KR102367048B1 - 갈륨을 이용한 이온 주입 방법 및 장치 - Google Patents
갈륨을 이용한 이온 주입 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
이온 소스 챔버, 및 이온 소스 챔버 내에 있거나 이와 연관된 소모성 구조물을 포함하는 이온 주입을 위한 이온 소스 장치가 설명되며, 여기서 소모성 구조물은 가스 형태의 도펀트를 이온 소스 챔버에 방출하기 위한 반응성 가스와 반응하기 쉬운 고체 도펀트 소스 물질을 포함하며, 고체 도펀트 소스 물질은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 이들의 조합을 포함하며, 이들 중 어느 하나는 갈륨 동위 원소에 대해 동위 원소 농축될 수 있다.
Description
본 발명은 이온 주입 시스템 및 방법에 관한 것으로, 여기서 갈륨 종은 갈륨 질화물 및 갈륨 산화물 전구체를 고체 갈륨 도펀트 전구체 조성물로서 포함하는 시스템 및 방법의 예를 이용하여 이온 주입 장치의 이온 소스 챔버에 동일 반응계(in situ)에서 제공되거나 생성된다.
이온화를 위한 도펀트 소스 물질을 사용하여 이온 주입을 위한 도펀트 종을 형성함에 있어서, 도펀트 종을 생성하기 위한 다양한 도펀트 소스 물질이 개발되어 왔다.
대부분의 경우에, 도펀트 소스 물질은 이온 주입 시스템의 이온 소스 챔버에 효율적으로 분배되기 위한 충분히 높은 증기압을 갖지 않는다. 따라서, 낮은 증기압을 갖는 이러한 도펀트 소스 물질을 사용하면, 도펀트 소스 물질을 적절하게 휘발시키고 이온 주입 시스템의 흐름 라인에서의 응축 및 증착을 방지하는데 필요한 고온에서의 분배를 가능하게 하기 위해 이온 주입 장치의 실질적인 툴 수정이 필요할 수 있다. 따라서 이러한 고온 동작에 부응하는 기화기와 흐름 회로(flow circuitry)를 사용해야 한다.
그러나, 도펀트 소스 물질은 이온 주입 구조 및 디바이스의 생산에 있어서의 허용되는 허용 오차 내에서 이온 주입 프로세스를 제어하기 어렵게 만들 수 있는 분해 및 부반응에 민감하기 때문에, 고온 사용은 문제가 된다. 또한, 고온 사용은 제어 밸브의 사용을 제한하여 증기 흐름 제어에 악영향을 준다. 결국 이들 요인은 하나의 도펀트 소스 물질에서 다른 도펀트 소스 물질로의 전환 시간을 길게 하며, 기화기의 설치 또는 교체 또는 재충전 중에 기화기가 주변 환경과 격리되지 않을 때 안전 위험을 초래할 수도 있다.
이온 주입 시스템의 이온 소스 챔버로의 효율적인 분배를 위해 충분히 높은 증기압을 갖는 공급 물질의 수가 상대적으로 적음으로 인해 허용 가능한 도펀트 소스 물질의 선택이 제한되는 도펀트 종으로서의 갈륨의 이온 주입에 전술한 문제가 발생했다. 따라서 이온 주입 기술은 계속해서 새로운 갈륨 전구체 조성물을 찾고 있다.
상대적으로 적은 고 증기압 도펀트 전구체가 존재하는 갈륨 도펀트 종의 경우와 같이, 상응하는 도펀트 종을 주입하기 위한 이온 주입 응용 분야에서 저 증기압 도펀트 소스 물질이 효율적으로 사용될 수 있는 새로운 접근 방식을 제공하는 것은 당업계에서 상당한 발전이 될 것이다.
본 개시내용은 고체의 저 증기압 갈륨 소스 물질이 사용될 수 있는 방식으로 갈륨 도펀트 종이 생성되는 이온 주입 장치 및 프로세스에 관한 것이다.
하나의 양태에서, 본 개시내용은 이온 주입을 위한 이온 소스 장치에 관한 것으로, 이온 소스 챔버와, 이온 소스 챔버 내의 또는 이와 연관된 소모성 구조물 - 상기 소모성 구조물은 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물을 함유하는 고체 도펀트 소스 물질을 포함하고; 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물은 가스 형태의 갈륨을 이온 소스 챔버에 방출하기 위한 반응성 가스와 반응하기 쉬움 - 을 포함한다.
다른 양태에서, 본 개시내용은 이온 주입을 수행하는 방법에 관한 것으로, 상기 이온 주입을 위해 이온 소스 챔버에서 이온화된 갈륨을 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 이온 소스 챔버는 그와 관련된 소모성 구조물을 가지며, 소모성 구조물은 도펀트로서 이온화된 갈륨을 형성하기 위한 이온 소스 챔버 내에서의 이온화를 위해 이온 소스 챔버에 가스 형태의 갈륨을 방출하기 위한 반응성 가스와 반응하기 쉬운 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물을 포함하는 고체 도펀트 소스 물질을 포함하며, 상기 방법은 이온화된 갈륨을 생성하는 상기 단계에 있어서 소모성 구조물을 반응물 가스와 접촉시키는 단계를 포함한다. 고체 도펀트 소스 물질은 갈륨 질화물(GaN), 갈륨 산화물(Ga2O3), 69Ga 또는 71Ga에서 자연 농축도 이상으로 동위 원소 농축된 갈륨을 포함하는 갈륨 질화물(GaN) 또는 갈륨 산화물(Ga2O3)의 동위 원소 농축 유사체, 또는 이들의 조합을 함유할 수 있다.
추가 양태에서, 본 개시내용은 빔 전류, 이온 소스 수명 및 그의 글리치(glitch) 속도 특성 중 적어도 하나에 대해 이온 주입 시스템의 성능을 개선하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 상기 이온 주입 시스템의 이온 소스 챔버에서 이온화된 갈륨을 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 이온 소스 챔버는 그와 연관된 소모성 구조물을 가지며, 소모성 구조물은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 갈륨 질화물과 갈륨 산화물의 조합을 포함하는 고체 도펀트 소스 물질을 포함하고, 고체 도펀트 소스 물질은 이온화 갈륨을 형성하기 위한 이온 소스 챔버 내에서의 이온화를 위해 가스 형태의 갈륨을 이온 소스 챔버에 방출하기 위한 반응성 가스와 반응하기 쉬우며, 상기 방법은 소모성 구조물을 반응물 가스와 접촉시키는 단계를 포함한다.
본 개시내용은 또한 이온 주입 및 기타 반도체 제조 및 산업 적용을 위한 유용성을 가지며, 갈륨 질화물, 갈륨 산화물 또는 둘 다를 함유하고, 아크 챔버의 대체 가능한 라이너로서 사용될 수 있는 고체 시트 형태의 물질인 고체 갈륨 전구체 조성물에 관한 것이다.
본 개시내용의 추가 양태는 갈륨 전구체를 이온화하여 갈륨 주입 종을 형성하는 단계와, 기판에 갈륨 주입 종을 주입하는 단계를 포함하는 갈륨 이온 주입 프로세스에 관한 것이며, 여기서 갈륨 전구체는 69Ga 또는 71Ga에서 자연 농축도 이상으로 동위 원소 농축된 갈륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 갈륨 질화물(GaN), 갈륨 산화물(Ga2O3) 또는 이들 조합의 동위 원소 농축 유사체로부터 선택된 하나 이상의 전구체 물질을 포함한다.
도 1은 챔버에서의 이온화를 위해 도펀트 소스 가스를 아크 챔버에 공급하기 위한 가스 공급 라인을 갖는 아크 챔버를 포함하는 이온 주입 시스템의 개략도이다.
도 2는 이러한 시스템의 아크 챔버에서의 플라즈마의 생성을 개략적으로 도시하는 도 1의 이온 주입 시스템의 단면도이다.
도 3은 이온 소스 장치와, 이온 소스 장치의 열 관리를 위한 히트 싱크 장치를 포함하는 이온 소스 어셈블리의 단면 사시도이다.
도 4는 예시된 이온 주입 챔버에서의 기판의 이온 주입 도핑을 위해 공급되는 가스를 포함하는 저장 및 분배 용기를 포함하는 이온 주입 프로세스 시스템의 개략도이다.
도 5는 이온 주입 시스템의 이온 소스의 단면도이다.
도 6은 프로세스 모니터링 및 제어 시스템을 포함하는 이온 주입 시스템의 개략도이다.
도 7a는 트리메틸 갈륨 전구체를 사용한 빔 전류 데이터를 도시한다.
도 8a는 소모성 구조물로서 갈륨 산화물 대체 가능 라이너를 포함하는 설명된 이온 소스 챔버의 상면도이다.
도 8b 내지 도 8e는 전구체로서 갈륨 산화물 대체 가능 라이너를 사용하는 갈륨 이온 빔 전류 데이터를 도시한다.
도 9a는 소모성 구조물로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너를 포함하는 설명된 이온 소스 챔버의 상면도이다.
도 9b 내지 도 8d는 전구체로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너를 사용하는 갈륨 이온 빔 전류 데이터를 도시한다.
도 10a는 소모성 구조물로서 갈륨 산화물 대체 가능 라이너를 포함하고 또한 소모성 구조물로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너를 포함하는 설명된 이온 소스 챔버의 상면도이다.
도 10b는 도 10a의 이온 소스 챔버의 측면 사시도이다.
도 10c 및 도 10d는 전구체로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너 및 갈륨 산화물 대체 가능 라이너의 조합을 사용하는 갈륨 이온 빔 전류 데이터를 도시한다.
도 2는 이러한 시스템의 아크 챔버에서의 플라즈마의 생성을 개략적으로 도시하는 도 1의 이온 주입 시스템의 단면도이다.
도 3은 이온 소스 장치와, 이온 소스 장치의 열 관리를 위한 히트 싱크 장치를 포함하는 이온 소스 어셈블리의 단면 사시도이다.
도 4는 예시된 이온 주입 챔버에서의 기판의 이온 주입 도핑을 위해 공급되는 가스를 포함하는 저장 및 분배 용기를 포함하는 이온 주입 프로세스 시스템의 개략도이다.
도 5는 이온 주입 시스템의 이온 소스의 단면도이다.
도 6은 프로세스 모니터링 및 제어 시스템을 포함하는 이온 주입 시스템의 개략도이다.
도 7a는 트리메틸 갈륨 전구체를 사용한 빔 전류 데이터를 도시한다.
도 8a는 소모성 구조물로서 갈륨 산화물 대체 가능 라이너를 포함하는 설명된 이온 소스 챔버의 상면도이다.
도 8b 내지 도 8e는 전구체로서 갈륨 산화물 대체 가능 라이너를 사용하는 갈륨 이온 빔 전류 데이터를 도시한다.
도 9a는 소모성 구조물로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너를 포함하는 설명된 이온 소스 챔버의 상면도이다.
도 9b 내지 도 8d는 전구체로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너를 사용하는 갈륨 이온 빔 전류 데이터를 도시한다.
도 10a는 소모성 구조물로서 갈륨 산화물 대체 가능 라이너를 포함하고 또한 소모성 구조물로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너를 포함하는 설명된 이온 소스 챔버의 상면도이다.
도 10b는 도 10a의 이온 소스 챔버의 측면 사시도이다.
도 10c 및 도 10d는 전구체로서 갈륨 질화물 대체 가능 라이너 및 갈륨 산화물 대체 가능 라이너의 조합을 사용하는 갈륨 이온 빔 전류 데이터를 도시한다.
본 개시내용은 이온 주입에 관한 것이고, 다양한 양태에서 저 증기압 도펀트 소스 물질이 사용될 수 있게 하는 방식으로 갈륨 도펀트가 생성되는 장치 및 방법에 관한 것이다.
하나의 양태에서, 본 개시내용은 이온 주입을 위한 이온 소스 장치에 관한 것이다. 본 장치는 이온 소스 챔버 및 이온 소스 챔버 내부의 또는 이와 연관된 소모성 구조물을 포함한다. 소모성 구조물은 이온 소스 챔버에 가스 형태의 도펀트를 방출하기 위한 반응성 기체와 반응하기 쉬운 고체 도펀트 소스 물질을 포함한다. 고체 도펀트 소스 물질은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물 또는 이들의 조합을 포함한다. 선택적으로, 갈륨 질화물(GaN), 갈륨 산화물(Ga2O3), 또는 이들의 조합에서의 갈륨은 69Ga 또는 71Ga에서 자연 농축도 이상으로 동위 원소 농축된 갈륨 또는 이들의 조합을 함유할 수 있다.
이온 소스 장치에서의 소모성 구조물은 라이너 또는 이온 소스 챔버의 다른 구조적 구성 요소와 같이 이온 소스 챔버에 배치된 시트 구조물을 포함할 수 있다. 라이너는 2 개의 대향하는 주 표면과 그 사이에 두께를 갖는 소모성 구조물의 평탄한, 예를 들어 평면 부분을 의미하는 제거 가능 라이너일 수 있다. 라이너는 직사각형, 구부러진(예를 들어, 라운딩), 각진 또는 다른 형상일 수 있다. 라이너는 제거할 수 있으며, 이는 라이너가 이온 소스 챔버의 내부 공간에 삽입 및 제거될 수 있음을 의미한다. 제거 가능 라이너는 갈륨 이온이 제거 가능 라이너로부터 생성되는 처리 기간 동안 사용될 수 있고, 갈륨 이온을 생성하기 위한 유용한 양의 처리 후에 제거 가능 라이너는 이온 소스 장치로부터 제거되고 다른 제거 가능 라이너로 대체될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 시트 구조물은 아크 챔버 내부에 맞도록 상이한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 아크 챔버의 측벽, 바닥 또는 최상부의 하나 이상의 시트는 시트 구조물로 대체될 수 있다.
유용하거나 바람직한 이온 소스 챔버의 특정 예에 따르면, 이온 소스의 챔버 내부는, 제거 가능하고 챔버의 총 내부 표면적의 약 5% 내지 약 80%, 예를 들어 총 내부 표면적의 10, 15, 20, 30, 50 또는 70% 사이에서 덮을 수 있는 하나 이상의 시트 또는 라이너를 포함할 수 있다. 이 계산을 위해, 총 내부 표면적은 안티 캐소드, 캐소드, 또는 가스 또는 이온이 아크 챔버에 진입 또는 진출할 수 있게 하는 입구 또는 출구 개구와 같이, 바람직하게는 덮여지지 않을 수 있는 피쳐에 의해 점유되거나 덮여 있는 면적을 포함한 내부의 모든 평면 면적을 포함한다.
다른 예에서, 소모성 구조물은 이온 소스 챔버에 결합된 (이온 소스 챔버 내부의 외부에 있는) 가스 전달 튜브, 또는 구조적 구성 요소와 접촉된 반응성 가스와의 반응의 결과로 이온 소스 챔버의 내부에 가스 형태의 도펀트를 제공하도록 구성되고 배열된 관련 특성의 다른 구조적 구성 요소와 같이 이온 소스 챔버와 연관된 구조일 수 있다.
이온 소스 챔버는 상이한 갈륨 물질로 이루어진 소모성 구조물을 포함할 수 있다. 단일 이온 소스 챔버는 하나 이상의 제거 가능 라이너, 가스 전달 튜브 등의 조합을 포함할 수 있으며, 여기서 상이한 개별 제거 가능 라이너 또는 가스 전달 튜브는 동일한 이온 소스 챔버에 GaN과 Ga2O3의 조합을 포함하고; 단일 이온 소스 챔버는 Ga2O3를 포함하는 하나 이상의 라이너와 조합하여 GaN을 포함하는 하나 이상의 라이너를 포함할 수 있으며; 즉, 본 설명의 실시형태는 이온 소스 챔버 및 이온 소스 챔버를 사용하는 방법을 포함하며, 여기서 이온 소스 챔버는 2 개의 갈륨 전구체 물질, 즉 GaN을 포함하도록 만들어진 갈륨 전구체 물질과 Ga2O3를 포함하도록 만들어진 갈륨 전구체 물질을 포함하며, 각각의 전구체 물질은 제거 가능 라이너 또는 가스 전달 튜브와 같은 소모성 구조물의 일부일 수 있다.
소모성 구조물은 이온 소스 장치 또는 보조 장비의 물리적 무결성에 악영향을 미치지 않고, 즉 소모성 구조물이 완전히 소모되어도 이온 소스 챔버와 보조 장비가 물리적 무결성을 유지하여, 전구체를 형성하기 위해 반응물 가스와의 반응에 의해 소모될 수 있는 형상, 형태 및 크기를 갖는다. 예를 들어, 소모성 구조물은 반응물 가스 흐름 통로와 동축인 튜브형 부재를 포함할 수 있으며, 여기서 소모성 튜브형 부재의 소모는 소모성 튜브형 부재가 배치되는 반응물 가스 흐름 통로의 물리적 무결성을 손상시키지 않는다. 따라서 소모성 구조물은 물리적 질량을 포함하고, 반응물 가스의 타겟으로서 시트, 로드, 튜브형, 링, 디스크 또는 기타 적절한 형태일 수 있다.
특정 예에서, 소모성 구조물은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하거나, 이들로 구성되거나, 이들로 필수적으로 구성될 수 있다. 소모성 구조물의 예는 적어도 50, 60, 70, 80, 90 또는 95 중량%의 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본 설명에 따르면, 나열된 물질 또는 물질의 조합으로 "필수적으로 구성되는" 물질 또는 구조물은 나열된 물질 또는 물질의 조합 및 양이 많지 않은 다른 성분이나 물질을 포함하는 물질 또는 구조물이며; 따라서 필수적으로 갈륨 질화물, 갈륨 산화물 또는 이들의 조합으로 구성된 소모성 구조물은 적어도 97, 99 또는 99.5 중량%의 갈륨 질화물, 갈륨 산화물 또는 이들의 조합, 및 3, 1, 0.5 중량% 이하의 다른 물질을 포함한다.
이러한 장치의 동작에 사용되는 반응성 가스 또는 혼합 가스는 고체 도펀트 소스 물질(갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물)과 반응하여 가스 형태의 갈륨을 이온 소스 챔버에 방출하는 데 효과적인 임의의 적합한 유형일 수 있다. 이러한 목적에 적합한 예시적인 가스는 BF3, B2F4, SiF4, Si2F6, GeF4, PF3, PF5, AsF3, AsF5, XeF2, XeF4, XeF6, WF6, MoF6, CnF2n+2, CnF2n, CnF2n-2, CnHxF2n-2, CnHxF2n-2, CnHxF2n-x, CnHxF2n-2-x(n = 1, 2, 3..., x = 0, 1, 2...), COF2, CO, CO2, SF6, SF4, SeF6, NF3, N2F4, HF, Xe, He, Ne, Ar, Kr, N2, H2를 포함한다. 반응물 가스 조합의 예는 H2를 갖는 BF3; H2를 갖는 SiF4; Xe를 갖는 BF3; Xe를 갖는 SiF4; H2를 갖는 BF3; Xe를 갖는 H2; 및 Xe를 갖는 SiF4를 포함한다.
본 개시내용의 추가 양태는 이온 주입을 수행하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 이온 주입을 위해 이온 소스 챔버에서 이온화된 갈륨을 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 이온 소스 챔버는 자신과 연관된 소모성 구조물을 가지며, 소모성 구조물은 이온 소스 챔버에서의 이온화를 위한 기체 형태의 갈륨을 이온 소스 챔버에 방출하여 이온화된 갈륨 종을 형성하기 위한 반응성 가스와 반응하기 쉬운 고체 도펀트 소스 물질을 포함한다. 본 방법은 소모성 구조물을 반응물 가스와 접촉시켜 이온화된 도펀트 종을 생성하는 단계를 포함한다. 고체 도펀트 소스 물질은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 이들의 조합을 포함한다. 고체 도펀트 소스 내의 갈륨은 선택적으로 동위 원소 농축될 수 있다.
이러한 방법에서, 소모성 구조물은 이온 소스 챔버의 대체 가능한 라이너 또는 다른 시트 구조물과 같이, 이온 소스 챔버에 배치된 시트 구조물을 포함할 수 있다. 소모성 구조물은 이온 소스 챔버와 연관된 구조물, 예를 들어 이온 소스 챔버에 결합된 가스 전달 튜브를 대안으로 또는 추가적으로 포함할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양태는 빔 전류, 이온 소스 수명 및 그 글리치 레이트 특성 중 적어도 하나에 대해 이온 주입 시스템의 성능을 개선하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 이온 주입 시스템의 이온 소스 챔버에서 이온화된 도펀트 종을 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 이온 소스 챔버는 그와 관련된 소모성 구조물을 가지며, 소모성 구조물은 이온 소스 챔버에서의 이온화를 위한 기체 형태의 갈륨을 이온 소스 챔버에 방출하여 상기 이온화된 갈륨 종을 형성하기 위한 반응성 가스와 반응하기 쉬운 고체 도펀트 소스 물질을 포함하며, 상기 방법은 이온화된 도펀트 종을 생성하는 상기 단계에 있어서 상기 소모성 구조물을 반응물 가스와 접촉시키는 단계를 포함한다. 고체 도펀트 소스 물질은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물 또는 이들의 조합을 포함한다. 이러한 방법에서 사용되는 고체 도펀트 소스 물질은 적어도 하나의 동위 원소에서 자연 농축도보다 높은 동위 원소 농축 갈륨을 함유하는 동위 원소 농축 도펀트 소스 물질을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 프로세스 시스템은 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물을 포함하는 갈륨 반응물이 소모성 구조물로 이온 주입 시스템의 아크 챔버에 통합되는 이온 주입 시스템일 수 있다. 프로세스 시스템은 반도체 프로세스 시스템, 예를 들어 이온 주입 시스템, 또는 태양 전지판 또는 평판 디스플레이 제품을 제조하기 위한 프로세스 시스템과 같은 다른 프로세스 시스템을 포함할 수 있다. 전구체는 갈륨 질화물(GaN) 또는 갈륨 산화물(Ga2O3)과 같은 갈륨 반응물로부터 동일 반응계에서 생성된 갈륨 전구체를 포함할 수 있다. 이러한 장치의 동작에 사용되는 반응성 가스 또는 혼합 가스는 고체 도펀트 소스 물질(갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물)과 반응하여 가스 형태의 갈륨을 이온 소스 챔버에 방출하는 데 효과적인 임의의 적합한 유형일 수 있다. 이러한 목적에 적합한 예시적인 가스는 BF3, B2F4, SiF4, Si2F6, GeF4, PF3, PF5, AsF3, AsF5, XeF2, XeF4, XeF6, WF6, MoF6, CnF2n+2, CnF2n, CnF2n-2, CnHxF2n+2-x, CnHxF2n-x, CnHxF2n-2-x(n = 1, 2, 3..., x = 0, 1, 2…), COF2, CO, CO2, SF6, SF4, SeF6, NF3, N2F4, HF, Xe, He, Ne, Ar, Kr, N2, H2를 포함한다. 반응물 가스 조합의 예는 H2를 갖는 BF3; H2를 갖는 SiF4; Xe를 갖는 BF3; Xe를 갖는 SiF4; BF3, 및 Xe를 갖는 H2; Xe를 갖는 SiF4 및 H2를 포함한다. 또한, 다른 반응물 가스는 위 목록의 농축 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, eBF3, eGeF4로 제한되지 않는다.
전술한 방법에서, 가스 형태 공반응물의 유속은 프로세스 시스템에서 반응 생성물로 생성되는 전구체의 제어된 유속을 달성하도록 제어될 수 있다.
다양한 특정 실시양태에서, 갈륨 반응물은 프로세스 시스템의 반응기, 예를 들어 가열된 반응기에 포함될 수 있다. 프로세스 시스템은 상응하게 이온 주입 시스템을 포함할 수 있으며, 여기서 반응기 온도 가스 형태 공반응물의 유속은 미리 결정된 이온 주입 빔 전류를 달성하도록 제어된다.
전술한 방법은 갈륨 전구체 동일 반응계 형성이 (i) 갈륨 반응물과 가스 형태 공반응물의 접촉에 의해 형성된 전구체의 양(amount)의 측정; (ii) 가스 형태 공반응물과 갈륨 반응물의 접촉의 반응 생성물의 식별 및 정량화, (iii) 상기 접촉 후 미반응의 가스 형태 공반응물의 양의 검출, 및 (iv) 빔 전류 검출 중 적어도 하나를 포함하는 제어 프로세스에 의해 제어되는 방식으로 수행될 수 있으며, 여기서 프로세스 시스템은 이온 주입 시스템을 포함한다.
전용 반응기가 사용되는 다른 실시형태에서, 반응기는 갈륨 반응물 고갈의 엔드포인트 조건에 도달할 때의 상기 다중 반응기 베드 중 하나로부터 갈륨 반응물을 포함하는 상기 다중 반응기 베드 중 다른 것으로 반응물 가스 흐름을 전환하도록 배열된 다중 반응기 베드를 포함할 수 있다.
이러한 다중 베드 반응기 배열에서, 전환을 위한 엔드포인트 조건은 총화된 가스 형태 공반응물 흐름의 미리 결정된 검출의 달성; 감소하는 빔 전류의 검출; 및 다중 반응기 베드 중 온 스트림 반응기 베드로부터의 배출 가스의 분석 중 하나 이상에 의해 결정될 수 있다.
전술한 방법은 적어도 하나의 동위 원소에서 자연 농축도 이상으로 농축한 전구체 갈륨 반응물을 추가로 사용할 수 있다.
다른 실시형태에서, 전술한 방법이 수행될 수 있으며, 여기서 공동-흐름 가스, 예를 들어 희석제, 평형 지향 가스, 세정 가스 등이 필요에 따라 프로세스 시스템에 또는 프로세스 시스템을 통해 흐르게 된다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 챔버에서의 이온화를 위해 도펀트 소스 가스를 아크 챔버에 공급하기 위한 가스 공급 라인(14)을 갖는 아크 챔버(12)를 포함하는 이온 주입 시스템(10)의 개략도이다. 따라서 아크 챔버(12)는 가스 형태의 갈륨을 챔버에 방출하기 위해 반응물 가스와 반응하기 쉬운 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물을 포함하는 고체 도펀트 소스 물질을 포함하는 소모성 구조물이 제공될 수 있거나 챔버와 연관된 이온 소스 챔버를 제공한다.
도 2는 이러한 시스템의 아크 챔버(12)에서의 플라즈마(16)의 생성을 개략적으로 도시하는 도 1의 이온 주입 시스템(10)의 단면도이다. 도펀트 가스는 화살표 A로 표시된 방향으로, 이온 주입 시스템에 대한 열 관리 시스템의 사용과 관련하여 바람직할 수 있는 공급 라인의 열적 상태의 품질 및 아크 챔버로 들어가는 가스를 결정하기 위해 모니터링 관계로 고정되어 있는 모니터링 열전대(TC1 및 TC2)를 갖는 도펀트 가스 공급 라인(14)으로 흐르게 된다. 도펀트 가스 공급 라인(14)은 이온 소스 챔버로의 가스 형태의 도펀트 방출을 위해 반응성 가스와 반응하기 쉬운 고체 도펀트 소스 물질로 형성된 내부 층을 갖는 파이프 또는 도관(conduit)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 반응성 캐리어 가스는 도펀트 가스 공급 라인을 통해 흐르고, 도펀트 종(즉, 갈륨)을 반응성으로 생성할 수 있다. 도펀트 종은 반응성 캐리어 가스에 의해 이온 주입 시스템의 이온 소스 챔버로 운반된다.
도 3은 이온 소스 장치(70) 및 시스템의 열 관리를 위한 선택적인 히트 싱크 장치(50)를 포함하는 이온 소스 어셈블리의 단면 사시도이다. 이 단면도는 가스 공급 플러그의 가스 흐름 통로(84) 및 이온 소스와 연관된 가스 부싱(bushing)의 가스 흐름 통로(86)에 연결되는 도펀트 소스 가스 공급 라인(72)을 도시한다.
도 3에 도시된 이온 소스 장치는 이온 소스 챔버에 도펀트를 제공하는 동일 반응계 생성 접근 방식으로서 이온 소스 챔버에 가스 형태의 도펀트를 방출하기 위해 반응성 가스와 반응하기 쉬운 고체 도펀트 소스 물질(예를 들어, 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물)로 형성될 수 있는 베이스 라이너(80)를 포함한다. 라이너(80)는 내부에 개구(82)를 포함하도록 변형되어, 분해에 민감한 도펀트 소스 가스가 이용될 때 이온 소스 동작 수명을 더 개선할 수 있다.
전술한 배열은 가스 형태의 도펀트를 이온 소스 챔버에 방출하기 위해 반응성 가스와 반응하기 쉬운 고체 도펀트 소스 물질(예를 들어, 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물)을 포함하는 이온 소스 챔버 내의 또는 이와 연관된 소모성 구조물의 제공을 예시한다. 소모성 구조물은 동작 수명이 모니터링되고 지속적인 유지 관리 일정에 따라 이온 주입 시스템의 소모성 구성 요소로 대체될 수 있다.
도 4는 이온 소스 챔버에서의 도펀트 소스 반응물(예를 들어, 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물)과의 동일 반응계 반응을 위해 공급되어, 예시된 이온 주입 챔버(301)에서의 기판(328)의 이온 주입 도핑을 위한 도펀트 종(갈륨)을 생성하는 반응물 가스를 보유하는 저장 및 분배 용기(302)를 포함하는 이온 주입 프로세스 시스템(300)의 개략도이다.
저장 및 분배 용기(302)는 반응물 가스를 보유하는 내부 용적을 둘러싸는 용기 벽(306)을 포함한다.
용기는 가스만을 보유하도록 배열된 내부 용적을 갖는 기존 유형의 가스 실린더일 수 있거나, 대안으로 용기는, 반응물 가스에 대한 흡착 친화력을 가지며 공동 반응 소스 가스가 분배 조건 하에서 용기로부터의 배출을 위해 탈착 가능한 흡착 물질을 포함할 수 있다.
저장 및 분배 용기(302)는 배출 라인(312)과 가스 흐름 연통하도록 결합된 밸브 헤드(308)를 포함한다. 압력 센서(310)는 질량 흐름 제어기(314)와 함께 라인(312)에 배치된다. 다른 모니터링 및 감지 구성 요소는 라인에 결합되고, 액추에이터, 피드백 및 컴퓨터 제어 시스템, 사이클 타이머 등과 같은 제어 수단과 인터페이스될 수 있다.
이온 주입 챔버(301)는 이온화 챔버 내에 제공되거나 이온화 챔버와 연관된 도펀트 소스 반응물과 반응하여 이온화 챔버의 이온화 조건 하에서 이온 빔(305)을 생성하는 도펀트 종(갈륨)을 생성하는 분배된 반응물 가스를 라인(312)으로부터 수용하는 이온화기(316)를 포함한다. 이온 빔(305)은 필요한 이온을 선택하고 선택되지 않은 이온을 거부하는 질량 분석기 유닛(322)을 통과한다.
선택된 이온은 가속 전극 어레이(324)를 통과한 다음 편향 전극(326)을 통과한다. 결과적으로 집속된 이온 빔은 스핀들(332)에 차례로 장착된 회전 가능 홀더(330)에 배치된 기판 요소(328)에 충돌하여 도핑된 (갈륨 도핑된) 기판을 이온 주입 생성물로서 형성한다.
이온 주입 챔버(301)의 각 섹션은 각각 펌프(320, 342 및 346)에 의해 라인(318, 340 및 344)을 통해 배출된다.
도 5는 도 4에 도시된 유형의 이온 주입 시스템에 유용하게 사용될 수 있는 것과 같은 이온 소스의 단면도이며, 이는 2000년 10월 24일에 등록된 M.A. Graf 등의 미국 특허 6,135,128에 더 자세히 설명되어 있다.
이온 소스(112)는 플라즈마 챔버(122)를 규정하는 하우징 및 이온 추출기 어셈블리를 포함한다. 도펀트 소스 반응물 및 반응물 가스에 의해 형성된 이온화 가능 도펀트 가스에 에너지를 부여하여, 플라즈마 챔버(122) 내에서 이온을 생성한다. 일반적으로, 양이온이 생성되지만, 대안으로 시스템이 음이온을 생성하도록 배열될 수 있다. 양이온은 복수의 전극(142)을 포함하는 이온 추출기 어셈블리(124)에 의해 플라즈마 챔버(122)의 슬릿을 통해 추출된다. 따라서, 이온 추출기 어셈블리는 추출 애퍼처 플레이트(146)를 통해 플라즈마 챔버로부터 양이온의 빔을 추출하도록 그리고 추출된 이온을 질량 분석 자석(도 5에 도시되지 않음)을 향해 가속하도록 동작한다.
반응물 가스는 이러한 가스의 소스(166)로부터 흐를 수 있고, 내부에 질량 흐름 제어기(168)를 포함하는 도관(170)을 통해 도펀트 소스 반응물을 포함하거나 그와 연관된 도펀트 소스 반응물을 갖는 플라즈마 챔버(122)에 주입된다. 소스(166)는 예를 들어 Entegris, Inc. (미국 매사추세츠주 빌러리카 소재)에서 SDS 상표로 시판되는 유형의 흡착제 기반 가스 저장 및 공급 용기와, 예를 들어 Entegris, Inc. (미국 매사추세츠주 빌레리카 소재)에서 상표 VAC로 시판되는 유형의 내부 가스 압력을 포함하는 압력 조절 용기를 포함할 수 있거나, 고체 공동 반응 물질이 사용되는 경우, 소스(166)는 예를 들어 Entegris, Inc.(미국 매사추세츠주 빌러리카 소재)에서 상표 ProE-Vap으로 시판되는 유형의 고체 소스 용기를 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버(122)는 도펀트 소스 반응물과 반응물 가스의 반응 생성물의 이온화를 위해 챔버 내부에서 이온화 구역(420)을 감싸는 전기 전도성 챔버 벽(412, 414, 416)을 갖는다. 측벽(414)은 플라즈마 챔버(122)의 중심 축(415)을 중심으로 원형 대칭이다. 분해 자석과 접하는 전도성 벽(416)은 플라스마 챔버 서포트(422)에 연결된다. 벽(416)은 이온이 플라즈마 챔버(122)를 빠져 나간 다음 결합하여 복수의 이격되고 전기적으로 격리된 추출 전극(124)의 하류 위치에서 이온 빔을 형성하도록 하는 다수의 개구를 갖는 애퍼처 플레이트(146)를 지지한다. 애퍼처 플레이트(146)는 이격된 추출 전극(142)에서 유사하게 구성된 다수의 애퍼처와 정렬되는 특정 패턴으로 배열된 다수의 개구를 포함한다. 이러한 애퍼처만이 도 5에 도시되어 있다.
금속 안테나(430)는 플라즈마 챔버(122)에 에너지를 방출하기 위해 챔버 내부 내에 노출된 금속 표면(432)을 갖는다. 플라즈마 챔버(122) 외부의 전원 공급 장치(434)는 예를 들어 적절한 특성의 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 신호로, 예를 들어, 약 13.56MHz의 RF 신호로 금속 안테나(430)에 에너지를 공급하여, 금속 안테나에 교류 전류를 설정하여 플라즈마 챔버(122) 내에 이온화 전기장을 유도한다. 안테나의 전력은 특정 이온화 동작에 적합한 임의 크기의 전력, 예를 들어 500-3000 와트(W) 정도의 전력일 수 있다. 소스 챔버의 압력은 예를 들어 1-10 밀리토르 정도일 수 있으므로, 소스(112)는 저압, 고밀도 유도 소스로서 기능한다. 플라즈마 챔버(122)는 또한 안테나(430)와 애퍼처 플레이트(146) 사이의 챔버 내부의 영역을 통해 연장되는 자기 필터 어셈블리(440)를 포함할 수 있다.
안테나(430)는 제거 가능한 지지 플레이트(450)에 의해 플라즈마 챔버(122) 내에 위치될 수 있다. 지지 플레이트(450)는 안테나가 연장되는 원형 컷아웃(cutout)(452)을 갖는 위치에서 측벽(414)에 의해 지지된다. 안테나(430)에 대한 지지 플레이트(450)는 이온화 구역(420) 내에 안테나(430)의 노출된 U 자형 금속 부분(432)을 위치시키면서 챔버 벽(414)의 컷아웃(452) 내에서 맞춤되는 크기를 갖는다.
지지 플레이트(450)는 2 개의 진공 압력 피팅(456)을 수용하는 2 개의 관통 통로를 규정한다. 안테나(430)의 긴 레그(leg) 세그먼트(457)가 피팅을 통해 푸시된 후, 단부 캡(458)은 피팅(456)과 레그 세그먼트(457) 사이의 접촉 영역을 밀봉하도록 피팅에 나사로 고정된다. 안테나(430)는 바람직하게는 방사 방출 영역에서 U 자형이고 예를 들어 알루미늄으로 구성될 수 있다. 튜브는 압력 피팅(456)을 통과하도록 치수가 지정된 외경을 갖는다. 사용 중에 안테나는 주변으로부터 열을 흡수한다. 이 열을 발산하기 위해 냉각수가 튜브 중앙을 통해 전달된다.
플레이트(450)는 플라즈마 챔버의 내부에 노출되고 챔버 내부로부터 떨어져 접하는 평행한 외부 표면(462)을 포함하는 일반적으로 평탄한 표면(460)을 갖는다. 플레이트(450)의 플랜지 부분(464)은, 벽(414)의 컷아웃을 둘러싸고 커넥터(472)에 의해 벽(414)에 부착되는 링 자석(470) 위에 놓인다. 지지 플레이트(450)에 부착된 강자성 인서트(474)가 자석(470) 위에 끼워져서, 플레이트(450)가 컷아웃(452) 내에 위치될 때, 강자성 인서트(474)와 자석(470)은 서로 끌어 당겨 안테나(430)가 챔버 내부로 연장되는 위치에 플레이트(450)를 고정시킨다.
이온 소스가 동작하는 동안, 열이 발생하고 이 열은 벽(412, 414, 416, 418)에 의해 흡수된다. 흡수된 열은 벽을 통해 통로에 물을 전달하기 위한 그리고 제 2 출구 피팅(미도시)에 의해 챔버로부터 떨어진 피팅(476)을 통해 유입되는 냉각제에 의해 챔버(122)로부터 제거될 수 있다. 이러한 배열에 의해, 벽의 온도는 100 ℃ 미만의 온도로 유지될 수 있고, 따라서 이온 소스(112)는 냉벽 이온 소스로서 기능한다.
지지 플레이트(450) 근처의 안테나(430)의 영역은 특히 이온 주입기의 동작 동안 스퍼터링된 물질로 코팅되기 쉽다. 이러한 스퍼터링의 영향을 최소화하기 위해, 안테나가 지지 플레이트(450)에 삽입되기 전에 2 개의 실드(shield)(480)가 알루미늄 안테나 위에 슬립될 수 있다. 이러한 실드는 바람직하게는 알루미늄으로 구성되며 실드와 안테나(430)의 노출된 알루미늄의 외부 표면 사이의 마찰 끼움 맞춤에 의해 제자리에 유지된다.
이온 소스(112)의 동작 중에, 이온화 구역(420)을 감싸는 내부 벽(412, 414 및 416) 상에 도펀트 요소의 증착이 형성될 수 있다. 이온 소스(112)가 정상 동작 조건에서 동작하는 동안 세정 가스는 반응물 가스와 동시에 흐를 수 있다. 질량 흐름 제어기(484)의 세정 가스 출력이 플라즈마 챔버(122)에 분배되기 전에 도관(170)에서 질량 흐름 제어기(168)의 반응물 가스 출력과 결합된 상태에서, 세정 가스 소스(482) 및 대응하는 질량 흐름 제어기(484)가 제공될 수 있다. 대안으로, 반응물 가스 및 세정 가스는 플라즈마 챔버에 개별적으로 분배될 수 있다. 추가 대안으로서, 세정 가스는 그 활성 이온 주입 동작 후에 플라즈마 챔버에 흐를 수 있다.
반응물 가스 소스(166)는 세정 물질 및/또는 희석제, 평형 지향 물질, 냉각제 등과 같은 다른 물질과 조합하여 반응물 가스를 함유할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 6은 이온 소스 챔버(544)와 프로세스 모니터링 및 제어 시스템을 포함하는 이온 주입 시스템(500)의 개략도이다.
도시된 바와 같이, 이온 주입 시스템(500)은 내부에 유량 제어 밸브(524)를 갖는 분배 라인(518)에 결합된 반응물 가스 실린더(512), 내부에 유량 제어 밸브(526)를 갖는 분배 라인(520)에 결합된 세정 유체 실린더(514), 및 내부에 유량 제어 밸브(528)를 갖는 분배 라인(522)에 결합된 희석 유체 실린더(516)를 포함하는 가스 공급 실린더가 배치된 가스 박스(510)를 포함한다. 실린더(512) 내의 반응물 가스는 이온 소스 챔버(544)(도 6에 도시되지 않음) 내에 제공되거나 이와 연관된 도펀트 소스 반응물과의 반응을 위해 배열된다.
밸브(524, 526 및 528)는 각각 신호 전송 라인(530, 536 및 534)에 의해 중앙 처리 장치(Central Processing Unit, CPU)에 연결되며, 이에 따라 CPU는 사이클 시간 프로그램 또는 CPU에 의해 모니터링되는 프로세스 조건 및/또는 구성 요소에 대한 밸브 변조 응답을 제공하는 CPU의 기타 신호 생성 기능에 반응하여 특정 범위까지 각 밸브를 열거나 닫도록 동작할 수 있다.
각각의 실린더에 결합된 분배 라인(518, 520 및 522)은 혼합 챔버(532)에서 종료되어, 각각의 반응물 가스, 세정 유체 및 희석 유체 중 다수가 원하는 대로 선택적으로 서로 혼합될 수 있다. 대안으로, 단일 실린더, 즉 반응물 가스 실린더(512)는 챔버(532)로부터 압력 변환기(540) 및 질량 흐름 제어기(Mass Flow Controller, MFC)(542)를 포함하는 공급 라인으로 그 다음 이온 소스 챔버(544)로의 흐름을 위해 그 내용물을 챔버(532)에 분배하도록 배열될 수 있다. 이온 소스 챔버(544)는 이온화 동작을 위해 반응물 가스와 도펀트 소스 반응물의 반응에 의해 생성되는 도펀트 소스를 내부에서 이온화하도록 배열된다. 이온 주입기 챔버(546)에 전송되는 이온 빔을 생성하도록 이온화 동작이 수행된다. 이온 주입기 챔버(546)는 선택된 이온화된 도펀트 종의 기판에의 주입을 위해 내부에 장착된 반도체 또는 다른 마이크로 전자 디바이스 기판을 포함한다.
도 6의 예시적인 시스템에서, 이온 소스로의 공급 라인에 있는 압력 변환기(540)는 신호 전송 라인(538)에 의해 CPU에 대한 신호 전송 관계로 결합된다. 질량 흐름 제어기는 또한 신호 전송 라인에 의해 CPU에 대한 신호 전송 관계로 결합된다. 압력 변환기의 이러한 배열에 의해, 공급 라인의 압력과 상관되는 신호가 생성되고 모니터링 목적을 위해 라인(538)에서 CPU로 전송된다.
반응물 가스가 이온 소스로 흐르는 동안, 공급 라인의 압력은 압력 변환기(540)에 의해 감지되어 신호 전송 라인(538)에서 CPU로 전송된다.
그 다음 CPU는 이에 반응하여 이온 소스 챔버로의 반응물 가스 흐름을 조절할 수 있다. CPU는 또한 신호 전송 라인(536)에서 밸브에 송신된 제어 신호에 의해 유량 제어 밸브(526)를 개방함으로써 실린더(514)로부터 공급 라인으로의 세정 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 대안으로, 이온 소스에 대한 아크 전력이 감소될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 체적 유량의 전체적인 증가로 인해 흐름 회로 및 이온 소스 챔버에서 반응물 가스의 체류 시간이 감소되도록, 그 유속을 증가시킴으로써, 신호 전송 라인(530)에서 밸브로 전송되는 제어 신호에 의해 밸브(524)를 개방함으로써, 및/또는 세정 유체 및/또는 희석 유체를 첨가함으로써 반응물 가스의 체류 시간이 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 반응물 가스와 도펀트 소스 반응물의 반응이 제어 가능하게 조절되어 적절한 이온 주입 시스템 동작을 제공할 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시내용은 갈륨 전구체를 이온화하여 갈륨 주입 종을 형성하는 단계 및 갈륨 주입 종을 기판에 주입하는 단계를 포함하는 갈륨 이온 주입 프로세스에 관한 것이다. 갈륨 전구체는 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 69Ga 또는 71Ga에서 자연 농축도 이상으로 동위 원소 농축된 갈륨을 포함하는 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물의 동위 원소 농축 유사체를 함유하고, 선택적으로 소모성 구조물의 형태일 수 있다.
특정 실시형태는 갈륨 전구체가 69Ga에서 자연 농축도 이상으로 동위 원소 농축되는 프로세스 및 갈륨 전구체가 71Ga에서 자연 농축도 이상으로 동위 원소 농축되는 프로세스를 포함한다.
추가 양태로 위에서 광범위하게 기재된 이온 주입 프로세스는 60% 이상으로 69Ga에서 동위 원소 농축한 갈륨 전구체를 포함하는 전구체 물질로 수행될 수 있다. 예를 들어, 전구체 내의 갈륨 총량 중 69Ga의 양은 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% 중에서 선택된 하한 및 하한보다 크며 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8%, 99.9% 및 100% 중에서 선택된 상한을 갖는 범위일 수 있다. 다양한 실시형태에서, 전구체 내의 갈륨 총량 중 69Ga의 양은 65% 내지 100% 범위일 수 있다.
대안으로, 위에서 광범위하게 설명된 이온 주입 프로세스는 40% 이상으로 71Ga에서 동위 원소 농축한 갈륨 전구체를 포함하는 전구체 물질로 수행될 수 있다. 이러한 전구체의 갈륨 총량 중 71Ga의 양은 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% 중에서 선택되는 하한 및 하한보다 크며 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 98%, 99%, 99.5%, 99.8%, 99.9% 및 100% 중에서 선택되는 상한을 갖는 범위일 수 있다. 특정 구현에서, 전구체의 갈륨 총량 중 71Ga의 양은 45% 내지 100% 범위일 수 있다.
실시예
본 발명에 따르면, 갈륨 질화물(GaN)을 포함하거나 갈륨 산화물(Ga2O3)을 포함하는 고체 전구체, 또는 아크 챔버에서 사용되는 경우, 예를 들어 대체 가능한 라이너 형태의 이들의 조합은 유용하거나 바람직한 동시에 유용하거나 상대적으로 긴 소스 수명을 제공하는 빔 전류를 생성할 수 있다. 구체적으로, 이온 소스 챔버에서 가스 형태의 트리메틸 갈륨(Ga(CH3)3)을 전구체로 사용하는 것과 비교할 때, 본 명세서에 설명된 갈륨 질화물 또는 갈륨 산화물로 이루어진 고체 전구체, 예를 들어 대체 가능 이온 소스 챔버 라이너로서 형성된 고체 전구체는 유용하거나 바람직하게 높은 빔 전류를 생성할 수 있으며, 가스 형태의 트리메틸 갈륨에 의해 제공되는 것보다 실질적으로 더 긴 기간 동안 계속될 수 있는 갈륨 이온 소스를 제공할 수 있다.
1. 가스 형태의 트리메틸 갈륨 전구체(비교).
도 7a는 다음 테스트 반응기 조건에서, 다양한 흐름 레벨의 트리메틸 갈륨을 전구체로 사용하여 달성된 Ga+ 빔 전류의 예를 보여준다.
아크 전압 = 60V
소스 빔 = 20mA
도 7a에 도시된 바와 같이, 1sccm, 아크 전압 60V, 및 소스 빔 20mA에서, 최대 4.728mA의 Ga+ 빔 전류가 달성되었다. 1.25 sccm에서, 4.818mA 빔 전류가 달성되었다. 그러나 빔은 그 당시 안정적이지 않았다.
소스는 빔이 불안정해지기 전 최대 약 2 시간 동안만 동작할 수 있었다. 빔 불안정성은 트리메틸 갈륨으로부터 탄소/갈륨이 파생된 상태에서, 내부에 탄소/갈륨이 축적되는 형태의 이온 챔버의 오염으로 인한 것으로 믿어졌다.
2. 갈륨 산화물 전구체
도 8a 내지 도 8e는 고체 갈륨 산화물을 다양한 유형 및 양의 공반응물과 함께 대체 가능 챔버 라이너로서 사용하고 이하의 일반 테스트 조건을 사용하여 달성된 Ga+ 빔 전류의 실험 예를 나타낸다.
아크 전압 = 가변(60V, 90V, 120V)
소스 빔 = 20mA
공반응물 = 가변
도 8a는 안티 캐소드(도면에서 챔버의 좌측 단부)에 인접한 내부의 바닥 표면에 대체 가능 갈륨 산화물 시트를 포함하는 이온 소스 챔버 내부의 상면도이다. 이온 소스 챔버의 다른 모든 내부 표면(바닥, 측면, 및 최상부의 나머지 부분)은 텅스텐이다.
도 8b는 유용한 빔 전류가 상이한 BF3 유속 및 아크 전압에서 달성되었음을 나타낸다.
도 8c, 도 8d 및 도 8e는 공반응물로서의 크세논, 상이한 레벨의 수소를 갖는 BF3, 및 공반응물로서의 SiF4에 대한 빔 전류 값을 나타낸다.
3. 갈륨 질화물
도 9a 내지 도 9d는 갈륨 질화물, 다양한 공반응물 및 이하의 일반 테스트 조건을 사용하여 달성된 빔 Ga+ 전류의 예를 나타낸다.
아크 전압 = 가변 (60V, 90V, 120V)
소스 빔 = 20mA
공반응물 = 가변
도 9a는 안티 캐소드(도면에서 챔버의 좌측 단부)에 인접한 내부의 바닥 표면에 대체 가능 갈륨 산화물 시트를 포함하는 이온 소스 챔버 내부의 상면도이다. 이온 소스 챔버의 다른 모든 내부 표면은 텅스텐이다.
도 9b는 유용한 빔 전류가 상이한 BF3 유속 및 아크 전압에서 달성되었음을 나타낸다.
도 9c 및 도 9d는 공반응물로서의 크세논 및 SiF4에 대한 빔 전류 값을 나타낸다.
4. 이온 소스 챔버에서 별도의 갈륨 산화물 소모성 구조물와 결합하여 소모 가능한 갈륨 질화물
도 10a 내지 도 10d는 가변 공반응물과 이하의 일반 테스트 조건과 함께 단일 이온 소스 챔버에서 별도의 갈륨 산화물 소모성 구조물(대체 가능한 라이너)와 결합하여 갈륨 질화물을 소모성 구조물(대체 가능한 라이너)로서 사용함으로써 달성된 Ga+ 빔 전류의 예를 나타낸다.
아크 전압 = 가변 (60V, 90V, 120V)
소스 빔 = 20mA
공반응물 = 가변
도 10a는 안티 캐소드(도면에서 챔버의 좌측 단부)에 인접한 내부의 바닥 표면에 대체 가능 갈륨 산화물 시트 및 캐소드(도면에서 챔버의 우측 단부)에 인접한 내부의 바닥면에 제 2 대체 가능 시트인 갈륨 질화물을 포함하는 이온 소스 챔버 내부의 상면도이다. 도 10b는 내부 바닥 표면에서 갈륨 산화물 및 갈륨 질화물의 대체 가능 시트를 갖는 내부의 측면 사시도이다.
이온 소스 챔버의 다른 모든 내부 표면은 텅스텐이다.
도 10c는 유용한 빔 전류가 상이한 BF3 유속에서 달성되었으며 빔 전류가 BF3의 더 높은 유속으로 빔 전류 감소를 겪지 않았음을 나타낸다.
도 10d는 크세논이 공반응물 가스로서 사용될 때의 유용한 빔 전류 값을 나타낸다.
Claims (20)
- 갈륨 이온을 생성할 수 있는 이온 소스 장치로서,
측벽, 바닥 및 최상부를 포함하는 내부 표면에 의해 규정된 내부를 포함하는 아크 챔버와,
상기 아크 챔버 내에 배치된 소모성 구조물로서, 상기 소모성 구조물은, 상기 내부에 배치되고 상기 내부 표면 중 하나 이상을 덮는 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물을 포함하며, 상기 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 소모성 구조물
을 포함하는 이온 소스 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물은 상기 아크 챔버의 내부로부터 제거할 수 있는, 이온 소스 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물은 적어도 80 중량%의 갈륨 질화물을 포함하는, 이온 소스 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물은 적어도 80 중량%의 갈륨 산화물을 포함하는, 이온 소스 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물은 적어도 80 중량%의 갈륨 산화물과 갈륨 질화물의 조합을 포함하는, 이온 소스 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물은 상기 챔버의 내부 표면의 전체 면적의 5% 내지 80%를 덮는, 이온 소스 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 갈륨 질화물, 갈륨 산화물 또는 이들의 조합은 상기 갈륨 질화물, 갈륨 산화물 또는 이들의 조합에서의 갈륨의 총량(원자)을 기준으로 60% 초과의 69Ga를 함유하는, 이온 소스 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 이들의 조합은 상기 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 이들의 조합에서의 갈륨의 총량(원자)을 기준으로 40% 초과의 71Ga를 함유하는, 이온 소스 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 갈륨 이온 형성 방법으로서,
측벽, 바닥 및 최상부를 포함하는 내부 표면에 의해 규정된 내부를 포함하는 아크 챔버에서 이온화된 갈륨을 생성하는 단계로서, 이때 상기 아크 챔버는 아크 챔버 내에 배치된 소모성 구조물을 갖고, 상기 소모성 구조물은, 상기 내부에 배치되고 상기 내부 표면 중 하나 이상을 덮는 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물을 포함하며, 상기 하나 이상의 갈륨-함유 시트 구조물은 갈륨 질화물, 갈륨 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 단계와,
상기 소모성 구조물을 반응물 가스와 접촉시켜 갈륨 이온을 생성하는 단계
를 포함하는 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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