KR102172723B1 - 넓은 처리 영역에 걸쳐서 제어 가능한 이온 전류 밀도 분포를 갖는 이온 빔을 생성하기 위한 이온 공급원 및 방법 - Google Patents

Abstract

본원에 개시된 이온 공급원은 이온 공급원의 방전 공간 내의 플라즈마의 분포를 변경하기 위한 하나 이상의 전자석을 포함한다. 전자석 중 적어도 하나는 이온 공급원의 관형 측벽의 외부 주연부 주위에 배향되어 방전 공간의 주연 영역 내의 플라즈마의 분포를 변경한다.

Description

넓은 처리 영역에 걸쳐서 제어 가능한 이온 전류 밀도 분포를 갖는 이온 빔을 생성하기 위한 이온 공급원 및 방법{ION SOURCES AND METHODS FOR GENERATING ION BEAMS WITH CONTROLLABLE ION CURRENT DENSITY DISTRIBUTIONS OVER LARGE TREATMENT AREAS}

이온 빔 공정 시스템은 반도체 및 데이터 저장 장치와 같은, 박막 장치의 제조 중에 기판의 특성을 변경하기 위한 다양한 응용 분야에서 사용된다. 특히, 하나 이상의 에칭 공정이 기판상의 재료 층을 제거하고 성형하는데 사용될 수 있다. 하나의 종래의 에칭 방법은 저압(즉, 약 1mTorr 미만의 압력)에서 플라즈마 상태로 이온화되는 작동 가스의 사용을 포함한다. 이온들은 재료 층들의 이온 빔 에칭("IBE")을 위하여 이온 광학부(ion optics)에 의해 플라즈마로부터 추출되고 이온 기판을 향하여 가속된다.

장치의 임계 치수가 줄어듦에 따라, 빔의 방향성을 희생하지 않는 공정의 균일성의 개선에 대한 요구는 개선된 이온 공급원을 찾고자 하는 연구를 이끌어 냈다. IBE 균일성은 빔 전류 밀도, 및 대전된 이온이 전하 교환 이온-원자 충돌을 통하여 빔의 이송 동안 중성으로 변환되는 이온 및 고에너지 중성자의 분포에 직접적으로 관련된다. 통합 빔 입자 플럭스는 기판상의 충돌 위치와 독립적이어야 한다. 기판에서의 대전된 그리고 중성의 빔 입자들의 각 분포는 상기 공급원의 상기 광학부에 의해 플라즈마로부터 추출된 이온들의 궤적의 각 특성에 직접적으로 관련된다. 공정 균일성을 최적화하기 위해, 입사 입자 궤도는 기판의 표면을 가로질러 대략 평행해야 한다.

보다 최근의 디자인의 종래의 이온 공급원은, 예를 들어, 무선-주파수(“rf”)의 전자기 에너지를 포함하는, 고주파 전자기장 에너지를 이용하는 유도 결합 플라즈마(“ICP”)를 생성하기 위해 방전 용기 주위에 감겨진 나선형 또는 코일 안테나를 사용한다. 이온 공급원의 안테나는, 진동하는 고주파 전류를 반송할 때, 방전 용기 내부에 시변하는 자기장을 유도한다. 패러데이의 법칙에 따라, 시변하는 자기장은 방전 용기 내에서 방위 방향으로 전자를 가속시키고 ICP를 유지하는 솔레노이드형의 고주파 전기장을 유도한다. 이러한 방식으로, RF-ICP 공급원은 예를 들어, 약 10¹¹ cm^-3 정도의 비교적 높은 플라즈마 밀도를 생성할 수 있다. RF-ICP 공급원을 점화시키는데 필요한 초기 "시드" 전자를 제공하기 위해, 플라즈마는 시동 기간 동안 처리 챔버에서 전자 공급원에 의해 생성되는 전자를 흡수함으로써 점화될 수 있다. 대안적으로, 점화기가 플라즈마 발생기 내부에 제공될 수 있다. 이 점화기는 스파크 발생기에 부착된 한 쌍의 전극일 수 있다.

저압 ICP는 확산이 우세하기 때문에, 플라즈마 밀도, 그리고 이에 따른 이온 광학부 평면에서의 반경 방향의 플라즈마 이온 플럭스 분포는 변함없이 볼록한데, 즉 이온 공급원의 중심에서 가장 크고 이온 공급원의 중심에서 반경 방향 외측으로 갈수록 감소한다. 이는 그러한 종래의 이온 공급원에 의해 생성된 광폭 이온 빔의 불균일한 이온 전류 밀도 분포를 초래한다.

전형적인 광폭 빔 이온 공급원은 이온을 형성하고 빔으로 가속하기 위한 다중-전극 가속기 시스템을 사용한다. 이 시스템 내의 전극들은 일반적으로 그리드라 불리는 평평하거나 오목한 다중-개구 플레이트로서, 정렬된 개구의 어레이로 천공되며, 이를 통해 이온 빔렛이 추출된다. 이들 빔렛들의 중첩은 하나의 광폭 이온 빔을 초래한다. 전술한 플라즈마 불균일성의 플라즈마 밀도 프로파일에 대한 영향을 보상하기 위한 하나의 공지된 방법은 중심에서 빔 전류 밀도를 감소시키기 위하여 그리드의 투과도를 반경 방향으로 변화시키는 것이다. 그러나 이 보상 방법에는 몇 가지 한계가 있다. 이온 광학부의 투과도의 변경은 다양한 이온 공급원 작동 조건(예를 들어, rf 전력, 빔 전압 및 전류, 가스의 유형 및 압력)에 대한 플라즈마 밀도 프로파일의 변화나, 시스템 유지보수 기간 사이의 이러한 인자들 임의의 시간 의존성이나, 또는 공급원과 이온 광학부 내의 변화를 보상할 수 없다. 공급원 및 이온 광학부 내의 변화는 질량 및 열적 부하의 영향, 또는 이온 공급원 또는 그리드 구성의 차이에 기인한 모듈 대 모듈 변화 때문에 주어진 에칭 모듈(etch module)에서의 단기 및/또는 장기 서비스 조건 변화일 수 있다. 일부 예에서는, 예를 들어, 기판으로의 전달 중의 빔 분산(beam spreading), 기판의 주연부에서의 클램프 효과, 에칭되는 재료 층의 두께의 변화, 또는 에칭 마스크 형상부의 폭의 변화를 포함하는 기판을 처리하는 다른 양태에 있어서의 변경을 보상하기 위해 오목하거나 볼록한 빔 이온 밀도 분포가 바람직할 수 있다.

플라즈마의 반경 방향 및/또는 방위 방향의 밀도 분포의 국부적인 변화는 통상적으로 IBE 공정의 균일성을 제한한다. 이러한 변화의 위치와 형상은 작동 조건에 의존한다. 그리드 광학부의 투명도는 작동 조건에 대한 이러한 의존성을 보상하기 위하여 쉽게 수정될 수 없다.

공지된 종래의 장치는 그리드-계 RF-유도 결합 이온 공급원 내의 이온 플럭스의 균일성을 조율하기 위한 특징을 더 포함할 수 있다. 이러한 특징은 그리드-조립체의 스크린 그리드로부터 소정의 거리에 위치된 재-진입 용기를 사용할 수 있다. 상기 소정의 거리를 감소시킴으로써, 이온 공급원의 중심 내의 이온 플럭스가 억제될 수 있다. 추가적으로, 플라즈마 분포에서의 임의의 비대칭 피크를 평탄하게 할 목적으로 이온 플럭스 분포의 반경 방향 변화를 미세하게 조율하기 위한 확장부가 포함될 수 있다. 또 다른 공지된 장치는 이온 플럭스 분포의 확장된 범위 조율을 제공하기 위하여 재-진입 용기로부터 그리고 플라즈마 방전 챔버로 연장되는 이동 가능한 "플라즈마 성형기"를 채용한다.

따라서, 특히 직경이 8인치보다 큰 공간 처리 치수에 대해, 이온 플럭스 분포의 개선된 제어를 갖는 이온 공급원에 대한 요구가 존재한다. 더 자세히는, 이온 플럭스 밀도 분포의 외부 주연부에서 이온 빔 전류 밀도 분포를 제어하는 것을 수정할 수 있는 장치 및 방법에 대한 요구가 존재한다. 또한, 빔 프로파일의 조정의 범위가 개선되고 이온 플럭스 분포의 방위 방향 변화의 제어가 개선된 이온 공급원에 대한 요구가 존재한다.

본 발명은 종래 기술의 이온 공급원의 전술한 문제점 및 다른 단점과 결점을 극복한다. 본 발명은 특정 실시예들 또는 구현예들과 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이러한 실시예들 또는 구현예들로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 범주 내에 포함될 수 있는 모든 대안예, 변형예 및 균등물을 포함한다.

본 발명은 맞춤형 동작 특성을 갖는 이온 빔을 생성하기 위해 이온 공급원의 다중 전자석을 작동시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본원에 개시된 기술의 일 구현예는 이온 공급원을 포함하며, 상기 이온 공급원은 작동 가스를 수용하도록 구성된 방전 공간을 갖는 방전 챔버로서, 상기 방전 챔버는 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에 연장된 관형 측벽을 포함하는, 방전 챔버; 방전 공간 내측에서 작동 가스로부터 플라즈마를 생성하도록 구성된 안테나; 및 방전 공간 내측의 플라즈마의 분포를 변화시키기 위하여 방전 챔버의 관형 측벽의 외부 주연부에 배치되는 제1 전자석을 포함하는 이온 공급원이며, 제1 전자석은 방전 공간의 주연 영역 내의 플라즈마 분포를 우선적으로 변화시키도록 배치 및 구성된다.

본원에 개시된 기술의 다른 구현예는 이온 공급원을 작동하는 방법을 포함하며, 상기 방법은 이온 공급원의 방전 챔버 내부에서 플라즈마를 생성시키는 단계로서, 방전 챔버는 작동 가스로 충전된 방전 공간을 포함하고, 방전 챔버는 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에 연장된 관형 측벽을 포함하는, 플라즈마 생성 단계; 및 방전 공간의 주변 영역 내의 플라즈마 분포를 우선적으로 변화시키기 위하여 방전 챔버의 관형 측벽의 외부 주연부에 배치되는 제1 전자석을 제어하는 단계를 포함한다.

본원에 개시된 기술의 또 다른 구현예는 이온 공급원을 포함하며, 상기 이온 공급원은, 작동 가스를 수용하도록 구성된 방전 공간을 구비한 방전 챔버으로서, 상기 방전 공간은 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에 연장된 관형의 측벽을 포함하는 방전 챔버; 방전 공간 내측의 작동 가스로부터 플라즈마를 생성하도록 구성되는 안테나; 방전 챔버의 폐쇄 단부의 내부에 배치되고 방전 공간의 중심 영역의 플라즈마의 분포를 우선적으로 변화시키도록 구성되는 제1의 독립적으로 제어되는 전자석; 방전 챔버의 관형 측벽의 외부 주연부에 배치되고 방전 공간의 주연 영역 내의 플라즈마의 분포를 우선적으로 변화시키도록 구성되는 제2의 독립적으로 제어되는 전자석을 포함한다.

또 다른 구현예에 따르면, 플라즈마 처리 기기용 이온 공급원은 작동 가스를 수용하기 위한 방전 공간을 구비하는 방전 챔버를 포함하고, 상기 방전 챔버는 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에 연장된 관형의 측벽을 포함한다. 안테나는 방전 챔버 내측의 작동 가스로부터 플라즈마를 발생시키도록 구성된다. 적어도 두 개의 전자석이 생성된 자기장을 이용하여 방전 공간 내측의 플라즈마의 분포를 변화시키기 위하여 방전 챔버의 근처에 배치된다. 적어도 하나의 전자석이 방전 챔버의 폐쇄 단부의 내부에 포함되며 방전 공간의 중심 영역 내의 플라즈마의 분포를 우선적으로 변화시키도록 설계된다. 전자석은 제1 코일 및 자기 투과성 재료로 형성된 제1 자속 집속기를 포함한다. 제1 코일은 제1 집속기의 관형 측벽에 근접하여 배치된다. 제1 코일은 자기장을 발생시키기 위하여 전류가 공급되도록 구성된다. 제1 집속기는 제1 코일에 의해 발생된 자속을 성형하고 이를 폐쇄 단부와 개방 단부 사이의 방전 챔버의 중심축에 근접한 방전 공간의 중심 영역으로 국한시키도록 구성된다. 적어도 하나의 다른 전자석은 방전 공간의 주연 영역 내의 플라즈마 분포를 우선적으로 변화시키도록 설계된 방전 챔버의 관형 측벽의 주연부에 배치된다. 이는 제2 코일 및 자기 투과성 재료로 형성된 제2 자속 집속기를 포함한다. 제2 코일은 자기장을 발생시키기 위하여 전류가 공급되도록 구성된다. 제2 집속기는 제2 코일에 의해 생성된 자속을 성형하고 이를 방전 공간의 주연 영역 및 방전 챔버의 개방 단부 근처에 국한시키도록 구성된다.

다른 구현예에서, 중앙 및 주변 영역에서의 자기장 강도는 각각 제1 및 제2 전자석의 코일을 통한 전류를 독립적으로 제어함으로써 조정된다. 이는 방전 챔버의 개방 단부에서 상기 축으로부터 공급원의 주연부까지의 플라즈마 분포를 변화시킨다. 제1 및 제2 전자석은 방위 방향으로 등방성을 갖도록 구성되고, 방전 챔버 내의 플라즈마 분포의 조정은 반경 방향이다.

또 다른 구현예에서, 제1 및 제2 전자석은 다중 섹션을 가지며 방전 챔버 내의 플라즈마 분포의 반경 방향 및 방위 방향의 조정 모두를 제공한다.

다른 구현예도 본원에 기재되고 나열된다.

본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성하는, 첨부 도면은 본 발명의 실시예 또는 구현예를 도시하고, 전술한 본 발명의 일반적인 설명 및 이하의 실시예 또는 구현예의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명한다.
도 1a는 예시적인 이중 전자석 이온 공급원을 포함하는 고진공 처리 시스템의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 이온 공급원의 외부 주연부에 배치된 제1 예의 토로이드형 전자석의 확대된 부분 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 이온 공급원의 방전 공간의 주연부에 자기장을 더 국한시키기 위해 변경된 극편 조립체를 갖는 제2 예의 토로이드형 전자석의 확대된 부분 단면도이다.
도 1d는 극편이 일체형 자속 집속기 플레이트 조립체의 일부인, 제3 예의 토로이드형 전자석의 확대된 부분 단면도이다.
도 2a는 토로이드형 전자석을 형성하는 예시적인 다중 섹션 전자석 조립체의 부분 사시도로서, 도 1a-c의 단일 자석은 이온 공급원의 외부 주연부에 배치되는 다중 섹션 전자석들의 배열로 대체된다.
도 2b는 도 2a의 다중 섹션 전자석 조립체의 예시적인 개별 전자석의 대표적인 단면도이다.
도 3a는 예시적인 토로이드형 링 커스프 필드 전자석(toroidal ring cusp field electromagnet)의 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 토로이드형 전자석의 예시적인 단위 전자석 셀의 사시도로서, 극은 링 커스프 자기장 구성을 생성하는 방식으로 제조된다.
도 4a는 극편을 갖는 다중 개별 전자석을 포함하는 예시적인 중앙 전자기 조립체의 평단면도이다.
도 4b는 도 4a의 예시적인 중앙 전자기 조립체의 측단면도이다.
도 5는 도 1a의 중앙 및 토로이드형 전자석에 대한 예시적인 자기장 등고선도를 도시한다.
도 6은 도 1b의 토로이드형 전자석에 의해 생성된 예시적인 자기 벡터장 분포를 도시한다.
도 7a는 도 3a 및 도 3b의 커스프 자기장 토로이드형 전자석의 상부 및 하부의 평면에서의 모델링된 예시적인 자기 벡터 장 분포의 사시도를 도시한다.
도 7b는 도 3a 및 도 3b의 커스프 자기장 토로이드형 전자석의 모델링된 예시적인 자기 벡터 장 분포의 단면도를 도시한다.
도 8은 도 1b의 토로이드형 전자석에 의해 생성된 자기장의 영향을 받는 플라즈마 내의 자화된 전자 궤적의 두 가지 모델링된 예시 및 이온 공급원의 플라즈마 밀도 분포에 대한 전자석에 의한 영향의 유효성의 기준을 나타내는 임계 자기장 등고선을 도시한다.
도 9a는 그 내부에서 도 1b의 토로이드형 전자석으로부터 생성된 자기장의 효과가 플라즈마 밀도 분포에 영향을 주는, 이온 공급원의 플라즈마 방전 공간 내의 3개의 상이한 영역을 도시한다.
도 9b는 이온 공급원의 rf 전력 소비에 대한, 도 1b의 토로이드형 전자석에 의해 생성된 전자기장의 영향을 도시한다.
도 9c는 전자석이 낮은 자기장 강도 내지 중간 정도의 자기장 강도 범위 내에서 작동될 때, 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한, 도 1b의 토로이드형 전자석에 의해 생성된 전자기장의 영향을 도시한다.
도 10a는 도 1의 이중 전자석 구성에 대하여 예시적인 모델링된 대표적인 자기 벡터 장 분포와, 자화된 전자 궤적의 몇몇 세트를 도시한다.
도 10b는 패러데이 컵 프로브 어레이를 사용하여 측정한, 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한, 도 10a의 예시적인 모델링된 대표 자기 벡터 장 분포와 자화된 전자 궤적의 효과의 일 예를 도시한다.
도 10c는 다른 빔 전압에 대한 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한, 도 10a의 모델링된 대표적인 자기 벡터 장 분포와 자화된 전자 궤적의 효과의 추가적인 예를 도시한다.
도 10d는 도 10c의 최적화된 전자석 전류 설정에서의 빔 프로파일 각각에 대하여 얻어진 균일성을 비교한다.
도 11a는 도 1의 이중 전자석 구성에 대하여 다른 예시적인 모델링된 대표적인 자기 벡터 장 분포와, 몇몇 세트의 자화된 전자 궤적을 도시한다.
도 11b는 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한 도11a의 예시적인 모델링된 대표 자기 벡터 장 분포와 자화된 전자 궤적의 효과를 도시한다.

본원에 개시된 기술은 그리드형 플라즈마-구동식 이온 공급원의 이온 광학부 구조로부터 형성된, 저발산 대전 입자 빔렛들의 배열로부터의 이온의 광폭 시준 균일 빔(broad collimated uniform beam)을 제공한다. 빔 이온 전류 밀도 분포는 플라즈마 방전의 상이한 영역에 위치한 2개의 전자석에 의한 이온 공급원 내의 플라즈마 밀도 분포의 전자기적 변경을 통해 조정 가능하다.

도 1a는 예시적인 이중 전자석 이온 공급원(110)을 포함하는 고진공 처리 시스템의 단면도이다. 다양한 구현예에서, 이온 공급원(110)은 진공 처리 챔버 내에 위치되고, 적어도 하나의 기판(111)을 향하는, 작동 가스 이온들의 이온 빔(115)(본 명세서에서 화살표로 도시됨)을 생성한다. 이 이온들은 기판(111)에 충돌하여, 예를 들어 이온 빔 에칭 공정에 의해 기판(111)의 상부 표면으로부터 재료를 제거하는 것을 포함할 수 있는, 의도된 유익한 결과를 달성한다.

이온 공급원(110)는 관형 측벽(118)에 의해 형성된 방전 챔버(116)를 포함한다. 관형 측벽(118)은 개방 단부(131)에 의해 형성된 개방부와, 관형 측벽(118)의 반대 단부를 폐쇄하는 후방 플랜지(120)를 갖는다. 관형 측벽(118)은 적어도 부분적으로는, 석영 또는 알루미나와 같은 유전체 재료로 제조될 수 있다. 고주파 전자기 에너지, 특히 무선 주파수("RF") 전자기 에너지는 재료 내에서 낮은 손실로 관형 측벽(118)의 유전체 재료 부분을 관통할 수 있다.

이온 공급원(110)는 진공 격리를 위한 밀봉식 시일을 제공하는 다양한 고진공 실링 부재(도시되지 않음)를 더 포함한다. 후방 플랜지(120)를 관통하여 연장되는, 가스 유입구(122)가 방전 공간(124)과 연통되고 계량된 가스 공급원(123)로부터의 그리고 방전 공간(124)으로의 작동 가스의 규제된 유동을 허용한다. 약 0.05mTorr 내지 약 5mTorr 범위의 진공 압력일 수 있는 아대기 환경(sub-atmospheric environment)은 진공식 처리 챔버와의 유체 연통에 의해 방전 공간(124)에서 유지된다.

코일 안테나(126)가 임피던스 매칭 네트워크(도시되지 않음)를 통해 그에 전기적으로 결합된 전원 공급부(도시되지 않음)과 함께 방전 챔버(116)의 외부의 일부에 감겨져 있다. 전원 공급부는 코일 안테나(126)에 약 500kHz에서 15MHz까지의 주파수 범위로 코일 안테나(126)에 전력을 공급할 수 있다. 코일 안테나(126)와 관형 측벽(118) 사이에는 선택적인 패러데이 차폐부(도시되지 않음)가 배치될 수 있다.

RF 전자기 에너지와 같은, 고주파 전자기 에너지는 방전 챔버(116) 내에서 플라즈마를 점화하고 유지시키기 위해 코일 안테나(126)로부터 방전 공간(124) 내의 작동 가스로 전달된다. 보다 구체적으로, 전류가 코일 안테나(126) 내에서 고주파수로 진동하고, 이는 선택적 패러데이 차폐부를 통해 그리고 이어서 관형 측벽(118)을 통해 방전 공간(124)으로 전송되는 시간-종속 자기장을 생성한다. 시간-종속 자기장은 방전 공간(124) 내부에 코일 안테나(126)와 동심인 전기력선을 갖는 방위 방향 전기장(azimuthal electric field)을 유도한다. 유도된 방위 방향 전기장은 방전 공간(124) 내부의 전자를 원형 궤도를 따라 이동하도록 가속시킨다. 고에너지 전자와 작동 가스의 중성 원자 사이의 충돌은 작동 가스 원자를 이온화시키고 역시 방위 방향의 전기장 내부에서 가속되는 추가적인 전자를 생성시킨다.

다중-개구 이온 광학부 또는 그리드 조립체(132)는 관형 측벽(118)의 개방 단부(131)에 위치될 수 있으며 작동 가스 이온들을 방전 공간(124) 내부의 플라즈마로부터, 기판(111)로 전파되는 이온 빔(115)으로 추출하도록 작동할 수 있다. 그리드 조립체(132)는 이온 공급원(110)의 개방 단부(131)에서 관형 측벽(118)에 걸쳐 복수의 그리드를 포함할 수 있다. 적절히 바이어스될 때, 그리드는 실질적으로 방전 공간(124) 내에 플라즈마를 수용하고, 방전 공간(124)으로부터의 이온 빔(115)의 추출을 제어한다. 각각의 그리드는 대전된 입자(전자 및/또는 이온)가 추출 조건하에서 그리드 조립체(132)를 통과할 수 있도록 개구(177)들의 어레이로 천공될 수 있다. 그리드의 개구(177)들은 둥글고 서로 밀접하게 정렬될 수 있다. 이들 개구는 이온 공급원 중심 축(119)으로부터 다양한 반경 방향 및 방위 방향에 위치된다. 본 명세서에서 주연 그리드 구멍이라 지칭되는, 177p로 표시된 개구들은 중심 축(119)으로부터 가장 멀리 위치한다. 이들은 이온 추출 영역의 크기를 한정하는데, 이는 보통 추출된 이온 밀도와 궤적에 대한 “벽 효과”를 회피하기 위하여 플라즈마 방전 챔버(116)의 전체 치수보다 작다.

기판(111)은 처리 공간 내에서 지지될 수 있으며, 그리드 조립체(132)로부터 이격되며, 기판(111)의 상부 표면이 개방 단부(131)를 향하도록 공정 챔버 내에 배치된 기판 지지부(121) 상에 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(111)은 그 자신의 방위 방향 축을 중심으로 또는 이에 대해 상대적으로 기울어지고, 오프셋되고, 그리고/또는 다르게 회전될 수 있다.

컵-형상의 재-진입 용기(144)는 후방 플랜지(120)로부터 그리드 조립체(132)를 향하여 방전 공간(124) 내로 돌출한다. 알루미늄과 같은, 도체로 형성될 수 있는, 재-진입 용기(144)는 단부 벽(156) 및 단부 벽(156)으로부터 후방 플랜지(120)를 향해 축 방향으로 연장되는 측벽(162)을 포함한다. 재-진입 용기(144)의 측벽(162)은 방전 챔버(116)의 중심축(119)과 동심 및 동축으로 정렬될 수 있다.

이온 공급원(110)는 재-진입 용기(144)에 적어도 부분적으로 설치되는 제1 전자석(142)을 포함한다. 제1 전자석(142)은 하나 이상의 편을 갖는 자속 집속기를 포함하는데, 이는 실질적으로 원통형이며 중심축(119) 주위에 동심원으로 배열된 기하학적 형상을 갖는 관형 극편(146, 148)이다. 하나 이상의 와이어 코일(172)이 제1 전자석(142)의 관형 극편(146, 148) 사이의 공간 내에 수용된다. 와이어 코일(172)은 전원 공급부(186)와 전기적으로 결합되고, 차례로, 컨트롤러(187)와 전기적으로 결합된다.

제2 전자석(200)은 방전 챔버(116)의 개방 단부(131)에 가까운 방전 챔버(116)의 외측에, 개방 단부(131)와 코일 안테나(126)의 사이에 배치된다. 제2 전자석(200)은 전원 공급부(286)와 전기적으로 결합되고, 차례로, 컨트롤러(187)와 전기적으로 결합된다. 전류의 방향을 시계 방향에서 반시계 방향으로 반전시키기 위해 스위칭 장치(도시되지 않음)가 전원 장치(286)에 제공될 수 있다. 전원 공급부(286)는 직류(“DC”) 전원 공급부이거나 또는, 대안적으로, 펄스형 DC 전원 공급부 또는 교류 전류(“AC”) 전원 공급부를 포함할 수 있다. 전원 공급부의 설정은, 수동으로 작동될 수 있거나 자동화 시스템의 일부일 수 있는 컨트롤러(187) 에 의해 조정된다. 다양한 구현예에서, 제2 전자석(200)은 본 명세서에서 제1 전자석이라 지칭될 수 있고 제1 전자석(142)은 제2 전자석이라 지칭될 수 있다.

컨트롤러(187)는 이온 공급원(110)의 동작 그리고, 특히, 빔 특성 또는 기판 처리 공정 상에서의 전자석들(142,200)의 관측 가능한 효과에 대하여 전자석들(142,200)의 동작을 조율한다. 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 컨트롤러(187)는 프로그램 가능한 논리 컨트롤러(“PLC”), 디지털 신호 프로세서(“DSP”), 또는 메모리에 저장된 소프트웨어를 실행시키고 본 명세서에 기재된 기능들을 수행할 수 있는 중앙 처리 유닛을 가지는 다른 마이크로프로세서-기반 컨트롤러를 포함할 수 있다. 인간 기계 인터페이스("HMI") 장치(도시되지 않음)는 컨트롤러(187)에 작동 가능하게 연결된다. HMI 장치는 영숫자 디스플레이, 터치 스크린, 및 다른 시각적 표시기와 같은 출력 장치와, 조작자로부터의 명령 또는 입력을 수용하고 수용된 입력을 컨트롤러(187)의 중앙 처리 유닛으로 전송할 수 있는 영숫자 키보드, 포인팅 장치, 키패드, 누름 버튼, 제어 손잡이 등의 입력 장치 및 제어부를 포함할 수 있다. 컨트롤러(187)에는 생산 라인에서 이용되는 다른 자동화된 장비와 호환 가능한 표준 통신 버스가 제공될 수 있다.

컨트롤러(187)는 전자석(142, 200) 중 하나 또는 양쪽 모두에 공급되는 전류를 조정하기 위한 하나 이상의 알고리즘을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 알고리즘(들)은 전자석(142, 200)의 반경 방향 영향, 전자석 전류 설정의 함수로서 획득된 성능 데이터 및/또는 전자석들(142,200)에 대한 이전의 전류 설정에 기초하여 전자석 전류 조정의 양을 결정할 수 있다. 다른 구현예에서, 알고리즘(들)은 실험적 행렬(예를 들어, 룩업 테이블)로부터 유도된다. 또 다른 구현예에서, 전자석들(142, 200)은 퍼지 논리 및 전자석 전류 설정의 함수로서 획득된 성능 데이터를 사용하는 인공 지능 회로에 의해 규제된다. 또 다른 구현예에서, 컨트롤러(187)는 에칭 깊이 또는 이온 빔 전류 밀도 분포를 측정하는 장비(예를 들어, 패러데이 프로브들의 어레이)에 직접 연결되는데, 이로 인해 컨트롤러(187)는 바람직하지 않은 에칭 깊이 또는 빔 전류 밀도 분포를 검출하는 것에 응답하여 전류를 자동적으로 조정할 수 있게 된다.

전자석(142, 200)은 방전 챔버 내의 플라즈마 분포를 반경 방향으로 조정하기 위해, 방위 방향으로 등방성을 갖는다. 전자석(200)의 극편 및 자속 집속기는 내경이 방전 챔버(118)의 외경보다 큰 환형 링이다. 그들은 일편의 재료로 제작되거나 개별적인 섹션들로부터 조립된다. 일 구현예에서, 도 1b 및 도 1c를 참조하여 이하에서 설명되는 션트(shunt) 편 및 추가적인 극편 또한 방위 방향으로 등방성을 갖는 환형 링이다.

이하의 설명은 전자석들(142, 200)에 의해 생성되는 자기장 분포와, 그들의 이온 공급원(110) 내의 플라즈마 밀도의 분포, 방전 공간(124)로부터 이온 추출 그리드(132)의 평면까지의 플라즈마 이온 플럭스 및 이온 빔 전류 밀도에 미치는 영향에 관하여 더 자세한 내용을 제공한다. 토로이드형 전자석(200)의 존재로부터 오는 임의의 영향을 무시할 때, 중심 전자석(142)은 와이어 코일(172)에 공급되는 전류와 코일의 감은 수의 곱에 대략 비례하는 자기장 강도를 갖는 자기장을 발생시킨다. 도시된 실시예에서 방위 방향 축(119)에 대해 대칭인, 전자석(142)에 의해 생성된 자기장은 방전 공간(124)의 중심 영역에서는 주로 플라즈마 밀도 분포를 변화시키고, 차례로, 이온 빔(115)의 중심부에서는 주로 이온 전류 균일성을 변경한다. 이 자기장은 균일하지 않으며, 극편(146, 148)의 각각의 개방 단부(극단)(151, 153) 사이의 영역에서 최대 장 강도를 갖고, 개방 단부(151, 153)로부터의 거리에 따라 감소하여 그리드 조립체(132)의 그리드 및 코일 안테나(126) 근처에서 최소 장 강도를 갖는다. 자기력선들은 방위 방향 축(119) 주위에 집중될 수 있으며, 이는 방전 공간(124)의 이 영역에서 자기장 강도가 증가한다는 것을 나타낸다. rf 코일 근처에서의 rf 방전에 의해 생성된 플라즈마 전자들은, 외부에서 인가된 자기장이 없는 상태에서, 방전 챔버의 중심으로 쉽게 확산될 것이다. 전자석(142)에 의해 생성된 자기장이, 이온 공급원(110) 내의, 특히 방전 공간(124)의 중심 영역 내의 플라즈마 밀도 분포를 재분배하고 그로 인해 플라즈마로부터 그리드 조립체(132)에 의해 형성되는 그리드 평면의 중심 영역으로 지향되는 플라즈마 이온 플럭스 분포를 재분배하도록, 이들 전자에 작용할 수 있다.

도 1b는 도 1a의 이온 공급원(110)의 외부 주연부에 배치된 제1 예의 토로이드형 전자석(200)의 확대된 부분 단면도이다. 아래에 자세히 설명되지 않은 도 1b의 양태들은 위에서 도 1a를 참조로 설명된 것이다. 전자석(200)은 적어도 하나의 와이어 코일(260), 자속 집속기 조립체(210) 그리고 극편 조립체(240)를 포함한다. 집속기 조립체(210)는 한 쌍의 이격된 환형 플레이트들(즉, 상부 집속기 플레이트(210A) 및 하부 집속기 플레이트(210B)) 및 자기장 폐쇄 링(210C)을 포함한다. 집속기 플레이트(210A, 210B)는 실질적으로 이온 공급원의 중심축[예를 들어, 도 1a의 중심축(119) 참조]에 수직이다. 집속기 플레이트들(210A, 210B)의 치수는 실질적으로 동일할 수 있다. 집속기 플레이트(210A)는 내부 단부(215A) 및 외부 단부(217A)를 갖는다. 집속기 플레이트(210B)는 내부 단부(215B) 및 외부 단부(217B)를 갖는다. 집속기 플레이트(210A, 210B)의 외부 단부(217A, 217B)는 각각 종래의 체결구(미도시)에 의해 자기장 폐쇄 링(210C)에 장착될 수 있다. 집속기 플레이트(210A, 210B) 사이의 간격은 예를 들어, 알루미늄과 같은 비자성 재료로 제조되고, 집속기 플레이트(210A, 210B) 사이에 삽입되며, 통상의 체결구(도시되지 않음)에 의해 플레이트들(210A, 210B)에 부착된 환형 스페이서 링(270)에 의해 유지될 수 있다. 집속기 구성 요소(210A, 210B, 210C)는 저탄소 강철, 철 또는 임의의 다른 적합한 강자성 재료와 같은 자기 투과성 재료로 제조될 수 있으며 전기적으로 접지될 수 있다.

와이어 코일(260)은 적절한 솔레노이드형 권선 패턴을 갖는 절연 전도체의 연속 권선이다. 와이어 코일(260)의 회전수는 예를 들어, 약 300회에서 약 3000회 사이의 범위일 수 있다. 폴리머 수지 또는 다른 비자성 재료로 형성된 스풀 편의 둘레에 감겨질 수 있는, 와이어 코일(260)은 집속기 플레이트들(210A, 210B) 사이의 공간 내에 위치한다.

자속 집속기 조립체(210)는 이온 공급원 하우징 조립체의 일부로서, 플랜지(140)와 환형 장착 플레이트(113) 사이에 장착된다. O-링과 같은, 진공 시일은 집속기 플레이트(210A)의 상부 표면과 플랜지(140)의 하부 표면 사이, 집속기 플레이트(210B)의 하부 표면과 장착 플레이트(113)의 상부 표면 사이, 스페이서 링(270)의 상부 및 하부와 집속기 플레이트(210A, 210B) 사이에 각각 제공된다.

전자석(200)은 집속기 플레이트(210A, 210B) 내에 집중된 자속을 방전 공간(124)으로 지향시키기 위하여 별도의 극편 조립체(240)를 갖는다. 이는 관련된 이온 공급원이 상이한 극편 조립체와 함께 신속하고 용이하게 끼워맞춤될 수 있게 하며, 이는 방전 공간(124) 내의 자기장 분포를 최적화하거나 다른 용도를 위해 이온 공급원을 신속하게 재구성하는데 바람직할 수 있다. 방위 방향으로 대칭인 자기장 분포를 생성하는데 적합한 구현예에서, 극편 조립체(240)는 자속 집속기 플레이트(210A, 210B)와 같은 플레이트 두께 및 플레이트 간격을 가질 수 있는, 한 쌍의 이격된 환형 링[상부 극편 링(240A) 및 하부 극편 링(240B)]을 포함할 수 있다. 극편 링(240A, 240B)은 자속 집속기 플레이트(210A, 210B)의 단부(215A, 215B)로 표현되는 자속 집속기 조립체(210)의 내측 반경과 방전 챔버(118)의 외벽 사이에서 반경 방향으로 위치되고, 극편 링(240A, 240B)의 대향 단부(247A, 247B)가 집속기 플레이트(210A, 210B)의 단부(215A, 215B)와 각각 정렬되도록 자속 집속기 조립체(210)와 축 방향으로 정렬될 수 있다. 따라서 극편 링(240A, 240B)은 각각, 환형 집속기 플레이트(210A, 210B)의 반경 방향 내측 연장부이다.

극편 링(240A, 240B)은 플레이트(210A, 210B)가 서로 이격된 공칭 거리와 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되도록, 집속기 스페이서(270)와 유사한 환형 스페이서 링(280)에 장착된다. 극편 링(240A, 240B)은 집속기 편(210A, 210B)과 동일한 자기 투과성 재료로 제조될 수 있으며, 전기적으로 접지될 수 있다. 스페이서 링(280)은 알루미늄과 같은 비자성 재료로 제조될 수 있다. 극편 링(240A, 240B)의 외부 반경의 정확한 치수는 각각 극편 링(240A, 240B)의 단부(247A, 247B)와 집속기 플레이트(210A, 210B)의 단부(215A, 215B) 사이의 간극(222)을 최소화하며 극편 조립체(240)의 용이한 제거를 허용하도록 집속기 플레이트(210A, 210B)의 내측 반경을 참조하여 규정될 수 있다. 만일 간극(222)이 최소화되지 않으면, 이는 자속 누출의 잠재적인 중요한 원인이 될 수 있다. 간극(222)은 0.25 인치 미만 또는 약 0.0625 인치일 수 있다. 극편 조립체(240)는 집속기 조립체(240) 주위에 환형으로 배치된 위치들에서 스페이서 링(280)을 스페이서 링(270)에 결합시키는 다수의 나사[예를 들어, 나사(299)]에 의해 집속기 조립체(210)에 부착될 수 있다.

극편 링(240A, 240B)의 단부(245A, 245B)는 각각 방전 챔버 벽(118)의 외부 표면에 매우 근접하게, 전형적으로 대략 0.1인치 이내에 위치된다. 토로이드형 전자석(200)에 의해 생성되는 자기장은 극편 조립체(240)의 단부(245A, 245B)(극단) 사이에, 그리고 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같이 특히 방전 공간(124)의 주연부에 집중될 것이다. 극편 링(240A, 240B) 및 극단(245A, 245B)의 설계는 방전 공간(124) 내부의 자기장 분포를 최적화하고 그리고/또는 이온 빔 추출, 중성화, 기판 자기 특성, 또는 다른 이온 빔 처리 공정과의 자기적 간섭을 감소시키기 위하여 도 1b에 도시된 것으로부터 변경될 수 있다.

몇몇 구현예에서, 극편 링(240A, 240B)은 극단 근처 부분이 더 두껍게 제조될 수 있는데, 이는 챔버 벽(118) 근처의 극편 링(240A, 240B) 사이의 간극을 감소시켜서, 전자석(200)에 의해 생성된 전자기장을 극단 사이에서 그리고 특히 방전 공간(124)의 주연부로 효과적으로 집중시킨다. 다른 구현예에서, 전자석(200)은 극편 조립체 외부에 자기 투과성 재료의 추가적인 극편 링(들)(도시되지 않음)을 포함한다. 더욱 구체적으로, 추가적인 극편 링(들)은 전자석(200)의 극편 조립체에 대해 축 방향 상측 및/또는 하측에서 매우 가깝게 배치되고, 전자석(200)으로부터 방전 공간(124)의 주연 영역으로 자기장을 더 국한시키는데 사용될 수 있다. 추가적인 극편 링(들)은 전자석(200)에 부착될 수 있다.

다른 구현예에서, 토로이드형 전자석(200)의 자기장 강도는 방위 방향 플라즈마 밀도 분포를 수정하기 위해[예를 들어, 기존의 방위 방향 플라즈마 불균일성, 또는 기판(도시되지 않음)의 이온 빔 처리에 있어서 방위 방향 변화의 다른 후속적인 원인에 대한 보상을 위하여] 특정 방위 방향 위치에서 국부적으로 향상될 수 있다.

이러한 구현예에서, 전자석(200)의 자기장 강도는 방전 공간(124) 및 챔버 벽(118)에 가장 가까운 단부(극단)(245A, 245B) 근처의 극편 링(240A, 240B)의 두께를 방위 방향으로 변화시킴으로써 방위 방향으로 변화될 수 있다. 다른 구현예에서, 다중 섹션 극편 조립체(240)가 개별적인 반원 섹션들로 분할되고 이 개별적인 극편 섹션들은 극편 또는 극단의 두께 또는 형상, 자기 조성물, 또는 환형 폭이 상이할 수 있는데, 이는 이러한 극편이 없는 일부 섹터를 남기는 것을 포함한다.

전자석(200)의 자기장 강도를 방위 방향으로 변화시키는 또 다른 구현예는 극편 조립체(240)에 대해 축 방향 상측 및/또는 하측에서 근접하게 전자석(200)의 외부에 다중 섹션의 추가적인 극편(들)을 배치한다. 다중 섹션 외부 극편의 개별적인 극편은 두께, 형상, 자기 조성물 또는 환형 폭이 상이할 수 있는데, 이는 이러한 극편이 없는 섹터를 남기는 것을 포함한다.

도 1c는 자기장을 도 1a의 이온 공급원(110)의 방전 공간의 주연부로 더 국한시키기 위하여 수정된 극편 조립체를 갖는 제2 예시적 토로이드형 전자석(200)의 확대된 부분 단면도이다. 아래에 자세히 설명되지 않은 도 1c의 양태들은 위에서 도 1a 및 도 1b를 참조로 설명된 것이다. 전자석(200)은 저탄소 강철, 철, 또는 극편(240A, 240B) 사이에 삽입되는 임의의 다른 적절한 강자성 재료와 같은 자기 투과성 재료로 제조된 방위 방향으로 등방성인 환형 션트 편(예를 들어, 션트 링)(290A, 290B)을 포함한다. 션트 링(290A, 290B)은 챔버 벽(118) 및 방전 공간(124)에 근접하여 서로 마주하는 극편(240A, 240B)의 표면에 부착된다.

전자석(200)의 자극단 사이의 방전 영역에 자기장을 국부적으로 집중시키는 실시예에서, 도 1c의 수정된 극편 조립체는 션트 링(290A, 290B)을 극편(240A, 240B) 사이 내에 배치한다. 션트 링은 극편 링(240A, 240B)에 부착될 수 있다.

다른 구현예에서, 전자석(200)으로부터의 자기장을 방위 방향으로 변화시키기 위해, 션트 링의 두께는 방위 방향으로 변경된다. 또한, 방위 방향으로 등방성인 환형 션트 링(290A, 290B)이라기 보다는 “다중 섹션” 션트 편이 사용될 수 있다. 다중 섹션 션트 편(들)은 두께, 모양, 또는 방전 공간(124)의 주연부 주위에서 전자석(200)의 극편(240A, 240B) 사이에 배열되는 자기적 조성물이 상이한 개별 션트 섹션의 배열을 포함한다. 예를 들어, 한 쌍의 션트 편이 특정한 방위 방향 섹터에 선택적으로 배치될 수 있는 반면에, 다른 섹터들은 션트 편이 없는 체로 남겨진다. 상이한 섹터들의 수 및 섹터들 사이의 션트 편의 차이는 섹터들 간의 자기장 강도의 요구되는 변화에 따라 결정될 것이며, 차례로 방위 방향 플라즈마 밀도 또는 이온 빔 밀도 분포의 요구되는 변화에 따라 결정될 것이다.

도 1d는 극편이 일체형 자속 집속기 플레이트 조립체의 일부인, 제3 예시적 토로이드형 전자석(400)의 확대된 부분 단면도이다. 아래에 자세히 설명되지 않은 도 1d의 양태들은 위에서 도1a 및 도 1b를 참조로 설명된 것이다. 전자석(400)은 적어도 하나의 와이어 코일(460) 및 자속 집속기/극편 조립체(410)를 포함한다. 조립체(410)는 한 쌍의 이격된 환형 플레이트[즉, 상부 플레이트(410A) 및 하부 플레이트(410B)] 및 자기장 폐쇄 링(410C)을 포함한다. 자속 집속기 플레이트(410A, 410B)의 내측 반경은 플라즈마 방전 측벽에 인접하고 이들 플레이트의 면들은 이온 공급원의 중심축[예를 들어, 도 1a의 중심축(119) 참조]에 실질적으로 수직이다. 와이어 코일(460)은 자속 집속기 플레이트(410A, 410B) 사이에 배치된다. 집속기 플레이트(410A)은 내부 단부(445A) 및 외부 단부(417A)를 갖는다. 집속기 플레이트(410B)은 내부 단부(445B) 및 외부 단부(417B)를 갖는다. 내부 단부(445A, 445B)는 극단이다. 집속기 플레이트(410A, 410B)의 외부 단부(417A, 417B)는 각각 종래의 체결구(미도시)에 의해 상기 장 폐쇄 링(410C)에 장착될 수 있다. 집속기 플레이트(410A, 410B) 사이의 간격은 예를 들어, 알루미늄과 같은 비자성 재료로 제조되고, 집속기 플레이트(410A, 410B) 사이에 삽입되며, 통상의 체결구(도시되지 않음)에 의해 플레이트들(410A, 410B)에 부착된 환형 스페이서 링(470)에 의해 유지될 수 있다. 집속기 구성 요소(410A, 410B, 410C)는 저탄소 강철, 철 또는 임의의 다른 적합한 강자성 재료와 같은 자기 투과성 재료로 제조될 수 있으며 전기적으로 접지될 수 있다. 자속 집속기/극편 조립체(410)는 집속기 플레이트(410A, 410B) 내에 집중된 자속을 극단(445A, 445B)를 통해 방전 공간(124)으로 지향시킨다.

방전 챔버 내측에서 자기장을 더 집중시키는 전자석(400)의 다른 구현예는 상술된 바와 같이, 극단(445A, 445B)에서의 극 플레이트(410A, 410B)의 증가된 두께, 외부의 극편 링(들)의 사용, 및/또는 션트 링의 사용을 포함한다. 전자석(400)의 자기장 분포의 방위 방향 변화는 극단(445A, 445B)에서의 집속기 플레이트 링 두께의 방위 방향 변화, 다중 섹션 션트 플레이트의 사용, 및/또는 다중 섹션 외부 극편의 사용에 의해 달성될 수 있다.

도 2a는 단일 전자석[예를 들어, 도 1a-d의 전자석(200)]이 이온 공급원의 외부 주연부에 배치된 다수의 섹션 전자석[예를 들어, 전자석(370a, 370b, 370c)]의 배열로 대체된 토로이드형 전자석을 형성하는 예시적인 다중 섹션 전자석 조립체(300)의 부분 사시도이다.

전자석의 자기장 강도를 방위 방향으로 변경하기 위한 다중 섹션 션트 편 및 도 1a-c를 참조로 상술된 대안들은 실시간으로 조정 가능하지 않을 수 있다. 방위 방향의 자기장 강도 분포의 변화에 영향을 주는 것은 처리 시스템을 정지시키고 이온 공급원에 대한 기계적 수정을 수행하는 것을 요구할 수 있다. 대안적인 “다중 섹션” 토로이드형 전자석 조립체(300)는 도 1a-c에 도시된 방위 방향으로 대칭인 토로이드형 전자석(200)을 대체할 수 있는 개별 전자석[예를 들어, 전자석(370a, 370b, 370c)]들의 배열을 포함한다. 방전 챔버의 외부 주위에 상이한 방위 방향 위치에 장착된 다수의 독립적으로 제어되고 구성된 전자석의 사용은 (예를 들어, 기존의 방위 방향 플라즈마 불균일성 또는 기판의 이온 빔 처리에 있어서의 방위 방향 변화의 다른 후속적인 원인을 보상하기 위해) 플라즈마 밀도 분포의 실시간 방위 방향 변화를 허용한다.

전자석(370a, 370b, 370c)은 상부 집속기 플레이트(310A), 하부 집속기 플레이트(310B) 및 자속 폐쇄 플레이트를 포함하는 집속기 조립체 내에 봉입된다. 수냉각 코일(302)이 전자석(370a, 370b, 370c)으로부터 열을 소산시키기 위하여 포함될 수 있다. 다중 섹션 전자석(300)은 도 1a-c를 참조하여 위에 설명된 바와 같이 이온 공급원 조립체에 장착될 수 있고, 도 1a-c의 극편 조립체(240)를 참조하여 설명된 바와 같이 개별 극편 조립체(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 자속 집속기 조립체의 자기 폐쇄 링과 전자석(370a)의 개별 와이어 코일은 도 2b에 도시되어 있고 상세하게 후술되지만, 명확성을 위하여 도 2a에는 생략되어 있다.

다중 섹션 토로이드형 전자석 조립체(300)의 개별 전자석의 수는 요구되는 개별 제어의 정도 및 정격 전류에서 충분한 자기장 세기를 생성하는데 요구되는 와이어 코일의 크기에 따라 2개 정도의 소수에서 24개 이상의 다수까지 변경될 수 있다. 또한, 자석 와이어 코일과 보빈(bobbin)의 형상은 도 2a에 도시된 바와 같은 둥근 형상으로부터 변경될 수 있다. 특히, 각각의 보빈의 형상은 그것이 장착되는 원환체(torus)의 섹션의 곡률과 일치하도록 만곡될 수 있다.

다중 섹션 전자석(300)의 다른 구현예에서, 자속 집속기 및 극편 조립체는 또한 개별 전자석의 영향을 더욱 방위 방향으로 국한시키기 위해 각각의 개별 전자석에 대한 개별 세그먼트로 분할된다. 다중 섹션 전자석(300)의 또 다른 구현예에서, 개별 방위 방향 전자석 섹션의 극편은 전자석(300)으로부터의 방위 방향 자기장 분포를 변수정하여 생성된 플라즈마 밀도 분포에 대한 전자석(300)의 영향을 수정하기 위해 다양한 방법으로 구성(예를 들어, 성형 또는 강화)된다.

도 2b는 도 2a의 다중 섹션 전자석 조립체(300)의 예시적인 개별 전자석(370a)의 대표적인 단면도이다. 전자석(370a)은 방전 챔버 주위에 환형으로 배열된 전용 코일(360a)을 포함한다. 코일(360a)은 상부 플레이트(375a) 및 하부 플레이트(380a)를 갖는 보빈(371a) 상에 감겨질 수 있다. 보빈(371a)은 나사(385a)를 통해 환형 자속 집속기 하부 플레이트(310B)에 체결된다. 얻어진 코일 조립체는 상부 집속기 플레이트(310A), 하부 집속기 플레이트(310B), 그리고 자속 폐쇄 플레이트(310C)를 포함하는 집속기 조립체 내에 봉입된다. 스페이서(372)는 코일(360a)로부터 열을 소산시키는 수냉각 코일(302)을 포함한다. 보빈(371a), 보빈 상부 플레이트(375) 및 보빈 하부 플레이트(380)는 알루미늄과 같은, 비자성 재료로 제조될 수 있다. 플레이트(310A, 310B, 및 310C)는 저탄소 강철, 철 또는 임의의 다른 적합한 강자성 재료와 같은 자기 투과성 재료로 제조될 수 있다.

코일(360a)은 한 쌍의 전기 리드(도시되지 않음)에 의해 코일(360a)을 통과하는 전류를 전자석의 임의의 다른 코일로부터 독립적으로 제어될 수 있게 하는 개별 전원 공급부[도시되지 않음, 예를 들어, 도 1a의 전원 공급부(286) 참고]에 결합된다. 또한, 다중 코일로부터의 개별 리드는 일부 제어 가능한 메커니즘(예를 들어, 가변 저항기)에 의해 하나 또는 선택된 수의 전원 공급부로부터 개별 코일로 전류의 흐름을 분할하는 전기 네트워크에 연결될 수 있다. 전원 공급부 및 전기 네트워크(존재한다면)는 컨트롤러[도시되지 않음, 예를 들어, 도 1a의 컨트롤러(187) 참조]에 결합된다.

도 3a는 예시적인 토로이드형 링 커스프 필드 전자석(500)의 평면도이다. 전자기 조립체(500)를 사용하여, 조립체(500)를 이용하는 이온 공급원(도시되지 않음)의 주연부 주위에 "링 커스프 필드(ring cusp field)" 자기 분포가 생성된다. 플라즈마 방전 챔버의 주연부 주위의 커스프 필드 자기 분포는 전자가 방전 챔버 벽과 충돌하는 것을 방지함으로써 플라즈마 이온화 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 플라즈마 밀도 분포를 개선할 수 있다.

커스프 필드 토로이드형 전자석(500)은 다중 커스프 필드 단위 셀[예를 들어, 셀(501, 502, 503)]의 배열로서 설명될 수 있다. 전자석 셀(502)은 주로 극편 구조에서 도 1a-c의 토로이드형 전자석(200)과 다르다. 기어 세트 상의 치형부와 같이, 상부 플레이트(510A) 상에 극 돌출부[예를 들어, 돌출부(515A)]를 남겨 놓은, 교호식 절취부[예를 들어, 절취부(513A)]의 방위 방향 대칭 패턴이 환형 집속기 플레이트(510A)의 내측 반경 내에 만들어진다. 전자석(500)의 하부 플레이트(도시되지 않음)에도 유사한 대안적인 절취부들이 형성된다.

도 3b는 도 3a의 토로이드형 전자석의 예시적인 단위 전자석 셀(502)의 사시도로서, 극들은 링 커스프 자기장 구성을 생산하도록 하는 방법으로 제조된다. 자석 와이어 코일(560)은 도 2의 자석 코일(260)에 대응하고 방전 챔버 주위를 환형으로 둘러싸며, 상부 환형 집속기 플레이트(510A), 하부 환형 집속기 플레이트(510B) 그리고 자기장 폐쇄 링(510C)을 포함하는 자속 집속기 조립체(510) 내부에 수납된다. 스페이서(570)는 상부 및 하부 집속기 플레이트(510A, 510B) 사이에 삽입될 수 있다.

기어 세트 상의 치형부와 같이, 상부 플레이트(510A) 상에 극 돌출부(515A) 그리고 하부 플레이트(510) 상에 극 돌출부(515B)를 남겨 놓은, 절취부(513A 및 513B)가 환형 집속기 플레이트(510A, 510B)의 내측 반경 내에 각각 만들어진다. 상부로부터 볼 때, 플레이트(510B) 내의 절취부(513B) 위에 중심이 형성된 플레이트(510A)의 “치형부”(515A)는, 플레이트(510A)의 절취부(513A) 아래에 중심이 형성된 “치형부”(515B)와 방위 방향으로 교호된다. 치형부(515A, 515B)는 그 팁을 통해 드릴천공된 구멍과 치형부(515A, 515B)의 팁에 부착된 금속 극편(522A, 522B)을 각각 갖는다. 극편은 집속기 플레이트(510A, 510B) 사이의 공간에 위치하도록 부착된다. 상부로부터 보면, 극편(522A)는 치형부(515A) 아래에 장착되고 극편(522B)은 치형부(515B)의 상부에 장착된다. 절취부 및 극편의 형상은 도 3a 및 3b에 도시된 것과 다를 수 있으며, 커스프 자기장 패턴을 생성하는데 최적화될 수 있다.

도 3a 및 3b에 도시된 커스프 자기장 전자석(500) 내에는 개별 극편 조립체가 없다. 그 결과, 자속 집속기 플레이트(510A, 510B)가 극편으로도 작용한다. 다른 구현예에서, 집속기 플레이트(510A, 510B)는 단순한 환형 링[예를 들어, 도 1b의 플레이트(210A, 210B) 참조]일 수 있다. 절취부(513A, 513B)로 기계 가공되고 추가적인 극편(522A, 522B)과 함께 제공되는 상부 및 하부 자극편[예를 들어, 도 1b의 자극편(240A, 240B)]을 포함하는 개별 극편 조립체[예를 들어, 도 1b의 극편 조립체(240) 참조]는 단순한 환형 링 집속기 플레이트(510A, 510B)에 포함될 수 있다.

도 1a의 중심 전자석(142)의 극편(146, 148)의 다른 구현예는 토로이드형 전자석(200)에 대해 위에 기술된 바와 같이, 방전 공간(124) 내측의 자기장 분포를 최적화하도록, 그리고/또는 전자석(142)으로부터의 이온 빔 공정과의 자기 간섭을 감소시키도록 만들어질 수 있다. 전자석(142)의 다른 구현예에서, 전체 극편 조립체는 전자석(200)에 대해 도 1b를 참조하여 기술된 개별 극편 및 집속기 설계에 적합하도록 재설계된다. 유사하게, 도1b-2b를 참조하여 기술된 바와 같이 도 1a의 중심 전자석(142)의 극편(146, 148)의 다른 구현예는 도 1a의 이온 공급원(110)의 중심 영역에서의 방위 방향 자기장 분포 또는 국소 자기장 집중을 변경하도록 만들어질 수 있다.

도 4a는 관련 극편[예를 들어, 극편(648A)]를 갖는 다중의 개별 전자석(642A, 642B, 642C, 642D)을 포함하는 예시적인 중앙 전자기 조립체(642)의 상부 단면도이다. 다양한 구현예에서, 전자기 조립체(642)는 도 1a의 전자석(142)을 대신할 수 있다. 전자석(642A, 642B, 642C, 642D)은 이온 공급원 방전 챔버(ion source discharge chamber)의 폐쇄 단부 내에서 통합되는데, 각 전자석은 자속 집속기 및 코일을 포함하고, 자속 집속기는 외부 관형 측벽을 포함하며, 각 코일은 외부 측벽의 내부에 배열된다. 전자석(642A, 642B, 642C, 642D)의 개별적인 제어는, 후속적으로 생기는 이온 빔 기판 처리 결과에서 기존의 플라즈마 불균일성 또는 방위 방향 변화를 보상하기 위해 방전 챔버의 중심에서 플라즈마 밀도 분포를 방위 방향으로 변경하는 것을 허용한다.

도 4b는 도 4a의 예시적인 중앙 전자기 조립체(642)의 측 단면도이다. 더 구체적으로는, 도 4b는 수직으로 배향된 전자석(642A, 642B, 642C, 642D)을 도시한다. 전자석(642A)은 모든 전자석(642A, 642B, 642C, 642D)의 구성의 대표로서 아래에서 논의된다. 자속 집속기/극편 조립체는 관형 자극편(648A)에 의해 둘러싸인 원통형 자기 코어 편(646A)을 포함한다. 자속 폐쇄 플레이트(633A)는 이온 공급원의 후면을 통한 자기장 손실을 방지한다. 자석 와이어 코일(672A)은 코어 부재(646A) 주위를(예를 들어, 스풀 편 상을) 둘러싼다. 전자석(642A) 및 조합된 조립체(642)는 예를 들어 나사 구멍(688A), 관통 구멍(699A) 및 대응 나사산 체결구(도시되지 않음)를 통해 함께 체결된다. 이 도시된 구현예가 4 개의 중심 전자석을 도시하고 있지만, 예를 들어 필요한 개별 제어의 정도 및 정격 전류에서 충분한 자기장 세기를 생성하는데 필요한 와이어 코일의 크기에 따라, 더 많거나 더 적은 전자석이 사용될 수 있다. 또한, 전자석(642A, 642B, 642C, 642D)의 형상은 변경될 수 있으며, 예를 들어, 전자석(642A, 642B, 642C, 642D)은 직사각형 또는 육각형의 단면을 가질 수 있다.

전자석(642A, 642B, 642C, 642D)의 각 와이어 코일은 한 쌍의 전기적 리드(도시되지 않음)에 의해 개별 전원 공급부[도시되지 않음, 예를 들어, 도 1a의 전원 공급부(186) 참조]에 결합될 수 있는데, 이는 각 코일을 통과하는 전류를 독립적으로 제어할 수 있도록 허용한다. 다른 구현예에서, 여러 코일들로부터의 개별 리드들은, 하나의 또는 선택된 수의 전원 공급부로부터의 전류의 흐름을 가변 저항기 세트와 같은 특정 메커니즘에 의해 개별 코일들로 분할하는 전기 네트워크에 연결될 수 있다. 전원 공급부 및 전기 네트워크(존재한다면)는 컨트롤러[도시되지 않음, 예를 들어, 도 1a의 컨트롤러(187) 참조]에 결합된다.

도 5는 예시적인 이온 공급원(110)의 중심 전자석(142) 및 토로이드형 전자석(200)에 대한 예시적인 자기장 등고선 맵의 단면 맵을 도시한다. 도 5의 이온 공급원(110)은 도 1의 이온 공급원(110)과 유사한 특징을 가지며, 도 1의 이온 공급원(110)의 특징에 대한 설명은 도 5의 이온 공급원(110)의 특징에 유사하게 적용될 수 있다. 설명을 명료하게 하기 위해, 방전 챔버 벽(118)과 재-진입(re-entrant) 용기 벽(162)을 포함하는, 플라즈마 방전 영역의 경계는 도 5의 좌측에만 도시되어 있다.

Rf 코일(126)은 단일 턴 리본으로 표현되고, 방전 챔버(124)는 반투명으로 도시되어, 방전 챔버(124) 너머의 rf 코일(126) 및 토로이드형 전자석(200)의 부분을 볼 수 있다. 또한, 다시 도시를 명료하게 하기 위하여, 전자석(200)은 도 1b 및 1c를 참조하여 자세히 설명된 개별 극편 조립체가 제외된 상태로 도시된다. 전자석(142)은 이온 공급원(110)의 중심 영역에 자기장 등고선(810)을 생성할 수 있고, 전자석(200)은 이온 공급원(110)의 주연 영역에 자기장 등고선(820)을 생성할 수 있다. 도 5는 중심 전자석(142)에 공급되는 전류가 방전 영역 중심의 플라즈마 밀도 분포를 수정하고 처리되고 있는 기판의 중심에서의 이온 전류 밀도 분포를 최적화하기 위하여 독립적으로 조정될 수 있는 구현예를 도시한다. 토로이드형 전자석(200)에 공급되는 전류는 방전 영역의 주연부에서의 플라즈마 밀도 분포를 수정하고 이에 따라 기판의 주연부 근처에서 이온 전류 밀도 분포를 수정하기 위해 독립적으로 조정될 수 있다. 따라서 이온 공급원(110)은 어느 하나의 전자석만을 단독으로 갖는 다른 이온 공급원보다 더 큰 기판의 제어식 처리를 가능하게 한다.

도 5는 토로이드형 전자석(200) 및 중심 전자석(142)로부터의 더 약한 자기력선은 생략한다. 이러한 더 약하고 더 외측의 장의 상대적인 장 강도(field strength) 및 벡터 방향에 따라, 방전시의 플라즈마 분포에 대한 전자석(200, 142) 각각의 효과는 비교적 독립적일 수 있다. 다른 구현예에서, 전자석(200, 142) 중 어느 하나 또는 모두에 충분히 전원이 공급되면, 두 개의 자기장 분포의 중첩이 플라즈마 밀도 분포에 상당한 상호 작용 효과를 도입할 수 있는데, 이는 전자석(200, 142)의 상대적 극성에 따라 결정될 것이다. 이러한 중첩하는 자기장 조건 하에서의 이온 공급원(110)의 작동은 아래 도 11a-12b의 논의에서 도면들을 참조하여 더 상세하게 후술된다.

도 6은 도 1b의 토로이드형 전자석(200)에 의해 생성된 예시적인 자기 벡터 장 분포[벡터 장 맵(775)으로 도시됨]를 도시한다. 도 6은 또한 도 1a의 축방향으로 대칭인 이온 공급원(110)의 대표적인 부분 단면도이다. 더 구체적으로는, 토로이드형 전자석(200)은, rf 코일(126)과 함께, 도 1a의 전자석(142)으로부터의 임의의 유의미한 영향이 없는 상태에서 벡터 장 맵(775)에 의해 도시된 자기장 분포를 생성할 수 있다. 전자석(200) 근처에서, 자기장 강도는 와이어 코일(260)에 공급되는 전류와 코일의 감긴 수의 곱에 대략 비례한다. 이 구현예에서 방위 방향 축(119)에 대해 방위 방향으로 대칭인 전자석(200)에 의해 생성되는 자기장은 이온 공급원(110) 내의, 특히 방전 공간의 주연 영역에서의 플라즈마 밀도 분포에 영향을 준다. 이 자기장은 균일하지 않고, 극편(240A, 240B)의 각 개방 단부(245A, 245B) 사이의 영역에서 최대 장 강도를 가지며, 개방 단부(245A, 245B)로부터의 거리에 따라 감소한다. 725로 표시된 벡터 경로를 따르는 것과 같은 가장 강한 자기력선은 방전 챔버(118)의 벽 근처에 집중되며 이온 공급원 축(119)에 대체로 평행하다. 전자석(200)에 의해 생성된 자기장은 이온 공급원의 벽으로의 전자 확산을 억제하기 위해 자기 거울로서 플라즈마 전자에 작용할 수 있다. 이는 이온 공급원(110) 내의, 특히 방전 챔버의 주연 영역 내의 플라즈마 밀도 분포에 직접적으로 영향을 줄 수 있으며, 그에 따라 플라즈마로부터 도 1a의 그리드 조립체(132)에 의해 형성된 이온 추출 평면의 주연 영역으로 지향된 플라즈마 이온 플럭스 분포에 영향을 준다.

도 6의 구현예에서, 그 내부에서 코일(260)을 통한 전류 흐름은 반시계 방향이다. 만일 이 전류 흐름이 반전된다면, 자기장 벡터의 방향이 반전될 것이다. 그러나 이것은 자기장의 다른 유의미한 공급원이 없는 경우 전자 궤적 또는 플라즈마 밀도 분포에 영향을 미치지 않을 수 있다.

도 7a는 도 3a 및 3b의 커스프 자기장 토로이드형 전자석의 상부 및 하부의 평면에서의 모델링된 예시적인 자기 벡터 장 분포 맵(920, 930)의 사시도를 도시한다. 분포 맵(920, 930)은 단위 셀(902) 및 rf 코일(126)에 의해 생성되며, 이는 도 3a 및 3b에 도시된 것과 구조면에서 유사할 수 있다. 대표 장 벡터(950)을 따른 것과 같이, 자기장이 가장 강한, 자극(922A 및 922B)에 가까운 근접부에서, 자기장은 두 외측 “상부” 극(922A)으로부터 내측 “하부” 극(922B)까지의 만곡된 경로(“커스프”)를 따라 지향된다. 대칭에 의한 단위 셀 각각은 동일한 자기장 분포를 가질 수 있다. 최종 결과는 수평면에서 방전 챔버 벽(118)에 인접한 커스프의 방위 방향 링 내에서의 자기장의 집중이다.

도 7b는 도 3a 및 3b의 커스프 자기장 토로이드형 전자석의 모델링된 예시적인 자기 벡터 장 분포 맵(910)의 평단면도이다. 벡터 자기장 맵(910)은 단위 셀(902)의 평면도로부터 볼 때, 도 7a의 자극편(922A, 922B)의 중심을 관통하여 자른 수평면에 놓여져 있다.

도 8은 임계 자기장 등고선 및 도 1b의 토로이드형 전자석(200)에 의해 생성된 자기장이 가해진 플라즈마 내의 자화된 전자 궤적의 두 개의 모델링된 예를 도시하는데, 이는 이온 공급원 내의 플라즈마 밀도 분포에 대한 전자석의 영향의 유효성을 위한 기준을 도시한다. 자기장 "B"에서 움직이는 전자는, 그 전자로 하여금 자이로자기(자이로) 반경인 r_g가 E^1/2/eB에 비례하는 자기장 방향 주위로 궤도 운동하게 하는 힘을 경험하는데, 이때 B는 자기장의 크기이고, E는 자기장을 가로지르는 전자의 에너지이다. 자기장과 평행한 전자 운동은 자기장에 영향을 받지 않는다. 최종 결과(통상의 저압 이온 공급원 작동을 위한 이러한 경로 길이에 대해 자주 발생하지 않는, 충돌 무시)는 전자가 자이로 반경에서 자기력선의 방향에서 나선형을 형성하는 경향이 있다는 것이다. 그러한 전자는 "자화"되었다고 지칭된다. 따라서 자기장 강도가 비교적 높거나 전자 에너지가 상대적으로 낮으면, 강한 전자 구속(작은 자이로 반경)이 발생할 것이다. 플라즈마 내의 정전기력의 최소화로 인해, 플라즈마 확산은 전자의 경로를 따를 것이다.

전술한 전자 자화 효과는, 전형적인 rf 저압 플라즈마를 대표하는 10eV의 전자 에너지를 가정했을 때, 도 6의 토로이드형 전자석(200)[및 rf 코일(126)]에 의해 생성된 특정한 자기장 분포에 대한 두 개의 상이한 전자 궤적 세트(1010 및 1020)에 대해 도시된다. 각각의 전자 궤적 세트는 rf 코일 근처의 플라즈마 방전의 주요 플라즈마 생성 영역(705) 내의 특정 지점에서 다양한 초기 궤적을 갖는 다수의 전자를 주입함으로써 초래된다. 상이한 초기 방향에도 불구하고, 이들 전자는 국부적인 자기력선을 따라 공통의 이동 중심 주위에 나선형을 형성하고 수렵하는 경향이 있다.

방전 챔버 내의 플라즈마 밀도 분포에 영향을 미치기 위해 필요한 최소 자기장 강도를 결정하기 위한 기준은 전체 챔버 치수 "D"[예를 들어, 도 1a의 방전 챔버(116)의 직경]와 비교되는 전자 자이로 반경의 크기이다. 일부 구현예에서, 임계 최대 자이로 반경은 직경 D의 약 1/10이다. 이 예의 10eV 전자 에너지 및 자기장 맵에 대해, 전자 궤적 세트(1010)의 평균 자이로 반경은 이 임계 자이로 반경에 대응한다. 도시된 자기장 등고선(1050)은 대응하는 임계 자기장 강도를 나타낸다. 자기장 강도가 전자석(200)의 극편에 근접한 방전 챔버 벽(118)의 방향으로 증가하기 때문에, 장기장 강도가 플라즈마 밀도에 영향을 주기에 충분한 영역은 이 벽(118) 및 자기력선(1050)에 의해 경계가 형성된다. 자기력선(1050)에 의해 규정된 임계 반경 내의 영역에 대해, 자이로 반경은 임계 자이로 반경보다 크며, 플라즈마 내의 전자에 대한 자기장의 영향은 실제로 사용하기에는 과하게 분산될 수 있다. 이것은 예를 들어 전자 궤적 세트(1020)에 의한 예에 대해 도시된다.

도 9a는 이온 공급원의 플라즈마 방전 공간 내의 세 개의 상이한 영역을 도시하는데, 그 내부에서는 도 1b의 토로이드형 전자석으로부터의 생성된 자기장의 효과가 플라즈마 밀도 분포에 영향을 미친다. 도 9a는 도 8의 이온 공급원(110)의 그것과 유사한 부분 단면도를 더 도시한다. 더욱 구체적으로는, 주요 이온화 영역(705)에서 생성된 플라즈마는, 이온 빔 전류가 그리드 조립체(132)의 이온 광학부에 의해 추출되는 방전 공간(124)으로, 또는 플라즈마가 소멸될 수 있는 방전 챔버 벽(118) 또는 재-진입 용기 벽(162,156)으로 확산된다.

다음의 설명을 간단히 하기 위해, 방전 챔버 내의 플라즈마 밀도 분포 또는 기판에서의 이온 빔 전류 밀도 분포의 프로파일 변화는 프로파일을 더욱 "오목하게" 또는 더욱 "볼록"하게 만드는 것으로 설명될 수 있다. 플라즈마 프로파일의 형상 변화는, 동일한 정도일 필요는 없지만, 기판에서의 이온 빔 전류 밀도 분포에 있어서 유사한 변화를 초래하는 경향이 있다. 주연부에서의 이온 빔 전류 밀도 또는 플라즈마 밀도의 값이 프로파일의 중심에서의 값보다 높은 경우, 프로파일은 "오목"하다. 반대의 경우(즉, 중심에서의 값이 주연부보다 높은 경우) 프로파일은 “볼록”하다. 플라즈마 밀도 프로파일에 관한 특별히 관심 있는 영역은 플라즈마로부터 이온 빔이 추출되는 영역, 즉 그리드 조립체(132)의 이온 광학부의 패턴화된 영역이다; 따라서 "주연부"는 주연 그리드 개구(177p)의 위치를 지칭한다. 이온 빔 전류 밀도 분포에 있어서, "주연부"는 처리될 기판의 외부 반경을 지칭한다.

자기장 강도의 함수로서 이온 공급원(110)의 플라즈마 밀도 분포 및 rf 전력 소비에 대한 토로이드형 전자석(200)의 자기장의 영향은, 도 9a의 영역 #1, #2, 그리고 #3에 의해 표시되는, 플라즈마 밀도 분포에 대한 자기장 영향의 세 개의 별개 영역의 관점에서 설명될 수 있다. 각각의 영역은 이온 공급원 축(119)과 방전 챔버 벽면(118), 특히 전자석(200)의 자극 단부(245A, 245B)에 인접한 영역(118a) 사이의 방전 공간의 일부를 포함한다. 영역 #1은 벽면(118a)에 가장 가까운 영역이고 도 9a에 1101으로 표시된 점선에 의해 표시된 포락선에 의해 경계가 형성된다. 영역 #2는 영역 #1을 둘러싸고, 도 9a의 1102로 표시된 점선에 의해 표시된 포락선에 의해 경계가 형성된다; 그리고 영역 #3은 영역 #2와 이온 공급원 축(119) 사이이다. 포락선(1101 및 1102)은 도 8의 선(1050)에 대응하는, 임계 자기장 강도 등고선을 상이한 전체 자기장 강도들[즉, 자석 코일(260)의 전류]에 대해, 각각 나타내는데, 그 내부에서는 플라즈마 전자가 임계 자이로 반경 내에서 궤도 운동하기에 충분히 자화되고 플라즈마 분포에 국부적인 영향을 미친다. 영역 #1은 전체 자기장 강도의 낮은 범위[즉, 자석 코일(260)에서의 전자석 전류의 낮은 범위](R1)에 대응하고; 영역 #2는 중간의 전체 자기장 강도 및 자석 전류의 범위(R2)에; 그리고 영역 #3은 높은 전체 자기장 강도 및 자석 전류 범위(R3)에 대응한다.

도 9b는 이온 공급원의 rf 전력 소비에 대한 도 1b의 토로이드형 전자석에 의해 생성된 전자기장의 영향을 나타낸다. 자석 전류 범위 R1, R2 및 R3은 이하 상세하게 후술되는 바와 같이 도 9b에 그래프로 도시된다.

자석 전류가 범위 R1 내에 있을 때, 유효 자화 전자 궤적은 벽(118) 상에서 그리고 이온 광학부 그리드 조립체(132)의 외부 주연부 상에서, 주연 그리드 개구(177p)에 의해 형성되는 이온 추출의 경계 밖에서 종결된다. 따라서, 플라즈마 손실 및 이에 따른 소비된 rf 전력은 자기장 강도가 초기에 상승함에 따라 증가할 수 있다. 또한, 주연부에서의 플라즈마 밀도의 감소는 기판의 주연부에서의 이온 전류 밀도를 감소시킬 수 있으며, 이는 이온 빔 전류 밀도 프로파일을 더욱 볼록하게 만든다.

자석 전류가 범위 R2 내에 있을 때, 전자는 포락선(1102)의 밖으로 강하게 자화될 수 있어서 영역(705)에서 생성된 플라즈마가 벽(118)으로 확산하는 대신에 주변부 그리드 개구(177p) 내부에서 멀어지도록 유도되고 이온 추출 영역으로 안내될 수 있다. 이는 벽에서의 플라즈마 손실을 감소시킬 수 있고, 따라서 전자석(200)의 자기장 강도가 증가됨에 따라 rf 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 이는 또한 주변부 그리드 개구(177p) 부근의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있으며, 이는 차례로 기판의 주연부에서의 이온 전류 밀도를 증가시켜, 이온 전류 밀도 프로파일을 더 오목하게 만든다.

자석 전류가 범위 R3 내에 있을 때, 주연 전자석(200)에 의한 전자 자화는 방전의 중심으로 깊게 유효하며; 자기장 강도가 이 범위 내에서 증가함에 따라, 재-진입 플러그(144)는 점차적으로 플라즈마 흐름에 대한 병목이 되어 벽(162 및 156)에서의 플라즈마 손실을 야기하고, rf 전력을 다시 증가시킨다. 이온 공급원의 중심 영역으로의 플라즈마 확산이 억제되기 때문에, 이온 전류 밀도 프로파일은 더욱 오목해질 수 있다.

도 9c는 전자석이 낮은 자기장 강도 범위 내지 중간 자기장 강도 범위에서 작동될 때의 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한 도 1b의 토로이드형 전자석에 의해 생성된 전자기장의 영향을 도시한다.

토로이드형 전자석(200) 동작의 예시적인 결과가 도 9b 및 9c를 참조하여 설명될 것이다. 도 1b 및 도6에 도시된 이온 공급원은, 중심 전자석(142)이 종료되고 토로이드형 전자석(200)이 자석 코일(260)을 통한 반시계 방향의 전류가 흐름으로 전원이 공급된 상태에서 동작된다.

도 9b는 400V 및 445mA의 아르곤 이온 빔에 대해, 이온 공급원 rf 전력 소비 “Prf” 상에서 전자석 코일 전류 “Imag”를 증가시킴으로서 자기장 강도를 증가시킨 결과를 그래프로 도시하고 있다. "Prf"는 445mA의 이온 빔 전류를 얻기 위해 요구되는, rf 전원 공급부(286)에서 측정된, rf 코일 조립체(126)에 공급되는 전력이다.

상술한 바와 같이, 자석 전류에 대한 rf 전력 소비의 의존성은 3개의 별개의 자석 전류 범위 R1, R2 및 R3으로 설명될 수 있다. 낮은 자석 전류 범위 R1 내에서는, 자석 전류가 0으로부터 선(1111)으로 표시된 약 0.2A의 Imag에 있는 제1 전이점으로 상승함에 따라, rf 전력의 증가(약 50W)가 관찰된다. 전이점(1111)에서의 자석 전류는 도 9a에서 포락선(1101)으로 규정된 임계 자기장에 대응된다. 도 9a, 9b의 논의에서 상세히 설명된 바와 같이, 범위 R1에서 rf 전력 손실은 방전 챔버 주연부에 지나치게 가까운 영역 #1 내에서의 플라즈마 집중에 기인할 수 있다. 자석 전류가 더 증가함에 따라 이러한 경향은 반전되고, 제2 전이점이 선(1112)으로 표시된 약 0.4A의 Imag에 도달할 때까지 rf 전력 소비는 자석 전류의 증가에 따라 (약 150W 만큼) 감소하는데, 이것이 제2 자석 전류 범위(R2)를 규정한다. 전이점(1112)에서의 자석 전류는 영역 #2를 경계짓는 도 9a의 포락선(1102)에 의해 규정되는 임계 자기장에 대응된다. 위에서 상세히 설명된 바와 같이, 이 범위 내에서의 감소된 rf 전력 소비는, 방전 챔버 벽(118)으로부터 원격의 그리고 또한 재진입 플러그 벽으로부터 원격의 영역 #2 내의 플라즈마 농도에 기인할 수 있다. 이러한 경향은 도 9b의 선(1112)으로 표시된 전이점에서 다시 역전되고, 자석 전류의 후속하는 증가는 자석 전류 범위 R3에 걸쳐 rf 전력 소비 증가를 야기한다. 도 9a의 영역 #3 내의 임계 자기장에 대응하는 이 범위 내에서, 장 강도와의 rf 전력의 증가는 재-진입 용기에 의한 플라즈마의 병목 현상 및 벽에 대한 플라즈마 손실에 기인하는 것으로 간주된다.

전자석(200)의 상이한 작동 범위를 도시하는 것 이외에, 도 9b는 제2 전자석이 이온 공급원 강화를 위한 실질적인 기준을 충족시킨다는 것, 즉 작동 범위에 걸쳐 작동될 때 rf 전력 소비가 실용적인 한계 내에 머물러 있다는 것을 나타낸다. 이 경우 rf 전력은 0A에서 1A까지의 작동 범위에 걸쳐 기준(0A)으로부터 ~25 % 이하까지 변한다.

이제 도 9c를 참조하면, 낮은 자기장 강도 범위 내지 중간 자기장 강도 범위 내에서의 이온 빔 전류 밀도 프로파일에 대한 토로이드형 전자석(200)의 자석 전류의 변화의 영향의 예시가 도 9a의 이온 공급원 구성에 대하여 도시된다. 이온 빔 전류 밀도 프로파일은 수직 입사에서 이온 공급원과 대면하는, 기판 위치에서 이온 빔의 중심 축을 가로질러 위치된 패러데이 컵 프로브의 선형 어레이를 사용하는 공지된 기술에 따라 측정되었다. 각 패러데이 컵의 이온 전류 판독 값은 해당 위치의 이온 전류 밀도와 직접적으로 대응된다. 측정은 상기 빔과 기판의 중심으로부터 6인치 이상의 반경까지 이루어졌다. 다음의 논의에서, 6인치 반경 내의 주요 에칭 영역은 이온 빔 전류 밀도 프로파일을 오목 또는 볼록의 관점에서 특성화 할 때 언급될 것이다. 달리 명시되지 않는 한, 균일성 "U"는 직경 12.6인치에 걸쳐 측정된 모든 지점에 대한 백분율(최대 - 최소) /(최대 + 최소)로 계산된다.

도 9c에서, 빔 전류 밀도 프로파일은 1500V 빔 파라미터 세트에 대해 도시된다. 이 경우, 전자석 전류가 없을 때, 빔 프로파일은 1401로 표시된 이온 빔 전류 밀도 분포 곡선에 반영되는 바와 같이 강하게 오목하다. 자기장 강도를 증가시키는 것은 이온 빔 프로파일을 점진적으로 덜 오목하게(더 볼록하게) 만드는 것으로 초기에 밝혀졌다. 이것은 곡선 1402, 1403 및 1404로 각각 표시된 바와 같이, 0.02A, 0.03 및 0.04A의 상이한 토로이드형 전자석 전류에서 얻어진 이온 빔 전류 밀도 분포 곡선에 대해 입증되었다. 곡선 1405로 표시된, 더 높은 자석 전류, 0.1A에서, 효과는 반전되었으며 프로파일은 더욱 오목해졌다. 0.4A까지의 자석 전류의 증가는(도시되지 않음) 점차적으로 더 오목한 빔 프로파일을 초래하였다. 도 9a의 설명과 일치되게, 이 경우 적어도 0.040A까지의 자석 전류는 전자석(200)의 약한 자기장 강도가 방전 챔버 벽(118)에 가까운 영역 #1 내에 플라즈마를 집중시키는 것으로 간주되는 낮은 자석 전류 범위 R1 내에 있을 수 있는데, 이는 전류 밀도 분포의 주연 손실을 초래하여, 빔 프로파일를 더욱 볼록하게 만든다. 약 0.04A 와 0.1A 자석 전류 사이의 중간 자석 전류 범위(R2)로의 전이는 플라즈마가 빔의 주연 영역으로 더 많이 지향되게 하여 더욱 오목한 빔 프로파일을 초래할 수 있다.

도 9c에 도시된 결과는, 넓은 빔 영역(예를 들어, 6인치 직경과 비교하여 12인치 초과)에 걸쳐 빔 프로파일 형상을 조정하는 토로이드형 전자석(200)의 성능을 나타낸다. 이는 특히 초기에 강하게 오목한 이온 빔 프로파일로부터 시작하여 넓은 영역에 걸쳐 이온 빔 전류 밀도 균일성을 향상시키는 성능을 입증한다. 도면의 그래프 범례를 참조하면, 커브(1401)로 표시된 강하게 오목한 제로 자석 전류 빔 프로파일의 12.6인치 직경에 대한 균일성은 U=8.9%이다. 자석 코일(260)에 전류를 공급하고 범위 R1 내에서 전류를 높이면 프로파일이 더 볼록하게 되어 초기에는 균일성이 개선된다. 이 연구에서 얻어진 최적의 균일성은 곡선 1403(Imag = 0.03A)에 의해 반영된 U=2.9%, 3배 향상이었다.

본 발명의 일 구현예에 따른 작동 중에 전류가 공급된 전자석[예를 들어, 도 1a의 전자석(142, 200)] 양자 모두를 사용한 예시적 결과가 도 10a-10c에 도시되어있다.

도 10a는 도 1의 이중 전자석 구성에 대한 예시적인 모델링된 대표 자기 벡터 장 분포(1275) 및 여러 세트의 자화된 전자 궤적을 도시한다. 도 10a는 도 6과 유사한 이온 공급원의 부분 단면도를 도시하는데, 플라즈마 흐름의 방향을 나타내는 주요 이온화 영역(705) 내의 상이한 지점에 주입된 전자들에 대한 시뮬레이션된 10eV 전자 궤적의 여러 세트 및 자기 벡터 장 맵(1275)이 도시된다. 토로이드형 전자석 코일(260)을 통과하는 전류의 방향은 반시계 방향이지만, 이는 중심 전자석 코일(172)을 통해서는 시계 방향이다. 자기장 맵은 각각의 자석의 역선들(field line) 사이의 상당한 중첩이 예상될 수 있도록 상대적으로 높은 자기장 강도로 전류가 공급된 전자석(142 및 200) 양자 모두와 함께 생성된다. 그러나, 위에서 언급한 전자석 극성에 대해, 일반적으로 그 결과는, 두 개의 전자석의 개별 장이 추가적으로 강화되고 각 전자석 근처의 자기력선의 방향 및 강도는 개별적으로 전류가 공급되었을 때의 것과 비견될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 전자석(200)의 극편(245A, 245B) 근처의 벡터 장 경로(1225)는 도 6에 유사하게 위치한 벡터 장 경로(725)와 비견될 수 있고, 벡터 장 경로(1250)을 따르는, 예시적인 전자 궤적 세트(1210)는 도 9a의 궤적 세트(1010)와 유사하다. 2 개의 전자석 사이의 방전 공간에서, 장 벡터는 전자 궤적 세트(1220)에 의해 표시된 바와 같이, 전자를 방전 영역으로부터 이온 공급원의 중심을 향하여 유도할 수 있는 복합 장 경로를 형성하도록 추가된다. 더 높은 장 강도에서 전자석(200)의 자기장 강도를 증가시키는 것은 방전 공간(142)의 주연부 부근에서 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있고 기판에서의 이온 전류 밀도 분포를 더 오목하게 만들 수 있는 반면에, 더 높은 장 강도에서 전자석(142)의 자기장 강도를 증가시키는 것은 방전 공간(124)의 중심 부근에서 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있고, 기판에서의 이온 전류 밀도 분포를 더 볼록하게 만들 수 있다.

도 10b는 패러데이 컵 프로브 배열을 사용해 측정한, 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한 모델링된 대표 자기 벡터 장 분포 맵(1275) 및 도 10a의 자화된 전자 궤적의 영향의 일 예를 도시한다. 도 10a를 참조하여 설명된 것과 같이 구성된 이중 전자석 이온 공급원에 대해, 아르곤 이온 빔 전류 밀도 프로파일과 균일성이 6인치보다 큰 반경에 걸쳐 측정되었다. 이 예에서, 토로이드형 전자석(200) 전류 "Itor" 및 중심 전자석(142) 전류 "Icen"가 모두 0 일 때(두 전자석이 꺼진 상태에서), 이온 빔 전류 밀도 프로파일은 이온 빔 전류 밀도 프로파일 곡선(1501)에 의해 표시된 바와 같이, 12인치 직경에 걸쳐 상대적으로 평평하다. 곡선(1502)에 의해 반영된 바와 같이 중심 전자석에 전류가 공급되더라도(Icen=0.1A), 토로이드형 전자석(200)에 중간 자석 전류(Itor = 0.2A)로 전류를 공급하는 것은 상기 빔의 주연부에서 전류 밀도를 증가시키고 이온 프로파일을 상당히 오목하게 만든다. 토로이드형 전자석의 코일(260)을 통해 동일한 중간 전류를 유지하고 더 높은 자석 전류로 점진적으로 중심 전자석(142)에 전류를 공급하는 것은 상기 빔의 중심 영역 내에서 이온 빔 전류를 증가시켜서, 각각 곡선 1503(Icen = 0.3A) 및 1504(Icen = 0.6A)에 의해 반영된 바와 같이 프로파일을 덜 오목하게 또는 더욱 볼록하게 만든다. 이 범위 내의 중심 전자기장 강도의 변화는 약 4.5인치의 반경 바깥인, 주연 영역에서 이온 빔 프로파일에 대해 중요한 영향을 미치지 않는다는 것이 주목할 만 한다. 따라서, 2개의 전자석으로부터의 자기장 분포가 국한되지 않는 비교적 높은 자기장 강도에서 작동될 때조차도, 플라즈마의 상이한 영역의 독립적인 제어가 가능하다. 더욱 구체적으로는, 토로이드형 전자석(200)은 더 높은 자기장 영역에서 우선 주변 이온 빔 전류 밀도를 향상시키고 프로파일을 더 오목하게 만드는데 사용될 수 있는 반면, 중심 전자석(142)은 이온 빔의 중심의 전류 밀도를 향상시키고 프로파일을 더 볼록하게 만드는데 사용될 수 있다. 이 조합은 다양한 조건에 대해 넓은 빔 지름에 대한 균일성을 조정할 수 있는 광범위한 유연성을 가진 간단한 방법을 제공한다.

도 10b는, 초기 이온 빔 전류 밀도 프로파일이 상대적으로 평탄할 때에도, 도 10a의 이중 전자석 방법을 사용하여 균일성을 향상시키는 성능을 입증한다. 도 10b의 그래프의 범례를 참조하면, 두 자석 모두가 꺼진 상태에서(커브 1501에 의해 표시됨) 얻어진 12.6인치 직경에 걸친 균일성은 U=3.8%이다. 프로파일을 더 오목하게 또는 더 볼록하게 만드는 전자석 전류의 조정 후에, 조합은 곡선 1504에 의해 반영된 이온 빔 전류 밀도 프로파일을 초래하는데, 이때 3.2%인 균일성은 전자석들이 꺼진 상태의 조건으로부터 약 20% 향상되었다.

도 10c는 상이한 빔 전압에 대한 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한 도 10a의 모델링된 대표적인 자기 벡터 장 분포(1275) 및 자화된 전자 궤적의 영향을 도시한다.

빔 전류 밀도의 균일성은, 100V, 1200V, 그리고 1500V의 빔 전압을 가진 종래의 이온 공급원에 각각 대응하는 전자석이 꺼진 상태에서 우선 최적화되었다. 도 10c는 전자석(200 및 142) 내의 자석 전류를 켜서 최적화한 후의 이러한 동일한 빔 전압 조건에 대한 빔 프로파일을 도시한다. 각각의 경우에, 전자석이 켜진 상태에서의 빔 프로파일은 전자석이 꺼진 상태보다 더 균일하다. 이러한 예에서, 중심 전자석(142)은 낮은 자석 전류(예를 들어, Icen = 0.05A)로 전류가 공급되고 그후 주연 전자석(200) 전류는 매우 약한 장 범위(예를 들어, Itor = 0.0102-0.015A) 내에서 조정되었다. 이는 각각 100V, 1200V, 그리고 1500V의 빔 전압에 대해, 1101, 1103, 및 1105로 표시된 곡선에 의해 반영된 바와 같이, 6-인치 반경 내에서 프로파일을 덜 오목하게(더 볼록하게) 그리고 본질적으로는 평탄하게 만들었다.

도 10d는 도 10c의 최적화된 전자석 전류 설정에서 빔 프로파일 각각에 대해 얻어진 균일성을 전자석의 코일에 전류가 흐르지 않을 때 얻어진 대응하는 균일성과 비교한다. 여기서 이온 전류 밀도 분포의 균일성은 빔의 직경 12.6인치에 걸친 측정에 대하여, 범위(최대 - 최소)를 평균값으로 나눈 백분율로 계산된다. 본원에 개시된 이중 전자석은 100V에서 약 2배, 1200 및 1500V 빔 조건에서 약 3배만큼 종래 기술에 비해 균일성을 향상시킬 수 있다.

이중 전자석 작동의 또 다른 구현예가 도 11a 및 11b에 대해 아래에 설명된다.

도 11a는 도 1의 이중 전자석 구성에 대하여 다른 예시적인 모델링된 대표 자기 벡터 장 분포 맵(1375)과 자화된 전자 궤적의 여러 세트를 도시한다. 도 10a에서와 같이, 전자석(142 및 200)에는 개별 자석의 역선 사이에 상당한 중첩이 존재하도록 충분한 자기장 강도를 생성하게 전류가 모두 공급된다. 도 10a와 11a의 자기장 시뮬레이션에 있어 전자석 코일 모델, 코일을 통한 전류의 크기, 그리고 토로이드형 전자석 코일(260)을 통해 흐르는 전류의 방향 또한 개별적으로 유사하다. 그러나, 도 11a에서 중심 전자석 코일(142)을 통해 흐르는 전류의 방향은 도 10a와 반대로, 반시계 방향이다. 도 11a에 도시된 전자석(200)의 극편(245A, 245B) 근처에서의 벡터 장 맵은 도 10a에 도시된 것과 유사하지만, 도 6에 도시된 토로이드형 전자석 단독에서 발생된 벡터 장 맵과는 조금 상이하다; 이것은 예를 들어 도 11a, 10a, 6의 1325, 1225 그리고 725로 표시된 자기장 경로를 각각 비교함으로써 알 수 있다. 이 영역의 외부에서는, 심지어 중심 전자석(142)의 극 근처에서도, 도 11a의 벡터 장 맵(1375)이 도 10a의 대응하는 맵(1275)과 매우 상이하다. 주목할 것은, 도 11a의 주요 이온화 영역(705)과 이온 공급원의 중심 사이에서의 장 라인 및 그에 따른 자화된 전자의 경로의 부재이다. 주요 이온화 영역(705)의 주연부 부근에서 생성된 플라즈마는 1350 또는 1370과 같은 벡터 장 경로를 따라, 1320 또는 1340과 같은 전자 궤적 경로를 따라 이온 공급원 출구의 주연부로 지향될 수 있다. 이온 공급원의 축에 더 가까운 곳에서 생성된 플라즈마는 역선 벡터 경로(1390)에 따라, 전자 궤적 경로(1360)를 따라, 전자석(142)에 인접한 재-진입 용기(144)의 벽으로 지향될 수 있다. 이는 전자석(200 또는 142) 중 어느 하나의 코일에서의 전류가 증가함에 따라 방전 챔버에서 점점 더 오목한 플라즈마 밀도 프로파일 및 기판에서의 이온 빔 전류 밀도 및 에칭 프로파일을 초래할 수 있다.

도 11b는 이온 빔 전류 밀도 분포에 대한, 도 11a의 예시적인 모델링된 대표 자기 벡터 장 분포와 자화된 전자 궤적의 영향을 도시한다. 이온 빔 전류 밀도 프로파일 측정치가 도 12ba에 도시된다. 전자석의 코일에 전류가 가해지지 않으면, 이온 플럭스는 이온 빔 전류 밀도 프로파일 곡선(1601)으로 표시된 바와 같이, 12 인치 에칭 직경(etch diameter) 내에서 비교적 평평하다. 적당히 높은 토로이드형 전자석 전류(예를 들어, Itor = 0.4A)를 인가하면 곡선(1602)에 의해 반영된 바와 같이, 이온 빔 전류 밀도 프로파일이 명확하게 오목하게 된다. 상기 적당히 높은 토로이드형 자석 전류를 유지하고 중심 전자석 전류를 점진적으로 저중고(예를 들어, Icen = 0.2, 0.4, 0.6)로 증가시키면 각각 곡선(1603, 1604, 1605)에 각각 반영된 바와 같이 이온 빔 전류 밀도 프로파일의 오목함이 더욱 증가한다.

이 구현예는 빔 프로파일을 크게 조정하고, 특히 이온 빔 프로파일의 오목함을 증가시키는 데 적합할 수 있다(예를 들어, 전자석에 전류를 공급하기 전 또는 일부 작동 기간 후에 프로파일이 강하게 볼록해질 수 있는 경우의 균일성 향상). 예를 들어, 도 11b의 곡선(1605)은 100mm 이상의 직경에 걸쳐 비-전자석 곡선(1601)으로부터 10%를 초과하는 “오목함”의 증가를 반영한다. 이것은 (에칭 속도가 이온 빔 전류 밀도에 직접 비례하는) 위에서 논의된 종래 기술의 방법에 의한, 동일한 직경에 대한 약 4%의 최대치에 비교된다. 또한, 이 경우 두 전자석 모두가 이온 빔 전류 밀도 프로파일을 더 오목하게 만드는 역할을 하기 때문에, 높은 자기장 강도에서 어느 한 전자석을 작동하지 않고도 빔 프로파일을 크게 조정할 수 있어, 이온 빔 작동과의 자기 간섭을 예방하는 데 도움이 된다.

본 명세서에서 설명된 본 발명의 실시예는 하나 이상의 컴퓨터 시스템에서의 논리적인 단계로서 구현된다. 본 발명의 논리 연산(logical operation)은 (1) 하나 이상의 컴퓨터 시스템에서 실행되는 프로세서 구현 단계의 시퀀스로서 그리고 (2) 하나 이상의 컴퓨터 시스템 내의 상호 연결된 기계 또는 회로 모듈로서 구현된다. 이러한 구현은 본 발명을 구현하는 컴퓨터 시스템의 성능 요구 사항에 따른 선택의 문제이다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 본 발명의 실시예를 구성하는 논리 연산은 작동, 단계, 객체 또는 모듈로 다양하게 언급된다. 또한, 달리 명시적으로 주장되지 않거나 특정한 순서가 청구항 언어에 의해 본질적으로 필요하지 않는 한, 논리 연산은 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

명세서, 실시예 및 데이터는 본 발명의 예시적인 실시예의 구조 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공한다. 본 발명의 많은 실시예가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있으므로, 본 발명은 이하 첨부된 청구항에 존재한다. 또한, 다른 실시예들의 구조적 특징들은 청구된 청구항들로부터 벗어남 없이 또 다른 실시예에 결합될 수 있다.

Claims (20)

1. 이온 공급원이며,
   작동 가스를 수용하도록 구성된 방전 공간을 갖는 방전 챔버로서, 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 연장하는 관형 측벽을 포함하는, 방전 챔버;
   방전 공간 내부의 작동 가스로부터 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 안테나;
   방전 공간 내부의 플라즈마의 분포를 변화시키기 위하여 방전 챔버의 관형 측벽의 외부 주연부에 배치되는 제1 전자석;
   방전 공간 내부의 플라즈마의 분포를 더 변화시키기 위해 방전 챔버의 폐쇄 단부 내에 배치된 제2 전자석; 및
   제1 전자석에 인가되는 전류를 조정함으로써 방전 공간의 주연 영역 내의 플라즈마 분포를 변화시키고, 제2 전자석에 인가되는 전류를 조정함으로써 방전 공간의 중심 영역 내의 플라즈마 분포를 변화시키며, 제1 전자석 및 제2 전자석에 인가되는 전류를 조정하는 것이 이온 공급원의 작동 중에 향상된 이온 빔 전류 밀도 균일성을 달성하는, 컨트롤러를 포함하는, 이온 공급원.
2. 제1항에 있어서,
   제2 전자석은 제2 자속 집속기 및 제2 코일을 포함하고, 제2 자속 집속기는 제2 코일에 의해 생성된 자기장을 성형하여 이를 방전 챔버의 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에서 이온 공급원의 중심축에 가까운 방전 공간의 중심 영역 내에 집중시키도록 구성되는, 이온 공급원.
3. 제1항에 있어서, 제1 전자석은 제1 자속 집속기 및 제1 코일을 포함하고, 제1 자속 집속기는 제1 코일에 의해 생성된 자기장을 성형하여 이를 방전 챔버의 개방 단부와 관형 측벽에 가까운 방전 공간의 주연 영역 내에 집중시키도록 구성되는, 이온 공급원.
4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 전자석은 독립적으로 제어되고 각각 방위 방향으로 등방성이 되도록 구성된, 이온 공급원.
5. 제3항에 있어서, 제1 자속 집속기는 한 쌍의 이격된 자기 투과성 자속 집속기 플레이트를 포함하며, 자속 집속기 플레이트의 내부 반경은 플라즈마 방전 챔버 측벽에 근접하고, 자속 집속기 플레이트의 면들은 이온 공급원의 중심축에 실질적으로 수직이고, 제1 코일은 자속 집속기 플레이트들 사이에 배치되는, 이온 공급원.
6. 제5항에 있어서, 이격된 자속 집속기 플레이트들과 플라즈마 방전 챔버 측벽과의 사이에 배향된 한 쌍의 이격된 극편 링을 포함하는 극편 조립체를 더 포함하는, 이온 공급원.
7. 제1항에 있어서,
   제1 전자석의 극편들 사이에 배치되는 자기 투과성 환형 션트 편의 방위 방향 등방성 쌍을 더 포함하고, 상기 환형 션트 편은 플라즈마 방전 공간에 인접하고 서로 대면하는 극편의 표면에 부착되는, 이온 공급원.
8. 제7항에 있어서, 환형 션트 편은 방위 방향 자기장 강도 분포를 변경하기 위해 상이한 특성을 갖는 개별 션트 섹션의 다중 섹션 배열을 포함하는, 이온 공급원.
9. 제1항에 있어서, 제1 전자석은 2개 이상의 독립적으로 제어되는 전자석을 포함하는, 이온 공급원.
10. 제9항에 있어서, 상기 2개 이상의 독립적으로 제어되는 전자석은 방전 챔버의 주변부 주위에 다중 섹션 환형 어레이로 방위 방향으로 배열되는, 이온 공급원.
11. 제3항에 있어서, 제1 전자석의 제1 자속 집속기는 방전 챔버의 주연부 주위에 링 커스프 자기장을 생성하는 성형된 극편을 포함하는, 이온 공급원.
12. 제1항에 있어서,
    방전 챔버의 개방 단부에 근접한 적어도 하나의 그리드를 더 포함하고, 상기 그리드는 개구 어레이를 포함하고, 상기 그리드는 상기 개구를 통해 방전 공간 내의 플라즈마로부터 이온을 추출하도록 구성되는, 이온 공급원.
13. 이온 공급원을 작동하는 방법이며,
    이온 공급원의 방전 챔버 내에서 플라즈마를 생성하는 단계로서, 방전 챔버는 작동 가스로 충전된 방전 공간을 포함하고, 방전 챔버는 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에 연장된 관형 측벽을 포함하는, 플라즈마 생성 단계;
    방전 챔버의 관형 측벽의 외부 주연부에 배치되는 제1 전자석에 인가되는 전류를 조정함으로써, 방전 공간의 주연 영역 내의 플라즈마 분포를 변화시키는 단계; 및
    방전 챔버의 폐쇄 단부 내에 배치되는 제2 전자석에 인가되는 전류를 조정함으로써, 방전 공간의 중심 영역 내의 플라즈마 분포를 변화시키는 단계로서, 제1 전자석 및 제2 전자석에 인가되는 전류를 조정하는 것이 이온 공급원의 작동 중에 향상된 이온 빔 전류 밀도 균일성을 달성하는, 단계를 포함하는, 이온 공급원을 작동하는 방법.
14. 삭제
15. 제13항에 있어서, 제1 전자석 및 제2 전자석은 독립적으로 조정되는, 이온 공급원을 작동하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 제1 및 제2 전자석을 독립적으로 조정하는 단계는 제1 및 제2 전자석 각각의 개별적인 전자석 코일에 인가되는 전류를 독립적으로 제어하는 단계를 포함하는, 이온 공급원을 작동하는 방법.
17. 제13항에 있어서, 제1 전자석의 제1 코일에 흐르는 전류의 방향이 시계 방향이고, 제2 전자석의 제2 코일에 흐르는 전류의 방향은 반시계 방향인, 이온 공급원을 작동하는 방법.
18. 제13항에 있어서, 제1 전자석의 제1 코일에 흐르는 전류의 방향은 반시계 방향이고 제2 전자석의 제2 코일에 흐르는 전류의 방향은 시계방향인, 이온 공급원을 작동하는 방법.
19. 제13항에 있어서, 방전 챔버 내의 전자 궤적 세트의 평균 전자 자이로-반경은 방전 챔버의 내경의 1/10보다 작은, 이온 공급원을 작동하는 방법.
20. 이온 공급원이며,
    작동 가스를 수용하도록 구성된 방전 공간을 갖는 방전 챔버로서, 방전 챔버는 폐쇄 단부, 개방 단부, 및 폐쇄 단부와 개방 단부 사이에 연장된 관형 측벽을 포함하는, 방전 챔버;
    방전 공간 내측의 작동 가스로부터 플라즈마를 생성하도록 구성된 안테나;
    방전 챔버의 관형 측벽의 외부 주연부에 배치되고 방전 공간의 주연 영역 내의 플라즈마의 분포를 변화시키도록 구성되는 제1 전자석;
    방전 챔버의 폐쇄 단부 내에 배치되고 방전 공간의 중심 영역 내의 플라즈마의 분포를 변화시키도록 구성되는 제2 전자석;
    제1 전자석과 제2 전자석에 인가되는 전류를 독립적으로 조정함으로써, 방전 공간의 중심 영역 및 주연 영역 내의 플라즈마 분포를 변화시키고, 이온 공급원의 작동 중에 향상된 이온 빔 전류 밀도 균일성을 달성하는 컨트롤러를 포함하는, 이온 공급원.

Images