KR20190031594A - 탄소 이온 주입을 위한 도판트 조성물의 저장 및 대기압 이하의 전달 - Google Patents

탄소 이온 주입을 위한 도판트 조성물의 저장 및 대기압 이하의 전달 Download PDF

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Abstract

CO-함유 도판트 기체 조성물의 전달을 위한 공급 소스가 제공된다. 조성물은 제어된 양의 희석제 기체 혼합물, 예컨대 크세논 및 수소를 포함하고, 이들은 각각 최적 탄소 이온 주입 성능 보장을 위해 제어된 부피비로 제공된다. 조성물은 CO-함유 공급 소스 및 희석제 혼합물 공급 소스로 이루어진 도판트 기체 키트로서 패키징될 수 있다. 대안적으로, 조성물은 예비-혼합되고, 배출 유동로를 따라 달성된 대기압 이하의 조건에 반응하여 장치의 내부 부피로부터의 도판트 혼합물의 제어된 유동을 가능하게 하도록 작동될 수 있는 단일 소스로부터 이온 소스 장치로 도입될 수 있다.

Description

탄소 이온 주입을 위한 도판트 조성물의 저장 및 대기압 이하의 전달 {STORAGE AND SUB-ATMOSPHERIC DELIVERY OF DOPANT COMPOSITIONS FOR CARBON ION IMPLANTATION}
본 발명은, 탄소 주입에 사용되는 도판트 기체 조성물을 포함하는 개선된 CO계 배합물 및 이러한 CO계 배합물의 대기압 이하의 전달 및 저장 장치에 관한 것이다.
이온 주입은 반도체/마이크로전자 제조에 있어 중요한 공정이다. 이온 주입 공정은 반도체 웨이퍼에 제어된 양의 도판트 이온을 도입하기 위해 집적 회로 제작에서 이용된다. 이온 소스(ion-source)는 도판트 기체로부터 각종 이온 종에 대한 잘 한정된 이온 빔을 생성하기 위해 사용된다. 도판트 기체의 이온화는 이후에 주어진 작업편 내로 주입될 수 있는 이온 종을 생성한다.
탄소는, 코-도판트(co-dopant)의 확산을 억제하는 것 또는 도핑 영역의 안정성을 향상시키는 것 등의 각종 물질 개질 적용을 위해 반도체 산업에서 폭넓게 사용되는 도판트로서 나타났다. 이와 관련하여, 이산화탄소 (CO2)가 탄소 이온 주입을 위한 통상적 도판트 소스(dopant source)로서 나타났다. 그러나, CO2는 텅스텐 이온 챔버 성분을 산화시켜 전극 표면 및 이온 장치의 챔버 성분을 따라 다양한 산화텅스텐 (WOx) 침착물을 형성하는 경향이 있는 산화 기체로서 거동하는 것으로 나타났다. 이러한 침착물의 발생은, 이들이 전기적 특성을 열화시키고, 이로써 안정한 플라즈마를 지속시키기 위해 보다 높은 전압을 필요로 하기 때문에 문제가 된다. 그러나, 보다 높은 전압은 전압 방출을 초래할 수 있고, 이는 전기 단락 및 빔 전류에서의 순간적 하강을 일으킨다. 빔 전류 하강은 통상적으로 "빔 글리칭(beam glitching)"으로서 언급된다. 빔 글리칭은, 공정이 허용가능한 효율로 작업될 수 없는 정도로 이온 소스 성능을 열화시킨다. 이러한 경우, 사용자는 주입 작업을 중단하고 보수를 수행하거나 이온 소스를 교체할 것을 필요로 할 수 있다. 이러한 고장 시간은 이온 주입 시스템의 생산성 손실을 초래한다. 따라서, 높은 품질의 주입 공정을 수행하기 위해서는 연장된 기간 동안 이온 소스의 적절한 기능을 유지하는 것이 필수적이다.
이온 주입을 위한 도판트 소스로서 CO2와 연관된 바람직하지 않은 침착물을 고려하여, 대안적 도판트 기체 소스로서 일산화탄소 (CO)가 (CO 중의 보다 낮은 산소 함량으로 인해) 나타났다. 보다 낮은 산소 함량은 WOx 형성 양을 감소시킨다. 그러나, CO는 이온 소스의 작업 동안 중질 탄소 (C) 및 탄화텅스텐 (WC) 침착물을 형성하는 것으로 나타났다. C 침착물은 CO의 플라즈마 분해 결과물이지만, WC 침착물은 CO 및 그의 플라즈마 단편화 생성물과 텅스텐계 챔버 성분의 상호작용의 결과로서 형성된다. C/WC 침착물은 빔 글리칭을 생성할 수 있고, 이로써 짧은 이온 소스 수명의 문제를 일으킨다.
또한, CO는 상당한 안전성 및 환경적 도전을 갖는 독성 기체이다. CO는 전형적으로 고압 하에 실린더 내에 저장된다. 고압 하에서의 CO 저장은, 실린더의 누출 또는 파괴적 파열이 발생할 가능성으로 인해 허용불가능하다. 따라서, CO에 대한 표준 고압 실린더는 고압 실린더로부터의 이들 유체의 의도하지 않은 방출 위험성을 갖는다.
탄소계 도판트 기체 소스의 안전한 저장 및 전달 장치를 위한 방법 및 시스템과 함께, 탄소 주입을 위한 탄소계 도판트 기체 소스 사용시 이온 챔버에서의 침착물을 감소시키는 것에 대한 충족되지 못한 필요성이 존재한다. 본 발명의 다른 측면은, 명세서, 그에 첨부된 도면 및 청구범위를 검토함으로써 관련 기술분야의 숙련자에게 명백해질 것이다.
발명의 요약
본 발명은 탄소 이온 소스의 향상된 수명 및 성능을 달성할 수 있는 탄소 이온 주입 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 부분적으로, 대기압 이하의 조건 하에 전달되는 CO계 도판트 기체 혼합물에 대한 단일 공급원에 관한 것이다.
제1 측면에서는, 희석제 기체 혼합물과 미리 결정된 농도로 예비-혼합된 하나 이상의 탄소-함유 도판트 소스 기체; 및 장치의 내부 부피 내에서 가압 상태로 도판트 기체 혼합물을 유지하기 위한 대기압 이하의 전달 및 저장 장치를 포함하며, 여기서 상기 하나 이상의 탄소-함유 소스는 적어도 CO를 포함하고, 상기 희석제 기체 혼합물은 불활성 기체 및 수소-함유 기체를 포함하고, 상기 전달 장치는 배출 유동로와 유체 소통되고, 여기서 상기 전달 장치는 배출 유동로를 따라 달성된 대기압 이하의 조건에 반응하여 장치의 내부 부피로부터의 도판트 조성물의 제어된 유동을 가능하게 하도록 작동되는 것인, 도판트 기체 혼합물에 대한 단일 소스 공급원에 관한 것이다.
제2 측면에서는, 하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체를 제공하고; 불활성 기체 및 수소-함유 기체를 포함하는 희석제 기체 조성물을 제공하고; 미리 결정된 진공 조건에 반응하여 하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체의 제어된 유동을 작동시키고; 미리 결정된 진공 조건에 반응하여 희석제 기체 조성물의 제어된 유동을 작동시키고; 하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체를 이온 소스 챔버로 도입하고; 희석제 기체 조성물을 이온 소스 챔버로 도입하고; 하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체 소스를 이온화시켜 탄소 이온을 생성하고; 탄소 이온을 기판 내에 주입하는 것을 포함하며; 여기서, 하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체 소스는 희석제 기체 조성물과 상호작용하여, 순수 CO에 비해 탄소 이온 빔 전류에서의 실질적인 감소를 생성하지 않으면서 탄소 이온 소스에 따르는 침착물을 감소시키는 것인, 이온 주입을 위한 도판트 기체 조성물의 전달 방법이 제공된다.
제3 측면에서는, 일산화탄소를 포함하는 탄소계 물질; 및 크세논 (Xe) 및 수소를 포함하는 불활성 희석제 기체 혼합물을 포함하며, 여기서 Xe 및 수소는 유효량으로 함유되고, 상기 유효량은 약 0.02 내지 약 0.20의 Xe:H2의 부피비이고; 여기서 상기 (Xe+H2):CO는 약 0.10 내지 약 0.30 범위의 부피비로 함유되는 것인 기체 조성물이 제공된다.
본 발명의 목적 및 이점은, 첨부된 도면과 함께 하기 본 발명의 바람직한 실시양태의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이며, 도면에서 동일한 번호는 전반에 걸쳐 동일한 특징부를 나타내고, 여기서
도 1a는 본 발명의 원리에 따른 CO-함유 도판트 조성물의 분배를 위한 대기압 이하의 전달 및 저장 장치를 나타내고;
도 1b는 전체적으로 도 1a의 전달 및 저장 장치 내에 배치된 진공 작동 체크 밸브를 나타내고;
도 2는 밸브 본체 상의 압력 방출 장치를 갖지 않는 알루미늄 실린더를 나타내고, 여기서 실린더는 CO-함유 도판트 기체 조성물에 대한 내부 저장 부피를 최대화하도록 디자인된 치수를 갖고;
도 3은 본 발명의 원리에 따라 사용되는 이온 주입기를 나타내고;
도 4는 탄소 주입을 위한 주입 시스템 및 방법 내에서의 도 3의 이온 주입기를 나타내고;
도 5는 CO+H2+Xe 도판트 기체 조성물의 상이한 조성에 대한 상대적 C+ 빔 전류를 나타내고;
도 6은 3개의 상이한 아크(arc) 전류 수준에서의 CO+H2+Xe의 상이한 도판트 조성물에 대한 상대적 C+ 빔 전류를 나타내고;
도 7a 및 7b는 각각 CO 단독, 및 본 발명의 CO-함유 도판트 조성물을 사용하는 탄소 주입 동안 침착물 형성을 나타낸다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 다양한 요소의 관계 및 기능은 하기 상세한 설명에 의해 보다 잘 이해된다. 상세한 설명은, 다양한 순열 및 조합의 특징, 측면 및 실시양태들이 본 개시내용의 범주 내에 있는 것으로서 고려한다. 따라서, 본 개시내용은, 이들 구체적 특징, 측면, 및 실시양태, 또는 이들 중 선택된 것(들)을 포함하거나 이들로 이루어지거나, 또는 이들로 본질적으로 이루어진 것으로서 특정될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 달리 지시되지 않는 한, 모든 농도는 부피 백분율 ("vol%")로서 표현된다.
본 발명은 다양한 조합의 임의의 하기 실시양태를 포함할 수 있고, 또한 하기에서 기술된 설명 또는 첨부된 도면에 기재된 임의의 다른 측면을 포함할 수도 있다.
언급된 바와 같이, 순수 CO는 비교적 높은 C+ 빔 전류를 생성할 수 있지만, 상당한 중질 탄소 (C) 및 탄화텅스텐 (WC) 침착물이 빔 글리칭을 생성할 수 있고, 이온 소스 수명을 단축시킬 수 있다. CO에 대한 수소 (H2)의 첨가는 침착물 형성을 감소시키는 것으로 공지되어 있다. 탄소-함유 소스 물질로서 CO가 사용되는 경우, H2와 CO는 상호작용하여 이온 챔버 내의 전체적 침착물 형성을 감소시킨다. 그러나, 침착물 형성의 감소는 보다 낮은 C+ 빔 전류의 희생으로 일어난다.
본 발명은, C+ 빔 전류를 향상시키기 위해, 하기에 기재되는 바와 같이, Xe를 특정 부피비로 첨가함으로써 CO-H2 혼합물을 개선시킨다. 특히, 또한 실시예에 나타내는 바와 같이, C+ 이온의 빔 전류는, CO 및 H2로 이루어진 도판트 기체 혼합물을 사용하여 얻어지는 C+ 빔 전류에 비해 20% 초과만큼 증가할 수 있다. 이러한 방식으로, 선행 기술과 달리, 본 발명은 연장된 이온 소스 수명을 달성하고 CO 및 H2에 비해 C+ 빔 전류를 증가시키는 능력을 가능하게 한다.
본 발명의 하나의 실시양태는, 바람직하게는 CO 및 희석제 혼합물을 함유하는 탄소-함유 도판트 기체 조성물에 관한 것이다. CO는, 불활성 기체 및 수소-함유 기체를 포함하는 희석제 혼합물과 예비-혼합될 수 있다. 본원에서, 또한 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이 용어 "도판트 기체 조성물"은 이온 소스 챔버 내에서 또는 그의 상류에서 형성되는 생성 조성물을 지칭하도록 의도된다. 본원에서, 또한 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이 용어 "도판트 기체 조성물"은 또한, 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 단일 공급 소스를 사용하여 함유된 혼합물을 지칭하도록 의도된다.
CO와 불활성 기체 및 수소-함유 기체를 포함하는 희석제 기체 혼합물을 선택된 부피비로 포함하는 도판트 기체 조성물을 이온 소스 챔버로 도입하는 것은, 이온 소스 성능과 이온 소스 수명의 필수적인 밸런스가 달성될 수 있게 하는 것으로 나타났다. 바람직한 실시양태에서, 도판트 기체 혼합물은 CO를 크세논 (Xe) 및 수소 (H2)로 본질적으로 이루어진 불활성 희석제 기체 혼합물과 조합하여 포함한다. CO, Xe 및 H2는 특정 농도 범위로 존재한다. 특정 범위의 CO와 Xe 및 H2는, 일반적으로 단지 감소된 침착물 형성의 희생으로 증가된 C+ 빔 전류를 달성할 수 있었던 종래의 탄소 이온 주입 공정에 비해 향상된 이온 소스 수명 및 이온 소스 성능 둘 다를 달성한다.
하나의 실시양태에 따라, 도판트 기체 조성물은 특정 부피비의 CO, H2 및 Xe의 혼합물이다. Xe:H2의 부피비는 약 0.02 내지 0.20의 범위일 수 있고, (Xe+H2):CO의 부피비는 약 0.10 내지 0.30의 범위일 수 있다. 보다 바람직한 실시양태에서, Xe:H2의 부피비는 약 0.02 내지 0.06의 범위이고, (Xe+H2):CO의 부피비는 약 0.15 내지 0.20의 범위이다. 이러한 조성 혼합물은 탄소 주입 공정 동안 탄소 이온 (C+)의 허용가능한 수준을 유지하면서 소스 수명을 향상시킨다. 즉, 조성은, CO 단독의 경우로부터 생성된 C+ 빔 전류에 비해, C+ 빔 전류의 실질적인 감소 없이 이온 장치 내의 침착물의 축적을 감소시키는 능력에 상당한 영향을 주는 것으로 나타났다.
Xe는 비교적 용이하게 이온화되고 다른 도판트 기체에 비해 그의 비교적 큰 원자 크기로 인해 큰 이온화 단면을 갖는 불활성 기체이다. 본원에서, 또한 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이 용어 "이온화 단면"은, 원자 또는 분자가 이온 소스 필라멘트로부터 방출된 전자와 충돌될 때 이온화가 일어나는 확률로서 정의된다. 기체 혼합물 중에 존재하는 Xe는, 플라즈마가 형성되면 쉽게 이온화되고, 플라즈마 상 중에 존재하는 다른 화학종의 이온화를 증대시킨다. 본 출원인이 이온화 동안 CO 및 H2 혼합물에 제어된 양으로 Xe를 첨가할 때 Xe의 이온화 효과가 관찰되었다. 실시예에서 논의되는 바와 같이, 궁극적으로 빔 전류에서의 향상이 나타났다.
본 발명은, 탄소 이온 주입 동안 향상된 성능을 달성하기 위해 CO+H2 혼합물에 첨가되는 Xe의 양을 특정된 조성 범위로 유지하도록 디자인된다. 본 발명은, C+ 빔 전류가 CO 및 H2에 첨가되는 Xe의 양에 민감하다는 것을 인식한다. 실시예에서 나타나는 바와 같이, 본 출원인은, 기체 혼합물 중의 Xe의 비율이 (Xe+H2):CO 및 Xe:H2에 대한 부피비를 훨씬 초과하여 증가하는 경우, 이온 소스 챔버 내로의 순(net) 탄소-함유 기체 유동은 일정하게 유지됨에도 불구하고, 예상외로 C+ 빔 전류가 불리하게 감소된다는 것을 관찰하였다.
보다 높은 Xe 수준에서의 보다 낮은 C+ 빔 전류에 추가로, Xe의 첨가는, 바람직하게 산소를 탄소보다 더 많이 이온화시키는 경향성을 갖는다는 것이 예상외로 관찰되었다. 그 효과는 보다 높은 Xe 수준에서 더욱 현저하다. 구체적으로, 도판트 기체 조성물 중의 Xe의 수준이 H2에 대한 상위 한계치를 넘어 증가함에 따라, C+에 대한 O+의 비율 또한 증가한다. 이러한 C+에 대한 O+의 비율 증가는, 이것이 이온 소스로부터 추출된 이온 중 C+의 상대적 비율의 강하를 일으키기 때문에 바람직하지 않다. 추가의 O+ 이온은 아크 챔버 내의 W 성분과 쉽게 반응하여 원치않는 WOx 침착물을 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명은, C+ 빔 전류의 손실 및/또는 과도한 WOx의 형성을 피하기 위해 도판트 기체 조성물 중의 Xe의 양을 제어할 필요성을 인식한다.
일반적으로, 이온 주입 동안, 공정 요건을 충족시키고/거나 이온 소스 장비 처리량을 향상시키기 위해 통상적 작업 값에 비해 C+ 빔 전류에서의 증가가 요망된다. 증가된 C+ 빔 전류는, 보다 높은 아크 전류에서 이온 소스를 작동시켜 이온 소스로부터 추출되는 이온의 양을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 실시예에서 설명되는 바와 같이, 본 출원인은, 아크 전류 수준의 증가가 항상 증가된 C+ 빔 전류 수준을 제공하지는 않는다는 것을 관찰하였다. 그보다는, 아크 전류 수준 증가에 대한 도판트 기체 조성물의 반응은, 기체 조성물의 CO, Xe 및 H2의 상대적 양에 의존한다. 본 발명은, 아크 전류 수준에 대한 도판트 기체 조성물의 반응이, 궁극적으로 최적의 도판트 기체 혼합물 조성물 배합에 있어 상당한 역할을 한다는 것을 인식한다. 본 발명은, 아크 전류 수준 증가에 대한 유리한 반응을 갖는 도판트 기체 조성물을 배합하기 위한 CO, Xe 및 H의 상대적 양의 영향을 고려함으로써, 최종-사용자가 그의 이온 소스 도구에서 높은 C+ 빔 전류를 달성하고 요건을 충족시킬 수 있게 한다.
언급된 바와 같이, 본 발명은, 약 0.1 내지 약 0.3의 범위인 (Xe+H2):CO의 규정된 비율로 CO-H2-Xe 조성물을 사용한다. 선택되는 (Xe+H2):CO의 정확한 비율은, 이온 주입이 수행되는 방식을 비롯한 다수의 요인에 따라 달라진다. 예를 들어, 일부 탄소 이온 주입 공정은 보다 높은 양의 침착물을 용인할 수 있지만, 보다 높은 C+ 이온 빔 전류를 필요로 할 수 있다 (즉, 빔 전류의 감소된 희석 효과). 그 결과, (Xe+H2):CO의 비율은 규정된 비율 범위의 하한에 있도록 선택된다. 다른 탄소 이온 주입 용도에서는 감소된 침착물을 필요로 할 수 있지만, 약간 더 낮은 빔 전류를 용인할 수 있고, 이로써 규정된 비율 범위의 상한의 조성이 선택된다.
본 발명은, 바람직한 도판트 혼합물이 크세논 및 수소로 이루어진 불활성 희석제 혼합물과 예비-혼합된 CO인 탄소 이온 주입 공정에 대해 특히 유리하다. 바람직한 실시양태에서, 단일 공급 소스로부터 혼합물로서 이러한 CO-H2-Xe 조성물을 전달하는 능력은 이온 주입 공정의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 단일 소스 공급원은 안전하고 일관된 방식으로 미리 결정된 농도의 전달을 보장할 수 있다.
압력 하에 저장되고 단일 공급 소스로부터 전달된 CO-H2-Xe의 단일 혼합물에 따라, 본 발명은 저장 동안 및 장치 또는 도구로의 최종 전달시 정확한 블렌드 농도를 유지할 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 단일 공급 소스는 CO-함유 도판트 기체 혼합물을 저장하고 전달하는 데 사용되는 대기압 이하의 저장 및 전달 장치이다. 대기압 이하의 저장 및 전달 장치는, 전형적으로 고압 실린더와 관련되는 누출 또는 파괴적 파열의 발생 위험을 최소화하거나 없애면서 가압 상태에서 도판트 혼합물을 그 안에 유지하도록 디자인된다. 장치는, 배출 유동로를 따라 대기압 이하의 조건이 달성될 때 하류 공정으로의 도판트 혼합물의 제어된 유동을 가능하게 하도록 진공 작동된다. CO계 혼합물의 배출은 단지, 장치의 외부에서 적합한 배출 조건이 존재하는 경우에 일어나고, 이로써 저장 및 전달 장치로부터 독성 CO계 혼합물의 의도하지 않은 방출을 피한다.
도 1a 및 1b는 진공 작동 초과압 체크 밸브 부재(102)를 갖는 대기압 이하의 저장 및 전달 장치(100)의 일례를 나타낸다. 진공 작동 체크 밸브 부재(102)는 바람직하게는 전체적으로 저장 용기 또는 실린더(101) 내에 배치된다. 대기압 이하의 저장 및 전달 장치(100)는, 프렉세어(Praxair)®에 의해 판매되는, 또한 미국 특허 번호 5,937,895; 6,045,115; 6,007,609; 7,708,028; 및 7,905,247 (이들 모두 그 전문이 본원에 참조로 포함됨)에 개시된 바와 같은 상업적으로 입수가능한 업타임(Uptime)® 전달 장치일 수 있다. 장치(100)은 실린더(101)로부터 CO-함유 기체 혼합물을 안전하고 제어된 방식으로 탄소 주입을 위한 이온 장치에 분배한다.
장치(100)는 가압 실린더(101)의 유출구와 소통되는 포트 본체(104)를 포함한다. 도 1b에 나타낸 바와 같은 이동가능 밸브 부재(105) (예를 들어, 포핏)는 밀봉 위치와 개방 위치 사이에서 이동하도록 구성된다. 밀봉 위치에서는, 밸브 부재(105)가 실린더(101)의 내부로부터의 가압된 CO-도판트 기체 혼합물의 유동을 차단한다. 밸브 부재(105)의 하류에 위치하는 팽창가능한 벨로즈(103)는, 벨로즈(103)의 내부와 외부 사이의 미리 결정된 압력차가 발생할 때까지 밸브 부재(105)를 밀봉 위치에서 유지하는 방식으로 밸브 부재(105)의 이동을 제어하기 위해 밸브 부재(105)와 작동적으로 연결된다. 벨로즈(103)는 대기압 이상에서, 유체 배출로와 소통되어 밀봉된다. 따라서, 벨로즈(103) 외부의 압력 조건이 대기압 이하의 조건을 달성하면, 벨로즈(103)는 그의 내부 벨로즈 챔버(106)와 외부 사이의 압력차를 달성하고, 이는 벨로즈(103)를 팽창시킨다. 벨로즈(103)의 팽창은 핀(107)이 밸브 부재(105)를 개방 구성으로 이동시키도록 하고, 이는 CO-함유 도판트 혼합물에 대한 유동로를 생성하여 실린더(101)의 내부로부터 유체 배출 라인을 통해 탄소 주입이 일어날 수 있는 이온 장치 내로 유동시킨다. 모세관(108)과 같은 제한 유동 부재가 임의로 진공-작동 체크 밸브 부재(102)에 부착되어 실린더(101)로부터의 도판트 기체 혼합물의 유동을 추가로 제어하고 제한할 수 있다. 유리하게는, 실린더 압력을 유체 배출 라인을 따라 사용되는 질량 유동 제어기에 대해 허용가능한 압력으로 감소시키기 위해 외부 압력 조절기가 요구되지 않는다.
또한 도 1b를 참조하면, 밸브 부재(102)는 하류의 벨로즈 챔버(103)와 소통되도록 사이에 삽입된 핀(107)을 갖는 밸브 베이스 또는 접촉 플레이트(109)를 갖는 포핏 밸브(105)를 포함하는 진공 작동 체크 밸브이다. 핀(107) 및 밸브 베이스(109)는 이들 사이에 통로를 형성한다. 핀(107)은 통로를 따르는 기체 유동을 차단하는 밀봉 위치와 통로를 따르는 유동을 허용하는 개방 위치 사이의 상호간 이동을 위해 적합화된다. 벨로즈 챔버(106)는 밸브 베이스(109) 및 핀(107)의 하류에 배치된다. 벨로즈 챔버(106)는 핀(107)의 상류의 압력 조건으로부터 고립되는 내부 부피를 한정한다. 벨로즈 챔버(106)는, 이온 챔버 내로 연장되는 배출로와의 소통이 벨로즈(103) 주위에 진공 조건을 생성하고 핀(107)을 개방 위치로 이동시켜 밸브 베이스(109) 내의 통로를 통한 기체 유동을 가능하게 할 때 팽창되도록 적합화된다.
상기 핀-포핏 및 벨로즈 배열은, 하류 유동 라인에서 요망되는 진공 수준이 달성될 때 신뢰성 있게 작동되도록 설정될 수 있는 체크 밸브 어셈블리(102)로서 기능한다. 이러한 방식으로, 유체 배출로를 따르는 압력이 진공 조건으로 강하될 때까지 밸브 부재(102)의 개방이 방지된다. 전형적인 최종-사용자의 이온 장치는 100 토르 이하의 대기압 이하의 압력에서 작동하기 때문에, 예를 들어 500 토르 이하의 압력에서의 진공에서 CO-함유 도판트 기체 혼합물을 분배하는 것은, 임의의 누출물이 단지 이들이 빠르게 검출될 수 있는 이온 장치 내로 누출되도록 보장한다. 그 결과, CO계 도판트 혼합물의 전달을 위해 대기압 이하의 전달 장치(100)를 사용하는 이온 주입 공정은 누출물 부재의 확인을 필요로 하지 않는다.
진공 작동 전달 및 저장 장치(100)는, 탄소 이온 주입이 일어나기에 충분한 미리 한정된 유량으로 CO, 크세논 및 수소의 예비-혼합된 공급원을 전달할 수 있다. Xe:H2 및 (Xe+H2)/CO의 부피비가 본 발명의 범위 내에서 유지되는 한, 임의의 유량이 고려된다. 희석제 기체 혼합물과 동시에 CO계 도판트 기체를 조절된 유량 및 농도로 전달하는 능력은, 희석제 기체 혼합물의 존재에 의해 탄소계 침착물을 현저히 감소시키면서 이온 챔버 내에 적절한 빔 전류가 생성되는 것을 보장한다. 이러한 방식으로, 단일 공급 소스는 최적량의 CO계 도판트 기체 및 희석제 기체 혼합물이 이온 챔버 내에서 서로 상호작용하여, 필수적인 탄소 이온화를 유지하면서 챔버 내의 탄소계 침착물을 감소시킬 수 있다. 단일 공급 소스는, 도판트 기체 및 희석제 기체가 이온 챔버 내로 별도로 유동되는 경우에 직면하는 공정 도전들을 제거할 수 있다.
본 발명은, 도판트 기체 혼합물의 대기압 이하의 전달을 달성하기 위해 사용될 수 있는 다양한 다른 유형의 기계적 디자인을 고려한다. 예를 들어, 하나 이상의 밸브 부재 및/또는 제한 유동 부재를 사용하여 대기압 이하에서 도판트 기체를 분배하고 그의 전달을 제어할 수 있다. 밸브 부재는, 실린더의 전달 포트에 대기압 이하의 또는 진공 조건이 인가될 때 도판트 기체를 개방하고 전달하도록 구성된다. 밸브 부재 및/또는 제한 유동 부재는, 실린더의 내부로부터 전달 포트로의 기체의 유동에 대하여 실린더 밸브 자리의 상류에 위치한다. 정확한 위치는 포트 본체 내부, 목부 공동 내부 또는 실린더 내부일 수 있다. 대안적으로, 밸브 장치는 세 위치 모두를 따라 연장되도록 위치할 수 있다.
밸브 부재 및/또는 제한 유동 부재의 조합은 압력 조절기, 체크 밸브(check valve), 과류방지 밸브(excess flow valve), 모세관 및 제한 유동 오리피스(restrictive flow orifice)를 다양한 배열로 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개의 압력 조절기가 실린더 내에 연속적으로 배치되어, 도판트 기체의 실린더 압력을 유체 배출 라인을 따라 함유된 하류 질량 유동 제어기에 대해 허용가능한 미리 결정된 압력으로 하향 조절할 수 있다. 이러한 압력 조절기 배열에 적합한 디자인은 에이티엠아이, 인크.(ATMI, Inc.)로부터 상업적으로 입수가능한 VAC® 대기압 이하의 전달 장치를 포함한다.
도 1a 및 1b의 대기압 이하의 장치(100)의 적절한 디자인에 의해 본 발명의 CO-함유 도판트 기체 조성물의 저장에 대한 도전이 또한 고려되어야 한다. 본 발명은, 혼합물을 결합시키기 위한 임의의 탄소계 흡착 매질을 사용하지 않는 방식의 CO계 도판트 혼합물의 저장을 이용한다. 탄소-함유 흡착 매질은 CO에 대한, 또한 어느 정도로 수소에 대한 친화력을 갖는다. 다른 흡착성 매질은 또한 CO-함유 기체에 대한 친화력을 갖거나, 또는 다른 방식으로 CO-도판트 기체 혼합물의 저장 및 전달에 대해 불리한 영향을 준다. 따라서, CO-함유 도판트 기체 혼합물의 화학적 일체성을 유지하고, CO-함유 기체 혼합물의 적절한 저장 및 대기압 이하의 전달을 보장하기 위해 비-흡착제 기재의 저장 시스템이 사용된다.
추가로, 저장은, 저장 동안 기체의 이온 결합을 위해 실린더 내에서 영구적으로 유지되는 임의의 이온성 혼합물의 부재 하에 일어난다. 본 발명은, 이온성 용액이, 반도체 산업에서의 이온 주입 공정에 대해 허용불가능한 것으로 고려되는 수준으로 오염물을 CO-함유 도판트 혼합물로 도입한다는 것을 인식하였다.
또한, 본 발명의 전달 및 저장 장치는, 도판트 기체와 실린더 벽의 임의의 반응을 피하기 위해 화학적으로 불활성인 실린더 표면을 사용한다. 특히, 본 발명에서 사용되는 실린더는, 도판트 혼합물로의 실린더 충전 전에 부동태화된다. 바람직하게는, 실린더는 플루오린계 물질로 부동태화되어 화학적으로 불활성인 실린더 벽 표면을 생성한다. 부동태화는 수소-함유 희석제 기체가 실린더 벽 표면 상의 산화물과 반응하고, 도판트 혼합물을 오염시키는 수증기를 형성하는 경향성을 제거한다.
본 발명의 CO-함유 도판트 기체 조성물을 저장하는 능력은 또한, 적어도 부분적으로, 실린더 구성 물질에 의해 영향받는다. 이와 관련하여, 본 발명은, 탄소강이 철 카르보닐 및 다른 미량 카르보닐 화합물 (매우 독성임)의 형성으로부터 안전성의 문제를 가질 수 있기 때문에, 탄소강 실린더가 본 발명의 CO-함유 도판트 조성물의 저장에 적합하지 않다는 것을 인식한다.
추가의 안전성 문제는, CO, 미량 CO2 및 수분 사이의 화학 반응의 결과로 일어날 수 있는, 응력 부식 균열로부터 발생되는 탄소강 실린더의 파괴에 관한 것이다. 따라서, 본 발명의 원리에 따라, CO-함유 도판트 조성물은 우선적으로 탄소강 실린더 내에 저장되지 않는다. 하나의 실시양태에서, 본 발명의 CO계 도판트 혼합물을 함유하는 실린더에 대한 선택 물질은 알루미늄이다. 알루미늄 실린더는 일반적으로 상기에 기재된 안전성 위험을 나타내지 않는다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명의 실린더는, 12 인치 이하의 높이 (목부 제외) 및 4.5 인치 이하의 직경의 실린더 치수를 유지함으로써 압력 방출 장치 (PRD)를 배제시킬 수 있다. 도 2는, 실린더가 12 인치의 높이 및 4.5 인치의 직경을 갖는 알루미늄 구성 물질의 실린더(200)의 일례를 나타낸다. 이러한 치수는, 미국 교통부에 의한 실린더(200)의 밸브 본체 상의 PRD를 필요로 하는 치수 미만이다. PRD가 실린더(200)의 밸브 본체에 부착되는 것에 대한 요건을 벗어난 다른 높이 및 치수가 본 발명에 의해 고려된다. 도 2는 PRD를 필요로 하지 않도록 디자인된 최대 실린더 부피를 나타낸다.
본 발명의 CO-도판트 조성물은 독성이기 때문에, 실린더의 밸브 본체는 일반적으로 압력 방출 장치 (PRD)를 가질 것이 요구된다. PRD는 화염 또는 과도-가압의 경우에 도판트 기체 CO-함유 생성물을 배기시키도록 디자인된다. 그러나, 본 발명은, 도 1b의 진공 작동 체크 밸브 어셈블리(102), 및 실린더의 치수에 의해, PRD 없이 안전한 취급 및 사용을 유지하기에 충분한 내장(built-in) 안전성을 도입한다. 밸브 본체(110) 상의 PRD의 제거는, 독성 CO에 대한 가능한 누출로를 제거하고, 이로써 본 발명의 전달 장치의 안전성 및 구조적 일체성을 더욱 향상시킨다. 이러한 신뢰성은, 이전에 고압 실린더를 포함하는 종래의 다른 저장 장치를 사용하여서는 가능하지 않았었다. 따라서, 도 1a 및 1b에 나타낸 것과 같은, 또한 실린더가 알루미늄으로부터 형성되고 도 2에 나타낸 것과 같이 PRD를 배제시킨 대기압 이하의 전달 패키지는, 본 발명의 CO계 도판트 기체 조성물의 안전성 및 향상된 전달에 있어 바람직하다.
저장 실린더 내의 CO-함유 도판트 혼합물의 충전은, 화학종들의 균질 혼합을 가능하게 하는 방식으로 일어난다. 도판트 혼합물의 각각의 화학종은 임의의 순서로 순차적으로 충전될 수 있다. 대안적으로, 각각의 화학종은 실린더 상류에서 예비-혼합되고, 이어서 단일 혼합물로서 그 안에 도입될 수 있다.
CO-도판트 기체 혼합물이 응축가능한 화학종으로 이루어지는 경우, 충전은 바람직하게는, 각각의 화학종의 부분압이 그의 포화 증기압을 초과하지 않도록 일어난다. 실린더의 최대 충전압은 또한, 화학종들간의 상호작용을 일으키지 않아야 한다. 예를 들어, 도판트 혼합물이 CO, 크세논 및 수소를 포함하는 경우, 충전압은 크세논 및 수소의 이량체화가 일어나 화학적 화합물을 형성할 수 있는 미리 결정된 한계치를 초과할 수 없다. 이온 챔버 하류로의 도입 전에 크세논-수소 화합물의 형성은, C+ 빔 전류를 감소시킬 뿐만 아니라 희석제 기체 혼합물이 이온 챔버 내에 탄소계 및 텅스텐계 침착물을 감소시키는 경향성을 갖게 하는 메커니즘을 불리하게 변경시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은, 실린더 내의 화학종의 상호작용을 일으키지 않는 공정 조건 하에 CO-도판트 혼합물의 화학종의 저장 및 대기압 이하의 전달을 유지한다.
도 3 및 4를 참조하면, 본 발명의 원리에 따른 예시적 이온 주입 장치(300)가 나타나 있다. 구체적으로, 일례에서, 도 3의 이온 소스 장치(300)가 C+ 이온 주입을 위한 전자 빔 생성에 사용될 수 있다. CO, Xe 및 H2를 포함하는 도판트 기체 혼합물(302)은 아크 챔버 벽(311)을 통해 연장되는 기체 공급 라인(313)을 통해 이온 소스 챔버(312)로 도입된다. 하나의 실시양태에서, (Xe+H2):CO의 부피비는 약 0.1 내지 약 0.3의 범위이고, Xe: H2의 부피비는 약 0.02 내지 0.20의 범위이다. 도판트 기체 혼합물(302)의 공급은 바람직하게는 기체 박스(401) 내에 함유된 단일 공급원(402) (도 4)에 의해 제공된다. 공급 소스(402)는 바람직하게는, 그 안의 내부 부피 내에서 가압 상태로 CO+Xe+H2를 유지하는 도 1a 및 1b에 나타낸 바와 같은 단일 대기압 이하의 전달 및 저장 장치이다. 도 4는, 전달 및 저장 장치(402)가 이온 소스 장치(300) 내로 연장되는 배출 유동로와 유체 소통되는 것을 보여준다. 대기압 이하의 전달 및 저장 장치(402)는, 배출 유동로를 따라 달성된 대기압 이하의 조건에 반응하여 장치(402)의 내부 부피로부터의 도판트 기체 혼합물(302)의 제어된 유동을 가능하게 하도록 작동된다.
도 3을 참조하면, 챔버(312) 내부의 도판트 기체 혼합물(303)은, 간접 가열 캐소드(cathode) (IHC)(315)에 근접하여 배치된 필라멘트(314)를 저항 가열하도록 전력 공급 소스 (도시되지 않음)로부터 미리 결정된 전압을 인가함으로써 이온화된다. 필라멘트(314)는 IHC(315)에 대해 음으로 바이어스될 수 있다. 절연체(318)는 IHC(315)를 아크 챔버 벽(311)로부터 전기적으로 및 열적으로 절연시킨다. 필라멘트(314)로부터 방출된 전자는 IHC(315)를 향해 가속화되어 IHC(315)를 그 자체의 열이온 방출 온도로 가열한다. IHC(315)에 의해 방출된 전자는 이온 챔버(312)를 향해 가속화되고 이동하여 그 안에 위치하는 도판트 기체 혼합물(303)을 이온화시킨다. 도판트 기체 혼합물(303)의 이온화된 기체 분자는 플라즈마 환경을 생성한다. 플라즈마 환경을 한정하고 챔버(312) 내의 도판트 기체 혼합물(303)의 이온화를 지속시키고 제어하도록, IHC(315)와 정반대로 대향하여 반발 전극(316)이 배치될 수 있다. 반발 전극(316)은 음전하를 축적하여 전자를 다시 도판트 기체 혼합물(303)을 향해 반발시켜 그와 충돌시키고, 도판트 기체 혼합물(303)의 이온화를 지속시킨다.
도판트 기체 혼합물(303)의 이온화는 탄소가 이온, 라디칼 또는 이들의 조합으로서 방출되도록 한다. 본 발명에 따라 H2에 대한 Xe의 비율을 제어하고 CO에 대한 Xe+H2의 비율을 제어함으로써, C+ 빔 전류가 충분하게 유지되고, C계 및 산화물계 침착물과 같은 침착물이 감소되어, 이온 소스(300)의 지속 작동이 가능하게 된다. C+ 빔 전류는 이온 주입 공정 전반에 걸쳐 지속된다.
탄소 이온은 요망되는 에너지의 탄소 이온 빔 형태로 이온 소스 챔버(312)로부터 추출된다. 적합한 추출을 위한 기술은, 진압 전극(319) 및 접지 전극(320)으로 이루어진 추출 전극을 통해 고전압을 인가함으로써 수행될 수 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 이들 진압 및 접지 전극(319) 및 (320)은 각각, 아크 챔버(312)로부터 추출된 탄소 이온 빔(321)이 잘 한정되도록 보장하기 위해 추출 개구부(317)와 나란히 정렬된 개구부를 갖는다.
도 4는, 탄소 빔 라인 이온-주입 시스템(400)으로 도입된 도 3의 이온 소스 장치(300)를 나타낸다. 도판트 기체 혼합물(302)은 기체 박스(401)로부터 도입된다. 도판트 기체 혼합물(302)은 이온 소스 챔버(300)로 도입되고, 여기서 도 3을 참조하여 기재된 바와 같이 에너지가 챔버로 도입되어 CO를 이온화시킨다.
요망되는 전류의 요망되는 탄소 이온 빔의 생성시, 이온 빔 추출 시스템(401)은 요망되는 에너지의 이온 빔(421) 형태로 이온 소스 챔버(413)로부터 이온 및 라디칼을 추출하는 데 사용된다. 추출은, 추출 전극을 통해 고전압을 인가함으로써 수행될 수 있다. 추출된 빔(421)은 주입되는 탄소 이온이 선택되도록 질량 분석기/필터(405)를 통해 수송된다. 이어서, 필터링된 이온 빔(407)은 가속화/감속화되고(406), 표적 작업편(409) 내로의 탄소 이온 (즉, C+)의 주입을 위해 최종 스테이션(410) 내에 배치된 표적 작업편(409)의 표면으로 수송될 수 있다. 빔의 탄소 이온은 특정 깊이에서 작업편(409)의 표면에 충돌 및 침투하여 요망되는 전기적 및 물리적 특성을 갖는 도핑 영역을 형성한다. 본 발명은 연장된 소스 수명 및 충분한 C+ 빔 전류의 결과로 생산성이 유지되거나 증가될 수 있게 한다.
도 3의 이온 소스(300) 이외에, 예를 들어 프리만(Freeman) 소스, 베르나스(Bernas) 소스 및 RF 플라즈마 소스를 비롯한 다른 적합한 유형의 이온 소스가 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
각각의 기체상 화학종의 전달이 단일 소스 공급원 (예를 들어, 대기압 이하의 전달 장치)로부터 일어날 수 있지만, CO, Xe 및 H2 종 중 하나 이상이, 이들이 이온 소스 챔버 내에서 또는 그의 상류에서 조합되어 본 발명의 부피비의 도판트 조성물을 형성하는 방식으로 전용 공급 소스로부터 도입될 수 있음을 이해하여야 한다. 일례에서, 제1 공급원 용기는 CO를 포함하고, 제2 공급원 용기는 Xe 및 H2를 포함한다. 제1 및 제2 공급원 용기는 기체 키트의 일부로서 제공된다. 이러한 방식으로, CO, Xe 및 H2가 동시-유동될 수 있거나 (즉, 챔버 내로의 기체의 유동이 실질적으로 동시에 일어날 수 있음), 또는 임의의 순서로 이온 소스 챔버 내로 순차적으로 유동될 수 있다. 예를 들어, CO가 단일 대기압 이하의 전달 장치로부터 전달될 수 있고, H2 및 Xe가 또 다른 대기압 이하의 전달 장치로부터 전달될 수 있다. 전달 장치는 도 4에 나타낸 기체 박스(401) 내에 구성될 수 있다. CO, Xe 및 H2는 생성된 조성 혼합물을 이온 소스 챔버(300)의 상류에서 또는 이온 소스 챔버(300) 내에서 형성할 수 있다.
또 다른 예에서, CO, Xe 및 H2 기체 혼합물은 각각 개별 실린더, 바람직하게는 도 1a의 것과 같은 대기압 이하의 전달 및 저장 장치로부터 공급된다. 작업시, CO, Xe 및 H2는, 본 발명에 따른 (Xe+H2):CO 및 Xe:H2의 최적 부피비가 생성되고 탄소 주입 공정 전반에 걸쳐 이온 소스 챔버(300) 내에서 또는 그의 상류에서 유지되도록 보장하는 특정 유량으로 이온 소스 챔버(300) 내로 동시-유동되거나 순차적으로 유동된다.
CO가 하나 초과의 탄소계-함유 기체와 혼합되어 요망되는 도판트 기체 혼합물을 달성할 수 있다. 하나의 실시양태에서, CO는 CxFy의 화학식을 갖는 플루오린-함유 기체와 혼합될 수 있다. 플루오린-함유 기체는 CF4, C2F6, C2F4, C2F2, C3F8 및 C4F8 및 이들의 임의의 혼합물로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
희석제 기체 혼합물과 예비-혼합된 특정 농도 범위 내의 CO와 플루오린-함유 기체의 조합물의 대기압 이하의 전달은, CO 및 플루오린-함유 기체가 각각 충분한 빔 전류를 갖는 탄소 이온 빔을 생성하는 탄소 이온을 제공하는 능력을 손상시키지 않으면서 폭넓은 범위의 문제가 되는 챔버 표면 상의 침착물을 최소화할 수 있는 개선된 도판트 기체 혼합물을 생성한다. 예를 들어, 5% 부피 CF4 및 CO의 혼합물은 이온 소스 챔버 내부에 현저히 더 낮은 카바이드계 침착물을 생성할 수 있다. 기체 조성물에 대한 크세논 및 수소의 첨가는 챔버 벽 상의 텅스텐 에칭 정도를 현저히 감소시킨다. 바람직하게는, 혼합물은 대기압 이하의 전달 장치와 같은 단일 소스로부터 저장 및 전달된다. 그러나, 이온 소스 챔버 내로의 전달에 2개 이상의 장치가 사용될 수 있다. 본 발명은, 이러한 화학종을 안전하게 저장하고 대기압 이하에서 전달하는 능력을 제공하여, 탄소 주입 동안 이온 소스의 성능 향상이 존재한다.
추가로, 희석제 기체 조성물에 대하여, 본 발명은 H2 이외의 다양한 수소-함유 기체를 고려한다. 예를 들어, 수소-함유 기체는 CH4, C2H2, C2H4, C2H6 및 이들의 임의의 혼합물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 아르곤, 네온 또는 크립톤 등의 크세논 이외의 다른 불활성 기체가 사용될 수 있다. 아르곤, 네온, 크립톤, 및 크세논의 임의의 조합이 본 발명에 의해 고려된다. 본원에 개시된 대안적 탄소-함유, 수소-함유 및 불활성 기체가, CO, Xe 및 H2에 대해 사용되는 부피비로 예비-혼합되거나 개별적으로 유동 (예를 들어, 동시-유동 또는 순차적 유동)될 수 있다.
하기 실시예는, 표 1에 기재된 상이한 CO계 도판트 기체 조성물을 이온 소스 챔버 내로 도입하고 평가한 것을 보여준다. 각각의 혼합물을 이온화시켜 상응하는 C+ 빔을 생성하고, 이어서 이를 추출하였다. 모든 조성 분할에서, CO의 유동은, 동일한 양의 탄소-함유 기체가 이온 소스로 도입되는 것을 보장하도록 일정하게 유지하였다. 상이한 조성물에 대하여 [Xe+H2]:CO의 비율을 또한 0.20으로 유지하여 희석도를 비-탄소 함유 기체와 함께 일정하게 유지하였다. 비율은 또한, 총 유량 및 아크 챔버 내부 압력과 같은 중요한 공정 조건이 모든 시험 시행에 있어 유사하도록 보장함으로써, 희석제 기체 및 CO에 첨가되는 Xe의 비율 변화 효과를 적절히 비교 및 평가할 수 있게 하였다. 더욱 상세히 기재되는 바와 같이, 도 5의 결과는, CO 및 H2에 대한 Xe의 첨가 효과를 평가하기 위해 CO+H2에 대해 정규화한 것이다. 또한, 도 6의 결과는, 특정 CO+Xe+H 도판트 조성물 사용시 빔 전류 강하 정도를 평가하기 위해, 310 mA 아크 전류에서 CO 단독 (기체 혼합물 #1)에 대하여 정규화한 것이다.
비교 실시예 1 (CO 단독)
CO 단독의 도판트 기체 조성물 (표 1에 기재된 기체 혼합물 1)을 사용하여 이온 소스의 성능을 평가하기 위해, 또한 특히 CO의 이온화로부터 얻어진 C+ 빔 전류를 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 사용된 이온 소스는, 나선형 필라멘트 및 필라멘트 축에 수직으로 배치된 애노드(anode)로 이루어진 고온 캐소드형 디자인이었다.
CO를 이온 소스 챔버로 도입하였다. 프렉세어, 인크.로부터 상업적으로 입수가능한 단일 대기압 이하의 전달 업타임® 장치를 사용하여 CO를 공급하였다.
필라멘트에 전력을 인가하여 전자를 발생시켰다. 필라멘트는 또한 캐소드 역할을 하였고, 따라서 애노드와 필라멘트 사이의 전위차를 발생시켜 플라즈마를 생성하여 이온 소스 챔버 내에 존재하는 CO 기체를 이온화시켰다. 필라멘트에 인가되는 전력을 변화시켜 상이한 아크 전류를 얻었다. 구체적으로, 3개의 상이한 아크 전류 셋팅, 즉 275 mA, 310 mA 및 340 mA에서 실험을 수행하였다. 3개의 상이한 아크 전류 각각에서의 C+ 빔 전류를 측정하였다. 추가로, 이온화를 또한 연장된 지속기간 동안 수행하여 CO의 이온화 동안 형성된 침착물의 양 및 성질을 평가하였다.
빔 전류 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6은, CO 단독 사용은 모든 아크 전류 수준에서 최고의 빔 전류를 생성하였음을 보여준다. 그러나, 침착물의 축적이 최고로 나타났다 (도 7a). 도 7a는, 애노드 영역에서 C 및 탄화텅스텐 (WC) 함유 침착물이 관찰되었음을 보여준다. 추가로, 도 7a는, C 함유 휘스커 및 일부 WOx 침착물이 또한 이온 소스 아크 챔버 벽 상에서 관찰되었음을 보여준다.
비교 실시예 2 (CO+H 2 )
CO+H2의 도판트 기체 조성물 (표 1에 기재된 기체 혼합물 4)을 사용하여 이온 소스의 성능을 평가하기 위해, 또한 특히 CO+H2 혼합물의 이온화로부터 얻어진 C+ 빔 전류를 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 이온 소스는, 나선형 필라멘트 및 필라멘트 축에 수직으로 배치된 애노드로 이루어진 고온 캐소드형이었다. 필라멘트에 전력을 인가하여 전자를 발생시켰다. 필라멘트는 또한 캐소드 역할을 하였고, 따라서 애노드와 필라멘트 사이의 전위차를 발생시켜 플라즈마를 생성하여 이온 소스 챔버 내에 존재하는 기체를 이온화시켰다.
표 1에 나타낸 바와 같이 1.0:0.20의 부피비로 CO 및 H2를 함유하는 대기압 이하의 전달 업타임® 장치를 사용하여 CO 및 H2를 공급하였다. CO의 유량을 비교 실시예 1에서의 CO의 유량과 동일하게 유지하여, 등량의 탄소 함유 기체가 이온 소스로 도입되도록 보장하였다.
필라멘트에 인가되는 전력을 변화시켜 275 mA, 310 mA 및 340 mA의 상이한 셋팅을 얻었다. 아크 전류를 변화시킴에 따라, 상이한 C+ 빔 전류가 생성되었다. 상이한 아크 전류 각각에서의 C+ 빔 전류는 도 6에 나타낸 바와 같이 측정되었다. 구체적으로, 3개의 상이한 아크 전류 셋팅, 즉 275 mA, 310 mA 및 340 mA에서 실험을 수행하였다. 아크 전류 증가에 대한 바람직한 반응은, 아크 전류 증가에 따라 C+ 빔 전류가 증가하는 경우에 나타났다. 그러나, CO+H2 혼합물을 사용하여 얻어진 C+ 빔 전류는, 모든 아크 전류 수준에서 CO를 단독으로 사용하여 얻어진 빔 전류에 비해 평균적으로 25% 더 낮았다 (도 6). CO 단독의 경우에 비해 빔 전류에서의 현저한 강하로 인해, 침착물의 성질을 평가하기 위한 연장된 시험 작업은 유용하지 않은 것으로 고려되었다.
비교 실시예 3 (CO+Xe+H 2 )
CO+Xe+H2의 도판트 기체 조성물 (표 1에 기재된 기체 혼합물 5)을 사용하여 이온 소스의 성능을 평가하기 위해, 또한 특히 이러한 조성물의 이온화로부터 얻어진 C+ 빔 전류를 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 이온 소스는, 나선형 필라멘트 및 필라멘트 축에 수직으로 배치된 애노드로 이루어진 고온 캐소드형이었다. 필라멘트에 전력을 인가하여 전자를 발생시켰다. 필라멘트는 또한 캐소드 역할을 하였고, 애노드와 필라멘트 사이의 전위차를 발생시켜 플라즈마를 생성하여 이온 소스 챔버 내에 존재하는 기체를 이온화시켰다.
CO 및 Xe+H2 (50 vol% Xe, 나머지 H2)의 예비-혼합된 혼합물을, 각각 별도의 대기압 이하의 전달 업타임® 장치를 사용하여 공급하였다. CO 및 Xe+H2를 유동 라인에서 혼합한 후, 이온 소스로 도입하였다. 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 1.0:0.2의 CO:(Xe+H2)의 요망되는 부피비를 달성하도록 CO 및 Xe+H2의 혼합물의 유량을 제어하였다. CO의 유량을 비교 실시예 1에서의 CO의 유량과 동일하게 유지하여, 등량의 탄소 함유 기체가 이온 소스로 도입되도록 보장하였다.
필라멘트에 인가되는 전력을 변화시켜 상이한 아크 전류를 얻었다. 아크 전류를 변화시킴에 따라, 상이한 C+ 빔 전류가 생성되었다. 상이한 아크 전류 각각에서의 C+ 빔 전류는 도 6에 나타낸 바와 같이 측정되었다. 구체적으로, 3개의 상이한 아크 전류 셋팅, 즉 275 mA, 310 mA 및 340 mA에서 실험을 수행하였다. 기체 혼합물 #2와 달리, CO+H2+Xe 기체 조성물은, 아크 전류 증가가 C+ 빔 전류를 감소시키는 아크 전류에 대한 음의 상관관계를 나타내었다 (도 6). 평균적으로, 도 6은, 기체 혼합물이 CO 단독의 경우에 비해 35% 더 낮은 빔 전류를 나타내었음을 보여준다. 추가로, 도 5는 CO+H2의 기체 혼합물의 경우 (비교 실시예 2)에 비해 10% 초과의 빔 전류에서의 감소를 나타내고, 이로써 Xe의 첨가가 사실상 C+ 빔 전류를 감소시킴을 입증한다. 빔 전류에서의 현저한 강하로 인해, 침착물의 성질을 평가하기 위한 연장된 작업은 유용하지 않은 것으로 고려되었다.
비교 실시예 4 (CO+Xe)
CO+Xe의 도판트 기체 조성물 (표 1에 기재된 기체 혼합물 6)을 사용하여 이온 소스의 성능을 평가하기 위해, 또한 특히 이러한 조성물의 이온화로부터 얻어진 C+ 빔 전류를 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 이온 소스는, 나선형 필라멘트 및 필라멘트 축에 수직으로 배치된 애노드로 이루어진 고온 캐소드형이었다. 필라멘트에 전력을 인가하여 전자를 발생시켰다. 필라멘트는 또한 캐소드 역할을 하였고, 애노드와 필라멘트 사이의 전위차를 발생시켜 플라즈마를 생성하여 이온 소스 챔버 내에 존재하는 기체를 이온화시켰다.
표 1에 나타낸 바와 같이 1.0:0.05의 부피비로 CO 및 Xe를 함유하는 대기압 이하의 전달 업타임® 장치를 사용하여 CO 및 Xe를 공급하였다. CO의 유량을 비교 실시예 1에서의 CO의 유량과 동일하게 유지하여, 등량의 C-함유 기체가 이온 소스로 도입되도록 보장하였다.
필라멘트에 인가되는 전력을 변화시켜 상이한 아크 전류를 얻었다. 아크 전류를 변화시킴에 따라, 상이한 C+ 빔 전류가 생성되었다. 상이한 아크 전류 각각에서의 C+ 빔 전류는 도 6에 나타낸 바와 같이 측정되었다. 구체적으로, 3개의 상이한 아크 전류 셋팅, 즉 275 mA, 310 mA 및 340 mA에서 실험을 수행하였다. 이러한 CO+Xe 기체 조성물은 아크 전류에 대한 음의 상관관계를 나타내었다. 평균적으로, 도 6은, 기체 조성물 혼합물이 CO 단독의 경우 (비교 실시예 1)에 비해 35% 더 낮은 C+ 빔 전류를 나타내었음을 보여준다. 이러한 CO+Xe 혼합물을 사용하여 얻어진 C+ 빔 전류는 CO를 단독으로 사용하여 얻어진 빔 전류에 비해 평균적으로 20% 내지 40% 더 낮았다.
추가로, 이온화를 연장된 지속기간 동안 수행하여 이러한 특정 기체 조성의 CO+Xe 혼합물의 이온화 동안 형성된 침착물의 양 및 성질을 평가하였다. 애노드 영역 및 아크 챔버 벽 상에서 다량의 WOx 및 C계 침착물이 관찰되었다.
실시예 1 (CO+Xe+H 2 )
CO+Xe+H2의 도판트 기체 조성물 (표 1에 기재된 기체 혼합물 2)을 사용하여 이온 소스의 성능을 평가하기 위해, 또한 특히 이러한 조성물의 이온화로부터 얻어진 C+ 빔 전류를 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 이온 소스는, 나선형 필라멘트 및 필라멘트 축에 수직으로 배치된 애노드로 이루어진 고온 캐소드형이었다. 필라멘트에 전력을 인가하여 전자를 발생시켰다. 필라멘트는 또한 캐소드 역할을 하였고, 애노드와 필라멘트 사이의 전위차를 발생시켜 플라즈마를 생성하여 이온 소스 챔버 내에 존재하는 기체를 이온화시켰다.
CO 및 Xe+H2 (4 vol% Xe, 나머지 H2)의 예비혼합된 희석제 혼합물을, CO 및 희석제 Xe+H2 혼합물에 대해 별도의 대기압 이하의 전달 업타임® 장치를 사용하여 공급하였다. CO 및 희석제 혼합물을 유동 라인에서 혼합한 후, 이온 소스로 도입하였다. 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 1.0:0.2의 CO:Xe+H2의 요망되는 부피비를 달성하도록 CO 및 Xe+H2의 혼합물의 유량을 제어하였다. CO의 유량을 비교 실시예 1에서의 CO의 유량과 동일하게 유지하여, 등량의 C-함유 기체가 이온 소스로 도입되도록 보장하였다.
필라멘트에 인가되는 전력을 변화시켜 상이한 아크 전류를 얻었다. 아크 전류를 변화시킴에 따라, 상이한 C+ 빔 전류가 생성되었다. 상이한 아크 전류 각각에서의 C+ 빔 전류는 도 6에 나타낸 바와 같이 측정되었다. 구체적으로, 3개의 상이한 아크 전류 셋팅, 즉 275 mA, 310 mA 및 340 mA에서 실험을 수행하였다. 아크 전류 증가에 대한 바람직한 반응은, 아크 전류 증가에 따라 C+ 빔 전류가 증가하는 경우에 나타났다. 평균적으로, 이러한 CO+H2+Xe 기체 혼합물은 CO 단독의 경우에 비해 단지 10% 더 낮은 빔 전류 (도 5), 그러나 CO+H2 기체 혼합물에 비해 약 20% 더 높은 빔 전류 (도 6)를 나타내었다.
추가로, 이온화를 연장된 지속기간 동안 수행하여 이러한 특정 기체 조성의 CO+Xe+H2 혼합물의 이온화 동안 형성된 침착물의 양 및 성질을 평가하였다. 데이터를 도 7b에 나타내었다. 도 7b는, 기체 혼합물이 도 7a에 나타낸 CO 단독의 경우에 비해 현저히 더 낮은 C, WC 및 WOx 함유 침착물을 생성한 것으로 관찰되었음을 보여준다.
실시예 2 (CO+Xe+H 2 )
CO+Xe+H2의 도판트 기체 조성물 (표 1에 기재된 기체 혼합물 3)을 사용하여 이온 소스의 성능을 평가하기 위해, 또한 특히 이러한 조성물의 이온화로부터 얻어진 C+ 빔 전류를 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 이온 소스는, 나선형 필라멘트 및 필라멘트 축에 수직으로 배치된 애노드로 이루어진 고온 캐소드형이었다. 필라멘트에 전력을 인가하여 전자를 발생시켰다. 필라멘트는 또한 캐소드 역할을 하였고, 애노드와 필라멘트 사이의 전위차를 발생시켜 플라즈마를 생성하여 이온 소스 챔버 내에 존재하는 기체를 이온화시켰다.
CO 및 Xe+H2 (15 vol% Xe, 나머지 H2)의 예비혼합된 희석제 혼합물을, CO 및 희석제 Xe+H2 혼합물에 대해 별도의 대기압 이하의 전달 업타임® 장치를 사용하여 공급하였다. CO 및 희석제 혼합물을 유동 라인에서 혼합한 후, 이온 소스로 도입하였다. 1.0:0.2의 CO:Xe+H2의 요망되는 부피비를 달성하도록 CO 및 Xe+H2의 혼합물의 유량을 제어하였다. CO의 유량을 비교 실시예 1에서의 CO의 유량과 동일하게 유지하여, 등량의 C-함유 기체가 이온 소스로 도입되도록 보장하였다.
필라멘트에 인가되는 전력을 변화시켜 상이한 아크 전류를 얻었다. 아크 전류를 변화시킴에 따라, 상이한 C+ 빔 전류가 생성되었다. 상이한 아크 전류 각각에서의 C+ 빔 전류는 도 6에 나타낸 바와 같이 측정되었다. 구체적으로, 3개의 상이한 아크 전류 셋팅, 즉 275 mA, 310 mA 및 340 mA에서 실험을 수행하였다. 아크 전류가 275 mA에서 310 mA로 증가하였을 때 C+ 빔 전류도 증가하였다. 아크 전류가 310 mA로 증가하였을 때는 빔 전류에서의 미미한 강하가 관찰되었다. 평균적으로, 기체 혼합물은 CO 단독의 경우에 비해 약 20% 더 낮은 빔 전류를 나타내었다.
실시예는, CO, Xe 및 H2를 포함하는 도판트 조성물을 제어된 양으로 이온 챔버로 도입하는 것의 이점을 입증한다. 실시예는 추가로, 상대적 C+ 빔 전류가 Xe에 민감하며, Xe/H의 비율이 제어된 범위 내에서 유지되어야 함을 입증한다. Xe 첨가는 CO+H2 경우에 비해 C+ 빔 전류를 약 20%만큼 증가시키고 (도 5에 나타냄), 이로써 CO 단독의 경우에 비해 C+ 빔 전류에서의 실질적인 강하를 막을 수 있다 (비교 실시예 1 및 도 6). 그러나, 과량의 Xe 첨가는 CO+H2 경우에 비해 C+ 빔 전류를 감소시킬 수 있고 (도 5에 나타냄), 따라서 CO 단독의 경우에 비해 C+ 빔 전류에서의 현저한 강하를 초래할 수 있다 (비교 실시예 1 및 도 6). 또한, 과량의 Xe는 바람직하지 않게, 아크 전류 증가와 음의 상관관계를 생성할 수 있다. 또한 추가로, 과량의 Xe는 바람직하지 않은 침착물 형성을 초래할 수 있고, 이는 이온 소스 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은, CO 및 H2에 대한 제어된 양의 X 첨가가 허용가능한 C+ 빔 전류를 생성하고 침착물의 형성을 감소시킬 수 있음을 인식한다. 본 발명은, 이전에는 상호 배타적인 것으로 고려되었던 성능 특성의 조합을 갖는 독특한 CO-도판트 조성물을 제공한다.
<표 1> 도 5 및 6에 나타낸 데이터에 대한 기체 혼합물 조성. 모든 값은 부피비로서 표현됨.
Figure pat00001
따라서, 본 발명의 도판트 기체 혼합물은, 충분한 C+ 빔 전류 수준을 유지하면서, 또한 탄소 주입을 위해 CO계 도판트 기체 소스를 사용하는 경우 이온 챔버 내의 침착물을 감소시키는 것으로 나타났다.
본 발명의 기체 조성물은 다른 용도를 갖는다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 기체 조성물은, 박막 탄소 층의 침착을 일으키도록 기체 혼합물 화학을 변경시키기 위해 적합한 공정 조건 하에 화학 증착 또는 원자 층 증착 공정에 사용될 수 있다. 대안적으로, 기체 조성물은 금속 산화물 층을 금속 층으로 환원시키는 데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 산화텅스텐을 CO 및/또는 CF4 환경에서 어닐링하여 산화텅스텐을 금속 텅스텐 층으로 환원시킬 수 있다. CO는 산화텅스텐 층으로부터 산소를 추출하는 환원 기체로서 작용하고, 이로써 산화텅스텐이 원소 텅스텐으로 환원된다. 추가로, CF4의 존재는, 산화텅스텐 층을 잠재적으로 플루오린화시킴으로써 산화텅스텐에서 원소 텅스텐으로의 환원을 가속화시킴으로써 그의 제거율을 향상시킬 수 있다. 최종적 결과는 산화텅스텐이 순수 텅스텐 층으로 보다 빠르게 전환되는 능력이다.
본 발명의 특정 실시양태로 고려되는 것을 나타내고 기재하였지만, 물론, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 형태 또는 세부사항의 다양한 변형 및 변화가 쉽게 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 본원에 나타내고 기재된 정확한 형태 및 세부사항으로, 또한 본원에 개시되고 하기에서 청구되는 본 발명의 전 범위 미만의 임의의 것으로 제한되지 않도록 의도된다.

Claims (16)

  1. 크세논 (Xe) 및 수소 (H2)를 포함하는 불활성 희석제 기체 혼합물; 및
    탄소계 물질
    을 포함하는, 이온 주입 방법에 사용하기 위한 도판트 기체 조성물이며,
    여기서 Xe 및 H2는 유효량으로 함유되고, 상기 유효량은 약 0.02 내지 약 0.20의 Xe:H2의 부피비이고, (Xe+H2):(탄소계 물질)은 약 0.10 내지 약 0.30 범위의 부피비로 함유되고, 상기 도판트 기체 조성물은 CO2를 실질적으로 갖지 않는 것을 특징으로 하는 것인, 도판트 기체 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 이온 소스 챔버의 상류에 위치하는 도판트 기체 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 이온 소스 챔버에 위치하는 도판트 기체 조성물.
  4. 하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체를 이온 소스 챔버로 도입하고;
    희석제 기체 조성물을 약 0.02 내지 약 0.20의 Xe:H2의 부피비로 이온 소스 챔버로 도입하고;
    하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체 소스를 이온화시켜 탄소 이온을 생성하고;
    탄소 이온을 기판 내에 주입하는 것
    을 포함하며,
    여기서 하나 이상의 탄소-함유 도판트 기체 소스는 CO2를 실질적으로 갖지 않는 것을 특징으로 하는 것인,
    이온 주입을 위한 도판트 기체 조성물의 분배 방법.
  5. 대기압 이하의 전달 및 저장 장치를 Xe 및 H2로 충전시키고;
    가압된 혼합물 (여기서 Xe 및 H2는 약 0.02 내지 약 0.20의 Xe:H2의 부피비로 함유됨)을 생성하고;
    진공-작동 밸브를 밀봉된 구성으로 유지하여 혼합물을 장치 내에서 미리 결정된 저장 압력에서 유지하는 것
    을 포함하는, 이온 주입에 사용하기에 적합한 불활성 희석제 기체 혼합물의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 불활성 희석제 기체 혼합물을, 이온 주입에 사용하도록 구성된 기체 키트의 일부로서 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 대기압 이하의 전달 및 저장 장치를 CO로 충전시키고;
    장치를 Xe 및 H2로 충전시키고;
    가압된 혼합물 (여기서 Xe 및 H2는 약 0.02 내지 약 0.20의 Xe:H2의 부피비로 함유됨)을 생성하는 것
    을 포함하는, 탄소 소스 혼합물의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 장치를 상기 CO로 채우되, 약 0.10 내지 약 0.30 범위의 (Xe+H2):CO의 부피비로 채우는 것을 추가로 포함하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    진공-작동 밸브를 밀봉된 구성으로 유지하고;
    혼합물을 장치 내에서 미리 결정된 저장 압력에서 유지하는 것
    을 추가로 포함하는 방법.
  10. 탄소-함유 이온 주입 방법에 사용하기에 적합한 희석제 기체 혼합물이며,
    상기 희석제 기체 혼합물은 크세논 (Xe) 및 수소 (H2)를 포함하고, 여기서 Xe 및 H2는 유효량으로 함유되고, 상기 유효량은 약 0.02 내지 약 0.20의 Xe:H2의 부피비이고, 추가로 여기서 상기 혼합물은 크세논-수소 화합물을 실질적으로 갖지 않는 것을 특징으로 하는 것인, 희석제 기체 혼합물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 Xe 및 상기 H2가 기체 키트의 일부로서 공급되는 것인 희석제 기체 혼합물.
  12. 제10항에 있어서, 탄소-함유 물질을 포함하는 개별 공급 용기를 추가로 포함하는 희석제 기체 혼합물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 탄소-함유 물질이 CO를 포함하는 것인 희석제 기체 혼합물.
  14. 제13항에 있어서, 상기 CO가 이온성 혼합물, 산화물 및 수분을 실질적으로 갖지 않는 것을 특징으로 하는 것인 희석제 기체 혼합물.
  15. 제10항에 있어서, 수분, 이온성 혼합물, CO, CO2 및 다른 산화물을 실질적으로 갖지 않는 것을 추가로 특징으로 하는 희석제 기체 혼합물.
  16. 탄소-함유 이온 주입 방법에 사용하기에 적합한 희석제 기체 혼합물이며,
    상기 희석제 기체 혼합물은 크세논 (Xe) 및 수소 (H2)를 포함하고, 여기서 Xe 및 H2는 유효량으로 함유되고, 상기 유효량은 약 0.02 내지 약 0.20의 Xe:H2의 부피비이고, 여기서 상기 Xe 및/또는 H2는 대기압 이하의 저장 및 전달 장치로부터 공급되고, 상기 대기압 이하의 저장 및 전달 장치는 진공 작동 압력 체크 밸브 부재를 포함하는 것인, 희석제 기체 혼합물.
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