KR20070055674A - Accelerated ion implanter using laser plasma beam and pulse shock wave - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기압에서 고진공에 이르는 영역까지 극소 시편에서 대형 시편에 이르기까지 도체, 반도체, 부도체 시료의 불순물 이온 도핑 공정에 사용되는 레이저-플라즈마 펄스 충격파 가속 이온주입기에 관한 것으로써, 레이저빔 중심에 형성되어 한정되는 플라즈마를 이온빔 수송계 구성품인 전기장(Electric Field)형 또는 자기장(Magnetic Field)형으로 가속하여 다른 레이저빔으로 펄스 충격파를 시료표면에서 생성하여 가속된 이온이 시료 표면에 주입을 유도하고 이온이 시료 표면에 주입되므로서 시료표면이 도체화되므로써 이온 가속진행속도에 부가하여 시료내면에 특수전극으로 걸어준 전압과 합세하여 이온이 시료내부 깊이 펄스 충격파 가속 주입을 유도하는 레이저-플라즈마 펄스 충격파 가속 이온주입기에 관한 것이다.
레이저 플라즈마, 이온 가속, 펄스 충격파, 이온 주입, 열확산, 부도체-도체 상전이 이론, 이온 주입기
The present invention relates to a laser-plasma pulse shock wave accelerated ion implanter used in an impurity ion doping process for conductors, semiconductors, and nonconductor samples, from microscopic specimens to large specimens, from atmospheric pressure to high vacuum. And accelerate the plasma to the electric field type or magnetic field type, which is an ion beam transport system component, and generate a pulse shock wave at the sample surface with another laser beam to inject the accelerated ions into the sample surface. As the surface of the sample is injected into the surface of the sample, the surface of the sample becomes a conductor, and in addition to the ion acceleration velocity, laser-plasma pulse shock wave acceleration in which ions induce deep pulse shock wave acceleration injection into the sample is combined with the voltage applied to the special electrode. It relates to an ion implanter.
Laser Plasma, Ion Acceleration, Pulse Shock Wave, Ion Implantation, Thermal Diffusion, Insulator-Conductor Phase Transition Theory, Ion Injector
Description
제 1 도는 레이저 플라즈마 이온빔 형상이 도시된 펄스 충격파 가속 양이온주입기의 개념도1 is a conceptual diagram of a pulse shock wave accelerated cation injector showing a laser plasma ion beam shape
제 2 도는 레이저 플라즈마 이온빔 형상이 도시된 펄스 충격파 가속 음이온(전자빔) 주입기의 개념도2 is a conceptual diagram of a pulse shock wave accelerated anion (electron beam) injector showing a laser plasma ion beam shape.
제 3 도는 부도체 고분자 중합체 시료에 레이저 플라즈마 펄스 충격파 가속 이온주입기로 이온 주입한 모양 사진3 is a photograph of the ion implanted non-conductive polymer polymer sample by laser plasma pulse wave acceleration ion implanter
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
1:레이저장치2:가스공급장치3:이온발생장치 4:그리드5:레이저빔 6:집속렌즈7:집광레이저빔 8:시료 외면 플라즈마 분포형상9: 시료 내면 플라즈마 분포형상 10:시료11:펄스 충격파 레이저빔 12: 진공장치 13: 이온 질량 분리전자석 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser apparatus 2 Gas supply apparatus 3 Ion generating apparatus 4
본 발명은 부도체, 반도체, 도체 소자 제조시 다양한 불순물 이온들의 도핑(Doping) 공정에 사용되는 레이저 플라즈마 양이온, 양성자, 전자빔 펄스 충격파 가속 이온주입기에 관한 것으로, 극소형에서 대형 시편의 처리량을 향상시키도록 극소에서 대전류 이온빔 수송에 적합한 장치계의 구성과, 동시에 동일장치로써 여러 다른종류의 이온주입 공정에 적용할수 있도록 이온의 종류, 이온전류 및 에너지의 다양화를 이룩한 부도체, 반도체, 도체 제조용 레이저 플라즈마 펄스 충격파 가속 이온주입장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser plasma cation, proton, and electron beam pulse shock wave accelerated ion implanter used in the doping process of various impurity ions in the manufacture of insulators, semiconductors, and conductor devices. Laser plasma pulses for insulators, semiconductors, and conductor manufacturing that have diversified ion types, ion currents, and energies so that they can be applied to many different types of ion implantation processes with the same device at the same time. Shock wave acceleration ion implantation apparatus.
종래의 이온주입기(대한민국 특허1996-032599)에서는 이온원으로부터 인출된 이온빔을 표적계까지 손실적게 수송 주사하는데 요구되는 이온빔 수송계통의 구성품들인 이온빔 집속계, 편향계, 주사계 등은 원리적으로 전기장(Electric Field)을 이용하여 고진공하에서 이온의 운동을 제어하는 방식을 사용하였다. 이 방법은 소형부품에서는 적용이 용이하나 극소형 부품이나 대형 부품에 적용하기에는 장치의 크기가 너무크고 초소형으로 집속이 곤란하고 대형 공정에 직접가설하여 사용하는데 제약이 많았다. 핵심적인 문제점으로 금속과 같은 도체에는 전극을 가하여 가속이온을 주입할 수 있으나 고분자, 플라스틱, 등의 부도체나 반도체에 이온을 주입하고자할 때 거의 불가능에 가깝고 부득이 이온을 주입하고자 할 때는 고에너지로 이온을 가속하여 주입할 수는 있겠으나 표면에만 나노, 테라 두께로 살짝 주입되는 문제점이 있었고 이온원이 고에너지로인하여 주입되는 지역의 조직이 손상되거나, 물성의 변화, 색상의 변화등의 문제점이 많았다. In the conventional ion implanter (Korean Patent 1996-032599), the ion beam focusing system, deflection meter, scanning system, etc., which are components of the ion beam transporting system, which are required for lossless transporting and scanning of the ion beam drawn from the ion source to the target system, are in principle an electric field. The electric field was used to control the movement of ions under high vacuum. This method is easy to apply to small parts, but the device is too large to be applied to very small parts or large parts. As a key problem, it is possible to inject accelerated ions by applying electrodes to conductors such as metals, but it is almost impossible to inject ions into non-conductors or semiconductors such as polymers, plastics, etc. Although it can be injected by accelerating the nanoparticles, only a small amount of nano or terra thickness is injected into the surface, and due to the high energy, the tissues in the region to be implanted are damaged, physical properties, or color changes due to high energy. .
본 발명의 목적은 상기와 같은 선행기술의 문제점을 극복코져 간소한 진공장치를 구비하고 극소형뿐만아니라 대형 부품에도 공정상에 적용할 수 있도록 레이저 플라즈마 발생을 근간으로 하여 극소형 광집속 용이, 원거리 원격제어, 고출력 등의 장점을 가진 레이저를 이용하여 플라즈마를 형성시켜 수십∼수백㎃ 까지 대전류 이온빔을 균일 밀도로 수송할 수 있고, 강 집속형 가속관을 사용, 안정하게 대전류를 펄스 충격파 가속하고 시료내부에 특수 미세 전극을 가하여 보다 이온 침투깊이를 늘리는데 기본적인 목적이 있다. 종래의 방법으로 불가능에 가까웠던 부도체, 반도체 표면 내부에 이온을 주입할 수 있는 기본 원리는 플라즈마가 형성된 지역에 가속되고있는 이온에 펄스 충격파로 재료의 결합 구조상의 공극이나 열적 확산에의해 들떠있는 에너지 밴드에 이온을 주입하므로서 부도체-도체, 반도체-도체 상전이 현상(대한민국 특허 10-0433623, 10-0467330, 공개특허10-2005-0038834)에 의하여 도체화 됨으로서 백금/실리사이드 전극을 가하며 종래의 이온 주입기로 이온 가속하여 주입되는 300nm 수준의 침투 깊이를 배가 향상 시킬 수 있는 장점이 있다. 종래의 이온 주입 방법으로 이온을 PET나 플라스틱에 주입하면 부도체가 전도성이 향상되어지는 결과를 다른 특허(대한민국 특허 10-0500040) 에서도 관찰되므로 절연체-금속 상전이 Hole Driven MIT 이론 현상이 발생되는 원리가 성립되고 있음을 알 수 있고 이 원리를 이용하여 본 장치에서는 초기에 소수의 이온을 주입하면서 부도 체에서 도체로 상전이를 유도하고 적정 온도와 전압을 가하여 다량의 이온을 주입할 수 있는 원리가 성립된다.The object of the present invention is to overcome the problems of the prior art as described above, which is equipped with a simple vacuum device and can be applied to a process as well as a very small sized component based on laser plasma generation. Using plasma with advantages such as remote control and high power, plasma can be formed to transport large current ion beams with uniform density from tens to hundreds of microwatts. The purpose is to increase the depth of ion penetration by applying a special microelectrode inside. The basic principle of implanting ions into the surface of a non-conductor and semiconductor surface, which was almost impossible with the conventional method, is the energy generated by the gap or thermal diffusion of the material by the pulse shock wave to the ions being accelerated in the area where the plasma is formed. By injecting ions into the band, it is conductorized by the insulator-conductor, semiconductor-conductor phase transition phenomenon (Korean Patent 10-0433623, 10-0467330, Published Patent 10-2005-0038834) to apply a platinum / silicide electrode and to a conventional ion implanter. There is an advantage that can double the penetration depth of 300nm level injected by ion acceleration. When the ion is injected into PET or plastic by the conventional ion implantation method, the result of improving the conductivity of the insulator is observed in other patents (Korean Patent 10-0500040). By using this principle, the principle of injecting a small number of ions initially induces phase transition from the insulator to the conductor and injects a large amount of ions by applying a proper temperature and voltage.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 플라즈마 펄스 충격파 이온발생장치, 플라즈마 발생장치, 이온 질량 분리전자석과 그리드, 레이저광 중심선에 고전압을 형성한 이온 가속관, 광집속렌즈, 광진행방향 전환용 섬유관, 시료내부의 미세 침모양의 전극 연결부분으로 구성되어진다. In order to achieve the above object, the present invention provides a plasma pulse shock wave ion generating device, a plasma generating device, ion mass separation electromagnet and grid, ion acceleration tube for forming a high voltage on the center line of the laser beam, light condensing lens, light traveling direction switching It consists of a fiber tube and a fine needle-shaped electrode connection part in the sample.
이하 본 발명을 첨부 도면 제 1 도 내지 제 3 도에 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.
제 1 도는 본 발명의 레이저 플라즈마 이온빔 형상이 도시된 펄스 충격파 가속 양이온주입기의 개념도로서, 주요구성품 및 이온빔의 궤적, 시료외부의 플라즈마 생성 및 분포, 시료내부의 열적 확산 및 분포를 도시하였으며, 1 is a conceptual diagram of a pulse shock wave accelerated cation injector in which the shape of a laser plasma ion beam of the present invention is shown, showing the main components and the trajectory of an ion beam, plasma generation and distribution outside the sample, and thermal diffusion and distribution inside the sample.
제 2 도는 레이저 플라즈마 이온빔 형상이 도시된 펄스 충격파 가속 음이온(전자빔) 주입기의 개념도를 도시하였다.2 shows a conceptual diagram of a pulse shock wave accelerated anion (electron beam) injector showing a laser plasma ion beam shape.
제 3도는 부도체 고분자 복합체에 점부위의 형태로 레이저 플라즈마 펄스 충격파 가속 이온주입기로 질소 이온을 주입한 모양 사진이다. 3 is a photograph of a shape in which nitrogen ions are injected into a nonconductive polymer composite by a laser plasma pulse shock wave accelerated ion implanter in the form of spots.
장치의 레이저 플라즈마 펄스 충격파 가속 이온빔 생성, 가속, 수송, 표적계의 구성은 다음과 같다.The laser plasma pulse shock wave acceleration ion beam generation, acceleration, transport, and configuration of the target system of the device are as follows.
레이저 플라즈마 펄스 충격파 이온원(1)은 고출력 레이저와 저출력 레이저 두대(도1, 2. - 1, 2)가 사용되며 필요에 따라 레이저 한대로 빔 스플리트를 사용하여 빔을 분리하여 사용할 수도 있다. 또한 고출력 레이저가 상대적으로 고가여서 공정에 적용하기 곤란할때는 플라즈마 형성을 상대적으로 저가에 구현할수 있는 아크, 고주파 마이크로웨이브 등의 장치들을 사용할 수도 있다. The laser plasma pulse shock wave ion source 1 is a high-power laser and two low-power lasers (Figs. 1, 2, 1, 2) are used. If necessary, the beam may be separated using a beam split with one laser. In addition, when a high power laser is relatively expensive and difficult to apply to a process, devices such as arc and high frequency microwaves, which can realize plasma formation at a relatively low cost, may be used.
시편에 주입하고자하는 이온원으로는 가스공급장치(3)로 공급되며 다양한 가스를 공급하여 모든 이온을 사용할 수 있고 보편적으로 사용하는 이온원으로는 O+, H+, N+, Cr+, Cl+, Xe+ 등 각종 이온을 이온 질량 분리전자석(13)으로 분리하여 사용한다. The ion source to be injected into the specimen to ions is supplied to the gas supply device (3) used may be all ions by supplying a variety of gases using the common circle O +, H +, N + , Cr +, Cl Various ions, such as + and Xe + , are separated and used by the ion mass separation electromagnet 13.
양이온이 생성되므로서 동반하여 생성된 음이온은 그리드(4)에의하여 포획되어 접지된다. As the cations are generated, the anions generated by the entrapment are captured by the grid 4 and grounded.
전자빔 주입을 주목적으로 할 경우에는 도면 2에 도시한바와 같이 그리드(4)에 음극을 가하여 양이온을 포집하여 외부로 흘려 보낸다.When electron beam injection is mainly used, as shown in FIG. 2, a cathode is applied to the grid 4 to collect cations and flow them out.
혼합가스를 주입할때는 광학특성 가변형 이온 질량 분리전자석(13)을 이용하여 이 온원으로 부터 방출된 여러종류의 이온 중 특정한 종류 및 전하만을 갖도록 정상궤도로 회전시키어 질량분리 전자석 후단에 슬릿을 두어 한 종류의 이온만 통과토록 한다. When injecting the mixed gas, the optical characteristic variable ion mass separation electromagnet (13) is used to rotate a stationary track to have only a specific kind and charge among various kinds of ions emitted from this source, and to put a slit at the rear of the mass separation electromagnet. Only ions of are allowed to pass through.
가속관(4)은 레이저 중심선에 플라즈마 상태로 존재하며 불필요한 이온은 이온 질량 분리 전자석(13)에의하여 통로에서 이탈시키고 고접압을 가한 전극판(20) 경로에 따라 분리된 이온을 이온주입 깊이에 적당한 에너지로 가속 또는 감속한다.Accelerator tube 4 exists in the center of the laser in the plasma state and unnecessary ions are separated from the passage by the ion mass separation electromagnet 13 and the ions separated along the path of the electrode plate 20 subjected to high contact pressure to the ion implantation depth. Accelerate or decelerate with moderate energy.
가속된 이온빔은 레이저 플라즈마 통로(5)를 따라 한방향(수직방향)으로 진행하다가 필요에 따라 중심에 구멍을 가진 광집속 렌즈(6)에의해 집속된다. 장치의 구성에 따라 레이저광의 진행방향을 전환하고자하면 광섬유관을 이용하여 원하는 각도로 전환할 수도 있다. The accelerated ion beam travels in one direction (vertical direction) along the
주기적 펄스의 플라즈마 발생용 고출력 레이저(1)나 기타 다른 방법으로 생성시킨 고온의 플라즈마가 시료 전면에 떠있고 이 고온의 플라즈마의 열을 시료(10)가 주기적으로 흡수하여 시료 내,외부에 열확산에의한 온도 구배가 펄스에의해 주기적으로 형성된다(7, 8, 9). The high-temperature plasma generated by the high-power laser (1) for periodic pulsed plasma generation or any other method floats on the front surface of the sample, and the
상부 혹은 시료 전면에 생성된 이온이 고전압에의해 가속되어지고 시료를 향해 날라갈 때 펄스 충격파(11) 레이저(2)로 이온에 압력을 가하여 시료속에 격자 구조 공극이나 에너지 밴드폭에 이온을 주입한다.When the ions generated on the upper surface or the front surface of the sample are accelerated by the high voltage and fly toward the sample, pressure is applied to the lattice structure void or energy bandwidth into the sample by applying pressure to the ions with the
이온빔이 시료에까지 도달하는 경로에는 시료상의 주입 이온의 종류에 따라 대기압에서 고진공의 진공계(12)를 구성한다.The path through which the ion beam reaches the sample constitutes a high vacuum vacuum system 12 at atmospheric pressure according to the type of implanted ions on the sample.
시료 내부에서는 이온이 주입되므로서 전기전도도가 향상되어 전도성을 띄게되어 시료내부에 걸어주는 특수 전극, 즉 이온주입되어 경도와 전기전도도를 향상시킨 침모양의 백금/실리사이드 특수 미세 전극(21)을 가하여 특수 전극에 의해 또다시 이온이 가속되고 펄스 충격파로 내부 깊숙히 공극이나 에너지 밴드 폭에 자리 잡게된다. 시료에 주입되어 자리잡은 이온이 빠져나가지 않도록 짧은 시간안에 위치 이동과 찬가스를 뿜어주어 급냉시켜준다. As the ion is injected into the sample, the electrical conductivity is improved and the conductivity is improved. The special electrode again accelerates the ions and places them in the gap or energy band width deep inside the pulse shockwave. In order to prevent the ions injected into the sample from escaping, positional movement and cold gas are sprayed and quenched in a short time.
상기와 같은 방법으로 극소형 점부위에 이온을 깊숙히 주입하고 위치 이동을 하므로서 선부위에 이온을 주입할 수 있고 선부위를 스캐닝하여 대형 면적에대하여 이온주입하게된다.In the same way as described above, the ion can be implanted into the line part by deeply injecting ions into the micro point and moving the position.
제 3 도는 부도체인 고분자 중합체 시료에 레이저-플라즈마 이온빔 형상이 도시된 펄스 충격파 가속 양이온주입기로서 주변가스 질소를 플라즈마화 하여 50~100 KeV로 가속하고 3~5W 레이저로 펄스 충격파를 생성시켜 시료에 점 모양으로 질소 이온을 주입한 사진이다.3 is a pulse shock wave accelerated cation injector showing a laser-plasma ion beam shape in a polymer polymer sample, which is an insulator, and accelerates to 50-100 KeV by plasmaizing ambient gas nitrogen, and generates a pulse shock wave with a 3-5W laser. It is a photograph injecting nitrogen ion into the shape.
종래의 이온주입기에 비하여 간소한 진공장치를 구비하여 작업성을 향상 시켰으며 집광의 효율성이있고 원격 제어가 탁월하고 광학계를 이용하여 경로를 자유자재로 다룰수있는 레이저라는 장치특성을 이용하여 저에너지에서 고에너지 광원을 다양하게 사용할수있고 이온 가속에너지도 저에너지에서 고에너지에 이르는 영역까지 구사할 수 있는 장치의 구성이 편리한 효과가있다.Compared with the conventional ion implanter, it has a simple vacuum device to improve the workability. It has the efficiency of condensing, the excellent remote control, and the device characteristic of the laser that can handle the path freely using the optical system. It is convenient to construct a device that can use a variety of energy light sources and can use ion acceleration energy from low energy to high energy.
종래의 이온주입기로는 부도체나 반도체의 표면에 나노 두께로 이온을 주입할 수 밖에 없었던 기술적인 한계를 레이저-플라즈마 펄스 충격파로 밀어 넣어줌으로서 그 기술적 한계를 극복할 수 있는 근간이 되었다. Conventional ion implanters have been able to overcome the technical limitations by pushing the technical limitations of injecting ions in nano-thickness into the surface of non-conductors or semiconductors with laser-plasma pulse shock waves.
그리하여 도체 시료에만 효과적으로 이온주입하는 종래의 이온 주입기에 비하여 부도체, 반도체에도 효과적으로 이온 주입을 할 수 있는 기술적인 터전을 마련하였다. As a result, a technical foundation for effectively implanting nonconductors and semiconductors has been prepared, compared with conventional ion implanters that effectively implant only conductor samples.
이런 기술적인 비약을 이룩함으로서 절연체-금속 상전이 Hole Driven MIT 이론이 적용되어 소량의 양이온이 주입된 부위에 전극을 가하여 부도체, 반도체를 도체화시켜 시료내부에서 이온 가속이 가능하여 시료 내부에 깊숙히 주입할 수 있는 효과를 얻을 수있었다. By making this technical leap, Insulator-Metal Phase Transition Hole Driven MIT theory is applied, electrode is applied to the site where small amount of cation is injected to conduct non-conductor and semiconductor to accelerate the ion inside the sample, which can be injected deep inside the sample. I could get the effect.
따라서 절연체-금속 상전이 MIT 이론이 미시세계에서의 마이크로, 나노, 테라소자급의 영역에만 국한, 적용되는 이론이 아니라 거시세계에서도 이론 적용이 가능함을 보여줌으로서 미시세계에서 거시세계에까지 전분야에 걸쳐 효과적으로 이 이론 을 적용하여 산업전반에 걸쳐 기술적인 발전에 일조를 할 수 있는 원천 기술 장치로 활용될수 있어 그 기대효과가 지대함을 알 수있다. Therefore, the insulator-metal phase transition MIT theory is not only applicable to the micro, nano, and tera device-level domains in the microworld, but also shows that the theory can be applied in the macro world. By applying this theory, it can be used as a source technology device that can contribute to the technical development throughout the industry, so the expected effect is enormous.
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KR102364726B1 (en) | 2021-01-14 | 2022-02-18 | 경희대학교 산학협력단 | Method for permanently inducing phase transition of semimetal using ion implantation and semimetal using the same |
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2005
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KR102364726B1 (en) | 2021-01-14 | 2022-02-18 | 경희대학교 산학협력단 | Method for permanently inducing phase transition of semimetal using ion implantation and semimetal using the same |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WITN | Withdrawal due to no request for examination |