KR20010083326A - 이온주입기의 가이드형 필라멘트 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체소자를 제조하는 데 사용되는 이온주입기의 구성요소인 이온소스부의 필라멘트 시스템에 관한 것이다. 종래의 이온소스부에는 필라멘트와 아크챔버의 절연성 유지를 위해 절연체를 사용하였는데 이온화 과정에서 필라멘트 절연체에 도전층이 빠르게 형성되어 필라멘트 또는 필라멘트 절연체를 자주 교환해야 하는 문제점이 있었다. 이런 문제는 필라멘트 자체의 재료비와 교체시 소요되는 시간이라는 경제적인 면 뿐만 아니라 필라멘트의 재조립 과정에서 발생하는 과실로 이온주입기의 전체 성능에 악영향을 줄 가능성이 높아짐을 의미한다. 이에 본 발명의 필라멘트 시스템은 오염을 유발하는 절연체의 사용을 배제하여 구성함으로써 경제적인 효과 및 이온주입기 성능을 향상하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 필라멘트 시스템은 필라멘트, 필라멘트 가이드, 음극판과 리펠러로 구성된다. 필라멘트 시스템의 구성요소들은 아크챔버와 절연간극을 유지하여 절연성을 유지하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 필라멘트 시스템을 실제 모델에 적용한 결과 필라멘트의 수명이 약 5배 연장되는 효과를 보았다.

Description

이온주입기의 가이드형 필라멘트 시스템{guide type filament system for ion implanters}

본 발명은 반도체소자를 제조하는 데 사용되는 이온주입기의 구성요소인 이온소스부의 필라멘트 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 아크 챔버 내부에서 절연체를 사용하지 않고 필라멘트 시스템(필라멘트, 필라멘트 가이드, 음극판과 리펠러)과 아크챔버 벽면 사이의 절연성을 유지하는 필라멘트 시스템에 관한 것이다.

반도체소자 제조 공정중 불순물 주입단계(doping)는 반도체 결정에 불순물 (dopant)을 넣는 공정이다. 주입된 불순물은 웨이퍼 표면의 전도형태와 저항성을 바꾸어 트랜지스터, 다이오드, 저항 등의 동작부를 구성하게 된다. 도핑하는 방법에는 열적 확산과 이온주입의 두가지가 있는데 열적 확산 방법은 정밀한 형상의 제어가 곤란하다는 단점이 있어 근래의 반도체 장비에는 이온주입기를 주로 채용하고 있다.

이온주입기는 이온화된 불순물을 가속시켜서 마스킹된 웨이퍼의 표면에 도핑하는 설비이다. 이온주입기는 빔전류량에 따라 크게 두 종류로 나눌 수 있는데 그 중 하나는 빔전류량이 0.5mA ~ 2mA 범위에 속하는 중전류 이온주입기(medium-current implanter)이고 나머지 하나는 빔전류량이 2mA ~ 30mA 범위에 속하는 대전류 이온주입기(high-current implanter)이다.

상술한 이온주입기는 이온빔을 생성하는 이온소스부(ion source section)와; 생성된 이온에 필요한 에너지를 부여하는 빔라인부(beam line section)와; 웨이퍼 가공실의 진공 및 대기상태를 조절하여 웨이퍼의 로딩 및 언로딩을 제어하는 로드록부(load-lock portion)를 포함하는 엔드스테이션부(end station section)와; 이온주입 공정이 완료된 후 이온주입기 내부에 남아 있는 배기가스를 배출하는 배기 시스템(exhaust system)으로 구성된다.

도 1은 이온소스부의 평면 구성도를 나타낸 것으로, 종래의 이온소스부를 기능별로 나눠보면 이온빔이 생성되고 방출되는 장소인 아크챔버(arc chamber)(1)와 아크챔버에 이온 가스를 공급하는 가스 주입구(9), 전자를 공급하는 필라멘트 시스템, 아크챔버와 절연을 유지하며 필라멘트 시스템에 전원을 공급하는 필라멘트 고정부로 구성된다. 다시 필라멘트 시스템은 전자를 방출하는 필라멘트(2)와 전자들이 원활하게 이온 가스분자와 충돌할 수 있도록 밀어주는 역할을 하는 음극판(10), 리펠러(repeller)(13)와, 필라멘트(2)와 리펠러를 아크전원으로부터 절연하는 필라멘트 절연체(12)로 구성된다. 필라멘트 고정부는 절연기능을 하는 블록 절연체(block insulator)(5)와 필라멘트를 고정하는 필라멘트 고정 블록(3)으로구성된다. 필라멘트 고정부는 아크챔버와 필라멘트 전원을 절연하고 필라멘트 시스템을 고정하는 기능을 한다.

도 3에 아크챔버의 단면도를 도시하였다. 아크챔버(1)와 필라멘트(2)에 전원이 공급되면 필라멘트의 온도가 상승하게 되고 일정온도에 도달하면 필라멘트로부터 전자가 방출된다. 방출된 전자는 아크챔버 안에 분포되어 있는 가스 분자들과 충돌하여 가스 분자를 분해한다. 이 때 여러 종류의 이온과 전자로 구성된 플라즈마가 발생되고 발생한 이온들은 이온빔 출구를 통해 분출되어 선별과정과 가속과정 및 주사과정을 거쳐 웨이퍼에 주입된다.

종래의 필라멘트 시스템은 필라멘트(2)와 아크챔버(1)가 필라멘트 절연체(12)로 전기적으로 절연되어 있다. 필라멘트 절연체는 질화 붕소(boron nitride), 알루미나(alumina) 같은 고온과 부식성 기체(BF₃, SiF₄등)에 내성을 갖는 특성을 가지는 세라믹 재질로 만들어진다. 그러나 이온화 과정에서 발생한 이온들이 아크챔버 벽면과 반응하여 또는 서로 다른 이온들끼리 반응하여 새로운 반응물이 생성된다. 이 새로운 반응물은 필라멘트 절연체에 침전되어 도전층이 형성된다. 필라멘트 절연체에 형성된 도전층은 그 두께가 얇아도 아크 전원을 단락시켜 이온빔의 안정도를 저하시켜 이온주입기를 더이상 사용할 수 없게 만든다. 이런 사용불능 상태에 도달되면 아크챔버를 청소하고 필라멘트 시스템을 교체하거나 수리하여야 한다.

기존 관계자들은 필라멘트 절연체에 도전층이 생성되는 문제를 해결하기 위해 몇가지 방법을 사용하였다. 즉, 필라멘트 절연체의 형상을 바꿔보기도 했고 필라멘트 절연체에 보호막(shield)을 도포해 보기도 하였으며 생성된 도전층을 제거하기 위해 식각방전(cleaning discharge to etch off the coating)을 사용하기도 했다. 그러나 필라멘트 형상을 바꾸는 방법은 큰 효과가 없었고, 보호막은 이온빔의 질을 떨어뜨렸으며, 식각방전 방법은 예상치 않은 이온을 발생시켜 이온빔의 질을 저하시키는 새로운 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 필라멘트 절연체 표면에 발생하는 도전층 침전현상을 해결하기 위한 것으로, 아크챔버내에 배치된 종래의 필라멘트 절연체의 사용을 배제하고 필라멘트 가이드와 음극판 및 리펠러를 사용하여 아크챔버의 좌우 측면과 절연간극을 유지하여 필라멘트 시스템의 수명을 연장하는데 주 목적이 있다.

도 1은 이온주입기의 이온소스(ion source)부의 평면 구성도

도 2는 종래 이온주입기의 필라멘트 시스템을 포함하는 아크챔버(arc chamber)의 사시도

도 3은 도 2에 도시된 A-A'선을 기준으로 한 아크챔버 단면도

도 4는 본 발명의 필라멘트 시스템을 적용한 아크챔버의 사시도

도 5는 도 4에 도시된 B-B'선을 기준으로 한 아크챔버 단면도

도 6는 필라멘트 가이드의 사시도 및 단면도

도 7은 음극판(cathode plate)의 사시도 및 단면도

도 8은 리펠러(repeller)의 사시도 및 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 아크챔버(arc chamber) 2: 필라멘트(filament)

3: 필라멘트 고정블록 4: 블록 고정나사

5: 블록 절연체(block insulator) 6: main body

7: 필라멘트 전원단자 8: 이온빔 출구(exit aperture)

9: 가스 주입구 10: 음극판(cathode plate)

11: 리펠러 고정나사

12: 필라멘트 절연체(filament insulator)

13: 리펠러(repeller) 14: 필라멘트 가이드(filament guide)

15: 필라멘트 가이드 고정부 16: 필라멘트 지지부

17: 리펠러 고정부 18: 음극판 고정부

19: 리펠러 고정블록

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 필라멘트 시스템은 아크챔버와; 상기 아크챔버 안에서 전자를 방출하는 필라멘트와; 상기 필라멘트를 고정하는 필라멘트 가이드와; 상기 필라멘트 가이드와 함께 필라멘트를 고정하며, 필라멘트에서 방출한 전자에 반발력을 가하는 음극판(cathode plate)과; 상기 음극판이 위치한 아크챔버의 측면과 마주보는 측면에 배치되어, 전자를 밀어내는 역할을 하는 리펠러(repeller)로 구성된다. 상기 필라멘트 시스템은 이온들과 반응하여 도전층이 생성되는 필라멘트 절연체를 사용하지 않고 아크챔버와 절연간극으로 그 틈새를 유지하여 절연성을 유지할 수 있게 구성된다.

도 4와 도 5에 본 발명의 필라멘트 시스템을 적용한 아크챔버의 사시도와 아크챔버의 단면도를 도시하였다. 도시된 바와 같이 이온빔을 원활하게 발생시키기 위해서는 아크 전원 공급회로와 필라멘트 전원 공급회로에 각각 연결되어 있는 아크챔버와 필라멘트 시스템(이온소스부에서 전자를 공급하는 역할을 하는 시스템으로써 필라멘트, 필라멘트 가이드, 음극판, 리펠러로 구성된다.)은 절연성이 유지되어야 한다. 만일 아크챔버와 필라멘트 시스템의 구성요소 중 한 요소와 단락이 발생되면 필라멘트가 파손되어 이온소스부를 수리해야 한다. 따라서 본 발명에서는 필라멘트 시스템의 구성요소와 아크챔버와의 절연을 위해 각 요소 사이에 절연간극(insulating gap)을 유지하는 수단을 사용한다. 그러나 여기서 주의할 점이 있다. 즉, 절연간극이 지나치게 크면 그 틈새로 누설되는 이온 가스의 양이 증가하여 필라멘트 시스템을 고정하는 필라멘트 고정블럭의 절연성을 파괴한다. 그러므로 절연간극의 유지와 이온가스의 누설양을 동시에 고려하여 절연간극을 설정해야 한다.

한편 이온화 효율을 높이기 위해서는 이온 가스분자와 전자의 충돌이 잘 발생하도록 해 주어야 한다. 이를 위하여 아크챔버의 양 측면벽에 음극판과 리펠러를 배치하여 전자를 아크챔버 중앙 부분으로 밀어내게 한다. 또 방출된 전자의 경로길이(electron path length)를 늘이기 위해 필라멘트와 평행한 자기장을 형성하여 준다. 필라멘트 가이드와 음극판은 필라멘트 전원과 연결되며, 아크챔버 내의 필라멘트를 고정한다. 필라멘트 가이드(필라멘트 전원의 양극단에 연결)는 음극판(필라멘트 전원의 음극단에 연결)과의 단락을 막기 위해 짧게 제작되어야 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 필라멘트를 적용한 아크챔버의 사시도인 도 4를에서 보듯이 아크챔버(1)는 가스 주입구(9)가 있는 거의 폐쇄된 상자이다. BF₃, SiF₄등의 가스들이 가스 주입구를 통해 아크챔버로 공급된다. 기화가능한 금속(안티몬, 비소, 인 등)들은 고온의 가마에서 기화되어 공급되기도 한다. 아크챔버에는 이온빔 출구(8)가 있는데 이곳으로 아크챔버에서 발생한 이온이 방출된다. 방출된 이온빔은 편향장치와 가속장치 및 주사장치를 거쳐 웨이퍼에 주사된다. 텅스텐 재질의 음극판(10)은 필라멘트의 일단을 감싸며 필라멘트(2)에서 발생한 전자를 아크챔버 내부로 반향시키는 역할을 한다. 필라멘트 가이드(14)는 필라멘트의 다른 일단을 감싸며 필라멘트의 다른 일단이 음극판의 홀을 관통하도록 필라멘트를 지지하는 역할을 한다. 리펠러(13)는 아크챔퍼의 다른 측면에 도달한 전자를 반향시키는 역할을 한다. 절연성을 유지하기 위하여 음극판과 아크챔버는 접촉되지 않도록 주의하여 설계하여야 한다. 그러나 음극판과 아크챔버의 간극으로 이온가스가 누설되므로 그 누설량이 과도하지 않도록 그 간극은 적절하게 작아야 한다. 같은 이유로 필라멘트 가이드와 리펠러도 주의하여 설계하여야 한다. 필라멘트 가이드, 음극판과 리펠러는 각각 아크챔버 외부에 있는 필라멘트 고정블록(3)과 리펠러 고정블럭(19)에 의해 고정된다. 이 고정블록들은 필라멘트 시스템을 지지하는 기능을 하며 아크챔버와 절연되어 있다.

도 6에 도시한 필라멘트 가이드(14)는 필라멘트(2)의 일단을 지지하는 필라멘트 지지부(16)와 필라멘트 고정블록(3)과 결합되는 필라멘트 가이드 고정부와 몸통부로 구성된다. 필라멘트 가이드는 필라멘트가 관통되므로 길이 방향으로 구멍이 뚫려있으며 필라멘트 가이드 고정부의 단면은 사각형의 형상으로 만들어서 고온의 이온화 과정중에도 필라멘트 고정부와 견고하게 결합되도록 한다. 또 필라멘트 가이드 고정부에서부터 시작되어 중간 몸통부까지 이어진 홈은 필라멘트 고정 블록으로 고정할 때 필라멘트와 필라멘트 가이드가 밀착되도록 형성한 것이다.

도 7에 도시한 음극판은 사각형의 판재에 한 개의 홀이 있으며 필라멘트 가이드와 비슷한 형상의 봉이 달려 있다. 음극판 고정부(18)는 필라멘트 가이드 고정부와 마찬가지로 필라멘트 고정블록과 견고하게 결합되도록 사각형 단면과 홈이 형성되어 있다.

도 8에 도시한 리펠러는 원형 단면의 판재와 상기 판재의 중앙에 원형 모양의 지지부와 끝부분에 있는 리펠러 고정부(17)로 구성된다. 리펠로 고정부도 사각형 단면으로 구성하여 리펠러 고정 블록과 견고하게 결합되도록 하였다.

아크챔버의 사시도와 단면도인 도 4와 도 5를 참고하여 본 발명의 필라멘트 시스템의 조립 및 연결관계를 설명하면 다음과 같다. 아크챔버(1)의 좌측 벽면에 있는 두개의 홀을 관통하여 필라멘트 가이드(14)와 음극판(10)이 조립되고 각각 필라멘트(2)의 양 끝을 고정 지지한다. 아크챔버 외부에 돌출된 필라멘트 가이드 고정부(15)와 음극판의 고정부(18)는 필라멘트 고정블록(3)에 결합 고정된다. 이 때아크챔버와 필라멘트 가이드(14) 및 음극판은 서로 전기적으로 절연되게 그 간격이 유지되어 결합되어야 한다. 리펠러(13)는 필라멘트가 배치된 아크챔버의 맞은편 측면벽에 있는 홀을 관통하여 배치되고 아크챔버 외부에 돌출된 리펠러의 고정부(17)는 리펠러 고정블럭(19)에 결합되어 고정된다. 유사한 이유로 리펠러 조립시 아크챔버와 접촉되지 않도록 주의하여야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 필라멘트 시스템을 이온주입기에 적용하면, 아크챔버 안에서 침전되는 도전층의 형성을 억제하므로 필라멘트의 수명을 연장하는 효과를 기대할 수 있다. 실제로 본 발명의 필라멘트 시스템을 Varian사의 Viista-80모델에 적용하여 필라멘트의 수명을 측정한 결과 평균 2.7일 동안 사용하던 필라멘트를 평균 15일 사용할 수 있게 됨으로써 수명이 약 5.6배 연장되었다. 필라멘트의 수명을 연장하여 얻을 수 있는 이점은 필라멘트 자체의 비용뿐만 아니라 필라멘트의 교체 또는 수리에 소요되는 시간을 절약할 수 있으며, 이온주입기 시스템의 또다른 고장을 유발하는 재조립시 발생하는 과실의 개연성을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (4)

1. 반도체를 제조하기 위하여 웨이퍼의 표면에 불순물 이온을 주입하는데 사용되는 이온주입장치를 구성하는 이온소스부에 있어서,

   측면벽을 갖는 아크챔버(arc chamber)와;

   필라멘트와;

   상기 필라멘트의 일단을 고정하는 필라멘트 가이드와;

   상기 필라멘트 가이드와 함께 필라멘트의 다른 일단을 고정하는 음극판(cathode plate)과;

   상기 필라멘트에서 방출된 전자를 반향하는 리펠러(repeller)를 포함하여,

   상기 필라멘트 가이드와 상기 리펠러 및 상기 음극판은 각각 상기 아크챔버의 측면벽과 일정한 간격(insulating gap)으로 배치되어 절연을 유지하게 장착된 것을 특징으로 하는 필라멘트 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 아크챔버의 양 측면벽에 홀이 형성되어 있으며, 상기 필라멘트 가이드와 상기 음극판 및 상기 리펠러가 상기 홀을 관통하여 지나는 구조로서, 상기 필라멘트 가이드와 상기 음극판 및 상기 리펠러는 상기 홀의 내측면과 절연간극(insulating gap)을 가지어 절연을 유지하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 필라멘트는 프리만형 필라멘트(Freeman-type filament)인 것을 특징으로 하는 필라멘트 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 리펠러와 필라멘트 가이드, 음극판의 재질은 텅스텐인 것을 특징으로 하는 필라멘트 시스템.