KR20030016768A - 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스형 금속플라즈마 이온소스 장치에 관한 것으로, 진공하에서 소정의 고전압펄스가 인가되는 양극과, 상기 양극에 대해 소정의 전위차를 갖도록 접지되는 음극과, 상기 양극과 음극의 펄스방전을 유도하여 각 극성에 기초하는 이온을 방출할 수 있도록 상기 음극에 소정간극을 유지하며, 고전압펄스를 순간촉발하는 트리거와, 상기 음극과 트리거 사이의 간극을 조절할 수 있도록 상기 음극을 승강하는 간극조절수단과, 상기 양극의 양이온만을 선별적으로 흡수 및 통과시키는 제 1그리드 및 상기 제 1그리드를 통해 선별된 양이온을 가속하여 대상물에 조사되도록 하는 제 2그리드로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치{A Pulse Type Metal Plasma Ion Source Generating Device}

본 발명은 플라즈마 이온소스 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속플라즈마를 상온에서 용이하게 얻을 수 있도록 트리거로부터 고전압펄스가 가해지는 금속재질의 양극 및 음극과, 상기 양극 및 음극 사이에서 촉발된 진공상태하의 방전에서 금속의 양이온만을 선별적으로 흡수 및 가속하여 조사하는 그리드 등으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마(Plasma)는 물질의 전자가 핵의 속박에서 벗어나 자유롭게 움직이며 돌아다니는 상태를 일컫는 것으로서, 일반적으로 가열 및 가압에 따라 발생하는 상변화에 따른 단계에서 최종적으로 도달한 기체에 고온의 열을 더 가해주었을 때 일어나는 현상이다.

자연계에서는 번개나 오로라 등이 플라즈마의 형태를 취하는 것이고, 용접 등에 이용되는 아크방전 등이 인공적으로 생성되는 플라즈마의 형태이다.

이러한, 플라즈마가 공업계에 활용되는 것으로 플라즈마 이온소스 발생장치를 들 수 있는데, 중성가스입자로부터 플라즈마를 생성시키는 방식이 일반화되어 있다.

그런데, 상온에서 대부분의 물질은 가스 즉 기체상태로 존재하기 않을 뿐 더러 기체상태로 상변화된 후에도 플라즈마를 발생시키기 위해서는 보다 더 많은 에너지를 가해주어야 하기 때문에, 이온주입을 필요로 하는 공정이나, 회로기판의 증착 등에 활용하기에는 많은 제약이 따른다.

또한, 가스플라즈마 이온소스발생장치는 발생되는 이온소스를 이용하여 반도체 회로기판을 증착할 경우 증착원의 이온화율이 매우 낮기 때문에, 증착에 따른 에너지의 범위를 제어하기가 어려운 문제점이 있다.

이러한 어려움을 극복하기 위해 진공하에서 아크방전을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 이온소스 발생장치가 개발되었다.

이러한 상기 이온소스장치는 금속물질로 이루어진 양극 및 음극과, 상기 음극 전면에 설치되는 그리드 등으로 이루어지는데, 상기 양극에 고정된 금속봉이 음극 표면에 접촉하면서 일어나는 아크방전을 이용하는 것이다.

우선 상기 금속봉이 음극표면에 순간적으로 접촉하게 되면, 그 전위차에 의해 상기 금속봉의 양이온이 상기 음극 표면의 금속이온을 방출시키게 되면서 방전이 일어나고, 상기 금속이온은 상기 그리드를 통해 외부로 조사되어 반도체 회로기판 등의 증착에 이용된다.

이러한 상기 종래 이온소스발생장치에서는 접촉에 의해 양이온이 상기 음극 표면에 방전을 일으키면서 불규칙적으로 이동하기 때문에, 보다 많은 양의 금속이온을 방출하기 위해서는 음극의 표면적이 보다 넓어야 한다.

하지만, 음극의 표면적이 넓어지게 되면 이에 비례하여 고온의 열이 발생하게 되고, 음극이 비교적 단기간에 용융되어 버리는 문제점이 있다.

아울러, 접촉에 의해 발생되는 아크방전의 특성상 방전이 일정하지 못하고, 양이온이 음극의 표면을 불규칙적으로 이동하기 때문에, 제어가 불가능한 문제점이있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 제어가 용이한 진공펄스방전으로 금속플라즈마를 발생시켜 안정적인 금속이온소스의 방출이 가능한 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치를 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 제 2목적은 반도체 기판에 대한 보다 높은 증착률을 얻을 수 있도록 금속이온소스의 제어가 용이한 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명은 목적들은, 진공하에서 일정한 전압이 인가되는 원통 형상의 양극(10);

상기 양극(10)에 대해 전위차를 갖도록 접지되는 봉 형상의 음극(20);

상기 양극(10)과 음극(20) 사이의 펄스방전을 유도하여 상기 음극(20)으로부터 금속이온이 방출될 수 있도록 상기 음극(20)에 소정간극을 유지하며, 고전압펄스를 정기적으로 촉발하는 트리거(50);

상기 음극(20)과 트리거(50) 사이의 간극이 조절될 수 있도록 상기 음극(20)을 승강하는 간극조절수단(60);

상기 음극(20)으로부터의 금속이온만이 선별되어 통과되도록 상기 음극(20)에 대해 일정한 전위차를 갖는 갖는 제 1그리드(30); 및

상기 금속이온을 가속하도록 상기 제 1그리드(30)와 음극(20) 사이의 전위차에 비해 상대적으로 더 큰 전위차를 갖는 제 2그리드(40);로 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치에 의하여 달성된다.

여기서, 상기 간극조절수단(60)은 고정된 너트(63)와, 상기 너트(63)에 결합되어 나선을 따라 이동하는 이송볼트(62) 및 상기 음극(20)의 하부에 고정되어 상기 볼트(62)의 이동에 따라 승강하는 지그(61)로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 양극(10)의 외면에는, 일정한 자장이 형성되도록 양단에 서로 다른 극성의 전류가 인가되어 감겨지는 금속코일(11)이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 양극(10)은 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨으로 이루어진 고융점의 금속군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치의 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 이온소스 발생장치의 내부구성도,

도 3은 본 발명에 따른 양극 및 음극의 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 이온소스 발생장치의 사용상태도이다.

< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >

10: 양극 11: 금속코일

20: 음극 30: 제 1그리드

31: 제 1절연체 40: 제 2그리드

41: 제 2절연체 50: 트리거

60: 간극조절수단 61: 지그

62: 이송볼트 63: 너트

64: 벨로우즈 70: 플랜지

100: 이온소스발생장치 200: 진공챔버

300: 반도체 회로기판

다음으로는 본 발명에 따른 펄스형 금속플라즈마 이온소스 장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치의 사시도이고, 도 2는 상기 이온소스 발생장치의 내부구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 양극 및 음극의 개략도이다.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 이온소스 발생장치(100)는 진공하에서 금속플라즈마가 발생되도록 한 뒤, 이중 금속이온만을 선별적으로 추출 및 가속하여 반도체 회로기판(300)의 증착 등에 이용될 수 있도록 하기 위한 것이다.

이 때, 이온소스발생장치(100)의 중앙부위에 구비되는 플랜지(70)가 진공챔버(200)에 체결됨으로써, 금속플라즈마가 진공하에서 발생될 수 있도록 한다.

이러한 상기 이온소스 발생장치(100)는 고전압펄스를 인가받는 양극(10) 및 상기 양극(10)에 대해 소정의 전위차를 갖는 음극(20)과, 상기 음극(20)에 소정간극을 유지하면서 고전압펄스를 순간촉발하는 트리거(50,Trigger)와, 상기 음극(20)과 트리거(50) 사이의 간극을 조절할 수 있도록 상기 음극(20)을 승강하는 간극조절수단(60)과, 펄스방전 중 발생하는 상기 음극(20)의 금속이온만을 선별적으로 추출하여 통과시키는 제 1그리드(30) 및 이를 가속하는 제 2그리드(40) 등으로 이루어진다.

여기서, 상기 양극(10)은 자장이 형성되도록 표면에 금속코일(11)이 감겨지는 원통형상으로 초당 수십마이크로미터 정도의 펄스대역폭을 갖도록 약 200∼600V 정도의 전압을 인가받으며, 발열에 의해 쉽게 용융되지 않도록 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨 등과 같은 고융점의 금속물질로 이루어진 것이다.

그리고, 상기 음극(20)은 일반적으로 상온에서 고체상태를 유지하는 대다수의 금속물질을 주재료로 하며, 길쭉한 봉 형상을 취하는 것으로 접지되어 기저(Ground) 상태를 유지하고 있다.

따라서, 상기 양극(10)과 음극(20) 사이는 상기 양극(10)에 인가되는 전압만큼의 전위차가 존재하게 된다.

또한, 상기 제 1그리드(30)와 제 2그리드(40)는 방전시의 발열에 의해 용융되지 않도록 고융점의 금속물질인 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 및 흑연 등으로 이루어지는데, 방전이 이루어지는 영역에 대한 전기적 절연을 위해 세라믹 소재의 제 1절연체(31)와 제 2절연체(41)가 각각 부착되어 있다.

이러한 상기 제 1그리드(30)는 기저상태인 음극(20)에 대해 전위차를 갖도록 약 50V 정도의 전압을 인가받으며, 상기 제 2그리드(40)는 상기 제 1그리드(30)에 대해 전위차를 갖도록 약 1000V 정도의 전압을 인가받음으로써, 상기 음극(20)의 금속이온은 제 1그리드(30)의 전위차에 의해 추출되어 더 큰 전위차를 갖는 제 2그리드(40)에 의해 가속된다.

아울러, 상기 트리거(50)는 이러한 전위차를 갖는 상기 양극(10)과 음극(20) 사이에 약 1∼10㎲ 정도의 시간동안 고전압의 펄스를 방출함으로써, 양자간의 진공펄스방전 즉, 금속플라즈마 발생을 유도하게 된다.

이 때 발생되는 진공펄스방전은 약 100㎲ 정도의 시간동안 이루어지며, 이후 약 10㎳ 정도의 휴지기간을 갖는다.

이와 같이 상기 이온소스발생장치(100)에서는 트리거(50)에 의한 약 1∼10㎲ 정도의 고압펄스 촉발과, 이에 기인한 양극(10)과 음극(20) 사이에서의 약 100㎲ 정도의 진공펄스방전 그리고, 약 10㎳ 정도의 휴지기간이 주기적으로 반복되는데, 이 때 인가되는 전압 또는 전류치에 따라 그 방전시간 및 휴지기간 등 전체적인 주기가 용이하게 제어될 수 있다.

한편, 상기 트리거(50)는 약 10kV, 50A의 전원을 공급받아 고전압펄스를 순간적으로 촉발하게 되는데, 이는 상기 양극(10)에서의 양이온 방출을 우선적으로 유도하게 된다.

이 때 방출된 상기 양극(10)의 양이온은 노출된 음극(20) 표면에 부딪히면서 금속물질로 이루어진 음극(20)의 원자와 전자가 분리되도록 한다.

이렇게 분리된 상기 음극(20)의 원자가 양이온 즉, 금속이온이며, 전자는 음이온으로 방출되어 상기 양극(10)의 양이온과 더불어 진공하에서 펄스방전을 일으키게 된다.

여기서, 상기 진공하에서의 펄스방전이 금속플라즈마이며, 상기 음극(20)의 금속이온은 펄스방전기간동안 소정의 전위차를 갖는 제 1그리드(30)에 의해 유도되며, 상기 제 1그리드(30)에 비해 더 큰 전위차를 갖는 제 2그리드(40)에 의해 가속됨으로써, 외부로 조사된다.

이러한 상기 금속이온은 일종의 이온빔으로서, 반도체 회로기판(300) 전면에 조사되어 증착에 이용될 수 있는데, 상술한 바와 같이 펄스방전기간의 제어에 따라 약 100keV 정도 이내의 범위내에서 용이하게 제어될 수 있다.

한편, 상기 음극(20)은 상기 트리거(50)에 약 5mm 정도의 간극을 유지하는데, 이러한 상기 음극(20)과 트리거(50)의 간극은 간극조절수단(60)에 의해 조절된다.

이러한 상기 간극조절수단(60)은 상기 음극(20)을 정밀 승강시키기 위한 것으로, 음극(20)을 고정하기 위한 지그(61)와, 고정되는 너트(63)의 나선을 따라 이동하면서 상기 지그(61)의 하부에서 지그(61)를 승강하는 이송볼트(62) 및 상기 이송볼트(62)의 이동에 관계없이 기밀을 유지하기 위해 상기 지그(61) 하부에 고정되는 벨로우즈(64, Bellows)로 이루어진다.

아울러, 상기 음극(20)이 장기적인 방전 등에 의해 소진되었을 경우에도 상기 간극조절수단(60)을 이용하여 상기 음극(20)의 교체가 이루어질 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 이온소스발생장치의 사용상태도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 우선 상기 트리거(50)가 고전압의 10kV 정도의 전압을 인가받아 순간적으로 펄스를 촉발하게 된다.

그러면, 약 600V 정도의 전압을 인가받는 양극(10)에서 양이온이 방출되며, 접지되어 기저상태를 유지하여 상대적으로 상기 양극(10)에 인가되는 전압만큼의 전위차를 갖는 음극(20)의 표면에 부딪혀 금속이온을 방출시키게 된다.

이와 동시에 상기 양극(10)의 양이온과 금속이온이 분리된 후 자유전자 형태를 취하는 음극(20)의 음이온은 진공펄스방전 즉, 금속플라즈마를 형성하게 된다.

이 때 상기 금속이온은 전위차에 의해 제 1그리드(30)쪽으로 이동하게 되며, 이후 제 1그리드(30)에 비해 보다 큰 전위차를 갖는 제 2그리드(40)에 의해 가속된다.

이렇게 가속된 상기 금속이온은 일종의 이온빔화되어 전면의 반도체 회로기판(300)에 조사된다.

이 때, 상기 반도체 회로기판(300)과 상기 제 1그리드(30) 및 제 2그리드(40)는 약 40kV 정도의 전압을 인가받아 전위차에 의해 상기 금속이온이 가속되어 이온빔화될 수 있도록 하는데, 상기 제 1그리드(30) 및 제 2그리드(40)는 전기적으로 설치되는 저항치에 따라 결국 인가되는 전압은 각각 50V 및 1000V 정도이다.

따라서, 상기 음극(20)에서 방출되는 금속이온은 50V 정도의 전위차를 유지하는 제 1그리드(30)에 의해 추출되어 1000V 정도의 전압을 인가받는 제 2그리드(40)의 전위차에 의해 가속되어 최종적으로 약 40kV 정도의 전압을 인가받는 회로기판(300)에 조사되는 등 단계별 전위차에 의한 이온소스화 될 수 있다.

따라서, 상기 반도체 회로기판(300)은 조사되는 상기 금속 이온빔에 의해 증착될 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 이온소스 발생장치(100)에서 상기 양극(10)의 재질은 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 외에 흑연, 스테인레스 중에서 임의로 택일하여 사용할 수 있다.

아울러, 상기 양극(10)은 원통형상 외에, 자장이 형성될 수 있도록 코일형태를 취하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 음극(20)은 단일재질인 1개의 금속봉 외에, 상이한 재질의 다수개의 금속봉이 순차적으로 펄스방전에 응하도록 사용하여 기판(300)에 대한 증착시 다층막이 형성될 수 있도록 할 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치에 따르면, 상온에서 금속플라즈마의 이온소스를 보다 용이하게 촉발시킬 수 있는 특징이 있다.

아울러, 상온에서 고체상태를 이루는 거의 모든 금속의 이온을 음극만을 교체함으로써, 용이하게 얻을 수 있는 효과가 있다.

그리고, 양극과 음극 사이의 펄스방전에서 펄스의 대역폭을 변화시키거나 펄스 반복율을 변화시킴으로써, 기판에 증착되는 막의 두께나 증착되어지는 속도의 조절이 가능한 효과가 있다.

또한 이온에너지의 크기 조절로 기판과 막 사이의 계면에서 비교적 높은 에너지의 이온주입 효과가 달성되며, 재료의 물성치에 기초한 증착한 이루어질 수 있다. 이를 통해 회로기판 증착과정중에서 비교적 높은 증착율과 보다 양질의 막을 얻을 수 있는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (4)

1. 진공상태하에서 일정한 전압이 인가되는 원통 형상의 양극(10);

   상기 양극(10)에 대해 전위차를 갖도록 접지되는 봉 형상의 음극(20);

   상기 양극(10)과 음극(20) 사이의 펄스방전을 유도하여 상기 음극(20)으로부터 금속이온이 방출될 수 있도록 상기 음극(20)에 소정간극을 유지하며, 고전압펄스를 정기적으로 촉발하는 트리거(50);

   상기 음극(20)과 트리거(50) 사이의 간극이 조절될 수 있도록 상기 음극(20)을 승강하는 간극조절수단(60);

   상기 음극(20)으로부터의 금속이온만이 선별되어 통과되도록 상기 음극(20)에 대해 일정한 전위차를 갖는 제 1그리드(30); 및

   상기 금속이온을 가속하도록 상기 제 1그리드(30)와 음극(20) 사이의 전위차에 비해 상대적으로 더 큰 전위차를 갖는 제 2그리드(40);로 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 간극조절수단(60)은 고정된 너트(63)와, 상기 너트(63)에 결합되어 나선을 따라 이동하는 이송볼트(62) 및 상기 음극(20)의 하부에 고정되어 상기 볼트(62)의 이동에 따라 승강하는 지그(61)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 양극(10)의 외면에는, 일정한 자장이 형성되도록 양단에 서로 다른 극성의 전류가 인가되어 감겨지는 금속코일(11)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 양극(10)은 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨으로 이루어진 고융점의 금속군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 금속플라즈마 이온소스 발생장치.