KR960014437B1 - 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

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Description

고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법 및 장치

제1도는 본 발명의 방법을 실시하기 위해 사용될 수 있는 펄스형 이온 주입 시스템(pulsed ion implantation system)의 간략한 평면도.

제2도는 콘라드(Conrad) 특허에 기술된 바와 같은 펄스형 목표물 연속 플라즈마 시스템(pulsed target,continuous plasma system)의 전압 및 이온 전류 응답(ion current response)을 도시한 그래프.

제3a, 제3b 및 제3c도는 본 발명에 따라 달성된 전압, 플라즈마 밀도 및 이온 전류 응답을 각각 나타내는 그래프.

제4도는 보조 전극이 사용되는 본 발명의 다른 실시예의 간략한 단면도.

제5도는 제4도에 도시한 배열과 상이한 보조 전극 배열을 갖는 본 발명의 다른 실시예의 간략한 평면도.

제6도는 자기(magnetic)가 증강된 보조 전극 구조를 도시한 간략한 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 챔버 6 : 목표물

18 : 전압 펄스 22 : 주입 전류

24a, 24b : 보조 전극 36 : 필라멘트

본 발명은 플라즈마 이온 주입에 관한 것으로, 특히 주입되는 목표물에 고 전압을 인가하는 펄스-전력 시스템(pulse-power system)과 동일한 펄스-전력 시스템에 의해 플라즈마가 발생되는 고 전압 주입(high vol-tage implantation) 방법 및 장치에 관한 것이다. 플라즈마 이온 주입은 불규칙하게 성형된 목표물이 플라즈마내에 잠겨서, 플라즈마로부터 양이온(positive ion)들을 끌어들이도록 음(negative)으로 바이어싱(biasing)되어, 플라즈마를 충분한 에너지 상태로 주입 목표물에 충돌시키는 방법이다. 이러한 방법은 영역 내의 물체의 표면 특성을 우수한 내구성(wear characteristics) 및 증가된 강성(increased hardness)을 갖도록 개량하고자하는 것이다. 이온 주입의 여러가지 상이한 응용기술들이 공지되어 있는데, 우수한 내구성을 갖지만 비교적 저가이고 재료가 적게 드는 산업 공작 기계 다이(industrial tool die)를 생산하기 위해 이러한 기술을 유익하게 사용할 경우, 강자성 물질(ferrous material)의 신속한 처리가 요구된다.

0.1 미크론 이상의 충분한 주입 깊이를 달성하도록 플라즈마 이온을 충분히 가속시키기 위해 전형적으로 50kV보다 큰 고 전압이 목표물에 인가된다. 기존의 주입 시스템은 연속 플라즈마(continuous plasma)를 발생시키고 또 목표물을 바이어싱시키기 위해 독립적인 메카니즘(independent mechanism)을 사용하였다. 이 분야에 대한 콘라드(Conrad) 특허 제4,764,394호는 배경 개스(background gas)의 용적 이온화(volumeionization)를 통해 연속 플라즈마를 발생시키기 위해 플라즈마 챔버 내에 삽입된 캐소드(cathode)와[애노드(anode)로서 기능하는] 챔버 벽 사이의 방전을 이용한다. 별도로 타이어싱된 목표물이 이온 주입용 플라즈마내로 삽입된다. 배경 개스 압력은 전형적으로 10^-3-10^-4Torr이다. 플라즈마는 목표물의 모든 불규칙한 표면을 포위하는데, 상기 목표물은 플라즈마 발생 시스템에 관계없는 고 전압 변조 시스템(high voltage modulator system)에 의해 플라즈마에 대해 높은 부 전위(negaive potential, 약 20~100kV)로 펄스-바이어싱된다. 잠겨진 목표물(immersed target)의 펄스-바이어싱은 아아킹(arcing)을 감소시키고, 플라즈마 외장(plasma sheath)의 팽창을 제한하며, 또 전체 목표물 표면에 대한 플라즈마 이온의 전방향(omnidirectional) 및 균일한 주입을 달성하게 한다. 그러나, 주요 단점은 별개의 플라즈마 발생 시스템이 필요하며, 또 목표물에 펄스를 가하는 동안 플라즈마를 연속으로 유지하는 것은 전압 펄스의 상승 시간 중에 고 이온 서지 전류(high ionsurge current)를 발생시키는 결과를 가져온다는 점이다. 또한 짧은 시간기간 동안 고 이온 도우즈(high ion dose)를 달성하기 위해 (약 1kHz 정도의) 목표물 펄스 변조기의 초고주파수 동작이 요구되는데, 이는 아아킹을 초래하게 된다. 또한, 이온 주입 속도는 플라즈마 밀도를 상승시키기 위해 개스 압력을 약 10^-4Torr보다 크게 증가시킴으로써 역시 증가될 수 있지만, 이는 역시 아아크 형성(arc formation)을 초래할 수 있다.

콘라드 특허에 있어서, 플라즈마 외장은 처음에 목표물 표면에[수 디바이(Debye)길이 정도로]접해 있다. 주입 전압 펄스 인가시, 플라즈마 이온들은 플라즈마로부터 제거되고 외장은 팽창한다. 주입 전압 펄스의 오프시간(OFF time)중에, 플라즈마 외장은 부품의 표면 쪽으로 이동한다. 종래의 실시에 있어서, 플라즈마 외장이 목표물 표면에 적합해지도록 시간 기간 내에, 즉 다음 펄스가 인가되기 전에 이동할 수 없는 주입 전압 펄스의 주파수의 상한(~1kHz) 이 존재한다. 더욱이, 주입 전압 펄스가 인가되기 전에 플라즈마가 제공됨에 따라, 일단 주입 전압이 인가되면 매우 높은 전계(50~100㎸/cm)가 플라즈마 외장 양단에 나타난다. 고전계 형성(high electric field stress)과 함께 고 반복 속도(1kHz) 및 고 개스 압력(10^-4Torr)에서 아아크를 초래하는 고 이온 전류 스파이크가 발생한다.

플라즈마 이온 주입을 위한 대안적인 플라즈마 발생 메카니즘이 마토시안(Matossian) 및 조벨(Goebel)에 의해 1990년 10월 10일 출원되고 본 발명의 양수인인 휴우즈 에어크 라프트 캄파니에 양도된 미국 특허 출원 제07/795,123호에 기술되어 있다. 이 출원에 있어서, 플라즈마는 이온화 챔버 내측의 배경 개스의 용적 이온화에 의해 형성되는 것이 아니라 진공 시스템(vacuum system)에 부착된 국부 플라즈마 발생기(localized plasma generator) 내에서 형성된다. 이것은 주입 작업 공간 내의 개량된 균일성, 1개 이상의 시료로부터의 개량된 선택 플라즈마 발생, 미국 특허 제4,764,394호에서 사용된 필라멘트의 증발(evaporaton) 또는 스퍼터링(sputtering)에 의한 표면 오염의 제거, 및 이원자 작업 개스(diatomic working gases)를 위한 시료 혼합의 제어 등의 장점을 갖는다. 그러나, 이 시스템은 고 전압 변조기 이외에 별개의 방전 및 캐소드 히터 전원을 사용하고, 이온 챔버의 다중 침투(multiple penetration)를 필요로 하며, 또 목표물 펄스의 상승시간 중에 높은 서지 전류를 발생시키는 결과를 가져오는 연속 플라즈마 발생을 이용한다.

표면 내로 이온을 주입하지 않고 목표물을 코팅하기 위해 상술한 것보다 매우 낮은 전압, 일반적으로 1kV미만에서 동작하는 다른 이온 시스템이 공지되어 있다. 그루엔(Gruen) 특허 제5,015,493호에 기술된 이러한 시스템에서는 개스 내에서 이온을 발생시키기 위해 글로우 방전(glow discharge)이 이용된다. 그 다음으로, 상기 이온은 글로우 방전을 생성하기 위해 사용되는 전압 신호와 동일한 전압 신호에 의해 목표물 표면으로 끌린다. 약 1~10kHz의 반복 주파수에서 약 10~100μS의 펄스 지속 기간을 갖는 0.1㎸와 1㎸ 사이의 부 전압 펄스가 목표물에 인가된다. 증착 동안의 목표물 표면의 과열, 아아킹 및 목표물 표면 부근의 플라즈마의 공핍(depletion)을 방지하기 위해 연속신호가 아닌 펄스가 사용된다. 비록 상기 특허에서 100Pa(0.73Torr)미만일 수 있다고 기술하였을지라도 특정 개스 압력은 주어지지 않는다.

그루엔 특허가 이온화된 증기로 작업편(work piece)을 코팅하는데 효과적일지라도, 이것의 동작 원리는 이온 주입에서 필요로 하는 매우 높은 전압에 적용될 수 없다. 이것은 그루엔 특허에서 사용되는 바와 같은 글로우 방전이 목표물로부터 방출되는 2차 전자와 플라즈마를 유지하는데 필요한 이온을 발생시키기 위한 주변 개스 원자들 사이의 직접 충돌(direct collision)에 좌우되기 때문이다. 이온 주입에 사용되는 매우 높은 전압, 전형적으로 50㎸ 이상인 정도의 전압에서, 2차 전자는 매우 긴 평균 자유 경로(mean free path) 및 이에 따른 개스 원자들과의 낮은 이온화 충돌 확률을 갖는다. 그러므로, 2차 전자 충돌로부터 발생되는 이온 밀도는 보다 높은 전압 레벨에서 휠씬 낮다. 이것은 에이취. 타와라(H. Tawara) 및 티.가또(T. Kato)의 원자 데이타 및 핵 데이타 테이블(Atomic Data and Nuclear Data Table), 아카데미 프레스, 36권, 제2호, 1987년 3월간, 페이지 167~353의 전자 주입에 의한 원자 및 이온의 전체 및 부분 이온화 단면(Total and Partial Ionization Cross Sections of Atoms and Ions by Electron Implant)에 설명되어 있는데, 20keV보다 큰 에너지에서 0족 기체(noble gas)의 이온화 단면이 100~200eV 미만에서 30배 정도로 되는 것이 도시되었고, 상기와 같은 낮은 이온화 단면에서, 조밀한 플라즈마를 발생시켜 유지하는 것은 매우 어렵다는 것을 알 수 있다. 이온화는 대부분의 이온 주입 작업이 행해지는 100keV 이상에서는 더 크게 떨어진다.

또한, 펄스형 글로우 방전은 질소가 이온화 질소 개스로부터 목표물 표면에서 형성되는 이온 질화(ion nitriding)에 이용되었다. 이 기술은 예를 들어, 권(Kwon) 등의 Proceedings of the International Conference on Ion Nitriding(1987년)의 페이지 77~81, 블라인드 홀을 갖는 시료 내의 펄스형과 D.C. 이온 질화 동작사이의 비교 연구(A Comparative Study Between Pulsed and D.C. Ion Nitriding Behavior in Specimens with Blind Holes)에 기술되어 있다. 이 기술에서, 개스 압력은 약 1~10Torr로 한층 더 높고, 글로우 방전을 설정하기 위해 사용된 전압 레벨(전형적으로 1kV 미만)은 이온 주입에 사용된 전압보다 매우 낮다. 또한 다른 펄스형 이온 시스템이 공지되어 있다. 프레지베스크스키(Przybszewski)의 특허 제3,732,158호에서는 2~5㎸ DC 전압원이 물체를 스퍼터 세척하는데 사용되는 글로우 방전을 설정하기 위해 초기에 물체에 접속된 다음, 10^-2Torr로 개스 압력을 낮추고 전압원을 펄스화하여 목표물상으로 스퍼터되는 박막 물질에 RF전력을 인가한다. 바이르네스, 쥬니어(Byrnes, Jr.) 등의 특허 제3,479,269호에서, 스퍼터 에칭 프로세스는 플라즈마를 형성하고 목표물로 이온을 끌어들이기 위해 목표물에 네가티브(negative) 1.5㎸ 펄스열을 인가함으로써 달성된다(도 5 참조). 그러나, 그루엔 특허에서와 같이, 이러한 2개의 특허들에서 설명된 시스템은 최고 전압 이온 주입 기술에 적용될 수 없다.

본 발명은 별도의 플라즈마 형성 시스템의 필요성이 없으며, 큰 주입 이온 도우즈 비율을 달성할 수 있고, 또 콘라드 특허에서의 이온 서지 전류를 방지하는 높은 도우즈 비율(dose rate)의 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 기술 및 장치를 제공하기 위한 것이며, 또 본 발명은 50㎸를 초과한 고 이온 주입 전압에서 플라즈마를 유지할 수 있게 한다.

이러한 목적은 종래의 글로우 방전 플라즈마의 신뢰성 있는 설정값보다 상당히 높은 전압 레벨에서 부 전압 펄스 열을 이온 주입 목표물에 인가함으로써 달성된다. 또한, 펄스형 플라즈마는 각 펄스의 적어도 일부분에 대한 비임 플라즈마 불안정 상호 작용(beamplasma instability interaction)에 의해 목표물 주위에 설정된다. 이것은 휴우즈 에어크라프트 캄파니에 양도된 슈마처(Schumacher) 등의 미국 특허 제4,912,367호에 기재된 PASOTRON(휴우즈 에어크라프트 캄파니의 상표) 마이크로웨이브 소오스(microwave source)의 느린 파형구조(slow wave structure)를 채우기 위해 사용된 동일한 플라즈마 발생 메카니즘이다. 목표물로부터 방출된 2차 전자가 직접 글로우 방전을 이루기에 충분하도록 발생될지라도, 이들은 2차 전자와 배경 플라즈마 사이의 비임-플라즈마 불안정 상호 작용을 통해 1차 펄스형 플라즈마를 형성하는데 사용하는 배경 펄스형 플라즈마(background pulsed plasma)를 이루게 된다. 플라즈마 목표물에 전압 펄스의 인가 결과로서 발생되므로, 각 전압 펄스의 개시부에서 이온 전류 서지가 금지된다.

새로운 주입 방법은 목표물이 보다 짧은 시간 기간 내에 충분히 높은 도우즈로 주입되게 할 수 있다. 양호한 동작 파라메터(operating parameter)는 50㎸를 초과하는, 양호하게는 10kV를 초과하는 전압 레벨, 초당(persecond) 50~1,000펄스 범위 내의 주파수로 약 10μs미만의 펄스 지속 기간, 및 약 1×10^-4~1×10^-3Torr의 개스 압력이다. 낮은 개스 압력에서는 1개 이상의 보조 전극이 이온 챔버 내에 배치될 수 있다. 목표 펄스의 인가시, 비임 플라즈마 방전을 개시하는 시드 전자(seed electron)는 이 보조 전극에 의해 발생된다. 또한, 목표 펄스는 비임-플라즈마 불안정 상호작용을 통해 플라즈마를 유지한다. 높은 개스 압력에서는, 보조 전극이 필요하지 않지만, 이들은 플라즈마 상태를 제어 및 조절하는데 도움이 되도록 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 방법은 실행하기 위해 사용될 수 있는 플라즈마 이온 주입 시스템의 간략한 도면이 도 1에 도시된다. 이 시스템은 이온이 주입될 목표물(6)을 지지하기 위해 챔버 내부에 지지된 플랫폼(4)을 갖는 밀봉된 플라즈마 챔버(2)로 이루어져 있다. 질소와 같은 개스는 개스원(7)로부터 챔버 내로 유입된다. 챔버 및 목표물지지 구조물은 후술하는 바와 같이 종래의 설계와 다르다.

고 전압 펄스 발생기(8)의 출력은 절연된 진공 피드쓰루(vacuum feedthrough, 10)을 통해 목표물(6)에 접속되는데, 이것은 소오스(8)의 출력과 동일한 전압 전위로 상승된다. 전압원(8) 및 챔버(2)의 벽 모두에는 접지 기준이 제공된다. 신속한 고 전압 스위치가 펄스를 형성하는데 필요하다. 휴우즈 에어크라프트 캄파니에 모두 양도된 하베이(Harvey)의 미국 특허 제4,247,804호, 슈마춰와 하베이의 미국 특허 제4,596,946호 및 슈마처의 미국 특허 제5,019,752호에 기술된 CROSSATRON스위치가 이러한 목적에 적합하다.

전압원(8)으로부터 목표물(6)에 공급된 전압 펄스들은 일반적으로 50kV를 초과하는, 양호하게는 100kV 이상이며 이는 이온 주입에 충분할 정도로 높다. 상술한 바와 같이, 이러한 전압 체계에 있어서, 종래의 글로우 방전이 목표물 주위에서 이루어질 수 있고 목표 전압원으로부터 분리된 플라즈마 형성 시스템이 정상적으로 사용될 수 있는지가 의심스럽다. 그러나, 플라즈마가 정상 글로우 방전과 아주 상이한 메카니즘을 통해 상기 고 전압 레벨에서 유지될 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 플라즈마 발생 메카니즘은 비임-플라즈마 불안정 상호작용이라 언급되며, 이제까지는 전자 비임에 관해서만 관측되었다. 이러한 플라즈마 발생 형태는 리우(Liu)의 논문(thesis) 비임-플라즈마 방전에 의한 플라즈마 발생(Plasma Production By Beam-Plasma Discharge)[스티븐스 기술연구소(Stevens Institute of Technology), 1974년, 페이지 1~2]; 쉬미디트(Schmidt)의 고온 플라즈마 물리학 제2판(Physics of High Temperature Plasmas 2d ed.)(아카데미 프레스, 1979년, 페이지 220~222); 이시까와(Ishikawa) 등의 비임-플라즈마형-이온 소오스 내의 이온 공간-충전 보상에 의한 이온 비인 추출(Ion beam extraction with ion space-charge compensation in beam-plasmatype ion source)[응용 물리학 저널(Journal of Applied Physics), 53권, 9호(1982년 9월, 페이지 6018~6028)]; 로징(Rosing) 등의 비임-플라즈마 이온 소오스의 방전 및 이온 추출 특성(Discharge and ion extraction properties of a beam- plasma ion source)(응용 물리학 저널, 57권, 3호, 1985년 2월 1일, 페이지 816~818); 및 디미르카느프(Demirkhanov) 등의 비임-플라즈마 방전으로부터의 이온 방출(Ion Emis-sion From a Beam-Plasma Discharge)[소비에트 피직스-테크니컬 피직스(Soviet Physics-Technical Physics), 15권, 7호 (1971년 1월, 페이지 1047~1050)]에 기술되어 있다.

이러한 프로세스에서, 캐소드에서 나오는 전자는 인가 전압에 의해 가속되고 주변 개스 원자와 이온화 충돌을 일으킨다. 그러나, 이들 1차 전자에 의해 발생된 배경 플라즈마는 매우 미약한데, 그 이유는 그들이 수에 있어서 비교적 소수이고, 그들의 평균 자유경로(mean free path)는 방전 챔버의 길이보다 휠씬 길기 때문이다. 1차 전자(전자 비임)와 배경 플라즈마의 결과적인 혼합물(resulting mixture)은 밀도 변동(density fluctuation)에 대하여 불안정하다. 이러한 비임-플라즈마 상호 작용에 기인하여, 강력하고 높은 주파수 플라즈마 파(wave)가 플라즈마 내에서 여기된다. 이러한 파들은 배경 플라즈마 전자를 가열하며, 결과적인 전자속도 분포의 후미(tail)는 원래의 고 에너지 전자 비임의 이온화 비율에 기초하여 계산한 것보다 휠씬 높은 레벨로 플라즈마 밀도를 증가시키도록 충진 개스(fill gas)를 이온화시킨다. 플라즈마 밀도는 점차 증가하며, 1차 플라즈마 밀도는 비임-플라즈마, 플라즈마 발생이 챔버 벽으로의 입자 손실에 의해 균형화되는 정상 상태값에 도달하게 된다. 미국 특허 제4,912,367호에 기술된 공동 캐소드 플라즈마 E-건(hollow cathode plasma E-gun)을 포함하는 여러가지 형태의 전자 비임 건(electron beam gun)이 플라즈마 발생을 개시키키는 비임을 제공하기 위해 사용되었다.

본 발명에서는 1차원 전자 비임 건을 이용하기 보다는 주입 목표물의 전체 노출 표면이 전자 소오스로서 효과적으로 사용되고, 또 전자 비이믄 배경 개스 내로 흐르는 2차 전자의 3차원 분포로 된다. 그러나, 동일 형태의 비임-플라즈마 불안정 상호 작용이 전자 비임과 같이 발생한다는 것이 발견되었다. 이러한 독특한 플라즈마 발생 메케니즘은 이온 주입을 위해 요구되는 고 전압 레벨(5~100kV)에서 주입 목표물(6) 주위의 펄스형 플라즈마를 이루기 위해 종래의 글로우 방전 대신에 사용된다.

전압 펄스가 100kV 정도이고, 전류가 50~500A인 경우에, 2kΩ~0.2kΩ 정도의 고 임피던스가 각 펄스 중에 목표물 표면을 둘러싸는 플라즈마 외장에 걸쳐 유지될 수 있다. 펄스 지속 기간은 비임-플라즈마 불안정 메카니즘을 통하여 작동 챔버 내에 플라즈마를 이루기에 충분한 시간을 허용하도록 충분히 길어야 한다. 또한, 펄스 지속 기간은 주입 중 목표물 표현으로부터 플라즈마 외장이 이동하는 것을 방지할 수 있을 정도로 충분히 짧아야 하는데, 그와 같이 않다면 플라즈마 외장이 목표물 표면의 작은 모양의 외관을 따를 수 없게 된다. 이러한 요건은 플라즈마 외장이 주입 전압 펄스의 인가 전에 목표물 표면 주위에 이루어지는 종전의 콘라드 특허 기술과는 구별되는 것이다. 한편, 펄스 지속 기간은 발생될 외장 연장(sheath expansion)의 양을 결정한다. 펄스-오프(pulse-OFF) 시간 중에, 플라즈마 외장은 목표물 표면을 향해 뒤로 이동하며, 다음 전압 펄스가 인가되기 전에 이전 위치를 이루게 된다. 본 발명에서는 주입 전압 펄스의 인가 전에 이루어지는 플라즈마 또는 플라즈마 외장이 없다. 전압 펄스가 인가될 때, 플라즈마는 비임-플라즈마 불안정을 통해 형성되고, 플라즈마 외장은 펄스 지속 기간 중에 목표물 표면을 향해 이동하도록 이루어진다. 외장은 플라즈마 밀도가 증가할수록 목표물 표면의 외관을 따르게 되고, 그 다음으로 주입 과정 중에 이온이 플라즈마부터 공핍될 때 목표물 표면으로부터 멀리 이동된다. 그러므로, 본 발명에서 펄스 지속 기간은 비임-플라즈마 불안정 메카니즘을 통해 작동 챔버 내에 플라즈마를 이루기에 충분한 시간을 허용하도록 충분히 길어야 하지만, 주입중에 목표물 표면으로부터의 플라즈마 외장이 과다하게 이동하는 것을 방지할 수 있도록 충분히 짧아야 한다. 이러한 동시 요건을 만족시키기 위해서, 펄스 지속 기간은 1μs 보다 길어야 한다. 양호한 실시예에서, 7~8μs의 펄스 지속 기간이 사용되는데, 펄스 지속 기간이 이보다 길면 목표물 표면과 플라즈마 사이의 플라즈마 외장을 가로질러 아아크가 발생한다. 펄스 반복 주파수는 일반적으로 50Hz와 1,000Hz 사이에 유지되어야 한다. 약 5μs의 펄스 지속 기간과 80 내지 200Hz 사이의 펄스 주파수에서 성공적 동작이 유지되었다.

챔버 내의 개스 압력은 주입 과정을 위한 또 하나의 중요한 파라메터이다. 압력이 증가하면 플라즈마 밀도는 상승하고, 이것은 이온의 보다 신속한 주입을 달성시킨다. 그러나, 압력이 너무 높으면 아아크가 발생할 수 있다. 100kV 펄스에서, 아아크는 약 5×10³Torr 이상의 압력에서 발생할 수 있다는 것이 알려졌다. 허용 가능한 압력 범위의 하한선은 펄스형 고 임피던스 방전 플라즈마가 유지될 수 있는 최소 압력으로 설정된다. 적합한 플라즈마는 약 1×10^-4Torr의 개스 압력에서 얻어지 수 있으나, 이러한 압력에서는(아래에 기술되는) 보조 전극이 각 플라즈마 펄스를 개시시키는데 일반적으로 필요하다.

본 발명의 중요한 장점은 콘라드 특허보다 높은 플라즈마 밀도와 신속한 주입 속도를 달성할 수 있다는 것이다. 콘라드 특허에서 이루어질 수 있는 펄스당 이온 도우즈 비율은 일반적으로 1mA/㎠ 정도이지만, 이에 반해 본 발명에서의 도우즈 속도는 10mA/㎠ 보다 크게 이루어질 수 있다. 이러한 높은 전류 밀도는 외장 두께를 50~100kV에서도 3~6cm 정도로 작게 할 수 있도록 허용한다. 콘라드 특허에 따르면, 플라즈마가 고 전압 펄스의 인가 전에 존재할 필요가 있으며, 그렇게 하므로서 목표물 상의 세밀한 모양의 주입이 가능하도록 작은 외장이 이루어진다. 본 발명의 고 임피던스 기술을 사용하면, 100kV에서도 적절하게 작은 외장이 얻어질 수 있을 정도로 이온 전류 밀도가 높다.

콘라드 프로세스에 대해, 본 발명에 의해 제공되는 다른 중요한 장점은 목표물에 인가된 각각의 고 전압 펄스의 초기에 겪게 되는 이온 서지 전류를 거의 제거시킬 수 있다는 것이다. 콘라드의 상황(situation)은 도2에 도시되는데, 상기 도면에는 목표물에 인가되는 전압 펄스(12)가 플라즈마로부터 목표물로 주입된 최종 이온 전류(14)와 동일한 시간 스케일(time scale)로 도시된다. 콘라드의 연속 플라즈마를 사용하는 경우, 최대 이온 전류는 전압 상승 시간 중에 목표물로 전해진다. 이것은 2가지 기여(contribution)에 기인하여, 고 전류 스파이크(spike, 16)을 생성한다.

제1기여는 대규모 캐패시턴스(케이블, 피드쓰루, 목표물 테이블 등등)의 변화이다. 제2기여는 인가된 고 전압 외장이 확장함에 따라 전하(이온)를 쓸어냄으로써 목표물과 플라즈마 사이에 찰드-랑그뮈어(Child-Langmuir) 외장을 성립시킬 때에 목표물 상으로 흐르는 대규모 이온 플러스(ion flux)이다. 전류는 전압이 상승하는 동안 평균값의 2 내지 10배로 상승한다. 대규모 전류 스파이크는 고 전압 변조기에 의한 큰 서지 전류 능력(capability)을 필요로 하며, 변조기 회로 상에 지나친 부담(stress)을 준다.

본 발명에 따르면, 대조적으로 플라즈마 및 고 전압 펄스들이 단일 변조기로부터 동시에 생성된다. 전압 펄스는 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마로 작동 용적(working volume)을 채우며 또 이온을 목표물로 전송하는데 필요한 한정된 시간으로 인해 플라즈마 밀도보다 더 빨리 증가한다. 목표물에 대한 이온 전류는 전압 펄스보다 느리게 증가하므로 전류가 상승하는 동안 전체 전압에서 이온 주입을 초래한다. 이러한 상황은 곡선(18, 20 및 22)이 공통인 시간 스케일(common time scale)에 대해 도시된 주입 전압, 플라즈마 밀도 및 이온 전류 파형을 각각 나타내는 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된다. 플라즈마 밀도와 이온 전류의 상승이 전압상승 이후로 지연되고, 피크 전압이 미리 이루어질 때까지 피크값에 도달하지 않는다.

본 발명에 의해 제공된 느린 이온 전류의 상승 시간은 목표물의 아아킹 비율을 감소시키는 완만한 시작(softstart)을 전류 펄스에 제공한다. 또한 이러한 펄스 형태는 목표물에 인가된 전압 펄스에 고 주파 발진(highfrequency oscilation)을 여기시키지 않고 주입 전압을 증가시키도록 승압 변압기(step-up transformer)에 용이하게 결합될 수 있다. 이것은 펄스 중에 주입 전압 출력에 펄스 변압기를 자극하여 상당한 진동을 발생시키는 경향이 있는 콘라드의 연속 플라즈마 방법에서의 고 전류 턴온 스파이크 특성(turn-on spike characteristic)과 대조적이다. 연속 플라즈마 기술의 결과는 미약한 이온 주입에 의해 달성되는 펄스의 약간 큰 부분 동안 주입 전압이 변조기의 피크 전압보다 전형적으로 낮다는 것이다. 도 3c에 도시된 개량된 전류 펄스(22)는 펄스 변압기에 우수한 커플링(coupling)을 제공하고 또 전체 펄스 길이 동안 안정된 출력 전압을 제공한다.

상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 펄스형 플라즈마 시스템은 1×10^-4-1×10^-3Torr의 압력 범위의 하한에서는 플라즈마를 개시시킬 수없다. 변형된 시스템은 도 4에 도시되어 있다. 개스 압력이 1×10^-4Torr의 범위로 감소될 때, 도 1의 시스템은 비임-플라즈마 충전을 개시시키기가 점점 어려워진다. 이는 배경 개스 원자의 밀도가 낮기 때문이고, 비임-플라즈마 불안정성을 통해 플라즈마 생성을 높게 하도록 만드는 미약한 플라즈마(tenuous plasma)를 생성하는데 요구되는 시드 전자가 거의 없기 때문이다. 이 문제점을 완화시키고 또 충분한 시드 전자를 제공하는데 사용될 수 있는 2가지 기술이 있다. 상기 기술 양자 모두는 필요한 시드 전자를 제공하기 위하여 이온 주입 챔버에 배치된 보조 전극을 사용하는 것과 관련된다. 한 기술에 있어서, 열이온 필라멘트(thermionic filament)가 보조 전극을 연속적으로 작동시킴에 따라 시드전자의 소오스로서 사용된다. 다른 한 기술에 있어서는, 비임-플라즈마 충전 프로세스를 낮은 압력에서 개시시키기 위한 시드 전자를 제공하기 위하여 콜드 캐소드 보조 전극으로서 작용하는 자기 증가된 금속판(magnetically augmented metal plate)을 사용하는 것이다.

도 4는 낮은 배경 압력에서의 동작을 촉진시키기 위한 제1실시예의 다이어그램(diagram)이다. 상기 실시예는 이온화챔버(2) 내부의 하나 이상의 전자 방출 필라멘트(eiectron-emitting filment)의 배치로 구성된다. 필라멘트(36)은 도시된 바와 같은 저항(Rc)를 사용하거나 벽에 직접 접속시킴으로써, 진공 챔버 벽의 한 단부에 부착된다. 필라멘트(36)은 전원 장치(38)을 사용함으로써 전자 방출을 야기하는 열 이온 온도로 가열된다. 분리된 플라즈마는 이들 필라멘트를 사용하여 발생되지 않는다. 이들은 단지 이온 주입 면적에 연속적으로 시드 전자를 제공하는 작용을 한다. 일단, 주입 전압이 인가되면 필라멘트로부터 시드 전자가 배경 개스를 상당히 낮은 레벨로 이온화시키므로, 비임-플라즈마 충전 프로세스는 1×10^-4Torr의 낮은 범위의 압력에서 개시될 수 있다. 필라멘트의 온도를 변화시킴으로써 플라즈마 밀도 및 목표물로 주입된 이온 전류 밀도가 개스 압력 및 인가된 전압에 무관하게 변화되고 제어될 수 있다. 비록 저압 범위에서 동작할 수 있도록 주로 의도되었다 하더라도 이러한 실시예는 상술된 고압 범위상에서도 역시 사용될 수 있다.

도 5는 낮은 배경 압력에서 비임-플라즈마 충전 동작을 촉진시키기 위하여 사용될 수 있는 제2실시예를 도시한 것이다. 이 실시예는 핫 필라멘트 캐소드(hot filament cathode, 36)[및 이와 관련된 필라멘트 히터 전원 장치(38)]을 단순한 콜드 캐소드 시스템으로 대체한다. 이것은 각각 피드쓰루(26a 및 26b)를 통해 진공 챔버(2)에 지지된 보조 전극(24a 및 24b)로 언급되는 하나 이상의 금속 전극 구조물(metal electrode structure)로 이루어진다. 캐소드(24a 및 24b)는 밸러스트 저항(ballast resistor, Ra 및 Rb)를 통해 고 전압 펄스 발생기(8)로부터 목표물을 기준으로 하는 신호를 수신한다.

콜드 캐소드 표면 상에 충전을 개시하기 위한 메카니즘을 제공하기 위하여, 국부 자계(localized magneticfield)가 주입 목표물로부터 떨어진 캐소드의 한 면 상의 영구 자석(28)(도 6에 도시됨)에 의해 보조 캐소드 구조물로 유입된다. 이러한 국부 자계는 콜드 캐소드 표면으로부터 방출된 임의 전자의 경로 길이를 증가시키는데, 상기와 같은 방전은 감소된 압력(≤10^-3미크론)에서 보조 캐소드 상에서 방전이 개시될 수 있다. 보조 캐소드에서의 자계의 외형(geometry)은 E×B 방전이 캐소드를 구동시키도록 되어 있다. 교차-필드(cross-field) 플라즈마 생성 방전은 평면 마그네트론(planar magnetron) 내에서 발견된 것과 유사하게 나타난다. 플라즈마 방전은 고 전압 펄스가 개시될 때, 보조 캐소드에서 국부적으로 생성되고, 이온 및 전자는 플라즈마 형성을 촉진시키기 위하여 목표물 영역으로 확산된다.

도 5에 도시된 보조 캐소드 구조물용 콜드 캐소드 기술(핫 플라즈마 기술에 반대됨)를 사용하는 경우 몇가지 장점이 있게 된다. 첫째로, 펄스 개시시에 고 전압 상태에서 부유(floating)하는 필라멘트 히터 전원이 제거될 수 있다. 둘째로, E×B 방전은 전자의 긴 경로 길이로 인해 주 챔버(main chamber)에서 고 임피던스 방전전에 개시된다. 이는 부적당한 플라즈마 위치 및 발생에 의한 목표물의 아아킹을 방지하도록 시드 전자의 유입(introduction)제어를 제공한다. 셋째, E×B 보조 캐소드는 목표물 상에 플라즈마 균일성을 제어하기 위하여 사용될 수 있는 큰 플라즈마 양을 밸러스트 저항 값에 따라 생성하는데 사용될 수 있다. 마지막으로, 보조 캐소드의 재료는 낮은 스퍼터링 산출 물질(몰리브덴 또는 텅스텐)을 선택함으로써 기판의 오염(contamination)을 최소화하도록 선택될 수 있으며, 경우에 따라 스퍼터 증착 및 이온 주입을 동시에 제공함으로써 목표물 상의 박막 형성을 돕는 캐소드 재로가 선택될 수 있다. 한 예로, 질소 이온의 증착된 Ti의 이온 주입으로 인해 목표물의 표면에 TiN을 생성하는 Ti 캐소드 재료일 수 있다.

본 발명과 콘라드 특허에 의해 설명된 종래 기술 사이의 중요한 차이가 이제 설명된다. 상술한 바와 같이, 종래의 기술에서는, 높은 이온 전류 및 이온 도우즈 비율을 달성하기 위하여 배경 개스 압력을 간단히 증가시키는 것은 불가능하다. 인가되는 주입 전압 펄스는 목표물 표면에 밀접하게(작은 디바이 길이) 존재하는 미리 설정된 플라즈마가 존재할 때에 인가되기 때문이다. 이는 이온 전류 스파이크가 형성됨과 동시에 외장에 급격히 형성시키기 위한 큰 자계(50~100kV/cm)를 야기시킨다. 이러한 조건들은 10^-4Torr를 초과하는 압력에서 아아킹을 일으킬 수 있고, 안정된 동작을 방해할 수 있다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따르면, 플라즈마가 주입 전압의 인가 이전에 이루어지지 않는다. 전압 펄스가 본 발명에서 인가될 때, 작은 전계(1kV/cm)가 플라즈마가 없는 상태에서 목표물과 진공 챔버 벽 사이에 형성된 다음, 콘라드 기술에서 실험된 동일한 높은 값으로 천천히 형성된다. 10^-4Torr 초과의 높은 개스 압력에서, 글로우 방전이 상술된 비임-플라즈마 상호 작용을 통해 생성된다. 감소된 초기 전계 스트레스(stress) 및 인가된 펄스의 개시시에 제거된 이온 전류 스파이크에 의해, 종래의 콘라드 기술에서 달성될 수 없는 10^-4Torr 이상의 높은 개스 압력에서 안정된 동작이 달성된다.

본 발명에서 생성되는 펄스형 플라즈마는 플라즈마에 관련된 목표물에서 고 전압 강하가 유지된다는 의미에서 목표물 캐소드와 챔버 벽 애노드 사이에 2kΩ과 0.2kΩ 사이의 높은 임피던스를 갖는다는 특징이 있다. 거의 모든 인가된 전압은 외부 회로의 전류 제한 저항의 양단보다도 캐소드 외장의 방전을 통해 나타난다. 고 임피던스 비임-플라즈마 방전 프로세스를 실행하기 위하여, 도 1에 도시된 장치는 최적 설계 요건에 양호하게 만족하여야만 한다. 제1설계 요건은 양자 모두 도 1에 도시된 진공 챔버(2)의 상부 및 하부 반구에 있는 목표물 지지 구조물(4)와 진공 챔버벽 사이의 거리에 관계된다. 목표물(6)이 목표물 지지 구조물(4)에 배치될 때, 비임-플라즈마 방전 프로세스는 목표물 지지 구조물의 하부와 진공 챔버 벽(2) 사이보다 목표물 표면과 진공 챔버 벽(2) 사이에 개시되어 유지된다. 이를 보장하기 위하여, 목표물(6)의 표면과 진공 챔버(2)의 상부 반구 사이의 거리는 목표물 지지 구조물 아래의 대응 거리보다 충분히 더 크다(적어도 2배). 이 설계 요건은 진공 챔버 벽에 대한 목표물 지지 구조물의 위치에 관한 조건이 없는 콘라드의 종래 기술과 구별되며 상이한 점이다.

또한 목표물 지지 구조물의 설계가 고려된다. 양호한 실시예에 있어서, 목표물 지지 구조물은 도 1에 도시된 바와 같이, 지지 구조물의 에지(edge)와 인접한 진공 챔버 벽 사이에 약 7.62 내지 10.16cm(3 내지 4inch)의 갭을 남기도록 크기가 정해진다. 이 갭은 지지 구조물과 챔버 벽 사이의 원하지 않는 아아킹을 방지할 정도로 충분히 큰 동시에 갭 내에 발생되는 글로우 방전을 방지할 정도로 충분히 적다. 또한, 테이블 주위의 누설과 이 영역에서 글로우 방전을 개시시키는 지지 구조물 아래에서의 흐름으로부터 테이블(4) 상부의 글로우 방전에 의해 생성되는 플라즈마를 억제할 정도로 갭 크기가 충분히 작아야 한다. 이러한 방식으로, 목표물 지지 구조물은 종래의 콘라드 기술에 의해 미리 교시되지 않은 다수의 임무를 동시에 실행한다. 이러한 지지 구조물은 주입될 목표물(6)을 지지하고, 또한 자신 아래의 흐름으로부터 플라즈마를 차폐(shielding)한다. 이는 목표물을 지지하기 위한 단일 금속 전극으로 구성되고 주위에 플라즈마가 흐를 수 있게 하는 종래의 목표물 지지 구조물과 대조된다. 목표물 지지 구조물은 이온 주입 챔버 내의 여러 위치에 플라즈마의 흐름을 제한하기 위한 장치(device)로서 사용되어 오지 않았다.

필요하지 않지만 단순화하는데 이점이 있는 또 다른 시스템 설계시에 고려할 사항으로, 도 1에 도시된 주 챔버(2) 내의 자기 제한(magnetic confinement)이 없는 점이다. 본 발명에서는 고 압력을 사용하기 때문에, 자계가 필요하지 않다. 자계는 낮은 압력(10^-5~10^-4Torr)에서 동작하기 위한 이온화 프로세스의 효율을 향상하기 위하여 콘라드에 의한 기술과 같은 종래의 기술에서 필요로 한다. 본 발명은 고 압력 플라즈마 프로세스를 주로 다루기 때문에, 진공 챔버의 주변에 자석을 사용할 필요가 없다.

실시예

보조 전극으로서 필라멘트가 사용되는 구현(demostration)에 있어서, 304 스테인레스 스틸(304 stainless steel)의 몇몇 샘플이 5×10^-4Torr의 압력에서 질소 개스와 함께 주입 목표물로서 사용되었다. 펄스형 주입 전압은 500Hz의 펄스 비율로 인가되는 60kV이며, 또 4mA/㎠의 펄스형 질소 이온 전류 밀도를 갖는다. 샘플은 2차 이온 질량 분광계(secondary ion mass spectrometer)를 사용하여 질소 프로파일이 분석되었는데, 질소 이온이 4×10¹⁶/㎠의 도우즈 및 0.1미크론 깊이로 주입되었다는 것이 검증되었다. 다른 구현은 보조 전극이 없이 실행되었다. 50~60kV의 주입 전압 및 1×10^-3Torr의 질소 압력이 사용되었다. 펄스 반복 비율은 80Hz이었고, 펄스 길이는 5μs였다. 한 시간에 1×10¹⁶/㎠의 주입 도우즈가 10mA/㎠의 펄스형 전류 밀도로 형성되었다. 이는 펄스형 전류 밀도가(약 1mA/㎠ 정도로) 훨씬 낮은 연속 플라즈마 콘라드 시스템의 동일한 반복 비율 및 펄스 길이에서의 50kV의 주입 전압과 대조되는데, 이러한 도우즈 비율로 한 시간 동안 동작한 후 주입 도우즈는 10¹⁵/㎠ 미만이었다.

본 발명의 소정의 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 분야에 숙련된 기술자들이라면 여러가지로 변형 및 변경할 수 있다. 상기와 같은 다양한 변형 및 대안적인 실시예들은 첨부된 특허 청구의 범위에서 정해지는 본 발명의 교시 및 범위로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있다.

Claims (21)

1. 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법(high impedance plasma ion implantation method)에 있어서, 목표물(target, 6)을 플라즈마 챔버(plasma chamber, 2) 내부에 제공하는 단계; 이온화 가능한 개스를 챔버 내로 유입하는 단계; 최소한 각각의 펄스의 일부 동안 비임-플라즈마 불안정 상호 작용(beam-plasma instability interaction)을 통해 주변 개스(surrounding gas) 내에 플라즈마를 유지하고, 최소한 각각의 펄스의 일부 동안 플라즈마로부터 상기 목표물로 이온을 주입할 정도로 충분히 높은 전압 레벨로 일련의 시간 간격을 갖는 네가티브(negative) 전압 펄스(18)을 상기 목표물에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방버.
2. 제1항에 있어서, 낮은 배경 압력에서 보조 전극(auxiliary electrode, 24a, 24b, 36)으로부터 방출된 시드 전자(seed electron)로 상기 플라즈마의 개시를 촉진하기 위해 상기 비임-플라즈마 불안정 상호 작용을 통해 상기 플라즈마를 유지시키는 상기 전압 펄스로 상기 챔버 내부의 상기 보조 전극을 활성화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 챔버 내부의 개스 압력은 실질적으로 1×10^-3Torr 미만인 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 보조 전극은 상기 목표물을 향하도록 상기 챔버 내에 현수(suspending)되어 있는 콜드 캐소드(cold cathode)인 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 콜드 캐소드에 플라즈마 개시 파센 브레이크다운(plasma-initiating Paschen brdakdown)을 한정하기 위해 상기 보조 전극의 부근에 국부 자계(localized magnetic filed, B)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법.
6. 제2항에 있어서, 상기 보조 전극은 전자 방출 필라멘트(electron emitting filament, 36)으로서 제공되고, 전압은 시드 전자를 제공하는 열이온 온도(thermionic temperature)로 활성화시키기 위해 상기 필라멘트에 인가되는 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 필라멘트의 온도는 상기 개스 압력 및 인가된 전압에 무관하게 이온 전류 밀도(ion current density)를 제어하는 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 목표물은 최소한 약 50kV 이상의 네가티브 전압 펄스(18)로 활성화되는 것을 특징으로 하는 고 임피던스 플라즈마 이온 주입 방법.
9. 플라즈마 이온 주입 방법에 있어서, 목표물(6)을 플라즈마 챔버(2) 내부에 제공하는 단계; 이온화 가능한 개스를 챔버 내로 유입하는 단계; 및 전자-개스 충돌(electron-gas collision)을 통해 상기 목표물의 주변에 배경 펄스형 플라즈마(background pulsed plasma)를 형성하고 또 2차 전자(secondary electron)와 상기 배경 플라즈마 사이의 비임-플라즈마 불안전 상호 작용을 통해 상기 목표물의 주변에 1차 펄스형 플라즈마(primary pulsed plasma)를 형성하는 2차 전자를 방출하고, 상기 1차 플라즈마로부터 상기 목표물 내로 이온의 펄스형 주입을 생성하기 위해 상기 목표물을 전기적으로 활성화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 목표물은 최소한 약 50kV 이상의 네가티브 전압 펄스(18)로 활성화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 펄스의 펄스 지속 기간(pulse duration)은 약 8㎲ 미만인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 전압 펄스는 초당 약 50~1,000펄스의 범위 내에 속하는 주파수로 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 챔버 내부의 상기 개스 압력은 약 1×10^-4-1×10^-3Torr 범위 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 방법.
14. 제10항에 있어서, 상기 전압 펄스는 전압 펄스 상승보다 늦게 지연되도록 각각의 펄스 동안 플라즈마 밀도(20) 및 주입 전류(22)의 상승에 필요한 만큼 빠른 상승 시간으로 상기 목표물에 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 방법.
15. 플라즈마 이온 주입 시스템(plasma ion implantation system)에 있어서, 상부 및 하부 챔버부를 형성하는 챔버 벽(chamber wall, 2)를 갖고 있는 플라즈마 챔버; 이온화 가능한 개스를 챔버 내로 유입하는 수단(7); 상기 챔버 내부의 목표물 지지 구조물(4); 및 상기 목표물과 상기 챔버 벽 사이에 이온화 글로우 방전(ionizing golw discharge)을 형성하기 위해, 네가티브 전압 신호를 상기 목표물 지지 구조물에 인가함으로써 상기 구조물에 의해 지지된 목표물(6)에 인가하는 수단(8)을 포함하고, 상기 목표물 지지 구조물은 상기 하부 챔버부로부터 상기 지지 구조물이 이격된 거리의 2배 이상 상기 상부 챔버부로부터 이격된 목표물 표면을 갖는 목표물을 지지하도록 상기 방전 챔버 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 목표물 지지 구조물은 상기 지지 구조물 상부의 플라즈마가 지지 구조물 아래로 흐르는 것을 실질적으로 방지하도록 `상기 챔버 벽에 충분히 근접되게 연장되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
17. 제15항에 있어서, 상기 챔버 내부의 상기 지지 구조물 상에 일반적으로 위치되는 보조 전극(24a, 24b, 36) 및 낮은 배경 개스 압력에서 상기 챔버 내부의 플라즈마를 개시시키도록 시드 전자를 방출하기 위해 상기 보조 전극을 활성화시키는 수단(8)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
18. 제17항에 있어서, 상기 보조 전극은 상기 목표물을 향하도록 상기 챔버 내에 현수되어 있는 콜드 캐소드(24a, 24b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
19. 제18항에 있어서, 상기 보조 전극은 상기 콜드 캐소드에 플라즈마 개시 파센 브레이크 다운을 한정하기 위해 상기 보조 전극의 주변에 국부 자계를 형성하는 자석 수단(magnet means, 28)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
20. 제17항에 있어서, 상기 보조 전극은 전자 방출 필라멘트(36)을 포함하고, 상기 전극 활성화 수단은 시드 전자를 제공하는 열이온 온도로 활성화시키기 위해 전압을 상기 필라멘트에 인가하도록 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
21. 제20항에 있어서, 상기 필라멘트의 온도는 상기 개스 압력 및 인가된 전압에 무관하게 이온 전류 밀도를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입 시스템.