)가 최대로 되도록 조정된다. 이 경우에, 분석 슬릿(70)은 진공 용기와 같은 구조체로부터 전기적으로 절연되어 있고, 제2 빔 전류 측정 장치(624)를 매개로 접지되어 있다. DC 전압(V1, V2)이 개별적으로 또는 조합되어 사용되는 예는 전술한 예와 동일하다.
도 39는 DC 전압(V1)의 절대값 │V1│이 조정되는 경우에 빔 전류(IS)의 변경의 예를 도시한다. 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치가 분석 슬릿(70)과 일치할 때에, 분석 슬릿(70)에 충돌하는 이온 빔(50)의 양이 최소이기 때문에, 그러한 곡선이 얻어진다. 이 예에서, 최소 빔 전류(IS)가 얻어지는 전압(V1e)이 유지된다. DC 전압(V2)의 절대값 │V2│이 조정되는 경우에도, 상기 곡선과 유사한 곡선이 얻어진다.
DC 전압(V1, V2) 중 하나가 파라미터로서 사용되고 다른 하나가 변경되는 경우에는, 도 38의 곡선이 골-역전된(valley-inverted) 것과 유사한 곡선이 얻어진 다.
조정 방법에 따르면, 이온 빔(50)의 초점(56)의 위치가 분석 슬릿(70)과 일치할 때에, 측정된 빔 전류(IS)가 최소이다. 따라서 초점 교정 렌즈(600, 610)에 의하여 이온 빔(50)의 초점 위치를 분석 슬릿(70)과 일치시키는 교정이 용이하게 실행될 수 있다.
이온 주입기는, 빔 전류 측정 장치(624)에 의해 측정된 빔 전류(IS)가 최소로 되도록 전술한 조정 방법과 유사한 제어 내용에 의해 제어되는, DC 전원(608, 618)으로부터 출력된 DC 전압(V1, V2)[구체적으로, 이들 절대값 │V1│ 및 │V2│]을 제어하는 제2 초점 제어 장치(626; 도 38 참조)를 더 포함할 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 이온 빔(50)의 초점 위치를 분석 슬릿(70)과 일치시키는 교정을 전력을 절감하는 방식으로 실행할 수 있다.
(4) 가속/감속 장치(400)에 대하여
도 1에 도시된 가속/감속 장치(400)는 분석 슬릿(70)을 통과한 이온 빔(50)을 정전기장에 의해 X 방향으로 편향시키고, 정전기장에 의해 이온 빔(50)을 가속 또는 감속시킨다. 바람직하게는, 가속/감속 장치(400)는 후술하는 에너지 오염을 억제하는 효과를 유효하게 발휘하도록 가능한 한 멀리 하류측에 배치된다. 도 1에 도시된 예에서, 가속/감속 장치는, 분석 슬릿(70)과 주입 위치 사이에, 즉 분석 슬릿(70)과 기판 구동 장치(500) 사이에 배치되어 있다.
가속/감속 장치(400)를 제공하는 때에, 가속/감속 장치(400)는 이온 빔(50)을 가속/감속시킬 수 있을 뿐 아니라 이온 빔(50)을 X 방향으로 편향시킬 수도 있 다. 따라서 소정 에너지의 이온 빔(50)을 선택적으로 유도할 수 있고, 에너지 오염(원치 않는 에너지 이온의 혼합)을 억제할 수 있다. 또한, 이들 효과를 하나의 가속/감속 장치(400)에 의해 실현할 수 있다. 따라서 에너지 분석기가 별도로 배치되어 있는 경우에 비교하여, 이온 빔(50)의 전달 경로를 단축시킬 수 있다. 따라서 이온 빔(50)의 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 특히 이온 빔(50)이 낮은 에너지 및 큰 전류를 갖는 경우에, 전달 중의 이온 빔(50)은 공간 전하 효과에 의해 용이하게 발산된다. 따라서 전달 거리를 단축시키는 효과가 현저하게 된다.
도 40은 가속/감속 장치(400)의 보다 특정의 예를 도시하고 있다. 가속/감속 장치(400)는 상류측에서 시작하여 진행 방향으로 제1 전극(402), 제2 전극(404) 및 제3 전극(406)의 순서로 배치되어 있는 제1 내지 제3 전극(402, 404, 406)을 구비한다. 예에서, 각각의 전극은 Y 방향으로 연장하는 개구(412, 416)를 구비하고, 이들 개구를 통하여 이온 빔(50)이 흐른다. 예에서, 전극(402)은 하나의 전극으로 구성된다. 대안으로, 전극은, 이온 빔(50)의 경로가 X 방향으로 사이에 개재되고 동일한 전위로 있는 2개의 전극으로 구성될 수도 있다. 동일한 것이 전극(406)에 도 적용될 수 있다. 전극(404)은 Y 방향으로 연장하는 간극(414)을 갖고, 이 간극을 통하여 이온 빔(50)이 흐른다.
그라운드 전위에 대한 전위(V1)가 제1 전극(402)에 인가된다. 일반적으로, 전위(V1)는 양(가속 모드) 또는 음(감속 모드)의 고전위이다.
전극(402, 404, 406) 또는 후술하는 전극 부재(404a, 404b)에 전위가 인가되는 경우에, 전위가 O V 이외의 값이면, 전극에 대응하는 전압 인가 수단[예컨대, DC 전원, DC 전원으로부터의 전압을 분배하는 전압 분배 레지스터 등(도시 생략), 이하에도 동일하게 적용됨]으로부터 전위가 공급된다. 전위가 0 V인 때에, 대응 전극은 접지된다.
일반적으로, 제2 전극(404)은 제1 전극(402)과 제3 전극(406) 사이의 수준인 전위로 설정된다. 공지의 정전기 가속 튜브의 경우에, 제2 전극(404)은 단일의 전극으로 구성된다. 이 예에서, 제2 전극은, 이온 빔(50)의 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 2개의 전극 부재(404a, 404b)로 분리되게 구성된다. 또한, 서로 상이한 전위(V2a, V2b; V2a≠V2b)가 전극 부재(404a, 404b)에 각각 인가되어, 이온 빔(50)이 X 방향으로 편향된다. 구체적으로, 이온 빔(50)이 편향되는 측에 있는 전극 부재(404b)에는, 상대 전극(404a; counter electrode)의 전위(V2a)보다 낮은 전위(V2b)가 인가되거나, V2b<V2a로 설정된다. 그러한 전위를 인가하는 수단은 전술한 바와 같다.
이온 빔(50)이 통하여 흐르는 간극(414)이 전극(404)을 구성하는 두 전극 부재(404a, 404b) 사이에 배치되어 있다. 바람직하게는, 간극(414)은 본 예에서와 같이 이온 빔(50)의 편향 방향으로 구부러진다. 구체적으로, 간극은 편향 후에 특정의 에너지, 즉 구체적으로 원하는 에너지를 갖는 이온(418)의 궤도를 따라 구부러진다. 이러한 구조에 따르면, 원하는 에너지를 갖는 이온(418)으로 구성되는 이온 빔(50)을 효율적으로 유도할 수 있다.
일반적으로 0 V인 전위(V3)가 제3 전극(406)에 인가된다. 즉, 제3 전극이 접지된다.
바람직하게는, 제2 전극(404)의 하류측에 있는 제3 전극(406)은 전극(404)에 의한 편향 후에 특정의 에너지, 구체적으로 원하는 에너지를 갖는 이온(418)의 궤도를 따라 배치된다. 이러한 구조에 따르면, 원하는 에너지를 갖는 이온(418)을 효율적으로 유도할 수 있고, 원하는 에너지 이외의 에너지를 갖는 이온(420, 422)과, 중성 입자(424)를 전극(406)에 의해 효율적으로 차단될 수 있다. 따라서 에너지 오염을 더욱 효율적으로 억제할 수 있다.
전극(404)을 구성하는 전극 부재(404a, 404b)에 인가되는 전위(V2a, V2b) 사이의 차이는, 원하는 (목표) 에너지를 갖는 이온(418)이 가속/감속 장치(400)의 중앙 궤도, 구체적으로 편향 기능을 갖는 제2 전극(404)을 포함하고 이에 후속하는 전극(404, 406)의 중앙 궤도[보다 구체적으로, 간극(414)과 개구(416)]를 통과하도록 설정된다.
표 1은 전극과 전극에 인가되는 전위의 예를 집합적으로 도시한다. 예 1 및 2는 이온 빔(50)이 가속/감속 장치(400)에 의해 가속되는 가속 모드로 있는 것이고, 예 3은 이온 빔(50)이 감속되는 감속 모드로 있는 것이다. 예 1의 경우에는, 30 keV의 가속 에너지를 실현할 수 있고, 예 2의 경우에는, 130 keV의 가속 에너지를 실현할 수 있다. 예 3의 경우에는, 8 keV의 가속 에너지를 실현할 수 있다. 어떤 경우에든, 제2 전극(404)을 구성하는 하나의 전극인 전극 부재(404b)의 전위(V2b)는 상대 전극(404a)의 전위(V2a)보다 낮게 설정된다.
전위 V1 [kW] 전위 V2a [kW] 전위 V2b [kW] 전위 V3 [kW]
예 1 30 0 -48 0
예 2 130 100 52 0
예 3 -8 0 -1 0
가속/감속 장치(400)에 따르면, 이온 빔(50)은 2개의 전극 부재(404a, 404b)로 구성되고 상이한 전위(V2a, V2b)가 인가되는 제2 전극(404)에 의해 편향될 수 있다. 이 때에, 편향량은 편향 시의 이온 빔(50)의 에너지에 의존하므로, 원하는 에너지를 갖는 이온(418)은 다른 에너지를 갖는 이온(420, 422)으로부터 분리될 수 있다. 이온(420)은 원하는 에너지보다 낮은 에너지를 갖는 이온이고, 이들 이온의 편향량은 이온(418)의 편향량보다 크다. 이온(422)은 원하는 에너지보다 높은 에너지를 갖는 이온이고, 이들 이온의 편향량은 이온(418)의 편향량보다 작다. 중성 입자(424)는 편향되지 않고 직선으로 진행하므로, 분리될 수 있다. 즉, 가속/감속 장치(400)는 에너지 분리 기능을 발휘하므로, 원하는 에너지를 갖는 이온(418)으로 구성되는 이온 빔(50)을 선택적으로 유도할 수 있고, 에너지 오염을 억제할 수 있다. 예에서, 원하는 에너지를 갖는 이온(418) 이외의 이온(420, 422)과 중성 입자(424)는 제2 전극(404)의 하류측에 있는 전극(406)에 충돌하며, 이로써 이들 이온은 차단되어 제거된다.
또한, 가속/감속 장치(400)는 전술한 에너지 분리 기능에 추가하여, 이온 빔(50)을 가속 또는 감속시키는 원래의 기능을 또한 발휘한다. 이들 기능이 단일의 가속/감속 장치(400)에 의해 실현될 수 있으므로, 에너지 분리기를 별도로 배치할 필요는 없다. 에너지 분리기가 별도로 설치되어 있는 경우에 비교할 때, 이온 빔(50)의 전달 경로를 단축할 수 있다. 따라서 이온 빔(50)의 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이온 빔(50)은 두 스테이지, 즉 전극(402, 404) 사이에서, 그리고 전극(404, 406) 사이에서 가속될 수 있다. 표 1의 예 2가 그러한 경우의 예를 나타낸다. 후속 스테이지(즉, 에너지가 낮은 기간 동안)에서의 가속 전에, 이온 빔(50)은 전극(404)에 의해 편향될 수 있다. 전체 가속(full acceleration) 후에 편향을 실시하는 경우에 비교할 때, 이온 빔(50)이 용이하게 편향될 수 있다. 구체적으로, 전극(404)을 구성하는 두 전극 부재(404A, 404B)에 인가된 전위(V2a, V2b) 사이의 차이는 작게 될 수 있다. 결과적으로, 전극(404)의 근처에서 전기 절연이 용이하게 되는 이점이 있다.
원하는 에너지를 갖는 이온(418) 이외의 이온 및 중성 입자는 전극(404)의 하류측에 있는 전극(406)에 의해 차단되어 제거될 수 있다. 따라서 에너지 오염을 더욱 효율적으로 억제할 수 있다. 특히, 감속 모드(표 1의 예 3 참조)에서, 전극(402)과 전극(404)의 사이에서 이온 빔(50)의 감속 시에 전하 변환에 의해 중성 입자(424)가 용이하게 발생하는 것은 경험적으로 알려져 있다. 많은 중성 입자(424)가 발생할 때에도, 이들 입자는 직선으로 진행하여 전극(406)에 충돌하여 차단된다. 따라서 중성 입자(424)는 가속/감속 장치(400)에서 효과적으로 제거될 수 있다.
가속 모드에서는 일반적으로, 전자가 방사되고, 원하는 에너지 이외의 에너지를 갖는 이온이 충돌하는 전극의 위치로부터 더 높은 전위측으로 가속되고, 그러한 가속된 전자에 대응하는 고에너지를 갖는 X-선이 가속된 전자가 충돌하는 전극의 일부로부터 발생한다. 공지의 정전기 가속 튜브는 편향 기능을 갖지 않는다. 따라서 가속된 전자는 구부러지지 않고 고전위의 전극[전극(404)에 대응하는 전극]에 도달할 수 있으며, 더 고전위의 전극의 전위에 대응하는 큰 에너지에 의해 가속되어 더 고전위의 전극에 충돌하므로, 그로부터 고에너지를 갖는 X선이 발생한다.
이와 달리, 가속/감속 장치(400)에서와 같이, 제2 전극(404)은 2개의 전극 부재(404a, 404b)로 구성되고, 상이한 전위가 전극 부재에 인가되며, 이로써 편향 기능을 갖는 전극이 제공된다. 이러한 구조에 따르면, 원치 않는 에너지를 갖는 이온이 충돌하는 위치로부터 방사된 전자는 전극(404)에 의해 구부러져서 보다 고전위의 전극(402)에 도달할 수 없다. 구체적으로, 전자는 전극(404)을 구성하는 2개의 전극 부재(404a, 404b) 중에서 더 고전위를 갖는 전극 부재(404a)를 향하여 구부러진 후, 전극 부재(404a)에 충돌한다. 이 때에, 전자의 가속 에너지는 전극 부재(404a)의 전위에 대응하는 에너지이며, 전자가 보다 더 고전위의 전극(402)에 충돌하는 경우보다 낮다. 예컨대 표 1의 예 1에서와 같이, 충돌하는 전자의 에너지는 약 0 eV이고, X-선은 실질적으로 발생되지 않는다. 예 2의 경우에, 에너지는 약 100 keV이고, 전자가 전극(402)에 충돌하는 경우의 약 130 keV보다 낮다. 따라서 어떤 경우에든, 발생된 X-선의 에너지는 공지의 정전기 가속 튜브에서의 에너지보다 낮을 수 있다.
필요에 따라, 전극(402)의 상류측 또는 전극(406)의 하류측에 다른 전극을 배치할 수 있다. 예컨대, 이온 빔(50)을 가속 또는 감속시키기 위한 고전위의 전극을 전극(402)의 상류측에 배치할 수 있다. 역전된 전자를 억제하기 위한 음전위의 전극을 전극(406)의 하류측에 배치할 수 있다.
(5) 궤도 제어 렌즈(700a, 700b)에 대하여
기판(60)을 리본형 이온 빔(50)에 의해 조사하여 이온 주입을 행하는 이온 주입기에 있어서, 이온 빔의 길이 방향인 Y 방향으로의 궤도 상태(예컨대, 평행하게 발산하거나 수렴하는 상태)가 중요하다. 기판(60)의 넓은 영역(예컨대, 실질적으로 전체 면)에 고균질도의 이온 주입을 실행하기 위하여, 이온 빔(50)의 Y 방향으로 평행 관계인 것이 중요하다.
이를 만족시키기 위하여, 이하의 궤도 제어 렌즈(700a, 700b)를 분석 전자석(200)과 가속/감속 장치(400) 사이에 배치할 수 있다. 궤도 제어 렌즈(700a, 700b)는 전기장 렌즈의 부류에 속한다.
도 1에 도시된 예에서, 분석 슬릿(70)과 가속/감속 장치(400)의 사이에는, 렌즈를 통과하는 이온 빔(50)을 정전기장에 의해 Y 방향으로 궤도 제어 렌즈(700a)가 배치되어 있다. 그러나, 궤도 제어 렌즈(700a)는 분석 전자석(200)과 [초점 교정 렌즈(610)가 배치되어 있는 경우의] 분석 슬릿(70) 사이에 배치될 수 있다. 동일한 사항이 후술하는 궤도 제어 렌즈(700b)에도 적용된다.
도 41을 또한 참조하면, 궤도 제어 렌즈(700a)는, 사이에 간극(708, 710)을 형성하면서 이온 빔(50)의 진행 방향(Z)으로 직렬로 배치되어 있는 입구 전극(702), 중간 전극(704) 및 출구 전극(706)을 구비한다. 전극(702, 704, 706)의 Y 방향의 길이는 통과하는 이온 빔(50)의 Y 방향의 치수(Wy)보다 약간 크고, 예컨대 약 400 내지 500 mm이다. 예컨대, Y 평면에서 간극(708, 710)의 거리는 약 40 내지 50 mm이다. 그러나, 치수가 이들 값으로 한정되는 것은 아니다.
입구 전극(702)은 이온 빔(50)이 통과하는 간극(712)을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 쌍의 전극(702a, 702b)을 구비한다. 중간 전극(704)은 이온 빔(50)이 통과하는 간극(714)을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 쌍의 전극(704a, 704b)을 구비한다. 출구 전극(706)은 이온 빔(50)이 통과하는 간극(716)을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 쌍의 전극(706a, 706b)을 구비한다. 간극(712, 714, 716)의 X 방향의 치수는 통과하는 이온 빔(50)의 X 방향의 치수(Wx)에 따라 결정되고, 예컨대 약 50 내지 100 mm이다. 그러나, 치수가 이들 값으로 한정되는 것은 아니다.
전극(702a, 702b)은 서로 전기적으로 도통하고, 도시 생략한 리드선과 같은 도전 수단에 의해 동일한 전위로 설정된다. 전극(704a, 704b)은 유사한 구조로 구성되어 있다. 전극(706a, 706b)은 유사한 구조로 구성되어 있다.
이온 빔(50)의 진행 방향(Z)의 상류면 및 하류면에서, 중간 전극(704)은 Y 방향으로 아치형으로 만곡된 볼록면(720, 722)을 구비한다. 예에서, 볼록면(720, 722)은 X 방향으로는 만곡되어 있지 않다. 입구 및 출구 전극(702, 706)은, 볼록면(720, 722)과 대향하는 면에, 중간 전극(704)의 볼록면(720, 722)을 따라 연장하는(구체적으로는, 일정한 간극을 형성하면서 연장하는) 오목면(718, 724)을 구비한다. 따라서 간극(708, 710)도 Y 방향으로 아치형으로 만곡되어 있고, X 방향으로는 만곡되어 있지 않다.
입구 및 출구 전극(702, 706)은 리드선과 같은 도전 수단에 의해 서로 전기적으로 연결되어 동일한 전위로 유지된다. 예에서, 전극(702, 706)은 그라운드 전위로 유지된다. 이러한 구조에 따르면, 전기장이 궤도 제어 렌즈(700a)로부터 이온 빔(50)의 Z 방향으로 상류 및 하류측으로 돌출하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 전기장이 돌출하여 이온 빔(50) 등에 악영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다.
중간 전극(704)은, 입구 및 출구 전극(702, 706)의 전위와 상이하고 궤도 제어 렌즈(700a)로부터 유도된 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태를 소정의 상태로 되게 하는 전위로 유지된다. 도 42 내지 도 45를 참고로 하여, 궤도 상태의 예를 이하에서 설명하기로 한다. 중간 전극(704)을 그러한 전위로 유지하는 가변 전압의 DC 전원(732)이 입구 및 출구 전극(702, 706)의 사이와, 중간 전극(704)에 연결되어 있다. 도 41의 예에서, DC 전원(732)의 방향은 중간 전극(704)측이 음으로 되도록 설정된다. 대안으로, 방향을 반전시킬 수도 있다.
궤도 제어 렌즈(700a)에 있어서, 입구 및 출구 전극(702, 706)은 동일한 전위로 유지되고, 중간 전극(704)은 입구 및 출구 전극(702, 706)의 전위와 상이한 전위로 유지된다. 따라서 렌즈는 유니포텐셜 렌즈로서 기능한다. 이온 주입기가 궤도 제어 렌즈(700a)를 구비할 때에, 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태는 이온 빔(50)의 에너지를 변경하지 않고 원하는 상태로 설정될 수 있다. 그러한 예를 설명한다.
도 42는, 중간 전극(704)이 입구 및 출구 전극(702, 706)의 전위보다 낮은 전위로 유지되는 때에, 구체적으로는 입구 및 출구 전극(702, 706)이 0 V로 유지되고 중간 전극(704)에 -15,000 V가 인가될 때에 궤도 제어 렌즈(700a)의 X 방향으로 중앙 영역의 YZ 평면(즉, 좌표 X=0)에 있어서 전극 사이의 간극(708, 710) 근처에서의 등전위선(728)의 분포의 예를 도시한다. 볼록 렌즈 형태로 만곡되어 있는 등전위선(728)이 형성되어 있다.
이온 빔(50)을 구성하는 이온이 등전위선(728)의 분포를 갖는 궤도 제어 렌즈(700a)에 충돌할 때, Y 방향으로 수렴 효과가 발생한다. 예컨대, 이는 발산하는 입사 이온 빔을 평행 빔으로서 유도되도록 한다. 대안으로, 평행한 입사 이온 빔(50)이 수렴 빔으로서 유도될 수도 있다. 중간 전극(704)의 음전위가 더욱 강화될 때, 발산하는 입사 이온 빔(50)은 발산 빔으로서 유도될 수 있다. 중간 전극(704)의 전위가 양전위로서 설정되거나 반전되는 때에, 이온 빔(50)을 Y 방향으로 발산시키는 것이 가능하다.
도 43 및 도 44는, 입구 및 출구 전극(702, 706)에 0 V의 전압이 인가되고, 전술한 바와 유사하게 중간 전극(704)에 -15,000 V의 전압이 인가되며, 15 keV의 에너지를 갖는 일가의 비소(As) 이온(원자량 75 AMU)으로 구성되는 이온 빔(50)이 궤도 제어 렌즈(700a)에 충돌하는 경우의 예를 도시한다. 도시하지는 않지만, 도 42에 도시된 것과 유사한 등전위선이 도 43 및 도 44에서 간극(708, 710)의 근처에 형성되어 있다. 도 42에서와 동일한 방식으로, 도 43 내지 도 45 및 도 47은 X=0의 좌표인 YZ 평면을 도시하고 있다.
도 43은 Y 방향으로 발산하는ㄴ 입사 이온 빔(50)이 평행 빔으로서 유도되는 예를 도시한다. 예에서, 입사 이온 빔(50)의 발산각은 ± 1도 내지 ± 9도이다(Y 방향의 중앙 영역은 ± 1도이고, 각도는 빔이 수직 방향으로 이탈됨에 따라 1도씩 단계적으로 증대된다). 명세서에서, 평행 빔은, 도 43에 도시된 바와 같이, Y 방향으로 상이한 위치로부터 유도된 이온 빔(50)의 궤도(진행 방향)가 실질적으로 서로 평행한 이온을 의미한다. 예에서, 빔은 전체 이온 빔(50)의 진행 방향인 Z 방향으로도 또한 평행하다.
도 44는 Y 방향으로 평행한(즉, 발산각이 0도이며, 이하에도 동일하게 적용됨) 입사 이온 빔(50)이 수렴 빔으로서 유도되는 예를 도시한다. 이온 빔(50)은 빔이 공간 전하 효과에 의해 발산되는 특성을 갖는다. 특히 낮은 에너지 및 큰 빔 전류를 갖는 이온 빔(50)에서는, 그러한 특성이 강하게 나타난다. 따라서 예에서와 같이 수렴하는 이온 빔(50)을 궤도 제어 렌즈(700a)로부터 취하여 궤도 제어 렌즈(700a)와 기판(60) 사이의 공간 전하 효과에 기인한 발산에 의해 밸런스를 맞출 때에(오프셋할 때에), 기판(60)에 입사하는 이온 빔(50)은 실질적으로 평행 빔으로서 형성될 수 있다.
도 45는, 입구 및 출구 전극(702, 706)에 0 V의 전압이 인가되고, 중간 전극(704)에 +10,000 V의 전압이 인가되며, 15 keV의 에너지를 갖는 일가 비소(As)로 구성되고 y 방향으로 평행한 이온 빔(50)이 전술한 바와 유사하게 발산 빔으로서 유도되는 경우의 예를 도시한다. 궤도 제어 렌즈(700a)의 하류측에는 빔 발산 수단이 배치되어 있다. 전자(前者)에 기인한 발산과, 후자(後者)에 기인한 수렴은 서로 조합되어, 이온 빔(50)이 평행 빔으로서 형성될 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 이온 빔(50)의 Y 방향의 치수를 더욱 증가시킬 수 있다.
이온 주입기가 궤도 제어 렌즈(700a)를 구비할 때에, 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태는 이온 빔(50)의 에너지를 변경하지 않고 원하는 상태로 설정될 수 있다. 예컨대, 이온 빔(50)은 평행 빔으로서 형성될 수 있고, 평행도가 높은 이온 빔(50)을 유도할 수 있다. 따라서 예컨대 이온 빔이 평행 빔으로서 형성될 때에, 예컨대 이온 빔(50)의 에너지가 변경되지 않는 경우가 바람직한 예이다.
예컨대 궤도 제어 렌즈(700a)로부터 유도된 이온 빔(50)이 평행 빔으로서 형성될 때에, 기판(60)의 넓은 영역(예컨대, 실질적으로 전체면)에 고균질의 이온 주입을 실행할 수 있다. 또한, 기판(60) 표면의 미세구조부에 이온 빔(50)이 충돌하지 않는 음영부가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 궤도 제어 렌즈(700a)를 구성하는 중간 전극(704)은 전술한 바와 같이 Y 방향으로 만곡된 볼록면(720, 722)을 구비하고, 입구 및 출구 전극(702, 706)은 볼록면을 따라 연장하는 오목면(718, 724)을 구비한다. 따라서 전극 사이의 간극(708, 710)에서 전기장의 Y 방향의 균질도를 크게 향상시킬 수 있다(도 42 참조). 그 결과, Y 방향의 치수가 큰 경우에도, 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태를 고균질도를 갖는 원하는 상태로 설정할 수 있다. 따라서 리본형 이온 빔(50)을 사용하는 예가 특히 바람직하다. 입구 및 출구 전극(702, 706)의 오목면(718, 724)이 평탄하거나, 또는 중간 전극(704)의 볼록면(720, 722)이 평탄한 경우에는, 간극(708, 710)에서 등전위선(728)의 간극들 사이에 Y 방향의 불균일, 협소(narrowness) 또는 광대(wideness)가 발생하므로, 간극(708, 710)에서의 전기장의 Y 방향의 균질도가 낮다.
도 46은 전원과 함께 궤도 제어 렌즈의 다른 예를 도시하는 사시도이다. 궤도 제어 렌즈(700b)는 궤도 제어 렌즈(700a) 대신에 사용될 수 있다. 도 41 등에 도시된 궤도 제어 렌즈(700a)의 부분과 일치하거나 그에 대응하는 부분에는 동일 도면 부호를 병기한다. 이하의 설명에서는, 궤도 제어 렌즈(700a)와 상이한 점에 중점을 두고 설명한다.
이온 빔(50)의 진행 방향(Z)의 상류 및 하류측에서, 궤도 제어 렌즈(700b)를 구성하는 중간 전극(704)은 Y 방향으로 아치형으로 만곡된 오록면(721, 723)을 구비한다. 예에서, 오록면(721, 723)은 X 방향으로는 만곡되어 있지 않다. 입구 및 출구 전극(702, 706)은, 오록면(721, 723)에 대응하는 면에 중간 전극(704)의 오록면(721, 723)을 따라 연장(구체적으로, 일정한 간격을 형성하면서 연장)하는 볼록면(719, 725)을 구비한다. 따라서 간극(708, 710)도 Y 방향으로는 아치형으로 만곡되어 있지만, X 방향으로는 만곡되어 있지 않다.
중간 전극(704)은, 입구 및 출구 전극(702, 706)의 전위와 상이하고 궤도 제어 렌즈(700b)로부터 유도된 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태를 소정의 상태로 되게 하는 전위로 유지된다. 궤도 상태의 예에 대해서는 도 47을 참고로 하여 후술한다. 중간 전극(704)을 그러한 전위로 유지하는 가변 전압의 DC 전원(732)이 입구 및 출구 전극(702, 706)의 사이와, 중간 전극(704)에 연결되어 있다. 도 46의 예에서, DC 전원(732)의 방향은 중간 전극(704)측이 양으로 되도록 설정된다. 대안으로, 방향을 반전시킬 수도 있다.
궤도 제어 렌즈(700b)의 근처에서, 도 42에 도시된 것과는 반대로 오목 렌즈 형태로 만곡된 등전위선이 형성된다.
궤도 제어 렌즈(700b)에서도, 입구 및 출구 전극(702, 706)은 동일한 전위로 유지되고, 중간 전극(704)은 입구 및 출구 전극(702, 706)의 전위와 상이한 전위로 유지된다. 따라서 렌즈는 유니포텐셜 렌즈로서 기능한다. 이온 주입기가 궤도 제어 렌즈(700b)를 구비할 때에, 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태는 이온 빔(50)의 에너지를 변경시키지 않고 원하는 상태로 설정될 수 있다.
이온이 궤도 제어 렌즈(700b)에 충돌할 때, Y 방향으로의 수렴 효과가 발생한다. 예컨대 이로 인하여, 도 47에 도시된 바와 같이, 발산하는 입사 이온 빔(50)이 평행 빔으로서 유도된다. 도 47은, 중간 전극(704)이 입구 및 출구 전극(702, 706)의 전위보다 더 높은 전위로 유지되는 경우, 또는 구체적으로 입구 및 출구 전극(702, 706)이 0 V로 유지되고, 중간 전극(704)에 +15,000 V의 전압이 인가되는 경우의 예를 도시한다. 이온 빔(50)은 15 keV의 에너지를 갖는 일가의 비소 이온으로 구성된다. 입사 이온 빔의 발산각은 ± 1도 내지 ± 9도이다.
또한, 궤도 제어 렌즈(700b)는 평행한 입사 이온 빔(50)을 수렴 빔으로서 전달할 수 있다. 중간 전극(704)의 양전위가 더욱 강해질 때에, 발산하는 입사 이온 빔(50)이 수렴 빔으로서 유도될 수 있다. 중간 전극(704)의 극성이 전술한 것으로 반전되거나 음전위로 설정될 때에, 이온 빔(50)은 Y 방향으로 발산될 수 있다.
이상 설명한 것 이외의 궤도 제어 렌즈(700b)의 기능 및 효과는 전술한 궤도 제어 렌즈(700a)와 동일하므로, 중복 설명은 피하기로 한다.
(6) 균질화 렌즈(750)에 대하여
궤도 제어 렌즈(700a, 700b) 대신에, 도 48 및 도 49에 도시된 예에서와 같은 균질화 렌즈(750)가 배치될 수 있다. 균질화 렌즈(750)는 전기장 렌즈의 부류에 속한다.
균질화 렌즈(750)는 분석 전자석(200)과 가속/감속 장치(400) 사이에 배치된다. 구체적으로, 균질화 렌즈는 분석 슬릿(70)과 가속/감속 장치(400) 사이[예컨대 초점 교정 렌즈(610)가 배치되어 있는 경우에는, 초점 교정 렌즈(610)와 분석 슬릿(70) 사이]에 배치될 수도 있고, 분석 전자석(200)과 분석 슬릿(70) 사이에 배치될 수도 있다.
균질화 렌즈(750)는 Y 방향으로 복수 개 배치되어 있는 복수(예컨대 10개)의 전극 쌍을 구비한다. 각 쌍에 있어서, 전극(752)의 쌍(전극 쌍)은 이온 빔(50)을 가로질러 X 방향으로 서로 대향한다. 도시된 예에서, 각 쌍의 전극(752)에 있어서, 대향 팁 단부의 근처는 반원통 형상 또는 반원주(semi-columnar) 형상을 갖거나, 대안으로 판 전극(평행판 전극)을 구성한다. 도 49에 도시된 바와 같이, 서로 대향하여 쌍을 이루는 2개의 전극(752)은 서로 평행하게 전기적으로 도통하도록 전기적으로 연결되어 있다. 도 49에서, 평행한 접속을 위한 와이어는 이온 빔(50)을 교차하는 것처럼 보일 수 있다. 이는 단순히 예시를 위한 것이다. 실제로는, 와이어가 이온 빔(50)을 교차하지 않는다.
전술한 스테이지에서 기준 전위부(그라운드 전위부)와 전극 쌍 사이에 독립적인 DC 전압을 각각 인가하는 균질화 렌즈 전원의 예로서, 독립적인 가변 전압의 균질화 렌즈 전원(754)이 스테이지에서 전극 쌍에 각각 배치되어 있다. 즉, 균질화 렌즈 전원(754)의 수는 전극 쌍의 수와 동일하다. 이러한 구조 대신에, 예컨대 복수의 전원을 하나의 유닛에 합체함으로써 형성되는 단일의 균질화 렌즈 전원을 사용할 수 있고, 전극 쌍에 인가되는 DC 전압이 독립적으로 제어될 수 있다.
전극 쌍에 인가되는 DC 전압으로서는, 음의 전압이 양의 전압보다 더 바람직하다. 음의 전압을 사용하는 때에는, 이온 빔(50)의 둘레에 존재하는 플라즈마 내의 전자가 이온 빔과 함께 전극(752)에 당겨지는 것을 방지할 수 있다. 전자가 당겨지면, 공간 전하 효과에 기인한 이온 빔(50)의 발산이 강화된다. 이러한 것이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
전극 쌍에 인가되는 DC 전압을 조정하는 때에, Y 방향의 전기장(EY)[도 49의 전기장(EY)이 예를 나타냄]이 이온 빔(50)의 경로에 발생하고, 이온 빔(50)을 구성하는 이온이 전기장(EY)의 세기에 따라 Y 방향으로 구부러질 수 있다.
따라서 균질화 렌즈(750) 때문에, 이온 빔(50)의 Y 방향의 복수의 궤도가 정전기장에 의해 Y 방향으로 구부러질 수 있고, 주입 위치에서 이온 빔의 Y 방향의 빔 전류 밀도 분포를 균질화할 수 있다. 그 결과, 기판(60) 상에서 이온 주입의 균질도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 효과는, 기판(60)과 이온 빔(50)의 Y 방향 치수가 큰 때에 더욱 현저하다.
주입 위치에서 이온 빔(50)의 Y 방향의 빔 전류 밀도 분포를 측정하는 빔 측정 장치(80)와 균질화 제어 장치(90)를 배치하고, 이들 장치를 이용하여 이하의 제어를 실시할 수 있다(도 1 참조).
예에서, 빔 측정 장치(80)는 이온 빔(50)의 빔 전류를 측정하는 복수의 측정 장치(예컨대, 패러데이 컵)가 Y 방향으로 나란히 배치되어 있는 다점 빔 측정 장치이다. 대안으로, 하나의 빔 측정 장치가 이동 기구에 의해 Y 방향으로 이동하는 구조를 채용할 수도 있다. 빔 전류 밀도 분포를 나타내는 측정 정보(D1)가 빔 측정 장치(80)로부터 출력된 후에, 균질화 제어 장치(90)에 공급된다. 측정 정보(D1)는 복수 또는 n1(n1은 패러데이 컵의 수와 동일) 개의 측정 정보의 세트 수로 구성되어 있다.
빔 측정 장치(80)로부터의 측정 정보(D1)를 기초로 하여, 균질화 제어 장치(90)는 복수 또는 n2(n2는 전극 쌍의 수와 동일) 개의 제어 신호(S2)의 수를 균질화 렌즈 전원(754)에 공급하여 각각의 균질화 렌즈 전원(754)을 제어하고, 이로써 빔 전류 밀도 분포의 균질화 향상을 제어한다. 구체적으로, 빔 전류 밀도가 다른 영역의 전류 밀도보다 낮은 저전류 밀도 영역이 있을 때에는, 균질화 제어 장치(90)는 저전류 밀도 영역에 대응하는 전극 쌍에 인가되는 전압을 낮추어, 전기장(EY)은 주변으로부터 저전류 밀도 영역에 대응하는 균질화 렌즈(750)의 영역을 향하고, 이와 반대의 경우에는, 반대의 작업[즉, 전압을 상승시켜, 전기장(EY)이 감소하거나 반대로 향하게 하는 작업]을 실행하여, 주입 위치에서 이온 빔(50)의 Y 방향의 빔 전류 밀도 분포를 균질화하는 것을 제어한다.
도 48에 도시된 예에서와 같이, 균질화 렌즈(750)를 구성하는 전극(752)의 상류측 및 하류측에 차폐판(756, 758)을 각각 배치할 수 있다. 차폐판(756, 758)은 Y 방향으로 다수의 위치에 배치된 전극(752) 전체를 덮는 길이를 갖고, 전기적으로 접지되어 있다. 차폐판(756, 758)이 배치되어 있으면, 전극(752)의 전기장이 균질화 렌즈(750)의 상류 및 하류측으로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 원치 않는 전기장이 균질화 렌즈(750)의 상류 및 하류측의 근처에서 이온 빔(50)에 작용하여 이온 빔(50)을 원치 않게 구부리는 것을 방지할 수 있다.
(7) 편향 전자석(800)에 대하여
궤도 제어 렌즈(700a, 700b)와 균질화 렌즈(750) 대신에, 도 50 및 도 53에 도시된 예에서와 같이 편향 전자석(800)이 배치된다. 편향 전자석(800)은 자기 렌즈의 하나의 종류라고 말할 수 있다.
편향 전자석(800)은 분석 전자석(200)과 주입 위치[즉, 이온 빔(50)이 기판(60)에 충돌하는 위치] 사이에 배치되어 있다. 예컨대, 편향 전자석은 분석 전자석(200)과 가속/감속 장치(400) 사이에 배치되어 있다. 구체적으로, 편향 전자석은 분석 슬릿(70)과 가속/감속 장치(400) 사이에, 또는 분석 전자석(200)과 분석 슬릿(70) 사이에[초점 교정 렌즈(610)가 배치되어 있는 경우에는, 초점 교정 렌즈(600)와 분석 슬릿(70) 사이에] 배치될 수 있다.
도 50은 전원과 함께 편향 전자석의 예를 도시하는 정면도이고, 도 51은 도 50의 선 M-M을 따라 취한 측면도로서, 발산 빔이 평행 빔으로서 형성되는 경우를 도시한다.
리본형 이온 빔(50)은 편향 전자석(800)에 충돌하고, 편향 전자석은 이온 빔(50)이 통과하는 빔 경로(802)에서 X 방향을 따라 자기장(B1, B2)을 발생시킨다. 편향 전자석(800)은, 빔 경로(802)를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔(50)의 일측(예에서는, 상측)의 대략 절반 또는 그 이상(달리 말하면, 실질적으로 절반 또는 그 이상)을 덮는 한 쌍의 자극(812)을 갖는 제1 자극 쌍(810)과, 빔 경로(802)를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔(50)의 타측(예에서는, 하측)의 대략 절반 또는 그 이상(달리 말하면, 실질적으로 절반 또는 그 이상)을 덮는 한 쌍의 자극(812)을 갖는 제2 자극 쌍(820)과, 제1 자극 쌍(810)의 사이의 간극(816)에, 그리고 제2 자극 쌍(820) 사이의 간극(826)에 서로 반대되는 자기장(B1, B2)을 발생시키는 코일(834 내지 837)을 포함한다.
제1 자극 쌍(810) 사이의 간극(816)의 X 방향 길이(간극 길이 G1; 이하에 동일하게 적용됨)는 Y 방향으로 실질적으로 일정하다. 또한, 제2 자극 쌍(820) 사이의 간극(816)의 간극 길이(G2)도 Y 방향으로 실질적으로 일정하다. 바람직하게는, 간극 길이(G1, G2)는 서로 실질적으로 동일하다. 이 예는 이러한 방식으로 구성되어 있다.
이 예에서, 코일(834, 835)은 제1 자극 쌍(810)을 구성하는 쌍을 이룬 자극(812)의 둘레에 각각 권취되어 있다. 코일(834, 835)은 서로 직렬로 연결되어 있고, DC 전원(840)에 연결되어 있다. 코일은 DC 전원(840)에 의해 여기되어, 예컨대 도 50에 도시된 바와 같이 X 방향으로 우측을 향하는 자기장(B1)을 발생시킨다.
코일(836, 837)은 제1 자극 쌍(820)을 구성하는 쌍을 이룬 자극(822)의 둘레에 각각 권취되어 있다. 코일(836, 837)은 서로 직렬로 연결되어 있고, DC 전원(842)에 연결되어 있다. 코일은 DC 전원(842)에 의해 여기되어, 코일(834, 835)의 전류에 반대되는 여기 전류가 흘러서, 예컨대 도 50에 도시된 바와 같이 X 방향으로 좌측을 향하는 자기장(B2)을 발생시킨다.
코일의 권취 방법 및 권취 횟수, 코일용 DC 전원 등은 이러한 예의 것들로 한정되지 않는다. 예컨대, 모든 코일(834, 837)은 직렬로 연결될 수 있고, 단일의 DC 전원에 의해 여기될 수 있다. 대안으로, 코일은 좌우 자극(812) 중 단지 하나와 좌우 자극(822) 중 하나에만 권취될 수도 있고, 후술하는 요크(830, 832) 중 하나 또는 양자 모두의 중간부에 권취될 수도 있다. 어떤 경우에든, 서로 반대되는 자기장(B1, B2)이 발생된다. 도 53 내지 도 55에 도시된 예는 유사하게 구성되어 있다.
도 51에 도시된 바와 같이 편향 전자석(800)에 있어서는, 제1 및 제2 자극 쌍(810, 820)을 구성하는 자극(812, 822)의 이온 빔 진행 방향(Z)의 길이(L6, L7)는 빔 경로(802)의 중심(804)으로부터 Y 방향으로 (수직 방향으로) 외측으로 멀어질수록 커진다. 따라서 각 자극(812, 822)의 측면도의 형상은 Y 방향으로 외측이 더 넓은 삼각형 또는 쐐기 형상과 유사한 형상을 갖는다. 바람직하게는, 자극(812)과 자극(822)은, 빔 경로(802)의 Y 방향으로 중심(804)을 통과하고 XZ 평면에 평행한 대칭면(806)을 중심으로 Y 방향으로 실질적으로 면대칭인 형상을 갖는다. 이 예는 이와 유사하게 구성되어 있다.
도 51에 도시된 에에서와 같이, 편향 전자석(800)이 발산 이온 빔(50)을 평행 빔으로서 형성하는데 전용으로 사용되는 경우에, 자극(812, 822)의 입구 평면(813, 823)은 이온 빔 진행 방향(Z)으로 볼록한 아치 형상으로 형성되고, 출구 평면(814, 824)은 선형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 따르면, 입구 평면(813, 823) 및 출구 평면(814, 824)에 대한 이온 빔(50)의 입사 및 방사 각도는 Y 방향의 임의의 위치에서 직각에 근접할 수 있다. 따라서 이온 빔(50)은 평행 빔으로 용이하게 형성될 수 있다.
예에서, 코일(834, 837)은 자극(812, 822)을 따라 권취되어 있고, 사각형을 변형함으로써 얻어지는 형상을 갖는다. 그러나 자극을 따라 코일을 권취하는 것이 필수적인 것은 아니다. 예컨대 도 54에 도시된 예와 동일한 방식으로, 코일은 사각형에 유사한 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 하는 이유는, 자극(812, 822)의 형상이 중요하기 때문이다.
편향 전자석(800)에 있어서, 제1 자극 쌍(810) 사이의 간극(816)과, 제2 자극 쌍(820) 사이의 간극(826)에는 전술한 바와 같이 서로 반대로 되는 자기장(B1, B2)이 발생된다. 따라서 간극(816, 826)을 통과하는 이온 빔(50)에 인가되는 로렌츠의 힘(F1, F2)은 도 51에 도시된 바와 같이 내측을 향한다. 결과적으로, 이온 빔(50)을 구속하는 기능이 발휘된다.
또한, 제1 및 제2 자극 쌍(810, 820)을 구성하는 자극(812, 822)의 이온 빔 진행 방향(Z)의 길이(L6, L7)는 빔 경로(802)의 중심(804)으로부터 Y 방향으로 외측으로 멀어질수록 커진다. 따라서 이온 빔(50)은 자극(812, 822) 사이에서 더 긴 거리를 통과하여 빔 경로(802)의 중심(804)으로부터 Y 방향으로 외측으로 멀어질수록 더 강하게 구부러진다. 그 결과, 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태를 제어할 수 있다.
예컨대 Y 방향을 핵심으로 하면, 이온 빔(50)은 공간 전하 효과에 의해 빔이 Y 방향으로 발산되는 특성을 갖는다. 예컨대 도 51에 도시된 바와 같이, 일반적으로 이온 빔의 발산각은 Y 방향으로 중심(804)의 근처에서 작고, 중심(804)으로부터 멀어져 외측을 향할수록 더 커진다. 그 이유는, 발산 빔에 있어서는, 발산도가 단부를 향하여 더욱 진행할수록 더 커지기 때문이다.
이와 달리 자극(812, 822)의 이온 빔 진행 방향(Z)의 길이(L6, L7)가 이온 빔이 중심(804)으로부터 외측으로 더욱 떨어질 때에 더욱 강하게 구부러진다. 따라서, 이온 빔(50)의 발산은 적절하게 상쇄(삭제)될 수 있고, 이온 빔은 평행 빔으로 형성될 수 있다. 즉, Y 방향으로 발산되는 이온 빔(50)은 실질적으로 평행 빔으로 형성되면서 유도될 수 있다.
자극(812, 822)의 이온 빔 진행 방향(Z)의 길이(L6, L7)를 변경하는 정도는 입사 이온 빔(50)의 발산도 등에 따라 결정될 수 있다. 즉, 크게 발산하는 이온 빔(50)을 취급하는 경우에, 길이(L6, L7)의 변경은 크게 될 수 있으며, 약간 발산하는 이온 빔(50)을 취급하는 경우에는, 길이(L6, L7)의 변경이 작게 될 수 있다.
Y 방향으로 실질적으로 평행한 이온 빔(50)이 편향 전자석(800)에 입사하는 때에, Y 방향으로 수렴하는 이온 빔(50)을 유도할 수 있다. 이온 빔(50)은 빔이 공간 전하 효과에 의해 발산하는 특성을 갖는다. 특히 저에너지 및 큰 빔 전류를 갖는 이온 빔(50)에 있어서, 그러한 특성이 강하게 나타난다. 따라서 수렴하는 이온 빔(50)을 편향 전자석(800)으로부터 취하여 편향 전자석(800)과 기판(60) 사이의 공간 전하 효과에 기인한 발산에 의해 밸런스를 맞출 때에(오프셋할 때에), 기판(60)에 입사하는 이온 빔(50)은 실질적으로 평행 빔으로서 형성될 수 있다.
코일(834 내지 837)을 통하여 흐르는 전류의 방향은, 도 52에 도시된 예에서와 같이, 자기장(B1, B2)의 방향이 도 50 및 도 51의 예와 반대로 되도록 예컨대 DC 전원(840, 842)을 역으로 연결함으로써 전술한 경우와 반대로 될 수 있다. 그러나 자기장(B1, B2)의 방향은 서로 반대로 유지된다.
도 52의 예에서, 간극(816, 826)을 통과하는 이온 빔(50)에 인가되는 로렌츠 힘(F1, F2)은 외측을 향한다. 결과적으로, 이온 빔(50)을 퍼뜨리는 기능이 발휘된다. 이 예에서도, 이온 빔(50)은, 자극(812, 822) 사이에서 더 긴 거리를 통과하여 빔 경로(802)의 중심(804)으로부터 Y 방향으로 더 외측으로 떨어질수록 더 강하게 구부러진다. 그 결과, 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태를 제어할 수 있다.
예컨대 Y 방향을 핵심으로 한다. 이온 빔(50)이 예컨대 다른 장치를 통과하여 Y 방향으로 수렴(구속)되는 경우에, 일반적으로 이온 빔의 발산각은, 예컨대 도 52에 도시된 바와 같이, Y 방향으로 중심(804)의 근처에서 작고, 중심(804)으로부터 멀어져 외측을 향할수록 더 커진다. 그 이유는, 발산 빔에 있어서는, 발산도가 단부를 향하여 더 진행할수록 더 커지기 때문이다.
이와 달리, 자극(812, 822)의 이온 빔 진행 방향(Z)의 길이(L6, L7)가 전술한 바와 같이 변경될 때에, 이온 빔(50)은 빔이 중심(804)으로부터 외측으로 더 멀어질 때에 더욱 강하게 구부러진다. 따라서, 이온 빔(50)의 발산은 적절하게 상쇄(삭제)될 수 있고, 이온 빔은 평행 빔으로 형성될 수 있다. 즉, Y 방향으로 수렴되는 이온 빔(50)은 실질적으로 평행 빔으로 형성되면서 유도될 수 있다.
자극(812, 822)의 이온 빔 진행 방향(Z)의 길이(L6, L7)를 변경하는 정도는 입사 이온 빔(50)의 수렴도 등에 따라 결정될 수 있다. 즉, 크게 수렴하는 이온 빔(50)을 취급하는 경우에, 길이(L6, L7)의 변경은 크게 될 수 있으며, 약간 수렴하는 이온 빔(50)을 취급하는 경우에는, 길이(L6, L7)의 변경이 작게 될 수 있다.
Y 방향으로 실질적으로 평행한 이온 빔(50)이 편향 전자석(800)에 입사하는 때에, Y 방향으로 발산하는 이온 빔(50)을 유도할 수 있다. 예컨대, 편향 전자석(800)의 하류측에는, 빔 수렴 장치가 배치되어 있다. 전자에 기인한 발산과, 후자에 기인한 수렴은 함께 조합되어, 이온 빔(50)은 평행 빔으로서 형성될 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 이온 빔(50)의 Y 방향의 치수(Wy)가 더 증가할 수 있다.
상기의 어떠한 경우에든, 편향 전자석(800)은, 정전기장을 사용하는 경우에 비교하여 X 방향으로 원치 않는 렌즈 기능이 거의 보이지 않는다는 특징을 갖는다.
편향 전자석(800)은, 제1 자극 쌍(810)을 구성하는 자극(812) 중 하나(도 50의 좌측, 이하에도 동일하게 적용됨)의 X 방향의 이면[간극(816)에 대향하는 면, 이하에도 동일하게 적용됨]과, X 방향으로 자극(812)과 동일측에 있고 제2 자극 쌍(820)을 구성하는 자극(822) 중 하나의 X 방향의 이면을 자기적으로 연결하는 제1 요크(830)와, 제1 자극 쌍(810)을 구성하는 자극(812) 중 다른 하나(도 50의 우측, 이하에도 동일하게 적용됨)의 X 방향의 이면과, X 방향으로 자극(812)과 동일측에 있고 제2 자극 쌍(820)을 구성하는 자극(822) 중 다른 하나의 X 방향의 이면을 자기적으로 연결하는 제2 요크(832)를 구비한다.
이러한 구조에 따르면, 제1 자극 쌍(810), 제2 자극 쌍(820), 제1 요크(830), 및 제2 요크(832)에 의하여, 자속이 루프[자기장 B1 내지 B4 참조]를 형성하도록 루프형 자기 회로가 형성된다. 따라서 외측으로의 누설 자기장이 감소할 수 있고, 자기장이 필요한 제2 자극 쌍(820) 사이의 간극(826)과 제1 자극 쌍(810) 사이의 간극(816)에 자기장(B1, B2)이 효율적으로 발생할 수 있다.
도 53은 전원과 함께 편향 전자석의 다른 예를 도시하는 정면도이고, 도 54는 도 53의 선 N-N을 따라 취한 측면도로서, 발산 빔이 평행 빔으로서 형성되는 경우를 도시하고 있다. 도 50 내지 도 52에 도시된 예의 부분과 동일하거나 대응하는 부분에는 동일한 도면 부호를 병기한다. 이하의 설명에서는 그러한 예와 상이한 점에 대해서는 설명한다.
편향 전자석(800)에 있어서, 도 54에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 자극 쌍(810, 820)을 구성하는 자극(812, 822)의 이온 빔 진행 방향(Z)의 길이(L6, L7)는 Y 방향으로 실질적으로 일정하다. 바람직하게는, 길이(L6, L7)는 실질적으로 서로 동일하다. 이 예는 이와 유사하게 구성되어 있다.
이를 만족시키기 위하여, 도 53에 도시된 바와 같이, 제1 자극 쌍(810)의 간극 길이(G1)와 제2 자극 쌍(820)의 간극 길이(G2)는 빔 경로(802)의 중심(804)으로부터 Y 방향으로 더 외측으로 멀어질수록 작게 된다. 바람직하게는, 제1 자극 쌍(810)의 간극(816)과 제2 자극 쌍(820)의 간극(826)은, 빔 경로(802)의 Y 방향으로 중심(804)을 통과하고 XZ 평면에 평행한 대칭면(806)을 중심으로 Y 방향으로 실질적으로 면대칭인 형상을 갖는다. 이 예는 이와 유사하게 구성되어 있다.
Y 방향의 간극 길이(G1, G2)가 전술한 바와 같이 변경되면, 빔 경로(802)에 근접한 위치에서의 자속 밀도는 낮고, 중심(804)으로부터 더 외측을 향할수록 더 높아진다. 따라서 이온 빔(50)은, 이온 빔이 빔 경로(802)의 중심(804)으로부터 Y 방향으로 외측으로 더 멀어질수록 더 강하게 구부러진다. 그 결과, 이전의 예와 동일한 방식으로, 이온 빔(50)의 Y 방향의 궤도 상태를 제어할 수 있다.
예컨대 도 54에 도시된 바와 같이, 발산하는 입사 이온 빔(50)은 실질적으로 평행 빔으로서 유도될 수 있다. 도 54는 도 51에 대응한다. Y 방향으로 실질적으로 평행한 이온 빔(50)이 편향 전자석(800)에 입사될 때, Y 방향으로 수렴하는 이온 빔(50)을 유도할 수 있다. 이러한 구조의 목적 및 기능은 위에서 설명한 바와 같다.
코일(834 내지 837)을 통하여 흐르는 전류의 방향은, 도 52에 도시된 예에서와 같이, 자기장(B1, B2)의 방향이 도 54의 예에서의 방향과 반대로 되도록 전술한 경우의 방향과 반대로 될 수 있다. 그러나 자기장(B1, B2)의 방ㅇ향은 서로 반대로 남아있다. 도 55는 도 52에 대응한다.
도 55의 경우에, Y 방향으로 수렴하는 입사 이온 빔(50)은 실질적으로 평행 빔으로서 유도될 수 있다. Y 방향으로 실질적으로 평행한 이온 빔(50)이 편향 전자석(800)에 입사할 때, Y 방향으로 발산하는 이온 빔(50)을 유도할 수 있다. 이러한 구조의 목적과 기능은 위에서 설명한 바와 같다.
Y 방향으로 간극 길이(G1, G2)의 변경 정도는 입사 이온 빔의 수렴(또는 발산) 정도 등에 따라 결정될 수 있다. 즉, 크게 발산(또는 수렴)하는 이온 빔(50)을 취급하는 경우에는, 간극 길이(G1, G2)의 변경이 클 수 있고, 작게 발산(또는 수렴)하는 이온 빔(50)을 취급하는 경우에는, 간극 길이(G1, G2)의 변경이 작을 수 있다.
도 1에 도시된 이온 주입기에 편향 전자석(800)이 배치되어 있으면, 기판(60)에 입사하는 이온 빔(50)의 Y 방향의 평행관계를 개선할 수 있다. 그 결과, 기판(60)에 대하여 고균질의 이온 주입을 실시할 수 있다.
전기장 렌즈에서와 같이, 이온 빔을 가속 또는 감속시킴으로써 궤도가 변경되는 경우에, 가속 또는 감속된 에너지만큼 입사 이온 빔의 에너지와 상이한 에너지를 갖는 입자(예컨대, 중성 입자)가 발생하여 기판(60)에 들어갈 가능성이 있다(이는 에너지 오염으로 지칭된다). 이와 달리, 편향 전자석(800)에 있어서는, 이온 빔의 궤도가 자기장에 의해 구부러지고, 전기장 렌즈와 달리, 궤도는 이온 빔을 가속 또는 감속시킴으로써 변경되지 않는다. 따라서 에너지 오염은 발생하지 않는다. 결과적으로, 편향 전자석(800)은 가속/감속 장치(400)와 주입 위치의 사이에 배치될 수도 있고, 기판(60)에 근접한 위치에 배치될 수도 있다. 즉, 편향 전자석(800)에 있어서는, 에너지 오염이 초래되지 않고, 이에 따라 기판(60)의 근처에서 이온 빔(50)의 평행관계가 개선될 수 있다. 따라서 기판(60)에 입사하는 이온 빔(50)의 평행관계를 보다 확실하게 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이온 주입기의 실시예를 도시하는 개략적인 평면도이고,
도 2는 리본형 이온 빔의 예를 부분적으로 도시하는 개략적인 사시도이고,
도 3은 이온 빔과 기판 사이에 있어서 Y 방향으로의 치수 관계의 예를 도시하는 도면이고,
도 4는 도 1에 도시된 분석 전자석의 예를 도시하는 평면도이고,
도 5는 도 4의 선 A-A를 따라 취한 단면도이고,
도 6은 진공 용기를 생략한 상태로, 도 4에 도시된 분석 전자석을 도시하는 사시도이고,
도 7은 도 4에 도시된 분석 전자석을 도시하는 사시도이고,
도 8은 도 7에 도시된 제1 및 제2 내부 코일을 도시하는 사시도이고,
도 9는 도 7의 선 D-D를 따라 취한 제1 내부 및 외부 코일의 단면을 확대하여 도시하는 개략도이고,
도 10은 도 9에 도시된 제1 내부 코일과 최상측의 제1 외부 코일을 분해하여 도시하는 단면도이고,
도 11은 도 10에 도시된 도체 시트를 권취하는 방식을 나타내는 개략적인 평면도이고,
도 12는 도 8에 도시된 제1 내부 코일을 도시하는 사시도이고,
도 13은 도 4에 도시된 분석 전자석의 코일을 위한 전원 구조의 예를 도시하는 도면이고,
도 14는 도 7에 도시된 원래의 제1 및 제2 내부 코일인 스택 코일의 예를 도시하는 사시도이고,
도 15는 도 14의 선 F-F를 따라 취한, 내부 및 외부 코일의 단면을 분해하여 도시하는 도면이고,
도 16은 굴대(mandrel)를 이용하여 프리프레그 시트를 권취하는 방식의 예를 도시하는 평면도이고,
도 17은 굴대를 이용하여 절연 시트와 도체 시트를 권취하는 방식의 예를 도시하는 평면도이고,
도 18은 굴대를 이용하여 권취한 스택 코일의 예를 도시하는 평면도이고,
도 19는 제1 및 제2 내부 코일에 냉각판을 부착하는 예를 도시하는 단면도이고,
도 20은 분석 전자석으로부터 방사된 직후의 통상의 형태를 갖는 이온 빔의 예를 도시하는 도면이고,
도 21은 분석 전자석으로부터 방사된 직후의 왜곡된 형태를 갖는 이온 빔의 예를 도시하는 도면이고,
도 22는 분석 전자석의 코일의 다른 예를 도시하는 사시도이고,
도 23은 도 22의 선 J-J를 따라 취한 코일의 단면도를 분해하여 도시하는 도면이고,
도 24는 도 5에 대응하는 분석 전자석의 다른 예를 도시하는 단면도이고,
도 25는 도 5에 대응하는 분석 전자석의 또 다른 예를 도시하는 단면도이고,
도 26은 도 5에 대응하는 분석 전자석의 또 다른 예를 도시하는 단면도이고,
도 27은 도 1에 도시된 분석 슬릿의 예를 도시하는 정면도이고,
도 28은 도 1에 도시된 초점 교정 렌즈 근방의 예를 도시하는 도면이고,
도 29는 초점 교정 렌즈 근방의 예를 도시하는 사시도이고,
도 30은 분석 전자석의 상류측에 배치되어 있는 초점 교정 렌즈에 의한 이온 빔의 초점 위치의 교정의 예를 도시하는 도면이고,
도 31은 분석 전자석의 하류측에 배치되어 있는 초점 교정 렌즈에 의한 이온 빔의 초점 위치의 교정의 예를 도시하는 도면이고,
도 32는 분석 전자석의 상류측 및 하류측에 배치되어 있는 초점 교정 렌즈에 의한 이온 빔의 초점 위치의 교정의 예를 도시하는 도면이고,
도 33은 이온 빔의 공간 전하가 완전히 중성화되지 않은 경우에, 분석 전자석의 출구로부터 640mm만큼 분리된 위치에 있어서 이온 빔의 빔 전류 분포의 예를 도시하는 개략도이고,
도 34는 이온 빔의 공간 전하가 완전히 중성화되지 않은 경우에, 분석 전자석의 출구로부터 640mm만큼 분리된 위치에 있어서 이온 빔의 빔 전류 분포의 예를 도시하는 개략도이고,
도 35는 이온 빔의 공간 전하가 완전히 중성화되지 않은 때에 이온 빔의 초점 위치가 초점 교정 렌즈에 의해 교정되는 경우에, 분석 전자석의 출구로부터 640mm만큼 분리된 위치에 있어서 이온 빔의 빔 전류 분포의 예를 도시하는 개략도이고,
도 36은 초점 교정 렌즈의 중간 전극에 인가된 DC 전압과 제1 빔 전류 측정 장치에 의해 측정된 빔 전류 사이의 관계의 예를 도시하는 개략도이고,
도 37은 초점 교정 렌즈의 중간 전극에 인가된 DC 전압과 제1 빔 전류 측정 장치에 의해 측정된 빔 전류 사이의 관계의 다른 예를 도시하는 개략도이고,
도 38은 분석 슬릿을 통하여 흐르는 빔 전류를 측정하는 제2 빔 전류 측정 장치의 근방의 예를 부분적으로 도시하는 도면이고,
도 39는 초점 교정 렌즈의 중간 전극에 인가된 DC 전압과 제2 빔 전류 측정 장치에 의해 측정된 빔 전류 사이의 관계의 예를 도시하는 개략도이고,
도 40은 도 1에 도시된 가속/감속 장치의 예를 도시하는 단면도이고,
도 41은 도 1에 도시된 궤도 제어 렌즈를 전원과 함께 확대하여 도시하는 사시도이고,
도 42는 도 41에 도시된 궤도 제어 렌즈의 전극 사이의 등전위선의 분포의 예를 도시하는 도면이고,
도 43은, 도 41에 도시된 궤도 제어 렌즈에 있어서, Y 방향으로 발산하는 입사 이온 빔이 평행 빔으로서 유도되는 예를 도시하는 도면이고,
도 44는, 도 41에 도시된 궤도 제어 렌즈에 있어서, Y 방향으로 평행한 입사 이온 빔이 수렴 빔으로서 유도되는 예를 도시하는 도면이고,
도 45는, 도 41에 도시된 궤도 제어 렌즈에 있어서, Y 방향으로 발산하는 입사 이온 빔이 발산 빔으로서 유도되는 예를 도시하는 도면이고,
도 46은 전원과 함께 궤도 제어 렌즈의 다른 예를 도시하는 사시도이고,
도 47은, 도 46에 도시된 궤도 제어 렌즈에 있어서, Y 방향으로 발산하는 입사 이온 빔이 평행 빔으로서 유도되는 예를 도시하는 도면이고,
도 48은 균질화 렌즈의 예를 도시하는 평면도이고,
도 49는, 이온 진행 방향으로 보았을 때에, 전원의 예와 함께 도 48에 도시된 균질화 렌즈를 도시하는 도면이고,
도 50은 전원과 함께 편향 전자석의 예를 도시하는 정면도이고,
도 51은 도 50의 선 M-M을 따라 취한 측면도로서, 발산 빔이 평행 빔으로서 형성되는 경우를 도시하고,
도 52는 도 50의 선 M-M을 따라 취한 측면도로서, 수렴 빔이 평행 빔으로서 형성되는 경우를 도시하고,
도 53은 전원과 함께 편향 전자석의 다른 예를 도시하는 정면도이고,
도 54는 도 53의 선 N-N을 따라 취한 측면도로서, 발산 빔이 평행 빔으로서 형성되는 경우를 도시하고,
도 55는 도 53의 선 N-N을 따라 취한 측면도로서, 수렴 빔이 평행 빔으로서 형성되는 경우를 도시하고,
도 56은 코일의 형상을 이해하는 돕기 위하여 요크가 이점쇄선으로 표시되어 있는 종래의 분석 전자석의 예를 도시하는 사시도이다.

Claims (13)

  1. 이온 빔의 진행 방향이 Z 방향으로서 설정되고, Z 방향에 실질적으로 직교하는 평면에서 서로 실질적으로 직교하는 두 방향이 각각 X 및 Y 방향으로서 설정되며, Y 방향의 치수가 X 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔이 기판을 조사하도록 전달되어, 이온 주입을 행하는 이온 주입기로서,
    Y 방향의 치수가 상기 기판의 Y 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔을 발생시키는 이온 소스와,
    상기 이온 소스로부터의 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하여 운동량을 분석하고, 소정 운동량의 이온 빔의 초점을 하류측에 형성하는 분석 전자석과,
    상기 분석 전자석으로부터의 이온 빔의 초점 근처에 배치되고, 상기 분석 전자석과 협력하여 이온 빔의 운동량을 분석하는 분석 슬릿과,
    상기 분석 슬릿을 통과한 이온 빔을 정전기장에 의해 X 방향으로 구부러지게 하고, 상기 정전기장에 의해 이온 빔을 가속 또는 감속시키는 가속/감속 장치와,
    상기 가속/감속 장치를 통과한 이온 빔이 기판에 입사하게 되어 있는 주입 위치에서, 상기 기판을 이온 빔의 주면(主面)과 교차하는 방향으로 이동시키는 기판 구동 장치
    를 포함하며, 상기 분석 전자석은,
    이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하 는 적어도 한 세트의 연결부를 구비하며, 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시키는 코일과,
    상기 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸는 요크를 포함하며,
    상기 분석 전자석의 상기 코일은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일(stacked coil)에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면(外周面)에, 주면(主面)이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선(turn)으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성되는 것인 이온 주입기.
  2. 이온 빔의 진행 방향이 Z 방향으로서 설정되고, Z 방향에 실질적으로 직교하는 평면에서 서로 실질적으로 직교하는 두 방향이 각각 X 및 Y 방향으로서 설정되며, Y 방향의 치수가 X 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔이 기판을 조사하도록 전달되어, 이온 주입을 행하는 이온 주입기로서,
    Y 방향의 치수가 상기 기판의 Y 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔을 발생시키는 이온 소스와,
    상기 이온 소스로부터의 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하여 운동량을 분석하고, 소정 운동량의 이온 빔의 초점을 하류측에 형성하는 분석 전자석과,
    상기 분석 전자석으로부터의 이온 빔의 초점 근처에 배치되고, 상기 분석 전자석과 협력하여 이온 빔의 운동량을 분석하는 분석 슬릿과,
    상기 분석 슬릿을 통과한 이온 빔을 정전기장에 의해 X 방향으로 구부러지게 하고, 상기 정전기장에 의해 이온 빔을 가속 또는 감속시키는 가속/감속 장치와,
    상기 가속/감속 장치를 통과한 이온 빔이 기판에 입사하게 되어 있는 주입 위치에서, 상기 기판을 이온 빔의 주면(主面)과 교차하는 방향으로 이동시키는 기판 구동 장치
    를 포함하며, 상기 분석 전자석은,
    이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 제2 코일과 협력하여 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시키는 제1 코일과,
    빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, Y 방향으로 상기 제1 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 제1 코일과 협력하여 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 자기장을 발생시키는 상기 제2 코일과,
    상기 제1 코일 및 제2 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸는 요크를 포함하며,
    상기 분석 전자석의 상기 제1 및 제2 코일 각각은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성되는 것인 이온 주입기.
  3. 이온 빔의 진행 방향이 Z 방향으로서 설정되고, Z 방향에 실질적으로 직교하는 평면에서 서로 실질적으로 직교하는 두 방향이 각각 X 및 Y 방향으로서 설정되며, Y 방향의 치수가 X 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔이 기판을 조사하도록 전달되어, 이온 주입을 행하는 이온 주입기로서,
    Y 방향의 치수가 상기 기판의 Y 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔을 발생시키는 이온 소스와,
    상기 이온 소스로부터의 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하여 운동량을 분석하고, 소정 운동량의 이온 빔의 초점을 하류측에 형성하는 분석 전자석과,
    상기 분석 전자석으로부터의 이온 빔의 초점 근처에 배치되고, 상기 분석 전자석과 협력하여 이온 빔의 운동량을 분석하는 분석 슬릿과,
    상기 분석 슬릿을 통과한 이온 빔을 정전기장에 의해 X 방향으로 구부러지게 하고, 상기 정전기장에 의해 이온 빔을 가속 또는 감속시키는 가속/감속 장치와,
    상기 가속/감속 장치를 통과한 이온 빔이 기판에 입사하게 되어 있는 주입 위치에서, 상기 기판을 이온 빔의 주면(主面)과 교차하는 방향으로 이동시키는 기 판 구동 장치
    를 포함하며, 상기 분석 전자석은,
    이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 연결부를 구비하고, 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키는 내부 코일과,
    상기 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제1 외부 코일과,
    상기 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, Y 방향으로 상기 제1 외부 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제2 외부 코일과,
    상기 내부 코일, 상기 제1 및 제2 외부 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸는 요크를 포함하고,
    상기 분석 전자석의 상기 내부 코일, 상기 제1 및 제2 외부 코일 각각은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성하고; 스택의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성되는 것인 이온 주입기.
  4. 이온 빔의 진행 방향이 Z 방향으로서 설정되고, Z 방향에 실질적으로 직교하는 평면에서 서로 실질적으로 직교하는 두 방향이 각각 X 및 Y 방향으로서 설정되며, Y 방향의 치수가 X 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔이 기판을 조사하도록 전달되어, 이온 주입을 행하는 이온 주입기로서,
    Y 방향의 치수가 상기 기판의 Y 방향의 치수보다 큰 리본형 이온 빔을 발생시키는 이온 소스와,
    상기 이온 소스로부터의 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하여 운동량을 분석하고, 소정 운동량의 이온 빔의 초점을 하류측에 형성하는 분석 전자석과,
    상기 분석 전자석으로부터의 이온 빔의 초점 근처에 배치되고, 상기 분석 전자석과 협력하여 이온 빔의 운동량을 분석하는 분석 슬릿과,
    상기 분석 슬릿을 통과한 이온 빔을 정전기장에 의해 X 방향으로 구부러지게 하고, 상기 정전기장에 의해 이온 빔을 가속 또는 감속시키는 가속/감속 장치와,
    상기 가속/감속 장치를 통과한 이온 빔이 기판에 입사하게 되어 있는 주입 위치에서, 상기 기판을 이온 빔의 주면(主面)과 교차하는 방향으로 이동시키는 기판 구동 장치
    를 포함하며, 상기 분석 전자석은,
    이온 빔이 통과하는 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 제2 내부 코일과 협력하여 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키는 제1 내부 코일과,
    빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하고, Y 방향으로 상기 제1 내부 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 제1 내부 코일과 협력하여 이온 빔을 X 방향으로 구부러지게 하는 메인 자기장을 발생시키는 상기 제2 내부 코일과,
    상기 제1 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제1 외부 코일과,
    상기 제2 내부 코일의 외측에 있고 빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하는 한 세트의 본체부와, 상기 빔 경로를 피하면서, Z 방향으로 상기 본체부의 단부를 서로 연결하는 한 세트의 연결부를 구비하는 새들 형상의 코일이며, Y 방향으로 상기 제1 외부 코일과 중첩되게 배치되며, 상기 메인 자기장을 지원하거나 교정하는 서브 자기장을 발생시키는 하나 이상의 제2 외부 코일과,
    상기 제1 및 제2 내부 코일과, 상기 제1 및 제2 외부 코일의 상기 본체부의 외측을 집합적으로 둘러싸는 요크를 포함하며,
    상기 분석 전자석의 상기 제1 내부 코일 및 상기 제1 외부 코일 각각은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성하고; 스택의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성되고,
    상기 분석 전자석의 상기 제2 내부 코일 및 상기 제2 외부 코일 각각은, 상기 본체부와 상기 연결부를 남겨둔 상태로 팬 형상의 통형 스택 코일에 노치부가 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 스택 코일은, 적층된 절연체의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성하고; 스택의 외주면에, 주면이 Y방향을 따라 연장하는 도체 시트와 절연 시트의 라미네이션을 스택하면서, 라미네이션을 복수의 권선으로 권취하고; 스택의 외주면에 적층된 절연체를 형성함으로써 구성되는 것인 이온 주입기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 분석 전자석은, 빔 경로를 가로질러 Y 방향으로 서로 대향하도록 상기 요크로부터 내측으로 돌출된 한 세트의 자극을 더 포함하는 것인 이온 주입기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이온 소스와 상기 분석 전자석 사이, 상기 분석 전자석과 상기 분석 슬릿 사이 중 하나 이상에 배치되어 있는 초점 교정 렌즈를 더 포함하고, 이 초점 교정 렌즈는 정전기장에 의하여 이온 빔의 초점의 위치를 상기 분석 슬릿의 위치와 일치하도록 교정하는 것인 이온 주입기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 초점 교정 렌즈는, 사이에 간극을 형성하면서 이온 빔 진행 방향으로 배치되어 있는 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극을 구비하고,
    상기 초점 교정 렌즈의 상기 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극 각각은, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 한 쌍의 전극을 구비하며,
    상기 초점 교정 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극은 동일한 전위로 유지되고, 상기 중간 전극은, 상기 입구 전극 및 출구 전극의 전위와 상이하며 이온 빔의 초 점을 상기 분석 슬릿의 위치와 일치시키는 전위로 유지되는 것인 이온 주입기.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 가속/감속 장치는, 상류측에서 시작하여 이온 빔 진행 방향으로 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극의 순서로 배치되어 있는 제1 내지 제3 전극을 구비하고, 이온 빔을 제1 전극과 제2 전극 사이, 그리고 제2 전극과 제3 전극 사이의 두 스테이지에서 가속 또는 감속시키며, 상기 제2 전극은, 이온 빔의 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 이온 빔을 X 방향으로 편향시키도록 상이한 전위가 인가되는 2개의 전극 부재에 의해 구성되며, 상기 제3 전극은 편향 후에 특정 에너지(specific energy)를 갖는 이온 빔의 궤도를 따라 배치되어 있는 것인 이온 주입기.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 분석 전자석과 상기 가속/감속 장치 사이에 배치되어 있고, 정전기장에 의해 이온 빔을 Y 방향으로 구부러지게 하며, 사이에 간극을 형성하면서 이온 빔 진행 방향으로 배치되어 있는 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극을 구비하는 궤도 제어 렌즈를 더 포함하며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 상기 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극 각각은, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 한 쌍의 전극을 구비하며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 상기 중간 전극은, 이온 빔 진행 방향으로 상류측면 및 하류측면 각각에 Y 방향으로 만곡된 볼록면을 구비하며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극 각각은 상기 중간 전극의 상기 볼록면에 대향하는 면에, 상기 볼록면을 따라 연장하는 오목면을 가지며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극은 동일한 전위로 유지되고, 상기 중간 전극은, 상기 입구 전극 및 출구 전극의 전위와 상이하며 상기 궤도 제어 렌즈로부터 유도된 이온 빔의 Y 방향의 궤도 상태를 소정의 상태로 되게 하는 전위로 유지되는 것인 이온 주입기.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 분석 전자석과 상기 가속/감속 장치 사이에 배치되어 있고, 정전기장에 의해 이온 빔을 Y 방향으로 구부러지게 하며, 사이에 간극을 형성하면서 이온 빔 진행 방향으로 배치되어 있는 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극을 구비하는 궤도 제어 렌즈를 더 포함하며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 상기 입구 전극, 중간 전극 및 출구 전극 각각은, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 한 쌍의 전극을 구비하며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 상기 중간 전극은, 이온 빔 진행 방향으로 상류측면 및 하류측면 각각에 Y 방향으로 만곡된 오목면을 구비하며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극 각각은 상기 중간 전극의 상기 오목면에 대향하는 면에, 상기 오목면을 따라 연장하는 볼록면을 가지며,
    상기 궤도 제어 렌즈의 입구 전극 및 출구 전극은 동일한 전위로 유지되고, 상기 중간 전극은, 상기 입구 전극 및 출구 전극의 전위와 상이하며 상기 궤도 제어 렌즈로부터 유도된 이온 빔의 Y 방향의 궤도 상태를 소정의 상태로 되게 하는 전위로 유지되는 것인 이온 주입기.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 분석 전자석과 상기 가속/감속 장치 사이에 배치되고, 이온 빔이 통과하는 간극을 가로질러 X 방향으로 서로 대향하고 서로 전기적으로 도통하는 복수 쌍의 전극을 Y방향으로 구비하며, 정전기장에 의해 복수의 면에서의 궤도를 이온 빔의 Y 방향으로 구부러지게 하며, 주입 위치에서 이온 빔의 Y 방향으로의 빔 전류 밀도 분포를 균질화하는 균질화 렌즈를 더 포함하는 이온 주입기.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 분석 전자석과 주입 위치 사이에 배치되고, 이온 빔이 통과하는 빔 경로에, X 방향을 따라 연장하는 자기장을 발생시키는 편향 전자석을 더 포함하며,
    상기 편향 전자석은,
    빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제1 자극 쌍과,
    빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제2 자극 쌍과,
    상기 제1 자극 쌍의 갭과 상기 제2 자극 쌍의 갭에 반대 자기장을 발생시키는 코일을 구비하며,
    상기 제1 및 제2 자극 쌍을 구성하는 상기 자극의 이온 빔 진행 방향으로의 길이는, 빔 경로의 중심으로부터 Y 방향으로 더 외측으로 멀어질수록 더 크게 되는 것인 이온 주입기.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 분석 전자석과 주입 위치 사이에 배치되고, 이온 빔이 통과하는 빔 경로에, X 방향을 따라 연장하는 자기장을 발생시키는 편향 전자석을 더 포함하며,
    상기 편향 전자석은,
    빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 일측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제1 자극 쌍과,
    빔 경로를 가로질러 X 방향으로 서로 대향하며 Y 방향으로 이온 빔의 타측의 절반 또는 그 이상을 덮는 한 쌍의 자극을 갖는 제2 자극 쌍과,
    상기 제1 자극 쌍의 갭과 상기 제2 자극 쌍의 갭에 반대 자기장을 발생시키는 코일을 구비하며,
    상기 제1 및 제2 자극 쌍의 간극 길이는, 빔 경로의 중심으로부터 Y 방향으로 더 외측으로 멀어질수록 작아지는 것인 이온 주입기.
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