KR102415488B1

KR102415488B1 - 이온 소스

Info

Publication number: KR102415488B1
Application number: KR1020197005760A
Authority: KR
Inventors: 사미 케이. 하토; 조지 사코
Original assignee: 닛신 이온기기 가부시기가이샤
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2022-07-01
Also published as: TWI699815B; KR20190077308A; US20180138008A1; TW201917766A; WO2018087593A1; US20180138007A1; CN109690724A; WO2018087594A1; US11017974B2; JP7093506B2; JP2019537816A

Abstract

가스를 공급하기 위한 가스 소스, 및 이온화 챔버를 통해 연장되는 종축을 규정하고 이온화 챔버의 측부 벽을 따라 출구 구멍을 포함하는 이온화 챔버를 포함하는 이온 소스가 제공된다. 상기 이온 소스는 또한 이온 빔의 형태로 이온화 챔버로부터 이온을 추출하기 위해 이온화 챔버의 출구 구멍에 하나 이상의 추출 전극을 포함한다. 추출 전극들 중 적어도 하나는, 이온 빔의 전류를 증가시키는 것, 또는 이온화 챔버로부터 이온 빔의 추출 각도를 제어하는 것 중 적어도 하나를 가능하도록 하기 위해 적어도 하나의 추출 전극에 복수의 슬릿을 형성하는 개별 로드의 세트를 포함한다. 개별 로드의 세트에서 각 로드는 이온화 챔버의 종축과 평행하다.

Description

이온 소스

본 출원은 2016년 11월 11일자로 출원된 미국 가출원 제 62/420,889호의 우선권 및 이익을 주장하는 바, 상기 출원은 본 출원의 양수인이 소유하며 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.

본 발명은 일반적으로 이온 소스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 에너지 및 높은 조사량(dosage)을 갖는 이온 빔을 생성하도록 된 이온 소스에 관한 것이다.

이온 주입은 반도체 디바이스 제조에서 중요한 기술이었으며, 트랜지스터에서, 특히 메모리 및 로직 칩과 같은 CMOS 디바이스를 위한 p-n 접합의 제조를 포함하는 많은 프로세스에 현재 사용되고 있다. 실리콘 기판에 트랜지스터를 제조하는데 필요한 도펀트 요소를 포함하는 양-하전된 이온을 생성함으로써, 이온 주입기는 트랜지스터 구조에 도입된 에너지(따라서 주입 깊이) 및 이온 전류(따라서 투여(dose)) 둘다를 선택적으로 제어할 수 있다.

도 1은 통상적인 종래 기술의 이온 주입기(100)를 도시한다. 작동시, 이온 소스(110)에서 생성된 플라즈마 이온은 정전기 옵틱(optics)(미도시)에 의해 추출되어 수 keV 내지 약 100 keV의 에너지 범위의 활동적인 이온 빔(112)을 생성할 수 있다. 이온 빔(112)은, 이온 소스(110)의 하류 및 외부에 위치된 질량 분석 자석(120)에 의해 이송 및 집속된다. 질량 분석 자석(120)은 질량-전하 비에 따라 이온 종을 공간적으로 분리 또는 분산시키도록 구성된다. 일단 공간적으로 분리되면, 이온 빔(112)은 질량 분석 자석(120)의 하류 및 외부에 있는 질량 분석 개구(Mass Resolving Aperture, MRA) 또는 질량 분석 슬릿(Mass Resolving Slit, MRS)(122)에 의해 차단된다. MRS(122)는 기다란 슬롯을 포함하여, 이 슬롯에 의해 차단되지 않은 이온만이 주입기에서 하류로 전달되고, 여기서 이온 빔(112)은 가속기(124)에 의해 원하는 에너지로 가속되고 궁극적으로 선택된 이온에 의한 주입을 위해 공작물(126)상에 충돌한다. 공작물(126)은 타겟 챔버(128) 내에 위치될 수 있다. 그러한 통상적인 이온 주입기(100)와 관련된 결점은, 비교적 큰 크기(즉, 풋프린트(footprint))를 가지며, 이에 따라 작동하기 위해 상당한 설비가 요구된다는 것이다. 또한, 이온 주입기(100)는 실제 처리량에서 1keV E16과 같은 고-투여 주입을 달성할 수 없다. 오늘날의 이온 주입 시스템 중 일부는 이론적으로 이러한 높은 투여에 도달할 수 있지만, 이러한 시스템은 순수한 종 및 순수 에너지를 요구하며, 이는 구현하기가 비실용적이다. 따라서, 보다 콤팩트한(compact) 디자인을 가지며 상대적으로 낮은 에너지 및 높은 투여 이온 빔 프로파일을 생성할 수 있는 개선된 이온 주입기가 필요하다.

일부 실시형태에서, 본 발명은 질량 분석 자석의 내부에 위치되고 설치되는 이온 소스를 갖는 개선된 이온 주입기를 제공하며, 여기서 질량 분석기 자석의 자기장은 이온 소스에서 플라즈마를 발생시키는데 사용된다. 일부 실시형태에서, 질량 분석 슬릿이 또한 질량 분석 자석의 내부에 설치된다. 본 발명은 또한 높은 전류 및 제어 가능한 이온 빔 추출 각도를 갖는 리본 빔을 생성할 수 있는 개선된 이온 소스를 제공한다. 따라서, 본 발명의 시스템은 통상적인 이온 주입기(예를 들어, 도 1의 이온 주입기(100))와 비교하여 더 높은 빔 전류를 전달할 수 있는 단축된 이온 빔을 생성할 수 있다.

일 양태에서, 이온 주입기가 제공된다. 이온 주입기는 이온 빔을 발생시키도록 구성된 이온 소스, 및 내부에 자기장을 갖는 챔버를 규정하는 분석기 자석을 포함한다. 챔버는 챔버의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 곡선 경로를 제공한다. 이온 소스는 제 1 단부에 인접한 분석기 자석의 챔버 내에 배치된다. 분석기 자석은, 이온 소스가 분석기 자석의 자기장에 잠겨 있는 동안, 이온 빔에서 하나 이상의 이온 종을 공간적으로 분리하기 위해 곡선 경로를 따라 챔버 내의 이온 소스로부터의 이온 빔을 휘게 하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 이온 주입기의 이온 소스는 이온 소스로부터 이온 빔을 추출하기 위해 분석기 자석의 챔버에 배치된 하나 이상의 추출 전극을 포함한다. 추출 전극 중 적어도 하나는 적어도 하나의 추출 전극에 복수의 슬릿을 형성하는 개별 로드들의 세트를 포함한다.

일부 실시형태에서, 분석기 자석의 챔버는 상부 벽, 하부 벽 및 복수의 측부 벽을 포함한다. 상부, 하부 및 측부 벽 각각은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 연장되어 곡선 경로를 협동적으로 규정한다. 챔버의 상부, 하부 또는 측부 벽 중 적어도 하나는 분석기 자석 내에 설치하기 위해 이온 소스를 수용하도록 구성된 포트(port)를 포함할 수 있다.

다른 양태에서, 이온 소스가 제공된다. 이온 소스는 가스를 공급하기 위한 가스 소스 및 이온화 챔버를 포함하며, 이온화 챔버는, 이온화 챔버를 통해 연장되는 종축을 규정하고 이온화 챔버의 측부 벽을 따라 출구 구멍을 포함한다. 이온화 챔버는 가스로부터 플라즈마를 형성하도록 되어 있다. 플라즈마는 복수의 이온을 발생시킨다. 이온 소스는 또한 이온 빔의 형태로 이온화 챔버로부터 복수의 이온을 추출하기 위해 이온화 챔버의 출구 구멍에 하나 이상의 추출 전극을 포함한다. 추출 전극들 중 적어도 하나는, 이온 빔의 전류를 증가시키는 것, 또는 이온화 챔버로부터의 이온 빔의 추출 각도를 제어하는 것 중 적어도 하나를 가능하도록 하기 위해 적어도 하나의 추출 전극에 복수의 슬릿을 형성하는 개별 로드의 세트를 포함한다. 개별 로드의 세트에서 각 로드는 이온화 챔버의 종축과 평행하다. 이온화 챔버는 세장형일 수 있고 종축은 이온화 챔버의 긴 길이를 따라 연장될 수 있다.

일부 실시형태에서, 이온 소스의 이온 빔은, 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 곡선 경로를 규정하는 챔버를 포함하는 분석기 자석에 제공된다. 이온 소스는 제 1 단부에 인접한 분석기 자석의 외부에 위치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 자기 집속(focusing) 렌즈는 제 2 단부에 인접한 분석기 자석의 챔버의 외부에 배치된다. 일부 실시형태에서, 제 2 자기 집속 렌즈는 제 1 단부에 인접한 분석기 자석의 챔버의 외부에 배치된다. 일부 실시형태에서, 질량 분석 슬릿(mass resolving slit)은 제 1 자기 집속 렌즈와 제 2 자기 집속 렌즈 사이에 위치한다.

상기 양태들 중 임의의 것은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 추출 전극을 위한 개별 로드들의 세트에서 각 로드의 일 단부는 고정될 수 있고, 개별 로드들의 세트에서의 각 로드의 다른 단부는 슬라이딩 가능할 수 있다. 일부 실시형태에서, 각 로드의 단면은 정사각형이다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 추출 전극은 플라즈마 전극을 포함한다. 플라즈마 전극을 위한 개별 로드의 세트에서의 각 로드의 단면은 다른 추출 전극을 위한 개별 로드의 세트에서의 각 로드 단면에 대해 소정의 각도로 배치된다. 그 각도는 약 45도일 수 있다.

일부 실시형태에서, 하나 이상의 추출 전극 중 적어도 하나는 분석기 자석의 챔버에 연결된 전도성 탄성 부재에 물리적으로 접촉하도록 구성되고, 전도성 탄성 부재는 적어도 하나의 전극의 전압을 설정하도록 구성된다. 적어도 하나의 전극은 억제(suppression) 전극 또는 풀러(puller) 전극일 수 있다.

일부 실시형태에서, 하나 이상의 추출 전극 중 적어도 하나는 분석기 자석의 챔버에 연결된 전도성 로드와 물리적으로 접촉하도록 구성된다. 전도성 로드는 상기 적어도 하나의 전극의 전압을 설정하도록 구성된다. 적어도 하나의 전극은 억제 전극 또는 풀러 전극일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전도성 로드의 제 1 단부는 적어도 하나의 전극과 물리적으로 접촉하고, 전도성 로드의 제 2 단부는, 전도성 로드를 통해 적어도 하나의 전극에 힘을 가함으로써 적어도 하나의 전극의 위치를 조절하도록 구성되는 스프링 어셈블리와 연동된다.

일부 실시형태에서, 이온 주입기는 제 2 단부에 인접한 분석기 자석의 챔버 내부에 배치된 질량 분석 슬릿을 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 이온 주입기는 분석기 자석의 챔버 외부에 적어도 일부가 배치된 자기 집속 렌즈를 더 포함한다. 자기 집속 렌즈는, 이온 빔이 질량 분석 슬릿을 통과한 후에 비-분산 평면에서 이온 빔을 집속(focus), 탈집속(defocus) 또는 위글(wiggle)하도록 구성된다.

일부 실시형태에서, 자기 집속 렌즈는 한 쌍의 상부 자기 코일을 갖는 상부 구역과 한 쌍의 하부 자기 코일을 갖는 하부 구역을 포함한다. 일부 실시형태에서, 분석기 자석의 챔버는 곡선인 중심 빔 축을 규정하고, 곡선인 중심 빔 축에 수직인 챔버의 폭은 곡선인 중심 빔 축을 따라 변하여, 제 1 단부의 폭이 제 2 단부의 폭보다 크게 된다. 자기 집속 렌즈는 더 좁은 제 2 단부에 인접하게 위치한다. 일부 실시형태에서, 상부 자기 코일의 쌍 또는 하부 자기 코일의 쌍의 인가된 전류 또는 자기장 방향 중 적어도 하나는 집속 기능, 탈집속 기능 또는 위글 기능을 제공하도록 조정 가능하다.

본 발명의 다른 양태 및 이점은 단지 예로서 본 발명의 원리를 설명하는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

전술한 기술의 이점과 추가적인 이점은 첨부된 도면과 관련하여 기술한 다음의 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 도면은 반드시 일정한 축척은 아니며, 대신에 기술의 원리를 설명할 때 일반적으로 강조가 된다.
도 1은 통상적인 종래 기술의 이온 주입기의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시적인 이온 주입기의 일부를 나타낸 사시도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기의 이온 소스의 예시적인 구조도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 발명의 일부 실시형태에 따른 도 2a 및 도 2b의 이온 소스의 추출 시스템의 예시적인 구성의 평면도 및 측면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 로드의 일 단부를 고정적으로 맞물리게 하고 로드의 다른 단부를 슬라이딩 가능하게 맞물리게 하도록 구성된 도 4a 및 도 4b의 추출 전극의 전극 프레임을 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 각각 본 발명의 일부 실시형태에 따라 분석기 자석의 하부, 상부 및 측부 벽으로부터 이온 소스를 수용 및 제거하도록 구성된 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기의 예시적인 구현 예를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기의 분석기 자석 내부에 이온 소스의 추출 전극을 바이어싱하기 위한 예시적인 바이어싱 어셈블리를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기의 분석기 자석 내부에 위치된 이온 소스의 추출 전극을 바이어싱하기 위한 다른 예시적인 바이어싱 어셈블리를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기의 집속 렌즈의 예시적인 구성을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 입사 이온 빔을 집속하기 위한 도 9의 집속 렌즈의 구성을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 입사 이온 빔을 탈집속하기 위한 도 9의 집속 렌즈의 구성을 나타낸 것이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 입사 이온 빔을 위글하기 위한 도 9의 집속 렌즈의 구성을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 이온 소스가 분석기 자석의 외부에 위치되어 있는 다른 예시적인 이온 주입기의 구성을 도시한다.

도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시적인 이온 주입기(200)의 일부를 나타낸 사시도 및 평면도이다. 도시된 바와 같이, 이온 주입기(200)는, 그 내부의 자기장에 노출된 챔버(204)를 규정하는 분석기 자석(202)을 포함한다. 분석기 자석(202)의 챔버(204)는 제 1 단부(206)와 제 2 단부(208) 사이에서 곡선인 중심 빔 축(220)을 따르는 곡선의 빔 경로를 제공한다. 예를 들어, 분석기 자석(202)의 챔버(204)는 곡선의 경로를 규정하기 위해 제 1 단부(206)와 제 2 단부(208) 사이에서 연장되는 하부 벽, 상부 벽 및 다수의 측부 벽을 포함할 수 있다. 제 1 단부(206)는 분석기 자석(202)의 입구 근처에 있는데, 이온 빔 유동에 대해 챔버(204)의 상류 단부를 나타낸다. 제 2 단부(208)는 분석기 자석(202)의 출구 근처에 있는데, 이온 빔 유동에 대해 챔버(204)의 하류 단부를 나타낸다. 일부 실시형태에서, 곡선 경로의 각도(203)는 약 40도이다. 일부 실시형태에서, 곡선인 중심 빔 축(220)에 수직인 챔버(204)의 폭은, 제 1 단부(206)의 폭이 제 2 단부(208)의 폭보다 크게 되도록 곡선인 중심 빔 축(220)을 따라 변한다.

도 2b에 도시된 실시형태에서, 이온 소스(210)는 제 1 단부(206)에 인접한 분석기 자석(202)의 챔버(204) 내에 배치되며, 여기서 이온 소스(210)는 이온 빔을 생성하도록 구성된다. 구체적으로, 이온 소스(210)의 추출 시스템(320)은 분석기 자석 챔버(204)를 통한 전파를 위해 이온 소스(210)의 이온화 챔버(302)로부터 이온 빔을 추출한다. 다른 실시형태에서, 이온 소스(210)는 제 1 단부(206)에 인접한 분석기 자석(202)의 외부에 배치된다. 분석기 자석(202)은 제 1 단부(206)로부터 제 2 단부(208)로 곡선 경로를 따라 이온 소스(210)(챔버(204) 내에 또는 챔버(204) 외부에 위치됨)로부터의 이온 빔을 휘어서 이온 빔에서 하나 이상의 이온 종을 공간적으로 분리하도록 구성된다. 일반적으로, 이온 소스(210) 또는 질량 분석 슬릿(MRS)(212) 중 적어도 하나는 분석기 자석(202)의 챔버(204) 내에 위치한다.

이온 소스(210)가 분석기 자석 챔버(204)의 내부에 있는 도 2b의 실시형태에서, 이온 소스(210)는, 이온 소스(210)의 자기장이 분석기 자석(202)의 자기장과 공유되도록 분석기 자석(202)의 자기장에 실질적으로 담겨진다. 이 공유 자기장은, 일단 이온 빔이 이온 소스(210)로부터 빠져나오면 곡선의 경로를 따라 이온 빔을 휘게 할 뿐만 아니라 이온 소스(210)에서 플라즈마를 생성하기 위해 이온 소스(210)에 대한 외부 자기장으로서 역할하도록 되어 있다. 예를 들어, 공유 자기장은 이온 소스(210)에 의해(예를 들어, 이온 소스(210)의 전자총에 의해) 방출된 이온화 전자를 포획하여, 방출된 전자 수명이 연장될 수 있고, 도펀트 가스 분자와 전자의 충돌 가능성이 증가할 수 있으며, 또한 이온 소스(210)에 의한 플라즈마 생성 효율이 향상될 수 있다. 일반적으로, 분석기 자석(202)의 챔버(204)에서의 자기장은 실질적으로 균일하고/하거나 실질적으로 수직 방향을 따라(즉, 도 2a에 표시된 바와 같이 y-축을 따라) 배향될 수 있다. 자기장은 약 500 가우스(G) 내지 약 600 G 강도일 수 있다. 일부 실시형태에서, 자기장의 세기는 조절 가능하다. 예를 들어, 챔버(204)의 하나 이상의 섹션은 그 자기 강도를 낮추기 위해 강철 차폐물로 차폐될 수 있다.

이온 소스(210)는, 이온 빔을 예를 들어 반도체 웨이퍼에 주입하는 이온 주입 챔버(미도시)로 분석기 자석(202)을 통해 이송하기 위한 이온 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 이온 소스(210)는 일반적으로 미국 특허 제 8,994,272 호에 개시된 이온 소스와 유사하며, 이는 본 출원의 양수인이 소유하며, 그 전체가 본원에 참고로 인용된다. 도 3은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기(200)의 이온 소스(210)의 예시적인 구조도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 이온 소스(210)는 이온화 챔버(302)의 긴 치수를 따라 종축(318)을 규정하는 이온화 챔버(302)를 포함한다. 구체적으로, 이온화 챔버(302)는 세장형일 수 있으며, 여기서 종축(318)은 이온화 챔버(302)의 긴 길이를 따라 연장된다. 이온 소스(210)는, 가스 소스(314)로부터 이온화 챔버로 가스 물질의 도입을 도입하고 제어하도록 구성된 복수의 가스 유입구(310) 및 복수의 질량 유동 제어기(MFC)(312)를 포함하는 가스 전달 시스템을 포함할 수 있다. 이온화 챔버(302)에서, 이온화 챔버(302)의 마주보는 측면들에 위치된 한 쌍의 전자총(304)에 의해 생성된 전자 빔으로부터의 전자 충돌에 의해 이온화되는 가스 분자로부터 주 플라즈마가 형성된다. 일부 실시형태에서, 전자총(304)은 또한 이온화 챔버(302) 내로 추가의 이온을 도입할 수 있다. 이온화 챔버(302)에서의 이온은 추출 구멍(도시되지 않음)을 통해 추출될 수 있고 추출 시스템(320)을 사용하여 활동적인 이온 빔(316)을 형성할 수 있다. 종축(318)은 이온 빔(316)의 전파 방향에 실질적으로 수직일 수 있다.

일반적으로, 이온화 챔버(302)는 x 축을 따르는 횡 방향에서보다 종방향(318)에서 더 긴 직사각형 형상을 가질 수 있다. 이온화 챔버(302)는 또한 예를 들어 실린더 형상과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 종 방향(318)을 따르는 이온화 챔버(302)의 길이는 약 450mm일 수 있다. 추출 구멍(미도시)는 이온화 챔버(302)의 연장된 측면에 위치될 수 있는 한편, 전자총(304)의 각각은 연장된 측면의 2개의 단부 각각에 위치된다. 추출 구멍은 약 450mm 길이와 같은 이온화 챔버(302)의 길이를 따라 연장될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일부 실시형태에 따라 도 2a 및 도 2b의 이온 소스(210)의 추출 시스템(320)의 예시적인 구성을 나타낸 평면도 및 측면도이다. 추출 시스템(320)은, 이온 소스(210)가 분석기 자석 챔버(204)에 위치되면 분석기 자석 챔버(204) 내에 위치될 수 있는데, 접지 전극(402), 억제 전극(404), 풀러 전극(406) 및 플라즈마 전극(408)과 같은 하나 이상의 추출 전극을 포함한다. 이들 추출 전극은 절연 재료에 의해 서로 이격될 수 있고(예를 들어, 5 mm 이격) 이온 빔의 전파 방향(즉, z 축)을 따라 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 도시된 바와 같이, 플라즈마 전극(408)은 이온화 챔버(302)에 가장 근접하고, 풀러 전극(406), 억제 전극(404), 및 접지 전극(402)이 뒤따른다. 각각의 전극은 일반적으로 긴 치수의 길이가 이온화 챔버(302)의 종축(318)(즉, 표시된 바와 같이 y 축을 따라)에 평행한 직사각 형상이다. 각 전극의 길이(즉, y 축을 따르는 길이)는 이온화 챔버(302)의 길이와 실질적으로 동일할 수 있다.

이온화 챔버(302)로부터 이온을 추출하고 주입된 이온의 에너지를 결정하기 위해, 이온 소스(210)는 소스 전원(도시되지 않음)에 의해 비교적 높은 양의(positive) 소스 전압, 예를 들어 1 KV 내지 80 KV로 유지된다. 일부 실시형태에서, 플라즈마 전극(408)은 이온화 챔버(302)에 전기적으로 연결되고, 플라즈마 전극(408)의 전위가 이온화 챔버(302)의 전위와 동일하도록 바이어스 전압이 플라즈마 전극(408)에 인가될 수 있다. 바이어스 전압은 이온화 챔버(302) 내에서 생성된 플라즈마의 특성, 예컨대 플라즈마 전위, 이온의 체류 시간 및/또는 플라즈마 내에서의 이온 종의 상대적인 확산 특성에 영향을 미치도록 되어 있다. 하나 이상의 추가 전극은 추출 효율을 증가시키고 이온 빔의 집속을 향상시키는데 사용된다. 추출 전극은 상이한 전위로 유지될 수 있다. 일부 실시형태에서, 접지 전극(402)은 단자(terminal) 전위로 유지되며, 이는 특정 주입 시스템의 경우와 같이 접지 아래에 단자를 플로팅(floating)시키는 것이 바람직하지 않으면 접지에 있다. 억압 전극(404)은, 양으로 하전된 이온 빔을 생성할 때 그렇지 않으면 양으로 바이어스된 이온 소스(210)에 끌어 당겨지는 원하지 않는 전자를 거부하거나 억제하기 위해 약 -5 kV와 같이 접지 전극(402)에 대해 음으로 바이어스된다. 풀러 전극(406)은 예를 들어 약 20 kV에서 접지 전극(402)에 대하여 양으로 바이어스된다. 플라즈마 전극(408)은 예를 들어 약 20kV와 25kV 사이에서 접지 전극(402)에 대해 양으로 바이어스된다. 일반적으로, 이러한 전극들은 특정 주입 공정을 위해 원하는 이온 빔을 생성하기 위해 성능을 최적화하는 넓은 전압 범위에 걸쳐 작동될 수 있다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 각 추출 전극은 프레임(410)에서 중심에 위치된 오목한 직사각형 개구(opening, 412)를 갖는 직사각형 프레임(410)을 포함한다. 이온 빔이 통과하는 직사각형 개구(412)에서 다수의 슬릿(416)(예를 들어, 2개의 로드에 대해 3개의 슬릿)을 형성하도록, 다수의 개별 로드(414)(예를 들어, 2개의 로드)가 분리된 간격으로 오목한 직사각형 개구(412)에 위치된다. 이들 로드(414)의 각각은 실질적으로 각 전극의 길이를 따라 연장되고, 따라서 이온화 챔버(302)의 종축(318)에 실질적으로 평행하다. 유사하게, 각각의 슬릿(416)은 실질적으로 각 전극의 길이를 따라 연장되고, 이온화 챔버(302)의 종축(318)에 실질적으로 평행하다. 따라서, 이온 소스(210)의 추출 시스템(320)은 z-축을 따라 전파하기 위한 다수의 긴 빔 세그먼트를 생성하도록 되어 있으며, 여기서 빔 세그먼트는 y-축을 따라 평행하다. 추출 전극의 이들 로드(414) 및 슬릿(416)은 추출된 이온 빔에서 전류 레벨을 유지하면서, 추출된 이온 빔의 각도의 제어성을 향상시킨다. 특히, 큰 추출 구멍이 이온화 챔버(302)로부터 추출될 수 있는 증가된 양의 이온(따라서, 결과적인 이온 빔과 연관된 더 높은 전류)을 산출하지만, 큰 추출 구멍은 또한 이온 빔 추출의 각도를 제어하는 측면에서 어려움을 야기한다. 추출 전극의 로드(414) 및 슬릿(416)은 이온 빔에서의 전류 산출(current yield) 및 이온 빔 추출 각도의 제어성을 모두 최적화함으로써 상기 두 고려 사항을 균형잡는다.

일부 실시형태에서, 프레임(410)의 직사각형 개구(412) 내의 로드(414) 및 슬릿(416)의 위치 및 크기는 전극들 간에 실질적으로 동일하다. 예시적인 구성에서, x-축을 따르는 직사각형 개구(412)의 폭(W)은 약 13mm이고, y-방향을 따르는 직사각형 개구(412)의 길이(L)는 약 450mm이다. 일부 실시형태에서, 각각의 로드(414)는 그래파이트 및/또는 텅스텐으로 제조된다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 주어진 추출 전극에 있어서, 각 로드(414)의 2개의 단부(418)는 전극의 프레임(410)에 부착된다. 로드(414)의 일 단부(418)는 프레임(410)에 고정될 수 있는 한편, 타 단부(418)는 프레임(410)에 대해 슬라이딩 가능할 수 있다. 예를 들어, 로드(414)의 슬라이딩 가능한 단부(418)는 프레임(410)에 부착되는 동안 (예를 들어, 프레임(410)의 길이를 따라) 팽창 또는 수축될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 로드(414)의 일 단부(418a)를 고정적으로 맞물리게 하고 로드(414)의 다른 단부(418b)를 슬라이딩 가능하게 맞물리게 하도록 구성된 도 4a 및 도 4b의 추출 전극의 전극 프레임(410)을 도시한다. 전술한 바와 같이, 전극 프레임(410)은 중앙에 위치한 개구(412)를 포함하며, 그 내부에 로드(414)가 위치된다. 로드(414)는 전극 프레임(410)의 길이를 따라 종 방향으로 연장되도록 되어 있다. 로드(414)의 제 1 단부(418a)는 전극 프레임(410) 상의 개방 홈(502) 내로 느슨하게 끼워지도록 되며, 여기서 개방 홈(502)의 폭(A)은 로드(414)의 폭보다 크게 되어 제 1 단부(418a)를 프레임(410)의 길이를 따라 종 방향으로 슬라이딩(예를 들어, 팽창 또는 수축)되도록 한다. 로드(414)의 타 단부(418b)는 전극 프레임(410) 상의 폐쇄 홈(504) 내로 긴밀하게 끼워지도록 되며, 여기서 제 2 홈(504)의 폭(B)은 로드(414)의 폭과 실질적으로 동일하거나 약간 크다. 따라서, 개방 홈(502)의 폭(A)은 폐쇄 홈(504)의 폭(B)보다 커서 로드(414)의 제 1 단부(418a)에서 더 많은 이동을 허용한다. 이러한 설계는, 로드(414)가 이온 소스(210)에 의해 발생된 많은 양의 열로 인해 이온 소스 작동 중에 팽창하는 경향이 있기 때문에 유리하다. 대안적인 실시형태에서, 홈(502, 504) 모두는 양 단부(418a, 418b)에서 로드(414)와 고정식으로 맞물리하도록 폐쇄된다. 단지 하나의 로드(414)가 도 5의 추출 전극 실시형태에 예시되어 있지만, 2개 이상의 로드(414)와 같은, 추가적인 개별 로드가 전극 프레임(410) 내에 위치될 수 있다.

일부 실시형태에서, 로드(414)의 단면은 직사각형(예를 들어, 정사각형)이고, 이 경우 홈(502, 504)의 단면 또한 직사각형(예를 들어, 정사각형) 형상이어서 로드(414)를 수용하고 그들을 프레임(410)에 고정시킨다. 일부 실시형태에서, 로드(414)의 단면은 약간 사다리꼴이며, 이 경우 홈(502, 504)의 단면이 유사하게 사다리꼴 형상이어서 로드(414)를 수용하고 그들을 프레임(410)에 고정시킨다. 특히, 홈(502, 504)의 사다리꼴 단면의 짧은 베이스는 프레임(410)의 표면에 위치하는 한편, 홈(502, 504)의 사다리꼴 단면의 긴 베이스는 프레임(410) 내에 있어 로드(414)가 프레임(410)으로부터 떨어지는 것을 방지함으로써 로드(414)를 더 잘 유지한다. 로드(414) 및 홈(502, 504)에 대한 다른 단면 형상, 예컨대 원형 단면이 가능하다.

일부 실시형태에서, 플라즈마 전극(408)에 대한 개별 로드의 세트에서의 각로드(414)의 단면은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 다른 추출 전극에 대한 각 로드의 단면에 대해 소정 각도로 위치한다. 그 각도는 약 45도일 수 있다. 플라즈마 전극(408)에 대한 로드(414)의 이러한 회전된 배향은 전극의 강도, 이온 빔 전류 및 추출된 이온 빔의 품질을 비롯한 여러 인자들을 균형잡고 최적화하도록 되어 있다.

다른 양태에서, 이온 소스(210)는 다수의 상이한 방식으로 분석기 자석(202) 내에 설치될 수 있다. 도 6a 내지 도 6c는 각각 본 발명의 일부 실시형태에 따라 분석기 자석(202)의 하부, 상부 및 측부 벽으로부터 이온 소스(210)를 수용 및 제거하도록 구성된 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기(200)의 예시적인 구현 예를 도시한다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 이온 소스(210)는 리프터(602) 상에 장착되며, 이는 차례로, 분석기 자석(202)의 하부 벽 상에 위치한 하부 포트(604)를 통해 이온 소스(210)를 분석기 자석(202)으로 장착하거나 이로부터 이온 소스(210)를 제거한다. 하부 포트(604)는 분석기 자석(202)의 입구 단부(206)에 인접하여 위치한다. 작동 시에, 리프터(602)는 y 축을 따라 수직으로 병진 이동하도록 되어 하부 포트(604)를 통해 이온 소스(210)를 분석기 자석(202)으로 장착하거나 이로부터 이온 소스(210)를 제거한다. 이러한 하부 장착 및 제거 구성은 박편(flake)이 분석기 자석(202)의 터보 펌프(606) 내로 떨어지는 것을 방지하는 장점을 갖는다.

대안적으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 이온 소스(210)는 호이스트 크레인(610)을 통해 툴 루프(tool roof, 608)에 부착되고, 이 호이스트 크레인(610)은 차례로, 분석기 자석(202)의 상부 벽 상에 위치된 상부 포트(612)를 통해 이온 소스(210)를 분석기 자석(202)에 장착하거나 이로부터 이온 소스(210)를 제거한다. 상부 포트(612)는 분석기 자석(202)의 입구 단부(206)에 인접하게 위치한다. 특히, 툴 루프(608)에 고정된 호이스트 크레인(610)은, 상부 포트(612)를 통해 이온 소스(210)를 분석기 자석(202)에 장착하거나 이로부터 이온 소스(210)를 제거하기 위해 y-축을 따라 수직으로 병진 운동하도록 되어 있다. 일부 실시형태에서, 도 6a의 리프터(602)와 유사할 수 있는 리프터(620)가, 호이스트 크레인(610)이 핸드 리프터(602)로부터 이온 소스(210)를 들어 올리고 이온 소스(210)를 분석기 자석(202)에 장착하기 전에, 호이스트 크레인(610)과 적절한 정렬을 위해 이온 소스(210)를 위치시키는데 사용된다.

대안적으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 이온 소스(210)는 수축 가능한 장착 플랜지(614) 상에 장착되며, 이는 차례로, 분석기 자석(202)의 측부 벽상의 측부 포트(616)를 통해 이온 소스(210)를 분석기 자석(202)으로 장착하거나 이로부터 이온 소스(210)를 제거한다. 예를 들어, 측부 포트(616)는, 분석기 자석(202)의 제 1/입구 단부(206)가 위치하는 측부 벽 상에 위치될 수 있다. 작동시, 장착 플랜지(614)는 z-축(즉, 이온 빔의 전파 방향)을 따라 측 방향으로 병진 이동하여 측부 포트(616)를 통해 이온 소스(210)를 분석기 자석(202)에 장착하거나 이로부터 이온 소스(210)를 제거한다. 일부 실시형태에서, 장착 플랜지(614) 및 측부 포트(616)는 실질적으로 직사각형 형상이다. 장착 플랜지(614)는 이온 소스(210)가 챔버(204)에 설치된 후에 분석기 자석 챔버(204)의 일부가 될 수 있다. 예를 들어, 장착 플랜지(614)는, 일단 이온 소스(210)가 챔버(204)의 내부에 있으면, 분석기 자석 챔버(204)의 외부 표면에 부착되어 측부 포트(616)를 밀봉할 수 있다. 일반적으로, 이온 소스(210)가 분석기 자석(202)의 측면으로부터 장착되기 때문에, 이러한 배열은 분석기 자석 챔버(204)의 외부의 상부 및 하부 표면 주위에 감싸진 자기 코일과 간섭하지 않는다. 따라서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 분석기 자석(202)의 입구 측(206) 및 출구 측(208) 모두는, 각각 통상적인 새들(saddle) 형상을 갖는 자기 코일(618a, 618b)에 의해 둘러싸일 수 있다. 대조적으로, 도 6a 및 도 6b의 분석기 자석 구성에 있어서, 출구 측(208)에서의 자기 코일만이 통상적인 새들 형상을 갖는다.

일부 실시형태에서, 분석기 자석(202) 내로의 이온 소스(210)의 설치는 도 6a 내지 6c의 상부, 하부 또는 측부 장착된 구성 중 어느 하나에서 자동화될 수 있다. 예를 들어, 이온 소스(210)의 위치 및 이온 소스(210)를 이송하기 위한 장비(예를 들어, 리프터(602), 툴 루프(608), 호이스트 크레인(610), 장착 플랜지(614) 등)의 위치와 관련된 위치설정 데이터는 설치 프로세스를 자동으로 제어하기 위해 컴퓨터 수치 제어기(CNC)로 프로그래밍되고 이에 의해 추적될 수 있다. 분석기 자석(202)에 이온 소스(210)를 설치하기 위해 운송 장비의 수동 작동 또한 가능하다.

다른 양태에서, 하나 이상의 전압 바이어싱 어셈블리가 분석기 자석(202)의 챔버(204) 외부의 이온 소스(210)의 추출 시스템(320)에서 하나 이상의 전극을 바이어싱하기 위해 제공되는 한편, 이온 소스(210)는 챔버(204) 내부에 위치된다. 도 7은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기(200)의 분석기 자석(202) 내부에 이온 소스(210)의 추출 전극을 바이어싱하기 위한 예시적인 바이어싱 어셈블리(700)를 도시한다. 일부 실시형태에서, 이러한 바이어싱 어셈블리(700)는 도 6c에 예시된 분석기 자석(202)의 측부-장착된 디자인과 양립 가능하다. 즉, 이러한 바이어싱 어셈블리(700)는 이온 소스(210)가 측부 포트(616)를 통해 분석기 자석(202)에 장착될 때 사용될 수 있다. 바이어싱 어셈블리(700)는 분석기 자석 챔버(204) 내부에 배치된 탄성 전도성 부재(702)(예를 들어, 전도성 스프링)를 포함한다. 탄성 전도성 부재(702)의 일 단부는 추출 전극의 프레임(410), 예컨대 억압 전극(404) 또는 풀러 전극(406)의 그것과 물리적으로 접촉하도록 구성된다. 탄성 전도성 부재(702)의 다른 단부는 분석기 자석 챔버(204)의 측부 벽(708)을 통해 장착된 전압 피드스루(feedthrough) 어셈블리(704)에 연결된다. 전압 피드스루 어셈블리(704)는 벽(708) 외부의 작동자에 의해 조정 가능하여, 탄성 전도성 부재(702)를 통해 분석기 자석 챔버(204) 내부의 연결된 추출 전극(즉, 억제 전극(404) 또는 풀러 전극(406))에 원하는 양의 전압을 제공한다.

일부 실시형태에서, 탄성 전도성 부재(702)가 x-축을 따라 연장되면, 탄성 전도 부재(702)에 연결되도록 구성된 추출 전극의 프레임(410)은, 탄성 전도성 부재(702)에의 연결을 용이하게 하기 위해 다른 전극 프레임의 폭에 비해 x-축을 따르는 폭(w)이 더 길다. 특히, 추출 시스템(320)에서의 전극이 설치 방향(즉, z-축)을 따라 중첩되기 때문에, 의도된 전극의 x-치수를 증가시키는 것은 탄성 전도성 부재(702)만이 의도된 전극과 물리적 접촉을 하는 것을 보장한다. 그러나, 탄성 도전성 부재(702)가 분석기 자석 챔버(204)의 상부 천장 또는 하부 바닥에 위치되고 y-축을 따라 연장되면, 의도된 전극의 치수를 확대하는 것은 요구되지 않으며, 이 경우, 이온 소스(210)는 예를 들어 도 6a 및 도 6b의 설치 구성에 도시된 바와 같이 y-축을 따르는 방향으로 설치된다.

일부 실시형태에서, 2개의 바이어싱 어셈블리가 억제 전극(404)과 풀러 전극(406)을 동시에 바이어싱하는데 사용된다. 따라서, 하나의 탄성 전도성 부재(702)는 억제 전극(404)에 연결될 수 있는 한편, 다른 탄성 전도성 부재(도시되지 않음)는 풀러 전극(406)에 연결될 수 있다. 이러한 탄성 전도성 부재는 분석기 자석 챔버(204)의 동일한 측에 위치할 필요는 없다. 예를 들어, 바이어싱 어셈블리(700)를 위한 탄성 전도성 부재(702)는 예시된 바와 같이 우측부 벽(708) 상에 위치될 수 있지만, 다른 바이어스 어셈블리(도시되지 않음)의 탄성 전도성 부재는 챔버(204)의 좌측 벽, 또는 심지어 챔버(204)의 상부 또는 하부 벽에 위치될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기(200)의 분석기 자석(200) 내부에 위치된 이온 소스(200)의 추출 전극을 바이어싱하기 위한 다른 예시적인 바이어싱 어셈블리(800)를 도시한다. 일부 실시형태에서, 이러한 바이어싱 어셈블리(800)는 도 6c에 도시된 분석기 자석(202)의 측부-장착된 디자인과 양립할 수 있다. 즉, 이러한 바이어싱 어셈블리(800)는 이온 소스(210)가 z-축의 방향으로 측부 포트(616)를 통해 분석기 자석(202)에 장착될 때 사용될 수 있다. 바이어싱 어셈블리(800)는 분석기 자석 챔버(204)의 내부에 배치된 전도성 로드(802)(예를 들어, 스테인리스 스틸로 제조됨)를 포함한다. 전도성 로드(802)는 챔버(204) 내부의 추출 전극의 프레임(410), 예컨대 억제 전극(404) 또는 풀러 전극(406)의 그것과 물리적으로 접촉하도록 구성된 근위 단부(806a)를 갖는다. 전도성 로드(802)의 원위 단부(806b)는 분석기 자석 챔버(204)의 제 1/입구 단부(206)에서 측부 벽을 통해(예를 들어, 측부 포트(616)를 덮는 장착 플랜지(614)를 통해) 장착된 전압 피드스루 어셈블리(804)에 연결된다. 따라서, 전도성 로드(802)는 분석기 자석(202)의 z-축을 따라 연장된다. 전압 피드스루 어셈블리(804)는 분석기 자석 챔버(204) 외부의 작동자에 의해 조절 가능하여, 전도성 로드(802)를 통해 챔버(204) 내부의 연결된 추출 전극(즉, 억제 전극(404) 또는 풀러 전극(406))에 원하는 양의 전압을 제공한다. 일부 실시형태에서, 전도성 로드(802)는 로드(802)의 2개의 단부(806a, 806b)만이 전기적으로 노출되도록 절연 물질(예를 들어, 알루미나 안내 튜브의 내부에 위치됨)에 의해 둘러싸여 있다.

일부 실시형태에서, 전도성 로드(802)는 그것이 통과하는 다른 전극(들) 각각 상의 구멍을 통해 연장함으로써 의도된 전극에 도달한다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 풀러 전극(406)과 물리적으로 접촉하도록, 전도성 로드(802)는 플라즈마 전극(408)의 프레임(410) 상의 구멍(810)을 통과한다. 전도성 로드(802)는 절연 안내 튜브(808)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 전도성 로드(802)는, 그것이 구멍(810)을 통과하고 단지 풀러 전극(406)에 대해 전도성이므로, 플라즈마 전극(408)으로부터 절연된다.

일부 실시형태에서, 탄성 부재(예컨대, 스프링)(812)는 분석기 자석 챔버(204) 내부에 위치한다. 탄성 부재(812)는 챔버(204)의 내부에 위치된 전도성 로드(802)의 원위 단부(806b)와 물리적 연결을 유지하여, 탄성 부재(812)가 전도성 로드(802)에 z-축의 방향으로 힘을 가한다. 이 힘은 전도성 로드(802)를 추출 전극에 대해 가압하여 전도성 로드(802)가 전극과 물리적 접촉을 유지하도록 보장한다. 특히, 의도된 추출 전극과 전도성 로드(802) 사이의 물리적 접촉은, 예를 들어 추출 시스템(320)이 이온화 챔버(302) 내로 조립된 후에 불일치할 수 있다. 이것이 발생하면, 전도성 로드(802)를 통해 추출 시스템(320)의 추출 전극에 전압을인가하는 것이 불가능할 것이다. 따라서, 탄성 부재(812)는 전극에 전압을 설정하기 위한 양호한 전기적 연결을 유지할 목적을 위해 의도된 추출 전극과의 전도성 로드(802)의 적절한 위치 설정을 보장한다. 특히, 탄성 부재(812)는, 작동자가 추출 시스템(320)을 이온 소스 챔버(340)로 조립할 때, 의도된 전극과 전도성 로드(802) 사이의 접촉이 자동적으로 유지되는 것을 물리적으로 보장한다.

일반적으로, 이들 전압 바이어싱 어셈블리(700, 800)는 이온 소스 챔버(340) 내에 설치된 이온 소스(210)의 유지를 용이하게 한다. 예를 들어 도 7의 바이어싱 어셈블리(700)의 탄성 전도성 부재(702) 또는 도 8의 바이어싱 어셈블리(800)의 전도성 로드(802)를 사용하여 이온 소스(210)에 소정의 연결을 설정하고, 이들 연결이 이온 소스 챔버(340) 및/또는 분석기 자석 챔버(204) 외부에서 조정되게 하거나 설치시에 자동으로 조정되게 함으로써, 작동자는 더 이상 유지 보수를 위해 이온 소스 챔버(340)에 들어갈 필요가 없다. 특히, 풀러 전극(406) 또는 억압 전극(404) 중 적어도 하나를 전압 바이어싱 어셈블리(700 또는 800)에 연결함으로써, 이온 소스 챔버(340)에 들어 가지 않고 각 전극의 전압을 설정할 수 있다. 따라서, 이온 소스 챔버(340)는 종래의 이온 소스와 비교하여 소형화될 수 있다.

도 2a 및 도 2b를 계속 참조하면, 일부 실시형태에서, 분석기 자석(202)은 제 2/출구 단부(208)에 인접하여 분석기 자석 챔버(204) 내에 위치하는 질량 분석 슬릿(MRS)(212)을 포함한다. 도시된 바와 같이, MRS(212)는 이온 소스(210)로부터 하류의 분석기 자석 챔버(204)에 위치한다. 분석기 자석(202) 내부에 MRS(212)를 위치시키는 이점 중 하나는, 이온 소스(210)로부터 공작물(도시되지 않음)까지의 빔 경로가 도 1의 이온 주입기(100)와 같은 종래의 이온 주입기(여기서 MRS(122)는 분석기 자석(120)의 외부에 위치된다)와 비교하여 더 짧아진다는 것이다.

일부 실시형태에서, 분석기 자석(202)은, 제 1/입구 단부(206)보다 더 좁을 수 있는 제 2/출구 단부(208)에 인접한 분석기 자석 챔버(204)의 외부에 적어도 일부가 위치되는 하나 이상의 집속 렌즈(214)를 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 집속 렌즈(214)는 제 2 단부(208)의 전체 외부에 위치될 수 있다. 특히, 집속 렌즈(214)의 적어도 일부는 MRS(212)의 하류에서 분석기 자석 챔버(204)의 외부에 위치되어 비-분산 평면에서 MRS(212)로부터의 이온 빔을 집속, 탈집속 또는 위글한다. 일반적으로, 분산 평면은 이온 빔이 분석기 자석에 의해 편향되는 평면으로 정의된다.

도 9는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기(200)의 집속 렌즈(214)의 예시적인 구성을 도시한다. 집속 렌즈(214)는, x 방향으로 서로 대향하고 y 방향으로 실질적으로 이온 빔의 상부 절반을 덮는 한쌍의 자기 코일(904, 906)을 갖는 상부 자기 코일 쌍(902)을 포함하는 상부 구역을 포함한다. 집속 렌즈(214)는 또한 x 방향으로 서로 대향하고 y 방향으로 실질적으로 이온 빔의 하부 절반을 덮는 한쌍의 자기 코일(910, 912)을 갖는 하부 자기 코일 쌍(908)을 포함하는 하부 구역을 포함한다. 상부 자기 코일(904, 906)은 직렬로 연결되고 DC 전원(도시되지 않음)에 의해 여기되어 도 9에 도시된 바와 같이 x 방향을 따라 자기장(B1)을 생성한다다. 하부 자기 코일(910, 912)은 직렬로 연결되고 DC 전원(도시되지 않음)에 의해 여기되어 도 9에 도시된 바와 같이 x 방향을 따르지만 자기장(B1)과 반대 쪽으로 자기장(B2)를 생성한다. 대안적인 실시형태에서, 동일한 전원이 상부 및 하부 자기 코일 쌍들(902, 908) 모두를 여기시키는데 사용된다. 집속 렌즈(214)에서, 자기장(B1, B2)은 서로 대향하고 상부 자기 코일 쌍(902) 사이의 갭(914)과 하부 자기 코일 쌍(908) 사이의 갭(916)에서 각각 생성된다. 이온 빔은 갭(914, 916)에서 z 방향으로 전파하도록 되어 있다. 일부 실시형태에서, 분석기 자석(202)의 자기장을 방해하지 않도록 하기 위해 상부 및 하부 자기 코일 쌍(902, 908)에 스틸 요크(yoke)가 사용되지 않는다.

일부 실시형태에서, 상부 자기 코일 쌍(902) 및/또는 하부 자기 코일(908)의 물리적 및/또는 전기적 파라미터는 이온 빔을 y 방향으로 집속, 탈집속 또는 위글하기 위해 독립적으로 조정된다. 예를 들어, 상부 자기 코일 쌍(902)의 길이(L1) 및 하부 자기 코일 쌍(908)의 길이(L2)), 또는 쌍(902, 908)에 인가된 전류의 양 및/또는 방향은 이온 빔을 y 방향으로 집속, 탈집속 또는 위글시키기 위해 독립적으로 조정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 코일 쌍(902 또는 908)의 전류 흐름 및/또는 권선 방향은 생성되는 자기장(B1, B2)의 방향을 결정하고, 이는 이온 빔의 편향 방향(즉, 중심 빔 축(220)으로부터 발산하거나 이에 수렴하는)을 결정한다. 일부 실시형태에서, 코일 쌍(902 또는 908)에 인가된 전류의 양은 발산 또는 수렴의 정도를 결정한다.

도 10은 본 발명의 일부 실시형태에 따라, 출사하는 이온 빔이 입사하는 이온 빔과 비교하여 y 방향으로 수렴하도록 입사 이온 빔을 y 방향으로 집속하기 위한 집속 렌즈(214)의 구성을 나타낸 것이다. 일부 실시형태에서, 상부 및 하부 자기 코일 쌍(902, 908)에 인가된 전류는 대략 동일한 양이고, 이는 이온 빔이 집속렌즈(214)를 통해 이동함에 따라 이온 빔이 중심 빔 축(220)을 향해 y 방향으로 대칭으로 휘게 되도록 한다. 일부 실시형태에서, 상부 자기 코일 쌍(902)에 의한 수렴 각도(각도 A) 및 하부 자기 코일 쌍(908)에 의한 수렴 각도(각도 B)는 실질적으로 동일하다. 일부 실시형태에서, 입사 이온 빔 및 출사 이온 빔에 대한 중심 빔 축(220)은 동일하게 유지된다. 렌즈(214)를 작동하여 입사 이온 빔을 집속하는 것은, 예를 들어 발산하는 입사 이온 빔을 평행한 출사 빔으로 변경시키는데 사용될 수 있는 이온 빔의 전파 각도에 대한 제어를 제공한다.

도 11은 본 발명의 일부 실시형태에 따라, 출사 이온 빔이 입사 이온 빔과 비교하여 y 방향으로 발산되도록 입사 이온 빔을 y 방향으로 탈집속하기 위한 집속 렌즈(214)의 구성을 나타낸다. 도 11의 탈집속 예에서, 코일(904, 906, 910, 912)을 통해 흐르는 전류의 방향은, 자기장(B1, B2)의 방향이 도 10의 집속 예와 대향하도록 DC 전원을 역으로 연결시킴으로써, 상기한 도 10의 집속 예와 대향하도록 할 수 있다. 그러나, 도 11에서 자기장(B1, B2)의 방향은 여전히 서로 대향하고 있다. 도 10의 집속 구성에서의 방향과 비교하여 자기장(B1, B2)의 방향의 그러한 역전은, 이온 빔이 집속 렌즈(214)를 통해 이동함에 따라 중심 빔 축(220)으로부터 y 방향으로 바깥쪽으로 분리되도록(안쪽으로 휘는 대신에) 이온 빔을 발산되게 한다. 일부 실시형태에서, 상부 자기 코일 쌍(902)에 의한 발산 각도(각도 A) 및 하부 자기 코일 쌍(908)에 의한 발산 각도(각도 B)는 상부 및 하부 자기 코일 쌍들(902, 908)에 인가된 전류의 동일한 양으로 인해 실질적으로 동일하다. 일부 실시형태에서, 입사 이온 빔 및 출사 이온 빔에 대한 중심 빔 축(220)은 동일하게 유지된다. 렌즈(214)를 작동시켜 입사 이온 빔을 탈집속하는 것은, 예를 들어 수렴 입사 이온 빔을 평행한 출사 빔으로 변경시키는데 사용될 수 있는 이온 빔의 전파 각도에 대한 제어를 제공한다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일부 실시형태에 따라, 이온 빔의 전파 각도를 조절하면서 이온 빔의 중심 빔 축을 동시에 이동시키는, 입사 이온 빔을 y 방향으로 위글하는(즉, 이온 빔을 집속 또는 탈집속시키는) 집속 렌즈(214)의 구성을 도시한다. 일반적으로, 상이한 양 및 방향의 코일 전류가 상부 자기 코일 쌍(902) 및 하부 자기 코일 쌍(902)에 인가되어, 출사 이온 빔이, (i) 집속/수렴 - 이온 빔이 집속 렌즈(214)를 통해 이동함에 따라 y 방향으로 안쪽으로 비대칭적으로 휨, 또는 (ii) 탈집속/발산 - 이온 빔이 집속 렌즈(214)를 통해 이동함에 따라 y 방향으로 바깥쪽으로 비대칭적으로 휨(bending)이 이루어지도록 한다. 또한, 인가된 코일 전류에서의 차이로 인해, 상부 자기 코일 쌍(902)에 의한 수렴 또는 발산의 각도(각도 A)는 하부 자기 코일 쌍(908)에 의한 수렴 또는 발산의 각도(각도 B)와 상이하며, 이는 출사 이온 빔에 대한 중심 빔 축(920)이 입사 이온 빔에 대한 중심 빔 축(220)에 대해 y-방향으로 이동되게 한다.

도 12a에 도시된 바와 같이, 출사 이온 빔은, 자기장(B1, B2)의 방향이 도 10의 예에서와 동일하기 때문에, 입사 이온 빔에 대해 수렴한다. 또한, 상부 및 하부 코일 쌍(902, 908)에 인가된 전류의 상이한 양으로 인해, 상부 자기 코일 쌍(902)에 의한 수렴 각도(각도 A)는 하부 자기 코일 쌍(908)에 의한 수렴 각도(각도 B)보다 크며, 이는 출사 빔에 대한 중심 빔 축(920)이 입사 빔에 대한 중심 빔 축(220)에 대해 y-방향으로 하향 이동되게 한다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 출사 이온 빔은, 자기장(B1, B2)의 방향이 도 11의 예에서와 동일하기 때문에, 입사 이온 빔에 대하여 발산한다. 또한, 상부 및 하부 코일 쌍(902, 908)에 인가된 전류의 상이한 양으로 인해, 상부 자기 코일 쌍(902)에 의한 발산 각도(각도 A)는 하부 자기 코일 쌍(908)에 의한 발산 각도(각도 B)보다 크며, 이는 출사 빔에 대한 중심 빔 축(920)이 입사 빔에 대한 중심 빔 축(220)에 대해 y- 방향으로 상향 이동되도록 한다. 특히, 도 12b의 예에 있어서, 코일(904, 906, 910, 912)을 통해 흐르는 전류의 방향은, 자기장(B1, B2)의 방향이 도 12a의 예와 상반되도록 DC 전원을 역으로 연결시킴으로써, 도 12a의 예와 상반되도록 할 수 있으며, 이는 이온 빔을 발산에서 수렴으로 변화시킨다. 그러나, 도 12b에서의 자기장(B1, B2)의 방향은 서로 대향하도록 유지된다.

다른 실시형태에서, 상부 및/또는 하부 자기 코일 쌍들(902, 908)에서 코일 전류의 양을 적절하게 조정함으로써, 각도 A는 각도 B보다 작도록 설정될 수 있으며, 이는 차례로, 출사 빔에 대한 중심 빔 축(920)을 입사 빔에 대한 중심 빔 축(220)에 대해(즉, 12a의 예에서는 위쪽으로, 12b의 예에서는 아래쪽으로) 이동시킨다. 비록 도 10 내지 12b의 예들은 입사 이온 빔이 집속 렌즈(214)에 들어갈 때 y-방향으로 평행하다는 것을 나타내지만, 다른 실시형태에서는 입사 이온 빔이 평행할 필요는 없다. 예를 들어, 입사 이온 빔은 발산 또는 수렴될 수 있으며, 집속 렌즈(214)는 입사 이온 빔을 적절히 집속 또는 탈집속하여 평행한 출사 이온 빔을 생성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 집속 렌즈(214) 하류의 빔 프로파일은, 이온 빔 프로파일을 원하는 형상으로 조정하기 위해 집속 렌즈(214)의 코일 전류를 조정하기 위한 피드백을 제공하도록 모니터링된다.

도 2a 및 도 2b를 계속 참조하면, 일부 실시형태에서, 이온 주입기(200)는 챔버의 제 2 단부(208)에 인접한 분석기 자석(202)의 챔버(204)의 외부의 하류에 위치된 빔 감속 및 에너지 필터(222)를 포함한다. 빔 감속 및 에너지 필터(222)는 일반적으로 분석기 자석 챔버(204)로부터의 이온 빔의 에너지를 변화시키도록, 예컨대 이온 빔 에너지를 고 에너지 레벨(예를 들어, 약 25keV)에서 저 에너지 레벨(예를 들어, 약 3keV)로 감소시키도록 구성된다. 또한, 빔 감속 및 에너지 필터(222)는 이온 빔을 휘게 할 수 있으며, 이는 중성 입자를 이온 빔으로부터 분리시킨다.

다른 양태에서, 도 13은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 이온 소스(1310)가 분석기 자석(1302)의 외부에 위치되어 있는 다른 예시적인 이온 주입기(300)의 구성을 도시한다. 일반적으로, 이온 주입기(300)는, 분석기 자석(1302)의 외부에 이온 소스(1310)가 배치되는 것을 제외하고는, 도 2a 및 도 2b의 이온 주입기(200)와 실질적으로 동일하다. 특히, 이온 소스(1310)는 분석기 자석(1302)의 제 1 단부(1306)에 인접한 분석기 자석(302)의 상류에 위치되어, 공작물(미도시)을 가공하고 이로 이송하기 위해 이온 소스(1310)가 추출된 이온 빔을 분석기 자석 (1302)에 제공한다. 도시된 바와 같이, 이온 소스(1310)는 진공 이온 소스 챔버(1311) 내에 설치되고, 이온 소스(1310)에 자기장을 생성하기 위해 소스 자석(도시되지 않음)에 의해 둘러싸여 있다.

이온 소스(1310)는 도 3 내지 5, 7 및 8을 참조하여 전술한 이온 소스(210)와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 이온 소스(1310)는 추출 시스템(320)의 하나 이상의 추출 전극에 연결된 하나 이상의 바이어싱 어셈블리(700, 800)를 갖는 추출 시스템(320)을 포함할 수 있다. 이온 소스(1310)는 분석기 자석(1302)의 내부에 설치되지 않기 때문에, (탄성 부재(812)를 포함하는) 바이어싱 어셈블리(700)의 피드스루 어셈블리(704) 및/또는 바이어스 어셈블리(800)의 피드스루 어셈블리(804)는 전술한 분석기 자석(202)의 벽에 장착하는 것과 유사한 방식으로 이온 소스 챔버(1311) 상에 장착될 수 있다. 따라서, 바이어싱 어셈블리(700)의 탄성 전도성 부재(702)는 이온 소스 챔버(1311)에 연결되고, 바이어싱 어셈블리(800)의 전도성 로드(802)는 또한 이온 소스 챔버(1311)에 연결된다.

분석기 자석(1302)은, 이온 소스의 포함을 제외하고는, 분석기 자석(202)과 실질적으로 동일한 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 분석기 자석(1302)은 MRS(212)와 구조, 기능 및 위치면에서 대략 동일한 MRS(1312)를 포함한다. 이온 주입기(300)는 또한, 도 9 내지 12b를 참조하여 전술한 집속 렌즈(214)와 구조, 기능 및 위치 면에서 대략 동일한 집속 렌즈(1314)의 세트(이의 적어도 일부는 제 2 단부(1308)에 인접한 분석기 자석(1302)의 외부에 배치된다)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 이온 주입기(300)는 분석기 자석(1302)의 제 1 단부(1306)에서 분석기 자석(1302)의 외부에 위치된 다른 세트의 하나 이상의 집속 렌즈(1324)를 포함하며, 여기서 제 2 세트의 집속 렌즈(1324)는 집속 렌즈(1314)와 실질적으로 동일한 구조 및 기능을 갖는다. MRS(1312)는 집속 렌즈들의 세트(1314)와 집속 렌즈들의 세트(1324) 사이에 위치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 이온 주입기(300)는 또한 감속 및 에너지 필터(222)와 대략 동일한 구조, 기능 및 위치를 갖는 빔 감속 및 에너지 필터(1322)를 포함한다.

본 발명의 이온 주입기(200, 300)는 여러 장점을 갖는다. 분석기 자석의 내부에 이온 소스 또는 MRS 중 적어도 하나가 위치하기 때문에, 이온 빔 경로 길이는도 1의 이온 주입기(100)와 같은 종래의 이온 주입기와 비교하여 더 짧다. 또한, 분석기 자석(202) 내부에 이온 소스(210)를 갖는 이온 주입기(200)에 있어서는, 이온 주입기(200)의 이온 빔은 분석기 자석(202)에 의해 제공되는 더 높은 자기장으로 인해 이송 동안에 더욱 안정적이다. 따라서, 이온 주입기(200, 300)에 의해 생성된 이온 빔에서의 전류 레벨은 종래의 주입기보다 더 높다(예를 들어, 약 30% 더 높다).

당업자는 본 발명이 본 발명의 정신 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 전술한 실시형태들은 본 명세서에서 설명된 본 발명을 제한하는 것이 아니라 모든 면에서 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 균등 범위 내에 있는 모든 변경은 그에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

가스를 공급하기 위한 가스 소스;
이온화 챔버로서, 이온화 챔버를 통해 연장되는 종축을 규정하고 이온화 챔버의 측부 벽을 따라 출구 구멍을 포함하며, 복수의 이온을 발생시키는 플라즈마를 상기 가스로부터 형성하도록 되어 있는 이온화 챔버; 및
상기 이온화 챔버의 출구 구멍에 위치하고 이온 빔의 형태로 이온화 챔버로부터 복수의 이온을 추출하기 위한 둘 이상의 추출 전극으로서, 상기 추출 전극은, 이온 빔의 전류를 증가시키는 것, 또는 이온화 챔버로부터의 이온 빔의 추출 각도를 제어하는 것 중 적어도 하나를 가능하도록 하기 위해 추출 전극에 복수의 슬릿을 형성하는 개별 로드(rod)의 세트를 포함하며, 상기 개별 로드의 세트에서 각 로드는 상기 이온화 챔버의 종축과 평행한 것인, 둘 이상의 추출 전극
을 포함하고,
상기 이온화 챔버에 가장 가까운 추출 전극에 대한 개별 로드의 세트에서의 각 로드의 단면은, 다른 추출 전극에 대한 개별 로드의 세트에서의 각 로드의 단면에 대해 미리 설정된 각도로 위치하는 것인, 이온 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 추출 전극 중 적어도 하나를 위한 개별 로드들의 세트에서의 각 로드의 일 단부는 고정되고, 개별 로드들의 세트에서의 각 로드의 다른 단부는 슬라이딩 가능한 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 추출 전극 중 적어도 하나는, 이온 소스가 내부에 설치되어 있는 진공 챔버에 연결된 전도성 탄성 부재에 물리적으로 접촉하도록 구성되고, 상기 전도성 탄성 부재는 상기 적어도 하나의 전극의 전압을 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 추출 전극 중 적어도 하나는, 이온 소스가 내부에 설치되어 있는 진공 챔버에 연결된 전도성 로드에 물리적으로 접촉하도록 구성되고, 상기 전도성 로드는 상기 적어도 하나의 전극의 전압을 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 4 항에 있어서,
상기 전도성 로드의 제 1 단부는 상기 적어도 하나의 전극과 물리적으로 접촉하고, 상기 전도성 로드의 제 2 단부는, 상기 전도성 로드를 통해 상기 적어도 하나의 전극에 힘을 가함으로써 상기 적어도 하나의 전극의 위치를 조절하도록 구성된 스프링 어셈블리와 연동되는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 빔은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 곡선 경로를 규정하는 챔버를 포함하는 분석기 자석에 제공되고, 상기 이온 소스는 상기 제 1 단부에 인접하게 상기 분석기 자석의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 6 항에 있어서,
상기 분석기 자석은, 상기 챔버 내에 배치되고 상기 제 2 단부에 인접한 질량 분석 슬릿(mass resolving slit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 7 항에 있어서,
상기 분석기 자석은, 적어도 일부가 상기 챔버의 외부에 배치된 자기 집속 렌즈(magnetic focusing lens)를 포함하고, 상기 자기 집속 렌즈는 상기 이온 빔이 질량 분석 슬릿을 통과한 후에 비-분산 평면에서 이온 빔을 집속(focus), 탈집속(defocus) 또는 위글(wiggle)시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 6 항에 있어서,
상기 분석기 자석의 챔버는 곡선인 중심 빔 축을 규정하고, 상기 곡선인 중심 빔 축에 수직인 챔버의 폭은, 상기 제 1 단부의 폭이 상기 제 2 단부의 폭보다 크게 되도록 상기 곡선인 중심 빔 축을 따라 변하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 9 항에 있어서,
상기 분석기 자석은 상기 제 2 단부에 인접한 자기 집속 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 이온화 챔버는 세장형이고 상기 종축은 이온화 챔버의 긴 길이를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
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