KR100553716B1

KR100553716B1 - 이온 주입 설비의 이온 소스부

Info

Publication number: KR100553716B1
Application number: KR1020040060811A
Authority: KR
Inventors: 차광호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-02-24
Also published as: US7521694B2; KR20060012091A; US20060022144A1

Abstract

본 발명은 반도체 제조공정의 이온 주입 공정에서 반응 가스를 이온화시키기 위한 이온 주입 설비의 이온 소스부에 관한 것이다. 본 발명의 이온 소스부는 아크 챔버로부터 분리 가능하게 설치되며, 아크 챔버 내부에서 발생된 이온 빔이 방출되는 이온방출구(ion discharge hole)를 갖는 소스 어퍼쳐 부재(source aperture member)를 포함한다. 소스 어퍼쳐 부재는 제1플레이트와, 이온 빔이 방출되는 방향으로 상기 제1플레이트에 접하는 제2플레이트 그리고 이온 빔으로부터로 노출되는 상기 제2플레이트를 보호하는 제3플레이트로 이루어진다.

Description

이온 주입 설비의 이온 소스부{ION SOURCE SECTION FOR ION IMPLANTATION EQUIPMENT}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 소스부가 적용된 이온 주입 설비의 개략적인 구성도;

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 소스부(100)의 아크 챔버를 보여주는 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 이온 소스부에서 소스 어퍼쳐 부재를 개략적으로 보여주는 분해 사시도;

도 4a는 소스 어퍼쳐 부재의 제1플레이트의 평면도;

도 4b는 도 4a에 도시된 A-A를 따라 절개하여 본 제1플레이트의 확대 단면도;

도 4c는 도 4a에 도시된 B-B를 따라 절개하여 본 제1플레이트의 확대 단면도;

도 5a는 소스 어퍼쳐 부재의 제2플레이트의 평면도;

도 5b는 도 5a에 도시된 A-A를 따라 절개하여 본 제2플레이트의 확대 단면도;

도 5c는 도 5a에 도시된 B-B를 따라 절개하여 본 제2플레이트의 확대 단면 도;

도 6은 이온 빔이 소스 어퍼쳐 부재의 이온방출구를 통해 방출되는 것을 개략적으로 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 이온 소스부

110 : 아크 챔버

120 : 소스 어퍼쳐 부재

122 : 이온방출구

124 : 제1플레이트

130 : 제2플레이트

138 : 제3플레이트

본 발명은 반도체 제조 공정의 이온 주입 설비에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 반도체 제조공정의 이온 주입 공정에서 사용되는 불순물 등을 이온화시켜 기판에 주입하기 위한 이온 주입 설비의 이온 소스부(ion source section)에 관한 것이다.

이온주입설비는 알려진 바와 같이 아크 챔버(Arc chamber) 내부에서 이온 프라즈마를 생성한 후, 이 플라즈마를 전기적 위치 에너지의 차이에 의해 아크 챔버 로부터 추출(extraction, 방출)하여 웨이퍼에 주입하는 장치이다.

이온주입설비는 웨이퍼에 균일한 이온주입을 위한 목적으로, 수평방향으로는 빔의 형태를 웨이퍼 사이즈인 300mm 보다 크게 와이드빔(wide beam)(or ribbon beam으로 불림)으로 생성하고, 수직방향으로는 웨이퍼를 스캔하는 시스템을 채택하고 있다.

이온주입설비에서 빔 균일도(beam uniformity)는 매우 중요하며, 이러한 빔 균일도에 가장 많은 영향을 주는 부위는 아크 챔버의 전면 플레이트의 슬릿이다. 이 전면 플레이트의 슬릿은 이온 빔이 생성되어 최초로 빔라인(beam line)으로 방출되는 부분으로, 전면 플레이트의 슬릿 모양에 따라 빔의 모양(빔 profile)이 결정되기 때문이다.

그러나, 전면 플레이트의 슬릿은 이온 빔에 의해 물리적인 충격을 받게 되고, 이로 인해 쉽게 열화되어, 최초의 형태를 유지하지 못하고 울퉁불퉁한 형태로 변형되게 된다. 이온 빔은 변형된 슬릿을 통과하면서 빔의 모양이 변형된 슬릿과 동일한 형태로 변형됨으로써 양호한 빔 균일도를 얻을 수 없게 된다.

특히, 전면 플레이트의 슬릿은 그 두께가 0.15mm로 매우 얇기 때문에 슬릿의 변형도 매우 빠르게 이루어진다.

따라서, 양호한 빔 균일도를 얻기 위해서는 슬릿의 모양이 변형되기 전에 전면 플레이트를 정기적으로 교체해주어야 한다. 그러나, 전면 플레이트는 제작단가가 높은 텅스텐으로 제작되기 때문에, 전면 플레이트의 잦은 교체는 설비의 유지보수비용을 증가시키는 원인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 양호한 빔 균일도를 얻을 수 있는 새로운 형태의 이온 주입 설비의 이온 소스부(ion source section)를 제공하는데 있다. 본 발명의 목적은 유지보수비용을 줄일 수 있는 새로운 형태의 이온 주입 설비의 이온 소스부를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 이온 주입 설비의 이온 소스부는 아크 챔버(arc chamber); 반응가스를 상기 아크 챔버로 공급하는 가스 공급관; 상기 아크 챔버로 공급된 반응가스로부터 이온 빔을 형성하기 위해 열전자를 방출하는 필라멘트; 상기 아크 챔버로부터 분리 가능하게 설치되며, 상기 아크 챔버 내부에서 발생된 이온 빔이 방출되는 이온방출구(ion discharge hole)를 갖는 소스 어퍼쳐 부재(source aperture member)를 포함하되; 상기 소스 어퍼쳐 부재는 적어도 2개 이상의 플레이트로 이루어지는 다층구조로 이루어진다. 상기 소스 어퍼쳐 부재는 제1플레이트와, 이온 빔이 방출되는 방향으로 상기 제1플레이트에 접하는 제2플레이트 그리고 이옴 빔에 노출되는 상기 제2플레이트의 내측면을 최소화하기 위한 제3플레이트를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2플레이트는 내측면에 상기 제3플레이트가 설치되는 삽입홈을 갖는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1플레이트에는 상기 이온방출구로서 제공되는 제1개구부가 형성되며, 상기 제2플레이트에는 상기 이온방출구로서 제공되 는 제2개구부가 형성된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2플레이트는 상기 제1플레이트보다 상기 아크 챔버에 인접하며, 상기 제1개구부는 상기 제2플레이트와 인접하는 그리고 동일폭을 갖는 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 연장되고 상기 제2개구부로부터 멀어질수록 그 폭이 증가되는 제2부분을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2개구부는 상기 제1부분과 인접하는 그리고 상기 제1부분의 폭과 동일한 폭을 갖는 제3부분과, 상기 제3부분으로부터 연장되고 상기 제1개구부로 부터 멀어질수록 그 폭이 증가되는 제4부분을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2개구부는 경사지고, 상기 제1개구부는 만곡(curve)진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 서로 다른 재질로 이루어지고, 상기 제1플레이트와 상기 제3플레이트는 동일한 재질로 이루어진다.

예컨대, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면 도 1 내지 도 6에 의거하여 상세히 설명한다. 또 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 소스부가 적용된 이온 주입 설비의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참고하면, 이온 주입 설비(200)는 반응 가스를 이온화하여 이온빔을 형성하는 이온소스부(100), 이온빔으로부터 바람직하지 않은 종류를 분리하는 분석기(210), 일정 범위(예를 들면, 2KeV 내지 200KeV의 범위)의 에너지로 이온빔을 가속시키기 위한 가속기(220), 그리고 프로세스 챔버(230) 등을 포함한다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 이온 소스부(100)는 반응 가스를 이온화시키는 아크 챔버(110)를 포함한다. 상기 아크 챔버(110)는 바닥을 구성하는 베이스 플레이트(112)와, 측면을 구성하는 측면 플레이트(114)들을 포함한다. 상기 아크 챔버(110)는 챔버의 개방된 일면에 소스 어퍼쳐 부재(source aperture member;120)가 설치됨으로써 거의 폐쇄된 상자와 같은 구조로 이루어진다. 상기 아크 챔버(110)는 하단 양측에 각각 지지블록(116)에 의해 지지된다.

상기 아크 챔버(110)의 내부를 살펴보면, 일측면에는 필라멘트(150)가 설치되고, 이 필라멘트(150)와 마주보는 타측면에는 리플렉터(reflector;152)가 설치된다. 즉, 필라멘트(150)와 리플렉터(152)는 상기 아크 챔버(110)내에 서로 대향되게(마주보게) 위치(배치)된다.

상기 필라멘트(150)는 상기 아크 챔버(110)로 공급된 반응가스로부터 이온 빔을 형성하기 위해 열전자를 방출하는 것으로, 상기 필라멘트(150)는 버나스(Bernas)형으로 구부러진 형태로 양단은 절연체(156)를 개재하여 일측면을 관통하 여 설치된다. 필라멘트(150)의 양단은 일부가 아크 챔버(110)의 외부로 돌출되며, 돌출된 필라멘트(150)는 필라멘트 클램프(158)로 고정된다. 상기 리플렉터(152)는 반사작용을 하는 것으로, 필라멘트와 대향하여 타측면에 설치된다.

한편, 상기 아크 챔버(110)의 베이스 플레이트(112)에는 가스 분사구(112a)가 형성되며, 이 가스 분사구(112a)에는 가스 라인(140)이 연결된다.

상기 아크 챔버(110)에서의 이온 빔 형성 과정을 간단하게 설명하면 다음과 같다. 우선, 반응 가스 저장소(미도시됨)로부터 As, P, B, Ar 등과 같은 불순물을 포함하는 반응 가스는 가스 분사구(112a)를 통해서 상기 아크 챔버(110) 내로 공급된다. 반응 가스가 상기 아크 챔버(110)내로 제공되면, 전류가 상기 필라멘트(150)에 인가되고 필라멘트(150)로부터 열전자가 발생된다. 상기 필라멘트(150)에서 발생된 열전자들은 반응 가스와 충돌하면서 반응 가스 원자 또는 분자내의 전자들을 방출시켜 반응 가스를 이온화 시킨다. 이온화된 반응 가스(이온 빔)는 소스 어퍼쳐 부재(120)의 이온방출구(122)를 통하여 방출되어 가속기에서 소정의 에너지를 갖도록 가속되어 이온 주입 공정에 사용된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 아크챔버(110)의 상면을 구성하는 상기 소스 어퍼쳐 부재(120)는 상기 아크 챔버(110) 내부에서 발생한 이온이 방출되는 이온방출구(ion discharge hole;122)를 갖는다. 상기 소스 어퍼쳐 부재의 가장자리에는 상기 아크 챔버(110)와의 결합을 위해 체결부재(미도시됨)가 삽입되는 체결홈(129)이 형성된다. 상기 이온방출구(122)는 슬릿 형태로 이루어진다.

상기 소스 어퍼쳐 부재(120)의 가장 큰 특징은 3장의 플레이트들로 이루어지 는 다층 구조를 갖되, 바깥쪽과 안쪽에는 텅스텐 재질의 플레이트(제1,3플레이트)를 배치하고, 그 사이에는 흑연 재질의 플레이트(제2플레이트)를 배치한 구조적 특징을 갖는다. 안쪽에 배치되는 제3플레이트는 제2플레이트의 내측면(130b)(아크 챔버의 내부로 노출되는 면)을 이온빔으로부터 보호하기 위한 것이다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 제1플레이트(124)는 상기 이온방출구(122)로서 제공되는 제1개구부(126)를 갖는다. 상기 제1개구부(126)는 제1부분(126a)과, 제2부분(126b)으로 구분되는데, 상기 제1부분(126a)은 동일폭으로 이루어지고 대략 0.3mm의 두께(t)를 갖는다. 그리고 상기 제2부분(126b)은 상기 제1부분(126a)으로부터 연장되되, 상기 제2개구부(130)로부터 멀어질수록 그 폭이 증가되는 만곡진 형상으로 이루어진다. 상기 제1플레이트(124)는 내측면(124a)에 상기 제2플레이트(130)와의 조립을 위한 2개의 돌기(128)를 갖는다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상기 제2플레이트(130)는 상기 이온방출구(122)로서 제공되는 제2개구부(132)를 갖는다. 상기 제2개구부(132)는 제3부분(132a)과, 제4부분(132b)으로 구분되는데, 상기 제3부분(132a)은 상기 제1부분(126a)과 동일한 폭으로 이루어지며, 대략 0.3mm의 두께(t)를 갖는다. 그리고 상기 제4부분(132b)은 상기 제3부분(132a)으로부터 연장되는데, 상기 제3개구부(132a)로부터 멀어질수록 그 폭이 증가되는 경사진 형상으로 이루어진다. 상기 제2플레이트(130)는 외측면(130a)에 상기 제1플레이트(124)의 돌기(128)가 끼워지는 2개의 홈(136)을 갖는다. 상기 제2플레이트의 내측면(130b)에는 상기 제3플레이트(138)의 두께와 동일한 깊이로 커팅된 삽입홈(131)을 갖는다. 상기 삽입홈(131)에 는 상기 제3플레이트(138)가 설치된다.

상기 소스 어퍼쳐 부재(120)는 상기 제1플레이트(124)의 돌기(128)가 상기 제2플레이트(130)의 홈(136)에 끼워짐으로써 상기 제1개구부(126)와 상기 제2개구부(132)의 위치가 틀어지지 않고 정확하게 포개지게 된다.

상기 소스 어퍼쳐 부재(120)는 제1플레이트(124)와 제2플레이트(130) 그리고 제3플레이트가 조립되었을 때, 이온 빔의 모양을 결정하는 이온방출구(122)의 제2부분(126a)과 제3부분(132a)(슬릿 모양)의 두께가 0.6mm로, 기존 대비 400% 두께를 향상시킨 결과가 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 아크 챔버(110) 내부에서 생성된 이온빔은 상기 이온방출구(122)를 통해 방출되는데, 이 과정에서 상기 제2플레이트(130)에는 이온빔의 물리적인 충격이 가해지는데 반해, 상기 제1플레이트(124)에는 이온빔의 물리적인 충격이 거의 가해지지 않는다. 따라서, 본 발명의 이온 소스부(100)는 설비의 유지보수시 상기 소스 어퍼쳐 부재(120)의 제2플레이트(130)와 제3플레이트(138)를 교체하고, 제1플레이트(124)는 반복하여 사용할 수 있는 것이다. 즉, 소스 어퍼쳐 부재 전체를 교체하는 것에 비해 소모품의 교환 비용을 줄일 수 있다.

특히, 반복 사용이 가능한 상기 제1플레이트(124)와 제3플레이트(138)는 기존과 동일한 텅스텐 재질로 제작하고, 잦은 교체가 요구되는 상기 제2플레이트(130)는 상기 제1플레이트(124)와는 다른 흑연(graphite) 재질로 제작하여, 이온 플라즈마에 의한 열화에 대해 내성을 증가시켜 이온 빔에 의한 물리적 충격에 대한 내구성을 향상시켰다. 이와 같이, 상기 제2플레이트는 내구성 향상으로 사용 수명 을 텅스텐 재질로 제작하였을 때 보다 연장할 수 있고, 특히, 흑연은 텅스텐에 비해 제작단가가 매우 저렴하기 때문에 원가 절감 효과도 기대할 수 있다.

이상에서는 바람직한 실시예들을 예시하고 그 것을 통해서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 거기에 한정되는 것이 아님을 유의해야 하며, 본 발명의 사상과 기술적 범위를 벗어나지 않는 선에서 다양한 실시예들 및 변형예들이 있을 수 있다는 것을 잘 이해해야 한다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 소스 어퍼쳐 부재의 구조를 개선함으로써 장기간 사용에도 양호한 빔 균일도를 얻을 수 있다. 그리고 가격이 저렴하고 열화에 대한 내성이 뛰어난 흑연 재질로 제작함으로써, 요지보수 비용을 절감할 수 있다. 또한, 필라멘트 수명도 증가되는 효과도 얻을 수 있었다.

Claims

이온 주입 설비의 이온 소스부에 있어서:

아크 챔버(arc chamber);

반응가스를 상기 아크 챔버로 공급하는 가스 공급관;

상기 아크 챔버로 공급된 반응가스로부터 이온 빔을 형성하기 위해 열전자를 방출하는 필라멘트;

상기 아크 챔버로부터 분리 가능하게 설치되며, 상기 아크 챔버 내부에서 발생된 이온 빔이 방출되는 이온방출구(ion discharge hole)를 갖는 소스 어퍼쳐 부재(source aperture member)를 포함하되;

상기 소스 어퍼쳐 부재는 다수의 플레이트들로 이루어지는 다층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제1항에 있어서,

상기 소스 어퍼쳐 부재는 제1플레이트와, 상기 제1플레이트에 접하도록 설치되는 그리고 상기 아크 챔버 내부에 노출되는 내측면을 갖는 제2플레이트 그리고 상기 제2플레이트의 내측면 노출부위를 최소화하기 위해 상기 제2플레이트의 내측면에 설치되는 제3플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제2항에 있어서,

상기 제2플레이트는 내측면에 상기 제3플레이트가 설치되도록 일정깊이로 커팅된 삽입홈을 갖는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제3항에 있어서,

상기 삽입홈은 그 깊이가 상기 제3플레이트의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제2항에 있어서,

상기 제1플레이트에는 상기 이온방출구로서 제공되는 제1개구부가 형성되며,

상기 제2플레이트에는 상기 이온방출구로서 제공되는 제2개구부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제5항에 있어서,

상기 제2플레이트는 상기 제1플레이트보다 상기 아크 챔버에 인접하며,

상기 제1개구부는 상기 제2플레이트와 인접하는 그리고 동일폭을 갖는 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 연장되고 상기 제2개구부로부터 멀어질수록 그 폭이 증가되는 제2부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제6항에 있어서,

상기 제2개구부는 상기 제1부분과 인접하는 그리고 상기 제1부분의 폭과 동일한 폭을 갖는 제3부분과, 상기 제3부분으로부터 연장되고 상기 제1개구부로 부터 멀어질수록 그 폭이 증가되는 제4부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제5항 또는 제7항에 있어서,

상기 제2개구부는 경사진 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 제1개구부는 만곡(curve)진 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제7항에 있어서,

상기 이온방출구의 제1부분과 제3부분의 두께 합은 약 0.6mm인 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제1항에 있어서,

상기 이온방출구는 슬릿 형태인 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제2항에 있어서,

상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 서로 다른 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제2항에 있어서,

상기 제1플레이트와 상기 제3플레이트는 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제13항에 있어서,

상기 제1플레이트와 제3플레이트는 텅스텐 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제12항에 있어서,

상기 제2플레이트는 흑연(graphite) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
이온 주입 설비의 이온 소스부에 있어서:

아크 챔버(arc chamber);

반응가스를 상기 아크 챔버로 공급하는 가스 공급관;

상기 아크 챔버로 공급된 반응가스로부터 이온 빔을 형성하기 위해 열전자를 방출하는 필라멘트;

상기 아크 챔버로부터 분리 가능하게 설치되며, 상기 아크 챔버 내부에서 발생된 이온 빔이 방출되는 이온방출구(ion discharge hole)를 갖는 소스 어퍼쳐 부재(source aperture member)를 포함하되;

상기 소스 어퍼쳐 부재는 바깥쪽 플레이트와, 안쪽 플레이트 그리고 그들 사이에 끼워지는 적어도 하나의 중간 플레이트를 포함하되;

상기 중간 플레이트는 흑연 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.
제16항에 있어서,

상기 바깥쪽 플레이트와 안쪽 플레이트는 텅스텐 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스부.