KR20050080203A - 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리 - Google Patents

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KR20050080203A KR1020040008205A KR20040008205A KR20050080203A KR 20050080203 A KR20050080203 A KR 20050080203A KR 1020040008205 A KR1020040008205 A KR 1020040008205A KR 20040008205 A KR20040008205 A KR 20040008205A KR 20050080203 A KR20050080203 A KR 20050080203A
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shaft
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황선호
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삼성전자주식회사
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Abstract

이온 빔의 이온 도즈량을 모니터링하기 위한 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리가 개시되어 있다. 상기 패러데이 컵 어셈블리는 고진공 상태의 진공 챔버 내부에 패러데이 컵이 구비되어 이온 빔의 이온 도즈량을 모니터링한다. 이동축은 상기 진공 챔버의 일측벽을 관통하여 상기 패러데이 컵과 연결되며, 상기 패러데이 컵을 상기 이온 빔의 진행 경로와 수직한 방향을 따라 이동시킨다. 차단부는 상기 진공 챔버 내부로 이송되는 상기 이동축을 따라 연장되도록 상기 진공 챔버 내부에 구비된다. 상기 이온 빔의 이온이 상기 이동축에 증착되는 것을 방지한다.

Description

이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리{Faraday cup assembly of ion implanter}
본 발명은 반도체 기판에 불순물을 주입하기 위한 이온 주입 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온 주입 장치 내부의 이온 빔의 이온 도즈량을 모니터링하기 위한 패러데이 컵 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판에 대하여 증착, 포토리소그래피, 식각, 이온주입, 연마, 세정 및 건조 등의 단위 공정을 순차적, 선택적, 반복적으로 수행함으로서 제조된다. 최근, 저장 용량의 대형화, 처리 속도의 고속도화, 높은 신뢰도 등과 같은 반도체 장치에 대한 일련의 요구들에 부응하여 미세 패턴의 형성, 금속 배선 기술 등과 관련된 활발한 연구가 진행되고 있다.
상기 단위 공정들 중에서 이온 주입 공정은 반도체 웨이퍼의 특정 영역에 특정 이온들로 이루어지는 이온빔을 충돌시켜 상기 이온들을 주입하는 공정으로, 열확산 기술에 비하여, 특정 영역에 주입되는 이온의 수 및 주입 깊이 등을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 상기 이온 주입 공정을 수행하는 장치의 일 예로서, 미합중국 특허 제5,343,047호(issued to Ono, et al.) 및 제5,641,969호(Cooke, et al.)에는 이온 주입 장치와 이온 주입 시스템이 개시되어 있다.
일반적으로, 반도체 기판에 주입되는 이온의 도즈량을 모니터링하기 위한 방법으로 패러데이 컵 어셈블리를 사용하여 이온 도즈량을 모니터링하는 방법이 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래 기술에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 구성을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 1a 및 도 1b을 참조하면, 반도체 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리는 이온 빔(14)이 통과하는 진공 챔버(10) 내부에서 이온 빔(14)의 이온 도즈량을 조절하기 위한 패러데이 컵(20), 진공 챔버(10)의 일측벽을 관통하여 패러데이 컵(20)과 연결되며, 패러데이 컵(20)을 이온 빔(14)의 진행 경로와 수직한 방향을 따라 이동시키기 위한 이동축(30), 진공 챔버(10)와 이동축(30) 사이에 구비되고, 진공 챔버(10)와 이동축(30) 사이를 통한 진공의 누설을 방지하기 위한 밀봉 부재(70), 진공 챔버(10) 외부로 돌출된 이동축(30)과 연결되고, 이동축(30)이 패러데이 컵(20)을 이동시키도록 이동축(30)을 이송시키기 위한 리드 스크류(50) 및 이동축(30)을 이송시키기 위해 리드 스크류(50)에 구동력을 제공하는 구동부(60)를 포함한다. 진공 챔버(10) 내부에는 도시되지는 않았지만 반도체 기판을 지지하기 위한 평판이 구비된다.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래 기술에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 동작을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 패러데이 컵(20)은 진공 챔버(10)의 내부에서 이동하게 된다. 구동부(60)의 구동에 의해 리드 스크류(50)가 회전한다. 리드 스크류(50)의 회전력은 전달부(40)를 통해 이동축(30)의 직선 운동으로 변환된다. 이동축(30)의 이동에 의해 패러데이 컵(20)이 진공 챔버(10) 내부에서 이온빔(14)의 경로에 수직하도록 이동한다.
이동축(30)이 패러데이 컵(20)을 이동시키기 위해 진공 챔버(10) 내에서 이온 빔(14)에 장시간 노출되면 이동축(30)에 이온이 증착된다. 이동축(30)에 증착된 이온은 밀봉 부재(70)를 오염시킨다.
한편 패러데이 컵(20)의 위치를 감지하기 위해 이동축(30)이 이동됨에 따라 가이드(미도시) 및 상기 가이드에 연결된 위치 감지 와이어가 이동한다. 포토 센서가 상기 와이어를 감지하여 패러데이 컵(20)의 위치를 감지한다. 패러데이 컵(20)의 위치 감지는 약간의 위치 변화에도 민감하게 반응한다. 따라서 이동축(30)에 증착된 이온에 의해 미세한 위치 차이가 발생하고, 이로 인해 패러데이 컵(20)의 위치를 측정하는데 오차가 발생한다.
또한 이동축(30)에 증착된 이온은 이동축(30)이 이동하면서 밀봉 부재(30)에 축적되고, 이로 인해 진공 챔버(10)의 누설이 발생하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 패러데이 컵을 이송하기 위한 이동축에 이온이 증착되는 것을 방지하기 위한 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고진공 상태의 진공 챔버 내부에 구비되고, 상기 진공 챔버 내부에서 일정한 경로를 따라 진행하는 이온 빔의 이온 도즈량을 모니터링하기 위한 패러데이 컵과, 상기 진공 챔버의 일측벽을 관통하여 상기 패러데이 컵과 연결되며, 상기 패러데이 컵을 상기 이온 빔의 진행 경로와 수직한 방향을 따라 이동시키기 위한 이동축 및 상기 진공 챔버 내부로 이송되는 상기 이동축을 커버하기 위해 상기 이동축과 함께 이동 가능하도록 상기 진공 챔버 내부에 구비되며, 상기 이온 빔의 이온이 상기 이동축에 증착되는 것을 방지하기 위한 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리를 제공한다.
상기 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리는 상기 진공 챔버와 상기 이동축 사이에 구비되고, 상기 진공 챔버와 상기 이동축 사이를 통한 진공의 누설을 방지하기 위한 밀봉 부재를 더 구비한다. 상기 밀봉 부재로는 립 실(lip seal)이 사용되는 것이 바람직하다.
또한 상기 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리는 상기 이동축을 이송시키기 위한 구동력을 제공하는 구동부 및 상기 진공 챔버 외부로 돌출된 이동축과 연결되고, 상기 이동축이 상기 패러데이 컵을 이동시키도록 상기 이동축에 상기 구동력을 전달하기 위한 동력 전달부를 더 포함한다. 상기 동력 전달부는 리드 스크류(lead screw) 및 상기 리드 스크류의 회전력을 직선 운동으로 변환하는 전달부로 구성되거나, 공압 실린더 등으로 구성될 수 있다.
상기 차단부는 상기 이동축과 인접하도록 상기 공정 챔버의내측에 고정되는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 회전 가능하도록 양단이 고정되는 회전축과, 일단이 상기 회전축에 고정되어 감겨지며 타단이 상기 패러데이 컵에 고정되어 상기 이동축을 따라 상기 축으로부터 풀려지며 연장되는 차단 블라인드 및 상기 회전축에 상기 차단 블라인드가 감기도록 회전력을 제공하는 나선형 스프링을 포함한다.
상기 차단부의 상기 차단 블라인드는 알루미늄 재질로 형성된다. 또한 상기 차단 블라인드의 표면은 금속 오염을 방지하기 위해 코팅 처리된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리는 상기 차단부의 차단 블라인드를 이용하여 상기 이온 빔의 이온이 이동축에 증착되는 것을 방지한다. 따라서 상기 이동축에 증착된 이온에 의한 상기 패러데이 컵의 위치 측정 오류와 상기 밀봉 부재를 통한 진공 누설을 미연에 방지한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리에 대해 상세히 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 구성을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리는 패러데이 컵(120), 이동축(130), 전달부(140), 리드 스크류(150), 구동부(160) 및 차단부(200)를 포함한다.
진공 챔버(110)는 내부가 고진공 상태이고, 일정한 경로를 따라 반도체 기판의 표면에 소스/드레인(source/drain) 또는 웰(well) 등과 같은 불순물 영역을 형성하기 위한 이온빔(112)이 지나기 위한 공간을 제공한다. 진공 챔버(110)에는 상기 반도체 기판을 지지하기 위한 평판(미도시)이 구비된다.
패러데이 컵(120)은 진공 챔버(110) 내부에 이온 공급원(미도시)과 마주보도록 배치되고, 이온빔(112)을 수용하여 이온 도즈량을 모니터링한다. 도시되지는 않았지만, 패러데이 컵(120)은 패러데이 컵(120)의 입구측에 구비되고 패러데이 컵(120)에 수용되는 이온빔(112)에 의해 발생되는 이차전자를 억제하기 위한 바이어스 전원이 연결되는 바이어스 링과, 패러데이 컵(120)과 상기 바이어스 링 사이에 구비되는 절연 링과, 상기 바이어스 링의 일측에 구비되고 이온빔(112)이 통과하는 개구가 형성된 커버 및 상기 커버와 상기 바이어스 링 사이에 구비되고 이온빔(112)에 의한 온도 상승을 방지하기 위한 냉각수가 제공되는 냉각 링을 포함한다. 상기 커버에 형성된 개구는 이온빔(112)의 단면적보다 충분히 작게 형성되며, 상기 커버는 개구를 통해 패러데이 컵(120) 내부로 수용되는 이온을 제외한 나머지 이온이 용이하게 주입되도록 흑연으로 이루어진다. 상기 냉각 링의 내부에는 냉각수가 흐르는 유로가 형성되어 있으며, 냉각수로는 탈이온수가 사용될 수 있다.
또한 전류 전압 변환부는 패러데이 컵(120)과 연결되는 캐패시터를 포함하며, 패러데이 컵(120)으로부터 발생되는 이온전류는 상기 캐패시터에 저장된다. 상기 캐패시터는 전압 측정부와 연결되어 있으며, 상기 전압 측정부는 상기 캐패시터의 전압을 측정한다. 측정된 이온전압은 이온빔 경사각 산출부의 데이터 분석기로 전송된다. 여기서, 전류계를 이용하여 직접 이온전류를 측정할 수도 있다.
이동축(130)은 진공 챔버(110)의 일측 벽을 관통하여 진공 챔버(110)의 외부에서 내부까지 연장된다. 이동축(130)의 일단은 진공 챔버(110)의 내부에서 패러데이 컵(120)과 연결된다. 이동축(130)은 패러데이 컵(120)을 이온 빔(112)의 진행 경로와 수직한 방향을 따라 이동시켜 패러데이 컵(120)이 이온 빔(112)의 이온 도즈량을 모니터링한다.
리드 스크류(150)는 이동축(130)과 평행하게 구비되고 회전을 통하여 이동축(130)을 이동시킨다.
전달부(140)는 이동축(130)의 타단과 연결되며, 리드 스크류(150)와 나사 결합된다. 전달부(140)는 리드 스크류(150)의 회전력을 이동축(130)의 직선 운동으로 변환한다.
구동부(160)는 리드 스크류(150)를 회전시키기 위한 구동력을 제공한다. 구동부(160)는 모터가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 도면에서는 이동축(130)이 리드 스크류(150)의 회전에 의해 이동되지만, 이동축(130)은 공압 실린더, LM 가이드 등에 의해 직선 왕복 운동될 수 있다.
밀봉 부재(170)는 진공 챔버(110)와 이동축(130) 사이에 이동축(130)을 감싸도록 구비된다. 밀봉 부재(170)는 고진공 상태의 진공 챔버(110)를 밀봉하여 대기압 상태의 외부 공기가 진공 챔버(110) 내부로 침투하는 것을 방지한다. 밀봉 부재(170)로는 립 실(lip seal)이 사용되는 것이 바람직하다.
차단부(200)는 이온 빔(112)의 이온이 이동축(130)에 증착되는 것을 방지하기 위한 것으로 진공 챔버(110) 내부로 이송되는 이동축(130)을 따라 연장되도록 진공 챔버(110) 내부에 구비된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 3a의 A부분 및 도 4a의 B부분을 확대한 확대도이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 차단부(200)는 하우징(210), 회전축(212), 나선 스프링(214), 고정 가이드(220) 및 블라인드(230)를 포함한다.
하우징(210)은 진공 챔버(110)의 내측면에 이동축(130)이 진공 챔버(110)를 관통하는 부분과 인접하도록 구비된다.
회전축(212)은 하우징(210)의 내측에 회전가능하도록 고정된다. 회전축(212)에는 블라인드(230)의 일단이 고정되어 감겨진다.
나선 스프링(214)은 회전축(212)의 일단 부위에 구비된다. 나선 스프링(214)은 내측단이 회전축(212)에 고정되고 외측단이 하우징(210)에 고정된다. 회전축(212)에 감겨진 블라인드(230)가 풀리면 나선 스프링(214)은 회전축(212)에 감기고, 풀어지려는 복원력을 가지게 된다. 나선 스프링(214)의 텐션이 강한 경우 구동부(160)의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 나선 스프링(214)의 텐션은 블라인드(230)를 권취할 수 있는 범위 내에서 약한 것이 바람직하다.
고정 가이드(220)는 블라인드(230)와 패러데이 컵(120)을 연결한다. 고정 가이드(220)는 패러데이 컵(120)의 일측에 부착되어 블라인드(230)의 타단이 고정된다.
블라인드(230)는 이온 빔(112)의 진행을 차단하여 이동축(130)에 이온 빔(112)의 이온이 증착되는 것을 방지한다. 블라인드(230)는 소정의 폭을 가지며 얇고 긴 필름 형태로 알루미늄 재질로 형성된다. 블라인드(230)는 연성과 전성이 좋은 알루미늄 재질이므로 필름 형태의 박막으로 형성될 수 있다. 블라인드(230)의 폭은 이온 빔(112)을 차단하여 이동축(130)에 이온이 증착되지 않도록 이동축(130)의 지름보다 충분히 크도록 형성되는 것이 바람직하다.
블라인드(230)는 알루미늄 재질로 형성되므로 이온 빔(112)에 의해 블라인드(230)로부터 금속 오염 물질이 발생된다. 상기와 같은 금속 오염 물질의 발생을 방지하기 위해 블라인드(230)의 표면은 비금속 물질로 코팅된다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 동작을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 패러데이 컵 어셈블리의 동작을 설명한다.
진공 챔버(110) 내에서 일정 경로를 따라 이온 빔(112)이 조사되면, 패러데이 컵(120)을 이용하여 이온 빔(112)의 이온 도즈량을 모니터링한다. 진공 챔버(110)의 내측면에 인접하도록 배치된 패러데이 컵(120)을 이온 빔(112)의 진행 경로로 이동하기 위해서는 우선 구동부(160)의 구동에 의해 리드 스크류(150)가 한 방향으로 회전한다. 리드 스크류(150)가 한 방향으로 회전하면서 생긴 회전력은 전달부(140)를 통해 전달되어 이동축(130)의 직선 운동으로 변환된다. 이동축(130)은 진공 챔버(110)의 외측에서 내측으로 이동한다. 이동축(130)의 이동에 따라 이동축(130)과 연결된 패러데이 컵(120)도 진공 챔버(110) 내부에서 이온빔(112)의 진행 경로에 수직하도록 이동한다. 따라서 패러데이 컵(120)은 각 위치에 따라 이온 빔(112)의 이온 도즈량을 모니터링한다.
한편 하우징(210)의 내부에서 회전축(212)에 감겨진 블라인드(230)는 타단이 고정 가이드(220)에 의해 패러데이 컵(120)에 연결되어 있으므로 패러데이 컵(120)의 이동에 따라 블라인드(230)는 회전축(212)으로부터 풀려지며 이온 빔(112)으로부터 이동축(130)을 커버하면서 연장된다. 이때 나선 스프링(214)은 회전축(212)의 회전에 의해 회전축(212)에 감겨진다.
패러데이 컵(120)의 이온 도즈량 모니터링이 종료되면, 구동부(160)의 구동에 의해 리드 스크류(150)가 다른 방향으로 회전한다. 리드 스크류(150)가 다른 방향으로 회전하면서 생긴 회전력은 전달부(140)를 통해 전달되어 이동축(130)의 직선 운동으로 변환된다. 이동축(130)은 진공 챔버(110)의 내측에서 외측으로 이동한다. 이동축(130)의 이동에 따라 이동축(130)과 연결된 패러데이 컵(120)도 이동하게 된다.
한편 하우징(210)의 외부로 인출된 블라인드(230)는 회전축(212)에 감겨진 나선 스프링(214)의 복원력에 의해 회전축(212)에 감겨진다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리는 이온 빔을 차단하는 차단부를 구비하여 이온 빔의 이온이 패러데이 컵을 이송시키는 이동축에 증착되는 것을 방지한다. 따라서 상기 이동축에 증착된 이온으로 인해 상기 패러데이 컵의 위치를 잘못 측정하거나, 상기 이동축에 증착된 이온이 밀봉 부재에 축적되어 진공 챔버의 누설이 발생하는 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래 기술에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 구성을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래 기술에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 동작을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 구성을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 패러데이 컵 어셈블리의 동작을 설명하기 위한 개략적인 측면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 3a의 A부분 및 도 4a의 B부분을 확대한 확대도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 진공 챔버 112 : 이온 빔
120 : 패러데이 컵 130 : 이동축
140 : 전달부 150 : 리드 스크류
160 : 구동부 170 : 밀봉 부재
200 : 차단부 210 : 본체
212 : 축 214 : 나선 스프링
220 : 가이드 230 : 블라인드

Claims (6)

  1. 고진공 상태의 진공 챔버 내부에 구비되고, 상기 진공 챔버 내부에서 일정한 경로를 따라 진행하는 이온 빔의 이온 도즈량을 모니터링하기 위한 패러데이 컵;
    상기 진공 챔버의 일측벽을 관통하여 상기 패러데이 컵과 연결되며, 상기 패러데이 컵을 상기 이온 빔의 진행 경로와 수직한 방향을 따라 이동시키기 위한 이동축; 및
    상기 진공 챔버 내부로 이송되는 상기 이동축을 커버하기 위해 상기 이동축과 함께 이동 가능하도록 상기 진공 챔버 내부에 구비되며, 상기 이온 빔의 이온이 상기 이동축에 증착되는 것을 방지하기 위한 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버와 상기 이동축 사이에 구비되고, 상기 진공 챔버와 상기 이동축 사이를 통한 진공의 누설을 방지하기 위한 밀봉 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이동축을 이송시키기 위한 구동력을 제공하는 구동부; 및
    상기 진공 챔버 외부로 돌출된 이동축과 연결되고, 상기 이동축이 상기 패러데이 컵을 이동시키도록 상기 이동축에 상기 구동력을 전달하기 위한 동력 전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 차단부는 상기 이동축과 인접하도록 상기 공정 챔버의내측에 고정되는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 회전 가능하도록 양단이 고정되는 회전축;
    일단이 상기 회전축에 고정되어 감겨지며 타단이 상기 패러데이 컵에 고정되어 상기 이동축을 따라 상기 축으로부터 풀려지며 연장되는 차단 블라인드; 및
    상기 회전축에 상기 차단 블라인드가 감기도록 회전력을 제공하는 나선형 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 차단 블라인드는 알루미늄 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서, 상기 차단 블라인드의 표면은 금속 오염을 방지하기 위해 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치의 패러데이 컵 어셈블리.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100702030B1 (ko) * 2005-10-12 2007-03-30 삼성전자주식회사 패러데이 컵 어셈블리 및 그 제어방법
KR100797306B1 (ko) * 2006-12-11 2008-01-23 동부일렉트로닉스 주식회사 이온주입기의 고정식 패러데이
KR101493215B1 (ko) * 2013-07-31 2015-02-16 케이맥(주) 이온 및 전자 빔 전류 측정을 위한 패러데이 컵
KR20180001265A (ko) * 2016-06-27 2018-01-04 기초과학연구원 냉각 관로 포함 패러데이 컵 및 제작 방법

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