KR102365700B1 - 이온원과 이온 주입 장치 및 이온원의 운전 방법 - Google Patents

이온원과 이온 주입 장치 및 이온원의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온원의 이온 생성 용기 내에서 이온화 가스와 이온원료를 반응시켜 이온을 생성할 때의 부생성물에 의한 절연막에 기인하는 이상 방전을 억제하는 기술을 제공한다. 본 발명의 이온원은 냉각 기구를 갖는 진공조(10A)와, 진공조(10A) 내에 설치되고, 이온화 가스와 이온원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기(11)와, 진공조(10A) 내에 설치되고, 이온 생성 용기(11) 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 인출 전극(15)과, 진공조(10A) 내벽(10d)의 내측 근방에 설치되고, 이 진공조(10A) 내벽(10d)에 대한 절연물의 부착을 차단하기 위한 도전성 금속으로 이루어진 본체부(31)를 갖는 차폐 부재(30)를 구비한다. 차폐 부재(30)의 본체부(31)에, 진공조(10A) 내벽(10d)에 대하여 이간되어 장착되도록 진공조(10A) 내벽(10d)에 접촉하여 본체부(31)를 지지하는 복수의 돌기 형상의 지지부(32)가 설치되어 있다.

Description

이온원과 이온 주입 장치 및 이온원의 운전 방법
본 발명은 이온원 관한 것으로, 특히 이온 주입 장치에 이용하는 이온원의 유지 관리 기술에 관한 것이다.
최근 기존의 실리콘(Si) 기판에 비해 내열성/내전압성이 우수한 탄화 규소(SiC) 기판의 제조 방법이 확립되어, 비교적 저렴하게 구할 수 있게 되었다.
SiC 기판을 이용한 과정에서는 알루미늄 이온을 도펀트로 주입하는 과정이 있으며, 알루미늄 이온 빔을 생성하는 이온원를 갖는 이온 주입 장치가 사용되고 있다.
도 10은 종래의 이온원의 내부를 나타내는 단면도이다.
도 10에 나타내는 바와 같이,이 이온원(50)은 스테인리스 등의 금속에 의해, 예를 들면 원통 형상으로 형성되어 진공 배기 장치(미도시)에 접속된 진공조(51)를 가지며, 이 진공조(51)의 내부에 이온화 가스와 이온 원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기(52)와, 이온 생성 용기(52) 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 인출 전극(53)이 설치되어 있다.
여기에서, 이온 생성 용기(52)는 진공조(51) 내의 빔 사출공(51a)측의 위치에 금속으로 이루어진 지지 기구(54)에 의해 지지되어 있다. 이 지지 기구(54)는 진공조(51)의 덮개부(51c)와 일체적으로 구성되며, 또한 덮개부(51c)는 금속으로 이루어지고, 애자(55)에 의해 진공조(51)에 대하여 전기적으로 절연되어 있다.
그리고 인출 전원(56)으로부터 덮개부(51c) 및 지지 기구(54)를 통해 이온 생성 용기(52)에 플러스 전압을 인가함과 동시에, 애자(57)에 의해 진공조(51)에 대하여 전기적으로 절연된 인출 전극(53)에 가속 전원(58)으로부터 마이너스 전압을 인가하도록 구성되어 있다.
이러한 이온원(50)에 있어서 알루미늄 이온을 생성하는 경우에는, 이온 생성 용기(52) 내에 설치된 알루미늄나이트라이드 또는 알루미나와 이온 생성 용기(52) 내에 도입된 불소계 가스(예를 들면 PF3)를 반응시켜 이온화(플라즈마화)하고, 인출 전극(53)으로의 전압 인가에 의해 이온 빔을 이온 생성 용기(52)의 슬릿(52a)으로부터 인출하여, 인출 전극(53)의 빔 공(53a)을 통하여 진공조(51)의 빔 사출공(51a)으로 방출한다.
그러나 이러한 알루미늄나이트라이드 등과 PF3를 반응시키는 방법에서는 부생성물로서 절연성의 불화알루미늄(AlFx)이 발생하고, 이 발생한 불화알루미늄이 진공조(51) 내의 내벽에 부착한 절연막(절연막(160, 161) 중 특히 절연막(160))에 의해 진공조(51) 내에서 이상 방전을 일으킨다는 문제가 있다.
이러한 이상 방전이 발생하면, 이온 빔 전류가 변동하여 이온 주입 대상물의 수율이 저하될 뿐만 아니라 전자 노이즈에 의해 이온 주입 장치의 전원이나 진공 펌프의 고장을 일으킬 수도 있다.
이 때문에 종래에는 이상 방전이 자주 발생하는 경우에는, 이온원(50)의 진공조(51)를 대기로 개방하여 절연막(160)을 제거하도록 하고 있는데, 종래 기술에서는 이러한 메인터넌스를 자주 해야만 하므로 생산 효율을 악화시키는 과제가 있었다.
일본 특개평 5-182623호 공보
본 발명은 상기 종래 기술의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 이온원의 이온 생성 용기 내에서 이온화 가스와 이온 원료를 반응시켜 이온을 생성할 때의 부생성물에 의한 절연막에 기인하는 이상 방전을 억제하는 기술을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명은 냉각 기구를 갖는 진공조와, 상기 진공조 내에 설치되고, 이온화 가스와 이온원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기와, 상기 진공조 내에 설치되고, 상기 이온 생성 용기 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 인출 전극과, 상기 진공조 내벽의 내측 근방에 설치되고, 이 진공조 내벽에 대한 절연물의 부착을 차단하기 위한 도전성 금속으로 이루어진 본체부를 갖는 차폐 부재를 구비하고, 상기 차폐 부재의 본체부에, 상기 진공조 내벽에 대하여 이간되어 장착되도록 이 진공조 내벽에 접촉하여 상기 본체부를 지지하는 복수의 돌기 형상의 지지부가 설치되어 있는 이온원이다.
본 발명에서는, 상기 차폐 부재는 상기 진공조에 대하여 탈착 가능하게 구성되어 있는 경우에도 효과적이다.
본 발명에서는, 상기 차폐 부재는 상기 진공조 내에 장착했을 때 이 진공조의 내벽과 도통하도록 구성되어 있는 경우에도 효과적이다.
상기 차폐 부재는 상기 본체부가 판상의 부재로 이루어지는 경우에도 효과적이다.
상기 차폐 부재는 상기 본체부가 원통 형상으로 형성되어 있는 경우에도 효과적이다.
한편, 본 발명은 이온 주입 장치로서, 냉각 기구를 갖는 진공조와, 상기 진공조 내에 설치되고, 이온화 가스와 이온원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기와, 상기 진공조 내에 설치되고, 상기 이온 생성 용기 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 인출 전극과, 상기 진공조 내벽의 내측 근방에 설치되고, 이 진공조 내벽에 대한 절연물의 부착을 차단하기 위한 도전성 금속으로 이루어진 본체부를 갖는 차폐 부재를 구비하고, 상기 차폐 부재의 본체부에, 상기 진공조 내벽에 대하여 이간되어 장착되도록 이 진공조 내벽에 접촉하여 상기 본체부를 지지하는 복수의 돌기 형상의 지지부가 설치되어 있는 이온원을 가지며, 이 이온원으로부터 방출된 이온 빔을 기판에 조사하여 주입하도록 구성되어 있는 이온 주입 장치이다.
또한, 본 발명은 냉각 기구를 갖는 진공조 내에 설치되고, 이온화 가스와 이온 원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기를 가지며, 상기 이온 생성 용기 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 이온원에 있어서, 상기 이온원의 작동 중에, 상기 이온 생성 용기 내에서의 반응 과정에서 부생성물로 발생하여 상기 진공조 내에 부착된 절연막을 가열하는 공정을 갖는 이온원의 운전 방법이다.
본 발명에서는 진공조의 내벽에 대한 절연물의 부착을 막기 위한 도전성 금속으로 이루어지는, 예를 들면 판상의 본체부를 갖는 차폐 부재를 진공조 내벽의 내측 근방에 설치함으로써, 이온원의 이온 생성 용기 내에서 이온화 가스와 이온 원료를 반응시켜 이온을 생성할 때의 부생성물에 의한 절연막은 진공조 내벽에는 부착되지 않고 차폐 부재의 본체부의 표면, 즉 내벽에 부착된다 .
이 차폐 부재의 본체부에는 냉각 기구를 갖는 진공조의 내벽에 대하여 이간되어 장착되도록 진공조의 내벽에 접촉하여 본체부를 지지하는 복수의 돌기 형상의지지부가 설치되어 있기 때문에, 이온원의 작동 중에 차폐 부재의 본체부의 온도는 냉각기구에 의해 냉각되어 있는 진공조 내벽의 온도의 영향을 거의 받지 않아, 진공조 내의, 예를 들면 이온 생성 용기로부터의 복사열의 영향을 받아 고온(수백 ℃ 정도)으로 유지된다.
그 결과, 본 발명에 따르면, 차폐 부재의 본체부의 내벽에 부착된 절연막의 온도 수백℃ 정도로 되어 있으며, 이로 인해 절연막의 저항값이 저하되어 이상 방전의 발생이 억제되므로, 종래 기술과 비교하여 이온원의 메인터넌스 주기를 길게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 차폐 부재의 돌기 형상의 지지부와 진공조 내벽이 복수의 접점에서 접촉하고 있으며, 진공조 내의 온도 변화에 따라 이들 복수의 접점 부분이 팽창/수축함으로써 이 접점 부분이 이동하므로, 이로 인해 진공조 내벽의 산화 피막의 제거를 오랜 기간에 걸쳐 자동적으로 수행할 수 있다(셀프 크리닝).
한편, 본 발명에서 차폐 부재를 진공조에 대하여 탈착 가능하게 구성하면, 진공조로부터 차폐 부재를 분리함으로써 메인터넌스 작업을 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에서 차폐 부재가, 진공조 내에 장착했을 때 이 진공조 내벽과 도통하도록 구성되어 있는 경우에는 차폐 부재의 전위를 쉽게 진공조의 전위(예를 들면 접지 전위)와 동등한 전위로 할 수 있기 때문에, 진공조 내벽과의 사이에서의 방전을 방지할 수 있다.
이 경우, 본 발명에서는 차폐 부재가 복수의 돌기 형상의 지지부에 의해 진공조 내벽에 지지되어 있어, 진공조 내벽에 대한 차폐 부재의 접촉 저항을 안정시켜 높은 접속 신뢰성을 달성할 수 있기 때문에, 진공조 내벽과의 사이에서의 방전을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서 본체부가 판상으로 형성되어 있는 경우에는, 예를 들면 돌출 성형 가공을 수행함으로써 지지부를 용이하게 설치할 수 있다.
또한 본 발명에서 본체부가 원통형으로 형성되어 있는 경우에는 원통형의 진공조에 대하여 그 내벽의 내측 근방에 용이하게 장착할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이온원을 이용한 이온 주입 장치 전체를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이온원의 일례의 내부 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
도 3은 동 이온원의 이온 생성 용기의 내부 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
도 4의 (a)는 본 실시 형태의 차폐 부재를 나타내는 정면도이고, (b)는 동 차폐 부재의 측면도이다.
도 5의 (a)는 동 차폐 부재의 정면도이고, (b)는 도 5(a)의 A-A 선 단면도이다..
도 6(a)는 차폐 부재를 배치한 진공조의 내부 구성을 나타내는 부분 단면도이고, (b)는 차폐 부재를 배치한 진공조의 내부 구성을 나타낸 정면도이다.
도 7은 절연막이 부착된 본 실시 형태의 이온원의 내부 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
도 8은 시간 경과에 따른 대기로 내의 온도와 절연막의 저항값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 대기로 내의 온도와 절연막의 저항값과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 종래의 이온원의 일례의 내부 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 이온원을 이용한 이온 주입 장치의 전체를 나타내는 개략 구성도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 예의 이온 주입 장치(1)는 후술하는 이온원(10), 주행실(2), 질량 분석 장치(3), 가속 장치(4), 주사 장치(5) 및 주입실(6)이 이 순서로 접속되어 구성되어 있다.
그리고, 이 이온 주입 장치(1)는 이온원(10), 주행실(2), 가속 장치(4), 주입실(6)이 진공 배기 장치(9a ~ 9d)에 의해 각각 진공 배기되도록 되어 있다.
이온원(10)에는 후술하는 가스 공급부(12)가 접속되어 있으며, 가스 공급부(12)가 공급하는 가스를 이온화하고, 생성된 이온을 이온 빔으로 하여 주행실(2) 내부를 주행시켜 질량 분석 장치(3) 내부로 입사시킨다.
질량 분석 장치(3)의 내부에서는 이온빔 중의 이온을 질량 분석하고, 원하는 전하 질량비를 갖는 이온을 통과시켜, 이온 빔으로 하여 가속 장치(4)에 입사시킨다.
가속 장치(4)에서는 이온 빔 중의 플러스 이온을 가속시켜 주사 장치(5)에 입사시키고, 주사 장치(5)는 이온 빔의 진행 방향을 제어하면서 주입실(6) 내부에 입사시킨다.
주입실(6) 내부에는 복수(여기에서는 두 개)의 기판(8)이 배치되어 있고, 상술한 주사 장치(5)에 의해 이온 빔을 복수의 기판(8) 중 어느 한 방향으로 향하게 하여 기판(8)의 표면을 한 장씩 주사하면서 이온을 조사함으로써 기판(8)의 내부에 이온을 주입하도록 구성되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 이온원의 일례의 내부 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
또한, 도 3은 동 이온원의 이온 생성 용기의 내부 구성을 나타내는 부분 단면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이 본 실시 형태의 이온원(10)은, 스테인레스 등의 도전성 금속으로 이루어지며 예를 들면 원통 형상으로 형성된 진공조(10A)를 가지고 있다. 이 진공조(10A)는 냉매(예를 들면 물)를 순환시킴으로써 소정의 온도로 냉각하는 냉각기구(미도시)를 가지고 있다.
진공조(10A) 내부에는 이온화 가스와 이온 원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기(11)와 이온 생성 용기(11) 내에서 생성된 이온을 끌어 내어 이온 빔을 생성하는 인출 전극(15)과, 후술하는 차폐 부재(30)가 설치되어 있다.
여기에서, 이온 생성 용기(11)는 진공조(10A) 내의 빔 방출공(10a)측의 위치에 금속으로 이루어진 지지 기구(17)에 의해 지지되어 있다.
이 지지 기구(17)는 진공조(10A)의 빔 방출공(10a)과 반대측에 장착되는 덮개부(10c)와 일체적으로 구성되어 있다. 이 덮개부(10c)는 도전성 금속으로 이루어지며, 애자(10b)에 의해 진공조(10A)에 대하여 전기적으로 절연되어 있다.
지지 기구(17)는 덮개부(10c)에 대하여 예를 들면 도전성 금속으로 이루어지는 한 쌍의 지지봉(17a)을 통해 이온 생성 용기(11)가 일체적으로 장착되고, 이로 인해 도전성 금속으로 이루어진 이온 생성 용기(11)가 덮개부(10c)에 대하여 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 본 실시 형태의 이온 생성 용기(11)는 진공조(10A)에 대하여 전기적으로 절연된 상태로 되어 있다.
이온 생성 용기(11)는 예를 들면 직육면체 상자 형상으로 형성되어 있다.
본 실시 형태의 이온 생성 용기(11)는 이온 방출(진행) 방향에 대하여 직교하는 방향으로 그 길이 방향을 향해 배치되고, 그 이온 방출 방향(P)의 하류측에는 이온 생성 용기(11) 내에서 이온을 방출하기 위한 슬릿(11a)이 설치되어 있다.
한편, 인출 전극(15)은 진공조(10A) 내에서 이온 생성 용기(11)와 진공조 (10A)의 빔 방출공(10a) 사이에 설치되어 있다.
여기에서 인출 전극(15)은 애자(13)를 통하여 진공조(10A)의 이온 방출 방향(P)측의 내벽(10d)에 장착되고, 이로 인해 진공조(10A)에 대하여 전기적으로 절연된 상태로 되어 있다.
인출 전극(15)의 중앙 부분에는 이온 빔을 통과시키기 위한 빔공(15a)이 설치되고, 이 빔공(15a)은 이온 생성 용기(11)의 슬릿(11a)과 진공조(10A)의 빔 방출공(10a)과 동일한 궤도상에 배치되어 있다.
본 실시 형태에서는 진공조(10A)는 접지되어 있으며, 인출 전원(18)으로부터 진공조(10A)의 덮개부(10c) 및 지지 기구(17)를 통하여 이온 생성 용기(11)에 접지 전위에 대하여 플러스 전압을 인가함과 동시에 가속 전원(19)으로부터 인출 전극(15)에 접지 전위에 대하여 마이너스 전압을 인가하도록 구성되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 이온 생성 용기(11)의 이온 방출 방향(P)의 상류측에는, 예를 들면 삼플루오르화인(PF3)으로 이루어진 이온화 가스를 공급하기 위한 상기 가스 공급부(12)가 설치되어 있다.
본 실시 형태의 가스 공급부(12)는, 이온 생성 용기(11)의 이온 방출 방향(P)의 상류측에 설치되어 이온 생성 용기(11) 내에 이온화 가스를 도입하는 가스 공급관(12b)에, 가스 도입관(12a)을 통하여 접속되어 있다.
이온 생성 용기(11) 내의 이온 방출 방향(P)과 직교하는 방향의 한쪽 벽부에는 열음극에 의한 가열에 의해 열전자를 방출하는 열전자 방출부(20)가 설치되고, 또한 이온 방출 방향(P)과 직교하는 방향의 다른 쪽 벽부에는 열전자 방출부(20)와 대향하도록 설치되며, 마이너스 전위가 되도록 구성된 대향 반사 전극(repeller; 16)가 설치되어 있다.
본 실시 형태에서는, 예를 들면 바닥이 있는 원통형 캐소드부(21)와 캐소드부(21)의 내부 배면측에 설치되어 전원(24)에 접속된 필라멘트(22)에 의해 열음극이 구성되어 있다. 여기에서, 캐소드부(21)는 예를 들면 텅스텐(W)으로 이루어진 것이 이용된다.
한편, 캐소드부(21)의 주위에는 이온 원료 부재(23)가 설치되어 있다.
이 이온 원료 부재(23)는, 예를 들어 질화알루미늄(AlN)으로 이루어진 것으로, 캐소드부(21)의 주위를 둘러싸고 캐소드부(21)에 의해 가열되도록 설치되어 있다.
한편, 본 실시 형태에서는 진공조(10A) 내의 내벽(10d)의 내측 근방에 차폐 부재(30)가 설치되어 있다.
도 4(a), (b) 및 도 5(a), (b)는 본 실시 형태의 차폐 부재를 나타내는 것으로, 도 4(a)는 정면도, 도 4(b)는 측면도, 도 5(a)는 정면도, 도 5(b)는 도 5(a)의 A-A 선 단면도이다.
또한 도 6(a), (b)는 차폐 부재를 진공조 내에 배치한 상태를 나타내는 것으로, 도 6(a)는 내부 구성을 나타내는 부분 단면도, 도 6(b)는 내부 구성을 나타낸 정면도이다. 또한, 도 6(a), (b)에서는 이온 생성 용기는 분리되어 있다.
본 실시 형태의 차폐 부재(30)는 예를 들어 스테인레스 등의 도전성 금속으로 이루어진 것으로, 예를 들면 원통 형상으로 형성된 본체부(31)를 가지며, 이 본체부(31)의 외측면에 복수의 지지부(32)가 소정의 간격을 두고 설치되어 있다.
차폐 부재(30)의 본체부(31)는, 예를 들면 직사각형의 금속판을 만곡시켜 원통 형상으로 형성함으로써 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 경우, 차폐 부재(30)의 본체(31)는 그 외경이 진공조(10A)의 내경보다 약간 작은 외경을 갖도록 형성되어 있다(도 6(a), (b) 참조).
그리고 본체부(31)의 외측면에는 원통의 바깥쪽에 돌출되도록 형성된 복수의 돌기상의 지지부(32)가 설치되어 있다.
이 지지부(32)는 차폐 부재(30)의 본체부(31)가 진공조(10A)의 내벽(10d)에 대하여 이간되어 장착되도록 진공조(10A)의 내벽(10d)에 접촉하여 본체부를 지지하는 것이다.
이 지지부(32)는 예를 들면 판상의 부재로 이루어진 본체부(31)에 대하여 예를 들면 돌출 성형 가공을 수행함으로써 용이하게 설치할 수 있다.
본 실시 형태의 경우, 차폐 부재(30)는 예를 들어 직사각형의 금속판을 만곡시켜 원통 형상으로 한 후, 그 상태로 진공조(10A) 내부에 삽입함으로써 진공조(10A) 내에 쉽게 배치할 수 있다.
이 경우, 차폐 부재(30)의 본체부(31)를 만곡시켜 양단부를 접합하지 않고 원통 형상으로 하여 진공조(10A) 내부에 삽입하여, 본체부(31)의 탄성에 의한 복원력에 의해 복수의 지지부(32)의 정수리부(32a)가 진공조(10A)의 내벽(10d)에 각각 접촉하도록 구성하면, 용이하게 차폐 부재(30)를 진공조(10A) 내부에 고정된 상태로 장착할 수 있다(도 6(a), (b) 참조).
물론, 차폐 부재(30)의 본체부(31)의 양단부를 접합하여 일체적으로 원통 형상으로 형성하도록 구성할 수도 있다.
또한, 본 실시 형태의 경우, 차폐 부재(30)는 진공조(10A)에 대하여 탈착 가능하게 되도록 구성할 수 있다.
차폐 부재(30)의 지지부(32)는 예를 들면 동등한 높이로 형성되어, 차폐 부재(30)가 진공조(10A) 내에 배치된 경우에 각각의 정수리부(32a)가 진공조(10A)의 내벽(10d)과 점 접촉(미소한 면적으로 접촉)하도록 설치되어 있다.
그리고 이로 인해 차폐 부재(30) 본체부(31)의 외표면의 각 부분이 진공조(10A)의 내벽(10d)에 대하여 소정의 거리만큼 균일하게 이간되어, 진공조(10A)의 내벽(10d)에 접촉하지 않도록 구성되어 있다.
또한, 차폐 부재(30)가 진공조(10A) 내에 배치된 경우에는 진공조(10A)의 내벽(10d)과 도통하도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시 형태의 차폐 부재(30)는 진공조(10A)의 내벽(10d) 거의 전역을 덮도록 설치되어 있다.
이러한 구성에서, 도 2에 나타내는 인출 전원(18) 및 가속 전원(19)으로부터 소정의 전압을 인가하고, 가스 공급부(12)로부터 가스 도입관(12a) 및 가스 공급관(12b)을 통하여 이온 생성 용기(11) 내에 불소계 가스(PF3)을 도입하여 이온 생성 용기(11) 내에서 플라즈마를 생성하면, 질화알루미늄 및 불소계 가스가 반응하여 알루미늄(Al)의 이온이 발생한다.
그리고, 발생한 알루미늄 이온은 슬릿(11a)으로부터 방출되고, 또한 마이너스 전위로 대전한 인출 전극(15)의 빔 공(15a) 및 진공조(10A)의 빔 방출공(10a)을 통하여 이온 빔으로서 진공조(10A)로부터 방출된다.
이 경우, 상술한 반응 과정에서 부생성물로서 불화알루미늄(AlFx)이 기체 상태로 발생한다.
이 불화알루미늄은 도 7에 나타낸 바와 같이, 진공조(10A) 내에서 주로 이온 생성 용기(11) 근방의 차폐 부재(30) 본체부의 내벽(31a)과 인출 전극(15)의 표면(15b)에 각각 절연막(60, 61)으로서 부착된다.
본 발명은 진공조(10A) 내에서 이러한 절연막(60, 61)이 존재하여도 이상 방전을 방지하는 것이다.
우선, 알루미늄 이온의 생성 반응 중에 이상 방전이 발생하는 메커니즘은 일반적으로 다음과 같은 것이라 생각된다.
즉, 상술한 반응 과정에 있어서, 진공조(미도시)의 내부에서 반응 부생성물로 이루어진 절연막(미도시)이 예를 들어 진공조 내벽에 형성되면, 이 절연막에 대하여 전하 입자가 충돌하여 차지업이 발생한다.
그리고 이 차지업에 의해 절연막의 내전압 한계에 도달한 시점에서 절연막에 미소한 절연 파괴가 발생한다.
그 결과가 절연막으로부터 분출하는 가스나 하전 입자가 원인이 되어, 진공조에 인가되는 인출 전압에 의해 순식간에 단락하는 현상이다.
본 발명자는 상술한 이상 방전이 일어난 도 10에 나타낸 종래 기술에 따른 진공조(51)의 내부를 상세하게 관찰한 결과, 인출 전극(53)에 부착된 절연막(161)에서는 이상 방전은 발생하지 않고, 진공조(51)의 내벽(10d)에 부착된 절연막(160)에서만 이상 방전이 발생하는 것이 판명되었다(방전흔이 확인되었다).
여기에서, 본 발명자는 이러한 이상 방전 유무의 원인이 절연막(160, 161)의 온도에 기인하는 것이라고 생각되었다.
즉, 동작 중인 진공조(51) 내에서 인출 전극(53)의 온도는 500℃보다 높은 온도 상태인 반면, 진공조(51)의 내벽(10d)은 냉각되어 있기 때문에, 그 온도는 100℃보다 낮은 온도로 되어 있다.
그 결과, 인출 전극(53)의 표면에 형성된 절연막(161)의 온도는 진공조(51)의 내벽(10d)에 형성된 절연막(160)의 온도보다 높기 때문에 도전성을 가지며, 차지업이 발생하지 않는 것은 아닐까 생각되었다.
그런 점에서 본 발명자는 인출 전극(53)의 표면에 형성된 절연막(161; 두께 410㎛)을 대기로 내에 배치하여 가열하고, 그 저항값을 측정하였다. 그 결과를 도 8, 도 9에 나타낸다.
도 8, 도 9에서 이해되는 바와 같이, 절연막(161)의 저항값은 400℃에서 600℃의 범위에서 크게 변화하고, 구체적으로는 400℃부터 온도가 높아짐에 따라 저항값이 떨어지는 경향이 있는 것이 판명되었다.
이에 본 발명자는 이러한 지견을 바탕으로, 본 실시 형태의 진공조(10A) 내에 부착되는 절연막(60)의 온도를 높이기 위하여 도 2에 나타내는 이온원(10)의 진공조(10A) 내에 상술한 차폐 부재(30)를 설치하도록 하였다.
그리고 이러한 구성의 이온원(10)을 종래 기술에 따른 이온원(50)과 동일한 조건으로 알루미늄 이온을 발생시켜 이온 빔을 방출시켰다.
그 결과,도 7에 나타내는 바와 같이, 진공조(10A) 내에서 차폐 부재(30)의 본체부(31)의 내벽(31a)과 인출 전극(15)의 표면(15b)에 절연막(60, 61)이 형성되었지만, 상술한 이상 방전의 발생 빈도는 대폭 저하하였다.
이것은 다음과 같은 작용에 의한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 차폐 부재(30)는 본체부(31)에 설치한 복수의 지지부(32)의 정수리부(32a)가 진공조(10A)의 내벽(10d)과 점 접촉함으로써 진공조(10A) 내에 장착되어 있다.
따라서 차폐 부재(30)의 본체부(31)의 온도는 냉각 기구에 의해 냉각되어 있는 진공조(10A) 내벽(10d)의 온도(100℃ 미만)의 영향을 거의 받지 않고, 진공조(10A) 내의, 예를 들면 이온 생성 용기(11)로부터의 복사열의 영향을 받아 고온으로 유지되고 있다.
이 점에 대해서는, 본 발명자가 본 실시 형태의 이온원(10)의 동작 중에 차폐 부재(30)의 온도를 측정한 결과, 400℃ 이상인 것이 확인되었다.
따라서, 본 실시예에서는 차폐 부재(30)의 본체부(31) 내벽(31a)에 부착된 절연막(60)의 온도도 400℃ 이상으로 되어 있어, 이로 인해 절연막(60)의 저항값이 저하되어 이상 방전의 발생이 억제된 것으로 생각된다.
그리고 그 결과, 종래 기술과 비교하여 이온원(10)의 메인터넌스 주기를 길게(2배 정도) 할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 실시 형태에서는 진공조(10A)의 내벽(10d)에 대한 절연물의 부착을 차단하기 위한 도전성 금속으로 이루어진 판상의 본체부(31)를 갖는 차폐 부재(30)를 진공조(10A) 내벽(10d)의 내측 근방에 설치함으로써, 이온원(10)의 이온 생성 용기(11) 내에서 이온화 가스와 이온 원료를 반응시켜 이온을 생성할 때의 부생성물에 의한 절연막(60)은 진공조(10A)의 내벽(10d)에는 부착되지 않고 차폐 부재(30)의 본체부(31) 표면 즉 내벽(31a)에 부착된다.
이 차폐 부재(30)의 본체부(31)에는 냉각 기구를 갖는 진공조(10A)의 내벽(10d)에 대하여 이간되어 장착되도록 진공조(10A)의 내벽(10d)에 접촉하여 본체 부(31)를 지지하는 복수의 돌기 형상의 지지부(32)가 설치되어 있기 때문에, 이온원(10)의 동작 중에 차폐 부재(30) 본체부(31)의 온도는 냉각 기구에 의해 냉각되고 있는 진공조(10A) 내벽(10d)의 온도의 영향을 거의 받지 않고, 진공조(10A) 내의, 예를 들면 이온 생성 용기(11)로부터의 복사열의 영향을 받아 고온(수백 ℃ 정도)로 유지된다.
그 결과, 본 실시 형태에 따르면 차폐 부재(30)의 본체부(31) 내벽(31a)에 부착된 절연막(60)의 온도도 수백 ℃ 정도로 되어 있으며, 이로 인해 절연막(60)의 저항값이 저하되어 이상 방전의 발생이 억제되므로, 종래 기술과 비교하여 이온원(10)의 메인터넌스 주기를 길게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 차폐 부재(30)의 돌기 형상의 지지부(32)와 진공조(10A)의 내벽(10d)이 복수의 접점에서 접촉하고 있어, 진공조(10A) 내의 온도 변화에 따라 이들 복수의 접점 부분이 팽창/수축함으로써 이 접점 부분이 이동하며, 이로 인해 진공조(10A) 내벽(10d)의 산화 피막의 제거를 장기간에 걸쳐 자동적으로 수행할 수 있다(셀프 크리닝).
또한, 본 실시 형태에서 차폐 부재(30)를 진공조(10A)에 대하여 탈착 가능하게 구성하면, 진공조(10A)로부터 차폐 부재(30)를 분리함으로써 메인터넌스 작업을 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 차폐 부재(30)가 진공조(10A) 내에 장착했을 때 진공조(10A)의 내벽(10d)과 도통하도록 구성되어 있으므로, 차폐 부재(30)의 전위를 용이하게 진공조(10A)의 전위(접지 전위)와 동등한 전위로 할 수 있기 때문에 진공조(10A)의 내벽(10d)과의 사이에서의 방전을 방지할 수 있다.
이 경우, 본 실시 형태에서는 차폐 부재(30)가 복수의 돌기 형상의 지지부(32)에 의해 진공조(10A)의 내벽(10d)에 지지되어 있으므로, 진공조(10A)의 내벽(10d)에 대한 차폐 부재(30)의 접촉 저항을 안정시켜 높은 접속 신뢰성을 달성할 수 있기 때문에, 진공조(10A)의 내벽(10d)과의 사이에서의 방전을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시의 형태에 한정되지 않고 다양한 변경을 할 수 있다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는 진공조가 원통 형상이고 차폐 부재도 원통 형상인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 진공조의 형상이 각통 형상인 경우에는 차폐 부재의 형상도 진공조의 형상에 맞추어 각통 형상으로 형성하면 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는 진공조 내벽의 거의 전역을 덮도록 차폐 부재를 설치하도록 하였으나, 예를 들면 절연막이 부착되기 쉬운 영역만 덮도록 설치할 수도 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 알루미늄나이트라이드 등과 PF3를 반응시킨 경우에 부생성물로서 불화알루미늄이 발생하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면 질화붕소(BN)와 BF3를 반응시킨 경우에 부생성물로서 불화붕소가 발생하는 경우에 적용할 수도 있다.
1 이온 주입 장치
10 이온원
10A 진공조
10c 덮개부
10d 내벽
11 이온 생성 용기
12 가스 공급부
15 인출 전극
18 인출 전원
19 가속 전원
30 차폐 부재
31 본체부
31a 내벽
32 지지부
32a 정수리부
60, 61 절연막

Claims (7)

  1. 냉각 기구를 갖는 진공조;
    상기 진공조 내에 설치되고, 이온화 가스와 이온원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기;
    상기 진공조 내에 설치되고, 상기 이온 생성 용기 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 인출 전극; 및
    상기 진공조 내벽의 내측 근방에 설치되고, 이 진공조 내벽에 대한 절연물의 부착을 차단하기 위한 도전성 금속으로 이루어진 본체부를 갖는 차폐 부재;
    를 구비하고,
    상기 차폐 부재의 본체부에, 상기 진공조 내벽에 대하여 이간되어 장착되도록 이 진공조 내벽에 접촉하여 상기 본체부를 지지하는 복수의 돌기 형상의 지지부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이온원.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차폐 부재는 상기 진공조에 대하여 탈착 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온원.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 차폐 부재는 상기 진공조 내에 장착했을 때 이 진공조의 내벽과 도통하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온원.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 차폐 부재는 상기 본체부가 판상의 부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온원.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 차폐 부재는 상기 본체부가 원통 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온원.
  6. 냉각 기구를 갖는 진공조와, 상기 진공조 내에 설치되고, 이온화 가스와 이온원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기와, 상기 진공조 내에 설치되고, 상기 이온 생성 용기 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 인출 전극과, 상기 진공조 내벽의 내측 근방에 설치되고, 이 진공조 내벽에 대한 절연물의 부착을 차단하기 위한 도전성 금속으로 이루어진 본체부를 갖는 차폐 부재를 구비하고, 상기 차폐 부재의 본체부에, 상기 진공조 내벽에 대하여 이간되어 장착되도록 이 진공조 내벽에 접촉하여 상기 본체부를 지지하는 복수의 돌기 형상의 지지부가 설치되어 있는 이온원을 가지며,
    이 이온원으로부터 방출된 이온 빔을 기판에 조사하여 주입하도록 구성되어 있는 것을 특징으로하는 이온 주입 장치.
  7. 냉각 기구를 갖는 진공조 내에 설치되고, 이온화 가스와 이온원료를 반응시켜 이온을 생성하는 이온 생성 용기를 가지며, 상기 이온 생성 용기 내에서 생성된 이온을 끌어내어 이온 빔을 생성하는 이온원에 있어서,
    상기 진공조 내벽의 내측 근방에 이 진공조 내벽에 대한 절연물의 부착을 차단하기 위한 도전성 금속으로 이루어진 본체부를 갖는 차폐 부재가 설치되는 동시에,
    상기 차폐 부재의 본체부에, 상기 진공조 내벽에 대해 이격되어 장착되도록 진공조 내벽에 접촉하여 상기 본체부를 지지하는 복수의 돌기 형상의 지지부가 형성되고,
    상기 이온원의 작동 중에, 상기 이온 생성 용기 내에서의 반응 과정에서 부생성물로 발생하여 상기 진공조 내 상기 차폐 부재의 본체부 내벽에 부착된 절연막을 가열하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 이온원의 운전 방법.
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