KR100663206B1 - 플라즈마 이온 주입 장치의 이차 전자 차폐 장치 - Google Patents

플라즈마 이온 주입 장치의 이차 전자 차폐 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 챔버 내에서 플라즈마 이온 주입을 수행할 때 발생하는 이차 전자를 차폐하는 차폐 장치에 관한 것이다. 본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 챔버 내부에 장착되어 이온 주입시 상기 챔버 내부에서 발생되는 이차 전자에 노출되는 콤포넌트를, 상기 이차 전자로부터 보호하는 이차 전자 차폐 장치에 있어서, 상기 콤포넌트의 안착 공간에 대응하는 내부 공간을 형성하는 지지 구조 및 상기 지지 구조에 부착되며, 상기 콤포넌트 위에 자장을 형성하도록 배열되는 최소한 하나 이상의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 이온 주입 장치의 내부 장착 콤포넌트 중 전자 또는 열에 취약한 콤포넌트를 이차 전자로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
플라즈마 이온 주입 장치, 플라즈마, 이차 전자, 자석, 편향, 차폐

Description

플라즈마 이온 주입 장치의 이차 전자 차폐 장치{APPARATUS FOR SHIELDING SECONDARY ELECTRONS DURING PLASMA ION IMPLANTATION}
도 1은 본 발명의 이차 전자 차폐 장치를 채용한 플라즈마 이온 주입 장치의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a는 도 1의 이차 전자 차폐 장치를 확대 도시한 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 이차 전자 차폐 장치의 지지 구조의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 자석의 배열에 의해 이차 전자를 차폐하는 이차 전자 차폐 장치의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전자 차폐 장치의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 이차 전자 차폐 장치의 이차 전자 차폐 효과를 테스트하기 위한 플라즈마 이온 주입 장치를 도시하는 도면이다.
도 6a는 본 발명의 이차 전자 차폐 장치에 장착되는 막대 자석의 수를 달리할 때 패러데이컵에 흐르는 전류를 측정한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 6b는 도 5a의 Iemax/Ipmax를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 이차 전자 차폐 장치가 장착된 플라즈마 이온 주입 장치 내부의 자장 분포를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 부호에 대한 간략한 설명>
100 : 이차 전자 차폐 장치 114 : 지지 구조 114A, 114B, 114C : 지지판 120 : 자석
132 : 램프 히터 132 : 반사갓
140 : 차폐 자장 150 : 피드 쓰루
170 : 패러데이 컵 210 : 챔버
220 : RF 안테나 230 : 시료대
240 : 고전압 펄스 전원 장치 242 : 접지선
250 : 플라즈마 쉬스 252 : 이온
254 : 이차 전자 300 : 오실로스코프
310 : 이차 전자 전류 측정기 320 : 펄스 전원 전류 측정기
본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 이차 전자 차폐 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버 내에서 플라즈마 이온 주입을 수행할 때 발생하는 이차 전자를 차폐하는 차폐 장치에 관한 것이다.
플라즈마 이온 주입 장치는 챔버 내부로 도입되어 플라즈마를 발생하는 RF 안테나, 시료대 및 상기 시료대에 고전압을 인가하기 위한 고전압 발생 장치를 구비하고 있다.
상기 고전압 발생 장치를 통해 상기 시료대에 음의 고전압이 가해지면, 챔버 내부에 형성된 플라즈마 쉬스를 지나며 가속된 이온이 높은 에너지를 가지고 시편에 부딪치며 시료로부터 고에너지의 이차 전자가 방출된다. 방출되는 이차 전자의 양은 상기 시료대에 가해지는 음의 인가 전압에 따라 달라지지만 -50 kV 이상이면 고전압 펄스 전원 장치의 전류의 80 % 이상이 이차 전자에 의한 전류이고 이온 전류는 20% 이하이다. 시료로부터 방출된 이차 전자는 대부분 장치의 접지로 흘러들어가지만, 상기 시료대와 마주 보는 상기 반응기 내의 부품에도 다량의 이차 전자가 충돌한다. 이와 같이 시료대와 마주보는 상기 반응기 내의 부품 중 전자의 노출에 민감한 부품이나 열에 약한 부품이 있는 경우 손상이 발생하게 된다.
본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 내부 챔버에 장착되는 콤포넌트가 손상되는 것을 방지하기 위한 이차 전자 차폐 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 챔버 내부에 장착되어 이온 주입시 상기 챔버 내부에서 발생되는 이차 전자에 노출되는 콤포넌트를, 상기 이차 전자로부터 보호하는 이차 전자 차폐 장치에 있어서, 상기 콤포넌트의 안착 공간에 대응하는 내부 공간을 형성하는 지지 구조; 및 상기 지지 구조에 부착되며, 상기 콤포넌트 위에 자장을 형성하도록 배열되는 최소한 하 나 이상의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치를 제공한다.
본 발명에서 상기 지지 구조는 서로 분리되어 대향하는 최소한 한 쌍의 지지판을 포함하고, 상기 자석의 각 자극은 상기 한 쌍의 지지판과 접촉하는 구성을 취할 수 있다. 이와 달리, 본 발명에서 이차 전자 차폐 장치에서 상기 자석은 최소한 한 쌍의 자석을 포함하여 구성되며, 상기 지지 구조가 상기 한 쌍의 자석의 상이한 자극을 자기적으로 연결하는 계철 역할을 수행하게 할 수도 있다.
본 발명에서 상기 지지 구조는 강자성체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 자석은 영구 자석이거나 전자석일 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 1은 본 발명의 이차 전자 차폐 장치(100)를 채용한 플라즈마 이온 주입 장치의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 이온 주입 장치는 챔버(210) 내부에 RF와 같은 외부 에너지의 입력에 의해 플라즈마를 발생하는 RF 안테나(220), 플라즈마 처리를 거칠 시편을 장착하는 시료대(230)를 포함하고 있다. 도 1에 도시된 플라즈마 이온 주입 장치(200)는 플라즈마 발생원으로 RF를 사용하고 있으나, 플라즈마 발생원으로는 RF 이외에 DC 플라즈마 등 다른 다양한 플라즈마가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 플라즈마 이온 주입 장치(200)의 상기 시료대(230)의 배면에는 상기 시료대(230)를 챔버(210)로부터 전기적으로 절연하고 상기 시료대(230)에 고전압 전원을 공급하기 위한 기밀 구조가 형성되어 있으며, 고전압 펄스 발생 장치(240)는 상기 시료대(230)에 고전압의 펄스 전원을 공급한다.
통상 상기 플라즈마 이온 주입 장치(200)의 챔버(210) 내에는 램프 히터(132), 진공 게이지 튜브 및/또는 기타 측정 장비 등의 콤포넌트가 장착된다. 도 1은 이와 같은 콤포넌트의 일례로써 챔버 상단에 램프 히터(132)가 장착된 것을 도시하고 있다. 상기 램프 히터(132)에는 상기 램프 히터(132)가 발생하는 복사열을 상기 시료대로 모아주기 위해 그 후단에 반사갓(134)이 구비되어 있다.
RF에 의해 상기 챔버내에 발생된 플라즈마는 상기 시료대(230) 주변에 플라즈마 쉬스를 형성하고, 고전압 펄스 발생 장치(240)에 의해 상기 시료대(230)에 음의 고전압이 가해지면 플라즈마 쉬스를 통해 가속된 이온이 높은 에너지를 가지고 시편에 부딪히며 시편으로부터 방출된 이차전자는 상기 플라즈마 쉬스를 지나며 가속되어 높은 운동 에너지를 갖는다. 방출된 이차 전자(254) 중 일부는 상기 램프 히터(132)와 같은 챔버 내부의 콤포넌트로 향하여 열적 또는 전기적인 작용으로 상기 콤포넌트의 손상을 유발한다. 특히 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 램프(132)의 반사갓(134)은 방출된 이차 전자(254)에 의해 가열되어 녹아내릴 수 있는데, 상기 반사갓(134)이 챔버 내부로 돌출되어 있기 때문에 이를 방지하기 위해 별도의 냉각 장치를 설치할 수도 없다.
본 발명에서는 상기 플라즈마 이온 주입 장치의 상기 램프 히터(132)와 같은 콤포넌트를 보호하기 위해 이차 전자 차폐 장치(100)를 제공한다.
상기 이차 전자 차폐 장치(100)는 전자석 또는 영구 자석으로 된 자석(120) 과 지지 구조(114)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 이차 전자 차폐 장치(100)에서 상기 자석(120)은 상기 램프 히터(132) 상에 차폐 자장(140)을 형성한다. 상기 이차 전자 차폐 장치(100)에서 발생하는 차폐 자장(140)은 플라즈마에 영향을 미치지 않는 것이 바람직하다. 특히, 플라즈마 이온 주입시 플라즈마 쉬스 내에서 가속되어 주입되는 이온의 경로에 영향을 미쳐서는 안된다. 이를 위해 차폐 자장이 플라즈마 내부 깊숙이 침투하지 않도록 자석의 자극 배치가 고려되어야 한다.
도 2a는 도 1의 이차 전자 차폐 장치(100)를 확대 도시한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 이차 전자 차폐 장치(100)는 외부로 돌출된 챔버(210) 외벽에 장착되어 있다. 상기 이차 전자 차폐 장치(100)에서 지지 구조는 돌출된 챔버(210) 주위에 설치되는 두 개의 지지판(114A, 114B)을 포함하며, 상기 지지 구조에는 자석(120)이 장착되어 있다. 도 2a의 차폐 장치(100)에서 상기 지지 구조를 구성하는 두 개의 지지판(114A, 114B)은 서로 분리되어 있으며, 각각의 지지판(114A, 114B)은 각각 자석의 자극(N 및 S)과 접촉하고 있다.
본 실시예에서 상기 자석(120)으로는 통상의 막대 자석이 사용될 수 있으며, 사용되는 자석의 수는 콤포넌트의 면적 및 이차전자의 편향 정도에 따라 적절히 설계될 수 있다.
본 실시예에서 상기 지지판(114A, 114B)은 자성체 보다 바람직하게는 강자성체에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성되는 경우 상기 자석의 N극 및 S극과 접촉하는 강자성체는 상기 자석에 의해 각각 자화되어, 상기 콤포넌트상 에 차폐 자장(실선 화살표 참조)을 형성한다. 물론 본 발명에서 상기 지지 구조는 두 개의 지지판(114A, 114B)이 'ㄷ'자 형상을 이루도록 서로 연결되어도 무방하다. 도 2b는 'ㄷ'자 형상의 지지 구조를 도시한 사시도이다. 도 2b를 참조하면, 상기 지지 구조는 두 개의 지지판(114A, 114B)이 다른 지지판(114C)에 의해 연결되어 있으며, 막대 자석(120)은 지지판(114C)에 부착된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 본 발명의 이차 전자 차폐 장치에서 상기 지지 구조에 복수의 막대 자석이 부착되는 경우, 상기 자석들은 동일한 자극(N, S)이 서로 밀접하게 접촉하도록 배열될 수 있다. 이것은 복수의 자석의 동일 자극간에 작용하는 척력이 자로 역할을 하는 강자성체 재질의 지지판(114A, 114B)에 의해 배제될 수 있기 때문이다.
전술한 도 2a 및 도 2b의 차폐 장치에서, 상기 자석(120)에 의해 형성된 자기력선에 의해 상기 콤포넌트를 향해 가속되는 이차 전자(e-)는 상기 전자의 진행 방향에 의해 수직 방향으로 작용하는 로렌쯔의 힘(Fe)에 의해 상기 챔버 벽(210) 또는 플라즈마로 편향된다. 따라서 결국 상기 차폐 장치 내부에 안착된 콤포넌트에 충돌하는 이차 전자의 량은 감소하게 되어 상기 콤포넌트가 이차 전자로부터 보호된다. 또한 상기 플라즈마로 되돌아간 전자는 플라즈마의 이온화에 기여할 수도 있다.
본 실시예 및 후술하는 실시예에서 상기 이차 전자 차폐 장치(200)가 상기 챔버(210)에 장착되는 방식에 제한은 없다. 예컨대, 상기 이차 전자 차폐 장치 (200)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 플라즈마 이온 주입 장치의 외부에 장착될 수도 있지만, 장치의 챔버 내벽에 부착되어도 무방하다.
도 3a 및 도 3b는 강자성체 지지 구조를 채용하지 않고 통상의 자석 배열만을 이용한 이차 전자 차폐 장치(200)를 도시하는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 상기 장치(200)는 콤포넌트를 둘러싸는 챔버(210) 주위에 배열되는 최소한 한 쌍의 자석을 포함하여 구성된다. 상기 한 쌍의 자석(120)은 서로 대향하도록 배열되며, 서로 다른 극성의 자극이 마주보도록 배열되어 있다. 이에 따라 대향하는 한 쌍의 자석에서 발생하는 자기력선은 상기 챔버 내부의 콤포넌트 상에 차폐 자장(실선 화살표 참조)을 형성한다. 이러한 배열에 의할 때에는 상기 한 쌍의 자석간의 거리가 자석의 길이에 비해 멀어질 경우에 상기 콤포넌트 상에 형성되는 차폐 자장(실선 화살표) 외에도 하나의 자석의 자극간 또는 대향하는 자석의 나머지 자극간에 누설 자장(점선 화살표)이 형성되므로, 차폐 자장의 강도가 감소된다는 단점을 갖는다.
도 3b는 강자성체 지지 구조를 채용하지 않고 이차 전자 차폐 자장을 형성하기 위한 다른 자석 배열을 설명하는 도면이다.
도 3b를 참조하면, 챔버(210) 외벽에 설치되는 자석(120)의 배치 방향은 도 3a에서 설명한 것과 상이하다. 도 3b에서는 대향하는 자석(120)의 자극이 서로 마주보게 배치된 반면, 본 실시예에서는 상기 자석(120)의 자극은 서로 평행하게 배치되어 있다. 이 경우에도 상기 콤포넌트 상에 작용하는 차폐 자장(실선 화살표) 외에 누설 자장(점선 화살표)이 존재하므로 차폐 자장의 강도는 약화된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전자 차폐 장치(200)를 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 이차 전자 차폐 장치(200)는 한 쌍의 자석(120)과 상기 한 쌍의 자석의 서로 다른 자극을 연결하는 지지 구조(114)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서 상기 한 쌍의 자석(120)은 서로 다른 극성의 자극이 마주보도록 배열되어 있으며, 이 배열은 도 3a의 배열과 유사한 것이다. 그러나, 본 실시예의 지지 구조(114)는 도 3a 및 도 3b의 구조에서 나타나는 단점인 공기 중으로의 자장 손실을 억제하는 효과를 나타낸다.
도 2a에서는 상기 지지 구조가 분리된 두 개의 지지판(도 2a의 114A, 114B)으로 구성되어 있었지만, 본 실시예에서 상기 지지 구조(114)는 일체로 된 강자성체 물질로 구성된다. 이와 같은 상기 일체형 지지 구조는 자석의 자극을 연결하는 계철(yoke)과 같이 누설 자기력선의 자로로 작용한다. 따라서, 도 3a에 나타낸바와 같은 공기중으로의 자장 손실을 억제할 수 있으며, 상기 콤포넌트 상으로 작용하는 차폐 자장의 자속 밀도를 높일 수 있다.
이하에서는 도 2a에 도시된 본 발명의 이차 전자 차폐 장치에 의해 얻어지는 이차 전자 차폐 효과를 실제 실험에 기초하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 이차 전자 차폐 장치의 이차 전자 차폐 효과를 테스트하기 위한 플라즈마 이온 주입 장치를 도시하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 이차 전자 차폐 장치(100)의 개구면에는 패러데이컵(170)이 설치되어 있다. 상기 패러데이컵(170)에 흐르는 전류는 이차 전자 전류 측정기(310)를 통해 오실로스코 프(300)에 의해 측정된다. 또한, 상기 오실로스코프는 또 다른 전류 측정기(320)를 통해 펄스 전원 전류를 함께 측정한다. 상기 장치의 챔버(210)는 내부 크기가 직경 500 mm이고 높이가 510 mm인 수직 원통형이며, 시료대(230)는 스테인레스 스틸 재질로서 바닥면으로부터 100 mm 높이에 위치하며 크기는 직경이 300 mm이다. 상기 챔버(210)의 바깥에는 플라즈마 구속용 멀티 커스프 마그넷(multi-cusp magnet, 도시하지 않음)이 설치되어 있다.
도 6a는 60 kV의 펄스를 시료대(230)에 가하면서 이차 전자 차폐 장치(200)에 장착되는 막대 자석(120)의 수를 달리하면서 패러데이컵에 흐르는 전류를 측정한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 6a에서 Ipmax는 펄스 전원 장치에 인가되는 전체 펄스 전류값이며, Iemax는 패러데이컵에 흐르는 전류를 측정한 값이다. 여기서, Ipmax는 이온 전류 뿐아니라 이차 전자 전류값도 포함하는 값이다. 막대 자석이 하나도 설치되지 않은 경우 펄스 전류(Ipmax ~ 60A)의 10%에 해당하는 전류 값이 패러데이컵에서 이차 전자 전류(Iemax)로 측정된다. 막대 자석의 수가 증가함에 따라 이차 전자 전류값은 감소하여 7개의 막대 자석을 사용한 경우 이차 전자 전류값은 펄스 전류값의 약 1% 정도에 이르게 된다.
막대 자석의 수가 7 개인 전체 전류값(Ipmax)는 차폐 자장이 없는 경우에 비해 2A 정도 감소한 것을 알 수 있다. 이것은 자장에 의해 시료대 쪽으로 전자가 반 사되면서 상쇄된 것으로 판단되며, 결과적으로 펄스 전원 장치의 용량을 낮추는 효과를 나타낸다. 도 6b에 도 6a의 Iemax/Ipmax를 도시하였다.
도 7은 도 5의 장치에서 막대 자석을 7개 사용할 때 장치 내부의 자장 분포를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7에서 축거리(axial distance)는 시료대 표면으로부터 장치의 축방향으로의 거리를 말한다. 유효한 플라즈마의 부피를 시료대 위 30 cm 지점으로 보았을 때, 도 7로부터 이 지점의 자장은 20 가우스(Gauss)에 미치지 못함을 알 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상술하였지만, 전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 구현 형태를 예시한 것에 불과하다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 앞서 설명한 실시예들에 다양한 변형 및 수정을 가할 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 정도의 변형 및 수정은 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 이온 주입 장치의 내부 장착 콤포넌트 중 전자 또는 열에 취약한 콤포넌트를 이차 전자로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 본 발명은 플라즈마 이온 주입 장치의 내부 장착 콤포넌트를 효과적으로 보호하기 위한 다수의 이차 전자 차폐 장치를 제공한다. 따라서 플라즈마 이온 주입 장치의 콤포넌트의 수명을 연장할 수 있으며, 이온 주입 장치의 수리 및 보수와 관련한 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

Claims (8)

  1. 플라즈마 이온 주입 장치의 챔버 내부에 장착되어 이온 주입시 상기 챔버 내부에서 발생되는 이차 전자에 노출되는 콤포넌트를, 상기 이차 전자로부터 보호하는 이차 전자 차폐 장치에 있어서,
    상기 콤포넌트의 안착 공간에 대응하는 내부 공간을 형성하는 지지 구조; 및
    상기 지지 구조에 부착되며, 상기 콤포넌트 위에 자장을 형성하도록 배열되는 최소한 하나 이상의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지 구조는 서로 분리되어 대향하는 최소한 한 쌍의 지지판을 포함하고, 상기 자석의 각 자극은 상기 한 쌍의 지지판과 접촉하는 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자석은 최소한 한 쌍의 자석을 포함하고,
    상기 지지 구조는 상기 한 쌍의 자석의 상이한 자극을 자기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조는 강자성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석은 영구 자석인 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석은 전자석인 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콤포넌트는 램프 히터인 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콤포넌트는 진공 게이지 튜브인 것을 특징으로 하는 이차 전자 차폐 장치.
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