KR101055396B1 - 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
고체 이온의 플라즈마 이온주입을 가능하게 하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법 및 장치가 개시된다. 이 장치 및 방법에 따르면, 진공조 내의 시료 장착대 위에 시료를 위치시키고, 진공조의 내부를 진공상태로 유지한다. 그리고, 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급하고, 박막증착을 위한 증착원에 제1 전력을 인가하여 고체 원소의 플라즈마 이온들을 발생한다. 증착원으로부터 스퍼터링되는 고체 원소의 플라즈마 이온들은 시료의 표면에 이온주입된다. 여기서 제1 전력은, 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 높은 전력을 인가할 수 있는 펄스 직류 전력이다. 또한, 제1 전력을 인가함과 동시에, 시료 장착대에 제2 전력을 제공할 수 있는데, 제2 전력은 고체 원소의 플라즈마 이온들을 시료 측으로 가속시키며 펄스 직류 전력에 동기화된 고전압 펄스이다. 또한, 진공조 내에 유도결합 플라즈마를 발생하여, 고체 원소의 이온화율을 증가시키고 증착원의 작동 압력을 낮출 수 있다.
이온주입, 플라즈마 이온주입, 고체원소 이온주입, 펄스 직류 마그네트론, 고전압 펄스
Description
본 발명은 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상온에서 고체 상태로 존재하는 원소의 이온을 시료의 표면에 이온주입할 수 있는 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 금속소재나 부품의 내구성 등을 향상시키기 위하여, 금속소재의 표면에 질화티타늄 등의 고강도 박막을 코팅하는 방법이나 이온질화 또는 이온침탄 등을 들 수 있다. 그러나, 박막코팅의 경우 코팅층과 모재와의 약한 접착력으로 인한 코팅층의 박리 현상이 문제가 되고 있으며, 이온질화나 이온침탄 방법의 경우 높은 공정 온도로 인하여 부품이 열변형되기 쉬운 단점이 있다.
또한, 높은 에너지로 이온빔을 가속하여 재료의 표면에 주입시키는 이온주입 방법이 있다. 이온주입(Iron implantation) 기술은, 이온을 수십 내지 수백 keV로 가속시켜 재료의 표면에 입사시키는 기술로서, 재료의 표면 이하 수천 Å까지 개질된 층을 형성할 수 있으며, 완만한 조성 변화층을 형성하므로 코팅에서와 같은 재질의 이질성에 따른 코팅층 박리 현상은 근본적으로 발생하지 않게 된다. 이온주입 기술의 또 다른 장점으로는, 고에너지 공정이므로 열역학적인 제한을 거의 받지 않고, 상온 공정이므로 시료의 온도 상승에 따른 크기 변화나 열에 의한 열화 현상이 없으며, 표면조도 또한 크게 영향받지 않는다는 점을 들 수 있다. 나아가, 주입 이온의 종류, 에너지, 양을 조절함으로써 개질층의 종류, 두께, 개질 정도의 조절이 용이한 장점이 있다.
그러나, 상기한 이온주입 기술의 많은 장점에도 불구하고 이온주입 기술은 반도체 분야를 제외한 다른 소재 분야에서는 그 이용이 매우 제한적인 상황이다. 그 이유는, 종래의 이온주입 장치는 평면 시료인 반도체 웨이퍼에의 불순물 도핑을 목적으로 개발된 장비로서, 이온원으로부터 이온을 추출한 후 가속시켜 이온빔의 형태로 시료에 입사시키게 되며, 균일한 이온주입을 위해서 이온빔을 흔들어 주어야 한다. 이러한 이온빔 형태로 이온을 주입하는 방법은 견통선(Line-of-sight) 주입이라는 원리상의 제약 때문에, 금형, 공구, 기계 요소부품 등과 같은 3차원 물체에의 이온주입을 위해서 시료의 3방향 회전 및 경사 입사 이온에 의한 스퍼터링 현상을 막기 위한 마스킹의 필요성 등 기술적인 약점을 갖고 있으며, 또한 다른 표면 개질 장비에 비해 매우 비싼 장비 가격과 함께 이온주입 기술의 실제 응용을 어렵게 하는 요인이라 할 수 있다.
이러한 이온빔 방식의 이온주입 기술의 단점을 극복하기 위하여, 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하는 플라즈마 이온주입 기술(미국 특허 4764394호, 대한민국 특허 137704호, 유럽 특허 480688호, 캐나다 특허 2052080호, 미국 특허 5126163호)이 제안되었으며, 이 기술은 대면적 입체 시료의 표면에 균일하게 이온을 주입 하여 표면개질을 이룰 수 있는 기술이다. 즉, 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하므로 '칠드-랑뮈(Child-Langmuir) 전류 제한'에 제한받지 않으므로 대면적 시료에의 균일한 이온주입 속도가 매우 빠르며, 이온빔 분산장치 등이 필요하지 않다. 또한, 플라즈마를 이용하므로 시료 표면에의 전하집중 현상(Charging)이 본질적으로 존재하지 않게 되며, 장치가 간단하므로 다른 박막 공정 장비와의 결합성(Clustering)이 우수하고 장비 가격 또한 매우 낮출 수 있는 장점이 있다.
그러나, 현재까지 제안되어 이용되고 있는 플라즈마 이온주입 기술은 대부분이 질소, 산소, 이르곤, 메탄 등 가스 상태의 이온주입만이 가능할 뿐, 고체 상태로 존재하는 원소의 프라즈마 이온주입은 불가능하다. 비록, 일부 선행기술(미국 특허 5777438호, 미국 특허 5126163호)에서 펄스 음극아크를 이용한 고체 원소의 플라즈마 이온주입 기술을 개시하고 있지만, 펄스 음극아크 플라즈마를 이용하는 경우 아크로 인해 큰 크기의 마크로 입자(Droplet)가 발생하여 이온주입 시료의 표면에 증착되며, 이를 방지하기 위해서는 자장을 이용한 필터를 사용해야만 하는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 고체 이온의 플라즈마 이온주입을 가능하게 하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 고체 이온의 플라즈마 이온주입을 가능하게 하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법 및 장치가 개시된다. 이 장치 및 방법에 의하면, 진공조 내의 시료 장착대 위에 시료를 위치시키고, 진공조의 내부를 진공상태로 유지한다. 그리고, 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급하고, 박막증착을 위한 증착원에 제1 전력을 인가하여 고체 원소의 플라즈마 이온들을 발생한다. 증착원으로부터 스퍼터링되는 고체 원소의 플라즈마 이온들은 시료의 표면에 이온주입된다. 여기서 제1 전력은, 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 높은 전력을 인가할 수 있는 펄스 직류 전력이다. 또한, 제1 전력을 인가함과 동시에, 시료 장착대에 제2 전력을 제공할 수 있는데, 제2 전력은 고체 원소의 플라즈마 이온들을 시료 측으로 가속시키며 펄스 직류 전력에 동기화된 고전압 펄스이다. 또한, 진공조 내에 유도결합 플라즈마를 발생하여, 고체 원소의 이온화율을 증가시키고 증착원의 작동 압력을 낮출 수 있다.
본 발명에 의하면, 상온에서 고체 상태로 존재하는 원소의 이온을 효과적으로 시료의 표면에 이온주입할 수 있으며, 다양한 원소의 이온주입을 통하여 표면 특성을 고기능화하는데 광범위하게 응용할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치는, 그 내부가 진공 상태를 유지하는 진공조(10)와, 박막증착을 위한 증착원(예컨대 마그네트론 증착원(24))과, 진공조(10) 내의 증착원(마그네트론 증착원(24))에 대향하는 위치에 설치되어 시료(12)가 장착되는 시료 장착대(13)와, 증착원(마그네트론 증착원(24))에 제1 전력을 인가하여, 증착원(마그네트론 증착원(24))으로부터 스퍼터링되는 고체 원소의 플라즈마 이온들을 시료(12)의 표면에 이온주입시키는 제1 전원공급수단을 포함한다. 일실시예에 있어서, 제1 전력은, 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 높은 전력을 인가할 수 있는 펄스 직류 전력(25)이고, 제1 전원공급수단은 펄스 직류 전원부(23)이다. 일실시예에 있어서, 펄스 직류 전력(25)은, 밀도가 10 W/cm2 ∼ 10 kw/cm2의 값을 갖고, 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ∼ 1 msec의 펄스폭을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치는, 시료 장착 대(13)에 제2 전력을 제공하는 제2 전원공급수단을 더 포함한다. 일실시예에 있어서, 제2 전력은, 고체 원소의 플라즈마 이온들을 시료(12) 측으로 가속시키며 펄스 직류 전력(25)에 동기화된 고전압 펄스(41)이고, 제2 전원공급수단은 고전압 펄스 전원부(31)이다. 일실시예에 있어서, 마그네트론 증착원(24)에 인가되는 펄스 직류 전력(25)에 동기화된 고전압 펄스(41)는, 펄스 직류 전력(25)과 동일한 주파수인 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수를 갖고, 1 usec ∼ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ∼ -100 kV의 음(-)의 펄스 고전압을 갖는다.
상기 진공조(10) 내부의 가스 압력은 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치는, 진공조(10)에 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(35)와, 가스 공급부(35)에 의해 공급되는 가스의 압력(또는 유량)을 조절하기 위한 가스 조절부(37)를 더 구비한다.
일실시예에 있어서, 상기 시료(12)는 실리콘 웨이퍼 시료이며, 시료(12)가 장착되는 시료 장착대(13)는 진공조(10)에 전기적으로 절연되어 장착된다.
또한, 본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치는, 진공조(10) 내에 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 더 구비하여, 고체 원소의 이온화율을 증가시키고 마그네트론 증착원(24)의 작동 압력을 일반적인 마그네트론 증착원보다 낮출 수 있다. 일실시예에 있어서, 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단은, 진공조(10) 내에 장착되어 RF 펄스를 방사하여 유도결합 플라즈마를 발생시키는 RF 안테나(11)와, RF 안테나에 RF 전력을 인가하는 RF 전원부(21)와, RF 전원 부(21)와 RF 안테나(11)와의 RF 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭부(22)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치는, 이온주입시, 이온주입 전압과 전류를 측정 및 모니터링하기 위한 수단을 더 포함한다. 이 수단은, 고체 원소의 플라즈마 이온들이 주입될 때 전류 및 전압을 측정하기 위한 펄스 전류 측정부(32) 및 펄스 전류 전압 측정부(33)와, 측정된 전류 및 전압을 모니터링하기 위한 모니터링부(34)를 포함한다.
본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치의 원리는 다음과 같다.
진공조(10)는 진공 펌프(38) 및 진공 밸브(39)에 의하여 소정의 진공도를 유지하며, 접지부(40)를 통해 접지된다.
먼저, 진공조(10) 내부에 위치한 시료 장착대(13)에 시료(12)를 장착한 후, 진공 펌프(38)을 이용하여 진공조(10) 내부의 진공도를 고진공 영역까지 배기한다. 이후, 플라즈마를 발생시키기 위한 가스를 가스 조절부(36)을 통해 인입시켜 진공조(10) 내부의 압력을 조절한다. 이때 진공조(10) 내에 채워지는 가스는 가스 공급부(35)로부터 가스 조절부(36)에 의하여 공급되는 가스량이 조절되어 가스 밸브(37)를 통하여 공급된다. 일실시예에 있어서, 플라즈마를 발생시키기 위한 사용가스로는, 아르곤, 질소, 산소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아, 아세틸렌, 벤젠 가스 및 이들의 혼합가스 등이 될 수 있다. 일실시예에 있어서, 진공조(10) 내부의 압력은 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr로 조절한다. 그 이유는 진공조(10) 내부의 가스 압력이 0.5 mTorr 이하의 낮은 압력에서는 플라즈마의 발생이 어려운 반면, 5 mTorr 이상의 높은 압력에서는 플라즈마 이온주입시 가속되는 이온과 주위 가스입자들과의 빈번한 충돌로 인하여 가속되는 이온(고체 이온)의 에너지 손실이 매우 심하기 때문이다.
상기한 바와 같이 사용 가스 인입후 진공조(10) 내부의 압력이 안정화되면, RF 전원부(21)와 RF 매칭부(22)를 통하여 진공조(10) 내부에 장착된 RF 안테나(11)에 RF 전력을 인가하여 사용가스의 유도결합 플라즈마(14)를 발생시킨다. 그러나, 이 방법 외에도, 필라멘트 방전을 이용하거나, 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수도 있다. 일실시예에 있어서, 진공조(10)에 채워진 가스를 플라즈마 상태로 변화시키기 위한 RF 안테나(11)는 진공조(10) 내의 일측에 설치되며, 경우에 따라서는 수정유리(Quartz)나 알루미나 등의 유전체를 경계로 하여 진공조(10) 외부에 설치될 수도 있다. RF 전원부(21)는 시료(12)에 대한 이온주입이 가능하도록 하기 위하여 RF 안테나(11)에 RF 전력을 공급한다. 그리고, RF 전원부(21)와 RF 안테나(11) 간에는 전력 손실을 방지하기 위하여 둘 간에 전기적으로 매칭 작용을 하는 RF 매칭부(22)가 연결된다.
플라즈마(14)를 발생시킨 후, 진공조(10)에 장착된 마그네트론 증착원(24)에 펄스 직류 전원부(23)로부터의 펄스 직류 전력(25)을 인가하여 마그네트론 증착원(24)을 작동시킴과 동시에, 시료 장착대(13)에 고전압 펄스 전원부(31)로부터의 고전압 펄스(41)를 인가하여 플라즈마 이온주입 공정을 수행한다. 고전압 펄스 전원부(31)에 의하여 공급되는 고전압 펄스(41)는 시료(12)가 장착되는 시료 장착대(13)에 인가되며, 이는 결과적으로 시료(12)에 인가되는 것이다. 그리고, 진공조(10) 내에 설치되는 시료 장착대(13)는 진공조(10)에 대하여 전기적으로 절연되 어 있다. 시료 장착대(13)는 시료(12) 상면에만 고체 이온이 대면적으로 균일하게 주입되도록 플레이트 모양인 것이 바람직하다. 시료 장착대(13)의 재질은 고전압 펄스(41)를 인가할 수 있는 전도성의 재질이면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 예컨대 구리 또는 스테인레스 스틸로 구성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일실시예에 있어서, 고전압 펄스 전원부(31)에 의하여 공급되는 고전압 펄스(41)는, -1kV ~ -100kV 사이의 전압을 인가한다.
시료(12)에 음(-)의 직류 고전압이 가해지면 마그네트론 증착원(24)으로부터 발생된 고체 원소 플라즈마로부터 이온이 추출되어 시료(12)를 향하여 가속되어 이온주입이 이루어지는데, 특히 시료 장착대(13)에 인가하는 고전압 펄스(41)는, 도 2에 도시된 바와 같이 마그네트론 증착원(24)에 인가하는 펄스 직류 전력(25)과 동기화시켜 같은 주파수로 작동되도록 한다. 그 이유는 다음과 같다.
펄스 직류 전력(25)에 의하여 마그네트론 증착원(24)이 작동(Pulse-on)되는 순간 마그네트론 증착원(24)으로부터 스퍼터링되는 고체 원소는 고밀도의 플라즈마에 의하여 이온화되며, 이와 같이 발생된 고체 원소의 이온들은 시료 장착대(13)에 인가되는 고전압 펄스(41)에 의하여 시료(12)로 가속되어 시료(12)의 표면에 이온주입되므로 동기화가 이루어져야 한다. 한편, 이온주입시의 이온주입 전압 및 전류는 펄스 전압 측정부(33)와 펄스 전류 측정부(32)를 이용하여 플라즈마 이온주입 공정 모니터링부(34)에서 측정된다.
상기에서, 마그네트론 증착원(24)에 인가되는 펄스 직류 전력(25)의 밀도는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 10 W/cm2 ∼ 10 kw/cm2의 값을 갖도록 한다. 그 이유는 10 W/cm2 이하의 낮은 펄스 직류 전력으로는 마그네트론 증착원(24)으로부터 이온화율이 높은 고밀도의 플라즈마 발생이 어려운 반면, 10 kw/cm2 이상의 값을 이용하기에는 현실적으로 펄스 직류 전원부(23)의 제작에 어려움이 많기 때문이다. 일실시예에 있어서, 펄스 직류 전력(25)의 작동 주파수 및 펄스폭은, 1 Hz ∼ 10 kHz의 펄스 주파수와 10 usec ∼ 1 msec의 펄스폭을 갖도록 한다. 그 이유는 1 Hz 이하의 낮은 주파수로는 플라즈마 이온주입 공정 시간이 너무 많이 소요되므로 경제적인 가치가 감소하며, 또한 10 kHz 이상의 높은 주파수로 작동하는 펄스 직류 전원부(23)의 제작에도 어려움이 많기 때문이다. 펄스폭의 경우, 10 usec 이하의 짧은 펄스폭으로 작동하게 되면 고밀도 플라즈마의 발생이 충분하지 않으므로 발생된 고체 원소의 이온화율이 낮으며, 1 msec 이상의 긴 펄스폭을 이용하면 높은 펄스 전력으로 인하여 마그네트론 증착원(24)에 아크가 발생할 확률이 높아 공정이 불안정하기 때문이다.
또한, 시료 장착대(13)에 인가되는 고전압 펄스(41)의 작동 주파수, 펄스폭 및 음(-)의 펄스 고전압은, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 마그네트론 증착원(24)에 인가되는 펄스 직류 전력(25)과 동일한 주파수인 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수를 동기화시켜 이용하며, 펄스폭은 1 usec ∼ 200 usec, 음(-)의 펄스 고전압은 -1 kv ∼ -100 kV의 값을 이용한다. 그 이유는 펄스폭의 경우, 1 usec 이하의 짧은 펄스폭으로는 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어지지 않으며, 200 usec 이상 의 긴 펄스로 작동하면 시료 장착대(13)에 인가되는 음(-)의 고전압에 의한 플라즈마 쉬스(Sheath)가 너무 많이 팽창하여 진공조(10)의 벽에 닿으면서 플라즈마가 꺼질 우려가 있으며, 시료 장착대(13)에 고전압이 인가되는 시간이 길어짐에 따라 아크가 발생할 가능성이 높기 때문이다. 또한, -1 kV 이하의 낮은 전압으로는 시료(12)의 표면에 이온주입되는 깊이가 너무 낮은 단점이 있으며, 또한 -100 kV 이상의 고전압 펄스 전원부(31)의 제작에도 현실적으로 많은 어려움이 따르기 때문이다.
본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치의 특징은 다음과 같다.
박막증착을 위한 증착원으로 흔히 이용되고 있는 마그네트론 증착원(24)의 작동을 펄스 직류 전력(25)을 이용한 펄스 모드로 작동하고, 이와 동기화된 고전압 펄스(41)를 시료(12)에 인가함으로써 마그네트론 증착원(24)으로부터 발생된 고체 이온을 효과적으로 가속하여 시료(12)의 표면에 이온주입할 수 있다. 이처럼 마그네트론 증착원(24)을 연속적인 작동이 아닌 펄스 모드로 작동할 경우, 마그네트론 타겟의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 매우 높은 전력을 인가할 수 있으므로 마그네트론 증착원(24)의 표면에 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이는 마그네트론 표면으로부터 방출되는 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 타겟 원소의 이온들은 시료(12)에 가해지는 동기화된 고전압 펄스(41)에 의하여 시료(12) 쪽으로 가속되며, 시료(12)의 표면에 이온주입된다. 또한, 마그네트론 증착원(24)과 시료(12) 사이에 위치한 RF 안테나(11)를 이용하여 유도결합 플라즈마(14)를 발생시킴으로써 방출된 고체 원소의 이온화율을 한층 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 마그네트론 증착원의 작동 압력보다 낮은 압력에서의 작동이 가능하게 함으로써, 이온주입시 가스 입자와의 충돌을 최소화하여 고체 원소의 플라즈마 이온주입을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 고체 원소 플라즈마 이온주입 실험을 다음과 같이 실시하였다.
마그네트론 증착원(24)으로는 직경 75 mm, 두께 6 mm의 티타늄 타겟을 이용하였으며, 이온주입 시료(12)로는 실리콘 웨이퍼를 이용하였다. 실리콘 웨이퍼 시료(12)를 시료 장착대(13)에 장착한 후, 진공조(10)를 3×10-6 Torr의 진공도로 배기한 후, 아르곤 가스를 인입시켜 진공조(10) 내부의 아르곤 압력을 1.5 mTorr로 유지하였다. 또한, 유도결합 플라즈마 발생용 RF 안테나(11)에 13.56 MHz, 200 Watt의 RF 전력을 인가하여 아르곤 플라즈마를 발생시킨 후, 마그네트론 증착원(24)에 펄스 직류 전력(25)을 인가하여 마그네트론 증착원(24)을 작동시켰다. 이때 마그네트론 증착원(24)에 인가한 펄스 직류 전력(25)의 전압은 -1.3 kV, 전류는 12 A로 하여 약 350 W/cm2의 펄스 직류 전력(25)을 사용하였다. 또한, 펄스 직류 전력(25)의 주파수는 100 Hz, 펄스폭은 200 usec로 행하였으며, 따라서 평균 펄스 직류 전력(25)은 315 W로 마그네트론 증착원(24)의 냉각에 문제가 없도록 하였다.
첫 번째 실험은 상기한 방법으로 마그네트론 증착원(24)을 작동한 후, 실리콘 웨이퍼 시료(12)에 고전압 펄스(41)를 인가하지 않은 상태에서 30분간 단순 증 착을 하였으며, 두 번째 실험은 마그네트론 증착원(24)을 작동시키면서 동시에 실리콘 웨이퍼 시료(12)에 고전압 펄스(41)를 인가함으로써 이온주입 공정을 30분간 행하였다. 두 번째 실험시 이용된 고전압 펄스(41)의 전압과 펄스폭은 -60 kV, 40 usec로 하였으며, 주파수는 마그네트론 증착원(24)과 동일한 100 Hz로 하여 동기화시켰다. 또한, 200 usec의 마그네트론 증착원용 펄스 직류 전력(25)이 인가된 후, 약 150 usec 후에 실리콘 웨이퍼 시료(12)에 40 usec의 고전압 펄스(41)가 인가되도록 함으로써, 고체 원소의 플라즈마 이온 밀도가 충분히 높은 상태에서 플라즈마 이온주입이 이루어지도록 하였다. 이온주입 공정 후에는 시료(12) 표면의 산화를 방지하기 위하여, 첫 번째 실험에서와 같이 음(-)의 고전압을 인가하지 않은 상태에서 티타늄을 10분간 단순 증착하였다.
도 3a는 첫 번째 실험 결과로서, 실리콘 웨이퍼 시료(12)에 고전압 펄스(41)를 인가하지 않은 상태에서 티타늄 박막을 단순 증착한 실리콘 웨이퍼 시료(12)(도 3a)의 깊이 방향 원소분포를 측정하기 위한 오제이 분석 결과이다. 도 3b는 두 번째 실험 결과로서, 실리콘 웨이퍼 시료(12)에 고전압 펄스(41)를 인가한 상태에서 티타늄을 실리콘 웨이퍼 시료(12)에 이온주입하고, 그 위에 다시 티타늄 박막을 증착한 실리콘 웨이퍼 시료(12)(도 3b)의 깊이 방향 원소분포 오제이 분석 결과이다.
두 시료(도 3a, 도 3b)의 티타늄 분포를 비교해 보면 그 차이를 확연히 알 수 있다. 즉, 티타늄을 이온주입하지 않고 단순 증착한 경우(도 3a)에는, 티타늄의 분포가 표면 이하 약 400 Å에서 끝나는 반면, 티타늄을 이온주입한 경우(도 3b)에는 표면 이하 약 900 Å까지 이온주입되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하여 티타늄 원소의 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어졌음을 알 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명이 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치의 마그네트론 증착원에 인가되는 펄스 직류 전력과 시료에 인가되는 고전압 펄스의 시간에 대한 동기화 개념을 보여주는 도면.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 티타늄 증착된 실리콘 시료의 깊이방향 원소분포 측정 결과를 도시한 도면.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 티타늄 이온주입된 실리콘 시료의 깊이방향 원소분포 측정 결과를 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 진공조 11: RF 안테나
12: 시료 13: 시료 장착대
14: 플라즈마 21: RF 전원부
22: RF 매칭부 23: 펄스 직류 전원부
24: 마그네트론 증착원 25: 펄스 직류
31: 고전압 펄스 전원부 32: 펄스 전류 측정부
33: 펄스 전압 측정부 34: 모니터링부
35: 가스 공급부 36: 가스 조절부
37: 가스 밸브 38: 진공 펌프
39: 진공 밸브 40: 진공조 접지
41: 고전압 펄스
Claims (20)
- 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치로서,그 내부가 진공 상태를 유지하는 진공조;박막증착을 위한 마그네트론 스퍼터링 증착원;상기 진공조 내의 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원에 대향하는 위치에 설치되어 시료가 장착되는 시료 장착대;펄스 직류 전력을 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원에 인가하여, 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원으로부터 스퍼터링되는 고체 원소의 플라즈마 이온들을 발생시키는 제1 전원공급수단; 및상기 발생된 고체 원소의 플라즈마 이온들을 상기 시료 측으로 가속시키며 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 고전압 펄스를 상기 시료 장착대에 제공하는 제2 전원공급수단을 포함하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 펄스 직류 전력은, 밀도가 10 W/cm2 ∼ 10 kw/cm2의 값을 갖는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 제1항에 있어서,상기 펄스 직류 전력은, 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ∼ 1 msec의 펄스폭을 갖는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 고전압 펄스는, 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와, 1 usec ∼ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ∼ -100 kV의 음(-)의 펄스 고전압을 갖는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 제1항에 있어서,상기 진공조는, 내부의 가스 압력이 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr를 갖는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 제7항에 있어서,상기 진공조에 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 및상기 가스 공급부에 의해 공급되는 가스의 압력을 조절하기 위한 가스 조절부를 더 포함하는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 제1항에 있어서,상기 시료 장착대는, 상기 진공조에 전기적으로 절연되어 장착되는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 제1항, 제3항, 제4항, 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,상기 진공조 내에 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 더 구비하여, 상기 고체 원소의 이온화율을 증가시키고 상기 증착원의 작동 압력을 낮추는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 제10항에 있어서,상기 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단은,상기 진공조 내에 장착되어 RF 펄스를 방사하여 상기 유도결합 플라즈마를 발생시키는 RF 안테나;상기 RF 안테나에 RF 전력을 인가하는 RF 전원부; 및상기 RF 전원부와 상기 RF 안테나와의 RF 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭부를 포함하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 제10항에 있어서,플라즈마 이온들이 시료측으로 가속되어 시료로 이온주입될 때, 이온주입 전압과 전류를 측정 및 모니터링하기 위한 수단을 더 포함하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치.
- 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법으로서,진공조 내의 시료 장착대 위에 시료를 위치시키는 단계;상기 진공조의 내부를 진공상태로 유지하는 단계;상기 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급하는 단계;펄스 직류 전력을 박막증착을 위한 마그네트론 스퍼터링 증착원에 인가하여 고체 원소의 플라즈마 이온들을 발생하는 단계; 및상기 발생된 고체 원소의 플라즈마 이온들을 상기 시료 측으로 가속시키며 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 고전압 펄스를 상기 시료 장착대에 제공하는 단계를 포함하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법.
- 삭제
- 제13항에 있어서,상기 펄스 직류 전력은, 밀도가 10 W/cm2 ∼ 10 kw/cm2의 값을 갖고, 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ∼ 1 msec의 펄스폭을 갖는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법.
- 삭제
- 제13항에 있어서,상기 고전압 펄스는, 상기 펄스 직류 전력에 동기화된 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와, 1 usec ∼ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ∼ -100 kV의 음(-)의 펄스 고전압을 갖는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법.
- 제13항에 있어서,상기 진공조는, 내부의 가스 압력이 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr를 갖고,상기 시료 장착대는, 상기 진공조에 전기적으로 절연되어 장착되는, 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법.
- 제13항, 15항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에 있어서,상기 진공조 내에 유도결합 플라즈마를 발생하는 단계를 더 포함하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법.
- 제19항에 있어서,플라즈마 이온들이 시료측으로 가속되어 시료로 이온주입될 때, 이온주입 전압과 전류를 측정 및 모니터링하는 단계를 더 포함하는 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법.
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