KR200429393Y1 - 이온 주입 틸트 각도 제어 장치 - Google Patents

이온 주입 틸트 각도 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 반도체 공정 제조 단계에서 불순물 이온을 주입하는 이온 주입 장치(ion implanter)에 관한 것으로서, 특히 이온 주입 프로세스 진행 중에 웨이퍼에 주입되는 불순물 이온 빔과 반도체 웨이퍼 표면이 이루는 틸트 각도를 정확히 모니터하여 제어할 수 있는 틸트 각도 제어 장치에 관한 것이다. 본 고안은 선정한 웨이퍼 틸트 각도가 정확히 설정되었는지 여부를 확인하는 근접 센서를 구비한 틸트 어세이를 제공하는 것을 특징으로 한다.
반도체 공정, 이온 주입, 채널링, 틸트, 틸트 어세이.

Description

이온 주입 틸트 각도 제어 장치{TILT ANGLE CONTROL UNIT FOR TILTER ASSAY IN ION IMPLANTER}
도1은 종래 기술에 따른 틸트 어세이를 나타낸 도면.
도2a 및 도2b는 본 고안의 양호한 실시예에 따라 근접 센서를 구비한 틸트 어세이를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 회전 부재
3, 4 : 근접 센서
10 : 틸트 헤드
21, 22: 회전 부재의 돌출부
본 고안은 반도체 웨이퍼 처리 공정 단계 중 웨이퍼에 불순물 이온을 주입하는 이온 주입 장치(ion implanter)에 관한 것으로서, 특히 이온 주입시에 주입되는 이온 빔과 반도체 웨이퍼가 이루는 틸트 각도(tilt angle)를 정확히 모니터하여 제어할 수 있는 틸트 각도 제어 장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼에 PN 접합 또는 전계 효과 트랜지스터(FET) 등을 제작하기 위해서는 Ⅲ족 또는 Ⅴ족의 원소를 실리콘 웨이퍼에 주입하여 도우핑을 하여야 한다. 통상적으로 실리콘 웨이퍼에 주입되는 Ⅲ족 또는 Ⅴ족의 원소를 불순물(impurity) 또는 도펀트(dopant)라 칭하는데, 불순물 이온들은 이온 주입기(ion implanter)를 통해 가속하여 고에너지 상태로 웨이퍼에 주입된다.
이온 주입기는 이온화된 원소를 준비된 전자기장 속을 지나면서 가속시켜서 반도체 웨이퍼의 표면에 도달하도록 하여, 웨이퍼 표면에 도달한 입자들이 자신이 지닌 운동 에너지를 가지고 웨이퍼 안으로 침투해서 실리콘 원자와의 충돌 과정을 거쳐 기판 속에 자리 잡게 된다. 이때에, 가속되는 이온이 지님 운동 에너지, 단위 면적당 이온의 도스(dose) 양, 주입되는 이온의 입사 각도, 실리콘 기판의 격자 방향 등에 따라서, 주입되는 불순물 이온의 평균 침투 거리(projected range) 및 편차(deviation), 단위 체적 당 불순물 농도 등이 변동하게 된다.
실리콘 웨이퍼는 두 개의 면심 입방 격자(FCC; face-centered cubic)가 대각선 방향으로 서로 맞물린 형태인 다이아몬드 구조(diamond lattice)를 이루고 있는데, 다이아몬드 격자 구조를 지닌 실리콘 기판에 주입되는 불순물 이온의 입사 각도에 따라서 기판 내에서 입자들의 충돌 메커니즘이 달라질 수 있다.
즉, 이온 주입 과정은 고에너지의 운동 에너지를 지닌 불순물 이온이 기판에 주입되어 다이아몬드 격자에 놓여있는 실리콘 원자와의 충돌하는 과정에서, 실리콘 원자에 에너지를 전달하여 실리콘 원자를 밀어내고, 이어서 재충돌 과정을 진행하는 과정에서 에너지를 주고 받다가 충돌에 참여하는 원자들이 자신이 지니고 있는 에너지를 모두 잃을 때까지 충돌 프로세스는 계속된다.
이온 주입되는 각도(이를 'tilt 각도'라 칭함)에 따라 입사되는 이온과 충돌되는 실리콘 입자의 격자 밀도가 변동하게 되므로, 이온 주입 과정에서 충돌의 빈도 또는 에너지 교환의 메커니즘이 달라질 수 있다. 특히, 다이아몬드 격자 형태를 지닌 실리콘 기판에 불순물이 주입되는 경우에는 충돌없이 침투할 수 있는 통로가 생겨서, 소위 불순물 이온이 비정상적으로 깊숙이 침투하는 현상이 나타나게 되는데 이를 채널링 효과(channeling)라 한다.
이와 같이 채널링 효과에 의해 불순물 이온이 비정상적으로 깊숙이 주입되는 경우에는, 얕은 접합(shallow junction) 형성이 불가능하여 지고, 더욱이 접합의 깊이를 제어하는 것이 용이하지 않게 된다. 이와 같이 채널링 현상을 억제하고 기판 내에 고르게 평균 침투거리(projected range)를 편차 없이 유지하기 위해서 반도체 업계에서는 여러 가지 방법이 적용되고 있다.
즉, 기판 위에 블랭킷 산화막(blanket oxide)을 덮어서 이온 주입 시에 난반사 충돌 효과를 고려함으로써 평균 침투 거리를 일정하게 유지하도록 하는 방법을 사용하던가, 또는 기판 표면을 미리 비정질화(amorphize)시킨 후에 이온 주입을 시행함으로써 난반사 충돌 효과를 유도하는 방식이 이용되고 있다. 또한, 실리콘 기판의 틸트 각도를 특정 각도, 예를 들어 ~ 7°로 회전시킴으로써 주입되는 이온이 침투 통로가 보이지 않도록 하는 방식도 채용되고 있다.
그런데, 이온 주입기에 있어서는 이온 주입되는 이온 빔에 대해서 반도체 웨이퍼 표면이 자신이 원하는 틸트 각도로 정확히 유지되도록 제어하는 기술이 필요 하다. 이와 같이 틸트 각도를 조절하기 위하여 웨이퍼가 장착된 유닛을 모터를 이용하여 회전시킴으로써 틸트 각도를 조절하는 틸트 어세이(tilter assay)가 있다.
도1은 종래 기술에 따라 이온 주입기에 사용되는 틸트 어세이의 일반적 구성을 나타낸 도면이다. 틸트 어세이는 반도체 웨이퍼를 특정 각도로 틀어주기 위해서 전기 모터로써 정전 척을 입사 이온 빔에 대해 틀어주는 역할을 한다. 그런데, 종래 기술에 따른 틸트 어세이는 정전 척에 의해 지지가 된 웨이퍼가 원하는 틸트 각도를 정확히 유지하고 있는지 확인하는 것이 용이하지 않다. 즉, 기계적 틸트 모터 작동을 통해 과연 웨이퍼가 이온 빔에 대해 정확히 0°또는 7°의 틸트 각도를 유지하고 있는지 이를 컨트롤 하는 것이 용이하지 않다.
따라서, 본 고안의 제1 목적은 이온 주입 장치의 틸트 어세이를 제공하는 데 있다.
본 고안의 제2 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 주입 이온의 빔 각도와 웨이퍼 표면 사이의 틸트 각도를 정확히 모니터할 수 있는 센서를 부착한 틸트 어세이를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 반도체 웨이퍼에 주입할 이온 빔과 웨이퍼 사이의 틸트 각도를 조절하는 틸트 어세이에 있어서, 상기 틸트 어세이는 틸트 헤드와 상기 틸트 헤드에 장착되어 반도체 웨이퍼를 지지하고 고정하는 정전 척과 구동 모터를 구비하되, 상기 틸트 헤드는 상하면인 유사 원형인 원통형의 회 전 부재와 근접 센서를 구비하고, 상기 회전 부재는 상기 정전 척이 상기 구동 모터에 의해 주입 이온 빔 방향에 대해 이루는 틸트 각도에 대응하여 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 중심 축을 회전 축으로 하여 회전 운동을 하도록 장착되고, 상기 원통형 회전 부재의 둘레 면의 특정 위치에는 원통 둘레 면의 상하로 돌출부를 구비함으로써, 상기 돌출부가 없는 원통 둘레면은 반경 r1을 유지하다가 상기 돌출부가 형성된 부분은 반경 r2를 이루도록 하고, 상기 돌출부는 상기 정전 척이 상기 웨이퍼에 대해 선정된 틸트 각도를 이루는 지점에 대응하도록 상기 원통형 회전 부재의 둘레 면에 형성되고, 상기 근접 센서는 상기 회전 부재의 근방에 설치되어 상기 근접센서와 원통형 회전 부재 사이의 간극을 측정하도록 하여, 상기 간극의 변화로부터 상기 회전 부재의 회전 운동 중에 상기 돌출부가 상기 근접함을 감지함으로써, 상기 정전 척의 틸트 각도가 선정된 틸트 각도로 정렬되었는지를 확인 제어하는 이온 주입기용 틸트 어세이를 제공한다.
이하에서는 첨부도면 도2a 및 도2b를 참조하여 본 고안에 따른 이온 주입기용 틸트 어세이를 상세히 설명한다. 웨이퍼를 고정하기 위하여 틸트 헤드(10)에 준비된 정전 척(28)과 이를 구동하는 구동 드라이버로서의 전기 모터(도시하지 않음)에 대한 구성을 종래 기술을 그대로 사용할 수 있다.
도2a와 도2b는 본 고안의 양호한 실시예에 따른 틸트 어세이를 나타낸 측면 도면과 후방 도면이다. 본 고안은 정전 척의 틸트 각도에 대응하여 회전운동을 하는 회전 부재(2)와 회전 부재의 회전을 감지하는 센서(3, 4)를 구비함을 특징으로 한다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 회전 부재(2)는 금속재를 사용할 수 있으며, 센서(3, 4)는 근접 센서를 사용할 수 있다. 즉, 도2a 및 도2b를 참조하면 틸트 헤드(10)의 후방에 정전 척(28)의 틸트 각도에 대응하여 회전하는 회전 부재(2)가 도시되어 있다.
즉, 회전 부재(2)는 윗면과 아랫면이 원형인 원통형 구조를 지닐 수 있으며, 원통의 둘레 면에는 표면에 윗면에서 아랫면 방향으로 국부적으로 돌출부(21, 22)가 형성되어 있다. 이를 다시 설명하면, 회전 부재(2)의 둘레 면을 따라 돌게 되면 그 궤적이 반경 r1으로 유지하다가 볼록하게 돌출부가 있는 곳에서는 국부적으로 반경이 r2(r2 > r1)으로 증가하였다가 다시 r1으로 유지된다.
본 고안의 양호한 실시예로서 정전 척이 틸트 헤드(10)에 대해 제1 각도(예를 들어 0°)와 제2 각도(예를 들어 7°)를 이룰 때에 대응해서 원통형의 회전 부재(2)의 옆면에 돌출부(21, 22)를 각각 두 개 만들 수 있다. 또한, 회전 부재(2)의 근방에는 근접 센서(3, 4)가 준비되어서, 회전 부재(2)가 틸트 각도에 따라 회전할 때에 회전 부재(2)의 돌출부(21, 22)가 근접 센서(3, 4)에 근접하고 있는지를 모니터하게 된다. 본 고안의 양호한 실시예에 따라, 회전 부재(2)의 돌출부(21, 22)가 근접 센서(3, 4)에 의해 검출될 때에 원하는 틸트 각도로 정렬되었음을 LED 램프로 디스플레이할 수 있다.
따라서, 본 고안에 따라 근접 센서(2, 3)는 회전 부재(2)가 회전할 때에 회 전 부재(2)와 근접 센서(3, 4) 사이의 간극을 모니터하고 있다가 회전 부재(2)의 돌출부(21, 23)가 근접 센서(3, 4)에 근접하면 센서(3, 4)와 회전 부재(2) 사이의 간극이 좁아지므로 소정의 각도로 틸트 각이 정렬되었음을 확인하게 된다.
전술한 내용은 후술할 고안의 실용신안등록 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 고안의 특징과 기술적 장점을 다소 폭 넓게 개설하였다. 본 고안의 실용신안등록 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들은 이하에서 상술할 것이다. 개시된 본 고안의 개념과 특정 실시예는 본 고안과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 본 고안에서 개시된 고안 개념과 실시예가 본 고안의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용될 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 실용신안등록 청구 범위에서 기술한 고안의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.
이상과 같이, 본 고안에 따른 틸트 어세이를 정전 척이 틸트 헤드에 대하여 이루는 틸트 각도를 정전 척과 함께 정전 척이 틸트되는 각도에 대응하여 회전운동하는 회전 부재의 궤적을 근접 센서가 모니터함으로써 틸트 각도를 정확히 제어할 수 있다.

Claims (1)

  1. 반도체 웨이퍼에 주입할 이온 빔과 웨이퍼 사이의 틸트 각도를 조절하는 틸트 어세이에 있어서, 상기 틸트 어세이는 틸트 헤드와 상기 틸트 헤드에 장착되어 반도체 웨이퍼를 지지하고 고정하는 정전 척과 구동 모터를 구비하되, 상기 틸트 헤드는 원통형의 회전 부재와 근접 센서를 구비하고,
    상기 회전 부재는 상기 정전 척이 상기 구동 모터에 의해 주입 이온 빔 방향에 대해 이루는 틸트 각도에 대응하여 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 중심 축을 회전 축으로 하여 회전 운동을 하도록 장착되고, 상기 원통형 회전 부재의 둘레 면의 특정 위치에는 원통 둘레 면의 상하로 돌출부를 구비함으로써, 상기 돌출부가 없는 원통 둘레면은 반경 r1을 유지하다가 상기 돌출부가 형성된 부분은 반경 r2를 이루도록 하고, 상기 돌출부는 상기 정전 척이 상기 웨이퍼에 대해 선정된 틸트 각도를 이루는 지점에 대응하도록 상기 원통형 회전 부재의 둘레 면에 형성되고,
    상기 근접 센서는 상기 회전 부재의 근방에 설치되어 상기 근접센서와 원통형 회전 부재 사이의 간극을 측정하도록 하여, 상기 간극의 변화로부터 상기 회전 부재의 회전 운동 중에 상기 돌출부가 상기 근접함을 감지함으로써, 상기 정전 척의 틸트 각도가 선정된 틸트 각도로 정렬되었는지를 확인 제어하는 틸트 어세이.
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