KR20210117206A - 이온생성장치 및 이온생성방법 - Google Patents

이온생성장치 및 이온생성방법 Download PDF

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유우지 이시다
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스미도모쥬기가이 이온 테크놀로지 가부시키가이샤
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Abstract

이온주입공정의 생산성향상에 기여하는 이온생성장치를 제공한다.
이온생성장치(12)는, 이온을 인출하기 위한 플라즈마(P)를 생성하는 플라즈마생성실(78)과, 플라즈마생성실(78)을 구획하는 부재 또는 플라즈마생성실 내에 노출되는 부재에 레이저광(LB)을 조사하여 플라즈마생성실(78)을 가열하도록 구성되는 가열장치(90)를 구비한다. 플라즈마생성실(78)을 구획하는 부재는, 아크챔버(72)여도 된다. 가열장치(90)는, 아크챔버(72)에 레이저광(LB)을 조사하도록 구성되어도 된다.

Description

이온생성장치 및 이온생성방법{ION GENERATION DEVICE AND ION GENERATION METHOD}
본 출원은 2020년 3월 18일에 출원된 일본 특허출원 제2020-047762호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 이온생성장치 및 이온생성방법에 관한 것이다.
반도체제조공정에서는, 반도체의 도전성을 변화시킬 목적, 반도체의 결정구조를 변화시킬 목적 등을 위하여, 반도체웨이퍼에 이온을 주입하는 공정(이온주입공정이라고도 함)이 표준적으로 실시되고 있다. 이온주입공정에서 사용되는 장치는, 일반적으로 이온주입장치라고 불린다. 이온주입장치는, 소스가스를 플라즈마화하여 이온을 생성하기 위한 이온생성장치를 구비한다.
이온생성장치에서는, 이온종이나 이온빔전류와 같은 주입조건을 변경할 목적으로, 이온생성장치의 운전조건을 전환하는 경우가 있다. 아크방전을 이용하는 이온생성장치의 경우, 아크방전에 의한 플라즈마의 생성에 의하여 플라즈마를 둘러싸는 챔버(아크챔버라고도 함)가 가열되어 고온(예를 들면 수백℃ 이상)이 된다. 아크전류 등의 운전조건이 변경되면 플라즈마의 상태가 변화하고, 그 변화에 따라 아크챔버의 온도도 변화한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 공개특허공보 2017-091906호
플라즈마를 안정적으로 생성하기 위해서는, 이온생성장치의 운전조건에 따라 아크챔버를 적절한 온도로 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 아크챔버는 비교적 큰 열용량을 갖기 때문에 온도응답성이 뒤떨어져 있고, 고온상태에서는 열복사에 의한 열방출도 크기 때문에, 특히, 운전조건의 전환 시에 아크챔버를 적절한 온도까지 상승시키고자 하는 경우에 시간이 걸린다. 또, 아크챔버를 적절한 온도로 상승시켰다고 해도, 플라즈마의 생성이 안정화되기까지 추가로 대기시간이 발생하는 경우가 있다. 그렇게 되면, 운전조건의 전환에 필요해지는 시간이 길어져, 이온주입공정의 생산성이 저하된다.
본 발명의 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 이온주입공정의 생산성을 높이는 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 양태의 이온생성장치는, 이온을 인출하기 위한 플라즈마를 생성하는 플라즈마생성실과, 플라즈마생성실을 구획하는 부재 또는 플라즈마생성실 내에서 생성된 플라즈마에 노출되는 부재에 레이저광을 조사하여 플라즈마생성실을 가열하도록 구성되는 가열장치를 구비한다.
본 발명의 다른 양태는, 이온생성방법이다. 이 방법은, 플라즈마생성실을 구획하는 부재 또는 플라즈마생성실 내에서 생성된 플라즈마에 노출되는 부재에 레이저광을 조사하여 플라즈마생성실을 가열하는 것과, 플라즈마생성실 내에서 생성된 플라즈마로부터 이온을 인출하는 것을 구비한다.
또한, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 이온주입공정의 생산성향상에 기여하는 이온생성장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 관한 이온주입장치의 개략구성을 나타내는 상면도이다.
도 2는 도 1의 이온주입장치의 개략구성을 나타내는 측면도이다.
도 3은 실시형태에 관한 이온생성장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 4의 (a)-(c)는, 조사광학계의 구성예를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 5의 (a)-(c)는, 레이저광원의 구성예를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 6은 실시형태에 관한 제어 장치의 기능구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
실시형태를 상세하게 설명하기 전에 개요를 설명한다. 본 실시형태는, 이온생성장치를 구비하는 이온주입장치이다. 이온생성장치는, 이온을 인출하기 위한 플라즈마를 생성하는 플라즈마생성실을 구비한다. 플라즈마를 안정적으로 생성하기 위해서는, 플라즈마생성실을 적절한 온도(예를 들면 1000℃ 이상)로 상승시킬 필요가 있다. 본 실시형태에서는, 플라즈마생성실을 구획하는 부재 또는 플라즈마생성실 내에 노출되는 부재에 레이저광을 조사함으로써 플라즈마생성실을 가열하여, 플라즈마생성실의 온도상승을 촉진시킨다. 이로써, 플라즈마가 안정적으로 생성될 때까지 필요해지는 대기시간을 단축시킨다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 적절히 생략한다. 또, 이하에 설명하는 구성은 예시이며, 본 발명의 범위를 결코 한정하는 것은 아니다.
도 1은, 실시형태에 관한 이온주입장치(10)를 개략적으로 나타내는 상면도이며, 도 2는, 이온주입장치(10)의 개략구성을 나타내는 측면도이다. 이온주입장치(10)는, 피처리물(W)의 표면에 이온주입처리를 실시하도록 구성된다. 피처리물(W)은, 예를 들면 기판이며, 예를 들면 반도체웨이퍼이다. 설명의 편의를 위하여, 본 명세서에 있어서 피처리물(W)을 웨이퍼(W)라고 부르는 경우가 있지만, 이것은 주입처리의 대상을 특정의 물체에 한정하는 것을 의도하지 않는다.
이온주입장치(10)는, 빔을 일 방향으로 왕복주사시키고, 웨이퍼(W)를 주사방향과 직교하는 방향으로 왕복운동시킴으로써 웨이퍼(W)의 처리면 전체에 걸쳐 이온빔을 조사하도록 구성된다. 본서에서는 설명의 편의상, 설계상의 빔라인(A)을 따라 진행되는 이온빔의 진행방향을 z방향이라고 하고, z방향에 수직인 면을 xy면이라고 정의한다. 이온빔을 피처리물(W)에 대하여 주사하는 경우에 있어서, 빔의 주사방향을 x방향이라고 하고, z방향 및 x방향에 수직인 방향을 y방향이라고 한다. 따라서, 빔의 왕복주사는 x방향으로 행해지고, 웨이퍼(W)의 왕복운동은 y방향으로 행해진다.
이온주입장치(10)는, 이온생성장치(12)와, 빔라인장치(14)와, 주입처리실(16)과, 웨이퍼반송장치(18)를 구비한다. 이온생성장치(12)는, 이온빔을 빔라인장치(14)에 부여하도록 구성된다. 빔라인장치(14)는, 이온생성장치(12)로부터 주입처리실(16)로 이온빔을 수송하도록 구성된다. 주입처리실(16)에는, 주입대상이 되는 웨이퍼(W)가 수용되며, 빔라인장치(14)로부터 부여되는 이온빔을 웨이퍼(W)에 조사하는 주입처리가 이루어진다. 웨이퍼반송장치(18)는, 주입처리 전의 미처리웨이퍼를 주입처리실(16)에 반입시키고, 주입처리 후의 처리가 완료된 웨이퍼를 주입처리실(16)로부터 반출하도록 구성된다. 이온주입장치(10)는, 이온생성장치(12), 빔라인장치(14), 주입처리실(16) 및 웨이퍼반송장치(18)에 원하는 진공환경을 제공하기 위한 진공배기계(도시하지 않음)를 구비한다.
빔라인장치(14)는, 빔라인(A)의 상류측으로부터 순서대로, 질량분석부(20), 빔파크장치(24), 빔정형부(30), 빔주사부(32), 빔평행화부(34) 및 각도에너지필터(AEF; Angular Energy Filter)(36)를 구비한다. 또한, 빔라인(A)의 상류란, 이온생성장치(12)에 가까운 측을 말하며, 빔라인(A)의 하류란 주입처리실(16)(또는 빔스토퍼(46))에 가까운 측을 말한다.
질량분석부(20)는, 이온생성장치(12)의 하류에 마련되며, 이온생성장치(12)로부터 인출된 이온빔으로부터 필요한 이온종을 질량분석에 의하여 선택하도록 구성된다. 질량분석부(20)는, 질량분석자석(21)과, 질량분석렌즈(22)와, 질량분석슬릿(23)을 갖는다.
질량분석자석(21)은, 이온생성장치(12)로부터 인출된 이온빔에 자장을 인가하여, 이온의 질량전하비 M=m/q(m은 질량, q는 전하)의 값에 따라 다른 경로로 이온빔을 편향시킨다. 질량분석자석(21)은, 예를 들면 이온빔에 y방향(도 1 및 도 2에서는 -y방향)의 자장을 인가하여 이온빔을 x방향으로 편향시킨다. 질량분석자석(21)의 자장강도는, 원하는 질량전하비 M을 갖는 이온종이 질량분석슬릿(23)을 통과하도록 조정된다.
질량분석렌즈(22)는, 질량분석자석(21)의 하류에 마련되며, 이온빔에 대한 수렴/발산력을 조정하도록 구성된다. 질량분석렌즈(22)는, 질량분석슬릿(23)을 통과하는 이온빔의 빔진행방향(z방향)의 수렴위치를 조정하여, 질량분석부(20)의 질량분해능 M/dM을 조정한다. 또한, 질량분석렌즈(22)는 필수의 구성이 아니며, 질량분석부(20)에 질량분석렌즈(22)가 마련되지 않아도 된다.
질량분석슬릿(23)은, 질량분석렌즈(22)의 하류에 마련되며, 질량분석렌즈(22)로부터 떨어진 위치에 마련된다. 질량분석슬릿(23)은, 질량분석자석(21)에 의한 빔편향방향(x방향)이 슬릿폭방향과 일치하도록 구성되고, x방향이 상대적으로 짧으며, y방향이 상대적으로 긴 형상의 개구(23a)를 갖는다.
질량분석슬릿(23)은, 질량분해능의 조정을 위하여 슬릿폭이 가변이 되도록 구성되어도 된다. 질량분석슬릿(23)은, 슬릿폭방향으로 이동 가능한 2매의 차폐체에 의하여 구성되고, 2매의 차폐체의 간격을 변화시킴으로써 슬릿폭이 조정 가능해지도록 구성되어도 된다. 질량분석슬릿(23)은, 슬릿폭이 다른 복수의 슬릿 중 어느 하나로 전환됨으로써 슬릿폭이 가변이 되도록 구성되어도 된다.
빔파크장치(24)는, 빔라인(A)으로부터 이온빔을 일시적으로 퇴피시키고, 하류의 주입처리실(16)(또는 웨이퍼(W))을 향하는 이온빔을 차폐하도록 구성된다. 빔파크장치(24)는, 빔라인(A)의 도중의 임의의 위치에 배치할 수 있지만, 예를 들면 질량분석렌즈(22)와 질량분석슬릿(23)의 사이에 배치할 수 있다. 질량분석렌즈(22)와 질량분석슬릿(23)의 사이에는 일정 거리가 필요하기 때문에, 그 사이에 빔파크장치(24)를 배치함으로써, 다른 위치에 배치하는 경우보다 빔라인(A)의 길이를 짧게 할 수 있어, 이온주입장치(10)의 전체를 소형화할 수 있다.
빔파크장치(24)는, 한 쌍의 파크전극(25(25a, 25b))과, 빔덤프(26)를 구비한다. 한 쌍의 파크전극(25a, 25b)은, 빔라인(A)을 사이에 두고 대향하며, 질량분석자석(21)의 빔편향방향(x방향)과 직교하는 방향(y방향)에 대향한다. 빔덤프(26)는, 파크전극(25a, 25b)보다 빔라인(A)의 하류측에 마련되며, 빔라인(A)으로부터 파크전극(25a, 25b)의 대향방향으로 떨어져 마련된다.
제1 파크전극(25a)은 빔라인(A)보다 중력방향 상측에 배치되며, 제2 파크전극(25b)은 빔라인(A)보다 중력방향 하측에 배치된다. 빔덤프(26)는, 빔라인(A)보다 중력방향 하측으로 떨어진 위치에 마련되며, 질량분석슬릿(23)의 개구(23a)의 중력방향 하측에 배치된다. 빔덤프(26)는, 예를 들면 질량분석슬릿(23)의 개구(23a)가 형성되어 있지 않은 부분으로 구성된다. 빔덤프(26)는, 질량분석슬릿(23)과는 별체로서 구성되어도 된다.
빔파크장치(24)는, 한 쌍의 파크전극(25a, 25b)의 사이에 인가되는 전장을 이용하여 이온빔을 편향시켜, 빔라인(A)으로부터 이온빔을 퇴피시킨다. 예를 들면, 제1 파크전극(25a)의 전위를 기준으로 하여 제2 파크전극(25b)에 음전압을 인가함으로써, 이온빔을 빔라인(A)으로부터 중력방향 하방으로 편향시켜 빔덤프(26)에 입사시킨다. 도 2에 있어서, 빔덤프(26)를 향하는 이온빔의 궤적을 파선으로 나타내고 있다. 또, 빔파크장치(24)는, 한 쌍의 파크전극(25a, 25b)을 동 전위로 함으로써, 이온빔을 빔라인(A)을 따라 하류측으로 통과시킨다. 빔파크장치(24)는, 이온빔을 하류측으로 통과시키는 제1 모드와, 이온빔을 빔덤프(26)에 입사시키는 제2 모드를 전환하여 동작 가능해지도록 구성된다.
질량분석슬릿(23)의 하류에는 인젝터패러데이컵(28)이 마련된다. 인젝터패러데이컵(28)은, 인젝터구동부(29)의 동작에 의하여 빔라인(A)에 출입 가능해지도록 구성된다. 인젝터구동부(29)는, 인젝터패러데이컵(28)을 빔라인(A)의 뻗는 방향과 직교하는 방향(예를 들면 y방향)으로 이동시킨다. 인젝터패러데이컵(28)은, 도 2의 파선으로 나타내는 바와 같이 빔라인(A) 상에 배치된 경우, 하류측을 향하는 이온빔을 차단한다. 한편, 도 2의 실선으로 나타내는 바와 같이, 인젝터패러데이컵(28)이 빔라인(A) 상으로부터 제거된 경우, 하류측을 향하는 이온빔의 차단이 해제된다.
인젝터패러데이컵(28)은, 질량분석부(20)에 의하여 질량분석된 이온빔의 빔전류를 계측하도록 구성된다. 인젝터패러데이컵(28)은, 질량분석자석(21)의 자장강도를 변화시키면서 빔전류를 측정함으로써, 이온빔의 질량분석스펙트럼을 계측할 수 있다. 계측한 질량분석스펙트럼을 이용하여, 질량분석부(20)의 질량분해능을 산출할 수 있다.
빔정형부(30)는, 수렴/발산 4중극렌즈(Q렌즈) 등의 수렴/발산장치를 구비하고 있으며, 질량분석부(20)를 통과한 이온빔을 원하는 단면형상으로 정형하도록 구성되어 있다. 빔정형부(30)는, 예를 들면 전장식의 3단 4중극렌즈(트리플렛 Q렌즈라고도 함)로 구성되고, 3개의 4중극렌즈(30a, 30b, 30c)를 갖는다. 빔정형부(30)는, 3개의 렌즈장치(30a~30c)를 이용함으로써, 이온빔의 수렴 또는 발산을 x방향 및 y방향의 각각에 대하여 독립적으로 조정할 수 있다. 빔정형부(30)는, 자장식의 렌즈장치를 포함해도 되고, 전장과 자장의 쌍방을 이용하여 빔을 정형하는 렌즈장치를 포함해도 된다.
빔주사부(32)는, 빔의 왕복주사를 제공하도록 구성되며, 정형된 이온빔을 x방향으로 주사하는 빔편향장치이다. 빔주사부(32)는, 빔주사방향(x방향)에 대향하는 주사전극쌍을 갖는다. 주사전극쌍은 가변전압전원(도시하지 않음)에 접속되어 있으며, 주사전극쌍의 사이에 인가되는 전압을 주기적으로 변화시킴으로써, 전극 간에 발생하는 전계를 변화시켜 이온빔을 다양한 각도로 편향시킨다. 그 결과, 이온빔이 x방향의 주사범위 전체에 걸쳐 주사된다. 도 1에 있어서, 화살표(X)에 의하여 빔의 주사방향 및 주사범위를 예시하고, 주사범위에서의 이온빔의 복수의 궤적을 일점쇄선으로 나타내고 있다.
빔평행화부(34)는, 주사된 이온빔의 진행방향을 설계상의 빔라인(A)의 궤도와 평행하게 하도록 구성된다. 빔평행화부(34)는, y방향의 중앙부에 이온빔의 통과슬릿이 마련된 원호형상의 복수의 평행화 렌즈전극을 갖는다. 평행화 렌즈전극은, 고압전원(도시하지 않음)에 접속되어 있고, 전압인가에 의하여 발생하는 전계를 이온빔에 작용시켜, 이온빔의 진행방향을 평행하게 정렬한다. 또한, 빔평행화부(34)는 다른 빔평행화장치로 치환되어도 되고, 빔평행화장치는 자계를 이용하는 자석장치로서 구성되어도 된다.
빔평행화부(34)의 하류에는, 이온빔을 가속 또는 감속시키기 위한 AD(Accel/Decel)칼럼(도시하지 않음)이 마련되어도 된다.
각도에너지필터(AEF)(36)는, 이온빔의 에너지를 분석하여 필요한 에너지의 이온을 하방으로 편향시켜 주입처리실(16)로 유도하도록 구성되어 있다. 각도에너지필터(36)는, 전계편향용의 AEF전극쌍을 갖는다. AEF전극쌍은, 고압전원(도시하지 않음)에 접속된다. 도 2에 있어서, 상측의 AEF전극에 양전압, 하측의 AEF전극에 음전압을 인가시킴으로써, 이온빔을 하방으로 편향시킨다. 또한, 각도에너지필터(36)는, 자계편향용의 자석장치로 구성되어도 되고, 전계편향용의 AEF전극쌍과 자석장치의 조합으로 구성되어도 된다.
이와 같이 하여, 빔라인장치(14)는, 웨이퍼(W)에 조사되어야 할 이온빔을 주입처리실(16)에 공급한다.
주입처리실(16)은, 빔라인(A)의 상류측으로부터 순서대로, 에너지슬릿(38), 플라즈마샤워장치(40), 사이드컵(42), 센터컵(44) 및 빔스토퍼(46)를 구비한다. 주입처리실(16)은, 도 2에 나타나는 바와 같이, 1매 또는 복수 매의 웨이퍼(W)를 지지하는 플래튼구동장치(50)를 구비한다.
에너지슬릿(38)은, 각도에너지필터(36)의 하류측에 마련되며, 각도에너지필터(36)와 함께 웨이퍼(W)에 입사되는 이온빔의 에너지 분석을 한다. 에너지슬릿(38)은, 빔주사방향(x방향)으로 가로방향의 슬릿으로 구성되는 에너지제한슬릿(EDS; Energy Defining Slit)이다. 에너지슬릿(38)은, 원하는 에너지값 또는 에너지범위의 이온빔을 웨이퍼(W)를 향하여 통과시키고, 그 이외의 이온빔을 차폐시킨다.
플라즈마샤워장치(40)는, 에너지슬릿(38)의 하류측에 위치한다. 플라즈마샤워장치(40)는, 이온빔의 빔전류량에 따라 이온빔 및 웨이퍼(W)의 표면(웨이퍼처리면)에 저에너지전자를 공급하여, 이온주입으로 발생하는 웨이퍼처리면의 양전하의 차지업을 억제한다. 플라즈마샤워장치(40)는, 예를 들면 이온빔이 통과하는 샤워튜브와, 샤워튜브 내에 전자를 공급하는 플라즈마발생장치를 포함한다.
사이드컵(42(42R, 42L))은, 웨이퍼(W)로의 이온주입처리 중에 이온빔의 빔전류를 측정하도록 구성된다. 도 2에 나타나는 바와 같이, 사이드컵(42R, 42L)은, 빔라인(A) 상에 배치되는 웨이퍼(W)에 대하여 좌우(x방향)로 어긋나게 배치되어 있으며, 이온주입 시에 웨이퍼(W)를 향하는 이온빔을 차단하지 않는 위치에 배치된다. 이온빔은, 웨이퍼(W)가 위치하는 범위를 초과하여 x방향으로 주사되기 때문에, 이온주입 시에 있어서도 주사되는 빔의 일부가 사이드컵(42R, 42L)에 입사된다. 이로써, 이온주입처리 중의 빔전류량이 사이드컵(42R, 42L)에 의하여 계측된다.
센터컵(44)은, 웨이퍼처리면에 있어서의 빔전류를 측정하도록 구성된다. 센터컵(44)은, 구동부(45)의 동작에 의하여 가동되도록 구성되고, 이온주입 시에 웨이퍼(W)가 위치하는 주입위치로부터 퇴피되어, 웨이퍼(W)가 주입위치에 없을 때에 주입위치에 삽입된다. 센터컵(44)은, x방향으로 이동하면서 빔전류를 측정함으로써, x방향의 빔주사범위의 전체에 걸쳐 빔전류를 측정할 수 있다. 센터컵(44)은, 빔주사방향(x방향)의 복수의 위치에 있어서의 빔전류를 동시에 계측 가능해지도록, 복수의 패러데이컵이 x방향으로 나열되어 어레이상으로 형성되어도 된다.
사이드컵(42) 및 센터컵(44) 중 적어도 일방은, 빔전류량을 측정하기 위한 단일의 패러데이컵을 구비해도 되고, 빔의 각도정보를 측정하기 위한 각도계측기를 구비해도 된다. 각도계측기는, 예를 들면 슬릿과, 슬릿으로부터 빔진행방향(z방향)으로 떨어져 마련되는 복수의 전류검출부를 구비한다. 각도계측기는, 예를 들면 슬릿을 통과한 빔을 슬릿폭방향으로 나열되는 복수의 전류검출부에서 계측함으로써, 슬릿폭방향의 빔의 각도성분을 측정할 수 있다. 사이드컵(42) 및 센터컵(44) 중 적어도 일방은, x방향의 각도정보를 측정 가능한 제1 각도측정기와, y방향의 각도정보를 측정 가능한 제2 각도측정기를 구비해도 된다.
플래튼구동장치(50)는, 웨이퍼지지장치(52)와, 왕복운동기구(54)와, 트위스트각조정기구(56)와, 틸트각조정기구(58)를 포함한다. 웨이퍼지지장치(52)는, 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 정전척 등을 포함한다. 왕복운동기구(54)는, 빔주사방향(x방향)과 직교하는 왕복운동방향(y방향)으로 웨이퍼지지장치(52)를 왕복운동시킴으로써, 웨이퍼지지장치(52)에 지지되는 웨이퍼를 y방향으로 왕복운동시킨다. 도 2에 있어서, 화살표(Y)에 의하여 웨이퍼(W)의 왕복운동을 예시한다.
트위스트각조정기구(56)는, 웨이퍼(W)의 회전각을 조정하는 기구이며, 웨이퍼처리면의 법선을 축으로 하여 웨이퍼(W)를 회전시킴으로써, 웨이퍼의 외주부에 마련되는 얼라인먼트마크와 기준위치의 사이의 트위스트각을 조정한다. 여기에서, 웨이퍼의 얼라인먼트마크란, 웨이퍼의 외주부에 마련되는 노치나 오리엔테이션 플랫을 말하며, 웨이퍼의 결정축방향이나 웨이퍼의 둘레방향의 각도위치의 기준이 되는 마크를 말한다. 트위스트각조정기구(56)는, 웨이퍼지지장치(52)와 왕복운동기구(54)의 사이에 마련되며, 웨이퍼지지장치(52)와 함께 왕복운동된다.
틸트각조정기구(58)는, 웨이퍼(W)의 기울기를 조정하는 기구이며, 웨이퍼처리면을 향하는 이온빔의 진행방향과 웨이퍼처리면의 법선의 사이의 틸트각을 조정한다. 본 실시형태에서는, 웨이퍼(W)의 경사각 중, x방향의 축을 회전의 중심축으로 하는 각도를 틸트각으로 하여 조정한다. 틸트각조정기구(58)는, 왕복운동기구(54)와 주입처리실(16)의 내벽의 사이에 마련되어 있으며, 왕복운동기구(54)를 포함하는 플래튼구동장치(50) 전체를 R방향으로 회전시킴으로써 웨이퍼(W)의 틸트각을 조정하도록 구성된다.
플래튼구동장치(50)는, 이온빔이 웨이퍼(W)에 조사되는 주입위치와, 웨이퍼반송장치(18)와의 사이에서 웨이퍼(W)가 반입 또는 반출되는 반송위치의 사이에서 웨이퍼(W)가 이동 가능해지도록 웨이퍼(W)를 지지한다. 도 2는, 웨이퍼(W)가 주입위치에 있는 상태를 나타내고 있으며, 플래튼구동장치(50)는, 빔라인(A)과 웨이퍼(W)가 교차하도록 웨이퍼(W)를 지지한다. 웨이퍼(W)의 반송위치는, 웨이퍼반송장치(18)에 마련되는 반송기구 또는 반송로봇에 의하여 반송구(48)를 통하여 웨이퍼(W)가 반입 또는 반출될 때의 웨이퍼지지장치(52)의 위치에 대응한다.
빔스토퍼(46)는, 빔라인(A)의 최하류에 마련되며, 예를 들면 주입처리실(16)의 내벽에 장착된다. 빔라인(A) 상에 웨이퍼(W)가 존재하지 않는 경우, 이온빔은 빔스토퍼(46)에 입사된다. 빔스토퍼(46)는, 주입처리실(16)과 웨이퍼반송장치(18)의 사이를 접속하는 반송구(48)의 가까이에 위치하고 있으며, 반송구(48)보다 연직하방의 위치에 마련된다.
이온주입장치(10)는, 제어장치(60)를 더 구비한다. 제어장치(60)는, 이온주입장치(10)의 동작전반을 제어한다. 제어장치(60)는, 하드웨어적으로는, 컴퓨터의 CPU나 메모리를 비롯한 소자나 기계장치로 실현되며, 소프트웨어적으로는 컴퓨터프로그램 등에 의하여 실현된다. 제어장치(60)에 의하여 제공되는 각종 기능은, 하드웨어 및 소프트웨어의 연계에 의하여 실현될 수 있다.
도 3은, 실시형태에 관한 이온생성장치(12)의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 이온생성장치(12)는, 플라즈마생성장치(70)와, 가열장치(90)를 구비한다.
플라즈마생성장치(70)는, 플라즈마생성실(78)을 구획하는 아크챔버(72)를 구비하고, 플라즈마생성실(78) 내에 있어서 이온을 포함하는 플라즈마(P)를 생성한다. 플라즈마생성장치(70)에서 생성되는 이온은, 인출전극(82)에 의하여 이온빔(IB)으로서 인출된다. 가열장치(90)는, 아크챔버(72)의 외면(72a)에 레이저광(LB)을 조사하고 아크챔버(72)를 가열하여, 아크챔버(72)의 온도를 조정한다.
플라즈마생성장치(70)는, 진공챔버(100)의 내부(102)에 배치되어 있다. 가열장치(90)는, 진공챔버(100)의 외부(104)에 배치되어 있다. 가열장치(90)가 생성하는 레이저광(LB)은, 진공챔버(100)에 마련되는 진공창(106)을 통하여 아크챔버(72)에 조사된다. 진공창(106)에는, 진공창(106)을 냉각하기 위한 유체(냉각수 등)가 통과하는 냉각유로(108)가 마련된다.
플라즈마생성장치(70)는, 아크챔버(72)와, 캐소드(74)와, 리펠러(76)를 구비한다. 아크챔버(72)는, 대략 직육면체의 상자형상을 갖는다. 아크챔버(72)는, 플라즈마(P)가 생성되는 플라즈마생성실(78)을 구획한다. 아크챔버(72)의 전면(前面)에는 이온빔(IB)을 인출하기 위한 슬릿(80)이 마련된다. 슬릿(80)은, 캐소드(74)로부터 리펠러(76)를 향하는 방향으로 뻗은 가늘고 긴 형상을 갖고 있다.
아크챔버(72)는, 고융점재료로 구성되고, 예를 들면 텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo), 탄탈럼(Ta) 등의 고융점금속이나 그들의 합금, 그래파이트(C) 등으로 구성되어 있다. 이로써, 플라즈마생성실(78) 내가 고온(예를 들면 700℃~2000℃)이 되는 환경하에 있어서, 아크챔버(72)의 열에 의한 손상을 억제할 수 있다.
아크챔버(72)의 외측에는 리플렉터(86)가 배치되어 있다. 리플렉터(86)는, 아크챔버(72)의 외면(72a)과 대향하도록 배치된다. 리플렉터(86)는, 아크챔버(72)와 동일한 고융점재료로 구성되어도 되고, 아크챔버(72)와는 다른 재료로 구성되어도 된다. 리플렉터(86)의 재료로서, 예를 들면 텅스텐, 몰리브데넘, 그래파이트, 스테인리스강 또는 세라믹재료를 이용할 수 있다. 리플렉터(86)는, 아크챔버(72)의 외면(72a)으로부터의 열복사를 아크챔버(72)를 향하여 반사시키고, 열복사에 의한 아크챔버(72)의 온도저하를 억제하도록 기능한다. 리플렉터(86)는, 아크챔버(72)로부터의 열방출을 방지하기 위한 머플로서 기능해도 된다. 리플렉터(86)에는, 아크챔버(72)의 외면(72a)을 향하여 조사되는 레이저광(LB)이 통과하는 조사구(86a)가 마련되어 있다. 또한, 리플렉터(86)가 마련되지 않아도 된다.
캐소드(74)는, 플라즈마생성실(78)에 열전자를 방출한다. 캐소드(74)는, 이른바 방열(傍熱)형 캐소드(IHC; Indirectly Heated Cathode)이며, 필라멘트(74a)와, 캐소드헤드(74b)를 갖는다. 필라멘트(74a)는, 필라멘트전원(88a)에 의하여 가열되어 1차 열전자를 발생시킨다. 필라멘트(74a)와 캐소드헤드(74b)의 사이에는 캐소드전원(88b)이 접속되어 있으며, 필라멘트(74a)에서 발생한 1차 열전자가 캐소드전압에 의하여 가속된다. 캐소드헤드(74b)는, 필라멘트(74a)로부터의 1차 열전자에 의하여 가열되어, 플라즈마생성실(78)에 2차 열전자를 공급한다. 아크챔버(72)와 캐소드(74)의 사이에는 아크전원(88c)이 접속되어 있으며, 캐소드헤드(74b)에서 발생한 2차 열전자가 아크전압에 의하여 가속된다.
리펠러(76)는, 캐소드(74)와 대향하는 위치에 마련된다. 리펠러(76)는, 플라즈마생성실(78)에 공급되는 2차 열전자나, 플라즈마생성실(78) 내의 소스가스분자의 전리에 의하여 발생되는 전자를 튕겨내어, 플라즈마생성실(78)에 전자를 체류시켜 플라즈마생성효율을 높인다.
아크챔버(72)의 측벽에는, 가스도입구(84)가 마련된다. 가스도입구(84)는, 도시하지 않은 가스봄베 등으로부터 소스가스를 플라즈마생성실(78)에 공급한다. 소스가스로서, 희가스나, 수소(H2), 포스핀(PH3), 아르신(AsH3) 등의 수소화물, 삼불화 붕소(BF3), 사불화 저마늄(GeF4) 등의 불화물이 이용된다. 또, 소스가스에는, 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 산소(O2) 등의 산소원자(O)를 포함하는 물질도 이용된다.
플라즈마생성실(78)에는, 캐소드(74)로부터 리펠러(76)를 향하는 방향(또는, 그 역방향)으로 자장(B)이 인가되어 있다. 자장(B)은, 도시하지 않은 전자석 등에 의하여 생성되고, 전자석을 흐르는 마그넷전류를 조정함으로써, 자장(B)의 강도가 조정된다. 플라즈마생성실(78) 내에서 운동하는 열전자는, 플라즈마생성실(78)에 인가되는 자장(B)에 속박되고, 자장(B)을 따라 나선상으로 운동한다. 플라즈마생성실(78)에 있어서 나선상으로 운동하는 전자는, 플라즈마생성실(78)에 도입된 소스가스분자와 충돌하여, 소스가스분자를 전리시켜 이온과 새로운 전자를 발생시키며, 플라즈마생성실(78)에 플라즈마(P)를 생성한다. 플라즈마생성실(78)에 있어서 전자를 나선상으로 운동시킴으로써, 플라즈마 생성효율을 높일 수 있다.
가열장치(90)는, 레이저광원(92)과, 조사광학계(94)를 구비한다. 레이저광원(92)은, 플라즈마생성장치(70)를 가열하기 위한 레이저광(LB)을 생성한다. 조사광학계(94)는, 레이저광원(92)이 생성하는 레이저광(LB)을 플라즈마생성장치(70)를 향하여 전파시킨다.
레이저광원(92) 및 조사광학계(94)는, 진공챔버(100)의 외부(104)에 배치되어 있다. 또한, 조사광학계(94)의 적어도 일부가 진공챔버(100)의 내부(102)에 배치되어도 되고, 조사광학계(94)의 전체가 진공챔버(100)의 내부(102)에 배치되어도 된다. 또, 레이저광원(92) 및 조사광학계(94)의 쌍방이 진공챔버(100)의 내부(102)에 배치되어도 된다. 이 경우, 진공챔버(100)에 진공창(106)이 마련되지 않아도 된다. 그 외, 진공창(106)을 마련하는 대신에, 진공챔버(100)의 외부(104)로부터 내부(102)를 향하여 뻗는 광파이버를 이용하여, 진공챔버(100)의 내부(102)에 레이저광(LB)을 전파시켜도 된다.
레이저광원(92)은, 예를 들면 200nm~2000nm의 파장역에 포함되는 자외, 가시 또는 근적외의 레이저광(LB)을 생성하도록 구성된다. 레이저광원(92)의 형식은 불문하지만, 예를 들면 소형이며 취급이 용이한 반도체레이저를 이용할 수 있다. 레이저광(LB)은, 연속광이어도 되고, 펄스광이어도 된다. 레이저광원(92)의 출력은, 예를 들면 0.1kW~10kW 정도이다. 레이저광원(92)의 일례로서, 파장 450nm이며 1kW의 연속광을 출력하는 반도체레이저를 이용할 수 있다. 아크챔버(72)를 구성하는 금속재료나 그래파이트는, 비교적 짧은 파장의 광의 흡수율이 높기 때문에, 자외나 가시(청색이나 녹색)의 레이저광(LB)을 이용함으로써, 아크챔버(72)를 효율적으로 가열할 수 있다.
도 4의 (a)-(c)는, 조사광학계(94)의 구성예를 개략적으로 나타내는 도이다. 조사광학계(94)는, 레이저광(LB)의 조사범위, 빔직경 및 면내강도분포와 같은 빔특성을 조정하기 위한 광학계(94a, 94b, 94c)를 포함한다.
도 4의 (a)는, 레이저광(LB)을 주사하여 아크챔버(72)의 외면(72a)에 조사하기 위한 주사광학계(94a)를 나타낸다. 주사광학계(94a)는, 레이저광(LB)을 주사하기 위한 제1 미러(96a) 및 제2 미러(96b)를 갖는다. 레이저광원(92)으로부터의 레이저광(LB)은, 제1 미러(96a) 및 제2 미러(96b)에서 반사되어, 아크챔버(72)의 외면(72a)에 입사된다. 제1 미러(96a)를 구동하여 제1 미러(96a)의 반사각을 변화시킴으로써, 화살표(S)로 나타나는 바와 같이 레이저광(LB)을 주사할 수 있다. 이로써, 레이저광(LB)의 조사범위(C)를 확장할 수 있으며, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 보다 넓은 범위를 균일하게 가열할 수 있다. 또한, 제1 미러(96a)가 아닌, 제2 미러(96b)를 구동하여 레이저광(LB)을 주사하도록 구성해도 된다. 또, 레이저광(LB)은, 1차원으로 주사되어도 되고, 2차원으로 주사되어도 된다. 예를 들면, 제1 미러(96a) 및 제2 미러(96b)를 서로 직교하는 방향으로 구동시킴으로써, 아크챔버(72)의 외면(72a)을 2차원으로 주사하여, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 보다 넓은 범위를 균일하게 가열할 수 있다. 또한, 미러 등의 반사형 광학소자를 구동하는 대신에, 프리즘 등의 굴절형 광학소자를 구동함으로써, 레이저광(LB)을 주사해도 된다.
도 4의 (b)는, 레이저광(LB)의 빔직경을 확대하여 아크챔버(72)의 외면(72a)에 조사하기 위한 확대광학계(94b)를 나타낸다. 확대광학계(94b)는, 예를 들면 제1 렌즈(96c) 및 제2 렌즈(96d)를 갖는다. 확대광학계(94b)를 이용함으로써, 레이저광원(92)으로부터 출력되는 작은 빔직경(D1)을 갖는 레이저광(LB)을 큰 빔직경(D2)을 갖는 레이저광(LB)으로 변환할 수 있다. 이로써, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 보다 넓은 범위에 레이저광(LB)을 조사할 수 있어, 아크챔버(72)를 균일하게 가열할 수 있다. 또한, 렌즈 등의 굴절형 광학소자 대신에 볼록거울이나 오목거울과 같은 반사형 광학소자를 이용해도 된다. 조사광학계(94)는, 빔직경을 축소하기 위한 축소광학계를 포함해도 된다. 조사광학계(94)는, 빔직경을 확대 또는 축소하기 위한 확대축소광학계를 포함해도 된다.
도 4의 (c)는, 레이저광(LB)의 면내강도분포를 조정하기 위한 빔정형광학계(94c)를 나타낸다. 빔정형광학계(94c)는, 레이저광원(92)으로부터 출력되는 가우시안형의 강도분포(P1)를 갖는 레이저광(LB)을 톱해트형의 강도분포(P2)를 갖는 레이저광(LB)으로 변환한다. 빔정형광학계(94c)는, 예를 들면 호모지나이저라고 불리는 비구면렌즈(96e)를 갖는다. 또한, 빔정형광학계(94c)는, 임의의 광학소자로 구성할 수 있으며, 복수의 렌즈나 미러 등의 조합에 의하여 구성되어도 된다. 톱해트형의 강도분포(P2)를 갖는 레이저광(LB)을 아크챔버(72)의 외면(72a)에 조사함으로써, 국소가열에 의한 아크챔버(72)의 손상을 방지할 수 있다.
조사광학계(94)는, 주사광학계(94a), 확대광학계(94b) 및 빔정형광학계(94c) 중 2 이상을 구비해도 되고, 이들 모두를 구비해도 된다. 예를 들면, 확대광학계(94b)에 의하여 빔직경이 확대되고, 빔정형광학계(94c)에 의하여 면내강도분포가 균일화된 레이저광(LB)을 주사광학계(94a)를 이용하여 주사해도 된다. 3개의 광학계(94a~94c)를 조합함으로써, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 보다 넓은 범위에 균일화된 강도분포를 갖는 레이저광(LB)을 조사할 수 있다. 이로써, 아크챔버(72)의 외면(72a)을 보다 균일하게 가열할 수 있다.
도 5의 (a)-(c)는, 레이저광원(92)의 구성예를 개략적으로 나타내는 도이며, 가열장치(90)가 복수의 레이저광원(92a, 92b)을 구비하는 경우를 나타낸다. 도시되는 예에서는, 복수의 레이저광원(92a, 92b)은, 모두 진공챔버의 외부에 배치되어 있지만, 복수의 레이저광원(92a, 92b) 중 적어도 일방이 진공챔버의 내부에 배치되어도 된다.
도 5의 (a)는, 제1 레이저광원(92a)으로부터 출력되는 제1 레이저광(LB1)과, 제2 레이저광원(92b)으로부터 출력되는 제2 레이저광(LB2)이 서로 다른 조사범위(C1, C2)에 조사되는 경우를 나타낸다. 따라서, 복수의 레이저광원(92a, 92b)으로부터 출력되는 복수의 레이저광(LB1, LB2)은, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 서로 다른 개소에 조사된다. 복수의 레이저광원(92a, 92b)을 이용하여 다른 조사범위(C1, C2)에 레이저광(LB1, LB2)을 조사함으로써, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 보다 넓은 범위를 가열할 수 있다.
도 5의 (b)는, 제1 레이저광원(92a)으로부터 출력되는 제1 레이저광(LB1)과, 제2 레이저광원(92b)으로부터 출력되는 제2 레이저광(LB2)이 서로 겹쳐지는 조사범위(C3, C4)에 조사되는 경우를 나타낸다. 따라서, 복수의 레이저광원(92a, 92b)으로부터 출력되는 복수의 레이저광(LB1, LB2) 중 적어도 일부는, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 동일개소에 중첩되어 조사된다. 복수의 레이저광원(92a, 92b)을 이용하여 중복되는 범위에 레이저광(LB1, LB2)을 조사함으로써, 예를 들면 열복사에 의하여 온도가 내려가기 쉬운 개소를 효율적으로 가열할 수 있다.
도 5의 (c)는, 제1 레이저광원(92a)으로부터 출력되는 제1 레이저광(LB1)이 진공창(106)을 통하여 아크챔버(72)의 외면(72a)에 조사되고, 제2 레이저광원(92b)으로부터 출력되는 제2 레이저광(LB2)이 광파이버(96f)를 통하여 아크챔버(72)의 외면(72a)에 조사되는 경우를 나타낸다. 이 구성에서는, 예를 들면 아크챔버(72)의 외면(72a)의 비교적 넓은 범위를 가열하기 위하여 제1 레이저광(LB1)을 사용하고, 아크챔버(72)의 외면(72a)의 비교적 좁은 범위를 가열하기 위하여 제2 레이저광(LB2)을 사용할 수 있다.
가열장치(90)로부터 출력되는 레이저광(LB)은, 아크챔버(72)의 외면(72a) 이외에 조사되어도 된다. 레이저광(LB)은, 플라즈마생성실(78)을 구획하는 임의의 부재에 조사되어도 되고, 플라즈마생성실(78) 내에 노출되는 임의의 부재에 조사되어도 된다. 레이저광(LB)은, 플라즈마생성실(78)의 내벽(78a)에 조사되어도 된다. 레이저광(LB)은, 캐소드(74) 및 리펠러(76) 중 적어도 일방에 조사되어도 된다. 아크챔버(72)는, 레이저광(LB)을 플라즈마생성실(78)의 내부에 조사하기 위한 조사구를 가져도 된다. 아크챔버(72)의 내부에 광파이버를 도입하고, 광파이버를 통하여 캐소드(74)나 리펠러(76)에 레이저광(LB)을 조사해도 된다.
도 6은, 실시형태에 관한 제어장치(60)의 기능구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 제어장치(60)는, 이온생성장치(12)의 동작을 제어하기 위한 이온생성제어부(61)를 구비한다. 이온생성제어부(61)는, 전원제어부(62)와, 전자석제어부(63)와, 가스유량제어부(64)와, 가열제어부(65)와, 조건기억부(66)와, 모니터부(67)를 포함한다.
전원제어부(62)는, 플라즈마생성장치(70)에 접속되는 필라멘트전원(88a), 캐소드전원(88b), 아크전원(88c) 등의 각종 전원의 전류값 및 전압값을 제어한다. 전자석제어부(63)는, 플라즈마생성실(78)에 자장(B)을 인가하는 전자석에 흐르는 전류값을 조정하여, 자장(B)의 강도를 제어한다. 가스유량제어부(64)는, 가스도입구(84)로부터 공급되는 소스가스의 유량을 제어한다.
가열제어부(65)는, 가열장치(90)의 동작을 제어한다. 가열제어부(65)는, 레이저광원(92)의 온오프나 레이저광(LB)의 출력을 제어한다. 가열제어부(65)는, 예를 들면 플라즈마생성실(78)의 온도를 상승시킬 필요가 있는 경우에 레이저광원(92)을 온으로 하고, 플라즈마생성실(78)의 온도를 상승시킬 필요가 없는 경우에 레이저광원(92)을 오프로 한다. 가열제어부(65)는, 조사광학계(94)의 동작을 제어해도 된다.
조건기억부(66)는, 이온생성장치(12)의 운전조건을 정하는 각종 파라미터를 기억한다. 조건기억부(66)는, 이온종, 이온가수 및 이온전류와 같은 주입조건을 실현하기 위한 동작파라미터를 기억한다. 조건기억부(66)는, 예를 들면 필라멘트전류, 캐소드전류, 캐소드전압, 아크전류, 아크전압, 가스유량, 전자석전류값 등을 동작파라미터로서 기억한다. 전원제어부(62), 전자석제어부(63) 및 가스유량제어부(64)는, 조건기억부(66)에 기억되는 동작파라미터에 따라 동작한다.
모니터부(67)는, 이온생성장치(12)의 운전상태의 지표가 되는 측정값을 취득한다. 모니터부(67)는, 예를 들면 아크챔버(72)의 아크전류값, 아크챔버(72)의 온도, 이온생성장치(12)로부터 인출되는 이온의 이온전류값 등을 취득한다. 모니터부(67)가 취득하는 측정값은, 예를 들면 가열제어부(65)가 가열장치(90)의 동작을 제어하기 위하여 이용된다.
이온생성제어부(61)는, 주입조건에 따른 이온종, 이온가수 및 이온전류의 이온을 생성하기 위하여, 플라즈마생성실(78)에서 생성되는 플라즈마(P)의 밀도(플라즈마밀도라고도 함)를 제어한다. 예를 들면, 플라즈마밀도를 높임으로써 생성되는 이온의 이온가수나 이온전류를 크게 할 수 있고, 플라즈마밀도를 낮춤으로써 생성되는 이온의 이온가수나 이온전류를 작게 할 수 있다. 또, 소스가스의 종류나 인출해야 할 이온의 종류에 따라, 원하는 이온가수 및 이온전류를 실현하기 위하여 최적인 플라즈마밀도도 다를 수 있다.
플라즈마생성실(78) 내의 플라즈마밀도는, 주로 아크전류, 아크전압, 가스유량 및 자장강도에 의하여 제어된다. 예를 들면, 이들의 수치를 크게 함으로써 플라즈마밀도를 높일 수 있다. 이 중에서도, 플라즈마생성실(78) 내에서의 아크방전에 의하여 발생하는 아크전류의 크기와 플라즈마밀도가 대략 대응하기 때문에, 아크전류를 주로 제어함으로써 플라즈마밀도가 제어된다. 아크전류의 크기는, 필라멘트전류, 캐소드전류, 캐소드전압, 아크전압, 가스유량, 자장강도 등에 의하여 조정 가능하지만, 응답성이 우수한 캐소드전압에 의하여 제어되는 경우가 많다. 또한, 가스유량을 조정함으로써 플라즈마밀도를 제어할 수도 있지만, 가스유량을 과도하게 적게 하거나, 과도하게 많게 하면, 플라즈마의 생성이 불안정해진다. 따라서, 플라즈마를 안정적으로 생성하기 위해서는, 가스유량을 소정의 범위 내로 억제할 필요가 있으며, 가스유량을 변화시킴으로써 플라즈마밀도를 조정하는 것은 비교적 어렵다.
아크챔버(72)를 이용하여 플라즈마를 생성하는 경우, 비교적 큰 전력을 투입할 필요가 있기 때문에, 아크챔버(72)는 고온(예를 들면 1000℃ 이상)이 된다. 아크챔버(72)의 온도는, 주로 필라멘트전원(88a), 캐소드전원(88b) 및 아크전원(88c)의 투입전력의 합곗값에 의하여 정해진다. 따라서, 플라즈마밀도를 제어하기 위하여 운전조건을 변경하여 각종 전원의 전류값이나 전압값을 변화시킨 경우, 투입전력량의 변화에 따라 아크챔버(72)의 온도도 변화한다. 아크챔버(72)의 열용량은 비교적 크기 때문에, 아크챔버(72)의 온도응답성은 낮아, 아크챔버(72)가 열평형상태가 되기까지 시간이 걸린다. 특히, 고온상태에서는 열복사에 의한 열방출이 크기 때문에, 아크챔버(72)의 온도를 상승시키는 운전조건에 있어서 아크챔버(72)의 온도가 안정되기까지 필요로 하는 시간이 길어진다. 아크챔버(72)의 온도가 안정되어 있지 않은 경우, 플라즈마생성실(78)에 있어서 플라즈마가 안정적으로 생성되지 않고, 이온생성장치(12)로부터 인출되는 이온의 안정성도 저하된다. 그래서, 본 실시형태에서는, 가열장치(90)를 이용하여 플라즈마생성실(78)의 온도상승을 촉진시킴으로써, 아크챔버(72)가 열평형상태가 될 때까지의 시간을 단축한다.
가열제어부(65)는, 이온생성장치(12)의 운전조건을 저(低)아크조건으로부터 고(高)아크조건으로 전환하는 경우, 레이저광원(92)을 온으로 하여 아크챔버(72)에 레이저광(LB)이 조사되도록 한다. 여기에서 "저아크조건"이란, 플라즈마생성실(78)의 플라즈마밀도가 상대적으로 낮은 밀도가 되는 운전조건을 말하며, 투입전력량이 상대적으로 낮기 때문에 열평형상태의 아크챔버(72)가 상대적으로 낮은 온도가 되는 조건을 말한다. 반대로 "고아크조건"이란, 플라즈마생성실(78)의 플라즈마밀도가 상대적으로 높은 밀도가 되는 운전조건을 말하며, 투입전력량이 상대적으로 높기 때문에 열평형상태의 아크챔버(72)가 상대적으로 높은 온도가 되는 조건을 말한다.
특정의 운전조건이 저아크조건 또는 고아크조건 중 어느 것이 되는지는, 상대적으로 결정되는 것이어도 된다. 예를 들면, 플라즈마밀도를 제1 밀도로 하는 제1 운전조건과, 플라즈마밀도를 제1 밀도보다 큰 제2 밀도로 하는 제2 운전조건과, 플라즈마밀도를 제2 밀도보다 큰 제3 밀도로 하는 제3 운전조건이 있는 경우를 생각한다. 이 경우, 제1 운전조건으로부터 제2 운전조건으로 전환하는 경우, 제1 운전조건이 "저아크조건"이 되고, 제2 운전조건은 "고아크조건"이 된다. 한편, 제2 운전조건으로부터 제3 운전조건으로 전환하는 경우, 제2 운전조건이 "저아크조건"이 되고, 제3 운전조건이 "고아크조건"이 된다. 또한, 저아크조건 또는 고아크조건 중 어느 것이 되는지는, 투입전력량이 소정의 임곗값 이상이 되는지 여부에 따라 결정되어도 된다.
가열제어부(65)는, 저아크조건으로부터 고아크조건으로 전환하는 경우, 저아크조건과 고아크조건의 운전조건의 차에 따라 가열장치(90)의 동작을 변화시켜도 된다. 예를 들면, 저아크조건에 있어서의 투입전력량과 고아크조건에 있어서의 투입전력량의 차에 따라, 레이저광원(92)의 출력을 조정해도 된다. 예를 들면, 투입전력량의 차가 큰 경우에 레이저광(LB)의 출력을 크게 하고, 투입전력량의 차가 작은 경우에 레이저광(LB)의 출력을 작게 해도 된다. 가열제어부(65)는, 투입전력량의 차에 따라, 레이저광(LB)의 조사시간을 조정해도 된다. 가열제어부(65)는, 예를 들면 투입전력량의 차가 큰 경우에 레이저광(LB)의 조사시간을 길게 하고, 투입전력량의 차가 작은 경우에 레이저광(LB)의 조사시간을 짧게 해도 된다.
가열제어부(65)는, 모니터부(67)가 취득하는 측정값에 근거하여, 레이저광(LB)의 조사조건을 시간경과에 대하여 가변으로 해도 된다. 예를 들면, 플라즈마생성실(78)의 플라즈마밀도의 증가에 따라, 또는 플라즈마생성실(78)의 온도의 증가에 따라, 레이저광(LB)의 출력을 점차 저하시켜도 된다. 가열제어부(65)는, 아크챔버(72)가 열평형상태에 가까워짐에 따라 레이저광(LB)의 출력을 저하시켜 감으로써, 아크챔버(72)가 과도하게 가열되지 않도록 해도 된다. 가열제어부(65)는, 이온생성장치(12)로부터 인출되는 이온의 이온전류가 안정화된 경우, 레이저광원(92)을 오프로 해도 된다.
이온생성제어부(61)는, 운전조건을 전환하는 경우, 플라즈마생성실(78)의 내벽(78a)에 축적되는 물질을 제거하기 위하여 클리닝운전을 시켜도 된다. 플라즈마생성실(78)의 내벽(78a)에는, 이온생성장치(12)의 운전에 따라, 플라즈마생성실(78)에 공급되는 소스가스의 종류에 따른 물질이 퇴적된다. 이온종을 전환하기 위하여 소스가스의 종류를 변경하면, 전환 전에 내벽(78a)에 축적되어 있던 물질이 제거됨과 함께, 전환 후의 소스가스의 종류에 대응하는 물질이 축적되어, 내벽(78a)의 축적물질이 바뀌어 간다. 내벽(78a)에 축적되는 물질이 안정될 때까지는, 플라즈마생성실(78) 내의 플라즈마의 상태가 변화할 수 있기 때문에, 이온을 안정적으로 인출할 수 없다. 이온생성장치(12)를 클리닝조건으로 운전시킴으로써, 내벽(78a)에 축적되는 물질의 제거를 촉진시켜, 내벽(78a)에 축적되는 물질이 안정될 때까지의 시간을 단축할 수 있다.
조건기억부(66)는, 운전조건의 하나로서, 클리닝운전조건을 기억해도 된다. 클리닝운전조건에서는, 플라즈마생성실(78)의 내벽(78a)의 축적물질의 제거를 촉진시키기 위하여, 고아크조건이 되도록 동작파라미터가 정해진다. 클리닝운전조건은, 다른 운전조건보다 플라즈마밀도가 높아지도록 운전조건이 정해져도 된다. 플라즈마생성실(78)에서 고밀도의 플라즈마를 생성함으로써, 내벽(78a)의 축적물질에 플라즈마를 작용시켜 축적물질의 제거를 촉진시킬 수 있다. 또, 고아크조건으로 클리닝함으로써, 플라즈마생성실(78)의 온도를 상승시켜, 내벽(78a)의 축적물질의 증발이나 분해에 의한 제거를 촉진시킬 수 있다. 클리닝운전조건에서는, 소스가스로서 희가스(예를 들면 Ar, Xe)나 반응성이 높은 불화물(예를 들면 BF3)을 이용하는 것이 바람직하다. 희가스를 이용함으로써, 내벽(78a)으로의 불필요한 물질의 축적을 방지할 수 있다. 또, 반응성이 높은 불화물을 이용함으로써, 내벽(78a)의 축적물질의 제거를 촉진시킬 수 있다.
가열제어부(65)는, 클리닝운전을 하는 경우, 레이저광원(92)을 온으로 하여 아크챔버(72)에 레이저광(LB)이 조사되도록 해도 된다. 클리닝운전 시에 아크챔버(72)를 레이저광(LB)을 이용하여 가열함으로써, 플라즈마생성실(78)의 온도상승을 촉진시켜, 내벽(78a)의 축적물질의 제거를 보다 촉진시킬 수 있다.
가열제어부(65)는, 플라즈마생성실(78) 내에서 플라즈마가 생성되지 않은 상태에 있어서, 레이저광원(92)을 온으로 하여 아크챔버(72)에 레이저광(LB)이 조사되도록 해도 된다. 예를 들면, 플라즈마의 생성을 정지한 상태에서 내벽(78a)의 축적물질을 제거하는 클리닝운전을 위하여 가열장치(90)를 이용해도 된다. 이 경우, 소스가스의 공급을 정지함으로써 플라즈마의 생성이 정지되어도 되고, 각종 전원을 오프로 함으로써 플라즈마의 생성이 정지되어도 된다.
가열제어부(65)는, 플라즈마생성실(78) 내에서 플라즈마가 생성되는 상태에 있어서, 레이저광원(92)을 온으로 하여 아크챔버(72)에 레이저광(LB)이 조사되도록 해도 된다. 예를 들면, 저아크조건으로부터 고아크조건으로 전환하는 경우에, 고아크조건의 플라즈마가 생성되는 상태에 있어서 아크챔버(72)를 레이저광(LB)으로 가열해도 된다. 그 외에, 클리닝운전조건의 플라즈마가 생성되는 상태에 있어서 아크챔버(72)를 레이저광(LB)으로 가열해도 된다.
가열제어부(65)는, 아크조건의 차이에 기인하는 플라즈마생성실(78)의 온도의 변동이 억제되도록 가열장치(90)의 동작을 제어해도 된다. 예를 들면, 저아크조건으로 플라즈마가 생성되는 경우에 레이저광(LB)의 출력을 높게 하고, 고아크조건으로 플라즈마가 생성되는 경우에 레이저광(LB)의 출력을 낮게 해도 된다. 이로써, 저아크조건에 있어서의 플라즈마생성실(78)의 온도와 고아크조건에 있어서의 플라즈마생성실(78)의 온도의 차가 작아지도록 해도 된다.
가열제어부(65)는, 이온생성장치(12)를 비운전상태로부터 운전상태로 기동하는 경우에, 실온 정도의 저온상태의 아크챔버(72)에 레이저광(LB)을 조사함으로써, 아크챔버(72)를 가열해도 된다. 이 경우, 플라즈마생성실(78)에서 플라즈마가 생성되지 않은 상태에 있어서 아크챔버(72)에 레이저광(LB)이 조사되어도 된다. 레이저광(LB)을 조사하여 플라즈마생성실(78)을 가열함으로써, 플라즈마생성실(78)에서 플라즈마가 생성되지 않은 상태로부터 플라즈마가 생성되는 상태로의 전환을 촉진시킬 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 플라즈마생성실(78)을 레이저광(LB)을 이용하여 가열함으로써, 플라즈마를 생성하기 위한 아크조건에 관계없이 플라즈마생성실(78)의 온도상승을 촉진시킬 수 있다. 플라즈마생성실(78)의 온도상승을 우선시키기 위하여 의도적으로 투입전력량을 높일 수도 있지만, 투입전력량에는 상한이 있고, 또 투입전력량을 과도하게 높이면, 플라즈마생성장치(70)를 구성하는 부품이 열화하는 등의 악영향이 발생할 우려가 있다. 본 실시형태에서는, 플라즈마생성장치(70)에 접속되는 각종 전원(88a~88c)으로부터 독립적인 가열장치(90)를 마련함으로써, 플라즈마생성실(78)의 온도를 보다 유연하게 제어할 수 있다. 예를 들면, 플라즈마를 안정적으로 생성하는 관점에서 최적화된 투입전력량을 유지하는 경우여도, 가열장치(90)를 이용하여 플라즈마생성실(78)의 온도상승을 촉진시킬 수 있어, 원하는 운전상태가 실현될 때까지의 대기시간을 단축화할 수 있다. 이로써, 이온주입장치(10)의 비가동시간을 단축할 수 있어, 이온주입장치(10)의 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 상술한 각 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명은 상술한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 각 실시형태의 구성을 적절히 조합한 것이나 치환한 것에 대해서도 본 발명에 포함되는 것이다. 또, 당업자의 지식에 근거하여 각 실시형태에 있어서의 조합이나 처리의 순번을 적절히 재조합하는 것이나 각종 설계변경 등의 변형을 실시형태에 대하여 더하는 것도 가능하고, 그와 같은 변형이 더해진 실시형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
10…이온주입장치
12…이온생성장치
70…플라즈마생성장치
72…아크챔버
74…캐소드
76…리펠러
78…플라즈마생성실
86…리플렉터
90…가열장치
92…레이저광원
100…진공챔버
106…진공창
LB…레이저광

Claims (19)

  1. 이온을 인출하기 위한 플라즈마를 생성하는 플라즈마생성실과,
    상기 플라즈마생성실을 구획하는 부재 또는 상기 플라즈마생성실 내에서 생성된 상기 플라즈마에 노출되는 부재에 레이저광을 조사하여 상기 플라즈마생성실을 가열하도록 구성되는 가열장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열장치는, 주사에 의하여 상기 레이저광을 상기 부재에 조사하기 위한 주사광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열장치는, 빔직경이 확대 또는 축소된 상기 레이저광을 상기 부재에 조사하기 위한 확대축소광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열장치는, 톱해트형의 면내강도분포를 갖는 상기 레이저광을 상기 부재에 조사하기 위한 빔정형광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열장치는, 복수의 레이저광원을 포함하며, 상기 복수의 상기 레이저광원으로부터 출사되는 복수의 레이저광은, 상기 부재의 서로 다른 개소에 조사되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열장치는, 복수의 레이저광원을 포함하며, 상기 복수의 상기 레이저광원으로부터 출사되는 복수의 레이저광은, 상기 부재의 동일개소에 중첩되어 조사되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마생성실은, 진공챔버의 내부에 배치되어 있으며,
    상기 가열장치는, 상기 진공챔버의 외부에 배치되는 레이저광원을 포함하고, 상기 레이저광원으로부터 출사되는 상기 레이저광은, 상기 진공챔버에 마련되는 진공창을 통하여, 또는 상기 진공챔버의 외부로부터 내부를 향하여 뻗는 광파이버를 통하여, 상기 부재에 조사되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부재는, 상기 플라즈마생성실을 구획하는 아크챔버를 포함하며,
    상기 가열장치는, 상기 아크챔버에 상기 레이저광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가열장치는, 상기 플라즈마생성실 외부에 노출되는 상기 아크챔버의 외면에 상기 레이저광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플라즈마생성실 외부에 마련되며, 상기 아크챔버의 상기 외면으로부터의 열복사를 상기 아크챔버를 향하여 반사하도록 구성되는 리플렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부재는, 상기 플라즈마생성실 내를 향하여 열전자를 방출하는 캐소드와, 상기 플라즈마생성실 내에 있어서 상기 캐소드와 대향하는 리펠러를 포함하며,
    상기 가열장치는, 상기 캐소드 및 상기 리펠러 중 적어도 일방에 레이저광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이온생성장치.
  12. 플라즈마생성실을 구획하는 부재 또는 상기 플라즈마생성실 내에서 생성된 상기 플라즈마에 노출되는 부재에 레이저광을 조사하여 상기 플라즈마생성실을 가열하는 것과,
    상기 플라즈마생성실 내에서 생성된 상기 플라즈마로부터 이온을 인출하는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레이저광을 조사하여 상기 플라즈마생성실을 가열함으로써, 상기 플라즈마생성실 내의 플라즈마밀도를 제1 밀도로부터 상기 제1 밀도보다 큰 제2 밀도로 전환하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 레이저광을 조사하여 상기 플라즈마생성실을 가열함으로써, 상기 플라즈마생성실의 내벽에 축적되는 물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마생성실을 가열하는 것은, 상기 플라즈마생성실 내에서 플라즈마가 생성되지 않은 상태에 있어서 상기 레이저광을 조사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마생성실을 가열하는 것은, 상기 플라즈마생성실 내에서 플라즈마가 생성되는 상태에 있어서 상기 레이저광을 조사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 레이저광을 조사하여 상기 플라즈마생성실을 가열함으로써, 상기 플라즈마생성실 내에서 플라즈마가 생성되지 않은 상태로부터 상기 플라즈마생성실 내에서 플라즈마가 생성되는 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  18. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마생성실 내에서 생성된 플라즈마의 상태, 상기 플라즈마생성실의 온도, 및 인출된 상기 이온의 이온전류 중 적어도 하나를 모니터하는 것을 더 구비하고,
    상기 모니터의 결과에 근거하여, 상기 레이저광의 조사조건을 시간경과에 대하여 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 플라즈마생성실 내에서 생성되는 플라즈마밀도의 증가에 따라, 또는 상기 플라즈마생성실의 온도의 증가에 따라, 상기 레이저광의 출력을 저하시키는 것을 특징으로 하는 이온생성방법.
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