KR20140051123A - 프로세싱 시스템들에서 이온 질량, 에너지, 및 각도를 감시하기 위한 기술 및 장치 - Google Patents

Abstract

이온 에너지를 가지며 기판 상에 입사하는 이온 종의 각도 분포를 감시하기 위한 비행시간(TOF : time-of-flight) 이온 센서 시스템은 드리프트 튜브(drift tube)를 포함하고, 이온 센서 시스템은 기판의 평면에 대하여 드리프트 튜브의 각도를 변동시키도록 구성된다. 드리프트 튜브는 이온 종으로부터 이온들의 펄스를 받아들이도록 구성된 제 1 단부를 가질 수 있고, 이 경우, 이온들의 펄스 중의 더 무거운 이온들 및 더 가벼운 이온들은 드리프트 튜브의 제 2 단부에서 패킷들로 도달한다. 이온 검출기는 이온 센서의 제 2 단부에 설치될 수 있고, 이온 검출기는 이온들의 펄스로부터 유도되며 각각의 상이한 이온 질량들에 대응하는 이온들의 패킷들을 검출하도록 구성된다.

Description

프로세싱 시스템들에서 이온 질량, 에너지, 및 각도를 감시하기 위한 기술 및 장치{TECHNIQUE AND APPARATUS FOR MONITORING ION MASS, ENERGY, AND ANGLE IN PROCESSING SYSTEMS}

본 발명은 작업물들의 주입(implantation)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 이온 주입을 감시하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

플라즈마 프로세스들은 예를 들어, 다양한 도펀트(dopant)들을 웨이퍼들에 주입하거나, 박막들을 증착하거나, 박막들을 식각하기 위하여 반도체 제조 시에 폭넓게 이용된다. 플라즈마 도핑 프로세스(PLAD : plasma doping process)들과 같은 플라즈마 이온 주입 프로세스 동안에는, 이온들은 고전압의 쉬스(sheath)를 통해 추출되고 타겟(target)을 향해 가속된다.

전형적인 PLAD 프로세스에서는, 패러데이 컵(Faraday cup) 전류에 기초하여 주입 도우즈(implant dose)를 측정함으로써 플라즈마가 감시될 수 있다. 그러나, 패러데이 컵은 전체 전하(charge)를 측정하는 것으로 제한되고, 이것은 상이한 하전된 입자(charged particle)들 사이를 구별하지 않거나, 그렇지 않을 경우에는 플라즈마에 대한 임의의 통찰력을 제공하지 않는다. 또한, 플라즈마가 온(on) 및 오프(off) 상태들을 반복하는 펄스화된 플라즈마 프로세싱(pulsed plasma processing)에서는, 플라즈마의 시간-분해 측정(time-resolved measurement)들이 종종 요구된다.

상기 관심사들 중의 일부를 해결하기 위하여, 플라즈마에서 이온들을 감시하기 위한 비행시간(time-of-flight) 이온 센서 기술이 개발되었다. 특히, 2009년 1월 13일자로 등록되고 참조를 위해 그 전체가 본 명세서에 통합된 미국 특허 제7,476,849호는 기판 상에 충돌할 수 있는 이온들을 포함하는 플라즈마 종(plasma species)을 고정된 각도에서 감시하기 위한 비행시간 센서의 이용을 개시한다.

다양한 도펀트들을 웨이퍼들에 주입하는 또 다른 방법은 빔라인 도구(beamline tool)를 이용한 이온 주입의 이용을 통한 것이다. 예를 들어, 기존의 빔라인 도구들(뿐만 아니라 새롭게 개발된 플라즈마 기반 이온 빔 시스템들)에서는, 이온들이 넓은 범위의 각도들에 걸쳐 작업물 상에서 충돌할 수 있다. 도 1은 넓은 각도 분포를 갖는 이온들을 기판 상에 주입하기 위한 공지된 포커싱 판(focusing plate) 배열의 단면도이다. 포커싱 판(11)은 플라즈마(14) 및 플라즈마 쉬스(242) 사이의 경계(241)의 형상을 제어하기 위하여 플라즈마 쉬스(242) 내에서 전기장(electric field)을 수정하도록 구성된다. 따라서, 플라즈마 쉬스(242)를 가로질러 플라즈마(14)로부터 끌어당겨지는 이온들(102)은 큰 범위의 입사 각도들(예를 들어, 이온 궤도들(269-271) 참조)에서 작업물(10)로 주입될 수 있다.

이온 종을 샘플링하는 것에 부가하여, 이러한 이온 빔 시스템들에서 이온들의 각도 분포를 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이온 각도들, 에너지들, 및 질량의 정확한 분포는 이러한 프로세스에 의해 형성된 디바이스들의 결과적인 속성을 결정함에 있어서 중요할 수 있다. 그러나, 상기한 기술들 중의 어떤 것도 이온 종의 질량, 이온 에너지, 및 각도 분포에 관한 정보를 제공하지 않는다.

상기한 것을 고려하면, 이온 주입을 위한 예측가능하고 반복가능한 프로세스 결과들을 달성하기 위해서는, 이온 에너지, 각도 분포, 및 질량과 같은 이온 파라미터들을 면밀하게 감시하고 제어할 필요성이 존재한다는 것이 명백할 것이다.

하나의 실시예에서, 기판 상에 입사하며 이온 에너지를 갖는 이온 종(ion species)의 각도 분포를 감시하기 위한 비행시간(TOF : time-of-flight) 이온 센서 시스템은, 상기 이온 종으로부터 이온들의 펄스(pulse)를 받아들이도록 구성된 제 1 단부(end)를 갖는 드리프트 튜브(drift tube)를 포함하고, 상기 이온들의 펄스 중의 더 무거운 이온들 및 더 가벼운 이온들은 상기 드리프트 튜브의 제 2 단부에 패킷(packet)들로 도달하고, 상기 이온 센서 시스템은 상기 기판 평면에 대하여 상기 드리프트 튜브의 각도를 변동시키도록 구성된다. 또한, 상기 이온 센서 시스템은 상기 이온 센서의 제 2 단부에 설치된 이온 검출기를 포함할 수 있고, 상기 이온 검출기는 상기 이온들의 펄스로부터 유도되며 각각의 상이한 이온 질량들에 대응하는 이온들의 패킷들을 검출하도록 구성된다.

또 다른 실시예에서, 플라즈마로부터 받아들여지며 기판 평면 상에 입사하는 이온 종을 측정하는 방법은, 드리프트 튜브 및 검출기를 포함하는 비행시간(TOF : time-of-flight) 센서와 플라즈마 사이에 제 1 전위를 인가하는 단계로서, 상기 이온 종은 지정된 이온 에너지에서 상기 TOF 센서로 끌어당겨지는, 상기 인가하는 단계; 및 제 1 각도 스캔을 수행하는 단계를 포함한다. 제 1 각도 스캔은 상기 기판 평면에 대하여 제 1 각도에서 상기 TOF 센서를 기판 영역 내에 위치시키는 단계; 상기 제 1 각도에서 상기 이온 종의 이온 질량을 검출하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 제 1 각도 스캔은 상기 기판 평면에 대하여 하나 이상의 추가적인 각도들에서 상기 비행시간(TOF) 센서를 위치시키는 단계; 및 하나 이상의 추가적인 각도들에서 상기 이온 종의 이온 질량을 검출하는 단계를 포함한다.

본 개시 내용의 더욱 양호한 이해를 위하여, 참조를 위해 본 명세서에 통합되어 있는 첨부 도면들에 대해 참조가 행해진다.
도 1은 공지된 프로세싱 배열의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 TOF 시스템을 포함하는 프로세싱 시스템의 개략도들이다.
도 3은 예시적인 TOF 센서의 개략도이다.
도 4는 또 다른 예시적인 TOF 센서의 개략도이다.
도 5는 또 다른 예시적인 TOF 센서의 개략도이다.

본 명세서에서 개시된 발명의 실시예들은 어떤 범위의 각도들에 걸쳐 기판 상에 입사하는 이온들을 제공하는 시스템들을 포함하여, 이온 빔 및 플라즈마 프로세스들의 인-시튜(in-situ) 감시 및 제어에 적합한 개선된 프로세싱 시스템들 및 특히, 개선된 비행시간(TOF : time-of-flight) 이온 센서 시스템들을 제공한다. 일반적으로, 이온 에너지, 질량, 및 각도 분포는 본 발명의 TOF 센서 배열들에 따라 측정될 수 있다. 각각의 TOF 이온 센서는 다양한 방법들로 프로세스 챔버(process chamber) 내에 설치될 수 있고, 예를 들어, 인-시튜 프로세스 제어, 프로세스 준비도 확인(process readiness verification), 고장 검출(fault detection), 주입 도즈 정정(implant dose correction), 및 주입 균일성 측정(implant uniformity measurement)과 같은 다수의 기능들을 위해 구성될 수 있다. 특히, 기판은 플라즈마로부터의 이온들에 노출될 때, 이온 질량, 에너지, 및 각도 분포가 실시간으로 측정될 수 있고, 이에 따라, 다른 장점들 중에서, 기판의 주입 프로파일을 개발하도록 이용될 수 있고, 및/또는 주입 프로파일을 수정하기 위하여 플라즈마 파라미터들을 실시간으로 조절하도록 이용될 수 있는 감시 도구를 제공할 수 있다.

도 2a는 본 개시 내용의 실시예에 따라, TOF 센서 시스템을 포함하는 예시적인 이온 프로세싱 시스템(또는 "프로세싱 시스템")(200)의 구성요소들의 개략적인 도면이다. 프로세싱 시스템(200)은 플라즈마(206)를 함유하는 플라즈마 챔버(202)를 포함한다. 코일들(204)은 RF-유도(RF-induction)를 이용하여 플라즈마를 생성하도록 이용될 수 있거나, 다른 공지된 방법들에 의해 생성될 수 있다. 또한, 플라즈마(206)는 공지된 방법들에 따라 연속적인 또는 펄스화된 플라즈마로서 생성될 수 있다.

이온 프로세싱 시스템(200)은 기판(234)을 프로세싱하기 위하여 기판 홀더(substrate holder)(230)에 이온들을 제공하도록 이용될 수 있다. 이러한 프로세싱은 다른 목적들 중에서도, 기판의 이온 주입, 또는 포토레지스트(photoresist) 구조체들과 같은 패턴화된 표면 특징부(patterned surface feature)들을 처리하는 것을 포함할 수 있다. 플라즈마 내의 이온들이 희망하는 에너지에서 기판 홀더(230)를 향해 이동하도록 하기 위하여, 플라즈마 및 기판 홀더 사이에는 바이어스가 인가될 수 있다. 하나의 예에서, 펄스화된 포지티브 DC-바이어스(pulsed positive DC-bias)(208)는 플라즈마(206)에 공급될 수 있고, 이것은 접지 전위일 수 있는 기판 홀더(230)를 향해 플라즈마(206) 내의 포지티브 이온들을 가속하도록 작용할 수 있다. 플라즈마 경계(도 1의 구성요소(241) 참조)를 탈출하고 기판 홀더(230) 상에 충돌하는 이온들은 어떤 범위의 입사 각도들을 형성할 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 판(210)은 플라즈마 챔버(202)의 일 측부(side) 상에 위치되고, 이것은 개구(212)를 통해 추출되며 어떤 범위의 이온 입사 각도들을 나타내는 이온 빔을 제공할 수 있다.

플라즈마 쉬스 형상이 수정되고 이온들은 어떤 범위의 각도들에 걸쳐 플라즈마 챔버(202)를 탈출한다는 점에서, 판(또는 플라즈마 쉬스 수정기)(210)은 판(11)(도 1에 도시됨)과 유사하게 구성될 수 있다. 플라즈마(206)로부터의 이온들이 기판 홀더(230) 상에서 충돌할 때, 특히, 플라즈마(206) 및 작업물(234) 사이에 무충돌 쉬스(collisionless sheath)가 존재할 경우, 그 운동 에너지는 플라즈마 경계(도 1의 241) 및 기판(230) 사이의 전위차(potential difference)에 의해 1차 오더(first order)로 결정될 수 있다. 그러나, 다른 프로세스들 중에서도, 에너지의 전달, 모멘텀(momentum), 및 기판으로의 이온들의 주입 범위는 동일한 운동 에너지를 가지지만 기판을 향한 상이한 입사 각도를 가지는 상이한 이온들 사이에서 실질적으로 변동될 수 있다는 것이 알려져 있다.

또한, 프로세싱 시스템(200)은 플라즈마(206)로부터 추출된 이온들에 대한 이온 종, 이온 에너지, 및 각도 분포를 탐침(probe)하도록 이용될 수 있는 TOF 시스템(220)을 포함한다. 또한, 시스템(200)은 특히, 프로세스 감시 기능, 프로세스 파라미터들이 튜닝(tuning)될 때에 이온 프로파일을 측정하기 위한 능력, 및 이온 도우즈 감시를 제공할 수 있다.

본 개시 내용의 실시예들에 따르면, 시스템(200)은 다양한 모드들에서 동작할 수 있다. 제 1 모드에서, 시스템(200)은 희망하는 레시피(recipe), 또는 동작 파라미터들의 세트(set)에 따라 작업물 또는 작업물들의 세트에 이온들을 제공하기 위한 "생산(production)" 도구로서 동작할 수 있다. 이 생산 모드에서, TOF 센서 시스템(220)은 이온들을 감시하지 않고, 도 2a에 도시된 바와 같이, 이온들에 노출되지 않도록 위치될 수 있다. 플라즈마 챔버(202)로부터 추출된 이온들은 프로세스 챔버(216)에 진입할 수 있고 챔버(216)의 기판 영역(214)을 횡단할 수 있으며, 이 챔버(216)에서, 기판 홀더(230)는 생산 모드 동안에 전형적으로 위치된다. 다음으로, 이온들은 기판(234) 상에 충돌하고, 설계에 따라 그 내부에서 주입될 수 있다. 생산 모드에서는, 개구(212)를 통해 플라즈마(206)를 탈출하는 이온들로부터의 이온 충격(ion bombardment)에 전체 기판(234)을 노출하기 위하여, 기판 홀더(230)는 예를 들어, x-방향을 따라 스캔(scan)될 수 있다.

도 2b에 도시된 교체(replacement) 모드에서는, 생산 모드에서 기판에 의해 경험되는 것과 유사한 환경에서 이온들을 수집하기 위하여, TOF 센서 시스템(220)이 기판 영역(214) 내에 배치될 수 있는 반면, 더욱 편리한 이온 측정들을 허용하기 위하여, 기판 홀더(230)는 생산 모드에서 이용되는 그 통상의 위치(들)(230a)로부터 제거된다.

감시 모드에서는, 기판 홀더(230) 및 TOF 센서 시스템(220)의 둘 모두가 플라즈마(206)로부터 추출된 이온들에 동시에 노출될 수 있고, "생산" 기판들에는 주입될 수 있고, 기판에서 이온 주입이 발생하고 있는 것과 동시에 이온들이 수집되고 TOF 센서에 의해 분석될 수 있다.

이온들을 받아들이는 센서(222)의 단부(end)는 기판 영역(214) 내에 설치될 수 있고, 생산 모드에서 이용되는 작업물(230)의 평면을 나타낼 수 있는 작업물(230)의 평면에 근접하거나 작업물(230)의 평면에 있을 수 있다. 센서(222)를 이러한 방식으로 위치시키는 것은 생산 모드에서 작업물에 의해 경험되는 이온 프로파일을 정확하게 측정하는 것을 도울 수 있다. 감시 모드에서, 기판 홀더(230) 및 TOF 센서 시스템(220)의 둘 모두는 플라즈마(206)로부터 추출된 이온들을 받아들이기 위한 위치에 설치될 수 있다. 예를 들어, 기판 홀더(230)는 이온들을 TOF 시스템(220)에 제공하기 위해 개구(212)와 정렬될 수 있는 중간 부분의 개구로 구성될 수 있다. 그러나, 기판 홀더(230) 및 판(210) 사이에 TOF 센서(222)를 위치시키는 것과 같은, 다른 감시 모드 구성들이 가능하다.

도 2a, 도 2b의 예에서, TOF 시스템(220)은 TOF 센서(222) 및 TOF 센서 포지셔너(또는 홀더)(224)를 포함하고, TOF 센서 포지셔너(sensor positioner)(224)는 x 및 z 방향들에서 회전 운동(rotational motion) 및 병진 운동(translational motion)을 제공할 수 있고, (페이지로부터 나오는) y 방향에서 운동을 제공할 수도 있다. 그러나, TOF 센서(222)를 위치시키기 위한 다른 기구들이 가능하다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 용어들 "TOF 센서", "TOF 이온 센서", 및 "이온 센서"는 교환가능하게 이용될 수 있고, 다른 부품들 중에서도, 추출 전극(extraction electrode), TOF 드리프트 튜브(drift tube) 및 이온 검출기를 포함할 수 있는 디바이스를 지칭할 수 있다. TOF 센서 홀더(224) 자체는 챔버(216)의 일부에 부착될 수 있거나 챔버(216)의 일부를 형성할 수 있다. 하나의 예에서, TOF 센서 홀더는 기판 홀더(230)와 같은 홀더 또는 스테이지(stage)에 부착하도록 구성될 수 있거나, 또 다른 예에서, 챔버(216) 외부에 위치된 기구에 부착될 수 있고 이 기구에 의해 제어가능할 수 있다.

본 개시 내용의 실시예들에 따르면, TOF 시스템(220)은 이온 종 및 이온 에너지를 입사 각도의 함수로서 측정하는 기능을 제공할 수 있다. TOF 센서(222)의 다수의 부품들은 미국 특허 제7,476,849호에서 개시된 구성들에 따라 구성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 센서(222)의 실시예에 따라 예시적인 이온 센서(100)가 도시되어 있다. 이온 센서(100)는 홀더(224)와 같이, 프로세스 챔버(216)의 또 다른 부분에서의 설치를 위하여 적응될 수 있는 하우징(housing)(102)을 포함할 수 있다. 하우징(102)은 희망하는 전위(V_housing)에서 개별적으로 바이어싱될 수 있다. 예를 들어, 감시 또는 교체 모드에서는, V_housing이 생산 또는 감시 모드에서 홀더(230)에 인가된 전위와 동일하게 설정될 수 있어서, 플라즈마(206)로부터의 이온들은 이온들이 기판(230) 상에서 충돌하는 방식과 유사하게 센서(222)로 끌어당겨진다.

이온 센서(100)는 예를 들어, 희망하는 전위(V_L3)에서 개별적으로 바이어싱될 수도 있는 하우징(102) 내부에 드리프트 튜브(104)를 포함할 수도 있다.

일부 실시예들에서, 이온 센서(100)를 둘러싸는 압력은 플라즈마 챔버의 압력, 전형적으로는 1-3000 mTorr와 유사할 수 있는 반면, 드리프트 튜브는 2×10^-6 Torr 이하에서 전형적으로 동작된다. 그러므로, 압력 차이를 수용하기 위하여, 차동 펌핑(differential pumping)이 제공될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 이온 센서(100)를 둘러싸는 압력은 대략 10^-6 Torr 이하일 수 있고, 차동 펌핑을 필요로 하지 않는다.

센서(100)는 각각 V_L1에서 바이어싱될 수 있는 추가적인 렌즈들(108 및 110) 및 V_L2에서 바이어싱될 수 있는 렌즈(110)뿐만 아니라, 플라즈마로부터 포지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 이온들을 끌어당기기 위한 적당한 전위(V_extractor)에서 바이어싱되는 추출기 전극(extractor electrode)(106)을 포함할 수 있다. V_L3에서 바이어싱되는 드리프트 튜브(104)는 직렬연결에서 제 3 정전 렌즈(electrostatic lens)로서 기능할 수 있다. 센서(100)는 검출기 어셈블리(112)를 이용하여 이온들의 비행시간(time-of-flight) 측정들을 수행하기 위하여, 이온들을 펄스로 드리프트 튜브(104)에 받아들이도록 배열될 수 있다.

이온 센서의 일부 실시예들에서, 에너지 분석기(114)는 도 4에 도시된 바와 같이 제공될 수 있다. 전극들(106-110) 중의 하나는 게이트(gate)로서 작동할 수 있어서, 게이트가 개방되고 이온들이 드리프트 튜브(104)에 부착될 때, 이온들은 드리프트 튜브(104)의 반대 단부로 그리고 에너지 분석기(114)로 드리프트할 수 있다. 에너지 분석기(114)는 지정된 이온 에너지에 따라 이온들을 검출기(112)를 향해 편향시키는 것이 그 기능인 공지된 분석기일 수 있다. 따라서, 지정된 에너지의 이온들만이 검출기(112)로 편향된다.

따라서, 단일 게이트 펄스 후에, 검출기(112)는 이온 질량에 따라 상이한 시간에 검출기(112)에 도달하는 일련의 이온들의 그룹들을 검출할 수 있고, 이온들의 전부는 에너지 분석기(114)에 의해 결정되는 바와 같은 이온 에너지를 가진다. 게이트를 펄스화하고 각각의 펄스 후에 검출기(112)에서 이온들의 그룹들을 수집함으로써, 일련의 측정이 수행될 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 전극(110)(즉, 게이트 전극)은 매우 짧은 게이팅 기간(gating period) 동안을 제외하고는, 플라즈마 전위와 유사한 포지티브 전압으로 정상적으로 바이어싱될 수 있다. 예를 들어, 게이트 펄스 폭은 약 100 ns일 수 있다.

플라즈마 감시 모드 또는 교체 모드에서는, 센서(100)가 플라즈마(206)와 같은 플라즈마로부터 이온들이 가속되는 기간들 근처 또는 기간들 동안에만 게이트를 개방하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, DC 포지티브 전압 펄스들(208)은 플라즈마(206)에 인가될 수 있고, 접지될 수 있는 (센서(100)뿐만 아니라) 작업물(230)은 예를 들어, -10V 및 -50kV 사이일 수 있는, 플라즈마(206)에 대한 네거티브 전위를 획득한다. 이온들은 플라즈마 경계(도 1로부터 241)로부터 가속되고 개구(212)를 탈출할 수 있고, 그 이후에, 이온들은 인가된 DC 플라즈마 전위에 의해 결정되는 에너지로 센서(100) 및 작업물(234)(그 시간에 작업물(234)이 정위치(in place)에 있을 경우)에 충돌할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 이온 센서 내의 샘플 이온들로의 게이트 펄스화는 예를 들어, 플라즈마(206)의 각각의 DC 펄스를 위하여 100ns 게이트 펄스를 적용함으로써 작은 분량의 시간 동안에만 발생할 수 있고, 이것은 200㎲마다 발생할 수 있다.

다른 실시예들에서는, DC 펄스 전, DC 펄스 동안 및/또는 DC 펄스 후에 다양한 포인트(point)들에서 일련의 이온 센서 게이트 펄스들을 제공함으로써 수행될 수 있는 시간-분해 측정들이 적용된다. 대략 밀리세컨드(millisecond)의 1/10 동안에 지속되는 DC 펄스에 대하여, 100 ns 게이트 펄스들에 대한 다수의 TOF 측정들이 희망하는 바와 같이 단일 DC 플라즈마 펄스 동안에 적용될 수 있다.

도 2b를 다시 참조하면, 시스템(200)의 주어진 세트의 동작 조건들에 대하여 작업물에 의해 경험된 이온 분포를 정확하게 측정하는 정보를 제공하기 위하여, 센서 시스템(220)은 기판(230)의 평면에 대한 일련의 각도들(예를 들어, θ₁ 및 θ₂ 참조)만큼 회전될 수 있는 한편, 하나 이상의 TOF 측정들은 각각의 각도에서 수행된다. 또한, x-방향에 따른 TOF 센서의 위치는 변동될 수 있고, TOF 측정들은 위치의 함수로서 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 또한 참조하면, 시스템(200)은 이온들을 작업물에 제공하기 위해 이용되는 추출 판(11)과 유사한 추출 판을 포함할 수 있다. 홀더(224)는 도 2에 의해 제시된 바와 같이, 센서(100)로서 구현될 수 있는 센서(220)를 판(11) 내의 개구의 중심과 정렬하도록 인덱스(index)로 표시될 수 있다. 하나의 예에서, 개구는 슬릿(slit)이고, x-방향에 따른 슬릿의 폭(G)은 개구들 아래의 기판 평면 상의 이온들의 폭 및 각도 확산을 정의하는 것을 돕는다. 따라서, 상이한 배향 각도(orientation angle)들(θ)에서의 일련의 TOF 측정들은 센서(100)의 추출기 측이 개구의 중심(232)에 근접해 있는 동안에 수행될 수 있다. 하나의 예에서, TOF 센서의 전극 시스템은 대략 1도 정도의 이온들의 수용 각도(acceptance angle)를 제공할 수 있다. 그러므로, 각각의 측정 또는 측정들의 세트(set) 사이에 적어도 1도의 센서(100)의 회전을 제공하는 것이 편리할 수 있다. 희망하는 각도 범위를 통해 불연속적인 각도들에서 일련의 TOF 측정들을 수행한 후, 그 다음으로, 홀더(224)는 개구의 좁은 치수에 대하여 스캔될 수 있고, 즉, 홀더(224)는 +x 또는 -x 방향으로 이동될 수 있고, 그 후, 각도 범위를 통한 추가적인 일련의 측정들이 수행될 수 있다.

따라서, 시스템(220)과 같은 예시적인 TOF 센서 시스템은 상이한 각도들의 세트에 걸쳐 수집된 질량 종(mass species)의 스펙트럼들을 나타내는 TOF 질량 스펙트럼들의 세트를 생성할 수 있다. 스펙트럼 세트 내의 정보는 입사 각도의 함수인 상이한 이온 종(즉, 상이한 질량들)의 상대적인 양들에 있어서의 변동을 포함할 수 있다.

또한, 에너지 분석기(114)와 같은 에너지 분석기는 임의의 희망하는 이온 입사 각도에 대한 하나 이상의 이온 에너지들에서 하나 이상의 TOF 스펙트럼들을 수집하기 위해 이용될 수 있다. 드리프트 튜브에서의 이온들의 속도 및 그로 인한 비행시간은 이온 질량 및 에너지 둘 모두에 의존하므로, 이온들이 에너지들의 확산과 함께 드리프트 튜브에 진입하고 에너지 분석 없이 검출기에 직접 전달되는 경우, 검출된 신호는 이온 질량 및 에너지의 둘 모두를 융합할 수 있다. 따라서, 에너지 분석기(114)는 지정된 에너지의 그 이온들만을 검출기(112)로 편향시키기 위하여 주어진 측정에 대해 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 검출된 이온들의 에너지가 주어진 측정에 대해 고정되므로, 주어진 질량의 모든 이온들은 검출기에 동시에 도달해야 하고, 이에 따라, TOF 스펙트럼에서의 각각의 피크(peak)는 고유의 질량(또는 오히려 질량/전하 비율)을 가진다는 것을 보장한다.

하나의 예에서는, 일련의 TOF 측정들이 에너지 분석기(114)에 대한 상이한 이온 에너지 설정들을 이용하여 고정된 각도에서 수행되는 동안, 10 keV 전위가 플라즈마 챔버(202) 및 기판(230) 사이에 인가될 수 있다. 조사되어야 할 명목상의 이온 에너지를 갖는 이온들을 기록하기 위하여, 에너지 분석기(114)의 에너지는 초기에 10 keV로 설정될 수 있다. 에너지 분석기는 추후에 10 keV 근처의 다른 에너지들로 설정될 수 있고, 이것은 이온 에너지들의 확산과, 주어진 명목상의 이온 에너지에 대한 이온 질량들에 관한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시예들은 이온 종, 에너지, 및 입사 각도를 포함하는, 기판 상에 입사하는 활성 이온들의 다차원 파라미터 분석을 제공할 수 있다.

또한, 실시예들은 실제적인 생산 시스템에서 존재할 수 있는 소형의 환경에서 높은 에너지의 이온 프로세스들을 감시하기 위한 능력을 증대시킨다. 편리하게 위치될 수 있고 프로세스 챔버와 함께 회전될 수 있는 회전가능한 TOF 센서를 제공하기 위해서는, 상대적으로 짧은 길이를 갖는 TOF 센서를 구성하는 것이 바람직할 수 있고, 이에 따라, 짧은 드리프트 튜브 설계를 필요로 한다. 그러나, 이온들의 펄스들이 10 keV 이상과 같은 높은 이온 에너지들로 드리프트 튜브를 향해 받아들여질 때, 상이한 질량들의 이온들이 매우 밀집되게 이격되어 검출 시스템에 의해 별개의 신호들 또는 피크들로 적절하게 분해될 수 없도록, 이온들의 펄스가 검출기에 도달할 수 있다. 이것은 펄스 내의 모든 높은 에너지의 이온들이 이온 에너지에 따라 매우 높은 속도들로 드리프트 튜브에 진입할 수 있기 때문이며, 필드 프리 영역(field free region)에서의 비행시간은 너무 짧아서 상이한 질량들의 이온들에 대한 비행시간 지속기간에 있어서의 차이는 이온들을 검출하기 위하여 이용되는 카운터(counter)에서 분해하기에 너무 작다.

본 개시 내용의 실시예들에 따르면, TOF 센서에서의 적어도 하나의 전극은 이온들이 드리프트 튜브 부분에 진입하기 전에 TOF 센서에 진입하는 입사 이온들의 에너지에 대항하기 위한 감속 전위(deceleration potential)를 받아들이도록 동작가능하다. 필드-프리 영역의 길이가 각각의 이온 질량에 대한 비행시간을 기술하는 필드-프리 영역에 이온들이 진입하기 전에 입사 이온들의 에너지를 희망하는 레벨로 감소시키기 위하여, 감속 전위의 크기가 선택될 수 있다. 이것은 입사 이온들의 TOF 측정들에 대한 더욱 양호한 질량 분해를 가능하게 할 수 있다. 도 3을 참조하면, 센서(100)에 의해 희망하는 질량 분석이 달성될 수 있는 레벨로 이온 에너지를 감소시키기 위하여, 전극들(108, 110), 드리프트 튜브(104), 및 검출기 어셈블리(112)와 같은 센서(100)의 부품들에 바이어스가 인가될 수 있다.

하나의 예에서는, 30 keV 에너지를 갖는 포지티브 이온들을 감속시키기 위하여, +25 kV 지연 전위(retarding potential)가 센서(100)의 다양한 부품들에 인가될 수 있다. 하나의 예에서, 전극(106)은 위에서 설명된 바와 같이 게이트 전극으로서 작동할 수 있어서, 게이트가 개방될 때, 30 keV 이온들이 드리프트 튜브(104)를 향해 받아들여진다. 다음으로, 이온들은 전극들(108, 110, 104)에 인가되는 +25 keV 전위에 의해 감속될 수 있어서, 그 다음으로, ~5 keV 이온들의 감속된 펄스가 드리프트 튜브(104)에 진입할 수 있다. 따라서, 상이한 질량을 갖는 5 keV 이온들 사이의 비행시간 차이는 검출기가 별개의 패킷(packet)들로서 검출하기에 충분할 수 있고, 이것에 의해, 질량 스펙트럼에서 별개의 피크들을 생성할 수 있다.

하나의 실시예에서, 센서(100)는 입사 이온 에너지가 지정된 범위 내에 있을 때, 예를 들어, 10 keV 초과일 때에 전극에 인가되는 감속 전위를 이용하여 동작될 수 있는 한편, 더 낮은 입사 에너지를 갖는 이온들에 대해서는 감속 전위가 인가되지 않는다. 예를 들어, 2 keV 이온들과 같은 낮은 에너지의 포지티브 이온들에 대하여, 위에서 설명된 바와 같이 드리프트 튜브를 향해 이온들을 가속시키기 위하여, 전극(108)은 폐쇄된 게이트 모드(closed gate mode) 하에서 +2 keV에서 바이어싱될 수 있고 개방 게이트(open gate) 하에서 -1 keV로 펄스화될 수 있다.

추가적인 실시예에서, 센서(100)와 같은 TOF 센서는 시간에 걸친 이온들로의 노출로 인해 도입될 수 있는 에러들로부터 TOF 센서를 보호하는 것을 돕기 위하여 RF 바이어스로 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 추출기 전극(106)에는 라디오 주파수(RF : radio frequency)(1-300 MHz, 전형적으로 13.56 MHz) 바이어스가 제공될 수 있다. RF 바이어싱된 추출기 전극(106)은 증착-지배적(deposition-dominant) 환경에서 다수의 기능들, 이온들을 추출하고 추출기 개구로부터 증착물(deposit)들을 제거하는 것을 행할 수 있다. 다수의 제조 프로세스들이 증착-지배적 환경에서 수행되고, 전기적으로 전도성 또는 절연성의 어느 하나인 박막(thin-film) 재료들은 플라즈마 챔버에서 증착된다. 두꺼운 절연막이 추출기 개구를 차단하는 경우, 추출기 전극(106) 상의 DC 바이어스는 더 이상 효과적일 수 없다. RF 바이어스는 증착된 재료들을 제거하기 위하여 추출기 개구를 스퍼터 세정(sputter clean)하는 것을 도울 수 있다. 즉, RF 바이어스는 이온 센서(300)에 "자기-세정(self-cleaning)" 기능을 제공할 수 있다. 이온 추출을 위하여, RF 바이어스는 플라즈마 전위에 대하여 네거티브 평균 전위(negative average potential)를 가질 수 있다. 스퍼터 세정의 목적들을 위하여, RF 자기-바이어스(self-bias)는 스퍼터링 임계치보다 클 수 있고, 피크-투-피크(peak-to-peak) 값은 100-1000V 이상일 수 있다. 또한, RF-바이어싱된 전극은 공지된 기술들에 따라 증착 두께에 관한 정보를 제공하기 위하여 용량성 프로브(capacitive probe)로서 작동할 수 있다. 다음으로, 이 정보는 예를 들어, 전극 전위들과 같은 센서(100)의 동작 파라미터들을 조절하기 위하여 이용될 수 있으므로, TOF 측정들은 전극들 주위의 재료의 누적(accumulatioin)에 의해 영향을 받지 않는다.

도 5는 이온 센서의 추가적인 실시예를 도시한다. 센서(500)는 이온 센서(100)에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 이온들을 추출하고, 게이트로 제어하고, 및/또는 감소시킬 수 있는 개구 세트(aperture set)(502)를 포함한다. 또한, 센서(500)는 드리프트 튜브(504), 에너지 분석기(506), 및 검출기들(508 및 510)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서(500)는 이온들뿐만 아니라 활성 중성자들을 감시할 수 있다. 예를 들어, 센서(500)는 활성 빔(520)을 받아들이도록 배열될 수 있다. 센서(500)는 센서 시스템(220)에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 각도들의 범위에 걸쳐 이러한 빔을 수집하도록 배열될 수 있다. 활성 빔(520)은 희망하는 이온 에너지로 가속되는 활성 이온들과, 추출 및/또는 감속 후에 중성화되는 이온들로부터 발생하는 활성 중성자들을 포함할 수 있다. 활성 중성자들은 희망하는 이온 에너지와 유사하거나 희망하는 이온 에너지보다 작은 에너지들을 전형적으로 가질 수 있다. 빔(520)이 드리프트 튜브(504)를 통과할 때, 이온들 및 중성자들은 드리프트 튜브를 관통하여 함께 이동할 수 있다. 이온들(512)이 에너지 분석기(506)를 통과할 때, 이 이온들은 도시된 바와 같이 편향될 수 있고 이온 센서(500)의 측면 부분에 설치된 검출기(508)에 의해 검출될 수 있다. 에너지 분석기(506)는 전기적으로 하전된 종, 예를 들어, 포지티브 이온들을 도시된 방향으로 편향시키기 위하여, B-필드(B-field)를 생성하는, 예를 들어, 자기 분석기(magnetic analyzer)일 수 있다. 그러나, 활성 중성자들(514)은 전하(charge)를 운반하지 않으므로, 활성 중성자들(514)은 도시된 바와 같은 직선 궤도에서, "인-라인(in-line)" 검출기(508)에 의해 계속 검출될 수 있다. 따라서, 이온 센서(500)는 도 1 내지 도 4에 도시된 상기한 실시예들에 의해 제공되는 것과 유사한 활성 이온들에 관한 정보뿐만 아니라, 활성 중성자들의 양 및 그 각도 분포에 관한 정보를 제공하기 위하여 이용될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같은 본 개시 내용에 따른 이온 센서 시스템들은 전형적으로 입력 데이터의 프로세싱 및 출력 데이터의 발생을 어떤 정도까지 수반할 수 있다는 것에 주목해야 한다. 이 입력 데이터 프로세싱 및 출력 데이터 발생은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 예를 들어, 특정 전자 부품들은 이온 빔 프로세싱 도구, 또는 위에서 설명된 바와 같은 본 개시 내용에 따른 이온 종의 인-시튜(in-situ) 감시와 연관된 기능들을 구현하기 위한 유사하거나 관련된 회로에서 채용될 수 있다. 대안적으로, 저장된 명령들에 따라 동작하는 하나 이상의 프로세서들은 위에서 설명된 바와 같은 본 개시 내용에 따른 이온 종의 인-시튜 감시와 연관된 기능들을 구현할 수 있다. 이러한 경우, 이러한 명령들이 하나 이상의 프로세서 판독가능한 캐리어(carrier)들(예를 들어, 자기 디스크) 상에 저장될 수 있거나, 하나 이상의 신호들을 통해 하나 이상의 프로세서들에 송신될 수 있다는 것은 본 개시 내용의 범위 내에 있다.

본 개시 내용은 본 명세서에서 설명된 특정 실시예들에 의해 범위가 제한되지 않아야 한다. 실제로, 본 명세서에서 설명된 것들에 부가하여, 본 개시 내용의 다른 다양한 실시예들 및 본 개시 내용에 대한 수정들은 상기한 설명 및 첨부 도면들로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 예를 들어, 이온 빔 시스템이 이온 빔을 형성하기 위하여 추출 판을 채용하는 개시 내용의 실시예들이 도시되었지만, 본 발명의 TOF 센서 시스템은 이러한 추출 판들 없이 이온 빔들을 포함하는 이온들을 발생하는 다수의 유형들의 장치에서 유익하게 배치될 수 있다. 또한, TOF 센서 시스템은 프로세싱 시스템에서 동작할 수 있고, 이 프로세싱 시스템에서는, 감시 모드만 또는 교체 모드만 실용적이다.

따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들은 본 개시 내용의 범위 내에 속하도록 의도된 것이다. 또한, 본 개시 내용은 특정한 목적을 위하여 특정한 환경에서 특정한 구현예의 상황에서 본 명세서에서 설명되었지만, 당업자들은 그 유용성이 그렇게 제한되지 않고 본 개시 내용은 임의의 수의 목적들을 위하여 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에 기재된 청구항들은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 개시 내용의 전체 폭 및 취지를 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (17)

1. 기판 상에 입사하며 이온 에너지를 갖는 이온 종(ion species)의 각도 분포를 감시하기 위한 비행시간(TOF : time-of-flight) 이온 센서 시스템으로서,
   상기 이온 종으로부터 이온들의 펄스(pulse)를 받아들이도록 구성된 제 1 단부(end)를 갖는 드리프트 튜브(drift tube)로서, 상기 이온들의 펄스 중의 더 무거운 이온들 및 더 가벼운 이온들은 상기 드리프트 튜브의 제 2 단부에 패킷(packet)들로 도달하고, 상기 이온 센서 시스템은 상기 기판 평면에 대하여 상기 드리프트 튜브의 각도를 변동시키도록 구성되는, 상기 드리프트 튜브; 및
   상기 이온들의 펄스로부터 유도되며 각각의 이온 질량들에 대응하는 이온들의 패킷들을 검출하도록 구성되고, 상기 드리프트 튜브의 제 2 단부에 설치된 이온 검출기를 포함하는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   이온들은 상기 드리프트 튜브의 대응하는 복수의 각도들에서의 복수의 TOF 측정들에서 상기 이온 센서 시스템에 의해 검출되는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 기판 평면에 대하여 상기 드리프트 튜브의 각도를 변동시키도록 구성된 포지셔너(positioner)를 더 포함하는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상이한 이온 질량들은 상기 패킷들의 상이한 도달 시간들에 대응하는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 이온 센서 시스템의 하우징(housing) 내에 설치된 전극들의 세트(set)를 더 포함하고,
   상기 전극들의 세트는,
   지연 전위를 이용하여 폐쇄 모드(closed mode)에서 상기 드리프트 튜브에 진입하는 이온들을 차단하고, 개방 모드(open mode)에서 상기 드리프트 튜브를 향해 이온들을 전달하도록 구성된 게이트 전극; 및
   상기 이온들이 상기 드리프트 튜브에 진입하기 전에 상기 하우징에 진입하는 이온들에 감속 전위를 제공하도록 구성된 감속 전극으로서, 상이한 질량들을 갖는 이온들은 상기 이온 검출기에서 분해가능한, 상기 감속 전극을 포함하는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 이온 종의 에너지가 임계값을 초과할 때, 상기 TOF 이온 센서 시스템은 감속 모드에서 동작하도록 구성되는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 이온 센서 시스템은 미리 설정된 에너지를 갖는 이온들을 제 1 검출기를 향해 편향시키도록 구성된 에너지 분석기를 포함하는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 에너지 분석기에 의해 그 궤도가 변경되지 않는 상기 드리프트 튜브의 상기 제 2 단부를 탈출하는 입자들을 검출하도록 구성된 인-라인(in-line) 검출기를 더 포함하는, 비행시간(TOF) 이온 센서 시스템.
9. 플라즈마로부터 받아들여지며 기판 평면 상에 입사하는 이온 종을 측정하는 방법으로서,
   드리프트 튜브 및 검출기를 포함하는 비행시간(TOF : time-of-flight) 센서와 플라즈마 사이에 제 1 전위를 인가하는 단계;
   지정된 이온 에너지에서 상기 이온 종을 상기 TOF 센서로 끌어당기는 단계; 및
   상기 기판 평면에 대하여 제 1 각도에서 상기 TOF 센서를 기판 영역 내에 위치시키는 단계; 상기 제 1 각도에서 상기 이온 종의 이온 질량을 검출하는 단계; 상기 기판 평면에 대하여 하나 이상의 추가적인 각도들에서 상기 비행시간(TOF) 센서를 위치시키는 단계; 및 각각의 하나 이상의 추가적인 각도들에서 상기 이온 종의 이온 질량을 검출하는 단계에 의하여, 제 1 각도 스캔(angular scan)을 수행하는 단계를 포함하는, 이온 종을 측정하는 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    용량성 프로브(capacitive probe)로서 작동하는 상기 TOF 센서의 전극에 RF 바이어스 전압을 제공하는 단계;
    증착 두께를 감시하는 단계; 및
    상기 증착 두께에 따라 상기 TOF 센서의 동작 파라미터들을 조절하는 단계를 더 포함하는, 이온 종을 측정하는 방법.
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 드리프트 튜브 및 상기 검출기 사이에 에너지 분석기를 제공하는 단계; 및
    희망하는 에너지에 따라 상기 드리프트 튜브로부터 받아들여진 이온들을 상기 검출기에 보내기 위하여 상기 에너지 분석기를 설정하는 단계를 더 포함하는, 이온 종을 측정하는 방법.
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 이온 종은 포지티브(positive) 이온들이고,
    상기 이온 질량을 검출하는 단계는,
    플라즈마 전압에 대하여 네거티브(negative)인, 상기 TOF 센서 내의 제 1 전극 상의 전압의 펄스를 제공하는 단계; 및
    상기 드리프트 튜브를 관통한 이온 종의 비행시간을 상기 검출기에서 기록하는 단계를 더 포함하는, 이온 종을 측정하는 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 이온들이 상기 드리프트 튜브에 진입하기 전에, 상기 이온들을 상기 지정된 에너지 미만으로 감속시키는 제 2 전극 상의 감속 전위를 제공하는 단계를 더 포함하는, 이온 종을 측정하는 방법.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 전극은 게이트 전극을 포함하고, 상기 게이트 전극은 폐쇄 모드에서 상기 TOF 센서에 진입하는 이온들을 차단하도록 구성되고, 상기 제 1 전극 상의 전압 펄스의 지속기간에 대응하는 개방 모드 동안에 이온들을 상기 드리프트 튜브를 향해 보내도록 구성되는, 이온 종을 측정하는 방법.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제 1 전위는 일련의 DC 펄스들로서 인가되고, 상기 개방 모드는 상기 전압 펄스 동안의 하나 이상의 시간들에서 트리거(trigger)되는, 이온 종을 측정하는 방법.
16. 이온 주입 시스템으로서,
    플라즈마 챔버에서 플라즈마 전위의 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 소스(plasma source);
    기판 영역의 기판 평면 내에 기판을 위치시키고 기판 전위를 받아들이도록 동작가능한 기판 홀더로서, 상기 플라즈마 챔버는 상기 플라즈마의 전위 및 상기 기판의 전위에 있어서의 차이에 의해 정의된 에너지에서 각도들의 범위에 걸쳐 입시하는 이온들을 함유하는 이온 빔을 상기 기판 영역으로 공급하는, 상기 기판 홀더; 및
    상기 기판 홀더 근처에 설치된 비행시간(TOF : time-of-flight) 이온 센서 시스템을 포함하고,
    상기 TOF 이온 센서 시스템은,
    상기 기판 영역에서 이온들을 받아들이도록 동작가능하고 상기 기판 전위를 받아들이도록 구성된 제 1 단부를 갖는 TOF 센서; 및
    상기 기판 평면에 대하여 상기 TOF 센서의 각도를 변동시키도록 구성된 포지셔너로서, 복수의 각도 범위에 걸쳐 분포된 이온들은 상기 TOF 센서의 대응하는 복수의 각도들에서 일련의 TOF 측정들에서 상기 이온 센서 시스템에 의해 받아들여지는, 상기 포지셔너를 포함하는, 이온 주입 시스템.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는 각도들의 범위에 걸쳐 이온들을 상기 기판 평면에 제공하도록 구성된 개구를 포함하는 플라즈마 쉬스 수정기(plasma sheath modifier)를 포함하는, 이온 주입 시스템.

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