KR20070116261A - 이온 소스내의 캐소드 및 카운터-캐소드 배열 - Google Patents

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KR20070116261A
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Abstract

본 발명은 이온 주입장치(10)에 적합한 캐소드(20) 및 카운터-캐소드(44)를 포함하는 이온 소스에 관한 것이다. 통상적으로, 이온 소스는 진공 상태 하에서 고정되고, 아크(arc) 챔버(16) 내에서 생성된 플라즈마를 사용하여 이온을 생성한다. 플라즈마 이온들은 아크 챔버로부터 추출되고, 그 다음 반도체 웨이퍼(12)로 주입된다. 본 발명에 따른 이온 소스는 아크 챔버 안으로 전자들을 방출하도록 배열된 캐소드(40); 캐소드에 의해 방출된 전자들이 입사하도록 아크 챔버 내에 배치된 전극(44); 전극을 바이어스하도록 배열된 하나 이상의 전압 전위 소스; 애노드로써 기능하도록 전극을 양으로 바이어스하는 전압 전위 소스 및 카운터-캐소드로서 기능하도록 전극을 음으로 바이어스하는 전압 전위 소스 사이에서 스위칭 하도록 동작하는 전압 전위 조절기(82)를 더 포함한다.

Description

이온 소스내의 캐소드 및 카운터-캐소드 배열{CATHODE AND COUNTER-CATHODE ARRANGEMENT IN AN ION SOURCE}
본 발명은 이온 주입장치에 적합한 캐소드 및 카운터-캐소드를 포함하는 이온 소스들에 관한 것이다.
본 발명의 의도된 어플리케이션은, 많은 다른 어플리케이션들이 사용될 수 있을지라도, 반도체 소자 또는 다른 물질들의 제조에서 사용될 수 있는 이온 주입장치이다. 이러한 어플리케이션에서, 반도체 웨이퍼는 다양한 전도성 영역을 형성하기 위해서 웨이퍼 본체에 목적하는 도펀트 종의 원자들을 주입함으로써 수정된다. 일반적인 도펀트의 예는 붕소, 인, 비소 및 안티몬이다.
통상적으로 이온 주입장치는 진공 챔버 내의 진공 상태 하에서 고정된 이온 소스를 포함한다. 이온 소스는 아크 챔버 내에서 생성된 플라즈마를 사용하여 이온들을 생성한다. 플라즈마 이온들은 아크 챔버로부터 추출되고, "이온 샤워" 모드에서, 이온들은 반도체 웨이퍼와 같은 타깃(target)에 주입되기 위해 이동한다. 대안적으로, 추출된 이온들은 질량 분석 스테이지를 통과하여 지나가게 될 수 있으며, 따라서 목적하는 질량과 에너지를 갖는 이온들이 선택되고, 앞으로 이동하여 반도체 웨이퍼 내에 주입된다. 미국 특허 제4,754,200호에서 이온 주입장치에 관 한 보다 자세한 설명을 찾을 수 있다.
전형적인 버나스(Bernas)형 소스에서, 열 전자들이 캐소드로부터 방출되어 전기장의 영향권 하에서 가속되며, 카운터-캐소드를 향하여 나선형 경로로 이동하도록 자기장에 의해 힘을 받는다.
하나의 공지된 배열에서, 카운터-캐소드는 캐소드와 연결되어, 이들이 공통 전위에 있도록 한다(미국 특허 제5,517,077호 및 제5,977,552호). 카운터-캐소드는 음으로 바이어스되어, 이는 캐소드로부터 이동하는 전자들을 반발시키고, 이온 소스와 교차하는 나선형 경로의 개수를 증가시켜 아크 챔버 내의 이온화 효율을 증가시킨다.
다른 공지된 배열에서, 카운터-캐소드는 전기적으로 절연되어, 이는 플라즈마 전위에 가깝게 플로팅 한다(미국 특허 제5,703,372호).
주입장치의 질량 분석 스테이지는 희망하는 질량의 이온들의 선택(전하-상태 비율로 이들의 운동량 또는 질량을 통해서) 및 원하지 않는 이온들의 제거(이들이 자기장 내의 다른 경로를 따르는 범위로)를 허용하도록 자기장의 제어에 의해 동작된다.
붕소 도핑의 경우에, 예를 들어 BF3는 통상적으로 전구체(precursor) 가스로써 사용된다. 아크 챔버에서의 해리(dissociation)는 B+, F+, BF+ and BF2 + 이온들을 통상적으로 포함하는 플라즈마를 생성한다. 이렇게 혼합된 이온들이 추출되고, 바람직한 B/BFX 종들만이 반도체 웨이퍼에 전달되도록 보장하는 질량 분석 스테이지 에 진입한다. 많은 주입 방법들이 주입되기 위한 B+ 이온들이 필요하다고 할지라도, 다른 것들은 BF2 + 이온들을 사용한다. BF2 + 이온들이 반도체 웨이퍼와 충돌할 때 해리되기 때문에, 생성된 붕소 원자들은 감소된 에너지를 갖고 주입되어 일부 어플리케이션들에서 요구되는 것과 같이 더욱 얇은 도핑 층을 생성한다.
본 발명의 목적은 이온 소스의 동작 유연성(flexibility)을 증가시키는 것으로써, 예를 들어 공통 소스 물질로부터 산출된 다양한 종들의 주입을 위한 소스를 최적화하거나, 또는 특정 공급(feed) 물질로부터의 특정 이온 종들의 출력을 최적화하기 위한 것이다.
제 1 측면에서, 본 발명은 이온 주입장치를 위한 이온 소스에 관한 것으로써, 플라즈마를 포함하고 생성하도록 배열된 아크 챔버; 아크 챔버 안으로 전자들을 방출하도록 배열된 캐소드; 캐소드에 의해 방출된 전자들이 입사하도록 아크 챔버 안에 배치된 전극; 및 애노드로써 기능하도록 전극을 양으로 바이어스하는 전압 전위 소스 및 카운터-캐소드로서 기능하도록 전극을 음으로 바이어스하는 전압 전위 소스 사이에서 스위칭 하도록 동작하는 전압 전위 조절기를 포함한다.
"카운터-캐소드"에 대해 일반적으로 인정되는 용어라고 생각되지 않는다. "안티-캐소드" 및 "반사기(reflector)"라는 용어도 본 기술분야에서 같은 의미로 사용되는 것으로 생각된다. "카운터-캐소드"라는 용어는 이러한 전극을 언급하는 것으로 본원에서 앞으로 사용될 것이며, 청구항에 기재된 "카운터-캐소드"라는 용어는 이에 상응하게 해석되어야만 한다. 필수적으로, 이는 아크 챔버를 가로질러 캐소드와 마주하는 전극이며, 이는 이전에 캐소드의 전위에 연결되었거나, 또는 전기적으로 절연되었기에 이를 플라즈마의 전위에 근접하게 플로팅 하도록 한다.
본 발명에 의해 제공된 배열에서, 아크는 캐소드와 카운터-캐소드 사이에 점화될 수 있으며, 후자는 애노드로써 기능한다. 더구나, 카운터-캐소드에 양으로 바이어스된 전위는 캐소드로부터 방출된 전자들을 끌어당겨서, 이들이 집합되는 카운터-캐소드로 이동하게 한다. 따라서 전자들은 오직 한번 아크 챔버를 가로지르는 경향이 있다(대향하는 캐소드와 카운터-캐소드의 통상적인 배열이 사용된다고 가정하면). 전자들은 음으로 바이어스된 캐소드와 카운터-캐소드를 갖는 종래기술의 배열과 비교할 때 아크 챔버 내에서 더 짧은 평균 수명을 갖는다.
반사 모드 동작에서, 카운터-캐소드는 캐소드와 동일한 전위로 고정되어, 전자들이 되풀이하여 반사된다. 이는 보다 강력한 플라즈마, 강화된 이온화, 및 소스 가스 분자들의 크래킹(cracking)을 생성하기 위해서 캐소드로부터 방출된 전자들의 아크 챔버 안에서의 수명을 증가시킨다. 새로운 무-반사 모드 동작에서, 전자들은 이들이 수집되는 양의 카운터-캐소드로 끌어당겨진다. 결과적으로, 전자들의 수명은 아크 챔버 안에서 감소된다.
그러나 감소된 전자 수명은 감소된 분자들의 크래킹을 야기한다는 것이 알려졌다. 예를 들어, 만약 BF3이 전구체 가스로써 사용된다면, 더 적은 B+ 및 BF+가 생성된다. 이는 더 적은 이온이 플라즈마 내에서 생성될 수 있을지라도, 이들의 더 많은 부분들이 BF2 + 이온들로써 잔존한다는 것을 의미한다. 놀랍게도, 감소된 크래킹이 전체 이온 생성에 있어서 임의의 감소에 대한 보상보다도 더 많이 BF2 + 와 같은 더 많은 이온들의 생성으로 충분한 이득을 제공한다는 것을 발견하였다. 전구체 가스로서 BF3를 사용한 실험들은 BF2 + 이온 빔 전류에 있어서 70%만큼 더 높은 이득을 나타낸다(이는 질량 분석 스테이지에서 나온 BF2 + 이온들의 측정임).
따라서 이러한 새로운 배열은 BF2 +와 같은 더 높은 질량 분자 이온들이 더 낮은 질량 크래킹 생성물보다 주입을 위해 사용되고자 할 때 이익이 된다.
또한, 이는 필요한 주입에 따라서 가장 적절한 모드의 동작을 선택할 수 있도록 한다. 어떠한 모드가, 예를 들어 B+ 생성 또는 BF2 + 생성에 각각 알맞은, 주입 방법에 따라서 선택될 수 있다.
선택적으로, 이온 소스는 공기 중에 위치된 전압 전위 조절기 및 진공 챔버를 더 포함한다. 이는 전압 전위 조절기로의 액세스를 얻기 위해서 진공 챔버를 공기 중으로 통풍시킬 필요 없이 동작 모드들 간의 스위칭을 허용한다.
무-반사 모드에서 동작할 때, 전자들이 카운터-캐소드로 이동하도록 촉진하기 위해서 아크 챔버 벽을 음으로 바이어스하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 아크 챔버 벽들은 양으로 바이어스될 수 있거나, 또는 이들이 플라즈마 전위에 가깝게 플로팅 하는 것이 허용되도록 전기적으로 절연될 수 있다. 반사 모드에서, 챔버 벽은 필요한 아크를 점화시키기 위해서 애노드를 제공하기 위해서 양으로 바이어스된다. 결과적으로, 이온 소스는 편리하게 아크 챔버 벽을 양으로 바이어스하거나 아크 챔버 벽을 음으로 바이어스하도록 동작하는 추가 전압 전위 조절기를 포함할 수 있다. 다시, 진공 챔버를 통풍시킬 필요를 제거하기 위해서, 추가 전압 전위 조절기가 공기 중에 위치될 수도 있다.
바람직하게, 이온 소스는 제 1 이온 생성 모드는 카운터-캐소드가 양으로 바이어스되고 아크 챔버 벽이 음으로 바이어스되고, 제 2 이온 생성 모드는 반대로 카운터-캐소드가 음으로 바이어스되고, 아크 챔버 벽이 양으로 바이어스되도록, 적어도 제 1 및 제 2 이온 생성 모드를 위해 상기 전압 전위 조절기 및 추가 전압 전위 조절기 세트와 함께 동작하도록 추가로 배열된다. 이는 각각 무-반사 모드 및 반사 모드들에 대응한다. 이는, 선택적일지라도, 이온 소스가 전압 전위 조절기 및 추가 전압 전위 조절기를 차례로 조절함으로써 제 1 및 제 2 이온 생성 모드 간에 그리고 반대로 변경되도록 추가로 배열될 수 있으며, 따라서 일반적으로 제 1 스위치는 음의 바이어스에서 양의 바이어스로 변한다는 점에서 이익이 된다. 이는 애노드가 항상 이용 가능함을 보장하고, 따라서 아크가 지속적으로 점화하여, 아크 챔버 내에 플라즈마를 유지하도록 한다. 이러한 방법에서, 아크 챔버는 높아진 동작온도로 유지한다.
선택적으로, 전압 전위 조절기는 카운터-캐소드를 전기적으로 절연하도록 추가로 배열되고, 이온 소스는 카운터-캐소드가 전기적으로 절연되고, 아크 챔버 벽은 양으로 바이어스되는 것과 같은 제 3 이온 생성 모드를 위해 전압 전위 조절기 및 추가 전압 전위 조절기와 함께 동작하도록 추가로 배열된다.
이는 제 3(플로팅) 모드의 동작을 제공하며, 여기서 카운터-캐소드의 전위는 플라즈마에 의해 설정된 전위로 플로팅 하도록 허용된다. 이는 카운터-캐소드에 의한 전자 반사의 중간 레벨, 및 그에 따른 크래킹의 중간 레벨을 제공한다.
선택적으로, 전압 전위 조절기는 카운터-캐소드를 양으로 바이어스하도록 배열된 제 1 위치 및 카운터-캐소드를 음으로 바이어스하도록 배열된 제 2 위치 사이에서 스위칭 하도록 배열된 2단 스위치일 수 있다. 대안적으로, 전압 전위 조절기는 카운터-캐소드를 양으로 바이어스하도록 배열된 제 1 위치, 카운터 캐소드를 음으로 바이어스하도록 배열된 제 2 위치, 및 카운터-캐소드를 전기적으로 절연하도록 배열된 제 3 위치 사이에서 스위칭 하도록 배열된 3단 스위치 일 수 있다.
선택적으로, 추가 전압 전위 조절기는 아크 챔버 벽을 양으로 바이어스하도록 배열된 제 1 위치, 및 아크 챔버 벽을 음으로 바이어스하도록 배열된 제 2 위치 사이에서 스위칭 하도록 배열된 스위치이다. 전압 조절기 또는 스위치는 아크 챔버 벽과 카운터-캐소드가 동일한 전위를 갖도록 선택적으로 구성될 수 있다.
선택적으로, 이온 소스는 캐소드에 의해 방출된 전자들을 위한 전자 경로를 형성하는 아크 챔버 내의 자기장을 제공하도록 배열된 자속(magnet) 어셈블리를 더 포함한다. 이는 열 전자들을 위해 더 긴 전자 경로 길이를 제공하며, 이 열 전자들은, 그렇지 않을 경우에, 벽들이 캐소드와 비교하여 양의 전위에 있는 모드에서 동작할 때 인접한 아크 챔버 벽들로 직접 끌어당겨질 수 있다. 자기장은 예를 들어 캐소드와 카운터-캐소드가 아크 챔버의 대향 종단에 위치되는 아크 챔버의 길이 방향을 따라 지나가도록 전자들을 구속한다.
제 2 측면에서, 본 발명은 상술된 임의의 이온 소스들을 포함하는 이온 주입장치로 확대한다. 선택적으로, 아크 챔버는 출구(exit aperture)를 더 포함하고, 이온 주입장치는 출구를 통해서 아크 챔버 내에 포함된 플라즈마로부터 이온들을 추출하여, 타깃에 주입하기 위해 추출된 이온들을 전달하도록 동작하는 추출 전극을 더 포함한다. 선택적으로, 이온 주입장치는 아크 챔버로부터 추출된 이온들을 수용하도록 위치되고, 선택된 질량의 이온들을 전달하고 타깃 안으로 주입하기 위한, 특정 에너지에서, 상태를 변경하도록 동작하는 질량 분석 스테이지를 더 포함할 수 있다.
제 3 측면에서, 본 발명은 이온 소스를 동작하는 방법에 관한 것으로써, 이온 소스는 캐소드와 카운터-캐소드를 포함하는 아크 챔버를 포함하며, 상기 방법은 제 1 반사 모드 동작과 제 2 무-반사 모드 동작을 포함하는데, 제 1 반사 모드 동작은 캐소드를 음으로 바이어스하고, 챔버 벽을 양으로 바이어스하여 캐소드와 챔버 벽 사이에서 플라즈마를 점화하는 단계, 및 전자들을 억제하기 위해 카운터-캐소드를 음으로 바이어스하는 단계를 포함하며, 제 2 무-반사 모드 동작은 캐소드를 음으로 바이어스하고, 카운터-캐소드를 양으로 바이어스하여 캐소드와 카운터-캐소드 사이에서 플라즈마를 점화하는 단계를 포함한다. 본 방법의 바람직한 특징들은 첨부한 청구범위에서 정해진다.
이제 본 발명에 따른 방법과 장치의 예시는 첨부한 도면을 참조로 설명될 것이다.
도 1은 이온 주입장치의 개념도이다.
도 2는 제 1 이온 소스의 측면도이다.
도 3은 간접적으로 가열된 캐소드 배열을 포함하는 제 2 이온 소스의 측면도이다.
도 4는 간접적으로 가열된 캐소드 배열을 갖는 이온 소스의 간략화된 도면이며, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 바이어싱 배열을 도시한다.
도 5는 하나의 필라멘트 배열을 갖는 이온 소스의 간략화된 도면이며, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 바이어싱 배열을 도시한다.
도 6은 도 4에 대응하지만, 카운터-캐소드의 전위를 설정하기 위한 3단 스위치를 포함하는 본 발명의 제 3 실시예를 도시한다.
도 7은 도 5에 대응하지만, 카운터-캐소드의 전위를 설정하기 위한 3단 스위치를 포함하는 본 발명의 제 4 실시예를 도시한다.
본 발명을 위한 배경을 제공하기 위해서, 단지 본 발명의 예시적인 어플리케이션이며 제한하고자 함은 아닐지라도, 예시적인 어플리케이션이 도 1에 도시된다.
도 1은 반도체 웨이퍼(12) 내에 이온들을 주입하기 위한 공지된 이온 주입장치(10)를 도시하며, 이는 본 발명에 따른 이온 소스(14)를 포함한다. 이온들은 이온 소스(14)에 의해 생성되어, 본 실시예에서, 추출되고 질량 분석 스테이지(30)를 통과하여 지나가게 된다. 희망하는 질량을 갖는 이온들이 질량-분석 슬릿(32)을 통과하여 지나가면서 선택되어, 반도체 웨이퍼(12)와 충돌한다.
이온 주입장치(10)는 희망하는 종으로 이루어진 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스(14)를 포함하며, 진공 챔버(15) 내에 위치된다. 이온 소스(14)는 일반적으로 아크 챔버(16)를 포함하고, 이는 이의 일 종단에 위치된 캐소드(20)를 포함한다. 종래 기술에 따라서, 이온 소스(14)는 애노드가 아크 챔버(16)의 벽(18)에 의해 제공되도록 동작된다. 캐소드(20)는 열 전자들을 생성하도록 충분히 가열된다.
캐소드(20)에 의해 방출된 열 전자들은 애노드, 즉 이 경우에는 인접한 챔버 벽(18)으로 끌어 당겨진다. 열 전자들은 아크 챔버(16)를 가로지르면서 가스 분자들을 이온화시키고, 이에 따라서 플라즈마를 형성하고 희망하는 이온들을 생성한다.
열 전자들이 따르는 경로는, 종래 기술에 따라서, 전자들이 단지 챔버 벽(18)로 가장 짧은 경로를 따르는 것을 방지하기 위해서 제어된다. 마그네트 어셈블리(46)는 열 전자들이 아크 챔버(16)의 대향 종단에 위치된 카운터-캐소드(44)를 향하여 아크 챔버(16)의 길이 방향을 따라 나선형 경로를 따르도록 아크 챔버(16) 전체에 걸쳐 펼쳐진 자기장을 제공한다.
가스 공급장치(feed; 22)는 아크 챔버(16)를 BF3과 같은 전구체 가스 종들로 채운다. 아크 챔버(16)는 진공 챔버(15) 내에 감소된 압력으로 유지된다. 아크 챔버(16)를 가로지르는 열 전자들은 전구체 BF3 가스 분자들을 이온화시키고, 또한 BF2, BF 및 B 분자들 및 이온들을 형성하기 위해서 BF3 분자들을 크랙 한다. 또한 플라즈마 내에서 생성된 이온들은 미량의 오염 이온들을 포함할 것이다(예를 들어 챔버 벽의 물질로부터 생성됨).
아크 챔버(16) 내에서 생성된 이온들은 음으로 바이어스된 추출 전극(26)을 사용하여 출구를 통해 추출된다. 전위차는 추출된 이온들을 가속시키기 위해 파워 서플라이(21)에 의해 이온 소스(14)와 다음의 질량 분석 스테이지(30) 사이에 인가되고, 이온 소스(14)와 질량 분석 스테이지(30)는 절연체(미도시)에 의해 서로 전기적으로 절연된다. 그리고 혼합된 추출 이온들은 질량 분석 스테이지(30)를 통과하여 지나가고, 이들은 자기장의 영향권 내에서 구부러진 경로를 따라 지나간다. 임의의 이온의 이동에 의한 곡률 반지름은 이의 질량, 전하 상태 및 에너지에 의해 결정되며, 자기장은, 설정된 빔 에너지에 대해, 오직 희망하는 질량 대 전하 비울 및 에너지를 갖는 이온들만이 질량-분석 슬릿(32)과 일치하는 경로를 따라 나갈 수 있도록 제어된다. 그리고 나타난 이온 빔은 타깃, 즉 주입될 기판 웨이퍼(12) 또는 타깃 위치에 웨이퍼가 없는 경우에는 빔 스톱(beam stop)으로 전달된다. 다른 모드에서, 빔은 질량 분석 스테이지(30)와 타깃 위치 사이에 위치된 렌즈 어셈블리를 사용하여 가속되거나 또는 감속될 수도 있다.
반도체 웨이퍼(12)는 웨이퍼 홀더(36)에 장착될 것이며, 웨이퍼(2)는 연속된 주입을 위해 웨이퍼 홀더(36)로 그리고 웨이퍼 홀더(36)로부터 연속하여 전달된다. 대안적으로, 많은 웨이퍼(12)가 웨이퍼들(12)을 입사하는 이온 빔에 노출시키도록 회전하는 캐러셀(carousel; 36) 상에 위치된 경우에는 병렬적인 프로세싱이 사용될 수 있다.
도 2와 3은 2개의 공지된 이온 소스(14)를 더욱 상세히 도시하며, 이들은 도 1의 이온 주입장치(10)에서 사용될 수 있다. 도 2는 필라멘트 배열에 해당하고, 도 3은 간접적으로 가열된 캐소드 배열에 해당한다.
우선 도 2를 참조하면, 캐소드로써 기능하는 필라멘트(40)는 전자 반사기(42)의 앞에 놓이도록 아크 챔버(16)의 일 종단에 위치한다. 전자 반사기(42)는 필라멘트(40)와 동일한 음 전위로 유지되어, 이들 모두 음으로 바이어스되어 전자들을 받아들이지 않는다. 전자 반사기(42)와 라이너(liner; 56) 사이의 작은 갭이 있으며, 이는 아크 챔버(16)의 가장 안쪽 부분을 포함한다. 이 갭은 전자 반사기(42)가 통상적으로 애노드로써 기능하는 라이너(56)로부터 전기적으로 절연되는 것을 보장한다. 틈새는 아크 챔버(16)로부터 전구체 가스의 손실을 피하기 위해서 최소화된다. 카운터-캐소드(44)는 아크 챔버(16)의 반대 종단에 위치되며, 똑같이 전기적인 절연을 보장하고 가스 누출을 최소화하기 위해서 라이너(56)로부터 약간 이격되어 있다. 마그네트 어셈블리(46)(도 1에서만 도시됨)는 자기장을 제공하도록 동작하며, 이 자기장은 필라멘트(40)로부터 방출된 전자들이 카운터-캐소드(44)를 향하여 아크 챔버(16)의 길이방향을 따라 나선형 경로를 따르도록 한다. 아크 챔버(16)는 가스 공급장치(22) 또는 고체 또는 액체를 가열 시킬 수 있는 하나 이상의 기화기(vaporizer; 23)에 의해 전구체 가스 종들로 차있다.
필라멘트(40)는 두개의 클램프(48)에 의해 제 위치에 고정되며, 이들 각각은 절연 블록(52)을 사용하여 이온 소스(14)의 본체(50)와 연결된다. 절연 블록(52)은 아크 챔버(16)로부터 유출된 임의의 가스 분자들이 절연 블록에 도달하는 것을 막기 위해서 실드(shield; 54)가 설치된다.
명백하겠지만, 도 3은 도 2와 매우 비슷하며, 따라서 동일한 부분들은 간결함을 위해서 다시 설명하지는 않을 것이다. 추가로, 동일한 도면번호는 동일한 부분들에 사용된다.
도 2와 도 3 간의 차이는 아크 챔버(16)의 상부에 있으며, 도 3은 간접적으로 가열된 캐소드 배열을 도시한다. 캐소드는 아크 챔버(16) 안으로 약간 돌출된 튜브(60)의 엔드 캡(end cap; 58)에 의해 제공되며, 튜브(60)는 가열 필라멘트(62)를 포함한다. 강열 필라멘트(62)와 엔드 캡(58)은 필라멘트(62)에 의해 방출된 열 전자들이 엔드 캡(58) 안으로 가속되도록 보증하기 위해서 상이한 전위차로 유지되며, 갭은 전기적 절연을 유지하기 위해서 튜브와 아크 챔버(6)의 라이너(56) 사이에 존재한다. 엔드 캡(58) 안으로의 전자들의 가속은 에너지를 엔드 캡(58)로 전송하여, 열 전자들을 아크 챔버(16) 안으로 방출하도록 충분히 가열한다.
이러한 배열은 도 3의 필라멘트 배열을 능가하는 향상이며, 이는 필라멘트(40)가 플라즈마의 반응 이온들과 이온 충격(bombardment)에 의해 보다 빨리 부식되기 때문이다. 이러한 문제점을 경감시키기 위해서, 간접적으로 가열된 캐소드의 가열 필라멘트(62)는 이온들이 가열 필라멘트(62)와 접촉하게 되지 않도록 내장된 튜브(60) 안에 장착된다.
이제 새로운 바이어싱 배열을 갖는 이온 소스(14)들은 도 4 내지 7을 참조로 설명될 것이다.
우선 도 4를 참조하면, 전기적 파워 서플라이(64)와 함께 도 3의 아크 챔버(16)의 간략화된 도면이 도시된다. 점선 박스(66)는 진공 챔버(15) 내에 장착된 컴포넌트들과 공기(70) 중에 위치한 컴포넌트들 간의 경계를 나타낸다. 명확하게, 공기(70) 중에 위치한 컴포넌트들은 진공(68)을 파괴할 필요 없이 쉽게 조절될 수 있다.
도 4로부터 알 수 있듯이, 공기(70) 중에 위치된 직렬의 3개의 파워 서플라이는 다양한 전위로 이온 소스(14)의 다양한 컴포넌트에 전기적 전류를 제공한다. 이온 소스(14)는 간접적으로 가열된 캐소드를 포함한다. 필라멘트 서플라이(72)는 간접적으로 가열된 캐소드의 필라멘트(62)에 상대적으로 높은 전류를 제공한다. 바이어스 서플라이(74)는 필라멘트(62)로부터 방출된 열 전자들이 엔드 캡(58)을 향해 가속되도록 필라멘트(62)에 대해 양으로 엔드 캡(58)을 바이어스하는데 사용된다. 아크 서플라이(76)는 엔드 캡(58)에 대해 큰 양 전위를 세팅함으로써 애노드를 생성하는데 사용되며, 플라즈마를 점화하고 이 플라즈마를 유지한다.
종래 기술에 따라서, 이온 소스(14)는 애노드를 제공하기 위해서 양으로 바이어스된 챔버 벽(18), 및 전자들을 받아들이지 않기 위해서 음으로 바이어스된 카운터-캐소드(44)와 함께 반사 모드로 동작되어야만 한다.
본 발명은 새로운 무-반사 모드 동작을 제공하며, 여기서 카운터-캐소드(44)는 양으로 바이어스되어 애노드로서 기능하며, 챔버 벽(18)은 음으로 바이어스되어 이들은 전자들을 받아들이지 않는다. 이러한 전위들은 엔드 캡(58)로부터 방출된 전자들이 카운터-캐소드(44)로 이동하도록 인도하는 기능을 하며, 여기서 이들은 전기 회로를 완성한다. 대안적으로, 챔버 벽(18)은 양으로 바이어스될 수 있거나, 챔버 벽(18)은 전기적으로 절연될 수 있어, 플라즈마에 의해 세팅된 전위로 플로팅 한다.
도 4의 이온 소스는 (도 4에 도시된 것과 같은) 반사 모드 동작이나 (도 4에서 도시되지는 않았지만, 반대로 스위칭 된 스위치(82 및 84)와 일치하는) 무-반사 모드 동작 중 어느 하나로 동작될 수 있다. 이러한 유연성은 한 쌍의 스위치(82 및 84)에 의해 가능하며, 이들은 카운터-캐소드(44) 및 챔버 벽(18)에 양의 바이어스 또는 음의 바이어스 중 하나가 인가되도록 한다.
전기적 연결은 스위치(82 및 84)와 전기적인 연결을 각각 제공하기 위해서 카운터-캐소드(44) 및 챔버 벽(18)로부터 연장한다. 스위치(82 및 84)는 공기 중에 위치되어, 전기적인 연결이 진공/공기 경계(66)에 위치한 진공 피드-스루(feed-through; 80)를 통과하여 연장한다. 대기(70) 중에 스위치(82 및 84)를 위치시키는 것은 진공 챔버(15)를 공기 중으로 통풍시킬 필요 없이 동작의 모드들 간의 스위칭을 가능하게 한다. 개별 피드-스루(80) 또는 공통 피드-스루(80) 중 하나가 사용될 수 있다. 또한 필라멘트 서플라이(72) 및 바이어스 서플라이(74)로부터의 전기적 연결은 진공 피드-스루(80)를 통과하여 지나간다. 모든 이러한 전기적 연결들을 라우팅 하는데 하나의 피드-스루(80)가 사용되는 것이 바람직할지라도, 개별 피드-스루(80)들이 사용될 수도 있다. 대안적으로 스위치(82 및 84)가 진공 챔버(15) 내에 위치될 수도 있다.
스위치(82)는 카운터-캐소드(44)를 한 쌍의 단자들 중 하나에 연결하는 2단 스위치이다. 이러한 단자들은 아크 서플라이(76)의 어느 한쪽에 전기적으로 연결되며, 카운터-캐소드(44)에 대한 양의 바이어스 및 음의 바이어스를 제공한다. 유사한 배열이 스위치(84)에 사용되며, 즉 스위치(84)는 아크 서플라이(76)의 어느 한 쪽으로부터 얻어진 양 또는 음의 전위로 챔버 벽(18)을 바이어스한다.
도 4는 반사 모드에서 동작하는 이온 소스(14)를 도시한다. 따라서 스위치(82)는 카운터-캐소드(44)가 음으로 바이어스되도록 음 단자로 설정된다. 스위치(84)는 챔버 벽(18)이 양으로 바이어스되도록 양 단자로 설정된다.
새로운 무-반사 모드에서의 동작을 위해서, 도 4에서 도시된 스위치(82 및 84)의 위치는 단지 카운터-캐소드(44)가 양으로 바이어스되고, 챔버 벽(18)이 음으로 바이어스되도록 반전된다. 이 모드에서 동작할 때, 마그네트(46)의 스위치를 오프하거나 마그네트(46)를 낮은 전류로 동작시키는 것이 바람직하다.
두 모드 사이에서의 동작은 다음과 같이 플라즈마를 소멸시키지 않고서도 스위칭 될 수 있다. 도 4에서 도시된 반사 모드 동작에서 시작하여, 우선 스위치(82)는 카운터-캐소드(44)를 양으로 바이어스하도록 스위칭 되고, 그 다음에 스위치(84)는 챔버 벽(18)을 음으로 바이어스하도록 스위칭 된다. 이는 캐소드와 애노드 사이에 충분한 전위차가 항상 존재함에 따라서 플라즈마가 유지되도록 보장한다. 무-반사 모드 동작에서 반사 모드로 변경하기 위해서, 우선 스위치(94)는 챔버 벽(18)을 양으로 바이어스하도록 스위칭 되고, 그 다음에 스위치(82)는 카운터-캐소드(44)를 음으로 바이어스하도록 스위칭 된다. 다시, 이는 플라즈마가 유지되 는 것을 보장한다.
도 5는 도 4와 대부분 일치하며, 따라서 동일한 부분들은 간결함을 위해서 다시 설명되지는 않을 것이다. 또한, 동일한 부분들은 동일한 도면번호로 할당된다.
도 5는 도 4와 유사한 배열을 도시하지만, 간접적으로 가열된 캐소드 대신에 필라멘트(40)를 포함한다. 도 5의 이온 소스(14)는 전자 반사기(42) 앞에 위치된 필라멘트(40)를 포함한다. 필라멘트(40) 및 전자 반사기(42)는 진공(68) 내에 생성될 수 있는 전기적 연결들(83)을 통해 항상 공통 음 전위로 고정된다. 또한, 필라멘트(40)와 전자 반사기(42) 사이에 전위차가 없기 때문에 별도의 바이어스 서플라이(74)가 필요하지 않다. 따라서 하나의 아크 서플라이(76)는 벽(18)(또는 라이너(56))에 대한 전자 반사기(42)와 필라멘트(40)의 전위를 설정한다.
그 외에는 도 5의 실시예는 도 4의 실시예와 일치한다. 따라서 카운터-캐소드(44)와 챔버 벽(18)의 전위는 전술한 것과 같이 스위칭 될 수 있으며, 따라서 동작의 양 모드가 가능하다.
도 6은 도 4와 대부분 일치하며, 따라서 동일한 부분들은 다시 설명되지 않을 것이다. 또한 동일한 부분들은 동일한 도면번호가 할당된다. 도 6은 2단 스위치(82)가 3단 스위치(82')로 대체되었다는 점에서 도 4와 다르다. 스위치(82')는 카운터-캐소드(44)가 양과 음으로 바이어스되도록 하는 동일한 양 단자와 음 단자를 갖는다. 그러나 카운터-캐소드(44)를 전기적으로 절연하도록 기능하는 제 3 단자가 제공된다. 이러한 플로팅 모드 동작은 챔버 벽(18)이 양일 때에만 사용되기 위한 것이다. 이온 소스(14)는 플로팅 모드 동작을 위해 구성된다. 이러한 플로팅 모드 동작은 중간의 전자 수명을 제공하며, 여기서 전자들은 카운터-캐소드(44)가 음으로 유지될 때만큼 카운터-캐소드(44)에 의해 더 이상 강력하게 반사되지 못하지만, 카운터-캐소드(44)가 양으로 유지될 때에 비해서는 더 많이 반사된다.
카운터-캐소드(44)의 전위가 음으로 유지될 때, 아크 챔버(16) 내에서 BF3 분자들의 크래킹 확률은 아크 챔버(16)내의 높은 전자 밀도로 인하여 증가된다. 따라서 다른 이온 형태들의 합계에 비한 플라즈마 내의 붕소 이온들의 백분율은 증가한다(예를 들어 BF 및 BF2 이온들). 카운터-캐소드(44)가 절연되어 플라즈마에 의해 세팅된 전위로 플로팅이 허용되는 경우, 크래킹은 더 많은 분자 이온들(예를 들어 BF+ 및/또는 BF2 +)이 플라즈마 내에 남아있도록 감소된다. 카운터-캐소드(44)가 양으로 바이어스되는 경우에는 크래킹이 더욱 많이 감소된다. 상술된 것과 같이, 붕소 또는 BF2 + 이온들 중 하나가 반도체 웨이퍼(12)의 이온 주입에 바람직할 수 있다. 카운터-캐소드(44)의 전위 스위칭은 질량 분석 스테이지(30)에 입사하는 바람직한 이온들의 수를 최대화시키며, 따라서 반도체 웨이퍼(12)로의 전방 전달이 가능하다. 따라서 카운터-캐소드(44)는 바람직하게 특정 도펀트를 생성하도록 바이어스될 수 있다.
도 7은 도 5의 이온 소스에 적용된 것과 동일한 3단 스위치(82) (및 그에 따른 3개의 동작 모드)를 도시한다. 스위치(82)가 제 3 단자로 설정된 경우, 도시된 것과 같이, 카운터-캐소드(44)는 아크 챔버(16) 내의 플라즈마의 전위로 플로팅하며 자유롭다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어남 없이 상기 실시예들로부터 변형들이 만들어질 수 있다는 것을 알 것이다.
챔버 벽(18)은 양의 바이어스, 음의 바이어스, 또는 전기적으로 절연된 상태로 동작될 수 있다는 것을 알아야만 한다. 도 4 내지 7은 바이어스가 양에서 음으로 그리고 반대로 변경될 수 있도록 하는 2단 스위치(84, 84')를 도시한다. 이러한 스위치(84, 84')를 도 6 및 7의 스위치(82')와 유사한 3단 스위치로 대체하는 것은 양의 바이어스, 음의 바이어스 및 전기적 절연 사이에서 스위칭 할 수 있는 3단 스위치를 허용할 것이다.
상기 실시예들이 카운터-캐소드(44)와 챔버 벽(18)의 전위를 아크 서플라이(76)의 어느 한쪽에 연결시킴으로써 변경될 수 있도록 하기 위해서 스위치(82 및 84)를 사용하지만, 다른 배열들도 가능하다. 예를 들어, 스위치는 카운터-캐소드(44) 및/또는 챔버 벽(18)을 하나 이상의 대안적인 파워 서플라이에 연결하는데 사용될 수 있다. 대안적인 파워 서플라이들은 도 4 내지 7에 도시된 것들 중 하나일 수도 있으며, 또는 이들은 추가의 파워 서플라이일 수도 있다. 위와 같이 도시된 스위칭 배열은 이들의 간결함을 위해서 바람직하다. 다른 대안은 분할된 전압 전위를 제공하도록 연결된 전위 디바이더(divider) 및 카운터-캐소드(44)를 캐소드(20)의 하나 또는 분할된 전압 전위에 연결하도록 동작하는 스위치 일 것이다. 또한, 가변 파워 서플라이 또는 가변 저항 또는 가변 분압기(potentiometer)가 선 택된 전압을 카운터 캐소드(44) 및/또는 챔버 벽(18)에 공급하는데 사용될 수 있다.
스위치(82 및 84)는 임의의 개수의 표준 방식으로 구현될 수 있다. 스위치는 단지 예시이며, 많은 다른 배열들도 가능하다.
명백하게도 이온 소스(14)의 제조에 사용된 물질 및 컴포넌트들의 특정 배열은 필요에 따라서 선택될 수 있다.
상기 실시예들은 이온 주입장치(10)의 이온 소스(14)의 관점에서 본 발명을 제시하지만, 본 발명은 이온 소스(14)로부터 추출된 이온들이 질량 분석을 거치지 않고 타깃에 주입되는 이온 샤워 시스템, 또는 선택적인 이온화 및/또는 분자 크래킹이 필요한 카운터-캐소드(44)를 이용한 다른 이온 소스(14)와 같은 많은 다른 어플리케이션에서도 사용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 이온 주입장치를 위한 이온 소스에 있어서,
    플라즈마를 생성하고 포함하도록 배열된 아크(arc) 챔버;
    상기 아크 챔버에 전자들을 방출하도록 배열된 캐소드(cathode);
    상기 캐소드로부터 방출된 전자들이 유도(directed)되도록 상기 아크 챔버 내에 위치된 전극;
    상기 전극을 바이어스하도록 배열된 하나 이상의 전압 전위 소스; 및
    애노드(anode)로써 기능하도록 상기 전극을 양으로 바이어스하는 상기 전압 전위 소스, 및 카운터-캐소드로써 기능하도록 상기 전극을 음으로 바이어스하는 전압 전위 소스 간에 스위칭 하도록 동작하는 전압 전위 조절기를 포함하는, 이온 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    진공 챔버를 더 포함하고, 상기 전압 전위 조절기는 공기 중에 위치되는, 이온 소스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    아크 챔버 벽의 양으로의 바이어싱과 상기 아크 챔버 벽의 음으로의 바이어 싱 간에 스위칭 하도록 배열된 추가 전압 전위 조절기를 더 포함하는, 이온 소스.
  4. 제3항에 있어서,
    진공 챔버를 포함하고, 상기 추가 전압 전위 조절기는 공기 중에 위치되는, 이온 소스.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    제 1 이온 생성 모드는 상기 전극이 양으로 바이어스되고 상기 아크 챔버 벽이 음으로 바이어스되고, 제 2 이온 생성 모드는 반대로 상기 전극이 음으로 바이어스되고, 상기 아크 챔버 벽이 양으로 바이어스되도록, 적어도 상기 제 1 및 제 2 이온 생성 모드를 위해 상기 전압 전위 조절기 및 추가 전압 전위 조절기 세트와 함께 동작하도록 추가로 배열되는, 이온 소스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압 전위 조절기 및 상기 추가 전압 전위 조절기를 차례로 동작시킴으로써 상기 제 1 이온 발생 모드와 상기 제 2 이온 발생 모드 간에 그리고 반대로 변경하도록 추가로 배열되어, 제 1 스위치가 음의 바이어스에서 양의 바이어스로 변하는, 이온 소스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 전위 조절기는 상기 전극을 추가로 전기적으로 절연하도록 배열된, 이온 소스.
  8. 제3항 또는 제3항의 다른 종속항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 전압 전위 조절기는 상기 아크 챔버 벽을 추가로 전기적으로 절연하도록 배열된, 이온 소스.
  9. 제5항 또는 제6항의 종속항인 경우의 제7항에 있어서,
    상기 전압 전위 조절기는 상기 전극을 추가로 전기적으로 절연하도록 배열되고,
    상기 이온 소스는, 상기 전극이 전기적으로 절연되고 상기 아크 챔버 벽은 양이 되도록, 제 3 이온 생성 모드를 위해 상기 전압 전위 조절기와 상기 추가 전압 전위 조절기 세트와 함께 동작하도록 추가로 배열되는, 이온 소스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 전위 조절기는 상기 전극을 양으로 바이어스하는 제 1 위치와 상기 전극을 음으로 바이어스하는 제 2 위치 간에 스위칭 하도록 배열된 스위치인, 이온 소스.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 전위 조절기는 상기 전극을 양으로 바이어스하도록 배열된 제 1 위치, 상기 전극을 음으로 바이어스하도록 배열된 제 2 위치 및 상기 전극을 전기적으로 절연시키도록 배열된 제 3 위치 간에 스위칭 하도록 배열된 스위치인, 이온 소스.
  12. 제3항 또는 제3항의 종속항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 전압 전위 조절기는 상기 캐소드에 대한 양 전위를 상기 아크 챔버 벽에 제공하도록 배열된 제 1 위치, 및 상기 전극에 대한 음 전위를 상기 아크 챔버 벽에 제공하도록 배열된 제 2 위치 간에 스위칭 하도록 배열된 스위치인, 이온 소스.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 추가 전압 전위 조절기는 상기 아크 챔버 벽을 양으로 바이어스하도록 배열된 제 1 위치, 상기 아크 챔버 벽을 음으로 바이어스하도록 배열된 제 2 위치, 및 상기 아크 챔버 벽을 전기적으로 절연하도록 배열된 제 3 위치 간에 스위칭 하도록 배열된 스위치인, 이온 소스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 필라멘트이거나 간접적으로 가열된 캐소드 타입인 이온 소스의 튜브의 엔드 캡(end cap)인, 이온 소스.
  15. 제14항에 있어서,
    이온 소스의 상기 필라멘트에 근접하게 위치된 전자 반사기로써 동작하는 전극을 더 포함하는, 이온 소스.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드에 의해 방출된 전자들을 위한 전자 경로를 정하는, 상기 아크 챔버 내에 자기장을 공급하도록 배열된 마그네트(magnet) 어셈블리를 더 포함하는, 이온 소스.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 상기 이온 소스를 포함하는, 이온 주입장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 아크 챔버는 출구(exit aperture)를 포함하고, 상기 이온 주입장치는 상기 출구를 통하여 상기 아크 챔버 내에 포함된 상기 플라즈마로부터 이온을 추출하여, 추출된 이온을 타깃에 주입하기 위해 전달하도록 동작하는 추출 전극(extraction electrode)을 더 포함하는, 이온 주입장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 아크 챔버로부터 추출된 이온들을 수용하도록 위치하고, 타깃 안으로 주입하기 위해 특정 에너지로 선택된 질량 및 전하 상태의 이온들을 전달하도록 동작하는, 질량 분석 스테이지를 더 포함하는 이온 주입장치.
  20. 캐소드와 카운터-캐소드를 구비하는 아크 챔버를 포함하는 이온 소스를 동작시키는 방법에 있어서,
    상기 캐소드를 음으로 바이어스하고 챔버 벽을 양으로 바이어스하여, 상기 캐소드와 상기 챔버 벽 사이에 플라즈마를 점화하고, 상기 카운터-캐소드를 음으로 바이어스하여 전자들을 반발시키는 것을 포함하는, 제 1 반사 모드 동작; 및
    상기 캐소드를 음으로 바이어스하고 상기 카운터-캐소드를 양으로 바이어스하여, 상기 캐소드와 상기 카운터-캐소드 사이에 플라즈마를 점화하는 것을 포함하는 제 2 무-반사 모드 동작을 포함하는, 이온 소스 동작 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 무-반사 모드 동작에서 아크 챔버 벽을 전기적으로 절연하는 단계를 더 포함하는, 이온 소스 동작 방법
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 아크 챔버 벽의 바이어스를 음에서 양으로 스위칭하고, 그 다음에 상기 카운터-캐소드의 바이어스를 양에서 음으로 스위칭 함으로써, 무-반사 모드에서 반 사 모드로 스위칭 하는 단계를 더 포함하는, 이온 소스 동작 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 카운터-캐소드가 전기적으로 절연되기 위해 상기 카운터-캐소드를 연결 해제하는 단계를 더 포함하는, 이온 소스 동작 방법.
  24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아크 챔버 벽의 바이어스가 양임을 보증하고, 상기 카운터-캐소드가 전기적으로 절연되기 위해 상기 카운터-캐소드를 연결 해제함으로써, 제 3 모드 동작으로 전환하는 단계를 더 포함하는, 이온 소스 동작 방법.
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