KR101593540B1 - 폭이 넓은 리본 이온 빔 발생을 위한 고밀도 헬리콘 플라즈마 소스 - Google Patents

폭이 넓은 리본 이온 빔 발생을 위한 고밀도 헬리콘 플라즈마 소스 Download PDF

Info

Publication number
KR101593540B1
KR101593540B1 KR1020117006822A KR20117006822A KR101593540B1 KR 101593540 B1 KR101593540 B1 KR 101593540B1 KR 1020117006822 A KR1020117006822 A KR 1020117006822A KR 20117006822 A KR20117006822 A KR 20117006822A KR 101593540 B1 KR101593540 B1 KR 101593540B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dielectric cylinder
power supply
central axis
helicon
source
Prior art date
Application number
KR1020117006822A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110057178A (ko
Inventor
코스텔 빌로이우
알렉산더 에스. 페렐
제이 티. 쇼이어
Original Assignee
베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크. filed Critical 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
Publication of KR20110057178A publication Critical patent/KR20110057178A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101593540B1 publication Critical patent/KR101593540B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
    • H01L21/26506—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors
    • H01L21/26513—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors of electrically active species
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3171—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation for ion implantation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation
    • H01J2237/0817—Microwaves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

하나 또는 그 이상의 헬리콘 플라즈마 소스들을 사용하여 고밀도의 폭이 넓은 리본 이온 빔을 발생시킬 수 있는 이온 소스가 개시되어 있다. 헬리콘 플라즈마 소스(들)에 부가하여, 이온 소스는 또한 확산 챔버를 포함한다. 확산 챔버는 헬리콘 플라즈마 소스의 유전체 원통과 동일한 축을 따라 방위가 정해진 추출 개구를 가진다. 하나의 실시예에서는, 확산 챔버의 대향 단부들 상에 위치된 듀얼 헬리콘 플라즈마 소스들이 더욱 균일한 추출 이온 빔을 생성하기 위해 이용된다. 또 다른 실시예에서는, 추출 이온 빔의 균일성을 추가로 향상시키기 위해 멀티커스프 자기장(multicusp magnetic field)이 이용된다.

Description

폭이 넓은 리본 이온 빔 발생을 위한 고밀도 헬리콘 플라즈마 소스{HIGH DENSITY HELICON PLASMA SOURCE FOR WIDE RIBBON ION BEAM GENERATION}
이온 주입기들은 p형 또는 n형 도핑에 의해 상이한 도전율(conductivity)의 영역들을 보통 실리콘인 반도체 웨이퍼에서 생성하기 위하여, 집적 회로(IC : integrated circuit)들 및 평판 패널 디스플레이(flat panel display)들의 제조 시에 통상 이용된다. 이러한 디바이스들에서, 플라즈마 소스는 도펀트 기체(dopant gas)를 이온화하기 위해 이용된다. 포지티브(positive) 이온들의 빔들은 소스로부터 추출되고, 희망하는 에너지로 가속되고, 질량 필터링되고, 그 다음에 웨이퍼를 향해 보내진다. 이온들이 웨이퍼를 타격할 때, 이온들은 (그 운동 에너지 및 질량에 따라) 특정 깊이까지 침투하고, (도펀트 원소 농도에 따라) 상이한 전기 도전율의 영역들을 웨이퍼에 생성한다. 웨이퍼 위에서의 그 기하학적 구성과 함께, 이 영역들의 n-도핑 또는 p-도핑 특성은 그 기능, 예를 들어, 트랜지스터들 내의 n-p-n 또는 p-n-p 접합들을 정의한다. 다수의 이러한 도핑된 영역들의 상호접속을 통해, 웨이퍼들은 복잡한 집적 회로들로 변형될 수 있다.
대표적인 이온 주입기(50)의 블럭도가 도 1에 도시되어 있다. 전력 공급 장치(1)는 도핑 기체의 이온화를 가능하게 하기 위하여, 요구되는 에너지(DC 또는 RF)를 플라즈마 소스(plasma source)(2)로 전달한다. 상기 기체는 진공 펌핑 시스템(vacuum pumping system)에 의해 보장되는 mTorr 범위의 압력 하에서 질량 유동 제어된 시스템(mass-flow controlled system)(도시하지 않음)을 통해 플라즈마 챔버로 공급된다. 희망하는 도펀트에 따라, 공동-운반체 기체(co-carrier gas)를 갖거나 갖지 않는, BF3, PF3, AsF3, GeF4, B2H6, PH3, AsH3, GeH4 또는 그 외의 것들과 같은 상이한 불화물(fluoride) 또는 수소화물(hydride) 도핑 기체들이 도입된다. 플라즈마 챔버는 개구(3)를 가지며, 이온들은 전극들(4)의 조합에 의해 개구(3)를 통해 추출된다. 통상적으로 사용되는 방식은 트라이오드(triode) 조합이고, 이 트라이오드 조합에서는, 플라즈마 챔버 개구가 높은 양(positive) 전위이고, 그 다음으로, 제2 전극(억제 전극)이 음(negative) 전위이고, 제3 전극이 접지(ground) 전위이다. 제2 전극의 역할은 2차 전자(secondary electron)들이 플라즈마 챔버로 다시 흐르는 것을 방지하는 것이다. 그러나, 테트로드(thetrode), 펜토드(pentode), 또는 아이젤 렌즈(Eisel lense)들과 같은 다른 추출 전극 조합들도 가능하다. 이 탈출하는 이온들은 빔(20)으로 형성되고, 그 다음으로, 질량 분석기(6)를 통과한다. 추출된 이온 빔은 이온들의 혼합물로 구성된다. 예를 들어, BF3 기체로부터 추출된 빔은 BF3 +, BF2 +, BF+, B+ 및 F+ 이온들로 주로 구성될 것이다. 그러므로, 이온 빔으로부터 원하지 않는 성분들을 제거하여 이온 빔이 희망하는 에너지를 가지며 단일 이온 종(BF3의 경우, B+ 이온)으로 구성되도록 하기 위하여, 질량 분석기를 이용하는 것이 필요하다. 에너지를 희망하는 레벨까지 감소시키기 위하여, 그 다음으로, 희망하는 종들의 이온들은 하나 또는 그 이상의 전극들을 포함할 수 있는 감속 스테이지(deceleration stage)(8)를 통과한다. 감속 스테이지의 출력은 발산 이온 빔(diverging ion beam)이다. 보정기 자석(corrector magnet)(10)은 이온 빔을 확대시킨 다음, 이온 빔을 평행 리본 이온 빔(parallel ribbon ion beam)으로 변형시키기 위해 이용된다. 각도 보정기(10) 이후에, 리본 빔은 웨이퍼 또는 작업물(workpiece)을 향해 겨냥된다. 일부 실시예들에서는, 제 2 감속 스테이지(12)가 추가될 수 있다. 웨이퍼 또는 작업물은 웨이퍼 지지체(14)에 부착된다. 웨이퍼 지지체(14)는 수직 운동을 제공하여, 웨이퍼가 빔 경로에 옮겨져서 고정된 이온 리본 빔을 상하로 통과할 수 있다. 또한, 웨이퍼는 회전될 수 있어서, 웨이퍼 표면에 대해 상이한 입사 각도들에서 주입(implant)들이 수행될 수 있다. 빔 경로 외부의 웨이퍼를 이용하여, 빔 전류는 패러데이 컵(Faraday cup)(16)에 의해 측정될 수 있다. 빔 전류 값 및 희망하는 도우즈(dose)에 기초하여, 웨이퍼 노출 시간 또는 통과하는 리본 이온 빔의 개수가 계산된다.
플라즈마 소스로부터의 이온 추출 속도가 다음 수학식으로 주어지고,
Figure 112015114064859-pct00001

여기서, A는 추출 개구의 면적이고, n은 플라즈마 밀도이며,
Figure 112015114064859-pct00002
는 봄 속도(Bohm velocity)(kB, Te 및 mi는 각각 볼쯔만(Boltzmann) 상수, 전자 온도 및 이온 질량이다)인 것을 고려하면, 제한된 수의 플라즈마 소스들은 이온 소스들로서 유용한 충분한 플라즈마 밀도를 가지는 것으로 입증되었다. 바르나스 소스(Barnas source)들과 같은 일부 실시예들에서는, 아크 방전(arc discharge)이 플라즈마를 생성한다. 텅스텐 필라멘트(tungsten filament)들은 높은 아크 플라즈마 밀도를 유지하기 위해 필요한 전자들의 플럭스(flux)를 발생시키기 위해 이용된다. 아크 방전의 유형이기도 한 간접 가열식 캐소드(IHC : indirectly heated cathode)들과 같은 다른 실시예들에서는, 필라멘트가 플라즈마에 해롭게 노출되는 것을 방지하고 소스의 수명을 연장시키기 위하여, 간접 가열식 캐소드로부터의 열이온 방출(thermionic emission)에 의해 필요한 전자들이 제공된다. 이 열 플라즈마 소스들은 희망하는 이온들을 발생시킴에 있어서는 효율적이지만, 이들은 아크 챔버 내에서 진전된 높은 온도들로 인해 원자 이온들을 생성하기 위해서만 전형적으로 이용된다. 해리 에너지들은 전형적으로 낮으므로, 아크 플라즈마에서의 열 에너지는 분자 결합들을 파괴시키고 공급 기체를 더 작은 분자들 또는 원자들로 분류하기에 충분할 정도로 대체로 높다.
낮은 이온 에너지가 요구되는 얕은 주입 응용들에 대해서는, 해로운 공간 전하(space-charge) 효과들을 해소하고 이온 주입 공정의 생산성을 증가시키기 위하여, C2B10H12, B10H14 및 B18H22와 같이, 분자에서 활성 도펀트(active dopant)의 함량이 더 높은 분자 기체들이 이용될 수 있다는 점이 밝혀져 있다. 결과적인 분자 이온들은 더 높은 에너지들에서 가속될 수 있으며, 이에 따라, 공간 전하의 해로운 효과들로부터 빔을 보호한다. 그러나, 그 더 무거운 질량으로 인해, 얕은 주입들이 수행될 수 있다. 도펀트 원자 이온들보다는 활성 도펀트가 풍부한 분자 이온들을 필요로 하는 이러한 주입 공정들에 대해서는, RF 유도 결합형 방전(RF inductively coupled discharge)들과 같은 저온 플라즈마 소스들이 매우 적합하다. 이 방전들에서는, 안테나를 통해 RF 발생기로부터 전력을 결합함으로써 플라즈마가 생성된다. 안테나를 통해 흐르는 높은 RF 전류들은 발진 자기장(oscillatory magnetic field)을 생성하고, 이 발진 자기장은 맥스웰(Maxwell)의 제 3 전기역학 법칙,
Figure 112015114064859-pct00003
에 따라,
RF 여기 주파수(excitation frequency) 및 기체 압력의 함수인 제한된 공간 영역(표피 깊이)에서 강한 전기장들을 생성한다. 이 전기장들에 의해 가속된 전자들은 기체 분자들을 이온화시켜서 플라즈마를 생성하기에 충분한 에너지를 얻는다. 전자들은 이온 또는 중성 온도(통상 실온을 약간 초과함)보다 훨씬 더 높은 온도(통상 ~2-7 eV)를 가지므로, 생성된 플라즈마는 열 평형 상태에 있다. 이 방전은 분자 이온들의 발생 시에 유용하지만, 플라즈마 밀도가 아크 방전보다 약 1 내지 2 자릿수 작은 ≤ 1011 cm-3이므로, 그 효율은 대체로 희망하는 것보다 작다.
이온 주입 공정들을 위한 또 다른 잠재적인 플라즈마 소스는 비교적 낮은 기체 온도들에서 높은 플라즈마 밀도들을 발생시킬 수 있는 헬리콘 방전(helicon discharge)이다. 다른 RF 플라즈마 소스들과는 달리, 헬리콘 방전들에서는, 전자 가열(electron heating)이 헬리콘 파(helicon wave)들의 충돌 감쇠(collisional damping)에 기초하고 있다. 위슬러 파(whistler wave)들의 특수한 경우인 이 파들은 DC 자기장 내에 놓인 RF 안테나에 의해 여기된다. 낮은 압력의 작동 기체가 유전체 챔버, 통상, 석영(quartz) 또는 파이렉스(Pyrex) 원통 내에 도입되고, 안테나가 그 주위에 둘러싸인다. 전자들은 파(wave)로부터 에너지를 얻고, 그 에너지가 이온화 임계 에너지를 초과하는 경우, 새로운 전자-이온 쌍들이 중성 기체 원자들 또는 분자들에 의한 이온화 충돌들을 통해 생성된다. 각각의 이온화 이벤트(event) 후에, 이 파는 또 다른 이온화 처리를 위해 신속하게 전자들을 최적의 에너지에 이르게 할 수 있다. 또한, 헬리콘 파 여기(helicon wave excitation)를 관리하는 것 외에도, 자기장의 존재는 플라즈마 구속을 보장하고, 이에 따라, 챔버의 벽들에 대한 하전 입자(charged particle)들의 손실을 감소시킨다. 헬리콘 소스들의 높은 이온화 효율은 란다우 감쇠(Landau damping)(헬리콘 파의 위상 속도(phase velocity)가 기체 이온화 단면의 피크에 대응하는 에너지들에서의 전자 속도에 더 근접할 경우에 발생하는 공진 감쇠(resonant damping))로부터 나올 수도 있다고 믿어졌다. 그러나, 실험들에 따르면, 란다우 감쇠가 전자들에 전달되는 전체 에너지의 오직 몇 퍼센트에 대한 원인이 된다는 점이 밝혀졌다. 헬리콘 방전의 높은 이온화 효율의 원인이 될 수 있는 또 다른 에너지 전달 메커니즘은 트리벨피스-구드 모드(Trivelpiece-Gould mode)인, 챔버 벽의 표면 근처에서의 전자-사이클로트론 파의 여기와, 그 후의 급속 감쇠로 구성된다. 또 다른 가능한 메커니즘은 헬리콘 파들의 이온-음향(ion-acoustic) 파들 또는 더 낮은 하이브리드 파들로의 비선형 또는 파라미터 결합과, 그 후의 그들의 급속 감쇠에 존재한다. 아직 설명되지도 않았지만, 헬리콘 방전에서의 에너지 증착 메커니즘들은 매우 효율적이고, 이에 따라, 높은 이온화 효율을 발생시키므로, 플라즈마 밀도는 소정의 입력 전력에 대해, 용량(CCP) 또는 유도 결합형(ICP) 방전들과 같은 다른 RF 플라즈마 소스들에서 보다 통상적으로 1 내지 3 자릿수 더 높다. 플라즈마 밀도의 관점에서 필적하는 전자-사이클로트론 공진 플라즈마 소스들(ECR : electron-cyclotron resonance)에 비해, 헬리콘들은 2.45 GHz ECR 소스에 대해 필요하며 더 높은 주파수들에 대해 값이 더 높은 875 Gauss에 비해 더 낮은 자기장들, 즉, 200-300 Gauss에서 작용하는 장점을 가진다.
헬리콘 플라즈마 소스의 상기 제시된 특징들은 이온 주입을 위한 분자 이온 소스로서 매력적인 옵션이 되게 한다. 거의 40년 이전에 발명되었지만, 헬리콘 방전은 마지막 10-15년에만 산업적 응용들을 위해 개발되었다. 대부분, 산업에 있어서의 그 응용은 반도체 산업에서 플라즈마 에칭 및 플라즈마 증착을 다루었다. 그러나, 이하에 지적되는 바와 같이, 지금까지, 헬리콘들은 주로 그 불균일한 플라즈마 밀도 분포로 인해 산업적인 이온 소스의 일부로서 효율적으로 이용되지 않았다.
헬리콘 모드에서 작동될 때, 플라즈마 컬럼(plasma column)은 방전 축(axis) 상에서 매우 피크(peak)인 밀도 프로파일을 나타내는 매우 밝은 중앙 코어(central core)를 가진다. 따라서, 전형적으로 확산 챔버가 소스와 관련하여 이용되므로, 헬리콘 소스에서 발생된 플라즈마는 챔버 내에서 확대되고, 피크를 갖는 밀도 프로파일은 완화된다. 도 2에서 도시하는 바와 같이, 비록 더 완만하지만, 밀도 프로파일은 소스에서의 프로파일을 여전히 추종하며, 방전 축 상에서 상대적으로 높은 플라즈마 밀도이지만, 방사상 방향을 따라 밀도가 상당히 감소한다. 또한, 전력의 증가는 즉, 그 균일한 밀도의 방사상 범위를 좁히면서 피크에서 밀도를 증가시킴으로써, 이 특징을 강조하도록 작용하기만 한다. 방사상 방향 특징을 따르는 이 불균일한 플라즈마 밀도 프로파일은 대면적 플라즈마 처리를 위한 이 소스의 응용을 제한한다.
종래 기술에서는, 헬리콘 생성 플라즈마의 이 주요한 단점, 즉, 방사상 플라즈마 밀도 불균일성(non-uniformity)을 해소하기 위한 시도들이 있었다. 지금까지, 헬리콘들은 플라즈마 에칭 및 플라즈마 증착 시에 이용되었으며, 더 적은 범위에서 이온 빔 발생 시에 이용되었다. 구체적으로, 헬리콘들은 이온 주입기들에서 전형적으로 이용되는 리본 이온 빔들의 발생 시에 이용되지 않았다. 그러므로, 헬리콘 소스에 의해 생성된 높은 플라즈마 밀도를 효율적으로 사용할 수 있고 넓고 균일한 리본 이온 빔을 생성할 수 있는 이온 소스는 이온 주입의 관점에서 유익할 것이다.
폭이 넓은 리본 이온 빔을 발생시킬 수 있으며 하나 또는 두 개의 헬리콘 플라즈마 소스들을 사용하는 이온 소스를 설명하는 본 개시 내용에 의해 종래 기술의 문제점들이 해결된다. 헬리콘 플라즈마 소스(들)에 부가하여, 이온 소스는 또한 확산 챔버를 포함한다. 금속 원통(metal cylinder)인 확산 챔버는 원통의 중심 축을 따라 방위가 정해진 추출 개구(extraction aperture)를 가진다. 이와 같은 방식으로, 도 2의 그래프에서 관측될 수 있는, 헬리콘 플라즈마 소스와 관련되는 피크를 갖는 방사상 밀도 프로파일은 의미가 있지 않다.
하나의 실시예에서, 확산 챔버의 대향 단부들 상에 위치된 듀얼 헬리콘 플라즈마 소스(dual helicon plasma source)들은 축 방향을 따라 균일한 플라즈마 밀도와, 그 결과, 균일한 추출된 리본 이온 빔을 생성하기 위해 이용된다.
다른 실시예에서, 확산 챔버를 둘러싸는 멀티커스프(multicusp) 자기장은 추출된 이온 빔의 균일성을 추가로 향상시키기 위해 이용된다.
빔 균일성은 또한 기체 유량(gas flow rate), 입력 RF 전력 및 주파수, 그리고 헬리콘 플라즈마 소스들 각각에 대한 자기장 강도를 포함하는 몇몇 독립 제어들에 의해 제어될 수 있다.
발생될 수 있는 높은 빔 전류들로 인해, 단일 통로 온-웨이퍼(single pass on-wafer) 솔라 셀 디바이스들 또는 솔라 셀 포일(foil)들의 도핑은 이 이온 소스에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 대표적인 고전류 이온 주입기 기구의 블럭도를 예시한다.
도 2는 전형적인 헬리콘 플라즈마 소스의 확산 챔버에서의 방사상 플라즈마 밀도 프로파일을 예시한다.
도 3a는 기존의 헬리콘 플라즈마 소스의 주요 부품들을 도시한다. 도시된 안테나는 m = +1인 쇼지(Shoji) 유형이지만, 보스웰(Boswell) 또는 나고야(Nagoya) Ⅲ 유형의 안테나들도 마찬가지로 이용될 수 있다.
도 3b는 도 3a에 도시된 헬리콘 플라즈마 소스의 횡단 단면을 도시한다.
도 4a는 평판 나선형 안테나(flat spiral antenna)를 이용한 헬리콘 플라즈마 소스를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 헬리콘 플라즈마 소스의 횡단 단면을 도시한다.
도 5a는 듀얼 헬리콘 이온 소스의 제 1 실시예의 측면도를 도시한다.
도 5b는 하나의 추출 개구를 갖는 확산 챔버의 횡단 단면을 도시한다.
도 5c는 다수의 추출 개구들을 갖는 확산 챔버의 횡단 단면을 도시한다.
도 5d는 도 5a에 도시된 이온 소스의 단부 도면(end view)을 도시한다.
도 6a는 듀얼 헬리콘 이온 소스의 제 2 실시예의 측면도를 도시한다.
도 6b는 직경을 포함하며 추출 개구와 평행한 평면에서 확산 챔버의 세로 방향 단면을 도시한다.
도 6c는 직경 및 추출 개구를 포함하는 평면에서 확산 챔버의 세로 방향 단면을 도시한다.
도 6d는 도 6a에 도시된 이온 소스의 단부 도면을 도시한다.
도 7은 헬리콘 소스들 및 확산 챔버에서의 축 자기장 유도의 분포를 도시하는 그래프이다.
도 8은 다양한 헬리콘 + 확산 챔버 구성들에 대한 대표적인 축 플라즈마 밀도들을 도시하는 그래프이다.
도 9는 실리콘 웨이퍼들 상에 구축된 솔라 셀을 도핑하기 위해 이용되는 이온 소스 구성을 도시한다.
도 10은 솔라 셀 포일들을 도핑하기 위해 이용되는 이온 소스 구성을 도시한다.
도 3a는 전형적인 헬리콘 플라즈마 소스(100)의 부품들을 세로 방향 단면에서 도시하는 반면, 도 3b는 이 부품들을 통한 횡단 단면을 도시한다. 유전체 원통(dielectric cylinder)(110)은 저압 기체를 함유하고 안테나(120)로부터 플라즈마까지의 RF 커플링(coupling)을 허용하기 위해 이용되는 것이 바람직하다. 고밀도 헬리콘 모드(high density helicon mode)(밝은 코어)에서의 적당한 기능을 위해, 원통 내의 기체 압력은 20 mTorr 미만으로 유지되는 것이 바람직하다. 유전체 원통(110)은 석영(quartz), 파이렉스(pyrex) 또는 알루미나(alumina)와 같은 임의의 적당한 유전체 물질로 구성될 수 있다. 헬리콘 파(helicon wave)들을 생성하기 위해 이용되는 안테나(120)는 유전체 원통 둘레에 단단하게 둘러싸여 있다. 보스웰 새들(Boswell saddle), 나고야 Ⅲ 또는 반파 헬리컬(half wave helical)을 포함하는 임의의 유형의 안테나가 이용될 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 바람직하게는, 은 도금 구리(silver plated copper)로 만들어지는 안테나(120)는 RF 전력 공급 장치(도시하지 않음)에 의해 급전되고, 플라즈마 임피던스(plasma impedance)에 대한 RF 정합은 L-형 또는 PI-형 정합 네트워크(도시하지 않음)에 의해 달성될 수 있다. 원통형 플라즈마 컬럼 외부의 이러한 안테나 구조들은 안테나 길이 및 자기장 강도에 의해 어느 정도까지 정의되는 (자기장을 따르는) 평행 파장에 의해 m=0 또는 m=±1 모드들의 어느 하나를 설정하기 위해 전형적으로 이용된다. 다른 실시예들에서, 안테나(120)는 유전체 원통(110) 내에 위치될 수 있거나, 유전체 원통의 벽에 내장될 수 있다.
헬리콘 파는 우측 선회 및 좌측 선회 원형 편파(circular polarization)들을 모두 갖는 (이온 및 전자-사이클로트론 주파수들 사이의) 주파수들의 위슬러 범위(whistler range)의 제한된 전자기파(electromagnetic wave)이다. 헬리콘 파들을 여기시키기 위하여, 필요한 자기장은 자석(130), 가장 바람직하게는, 수백 Gauss를 초과하여 축 자기장(axial magnetic field)을 제공할 수 있는 솔레노이드(solenoid) 또는 다수의 축 대칭 솔레노이드들에 의해 제공된다. 이것은 전형적인 13.56 MHz의 상용 RF 주파수에서 헬리콘 소스를 작동시키는 것을 허용할 것이다. 그러나, 다른 주파수들에서 작동하는 것도 가능하다. 자기장 강도의 더 높은 값들은 Sm-Co 또는 Nd-Fe-B 영구 자석들의 적층체(stack)에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 자석(130)은 본 개시 내용의 전반에 걸쳐 하나 또는 그 이상의 솔레노이드들 또는 영구 자석 구성 중의 어느 하나를 나타내는 것으로 이해된다. 헬리콘 소스의 하나의 단부는 기체 입구(150)를 바람직하게 포함하는 플랜지(flange)(140)에 의해 종단되고, 기체 입구(150)를 통해 희망하는 작동 기체가 챔버 내로 어떤 유량으로 도입된다. 반대 단부는 개방되어 있고, 금속 확산 챔버에 대한 연약한 유전체 헬리콘 튜브의 접속을 위한 탄성 커플링(160)을 가진다. 솔레노이드(들)(130)은 DC 전류 공급 장치에 의해 공급된다. 전류 흐름의 방향 또는 영구 자석들의 방위(orientation)는 자기장 유도(B)가 유전체 원통(110)의 개방 단부를 향해 지시하도록 선택된다. 솔레노이드(130)와 관련하여 이용되는
Figure 112015114064859-pct00004
및
Figure 112015114064859-pct00005
기호들은 전류가 종이의 평면을 진입하고 각각 탈출하고 있다는 점을 나타내기 위해 이용된다.
이와 같은 방식으로, 안테나 여기 모드의 적당한 선택에 의해, 발생된 헬리콘 파들은 단부 플랜지(140) 및 기체 입구(150)로부터 멀어지도록 튜브 축을 따라 전파할 것이다. 동작 중에 발달되는 열을 소산(dissipate)시키기 위하여, 다른 유체들이 이용될 수 있지만, 안테나 및 솔레노이드(들) 모두는 냉각 라인들(180)을 통해 수냉(water cool)되는 것이 바람직하다. 안테나에 의해 주변으로 방출되는 RF 방사선을 감소시키기 위하여, 패러데이 상자(Faraday cage)(170)가 헬리콘 소스 둘레에 배치되는 것이 바람직하다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 또 다른 실시예에서, 안테나(190)는 평판 나선 형상을 가진다. 그것은 헬리콘 소스의 폐쇄 단부(closed end)에 위치된다. 이 경우, 안테나(190)로부터 플라즈마로의 RF 전력의 전달은 유전체 윈도우(dielectric window)(195)(파이렉스, 석영, 알루미나)를 통해 달성된다. 이 기하구조(geometry)에 대해, 유전체 튜브의 폐쇄 단부를 진공 밀봉하기 위해 제 2 탄성 커플러(elastic coupler)가 이용되고, 기체 입구(150)의 상이한 위치가 이용된다.
헬리콘 방전의 이론으로부터, 플라즈마 밀도 및 평행 파수(parallel wave number)는 소정의 자기장 강도에 대한 헬리콘 분산(helicon dispersion) 수학식에 의해 관련된다.
Figure 112015114064859-pct00006
(1)
여기서, k는 파수이고,
Figure 112015114064859-pct00007
는 플라즈마 주파수이고,
n은 플라즈마 밀도이고,
Figure 112015114064859-pct00008
는 균일한 기저 축 자기장(background axial magnetic field) B에서의 전자 사이클로트론 주파수이고,
Figure 112015114064859-pct00009
는 진공에서의 투자율(magnetic permeability)이고,
Figure 112015114064859-pct00010
는 튜브 축을 따르는 헬리콘 파의 위상 속도이고,
Figure 112015114064859-pct00011
는 전자 질량이고,
기호들 "||" 및 "^"는 자기장 유도 벡터(magnetic field induction vector)에 대한 평행 및 수직 방향들을 각각 나타낸다.
일반적으로,
Figure 112015114064859-pct00012
는 튜브 반경에 의해 고정되고
Figure 112015114064859-pct00013
(
Figure 112015114064859-pct00014
은 제 1 종 베셀 함수(Bessel function of first kind), a는 튜브 내부 반경). 그 다음으로, 약 50 eV와 같이, 수십 eV(electronVolt : 전자 볼트)의 이온화 단면에서 피크를 갖는 기체에 대해, 헬리콘 공진은 다음 수학식을 요구하고,
Figure 112015114064859-pct00015
(2)
f는 MHz, a는 cm, n은 1013 cm-3 단위이고, B는 Gauss이다. 따라서, f=13.46 MHz의 전형적인 상용 주파수에 대해, ~5 cm 직경의 튜브는 5×1012 cm-3의 플라즈마 밀도를 제공하기 위해 ~275 G의 자기장을 요구할 것이다.
상기 설명된 헬리콘 소스는 유전체 원통(110)의 중심 축을 따라 피크를 형성하는 방사상 밀도 프로파일을 갖는 플라즈마를 생성한다. 확산 챔버와 함께 이용될 때에도, 약간 평탄해질 수 있지만, 확산 챔버에서의 밀도 프로파일은 도 2에 도시된 것과 동일한 불균일한 방사상 프로파일을 여전히 나타낼 것이다. 따라서, 유전체 원통의 중심 축에 대해 직교하는 축을 따라 방위가 정해진 슬릿(slit)을 통한 이온 빔의 추출은, 빔의 중심 부분에서 높은 전류 밀도를 가지며 빔의 주변에서 더 낮은 빔 전류 밀도를 갖는 피크를 구비한 리본 이온 빔 프로파일을 유발한다. 이 특징은 불균일한 주입 도우즈 및 결과적으로 열악한 최종 반도체 디바이스를 생성할 것이므로, 이 특징은 주입의 목적을 위해서는 용인할 수 없다.
도 5a 및 도 5b는 이온 소스(200)의 제 1 실시예를 예시한다. 도 3 및 도 4와 관련지어 설명된 것들과 같은 2개의 헬리콘 플라즈마 소스들(100, 300)은 축 방향에서 확산 챔버(210)와 짝을 이룬다. 확산 챔버(210)는 원통의 형상인 것이 바람직하고, 20-50 cm와 같이, 유전체 원통들(110)의 직경보다 큰 직경을 갖는 것이 바람직하다. 헬리콘 소스들 및 확산 챔버는 모든 3개의 성분들의 중심 축이 동일 선상(collinear)이 되도록, 즉, 3개의 성분들이 동축(coaxial)이 되도록 정렬된다. 추출 개구(230)는 챔버의 중심 축에 평행한 확산 챔버 상에 위치된다. 추출 개구의 높이는 3-5 mm와 같이, 작은 것이 바람직하다. 확산 챔버의 길이는 300 mm 직경의 웨이퍼들의 주입을 가능하게 할 35 cm의 폭을 갖는 리본 이온 빔 추출 슬릿을 수용하도록 선택될 수 있다. 확산 챔버의 길이에 대한 제한 조건들이 존재하지 않으므로, 차세대 450 mm 직경의 웨이퍼들의 주입을 허용할 50 cm의 더 폭이 넓은 추출 개구가 가능하다.
도 5b는 대표적인 확산 챔버의 단면을 도시한다. 확산 챔버(210)의 챔버 하우징(240)은 알루미늄(aluminum) 또는 유사한 투자성(magnetically permeable) 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 어떤 실시예들에서는, 전기 도전성 라이너(electrically conductive liner)(245)가 챔버 하우징의 내부 표면 둘레에 배치된다. 바람직하게는, 도핑된 실리콘 탄화물(carbide) 또는 흑연(graphite)으로 이루어진 이 라이너(245)는 2개의 목적을 가진다. 첫째, 챔버 벽(240)으로부터의 금속들에 의한 플라즈마(260) 및 결과적인 이온 빔(270)의 스퍼터링 및 가능한 오염을 감소시키도록 작용한다. 둘째, 그 전기 도전성 특성은 플라즈마 전위의 제어를 보장한다.
양 이온(positive ion)들의 추출을 가능하게 하기 위하여, 챔버는 고전압의 DC 전력 공급 장치(도시하지 않음)에 의해 양 전위로 전기적으로 바이어스를 인가받는다. 도 5b에 도시된 하나의 실시예에서, 단일 추출 개구는 추출 광학계(250)의 도움에 의해 빔을 추출하기 위해 이용된다. 전형적으로, 추출 광학계(250)는 플라즈마(260)로부터 양 이온들을 추출하도록 작용하는 다양한 전기 전위들의 전극들의 집합(set)을 포함한다. 도 5b는 트라이오드 추출 광학계를 도시하지만, 테트로드 또는 펜토드 어셈블리들이 마찬가지로 이용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 다른 크기들 및 구성들이 가능하지만, 이 개구는 높이가 3 mm이고, 길이가 350 mm이다. 도 5c에 도시된 제 2 실시예에서는, 추가적으로 만들어지며 키가 더 크고 더 높은 전류의 리본 이온 빔(270)을 유발하는 다수의 빔렛(beamlet)들(275)의 추출을 가능하게 하는 다수의 평행 개구들이 이용된다.
플라즈마(260)의 균일성을 향상시키기 위하여, 확산 챔버의 길이를 따라 방위가 정해진, Sm-Co 또는 Nb-Fe-B와 같은 영구 자석 막대들(280)의 행들로 바람직하게 구현되는 멀티커스프 자기 구성(multicusp magnetic configuration)이 이용될 수 있다. 이 자석들(280)은 확산 챔버(210)의 챔버 하우징(240)의 외부 표면에 대면하는 극(pole)들의 극성이 교대로 반복되도록 장착된다. 즉, 하나의 자석 행은 북극(north pole)이 챔버 하우징(240)과 대면하도록 배치되는 반면, 그 행의 각각의 측면 상에 인접한 행들의 자석들은 그 남극(south pole)들이 챔버 하우징을 대면하도록 배치된다. 이 패턴은 추출 개구(230)에 가깝게 근접한 영역들을 제외하고는, 챔버 하우징의 원주 둘레로 반복된다. 좌측 및 우측 확산 챔버 벽들 상에서 자기장 라인들(285)을 가능한 많이 차단하기 위하여, 자석들(280)을 연속으로, 그리고 도 5d에 도시된 방사상 패턴을 구성할 세로 방향 행들의 동일한 극성으로 배치함으로써 멀티커스프 필드(multicusp field)가 발생될 수 있다. 플라즈마 내의 자기장 라인들(285)의 자기장 강도(B) 및 침투 깊이(y)는 교대 반복되는 극성을 갖는 자석들의 원주 간격(d), 자석 표면에서의 자기장 강도(B0), 및 자석들의 폭 △에 의해 다음의 수학식에 따라 제어된다.
Figure 112015114064859-pct00016

이 파라미터들의 적당한 조정에 의해, 챔버 벽 근처에 강한 자기장이 생성될 수 있는 반면, 벌크 플라즈마에는 자기장이 없다. 이와 같은 방식으로, 하전 입자들(전자들 및 이온들)은 자기장 라인들(285)에 의해 포획되며, 이에 따라, 챔버 벽들(240)에 대한 더 낮은 손실들과, 잠재적으로 더 높은 플라즈마 밀도 및 균일성을 유발한다. 자기장의 강도는 자석들을 둘러싸며 "요크(yoke)" 효과를 일으키는 강철 시트(steel sheet)(290)를 추가함으로써 증가될 수 있다. △=3/8" 및 d=3/4"을 갖는 정사각형 단면 형상의 Sm-Co 자석들에 대한 하나의 실시예에서, 챔버 벽으로부터 1.5"에서 50 G의 자기장 강도가 얻어졌다. 제안된 기하구조에 대하여, 결과적인 전체 멀티커스프 자기장은 플라즈마(260)가 추출 개구(230)를 향해 이동하게 한다. 추출 개구 영역에서 자기장을 가지지 않음으로써, 하전 입자들은 추출 개구(230)를 향해 자유롭게 이동하고, 그러므로, 고밀도의 이온 빔이 추출될 수 있다. 벌크의 자기장 제거 플라즈마와, 강한 자기장이 존재하는 구역 사이의 경계는 도 5b 및 도 5c에서 점선으로 도시되어 있다.
도 6a 내지 도 6d에 도시된 또 다른 실시예에서, 멀티커스프 자기장(285)을 발생시키는 영구 자석 막대들(280)은 원주 패턴으로 배치되며, 동일한 극성을 갖는 자석들, 예를 들어, 챔버의 내부를 대면하는 북극을 갖는 자석들의 행이 추출 개구가 위치되어 있는 원형 섹터를 제외한 챔버의 원주를 따라 배치된다. 멀티커스프 자기장은 교대 반복되는 자석들의 극성들을 이용하여 발생되며, 다시 말하면, 세로 방향 거리(d)에 의해 분리된 인접 원주 행들은 챔버의 내부를 대면하는 남극 및 챔버의 외부를 대면하는 북극을 가질 것이다. 도 6d에 도시된 바와 같이 동심 원들을 따라 교대 반복되는 극성들을 갖는 자석들을 배치함으로써, 좌측 및 우측 측면 벽들 상에서 상기 패턴이 계속된다. 동작 중에 발전된 열로부터 자석들을 보호하기 위하여, (도 6a 내지 도 6c에 도시된) 냉각 시스템(295)이 확산 챔버 둘레에 배치될 수 있다. 냉각제인 물이 이용될 수 있지만, 다른 냉각 액체들 또는 기체들이 마찬가지로 이용될 수 있다.
도 5 및 도 6은 멀티커스프 자기장을 발생하기 위해 이용되는 2개의 대표적인 구성들을 예시한다. 두 실시예에 대하여, 빔이 희망하지 않는 자기 작용을 하는 것을 방지하기 위하여, 이온 빔 추출 영역 및 벌크 플라즈마에는 자기장이 없고, 다시 말하면, 멀티커스프 자기장은 추출 개구가 위치되어 있는 원형 섹터를 제외한 확산 챔버의 원주 상에 연장되어 있다. 당업자들은 이 필드(field)를 달성하기 위해 다른 기술들 및 구성들이 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
2개의 헬리콘 소스들은 공통의 확산 챔버 내에 플라즈마를 주입한다. 헬리콘 소스들 각각에서의 축 자기장은 반대 방향들이므로, 각각의 솔레노이드에 의해 발생된 자기장은 확산 챔버에 진입하기 전에 제로(zero)로 감소하는 것이 필수적이다. 이것은 확산 챔버에 대한 솔레노이드들의 적당한 배치와, 좌측 및 우측 확산 챔버 플래지들의 멀티커스프 필드들에 의해 부분적으로 실현될 수 있다. 국부적인 멀티커스프 필드들의 강도는 상대적으로 높을 것이므로, 확산 챔버 내의 솔레노이드들에 의해 발생된 자기장의 약한 축 성분들은 무효화될 것이다. 도 7에 도시된 결과적인 축 자기장 프로파일은 헬리콘 모드에서의 적절한 동작을 위해 각각의 헬리콘 소스에서의 충분히 높은 자기장 강도, 그리고 이와 동시에, 멀티커스프 필드가 벽으로부터 플라즈마를 밀어내도록 하지만 이와 동시에 플라즈마를 추출 개구를 향해 "푸시(push)"하도록 하는 확산 챔버 내의 제로 축 자기장(zero axial magnetic field)를 허용할 것이다.
도 8은 다양한 구성들의 플라즈마 밀도를 도시하는 대표적인 그래프들을 예시한다. "H1" 및 "H2"로 표기된 라인(line)들은 플라즈마 밀도의 대표적인 관계들을, 오직 하나의 헬리콘 소스가 확산 챔버로 플라즈마를 주입할 경우에 대한 축 위치의 함수로서 도시한다. 플라즈마 소스(100)로부터의 축 거리가 증가할수록 밀도가 감소한다는 점에 주목해야 한다. "H1+H2"로 표기된 라인은, 2개의 헬리콘 소스들이 동작 중, 즉, 공통의 확산 챔버에서 플라즈마를 펌핑(pumping) 중이지만, 확산 챔버는 자기적인 멀티커스프 필드를 가지지 않는 구성에 대한 플라즈마 밀도의 대표적인 그래프를 도시한다. 확산 챔버의 축 방향을 따라 더욱 균일한 플라즈마 밀도를 생성하기 위하여 개별적인 플라즈마 소스들로부터의 밀도들이 함께 합해진다는 점에 주목해야 한다. 이와 같은 방식으로, 제 1 헬리콘 소스(100)로부터의 거리가 증가할 때, 확산 챔버(210) 내에서 경험된 플라즈마 밀도에 있어서의 감소는 제 2 헬리콘 플라즈마 소스(300)의 존재에 의해 방해를 받는다. "H1+H2+MM"으로 표기된 라인은 2개의 헬리콘 소스들이 작동 중이고 자기적인 멀티커스프 필드가 존재하는 구성에 대한 플라즈마 밀도의 대표적인 프로파일을 도시한다. 자기적인 멀티커스프 필드의 존재는 플라즈마 균일성의 세로 방향 범위를 연장시킨다.
바람직한 실시예는 2개의 헬리콘 소스들을 사용하고 있지만, 개시 내용은 확산 챔버와 결합된 단일 헬리콘 소스의 이용도 고려한다는 점에 주목해야 한다. 이 실시예에서, "H1"으로 표기된 라인에 의해 도시된 세로 방향 축을 따른 플라즈마 밀도에 있어서의 감소로부터 발생하는 불균일한 빔 프로파일은 가변적인 높이(플라즈마 밀도 감소의 방향에서 점진적으로 증가함)를 갖는 추출 슬릿의 이용 및/또는 확산 챔버 내의 멀티커스프 자기장 구성에서 자기장 경도(magnetic field gradient)를 도입하는 것과 같은 다른 기술들을 통해 방해를 받을 수 있다.
상기 설명된 이온 소스는 확산 챔버에서의 결과적인 플라즈마 밀도가 여러 방식으로 변동되도록 한다. 각각의 헬리콘 소스는 작동 기체를 독립적으로 공급받으며 진공 펌핑(vacuum pumping)은 공통의 확산 챔버 상의 추출 개구를 통해 달성되므로, 헬리콘 소스들 각각으로의 기체 흐름 속도는 독립적으로 변동될 수 있다. 이것은 세로 방향을 따르는 플라즈마 밀도 프로파일의 미세 조정으로 귀결될 것이다. 플라즈마 밀도 및 잠재적으로 빔 균일성을 조정하는 제 2 방법은 각각의 헬리콘 소스에서 자기장 강도를 변동시키는 것에 의한 것이다. 플라즈마 밀도 및 헬리콘 파의 파장은 자기장 강도에 의해 조정되므로, 각각의 소스에서 자기장 강도를 증가시키거나 감소시키는 것은 플라즈마 균일성 및 잠재적으로는 추출된 빔 프로파일에 대한 더욱 양호한 제어를 허용할 것이다. 균일성 제어를 위해 이용될 수 있는 제 3 방법은 각각의 안테나로 전달되는 전력의 양을 변동시키는 것이다. 균일성 제어를 위해 이용될 수 있는 제 4 방법은 RF 전력 공급 장치의 주파수를 변동시키는 것이다. 이 제어들 각각의 미세 튜닝(fine tuning)은 연장된 폭 상에서 매우 양호한 균일성을 갖는 높은 리본 이온 빔 전류의 추출을 허용할 것이다. 이것은 큰 직경의 웨이퍼들에 대한 균일한 도우즈 주입들을 허용할 것이다.
상기 설명된 바와 같이, 이 디바이스는 이온 주입기들을 위해 이용될 수 있다. 350 보다 크고 500 밀리미터(millimeter)에 이르는 폭을 갖는 수백 밀리암페어(milliamp)의 균일한 리본 이온 빔들이 이 이온 소스를 이용하여 발생될 수 있다고 예상된다.
그러나, 그 용도들은 고전적인 이온 주입 응용들에 한정되지 않는다. 이 디바이스는 다른 응용들, 예를 들어, 도 9에 도시된 것과 같이 온-웨이퍼 구축 솔라 셀들을 도핑하는 것에 이용될 수 있다. 예상되는 추출 전류는 매우 높으므로, 희망하는 도핑이 신속하게, 바람직하게는 단일 통로에서 실현될 수 있다. 이 경우, 웨이퍼들(510)은 리본 이온 빔(270)이 입사 중인 웨이퍼들(510)을 불러오는 컨베이어 벨트(conveyer belt)(520)와 같은 표현 위에 배치된다. 하나의 실시예에서, 로봇 아암(robotic arm)(500)은 웨이퍼들(510)을 컨베이어 벨트(520) 위에 배치하기 위해 이용된다. 이 실시예에서, 희망하는 도우즈는 빔 전류 및 컨베이어 벨트(520)의 속도에 의해 설정된다. 주입 후에, 웨이퍼들(520)은 제 2 로봇 아암(530)에 의해 벨트(510)로부터 제거된다.
유사한 방식으로, 도 10에 도시된 바와 같이 솔라 셀 포일(solar cell foil)들(400)이 도핑될 수 있다. 현재, p-형 CuIn1-xGaxS2 포일형 솔라 셀들은 135 ℃에서의 중간 어닐링 단계를 갖는 475 ℃에서의 복잡한 황화 공정(sulfurization process)을 통해 얻어진다. 이 공정은 90분 초과하는 시간이 걸리고, 그 결과, 낮은 생산성을 산출한다. 이전에 설명된 이온 빔 소스에 의해, 2개의 모터 구동 릴(reel)들(410, 420) 위에 감긴 포일(400)은 빔 경로를 교차하는 진공 챔버를 연속적으로 통과하게 될 수 있다. 높은 빔 전류는 희망하는 도핑이 신속하게, 바람직하게는 단일 통로에서 실현되도록 할 것이고, 도우즈(dose)는 빔 전류 및 릴 회전 속도에 의해 설정된다. 도 10은 이 공정을 간단하게 표시한 것을 도시한다. 챔버 하우징 및 확산 챔버의 단면이 도시되어 있고, 이온 빔(270)이 방출된다. 이온 소스의 다른 부품들은 명확함을 위하여 도면으로부터 의도적으로 생략되었지만, 이 구성에서는 존재한다. 이 이온 빔은 리본 형상이고, 긴 차원이 도 10의 평면에 대해 수직이다. 하나의 실시예에서, 솔라 셀 포일의 폭은 방출된 리본 이온 빔의 폭과 동일하거나 약간 작다. 이온 빔은 확산 챔버(210)의 추출 개구 아래로 통과할 때, 솔라 셀 포일(400)의 일부분을 타격한다. 하나의 실시예에서, 솔라 셀 포일(400)은 회전하는 릴들(410, 420)을 통해 운반된다. 이 릴들의 속도는 포일(400)의 각 부분이 이온 빔에 노출되는 시간의 양을 변동시키도록 조절된다.

Claims (24)

  1. 제 1 헬리콘 플라즈마 소스;
    제 2 헬리콘 플라즈마 소스; 및
    챔버 하우징을 포함하는 이온 소스로서,
    상기 제 1 헬리콘 플라즈마 소스는,
    제 1 중심 축, 제 1 폐쇄 단부 및 제 1 개방 단부를 갖는 제 1 유전체 원통;
    상기 제 1 유전체 원통의 상기 개방 단부를 향해 방위가 정해져 있으며, 상기 제 1 중심 축의 방향에서 자기장을 발생하도록 구성된 상기 제 1 유전체 원통을 둘러싸는 제 1 자석; 및
    상기 제 1 유전체 원통 내에서 헬리콘 파(helicon wave)들을 발생할 수 있는 제 1 안테나를 포함하고,
    상기 제 2 헬리콘 플라즈마 소스는,
    제 2 중심 축, 제 2 폐쇄 단부 및 제 2 개방 단부를 갖는 제 2 유전체 원통;
    상기 제 2 유전체 원통의 상기 개방 단부를 향해 방위가 정해져 있으며, 상기 제 2 중심 축의 방향에서 자기장을 발생하도록 구성된 상기 제 2 유전체 원통을 둘러싸는 제 2 자석; 및
    상기 제 2 유전체 원통 내에서 헬리콘 파들을 발생할 수 있는 제 2 안테나를 포함하고,
    상기 챔버 하우징은 제 1 및 제 2 단부들을 포함하는 확산 챔버를 형성하고, 상기 챔버의 상기 제 1 단부는 상기 제 1 유전체 원통의 상기 개방 단부와 통하고, 상기 챔버의 상기 제 2 단부는 상기 제 2 유전체 원통의 상기 개방 단부와 통하고, 리본 이온 빔을 추출하기 위한 추출 개구는 높이보다 더 긴 길이를 가지며, 상기 추출 개구의 길이는 상기 확산 챔버의 중심축을 따라 방위되며, 상기 확산 챔버의 중심축은 상기 제 1 유전체 원통의 상기 제 1 중심 축에 평행한, 이온 소스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 중심 축은 상기 확산 챔버의 중심축에 평행하고, 상기 제 1 유전체 원통의 상기 제 1 중심 축과 동축인, 이온 소스.
  3. 청구항 2에 있어서,
    멀티커스프 자기장(multicusp magnetic field)을 생성하기 위해 상기 챔버 하우징을 둘러싸는 추가적인 자석들을 더 포함하는, 이온 소스.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 헬리콘 플라즈마 소스들의 상기 제 1 및 제 2 폐쇄 단부들 내의 기체 입구들을 더 포함하는, 이온 소스.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 자석들은 솔레노이드들을 포함하고, 상기 이온 소스는 상기 솔레노이드들에 의해 생성되는 자기장들을 제어하기 위한 전력 공급 장치를 더 포함하는, 이온 소스.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 자석들은 솔레노이드들을 포함하고, 상기 이온 소스는 제 1 및 제 2 전력 공급 장치를 더 포함하고, 상기 솔레노이드들 각각은 대응하는 전력 공급 장치에 의해 제어되는, 이온 소스.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 자석들은 영구 자석들을 포함하는, 이온 소스.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 안테나와 통신하며 상기 안테나에 전력을 제공하도록 구성된 RF 전력 공급 장치를 더 포함하는, 이온 소스.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 안테나와 통신하는 제 1 RF 전력 공급 장치 및 상기 제 2 안테나와 통신하는 제 2 RF 전력 공급 장치를 더 포함하고, 상기 제 1 RF 전력 공급 장치는 상기 제 1 안테나에 전력을 공급하고, 상기 제 2 RF 전력 공급 장치는 상기 제 2 안테나에 전력을 공급하는, 이온 소스.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 RF 전력은 2개의 독립적인 정합 네트워크들을 통해 상기 제 1 및 제 2 안테나에 제공되는, 이온 소스.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 확산 챔버로부터 이온들의 방출을 용이하게 하도록 구성된 상기 추출 개구 근처에 위치된 추출 광학계를 더 포함하는, 이온 소스.
  12. 헬리콘 플라즈마 소스; 및
    챔버 하우징을 포함하는 이온 소스로서,
    상기 헬리콘 플라즈마 소스는,
    중심 축, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 유전체 원통;
    상기 유전체 원통의 상기 개방 단부를 향해 방위가 정해져 있으며, 상기 중심 축의 방향에서 자기장을 발생하도록 구성된 상기 유전체 원통을 둘러싸는 자석; 및
    상기 유전체 원통 내에서 헬리콘 파들을 발생할 수 있는 안테나를 포함하고,
    상기 챔버 하우징은 제 1 및 제 2 단부들을 포함하는 확산 챔버를 형성하고, 상기 챔버의 상기 제 1 단부는 상기 유전체 원통의 상기 개방 단부와 통하고, 리본 이온 빔을 추출하기 위한 추출 개구는 높이보다 더 긴 길이를 가지며, 상기 추출 개구의 길이는 상기 확산 챔버의 중심축을 따라 방위되며, 상기 확산 챔버의 중심축은 상기 유전체 원통의 상기 중심 축에 평행한, 이온 소스.
  13. 청구항 11에 있어서,
    멀티커스프 자기장을 생성하기 위해 상기 챔버 하우징을 둘러싸는 추가적인 자석들을 더 포함하는, 이온 소스.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 폐쇄 단부 내의 기체 입구를 더 포함하는, 이온 소스.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 자석은 솔레노이드를 포함하고, 상기 이온 소스는 상기 솔레노이드에 의해 생성되는 필드를 제어하기 위한 전력 공급 장치를 더 포함하는, 이온 소스.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 자석은 영구 자석을 포함하는, 이온 소스.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 안테나와 통신하며 상기 안테나에 전력을 제공하도록 구성된 RF 전력 공급 장치를 더 포함하는, 이온 소스.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 RF 전력은 정합 네트워크를 통해 상기 안테나에 제공되는, 이온 소스.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 확산 챔버로부터 이온들의 방출을 용이하게 하도록 구성된 상기 추출 개구 근처에 위치된 추출 광학계를 더 포함하는, 이온 소스.
  20. 이온 빔 균일성을 조정하는 방법으로서,
    이온 소스를 제공하는 단계와,
    상기 이온 소스의 특징을 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 이온 소스는,
    제 1 헬리콘 플라즈마 소스;
    제 2 헬리콘 플라즈마 소스;
    챔버 하우징;
    기체 입구들;
    전력 공급 장치; 및
    RF 전력 공급 장치를 포함하고,
    상기 제 1 헬리콘 플라즈마 소스는,
    제 1 중심 축, 제 1 폐쇄 단부 및 제 1 개방 단부를 갖는 제 1 유전체 원통;
    상기 제 1 유전체 원통의 상기 개방 단부를 향해 방위가 정해져 있으며, 상기 제 1 중심 축의 방향에서 자기장을 발생하도록 구성된 상기 제 1 유전체 원통을 둘러싸는 제 1 솔레노이드; 및
    상기 제 1 유전체 원통 내에서 헬리콘 파들을 발생할 수 있는 제 1 안테나를 포함하고,
    상기 제 2 헬리콘 플라즈마 소스는,
    제 2 중심 축, 제 2 폐쇄 단부 및 제 2 개방 단부를 갖는 제 2 유전체 원통;
    상기 제 2 유전체 원통의 상기 개방 단부를 향해 방위가 정해져 있으며, 상기 제 2 중심 축의 방향에서 자기장을 발생하도록 구성된 상기 제 2 유전체 원통을 둘러싸는 제 2 솔레노이드; 및
    상기 제 2 유전체 원통 내에서 헬리콘 파들을 발생할 수 있는 제 2 안테나를 포함하고,
    상기 챔버 하우징은 제 1 및 제 2 단부들을 포함하는 확산 챔버를 형성하고, 상기 챔버의 상기 제 1 단부는 상기 제 1 유전체 원통의 상기 개방 단부와 통하고, 상기 챔버의 상기 제 2 단부는 상기 제 2 유전체 원통의 상기 개방 단부와 통하고,
    리본 이온 빔을 추출하기 위한 추출 개구는 높이보다 더 긴 길이를 가지며, 상기 추출 개구의 길이는 상기 확산 챔버의 중심축을 따라 방위되며, 상기 확산 챔버의 중심축은 상기 제 1 유전체 원통의 상기 제 1 중심 축에 평행한,
    상기 기체 입구들은 상기 헬리콘 플라즈마 소스들의 상기 제 1 및 제 2 폐쇄 단부들 내에 있고,
    상기 전력 공급 장치는 상기 솔레노이드들에 의해 생성되는 자기장들을 제어하고,
    상기 RF 전력 공급 장치는 상기 안테나들에 전력을 제공하도록 구성되며 상기 제 1 및 제 2 안테나와 통신하고,
    상기 이온 소스의 특징은 축 자기장들을 조정하기 위한 상기 전력 공급 장치의 출력 전류, 상기 RF 전력 공급 장치의 출력, 및 상기 기체 입구들로의 기체의 유량들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 이온 빔 균일성을 조정하는 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 RF 전력 공급 장치의 상기 출력은 전력 및 주파수 성분을 포함하고, 상기 RF 전력 공급 장치의 상기 조정은 상기 전력 성분을 조정하는 것을 포함하는, 이온 빔 균일성을 조정하는 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 RF 전력 공급 장치의 상기 출력은 전력 및 주파수 성분을 포함하고, 상기 RF 전력 공급 장치의 상기 조정은 상기 주파수 성분을 조정하는 것을 포함하는, 이온 빔 균일성을 조정하는 방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 이온 소스는 제 2 전력 공급 장치를 포함하고, 상기 2개의 전력 공급 장치들 각각은 상기 제 1 및 제 2 솔레노이드 중 각각의 하나를 제어하고, 상기 조정 단계는 상기 전력 공급 장치들 각각의 출력을 조정하는 것을 포함하는, 이온 빔 균일성을 조정하는 방법.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 이온 소스는 제 2 RF 전력 공급 장치를 포함하고, 상기 2개의 RF 전력 공급 장치들 각각은 상기 제 1 및 제 2 안테나 중 각각의 하나를 제어하고, 상기 조정하는 단계는 상기 RF 전력 공급 장치들 각각의 출력을 조정하는 것을 포함하는, 이온 빔 균일성을 조정하는 방법.
KR1020117006822A 2008-08-28 2009-08-24 폭이 넓은 리본 이온 빔 발생을 위한 고밀도 헬리콘 플라즈마 소스 KR101593540B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/200,189 US8142607B2 (en) 2008-08-28 2008-08-28 High density helicon plasma source for wide ribbon ion beam generation
US12/200,189 2008-08-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110057178A KR20110057178A (ko) 2011-05-31
KR101593540B1 true KR101593540B1 (ko) 2016-02-15

Family

ID=41722239

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117006822A KR101593540B1 (ko) 2008-08-28 2009-08-24 폭이 넓은 리본 이온 빔 발생을 위한 고밀도 헬리콘 플라즈마 소스

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8142607B2 (ko)
JP (1) JP5610543B2 (ko)
KR (1) KR101593540B1 (ko)
CN (1) CN102150239B (ko)
TW (1) TWI499359B (ko)
WO (1) WO2010025099A2 (ko)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7812321B2 (en) * 2008-06-11 2010-10-12 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Techniques for providing a multimode ion source
US7999479B2 (en) * 2009-04-16 2011-08-16 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Conjugated ICP and ECR plasma sources for wide ribbon ion beam generation and control
US8183542B2 (en) * 2010-04-05 2012-05-22 Varion Semiconductor Equipment Associates, Inc. Temperature controlled ion source
US8188448B2 (en) * 2010-04-05 2012-05-29 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Temperature controlled ion source
CN102918605B (zh) * 2010-04-21 2015-06-17 恩特格林斯公司 经涂覆之石墨物件及石墨物件之反应性离子蚀刻制造及整修
US8590485B2 (en) * 2010-04-26 2013-11-26 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Small form factor plasma source for high density wide ribbon ion beam generation
RU2494491C2 (ru) * 2010-09-15 2013-09-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Лазерный источник ионов с активной системой инжекции
JP5617817B2 (ja) * 2011-10-27 2014-11-05 パナソニック株式会社 誘導結合型プラズマ処理装置及び誘導結合型プラズマ処理方法
US8901820B2 (en) * 2012-01-31 2014-12-02 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Ribbon antenna for versatile operation and efficient RF power coupling
JP5822767B2 (ja) * 2012-03-22 2015-11-24 住友重機械イオンテクノロジー株式会社 イオン源装置及びイオンビーム生成方法
JP6120259B2 (ja) * 2012-05-10 2017-04-26 株式会社アルバック イオン注入法
US8669538B1 (en) * 2013-03-12 2014-03-11 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Method of improving ion beam quality in an implant system
US9142392B2 (en) * 2013-04-29 2015-09-22 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Self-cleaning radio frequency plasma source
CN103400741B (zh) * 2013-08-14 2016-02-10 宁波瑞曼特新材料有限公司 应用于太阳能电池片的离子束注入掺杂的设备和方法
US9269528B2 (en) * 2013-10-15 2016-02-23 Adavanced Ion Beam Technology, Inc. Medium current ribbon beam for ion implantation
US9299536B2 (en) * 2013-10-17 2016-03-29 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Wide metal-free plasma flood gun
JP6220749B2 (ja) 2014-07-30 2017-10-25 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンガン及びイオンミリング装置、イオンミリング方法
JP6294182B2 (ja) * 2014-07-30 2018-03-14 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンガン及びイオンミリング装置、イオンミリング方法
CN104797071B (zh) * 2015-04-16 2018-09-04 中国科学院等离子体物理研究所 一种磁约束天线内置式射频离子源
US11244808B2 (en) * 2017-05-26 2022-02-08 Applied Materials, Inc. Monopole antenna array source for semiconductor process equipment
TWI719368B (zh) * 2018-12-10 2021-02-21 財團法人國家實驗研究院 高電漿密度離子源裝置
CN110039383A (zh) * 2019-05-17 2019-07-23 苏州至臻精密光学有限公司 一种射频离子源
CN112289679B (zh) * 2020-10-30 2022-11-04 泉芯集成电路制造(济南)有限公司 一种离子布植方法、装置及设备
CN113133174A (zh) * 2021-05-24 2021-07-16 中国科学院合肥物质科学研究院 一种螺旋波-离子回旋共振耦合放电系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004363090A (ja) * 2003-05-09 2004-12-24 Japan Science & Technology Agency 高周波プラズマ装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2052080C (en) * 1990-10-10 1997-01-14 Jesse N. Matossian Plasma source arrangement for ion implantation
JP3189389B2 (ja) * 1992-05-27 2001-07-16 日新電機株式会社 マイクロ波イオン源
JPH0689880A (ja) * 1992-09-08 1994-03-29 Tokyo Electron Ltd エッチング装置
US6471822B1 (en) * 1996-01-24 2002-10-29 Applied Materials, Inc. Magnetically enhanced inductively coupled plasma reactor with magnetically confined plasma
JPH09266096A (ja) * 1996-03-28 1997-10-07 Hitachi Ltd プラズマ処理装置及びこれを用いたプラズマ処理方法
US5824602A (en) * 1996-10-21 1998-10-20 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Helicon wave excitation to produce energetic electrons for manufacturing semiconductors
US20030101935A1 (en) * 2001-12-04 2003-06-05 Walther Steven R. Dose uniformity control for plasma doping systems
US6664548B2 (en) * 2002-05-01 2003-12-16 Axcelis Technologies, Inc. Ion source and coaxial inductive coupler for ion implantation system
US6664547B2 (en) * 2002-05-01 2003-12-16 Axcelis Technologies, Inc. Ion source providing ribbon beam with controllable density profile
US6975072B2 (en) * 2002-05-22 2005-12-13 The Regents Of The University Of California Ion source with external RF antenna
US20060236931A1 (en) * 2005-04-25 2006-10-26 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Tilted Plasma Doping
US7999479B2 (en) * 2009-04-16 2011-08-16 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Conjugated ICP and ECR plasma sources for wide ribbon ion beam generation and control

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004363090A (ja) * 2003-05-09 2004-12-24 Japan Science & Technology Agency 高周波プラズマ装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102150239A (zh) 2011-08-10
TWI499359B (zh) 2015-09-01
CN102150239B (zh) 2013-07-31
KR20110057178A (ko) 2011-05-31
US20100055345A1 (en) 2010-03-04
JP5610543B2 (ja) 2014-10-22
US8142607B2 (en) 2012-03-27
TW201012310A (en) 2010-03-16
WO2010025099A2 (en) 2010-03-04
JP2012501524A (ja) 2012-01-19
WO2010025099A3 (en) 2010-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101593540B1 (ko) 폭이 넓은 리본 이온 빔 발생을 위한 고밀도 헬리콘 플라즈마 소스
KR101647314B1 (ko) 넓은 리본 이온 빔 발생 및 조절을 위한 콘쥬게이티드 ｉｃｐ 및 ｅｃｒ 플라즈마 소스
US7700925B2 (en) Techniques for providing a multimode ion source
US7863582B2 (en) Ion-beam source
US20060006348A1 (en) Apparatus and method for doping
US20040104683A1 (en) Negative ion source with external RF antenna
KR102204217B1 (ko) 자기 제한을 갖는 플라즈마 소스를 이용하는 플라즈마 기반 재료 변경
US20110259269A1 (en) Small form factor plasma source for high density wide ribbon ion beam generation
JP2005514762A (ja) 加工物をプラズマ処理するための磁気フィルタを備える方法および装置
US5266146A (en) Microwave-powered plasma-generating apparatus and method
KR101065450B1 (ko) 이온원 장치 및 그 장치를 위한 전자 에너지 최적화 방법
US8760054B2 (en) Microwave plasma electron flood
US20160233047A1 (en) Plasma-based material modification with neutral beam
US6504159B1 (en) SOI plasma source ion implantation
JPH01302645A (ja) 放電装置
KR101977702B1 (ko) 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant