KR20010050893A

KR20010050893A - 데카보란 이온 소스

Info

Publication number: KR20010050893A
Application number: KR1020000058800A
Authority: KR
Inventors: 홀스키토마스네일; 페렐알렉산더스튜어트; 로이지데스윌리암케이즈
Original assignee: 존 씨. 메티유; 이턴 코포레이션
Priority date: 1999-10-11
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2001-06-25
Also published as: SG86444A1; US6958481B2; US20010054699A1; EP1093149A2; EP1093149A3; TW486712B; KR100571015B1; EP1093149B1; JP5062458B2; JP2001135253A; US6288403B1

Abstract

기화기(51), 및 공급 튜브(62)로써 기화기에 접속된 원격 위치된 이온화 장치(53)를 포함하는 이온 주입기용 이온 소스(50)가 제공된다. 기화기는 데카보란 등의 고체 소스 물질을 수용하고 데카보란을 승화(昇華)시키는(기화시키는) 승화기 (昇華器)(52)를 포함한다. 승화기, 및 승화기를 이온화 장치에 접속하는 공급 튜브를 가열하는 가열 메커니즘이 구성되어, 기화된 데카보란에 대하여 적절한 온도를 유지한다.

이온화 장치(53)는 기화된 데카보란을 수용하는 유입구(119)를 구비한 본체 (96), 기화된 데카보란이 에너지 방출 소자(110)에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성하는 이온화 챔버(108), 플라즈마로 형성된 이온 빔을 추출하는 유출구(126)를 포함한다. 기화된 데카보란의 이온화 동안에 이온화 챔버(108)의 벽면(128)의 온도를 낮추어(예로서, 350℃ 이하까지), 기화된 데카보란 분자의 원자 붕소 이온으로의 해리를 방지하는 냉각 메커니즘(100, 104)이 제공된다. 또한, 에너지 방출 소자는 충분히 낮은 전력 레벨에서 동작하여 이온화 챔버(108) 내의 플라즈마 밀도를 최소화해서 플라즈마 자체에 의한, 기화된 데카보란 분자의 추가적인 해리를 방지한다.

Description

데카보란 이온 소스{DECABORANE ION SOURCE}

본 발명의 양수인에게 통상적으로 양도된, 1998년 4월 30일 출원되고, 제목이 "DECABORANE VAPORAZER"인, 미합중국 특허 출원 제09/070,685호는 충분히 기재된 참조로서 여기에 포함된다.

본 발명은 통상적으로 이온 주입 장치용 이온 소스(ion source), 및 더욱 상세하게는 데카보란을 이온화하는 이온 소스에 관한 것이다.

이온 주입은 집적 회로 및 평판 디스플레이(flat panel display) 등의 품목의 대규모 제조에 있어서 실리콘 웨이퍼 또는 유리 기판 등의 작업편(workpiece)에 불순물을 도핑(doping)하는, 표준적으로 인정된 산업 기술이 되었다. 종래의 이온 주입 시스템은, 필요로 하는 도펀트(dopant) 원소를 이온화하여 가속해서 소정 에너지의 이온 빔을 형성하는 이온 소스를 포함한다. 이온 빔은, 작업편에 도펀트 원소로써 이온 주입하도록 작업편의 표면을 향하고 있다. 이온 빔의 활성 이온은 작업편의 표면을 침투하여 작업편 물질의 결정성 격자(格子) 내에 매입(埋入)되어서 필요한 도전성(導電性) 영역을 형성한다. 이온 주입 공정은, 잔류 가스 분자와의 충돌에 의한 이온 빔의 분산(分散)을 방지하고, 또한 공기 중의 미립자에 의한 작업편의 오염 위험을 최소화하는 고진공 처리실에서 통상적으로 실행된다.

이온 주입량(dose) 및 에너지는 이온 주입 단계를 한정하는 데에 사용되는 두 개의 가장 중요한 변수이다. 이온 주입량은 소정의 반도체 물질에 대하여 주입된 이온의 농도에 관련된다. 통상적으로, 높은 주입량의 이온 주입의 경우에 고전류 이온 주입기(일반적으로 10mA 이상인 이온 빔 전류)가 사용되는 반면에, 낮은 주입량의 이온 주입의 경우에는 중간치 전류의 이온 주입기(일반적으로 약 1mA까지 올릴 수 있는 빔 전류)가 사용된다. 이온 에너지는 반도체 소자의 접합(接合) 깊이를 결정하는 데에 사용된다. 이온 빔을 구성하는 이온의 에너지는 주입되는 이온의 깊이 정도를 결정한다. 반도체 소자에서 레트로그레이드 웰(retrograde well)을 형성하는데 사용되는 공정 등, 고 에너지 공정은 수백만 전자 볼트(MeV)까지의 주입을 필요로 하지만, 깊이가 얕은 접합은 불과 1천 전자 볼트(keV)이하의 에너지만이 필요할 수도 있다.

더욱 소형의 반도체 소자에 대한 진행 추세로 인하여 낮은 에너지에서 높은 빔 전류를 전달하는 역할을 하는 이온 소스를 갖춘 이온 주입기가 필요하다. 높은 빔 전류는 필요한 주입량 레벨을 제공하는 반면에, 낮은 에너지 레벨은 얕은 주입을 가능하게 한다. 상보(相補) 산화금속 반도체(CMOS; complementary metal oxide semiconductor)의 소스(source)/드레인(drain) 접합은, 예로서, 이러한 고전류, 저 에너지의 사용을 필요로 한다.

고체로부터 이온화용의 원자를 취득하기 위한 통상적인 이온 소스(10)가 도 1에 나와 있다. 이온 소스는 한 쌍의 기화기(氣化器)(12 및 14) 및 이온화 챔버 (chamber)(16)를 포함한다. 각각의 기화기에는 고체 원소 또는 화합물을 적재하는 도가니(18)가 구성되어 있다. 가열기 코일 리드선(22)은 가열기 코일에 전류를 전도하고, 열전대(熱電對)(24)는 온도 피드백 메커니즘을 구성한다. 공기 냉각 도관(導管)(26)과 수냉 도관(28)이 또한 구성되어 있다.

기화된 소스 물질은, 흑연 노즐 리테이너(retainer)(32)로써 도가니(18)에 고정된 노즐(nozzle)(30), 및 이온화 챔버(16)의 내부로의 기화기의 유입구(34)를 통과한다. 또 다른 방법으로는, 압축 가스가 가스 유입구(36)에 의하여 가스 라인 (38)을 통하여 이온화 챔버 내에 직접 공급될 수도 있다. 어느 경우에도, 가스 상태의/기화된 소스 물질은, 가열되어 열전자를 방출하는 아크 챔버 필라멘트(40)에 의하여 이온화된다.

종래의 이온 소스는, 압축 가스 소스로부터 간접적으로, 또는 기화되는 고체로부터 간접적으로든 어느 하나로 취득되는 이온화 가능 도펀트 가스를 사용한다. 통상적인 소스 원소는 붕소(B), 인(P), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sb), 및 비소 (As)이다. 이러한 소스 원소의 대부분은, 예로서, 3불화붕소(BF₃)와 같이, 거의 전적으로 가스 형태로 구성되는 붕소를 제외하고, 고체 형태 및 가스 형태 모두로 통상적으로 사용된다.

3불화붕소(boron trifluoride)를 이온 주입하는 경우에, 1가(價) 붕소(B+) 이온을 포함하는 플라즈마가 생성된다. 충분히 높은 주입량의 붕소를 생성하고 기판에 이온 주입하는 것은, 빔의 에너지 레벨이 인자(因子; factor)가 아니면, 통상적으로 문제가 되지 않는다. 그러나, 저 에너지의 적용에서는, 붕소 이온 빔은, 이온 빔 내의 동일 종류의 대전(帶電)된 이온이 상호간에 서로 반발하는 경향을 의미하는, "빔 블로우-업(beam blow-up)"으로 알려진 상태 때문에 불리하게 된다. 이러한 상호 반발은 이온 빔이 전송되는 동안 이온 빔의 직경을 확장시켜서, 빔라인의 다수의 개구(開口)에 의해서 빔이 흐려지게 된다. 이 것에 의하여 빔 에너지가 감소됨에 따라서 빔 전송을 심하게 감소시킨다.

각각의 데카보란 분자(B₁₀H₁₄)는, 기화되어 이온화되었을 때, 10개의 붕소 원자를 포함하는 분자 이온을 제공하므로, 데카보란 분자(B₁₀H₁₄)는 붕소 주입용 물질의 우수한 공급 소스인 화합물이다. 분자 데카보란 이온 빔은, 1원자로 된 붕소 이온 빔이 주입할 수 있는 전류 단위 당 붕소 주입량의 10배를 주입할 수 있으므로, 이러한 소스는 얕은 깊이의 접합을 생성하는 데에 사용되는 높은 주입량/저 에너지 주입 공정에 특히 적합하다. 또한, 데카보란 분자는 작업편 표면에서 원래의 빔 에너지의 대략 1/10의 각개의 붕소 원자로 분할하므로, 주입량이 동등한 1원자로 된 붕소 이온 빔의 에너지의 10배의 에너지로 전송된다. 이러한 특징으로 인하여 분자 이온 빔은, 저 에너지 이온 빔 전송에 의해서 통상적으로 발생되는 전송 손실을 제거할 수 있게 된다.

그러나, 지금까지의 데카 보란 이온 소스는 붕소 주입의 제조 적용에 충분한 이온 빔 전류의 발생에서 성공적이 아니었다. 공지된 열 음극 소스는, 음극에서 발생되는 열 및 이에 따른 아크(arc)가 벽면 및 구성 부분을 500℃ 이상으로 가열하여, 데카보란 분자를 보란(borane) 프래그먼트(fragment) 및 원소 붕소로 해리(解離)시키므로, 데카보란 이온화에는 적합하지 않다. 공지된 플라즈마를 근거로 하는 소스는, 플라즈마 자체가 데카보란 분자의 해리, 및 필요 모(母)이온(parent ion)인, B₁₀H_X ⁺의 프래그멘테이션(fragmentation)을 일으킬 수 있으므로, 데카보란 이온화에는 적합하지 않다. 따라서, 공지된 데카보란 이온 소스에서, 소스 챔버 압력은 충분히 낮게 유지되어 국부(局部) 플라즈마의 지속을 방지한다. 지금까지는, 이러한 소스로부터 발생되는 이온 빔 전류는 제조에 적용하기에는 너무 낮다.

따라서, 충분한 데카보란을 정확하고, 또한 제어할 수 있게 이온화하여, 허용 가능한 제조 이온 빔 전류 레벨을 생성하고, 공지된 이온 소스의 결함을 극복할 수 있는, 이온 주입기용 이온 소스를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

도 1은 종래의 이온 주입기용 이온 소스의 사시(斜視), 부분 단면도.

도 2는 본 발명의 원리에 따라서 구성된 이온 주입기용 이온 소스의 제1실시예의 개략 부분 단면도.

도 3은 도 2의 선 3-3에서 본, 이온 소스의 변형 실시예의 접속 튜브의 단면도.

도 4는 도 2의 이온 소스의 이온화 장치부의 부분 단면도.

기화기, 및 공급 튜브로써 기화기에 접속된 원격 위치된 이온화 장치를 포함하는 이온 주입기용 이온 소스가 제공된다. 기화기는 데카보란 등의 고체 소스 물질을 수용하고 데카보란을 승화(昇華)시키는(기화시키는) 승화기(昇華器)를 포함한다. 승화기, 및 승화기를 이온화 장치에 접속하는 공급 튜브를 가열하는 가열 메커니즘이 구성되어, 기화된 데카보란에 대하여 적합한 온도를 유지한다.

이온화 장치는 기화된 데카보란을 수용하는 유입구를 구비한 본체, 기화된 데카보란이 에너지 방출 소자에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성하는 이온화 챔버, 플라즈마로 형성된 이온 빔을 추출하는 유출구를 포함한다. 기화된 데카보란의 이온화 동안에 이온화 챔버의 벽면의 온도를 낮추어(예로서, 350℃ 이하까지), 기화된 데카보란 분자의 원자 붕소 이온으로의 해리를 방지하는 냉각 메커니즘이 제공된다. 또한, 에너지 방출 소자는 충분히 낮은 전력 레벨에서 동작하여 이온화 챔버 내의 플라즈마 밀도를 최소화해서 플라즈마 자체에 의한, 기화된 데카보란 분자의 추가적인 해리를 방지한다.

도면의 도 2 내지 도 4, 및 우선 도 2를 참조하면, 기화기(51)와 이온화 장치(53)를 포함하는, 본 발명에 의해서 구성된 이온 소스(50)가 나와 있다. 기화기 (51)는 비반응성(非反應性)의, 열 전도성 승화기 또는 도가니(52), 가열 매체 저장실(54), 가열 매체 펌프(55), 온도 제어기(56), 및 질량 유량(mass flow) 제어기 (60)를 포함한다. 이온화 장치(53)는 도 3에 더욱 상세하게 나와 있다. 도가니(52)는 이온화 장치(53)로부터 멀리 떨어져서 위치되어 있고, 석영 또는 스테인레스 강으로 구성된 공급 튜브(62)에 의해서 이온화 장치(53)에 접속된다. 개시된 실시예에서, 공급 튜브(62)는 실질적으로 전체 길이를 따라서 외부의 단일 챔버의 환상(環狀) 피복(sheath)(90)으로써 둘러싸여져 있다.

도가니(52)는 소스 물질(68)을 포함하는 캐비티(cavity)(66)를 둘러싸는 용기(64)를 갖추고 있다. 용기는 스테인레스 강, 흑연, 석영 또는 질화붕소 등 비반응성(불활성) 물질로 구성되고 데카보란(B₁₀H₁₄) 등의 충분한 양의 소스 물질을 수용할 수 있는 것이 바람직하다. 본 발명은 더욱 이하에서 데카보란에 관해서만 설명되어 있지만, 본 발명의 원리는, 낮은 융점(融點)(즉, 20℃와 250℃사이의 승화 온도) 및 유의적인 실온(室溫) 증기압(즉, 10^-2Torr과 10³Torr의 사이) 모두를 갖는 것을 특징으로 하는, 3염화인듐(InCl₃) 등 기타의 분자 고체 소스 물질에 대하여 사용될 수도 있다는 것을 간주해야 한다.

데카보란은 저장실(54)에 포함된 가열 매체(70)로써 용기(64)의 벽면을 가열함에 의한 승화 과정을 통하여 기화된다. 와이어 메시(mesh)(71)는 기화되지 않은 데카보란이 도가니(52)를 탈출하는 것을 방지한다. 기술적으로 공지된 바와 같이, 완전히 기화된 데카보란은 공급 튜브(62)를 통하여 도가니(52)로부터 나와서, 증기의 흐름을 제어하는 질량 유량 제어기(60)에 들어감에 따라서, 이온화 장치(53)에 공급되는 기화된 데카보란의 양을 측정한다.

또 다른 방법으로는, 본 발명의 제2실시예에서, 공급 튜브(62)는 모세관 튜브(capillary tube) 형태로 구성되고, 피복(90)은 외부 피복(90B)으로써 둘러싸인 내부 피복(90A)을 포함하는 동축(同軸)의 이중 챔버 피복의 형태로 구성되어 있다(도 3 참조).가열 매체는 내부 피복(90A)(모세관 튜브(62)에 인접해서 위치한)에 펌프로 주입되고 외부 피복(90B)(내부 피복(90A)으로부터 반경 방향으로 외측에 위치한)으로부터 펌프로 인출된다. 본 제2실시예에서, 질량 유량 제어기(60)는, 공급 튜브/이온화 장치 인터페이스에 위치한 가열된 차단 밸브(도면에 나타내지 않음)로 대체되어서, 저장실(54)의 온도를 직접 변경함으로써 질량 유량이 증가되거나 또는 감소된다. 또 다른 방법으로는, 차단 밸브용으로 별개의 가열 소스가 구성될 수도 있다. 모세관 튜브를 둘러싸는 동축 피복의 배열은 모세관 튜브의 내경(內徑)을 둘러싸는 절연 피복을 구성하는 이점이 있으므로, 온도가 더욱 균일하게 된다.

이온화 장치(53)는 도 4에 더욱 상세하게 나와 있다. 이온화 장치(53)는, 바람직한 실시예에서 모두 알루미늄으로 구성된, 통상적으로 원통형의 본체(96), 및 통상적으로 환상의 베이스(base) 또는 장착 플랜지(98)를 포함한다. 알루미늄은 중요한 오염 문제를 일으키지 않는다. 본체(96)는 하기와 같이 물의 냉각을 용이하게 하는 단일체로 된, 가공된 알루미늄으로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 알루미늄은 열 전도성이 양호하다.

알루미늄 본체(96)는 유입구(102)에서 공급되는 유입 냉각 통로(100)와, 유출구(106)를 통하여 본체(96)에서 나가는 유출 냉각 통로(104)에 의해서 냉각된다. 냉각 매체는 물, 또는 높은 열 용량을 갖는 어떤 기타의 적절한 유체일 수도 있다. 유입 및 유출 냉각 통로는 물이 통과해 흘러서 이온화 장치 본체(96)를 냉각시키는 연속적인 통로를 제공한다. 도 4에는 통로의 단편 부분만이 가상적으로 나와 있지만, 어떠한 공지된 구성에서도 통로는 본체의 외부 주변 부근 정도에 연장되어서 본체 전체가 효과적으로 냉각되는 것을 보장한다. 본체(96)를 냉각함으로써, 이온화 장치(53)내의 이온화 챔버(108)는 이온화된 데카보란 분자의 해리를 방지하기에 충분히 낮은 온도(350℃ 이하)로 유지된다.

이온화 장치 본체(96)의 범위 내에, 환상 피복(90)으로 둘러싸이고, 이온화 챔버(108)에서 종료되는 공급 튜브(62)가 연장되어 있다. 이온화 챔버 내에는 열음극(110), 및 반대 음극(anti-cathode) 또는 반사 전극(112)이 있다. 열 음극(110)은 실린더(116)로써 둘러싸이고 엔드캡(endcap)(118)이 씌워진 가열된 필라멘트 (114)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 필라멘트와 엔드캡은 텅스텐으로 제조하고, 실린더는 몰리브덴으로 제조한다. 가열된 필라멘트(114)는 알루미늄 본체(96)를 통과하고 알루미늄 본체(96)와 전기적으로 절연된, 전력 공급 통로(120 및 122)를 통해서 전력이 공급된다. 반사 전극(112)은 또한 반사 전극을 냉각된 이온화 챔버(108)에 물리적으로 결합하는, 열 전도성의 전기 절연 물질(사파이어 등)에 의해서, 본체(96)와 전기적으로 절연되어 있다.

동작에 있어서, 기화된 물질은 공급 튜브(62)를 통하여 이온화 장치 유입 구(119)에서 이온화 챔버 내에 주입된다. 공급 통로(120, 및 122) 양단에 전위차를 인가함으로써 텅스텐 필라멘트(114)에 전기적으로 전력이 공급될 때, 필라멘트는 엔드캡(118)을 향해서 가속하여 충돌하는 전자를 방출한다. 엔드캡(118)이 전자 충격에 의해서 충분히 가열되면, 이어서 이온화 챔버(108) 내에, 기화된 가스 분자에 충돌해서 챔버내에 이온을 생성하는 전자를, 방출한다.

따라서, 저밀도 이온 플라즈마가 생성되고, 이 것으로부터 이온 빔이 소스 개구(126)를 통해서 챔버에서 추출된다. 챔버(108)에서 저밀도 플라즈마는 소스에서 유지되는 비교적 낮은 방전 전력(50mA에서 약 5watts(W))에 의해서 부분적으로 제공된다. 엔드캡(118)은 필라멘트(114)가 저밀도 플라즈마에 접촉하는 것을 차폐함으로써, 필라멘트의 수명을 연장한다. 도 4에 나타낸 간접 가열 방식 음극 장치는 기타의 종래의 소스 장치, 예로서, 프리맨 방식(Freeman-type) 또는 버나스 방식(Bernas-type) 이온 소스에 사용되는 간단한 필라멘트로써 대체될 수도 있다.

데카보란 이온을 생성하기 위하여 이온화 챔버에서 데카보란 분자에 충돌하지 않는, 음극(110)에서 발생된 전자는 반사 전극(112)을 향하여 이동하고, 반사 전극은 이 전자들을 음극을 향해서 역으로 편향시킨다. 반사 전극은 몰리브덴으로 구성하고, 음극과 같이, 이온화 장치 본체(96)로부터 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다. 반사 전극(또는 열 전도성이 큰 전기 절연체를 사용하여 본체(96)에 물리적으로 결합된)에 의해서 아주 적은 데카보란 분자 해리가 발생되는 것이 탐색되면 반사 전극을 물로써 냉각할 수도 있다.

이온화 챔버(108)의 벽면(128)은 국부적인 전기적 접지 전위로 유지되어 있다. 엔드캡(118)을 포함하는 음극(110)은 벽면(118)의 전위의 대략 50 내지 150볼트 이하의 전위로 유지된다. 필라멘트(114)는 엔드캡(118)의 전위의 대략 200볼트와 600볼트 사이 이하의 전압으로 유지된다. 필라멘트(114)와 엔드캡(118)과의 사이의 큰 전위차는 필라멘트로부터 방출된 전자에 큰 에너지를 부여하여 엔드캡 (118)을 충분히 가열해서 이온화 챔버(109) 내에 열 전자를 방출한다. 또 다른 방법으로는, 도 4에 나타낸 음극/반사 전극의 조합 대신에, 안테나 등 RF 여기(勵起)장치(도면에 나타내지 않음)에 전력을 공급하여 챔버(108) 내에서 기화된 데카보란 분자를 이온화하여 플라즈마를 생성하는 RF 신호를 방출할 수도 있다. 이러한 RF 안테나에 관련된 전력은 40W-50W의 수준이다. 챔버(108) 내에 또한 배치된 자기 필터(도면에 나타내지 않음)는 플라즈마를 여과하고, 소스 개구(126) 외부에 위치한 추출기 전극(도면에 나타내자 않음)은 기술적으로 공지된 바와 같이 이온화 챔버로부터 플라즈마를 추출한다. 추가적인 또 다른 방법으로는, 마이크로웨이브 소스로부터 이온화 챔버(108)에 마이크로웨이브 에너지를 전송하여 기화된 데카보란 분자를 이온화하여 플라즈마를 생성할 수도 있다.

본 발명의 이온 소스(50)는, 도가니(52)의 동작 온도, 및 기화된 데카보란이 이온화 장치(53)로 가는, 또한 이온화 장치(53)를 통해서 가는 도중에 통과하는 공급 튜브(62)의 동작 온도를 제어하는 제어 메커니즘을 제공한다. 가열 매체(70)는 저장실(54) 내에서 저항 소자 또는 유사한 가열 소자(80)에 의해서 가열되고 열 교환기에 의해서 냉각된다. 온도 제어 수단은, 열전대(92)를 통해서 저장실(54)로부터의 피드백을 입력 온도로서 취득하고, 이하에서 추가로 설명하는 바와 같이, 저장실의 가열 매체(70)가 적절한 온도로 가열되도록, 가열 소자(80)에 제어 신호를 출력하는 온도 제어기(56)를 포함한다. 기화기(51)와, 이온화 장치(53)의 공급 튜브 모두를 가열하는 동작 온도 제어 메커니즘은, 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 단일 회로로써 구성될 수도 있다. 또 다른 방법으로는, 기화기(51)와 이온화 장치 (53)용의 별개의 온도 제어 회로가 구성될 수도 있다.

가열 매체(70)는 높은 열 용량을 제공하는 광유(鑛油) 또는 기타의 적절한 매체(예로서, 물)를 포함한다. 기름은 가열 소자(80)에 의해서 20℃ 내지 250℃ 범위 내의 온도로 가열되고, 펌프(55)에 의해서 도가니(52) 주위를, 및 피복(90)을 통해서 공급 튜브 주위를 순환한다. 펌프(55)는 유입구 및 유출구(82 및 84)를 각각 구비하고 있으며, 저장실(54)은 유사하게 유입구 및 유출구(86 및 88)를 각각 구비하고 있다. 도가니(52)와 공급 튜브(62)에 대한 가열 매체의 흐름 패턴은, 도 2에서 단일 방향의 시계 방향 패턴으로서 나타나 있지만, 도가니(52)와 공급 튜브 (62)에 대하여 매체의 합당한 순환을 제공하는 패턴이면 어떠한 것이라도 된다.

다시 도 2를 참조하면, 도가니 캐비티(66)는, 도가니(52)로부터 공급 튜브 (62)를 통하여 이온화 챔버(108)로의 기화된(승화된) 데카보란 물질 전송을 용이하게 하도록 가압(加壓)되어 있다. 캐비티(66) 내의 압력이 증가함에 따라서, 물질 전송 속도는 대응해서 증가한다. 이온화 챔버는 거의 진공(약 1millitorr)에서 동작하고, 따라서, 도가니(52)로부터 이온화 챔버(108)까지의, 공급 튜브(62)의 길이 전체를 따라서 압력 구배(勾配)(pressure gradient)가 존재한다. 도가니의 압력은 통상적으로 1torr 단위이다.

도가니(52)를 이온화 챔버(108)로부터 멀리 설치함으로써, 도가니 캐비티 (66) 내의 물질이 열적으로 절연되어서, 이온화 챔버 내의 온도에 영향을 받지 않는 열적으로 안정된 환경을 제공한다. 이와 같이, 데카보란 승화 과정이 발생하는 도가니 캐비티(66)의 온도는 이온화 챔버(108)의 동작 온도에 관계없이 높은 정밀도로(1℃ 이내) 제어될 수 있다. 또한, 가열된 공급 튜브(62)를 통하여 이온화 챔버로의 전송 동안에 기화된 데카보란을 일정 온도로 유지함으로써, 증기의 아무런 응축 또는 열적 분해도 발생하지 않는다.

온도 제어기(56)는 매체 저장실(70)을 가열하는 가열 소자(80)의 동작을 제어함으로써 도가니(52)와 공급 튜브(62)의 온도를 제어한다. 열전대(92)는 저장실 (70)의 온도를 감지하여 온도 제어기(56)에 온도 피드백 신호(93)를 보낸다. 온도 제어기는 공지된 방법으로 이 입력 피드백 신호에 응답하여, 저장실 가열 소자(80)에 제어 신호(94)를 출력한다. 이러한 방법으로, 고체 상태의 데카보란 및 기화된 데카보란이 노출되는, 이온화 챔버의 위치까지의, 모든 표면에 대하여 균일한 온도가 부여된다.

시스템에서의 가열 매체의 순환(펌프(55)를 통하여), 및 가열 매체의 온도(가열 소자(80)를 통하여)를 제어함으로써, 이온 소스(50)는 20℃ 내지 250℃(+/-1℃) 단위의 동작 온도로 제어될 수 있다. 도가니의 압력을 제어하여 도가니의 증기 유량 속도를 제어하는 데에는, 이온화 챔버에 가장 가까운 말단부에 비해서, 도가니에서의 정확한 온도 제어가 더욱 중요하다.

데카보란 분자의 해리를 방지하기 위해서, 본 발명의 소스를 사용하여 플라즈마 밀도가 낮게 유지되므로(10¹⁰/cm³), 종래 크기의 소스 개구(開口)를 사용하면 총 추출된 이온 빔 전류는 낮아진다. 이에 필적할만한 빔 전류 밀도라고 하면, 본 발명의 이온화 장치(53)의 개구(126)는 적절한 이온 빔 전류 출력을 보장하기에 충분히 크게 구성되어 있다. 1㎠(0.22㎝×4.5㎝)의 개구는 작업편에서 1제곱 센티미터 당 약 100마이크로암페어(㎂/㎠)(즉, 1㎂), 및 소스로부터 추출된 빔 전류에 대하여 1㎃/㎠ (즉, 1㎃)까지의(이하의 또는 동등한) 빔 전류 밀도를 허용한다.(작업편에 전달되는 실제의 집속된 빔 전류는 총 추출된 빔 전류의 일부뿐이다.) 어떤 이온 주입기에서는 대략 5㎠의 개구 크기가 가능하고, 이 것은 작업편에 대략 500㎂의 B₁₀H_X ⁺빔 전류를 생성한다. 초저 에너지(ULE; ultra low energy) 주입기에서는 더 큰 개구 크기(13㎠ 까지)도 있을 수 있다.

또한, 도 2의 소스(50)의 실시예를 이온 주입기에 사용하여, 전체 분자(10개의 붕소 원자)가 작업편에 주입된다. 분자는 작업편 표면에서 분할되어 각각의 붕소 원자의 에너지가 10-붕소 집단(B₁₀H₁₄의 경우에)의 에너지의 대략 1/10이 된다. 따라서, 빔은 필요한 붕소 주입 에너지의 10배로 전송되어 상당한 빔 전송 손실없이 매우 얕은 주입을 가능하게 한다. 또한, 소정의 빔 전류에서, 각각의 전류 단위는 작업편에 주입량의 10배를 전송한다. 결과적으로, 단위 주입량 당 전하는 1원자로 된 빔 주입의 전하의 1/10이므로, 소정의 주입량에 대한 작업편 대전 문제는 훨씬 덜 심각하다.

따라서, 이온 주입기용의 개량된 이온 소스의 바람직한 실시예를 설명하였다. 그러나, 상기의 설명을 염두에 두고, 본 설명은 예로서만 한 것이고, 본 발명은 여기에 기재된 특정 실시예에 한정되지 않으며, 또한, 상기의 설명에 대하여, 후속 청구 범위 등으로써 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 각종 재구성, 변형, 및 대체가 실시될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.

승화기, 및 승화기를 이온화 장치에 접속하는 공급 튜브를 가열하는 가열 메커니즘이 구성되어, 기화된 데카보란에 대하여 적절한 온도를 유지한다. 또한, 기화된 데카보란의 이온화 동안에 이온화 챔버(108)의 벽면(128)의 온도를 낮추어(예로서, 350℃ 이하까지), 기화된 데카보란 분자의 원자 붕소 이온으로의 해리를 방지하는 냉각 메커니즘(100, 104)이 제공된다. 그리고, 에너지 방출 소자는 충분히 낮은 전력 레벨에서 동작하여 이온화 챔버(108) 내의 플라즈마 밀도를 최소화해서 플라즈마 자체에 의한, 기화된 데카보란 분자의 추가적인 해리를 방지한다.

Claims

이온 주입기용 이온화 장치(53)에 있어서,

기화된 소스 물질을 수용하는, 유입구(119)를 구비한 본체(96),

기화된 소스 물질이 전자 방출 소자(110)에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성하는 이온화 챔버(108),

상기 플라즈마로 형성된 이온 빔을 추출하는 유출구(126), 및

상기 기화된 물질의 이온화 동안에 상기 이온화 챔버(108)의 벽면(128)의 온도를 낮추는 냉각 메커니즘(100, 104)을 포함하는 이온 주입기용 이온화 장치(53).
제1항에 있어서, 상기 기화된 물질은 기화된 데카보란인 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제2항에 있어서, 상기 본체(96)는 통상적으로 원통상의 형상이고, 알루미늄으로 구성된 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제2항에 있어서, 상기 냉각 메커니즘은 냉각 매체가 통과하여 순환되는 하나 이상의 통로(100, 104)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제2항에 있어서, 상기 냉각 메커니즘은 상기 이온화 챔버(108)의 상기 벽면 (128)을 350℃ 이하로 유지하여, 기화된 데카보란 분자의 해리를 방지하는 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제2항에 있어서, 상기 개구(126)는, 1제곱 센티미터 당 1㎃(㎃/㎠) 이하의 빔 전류 밀도에서 100 내지 500마이크로암페어(㎂) 사이의 집속된 이온 빔 전류를 제공하는 크기로 된 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제2항에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 챔버(108) 내에서 10¹⁰/㎠ 단위의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제2항에 있어서, 상기 전자 방출 소자(110)는, 엔드캡(118)을 향하여 가속되는 제1군의 전자를 방출하는 필라멘트(114)를 포함하고, 엔드캡(118)은 상기 이온화 챔버(108) 내에서 기화된 데카보란에 충돌하여 플라즈마를 생성하는 제2군의 전자를 방출하며, 또한, 상기 이온화 장치는 상기 제2군의 전자의 일부를 상기 전자 방출 소자를 향하여 역으로 반사시키는 반사 전극(112)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제8항에 있어서, 상기 반사 전극(112)은 물로 냉각되는 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
제8항에 있어서, 대략 5와트(W)의 전력 레벨과 대략 50밀리암페어(mA)의 전류 레벨에서 엔드캡(118)과 이온화 챔버 벽면(128)과의 사이의 아크 방전이 실행되는 것을 특징으로 하는 이온화 장치(53).
이온 소스(50)에 있어서,

(1) 소스 물질을 기화시키고, 기화된 소스 물질(68)을 수용하는 캐비티(66)를 구비한 기화기(51)와,

(2) 상기 기화기로부터 멀리 떨어져서 설치된 이온화 장치(53)로서, 기화된 소스 물질을 수용하는 유입구(119)를 구비한 본체(96), 기화된 소스 물질이 전자 방출 소자(110)에 의해서 이온화되어 플라즈마를 생성하는 이온화 챔버(108), 상기 플라즈마로 형성된 이온 빔을 추출하는 유출구(126), 및 상기 기화된 물질의 이온화 동안에 상기 이온화 챔버(108)의 벽면(128)의 온도를 낮추는 냉각 메커니즘 (100, 104)을 포함하는 상기 이온화 장치(53)와,

(3) 상기 기화기(51)를 상기 이온화 챔버(108)에 연결하는 공급 튜브(62), 및

(4) 최소한 상기 기화기(51)의 일부와 상기 공급 튜브(62)를 가열하는 가열 매체(70)를 포함하는 이온 소스(50).
제11항에 있어서, 상기 기화된 물질은 기화된 데카보란인 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 가열 매체(70)의 온도를 제어하는 제어 메커니즘을 또한 포함하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 에너지 방출 소자는 무선 주파수(RF) 여기 장치 (exiter)인 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 에너지 방출 소자는 마이크로웨이브 소스인 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 본체(96)는 통상적으로 원통상의 형상이고, 알루미늄으로 구성된 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 냉각 메커니즘은 냉각 매체가 통과하여 순환되는 하나 이상의 통로(100, 104)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 냉각 메커니즘은 상기 이온화 챔버(108)의 상기 벽면 (128)을 350℃ 이하로 유지하여, 기화된 데카보란 분자의 해리를 방지하는 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 개구(126)는, 1제곱 센티미터 당 1㎃(㎃/㎠) 이하의 빔 전류 밀도에서 100 내지 500마이크로암페어(㎂) 사이의 집속된 이온 빔 전류를 제공하는 크기로 된 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).
제12항에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 챔버(108) 내에서 10¹⁰/㎠ 단위의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 소스(50).