KR20210146963A

KR20210146963A - 다중 아크 챔버 소스

Info

Publication number: KR20210146963A
Application number: KR1020217034299A
Authority: KR
Inventors: 조슈아 아베샤우스; 네일 바솜; 카멜리아 람베르트; 칼렙 벨; 카일 하인스; 칼렙 위시
Original assignee: 액셀리스 테크놀러지스, 인크.
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-12-06
Also published as: CN113692636A; CN113692636B; US20200335302A1; JP2022529606A; US11183365B2; WO2020214759A1; JP7455861B2; TW202109606A

Abstract

이온 주입 시스템을 위한 이온 소스는 복수의 아크 챔버를 가진다. 상기 이온 소스는 빔라인에 대한 상기 복수의 아크 챔버 중 하나 각각의 위치에 기반하여 상기 복수의 아크 챔버 중 하나 각각으로부터 이온 빔을 형성한다. 상기 아크 챔버는 상기 빔라인과 연관된 빔라인 위치에 상기 복수의 아크 챔버 중 하나 각각을 이송 또는 회전시키는 회전부에 연결된다. 상기 복수의 아크 챔버 중 하나 이상은 적어도 하나의 고유한 특징을 가질 수 있거나, 상기 복수의 아크 챔버 중 둘 이상은 서로 대체로 동일할 수 있다.

Description

다중 아크 챔버 소스

본 발명은 일반적으로 공작물(workpieces)을 처리하기 위한 이온 주입 시스템 및 방법에 관하며, 보다 구체적으로 다중 아크 챔버 소스를 가지는 이온 주입 시스템에 관한다.

이 출원은 2019.04.16에 "MULTIPLE ARC CHAMBER SOURCE(다중 아크 챔버 소스)"라는 명칭으로 출원된 미국 가출원 No. 62/834,667의 이익을 주장하며, 그 내용의 전체가 여기에 참조로 포함된다.

반도체 장치의 제조에서, 이온 주입은 불순물로 반도체를 도핑하기 위해 사용된다. 이온 주입 시스템은 종종 반도체 웨이퍼와 같은 공작물을 이온 빔의 이온으로 도핑하기 위해 이용되는데, 이는 n형 또는 p형 도핑 물질을 생성하거나, 집적 회로의 제조 동안 패시베이션(passivation) 층을 형성하기 위함이다. 그러한 빔 처리는 미리 정해진 에너지 수준과 제어된 농도에서 특정 도펀트(dopant) 물질의 불순물로 웨이퍼를 선택적으로 주입하여, 집적 회로의 제조 동안 반도체 물질을 생성하기 위해 종종 사용된다. 반도체 웨이퍼를 도핑하기 위해 사용될 때, 상기 이온 주입 시스템은 선택된 종류의 이온을 상기 공작물에 주입하여 원하는 외부 물질을 생성한다. 예를 들면, 안티몬(antimony), 비소(arsenic), 또는 인(phosphorus)과 같은 소스 물질로부터 생성된 이온의 주입은 "n-형" 외부 물질 웨이퍼를 생성하는 반면, "p-형" 외부 물질 웨이퍼는 종종 붕소(boron), 갈륨(gallium), 또는 인듐(indium)과 같은 소스 물질로 생성된 이온으로부터 생성된다.

일반적인 이온 주입기는 이온 소스, 이온 추출 장치, 질량 분석 장치, 빔 전송 장치 및 웨이퍼 처리 장치를 포함한다. 상기 이온 소스는 원하는 원자 또는 분자 도펀트 종의 이온을 생성한다. 이러한 이온은 상기 소스로부터 추출 시스템, 일반적으로 전극 세트에 의해 추출되고, 이는 상기 소스로부터 이온의 흐름에 에너지를 공급하고 방향을 정하여, 이온 빔을 형성한다. 원하는 이온은 일반적으로 상기 추출된 이온 빔의 질량 분산 및 분리를 수행하는 자기 쌍극자(magnetic dipole)인, 질량 분석 장치에서 상기 이온 빔으로부터 분리된다. 일반적으로 일련의 집속(focusing) 장치를 포함하는 진공 시스템인, 상기 빔 전송 장치는 상기 이온 빔의 원하는 특성을 유지하면서 상기 이온 빔을 상기 웨이퍼 처리 장치로 전송한다. 마지막으로, 처리될 웨이퍼를 상기 이온 빔 앞에 위치시키고 처리된 웨이퍼를 상기 이온 주입기로부터 제거하기 위해, 반도체 웨이퍼는 하나 이상의 로봇 팔을 포함할 수 있는 웨이퍼 핸들링 시스템을 통해 상기 웨이퍼 처리 장치의 안팎으로 전송된다.

일반적으로, 종래의 이온 소스, 특히 상기 종래의 이온 소스의 아크 챔버(또한 플라즈마 챔버라고도 불리움)는, 이온 주입기 전체에 비해 일반적으로 비교적 낮은 신뢰성을 가지는 복잡한 조립체를 포함한다. 일반적으로 말해서, 단일 내결함성(single-fault tolerant)이 있는 구성요소가 없고, 일관되지 않은 동작 모드와 다양한 오류 모드로 인해, 종래 이온 주입 시스템의 가동시간을 늘리는 것이 일반적으로 어려웠다. 종래 이온 소스의 구성요소 또는 종래 이온 소스의 종래 아크 챔버에 대한 예방 유지보수(PM: preventive maintenance) 루틴은, 파손되거나 소모된 구성요소를 교체하거나 수리할 뿐 아니라, 입자 오염을 제어하기 위해, 장기간(예를 들면, 몇시간에서 며칠) 동안 종래 이온 주입기를 중단시킬 수 있다.

게다가, 일부 종래 구성요소는 광범위한 종(species)에 대해 동작하도록 설계되었다; 하지만, 상기 종래의 이온 소스 또는 아크 챔버의 구성 또는 기하학적 구조는 주입될 나머지 종과의 호환성을 담보하기 위해 하나 이상의 종에 대해 타협될 수 있다. 예를 들면, 붕소(boron)는 바람직하게는 탄소(carbon)과 다른 온도 프로파일에서 동작할 수 있지만, 종래의 이온 소스는 그러한 다른 종에 대해 특화된 하드웨어(예를 들면, 하드웨어, 기하학적 구조, 등의 구성 또는 선택)를 가질 수 있는 능력을 가지지 않는다.

일부 경우에, 개별 아크 챔버는 특정 종에 대해 설계되어, 그에 의해 한 종에 대해 최적화된 한 아크 챔버는 종래의 주입기로부터 제거되고 다른 종에 대해 최적화된 다른 아크 챔버로 대체된다. 일반적으로, 종래의 아크 챔버 교체는 종래 이온 주입기 내의 진공을 깨고 재설정하는 것을 수반하는데, 상기 이온 소스 내의 상기 진공 압력이 상승하고 대기압에 개방됨에 따라 상기 아크 챔버가 교환되도록 한다. 그러한 종래 아크 챔버의 교체는 위에서 설명된 예방적 유지보수의 부분으로, 또는 주입 종의 변경이 요구될 때 수행될 수 있다.

본 발명은 이온 소스와 연관된 진공을 유리하게 유지하면서 이온 주입 시스템 내의 이온 소스의 아크 챔버를 교체 또는 교환하기 위한 다양한 장치, 시스템, 및 방법을 제공한다.

한 예시 측면에서, 이온 빔을 형성하도록 구성된 이온 소스, 상기 이온 빔을 선택적으로 전송하도록 구성된 빔라인 조립체, 및 이온을 공작물에 주입하기 위해 상기 이온 빔을 수용하도록 구성된 종단 스테이션을 가지는 이온 주입 시스템이 제공된다.

본 발명의 다양한 측면에 따르면, 본 발명의 상기 소스에 부착된 복수의 챔버는 상기 이온 소스의 신뢰성을 극적으로 증가시키고 상이한 종을 위한 특화된 하드웨어를 허용할 수 있다. 한 특정 예에서, 네 개의 동일한 아크 챔버가 회전부(carrousel) 내에 위치되는데, 단지 하나의 아크 챔버가 한번에 이용된다. 만일 이용중인 상기 아크 챔버의 구성요소가 고장나면, 상기 회전부는 상기 복수의 아크 챔버 중 다음으로 회전하도록 구성되고, 따라서 네 개의 동일한 아크 챔버의 경우에 잠재적으로 가동시간을 네 배 증가시킨다. 대안적인 예에서, 네 개의 고유한 아크 챔버가 회전부 내에 위치하고, 각각은 동일한 또는 상이한 종에 대한 다른 구성을 가지고, 따라서 단일 종과 연관된 성능을 향상시키고 및/또는 해당 종 또는 다양한 종에 고유한 고장 모드를 방지한다.

다양한 예가 전기 및 가스 연결을 제공하는데, 이는 상기 복수의 챔버 모두에 선택적으로 공급하는 단일 세트의 전력 공급장치 및 가스 시스템을 가능하게 한다. 비용이 따라서 최소화 될 수 있다. 또한, 다른 예에서, 배치 특징부는 아크 챔버 출구 개구가 나머지 상기 빔라인에 대해 정확히 배향되는 것을 보장하기 위해 제공된다.

따라서, 본 발명의 다양한 예시 측면에 따르면, 이온 빔을 형성하기 위한 이온 소스가 제공되는데, 상기 이온 소스는 상기 이온 빔의 말단부를 대체로 규정하는 추출 위치를 포함한다. 복수의 아크 챔버가 제공된다. 상기 복수의 아크 챔버 각각은, 예를 들면, 도펀트 물질을 이온화 하도록 구성된다. 이송 장치가 추가로 제공되고 상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 추출 위치로 선택적으로 이송시키도록 구성된다.

한 예에서, 상기 이송 장치는 회전부를 포함하는데, 상기 회전부는 상기 추출 위치에 대해 회전적으로 고정된 정적 실린더를 포함한다. 상기 회전부는 상기 정적 실린더에 회전 가능하게 연결된 동적 실린더를 더 포함하는데, 상기 복수의 아크 챔버는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결되고 그 주위로 원주방향으로 이격된다. 상기 정적 실린더에 대한 상기 동적 실린더의 회전 위치는, 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 추출 위치와 선택적으로 정렬시킨다.

상기 이송 장치는, 다른 예에서, 입력 샤프트 및 기어 세트를 더 포함한다. 상기 기어 세트는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결된 제1 기어와 상기 입력 샤프트에 동작 가능하게 연결된 제2 기어를 포함한다. 상기 입력 샤프트는, 예를 들면, 상기 기어 세트를 통해 상기 동적 실린더를 회전시키도록 구성되고, 그에 의해 상기 복수의 아크 챔버 각각의 상기 추출 위치로의 선택적인 이송을 제공한다. 상기 이송 장치는 상기 입력 샤프트에 동작 가능하게 연결되는 모터를 더 포함할 수 있고, 상기 모터는 상기 입력 샤프트를 선택적으로 회전시키도록 구성된다. 대안적으로, 상기 샤프트는 수동으로 회전될 수 있다.

다른 예에서, 상기 이송 장치는 상기 동적 실린더 및 상기 정적 실린더 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 멈춤쇠(detents)를 더 포함한다. 상기 하나 이상의 멈춤쇠는, 예를 들면, 상기 각 복수의 아크 챔버의 상기 추출 위치와의 선택적 정렬에 따라 상기 정적 실린더에 대한 상기 동적 실린더의 상기 회전 위치를 선택적으로 고정한다.

가스 연결 요소는, 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관되는데, 각각의 가스 연결 요소는 상기 동적 실린더의 상기 회전 위치를 기반으로 상기 정적 실린더와 연관된 고정 가스 도관과 선택적으로 인터페이스 하도록 구성된다. 또한, 하나 이상의 전기 연결 요소가 상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관될 수 있는데, 상기 하나 이상의 전기 연결 요소 각각은 상기 동적 실린더의 상기 회전 위치를 기반으로 상기 정적 실린더와 연관된 하나 이상의 고정 전기 요소와 선택적으로 인터페이스 하도록 구성된다.

한 예에서, 각 가스 연결 요소는 상기 복수의 아크 챔버 각각과 상기 추출 위치와의 상기 선택적 정렬에 따라 고정 가스 도관과 정렬되도록 구성되고, 그에 의해 상기 가스 연결 요소와 고정 가스 도관은 약 0.025mm 간격만큼 분리된다. 다른 예에서, 상기 복수의 아크 챔버 각각과 연관된 상기 하나 이상의 전기 연결 요소는 상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관되는 캐소드 및 필라멘트로의 각 전기 연결부를 포함한다.

또 다른 예에 따르면, 상기 복수의 아크 챔버 중 둘 이상은 대체로 서로 동일하다. 다른 예에서, 상기 이온 소스의 상기 아크 챔버 모두는 서로 비슷할 수 있다. 상기 복수의 아크 챔버 중 적어도 하나는, 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버 중 나머지에 대해 적어도 하나의 고유한 특징을 가질 수 있다. 다른 예에서, 상기 복수의 아크 챔버 중 적어도 하나는 제1 소스 종으로부터 플라즈마를 형성하도록 구성되고, 상기 복수의 아크 챔버 중 적어도 다른 하나는 제2 소스 종으로부터 플라즈마를 형성하도록 구성되되, 상기 제1 소스 종은 상기 제2 소스 종과 다르다. 상기 제1 소스 종은, 예를 들면, 탄소(carbon)를 포함할 수 있고 상기 제2 소스 종은 붕소(boron)를 포함할 수 있다.

또 다른 예시 측면에서, 이온 주입 시스템이 제공되는데, 상기 이온 주입 시스템은 빔라인을 따라 이온 빔을 형성하도록 구성된 이온 소스를 포함한다. 상기 이온 소스는, 예를 들면, 복수의 아크 챔버를 포함할 수 있는데, 상기 복수의 아크 챔버 각각은 각각 상기 이온 빔을 형성하기 위해 상기 빔라인을 따라 선택적으로 위치할 수 있다. 상기 이온 빔은, 예를 들면, 따라서 상기 빔라인을 따라 선택적으로 위치하는 상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관되는 특징을 가질 수 있다.

상기 이온 소스는, 예를 들면, 하나 이상의 주입 조건에 기반하여 상기 빔라인을 따라 상기 복수의 아크 챔버 각각을 선택적으로 위치시키도록 구성된다. 상기 하나 이상의 주입 조건은, 예를 들면, 원하는 주입의 종, 원하는 상기 주입의 기능, 상기 이온 소스의 동작 시간의 미리 정해진 길이, 상기 이온 소스와 연관된 결함 조건, 및 입자 오염 조건 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

다른 예에서, 상기 이온 주입 시스템의 상기 복수의 아크 챔버는 회전부에 동작 가능하게 연결되는데, 상기 회전부는 상기 빔라인에 대해 회전적으로 고정되는 정적 실린더 및 상기 정적 실린더에 회전 가능하게 연결되는 동적 실린더를 포함한다. 상기 복수의 아크 챔버는, 예를 들면, 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결되고 그 주위에 원주방향으로 이격되고, 상기 정적 실린더에 대한 상기 동적 실린더의 회전 위치는 상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 빔라인과 선택적으로 정렬시킨다.

추가 예에서, 입력 샤프트 및 기어 세트가 제공되는데, 상기 기어 세트는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결된 제1 기어 및 상기 입력 샤프트에 동작 가능하게 연결된 제2 기어를 포함한다. 상기 입력 샤프트는 따라서 상기 기어 세트를 통해 상기 동적 실린더를 회전시키도록 구성되고, 그에 의해 상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 빔라인을 따라 선택적으로 위치시킨다. 서보 모터와 같은 모터가 상기 샤프트에 동작 가능하게 연결될 수 있는데, 상기 모터는 상기 샤프트를 선택적으로 회전시키도록 구성된다.

또한, 상기 복수의 아크 챔버 중 둘 이상이 서로 대체로 동일할 수 있거나, 모든 복수의 아크 챔버가 서로 다를 수 있거나, 모든 상기 복수의 아크 챔버가 고유한 구성을 가질 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복수의 아크 챔버는 십자 형태의 네 개의 아크 챔버를 포함할 수 있다.

위의 요약은 단지 본 발명의 일부 실시예의 일부 특징의 간단한 개요를 제공하기 위함이며, 다른 실시예는 추가적인 및/또는 위에서 언급된 것과는 다른 특징을 포함할 수 있다. 특히, 이 요약은 본 출원의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. 따라서, 전술한 및 관련된 목적의 달성을 위해, 본 발명은 이후에 설명되고 특히 청구범위에서 지적되는 특징들을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명의 특정 도시적인 실시예를 상세히 설명한다. 이들 실시예는, 하지만, 본 발명의 원리가 적용될 수 있는 다양한 방식들 중 몇몇을 나타낸다. 본 발명의 다른 목적, 이점 및 신규한 특징은 도면과 함께 고려될 때 본 발명의 다음 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 여러 측면에 따른 예시 진공 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 예에 따른 복수의 아크 챔버를 가지는 예시 이온 소스의 구조적 표현이다.
도 3은 본 발명의 다양한 예에 따른 복수의 아크 챔버를 가지는 예시 이온 소스의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 예에 따른 복수의 아크 챔버를 가지는 예시 이온 소스의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 예에 따른 복수의 아크 챔버를 가지는 예시 이온 소스의 분해 사시도이다.
도 6은 다른 예에 따른 다중 아크 챔버를 이용하는 이온 주입 방법을 도시하는 흐름도이다.

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템 및 그와 연관된 아크 또는 플라즈마 챔버에 관한다. 따라서, 본 발명은 도면을 참조하여 이제 설명될 것인데, 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 지칭하기 위해 사용된다. 이러한 측면들의 설명은 단지 도시적인 것이고 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다. 다음의 설명에서, 설명을 위해, 본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하기 위한 많은 특정 세부사항 및 기능들이 설명된다. 하지만, 본 발명은 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다는 것이 이 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

본 발명의 다양한 예시 측면 및 기능이 공작물에 이온을 주입하기 위한 이온 주입 공정을 용이하게 한다. 한 예시 측면에 따르면, 이온 빔을 형성하도록 구성된 이온 소스, 상기 이온 빔을 선택적으로 전송하도록 구성된 빔라인 조립체, 및 이온을 공작물에 주입하기 위해 상기 이온 빔을 수용하도록 구성된 종단 스테이션을 가지는 이온 주입 시스템이 제공된다.

본 발명과 연관된 다양한 측면의 개요로서, 도 1은 예시(exemplified) 이온 주입 시스템(100)을 도시한다. 본 예의 상기 이온 주입 시스템(100)은 예시 이온 주입 장치(101)를 포함하지만, 플라즈마 공정 시스템, 또는 다른 반도체 공정 시스템과 같은 다양한 다른 유형의 진공-기반 반도체 공정 시스템이 또한 고려된다. 상기 이온 주입 장치(101)는, 예를 들면, 터미널(102), 빔라인 조립체(104), 및 종단 스테이션(106)을 포함한다.

일반적으로 말해서, 상기 터미널(102) 내의 이온 소스(108)는 도펀트(dopant) 가스를 다수의 이온으로 이온화하고 이온 빔(112)을 형성하기 위해 전력 공급장치(110)에 연결된다. 본 예의 상기 이온 빔(112)은 질량 분석 장치(114)를 통과하여 빔라인(113)을 향하고, 상기 종단 스테이션(106)을 향해 개구(116)를 나온다. 상기 종단 스테이션(106)에서, 상기 이온 빔(112)은 공작물(118, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼, 디스플레이 패널, 등과 같은 기판)에 충돌하는데, 이는 척(120, chuck)에 선택적으로 클램핑 또는 결합된다. 상기 척(120)은, 예를 들면, 정전 척(ESC: electrostatic chuck) 또는 기계적 클램프 척을 포함할 수 있는데, 상기 척은 상기 공작물(118)의 온도를 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 일단 상기 공작물(118)의 격자 내에 들어가면, 상기 주입된 이온은 상기 공작물의 물리적 및/또는 화학적 특성을 변화시킨다. 이때문에, 이온 주입은 반도체 장치 제조 및 금속 마감뿐 아니라 재료 과학 연구의 다양한 응용에 사용된다.

본 발명의 상기 이온 빔(112)는 펜슬 또는 스팟 빔, 리본 빔, 스캔된 빔, 또는 이온이 종단 스테이션(106)을 향하는 다른 어떤 형태와 같이 어떤 형태도 취할 수 있고, 그러한 모든 형태는 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려된다.

한 예시 측면에 따라, 상기 종단 스테이션(106)은 진공 챔버(124)와 같은 공정 챔버(122)를 포함하는데, 진공 환경(126)이 대체로 상기 공정 챔버 내에 유지된다. 진공 소스(128, 예를 들면, 하나 이상의 진공 펌프)는, 예를 들면, 상기 터미널(102), 빔라인 조립체(104), 및 종단 스테이션(106) 중 하나 이상의 내부에 상기 진공 환경(126, 예를 들면, 실질적 진공)을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 진공 소스(128)는 상기 이온 소스(108), 빔라인 조립체(104), 및 공정 챔버(122) 중 하나 이상에 유체 연결되어 상기 각 이온 소스, 빔라인 조립체, 및 공정 챔버를 실질적으로 비울 수 있다.

상기 공작물(118)은, 예를 들면, 하나 이상의 로드락(loadlock) 챔버(130) 및 전송 장치(132)를 통해 상기 공정 챔버(122)로 및 상기 공정 챔버(122)로부터 선택적으로 전송될 수 있고, 상기 하나 이상의 로드락 챔버는 각각 외부 환경(134, 예를 들면, 대기 환경)으로부터 상기 진공 환경(126)을 격리시킨다. 제어기(136)는, 예를 들면, 상기 이온 주입 시스템(100)의 상기 터미널(102), 빔라인 조립체(104), 및 종단 스테이션(106)과 연관된 상기 다양한 장치 및 시스템 중 하나 이상을 제어하기 위해 추가로 제공된다.

본 발명은 따라서 상기 이온 소스의 상기 진공을 깨지 않는 이점을 가지는 상기 이온 소스의 상기 아크 챔버의 교체 또는 교환을 위한 다양한 장치, 시스템, 및 방법을 제공한다. 다시 도 1을 참조하면, 본 발명은 상기 이온 소스의 신뢰성을 극적으로 증가시킬뿐 아니라 다양한 주입 종을 위해 특화된 하드웨어가 이용되도록 하기 위해, 상기 이온 소스(108)에 동작 가능하게 연결, 부착, 및/또는 배치된 복수의 아크 챔버(150)를 제공한다. 상기 복수의 아크 챔버(150)는, 예를 들면, 상기 이온 빔(112)의 형태로 그로부터 하나 이상의 도펀트 종의 추출을 위해 하나 이상의 도펀트 물질을 이온화하도록 구성된다.

한 예에서, 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각은 실질적으로 동일하게 구성되고, 그에 의해 미리 정해진 단일 종의 이온이 상기 복수의 아크 챔버 각각으로부터 추출될 수 있다. 다른 예에서, 상기 복수의 아크 챔버(150) 중 하나 이상은 나머지 상기 복수의 아크 챔버와 다르게 구성된다. 예를 들면, 특정 종과 연관된 복수의 종 및/또는 복수의 조건이 상기 복수의 아크 챔버 각각으로부터 추출될 수 있다. 그와 같이, 상기 이온 소스(108)는, 예를 들면, 상기 이온 소스(108) 내의 진공 환경(126)을 상기 외부 환경(134)에 개방하거나 아니면 노출할 필요 없이 상기 복수의 아크 챔버(150) 중 어느 하나로부터 상기 이온 빔(112)을 추출하고 형성하도록 구성된다.

상기 복수의 아크 챔버(150)는 상기 복수의 아크 챔버 각각을 추출 위치(154)로 선택적으로 이송시키도록 구성된 이송 장치(152)에 제공, 연결, 아니면 연관된다. 상기 추출 위치(154)는, 예를 들면, 일반적으로 도 1의 상기 이온 빔(112)의 말단(156, terminus)을 규정하는데, 상기 이온 빔은 상기 이온 소스(108)와 연관된 추출 개구(158)에서 나온다. 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버(150)는 도 2에 대체로 십자 형태의 네 개의 아크 챔버(160A-160D)로 도시되어 있다. 네 개의 아크 챔버(160A-160D)가 십자 형으로 보여지지만, 이송 장치(152)에 대해 어떤 수의 아크 챔버와 그에 따른 구성이 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려됨이 이해될 것이다.

한 예에 따르면, 상기 이송 장치(152)는 도 2에 회전부(162, carrousel)을 포함하는 것으로 도시된다. 상기 회전부(162)은, 예를 들면, 상기 추출 위치(154)에 대해 회전적으로 고정된 정적(static) 실린더(164)를 포함한다. 동적(dynamic) 실린더(166)는, 예를 들면, 상기 회전부(162)을 규정하기 위해 상기 정적 실린더(164)에 추가로 회전 가능하게 연결되고, 상기 복수의 아크 챔버(150)는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결되고 상기 동적 실린더 주위로 원주방향으로 이격된다. 그와 같이, 상기 동적 실린더(166)의 상기 정적 실린더(164)에 대한 회전 위치는 각 아크 챔버(160A-160D)를 상기 추출 위치(154)에 선택적으로 정렬시킨다.

상기 회전부(162)은, 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각을 선택적으로 위치시킴으로써 하나의 아크 챔버만(예를 들면, 도 2에서 보여진 예에서의 아크 챔버(160A)) 어떤 주어진 시간에 추출 위치(154)에 위치하도록 구성된다. 도 1의 상기 이온 빔(112)은, 예를 들면, 따라서 상기 복수의 아크 챔버 중 상기 추출 위치(154)에 위치한 상기 선택된 하나로부터 추출된다.

한 예에 따르면, 도 3-4에 도시되었듯이, 상기 이송 장치(152)는 기어 세트(170)에 연결된 입력 샤프트(168)를 더 포함한다. 상기 기어 세트(170)는, 본 예에서, 상기 동적 실린더(166)에 동작 가능하게 연결된 제1 기어(172)와 상기 입력 샤프트(168)에 동작 가능하게 연결된 제2 기어(174)를 포함한다. 상기 입력 샤프트(168)는, 예를 들면, 따라서 상기 기어 세트(170)를 통해 상기 동적 실린더(166)를 회전시키도록 구성되고, 그에 의해 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각의 상기 추출 위치(154)로의 선택적인 이송을 제공한다. 한 예에서, 상기 기어 세트(170)는 헐거운(loose-fitting) 비표준 기어를 포함할 수 있는데, 이는 보다 타이트하고 전통적인 기어 세트에 반해, 열 팽창, 물질 침전(deposits), 및 이온 주입 시스템에서 사용이 허용되는 윤활유에 대한 일반적인 제한과 연관된 허용 오차에 대한 이점을 제공한다.

상기 기어 세트(170)는, 예를 들면, 큰 톱니(teeth) 간격으로 인한 낮은 정밀도를 가질 수 있다. 상기 복수의 아크 챔버(150)를 상기 추출 위치에 정렬시키기 위해, 스프링 멈춤쇠와 같은 하나 이상의 멈춤쇠(175)가 상기 동적 실린더(166) 및 상기 정적 실린더(164) 중 하나 이상과 연관될 수 있다. 상기 하나 이상의 멈춤쇠(175)는, 예를 들면, 따라서 상기 각 복수의 아크 챔버(150)의 상기 추출 위치(154)와의 선택적 정렬에 따라 상기 정적 실린더(164)에 대한 상기 동적 실린더(166)의 상기 회전 위치를 선택적으로 고정한다. 상기 하나 이상의 멈춤쇠(175)는, 한 예에서, 상기 정적 실린더(164)에 연결된 하나 이상의 스프링 플런저(plungers, 미도시)를 포함할 수 있는데, 상기 플런저는 상기 회전부(162)의 정확한 회전을 유도하기 위해 동적 실린더(166)상의 하나 이상의 만입부(indents) 또는 슬롯(미도시)으로 연장된다. 상기 하나 이상의 멈춤쇠(175)는, 예를 들면, 고온 환경을 겪기 때문에 인코넬(Inconel) 재료로 구성된 스프링을 포함할 수 있다.

다른 예에서, 상기 이송 장치(152)는, 본 예에서, 상기 입력 샤프트(168)에 동작 가능하게 연결된 모터(176, 예를 들면, 스테퍼 모터(stepper motor) 또는 서보모터(servomotor))를 더 포함하는데, 상기 모터는 상기 샤프트를 선택적으로 회전시키도록 구성됨으로써, 상기 복수의 아크 챔버(150)를 선택적으로 회전시키거나 이송시킨다. 상기 모터(176)는, 예를 들면, 도 1의 상기 제어기(136)에 의해 제어될 수 있다.

가스 연결 요소(178)는, 예를 들면, 도 2에 도시되었듯이, 상기 추출 위치(154)에 있는 상기 아크 챔버(160A, 도 2에 보여지듯이)로의 가스 유입을 위해, 각 상기 복수의 아크 챔버(150)와 각각 추가로 연관된다. 각 가스 연결 요소(178)는, 예를 들면, 상기 동적 실린더(166)의 상기 회전 위치를 기반으로 상기 정적 실린더(164)와 연관된 고정된 가스 도관(180, conduit)과 선택적으로 인터페이스하도록 구성된다. 각 가스 연결 요소(178)는, 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각의 상기 추출 위치(154)와의 선택적 정렬에 따라 상기 고정 가스 도관(180)과 정렬되도록 구성된다. 한 예에서, 상기 가스 연결 요소(178) 및 고정 가스 도관(180)은 연결부위를 통해 가스가 빠져나가는 것을 최소화하기 위해 대략 0.025mm의 간격에 의해 분리된다.

다른 예에 따르면, 하나 이상의 전기 연결 요소(182)가 상기 복수의 아크 챔버(150)와 각각 연관된다. 상기 하나 이상의 전기 연결 요소(182) 각각은, 예를 들면, 상기 동적 실린더의 회전 위치를 기반으로 상기 정적 실린더(164)와 연관된 하나 이상의 고정 전기 요소(184)와 선택적으로 인터페이스하도록 구성된다. 도 4에 도시된 상기 하나 이상의 고정 전기 요소(184)는, 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각과 연관되고, 예를 들면, 상기 각 아크 챔버의 캐소드(미도시)와 연관된 각각의 캐소드 전기 연결부(186) 및 상기 복수의 아크 챔버 각각의 각 필라멘트(미도시)와 연관된 필라멘트 전기 연결부(188)를 포함한다.

예를 들면, 상기 연결부는 정적 실린더(164)에서 동적 실린더(166)의 관통 슬롯(through-slots)으로 만들어질 수 있다. 보여지진 않았지만, 전도성 물질의 스트랩(straps)은, 예를 들면, 굴곡과 움직임의 수용을 위해 제공될 수 있고, 스프링은 적절한 전기적 접촉을 제공하기 위해 상기 동적 실린더(166)가 상기 정적 실린더에 대해 회전함에 따라 전도체를 밀고 당기도록 구현될 수 있다.

도 1의 상기 이온 소스(108)는 도 3-5에 도시된 진공 플랜지(190, flange)에 의해 상기 외부 환경(134)으로부터 상기 진공 환경(126)의 격리를 유지하는데, 그에 의해 입력 샤프트(168), 하나 이상의 고정 전기 요소(184), 등을 위한 상기 진공 플랜지를 통해 통로(192)가 제공된다는 점을 유의한다. 강유체 밀봉(194, ferrofluidic seal)은, 예를 들면, 상기 입력 샤프트(168)를 격리하기 위해 추가로 제공된다.

다른 실시예에 따르면, 도 2의 상기 복수의 아크 챔버(150)는, 예를 들면, 대체로 동일한 것으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각은 특정한 종(예를 들면, 붕소)을 주입하도록 구성된다. 그와 같이, 만일 상기 추출 위치(154)에서 현재 사용중인 상기 복수의 아크 챔버(150) 중 하나(예를 들면, 아크 챔버 160A)가 고장을 겪거나 미리 정해진 수명에 도달하면, 상기 복수의 아크 챔버 중 다른 하나(예를 들면, 아크 챔버 160B, 160C, 또는 160D)가 최소의 중단시간으로, 그리고 실질적으로 상기 진공 환경(126)을 변경하지 않으면서 상기 주입 위치로 이송될 수 있다. 따라서, 상기 이온 주입 시스템(100)의 유지보수와 연관된 중단시간이 줄어든다. 예를 들면, 본 예는 상기 네 개의 아크 챔버(160A-160D)의 상기 회전부(162)로의 연결에 의해 상기 이온 주입 시스템의 가동시간을 대략 네 배 증가시키는 것을 고려한다. 본 예에서 네 개의 아크 챔버(160A-160D)가 설명되었지만, 어떤 수의 아크 챔버도 고려됨을 다시 유의한다.

다른 예시 실시예에서, 상기 복수의 아크 챔버(150, 예를 들면 네 개의 아크 챔버(160A-160D)) 각각은 나머지에 대해 고유한 구성을 가지면서 상기 회전부(162) 내에 제공된다. 예를 들면, 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각의 각 구성은, 선택된 하나 이상의 종을 주입할 때 상기 이온 주입 시스템(100)의 성능을 향상시키기 위해, 및/또는 특정 종에 대해 고유한 고장 모드를 예방하기 위해, 복수의 상이한 종에 대해 제공된다. 예를 들면, 아크 챔버 160A는 붕소 이온을 생성하도록 구성될 수 있고, 아크챔버 160B는 탄소 이온을 생성하도록 구성될 수 있고, 등이다.

대안으로, 상기 복수의 아크 챔버(150)는 고유하고 동일한 아크 챔버(160A-160D)의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 아크 챔버 160A 및 160B는 일반적으로 서로 동일한 것으로 제공될 수 있는 반면, 아크 챔버 160C 및 160D는 일반적으로 서로 동일하지만 아크 챔버 160A 및 160B에 대해서는 전체적으로 고유한 것으로 제공될 수 있다. 그와 같이, 고유하고 동일한 아크 챔버(160A-160D)의 어떤 조합뿐 아니라 상기 복수의 아크 챔버(150)의 수량 또한 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려된다.

도면에 보여진 상기 회전부(162)의 구성이 제한되는 것으로 고려되어서는 안된다는 것에 유의해야 하는데, 상기 복수의 아크 챔버(150) 중 하나를 상기 추출 위치(150)에 선택적으로 위치시키기 위한 어떤 메커니즘도 고려되어야 하고, 회전, 선형, 및 진동 메커니즘을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

따라서, 본 발명은 연관된 상기 진공 환경(126)을 실질적으로 방해하지 않으면서 이온 주입 시스템의 상기 추출 위치(154)에 상기 복수의 아크 챔버(150) 각각을 위치시키기 위한 시스템 및 장치에 대한 설계를 제공한다. 상기 설계는, 예를 들면, 동적 실린더와 기어, 정렬 보조 플런저, 실린더간의 방향성 가스 연결, 및 스프링 장착(spring-loaded) 전기적 접점에 의한 상기 복수의 아크 챔버의 움직임을 포함할 수 있다. 정적 실린더 내의 전기적 연결을 위한 추가 지지부가, 쉽게 교체 가능한 구성요소로서 스프링 플런저와 상기 정적 실린더에 대한 가스 입력을 위한 오링(o-rings)과 함께 고려된다.

현재 개시된 상기 아크 챔버(150)를 교체하는 개념을 넘어서, 본 발명은 단일 세트의 전력 공급장치와 가스 시스템을 상기 복수의 챔버에 공급 가능하게 하는 다양한 전기 및 가스 연결의 선택적인 연결(예를 들면, 연결을 만들고 및/또는 끊는)을 추가로 제공한다. 본 발명은 아크 챔버 출구 개구가 나머지 상기 빔라인에 대해 정확히 배향되도록 대체로 보장하기 위한 특징부의 위치를 추가로 제공한다.

본 발명은 도면에 보여진 특정 이송 장치에 제한되지 않음이 더 이해되어야 한다. 예를 들면, 벨트, 풀리(pulley), 레버(levers), 직접 구동, 간접 구동, 또는 수동 이송에 의해 구동되는 것과 같은 다양한 다른 이송 장치가 고려된다. 또한, 회전이 상기 복수의 아크 챔버(150) 이송의 한 실시예지만, 선형으로 이송된 아크 챔버의 선형 열(row), 균일 또는 불균일 트랙에 설정된 아크 챔버 또는 다양한 다른 이송 시스템과 같은 다양한 다른 이송이 고려된다.

본 발명의 다른 측면에서, 도 6은 이온 빔 형성 방법(300)을 도시한다. 예시 방법이 일련의 동작 및 이벤트로 여기에 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 일부 단계가 여기 보여지고 설명된 것과 별개로, 본 발명에 따라, 다른 단계와는 다른 순서 및/또는 동시에 발생되기 때문에, 그러한 동작 및 이벤트의 도시된 순서에 의해 제한되지 않음이 이해되어야 함을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위해 모든 도시된 단계들이 필요한 것은 아니다. 더욱이, 상기 방법은 여기 도시되고 설명된 상기 시스템 뿐 아니라 도시되지 않은 다른 시스템과 연관하여 구현될 수 있음이 이해될 것이다.

도 2에 보여진 상기 방법(300)은, 예를 들면 거기에 동작 가능하게 연결된 복수의 아크 챔버를 가지는 이온 소스를 제공함으로써 동작 302로 시작한다. 동작 304에서, 상기 복수의 아크 챔버 중 하나가 빔라인 위치로 이송된다(예를 들면, 위에서 논의된 상기 회전부를 통해 회전됨). 동작 304에서 사용되기 위한 상기 복수의 아크 챔버 중 상기 하나의 선택은 동작 304의 수행 전에 수행될 수 있고, 상기 선택은 주입의 원하는 특성(예를 들면, 종, 온도, 전력, 오염 수준, 등)에 기반할 수 있다.

동작 306에서, 이온 빔이 상기 복수의 아크 챔버 중 상기 하나를 이용하여 형성된다. 동작 308에서, 상기 복수의 아크 챔버 중 다른 하나가 상기 빔라인 위치로 이송된다. 동작 308에서 사용되기 위한 상기 복수의 아크 챔버 중 상기 다른 하나의 선택은, 예를 들면, 동작 308의 수행 전에 수행될 수 있고, 상기 선택은 주입의 다른 원하는 특성(예를 들면, 종, 온도, 전력, 오염 수준, 등)에 기반할 수 있다. 동작 310에서, 다른 이온 빔이 상기 복수의 아크 챔버 중 상기 다른 하나를 이용하여 형성된다.

본 발명이 특정 바람직한 실시예 또는 실시예들에 대해 보여지고 설명되었지만, 이 명세서 및 첨부된 도면을 읽고 이해함에 따라 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 동등한 변경 및 수정이 떠오를 것은 명백하다. 특히 위에서 설명한 구성요소들(조립체, 장치, 회로 등)에 의해 수행되는 다양한 기능들과 관련하여, 그러한 구성요소를 설명하기 위해 사용된 용어들("수단(means)"에 대한 참조를 포함하여)은, 달리 지시되지 않는 한, 상기 설명된 구성요소의 특정한 기능을 수행하는 어떤 구성요소에 대응하고(예를 들면, 즉 기능적으로 동등한), 여기 도시된 본 발명의 예시적인 구현들에서의 기능을 수행하는 상기 개시된 구조들에 구조적으로 동등하지 않더라도 마찬가지이다. 또한, 본 발명의 특정 기능이 여러 실시예들 중 하나에 대해서만 개시되었더라도, 그러한 기능은 어떤 주어진 또는 특정한 응용에 대해 바람직하거나 유리할 수 있는 다른 실시예들의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수 있다.

Claims

이온 빔 형성을 위한 이온 소스로서,
상기 이온 소스는:
상기 이온 빔의 말단을 대체로 규정하는 추출 위치;
복수의 아크 챔버; 및
상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 추출 위치로 선택적으로 이송하도록 구성된 이송 장치;
를 포함하는 이온 소스.
제1항에 있어서,
상기 이송 장치는 회전부(carrousel)를 포함하되,
상기 회전부는:
상기 추출 위치에 대해 회전적으로 고정된 정적 실린더; 및
상기 정적 실린더에 회전 가능하게 연결된 동적 실린더;
를 포함하고,
상기 복수의 아크 챔버는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결되고 그 주위에 원주방향으로 이격되고, 상기 동적 실린더의 상기 정적 실린더에 대한 회전 위치는 상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 추출 위치에 선택적으로 정렬시키는, 이온 소스.
제2항에 있어서,
상기 이송 장치는 입력 샤프트 및 기어 세트를 더 포함하되,
상기 기어 세트는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결된 제1 기어와 상기 입력 샤프트에 동작 가능하게 연결된 제2 기어를 포함하고,
상기 입력 샤프트는 상기 기어 세트에 의해 상기 동적 실린더를 회전시키도록 구성되고, 그에 의해 상기 추출 위치에 대하여 상기 복수의 아크 챔버 각각의 선택적인 이송을 제공하는, 이온 소스.
제3항에 있어서,
상기 이송 장치는 상기 입력 샤프트에 동작 가능하게 연결된 모터를 더 포함하되,
상기 모터는 상기 입력 샤프트를 선택적으로 회전시키도록 구성되는, 이온 소스.
제2항에 있어서,
상기 이송 장치는 상기 동적 실린더 및 상기 정적 실린더 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 멈춤쇠(detents)를 더 포함하되,
상기 하나 이상의 멈춤쇠는 상기 복수의 아크 챔버 각각의 상기 추출 위치와의 상기 선택적인 정렬에 따라, 상기 정적 실린더에 대한 상기 동적 실린더의 상기 회전 위치를 선택적으로 고정시키는, 이온 소스.
제2항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관되는 가스 연결 요소 - 각각의 가스 연결 요소는 상기 동적 실린더의 상기 회전 위치를 기반으로 상기 정적 실린더와 연관된 고정 가스 도관과 선택적으로 인터페이스하도록 구성됨 -; 및
상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관되는 하나 이상의 전기 연결 요소 - 상기 하나 이상의 전기 연결 요소 각각은 상기 동적 실린더의 상기 회전 위치를 기반으로 상기 정적 실린더와 연관된 하나 이상의 고정 전기 요소와 선택적으로 인터페이스하도록 구성됨 -;
를 더 포함하는, 이온 소스.
제6항에 있어서,
각 가스 연결 요소는 상기 복수의 아크 챔버 각각과 상기 추출 위치와의 상기 선택적 정렬에 따라 고정 가스 도관과 정렬되도록 구성되고, 그에 의해 상기 가스 연결 요소 및 고정 가스 도관은 약 0.025mm 간격만큼 분리되는, 이온 소스.
제6항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버 각각과 연관된 상기 하나 이상의 전기 연결 요소는 상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관되는 캐소드(cathode) 및 필라멘트로의 각 전기 연결부를 포함하는, 이온 소스.
제1항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버 중 둘 이상은 대체로 서로 동일한, 이온 소스.
제1항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버 중 적어도 하나는 상기 복수의 아크 챔버 중 나머지에 대해 적어도 하나의 고유한 특징을 가지는, 이온 소스.
제1항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버 중 적어도 하나는 제1 소스 종으로부터 플라즈마를 형성하도록 구성되고,
상기 복수의 아크 챔버 중 적어도 다른 하나는 제2 소스 종으로부터 플라즈마를 형성하도록 구성되되,
상기 제1 소스 종은 상기 제2 소스 종과 다른, 이온 소스.
제11항에 있어서,
상기 제1 소스 종은 탄소(carbon)를 포함하고 상기 제2 소스 종은 붕소(boron)를 포함하는, 이온 소스.
이온 주입 시스템으로서,
빔라인을 따라 이온 빔을 형성하도록 구성된 이온 소스를 포함하되,
상기 이온 소스는 복수의 아크 챔버를 포함하고,
상기 복수의 아크 챔버 각각은 상기 이온 빔을 각각 형성하기 위해 상기 빔라인을 따라 선택적으로 위치할 수 있고,
상기 이온 빔은 상기 빔라인을 따라 선택적으로 위치한 상기 복수의 아크 챔버 각각과 각각 연관된 특징을 가지는, 이온 주입 시스템.
제13항에 있어서,
상기 이온 소스는 하나 이상의 주입 조건에 기반하여 상기 빔라인을 따라 상기 복수의 아크 챔버 각각을 선택적으로 위치시키도록 구성되는, 이온 주입 시스템.
제14항에 있어서,
상기 하나 이상의 주입 조건은 원하는 주입의 종, 원하는 상기 주입의 기능, 상기 이온 소스의 동작 시간의 미리 정해진 길이, 상기 이온 소스와 연관된 결함 조건, 및 입자 오염 조건 중 하나 이상을 포함하는, 이온 주입 시스템.
제13항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버는 회전부에 동작 가능하게 연결되고,
상기 회전부는:
상기 빔라인에 대해 회전적으로 고정된 정적 실린더; 및
상기 정적 실린더에 회전 가능하게 연결되는 동적 실린더;
를 포함하고,
상기 복수의 아크 챔버는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결되고 그 주위에 원주방향으로 이격되고, 상기 정적 실린더에 대한 상기 동적 실린더의 회전 위치는 상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 빔라인과 선택적으로 정렬시키는, 이온 주입 시스템.
제16항에 있어서,
입력 샤프트 및 기어 세트를 더 포함하되,
상기 기어 세트는 상기 동적 실린더에 동작 가능하게 연결된 제1 기어와 상기 입력 샤프트에 동작 가능하게 연결된 제2 기어를 포함하고,
상기 입력 샤프트는 상기 기어 세트에 의해 상기 동적 실린더를 회전시키도록 구성되고, 그에 의해 상기 복수의 아크 챔버 각각을 상기 빔라인을 따라 선택적으로 위치시키는, 이온 주입 시스템.
제17항에 있어서,
상기 입력 샤프트에 동작 가능하게 연결된 모터를 더 포함하되,
상기 모터는 상기 입력 샤프트를 선택적으로 회전시키도록 구성되는, 이온 주입 시스템.
제13항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버 중 둘 이상은 대체로 서로 동일한, 이온 주입 시스템.
제13항에 있어서,
상기 복수의 아크 챔버는 십자 형태의 네 개의 아크 챔버를 포함하는, 이온 주입 시스템.