KR101717629B1

KR101717629B1 - 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법

Info

Publication number: KR101717629B1
Application number: KR1020140135912A
Authority: KR
Inventors: 김태곤; 박경희; 윤주성
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2017-03-20
Also published as: KR20160042312A

Abstract

본 발명은, 이온빔을 이용하여 에칭, 임플란팅, 이온플레이팅 등 기판가공을 수행하는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법에 관한 것으로, 기판의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부(10), 이온빔에 의해 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버(20), 이온생성부(10)와 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 이온생성부(10)로부터 이온을 공급받은 후, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부(30), 기판을 지지하는 기판홀더(41)를 포함하여 이루어지는 기판홀더부(40)를 포함하여 이루어지고, 제1차이온빔제어부(30)에 의해 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔은, 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어되는 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치를 제공하며, 또한, 기판홀더(41)에 가공대상 기판을 고정하고, 공정챔버(20)의 내부압력을 강하시키고, 두 개 이상의 전극플레이트에 각각 서로 다른 소정의 전압을 인가하고, 기판홀더(41)에 기판홀더측제어전압을 인가하며, 이온생성부(10)에 반응가스를 주입한 후, 이온생성부(10)에 플라즈마 발생을 위한 고주파전력을 인가하며, 전단계에서 생성된 이온이 제1차이온빔제어부(30)를 통과하여 소정의 에너지를 갖는 이온빔이 되고, 다시 상기 이온빔이 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어되는 단계를 포함하는 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법을 제공한다.

Description

이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법{A manufacturing apparatus using ion-beam which makes it possible to multi-stage modulate ion-beam energy and a manufacturing method therewith}

본 발명은, 이온빔을 이용하여 에칭, 임플란팅, 이온플레이팅 등 기판가공을 수행하는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이온생성부로부터 이온을 추출하여 평행화하여 이온빔을 생성하는 제1단제어부와 제1단제어부로부터 인입된 이온빔을 가공에 적정한 에너지를 가지도록 제어하는 제2단제어부를 구비하도록 구성되는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법에 관한 것이다.

일반적으로 이온을 이용한 미세 가공은 이온밀링(Ion Milling)가공, 이온에칭(RIE)가공, 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB)가공, 이온 임플란팅(Ion Implanting) 등이 있으며, 이러한 이온 가공은 기본적으로 높은 에너지를 가진 이온이 가공대상물의 표면에 가속 충돌하여 가공대상물의 표면원자가 충격력에 의해 중성자, 이차전자, 이차이온들로 분해되며 튀어나오도록 하는 스퍼터링(sputtering)현상을 이용한다.

한국 공개특허 제 2014-0110607호(발명의 명칭 : 반응성 이온 빔 에칭 장치 , 이하 종래기술1 이라 한다.) 에서는 이온 빔을 생성하는 이온 소스와, 이온 빔을 이용한 공정이 수행되는 공정 챔버, 이온 소스와 공정 챔버 사이에 마련되고, 이온빔이 통과하도록 복수의 개구부가 형성되며, 복수의 개구부 각각의 형성 위치에 따라 복수의 개구부 각각의 면적이 다르게 형성됨으로써 복수의 개구부를 통과하여 공정 챔버에 가해지는 이온 빔의 에너지 및 전류 밀도가 균일해지도록 하는 그리드를 포함하는 반응성 이온 빔 에칭 장치를 개시하고 있다.

US

2014-0110607

A

종래기술1은, 오직 공정챔버와 이온소스 사이에 위치하는 그리드에서만 이온빔 입자의 에너지를 제어할 수 있고, 기판가공에 적정한 이온빔에너지를 확보하기 위해서는 그리드에 높은 전압을 인가하여야 하며, 이에 복수의 그리드 간에 아킹이 발생할 가능성이 높아 이온빔 추출효율이 감소할 수 있다는 제1문제점, 높은 전압이 그리드에 인가되는 경우, 그리드 자체가 스퍼터링될 가능성이 크고, 그 부산물이 가공대상 기판 위에 축적되어 기판 가공 품질을 저하시킬 수 있다는 제2문제점, 특히 가공 대상 기판의 상면에 유전층이 형성되어 있는 경우, 가공이 진행됨에 따라 이온빔 입자가 상기 유전층에 포집되어 가공도가 현저하게 감소할 수 있다는 제3문제점이 존재한다.

상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 기판의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부(10), 이온빔에 의해 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버(20), 이온생성부(10)와 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 이온생성부(10)로부터 이온을 공급받은 후, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부(30), 기판을 지지하는 기판홀더(41)를 포함하여 이루어지는 기판홀더부(40)를 포함하여 이루어지고, 제1차이온빔제어부(30)에 의해 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔은, 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어되는 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치를 제공한다.

또한, 기판홀더(41)에 가공대상 기판을 고정하고, 공정챔버(20)의 내부압력을 강하시키고, 두 개 이상의 전극플레이트에 각각 서로 다른 소정의 전압을 인가하고, 기판홀더(41)에 기판홀더측제어전압을 인가하며, 이온생성부(10)에 반응가스를 주입한 후, 이온생성부(10)에 플라즈마 발생을 위한 고주파전력을 인가하며, 전단계에서 생성된 이온이 제1차이온빔제어부(30)를 통과하여 소정의 에너지를 갖는 이온빔이 되고, 다시 상기 이온빔이 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어되는 단계를 포함하는 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법을 제공한다.

본 발명은, 제1차이온빔제어부(30)에서 이온빔 입자의 속도, 에너지를 1차적으로 제어하고 다시 기판홀더부(40) 및 제1차이온빔제어부(30)에 형성되는 전기장을 이용하여 이온빔 입자의 에너지를 2차적으로 제어할 수 있다. 이에 제1차이온빔제어부(30)로부터 생성된 1차적 이온빔의 상호작용(충돌 등) 등을 사후적으로 보정(compensation)하여 제어할 수 있어 최종적인 이온빔에너지를 양호하게 확보할 수 있다는 제1효과를 갖는다.

또한, 제1차이온빔제어부(30)에서는 이온생성부(10)로부터 추출되고 평행화한 이온빔을 생성하는 기능만을 수행하면 되므로, 과도하게 높은 전압을 가할 필요가 없고, 이에 전극플레이트간에 아킹이 발생할 가능성이 낮출 수 있고, 결과적으로 이온빔 추출효율이 증대되며, 부수적으로 전극플레이트 자체가 스퍼터링될 가능성을 낮출 수 있어, 부산물로 인한 기판 가공 품질을 저하 우려를 최소화할 수 있다는 제2효과를 갖는다.

또한, 가공 대상 기판의 상면에 유전층이 형성되어 있는 경우에 가공이 진행됨에 따라 상기 유전층에 포집되는 이온빔입자를 기판으로부터 박리하는 구성을 통해 기판 가공도가 높게 유지할 수 있다는 제3효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 이온빔가공장치의 일실시예에 따른 구성을 나타내는 모식도이다.
도2는 본 발명의 기판홀더측제어전압 파형의 일실시예(구형파)를 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 기판홀더측제어전압 파형의 일실시예(변형된 구형파)를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 기판의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부(10), 이온빔에 의해 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버(20), 이온생성부(10)와 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 이온생성부(10)로부터 이온을 추출하며, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부(30), 기판을 지지하는 기판홀더(41)를 포함하고, 기판홀더측제어전압이 인가되는 기판홀더부(40)를 주요구성요소로 갖는다.

본 발명을 이온/이온빔의 관점에서 보면, 이온생성부(10)에서는 반응가스를 공급하고 고주파 전력을 가하여 플라즈마 상태의 이온을 생성하며, 이후, 이온생성부(10)와 공정챔버(20) 간의 배압차이에 의해 이온이 제1차이온빔제어부(30)측으로 이동하고, 제1차이온빔제어부(30)에서는 이온을 추출하고, 소정의 에너지를 가지도록 가속 또는 감속한다. 제1차이온빔제어부(30)로부터 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온은 소정의 방향성과 에너지를 지닌 것이므로 이온빔이라 칭할 수 있으며, 이러한 이온빔은 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더(41) 사이에 존재하는 전기장에 의해 가속 제어되어 기판 가공을 위한 소정의 에너지를 갖게 되는 상태에서 기판에 충돌하여 가공을 수행하게 된다.

이하, 각 구성요소별로 상술하기로 한다.

이온생성부(10)는, 기판의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 하며, 이를 위해 반응가스공급부(11) 및 플라즈마파워발생부(12)를 구비하여야 한다. 플라즈마파워발생부(12)로부터 발생한 고주파전력은 자기장을 발생시키고, 이러한 자기장의 시간적 변화에 의해 이온생성부(10)내에 전기장이 유도되며, 유도된 전기장에 의해 가속된 전자 등은 반응가스를 이온화시키고 플라즈마상태를 야기한다. 플라즈마파워발생부(12)가 고주파전력을 인가하는 방식으로는, 이온생성부(10)의 서로 절연된 두 부위에 각각 전극을 형성하는 방식(capacitive 방식)도 고려할 수 있으나, 도 1에 도시된 실시예에서는 고주파코일(13)에 고주파전력을 인가하는 방식(inductive 방식)이 적용되고 있는데, 후자는 전자에 비해 더 높은 플라즈마 이온 밀도를 생성할 수 있다는 장점이 있다.

공정챔버(20)는 이온빔에 의해 상기 기판의 가공이 이루어지는 공간을 포함하며, 이러한 공간은 기판 가공을 위한 이온빔이 타 분자와의 충돌 없이 진행할 수 있는 평균자유행로(mean free path)를 충분히 확보하기 위해 공정챔버(20)내의 타 분자밀도를 낮추도록 진공펌프(25)가 설치될 수 있다. 이렇게 되면, 전술한 이온생성부(10)와 공정챔버(20)간에는 압력차가 발생하며 -후술할 제1차이온빔제어부(30)의 전극플레이트에 구비된 개구부의 존재에도 불구하고- 일반적으로 2배이상 차이가 나는데, 이러한 압력차는 이온생성부(10)에서 발생한 플라즈마를 공정챔버(20)방향으로 이동시키는 원인으로 작용한다. 또한, 공정챔버(20)는 하부에 미반응 이온, 반응부산물 등을 배출하는 기능을 하는 배기부를 구비할 수 있다. 공정챔버(20)는 비도전 특성을 가져야 하므로, 석영 또는 파이렉스 등의 재질로 제조하여야 한다.

제1차이온빔제어부(30)는, 이온생성부(10)와 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 이온생성부(10)로부터 이온을 추출하고, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 수행한다. 다만, 후술하는 바와 같이 기판 가공에 적합한 최종적인 에너지를 확보하는 것은 공정챔버(20) 내부의 전기장에 의해 이루어지므로, 제1차이온빔제어부(30)에서 갖추게 되는 이온빔의 에너지는 이온생성부(10)로부터 추출된 이온이 평행화(colimated)하여 이온빔으로서 형성되는 과정에서 갖추게 된 에너지를 의미한다. 제1차이온빔제어부(30)는 그 일실시예로서 여러 개의 전극플레이트로 구성할 수 있으며, 도 1에 도시된 실시예에서는 3개의 전극플레이트로 구성된 제1차이온빔제어부(30)가 나타나 있다. 이러한 구성을 통해 이온빔의 평행화(colimation) 및 에너지 특성 등을 조정할 수 있게 되는데, 이는 각 전극플레이트에 서로 다른 전압-직류 또는 교류-을 가하는 것으로써 구현한다. 일례로, 3개의 전극플레이트로 구성된 제1차이온빔제어부(30)에 있어서, 이온생성부(10)측의 전극플레이트(제1전극플레이트(35))에는 직류 0 V(또는 작은 크기의 양의 전압)을, 가운데 위치한 전극플레이트(제2전극플레이트(36))에는 큰 크기의 음의 직류전압을, 공전챔버측의 전극플레이트(제3전극플레이트(37))에는 직류 0 V(또는 작은 크기의 양의 전압)을 인가할 수 있는데, 이렇게 되면, 제1전극플레이트(35)와 제2전극플레이트(36) 사이에 형성되는 전기장에 의해 이온이 이온생성부(10)로터 추출 및 가속되며, 제2전극플레이트(36)의 개구부를 통과한 이온은 다시 제2전극플레이트(36)와 제3전극플레이트(37) 사이에 형성되는 전기장에 의해 감속된다. 이렇게 가속과 감속을 반복하면서, 이온은 각 전극플레이트의 개구부의 중심에 집중되는 이온빔을 형성하게 되는 것이다. 전술한 바와 같이 복수개의 전극플레이트를 두고, 이온빔 입자에 대해 가속과 감속을 반복하는 이유는, 이온빔 집속을 위한 광학계를 설계할 때 구면수차(spherical aberration) 및 코마수차(comal aberration) 등의 수차(aberration)를 보정하는 것을 고려해야 하기 때문이다. 즉, 본 발명의 제1차이온빔제어부(30)에서의 입자에 대한 가속 및 감속은, 일반 광학계에서 볼록렌즈 또는 오목렌즈를 번갈아 사용하면서, 구면수차 및 코마수차를 보정하는 것과 유비관계(analogous)가 있다는 것이다. 집속되는 빔의 수차를 줄이기 위해, 다수의 전계렌즈와 각각의 전계렌즈에 걸리는 전압의 세기를 이용하여 제어한다. 요컨대, 이온 입자의 가공을 위한 운동에너지 측면만 고려한다면, 단계마다 점차적으로 가속만을 통해 이온을 추출하겠지만, 수차보정 측면에서는 가속 및 감속이 모두 필요하게 되는 것이다.

이 때, 각 전극플레이트에 인가되는 전압은 이온이 상기 각 전극플레이트의 표면에 충돌하는 것을 최소화하도록 결정되어야 한다. 특히, 각 전극플레이트에 교류전압을 인가하는 경우, 전기장 방향을 일관되게 확정하기 위해 각 전극플레이트에 가하여지는 교류전압은 그 위상이 동일하게 세팅되어야 한다. 전술한 바와 같이 전극플레이트에 전압을 가하기 위해 별도의 가압모듈-직류원 또는 교류원-을 구비할 수도 있다.

제1차이온빔제어부(30)를 구성하는 각 전극플레이트는 서로 평행하게 설치되며, 후술할 개구부가 서로 정렬되어 설치되어야 한다. 각 전극플레이트의 간격은, 이러한 간격이 각 전극플레이트에 전압이 인가되었을 때 형성되는 전기장의 크기와 관련있음을 고려하여 결정되어야 한다. 전극플레이트의 두께는 후술할 전극플레이트의 개구부 의 길이와 같게 되는데, 개구부의 길이가 너무 길어지면 이온이 통과하면서 개구부의 내측면에 충돌하여 손실이 발생할 수 있으므로, 그 길이는 제한되어야 한다.

전극플레이트에 구비되는 개구부는, 이온생성부(10)로부터 이온을 추출하고, 추출된 이온을 전기장에 의해 가속 또는 감속하고, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 공정챔버(20) 내부로 인입시키기 위한 통로역할을 하며, 그 형상은 슬릿, 원형, 타원형 등을 적용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 개구부의 크기가 클수록 이온빔 플럭스 크기를 증대시킨다는 장점이 있으나, 너무 커지게 되면, 전극플레이트가 이온생성부(10)와 공정챔버(20)를 분리한다는 본질적인 기능을 수행하지 못하게 될 것임을 감안하여야 한다. 개구부의 개수 및 간격은 이온빔 플럭스 크기 뿐만 아니라 이온생성부(10)와 공정챔버(20) 사이의 압력차이에도 관계있음을 고려하여 결정하여야 하는데 이들 값이 작게 설정되면, 공정챔버(20)의 압력을 더 낮출 수 있고, 이는 이온중성화충돌 빈도를 낮추어 이온빔의 평균자유행로(mean free path)를 길게 함으로써, 더 많은 유효가공에너지를 갖는 이온빔이 기판에 도달할 수 있는 효과를 가져온다. 이온생성부(10)에 생성되는 플라즈마는 그 위치에 따라 이온 밀도가 상이한데, 이를 보정하여 전면적에 대하여 동일한 이온밀도를 확보하게 하기 위하여 개구부 크기를 전극플레이트의 위치에 따라 조정하는 것을 고려할 수 있다. 일반적으로 고주파코일(13)을 이용하여 생성하는 이온 플라즈마는 중심부의 밀도가 더 크다는 것을 감안할 때, 전극플레이트의 개구부의 실시예로서, 전극플레이트의 중앙부의 개구부의 크기를 작게하고, 주변으로 갈수록 개구부의 크기를 크게 하는 것을 고려할 수 있을 것이다.

또한, 전술한 바와 같이 전극플레이트에는 전압이 인가되기 때문에, 각 전극플레이트는 금속 등의 도전성 재질로 이루어져야 한다. 다만, 공정이 진행되면서, 공정부산물이 전극플레이트상에 적층되고, 이로 인해, 각 전극플레이트 간의 전기적 절연이 파괴되어 아크/스파크 가 발생할 가능성이 있으며, 이는 본 발명에서 각 전극플레이트에 상당히 큰 크기의 전압이 인가되기에 더욱 그러하다. 이를 방지하기 위해, 전극플레이트 표면에는 절연박막를 형성하는 것을 고려할 수 있다. 이러한 절연재료로서는 DLC(diamond like carbon), 석영(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화이트륨(Y2O3), 질화붕소, PEEK 등으로부터 선택할 수 있으며, 박막형성 기법으로는 CVD, 스프레이코팅기법 등을 고려할 수 있다.

기판홀더부(40)는 가공 대상인 기판을 지지하는 기판홀더(41)를 포함하여 이루어진다. 기판 홀더는 가공 대상인 기판을 고정하고 지지하는 제1기능, 기판홀더측제어전압이 인가되어 제1차이온빔제어부(30)에 의해 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔을 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속하여 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 제어하는 제2기능을 수행한다.

제1기능과 관련하여서, 기판홀더(41)는 전술한 제1차이온빔제어부(30)와 평행하도록 설치할 수도 있으나, 수평면에 대해 소정의 각도로 비스듬히 위치(틸팅)되게 하는 것을 고려할 수 있다. 이는 틸팅각도가 이온빔의 기판 표면으로의 입사각과 관련되고, 이러한 이온빔입사각은 가공도와 소정의 함수관계가 있기 때문이고, 또한, 틸팅각도를 두고 기판을 위치시켜야 기판에 트렌치(trench)형상 등 구조가공이 가능하기 때문이기도 하다. 또한, 기판홀더(41)를 소정의 속도로 회전하도록 기판홀더부(40)를 구성하는 것을 고려할 수 있는데, 이는 회전축을 대칭축으로 하여 대칭적으로 가공이 일어나게 하기 위함이다. 이러한 틸팅 및 회전을 위한 구현을 위해 별도의 구성은 공지된 기술을 채택하여 구현할 수 있다.

제2기능과 관련하여, 기판홀더(41)에는 기판홀더측제어전압이 인가된다. 기판홀더측제어전압은, 두 개 이상의 전극플레이트 중 공정챔버(20)와 가장 가까운 전극플레이트-전술한 실시예에서는 제3전극플레이트(37)-와 기판홀더의 사이에 형성되는 전기장이 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔을 기판홀더(41) 방향으로 가속시킬 수 있도록 결정된다. 일례로, 상기 실시예에서, 제3플레이트가 그라운드 되었다면, 기판홀더측제어전압은 음의 전압으로 인가되어야 전기장이 기판홀더(41)방향으로 형성되므로, 양의 전하를 갖는 이온빔 입자를 기판홀더(41)방향으로 가속할 수 있게 된다. 기판홀더측제어전압의 크기는, 제1차이온빔제어부(30)로부터 생성되어 공정챔버(20)로 인입되는 순간의 이온빔의 에너지와 기판 가공에 필요한 적정 에너지를 모두 고려하여, 그 값들의 차이를 기판홀더(41) 및 제1차이온빔제어부(30)간에 형성되는 전기장이 제공할 수 있도록 결정되어야 한다.

기판홀더측제어전압의 파형으로서 상수값을 갖는 단순 직류파형을 선택할 수 있고, 구형파(square wave) 파형을 갖는 직류전압으로서 인가하는 것도 가능하다. 구형파는 방형파라고도 하는 사각형의 파형-최대값부분 및 최소값부분은 각각 일정한(constant) 크기를 가짐- 이며, 파형의 최대값 부분과 최소값부분이 소정의 시간적 비율로서 반복되는 것이다. 다만, 구형파 파형의 최소값부분은, 공정챔버(20)에서 생성되는 전기장의 방향이 제1차이온빔제어부(30)에서 기판홀더(41) 방향으로 설정되어야 함을 감안하여, 결정되어야 한다. 일례로, 상기 실시예에서, 제3플레이트가 그라운드 되었다면, 기판홀더측제어전압의 최소값은 음의 전압이 인가되어야 양의 전하를 갖는 이온빔 입자를 기판홀더방향으로 가속할 수 있게 된다.

가공 대상 기판은 금속판일 수도 있지만, 최외각 상단에 산화막층 등 유전층(dielectric layer)이 형성되는 실시예도 고려할 수 있는데, 이러한 경우, 이온빔이 기판 위에 형성되어 있는 상기 유전층을 충격하여 가공-에칭, 이온플레이팅 등-이 일어나면서 이온빔입자가 상기 유전층에 포집되는 현상이 발생할 수 있고, 이러한 현상이 장시간 지속되는 경우, 계속하여 이온빔입자가 축적되어 기판 전하량(양의 전하량)의 크기가 점점 증가하게 된다. 그 결과, 축적된 전하는 새로운 이온빔입자가 기판 표면으로 접근하였을 때, 반발력(쿨롱힘)으로 작용하게 되고, 이는 이온빔입자의 운동에너지(가공을 위한 적정 에너지)를 감소시켜 가공도를 저하시키거나, 추가적으로 해당 이온빔입자를 기판의 유전층에 포집되게 한다. 이러한 부작용을 방지하기 위해, 구형파로서의 기판홀더측제어전압을 인가함에 있어, 그 최대전압값은 양이고, 최소전압값은 음으로 설정할 수 있다. 이러한 구성에서는 양의 최대전압이 인가되는 구간에서는 포집된 이온빔입자를 박리하는 과정이 진행되고, 음의 최소전압이 인가되는 구간에서는 에칭 등의 가공이 진행될 것이다. 양의 최대전압값의 크기는 지나치게 크게 할 필요는 없고, 유전층에 포집된 이온빔입자를 유전층으로부터 배출하거나, 새로운 이온빔입자가 유전층에 포집되는 것을 방지할 정도면 충분함을 감안하여 그 크기를 결정한다. 이 때, 이러한 구형파로서의 기판홀더측제어전압 파형에 있어, 양인 최대전압구간의 전체 주기에 대한 비율(duty rate)을 고려할 수 있는데, 음인 최소전압구간에서 가공이 이루어짐을 감안할 때, 가공시간을 최대로 확보하기 위해서라면 그 값을 50% 이하로 할 수 있지만, 유전층에 포집된 이온빔입자를 유전층으로부터 배출하는 것이 더 중요한 경우에는 그 값을 50% 이상으로 할 수 있을 것이다.

또한, 기판홀더측제어전압은, 구형파 파형의 일부위가 변형된(shaped) 파형- 소위 shaped DC- 로 하는 것을 고려할 수 있다. 유전층이 형성된 기판에 이온빔 가공을 할 경우 이온빔에 의해 유전층에 입사되는 전류(i)는, 기판에 축적되는 전하 및 기판전압과, 아래 식1의 관계를 가지면서 기판에 입사된다. 즉, 전압의 시간미분형태(dV(t)/dt)에 비례하여 이온빔이 입사하게 되므로, 변형된 파형의(shaped) 구형파를 이용하여 기판전압이 시간에 따라 변하도록 제어를 한다면, 이를 이용하여 시간에 따라 기판에 입사하는 이온의 분포를 제어할 수 있는 효과가 있다. 일례로, 변형된 파형의(shaped) 구형파가 시간에 대해1차 비례하는 형태(삼각파, V(t)=a?t)로 인가된다면, 기판에 입사하는 빔 전류는 I(t)=a(a는 상수) 형태로서 입사될 것이다.

(식1)

또한, 이러한 구성을 통해, 일반적인 구형파를 인가하였을 때보다 가공공정에서의 가공 깊이 또는 해당 깊이 별 가공정도(가공량)-이온주입밀도 등-를 정밀하게 제어할 수 있고, 나아가, 유전층이 형성된 기판에서 축적된 이온빔 입자의 제거 패턴을 제어할 수 있어, 가공성 증대에도 기여할 수 있다.

이하, 본 발명의 이온빔가공장치를 이용하는 이온빔가공방법의 일실시예에 대해 설명하기로 한다. 첫째, 기판홀더(41)에 가공대상 기판을 설치 및 고정한다. 이 때, 기판가공을 위해 틸팅이 필요한 경우, 기판홀더부(40)를 조정하여 틸팅을 위한 세팅과정을 수행한다. 둘째, 공정챔버(20)의 내부압력을 감소시킨다. 이는 공정챔버(20)에 구비되는 진공펌프(25) 등을 이용하여 수행할 수 있다. 셋째, 제1차이온빔제어부(30)를 구성하는 전극플레이트 각각에 소정의 전압을 인가하고, 기판홀더(41)에 사전 설정된 기판홀더측제어전압을 인가한다. 넷째, 이온생성부(10)에 이온빔의 재료가 되는 반응가스를 주입한다. 이는 반응가스공급부(11)를 이용하여 수행할 수 있다. 다만, 네번째 단계는 세번째 단계 이전에 수행할 수도 있음을 감안한다. 다섯째, 이온생성부(10)에 이온플라즈마 발생을 위한 고주파전력을 인가한다. 이는 플라즈마파워발생부(12)를 통해 수행할 수 있다. 여섯째, 전단계에서 생성된 이온이 제1차이온빔제어부(30)를 통과하여 소정의 에너지를 갖는 이온빔이 되고, 일곱째, 전단계의 이온빔이 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어된다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

1 : 가공 대상 기판
10 : 이온생성부
11 : 반응가스공급부
12 : 플라즈마파워발생부
13 : 고주파코일(13)
20 : 공정챔버
25 : 진공펌프
29 : 배출구
30 : 제1차이온빔제어부
전극플레이트
35 : 제1전극플레이트(35)
36 : 제2전극플레이트
37 : 제3전극플레이트
40 : 기판홀더부
41 : 기판홀더
Vcontrol : 기판홀더측제어전압

Claims

기판(1)의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부(10);
이온빔에 의해 상기 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버(20);
상기 이온생성부(10)와 상기 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 상기 이온생성부(10)로부터 이온을 공급받은 후, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부(30);
상기 기판을 지지하는 기판홀더를 포함하여 이루어지는 기판홀더부(40);
를 포함하여 이루어지고,
상기 제1차이온빔제어부(30)에 의해 상기 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔은, 상기 제1차이온빔제어부(30)와 상기 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 상기 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어되고,
상기 제1차이온빔제어부(30)는, 상기 이온생성부(10)에서 생성된 이온이 통과하도록 형성된 복수개의 개구부가 각각 구비되는 두 개 이상의 전극플레이트를 포함하여 이루어지며,
상기 두 개 이상의 전극플레이트는 서로 평행하고 상기 복수개의 개구부가 정렬되도록 설치되고, 각각 서로 다른 소정의 전압들이 인가되며, 상기 전압들은, 상기 두 개 이상의 전극플레이트 중 인접한 한 쌍의 전극플레이트간에 형성된 전기장이, 이온을 상기 공정챔버(20) 방향으로 가속 또는 감속시킬 수 있도록 결정되고,
상기 기판홀더(41)에는 기판홀더측제어전압이 인가되고,
상기 기판홀더측제어전압은, 상기 두 개 이상의 전극플레이트 중 상기 공정챔버(20)와 가장 가까운 전극플레이트와 상기 기판홀더(41)의 사이에 형성되는 전기장이 상기 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔을 상기 기판홀더(41) 방향으로 가속시킬 수 있도록 결정되는 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 기판홀더측제어전압은, 구형파(square wave) 파형을 갖는 직류전압으로서 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치.
청구항 4에 있어서,
상기 구형파 파형의 기판홀더측제어전압의 최대전압값은 양이고, 최소전압값은 음인 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치.
청구항 4에 있어서,
상기 기판홀더측제어전압은, 구형파 파형의 일부위가 변형된(shaped) 직류전압인 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 두 개 이상의 전극플레이트의 표면에는 각각 절연박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치.
청구항 1의 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법에 있어서,
(i) 상기 기판홀더(41)에 가공대상 기판을 고정하는 단계(s10);
(ii) 상기 공정챔버(20)의 내부압력을 강하시키는 단계(s20);
(iii) 상기 두 개 이상의 전극플레이트에 각각 서로 다른 소정의 전압을 인가하고, 상기 기판홀더(41)에 상기 기판홀더측제어전압을 인가하는 단계(s30);
(iv) 상기 이온생성부(10)에 반응가스를 주입하는 단계(s40);
(v) 상기 이온생성부(10)에 플라즈마 발생을 위한 고주파전력을 인가하는 단계(s50);
(vi) 상기 (v)단계에서 생성된 이온이 상기 제1차이온빔제어부(30)를 통과하여 소정의 에너지를 갖는 이온빔이 되는 단계(s60);
(vii) 상기 (vi)단계의 이온빔이 상기 제1차이온빔제어부(30)와 상기 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 상기 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어되는 단계(s70);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법.
청구항 8에 있어서,
상기 (iii) 단계는, 상기 (iv)단계 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법.
에칭가공된 표면을 구비하는 기판에 있어서,
표면가공은, 청구항 8 또는 청구항 9의 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에칭가공된 표면을 갖는 기판.
임플란팅 가공된 표면을 구비하는 기판에 있어서,
표면가공은, 청구항 8 또는 청구항 9의 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임플란팅 가공된 표면을 갖는 기판.