KR101000089B1 - 플라즈마 이온 주입장치 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 이온 주입장치가 개시된다.
플라즈마 이온의 발생을 유도하는 상부전극, 상기 상부전극의 대응되는 위치에 구비되어 기판이 안착되는 하부전극, 및 상기 하부전극의 하측에 접촉되어 상기 기판에 간접적으로 바이어스를 인가함으로써 상기 기판에 인가되는 상기 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절하는 바이어스 조절부를 포함함으로써, 상기 기판 상에 플라즈마 이온이 주입되는 양 및 깊이를 조절할 수 있는 효과가 있다.
바이어스, 인가, 조절, 플라즈마, 정전척
Description
본 발명은 플라즈마 이온 주입장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판에 인가되는 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절할 수 있도록 함으로써 상기 기판에 주입되는 플라즈마 이온의 양 및 깊이를 조절할 수 있도록 한 플라즈마 이온 주입장치에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)란 부분적으로 이온화된 기체로서, 복수개의 양의 입자 및 음의 입자를 포함한다. 그러나 상기 기체 즉, 전체의 플라즈마는 전기적으로 중성인 성질을 나타낸다.
이러한 플라즈마를 이용하는 처리방법, 특히 플라즈마 이온 주입 기술(plasma ion implantation)은 플라즈마 내의 이온을 수 내지 수백 keV로 가속시켜 처리 대상물(이하, 기판이라 함)의 표면에 주입시키는 기술로서, 상기 플라즈마 이온의 양이나 에너지를 변화시켜 상기 플라즈마 이온의 주입 양, 깊이, 분포 등을 조절함으로써 기판의 표면에 상기 플라즈마 이온을 주입할 수 있다.
이러한 플라즈마 이온 주입 기술은 주로 디스플레이 기판, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 및 반도체 소자 제작 시 불순물의 도핑(doping)과정에 주로 사 용되고, 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 소재의 표면 개질(surface modification)에도 사용된다.
이와 같은 플라즈마 이온 주입 기술을 이용하는 플라즈마 이온 주입장치는 플라즈마에 기판이 함침(immersed)된 상태에서 기판에 음극을 인가하고, 기판과 플라즈마 사이에 발생하는 쉬스(sheath)로부터 양이온을 추출하여 기판에 양이온이 주입되도록 하는 장치이다.
이하 종래기술에 따른 상기 플라즈마 이온 주입장치를 도 1 내지 도 2를 참조하여 간략하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 플라즈마 이온 주입장치를 나타내는 사시도이고, 도 2a는 종래기술에 따른 바이어스 인가의 타이밍도이며, 도 2b는 도 2a에 따라 기판에 인가되는 바이어스의 세기를 나타내는 타이밍도이다.
먼저 도 1을 참조하면 종래기술의 플라즈마 이온 주입장치는 냉각플레이트(16) 상에 구비되는 하부전극(17) 및 상기 냉각플레이트(16)와 상기 하부전극(17)을 관통하여 상기 하부전극(17) 상에 안착된 기판(S)에 접촉되는 바이어스 공급부(18)를 포함한다.
상기 냉각플레이트(16)는 상기 하부전극(17)을 냉각시키는 역할을 수행하고, 상기 하부전극(17)은 상기 기판(S)을 클래핑하는 역할을 수행한다. 상기 전원 공급부(18)가 바이어스를 상기 기판(S)에 공급하면 상기 기판(S)에는 유전분극이 발생한다.
이때 상기 전원 공급부(18)에서 공급되는 바이어스의 세기가 작으면, 유전분 극에 의하여 상기 기판(S)에 주입된 플라즈마 이온이 상기 기판(S)의 표면에 뭉치게 된다. 이는 후발 주입되는 플라즈마 이온에 의해 상기 기판(S)의 표면에 에칭 현상을 발생시키는 원인이 된다.
한편, 상기 전원 공급부(18)에서 공급되는 바이어스의 세기가 크면, 상기 기판(S)에서 유전분극이 급격하게 발생됨에 따라 플라즈마 이온의 가속 에너지도 급증하게 된다. 이는 상기 기판(S)에 주입되는 플라즈마 이온의 양, 깊이 등을 조절하기 어렵게 하는 원인이 된다.
즉, 전원 공급부(18)가 도 2a와 같이 소정의 펄스 폭을 가지는 바이어스를 기판(S)에 인가하면 상기 기판(S)에는 도 2b에서와 같이 일정한 세기의 바이어스가 인가되기 시작하는데, 이때 상기 전원 공급부(18)가 상기 기판(S)에 직접적으로 접촉해 있기 때문에 상기 기판에 인가되는 바이어스의 세기는 도 2b에서와 같이 급격하게 증가한다. 따라서, 기판(S)에 인가되는 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간(증가시간)이 매우 짧게 된다.
그러므로, 상기 기판(S)에서 유전분극이 발생하는데 걸리는 시간 또한 짧아지게 되고, 이는 플라즈마 이온의 가속 에너지를 급증시키는 원인이 된다.
이와 같은 문제로 인하여 종래의 플라즈마 이온 주입장치는 기판(S)에 주입되는 플라즈마 이온의 양 및 깊이를 조절할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 기판에 주입되는 플라즈마 이온의 양 및 깊이를 조절하기 위하여, 상기 기판에 인가되는 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절할 수 있는 플라즈마 이온 주입장치를 제공하는 것이다.
본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치는 플라즈마 이온의 발생을 유도하는 상부전극; 상기 상부전극의 대응되는 위치에 구비되어 기판이 안착되는 하부전극; 및 상기 하부전극의 하측에 접촉되어 상기 기판에 간접적으로 바이어스를 인가함으로써 상기 기판에 인가되는 상기 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절하는 바이어스 조절부를 포함한다.
상기 하부전극의 상측에 구비되며 상기 하부전극을 통하여 인가된 상기 바이어스에 의해 유전분극이 발생되는 유전층을 더 포함할 수 있다.
상기 바이어스 조절부는 상기 하부전극의 하측과 접촉되는 연결부; 및 상기 연결부를 통하여 상기 하부전극에 인가되는 상기 펄스화된 바이어스의 양을 조절하는 회로부를 포함할 수 있다.
상기 회로부는 저항, 콘덴서, 전류계 및 스위치를 포함하는 RC회로일 수 있다.
상기 유전층은 세라믹 재질로 상기 하부전극에 코팅된 층일 수 있다.
상기 바이어스 조절부는 상기 하부전극의 중심부에 접촉되어 상기 유전층의 전면에서 상기 유전분극이 발생되도록 하는 것일 수 있다.
상기 하부전극은 정전척(ESC: Electro Static Chuck)일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 플라즈마 이온 주입장치는 바이어스 조절부가 하부전극에 접촉됨으로써 상기 기판에 인가되는 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절할 수 있기 때문에 결과적으로 상기 기판 상에 플라즈마 이온이 주입되는 양 및 깊이를 조절할 수 있는 효과를 가진다.
이하에서는 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다.
도 3은 본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 사시도이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 축전 결합형 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma) 방식의 플라즈마 이온 주입장치를 도시하였으나, 본 실시예는 상기 CCP 방식 외에 유도 결합형 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 방식, MEICP(Magnetic Enhanced ICP) 방식, low or high frequency ICP 방식, multiple ICP 방식, helicon plasma 방식, ECR plasma 방식, SWP(Surface Wave Plasma) 방식, MERIE(Magnetic Enhanced RIE) 방식, dual frequency RIE 방식 등 다양한 형태의 플라즈마 이온 주입장치에도 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 플라즈마 이온 주입장치는 챔버(100), RF 발생부(110), 상부전극(120), 공정가스 공급부(130), 냉각가스 공급부(140), 냉각액 공급부(150), 냉각플레이트(160), 하부기판(170) 및 바이어스 조절부(180)를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 이온 주입장치는 내부가 진공으로 형성되는 챔버(100)를 구비 한다. 챔버(100) 상부 외측에는 적어도 하나의 RF 안테나를 포함하는 RF 발생부(110)가 구비되고, 챔버(100)의 상부 내측에는 RF 발생부(110)와 연결되는 상부전극(120)이 구비된다.
그리고 챔버(100)의 일측에는 챔버(100) 내부로 플라즈마(P)의 발생을 위한 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부(130)가 구비된다.
상기 상부전극(120)은 상기 공정가스 공급부(130)를 통하여 상기 챔버(100) 내부로 유입된 공정가스로부터 플라즈마 이온의 발생을 유도한다. 상기 상부전극(120)에 의하여 상기 챔버(100) 내부에서 형성된 플라즈마 이온(P)은 상부전극(120)과 기판(S) 사이에 위치하게 된다.
한편 상기 챔버(100)의 하부 내측 즉, 상기 상부전극(120)과 대응되는 위치에는 냉매관이 내설된 냉각플레이트(160)가 구비될 수 있고, 상기 챔버(100)의 일측에는 상기 냉각플레이트(160)로 냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급부(140) 및/또는 상기 냉각플레이트(160)로 탈이온수(deionized water)와 같은 냉각액을 공급하는 냉각액 공급부(150)가 구비될 수 있다.
상기 냉각플레이트(160)의 상측에는 하부전극(170)이 구비된다. 상기 하부전극(170)의 상측에는 상기 기판(S)이 안착된다.
상기 기판(S)은 실리콘(Si), 게르마늄 또는 그것의 조합과 같은 임의의 반도체 물질일 수 있고, 상기 하부전극(170)은 알루미늄과 같은 도전성 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 하부전극(170)은 기판(S)을 정전력으로 클램핑하는 것으로서, 상기 상 부전극(120)과 소정간격 이격됨으로써 상기 상부전극(120)과 하부전극(170) 사이에 형성된 플라즈마(P)의 이온이 상기 기판(S) 상에 주입될 수 있도록 한다. 상기 하부전극(170)은 정전척(ESC: Electro Static Chuck)일 수 있는데, 이는 플래튼(platen), 스테이지 등으로 호명될 수도 있다.
한편 상기 하부전극(170)의 하측에는 바이어스 조절부(180)가 접촉된다. 상기 바이어스 조절부(180)는 상기 기판(S)에 인가되는 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절하기 위한 것으로, 도시되지는 않았지만 DC 펄스(Direct Current pulse)를 제공하기 위한 펄스 발생부 및 고전압의 직류를 제공하는 전원 공급부를 포함할 수 있다.
상기 바이어스 조절부(180)의 전원 공급부에서 발생한 바이어스(bias)는 펄스 발생부를 통하여 펄스화된 후 상기 하부전극(170)에 인가된다. 이와 같은 과정을 통하여 하부전극(170)에 펄스화된 바이어스가 인가되면 상기 하부전극(170)에는 유전분극이 발생하게 되고, 상기 유전분극에 의하여 하부전극(170)의 상측에는 전기장이 형성되어 플라즈마(P)의 이온을 기판(S)으로 끌어당기게 된다.
이때 바이어스의 세기를 크게 하면 하부전극(170)에서 발생되는 전기장의 세기 또한 증가하게 되는데, 이는 플라즈마 이온(P)에 작용되는 인력을 증가시킴에 따라 플라즈마 이온의 운동에너지(potential energy)를 증가시킨다. 이를 이용하면 기판(S)에 주입되는 플라즈마 이온의 양을 조절할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 부분 확대도이고, 도 5a는 본 실시예에 따른 바이어스 인가의 타이밍도이며, 도 5b는 도 5a에따라 기판에 인가되는 바이어스의 세기를 나타내는 타이밍도이다. 이하, 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치를 보다 구체적으로 살펴본다.
먼저 도 4는 외부로부터 플라즈마 이온 주입장치의 내부로 반입된 기판(S)이 하부전극(170)에 안착된 경우가 도시되어 있다.
상기 바이어스 조절부(180)는 연결부(181) 및 회로부(182)를 포함할 수 있다. 상기 연결부(181)는 상기 하부전극의 하측에 접촉되어 펄스화된 바이어스가 상기 하부전극에 인가되도록 한다. 상기 회로부(182)는 상기 연결부를 통하여 상기 하부전극에 인가되는 펄스화된 바이어스의 양을 조절한다.
상기 연결부(181)를 통하여 상기 하부전극(170)에 인가된 펄스화된 바이어스는 상기 하부전극(170)에 유전분극을 발생시키고, 이에 따라 상기 하부전극(170)에 안착된 상기 기판(S)에도 바이어스가 인가되어 유전분극이 발생된다.
이때, 상기 하부전극(170) 상측에는 유전층(200)이 구비될 수 있다. 상기 유전층(170)은 세라믹 재질로 상기 하부전극(170)의 표면에 코팅됨으로써 구비될 수 있는데, 이와 같은 경우 상기 유전층(200)에는 상기 하부전극(170)에서 발생된 유전분극에 의해 유전분극이 발생됨으로써 상기 기판(S) 전면에 보다 원활하게 바이어스가 인가될 수 있도록 한다.
도 5a와 같이 펄스화된 바이어스가 바이어스 조절부(180)에서 발생되면, 도4에서 나타나는 바와 같이 상기 하부전극(170)이 상기 바이어스 조절부(180)에 접촉되어 있음에 따라 상기 바이어스가 상기 하부전극(170)에 인가되어 유전분극이 발생하게 되고, 이에 따라 상기 하부전극(170) 상측에 구비된 유전층(180)에도 바이 어스가 인가되어 유전분극이 발생하게 된다. 따라서 상기 유전층(180)에 안착된 기판(S)에도 바이어스가 인가되고 유전분극이 발생하게 된다.
이때, 상기 기판(S)에 인가되는 바이어스의 세기는 상기 바이어스 조절부(180)와 상기 기판(S)이 하부전극(170) 및 유전층(180)을 통하여 간접적으로 접촉됨에 따라 도 5b와 같이 소정의 세기를 가질 때까지 완만하게 증가하게 되고, 그러므로 상기 기판(S)에 인가되는 상기 바이어스가 소정의 세기를 가질 때까지 증가하는데 걸리는 시간(증가시간) 또한 길어지게 된다. 여기서 상기 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간은 유전층(200)의 재질에 따라 변화될 수 있다.
따라서 기판(S)의 상측에 형성된 플라즈마 이온(P)의 운동에너지도 완만하게 증가함에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 전원(E), 저항(R), 콘덴서(C), 전류계(A) 및 스위치(SW)로 구성된 RC회로와 같은 회로부(182)를 이용하여 하부전극(170)에 인가되는 바이어스의 양을 조절하면 기판(S)에 인가되는 바이어스의 세기가 조절되기 때문에 결과적으로 상기 기판(S)에 주입되는 플라즈마 이온(P)의 양 및 깊이를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
즉, 본 실시예에 따른 바이어스 인가 장치 및 이를 이용한 플라즈마 이온 주입장치는 상기 기판(S)을 하부전극(170) 및 유전층(180)을 통하여 상기 바이어스 조절부(180)에 간접적으로 접촉시킴에 따라, 기판에(S)에 인가되는 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절할 수 있기 때문에 플라즈마 이온(P)의 가속에너지를 조절할 수 있게 된다. 상기 플라즈마 이온(P)의 가속에너지를 조절하면 기판(S)에 주입되는 플라즈마 이온(P)의 양 및 깊이를 조절할 수 있게 된다.
상기 바이어스 조절장치(180)는 상기 하부전극(170)의 중심부에 접촉되어 상기 유전층(200)의 전면에서 상기 유전분극이 발생되도록 할 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치는 플라즈마 이온 주입장치 외에 다른 기판처리장치인 E-beam 처리장치 등과 같은 장치들과 그 외에 다른 반도체 및 디스플레이 제조장치에서도 실시될 수 있다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 종래기술의 플라즈마 이온 주입장치를 나타내는 사시도이다.
도 2a는 종래기술에 따른 바이어스 인가의 타이밍도이고, 도 2b는 도 2a에따라 기판에 인가되는 바이어스의 세기를 나타내는 타이밍도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입장치의 부분 확대도이다.
도 5a는 본 실시예에 따른 바이어스 인가의 타이밍도이고, 도 5b는 도 5a에따라 기판에 인가되는 바이어스의 세기를 나타내는 타이밍도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 챔버 110: RF 발생부
120: 상부전극 130: 공정가스 공급부
140: 냉각가스 공급부 150: 냉각액 공급부
160: 냉각플레이트 170: 하부전극
180: 바이어스 조절부 181: 연결부
182: 회로부 200: 유전층
Claims (7)
- 플라즈마 이온의 발생을 유도하는 상부전극;상기 상부전극의 대응되는 위치에 구비되어 기판이 안착되는 하부전극; 및상기 하부전극의 하측에 접촉되어 상기 기판에 바이어스를 인가하는 바이어스 조절부;를 포함하고,상기 하부전극의 상측에는 바이어스에 의해 유전분극이 발생되는 유전층이 형성된 플라즈마 이온 주입장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 바이어스 조절부는 상기 하부전극의 하측과 접촉되는 연결부와, 상기 기판에 인가되는 바이어스의 세기가 증가하는데 걸리는 시간을 조절할 수 있도록 상기 연결부를 통하여 상기 하부전극에 인가되는 펄스화된 바이어스의 양을 조절하는 회로부를 포함하는 플라즈마 이온 주입장치.
- 제3항에 있어서,상기 회로부는 RC회로인 플라즈마 이온 주입장치.
- 제1항에 있어서,상기 유전층은 세라믹 재질로 상기 하부전극에 코팅된 층인 플라즈마 이온 주입장치.
- 제1항에 있어서,상기 바이어스 조절부는 상기 하부전극의 중심부에 접촉되어 상기 유전층의 전면에서 유전분극이 발생되도록 하는 플라즈마 이온 주입장치.
- 제1항에 있어서, 상기 하부전극은정전척(ESC: Electro Static Chuck)인 플라즈마 이온 주입장치.
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|---|---|---|---|---|
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2008
- 2008-11-27 KR KR1020080119003A patent/KR101000089B1/ko not_active IP Right Cessation
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