KR101637158B1

KR101637158B1 - 이온 소스

Info

Publication number: KR101637158B1
Application number: KR1020140082755A
Authority: KR
Inventors: 허윤성; 황윤석
Original assignee: (주)화인솔루션
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-07-07
Also published as: KR20140145568A

Abstract

이온 소스는 자기장부, 전극, 가스 주입부를 갖는다. 자기장부는 피처리물을 향하는 일측은 개방되고 타측은 폐쇄되며, 개방 일측에는 다수의 자극이 교대로 이격 배치되고, 폐쇄 타측에는 자심으로 연결되어, 개방 일측에서 플라즈마 전자의 가속 폐 루프를 형성한다. 전극은 자기장부의 가속 폐 루프의 하부에 자기장부와 이격 배치된다. 가스 주입부는 자극을 관통하여 가속 폐 루프의 방향으로 가스를 공급한다.

Description

이온 소스{Ion Source}

본 발명은 이온 소스에 관한 것으로, 상세하게는 자극에 가스 주입부를 갖는 이온 소스에 관한 것이다.

이온 소스(ion source)는 기판 개질이나 박막 증착에 유용하게 이용되고 있다. 이온 소스는 생성 이온을 가속시키는 그리드를 포함하는가에 따라 그리드 타입(grid type)과 비그리드 타입(grid-less type)으로 분류한다.

비그리드 타입의 이온 소스는 이온빔의 크기에 제약을 주는 그리드가 없어 이온빔이 넓게 퍼져 나가므로 대면적의 표면 개질에 유리하다. 비그리드 타입의 일종인 엔드홀 이온 소스는 이온빔이 넓게 퍼져 나가고 구조도 간단하여 널리 이용되고 있다.

엔드홀 이온 소스는 전극과 자극을 이용하여 폐쇄 루프(closed drift loop)를 형성하고, 이 루프를 따라 전자를 고속 이동시키는 구조로 되어 있으며, 전자가 이동하는 폐쇄 루프 내에는 공정 챔버 외부로부터 그 내부로 이온 생성용 가스가 연속 공급된다.

미국특허 7,425,709는 엔드홀 이온 소스를 개시하고 있는데, 내부에 냉각수가 통과하고 박벽의 전극을 포함하고 있다. 미국특허 7,425,709는 전극과 자극 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위하여 나사 구조의 간격 조절 수단을 구비하고 있다. 또한, 미국특허 7,425,709는 외부로부터 이온 소스 내부로 이온화 공정 가스를 공급받기 위한 별도의 가스 공급 튜브와 가스 확산용 부재를 구비하고 있다.

이와 같이, 종래의 이온 소스는 대부분 이온 소스의 후단에서 그 내부로 이온 생성용 가스를 공급받아, 이온 소스의 내부에서 플라즈마를 발생시키고 이를 내/외부 압력차에 의한 확산으로 이온을 분출하는 방식이다. 즉, 종래의 이온 소스는 몸체 내부의 이온을 몸체 외부로 인출하기 위한 유로 형성부를 두고 있다. 이러한 방식으로 인해, 종래의 이온 소스는 플라즈마 발생 과정에서 전극 내부 벽면의 식각 현상이 일어나고, 식각된 금속이나 이산화규소 등의 물질들이 압력차에 의해 플라즈마 이온 분출과 함께 외부로 분출되어 불순물 오염의 원인이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 분출 영역에서의 파티클 입자들이 전극에 달라붙는 비율이 증가함은 물론, 전극 사이에 아크가 발생하기도 한다. 이러한 불순물 생성 또는 아크 발생은 이온화 성능을 떨어뜨려 연속적 연구나 후속 공정을 저해하는 심각한 원인이 되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로, 전극의 극성을 바꾸는 방법 등이 미국특허 6,750,600호, 6,870,164호, 한국특허공개 10-2011-0118622호 등에 제안되어 있다.

그러나, 이러한 해결 방법들은 전원의 극성을 전환시키는 별도 구성이 필요하여, 구조가 복잡하고 제조 비용도 높인다. 더구나, 극성을 전환하는 것으로는, 전극이나 자극에 증착된 이온들을 제거하는데 한계가 있다.

본 발명은 이러한 종래의 이온 소스의 문제점을 해결하기 위한 것으로,

첫째, 기판, 전극, 자극 등에 오염물이 증착되는 것을 최소화하며,

둘째, 공정 챔버 내의 이온의 밀도를 조절할 수 있고,

셋째, 이온 발생 장치에서 발생되는 아크와 이로 인한 파티클을 최소화할 수 있는, 이온 소스를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이온 소스는 자기장부, 전극, 가스 주입부 등을 포함한다.

자기장부는 피처리물을 향하는 일측이 개방되고 타측은 폐쇄된다. 개방 일측에는 다수의 자극이 교대로 이격 배치되고, 폐쇄 타측은 자심으로 연결되어, 개방 일측에서 플라즈마 전자의 가속 폐 루프를 형성한다.

전극은 자기장부의 가속 폐 루프의 하부에 자기장부와 이격 배치된다.

가스 주입부는 자극을 관통하여 가속 폐 루프의 방향으로 가스를 공급한다.

본 발명의 이온 소스에서, 가스 주입부는 가스 튜브, 가스 채널, 가스 확산 슬릿으로 구성된다. 가스 튜브는 외부로부터 가스가 유입하는 통로이다. 가스 채널은 가스 튜브에 연통되고, 자극의 내부에 길이 방향을 따라 형성된다. 그리고, 가스 확산 슬릿은 가스 채널에 연통되고, 가속 폐 루프의 방향으로 연통되어, 가스를 가속 폐 루프 방향으로 확산 방출한다. 가스 주입부는 일체로 구성할 수도 있으나, 제조 편의상 상부 몸체와 하부 몸체로 구분 제조하고 이들을 상하 결합하여 구성할 수도 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 이온 소스는 이온 소스 자체에서 식각 오염물이 생성되는 것을 최소화할 수 있고, 이로 인해 이온 소스의 전극이나 자극에 식각 오염물이 증착되는 것을 막을 수 있다. 또한, 원하는 물질만 증착되어야 하는 기판에 오염물이 증착되는 것도 차단할 수 있다.

본 발명에 의하면, 가스, 예를들어 이온 밀도를 조절하기 위한 이온밀도 조절가스의 공급라인을 별도로 구비함으로써 공정 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 이온 소스를 이용하는 이온빔 처리 장치를 도시하고 있다.
도 2는 도 1의 이온 소스의 세부 구조를 도시하는 단면도이다.
도3a,3b는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 갖는 자극을 도시하고 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 이온 소스를 이용하는 이온빔 처리 장치를 도시하고 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 이온빔 처리 장치는 공정 챔버(100), 증착 모듈(200), 기판 캐리어(300), 이온 소스(400) 등을 포함하여 구성할 수 있다.

공정 챔버(100)는 박막 증착 또는 이온빔 처리를 위한 밀폐된 내부 공간을 구성한다. 공정 챔버(100)의 일측에는 진공 펌프가 결합되는데, 진공 펌프는 내부 공간을 소정의 공정 압력으로 유지한다. 공정 챔버(100)에는 공정에 따라 비반응 가스나 반응 가스가 주입된다. 비반응 가스는 예를들어 아르곤, 네온, 헬륨, 크세논 등이 있고, 반응 가스로는 N₂, O₂, CH₄, CF₄ 등이 있다. 경우에 따라서는 비반응 가스와 반응 가스를 혼합하여 사용한다.

증착 모듈(200)은 공정 챔버(100) 내에 구비되고, 타켓 또는 증발 물질을 포함한다. 증착 모듈(200)는 타켓 또는 증발 물질을 이탈시켜 이온, 원자, 또는 분자 형태로 기판(310)에 공급한다. 기판(310)으로 이동한 입자는 기판(310)에 박막 형태로 증착된다. 바람직한 타겟 또는 증발 물질은 실리콘(Si), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 네오듐(Nd), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 코발트(Co), 아연(Zn), 주석(Sn), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 중 적어도 하나이다.

기판 캐리어(300)는 증착 모듈(200)에 대향되게 기판(310)을 지지하며, 기판(310)을 소정 방향으로 이동시킨다.

증착 모듈(200)이 스퍼터링 공정에 이용되는 경우, 증착 모듈(200)에는 높은 음 전압이 인가되고, 기판 캐리어(300)는 일반적으로 접지된다. 공정 챔버(100) 내부에 아르곤 가스가 주입되어 있으면, 증착 모듈(200)과 기판 캐리어(300) 사이의 고전압에 의해 아르곤 가스가 이온화되어 플라즈마 상태가 된다. 이온화된 아르곤 이온(Ar⁺)은 고전압에 의해 가속되어 증착 모듈(200)의 타겟에 부딪힌다. 이때, 타겟으로부터 타겟 물질이 이온, 원자, 또는 분자 형태로 튀어나와 기판 캐리어(300) 쪽으로 이동하며, 타켓 물질이 기판 캐리어(300) 전면의 기판(310)에 증착된다.

이온 소스(400)는 그 내부에 설치된 자석의 자기장과 전극의 전기장에 의해 자극 사이에서 원 또는 타원의 폐 루프를 형성하며, 폐 루프에는 전자가 빠른 속도로 이동하면서 내부 가스와 충돌하고, 그 결과 내부 가스로부터 플라즈마 이온이 생성된다. 전극 근처의 높은 전위차는 내부 가스로부터 플라즈마 전자를 생성시키고, 전자기장은 폐 루프 공간에서 플라즈마를 활성화시킨다. 플라즈마 전자를 포함하는 플라즈마 내의 음 전하는 폐 루프를 따라 사이클로트론 운동을 하고, 플라즈마 이온을 포함하는 양 전하는 전기장에 의해 기판(310) 방향으로 튕겨 나간다. 플라즈마 이온 등의 양 전하는 에너지를 가지고 기판(310)으로 이동하여 기판(310) 표면에 에너지를 전달하거나, 기판 표면의 분자 결합을 파괴하는 등의 역할을 한다. 이와 같이, 이온 소스 내부에 이온화 가스와 이온들의 유로를 형성하여 이온 소스 밖으로 이온들과 불순물들을 분출하는 종래의 이온 소스와는 달리, 본 발명의 이온 소스(400)는 그 개방부 근처에서 플라즈마 이온을 생성한 후 공정 챔버 내로 돌려 보내는 방식이어서, 전극 내벽의 식각이나 불순물 오염에 따른 단락이 원천적으로 발생하기 어렵다.

따라서, 이온 소스(400)는 증착 모듈(200)이 기판(310)에 박막을 증착하는 과정과 함께 에너지를 주입하는 역할로 사용되기도 하고, 증착 모듈(200)이 기판(310)에 박막을 증착하기 전에 기판 표면을 개질하기 위해서 사용되기도 한다. 또한, 이온 소스(400)는 증착 모듈(200)이 기판(310)에 박막을 증착한 후의 기판 후처리를 위해서도 사용될 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 이온 소스(400)는 공정 챔버(100) 내에 삽입된다. 이온 소스(400)에는 외부로부터 전원은 공급되지만, 이온 생성을 위한 별도의 가스가 이온 소스(400) 내부로 공급되지 않는다. 외부로부터 이온 소스의 내부로 이온 생성용 가스가 공급되지 않으므로, 이온 소스(400)는 공정 챔버(100) 내에 존재하는 내부 전자와, 증착 모듈(200)과 기판 캐리어(300) 사이의 고전압으로 발생하는 플라즈마 전자 등을 초기 이온화 전자로 이용한다. 즉, 이온 소스(400)는 내부 전자 또는 플라즈마 전자 등의 초기 이온화 전자들에 로렌쯔 힘을 발생시켜 초기 이온화 전자들을 폐 루프를 따라 고속 회전시키며, 고속 전자는 폐 루프 내의 내부 가스를 이온화시켜 급격히 높은 플라즈마 이온 밀도를 생성한다. 이때, 자극 슬릿에 의해 노출된 음극의 면적(A₁)이 기판을 비롯한 공정 챔버 전체가 가지는 양극 면적(A₂)과 이루는 면적 비율의 2 ~ 4 제곱 만큼 매우 높은 공간 전위차를 이온 소스의 자극 슬릿 영역의 공간에서 가지기 때문에 효과적으로 폐 루프 모양의 전자 궤적을 얻을 수 있으며, 이는 다음 식으로 표현할 수 있다.

V₁/V₂ = (A₂/A₁)^2~4

도 2는 도 1의 이온 소스의 세부 구조를 도시하는 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 이온 소스(400)는 자기장부(411,413a,413b,415), 전극(423), 절연부(431a)를 포함한다.

자기장부는 자석(411), 자극(413a,413b), 자심(415) 등으로 구성되어, 내부에 원형 또는 타원형의 폐 루프 공간을 형성한다. 자기장부가 형성하는 폐 루프 공간은 자극(413a,413b) 방향으로는 개방되고, 자심(415) 방향으로는 폐쇄된다.

자석(411)은 자극(413a)과 자심(415) 사이에 배치된다. 자석(411)은 영구자석 또는 전자석으로 구성한다. 이 경우, 외측 자극(413b)은 자석부(411)의 하단에서 자심(415)으로 연결된다.

자극(413a,413b)은 기판 방향으로 소정 간격 이격 배치된다. 자극(413a,413b)은 폐 루프를 경계로 N극과 S극이 교대로 배치된다. 예를들어, 도 2에서 중앙 자극(413a)을 N극으로, 외측 자극(413b)을 S극으로 할 수 있다. 이 경우, 중앙 자극(413a)에 연결되는 자석(411)의 상단은 N극이고, 자석(411)의 하단은 S극이다. 외측 자극(413b)은 자심(415)를 통해 자석(411)의 하단인 S극에 자기 결합되어 S극을 띄게 된다.

자심(415)은 자석(411)의 하단과 외측 자극(413b)을 자기 결합하는 것으로, 자석(411)의 하단인 S극의 자기력선이 통과하는 통로이며, 투자율이 높은 물질로 구성되어 있다. 자심(415)은 외측 자극(413b)과 연결되어 외측 자극(413b)이 S극을 띄게 하며, 아울러 자석(411)의 하단인 S극의 자기력선이 상단인 N극의 자기력선에 영향을 미치는, 즉 자석(411) 자체에 의한 자기 영향을 최소화한다.

전극(423)은 자극(413a,413b)의 사이 공간, 즉 폐 루프 공간의 하부에 구비된다. 전극(423)에는 전원(V)이 연결되면, 전원(V)은 AC 또는 DC의 고전압이다.

전극(423)에 고전압이 인가되면, 전극(423)에는 열이 발생한다. 따라서, 열을 식히기 위해, 전극(423) 내에는 전극을 가공하여 만든 냉각용 채널 또는 냉각 튜브(CT)를 구비할 수 있다. 냉각용 채널 또는 냉각 튜브(CT)는 전기전도율 및 열전도율이 우수한 금속으로 구성되며, 냉각용 채널 또는 냉각 튜브(CT)에는 냉각수가 흐른다.

절연부(431a)는 자기장부의 내부면과 전극(423)의 외부면 사이에 충진되어, 전극(423)을 자기장부의 내부에 고정한다. 이때, 절연부(431a)는 적어도 중앙 자극(413a)과 외측 자극(413b)의 사이 공간에는 충진되지 않는다. 또한, 자기장부와 전극(423)에 의해 폐 루프를 형성하기 위해서는, 자극(413a,413b)과 전극(423)이 대향하는 부분의 공간 일부에도 절연부(431a)가 충진되지 않는다. 그 밖의 자기장부의 내면과 전극(423)의 외면 사이에 절연부(431a)를 충진할 때, 모든 공간에 충진할 수도 있고, 전극(423)과 자기장부의 고정에 영향을 미치지 않는 범위에서 일부 공간에만 충진할 수도 있다.

절연부(431a)는 마이카(mica), 스테아타이트, 석영 유리, 소다 유리,납 유리, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 천연 고무, 에보나이트, 부틸 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무, 에폭시 수지 니스포르말수지 니스, 불소 수지, 테플론 수지, 피크(PEEK)와 같은 엔지니어링 플라스틱 등으로 구성할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 이온 소스(400)에서, 전극(423)에 플러스 고전압을 인가하고 주위의 자극(413a,413b)을 접지하면, 전극(423)과 기판 캐리어(300) 사이에 형성되는 전기장에 의해 내부 전자 또는 플라즈마 전자가 폐 루프 공간의 전극(423) 쪽으로 이동한다. 이때, 자극(413a,413b) 사이에서 발생하는 자기장과 전극(423)과 자극(413a,413b) 사이에서 발생하는 전기장에 의해 내부 전자 또는 플라즈마 전자가 힘을 받아 폐 루프를 따라 고속 이동한다. 이때 전자가 받는 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙에 의해 정해지고, 힘은 로렌쯔 힘(Lorentz Force), F = q(E + v × B)으로 표현된다. 여기서, E는 전기장, B는 자기장, q는 입자의 전하량, v는 입자의 속력이며, ×는 외적이다.

폐 루프를 따라 고속으로 사이클로트론(cyclotron) 운동을 하며 이동하는 전자는 폐 루프 내부에 존재하는 내부 가스를 이온화시키고, 이온화된 플라즈마 이온 중에서 양 이온은 전극(423)과 기판 캐리어(300) 사이의 전기장 등에 의해 기판 캐리어(300) 쪽으로 에너지를 얻어 이동하여 타 물체에 에너지를 전가하거나 기판(310)의 표면을 개질하는 등의 작용을 하게 된다.

도3a,3b는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 갖는 자극을 도시하고 있다.

예를들어, 공정 챔버 내부의 압력이 10^-5 ~ 10^-6 Torr 영역으로 매우 낮은 경우, 이온 생성용 가스의 밀도도 매우 낮기 때문에 수행하고자 하는 공정이 원활히 이루어지지 않을 수 있다. 이러한 경우, 이온 소스로부터 생성되는 이온의 공간 밀도를 높이기 위해 선택적으로 또는 국부적으로 가스를 주입할 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 이온 소스는 예를들어 이온밀도 조절가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 구비할 수 있다. 가스 주입부는 가스 튜브(GT), 가스 채널(GC), 가스 확산 슬릿(GS) 등으로 구성할 수 있다.

도3a,3b에 도시한 바와 같이, 자극(413b)은 그 내부에 외측과 연통되는 가스 튜브(GT)를 구비한다. 가스 튜브(GT)는 예를들어 이온 밀도를 조절하기 위한 이온 가스를 외부로부터 유입한다. 여기서, 이온밀도 조절가스는 예를들어 아르곤(Ar)과 같은 플라즈마 이온화 가스, 산소(O₂), 질소(N₂)와 같은 반응성 가스, CH₃COOH, CH₄, CF₄, SiH₄, NH₃, TMA(tri-methyl aluminum) 등과 같은 박막 형성용 가스 등이며, 경우에 따라서는 하나 이상의 이들 가스를 혼합하여 사용할 수 있다.

자극(413b)은 가스 튜브(GT)에 연결되고, 길이 방향을 따라 그 내부에 형성되는 소정 공간의 가스 채널(GC)을 형성한다. 가스 채널(GC)은 가스 튜브(GT)로부터 유입되는 이온밀도 조절가스를 자극(413b)의 길이 방향으로 분산시킨다.

또한, 자극(413b)은 폐 루프 공간으로 연통되는 가스 확산 슬릿(GS)을 구비한다. 가스 확산 슬릿(GS)은 가스 채널(GC)에 연통되고, 자극(413b)의 길이 방향을 따라 폐 루프 방향으로 절결/개방되는 슬릿 형태로 구성할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 가스 주입부는, 가스 튜브(GT)를 통해 이온밀도 조절가스가 유입되면, 가스 채널(GC)이 자극(413b)의 길이 방향으로 고르게 분산시키고, 이어서 가스 확산 슬릿(GS)이 이온밀도 조절가스를 폐 루프 방향으로 확산 분출시킨다.

위에서 설명한 가스 주입부는 이온 소스 내부에 가스를 주입하는 것이 아니라, 로렌쯔 힘이 작용하는 폐 루프 공간에 가스를 주입하는 것이므로, 종래기술에서 기술한 이온 생성용 가스가 이온 소스의 내부로 유입되는 이온 소스와는 구별된다.

이상 본 발명을 여러 실시예에 기초하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것이다. 통상의 기술자라면, 위 실시예에 기초하여 본 발명의 기술사상을 다양하게 변형하거나 수정할 수 있을 것이다. 그러나, 그러한 변형이나 수정은 아래의 특허청구범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.

100 : 공정 챔버 200 : 증착 모듈
300 : 기판 캐리어 310 : 기판
400 : 이온 소스 411 : 자석
413a, 413b : 자극 415 : 자심
423 : 전극 431a : 절연부
CT : 냉각 튜브 GT : 가스 튜브
GC : 가스 채널 GS : 가스 확산 슬릿

Claims

이온 소스에 있어서,
피처리물을 향하는 일측은 개방되고 타측은 폐쇄되며, 상기 개방 일측에는 중앙의 중앙 자극과 상기 중앙 자극을 둘러싸는 외측 자극이 이격 배치되고, 상기 폐쇄 타측에는 상기 중앙 자극과 상기 외측 자극을 자기 결합하는 자심이 배치되어, 상기 개방 일측에서 플라즈마 전자의 가속 폐 루프를 형성하는 자기장부;
상기 자기장부 내에 구비되고, 상기 가속 폐 루프의 하부에 상기 자기장부와 이격 배치되는 전극; 및
상기 자기장부 내에 형성되고, 상기 외측 자극을 관통하여 상기 가속 폐 루프의 방향으로 가스를 공급하는 가스 주입부를 포함하며,
상기 가스 주입부는
상기 이온 소스의 외부로부터 가스가 유입하는 가스 튜브;
일측은 상기 가스 튜브에 연통되고, 상기 외측 자극의 길이 방향을 따라 폐 루프로 형성되는 가스 채널;
상기 외측 자극 내에 형성되고, 일측은 상기 가스 채널에 연통되고 타측은 상기 가속 폐 루프의 방향으로 연통되는 가스 확산 슬릿을 포함하는, 이온 소스.
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