KR20220137920A - 전하 스트리핑 메커니즘을 이용한 이온 주입 시스템의 금속 오염 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

미량 금속 오염을 완화하면서 높은 전하 상태 이온들을 공작물 내로 주입하는 방법은 이온 소스 내에서 원하는 종으로부터 제1 전하 상태의 원하는 이온들을 생성하는 단계, 및 제1 이온 빔 내에서 오염물 종의 미량 금속 이온들을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 원하는 이온들 및 상기 미량 금속 이온들의 전하 대 질량비는 같다. 상기 원하는 이온들 및 미량 금속 이온들은 상기 이온 소스로부터 추출된다. 상기 원하는 이온들로부터 하나 이상의 전자를 스트리핑하여 제2 전하 상태에 있는 상기 원하는 이온들 및 상기 미량 금속 이온들의 제2 이온 빔을 형성한다. 상기 제2 이온 빔에서 상기 원하는 이온들만 전하 선택기를 선택적으로 통과하여 상기 제2 전하 상태에 있는 원하는 이온들 및 무 미량 금속 이온의 최종 이온 빔을 형성하고, 상기 제2 전하 상태의 원하는 이온들은 공작물 내로 주입된다.

Description

전하 스트리핑 메커니즘을 이용한 이온 주입 시스템의 금속 오염 제어 장치 및 방법

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원하는 전하 상태를 위해 고에너지에서 오염을 제어하고 이온 빔 전류를 증가시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 출원은 2020년 2월 7일에 출원된 미국 가출원 제62/971,473호의 이익을 주장하며, 이의 모든 내용은 그 전체가 본원에 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 집적 회로의 제조 동안 n형 또는 p형 물질 도핑을 생성하거나, 패시베이션 층(passivation layer)을 형성하기 위함이다. 그러한 빔 처리는 집적 회로의 제조 동안 미리 정해진 에너지 수준과 제어된 농도에서 특정 도펀트(dopant) 물질의 불순물로 웨이퍼에 선택적으로 주입하여, 반도체 물질을 생성하기 위해 종종 사용된다. 반도체 웨이퍼를 도핑하기 위해 사용될 때, 상기 이온 주입 시스템은 원하는 외부 물질(또는 ‘불순물’)을 생성하기 위해 선택된 종류의 이온을 상기 공작물에 주입한다. 예를 들면, 안티몬(antimony), 비소(arsenic), 또는 인(phosphorus)과 같은 소스 물질로부터 생성된 이온의 주입은 “n-형” 외부 물질(또는 ‘불순물’) 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, 사후 가속 구간이 있거나 없는 빔 전송 장치 및 웨이퍼 처리 장치를 포함한다. 이온 소스는 원하는 원자 또는 분자 도펀트 종의 이온을 생성한다. 이러한 이온은 일반적으로 이온 소스로부터 이온의 흐름에 에너지를 공급하고 방향을 정하는 전극 세트인 이온 추출 장치에 의해 이온 소스로부터 추출되어 이온 빔을 형성한다. 원하는 이온은 일반적으로 추출된 이온 빔의 질량 분산 또는 분리를 수행하는 자기 쌍극자인, 질량 분석 장치에서 이온 빔으로부터 분리된다. 일반적으로 일련의 집속(focusing) 장치를 포함하는 진공 시스템인, 빔 전송 장치는 이온 빔의 원하는 특성을 유지하면서 분석된 이온 빔을 상기 웨이퍼 처리 장치로 전송한다. 마지막으로, 처리될 웨이퍼를 분석된 이온 빔 앞에 위치시키고 처리된 웨이퍼를 이온 주입기로부터 제거하기 위해, 반도체 웨이퍼는 하나 이상의 로봇 팔을 포함할 수 있는 웨이퍼 핸들링 시스템을 통해 웨이퍼 처리 장치의 안팎으로 전송된다.

RF 기반 가속기와 DC 기반 가속기가 이온 주입기에 구현될 수 있으며, 이에 따라 이온들은 가속기의 여러 가속 스테이지를 거쳐 반복적으로 가속될 수 있다. 예를 들면, RF 기반의 가속기는 전압 구동 가속 갭을 가질 수 있다. RF 가속 필드의 시간 변화 특성과 복수의 가속 갭 때문에 많은 수의 파라미터가 있는데, 이는 최종 빔 에너지에 영향을 미친다. 이온 빔의 전하 상태 분포가 변할 수 있기 때문에, 이온 빔의 전하 값을 초기에 의도한 단일 값으로 유지하기 위해 상당한 노력이 기울여진다.

본 발명은, 높은 에너지 수준에서의 주입 레시피(예를 들어, 이온 빔 에너지, 질량, 전하 값, 빔 순도, 빔 전류 및/또는 상기 주입의 총 선량 수준)에 대한 상당한 요구가 이온 소스를 불필요하게 손상시키지 않으면서 보다 높은 빔 전류 및 빔 순도를 제공할 것을 요구한다는 것을 인식한다. 이에 따라, 높은 순도의 빔 전류를 증가시키기 위한 시스템 또는 방법이 제공된다.

따라서, 다음은 본 발명의 일부 측면의 기본적 이해를 제공하기 위해 본 발명의 단순화된 요약을 제공한다. 이 요약은 본 발명의 확장된 개요가 아니다. 본 발명의 중요한 또는 결정적인 요소를 확인하거나 본 발명의 범위를 설명하려는 의도가 아니다. 그 목적은 이후에 나타나는 보다 자세한 설명에 대한 서문으로서 본 발명의 일부 개념을 단순화된 형태로 제공하는 것이다.

본 발명의 측면들은 공작물 내로 이온(예를 들어, 비소 이온)을 주입하기 위한 이온 주입 공정을 용이하게 한다. 한 예시적인 측면에 따르면, 이온 빔을 형성하도록 구성된 이온 소스, 상기 이온 빔을 선택적으로 전송하도록 구성된 빔라인 조립체, 및 이온을 공작물 내로 주입하기 위해 상기 이온 빔을 수용하도록 구성된 종단 스테이션을 가지는 이온 주입 시스템이 제공된다.

한 예시적인 측면에 따르면, 상기 이온 소스는 원하는 종의 이온들 및 오염물 종의 미량 금속 이온들 모두 생성하도록 구성된다. 상기 원하는 종의 원하는 이온들은 예를 들면 제1 전하 상태에 있고, 여기서 상기 원하는 이온들과 상기 미량 금속 이온들의 전하 대 질량비는 같다. 추출 장치는 상기 이온 소스로부터 상기 원하는 이온들 및 미량 금속 이온들을 추출하여 제1 이온 빔을 형성하도록 구성되고, 질량 분석기는 상기 제1 이온 빔으로부터 상기 원하는 이온들 및 미량 금속 이온들을 선택하고 이에 의해 질량 분석된 이온 빔을 형성하도록 구성된다. 가속기는 상기 질량 분석된 이온 빔을 제1 에너지에서 제2 에너지로 가속시키도록 구성되고, 전하 스트리핑 장치(또는 '전하 박리 장치'라고도 지칭됨)는 상기 원하는 이온들로부터 하나 이상의 전자를 스트리핑하고 이에 의해 제2 전하 상태에 있는 상기 원하는 이온들 및 상기 미량 금속 이온들을 포함하는 제2 이온 빔을 형성하도록 구성된다. 또한, 전하 선택기는 상기 전하 스트리핑 장치의 다운스트림에 위치하고, 여기서 상기 전하 선택기는 상기 제2 전하 상태에 있는 상기 원하는 이온들만을 선택적으로 통과시키도록 구성된다. 이에 따라, 최종 이온 빔이 형성되고, 여기서 상기 최종 이온 빔은 상기 제2 전하 상태의 원하는 이온들을 포함하고 미량 금속 이온을 포함하지 않는다. 종단 스테이션이 공작물 내로 상기 원하는 이온들을 주입하기 위한 상기 최종 이온 빔을 수용하도록 추가로 구성될 수 있다.

한 예에 따르면, 상기 전하 선택기는 상기 전하 스트리핑 장치에 근접하게 위치된 전자기 질량 분석기를 포함한다. 다른 예에서, 상기 전하 스트리핑 장치는 상기 가속기 내에 위치한다.

상기 가속기는, 예를 들면, 복수의 가속기 스테이지를 포함할 수 있고, 여기서 상기 전하 스트리핑 장치는 상기 복수의 가속기 스테이지 중 두 개 이상 사이에 위치된다. 상기 가속기는, 예를 들면, 가속 RF 필드를 생성하도록 구성된 하나 이상의 공진기를 가진 RF 가속기를 포함할 수 있다. 예를 들면, RF 가속기에서, 상기 복수의 가속기 스테이지는 각각 가속 필드를 생성하도록 구성된 하나 이상의 공진기를 포함한다.

다른 예에서, 상기 가속기는 고정 DC 고전압을 통해 상기 원하는 이온들을 가속하도록 구성된 DC 가속기를 포함한다. 또 다른 예에서, 상기 전하 선택기는 에너지 필터를 포함한다. 또한, 상기 최종 이온 빔을 왕복 스캔하여 스캔된 이온 빔을 형성하도록 구성된 스캐너가 제공될 수 있다. 상기 스캐너는, 예를 들면, 상기 최종 이온 빔을 각각 정전기적으로 또는 전자기적으로 스캔하여 상기 스캔된 이온 빔을 형성하도록 구성된 정전 스캐너 또는 전자기 스캐너를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 상기 스캔된 이온 빔을 상기 공작물 내로 주입하기 위해 평행화하고 이동시키도록 구성된 각도 교정 렌즈가 제공된다.

또 다른 예에 따르면, 상기 전하 스트리핑 장치는 펌프 및 가스 소스를 포함하고, 여기서 상기 펌프는 상기 가스 소스로부터 가스를 펌핑하고 상기 가속기 내로 상기 가스의 흐름을 제어하도록 구성되고, 상기 가스의 흐름은 상기 원하는 종의 이온들로부터 전자들을 스트리핑하도록 구성된다. 상기 가스는, 예를 들면, 육불화황(sulfur hexafluoride)을 포함한다.

상기 원하는 이온들은, 예를 들면, 비소 이온들을 포함할 수 있고, 상기 미량 금속 이온들은 티타늄 또는 철을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전하 상태의 원하는 이온들은 ₇₅As 3+ 이온들을 포함할 수 있고, 상기 미량 금속 이온들은 ₅₀Ti 2+ 이온들을 포함한다. 다른 예에서, 상기 제1 전하 상태의 원하는 이온들은 ₇₅As 4+ 이온들을 포함할 수 있고, 상기 미량 금속 이온들은 ₅₆Fe 3+ 이온들을 포함한다.

다른 예의 측면에 따르면, 빔라인을 따라서 이온 빔을 생성하도록 구성된 이온 소스를 포함하는 이온 주입 시스템이 제공되고, 여기서 상기 이온 빔은 제1 전하 상태 이온들 및 미량 금속 이온들을 포함한다. 상기 빔라인을 따라 상기 이온 빔을 질량 분석하는 질량 분석기가 제공되고, 상기 이온 빔을 제1 에너지에서 제2 에너지로 가속하도록 구성된 가속기가 상기 빔라인을 따라 위치한다.

전하 스트리핑 장치가, 예를 들어, 상기 시스템에 제공되고 상기 빔라인을 따라 상기 제1 전하 상태 이온들로부터 하나 이상의 전자를 스트리핑하고 이에 의해 제2 전하 상태 이온들 및 미량 금속 이온들을 포함하는 스트리핑된 이온 빔을 형성하도록 구성된다. 전하 선택 장치가, 예를 들어, 상기 빔라인을 따라 상기 전하 스트리핑 장치의 다운스트림에 위치하고 상기 스트리핑된 이온 빔에서 상기 제2 전하 상태 이온들을 선택하여 상기 빔라인을 따라 최종 이온 빔을 형성하도록 구성되며, 여기서 상기 최종 이온 빔은 상기 제2 전하 상태 이온들 및 대략 0의 미량 금속 이온을 포함한다. 또한, 상기 빔라인을 따라 위치하고 상기 제2 전하 상태 이온들이 주입될 공작물을 지지하도록 구성된 종단 스테이션이 제공될 수 있다.

한 예에서, 상기 가속기는 복수의 가속기 스테이지를 포함하고, 여기서 상기 전하 스트리핑 장치는 상기 복수의 가속기 스테이지 중 한 개 이상의 다운스트림에 위치된다. 상기 복수의 가속기 스테이지는, 예를 들면, 개별 가속기 장치 내에 형성된 다수의 가속 스테이지로 구성될 수 있다. 대안적으로, 상기 복수의 가속기 스테이지는 복수의 개별 가속기 장치에 의해 또는 그 내에 형성될 수 있다. 상기 전하 선택 장치는, 예를 들면, 상기 복수의 가속 스테이지 중 두 개 이상 사이에 추가로 위치될 수 있다. 상기 이온 주입 시스템은, 예를 들면, 상기 가속기의 다운스트림에 위치한 에너지 필터를 더 포함할 수 있고, 여기서 상기 에너지 필터는 상기 최종 이온 빔을 필터링하도록 더 구성된다.

다른 예에서, 상기 최종 이온 빔을 왕복 스캔하여 스캔된 이온 빔을 형성하도록 구성된 스캐너가 상기 시스템에 제공된다. 상기 스캐너는 상기 최종 이온 빔을 각각 정전기적으로 또는 전자기적으로 스캔하여 상기 스캔된 이온 빔을 형성하도록 구성된 정전 스캐너 또는 전자기 스캐너를 포함할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 미량 금속 오염을 완화하면서 높은 전하 상태 이온들을 공작물 내로 주입하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 예를 들면, 이온 소스 내에서 원하는 종의 원하는 이온들을 생성하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 원하는 이온들은 제1 전하 상태에 있고, 상기 원하는 이온들을 생성하는 단계는 오염물 종의 미량 금속 이온들을 더 생성하고, 상기 원하는 종과 상기 오염물 종의 전하 대 질량비는 같다. 상기 원하는 이온들 및 미량 금속 이온들이 상기 이온 소스로부터 추출되고, 이에 의해 제1 이온 빔을 형성한다. 한 예에서, 상기 제1 이온 빔이 질량 분석되고 이에 의해 질량 분석된 이온 빔을 형성한다. 한 예에서, 상기 질량 분석된 이온 빔이 가속된다. 상기 질량 분석된 이온 빔이, 예를 들어, 전하 스트리핑 요소를 통과하고, 여기서 상기 전하 스트리핑 요소는 상기 원하는 이온들로부터 하나 이상의 전자를 스트리핑하고 이에 의해 제2 전하 상태에 있는 상기 원하는 이온들 및 상기 미량 금속 이온들을 포함하는 제2 이온 빔을 형성한다. 상기 제2 이온 빔이 전하 선택기 요소를 통과하고, 이에 의해 상기 제2 전하 상태의 원하는 이온들을 포함하고 미량 금속 이온을 포함하지 않는 최종 이온 빔을 형성한다. 이어서, 상기 제2 전하 상태의 원하는 이온들이 상기 공작물 내로 주입된다.

도 1a는 본 발명의 한 측면에 따른 이온 주입 시스템을 도시하는 단순화된 평면도이다.
도 1b 본 발명의 한 측면에 따른 가속기 뒤의 전하 스트리퍼를 갖는 이온 주입 시스템을 도시하는 단순화된 평면도이다.
도 2는 본 발명의 적어도 한 측면에 따른 이온 주입 시스템의 부분이다.
도 3은 아르곤 및 육불화황(sulfur hexafluoride)을 통한 비소(arsenic) 빔의 전하 상태 분포를 도시한다.
도 4는 전하를 스트리핑하는 데 사용되는 다양한 매체를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 예에 따른 금속 오염 저감 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 예에 따른 금속 오염 저감 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이온 주입 시스템의 예시적인 레이아웃이다.
도 8은 본 발명의 추가 예에 따른 주입 시스템의 단순화된 개략도이다.

이온 주입은, 도펀트를 반도체 공작물 및/또는 웨이퍼 물질에 선택적으로 주입하기 위한 반도체 장치 제조에 적용되는 화학적 공정인 확산(diffusion)과는 반대로, 물리적 공정이다. 따라서, 주입 동작은 도펀트와 상기 반도체 물질 사이의 화학적 상호작용에 의존하지 않는다. 이온 주입에서, 도펀트 원자/분자는 이온화되고 격리되며, 때로는 가속되거나 감속되어, 빔으로 형성되고, 공작물 또는 웨이퍼에 걸쳐 휩쓸린다. 상기 도펀트 이온은 물리적으로 상기 공작물에 충돌하고, 표면으로 진입하여 일반적으로 그 결정질 격자 구조(crystalline lattice structure)의 상기 공작물 표면 아래에 정착한다. 공동 소유의 미국 특허 제8,035,080호(Satoh)는 빔 전류를 증가시키기 위한 다양한 시스템 및 방법을 기술하며, 그 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

본 발명은 (예를 들어, 이미지 센서의 형성에 사용되는) 고에너지 주입 임플란트 애플리케이션이 금속 오염에 매우 민감할 수 있음을 인식한다. 고에너지 애플리케이션은 더 높은 최종 에너지 주입을 획득하기 위해 종종 삼중 하전된(예를 들어, As ³⁺), 사중 하전된(예를 들어, As⁴⁺), 또는 훨씬 더 높게 하전된 이온 등의 더 높은 전하 상태 이온(예를 들어, 비소 이온)의 사용을 요구할 수 있다. 그러나, 이러한 더 높은 전하 상태 이온을 생성 및 추출하는 것은 추출된 이온 빔에 미량 금속 이온을 형성하는 더 높은 위험을 야기할 수 있다.

예를 들어, 이온 주입은 금속 오염에 매우 민감한 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensors, CIS)와 같은 일부 장치의 집적 회로(IC) 제조에 사용되며, 이러한 오염은 소위 백색 픽셀 및 암전류 성능 문제처럼 장치 성능에 영향을 줄 수 있다. 표면 금속 오염 및 활성 금속 오염과 같은 낮은 수준의 금속 오염은 CIS 소자 제작을 위한 고에너지 이온 주입으로부터 점점 더 요구되고 있다. 고에너지 이온 주입 시스템에서는, 예를 들면, 가속 스테이지(acceleration stage)들을 거치며 더 높은 최종 주입 에너지를 얻기 위해 다중 전하 상태 이온(multiple-charge state ion)이 이용된다. 그러나, 주입을 위한 이온 소스로부터의 더 높은 전하 상태 이온의 추출은 잠재적인 “활성 금속 오염 위험”으로 이어지며, 이에 의해 상기 이온 소스로부터 생성되는 소량이지만 추적 가능한 양의 하나 이상의 오염물 이온이 에너지를 얻어 분석 자석, 전기 필터, 및 속도 필터를 통과할 수 있고, 궁극적으로 공작물에 주입될 수 있다.

본 발명은 이온 빔 내의 이러한 미량 금속 이온들이 이러한 주입에서 바람직하지 않을 수 있다는 것을 인식하는데, 이는 상기 미량 금속 이온들이 원하는 더 높게 하전된 이온들과 함께 상기 공작물 내로 주입됨에 따라 그 결과 생성된 IC에서 잠재적인 문제점들을 일으키기 때문이다. 지금까지는, 이러한 미량 금속 오염 이온들 중 일부는 원하는 높은 전하 상태 이온 빔으로부터 필터링될 수 없었다. 예를 들어, 이온 소스에서 추출된 비소 이온 빔에서, 상기 이온 소스 내부에서 생성된 비소 삼중 전하(₇₅As³⁺) 이온과 티타늄 이중 전하(₅₀Ti²⁺) 이온은 모두 동일한 자기 강성, 에너지 대 전하 비 및 속도를 갖기 때문에 일반적으로 다운스트림 분석 자석, 전기 필터 및 속도 필터로 구분할 수 없다. 이와 같이, 두 이온이 상기 공작물에 도달할 것이며, 따라서 활성 금속 이온(예를 들어, Ti 오염)이 상기 공작물 내로 주입되게 할 것이다. 또 다른 유사한 예는 다운스트림 분석 자석이 비소 사중 전하(₇₅A⁴⁺) 이온을 선택하도록 구성될 때 일반적으로 이에 의해 분리될 수 없는 철 삼중 전하(₅₆Fe³⁺) 이온이다.

본 발명은 상기 추출된 이온 빔(예를 들어, ₇₅As³⁺)으로부터 선택된 하위 전하 상태 이온들로 시작하여 예를 들어 상기 이온 빔의 전송 동안 하나의 전자를 스트리핑하여 원하는 더 높은 전하 상태 이온 빔(예를 들어, ₇₅As⁴⁺)을 생성함으로써 상기 미량 금속 오염에 대한 해결책을 제공한다. 예를 들면, 하위 전하 상태 이온들로 시작하여 전하 스트리핑 공정 후에 상기 원하는 더 높은 전하 상태 이온들을 선택함으로써, 초기에 상기 선택된 하위 전하 상태 이온들과 동행하는 미량 금속 오염 이온들은 상기 원하는 더 높은 전하 상태 이온들로부터 분리될 수 있지만 상기 더 높은 전하 상태 이온들은 필요에 따라 주입을 위한 최종 에너지까지 더 가속될 수 있다. 이렇게 함으로써, 본 발명은, 예를 들어, 더 낮은 전하 상태 이온 생성을 위해 사용될 수 있는 더 낮은 아크 전력으로 인해 이온 소스에서 초기에 형성되는 미량 금속 이온들의 양을 감소시킬 수 있는 한편, 또한 공작물에 주입되기 전에 원하는 상기 더 높은 전하 상태 이온들로부터 미량 금속 이온들을 제거하기 위한 필터링 메커니즘을 제공할 수 있으며, 따라서 공작물에서 미량 금속 오염 감소를 이끌어낼 수 있다.

이러한 오염을 완화하기 위해, 본 발명은 빔라인을 따라 다운스트림으로 전하 스트리핑 후 원하는 이온을 선택함으로써 오염 이온(예를 들어, 전술한 Ti 또는 Fe 이온)이 분리될 수 있도록 상기 원하는 이온의 전하 상태를 획득하도록 구성된 전하 스트리퍼를 제공한다.

이제 도면들을 참조하면, 본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 예시적인 측면들에 따른 예시적인 이온 주입 시스템(100)을 도시한다. 이온 주입 시스템(100)은, 예를 들어, 아래에서 논의되는 바와 같이 때때로 후속 가속 주입기(post acceleration implanter)로 지칭될 수 있다.

도 1a의 이온 주입 시스템(100)은, 예를 들어, 이온 소스(104) 및 추출 전극(106)을 포함하는 소스 챔버 조립체(102)를 포함하여, 이온들을 중간 에너지로 추출 및 가속하고, 일반적으로 이온 빔(108)을 형성한다. 질량 분석기(110)는, 예를 들어, 분석된 이온 빔(112)을 형성하기 위해 이온 빔(108)으로부터 원치 않는 이온 질량 및 전하 종(charge species)을 제거하며, 이에 의해 가속기(114)는 상기 분석된 이온 빔을 가속하여 가속된 이온 빔(116)을 형성하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가속기(114)는 예를 들어, 이온들이 RF 필드에 의해 반복적으로 가속되는 RF 선형 입자 가속기(LINAC: linear particle accelerator)를 포함한다. 대안적으로, 상기 가속기(114)는 고정 DC 고전압으로 이온이 가속되는 DC 가속기(예를 들어, 탠덤 정전형 가속기)를 포함한다.

상기 이온 주입 시스템(100)은, 예를 들어, 상기 가속기(114)의 다운스트림에 위치된 에너지 필터(118)를 더 포함하고, 상기 에너지 필터는 상기 가속기(114)의 출력으로부터 나오는 가속된 이온 빔(116)으로부터 원치 않는 에너지 스펙트럼을 제거하여 최종 에너지 이온 빔(120)을 형성하도록 구성된다. 빔 스캐너(122)는, 예를 들어, 상기 에너지 필터(118)로부터 방출된 상기 최종 에너지 이온 빔(120)을 스캔하도록 구성되며, 이에 의해 스캔된 이온 빔(124)을 형성하기 위해 상기 최종 에너지 이온 빔이 빠른 주파수로 앞뒤로 스캔된다. 상기 빔 스캐너(122)는, 예를 들어, 상기 스캔된 이온 빔(124)을 형성하기 위해 상기 최종 에너지 이온 빔(120)을 정전기적으로 또는 전자기적으로 스캔하도록 구성된다.

상기 스캔된 이온 빔(124)은 각도 교정 렌즈(126) 내로 더 통과되며, 상기 각도 교정 렌즈는 상기 팬아웃 스캔된 빔(124)을 최종 이온 빔(128)으로 변환하도록 구성된다. 상기 각도 교정 렌즈(126)는, 예를 들어, 상기 최종 이온 빔(128)을 형성하기 위해 상기 스캔된 이온 빔(124)을 평행화하고 이동시키도록 구성될 수 있다. 상기 각도 교정 렌즈(126)는, 예를 들어, 상기 최종 이온 빔(128)을 형성하도록 구성된 전자기 또는 정전기 소자를 포함할 수 있다.

상기 최종 이온 빔(128)은 이어서, 예를 들어, 공정 챔버 또는 종단 스테이션(132)에 선택적으로 위치할 수 있는 공작물(130)(예를 들어, 반도체 웨이퍼)에 주입된다. 상기 공작물(130)은, 예를 들어, 공작물(130)의 전체 표면을 균일하게 조사하기 위해 하이브리드 스캔(hybrid scan) 방식으로 상기 최종 이온 빔(128)과 직교하여 이동(예를 들어, 종이 내외로 이동)할 수 있다. 본 발명은 상기 공작물(130)에 대해 상기 최종 이온 빔(128)을 스캔하기 위한 다양한 다른 메커니즘들 및 방법들을 인식하며, 그러한 모든 메커니즘들 및 방법들은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려된다.

도 1a 및 1b의 이온 주입 시스템(100)은, 예를 들어, 하이브리드 평행-스캔 단일-공작물 이온 주입 시스템으로서 구성될 수 있다. 상기 주입 시스템(100)은, 예를 들어, 주 가속기(114)가 질량 분석기(110)의 다운스트림 및 에너지 필터(118)의 업스트림에 위치하기 때문에, 사후 가속 주입기(post-acceleration implanter)(134)로도 지칭될 수 있다. 이러한 유형의 이온 주입기는 상기 가속기의 출력에서 원하지 않는 에너지 스펙트럼을 제거하기 위해 상기 가속기(114) 뒤에 예를 들어 상기 에너지 필터(118)를 제공한다. 그러나, 본 발명은 본 발명의 다양한 측면들이 도 1a-1b의 예시적인 시스템(100)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의 유형의 이온 주입 시스템과 연관되어 구현될 수 있다는 것을 인식함을 유의해야 한다.

한 예에서, 상기 가속기(114)를 통과한 이온 입자의 최종 운동 에너지는 이온 전하 값(q)을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 이온 전하 상태(q)는 한 실시예에서 도 1a에 도시된 바와 같은 가속기(114) 내에, 또는 도 1b에 도시된 바와 같은 두 개의 가속기(114A 및 114B) 사이에 전하 스트리퍼(136)를 제공함으로써 증가될 수 있다. 상기 가속기(114)는, 예를 들어, 많은 형태를 취할 수 있고, 도 1a에 도시된 예에 예시된 바와 같은 단일 가속기 장치에 의해 또는 단일 가속기 장치 내에, 또는 도 1b에 도시된 예에 예시된 바와 같은 다중 가속기 장치들에 의해 또는 다중 가속기 장치들 내에 형성된 임의의 수의 가속기 스테이지들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, RF 가속기인 가속기(114)에서, 다수의 가속기 스테이지(예를 들어, 6개 이상)는 가속 필드(도시되지 않음)를 생성하기 위한 공진기들을 포함할 수 있고, 상기 가속기 스테이지들 중 적어도 하나는 그 가속기 스테이지에서 공진기(들)를 대체하는 전하 스트리퍼(136)를 포함할 수 있다.

다른 한 예에서, 상기 이온 입자의 가속은 상기 가속기(114) 내에 위치한 상기 전하 스트리퍼(136) 전에 발생할 수 있는데, 예를 들면, 상기 가속기 내의 제1 복수의 가속 스테이지를 통해서 발생할 수 있다. 가속은 상기 전하 스트리퍼(136) 후에도 발생할 수 있는데, 예를 들면, 상기 가속기(114) 내의 제2 복수의 가속 스테이지를 통해서 발생할 수 있다. 대안적으로, 상기 제1 복수의 가속 스테이지는 상기 가속기(114) 외부에 있을 수 있다. 예를 들면, 도시되지는 않았지만, 상기 제1 복수의 가속 스테이지는 상기 질량 분석기(110)와 연관될 수 있고, 따라서, 상기 이온 빔(108)은 상기 전하 스트리퍼(136)로 들어가기 전에 가속되고 질량 분석된다.

다른 예에서, 상기 전하 스트리퍼(136)는 다운스트림에 위치하거나 도 1b에 도시된 바와 같이 제1 가속기(114A) 뒤에 위치할 수 있다. 상기 스트리핑 공정 후에 더 높은 전하 상태를 갖는 원하는 이온들을 선택하기 위해 전하 선택기(138)가 전하 스트리퍼(136) 뒤에 위치한다. 따라서 상기 선택된 더 높은 전하 상태 이온들은 원래 전하 상태 이온들보다 더 높은 최대 에너지를 얻기 위해 제2 가속기(114B)에 들어갈 수 있다. 도 1a 및 도 1b의 구성을 비교하면, 도 1b에 도시된 전하 선택기(138)는, 예를 들어, 다른 전하 상태 이온들이 제2 가속기(114B)로 들어가는 것을 방지하면서 원하는 이온 종의 특정 이온 전하 상태만을 선택하도록 구성될 수 있다. 따라서, 일부 경우에, 도 1b에 도시된 시스템(100)의 구성은 도 1a에 도시된 구성과 비교하여, 완전한 가속 후 원하는 이온의 에너지 스펙트럼을 상당히 정화할 수 있다.

한 예에서, 도 1a의 질량 분석된 이온 빔(112)은 제1 전하 상태(예를 들어, ₇₅As³⁺)를 포함하는 양이온을 포함하는데 상기 이온의 순 전하는 양일 수 있다. 상기 전하 스트리퍼(136)에 들어간 후에, 상기 제1 전하 상태의 양이온의 일부는 제2 전하 상태(예를 들어, ₇₅As⁶⁺)의 더 많은 양이온으로 변환될 수 있다. 따라서, 상기 가속기(114)에서 방출되는 상기 가속된 이온 빔(116)은 상기 제1 전하 상태의 더 낮은 농도의 양이온, 및 상기 제1 전하 상태를 이용하여 가능한 최대 운동 에너지 수준보다 높은 에너지의 제2 전하 상태의 농도의 이온을 포함한다. 상기 전하 스트리퍼(136)에서 전하 스트리핑 공정으로부터 전환된 제2 전하 상태 이온의 농도는, 예를 들어, 상기 이온 소스(104)로부터 이러한 제2 전하 상태 이온의 직접적인 추출에 비해 더 높을 수 있다. 상기 이온 소스(104)로부터 추출된 이온 빔(108)은, 예를 들어, 비소, 붕소, 인, 또는 다른 종들과 같은 임의의 빔 종들을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 한 측면에 따른 이온 주입 시스템의 예시 가속기(200)의 부분의 한 예를 도시한다. 예를 들어, 상기 가속기(200)는 RF 가속기를 포함할 수 있으며, 가속기 스테이지들(202, 204, 205, 206, 208, 210, 및 212)로서 본 예시에 도시된 임의의 개수의 가속기 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 가속기 스테이지들(202, 204, 205, 206, 208, 210, 및 212)은, 예를 들어, 양 측에 RF 가속 필드(미도시)를 생성하기 위한, RF 공진기에 의해 구동되는 하나 이상의 가속기 전극(214)을 각각 포함할 수 있다. 전하 상태(예를 들어, 순 전하 또는 원자가(valence))의 하전 입자들의 인바운드 이온 빔(216)은 상기 가속기 전극의 개구들을 연속적으로 통과할 수 있다. 가속 원리는 이 기술 분야에 잘 알려져 있다.

빔 집속(beam focusing)은 상기 가속기(200) 내에 통합된 렌즈들(217)(예를 들어, 정전 사중극자들(quadrupoles))에 의해 제공될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 가속기(200)는 단일 하전 이온을 제1 전하 상태에 대한 최대 운동 에너지 수준으로 가속할 수 있다. 한 실시예에서, 상위 제2 전하 상태의 이온들은 하위 제1 전하 상태에 대한 상기 최대 운동 에너지 수준보다 더 높은 에너지 수준에 도달하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 상기 제1 전하 상태의 이온들을 포함하는 상기 인바운드 이온 빔(216)은 진입 빔으로서 상기 가속기(200)로 들어갈 수 있고 상위 또는 하위 순 전하 원자가의 제2 전하 상태의 이온들로 변환될 수 있다. 상기 가속기(200) 내에 통합된 전하 스트리퍼(220)에 의해서와 같이, 그 내부의 전극을 제거함으로써, 상기 인바운드 이온 빔(216)은 상기 제2 상위 전하 상태의 이온들을 포함하는 아웃바운드 이온 빔(218)으로 변환될 수 있는데(예를 들어, ₇₅AS³⁺에서 ₇₅AS⁶⁺로 변환됨), 그에 의해 상기 제1 전하 상태에 대한 상기 최대 운동 에너지 수준을 넘어 빔 에너지를 증가시킨다.

일단 상기 인바운드 이온 빔(216)이 추출되고 형성되면, 상기 인바운드 이온 빔은 상기 가속기(200)(예를 들어, 13.56 MHz의 12개의 공진기 RF 선형 가속기)에 의해 가속될 수 있다. 본 발명이 한정되는 하나의 특별한 가속기나 선형 가속기(LINAC) 유형은 없다. 한 실시예에서, 상기 가속기(200)는 내부에서 상기 인바운드 이온 빔(216)을 가속하기 위한 상기 가속기(200)에 통합된 제1 복수의 가속기 스테이지(230) 및 상기 가속기(200)를 아웃바운드 이온 빔(218)으로서 방출하기 위해 상기 인바운드 이온 빔(216)을 더 가속하기 위한 상기 가속기(200)에 통합된 제2 복수의 가속기 스테이지(232)를 포함할 수 있다. 상기 제1 복수의 가속기 스테이지가 도2의 도시된 예에서 상기 가속기(200) 및 상기 전하 스트리퍼(220)의 업스트림에 통합되어 있지만, 상기 제1 복수의 가속기 스테이지(230)는 대안적으로 질량 분석기(예를 들어, 도 1의 질량 분석기(110)) 전에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 전하 스트리퍼(220)는, 예를 들어, 상기 제1 복수의 가속기 스테이지가, 상기 이온 소스에서 이용 가능한 양보다 더 큰 농도로 상기 제2 전하 상태의 이온들의 생산을 위한 높은 스트리핑 효율을 산출하기에 에너지가 충분히 높도록, 상기 제1 전하 상태의 이온들에 충분한 에너지를 제공하기만 한다면 상기 가속기(200)의 어느 상기 가속 스테이지에도 위치할 수 있다.

예를 들면, RF 가속기의 공진기는 어떤 가속 스테이지에서도 상기 전하 스트리퍼(220)로 교체될 수 있다. 한 실시예에서, 예를 들면, 상기 전하 스트리퍼(220)는 상기 인바운드 이온 빔(216) 방향의 상기 가속기의 상기 제1 복수의 가속기 스테이지(230) 중 하나 이상의 다운스트림, 및 상기 가속기(200)의 상기 제2 복수의 가속기 스테이지(232) 중 하나 이상의 업스트림에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 예를 들면, 상기 가속기(200)의 상기 제1 복수의 가속기 스테이지(230)는 상기 제2 복수의 가속기 스테이지(232)보다 더 많거나 더 적은 가속기 스테이지를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 가속기(200)의 상기 제1 복수의 가속기 스테이지(230)는 상기 제2 복수의 가속기 스테이지(232)와 동일한 수의 가속기 스테이지를 포함할 수 있다. 스테이지의 수는 도 2에 도시된 예로 제한되지 않는다.

추가 실시예에서, 상기 가속기(200)로 들어가는 상기 인바운드 이온 빔(216)은 상기 제1 전하 상태의 양이온 빔을 포함하고, 상기 아웃바운드 이온 빔(218)은 상기 제1 전하 상태보다 더 양인 전하 상태를 포함하는 상기 제2 전하 상태의 양이온 빔을 포함한다. 상기 인바운드 이온 빔(216)은, 예를 들어, 스트리퍼 튜브(234)(예를 들어, 무거운 분자량의 가스로 채워진 얇은 튜브)를 포함하는 상기 전하 스트리퍼(220)에 진입할 수 있다. 상기 전하 스트리퍼(220)는, 예를 들어, 인접한 가속기 섹션들 내로 가는 가스 흐름의 양을 줄이거나 제어하기 위해 가스 소스(238)로부터 가스를 펌핑하기 위한 펌프(236)(예를 들어, 차동 터보 펌프)를 또한 포함할 수 있다. 상기 가스는, 예를 들어, 상기 인바운드 이온 빔(216)으로부터 효율적으로 전자를 스트리핑하고 보다 높은 양전하 상태를 포함하는 상기 아웃바운드 이온 빔(218) 내에 보다 높은 이온 농도를 생성하기 위한 육불화황(SF₆) 또는 다른 고분자량 가스를 포함할 수 있다. 상기 전하 스트리퍼(220) 및/또는 펌프(236)는 상기 가스 소스(238)로부터 상기 전하 스트리퍼(220) 내로 가는 상기 가스의 유량율을 조절하도록 구성된 제어부(240)를 포함할 수 있다. 상기 가스의 유량율은 상기 인바운드 이온 빔(216)의 에너지, 전류, 및/또는 종 중 하나 이상에 기능적으로 기반할 수 있다. 상기 전하 스트리퍼(220)는 상기 전하 스트리퍼(220)의 양측에 펌핑 배플(pumping baffle, 242)(예를 들어, 차동 펌핑 배플)을 더 포함할 수 있다. 상기 펌핑 배플(242)은, 예를 들어, 상기 차동 펌프(236)와 함께 인접한 가속기 스테이지들(예를 들면, 가속기 스테이지들 205 및 206) 내로의 가스 누출을 최소화하도록 기능할 수 있다.

예를 들면, 제1 선형 가속기(LINAC)에 의해 가속된 이온 빔은 상기 이온의 상기 전하 상태를 증가시켜 제2 LINAC를 통해 더 높은 에너지 이득을 얻기 위해 상기 전하 스트리퍼(220) 내의 상기 이온들을 둘러싸는 전자들을 제거하도록 구성된 가스 층으로 향한다. 예를 들면, 비소(As)의 최고 에너지 범위에 대해, 상기 제1 LINAC을 통해 가속된 3+ 비소 이온은 상기 전하 스트리퍼(220)에 의해 6+ 비소 이온으로 스트리핑된다. 이와 같이, 대략 8%의 7MeV 3+ 비소 이온이, 예를 들어, 6+ 비소 이온으로 변환된다. 하지만, 만일 변환이 보다 효율적이면, 더 많은 6+ 빔 전류를 얻을 수 있다.

탠덤 고에너지 가속기는 일반적으로 높은 에너지 이온을 생성하기 위해 전하 스트리핑에 의존하는데, 그에 의해 그러한 탠덤 고에너지 가속기는 그러한 전하 스트리핑을 위해 통상 아르곤 가스를 이용해 왔다. 소위 “초고에너지(ultra-high energy)” 탠덤 가속기에서, 극도로 얇은 탄소 호일이 또한 전하 스트리퍼로 사용되어 왔는데, 상기 탄소 호일의 짧은 수명이 이온 주입의 어떤 산업상 이용에서의 적용을 제한해왔고, 현재는 오로지 학술 연구 가속기에만 사용된다고 알려져 있다. 예를 들면, 다양한 가스와 호일을 통해 10MeV 요오드(iodine) 이온 빔을 통과시키는 것과 연관된 전하 스트리핑 능력이 도 3에 도시된 그래프(300)에 제공된다.

지금까지, 이온 스트리핑은 일반적으로 도 4의 그래프(400)에 도시된 것과 같은 가스들, 주로 아르곤 가스의 활용으로 제한되어 왔다. 육불화황(SF₆) 가스는, 예를 들어, 가스 스트리퍼에서 비소 이온을 스트리핑 하는데 유리하게 이용될 수 있으며, 그에 의해 상기 전하 상태 분포는 보다 높은 전하 상태로 이동하는 경향이 있고 따라서, 상기 6+ 이온의 수율은, 예를 들면, 통상적으로 아르곤 가스로 볼 수 있는 것의 거의 두배이다.

도 3에 보인 그래프(300)는, 예를 들어, 일 예에 따라서, 7200KeV 비소 3+ 이온 빔을 SF₆을 함유한 가스 스트리퍼와 아르곤을 함유한 가스 스트리퍼를 통과시킨 후의 전하 상태 분포의 비교를 도시한다. 도시된 바와 같이, SF₆의 사용은 5+ 및 6+ 이온 수율을 두 배로 증가시키고, 따라서 5+ 및 6+ 이온 빔의 최종 빔 전류를 두 배 증가시킨다. 이러한 효율의 증가는 명백한데, 상기 스트리퍼에서 6+ 이온에 대해 아르곤을 사용할 때 대략 8%의 변환이 달성되는 반면, SF₆의 이용은 대략 16% 변환을 제공하거나, 상기 6+ 빔의 양이 대략 두 배가 된다.

가스 스트리퍼는, 예를 들어, 이온을 물질에 통과시킴으로써 작동하는데, 이에 의해 상기 이온이 충분히 빠른 속도로 상기 물질을 통과하면, 상기 스트리퍼 내의 배경 가스 또는 고체 필름 원자와의 상호작용은 상기 이온 빔이 전자를 잃는 경향을 가지도록 한다. 이와 같이, 상기 이온 빔은 얼마나 빨리 상기 이온이 상기 스트리퍼에 들어가는지에 따라 상기 스트리퍼로부터 보다 높은 전하로 나온다. 가스 스트리퍼가 일부 상황에서 바람직할 수 있지만, 본 발명은 더 높은 하전 이온의 더 높은 집단을 제공하기 위해 매우 얇은 탄소 막을 사용하는 박막 스트리퍼의 활용을 더 고려한다. 그러나, 가스 스트리퍼에 비해 박막 스트리퍼는 공정 요건에 따라 잠재적으로 더 짧은 수명을 가질 수 있다.

예시 가스 스트리퍼에서, 일반적으로, 튜브가 상기 가스 스트리퍼 내부에 공급되는데, 그에 의해 스트리핑 가스가 상기 튜브의 중앙에 공급되며, 여기서 상기 가스는 주변 진공보다 높은 가스 밀도를 가진다. 상기 튜브의 끝에서, 진공이 (예를 들어, 진공 펌프에 의해) 공급되어서, 최소량의 스트리핑 가스가 상기 시스템의 나머지로 전파된다. 이와 같이, 더 높은 압력 영역이 상기 스트리퍼 내부에 제공되고, 그에 의해 상기 가속된 비소 이온이 상기 더 높은 압력 영역을 통과하고 상기 스트리핑 가스 원자와 상호작용 함으로써, 상기 이온으로부터 전자를 스트리핑하고 상기 스트리퍼로부터 나오는 더 높은 전하의 이온이 생성된다. 이러한 더 높이 하전된 이온은 탠덤 가속기에서 또한 유리하게 이용될 수 있다.

예를 들면, 아르곤은 대략 40의 분자량을 가지는 반면, SF₆은 대략 146의 분자량으로 보다 실질적으로 더 무겁다. 이와 같이, 한 가지 이론은 스트리핑에서 활용되는 가스가 더 무거울수록 이온 빔에서 전자를 스트리핑하는 효율이 더 크다는 것이다. SF₆은 상업적 사용을 위해 보다 더 쉽게 이용 가능한 무거운 가스 분자 중 하나이고, 따라서 다른 더 무거운 가스들에 비해 유리한 것으로 고려된다. 그러나, (예를 들어, 아르곤보다 더 무거운) 다른 무거운 분자량의 가스도 유사하게 전자 스트리핑에 활용될 수 있다. 예를 들면, SF₆은 고전압 아크를 억제하는데 효율적인 가스이므로 유리할 수 있다.

지금까지, SF₆은 가스 스트리퍼 또는 상기 빔라인 어느 곳에서 사용하기에 바람직한 가스로 고려되지 않았다. 예를 들면, SF₆은 환경적으로 독성이 있고, 만일 이 가스가 대기 중으로 펌핑되거나 그 외에 상기 가스 스트리퍼 내의 격납 상태에서 빠져나오면 문제가 된다. 본 발명은 따라서 SF₆을 덜 독성이 있고 및/또는 덜 휘발성인 성분으로 분해하는 것을 추가로 고려한다. 대안적으로, 상기 SF₆은 재활용되어 다시 사용될 수 있다.

SF₆의 통상적인 사용은 고전압 절연을 위해 탱크 내의 빔라인 바깥의 아크를 억제하는 반면, 전자를 스트리핑하기 위해 상기 빔라인 내에서 SF₆을 이용하고, 상기 빔라인은 종래의 SF₆ 사용에 비해 상당히 다른 환경과 응용을 제공하는 것으로 인식된다. 통상적으로, 통상의 기술자는 SF₆을 상기 빔라인의 진공의 고전압 영역에서 사용할 동기를 가지진 않을 것인데, 그렇게 하는 것이 전압 유지를 어렵게 하기 때문이다. 예를 들면, SF₆이 진공 내에 제공될 때, 스파크를 유도하는 경향이 있으므로, 상기 가스 스트리퍼에서의 사용이 직관적이지 않은데, 통상의 기술자는 SF₆의 존재를 원하지 않기 때문으로 인식된다. 상기 빔라인에서, 이는 유해한 아크 또는 스파크를 야기할 수 있기 때문이다.

SF₆은 상기 가스 스트리퍼에서 추가적인 이점을 유리하게 제공할 수 있는데, SF₆이 종래 가스 스트리퍼에 사용된 상기 아르곤 가스보다 무거운 가스이기 때문이고, 그에 의해 SF₆은, 상기 가스의 분자량의 제곱근에 반비례하는, 튜브를 통한 더 낮은 전도도 때문에 고압 영역을 국부화하는 것을 유리하게 돕는다. 예를 들면, SF₆은 상기 가스 스트리퍼의 튜브 중간에 공급되어 국부화된 고압 영역을 생성할 수 있다. 만일 수소와 같은 더 가벼운 가스가 상기 가스 스트리퍼에 사용된다면, 빠르게 확산되어 국부화하기 어려울 것이다.

하나 이상의 예에 따르면, 이온 소스에서 보다 높은 또는 다른 전하 상태를 사용하지 않고 전하 상태의 최대 운동 에너지에서 이용 가능한 빔 전류를 증가시키기 위한 다양한 시스템 및 방법이 본원에 제공된다. 예를 들면, 이온 주입 시스템의 이온 소스는 그로부터 이온 빔을 생성하기 위해 특정 전하 상태(예를 들어, ₇₅As³⁺)의 이온(예를 들어, 비소 이온)을 포함할 수 있다. 상기 이온 주입 시스템 내의(빔 경로를 따라 위치한 가속기 내에서와 같이) 공정들은 이온들이 그들의 초기 전하 값을 변화시키도록 작용할 수 있다(예를 들어, 전하 교환 반응). 예를 들면, 한 실시예에서, 3의 순 양 전하를 포함하는 비소 이온이 상기 가속기 내부로 선택되고 가스 소스와 터보 펌프를 포함하는 전하 스트리퍼에 의해 전자가 스트리핑될 수 있다. 상기 가스 소스는, 본 발명에 따라, 육불화황(SF₆)과 같은 고분자량 가스를 포함한다.

한 실시예에서, 상기 가속기는 다수의 가속기 스테이지 및 그 안에 전하 스트리퍼를 포함할 수 있다. 고속의 이온이 상기 전하 스트리퍼 내에서 가스의 다른 분자 또는 원자에 가까이 오면, 상기 이온은 상기 분자 또는 원자로부터 전자를 빼올 수 있거나(즉, 전자 포획 반응), 상기 분자 또는 원자에 전자를 잃을 수 있다(즉, 전하 스트리핑 반응). 전자의 반응은 이온 전하 값을 1만큼 감소시킨다; 예를 들면, 단일 하전 이온은 중성, 즉, 전기적으로 중성인 원자가 될 수 있다. 후자는 이온 전하 값을 1만큼 증가시킨다(예를 들면, 단일 하전 이온이 이중 하전 이온이 된다).

한 실시예에서, 제1 양전하 상태(예를 들어, +3 순 양전하 또는 원자가)를 포함하는 양이온(예를 들어, 비소 이온)은 전하 스트리퍼와 복수의 가속기 스테이지를 포함하는 가속기 내로 끌어당겨진다. 각 가속 스테이지는 빔 경로를 따라 이온을 가속하기 위해 RF 가속 필드를 생성하기 위한 RF 공진기를 포함할 수 있다. 상기 전하 스트리퍼는 상기 가속기 내로 고분자량 가스(예를 들어, SF₆)를 방출하기 위한 가스 소스 및 상기 가스를 방출하고 가속 스테이지들 내로 가는 가스 흐름을 방지하기 위해 진공을 생성하기 위한 터보 펌프를 포함할 수 있다. 상기 전하 스트리퍼는 전자의 이온을 스트리핑하기 위해 상기 가속기 내에서 상기 가속 스테이지들 중 하나를 대체할 수 있고, 따라서, 상기 가속기로 들어가는 상기 양이온이 상기 가속기에서 방출되는 제2 전하 상태(예를 들어, +6 순 양전하 또는 원자가)의 더 많은 양이온으로 변환되도록 한다.

이제 도 5 및 도 6을 참조하면, 원하는 전하 상태에 대해 실질적으로 높은 에너지에서 오염을 제어하고 이온 빔 전류를 증가시키기 위한 다양한 방법(500, 600)이 제공된다. 예시적인 방법(500 및 600)이 일련의 동작 및 이벤트로 본원에 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 일부 단계가 본원에 도시되고 설명된 것과 별개로 본 발명에 따라 다른 순서 및/또는 다른 단계와 동시에 발생될 수 있기 때문에, 그러한 동작 및 이벤트의 도시된 순서에 의해 제한되지 않음이 이해될 것임을 또한 유의해야 한다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위해 모든 도시된 단계들이 필요한 것은 아니다. 더욱이, 상기 방법은 본원에 도시되고 설명된 시스템 및 장치와 연관하여 뿐만 아니라 도시되지 않은 다른 시스템과 연관하여 구현될 수 있음이 이해될 것이다.

도 5의 방법(500)은 502에서 시작한다. 동작 504에서, 이온 소스는 제1 전하 상태 이온들 및 미량 금속 이온들을 생성하며, 이에 의해 동작 506에서, 상기 제1 전하 상태 이온들 및 미량 금속 이온들을 포함하는 제1 이온 빔이 추출되거나 그렇지 않으면 형성된다. 동작 506에서 형성된 제1 이온 빔은, 예를 들어, 질량 분석기 내로 향할 수 있고, 이에 의해 상기 제1 이온 빔이 질량 분석된다. 상기 질량 분석기를 위한 자기장 강도는 전하 대 질량비에 따라 선택될 수 있다. 상기 질량 분석은 한 예에서 상기 이온 소스의 다운스트림에서 있을 수 있다.

한 예에서, 동일한 자기 강성을 가진 제1 전하 상태 이온들 및 미량 금속 이온들이 (예를 들어, 상기 질량 분석기를 통해) 선택되어 가속기 내로 들어갈 수 있다. 상기 선택된 제1 전하 상태 이온들은 이온 소스에서 이용 가능한 것보다 더 높은 전하 상태로의 더 높은 스트리핑 효율을 산출하는 에너지로 가속된다. 동작 508에서, 더 높은 에너지로 가속 후, 하나 이상의 전자가 전하 스트리퍼를 통해 상기 제1 전하 상태 이온들로부터 스트리핑되며, 따라서 제2 전하 상태 이온들 및 상기 미량 금속 이온들을 포함하는 제2 이온 빔이 정의된다. 동작 510에서, 상기 제2 전하 상태 이온들은 상기 제2 이온 빔으로부터 선택되어 대략 0의 미량 금속 이온을 갖는 제2 전하 상태 이온들로 구성된 최종 이온 빔을 형성한다. “대략 0”의 미량 금속 이온은 상기 제1 또는 제2 이온 빔 내 미량 금속 이온의 양과 비교하여 상기 최종 이온 빔 내 미량 금속 이온의 실질적인 감소를 나타낸다는 점에 유의한다. 따라서, “대략 0”은 이온 주입에 유의미하지 않은 것으로 간주될 수 있도록 0의 미량 금속 이온 또는 실질적으로 적은 수의 미량 금속 이온으로 해석될 수 있다. 한 예에서, 제2 양전하 상태(들)의 양이온(들)이 512에서 최종 에너지까지 더 가속될 수 있다. 따라서, 본 발명은 동작 514에서 상기 제2 전하 상태 이온들을 공작물 내로 주입하는 상기 최종 이온 빔 전에 상기 제2 이온 빔으로부터 상기 미량 금속 이온의 50% 내지 100% 제거를 제공한다.

도 6을 참조하면, 도 6의 방법(600)은 602에서 시작한다. 동작 604에서, 이온 소스는 제1 전하 상태의 이온들 및 미량 금속 이온들을 포함하는 이온 빔을 생성한다. 예를 들면, 상기 제1 전하 상태의 이온들은 ₇₅As³⁺ 이온들을 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 미량 금속 이온들은 ₅₀Ti²⁺ 이온들을 포함한다. 본 발명은 상기 제1 전하 상태의 다양한 다른 이온들이 다양한 다른 미량 금속 이온들과 함께 생성될 수 있고, 이러한 모든 조합은 본 발명의 범위에 추가로 포함됨을 인식하고 있음을 유의해야 한다. 예를 들면, 상기 제1 전하 상태의 이온들은 ₇₅As⁴⁺ 이온들을 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 미량 금속 이온들은 ₅₆Fe³⁺ 이온들을 포함한다.

상기 이온 빔은, 예를 들면, 다양한 빔 종(예를 들어, 비소)일 수 있다. 동작 606에서, 상기 이온 빔은 특정한 순서 없이 가속되고 질량 분석될 수 있다. 동작 608에서, 상기 이온 빔 내 상기 제1 전하 상태의 이온들과 상기 미량 금속 이온들이 동시에 가속기 내로 선택될 수 있다. 동작 610에서, 상기 제1 전하 상태 이온들이 최종 에너지까지 더 가속되고 상기 이온 빔을 전하 스트리퍼를 통과시킴으로써 전자들이 스트리핑되어 상기 제1 전하 상태 이온들을 제2 전하 상태(예를 들어, As⁴⁺)로 변환할 수 있다. 동작 612에서, 상기 제2 전하 상태의 이온들이 상기 이온 빔으로부터 선택될 수 있고, 이에 의해 상기 제2 전하 상태 이온들을 공작물 내로 주입하기 전에 실질적으로 모든 상기 미량 금속 이온이 상기 이온 빔으로부터 제거된다.

본원에서 논의되는 예시적인 오염 사례(예를 들어, As 이온 빔에서 Fe 오염)는 단지 하나의 예이며, 본 발명은 유사한 원리로 다른 모든 금속 오염의 완화를 더 고려한다는 것이 이해되어야 한다.

일반적으로, 이온 소스로부터 추출된 원하는 이온은 _mX^a로 표기될 수 있고, 추출된 이온 빔 내부에 포함된 오염 이온은 _nY^b이고, 여기서 “m”은 이온 X의 원자 질량이고, “a”는 이온 X의 전하 상태이고, “n”은 오염 이온 Y의 원자 질량이고, “b”는 이온 Y의 전하 상태이다. 이러한 원리는 원하는 이온의 에너지가 “a*E”이고, 오염 이온의 에너지가 “b*E”인 경우에, 그리고 “m/n”의 원자 질량비가 전하 비 “a/b”와 같은 경우에 적용될 수 있고, 이에 의해 오염 이온 Y는 자기 필터, 정전 필터 및 속도 필터에 의해 분리(예를 들어, 구분)될 수 없다.

도펀트 가스 물질을 이온 소스의 아크 챔버 내로 도입하여 이온을 생성할 때, 플라즈마의 형성 동안 가능한 미량 금속 이온들과 함께 도펀트 종들의 복수의 전하 상태가 생성된다. 예를 들면, AsH₃을 포함하는 도펀트 가스 물질이 플라즈마 점화를 위해 상기 이온 소스의 아크 챔버 내로 공급되어 As 이온들을 얻을 때, 많은 상이한 전하 상태의 ₇₅As 이온들(예를 들어, As⁺, As²⁺, As³⁺, As⁴⁺ 등) 및 ₅₀Ti²⁺, ₅₆Fe³⁺ 등과 같은 하나 이상의 미량 금속 이온이 상기 이온 소스 내에서 생성된다. 상기 이온 소스의 아크 챔버는, 예를 들면, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 및 다른 금속 등의 금속들로 구성된 다양한 금속 구성요소를 포함할 수 있다. 상기 아크 챔버는 또한 티타늄(Ti), 철(Fe) 및/또는 다른 금속과 같은 미량 금속을 함유할 수 있는 다른 구성요소를 포함할 수 있다.

일반적으로, 상기 이온 소스의 아크 챔버로부터 이온을 추출하여 이온 빔을 형성하고, 상기 이온 빔을 질량 분석기 내로 향하게 하기 위해 추출 전극에 추출 전압 V를 인가한다. 그러나, 일부 상황에서는, 상이한 종의 이온들이 질량 대 전하비가 실질적으로 유사하거나 동일한 것으로 인해 상기 질량 분석기로부터 출력되도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 질량 분석기가 상기 이온 빔으로부터 ₇₅As³⁺ 이온들을 선택하도록 구성될 때, ₇₅As³⁺와 동일한 질량 대 전하비를 가진 ₅₀Ti²⁺와 같은 이온이 유사하게 상기 질량 분석기에 의해 선택될 수 있다(예를 들면, Ti에 대한 50/2는 질량 대 전하비 25와 같고, 이는 As에 대한 75/3와 동일하다). 따라서, 이 예에서, ₅₀Ti²⁺ 및 ₇₅As³⁺ 이온 모두가 상기 질량 분석기를 통과하여 추가적인 가속을 위해 다운스트림 빔라인 구성요소들로 들어갈 것이다. 이러한 추가적인 가속 전에, 예시적인 ₇₅As³⁺ 이온 대 ₅₀Ti²⁺ 이온(예를 들어, E_As/E_Ti)의 에너지 비는 인가된 추출 전압 및 이온들의 각각의 전하 상태들로 인해 3:2임을 주목해야 한다. 또한, ₇₅As³⁺ 이온의 속도(v _As ) 및 ₅₀Ti²⁺ 이온의 속도(v _Ti )도, E = (1/2) mv ² 의 운동 에너지 공식을 이용하여 도출할 수 있는 바와 같이 이들의 질량비 역시 3:2이기 때문에, 실질적으로 유사하거나 동일하다.

예를 들어, 제1 전하 상태의 이온들(예를 들어, ₇₅As³⁺ 이온들) 및 미량 금속 이온들(예를 들어, ₅₀Ti²⁺ 미량 금속 이온들)을 포함하는 이온 빔이 다운스트림 RF 선형 가속기(LINAC)에 의해 추가로 가속될 때, 두 이온들은 RF LINAC에 대한 각각의 진입 속도들이 실질적으로 동일하기 때문에 가속 전극들에서 RF 위상 변화와 동기화될 것이다. 따라서, 상기 각각의 이온들은 실질적으로 동일한 최종 속도 및 에너지 비(예를 들어, 3:2)로 RF LINAC를 빠져나갈 것이다. 가속을 제공하면서, RF LINAC도 속도 필터의 역할을 할 수 있으나, RF LINAC는 ₇₅As³⁺ 이온들과 ₅₀Ti²⁺ 이온들 사이를 그들의 동일한 속도로 인해 구분할 수 없다.

위에서 논의된 RF LINAC가 아닌 DC 기반 가속기에 의해 이온 빔이 가속되는 상황에서, 상기 이온들의 에너지 이득은 가속을 위해 제공되는 각각의 전하 상태들 및 전압에 기초한다. 따라서, 유사한 방식으로, ₇₅As³⁺ 이온 대 ₅₀Ti²⁺ 이온의 최종 에너지 비는 여전히 동일할 것이다(예를 들어, 3:2).

다운스트림 전자석은, 예를 들어, RF- 또는 DC-기반 가속기에 의한 최종 가속 후에도, 전술한 것과 유사한 이유로 인해 상기 이온들을 분리할 수 없다. 반면, 정전 에너지 필터는 상이한 에너지 대 전하비 선택으로 이온들을 분리하기 위해 이온 주입 시스템에 사용될 수 있다. 하지만, 이 경우, 정전 에너지 필터도 이들을 분리할 수 없는데; 최종 가속 후 ₇₅As³⁺ 이온 대 ₅₀Ti²⁺ 이온의 에너지 비가 3:2이고 이들의 전하비도 3:2이기 때문이다.

따라서, 상기 이온 소스로부터 이러한 특정 미량 금속 오염 메커니즘에 대한 여과 용액은, 높은 전하 상태 이온들이 낮은 전하 상태 이온들을 가속하기 위한 상당한 빔라인 길이를 추가하지 않고, 공작물에 이식을 위한 높은 에너지를 획득하기를 원할 때, 필요하다.

따라서, 본 발명은 전하 스트리퍼 및 전하 상태 선택기를 포함하는 예시적인 장치를 설명하며, 이에 의해 상기 전하 상태 선택기는 다운스트림 위치에 위치하고 상기 전하 스트리퍼 옆에 있는 전자기 질량 분석기이다. 이 조합된 장치는, 예를 들어 ₇₅As³⁺ 이온들이 상기 전하 스트리핑 공정을 거친 후 상기 이온 빔으로부터 ₇₅As³⁺ 이온들(예를 들어, 제1 전하 상태) 보다는 ₇₅As⁴⁺ 이온들(예를 들어, 제2 전하 상태)을 선택하도록 사익 전하 상태 선택기가 설정될 때, 전술한 이온 빔으로부터 ₅₀Ti²⁺ 등의 미량 금속 이온의 즉각적인 제거를 제공한다. ₇₅As⁴⁺ 이온들의 질량 대 전하비가 75/4 (즉, 18.75)이고 ₅₀Ti²⁺ 이온들의 질량 대 전하비가 여전히 50/2(즉, 25)이며, 따라서 이는 미량 금속 이온들이 유사한 속도에 있더라도 이들의 제거를 제공한다.

따라서, 예를 들어, 상기 전하 스트리퍼 뒤에 위치한 상기 전하 상태 선택기가 ₇₅As³⁺ 이온들 보다는 ₇₅As⁴⁺ 이온들을 선택하도록 설정될 때, 미량 금속 ₅₀Ti²⁺ 이온들은 선택될 수 없고, 따라서 상기 이온 빔으로부터 제거된다. 실제로, 전하 스트리핑 후에 ₇₅As⁴⁺를 갖는 상기 전하 상태 선택기 자석을 통과하도록 선택될 수 있는 다른 Ti 전하 상태 이온들은 없을 것이다. 따라서, 선택된 ₇₅As⁴⁺ 이온들은 상기 이온 빔에 미량 금속 ₅₀Ti²⁺ 오염 없이 주입을 위한 원하는 더 높은 에너지에 도달하기 위해 추가 RF- 또는 DC-기반 가속기에 의해 추가로 가속될 수 있으며, 이에 의해 공작물에 원하는 주입을 제공한다.

다른 실시예에서, 상기 전하 상태 선택기는 정전 필터를 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 정전 필터는 상기 에너지 대 전하비에 기초한 상기 전하 스트리핑 공정 후에 상기 원하는 제2 전하 상태 이온들을 선택한다. 예를 들면, 전술한 바와 같이, ₇₅As³⁺의 제1 전하 상태 이온들 대 ₅₀Ti²⁺의 미량 금속 이온들의 에너지 비는 3:2이고, 이들의 전하 비도 3:2이다. 따라서, 상기 정전 필터는 상기 이온들의 동일한 에너지 대 전하비(즉, 1)로 인해 상기 이온들을 분리할 수 없다. 상기 전하 스트리핑 공정 후에, 상기 정전 필터는 에너지 대 전하비가 3:4인 ₇₅As⁴⁺의 제2 전하 상태 이온들을 선택하도록 구성될 수 있고, ₅₀Ti²⁺의 상기 미량 금속 이온들은 2:2의 상이한 에너지 대 전하비로 인해 걸러질 것이다. 다시 말하면, 전하 스트리핑 후에 ₇₅As⁴⁺와 함께 상기 정전 필터를 통과하기 위해 선택될 수 있는 다른 잠재적인 ₅₀Ti 전하 상태 이온들은 없을 것이다. 선택된 ₇₅As⁴⁺ 이온들은 상기 이온 빔에 미량 금속 ₅₀Ti²⁺ 오염 없이 주입을 위한 원하는 더 높은 에너지에 도달하기 위해 추가 RF- 또는 DC-기반 가속기에 의해 추가로 가속될 수 있으며, 이에 의해 공작물에 원하는 주입을 제공한다.

본 발명은 상기 질량 분석 자석이 상기 이온 소스로부터 ₇₅As⁴⁺ 이온들을 선택하도록 구성될 때 위에서 기술하고 언급한 유사한 미량 금속 오염의 메커니즘이 또한 일어날 수 있음을 인식하며, 여기서 상기 이온 소스로부터 ₅₆Fe³⁺ 미량 금속 이온들은 오염물이 되고 ₇₅As⁴⁺ 이온들과 함께 상기 질량 분석기를 통과할 수 있다. 유사하게, 위에서 논의된 전하 스트리퍼 및 다운스트림 전하 상태 선택기를 조합한 여과 용액이 또한 활용될 수 있다.

본 발명은 특정 도펀트 및/또는 가속 수준과 전하 상태의 조합을 선택하는 것을 더 제공한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 예에 따른 단순화된 시스템(700)을 더 도시한다. 예를 들어, 이온 빔(702)이 이온 소스(704)에 형성되고, 이에 의해 상기 이온 빔이 상기 이온 소스로부터 추출되고, 질량 분석기(705)에 의해 질량 분석되고, 제1 가속기(706)(예를 들어, 선형 가속기 또는 LINAC) 및 전하 스트리퍼(708)를 통과한다. 전술한 바와 같이, 상기 제1 가속기(706)의 출구에서 이온 빔(702)은 상기 이온 소스(704)로부터 제1 전하 상태 이온들(예를 들어, ₇₅As³⁺) 및 미량 금속 이온들(예를 들어, ₅₆Ti²⁺)을 포함할 수 있다. 본 예에서 상기 전하 스트리퍼(708)는 상기 제1 가속기(706)와 상기 제1 전하 상태 이온들을 상기 원하는 제2 전하 상태 이온들(예를 들어, ₇₅As⁴⁺)을 포함하여 다른 전하 상태 이온들로 변환하도록 구성된 제1 자석(710) 사이에 위치한다. 제2 가속기(712)(예를 들어, 소위 에너지 부스터 또는 E-부스터)가 상기 제1 자석(710)과 제2 자석(714) 사이에 추가로 제공되어 제1 가속기(710)에 의해 선택된 상기 제2 전하 상태 이온들을 더 높은 에너지까지 가속할 수 있다. 상기 제2 자석(714)를 통과한 후에, 상기 이온 빔(702)은 공작물에 주입을 위해 종단 스테이션(716)으로 향한다. 상기 제1 자석(710)은 예를 들면 전하 상태 선택기로 활용될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 자석(710)은 상기 제1 가속기(706)와 상기 E-부스터(712) 사이에 구비되는 제1 60도 자석을 포함할 수 있고, 상기 제2 자석(714)은 에너지 필터링을 위한 E-부스터 뒤에 구비되는 120도 자석을 포함할 수 있다. 상기 제1 자석(710) 및 상기 제2 자석(714)에 대한 특정 각도가 본원에 기술되지만, 다양한 대안이 또한 존재하며, 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 또한 고려된다는 것을 유의해야 한다.

상기 예의 한 가지 유리한 측면은, 상기 전하 스트리퍼(708)의 다운스트림에 위치한 상기 제1 자석(710)은 일반적으로 상기 제1 자석(710)을 상기 전하 스트리퍼(708)에서 제1 전하 상태 이온으로부터 스트리핑 공정을 거친 후 원하는 제2 전하 상태 이온들을 선택하도록 설정함으로써 다른 모든 상태 및 미량 금속 이온들을 제거한다는 것이다.

대안적인 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 도 7에 도시된 제2 가속기(712) 및 제2 자석(714)은 생략될 수 있다. 예를 들어, 도 8의 전하 스트리퍼(708)에서 전하 스트리핑 후에, 미량 금속 이온 오염 없이 상기 제1 자석(710)에 의해 선택된 제2 전하 상태의 상기 제2 전하 상태 이온 빔(702)은 추가적인 가속 없이 상기 종단 스테이션(716)에서 공작물에 주입될 수 있다.

본 발명이 특정 응용 및 실시예에 대해 보여지고 설명되었지만, 이 명세서 및 첨부된 도면을 읽고 이해함에 따라 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 동등한 변경 및 수정이 떠오를 것임이 이해될 것이다. 특히 위에서 설명한 구성요소(조립체, 장치, 회로, 시스템 등)에 의해 수행되는 다양한 기능들과 관련하여, 그러한 구성요소를 설명하기 위해 사용된 용어들(“수단(means)”에 대한 참조를 포함)은, 달리 지시되지 않는 한, 상기 설명된 구성요소(예를 들면, 즉 기능적으로 동등한)의 특정한 기능을 수행하는 어떤 구성요소에 대응하고, 본원에 도시된 본 발명의 예시적인 구현들에서의 상기 기능을 수행하는 상기 개시된 구조에 구조적으로 동등하지 않더라도 마찬가지이다.

또한, 본 발명의 특정 특징이 여러 구현 중 하나에 대해서만 개시되었더라도, 그러한 특징은 어떤 주어진 또는 특정한 응용에 대해 바람직하거나 유리할 수 있는 다른 구현들의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수 있다. 더욱이, “포함하는(including)”, “포함한다(includes)”, “가지다(has)”, “가지는(having)”, 및 이의 변형들이 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 청구항들 중 하나에 사용되는 한, 그러한 용어들은 “포함하는(comprising)”이라는 용어와 유사한 방식으로 포함하도록 의도된 것이다.

Claims (20)

1. 이온 주입 시스템으로서,
   원하는 종의 원하는 이온들 및 오염물 종의 미량 금속 이온들을 생성하도록 구성된 이온 소스 - 상기 원하는 종의 원하는 이온들은 제1 전하 상태에 있고, 상기 원하는 이온들 및 상기 미량 금속 이온들의 전하 대 질량비는 같음 -;
   상기 이온 소스로부터 상기 원하는 이온들 및 미량 금속 이온들을 추출하여 제1 이온 빔을 형성하도록 구성된 추출 장치;
   상기 제1 이온 빔으로부터 상기 원하는 이온들 및 미량 금속 이온들을 선택하고 그에 의해 질량 분석된 이온 빔을 형성하도록 구성된, 질량 분석기;
   상기 질량 분석된 이온 빔을 제1 에너지에서 제2 에너지로 가속하도록 구성된 가속기;
   상기 원하는 이온들로부터 하나 이상의 전자를 스트리핑하고, 그에 의해 제2 전하 상태에 있는 상기 원하는 이온들 및 상기 미량 금속 이온들을 포함하는 제2 이온 빔을 형성하도록 구성된 전하 스트리핑 장치; 및
   상기 전하 스트리핑 장치의 다운스트림에 위치한 전하 선택기 - 상기 전하 선택기는 상기 제2 전하 상태에 있는 상기 원하는 이온들만을 그를 통해 선택적으로 통과시키고, 그에 의해 상기 제2 전하 상태의 상기 이온들을 포함하고 미량 금속 이온을 포함하지 않는 최종 이온 빔을 형성하도록 구성됨 -;
   를 포함하는, 이온 주입 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전하 선택기는 상기 전하 스트리핑 장치에 근접하게 위치하는 전자기 질량 분석기를 포함하는, 이온 주입 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전하 스트리핑 장치는 상기 가속기 내에 위치하는, 이온 주입 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가속기는 복수의 가속기 스테이지들을 포함하고,
   상기 전하 스트리핑 장치는 상기 복수의 가속기 스테이지들 중 둘 이상의 사이에 위치하는, 이온 주입 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 가속기는 RF 가속기를 포함하고,
   상기 복수의 가속기 스테이지들은 각각 가속 필드를 생성하도록 구성된 하나 이상의 공진기를 각각 포함하는, 이온 주입 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 가속기는 고정 DC 고전압을 통해 상기 원하는 이온들을 가속하도록 구성된 DC 가속기를 포함하는, 이온 주입 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 가속기는 가속 RF 필드를 생성하도록 구성된 하나 이상의 공진기를 포함하는 RF 가속기를 포함하는, 이온 주입 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 전하 선택기는 에너지 필터를 포함하는, 이온 주입 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 최종 이온 빔을 왕복 스캔하여 스캔된 이온 빔을 형성하도록 구성된 스캐너를 더 포함하는, 이온 주입 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 스캐너는 상기 최종 이온 빔을 각각 정전기적으로 또는 전자기적으로 스캔하여 상기 스캔된 이온 빔을 형성하도록 구성된 정전 스캐너 또는 전자기 스캐너를 포함하는, 이온 주입 시스템.
11. 제9항에 있어서,
    상기 스캔된 이온 빔을 평행화하고 이동시키도록 구성된 각도 교정 렌즈를 더 포함하는, 이온 주입 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 전하 스트리핑 장치는 펌프 및 가스 소스를 포함하고,
    상기 펌프는 상기 가스 소스로부터 가스를 펌핑하고 상기 가속기 내로의 상기 가스의 흐름을 제어하도록 구성되고,
    상기 가스의 상기 흐름은 상기 원하는 종의 원하는 이온들로부터 전자들을 스트리핑하도록 구성되는, 이온 주입 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 가스는 육불화황(sulfur hexafluoride)을 포함하는, 이온 주입 시스템.
14. 제1항에 있어서,
    상기 원하는 이온들은 비소 이온들을 포함하고,
    상기 미량 금속 이온들은 티타늄 및 철 중 하나 이상을 포함하는, 이온 주입 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 미량 금속 이온들은 상기 제1 전하 상태의 원하는 이온들이 ₇₅As ³⁺ 이온들을 포함할 때 ₅₀Ti ²⁺ 이온들을 포함하고,
    상기 미량 금속 이온들은 상기 제1 전하 상태의 원하는 이온들이 ₇₅As ⁴⁺ 이온들을 포함할 때 ₅₆Fe ³⁺ 이온들을 포함하는, 이온 주입 시스템.
16. 이온 주입 시스템으로서,
    빔라인을 따라서 이온 빔을 생성하도록 구성된 이온 소스 - 상기 이온 빔은 제1 전하 상태 이온들 및 미량 금속 이온들을 포함함 -;
    상기 빔라인을 따라 상기 이온 빔을 질량 분석하는 질량 분석기;
    상기 빔라인을 따라 위치하고 상기 이온 빔을 제1 에너지에서 제2 에너지로 가속하도록 구성된 가속기;
    상기 빔라인을 따라 상기 제1 전하 상태 이온들로부터 하나 이상의 전자를 스트리핑하고, 그에 의해 제2 전하 상태 이온들 및 미량 금속 이온들을 포함하는 스트리핑된 이온 빔을 형성하도록 구성된 전하 스트리핑 장치; 및
    상기 빔라인을 따라 상기 전하 스트리핑 장치의 다운스트림에 위치하고 상기 스트리핑된 이온 빔에서 상기 제2 전하 상태 이온들을 선택하여 상기 빔라인을 따라 최종 이온 빔을 형성하도록 구성된 전하 선택 장치 - 상기 최종 이온 빔은 상기 제2 전하 상태 이온들 및 대략 0의 미량 금속 이온들을 포함함 -;
    를 포함하는, 이온 주입 시스템.
17. 제16항에 있어서,
    상기 가속기는 복수의 가속기 스테이지를 포함하고,
    상기 전하 스트리핑 장치는 상기 복수의 가속기 스테이지 중 하나 이상의 다운스트림에 위치하는, 이온 주입 시스템.
18. 제17항에 있어서,
    상기 가속기의 다운스트림에 위치한 에너지 필터를 더 포함하되,
    상기 전하 선택 장치는 상기 복수의 가속기 스테이지 중 둘 이상의 사이에 위치되고,
    상기 에너지 필터는 상기 최종 이온 빔을 필터링하도록 더 구성되는, 이온 주입 시스템.
19. 미량 금속 오염을 완화하면서 높은 전하 상태 이온들을 공작물 내로 주입하는 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    이온 소스 내에서 원하는 종의 원하는 이온들을 생성하는 단계 - 상기 원하는 이온들은 제1 전하 상태에 있고, 상기 원하는 이온들을 생성하는 단계는 오염물 종의 미량 금속 이온들을 더 생성하고, 상기 원하는 종과 상기 오염물 종의 전하 대 질량비는 같음 -;
    상기 이온 소스로부터 상기 원하는 이온들 및 미량 금속 이온들을 추출하고 그에 의해 제1 이온 빔을 형성하는 단계;
    상기 제1 이온 빔을 질량 분석하고 그에 의해 질량 분석된 이온 빔을 형성하는 단계;
    상기 질량 분석된 이온 빔을 전하 스트리핑 요소를 통해 통과시키는 단계 -상기 전하 스트리핑 요소는 상기 원하는 이온들로부터 하나 이상의 전자를 스트리핑하고 그에 의해 제2 전하 상태에 있는 상기 원하는 이온들 및 상기 미량 금속 이온들을 포함하는 제2 이온 빔을 형성함 -;
    상기 제2 이온 빔을 전하 선택기 요소를 통해 통과시키고, 그에 의해 상기 제2 전하 상태의 원하는 이온들을 포함하고 미량 금속 이온을 포함하지 않는 최종 이온 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 전하 상태의 원하는 이온들을 상기 공작물 내로 주입하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 질량 분석된 이온 빔을 가속하는 단계를 더 포함하는, 방법.

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