KR20090111753A - 이동 가능한 장착부에 전극이 장착된 이온빔 가속 장치 - Google Patents

Abstract

이온 빔을 가속하기 위한 장치(100)는 이동 가능한 장착부(112, 114)에 장착된 적어도 하나의 전극(102, 104 및 106)을 포함한다.

Description

이동 가능한 장착부에 전극이 장착된 이온빔 가속 장치{ION BEAM ACCELERATING APPARATUS WITH ELECTRODES MOUNTED IN A MOVABLE MOUNT}

본 발명은 이온 빔 가속에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 스퍼터링과 같은 이온 빔 기술에서 사용하기 위한 낮은 빔 전압 이온 가속용 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 충전된 전하 입자의 빔을 발생하기 위한 장치에 관한 것이다.

이온 빔은 저장 매체 산업에서 마이크로 일렉트로닉스 산업 및 자기 박막 장치의 구성요소를 제조하는데 있어서 여러 해 동안 사용되고 있다. 특히, 이온 빔은 하드 디스크 드라이브용 박막 헤드의 제조에 사용되고 있다. 저장 매체 산업에서 사용되는 박막 자기 센서의 제조에서 레이어(layer) 인터페이스의 품질은 중요하다.

이온 빔은 예를 들어 스퍼터 증착, 스퍼터 에칭, 밀링(milling) 또는 표면 평활화에 의해 박막의 구조를 변형하기 위해 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 이 상황에서, 사용 가능한 단색의 이온 빔 플럭스를 제공하기 위해서는, 논-그리드(non-grided) 소스보다 그리드 브로드(grided broad) 이온 빔 소스가 더욱 적절하게 고려된다.

반도체, 박막 및 재료 산업에서, 이온 주입은, 재료의 전기적 특성을 변형하 기 위해 이온을 재료의 결정 격자에 매립하는데 사용되는 잘 알려져 있는 기술이다. 많은 제조된 마이크로급 장치 및 나노급 장치는 박막 인터페이스의 특성에 의존하여 효과적인 동작을 향상시킨다. 그러므로 자동으로 평활 표면(smooth surfaces)을 제공하기 위한 능력은 장치 및 박막 제조 기술에서 중요한 역할을 한다.

하드 디스크 드라이브 리드 헤드(hard disk drive read head)와 같은 박막 자기 센서의 제조에서 사용되는 제조 공정은 2개의 별개의 단계에 의해 넓게 정해진다. 첫 번째 단계는 흔히 웨이퍼 제조라 부르는데, 편평한 웨이퍼 상의 센서의 형성을 다룬다. 이 단계는, 프론트 엔드 공정(front end process)이라고도 하는데, 둥근 또는 직사각형 웨이퍼 상의 박막의 순차적인 응용 및 패터닝을 순회한다. 프론트 엔드 공정은 플래너(planar) 애피택셜 또는 증착 기술을 사용하여, 액티브 장치로 되는 나노급 구조를 형성한다. 플래너 기술은 나노급 구조를 형성한다. 웨이퍼의 크기는 가변이지만 최대 직경이 약 200mm인 것이 일반적이다.

일단 장치가 웨이퍼 상에 어레이로서 형성되면, 웨이퍼를 절단한 다음에는, 슬라이더 제조라고도 하고 또는 백-엔드 공정이라고도 하는 제2 단계를 시작한다. 여기서, 웨이퍼는 로우 바(row bars)라고 하는 스트라이프로 절단되고 압반(platen)에서 조립된다. 백 엔드는 웨이퍼 면에 수직인 표면을 나노-머신으로 처리한다. 프론트 엔드 공정 및 백 엔드 공정은 모두 저전력 및 및 고전력 이온 밀링 애플리케이션을 필요로 한다.

통상적인 이온 소스(또는 이온 총)에서는, 가스 또는 진공을 저압 방전 챔버 에 넣음으로써 플라즈마가 생성된다. dc 소스에 있어서, 상기 방전 챔버는 가열된 캐소드 및 애노드를 포함하며, 상기 애노드는, 플라즈마로부터 전자를 제거하고 스크린 그리드 또는 그리드들을 통과하는 포지티브 충전된 잔여 이온을, 상기 방전 챔버보다 낮은 압력을 펌핑하는 타겟 챔버에 공급하는 역할을 한다. 상기 방전 챔버 내에 전자 충격 이온화에 의해 이온들이 형성되고 이온들은 랜덤 열 모션(random thermal motion)에 의해 이온 총의 본체 내에서 이동한다.

현대의 이온 소스는 아크에 의한 것이 아닌 고주파 전지 방전을 사용하여 더욱 흔히 여기된다. 약 13MHz 내지 약 60MHz 범위의 무선 주파수가 더욱 흔히 사용되기는 하지만 약 500kHz 내지 약 60kHz 범위의 무선 주파수가 사용된다. 또한, 마이크로웨이브 여기를 사용하는 장치도 있다.

그러므로 이 플라즈마는, 접촉하게 되는 어떤 표면의 전위보다 높은 포지티브 플라즈마 전위를 보일 것이다. 전극들을 다양하게 배치할 수 있고, 전극들의 전위를 개별적으로 제어한다. 멀티-그리드 시스템에서, 이온들과 직면하는 제1 전극은 통상적으로 포지티브 바이어스되는 반면 제2 전극은 네거티브 바이어스된다. 다소 일정한 에너지를 갖는 이온들의 시준된 빔을 제공하기 위해 이온 소스에서 나오는 이온들을 감속하도록 추가의 그리드를 사용할 수 있다. 이온 스퍼터링에 있어서, 통상 비스듬한 각도로 이온들의 빔이 충돌할 수 있는 타겟 챔버에 타겟이 위치하고, 재료가 스퍼터링되는 기판은 스퍼터링된 재료가 충돌할 수 있는 위치에 위치한다. 스퍼터 에칭의 경우, 밀링 또는 표면 평활화가 실시되고, 기판은 이온 빔의 경로에 위치한다.

그러므로 통상적인 이온 총에서, 다구경(multi-aperture) 추출 그리드 어셈블리에 도착하는 이온은 먼저 포지티브 바이어스된 전극을 만난다. 그리드는 플라즈마 시스(sheath)와 관련되어 있다. 플라즈마와 그리드 간의 전위차는 이 시스 양단에서 강하된다. 이 가속 전위는 시스 영역에서 제1 그리드로 이온을 끌어당길 것이다. 이 제1 그리드의 애퍼처를 통해 이동하여 포지지브 바이어스된 제1 그리드와 네거티브 바이어스된 제2 그리드 사이의 공간에 들어오는 어떠한 이온이라도 강렬한 전계에서 강하게 가속된다. 이온이 제2 그리드 내의 애퍼처를 통과하고 어스된 도전형 타겟으로 날아가는 동안, 감속 필드를 통과한다. 그런 다음 이온은 에너지가 포지티브 바이어스된 제1 그리드의 전위와 시스 전위를 합한 전위와 같은, 어스된 타겟에 도착하게 된다.

그러므로 종래의 이온 총은 한 쌍의 그리드 사이에서 생성된 외부 인가 전계를 통해 가속된 충전된 입자의 소스를 포함한다. 종래, 저에너지 이온 빔 생성에 있어서는, 3개의 그리드를 사용하는데(더 많이 사용될 수도 있다), 첫 번째 그리드는 포지티브 전위에 유지되고, 2번째 그리드는 최상의 발산을 제공하도록 조정된 네거티브 전위에 유지되고, 3번째 그리드는, 존재하는 경우, 지구 전위, 즉 빔이 생성되는 챔버의 전위에 유지된다.

박막 자기 장치의 생성에 있어서, 공정 제약은 필요한 이온 빔 크기를 달성하기 어렵게 제한된 회절이다. 박막 자기 장치가 더 소형화됨에 따라 공정 상의 제약은 더 요구받게 되고 양호한 품질의 저에너지 이온 빔을 달성하기가 어렵다. 비교적 큰 웨이퍼 면적에 걸치는 고전력 레벨을 요구하는 공정에 있어서는, 현재의 기술에 직면하는 많은 문제가 있다. 그러한 문제 중의 하나는, 그러한 애플리케이션이 높은 통합된 빔 전류 및 상대적으로 낮은 빔 전압을 요구한다는 것이다. 다른 문제는 빔의 발산 특성이 매우 양호해야 한다는 점이다. 이러한 2가지 속성은 1000V 이하의 빔 에너지로는 달성하기 어렵지만, 영국특허출원 0612915.9 및 0622788.8에 개시된 기술을 사용하여 성공적으로 설명되었으며, 상기 문헌들은 여기에 원용된다.

낮은 빔 에너지에서 높은 밀링 레이트를 요구하는 공정에 있어서, 가속기는 시간이 지남이 따라 빔 균일성이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 균일성이 떨어지는 한 가지 중요한 이유는 가속기 내에서 그리드들이 이동함으로써 생기는 가속기의 물리적 불안정이다. 이온 가속기 그리드를 포함하는 그리드는 특정한 애플리케이션에 최적화된 다양한 파라미터를 가진다. 이러한 파라미터들 중 하나가 전극간 분리(inter-electrode separation)이고 다른 하나는 구경 정렬(aperture alignment)이다. 전극간 분리 및/또는 구경 정렬 발생 시의 왜곡 또는 오정렬(misalignment)은 차례로 빔 시준의 손상이 생기는 빔 균일성(beam uniformity)의 중대한 동요(perturbation)를 일으킬 것이다. 이 동요는 높은 전력 애플리케이션 및 낮은 전력 애플리케이션 모두를 수행하는 이온 가속의 능력에 극단적인 악영향을 줄 것이다.

그리드 치수 및 장착 위치의 왜곡은 열 응력(thermal stress)에 기인한다. 가속기 상에 매우 큰 열 부하는 존재하지 않지만, 본질적으로는 진공 환경 내에서 절연되어 있다. 그 주변에 고정된 장착부를 제공함으로써 제1 그리드를 위치시키 는 것은 상대적으로 용이하며, 제2 및 제3 그리드는 진공 내에서 열적으로 절연된 환경에 위치하므로 방사를 통해 열을 방산할 뿐이다. 그리드의 오정렬 또는 왜곡이 발생하는 경우, 그리드가 재정렬될 수 있도록 프로세싱을 정지시킬 필요가 있으며, 그 결과 며칠 동안의 유지에 따른 평균 시간이 낮아지게 되고 이것은 차례로 처리 설비의 비사용시간으로 비용이 낮아지게 된다.

참조를 쉽게 하기 위해 이하에서는 그리드를 전극이라 칭한다.

전극으로부터 열을 방산시키고 왜곡을 최소화하여, 유지를 위한 평균 시간을 증가시키기 위한 하나의 알려진 제안은 전극들 내에 채널을 제공하는 것인데, 이를 통해 전극을 능동적으로 냉각시키도록 유체가 통과될 수 있다. 이러한 배치에 의해 문제를 해결할 수 있기는 하지만, 많은 애플리케이션에 있어서는 엄청나게 많은 비용이 들 것으로 생각된다.

본 발명은 종래 기술과 관련된 문제를 극복하며, 비용면에서 효과적인 방식으로, 전극의 오정렬로 되어버리는, 전극 상에 유도된 열 응력의 결과로 빔 발산이 낮은 이온 빔을 생성하기 위한 시스템을 제공하는 것을 추구한다.

본 발명의 제1 관점에 따르면, 이동 가능한 장착부에 장착된 적어도 하나의 전극을 포함하는 이온 빔을 가속하기 위한 장치가 제공된다. 양호한 실시예에서, 상기 장치는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극 중 적어도 하나는 이동 가능한 장착부에 장착된다.

다른 양호한 실시예에서, 상기 장치는 적어도 하나의 애퍼처가 관통하는 제1 전극; 상기 제1 전극에 인접하되 간격을 두도록 위치하며 적어도 하나의 애퍼처가 관통하는 제2 전극; 및 상기 제2 전극에 인접하되 간격을 두도록 위치하며 적어도 하나의 애퍼처가 관통하는 제3 전극을 포함하며, 각각의 상기 전극에서의 상기 적어도 하나의 애퍼처는 다른 전극의 대응하는 애퍼처와 정렬되어 있으며, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중 적어도 하나는 이동 가능한 장착부에 장착된다.

"이동 가능한 장착부"에 의해, 장착부는 이행식으로(traslationally) 이동할 수 있는데, 즉 장착부의 위치 및 이에 따른 조립체 내의 전극이 조립체에 대해 이동 가능하며 및/또는 그 움직임이 방사상으로 이루어질 수 있다는 것을 의미하며, 말하자면, 전극의 어떠한 확장을 수용할 수 있도록 외측으로 확장할 수 있고 이에 의해 전극이 구부려지는 것을 방지할 수 있다.

복수의 전극이 존재하는 경우, 이동 가능한 장착부는 각각의 전극이 독립적으로 이동되게 할 수 있다.

복수의 이동 가능한 장착부가 존재하는 경우, 전극들 중 일부 또는 전부를 위한 이동 가능한 장착부의 사용으로, 장치에서 발생하는 열 응력의 영향 하에서도, 일정한 빔 안정성 및 향상된 빔 균일성을 달성할 수 있다. 이에 따라 유지를 위한 평균 시간이 더 길어지게 되고 가속기의 비사용시간으로 비용이 줄어들게 된다.

복수의 전극이 존재하는 경우, 이동 가능한 장착부는 각각의 상기 애퍼처의 정렬을 유지하도록 배치되며, 이에 의해 애퍼처 정렬의 향상된 안정성 및 전극간 분리를 제공할 수 있다.

어떠한 적절한 이동 가능한 장착부라도 사용될 수 있다. 하나의 배치에서, 열적으로 절연된 장착부가 있을 수 있다. 양호한 실시예에서, 이 장착부는 래디얼 운동 장착부(radial kinematic mount)이다. 이러한 장착부는 광학 애플리케이션에서 알려져 있다. 전극이 전술한 바와 같이 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극이 존재하는 경우, 제1 전극은 빔 포밍 전극일 수 있고, 제2 전극은 추출 전극일 수 있으며, 제3 전극은 접지 전극일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 전극은 발산 정전형 렌즈(diverging electrostatic lens)일 수 있으며, 제3 전극은 초점 정전형 렌즈(focusing electrostatic lens)일 수 있다. 이 배치에서, 발상 정전형 렌즈 및 초점 정전형 렌즈를 제공하여 시준된 빔의 고도화를 도모할 수 있다.

본 발명의 가속기는 충전된 입자 빔의 생성을 위한 장치에 사용될 수 있으며 이에 따라 본 발명의 제2 관점에 따라 충전된 입자 빔의 생성을 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 플라즈마 챔버, 상기 플라즈마 챔버 내에서 제1 극성의 입자 및 반대로 충전된 제2 극성의 입자를 포함하는 플라즈마를 생성하기 위한 수단, 플라즈마 챔버 내에서 제1 극성의 입자를 제약하기 위한 수단, 및 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 가속기를 포함하며, 상기 제1 전극은 상기 플라즈마와 접촉한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시로서만 보다 상세히 후술한다.

도 1은 본 발명에 따른 전극 장치의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 3극 진공관 형태의 이온 가속기(100)를 제공한다. 3극 진공관 장치는 제1 빔 포밍(forming) 전극(102), 제2 추출 전그(104) 및 접지 전극으로서 알려진 제3 전극(106)을 포함한다. 모든 전극은 애퍼처를 가지며, 각각의 애퍼처는 편평하며 애퍼처의 중앙을 중심으로 원형 또는 회전 대칭을 가진다. 전극들은 애퍼처가 실질적으로 정렬되도록 직렬로 배치된다. 전극(102, 104 및 106)은 가속기(100)의 본체부(108)에 장착된다.

가속기에서 발생하는 열 응력에 대한 안정성을 제공하기 위해, 각각의 전극은 장착부(112, 113 및 114)에 의해, 가속기(100)의 본체부(108)에 장착된다. 각각의 장착부(112, 113 또는 114)는 가속기(100)의 본체부(108)로부터 각각의 전극의 열 절연을 제공하도록 배치된다. 추출 전극(104) 및 접지 전극(106)은 진공 챔버(110)와 같은, 진공 환경 내에 위치할 수 있으며, 빔 포밍 전극(102)으로부터 열적으로 절연되어 있다. 대안적으로 모든 3개의 전극은 진공 환경 내에 위치할 수 있다.

장착부(112, 113 및 114)는, 전극(102, 104 및 106) 및 본체부가 가열될 때, 서로에 대해 그리고 가속기(100)의 본체부(108)에 대해 각각의 전극의 방사 상의 이동을 허용하도록 배치된다. 이와 관련해서, 장착부가 2도의 자유도를 갖는다고 말한다. 이러한 장착부는 일반적으로 래디얼 운동 장착부(radial kinematic mount)로 알려져 있다. 전극 및 가속기가 가열됨에 따라, 장착부는 열적으로 유도된 응력의 영향 하에서 전극들이 구부려지는 것을 방지하는 전극의 방사 상의 팽창 을 허용한다.

각각의 상기 전극은 임의의 적절한 기하학적 구조를 가질 수 있으며 GB0612915.9 및 GB0622788.7에 개시되어 있는 구성으로 될 수도 있고, 상기 문헌들은 여기에 원용된다. 전극은 경사진, 절단부 또는 경사지지 않은 애퍼처 프로파일을 포함할 수 있다. 애퍼처는 원형과 같은 임의의 적절한 형상이 될 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 가속기(100)로부터 추출된 최종 빔 에너지는 빔 포밍 전극(102)과 접지 전극 사이의 전위차에 의해 규정되고 빔 전류는 빔 포밍 전극(102)과 추출 전극(104) 사이의 전위차에 의해 규정된다. 접지 전극(106)이 접지 전위에 고정되는 것으로 가정하면 빔 포밍 전극(102)의 전위도 고정된다. 그러므로 추출 전극(104) 전위는 빔 시준 요건의 제한 내에서 어떠한 원하는 값으로 고정될 수 있게 된다. 이러한 형태의 가속기는 빔이 먼저 강하게 가속한 다음 거의 강하게 지체되기(감속되기) 때문에 가속-감속 가속기라 한다.

Claims (9)

1. 이동 가능한 장착부에 장착된 적어도 하나의 전극을 포함하는, 이온 빔을 가속하는 가속 장치.
2. 제1항에 있어서,

   복수의 전극을 포함하며,

   상기 복수의 전극 중 적어도 하나는 상기 이동 가능한 장착부에 유지되는, 가속 장치.
3. 제1항에 있어서,

   적어도 하나의 애퍼처가 관통하는 제1 전극;

   상기 제1 전극에 인접하되 간격을 두도록 위치하며 적어도 하나의 애퍼처가 관통하는 제2 전극; 및

   상기 제2 전극에 인접하되 간격을 두도록 위치하며 적어도 하나의 애퍼처가 관통하는 제3 전극

   을 포함하며,

   각각의 상기 전극에서의 상기 적어도 하나의 애퍼처는 다른 전극의 대응하는 애퍼처와 정렬되어 있으며,

   상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중 적어도 하나는 상기 이 동 가능한 장착부에 장착되는, 가속 장치.
4. 제3항에 있어서,

   각각의 상기 전극은 상기 이동 가능한 장착부에 장착되는, 가속 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 이동 가능한 장착부는 각각의 상기 애퍼처의 정렬을 이용하도록 배치되는, 가속 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 장착부는 열적으로 절연된 장착부인, 가속 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 장착부는 래디얼 운동 장착부(radial kinematic mount)인, 가속 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   본체부를 더 포함하며,

   상기 이동 가능한 장착부는 상기 본체부에 부착되며 상기 본체부로부터 열적으로 절연되어 있는, 가속 장치.
9. 충전된 입자 빔의 생성을 위한 장치에 있어서,

   플라즈마 챔버;

   상기 플라즈마 챔버 내에서 제1 극성의 입자 및 반대로 충전된 제2 극성의 입자를 포함하는 플라즈마를 생성하기 위한 수단;

   플라즈마 챔버 내에서 제1 극성의 입자를 제약하기 위한 수단; 및

   제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 가속기

   를 포함하며,

   상기 제1 전극은 상기 플라즈마와 접촉하는, 장치.

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