KR101741870B1 - 이온원, 이온원 작동 방법 및 전자총 - Google Patents

이온원, 이온원 작동 방법 및 전자총 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 전자총을 포함하는 이온원을 제공한다. 상기 전자총은, 전자의 빔을 발생시키는 전자원과, 가스를 수취하는 입구를 구비한다. 상기 전자총은 또한, 적어도 애노드와 접지 요소에 의해 획정되는 플라즈마 영역을 포함하며, 이 플라즈마 영역은 입구를 경유하여 수취한 가스로부터 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 플라즈마는, 상기 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 존속될 수 있다. 상기 전자총은, (ⅰ) 상기 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자원에 의해 생성된 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 전달하기 위한 출구를 더 포함한다.

Description

이온원, 이온원 작동 방법 및 전자총{ION SOURCE, METHOD FOR OPERATING ION SOURCE AND ELECTRON GUN}
본 발명은 일반적으로는 이온원에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 이온화 챔버의 종축을 따라 비교적 균일한 이온 밀도 분포를 갖는 이온빔을 발생시키도록 되어 있는 이온원에 관한 것이다.
이온 주입은, 반도체 디바이스 제조에 있어서 중요한 기술이고, 현재 트랜지스터 내에서의 p-n 접합의 제작을 비롯한 많은 프로세스에 이용되고 있으며, 특히 메모리칩이나 논리칩 등의 CMOS 디바이스의 제작에 이용되고 있다. 실리콘 기판 내에 트랜지스터를 제작하는 데 필요한 도펀트 요소를 포함하는 정(正)대전 이온을 만들어 냄으로써, 이온 주입 장치는, 트랜지스터 구조에 도입되는 에너지(따라서 주입 깊이) 및 이온 전류(따라서 도즈량) 양자 모두를 선택적으로 제어할 수 있다. 전통적으로, 이온 주입 장치는 길이가 약 50 ㎜ 이하인 리본 빔을 발생시키는 이온원을 이용하였다. 이 리본 빔은 기판까지 수송되고, 소요(所要)의 도즈량 및 도즈량 균일성은, 기판을 가로질러 리본 빔을 전자(電磁)적으로 주사(走査)하거나, 리본 빔을 가로질러 기판을 기계적으로 주사하는 것에 의해, 혹은 이들 양자 모두를 행함으로써 달성된다. 어떤 경우에는, 초기 리본 빔이 종축을 따라 발산시키는 것에 의해 가늘고 긴 리본 빔으로 확장될 수 있다. 어떤 경우에는, 빔이 타원형 또는 원형의 프로파일을 취할 수도 있다.
현재, 당업계에서는, 종래의 이온 주입 장치의 설계를 확장하여, 보다 큰 치수의 리본 빔을 만들어 내는 것에 대해 관심이 있다. 이러한 확장된 리본 빔 주입에 대한 당업계의 관심은, 직경 450 ㎜의 실리콘 웨이퍼와 같은 보다 큰 기판을 향한 최근의 업계 전체의 동향에 의해 일어나고 있다. 이온 주입 중에, 기판은 확장된 리본 빔을 가로질러 주사될 수 있는 한편, 빔은 정지 상태로 유지된다. 확장된 리본 빔은 보다 높은 주입량율을 가능하게 하는 데, 이는 확장된 리본 빔의 공간 전하에 의한 블로우업이 저감되는 결과로서, 보다 큰 이온 전류를 이온 주입 장치의 빔 라인을 통해 수송할 수 있기 때문이다. 기판의 전역에 주입된 도즈량에 있어서 균일성을 달성하려면, 리본 빔에서의 이온 밀도는 리본 빔의 길이 치수에 따라 연장되는 종축에 관하여 상당히 균일해야 한다. 그러나, 이러한 균일성은 실제로는 달성하기가 어렵다.
일부 이온 주입 장치에서는, 빔의 수송 과정에서 이온빔의 이온 밀도 프로파일을 변경하기 위해, 수정용 광학계가 빔 라인에 편입되어 있다. 예를 들어, 버나스형 이온원은 50 ㎜ 내지 100 ㎜ 길이의 이온빔을 생성하는 데 사용되고 있는데, 이 이온빔은 이후에 소요의 리본 치수로 확장되며, 이온 광학계에 의해 평행화되어, 주입 대상인 기판보다 긴 빔이 만들어진다. 이온빔이 이온원으로부터 인출시에 매우 불균일한 경우나, 공간 전하의 부하 및/또는 빔 수송 광학계에 의해 수차(收差)가 야기되는 경우, 이온빔 수정용 광학계를 이용하는 것은, 양호한 빔 균일성을 창출하기에는 일반적으로 충분하지 않다.
일부 이온 주입 장치의 설계에서는, 아크 챔버 슬릿의 종축을 따라 정렬된 복수의 캐소드를 갖는 대용적의 이온원을 사용하고, 그 결과 각 캐소드로부터의 전자 방출을 조정하여, 이온원 내에서의 이온 밀도 프로파일을 수정할 수 있다. 이온 밀도 프로파일의 균일성을 보다 증진하기 위해, 복수의 가스 도입 라인이 이온원의 장축을 따라 분포되어 있다. 이러한 특징은, 빔 인출 동안에 균일한 프로파일을 만들어 내는 것을 도모하지만 한편으로는 빔 프로파일 수정용 광학계의 사용을 제한한다. 전술한 노력에도 불구하고, 인출된 이온빔에 있어서 균일한 이온 밀도 프로파일을 확립하는 문제는, 리본 빔 이온 주입 장치의 제조업자에게, 특히 100 ㎜를 초과하는 치수의 인출 개구를 갖는 이온원을 이용하는 경우에, 여전히 큰 관심사 중의 하나로 남아 있다. 따라서, 인출된 이온빔에 있어서 비교적 균일한 이온빔 프로파일을 만들어 낼 수 있는 개량된 이온원 설계에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은, 균일한 이온 밀도 프로파일을 갖고 있고, 300 ㎜ 또는 450 ㎜ 기판 등의 기판에 대해 실질적으로 그 길이를 따라 주입하기에 충분한 크기를 갖는 리본 빔을 발생시킬 수 있는 개량된 이온원을 제공하는 것을 과제로 한다. 일부 실시형태에서, 450 ㎜ 리본 빔 등의 확장된 리본 빔은, 본 발명의 이온원에 의해 발생되며, 그 후에 이 리본 빔은 이온 주입 장치를 통하여 수송되는 한편 수송 중에 빔의 치수가 실질적으로 보존된다. 기판은, 저속의 수평방향의 기계적 주사에 의해, 정지해 있는 리본 빔을 가로질러 주사될 수 있다.
일 양태에서, 적어도 하나의 전자총을 포함하는 이온원이 제공된다. 전자총은 전자의 빔을 발생시키는 전자원, 가스를 수취하는 입구, 플라즈마 영역 및 출구를 구비한다. 상기 플라즈마 영역은 적어도 애노드와 접지 요소에 의해 획정된다. 상기 플라즈마 영역은, 상기 입구를 경유하여 수취한 가스로부터 플라즈마를 형성하도록 되어 있고, 상기 플라즈마는 상기 전자원에 의해 생성된 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 존속된다. 상기 출구는, (ⅰ) 상기 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자원에 의해 생성된 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 전달하도록 구성되어 있다.
다른 양태에서, 이온화 챔버와 2개의 전자총을 포함하는 이온원이 제공된다. 이온화 챔버는, ⅰ) 이온화 챔버를 통하여 연장되는 종축을 따르는 방향에서의 양단부에 있는 2개의 내부 개구 및 ⅱ) 이온화 챔버로부터 이온을 인출하기 위해 이온화 챔버의 측벽을 따라 마련되는 인출 개구를 포함한다. 상기 2개의 전자총은, 각각 2개의 내부 개구 중 하나에 관련하여 배치된다. 각 전자총은, 전자의 빔을 발생시키는 전자원, 이온화 챔버로부터 가스를 수취하는 입구, 및 상기 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 영역을 구비한다. 상기 플라즈마 영역은, 상기 전자원에 의해 생성된 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 존속된다. 각 전자총은, 이온화 챔버에 (ⅰ) 대응하는 전자총의 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 대응하는 전자총에 의해 생성된 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 전달한다.
또 다른 양태에서, 이온원을 작동시키는 방법이 제공된다. 이 방법은, 전자총의 전자원에 의해 전자의 빔을 발생시키는 단계와, 상기 전자총의 입구에서 가스를 수취하는 단계와, 상기 전자총의 플라즈마 영역 내에 상기 가스 및 상기 전자의 빔으로부터 플라즈마를 형성하는 단계, 그리고 (ⅰ) 상기 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자총의 출구를 경유한 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 이온화 챔버에 제공하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 전자총이 제공된다. 이 전자총은, 전자의 빔을 발생시키는 전자원, 가스를 수취하는 입구, 플라즈마 영역 및 출구를 구비한다. 상기 플라즈마 영역은 적어도 애노드와 접지 요소에 의해 획정된다. 상기 플라즈마 영역은, 수취한 가스의 플라즈마를 형성하도록 되어 있고, 상기 플라즈마는 상기 전자원에 의해 생성된 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 존속된다. 상기 출구는, (ⅰ) 상기 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자원에 의해 생성된 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 전달하도록 구성되어 있다.
또 다른 양태에서, 이온원이 제공된다. 상기 이온원은, 가스를 공급하는 가스원, 적어도 하나의 전자총, 이온화 챔버 및 제어 회로를 구비한다. 상기 전자총은, 전자의 빔을 발생시키는 에미터와, 적어도 애노드 및 접지 요소에 의해 획정된 플라즈마 영역을 구비한다. 상기 플라즈마 영역은, 상기 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 존속되는 제2 플라즈마를 상기 가스로부터 형성하도록 되어 있다. 상기 이온화 챔버는, 적어도 하나의 전자총으로부터 (ⅰ) 제2 플라즈마에 의해 생성된 제1 세트의 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 수취한다. 상기 이온화 챔버는, 상기 가스 및 상기 전자의 빔의 적어도 일부분으로부터 제1 플라즈마를 형성하고, 이 제1 플라즈마가 제2 세트의 이온을 발생시키도록 되어 있다. 상기 제어 회로는, 애노드의 전압 또는 에미터의 전압 중 적어도 하나를 조절하여, 소요량의 상기 제1 세트의 이온 및 상기 제2 세트의 이온을 만들어 내도록 구성되어 있다. 상기 제1 세트의 이온은 상기 제2 세트의 이온보다 해리된 이온을 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 상기 제어 회로는, 상기 제2 세트의 이온보다 상기 제1 세트의 이온을 더 만들어 냄으로써, 모노머 모드로 동작하도록 구성되어 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 제어 회로는, 상기 제1 세트의 이온보다 상기 제2 세트의 이온을 더 만들어 냄으로써, 클러스터 모드로 동작하도록 구성되어 있다.
다른 예에서, 전술한 양태 중 어느 것도 후술하는 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 이온원은, 상기 애노드의 전압을 조정하여, 상기 플라즈마 영역 내의 플라즈마를 실질적으로 오프시키는 제어 회로를 더 포함한다. 이러한 상황에서, 상기 출구는, 상기 전자원에 의해 생성된 전자의 빔의 적어도 일부분을 이온을 수반하지 않고서 전달하도록 구성되어 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 접지 요소는, 상기 전자의 빔이 상기 출구를 경유하여 상기 적어도 하나의 전자총을 떠나기 전에, 상기 전자원에 의해 발생된 전자의 빔의 적어도 일부분을 감속시키는 적어도 하나의 렌즈를 구비한다.
몇몇 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 전자총의 입구 및 출구는 단일 개구를 구비한다. 상기 이온원은, 종축을 따라 배치된 2개의 단부를 갖고, 이들 2개의 단부 중 하나가 상기 적어도 하나의 전자총의 개구에 결합되어 있는 이온화 챔버를 구비한다. 상기 개구는, (ⅰ) 상기 이온화 챔버로부터 상기 전자총에 가스를 공급하고, (ⅱ) 상기 전자총으로부터 상기 이온화 챔버로 전달되는 상기 이온 또는 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 수취하도록 구성되어 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 이온원은 상기 적어도 하나의 전자총과 실질적으로 유사한 제2 전자총을 포함한다. 각 전자총은, 상기 이온화 챔버의 상기 2개의 단부 중의 하나에 배치되어, 상기 이온 또는 상기 전자의 빔 중의 적어도 하나를 상기 이온화 챔버에 전달한다.
몇몇 실시형태에서, 상기 이온원은, 상기 이온화 챔버의 인출 개구에, 상기 이온화 챔버로부터 이온을 인출하기 위한 적어도 하나의 인출 전극을 더 구비한다. 상기 이온화 챔버 또는 상기 적어도 하나의 인출 전극, 또는 이들의 조합은 그래파이트로 제조될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 이온원은 4개의 인출 전극을 더 포함한다. 이들 인출 전극 중의 적어도 2개는 상기 이온화 챔버에 대해 이동 가능하다.
몇몇 실시형태에서, 전자총의 상기 전자원은, (ⅰ) 필라멘트 및 (ⅱ) 상기 필라멘트에 의해 열전자적으로 방출된 전자류(電子流)에 의하여 간접적으로 가열되어 상기 전자의 빔을 발생시키는 캐소드를 포함한다. 상기 이온원은, 상기 필라멘트에 걸린 전압을 조정하여, 상기 캐소드로의 상기 필라멘트의 방출 전류를 기준 전류값 또는 그 근방에 유지시키는 제1 폐루프 제어 회로를 포함할 수 있다. 상기 이온원은, 상기 필라멘트와 상기 캐소드 사이의 전위를 조정하여, 상기 애노드의 전류를 기준 전류값 또는 그 근방에 유지시키는 제2 폐루프 제어 회로를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 이온화 챔버는, 이온화 챔버의 측벽을 따라, 가스를 이온화 챔버에 전달하기 위한 복수의 가스 입구를 포함한다. 상기 가스는, 하나 이상의 전자총에 의해 공급된 상기 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 이온화될 수 있다.
본 발명의 그 밖의 양태 및 이점은, 단지 예로서 본 발명의 원리를 설명하고 있는 이하의 상세한 설명을 첨부 도면과 함께 읽으면 명백해질 것이다.
첨부 도면과 함께 이하의 설명을 참조함으로써, 전술한 기술의 이점은, 다른 이점과 함께 보다 잘 이해될 수 있을 것이다. 도면은 일정한 축척비에 맞춰 도시되었다는 할 수 없으며, 그 대신에 기술의 원리를 설명할 때에는 대개 강조가 이루어져 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 이온원의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 이온빔 인출 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 전자총 조립체의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 도 3의 전자총 조립체용의 예시적인 제어 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 한 쌍의 자계원(磁界源)을 구비하는 예시적인 이온원의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 도 5의 자계원의 예시적인 구성의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 도 5의 자계원의 다른 예시적인 구성의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 이온원에 의해 발생된 이온빔의 예시적인 이온 밀도 프로파일을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 다른 예시적인 이온원의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 이온원의 개략도이다. 이온원(100)은, 예컨대 반도체 웨이퍼 등의 기판에의 이온빔의 주입이 이루어지는 이온 주입 챔버에 수송하는 이온빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 이온원(100)은, 이온화 챔버(102)의 길이 치수를 따라 종축(118)이 규정되어 있는 이온화 챔버(102)와, 한 쌍의 전자총(104)과, 플라즈마 전극(106)과, 인출 전극(108)과, 복수의 가스 입구(110) 및 복수의 질량 유량 제어기(MFC)(112)를 구비하는 가스 전달 시스템과, 가스원(114), 그리고 결과적으로 생긴 이온빔(116)을 포함한다. 동작시에, 가스원(114)으로부터의 가스상 재료가 가스 입구(110)를 경유하여 이온화 챔버(102)에 도입된다. 각 가스 입구(110)를 통한 가스 흐름은, 입구(110)에 연결된 각 질량 유량 제어기(112)에 의해 제어될 수 있다. 이온화 챔버(102)에서는, 이온화 챔버(102)의 대향하는 면에 배치되어 있는 한 쌍의 전자총(104) 각각에 의해 발생된 전자빔으로부터의 전자 충격에 의해 이온화되는 가스 분자로부터 제1 플라즈마가 형성된다. 몇몇 실시형태에서, 전자총(104)은 부가적인 이온을 이온화 챔버(102)에 도입할 수도 있다. 이온화 챔버(102) 내의 이온은, 인출 개구(도시 생략)를 경유하여 인출될 수 있고, 플라즈마 전극(106) 및 인출 전극(108)을 구비하는 인출 시스템을 이용하여 고에너지 이온빔(116)을 형성할 수 있다. 종축(118)은 실질적으로 이온빔(116)의 전파 방향과 직각을 이룰 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 자계원(도시 생략)은, 이온화 챔버(102) 및/또는 전자총(104)에 근접하여 배치되어, 전자총(104)에 의해 발생된 전자빔을 전자총(104) 및 이온화 챔버(102)의 내에 가두는 외부 자계를 생성할 수 있다.
가스원(114)은, 예컨대 AsH3, PH3, BF3, SiF4, Xe, Ar, N2, GeF4, CO2, CO, CH3, SbF5, 및 CH6 등의 하나 이상의 입력 가스를 이온화 챔버(102) 내에 도입할 수 있다. 입력 가스는, 가스 전달 시스템을 경유하여 이온화 챔버(102)에 들어갈 수 있는데, 상기 가스 전달 시스템은, (ⅰ) 종축(118)을 따라 이온화 챔버(102)의 측벽에 간격을 두고 배치된 복수 개의 가스 입구(110)와, (ⅱ) 이들 가스 입구(110) 중의 하나에 각각 연결된 복수 개의 질량 유량 제어기(112)를 포함하는 것이다. 이온화 챔버(102)에 있어서 제1 플라즈마의 이온 밀도는 입력 가스의 밀도에 따라 좌우되므로, 각 질량 유량 제어기(112)를 개별적으로 조정함으로써, 종축(118) 방향에서의 이온 밀도 분포의 제어를 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(도시 생략)는 인출된 빔(116)의 이온 밀도 분포를 모니터링하고, 인출된 빔(116)에서 종축 방향을 따라 보다 균일한 밀도 프로파일을 달성하도록, 하나 이상의 질량 유량 제어기(112)를 통하여 입력 가스의 유량을 자동적으로 조절한다. 몇몇 실시형태에서, 가스원(114)은 B10H14, B18H22, C14H14, 및/또는 C16H10 등의 고체 공급 재료를 증발시켜, 이온화 챔버(102) 내에 공급하는 증기 입력을 발생시키는 증발기를 포함할 수 있다. 이 경우에, 증기 입력을 이온화 챔버(102)에 도입하기 위해 하나 이상의 별개의 증기 입구(도시 생략)를 사용하여, MFC가 연결된 입구(110)를 우회시킬 수 있다. 하나 이상의 별개의 증기 입구는, 종축(118)의 방향에서 이온화 챔버(102)의 측벽을 따라 균등하게 분산될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 가스원(114)은 하나 이상의 액상 가스원을 포함한다. 액상 재료는, 가스 입구(110) 및 질량 유량 제어기(112)를 구비하는 가스 전달 시스템을 이용하여 가스화되고 이온화 챔버(102) 내에 도입될 수 있다. 질량 유량 제어기(112)는 액상 재료로부터 방출된 가스의 흐름을 용이하게 하도록 조절될 수 있다.
일반적으로, 이온화 챔버(102)는 가로 방향(도시 생략)보다 세로 방향(118)에서의 길이가 긴 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 이온화 챔버(102)는, 예컨대 원통 형상 등의 다른 형상도 가질 수 있다. 이온화 챔버(102)의 종축(118) 방향의 길이는 약 450 ㎜일 수 있다. 인출 개구(도시 생략)는, 이온화 챔버(102)의 가늘고 긴 면에 위치할 수 있는 한편, 각 전자총(102)은 가로 방향의 면에 위치해 있다. 인출 개구는 이온화 챔버(102)의 길이를 따라 연장될 수 있고, 예컨대 그 길이가 약 450 ㎜일 수 있다.
이온화 챔버(102)로부터 이온을 인출하고 주입 이온의 에너지를 결정하기 위해, 이온원(100)은 이온원 전원(도시 생략)에 의해, 예컨대 1 ㎸ 내지 80 ㎸의 높은 정(正)의 이온원 전압으로 유지된다. 플라즈마 전극(106)은, 이온화 챔버(102)의 종축(118)을 따르는 면 상에 인출 개구판을 구비할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 플라즈마 전극(106)은, 이 플라즈마 전극(106)에 바이어스 전압이 인가될 수 있도록, 이온화 챔버(102)로부터 전기적으로 절연되어 있다. 바이어스 전압은, 이온화 챔버(102) 내에 발생된 플라즈마의 특성에, 예컨대 플라즈마 전위, 이온의 체류 시간, 및/또는 플라즈마 내의 이온종의 상대 확산 특성 등의 특성에 영향을 미치도록 되어 있다. 플라즈마 전극(106)의 길이는 실질적으로 이온화 챔버(102)의 길이와 동일할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전극(106)은 이온화 챔버(102)로부터의 이온 인출을 가능하게 하는 형상으로 된 450 ㎜×6 ㎜의 개구를 포함하는 판을 구비할 수 있다.
인출 전극(108)과 같은 하나 이상의 부가적인 전극은, 이온빔(116)의 인출 효율을 증대시키고 이온빔(116)의 집속을 개선하기 위해 사용된다. 인출 전극(108)은 플라즈마 전극(106)과 유사하게 구성될 수 있다. 이들 전극은 절연 재료에 의해 서로 간격(예컨대, 5 ㎜ 간격)을 두고 배치될 수 있고, 이들 전극은 서로 다른 전위로 유지될 수 있다. 예를 들어, 인출 전극(108)은 플라즈마 전극(106) 또는 이온원 전압에 대하여 약 -5 ㎸까지 만큼 바이어스될 수 있다. 그러나, 이들 전극은, 특정의 주입 프로세스를 위한 소요의 이온빔을 발생시킬 때의 성능을 최적화하도록 광범위의 전압에 걸쳐 동작될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 이온빔 인출 시스템의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 이 이온빔 인출 시스템은, 이온화 챔버(102)에 가장 가까이 배치된 플라즈마 전극(202)과, 이에 이어지는 인출 전극(204)과, 억제 전극(206), 그리고 접지 전극(208)을 포함한다. 이들 전극의 개구는 이온화 챔버(102)의 종축(118)에 실질적으로 평행하다. 플라즈마 전극(202) 및 인출 전극(204)은 각각 도 1의 플라즈마 전극(106) 및 인출 전극(108)과 유사하다. 몇몇 실시형태에서, 플라즈마 전극(202)은, 이온빔(116)의 공간 전하 확장에 대항하도록 피어스(Pierce) 각도에 따른 형상으로 되어 있어, 인출시에 빔 궤도는 실질적으로 평행해질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 플라즈마 전극(202)의 개구는, 이온화 챔버(102)에 있어서 플라즈마에 가장 가까운 면에 언더컷을 갖는데, 이 언더컷은 예리한 가장자리(이하에서는 "나이프 에지"라 함)를 도입함으로써 플라즈마 경계를 획정하는 데 기여한다. 플라즈마 전극의 폭은 실질적으로 분산면을 따라서의 나이프 에지의 폭과 동일할 수 있다. 이 폭은 도 2에 W1로 나타내어져 있다. W1의 값은 약 3 ㎜ 내지 약 12 ㎜의 범위일 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 분산면에서의 인출 전극(204)의 개구의 폭 W2는, 플라즈마 전극(202)의 폭보다 넓을 수 있고, 예컨대 약 1.5배 넓을 수 있다. 접지 전극(208)은, 터미널 전위로 유지될 수 있는데, 이 터미널 전위는, 특정 이온 주입 시스템의 경우에서와 같이, 터미널 전위를 접지 전위보다 밑에서 부동(浮動)시키는 것이 바람직한 경우를 제외하고는, 접지 전위이다. 억제 전극(206)은 접지 전극(208)에 대해, 예컨대 약 -3.5 ㎸ 등으로, 음으로 바이어스되어, 만약 음으로 바이어스되지 않으면, 정대전 이온빔(116)을 발생시킬 때에 양(陽)으로 바이어스된 이온원(100)에 끌어당겨지게 되는 원치 않는 전자를 거부 또는 억제한다. 일반적으로, 인출 시스템은 2개의 전극[예컨대, 억제 전극(206) 및 접지 전극(208)]에 한정되지 않고, 필요에 따라 보다 많은 전극이 추가될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 제어 회로(도시 생략)는, 이온빔(116)의 집속을 향상시키기 위해, 하나 이상의 전극의 간격을 이온빔(116)의 전파 방향을 따라[즉, 종축(118)에 수직하게] 자동적으로 조정할 수 있다. 예컨대, 제어 회로는, 인출 전계를 변경하기 위해, 이온빔(116)의 빔 특성을 모니터링하고, 이 모니터링에 기초하여, 억제 전극(206) 또는 접지 전극(208) 중의 적어도 하나를 서로 가까워지게 혹은 서로 멀어지게 이동시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제어 회로는, 전극의 배치에 기인한 기계적인 오차를 보상하기 위해, 억제 전극(206) 또는 접지 전극(208) 중의 적어도 하나를 이온빔(116)의 경로에 관하여 기울이거나 또는 회전시킨다. 몇몇 실시형태에서, 제어 회로는, 억제 전극(206) 및 접지 전극(208)(그룹 1 전극)을 함께, 정지 상태로 유지될 수 있는 플라즈마 전극(202) 및 인출 전극(204)을 포함하는 나머지 전극(그룹 2 전극)에 관하여, 특정의 빔 경로를 따라 이동시킨다. 그룹 1 전극과 그룹 2 전극 사이의 갭은, 이온빔 형성, 이온빔의 소요의 에너지 및/또는 이온 질량 등의 몇몇 요인에 기초하여 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 전자총 조립체(104)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 전자총(104)은 캐소드(302)와, 애노드(304)와, 접지 요소(306), 그리고 제어 회로(도시 생략)를 포함한다. 캐소드(302)에 의해 열전자가 방출되는데, 이 캐소드는, 예컨대 텅스텐 또는 탄탈 등의 고융점 금속으로 구성될 수 있고, 직접 또는 간접적으로 가열될 수 있는 것이다. 캐소드(302)를 간접적으로 가열하는 경우, 이 간접 가열을 행하기 위해 필라멘트(311)를 사용할 수 있다. 구체적으로, 필라멘트(311)를 가열하기 위해 전류가 필라멘트(311)에 흐르고, 그 결과 필라멘트는 열전자적으로 전자를 방출한다. 필라멘트(311)에 캐소드(302)의 전위보다 낮은 수백 V의 전압으로, 예컨대 캐소드에 대하여 600 V 이하의 음의 전압으로 바이어스를 인가함으로써, 필라멘트(311)에 의해 생성된 열전자적으로 방출된 전자는 고에너지 전자 충격에 의해 캐소드(302)를 가열할 수 있다. 캐소드(302)는 전자를 열전자적으로 방출하도록 되어 있어, 캐소드(302)에 대하여 양(陽)의 전위로 유지되는 애노드(304)에 고에너지 전자빔(308)을 형성하게 된다. 전자빔(308)은 이온화 챔버의 개구(312)를 경유하여 이온화 챔버(102)에 들어가도록 되어 있고, 이온화 챔버(102)에서 이온화 챔버 내의 가스를 이온화시킴으로써 제1 플라즈마(도시 생략)를 발생시킨다.
또한, 제어 회로는 전자총(104)에 있어서 애노드(304)와 접지 요소(306)의 사이에 제2 플라즈마(310)가 형성될 수 있게 한다. 구체적으로, 전자빔(308)의 존재 하에 제2 플라즈마(310)를 생성하기에 충분한 전계를 확립하도록, 애노드(304)와 접지 요소(306)의 사이에 전위가 생성될 수 있다. 제2 플라즈마는 이온화 챔버(102)로부터 개구(312)를 경유하여 전자총(104)에 들어가는 가스의 이온화에 의해 생성되며, 이 경우 상기 가스는 입구(110)를 통해 공급될 수 있다. 전자빔(308)은 제2 플라즈마(310)를 장기간 존속시킬 수 있다. 제2 플라즈마(310)의 플라즈마 밀도는 애노드(304)의 아크 전류에 비례하며, 이 아크 전류는 양의 애노드 전압의 증대에 좌우되는 것이다. 따라서, 제어 회로는, 제2 플라즈마(310)를 제어하고 안정화시키기 위해, 애노드 전원(도시 생략)에 의해 공급되는 전류의 폐루프 제어와 함께, 애노드 전압을 이용할 수 있다. 제2 플라즈마(310)는, 정대전 이온을 발생시키도록 되어 있고, 이 정대전 이온은 개구(312)를 경유하여 이온화 챔버(102) 내로 추진되어질 수 있고, 이에 의해 인출된 이온빔(116)의 이온 밀도를 증대시킬 수 있다. 이러한 추진 운동은, 제2 플라즈마(310)에 의해 발생된 정대전 이온이 양으로 바이어스된 애노드(304)에 의해 되튀어 이온화 챔버(102)를 향해 갈 때에 발생한다.
제어 회로는, 양(陽)의 전압을 애노드(304)에 인가함으로써 전자총(104) 내에 제2 플라즈마(310)를 형성할 수 있다. 제어 회로는, 제2 플라즈마(310)에 의해 생성되는 이온의 양을 제어할 수 있고, 애노드 전원에 의해 공급되는 전류의 폐루프 제어에 의해 제2 플라즈마(310)를 어느 정도 안정화시킬 수 있다. 이 전류는 애노드(304)와 접지 요소(306) 사이에서의 플라즈마 방전에 의해 존속되는 아크 전류이다. 이하에서, 이러한 동작 모드를 "이온 펌핑 모드"라 한다. 이온 펌핑 모드에서는, 이온뿐만 아니라 전자빔(308)도 또한 개구(312)를 경유하여 이온화 챔버(102)를 향해 가서, 이온화 챔버(102) 내에 제1 플라즈마를 형성한다. 이온 펌핑 모드는, 증대된 인출 전류가 요망되는 상황에서 유리할 수 있다. 별법으로서, 제어 회로는, 애노드(304)의 전압을 적절히 조정함으로써, 예컨대 애노드(304)의 전압을 제로에 설정함으로써, 전자총(104) 내의 제2 플라즈마(310)를 실질적으로 오프시킬 수 있다. 이러한 경우에, 상당량의 정대전 이온을 수반하는 일 없이, 전자빔(308)만이 전자총(104)으로부터 이온화 챔버(102)로 유입된다. 이하에서, 이러한 동작 모드를 "전자 충격 모드"라 한다.
또 다른 동작 모드에서, 제어 회로는, 전자빔(308)을 이온화 챔버(102)에 제공하지 않으면서, 전자총(104) 내에 제2 플라즈마(310)를 형성할 수 있다. 이는, 에미터[즉, 캐소드(302)]의 전압을 적절히 조정함으로써, 예컨대 캐소드(302)와 이온화 챔버(102)의 전위가 동일하도록 캐소드(302)를 접지함으로써, 달성될 수 있다. 그 결과, 전자빔(308) 중의 전자는 이온화 챔버(102)에 들어갈 때 낮은 에너지를 갖게 되어, 이온화 챔버(102)에 들어가거나 혹은 이온화 챔버(102) 내에 유용한 전자 충격 이온화를 일으키는 전자빔이 훨씬 더 약하거나 전혀 없는 것을 효과적으로 가능하게 한다. 이러한 동작 모드에서, 제2 플라즈마(310)는 이온화 챔버(102) 내로 추진하기 위한 양(陽)의 이온을 발생시킬 수 있다. 이러한 동작 모드에서, 전자총(104)은 이온화 챔버(102)가 아니라 플라즈마원의 역할을 한다. 이하에서, 이러한 동작 모드를 "플라즈마원 모드"라 한다. 플라즈마원 모드는 몇 가지 장점을 갖고 있다. 예컨대, 통상적으로는 2 ㎸, 1A의 전원인 에미터 전압 공급원을 없앰으로써, 비용 및 복잡도가 저감된다. 플라즈마원 모드는 플라즈마 플러드 건(plasma flood gun), 플라즈마 도핑 장치, 플라즈마 화학 기상 증착(CVD) 등에서 시작될 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 플라즈마원 모드에서 제2 플라즈마(310)를 발생시키기 위해 고주파 방전을 이용할 수 있다. 그러나, 일반적으로 전자총(104)은 플라즈마원 및/또는 이온원의 역할을 할 수 있다.
일반적으로, 전자총(104)에 있어서 제2 플라즈마(310)를 활성화시킴으로써, 이온원(100)의 사용 가능 수명을 연장시킬 수 있다. 긴 이온원 수명을 달성하는 데 있어서 주요한 제한 요인은, 주로 이온 스퍼터링에 의해 야기되는 캐소드 침식에 기인한 캐소드(302)의 손상이다. 캐소드(302)의 이온 스퍼터링의 정도는, ⅰ) 국부적인 플라즈마 또는 이온의 밀도와, ⅱ) 캐소드(302)에 도달할 때의 이온의 운동 에너지를 비롯한 몇몇 요인에 좌우된다. 캐소드(302)는 이온화 챔버(102) 내의 제1 플라즈마로부터 멀리 떨어져 있으므로, 이온화 챔버(102) 내에 생성된 이온은 캐소드(302)에 도달하기 위해서는 이온화 챔버(102) 밖으로 유출되어야 한다. 이러한 이온 흐름은, 애노드(304)의 양(陽)의 전위에 의해 크게 방해를 받는다. 애노드(304)의 전위가 충분히 높으면, 저에너지 이온은 이러한 전위 장벽을 극복하여 부(負)대전 캐소드(302)에 도달할 수 없다. 그러나, 애노드(304)와 접지 요소(306) 사이의 아크 중에 생성된 플라즈마 이온은, 애노드(304)의 전위만큼 높은 초기 운동 에너지(예컨대, 수백 eV)를 가질 수 있다. 이온 스퍼터링율은 이온 에너지 K의 증대에 좌우되는 것이다. 구체적으로, 전자총(104) 부근에서의 이온 에너지 K의 최대값은, K=e(Ve-Va)로 주어지며, 여기서 Va는 애노드(304)의 전압이고, Ve는 캐소드(302)의 전압이며, e는 전자 전하이다. 이러한 관계에 따르면, K는 캐소드(302)와 애노드(304)간의 전위차만큼의 크기일 수 있다. 따라서, 캐소드(302)의 수명을 최대화하기 위해, 이러한 전위차를 최소화할 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 캐소드(302) 부근의 플라즈마 또는 이온 밀도를 낮게 유지시키기 위해, 플라즈마원 모드의 아크 전류도 마찬가지로 낮게 조정된다. 이러한 조건은, 플라즈마원 모드보다는 전자 충격 모드에 더 밀접하게 대응하지만, 플라즈마원 모드와 전자 충격 모드가 양자 모두 캐소드의 수명을 희생시키지 않으면서 유용하게 채용될 수 있다. 일반적으로, 고융점 금속의 이온 스퍼터링율은, 약 100 eV 미만에서 최소이고, 이온 에너지가 증대됨에 따라 급속히 증대된다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 이온 에너지 K를 약 200 eV 미만으로 유지하는 것은, 이온 스퍼터링을 최소화하고, 장수명 운전을 구현하는 것에 공헌한다.
몇몇 실시형태에서, 제어 회로는 "클러스터" 또는 "모노머" 모드 중의 어느 한 모드로 이온원(100)을 동작시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 이온원(100)은 별개인 2개의 영역의 플라즈마를 존속시킬 수 있으며, 즉 ⅰ) 애노드(304)와 접지 요소(306) 사이의 아크 방전으로부터 생성된 제2 플라즈마(310)와, ⅱ) 이온화 챔버(102) 내에서의 가스의 전자 충격 이온화로부터 생성된 제1 플라즈마(도시 생략)를 존속시킬 수 있다. 이러한 두 가지 플라즈마 형성 메카니즘의 이온화 특성은 서로 다르다. 제2 플라즈마(310)의 경우, 애노드(304)와 접지 요소(306) 사이의 아크 방전은, 분자 가스종을 효율적으로 해리시키고, 부(負)대전종에 추가하여, 해리된 단편의 이온을 생성한다(예컨대, 예컨대, BF3 가스를 B+, BF+, BF2 + 및 F+로 효율적으로 전환한다). 이에 반해서, 전자빔(308)의 전자 충격 이온화에 의해 이온화 챔버(102) 내에 형성된 플라즈마는, 분자종을 실질적으로 해리(예컨대, B10H14를 B10Hx + 이온으로 전환하는 것, 여기서 "x"는 수소종의 범위를 나타내며, 예컨대 B10H9 +, B10H10 + 등이 있다)를 수반하지 않으면서 보존하는 경향이 있다. 이러한 이질적인 이온화 특성을 감안하여, 제어 회로는, 유저가 원하는 이온종에 맞춰 이온화 특성을 적어도 부분적으로 조정하도록 이온원(100)을 운전할 수 있다. 제어 회로는, 특정 가스종의 "분해 패턴"(즉, 중성 가스종으로부터 형성된 특정 이온의 상대 존재도)을 변경하여, 소정의 이온 주입 프로세스에 바람직한 특정 이온의 존재도를 증대시킬 수 있다.
구체적으로, 모노머 모드의 동작에서, 제어 회로는 이온 펌핑 모드 또는 플라즈마원 모드 중의 어느 한 모드를 시작되게 할 수 있고, 이 경우 제2 플라즈마는 보다 많이 해리된 이온의 상대 존재도가 산출(産出)되도록 생성된다. 이에 반해서, 클러스터 모드의 동작에서, 제어 회로는 전자 충격 모드를 시작되게 할 수 있고, 이 경우 제1 플라즈마가 지배적이며 제2 플라즈마는 존재하지 않는 상태까지 약해져서, 모(母)이온의 상대 존재도가 산출된다. 따라서, 모노머 모드는, 보다 많은 정대전 이온이 전자총(104)의 제2 플라즈마(310)로부터 이온화 챔버(102) 내로 추진되는 것을 가능하게 하는 한편, 이온화 챔버(102)에 들어가는 전자빔(308)이 더 약하거나 혹은 전혀 없는 것을 가능하게 한다. 이에 반해서, 클러스터 모드의 동작은, 보다 적은 정대전 이온과 보다 강한 전자빔(308)이 전자총(104)으로부터 이온화 챔버(102)에 들어가는 것을 가능하게 한다.
일례로서, 분자 C14H14를 고려한다. 이러한 분자의 이온화는, 그 결합 구조에서의 대칭성으로 인해 C14Hx +와 C7Hx + 이온 양자 모두를 생성한다. 모(母)분자는 모노머 모드에서 보다 쉽게 분해되므로, 이온원을 클러스터 모드로 운전함으로써, C14Hx + 이온의 상대 존재도가 증대되는 한편, 이온원을 모노머 모드로 운전함으로써, C7Hx + 이온의 상대 존재도가 증대된다. 몇몇 실시형태에서는, AsH3, PH3, BF3, SiF4, Xe, Ar, N2, GeF4, CO2, CO, CH3, SbF5, P4 및 As4 등의 기상 혹은 액상 재료로부터 소기의 모노머종이 얻어진다. 몇몇 실시형태에서는, B10H14, B18H22, C14H14 및 C16H10 등의 증발된 고체 공급 재료와, C6H6 및 C7H16 등의 기상 혹은 액상 재료로부터 소기의 클러스터종이 얻어진다. 소기의 원자(이 예에서는 B와 C)의 수가 이온화 중에 대체로 보존될 수 있다면, 이들 재료는 이온화된 주입종으로서 유용하다.
제어 회로는, 전자총(104)의 동작 전압을 적절히 설정함으로써, 상기 두 모드 중의 하나를 시작되게 할 수 있다. 일례로서, 모노머 모드를 시작되게 하기 위해, 제어 회로는 ⅰ) 캐소드(302)의 전압과 같은 에미터의 전압(Ve)을 약 -200 V로 설정하고, ⅱ) 애노드(304)의 전압(Va)을 약 200 V로 설정할 수 있다. 모노머 모드는 또한, Ve가 약 0 V(즉, 플라즈마원 모드)로 설정되어 있을 때에도 시작될 수 있고, 이 경우 전자 충격 이온화에 의해 이온화 챔버(102) 내에 생성되는 이온은 실질적으로 존재하지 않는다. 클러스터 모드를 시작되게 하기 위해, 제어 회로는 ⅰ) Ve를 약 -400 V로 설정하고, ⅱ) Va를 약 0 V로 설정할 수 있다.
각 이온 타입은 각각 이점을 갖고 있다. 예를 들어, 저에너지 이온 주입 도핑 또는 재료의 개질(예컨대, 비정질화 주입)을 위해서는, 소기의 다수의 원자를 포함하는 무거운 분자종이, 예컨대 전술한 예에서의 붕소 및 탄소 등이 바람직할 수 있다. 이에 반해서, 실리콘 기판을 도핑하여 트랜지스터 구조(예컨대, 소스 및 드레인)를 만들기 위해서는, B+ 등의 모노머종이 바람직할 수 있다.
서로 다른 동작 모드 사이에서 전자총(104)의 동작을 제어하기 위해, 제어 회로는 필라멘트(311), 캐소드(302) 및 애노드(304)에 각각 연관된 전류 및/또는 전압을 조정할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 도 3의 전자총 조립체(104)용의 예시적인 제어 시스템(400)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 제어 회로(400)는, 필라멘트(311)의 양단에 전압(Vf)을 공급하여 필라멘트 방출을 조정하는 필라멘트 전원(402)과, 필라멘트(311)를 캐소드(302)에 대하여 바이어스시키는 캐소드 전원(404)(Vc)과, 애노드(304)에 전압(Va)을 공급하는 애노드 전원(406), 그리고 캐소드(302)의 전압과 같은 에미터의 전압(Ve)을 공급하는 에미터 전원을 포함한다. 일반적으로, 각 전원(402, 404, 406)은, 제어된 전류 모드로 동작할 수 있으며, 이 경우 각 전원은 설정값 전류에 대처하기에 충분한 출력 전압이 설정된다. 도시된 바와 같이, 제어 회로(400)는 2개의 폐루프 제어기, 즉 1) 필라멘트(311)에 의한 전자 방출을 조정하는 데 사용되는 폐루프 제어기(408)와, 2) 제2 플라즈마(310)에 생성되며 애노드 전원(406)에 의해 공급되는 전류인 아크 전류를 조정하는 데 사용되는 폐루프 제어기(418)를 포함한다.
제어 동작의 초기에, 제어 회로(400)는 캐소드 전원(404) 및 애노드 전원(406)을 각각의 초기 전압값으로 설정한다. 또한, 제어 회로(400)는, 예컨대 오퍼레이터 인터페이스를 통해 이용 가능한 필라멘트 웜업 유틸리티를 이용하여, 필라멘트(311)를 전자 방출의 상태에 이르게 한다. 일단 전자 방출이 이루어지면, 제어 회로(400)의 오퍼레이터가 제어기(408 및 418)를 통해 폐루프 제어를 시작되게 할 수 있다.
폐루프 제어기(408)는, 캐소드(302)에 전달되는 전자빔 가열 전류인, 필라멘트(311)에 대한 설정 방출 전류값을 유지하려고 한다. 폐루프 제어기(408)는, 필라멘트 전원(402)을 조정하여 필라멘트 전압, 즉 필라멘트(311)의 양단간의 전압을 조정함으로써, 상기 설정 방출 전류값을 유지한다. 구체적으로, 폐루프 제어기(408)는, 캐소드 전원(404)에 의해 공급되는 전류인 설정 필라멘트 방출 전류값(410)을 입력으로서 수취한다. 이 설정 전류값(410)은 예컨대 약 1.2 A일 수 있다. 응답시에, 폐루프 제어기(408)는, 출력 신호(412)를 통하여 필라멘트 전원(402)을 제어하고, 이에 의해 필라멘트 전원(402)은, 필라멘트 전원(402)에서 나가는 전류가 설정 전류값(410)에 가까워지는 것을 가능하게 하기에 충분한 출력 전압을 공급한다. 필라멘트 전원(402)에서 나오는 실제 전류는 모니터링되고, 폐루프 제어기(408)에 피드백 신호(416)로서 되돌아간다. 피드백 신호(416) 중의 실제 전류와 설정 전류값(410) 사이의 차가 오차 신호를 만들어 내고, 이 오차 신호는 폐루프 제어기(408)의 비례-적분-미분(PID) 필터에 의해 보다 적절한 상태로 조정될 수 있다. 그 후에, 폐루프 제어기(408)는 상기 차를 최소화하기 위해 출력 신호(412)를 필라멘트 전원(402)에 보낸다.
폐루프 제어기(418)는, 전자빔(308)에 의해 발생된 전류를 조정함으로써 설정 애노드 전류값을 유지하려고 하는 데, 이는 애노드 전류가 전자빔 전류에 비례하기 때문이다. 폐루프 제어기(418)는, 필라멘트(311)에 의한 캐소드(302)의 전자빔 가열을 조정함으로써 상기 설정 애노드 전류값을 유지하여, 캐소드(302)에 의해 방출되는 전자의 양을 조정한다. 구체적으로, 폐루프 제어기(418)는 설정 애노드 전류값(420)을 입력으로서 수취한다. 응답시에, 폐루프 제어기(418)는, 출력 신호(422)를 통하여 캐소드 전원(404)을 제어하고, 이에 의해 캐소드 전원(404)은, 애노드 전원(406)에서의 전류가 설정 애노드 전류값(420)에 가까워지는 것을 가능하게 하기에 충분한 출력 전압을 공급한다. 전술한 바와 같이, 캐소드 전원(404)의 전압을 조정함으로써, 캐소드(302)의 전자 가열의 레벨이 조정되고, 이에 따라 전자빔(308)의 전류가 조정된다. 애노드(304)의 아크 전류는 전자빔(308)에 의해 공급되므로, 이에 따라 애노드 전류는 전자빔(308)의 전류에 비례한다. 또한, 애노드 전원(406)에서 나오는 실제 전류는 모니터링되고, 폐루프 제어기(418)에 피드백 신호(426)로서 되돌아간다. 피드백 신호(426) 중의 실제 전류와 설정 애노드 전류값(420) 사이의 차가 오차 신호를 만들어 내고, 이 오차 신호는 폐루프 제어기(418)의 PID 필터에 의해 보다 적절한 상태로 조정된다. 그 후에, 폐루프 제어기(418)는 상기 차를 최소화하기 위해 출력 신호(422)를 캐소드 전원(404)에 보낸다.
몇몇 실시형태에서, 전자빔(308)의 운동 에너지는, 에미터 전원(430)의 전압의 측정에 기초하여 제어 회로에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 전자빔 에너지는 에미터의 공급 전압(Ve)과 전자 전하(e)의 곱으로서 산출될 수 있다. 또한, 에미터 전원(430)은, 에미터 전원(430)에서 나오는 전류에 상당하는 전자빔 전류를 공급할 수 있고, 필라멘트 전원(402)을 부동(浮動)시키는 캐소드 전원(404)에 대한 기준 전위의 역할을 할 수 있다.
도 3을 계속 참조해 보면, 전자총(104)의 접지 요소(306)는, 전자빔(308)이 이온화 챔버(102)에 들어가기 전에 전자빔(308)의 최종 에너지를 감소시킴으로써, 전자빔(308)을 감속시키도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 접지 요소(306)는, 감속 렌즈의 역할을 하도록 역(逆)피어스 구조에 따른 형상으로 되어 있는, 하나 이상의 렌즈, 예컨대 2개의 렌즈를 포함할 수 있다. 일례로서, 전자빔(308)은 500 eV로 접지 요소(306)에 접근할 수 있고, 접지 요소(306)를 통과한 후에 100 eV로 감속될 수 있다. 그 결과, 그렇지 않은 경우에 비해, 저에너지 전자 흐름이 이온화 챔버(102)에 도입된다. 또한, 전자빔(308)을 나선 궤도에 가두도록, 실질적으로 균일한 외부의 자계(320)를 인가할 수 있다. 상기 외부의 자계(320)는 또한 제1 플라즈마(도시 생략)와 제2 플라즈마(310)를 이온원(100) 내부에 가둘 수 있다. 자계(320)에 관한 세부 사항을 도 5 내지 도 7을 참조로 하여 이하에 설명한다.
도 3의 적어도 하나의 전자총(104)은, 개구(312)를 경유하여 이온화 챔버(102) 내에 전자빔 및/또는 이온을 도입시키는 데 사용될 수 있다. 개구(312)는, 이온화 챔버(102)로부터 전자총(104)으로 가스를 수송하는 것을 허용할 수 있고, 이온 펌핑 모드 동안에는 상기 가스로부터 전자총(104) 내에 제2 플라즈마를 형성할 수 있다. 몇몇 실시형태에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 전자총(104)이 사용되는 데, 각 전자총은 이온화 챔버(102)에 있어서 대향하는 면에 배치되어 있다. 한 쌍의 전자총(104)에 의해 도입된 전자빔은, 이온화 챔버(102)의 내부에서 종축(118)의 방향으로 가도록 되어 있다. 각 전자총(104)으로부터 전자빔은, 이온화 챔버(102) 내에서 가스를 이온화하여, 이온화 챔버(102) 내에 이온을 생성한다. 이온 펌핑 모드가 작동된 경우에는, 전자총(104)에 의해 부가적인 이온이 이온화 챔버(102) 내에 도입될 수 있다.
일 양태에서, 이온원(100)의 하나 이상의 구성 요소는, 예컨대 높은 동작 온도, 이온 스퍼터링에 의한 침식 및 플루오르화 화합물과의 반응 등에 의한 어떤 유해한 영향을 최소화하기 위해, 그래파이트로 구성되어 있다. 또한, 그래파이트의 사용은, 인출된 이온빔(116)에 있어서, 고융점 금속이나 전이 금속 등의 유해한 금속 성분의 생성을 제한한다. 몇몇 예에서, 전자총(104)의 애노드(304) 및 접지 요소(306)는 그래파이트로 제조되어 있다. 또한, 이온화 챔버(102)로부터 이온을 인출하는 데 사용되는, 플라즈마 전극(106) 및 인출 전극(108)을 비롯한 하나 이상의 전극은, 그래파이트로 제조될 수 있다. 또한, 알루미늄으로 제조될 수 있는 이온화 챔버(102)에는, 그래파이트가 라이닝될 수 있다.
다른 양태에서, 이온원(100)은, 이온화 챔버(102) 및/또는 전자총(104)에 근접하여 배치되어, 각 전자총(104)에 의해 발생된 전자빔을 전자총(104) 및 이온화 챔버(102)의 내부에 가두는 외부 자계를 발생시키는 하나 이상의 자계원을 포함할 수 있다. 또한, 상기 자계원에 의해 생성된 자계는, 인출된 이온빔(116)이 보다 균일한 이온 밀도 분포를 달성하는 것을 가능하게 한다. 도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 한 쌍의 자계원을 구비하는 예시적인 이온원의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 외부 자계는, 한 쌍의 자계원(502)에 의해 제공될 수 있는 데, 상기 한 쌍의 자계원은 이온화 챔버(102)의 양측에 전자빔(308)의 경로에 평행하게, 즉 이온화 챔버(102)의 종축(118)에 평행하게 배치되어 있다. 한 쌍의 자계원(502)은 각각 2개의 대향 챔버벽(504)의 외면을 따라 근접 배치될 수 있는 데, 여기서 상기 2개의 대향 챔버벽은 종축(118)에 평행하다. 몇몇 실시형태에서, 2개의 대향 챔버벽(504)과 전자총(104)에 대향하는 면을 제외하고, 이온화 챔버(102)의 면의 적어도 일부분에 인출 개구를 형성할 수 있다. 도 5는 이온화 챔버(102)의 면에 있어서 인출 개구(510)의 예시적인 배치를 보여준다. 한 쌍의 자계원(502)은, 종축(118)에 평행한 이온화 챔버(102)의 중심축(512)을 포함하는 평면에 대하여 대칭일 수 있다. 각 자계원(502)은 적어도 하나의 솔레노이드를 구비할 수 있다.
상기 대향 챔버벽 중의 하나는 인출 개구를 획정할 수 있다. 2개의 자계원(502)은 종축(108)에 대하여 대칭일 수 있다. 각 자계원(502)은 적어도 하나의 솔레노이드를 구비할 수 있다.
각 자계원(502)의 세로 길이는, 적어도 이온화 챔버(102)의 세로 길이와 같은 정도이다. 몇몇 실시형태에서, 각 자계원(502)의 세로 길이는, 2개의 전자총(104)의 길이에 이온화 챔버(102)의 길이를 더한 것과 적어도 같은 정도이다. 예컨대, 각 자계원(502)의 세로 길이는 약 500 ㎜, 600 ㎜, 700 ㎜, 또는 800 ㎜일 수 있다. 자계원(502)은 실질적으로 이온화 챔버의 인출 개구의 길이에 걸쳐 있을 수 있고, 상기 인출 개구로부터는 이온이 인출된다. 자계원(502)은, 긴 경로 길이에 걸쳐 전자빔(308)을 가두도록 되어 있다. 이 경로 길이는, 도 5에 나타내어진 바와 같이 (2X+Y)로 주어지는데, 여기서 X는 전자총(104)의 크기이고, Y는 이온화 챔버(102)의 크기이다[Y는 또한, 대략 이온 인출 개구(510)의 길이나, 인출된 리본 이온 빔(116)의 소요의 길이이다].
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 도 5의 자계원(502)의 예시적인 구성의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 각 자계원(502)은, ⅰ) 자기 코어(602)와, ⅱ) 일반적으로 자기 코어(602)의 둘레에 감겨 있는 전자기 코일 조립체(604)를 구비한다. 이온화 챔버(102) 및 전자총(104)을 구비하는 이온원 구조체(601)는, 전자기 코일 조립체(604)에 의해 만들어진 축방향 자계 내에 놓인다. 몇몇 실시형태에서는, 한 쌍의 자계원(502) 중 어느 것도 자기 요크에 결합되어 있지 않아, 자계원(502)에 의해 발생된 자속은 공간으로 소산(消散)되고 이온원 구조체(601)로부터 멀리 떨어져 복귀한다. 이러한 구성은, 인출된 이온빔(116)의 종축(118) 방향에서의 이온 밀도 프로파일의 균일성을 향상시키는 것으로 확인된 자속을 이온원 구조체(601) 내에 발생시킨다. 또한, 이온원 구조체(601)에서의 자속은 종축(118) 방향으로 배향될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 2개의 자계원(502)은 서로 물리적으로 떨어져 있고, 이들 자계원의 자계 코어(602)는 서로 전기적으로 절연되어 있다. 즉, 한 쌍의 자계 코어(602) 사이에 전기적 접속은 없다.
각 전자기 코일 조립체(604)는, 종축(118)을 따라 분산 배치되어 있고 제어 회로(608)에 의해 독립적으로 제어되는 복수의 코일 세그먼트(606)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 제어 회로(608)는 각 코일 세그먼트에 서로 다른 전압을 공급할 수 있다. 일례로서, 코일 조립체(604a)는, 독립되어 있고 부분적으로 중첩되어 있는 자계를 이온원 구조체(601)의 상단부, 중간부 및 하단부에 걸쳐 발생시키는 3개의 코일 세그먼트(606a-c)를 구비할 수 있다. 그 결과로서 얻어진 자계는, 각 전자총(104)에 의해 발생된 전자빔(308)을 가둘 수 있고, 이에 따라 충분히 획정된 플라즈마 기둥을 종축(118)을 따라 만들어 낸다.
각 코일 세그먼트(606)에 의해 만들어지는 자속 밀도는, 인출된 이온빔(116)의 이온 밀도 프로파일에서의 불균일성을 수정하기 위해 독립적으로 조정될 수 있다. 일례로서, 코일 조립체(604a)의 경우, 중앙의 코일 세그먼트(606b)는 양단부의 코일 세그먼트(606a, 606c)에 공급되는 전류의 절반의 전류를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 한 쌍의 자계원(502)에 대한 대응하는 한 쌍의 코일 세그먼트(606)에는 동일한 전류가 공급된다. 예를 들어, 코일 세그먼트(606a)와 코일 세그먼트(606d)는 동일한 전류를 가질 수 있고, 코일 세그먼트(606b)와 코일 세그먼트(606e)는 동일한 전류를 가질 수 있으며, 코일 세그먼트(606c)와 코일 세그먼트(606f)는 동일한 전류를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 각 코일 세그먼트(606a-f)에는 서로 다른 전류가 공급된다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 코일 세그먼트(606)를 제어하기 위해 복수의 제어 회로가 사용된다. 도 6은 각 코일 조립체(604)가 3개의 코일 세그먼트(606)를 갖고 있는 것을 보여주고 있지만, 각 코일 조립체(604)는 보다 많거나 적은 수의 세그먼트를 가질 수 있다. 또한, 한 쌍의 코일 조립체(604)는, 동일한 수의 코일 세그먼트(606)를 가져야만 하는 것은 아니다. 각 코일 조립체(604)에 대한 코일 세그먼트(606)의 수와 배치는, 인출된 이온빔(116)에 있어서 특정의 이온 밀도 분포 프로파일을 달성하기에 적합하게 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 도 5의 자계원(502)의 다른 예시적인 구성의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 각 자계원(502)의 코일 조립체(704)는, 1) 대응하는 자기 코어(702)의 둘레에 실질적으로 감긴 메인 코일 세그먼트(708)와, 2) 메인 코일 세그먼트(708)의 둘레에 감긴 복수의 서브 코일 세그먼트(710)를 포함할 수 있다. 각 코일 조립체(704)의 메인 코일 세그먼트(708) 및 서브 코일 세그먼트(710) 각각은 적어도 하나의 제어 회로(도시 생략)에 의해 독립적으로 제어된다. 이러한 구성은, 자계원(502)에 의해 만들어진 자속을 조정함에 있어서 오퍼레이터에게 보다 큰 유연성을 제공하며, 그 결과로 얻어진 이온빔(116)은 종축(118) 방향으로 소기의 이온 밀도 분포를 갖는다. 예를 들어, 메인 코일 세그먼트(708)는, 이온원 구조체(601) 내의 자계를 대략적으로 제어하는 데 사용될 수 있고, 서브 코일 세그먼트(710)는 자계를 미세하게 조정하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 각 메일 코일 세그먼트(708)의 세로 길이는 이온화 챔버(102)의 길이 이상이고, 각 서브 코일 세그먼트(710)의 세로 길이는 메인 코일 세그먼트(708)의 길이보다 짧다.
도 8은 이온원(100)에 의해 발생된 이온빔의 예시적인 이온 밀도 프로파일을 보여주는 도면이다. 이 프로파일은 종축(118)에 따라서의 이온 밀도를 보여준다. 도시된 바와 같이, 예시적인 이온빔으로부터의 총 이온빔 전류(800)는 약 96.1 ㎃이고, 전류 밀도는 종축(118)에 따라 400 ㎜의 길이에 걸쳐 약 ±2.72%의 범위 내에 있으며 실질적으로 균일하다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 다른 예시적인 이온원의 개략도이다. 이온원(900)은 캐소드(902)와, 애노드(904)와, 접지 요소(906)와, 자계원 조립체(908), 그리고 가스 공급부(910)를 포함한다. 캐소드(902)는, 도 3의 캐소드(302)와 실질적으로 동일할 수 있으며, 직접적으로 또는 간접적으로 가열될 수 있다. 캐소드(902)를 간접적으로 가열하는 경우, 이 간접 가열을 행하기 위해 필라멘트(913)를 사용할 수 있다. 캐소드(902)는 전자를 열전자적으로 방출하도록 되어 있어, 캐소드(902)에 대하여 양의 전위로 유지되는 애노드(904)에 고에너지 전자빔(914)을 형성하게 된다. 또한, 도 3의 전자총(104) 구성과 마찬가지로, 이온원(900)에 있어서 애노드(904)와 접지 요소(906)의 사이에 플라즈마(916)가 형성될 수 있다. 플라즈마(916)는, 가스 공급부(910)를 경유하면서 접지 요소(906)를 통과하여 이온원(900) 내에 직접적으로 도입되는 가스의 이온화를 통해 만들어진다. 전자빔(914)은 플라즈마(916)를 장기간 존속시킬 수 있다. 플라즈마(916)는, 개구(912)에서 인출 시스템(도시 생략)에 의해 인출되어 주입용 기판에 수송될 수 있는 정대전 이온(918)을 발생시키도록 되어 있다. 이온원(900)에서는 이온화 챔버가 필요하지 않다. 따라서, 이온원(900)은 설계 및 배치에 있어서 비교적 컴팩트하다.
몇몇 실시형태에서는, 필라멘트(913), 캐소드(902) 및 애노드(904) 각각과 연관된 전류 및/또는 전압을 제어하여 이온원(900)의 동작을 제어하기 위해, 적어도 하나의 제어 회로(도시 생략)가 사용될 수 있다. 이 제어 회로는, 전술한 바와 같은 이온 펌핑 모드 또는 플라즈마원 모드 중의 하나로 이온원(900)을 동작시킬 수 있다. 이 제어 회로는 또한, 가스 공급부(910)의 유량을 조절하여, 인출된 이온빔(도시 생략)의 특성을 조정할 수 있다.
선택적으로, 이온원(900)은, 전자빔(914)을 이온원(900)의 내부에 가두는 외부 자계(922)를 생성하는 자계원 조립체(908)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 자계원 조립체(908)는, 강하면서 국소화된 자계(922)를 발생시키도록 영구 자석에 결합된 요크 조립체를 포함하고, 상기 자계는 전자빔(914)의 방향에 평행할 수 있다. 별법으로서, 요크 구조의 둘레에 감긴 전자기 코일 조립체가 사용될 수 있다. 따라서, 많은 이온원 시스템에 있어서 전형적인 대형의 외부 자기 코일의 통합이 불필요하다. 이러한 자계원 조립체(908)는 이온원(900)에 가까운 자계를 종결시켜, 자계는 이온의 인출 영역 안으로 깊숙이 들어가지 못한다. 이로써, 이온은 실질적으로 무자계의 공간으로부터 인출될 수 있게 된다.
도 9의 이온원 설계는 많은 장점을 갖는다. 예를 들어, 이온원(900)의 이온화 영역을 에미터 조립체 내에 국소화시킴으로써(즉, 대형의 이온화 챔버를 사용하지 않고서), 이온원(900)의 크기가 상당히 축소된다. 또한, 가스를 대형의 이온화 챔버가 아니라 플라즈마(916)에 그 사용 부위에 도입함으로써, 가스 효율이 실질적으로 증대되고, 이는 이온원(900)의 컴팩트한 모듈 방식의 설계에 기여한다. 또한, 적절한 자계 클램프에 의해 플라즈마(916)를 국부적으로 가둠으로써, 이온 전류는 실질적으로 무자계의 영역으로부터 인출될 수 있게 된다.
당업자라면, 본 발명의 정신 또는 본질적인 특성으로부터 벗어나지 않고서도, 본 발명이 다른 특정 형태로 실시될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 전술한 실시형태는 모든 면에서 본원에 기재된 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구범위에 의해 나타내어지는 것이므로, 청구범위의 등가물의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 청구범위의 내에 포함되도록 되어 있는 것이다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 전자총을 구비하는 이온원으로서,
    상기 전자총은,
    전자의 빔을 발생시키는 전자원;
    가스를 수취하는 입구;
    적어도 애노드와 접지 요소에 의해 획정되는 플라즈마 영역으로서, 상기 입구를 경유하여 수취한 가스로부터 플라즈마를 전자 충격에 의해 형성하도록 되어 있고, 상기 플라즈마는 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 유지되는 것인 플라즈마 영역; 및
    (ⅰ) 상기 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 전달하기 위한 출구
    를 구비하는 것인 이온원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 애노드의 전압을 조정하여, 상기 플라즈마 영역 내의 플라즈마를 오프시키는 제어 회로를 더 포함하고, 상기 출구는 상기 전자의 빔의 적어도 일부분을 상기 이온을 수반하지 않고서 전달하도록 되어 있는 것인 이온원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접지 요소는, 상기 전자의 빔이 상기 출구를 경유하여 상기 적어도 하나의 전자총을 떠나기 전에, 상기 전자의 빔의 적어도 일부분을 감속시키는 적어도 하나의 렌즈를 구비하는 것인 이온원.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전자총의 입구 및 출구는 단일 개구를 구비하는 것인 이온원.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전자원은, (ⅰ) 필라멘트 및 (ⅱ) 상기 필라멘트에 의해 열전자적으로 방출된 전자류(電子流)에 의하여 간접적으로 가열되어 상기 전자의 빔을 발생시키는 캐소드를 포함하는 것인 이온원.
  6. 이온원으로서,
    이온화 챔버와 2개의 전자총을 포함하고,
    상기 이온화 챔버는, ⅰ) 이온화 챔버를 통하여 연장되는 종축을 따르는 방향에서의 양단부에 있는 2개의 내부 개구 및 ⅱ) 이온화 챔버로부터 이온을 인출하기 위해 이온화 챔버의 측벽을 따라 마련되는 인출 개구를 포함하며,
    상기 2개의 전자총은 각각 2개의 내부 개구 중 하나에 관련하여 배치되고, 각 전자총은,
    전자의 빔을 발생시키는 전자원;
    상기 이온화 챔버로부터 가스를 수취하는 입구; 및
    상기 가스로부터 플라즈마를 전자 충격에 의해 발생시키기 위한 플라즈마 영역으로서, 상기 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 유지되는 플라즈마 영역을 포함하며,
    각 전자총은, 이온화 챔버에, (ⅰ) 대응하는 전자총의 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 대응하는 전자총에 의해 생성된 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 전달하는 것인 이온원.
  7. 제6항에 있어서, 각 전자총에 의해 공급된 상기 전자의 빔의 적어도 일부분에 의하여 이온화하기 위해, 가스를 상기 이온화 챔버에 전달하기 위한 복수의 가스 입구를 상기 이온화 챔버의 측벽을 따라 더 포함하는 것인 이온원.
  8. 이온원을 작동시키는 방법으로서,
    전자총의 전자원에 의해 전자의 빔을 발생시키는 단계;
    상기 전자총의 입구에서 가스를 수취하는 단계;
    상기 전자총의 플라즈마 영역 내에 상기 가스 및 상기 전자의 빔으로부터 플라즈마를 전자 충격에 의해 형성하는 단계; 및
    (ⅰ) 상기 플라즈마에 의해 생성된 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자총의 출구를 경유한 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 이온화 챔버에 제공하는 단계
    를 포함하는 이온원 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 플라즈마 영역에서 플라즈마를 없애기 위해 애노드의 전압을 조정하는 단계; 및
    상기 전자의 빔의 적어도 일부분만을 상기 이온화 챔버에 제공하는 단계를 더 포함하는 이온원 작동 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전자의 빔을 발생시키기 위해 상기 전자원의 캐소드를 간접적으로 가열하는 단계를 더 포함하는 이온원 작동 방법.
  11. 제8항에 있어서, 가스를 상기 이온화 챔버의 복수의 가스 입구를 경유하여 이온화 챔버에 제공하는 단계; 및
    상기 전자의 빔의 적어도 일부분 및 상기 가스에 기초하여 상기 이온화 챔버에 제2 플라즈마를 발생시키는 단계를 더 포함하는 이온원 작동 방법.
  12. 전자총으로서,
    전자의 빔을 발생시키는 전자원;
    가스를 수취하는 입구;
    적어도 애노드와 접지 요소에 의해 획정되는 플라즈마 영역으로서, 전자 충격에 의해 수취한 가스에 기초하여 플라즈마를 형성하도록 되어 있고, 상기 플라즈마는 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 유지되는 것인 플라즈마 영역; 및
    (ⅰ) 상기 플라즈마에 의해 형성된 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 전달하기 위한 출구
    를 구비하는 전자총.
  13. 제12항에 있어서, 상기 애노드의 전압을 조정하여, 상기 플라즈마 영역 내의 플라즈마를 오프시키는 제어 회로를 더 포함하고,
    상기 출구는 상기 전자의 빔의 적어도 일부분을 상기 이온을 수반하지 않고서 전달하도록 되어 있는 것인 전자총.
  14. 이온원으로서,
    가스를 공급하기 위한 가스원;
    적어도 하나의 전자총;
    이온화 챔버; 및
    제어 회로를 포함하고,
    상기 전자총은, 전자의 빔을 발생시키는 에미터; 및 적어도 애노드와 접지 요소에 의해 획정되는 플라즈마 영역으로서, 상기 가스로부터 제2 플라즈마를 전자 충격에 의해 형성하도록 되어 있고, 상기 제2 플라즈마는 전자의 빔의 적어도 일부분에 의해 유지되는 것인 플라즈마 영역을 포함하는 것이고,
    상기 이온화 챔버는, 상기 적어도 하나의 전자총으로부터 (ⅰ) 상기 제2 플라즈마에 의해 생성된 제1 세트의 이온, 또는 (ⅱ) 상기 전자의 빔의 적어도 일부분 중의 적어도 하나를 수취하기 위한 것으로서, 상기 가스 및 상기 전자의 빔의 적어도 일부분으로부터 제1 플라즈마를 형성하도록 되어 있는 것이고, 상기 제1 플라즈마는 제2 세트의 이온을 발생시키는 것이며,
    상기 제어 회로는, 상기 애노드의 전압 또는 상기 에미터의 전압 중 적어도 하나를 조절하여, 소요량의 상기 제1 세트의 이온 및 상기 제2 세트의 이온을 만들어 내기 위한 것으로서, 상기 제1 세트의 이온은 상기 제2 세트의 이온보다 해리된 이온을 더 포함하는 것인 이온원.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는, 상기 제2 세트의 이온보다 상기 제1 세트의 이온을 더 만들어 냄으로써, 모노머 모드로 동작하도록 구성되어 있는 것인 이온원.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는, 상기 제1 세트의 이온보다 상기 제2 세트의 이온을 더 만들어 냄으로써, 클러스터 모드로 동작하도록 구성되어 있는 것인 이온원.
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