KR102590845B1 - 이온 주입기, 이온 주입기의 이온 빔을 처리하는 방법 및 저 방출 인서트 - Google Patents

이온 주입기, 이온 주입기의 이온 빔을 처리하는 방법 및 저 방출 인서트 Download PDF

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Abstract

이온 주입기, 이온 주입기의 이온 빔을 처리하는 방법 및 저 방출 인서트가 제공된다. 이온 주입기는 빔라인을 포함할 수 있고, 빔라인은 공동을 둘러싸는 내벽을 정의하고, 공동은 이온 빔을 전도하도록 배열된다. 이온 주입기는 또한 내벽 상에 배치된 저 방출 인서트를 포함할 수 있고, 12C 층을 추가로 포함할 수 있으며, 12C 층은 공동을 마주하는 외부 표면을 갖는다.

Description

이온 주입기, 이온 주입기의 이온 빔을 처리하는 방법 및 저 방출 인서트
관련 출원
본 출원은 LOW EMISSION CLADDING AND ION IMPLANTER이라는 제목으로 2019년 1월 18일자로 출원된 미국 정규 특허 출원 번호 16/251,814에 대한 부분 계속 출원이며 우선권을 주장하며, 그 전체가 참고로 본 출원에 통합된다.
기술 분야
본 개시는 전반적으로 이온 주입 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고 에너지 빔라인 이온 주입기에 관한 것이다.
이온 주입은 충격을 통해 기판에 도펀트 또는 불순물을 도입하는 프로세스이다. 이온 주입 시스템은 이온 소스 및 일련의 빔라인 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이온 소스는 이온이 생성되는 챔버를 포함할 수 있다. 이온 소스는 또한 전원 및 챔버 근처에 배치된 추출 전극 어셈블리를 포함할 수 있다. 빔라인 컴포넌트는, 예를 들어, 질량 분석기, 제1 가속 또는 감속 스테이지, 시준기, 및 제2 가속 또는 감속 스테이지를 포함할 수 있다. 광 빔을 조작하기 위한 일련의 광학 렌즈와 매우 유사하게, 빔라인 컴포넌트는 특정 종, 형상, 에너지 및/또는 기타 품질을 갖는 이온 또는 이온 빔을 필터링, 집속 및 조작할 수 있다. 이온 빔은 빔라인 컴포넌트를 통과하고 플래튼(platen) 또는 클램프에 장착된 기판을 향해 지향될 수 있다.
대략 1 MeV 이상의 이온 에너지를 생성할 수 있는 주입 장치는 종종 고 에너지 이온 주입기 또는 고 에너지 이온 주입 시스템으로 지칭된다. 고 에너지 이온 주입기의 일 유형은 이온이 제1 컬럼(column)을 통해 고 에너지로 가속되고 전하 교환을 거쳐 극성을 변경한 다음 제2 컬럼에서 대략 제1 에너지의 2배인 제2 에너지로 가속되는 소위 탠덤 가속 아키텍처(tandem acceleration architecture)를 사용한다. 고 에너지 이온 주입기의 또 다른 유형은 선형 가속기(Linear Accelerator) 또는 LINAC이라고 하며, 튜브로 배열된 일련의 전극이 연속적인 튜브를 따라 점점 더 고 에너지로 이온 빔을 전도하고 가속시키고, 전극은 라디오 주파수에서 RF 전압 신호를 수신한다.
고 에너지 이온이 빔라인 내의 표면에 충돌할 때, 표면으로부터 물질의 스퍼터링이 일어날 수 있을 뿐만 아니라 감마선, x-선 및 중성자를 포함하는 고 에너지 종의 방출이 일어날 수 있다. 주입될 기판에 오염 물질로서 혼입될 수 있는 빔라인으로부터 물질의 스퍼터링을 방지하기 위해, 빔라인은 스퍼터 생성물이 탄소 또는 휘발성 탄소 가스를 포함하는 흑연과 같은 물질로 라이닝(line)될 수 있다. 빔라인으로부터의 과도한 방사선 방출을 방지하기 위해, 클래딩 예컨대, 납 클래딩이 X선 및 감마선을 흡수하기 위해 주입기에 사용될 수 있다. 특히, 이온 에너지가 1 MeV, 특히 3 MeV를 초과할 때, 중성자 방출은 이러한 이온이 흑연 클래딩 또는 라이너에 충돌할 때 극적으로 증가할 수 있다. 이러한 상황은 1 MeV 정도 이상의 이온 에너지를 갖는 이온이 1%를 초과하는 농도로 탄소 물질에서 자연적으로 발견되는 탄소 13 동위 원소(13C)로부터 중성자의 방사성 방출을 유발할 수 있기 때문에 발생한다. 이러한 방사성 프로세스에서 방출되는 중성자를 흡수하기 위해, 매우 두꺼운 클래딩, 이러한 납이 필요할 수 있다. 따라서 3 MeV 이상의 범위에서 작동하기 위한 상업용 이온 주입기를 구축하는 비용은 엄청날 수 있다 (이온 종, 빔 전류, 에너지 및 허용 가능한 중성자 방사선 수준에 따라 다름).
일 실시예에서, 이온 주입기는 빔라인(beamline)을 포함할 수 있고, 상기 빔라인은 공동을 둘러싸는 내벽을 정의하고, 상기 공동은 이온 빔을 전도하도록 배열된, 상기 빔라인; 및 상기 내벽 상에 배치되고, 12C 층을 추가로 포함하는 저 방출 인서트(insert)로서, 상기 12C 층은 상기 공동을 마주하는 외부 표면을 갖는, 상기 저 방출 인서트를 포함한다.
추가 실시예에서, 이온 주입기에서 이온 빔을 처리하기 위한 방법은 이온 주입기의 이온 소스로부터 이온 빔을 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 이온 주입기의 빔라인을 따라 고 이온 에너지로 이온 빔을 가속시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 고 이온 에너지는 상기 빔라인의 다운스트림(downstream) 부분에서 적어도 3 MeV의 에너지를 포함한다. 상기 방법은 또한 다운스트림 부분의 적어도 하나의 영역에서 상기 빔라인의 공동의 내벽 상의 저 방출 인서트를 사용하여 상기 이온 빔을 차단시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 저 방출 인서트는 12C 층을 포함하고, 상기 12C 층은 상기 공동을 마주하는 외부 표면을 갖는다.
추가 실시예에서, 이온 주입기용 저 방출 인서트는 탄소층을 포함하고, 상기 탄소층은 1mm 내지 5mm의 제1 두께를 갖는 동위원소의(isotopically) 혼합 탄소 물질을 포함하는, 상기 탄소층; 및 상기 탄소층 상에 배치되고, 10 ㎛ 내지 5 mm의 제2 두께를 갖는 12C 층을 포함한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 이온 주입기를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 이온 주입기를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3 및 도 4는 저 방출 인서트의 다른 실시예를 제시한다.
도 5는 본 개시의 일부 실시예에 따른 예시적인 프로세스 흐름도를 도시한다.
도면은 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아니다. 도면은 단지 표현일 뿐이며, 본 개시의 특정 파라미터를 묘사하기 위한 것이 아니다. 도면은 본 개시의 예시적인 실시예를 묘사하도록 의도되고, 따라서 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다. 도면에서 유사 번호는 유사 요소를 나타낸다.
본 개시에 따른 장치, 시스템 및 방법은 이제 시스템 및 방법의 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더 완전하게 설명될 것이다. 시스템 및 방법은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 출원에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 대신, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전할 수 있도록 제공되며, 시스템 및 방법의 범위를 당업자에게 완전히 전달할 것이다.
도면에 나타낸 바와 같이 반도체 제조 디바이스의 컴포넌트의 기하학적 구조 및 방위와 관련하여 이러한 컴포넌트 및 구성 부품의 상대적인 배치 및 방위를 설명하기 위해 편의와 명료성을 위해, "상부", "하부", "상단", "하단", "수직", "수평", "측방향" 및 "종방향"과 같은 용어가 사용된다. 용어에는 구체적으로 언급된 단어, 그 파생어 및 유사한 의미의 단어가 포함된다.
본 출원에 사용된, 단수로 인용되고 단어 "a" 또는 "an"으로 진행되는 요소 또는 동작은 복수의 요소 또는 동작도 잠재적으로 포함하는 것으로 이해된다. 또한, 본 개시의 "일 실시예"에 대한 언급은 인용된 특징을 또한 통합하는 추가 실시예의 존재를 배제하는 것으로 해석되는 것을 의도되지 않는다.
빔라인 아키텍처에 기초한 개선된 고 에너지 이온 주입 시스템을 위한 접근 방식이 본 출원에 제공된다. 간결함을 위해, 이온 주입 시스템은 또한 본 출원에서 "이온 주입기"로 지칭될 수 있다. 다양한 실시예는 고 에너지 이온을 생성하는 능력을 제공하기 위한 신규한 구성을 제공하며, 기판에 전달되는 최종 이온 에너지는 1 MeV 이상일 수 있다. 본 개시의 실시예의 일 양태는 공지의 빔라인 아키텍처에 비해 다양한 이점을 제공하는 2개의 상이한 가속 서브 시스템의 신규한 조합이다. 예시적인 실시예에서, DC 가속기 컬럼은 컴팩트한 빔라인 아키텍처에서 고 에너지 이온 빔을 생성하기 위해 신규 선형 가속기와 직렬로 제공된다.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따라 배열된 이온 주입 시스템(100)을 도시한다. 이온 주입 시스템(100)은 이온 소스(104), 및 이온 빔(190)을 생성할 수 있는 추출 어셈블리(108)를 포함할 수 있다. 이온 주입 시스템(100)은 이온 빔(190)을 편향 및 필터링함으로써 질량 분석된 빔을 제공하기 위해, 질량 분석기(120)를 포함하는 공지된 컴포넌트를 더 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이온 주입 시스템은 정전 렌즈(130) 및 탠덤 가속기(tandem accelerator)(140)를 포함할 수 있다. 탠덤 가속기(140)는 이온 빔(190)을 수신하고 가속된 이온 빔(192) 예컨대, 양성자 빔, 인을 함유한(phosphorous) 빔, 붕소 빔 또는 기타 가속 이온 빔을 출력하도록 배열된 공지의 탠덤 가속기일 수 있다. 그렇게 함으로써, 이온 빔(190)의 에너지는 공지된 탠덤 가속기에서와 같이 증가될 수 있다. 이온 주입 시스템은 스캐너(145), 시준기(collimator)(150)(이 컴포넌트는 교정자 자석(corrector magnet)을 포함할 수 있음), 엔드 스테이션(end station)(170), 및 기판 플래튼(substrate platen)(180)을 더 포함할 수 있다.
따라서, 이온 주입 시스템(100)은 1 MeV를 초과하는 예컨대, 적어도 3 MeV, 적어도 5 MeV, 적어도 7 MeV에너지로 이온 빔을 가속시킬 수 수 있다. 공지된 바와 같이, 이온 소스(104)로부터 기판 플래튼(180)까지, 이온 빔(190)을 주변으로부터 격리시키는 하우징에 추가하여, 이온 주입 시스템(100)의 다양한 컴포넌트가 빔라인을 구성하는 것으로 간주될 수 있다. 빔라인은 업스트림 부분(196) 뿐만 아니라 다운스트림 부분(194)을 구성하는 것으로 간주될 수 있으며, 업스트림 부분의 이온 빔(190)의 에너지는 이온 주입 시스템(100)의 작동 동안 1 MeV 미만일 수 있지만 다운스트림 부분의 에너지는 적어도 일부 작동 조건하에서 1 MeV보다 클 수 있다. 달리 말하면, 업스트림 부분(196)의 컴포넌트는 대부분의 또는 모든 작동 조건 하에서 이온 빔(190)을 1 MeV 미만의 에너지로 집합적으로 가속시킬 수 있는 반면, 다운스트림 부분의 컴포넌트와 함께하는 업스트림 부분(196)의 컴포넌트는 적어도 일부 작동 조건 하에서 가속 이온 빔(192)을 1 MeV보다 큰 에너지로 가속시킬 수 있다. 업스트림 부분(196) 및 다운스트림 부분(194)은 당업계에 공지된 이온 빔(190) 및 가속된 이온 빔(192)을 기판 플래튼(180)으로 전도하는 공동 또는 일련의 공동을 정의할 수 있다. 공동 또는 공동들은 일련의 벽에 의해 둘러싸일 수 있으며, 본 출원에서는 집합적으로 빔라인의 내벽으로 지칭된다. 이온 빔(190)이 빔라인 따라 전도될 때, 이온 빔(190)의 에너지는 적어도 탠덤 가속기(140)를 통해 계속 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 탠덤 가속기(140)를 빠져 나가는 가속된 이온 빔(192)은 다운스트림 부분(194)에서 빔라인의 내벽 표면에 충돌할 때, 이온 빔(190)이 업스트림 부분(196)에서 빔라인의 내벽에 충돌할 때보다 더 고 에너지 종을 생성할 수 있다.
당업계에 공지된 바와 같이, 빔라인의 업스트림 부분(196)은 빔라인의 내벽(들) 상의 라이너(liner)(별도로 도시되지 않음) 예컨대, 탄소, 흑연, 탄화규소 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 라이너는 이온 빔(190)의 일부가 내벽에 충돌할 때 주어진 에너지의 이온을 흡수하는 데 유용할 수 있다. 라이너는 이온이 라이너의 물질에 충돌할 때 침식되어 휘발성 탄소 종 또는 휘발성 실리콘 종과 같은 스퍼터링된 산물을 생성할 수 있다. 이러한 종은 빔라인의 다운스트림 부분을 향해 전도되는 경우에도 비교적 무해할 수 있고 기판 플래튼(180)에 도달하지 않는 경향이 있다. 특히, 업스트림 부분(196)의 내벽과 이온 빔(190)의 빔 충돌 동안 생성되는 X선 또는 감마선과 같은 임의의 에너지 방사선은 빔라인을 따라 제공되는 추가 차폐물 예컨대, 납 차폐물에 의해 흡수될 수 있다. 특히, 업스트림 부분(196)에서 탄소, 열분해 흑연, 탄화규소와 같은 인서트(insert) 또는 라이너에 사용되는 탄소 함유 물질은 1% 이상의 13C를 갖는 동위원소의 불순물이 섞인(impure) 탄소로 형성될 수 있다. 이러한 유형의 탄소 인서트는 고 방출 인서트로 간주되는데, 이는 중성자 방출이 0일 수 있는 순수 12C 탄소 인서트와 비교하여 고 에너지 이온의 영향을 받는 경우 중성자 방출이 상대적으로 높기 때문이다. 그러나, 실제로 업스트림 부분(196)의 이온 에너지는 1 MeV 미만과 같은 비교적 낮은 에너지로 유지될 수 있기 때문에, 중성자 방출은 그럼에도 불구하고 고 방출 인서트의 이온 충돌이 발생할 때 매우 낮을 수 있다. 따라서, 빔라인 전체에 걸쳐 저 방출 인서트를 사용하는 것과 비교하여 업스트림 부분(196)에서 저 방출 인서트를 사용할 필요가 없어서 잠재적으로 인서트 비용을 제한한다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 빔라인의 다운스트림 부분(194)은 내벽 상에 배치된 저 방출 인서트(200)을 포함할 수 있다. 저 방출 인서트(200)는 후술하는 바와 같이 특정 물질 및 라미네이트(laminated) 또는 층상화(layered) 구조로 형성될 수 있다. 간단히, 저 방출 인서트(200)는 탄소 함유 물질로 형성될 수 있고, 고 에너지 이온이 탄소와 충돌할 때 생성되는 중성자의 방출을 감소시키거나 제거하도록 적응될 수 있다. 저 방출 인서트(200)는 적어도 가속 이온 빔(192)에 의해 영향을 받는 부분에서 13C가 없는 물질을 제공한다. 이와같이, 저 방출 인서트(200)는 공지된 이온 주입기에 사용되는 공지된 탄소, 흑연 또는 탄화규소 라이너를 대체할 수 있다. 저 방출 인서트(200)가 중성자의 방출을 방지할 수 있기 때문에, 다양한 비제한적인 실시예에서, 이온 주입 시스템(100)은 가속된 이온 빔(192)이 1MeV 내지 8MeV 범위의 이온 에너지에 도달할 수 있는 비교적 고 에너지에서 안전한 방식으로 작동될 수 있다.
다양한 실시예에서, 저 방출 인서트(200)는 비정질 탄소, 다이아몬드형 탄소, 열분해(pyrolytic) 흑연, 탄화규소(SiC), 비정질 SiC, 또는 다른 탄소 함유 물질, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 열분해 흑연 및/또는 비정질 탄화규소는 저 방출 인서트(200)를 위한 물질로 사용하기에 특별히 적합할 수 있는데, 이들 물질의 동위원소의 불순물이 섞인 버전이, 이의 불순물이 섞인 버전은 13C를 포함하는데, 이미 이온 주입기의 인서트로 배치되기 때문이다.
이제 도 2을 참조하여, 다른 시스템이 블록 형태로 도시된다. 시스템(110)은 설명의 명료함을 위해 일부 요소가 도시되지 않은 빔라인 이온 주입기를 나타낼 수 있다. 시스템(110)은 이온 주입 시스템(100)의 컴포넌트와 유사한 컴포넌트를 포함할 수 있으며, 여기서 유사한 컴포넌트는 동일하게 라벨링된다. 이온 소스(104)는 빔라인의 업스트림 부분(128)에서 제1 에너지로 이온 빔(106)을 생성하기 위한 추출 컴포넌트 및 필터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 제1 이온 에너지에 대한 적합한 이온 에너지의 예는 5 keV 내지 100 keV 범위이지만, 실시예는 이러한 맥락에 한정되지 않는다. 고 에너지 이온 빔을 형성하기 위해, 시스템(110)은 이온 빔(106)을 가속하기 위한 다양한 추가 컴포넌트를 포함할 수 있다. 시스템(110)은 도시된 바와 같이 이온 빔(106)의 궤적을 변경함으로써 공지된 장치에서와 같이 이온 빔(106)을 분석하도록 기능하는 질량 분석기(120)를 포함할 수 있다. 시스템(110)은 또한 이온 소스(104)의 다운스트림에 배치된 선형 가속기(114)(점선으로 도시됨)를 포함할 수 있으며, 선형 가속기(114)는 고 에너지 이온 빔을 형성하기 위해 이온 빔(106)을 가속하도록 배열된다. 다양한 실시예에서, 시스템(110)은 필터 자석(116), 스캐너(118), 시준기(150)(이 컴포넌트는 자석을 포함할 수 있음)와 같은 추가 컴포넌트를 포함할 수 있으며, 여기서 스캐너(118) 및 시준기(150)의 전반적인 기능은 잘 알려져 있으며 본 출원에서 더 상세하게 설명하지 않을 것이다. 이와 같이, 고 에너지 이온 빔(115)으로 표현되는 고 에너지 이온 빔이 기판(124)을 처리하기 위해 엔드 스테이션(122)으로 전달될 수 있다.
이온 주입 시스템(100)에서와 같이, 시스템(110)은 1 MeV를 초과하는 이온 에너지 예컨대, 일부 실시예에서 최대 8 MeV 범위의 에너지를 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 시스템(110)은 당업계에 공지된 바와 같이 최종 에너지까지 증분하여 이온 빔(106)을 가속하기 위해 여러 스테이지(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이온 주입 시스템(100)에서와 같이, 시스템(110)은 또한 다운스트림 부분(129)에서 빔라인의 내벽의 적어도 일부에 저 방출 인서트(200)를 포함할 수 있다. 따라서, 저 방출 인서트(200)는 시스템(110)이 상대적으로 높은 에너지에서 작동될 때 중성자의 방출을 방지할 수 있으며, 여기서 고 에너지 이온 빔(115)은 1 MeV 내지 8 MeV 범위의 이온 에너지에 도달할 수 있다.
도 3을 참조하면, 저 방출 인서트(200)의 일 실시예의 단면도가 도시된다. 이 구현에서, 저 방출 인서트(200)는 벽(206)에 인접하게 배치되며, 여기서 벽(206)의 상부 표면은 빔라인의 내벽을 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 저 방출 인서트(200)는 벽(206)에 체결(fasten)될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 저 방출 인서트(200)는 벽(206)에 가역적으로 체결 가능할 수 있다. 저 방출 인서트(200)는 벽(206)의 형상을 취할 수 있고, 일부 실시예에 따라 플레이트(plate)로서 배열될 수 있다.
도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 저 방출 인서트(200)는 12C 층(202)을 포함할 수 있고, 12C 층(202)은 다양한 비제한적인 실시예에서 1 mm 내지 5 mm 범위의 제1 두께를 갖는다. 저 방출 인서트(200)는 12C 층(202) 아래에 배치되고 12C 층(202) 12C 층(202)의 외측을 향해 배치되고 내벽(벽(206)의 표면을 의미함)과 접촉하는 탄소층(204)을 더 포함할 수 있다.
수행될 주입 유형 및 기타 요인에 따라, 탄소층(204)은 12C 층(202)의 제1 두께보다 큰 제2 두께를 가질 수 있다. 전반적으로, 저 방출 인서트(200)의 두께 다양한 비제한적 실시예에서, 1mm 정도 내지 5mm 정도의 범위일 수 있다. 12C 층(202)의 두께는 저 방출 인서트(200)를 함유하는 주입기의 사용에 따라 조정될 수 있다. 저 방출 인서트(200)의 12C 층(202)의 두께를 설정하기 위한 한 가지 고려사항은 이온 빔(210)의 이온의 침투 깊이(penetration depth)이다. 특히, 12C 층(202)은 이온 빔(210)의 이온이 탄소층(204)으로 침투하는 것을 방지하기에 충분한 두께로 배열될 수 있다. 이와 같이, 이온 에너지가 5 MeV를 초과하지 않는 전용 인을 함유하는(phosphorous) 주입 시스템에서의 작동을 위해, 12C 층(202)의 두께는 최대 8 MeV까지 수소를 주입하기 위한 이온 주입 시스템에서 12C 층(202)의 두께보다 얇을 수 있다.
다양한 비제한적인 실시예에서, 12C 층(202)은 동위원소가 순수할 수 있으며, 이는 12C 층(202)이 임의의 13C 층을 함유하지 않거나 13C의 ppm 미만을 함유하는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 12C 층은 순수한 탄소로 형성될 수 있으며, 이는 다른 화학 원소가 존재하지 않음을 의미한다. 이와 같이, 이온 빔(210)이 12C 층(202)에 충돌할 때, 탄소 종은 빔라인(212)으로 스퍼터링될 수 있고, 이 종은 예를 들어, 산화되어 휘발성 탄소 생성물을 형성하는 경우 시스템으로부터 배출될 수 있다. 바람직하게는, 이온 빔(210)의 이온 에너지가 5 MeV 내지 8 MeV의 범위에 있는 경우에도, 12C가 중성자를 생성하기 위한 그러한 고 에너지 종과 반응하지 않기 때문에 중성자가 생성되지 않는다. 참고로, 붕소 이온 빔의 이온 에너지가 약 5 MeV에서 10 MeV로 증가하면 자연적으로 발생하는 탄소(~1% 13C 함유) 샘플에서 중성자 방출이 약 만배(four orders of magnitude) 증가하는 것으로 관찰되었다. 따라서, 이온 빔(210)에 대한 13C 노출을 제거함으로써, 저 방출 인서트(200)는 알려진 탄소 인서트가 위험한 수준의 중성자를 방출할 수 있는 에너지(10 MeV)까지 안전한 작동을 허용할 수 있다.
한편, 도 3의 실시예는 저 방출 인서트(200)에 대한 이중층 구성을 도시하지만, 다른 실시예에서 저 방출 인서트(200)는 단일 층으로 형성될 수 있다. 도 4는 탄소층(204) 없이 12C 층(202)으로 저 방출 인서트(200)가 형성된 실시예를 도시한다. 이 구현예에서, 12C 층(202)의 두께는 이온 빔(210)의 최고 작동 에너지에서 벽(206)으로의 침투를 방지하도록 배열될 수 있다.
다양한 다른 실시예에서, 12C 층(202)은 탄화규소 층(SiC)일 수 있다. 이와 같이, 탄화규소는 13C 없이 동위원소의 순수한 12C를 함유할 수 있다. 이러한 SiC 층은 또한 이온 빔(210)이 탄소층(204)(도 3의 실시예에서) 또는 벽(206)(도 4의 실시예에서)에 충돌하는 것을 방지하기 위한 두께로 배열될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 12C 층(202)은 화학 기상 증착 층일 수 있다. 이들 실시예에서, 12C 층(202)은 탄소층(204)과 같은 주어진 기판 상에 화학 기상 증착(CVD)에 의해 증착될 수 있다. 일부 실시예에서, 12C 층(202)을 형성하기 위해, CVD 프로세스(CVD 작업)이 12C 동위원소만 포함하고 13C는 포함하지 않는 열분해 흑연층을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 화학 기상 증착은 공지된 레시피에 따라 공지된 CVD 반응기(PECVD 포함)를 사용하여 수행될 수 있으며, 여기서 12C 층(202)은 CVD 프로세스의 미세구조 특성을 획득할 수 있다. 하나의 특정 구현에서, 12C 층(202)이 순수한 탄소층인 경우 (SiC 층과 반대되는), 12C 층(202)은 12CH4 전구체 가스로 증착될 수 있다. 특히, 12C 층(202)을 형성하기 위한 소스로서 작용하는 메탄 또는 다른 저분자량 탄화수소 가스와 같은 동위원소의 순수한 12C 함유 전구체는 쉽게 상업적으로 입수 가능하다. 12C 층(202)이 SiC 층인 실시예에서, 12C 층(202)은 SiH4와 12CH4의 조합으로 형성될 수 있다. 실시예는 이러한 맥락으로 한정되지 않는다.
다양한 추가 실시예에서, 12C 층(202)의 두께는 동위원소의 순수한 12C 층이 1mm 이상의 두께를 가질 것을 요구하지 않으면서 주입기의 클래딩으로부터 중성자 방출을 감소시키도록 조정될 수 있다. 12C의 상대적으로 더 얇은 층을 제공하는 이점은 더 얇은 층의 조제를 위한 상대적으로 저렴한 비용 및 시간이다. 일부 실시예에 따르면, 12C 층(202)은 1mm 미만 예컨대, 다양한 비 제한적인 실시예에서 예를 들어 500㎛, 200㎛, 100㎛, 50㎛, 20㎛, 또는 10㎛ 두께로 형성될 수 있다. 12C 층(202)이 1 mm 미만의 두께를 갖는 특정 실시예에서, 12C 층(202)은 도 3에서와 같이 탄소층(204)의 표면 상에 배열될 수 있다. 유리하게는, 탄소층(204)은 고 에너지에서 이온 충격으로부터 빔라인 컴포넌트를 보호하기 위해 1mm 초과와 같이 상대적으로 더 두꺼운 두께로 배열될 수 있는 반면, 12C 층(202)은 직접적으로 이온 빔에 노출되는 비-중성자 방출 표면 층을 제공한다. 이와 같이, 13C를 포함하는 탄소층(204)만을 갖는 공지된 클래딩과 비교하여 중성자 방출의 큰 감소가 달성될 수 있다.
예를 들어, 3MeV의 에너지를 갖는 양성자(수소 이온)의 경우, 공지된 방법에 따라 계산된 범위는 74㎛인 반면, 5 MeV에서 계산된 범위는 180㎛, 8 MeV에서는 400㎛이다. 이러한 계산에 따르면, 동위원소의 불순물이 섞인 탄소 클래딩 상에 배치된 100㎛ 두께의 12C 층은 5MeV에서 양성자의 일부 부분을 흡수할 수 있고, 3MeV에서 양성자의 더 큰 부분을 흡수할 수 있고, 클래딩으로부터(즉, 하지의 불순물이 섞인 탄소층으로부터) 방출된 중성자는 10배 만큼 감소될 수 있다.
또한, B 이온의 경우, 8 MeV의 흑연에서 계산된 범위는 약 7 ㎛, 5 MeV에서는 4.3 ㎛, 3 MeV에서는 3 ㎛이다. 따라서 동위원소의 불순물이 섞인 탄소 클래딩 위에 배치된 10㎛ 두께의 12C 층은 8MeV에서도 붕소 이온의 많은 부분을 흡수하여 클래딩으로부터 (즉, 하지의 불순물이 섞인 탄소층으로부터) 방출된 중성자는 10배 이상 감소할 수 있다.
저 방출 인서트(200)가 이온 주입기의 내부 표면 또는 내벽에 적응하도록 구성된 만곡된 형상을 갖는 실시예에서, 탄소층(204)은 만곡된 기판으로 제공될 수 있는 반면, 12C 층(202)은 탄소층 상에 등각 코팅(conformal coating)을 형성하기 위해 CVD 프로세스에서 탄소층(204) 상에 증착된다.
일부 실시예에서 탄소층(204)은 순수한 탄소(또는 흑연)일 수 있지만, 다른 실시예에서 탄소층(204)은 SiC일 수 있다.
도 5는 본 개시의 일부 실시예에 따른 예시적인 프로세스 흐름(500)을 도시한다. 블록(502)에서, 이온 소스로부터 이온 빔이 생성된다. 이온 소스는 이온 주입기의 빔라인에 위치될 수 있다. 이온 빔은 일부 실시예에서 5keV와 100keV 사이의 제1 에너지에서 추출될 수 있다. 블록(504)에서, 이온 빔은 빔라인을 따라 고 에너지로 가속된다. 고 에너지는 다양한 실시예에서 1 MeV 초과, 3 MeV 초과, 5 MeV 초과, 최대 10 MeV의 범위일 수 있다. 예를 들어, 이온 주입기는 붕소 이온, 수소 이온 또는 인을 함유하는 이온을 가속하도록 배열된 탠덤 가속기일 수 있다. 실시예는 이러한 맥락에 한정되지 않는다. 추가적인 실시예에서, 이온 주입기는 1 MeV 내지 10 MeV 범위의 이온 에너지로 이온을 가속할 수 있는 선형 가속기일 수 있다. 이와 같이, 탠덤 가속기 또는 선형 가속기를 통한 가속 후 이온 빔은 1 MeV 내지 10 MeV 범위에서 고 에너지로 빔라인의 다운스트림 부분에서 출현할 수 있다.
블록(506)에서, 고 이온 에너지에 도달한 이온 빔의 이온은 빔라인의 다운스트림 부분의 내벽에 배치된 저 방출 인서트에 의해 차단된다. 내벽의 저 방출 인서트는 시준기와 같은 컴포넌트 내부를 포함하여 다양한 영역에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서 저 방출 인서트는 흑연, 탄소, 탄화규소와 같은 탄소 함유 물질로 배열될 수 있다. 이와 같이, 이온이 차단될 때, 저 방출 인서트는 다른 종 없이 탄소, 실리콘, 또는 탄소와 실리콘의 휘발성 생성물과 같은 빔라인 스퍼터링된 입자를 방출할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 저 방출 인서트는 10 MeV와 같은 가장 고 에너지에서도 이온 빔을 함유하기에 적절한 두께로 배열될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 탄소 함유 물질은 13C 없이, 순수한 12C로 이루어진 동위원소의 순수한 탄소를 포함할 수 있다. 이와 같이 고 이온 에너지 이온이 저 방출 인서트에서 차단될 때 13C가 존재하지 않고 저 방출 인서트의 12C 물질이 고 에너지 이온과 충돌 시 중성자를 생성할 수 없기 때문에, 중성자가 저 방출 인서트로부터 방출되지 않는다.
전술한 관점에서, 적어도 다음과 같은 이점이 본 출원에 개시된 실시예에 의해 달성된다. 첫 번째 이점으로, 빔라인의 선택 부분을 따라 동위원소의 순수한 12C 함유 인서트를 제공함으로써, 1 MeV 초과의 에너지 범위에서 작동할 수 있는 고 에너지 주입기가 중성자 생성에 민감하지 않도록 구성될 수 있다. 두 번째 이점으로, 고 에너지 주입기는 그렇지 않으면 탄소 함유 라이너에서 중성자 생성이 상당한 ~1 MeV 초과의 고 에너지에서 안전한 작동을 보장하는 데 필요한 두꺼운 중성자 흡수 층이 필요 없이 구성될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 본 출원에서 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이는 본 발명이 기술 분야에서 허용하는 범위에서 광범위하고 명세서도 마찬가지로 읽을 수 있기 때문이다. 그러므로, 위의 설명은 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는 본 출원에 첨부된 청구범위의 범위 및 취지 내에서 다른 수정을 구상할 것이다.

Claims (18)

  1. 이온 주입기에 있어서,
    빔라인(beamline)으로서, 상기 빔라인은 공동(cavity)을 둘러싸는 내벽을 정의하고, 상기 공동은 이온 빔을 전도하도록 배열된, 상기 빔라인; 및
    상기 내벽 상에 배치되고, 12C 층을 추가로 포함하는 제1 인서트(insert)로서, 상기 12C 층은 상기 공동을 마주하는 외부 표면을 갖는, 상기 제1 인서트를 포함하고,
    상기 제1 인서트는 상기 이온 주입기의 제2 부분에 위치되고, 상기 이온 주입기의 제2 부분은 탠덤 가속기(tandem accelerator) 또는 선형 가속기의 적어도 일부 및 상기 탠덤 가속기의 다운스트림 또는 상기 선형 가속기의 다운스트림에 배치된 빔라인 컴포넌트 세트를 포함하고,
    상기 제1 인서트는 상기 빔라인의 제1 부분에 배치되지 않고, 상기 빔라인의 제1 부분은 상기 탠덤 가속기의 업스트림 또는 상기 선형 가속기의 업스트림에 배치된 빔라인의 컴포넌트를 포함하는, 이온 주입기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 인서트는 상기 12C 층 아래에 그리고 상기 12C 층의 외부 측에 배치된 탄소층을 더 포함하고, 상기 탄소층은 상기 내벽과 접촉하여 배치되는, 이온 주입기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 12C 층은 다이아몬드형 탄소, 비정질 탄소 또는 열분해(pyrolytic) 흑연의 형태를 갖는 순수(pure) 탄소를 포함하는, 이온 주입기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 12C 층은 탄화규소(silicon carbide)를 포함하는, 이온 주입기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 12C 층은 화학 기상 증착층(chemical vapor deposition layer)에 의해 형성되고, 상기 이온 주입기의 내부 표면에 일치(conform)하도록 적응된 형상을 갖는, 이온 주입기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 주입기는 상기 빔 라인의 제1 부분이 아닌 상기 빔 라인의 제2 부분에서 적어도 1 MeV의 이온 에너지를 생성하도록 배열되고, 제2 인서트는 상기 빔라인의 제1 부분에 배치되고, 상기 제2 인서트는 동위원소의(isotopically) 혼합 탄소 물질을 포함하는, 이온 주입기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 12C 층은 10 ㎛ 내지 5 mm의 두께를 갖는, 이온 주입기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 12C 층은 1 mm의 두께를 포함하고, 상기 제1 인서트는 상기 12C 층 아래에 그리고 상기 내벽에 접촉하여 배치된 탄소층을 더 포함하고, 상기 탄소층은 1mm 이상의 두께를 갖는, 이온 주입기.
  9. 이온 주입기에서 이온 빔을 처리하는 방법에 있어서,
    상기 이온 주입기의 이온 소스로부터 상기 이온 빔을 추출하는 단계;
    상기 이온 주입기의 빔라인을 따라 고 이온 에너지로 상기 이온 빔을 가속시키는 단계로서, 상기 고 이온 에너지는 상기 빔라인의 제2 부분에서 적어도 1 MeV의 에너지를 포함하는, 상기 가속시키는 단계; 및
    상기 제2 부분의 적어도 하나의 영역에서 상기 빔라인의 공동의 내벽 상의 제1 인서트를 사용하여 상기 이온 빔을 차단시키는 단계(intercepting)로서, 상기 이온 주입기의 제2 부분은 탠덤 가속기(tandem accelerator) 또는 선형 가속기의 적어도 일부 및 상기 탠덤 가속기의 다운스트림 또는 상기 선형 가속기의 다운스트림에 배치된 빔라인 컴포넌트 세트를 포함하는, 상기 차단시키는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 인서트는 상기 빔라인의 제1 부분에 배치되지 않고, 상기 빔라인의 제1 부분은 상기 탠덤 가속기의 업스트림 또는 상기 선형 가속기의 업스트림에 배치된 빔라인의 컴포넌트를 포함하고,
    상기 제1 인서트는 12C 층을 포함하고, 상기 12C 층은 상기 공동을 마주하는 외부 표면을 갖는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 인서트는 상기 12C 층 아래에 그리고 상기 12C 층의 외부 측에 배치된 탄소층을 더 포함하고, 상기 탄소층은 상기 내벽과 접촉하여 배치되는, 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 12C 층은 순수 탄소(pure carbon) 또는 탄화규소를 포함하는, 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 12C 층은 화학 기상 증착(CVD) 동작을 수행하여 형성되는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 CVD 동작을 수행하는 단계는,
    탄소층을 제공하는 단계로서, 상기 탄소층은 동위원소의 불순물이 섞인(impure) 탄소를 포함하는, 상기 제공하는 단계; 및
    상기 탄소층 위에 12C층을 증착하기 위해 CVD 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 고 이온 에너지 범위는 최대 8 MeV까지 이르는, 방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 이온 주입기는 상기 빔라인의 제1 부분이 아닌 상기 빔라인의 제2 부분에서 상기 고 이온 에너지를 생성하도록 배열되고, 제2 인서트가 상기 빔라인의 제1 부분에 배치되고, 상기 제2 인서트는 동위원소의 혼합 탄소 물질을 포함하는, 방법.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 12C 층은 10㎛ 내지 5mm의 두께를 갖고, 상기 탄소층은 1mm 이상의 두께를 갖는, 방법.
  17. 이온 주입기용 제1 인서트에 있어서,
    1mm 내지 5mm의 제1 두께를 갖는 동위원소의 혼합 탄소 물질을 포함하는 탄소층; 및
    상기 탄소층 위에 배치된 12C 층으로서, 상기 12C 층은 20 ㎛ 내지 5 mm의 제2 두께를 갖는, 상기 12C 층을 포함하고,
    상기 제1 인서트는 상기 이온 주입기의 제2 부분에 위치되고, 상기 이온 주입기의 제2 부분은 탠덤 가속기(tandem accelerator) 또는 선형 가속기의 적어도 일부 및 상기 탠덤 가속기의 다운스트림 또는 상기 선형 가속기의 다운스트림에 배치된 빔라인 컴포넌트 세트를 포함하고,
    상기 제1 인서트는 상기 빔라인의 제1 부분에 배치되지 않고, 상기 빔라인의 제1 부분은 상기 탠덤 가속기의 업스트림 또는 상기 선형 가속기의 업스트림에 배치된 빔라인의 컴포넌트를 포함하는, 제1 인서트.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 12C 층은 순수 탄소 또는 탄화규소를 포함하는, 제1 인서트.
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