KR101769844B1 - 이온주입기용 아크챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이온주입기용 아크챔버는 내부에 플라즈마를 형성하여 이온주입공정에 필요한 이온을 발생시키는 아크챔버로서, 상부가 개방되고 내부에 소정의 공간이 형성된 내열금속 바디와, 상기 내열금속 바디의 내부 공간에 장착되며, 곡면의 표면을 포함하는 곡면 충진부재와, 상기 곡면 충진부재의 표면과 동일한 형상을 가지며 상기 곡면 충진부재가 플라즈마에 노출되는 것을 방지하는 라이너를 포함한다.

Description

이온주입기용 아크챔버{Arc chamber for ion implanter}

본 발명은 이온주입기용 아크챔버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 플라즈마를 형성하여 이온주입기에서 반도체 웨이퍼에 주입할 이온을 생성하는 장치인 이온주입기용 아크챔버에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조공정은 크게 증착공정, 포토공정, 식각공정, 이온주입공정으로 이루어진다. 증착공정은 반도체 소자의 전도막 또는 절연막을 형성하는 공정으로서 스퍼터링, 화학증기증착 공정 등이 이용되고, 포토공정은 식각공정의 전단계로서 소정의 패턴을 가지는 광마스크로 감광성수지를 패터팅하는 공정이며, 식각공정은 상기 감광성수지 패턴을 이용하여 하부의 전도막 또는 절연막을 패터닝하는 공정이다.

이온주입공정은 실리콘 웨이퍼 상에 형성되는 전자소자의 동작특성을 제어하기 위한 공정으로서, 종래에는 열확산을 이용하여 불순물을 막의 내부에 도핑하는 공정이 이용되었으나, 최근에는 일정한 에너지를 가지는 이온을 막의 내부에 침투시켜 불순문을 도핑하는 이온주입법이 주로 이용되고 있다.

이온주입법을 이용한 불순물 도핑공정은 열확산 공정에 비하여 불순물의 농도 제어가 용이하고, 도핑되는 깊이를 조절하거나 한정하는데 유리하다는 장점을 가지고 있다. 이온주입법에는 이온주입기라는 장치가 이용되는데, 이온주입기는 불순물을 도핑할 이온을 생성시키는 이온발생부와 발생된 이온의 종류와 에너지를 제어하는 이온분석부로 이루어진다.

이온발생장치는 이온주입기에서 웨이퍼에 주입될 이온을 생성하기 위한 장치로서, 아크챔버의 내부 공간에 도핑가스를 주입하면서 플라즈마를 형성하여 이온을 생성시킨다. 아크챔버의 내부에는 전자를 방출하는 캐소드, 캐소드에서 방출된 전자를 밀어내는 리펠러가 설치되고, 전자들은 아크챔버 방향으로 가속되면서 플라즈마가 형성된다.

이온이 생성되는 동안에 아크챔버에는 열이 많이 발생하는데, 아크챔버는 주로 내열성 금속으로 이루어진다. 아크챔버는 플라즈마가 형성되는 공간이므로 아크챔버의 기하학적 형상에 의하여 플라즈마 생성 효율이 달라진다. 아크챔버의 형상에 관한 선행문헌인 한국등록특허 제0688573호는 중앙부가 양 끝 영역에 비하여 부피가 큰 형상의 아크챔버에 관하여 개시하고 있다. 그러나, 아크챔버는 가격이 비싸고 가공이 어려운 텅스텐 등의 금속으로 이루어지므로 내부 형상을 이와 같이 가공하는 경우, 아크챔버의 제조비용이 증가하는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 플라즈마 생성효율이 향상되며 제조비용이 절감되는 이온주입기용 아크챔버를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 이온주입기용 아크챔버를 포함하는 이온주입기용 이온발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 내부에 플라즈마를 형성하여 이온주입공정에 필요한 이온을 발생시키는 아크챔버로서, 상부가 개방되고 내부에 소정의 공간이 형성된 내열금속 바디와, 상기 내열금속 바디의 내부 공간에 장착되며 곡면의 표면을 포함하는 곡면 충진부재와, 상기 곡면 충진부재의 표면과 동일한 형상을 가지며, 상기 곡면 충진부재가 플라즈마에 노출되는 것을 방지하는 라이너를 포함하는 이온주입기용 아크챔버를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 내열금속 바디는 텅스텐, 몰리브덴, 레늄 또는 탄탈륨으로 이루어지고, 상기 곡면 충진부재는 탄소계 소재로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 내열금속 바디와 곡면 충진부재 사이의 공간에 가스유로가 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 가스유로를 형성하기 위하여 상기 내열금속 바디 또는 곡면 충진부재에 그루브를 형성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 라이너에는 가스홀이 형성되어 있고, 상기 가스홀과 상기 그루브 사이를 연결하는 가스유로가 상기 곡면 충진부재에 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 라이너에 형성된 가스홀은 상기 라이너의 하부와 측부에 복수개로 형성될 수 있다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 상기 이온주입기용 아크챔버를 포함하는 이온주입기용 이온발생장치를 제공한다.

본 발명의 이온주입기용 아크챔버는 아래의 효과를 가진다.

1. 아크챔버의 내부 공간이 곡면으로 형성되어서 플라즈마 생성 효율이 향상된다.

2. 아크챔버 내부 공간을 곡면으로 형성하기 위하여 가공이 용이한 탄소계 소재와 판상의 내열금속 소재 라이너를 이용하므로 아크챔버의 제조비용이 절감된다.

3. 내열금속 바디 또는 곡면 충진부재에 형성시킨 그루브를 이용하여 가스 유로를 형성함으로써 아크챔버 내부 공간에 균일하게 분포한 가스주입홀을 형성할 수 있고, 이로써 아크챔버 내부의 가스 압력을 균일하게 하여 플라즈마 생성 효율을 향상시킬 수 있다.

4. 아래쪽으로 오목한 내부표면을 가지는 곡면 충진부재와 위쪽으로 볼록한 내부표면을 가지는 곡면 충진부재를 함께 이용하여 전체적으로 둥근 단면을 가지는 아크챔버 내부 형상을 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 이온주입기용 아크챔버의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 이온주입기용 아크챔버의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 이온주입기용 아크챔버에 형성된 가스유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 아크챔버의 내열금속 바디 또는 곡면 충진부재에 형성된 그루브를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 곡면 충진부재가 상하로 분리된 구조의 이온주입기용 아크챔버를 도시한 것이다.
도 6은 곡면 충진부재가 상하로 분리된 구조의 이온주입기용 아크챔버의 조립과정을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 이온주입기용 아크챔버는 내부에 플라즈마를 형성하여 이온주입공정에 필요한 이온을 발생시키는 아크챔버로서, 상부가 개방되고 내부에 소정의 공간이 형성된 내열금속 바디와, 상기 내열금속 바디의 내부 공간에 장착되며, 곡면의 표면을 포함하는 곡면 충진부재와, 상기 곡면 충진부재의 표면과 동일한 형상을 가지며 상기 곡면 충진부재가 플라즈마에 노출되는 것을 방지하는 라이너를 포함한다.

본 발명의 이온주입기용 아크챔버는 아크챔버 내부에 곡면 충진부재와 라이너가 포함되어서 플라즈마 형성공간이 곡면의 표면을 가진다. 아크챔버는 공정 과정에서 열이 많이 발생하므로 텅스텐과 같은 내열금속으로 이루어지는데, 아크챔버 내부에 곡면을 형성하는 것은 가공 비용이 높은 문제점과 가공과정에서 사용되지 못하는 텅스텐 재료가 낭비되는 문제점을 가진다. 본 발명에서는 아크챔버의 외부를 형성하는 내열금속 바디의 내부에 곡면 형상의 표면을 가지는 카본 재질의 곡면 충진부재를 조립함으로써 아크챔버의 제조비용을 감소시키는 동시에, 내열금속 바디 또는 곡면 충진부재에 그루브를 가공하는 간단한 방식에 의하여 아크챔버 내부로 도핑가스를 주입하는 가스유로를 용이하게 형성하였다. 이와 같이 형성된 가스 유로는 아크챔버의 하부뿐 아니라 측부와 상부에도 가스유입 경로를 용이하게 형성할 수 있으므로 아크챔버 내부의 가스 압력을 균일하게 유지할 수 있는 장점을 가진다.

아래에서 도면을 이용하여 본 발명을 설명한다.

도 1은 종래의 이온주입기용 아크챔버의 구조를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 종래의 이온주입기용 아크챔버(100)는 아크챔버 바디(101), 이온추출 상판(102), 리펠러(103) 및 캐소드(104)를 포함한다. 아크챔버 바디(101)는 직육면체의 내부 공간을 가지고, 이를 위하여 하부, 양단부 및 양측부가 내열금속으로 이루어진 플레이트로 결합된다. 아크챔버 바디(101)는 내열성이 높은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 내열성 금속으로 이루어지고, 도면에는 도시하지 않았지만 플라즈마에 노출되는 내부 표면을 보호하기 위한 라이너가 설치될 수 있다. 아크챔버 바디(101)의 하부에는 가스가 유입되는 가스 주입관이 연결되는 것이 일반적이다. 아크챔버 바디(101)의 상부에는 이온추출 상판(102)이 설치되는데, 아크챔버에서 발생된 이온들은 이온추출 상판(102)에 형성된 구멍을 통하여 외부로 추출된다. 캐소드(104)와 리펠러(103)는 아크챔버의 양 끝 영역에 설치되는데, 캐소드(104)는 전자를 방출하고 리펠러는 방출된 전자를 밀어내서 플라즈마 생성 효율을 향상시킨다.

도 2는 본 발명의 이온주입기용 아크챔버의 구조를 도시한 것이다. 도 2의 (가)를 참조하면, 아크챔버(201)는 내열금속 바디(201), 곡면 충진부재(202) 및 라이너(203)를 포함한다. 내열금속 바디(201)는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 내열금속으로 이루어지고, 가공의 편의를 고려하여 육면체의 내부 공간을 가진다. 곡면 충진부재(202)는 내열금속 바다(201)의 내부에 체결되는데, 상부 및 측부의 표면이 곡면을 이루어 플라즈마가 형성되는 공간에서 각진 면을 최소화하고, 원형의 캐소드 및 리펠러와 동일한 단면을 가진다. 곡면 충진부재는 그래파이트와 같은 카본계 소재로 이루어지는데, 카본계 소재는 내열성 금속보다 가격이 싸고 가공이 용이하여서 아크챔버 내부를 곡면을 형성하는데 매우 유리하다. 곡면 충진부재(202)의 내부 표면에는 동일한 형상을 가지는 라이너(203)가 결합된다. 라이너는 판상의 내열성 금속으로 이루어지는데, 곡면을 가지는 라이너를 제작하는 방법은 판상의 텅스텐 소재를 내열강 소재의 곡면 틀(Mold, Jig 등) 위에 놓은 후 틀과 텅스텐 소재를 고온으로 가열한 후 가압 성형하면 용이하게 제작이 가능하다. 만약 본 발명과 같이 카본계 소재로 이루어진 곡면 충진부재를 이용하지 않고 아크챔버의 내부에 곡면을 형성하는 방법은, 첫 번째로 두꺼운 내열금속 바디의 소재를 가공하여 표면에 곡면을 형성하는 방법과, 두 번째로 곡면 충진부재 없이 곡면의 라이너를 적용하는 것이다. 그러나, 첫 번째 방법은 가공이 어려울 뿐 더러 낭비되는 텅스텐 소재가 많아서 경제성이 낮고, 두 번째 방법은 내열금속 바디와 라이너 사이에 빈 공간이 존재하여서 프라즈마에서 발생된 열이 외부로 빠져나기기 어려운 문제점을 가지고 있다. 도 2의 (나)를 참조하면, 소정의 두께를 가지는 내열금속 바디(201)의 내부에 곡면 충진부재(202)가 면을 접촉하면서 채워지고, 곡면 충진부재(202)의 내부면을 따라 동일한 형상으로 판상의 라이너(203)가 결합된다.

본 발명과 같이 곡면의 내부공간을 가지는 아크챔버는 플라즈마 생성 효율이 증대된다. 플라즈마 생성 효율이 높아지려면, 방전 형성 공간에 각진 면이 없고, 전체적으로 대칭인 구조에 가까운 것이 유리하다. 종래의 아크챔버와 같이 아크챔버 내부 공간이 직육면체인 경우에는 캐소드와 리펠러가 주변의 아크챔버 벽까지의 거리가 균일하지 않으므로 플라즈마 생성 효율이 낮아진다. 또한 방전 효율이 향상되기 위해서는 방전 공간 안에서의 가스 압력이 균일한 것이 유리한데, 본 발명에서는 아크챔버 내부에 균일하게 가스 유입홀을 형성할 수 있으므로 방전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 이온주입기용 아크챔버에 형성된 가스유로를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (가)는 본 발명의 아크챔버에서 가스유로가 형성된 영역의 단면을 도시한 것인데, 내열금속 바디(201)와 곡면 충진부재(202) 사이의 공간에 양쪽으로 분기되는 가스유로(204)가 형성되어 있고, 가스유로(204)는 곡면 충진부재(202)와 라이너(203)를 관통하면서 아크챔버 내부 공간으로 연결된다. 따라서, 이러한 구조에서는 아크챔버의 하부에 연결된 가스관에서 주입된 가스가 아크챔버의 하부 및 양 측부로 고르게 분사될 수 있다. 도 3의 (나)와 (다)를 참조하면, 라이너(203)에는 하부와 양 측부에 복수개의 라이너 가스홀(204a)이 형성되어 있고, 곡면 충진부재(202)에는 상기 라이너 가스홀(204a)에 대응하는 위치에 가스홀이 형성되어 있다. 라이너의 가스홀은 곡면 충진부재의 홀보다 작은 것이 바람직한데, 이는 카본계 소재가 플라즈마에 노출되는 것을 방지하기 위함이다.

본 발명의 아크챔버는 내열금속 바디와 곡면 충진부재 사이의 공간에 가스유로가 형성되어 있는 것이 특징이다. 이는 내열금속 바디의 내부공간에 곡면 충진부재를 설치하기 때문이다. 만약 곡면 충진부재만을 이용하는 경우에는 곡면 충진부재에 별도의 가스유로를 형성하여야 하는데, 아래쪽에서 위쪽으로 방향을 바꾸어 가면서 그래파이트 소재의 내부로 유로를 형성하는 것은 매우 어려운 가공공정이 필요하다. 반면에 본 발명에서는 내열금속 바디 또는 곡면 충진부재에 그루브를 형성하고, 곡면 충진부재의 내부에 일직선 형태의 유로를 가공하는 간단한 공정으로 플라즈마 생성 공간 내부에 복수개의 가스 주입홀을 형성할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 아크챔버의 내열금속 바디 또는 곡면 충진부재에 형성된 그루브를 도시한 것이다. 도 4의 (가)를 참조하면, 곡면 충진부재(202)의 하부면(도 4에서는 상부에 도시됨)과 측면에 그루브(204b)가 형성되어 있다. 각각의 그루브는 서로 연결되어서 하부에서 주입된 가스가 각각의 그루브를 따라 라이너 가스홀 방향으로 연결된다. 도 4의 (나)를 참조하면, 내열금속 바디(201)의 내부공간 하부 및 측부에 그루브(204c)가 형성되어 있다. 그루브는 내열금속 바디, 곡면 충진부재 또는 양쪽에 모두 형성될 수 있다.

아크챔버 내부의 공간은 단면이 원형에 가까울수록 플라즈마 생성 효율이 향상된다. 아크챔버의 위쪽 부분에는 이온추출 상판의 가스추출홀이 형성되어 있으므로, 곡면 충진부재의 단면은 완벽한 원형을 가지지 못하고 윗부분이 잘려진 형태를 가지게 되는데, 위쪽까지 곡면을 유지하는 것이 유리하다. 이러한 구조를 위한 구성을 도 5에서 설명한다.

도 5는 본 발명에 따라 곡면 충진부재가 상하로 분리된 구조의 이온주입기용 아크챔버를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 라이너(203)는 하부에만 곡면이 형성된 것이 아니고 상부에도 곡면이 형성되어 있다. 곡면 충진부재는 라이너의 측면 접선이 수직이 되는 위치에서 상부 곡면 충진부재(202b)와 하부 곡면 충진부재(202a)로 분리되어 있다. 이는 내열금속 바디(201)의 내부공간에 곡면 충진부재와 라이너를 조립되는 편의성을 고려한 것이다.

도 6은 곡면 충진부재가 상하로 분리된 구조의 이온주입기용 아크챔버의 조립과정을 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 내열금속 바디(201)에 하부 곡면 충진부재(202a)를 먼저 조립한다. 이어서, 하부 곡면 충진부재(202a)의 곡면에 라이너(203)를 조립한다. 이어서, 라이너(203)의 양측부에 상부 곡면 충진부재(202b)를 조립한다. 이때, 상부 곡면 충진부재와 하부 곡면 충진부재가 라이너의 측면 접선이 수직으로 되는 위치에서 서로 접하여야만 이러한 조립이 가능하다. 도면에서는 나타내지 않았지만, 내열금속 바디, 상부 곡면 충진부재, 하부 곡면 충진부재, 라이너의 위치를 고정하기 위한 별도의 홈이나 체결부가 추가로 형성될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 아크챔버 101 : 아크챔버 바디
102 : 이온추출 상판 103 : 리펠러
104 : 캐소드
200 : 아크챔버 201 : 내열금속 바디
202 : 곡면 충진부재 203 : 라이너
204 : 가스유로 204a : 라이너 가스홀
204b, 204c : 그루브

Claims (7)

1. 내부에 플라즈마를 형성하여 이온주입공정에 필요한 이온을 발생시키는 아크 챔버에 있어서,
   상부가 개방되고, 내부에 소정의 공간이 형성된 내열금속 바디;
   상기 내열금속 바디의 내부 공간에 장착되며, 아래쪽으로 오목한 내부표면을 가지는 하부 곡면 충진부재와 위쪽으로 볼록한 내부표면을 가지는 상부 곡면 충진부재; 및
   상기 각각의 곡면 충진부재의 표면과 동일한 형상을 가지도록 내열 금속 평판을 가열가압 성형하여 형성되고, 상기 곡면 충진부재가 플라즈마에 노출되는 것을 방지하는 하부 라이너와 상부 라이너;를 포함하되,
   상기 내열금속 바디와 곡면 충진부재 사이의 공간에 양쪽으로 분기되는 가스 유로가 형성되고, 상기 가스유로는 하부 곡면 충진부재와 하부 라이너를 관통하면서 아크챔버 내부 공간으로 연결되어 상기 아크챔버의 하부에 연결된 가스관에서 주입된 가스가 아크 챔버의 하부 및 양 측부로 고르게 분사되고,
   상기 하부 라이너에는 하부와 양 측부에 복수개의 라이너 가스홀이 형성되어 있고, 하부 곡면 충진부재에는 상기 라이너 가스홀에 대응하는 위치에 가스홀이 형성되어 있으며,
   여기서 상기 라이너 가스홀은 곡면 충진부재의 홀보다 작으며,
   상기 내열금속 바디 또는 하부 곡면 충진부재에 그루브를 형성하고, 하부 곡면 충진부재의 내부에 일직선 형태의 유로를 가공하여 플라즈마 생성 공간 내부에 복수개의 가스 주입홀을 형성하며,
   상기 하부 곡면 충진부재의 하부면과 측면에 그루브가 형성되고 각각의 그루브는 서로 연결되어 하부에서 주입된 가스가 각각의 그루브를 따라 상기 라이너 가스홀 방향으로 연결되거나, 혹은 상기 내열금속 바디의 내부공간 하부 및 측부에 그루브가 형성되고 각각의 그루브는 서로 연결되어 하부에서 주입된 가스가 각각의 그루브를 따라 상기 라이너 가스홀 방향으로 연결되어 아크챔버 내부의 가스 압력을 균일하게 유지하는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크챔버.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 내열금속 바디는 텅스텐, 몰리브덴, 레늄 또는 탄탈륨으로 이루어지고, 상기 곡면 충진부재는 탄소계 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크챔버.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1의 이온주입기용 아크챔버를 포함하되,
   상기 아크챔버는 내열금속 바디에 하부 곡면 충진부재를 조립하고, 상기 하부 곡면 충진부재의 곡면에 라이너를 조립 후 상기 라이너의 양측부에 상부 곡면 충진부재를 조립하되,
   상기 상부 곡면 충진부재와 하부 곡면 충진부재가 라이너의 측면 접선이 수직으로 되는 위치에서 서로 접한 것을 특징으로 하는 이온주입기용 이온발생장치.

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