KR102185744B1 - 이온 소스 - Google Patents

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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

일 실시예에 있어, 이온 소스는 아크 챔버 및 아크 챔버 내에 배치된 표면을 갖는 에미터를 포함하며, 여기에서 에미터는 아크 챔버 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된다. 이온 소스는 에미터 표면에 대향되게 위치된 반사전극 표면을 갖는 반사전극, 및 반사전극에 연결되며 아크 챔버 내로 공급 재료를 제공하도록 구성된 중공 캐소드를 더 포함한다.

Description

이온 소스{AN ION SOURCE}
본 발명은 이온 주입에 관한 것으로서, 더 구체적으로 이온 주입 시스템들에서 사용되는 개선된 이온 소스들에 관한 것이다.
반도체 기판들을 프로세싱하기 위한 이온 주입을 포함하는 대량 제조 프로세스들에 있어, 이온 전류를 증가시키는 것이 계속해서 우선순위이다. 이온 소스들에 대해 계속되고 있는 하나의 도전은, 기판 내로 주입될 도펀트들의 소스로서 일반적으로 사용되는 분자 가스들을 파괴(breakup)하고 이온화하는 능력이다. 관련된 문제는 전구체 종으로부터 다중 전하 이온(multiply charge ion)들을 생산하는 효율이다. 잘 알려진 바와 같이, 이온 주입 시스템들에 있어 다중 대전 이온(multiply charged ion)들이 가속 전압을 증가시키지 않으면서 이온 주입 에너지를 증가시키기 위한 수단으로서 사용될 수 있다. 산업이 직면한 하나의 특정 도전은 분자 전구체들로부터 다중 대전 도펀트 이온들을 생산하는 능력이다. 간접 가열식 캐소드 소스들과 같은 일반적으로 사용되는 이온 소스들은, 예를 들어, 바람직한 것보다 더 높은 분율(fraction)의 단일(singly) 전하 이온들을 산출할 수 있다.
다중 대전 상태로의 종의 이온화는 일반적으로, 전구체 분자가 먼저 구성성분 중성 원자들로 파괴되는 단계적(stepwise) 프로세스를 통해 진행된다. 그 다음 중성 원자가 처음에 전자와의 충돌의 결과로서 하나의 전자를 상실하고, 그럼으로써 단일 대전 이온을 형성한다. 단일 대전 이온은 그 뒤 다른 전자와의 충돌 등에서 제 2 전자를 상실한다. 다중 대전 이온들의 생산량(output)을 증가시키기 위하여, 단계적 생산 프로세스에서 이온들의 생산 레이트(rate)를 증가시키고 이온들에 대한 상실 레이트를 감소시키는 것이 바람직하다. 이론적으로, 이는 다양한 방식들로 달성될 수 있다. 하나 방식에 대해, 이온 소스 내의 플라즈마 내의 전자들의 에너지가 증가될 수 있다. 이온화의 정도가 또한 증가될 수 있으며, 이는 대전된 분자들 대 중성 분자들과 같은 대전된 입자들의 분율이 증가된다는 것을 의미한다. 이에 더하여, 중성입자들 또는 챔버 벽들과의 충돌들에 기인하는 이온 상실들의 레이트를 최소화하는 것이 순(net) 이온 생산 레이트를 증가시킨다. 그러나, 다수의 이온 종들에 대한 현재의 IHC 이온 소스들에 있어 이온 생산이 희망되는 것보다 더 적다.
이상의 관점에서, 이온 주입 장치를 개선하기 위한 요구가 존재하며, 특히 다중 전하 이온들에 대한 이온 소스 내에서 전류 생성 성능을 증가시키기 위해 이온 소스 기술을 발전시키는 것에 대한 요구가 존재한다는 것이 이해될 것이다.
일 실시예에 있어, 이온 소스는 아크 챔버 및 아크 챔버 내에 배치된 표면을 갖는 에미터(emitter)를 포함하며, 여기에서 에미터는 아크 챔버 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된다. 이온 소스는 에미터 표면에 대향되게(opposite) 위치된 반사전극(repeller) 표면을 갖는 반사전극, 및 반사전극에 연결되며 아크 챔버 내로 공급 재료를 제공하도록 구성된 중공(hollow) 캐소드를 더 포함한다.
추가적인 실시예에 있어, 이온 소스 내에서 다중 대전 이온들을 생성하는 방법은, 중공 캐소드를 통해 이온 소스의 아크 챔버 내로 공급 재료를 도입하는 단계를 포함하며, 이온 소스는 반사전극 및 에미터를 포함하고, 여기에서 에미터는 아크 챔버 내에 배치되며, 반사전극은 에미터에 대향되게 배치된다. 방법은 또한, 아크 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위해 에미터를 활성화하고 이로부터 전자들을 방출하는 단계, 및 중공 캐소드를 활성화하고 이를 통과하는 공급 재료를 이온화하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 부합하는 이온 주입 시스템을 도시한다.
도 2는 본 실시예들과 부합하는 이온 소스의 측면-단면도를 포함하는 복합 도면을 도시한다.
도 3은 도 2의 이온 소스의 동작의 일 예를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 동작의 상세내용들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예들에 따른 다른 이온 소스의 측면 단면도를 예시한다.
도 6은 본 발명의 추가적인 실시예들에 따른 하나의 동작 모드의 다른 이온 소스의 측면 단면도를 예시한다.
도 7은 다른 동작 모드 동안의 도 6의 이온 소스의 측면 단면도를 예시한다.
이제 이하에서 본 발명이 본 발명의 실시예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 더 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명이 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 본원에서 기술되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 발명이 완전하고 철저해질 수 있도록 제공되며, 본 발명의 범위를 당업자들에게 완전하게 전달할 것이다. 도면들에서, 유사한 도면번호들이 전체에 걸쳐 유사한 엘러먼트를 지칭한다.
다양한 실시예들이 고 전류 이온 소스들을 생산하기 위한 장치 및 시스템들을 수반한다. 일부 실시예들에 있어, 이온 소스는 다중 대전 이온들의 더 높은 농도를 갖는 플라즈마를 생산하기 위해 상호동작하는 간접 가열식 캐소드 및 중공 캐소드를 포함한다. 이온 소스는 중공 캐소드를 통해 이온 소스 챔버 내로 가스를 주입할 수 있다. 동작시, 중공 캐소드는 가스가 이온 소스 챔버 내로 인도(conduct)됨에 따라 분자 종과 같은 가스를 분해하고 여기(excite)시키도록 구성된다. 중공 캐소드는 이온 소스 챔버 내에 활성 이온들의 공급을 생성하도록 더 구성된다. 이러한 특징들이 다중 대전 이온들의 향상된 농도를 갖는 플라즈마를 이온 소스 챔버 내에 생성하는 것을 가능하게 하며, 그럼으로써 기판을 프로세싱하기 위해 이온 빔으로서 추출될 수 있는 다중 대전 이온들의 이온 전류를 증가시킨다.
도면들을 참조하면, 도 1은 그 동작이 이하에서 상세화되는 이온 소스(102)를 포함하는 이온 주입 시스템(100)의 일 실시예의 블록도이다. 전원 공급장치(101)는 특정 종의 이온들을 생성하도록 구성된 이온 소스(102)로 필요한 에너지를 공급한다. 생성된 이온들이 일련의 전극들(104)(추출 전극들)을 통해 소스로부터 추출되며, 다양한 이온 빔 컴포넌트들(106, 108, 110, 112)을 사용하여 조작되고 기판으로 보내지는 이온 빔(95)으로 형성된다. 추출 후, 이온 빔(95)이 질량 분석 자석(106)을 통과한다. 질량 분석기는 특정 자기장을 갖도록 구성되어 희망되는 질량-대-전하 비율을 갖는 이온들만이 분석기를 통해 이동할 수 있다. 희망되는 종의 이온들이 감속 스테이지(108)를 통과해 교정기 자석(110)으로 이동한다. 교정기 자석(110)은 지지부(예를 들어, 플래튼(platen))(114) 상에 위치된 작업물 또는 기판을 향해 목적된 리본 이온 빔을 제공하기 위해, 인가되는 자기장의 강도 및 방향에 따라 이온 빔릿(beamlet)들을 편향시키도록 활성화된다. 일부 경우들에 있어, 제 2 감속 스테이지(112)가 교정기 자석(110)과 지지부(114) 사이에 배치될 수 있다. 이온들이 기판 내의 전자들 및 핵들과 충돌할 때 이온들이 에너지를 상실하며, 가속 에너지에 기초하여 기판 내의 희망되는 깊이에 멈추게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 부합하는 이온 소스(200)의 상세내용을 도시한다. 이온 소스(200)는 추출 어셈블리(205)를 통해 이로부터 이온 빔이 추출될 수 있는 방출부(discharge)를 포함하는 아크 챔버(202)를 포함한다. 이온 소스(200)에는 공기 간극(gap)일 수 있는 절연 브레이크(insulating break)를 통해 아크 챔버(202)로부터 전기적으로 분리되는 간접 가열식 캐소드(206)가 구비된다. 간접 가열식 캐소드(206)는 필라멘트(208) 및 에미터(210)를 가질 수 있다. 에미터(210)는 아크 전원 공급장치(212)의 네거티브 단자에 연결되며, 이의 포지티브 단자는 이온 소스 챔버에 연결된다. 간접 가열식 캐소드(206)는, 아크 전원 공급장치(212)가 아크 챔버(202)와 에미터(210) 사이에 바이어스를 인가할 때, 및 전류가 필라멘트 전원 공급장치(214)에 의해 필라멘트(208)를 통해 전달될 때 아크 챔버(202) 내에 방전을 생성하도록 구성된다. 도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 이온 소스(200)는 필라멘트(208)에 전기적으로 연결된 네거티브 단자를 갖는 바이어스 전원 공급장치(215)를 포함한다. 바어이스 전원 공급장치(215)는 필라멘트(208)와 간접 가열식 에미터(210) 사이에 전위 차를 인가하도록 동작하며, 이는 필라멘트(208)에 의해 생성된 전자들이 획득된 전자 에너지에 비례하여 간접 가열식 에미터(210) 내에 열을 생성하는 간접 가열식 에미터(210)를 향해 가속되게끔 한다. 이어서, 전자들이 에미터(210)의 표면(211)으로부터 방출되며, 이는 아크 챔버(202)로 입장된 가스 분자들을 이온화하는데 유효하다.
종래의 이온 소스들과 대조적으로, 이온 소스(200)는 중공 캐소드 어셈블리(216)를 또한 포함한다. 본 실시예에 있어, 중공 캐소드(216)는 에미터(210)에 대향되게 위치된다. 중공 캐소드 어셈블리(216)는 반사전극 부분(또한 "반사전극"으로도 지칭되는)(218) 및 중공 캐소드(220)를 포함한다. 반사전극 부분(218)은 텅스텐 또는 흑연과 같은 종래의 반사전극 재료로부터 구성될 수 있다. 본 실시예에 있어, 반사전극 부분(218) 및 중공 캐소드(220)는, 전압 신호가 반사전극 부분(218) 또는 중공 캐소드(220) 중 하나에 인가될 때 두 개의 부분들 모두가 동일한 전위를 획득하도록 서로 연결될 수 있다. 다른 실시예들에 있어, 반사전극 부분(218)이 중공 캐소드(220)로부터 이격되거나 및/또는 독립적으로 바이어싱될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어, 중공 캐소드(220)의 포트 단부(224)가 반사전극(218)의 반사전극 표면에 위치된다. 일부 실시예들에 있어, 도 2에 도시된 바와 같이, 포트 단부(224)가 반사전극 표면(219) 내에 개구부를 형성하도록, 반사전극 부분(218)이 포트 단부(224)에서 중공 캐소드(220)를 환형으로(circumferentially) 둘러싼다. 반사전극 표면(219)은 적절한 전위가 중공 캐소드 어셈블리(216)에 인가될 때 에미터(210)의 표면(211)으로부터 방출되는 전자들을 반사하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 도 2에 도시된 바와 같이, 중공 캐소드 어셈블리(216) 및 IHC가 아크 챔버(202)의 축(217)일 수 있는 공통 축을 공유한다.
중공 캐소드(220)는, 도 4와 관련하여 이하에서 상세화되는 바와 같이 아크 챔버(202) 내에서 희망되는 이온 종의 생성을 가능하게 하는 중공 캐소드 방전을 점화하기 위하여 아크 챔버(202) 내로 가스 또는 증기와 같은 공급 재료를 인도하도록 구성된다. 공급 재료는 기판 내로 주입될 종 및/또는 희석제를 포함할 수 있다. 이하에서 상세화되는 바와 같이, 동작시 중공 캐소드(220)는, 분자 가스 종과 같은 공급 재료를 원자들과 같은 더 작은 조각들로 파괴하는 것, 가스 종과 같은 공급 재료의 이온화, 및/또는 아크 챔버(202) 내로 이동하는 전자들의 생성을 포함하는 다수의 동작들 중 하나 이상의 수행하도록 구성된다. 본 실시예들에 따르면, 적합한 공급 재료는, 붕소(B), 탄소(C), 인(P), 비소(As), 수소(H), 및 불소(F) 중 하나 이상을 포함한다.
도 2의 실시예에 있어, 중공 캐소드(220)는 전기적으로 아크 전원 공급장치(212)에 연결된다. 중공 캐소드(220)는 아크 챔버(202)에 대한 가스 공급 라인으로서 부분적으로 기여하는 전도성 재료로부터 제조될 수 있다. 원통형 튜브 절연체(222)가 가스의 공급부(미도시)에 연결될 수 있는 중공 캐소드(220)를 접지된 튜브 부분들로부터 분리하도록 제공된다.
도 3은 이온 소스(200)의 동작의 일 예를 도시한다. 도 3에 도시된 예에 있어, 이온 소스(200)는 증가된 다중 대전 이온 전류를 생성하도록 구성된 향상된 방전(302)을 생성한다. 가스 종(306)이 중공 캐소드(220)를 통해 인도되며, 포트 단부(224)(도 2에 도시된)를 통해 아크 챔버(202) 내로 빠져 나온다. 다양한 실시예들에 있어, 가스 흐름 레이트는 약 0.5-200 sccm의 범위를 가지며, 이러한 가스 흐름 레이트는 종래의 IHC 이온 소스들에서 전형적으로 이용되는 이러한 흐름 레이트들을 포괄한다. 다양한 실시예들에 있어, 중공 캐소드(220)의 직경은 약 1mm로부터 수 cm 또는 그 이상의 범위이다.
본 발명에 있어, 중공 캐소드(220)의 길이 L은 전형적으로 중공 캐소드(220)의 직경 D의 6배보다 더 크다. 도 3의 동작시, 중공 캐소드(220)는 아크 챔버(202)의 전위보다 수십 내지 수백 볼트 더 낮은 전기 전위로 유지된다. 이러한 조건들 하에서, 중공 캐소드(220) 내의 특정 위치들이, 중공 캐소드 직경 D 곱하기 가스 압력이 약 1 torr.cm와 동일하다는 조건을 충족시킬 수 있으며, 이러한 지점에서 가스 종(306)의 절연 파괴(electrical breakdown)가 일어날 수 있다. 그 뒤 중공 캐소드(220) 내에서 생성된 전자들이 중공 캐소드(220) 내부의 벽들로부터 앞뒤로 반사될 수 있으며, 이는 전자들이 계속해서 중공 캐소드(220) 내부 상에서 반사함에 따라 가스 종(206)의 가스 분자들을 이온화한다. 이는, 아크 챔버(202) 내로 연장하며, 향상된 방전(302)으로의 전자들 및 이온들의 소스를 제공하는 협소한 방전(304)을 초래한다.
중공 캐소드(220)의 온도는, 이하에서 도 4와 관련하여 논의되는 바와 같이, 중공 캐소드(220)의 내부 벽들로부터 전자들의 열이온 방출이 시작되고, 중공 캐소드(220) 내에 자동으로 계속되는(self-sustaining) 플라즈마가 형성될 수 있도록, 상승할 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 자기-가열이 불충분한 경우 튜브가 와이어 히터(미도시)에 의해 가열될 수 있다. 전형적인 동작시, 반사전극 부분(218)이 상승된 온도를 달성하며, 중공 캐소드(220)의 외부 가열이 요구되지 않는다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 향상된 방전 형성의 상세내용을 도시한다. 간접 가열식 에미터(210)를 포함하지 않는, 아크 챔버(202)의 일 부분만이 예시된다. 이러한 예에 있어, 가스가 이상에서 도 3에 대하여 논의된 바와 같이 중공 캐소드(220)를 통해 아크 챔버(202) 내로 인도된다. 단지 예시의 목적으로, 가스(402)가, 일 예에 있어 PH3일 수 있는 분자 가스로서 도시된다. PH3 분자들이 아크 챔버(202)로 이어지는 포트 단부(224)를 향해 인도됨에 따라, 중공 캐소드(220)가 이상에서 논의된 바와 같이 전자들을 생성한다. 중공 캐소드(220) 내에 생성된 전자들이, 이상에서 논의된 바와 같이, 중공 캐소드(220)로부터 연장하는 협소한 방전(304)의 부분뿐만 아니라 중공 캐소드(220) 내의 협소한 방전(304)의 방전 부분(404)의 형성을 야기한다. 방전 부분(404)이 PH3와 같은 분자 가스의 파괴를 야기하며, 이는 인(phosphorous) 및 수소 이온들, 및 전자들을 생성뿐만 아니라 P, H와 같은 부산물들을 산출할 수 있다. 도 4에 예시된 바와 같이, 인 이온들은 단일 대전, 이중(doubly) 대전, 및 삼중(triply) 대전 이온들을 포함할 수 있다.
일부 예들에 있어, 중공 캐소드(220)는, 중공 캐소드(220)가 없이 동작하는 IHC 이온 소스에 의해 생성되는 전자 전류에 비해 추가로 수 암페어에 이르는 전자 전류를 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어, 중공 캐소드(220)는 5 암페어에 이르는 추가적인 전자 전류를 생성할 수 있다. 더욱이, 중공 캐소드(220)는 중공 캐소드 전압의 전자 에너지에 근사적으로(approximately) 아크 챔버(202) 내로 주입된 전자들의 전자 에너지를 생성한다. 이러한 에너지는 종래의 IHC 이온 소스에서 생성된 전자들의 전자 에너지보다 실질적으로 더 높을 수 있다.
구체적으로, 중공 캐소드(220)는, 종래의 IHC 이온 소스에 의해 산출되는 전형적인 플라즈마 밀도를 초과하는 5 x 1013 내지 2 x 1014/cm3의 플라즈마 캐리어(carrier) 밀도를 산출하기에 충분한 아크 전류를 생성할 수 있다. 따라서, 종래의 IHC 이온 소스들과 대조적으로, 협소한 방전(304) 및 향상된 방전(302)이 다수의 이유들로 인하여 다중 대전 이온들의 더 높은 수율을 생성함에 있어 특히 효과적이다. 하나의 이유로서, 협소한 방전(304) 및 향상된 방전(302) 내에 존재하는 더 높은 전자 밀도들이, 아크 챔버(202)의 벽들과의 충돌로 중성화되거나 또는 아크 챔버(202)로부터 추출되기 전에, 중성 종이 전자들과 복수의 충돌들을 겪을 수 있는 가능성을 증가시킨다. 이는, 결과적으로, 전술된 단계적인 이온화 프로세스에서 다중 전하 이온을 형성할 가능성을 증가시킨다. 더욱이, 중공 캐소드(220)로부터 생성된 전자들에 대한 전자 에너지가 종래의 IHC 이온 소스들의 전자 에너지보다 더 높을 수 있으며, 이는 다중 대전 이온들을 생성할 가능성을 추가로 증가시킨다. 예를 들어, 수백 볼트에 이르는 전위가 중공 캐소드(220)에 인가될 수 있으며, 이는 중공 캐소드(220)에 의해 아크 챔버(202) 내로 주입된 전자들에서 비할만한(comparable) 전자 에너지를 생성한다. 이러한 에너지는 각기 대략적으로 10, 20, 및 30 eV의 1차, 2차 및 3차 이온화 전위를 갖는 인과 같은 종의 다중 이온화를 유도하기에 충분하다.
일부 실시예들에 있어, 이로부터 협소한 방전(304)이 생성되는 중공 캐소드(220)의 단부가, 캡(미도시)이 중공 캐소드(220)의 직경 D보다 더 작은 직경을 갖는 개구부 또는 오리피스(orifice)를 갖도록, 캡핑(cap)될 수 있다. 이는 중공 캐소드를 통과하는 가스의 주어진 흐름 레이트에 대해 더 높은 압력에서 중공 캐소드(220)가 동작하는 것을 가능하게 할 수 있다.
도 5는 IHC에 대하여 중공 캐소드를 독립적으로 바이어싱하기 위해 IHC에 연결된 개별 중공 캐소드 전원 공급장치(502)를 포함하는 이온 소스(500)의 추가적인 실시예를 도시한다. 이는 중공 캐소드(220)에 의해 주입되는 전자들의 전자 에너지의 튜닝(tuning)을 가능하게 하며, 이는 이상에서 논의된 바와 같이 이온화될 종의 이온화 거동에 따라 다중 대전 이온들의 수율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예에 있어, 별개의 중공 캐소드 전원 공급장치(502)는 중공 캐소드(220)에 의해 주입된 전자들에 대해 약 100 eV의 전자 에너지를 야기하는 100 V의 전압을 인가할 수 있으며, 이는 간접 가열식 캐소드(206)에 의해 방출된 전자들의 전자 에너지보다 실질적으로 더 높을 수 있다.
다양한 추가적인 실시예들에 있어, 이온 소스는 중공 캐소드를 통해 인도된 가스와 별개로 아크 챔버에 직접적으로 가스를 제공하기 위한, 중공 캐소드로부터 이격된 포트를 포함한다. 도 6은 아크 챔버(602)의 중심 부분에 위치된 가스 포트(604)를 갖는 이온 소스(600)를 도시한다. 일부 실시예들에 있어, 가스 포트(604)는 중공 캐소드(220)를 통해 제공되는 가스와 상이한 가스를 전달할 수 있다. 예를 들어, PH3이 중공 캐소드(220)를 통해 제공될 수 있으며, 반면 상이한 가스가 가스 포트(604)를 통해 제공된다. 다른 실시예들에 있어, 이온 소스(600)는 가스 포트(604) 및 중공 캐소드(220)를 통해 동일한 가스를 흐르게 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 이온 소스(600)는, 중공 캐소드(220)만을 통해, 가스 포트(604)만을 통해, 및 중공 캐소드(220) 및 가스 포트(604) 둘 모두를 통해 가스를 제공하는 것 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다. 도 6에 추가로 도시된 바와 같이, 제 1 설정에서 가스가 오로지 가스 포트(604)만을 통해 흐르게끔 인도하고, 제 2 설정에서 가스가 오로지 중공 캐소드(220)만을 통해 흐르게끔 인도하며, 제 3 설정에서 가스가 가스 포트(604) 및 중공 캐소드(220) 둘 모두를 통해 흐르게끔 인도하도록 구성될 수 있는, 가스 흐름 제어기(608)가 제공된다. 도 6에 도시된 특정 예에 있어, 가스가 가스 포트(604)를 통해 그리고 중공 캐소드(220)를 통해 제공되며, 그럼으로써 중공 캐소드(220)로부터의 전자들의 주입에 기인하여 더 높은 전류를 포함하는 향상된 방전인 방전(606)을 생성한다.
이제 도 7을 참조하면, 가스가 가스 포트(604)만을 통해 제공되는 이온 소스(600)의 동작의 다른 예가 도시된다. 이러한 경우에 있어, 중공 캐소드(220)가 비활성화되어 중공 캐소드(220) 내에 전개(develop)되는 방전이 존재하지 않으며, 그럼으로써 방전(702)이 중공 캐소드(220)로부터의 방출에 의해 향상되지 않는다.
도면들에 예시되지 않았더라도, 이온 소스들의 전술된 실시예들에 있어, 종래의 IHC 소소들에서의 전형적인 경우들과 같이, 축(217)을 따라 자기장을 생성하기 위해 자석이 제공될 수 있다. 뜻밖에도, 100 가우스 정도의 전형적인 자기장 강도 하에서의 본 실시예들의 이온 소스의 동작이 중공 캐소드 어셈블리의 동작의 안정성을 증가시킬 수 있다.
요약하면, 본 실시예들은 신규한 방식으로 중공 캐소드를 간접 가열식 캐소드를 포함하는 이온 소스 챔버 내로 통합한다. 이는 종래의 IHC 이온 소스들을 뛰어 넘는 이점들을 제공하며, 이러한 이점들은 이온 소스 방전에서 더 높은 전자 에너지 및 더 높은 전자 전류의 생성을 포함한다. 다른 이점은 주어진 전구체 가스에 대해 더 큰 양의 다중 전하 이온 종을 생성하는 능력뿐만 아니라 분자 종의 더 높은 정도의 원자화(atomization)를 달성할 수 있는 능력이다. 추가적인 이점은, 중공 캐소드가 반사전극 구조체 내에 위치될 수 있고 그럼으로써 현존하는 IHC 이온 소스 설계들을 광범위하게 재구성해야 할 필요를 회피한다는 것이다.
본 발명은 본원에서 설명된 특정 실시예에 의해 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본원에서 설명된 실시예들에 더하여, 본 발명의 다른 다양한 실시예들 및 이에 대한 수정예들이 이상의 설명 및 첨부된 도면들로부터 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들이 본 발명의 범위 내에 속하도록 의도된다. 추가로, 본 발명이 본원에서 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 맥락에서 설명되었지만, 당업자들은 이의 유용함이 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (15)

  1. 이온 소스로서,
    아크 챔버;
    상기 아크 챔버 내에 배치된 표면을 갖는 에미터로서, 상기 에미터는 상기 아크 챔버 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된, 상기 에미터;
    상기 표면에 대향되게 위치된 반사전극 표면을 갖는 반사전극; 및
    상기 반사전극에 연결되며, 상기 아크 챔버 내로 공급 재료를 제공하도록 구성된 중공 캐소드를 포함하며,
    상기 중공 캐소드는, 상기 중공 캐소드가 상기 아크 챔버의 전위보다 수십 내지 수백 볼트 더 낮은 전기 전위로 유지될 때 상기 중공 캐소드 내에 방전을 생성하도록 구성되는, 이온 소스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중공 캐소드는 이를 통과하는 상기 공급 재료를 이온화하도록 구성되는, 이온 소스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사전극 표면은 상기 중공 캐소드 둘레에 배치되는, 이온 소스.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 중공 캐소드는, 상기 중공 캐소드와 상기 중공 캐소드에 종(species)을 제공하도록 구성된 가스 공급 라인 사이에 배치되는 절연 부재를 더 포함하는, 이온 소스.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 중공 캐소드는 상기 중공 캐소드의 단부 근처에 배치되는 개구부를 더 포함하며, 상기 개구부는 상기 중공 캐소드의 직경보다 더 작은 직경을 갖는, 이온 소스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 에미터에 대하여 상기 이온 소스 챔버를 바이어싱하기 위해 바이어스 전압을 공급하도록 구성된 제 1 전원 공급장치; 및
    상기 중공 캐소드에 연결되며, 상기 에미터에 대하여 상기 반사전극 및 중공 캐소드를 바이어싱하도록 구성된 제 2 전원 공급장치를 더 포함하는, 이온 소스.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 중공 캐소드는 상기 플라즈마 내로 5 암페어에 이르는 전자 전류를 제공하도록 구성되는, 이온 소스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 중공 캐소드로부터 이격되며, 상기 중공 캐소드로부터 이격된 위치에서 상기 공급 재료를 상기 아크 챔버로 제공하도록 구성된 포트를 더 포함하는, 이온 소스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 에미터 및 중공 캐소드는, 상기 중공 캐소드가 활성화될 때, 상기 에미터에 의해 단독으로 생성되는 다중 대전 이온(multiply charged ion)들의 제 2 농도보다 더 큰 제 1 농도의 다중 대전 이온들을 상기 아크 챔버 내에 생성하도록 상호동작하는, 이온 소스.
  10. 이온 주입 시스템으로서,
    이온 소스로서:
    아크 챔버;
    상기 아크 챔버 내에 배치된 표면을 갖는 에미터로서, 상기 에미터는 상기 아크 챔버 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된, 상기 에미터;
    상기 표면에 대향되게 위치된 반사전극 표면을 갖는 반사전극; 및
    상기 반사전극에 연결되며, 상기 아크 챔버 내로 공급 재료를 제공하도록 구성된 중공 캐소드로서, 상기 중공 캐소드는, 상기 중공 캐소드가 상기 아크 챔버의 전위보다 수십 내지 수백 볼트 더 낮은 전기 전위로 유지될 때 상기 중공 캐소드 내에 방전을 생성하도록 구성되는, 상기 중공 캐소드를 포함하는, 상기 이온 소스; 및
    상기 이온 소스의 하류측(downstream)에 위치되며, 기판을 지지하도록 구성된 지지부를 포함하는, 이온 주입 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 아크 챔버로부터 이온들을 추출하도록 구성된 추출 어셈블리; 및
    상기 이온들을 상기 기판으로 보내도록 구성된 빔-라인 컴포넌트들을 더 포함하는, 이온 주입 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 반사전극 표면은 상기 중공 캐소드의 포트 단부 둘레에 배치되는, 이온 주입 시스템.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 에미터 및 중공 캐소드는, 상기 중공 캐소드가 활성화될 때, 상기 에미터에 의해 단독으로 생성되는 다중 대전 이온들의 제 2 농도보다 더 큰 제 1 농도의 다중 대전 이온들을 상기 아크 챔버 내에 생성하도록 상호동작하는, 이온 주입 시스템.
  14. 이온 소스 내에서 다중 대전 이온들을 생성하는 방법으로서,
    중공 캐소드를 통해 이온 소스의 아크 챔버 내로 공급 재료를 도입하는 단계로서, 상기 이온 소스는 반사전극 및 에미터를 포함하고, 상기 에미터는 상기 아크 챔버 내에 배치된 표면을 가지며, 상기 반사전극은 상기 에미터에 대향되게 배치되는, 단계;
    상기 아크 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 에미터를 활성화하고 이로부터 전자들을 방출하는 단계; 및
    상기 중공 캐소드를 활성화하고, 이를 통과하는 상기 공급 재료를 이온화하는 단계를 포함하며,
    상기 공급 재료를 이온화하는 단계는, 상기 중공 캐소드를 상기 아크 챔버의 전위보다 수십 내지 수백 볼트 더 낮은 전기 전위로 유지함으로써 상기 중공 캐소드 내에 방전을 생성하는 단계를 포함하는, 이온 소스 내에서 다중 대전 이온들을 생성하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 중공 캐소드를 상기 아크 챔버에 대하여 네거티브 전위로 바이어싱하는 단계를 더 포함하는, 이온 소스 내에서 다중 대전 이온들을 생성하는 방법.
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