KR101357891B1 - 빔 처리 시스템 및 빔 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

빔 처리 시스템은, 빔 생성 소스로부터 추출된 입자 빔을, 질량 분석 자석 장치, 질량 분석 슬릿, 및 편향 스캐너를 그 순서대로 통과하도록 하여, 처리 대상체에 상기 입자 빔을 조사하도록 한다. 상기 질량 분석 슬릿은, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에서, 상기 질량 분석 자석 장치와 상기 편향 스캐너 사이에 설치된다. 제1 DC 4극 전자석 및 제2 DC 4극 전자석이, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측 및 하류측에 각각 설치된다.
Figure R1020070051915
입자 빔, 처리, 편향 스캐너, 정전편향, 질량 분석, 4극 전자석

Description

빔 처리 시스템 및 빔 처리 방법{Beam processing system and beam processing method}
도 1(A) 및 도 1(B)는, 종래 기술에 있어서의 빔 스캔 타입 이온주입 시스템의 개략 구조를 설명하기 위한 평면 단면도(도 1(A)) 및 측단면도(도 1(B))이다.
도 2(A) 및 도 2(B)는, 본 발명의 실시예에 의한 이온주입 시스템의 주요 부분의 구조를 보여주는 평단면도(도 2(A)) 및 측단면도(도 2(B))이다.
도 3은, 도 2(A) 및 도 2(B)에 나타낸 제1 DC 4극 전자석의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는, 도 2(A) 및 도 2(B)에 나타낸 제2 DC 4극 전자석의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5(A) 및 도 5(B)는, 종래 기술에 있어서의 편향 스캐너(도 5(A)) 및 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 편향 스캐너(도 5(B))를 비교 설명하기 위한 도면으로서, 빔 길이 방향 단면 형상을, 상기 스캐너의 하류측에서 본 것으로 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 있어서 사용되는 편향 스캐너의 개략 구조를 나타내는 사시도이다.
도 7(A) 내지 도 7(C)는, 본 발명의 다른 실시예의 편향 스캐너의 동작을 설 명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 의한 편향 스캐너에 있어서의 전계 보정 전극의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9(A) 내지 도 9(C)는, 편향 스캐너의 스캐닝 전극이 각각 홈을 가지도록 형성된 경우(도 9(B))와, 편향 스캐너의 스캐닝 전극이 홈을 가지지 않도록 형성된 경우(도 9(A))에 있어서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 출원은, 2006년 5월 30일 출원된 일본특허출원 제2006-150103호에 기초하여 우선권의 이익을 주장하며, 그 모든 개시내용은 참조로서 여기에 모두 통합되어 있다.
본 발명은, 광, 전자, 이온 등의 빔(입자 빔)을 조사(照射)함으로써, 빔 처리 대상을 처리하기 위한 빔 처리 시스템에 관한 것이다.
도 1(A) 및 도 1(B)를 참조하여, 빔 처리 시스템 중에서도 이온주입 시스템, 특히 빔 스캔 타입 이온주입 시스템의 예에 대하여 설명한다. 이러한 이온주입 시스템은, 예컨대 일본특허공개 제2003-288857호에 개시되어 있다.
도 1(A) 및 도 1(B)에 있어서, 이온 소스(301)에서 생성된 이온은, 미도시된 추출 전극을 통하여 빔(302)으로서 추출된다. 상기 추출된 빔(302)은, 질량 분석 자석 장치(303) 내에서 질량 분석되어, 필요한 이온 종(種)이 선택된다. 필요한 이온 종으로 구성된 빔(302)은, 빔 성형기(304)에 의하여 단면이 성형된다. 상기 빔 성형기(304)는, Q(4극; Quadrupole)-자극 렌즈, Q 정전(electrostatic) 전극 렌즈 등으로 구성된다. 성형된 단면을 가지는 빔은, 편향 스캐너(305)에 의하여, 도 1(A)의 지면에 평행한 방향으로 편향된다. 이하, 이 방향을 "스캔 방향" 또는 "가로 방향"이라고도 하고, 이 방향과 수직인 방향을 "수직 방향" 또는 "길이 방향"이라고도 한다.
상기 편향된 빔은, P(Parallel)-렌즈(306)에 의하여 다시 평행화되어, 0°의 편향각인 축에 평행하게 된다. 도 1(A)에 있어서, 상기 편향 스캐너(305)에 의한 빔의 스캔 범위는, 상기 편향 스캐너(305)의 하류측에, 굵은 흑선과 점선으로 표시되어 있다. 상기 P-렌즈(306)로부터의 빔은, 하나 이상의 가속/감속 전극(307)을 통하여 각도 에너지 필터(308)에 전달된다. 상기 각도 에너지 필터(308)는, 상기 빔의 에너지에 관한 분석을 수행하여, 필요한 에너지를 가지는 이온 종만을 선택한다. 도 1(B)에 나타내는 바와 같이, 선택된 이온 종만이, 각도 에너지 필터(308) 내에서 약간 하향으로 편향된다. 이와 같이 선택된 이온 종으로 구성되는 빔은, 플라즈마 전자 플러드(flood) 시스템(309)을 통하여, 웨이퍼(310) 상에 조사된다. 상기 웨이퍼(310) 상에 조사되지 않는 빔은, 빔 스토퍼(311) 상에 입사되어, 그 에너지가 소모된다. 보통, 상기 이온 소스(301)로부터 진공 처리 챔버, 즉 상기 웨이퍼(310)가 수용되어 있는 곳까지의 구조를, 빔 라인(beam line)이라고 한다.
상기 타입의 이온주입 시스템에 있어서, 상기 이온 소스(301)로부터 추출된 빔은, 질량 분석 후에, 상기 편향 스캐너(305)에 의하여 수백 Hz 내지 수 KHz의 스캐닝 주파수로 가로 방향으로 스캐닝을 행하고나서, P-렌즈(306)에 의하여 평행화된다. 상기 빔의 길이 방향의 단면의 형상(단면 형상)은 원형이며, 그 직경 크기는 상기 웨이퍼(310)의 크기보다 훨씬 작지만, 상기 빔 스캔 범위는 상기 웨이퍼(310)보다 크게 설정된다. 수직 방향, 즉 길이 방향에 대하여 기계적 스캐닝이 수행되어, 상기 웨이퍼(310)를 움직인다. 다시 평행화된 후, 상기 빔은 상기 가속/감속 전극 또는 전극들(307)에 의하여 가속 또는 감속되며, 5keV 내지 260keV의 넓은 에너지 범위를 커버한다. 상기 가속 또는 감속 후에, 전계 또는 자계의 형태로 상기 각도 에너지 필터(308)를 통하여 에너지 분석을 행함으로써, 순수 이온이 상기 웨이퍼(310) 내에 주입될 수 있게 된다. 도시되지는 않았지만, 상기 각도 에너지 필터(308)의 하류측에는 에너지 슬릿이 구비되어 있다.
상기 타입의 빔 스캔 타입 이온주입 시스템에 있어서, 웨이퍼 상의 이온주입의 균일성을 보장하기 위하여, 빔의 길이 방향 단면의 형상이 타원형 또는 계란형으로 스캔 방향, 즉 가로 방향으로 길게 형성될 것이 요구되는 경우가 있다. 이 경우, 길이 방향 단면 형상의 크기는, 길이 방향의 빔 폭에 대하여 상기 웨이퍼의 직경보다 작게 설정되지만, 가로 방향의 빔 폭에 대하여 상기 웨이퍼의 직경보다는 충분히 크게 설정된다.
본 발명의 목적은, 타원, 원, 또는 계란형 길이 방향 단면을 가지는 빔이, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 길이 방향 단면을 가지는 빔으로 성형될 수 있도록 하여, 편향 스캐너에 들어가도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 빔의 길이 방향 단면 형상이, 처리 대상체 상의 어느 조사 위치에서도 균일하게 되도록 하는 것이다.
본 발명은, 빔 생성 소스로부터 추출된 입자 빔을, 질량 분석 자석 장치, 질량 분석 슬릿, 및 편향 스캐너를 그 순서대로 통과하도록 하여, 처리 대상체에 상기 입자 빔을 조사하는 빔 처리 시스템에 적용된다. 본 발명의 제1 국면에 의하면, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 상기 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에서, 상기 질량 분석 자석 장치와 상기 편향 스캐너 사이에, 상기 질량 분석 슬릿이 설치된다. 제1 DC 4극 전자석 및 제2 DC 4극 전자석이, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측 및 하류측에 각각 설치된다.
본 발명은, 빔 생성 소스로부터 추출된 입자 빔을, 질량 분석 자석 장치, 질량 분석 슬릿, 편향 스캐너, 빔 평행기, 및 가속/감속 전극 장치를 그 순서대로 통과하도록 하여, 처리 대상체에 상기 입자 빔을 조사하는 빔 처리 시스템에도 적용된다. 본 발명의 제2 국면에 의하면, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 상기 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에서, 상기 질량 분석 자석 장치와 상기 편향 스캐너 사이에, 상기 질량 분석 슬릿이 설치된다. 상기 입자 빔의 빔 단면을, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형으로 성형하기 위한 수렴 유닛이, 상기 질량 분석 슬릿과 상기 편향 스캐너 사이에 설치된다. 상기 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상의 빔 단면을 가지는 상기 입자 빔은, 상기 편향 스캐너에 의하여 가로 방향으로 편향된다.
본 발명은, 빔 생성 소스로부터 추출된 입자 빔을, 질량 분석 자석 장치, 질량 분석 슬릿, 편향 스캐너, 빔 평행기, 및 가속/감속 전극 장치를 그 순서대로 통과하도록 하여, 처리 대상체에 상기 입자 빔을 조사하는 빔 처리 방법에도 더욱 적용된다. 본 발명의 제3 국면에 의하면, 상기 방법은, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 상기 입자 빔을, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측 부근에서, 길이 방향으로 강제적으로 수렴시키고 가로 방향으로 발산시키는 단계와, 상기 질량 분석 슬릿을 통과한 상기 입자 빔을, 상기 편향 스캐너의 상류측 부근에서, 길이 방향으로 강제적으로 수렴시키고 가로 방향으로 발산시켜서, 상기 길이 방향으로 강하게 수렴된 상기 입자 빔을 상기 처리 대상체에 조사하는 단계를 구비한다.
도 2(A) 및 도 2(B)는, 빔 스캔 타입 빔 처리 시스템 중에서도 특히 본 발명이 적용되는 싱글-웨이퍼 이온주입 시스템의 실시예의 주요 구조를 나타내는 평단면도(도 2(A)) 및 측단면도(도 2(B))이다.
도 2(A) 및 도 2(B)에 있어서, 상기 이온주입 시스템은, 이온빔 생성 소스(11), 추출 전극(12), 질량 분석 자석 장치(13), 제1 DC 4극 전자석(14), 질량 분석 슬릿(15), 제2 DC 4극 전자석(16), 편향 스캐너(17), 빔 평행기(P-렌즈)(18), 및 가속/감속 전극 장치(19)를 구비하며, 이들은 그 순서대로 설치된다. 상기 질량 분석 자석 장치(13), 상기 편향 스캐너(17), 상기 빔 평행기(18), 및 상기 가속/감 속 전극 장치(19)는, 도 1(A) 및 도 1(B)를 참조하여 설명한 바와 각각 동일한 기능을 가진다. 도 2(A) 및 도 2(B)에는 도시되지 않았지만, 각도 에너지 필터가 상기 가속/감속 전극 장치(19)의 하류측에 더욱 설치되며, 상기 각도 에너지 필터를 통과한 이온빔은, 도 1(A) 및 도 1(B)를 참조하여 설명된 바와 같이, 진공 처리 챔버 내에 수용된 웨이퍼 상에 조사된다.
상기 바람직한 실시예는, 다음 구성에 특징을 가진다.
1. 상기 질량 분석 슬릿(15)이, 상기 질량 분석 자석 장치(13)와 상기 편향 스캐너(17) 사이에 설치된다.
2. 특히, 상기 질량 분석 슬릿(15)은, 상기 질량 분석 자석 장치(13)를 통과한 이온빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에 설치된다.
3. 상기 제1 DC 4극 전자석(14)은, 길이 방향 수렴 및 가로 방향 발산을 위한 전자석 장치이며, 상기 질량 분석 자석 장치(13) 및 상기 질량 분석 슬릿(15) 사이에 설치된다.
4. 상기 제1 DC 4극 전자석(14)은, 상기 질량 분석 슬릿(15)의 상류측 상의 최적 위치, 특히, 상기 질량 분석 슬릿(15)의 상류측 부근 위치에, 설치되는 것이 바람직하다.
5. 상기 제2 DC 4극 전자석(16)은, 길이 방향 수렴 및 가로 방향 발산을 위한 전자석 장치이며, 상기 질량 분석 슬릿(15) 및 상기 편향 스캐너(17) 사이에 설치된다.
6. 상기 제2 DC 4극 전자석(16)은, 상기 질량 분석 슬릿(15)의 하류측 상의 최적 위치, 특히, 상기 편향 스캐너(17)의 상류측 부근 위치에, 설치되는 것이 바람직하다.
7. 상기 제1 DC 4극 전자석(14) 및 상기 제2 DC 4극 전자석(16)은, 다른 방식으로 제어되어도 좋으나, 서로 독립적으로 제어됨이 바람직하다.
이하, 상기 설명된 바와 같이 구성되는 이온주입 시스템의 동작에 대하여 설명한다.
이온빔 생성 소스(11) 내에서 생성된 이온은, 상기 추출 전극(12)을 통하여 이온빔으로서 추출되고, 상기 추출된 이온빔은, 상기 질량 분석 자석 장치(13)에 입사한다. 상기 추출 전극(12)의 추출 슬릿의 기능에 의하여, 상기 이온빔은, 길이 방향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산하는 이온빔으로서 방사된다.
상기 질량 분석 자석 장치(13) 내에서는, 상기 입사 이온빔이 질량 분석되어, 필요한 이온 종(種)이 선택된다. 상기 추출 전극(12)의 상기 기능에 의하여, 상기 질량 분석 자석 장치(13)에 들어가는 이온빔은, 상기 질량 분석 자석 장치(13)의 중앙 위치에서, 길이 방향 빔 폭에서 가장 많이 수렴하고, 가로 방향 빔 폭에서 가장 많이 발산한다. 하지만, 상기 질량 분석 자석 장치(13)는, 소위 볼록렌즈로서도 기능하기 때문에, 상기 질량 분석 자석 장치(13)의 중앙 부분을 통과한 이온빔은, 길이 방향 빔 폭에서 발산하고, 가로 방향 빔 폭에서 수렴하게 된다.
상기 제1 DC 4극 전자석(14)은, 상기 질량 분석 자석 장치(13)를 통과한 이온빔의 빔 폭을, 길이 방향으로 수렴하고, 가로 방향으로 발산하도록 하는 기능을 한다. 즉, 도 3에서 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 큰 길이 방향 빔 폭(길이 방 향으로 발산함)과 작은 가로 방향 빔 폭(가로 방향으로 수렴함)을 가지는 길이 방향 단면 형상을 가지는 이온빔이, 상기 제1 DC 4극 전자석(14)에 들어오면, 도 3에서 실선으로 나타낸 바와 같이, 상기 제1 DC 4극 전자석(14)은, 상기 입사 이온빔의 빔 폭을, 길이 방향으로 수렴하고, 가로 방향으로 발산하도록 한다. 상기 동작은, 플레밍의 왼손 법칙에 근거한다. 예컨대, 상기 이온빔이, 도면 지면의 앞쪽에서 뒷쪽으로 진행한다고 하면, 이것이 전류의 방향이며, 상기 이온빔 주변의 자계의 작용에 의하여, 상기 자계의 방향에 의한 힘이, 상기 이온빔의 수렴 또는 발산에 기여한다. 만일 상기 제1 DC 4극 전자석(14)이, 상기 질량 분석 슬릿(15)의 상류측 부근 위치에 위치되어 있다면, 보다 큰 가로 폭을 가지는 이온빔이, 상기 질량 분석 슬릿(15)을 통과할 수 있다. 또한, 길이 방향 발산도 억제할 수 있어서, 상기 길이 방향에 대하여 보다 큰 값으로 이온빔이 통과할 수 있다. 즉, 불필요한 빔 커팅 및 불필요한 빔 발산을 방지할 수가 있다.
상기 질량 분석 슬릿(15)을 통과한 이온빔은, 길이 방향 빔 폭에서 수렴하고, 가로 방향 빔 폭에서 발산하는 경향이 있다.
상기 제2 DC 4극 전자석(16)은, 상기 질량 분석 슬릿(15)을 통과한 이온빔의 빔 폭을, 길이 방향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산하도록 하는 기능을 한다. 즉, 도 4에서 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 상대적으로 큰 가로 방향 빔 폭(가로 방향으로 발산함)과 작은 길이 방향 빔 폭(길이 방향으로 수렴함)을 가지는 길이 방향 단면 형상을 가지는 이온빔이, 상기 제2 DC 4극 전자석(16)에 들어오면, 상기 제2 DC 4극 전자석(16)은, 도 4에서 실선으로 나타낸 바와 같이, 상기 입사 이온빔의 빔 폭을, 길이 방향으로 더욱 수렴하고, 가로 방향으로 발산하도록 하는 기능을 한다. 결국, 상기 이온빔은, 상기 제2 DC 4극 전자석(16)의 위치에서, 다시 길이 방향 빔 폭에서 가장 많이 수렴한다. 따라서, 길이 방향으로 강하게 수렴하고 가로 방향으로 발산하는 이온빔, 즉 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상을 가지는 이온빔이, 상기 편향 스캐너(17)에 전달된다.
이해를 돕기 위하여, 상기 질량 분석 자석 장치(13)의 중앙 부분에서 및 상기 제1 및 제2 DC 4극 전자석(14, 16)에서의, 이온빔의 길이 방향 단면 형상이, 도 2(A)의 각 참조번호 가까이에 도시되어 있다.
상기 편향 스캐너(17)는, 상기 얻어진, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 길이 방향 단면을 가지는 이온빔을 이용하여, 가로 방향 왕복 스캐닝을 수행한다.
상기 편향 스캐너(17)를 통과한 이온빔은, 상기 빔 평행기(18)에 의하여 다시 평행화되어, 0°의 편향각인 축에 평행하게 된다. 상기 빔 평행기(18)로부터의 이온빔은, 하나 이상의 전극으로 형성되는 가속/감속 전극 장치(19)를 통하여, 미도시된 각도 에너지 필터에 전달된다. 상기 각도 에너지 필터는, 이온빔의 에너지에 관한 분석을 수행하여, 필요한 에너지를 가지는 이온 종을 선택한다.
도 1(B)를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 선택된 이온 종은, 상기 각도 에너지 필터 내에서 약간 하향으로 편향된다. 이렇게 선택된 이온 종으로 구성되는 이온빔은, 웨이퍼 상에 조사된다. 상기 웨이퍼 상에 조사되지 않는 이온빔은, 빔 스토퍼에 입사되어, 그 에너지가 소모된다. 또한 상기 이온주입 시스템에 있어서, 상기 웨이퍼는, 수직 방향, 즉 길이 방향으로 기계적 스캐닝된다.
상기 바람직한 실시예의 이온주입 시스템에 의하면, 다음 효과가 얻어진다.
1. 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 세로 단면을 가지면서, 길이 방향으로 강하게 수렴하는 이온빔이, 상기 편향 스캐너(17)에 들어가게 되므로, 이온주입 위치에서 이온빔의 길이 방향 발산을 최소화하여, 이온주입의 균일성을 향상시킬 수 있다.
2. 상기 질량 분석 자석 장치(13)와 상기 편향 스캐너(17) 사이 거리가 변화되더라도, 요구되는 빔 성형이 가능하다.
3. 여러 개의 제1 DC 4극 전자석(14)과 여러 개의 제2 DC 4극 전자석(16)을 설치함으로써, 상기 질량 분석 자석 장치(13)와 상기 편향 스캐너(17) 사이에서, 이온빔이 여러번, 길이 방향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산하도록 할 수 있다.
4. 불필요한 빔 커팅과 불필요한 빔 발산을 방지함으로써, 저에너지 빔의 증가에 공헌할 수 있다.
한편, 상기 이온주입의 균일성을 향상시키기 위하여, 이온빔의 길이 방향 단면 형상이, 도 2(A)에 도시된 바와 같이, 상기 편향 스캐너(17)의 하류측 상의 어떠한 스캐닝 위치, 즉 웨이퍼에 대한 어떠한 조사 위치에서도 균일한 것이 바람직하다. 이하, 이를 실현하기 위하여 향상된 이온주입 시스템에 대하여 설명한다.
도 5(A) 및 도 5(B)에서 도 9(A) 내지 도 9(C)를 참조하여, 상기 실시예를 향상시킴으로써 얻어지는 다른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 상기 다른 바람직한 실시예는, 상기 편향 스캐너가 정전(electrostatic) 편향 타입인 경우에 적 용된다. 상기 정전 편향 타입 편향 스캐너는, 2개의 스캐닝 전극을, 서로 마주보면서, 그 사이에 빔 궤도가 위치되도록 설치함으로써 형성된다.
이온빔이, 정전 편향에 의하여 스캔 범위를 스캔할 때, 상기 스캔 범위의 끝 부분에서의 이온빔의 길이 방향 단면 크기는, 도 5(A)에 도시된 바와 같이, 상기 편향 스캐너의 하류측 상의 스캔 범위의 중앙 부분에서의 크기보다 크게 되는 경향이 있다. 상기 스캔 범위의 끝 부분은, 상기 이온빔의 왕복 스캔 범위에 있어서 스캐닝 전극(51A, 51B)에 가까운 끝 부분을 나타내고, 상기 스캔 범위의 중앙 부분은, 상기 이온빔의 왕복 스캔 범위에 있어서 중앙 축 주변의 부분을 나타낸다.
상기와 같은 경향은, 이온빔에 포함되는 각 이온의 질량과 상기 이온빔에 부착된 각 전자의 질량이, 서로 크게 다르고, 게다가 이온들 사이의 반발력이, 빔 전류 밀도가 증가함에 따라서 증가되기 때문에 발생한다.
도 6은, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 편향 스캐너(20)의 기본 구조를 나타내는 사시도이다. 상기 편향 스캐너(20)는, 서로 마주보는 한 쌍의 스캐닝 전극(21A, 21B)을 구비하며, 그 사이에 상기 빔이 위치된다. 상기 편향 스캐너(20)는, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B) 근방의 상류측 및 하류측에 각각 설치되는 전자 억제 전극(25, 26)을 더욱 구비하며, 그 사이에 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)이 위치되도록 한다. 상기 편향 스캐너(20)는, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 마주보는 전극 표면에 의하여 정의되는 공간 내에 설치되어, 상기 전자 억제 전극(25, 26)에 각각 연결되는, 제로 전계 효과 억제를 위한 전계 보정 전극(27, 28)을 더욱 구비한다. 여기서, 상기 전계 보정 전극(27, 28)은, 상기 전자 억제 전극(25, 26) 의 전위와 동일한 음의 전위로 설정된다. 상기 전자 억제 전극(25, 26)은, 빔 통과영역 내에, 횡으로 긴 개구(25-1, 26-1)를 각각 구비하며, 약 -1 내지 -2kV의 DC 전압이 인가된다.
도 6에 도시된 레이아웃은 하나의 예시일 뿐이며, 즉 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 레이아웃은, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)이, 수평 방향으로 서로 마주보도록 설치된 예시된 방식에 한정되지는 않는다. 예컨대, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)은, 수직 방향으로 서로 마주보도록 설치될 수도 있다. 또한, 상기 상류측(앞쪽) 및 하류측(뒷쪽) 전자 억제 전극(25, 26)은, 반드시 동일 형상을 가질 필요는 없다. 편의상, 도 6에는, 3차원 x, y, 및 z축을 나타낸다. 상기 x축은, 빔의 왕복 스캔 평면에 평행한 축으로, 상기 y축은 수직 방향에 평행한 축으로, z축은, 빔 진행 축에 평행한 축(왕복 스캔 평면 내의 중앙 축)으로 생각될 수 있다.
상기 스캐닝 전극(21A, 21B)은, 빔 진행 축에 대하여 형상이 대칭적이며, 상기 빔 진행 축 쪽의 표면(마주보는 전극 표면)이 상기 빔 진행 축에 대하여 대칭이 되도록 설치되어 있다. 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 마주보는 전극 표면 상에는, 각각 실질적으로 원호 형상의 단면을 가지는 홈(21A-1, 21B-1)이, 상기 z축 방향으로 각각 뻗어 있도록 형성된다.
도 7(A) 내지 도 7(C) 및 도 8은, 본 발명의 편향 스캐너(20)에 의한 제로 전계 효과의 억제 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 7(A) 내지 도 7(C)는, 상기 전계 보정 전극의 도시가 생략된, 상기 편향 스캐너(20)의 횡단면을 나타낸다. 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)은, 그 마주보는 전극 표면 사이의 간격이, 하류측으로 진행할수록 점차 증가하도록 형성된다. 이는, 빔 스캔 범위를 증가시키기 위한 레이아웃이다. 또한, 접지 전극(29)은, 하류측 전자 억제 전극(26) 근방에 설치된다. 물론, 상기 접지 전극(29)은 접지된다. 한편, 도 8은, 상기 편향 스캐너(20)의 하류측에서 본 도면이다. 설명의 편의상, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)은 서로 평행한 평판 형상으로 나타낸다. 이는, 본 발명이, 다음의 편향 스캐너들 중 어느 것에도 적용할 수 있음을 의미한다. 제1 예는, 한 쌍의 스캐닝 전극이, 도 8에 나타내는 바와 같은 평행 평판 형상인 편향 스캐너이다. 제2 예는, 도 7(A) 내지 도 7(C)에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 평판 형상 스캐닝 전극 사이의 간격이, 하류측으로 진행할수록 증가되는 편향 스캐너이다. 제3 예는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 스캐닝 전극의 마주보는 전극 표면이, 빔 진행 축 방향(z축 방향)으로 뻗는 홈을 가지도록 각각 형성되는 편향 스캐너이다. 제4 예는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 스캐닝 전극의 마주보는 전극 표면 사이의 간격이, 하류측으로 진행할수록 증가되는 편향 스캐너이다. 하지만, 도 6에 나타내는 스캐닝 전극의 구성이 바람직하다. 이에 대한 이유는 후술된다.
도 7(A)에 있어서, 편향 스캐너(20)를 통과하는 양의 전하를 가지는 이온들은, 음의 전압을 가지는 좌측 스캐닝 전극(21A)에 끌려간다. 한편, 빔에 끌려갔던 전자들은, 양의 전압을 가지는 우측 스캐닝 전극(21B)에 끌려간다. 도 8에 있어서, 이는, 상기 스캐닝 전극(21A) 근방에 위치된 빔 단면 형상(계란형 형상)에 의하여 나타나 있다. 따라서, 상기 편향 스캐너(20)를 통과하는 빔은, 전자들을 잃으며, 양의 전하를 가지는 이온들은, 공간 전하 효과로 인하여 서로 반발하여, 상기 빔은 발산하는 경향이 있다. 전자의 질량은 이온의 질량보다 작기 때문에, 전자의 편향각은 이온의 편향각보다 크다.
도 7(C)에 있어서도, 도 7(A)에서와 동일한 이유로, 상기 편향 스캐너(20)를 통과하는 이온빔은 발산하는 경향이 있다. 도 8은, 스캐닝 전극(21B) 근방에 위치된 빔 단면 형상(계란형 형상)의 경우에 있어서, 상기 빔에 끌려갔던 전자들이 양의 전압을 가지는 좌측 스캐닝 전극(21A)에 끌려가는 것을 보여준다.
한편, 도 7(B)는, AC 스캔 전원공급기에 전기적으로 연결되어 있는 상기 한 쌍의 스캐닝 전극(21A, 21B) 양단에 인가되는 전압이, 바로 제로인 순간의 빔의 상태를 보여준다. 도 8에 있어서는, 이는 상기 스캐닝 전극(21A, 21B) 사이의 중간 위치에 위치된 빔 단면 형상(계란형 형상)에 의하여 나타내어져 있다. 이 경우에 있어서는, 상기 빔에 소속된 전자들은, 상기 스캐닝 전극(21A 또는 21B)에 끌려가지 않으며, 상기 전자에 가장 크게 인가되는 상기 전계 보정 전극(27, 28)으로부터의 음의 전계로 인하여, 상기 빔 내에 남지 않고, 랜덤 방향으로 흩어진다. 이는, 잔존하는 전자로 인하여 상기 빔이 수렴하는 경향을 억제한다.
상기 설명된 바와 같이, 전계 보정 전극(27, 28)의 동작에 의하여, 빔 직경은, 상기 편향 스캐너(20)의 하류측의 스캔 범위의 끝 부분 및 중앙 부분 어디에서나 변화되지 않으며, 따라서 도 5(B)에 나타내는 바와 같이, 스캔 범위 전체에 걸쳐서 일정하다.
이제 도 9(A) 내지 도 9(C)를 참조하여, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 홈(21A-1, 21B-1)의 중요성에 대하여 설명한다. 이들 홈은, 빔이 상기 편향 스캐 너(20)를 통과하기 전후의 수직 수렴/발산을 작은 레벨로 억제하는데 공헌한다.
상기 편향 스캐너(20) 내부로서, 상기 상류측 및 하류측 전자 억제 전극 모두에 가깝지 않은 영역에서는, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)에 의하여 생성되는 편향 전계가 지배적이 된다.
상기 편향 전계의 수직 성분은, 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 홈(21A-1, 21B-1)의 형상에 의하여 결정된다.
상기 좌측 스캐닝 전극에 양의 전압(+V)이 인가되고, 상기 우측 스캐닝 전극에 음의 전압(-V)이 인가되었을 때, 전계 분포는, 상기 홈들의 존부 및 형상에 따라서, 도 9(A) 또는 도 9(B)에 도시된 바와 같이 된다.
도 9(A)에 도시된 평행 평판의 형상을 가지는 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 경우에는, y축 방향(수직 방향)의 전계는, 각 전자 억제 전극의 개구(도 6 참조)에 있어서의 전계의 방향성과 동일한 방향성을 가지며, 따라서 y축 방향의 빔의 수렴/발산을 증폭시킨다.
도 9(B)에 도시된 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)은, 각각 적절한 홈(21A-1, 21B-1)을 가지도록 형성되어 있다. 이 경우, 도 9(C)에 화살표로 나타낸 바와 같이, 상기 전자 억제 전극(25, 26)에서 먼 y축 방향의 전계는, 상기 전자 억제 전극(25, 26)의 개구(25-1, 26-1)에 가까운 y축 방향의 전계를 상쇄시키는 방향성을 가진다. 상기 전자 억제 전극(25, 26)에서 먼 y축 방향의 전계는, 상기 전자 억제 전극(25, 26)의 개구(25-1, 26-1)에 가까운 전계에 비하여 훨씬 약하지만, 그 작용 거리 범위는 길며, 따라서 수렴 및 발산 작용은, 상기 편향 스캐너(20) 전체에 걸 쳐서 서로 실질적으로 동일하게 된다.
도 9(B)에 도시된 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 경우에 있어서, 상기 홈(21A-1, 21B-1)의 형상과 크기는, 상기 전자 억제 전극의 개구에 가까운 전계와, 상기 전자 억제 전극에 가깝지 않은 영역에서의 상기 스캐닝 전극(21A, 21B)의 마주보는 전극 표면 사이의 y축 방향(수직 방향)의 전계의 작용이, 실질적으로 동일 진폭을 가지며, 이로써 서로 상쇄되도록 결정된다. 이는, 상기 편향 스캐너(20)를 통과하기 전후에 상기 빔의 수직 수렴/발산을 작은 레벨로 억제하는 것을 가능하게 한다.
이상, 본 발명이 2가지 바람직한 실시예를 통하여 설명되었지만, 본 발명은 이에 한하는 것은 아니며, 다양한 방식으로 수정될 수도 있다. 예컨대,
1. 상기 제1 DC 4극 전자석(14)이 생략되고, 상기 제2 DC 4극 전자석(16) 대신에, 상기 제2 DC 4극 전자석(16)보다 더욱 강력하고 큰 DC 4극 전자석이, 상기 편향 스캐너(17)의 상류측 근방에 설치된다.
2. 2개 이상의 제1 DC 4극 전자석이, 상기 질량 분석 자석 장치(13)와 상기 질량 분석 슬릿(15) 사이에 설치되고, 2개 이상의 제2 DC 4극 전자석이, 상기 질량 분석 슬릿(15)과 상기 편향 스캐너(17) 사이에 설치된다.
3. 다른 수렴 수단(예컨대, 렌즈 전극)들을 사용하도록 하여, 빔 단면을 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상으로 성형하도록 한다.
본 발명에 의한 빔 처리 시스템에 있어서는, 상기 입자 빔은, 상기 제1 DC 4극 전자석에 의하여, 길이 방향으로는 강제적으로 수렴하고 가로 방향으로는 발산 하게 되고, 상기 제2 DC 4극 전자석에 의하여, 길이 방향으로는 강제적으로 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되어, 상기 빔이 길이 방향으로 강하게 수렴되도록 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 빔 처리 시스템에 있어서는, 상기 제1 DC 4극 전자석은, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측 근방에 설치되고, 상기 제2 DC 4극 전자석은, 상기 편향 스캐너의 상류측 근방에 설치되며, 또한, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔은, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측 근방의 상기 제1 DC 4극 전자석에 의하여, 길이 방향으로는 강제적으로 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되고, 상기 질량 분석 슬릿을 통과한 입자 빔은, 상기 편향 스캐너의 상류측 근방의 상기 제2 DC 4극 전자석에 의하여, 길이 방향으로는 강제적으로 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되어, 상기 빔이 길이 방향으로 강하게 수렴되도록 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 빔 처리 시스템에 있어서는, 여러 개의 제1 DC 4극 전자석과 여러 개의 제2 DC 4극 전자석이, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측과 하류측에 각각 설치되어, 상기 입자 빔이 여러 번, 길이 방향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산되도록 함이 바람직하다.
본 발명에 의한 빔 처리 시스템에 있어서는, 상기 제1 DC 4극 전자석과 상기 제2 DC 4극 전자석은, 서로 독립적으로 제어됨이 바람직하다.
본 발명에 의한 빔 처리 시스템에 있어서는, 상기 질량 분석 슬릿은, 타원, 원형 또는 계란형 형상의 빔 단면을 가지면서, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 상기 입자 빔이 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에 설치되고, 또한, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔은, 상기 제1 DC 4극 전자석에 의하여, 일단 길이 방향으로는 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되고, 상기 질량 분석 슬릿을 통과한 입자 빔은, 상기 제2 DC 4극 전자석에 의하여, 다시 길이 방향으로는 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되어, 상기 빔 단면을, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상으로 성형하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 빔 처리 시스템에 있어서는, 상기 편향 스캐너는, 서로 마주보면서, 그 사이에 빔 궤도가 위치되도록 설치된, 한 쌍의 스캐닝 전극을 구비하는 정전 편향 타입임이 바람직하다. 이 경우에, 상기 편향 스캐너는, 상기 한 쌍의 스캐닝 전극의 마주보는 방향에 수직인 방향으로 설치되고, 그 사이에 상기 빔 궤도가 위치되며, 빔 진행 축을 따라서 뻗는, 한 쌍의 전계 보정 전극을 더욱 구비하여도 좋다. 양의 전위 및 음의 전위가 교대로 상기 한 쌍의 스캐닝 전극에 인가되는 한편, 보정 전압이 일정하게 상기 한 쌍의 전계 보정 전극에 인가된다. 상기 한 쌍의 전계 보정 전극에 의하여 생성된 보정 전계는, 상기 양의 전위 및 음의 전위 사이의 스위칭시에, 상기 한 쌍의 스캐닝 전극 사이를 통과하는 입자 빔에 인가된다.
본 발명에 의한 빔 처리 방법에 있어서는, 상기 질량 분석 슬릿은, 타원, 원형 또는 계란형 형상의 빔 단면을 가지면서, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에 설치됨이 바람직하다. 이 경우에, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔은, 일단 길이 방향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산하게 된다. 상기 질량 분석 슬릿을 통과한 입자 빔은, 다시 길이 방 향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산하게 되어, 상기 빔 단면을, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상으로 성형하며, 상기 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상의 상기 빔 단면을 가지는 상기 입자 빔은, 상기 편향 스캐너에 의하여 가로 방향으로 편향된다.
본 발명의 상기 국면에 의하면, 다음 효과가 얻어진다.
1. 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상을 가지면서, 길이 방향으로 강하게 수렴된 빔이, 상기 편향 스캐너에 입사되게 되어, 처리 대상체 상의 빔 조사 위치에서, 상기 빔의 길이 방향 발산을 최소화할 수 있게 된다.
2. 상기 질량 분석 자석 장치와 상기 편향 스캐너 사이의 거리가 변화되더라도, 요구되는 빔 성형이 가능하게 된다.
3. 불필요한 빔 커팅과 불필요한 빔 발산이 방지될 수 있으므로, 저에너지 빔에 있어서도 빔의 증가가 가능하다.

Claims (10)

  1. 빔 생성 소스로부터 추출된 입자 빔을, 질량 분석 자석 장치, 질량 분석 슬릿, 및 편향 스캐너를 그 순서대로 통과하도록 하여, 처리 대상체에 상기 입자 빔을 조사(照射)하는 빔 처리 시스템에 있어서,
    상기 질량 분석 슬릿은, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 상기 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에서, 상기 질량 분석 자석 장치와 상기 편향 스캐너 사이에 설치되고, 또한,
    제1 DC 4극 전자석 및 제2 DC 4극 전자석이, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측 및 하류측에 각각 설치되고,
    상기 질량 분석 슬릿은, 타원, 원형 또는 계란형 형상의 빔 단면을 가지면서, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 상기 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에 설치되고, 또한,
    상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔은, 상기 제1 DC 4극 전자석에 의하여, 일단 길이 방향으로는 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되고,
    상기 질량 분석 슬릿을 통과한 입자 빔은, 상기 제2 DC 4극 전자석에 의하여, 다시 길이 방향으로는 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되어, 상기 빔 단면을, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상으로 성형함
    을 특징으로 하는 빔 처리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 DC 4극 전자석은, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측에 설치되고, 상기 제2 DC 4극 전자석은, 상기 편향 스캐너의 상류측에 설치되며, 또한,
    상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔은, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측의 상기 제1 DC 4극 전자석에 의하여, 길이 방향으로는 강제적으로 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되고, 상기 질량 분석 슬릿을 통과한 입자 빔은, 상기 편향 스캐너의 상류측의 상기 제2 DC 4극 전자석에 의하여, 길이 방향으로는 강제적으로 수렴하고 가로 방향으로는 발산하게 되어, 상기 빔이 길이 방향으로 강하게 수렴되도록 형성함
    을 특징으로 하는 빔 처리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    여러 개의 제1 DC 4극 전자석과 여러 개의 제2 DC 4극 전자석이, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측과 하류측에 각각 설치되어, 상기 입자 빔이 여러 번, 길이 방향으로는 수렴하고 가로 방향으로는 발산되도록 함
    을 특징으로 하는 빔 처리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 DC 4극 전자석과 상기 제2 DC 4극 전자석은, 서로 독립적으로 제어됨
    을 특징으로 하는 빔 처리 시스템.
  5. 빔 생성 소스로부터 추출된 입자 빔을, 질량 분석 자석 장치, 질량 분석 슬릿, 편향 스캐너, 빔 평행기, 및 가속/감속 전극 장치를 그 순서대로 통과하도록 하여, 처리 대상체에 상기 입자 빔을 조사하는 빔 처리 시스템에 있어서,
    상기 질량 분석 슬릿은, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 상기 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에서, 상기 질량 분석 자석 장치와 상기 편향 스캐너 사이에 설치되고,
    상기 입자 빔의 빔 단면을, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형으로 성형하기 위한 수렴 유닛이, 상기 질량 분석 슬릿과 상기 편향 스캐너 사이에 설치되며, 또한,
    상기 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상의 빔 단면을 가지는 상기 입자 빔은, 상기 편향 스캐너에 의하여 가로 방향으로 편향됨
    을 특징으로 하는 빔 처리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 편향 스캐너는, 서로 마주보면서, 그 사이에 빔 궤도가 위치되도록 설치된, 한 쌍의 스캐닝 전극을 구비하는 정전 편향 타입이고,
    상기 편향 스캐너는, 상기 한 쌍의 스캐닝 전극의 마주보는 방향에 수직인 방향으로 설치되고, 그 사이에 상기 빔 궤도가 위치되며, 빔 진행 축을 따라서 뻗는, 한 쌍의 전계 보정 전극을 더욱 구비하며,
    양의 전위 및 음의 전위가 교대로 상기 한 쌍의 스캐닝 전극에 인가되는 한편, 보정 전압이 일정하게 상기 한 쌍의 전계 보정 전극에 인가되고, 또한,
    상기 한 쌍의 전계 보정 전극에 의하여 생성된 보정 전계는, 상기 양의 전위 및 음의 전위 사이의 스위칭시에, 상기 한 쌍의 스캐닝 전극 사이를 통과하는 상기 입자 빔에 인가됨
    을 특징으로 하는 빔 처리 시스템.
  7. 빔 생성 소스로부터 추출된 입자 빔을, 질량 분석 자석 장치, 질량 분석 슬릿, 편향 스캐너, 빔 평행기, 및 가속/감속 전극 장치를 그 순서대로 통과하도록 하여, 처리 대상체에 상기 입자 빔을 조사하는 빔 처리 방법에 있어서,
    상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔을, 상기 질량 분석 슬릿의 상류측에서, 길이 방향으로 강제 수렴시키고 가로 방향으로 발산시키는 단계와,
    상기 질량 분석 슬릿을 통과한 입자 빔을, 상기 편향 스캐너의 상류측에서, 길이 방향으로 강제 수렴시키고 가로 방향으로 발산시켜서, 상기 길이 방향으로 강하게 수렴된 상기 입자 빔을 상기 처리 대상체에 조사하는 단계를 구비하고,
    상기 질량 분석 슬릿은, 타원, 원형 또는 계란형 형상의 빔 단면을 가지면서, 상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔이, 가로 방향으로 가장 수렴하는 위치에 설치되고,
    상기 질량 분석 자석 장치를 통과한 입자 빔은, 일단 길이 방향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산하게 되며,
    상기 질량 분석 슬릿을 통과한 입자 빔은, 다시 길이 방향으로 수렴하고 가로 방향으로 발산하게 되어, 상기 빔 단면을, 가로 방향으로 길게 형성된 타원 또는 계란형 형상으로 성형함
    을 특징으로 하는 빔 처리 방법.
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