KR20230024294A

KR20230024294A - 개선된 차폐부를 갖는 계단형 간접 가열 캐소드

Info

Publication number: KR20230024294A
Application number: KR1020227045546A
Authority: KR
Inventors: 윌헴 플라토우; 네일 바솜; 슈 사토; 폴 실버스타인; 말빈 팔리
Original assignee: 액셀리스 테크놀러지스, 인크.
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2023-02-20
Also published as: CN115769333A; TW202201445A; US20210398765A1; WO2021257712A2; US11244800B2; WO2021257712A3; JP2023530881A

Abstract

플라즈마를 형성하기 위한 이온 소스(ion source)는 공동(cavity)을 갖는 캐소드 및 캐소드 단(cathode step)을 나타내는 캐소드 표면을 갖는다. 필라멘트는 공동 내에 배치되고, 캐소드 차폐부(cathode shield)는 캐소드 표면을 적어도 부분적으로 둘러싸는 캐소드 차폐부 표면을 갖는다. 캐소드 간극은 캐소드 표면과 캐소드 차폐부 표면 사이에 나타나고, 여기서 캐소드 간극은 그 간극을 통한 플라즈마의 이동을 제한하기 위한 구불구불한 경로(tortured path)를 나타낸다. 캐소드 표면은 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경에 의해 나타나는 계단형 원통형 표면을 가질 수 있으며, 여기서 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경은 캐소드 단을 나타내도록 서로 상이하다. 계단형 원통형 표면은 외부 표면 또는 내부 표면일 수 있다. 제 1 및 제 2 캐소드 직경은 동심(concentric)이거나 축방향으로 오프셋(offset)될 수 있다.

Description

개선된 차폐부를 갖는 계단형 간접 가열 캐소드

관련 출원의 참조

본 출원은 2020년 6월 18일자로 출원된 미국 가출원 제63/040,724호의 이익을 주장하며, 이들 모두의 내용은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템(ion implantation systems)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이온 주입 시스템의 수명, 안정성 및 다양한 측면의 작동을 개선하는 개선된 이온 소스(ion source) 및 빔라인(beamline) 구성요소에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조에서, 이온 주입은 불순물로 반도체를 도핑하는 데 사용된다. 이온 주입 시스템은 종종, 이온 빔으로부터의 이온으로, 공작물(workpiece), 예컨대 반도체 웨이퍼를 도핑하는 데 사용되어 n-형 또는 p-형 물질 도핑을 생성하거나, 집적 회로의 제조 동안 패시베이션 층을 형성한다. 이러한 빔 처리는 집적 회로의 제조 동안 반도체 물질을 생성하기 위해 특정 도펀트 물질(dopant material)의 불순물을 미리 정해진 에너지 레벨에서 그리고 제어된 농도로 웨이퍼에 선택적으로 주입하는 데 종종 사용된다. 반도체 웨이퍼를 도핑하는 데 사용될 때, 이온 주입 시스템은 선택된 이온 종을 공작물에 주입하여 원하는 외인성 물질을 생성한다. 예를 들어 안티몬, 비소, 또는 인(phosphorus)과 같은 소스 물질(source materials)로부터 생성된 주입 이온은 "n-형" 외인성 물질 웨이퍼를 생성하는 반면, "p-형" 외인성 물질 웨이퍼는 종종 붕소, 갈륨, 또는 인듐과 같은 소스 물질로 생성된 이온으로부터 생성된다.

전형적인 이온 주입기(ion implanter)는 이온 소스, 이온 추출 장치(ion extraction device), 질량 분석 장치(mass analysis device), 빔 수송 장치(beam transport device), 및 웨이퍼 처리 장치(wafer processing device)를 포함한다. 이온 소스는 원하는 원자 또는 분자 도펀트 종의 이온을 생성한다. 이들 이온은 추출 시스템, 전형적으로 이온 빔을 형성하는 소스로부터의 이온의 유동을 활성화 및 지향시키는 전극 세트에 의해 소스로부터 추출된다. 원하는 이온은 질량 분석 장치, 전형적으로 추출된 이온 빔의 질량 분산 또는 분리를 수행하는 자기 쌍극자 (magnetic dipole) 내의 이온 빔으로부터 분리된다. 빔 수송 장치, 전형적으로 일련의 포커싱 장치를 포함하는 진공 시스템은 이온 빔의 원하는 특성을 유지하면서 이온 빔을 웨이퍼 처리 장치로 전송한다. 마지막으로, 반도체 웨이퍼는 이온 빔의 전방에 처리될 웨이퍼를 배치하고 이온 주입기로부터 처리된 웨이퍼를 제거하기 위한 하나 이상의 로봇 아암(robotic arms)을 포함할 수 있는 웨이퍼 전송 시스템(wafer handling system)을 통해 웨이퍼 처리 장치의 내부 및 외부로 이송된다.

이온 소스(흔히 '아크 방전 이온 소스'로 지칭됨)는 주입기에서 사용되는 이온 빔을 생성하고, 웨이퍼 처리에 적합한 이온 빔으로 성형된 이온을 생성하기 위한 가열된 필라멘트 캐소드(cathode)를 포함할 수 있다. Sferlazzo 등의 미국특허 제5,497,006호 예를 들어 베이스에 의해 지지되고 가스 제한 챔버(gas confinement chamber) 내로 이온화 전자를 방출하기 위한 가스 제한 챔버에 대해 위치된 캐소드를 갖는 이온 소스를 개시한다. 상기 Sferlazzo 등의 특허의 캐소드는 가스 제한 챔버 내로 부분적으로 연장하는 엔드캡(endcap)을 갖는 관형 전도성 본체(tubular conductive body)이다.

도 1은 종래의 이온 주입 시스템에서 사용되는 종래의 이온 소스(10)의 단면도를 도시한다. 필라멘트(12)는 전자의 열이온 방출(thermionic emission)이 발생하는 온도로 저항 가열된다. 필라멘트(12)와 캐소드(14) 사이의 전압(소위 '캐소드 전압')은, 캐소드 자체가 전자를 열적으로 방출할 때까지, 필라멘트로부터 캐소드를 향해 방출된 전자를 가속시킨다. 이러한 방출 방식은 산업에서 간접 가열된 캐소드(indirectly heated cathode, IHC)로서 지칭된다. 캐소드(14)는, 예를 들어 2가지 목적을 수행한다: 즉, 필라멘트(12)가 플라즈마 이온에 의해 충돌하는(bombarded) 것을 보호하고, 후속 이온화를 위한 전자를 제공한다.

캐소드(14)는 소위 "아크 전압"으로서 존재하는 아크 챔버(16)에 대해 음으로 편향되고(biased), 방출된 전자는 아크 챔버의 중심(18)을 향해 가속된다. 공급 가스(도시되지 않음)가 아크 챔버(16) 내로 유동되고, 방출된 전자는 후속적으로 공급 가스를 이온화하여, 아크 챔버 내의 추출 슬릿(20)을 통해 이온이 추출될 수 있는 플라즈마(도시되지 않음)를 형성한다. 리펠러(repeller)(22)는, 예를 들어 플라즈마의 음의 부동 전위(negative floating potential)까지 더 충전하고 전자를 다시 플라즈마 내로 리펠(repel)하여, 향상된 이온화 및 더 조밀한 플라즈마를 유도한다. 캐소드(14) 및 리펠러(22)에 의해 나타난 중심축(24)에 평행한 자기장(도시되지 않음)은 일반적으로 방출된 및 반발된 전자를 제한하여 소위 "플라즈마 칼럼"을 나타내어, 이온화 및 플라즈마 밀도를 훨씬 더 개선시킨다.

일반적으로, 캐소드(14) 자체는 플라즈마 이온에 의한 스퍼터링 및 침식, 및 캐소드의 최종 투과 또는 펀치-관통(punch-through)으로 인해 우선 고장 나게된다. 이는 다중-전하 이온 빔을 튜닝할 때, 단일-전하 이온에 비해, 이온 소스의 수명을 상당히 단축시킨다. 펀치-관통은 전형적으로 캐소드의 벽(26)이 가장 얇은 경우에 발생한다. 도 2는 캐소드(14)의 벽(26)에서의 이러한 펀치-관통(28)을 예시하며, 이에 의해서 펀치-관통은 캐소드의 전방 부분(30)에 충분한 물질이 남아 있더라도, 이온 소스의 고장을 유발한다. 이러한 고장은 높은 에너지를 위해 다중-하전된 이온(multi-charged ions)을 주입할 때 이온 소스에서 흔하게 일어난다. 비소(As)와 같은 원소는 매우 무겁기 때문에, 캐소드(14)의 상당한 스퍼터링이 발생한다. 또한, 다중-전하 이온에 대해, 실질적으로 더 높은 아크 전압이 구현되어, 종래 이온 소스의 수명을 더 감소시킨다.

따라서, 본 발명은 이온 소스의 효율 및 수명을 향상시키기 위한 시스템 및 장치를 제공한다. 따라서 하기에서는 본 발명의 일부 측면의 기본적인 이해를 제공도록 본 발명의 간략화된 요약을 제공한다. 하기 요약은 본 발명의 광범위한 개관이 아니다. 이는 본 발명의 핵심 또는 중요한 요소를 식별하거나 본 발명의 범주를 기술하는 것으로 의도되지 않는다. 그 목적은 하기에서 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서론으로서 간략화된 형태로 본 발명의 일부 개념을 제시하는 것이다.

본 발명의 한 측면에 따르면, 이온 소스가 플라즈마를 형성하기 위해 제공되며, 이에 의해서 상기 이온 소스는 캐소드 및 캐소드 차폐부(cathode shield)를 포함한다. 상기 캐소드는, 예를 들어 공동(cavity)을 포함하며, 이에 의해서 필라멘트가 상기 공동 내에 배치된다. 상기 캐소드는 캐소드 단(cathode step)을 나타내는 캐소드 표면을 더 포함한다. 상기 캐소드 차폐부는, 예를 들어 캐소드 표면을 적어도 부분적으로 둘러싸는 캐소드 차폐부 표면을 가지되, 캐소드 간극(gap)은 상기 캐소드 표면과 상기 캐소드 차폐부 표면 사이에 나타난다. 상기 캐소드 간극은, 예를 들어 캐소드의 수명을 연장시키기 위해 플라즈마에 대한 구불구불한 경로(tortured path)를 나타난다.

하나의 실시예에 따르면, 상기 캐소드 표면은 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경에 의해 나타나는 계단형 원통형 표면을 포함한다. 상기 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경은 서로 상이하며, 예를 들어 그 안에서 캐소드 단을 나타난다.

하나의 실시예에서, 상기 계단형 원통형 표면은 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경을 나타내는 외부 표면을 포함한다. 상기 캐소드 차폐부 표면은 캐소드 차폐부 단을 더 나타낼 수 있으되, 상기 캐소드 차폐부 단의 프로파일은 전반적으로 캐소드 단과 일치하며, 이에 의해서 상기 캐소드 표면과 상기 캐소드 차폐부 표면 사이의 캐소드 간극이 유지된다. 제 2 캐소드 직경은, 예를 들어 제 1 캐소드 직경보다 크고, 제 2 캐소드 차폐부 직경은 제 1 캐소드 차폐부 직경보다 크다. 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경은 동심(concentric)일 수 있거나 미리 정해진 거리만큼 축방향으로 오프셋될 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 캐소드의 계단형 원통형 표면은 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경을 나타내는 내부 표면을 포함한다. 상기 제 2 캐소드 직경은, 예를 들어 제 1 캐소드 직경보다 크며, 이에 의해서 상기 캐소드의 두꺼운 벽이 나타난다. 필라멘트 간극은, 예를 들어 캐소드의 두꺼운 벽과 필라멘트 사이에 추가로 나타날 수 있으며, 이에 의해서 상기 캐소드의 두꺼운 벽은 일반적으로 캐소드의 수명을 증가시킨다.

상기 캐소드는, 예를 들어 전이 영역에서 꽉 찬 원통형 부분으로부터 연장되는 중공 원통형 부분(hollow cylindrical portion)을 포함하되, 상기 공동은 상기 중공 원통형 부분 내에 나타나고, 상기 캐소드 단은 전이 영역에서 나타난다. 상기 캐소드 차폐부는, 다른 실시예에서 상기 캐소드의 전방 캐소드 표면을 플라즈마에 축방향으로 노출시키면서 캐소드를 방사상으로 둘러싼다.

또 다른 실시예 측면에 따르면, 이온 소스가 제공되며, 여기서 캐소드는 그 안에 나타난 캐소드 단을 갖는다. 캐소드 차폐부는 그 안에 나타난 캐소드 차폐부 단을 가지되, 상기 캐소드 차폐부는 상기 캐소드와 상기 캐소드 차폐부 사이에 캐소드 간극을 유지하면서 상기 캐소드를 방사상으로 둘러싼다. 상기 캐소드 차폐부 단은, 예를 들어 상기 캐소드 간극을 유지하면서 전반적으로 상기 캐소드 단과 일치하며, 따라서 플라즈마가 이동하기 위한 구불구불한 경로를 제공한다.

상기 캐소드는, 예를 들어 전이 영역에 근접한 꽉 찬 원통형 부분으로부터 연장되는 중공 원통형 부분을 포함하되, 여기서 캐소드 단은 전이 영역에서 나타난다. 상기 필라멘트는, 예를 들어 캐소드의 중공 원통형 부분 내에 배치될 수 있다. 상기 캐소드는, 예를 들어 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경을 포함하며, 이에 의해서 캐소드 단을 나타내며, 여기서 상기 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경은 동심이거나 미리 정해진 거리만큼 축방향으로 오프셋된다.

또 다른 실시예 측면에 따르면, 이온 소스를 위한 캐소드 조립체(cathode assembly)가 제공된다. 상기 캐소드 조립체는, 예를 들어 계단형 캐소드와 계단형 캐소드 차폐부 사이에 간극을 유지하면서 계단형 캐소드를 방사상으로 둘러싸는 계단형 캐소드 차폐부를 포함한다. 계단형 캐소드 차폐부의 내부 표면은 전반적으로, 예를 들어 계단형 캐소드의 외부 표면과 일치하며, 여기서 계단형 캐소드와 계단형 캐소드 차폐부 사이에 구불구불한 경로를 나타낸다. 상기 계단형 캐소드는, 예를 들어 상기 계단형 캐소드의 외부 표면에 나타난 복수의 캐소드 단들을 포함할 수 있으며, 여기서 계단형 캐소드 차폐부는 계단형 캐소드 차폐부의 내부 표면에 나타난 복수의 차폐부 단들을 더 포함한다.

전술한 그리고 관련된 목적들의 달성을 위해, 본 발명은 하기에서 충분히 설명되고 특히 청구범위에서 제시되는 특징들을 포함한다. 이하의 설명 및 첨부 도면들은 본 발명의 특정한 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다. 그러나, 이들 구현예는 본 발명의 원리들이 채용될 수 있는 다양한 방식들 중 몇 가지를 나타낸다. 본 발명의 다른 목적들, 이점들 및 신규한 특징들은 도면들과 함께 고려될 때 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 종래 간접 가열 캐소드를 갖는 종래 이온 소스의 단면도를 도시한다.
도 2는 고장 상태의 3개의 종래 캐소드를 도시한다.
도 3은 본 발명의 몇몇 측면에 따른 이온 소스를 이용하는 예시적인 진공 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 몇몇 측면에 따른 예시적인 아크 챔버의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 측면에 따른 이온 소스 챔버와 관련된 예시적인 계단형 캐소드 및 계단형 캐소드 차폐부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 측면에 따른 오프셋 계단형 캐소드를 갖는 예시적인 이온 소스 챔버의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 측면에 따른 예시적인 오프셋 계단형 캐소드의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 측면에 따른 내부 계단을 갖는 예시적인 계단형 캐소드의 단면도이다.

본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템 및 이와 관련된 이온 소스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 상술한 바와 같은 약점을 방지하고 캐소드 벽 펀치-관통(cathode wall punch-through)을 상당히 지연시키기 위해 미리 정해진 방식으로 캐소드 및 캐소드 차폐부의 구성 및 성형을 제공한다. 따라서, 일부 경우에, 본 발명은 본 발명의 캐소드를 포함하는 이온 소스의 수명을 2배로 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 고에너지 주입을 위한 후속 가속을 위한 다중-전하 이온 생성을 개선한다. 따라서, 본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템 및 이와 관련된 이온 소스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이온 주입 시스템의 수명, 안정성 및 작동을 개선하는 상기 이온 주입 시스템을 위한 구성요소에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 하기에서는 도면을 참조하여 설명될 것이며, 동일한 참조 번호는 전반에 걸쳐서 동일한 요소를 지칭하는 데 사용될 수 있다. 이들 측면의 설명은 단지 예시를 위한 것으로, 이들은 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 하기 설명에서, 설명의 목적을 위해, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 제시된다. 그러나, 본 발명은 이들 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 범위는 첨부 도면을 참조하여 이후에 설명되는 구현예 또는 실시예에 의해 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위 및 이의 등가물에 의해서만 제한하는 것으로 의도된다.

또한, 도면은 본 발명의 구현예의 일부 측면의 예시를 제공하기 위해 제공되며, 따라서 단지 개략적인 것으로 간주되어야 한다는 것에 유의하여야 한다. 특히, 도면에 도시된 요소는 반드시 서로 비례할 필요는 없으며, 도면에서 다양한 구성요소의 위치는 각각의 구현예의 명확한 이해를 돕도록 선택된 것으로, 반드시 본 발명의 구현예에 따른 다양한 구성요소들의 실제의 상대적 위치를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 본원에 설명된 다양한 구현예 및 실시예의 특징들은 서로 조합될 수 있다.

또한, 하기 설명에서, 도면에 도시되거나 본원에 설명된 기능 블록, 장치, 구성요소, 요소(elements) 또는 다른 물리적 또는 기능적 유닛 사이의 임의의 직접 연결 또는 커플링은 간접 연결 또는 커플링에 의해 구현될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 도면에 도시된 기능 블록 또는 유닛은 하나의 구현예에서 별개의 특징으로서 구현될 수 있으며, 또한 또는 대안적으로 다른 구현예에서 공통의 특징으로 완전히 또는 부분적으로 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

이온 주입은 하나 이상의 원소의 이온이 공작물의 특성을 변경시키도록 공작물 내로 가속되는 반도체 장치 제조에 채용되는 공정이다. 예를 들어 붕소, 비소, 및 인과 같은 도펀트들이 실리콘 내로 주입되어 그들의 전기적 특성들을 변경시키는 것이 일반적이다. 예시적인 이온 주입 공정에서, 관심대상의 원소 또는 분자는 이온화되고, 추출되고, 그리고 정전기적으로 가속되어, 고 에너지 이온 빔을 형성하고, 그들의 질량-대-전하 비에 의해 필터링되고, 공작물에 충돌하도록 지향된다(directed). 상기 이온들은 웨이퍼와 물리적으로 충돌하고, 표면에 진입하며, 표면 아래의 그들의 에너지와 관련된 깊이에 놓이게 된다.

도면을 참조하면, 도 3은 빔 경로(106)를 따라 이온 빔(104)을 생성하기 위한 이온 소스(102)를 포함하는 시스템(100)을 예시한다. 빔라인 조립체(110)는 그로부터 빔을 수용하도록 이온 소스(102)의 하류에 제공된다. 빔라인 시스템(110)은 질량 분석기(도시되지 않음), 예를 들어 하나 이상의 간극들을 포함할 수도 있는 가속 구조, 및 각도 에너지 필터를 포함할 수도 있다. 질량 분석기는 자석과 같은 필드 생성 구성요소를 포함하고, 질량(예를 들어 질량-대-전하 비)에 따라 변화하는 궤적들에서 이온 빔(104)으로부터 이온들을 편향시키기 위해서 빔 경로(106)에 걸쳐서 필드를 제공하도록 동작한다. 자기장을 통해 이동하는 이온들은 빔 경로(106)를 따라 원하는 질량의 개별 이온들을 지향시키고 원하지 않는 질량의 이온들을 빔 경로로부터 멀리 편향시키는 힘을 경험한다.

공정 챔버(112)는 빔 라인 조립체(110)로부터 이온 빔(104)을 수용하는 타겟 위치를 포함하고 최종 질량 분석된 이온 빔을 사용하여 주입을 위해 빔 경로(106)를 따라 반도체 웨이퍼들과 같은 하나 이상의 공작물들(114)을 지지하는 시스템(100)내에 제공된다. 상기 공정 챔버(112)는 그 후 공작물(114) 쪽으로 지향되는 이온 빔(104)을 수용한다. 상이한 유형의 공정 챔버들(112)이 시스템(100)내에 채용될 수도 있는 것으로 인식되어야 한다. 예를 들어 "배치(batch)" 유형의 공정 챔버(112)는 회전하는 지지 구조 상에서 다수의 공작물들(114)을 동시에 지지할 수 있으며, 여기서 공작물들(114)은 모든 공작물들(114)이 완전히 주입될 때까지 이온 빔(104)의 경로를 통해 회전된다. 다른 한편으로, "직렬(serial)" 유형의 공정 챔버(112)는 주입을 위해 빔 경로(106)를 따라 단일 공작물(114)을 지지하고, 여기서 다수의 공작물들(114)은 직렬 방식으로 한 번에 하나씩 주입되며, 각각의 공작물은 다음 공작물의 주입이 시작되기 전에 완전히 주입된다. 상기 시스템(100)은 또한, 공작물(114)에 대해 이온 빔(104)을 이동시키기 위한 스캐닝 장치(도시되지 않음), 또는 이온 빔에 대한 공작물을 포함할 수도 있다.

이온 소스(102)는 예를 들어 이온 소스 내에 원하는 도펀트 원소를 함유하는 소스 가스를 이온화함으로써 이온 빔(104)을 생성한다. 이온화된 소스 가스는 그 후 이온 빔(104)의 형태로 소스 챔버(102)로부터 추출된다. 이온화 공정은 열적으로 가열된 필라멘트, 캐소드를 가열하는 필라멘트(간접적으로 가열된 캐소드 "IHC"), 또는 무선 주파수(RF) 안테나의 형태를 취할 수 있는 여기자(exciter)에 의해 영향을 받는다.

IHC 이온 소스(120)는, 예를 들어 소스 챔버(122), 하나 이상의 가스 유입구(124), 필라멘트(126), 캐소드(128) 및 소스 챔버 내에서 서로 반대편에 위치된 리펠러(repeller)(130), 및 개구(aperture)(132)(아크 슬릿(arc slit)이라고도 함)를 포함하는 IHC 이온 소스(120)가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 소스 자석(도시되지 않음)은 일반적으로 캐소드(128)와 리펠러(130) 사이의 축을 따라 자기장(134)을 제공할 수 있다. IHC 이온 소스(120)의 동작 동안, 필라멘트(126)는 전자를 방출하기에 충분히 높은 온도로 저항 가열되고, 이는 필라멘트에 대해 양의 전위로 유지되는 캐소드(128)와 충돌하도록 차례로 가속된다.

전자 충격(electron bombardment)은, 캐소드(128)가 전자를 가속시키기 위해 캐소드(128)에 대해 양의 전위로 유지되는 소스 챔버(122) 내로 전자를 열적으로 방출하기에 충분히 높은 온도로 캐소드(128)를 가열한다. 자기장(134)은 소스 챔버(122)의 챔버 벽(138)에 대한 전자 손실을 감소시키기 위해 플라즈마 칼럼(136)을 따라 캐소드(128)와 리펠러(130) 사이의 필드 라인을 따라 전자를 제한하는 것을 돕는다. 전자의 손실은 캐소드를 향해 전자를 다시 반사시키기 위해 전형적으로 캐소드(128)의 전위에 있는 리펠러(130)에 의해 추가로 감소된다. 여기된 전자는 가스 유입구(124)를 통해 챔버 내로 공급되는 소스 가스를 이온화하여, 플라즈마를 생성한다. 이온은 개구(132)를 통해 추출되고, 정전기적으로 가속되어, 소스 챔버(122) 외부에 위치된 전극에 의해 고에너지 이온 빔을 형성한다.

본 발명의 다양한 예시적인 측면에 따르면, 도 5는 본 발명의 일례를 도시하며, 여기서 계단형 캐소드(200)가 제공된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 계단형 캐소드(200)는 일반적으로, 계단형 캐소드의 외부 원통형 벽(208)의 제 1 캐소드 직경(204) 및 제 2 캐소드 직경(206)에 의해 나타나는 캐소드 단(202)을 포함한다. 예를 들어 계단형 캐소드(200)의 외부 원통형 벽(208) 내의 캐소드 단(202)은, 계단형 캐소드 차폐부(214)의 내부 원통형 벽(212)에 나타나는 차폐부 단(210)과 결합되고, 이에 의해서 제 1 차폐부 직경(216) 및 제 2 차폐부 직경(218)이 나타난다. 이와 같이, 도 1에 통상적으로 도시된 바와 같이, 단순히 캐소드를 직접 차폐부로 둘러싸는 대신에, 도 5에 도시된 예의 계단형 캐소드 차폐부(214)는 전반적으로, 계단형 캐소드(200)의 형상과 일치하며, 이에 의해서 계단형 캐소드의 원통형 벽(208)은 계단형 캐소드 차폐부의 내부 원통형 벽(212)과 근접하게 일치한다. 도 5는 계단형 캐소드(200)에서 나타난 하나의 캐소드 단(202)을 도시하지만, 본 발명은 계단형 캐소드와 계단형 캐소드 차폐부(214) 사이에 구불구불한 경로(220)를 제공하기 위한 다양한 설계를 추가로 고려한다. 예를 들어 도시되지는 않았지만, 계단형 캐소드 차폐부(214) 내의 복수의 차폐부 단(210)(예를 들어 계단과 유사함)을 수반하는 복수의 캐소드 단(202)이 계단형 캐소드(200)에 제공될 수 있으며, 따라서 구불구불한 경로(220)를 제공한다.

따라서, 본 발명은 종래 기술에 비해 다양한 개선점을 제공한다. 예를 들어 본 발명의 계단형 캐소드(200) 및 계단형 캐소드 차폐부(214)는 일반적으로 소스 챔버(122) 내의 플라즈마가 연장된 기간 동안 계단형 캐소드의 외부 원통형 벽(208)의 얇은 부분(thin portion)(222)에 도달하는 것을 방지한다(예를 들어 캐소드로부터의 열 전달을 제한하기 위해 사용됨). 예를 들어 이러한 설계는 종래의 캐소드를 사용하여 As+++ 및 As++++로 이전에 측정된 것에 비해 캐소드/소스 수명의 최대 10배의 개선을 유도할 수 있다.

또한, 다중-전하 이온 생성을 위해, 도 4에 도시된 플라즈마 칼럼(136)은 방사상으로 작고, 이는 개선된 이온화 또는 실제로 다중-전하 이온의 더 높은 추출된 빔 전류를 초래할 수 있다. 예를 들어 도 5의 계단형 캐소드(200) 및 계단형 캐소드 차폐부(214)는 종래의 캐소드에 비해 전방 캐소드 표면(226)에서 전자 방출을 더 작은 영역(224)으로 추가로 제한하여, 도 4의 플라즈마 킬럼(136)의 반경(228)을 더 작게 하고, 이는 다시 도 1의 이온 주입기(100)의 더 높은 다중-전하 빔 전류 및 처리량을 초래한다.

도 5에 도시된 실시예에서, 계단형 캐소드(200)의 외부 원통형 벽(208)의 제 1 캐소드 직경(204) 및 제 2 캐소드 직경(206)은 계단형 캐소드의 중심선(230)에 대해 동심이다. 유사하게, 계단형 캐소드 차폐부(214)의 내부 원통형 벽(212)의 제 1 캐소드 차폐부 직경(216) 및 제 2 캐소드 차폐부 직경(218)은 중심선(230)에 대해 동심이다.

또 다른 실시예에 따르면, 도 6 및 도 7은 오프셋 계단형 캐소드(250) 및 오프셋 계단형 캐소드 차폐부(252)가 도 5의 계단형 캐소드(200) 및 계단형 캐소드 차폐부(214)와 다양한 유사성을 갖는 다른 구현예를 도시한다. 그러나, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 오프셋 계단형 캐소드(250) 및 오프셋 계단형 캐소드 차폐부(252)의 제 1 캐소드 직경(256) 및 제 1 차폐부 직경(258)의 중심선(254)은 오프셋 계단형 캐소드 및 오프셋 계단형 캐소드 차폐부의 제 2 캐소드 직경(264) 및 제 2 캐소드 차폐부 직경(266)의 중심선(262)으로부터 미리 정해진 거리(260)만큼 오프셋된다. 도 6의 오프셋 계단형 캐소드(250)는 예를 들어 개구(132)에 가까운 전방 캐소드 표면(226)을 제공할 수 있으며, 이는 종래의 이온 소스에 비해 이온 빔 전류를 추가로 유리하게 증가시킬 수 있다.

따라서, 위에서 논의된 바와 유사한 방식으로, 오프셋 계단형 캐소드(250) 내에 나타난 오프셋 캐소드 단(268) 및 오프셋 계단형 캐소드 차폐부(252) 내에 나타난 오프셋 캐소드 차폐부 단(270)은 마찬가지로, 소스 챔버(272)(예를 들어 도 4의 소스 챔버(122)) 내의 플라즈마가 연장된 작동 기간에 걸쳐 오프셋 계단형 캐소드의 도 6에 도시된 외부 원통형 벽(276)의 얇은 부분(274)에 도달하는 것을 실질적으로 방지한다.

또 다른 실시예에 따르면, 도 8은 다른 계단형 캐소드(300)를 예시하며, 여기서 상기 계단형 캐소드는 내부 직경(304)(예를 들어 내부 표면) 상에 내부 계단(internal step)(302)을 부가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 예를 들어 위에서 설명된 펀치-관통은 얇은 캐소드 벽이 종래 캐소드의 매우 두꺼운 전방 부분에 연결되는 경우에 발생할 수 있다. 따라서, 도 8에 예시된 본 발명의 실시예에서는, 필라멘트(126)에 근접하게 두꺼운 벽(306)이 제공되고, 따라서 상기 영역에서 펀치-관통을 지연시키고 종래 보여지는 것보다 캐소드 수명을 더 연장시킨다. 캐소드(300)의 내부 상에 그러한 내부 계단(302)을 제공하는 것은 예를 들어 플라즈마로부터 더 멀리 있는 영역(310)에서 얇은 캐소드 벽(308) 및 높은 열 저항을 유지할 수 있어서, 이온 소스의 유리한 작동을 촉진한다. 예를 들어 필라멘트(126)와 두꺼운 벽(306) 사이에는 간극(312)이 제공되며, 여기서 상기 간극은 예를 들어 필라멘트와 캐소드(300)의 후면(316) 사이의 후면 간극(314)의 2배 이상이다. 그러한 간극(312)은 예를 들어 캐소드(300)의 전방 부분(318)이 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 필라멘트 배치의 공차 문제 없이 균일하게 열을 가열하는 것을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 내부 계단(302) 및 결합된 간극(312) 및 후면 간극(314)을 수용하기 위해 필라멘트(126)의 곡률 및/또는 굽힘 반경을 사이징하는 것을 고려한다.

따라서, 본 발명은 예를 들어 최대 10배까지 개선된 이온 소스의 수명을 제공한다. 또한, 다중-충전 이온에 대해, 본 발명은 상당히 좁은 플라즈마 칼럼을 제공하며, 이에 의해서 전력이 보다 작은 체적 내로 들어가게 되고, 이는 이온 소스를 보다 효율적으로 만든다. 본 발명의 계단형 캐소드는 예를 들어 캐소드의 보다 작은 직경을 제공하며, 이에 의해서 플라즈마 칼럼을 좁게 만든다. 또한, 상기 계단형 캐소드 차폐부는 계단형 캐소드에 근접하게 되고 전반적으로는 상기 계단형 캐소드와 형상이 일치하며, 전반적으로 상기 계단형 캐소드 차폐부와 계단형 캐소드 사이의 간극을 통해서 계단형 캐소드의 얇은 벽들에 대한 노출로부터 이온 소스 내에 형성된 플라즈마의 확산을 제한한다. 전술한 계단형 캐소드 및 계단형 캐소드 차폐부를 제공함으로써, 일반적으로 상기 플라즈마 확산을 방지하도록 구불구불한 경로 또는 미로(labyrinth)가 제공된다. 상기 구불구불한 경로 또는 미로를 제공하면서, 또한 캐소드의 얇은 벽을 제공함으로써, 주로 계단형 캐소드의 전방 플라즈마-대향 부분만이 실질적으로 가열된다.

본 발명이 특정 구현예(들)와 관련하여 도시되고 설명되었지만, 전술한 구현예들은 본 발명의 일부 구현예들의 구현예들의 실시를 위한 실시예들로서만 역할을 하며, 본 발명의 적용은 이들 구현예들로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 특히, 전술된 컴포넌트들(조립체들, 장치들, 회로들 등)에 의해 수행되는 다양한 기능들과 관련하여, 이러한 구성요소들을 설명하기 위해 사용되는 용어들("수단"에 대한 참조를 포함함)은, 달리 표시되지 않는 한, 본원에 예시된 본 발명의 예시적인 구현예들에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 동등하지 않더라도, 설명된 구성요소(즉, 기능적으로 등가임)의 특정된 기능을 수행하는 임의의 구성요소에 대응하는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명의 특정한 특징이 몇몇 구현예들 중의 단지 하나와 관련하여 개시되었을 수 있지만, 이러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정한 적용을 위해 바람직하고 유리할 수 있는 바와 같이 다른 구현예들의 하나 이상의 다른 특징들과 조합될 수 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 구현예들로 제한되지 않으며, 첨부된 청구항들 및 그의 등가물들에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims

플라즈마를 형성하기 위한 이온 소스(ion source)로서,
상기 이온 소스는:
캐소드 단(cathode step)을 나타내는 캐소드 표면; 및
공동(cavity);
을 포함하는 캐소드;
상기 공동 내에 배치된 필라멘트(filament); 및
상기 캐소드 표면을 적어도 부분적으로 둘러싸는 캐소드 차폐부 표면(cathode shield surface)을 갖는 캐소드 차폐부(cathode shield);
를 포함하되,
상기 캐소드 표면과 상기 캐소드 차폐부 표면 사이에 캐소드 간극(cathode gap)이 나타나 있는, 이온 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 캐소드 표면은 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경에 의해 나타나는 계단형 원통형 표면(stepped cylindrical surface)을 포함하되,
상기 제 1 캐소드 직경 및 상기 제 2 캐소드 직경은 서로 상이하고, 그로 인해 상기 캐소드 단을 나타내는, 이온 소스.
제 2 항에 있어서,
상기 계단형 원통형 표면은 상기 제 1 캐소드 직경 및 상기 제 2 캐소드 직경을 나타내는 외부 표면을 포함하고,
상기 캐소드 차폐부 표면은 캐소드 차폐부 단을 나타내되, 상기 캐소드 차폐부 단의 프로파일은 전반적으로 상기 캐소드 단과 일치하며, 이에 의해서 상기 캐소드 표면과 상기 캐소드 차폐부 표면 사이의 상기 캐소드 간극이 유지되는, 이온 소스.
제 3 항에 있어서,
상기 제 2 캐소드 직경은 상기 제 1 캐소드 직경보다 큰, 이온 소스.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 캐소드 직경 및 상기 제 2 캐소드 직경은 동심(concentric)인, 이온 소스.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 캐소드 직경 및 상기 제 2 캐소드 직경은 미리 정해진 거리만큼 오프셋(offset)되는 각각의 중심선(centerlines)을 갖는, 이온 소스.
제 3 항에 있어서,
상기 캐소드 간극은 구불구불한 경로(tortured path)를 나타내는, 이온 소스.
제 2 항에 있어서,
상기 계단형 원통형 표면은 상기 제 1 캐소드 직경 및 상기 제 2 캐소드 직경을 나타내는 내부 표면을 포함하는, 이온 소스.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 캐소드 직경은 상기 제 1 캐소드 직경보다 크고, 이에 의해서 상기 캐소드의 두꺼운 벽(thickened wall)을 나타내는, 이온 소스.
제 9 항에 있어서,
필라멘트 간극(filament gap)이 상기 필라멘트와 상기 캐소드의 상기 두꺼운 벽 사이에 나타나는, 이온 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 캐소드는 전이 영역(transition region)에서 꽉 찬 원통형 부분(solid cylindrical portion)으로부터 연장되는 중공 원통형 부분(hollow cylindrical portion)을 포함하되, 상기 중공 원통형 부분 내에 상기 공동이 나타나고, 상기 전이 영역에서 상기 캐소드 단이 나타나는, 이온 소스.
제 11 항에 있어서,
상기 캐소드 차폐부는 상기 캐소드의 전방 캐소드 표면을 상기 플라즈마에 축방향으로 노출시키면서 상기 캐소드를 방사상으로 둘러싸는, 이온 소스.
이온 소스로서:
내부에 나타난 캐소드 단을 갖는 캐소드; 및
내부에 나타난 캐소드 차폐부 단을 갖는 캐소드 차폐부;
를 포함하되,
상기 캐소드 차폐부는 상기 캐소드와 캐소드 차폐부 사에에 캐소드 간극을 유지하면서 상기 캐소드를 방사상으로 둘러싸는, 이온 소스.
제 13 항에 있어서,
상기 캐소드 차폐부 단은 전반적으로 상기 캐소드 단과 일치하는, 이온 소스.
제 13 항에 있어서,
상기 캐소드는 전이 영역에 근접한 꽉 찬 원통형 부분으로부터 연장되는 중공 원통형 부분을 포함하되, 상기 캐소드 단은 상기 전이 영역에서 나타나는, 이온 소스.
제 13 항에 있어서,
상기 캐소드의 상기 중공 원통형 부분 내에 배치된 필라멘트를 더 포함하는, 이온 소스.
제 13 항에 있어서,
상기 캐소드는 제 1 캐소드 직경 및 제 2 캐소드 직경을 포함하고, 이에 의해서 상기 캐소드 단을 나타내는, 이온 소스.
제 17 항에 있어서,
상기 제 1 캐소드 직경 및 상기 제 2 캐소드 직경은 동심인, 이온 소스.
제 17 항에 있어서,
상기 제 1 캐소드 직경 및 상기 제 2 캐소드 직경은 미리 정해진 거리만큼 오프셋된 중심선을 갖는, 이온 소스.
이온 소스를 위한 캐소드 조립체(cathode assembly)로서,
상기 캐소드 조립체는:
계단형 캐소드; 및
상기 계단형 캐소드와 상기 계단형 캐소드 차폐부 사이의 간극을 유지하면서 상기 계단형 캐소드를 방사상으로 둘러싸는 계단형 캐소드 차폐부;
를 포함하되,
상기 계단형 캐소드 차폐부의 내부 표면은 전반적으로 상기 계단형 캐소드의 외부 표면과 일치하고, 그로 인해 상기 계단형 캐소드와 상기 계단형 캐소드 차폐부 사이에 구불구불한 경로를 나타내는, 캐소드 조립체.
제 20 항에 있어서,
상기 계단형 캐소드는 상기 계단형 캐소드의 외부 표면에 나타난 복수의 캐소드 단을 포함하고,
상기 계단형 캐소드 차폐부는 상기 계단형 캐소드 차폐부의 내부 표면에 나타난 복수의 차폐부 단을 포함하는, 이온 소스.