KR20050057965A - 교체형 차폐물을 구비하는 이온 임플랜터용 아크 챔버 - Google Patents

Abstract

교체형 차폐물을 구비하는 이온 임플랜터용 아크 챔버가 제공된다. 아크 챔버는 아크 챔버 내부공간을 정의하는 아크 챔버 내벽 및 저면에, 이온을 흡수 하지 않는 차폐성질을 가지어, 플라즈마 이온과 반응에서 비롯되는 오염원을 근원적으로 막을수 있는 교체형 차폐물을 포함한다.

Description

교체형 차폐물을 구비하는 이온 임플랜터용 아크 챔버{Arc chamber of ion implanter having changeable shield}

본 발명은 반도체 소자를 형성하는 반도체 생산라인에 적용하는 임플랜터(Implanter) 설비에 관한 것으로, 특히 고전력 임플랜터 설비에서 아크 챔버(Arc chamber) 내벽의 차폐효과를 강화하는 교체형 차폐물을 구비하는 아크 챔버에 대한 것이다.

반도체 소자를 형성하기 위하여 반도체 기판에 반도체 소자를 패터닝(Patterning)한 후 특정 단계에서 불순물을 주입한다. 이러한 불순물 주입 단계에 서 사용하는 장비가 상기 임플랜터 설비이다. 상기 불순물 주입 단계는 상기 반도체 소자별로 다르나 특히 상기 반도체 기판에 소오스 및 드레인 영역 형성 단계, 또는 폴리실리콘(polysilicon)에 대한 불순물 주입 단계 등에서는 특히 상기 고전력 임플랜터 설비를 사용한다.

도 1은 종래의 임플랜터 설비의 일반적 모델을 나타내었다, 이러한 임플랜터는 크게 이온소스(ion source)(150), 빔 라인 어셈블리(160), 엔드 스테이션(end station)(170)으로 나누어질 수 있다. 반도체 기판(108)은 엔드 스테이션(end station)(170)내에 안착된다. 여기서, 이온 소스(150)는 공급 가스의 분자를 이온화시켜 이러한 이온들을 수십 kV의 강한 전계로 축출하여 이온 빔(Ion Beam) 상태로 만드는 아크 챔버(101)와 필요한 이온만을 선택하는 매니플레이터(103)로 구성된다. 빔 라인 어셈블리(160)에서는 출력된 필요한 이온만을 선택하는 질량 분석기(Mass Analyzer)(104), 상기 질량 분석기(Mass analyzer)(104)에서 선택된 이온을 반도체 기판(108)에 주입을 위해 정열 시키는 셋업 컵(setup cup)(105), 상기 이온빔을 가속시키는 가속기 튜브(Accelerator tube)(106),상기 이온빔을 반도체 기판(108)상에 균일하게 주사시킬 수 있도록 편향시키는 편향 장치(Scanning system)(107)등으로 구성된다. 그리고 엔드 스테이션(170)은 이온 주입될 반도체 기판(108)이 탑재되는 곳으로, 반도체 기판(108)을 고정하는 반도체 기판 고정척(109)과 기타 반도체 기판(108)의 이송 장치들이 포함되어 있다.

상기 이온 소스부(150)에서 빔 라인 어셈블리(160)으로의 이온빔은 참조번호 111의 전위차 조정기에 의한 전위차로서 일정속도를 갖고 일정방향으로 이동한다.

상기 빔 라인 어셈블리(160)와 엔드 스테이션 (170)사이의 가속기 튜브(106)에서의 이온빔은 참조번호 112의 전위차 조정기의 전위차이로 가속된다. 그리고 참조번호 117의 전위차 조정기는 이온 소스부(150)에서 엔드 스테이션(170)까지의 전위차를 점차 낮아지도록 유지시킨다. 도 1에서의 참조번호 114는 이온 소스부(150)에서부터 반도체 기판(108)까지 주입용 이온빔이 이동하는 경로를 나타낸다.

상기 이온 소스부(150)에 이온화 될수 있는 공정가스(미도시)는 아크챔버(101)내 캐소드(미도시)와 애노드(미도시)에서의 RF고전압으로 인해 플라즈마로서 이온화된다. 일반적으로 플라즈마의 이온상태는 공정주입에 필요한 소수의 이온상태 입자를 형성시키는데, 이는 아크챔버(101)의 탄소(graphite)재질로 된 내벽 면의 쉴드(shield)에 흡수되면서 그 이온상태의 입자수가 줄어들게 된다.

도 2는 반도체 기판에 주입되는 이온을 개념적으로 나타낸 단면도이다.

도 2를 참조 하면, 도2a는 균일한 이온주입을 나타내며, 도 2b는 균일한 이온주입시 이온의 부족분으로 인해 균일하게 되지 못한 이온공정의 상태를 나타낸다. 도 2b의 결과로서 임플란트 설비(100)는 부족한 이온을 생성하려고 높은 전압을 가하게 되고, 이러한 결과는 임플란트 설비(100)의 과부하의 결과를 초래하여 설비 다운타임(down time)의 증가를 낳게 한다. 뿐만 아니라 부족한 이온양으로 인해 반도체 기판(108)의 이온주입은 불균일하게 되며 이는 반도체 기판(108)의 공정불량을 초래하게 된다. 뿐만 아니라, 상기 아크챔버(101)의 내벽의 탄소 재질은 플라즈마의 공정가스의 이온화시 높은 운동에너지를 갖는 입자들과 충돌하여 오염원으로 작용하는 카본입자가 형성된다. 상기 오염원은 아크챔버(101) 및 이온 임플랜터 장비 전체에 걸쳐 분포할 수 있으며, 이또한 이온주입 공정에 공정불량을 초래할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 오염원이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 고전력 임플랜터 장비의 아크챔버를 제공하고자 하는 것이다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이온 임플랜터의 아크 챔버는, 플라즈마 이온이 형성되는 내부 공간을 정의하는 아크 챔버 내벽 및 저면, 상기 아크챔버 내면에 형성되며, 상기 플라즈마 이온을 흡수하지 않는 차폐 성질을 가지며 상기 플라즈마 이온과 접촉에 대해 내 마모성을 가지는 제1 차폐물, 및 상기 아크챔버 저면에 형성되며, 필라멘트와 애노드가 삽입될 수 있는 통공을 갖추고, 상기 플라즈마 이온을 흡수하지 않는 차폐 성질을 가지며 상기 플라즈마 이온과 접촉에 대해 내 마모성을 가지는 제2 차폐물을 포함하는 이온 임플랜터용 아크 챔버를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 임플랜터용 아크챔버의 부분을 나타낸 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 아크 챔버(300)는 크게는 애노드, 캐소드, 그리고 이온이 형성되는 아크챔버 내부공간으로 되어 있다.

애노드에 따른 장치를 살피면, 고전압의 교류 신호가 최종적으로 인가되는 애노드(310), 상기 애노드를 고정하는 애노드 링(309), 상기 애노드(310)를 이온 소스 공간상에 위치 시키며 지지하는 애노드 지지대(308), 로 구성된다. 상기 애노드 지지대(308)의 두 종단중 하나에는 애노드 링(309)이 그리고 나머지엔 고전압 교류 신호가 입력되는 교류 신호부(미도시)로 연결된다.

캐소드에 따른 장치를 살피면, 고전압의 교류 신호가 최종적으로 인가되는 캐소드(306), 상기 캐소드(306) 내에 고전압을 유도하는 필라멘트(316), 상기 캐소드(306)를 이온 소스 공간상에 위치 시키며 지지하는 캐소드 지지대(317), 및 캐소드에 고전압 교류 신호가 입력되는 교류 신호부(미도시)로 연결된다.

아크 챔버 내부 공간은 아크챔버 내벽(305)과 아크챔버 저면(303)에 의해 정의된다. 아크 챔버 내벽은 탄소재질의 차폐물로 구성된다. 아크챔버 내벽(305)에는 플라즈마 이온을 흡수하지 않는 차폐성질을 가지며 플라즈마 이온과의 접촉에 의해 내 마모성을 가지는 제1 차폐물(301)로 설치된다.

아크 챔버 저면(303)에도 플라즈마 이온을 흡수하지 않는 차폐성질을 가지며 플라즈마 이온과의 접촉에 대해 내 마모성을 가지는 제2 차폐물(302)이 설치된다.

그리고, 제2 차폐물(302)과 아크 챔버 저면을 가로질러 아크 챔버(300) 내에서 플라즈마 형성을 통해 이온을 형성하기 위한 이온화 가스가 주입되는 이온화 가스 주입로(312)가 형성된다.

이온화 가스는 상기의 애노드(310)와 캐소드(306)로부터의 높은 주파수의 고전압으로서 플라즈마 이온이 형성이 되며, 이러한 이온들중 필요한 이온만이 선택되어 아크 챔버(300)와 연결된 매니플레이터(103)로 흡입된다. 이러한 과정중에 이온들은 높은 에너지를 갖게 된다. 그러나 본 발명의 제1 차폐물(301)과 제2 차폐물(302)로서 이렇게 흡수될 수 있는 조건을 차단시켜 충분한 이온량을 확보할 수 있다.

교체형 쉴드를 적용한 차폐성능 강화는 본 발명자에 의해 발명되고 동일 양수인에게 양도된 대한민국 특허공보 특2001-0056958에 개시되어 있으며, 상기 발명은 본 명세서에 원용되어 통합된다.

도 4a는 캐소드(306)의 확대 단면도 이며, 도 4b는 애노드(310)의 확대 단면도이다.

도 4a를 참조하면, 열 전자를 방출하는 필라멘트(316)로서, 아크 챔버(300)의 저면에 위치한 통공(318)과 제2 차폐물(302)에 형성된 통공(319)을 통하여 이온챔버(350) 내부로 삽입된다. 이 필라멘트(316)는 아크챔버(300) 외부의 브라켓(315)상에 고정되고, 상기 브라켓(315)과 제2 차폐물(302) 및 아크 챔버 저면(303) 사이에는 캐소드 지지대(317)의 둘레를 따라 여러 절연 수단이 삽입 개재된다. 즉, 아크 챔버 저면(303)의 바닥에 절연부재(320)가 밀착 결합되고, 순차적으로 몰리브덴(Mo)과 같은 금속 재질의 슬리이브(Sleeve)(319)와, 흑연 재질의 스페이서 클램프(Spacer Clamp)(314)가 위에서 아래로 삽입된다.

도 4b에서, 애노드(310)는 아크 챔버 저면(303)에 형성된 통공(318)과, 제2 차폐물(302)에 형성된 통공(319)을 통하여 아크챔버(300) 내부로 삽입된다. 제2 차폐물(302)의 말단에는 제1 차폐물(301)과 연결된다. 애노드 지지대(308)는 아크 챔버(300) 외부의 브라켓(315)상에 고정되고, 상기 브라켓(315)과 제2 차폐물(302) 및 챔버저면(303) 사이에는 애노드 지지대(308)의 둘레를 따라 여러 절연 수단이 삽입 개재된다. 아크 챔버 저면(303)의 바닥에 절연부재(320)가 밀착 결합되고, 순차적으로 몰리브덴(Mo)과 같은 금속 재질의 슬리이브(Sleeve)(319)와, 흑연 재질의 스페이서 클램프(Spacer Clamp)(314)가 위에서 아래로 삽입된다.

앞서 설명한 바와 같이, 제2 차폐물(302)이 절연부재(320)가 아크챔버(300) 내로 노출되는 것을 완전히 차단하고 있으므로, 절연부재(320)가 플라즈마 이온에 의해 손상되거나 오염원에 의해 오염되는 것이 효과적으로 방지 된다. 따라서, 절연 부재(320)의 교체주기를 증가시킬 수 있다.

이때 제1 차폐물과 제2 차폐물은 높은 에너지의 플라즈마 이온이 아크챔버 내벽과 아크 챔버 저면에 부딛혀서 흡수되는 것을 차단시켜 충분한 이온량을 확보할 수 있도록 한다.

또, 제1 차폐물(301)은 높은 에너지의 플라즈마 이온이 탄소재질의 아크 챔버 내벽(305)과 아크 챔버 저면(303)과 반응하여 오염원을 발생 시키는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.

제2 차폐물(302) 또한 아크챔버 저면에 형성되어 있는 통공(도 4의 318 참고)에 노출되는 절연부재(도 4의 320)가 플라즈마 이온 및 오염원에 노출된 것을 차단하여 절연부재(도 4의 320)의 라이프 타임을 증가시킨다. 자세한 기능은 도 4를 참고하여 이하에서 보다 상세하게 설명한다.

따라서, 제1 차폐물(301) 및 제2 차폐물(302)은 텅스텐 등으로 형성되는 것이 바람직하다.

또, 제1 차폐물(301)과 제2 차폐물(302)은 각각 아크챔버 내벽(305)과 아크 챔버 저면(303)으로부터 분리 가능한 조립체로 되어서, 아크 챔버(300) 내에서 소정횟수 이상의 이온 생성 공정이 진행된 후, 다시 새로운 조립체로 교환 할 수 있도록하여 아크 챔버(300)의 라이프 타임을 증가 시키는 것이 바람직하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖은 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될수 있다는 것을 이해할 수 있을것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명에 따른 교체형 쉴드를 적용한 차폐강화 장치는 고전력 임플랜터 장비에서 소스부내에 장착되는 차폐체의 내부 쉴드 전체 그리고 탄소 재질의 차폐물에 보강된 것 으로서 이들은 이온을 흡수 하지 않는 차폐성질을 보강하며, 탄소재질의 차폐물과 플라즈마 이온의 반응에서 비롯되는 오염원을 근원적으로 막을수 있는 교체형 쉴드 장치를 제공한다.

도 1은 종래의 이온 임플랜터 장비를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 도 1임플랜터에서 반도체 기판에 주입되는 이온을 개념적으로 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 임플랜터용 아크챔버의 일부분을 나타낸 단면도이다.

도 4는 도 3의 애노드 및 캐소드를 확대하여 나타낸 단면도이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

300: 아크챔버 301: 제1 차폐물

302: 제2 차폐물 303: 아크 챔버 저면

305: 아크 챔버 내벽 306: 캐소드

308: 애노드 지지대 309: 애노드 링

310: 애노드 311: 이온 방출로

312: 이온화 가스 주입로 316: 필라멘트

317: 캐소드 지지대

Claims (3)

1. 플라즈마 이온이 형성되는 내부 공간을 정의하는 아크 챔버 내벽 및 저면;

   상기 아크챔버 내면에 형성되며, 상기 플라즈마 이온을 흡수하지 않는 차폐 성질을 가지며 상기 플라즈마 이온과 접촉에 대해 내 마모성을 가지는 제1 차폐물; 및

   상기 아크챔버 저면에 형성되며, 필라멘트와 애노드가 삽입될 수 있는 통공을 갖추고, 상기 플라즈마 이온을 흡수하지 않는 차폐 성질을 가지며 상기 플라즈마 이온과 접촉에 대해 내 마모성을 가지는 제2 차폐물을 포함하는 이온 임플랜터용 아크 챔버.
2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 차폐물 및 상기 제2 차폐물은 각각 상기 아크챔버 내벽과 상기 아크 챔버 저면으로부터 분리 가능한 조립체인 것을 특징으로 하는 이온 임플랜터용 아크 챔버.
3. 제1 항에 있어서, 상기 아크 챔버 저면은 상기 플라즈마 이온을 흡수 하지 않는 차폐성질을 가지며 상기 플라즈마 이온과의 접촉에 대해 내 마모성을 가지는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 이온 임플랜터용 아크 챔버.