KR100883148B1

KR100883148B1 - 이온 주입시 설비의 가동 시간을 늘리기 위한 방법과 장치

Info

Publication number: KR100883148B1
Application number: KR1020067011459A
Authority: KR
Inventors: 토마스 엔. 호스키; 로버트 더블류. 더 써드 밀게이트; 조오지 피. 주니어. 싸코; 데일 콘래드 제이콥슨; 웨이드 알렌 크룰
Original assignee: 세미이큅, 인코포레이티드
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2009-02-10
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: TW200529271A; US20070210260A1; US7723700B2; KR20060126994A; CN1894763B; JP2007518221A; CN1964620A; TW200523977A; JP2010161072A; KR101160642B1; EP1695038B1; WO2005059942A3; EP1695038A2; EP1695369A4; TWI326102B; EP1695369A2; WO2005060602A3; TWI328244B; JP4646920B2; EP1695038A4

Abstract

이온 소스(400)의 사용 수명은, 반응성 할로겐 기체(F 또는 Cl)를 사용해서 이온 소스(400)와 추출 전극(405)을 원래 위치에서 세척하는 소스와, 세척간 사용 시간을 연장시키는 특징을 가져서 향상 및 연장된다. 후자는 정확한 증기 흐름 조절, 이온빔 광학장치의 정확한 초점 조절 및 증착물의 형성을 방지하거나 전극의 파괴를 방지하는 추출 전극의 열 제어를 포함한다. 반도체 웨이퍼 가공을 위해 도핑제 이온을 생성하는 이온 소스로 이루어진 장치는 원격 플라즈마 소스에 연결되어 있고, 원격 플라즈마 소스는 제 1 이온 소스와 추출 전극에서 증착물을 세척하기 위해 제 1 이온 소스에 F 또는 Cl 이온을 운반한다. 이러한 방법과 장치는, 승화된 증기 소스와 같이 응축 가능한 공급 기체를 흐르게 할 때 장비의 긴 가동시간을 가능하게 하고, 콜드 이온 소스라고 불리는 것과 사용하는데 특히 적합하다. 공급 물질로 데카보란과 옥타데카보란이 사용될 뿐만 아니라, 기화된 원소 상태의 비소와 인 사용시 장비의 긴 가동시간을 가능하게 하고, 이온 주입 동안 빔 안정성을 향상시키도록 작용하는 방법과 장치가 기술되어 있다.

Description

이온 주입시 설비의 가동 시간을 늘리기 위한 방법과 장치{METHOD AND APPARATUS FOR EXTENDING EQUIPMENT UPTIME IN ION IMPLANTATION}

본 발명은, 하나 이상의 기체 또는 기화된 공급 물질이 이온 소스에서 이온화되는 이온빔을 생성하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 또한 반도체 기판과 평면 패널 디스플레이용 기판의 이온 주입을 위한 이온빔을 생성하기 위해 이온 소스를 작동시키는 방법과 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 이온빔을 생성하는 시스템의 생산시간(즉, "가동시간")의 확장에 관한 것이다.

이온빔은 이온 소스로부터 추출된 이온으로부터 생성된다. 이온 소스는 일반적으로 고 전압 전원에 연결되어 있는 이온화 챔버를 사용한다. 이온화 챔버는 아크 방전, 전자 방출 캐쏘드로부터의 에너지 전자, 또는 예를 들어 라디오 주파수 또는 마이크로파와 같은 이온화 에너지 소스와 결합되어 있다. 원하는 이온 종의 소스는 기체 또는 증기 형태의 공급 물질로 이온화 챔버 안으로 공급되고, 이 안에서 이온화 에너지에 노출된다. 챔버로부터 추출 애퍼쳐(extraction aperture)를 통한 결과적인 이온의 추출은 이온의 전기 전하를 기초로 한다. 추출 전극은 추출 애퍼쳐와 정렬된 이온화 챔버의 밖에 위치하고, 이온화 챔버보다 전압이 낮다. 전극은 이온을 끌어내어, 일반적으로 이온빔을 형성한다. 원하는 용도에 따라, 이온빔 은 질량과 에너지 순도를 입증하기 위해 질량 분석될 수 있고, 가속화되고, 집중되고, 주사힘(scanning force)을 받을 수 있다. 다음으로 빔은 그 사용 지점으로 운반되고, 예를 들어 가공 챔버 안으로 운반될 수 있다. 이온빔의 정확한 에너지 품질에 의해, 그 이온은 정확한 깊이로 매우 정확하게 반도체 기판에 주입될 수 있다.

이온빔의 정확한 품질은 이온빔 발생 시스템의 표면과, 특히 이온화, 이온 추출 및 가속에 영향을 미치는 표면에서 공급 물질 또는 그 분해 생성물의 응축 또는 증착에 의해 크게 영향을 받을 수 있다.

이온 주입 공정

반도체 웨이퍼에 도핑 원소를 주입하는 종래 방법은 이온 주입을 위해 조절된 에너지 이온빔의 주입을 통해서이다. 이는 원하는 깊이에 도핑 (또는 "불순물") 영역을 형성하기 위해 반도체 기판의 물질에 원하는 불순물 종을 주입한다. 불순물 원소는 전기적인 운반체를 생성하기 위해 반도체 물질과 결합하도록 선택되어, 반도체 물질의 전기 전도성을 변화시킨다. 전기 운반체는 전자(N-타입 도핑제에 의해 생성)이거나 또는 P-타입 도핑제에 의해 생성된 "홀"(즉, 전자의 부재) 중 하나일 수 있다. 이렇게 주입된 도핑제 불순물의 농도는 도핑 영역의 전기 전도성을 결정한다. 이러한 많은 N-타입과 P-타입 불순물 영역은 트랜지스터 영역, 분리 영역 및 이와 다른 전기 영역을 형성하기 위해 생성되어야만 하고, 이는 총체적으로 반도체 디바이스로 작용한다.

이온 주입을 위한 이온빔을 발생시키기 위해, 원하는 도핑제 원소를 포함하는 기체 또는 증기 공급 물질이 선택된다. 기체 또는 증기는 이를 이온화시키기 위해 에너지가 주입되는 동안 진공의 고 전압 이온화 챔버로 주입된다. 이는 도핑제 원소 (예를 들어, 규소에서 원소 As, P, 및 Sb는 도너 또는 N-타입 도핑제인 반면, B와 In은 엑셉터 또는 P-타입 도핑제임)를 함유한 이온을 생성한다. 가속화 전기장은 이온화 챔버로부터 전형적으로 양전하를 띠는 이온을 추출하고 가속화하기 위해 추출 전극에 의해 제공되어, 원하는 이온빔을 생성한다. 높은 순도가 요구되면, 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 주입될 종을 선택하기 위해 질량 분석을 통해 빔이 운반된다. 이온빔은 반도체 웨이퍼에 주입하기 위해 궁극적으로 가공 챔버로 운반된다.

이와 유사한 기술이 디스플레이에 있는 박막 트랜지스터를 작동시키기 위해 기판 위 드라이버 회로를 결합시킨 평면 패널 디스플레이(FPD)의 제조에 사용된다. 이 경우 기판은 반도체 층이 도포된 유리와 같이 투명한 패널이다. FPD 제조에 사용된 이온 소스는 전형적으로 물리적으로 커서, 예를 들어, 붕소, 인 및 비소 함유 물질의 큰 면적의 이온빔을 생성하고, 이 이온빔은 주입될 기판을 함유하는 챔버로 향한다. 대부분의 FPD 주입기는 기판에 도달하기 전에 이온빔을 질량 분석하지 않는다.

이온 오염

일반적으로, P 또는 As와 같은 N-타입의 도핑제의 이온빔은 P-타입 도핑제 이온의 임의의 상당 부분을 함유하지 말아야 하고, B 또는 In과 같은 P-타입 도핑제의 이온빔은 N-타입 도핑제 이온의 임의의 상당 부분을 함유하지 말아야만 한다. 이러한 조건을 "교차 오염(cross-contamination)"이라 부르고, 이는 바람직하지 않다. 교차 오염은 소스 공급 물질이 이온 소스에 모이면 발생할 수 있고, 다음으로 소스 공급 물질은, 예를 들어, N-타입 P⁺ 빔을 발생시키기 위해 먼저 원소 상태의 인 공급 물질을 공급한 다음, P-타입 BF₂ ⁺ 빔을 발생시키기 위해 BF₃로 변환되면 변하게 된다.

심각한 오염 효과는 공급 물질이 성공적인 소스의 작용을 방해하도록 이온 소스 내에 모일 때 일어난다. 이러한 조건은 항상 세척이나 교체를 위해 이온 소스와 추출 전극의 분리를 필요로 해서, 전체 이온 주입 시스템의 연장된 "비가동(down)" 시간과, 이에 따른 생산성의 손실을 일으킨다.

디바이스 웨이퍼 제조를 위해 이온 주입기에 사용된 많은 이온 소스는 "핫(hot)" 소스로, 즉 이온 소스는 아크 방전을 유지하고 덴스 플라즈마(dense plasma)를 발생시켜 작동하고, 이러한 "핫" 소스의 이온화 챔버는 800℃ 이상의 작동 온도에 도달할 수 있어서, 많은 경우 고체 증착물의 축적을 실질적으로 감소시킨다. 또한, 붕소 함유 이온빔을 생성하기 위해 이러한 소스에 BF₃를 사용하는 것은 증착물을 더 줄이는데, 이는 BF₃ 플라즈마 생성에 매우 많은 양의 플루오르 이온이 발생하기 때문이다. 플루오르는 이온 소스의 벽을 에칭할 수 있고, 특히, 기체 BF₃ 의 화학적인 생산을 통해 증착된 붕소를 재생할 수 있다. 그러나, 다른 공급 물질이 있으면, 핫 이온 소스에 유해한 증착물이 형성되었다. 예는 안티몬(Sb) 금속과, 고체 인듐(In)을 포함하고, 이 이온은 실리콘 기판을 도핑하기 위해 사용된다.

콜드 이온 소스, 예를 들어, 소스 플라즈마를 들뜨게 하기 위해 액침 RF 안테나(immersed RF antenna)를 사용하는 RF 버켓 타입의 이온 소스(예를 들어, 본 명세서에 참조 문서로 포함되어 있는 Leung 등의 US 특허 6,094,012호 참조)는, 이온 소스의 디자인이 퀴리 온도(Curie temperature) 이하로 유지되어야만 하는 영구 자석을 포함하거나, 또는 이온 소스가 고온 표면에 노출되면 분해되는 열에 민감한 공급 물질을 사용하도록 설계되거나, 또는 이러한 조건 모두가 존재하는 애플리케이션에 사용된다. 콜드 이온 소스는 핫 소스보다 공급 물질의 증착이 더욱 심하다. 도핑제를 생성하기 위해 할로겐화 공급 물질을 사용하면 어느 정도 증착을 줄이는데 도움을 줄 수 있지만, 특정한 경우, 수소화물과 같은 비 할로겐 공급 물질이 할로겐화 화합물보다 바람직하다. 비 할로겐 애플리케이션의 경우에는, 기체 상태의 B₂H₆, AsH₃ 및 PH₃와 같은 이온 소스 공급 물질이 사용된다. 어떤 경우에는, 기화 형태의 원소 As와 P가 사용된다. 콜드 이온 소스에서 이러한 기체와 증기를 사용하면 상당한 물질의 증착이 일어나고 때로 빈번하게 이온 소스의 분리와 세척을 필요로 했다. B₂H₆와 PH₃를 사용하는 콜드 이온 소스는 현재 FPD 주입 장치에 일반적으로 사용된다. 이러한 이온 소스는 증착물의 존재로 인해 교차 오염(N-타입 도핑제와 P-타입 도핑제 사이에서)과 또한 입자 형성이 일어난다. 기판으로 운반시, 입자는 양품률(yield)에 부정적인 영향을 미친다. 교차 오염 효과는 역사적으로 FPD 제조업자가 전용 이온 주입기(하나는 N-타입 이온용이고 다른 하나는 P-타입 이온용으로, 소유 비용에 큰 영향을 미치는)를 사용하도록 강요했다.

붕소수소화물

B₁₀H₁₄(데카보란)와 B₁₈H₂₂(옥타데카보란)와 같은 붕수소화물 물질은 이온 주입 소스 물질로 관심을 끌었다. 적절한 조건 하에서, 이러한 물질은 B₁₀H_x ⁺, B₁₀H_x ^-, B₁₈H_x ⁺ 및 B₁₈H_x ^- 이온을 형성한다. 주입시, 이러한 이온은 CMOS 제조에서 얕은 접합 형성을 위해 매우 얕고, 높은 투여량의 P-타입 주입을 가능하게 한다. 이러한 물질은 실온에서 고체이기 때문에, 이러한 물질은 기화되고 이 증기는 이온화를 위해 이온 소스 안으로 주입되어야 한다. 이들 물질은 저온 물질로 (예를 들어, 데카보란은 100℃에서 용융되고, 실온에서 약 0.2 Torr의 증기압을 가지며, 또한 데카보란은 350℃ 이상에서 분해된다), 이에 따라 콜드 이온 소스에서 사용되어야만 한다. 이들 물질은, 예를 들어 핫 플라즈마 소스에서 쉽게 분해되는 부서지기 쉬운 분자이다.

붕소수소화물의 오염 문제

데카보란 및 옥타데카보란과 같은 붕소수소화물은 이온 소스 내에서 쉽게 분 해되는 그 특성 때문에, 이온빔을 생성하는데 사용되면 심각한 증착 문제를 일으킨다. Bernas 스타일의 아크 방전 이온 소스와 또한 전자 충격 ("소프트") 이온화 소스에서 이러한 물질을 사용하는 것은, 이온 소스 내에서 붕소 함유 증착물이 상당한 속도로 모이는 것을 확인시켜 주었다. 실제, 소스 안으로 주입된 붕소수소화물 증기의 절반 이하는 분해된 응축 물질로 이온 소스 안에 있을 수 있다. 결국, 이온 소스의 디자인에 따라, 응축된 물질이 쌓이는 것은 소스의 작용을 방해하고 이온 소스의 분리와 세척을 필요로 한다.

추출 전극의 오염은 또한 이러한 물질 사용시 문제가 되었다. 직접 이온빔이 충돌하고 응축된 증기는 이온빔 형성 광학장치의 작동을 떨어뜨리는 층을 형성할 수 있는데, 이는 이러한 붕소 함유 층이 전기적으로 절연인 것으로 보이기 때문이다. 일단 전기 절연층이 증착되면, 전기 전하를 모으고, 파손시 진공 방전, 또는 소위 "글리치(glitch)"를 형성한다. 이러한 불안정성은 이온빔의 정확성 품질에 영향을 미치고 오염 입자의 생성에 기여할 수 있다.

본 발명의 목적은, 사용 수명을 증가시키고 장비의 고장 시간을 줄이는 이온빔 생성 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 이온 소스를 위한 원 위치에서의 세척 절차와 장치 및, 증착물을 주기적으로 화학적으로 제거시켜 시스템을 분해할 필요 없이 수명과 성능을 증가시키는 이온빔 생성 시스템의 관련 추출 전극과 이와 유사한 구성요소를 특징으로 한다.

본 발명은 전기 방전의 빈도와 발생을 감소시키는 물질(바람직하게 이 물질은 금속임)로 이루어진 능동 가열 이온 추출 전극을 또한 특징으로 한다.

다른 특징은, 일반적으로, 추출 전극을 이온 소스에 대한 공급 물질의 응축 온도 이상으로 가열하는 것으로, 바람직한 경우, 전극은 금속으로 이루어져 있고, 바람직하게는 알루미늄 또는 몰리브덴으로 이루어져 있다.

본 발명은 또한 이온의 생성과 이용을 증가시키는 단계와 구성 특징을 특징으로 한다. 이는 이온 소스에서 공급 물질의 필요한 농도를 감소시키고, 이와 관련된 방식으로, 이온빔 생성 시스템의 표면에서 유해한 증착물의 축적 속도를 감소시킨다.

본 발명의 이러한 혁신과 이와 다른 혁신은 다음 특징 중 한 가지 이상을 포함할 수 있다.

반응 기체의 공급이 제공되어 이온 소스 안으로 들어가고, 이온 소스는 원자 상태의 플루오르(F), 또는 분자 상태의 플루오르(F₂)와 같은 것을 공급하는 반응 생성물에 노출시켜 원 위치에서 세척되고, 원자 또는 분자 플루오르는 원격 플라즈마 소스로부터 이온 소스 안으로 주입되며, 이온 소스는 원격 공급물로부터 흐르는 기체 상태의 ClF₃에 노출시켜 세척되고, 이온화 장치의 반응 구성요소는 세척 작업 단계 동안 반응성 기체로부터 차폐되며, 이온 소스는 알루미늄으로 만들어지고, 추출 전극은 알루미늄으로 만들어지며, 추출 전극의 앞면은 예리하거나 거친 특징부가 없고, 추출 전극의 판(plate)은 능동 온도 조절되며, 추출 전극의 판은 능동 가열되고, 추출 전극의 가열은 방사성 또는 저항성이며, 추출 전극의 판은 다른 상황에서 능동 냉각된다.

다른 특징은, 특히 열분해와 증착을 거친 공급 물질의 "클러스터" 또는 "분자" 이온빔을 형성하는데 적합한 장치로 기술된 특징의 사용이다.

대부분의 이온 주입 전문가들은 B₁₀H_x ⁺ 및 B₁₈H_x ⁺와 같은 "클러스터" 이온빔을 형성하기 위해 붕소수소화물을 사용하는 것이 얕은 접합 형성에 매우 유리하다는데 동의하지만, 이러한 큰 분자를 이온화하고 운반하기 위한 수단은 문제를 일으켰다. 예를 들어, US 특허 6,288,403호와 6,452,338호는 데카보란 이온빔을 성공적으로 생성한 이온 소스를 기술한다. 그러나, 이러한 데카보란 이온 소스는 이온 주입에 사용되는 다른 상업적인 이온 소스와 비교해서 특히 짧은 수명을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이러한 짧은 수명은 주로 이온 소스 내에서 붕소 함유 증착물의 축적과, 이온 추출 전극 위에 절연 코팅의 증착 때문으로, 이는 주입기의 가동 중단과 유지보수를 필요로 하는 빔 불안정성을 일으켰다.

다른 특징에 따라, 붕소수소화물 이온 소스 안과 이온 추출 전극 위에 이러한 증착물의 증착을 실질적으로 감소시키기 위한 수단이 제공되고, 이온 주입기로부터 분해할 필요 없이, 즉 원 위치에서 이러한 구성요소 위의 증착물을 세척하기 위한 수단이 제공된다. 본 발명은, 오랜 수명을 갖고 반도체 제조에서 붕소수소화물 클러스터 빔을 상업적으로 사용할 수 있도록 한다.

본 발명의 특별한 양상은, 추출 전극 및 반응 기체 세척 시스템과 함께 이온 소스를 포함하는 이온빔 생성 시스템으로, 이온 소스는 고 전압 전원에 연결되어 있고, 기체 또는 기화된 공급 물질을 위한 입구와, 이온화 챔버 내에서부터 공급 물질을 이온화시키기 위한 전압을 가할 수 있는 이온화 시스템과, 진공 하우징과 통하는 추출 애퍼쳐를 갖는 이온화 챔버를 포함하고, 진공 하우징은 진공 펌프 시스템에 의해 진공이 되고, 추출 전극은 이온화 챔버 밖에 진공 하우징에 배치되어 있으며, 이온화 챔버의 추출 애퍼쳐와 정렬되고, 이온화 챔버 내에서 애퍼쳐를 통해 이온을 추출하기 위해 이온화 챔버보다 낮은 전압으로 유지되도록 조절되어 있으며, 반응 기체 세척 시스템은, 이온화 챔버와 이온화 시스템이 이온화 챔버를 통해, 그리고 이온 생성 시스템 표면의 적어도 일부 위에 있는 증착물과 반응하고 이를 제거하기 위해 이온 추출 애퍼쳐를 통해서, 반응 기체의 흐름을 제공하도록 전압이 차단될 때 작동될 수 있다.

이 양상의 바람직한 실시예는 다음 특징 중 한 가지 이상을 갖는다.

시스템은 반도체 웨이퍼에 이온을 주입하는데 사용하기 위해 구성되고, 이온화 챔버는 약 100㎖ 미만의 부피와 약 200㎠ 미만의 내부 표면적을 갖는다.

시스템은 분당 약 2 표준 리터 미만의 유속에서 이온화 챔버 안으로 반응 기체의 흐름을 생성하도록 구성된다.

추출 전극은 이용 지점까지 운반하는데 적합한 가속화된 이온의 빔을 생성하도록 구성된다.

추출 전극은, 이 전극이 반응 기체에 의해 세척되도록 추출 애퍼쳐로부터 진공 펌핑 시스템까지 움직이는 반응 기체의 경로 내에 위치한다.

추출 전극은, 이온화 챔버에서 생성된 이온을 추출 전극으로 추출하는 동안 증가된 온도, 예를 들어 고체 유도된 열에 민감한 증기의 응축 온도 이상, 분해 온도 이하로 전극을 유지하기 위해 히터와 결합되어 있다.

추출 전극은, 예를 들어 전극이 열에 민감한 물질로 만들어지고 핫 이온 소스와 사용되면 냉각 장치와 결합되어 있다.

추출 전극은 매끄럽고 특색 없는 외관을 갖는다.

반응 기체 세척 시스템은 플라즈마 챔버 (플라즈마 챔버는 챔버 출구를 통한 반응 기체의 흐름을 생성하기 위해 플라즈마에 의해 분해될 수 있는 공급 기체를 수용하도록 배열되어 있음)와, 반응 기체를 이온화 챔버로 운반하기 위한 관(conduit)을 포함한다.

플라즈마 챔버는 원자 플루오르, 예를 들어 NF₃, C₃F₈ 또는 CF₄로 분해될 수 있는 화합물을 수용하고 분해시키도록 구성되고 배열되어 있다.

반응 기체 세척 시스템은 이온 소스와 결합된 사용 시설을 공유하도록 구성되고 배열되어 있다.

시스템은 이온빔을 질량 분석기를 통과시키도록 구성되고, 반응 기체 세척 시스템은 질량 분석기를 구비한 사용 시설을 공유하도록 구성되고 배열되어 있다.

반응 기체 세척 시스템은 가압 반응 기체, 예를 들어 ClF₃의 용기로부터 나와 있는 관을 포함한다.

시스템은, 이온빔을 생성하는 시스템 표면 상의 오염물과 반응 기체의 실질적인 반응 완료의 감지를 적어도 보조하도록 조절된 종료점 감지 시스템과 결합되어 있다.

종료점 감지 시스템은 반응 기체 세척 시스템이 작동하는 동안 표면에 노출된 기체의 화학적인 구성(chemical makeup)을 위한 분석 시스템을 포함한다.

온도 감지기는 시스템 표면 상의 오염물과 반응 기체의 발열 반응의 실질적인 종료를 감지하도록 배열되어 있다.

에너지 이온화 시스템은 반응 기체에 의해 해를 받기 쉬운 이온화 챔버 내에 또는 이온화 챔버와 통하는 구성요소를 포함하고, 시스템을 통해 흐르는 반응 기체로부터 구성요소를 차폐시키는 수단이 제공된다.

구성요소를 차폐시키는 수단은 구성요소 위에 아르곤과 같은 불활성 기체의 흐름을 생성하기 위한 장치를 포함한다.

구성요소를 차폐시키는 수단은 반응 기체가 투과할 수 없는 차폐 부재를 포함한다.

시스템은 반응 기체인 반응성 할로겐 기체와 작용하도록 구성되고, 추출 전극 및 이와 결합된 부품은 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al₂O₃)를 포함한다.

이온 소스는 아크 방전, RF 장, 마이크로파 장 또는 전자빔을 통해 이온화 챔버 내에 이온을 생성하도록 구성되어 있다.

시스템은 이온화 챔버에 공급 증기를 생성하기 위해 응축 가능한 고체 공급 물질의 기화기(vaporizer)와 결합되어 있다.

이온 소스는 클러스터 또는 분자 이온을 생성할 수 있는 공급 물질을 기화시키도록 구성되고, 이온화 시스템은 주입을 위해 클러스터 또는 분자 이온을 형성하도록 물질을 이온화시키도록 구성되어 있다.

시스템의 진공 하우징은, 고 진공을 생성할 수 있는 고 진공 펌프와 진공을 일으킬 수 있는 백킹 펌프(backing pump)를 포함하는 펌핑 시스템과 결합되어 있고, 고 진공 펌프는 이온 소스 작동 중 작동할 수 있고, 반응 세척 시스템 작동 중에는 진공 하우징으로부터 분리되어 있으며, 백킹 펌프는 반응 기체 세척 시스템이 작동하는 동안 작동 가능하다.

시스템은 이온 주입 장치와 결합되어 있고, 이 장치는 진공 챔버 내에서 추출 전극 주입 스테이션을 따라 이온을 운반하도록 구성되어 있다. 바람직한 실시예에서, 차단 밸브는 반응 기체 세척 시스템이 작동하는 동안 이온화 챔버와 추출 전극으로부터 주입 스테이션을 분리시키기 위해 포함되어 있다.

이온 소스는 반도체 가공을 위한 도핑제 이온을 생성하도록 구성 및 조절되고, 반응 기체 세척 시스템은 표면으로부터 증착물을 세척하기 위해 플루오르 이온(F) 또는 염소 이온(Cl)을 이온화 챔버 또는 추출 전극으로 운반하는데 적합하다.

이온 소스는 주어진 온도로 온도 조절하는데 적합하게 되어 있다.

이온 소스는 붕소 함유 이온빔을 생성하는데 적합하게 되어 있다. 바람직한 실시예에서, 붕소 함유 이온빔은 이온 소스에 기화된 붕소수소화물 물질, 특히 데카보란(B₁₀H₁₄) 또는 옥타데카보란(B₁₈H₂₂)을 공급해서 생성된다.

이온 소스는 비소 함유 이온빔을 생성하는데 적합하게 되어 있다.

이온 소스는 인 함유 이온빔을 생성하는데 적합하게 되어 있다.

이온 소스의 이온화 챔버는 알루미늄을 포함한다.

이온 소스의 이온화 챔버 또는 추출 전극은 플루오르(F)와 같은 할로겐 기체에 의한 부식을 견딜 수 있는 물질을 포함한다.

본 발명의 다른 특별한 양상은 임의의 상기 설명, 또는 이온 주입기와 결합된 이온 소스의 시스템을 사용해서 원래 위치에서 세척하는 방법으로, 이 반응에서 반응성 할로겐 기체는 이온 소스에 전압이 가해지지 않고 진공 하에 있는 동안 이온 소스로 흘러간다.

이 양상의 실시예는 다음 특징 중 한 가지 이상을 갖는다.

반응성 할로겐 기체는 플루오르(F)이다.

반응성 할로겐 기체는 염소(F)이다.

플루오르 기체는 원격 플라즈마 소스로부터 이온 소스 안으로 주입된다.

플루오르 기체는 NF₃ 플라즈마에 의해 원격 플라즈마 소스에서 생성된다.

플루오르 기체는 C₃F₈ 또는 CF₄ 플라즈마에 의해 원격 플라즈마 소스에서 생성된다.

반응성 할로겐 기체는 ClF₃이다.

세척 절차는 이온 소스가 데카보란(B₁₀H₁₄)을 이온화한 후 증착물을 제거하도록 수행된다.

세척 절차는 이온 소스가 옥타데카보란(B₁₈H₂₂)을 이온화한 후 증착물을 제거하도록 수행된다.

세척 절차는 이온 소스가 아신(arsine)(AsH₃) 또는 원소 상태의 비소(As)와 같은 비소 함유 화합물을 이온화한 후 증착물을 제거하도록 수행된다.

세척 절차는 이온 소스가 원소 상태의 인(P) 또는 포스핀(PH₃)과 같은 인 함유 화합물을 이온화한 후 증착물을 제거하도록 수행된다.

세척 절차는 이온 소스가 트리메틸안티몬{Sb(CH₄)₃} 또는 펜타플루오르화 안티몬(SbF₅)과 같은 안티몬 함유 화합물을 이온화한 후 증착물을 제거하도록 수행된다.

세척 절차는 서로 다른 이온 종을 주입하기 위해 이온 소스 공급 물질을 교체하는 사이에 이온 주입기의 원래 위치에서 이온 소스에 수행된다.

본 발명의 다른 특별한 양상은 이온 소스와 이온 소스로부터 이온을 추출하기 위한 추출 전극을 구비하는 이온 주입 시스템으로, 이 시스템에서 추출 전극은 이온화되는 기체 또는 증기와 이로부터 생성되는 생성물의 전극에서의 응축을 실질적으로 감소시키는데 충분한 증가된 온도에서 전극을 유지하도록 구성된 히터를 포함한다.

이 양상의 실시예는 다음 특징 중 한 가지 이상을 갖는다.

전극은 알루미늄을 포함한다.

전극은 몰리브덴으로 구성된다.

전극은 방사성 히터에 의해 가열된다.

전극은 저항 히터에 의해 가열된다.

전극의 온도는 원하는 온도로 조절된다. 실시예에서, 온도는 150℃ 내지 250℃이다.

전극은 반응성 할로겐 함유 기체에 노출시켜 원래 위치에서 주기적으로 세척된다.

본 발명의 다른 양상은 기술된 임의의 시스템의 이온 추출 전극 또는 이온 주입기와 결합되어 있는 이온 추출 전극을 원래 위치에서 세척하는 방법으로서, 반응성 할로겐 기체는 전극이 원래 위치에 있고 진공 하에 있는 동안 이온 추출 전극 위를 흐른다.

이 양상의 실시예는 다음 특징 중 한 가지 이상을 갖는다.

반응성 할로겐 기체는 플루오르(F) 또는 염소(Cl)이다.

플루오르 기체는 원격 플라즈마 소스로부터 추출 전극이 있는 진공 하우징 안으로 주입된다.

반응성 할로겐 기체는 ClF₃이다.

세척 절차는 서로 다른 이온 종을 주입하기 위해 이온 소스 공급 물질을 교체하는 사이에 수행된다.

원래 위치에서 에칭 세척이 제공되는 이온 소스

바람직한 실시예에 따라, 원래 위치에서의 화학적인 세척 공정은 이온 소스와 이온 추출 전극으로부터 효과적으로 증착물을 세척하기 위해, 원자 상태의 F 기체를 사용하는 반면, 이온 소스와 추출 전극은 이온빔 생성 시스템에 설치되어 있다. 바람직한 실시예에서, 냉각된 챔버 벽을 갖는 전자 충격 이온 소스가 사용된다. 바람직하게, 이온화 챔버와 소스 블록(source block)은 알루미늄이나 알루미늄 함유 착물로 만들어져서, 알루미늄 표면 위에 생성될 플루오르화 알루미늄이 패시베이션 층으로 작용하도록 하고, 이 층은 F에 의한 추가의 화학적인 부식을 차단한다.

이러한 특징의 한 가지 실시예는 이온 소스에 대한 입구에 직접 연결되어 있는 원격 반응 기체 소스의 출구를 사용한다.

바람직한 실시예에서, 반응 기체 소스는 플라즈마 소스로, 이는 NF₃ 또는 C₃F₈과 같은 에칭 공급 기체를 보조 이온화 챔버 안으로 주입한다. 보조 챔버 안에 플라즈마를 유지해서, F 및 F₂와 같은 반응 기체가 생성되고, 주 이온 소스 안으로 주입된 이러한 반응 기체는 증착 물질을 화학적으로 부식시킨다. 기체 상으로 방출된 부 생성물은 이온화 챔버의 추출 애퍼쳐를 통해 당겨지고, 설비의 진공 시스템에 의해 밖으로 펌핑되어, 챔버를 세척하게 된다.

증착 모델(deposition model)

두 물체가 상호작용하면, 하나를 초과하는 결과가 있을 수 있다는 것이 일반적으로 관찰된 물리학의 원리이다. 또한, 가능한 모든 결과 고려시, 개별 확률의 합이 100%가 되도록 각 결과에 확률 또는 가능성을 할당할 수 있다. 원자 및 분자 물리학에서, 가능한 이러한 결과를 때로 "채널(channel)"이라 부르고, 각각의 상호작용 채널과 연관된 가능성을 "크로스 섹션(cross section)"이라 부른다. 더 정확하게, 두 개의 입자(즉, 전자와 기체 분자)가 서로 작용할 가능성은 "전체 크로스 섹션(total cross section)"인 반면, 특정한 유형의 상호작용(전자 자체를 기체 분자에 부착시켜 음이온을 형성하거나, 기체 분자로부터 전자를 제거해서 양이온을 형성하거나, 분자를 단편으로 분해하거나, 분자의 화학 변화 없이 분자로부터 탄성 산란시켜 표시되는 상호작용과 같은)의 가능성은 "부분적인 크로스 섹션(partial cross section)"이다.

이러한 경우의 상태는 전체 크로스 섹션(σ_T)을 그 i개의 부분 크로스 섹션의 합으로 나타내는 수학적인 관계식으로 표시될 수 있다.

(1) σ_T= σ₁+ σ₂+ σ₃+ ... σ_i, 또는

(2) σ_T= Σσ_i.

이온 주입기에 사용된 이온 소스는 일반적으로 적절한 이온화 부분을 표시한다. 즉, 이온 소스로 공급된 적은 부분의 (수 % 내지 수십 %) 기체 또는 증기만이 이온화된다. 나머지 기체 또는 증기들은 일반적으로 원래 상태 또는 어떤 다른 중성 상태 중 하나의 기체 상으로 소스를 빠져나간다. 즉, 이온화 크로스 섹션은 전체 크로스 섹션보다 훨씬 더 작다. 물론, 일부 기체 성분은 증착 물질로 이온 소스 안에 머물 수 있다 (이는 비록 일반적으로 사용되는 주입 공급 물질에 대해 전체 중 적은 비율이지만). 원소 상태의 As 또는 P와 같이 가열을 통해 기화된 공급 물질이 보통 기체 상태인 공급 물질보다 증착물을 더 용이하게 생성하지만, 가열된 증기는 이온 소스의 벽이 기화기보다 온도가 더 높고, 심각한 증착 위험을 나타내지 않으면 기체상으로 남아있는 경향이 있다. 그러나, 기체상태의 BF₃ 공급 기체로부터 붕소 빔 생성시, 예를 들어 In과 Sb로부터 빔 생성시, 상당히 유해한 증착물이 또한 생길 수 있다.

또한, 일반적으로, 시간이 경과하면, 응축 가능한 물질의 증착물은 이온 생성 시스템의 특정한 다른 구성요소 위에 발생해서, 분리하고 세척하기 전에는 이들의 작동 수명에 영향을 미친다.

또한, 붕소수소화물의 경우, 이온화 매질(즉, 이온 소스의 전자)과의 모든 상호작용을 나타내는 전체 크로스 섹션은 크게 보이고, 이온화 크로스 섹션은 작으며, 가장 큰 크로스 섹션은 붕소수소화물 분자를 비 휘발성 단편으로 분해하기 위한 채널을 나타내고, 이러한 비 휘발성 단편은 다음으로 이온 소스에서 표면 위에 남아있다. 이러한 단편의 증착 문제는 공급 물질의 열 분해를 줄이기 위해 이온화 챔버 벽을 냉각시켜 나쁜 영향을 받는다. 종합해서, 소스에서 붕소 함유 단편의 붕소수소화물로부터의 증착은 기본적인 현상으로, 이는 이러한 물질에 작용하는 임의 유형의 이온 소스에서 관찰될 것이고, 이 문제에 대한 해결책은 반도체 제조 산업에 광범위하고 중요한 관심사인 것으로 보인다.

붕소수소화물에 적합한 전자 충격 이온 소스

붕소수소화물에 특히 적합한 이온 소스는 전자 충격 이온 소스로, 이는 완전하게 온도 조절된다 (본 명세서에 각각 참조문서로 포함되어 있는, US 특허 6,452,338호와 6,686,595호, 또한 국제 출원 번호 PCT/US03/20197호 참조). 또한, 도 7을 참조하라. 이온을 발생시키기 위해 아크 방전 플라즈마에 충돌시키는 대신, 이온 소스는 하나 이상의 초점 전자빔 형태로 주입된 에너지 전자에 의한 공정 기체의 "소프트" 전자 충격 이온화를 사용한다. 이러한 "소프트" 이온화 공정은 이온화 클러스터가 형성되도록 이러한 큰 분자를 유지한다. 도 7에서 보는 바와 같이, 고체 붕소수소화물 물질은 기화기에서 가열되고, 증기는 증기관을 통해 금속 챔버, 즉 이온화 챔버로 흐른다. 이온화 챔버 밖에 위치한 전자총은 이온화 챔버로 고 전류의 에너지 전자 흐름을 운반하고, 이 전자 흐름은 챔버 앞면의 연장 슬롯에 거의 평행하고 인접하다. 이온은 이온 추출 전극에 의해 이 슬롯으로부터 추출되어, 에너지 이온빔을 형성한다. 이온화 챔버 안으로 승화(昇華)된 붕소수소화물 증기를 운반하는 동안, 모든 표면은 기화기보다 더욱 높은 온도로 유지되어 (그러나, 분해 온도보다는 낮게), 증기의 응축을 방지한다. 많은 시험 시간에 의해, 이러한 온도 제어가 수행되면, 증기 공급 밸브의 표면은 실제 깨끗하게 유지된다는 것이 밝혀졌다.

세척 간 데카보란을 이용한 이온 소스 수명의 연장

정량적인 방법으로, 소스 수명(유지보수 간격)에 대한 증기 유속의 영향이 연구되었다. 전자 충격 이온 소스는 주어진 증기 유속의 제어 조건 하에서 데카보란 공급 물질을 이용해서 연속 작동되고 나서, 물질의 축적이 데카보란 빔 전류를 크게 감소시키는 것으로 측정되었다. 0.40 sccm 내지 1.2 sccm의 5개의 서로 다른 유속이 시험되었다. 이는 약 150㎂ 내지 700㎂의 질량 분석 데카보란 빔 전류(B₁₀H_x ⁺)를 생성했다. 이온 주입에 사용된 이온 소스에서 일반적인 공급 기체 흐름은 1 내지 3 sccm이어서, 이 시험 범위는 "낮은" 흐름 시간으로 간주된다는 것에 주목해야 한다.

이러한 수명 시험의 결과는 도 5에 요약되어 있다. 이는 단순한 모델인 쌍곡선 함수를 제안한다. 이는 예상되지 않은 것으로, 0의 증기 흐름을 가정한다면, 소스 수명은 원칙적으로 발산하고, 매우 높은 증기 흐름을 가정한다면, 소스 수명은 점근적으로 0으로 감소한다. 그래서, 이 모델은 다음과 같이 표현될 수 있다.

(3) (유속) ×(흐름 시간) = 상수

방정식(3)은 단순히 수명(즉, 흐름 시간)이 유속에 반비례함을 보여준다. 상수는 증착된 물질의 양이다. 만일 방정식(3)이 정확하다면, 증착된 물질의 부분은 물질의 유속과 무관하고, 이는 분해와 이후 증착을 위해 고정된 크로스 섹션을 기술하는 우리의 모델과 일치한다. 이러한 데이터는, 약 0.5 sccm 데카보란 증기 흐름을 갖는 전자 충격 이온 소스를 사용하면, 전용 데카보란 작업이 100 시간 이상 지속될 수 있다는 것을 보여준다. 이는 많은 경우 허용 가능하지만, 상업용 반도체 제조 설비에서는, 200시간 이상의 소스 수명이 바람직하다. 이온 소스가 본 발명의 신규한 원래 위치에서의 세척 절차와 함께 사용되면, 크게 연장된 소스 수명이 얻어진다.

원 위치에서 이온 소스 화학 세척의 특정한 특징의 이점

이온 소스의 원 위치 세척을 위한 반응 기체를 생성하기 위해 보조 이온 소스를 이용하는데 대한 여러 가지 매우 중요한 이점이 있다. 공정 배출 시스템(process exhaust system)(Advanced Energy 사에 의해 제공된 Litmus 1501과 같은)으로부터 유출물 제거 용도와, 커다란 CVD 가공 챔버(MKS Astron 반응 기체 발생장치와 같은)를 세척하기 위해 이러한 플라즈마 소스가 개발되었지만, 발명자가 아는 바로는, 이온빔을 발생시키는데 사용되는 추출 전극과 이온 소스의 이온화 챔버를 세척하는데 원격 반응 기체 발생장치가 유용하게 사용될 수 있다는 것이 이전에 인식되지 않았다. 가공 챔버(즉, 반도체 웨이퍼가 가공되는 비교적 큰 진공 챔버)를 세척하기 위한 MKS Astron과 같은 원격 반응 기체 발생장치와, 빠른 공급 기체의 흐름을 사용하는 애플리케이션{분당 수 표준 리터(SLM)}과, 플라즈마 소스에 가해지는 높은 RF 전력(약 6kW)이 사용되었다. 본 발명의 시스템은, 세척되는 이온 소스의 이온화 챔버의 훨씬 더 알맞은 부피(반도체 웨이퍼의 주입기에 대한 이온화 챔버의 부피는 일반적으로 약 100㎖ 미만, 예를 들어 단지 약 75㎖이고, 표면적은 약 200㎠ 미만, 예를 들어 약 100㎠)에 대해, 훨씬 더 적절한 공급 기체 속도, 예를 들어 약 0.5 SLM 미만의 NF₃와, 훨씬 더 작은 RF 전력(약 2.5kW 미만)을 사용할 수 있다. 이온화 챔버 안으로의 반응 기체 흐름은 분당 약 2 표준 리터 미만이다.

시스템의 주 이온 소스 안으로 주입하기 위한 플라즈마 부 생성물을 생성하기 위해 외부 이온 소스를 사용하는 것을 이상하게 생각할 수 있다. 왜 소스 안에 직접 플라즈마 부 생성물을 생성하기 위해 주 이온 소스 안으로 직접 기체 (예를 들어, NF₃)를 주입하면 안 되는가? 그 이유는 명확하지 않아 보인다. 이온 주입 시스템의 짧은 가동 시간(생산 시간) 동안 공급 기체로부터의 증착 속도보다 훨씬 더 빠른 에칭 속도를 이루기 위해서, 반응 기체는, 1 내지 3 sccm의 이온 주입을 위한 주 이온 소스의 일반적인 공급 유속에 비해, 생성된 후 비교적 매우 큰 흐름(예를 들어 약 10² 내지 10³ sccm)으로 작은 이온화 챔버 안으로 주입되어야 하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 큰 흐름은 이온 주입을 위해 작동하도록 설계된 것보다 훨씬 더 큰 주 이온 소스의 이온화 챔버 안의 압력을 증가시킬 것이다. 또한, 주 이온 소스 내에서 고 밀도의 NF₃ 플라즈마를 유지하는 것은 고온 텅스텐 필라멘트와 같은 민감한 구성요소를 에칭시킬 것이다. 이는 할로겐 기체가 온도에 따라 지수적으로 증가하는 빠른 속도로 내화 금속을 에칭시키기 때문이다. {예를 들어, Rosner 등은 텅스텐 기판의 F 에칭을 위한 모델을 제안한다:

(4) 속도(마이크론/분) = 2.92 ×10^-14 T^1/2N_Fe^-3900/T,

N_F는 플루오르의 농도(원자/㎠)이고, T는 기판의 온도(K)이다}.

이온 주입을 위한 사실상 모든 이온 소스는 고온의 필라멘트와 결합되어 있고, 많은 경우 이온 소스 챔버는 또한 Mo와 W와 같은 내화 금속, 또는 흑연(F에 의해 크게 부식된다)으로 만들어져 있기 때문에, 이러한 이온 소스는 고온의 작동 조건에서 빨리 고장나서, 에칭 세척 공정을 사용할 수 없게 한다.

현재 바람직한 실시예에서, 원자 플루오르는 100 sccm 이상의 유속으로 전압이 가해지지 않은 주 이온 소스의 콜드 이온화 챔버 안으로 들어가게 되고, 이온화 챔버 안으로의 전체 기체 흐름은 500 sccm 이상이다. 이러한 조건에서, 이온화 챔버 안의 기체 압력은 약 0.5 Torr이지만, 주입기의 진공 소스 하우징 안의 압력은 수십 밀리Torr 이상이다. 바람직한 작동 모드에서, 세척 단계 전, 이온 소스의 진공 하우징과 주입기 진공 시스템 사이에서 차단 밸브가 닫히고, 이온 소스의 터보 분자 펌프가 차단된다. 다음으로 이온 소스의 하우징은 진공 시스템의 고 용량 거친 펌프(roughing pump)로 펌핑된다 (즉, 일반적으로 터보분자 펌프를 보조하고 진공 시스템을 "거친" 진공으로 만드는 펌프).

도 5에 도시된 서로 관련된 에칭 세척 공정의 서로 다른 실시예는 ClF₃와 같은 "건조 에칭" 기체를 사용한다. 이전에 관찰한 바와 같이, ClF₃ 분자는 세척하고자 하는 증착 표면에 접촉할 경우 분해되어, 플라즈마를 발생시킬 필요 없이 원자 상태의 플루오르와 염소가 배출된다. ClF₃ 기체의 처리는 그 높은 반응성 때문에 특별한 장비를 필요로 하지만, 원칙적으로 보조 반응 기체 플라즈마 소스를 필요로 하지 않을 정도로 화학 세척 공정을 단순화할 수 있다. 독성 기체는 자연스럽게 이온 주입기용 이온 소스 안으로 들어가기 때문에, 많은 장비가 이미 "독성 기체 친화성"이 되도록 구성되어 있고, ClF₃를 결합시킨 개별 기체 분배 시스템이 간단하게 추가될 수 있다.

이온 주입기를 위한 이온 소스를 원래 위치에서 화학적으로 세척하는 이점은, a) 서비스가 요구되기 전, 소스 수명을 수백, 또는 가능하다면 수천 시간 연장시키고, b) 예를 들어, 옥타데카보란 이온 주입에서 비소 또는 인 이온 주입으로 변환시, 그리고 비소 또는 인 이온 주입에서 옥타데카보란 이온 주입으로 변환시, 종(species)의 변화에 의해 일어난 교차 오염을 감소시키거나 제거하며, c) 이온 소스의 수명 동안 피크 이온 소스 성능을 유지하는 것을 포함한다.

예를 들어, 8시간마다(즉, 작동 담당자의 작업 교대마다 한번) 그리고 각 종의 변화 사이에 10분간의 화학 세척 프로토콜을 수행하는 것은 주입기의 가동시간에 최소한의 영향을 미치고, 현대식 반도체 제조 시설에 맞을 것이다.

종료점 감지

세척 공정 동안 종료점 감지를 제공해서, 세척 공정의 필요한 시간과 효율에 대한 정량적인 정보가 생성될 수 있고, 화학 세척 공정의 재현성이 보장될 수 있는 것은 유리한 것으로 판단된다. 도 3은, 세척 공정의 견본을 보여주는 차동 펌핑되는 4극자 질량 분석기를 보여준다. 예를 들어, F, Cl, BF₃, PF₃, AsF₃, AlF₃, WF₆와 같은 세척 기체 생성물의 농도를 모니터링해서, 세척 공정을 조절 및 확인할 수 있다. 대안적으로, 공정을 모니터링하는 광학 수단이 사용될 수 있다. FTIR 광학 분광계는 뷰포트(viewport)를 통해 주입기의 이온 소스의 진공 하우징 안에 있는 기체를 관찰할 수 있다. 화학 종을 확인하기 위한 이러한 비 침입성(ex-situ) 수단이 특정한 경우에는 원래 위치의 모니터링 장치(in-situ monitoring device)보다 바람직할 수 있다. 대안적으로, 도 4를 참조하면, 추출 FTIR 분광계는 종료점 모니터링을 위해 소스 진공 하우징에 연결될 수 있다. 종료점 감지를 수행하기 위한 새로운 수단은 세척 중에 이온화 챔버의 온도를 관찰하는 것으로 이루어진다. 화학 반응은 발열 반응이기 때문에, 반응 중에 에너지가 방출되어, 챔버 온도를 올린다. 이러한 효과는 원칙적으로 반응 속도 감소시 입증하기 위해 사용될 수 있다.

신규한 이온 추출 전극

데카보란 및 옥타데카보란과 같은 붕소수소화물은 열에 민감한 물질이다. 이러한 물질은 기화하고 20℃ 내지 100℃의 온도에서 응축된다. 따라서, 응축을 방지하기 위해, 이러한 물질이 접하게 되는 모든 표면을 기화 온도보다 더 높은 온도로 (그러나 분해 온도보다는 낮은 온도)로 유지하는 것이 중요하다. 추출 전극의 오염은 이러한 붕소수소화물 사용시 문제가 된다는 것을 발견했다. 직접적인 이온빔 충돌과 응축된 공급 증기 또는 그 분자 분해 생성물 모두는 이온빔 형성 광학장치의 작동 품질을 감소시킬 수 있는데, 이는 이러한 붕소 함유 층이 전기적으로 절연인 것으로 보이기 때문이다. 일단 전기 절연 층이 증착되면, 이 층은 전기 전하를 얻고 ("charge up"), 전기 절연파괴 진공 방전, 또는 "글리치"를 형성한다. 이러한 방전은 이온빔 전류에 불안정성을 형성하고 이온빔이 향하는 가공 챔버에 도달할 수 있는 입자의 생성에 기여할 수 있다. 시간당 많은 글리치를 받는 이온빔 생성 시스템을 갖는 이온 주입기는 현대 반도체 제조 시설에서 생산 가치가 없는 것으로 보인다. 또한, 이러한 방전이 없는 경우에도, 절연 코팅은 더 두꺼워지기 때문에, 전극 표면 위의 전기 전하는 원치 않는 미주 전기장(stray electric field)을 생성하고, 이는 빔 스티어링 효과를 일으켜서, 빔 손실을 일으키고 이온빔 품질에 불리한 영향을 미칠 수 있다.

새로운 정보의 발견은 이러한 문제에 대한 확실한 해결책이 되었다. 대부분의 주입기 이온 추출 전극은 흑연으로 만들어진다. 흑연은, 낮은 재료 비용, 가공 용이성, 높은 전기 전도성, 낮은 열 팽창 계수, 고온에서 우수한 기계 안정성을 포함해서, 이 용도에서 많은 이점을 갖는 것으로 보였다. 그러나, 흑연 추출 전극을 사용하면, 붕소수소화물의 이온빔 생성 후 불안정성이 관찰되었다. 전극 표면은 절연성이 되었는지 의심되었다. 전극 증착물 샘플이 모이고 x-선 형광 분석에 의해 화학 분석이 수행되었다. 연구에 의하면, 화학량론이, 절연인 것으로 밝혀진 B₂C 형태의 붕소-탄소 화합물과 일치하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 이온 소스의 전면판(즉, 이온 추출 애퍼쳐 판)을 포함해서, 이온 소스 부근의 금속 표면이 또한 오랜 시간 사용 후 증착된 절연 코팅을 갖는 것으로 보였다. 알루미늄 전극을 제조하고, 전극 판, 즉 억제 및 접지 전극을, 데카보란과 옥타데카보란의 응축을 방지하는데 충분히 높은 잘 조절되고 증가된 온도로 유지하기 위해 방사 히터를 제공하는 것이 생각되었다 (도 9, 11 참조). 또한, 이온 소스에 면한 억제 전극은 매끄럽고 특색 없는 외관을 갖는 알루미늄의 단일 가공부로 제조되었고, 모든 패스너(fastener)는 판의 후부에 위치했다. 이러한 형태는, 한 "지점"에서의 전기장 스트레스, 또는 예리한 특징이 종종 매끄러운 표면에서보다 더 크다는 원칙을 사용해서, 절연 코팅 형성시 방전 지점의 수와 가혹성(severity)을 크게 줄였다.

이렇게 제조된 추출 전극은 우수한 성능을 나타냈고, 매우 작은 글리치 빈도를 갖고 100시간 이상 (흑연 전극에서는 적어도 10배) 확실하게 작동했다. 이러한 큰 증가는, i) Al 구조 (즉, 금속 대 흑연), ii) 전극 판의 능동 가열과 온도 조절, iii) 매끄러운 전극 표면이 원인이다. 200℃에서 전극 판을 작동시키는 것은 데카보란 사용시 우수한 결과를 나타내어, 증착 물질의 양을 크게 줄이는 것으로 밝혀졌다. 일반적으로, 추출 전극의 온도는 공급 물질의 분해 온도보다 더 낮게 유지되어야 한다. 데카보란의 경우, 온도는 350℃ 미만, 바람직하게는 150℃ 내지 250℃의 범위 안에 있어야만 한다. 옥타데카보란 작업을 위해, 온도는 160℃ 이하여야만 하는데, 이는 이 온도 이상에서는 옥타데카보란에 화학 변화가 일어나기 때문이다. 옥타데카보란 사용시, 120℃ 내지 150℃의 추출 전극 온도는 우수한 결과를 나타낸다.

도 11에 도시된 방사 디자인은 매우 우수한 온도 균일성을 나타내었다. 특히 도 12에 도시된 알루미늄 전극을 사용해서 저항 히터를 결합시키는 것은, 우수한 균일성을 또한 나타내고, 유지보수를 더 적게 필요로 하는 보다 조밀한 디자인을 나타낸다.

가열 추출 전극을 제조하기 위해, 예를 들어 몰리브덴과 같은 다른 금속이 또한 작용할 것이다. 몰리브덴은 내화성이 있다는 이점이 있어서, 매우 높은 온도를 견딜 수 있다. 몰리브덴은 또한 우수한 열 전도도를 갖는다. 한편, 알루미늄은 주기율표의 In 및 B과 같은 III 족 원소로서, 실리콘에서 약간의 오염물인 이점을 제공하지만 (실리콘에서 P 타입 도핑제임), 몰리브덴과 같은 전이 금속은 집적 회로의 캐리어(carrier) 수명에 매우 유해하다. 알루미늄은 또한 할로겐에 의해 쉽게 부식되지 않는 반면, 몰리브덴과 같은 전이 금속은 특히 고온에서 부식되기 쉽다. 그러나, 알루미늄의 주 단점은, 고온 물질이 아니여서, 약 400℃ 미만에서 사용되어야만 한다는 점이다.

이러한 이유 때문에, 특별한 용도에 따라 가열 전극은 원래 위치에서의 에칭 세척과 관련해서 사용시 흔히 바람직한 선택된 내열성 물질, 알루미늄 또는 알루미늄 함유 착물로 이루어진다.

도 1은, 반응 기체 세척을 통합시킨 이온빔 생성 시스템.

도 2는, 반응 기체 세척을 통합시킨 이온빔 생성 시스템의 제 2 실시예.

도 3은, 도 1과 유사하지만 기화기(vaporizer)와 특정한 기체 분배 요소(gas distribution element)를 통합시킨 이온빔 생성 시스템.

도 4는, 도 2와 유사하지만 기화기와 특정한 기체 분배 요소를 통합시킨 이온빔 생성 시스템.

도 5는, ClF₃의 주입에 의한 반응 기체 세척을 통합시킨 이온 생성 시스템.

도 6은, 반응 기체 플라즈마 소스, 공급 증기 소스, 이온 소스 전자장치 및 플라즈마 소스용 설비를 포함하는 이온 주입기용 기체 박스(gas box).

도 6a는, 증기 흐름 제어 시스템을 도시하는 도 6과 유사한 도면.

도 6b는, 이온빔 생성 시스템을 위한 밸브 개략도.

도 7은, 전자 충격 이온 소스.

도 7a는, 원소의 차폐를 나타내는, 도 7의 일 부분의 확대도.

도 7b는, 일 실시예에 대한 제어 다이어그램.

도 8은, 이온 추출 전극.

도 9는, 이온 추출 전극 광학장치.

도 9a는, B₁₈H_x ⁺ 빔 프로파일.

도 10은, 추출 전극과 머니퓨레이터(manipulator).

도 11은, 전극의 헤드 분해도.

도 12는, 전극 헤드의 제 2 실시예.

도 13은, B₁₀H_x ⁺ 빔 전류 대 데카보란 유속.

도 14는, 수명 대 데카보란 증기 유속.

도 15는, Si 쿠폰의 에칭 속도.

도 16은, 이온 주입기.

새로운 이온빔 생성 시스템

도 1은 이온빔 생성 시스템을 도시한다. 이 예에 도시된 것처럼, 이는 반도체 웨이퍼 또는 평면 패널 디스플레이로 주입하기 위해 이온 주입 챔버로 운반하기 위한 이온빔을 생성하는데 적합하다. 이온 소스(400), 추출 전극(405), 진공 하우징(housing)(410), 전기 절연 물질의 전압 분리 부싱(bushing)(415), 진공 펌프 시스템(420), 진공 하우징 차단 밸브(425), 반응 기체 입구(430), 공급 기체 및 증기 입구(441), 증기 소스(445), 공급 기체 소스(450), 반응 기체 소스(455), 이온 소스 고 전압 전원(460), 그리고 결과적으로 생성된 이온빔(475)이 도시된다. 이온빔 운반 하우징은 도면 부호 411로 표기된다. 이온 소스(400)는, 클러스터 이온과 분자 이온, 예를 들어, 붕소수소화물 이온 (B₁₀H_x ⁺, B₁₀H_x ^-, B₁₈H_x ⁺및 B₁₈H_x ^-) 또는 P⁺, As⁺, B⁺, In⁺, Sb⁺, Si⁺, 그리고 Ge⁺과 같이 보다 일반적인 이온빔을 제공하도록 구성된다. 이온 소스(400)는 이온 주입을 위해 가장 일반적으로 사용되는 버나스(Bernas) 스타일의 아크 방전 이온 소스이거나, 예를 들어, 이온을 생성하기 위해 RF(radio frequency) 장(field)을 형성하는 액침(immersed) RF 안테나를 사용하는 "버켓(bucket)"식 수냉식 이온 소스, 마이크로파 이온 소스, 또는 전자 충격 이온화 소스일 수 있다. 이온화될 기체 상태의 공급 물질을 위한 기체 및 증기 입구(441)는 적당한 증기 소스(445)에 연결되어 있고, 이는 기체 및 증기 입구(441)에 인접하게 있거나, 터미널 인클로져(terminal enclosure) 내 다른 곳에 위치한 기체 분배 박스와 같이 더 먼 곳에 위치할 수 있다. 터미널 인클로져는 이온빔 생성 시스템을 포함하는 금속 박스(미도시)이다. 이는 펌프 시스템, 전력 분배, 기체 분배, 그리고 제어기와 같이 이온 소스를 위해 필요한 설비를 포함한다. 빔 내에서 이온 종을 선택하기 위해 질량 분석이 사용될 때, 질량 분석 시스템은 또한 터미널 인클로져 내에 위치할 수 있다.

잘 한정된 에너지를 갖는 이온을 추출하기 위해, 이온 소스(400)는 고 전압 전원(460)에 의해, 추출 전극(405)과 진공 하우징(410)에 대하여 높은 양 전압(양으로 하전된 이온빔이 생성되는 보다 일반적인 경우에)으로 유지된다. 추출 전극(405)은 이온화 챔버의 추출 애퍼쳐(504)에 가깝게 배치되고 이와 정렬된다. 추출 전극은, 이온화 챔버(500)에서 가장 가까운 소위 억제 전극과, "접지(ground)" 전극(407)인 적어도 2개의 애퍼쳐를 포함하는 전극 판으로 구성된다. 억제 전극(406)은, 양으로 하전된 이온빔 생성시, 양으로 바이어스된 이온 소스(400)에 부착된 원치 않는 전자들을 거부하거나 억제하기 위해, 접지 전극(407)에 대하여 음으로 바이어스된다. 접지 전극(407), 진공 하우징(410), 그리고 터미널 인클로져(미도시)는 모두 소위 터미널 전위에 있고, 터미널 전위는, 예를 들어 중간 전류 이온 주입기를 위한 특정한 주입 시스템을 위한 경우처럼, 전체 터미널을 접지 위로 띄우는 것이 바람직하지 않다면 접지 접지에 있다. 추출 전극(405)은 아래에 설명되는 새로운 온도 제어 금속 디자인일 수 있다.

(만일 음으로 하전된 이온빔이 생성되면 이온 소스는 다른 적당한 변화와 함께 증가된 음 전압에 고정되고, 터미널 인클로져는 전형적으로 접지에 유지된다.)

도 1은, 예를 들어 Al₂O₃와 같은 절연 세라믹으로 제조될 수 있는 고 전압 차단기(high voltage break)(431)를 결합시킨 반응성 기체 입구(430)와 함께, 터미널 전위의 반응 기체 소스(455)를 도시한다. 이온 주입을 위한 이온 소스는 일반적 으로 약 90kV의 최고 전압까지 바이어스될 수 있기 때문에, 이 고 전압 차단기(431)는 그 적용을 위해서 90kV를 견뎌야만 한다. 아래에 설명될 것처럼, 세척 시스템은 단지 이온화 소스와 고 전압 차단(high voltage off)(전압이 가해지지 않은)으로만 사용되어, 진공 하우징(410)이 고 진공 상태에 있을 때 차단기(431)에는 고 전압만 있고, 이는 고 전압 스탠드오프 클리어런스(high voltage standoff clearance) 요건이 보다 쉽게 충족되도록 한다. 진공 하우징(410)과 통하는 전용 종료점 감지기(470)는 화학 세척 동안 반응 기체 생성물을 모니터하기 위해 사용된다.

예를 들어 반도체 웨이퍼를 도핑하기 위해, 이온 주입 시스템과 사용하는데 적합한 이온 소스에 있어서, 이온화 챔버는 약 100㎖ 미만의 부피를 가져서 작고, 약 200㎠ 미만의 표면적을 가지며, 분당 약 200 표준 리터보다 작은 유속으로, 예를 들어 플루오르 원자 또는 반응성 플루오르 함유 화합물과 같은 반응성 기체의 흐름을 수용하도록 구성된다.

도 1의 시스템은 원래 위치에서의 세척, 즉 이온 소스가 진공 하우징에서 그 작동 위치로부터 분리되지 않고, 작동이 거의 중단되지 않으면서, 원래 위치에서의 세척을 가능하게 한다.

도 2는 다른 실시예를 도시한다. 도 1과 도 2의 주요한 차이점은, 반응 기체 소스(455)와 반응 기체 입구(430)가 이온 소스 전위에 있다는 것이다. 이러한 접근 방법의 이점은 두 가지이다. 즉, 이것은 보다 조밀한 장치이고, 반응 기체 소스(455)와 이와 연관된 기체 공급이 기체 박스 안에 포함되도록 하고, 이 기체 박 스는 상업적인 이온 주입 시스템에서 일반적인 것과 같이, 이온 소스(400)에 기체와 전력을 공급한다.

화학 세척 시스템

도 1과 유사한 특징을 많이 갖는 도 3의 실시예는 클러스터 이온과 단위체 이온 모두를 선택적으로 생성하도록 구성된다. 이 실시예는, 보통 기체 상태인 공급 물질을 위한 전용 기체 입구(435)를 갖고, 붕소수소화물과 이와 다른 기화된 공급 물질을 생성하기 위해 밸브(443)를 통해 증기 소스(445)와 연결된다. 이온 소스와 전극의 원래 위치에서의 화학 세척을 수행하기 위해, 원격 플라즈마 소스(455)는 세척 기체 공급(465)에 의해 공급된 기체, 예를 들어 NF₃를 F, F₂ 및 N 함유 화합물과 같은 분해 생성물로 분해시킨다. 세척을 원하면, 이온 소스의 전압을 중단시킨 다음, 전용 반응 기체 입구(430)에 의해 원격 플라즈마 소스(455)의 출구(456)로부터 이온화 챔버 안으로 분해 생성물이 공급된다. 원격 플라즈마 소스(455)는 전압 차단 부싱(415)의 터미널 전위 면 위에 설치된다. 이온 소스(400)는 고 전압으로 작동하기 때문에, 진공에서 고 전압 차단기(431)는 전압을 차단시킨다.

세척 사이클을 시작하기 위해, 이온 소스는 차단되고, 진공 하우징 차단 밸브(425)가 닫힌다. 진공 펌프 시스템(420)의 고 진공 펌프(421)는 차단되고 진공 하우징(410)은 하우징이 백킹 펌프(422)에 의해 능동 펌핑되는 동안 건조 N₂ 기체의 주입을 통해 1 Torr 미만의 대략적인 진공 상태로 들어간다. 일단 대략적인 진공 하에 있으면, 아르곤 기체{Ar 기체 소스(466)의}가 플라즈마 소스(455) 안으로 주입되고 플라즈마 소스는 라디오 주파수(RF) 전력을 플라즈마 소스(455)와 결합시킨 온 보드 회로를 통해 전압이 가해진다. 플라즈마 방전이 시작되면, Ar 흐름이 감소하고 F 함유 세척 기체 공급(465), 예를 들어 NF₃는 플라즈마 소스(455) 안으로 주입된다. 중성 형태의 반응성 F 기체와, 분해된 세척 기체 공급물(465)의 이와 다른 부 생성물은 반응 기체 입구(430)를 통해 이온 소스(400)의 전압이 차단된 이온화 챔버(500) 안으로 주입된다. (예를 들어) Ar과 NF₃의 유속은 0.1 SLM (분당 표준 리터)과 수 SLM 사이로 크다. 그래서, 분해 생성물로 최대 약 1 SLM의 반응성 F는 이러한 방식으로 이온 소스(400) 안으로 주입될 수 있다. 이온화 챔버(500)의 작은 부피와 표면적 때문에, 이는 증착 물질에 대해 매우 큰 에칭 속도를 가져온다. 이온화 챔버(500)는 단면적이 약 0.2㎠ 내지 2㎠인 추출 애퍼쳐(504)를 포함하는 추출 전극에 면한 전면판을 갖고, 이러한 추출 애퍼쳐를 통해, 전압을 가하는 작업 동안, 추출 전극(405)에 의해 이온이 추출된다. 세척하는 동안, 반응 기체 하중(reactive gas load)이 하우징(410)의 진공에 의해 애퍼쳐(504)를 통해서 이온화 챔버(500)로부터 당겨지고, 하우징(410)으로부터 기체 하중은 거친 펌프(roughing pump)(422)에 의해 펌핑된다. 추출 전극(405)은 이온화 챔버(500)의 애퍼쳐(504)에 인접하고 이와 면하기 때문에, 전극 표면은 반응 기체 흐름의 상당한 부피를 차단한다. 이는 전극 세척 작용을 일으키고, 전극 표면으로부터, 특히, 가장 큰 증착물 을 수용하기 위한 위치에 있는 억제 전극(406)의 전방 표면으로부터 증착물을 제거한다. 그래서, 추출 전극을 제조하고, Al 및 Al₂O₃와 같이 F에 견딜 수 있는 물질을 설치하는 것이 유리하다.

도 3의 실시예는 부식 작용을 위해 만들어진 차동 펌핑 잔류 기체 분석기(RGA)로 이루어진 종료점 감지기를 또한 갖는다. 분석기 RGA는 진공 하우징(410)과 통한다. 이는 F 함유 반응 생성물(예를 들어, B와 F를 결합시켜 만들어진 BF₃ 기체)의 부분 압력을 측정해서 세척 작용의 종료점을 위한 감지기로 사용되는 것이다. 다른 유형의 종료점 감지기가 사용될 수 있고, RGA는 한 가지 특별한 실시예를 예시하도록 도시되어 있다. 붕소 함유 부분 압력이 RGA에서 감소하면, 세척 작업은 대부분 완료된다. 일단 세척 작업이 완료되면, 플라즈마 소스(455)는 꺼지고, Ar 기체로 대략 퍼지(purge)된다 {이 기체는 또한 이온화 챔버(500), 하우징(410) 및 이 안에 있는 요소를 퍼지시킨다}. 거친 펌프(422)는 다음으로 진공 하우징(410)과의 직접적인 연결이 차단되고, 고 진공 펌프(421) 차단 밸브가 열리며, 진공 하우징(410)은 다시 고 진공(약 1 ×10^-5 Torr 이하)으로 돌아간다. 그리고 나서, 진공 하우징 차단 밸브(425)가 열린다. 시스템은 이제 이온빔 생성을 재개할 준비가 되어 있다. 이온 소스 전압 공급(460)은 전압이 가해질 수 있고 이온 소스(400)는 정상적으로 작동했다.

도 3의 실시예의 이점은, 냉각수 순환 및 전력과 같이, 원격 플라즈마 소스(455)를 지원하는데 필요한 작동 시설이 이온 주입기의 터미널 전위에 있을 수 있다는 점이다 (도 16의 208 참조). 이는 주입기의 질량 분석기 자석(230)으로, 냉각수 및 전력과 같이 S로 표시된 시설을 나눌 수 있도록 한다. 세척 모드 동안, 플라즈마 소스(455)에 전압이 가해지면, 분석기(230)에는 전압이 차단되고, 이에 따라 이온빔 생성 모드 중에는 물이나 전력을 필요로 하지 않고, 그 반대의 경우도 일어난다. 이러한 "공유"는 개략적으로 S'로 표시된 적절한 제어 장치에 의해 수행될 수 있고, 이러한 장치는 냉각수 순환 및 전원 연결과 같은 작동 시설이 사용되는 작동 모드에 따라 점선 화살표(S)의 분석기 자석(230)이나, 직선 화살표(S)의 원격 플라즈마 소스(455)로 향하게 한다.

도 4는 소스(400)와 추출 전극(405)을 원래 위치에서 화학 세척하기 위한 도 2와 유사한 수행을 도시한다. 세 개의 입구 통로는, 각각 플라즈마 소스(455)로부터의 반응 기체(430)와, 선택된 많은 저장 부피(450) 중 하나로부터의 공급 기체(435)와, 기화기(445)로부터의 공급 증기(440)에 대해, 이온 소스(400)와 통합되어있다. 도 3과 달리, 도 4의 실시예는 이온 소스(400)의 고 전압에서 플라즈마를 기초로 한 반응 기체 소스(455)를 갖는다. 이는 원격 플라즈마 소스(455)가 이온 소스(400)의 제어 지점을 나눌 수 있게 하고, 또한, 세척 공급 기체(465)와 저장실(466)로부터의 아르곤 퍼지 기체가 소스 전위에 있는 이온 소스 기체 분배 박스(도 6과 도 6a 참조)로부터 공급될 수 있도록 한다. 이와 다른 유형의 종료점 감지기, 즉 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 선택 분광기가 또한 도시되어 있다. 이 감지기는 석영 창문을 통해 ex-situ (진공 하우징 외부) 작용할 수 있다. 대신, 도 4에 도시된 바와 같이, 추출 유형의 FTIR 분광기가 사용될 수 있고, 이는 세척 중 진공 하우징(410)에서 기체를 직접 채취한다. 또한 온도 센서(TD)는 챔버 표면의 열적으로 차단된 대표 영역을 감지해서 전압이 차단된 이온화 챔버의 온도를 감지할 수 있다. 센서(TD)는 종료점 감지로 작용하기 위해, 오염 증착물과 F의 발열 반응에 의해 생성된 열을 모니터링할 수 있다.

도 5는 도 4와 유사하지만 근본적으로 다른 유형의 반응 기체 소스(455)를 통합시킨 이온빔 생성 시스템을 도시한다. 이 경우, 기체 실린더에 포함된 반응성 ClF₃ 기체는 원격 플라즈마 소스를 사용하지 않고 이온 소스(400)로 직접 공급된다. 이는 설비 비용과 자국을 잠재적으로 줄이는데, 이는 원격 플라즈마 소스에 대한 전력과 제어가 필요하지 않기 때문이다. 그러나, ClF₃는 자연성(自燃性)이기 때문에 위험하고 특별한 기체 처리를 필요로 하는 반면, (예를 들어) NF₃는 일차적으로 질식제이고, BF₃, PH₃, 또는 AsH₃와 같이 많은 반도체 기체보다 독성이 약해서, 더욱 안전하다.

도 6은 플라즈마 소스(455), 증기 소스(445), 소스 전자장치, 및 기존의 이온 주입 장치와 개장(改裝)하기 위한 기체 박스(B) 내에 포함된 플라즈마 소스용 사용 시설(S)을 도시한다.

도 6a의 실시예는 아래 기술된 바람직한 기화기와 흐름 제어 시스템을 통합시켜, 상기 도 6의 실시예와 다르다. 도 6b는 도 4의 이온 소스 및 자체 세척 시스템을 위한 밸브 개략도이다.

바람직한 이온 소스와 기화기

도 7은 바람직한 이온 소스(10)와 그 여러 구성요소의 도면으로, 도 7a를 참조하라. 그 상세한 구조뿐만 아니라, 그 바람직한 작동 모드는 2003년 6월 26일자로 출원된 Horsky 등의 국제 출원 번호 PCT/US03/20197호 (이온 주입 장치와 붕소 수소화물 클러스터 이온의 주입을 통한 반도체 제조 방법)와, 2002년 6월 26일자로 출원된 Horsky 등의 미국 특허 출원 번호 제 10/183,768호 (전자 충격 이온 소스)에 기재되어 있는 것과 유사하고, 이 두 가지는 모두 본 명세서에 참조 문서로 포함되어 있다. 이온 소스(10)는 신규한 전자 충격 이온화 시스템의 일 실시예이다. 도 7은 이온 소스(10)를 구성하는 구성요소의 기능성을 분명하게 하도록 작용하는 소스 구조의 개략적인 단면도이다. 이온 소스(10)는 설치 플랜지(mounting flange)(36)를 통해 이온 주입기의 진공 챔버와 이어지게 된다. 그래서, 도 7에 도시된, 플랜지(36) 오른쪽의 이온 소스(10) 부분은 고 진공 상태에 있다 (압력 < 1 ×10^-4 Torr). 기체 상태의 물질이 이온화 챔버(44) 안으로 주입되고, 이 안에서 기체 분자는 전자빔(70)으로부터의 전자 충격에 의해 이온화되며, 전자빔은 이것이 이온 추출 애퍼쳐(81)와 정렬되도록 (즉, 인접하고 평행하게 뻗어있는) 전자 출입 애퍼쳐(71)를 통해 이온화 챔버(44) 안으로 들어온다. 그래서, 이온은 이온 추출 애퍼쳐(81)에 인접해서 생성되고, 애퍼쳐는 이온 추출 애퍼쳐 판(80)에서 슬롯으로 보인다. 다음으로 이온이 추출되고 이온 추출 애퍼쳐 판(80) 앞에 위치한 추출 전극(220)(도 8과 9)에 의해 에너지 이온빔(475)으로 형성된다. 도 7을 참조하면, 예 를 들어, 아르곤, 포스핀, 또는 아신과 같은 기체는 기체 관(33)을 통해 이온화 챔버(44) 안으로 공급될 수 있다. 데카보란 또는 옥타데카보란과 같은 고체 공급 물질(29)은 기화기(28)에서 기화될 수 있고, 증기는 소스 블록(35) 내에서 증기 관(32)을 통해 이온화 챔버(44) 안으로 공급된다. 일반적으로, 이온화 챔버(44), 이온 추출 애퍼쳐 판(80), 소스 블록(35){증기 관(32) 포함}, 및 기화기 하우징(30)은 모두 알루미늄으로 만들어진다. 고체 공급 물질(29)은 기화기 하우징(30)의 폐쇄 루프 온도 제어를 통해 균일한 온도로 유지된다. 밸러스트 부피(31) 안에 축적된 승화된 증기(50)는 관(39)과, 쓰로틀 밸브(throttling valve)(100) 및 차단 밸브(110)를 통해 공급된다. 쓰로틀 밸브(100)와 차단 밸브(110) 사이에서 증기(50)의 공칭 압력은 가열된 압력 게이지(60), 바람직하게는 커패시턴스 압력계(capacitance manometer)를 통해 모니터링된다. 증기(50)는 소스 블록(35)에 위치한 증기관(32)을 통해 이온화 챔버(44) 안으로 공급되고, 기체는 기체 관(33)을 통해 공급되기 때문에, 기체 상태의 물질과 증기 상태의 물질은 모두 이러한 이온 소스에 의해 이온화될 수 있고, 이러한 이온 소스는 필요시 분자 이온(B₁₈H_x ⁺과 같은) 또는 단위체 이온(As⁺와 같은) 중 어느 하나로 이루어진 이온빔(475)을 생성할 수 있다.

이온 생성 시스템으로 증기 흐름의 제어

도 7의 이온화 챔버의 증기의 흐름 (도 7b 참조)은 증기 공급 통로(32) 바로 앞 영역, 즉 도 7의 차단 밸브(110) 내에서 증기 압력에 의해 결정된다. 이는 쓰로틀 밸브(100)와 차단 밸브(110) 사이에 위치한 압력 게이지(60), 예를 들어 커패시턴스 압력계를 통해 측정된다. 일반적으로, 유속은 증기 압력과 비례한다. 이는 압력 신호가 흐름을 나타내도록 하고, 흐름을 선택하기 위한 설정 지점으로 사용되도록 한다. 이온 소스 내로 원하는 증기 흐름을 생성하기 위해, 기화기 하우징(30)은 쓰로틀 밸브(100)가 완전히 열린 위치에 있을 때 원하는 유속이 초과되도록 하는 온도가 된다. 다음으로 쓰로틀 밸브(100)은 원하는 압력 결과에 도달하도록 조절된다.

시간에 따라 안정된 흐름을 이루기 위해, 기화기 온도와 증기 압력의 개별 폐쇄 루프 조절은 Omron E5CK 제어 루프 디지털 컨트롤러와 같은 이중 PID 컨트롤러를 사용해서 수행된다. 제어 (피드백) 변수는 온도에 대한 열전쌍 결과와, 압력에 대한 게이지 결과이다. 도 7b의 도면은 이러한 폐쇄 루프 제어 기능을 수행하기 위한 디지털 증기 공급 컨트롤러(220)를 도시한다.

도 7b에서, 압력 게이지(60)로부터의 게이지 결과(250)가 쓰로틀 밸브 위치 제어(245)에 가해지고, 쓰로틀 밸브 위치 제어는 쓰로틀 밸브(100)에 쓰로틀 밸브 위치 제어 신호(247)를 가한다. 기화기(28)로부터의 열전쌍 결과(225)는 기화기(28)에 가해진 히터 파워(248)를 제어하는 기화기 히터 제어(215)에 가해진다.

느린 수준의 제 2 제어는 디지털 공급 컨트롤러(220)에 의해 수행되어, 고체 공급 물질이 기화되는 속도가 그 개방된 표면적, 특히 고체-진공 계면에서 이용 가능한 표면적의 함수가 되도록 조절한다. 기화기 내의 공급 물질이 시간에 따라 소 비되면, 이러한 사용 가능한 표면적은 증기의 방출 속도가 원하는 증기 유속을 지탱할 수 없을 때까지 점차적으로 줄어들어서, 쓰로틀 밸브(100)의 상류 증기 압력을 감소시키게 된다. 이러한 것은 "방출 속도 제한(evolution rate limited)" 작업으로 알려져 있다. 그래서, 기화기 안에 공급 물질을 새롭게 충전시켜, 25℃의 기화기 온도는 동적 범위의 하단부에 있는 공칭 쓰로틀 밸브 위치에서 (즉, 쓰로틀 밸브가 부분적으로만 개방되어 있는) 원하는 증기 흐름을 지탱할 수 있다. 시간이 지나면 (예를 들어, 공급 물질의 20%가 소비된 후), 원하는 흐름을 유지하기 위해 밸브 위치는 더욱 더 개방될 것이다. 쓰로틀 밸브가 그 동적 범위의 높은 컨덕턴스 한계에 다다랐을 때 (즉, 대부분 개방된), 이 밸브 위치는 컨트롤러(220)에 의해 감지되고, 이 컨트롤러는 기화기 히터 제어(215)에 새롭고 보다 높은 히터 설정점 온도를 전송한다. 일단 기화기 온도가 그 새로운 값으로 설정되면, 증가량은 동적 범위의 하단부에 가까운 공칭 쓰로틀 밸브 작동 지점을 복원하도록 선택된다. 그래서, 설정 지점 증기 압력에서의 짧은 시간 척도 변화와 기화기 온도에서의 긴 시간 척도 변화 모두를 조절하는 디지털 컨트롤러(220)의 능력은 공급 물질 충전물의 수명에 따른 증기 흐름의 조절을 매우 확실하게 한다. 이러한 조절은 이온화 챔버에 대한 증기의 초과 공급(over-feeding)을 방지한다. 이는 이온 생성 시스템의 표면 위에 있는 원치 않는 증착물의 양을 제한해서, 세척간 이온 소스의 수명을 늘린다.

도 8은 새로운 이온 소스(10)에 면한 이온 추출 전극(220)의 평면도(위에서 아래로 바라보는)를 도시한다. 이온 소스(10)는 국부적인 접지 전위, 즉 진공 하우 징의 전위에 있는 이온 추출 전극(220)에 대해 양 전위(V_A)로 유지된다. 이온 추출 전극(220)은 간단한 다이오드이다. 즉, 전극 판(302)은 "접지" 전극이고, 판(300)은 "억제" 전극으로, 일반적으로 억제 전원(V_S)에 의해 접지 전위보다 수천 볼트 낮게 유지되어 있다. 이온 소스(10)의 이온화 챔버(44)와 이온 추출 애퍼쳐 판(80)은 추출 전극(220)에 면한 것으로 도시되어 있다. 세 개의 판(80,300,302)은 직사각형 슬롯 또는 애퍼쳐를 포함하고, 이를 통해 이온(90)이 추출된다. 도 8은 "짧은", 또는 분산 방향으로 슬롯 프로파일을 도시한다.

새로운 가열 전극

도 14에 도시된 데카보란의 수명 시험 동안, 새로운 가열 알루미늄 전극이 사용되었다. 도 9는 1차원 "슬롯" 애퍼쳐 렌즈의 분산 면에서 추출 시스템의 기본적인 광학 설계의 평면도를 보여준다. 사용된 주입기에서, 이온 소스의 이온화 챔버(490)는 도 8에서 양의 고전압 전원(V_A)에 의해 원하는 이온빔 에너지로 유지되었다. 예를 들어, 20keV 이온빔이 요구된다면, V_A=20kV이다. 이온 추출 애퍼쳐 판(500)은, -750V 내지 750V 중에서 바이폴러 전원(V_B)에 의해 바이어스될 수 있도록, 이온화 챔버(490)로부터 전기적으로 절연되어 있다. 이 절연은 이온 추출 애퍼쳐판(500)과 이온화 챔버(490) 사이에 끼여있는 열 전도성 있는 전기 절연성인 중합체 기체킷에 의해 달성된다. 증기에 노출되는 이온 소스 바디의 부분{도 7에서 소스 블록(35), 이온화 챔버(44), 및 추출 애퍼쳐 판(80)}은 소스 작동 동안 제어된 온도 면을 유지하도록 서로 우수한 열 접촉 상태로 유지된다. 이온화 챔버(490)에서 생성되는 이온은 억제 전극(510)과 접지 전극(520)으로 구성되는 추출 전극(540)에 의해 이온 추출 애퍼쳐 판(500) 내 애퍼쳐를 통해 추출된다. 이 이온은 빔 축(530)을 따라 집중된 이온빔으로 전달된다. 전원(V_S)에 의해 음의 수천 볼트로 바이어스 된 억제 전극(510)은 빔 스트라이크로 인해 이 억제 전극으로부터 상류에 생성된 제 2 차 전자를 억제하는 역할을 하여, 이들 고에너지 전자들이 양으로 바이어스된 이온 소스 내로 역으로 흐르는 것을 방지한다. 이온화 챔버(490), 이온 추출 애퍼쳐 판(500), 억제 전극(510), 및 접지 전극(520)은 모두 알루미늄으로 제조되며, 국부 전계를 최소화하도록 주의하여 연마된 매끄러운 면을 가진다.

이온 추출 애퍼쳐 판(500)을 바이어스 하는 중요한 효과는 도 9의 이온 광학 시스템의 초점 거리를 변경하는 것이다. 음의 바이어스는 초점 거리를 증가시키는 반면, 양의 바이어스는 초점 거리를 감소시킨다. 큰 바이어스에 대해, 이 효과는 상당할 수 있다. 진단 목적을 위해, 스캐닝 와이어 프로파일 계측기(profilometer)가 소스 하우징 차단 밸브(도 16의 210)의 바로 하류에 분석기 자석에의 입구에 위치되어 설치되었다. 이 스캐너는 이온빔이 분산 면에 얼마나 잘 집중하고 있는지를 결정하는데 유용한 분산 면에서의 빔 전류 분포를 기록하였다. 20keV 옥타데카보란 빔 프로파일은 3개의 다른 바이어스 상태, 즉 -483V, 0, 및 +300V에 대해 도 9a에 도시되어 있다. 영(0) 볼트 상태는 상당히 과집중되며, 양의 전압 상태는 보다 더 과집중되며, 음의 전압 상태는 적절히 집중되었다. 전극 위치는 3개의 측정 동안 일정하게 유지되었다. 예상된 바와 같이, 적절한 집중 상태는 최고 이온빔 전류를 생산하였다.

광학 초점 거리를 변경시켜 최고 이온빔 전류를 얻도록 광학 시스템을 조절하는 능력은 공급 물질의 최소 양만을 기화기에 유입할 수 있게 해준다. 다시, 이것은 이온 생성 시스템의 표면 상에 원치않는 증착물(deposits)의 양을 제한하여 세척 사이에 이온 소스 수명을 연장시켜 주는 유리한 효과를 제공한다.

방금 기술된 시스템을 집중시키기 위해 추출 애퍼쳐 판의 바이어스 이외에, 본 발명은 시스템의 다른 성분에 대해 추출 전극 광학 요소를 이동시키는 수단을 제공한다. 도 10은 좌표계(620)로 한정된 바와 같은 X, Z, 및 θ 단위로 (이온 소스에 대한) 움직임을 허용하는 3축 머니퓨레이터(610) 상에 장착된 새로운 전극(600)을 보여준다. 작동체(613)는 X 움직임을 제어하며, 작동체(612)는 Z 움직임을 제어하며, 작동체(611)는 θ 움직임을 제어한다. 머니퓨레이터(610)는 장착 플랜지(615)를 거쳐 주입기 진공 하우징의 일측에 장착된다.

도 11은 새로운 전극 헤드의 방사로 가열되는 형태의 부분 파단도를 보여준다. 도시된 것은 억제 전극(700), 접지 전극(710), 히터 판(720), 및 방사 히터 와이어(730)이다. 억제 전극과 접지 전극은 알루미늄으로 제조되며, 스테인리스 스틸의 히터 판과 히터 와이어(730)는 니크롬으로 제조된다. 전극이 200℃에서 작동될 때, 전력 소비는 이 온도를 유지하기 위해 약 60W였다. 히터 전력은 열전쌍의 리드백(readback)에 기초하여 폐쇄 루프 PID 제어기, 즉 Omron E5CK로 제어되었다.

도 12는 새로운 전극 헤드의 저항으로 가열되는 형태의 부분 파단도를 보여준다. 도시된 것은 억제 전극(800), 접지 전극(810), 및 저항 히터(820)이다. 4개의 저항 히터(820)는 슬리브(830)에 끼워맞춰지는데, 2개의 저항 히터는 각 전극 판에 끼워맞춰진다. 슬리브(830)는, 히터가 슬리브에 압착되어 긴밀한 접촉을 달성하도록 스플릿된 설계(split design)이다. 히터와 전극 사이의 긴밀한 접촉은 전극의 적절한 가열을 보장하고 히터의 예열 단선을 방지하는데 중요하다. 다시, Omron E5CK 또는 그 동등물은 열전쌍의 리드백에 기초하여 전극 온도를 제어할 수 있다.

전술된 바와 같이, 추출 전극을 위한 이들 가열 배치의 사용은 도 7 및 도 7a의 상대적으로 냉 작동(cool-operating) 이온 소스에 의해 생성된 것과 같은 데카보란 및 옥타데카보란의 응축을 방지할만큼 충분히 높은 잘 제어된 상승된 온도를 유지한다. 플루오르 저항 물질, 예를 들어, 알루미늄으로 만들어진 추출 전극은 전극의 주기적인 원위치 세척으로 추출 애퍼쳐를 통해 인도된 플루오르 증기에 의한 임의의 증착물을 제거하도록 해준다.

다른 상황은 낮은 온도 물질로 만들어지는 경우 열이 추출 전극 조립체를 손상할 수 있을만큼 고유하게 고온에서 작동하는 플라즈마 이온 소스에서 나타난다. 도 9를 참조하면, 점선으로 도시된 것은 원형 냉각 코일(512, 522)이며 이 원형 냉각 코일은 알루미늄 전극 부재(510, 522)의 배면에 열전달 가능하게 각각 고정된다. 이들 냉각 코일을 통한 냉각 유체의 순환은 고온 이온 소스로부터 열에 의한 변형을 방지하도록 알루미늄 전극을 냉각시킬 수 있다. 이것은 예를 들어 알루미늄이나 알루미늄 포함 착물과 같은 추출 전극용 플루오르 저항 물질을 사용할 수 있 게 하며, 이는 공급 물질로부터나 반응 세척 기체로부터 존재하는 임의의 플루오르에 의한 부식에 저항력을 제공한다.

데카보란을 작동시킬 때 소스 수명의 측정

도 14는 데카보란 흐름의 넓은 범위에 걸쳐 소스 수명 시험 결과를 보여준다. 이들 데이터에의 맞춤은 방정식(3)으로부터 나온다. 이온 소스의 실패는 이들 시험 동안에는 기록되지 않았다; 오히려, 데카보란 이온 전류가 그 초기 레벨의 대략 절반으로 떨어졌을 때 개별적인 시험이 종료되었다. 이온 소스를 검사할 때, 붕소 포함 물질의 상당한 양이 이온화 챔버 내에 증착되었으며 대부분이 이 챔버의 내벽에 부착되었다는 것이 발견되었다. 일부 경우에, 이온 추출 애퍼쳐는 또한 부분적으로 폐쇄되었다. 수식 (3)의 모델은 데이터를 잘 맞추는 것처럼 보이며, "빈약한(lean)" 작동이 원위치의 화학적 세척 절차나 분해 사이에 연장된 이온 소스 수명에 핵심이라는 것을 제안한다.

F 세척 동안 이온화 챔버 내 에칭 속도의 측정

이온화 챔버(44)의 내부에 장착된 1mm 두께의 실리콘 쿠폰(coupon) 상에 F 세척 공정을 시험하기 위해 다음 수정 사항에 따라 도 7의 이온 소스(10)를 갖는 시스템이 사용되었으며, 이 수정 사항은 전용 반응 공급 관을 포함하기 보다는, 증기 공급 관(32)이 반응 기체를 유입하도록 사용되었다. 플루오르(F)에 의해 실리콘(Si)의 에칭이 잘 이해되기 때문에 실리콘(Si)이 사용되었으며, 순수한 실리 콘(Si) 물질은 실리콘(Si) 웨이퍼 형태로 이용가능하다. 이 시험은 세척 사이클 사이에 기화기를 제거할 것을 요구하였다. 2개의 쿠폰 위치가 시험 되었다: 하나의 쿠폰 위치는 반응 기체 입구{즉, 증기 공급(32)}와 일직선 관계를 가지며, 다른 하나의 쿠폰 위치는 일직선 상에 있지 않다. 에칭 속도는 NF₃ 흐름 속도의 함수로서 도 15에 도시되어 있다. 이 공정 동안, 아르곤 700sccm 흐름이 원격 플라즈마 소스 내로 유지된 반면, NF₃ 흐름 속도는 50sccm 내지 500sccm 으로 변화되었다. 일직선적인 배치는 에칭 속도에 있어 약 5 배의 증가를 보여주므로 균일하게 수행될 수 있다면 바람직한 배치이다. 이 때문에, 도 3에 도시된 배치는 도 4에 도시된 배치보다 이온 소스 이온화 챔버(44)의 더 나은 에칭 균일성을 제공하여야 한다. 이 시험은 또한 기체 흐름으로부터 차폐된 에칭에 민감한 성분의 위치가 이들 성분을 어느 정도 보호하는데 효과적이라는 것을 나타내었다.

자체 세척 이온 생성 시스템의 성분의 수명을 연장하기 위해 반응 기체에 저항하는 건설 물질이 선택되며, 민감한 성분을 차폐하도록 제공될 수 있다.

전술된 바와 같이, 이온화 챔버의 내부에는, 알루미늄 성분은 반응 기체 플루오르에 저항할 수 있으므로 이온화 작용의 온도가 허용되는 곳에는 알루미늄이 사용된다. 더 높은 온도의 이온화 작동이 요구되는 곳에는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC) 합금이 이온화 챔버의 표면이나 추출 전극용으로 우수하다. 이온화 챔버의 표면용의 다른 물질은 티타늄 보라이드(TiB₂), 붕소 카바이드(B₄C) 및 실리콘 카바이드(SiC)이다.

플루오르에는 노출되지만 이온 작용에는 노출되지 않는 성분, 예를 들어, 전극과 같은 전자 소스 성분에는, 하스텔로이(Hastelloy), 플루오르 저항 스테인레스 스틸 및 니켈 합금 물질, 예를 들어, 니켈 합금 몰리브덴으로 제조될 수 있다.

불활성 기체 차폐와 이동가능한 물리적 장벽은 세척 동안 반응 기체로부터 시스템의 성분을 보호할 수 있다. 예를 들어, 도 7a를 참조하면, 불활성 기체, 예를 들어, 아르곤용 관(113)은 미도시된 기체 소스로부터 연장한다. 그 출구는 세척 사이클을 위해 개시될 때 불활성 기체의 흐름이 보호될 성분에 넘치도록 이온 소스 내 전략적 위치에 있다. 도 7a에서, 불활성 기체 관(113)의 출구(113a)는 전자 방출 음극을 포함하는 전자총(112)의 활성 성분에 걸쳐 아르곤의 흐름이 넘치게 하는 것을 목적으로 한다. 도 7a에는, 또한 이동가능한 차폐 부재(73)가 도시되어 있으며, 이 부재는 세척 사이클을 위한 위치로 이동가능하다. 도시된 예에서, 이 부재는 빔 덤프(beam dump)(72)로 또는 이온화 챔버(44)의 그 측면 상에 제공될 때 다른 전자총으로 이어지는 애퍼쳐(71A)에 걸쳐 이동가능하다.

전술된 세척 공정은 도 7의 새로운 이온 소스(10)의 이온 추출 애퍼쳐의 내부에 그리고 이온화 챔버 내 붕소 증착물에 대한 영향을 관찰하기 위해 수행되었다. 관찰된 에칭 속도는 도 15의 플롯과 유사한 특성을 가졌지만 3 이하의 인수였다. 따라서, 500sccm의 NF₃ 흐름 속도에 대해, 데카보란 증착용 에칭 속도는 7㎛/min(일직선이 아님) 및 36㎛/min(일직선에 있음)이였다. 0.8sccm 증기 흐름에서 데카보란을 4시간 작동시킨 후 이온 추출 애퍼쳐의 내부는 세척 전에 약 133㎛ 두 께의 붕소 포함 증착물을 가졌다. 관찰은 이들 흐름 속도를 사용하여 5분 F 세척 후에 그리고 15분 F 세척 후에 이루어졌다. 애퍼쳐 판의 일측은 증기 공급과 일직선상에 있었다. 세척 패턴으로부터 증기 공급 애퍼쳐는 수직 방향으로 중심이 잡혀있는 것이 관찰되었다. 15분의 세척 후에, 이 판은 거의 완전히 증착물이 없었다. 또한 도 10의 새로운 가열 알루미늄 이온 추출 전극이 오랜 작동 후에 제거되고 검사되었다. 이것은 관찰 가능한 데카보란 증착물이 없이 매우 깨끗하였다. 이것은 의심할 나위 없이 반응 F에 전극을 노출한 때문이었다(F는 증기 관 앞에 위치된 이온 소스 이온 추출 애퍼쳐를 거쳐 그 바로 앞에 있는 추출 전극으로 흐를 수 있다). 또한, 알루미늄 전극 조립체의 상승된 온도는 그 증착물의 유효 에칭 속도를 증가시켰다.

이온화 챔버에 대하여, 다시 15분 에칭 세척은 이 챔버를 거의 증착물이 없게 하였다. 시스템은 다음 방식으로 반복적으로 사이클링되도록 시험이 수행되었으며, 이 방식은 데카보란 작동 2시간(분석된 빔 전류의 500㎂ 이상) 동안, 소스는 턴오프되었고 필라멘트가 냉각된 후 500sccm의 NF₃ 공급 기체와 700sccm의 Ar에서 15분간 화학 세척이 있었으며, 이는 반복된 화학적 세척 단계를 수행하는 것이 이온 소스나 추출 전극에 어쨌든 해를 주었는지를 알아보기 위해서이다. 21 사이클 이후, 이온 소스나 전극의 작동 특성에 측정가능한 변화는 없었다. 이 결과는 이 F 세척 공정이 응축할 수 있는 종의 이온 소스 작동시 매우 긴 수명을 가능하게 한다는 것을 예증한다.

예시적인 이온 주입기에 포함된 이온 생성 시스템

도 16은, 설치된 도 7의 이온 소스를 포함하는 새로운 이온빔 생성 시스템의 실시예를 갖는 상업적인 이온 주입기의 기본 요소를 보여준다. 이온 소스(10)는 이온 주입기의 소스 진공 하우징(209) 내에 삽입된다. 이것은 절연체(211)에 의해 하우징(209)과 전지적으로 절연된다. 이온 추출 전극(220)은 이온 소스(10)로부터 이온을 추출하고 이를 가속시켜 이온빔(200)을 형성시킨다. 이온빔(200)은 완전히 진공 속을 진행하며; 전극(220)으로부터 이온빔은 분석기 하우징(290, 300)에 들어가며, 이 분석기 하우징에서 이온빔은 선회하여 다이폴 분석기 자석(230)에 의해 개별적인 빔 조각(beamlet)으로 분산되며, 이 빔 조각은 전하 대 질량 비에 의해 달라진다. 관련된 이온빔 조각은 질량 분해 애퍼쳐(mass resolving aperture)(270)를 거쳐 최종 가속(또는 감속) 단계(310)로 진행한다. 이렇게 생성된 선택된 및 가속된 이온빔(240)은 이온빔 형성 시스템(208)을 떠나 공정 챔버(330)로 유입되며, 여기서 이온빔은 회전 디스크(314) 상에 있는 하나 이상의 디바이스 웨이퍼(312)를 차단한다. 이온 소스 진공 하우징(209)은 차단 밸브(210)를 닫음으로써 주입기의 진공 시스템의 나머지 성분으로부터 차단될 수 있다. 예를 들어, 차단 밸브(210)는 이온 소스의 원위치 세척 이전에 닫힌다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 수명을 증가시키고 장비의 고장 시간을 줄이는 이온빔 생성 방법과 장치를 제공하는데 사용된다.

Claims

고체 공급물질의 증기를 생성하기 위한 고체 공급물질의 기화기(28, 445), 진공 하우징(410 또는 209) 내에 이온소스(ion source)(400 또는 10) 및 추출 전극(extraction electrode)(405, 220 또는 540), 및 반응 기체 세척 시스템(455, 430, 도 1∼6b)을 포함하는 이온빔을 생성하는 이온 생성 시스템(475 또는 240)에 있어서,

상기 이온 소스는 상기 기화기로부터 고체 공급물질의 증기를 위한 입구(inlet)(441, 440 또는 32)를 구비하는 이온화 챔버(500, 490 또는 44)와, 상기 이온화 챔버 내에서 증기를 이온화하는 전압 이온화 시스템과, 진공 하우징(410 또는 209)과 통하는 추출 애퍼처(504 또는 81)를 포함하고, 상기 진공 하우징은 진공 펌프 시스템(420)에 의해 진공되며,

상기 추출 전극(405, 220 또는 540)은 상기 이온화 챔버 밖의 진공 하우징에 배치되고, 상기 이온화 챔버의 추출 애퍼처(504 또는 81)와 정렬되며, 이온 빔을 형성하는 이온화 챔버 내에서 상기 애퍼쳐를 통해서 이온을 추출하기 위해 상기 이온화 챔버의 전압보다 낮은 전압으로(at a voltage below that of the ionization chamber) 유지되도록 조절되고,

상기 이온 생성 시스템의 표면은 이온 소스의 작동 동안, 공급물질의 증착물 또는 관련 오염물질을 축적할 수 있고, 그리고,

상기 반응 기체 세척 시스템(455, 430)은 이온 생성 시스템의 부분 또는 전체 표면 위에 있는 증착물과 반응하여 제거하기 위해 이온화 챔버(500, 490 또는 44)를 통해, 그리고 이온 추출 애퍼처(504 또는 81)를 통해서, 반응 기체의 흐름을 제공하도록 이온 소스에 전압이 차단될 때 작동할 수 있는,

이온 생성 시스템.
기체 또는 기화된 형태의 공급 물질원과, 진공 하우징(410 또는 209) 내의 이온 소스(400 또는 10) 및 추출 전극(405, 220 또는 540)과, 반응 기체 세척 시스템을 포함하는 이온빔을 생성하는 이온 생성 시스템(475 또는 240)에 있어서,

상기 이온 소스는 기체 또는 기화된 공급물질을 위한 입구(441, 440 또는 32)를 갖는 이온화 챔버(500, 490 또는 440)와, 상기 이온화 챔버 내에서 기체 또는 기화된 공급물질을 이온화하는 전압 이온화 시스템과, 상기 진공 하우징(410 또는 209)과 통하는 추출 애퍼처(504 또는 81)를 포함하고, 상기 진공 하우징은 진공 펌프 시스템(420)에 의해 진공되고,

상기 추출 전극(405, 220 또는 540)은 상기 이온화 챔버 밖의 상기 진공 하우징에 배치되고, 상기 이온화 챔버의 추출 애퍼처(504 또는 81)와 정렬되고, 이온 빔을 형성하는 이온화 챔버 내의 상기 애퍼처를 통해서 이온을 추출하기 위해 이온화 챔버 전압보다 낮은 전압으로(at a voltage below that of the ionization chamber) 유지되도록 조절되고,

상기 이온 생성 시스템의 표면은 이온 소스의 작동 동안 공급물질의 증착물 또는 관련 오염물을 축적할 수 있고, 그리고,

상기 반응 기체 세척 시스템은 반응 기체를 생성하기 위해 기체성 공급 화합물을 분해할 수 있는 보조 반응 기체 발생기(455, 도 1-4, 6, 6a 또는 6b)를 포함하고, 상기 보조 반응 기체 발생기는 상기 이온 생성 시스템의 부분 또는 전체 표면상에서 증착물과 반응하여 제거하기 위해서 이온화 챔버(500, 490 또는 44)를 통해서, 그리고 이온 추출 애퍼처(504 또는 81)를 통해서 반응 기체의 흐름을 제공하기 위해 이온소스에 전압이 차단될 때 작동할 수 있는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 출구를 통해서 반응 세척 기체의 흐름을 생성하기 위해 플라즈마 챔버 내의 플라즈마에 의해 분해될 수 있는 기체성 공급 화합물을 수용하도록 배열되는 보조 플라즈마 챔버와, 상기 보조 플라즈마 챔버에서 상기 이온화 챔버(500, 490 또는 44)로 반응 기체를 운반하는 도관(conduit)(430)을 포함하는 반응 기체 생성기(455)에 의해 반응 세척 기체 흐름을 생성하도록 구성되는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이온 소스에 의해 이온화될 소스 물질은 이온 소스 작동 동안 상기 이온 생성 시스템의 표면상에서 응축할 수 있는 물질을 생성하는 분자를 포함하고, 상기 반응 기체는 휘발성 반응 생성물을 형성하기 위해 응축 물질과 반응할 수 있도록 선택되는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이온 소스는 저온 이온 소스이고, 상기 이온 소스의 전압 디바이스는 전자 충격 이온화에 대해 집중화된 전자빔을 생성하도록 구성되거나 또는 RF 필드 이온 소스에 따라 작동하도록 구성되는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 고체 붕소수소화물 소스물질을 기화하고 이온화를 위해 이온화 챔버에 붕소수소화물 증기를 공급하도록 구성되는 기화기(28, 445)를 구비하는,

이온 생성 시스템.
제 6항에 있어서, 상기 붕소수소화물 물질은 데카보란(B₁₀H₁₄)이고, 상기 반응 기체 세척 시스템은 상기 표면으로부터 데카보란의 응축된 분해 생성물을 제거하도록 조절되는,

이온 생성 시스템.
제 6항에 있어서, 상기 붕소수소화물 물질은 옥타 데카보란(B₁₈H₂₂)이고, 상기 반응 기체 세척 시스템은 상기 표면으로부터 옥타 데카보란의 응축된 분해 생성물을 제거하도록 조절되는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응 기체 세척 시스템은 기체 화합물을 원자 플루오르로 분해하도록 구성되는 보조 반응 기체 생성기(455)를 포함하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응 기체 세척 시스템은 이온 소스(400 또는 10)와 결합된 사용시설(service facility)(S, 도 6a, 6b)을 공유하도록 구성 및 배열되는 보조 반응 기체 생성기(455)를 포함하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 질량 분석기(230)를 통과하여 추출된 이온빔을 향하는 시스템과 결합되고, 상기 반응 기체 세척 시스템은 상기 질량 분석기와 결합된 사용시설(S, 도 3)을 공유하도록 구성 및 배열되는 보조 반응 기체 생성기인,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이온화 챔버(500, 490 또는 44)는 이것의 작동 동안 전압공급될 때 이온 소스를 진공 하우징의 전압과 다른 전압전위로 유지될 수 있게 하는 절연 부싱(insulative bushing)(415)을 통해 진공 하우징(410 또는 209) 내에서 지지되고, 상기 반응 기체 세척 시스템은 이온 소스의 전위에서 유지되도록 배치되고, 절연 부싱(415)을 통해 이온화 챔버와 통하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이온화 챔버(500, 490 또는 44)는 작동 동안 이온 소스를 진공 하우징의 전압과 다른 전압전위로 유지될 수 있게 하는 절연 부싱(415)을 통해 진공 하우징(410 또는 209) 내에서 지지되고, 반응 기체 세척 시스템은 진공 하우징의 전위에서 유지되도록 배치되고, 하우징의 벽을 통하여 이온화 챔버와 통하여, 전압 차단기(voltage break)(431)를 통해 절연 부싱으로부터 이온화 챔버(500, 490 또는 44)를 분리하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 표면상에 반응 기체의 세척 작용 진행을 감시하도록 조절된 감시 시스템과 결합되는,

이온 생성 시스템.
제 14항에 있어서, 상기 감시 시스템은 반응 기체 세척 시스템의 작동 동안 표면에 노출되는 기체의 화학적 구성(chemical makeup)에 대한 'RGA 또는 FTIR을 포함하는 분석 시스템(analysis system including RGA or FTIR)'을 포함하는 종료점 감지 시스템을 포함하는,

이온 생성 시스템.
제 14항에 있어서, 상기 감시 시스템은 상기 표면에서 오염물과 반응 기체와의 발열반응의 진행 또는 종료를 감지하도록 배열된 온도 감지기(TD)를 포함하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이온 소스는 반응 기체에 의해 손상 받을 수 있는 상기 이온화 챔버 내 또는 이온화 챔버를 통하는 구성요소를 포함하고, 반응 기체로부터 상기 구성요소를 보호하는 수단(17, 113, 도 7a)이 제공되는,

이온 생성 시스템.
제 17항에 있어서, 상기 수단은 손상받을 수 있는 구성요소에 미치지 않는 불활성 기체의 흐름을 생성하는 도관(113, 도 7a)을 포함하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응 기체는 할로겐이고 상기 이온 생성 시스템의 표면으로부터 반응 기체에 의해 제거될 증착물은 상기 할로겐에 의한 공격에 대한 저항성 물질을 포함하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응 기체는 할로겐이고, 상기 이온 소스는 저온 이온 소스이고, 재활성화된 기체에 의해 제거될 증착물에서 상기 이온 소스에 근접한 추출 전극(406, 300, 510, 700 또는 800)의 노출부분 또는 상기 이온 소스를 포함하는 상기 이온 생성 시스템의 표면은 상기 할로겐에 의한 공격에 대한 저항성이 있는 알루미늄 또는 알루미늄 포함 착물(complex containing aluminium)을 포함하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이온 소스는 펌핑 시스템(420)과 결합된 진공 하우징(410 또는 209) 내에 배치되고, 상기 펌핑 시스템은 고 진공을 생성할 수 있는 고 진공 펌프(421)와 진공을 생성할 수 있는 벡킹(backing) 펌프(422)를 포함하고, 상기 고 진공 펌프(421)는 이온 소스(400 또는 10)의 작동 동안 작동할 수 있고, 반응 기체 세척 시스템의 작동 동안 상기 진공 하우징으로부터 분리될 수 있고, 상기 벡킹 펌프(422)는 반응 기체 세척 시스템의 작동 동안 휘발된 반응 생성물을 제거할 수 있도록 작동하는,

이온 생성 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 추출 전극(405, 220 또는 540)은 전기 히터(720, 730 도 11, 820 도 12)와 결합되고, 상기 전기 히터는 이온 추출 동안, 이온 소스를 이탈하는 기체성 또는 증기 물질의 응축 온도보다 높은 상승된 온도에서(at elevated temperature above the condensation temperature) 추출 전극이 유지되도록 조절되는,

이온 생성 시스템.
이온 소스(400 또는 10)와 이온 소스에서 이온을 추출하는 추출 전극(405, 220 또는 540)을 구비하는 이온 주입 시스템에 있어서,

상기 추출 전극(405, 또는 220 또는 540)은 전기 히터(720, 730 도 11, 820 도 12)와 결합되고, 상기 히터는 이온 추출 동안, 상기 이온 소스를 이탈하는 기체성 또는 증기 물질의 응축 온도보다 높은 상승된 온도에서(at elevated temperature above the condensation temperature) 추출 전극을 유지하도록 조절되는,

이온 주입 시스템.
제 23항에 있어서, 상기 추출 전극은 알루미늄을 포함하는,

이온 주입 시스템.
제 23항 또는 제 24항에 있어서, 상기 추출 전극은 몰리브덴을 포함하는,

이온 주입 시스템.
제 23항 또는 제 24항에 있어서, 상기 추출 전극은 방사성 히터(720, 730)에 의해 가열되는,

이온 주입 시스템.
제 23항 또는 제 24항에 있어서, 상기 추출 전극은 저항 히터(820)에 의해 가열되는,

이온 주입 시스템.
제 25항에 있어서, 상기 추출 전극의 판(the plates of the extraction electrode)은 능동 온도 조절되는(actively temperature controlled),

이온 주입 시스템.
제 27항에 있어서, 상기 온도는 150 ℃ 내지 250 ℃ 인,

이온 주입 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 따른 시스템을 사용하는 이온 빔을 생성하는 방법에 있어서,

이온 소스를 작동하는 단계,

그 후 상기 이온 소스의 작동을 중단하는 단계,

원자 플루오르를 포함하는(including atomic fluorine) 반응 기체의 이온화 챔버로 흘러서 표면이 세척되는 단계를 포함하는,

이온 빔을 생성하는 방법.
제 30항에 있어서, 상기 이온 소스는 타겟에 주입되는 이온 빔을 생성하는데 사용되는 이온 주입기의 구성요소인,

이온 빔을 생성하는 방법.
제 30항에 있어서, 고체 붕소수소화물 소스물질을 기화시키고 이온화를 위한 이온화 챔버에 붕소수소화물 증기를 공급하도록 수행되는,

이온 빔을 생성하는 방법.
제 32항에 있어서, 상기 붕소수소화물 물질은 데카보란(B₁₀H₁₄)이고, 반응 기체 세척 시스템은 상기 표면으로부터 데카보란의 응축된 분해 생성물을 제거하는데 사용되는,

이온 빔을 생성하는 방법.
제 32항에 있어서, 붕소수소화물은 옥타 데카보란(B₁₈H₂₂)이고, 반응 기체 세척 시스템은 상기 표면으로부터 옥타 데카보란의 응축된 분해 생성물을 제거하는데 사용되는,

이온 빔을 생성하는 방법.
제 30항에 있어서, 상기 이온 소스는 비소를 포함하는 화합물(arsenic-containing compounds), 원소 비소, 인을 함유하는 화합물, 원소 인, 안티몬을 함유하는 화합물, 실리콘 화합물 또는 게르마늄 화합물로부터 이온을 생성하는데 사용되고, 반응 기체 세척 시스템은 이온화되고 있는 각각의 물질을 기초로 하는 증착물을 상기 표면으로부터 제거하는데 사용되는,

이온 빔을 생성하는 방법.
이온 소스에 사용하기 위한 가열된 캐소드 조립체에 있어서,

상기 가열된 캐소드 조립체는

압축 캐소드;

상기 압축 캐소드에 인접하여 배치되고 추출 캐소드를 형성하는 것으로부터 전기 절연된 접지 캐소드; 및

상기 추출 캐소드를 가열하는 히터를 포함하는,

가열된 캐소드 조립체.
제 36항에 있어서, 상기 압축 캐소드와 상기 접지 캐소드 중 하나 또는 둘 모두는 플루오르 저항성 물질로 형성되는,

가열된 캐소드 조립체.
제 37항에 있어서, 상기 플루오르 저항성 물질은 알루미늄인,

가열된 캐소드 조립체.
제 37항에 있어서, 상기 플루오르 저항성 물질은 내화물인,

가열된 캐소드 조립체.
제 39항에 있어서, 상기 내화물은 몰리브덴인,

가열된 캐소드 조립체.
제 36항에 있어서, 상기 히터는 상기 접지 캐소드와 접하여 배치되는,

가열된 캐소드 조립체.
제 36항에 있어서, 상기 조립체는 상기 압축 캐소드가 방사성 열 에너지에 의해 가열되게 하기 위해 구성되는,

가열된 캐소드 조립체.
제 36항에 있어서, 상기 추출 캐소드의 온도를 감지하는 온도 감지 디바이스를 더 포함하는,

가열된 캐소드 조립체.
제 43항에 있어서, 상기 온도 감지 디바이스는 열전기쌍인,

가열된 캐소드 조립체.
제 44항에 있어서, 상기 캐소드 조립체의 온도를 제어하는 온도 제어기를 더 포함하는,

가열된 캐소드 조립체.
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