KR20020092482A - 이온 플럭스가 향상된 이온빔 소오스 - Google Patents

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Abstract

그리드간의 전압차, 그리드들의 두께 또는 그리드간의 간격 등에 관하여 동일 조건하에서도 이온 플럭스를 향상시킬 수 있는 이온 소오스가 개시된다. 본 발명에 이온 소오스는, 주입된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생챔버; 상기 플라즈마 발생챔버의 일측에 연결되고, 상기 플라즈마로부터 특정 극성을 갖는 이온빔을 추출하여 통과시킬 수 있는 이온빔 통과부가 각기 대응하는 위치에 적어도 하나 이상씩 형성되어 있으며, 이온빔 통과 방향으로 서로 일정한 간격으로 이격되어 있는 복수개의 그리드들 및 상기 이온빔 통과부를 유지하면서 상기 그리드들 사이에 형성된 절연체영역을 포함한다.

Description

이온 플럭스가 향상된 이온빔 소오스{Ion flux improved ion beam source}
본 발명은 기판상에 특정 물질층을 식각 또는 증착하기 위하여 사용되는 이온빔을 발생시키는 이온 소오스(ion source)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 발생챔버로부터 이온빔을 추출하여 가속시키는 그리드를 개선하여 이온의 플럭스(flux)량을 향상시킨 이온 소오스에 관한 것이다.
일반적으로, 이온 소오스는 대면적의 균일한 이온빔이 요구되는 분야에서 기술적으로 사용되고 있다. 특히, 이러한 균일한 이온빔은 반도체 분야에서 널리 이용되고 있으며, 반도체기판내에 특정의 불순물을 이온주입하기 위해서 사용되기도 하며, 반도체기판상의 특정 물질층을 증착하거나 식각하기 위해 사용된다. 여기서 이온 소오스는 가스를 이온상태로 만들어주는 역할을 하며, 이온화된 가스를 추출하여 원하는 방향으로 가속하여 공급해주는 장치이다.
도2는 이온빔 소오스에 부착된 종래의 일반적인 이중 그리드(25)를 나타내는 사시도이며, 도3은 도2의 그리드들을 반경방향(R축)과 수직방향(Z축)의 원통좌표로도시한 단면도로서, 하나의 이온빔 통과부(20)에 대하여만 도시한 것이다.
도2 및 도3을 참조하면, 상기 이중 그리드(25)는 제1 그리드(25a)와 그 하부에 대응하여 설치되는 제2 그리드(25b)로 구성된다. 상기 제1 그리드(25a)의 상측에는 주입된 공정가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생챔버(도시안됨)가 형성되며, 상기 제1 그리드(25a) 및 제2 그리드(25b)는 원판 형상으로서 그 내부에 플라즈마 발생챔버에 존재하는 특정 이온만을 특정 방향(도3의 화살표 방향)으로 추출하여 통과시킬 수 있는 복수개의 이온빔 통과부(20)들이 형성되어 있다.
이온 소오스로부터 이온빔을 추출하기 위해서는 플라즈마 발생챔버내에 발생되어 존재하는 양이온과 전자들에 대하여 제1 그리드(25a)와 제2 그리드(25b)간의 전압차이에 의해 양이온을 가속시키며, 이때 전자들은 이들 전압차이에 의해 가속되지 못하고 양이온만 도3의 화살표 방향으로 추출,가속된다.
상기 이온빔 통과부(20)를 통하여 흐르는 양이온의 량을 조절하기 위하여 두 그리드간의 전압차, 각 그리드(25)들의 두께, 그리드간의 간격을 조절할 수 있음은 시뮬레이션을 통하여도 쉽게 알 수 있다. 그러나, 도3에서 보여지듯이, 종래의 이중 그리드(25)의 경우 제1 그리드(25a)와 제2 그리드(25b) 사이는 빈 공간으로 되어있기 때문에 제1 그리드(25a)를 통과한 양이온들 중에서 상당수의 양이 제2 그리드(25b)를 통과하지 못하고 제2 그리드(25b)의 표면쪽으로 회절되어 흡수되기 때문에 제2 그리드(25b)를 통과하는 양이온의 플럭스가 감소되는 문제점이 있었다.
따라서, 두 그리드간의 전압차, 그리드의 두께 또는 그리드간의 간격 등에 관하여 동일한 조건에서 보다 많은 양의 이온이 통과할 수 있도록 이온 소오스 장치에 대한 개선이 요구되어지고 있다.
본 발명의 목적은, 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그리드간의 전압차, 그리드들의 두께 또는 그리드간의 간격 등에 관하여 동일 조건하에서도 이온 플럭스를 향상시킬 수 있는 이온 소오스를 제공하는 데 있다.
도1은 헬리컬 RF 코일을 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF형 이온빔 소오스를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도2는 이온빔 소오스에 부착된 종래의 일반적인 그리드들을 나타내는 사시도이다.
도3은 도2의 그리드들을 원통좌표로 도시한 단면도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 그리드들을 원통좌표로 도시한 도3에 대응하는 단면도이다.
도5는 도4의 제1 그리드에 300V 를 인가했을 때의 절연체영역 표면에 분포된 이온분포량을 나타낸 그래프이다.
도6은 도4의 제1 그리드에 700V 를 인가했을 때의 절연체영역 표면에 분포된 이온분포량을 나타낸 그래프이다.
도7은 도3 및 도4의 그리드간의 전압차에 따른 이온 플럭스를 비교한 그래프이다.
도8은 도4의 그리드간의 전압차에 따른 플럭스 증가율을 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 ; 이온소오스11 ; 플라즈마 발생챔버
12 ; RF 매치박스13 ; RF 파워서플라이
14 ; 유도코일15 ; 그리드 어셈블리
16 ; 양전압 파워서플라이17 ; 절연체영역
19 ; 가스 공급구20 ; 이온빔 통과부
15a, 25a ; 제1 그리드15b, 25b ; 제2 그리드
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 이온 소오스는, 주입된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생챔버; 상기 플라즈마 발생챔버의 일측에 연결되고, 상기 플라즈마로부터 특정 극성을 갖는 이온빔을 추출하여 통과시킬 수 있는 이온빔 통과부가 각기 대응하는 위치에 적어도 하나 이상씩 형성되어 있으며, 이온빔 통과 방향으로 서로 일정한 간격으로 이격되어 있는 복수개의 그리드들 및 상기 이온빔 통과부를 유지하면서 상기 그리드들 사이에 형성된 절연체영역을 포함한다.
상기 절연체영역은 상기 이온빔 통과부를 제외한 상기 그리드들 사이에만 절연체영역으로 매립시킬 수도 있으며, 상기 그리드들 사이에 절연체영역을 매립하는 외에도 상기 이온빔 통과부에 노출되는 그리드들의 표면상에도 일정 두께 만큼 더 형성시킬 수도 있다. 상기 절연체영역은 모든 절연성 물질일 수 있으며, 바람직하게는 유전상수 k가 2 내지 50의 범위에 속하는 절연물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 그리드들은 2개의 그리드로 된 2중 그리드 또는 세개의 그리드들로 이루어진 3중 그리드일 수 있으며, 필요에 따라 그 이상일 수도 있다.
본 발명에 따르면, 그리들간의 빈 공간이 절연물질로 매립됨에 따라, 이들절연체의 표면에 일정 시간 동안에 양이온이 축적된 후에는 이들 축적된 양이온의 반발력에 의해 축적되는 양이온의 수가 감소하다가 일정 시간 경과후에는 더 이상 양이온이 축적되지않기 때문에 이온빔 통과부를 통과하는 이온 플러스가 매우 향상될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 첨부하는 특허청구범위의 기술적 사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 형태로 변경하여 실시할 수 있음은 물론이다. 따라서, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 보다 완전하도록 하며, 당업자에게 본 발명의 범주를 보다 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
먼저, 본 실시예가 적용될 수 있는 이온 소오스로서, 도1은 헬리컬 RF 코일을 구비하는 유도결합(inductively coupled) RF(Radio Frequency)형 이온 소오스를 개략적으로 나타낸 도면이다. 그러나, 도1은 단순히 본 발명의 예시 및 설명을 보다 자세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 본 발명은 도1의 이온 소오스에 한정되지 않고 그리드들을 통하여 이온빔을 추출, 가속하여 특정방향으로 공급할 수 있는 있는 한, 원하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시킬 수 있는 다양한 방식, 예를 들어 용량결합(capacitively coupled) RF형 이온 소오스, 헬리콘 웨이브 결합 이온 소오스, 음이온 소오스 또는 전자-사이크로트론 반응기(ECR) 이온 소오스에 모두 적용할 수 있음은 물론이다.
도1을 참조하면, 유도결합형 RF 이온 소오스(10)는 전형적으로 쿼츠로 만들어진 플라즈마 발생챔버(11)를 포함한다. 또한, 상기 플라즈마 발생챔버(11)의 천정에는 반응가스를 공급하기 위한 가스 공급구(19)가 구비되며, 플라즈마 발생챔버(11)의 외벽에는 유도코일(14)이 감겨져 있으며, 유도코일(14)은 RF 매치박스(12)에 연결되어 있으며, RF 매치박스(12)는 RF 파워를 공급할 수 있는 RF 파워서플라이(13)에 연결되어 있다.
또한, 상기 이온 소오스(10)의 하단부에는 이온빔이 통과할 수 있는 다중의 이온빔 통과부를을 갖는 2중 그리드 어셈블리(15)가 구비되며, 상기 플라즈마 발생챔버(11)로부터 이온들의 추출을 제어한다. 도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 이온빔 통과부(20)에 대하여 상기 그리드 어셈블리(15)를 원통좌표로 도시한 도3에 대응하는 단면도이다.
상기 그리드 어셈블리(15)는 두개의 그리드들을 포함하며, 제1 그리드(15a)는 수십 내지 수백 V의 높은 양전압을 인가시킬 수 있는 양전압 파워서플라이(16)에 연결되어 있으며, 제2 그리드(15b)는 접지되어 0 V의 전압이 인가되도록 구성된다. 따라서, 상기 제1 그리드(15a)와 제2 그리드(15b) 사이에 걸리는 전압차에 의해 강한 전기장이 형성되면, 상기 플라즈마 발생챔버(11)내에 존재하는 양이온들을 추출하여 가속시키게 된다.
한편, 본 실시예에서는 도4에서 보여지듯이, 상기 제1 그리드(15a)와 제2 그리드(15b) 사이에는 절연물질로 매립된 절연체영역(17)이 형성된다. 상기 절연체영역(17)은 유전상수가 3 내지 5 정도 되는 옥사이드계 절연물질, 유전상수가 6 내지 9 정도가 되는 나이트라이드계 절연물질, 유전상수가 수십에 이르는 강유전체 물질들이 단일 또는 결합하여 형성될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 절연체영역(17)의 존재 유무로 인하여 이온빔 통과부(20)를 통과하는 이온 플럭스의 증가 정도를 알아보기 위하여 2차원 시뮬레이션을 수행하였다. 종래기술을 도시한 도3 및 본발명의 일 실시예를 도시한 도4는 이러한 2차원 시뮬레이션을 수행하기 위해 원통좌표로 표현한 것이며, 제1 그리드(15a) 및 제2 그리드(15b)에 대하여 하나의 이온빔 통과부(20)에 대한 것이다. 본 시뮬레이션에서는 플라즈마 입자의 이동과 에너지, 속도 등을 시뮬레이션하기 위하여 Xoopic이라는 2차원 시뮬레이션 코드를 사용하였다.
이온 소오스에서 두 그리드간의 전압차를 조절하거나, 그리드의 뚜께 또는 그리드간의 간격을 조절함으로써 이온 소오스로부터 가속되어 추출되는 양이온의 양을 조절할 수 있음을 알 수 있으며, 본 실시예에서는 두 그리드간의 전압차, 그리드들의 두께 및 그리드간의 간격을 동일하게 유지하면서, 도3에서와 같이 그리드간에 절연체영역이 없는 경우와 도4에서와 같이 그리드간에 절연체영역이 존재하는 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 본 시뮬레이션에서 상기 절연체영역 (17)의 유전상수(k)를 50으로 설정하였으며, 제1 그리드(15a,25a)와 제2 그리드(15b,25b)간의 간격을 15 mm로 설정하였으며, 두 그리드간의 전압차를 300 볼트 내지 700 볼트의 범위에서 설정하여 수행하였다.
도5는 도4의 제1 그리드(15a)에 300V 를 인가했을 때의 절연체영역(17) 표면을 따라 분포된 이온분포량을 나타낸 그래프이며, 도6은 도4의 제1 그리드(15a)에 700V 를 인가했을 때의 절연체영역(17) 표면을 따라 분포된 이온분포량을 나타낸그래프이다. 도5 및 도6에서 가로축은 도4의 Z축으로의 거리를 나타내며, 세로축은 절연체영역에 축적된 이온의 양를 각기 나타낸다. 도5 및 도6의 그래프로부터 일정시간, 예를 들어 10-5초 정도의 짧은 시간이 경과한 후에 절연체영역(17)의 표면에 양이온들이 축적됨을 알 수 있다.
도7은 도3 및 도4의 그리드간의 전압차를 변경하면서 종래기술과 본 발명에 따른 이온 플럭스를 비교한 그래프이며, 도8은 도7의 그래프로부터 종래기술에 따른 이온 플럭스에 대한 본 발명에 따른 이온 플럭스의 증가율을 도시한 그래프이다.
도7 및 도8에 따르면, 본 발명에 의하여 이온빔 통과부(20)를 통과하는 이온 플럭스는 종래기술에 비하여 매우 향상됨을 알 수 있으며, 그리드간의 전압차에 따라 7 내지 25 % 정도의 양이온 플럭스의 증가를 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 첨부하는 특허청구범위에 의해 정하여지는 본 발명의 기술적 사상범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 예를 들어, 본 실시예에서는 상기 제1 그리드(15a) 및 제2 그리드(15b) 사이에만 절연체영역(17)으로 매립하였으나, 상기 이온빔 통과부(20)내에 노출되는 제1 그리드(15a) 및 제2 그리드(15b)의 표면영역에도 일정한 두께의 절연물질을 형성시킬 수도 있으며, 상기 절연물질의 종류도 다양하게 선택하여 사용할 수 있으며, 2중 그리드형이 아닌 3중 그리드나 그 이상의 그리드를 구비할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 제1 그리드(15a)와 제2 그리드(15b)내에 서로 대응하여 형성된 이온빔 통과부(20)가 일직선을 이루는 것으로 하였으나, 제작자의 의도에 따라 제1 그리드(15a)내의 이온빔 통과부에 대하여 제2 그리드(15b)내의 이온빔 통과부의 직경을 감소시키거나 확대시킬 수 있으며, 제1 및 제2 그리드(15a,15b)의 형상을 평판형이 아닌 라운드형으로 만곡부를 두어 이온빔의 방향이나 분포를 제어할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따르면, 그리들간의 빈 공간을 절연물질로 매립시킴에 따라, 이들 절연체영역의 표면에 축적된 양이온의 반발력에 의해 더 이상 양이온이 축적되지않기 때문에 이온빔 통과부를 통과하는 이온 플러스가 적어도 5 내지 30 % 이상 향상되었다.

Claims (4)

  1. 주입된 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생챔버;
    상기 플라즈마 발생챔버의 일측에 연결되고, 상기 플라즈마로부터 특정 극성을 갖는 이온빔을 추출하여 통과시킬 수 있는 이온빔 통과부가 각기 대응하는 위치에 적어도 하나 이상씩 형성되어 있으며, 이온빔 통과 방향으로 서로 일정한 간격으로 이격되어 있는 복수개의 그리드들; 및
    상기 이온빔 통과부를 유지하면서 상기 그리드들 사이에 형성된 절연체영역을 포함하는 이온 소오스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체영역은 상기 이온빔 통과부에 노출되는 그리드들의 표면상에도 일정 두께 만큼 더 형성된 것을 특징으로 하는 이온 소오스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체영역은 유전상수 k가 2 내지 50의 범위에 속하는 절연물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온 소오스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 그리드들은 2개의 그리드로 된 2중 그리드 또는 3개의 그리드로 된 3중 그리드인 것을 특징으로 하는 이온 소오스.
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