KR20090005203A

KR20090005203A - 이온 소스를 위한 전방 플레이트

Info

Publication number: KR20090005203A
Application number: KR1020087028383A
Authority: KR
Inventors: 리차드 데이비드 골드버그; 크리스토퍼 버제스
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2009-01-12
Also published as: GB0608528D0; US20100288940A1; US20080048131A1; TW200814125A; US8153993B2; JP2010521765A; WO2007125333A1; US7655924B2; CN101432840A; EP2022073A1

Abstract

본 발명은 이온 주입기에 적합한 이온 소스를 위한 전방 플레이트(27)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전방 플레이트는 전면(70)과 후면(72); 전면과 후면 사이에서 전방 플레이트를 통하여 실질적으로 직선으로 연장하는 이온 소스로부터의 이온들의 방출을 허용하기 위한 출구 개구(28); 및 그 깊이의 적어도 일부분에 대해 경사지게 상기 전면으로부터 상기 후면으로 상기 전방 플레이트를 관통하는 슬롯(80)을 포함하고, 슬롯은 출구 개구(28)와 결합되도록 전방 플레이트의 측면(82)으로부터 연장된다. 슬롯은 전방으로부터 봤을 때 이온 소스로 시야 라인에 맞물리도록 경사지고, 열 응력을 경감하기 위해 확장 갭을 제공한다.

Description

이온 소스를 위한 전방 플레이트{FRONT PLATE FOR AN ION SOURCE}

본 발명은 이온 주입기에 적합한 이온 소스를 위한 전방 플레이트(front plate)에 관한 것이다.

비록 많은 다른 애플리케이션들이 가능할 수 있지만, 본 발명에서 고려된 애플리케이션은 반도체 소자들 또는 다른 물질들의 제조에서 사용될 수 있는 이온 주입기의 이온 소스들이다. 그러한 애플리케이션에서, 반도체 웨이퍼들은 가변하는 전도성의 영역들을 형성하기 위해 웨이퍼의 몸체에 목표된 도펀트 종의 원자들을 주입시킴으로써 변형된다. 통상적인 도펀트들의 예들은 붕소, 인, 비소, 및 안티몬(antimony)이다. 이러한 도펀트들은 이온 소스에서 생성된다.

통상적으로, 이온 주입기는 진공 챔버 내의 진공 하에서 유지되는 이온 소스를 포함한다. 이온 소스는 아크 챔버 내에서 생성되는 플라즈마를 이용하여 이온들을 생성한다. 아크 챔버 내의 플라즈마는 전위차들과 열 전자들의 소스를 이용하여 점화(struck)된다. 열 전자들은 Freeman 소스 또는 Bernas 소스(간접적으로 가열되는 캐소드들을 포함)와 같은 다수의 상이한 장치들 중 하나를 이용하여 생성될 수 있다.

전형적인 Bernas 소스에서, 열 전자들은 캐소드로부터 방출되고, 전기장의 영향 하에서 가속되며, 자기장에 의해 제약되어, 나선형 경로들을 따라 카운터-전극을 향해 이동한다. 아크 챔버 내의 프리커서 가스 분자들과의 상호작용들은 목표된 플라즈마를 생성한다.

플라즈마 이온들은 전방 플레이트에 제공되는 개구를 통해 아크 챔버로부터 추출된다. "이온 샤워" 모드에서, 이온들은 반도체 웨이퍼와 같은 타겟에 주입되도록 이동한다. 대안적으로, 목표된 질량과 에너지의 이온들이 반도체 웨이퍼에 주입되도록 전방으로 이동시키도록 선택되기 위해, 추출된 이온들이 질량 분석 스테이지를 통과할 수 있다. 이온 주입기의 보다 상세한 설명은 미국특허번호 제4,754,200호에서 발견할 수 있다.

이온 소스는 플라즈마를 포함시키기 위해 아크 챔버를 포함한다. 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 챔버 벽들과 전방 플레이트는 아크 챔버를 둘러싼다. 이러한 2개-부분(piece) 구성은 슬롯-형상 개구를 형성하도록 조립되어 이온들이 아크 챔버로부터 추출될 수 있도록 한다. A에 도시된, 텅(tongue) 및 홈 배열들은 전방 플레이트의 2개 부분들의 정렬을 용이하게 하기 위해 제공된다. 추출 전극 어셈블리는 이온 소스로부터 이온들을 추출하기 위해 일반적으로 개구의 전방에 제공되고, 전방 플레이트는 상기 어셈블리의 전극들 중 하나를 형성할 수 있다.

배경기술과 대비하여, 본 발명은 이온 소스를 위한 전방 플레이트를 제공하며, 상기 전방 플레이트는, 전면(obverse side)과 후면(reverse side) 사이에서 실질적으로 직선으로 전방 플레이트를 통해 연장하도록 이온 소스로부터 이온들의 배출을 허용하기 위한 출구 개구; 및 그 깊이의 적어도 일부에 대해 경사지게 전면으로부터 후면으로 전방 플레이트를 관통하는 슬롯을 포함하하고, 상기 슬롯은 상기 출구 개구와 결합되도록 상기 전방 플레이트의 측면으로부터 연장한다.

경사진 슬롯의 제공은 전방 플레이트의 확장이 수용될 수 있도록 하여, 열적 응력(thermal stress)을 경감시킨다. 이는 이온 소스들의 전방 플레이트가 뜨거워질 수 있기 때문에 바람직하다. 예를 들어, 전방 플레이트가 아크 챔버에 사용되는 경우, 플라즈마의 열은 일정 범위로 전방 플레이트로 전달되고, 결과적으로 이는 확장할 것이다. 전방 플레이트는 전형적으로 금속으로 제조되기 때문에, 온도 상승은 빠르고, 확장은 두드러진다. 또한, 흑연이 전방 플레이트에 통상적으로 사용된다.

출구 개구는 이온 소스로 직선의 시야(sight)를 허용하여, 이온 주입기에서 본 발명이 사용되는 경우 후속적인 주입을 위해 이온들이 이온 소스로부터 자유롭게 추출될 수 있다. 경사진 슬롯은 이온 소스로의 시야 라인에 나타나지 않는다. 또한, 경사진 슬롯의 사용은 전방 플레이트를 통과하는 경로 길이를 증가시킨다. 결과적으로, 이온들과 가스가 슬롯을 통해 이온 소스로부터 빠져나오는 경향이 훨씬 감소된다. 특히, 경사진 슬롯의 제공은 전기장들이 이온 소스로 관통하는 것을 효과적으로 방지한다. 이러한 전기장들은 이온 소스로부터 이온들을 추출하는데 사용되는 전극 어셈블리의 결과일 수 있다. 직선형 출구 개구와 경사진 슬롯의 조합은 추출장(extraction field)이 출구 개구를 통해 이온 소스로 관통하지만 슬롯을 통과하지는 않는다는 것을 의미한다.

선택적으로, 슬롯은 측면으로부터 출구 개구로 선형적으로 연장할 수 있다. 또한, 출구 개구는 선형일 수 있고, 선택적으로 슬롯과 실질적으로 동일 평면에 있을 수 있다. 따라서, 직선형 출구 개구와 경사진 슬롯은 일정 지점에서 교차하여, 전방 플레이트의 부분들이 슬롯과 출구 개구의 일 측면에 결합되지 않을 수 있고, 전방 플레이트가 확장됨에 따라 서로에 대해 이동될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 전방 플레이트는 단일체이다. 예를 들어, 전방 플레이트는 대략적인 C-형상 또는 이와 유사한 형상을 형성하기 위해 슬롯에 결합되지 않는 출구 개구의 단부 주위에서 연장될 수 있다.

단일체의 재료로부터 전방 플레이트를 형성하는 것은 전방 플레이트의 정렬이 다중체 설계들과 비교하여 간단해지기 때문에 바람직하다. 예를 들어, 추출 개구 엣지들의 정렬은 제어하기가 용이해진다. 더욱이, 전방 플레이트는 정밀하게 형상화될 수 있고, 단일체의 재료를 기계가공할 때 이러한 형상을 제어하기가 훨씬 더 용이하다. 전방 플레이트가 전극을 형성하여 전기장을 주의깊게 형상화하는데 사용되는 경우 정밀한 형상은 매우 중요할 것이다.

슬롯은 전방 플레이트를 통하게 경사지게 형성될 수 있거나, 전방 플레이트를 통해 연장함에 따라 급경사(dog-leg)로 형성될 수 있다. 급경사의 하나의 부분은 전방 플레이트를 통해 직선으로 연장할 수 있다.

추가적인 실시예들에 따라, 본 발명은 전술한 바와 같은 전방 플레이트를 포함하는 이온 소스 및 그러한 이온 소스를 포함하는 이온 주입기를 포함한다.

본 발명이 보다 잘 이해될 수 있도록 하기 위해, 첨부된 도면들을 참조로 바람직한 실시예가 기술될 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 조립된 전방 플레이트의 사시도이다.

도 2는 조립 이전의 도 1의 전방 플레이트의 사시도이다.

도 3은 이온 주입기의 개념도이다.

도 4는 도 3의 이온 소스의 측면도이다.

도 5는 도 4의 전방 플레이트의 정면도이다.

도 6은 도 5의 라인 Ⅵ-Ⅵ에 따른 단면도이다.

도 7은 도 5의 라인 Ⅶ-Ⅶ로부터의 측면도이다.

도 8은 도 5의 라인 Ⅷ-Ⅷ로부터의 측면도이다.

도 9는 도 5의 전방 플레이트의 전방으로부터의 사시도이다.

도 10은 도 5의 전방 플레이트의 후방으로부터의 사시도이다.

본 발명에 대한 범주를 제공하기 위해, 예시적인 애플리케이션이 도 3에 도시되지만, 이는 단지 본 발명의 애플리케이션의 일 예일 뿐이며 제한적이지 않다는 점을 인식할 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 이온 소스(14) 및 전방 플레이트(28)를 포함하는 반도체 웨이퍼들(12)에 이온들을 주입하기 위한 공지된 이온 주입기(10)를 도시한다. 이온들은 이온 소스(14)에 의해 생성되어 추출되고 본 실시예에서 질량 분석 스테이지(30)를 통과한다. 목표된 질량의 이온들은 질량-분해(mass-resolving) 슬 릿(32)을 관통한 다음 반도체 웨이퍼(12)를 타격하도록 선택된다.

이온 주입기(10)는 진공 챔버(15) 내에 위치된 목표된 종의 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스(14)를 포함한다. 일반적으로, 이온 소스(14)는 그 일 단부에 배치되는 캐소드(20)를 포함하는 아크 챔버(16)를 포함한다. 이온 소스(14)는 애노드가 아크 챔버(16)의 벽들(18)에 의해 제공되도록 동작될 수 있다. 캐소드(20)는 열 전자들을 생성하기에 충분하게 가열된다.

캐소드(20)에 의해 방출되는 열 전자들은 애노드, 이 경우 인접한 챔버 벽들(18)로 끌어당겨진다. 열 전자들은 아크 챔버(16)를 이동함에 따라 가스 분자들을 이온화시키고, 이에 따라 플라즈마를 형성하며 목표된 이온들을 생성한다.

경로를 따르는 열 전자들은 전자들이 챔버 벽들(18)에 대해 최단 경로만을 따르는 것을 방지하기 위해 제어될 수 있다. 자석 어셈블리(46)는 열 전자들이 아크 챔버(16)의 대향 단부에 위치된 카운터-캐소드(44)를 향해 아크 챔버(16)의 길이를 따라 나선형 경로를 따르도록 아크 챔버(16)를 통해 연장하는 자기장을 제공한다.

가스 공급부(22)는 주입될 종 또는 프리커서 가스 종으로 아크 챔버(16)를 충전(fill)시킨다. 아크 챔버(16)는 진공 챔버(15)내에서 감소된 압력으로 유지된다. 아크 챔버(16)를 통해 이동하는 열 전자들은 아크 챔버(16)에 존재하는 가스 분자들을 이온화시키고, 분자들을 분해(crack)시킬 수도 있다. 또한, 플라즈마에 생성되는 이온들은 소량의 오염 이온들(예, 챔버 벽들의 물질로부터 생성됨)을 포함할 것이다.

아크 챔버(16) 내부로부터의 이온들은 네거티브-바이어스된(접지에 대해) 추출 전극(26)을 이용하여 아크 챔버(16)의 전방 플레이트(27)에 제공되는 출구 개구(28)를 통해 추출된다. 전위차는 추출된 이온들을 가속시키기 위해 전력 공급부(21)에 의해 후속하는 질량 분석 스테이지(30)와 이온 소스(14) 사이에 인가되고, 이온 소스(14)와 질량 분석 스테이지(30)는 절연체(미도시)에 의해 서로로부터 전기적으로 절연된다. 그 다음, 추출된 이온들의 혼합물은 질량 분석 스테이지(30)를 통과하여, 자기장의 영향 하에서 곡선형 경로 주위를 통과한다. 임의의 이온에 의해 이동되는 곡률 반경은 그 질량, 전하 상태 및 에너지에 의해 결정되고, 설정 빔 에너지에 대해 전하 비율과 에너지에 대해 목표된 질량을 가진 그러한 이온들만이 질량-분해 슬릿(32)과 일치하는 경로를 따라 빠져나가도록 자기장이 제어된다. 그 다음, 새로운 이온 빔이 타겟, 즉 주입될 반도체 웨이퍼(12)로 전송되거나 타겟 위치에 웨이퍼(12)가 없을 때 빔 정지부(38)로 전송된다. 다른 모드들에서, 빔은 질량 분석 스테이지(30)와 타겟 위치 사이에 배치된 렌즈 어셈블리를 이용하여 가속 또는 감속될 수도 있다.

반도체 웨이퍼(12)는 웨이퍼 홀더(36)상에 장착되고, 웨이퍼들(12)은 직렬 주입을 위해 웨이퍼 홀더(36)로 및 웨이퍼 홀더(36)로부터 연속적으로 이송된다. 대안적으로, 웨이퍼들(12)을 입사 이온 빔에 노출시키도록 회전되는 캐루젤(carousel)(36)상에 많은 웨이퍼들(12)이 배치되는 경우, 병렬 처리가 사용될 수 있다.

도 4는 도 3의 이온 주입기(10)에 사용되는 이온 소스(14)를 보다 상세히 도 시한다. 도 4는 간접-가열되는 캐소드 배열에 해당하지만, 필라멘트 또는 Freeman-타입과 같은 다른 배열들이 사용될 수 있다.

도 4에서, 아크 챔버(16)로 약간 돌출하는 관(60)의 단부 캡(58)에 의해 캐소드가 제공되며, 관(60)은 가열 필라멘트(62)를 포함한다. 가열 필라멘트(62) 및 단부 캡(58)은 상이한 전위들에서 유지되어, 필라멘트(62)에 의해 방출되는 열 전자들이 단부 캡(58)으로 가속되는 것을 보장하며, 아크 챔버(16)의 라이너(56)와 관(60) 사이에 갭이 남겨져서 전기적 절연을 유지시킨다. 단부 캡(58)으로의 전자들의 가속은 단부 캡(58)으로 에너지를 전달시켜서, 열 전자들을 아크 챔버(16)로 방출하기에 충분하게 가열시킨다. 카운터-캐소드(44)는 전기적 절연을 보장하기 위해 라이너(56)로부터 작은 간격을 갖도록 아크 챔버(16)의 원거리 단부에 배치된다. 자석 어셈블리(46)(도 3에만 도시됨)는 단부 캡(58)으로부터 방출되는 전자들이 아크 챔버(16)의 길이를 따라 카운터-캐소드(44)를 향해 나선형 경로(34)를 따르도록 자기장을 제공하기 위해 동작가능하다. 아크 챔버(16)는 가스 공급부(22)에 의해 또는 고체나 기체를 가열할 수 있는 하나 이상의 기화기들(23)에 의해, 프리커서 가스 종으로 충전된다.

가열 필라멘트(62)는 절연부(52)를 이용하여 이온 소스(14)의 몸체(50)에 각각 접속되는 2개의 클램프들(48)에 의해 제자리에 유지된다. 아크 챔버(16)로부터 나오는 임의의 가스 분자들이 절연부(52)에 도달하는 것을 방지하기 위해, 차폐부(54)가 절연부(52)에 구비된다.

아크 챔버(16)는 벽들에 의해 형성되며, 그 벽들의 후면, 측면, 최상부 및 바닥부가 라이너(56)에 제공된다. 아크 챔버(16)의 전방부는 이온들이 추출되는 출구 개구(28)와 기술될 슬릿(28)을 제외하고 아크 챔버(16)를 밀봉하는 전방 플레이트에 의해 형성된다.

도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방 플레이트(27)를 도시한다. 전방 플레이트(27)는 전면(70)과 후면(72)을 갖도록 단일체의 재료로 기계가공된다. 전방 플레이트(27)는 전기적으로 전도성인 높은 용융점 물질로 제조될 것이다. 흑연은 금속으로서 좋은 선택이다. 전방 플레이트(27)의 전면(70)(이온 소스에 설치된 경우 볼 수 있는 바와 같이)은 라운드형 코너들(76)을 갖는 직사각형이다. 라운드형 단부들(78)을 갖는 긴 슬롯(28)이 그 중앙에 제공되어 출구 개구(28)로서 기능한다. 좁은 슬릿(80)은 슬롯(28)의 일 단부(78a)로부터 전방 플레이트(27)의 인접 측면(82)으로 연장된다.

전방 플레이트(27)의 후면(72)은 아크 챔버(16)의 측면들에 대항하여 접하는 직립형 플랜지(upstanding flange)(84)를 갖는다. 출구 개구(28)는 플랜지(84)에 의해 둘러싸이는 영역 내에 위치되는 반면에, 슬릿(80)은 연장되어 접한 다음 플랜지(84)를 통해 관통한다. 도시된 것처럼, 출구 개구(28)는 전방 플레이트(27)의 전면(70)으로부터 직각으로 연장하는 반면에, 슬릿(80)은 각진다(angled). 따라서, 출구 개구(28)는 전방으로부터 봤을 때 이온 소스(14)로 직선의 시야(sight)를 제공하는 반면에, 슬릿(80)은 그렇지 않다. 이러한 각도와 보다 긴 경로 길이들의 결과로서, 슬릿(80)을 통해 아크 챔버(16)로부터 이온 손실과 가스 손실이 최소화된다.

통상의 당업자에 의해 인식되는 것처럼, 청구범위에 규정된 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 상기 실시예에 대해 변형들이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 전방 플레이트(27)의 전체적인 형상은 도시된 직사각형 형태로부터 변경될 수 있다. 또한, 코너들(76)이 라운드형일 필요는 없다. 긴 출구 개구(28)는 필수적이지 않으며, 다른 형상들이 적용될 수 있다. 출구 개구(28)와 슬릿(80)이 동일선상에 있을 필요는 없다. 사실상, 출구 개구(28) 또는 슬릿(80)이 선형일 필요가 없으며, 다른 형상들이 사용될 수 있다. 일정 경사를 적용한 슬릿(80)이 도시되지만, 슬릿(80)이 전방 플레이트(28)를 통하여 연장함에 따라 경사가 가변될 수 있고, 및/또는 예를 들어 급경사를 형성하기 위해, 슬릿(80)이 꼬일 수도 있다.

아크 챔버(16)가 바람직한 이온 소스(14)로 기술되지만, 본 발명은 다른 이온 소스들(14)로도 확장된다. 예를 들어, 본 발명의 장점은 이온화 프로세스의 결과로서 가열되는 임의의 이온 소스(14)에 제공될 것이다.

Claims

이온 소스를 위한 전방 플레이트(front plate)로서,

전면과 후면;

상기 전면과 상기 후면 사이에서 상기 전방 플레이트를 통하여 실질적으로 직선으로 연장하도록 상기 이온 소스로부터 이온들의 방출을 허용하기 위한 출구 개구; 및

그 깊이의 적어도 일부분에 대해 경사지게 상기 전면으로부터 상기 후면으로 상기 전방 플레이트를 관통하는 슬롯

을 포함하고, 상기 슬롯은 상기 출구 개구와 결합되도록 상기 전방 플레이트의 측면으로부터 연장되는,

전방 플레이트.
제 1 항에 있어서,

상기 슬롯은 상기 측면으로부터 상기 출구 개구로 선형으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전방 플레이트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 출구 개구는 선형인 것을 특징으로 하는 전방 플레이트.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 슬롯과 상기 출구 개구는 실질적으로 동일선상에 있는 것을 특징으로 하는 전방 플레이트.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 슬롯은 상기 전방 플레이트를 통하여 일정한 경사로 형성되는 것을 특징으로 하는 전방 플레이트.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 슬롯은 상기 전방 플레이트를 통하여 연장함에 따라 급경사(dog-leg)를 형성하는 것을 특징으로 하는 전방 플레이트.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전방 플레이트는 단일체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전방 플레이트.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 후면은 주변 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방 플레이트.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 전방 플레이트를 포함하는 이온 소스.
제 9 항에 있어서,

상기 이온 소스는 아크 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 소스.
제 9 항 또는 제 10 항에 따른 이온 소스를 포함하는 이온 주입기.