KR101631159B1 - 잠입된 낮은 인덕턴스 ｒｆ 코일 및 멀티커스프 자기 배열을 이용하는 유도성 결합 플라즈마 플러드 건 - Google Patents

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Abstract

유도성 결합된 라디오 주파수(RF) 플라즈마 플러드 건을 제공하기 위한 디바이스가 개시된다. 하나의 특정 대표적인 실시예에서, 상기 디바이스는 이온 주입 시스템에서의 플라즈마 플러드 건이다. 상기 플라즈마 플러드 건은, 하나 또는 그 이상의 개구들을 갖는 플라즈마 챔버, 상기 플라즈마 챔버에 적어도 하나의 가스 상태의 물질을 공급하는 것이 가능한 가스 소스, 및 상기 플라즈마 챔버 내에 배치된 싱글-턴 코일 및 플라즈마를 생성하기 위한 상기 플라즈마 챔버내의 적어도 하나의 가스 상태의 물질을 여기 시키기 위해서 라디오 주파수 전력을 유도성 결합하기 위한 상기 코일에 결합된 파워 소스를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 챔버의 내부 표면은 금속 함유 재료가 없을 수 있고, 상기 플라즈마는 플라즈마 챔버 내에서 어떠한 금속 함유 컴포넌트에 노출되지 않을 수 있다. 상기 플라즈마 챔버는 상기 플라즈마를 제어하기 위한 복수개의 자석들을 포함할 수 있다. 결과로 초래된 플라즈마의 음으로 대전된 입자들이 관련된 이온 주입시스템의 일부인 이온 빔에 접촉하는 것이 가능하도록 배출 개구가 상기 플라즈마 챔버 내에 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 자석들이 상기 개구의 반대 측면들 상에 배치되어 상기 플라즈마의 전자들을 조작하기 위해서 사용된다.

Description

잠입된 낮은 인덕턴스 ＲＦ 코일 및 멀티커스프 자기 배열을 이용하는 유도성 결합 플라즈마 플러드 건{INDUCTIVELY COUPLED PLASMA FLOOD GUN USING AN IMMERSED LOW INDUCTANCE RF COIL AND MULTICUSP MAGNETIC ARRANGEMENT}
본 발명의 실시예들은 반도체 구조들의 이온 주입(ion implantation)의 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 저 에너지 플라즈마를 생성하고 그리고 그것을 이온 빔과 접촉하게 보내기 위한 잠입된 RF 코일 및 오프셋 멀티커스프 개구를 가지는 플라즈마 플러드 건(plasma flood gun)에 관한 것이다.
이온 주입(Ion implantation)은 예를 들어 반도체 웨이퍼와 같은 기판에 불순물 이온들을 도핑 하기 위해 사용되는 프로세스이다. 일반적으로, 이온 빔은 이온 소스로부터 기판을 향하여 보내진다. 여러 공급 가스(feed gas)들이 특정 도펀트 특성들을 가지는 이온 빔들을 형성하기 위해 사용되는 플라즈마를 획득하기 위해서 이온 소스 챔버로 공급된다. 예를 들어, 공급 가스들 PH3, BF3, 또는 AsH3로부터 다양한 원자 및 분자 이온들이 이온 소스 내에서 만들어지고, 그리고 이어서 가속되고, 질량 선택된다. 기판 내에 생성된 이온들의 주입 깊이(depth of implantation)는 이온 주입 에너지 및 이온들의 질량에 기반된다. 하나 또는 그 이상의 타입들의 이온 종은 희망하는 디바이스 특성들을 획득하기 위해서 상이한 에너지 레벨 들에서 그리고 상이한 도우즈들로 타겟 웨이퍼 또는 기판에 주입될 수 있다. 기판에서의 정확한 도핑 프로파일(doping profile)은 적절한 디바이스 동작에 중요하다.
주입 프로세스들 동안에, 타겟 기판상에 양으로 대전된 이온들의 충돌은 웨이퍼 표면의 절연된 부분들 위에 양 전하의 빌드업(build-up)으로 귀결될 수 있고, 그 위에 양의 포텐셜(potential)들을 유도한다. 활성 이온(energetic ion)들은 또한 웨이퍼로부터의 2차 전자 방출을 통하여 추가 웨이퍼 대전에 기여할 수 있다. 결과적인 양(positive)의 포텐셜들은 일부 소형 구조들에서 영구적인 손상을 일으키는 강한 전기장들을 만들 수 있다. 이 전하 빌드업(charge buildup)을 완화시키기 위해 플라즈마 플러드 건(PFG : plasma flood gun)이 사용될 수 있다. 특별히, PFG는 전형적으로 이온 빔이 웨이퍼 또는 타겟 기판상에 그것의 충돌을 하기 바로 전인 유입 이온 빔 근처의 플래튼 가까이에 위치될 수 있다. PFG는 종종 플라즈마 챔버를 포함하고 플라즈마는 아르곤(Ar), 크세논(Xe) 또는 크립톤(Kr)과 같은 불활성 가스의 원자들의 이온화(ionization)를 통해 생성된다. 플라즈마로부터의 저 에너지(low-energy) 전자들은 이온 빔 내로 유입되고 과도하게 양으로 대전된 웨이퍼를 중성화시키기 위해 타겟 웨이퍼를 향하여 끌어당겨진다.
현존하는 PFG들은 많은 단점들을 경험하고 있다. 하나의 중요한 단점은 금속 오염(metal contamination)을 갖는 것이다. 특별히, 일부 종래의 PFG들은 플라즈마 생성을 위한 핫 텅스텐 필라멘트(hot tungsten filament)를 사용한다. 동작 동안에, 텅스텐 필라멘트는 점차적으로 소모되고 텅스텐 원자들은 프로세스 웨이퍼들 뿐만 아니라 이온 주입 시스템을 오염시킬 수 있다. 금속 오염들의 또 다른 흔한 원인은 PFG 플라즈마 챔버, 그 자체이다. 플라즈마 챔버의 내부 표면은 종종 하나 또는 그 이상의 금속들 또는 금속 화합물들을 함유한다. 플라즈마 방전들에 대한 내부 표면의 지속적인 노출은 이온 주입 시스템 내로 금속 원자들을 방출할 수 있다. 금속 전극들 또는 플라즈마 챔버 내부에 배치된 다른 금속 성분들이 유사한 오염들을 일으킬 수 있다.
비록 오염 문제는 완전히 유전체 재료의 바깥에 플라즈마 챔버를 구성함으로써 완화될 수 있지만, 이런 해결책은 비도전성 내부 표면이 플라즈마 포텐셜을 증가시키고 그 결과 방출된 전자들의 에너지에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 이온 주입 시스템에서 전하 중성화를 위해 상대적으로 낮은 전자 에너지가 일반적으로 바람직하다. 저 에너지 전자들은 쉽게 이온 빔의 양의 전위(electric potential)내에 트랩 될 수 있어서 양으로 대전된 웨이퍼를 향하여 빔 내에서 이동할 수 있다. 대조하여, 과잉(excessively) 활성 전자들은 빔으로부터 탈출할 수 있고 웨이퍼에 도달하지 않을 수 있다. 또한, 과잉 활성 전자들, 만약 그것들이 웨이퍼에 도달한다면,은 웨이퍼 표면 위에는 순 음의 대전(net net negative charg)을 초래할 수 있다. 이것은 웨이퍼 표면 위에 초과 음 전하의 빌드업(build-up)으로 귀결될 수 있고 이런 음 정전하(electrostatic charge)가 웨이퍼 표면상에 축적되는 정도는 웨이퍼에 도달하는 전자들의 에너지에 관련된다.
PFG를 디자인함에 있어서 또 다른 난제는 현존하는 이온 주입 시스템들에 실질적 변형들을 요구함이 없이 현존하는 PFG를 위해 유보된 미리 정해진 공간 내에 꼭 들어맞게 충분히 콤팩트(compact)하도록 만드는 것이다. 단지 새로운 PFG를 수용하기 위해 완성한 이온 주입 시스템을 개조하는 것은 종종 경제적으로 실행할 수 없다. 따라서, 다른 방식으로 동작 가능한 이온 주입기를 위한 업그레이딩(upgrading) PFG는 현재 시스템들 내에 용이하게 개조될 수 있는 PFG 디자인을 필요로 한다. 따라서, 상기에서 설명한 부적절성들 및 결점들을 극복하는 PFG를 제공하는 것에 대한 요구가 있다.
본 발명의 대표적인 실시예들은 이온 빔과 접촉하는 저 에너지 전자들을 생성하고 그리고 보내기 위한 잠입된 RF 코일 및 오프셋 멀티커스프 개구를 가지는 플라즈마 플러드 건(plasma flood gun)에 관한 것이다. 일 대표적인 실시예에서, 이온 주입 시스템들에서의 사용을 위한 플라즈마 플러드 건은 배출 개구를 갖는 플라즈마 챔버, 가스 소스, 싱글-턴 라디오 주파수(RF) 코일 및 파워 소스를 포함한다. 가스 소스는 플라즈마 챔버에 가스 상태의 물질(gaseous substance)을 공급하는 것이 가능하다. 싱글-턴 RF 코일은 플라즈마 챔버 내에 배치되고, 파워 소스는 플라즈마를 생성하는 가스 상태의 물질을 여기 시키기 위해서 RF 코일을 통하여 플라즈마 챔버 내에 라디오 주파수 전력을 유도 결합시키기 위해 RF 코일에 결합된다. 플라즈마 챔버의 배출 개구는 플라즈마의 대전된 입자들이 그것을 통과하여 유출되는 것을 허용하게 하는 충분한 폭을 갖는다.
이온 주입 시스템에서 플라즈마 플러드 건을 제공하기 위한 대표적인 방법에서, 배출 개구(exit aperture)를 갖는 플라즈마 챔버가 제공되고, 플라즈마 챔버의 전체 내부 표면은 금속 또는 금속 화합물이 없다. 적어도 하나의 가스 상태의 물질이 플라즈마 챔버에 공급되고 그리고 플라즈마 챔버 내에 배치된 싱글-턴 코일, 적어도 하나의 가스 상태의 물질을 여기 시키는,을 통하여 플라즈마 챔버 내로 RF 파워를 결합시킴으로써 대전된 입자들을 갖는 플라즈마가 생성된다. 플라즈마로부터 대전된 입자들의 적어도 일부가 하나 또는 그 이상의 개구들을 통하여 플라즈마 챔버를 빠져나간다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개시된 플라즈마 플러드 건을 통합하는 이온 주입기 시스템을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 개시된 플라즈마 플러드 건의 사시도(perspective view)이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2 의 라인3-3을 따라 취해진 개시된 플라즈마 플러드 건의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2 의 라인 4-4을 따라 취해진 개시된 플라즈마 플러드 건의 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 자석들의 일 대표적인 배열을 보여주는 도 4에 개시된 플라즈마 플러드 건의 상세도이다
도 6a-6c 는 본 발명의 일 실시예에 따른 자석들의 대안적인 배열을 보여주는 도 4에 개시된 플라즈마 플러드 건의 상세도이다
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개시된 플라즈마 플러드 건을 이용하고 제공하는 방법을 예시하는 플로우 차트(flow chart)이다.
이온 주입기들은 재료들의 도전성을 선택적으로 변경하기 위해 반도체 제조에서 폭 넓게 사용된다. 전형적인 이온 주입기에서, 이온 소스로부터 생성된 이온들은 하나 또는 그 이상의 분석 자석들 및 복수개의 전극들을 포함할 수 있는 연속의 빔-라인 컴포넌트들을 통하여 보내진다. 빔-라인 컴포넌트들은 희망하는 이온 종을 선택하고, 오염 종 및 희망하지 않는 에너지를 갖는 이온들을 여과시키고 타겟 웨이퍼에서의 이온 빔 품질을 조정한다. 적절하게 형상화된 전극들은 이온 빔의 에너지 및 형상을 개조할 수 있다.
대표적인 고 전류 이온 주입기 툴(100)은 개괄적으로 도 1에 도시되고 이온 소스 챔버(102) 및 웨이퍼 또는 기판으로 이온 빔을 보내는 연속의 빔 라인 컴포넌트들을 포함한다. 이들 컴포넌트들은 진공 환경 내에 수용되고 그리고 희망하는 주입 프로파일에 기반하여 고 또는 저 에너지 주입을 이온 도우즈 레벨들에 제공하도록 구성된다. 특별히, 주입기 (100)은 희망하는 종의 이온들을 생성하기 위해서 이온 소스 챔버(102)를 포함한다. 챔버는 대전된 이온들 및 전자들(플라즈마)을 형성하기 위해서 챔버(102)내로 유입되는 공급 가스를 이온화 하는 파워 서플라이(101)에 의해 전력 공급되는 관련 핫 캐소드(hot cathode)를 갖는다. 핫 캐소드는 예를 들어 가열된 필라멘트 또는 간접적으로 가열된 캐소드일 수 있다.
여러 공급 가스(feed gas)들이 특정 도펀트 특성들을 갖는 이온들을 생성하기 위해서 소스 챔버로 공급된다. 이온들은 소스 챔버(102)로부터 추출된 이온 빔(95)을 집중시키기 위해 희망하는 전기장을 만드는데 사용되는 표준 세 개(3)의 추출 전극을 통하여 소스 챔버(102)로부터 추출될 수 있다. 빔(95)는 분해 개구(resolving aperture)에 대하여 희망하는 전하 대 질량 비(charge-to-mass ratio)를 갖는 이온들만 통과시키는 기능을 하는 자석을 구비한 질량 분석기 챔버(106)을 통과하여 지나간다. 특별히, 분석기 자석은 빔(95)이 인가된 자기장, 희망하지 않는 전하 대 질량 비를 갖는 이온들이 빔 경로로부터 편향되도록 하는,에 노출되게 하는 구부러진 경로(curved path)를 포함할 수 있다. 감속 스테이지 (108)는 (또한 감속 렌즈들로 언급됨) 정의된 개구를 가진 복수개의 전극(예, 세 개)들을 포함할 수 있고, 그리고 이온 빔(95)을 출력하도록 구성된다. 자석 분석기(110)는 감속 스테이지 (108)의 다운스트림(downstream)에 위치되고 그리고 이온 빔(95)을 평행 궤적들을 갖는 리본 빔(ribbon beam)으로 편향시키도록 구성된다. 자기장은 자기 코일을 통하여 이온들의 편향을 조정하기 위해서 사용될 수 있다.
이온 빔(95)은 지지부(support) 또는 플래튼 (114)에 부착된 작업물을 향하여 표적된다. 콜리메이터 자석 챔버(110) 및 지지부(114) 사이에 배치된 추가의 감속 스테이지 (112)가 또한 사용될 수 있다. 감속 스테이지 (112)(또한 감속 렌즈들로 언급됨)는 플래튼 (114)상의 타켓 기판 근처에 위치되고 희망하는 에너지 레벨에서 이온들을 타켓 기판에 주입하기 위한 복수개의 전극들(예, 세 개)를 포함할 수 있다. 이온들은 그것들이 기판에서의 핵 및 전자들과 충돌할 때 에너지를 잃기 때문에 그것들은 가속도 에너지(acceleration energy)에 기반하여 기판내의 희망하는 깊이에서 휴지상태(rest)가 된다. 이온 빔은 빔 스캐닝에 의해, 플래튼(114)를 이용한 기판 움직임에 의해, 또는 빔 스캐닝 및 기판 움직임의 조합에 의해서 타켓 기판상에 분포될 수 있다. 플라즈마 플러드 건(PFG)(116)은 빔이 기판을 충돌하기 바로 전에 이온 빔에 플라즈마를 인가하기 위해서 플래튼 (114)의 직전 업스트림(upstream)에 위치될 수 있다.
도 2-4에 관련하여, 실질적으로 무 금속(metal-free) 내부 표면을 가지는 플라즈마 챔버(118)을 전반적으로 포함하는 대표적인 PFG (116)이 도시된다. 라디오 주파수(RF) 코일(120)이 챔버 내에 봉입된 가스를 직접 여기 시켜서, 희망하는 플라즈마를 만들고 그리고 유지하기 위해 플라즈마 챔버(118)내에 배치될 수 있다. RF 코일은 금속이기 때문에, 그것은 챔버 내에서의 플라즈마에 대한 노출(exposure)로부터 코일(120)을 보호하는 케이싱(122)내에 봉입되어 금속 이온들로부터 플라즈마의 오염을 제한하고 그리고 코일의 열화(deterioration)를 방지한다. 플라즈마 챔버(118)은 일 측면상에, 플라즈마가 챔버 밖으로 유출되고 그리고 이온 빔(95)의 이온들과 접촉할 수 있는 가늘고 긴(elongate) 개구 (124)를 가질 수 있다. 일련의 영구 자석들(126)은 그 안에 만들어진 플라즈마를 제어하고 수용하기 위해서 플라즈마 챔버(118) 주위에 배치된다. 특별히, 영구 자석들은 플라즈마 챔버(118) 벽들의 외측에 위치되고 그것들의 개별 자기장들은 챔버의 벽들 통하여 연장된다. 이하에서 더 상세하게 논의될 것처럼, 이들 자석들의 특성들은 플라즈마가 개구 (124)를 통하여 챔버를 빠져나올 때 플라즈마의 희망하는 특성들을 획득하기 위해 제어될 수 있다. PFG (116) 은 RF 코일에 인가되는 파워의 동작을 제어하기 위해 적절한 제어 시스템(128)을 또한 포함한다.
측벽들(130)과 같은 플라즈마 챔버(118)의 내부 부분들은 흑연 또는 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 비금속 도전성 재료로 만들어질 수 있다. 대안적으로, 내부 표면의 내부 부분들은 비금속 도전성 재료(예, 흑연 또는 SiC)의 코팅을 가질 수 있다. 코팅은 금속 또는 비금속 표면 위에 적용될 수 있다. 대안적으로, 플라즈마 챔버(118)의 내부 표면들은 노출된 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 함유 재료(예를 들면, 산화 알루미늄 또는 Al2O3)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 내부 표면의 일 부분은 비금속 도전성 재료로 코팅될 수 있는 한편 다른 부분은 노출된 알루미늄을 포함할 수 있다.
코일(120) 및/또는 측벽들(130)은 물 또는 다른 냉각제들로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 코일(120) 및 측벽(130)은 그곳에 냉각제의 순환을 허용하는 공동(hollow)일 수 있다. 하나 또는 그 이상의 가스 상태의 물질(gaseous substance)들이 플라즈마 챔버에 공급될 수 있는 것을 통하여 피드 스루 가스 파이프(feed-through gas pipe)(미도시)가 플라즈마 챔버(118)의 측벽에 제공될 수 있다. 가스 상태의 물질들은 제논(Xe), 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr)과 같은 불활성 가스들을 포함할 수 있다. 가스 압력은 전형적으로 1-50 mTorr의 범위에서 유지된다.
보여지는 것처럼, 코일 (120)은 전반적으로 플라즈마 챔버(118)의 중심을 거쳐 연장되는 가늘고 길게 된(elongated) 형상을 가질 수 있다. 코일 (120)의 일단은 RF 파워 서플라이, 제어 시스템(128)의 일부로서 제공되고 그리고 RF 전력(electrical power)을 플라즈마 챔버(118)에 유도성 결합시킬 수 있는,에 연결될 수 있다. RF 전력은, 예를 들면, 2 MHz, 13.56 MHz 및 27.12 MHz와 같은, 산업, 과학 및 의료용(ISM) 장비에 할당된 전형적인 주파수들에서 동작할 수 있다.
도시된 바와 같이, 코일 (120)은 싱글-턴(single-turn)을 포함하고, 그리고 석영 튜브들 (122)에 의해 주변 플라즈마로부터 격리된다. 코일 (120)은 플라즈마 챔버(118)내에 완전히 봉입될 수 있거나 또는 그것은 플라즈마 챔버의 벽에 연결하는 부분을 가질 수 있거나 또는 플라즈마 챔버의 벽을 통과하여 연장될 수 있다. 도 2 및 3a 은 제어 시스템(128)의 반대편에 있는 코일의 끝단이 플라즈마 챔버 벽을 통과하여 연장되는 배열을 보여준다. 이런 배열은 코일(120)에 대하여 증강된 구조적 지지를 제공할 뿐만 아니라 석영 싸개(surround)를 유지하는 것과 관련된 문제들을 가지지 않고서 코일이 구부러지는 것을 허용한다.
싱글-턴 구성에서의 코일 (120)을 제공하는 것은 시스템을 낮은 인덕턴스 및 낮은 임피던스에서 동작시키는 것을 가능하게 하고, 그것은 더 높은 전류가 낮은 구동 전압으로 코일을 통과되는 것을 허용한다. 보다 낮은 구동 전압, 결국, 플라즈마 전자들의 용량성 가열(capacitive heating)을 감소시켜서 낮은 전자 온도 플라즈마를 만든다. 더 높은 코일 전류는 또한 주어진 입력 파워에 대하여 더 높은 플라즈마 밀도 및 더 많은 유도 결합(inductive coupling)을 제공한다. 예를 들어, 1000볼트 피크(peak)보다 작은 코일 전압을 가진 2 마이크로 헨리보다 작은 인덕턴스 및 3 전자 볼트(eV)보다 작은 플라즈마 전자 온도가 싱글-턴 코일 (120) 구성을 이용하여 채용될 수 있다. 추가하여, 개시된 잠입된 코일 디자인은 선행 디자인들의 코일들이 플라즈마 챔버의 단지 일 측면상에만 존재하는 것에 반대되어 그것이 에너지를 플라즈마 내에 모든 방향들로 결합시킬 수 있기 때문에 더 효율적인 유도성 결합(inductive coupling)을 제공한다. 개시된 디자인의 효율은 선행 디자인들과 비교될 때 더 균일한 전하 중성화(charge neutralization)을 제공하는 리본 빔(95)의 길이 방향을 따라서 연장된 출력부(output)를 고려하여 전체 빔과 웨이퍼 균일도(uniformity)를 증강시킨다.
도 3b는 개시된 PFG (116) 의 일부로서 사용을 위한 대표적인 코일 (120)을 보여준다. 언급된 바와 같이, 코일 (120)은 1/2 - 2 인치들의 범위에 있을 수 있는 곡률 반경(bend radius) R을 가진 싱글 턴의 가늘고 긴 형상(elongated shape)을 가질 수 있다. 코일(120)의 전체 길이는 8-24 인치의 범위에 있을 수 있다. 도 3c는 코일이 공동(hollow)인 일 실시예에서 라인 B-B을 따라서 취해진 코일(120)의 단면을 보여준다. 코일(120)은 1/4 내지 1/2 인치의 범위에 외경(outer diameter) "OD" 및 1/16 내지 3/8인치의 범위에 내경(inner diameter) "ID"를 가질 수 있다. 코일 (120)은 알루미늄 또는 구리로 만들어질 수 있고 케이싱 (122)은 석영, 세라믹 또는 유사한 재료로 만들어질 수 있다.
코일(120)을 통하여 플라즈마 챔버(118)에 결합된 RF 전력은 플라즈마를 생성하기 위해 그 안의 불활성 가스들을 여기 시킬 수 있다. 플라즈마 챔버(118) 내부에서의 플라즈마의 형상 및 위치는 코일(120)의 형상 및 위치에 의해 적어도 부분적으로 영향을 받을 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 코일(120)은 플라즈마 챔버(118)의 전체 길이를 실질적으로 연장시킬 수 있다. 무금속 내부 표면 때문에, 플라즈마 챔버(118)는 어떤 금속 오염을 유입없이 플라즈마에 항상 노출될 수 있다.
이온 주입 시스템에서, PFG(116)는 이온 빔이 플래튼(114)에 배치된 타겟 기판에 도달하기 바로 전 이온 빔(95)(도 1) 근처에 전형적으로 위치된다.플라즈마 챔버(118)의 일 측벽에는, 생성된 플라즈마가 이온 빔(95)과 접촉하는 유출을 허용하도록 배출 개구(124)가 위치된다.예시된 실시예에서는, 단일 배출 개구(124)가 도시된다. 그러나, 복수개의 더 작은 분리 배출 개구들이 이온 빔(95)의 폭을 가로질러 연장되는 어레이로 제공될 수 있는 것이 인식될 것이다. 리본 형상의 이온 빔에 대하여, 배출 개구들(124)은 실질적으로 리본 폭을 커버(cover)할 수 있다. 스캐닝되는 이온 빔의 경우에, 배출 개구들(124)은 스캔 폭을 커버할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 배출 개구(124)는 4-18 인치의 폭을 커버할 수 있다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 인식될 것처럼, 임의의 다양한 폭들이 성취될 수 있다.
플라즈마로부터의 대전된 입자들(예, 전자들 및 이온들)이 배출 개구(124)를 통과하는 것을 허용하기 위해, 배출 개구(124)의 폭 "W"은 전형적으로 플라즈마의 쉬스(sheath) 폭의 두 배보다 더 크다. 일 실시예에 따라, 플라즈마는 플라즈마 챔버(118) 바로 바깥쪽을 지나가는 이온 빔에 대하여 플라즈마 브리지(plasma bridge)를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 배출 개구(124)의 폭 "W"은 개구가 플라즈마 브리지를 수용하기에 충분히 넓도록 쉬스 폭의 두 배보다 더 큰 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라, PFG(116)의 단순한 디자인은 그것을 더 오래된 유형의 PFG를 위해 유보된 미리 정의된 공간 내에 맞도록 개작할 수 있도록 한다. 따라서, 업그레이드(upgrade)를 위해 현존하는 PFG 하우징(housing)을 변경할 필요가 없을 수 있다.
비록 PFG (116)는 이온 빔(95)의 위가 바로 밑으로 향하는(즉, 이온빔에 직교하는) 그것의 배출 개구(124)를 가지는 것으로 도시하고 있지만, 다른 방위들이 또한 고려된다. 따라서, PFG(116)의 일 실시예에서 배출 개구(124)는 플라즈마 브리지가 임의의 각도로 이온 빔(95)에 합류하도록 하기 위해 틸트 될 수 있다. 예를 들면, PFG(116)는, 배출 개구(124) 밖으로 나오는 전자들(또는 플라즈마 브리지들)이 웨이퍼의 기본 방향(general direction)으로 보내지고 45도의 각도에서 이온 빔(95)에 합류하도록 개작될 수 있다. 다른 각도들이 또한 고려된다.
앞에서 언급한 것처럼, 플라즈마 챔버(118)는 챔버 내에 만들어진 플라즈마를 포함하고 제어하기 위해 배열된 일련의 자석들(영구 자석들 또는 전자석들)(126)을 포함할 수 있다. 이들 자석들(126)의 특성들은 또한 플라즈마가 개구(124)를 통하여 챔버(118)를 빠져나갈 때 플라즈마의 특성들을 제어하도록 배열될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 따라, 자석들(126)의 적응성 있는(flexible) 구성들이 플라즈마 챔버 내에서 효율적인 플라즈마 구속(plasma confinement)을 달성하고 그리고 챔버를 빠져나가는 플라즈마의 성질을 제어하기 위해서 배출 개구(124)에 인접하여 제공될 수 있다.
도 4 는 자석들(126)(예, 영구 자석들 또는 전자기 코일들)이 챔버(118) 의 주변 주위에 배치된 PFG (116) 의 단면도를 보여준다. 일 실시예에서, 자석들(126)은 챔버의 길이에 평행하게 정렬되고 그리고 인접한 자석들의 극(pole)들은 N극(north) 과 S극(south)이 교번한다. 이 배열은 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마를 구속하는 역할을 한다. 자석(126)들의 세기는 챔버 벽의 내부 표면을 따라서 감지할 수 있을 정도의 자기장(예, 적어도 50 가우스(Gauss))이다.
도 5 는 플라즈마 챔버(118)의 배출 개구(124)에서 불균형 커스프 필드(unbalanced cusp field)의 사용을 예시한다. 일반적으로, 플라즈마 챔버 주위의 멀티커스프 자석들의 배열은 플라즈마 챔버의 벽들로부터 떨어진 플라즈마를 구속함으로써 플라즈마 밀도를 증강시킨다. 그것은 비탄성 전자/중성자 충돌들의 레이트(rate)를 증가시킴으로써 전자 온도를 감소시키는데 또한 도움이 된다. 배출 개구를 향하여 플라즈마를 집중시키면서 동시에 플라즈마 챔버의 벽들로부터 떨어진 벌크 플라즈마를 구속시키는 것은 바람직하다. 따라서, 도시된 바와 같이,자석들은 반발하는 다이폴 필드(dipole field)(예, 챔버의 표면으로부터 플라즈마를 반발시키는)를 생산하기 위해 전술한 교번하는 N-S 구성으로 챔버의 주변 대부분에 배열된다. 그러나, 배출 개구(124)는 플라즈마를 배출 개구(124)를 향하여 보내는 커스프 필드를 생산하기 위해서 N-N 극 배열(pole arrangement)사이에 위치되도록 한다.
개구를 빠져나가는 전자들의 에너지를 동조시키는 능력을 유지하기 위해서, 자석 N'의 세기가 자석 N의 세기 보다 더 약한 약간의 오프셋 커스프 필드가 제공된다. 이 방식에서는, 배출 개구(124)영역에서는 커스프 컴포넌트(빠져나가는 전자들의 방향에 평행하게 지향된)위에 중첩된 다이폴 컴포넌트(dipole component)(개구를 빠져나가는 전자들의 방향에 직각으로 지향된)가 또한 있다. 최저 에너지 전자들은 필드를 가로 질러 충돌하여 확산될 수 있는 반면 보다 높은 에너지 전자들은 배출 궤적으로부터 벗어나서 임의의 라머 반경(Larmor radius)으로 구부러지기 때문에 더 높은 에너지 전자들에 대하여 다이폴 컴포넌트들은 에너지 필터(energy filter)로서 역할을 한다. 동일한 극성과 동일한 세기의 자석들을 이용하고, 배출 개구로부터 서로 다른 거리에 자석들을 배치함으로써 배출 개구(124)에서 불균형 커스프 필드를 만드는 것이 또한 가능하다.
훨씬 더 약한 N-S 다이폴이 플라즈마의 일부를 배출 개구 근처에 집중시키고 그리고 동시에 다이폴 필터링을 제공하도록 하기 위해서 배출 개구를 가로질러서 또한 사용될 수 있다. 배출 개구를 가로지르는 더 약한 N-S 다이폴 필드의 크기는 벽으로부터 떨어진 플라즈마를 구속시키기 위해 사용되는 다이폴 필드의 작은 일부이어야만 한다. 이것이 충분한 양의 플라즈마가 배출 개구에 도달하는 것을 허용한다.
도 6a 은 배출 개구(124)에 인접한 영역에서의 대칭인 커스프 필드(예, 같은 세기의 N-N 자석들을 이용하여)를 갖는 배열을 보여준다.이 배열은 에너지에 상관없이 모든 전자들을 배출 개구를 통과하여 보낸다. 대안적으로, 도 6b는 같은 극성 및 같은 세기의 자석들을 이용하지만, 자석들 사이에서 중심에서 벗어난 배출 개구(124)를 가지고 배출 개구(124)에서의 불균형한 커스프 필드가 형성되는 실시예를 예시한다. 이 수직 라인(vertical line)은 수직으로 배향된 커스프 필드가 최대이고 그리고 수평으로 유도된 다이폴 필드가 최소인 위치를 표시한다.
이해될 것과 같이, 자석(126)들은 챔버안에 플라즈마를 구속시키기 위해서 플라즈마 챔버(118) 내에서 희망하는 자기장을 만들기 위해서 융통성 있게 배열 및 재배열될 수 있다. 자기장의 길이 및 형상을 변화시킴에 의해, 플라즈마의 균일도(uniformity) 및 밀도가 조정될 수 있다. 결과적으로, 플라즈마 챔버의 측벽들에 대한 전자 손실들이 감소될 수 있다. 적절한 플라즈마 구속(confinement)은 또한 플라즈마 포텐셜(potential) 및 쉬스 폭을 감소시킬 수 있고 그에 따라 전자 출력을 증강시킬 수 있다. 도 6c 는 한 쌍의 자석들이 배출 개구(124)의 반대 측면들 상에 배치되고 그리고 배출 개구에 맞추어 정렬되는 실시예를 예시한다. 그 쌍의 자석들의 각각은 다른 극 구성을 가지며, 배출 개구(124)는 자석들 사이에 중심에서 벗어나 있다. 다이폴 필드는 배출 개구(124)의 반대 측면들 상의 자석들 사이에 배치된 라인들에 의해 표시된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PFG(116)를 동작시키고 제공하기 위한 대표적인 방법을 예시하는 플로우 차트이다. 스텝(702)에서, 그 안에 배치된 싱글-턴(single-turn) RF 코일 (120)을 갖는 플라즈마 챔버(118)가 제공될 수 있다. 플라즈마 챔버의 내벽들은, 오염을 방지하기 위해 흑연 또는 다른 비금속 도전성 재료들로 코팅될 수 있다. RF 코일(120)은 플라즈마에 대한 노출로부터 코일을 보호하기 위해서 보호 재료에 포장될 수 있다. 스텝(704)에서, 제논(Xe), 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr) 가스는 10-20 mTorr의 낮은 압력에서 플라즈마 챔버로 제공될 수 있다. 제논(Xe)은 그것의 무거운 질량 및 불활성 가스들 중에서 상대적으로 낮은 이온화 포텐셜(ionization potential)에 때문에 PFG 용도들로 선호되는 가스일 수 있다. 스텝(706)에서, RF 파워가 잠입된 코일(120)을 통하여 플라즈마 챔버(118)에 결합될 수 있다.
스텝(708)에서, RF 파워는 제논(Xe) 플라즈마를 점화시키고 지속시키기 위해 동조될 수 있다. 가스 원자들을 분해(break down)하기 위해서, 비교적 높은 가스 압력 및/또는 높은 RF 파워 설정으로 시작하는 것이 바람직할 수 있다. 일단 플라즈마가 점화되면, 그것은 보다 낮은 가스 압력 및/또는 RF 파워 설정에서 지속될 수 있다. 스텝(710)에서, 플라즈마는 자기적으로 구속될 수 있고 플라즈마로부터의 전자들은 플라즈마 챔버(118) 주위에 산개된 위치들에 배치된 자석들로(영구 자석들 또는 전자석들) 자기적으로 필터링 될 수 있다. 자석들은 플라즈마 밀도 및 균일도를 개선시키기 위해서 다중 극 구성(multi-pole configuration)으로 배열될 수 있고 그래서 전자 생성을 증강시킬 수 있다. 자석들은 플라즈마를 배출 개구(124)를 향하여 보내는 커스프 필드(cusp field)를 생산하기 위해서 N-N 극 배열(pole arrangement)로 배출 개구 근처에 배열될 수 있다.
스텝(712)에서, 플라즈마 챔버로부터 생성된 전자들은 플라즈마 챔버내의 배출 개구(또는 개구들)를 통하여 빔이 기판에 충돌하기 바로 직전에 이온 빔에 제공될 수 있다. 이온 빔은 플라즈마의 부유하는 저 에너지 전자들에 대하여 캐리어(carrier)의 역할을 할 수 있다. 기판이 양의 포텐셜로 약하게 대전되자마자, 전자들은 양 전하들의 초과량(excess)을 중성화시키기 위해서 기판을 향하여 이동될 수 있다.
본 출원에서 설명된 방법은 예를 들어 명령들을 실행하는 것이 가능한 기계에 의해 판독되는 것이 가능한 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체상에 명령들의 프로그램을 유형(tangibly) 구체화함으로써 자동화될 수 있다. 범용의 컴퓨터가 이런 기계의 일 예이다. 관련 기술분야에 잘 알려진 적절한 저장 매체의 비제한적인 대표적인 리스트(list)는 판독 가능한 또는 기입 가능한 CD, 플래시 메모리 칩들(예, 썹 드라이브들(thumb drives)), 다양한 자기 저장 매체 및 유사한 것들과 같은 디바이스들을 포함한다.
본 발명은 임의의 실시예들을 참고로 하여 개시되었지만, 많은 변형예들, 설명된 실시예들에 대한 변경들 및 변화들이 첨부된 청구항들로 정의되는 본 발명의 범위 및 영역으로부터 벗어나지 않고 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예들에 한정되는 것이 아니라 그것은 다음의 청구항들의 표현들에 의해 정의된 전체 범위를 가지는 것으로 의도된다.

Claims (24)

  1. 이온 주입 시스템에서의 사용을 위한 플라즈마 플러드 건에 있어서, 상기 플라즈마 플러드 건은
    플라즈마의 대전된 입자들이 통과하여 흐를 수 있는 것을 허용하기에 충분한 폭을 갖는 배출 개구(exit aperture)를 갖는 플라즈마 챔버(plasma chamber);
    상기 플라즈마 챔버를 함유하는 상기 플라즈마 챔버 주위에 배치된 복수개의 자석들;
    상기 플라즈마 챔버에 가스 상태의 물질(gaseous substance)을 공급하는 것이 가능한 가스 소스(gas source);
    상기 플라즈마 챔버 내에 배치된 싱글-턴(single-turn) RF 코일로서, 상기 싱글-턴 RF 코일의 벤딩 부분(bend portion)은 상기 플라즈마 챔버의 외부에 위치되는, 상기 싱글-턴 RF 코일;
    상기 플라즈마를 생성하는 상기 가스 상태의 물질을 여기 시키기 위해서 상기 싱글-턴 RF 코일을 통하여 상기 플라즈마 챔버 내에 라디오 주파수 전력(electrical power)을 유도 결합시키기 위해 상기 싱글-턴 RF 코일의 끝단에 연결된 RF 파워 소스(power source); 및
    상기 배출 개구에 맞추어 정렬되고, 상기 배출 개구의 반대 측면들 상에 배치되는 자석들의 쌍을 포함하되, 상기 자석들의 쌍 각각은 동일한 극 구성(pole configuration)을 갖고, 상기 자석들의 쌍은 상기 배출 개구 주위에 불균형한 커스프 필드(cusp field)를 제공하는, 플라즈마 플러드 건.
  2. 청구항 1 에 있어서, 상기 플라즈마 챔버 내부 표면의 부분은, 흑연 및 실리콘 카바이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 재료들을 포함하는, 플라즈마 플러드 건.
  3. 청구항 1 에 있어서, 상기 싱글-턴 RF 코일은 상기 플라즈마에 대한 노출로부터 상기 싱글-턴 RF 코일을 보호하기 위한 포장 케이스(encasement)를 갖는, 플라즈마 플러드 건.
  4. 청구항 3 에 있어서, 상기 포장 케이스는 석영 재료를 포함하는, 플라즈마 플러드 건.
  5. 청구항 1 에 있어서, 상기 복수개의 자석들은 상기 플라즈마 챔버 내에 하나 또는 그 이상의 자기 다이폴들(magnetic dipoles)을 생성하기 위해서 교번하는 극 배열(pole arrangement)로 배열되어 상기 플라즈마 챔버 내에 상기 플라즈마를 구속시키는, 플라즈마 플러드 건.
  6. 청구항 1 에 있어서, 상기 싱글-턴 RF 코일은 상기 벤딩 부분들에 각각 연결된 두개의 섹션들을 포함하고, 상기 두개의 섹션들 중 하나는 상기 RF 파워 소스에 연결된 끝단을 포함하는, 플라즈마 플러드 건.
  7. 청구항 6 에 있어서, 상기 벤딩 부분은 180°의 반경을 갖는, 플라즈마 플러드 건.
  8. 청구항 6 에 있어서, 상기 싱글-턴 RF 코일의 상기 두개의 섹션들의 각각은 상기 플라즈마 챔버의 전체 길이를 연장시키는, 플라즈마 플러드 건.
  9. 청구항 1 에 있어서, 상기 싱글-턴 RF 코일은 상기 플라즈마 챔버의 전체 길이를 연장시키는, 플라즈마 플러드 건.
  10. 청구항 1 에 있어서, 상기 싱글-턴 RF 코일은 상기 플라즈마 챔버의 벽을 통과하여 연장되는, 플라즈마 플러드 건.
  11. 청구항 1 에 있어서, 상기 벤딩 부분은 상기 RF 파워 소스에 연결된 상기 싱글-턴 RF 코일의 끝단의 반대쪽에 배치되는, 플라즈마 플러드 건.
  12. 이온 주입 시스템에서의 사용을 위한 플라즈마 플러드 건에 있어서, 상기 플라즈마 플러드 건은
    플라즈마의 대전된 입자들이 통과하여 흐를 수 있는 것을 허용하기에 충분한 폭을 갖는 배출 개구(exit aperture)를 갖는 플라즈마 챔버(plasma chamber);
    상기 플라즈마 챔버에 가스 상태의 물질(gaseous substance)을 공급하는 것이 가능한 가스 소스(gas source);
    상기 플라즈마 챔버 내에 배치된 싱글-턴(single-turn) RF 코일로서, 상기 싱글-턴 RF 코일의 벤딩 부분(bend portion)은 상기 플라즈마 챔버의 바깥쪽에 위치되는, 상기 싱글-턴 RF 코일;
    상기 플라즈마를 생성하는 상기 가스 상태의 물질을 여기 시키기 위해서 상기 싱글-턴 RF 코일을 통하여 상기 플라즈마 챔버 내에 라디오 주파수 전력(electrical power)을 유도 결합시키기 위해 상기 싱글-턴 RF 코일의 끝단에 연결된 RF 파워 소스(power source); 및
    상기 배출 개구에 맞추어 정렬되고, 상기 배출 개구의 반대 측면들 상에 배치되는 자석들의 쌍을 포함하되, 상기 자석들의 쌍은 각각 동일한 극 구성(pole configuration)을 갖고, 상기 자석들의 쌍은 상기 배출 개구 주위에 불균형한 커스프 필드(cusp field)를 제공하는, 플라즈마 플러드 건.
  13. 청구항 12 에 있어서, 상기 자석들의 쌍은 동일하지 않은 세기를 갖는, 플라즈마 플러드 건.
  14. 삭제
  15. 청구항 12 에 있어서, 상기 자석들의 쌍은 동일한 세기를 가지고, 상기 배출 개구 주위에 대하여 동일하지 않은 거리에 위치되는, 플라즈마 플러드 건.
  16. 청구항 12 에 있어서, 상기 자석들 쌍 중 제 1 자석은 N 극 구성을 가지며, 상기 자석들의 쌍 중 제 2 자석은 N 극 구성을 가지는, 플라즈마 플러드 건.
  17. 청구항 12 에 있어서, 상기 자석들의 쌍 중 제 1 자석은 S 극 구성을 가지며, 상기 자석들의 쌍 중 제 2 자석은 S 극 구성을 가지는, 플라즈마 플러드 건.
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