KR20030045652A - 기판의 대전을 억제하기 위한 이온빔 조사장치 및 방법 - Google Patents

기판의 대전을 억제하기 위한 이온빔 조사장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 발생시켜서 이를 기판의 상부면에 근접한 영역에 공급함으로써 이온빔의 조사에 기인한 상기 기판 표면의 대전을 억제하는 플라즈마 발생기를 구비한 이온빔 조사 장치에 관한 것이다. 플라즈마를 발생시키기 위해 플라즈마 발생기에 플라즈마를 공급하기 위한 고주파 전원은 최초 고주파 신호를 진폭 변조함으로써 형성되는 고주파 전력을 발생하기 위한 고주파 전원이다.

Description

기판의 대전을 억제하기 위한 이온빔 조사 장치 및 방법{ION BEAM IRRADIATION APPARATUS FOR SUPPRESSING CHARGE UP OF SUBSTRATE AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 기판에 이온빔(ion beam)을 주입하여 상기 기판에 이온을 주입하기 위한 이온빔 조사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판에 이온빔을 조사할 때 상기 기판의 대전(charging)을 억제하기 위한 개선에 관한 것이다.
기판에 이온빔을 조사할 때 기판의 대전을 억제하는 기술이 제안되고 있다. 플라즈마 발생기(plasma generator)로부터 발생되는 플라즈마는 기판에 근접한 영역에 공급된다. 플라즈마에 포함된 전자는 이온빔 조사에 의하여 발생되는 양전하를 중화하기 위해 사용된다. 상기 제안된 기술은, 대상물(object)에 필라멘트(filament)로부터 방출되는 전자를 조사할 때 상기 대상물로부터 방출되는이차 전자(secondary electron)를 이용하는 기술과 비교하여, 기판에 저에너지의 전자를 공급한다. 따라서, 상기 제안된 기술은 기판이 음전하로 대전되는 것을 감소시키는 장점이 있다.
고주파 방전 형태의 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 발생을 위해 고주파 방전을 이용하는 플라즈마 발생 장치이다. 이러한 형태의 플라즈마 발생 장치는, 방전을 위해 필라멘트를 이용하는 형태의 플라즈마 발생 장치와 비교하여, a) 필라멘트가 없기 때문에 수명이 길고, b)낮은 기체 압력으로 동작할 수 있다는 장점이 있다.
도 9는 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생 장치를 구비하는 이온빔 발생 장치의 관련 기술을 도시하는 단면도이다.
스포트(spot) 형상의 단면을 갖는 이온빔(2)은 이온빔 조사 장치의 이온원(미도시)으로부터 추출된다. 그리고 필요한 경우, 상기 이온빔은 진공실(8)에 유입되기 전에 대규모로 분리 및 가속화된다. 진공실(공정실)에서, 상기 이온빔은 홀더(6)에 의해 유지되는 기판(예, 반도체 기판)(4)상에 조사됨으로써 상기 기판(4)에 이온을 주입(이온 주입 공정)하면서, 자기장에 의해 소정의 X 방향(도면에 대하여 수직한 방향, 예를 들어 하기에서 상기 소정 방향을 나타내기 위해 사용되는 수평 방향)으로 상반되게 주사된다.
상기 기판(4) 및 홀더(6)는 홀더 구동 장치(10)에 의해 Y 방향(예를 들어, 하기에서 상기 Y 방향을 나타내기 위해 사용되는 수직 방향)으로 상반되게 이동한다. 상기 Y 방향은 상기 X 방향에 대하여 실제적으로 수직하다. 이러한 상반 주사 동작은 이온빔(2)의 주사와 협동(하이브리드 주사; hybrid-scan)함으로써 기판(4)의 전체 표면에 이온이 균일하게 조사된다.
빔 스트림의 이동 방향으로 보았을 때 상기 기판(4)의 근처에는 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생 장치(20)가 제공되어 있다. 상기 프라즈마 발생 장치(20)는 플라즈마(12)를 생성하여 이를 상기 기판(4)에 근접한 영역에 공급함으로써 기판(4)의 표면의 대전을 억제한다. 이러한 대전은 이온빔(2)의 조사에 의하여 발생되는 것이다.
상기 기판(4) 및 홀더(6)는 홀더 구동 장치(10)에 의해 Y 방향(예를 들어, 하기에서 상기 Y 방향을 나타내기 위해 사용되는 수직 방향)으로 상반되게 이동한다. 이러한 상반 주사 동작은 상기 이온빔(2)의 주사와 협동(하이브리드 주사)함으로써 기판(4)의 전체 표면에 이온이 균일하게 조사된다.
빔 스트림의 이동 방향으로 보았을 때 상기 기판(4)의 상부면에 근접한 위치에는 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기(20)가 제공되어 있다. 상기 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마(12)를 발생시켜 이를 상기 기판(4)의 상부면에 근접한 영역에 공급함으로써, 이온빔(2)의 조사에 기인하는 기판(4)의 표면의 대전을 억제한다.
상기 플라즈마 발생기(20)는 예를 들어 절연 부재(30)의 도움으로, 기판(4)의 상부면에 근접하여 위치하는 진공 용기(8)의 외측면에 장착된다.
상기 플라즈마 발생기(20)는 원통형의 플라즈마 발생 용기(22)를 구비한다. 가스(예, 크세논 가스)(14)는 상기 플라즈마 발생 용기내로 유입되고, 안테나(28)는, 상기 기체 함유 용기내로 유입되는 고주파 전기 에너지(18)에 의해 발생되는 고주파 방전을 발생함으로써 상기 유입된 가스를 이온화하여 플라즈마를 발생한다.
상기 발생된 플라즈마는 플라즈마 방출 구멍(24)을 통해 방출된다. 상기 플라즈마 발생 용기(22)의 외측에 제공되는 마그네틱 코일(26)은, 상기 플라즈마 방출 구멍(24)의 중심부를 통해 연장되는 축(23)을 따른 방향으로 상기 플라즈마 발생 용기내로 유입되는 자기장을 발생한다. 상기 자기장은 플라즈마(12)를 발생 및 유지하기 위해 사용된다.
고주파 전력원(16)으로부터 임피던스 정합 회로(19)를 통해 안테나(28)로 고주파 전력(18)이 공급된다. 통상적인 기술에 있어서, 상기 고주파 전력원(16)으로부터 출력되는 고주파 전력원(18)의 파형은 정상 정현 파형, 즉 소정의 진폭을 갖는 연속 정현 파형이고, 그 주파수는 2.45 GHz 또는 3.56 MHz 이다.
상기 기판(4)에 이온빔(2)이 조사되는 때, 상기 기판(4)의 표면은 이온빔(2)의 양전하로 대전된다. 특히, 상기 기판(4)의 표면에 절연재가 피복되는 경우, 상기 표면은 대전되기 쉽다. 이온빔이 전술한 방식으로 조사되는 때 상기 기판(4)에 근접한 영역에 플라즈마(12)가 도입되고, 상기 플라즈마(12)의 전자는 상기 양전하로 대전된 기판(4)의 표면으로 유인됨으로써 상기 기판(4)의 표면의 양전하를 중화시킨다. 상기 양전하가 중화되는 경우, 상기 기판내로 전자가 유인되는 것은 이론에 따라 설명되는 바와 같이 자동적으로 정지된다. 따라서, 이온빔 조사에 의해 기판 표면이 양전하로 대전되는 것이 억제된다.
상기 이온빔 조사에 의해 대전되는 양전하를 중화시키는 것은 전술한 바와같이 수행된다. 상기 기판 표면은 하기의 이유때문에 양전하 또는 음전하로 대전된다.
1) 이온빔(2)이 기판에 조사되는 상태:
이러한 상태에서, 상기 기판(4)의 표면은 양전하로 대전되고 기판(4)으로부터 이차 전자가 방출된다. 이러한 이차 전자의 방출은 이온빔 조사에 의해 발생되는 것이다. 이때, 플라즈마 발생기(20)에 의해 발생되는 플라즈마(12)의 전자는 빔 플라즈마(beam plasma)에 함유된다. 실제적으로, 상기 이온빔(2)은 이온만을 함유하는 것이 아니며, 그의 환경으로부터 전자를 포착하여 플라즈마 상태로 유지된다. 이러한 상태는 빔 플라즈마로 불리운다. 상기 이온빔 플라즈마는 기판(4)으로 이동하여 양전하를 중화시키고 기판 표면의 대전 상태를 완화시킨다.
이러한 대전 완화 수준은 플라즈마(12)의 전자 밀도 및 전자 에너지에 의해 결정된다. 상기 플라즈마는 플라즈마 발생기(12)로부터 발생된다.
일반적으로, 상기 대전 완화 효과는 전자 밀도가 크고 전자 에너지가 낮을 수록 크다. 이것에 대한 이유는 전자 에너지가 낮을수록 빔 플라즈마가 상기 플라즈마 발생기(20)로부터 공급되는 플라즈마(12)의 전자를 용이하게 포착하기 때문이다.
2) 기판(4)에 이온빔(2)이 조사되지 않는 상태:
일반적으로, 이온빔(2)은 기판(4)의 폭을 초과하는 범위에 걸쳐서 주사된다(과도 주사). 또한, 기판(4)이 전술한 바와 같이 Y 방향으로 이동한다. 따라서, 플라즈마 발생기(20)로부터 플라즈마(12)가 방출되는 동안에, 기판(4)에 이온빔(2)이 조사되지 않는 기간이 존재한다. 상기 기판에 이온빔이 조사되지 않는 기간 동안에, 기판(4)은 플라즈마 발생기(20)로부터 방출되는 플라즈마에 노출된다. 이때, 상기 기판 표면의 대전 전압은 플라즈마(12)내의 전자의 양과 이온의 양 사이의 균형에 의해 결정된다. 일반적으로, 전자는 이온보다 가볍고 전자의 이동도는 이온의 이동도보다 크다. 따라서, 상기 기판 표면의 대전 전압은 음극이다.
예를 들어, 기판(4)에 인접한 영역의 이온의 양이 아주 적은 경우, 대전 전압은 플라즈마(12)의 최대 전자 에너지에 상응하는 전압으로 상승한다.
상기의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기판(4)의 양전하 또는 음전하 대전 전압, 특히 음전하 대전 전압을 증가시키기 위하여는 플라즈마(12)의 전자 에너지를 감소시켜야 한다.
필라멘트로부터 방출되는 일차 전자 및 상기 일차 전자로 조사되는 때 대상물로부터 방출되는 이차 전자를 이용하는 기술과 비교하여, 상기 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기(20)는 저에너지의 전자를 공급할 수 있다. 최근에, 반도체 장치의 미세 가공(microfabrication) 기술이 크게 진보되었다. 이러한 상태에서, 상기 대전 전압은 이온 주입동안 낮은 수준으로 유지되어야 한다. 상기 통상적인 기술은 이러한 요건을 만족시키기에 불만족스러운 것이다.
상기 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기(20)에 있어서도, 플라즈마가 발생되는 때 고주파 전기장이 전자를 크게 가속시키므로 고에너지 전자가 쉽게 발생된다. 고주파 방전의 한 형태로서 ECR(전자 싸이클로트론 공명; electron cyclotron resonance)을 이용하는 것이 플라즈마 밀도를 증가시키는데 있어서 유용하지만, 전자 싸이클로트론 공명에 의해 전자가 상당히 가속되므로 더욱 높은 에너지의 전자가 발생될 가능성이 증가한다. 따라서, 상기 기판 표면의 음전하 대전 전압이 높아질 수 있다.
이러한 경우에 있어서, 플라즈마 발생기(20)에 공급되는 고주파 전력(18)이감소하는 경우, 플라즈마(12)의 전자 에너지가 감소한다. 그러나, 플라즈마(12)의 밀도가 감소하고 플라즈마(12)가 소멸된다. 고주파 전력(18)을 감소시키기 위한 상기 기술은 기판(4)의 대전을 효과적으로 억제하기에는 불만족스러운 것이다.
본 발명의 목적은, 플라즈마를 발생하면서 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기에 의해 발생되는 플라즈마 스트림(plasma stream)의 전자 에너지를 감소시킴으로써 기판의 대전 전압을 감소시킬 수 있는 이온빔 조사 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 이온빔 조사 장치에 있어서, 플라즈마를 발생시키려는 목적으로 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기에 플라즈마를 공급하기 위한 고주파 전원은 최초의 고주파 신호를 진폭 변조함으로써 형성되는 고주파 전력을 발생시키기 위한 고주파 전원이다.
상기 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기에 있어서, 플라즈마의 전자는 상기 고주파 전력에 의해 가속된다. 이때, 상기 전자의 가속은 플라즈마에 인가되는 고주파 전기장의 세기, 즉 고주파 전력의 진폭에 의해 결정된다. 실제적으로, 전자가 발생, 가속, 감속 및 소멸을 반복하면서, 플라즈마 발생기내로 유입되는 기체인 플라즈마의 중성 입자와 충돌한다.
따라서, 소정의 진폭을 갖는 고주파 전력이 플라즈마 발생기에 인가되는 연속파 방식에 있어서도, 전자가 무제한적으로 가속되지 않고 소정의 에너지 분포를 갖는다.
플라즈마의 전자가 고에너지를 가지도록 가속되기 전에 상기 고주파 전력이 0 근처의 값으로 감소하는 경우, 상기 전자는 더 이상 가속되지 않는다. 고전력 상태 및 0 근처의 저전력 상태가 반복되도록 고주파 전력이 제어되는 경우, 연속파 방식과 비교하여 낮은 에너지 분포가 확보된다.
고주파 전력의 진폭이 0 근처의 값으로 변화(감소)하는 경우, 플라즈마가 소멸될 수 있다. 그러나 실제적으로, 상기 플라즈마는 소멸되지 않는다. 이러한 사실이 본 발명자에 의해 확인되었다.
고주파 전력의 주파수가 2.45 GHz이고, 출력이 100W이고, 유입되는 크세논의 유속이 0.2 ccm인 상태에서 플라즈마 발생기로부터 방출되는 전자의 양을 측정하였다. 그리고, 이러한 측정에 있어서, 고주파 전력을 공급 및 차단하였다. 상기 고주파 전력을 공급한 후 60 마이크로초가 경과한 후, 플라즈마는 정지 상태로 진정되었다. 상기 고주파 전력이 차단된 후, 플라즈마는 감소하여 30 마이크로초 이내에 소멸된다. 이러한 사실은 실험에 의해 확인되었다.
이러한 사실로부터, 본 발명의 발명자는, 높은 상대 전력 상태 및 낮은 상대 전력 상태(예, 0 근처의 값)가 소정의 간격으로 번갈아 반복되도록 상기 플라즈마 발생기에 공급되는 고주파 전력의 진폭이 조절되는 경우 플라즈마의 전자 에너지가 감소되면서 플라즈마의 발생이 유지될 수 있음을 확인하였다. 이러한 전자 에너지의 감소에 의하여 기판의 대전 전압이 감소한다.
본 발명에 따라, 이와 같이 고주파 전력의 진폭을 변화시키는 것은, 최초 고주파 신호를 진폭 변조함으로써 형성되는 고주파 전력, 즉 변조파 방식의 고주파 전력을 발생하는 고주파 전원을 이용하여 달성된다.
본 발명의 이온빔 조사 장치에 있어서, 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기에 고주파 전력을 공급하기 위한 고주파 전원은, 두 가지의 동작 방식, 즉 연속파 방식과 변조파 방식중 어느 한 방식으로 선택적으로 동작될 수 있는 고주파 전원이다. 상기 동작 방식중 연속파 방식에 있어서, 고주파 전원은 소정의 진폭을 갖는 고주파 전력을 발생한다. 상기 변조파 방식에 있어서, 고주파 전원은 최초 고주파 신호를 진폭 변조함으로써 형성되는 고주파 전력을 발생한다. 또한 상기 이온빔 조사 장치는, 플라즈마 챔버에서 플라즈마가 발생되는 때 고주파 전원을 연속파 방식으로 설정하는 제어 수단, 및 플라즈마 챔버에서 플라즈마가 발생된 후 고주파 전원을 변조파 방식으로 설정하는 제어 수단을 구비한다.
변조파 방식에 있어서도, 플라즈마 챔버에서 플라즈마가 발생될 수 있다. 그러나, 연속파 방식에 있어서는, 플라즈마 밀도를 감소시키는 기간이 존재하므로 플라즈마 챔버에서 플라즈마가 더욱 용이하고 신뢰할 수 있게 발생된다.
따라서, 고주파 전원(16a)으로부터 고주파 전력(18)의 출력 방식을 선택하기 위한 선택 장치가 이용되는 경우, 플라즈마 챔버에서 플라즈마가 더욱 용이하고 신뢰할 수 있게 발생된다.
플라즈마가 발생된 후, 플라즈마의 전자 에너지가 감소하면서 플라즈마가 발생된다. 따라서, 본 발명의 이온빔 조사 장치는 전술한 종래의 이온빔 조사 장치를 이용하여 얻을 수 있는 것과 비교할 수 있는 이점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 이온빔 조사 장치를 도시하는 측면도.
도 2는 도 1의 라인 C-C를 따라 절취한 단면도.
도 3은 도 1에서 사용되는 고주파 전원을 도시하는 도면.
도 4는 정현 변조 신호에 의해 변조되는 고주파 전원을 도시하는 파형도.
도 5는 삼각 변조 신호에 의해 변조되는 고주파 전력을 도시하는 파형도.
도 6은 사각 변조 신호에 의해 변조되는 고주파 전력을 도시하는 파형도.
도 7은 사각 변조 신호에 의해 변조되는 고주파 전력의 주파수에 따른, 기판 근처의 위치에서 관측되는 음전하 대전 전압의 변화를 도시하는 그래프.
도 8은 사각 파형을 가지도록 변조되는 고주파 전력의 듀티비(duty ratio)에 따른, 기판 근처의 위치에서 측정되는 음전하 대전 전압의 변화를 도시하는 그래프.
도 9는 관련 기술의 이온빔 조사 장치를 도시하는 측면도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호 설명]
2: 이온빔 4: 기판
12: 플라즈마 14: 가스
16a: 고주파 전원 18: 고주파 전력
19: 임피던스 정합 회로 20: 플라즈마 발생기
22: 플라즈마 발생 용기 24: 플라즈마 방출 구멍
28: 안테나 50: 제어 장치
52: 고주파 발진기 53: 최초 고주파 신호
54: 변조기 55: 고주파 신호
56: 고주파 증폭기 58: 변조 신호 발생기
59: 변조 신호
도 1은 본 발명에 따른 이온빔 조사 장치를 도시하는 측면도이다. 도 2는 도 1의 라인 C-C를 따라 절취한 단면도이다. 도 1 및 도 2에 있어서, 관련 기술을 도시하는 도 9에서와 동일 부분은 동일 도면 부호로 도시한다. 이하, 상기 관련 기술과 상이한 부분에 중점을 두고 설명하기로 한다.
우선, 플라즈마 발생기(20)의 구조를 설명하기로 한다. 이러한 경우에 있어서, 플라즈마 발생 용기(22)는 이온빔(2)의 주사 방향(X)으로 연장되는 축(23)을 따라 연장되는 원통형상을 취한다. 상기 플라즈마 발생기내로 기체(14)를 유입하기 위한 기체 유입관(40) 및 안테나(28)가 상기 플라즈마 발생 용기(22)의 양측 단부에 설치되어 있다. 상기 축(23)을 따라 플라즈마 방출 구멍(24)이 형성되어 있다. 이러한 구조에 있어서, 플라즈마 발생 용기(22)에서 플라즈마(12)가 발생된다. 상기 플라즈마(12)는 주사 방향(X)이 길고 폭이 큰 형상을 취한다. 이러한 넓은 플라즈마(12)가 플라즈마 방출 구멍(24)을 통해 방출된다. 따라서, 이온빔(2)이 주사 방향(X)으로 이동하여 주사되는 경우에도, 상기 구조체는 이온빔(2) 근처의 영역에 플라즈마(12)를 균일하게 공급한다. 따라서, 기판(4)의 표면의 대전이 균일하게 억제됨으로써, 상기 기판 표면에 고전압 위치가 형성되는 것이 억제된다.
상기 플라즈마 발생 용기(22)의 외측에는 최소한 하나의 자석(36)이 제공되어 있다. 상기 자석(36)은 축(23)의 방향으로 자기장(38)을 전개한다. 대표적으로, 상기 자석(36)은 영구 자석이다. 상기 영구 자석(36)은 플라즈마(12)의 이온 흐름이 기판(4)을 향하도록 함으로써 기판(4)에 공급되는 이온의 양을 증가시킨다.
따라서, 상기 기판(4)에 이온빔(2)이 조사되지 않는 상태로 상기 이온빔 조사 장치가 사용되는 경우에도, 상기 플라즈마 발생기(20)로부터 방출되는 플라즈마(12)의 전자에 기인하는 음전하가 플라즈마(12)의 이온에 의해 중화된다.
따라서, 상기 기판 표면의 대전이 억제되고 대전 전압을 감소시키는 효과가 더욱 향상된다.
상기 플라즈마 발생 용기(22)내에서, 자석(36)에 의해 전개되는 자기장을 이용하여 ECR 상태를 설정할 수 있다. 따라서 이러한 경우에 있어서, 상기 ECR 상태가 설정된다. 상기 고주파 전력(18)의 기본 주파수가 2.45 GHz인 경우, 875 x 10-4테슬러의 자기장을 발생시키면 ECR 상태가 설정된다. 따라서, ECR 방전이 발생할 수 있다. ECR 방전을 발생시키면, 플라즈마(12)를 발생시키는 효율이 증가한다.
이하, 고주파 전원을 설명하기로 한다. 이러한 경우에 있어서, 도 9를 참조로 설명한 고주파 전력원(16) 대신에 고주파 전원(16a)이 사용된다.
상기 고주파 전원(16a)은 최초 고주파 신호를 고주파 전력(18)으로 진폭 변조한다. 상기 고주파 전원(16a)은 임피던스 정합 회로(19)를 통해 플라즈마 발생기(20)(더욱 엄밀하게는 그의 안테나(28))에 고주파 전력을 공급한다.
상기 고주파 전원(16a)의 대표적인 배열이 도 3에서 도시되어 있다. 상기고주파 전원(16a)은 최초 고주파 신호(반송파라고도 불리워짐)를 발생하기 위한 고주파 발진기(52)와, 고주파 신호(53)를 고주파 신호(55)로 진폭 변조하기 위한 변조기(54)와, 변조기(54)에 변조 신호(59)를 공급하기 위한 변조 신호 발생기(58)와, 상기 변조기(54)로부터 출력되는 고주파 신호(55)를 필요한 정격 출력의 고주파 전력(18)으로 증폭하기 위한 고주파 증폭기(56)를 구비한다. 상기 고주파 발진기(52)로부터 출력되는 고주파 신호(53)의 주파수 "f"는 예를 들어 2.45 GHz 또는 13.56 GHz이다. 본원에서 사용되는 용어 "고주파"는 마이크로파를 포함한 광대역 주파수를 포함한다. 도 4 내지 도 6에서, 얇은 수직선은 고주파 신호(53)의 진폭을 나타낸다.
상기 고주파 전원(16a)은 연속파 방식과 변조파 방식의 두 가지 동작 방식중 어느 한 방식으로 선택적으로 동작될 수 있다. 상기 연속파 방식은 소정의 진폭을 갖는 고주파 전력(18)을 출력하고, 상기 변조파 방식은 진폭 조절된 고주파 전력(18)을 발생한다.
용어 "진폭 변조된 고주파 전력"은 큰 상대 출력(진폭) 상태 및 작은 상대 출력(진폭) 상태가 소정의 간격으로 번갈아 반복되도록 변화하는 고주파 전력을 의미한다. 상기 고주파 전원의 동작 방식, 즉 연속파 방식 또는 변조파 방식은 변조 신호 발생기(58)로부터 출력되는 변조 신호(59)의 파형을 적당히 선택함으로써 선택된다. 구체적으로, 연속파 방식을 선택하기 위하여, 소정의 진폭을 갖는 연속 파형이 변조 신호(59)의 파형으로 사용된다. 변조파 방식을 선택하기 위하여, 시간에 따라 변화하는 진폭을 갖는 파형(예, 코사인파, 삼각파, 및 사각파)이 상기변조 신호(59)의 파형으로 사용된다.
상기 실시예는, 고주파 전원(16a)을 제어함으로써 고주파 전원으로부터 출력되는 변조된 고주파 전력(18)의 파형, 변조 기간(T), 진폭(A), 듀티비(변조 신호의 파형이 사각형인 경우) 등을 제어하는 제어 장치(50)를 포함한다.
더욱 구체적으로, 상기 제어 장치(50)는 상기 변조 신호 발생기(58)에 명령 정보를 보내서 상기 변조 신호 발생기로부터 출력되는 변조 신호(59)의 파형, 변조 기간(T), 진폭(A), 듀티비 등을 제어한다. 상기 제어 장치(50)는 상기 고주파 증폭기(56)에 명령 정보를 보내서 이로부터 출력되는 고주파 전력(18)의 진폭(A)을 제어한다.
이러한 실시예에 있어서, 상기 제어 장치(50)는 하기와 같은 추가의 제어 기능을 가진다. 상기 플라즈마 발생기(20)가 플라즈마(12)를 발생하는 때, 상기 제어 장치(50)는 상기 고주파 전원(16a)의 동작 방식, 즉 상기 고주파 전원(16a)로부터 출력되는 고주파 전력(18)의 출력 방식을 연속파 방식으로 설정한다. 그리고, 플라즈마(12)가 발생된 후, 상기 제어 장치(50)는 상기 동작 또는 신호 방식을 변조파 방식으로 변화시킨다.
상기 고주파 전원(16a)으로부터 변조파 방식으로 출력되는 고주파 전력(18)의 대표적인 파형이 도 4 내지 도 6에서 도시되어 있다.
도 4는 정현 변조파에 의해 변조되는 고주파 전력(18)을 도시하는 파형도이다.
상기 고주파 전력(18)은 하기 수학식(1)의 함수 F(t)로 표시될 수 있다. 수학식(1)에 있어서, f는 고주파 신호(53)의 주파수이고, t는 시간이고, G(T, t)는 변조 신호(59)를 나타내는 함수(변조 함수)이고, T는 상기 함수의 기간(변조 기간)이고, A는 진폭이다. 일반적으로, 변조 기간(T)는 고주파 신호(53)의 기간(1/f)보다 상당히 길다.
F(t) = G(T, t)·sin2πft
G(T, t) = (A/2){1-2cos2π(t/T)}
도 5는 삼각 변조파에 의해 변조되는 고주파 전력(18)의 파형을 도시하는 파형도이다. 상기 고주파 전력(18)은 하기 수학식(2)의 함수 F(t)로 표시될 수 있다. 수학식(2)에서, n은 정수이다.
F(t) = G(T,t)·sin2πft
G(T,t) = (2A/T)·(t-nT)... nT ≤t<(n+1/2)T의 경우
G(T,t) = A{1-(t-nT)/T}... (n+1/2)T≤t<(n; 1)T의 경우
도 6은 사각 변조파에 의해 변조되는 고주파 전력(18)의 파형을 도시하는 파형도이다. 이러한 경우에 있어서, 상기 고주파 전력의 진폭은 A 및 0 사이에서 변화한다. 상기 고주파 전력(18)은 하기 수학식(3)의 함수 F(t)로 표시될 수 있다. 수학식(3)에서, 듀티비 "d"는 d=t0/T로 주어진다. 여기서, t0는 진폭(A)이 계속(공급 기간)되는 시간이다. 상기 듀티비는 0 및 1 사이에서 변화한다.
F(t) = G(T,t)·sin2πft
G(T,t) = A... nT≤t<(n+d)T의 경우
G(T,t) = 0... (n+d)≤t<(n+1)T의 경우
각각의 고주파 전력(18)의 파형에 있어서, 최소 진폭은 0으로 설정된다. 필요한 경우, 상기 최소 진폭은 0 근처의 값으로 설정될 수도 있다. 또한, 상기 최소 진폭은 플라즈마 발생기(20)를 이용하여 플라즈마(12)의 발생을 유지할 수 있는 최소값으로 설정될 수도 있다. 이때, 상기 최소값은 진폭(A)보다 작다.
상기 변조파 방식의 고주파 전력(18)의 파형이 도 4 내지 도 6에서 도시한 것으로 제한되지 않고, 이러한 파형 이외의 어떤 적당한 파형이 사용될 수도 있다.
이러한 것의 예로는 수학식(1) 및 수학식(2)의 변조 함수 G(T,t)를 포함함으로써 형성되는 파형, 즉 정현 파형 및 삼각 파형을 구성함으로써 형성되는 파형이 있다. 이러한 경우에 있어서, 큰 상대 진폭 부분 및 작은 상대 진폭 부분이 소정의 간격으로 번갈아 나타나도록 상기 파형들중 어떤 파형이 형성되어야 한다.
상기 고주파 전원(16a)을 설계하는데 있어서, 가장 간단한 설계 방식은 전술한 파형들중 도 6에서 도시한 바와 같은 사각 파형을 고주파 전원의 출력 신호의 파형으로 사용하는 것이다. 이러한 경우에 있어서, 가장 실용적인 방식은 사각 파형을 고주파 전력(18)의 파형으로 사용하는 것이다.
고주파 전원(16a)이 연속파 방식의 고주파 전력(18)을 출력하는 경우, 수학식(1) 내지 수학식(3)에서 변조 함수 G(T,t)는 항상 A이다.
상기 플라즈마(12)의 전자 에너지는, 높은 상대 전력 상태 및 낮은 상대 전력 상태(예, 0 근처의 값)이 소정의 간격으로 번갈아 나타나도록 상기 플라즈마 발생기(20)에 공급되는 고주파 전력(18)의 전력 진폭이 고주파 전원(16a)을 이용하여 제어되도록 하는 방식으로 플라즈마(12)의 발생을 유지하면서, 즉 플라즈마(12)가 사라지는 것을 방지하면서 감소될 수 있다. 이러한 전자 에너지의 감소에 의하여, 기판의 대전 전압이 감소한다.
그 결과, 이온빔 조사동안 반도체 장치의 절연 파괴가 방지되고 반도체 장치의 제조에서 제조 수율이 개선된다.
또한, 이러한 대전 전압 감소는 반도체 장치의 미세 가공 기술에 적용될 수 있는 이점이 있다.
ECR 방전이 이용되는 경우, 상기 전자는 전자 싸이클로트론 공명 상태에서 에너지가 증가하도록 용이하게 가속된다. 따라서, 상기 변조파 방식의 고주파 전력(18)을 이용함으로써 달성되는 플라즈마(12)의 전자 에너지의 감소에 기인하는 유익한 효과가 증가된다.
상기 고주파 전원(18)은 소정 진폭의 고주파 전력을 연속적으로 발생하는 통상적인 고주파 전원(16)과 비교하여 적은 전력을 소비한다. 따라서, 상기 장치의 에너지가 절감되고 가동 비용이 감소된다.
또한, 전술한 바와 같은 변조파 방식에 있어서, 상기 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마(20)를 발생할 수 있다. 그러나, 상기 플라즈마의 발생 동안, 연속파 방식에서는 플라즈마 밀도의 감소가 존재하지 않는다. 따라서, 이러한 방식에 있어서, 상기 플라즈마(12)는 더욱 용이하고 신뢰할 수 있게 발생된다.
따라서, 고주파 전원(16a)으로부터 출력되는 고주파 전력(18)의 출력 방식을 선택하기 위한 선택 장치가 이용되는 경우, 상기 플라즈마 발생기(20)는 더욱 용이하고 신뢰할 수 있게 플라즈마(12)를 발생한다. 플라즈마가 발생된 후, 변조파 방식이 사용되고, 이러한 방식에 의해 전술한 방식과 비교가능한 이점이 얻어진다. 엄밀하게 말해서, 플라즈마(12)의 발생이 유지되면서 플라즈마(12)의 전자 에너지가 감소된다. 또한, 상기 장치의 에너지 절감 및 가동 비용 감소 효과가 얻어진다.
상기 고주파 전력(18)의 변조 기간(T)이 너무 길게 설정되는 경우, 고주파 전력이 플라즈마 발생기에 인가되지 않는 기간이 길어지게 된다. 이러한 상태에서, 상기 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마(12)를 발생하지 못할 수도 있다.
다른 한편으로, 상기 변조 기간(T)이 너무 짧게 설정되면, 플라즈마(12)의 전자 에너지가 충분히 감소하기 전에 고주파 전력(18)이 상기 플라즈마 발생기에 인가된다. 그 결과, 플라즈마(12)의 전자 에너지 감소에 의한 효과가 작아지게 된다.
상기 변조 기간(T)의 바람직한 범위를 고찰하기로 한다. 상기 고주파 전력(18)의 차단 기간(플라즈마(12)의 발생을 유지하는 한계값보다 더 짧은 기간)이 약 30 마이크로초를 초과하는 경우, 플라즈마(12)는 사라진다. 상기 변조 기간(T)이 30 마이크로초로 표시되는 경우, 30 마이크로초의 2배인 60 마이크로초의 값이 얻어진다. 이러한 값은 아주 타이트한 값이다.
그래서, 상기 변조 기간(T)은 약 20%의 여유를 가지는 값으로 설계된다. 이러한 경우, 상기 변조 기간은 약 50 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 상기 변조 기간(T)의 하한계는 20%의 최대값으로 설정되는데, 약 10 마이크로초 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 상기 변조 기간(T)의 바람직한 범위는 하기 수학식(4)으로 개략적으로 표시될 수 있다.
상기 변조 기간이 변조 주파수 fM(=1/T)으로 치환되는 경우, 이는 하기 수학식(5)으로 표시된다.
10 ≤T ≤50 [㎲]
20 ≤fM≤100 [kHz]
실험을 수행했다. 이러한 실험에 있어서, 도 1 및 도 2의 이온빔 조사 장치에서 상기 고주파 전력(18)을 사각파 신호에 의해 변조시켰다. 상기 사각파의 변조 기간(T) 및 듀티비 "d"의 바람직한 범위를 측정하였다. 그 측정 결과는 아래와 같다.
상기 실험에 있어서, 듀티비 "d"를 0.5로 설정된 상태에서 변조 주파수(fM)를 변화시키고, 기판(4)에 근접한 위치의 음전하 대전 전압을 측정하였다. 그 측정 결과를 도 7에서 도시한다. 플라즈마(12)에 의해 발생되는 전류 흐름(electron current)을 플라즈마(12)에 의해 발생되는 이온 흐름(ion current)과 비교하면, 상기 전자 흐름은 이온 흐름보다 아주 크다.
따라서, 측정된 전압값은 최대 전자 에너지와 거의 동일하다. 상기 측정에 있어서, 상기 고주파 전력(18)의 기본 주파수(즉, 고주파 신호(53)의 주파수 "f")는 2.45 GHz 이고, 상기 고주파 전력(18)의 최대 전력(도 6에서 진폭 A)은 100W 이고, 유입되는 크세논 가스(14)의 유속은 0.2 ccm 이었다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 대전 전압은 30kHz의 변조 주파수(fM) 근처에서 최소값을 나타낸다. 이것에 대한 이유는 하기와 같이 평가될 수 있다.
10 kHz 의 변조 주파수(fM) 근처의 주파수(100 마이크로초의 변조 기간(T))에서, 고주파 전력(18)의 공급 및 차단 기간은 각각 50 마이크로초이다. 따라서, 플라즈마(12)의 발생 및 무발생이 번갈아 반복되고, 상기 공급 기간은 플라즈마(12)가 연속파 방식의 정상 상태로 진정되는 기간과 거의 동일하다.
이러한 주파수 근처의 주파수에서, 연속파 방식의 것과 비교될 수 있는 높은 전자 에너지가 관측된다.
플라즈마 발생기(20)의 동작의 측면에서, 플라즈마(12)의 발생이 정지되는 시간이 이러한 주파수 근처의 주파수에서 존재한다. 따라서, 플라즈마(12)로부터 기판(4)으로 전자가 일시적으로 공급되지 않을 수 있다. 따라서, 10 kHz 근처의 주파수를 사용하는 것은 회피하여야 한다.
변조 주파수(fM)가 점차적으로 증가함에 따라, 플라즈마(12)의 정상 발생 상태가 설정된다. 이러한 상태에서, 상기 고주파 전력(18)의 공급 기간은 짧아진다. 또한, 고주파 전력(18)이 차단 상태에 있는 경우, 전자가 플라즈마(12)의 중성 입자와 충돌하면서 감속되고, 저에너지의 전자가 발생되고 음전하 대전 전압이 감소된다.
변조 주파수(fM)가 30 kHz를 초과하는 경우, 상기 음전하 대전 전압은 다시 증가하게 된다. 오늘날, 상기 음전하 대전 전압이 다시 증가하는 경향의 매커니즘은 이론적으로 설명될 수 없는 것이다.
본 발명자의 평가에 있어서, 상기 대전 전압이 다시 증가하는 것은 고주파 전력(18)의 공급을 차단한 결과로서 전자 감속 시간이 감소한다는 사실에 기인하는 것이다.
어느 한 경우에 있어서, 상기 플라즈마(12)의 전자 에너지는 변조 주파수(fM)에 따라 변화하고, 전자 에너지가 변화함에 따라 음전하 대전 전압이 변화한다. 따라서, 상기 변조 주파수(fM)는 바람직한 범위를 가져야 한다.
이러한 사실은 실험에 의해서도 확인되었다. 기판(4)의 표면상의 반도체 장치에 이온빔을 조사(이온 주입)할 때 요구되는 대전 전압의 최대값은 8V인 것으로 판단된다.
이러한 경우에 있어서, 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 듀티비 "d"가 0.5인 경우 변조 주파수(fM)의 바람직한 범위는 25kHz 내지 80 kHz이다.
변조 주파수(fM)를 변화시키기 위하여는 고주파 전력(18)의 공급 및 차단 기간을 변화시켜야 한다. 사각 파형의 경우에 있어서, 이것은 듀티비 "d"를 변화시킴에 의해서도 달성될 수 있다. 본 발명자의 실험에 있어서, 상기 변조 주파수(fM)를 50 kHz로 설정하고 이러한 상태에서 상기 듀티비 "d"를 변화시켰다. 기판(4)에 인접한 위치에서 음전하 대전 전압을 측정하였다. 이러한 측정 결과는 도 8에서 도시된다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 듀티비 "d"가 증가함에 따라, 대전 전압이 점차적으로 증가한다. 이전의 경우에서와 같이 대전 전압의 최대값이 8V인 경우, 듀티비 "d"의 바람직한 범위는 0.7 이하이다. 상기 듀티비 "d"가 너무 작은 경우, 플라즈마(12)의 밀도가 감소한다. 따라서, 상기 듀티비 "d"는 0.3 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 변조 주파수(fM)가 50kHz인 경우 상기 듀티비 "d"의 바람직한 범위는 0.3 내지 0.7 이다.
상기 사각파의 변조 주파수(fM) 및 듀티비 "d"를 고려에 넣는 경우, 상기의 조건하에서 변조 주파수(fM)는 30 내지 50 kHz의 범위로 설정하고 듀티비 "d"는 0.4 내지 0.5로 설정하는 것이 바람직하다.
도 2에서 도시한 경우에서와 같이, DC 전원(42)으로부터 플라즈마 발생 용기(22)에 양전하 음전하 추출 전압(VE)이 인가될 수 있다. 이렇게 함으로써, 플라즈마 발생기(20)로부터 방출되는 플라즈마(12)의 이온 및 전자의 양은 상기 추출 전압(VE)의 진폭 및 극성에 의해 제어될 수 있으므로, 기판 표면의 대전 상태가 제어된다.
전술한 이유때문에, 도 1 및 도 2에서 도시한 플라즈마 발생기(20)를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 필요한 경우, 도 9의 구조 또는 또 다른 구조를 사용할 수도 있다.
플라즈마 발생기(20)를 이온빔(2)에 근접하여 위치시키기 위하여 플라즈마 발생기(20)는 진공 용기(8)내부에 배치될 수도 있다. 또는 그렇지 않으면, 상기 플라즈마 발생기(20)는 진공 용기(8)에 삽입된 튜브에 배치될 수도 있다. 이와 같이 배치하는 경우, 플라즈마(12)는 이온빔(2) 및 이를 함유하는 빔 플라즈마에 이들의 근접 위치로부터 효과적된다. 그리고, 상기 플라즈마(12)는 대전을 억제하면서 효과적으로 이용될 수 있다.
상기 플라즈마(12)의 스퍼터링에 의한 금속 오염을 방지하고, 도전성 스퍼터링 재료가 절연 부재(30)에 달라붙는 것을 방지하고 기타 목적을 위하여, 상기 플라즈마 용기(22)의 내측 벽에는 절연 재료가 피복될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마를 발생하면서 고주파 방전 형태의 플라즈마 발생기에 의해 발생되는 플라즈마 스트림의 전자 에너지를 감소시킴으로써 기판의 대전 전압을 감소시킬 수 있는 효과가 있는 이온빔 조사 장치를 제공한다.

Claims (3)

  1. 기판에 이온빔을 조사하기 위한 장치에 있어서,
    고주파 방전에 의해 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 발생기로서, 상기 기판의 상부면 근처의 영역에 상기 플라즈마를 공급함으로써 이온빔 조사에 의한 상기 기판 표면의 대전을 억제하는 플라즈마 발생기와;
    상기 플라즈마를 발생하기 위하여 상기 플라즈마 발생기에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 포함하며;
    상기 고주파 전원은 상기 고주파 전원의 최초 고주파 신호를 진폭 변조함으로써 형성되는 신호를 포함하는 고주파 전력을 출력하는 것인 장치.
  2. 기판에 이온빔을 조사하기 위한 장치에 있어서,
    고주파 방전에 의해 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 발생기로서, 상기 기판의 상부면 근처의 영역에 상기 플라즈마를 공급함으로써 이온빔 조사에 의한 상기 기판 표면의 대전을 억제하는 플라즈마 발생기와;
    상기 플라즈마를 발생하기 위하여 상기 플라즈마 발생기에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 포함하며;
    상기 고주파 전원은, 상기 고주파 전원이 소정 진폭의 고주파 전력을 발생하는 것인 연속파 방식과, 상기 고주파 전원이 최초 고주파 전원을 증폭 변조함으로써 형성되는 고주파 전력을 발생하는 것인 변조파 방식으로 이루어진 두 가지의 동작 방식중 어느 하나의 방식으로 선택적으로 동작할 수 있는 것이며, 상기 플라즈마 발생기가 플라즈마를 발생할 때 제어 장치가 상기 고주파 전원을 상기 연속파 방식으로 설정하고, 상기 제어 장치는 상기 플라즈마 발생기가 플라즈마를 발생한 후 상기 고주파 전원을 상기 변조 방식으로 설정하는 것인 장치.
  3. 기판에 이온빔을 조사하기 위한 방법에 있어서,
    플라즈마를 발생하기 위하여 플라즈마 발생기에 고주파 전력을 공급하는 단계와;
    플라즈마 발생기에 의해 발생되는 고주파 방전에 의해 플라즈마를 발생하는 단계와;
    고주파 전력이 소정의 진폭을 갖는 것인 연속파 방식과, 고주파 전력이 최초 고주파 신호를 진폭 변조함으로써 형성되는 것인 변조파 방식으로 이루어진 두 가지의 방식중 어느 한 방식을 선택하는 단계와;
    상기 기판의 상부면에 근접한 영역에 상기 플라즈마를 공급하여 이온빔 조사에 의한 상기 기판 표면의 대전을 억제하는 단계를 포함하는 방법.
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