KR20060135908A - 스캔된 이온 빔의 정밀 평행 정렬 및 정확한 시준을 위한미세 제어 콜리메이터 및 방법 - Google Patents

Abstract

작업편을 정확하게 평행인 스캔된 이온 빔으로 주입하기 위한 시스템에서, 미세 제어 콜리메이터 구성이 열거된 평행도의 축으로부터 스캔된 이온 빔의 편차를 감소시키는 데 이용되고 그에 의하여 그의 시준을 향상시킨다. 미세 제어 콜리메이터의 형상은 빔의 리본 형상과 대등하고 두 개의 직각 방향으로의 평행도의 보정이 가능하다. 비평행도의 측정은 스캔된 빔을 두 개의 평면에서 샘플링하고 타이밍 정보를 비교함으로써 이루어질 수 있고, 이러한 측정은 이온 주입이 일어나는 평면 내의 작업편의 배향으로 조정된다. 도핑 프로파일 내의 불균일성의 측정이 동일한 수단을 이용하여 이루어지고, 스캔 파형은 도핑 프로파일 내의 임의의 불균일성을 사실상 제거하도록 조정된다.

리본 빔, 이온주입, 정렬, 시준, 스캔, 콜리메이터, 평행도

Description

스캔된 이온 빔의 정밀 평행 정렬 및 정확한 시준을 위한 미세 제어 콜리메이터 및 방법 {METHOD AND FINE-CONTROL COLLIMATOR FOR ACCURATE COLLIMATION AND PRECISE PARALLEL ALIGNMENT OF SCANNED ION BEAMS}

우선권 주장

본 발명은 "스캔된 빔의 정밀 시준 및 정렬을 위한 다중극 렌즈 및 방법"이라는 제목으로 2003년 10월 15일자로 출원된 미국 가출원 제60/511,417호로 먼저 제시되었다.

본 발명은 일반적으로 평행한 리본형의 대전된 입자 빔의 제조와, 작업편을 이온으로 처리하는데 이용되는 스캔된 리본형 이온 빔의 평행성의 증진과, 상세하게는 반도체 웨이퍼 또는 다른 기판이 직각 방향으로 보다 높은 주파수로 인가되는 스캔된 이온 빔을 통하여 한 방향으로 기계적으로 통과되는 단일 웨이퍼 하이브리드 스캔 이온 주입 시스템에 관한 것이다.

의도된 응용예

트랜지스터 제조를 위한 반도체의 이온 주입의 분야에서, 전형적으로 2×10¹¹ 내지 1×10¹⁴ 이온/㎠의 일 회분 이온을 이용하는 (종종 '중 전류 주입(medium current implant)'으로 간주되는)"파라메트릭(parametric)"으로 알려진 일종의 주입법이 있다. 이러한 주입법들은, 예를 들어 트랜지스터의 문턱 전압을 제어하기 위해서, 다양한 카운터-도핑(counter-doping) 목적을 위해서, 또는 도핑의 변화를 정밀하게 제어하기 위해서, 트랜지스터 파라미터들의 제어에서 미세한 조정을 행하기 위하여 일반적으로 사용된다.

용어 '파라메트릭(parametric)'은 트랜지스터의 작동 파라미터들을 제어하는 이러한 주입들의 역할을 기술하고, 이에 비하여 용어 '중 전류(medium current)'는 공간-전하력이 주입기 시스템의 이온 광학의 특성을 이루는 힘을 조절하는 전류 레벨의 통상 아래인 상대적으로 낮은 분량의 빔 전류를 이용하여 이러한 주입들이 높은 상업적 처리량으로 행해 질 수 있다는 사실을 반영한다. 중 전류 주입은 스캔된 이온 빔으로 통상 수행된다. 스캐닝 기술은 주입의 균일성을 제어하는 편리한 수단을 제공한다.

이온이 실리콘 기판 상에 부딪치는 입사각은, 다음을 포함한 많은 이유들로 매우 중요하다.

a) 만약 주입된 이온들이 결정 축들 또는 면들과 정렬하게 되면, 주입된 이온들은 기판의 표면을 보다 깊숙이 침투하게 되는 '채널링(channeling)'으로 알려진 현상이 존재한다. 이는, 원자의 더 깊은 평면들이 상부 층 아래에 거의 완벽한 정렬로 놓여 있음에 따라 부딪치는 기판 원자들의 제1 평면에서 핵산란(nuclear scattering event)을 개시하지 못한 이온들의 비율(fraction)이 다수의 원자의 다음 평면들을 또한 놓치고 또한 이온이 기판 내의 원자의 정렬된 평면들 사이의 채 널 아래로 안내되는 것이 상당히 가능하기 때문에, 발생한다. 또한, 어떤 환경에서, 입사 빔 마다 초기화된 핵산란 개수는 1도보다 훨씬 작은 입사각의 변화에 응하여 30% 보다 더 많이 변할 수 있다.

b) 트랜지스터의 크기는 계속해서 항상 작게 된다. http://public.itrs.net의 International Sematech에 의해 출간된 "The International Technology Roadmap for Semiconductors"는 트랜지스터의 임계 크기가 계속해서 축소될 비율을 예측하고 있다. 이러한 크기 축소의 결과로서, 포토리소그래피 마스크의 개구들의 종횡비는 더 커진다. 또한, 모든 주입들의 증가하는 부분이 웨이퍼 표면의 법선에 대해 0도인 이온 빔으로 수행되어, 마스크 내의 개구들의 벽에 의해 도핑될 영역의 면적의 불량하게 제어된 차폐를 방지한다. 따라서, 입사 빔 각도의 변화는, 트랜지스터 크기의 항상 축소되는 치수에 의해 의미 및 크기가 증가되는 공정 파라미터에서 차폐 및 도펀트 배치에 의한 많은 바람직하지 않은 변이를 야기한다.

c) 매설 도펀트로서 기판 상의 다른 특징부 아래에 (개구를 통하여) 이온을 주입하기 위하여, 어떤 공정들은 기판에 대한 이온의 입사 각도를 변화시키는 주입 장비의 성능을 이용한다. 그러나 입사각의 작은 변동은 매설 도펀트의 정렬에 현저한 변동을 야기할 수 있다.

따라서, 이러한 이유들(그리고 많은 다른 이유들)로, 오늘날, 약 0.1도 보다 더 양호한 정밀도로 이러한 입사각을 제어하는 것뿐만 아니라, 웨이퍼에 따라 특히 동일 웨이퍼상의 다른 위치들 사이에서 입사 이온 각의 변동을 가능한 한 많이 제거하는 것이 매우 중요하다.

이온 주입기의 전류 발생에서, 웨이퍼에 도달하기 이전에, 이온 빔은 전형적으로 초점이 빔 스캐닝 디바이스(beam scanning device)의 중심과 일치하는 초점 렌즈 또는 유사한 디바이스(보통, 쌍극자 자석)를 통과하고, 그에 의해서 빔 궤적을 근사적으로 평행하게 만든다는 것을 알게 될 것이다. 많은 이러한 디바이스들은 종래에 공지되어 있고, 이들은 일반적으로 그리고 총괄적으로 본 명세서에서 "조동 콜리메이터(Coarse Collimator)"라 한다.

직렬 주입 시스템

종래에 공지된 직렬 주입 시스템에서, 웨이퍼(또는 다른 기판)는 스캔된 리본 빔(ribbon beam)을 통하여 일정한 속도로 복수 회 기계적으로 통과된다. 각각의 통과 시, 웨이퍼 각각의 모서리가 리본 빔의 전부를 사실상 통과할 때까지 일정한 속도가 유지된다. 그 다음으로, 웨이퍼 속도는 0(완전 정지)까지 급속히 감속되고 그 다음 리본 빔을 통하여 웨이퍼가 또 한 번 완전히 통과하기 위하여 반대 방향으로 일정한 속도까지 가속된다. 이러한 방식으로, 원하는 전체 분량의 이온이 웨이퍼의 재료 내에 주입될 때까지, 웨이퍼는 빔을 복수 회 반복적으로 통과하게 된다.

그러한 직렬 주입 시스템 내에, 주입 각의 변동은 항상 더 엄격한 제어를 필요로 하는 가변적인 공정 파라미터를 남기고, 그에 따라서 임의 주입 장치 및 시스템은 웨이퍼 표면에 관하여 빔의 평균 각도 및 방향을 조정하는 임의 모드를 사용하는 디바이스를 병합한다. 그러나 이러한 노력은 평균 빔 방향에 적용되는 단일 조정이 되는 경향이 있고, 이러한 시스템 내의 스캔된 빔의 자취를 가로지르는 빔 방향으로 실질적인 잔류하는 개개의 궤적 변이가 여전히 남는다. 또한, 조정은 전형적으로 시스템의 평균화된 변동을 빔 설정 조건에서 하루하루의 무작위 변화와 결합한다. 이러한 현저하게 다르고 유사하지 않은 환경의 관점에서, 웨이퍼에 대한 주입 영역의 전체 폭에 걸친 이러한 변동을 측정하고 보상하는 것이 바람직할 것이다.

종래에 이용된 도구

기판 재료를 이온 빔으로 처리하는 분야에서, 이온 빔을 스캐닝하고 그 다음 빔을 보다 평행하게 만드는 보정 디바이스를 통해 스캔된 빔을 통과시키기 위한 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 예를 들면, 평행-스캐닝 이온 빔을 위한 기술들을 설명하는 미국 특허 제4,276,477호, 제4,745,281호, 제4,922,106호 및 제5,091,655호, 그리고 빔을 스캔하는데 이용되는 파형의 형상을 변형함으로써 주입의 균일성을 제어하기 위한 기술을 설명하는 미국 특허 제4,980,562호를 참조하라. 미국 특허 제4,276,477호, 제4,745,281호, 제4,922,106호, 제4,980,562호 및 제5,091,655호의 전부가 개별적으로 본 명세서에 참조 문헌으로 명백히 포함된다.

또한, 이러한 빔들의 균일성을 제어할 뿐만 아니라 크고 근사적으로 평행인 이온 빔을 형성하기 위한 기술들이 개발되어 왔다. 이러한 기술들은 화이트(White) 등의 [1998년 AIP conference proceedings의 475권 830 페이지의 Applications of Accelerators in Research and Industry에서, "24 인치 크기까지 평행 리본 이온 빔의 균일성 제어(The Control of Uniformity in Parallel Ribbon up to 24 inches in Size)"]에 의해서 요약된다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, '균일성 제어(controlling the uniformity)'라는 표현은 빔의 장폭 방향(x 축)을 따라 대전된 입자들의 전류 밀도가 원하는 프로파일(profile)을 소유하고 프로파일 내에 존재하게 되는 것을 의미한다. 밀도 프로파일 그 자체는 균일(일관되거나 균질)할 수 있거나, 또는 선택된 패턴 또는 소정의 방식(좌우 선형 램프(left-to-right linear ramp)와 같은)으로 달라질 수 있다.

이와 달리, "평행도 제어(controlling the parallelism)"는 전체로서 이온 빔을 구성하는 대전된 입자들 개개의 궤적들이, 그들이 이동할 때, 공통의 방향각을 갖고 그들 사이에 사실상 유사한 공간적 거리를 유지한다는 것을 의미한다. 따라서, 이온 빔에 대한 '균일성(uniformity)'의 파라미터는 이동하는 이온 빔에 대한 '평행도(parallelism)'의 파라미터와 유사하거나, 또는 기능적 또는 한정적으로 동등한 것으로 혼동, 오해 또는 잘못 해석되지 말아야 한다.

더욱이, 하나의 주입 시스템이 이동하는 이온 빔의 두 개의 파라미터, 즉 균일성 및 평행도를 동시에 제어하는 시도는 드물지 않은 일이다. 예를 들면, 미국 특허 제5,350,926호에 의해 개시된 이온 주입 시스템은 빔의 이온 궤적을 분석, 형상화 그리고 보다 평행하게 만들기 위한 자석의 사용을 교시하고, 그와 동시에, 그러나 별개로, 빔 내 이온의 대전 입자 균일성(전류 밀도)을 제어하기 위한 특별한 (일체 또는 별개의) 다중극 소자(multipole element)의 이용을 나타낸다.

또 다른 종래의 공지된 접근법인 알고리즘의 사용은 그것이 진실로 무엇인지에 대하여 정확히 인식되고 이해되어야 한다. 보다 큰 이온 빔 균일성을 달성하도록 (Diamond Semiconductor Group Inc.의 알고리즘들에 의해 예시되는 바처럼) 다중극을 조정하기 위한 알고리즘이 개발되어 왔고, 이러한 알고리즘들은 상업적으로 제조된 다양한 이온 주입 제품들에서 사용되어 왔다. Mitsui Engineering and Shipbuilding에 의해 판매되는 하나의 시판용 버젼(version)에는, 요크(yoke)상에 장착되는 직사각형 배열의 철 극 편(iron pole piece)들로 형성되고 중심의 직사각형 조리개(aperture)를 경유하여 연속적인 이온 빔을 둘러싸는, 분리된 다중극 구조가 존재한다. 각각의 극 편은 그의 주변에 권취되는 분리된 와이어 코일(wire coil)을 갖는다. 에너지가 공급될 때, (연속적인 이온 빔이 통과하는) 중심의 직사각형 조리개 내에 얻어지는 자기장은 공간적으로 변하는 쌍극자 장을 포함하고 그것을 통하여 통과하는 대전 입자들에 대한 궤적의 국소적 편향을 일으킨다. 그 다음으로, 시스템 내의 더 하류의 처리 단계(원자 평면)에서, 이러한 궤적의 편향은 전류 밀도 내에서 잘 인식되는 특징적인 변동을 만드는 데, 이동하는 이온 빔의 하나의 구역 또는 영역은 전류 밀도(즉, 균일성)의 감소를 나타내는 반면, 빔의 이웃하는 구역 또는 영역은 역효과 즉, 전류 밀도의 증가를 나타낸다. 예를 들면, 미국 특허 제5,834,786호 및 위에서 인용된 화이트 등의 공개 문헌에 의해 설명된 시스템들을 참조할 것.

스캔되지 않은(즉, 연속적인) 리본 빔을 위한 방법 및 장치를 이용하는 전술된 적용예에 있어서, 대전된 입자들의 보다 양호한 균일성을 달성하기 위하여, 이 온 빔의 평행도는 (약 +/- 0.5도 만큼) 계획적으로 떨어지게 된다. 이를 바꾸어, 균일한 전류 밀도를 희생하여 매우 높은 정도의 평행도를 달성하는 것이 이론적으로 가능하지만, 일반적으로 빔 평행도 및 전류 균일성의 개개의 파라미터는 동시에 최적화될 수 없다. 이는, 입자 궤적 평행도의 높은 정도 및 전류 밀도의 탁월한 균일성 모두를 필요로 하는 많은 이온 주입 응용예에 대한 현저한 단점 및 장애가 된다.

일반적으로 이용되는 과학 및 특허 문헌이, 평행도 및 균일성 사이에 만들어져야만 하는 트레이드오프(tradeoff)의 조정뿐만 아니라 평행도 및 균일성 사이의 현저한 차이와 관련된 풍부한 정보를, 둘 중 하나에 대한 다른 하나의 파라미터를 위하여, 제공한다는 것은 인식될 것이다. 각각이 본 명세서에 참조로 명백히 포함되는 다음의 공개 문헌은 단순히 예시되고 표시된다. 즉, 바리언(Barrian) 등의 미국 특허 제4,922,106호 및 제4,980,562호, 엔지(Enge)의 미국 특허 제4,276,477호 및 제4,745,281, 화이트의 미국 특허 제5,125,575호, 화이트 등의 미국 특허 제5,350,926호, 화이트 등의 미국 특허 제5,834,786호, 이와사와(Iwasawa)의 미국 특허 제6,313,474호, 아오끼(Aoki)의 미국 특허 제6,160,262호, 그리고 이소베(Isobe)의 미국 특허 제5,180,918호이다.

이러한 이유들로, 평행도 및 균일성의 파라미터들이 스캔된 이온 빔에 대하여 동시에 최적화 되도록 하는 새로운 개발이 이루어진다면, 오랫동안 인식되어온 문제점을 해결하는 것으로 여겨질 것이고, 오늘날 이 기술 분야에서 작업하는 기술자들에게 많은 이익이 되는 것으로 여겨질 것이다. 더욱이, 또한 이러한 새로운 개발이 스캔된 이온 빔의 평행도가 이온 빔의 전류 균일성으로부터 개별 독립적으로 제어될 수 있도록 하는 두 개의 완전히 독립된 제어를 제공할 수 있다면, 이러한 향상은 일반적으로 이온 주입 디바이스 및 시스템의 이용자들에게 예기치 않은 진보로 인정될 것이고 독특한 이익 및 장점으로 인정될 것이다.

본 발명은 복수의 태양 및 구성을 갖는다. 제1 태양은, 이온 빔으로서 대전된 입자의 발생을 위한 소스와, 스캔된 리본 빔을 생성하도록 변하는 각도를 통하여 이온 빔을 편향시키는 스캐너와, 스캔된 빔을 통하여 이동되는 작업편으로 스캔된 이온 빔 내의 대전된 입자를 주입하기 위한 평면 표면을 포함하는 이온 주입 장치에서, 스캔된 빔의 정확한 시준 및 정열을 위한 미세 제어 콜리메이터이며,

각각이 (1) 강자성 재료를 포함하고 고정된 길이 및 둘레를 갖는 선형 지지 바와 (2) 상기 지지 바 상의 미리 선택된 위치에 인접하게 배치되고 독립적으로 권취되고, 각각이 전기 전도성 와이어로 형성되고 상기 지지 바에 직각으로 놓이게 권취된 적어도 두 개의 코일 편향기와 (3) 상기 지지 바의 각 단부에 개별적으로 배치되고 독립적으로 권취된 적어도 한 쌍의 조향 코일을 포함하고, 스캔된 리본 빔의 폭을 대칭적으로 감싸는 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열과;

상기 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열의 상기 지지 바 각각의 인접하게 배치된 코일 편향기의 각각을 통하여 가변 전류의 전기 에너지를 독립적이고 동시에 통과시켜, 그에 의해 (a) 인접하게 배치된 코일 편향기의 각각에 에너지가 공급되고 (b) 에너지가 공급된 코일 편향기의 각각이, 유도 선들이 편향기 코일과 교차하는 구배를 갖고 지지 바 사이의 공간의 나머지에서 사실상 일정하며 상기 선형 지지 바들 사이의 직각으로 연장되는 자기장을 일으키는 선형 지지 바의 장축과 정렬된 제한된 폭의 자기 포텐셜 구배를 독립적으로 생성하고 (c) 제한된 폭의 상기 자기장 포텐셜 구배의 다수가 상기 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열 사이에서 직각으로 연장되는 인접한 자기장을 형성하고 (d) 상기 인접한 자기장 내의 조정 가능한 국부 자기 포텐셜 구배의 각각이 상기 지지 바의 선형 길이에 걸쳐 연장된 미리 선택된 자기장 구배 프로파일을 산출하도록 의도에 따라 개별적으로 그리고 동시에 변경될 수 있는, 제1 온-디맨드(on-demand) 제어부와;

상기 지지 바 각각의 단부에 위치된 상기 조향 코일의 각각을 통하여 독립적으로 그리고 동시에 가변 전류의 전기 에너지를 통과시키며, 그에 의하여 상기 조향 코일에 에너지가 공급되어 지지 바 사이의 직각으로 연장되는 자기장과 각 조향 코일의 길이를 따른 조절 가능한 국부 자기 포텐셜 구배를 생성시키는, 제2 온-디맨드 제어부와;

인접한 자기장 및 미리 선택된 자기장 구배 프로파일을 그를 통하여 이동하는 스캔된 이온 빔으로 인가하기 위하여 상기 다중편향기 시퀀스 배열에 의해 제한된 공간 채널을 포함하고, 스캔된 이온 빔의 평행도가 미세하게 제어되고 보다 정밀하게 된다.

본 발명의 제2 태양은, 이온 소스와, 분석기 자석과, 평면 내의 빔을 스캐닝하는 빔 스캐너와, 스캔된 빔을 근사적으로 평행한 스캔된 리본 빔으로 변환하기 위한 조동 시준 디바이스와, 빔이 스캔되는 방향에 일반적으로 직각인 방향으로 스캔된 리본 빔을 통하여 작업편을 통과시키고 사실상 균일한 일 회분 이온을 상기 평면에 유지된 작업편으로 주입하기 위한 평면 기구를 포함하는 하이브리드 스캔 이온 주입 시스템에서 이온 빔 시준을 향상시키는 방법이며,

작업편이 일 회분 이온으로 주입되는 평면에 대해 알려진 방향으로 평행도의 기준 축을 한정하는 단계와;

빔이 스캔되는 평면 내의 상기 기준 축에 대한 빔 중심의 방향으로 오차를 측정하는 단계와;

자기장의 제어 가능한 영역 및 조정 가능한 자기장 구배 프로파일을 빔이 스캔되는 평면에 사실상 직각인 방향으로 생성시키는 단계와;

빔 중심 방향의 상기 오차 측정에 응하여 자기장 구배 프로파일을 조정하는 단계와;

빔 중심의 방향으로의 상기 오차가 작업편이 주입될 평면에 대해 사실상 제거되도록 빔의 폭을 가로질러 상지 조정된 자기장 구배 프로파일을 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제3 태양은, 이온 소스와, 분석기 자석과, 평면 내에서 빔을 스캔하기 위하여 파형이 인가되는 빔 스캐너와, 스캔된 빔을 근사적으로 평행한 스캔된 리본 빔으로 변환하기 위한 조동 시준 디바이스와, 빔이 스캔되는 방향에 대체로 직각인 방향 내의 스캔된 리본 빔을 통하여 작업편을 통과시키고 사실상 균일한 투여 분량의 이온을 그 평면에서 유지된 작업편으로 주입하기 위한 평면 기구를 포함하는 하이브리드 스캔(hybrid-scan) 이온 주입 시스템 내에서 스캔된 빔의 시준 및 균일성을 모두 동시에 향상시키는 방법이며, 상기 향상된 시준 및 균일성 방법은 위에서 개설된 단계들에 더하여,

작업편이 주입될 평면에 대하여 빔 중심의 방향으로의 오차가 사실상 제거되도록 빔의 폭을 가로질러 상기 조정된 자기장 구배 프로파일을 인가한 후에, 스캔된 빔의 폭을 가로질러 단위 길이당 평균 투여 분량 비율을 측정하는 단계와;

미리 한정된 원하는 투여 분량 프로파일에 대하여 투여 분량 비율의 오차가 사실상 감소되도록 측정된 투여 분량 비율에 응하여 빔 스캐너에 인가되는 파형을 변형시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명은, 다음의 첨부 도면과 함께 고려될 때 더 잘 인식되고 보다 용이하게 이해된다.

도A는 연속적인 리본 빔의 균일성을 제어하는데 이용되는 종래의 데카르트(Cartesian) 다중극 렌즈를 도시하는 도면이다.

도B는 극이 가동 강자성 봉을 포함하는 종래의 콜리메이터 자석을 나타내는 단면도이다.

도1A 및 도1B는 본 발명에 따른 대전된 입자 빔의 평행도 보정에 적합한 미세 제어 콜리메이터/조향기 구성의 사시도 및 빔 방향에서 바라본 횡단면도이다.

도2는 와이어 편향기의 개개의 쌍을 여기시킴으로써 야기되는 자기장 프로파일을 나타내는 도면이다.

도3은 개별 쌍의 와이어 편향기를 여기시킴으로써 야기되는 자기장 구배를 도시하는 도면이다.

도4는 y 축 조향 제어를 허용하도록 도1의 코일 편향기를 연결하는 방법을 도시하는 도면이다.

도5는 본 발명의 미세 제어 콜리메이터를 포함하도록 변형될 수 있는 종래에 공지된 제1 이온 주입 시스템의 스캐닝 및 주입 구역의 전체적인 레이아웃을 도시하는 도면이다.

도6은 본 발명의 미세 제어 콜리메이터를 포함하도록 변형될 수 있는 종래에 공지된 제2 이온 주입 시스템의 스캐닝 및 주입 구역의 전체적인 레이아웃을 도시하는 도면이다.

도7은 두 개가 본 발명의 바람직한 실시예에 이용되는 빔 정렬 플레이트를 도시하는 도면이다.

도8의 (a) 및 (b)는 도7의 정렬 플레이트의 구멍을 통하여 그리고 그를 가로질러 빔이 스캔될 때 관측될 수 있는 전류 파형을 도시하는 도면이다.

도9는 빔 궤적의 비평행도(non-parallelism)가 도8의 파형으로부터 얻어지는 타이밍 정보로부터 계산되는 방법을 도시하는 도면이다.

도10은 비평행 이온 빔의 예와 4쌍의 편향기만을 이용한 그의 보정의 예를 도시하는 도면이다.

도11은 스캔된 이온 빔의 평행도 및 균일성을 동시에 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법을 도시하는 흐름도이다.

도12는 스캔된 이온 빔의 평행도를 측정하는 바람직한 방법을 도시하는 흐름 도이다.

본 발명은 스캔된 이온 빔의 정확한 시준 및 평행 정렬을 위한 방법을 포함하고, 스캔된 이온 빔 내의 대전된 입자들에 대한 궤적의 평행도를 정밀하게 조정 및 제어하기 위하여 독특한 정밀 장치인 미세 제어 콜리메이터를 제공한다.

종래에 공지되고 이전에 존재하는 하이브리드 평행-스캔된 이온 주입 장치 및 시스템은, 전형적으로 조동 콜리메이터로 기능하고 스캔된 빔 내의 대전된 입자들에 대한 근사적으로 평행한 이온 궤적을 생성하는 디바이스 갖는다. 본 발명은 이러한 이온주입기 및 시스템 내의 스캔된 빔의 평행도를 향상시키기 위한 정밀도 개선 및 미세 제어를 제공하는데,

(i) 실리콘 웨이퍼(또는 다른 기판)에 대한 주입 평면에 관한 배향 및 정렬이 정확히 알려진 평행도의 기준 축이 정의되고,

(ii) 근사적으로 평행한 스캔된 이온 빔의 이동 각도 방향이, 각각이 빔의 이동 방향에 수직으로 놓여 있는 두 개의 다른 방향으로, 평행도의 상기 기준축에 대해 그의 스캔 위치의 함수로 측정되고,

(iii) 공간적으로 변하는 자기장 및 조정 가능한 자기장 구배 프로파일을 갖는 자기장이, 이전에 가능했던 것보다 사실상 보다 큰 정확도 및 정밀도를 가지고 원하는 방향으로 빔 중심이 이동하도록 대전 입자 궤적의 궤적을 보정하는 분리되고 독립된 이산 디바이스 또는 기존의 조동 콜리메이터의 구조에 내장 설치된 집적된 특징부를 이용하여 설정되고,

(iv) (빔이 스캔될 때) 빔의 각 퍼짐(angular spread)의 변동이 조동 콜리메이터 디바이스의 적합한 설계에 의해서 크게 제거되고, 선택적으로, 제2 미세 제어 디바이스가 이러한 변동의 추가 감소를 달성하기 위하여 기존의 조동 콜리메이터 및 제1 미세 제어 콜리메이터 디바이스와 함께 이용될 수 있고,

(v) 스캔된 빔에 의해 타겟 평면으로 미리 선택된 비율로 전달되는 일 회분의 이온의 공간 프로파일이 평가되고, (균일하거나 또는 균일하지 않은 패턴일 수 있는) 원하는 프로파일로부터의 편차를 최소화하기 위하여 빔을 스캔하도록 만들어진 파형이 변형된다.

본 발명의 특정 일 태양인 방법은 하이브리드-스캔된 이온 주입기 내의 이온 주입 공정 파라미터의 정밀도 및 제어를 향상시키기 위하여 이용될 수 있다. 상세하게는, 본 방법론은 웨이퍼(또는 다른 기판)의 표면을 가로지르는 다른 위치들에서의 이온의 입사각에 대한 제어와 일 회분 이온의 일관성을 향상시킨다. 요약하면, 본 방법은 x 축 좌표의 함수로서의 이온 주입의 의도된 각도 방향에 관하여 스캐닝 이온 빔의 방향으로 오차를 측정하는 단계와, 빔에 대한 각도 방향으로 측정된 오차를 보정하는 단계와, (균일하거나 또는 균일하지 않은 패턴으로서) 원하는 도핑 프로파일을 달성하도록 스캔 파형을 변형하는 단계를 포함한다.

본 방법의 하나의 수동 조작 단계, 즉 빔 방향으로 측정된 오차를 보정하는 단계는 숙련자로 하여금 정밀 도구를 가지고 바람직하게는 빔이 대략적으로 시준된 후에 스캔된 이온 빔에 가해지는 공간적으로 변하는 자기장을 미세하게 제어하도록 요구한다는 사실이 주지되고 인식될 것이다. 요구되는 자기장은 다음의 특징을 갖 는다.

i) 자기장 성분 B_y는 x 좌표에 따라 변화한다. 그러나 이는 y 좌표에는 본질적으로 독립적이다. 이러한 자기장 성분은 x'의 오차를 보정하는데 이용될 수 있다.

ii) 자기장 성분 B_x는 크기 및 부호에 있어서 제어될 수 있으나, x 방향을 따라 균일하다. 이러한 자기장 성분은 y'의 전반적인 오차를 보정하는 데 이용될 수 있다.

진공상태에서, J에 대한 맥스웰 방정식은

dB_y/dx - dB_x/dy = μ₀J_z

이고, J_z는 (이온 궤적 방향으로의 임의의 변화를 눈에 띌 정도로 야기시키는 데 요구되는 전류에 관하여) 무시할 만큼 작기 때문에, 그의 근사치를 0으로 할 수 있다. 그러므로, B_y에서의 변동은 B_x에서의 바람직하지 않은 변동을 야기한다.

게다가, B_y 자기장을 생성하는 데 이용되는 디바이스가 y=0인 평면에서 거울 대칭임을 보증함으로써 적어도 중간 평면상에서 B_x는 일정하다고 정할 수 있다. 그러나 균일한 B_x 성분을 생성하는 디바이스는 이러한 대칭을 깨야한다.

이러한 공간적으로 변하는 자기장은 (i) 적어도 두 개의 종래 공지된 '다중극 렌즈' 디바이스(하지만, 모든 자기장 성분들을 완전히 독립적으로 제어할 수 없는)의 구체적인 개조 및 변형과, 본 명세서에서 '미세 콜리메이터/조향기(fine collimator/steerer)'라는 신규하고 독특한 미세 제어 정밀 장치를 포함하는 몇몇 디바이스들 중 어느 것에 의해서도 효과적으로 그리고 미세하게 제어될 수 있으며, 이의 일부 자세한 내용은 아래에 주어진다.

'미세 콜리메이터'는 스캔된 이온 빔을 이용하는 서로 다르지만 종래에 공지된 이온 주입 장치 및 시스템의 범위와 다양성 내에서 이용되도록 의도된 정밀 장치이고, 빔의 대전된 입자의 평행도를 증가시킴으로써 원하는 방향 및 각도로부터 스캔된 빔의 궤적 변동을 감소시키는 데 사용된 구조적 조립체이다.

본 발명의 정밀 장치에 의해서 제공되는 특징 및 성능 중에는 다음과 같은 것이 있다.

a. 미세 콜리메이터는 스캔된 이온 빔의 비평행도의 감소를 달성한다.

b. 미세 콜리메이터를 이용하는 방법은 정확하게 평행으로 만들어진 스캔된 이온 빔의 (평균 전류 밀도를 제어하기 위하여) 스캔 파형을 변형한다.

c. 미세 콜리메이터는 스캔된 이온 빔의 평행도 및 밀도 균일성의 사실상 독립된 제어를 달성하고, 그에 의해서 큰 (300㎜) 실리콘 웨이퍼 및 다른 기판들 상의 반도체 디바이스의 이온 주입에 의하여 제조에서 매우 정확한 공정 제어를 가능하게 한다.

d. 미세 콜리메이터는 스캔된 이온 빔이 그의 의도된 경로 및 방향(즉, z 축)으로 진행함에 따라, 두 개의 직교 방향(즉, x 축 및 y 축)으로 스캔된 이온 빔의 평행도 제어를 달성한다.

e. 미세 제어 콜리메이터는 빔의 x 축 좌표의 함수로서 각 Δy'내의 퍼짐 변동의 제어를 제공한다.

Ⅰ. 정의

용어의 불일치를 피하고, 외연적 및 내포적 의미의 모호성을 제거하고, 이해 및 해석에서의 명료성 및 완전함을 높이기 위하여, 일련의 신중하게 인용된 정의가 아래에서 제시된다. 이러한 용어들, 즉 아래에서 제시되는 명칭 및 전문 용어는, 본 발명의 실체와 그의 제조 및 이용되는 방법을 설명할 뿐만 아니라 본 발명의 요지를 그러하지 않은 것과 구별 짓고 분간하는 방식으로, 본 발명을 설명하고 청구하기 위하여 본 명세서에서 일관되고 반복적으로 사용될 것이다.

이온 빔: 전자, 양 또는 음 이온, 분자, 클러스터, 또는 아원자 입자(subatomic particle)를 포함하는 대전된 입자들의 임의의 빔.

리본 빔: 장 치수 및 단 치수에 의해 특징지어지는 단면을 가지며, 장 치수는 단 치수의 적어도 2배이고, 보통은 단 치수의 적어도 5배인 이온 빔. 장 치수는 빔으로 처리될 작업편의 면의 치수보다 보통 더 크다.

스캔된 리본 빔: 리본형의 포락선(envelope) 내부의 평면에 스캔되는 (전형적으로 원형 또는 타원형) 빔으로, 포락선의 임의의 지점에서 빔은 각각의 스캔 시 두 번 차단된다. (대조 및 구별하여, 연속하는 리본 빔은 임의의 지점에서의 전류가 하나의 작업편을 처리하는데 요구되는 적소한의 시간동안은 차단되지 않는 것이다).

x, y 및 z 좌표(또는 축): z 좌표(또는 축)는 이온 빔에 대한 의도된 이동 방향이다. x 좌표(또는 축)는 의도된 빔의 더 크거나 넓은 단면 치수와 정렬된다. y 좌표(또는 축)는 의도된 빔의 더 작거나 좁은 단면 치수와 정렬된다.

x': x-z 평면 상으로 투사되는 z 방향으로부터 측정된 각. 이 각은 빔 중심의 방향을 나타내는데 이용된다.

y': y-z 평면 상으로 투사되는 z 방향으로부터 측정된 각. 이 각은 빔 중심의 방향을 나타내는데 이용된다.

Δx': x-z 평면 상으로 투사되는, 중심에 대한 빔 내에서 각도 분포의 반폭(half-width)이다.

Δy': y-z 평면 상으로 투사되는, 중심에 대한 빔 내에서 각도 분포의 반폭이다.

하류(downstream): 이온 빔의 목표된 각도 및 방향 또는 이동 경로이다.

상류(upstream): 이온 빔의 목표된 각도 및 방향으로부터 180도 방향 또는 이동 경로에 반대이다.

스캔된 이온 빔의 균일성 제어: 원하는 프로파일을 고수하여 스캔된 빔의 긴 횡방향 치수를 따라 원하는 전류 밀도를 유지하는 것.

스캔된 이온 빔의 평행도 제어: 스캔된 빔의 대전된 입자의 개개의 궤적을 서로로부터 공간적으로 사실상 등거리가 되도록 조정하고 정렬하는 것.

조동 콜리메이터(coarse collimator): 근사적으로 평행인 이온 빔 내의 대전된 입자들의 궤적을 만드는 본 기술 분야에서 종래에 공지된 구조물 또는 디바이스.

미세 콜리메이터(fine collimator): 스캔 내의 위치의 함수로서, 스캔된 빔 의 시준 내 오차의 미세 제어를 제공하고 빔을 보다 정확하게 평행으로 만들 수 있는 구조물(종래에 공지된 구조물의 변형예를 포함).

Ⅱ. 빔 평행도를 향상시킬 수 있는 변형된 디바이스

본 기술 분야에서 종래에 공지된 디바이스들에 대한 변형예:

위에서 설명된 정의 및 용어를 이용하여, 근사적으로 평행인 스캔된 빔의 의도된 이동 방향은 z 축 방향이고, 이온 빔은 그의 중심이 y=0인 평면 내에 놓이도록 의도된다. 만약 모든 상류의 이온 광학 성분들이 y=0인 평면 내에서 대칭이라면 (이는 전형적임), y' 내의 어떠한 오차도 x의 함수로서 변화하지 말아야 한다. (만약 대칭을 깨는 상류 성분들 내의 회전 오정렬이 존재한다면 이러한 변동이 발생할 수 있지만, 이는 수정될 수 있는 있음직하지 않은 정적인 결함으로 생각된다). 그러나, x' 내의 오차들은 x의 함수로 변화할 수 있는데, 이는 이들이 조동 콜리메이터 디바이스 내의 제조 또는 설계 결함에 의해 야기될 수 있기 때문이다.

더욱이, 주입 시스템 내에 사용된 조동 콜리메이터 디바이스가 쌍극자 자석 형태라면, Δy'는 x의 함수로 변할 수 있고, 실제로 이는 현존하는 하이브리드 스캔 이온 주입기에 대한 경우로 알려져 있다. 이는 표준 제2 차수의 수차(textbook second-order aberration)이다. 이러한 수차 및 대칭 논의에 대한 충분한 설명은, CERN 레포트 80-04에 의해 예시된 바와 같이, 그리고 SLAC, CERN 및 다른 에이젼시(agency)들에 의하여 다양하게 출판된 [Brown, Rothacker, Carey 및 Iselin에 의한] TRANSPORT에 대한 부록을 포함하여, 많은 권위 도서에서 찾을 수 있다. 이러한 제2 차수의 수차는 보정될 수 있지만, 오직 이온 광학 설계 단계에서, 그리고 뿐만 아니라 부가 디바이스(add-on device)에 의하여 보정될 수 있다. TRANSPORT 프로그램은 이러한 수차가 제어되는 시스템을 설계하는데 또한 이용될 수 있다.

제1 변형예의 구성

'미세 콜리메이터(fine collimator)'로 구조적으로 변형될 수 있는 제1 후보는 도A에 의해 도시된 종래 디바이스이다. 이 디바이스는 거울 대칭 방식으로 전기적으로 여기될 수 있고, 공간적으로 변하는 B_y 성분을 생성할 수 있다. 도A에 도시된 바와 같이, 디바이스는 주변의 강자성의 요크(yoke)에 장착되는 빔의 위와 아래에 설정된 일 열의 와이어로 권취된 강자성의 극들로 나타내어지는 대칭으로 짝지어진 간단한 전자석들을 갖는다. 그의 다중극의 피치(pitch)에 의해서 결정된 해상도를 갖고, 이러한 디바이스는 임의의 공간적으로 변하는 자기장을 y 축 방향에 생성할 수 있다. 그러나, 도A의 디바이스는 자기장의 균일한 x 축 성분을 본질적으로 생성하지 않는다.

그러나, 이러한 원하는 특징 및 성능은 자기 빔 조향 장치의 추가에 의해서 개별적으로 생성될 수 있거나, 대안으로, 이러한 목적에 적합한 추가의 전기 코일 권선(windings)을 병합하도록 종래의 구조를 변형함으로써 생성될 수 있다.

제2 변형예의 구성

'미세 콜리메이터'로서 기능하고 변하는 자기장의 y 축 성분을 생성하도록 구조적으로 변형될 수 있는 또 다른 종래에 공지된 디바이스가 도B에 도시된다. 이온 주입기 시스템이 스캔된 이온 빔에 대한 조동 시준을 달성하기 위하여 쌍극자 자석을 이용한다고 가정하면, 그 때 필요한 변형예는 한 세트 이상의 가동 봉이 하나 또는 양 극 내에 설치되어, 그에 의해서 변하는 B_y 성분이, (전형적으로) 30 내지 90도 사이의 전체 각도를 통하여 이온 빔을 편향시키는 정적인 B_y 성분 상에 중첩되는 공간 영역을 형성하게 된다. 이 공간 영역은 x 축 방향으로의 평행도 및 미세 시준에서 원하는 향상을 이룰 수 있다. 대칭적인 배열은 B_x에서의 원하지 않는 변동을 최소화할 수 있으나, 구체적인 경우에 비대칭인 배열이 수용될 수 있다. 그러나 y'오차를 제거하기 위한 별도의 디바이스가 모든 비대칭적인 구조물들에 있어 다시 요구된다.

따라서, 비록 도A 및 도B 각각에 의해 예시된 구조물 및 디바이스가 종래에 공지되어 있으며 통상 이용될지라도, 본 명세서에서 기술된 구조적 변형예와 변형된 구성의 개조 및 이용은 이전에 생각되거나, 고려되거나, 또는 기능적으로 사용된 적이 없다는 사실이 인정되고 인식될 것이다.

Ⅲ. 바람직한 미세 제어 정밀 장치

본 발명의 중요한 태양은, 도1A 및 도1B 각각에 의해 예시되는 바와 같이, 신규하고 독특한 정밀 장치 및 미세 제어 콜리메이터의 바람직한 실시예이다. 미세 콜리메이터/조향기는 타겟 평면(TPI)에서 빔 이온들로 주입되게 되는 작업편(WP)으로부터 상류에 위치된다. 여기에 도시된 바와 같이, 미세 콜리메이터/조향기(10)는 미리 선택된 간격의 거리로 서로 이격된 두 개의 사실상 유사한 하위 조립체(40, 140)처럼 보인다. 두 개의 하위 조립체(40, 140) 내에, 두 개의 강자 성 바(20, 120)가 존재하고, 이들의 각각은 스캔된 이온 빔(71)의 x 축 또는 폭 방향 크기보다 약간 길도록 선형으로 크기가 맞춰지고, 바(20, 120)의 각각은 미리 선택된 간격의 거리(44)에서 서로 평행하게 놓이도록 배향된다.

강자성 바(20, 120)의 각각은 둘레에 복수의 개개의 와이어 권선이 코일 편향기(22, 122)와 같이 여러 개의 소정의 상이한 위치들에서 직각으로 배치되는 선형 지지대로서의 역할을 한다. 따라서, 각각의 강자성 바 및 그의 다중 와이어 권선은 축방향으로 정렬된 일련의 독립, 분리 및 인접 위치된 코일 편향기(22, 122)를 형성하고, 차례로 이러한 직렬 편향기들은 각각 집합적으로 제1 다중편향기 시퀀스 배열(30) 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열(130)을 이루어 형성한다. 따라서, 콜리메이터 구성물(10)은, 평행하게 놓이도록 배치되고, 공유된 x 축 방향을 따라 배향되고, y=0인 평면에 관하여 거울 상 대칭으로 놓인 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열(30, 130) 모두를 포함한다.

강자성 바 상에 연속으로 배열되고 각각의 다중편향기 시퀀스를 구성하는 코일 편향기의 전체 개수는 사실상 변할 수 있고, 스캔된 이온 빔의 예상 원주 또는 둘레에 전형적으로 의존한다. 그럼에도 불구하고, 각각의 다중편향기 시퀀스는 적어도 두 개의 인접하게 위치된 코일 편향기를 포함하고, 종종 곧은 강자성 바 상에 차례로 배치된 4 내지 30개 사이의 인접하게 위치된 코일 편향기를 갖질 것이다.

전형적으로, 각각의 코일 편향기(22)는 그의 바로 대향 위치되고 대응하는 상대인 코일 편향기(122)와 공통으로 전기적으로 결합된다. 따라서, 대향 및 대응하는 편향기의 각 세트는 매칭된 쌍으로서 전기적으로 연결되고, 상기 쌍 중 하나 의 편향기는 공간적인 통로(45)의 각각의 측면 상에 놓이며, 전류는 (마치 대칭 평면 내에서 반사되는 것처럼) 대향하는 각도 방향으로 상기 쌍의 각각의 와이어 권선 둘레를 흐른다.

공간 통로(45)의 폭 치수(42)를 가로지르는 코일 편향기의 피치는 최적의 제어에 대한 "g"보다 작아야 한다. 그러나, 피치가 감소됨에 따라 독립된 전원의 수는 전형적으로 증가하기 때문에, 그렇게 역시 편향기의 전체 수를 결정할 때 배선의 복잡성 정도 및 전체 비용이 중요한 고려사항이 된다. 더욱이, 만약 평행도의 오차 변동이 특별한 구성 또는 실시예에 대하여 충분히 작다면, 개개의 코일 편향기에 대하여 상대적으로 큰 피치가 수용가능하게 된다는 것은 경험적인 실험에 의해서 결정될 수 있다.

생성된 자기장:

지지 바(20, 120)의 선형 길이를 따라 직각으로 배치된, 개별적인 인접하게 위치된 코일 편향기(22, 122)의 각각을 통하여 독립적으로 가변의 전류량의 전기 에너지를 도입 및 통과시키기 위한 (도시되지 않은) 온-디맨드 전기 제어부가 전체 미세 콜리메이터/조향기 조립체의 일부로서 또한 포함된다. 적절한 또는 원하는 전류량의 전기 에너지가 공급될 때, 각각의 인접하게 위치된 에너지가 공급되는 코일 편향기(22, 122)는 제한된 폭의 자기 포텐셜 차이와 강자성 바의 각각으로부터 직각으로 연장되는, 개별적으로 조정가능한 자기장을 독립적으로 형성하고, 자기장은 제한된 폭의 영역 내에 제어 가능한 구배를 갖는다. 자기장은 도2에 의해 예시되고 자기장 구배는 도3에 의해 도시된다.

에너지가 공급되는 편향기의 각각은 x 축 방향에 따라 권선에 직각인 제한된 폭의 구배인, 코일 폭에 걸친 국부적인 자기 포텐셜 차이를 생성하는 것이 의도되고, 두 개의 강자성 바 상의 상호 연속적으로 배열된 에너지가 공급되는 편향기의 대향 위치된 쌍은 상기 구성의 x 축을 따라 대향하는 방향으로 제한된 폭의 복수의 국부 자기 포텐셜 차이를 생성할 것이다. 이러한 결과는 누적 및 집합적으로, B_y 자기장 성분이 변하고 상기 구성 내의 지지 바의 각각의 단부에 존재하는 사실상 일정한 자기장의 두 개의 단부 영역으로 합병되는 모든 대향 위치된 편향기의 쌍 사이에 고정된 공간의 구역을 생성한다.

이러한 방식으로, 인접하게 위치된 대향하는 편향기의 쌍에 의해서 생성되는 복수의 자기장 및 조정 가능한 자기장 구배는 집합적으로 합쳐져, 인접하는 자기장 및 공간적으로 변하는 자기장 구배 프로파일을 형성한다. 고정된 공간의 구역 내의 전체적인 자기장 구배 프로파일에 기여하는 제한된 폭의 각각의 자기 포텐셜 차이의 강도는, 미리 선택된 구배 프로파일을 갖고 이온 빔의 전체 폭에 걸쳐 효과적으로 연장되는 조정 및 제어된 넓은 자기장을 산출하도록 (전기 전류량을 변화시킴으로써) 의도한 대로 개별적으로 변경될 수 있다.

도1A 및 도1B의 특정 구성은 직사각형의 공간 통로 내에, 그의 성분 B_y가 원활하게, 즉 갑작스런 차이 없이 변하는 자기장을 형성한다. 대향 위치된 편향기의 특정 쌍을 여기시키는 것은 편향기의 특정 쌍 사이의 공간을 가로질러 B_y 내의 변화가 생성되도록 하고, 이 편향기 쌍의 일 측면 상의 공간의 영역 내에 다른 일정한 자기장 B_y 내의 변화가 수립되도록 한다. 도3은 개개의 편향기 쌍에 의해 야기된 전자기 효과를 예시한다.

이온 빔이 이동하는 둘러싸인 공간의 통로:

도1A 및 도1B에 예시된 바와 같이, 독립적으로 그리고 인접하게 위치된 코일 편향기(22, 122)의 정렬된 (선형의 강자성 바(20, 120) 상에 위치되고 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열(30, 130)을 형성하는) 연속물은 스캔된 이온 빔(71)이 원 위치에서 이동하게 하는 공간 통로(45)의 폭 치수(42)와 일치하며 (즉, 중첩될 때 정확히 일치한다) 그를 둘러싼다. 다중편향기 시퀀스 배열(30, 130)은 미리 설정된 분리 거리("h")가 존재하고 대향 위치된 코일 편향기(22, 122) 각각의 쌍 사이에서 유지되도록 평행하고 정렬된 대응으로 놓이도록 (도1A 및 도1B에 도시되지 않은) 비자기(non-magnetic) 지지대의 수단에 의해 전형적으로 위치된다. 미리 설정된 분리 거리("h")는, 원하는 자기장이 생성되고 이동하는 이온 빔에 인가되는 직사각형의 고정된 공간 통로(45)의 두 개의 측면을 정의하고 치수를 정한다.

두 개의 하위 조립체(40, 140) 사이에 존재하는 미리 선택된 간극 거리(44)의 크기는 올바르게 이해되고 인식되어야 함은 필수적이다. 강자성 바(20, 120)의 각각은 자기장 라인이 직각으로 구속되는 강자성의 한계 및 고정된 경계를 제공한다. 바(20, 120)는 고정된 공간적 거리 "2g"에 의해서 분리된다. 그러나, 다중편향기 시퀀스 배열들(30, 130)은 이 거리의 일부를 차지하고, 그에 따라 그들의 미리 정해진 분리 거리는 "h"이다. "h"는 고정된 공간적 거리 "2g"보다 양적으로 항 상 작다는 것이 인식될 것이다. 따라서, 구성물(10)에 대하여 미리 선택된 간극 거리(44)의 크기는 고정된 공간적 거리 "h"보다 더 크지 않고, 어떤 경우(예를 들면, 진공 벽이 개재되는 상황)에 있어서, "h"보다 현저히 작을 수 있다. 이러한 방식으로, 스캔된 이온 빔의 대전된 입자들이 (z 축 방향으로) 이동하는 공간의 부피는 공간 통로(45)의 (y 축 또는 보다 좁은 치수를 나타내는) 미리 선택된 간극 거리(44)와 (x 축 또는 보다 넓은 치수를 나타내는) 폭 거리(42) 내에 포함되고 그에 의해서 구별된다.

x 축 조향 제어:

조향 코일(90, 190)을 형성하는 두 개의 추가적인 와이어 권선의 쌍들이 도1A 및 도1B에 의해 도시된 조립체 내의 강자성 바 각각의 이산된 단부들 근처에 개별적으로 배치된 것이 또한 언급될 것이다. 이러한 추가적인 조향 코일의 쌍은, 코일 편향기(22, 122)와 유사한 방식으로 전류원에 독립적으로 연결되지만, 조향 코일 쌍(90, 190)의 기능은 조립체에 대한 전체적인 x 축 조향 제어를 제공하는 것이다. 바(20)의 단부에서의 조향 코일(90)의 쌍은, 두 개의 코일(90)을 통한 순 전류 회전(net ampere turn)은 항상 0의 값이 되도록, 공통으로 그러나 반대로 전기 접속된다. 유사하게, 바(20)의 단부에 위치된 조향 코일(190)의 쌍은 y=0인 평면을 따라 공통으로 전기 접속된다. 조향 코일(90, 190)의 이들 세트의 기능은 x 축 방향으로, 스캔된 이온 빔에 대한 전체적인 선형의 조향 제어를 제공하는 것이다. 따라서, 조향 코일(90, 190)은 본 명세서에서 "x 축 조향 코일"이라 한다.

y 축 조향 제어:

몇몇 실시예에서, 미세 제어 콜리메이터는 도1B에만 도시된 두 개의 박층 와이어 랩핑(wrappings)(91, 191)들을 선택적으로 포함한다. 이러한 박층 와이어 랩핑(91, 191)은 사실상 바(20, 120)의 각각의 전체 선형 길이 둘레 그리고 이를 따라 일정하게 권취되고, 다중편향기 시퀀스 배열을 형성하는 인접하게 위치된 코일 편향기의 캐스캐이드(cascade) 내부 또는 위로 놓인다. 그러나, 모든 코일 편향기와 다르게, 이들 두 개의 선형 와이어 랩핑(91, 191)은 전류량 흐름이 y=0인 평면에서 비대칭(antisymmetrical)이 되도록 전류원에 독립적으로 연결된다. 따라서, 이러한 박층의 선형 와이어 랩핑의 의도된 기능은 이동하는 이온 빔을 y 축 방향으로 제어 및 조향 성능을 갖는 구성을 제공하는 것이고, 이렇게 해서 본 명세서에서 'y 축 조향 코일'로 칭해진다.

미세 제어 콜리메이터에 y 축 조향 성능을 제공하지만 박층 선형 와이어 랩핑(91, 191)을 생성하거나 이용하지 않는 또 다른 대안의 선택적인 수단은 모든 편향기를 통하여, 공통적으로 공유된 편향 전류에 더하여, 비대칭 전류를 통과시키는 것이다. 이는 도4에 도시된 구조적 장치에 의해 이루어질 수 있다.

여기에 도시된 바와 같이, 복수의 전원 장치(60a, 60b, 60c)들은 각각의 전원 장치들이 특정 매치된 편향기 쌍(22, 122)에 평행하게 놓인 흐름 통로를 경유하여 전류를 제공하도록 연결되지만, 양극 중심 탭형(bipolar center-tapped) 전원 장치(61)의 단자에 개별적으로 연결되는 모든 편향기(22)로부터의 제1 공유 전류 리턴 라인(64) 및 모든 편향기(122)로부터의 제2 공유 전류 리턴 라인을 갖는다.

전원 장치(61)에 의해, 작은 추가적인 포텐셜 차이가 평행하게 연결되는 편 향기 각각의 쌍 사이에 삽입되고, 이러한 포텐셜 차이는 편향기 각각의 쌍 내의 전류 흐름의 균형을 잃게 한다. 개개의 편향기의 저항에 의해서 결정되는 허용치의 범위 내에서, 이 장치는 상기 구성에 대하여 y 축 조향 제어를 제공할 수 있는 균일한 y 축 방향의 자기장 성분을 생성한다. y 축 조향 기능 및 성능의 이용은 아래에서 보다 충분히 설명된다.

미세 제어 콜리메이터의 이용:

도1A 및 도1B에 의해 예시된 미세 콜리메이터/조향기를 이용하여, 알려진 전류량을 갖는 전류가 (제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열 상에 위치된) 대향 위치된 편향기의 전기적으로 결합된 쌍의 각각에 통과되고, 이 전류량은 코일 편향기의 대향 위치된 쌍의 각각에 대하여 독립적으로 조정되고 제어될 수 있다.

더욱이, 강자성의 지지 봉의 단부에 가장 가깝게 위치된 대향 위치된 x 축 조향 코일의 개개의 쌍은 스캔된 이온 빔 폭의 한계를 바로 넘게 놓이도록 위치될 수 있고, 지지 바 각각의 단부는 (편향기에 의해 생성되고 스캔된 이온 빔에 인가되는) 인접하는 자기장 분포에서 강자성 바의 단부의 전자기 효과가 현저하지 않도록 보장하는데 충분한 선형 연장만큼 코일 편향기의 맨 끝을 지나 길이가 증가될 수 있다. 이러한 바 단부의 연장 길이는 전형적으로 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열을 분리하는 미리 선택된 간극 거리의 크기의 적어도 두 배이다. 지지 바 그 자체는 강자성의 재료에 실체적으로 결합되지 않아야 하거나, 또는 공간 통로 내에 인가된 생성된 자기장이 그의 의도된 분포로부터 철저하게 변경될 것이라는 것이 필수적이다.

더욱이, 만약 강자성 재료가 (몇몇 종래에 공지된 디바이스에서처럼) 완전한 자기 요크(magnetic yoke)를 형성하기 위하여 그들 개개의 단부에서 강자성 지지 바를 연결하는데 이용되면, 각각의 다중편향기 시퀀스 배열 내의 전류의 대수합과 동일한 전류를, 그러나 반대 방향으로, 이송하는 이들 짧은 단부 상에 하나 이상의 추가적인 큰 와이어 권선(편향기)을 추가하는 것이 필수적이다. 바람직한 실시예에서, 강자성 재료 및 단부들을 연결하는 그의 별도의 코일이 생략되고, 만약 선형 지지 바가 이동하는 이온 빔의 폭을 넘어 잘 연장된다면, 중심의 자기장 프로파일 상의 결과 효과는 현저하지 않다. 배열된 구조로부터 얼마간의 거리에 존재하는 벗어난 자기장은 효과 면에서 약간 더 크지만, 이러한 결함은 자기 차폐(magnetic shielding)로 제어될 수 있는데, 그에 대한 논의는 본 발명의 범주를 벗어난다.

상기 바들의 단부 근처에서, 자기장 구배는 영(0)으로 떨어지고 그 다음 역전되는 데, 이러한 이유로 지지 바의 단부는 원하는 자기장 프로파일이 유지되는 영역을 넘어서 위치되어야만 한다. 이러한 전제 및 접근은 충분한 강자성 재료(예를 들면, 철 또는 강)가 포화되지 않도록 지지 바의 남아 있는 두 개의 단부 내에 존재한다고 가정하고, 이러한 요인은 미세 제어 정밀 시준 구성의 최대 x 축 치수 범위 및 여기 레벨을 결정한다.

전기적 요구조건:

미세 제어 콜리메이터 구성의 전기적인 요구조건은 다음의 방식으로 계산될 수 있다. 반경 ρ를 갖는 궤적 상의 질량이 M이고 전하가 q이고 운동에너지가 U인 이온을 편향시키는데 요구되는 자기장은 다음과 같이 주어진다.

미세 콜리메이터 구성의 z 범위가 편향기의 전체적인 z 범위에 의해서 한정된다고 가정하는 데, 실제로 이는 약간 더 작을 수 있고 정확성을 위해 유한 요소 컴퓨터 코드(finite element computer code)를 가지고 모델링 될 수 있다. 이 치수는 L_m이라 하고, 엄격히 속박되지 않는다. 실제적인 이유로, 이는 100㎜의 값으로 정할 수 있다. 그러므로, 주어진 자기장 B가 유효 거리 L_m의 디바이스를 통과하는 질량 M의 이온을 편향시키는 각도는 다음과 같다.

빔에서의 각도 오차의 가능한 크기 및 이러한 오차가 변화할 수 있는 특징적 거리에 대한 어느 정도의 사전 지식을 가지고 있어야만 한다. (기존의 주입기 상의 측정에 대한 매우 전통적인 해석에 근거한) 현 목적을 위하여, 0.45 도(0.01 라디안)의 변동은 50 ㎜의 거리에 걸쳐 발생할 수 있다고 가정할 수 있고, 편향기 각각의 폭(w)을 50 ㎜로 하도록 선택한다. 그 결과, 각각의 바 상의 6개의 편향기가 300 ㎜ 실리콘 웨이퍼용 주입기에 대하여 충분하게 된다.

이온 전하가 일정하고 이온들이 전체 직류 포텐셜(V)을 통하여 가속된다고 더 가정한다. 그 다음 각각의 편향기로부터 요구되는 B_y에서의 최대 변화는 다음으로 주어진다.

강자성 바들 사이의 전체 간극은 2g이다. 각각의 코일에서 전류-회전의 수 nI는 다음으로 주어진다.

Ⅳ. 미세 제어 콜리메이터에 대한 의도된 배경 및 목적

의도된 배경:

본 발명에 대한 적절한 설정 및 의도된 환경은 하이브리드 스캐닝 이온 주입 장치 및 시스템 내에 있다. 정의 및 구조에 의해, 이러한 디바이스는, 이온 빔("IB")으로서 이동하는 대전된 입자의 소스("S")와, 불순물 종으로부터 원하는 이온 종을 분리하기 위한 (도시되지 않은) 적어도 하나의 쌍극자 자석과, 대전된 입자를 스캐닝하고 스캔된 이온 빔("SIB")을 생성하기 위한 스캔 디바이스("SD")와, 스캔된 빔을 근사적으로 평행하게 또는 약 +/- 1 도 이내로 만들기 위한 (쌍극자 자석으로서 형성될 수 있거나 그렇지 않은) 조동 콜리메이터("CC") 디바이스와, 단일의 큰 패러데이 컵(Faraday cup)("FC")과, 스캔된 빔이 직각으로, 즉 y 축 방향으로, 통과하게 되는 실리콘 웨이퍼와 같은, 준비된 작업편("WP")으로 스캔된 이온 빔의 대전된 입자를 도입하는데 적합한 주입을 위한 타겟 평면("TPI")을 전형적으로 포함한다.

모든 경우에서, 본 발명의 일부분을 포함하는 미세 제어 콜리메이터는 스캔된 이온 빔의 대전된 입자로 단독으로 그리고 배타적으로 그의 시준을 향상시키기 위해 이용되도록 의도된다. 이는 도5 및 도6에 의해 각각 도시된다.

도5는 이전에 알려진 하이브리드 스캐닝 주입 시스템 내에서 쌍극자 자석 형태로 조동 콜리메이터 디바이스의 종래 사용을 예시하지만, 이는 이제 (가동 극 편으로 형성된) 미세 제어 콜리메이터부(51)가 출구의 쌍극자 자석의 지점에 설치된다. 이 향상된 장치는 x'에서 시준의 오차를 보정할 수 있는 시스템으로 귀결되지만, y'에서의 오차를 정정하기 위해서는 부가적인 디바이스 또는 다른 보정 수단을 요구한다.

도6은 주입 시스템에 대한 미세 시준을 제공하기 위하여, 즉 x' 및 y' 모두에서 남아있는 오차를 사실상 제거하기 위하여, 조동 콜리메이터(쌍극자 자석)에 인접하게 위치된 이산되고 독립된 구성으로서 미세 제어 콜리메이터/조향기의 대안적인 배치 및 이용을 예시한다.

용도 및 목적:

본 발명의 일부분을 포함하는 독특한 정밀 콜리메이터 구성의 용도 및 목적은 위에서 밝힌 좌표계 구성을 참조하여 보다 용이하게 이해되고 보다 잘 인식될 수 있으며, 이는 다음과 같다.

(i) x 축 방향으로의 단위 길이 당 시간에 대한 평균 전류는, 보통 균일하지만 어떤 상황 하에서는 의도적으로 균일하지 않는, 엄격히 제어된 이온 밀도 프로파일을 갖도록 통상 요구된다.

(ii) 빔 방향은 일정하도록 통상 요구된다. 따라서, 이온 빔은 "평행 스캔(parallel scanned)"되고, z 축 방향으로의 대전된 입자 궤적의 평행도 및 정렬 을 엄격히 제어하는 것이 요구된다.

(iii) 빔의 순간의 형상은 그 중심의 x 축 좌표에 독립적일 것이 요구된다.

Ⅴ. 평행도를 증가시키고 제어하는 양식 및 방식

스캔된 이온 빔의 평행도를 증가시키고 제어하는 모드 및 방식에 대한 다음의 논의는 z 축에 대한 빔 궤적의 국부적 중심의 방향으로의 오차 변동에 대하여 주로 언급하고 이러한 것이 명백히 상술될 때 빔 내에서 전체의 포함된 각의 퍼짐에 오직 관심을 갖거나 설명한다.

어떤 상황 하에서, 스캔된 빔 중심의 잔류 각의 오차, x' 및 y'는 이온 주입 공정에 영향을 미칠 정도로 충분히 크며, 이러한 각의 오차에 대한 추가의 감소 및 양의 제어가 요망된다. 전형적으로 이러한 오차의 크기는 1도보다 작고, 종종 이를 0.1도 이하로 줄이는 것이 바람직하다. x 축 및 y 축 방향의 평면 모두에서의 제어가 바람직하다.

바람직한 미세 제어 콜리메이터 구성은 그의 일 측면 상에 그리고 근사적으로 z = 0인 평면 내에 빔의 폭을 가로질러 장착되는 두 개의 강자성 바를 포함한다는 것이 상기될 것이다. 이산되고 분리된 편향기의 정규 시퀀스는 각각의 선형 강자성 바 주변에 배치되고, 제1 바 상에 위치된 각각의 개개 편향기는 제2 바 상의 대응하는 편향기에 대향하게 그리고 그로부터 가로질러 놓인다. 다중편향기 시퀀스를 형성하는 대향하게 놓인 편향기의 대응하는 쌍은 직렬 또는 병렬로 선택적으로 전기 접속될 수 있다.

각각의 바 상에 놓인 코일 편향기의 개수는 스캔된 이온 빔 내에 존재하는 상대적인 비평행도의 예상 정도뿐만 아니라 관심이 있는 스캔된 빔의 치수 비율에 의존한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 각각의 강자성 지지 바 상의 코일 편향기의 개수는 여섯(6)이다. 지지 바의 단부에 인접하게 놓인 x 축 조향 코일의 추가적인 쌍은 바람직하게는 본 명세서에서 이전에 설명된 이유들로 제공된다. 대안으로, 이러한 특징들이 유용하거나 또는 필요하게 여겨질 경우, 본 명세서에서 이전에 설명된 바처럼, x 축 및 y 축 조향 제어를 위한 추가적인 와이어 권선이 존재할 수 있다.

또한, 개별의 전기 전원 장치가 미세 제어 구성 내에 대향 위치된 편향기의 대응하는 쌍의 각각을 여기시키는 것이 바람직하다. 선택적으로, 그리고 대안으로, 아래에서 설명되는 이유들로, 분리되고 독립된 전원 장치가 코일 편향기의 선형 시퀀스 캐스케이드 내의 연속적인 개개 편향기의 각각을 여기 시킨다.

편향기를 형성하는 와이어 회전의 전체 수는 예상되는 오차의 크기 및 충돌되는 이온 종의 자기 강성률(rigidity)에 의존한다. 이 양은 이온의 질량과 에너지 곱의 제곱근에 비례한다. 코일 편향기에 대한 와이어 회전의 전형적인 계산은 개수에 있어서 100이다.

자기장 구배 조정:

일반적으로, 스캔된 이온 빔은 미세 제어 콜리메이터로부터 하류의 설정 거리(Z)에서의 선택된 타겟 상에 충돌하게 지향된다. 이온 빔의 평행도를 그의 x 방향을 z = Z인 평면에서 제어하는 것이 바람직하다. 이온 빔의 미리 존재하는 비평행도의 측정으로부터, 이동하는 빔에 가로지르게 인가되고 그 결과 빔의 비평행도 의 적절한 보정을 하는 특정 자기장 프로파일, B_y(x)를 계산하는 것이 가능하다.

바람직한 미세 제어 콜리메이터에 대하여, 원하는 자기장 프로파일 내의 미분값을 계산하여, 다중편향기 시퀀스 배열의 각각의 코일 편향기 속으로 개별적으로 도입되는 전류의 원하는 설정(전류량)이 보다 직접적으로 계산될 수 있는 자기장 구배값 dB_y/dx을 얻는 데에 도움이 된다. 다중편향기 시퀀스 배열 내에 대향 위치된 편향기의 각각의 쌍으로 통과되는 전류와 코일 편향기의 각각의 쌍 사이에 통과하는 빔 포락선의 중간 평면 상의, 자기장 구배 dB_y/dx 사이에는 간단한 대응이 존재한다.

전체적인 빔 x' 방향은 하나의 추가 조정을 필요로 하는데, 그는 이동하는 빔에 의해서 점유되는 공간 구역의 상기 일부를 넘는 변화를 야기하도록 위에서 설명된 x 축 조향 코일(또는 대안의 조향 코일 형상)에 의해서 제공될 수 있고, 그에 따라서 이는 전체 빔 상의 y 축 방향으로 균일한 쌍극 장을 겹쳐놓는 효과를 갖는다. 대안으로, 동일한 효과가, 수정된 조동 콜리메이터 (또는 수정된 쌍극자 자석) 내의 자기장의 크기에 대한 작은 조정에 의해서 이루어질 수 있으며, 여기서는 하나가 사용된다.

따라서, 만약 대향하게 놓인 편향기의 φ쌍이 존재한다면, 평행도 내에 존재하는 오차는 빔 내의 φ 이산된 지점에서 보정될 수 있고, 이는 φ독립된 조정을 필요로 한다. 그러나, 실제로는, φEΘ지점에서의 평행도를 조정할 필요가 있는 것으로 보인다. 보정 지점의 개수에서 표면상의 불일치는, 평행도를 조정하기 위 한 참조 표준으로서 빔의 중심 궤적(빔의 중심)을 선택함으로써, 그리고 모든 다른 대전된 입자 궤적을 중심 궤적에 평행하게 놓이도록 보정함으로써, 그리고 중심 궤적이 x'에서 0의 오차를 갖도록 전체적으로 x 축 조향 코일을 이용하여 빔의 이동 방향을 분리 보정함으로써 용이하게 해결된다. 모든 φ+1 지점들이 보정될 때, 지점들 사이의 위치에 있는 잔류 오차들은, 편향기 코일의 폭의 제곱에 비례할 뿐만 아니라 작은 것으로 예상될 수 있다. 편향기 코일의 유한 폭은 dB_y/dx가 이상적인 프로파일에 맞도록 만들어질 수 있는 정밀도를 결정한다. 이러한 방식으로, 달성될 수 있는 비평행도의 감소는 1/φ²에 비례한다.

전체적인 효과 및 결과:

미세 제어 콜리메이터의 다른 실시예에 의해서 달성될 수 있는 빔 평행도의 증가는 스캔된 빔에 대한 도핑의 집적된 일관성을 사실상 수정하고, 일반적으로, 대전된 입자 밀도의 균일성은 스캔된 빔의 정확한 시준 후에 더 양호하거나 또는 더 불량할 수 있다. 따라서, 본 콜리메이터 구성을 이용하는 평행도 보정의 이러한 모드 및 방식은 명백하고 의도된 목적이 단독 및 배재적으로 이온 빔 균일성을 향상시키는 것인 종래의 알려진 디바이스와 뚜렷하게 상이하고 구별된다.

게다가, 본 발명을 이용하여 평행도를 증가시킬 때, 스캔 파형의 형상을 변형함으로써 (잘 알려진 바와 같이) 빔 균일성 또한 동시에 보정될 수 있다. 그러나, 이러한 균일성 조정은 스캔된 이온 빔 내의 이온 궤적의 평행도에 영향을 미치지 않는다는 것이 언급되고 인식될 것이다. 따라서, 균일성 및 평행도 파라미터들 의, 오래 기다려온 동시의, 그러나 독립적인, 조정 및 보정이 이로써 이루어질 수 있다.

Ⅵ. 스캔된 이온 빔의 초기 비평행도 측정

비평행도의 원인:

종래에 공지된 스캐닝 이온 주입 시스템 내에서, 이온 빔이 만들어지고, 웨이퍼(또는 기판)를 완전히 가로지르기 위해서, +/- 5 내지 10도 이상만큼 변할 수 있는, 변하는 각도를 통하여 이온 빔을 편향시키는 스캐너(자기 또는 정전기 디바이스)를 통해 통과된다. 스캔 주파수는 정전기 스캐너에 대하여 1000㎐ 이상까지, 또는 자기 스캐너에 대하여 100㎐까지 될 수 있다. 그러나, 이러한 논의의 목적으로, 스캔 주파수는 관계없는 것으로 여겨진다.

스캐닝은 편향되지 않은 빔 축에 관하여 근사적으로 대칭적일 수 있거나, 또는 '단극(monopolar)', 즉 단지 편향되지 않은 빔 축의 일 측면 상의 변하는 각도를 통한 스캐닝일 수 있다. 그러나, 직각 방향으로 작업편을 느리게 이동시키는 동안에, 실리콘 웨이퍼와 같은 작업편을 가로지르는 균일한 횡단 속도로 빔을 스캔하는 것이 요망되는 것처럼, 스캔 파형은 근사적으로 삼각형이며, 그에 의하여 균일한 주입을 이루게 된다. [예를 들면 미국 특허 제4,980,562호 참조할 것.]

적합한 형상의 쌍극자 자석 또는 다른 디바이스를 빔 경로 내에 배치함으로써, 스캐너에 의해 초기에 만들어지는 많은 각도 변동(오차)이 사실상 제거될 수 있고 근사적으로 평행인 빔이 산출된다. [예를 들면, 미국 특허 제4,276,477호, 제4,922,106호 및 제5,091,655호를 참조할 것.] 이렇게 해서, 특정 구조의 포맷이 무엇이든 간에, 이러한 디바이스는 단지 근사적으로 평행인 빔을 만들고 본 명세서에서 "조동 콜리메이터"라 집합적으로 칭해진다.

바람직하게는, 조동 콜리메이터는 스캔된 빔 중심을 근사적으로 평행하게 만들 뿐만 아니라, 빔 중심에 대한 각의 퍼짐 내에 변동을 야기할 수 있는 다른 수차를 억제하게 된다. 조동 콜리메이터의 쌍극자 자석 형태에 대하여, 이는, CERN 80-04에서 인용된 이론에 근거한 설계인, 만곡된 극 면과 만곡된 (색인된) 극 표면의 조합에 의해서 전형적으로 이루어진다.

알려진 측정 방법:

스캔된 빔의 비평행도의 정도를 측정하기 위한 방법의 일 예가 미국 특허 제5,180,918호에 개시되어 있다. 요약 및 요지에서, 작은 패러데이 컵의 두 개의 어레이가 얻어지고 빔의 방향에 직각인 다른 평면에서의 빔 경로로 개별적으로 삽입된다. 스캔된 빔이 각각의 패러데이 컵을 통과하는 시간에서의 차이는 그의 평행도에 관한 정보를 주게 된다.

측정 방법의 다른 예가, 다소 유사한 설비가 스캔 파형을 수정하고 균일한 주입을 이루기 위해 이용될 수 있는지에 관한 정보를 주는 미국 특허 제6,313,474호 및 제6,696,688호에 의해 제공된다.

향후의 명확성 및 완전성을 위하여, 미국 특허 제5,180,918호, 제6,313,474호 및 제6,696,688호의 문헌이 본 명세서에서 참고로 명백히 포함된다.

스캔된 이온 빔의 비평행도는 이들 및 다른 종래에 알려진 방법들에 의해서 측정될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 적절한 빔 축을 수립하기 위한 특정한 방 법이, 비평행도를 측정하기 위한 임의의 종래 기술을 수행하기 전에 수행되어야 한다. 따라서, 이러한 절차가 아래에서 상세히 기술된다.

적절한 빔 축을 수립하는 공정:

주입 동안 z 축은 이온 빔에 대한 의도된 방향이다. z 축은 한 쌍의 기준 표시에 의해 시스템의 장치 내에 정의될 수 있지만, 바람직하게는 시준된 광원 및 광의 방향을 검사하는 수단을 포함하는 광학 디바이스에 대한 고정된 마운트를 제공함으로써 정의된다. 이러한 광학 디바이스는 오토콜리메이팅 망원경, 레이저, 또는 이들의 결합일 수 있다.

주입을 위한 작업편 기판을 엄격하게 제어된 각도에서 이온 빔을 통과시키는 것이 바람직하다. 베어 실리콘 웨이퍼는 높은 반사율을 가지는 것에 주의하면서, 웨이퍼가 z 축에 정확히 수직으로 평면에 장착되는 초기 경로 상으로 기준 광선을 다시 반사시킬 때까지 실리콘 웨이퍼가 주입 평면에 장착되는 각도를 조정할 수 있다. 이러한 절차는 "평행의 축"을 제공하고 정의한다. 오토콜리메이팅 망원경은 상업적으로 입수 가능하고, 반사 평면을 축에 수직으로 정렬하는 것은 그의 의도된 기능이며 용도이다.

따라서, 실리콘 웨이퍼의 타겟이 장착된 홀더를 기준 웨이퍼를 z 축에 정밀하게 수직으로 파지할 때까지 정렬하는 것 뿐만 아니라 평행도의 축을 정의했기 때문에, 이 평행도의 축에 대한 이온 빔의 방향을 이제 측정할 수 있다. 이를 위하여, 도7에 예시된 바와 같이, 두 개의 정렬 플레이트(24, 26)가 서로 다른 z 축 좌표에 위치된다. 각각의 정렬 플레이트는 조동 콜리메이터 및 미세 제어 콜리메이 터의 하류인 자신의 정밀 위치에서 빔 경로로 삽입될 수 있다. 바람직하게는 하나의 정렬 플레이트가 타겟 평면에서 삽입될 수 있지만, 기계적 충돌이 이러한 배치를 방해할 수 있다.

도7에 도시된 바와 같이, 각각의 플레이트(24, 26)는 알려진 위치에 설정된 일 열의 정렬된 구멍을 포함하고, 이들은 다수의 슬롯 구멍 및 중심의 둥근 구멍과 같이 보인다. 중심의 둥근 구멍은 z 축 상에 정확히 놓이게 의도되고, 이는 z 축을 식별하고 정의하는데 이용되는 오토콜리메이팅 망원경 또는 레이저에 의해 확인될 수 있다 (그리고 필요한 경우, 오차가 조정되어 없어진다).

남아있는 슬롯 구멍들은 서로 다르지만 정확히 알려진 x 축 좌표에서 y=0인 평면 내에 배치된다. 이러한 슬롯 구멍들은 바람직하게는 규칙적인 선형 배열이고, 예시의 목적으로, 두 플레이트의 각각은, 도7에 도시된 바와 같이, 동일한 선형 배열의 7개 구멍을 갖는 것으로 고려할 수 있다.

빔이 적합한 진폭에서 그리고 적합한 파형, 전형적으로는 톱니 패턴의 파형으로 스캔되는 동안, 정렬 플레이트(24, 26)의 각각은, 순서대로, 이온 빔의 경로 내에 놓인다. 이렇게 스캔된 이온 빔은 정렬 플레이트의 각각의 구멍을 가로지르며 그를 통하여 순서대로 통과된다. 그 다음, 스캔된 이온 빔이 두 개의 정렬 플레이트 내의 개별 구멍의 각각을 통하여 투과될 때, 각각의 투과된 이온 빔은 패러데이 컵(또는 컵들) 내에 그 결과로서 수집되는 전류 펄스처럼 보이고, 그의 전류가 측정되고, 서로 다른 전류 펄스의 수집률(moment of collection)이 스캔 주기 내에 시간의 함수로 기록된다. 바람직하게는, 단일 패러데이 컵(도1A, 도5 및 도6 에서의 "FC")이 이용되며, 이는 타겟 평면(TPI) 후방에 영구 장착된다.

제2 정렬 플레이트의 제1 구멍에 도달하는 것과 비교할 때, 제1 정렬 플레이트의 제1 구멍을 통한 전류 펄스의 도달 시간 사이의 차이는 스캔 사이클 내의 이 지점에 있는 이온의 x 방향의 오차에 비례한다. 각각의 정렬 플레이 내의 7개의 구멍으로, 스캔 사이클의 제1 반부에서 7개의 서로 다른 시각에서 x'의 7개의 서로 다른 값들이 측정될 수 있고, 동일한 공정이 스캔 사이클의 제2 반부에 대해여 역으로 수행될 수 있다.

그 다음, 자기장 성분 B_y가 x-z 평면 내에서 궤적을 편향시키는 원인이기 때문에, 초기 비평행도를 측정한 후에 인식되는 오차들은 y 축 성분이 x의 함수로서 변하는 자기장을 제공함으로써 보정될 수 있다.

Y' 오차의 측정:

정밀도를 이루기 위하여, 균일한 B_x 성분을 보정하기 위하여 필요로 하는 y'오차를 또한 측정해야 한다. 위에서 논의된 바와 같이, y=0인 평면 내에서 시스템의 대칭 때문에, 이 y' 오차는 시간에 있어서 거의 일정해야 한다. 바람직한 미세 제어 콜리메이터의 y 축 조향 코일을 이용하거나, 또는 다른 z 좌표에 있는 인접한 구역 내에서, 이산된 자기 조향 디바이스를 이용하여, 균일한 자기장 성분 B_x를 제공함으로써 임의의 정적인 오차를 보상할 수 있다.

이러한 y' 오차를 측정하는 것과 그것을 보정하는 것 모두의 가장 간단한 방법은, 바람직하게는 x' 각도 내의 오차를 보정한 후에, 정렬된 구멍의 범위를 갖는 두 개의 정렬 플레이트(24, 26)를 빔 내에 동시에 두는 것이다. 만약 y 방향으로의 빔 운동의 성분이 변화된다면 전체 평균 빔 전류는 변화하게 되고, 운동의 y 성분이 0일 때, 최대로 전달되는 전류가 발생해야 한다.

y' 오차에 대한 검출의 최대 감도를 얻기 위하여, 도7의 슬롯 구멍들이 적합하지 않은 크기인, 작은 y치수를 지닌 두 개 의 구멍을 갖는 플레이트를 통하여 빔이 통과되어야 한다. 또한, 정렬 플레이트의 중심 구멍에 걸쳐 위치되는 빔으로 스캐닝을 정지시키는 것이 가능하고, 그에 의해서 원하는 감도를 이룰 수 있다. 다른 대안은, 오실로스코프 화면을 모니터링하여 각각의 정렬 플레이트 내의 중심 구멍을 통하여 오직 전류를 관측하는 것, 슬롯 구멍을 통한 이온 전류를 무시하는 다른 타이밍 기술을 이용하는 것, 또는 x 축 방향의 좁은 슬롯(또는 슬롯들)을 빔 속으로 삽입하는 정렬 플레이트 상의 제2위치를 제공하는 것이다. 이런 개선책들 중 어느 것이라도 사용되면, B_x 자기장 성분은 빔 전류를 최대화 하도록 조정될 수 있으며, 그 지점에서 오차 y'는 본질적으로 0까지 감소된다.

Ⅵ. 이온 투여 프로파일의 측정

만약, 타켓 평면에 도달하는 스캔된 이온 빔의 분율이 100%가 되면, (빔을 통하여 y 방향으로 직각으로 가로지르는 타겟 작업편으로) 이온의 정밀 주입을 수행하는데 이제 요구되는 모든 것들은 이온 빔의 스캔 속도가 일정한 것, 즉 시간에 대한 빔의 파형이 톱니 패턴인 것을 확보하게 된다. 현실적으로 불행하게도, 광학 시스템을 통한 이온 빔의 투과는 불완전하고, 이온빔 투과는 스캔 시에 그의 위치 의 함수로 변하는 경향이 있다. 그러므로, 이러한 결점을 측정하고 보상하는 것이 필요하다. 스캔된 빔에 의해 부여되는 x 축 방향으로의 투여(dosing) 프로파일은 몇몇 서로 다른 방법들 중 어느 하나에 의해 결정될 수 있다. 완전히 새로운 것 뿐만 아니라 두 개의 종래에 알려진 방법들이 아래에서 기술된다.

기법 1:

동일한 패러데이 컵들의 선형 배열은 타겟 평면의 후방에 가깝게 위치될 수 있다. 이들 컵의 높이는 최대 빔 높이를 초과해야만 하고, 이들의 컵 개구의 폭은 정확히 동일해야만 한다. 각각의 컵 내에 수용되는 이온 전하는 하나 이상의 빔 스캔 사이클에 대하여 통합될 수 있고 각각의 컵 내의 이온 전하는 동일해야만 한다. 측정된 전하들의 값은 투여 프로파일을 나타낸다.

이러한 방법의 변형이 본 명세서에서 이전에 기술되고 도5 및 도6에 의해서 각각 예시된 변형된 시스템 장치를 이용하여 수행될 수 있고, 여기에서 제2 정렬 플레이트가 빔 속으로 삽입되고, 각각의 긴 슬롯을 통하여 통과하며 단일의 큰 패러데이 컵에 의해서 수용되는 펄스 이온 전하가 기록될 수 있다. 이러한 기법은 (i) 슬롯 구멍들이 빔보다 더 높을 것, (ii) 슬롯 구멍의 피치가 빔 폭을 초과할 것, (iii) 슬롯 구멍의 폭이 정확히 동일할 것을 요구한다. 만약 이러한 방식으로 이용된다면, 바람직하게는 중심의 구멍이 다른 나머지 구멍들과 동일하게 된다.

기법 2:

제2 방법은 x 축 방향으로 타겟 평면에서 또는 근처에서 빔을 가로지를 수 있는 이동하는 패러데이 컵을 제공한다. 다수 위치에서의 이온 전하는 하나 이상 의 스캔 사이클에 대하여 통합된다.

이러한 기법은 하나의 패러데이 컵이 이용되기 때문에, (프로파일을 왜곡하는) 시스템 상의 차이가 제거된다는 장점을 갖는다. 이 기법은 또한 매우 미세한 분해능이 가능하지만, 투여 프로파일이 매우 급격한 특징을 포함하지 않는 것이 기대될 것이다.

기법 3:

매우 미세한 분해능이 가능한 제3의 바람직한 방법은 이온 빔으로부터 두 개의 정렬 플레이트를 제거하는 것이고, 그 다음에 단일의 큰 패러데이 컵 내의 빔 전류를 시간의 함수로 측정하는 것이다. 이 데이터를 위치에 대한 평균 투여 분량 비율(dose rate)을 나타내는 프로파일로 변환하는 것은 몇몇의 부가적인 정보를 필요로 하며, 이는 이전에 수행된 비평행도의 초기 경험적인 측정 동안 이미 얻어진 바 있다.

첫째로, 스캔 사이클 내의 시간과 빔 중심의 x 위치 사이의 관계를 확인하는 데이터를 가져야한다. 이러한 관계는 평행도의 측정 동안 제2 정렬 플레이트를 이용하여 각각의 빔 스캔의 방향으로 7개 지점에서 측정된다.

둘째로, 투여 분량 비율 J_x는 I_x/v_x에 비례하기 때문에, 스캔 위치와 스캔 속도 사이의 관계를 확인하는 데이터를 가져야 한다. 여기서, I_x는 패러데이 컵 내의 위치 x(위치는 보간법에 의해서 얻어짐)에서 측정된 전류이고 v_x는 빔 스캔 속도이다. 분명하게, 만약 7개의 정밀한 시각에서 빔의 위치를 안다면, 속도를 결정하기 위하여 데이터를 보간할 수 있고, 또는 보다 큰 정확성을 얻기 위하여, 다항식을 데이터에 맞추고, 미분하고, 속도의 정확한 프로파일 얻을 수 있다.

이러한 절차를 이용하여, 측정 범위 내의 임의의 위치에서 J_x의 값이 결정될 수 있다.

상기 방법들 중 임의의 것에 의하여 이온 도핑 프로파일을 얻은 후에, 도핑 프로파일 내의 비정합성(non-consistency)을 보상하는 스캐너에 인가되는 스캔 파형에 대한 원하는 그리고 미리 선택된 수정을 계산하는 것이 이제 가능하며, 그에 의해서 주입이 수행되는 프로파일 균일성을 향상시키게 된다.

Ⅶ. 스캔된 빔의 평행도를 조정하고 정렬하는 바람직한 방법과 이온 빔 내의 각 퍼짐의 오차 변동을 제어하기 위한 방법.

초기에, 이온 빔이 잘 알려진 방법들에 의해서 진공 시스템 내에서 생성된다. 순도를 확보하기 위한 질량 분석 후에, 다른 구조적 형태를 취할 수 있는 스캔 디바이스를 이용하여 빔이 스캔된다.

일 실시예에서, 스캐너 디바이스는, 150 ㎜의 z 치수를 갖고 (스캔된 빔에 대한 공간을 허용하는) x 축 방향으로 점점 가늘어진 간극을 갖는 한 쌍의 근사적으로 평판 전극(도5 및 도6에서의 "SD")을 포함한다. 디바이스는 전기적으로 접지된 하나의 플레이트 및 음 극성 전원 장치에 연결되는 다른 하나의 플레이트를 갖는다. 이는 빔에 대하여 요구되는 톱니 패턴의 파형에 약 3도 와 15도 사이의 단극의 스캔을 제공한다. 톱니 패턴은 초기에는 선형의 파형이지만, 이러한 파형은 나중에 전류 균일성을 제어하기 위해서 시스템 내에서 약간 조정된다. 40keV 이하의 에너지를 갖는 이온 빔에 대하여, 편향기의 음의 플레이트 상에 요구되는 포텐셜의 최대 크기는 약 11kV이며 빔 둘레에 허용되는 간극에 따른다.

종래의 조동 시준:

빔 중심을 근사적으로 평행하게 만들고 또한 x의 함수로서 Δy'에서의 변이를 제거하도록 극들이 형성된, 쌍극자 자석에 의하여, 30도 와 90도 사이의, 바람직하게는 대략 70도의 각도를 통하여 스캔된 이온 빔이 전형적으로 편향된다. 본 명세서에서 이전에 기술된 바와 같이, 이는 자석 광학의 제2 차수의 수차이고, 그의 제어는 SLAC 80-40(뿐만아니라 그리고 다른 문헌들)에 기술되어 있다. 약 1.0 테스라(Tesla)의 최대값을 갖는 자기장을 변화시키기 위해 이 쌍극자 자석의 코일을 통하여 통과되는 전류는 약 10 내지 180 암페어 사이에서 조정될 수 있다. 그에 의해서 쌍극자 자석이 다양한 종 중에서 어느 하나의 이온을 편향시키도록, 그리고 적어도 1 내지 200 keV의 범위의 에너지로 시스템의 z 축에 대략 평행하게 이동하도록 조정될 수 있다. 후가속(postacceleration) 단계가 이온의 최종 에너지를 변화시키는 데 이용될 수 있다.

광학 및 기계적 정렬:

본 발명의 방법은 스캔된 이온 빔의 평행도를 증가시킨다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 오토콜리메이팅 망원경(100)이 (도5 및 6에서와 같이) 쌍극자 자석과 같은 조동 콜리메이터에 단단히 부착된다. 오토콜리메이팅 망원경은 정밀 창을 통하여 진공 속을 들여다보도록 배열되거나, 또는 대안으로, 진공 시스템이 배 기될 때, 제거 가능한 플랜지 대신에 부착된다.

오토콜리메이팅 망원경의 광학 축은 좌표계의 z 축이 되도록 정의되고, 설비의 모든 다른 부분들은 이러한 정의된 축에 정렬되어야만 한다. 망원경 그 자체는 물리적인 빔라인(beamline) 성분의 임의의 정렬 오차를 측정하는 수단을 제공한다. 특히, 빔을 통하여 웨이퍼를 통과시키기 위해 제공된 수단 상의 타켓 평면 내의 홀더 상에 장착된 실리콘 웨이퍼를 상기 망원경을 통해 사람이 볼 수 있다. 웨이퍼 표면 상에서 (오토콜리메이팅 망원경의 일부로서 제공되는) 광원의 반사는 망원경의 접안렌즈를 통하여 관찰될 수 있고, 광원의 이미지가 망원경의 십자선 내에 중심이 맞추어질 때 z 축에 수직인 웨이퍼 표면의 올바른 정렬이 확인된다.

이온 빔의 z 축으로의 정렬은 망원경에 의하여 직접적으로 관찰될 수 없고, 그 대신에 다음의 방법으로 측정된다. 즉, 이전에 기술된 바처럼, 각각이 빔 경로로 개별적으로 삽입되거나 되돌려질 수 있도록, 두 개의 정렬 플레이트가 가동 기구상에 제공된다. 300 ㎜ 크기의 실리콘 웨이퍼를 이온 주입하도록 의도된 설비에 대하여, 50 ㎜의 피치 상에 3 ㎜ 폭의 일곱(7) 개의 슬롯 구멍들이 각각의 플레이트에 대하여 사용된다. 슬롯 구멍의 높이는 예상되는 가장 큰 빔 높이보다 더 크고, 효율적인 빔 이용의 이유로 빔 높이를 기판 높이의 20 % 미만으로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 슬롯들의 높이는 60 ㎜가 된다. 중심의 구멍은 용이한 확인을 위해서 뿐만 아니라 본 명세서에서 이전에 기술된 이유로 달라질 수 있다. 각각의 경우에 기구는 슬롯 구멍이 근사적으로 y=0인 평면 내에 놓이고 중심의 원형 구멍이 망원경 내에 보일 수 있으며 z 축 상으로 정확하게 놓이게 조정될 수 있 도록 조정된다. 이러한 정렬에 이어서, 주입 시스템 내에 진공이 다시 형성될 수 있다.

높이가 70 ㎜이고 폭이 400 ㎜인, 단일의 패러데이 컵이 스캔된 빔의 전부 또는 대부분을 수용하도록 제공되고, 패러데이 컵은 느린 이온 및 전자들이 빠른 이온의 전류의 측정을 왜곡하는 것을 방지하도록 자기적으로 억제된다. 바람직하게는, 다른 조리개 및 물체에 의해 이전에 차단되지 않았던 모든 이온 빔을 수용하기 위하여 패러데이 컵이 주입 평면의 후방에 지속적으로 위치된다. 빔 경로 내에 위치된 어느 하나의 정렬 플레이트로, 일련의 전류 펄스가 빔이 슬롯 구멍을 가로지를 때 측정될 수 있고, 빔의 일부는 간단히 패러데이 컵에 도달한다.

또한, 도5에 도시된 수정된 시스템에 따라서, 정렬 플레이트들은 개별적으로 위치되고, 하나는 주입 평면의 앞에 그리고 나머지 하나는 그의 후방에 위치된다. 바람직하게는, 하나의 플레이트가 주입 평면 내에 위치된다. 평면에 있는 플레이트는 오직 주입 전에 이용되고 실제 주입 공정 동안은 이용되지 않기 때문에, 이 플레이트는 주입 공정 중에 회수될 수 있다(그리고 회수되어야만 한다). 그럼에도 불구하고, 이 플레이트를 주입 평면 내에 배치함으로써, 주입 공정의 각각의 빔 스캔 사이클 동안 시간에 대한 빔 위치는 주입 평면 내에서 명백히 결정되는 반면, 수정된 종래의 장치로, 이러한 정보는 보간법에 의해 오직 결정될 수 있다.

따라서, 제1 정렬 플레이트는 빔으로 삽입되고 제2 정렬 플레이트는 되돌려 진다. 그 다음, 디지털 오실로스코프 상에서 전류-전압 변환기를 거쳐서 패러데이 컵 내의 전류가 측정된다. 이는, 500 nsec 보다 더 양호한 정밀도를 가지고, 빔 중심이 어느 하나의 플레이트 내의 슬롯 각각을 가로질러 스캔되는 시간을 결정한다. 도8의 (a)는 예상될 수 있는 전형적인 파형을 나타내고, 도9는 빔 중심의 각도가 도7에 도시된 두 개의 정렬 플레이트를 이용하여 행해지는 측정으로부터 계산될 수 있는 방법을 그래프로 예시한다.

또한, 만약 정렬 플레이트의 중심의 구멍이 작다면, 이 구멍을 통하여 투과되는 전류는 정렬 플레이트의 슬롯 구멍을 통하여 투과되는 전류 펄스보다 현저히 작고, 이는 빔 위치를 확인하는데 도움을 줄 수 있다. 적절하지만 과잉 마진이 없는 만큼 폭을 초과하는 거리를 통하여 스캔되어야 하고, 이는 빔(70)의 순간 폭보다 약간 더 크고 바람직하게는 60 ㎜의 폭을 초과하지 않아야 한다. 이 오버 스캔된 빔이 도1A에서 부호 72로 나타난다.

미세하게 제어된 시준:

본 명세서에서 이전에 기술되고 도1A 및 도1B에 의해서 도시된 바와 같이, 평행도를 증가시키기 위한 방법은 바람직하게는 미세 콜리메이터/조향기를 사용한다. 바람직한 구성은, 동일한 그리고 반대의 y 축 좌표(+/- g)에서 스캔된 빔에 관하여 대칭으로 위치되고 그의 양 및 음의 방향으로 x 축에 평행하게 연장되는 두 개의 평행한 다중편향기 시퀀스 배열을 포함한다. 각각의 다중편향기 시퀀스는, 편향기 각각의 시작 부분이 가장 가까운 정렬 플레이트 내의 슬롯 중 하나로 정렬되고 편향기 각각의 끝 부분은 플레이트 내의 다음 슬롯 구멍으로 정렬되도록 위치된 일련의 (바람직하게는 동일한) 전자기 편향기를 포함한다. 캐스케이드 내의 각각의 지지 바 상에 연속적으로 배치된 코일 편향기들의 개수는 각각의 플레이트 내 의 구멍의 개수보다 작아야 한다. 그러나, 정렬 플레이트의 슬롯들을 지나서 배치되는 x 축 조향 코일을 또한 제공하는 것이 유리한 것으로 생각된다.

바람직하게는, 빔의 평행도를 증가시키는 것이 요구되는 구역의 한계에서 또는 그 근처에서 정렬 플레이트의 최외측 슬롯들이 정렬되고, 캐스케이드 내의 각각의 편향기의 시작 및 끝 부분이 플레이트 내의 슬롯 구멍으로 정렬된다. 외부의 x 축 조향 코일의 위치들은 보다 적게 중요하다.

제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열 사이에 존재하는 분리 간극 거리는 최대 예상 빔 높이를 안전 마진만큼 초과해야만 하고, 이 들은 진공 챔버 외부에 위치될 수 있다. 따라서, 100 ㎜의 분리 간극이 바람직하다. 효율적인 수냉을 위하여 지지 바 상의 개개의 권선에 대하여 중공의 전도체를 이용하는 것이 권할 만한데, 이는 편향기 두께가 최소화되는 것을 허용하기 때문이다. 최대로 요구되는 보정은 +/- 5 도라는 것이 예상된다.

작동 방법을 포함하는 단계들:

작동 방법은 도11 및 도12에 도시된 흐름도에 의해서 예시되고 설명되는 다음의 단계들을 포함한다.

일단 시스템의 기계적인 정렬이 보정되면, 이온 빔이 조정되고 분석된다. 스캐너가 일정한 편향 포텐셜로 설정되며, 빔을 정확히 원하는 경로를 따라 보정기 자석으로 조향하기 위하여 일정한 편향 포텐셜에 대한 작은 조정을 필요로 할 수 있는 삽입 가능한 정렬 플레이트 내의 중심 구멍을 통하여 이 빔은 투과된다. 보정기 자석은 플레이트의 중심 구멍을 통한 패러데이 컵 속으로의 빔투과를 최대화 하도록 조정될 수 있다.

이 투과된 빔 전류를 최대화하기 위하여, 미세 제어 구성의 x 축 조향 코일은 적합한 직류 전류로 알맞게 에너지가 공급될 수 있다. 이러한 전류는 투과된 빔 전류를 최대화하기 위하여 조정될 수 있고, 그에 의하여 스캔되지 않은 빔 중심의 올바른 정렬을 확보하게 된다.

이제 빔이, 스캐너 플레이트(도6에서의 "SD") 사이의 톱니 파형으로 스캔된다. 하나의 정렬 플레이트가 빔 내에 삽입되고, 나머지 하나의 플레이트는 제거된다. 패러데이 컵 내에 수용되는 전류가, (도시되지 않은) 디지털 오실로스코프 상에서 관찰될 때, 도8의 (b)에 도시된 바와 같이 보일 때까지 진폭이 조정되고, 그 지점에서 스캔 진폭은 충분하지만 과잉은 아니다. 오실로스코프는 스캐너 파형으로 동조 되어야 한다.

디지털 오실로스코프가 이온빔 중심이 제1 정렬 플레이트 내의 슬롯 각각을 통과하는 시간을 결정하는데 이용된다. 이 단계에서, 제1 정렬 플레이트가 회수되고, 제2 정렬 플레이트가 삽입되고, 유사한 데이터가 기록된다.

작동의 기초 이론:

수학적으로, 제1 샘플 플레이트 내의 제1 구멍을 통한 빔 통과 시간을 기호 t₁₀₁, 제2 정렬 플레이트 내의 제1 구멍을 통한 빔 통과 시간을 기호 t₂₀₁, 등으로 표시할 수 있다. 따라서, 제1 플레이트의 일곱 번째 구멍은 첨자 107에 의해 표시된다.

유사하게, 반환(return) 스캔 데이터 지점들은 t₁₀₈ 내지 t₁₁₄로 번호가 매겨지고, 데이터 지점 8 내지 14로 표시하며, 지점 14는 구멍 1을 통한 빔의 최종 통과를 표시한다. 두 개의 샘플 플레이트 사이의 거리는 "d"이고, 빔은 속도 "v"로 이동하는 것으로 알려진다. 구멍의 피치는 기호 "p"로 표시되고, 이는 본 실시예에서 50.0 ㎜의 값을 갖는다.

플레이트 각각의 구멍 1을 통하여 통과할 때 빔 중심의 방향을 표시하는 x' 각도는 다음 식에 의해서 주어진다.

x'₁=(t₂₀₁-t₁₀₁-v/d)*v_s/d

여기서 빔 스캔 속도 v_s는 다음에 의해 개산된다.

vs =~ p/(t₂₀₂-t₂₀₁)

x'₁에 대한 식은 제1 샘플 플레이트의 평면 내에서 시간 (t₁₀₁ + t₂₀₁)/2에서 정확하다. 빔이 일정한 속도로 스캐닝한다고 가정했기 때문에, v_s에 대한 식은 근사식이다. 수립될 때 다항식의 함수를 시간에 대한 빔 위치의 데이터에 맞추고, 그것을 스캔 속도의 정확한 함수를 얻도록 미분하는 것이 유용하다. 따라서, 보다 정확한 값이 얻어질 수 있고 치환될 수 있다. 오차의 보정 후에, 스캔 속도 함수는 도핑 프로파일을 계산하는데 유용하고, 이는 보다 충분히 아래에서 논의된다.

예를 들면, 각각의 플레이트 내의 일곱(7) 개의 슬롯 구멍으로, 각도 편차(deviation)의 일곱 개의 값이 기록될 수 있다. 중심 구멍을 통한 빔 방향은 0 의 오차를 갖도록, 빔 조향 코일이 이미 조정되었어야 한다. 제1 플레이트의 구멍 각각에 대하여, 이러한 위치에서의 편차를 보정하기 위하여 편향기에 의해 제공되도록 요구되는 자기장이 계산될 수 있다.

만약 원한다면, 실험에 의해 비례 상수가 결정될 수 있다. 만약, 예시적인 목적으로, (확실하게 틀린) 가정이 다중 극의 중심(x=0)에서의 자기장이 일정하게 남는 것이라면, │x│＞ 0 에 대하여 요구되는 자기장을 생성하는데 필요한 전류-회전의 수를 간단히 계산한다.

강자성 지지 바 사이의 분리 거리가 2g 라고 가정하면, I를 각각의 코일에 흐르는 전체 전류라 하고 n을 회전의 수라고 하면 ΔB_y=μ₀nI/g이다. ΔB_y가 코일 쌍 각각의 x 방향을 가로지르는 B_y의 변화이어서, 중심에서 (가정된 것처럼) B_y=0이면 플레이트 내의 다음 슬롯과 일렬인 자기장이 정의된다. 이러한 과정을 각각의 슬롯 위치에 차례로 연장시키는 것은 간단한 문제이다.

x=0인 평면의 각 측면 상의 전류-회전의 분포에 따라서, 지지 바의 중심에서 자기 스칼라 포텐셜(magnetic scalar potential)은 0이 되지 않고, 결과적으로, 중심에서의 자기장 B_y(0)은 가정된 바처럼 0이 되지 않는다. 이는 전체 빔으로 하여금 양 또는 음의 x 방향으로 조직적으로 조향되도록 한다. 이 조향 효과는 x 축 조향 코일을 통하여 적절한 전류를 통과시킴으로써 보상될 수 있다. 이 조정은 미리 계산될 수 있거나 또는 처음에 행해진 조향 보정을 반복함으로써 수행될 수 있다.

도10은 네 쌍의 코일 및 각 조리개 플레이트의 다섯 개의 샘플링 슬롯을 이용하여 얻어질 수 있는 비평행도의 감소를 예시한다. 감쇠는 1/n²의 차수이고, 여기서 2n의 활성 코일이 존재하여 n=4 이며 감쇠는 1/16의 차수이다.

빔 시준 상의 직교 효과:

일반적으로, 스캔된 이온 빔의 평행도를 보정하기 위하여 종래의 시스템에서 이용되는 쌍극자 자석의 이온 광학 속성들은 순간적인 이온 빔의 초점 맞추기와 그에 따른 각의 퍼짐 Δy'은 스캔 각도의 함수라는 점에서 바람직하지 않은 속성을 갖는다. 빔이 주입된 타겟을 가로질러 스캔될 때 이온 빔의 크기 그리고 특히 각의 분포가 상당히 일정하도록 이러한 효과를 최소화하는 것이 바람직하다. 균일한 자기장 구배 dB_y/dx의 진공 영역은, 동일한 그리고 반대 크기의 대응하는 항 dB_y/dy를 또한 가져야 한다는 것이 잘 알려져 있다(맥스웰의 컬 방정식). 이러한 수학적 계로부터, x 축 방향으로 빔의 초점을 맞추도록 배열된 불균일(non-uniform) 자기장의 영역은 또한 y 축 방향으로 동시에 빔의 초점을 흐리게 해야만 한다. 이러한 효과들은 4극자(quadrupole) 렌즈의 사용에서 잘 알려져 있고, 여기서 두문자어 'FODO'는 주어진 평면 내에서 초점을 맞추고 그 다음 초점을 흐리게 하는 한 쌍의 렌즈라 하고, 이는 직교 평면 내에서 초점을 흐리게 한 다음에 초점을 맞추는 효과를 갖는 것으로 알려져 있다.

또한 이러한 일반적인 규칙은 본 명세서에서 기술된 미세 제어 콜리메이터에 국부적으로 적용된다. 그것은, 에너지가 공급되고 자기장 구배가 수립되는, 대향 하게 놓인 편향기의 캐스케이드 사이에 놓인 임의의 구역이 빔의 얼마간의 초점 맞추기 또는 초점 흐리기를 직각 방향으로 야기하는 효과를 갖는다. 하지만, 이러한 초점 맞추기(또는 초점 흐리기)가 유익한지 또는 바람직하지 않은 지는 특정 빔의 조건 및 시스템 설계에 의존한다.

그러므로, 어떠한 상황 하에서, 조동 콜리메이터(쌍극자 자석)의 빔 상류의 라인 내의 제2 위치에서, 고정되거나 또는 위치가 가변적인, 제2 미세 제어 콜리메이터를 포함하는 것이 요망될 수 있다. 이러한 제2 미세 제어 콜리메이터는 보정자 자석의 초점을 맞추는 데의 바람직하지 않은 변동을 보정하기 위해 그리고 하류의 다중극 렌즈 내의 바람직하지 않은 직교 효과에 대한 제어를 제공하기 위해 이용될 수 있다.

이러한 경우에서 또한, 채용되는 조동 콜리메이터(쌍극자 자석)는 Δy'에서 변동을 야기하는 제2 차수의 수차를 제거하도록 설계되는 것이 필수적이다. 이러한 수차를 제어하기 위한 두 개의 미세 제어 콜리메이터의 이용을 통하여 입수 가능한 조정량은 매우 제한적이고, Δy' 내의 바람직하지 않은 작은 잔류 변동을 보상하는 데에 충분할 뿐이다. 이러한 제한 내에서, 제2 미세 제어 콜리메이터의 이용은 최상의 전체적인 빔 시준에 대한 광학을 조정하는 능력을 제공한다.

본 발명은, 첨부된 청구항들에 의한 것을 제외하고, 형태적으로 한정되지도 범위에 있어서도 제한되지도 않는다.

Claims (16)

1. 이온 빔으로서 대전된 입자의 발생을 위한 소스와, 스캔된 리본 빔을 생성하도록 변하는 각도를 통하여 이온 빔을 편향시키는 스캐너와, 스캔된 빔을 통하여 이동되는 작업편으로 스캔된 이온 빔 내의 대전된 입자를 주입하기 위한 평면 표면을 포함하는 이온 주입 장치에서, 스캔된 빔의 정확한 시준 및 정열을 위한 미세 제어 콜리메이터/조향기이며,

   각각이 (1) 강자성 재료를 포함하고 고정된 길이 및 둘레를 갖는 선형 지지 바와 (2) 상기 지지 바 상의 미리 선택된 위치에 인접하게 배치되고 독립적으로 권취되고, 각각이 전기 전도성 와이어로 형성되고 상기 지지 바에 직각으로 놓이게 권취된 적어도 두 개의 코일 편향기와 (3) 상기 지지 바의 각 단부에 개별적으로 배치되고 독립적으로 권취된 적어도 한 쌍의 조향 코일을 포함하고, 스캔된 리본 빔의 폭을 대칭적으로 감싸는 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열과;

   상기 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열의 상기 지지 바 각각의 인접하게 배치된 코일 편향기의 각각을 통하여 가변 전류의 전기 에너지를 독립적이고 동시에 통과시켜, 그에 의해 (a) 인접하게 배치된 코일 편향기의 각각에 에너지가 공급되고 (b) 에너지가 공급된 코일 편향기의 각각이 제한된 폭의 조절 가능한 국부 자기장 포텐셜 구배와 상기 선형 지지 바들 사이의 직각으로 연장되는 자기장을 독립적으로 생성하고 (c) 제한된 폭의 상기 자기장 포텐셜 구배의 다수가 상기 제1 및 제2 다중편향기 시퀀스 배열 사이에서 직각으로 연장되는 인접한 자기장을 형성하 고 (d) 상기 인접한 자기장 내의 조정 가능한 국부 자기 포텐셜 구배의 각각이 상기 지지 바의 선형 길이에 걸쳐 연장된 미리 선택된 자기장 구배 프로파일을 산출하도록 의도에 따라 개별적으로 그리고 동시에 변경될 수 있는, 제1 온-디맨드(on-demand) 제어부와;

   상기 지지 바 각각의 단부에 위치된 상기 조향 코일의 각각을 통하여 독립적으로 그리고 동시에 가변 전류의 전기 에너지를 통과시키며, 그에 의하여 상기 조향 코일에 에너지가 공급되어 제한된 폭의 직각으로 연장되는 자기장과 상기 선형 지지 바의 각 단부에서 조절 가능한 국부 자기 포텐셜 구배를 생성시키는, 제2 온-디맨드 제어부와;

   인접한 자기장 및 미리 선택된 자기장 구배 프로파일을 그를 통하여 이동하는 스캔된 이온 빔으로 인가하기 위하여 상기 다중편향기 시퀀스 배열에 의해 제한된 공간 채널을 포함하고,

   스캔된 이온 빔의 평행도가 미세하게 제어되고 보다 정밀하게 되는 것을 특징으로 하는 미세 제어 콜리메이터/조향기.
2. 제1항에 있어서, 상기 이온 주입 장치는 조동 콜리메이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 제어 콜리메이터/조향기.
3. 제1항에 있어서, 상기 지지 바 상의 상기 독립적으로 권취되고 인접하게 배치된 코일 편향기는 개수가 4 내지 30 사이인 것을 특징으로 하는 미세 제어 콜리 메이터/조향기.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 다중편향기 시퀀스 배열 상의 코일 편향기 각각으로 프로그램 가능한 전류를 독립적으로 공급하는 전기 장치와, 상기 제2 다중편향기 시퀀스 배열 상의 코일 편향기 각각으로 동일하고 반대인 전류를 독립적으로 공급하는 전기 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 제어 콜리메이터/조향기.
5. 제1항에 있어서, 스캔된 이온 빔을 측정 가능한 정도로 편향시키기에 충분한 모든 상기 코일 편향기에 대해 동일한 방향으로 일정한 전류를 중첩시키기 위한 전기 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 제어 콜리메이터/조향기.
6. 제1항에 있어서, 상기 지지 바 각각의 선형 길이에 걸쳐 권취된 박층 와이어 랩핑과, 지지 바 각각의 선형 길이에 걸쳐 일정한 자기장을 생성하고 스캔된 이온 빔을 측정 가능한 정도로 편향시키는 데 효과적인 상기 박층 와이어 랩의 각각으로 동일한 방향으로 동일한 전류를 인가하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 제어 콜리메이터/조향기.
7. 제1항에 있어서, 복수의 지점에 있는 기준 축에 대한 이온 빔의 순간적인 각의 편차를 측정하는데 적합한 장치를 더 포함하며, 상기 측정은 기준 축에 직각인 적어도 하나의 방향으로 이루어지고, 그에 의해서 상기 코일 편향기 내의 전류는 측정된 각의 편차에 응답하여 조정되고 기준 축으로부터 이온 빔의 편차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 미세 제어 콜리메이터/조향기.
8. 이온 소스와, 분석기 자석과, 평면 내의 빔을 스캐닝하는 빔 스캐너와, 스캔된 빔을 근사적으로 평행한 스캔된 리본 빔으로 변환하기 위한 조동 시준 디바이스와, 빔이 스캔되는 방향에 일반적으로 직각인 방향으로 타겟 평면에서의 스캔된 리본 빔을 통하여 작업편을 통과시키고 사실상 균일한 일 회분 이온을 상기 평면에 유지된 작업편으로 주입하기 위한 기구를 포함하는 하이브리드 스캔 이온 주입 시스템에서 이온 빔 시준을 향상시키는 방법이며,

   작업편이 일 회분 이온으로 주입되는 평면에 대해 알려진 방향으로 평행도의 기준 축을 한정하는 단계와;

   빔이 스캔되는 평면 내의 상기 기준 축에 대한 빔 중심의 방향으로 오차를 측정하는 단계와;

   자기장의 제어 가능한 영역 및 조정 가능한 자기장 구배 프로파일을 빔이 스캔되는 평면에 사실상 직각인 방향으로 생성시키는 단계와;

   빔 중심 방향의 상기 오차 측정에 응하여 자기장 구배 프로파일을 조정하는 단계와;

   빔 중심의 방향으로의 상기 오차가 작업편이 주입될 평면에 대해 사실상 제거되도록 빔의 폭을 가로질러 상지 조정된 자기장 구배 프로파일을 인가하는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 빔이 스캔되는 평면에 직각인 빔 중심의 이동 성분을 측정하는 단계와; 빔을 가로지르는 자기장의 균일한 성분이 존재하고 크기 및 방향이 제어되는 스캔의 평면 내에 놓여있는 영역을 제공하는 단계를 더 포함하며, 그에 의하여 y 축 방향으로의 빔 중심 이동의 측정된 성분이 사실상 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 이온 빔에 의해서 제공된 투여 분량 비율의 프로파일을 빔이 스캔되는 방향으로 측정하는 단계와; 빔 스캔 속도를 조정하기 위하여 스캔 파형을 변형하는 단계를 포함하며, 그에 의해서 빔 내의 이온을 작업편에 투여하는 균일성이 향상되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 조동 시준 디바이스는, 스캔된 포락선 내의 빔 위치의 함수로서 빔의 중심에 관하여 각 퍼짐의 변동을 야기하는 이온 광학 수차를 사실상 제거하는 방식으로 형성되는 극 편을 포함하는 쌍극자 자석인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상류 위치에 있는 자기장의 추가적인 제어 가능한 영역을 제공하는 단계를 더 포함하며, 그에 의해서 자기장의 구배가 높은 차수 의 잔류 수차를 감소시키는 방식으로 위치의 함수로 변하도록 야기되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제8항에 있어서, 자기장의 상기 제어 가능한 영역은, 빔이 스캔되는 평면의 각각의 측면 상에 있고 빔에 직각으로 연장되고 빔이 스캔되는 방향에 평행하게 놓이는, 코일 편향기의 2개의 시퀀스 배열에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제8항에 있어서, 자기장의 상기 제어 가능한 영역은, 스캔된 이온 빔을 시준하는 데 이용되는 쌍극자 자석 내의 가동 극 편에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제8항 또는 제9항에 있어서, 자기장의 상기 제어 가능한 영역은 미세 제어 시준/조향기를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 이온 소스와, 분석기 자석과, 평면 내의 빔을 스캐닝하는 빔 스캐너와, 스캔된 빔을 근사적으로 평행한 스캔된 리본 빔으로 변환하기 위한 조동 시준 디바이스와, 빔이 스캔되는 방향에 일반적으로 직각인 방향으로 스캔된 리본 빔을 통하여 평면 작업편을 통과시켜 사실상 균일한 일 회분 이온을 작업편으로 주입하기 위한 기구를 포함하는 하이브리드 스캔 이온 주입기에서 빔 시준 및 균일성을 향상시키 는 방법이며,

    주입될 작업편에 알려진 배향으로 축을 한정하는 단계와;

    빔이 스캔되는 평면 내에 그리고 그에 직각으로 상기 기준 축에 대한 빔 중심의 방향으로 오차를 측정하는 단계와;

    빔이 스캔되는 평면에 사실상 직각인 자기장의 제어 가능한 영역을 제공하는 단계와;

    상기 평면 내에 그리고 그에 직각으로, 빔 중심의 방향으로의 오차를 사실상 제거하도록 측정에 응하여 빔 포락선의 장 치수를 따라 변하도록 자기장을 조정하는 단계와;

    이온 빔에 의해 제공되는 투여 분량 비율로 빔이 스캔되는 방향으로 프로파일을 측정하는 단계와;

    상기 투여 분량 비율 프로파일을 수정하고 상기 투여 분량 비율 프로파일이 원하는 프로파일에 보다 가깝게 따르도록 하기 위하여 스캐너가 이온 빔을 스캔하는 파형을 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

Images