KR20150050070A - 경사진 이온 소스, 이를 갖는 이온빔 처리 장치 및 이온빔 스퍼터링 장치 - Google Patents

경사진 이온 소스, 이를 갖는 이온빔 처리 장치 및 이온빔 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

경사진 이온 소스로서, 피처리물을 향하는 일측은 개방되고 타측은 폐쇄 또는 개방되며, 일측에는 중앙 자극과 외측 자극이 이격 배치되고, 타측은 중앙 자극과 외측 자극이 자심으로 연결되며, 중앙 자극의 하단에 자석을 구비하여, 일측에서 플라즈마 전자의 가속 루프를 형성하며, 중앙 자극의 중앙부가 소정 각도로 경사진 자기장부를 포함하여, 공정 챔버 내의 플라즈마 전자를 루프로 회전시켜 공정 챔버 내의 내부 가스로부터 플라즈마 이온을 생성하여 피처리물에 경사지게 공급한다.

Description

경사진 이온 소스, 이를 갖는 이온빔 처리 장치 및 이온빔 스퍼터링 장치{Slanted Ion Source, Ion Beam Processing Apparatus and Ion Beam Sputtering Apparatus therewith}
본 발명은 이온 소스, 이를 이용하는 이온빔 처리 장치, 이온빔 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
이온 소스(ion source)는 박막 공정을 위한 기판 개질(표면 처리)이나 박막 증착에 유용하게 이용되고 있는 주요 요소 기술 중의 하나이다. 일반적으로, 외부로부터 이온 소스 내부로 아르곤과 같은 이온화 가스를 공급받아 플라즈마를 생성하는 이온 소스는 생성 이온을 외부로 가속하여 방출시키는 그리드를 포함하는가에 따라 그리드 타입(grid type)과 비그리드 타입(grid-less type)으로 분류할 수 있으며, 산업용으로는 그리드가 없이 이온빔이 넓게 퍼져 나가고 구조가 간단한 이온 소스가 널리 이용되고 있다.
이온 소스는 대부분 전기장과 자기장을 이용하여 음전하에 대한 폐쇄 루프를 형성하고, 이 루프를 따라 전자를 고속 이동시키는 구조로 되어 있으며, 이는 이온 추출을 위한 플라즈마 밀도를 높이는 작용을 한다.
이와 같이, 종래의 이온 소스는 외부로부터 이온화 가스를 계속 공급받으며 플라즈마를 생성하고, 이온 소스의 내/외부 압력차에 의한 확산 현상으로 생성된 이온이 이온소스 외부로 분출된다. 이 과정에서 이온 소스 내부에서 발생된 불순물들이 이온들과 함께 외부로 분출되는 현상이 일어나며, 이로 인해, 분출 영역에서의 파티클 입자들이 전극에 달라붙는 비율이 증가한다. 또한, 불순물 발생은 물론, 전극 사이에 아크가 발생하는 요인이 되기도 한다. 결론적으로 이온 소스에서 발생되는 불순물과 아크는 양질의 표면 처리나 박막 공정을 수행할 수 없는 요인으로 작용하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 전극의 극성을 바꾸는 방법 등이 미국특허 6,750,600호, 6,870,164호, 한국특허공개 10-2011-0118622호 등에 제안되고 있다.
그러나, 이러한 해결 방법들은 전원의 극성을 전환시키는 구성을 별도 필요로 하므로 구조가 복잡하고 제조 비용도 상승시킨다. 더구나, 극성을 전환하는 것으로는, 전극이나 자극에 증착된 이온들을 제거하는데 한계가 있다.
또한, 이러한 해결 방법들은 이온 생성 및 분출을 위해 외부로부터 이온화 가스를 이온 소스 내부로 계속 공급하는 것을 전제하는 것이어서, 전극이나 자극의 오염은 물론, 원하는 물질만 증착되어야 하는 기판까지 오염물이 주입될 수 있어, 그 해결책이 요청되고 있다.
본 발명은 종래의 이온 소스의 문제점을 해결하기 위한 것으로,
첫째, 플라즈마 내의 이온 운동에 의한 전극 식각과 이로 인한 오염 발생을 근본적으로 차단할 수 있는 플라즈마 발생 및 이온 추출 방식을 제안하고,
둘째, 이온 소스를 이용하여 증착, 표면 개질, 식각 등의 공정을 수행할 때 기판에 대한 불순물과 같은 부정적인 영향을 최소화하며,
셋째, 동일한 공정 챔버 내에서 공정 압력을 변화시키지 않음으로써 스퍼터링 등의 다른 공정에 영향을 주지 않으며,
넷째, 생성 이온의 이동 방향을 설정할 수 있는, 이온 소스, 이를 갖는 이온빔 처리 장치, 이온빔 스퍼터링 장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이온빔 처리 장치는 공정 챔버와 그 속에 구비되는 경사진 루프 형태의 이온 소스를 포함하여 구성된다.
공정 챔버는 표면 처리 또는 박막 증착을 위한 내부 공간을 갖는다.
경사진 루프 형태의 이온 소스는 공정 챔버 내에서 전처리, 본처리, 또는 후처리 위치에 배치될 수 있다. 경사진 루프 형태의 이온 소스는 이온 소스 외부에 형성된 플라즈마 내의 전자를 하나 이상의 루프 형태로 회전시켜 생성된 이온을 생성하여 피처리물에 주입한다.
경사진 다중 루프 이온 소스는 제1 자기장부, 제2 자기장부, 전원부를 포함하여 구성된다.
제1 자기장부는 피처리물을 향하는 제1 일측이 개방된다. 제1 일측에는 다수의 제1 자극이 교대로 이격 배치된다. 다수의 제1 자극 중 적어도 하나에 결합하는 제1 자석을 구비하여, 제1 일측에서 플라즈마 전자의 제1 가속 폐루프를 형성한다.
제2 자기장부는 피처리물을 향하는 제2 일측이 개방된다. 제2 일측에는 다수의 제2 자극이 교대로 이격 배치된다. 다수의 제2 자극 중 적어도 하나에는 제2 자석을 구비하여, 제2 일측에서 플라즈마 전자의 제2 가속 폐루프를 형성한다. 제1 자기장부와 결합되는 다수의 제2 자극 중 하나는 다수의 제1 자극 중 결합되는 하나와 일체로 구성되면서, 제1 자기장부에 소정 각도로 경사지게 결합된다.
전원부는 제1 자기장부의 제1 가속 루프 하단에 배치되는 제1 전극과 제2 자기장부의 제2 가속 루프 하단에 배치되는 제2 전극을 포함하고, 제1 전극에는 제1 전압을 제2 전극에는 제2 전압을 인가한다.
경사진 다중 루프 이온 소스에서, 결합되는 제1 자극 중 하나와 제2 자극 중 하나는 중앙부가 절곡되는 형태로 결합된다.
경사진 다중 루프 이온 소스에서, 소정 각도, 즉 제1 자기장부와 제2 자기장부의 결합 경사각은 ±20°이내로 할 수 있다.
경사진 다중 루프 이온 소스에서, 제1,2 자기장부는 다수의 제1,2 자극에서 발생하는 자기장의 세기가 루프가 형성되는 각 지점마다 동등하게 형성되도록 구성한다.
본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 다른 실시예는 제1 자기장부, 제2 자기장부, 제3 자기장부, 전원부를 포함하여 구성된다.
제1 자기장부와 제2 자기장부는 위에서 설명한 제1,2 자기장부와 동일하다.
제3 자기장부는, 피처리물을 향하는 제3 일측이 개방된다. 제3 일측에는 다수의 제3 자극이 교대로 이격 배치된다. 다수의 제3 자극 중 적어도 하나에는 제3 자석을 구비하여, 제3 일측에서 플라즈마 전자의 제3 가속 폐루프를 형성한다. 제2 자기장부와 접하는 다수의 제3 자극 중 하나는 다수의 제2 자극 중 접하는 하나와 일체로 구성되고, 제2 자기장부에 제2 소정 각도로 경사지게 결합된다.
전원부는 위에서 설명한 제1,2 전극 외에 제3 자기장부의 제3 가속 루프 하단에 배치되는 제3 전극을 더 포함하고, 제3 전극에는 제3 전압을 인가한다.
경사진 다중 루프 이온 소스의 다른 실시예에서, 결합되는 제2 자극 중 하나와 제3 자극 중 하나는 중앙부가 절곡되는 형태로 결합된다.
경사진 다중 루프 이온 소스의 다른 실시예에서, 제2 소정 각도, 즉 제2 자기장부와 제3 자기장부의 결합 경사각은 ±20°이내로 할 수 있다.
본 발명에 따른 경사진 단일 루프 이온 소스는 자기장부와 전원부를 포함하여 구성된다.
자기장부는 피처리물을 향하는 일측이 개방되어 좁고 균일한 자기장을 형성하며, 이를 위해 일측에는 중앙 자극과 반대극의 외측 자극이 이격 배치된다. 중앙 자극의 중앙부는 소정 각도로 굴곡된다.
전원부는 자기장부의 가속 루프 하단에 배치되는 전극을 포함하고, 전극에 전압을 인가한다.
경사진 단일 루프 이온 소스에서, 중앙 자극의 중앙부는 소정 각도로 굴곡되고, 이때의 굴곡각은 ±20° 이내로 할 수 있다.
본 발명에 따른 경사진 이온 소소를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치는, 경사진 이온 소스, 증착물 타켓, 캐리어 등을 포함하여 구성된다.
경사진 이온 소스는, 위에서 설명한 이온 소스를 이용할 수 있는데, 중심에 대해 개방 방향으로 오목하게 경사지며, 플라즈마 이온을 생성하여 공급하여 증착물 타켓으로 공급한다.
증착물 타켓은 그 표면이 경사진 이온 소스로부터 나오는 플라즈마 이온과 충돌하여, 그 표면에서 증착 물질이 스퍼터되어 방출된다.
캐리어는 피처리물, 즉 기판 등을 지지하여 이동시키는 것으로, 증착물 타겟에서 방출된 증착 물질이 피처리물에 증착되게 한다.
본 발명의 이온빔 스퍼터링 장치는 차단 부재를 더 포함할 수 있다. 차단 부재는 경사진 이온 소스와 캐리어 사이에 위치하여, 자외선, 플라즈마, 파티클 등으로부터 피처리물이 손상되는 것을 차단한다.
본 발명의 이온빔 스퍼터링 장치는 다수의 경사진 이온 소스를 구비할 수 있다. 이 경우, 다수의 이온 소스는 증착물 타켓에 대해 대칭되게, 또는 한쪽 방향에 배치할 수 있다.
본 발명의 이온빔 스퍼터링 장치에서, 증착물 타켓은 이온 소소의 형상에 부합되게 장방형으로 구성할 수 있다. 이 경우, 증착물 타겟은 경사진 이온 소스의 플라즈마 이온이 증착물 타켓의 표면에 집속 가능한 거리만큼 경사진 이온 소스로부터 이격되어 배치될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 경사진 이온 소스에 의하면, 공정 챔버 내의 공정 가스로부터 플라즈마 이온을 생성하여 기판에 공급하므로, 이온 소스의 전극에 대한 손상이 없고, 이로 인한 오염 물질, 아킹 현상, 파티클 유입 등이 발생되지 않으며, 그 결과 기판에 오염물이 증착되는 것을 차단할 수 있다. 이것이 가능한 것은 본 발명의 경사진 이온 소스는 그 내부의 식각 물질이 이온과 함께 분출되는 구조가 아니기 때문이다.
본 발명에 따른 경사진 이온 소스를 동일한 공정 챔버 내에서 다른 공정 장비와 함께 사용하더라도 다른 공정 장비의 공정 압력에 변화를 일으키지 않기 때문에, 다른 공정을 안정적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 의하면, 여러 대의 단일 루프 이온 소스를 설치해야 하는 경우, 하나의 다중 루프 이온 소스를 적용할 수 있어, 장비 운영이나 공간 효율성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기판으로 향하는 이온의 이동 방향을 경사지게 할 수 있어, 생성 이온의 이동 방향을 제어하는 별도의 방향 제어부를 둘 필요가 없다.
도 1은 증착 공정에서 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스를 이용하는 경우를 예시하고 있다.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제1 실시예를 보여주는 사시도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제2 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제3 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제4 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 경사진 단일 루프 이온 소스의 제1 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 경사진 단일 루프 이온 소스의 제2 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 7a,7b는 경사진 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치를 예시하고 있다.
도 8a는 경사진 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치에서 차단 부재를 포함하는 경우를 도시하고 있다.
도 8b는 다수의 경사진 이온 소스를 이용하는 이온빔 스퍼터링 장치를 도시하고 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 증착 공정에서 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스를 이용하는 경우를 예시하고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이온빔 처리 장치는 공정 챔버(100), 증착 모듈(200), 기판 캐리어(300), 경사진 다중 루프 이온 소스(400) 등을 포함하여 구성할 수 있다.
공정 챔버(100)는 박막 증착을 위한 밀폐된 내부 공간을 형성한다. 공정 챔버(100)의 일측에는 진공 펌프가 결합되는데, 진공 펌프는 내부 공간을 소정의 공정 압력으로 유지한다. 공정 챔버(100)에는 공정에 따라 비반응 가스나 반응 가스가 주입된다. 비반응 가스는 예를들어 Ar, Ne, He, Xe 등이 있고, 반응 가스로는 N2, O2, CH4, CF4 등이 있다. 경우에 따라서는 비반응 가스와 반응 가스를 혼합하여 사용하기도 한다.
증착 모듈(200)은 공정 챔버(100) 내에 구비되고, 타켓 또는 증발 물질을 포함한다. 증착 모듈(200)은 타켓 또는 증발물질을 이탈시켜 이온, 원자, 중성입자를 덩어리 형태로 기판(310)에 공급한다. 기판(310)으로 이동한 입자들은 기판(310)에 박막 형태로 증착된다. 타겟 또는 증발 물질로는 실리콘(Si), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 네오듐(Nd), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 코발트(Co), 아연(Zn), 주석(Sn), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등이 있다.
기판 캐리어(300)는 기판(310)을 증착 모듈(200)에 대향되게 지지하며, 기판(310)을 일정 방향으로 이동시킨다.
증착 모듈(200)이 스퍼터링 공정에 이용되는 경우, 캐소드인 증착 모듈(200)에는 높은 음전압이 인가되고, 기판 캐리어(300)는 접지된다. 이 경우, 공정 챔버(100) 내부에 Ar 가스가 주입되어 있으면, 증착 모듈(200)과 기판 캐리어(300) 사이의 고전압에 의해 Ar 가스가 이온화되어 플라즈마 상태로 된다. 이온화된 아르곤 이온(Ar+)은 고전압에 의해 가속되어 증착 모듈(200)의 타겟에 부딪힌다. 이때, 타겟으로부터 타겟 물질이 이온 형태로 튀어나와 기판 캐리어(300) 쪽으로 이동하며, 타켓 물질은 기판 캐리어(300) 전면의 기판(310)에 붙게 된다. 이러한 공정을 통해, 기판(310)에는 타켓 물질이 박막 형태로 적층된다.
경사진 다중 루프 이온 소스(400)는 공정 챔버(100) 내에 삽입된다. 경사진 다중 루프 이온 소스(400)에는 외부로부터 전원이 공급되어 공정 챔버(100) 내의 공정 가스를 이온 소스(400)의 앞단, 즉 이온 소스(400)의 외부에서 플라즈마를 발생시킨다. 경사진 다중 루프 이온 소스(400)는 공정 챔버(100) 내에 존재하는 내부 전자, 또는 증착 모듈(200)과 기판 캐리어(300) 사이의 고전압으로 발생하는 플라즈마 전자 등을 초기 이온화 전자로 이용한다. 즉, 경사진 다중 루프 이온 소스(400)는 내부 전자 또는 플라즈마 전자 등의 초기 이온화 전자들에 로렌쯔 힘을 인가하여 내부 루프를 따라 회전시키고, 그 결과 공정 챔버 내의 내부 가스로부터 플라즈마 이온을 생성한다. 생성된 플라즈마 내의 양이온은 기판(310)으로 이동한다.
경사진 다중 루프 이온 소스(400)는 증착 모듈(200)이 기판(310)에 박막을 증착하는 과정에서 함께 사용되기도 하고, 또는 증착 모듈(200)이 기판(310)에 박막을 증착하기 전에 기판의 표면을 개질하거나, 박막을 증착한 후의 후처리를 위해서도 사용될 수 있다.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제1 실시예를 보여주는 사시도 및 단면도이다.
도 2a,2b에 도시한 바와 같이, 경사진 다중 루프 이온 소스는 제1 자기장부(A), 제2 자기장부(B), 전극(431a,431b,433a,433b)을 포함하여 구성된다.
제1 자기장부(A)는 제1 중앙 자극(413), 제1 외측 자극(411a,411b), 제1 자석(421), 그리고 제1 자심(441)으로 구성된다.
제1 중앙 자극(413)은 예를들어 양단에 첨단부를 갖는 직선 형태의 막대 형상으로 구성되고, 제1 외측 자극(411a,411b)과는 이격되어 제1 자기장부(A)의 중앙에 위치한다.
제1 외측 자극(411a,411b)은 제1 중앙 자극(413)을 둘러싸는 형태로 구성되고, 제1 중앙 자극(413)과는 소정 간격 이격되어 배치된다.
제1 자기장부(A)는, 기판(310)을 향하는 부분은 개방되고 그 반대편은 일반적으로 폐쇄되지만 개방될 수도 있다. 제1 외측 자극(411a,411b)은 서로 연결되어 있지만, 전방에서 단면적으로 볼 때 개방 부분에는 제1 중앙 자극(413)과 제1 외측 자극(411a,411b)이 N극과 S극이 교대로, 즉 NSN 또는 SNS로 배치되는 보이고, 그 사이는 플라즈마 전자의 제1 가속 루프 공간이 된다.
도 2a,2b에는 제1 자석(421)이 제1 중앙 자극(413)의 하단에만 구비되는 것으로 설명하고 있으나, 제1 외측 자극(411a,411b)의 하단에도 구비할 수 있다. 제1 자석(421)은 영구자석 또는 전자석으로 구성할 수 있다.
제1 자기장부(A)에서, 제1 중앙 자극(413), 제1 외측 자극(411a,411b), 제1 자심(441)에 의해 형성되는 자기장의 세기는 제1 중앙 자극(413)과 제1 외측 자극(411a,411b)의 사이 공간, 즉 제1 가속 루프 공간의 각 지점에서 동등하게 형성되도록 한다.
제1 전극(431a,431b)은 제1 중앙 자극(413)과 제1 외측 자극(411a,411b)의 사이 공간, 즉 제1 가속 루프 공간의 하부에 내장되는 형태로 구비된다. 실제로, 제1 전극(431a,431b)은 제1 가속 루프 공간을 따라 서로 연결되어 있으며, 제1 전극(431a,431b)에는 외부로부터 전원(V1)이 공급된다.
도 2a,2b에 도시한 바와 같이, 제2 자기장부(B)는 제2 중앙 자극(415), 제2 외측 자극(411b,411c), 제2 자석(423), 그리고 제2 자심(441)으로 구성된다.
제2 중앙 자극(415)은 예를들어 양단에 첨단부를 갖는 직선 형태의 막대 형상으로 구성되고, 제2 외측 자극(411b,411c)과는 이격되어 제2 자기장부(B)의 중앙에 위치한다.
제2 외측 자극(411b,411c)은 제2 중앙 자극(415)을 둘러싸는 형태로 구성되고, 제2 중앙 자극(415)과는 소정 간격 이격되어 배치되며, 기판(310)을 향하는 부분은 개방되고 그 반대편은 일반적으로 폐쇄되지만 개방될 수도 있다. 개방 부분에는 제2 중앙 자극(415)과 제2 외측 자극(411b,411c)이 NSN 또는 SNS로 교대 배치되고, 그 사이는 플라즈마 전자의 제2 가속 루프 공간을 형성한다.
제2 자석(423)은 제2 중앙 자극(415)의 하단에만, 또는 제2 외측 자극(411b,411c)의 하단에도 구비할 수 있으며, 영구자석 또는 전자석으로 구성할 수 있다.
제2 자기장부(B)에서, 제2 가속 루프 공간의 각 지점에서 자기장의 세기가 동등하게 형성되도록 한다. 예를들어 제2 중앙 자극(415)과 제2 외측 자극(411b,411c)의 하단 모두에 자석을 구비하는 경우, 제2 외측 자극(411b,411c)의 하단에 구비되는 자석의 단면적은 제2 중앙 자극(415)의 하단에 구비되는 자석의 단면적보다 작게 구성할 수 있다. 다만, 자극(411b)는 제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)가 공유하는 자극으로서, 자극(411b) 하단에 구비되는 자석은 제2 중앙 자극(415)의 하단에 구비되는 자석의 단면적과 동일할 수 있다.
제2 전극(433a,433b)은 제2 가속 루프 공간의 하부에 내장되는 형태로 구비된다. 실제로, 제2 전극(433a,433b)은 제2 가속 루프 공간을 따라 서로 연결되어 있다. 제2 전극(433a,433b)에는 외부로부터 전원(V2)이 공급된다.
본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스는, 도 2a,2b에 도시한 바와 같이, 중앙이 소정 각도로 굴곡된 형상을 갖는다.
제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)를 연결하는 부분, 즉 제1 외측 자극 중 하나(411b)와 제2 외측 자극 중 하나(411b)를 경사지게 결합한다. 이 경우, 제1 외측 자극 중 하나(411b)와 제2 외측 자극 중 하나(411b)는 일체로 구성되어 공유 외측 자극이 되며, 그 중앙부가 굴곡된다. 여기서, 제2 자기장부(B)는 제1 자기장부(A)에 대해 하방으로 20°이내의 범위에서 경사지게 할 수 있다(θ). 결국, 경사진 다중 루프 이온 소스는 제1 중앙 자극(413), 제2 중앙 자극(415), 그리고 공유된 외측 자극(411a~411c)으로 구성된다.
또한, 제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)를 연결하는 자심(441)도 그 중앙부가 자극(411b)의 굴곡에 대응되게 굴곡된 형태를 가질 수 있다. 자심(441)의 굴곡각도 자극(411b)의 굴곡각과 동일 또는 유사하게 하방으로 20°이내의 범위에서 경사지게 할 수 있다.
제1 전극(431a,431b)과 제2 전극(433a,433b)에는 동일 전압 또는 다른 전압을 인가할 수 있고, 인가되는 전압은 DC 또는 AC 전압일 수 있다.
이러한 구성을 갖는 경사진 다중 루프 이온 소스는 제1 전극(431a,431b) 및 제2 전극(433a,433b)에 플러스 고전압을 인가하고 중앙 자극들(413,415)과 외측 자극(411a~411c)을 접지하면, 전극(431a,431b,433a,433b)과 기판 캐리어(300) 사이에 형성된 전기장에 의해 내부 전자 또는 플라즈마 전자가 제1,2 가속 루프 공간으로 이동한다. 이때, 중앙 자극들(413,415)과 외측 자극(411a~411c) 사이에서 발생하는 자기장과 전극과 자극들 사이에서 발생하는 전기장에 의해 내부 전자 또는 플라즈마 전자가 힘을 받아 제1,2 가속 루프를 따라 고속 이동한다. 이때, 고속으로 이동하는 전자는 가속 루프 내부에 존재하는 내부 가스를 이온화시킨다. 이온화된 플라즈마 이온 중에서 양이온은 전극과 기판 캐리어(300) 사이의 전기장 등에 의해 기판 캐리어(300) 쪽으로 이동하여 기판(310)에 표면 개질 등의 작용을 일으킨다.
도 3은 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제2 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 3의 제2 실시예는 도 2a,2b의 제1 실시예와 비교하여, 제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)의 굴곡 방향을 반대로 하였다는 점에서 차이가 있다. 그 결과, 제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)를 연결하는 부분, 즉 제1 외측 자극 중 하나(411a')와 제2 외측 자극 중 하나(411a')를 굴곡되게 결합한 부분의 형상이 제1 실시예와 다르다. 또한, 제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)를 연결하는 자심(441')도 굴곡 방향이 제1 실시예와 반대로 구성되어 있다.
제2 실시예에서, 자극(411a') 또는 자심(441')의 굴곡은 서로에 대해 상방으로 20°이내의 범위에서 경사지게 할 수 있다(θ).
그 밖에, 중앙 자극(413,415), 전극(431a,431b,433a,433b) 등의 구성은 제1 실시예의 해당 구성과 동일 또는 유사하므로, 제1 실시예의 관련 설명으로 갈음한다.
도 4는 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제3 실시예를 보여주는 단면도이다.
제3 실시예는 제1 자기장부(A), 제2 자기장부(B), 제3 자기장부(C), 전원부(531a,531b)를 포함하여 구성된다. 제3 실시예에서 제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)의 결합 부분은 제1 실시예와 동일하므로, 이하, 제2 자기장부(B)의 외측 자극(511a)과 제3 자기장부(C)의 결합에 대해 자세히 설명한다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 제3 자기장부(C)는 제3 중앙 자극(513), 제3 외측 자극(511a,511c), 제3 자석(523), 전원부(531a,531b)로 구성된다.
제3 중앙 자극(513)은 예를들어 양단에 첨단부를 갖는 직선 형태의 막대 형상으로 구성되고, 제3 외측 자극(511a,511c)과는 이격되어 제3 자기장부(C)의 중앙에 위치한다.
제3 외측 자극(511a,511c)은 제3 중앙 자극(513)을 둘러싸는 형태로 구성되고, 제3 중앙 자극(513)과는 소정 간격 이격되어 배치되며, 기판(310)을 향하는 부분은 개방되고 그 반대편은 폐쇄되거나 개방된다. 개방 부분에는 제2 중앙 자극(513)과 제3 외측 자극(511a,511c)이 NSN 또는 SNS로 교대 배치되고, 그 사이는 플라즈마 전자의 제3 가속 루프 공간을 형성한다.
제3 자석(523)은 제3 중앙 자극(513)의 하단에만, 또는 제3 외측 자극(511a,511c)의 하단에도 구비할 수 있으며, 영구자석 또는 전자석으로 구성할 수 있다.
제3 자기장부(C)에서, 제3 가속 루프 공간의 각 지점에서 자기장의 세기가 동등하게 형성되도록 한다. 예를들어 제3 중앙 자극(513)과 제3 외측 자극(511b,511c)의 하단 모두에 자석을 구비하는 경우, 제3 외측 자극(511b,511c)의 하단에 구비되는 자석의 단면적은 제3 중앙 자극(513)의 하단에 구비되는 자석의 단면적보다 작게 구성할 수 있다. 다만, 자극(511a)는 제2 자기장부(B)와 공유하는 자극으로서, 자극(511a) 하단에 구비되는 자석은 제3 중앙 자극(415)의 하단에 구비되는 자석의 단면적과 동일할 수 있다.
제3 전극(531a,531b)은 제3 가속 루프 공간의 하부에 내장되는 형태로 구비된다. 실제로, 제3 전극(531a,531b)은 제3 가속 루프 공간을 따라 서로 연결되어 있다. 제3 전극(531a,531b)에는 외부로부터 전원(V3)이 공급된다.
제3 실시예의 경사진 다중 루프 이온 소스는, 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 자기장부(B)와 제3 자기장부(C)의 결합 부분도 제1 자기장부(A)와 제2 자기장부(B)의 결합과 동일하게 소정 각도(θ)로 굴곡되어 있다.
제2 자기장부(B)와 제3 자기장부(C)를 연결하는 부분, 즉 제2 외측 자극 중 가장자리 자극(511a)과 제3 외측 자극 중 하나(511a)를 경사지게 결합한다. 이 경우, 제2 외측 자극 중 가장자리 자극(511a)과 제3 외측 자극 중 하나(511a)는 일체로 구성되고, 그 중앙이 굴곡된 형상의 제3의 공유 외측 자극이 된다. 여기서, 제3 자기장부(C)는 제2 자기장부(B)의 수평 방향에 대해 하방으로 20°이내의 범위로 경사지게 할 수 있다. 결국, 제3 실시예는, 제1 중앙 자극(413), 제2 중앙 자극(415), 제3 중앙 자극(513), 그리고 서로 연결된 하나의 공유 외측 자극으로 구성되어, 서로 경사진 3개의 독립된 가속 루프를 형성하게 된다.
또한, 제2 자기장부(B)와 제3 자기장부(C)를 연결하는 자심 부분도 굴곡된 형태를 가질 수 있다. 자심(541)의 굴곡도 자극(511a)의 경사각과 동일하게 20°이내의 범위로 경사지게 할 수 있다.
제1 전극(431a,431b), 제2 전극(433a,433b), 제3 전극(531a,531b)에는 동일 또는 다른 전압을 인가할 수 있고, 인가되는 전압은 DC 또는 AC 전압일 수 있다.
이러한 구성을 갖는 제3 실시예는 제2 자기장부(B)를 중심으로 제1,3 자기장부(A,C)가 동일 각도로 경사져 대칭적으로 결합되는 형상일 수 있다. 물론, 각 결합부의 경사각을 달리하면, 대칭성은 상실되나, 제2 자기장부(B)를 중심으로 양쪽에 제1,3 자기장부(A,C)가 위치하는 구조는 유지된다.
도 5는 본 발명에 따른 경사진 다중 루프 이온 소스의 제4 실시예를 보여주는 단면도이다.
제4 실시예는, 제3 실시예와 비교하여, 제1 자기장부(A), 제2 자기장부(B), 제3 자기장부(C)의 결합 경사 방향을 반대로 하였다는 점에서 차이가 있다. 그 결과, 제1,2,3 자기장부(A,B,C)를 연결하는 부분의 자극과 자심의 굴곡 방향이 제3 실시예와 반대로 되어 있다.
제4 실시예에서, 자극 또는 자심의 경사각(θ)은 인접 자기장부에 대해 상방으로 20°이내의 범위로 경사지게 할 수 있다.
그 밖에, 중앙 자극, 전극 등의 구성은 제3 실시예의 해당 구성과 동일 또는 유사하므로, 제3 실시예의 관련 설명으로 갈음한다.
도 6a는 본 발명에 따른 경사진 단일 루프 이온 소스를 보여주는 단면도이다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 경사진 단일 루프 이온 소스는 자기장부와 전원부를 포함하여 구성된다.
자기장부는 중앙 자극(613), 외측 자극(611a,611g), 자석(623), 그리고 자심(641)으로 구성된다.
중앙 자극(613)은 양단에 첨단부를 갖는 막대 형상으로 구성되고, 그 중앙이 상방으로 대칭 굴곡되어 있다. 이 경우, 중앙 자극(613)의 굴곡은 ±20° 이내로 할 수 있다. 중앙 자극(613)은 외측 자극(611a,611b)과 이격되어 자기장부의 중앙에 구비된다.
외측 자극(611a,611b)은 중앙 자극(613)을 둘러싸는 형태로 구성되고, 중앙 자극(613)과 소정 간격 이격되어 배치된다.
자기장부에서, 기판(310)을 향하는 부분은 개방되고 그 반대편은 폐쇄되거나 개방된다. 개방 부분에는 중앙 자극(613)과 외측 자극(611a,611b)이 예를들어 NSN 또는 SNS로 교대 배치되고, 그 사이는 플라즈마 전자의 가속 루프 공간을 형성한다.
자석(623)은 중앙 자극(613)의 하단에만 구비할 수도 있고, 외측 자극(611a,611b)의 하단에도 구비할 수 있다. 자석(623)은 영구자석 또는 전자석으로 구성할 수 있다.
자심(641)은 자석(623)의 하단과 외측 자극(611a,611b)의 하단을 연결하는 것으로, 자기장부의 하부에서 자기 회로를 형성한다. 자심(641)도 굴곡된 형상을 가질 수 있으며, 그 굴곡은 자극(613)과 동일하게 하방으로 20°이내의 범위로 경사지게 할 수 있다.
자기장부에서, 중앙 자극(613), 외측 자극(611a,611b), 자심(641)에 의해 형성되는 자기장의 세기는 중앙 자극(613)과 외측 자극(611a,611b)의 사이, 즉 가속 루프 공간의 각 지점에서 동등하게 형성되도록 한다.
전극(631a,631b)은 중앙 자극(613)과 외측 자극(611a,611b)의 사이 공간, 가속 루프 공간의 하부에 내장되는 형태로 구비된다. 전극(631a,631b)에는 외부로부터 전원(V)이 공급된다.
이러한 구성을 갖는 경사진 단일 루프 이온 소스는 공정 챔버 내의 플라즈마 전자를 하나의 루프로 회전시키고, 이를 통해 공정 챔버 내의 내부 가스로부터 플라즈마 이온을 생성하여 기판(310)에 경사지게 공급한다.
도 6b는 본 발명에 따른 경사진 단일 루프 이온 소스의 다른 실시예를 보여주는 단면도이다.
다른 실시예는, 도 6a와 비교하여, 중앙 자극(613')의 경사 방향을 반대로 하였다는 점에서 차이가 있다. 중앙 자극(613')과 자심(641')의 형상이 다르고, 그 결과 전체적으로 볼 때 중앙부가 아래로 볼록한 형상의 단일 루프 이온 소스를 구성하게 된다.
도 6b에서도, 중앙 자극(613') 또는 자심(641')의 굴곡은 상방으로 20°이내의 범위로 할 수 있다.
그 밖에, 외측 자극(611a,611b)은 도 6a의 관련 구성과 동일 또는 유사하므로, 도 6a의 설명으로 갈음한다.
이상에서는 경사진 다중 또는 단일 루프의 이온 소스를 증착, 표면 개질 등에 적용하는 것을 예시하였으나, 이 외에도 식각 등의 공정에도 적용할 수 있다. 또한, 경사진 다중 또는 단일 루프 이온 소스는 단독으로 전처리, 본처리, 후처리에 사용될 수 있다.
도 7a,7b는 경사진 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치를 예시하고 있다.
도 7a,7b에 도시한 바와 같이, 스퍼터링 장치는 캐리어(300), 경사진 이온 소스(400'), 증착물 타켓(700) 등을 포함하여 구성된다.
경사진 이온 소스(400')는, 위에서 설명한 경사진 이온 소스를 이용할 수 있는데, 다만 증착물 타겟(700)의 표면에 플라즈마 이온을 집속시켜야 하므로, 중심에 대해 전방으로 오목하게 경사지는 이온 소스를 이용한다.
이때, 경사진 이온 소스는 각 루프에서 생성된 이온들이 초점형 이온빔 형태로 타켓에 이동하며, 이러한 초점형 이온빔은 각 자기장부를 구성하는 자극의 형상에 만들어진다. 이와 같이, 본 발명에 따른 경사진 이온 소스는 자극의 형상으로 생성되는 이온빔의 집속, 즉 초점형 이온빔과, 인접하는 루프의 경사에 의해 형성되는 이온빔의 집속이 결합되어, 전체 이온빔이 타겟 표면에 집속된다.
증착물 타켓(700)은 그 표면에서 경사진 이온 소스(400')로부터 나오는 플라즈마 이온이 충돌하며, 그 결과 증착물 타켓(700)의 표면에서 스퍼터링된 증착 물질을 방출한다.
증착물 타켓(700)은 장방형 드럼 형상으로 구성할 수 있다. 이 경우, 증착물 타겟(700)은 경사진 이온 소스의 플라즈마 이온이 증착물 타켓(700)의 표면에 집속되는 거리만큼 경사진 이온 소스(400')로부터 이격되고, 이온 소스(400')에서 나온 플라즈마 이온은 증착물 타겟(700)의 표면에 길이 방향을 따라 하나의 선을 형성하며 증착물 타켓(700)과 충돌한다. 이 때, 증착물 타겟(700)의 표면에서 방출하는 증착 물질의 방향은 충돌하는 플라즈마 이온의 입사각에 따라 결정되므로, 캐리어(300)에 지지되는 피처리물(310)의 위치를 고려하여 경사진 이온 소스(400')와 증착물 타겟(700)의 위치, 즉 상대적 경사를 결정할 수 있다.
도 8a는 경사진 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치에서 차단 부재를 더 포함하는 경우를 도시하고 있다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 스퍼터링 장치는 피처리물(310)을 지지하는 캐리어(300)와 경사진 이온 소스(400') 사이에 자외선, 플라즈마, 파티클 등을 차단하는 차단 부재(800)를 포함할 수 있다. 경사진 이온 소스(400')에서 생성되는 플라즈마, 또는 그 속의 자외선은 피처리물(310)을 손상시킬 수 있는데, 예를들어 차단 부재(800)는 플라즈마 내의 이온들이 피처리물(310)의 전위를 감지하지 못하게 할 수 있다.
도 8b는 다수의 경사진 이온 소스를 이용하는 이온빔 스퍼터링 장치를 도시하고 있다.
도 8b에 도시한 바와 같이, 증착물 타겟(700)에 대해 대칭되게 또는 일측 방향에 나란하게 다수의 경사진 이온 소스(400', 400")를 구비할 수 있는데, 이 경우 피처리물(310)에 증착 물질을 빠르게 증착할 수 있어 공정 효율성을 높일 수 있다.
이상 본 발명을 여러 실시예에 기초하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것이다. 통상의 기술자라면, 위 실시예에 기초하여 본 발명의 기술사상을 다양하게 변형하거나 수정할 수 있을 것이다. 그러나, 그러한 변형이나 수정은 아래의 특허청구범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
100 : 공정 챔버 200 : 증착 모듈
300 : 기판 캐리어 310 : 기판
400,400',400'' : 경사진 다중 루프 이온 소스
413,415,513 : 중앙 자극
411a,411b,411c,511a,511c : 외측 자극
441,441',541,541',641,641' : 자심
421,423,623 : 자석
431a,431b,433a,433b,631a,631b : 전극
700 : 증착물 타켓 800 : 차단 부재

Claims (15)

  1. 이온빔 처리 장치에 있어서,
    표면 처리 또는 박막 증착을 위한 내부 공간을 갖는 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 내에서 전처리, 본처리, 또는 후처리 위치에 배치되고, 상기 공정 챔버 내의 플라즈마 전자를 다중 루프로 회전시켜 상기 공정 챔버 내의 내부 가스로부터 플라즈마 이온을 생성하여 피처리물에 경사지게 공급하는 경사진 다중 루프 이온 소스를 포함하고,
    상기 경사진 다중 루프 이온 소스는
    피처리물을 향하는 제1 일측은 개방되고 제1 타측은 폐쇄 또는 개방되며, 상기 제1 일측에는 다수의 제1 자극이 교대로 이격 배치되고, 상기 제1 타측은 제1 자심으로 연결되며, 상기 다수의 제1 자극 중 적어도 하나에 제1 자석을 구비하여, 상기 제1 일측에서 플라즈마 전자의 제1 가속 루프를 형성하는 제1 자기장부;
    피처리물을 향하는 제2 일측은 개방되고 제2 타측은 폐쇄 또는 개방되며, 상기 제2 일측에는 다수의 제2 자극이 교대로 이격 배치되고, 상기 제2 타측은 제2 자심으로 연결되며, 상기 다수의 제2 자극 중 적어도 하나에 제2 자석을 구비하여, 상기 제2 일측에서 플라즈마 전자의 제2 가속 루프를 형성하며, 상기 제1 자기장부와 결합하는 상기 다수의 제2 자극 중 하나는 상기 다수의 제1 자극 중 결합하는 하나와 일체로 구성되고, 상기 제1 자기장부에 소정 각도로 경사지게 결합되는 제2 자기장부;
    상기 제1 자기장부의 제1 가속 루프에 배치되는 제1 전극과 상기 제2 자기장부의 제2 가속 루프에 배치되는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극에 제1 전압, 상기 제2 전극에 제2 전압을 인가하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온빔 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합되는 제1 자극 중 하나와 상기 제2 자극 중 하나는
    중앙부가 절곡되고, 중앙부를 중심으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 하는, 이온빔 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소정 각도는
    ±20° 이하인 것을 특징으로 하는, 이온빔 처리 장치.
  4. 이온빔 처리 장치에 이용되는 이온 소스에 있어서,
    피처리물을 향하는 제1 일측은 개방되고 제1 타측은 폐쇄 또는 개방되며, 상기 제1 일측에는 다수의 제1 자극이 교대로 이격 배치되고, 상기 제1 타측은 제1 자심으로 연결되며, 상기 다수의 제1 자극 중 적어도 하나에 제1 자석을 구비하여, 상기 제1 일측에서 플라즈마 전자의 제1 가속 루프를 형성하는 제1 자기장부;
    상기 피처리물을 향하는 제2 일측은 개방되고 제2 타측은 폐쇄 또는 개방되며, 상기 제2 일측에는 다수의 제2 자극이 교대로 이격 배치되고, 상기 제2 타측은 제2 자심으로 연결되며, 상기 다수의 제2 자극 중 적어도 하나에 제2 자석을 구비하여, 상기 제2 일측에서 플라즈마 전자의 제2 가속 루프를 형성하며, 상기 제1 자기장부와 결합하는 상기 다수의 제2 자극 중 하나는 상기 다수의 제1 자극 중 결합하는 하나와 일체로 구성되고, 상기 제1 자기장부에 제1 소정 각도로 경사지게 결합되는 제2 자기장부;
    상기 제1 자기장부의 제1 가속 루프에 배치되는 제1 전극과 상기 제2 자기장부의 제2 가속 루프에 배치되는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극에 제1 전압, 상기 제2 전극에 제2 전압을 인가하는 전원부를 포함하여,
    공정 챔버 내의 플라즈마 전자를 다중 루프로 회전시켜 상기 공정 챔버 내의 내부 가스로부터 플라즈마 이온을 생성하여 상기 피처리물에 경사지게 공급하는 것을 특징으로 하는, 경사진 다중 루프 이온 소스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 결합하는 제1 자극 중 하나와 상기 제2 자극 중 하나는
    중앙부가 절곡되고, 중앙부를 중심으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 하는, 경사진 다중 루프 이온 소스.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 소정 각도는
    ±20° 이하인 것을 특징으로 하는, 경사진 다중 루프 이온 소스.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 피처리물을 향하는 제3 일측은 개방되고 제3 타측은 폐쇄 또는 개방되며, 상기 제3 일측에는 다수의 제3 자극이 교대로 이격 배치되고, 상기 제3 타측은 제3 자심으로 연결되며, 상기 다수의 제3 자극 중 적어도 하나에 제3 자석을 구비하여, 상기 제3 일측에서 플라즈마 전자의 제3 가속 루프를 형성하며, 상기 제2 자기장부와 결합하는 상기 다수의 제3 자극 중 하나와 상기 다수의 제2 자극 중 결합하는 하나는 일체로 구성되고, 상기 제2 자기장부에 제2 소정 각도로 경사지게 결합되는 제3 자기장부;
    상기 제3 자기장부의 제3 가속 루프에 배치되는 제3 전극을 포함하고, 상기 전원부는 상기 제3 전극에 제3 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는, 경사진 다중 루프 이온 소스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결합하는 제2 자극 중 하나와 상기 제3 자극 중 하나는
    중앙부가 절곡되고, 중앙부를 중심으로 좌우 대칭되는 것을 특징으로 하는, 경사진 다중 루프 이온 소스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 소정 각도는
    ±20° 이하인 것을 특징으로 하는, 경사진 다중 루프 이온 소스.
  10. 이온빔 처리 장치에 이용되는 이온 소스에 있어서,
    피처리물을 향하는 일측은 개방되고 타측은 폐쇄 또는 개방되며, 상기 일측에는 중앙 자극과 외측 자극이 이격 배치되고, 상기 타측은 상기 중앙 자극과 외측 자극이 자심으로 연결되며, 상기 중앙 자극에 자석을 구비하여, 상기 일측에서 플라즈마 전자의 가속 루프를 형성하며, 상기 중앙 자극의 중앙부가 소정 각도로 경사진 자기장부;
    상기 자기장부의 가속 루프에 배치되는 전극을 포함하고, 상기 전극에 전압을 인가하는 전원부를 포함하여,
    공정 챔버 내의 플라즈마 전자를 하나의 루프로 회전시켜 상기 공정 챔버 내의 내부 가스로부터 플라즈마 이온을 생성하여 상기 피처리물에 경사지게 공급하는 것을 특징으로 하는, 경사진 단일 루프 이온 소스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 소정 각도는
    ±20° 이하인 것을 특징으로 하는, 경사진 단일 루프 이온 소스.
  12. 이온빔 스퍼터링 장치에 있어서,
    중심에 대해 개방 방향으로 경사지고, 플라즈마 이온을 생성하여 공급하는 경사진 이온 소스;
    상기 경사진 이온 소스의 플라즈마 이온과 충돌하여 증착 물질을 방출하는 증착물 타켓;
    상기 증착 물질이 증착되는 피처리물을 지지하는 캐리어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 경사 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 경사진 이온 소스와 상기 캐리어 사이에 자외선, 플라즈마, 파티클 중에서 적어도 하나를 차단하는 차단 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 경사 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 경사진 이온 소스는
    다수를 구비하는 것을 특징으로 하는, 경사 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 증착물 타켓은
    상기 경사진 이온 소스의 길이 방향의 형상에 부합하는 형상으로 구성되고, 상기 경사진 이온 소스의 플라즈마 이온이 상기 증착물 타켓의 표면에 집속되는 거리만큼 상기 경사진 이온 소스로부터 이격되는 것을 특징으로 하는, 경사진 이온 소스를 이용한 이온빔 스퍼터링 장치.
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