KR980701341A - 질량 선택 감속을 갖는 이온 주입기(an ion implanter with post mass selection deceleration) - Google Patents

질량 선택 감속을 갖는 이온 주입기(an ion implanter with post mass selection deceleration) Download PDF

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Abstract

질량 선택 감속 렌즈(9)가 질량 선택 챔버(47)의 출구 애퍼쳐(55)와 플라즈마 플루드 시스템(PFS)의 전자 구속 튜브(69)의 입구(74)의 사이에 배치된다. 질량 선택 렌즈는 기판 전위의 제 1 전극(65), 비행 튜브 전위의 제 2 전극(60) 및 이들 전극 사이에 위치되고 제 1 전극에서의 이온 빔의 집속을 제공하기에 충분한 비교적 높은 전위(음전위0의 필드 전극(61)을 포함한다. 제 1 전극은 애퍼쳐의 외주에서의 이온이 빔에서 벗어나 편향하는 것을 방지하기 위해 빔 보다 크다. 제 1 전극은 필드 전극의 애퍼쳐 보다 작은 애퍼쳐를 갖는다. 필드 전극은 비행 튜브에 대해 적어도 -5kV, 즉 전자 억압을 위해 요구된 것보다 상당히 큰 전위를 갖는다. 추가의 애퍼쳐가 진공화를 향상시키기 위해 처리 챔버와 질량 선택 챔버 사이에 설치된다.

Description

질량 선택 감속을 갖는 이온 주입기
이온 주입 기술은 집적회로의 제조시에 채용되는 프로세스중의 하나로서 흔히 사용되는 기술로, 반도체 재료의 소정 영역을 소정 농도의 불순물 원자로 도핑함으로써 반도체 재료의 소정 영역내의 전기 전도 특성을 변경시키는 기술이다. 이러한 이온 주입 기술은 일반적으로 소정 이온의 빔을 발생시키는 단계 및 이 이온 빔을 대상 기판을 향해 지향시키는 단계를 포함한다. 이온 주입의 깊이는 특히 기판에서의 이온 빔의 에너지에 좌우된다. 극초대규모 집적회로(ULSI)를 위해서는 단일 웨이퍼상의 소자의 밀도를 증가시키고 개개 소자의 측면 치수를 감소시켜야 하므로, 예를 들어 약 2~10keV의 저에너지 이온을 이용하여 얕은 접합부를 형성시킬 수 있어야 한다는 이온 주입기의 성능이 점차 중요하게 되었다. 이와 동시에, 대량생산 규모의 이온 주입시에 개개의 웨이퍼를 가능한 한 단시간내에 처리할 수 있어야 한다는 점 또한 중요한 요소가 되었고, 이를 위해서는 이온 빔 전류를 가능한 한 크게 하는 것이 요구되었다. 그러나, 공간 전하 효과로 인해 이온 빔을 저에너지 및 고전류로 운송하는 것이 매우 어렵기 때문에 저에너지 빔의 요건은 고전류 빔의 요건과 서로 상충된다.
빔 팽창 문제 및 빔 전류 손실을 방지하기 위한 공지된 방법은 이온 빔을 고에너지로 운송하고, 그 후 빔이 기판에 충돌하기 바로 전에 이 빔을 요구된 저에너지로 감속시키는 것이다. 예를들어 S. N. HONG 등이 기술한 1988년 10월 31일 발간된 Applied Physics Letters 53(18)내의 제 1741∼1743 면에는 고정된 대상 기판이 유지되는 감속 렌즈 시스템을 주입 챔버에 통합시킴으로써 주입 깊이 단면을 관찰할 수 있도록 변형된 종래의 이온 주입기가 개시되어 있다. 이 이온 주입기에서는 목표물에 충돌하기 바로 전의 이온의 최종 에너지가 감속 전원공급장치에 의해 발생된 감속 전위에 의해서만 결정되도록 감속 렌즈와 빔 추출 전원공급장치의 사이에 감속 전원공급장치가 접속된다. 이온은 35keV의 에너지로 이온 소스로부터 추출되고, 빔으로 운송되는 이온을 이온의 질량에 따라 분석하는 분석기 자석(analyser magnet)을 통과하게 된다. 그리고나서, 질량 분석된 빔은 X-Y 스캐너에 통과되며, 이 스캐너는 빔을 자석과 스캐너 사이의 경로로부터 기판으로 지향된 다른 경로로 편향시킨다. 35kV 로 바이어스되는 감속 렌즈와 기판은 빔 35keV에서 1keV의 고정된 주입 에너지로 감속시킨다. 그러므로, 이온은 이온 소스와 주입 챔버간의 경로를 따라 고에너지로 운송되어 공간 저하 효과로 인한 빔 팽창 및 그에 따른 전류 손실이 최소화된다. 이온 빔의 에너지는 충돌하기 전에 기판의 바로 앞에서만 감소되며, 이로써 빔은 매우 짧은 거리를 저에너지로 이동하여 빔 팽창이 최소화된다.
이온 빔을 비교적 고에너지로 운송하고 그리고나서 기판에 매우 인접한 위치에서 이온 빔을 감속시키는 방법이 갖는 한가지 문제점은 고에너지 빔이 통과함에 따라 이온 빔의 일부가 잔여 가스 원자와의 전하 교환 프로세스(charge exchange processes)를 통해 중성화되어 고에너지 중성자가 되며, 이러한 고에너지 중성자가 기판으로 지향되는 경우에는 감속되지 않은채 감속 렌즈를 통과할 것이라는 점이다. 이러한 고에너지 중성자는 저에너지 이온보다 기판을 더 깊숙하게 침투하여 특히 얕은 접합부를 형성할 시에는 바람직하지 않다. 주입 깊이에 대한 이러한 고에너지 중성자의 영향은 2차 이온 질량 스펙트럼측정기(SIMS)에 의해 측정된 바와 갚은 깊이 단면에서의 고에너지 꼬리(high energy tail)로 나타나게 될 것이다. A. H. Bayati 등이 저술한 1994년 8월 발간된 Review of Scientific Instruments 65(8)의 제 2680∼2692 면에는 재료 연구를 위한 질량 분석 저에너지 이중 이온 빔 시스템이 개시되어 있다. 이 장치는 각각이 추출 전극과 연결된 한쌍의 프리만 소스(Freeman source), 이온 빔을 질량 분석하기 위한 분석 자석, 빔을 집속하기 위한 추가의 자석, 이온 빔을 스캐닝 및 단속(gating)하기 위한 정전 편향장치, 및 이온 빔의 에너지를 감소시키기 위한 감속 렌즈와 이 렌즈 내에 장착된 기판을 수용하는 극고진공(UHV) 증착 챔버를 포함한다. 이 장치는 재료가 기판내로 주입될 뿐만 아니라 증착이 가능하도록 설계되었으며, 이온 도착 에너지는 5∼10keV로 제어될 수 있다. 이중 이온 소스는 질량 분석 자석과 함께 상이한 재료의 교번층이 증착될 수 있게 한다. 극고진공 증착 챔버는 증착된 재료의 아우거 전자 스펙트럼(Auger electron spectroscopy) 및 편향 고에너지 전자 회절 분석을 위한 설비를 수용한다. 진공 고정장치 및 샘플 운반 장치에 의해 증착 챔버에 연결된 2차 UHV 챔버는 저에너지 전자 회절 및 스펙트럼장치를 분산하고 수집하는 비행시간을 위한 설비를 수용한다. 증착 챔버는 증착 처리 동안의 기판 표면의 오염을 최소화시키기 위해 극고진공으로 유지된다. 빔이 질랸분석된 후, 2차 자석은 빔을 기판 앞의 수 cm 지점에서 재집속한다. 이온 빔은 증착 챔버내로 10keV의 에너지로 운송되며, 이 증착 챔버내에서 빔의 에너지는 감속 렌즈에 의해 요구된 값으로 감속된다. 그러므로, 빔 이온의 일부는 빔이 기판으로 이동할 때 전하 교환 프로세스에 의해 10keV 중성자로 변환될 것이다. 실제적으로 기판에 도달하는 중성자의 수는 1차 자석과 2차 자석에서 발생된 중성자가 기판에 도달하지 못하도록 이온 빔을 1차 자석의 빔 궤도로부터 굴곡시키는 2차 자석에 의해 감소된다. 1차 자석과 2차 자석간의 직선 경로를 따라 생성되는 중성자가 최소가 되도록 증착 챔버를 극고진공 이하로 유지함으로써 중성자 생성이 더욱 감소된다.
감속 렌즈는 렌즈쪽의 부분이 빔축에 평행하고 기판이 탑재되는 단부 부분이 빔축에 수직을 이루는 컵모양으로 구성된다. 실제로, 감속 렌즈 및 기판은 접지 레벨로 유지되며, 비행 튜브(flight tube)는 접지 레벨에 대해 음으로 바이어스된다. 추가의 전극이 감속 렌즈의 입구에 위치되며, 이 추가의 전극은 전자를 감속 렌즈내로 가속시킴으로써 빔 중성화의 손실을 초래하고 비행 튜브에서의 빔 집중에 비례하는 오염물의 증가를 야기하는 비행 튜브를 따라 후면에서 연장하는 감속 필드를 방지하기 위해 비행 튜브에 대한 약간 음으로 바이어스된다. 억제 전극의 진입 애퍼쳐 및 컵 전극의 직경은 모두 빔 직경보다 상당히 크다.
비록 보고된 전류 밀도가 상당히 낮기는 하지만 이 장치에서 달성할 수 있는 온-타겟 최대 이온 전류 밀도는 약 100㎂cm-2이다. 대상 챔버가 예를들어 10-4∼10-8Pa(10-6∼10-10mbar) 압력의 UHV 상태 이하로 유지되고 소스가 1Pa(10-2mbar)의 압력에서 동작하므로, 빔 라인을 따라 상이한 펌핑 스테이지가 요구되어 빔 라인의 길이가 거의 4m로 증가된다. 더욱이, 반도체 기판에 대해 더 높은 전류를 주입하기 위해 요구되는 바와 같은 표면 전하 형성을 중성화시키기 위한 방안이 없다.
D, F, Downey 등에 의해 저술된 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B74(1993) 의 제 160∼169면에는 저에너지로 이온을 주입할시에 이온 주입기의 성능을 특징짓는 각종 방법이 개시되어 있다. 전술된 문헌들에서와 같이, 이온 빔은 먼저 비교적 높은 에너지로 운송되고, 그 후 요구된 주입 에너지로 감속된다. 각각의 문헌에 개시된 특정 주입기는 이온 빔을 단계적으로 감속시키기 위해 빔을 기판의 바로 앞에서 요구된 에너지로 감속시키는 것이 아니라 감속 전압을 가속 튜브의 길이에 걸쳐 분포시키는 다중 전극 가속 튜브를 포함한다. 가속 튜브를 따라 이온 빔을 점차적으로 감속시키는 방법은 튜브의 집속 영향을 최소화시켜 빔 전류를 최적화시킴으로써 빔 운송을 향상시키는 것으로 보고되었다. 이러한 장치는 또한 중성자 형성을 최소화시키는 것으로 보고되었다. 한가지 조사에서, 주입 깊이 단면은 3∼10keV 사이의 이온 주입 에너지에서 중성자가 깊이 단면에 영향을 주는 정도를 판정하기 위해 빔 추출 전압을 함수로 하여 연구되었다. 더 높은 추출 전압에 대한 깊이 단면에서 중성자 피크가 용이하게 관측되었고, 이는 요구된 에너지로 감속되기 전에 이온 빔이 운송되어야만 하는 에너지를 결정할시에 중성자 오염은 중요한 요소가 된다는 것을 나타낸다. 5keV 붕소 주입물에 대한 최대 달성가능한 빔 전류는 1mA 정도이다.
본 발명은 전자 소자 제조에 있어서 반도체 웨이퍼와 같은 기판내에 이온을 주입하기 위한 이온 주입기(ion implanter)에 관한 것으로, 특히 비교적 낮은 주입 에너지를 가지고 경제적으로 웨이퍼를 처리할 수 있는 이온 주입기에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 이온 주입기의 평면도이다.
도 2 는 바람직한 실시예에 따른 이온 주입기의 평면도이다.
도 3 은 도 2 에 도시된 실시예의 감속 렌즈 조립체 및 렌즈 차단 장치의 분해도이다.
도 4 는 도 2 및 도 3 에 도시된 필드 전극의 정면도이다.
도 5 는 도 2 및 도 3 에 도시된 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극의 정면도이다.
본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼의 대규모 처리가 가능한 빔 전류 밀도 및 저에너지로 이온을 주입할 수 있는 향상된 이온 주입기를 제공하는데 있다.
본 발명의 특징에 따라, 이온을 기판내로 주입하기 위한 이온 주입기가 제공되며, 상기 이온 주입기는 이온 빔을 생성하기 위한 이온 빔 생성기와; 상기 이온 빔을 운송 에너지로 운송하기 위한 비행 튜브와; 상기 비행 튜브내에 위치되며, 이온 빔으로의 전송을 위한 요구된 질량의 이온을 상기 비행 튜브로부터 선택하는 질량 선택 장치와; 상기 요구된 질량의 빔 이온이 주입될 기판을 유지하기 위한 기판 홀더와; 상기 기판 홀더의 전면에 배치되며, 주입 동안 기판상에 형성된 공간 전하를 중성화시키기 위해 빔 이온과 대향 극성을 갖는 저에너지 하전 종류(specoes)의 공급을 제공하는 중성화 장치와; 빔 이온을 요구된 주입 에너지로 감속시키기 위해 상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 감속 전위를 인가하도록 접속된 감속 전위 생성기와; 상기 비행 튜브와 상기 중성화 장칭 사이에 위치되며, 실질적으로 기판 전위가 되도록 접속된 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(apertured plate electrode), 실질적으로 상기 비향 튜브 전위가 되도록 접속된 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극 및 상기 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극과 상기 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극 사이에 배치되어 상기 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극과 상기 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극의 각각에 인접하는 필드 전극을 포함하는 감속 렌즈 조립체와; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극의 각각에 대해 동일 극성을 갖도록 상기 필드 전극을 바이어스하기 위해 접속되며, 상기 전극들이 배열되고, 상기 바이어스가 상기 제 1전극을 통과하는 빔 이온에 집속 필드를 제공하게 되는 전위 바이어스 공급장치를 구비한다.
본 장치에서, 3가지 구성요소로 이루어진 감속 렌즈 조립체는 기판 홀더의 전면에 있는 중성화 장치와 질량 선택기 사이에 위치된다. 그러므로, 중성화 장치에 진입하는 빔 이온은 이미 의도된 주입 에너지로 감속되어 있다. 그 결과, 기판 전면의 중성화 영역은 무시가능한 전계의 영역이 되고, 이로써 요구된 저에너지 하전 종류가 존재할 수 있다. 빔 이온이 제 1 전극을 통과할 때 빔 이온에 대해 집속효과를 제공하도록 감속 렌즈 조립체가 배열된다는 점이 중요하며, 이로써 공간 전하 영향하에서 나타나는 저에너지 빔의 경향이 상쇄되어 현저히 큰 온-타겟 빔 전류가 달성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 질량 선택 장치는 상기 빔이 상기 필드 전극 및 상기 제 1 전극을 통과할 때 빔 방향에 수직을 이루는 적어도 한 방향에서의 빔의 폭을 제한하는 빔 제한 애퍼쳐를 포함하며, 상기 필드 전극은 상기 빔이 상기 필드 전극을 통과할 때의 상기 한 방향에서의 빔의 폭보다 더 큰 애퍼쳐를 상기 한 방향으로 포함하며, 상기 제 1 전극은 상기 빔이 상기 제 1 전극을 통과할 때의 상기 한 방향에서의 빔의 폭보다 충분히 더 큰 애퍼쳐를 상기 한 방향으로 포함하고, 이로써 상기 빔 이온은 상기 빔에서 벗어나는 이온을 편향시킬 수 있는 상기 제 1 전극의 애퍼쳐의 외주에서의 높은 방사 필드 성분을 회피하게 된다.
빔단면보다 제 1 전극의 애퍼쳐를 상대적으로 크게 구성함으로써, 더 큰 온-타겟 빔 전류가 달성될 수 있음이 판명되었다.
빔 방향에 수직을 이루는 적어도 한 방향에 대해, 상기 제 1 전극의 빔 애퍼쳐는 상기 필드 전극의 빔 애퍼쳐보다 작다. 이러한 배열은 필드 전극으로부터의 전계가 제 1 전극과 기판 사이의 지역으로 침투하는 깊이를 감소시키는데 도움을 준다. 더욱이, 필드 전극과 제 1 전극 사이에 형성된 필드에 의해 생성된 집속 효과가 향상되며, 이로써 필드 전극에 가해지는 전위가 감소될 수 있는 한편 고레벨의 기판상의 빔 전류를 여전히 유지한다.
여러 실시예에서, 이온 빔 생성기는 음이온의 빔을 생성하도록 배열되고, 상기 전위 바이어스 공급 장치가 상기 제 1 및 제 2 전극 모두에 대해 음으로 상기 필드 전극을 바이어스한다. 이 방식에 있어, 필드 전극은 전자가 감속 필드에 의해 비향 튜브로부터 강하되는 것을 방지하는 전자 억제 전극으로서 작용한다. 그러나, 전위 바이어스 공급장치가 단지 전자 억제를 제공하기 위해 필요로 하는 비향 튜브의 전위에 비해 현저히 큰 음의 전위를 필드 전극에 인가하도록 배열된다는 점에 주목해야만 한다. 이와 같이 필드 전극에 인가된 상당히 큰 음전위는 빔 이온이 제 1 전극을 통과할 때 요구된 레벨의 집속을 제공하기 위해 필요하다.
이온 빔이 필드 전극 상의 전위에 의해 생성된 전계의 지역을 진입할때, 빔 내부에서 전하 중성화 전자가 상실되고, 빔이 공간 전하의 효과로 인해 분산될 것이다. 필드 전극과 제 1 전극 사이의 필드에 의해 생성된 집속 효과는 이러한 영향을 상쇄시키며, 이온이 완전히 감속되고 제 1 전극을 지나 제 1 전극과 기판 사이의 필드 프리 지역으로 통과할 때까지 빔의 제어를 유지한다.
상기 전위 바이어스 공급장치는 상기 필드 전극이 비향 튜브에 대해 적어도 5kV의 음전위가 되도록 바이어스를 제공하기 위해 배열되는 것이 바람직하다. 비행 튜브와 필드 전극간의 이러한 상대적으로 높은 전위차는 요구된 집속 효과를 제공하기 위해 제 1 전극에 대해 상당한 전위차로 필드 전극을 유지하기 위한 필요성의 결과이다.
바람직한 실시예에서, 상기 필드 전극은 빔 축과 빔방향으로 원추형을 이루고, 실린더의 최소 횡치수의 적어도 10%의 길이를 갖는다. 이러한 구조는 집속 효과를 향상시키는 한편 빔이 필드 전극을 통과할 때 팽창된 빔폭보다 필드 전극의 애퍼쳐가 충분히 커지도록 한다.
전술된 바와 같이, 본 주입기는 제 1 전극과 기판 사이에 중성화 장치를 포함할 것이다. 상기 중성화 장치는 양이온의 빔에 대해서는 기판의 바로 앞에서 빔 내에 저에너지 전자를 유입시킴으로써 정상적으로 동작한다. 이로써, 대상 기판이 주입동안 충전되는 것을 방지하며, 이와 동시에 감속 후에 빔 전위를 상대적으로 낮게 유지하는데 도움을 준다. 그러므로, 대상 기판 자체가 감속 필드와 분리될 뿐만 아니라 종래기술의 장치에서는 불가능한 기판 앞에서의 중성화가 달성될 수 있다.
이온 주입기는 기판 홀더 하부에 배치되고 이온 빔 전류를 검출하는 검출 수단을 추가로 포함할 수 있다. 이온 빔 검출기를 대상 지역에서 제거함으로써 검출기가 처리 챔버 내의 압력 변화에 의해 야기된 에러에 민감하지 않기 때문에 종래 기술의 저에너지 이온 주입기에서 가능한 것보다 더 정확한 빔 전류의 측정이 가능하다. 더욱이, 전술된 감속 조립체를 사용함으로써 전류 검출기는 빔 전류 및 임의의 2차 전자를 수집하기 위해 기판의 앞에 위치된 패러데이 케이지(Faraday cage), 감속 렌즈 및 웨이퍼 기판을 필요로 하는 종래기술의 장치보다 매우 단순하게 구성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 이온 주입기는 빔 이온을 질량에 따라 공간적으로 분석하는 자석과, 상기 기판 홀더를 내포하는 배출 포터를 갖는 처리 챔버와, 상기 배출 포트에 접속되어 상기 처리 챔버를 진공상태가 되도록 한느 제 1 진공 펌프와; 상기 처리 챔버와 상기 자석 사이에 위치되는 질량 선택 챔버와, 상기 질량 선택 챔버를 진공상태가 되도록 하기 위해 접속된 제 2 진공 펌프와, 빔을 상기 질량 선택 챔버에서 상기 처리 챔버로 통과시키기 위한 애퍼쳐와, 상기 챔버들중의 하나 또는 그 다른 하나의 진공화를 향상시키기 위해 상기 질량 선택 챔버와 상기 처리 챔버 사이에 위치되는 적어도 하나의 추가 애퍼쳐를 포함한다.
일반적으로, 상기의 장치는 질량 선택 슬릿을 수용하는 질량 선택 챔버의 일부, 즉 대상 기판에 직선을 이루는 비향 튜브에서부터 질량 선택 챔버까지에서의 빔 라인의 이룹에 대해 향상된 진공상태가 가능하게 한다. 운송 에너지를 갖는 중성자 입자를 빔 내에서 발생시키는 빔 이온과 잔여 가스 원자간의 전자 교환 충돌의 위험을 최소화시키기 위해 이 지역에서의 잔여 가스 압력을 감소시켜야 한다. 운송 에너지를 갖는 이러한 중성자는 당연히 후속 감속 필드에 의해 영향을 받지 않으며, 이러한 고에너지로 기판을 때린다. 본 장치는 진공 포트들이 비행 튜브의 길이를 따라 분포되고 별도의 진공 펌프에 각각 접속되는 종래기술의 장치와는 상당한 차이가 있다. 이러한 징공 포트들은 비행 튜브의 등전위 표면을 붕괴시키며, 이온 빔을 혼란시키는 전계 라인을 형성하여 빔 이온을 편향시켜 빔 경로를 벗어나게 함으로써 빔 전류의 손실을 초래한다. 이러한 문제를 완화시키기 위해, 진공 포트는 메시(mesh)로 피복될 수 있고, 비행 튜브의 직경이 증가될 수도 있다. 그러나, 본 장치에서, 자석과 감속 렌즈 조립체간의 경로 길이는 비교적 짧게 유지될 수 있으며, 이로싸 질량 선택 챔버의 길이에 수용될 수 있는 진공 포트의 크기가 제한되어 그 결과 챔버가 진공상태로 될 수 있는 속도가 제한된다. 본 장치는 질량 분석 챔버가 챔버의 길이를 연장시키지 않고서도 더 낮은 압력으로 펌핑될 수 있으며 동시에 종래 장치에서의 추가 비행 튜브 펌프가 모두 제거될 수 있다는 이중의 장점을 갖는다. 본 실시예는 처리 챔버를 진공상태로 하기 위해 사용된 진공 펌프(들)를 질량 선택 챔버를 진공상태로 하기 위해서도 사용할 수 있으며, 이로써 분석 자석과 감속 조립체간의 경로 길이가 최대한 단축될 수 있는 동시에 질량 선택 챔버내의 잔여 가스 압력이 감소될 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 요소는 에너지 오염을 감소시키며, 이온 주입기의 단순화 및 크기 축소를 가능케하고 비용을 절감시킨다.
상기 질량 선택 챔버와 상기 처리 챔버간에 복수의 상기 추가 애퍼쳐가 제공되고, 상기 질량 선택 챔버에 의해 밀봉된 체적에 대한 상기 챔버들 사이의 빔 애퍼쳐와 상기 추가 애퍼쳐의 총단면적의 비율은 상기 처리 챔버에 의해 밀봉된 체적에 대한 상기 배출 포트의 단면적의 비율보다 더 큰 것이 바람직하다. 이러한 구성은 질량 선택 챔버의 체적이 처리 챔버와 동일한 속도로 펌핑되도록 할 수 있으며, 이로써 질량 선택 챔버의 펌칭 속도는 제 1 챔버의 펌핑 속도에 의해서만 제한된다. 본 장치는 어떠한 적합한 횡단면 형상도 가질 수 있다. 그러나, 각각의 애퍼쳐는 이온 빔으로부터의 소정 거리에 대해 애퍼쳐에서의 등전위 표면의 불연속성이 이온 빔을 혼란시키기 않고 빔 전류의 손실을 초래하지 않도록 적절하게 크기가 정해져야만 한다.
상기 전위 바이어스 공급장치는 필드 전극을 제 1 전극에 대해 약 15kV로 바이어스하는 것이 바람직하다. 이 레벨의 바이어스 전위는 빔 이온이 제 1 전극을 통과할 때 요구된 집속 효과를 제공하는 것으로 판명되었다.
애퍼쳐 플레이트 전극은 빔 방향에 횡으로 연장하고 빔을 위한 애퍼쳐를 갖는 플레이트로 이루어진 전극이며, 애퍼쳐의 축상의 치수(빔방향에서의)는 애퍼쳐의 최소 횡치수에 비해 중요하지 않다.
본 발명의 실시예는 다음의 도면을 참고로 설명될 것이다.
도 1 에서, 이온 주입기(1)는 이온 빔을 생성하는 이온 빔 생성기(3), 상기 이온 빔 생성기에 인접하여 이온 빔을 그들의 질량에 따라 공간적으로 분석하는 자석(5), 상기 분석 자석(5)에 인접하여 배치되며, 대상 기판내로 주입될 이온의 종류를 선택하고 상기 자석으로부터의 공간적으로 분석된 빔에서 다른 이온을 리젝트시키는 이온 선택기(7), 상기 이온 선택기(7)에 인접하여 배치되며, 주입전에 이온 빔의 최종 에너지를 제어하는 전극 조립체(9), 상기 전극 조립체(9)로부터 이격되며, 빔 이온이 주입될 대상 기판(12)을 지지하는 지지대 또는 홀더(11), 및 상기 전극 조립체(9)와 기판 지지대(11) 사이에 배치되며, 빔과 웨이퍼 표면을 중성화시키기 위해 대상 표면 부근에서 이온 빔에 전자를 유입시키는 전자 생성기(13)를 구비한다. 이온 빔 콜렉터(14)는 방사선량 측정(dosimetry measurement)을 위한 빔 정지기 및 이온 전류 검출기로서 기능하는 기판 지지대(11)의 하부에 위치된다.
더욱 상세히 설명하면, 이온 빔 생성기(3)는 전면에 출구 애퍼쳐(19)가 형성되어 있는 아치형 챔버(17)를 포함한 이온 소스(15)를 구비한다. 아치형 챔버로부터 이온을 추출하여 이온 빔(25)을 형성하기 위해 한쌍의 추출 전극(21,23)이 출구 애퍼쳐(19)로부터 이격되어 있다. 아치형 챔버의 출구 애퍼쳐(19)에 가장 근접해 있는 추출 전극(21)은 빔 생성기 전방의 전자가 아치형 챔버로 흐르지 못하도록 하는 억제 전극으로서 기능한다. 비행 튜브(27)는 질량 분석 자석(5)의 2개의 폴(하나만이 도시됨) 사이에 위치되며, 빔 생성기(3)로부터의 이온 빔을 수신하고, 비행 튜브(27)와 이온 소스(15)간의 전위차에 의해 결정되는 자석(5)의 폴 사이를 통과하는 동안의 이온 빔의 운송 에너지를 제어한다. 본 특정 실시예에서, 분석 자석의 자장 강도 및 자석을 통과하는 이온 빔의 에너지는 적합한 질량을 갖는 이온이 대략 90°로 편향되도록 선택되며, 비행 튜브(27)는 이에 따라 구성되고, 분석 자석 출구 애퍼쳐(31)가 자석 진입 애퍼쳐(29)에 거의 수직이 된다. 이온 선택기(7)는 일련의 불연속한 구성요소(35,39,41,43)를 포함하며, 이들 구성요소는 빔라인(45)을 따라 각기 이격되어 일련의 애퍼쳐를 형성하고, 이 일련의 애퍼쳐는 서로 조합하여 대상 기판에 주입될 정확한 질량의 이온을 선택하는 동시에 분석 자석(5)을 통과하는 다른 공간적으로 분석된 이온을 리젝트시킨다. 본 특정 실시예에서, 이온 선택기(7)는 자석으로부터 배출되는 불원의 이온 종류의 대부분을 리젝트시키는 플레이트 전극(35), 선택된 이온 종류만을 통과시키는 가변 폭 질량 분석 슬릿을 형성하는 한쌍의 구성요소(39,41), 및 이온 빔의 높이를 제한하는 추가의 구성요소(43)를 포함한다. 그러나, 질량 분석 구성요소의 수와 그 구성은 변경될 수 있다.
이온 선택기 조립체는 비행 튜브(27)의 일부분을 형성하고 자석과 전극 조립체(9) 사이에 배치되는 챔버(47)에 수용된다. 질량 분석 챔버(47)를 포함하는 비행 튜브(27)는 빔을 이온 빔 생성기에서 전극 조립체(9)로 운송시키는 수단에 제공한다. 질량 분석 챔버 월(49)은 빔라인의 방향으로 연장하고 일반적으로 원추형 덮개를 형성하는 원추부(51)와, 원추부(51)에 인접하여 빔 라인에 횡으로 배치된 플레이트 전극을 구성하고 빔이 통과할 수 있는 애퍼쳐(55)를 형성하는 교파부(53)를 포함하며, 애퍼쳐(55)는 이온 선택기(7)의 최종 구성요소(43)에 인접하게 된다. 교차부(53)는 상세히 하술되는 바와 같이 이온 선택기(7)를 이온 선택기의 하부에서 발생하는 전계로부터 차단하는 정전 스크린을 제공한다.
본 특정 실시예에서, 진공 포트(57)는 분석 자석(5)에 인접하여 챔버 월(49)내에 형성되어 있으며, 챔버(47)를 진송상태로 하기 위한 진공 펌프(59)에 접속되어 있다. 이 진공 포트는 다른 실시예에서는 생략될 수도 있다.
전극 조립체(9)로부터의 전계가 출구 애퍼쳐(55)를 통해 질량 분석 챔버(47)내로 침투하는 것을 감소시키기 위해 질량 분석 챔버(47)의 출구 애퍼쳐(55)와 전극 조립체(9) 사이에 차단 조립체(52)가 설치된다. 차단 조립체(52)는 원추형 전극(54) 및 필드 형성 전극(56)을 포함한다. 원추형 전극(54)은 질량 분석 챔버의 출구 애퍼쳐(55)와 동축으로 배열되며, 일단부(58)가 질량 분석 챔버 월(49)의 교차부(혹은 전단부:53)에 인접하여 이 교차부(53)에 접속된다. 원추형 전극(54)은 질량 분석 챔버(47)의 전방으로 연장하고, 추가 차단을 제공하기 위해 원추형 전극(54)의 타단에 인접하여 또는 타단에 형성된 내향 연장하는 방사 플랜지(60)를 가지며, 출구 애퍼쳐(62)를 형성한다.
경우에 따라 사용되지 않을 수도 있는 필드 형성 전극(56)은 중앙에 애퍼쳐(64)가 형성되어 있는 원형 플레이트를 포함한다. 필드 형성 전극(56)은 원추형 전극(54)내에 장착되어 원추형 전극(54)에 의해 지지되고, 원추형 전극(54)의 단부 사이의 거의 중간에 위치되며(이것은 변할 수도 있음), 빔 라인(45)을 교차한다. 애퍼쳐(64)는 장방형 또는 정방형이 바람직하며, 일실시예에서 전극 조립체(9)를 향해 바깥쪽으로 매끄럽게 절삭될 수도 있다. 본 실시예서, 애퍼쳐는 정방형으로 약 60mm의 폭을 갖는다. 원추형 전극(54) 및 필드 형성 전극(56)은 흑연 또는 다른 적합한 재료로 구성될 것이다.
이온 빔의 주입 에너지를 제어하기 위한 전극 조립체(9)는 차단 조립체(52)를 바로 지나 위치되며, 필드 또는 링 전극(61) 및 애퍼쳐 플레이트 전극(65)을 포함한다. 필드 전극(61)은 일반적으로 원대칭을 가지며, 차단 조립체(52)의 출구 애퍼쳐(64)에 인접하여 풀구 에퍼쳐(64)와 거의 동축으로 애퍼쳐(63)를 형성한다. 플레이트 전극(65)은 일반적으로 빔 라인(45)에 교차하여 배치되며, 이온 빔이 통과할 수 있는 추가의 애퍼쳐(67)를 형성한다. 이 추가의 애퍼쳐(67)는 필드 전극 애퍼쳐(63)에 인접하여 위치된다. 본 실시예에서는 필드 전극 애퍼쳐 및 플레이트 전극 애퍼쳐의 직경은 각각 약 90mm와 80mm이다. 필드 전극 및 플레이트 전극은 흑연 또는 다른 적합한 재료로 구성될 것이다.
본 실시예에서, 전자 생성기(13)는 기판 부근에서 저에너지 전자를 이온 빔 내로 유입시키는 플라즈마 플루드 시스템(plasma flood system)을 포함한다. 플라즈마 플루드 시스템은 플레이트 전극 애퍼쳐(67)에서 대상 기판(12)으로 이온 빔이 통과되는 가이드 또는 구속 튜브(69)를 포함하며, 튜브(69)는 플라즈마 플루드 시스템으로부터의 전자를 이온 빔에 근접하게 유지하고 플레이트 전극 애퍼쳐와 웨치퍼 사이의 이온 빔의 일부분을 표유 전계(stray electric field)로부터 차단한다. 애퍼쳐 플레이트 전극(70)은 구속 튜브의 상단부에서 감속 조립체의 애퍼쳐 플레이트 전극에 인접하여 위치되어 필드 전극(61)에서 발생된 전계로부터 구속 튜브의 내부를 추가 차단한다.
필드 전극(61) 및 플레이트 전극(65)에 형성된 애퍼쳐(63,67)는 이온 빔이 전극(61,65)을 클리핑하지 않고 똑바로 관통할 수 있도록 이들 애퍼쳐에서의 빔 단면적보다 크게 구성된다. 소정 질량의 이온 및 이들 애퍼쳐(63,67)의 각각과 분석 자석(5)간의 거리에 대해 빔 단면적은 이온 빔 생성기와 자석 광학장치, 자석의 분석력 및 질량 분석 슬릿의 폭과 같은 요소에 좌우될 것이며, 이들 요소의 각각은 감속 장치 및 대상 기판에서의 빔 단면적을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
본 실시예에서, 이온 주입기는 이온 소스를 바이어스 하기 위한 소스 전압 공급장치(71)와, 억제 전극(21)을 바이어스하기 위한 억제 전극 전압 공급장치(73)와, 비행 튜브(27), 질량 분석 챔버(47), 차단 조립체(52) 및 다른 추출 전극(23)을 바이어스하기 위한 비행 튜브 전압 공급장치(75)와, 전극 조립체(9)의 필드 전극(61)을 바이어스하기 위한 필드 전극 전압 공급장치(77)와, 전자 구속 전극(69) 및 애퍼쳐 차단 플레이트 전극(70)을 바이어스하기 위한 플라즈마 플루드 전압 공급장치(79)을 추가로 포함한다. 본 실시예에서, 감속 렌즈의 애퍼쳐 플레이트 전극(65), 대상 기판 홀더(11) 및 기판(12)은 접지 전위로 유지되며, 이로써 대상 기판의 처리가 용이해지고, 대상 지지 조립체가 간략화되며, 다른 전극에 대한 편리한 기준 전위로써의 역할을 하게 된다.
저에너지로 이온을 주입하기 위해 이온 주입기를 동작시키는 방법은 예시를 위한 용도의 특정 예를 참고로 설명될 것이다.
이온 주입 에너지는 기판(12)과 이온 소스(15)간의 전위차에 의해 결정된다. 기판이 접지 전위로 유지될 때, 이온 소스 전압 공급장치(71)는 요구된 이온 주입 에너지에 대응하는 크기만큼 접지 전위에 대해 양으로 바이어스된다. 예를 들어, 2keV 주입의 경우, 이온 소스 전압 공급장치는 +2kV로 바이어스된다. 이온 빔의 추출 에너지로서도 지칭되는 분석 자석(5)과 질량 분석 챔버(47)를 통과하는 이온 빔의 운송 에너지는 이온 소스(15)와 비행 튜브간의 전위차에 의해 결정되며, 이 전위차는 비행 튜브 전압 공급장치(75)에 의해 제어된다. 그러므로, 예를 들어, 이온 빔을 10keV의 에너지로 비행 튜브를 통과하여 운송시키기 위해서는 비행 튜브는 이온 소스에 비해 -10kV 혹은 접지 전위에 비해 -8kV로 바이어스된다. 이온 빔은 분석 자석을 통해 거의 일정한 에너지로 운송되며, 이온 빔내의 상이한 이온 종류는 자신의 질량에 따라 자석에 의해 공간적으로 분석된다. 공간적으로 분석된 빔은 질량 분석 챔버내로 통과되며, 이 챔버내에서 빔은 먼저 분석 자석(5)에 가장 인접한 플레이트 전극(35)에 의해 형성된 사전형성 애퍼쳐를 통과한다. 플레이트 전극(35)은 진행경로(course), 즉 공간적으로 분석된 빔에 대한 제 1 스테이지 필터로서 작용하고, 주입에 요구되지 않은 공간적으로 분석된 이온 종류의 일부를 차단한다. 분석 자석(5)으로부터 이격되고 빔 라인을 따라 서로 동축으로 배치된 제 2 및 제 3 구성요소(39,41)는 필터링된 빔으로부터 주입될 이온 종류를 선택하기 위한 가변 폭의 질량 분석 슬릿(42)을 형성하며, 이 가변 폭의 질량 분석 슬릿(42)은 빔 라인에 대해 횡방향으로 변경될 수 있다.
일례로써, 붕소 주입시에 분석 자석에 잔류하는 공간적으로 분석된 빔은 BF3, BF2, BF, B 및 F 이온을 포함할 것이고, 붕소 이온은 붕소의 동위원소 B10및 B11중의 하나를 포함할 것이다. 그러므로, B11주입의 경우 사전형성 구성요소(35) 및 질량 분석 구성요소(39,41)는 B11를 제외한 모든 이온 종류를 필터링할 것이다. 빔이 질량 분석 챔버(47)를 교차할 때, 빔의 에너지는 본 예에서는 10keV와 같이 일정하게 유지된다. 10keV 질량 분석된 빔(46)은 질량 분석 챔버(47)의 출구 애퍼쳐(55)를 차단 조립체(52)에서 전극 조립체(9)로 통과한다.
질량 분석 챔버(47)의 전위보다 작은 크기의 전위가 필드 전극(61)에 인가된다. 필드 전극(61)에 인가된 전위의 크기는 접지된 플레이트 전극(65)의 최종 애퍼쳐(67)의 지역에서 정전 집속 필드를 형성하기에 충분하다. 본 발명의 발명자는 최종 렌즈 애퍼쳐(67)와 대상 기판간의 빔내에 빔 이온을 유지하기 위해 최종 렌즈 애퍼쳐(67)에서 요구된 집속 필드를 형성함에 있어 플레이트 전극(65)의 전위에 대해 -5kV 내지 -30kV 사이의 전위, 바람직하게는 -25kV의 전위이면 충분하다는 결론을 얻었다. 비행 튜브 및 질량 분석 챔버가 -8kV인 경우, 필드 전극(61)은 비행 튜브의 전위보다 낮은 전위로 바이어스되고, 질량 분석 영역내의 전자가 플레이트 전극(65)으로 인력을 받는 것을 방지하는 작용을 하며, 이로써 이 지역내에서의 공간 전하 중성하를 파괴하는 빔 팽창 및 전류 손실을 초래한다.
본 예에서, 질량 분석된 빔(46)이 필드 전극(61)에 접근할 때, 빔은 10keV의 운송(추출) 에너지 내지 이온 소스(15)와 필드 전극(61) 사이의 전위차에 의해 공간적으로 형성된 에너지 이상으로 순식간에 가속된다. 빔은 필드 전극 애퍼쳐(63)를 통과하고, 그리고나서 거의 필드 전극 애퍼쳐(63)와 최종 애퍼쳐(67) 사이의 갭에서 요구된 주입 에너지로 감속된다. 이와 동시에, 질량 분석 챔버 출구 애퍼쳐(55)와 필드 전극(61) 사이의 지역, 필드 전극(61)과 감속 렌즈의 플레이트 전극(65)사이의 지역, 및 바로 그 다음 지역에서의 이온 빔에 총집속력(net focusing force)이 가해진다.
그후, 이온 빔은 최종 렌즈 애퍼쳐(67)와 대상 기판 사이의 지역내로 통과된다. 이 지역에서, 이온 빔은 거의 요구된 주입 에너지로 기판에 운송된다. 이때의 저속 빔의 팽창은 플라즈마 플루드 시스템(13)에 의해 저에너지 전자로 빔을 쇄도(flood)시킴으로써 최소화된다. 플라즈마 플루드 시스템은 또한 이온 주입동안의 대상 기판의 표면 하전을 최소화시키고, 이와 동시에 이온 빔의 전위를 감소시켜 빔이 기판에 도달하기 전에 팽창하는 정도를 최소화시킨다.
본 발명의 감속 장치는 종래기술의 시스템에 비해 현저한 장점을 나타낸다. 첫번째로, 본 발명의 감속 장치는 빔이 감속된 후 이온 빔이 중성화될 수 있으며, 이것은 종래기술의 시스템에서는 불가능한 것이다. 감속 필드에서 이온이 감속될 때 감속 필드가 전자를 가속시켜 빔 이온으로부터 벗어나게 하므로, 빔내로 전자를 유입시키는 시스템을 사용함에 의해 기판에서 이온빔을 공간 전하 중성화시키는 것이 용이하지 않게 되며, 이로써 전자 주입기의 효율이 매우 저조하게 된다. 안정한 플라즈마내에 포함된 저에너지 전자에 의해 이온 빔이 중성화되는 플라즈마 플루드 시스템의 경우, 감속 렌즈에서 나타나는 강력한 전계는 이러한 플라즈마가 형성되는 것을 방해할 것이다. 본 장치에서, 플라즈마 플루드 시스템은 감속 장치의 하부에 배열되고 감속 장치로부터 차단되며, 이로써 플라즈마 플루드 시스템은 강력한 감속 필드에 노출되지 않는다. 이로써 요구된 저에너지 플라즈마를 형성하기 위한 조건이 달성되어 유지된다.
둘째, 공간 전하 중성화의 손실은 이온 빔이 강력한 감속 필드를 통과할 시에는 필수적으로 발생된다. 따라서, 종래기술의 장치에서는 빔이 공간 전하 중성화 없이 최소 거리를 이동하도록 감속 렌즈가 가능한한 기판에 근접하게 위치되었다. 이와 달리, 본 장치에서, 감속 장치는 기판의 위쪽에서 중성화 장치와 질량 분석 챔버 사이에 위치되고, 감속 동안의 이온 빔에 집속력을 가하여 이온 빔의 공간 전하 중성화가 현저하게 결핍되는 이 지역에서의 빔 팽창을 억제시키도록 배열된다. 최종 애퍼쳐에서의 빔 단면적보다 적어도 15% 큰 감속 전극(65)의 최종 렌즈 애퍼쳐(67)를 구성함으로써 그리고 필드 전극(61)과 플레이트 전극(65)사이에 충분히 높은 전위차를 이들 전극 사이의 지역내의 이온 빔을 감속시키는 방향으로 인가함으로써, 대상 기판에서 매우 높은 전류 밀도가 달성될 수 있다. 예를들어, 2keV 및 10keV의 저에너지 빔의 경우에는 온-타겟 이온 전류 밀도가 각각 70㎂cm-2및 250㎂cm-2이 되고, 200eV 및 500eV의 초저에너지(1keV)의 경우에는 온-타겟 이온 전류 밀도가 각각 5.0㎂cm-2및 20.0㎂cm-2이 된다.
필드 전극(61)의 애퍼쳐(63)는 또한 그 곳에서의 빔 단면적보다 커서 모든 빔 전류를 전송할 수 있다. 본 실시예에서, 애퍼쳐 크기는 빔 라인을 따라 거의 일정하며, 빔 라인의 방향에서의 애퍼쳐의 깊이는 비교적 작다.
필드 형성 전극(56)의 애퍼쳐(64) 및 질량 분석 챔버의 출구 전극(55) 또한 그 곳에서의 빔 단면적보다 큰 크기를 가지며, 이로써 질량 분석 슬릿(42) 및 빔 높이 형성 애퍼쳐(44)에 의해 전송된 빔 전류가 감속 영역으로 유입된다. 그러므로, 빔이 기판에 도달할 때까지 통과하는 빔 높이 형성 애퍼쳐(44) 이후의 모든 애퍼쳐는 및 높이 형성 구성요소(43)로부터의 모든 빔 전류가 기판으로 전송될 수 있도록 각각의 애퍼쳐에서의 빔 단면적보다 크다. 이 점이, 예를들어 기판에서의 빔의 폭 및 형상을 제한하기 위해 또는 애퍼쳐에 결쳐 차등 입력이 유지될 수 있도록 애퍼쳐를 통해 흐르는 가스에 임피던스를 제공하기 위해 또는 전극에 더 낮은 전위가 인가될 수 있도록 애퍼쳐의 내표면을 가능한한 이온 빔에 근접시키기 위해 빔 라인을 따라 애퍼쳐의 크기가 제한되는 종래기술의 장치와의 현저한 차이점이다.
소정 애퍼쳐의 면적에 대한 애퍼쳐에서의 빔의 단면적의 비를 충진율(filling rate)이라 하면, 집속 전극(61) 및 렌즈 플레이트 전극(65)의 충진율은 모든 종류의 도팬트 이온에 대해 85% 미만인 것이 바람직하다. 85% 미만의 충진율은 더 높은 빔 전류밀도가 빔 라인을 따라 운송되도록 하는 것으로 판명되었다. 빔 라인을 교차하는 전극에 의해 생성된 전계는 전극 애퍼쳐의 내표면이 이온 빔에 근접한 경우보다 이온 빔의 주변에서 운송된 이온 및 전자에 대한 방해가 덜 하기 때문에, 빔과 각종 빔 라인간에 알맞는 갭을 설치하는 것이 공간 전하 효과로 인한 빔 팽창을 감소시킬 수 있는 것으로 판명되었다. 그러므로, 질량 분석 슬릿 하부의 전극의 애퍼쳐 크기가 그 곳에서의 빔 단면보다 더 크도록 함으로써, 빔 팽창이 감소될 수 있고 빔 전류밀도가 증가된다. 더욱이, 애퍼쳐를 빔 단면보다 더 크게함에 따라 빔 이온이 전극을 때리지 못하게 됨으로써 그렇지 못한 경우에 전극의 표면으로부터 스퍼터링되는 흑연, 금속성 물질 또는 다른 물질에 의한 빔의 오염이 상당히 감소된다.
운송 에너지 이상의 에너지에서, 감속된 저에너지, 이온 빔의 에너지 오염(energy contamination)이라는 문제점이 나타날 수 있는 것으로 판명되었고, 더욱이 이러한 오염은 빔 이온이 필드 전극과 렌즈 플레이트 전극 사이의 지역에서 감속되기 전에 필드 전극에 의해 일시적으로 가속될 때 빔 이온의 중성화에서 비롯되는 것으로 판명되었다.
도 2 는 이온 빔의 이러한 고에너지 오염을 거의 제거하는 저에너지 이온 주입을 위한 빔 운송 장치의 바람직한 실시예의 평면도를 도시한다. 도 2 에서, 이온 빔 생성기, 대부분의 질량 분석 자석 및 이온 주입기의 빔 스폿은 도시의 간략화를 위해 생략되어 있으나 이들은 도 1 에 도시되어 전술된 것과 동일한 것이다. 도 2 에서, 본 장치는 자석(5)로부터의 질량 분석된 빔에서 요구된 주입 이온을 선택하기 위한 선택기(7)를 수용하는 질량 분석 챔버(47)를 포함하는 비행 튜브(27), 질량 분석 챔버(47)의 하부에 위치되어 이온 빔을 감속시키는 감속 렌즈 조립체(9), 상기 감속 렌즈 조립체의 하부에 인접하여 배치된 빔 중성화 장치, 및 상기 빔 중성화 장치(13)의 하부에 인접 위치된 대상 기판 홀더(11)를 구비한다.
이온 선택기(7)는 자석으로부터 불원의 이온 종류의 대부분을 리젝트시키는 플레이트 전극(35) 및 선택된 이온 종류만을 통과시키는 가변 폭의 질량 분석 슬릿(42)을 형성하는 한쌍의 구성요소(39,41)를 포함한다. 질량 분석 챔버 월(49)은 빔 라인의 방향으로 연장하고 일반적으로 원추형의 덮개를 형성하는 부분(51)과, 빔 라인을 교차하여 연장하는 플레이트 전극을 구성하는 전단부(53)를 포함한다. 전단부(53)는 이온 빔이 통과할 수 있고 구성요소(39,41)를 형성하는 질량 분석 슬릿에 인접하는 애퍼쳐(55)를 형성한다.
도 2 내지 도 5 에서, 감속 렌즈 조립체는 빔 중성화 장치(13)에 인접하여 위치되고 주입 에너지를 제어하는 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65), 상기 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)의 하부에 위치된 제 2 ㄷ애퍼쳐 플레이트 전극(60), 및 상기 제 1 및 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(65,60)의 사이에서 이들에 인접 위치되어 상기 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)을 통과하는 빔 이온에 집속 필드를 제공하는 필드 전극(61)을 포함한다. 이온 선택기(7)의 하부에서 생성된 전계로부터, 특히 필드 전극(61)에서 발생하는 필드로부터 이온 선택기(7)의 추가 차단을 제공하기 위해 추가의 애퍼쳐 플레이트 전극(56)이 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)의 하부에 위치된다. 본 특정 실시예에서, 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)으로부터 후면으로 연장하는 스탠드-오프(66)상에 추가의 차단 전극(56)이 장착된다.
차단 실린더(54)는 비행 튜브(27) 상에 장착되어 필드 전극(61)을 향해 축을 따라 연장한다. 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)은 차단 실린더(54)의 전단부상에 장착되며, 차단 실린더(54)는 추가의 차단 전극(56)을 둘러싼다. 본 실시예에서, 차단 실린더(54), 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60) 및 추가의 애퍼쳐 플레이트 전극(56)은 모두 비행 튜브(27)에 전기적으로 접속된다.
감속 렌즈 조립체에서, 필드 전극(61) 및 제 1 애퍼쳐 전극(65) 모두에 형성된 빔 애퍼쳐는 장방형이고, 각각의 경우에 애퍼쳐의 폭 Wf및 Wd는 높이 hf및 hd보다 짧다. 제 1 애퍼쳐 전극(65)에 형성된 애퍼쳐는 필드 전극(61)에서 발생하는 전계로부터의 빔 중성화 장치(13)의 차단을 향상시키기 위해 높이 및 폭에 있어 필드 전극(61)보다 작다. 일실시예에서, 필드 전극의 빔 애퍼쳐(63)는 약 86×100mm의 직경을 갖고, 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극의 빔 애퍼쳐(67)는 약 60×86mm의 직경을 갖는다.
필드 전극과 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)간의 애퍼쳐폭에 있어서의 단편적인 감소는 필드 전극과 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극간의 애퍼쳐 높이에 있어서의 단편적인 감소보다 크다. 본 실시예에서, 이온 빔이 질량 분석 슬릿을 통과할 때, 빔이 공간 전하 효과로 인해 수직으로 연장하는 것보다 더 빠른 속도로 측면으로 연장하도록 빔은 연필형 단면 지형을 갖는다. 애퍼쳐들의 폭 사이를 더욱 감소시킴으로써 이온 빔에 걸쳐 측면 방향으로 집속력이 강화되어 이 방향에서의 더 높은 팽창율을 감소시킨다. 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65) 및 필드 전극(61)의 빔 애퍼쳐 구조는 감속 렌즈의 집속 능력을 증가시키며, 이로써 빔의 적절한 집속을 제공하기 위해 필요한 제 1 및 제 2 애퍼쳐 전극에 대한 필드 전극의 전위가 감소될 수 있고, 이에 따라 필드 전극 애퍼쳐를 통과한 직후의 운송 에너지 이상의 이온에 의해 순식간에 획득된 에너지를 감소시킬 수 있다. 그 결과 잔여 가스 원자와의 전하 교환에 의해 이 지역에 생성된 고속 중성자의 에너지를 감소시킨다.
도 2 에서, 제 1 및 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(65,60)은 필드 전극(61)의 빔 애퍼쳐의 가장 작은 횡치수Wf(이 경우에는 폭) 미만의 거리 a 만큼 빔 방향으로 이격된다. 이것이 바람직한 감속 렌즈 조립체의 또하나의 중요한 특징이다. 제 1 및 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(65,60)간의 거리가 짧다는 것은 이온이 필드 전극(61)에 의해 가속될 때 이들 이온이 운송 에너지 이상의 에너지를 갖는 시간이 최소로 유지될 수 있도록 한다. 결과적으로, 잔여 가스 원자와의 전하 교환을 경험하는 이러한 더 높은 에너지를 갖는 빔 이온의 가능성은 이 지역에 형성된 고에너지 중성자 수의 감소와 함께 감소된다.
필드 전극(61)은 일반적으로 원추형이고, 빔 방향으로 빔 애퍼쳐의 최소의 횡치수(이 경우에는 애퍼쳐폭)의 적어도 10%의 길이를 갖는다. 본 특정 실시예에서, 축 길이는 애퍼쳐폭의 약 23%이다. 이러한 구조는 집속 효과를 향상시키는 한편 필드 전극(61)의 애퍼쳐가 이 필드 전극을 빔이 통과할 때의 팽창된 빔폭보다 크게 되도록 한다.
원추형 플랜지(89)는 필드 전극(61)을 향해 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)으로부터 축을 따라 연장한다. 원추형 플랜지(89) 및 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)은 이온 빔 및 필드 전극(61) 둘레에 실드를 형성하여 필드 전극(61)과 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65) 사이에 인가된 전위차에 의해 확립된 전계를 구속하며, 이로써 대상 기판(12) 부근의 하전 입자가 필드 전극(61)의 상부로 흐르지 못하도록 하고, 이와 동시에 그렇지 않은 경우 이온 빔에서의 전하 균형을 붕괴시켜 빔 전류의 손실을 초래할 수도 있는 처리 챔버(81)에 나타나는 표유 전계로부터 이온 빔을 차단시킨다.
필드 전극(61)은 플랜지가 필드 전극(61)의 외주를 둘러싸도록 플랜지(89) 내부에 위치된다. 본 실시예에서, 필드 전극(61)은 원추형 차단 플랜지(89)내에 장착되고 필드 전극(61)의 원주 둘레에 방사상으로 위치되는 복수의 스탠드-오프(68)를 통해 원추형 차단 플랜지(89)에 의해 지지된다. 필드 전극 및 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극 조립체는 복수의 스탠드-오프(72)에 의해 처리 챔버 월(85)상에 장착된다. 본 실시예에서, 원추형 차단 플랜지(89)는 필드 전극과 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극간의 갭(95)이 처리 챔버(81) 내의 주변 공간과 용이하게 액세스하여 직접 소통할 수 있도록 필드 전극(61)의 후면을 초과하는 최소 거리로 연장한다. 이러한 개방향 구조형태는 필드 전극(61)과 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)간의 지역이 더욱 용이하게 진공상태가 되도록 하며, 이로써 이 지역내의 잔여 가스 압력이 감소되어 그렇지 않은 경우 고에너지 오염을 야기할 수도 있는 고속 중성자의 생성을 최소화시킨다.
진공 포트(83)는 처리 챔버가 진공상태가 되도록 하기 위해 처리 챔버(81)의 월에 형성된다. 진공 포트의 개구는 비교적 크고, 주입 동안의 기판으로부터 스퍼터링된 입자를 수집하기 위해 대상 기판의 지역에서 빔 라인에 평행하게 연장한다. 감속 렌즈 조립체, 특히 필드 전극(61)과 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)사이의 지역은 처리 챔버(81)의 진공 배출 포트(83)의 전면에 직접 위치되며, 이로써 렌즈의 내부가 더욱 효율적으로 진공상태가 될 수 있어 이온 빔의 고에너지 오염 및 고속 중성자의 생성을 더욱 감소시키는 효과를 갖는다.
그러므로, 도 2 에 도시된 감속 렌즈 조립체는 렌즈내의 공간이 효율적으로 진공상태가 되어 렌즈 내부에서의 잔여 가스 압력 및 주입 에너지 특히 비행 튜브 운송 에너지 이상에서 이 지역에서의 중성자의 생성을 최소화시킬 수 있도록 구성된다.
본 실시예에서, 빔 중성화 장치(13)는 대상 기판의 표면에 인접한 이온 빔 내에 전자를 유입시키는 플라즈마 소스(14)를 포함하는 플라즈마 플루드 시스템을 구비한다. 플라즈마 플루드 시스템은 이온 빔을 에워싸고 기판 홀더(11)의 전면 바로 가까이에 위치되는 전자 구속 튜브(69)를 포함한다. 감속 렌즈 조립체에서 발생하는 전계로부터 플라즈마 플루드 시스템을 차단하기 위한 차단 전극(70)은 구속 튜브(69)의 상단에 장착되고, 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)에 인접하여 위치된다. 이 구조는 렌즈 조립체(9)가 가능한한 대상 기판(12)에 인접하게 위치되도록 하는 한편 중성화 장치(13)가 여전히 렌즈 조립체(9)와 대상 기판(12) 사이에 위치되도록 한다. 추가의 차단 전극(70)은 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)에서의 빔 개구(67)와 거의 동일 크기의 빔 개구(74)를 가지며, 여분의 전계가 중성화 지역내로 침투하는 것을 방지한다. 추가의 차단 전극(70)은 제 1 애퍼쳐 전극(65)이 전자 구속 튜브(69)의 상단에 매우 인접하게 위치되도록 하고, 구속 전극(69) 자체에 대해서는 상대적으로 짧게 구성되도록 하여 아직까지 주입되고 있는 기판(12)의 적절한 중성화를 제공한다.
도 2 는 또한 빔이 분석 자석(5)으로부터 감속 렌즈 조립체를 경유하여 대상 기판(12)으로 통과할 때 빔 라인을 따라 빔폭 단면이 어떻게 변화하는 지를 나타내는 예를 도시하고 있다. 자석 광학 장치는 이온빔을 질량 분석 구성요소(39,41)에 의해 형성된 질량 분석 슬릿(42)에서의 협폭의 초점으로 유도한다. 이온 빔이 질량 분석 슬릿(42) 및 질량 분석 챔버(47)와 추가의 차단 플레이트 전극(56) 각각의 빔 애퍼쳐(55,58)를 통과할 때, 빔폭은 점차적으로 팽창한다. 빔이 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)의 빔 애퍼쳐(62)에 접근할 때, 필드 전극(61)과 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60) 사이의 전계는 먼저 이온 빔에 집속력을 가하여 팽창율을 감소시키고, 이에 후속하여 빔이 필드 전극(61)에 근접하고 운송 에너지 이상으로 급속히 가속된 때에는 이온 빔에 집속해제력(defocusing force)을 가한다. 그러나, 필드 전극(61)과 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)간의 전계는 이온 빔이 낮은 속도를 갖고 그에 따라 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)의 빔 애퍼쳐에 더욱 인접한 지역에서 집속력을 받게되는 더 많은 시간을 소비하므로 총집속력을 가한다.
이온 빔이 필드 전극(61)을 통해 필드 전극(61)과 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)사이의 갭내로 통과할 때, 빔은 요구된 주입 에너지로 감속되고, 이러한 전극들 사이의 전계가 이온 빔에 강한 집속력을 가하며 이로써 빔폭은 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)의 빔 애퍼쳐(67)를 통과하도록 좁아진다.
최종적으로, 이온 빔은 무시할 수 있는 정도로 빔폭이 분산되면서 중성화 장치(13)의 전자 구속 튜브(69)내를 통과하여 차단 플레이트 전극(70)의 빔 애퍼쳐(74)를 경유하여 기판으로 통과한다.
본 발명의 또하나의 중요한 특징은 질량 분석 자석과 감속 장치간의 경로 길이가 종래기술의 주입기보다 훨씬 단축될 수 있도록 이온 주입기가 배열된다는 점이다. 전술된 바와 같이, 이와 같이 구성함으로써 주입기가 더 소형이 될 뿐만 아니라 저에너지 이온 빔의 에너지 오염을 초래하는 고속 중성자의 생성을 감소시킬 수 있다. 기판에 충돌할 수 있는 고속 중성자가 기판과 직선으로 위치한 감속 전극의 상부 어디에서도 생성될 수 있음은 필연적이다. 감속 렌즈의 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극과 기판 사이의 지역에서 생성되는 중성자는 주입 에너지와 동일하거나 혹은 그 이하의 에너지를 가질 것이고, 이에 따라 고에너지 오염을 초래하지 않을 것이다. 고속 중성자가 생성될 수 있는 임계 경로 길이를 단축시키기 위해, 분석 자석의 하부의 비행 튜브는 자석과 감속 렌즈 조립체 사이에 질량 분석 조립체만을 포함함으로써 가능한한 단축된다. 특유의 감속 렌즈 조립체는 구조가 다소 복잡해진다 하더라도 제 1 애퍼쳐형성된 플레이트 전극과 질량 분석 조립체의 단부간의 거리가 가능한한 단축될 수 있도록 할 수 있다. 도 1 및 도 2 에 도시된 실시예에서, 이온 빔의 최종 에너지를 어하는 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)은 질량 분석 챔버(47)의 출구 에퍼쳐(55)에 가능한한 근접하게 위치된다. 감속 장치는 필드 전극(61) 및 최종 애퍼쳐(67) 모두의 애퍼쳐가 그곳에서의 빔 단면보다 큰 경우 감속 지역에서의 빔의 형상을 제어하고 렌즈 조립체의 최종 애퍼쳐(67)를 통해 대상 기판으로의 빔 전류의 거의 100% 전송을 달성하기 위해 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)과 질량 분석 챔버(47)의 단부(53) 사이에 위치된 오직 하나의 추가 전극, 즉 필드 전극(61)을 포함한다.
질량 분석 챔버 출구 애퍼쳐(55)를 통해 집속 전극(61)으로부터의 전계의 침투를 수용가능한 레벨로 감소시키도록 빔 라인을 따라 연장하는 차단 수단을 통합하기 위해 질량 분석 챔버(47)의 단부(53)와 필드 전극(61) 사이에 유한 갭을 포함하는 것이 필요하다. 빔을 클리핑하는 출구 애퍼쳐(55)의 에지없이 출구 에퍼쳐(55)의 크기만을 감소시킴으로써 충분한 차단을 제공하는 것은 불가능한 것이 명백하다. 빔을 클리핑하지 않고 전계를 충분히 차단하기 위해서는 필드 전극(61)과 질량 분석 챔버의 단부 사이에서 빔 라인의 유한 길이를 지나 연장하는 실드를 이온 빔 둘레에 포함하여야만 한다. 도 1 및 도 2 에 도시된 실시예에서, 차단 수단은 비행 튜브 및 추가의 애퍼쳐 플레이트 전극(56)의 연장선이 되는 공동의 원추형 전극(54)을 포함한다. 소정 크기의 질량 분석 챔버 출구 애퍼쳐(55)에 대해서는 차단 길이가 가능한한 짧게 구성되는 것이 바람직하다. 원추형 실드에 의해 제공된 차단 길이는 필드 전극(61)과 질량 분석 챔버의 전단부(53) 사이에 추가의 애퍼쳐 플레이트 전극(56)을 위치시킴으로써 현저하게 단축될 수 있음이 판명되었다. 차단 길이를 감소시키는 것은 자석과 감속 렌즈의 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극 사이의 전체 빔 경로 길이의 단축에 기여할 뿐만 아니라 이온이 추출 에너지 이상으로 순간적으로 가속되는 거리를 최소화시키며, 이로써 이 임계 지역에서의 에너지 오염을 완화시킨다.
자석과 감속 렌즈의 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극 사이의 이온 빔의 경로 길이를 감소시킴에 따른 또하나의 장점은 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극에서 공간 전하 팽창으로 인한 빔폭이 더 긴 경로 길이의 경우보다 적게 될 것이라는 점이다. 즉, 경로 길이가 짧아 질수록 빔 팽창이 더욱 억제될 수 있다. 이 특징은 이온 빔이 저에너지로 운송될 수 있도록 하는 현저한 장점을 제공하며, 이로써 주입 에너지와 운송 에너지간의 차가 감소될 수 있다. 그러므로, 이온 주입기는 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극의 상부에서 생성된 어떠한 중성자도 주입 에너지보다 다소 큰 에너지를 가져 주입 이온보다 약간 깊게 대상 기판내로 침투하도록 제어될 수 있다. 더욱이, 이온 빔 생성기와 대상 기판간의 빔 경로 길이를 감소시키는 것은 중성화 반응의 수를 감소시키며, 이로써 중성자 생성시에 이온 전류의 손실이 감소된다. 도 및 도 2 에 도시된 실시예에서, 자석에서 처리 챔버의 단부까지의 주입기의 길이는 약 2m이고, 자석 출구 애퍼쳐(31)와 대상 기판(12)사이의 거리는 약 90cm 이며, 자석 출구 애퍼쳐(31)와 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65) 사이의 거리는 대략 60cm이다. 기판에서 이온 빔의 에너지 오염을 초래할 수 있는 고에너지 중성자는 분석 자석(5)의 출구 애퍼쳐(31)의 상부 지역에 형성될 수도 있다. 기판에 대해 직선을 이루고 있는 이 지역의 길이는 이온 빔이 더 타이트한 원호로 휘도록 분석 자석의 자장 강도를 증가시킴으로써 단축될 수 있다는 장점을 갖는다. 분석 자석과 대상 기판 사이에서 감속 장치를 포함하는 소형의 빔 라인 장치는 자석 호 반경이 상당히 감소될 수 있도록 할 수 있으며, 도 1 및 도 2 에 도시된 실시예에서는 반경이 23cm가 된다. 이로써 이온 빔 생성기에서 기판까지의 전체 빔 경로 길이가 단축될 수 있고, 그에 따라 기판에서의 빔 단면의 크기를 감소시킬 수 있으며 이온 빔 생성기에서 기판까지의 빔 전류의 손실을 감소시킬 수 있다.
이온 주입기는 또한 최종 주입 에너지가 분석 자석을 통해 운송되는 에너지보다 크도록 사용될 수도 있다(가속 모드로써 지칭됨). 이 경우, 도 1 및 도 2 를 참조하면, 이온 빔은 질량 분석 자석(5) 및 질량 분석 챔버(47)를 통해 소정 에너지로 운송되고, 그리고나서 전극 조립체9)를 이용하여 최종 주입 에너지로 가속된다. 예를들어, 80keV의 주입 에너지의 경우, 이온 소스 전위는 모두 접지 전위에 있는 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65) 및 대상 기판(11)에 대해 80kV로 설정된다. 추출 전극(23)과 비행 튜브와 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)를 포함하는 차단 장치는 모두 비행 튜브에 따라 이온 빔의 운송 에너지를 결정하는 이온 소스의 전위와 관련하여 설정된다. 예를들어, 30keV의 추출 에너지의 경우, 접지 전위에 대한 비행 튜브의 전위는 +50kV로 설정된다. 주입 에너지가 추출 에너지보다 낮은 경우(감속 혹은 감속 모드로서 지칭됨)에 대해, 필드 전극(61)은 렌즈 조립체의 최종 애퍼쳐(67)의 지역에서 중간의 집속력을 확립하여 이온 빔을 이 지역에 집중시키도록 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)보다 낮은 전위로 다시 바이어스된다. 예를들어, 필드 전극(61)은 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극에 대해 -25kV로 바이어스될 것이다. 이온 빔이 질량 분석 챔버 출구 애퍼쳐(55)를 통과하는 경우, 빔은 먼저 질량 분석 챔버(47)의 단부(53)와 필드 전극(61)사이의 필드에 의해 주입 에너지 이상의 에너지로 가속되고, 그후 원추형 전극(61)과 플레이트 전극(65)사이의 진역에서 80keV의 최종 주입 에너지로 감속된다. 고에너지 빔 및 저에너지 빔 모두 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65)과 원추형 전극(61) 사이에 인가된 전위차를 거의 변경시키지 않고서도 각각 이온 주입기를 가속 모드 및 감속 모드로 동작시킴으로써 성공적으로 전송될 수 있음이 판명되었다. 그러므로, 이들 전극간에 전위차가 설정된 때에는 추가의 전위차 조정이 필요치 않으므로 저에너지 주입과 고에너지 주입간의 전환을 간략화시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
이온 빔을 성공적으로 운송하기 위해서는 빔이 통과하는 가스의 압력은 빔을 중성화시키기에 충분한 수의 전자를 충분히 제공할 수 있도록 높아야만 한다. 전자는 이온 빔이 잔여 가스 원자와 상호작용할 대 생성되며, 음 이온의 정전 전하에 의해 형성된 전위 우물에 트랩된다. 대부분의 상업적인 이온 주입기에서는 흔히 10-3∼10-4Pa(10-5∼10-4mbar)의 가스 압력이 사용된다. 그러나, 본 발명의 감속 전극 장치는 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극 및 필드 전극 모두에 형성된 애퍼쳐가 빔 단면 보다 클때 감속 지역내의 잔여 가스 압력이 더 낮은 에너지로 펌핑될 수 있도록 한다. 그러므로, 감속 지역내의 가스는 애퍼쳐를 통해 더 높은 속도로 펌핑될 수 있어 이 지역에서의 가스 압력을 강하시킨다. 더욱이, 이온 빔을 감속시켜 원격위치의 기판으로 전송하기 위해 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극외에 요구되는 유일한 다른 전극으로서 필드 전극이 사용되는 경우, 전극 조립체는 매우 간략화되고, 효과적으로 진공상태가 될 수 있는 개방형 구조로서 용이하게 구성될 수 있다. 감속 지역내의 잔여 가스 압력을 감소시킴으로써 빔 이온과 잔여 가스 원자간의 상호작용의 수가 감소되고, 이로써 이온 전류의 손실이 경감되고 이온 빔의 에너지 오염이 감소된다는 장점을 갖는다. 잔여 가스 압력이 빔 분산의 비율을 현저히 증가시키지 않고서도 적어도 10-6mbar 정도로 감소될 수 있음이 판명되었다. 그러나, 압력을 1 오더 정도 감소시키는 것은 에너지 오염을 적어도 1 오더 감소시키는 결과를 낳는다. 감속 장치의 집속 작용이 이 지역에서의 어떠한 비율의 빔 분산의 증가도 보상할 수 있어 가스 압력을 감소시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
다시 도 2를 참조하면, 감속 렌즈 조립체(9), 플라즈마 플루드 시스템(13) 및 대상 기판 지지대(11)는 모두 질량 분석 챔버(47)에 인접 위치되고 이 질량 분석 챔버의 전단부(53)에 형성되 애퍼쳐(55)를 통해 질량 분석 챔버와 소통하는 처리 챔버(81)내에 수용된다. 질량 분석 챔버(47)의 전단부 월(53)과 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극(60)간의 차단 실린더(52)는 이온 빔을 처리 챔버(81) 내의 표유 전계로 부터 차단시키며, 빔 라인의 이 부분이 효과적으로 진공상태가 될 수 있도록 관통된다. 진공 배출 포트(83)는 처리 챔버(81)의 월(85)에 형성되고 진공 펌프(86:도 1에 도시됨)에 접속된다. 진공 펌프는 초당 약 10,000 리터의 비율로 펌핑할 수 있는 초저온 펌프가 바람직하다. 질량 분석 챔버 월(49)은 처리 챔버(81)의 월의 일부를 형성하는 전기 절연성의 챔버(87)에 의해 처리 챔버 월로 부터 전기적으로 절연된다.
질량 분석 챔버(47)는 이온 빔의 에너지 오염을 초래할 수도 있는 고속 중성자가 생성될 수 있는 분석 자석(5)과 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극(65) 사이의 임계경로 길이의 일부를 구성한다. 이온 빔의 공간 전하 중성화를 제공하기 위해 질량 분석 챔버 내에서 유한의 잔여 가스 압력이 요구되기는 하지만, 압력이 감소되어 이 지역에서 생성된 고속 중성자의 수가 감소되도록 이온 빔이 충분히 중성화되는 정도 이상의 상당한 범위의 압력이 존재한다. 임계 경로 길이를 가능한한 단축시킴에 따른 장점은 이온 빔의 더 높은 비율의 팽창이 허용될 수 있어 우수한 공간전하 중성화가 덜 중요하게 된다는 점이다. 본 발명의 특징은 질량 분석 챔버내의 압력을 감소시킴으로써 단축된 임계 경로 길이에 의해 생성된 더 높은 빔 팽창의 허용을 이용한다. 진공 배출 포트(57)가 질량 분석 챔버(47)의 월(49)내에 형성되고 진공 펌프(59:도 1에 도시됨)에 접속되었지만, 배출 포트(57)의 크기 및 그에 따른 결과는 질량 분석 챔버의 길이에 의해 제한되어 가능한한 단축되어야만 한다. 질량 분석 챔버가 단부 부분(53)에 형성된 출구 애퍼쳐(55)를 통해 처리 챔버(81)와 소통하고 어느 정도까지는 질량 분석 챔버가 처리 챔버(81)에 의해 이 애퍼쳐를 통해 진공상태가 될 수 있기는 하지만, 이 애퍼쳐의 크기는 필드 전극(61)에서 발생하는 전계가 질량 분석 챔버(47)내로 거의 침투되지 않도록 하여야 하는 경우에는 제한된다. 질량 분석 챔버(47) 내의 압력이 이전에 가능한 정도 이하로 상당히 감소될 수 있도록 하기 위해, 질량 분석 챔버가 처리 챔버 진공 포트(83)를 통해 처리 챔버 진공 펌프(86)에 의해 진공상태가 될 수 있는 추가의 배출구를 제공하도록 질량 분석 챔버(47)와 처리 챔버(81)의 사이의 분할 월(51) 내에 복수의 추가 애퍼쳐(103)가 형성된다. 본 실시예에서 애퍼쳐는 일반적으로 빔 라인의 방향으로 연장하는 질량 분석 챔버의 일부에 형성되며, 다른 실시예에서는 월의 다른 부분에 형성될 수도 있고 또한 월의 일부분이 빔 라인을 교차 연장할 수도 있다. 이퍼쳐의 크기 및 이격은 분할 월에 의해 제공된 이온 빔의 차단을 보존하도록 그리고 빔 전류의 손실을 초래할 수 있는 분할 월에서의 등전위 표면의 불연속성에 의해 방해되지 않도록 주의깊게 선택된다. 일실시예에서, 애퍼쳐는 연장된 슬롯으로서 형성되어 있지만 정방형, 장방형, 원형, 마름모형 혹은 다른 적합한 형태가 될 수도 있다.
감속 렌즈 조립체의 비교적 큰 애퍼쳐 및 질량 분석 챔버와 처리 챔버 사이에 형성된 애퍼쳐의 조합은 분석 자석과 감속 전극(65) 사이의 임계 빔 경로 길이가 이전에 가능하였던 압력 보다 훨씬 더 낮은 압력으로 펌핑될 수 있도록 하며, 이것은 추가의 진공 펌프 혹은 더 큰 진공 포트를 수용하기 위해 질량 분석 챔버의 길이를 증가시키지 않고서도 달성된다는 장점을 갖는다. 실제로, 질량 분석 챔버(47)와 처리 챔버(81) 사이의 추가의 배출 애퍼쳐는 별도의 질량 분석 챔버 진공 펌프가 요구되지 않는 정도의 결과를 제공할 것이며, 이로써 주입기를 간략화시키고 비용을 절감시킨다. 더욱이, 짧은 빔 경로 길이는 진공상태가 될 전체 체적이 상당히 감소되도록 할 수 있다. 본 발명의 일실시예는 복수의 방상상으로 연장하는 스포크를 통해 회전가능한 허브에 의해 지지되고 이 허브의 주변에 위치되는 복수의 개별적인 지지 플레이트를 포함하는 웨이퍼 지지 조립체를 구비한다. 도 2는 예를들어 반도체 웨이퍼(12)와 같은 대상 기판을 지지하는 지지 플레이트(107)가 스포크(109)에 접속되어 있는 이러한 지지 플레이트를 도시하고 있다. 웨이퍼 지지 조립체는 웨이퍼가 빔을 가로질러 스캔될 수 있도록 빔 라인에 교차하는 방향으로 이동될 수 있다.
본 장치의 추가의 장점은 감속 장치의 집속 작용이 단일 웨이퍼의 처리 시간을 경감시키도록 사용될 수 있고 이로써 이온 주입기의 웨이퍼 처리량을 증가시킬 수 있다는 점이다. 통상 10keV 이하의 저에너지 이온 빔에 대해, 대상 기판의 과도한 하전 및 가열과 같은 에너지 밀도 문제를 방지하기 위해 비교적 넓은 빔을 사용하여야 하는 요건이 필요치 않으므로, 대상 기판에서의 빔폭은 예를 들어 20keV의 고에너지 빔의 빔폭 이하로 감소될 수 있다. 감속 장치의 집속 작용은 웨이퍼가 이온 빔에 의해 균일하게 도핑되도록 회전 웨이퍼 지지 조립체가 스캐닝되어야만 하는 거리를 감소시키기 위해 온-타겟 빔폭을 축소시키도록 사용될 수 있다. 이로써, 웨이퍼의 소정 가마(batch)에 대한 처리 시간을 감소시켜 주입 장치의 처리량을 증가시킬 수 있다.
이온 주입기의 다른 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 애퍼쳐 플레이트 전극 및 필드 전극 혹은 처리 챔버의 차단 전극은 어떠한 밀봉 체적도 더 낮은 압력으로 펌핑될 수 있도록 하는 추가의 배출구를 제공하기 위해 그 내부에 적어도 하나의 추가 애퍼쳐가 형성될 수도 있다. 전극은 이러한 애퍼쳐의 배열을 포함할 수도 있고 메시(mesh)를 포함할 수도 있다. 질량 분석 챔버와 처리 챔버 사이의 분할 월 또한 질량 분석 챔버내에서 더 낮은 압력이 달성될 수 있도록 메시를 포함할 수도 있다. 다만 메시의 크기는 이온 빔의 적절한 차단을 제공할 수 있는 크기이어야 한다.
다른 실시예에서, 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극 및 집속 전극 혹은 필드 전극은 적합한 형상 및 구조를 가질 수 있드며, 이들 각각은 하나 또는 그 이상의 개별적인 전극을 포함할 수 있다. 예를들어, 감속 전극은 원추형 혹은 링모양의 전극을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 감속 전극 및 플라즈마 플루드 안내 튜브는 단일 전극을 포함하거나 서로 전기적으로 접속될 수 있다. 또다른 실시예로, 감속 전극은 대상 기판의 전위와는 상이한 전위로 바이어스될 수 있도록 배열될 수 있다.
다른 실시예에서, 집속 전극 혹은 필드 전극은 비행 튜브의 연장부를 포함할 수도 있고, 실질적으로 비행 튜브 전위가 될 수도 있다. 이 실시예에서, 비행 튜브와 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극 혹은 감속 전극간의 전위차는 감속 영역내의 이온 빔에 집속력을 인가하기에 충분해야만 한다. 감속 전극의 상부에 위치되고 비행 튜브의 내부에 위치되며 비행 튜브의 전위보다 낮은 전위로 바이어스되어야 하는 추가의 전극이 감속 전극에 설치되어 전자가 상실되는 것을 방지해야 한다.
전술된 본 발명의 변형 실시예는 당업자에게는 자명한 것일 것이다.
본 명세서에 기술된 추가의 특징은 본 특허출원과 동일자 출원되고 영국특허 출원번호 9522883.9 호를 우선권으로 주장하는 본 특허출원인 명의의 공동계류 특허출원에 주장되어 있다.

Claims (14)

  1. 이온을 기판내에 주입시키기 위한 이온 주입기에 있어서,
    이온 빔을 생성하기 위한 이온 빔 생성기와;
    상기 이온 빔을 운송 에너지로 운송하기 위한 비행 튜브와;
    상기 비행 튜브내에 위치되며, 이온 빔으로의 전송을 위한 요구된 질량의 이온을 상기 비행 튜브로 부터 선택하는 질량 선택 장치와;
    상기 요구된 질량의 빔 이온이 주입될 기판을 유지하기 위한 기판 홀더와;
    상기 기판 홀더의 전면에 위치되며, 주입 동안 기판상에 형성된 공간 전하를 중성화시키기 위해 빔 이온과 대향 극성을 갖는 저에너지 하전 종류의 공급을 제공하는 중성화 장치와;
    빔 이온을 요구된 주입 에너지로 감속시키기 위해 상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 감속 전위를 인가하도록 접속된 감속 전위 생성기와;
    상기 비행 튜브와 상기 중성화 장치 사이에 위치되며, 실질적으로 기판 전위가 되도록 접속된 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극, 실질적으로 상기 비행 튜브 전위가 되도록 접속된 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극 및 상기 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극과 상기 제 2 애퍼쳐 플레이트 전극의 각각에 인접하는 필드 전극을 포함하는 감속 렌즈 조립체와;
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극의 각각에 대해 동일 극성을 갖도록 상기 필드 전극을 바이어스하기 위해 접속되며, 상기 전극들이 배열되고, 상기 바이어스가 상기 제 1 전극을 통과하는 빔 이온에 집속 필드를 제공하게 되는 전위 바이어스 공급장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 질량 선택 장치는 상기 빔이 상기 필드 전극 및 상기 제 1 전극을 통과할때 빔 방향에 수직을 이루는 적어도 한 방향에서의 빔의 폭을 제한하는 빔 제한 애퍼쳐를 포함하며; 상기 필드 전극은 상기 빔이 상기 필드 전극을 통과할때의 상기 한 방향에서의 빔의 폭보다 더 큰 애퍼쳐를 상기 한 방향으로 포함하며; 상기 제 1 전극은 상기 빔이 상기 제 1 전극을 통과할때의 상기 한 방향에서의 빔의 폭보다 충분히 더 큰 애퍼쳐를 상기 한 방향으로 포함하고, 이로써 상기 빔 이온은 상기 빔에서 벗어나는 이온을 편향시킬 수 있는 상기 제 1 전극의 애퍼쳐의 외주에서의 높은 방사 필드 성분을 회피하게 되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 빔 방향에 수직을 이루는 적어도 한 방향에 대해 상기 제 1 전극의 빔 애퍼쳐는 상기 필드 전극의 빔 애퍼쳐보다 작은 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  4. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 빔 생성기는 양이온의 빔을 생성하며, 상기 전위 바이어스 공급장치는 상기 제 1 및 제 2 전극에 대해 상기 필드 전극을 음으로 바이어스 하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전위 바이어스 공급장치는 상기 필드 전극이 상기 비행 튜브에 대해 적어도 5kV 의 음의 전위가 되도록 바이어스를 제공하기 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  6. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 필드 전극은 빔 방향에서의 축과 원추형을 이루고, 실린더의 최저 횡치수의 적어도 10% 의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  7. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 이온을 질량에 따라 공간적으로 분석하는 자석과; 상기 기판 홀더를 내포하고 배출 포트를 갖는 처리 챔버와; 상기 배출 포트에 접속되어 상기 처리 챔버를 진공상태가 되도록 하는 제 1 진공 펌프와; 상기 처리 챔버와 상기 자석 사이에 위치되는 질량 선택 챔버와; 상기 질량 선택 챔버를 진공상태가 되도록 하기 위해 접속된 제 2 진공 펌프와; 빔을 상기 질량 선택 챔버에서 상기 처리 챔버로 통과시키기 위한 애퍼쳐와; 상기 챔버들중의 하나 또는 그 다른 하나의 진공화를 향상시키기 위해 상기 질량 선택 챔버와 상기 처리 챔버 사이에 위치되는 적어도 하나의 추가 애퍼쳐를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 질량 선택 챔버와 상기 처리 챔버의 사이에 상기 추가 애퍼쳐의 복수개를 포함하며, 상기 질량 선택 챔버에 밀봉된 체적에 대한 상기 챔버들 사이의 빔 애퍼쳐와 상기 추가 애퍼쳐의 총단면적의 비율은 상기 처리 챔버에 의해 밀봉된 체적에 대한 상기 배출 포트의 단면적의 비율보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  9. 전술한 항에 있어서, 상기 전위 바이어스 공급장치는 상기 제 1 전극에 대해 적어도 15kV 로 상기 필드 전극을 바이어스하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  10. 이온을 기판애에 주입시키기 위한 이온 주입기에 있어서,
    이온 빔을 생성하기 위한 이온 빔 생성기와;
    상기 이온 빔을 운송 에너지로 운송하기 위한 비행 튜브와;
    빔 이온이 주입될 기판을 유지하기 위한 기판 홀더와;
    빔 이온을 요구된 주입 에너지로 감속시키기 위해 상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 감속 전위를 인가하도록 접속된 감속 전위 생성기와;
    상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 위치하며, 실질적으로 기판 전위가 되도록 접속된 제 1 애퍼쳐 플레이트 전극 및 상기 제 1 전극에 인접하고 상기 제 1 전극에 대해 빔 방향으로 상부에 배치된 필드 전극을 포함하는 감속 렌즈 조립체와;
    상기 제 1 전극과 관련하여 상기 필드 전극을 바이어스하기 위해 접속되고, 상기 전극들이 배열되며, 상기 바이어스가 상기 제 1 전극을 통과하는 빔 이온에 집속 필드를 제공하게 되는 전위 바이어스 공급장치와;
    상기 필드 전극과 상기 이온 빔 생성기 사이에 위치되고, 상기 빔이 상기 필드 전극 및 상기 제 1 전극을 통과할때 빔 방향에 수직을 이루는 적어도 한 방향에서의 빔의 폭을 제한하는 빔 제한 애퍼쳐를 구비하며,
    상기 필드 전극은 상기 빔이 상기 필드 전극을 통과할때의 상기 한 방향에서의 빔의 폭보다 더 큰 애퍼쳐를 상기 한 방향으로 포함하며, 상기 제 1 전극은 상기 빔이 상기 제 1 전극을 통과할때의 상기 한 방향에서의 빔의 폭보다 충분히 더 큰 애퍼쳐를 상기 한 방향으로 포함하고, 이로써 상기 빔 이온은 상기 빔에서 벗어나는 이온을 편향시킬 수 있는 상기 제 1 전극의 애퍼쳐의 외주에서의 높은 방사 필드 성분을 회피하게 되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  11. 이온을 기판애에 주입시키기 위한 이온 주입기에 있어서,
    이온 빔을 생성하기 위한 이온 빔 생성기와;
    상기 이온 빔을 운송 에너지로 운송하기 위한 비행 튜브와;
    빔 이온이 주입될 기판을 유지하기 위한 기판 홀더와;
    빔 이온을 요구된 주입 에너지로 감속시키기 위해 상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 감속 전위를 인가하도록 접속된 감속 전위 생성가와;
    상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 위치되며, 관통 빔 애퍼쳐를 형성하고 실질적으로 기판 전위가 되도록 접속된 제 1 전극 및 상기 제 1 전극에 인접하고 상기 제 1 전극에 대해 빔 방향으로 상부에 배치되며 관통 빔 애퍼쳐를 형성하는 필드 전극을 포함하는 감속 렌즈 조립체와;
    상기 제 1 전극과 관련하여 상기 필드 전극을 바이어스하기 위해 접속되고, 상기 전극들이 배열되며, 상기 바이어스가 상기 제 1 전극을 통과하는 빔 이온에 집속 필드를 제공하게 되는 전위 바이어스 공급장치를 구비하며,
    빔 방향에 수직을 이루는 적어도 한 방향에 대해 상기 제 1 전극의 빔 애퍼쳐는 상기 필드 전극의 빔 애퍼쳐보다 작은 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  12. 이온을 기판내에 주입시키기 위한 이온 주입기에 있어서,
    이온 빔을 생성하기 위한 이온 빔 생성기와;
    상기 이온 빔을 운송 에너지로 운송하기 위한 비행 튜브와;
    빔 이온이 주입될 기판을 유지하기 위한 기판 홀더와;
    빔 이온을 요구된 주입 에너지로 감속시키기 위해 상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 감속 전위를 인가하도록 접속된 감속 전위 생성기와;
    상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 위치되며, 실질적으로 기판 전위가 되도록 접속된 제 1 전극 및 상기 제 1 전극에 인접하고 상기 제 1 전극에 대해 빔 방향으로 상부에 배치되는 필드 전극을 포함하는 감속 렌즈 조립체와;
    상기 제 1 전극과 관련하여 상기 필드 전극을 바이어스하기 위해 접속되고, 상기 전극들이 배열되며, 상기 바이어스가 상기 제 1 전극을 통과하는 빔 이온에 집속 필드를 제공하게 되는 전위 바이어스 공급장치를 구비하며,
    상기 전위 바이어스 공급장치는 상기 필드 전극이 상기 비행 튜브에 대해 5kV 이상의 음의 전위가 되도록 바이어스를 제공하기 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  13. 이온을 기판내에 주입시키기 위한 이온 주입기에 있어서,
    이온 빔을 생성하기 위한 이온 빔 생성기와;
    상기 이온 빔을 운송 에너지로 운송하기 위한 비행 튜브와;
    빔 이온이 주입될 기판을 유지하기 위한 기판 홀더와;
    빔 이온을 요구된 주입 에너지로 감속시키기 위해 상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 감속 전위를 인가하도록 접속된 감속 전위 생성기와;
    상기 비행 튜브와 상기 기판 홀더 사이에 위치되며, 실질적으로 기판 전위가 되도록 접속된 제 1 전극 및 상기 제 1 전극에 인접하고 상기 제 1 전극에 대해 빔 방향으로 상부에 배치되는 필드 전극을 포함하는 감속 렌즈 조립체와;
    상기 제 1 전극과 관련하여 상기 필드 전극을 바이어스하기 위해 접속되고, 상기 전극들이 배열되며, 상기 바이어스가 상기 제 1 전극을 통과하는 빔 이온에 집속 필드를 제공하게 되는 전위 바이어스 공급장치를 구비하며,
    상기 필드 전극은 빔 방향에서의 축과 원추형을 이루고, 실린더의 최저 횡치수의 적어도 10% 의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  14. 이온을 기판내에 주입시키기 위한 이온 주입기에 있어서,
    이온 빔을 생성하기 위한 이온 빔 생성기와;
    상기 빔 이온을 질량에 따라 공간적으로 분석하는 자석과;
    배출 포트를 갖는 처리 챔버와;
    상기 배출 포트에 접속되고 상기 처리 챔버를 진공상태가 되도록 하는 제 1 진공 펌프와;
    빔 이온이 주입될 기판을 유지하기 위한 상기 처리 챔버 내의 기판 홀더와;
    상기 처리 챔버와 상기 자석 사이의 질량 선택 챔버와;
    상기 질량 선택 챔버를 진공상태가 되도록 하기 위해 접속된 제 2 진공 펌프와;
    빔을 상기 질량 선택 챔버에서 상기 처리 챔버로 통과시키기 위한 애퍼쳐와;
    상기 챔버들중의 하나 또는 그 다른 하나의 진공화를 향상시키기 위해 상기 질량 선택 챔버와 상기 처리 챔버 사이에 위치되는 적어도 하나의 추가 애퍼쳐를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
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