KR20190096791A - 이온원, 이온 주입 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리본 빔의 빔 수송 효율을 개선하는 것을 과제로 한다.
이온원(1)은, 단부에 빔 인출구(H)가 형성된 플라즈마 생성 용기(11)와, 빔 인출구(H)를 막는 실드 부재(13)를 포함하고, 실드 부재(13)에는, 실드 부재(13)를 통하여 인출되는 리본 빔의 길이 방향으로 긴 긴 구멍(13a)이 같은 방향에 3개 이상 형성되어 있고, 개개의 긴 구멍(13a)의 길이 치수가, 단부에 배치된 긴 구멍(13a)에 비해서 중앙에 배치된 긴 구멍(13a) 쪽이 짧다.

Description

이온원, 이온 주입 장치{ION SOURCE, AND ION IMPLANTING APPARATUS}

본 발명은 리본 빔을 인출하는 이온원과 그 이온원을 포함한 이온 주입 장치에 관한 것이다.

최근에는, 기판 치수의 대형화나 이온 빔의 빔 전류의 대전류화 등의 요구로부터, 일방향으로 긴 리본형의 이온 빔(이하, 리본 빔이라고 부름)이 이용되고 있다.

이러한 리본 빔을 취급하는 이온 주입 장치의 예로서, 특허문헌 1에 기재된 이온 주입 장치가 있다. 이 이온 주입 장치는, 리본 빔의 길이 방향에서의 빔 전류 밀도 분포를 균일하게 하기 위한 자계 렌즈를 포함하고 있다. 이 자계 렌즈는, 빔 전류가 큰 영역의 빔을 빔 전류가 작은 영역으로 국소적으로 편향시키는 기능을 가지고 있다.

정(正)이온으로 이루어지는 이온 빔은 정(正)의 전하를 띤 빔이다.

리본 빔의 경우, 빔 길이 방향의 장소에 따른 빔 전류가 동일하여도, 빔의 전위(빔 포텐셜)는 빔 양단부보다 중앙 쪽이 높은 경향이 있다.

정의 이온 빔의 수송 경로에서는, 공간 전하 효과에 의한 이온 빔의 발산을 억제하기 위해, 전자원이나 플라즈마 플러드 건 등에 의해 전자의 공급이 행해지고 있다. 수송 경로 중의 전자는, 빔 포텐셜이 높은 빔 중앙으로 많이 당겨지기 때문에, 공간 전하 효과에 의한 발산의 억제 작용은 빔 중앙만큼 커진다.

결과로서, 발산 억제 작용이 작은 빔 양단부에서는 빔이 크게 발산하여, 빔 중앙에 비해서 빔 전류가 작아진다.

자계 렌즈에 수송되기까지의 동안에, 발산 작용이 큰 빔 양단부가 빔 수송 경로를 이루는 챔버 벽면이나 빔 수송 경로에 배치된 다른 빔 광학 요소와 충돌하여 소실된다.

균일화 조정에서는, 자계 렌즈는 빔이 소실된 빔 양단부의 빔 전류를 보충하 도록, 빔 중앙을 국소적으로 크게 편향시키기 때문에, 리본 빔의 길이 방향에서의 빔 전류의 균일화는 도모할 수 있지만, 리본 빔의 길이 방향에 있어서의 각 장소에서의 빔의 진행 방향의 분포에 큰 치우침이 생기게 된다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2006-313750호

본 발명은 리본 빔의 빔 수송 효율을 개선하기 위한 이온원과 그 이온원을 포함한 이온 주입 장치를 제공한다.

이온원은,

단부에 빔 인출구가 형성된 플라즈마 생성 용기와,

상기 빔 인출구를 막는 실드 부재를 포함하고,

상기 실드 부재에는, 상기 실드 부재를 통하여 인출되는 리본 빔의 길이 방향으로 긴 긴 구멍이 같은 방향으로 3개 이상 형성되어 있고,

개개의 긴 구멍의 길이 치수가, 단부에 배치된 긴 구멍에 비해서 중앙에 배치된 긴 구멍 쪽이 짧다.

3개 이상의 긴 구멍을 실드 부재에 형성하고, 중앙의 긴 구멍의 길이 치수를 단부의 긴 구멍보다 짧게 함으로써, 인출되는 리본 빔의 중앙 근방에서의 빔 전류가 감소한다. 이에 의해, 빔 길이 방향에서의 빔 포텐셜의 분포가 평균화되어, 빔길이 방향에 있어서의 전자의 인입량의 차를 경감할 수 있고, 나아가서는, 빔 단부에서의 발산이 억제되어, 빔 수송 효율이 개선된다.

보다 구체적인 구성으로서는,

상기 플라즈마 생성 용기로부터 이온 빔을 인출하는 복수매의 전극을 포함하고,

상기 실드 부재는, 상기 전극 중 상기 플라즈마 생성 용기에 가장 가까운 전극과 상기 플라즈마 생성 용기 사이에 협지되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 별도의 구성으로서는,

상기 플라즈마 생성 용기로부터 이온 빔을 인출하는 복수매의 전극을 포함하고,

상기 전극 중, 상기 플라즈마 생성 용기에 가장 가까운 전극이, 상기 실드 부재를 겸하는 구성이어도 좋다.

이온 주입 장치의 구성으로서는,

상기 이온원을 포함한 이온 주입 장치로서,

상기 리본 빔의 길이 방향에서 빔 전류 밀도 분포를 조정하는 전류 밀도 분포 조정기를 포함하고 있다.

빔 수송 효율이 개선된 이온원을 이용함으로써, 전류 밀도 분포 조정기에서의 국소 편향량은 적어도 된다. 국소 편향량이 적으면, 빔 전류 밀도 분포의 균일화 조정을 행하였다고 해도 리본 빔의 길이 방향에 있어서의 각 장소에서의 빔 진행 방향의 분포에 큰 치우침이 생기지 않는다. 이러한 이온 주입 장치이면, 리본 빔의 길이 방향에서 균일성이 높은 빔 전류 밀도 분포를 실현하며, 기판면에의 이온 주입 각도를 고정밀도로 제어하는 것이 가능해진다.

3개 이상의 긴 구멍을 실드 부재에 형성하고, 중앙의 긴 구멍의 길이 치수를 단부의 긴 구멍보다 짧게 함으로써, 인출되는 리본 빔의 중앙 근방에서의 빔 전류가 감소한다. 이에 의해, 빔 길이 방향에서의 빔 포텐셜의 분포가 평균화되어, 빔 길이 방향에 있어서의 전자의 인입량의 차를 경감할 수 있고, 나아가서는, 빔 단부에서의 발산이 억제되어, 빔 수송 효율이 개선된다.

도 1은 이온원의 단면도이다.
도 2는 도 1에 기재되는 실드 부재의 평면도이다.
도 3은 빔 전류 밀도 분포와 빔 포텐셜 분포의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 4는 별도의 이온원에 대한 단면도이다.
도 5는 이온 주입 장치의 모식도이다.
도 6은 별도의 실드 부재에 대한 평면도이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 바탕으로, 본 발명의 이온원의 구성예를 설명한다.

이온원(1)은, 리본 빔을 인출하는 이온원으로서, 도시되는 Y 방향으로 길고, 일면에 빔 인출구(H)를 갖는 입방체형의 플라즈마 생성 용기(11)를 가지고 있다. 도 1에는, 동이온원을 길이 방향의 중앙 위치에서 절단하였을 때의 단면도가 그려져 있다.

플라즈마 생성 용기(11)의 일면에는, 내부에 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(12)가 마련되어 있다. 또한, 플라즈마 생성 용기(11)의 도시되지 않는 Y 방향측의 면에는, 이 가스를 전리하여 용기 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 전자를 방출하는 필라멘트 등의 캐소드(C)가 부착되어 있다. 또한, 플라즈마 생성 용기(11)의 Z 방향측의 면에는, 용기 내부와 용기 외부를 연통하는 빔 인출구(H)가 형성되어 있다.

이 이온원은, 전자 충격형의 이온원으로 플라즈마 생성 용기(11)의 외부에는, 용기 내부에 용기 길이 방향을 따른 자장을 생성하는 도시되지 않는 전자석을 포함하고 있다.

빔 인출구(H)의 하류측(Z 방향측)에는, 빔 인출구(H)를 통하여, 미리 정해진 에너지로 리본 빔을 인출하기 위한 복수매의 전극으로 구성되는 인출 전극계(E)가 배치되어 있다. 이 인출 전극계(E)를 구성하는 전극은, 플라즈마 생성 용기(11)측으로부터 순서대로, 가속 전극, 인출 전극, 억제 전극, 접지 전극이라는 명칭으로 불리는 경우도 있지만, 여러 가지의 호칭 방법이 있기 때문에, 본 발명에서는 각각을 제1 전극(14), 제2 전극(15), 제3 전극(16), 제4 전극(17)이라고 부른다.

각 전극(14∼17)에는 리본 빔을 인출하기 위한 1개 또는 다수의 개구(14a, 15a, 16a, 17a)가 형성되어 있다.

도 1에 나타내는 이온원(1)에서는, 실드 부재(13)가 플라즈마 생성 용기(11)의 빔 인출구(H)를 막는 위치에 배치되어 있고, 이 실드 부재(13)에는 후술하는 도 2에 그려지는 Y 방향으로 긴 복수의 긴 구멍(13a)이 형성되어 있다.

본 구성예에 있어서, 플라즈마 생성 용기(11)의 측벽에는 Z 방향에서 제1 전극(14)과 대향하도록 돌기부(P)가 마련되어 있다. 이 돌기부(P)와 제1 전극(14) 사이에는 코일 스프링(S)이 현가(懸架)되어 있고, 코일 스프링(S)으로 제1 전극(14)이 플라즈마 생성실(11)에 탄성적으로 압박되어 있다.

실드 부재(13)는, 플라즈마 생성 용기(11)와 제1 전극(14) 사이에 협지되어 있고, 플라즈마 생성 용기(11), 실드 부재(13), 제1 전극(14) 사이에는, 볼트 등의 체결 부재가 사용되지 않는다. 이에 의해, 고온 하에서의 체결 부재의 인화를 방지할 수 있기 때문에, 부재 교환에 따른 메인터넌스 시의 작업성이 향상된다. 또한, 이 구성에 의해, 실드 부재(13), 제1 전극(14)의 열 변형 시의 스트레스를 충분히 해방하는 것이 가능해진다.

실드 부재(13)에 대해서, 여기서는 플라즈마 생성 용기(11)의 외측에 일부가 배치되는 구성이 채용되어 있지만, 플라즈마 생성 용기(11)의 내측에 전체가 끼워지는 것 같은 구성이 채용되어 있어도 좋다. 단, 도 1에 기재된 구성 쪽이, 실드 부재(13)의 교환 작업이 간편해지는 점에서는 우수하다.

도 2는 도 1에 기재된 실드 부재(13)의 XY 평면도이다. 5개의 긴 구멍(13a)이 실드 부재(13)에 형성되어 있다. 각 긴 구멍(13a)은, 인출되는 리본 빔의 길이 방향(Y 방향)으로 긴 긴 구멍이며, Y 방향으로 배열되어 형성되어 있다.

각 긴 구멍(13a)의 길이 치수(Y 방향의 치수)는 긴 구멍의 배치 장소에 따라 상이하다. 구체적으로는, 단부에 배치된 긴 구멍의 길이 치수에 비해서 중앙에 배치된 긴 구멍의 길이 치수가 짧다.

도 3은 리본 빔의 길이 방향에 있어서의 빔 전류 밀도 분포와 빔 포텐셜 분포에 대한 설명도이다.

도 3의 (a)는 종래 기술과 같이 가늘고 긴 1개의 구멍으로부터 빔이 인출되었을 때의 것이다. 도시된 바와 같이, 리본 빔의 길이 방향에서 빔 전류 밀도 분포가 대략 균일하면, 리본 빔의 성질상, 빔 중앙 부근에서의 빔 포텐셜은 높아진다.

도 3의 (b)는 복수의 긴 구멍으로부터 빔이 인출되었을 때의 것이다.

만약, 도 1의 이온원에서 각 전극(14∼17)의 개구(14a∼17a)가 각각 단일의 구멍으로 형성되어 있으면, 각 개구의 구경은 실드 부재(13)에 형성된 모든 긴 구멍(13a)을 포함할 정도로 큰 치수를 가지고 있다.

한편, 도 1의 이온원에서 각 전극(14∼17)의 개구(14a∼17a)가 각각 복수의 구멍으로 형성되어 있으면, 각 개구가 형성된 각각의 구멍은 실드 부재(13)에 형성된 복수의 긴 구멍(13a)에 대응하고 있다.

실드 부재(13)의 긴 구멍(13a)과 전극에 형성된 개구(14a∼17a)의 관계를, 전술한 바와 같이 해 둠으로써, 도 3의 (b)의 좌측에 그려져 있는 빔 전류 밀도 분포를 갖는 리본 빔을 이온원으로부터 인출할 수 있다.

실드 부재(13)에 형성된 긴 구멍(13a)은, 빔 단부에 대응하는 긴 구멍(13a)의 치수에 비해서 빔 중앙에 대응하는 긴 구멍(13a) 쪽이 짧아지도록 형성되어 있다.

또한, 리본 빔의 수송 경로에 있어서, 긴 구멍 사이의 빔이 인출되지 않는 영역에는 옆의 긴 구멍으로부터 인출된 빔이 퍼져 이 간극의 영역을 매립하는 것을 고려하면, 실선으로 그려져 있는 빔 전류 밀도 분포를 파선으로 그려져 있는 빔 전류 밀도 분포로 대체할 수 있다.

파선으로 그려져 있는 빔 전류 밀도 분포와 같이 빔 중앙에서의 빔 전류가 감소하고 있으면, 빔 중앙 부근에서의 빔 포텐셜이 내려가기 때문에, 빔 길이 방향에 걸친 빔 포텐셜의 분포가 평균화되어, 빔 포텐셜의 분포를 개략 평탄하게 할 수 있다. 이에 의해, 빔 길이 방향에 있어서의 전자의 인입량의 차를 경감할 수 있기 때문에, 빔 수송 효율이 개선된다.

또한, 도시되는 빔 전류 밀도 분포와 빔 포텐셜은, 후술하는 도 5의 이온 주입 장치로, 질량 분석 전자석에 입사하기 직전의 리본 빔의 특성을 나타낸 것이다.

본 발명의 이온원(1)의 구성은, 상기 실시형태에 한정되지 않는다. 도 4에는 본 발명의 이온원(1)의 변형예가 그려져 있다. 이하, 변형예의 구성에 대해서 설명하는데, 도 1 내지 도 3에서 설명한 실시형태와 구성이 공통되는 부분의 설명은 생략하고, 앞의 실시형태와의 상위점에 대해서 이하에 진술한다.

도 4의 이온원(1)은, 제1 전극(14)이 도 1의 실드 부재(13)를 겸하고 있다. 이 경우에는, 제1 전극(14)의 개구(14a)에 도 2에 기재된 복수의 긴 구멍(13a)이 형성되어 있다. 이러한 이온원(1)이라도, 지금까지 서술한 이온원(1)과 동등한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 완전히 실드 부재(13)를 제거해 버리는 것이 아니라, 도 1의 이온원(1)으로 실드 부재(13)와 제1 전극(14)을 일체화시켜 두어도 좋다.

리본 빔의 인출 과정에 있어서, 제2 전극(15)에 빔의 일부가 충돌하여 2차 전자가 발생한다. 이 2차 전자에 의해, 제1 전극(14)이 고온화되어, 전극에 깨짐이나 균열 등이 생기기 쉽다. 도 1의 구성에서는, 실드 부재(13)는, 인출되는 리본 빔의 대략적인 외형을 결정하는 부재이기 때문에, 이 부재에 깨짐 등이 발생한 경우에는, 이온원의 운전을 통하여 인출되는 빔 형상의 안정성이 결여되어 버리기 때문에, 안정된 리본 빔의 인출을 우선한다면, 도 1과 같이 실드 부재(13)와 제1 전극(14)을 별개로 해 두는 편이 좋다.

도 5에는 본 발명의 이온원을 포함한 이온 주입 장치(IM)의 구성예가 그려져 있다. 이 이온 주입 장치(IM)는, 이온원(1), 질량 분석 전자석(2), 분석 슬릿(3), 전류 밀도 분포 조정기(U), 처리실(4)을 포함하고 있다. 처리실(4)에는, 기판(5)을 지지하는 홀더(6)를 도면의 화살표 방향으로 리본 빔(RB)을 가로지르도록 왕복 반송하는 도시되지 않은 구동 기구가 배치되어 있다.

본 발명의 이온원(1)을 사용하면, 리본 빔의 길이 방향에 있어서의 단부에서의 빔 소실이 경감되고 있기 때문에, 전류 밀도 분포 조정기(U)에서의 국소 편향량이 적어진다. 국소 편향이 적으면, 빔 전류 밀도 분포의 균일화 조정을 행하여도, 빔 길이 방향에서 빔 진행 방향의 분포에 큰 치우침이 생기지 않는다.

또한, 국소 편향량이 큰 경우에는, 리본 빔이 짧은 변 방향(X 방향)으로도 편향 작용이 영향을 끼치는 것이 염려된다. 단, 국소 편향량이 적은 본 발명의 구성이면, 전술한 염려 사항도 해소된다.

이러한 이온 주입 장치이면, 리본 빔의 길이 방향에서 균일성이 높은 빔 전류 밀도 분포를 실현하며, 기판면에의 이온 주입 각도를 고정밀도로 제어하는 것이 가능해진다.

본 발명의 실드 부재를 이용하여 각 구멍으로부터 인출되는 빔을 제어하여, 도 5에 나타내는 이온 주입 장치에 있어서의 리본 빔의 기판에의 조사 위치에서, 리본 빔의 길이 방향에 있어서의 각 장소에서의 빔의 진행 방향이 대략 평행하고, 또한, 빔 전류 밀도 분포가 대략 균일한 리본 빔이 되도록 빔을 수송하면, 전류 밀도 분포 조정기에서의 조정이 불필요해질 수 있다.

이와 같이 해 두면, 가령 이온원으로부터 인출되는 리본 빔의 이온종이나 에너지가 변경되어 전류 밀도 분포 조정기에서의 빔의 국소 편향이 필요해진 경우라도, 편향량은 미소한 것이어도 된다. 이에 의해, 전류 밀도 분포 조정기의 전원 용량을 내릴 수 있는 등의 효과를 가져온다.

전류 밀도 분포 조정기(U)에 대해서는, 종래부터 알려져 있는 것으로 리본 빔을 국소적으로 길이 방향으로 편향시켜 전류 밀도 분포 조정을 행하는 것이면, 어떠한 구성이어도 상관없다.

예컨대, 리본 빔을 사이에 끼우도록 빔의 길이 방향을 따라 한쌍의 자극을 포함한 자장을 이용한 조정 수단이나 리본 빔을 사이에 끼우도록 빔의 길이 방향을 따라 배치된 전극쌍을 포함한 전장을 이용한 조정 수단을 갖춘 전류 밀도 분포 조정기가 생각된다.

지금까지의 실시형태에서는, 실드 부재(13)에 형성되는 긴 구멍(13a)의 수는 5개이지만, 도 6에 나타내는 8개의 긴 구멍(13a)이 형성된 것이어도 좋다.

긴 구멍(13a)의 수는, 빔 중앙과 빔 단부에 대응하는 긴 구멍(13a)을 형성한다고 하는 점에서 말하면, 3개 이상이면 그 개수는 몇 개여도 상관없다. 또한, 각 긴 구멍(13a)는 반드시 Y 방향을 따라 형성되어 있을 필요는 없고, X 방향으로 약간 어긋나 형성되어 있어도 좋다.

그 외에, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 물론이다.

1 이온원
11 플라즈마 생성 용기
13 실드 부재
13a 긴 구멍
U 전류 밀도 분포 조정기
IM 이온 주입 장치
H 빔 인출구

Claims (4)

1. 단부에 빔 인출구가 형성된 플라즈마 생성 용기와,
   상기 빔 인출구를 막는 실드 부재를 포함하고,
   상기 실드 부재에는, 상기 실드 부재를 통하여 인출되는 리본 빔의 길이 방향으로 긴 긴 구멍이 같은 방향으로 3개 이상 형성되어 있고,
   개개의 긴 구멍의 길이 치수는, 단부에 배치된 긴 구멍에 비해서 중앙에 배치된 긴 구멍 쪽이 짧은 것인 이온원.
2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 용기로부터 이온 빔을 인출하는 복수매의 전극을 포함하고,
   상기 실드 부재는, 상기 전극 중 상기 플라즈마 생성 용기에 가장 가까운 전극과 상기 플라즈마 생성 용기 사이에 협지되어 있는 것인 이온원.
3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 용기로부터 이온 빔을 인출하는 복수매의 전극을 포함하고,
   상기 전극 중, 상기 플라즈마 생성 용기에 가장 가까운 전극은 상기 실드 부재를 겸하는 것인 이온원.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 이온원을 포함한 이온 주입 장치로서,
   상기 리본 빔의 길이 방향으로 빔 전류 밀도 분포를 조정하는 전류 밀도 분포 조정기를 포함하는 것인 이온 주입 장치.

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