KR20160055328A

KR20160055328A - 이온빔 전하밀도의 공간 산포 균일화를 위한 전극구조를 구비하는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법

Info

Publication number: KR20160055328A
Application number: KR1020140154421A
Authority: KR
Inventors: 김태곤; 박경희; 윤주성
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-05-18
Also published as: KR101665935B1

Abstract

본 발명은, 이온빔을 이용하여 에칭, 임플란팅, 이온플레이팅 등 기판가공을 수행하는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법에 관한 것으로, 기판의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부, 이온빔에 의해 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버, 이온생성부로부터 이온을 공급받은 후, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부, 기판을 지지하고, 제1차이온빔제어부와의 사이에 전기장을 형성하여 제1차이온빔제어부에 의해 상기 공정챔버 내부로 진입한 이온빔을 2차제어하는 기능을 하는 기판홀더를 포함하여 이루어지는 기판홀더부를 포함하여 이루어지고, 기판홀더 상면은 소정의 패턴으로 구획되고, 전기장은, 기판홀더 상면의 구획된 영역 각각에 대하여 그 세기가 각각 다르게 형성되어 기판에 도달하는 이온빔의 기판면 위치별 전하밀도의 편차를 감소시킬 수 있다.

Description

이온빔 전하밀도의 공간 산포 균일화를 위한 전극구조를 구비하는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법{A manufacturing apparatus using ion-beam with electrodes for leveling 2-dimension distribution of ion-beam charge density and a substrate manufacturing method therewith.}

본 발명은, 이온빔을 이용하여 에칭, 임플란팅, 이온플레이팅 등 기판가공을 수행하는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이온빔 전하밀도의 공간 산포 균일화를 위한 전극구조를 구비하도록 구성되는 이온빔가공장치 및 이를 이용한 기판가공방법에 관한 것이다.

일반적으로 이온을 이용한 미세 가공은 이온밀링(Ion Milling)가공, 이온에칭(RIE)가공, 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB)가공, 이온 임플란팅(Ion Implanting) 등이 있으며, 이러한 이온 가공은 기본적으로 높은 에너지를 가진 이온이 가공대상물의 표면에 가속 충돌하여 가공대상물의 표면원자가 충격력에 의해 중성자, 이차전자, 이차이온들로 분해되며 튀어나오도록 하는 스퍼터링(sputtering)현상을 이용한다.

한국 공개특허 제 2014-0110607호(발명의 명칭 : 반응성 이온 빔 에칭 장치 , 이하 종래기술1 이라 한다.) 에서는 이온 빔을 생성하는 이온 소스와, 이온 빔을 이용한 공정이 수행되는 공정 챔버, 이온 소스와 공정 챔버 사이에 마련되고, 이온빔이 통과하도록 복수의 개구부가 형성되며, 복수의 개구부 각각의 형성 위치에 따라 복수의 개구부 각각의 면적이 다르게 형성됨으로써 복수의 개구부를 통과하여 공정 챔버에 가해지는 이온 빔의 에너지 및 전류 밀도가 균일해지도록 하는 그리드를 포함하는 반응성 이온 빔 에칭 장치를 개시하고 있다.

KR

2014-0110607

A

종래기술1은, 오직 공정챔버와 이온소스 사이에 위치하는 그리드에서만 이온빔 입자의 에너지를 제어할 수 있고, 기판가공에 적정한 이온빔에너지를 확보하기 위해서는 그리드에 높은 전압을 인가하여야 하며, 이에 복수의 그리드 간에 아킹이 발생할 가능성이 높아 이온빔 추출효율이 감소할 수 있다는 제1문제점, 공정챔버 형상 등에 따라 이온빔의 전하밀도의 공간적(2차원) 산포를 제어하거나 보정할 수 있는 수단을 구비하고 있지 않아, 가공대상 기판의 표면상 위치에 따라 가공량에 있어 차이가 발생할 수 밖에 없어 가공품질이 저하된다는 제2문제점을 갖는다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 기판(1)의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부(10), 이온빔에 의해 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버(20), 이온생성부(10)와 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 이온생성부(10)로부터 이온을 공급받은 후, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부(30), 기판을 지지하고, 제1차이온빔제어부(30)와의 사이에 전기장을 형성하여 제1차이온빔제어부에 의해 상기 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔을 2차제어하는 기능을 하는 기판홀더(41)를 포함하여 이루어지는 기판홀더부(40)를 포함하여 이루어지고, 기판홀더(41) 상면은 소정의 패턴으로 구획되고, 전기장은, 기판홀더(41) 상면의 구획된 영역 각각에 대하여 그 세기가 각각 다르게 형성되어 기판에 도달하는 이온빔의 기판면 위치별 전하밀도의 편차를 감소시킬 수 있다.

또한, 기판홀더(41) 상면의 구획 패턴은, 제1차이온빔제어부에 의해 공정챔버 내부로 진입한 이온빔의 공정챔버 내부의 소정의 기준평면에서 측정된 전하밀도 분포에 대응하여 결정될 수 있다.

또한, 기판홀더(41) 상면의 구획된 영역 각각은, 소정의 기판홀더구획별제어전압이 인가되어 제1차이온빔제어부(30)와의 사이에 전기장을 형성하는 기능을 하고, 기판홀더(41)의 구획된 영역의 형상과 같은 형상을 갖는 금속전극(43a, 43b, 43c)을 포함하여 이루어지는 금속전극부를 구비할 수 있다.

또한, 금속전극(43a, 43b, 43c)은, 기판홀더(41)의 최외곽표면으로부터 소정의 깊이(금속전극설치깊이)에 매립설치되고, 상기 금속전극설치깊이는 상기 전기장의 요구되는 크기에 따라 결정될 수 있다.

본 발명의 에칭 가공된 표면을 구비하는 기판은, 전술한 이온빔가공장치를 이용하여 에칭 가공이 이루어질 수 있다.

임플란팅 가공된 표면을 구비하는 기판은, 전술한 이온빔가공장치를 이용하여 임플란팅 가공이 이루어질 수 있다.

본 발명은, 제1차이온빔제어부(30)에서 이온빔 입자의 속도, 에너지를 1차적으로 제어하고 다시 기판홀더부(40) 및 제1차이온빔제어부(30) 사이에 형성되는 전기장을 이용하여 이온빔 입자의 에너지를 2차적으로 제어할 수 있다. 이에 제1차이온빔제어부(30)로부터 생성된 1차적 이온빔의 상호작용(충돌 등) 등 현상을 사후적으로 보정(compensation)하여 제어할 수 있어 최종적인 이온빔에너지를 양호하게 확보할 수 있다는 제1효과를 갖는다.

또한, 공정챔버의 형상, 제1차이온빔제어부의 구성에 따라 불가피하게 발생하는 이온빔 전하밀도의 공간상(2차원) 산포를 균일화하기 위해 기판홀더(41) 상면의 국부위치별 전기장의 크기를 상이하게 유지할 수 있는 구성을 구비한다. 이에 기판표면의 위치별 가공량 편차를 최대한 감소시킬 수 있어 가공품질을 증대시킬 수 있는 제2효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 이온빔가공장치의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예로서, 기판홀더(41)가 소정의 논리적인 영역으로 구획되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예로서, 기판홀더(41)가 소정의 논리적인 영역으로 구획되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예로서, 기판홀더(41)의 상면에 구획영역별 금속전극(43a, 43b, 43c)이 설치된 것을 나타내는 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 일실시예로서, 기판홀더(41)의 상면에 구획영역별 금속전극(43a, 43b, 43c)이 설치되는 것을 나타내는 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 일실시예로서, 기판홀더(41)의 상면에 설치된 구획영역별 금속전극(43a, 43b, 43c)이 절연층(44)에 의해 절연되는 것을 나타내는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 일실시예로서, 기판홀더(41)의 상면에 설치된 구획영역별 금속전극(43a, 43b, 43c)이 서로 다른 깊이에 매립설치되는 것을 나타내는 단면도이다.

본 발명은 기판의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부(10), 이온빔에 의해 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버(20), 이온생성부(10)와 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 이온생성부(10)로부터 이온을 추출하며, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부(30), 기판을 지지하는 기판홀더(41)를 포함하고, 기판홀더구획별제어전압이 인가되는 기판홀더부(40)를 주요구성요소로 갖는다.

본 발명을 이온/이온빔의 관점에서 보면, 이온생성부(10)에서는 반응가스를 공급하고 고주파 전력을 가하여 플라즈마 상태의 이온을 생성하며, 이후, 이온생성부(10)와 공정챔버(20) 간의 배압차이에 의해 이온이 제1차이온빔제어부(30)측으로 이동하고, 제1차이온빔제어부(30)에서는 이온을 추출하고, 소정의 에너지를 가지도록 가속 또는 감속한다. 제1차이온빔제어부(30)로부터 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온은 소정의 방향성과 에너지를 지닌 것이므로 이온빔이라 칭할 수 있으며, 이러한 이온빔은 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더(41) 사이에 존재하는 전기장에 의해 가속 제어되어 기판 가공을 위한 소정의 에너지를 갖게 되는 상태에서 기판에 충돌하여 가공(임플란팅, 에칭 등)을 수행하게 된다.

이하, 각 구성요소별로 상술하기로 한다.

이온생성부(10)는, 기판의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 하며, 이를 위해 반응가스공급부(11) 및 플라즈마파워발생부(12)를 구비하여야 한다. 플라즈마파워발생부(12)로부터 발생한 고주파전력은 자기장을 발생시키고, 이러한 자기장의 시간적 변화에 의해 이온생성부(10)내에 전기장이 유도되며, 유도된 전기장에 의해 가속된 전자 등은 반응가스를 이온화시키고 플라즈마상태를 야기한다. 플라즈마파워발생부(12)가 고주파전력을 인가하는 방식으로는, 이온생성부(10)의 서로 절연된 두 부위에 각각 전극을 형성하는 방식(capacitive 방식)도 고려할 수 있으나, 도 1에 도시된 실시예에서는 고주파코일(13)에 고주파전력을 인가하는 방식(inductive 방식)이 적용되고 있는데, 후자는 전자에 비해 더 높은 플라즈마 이온 밀도를 생성할 수 있다는 장점이 있다.

공정챔버(20)는 이온빔에 의해 상기 기판의 가공이 이루어지는 공간을 포함하며, 이러한 공간은 기판 가공을 위한 이온빔이 타 분자와의 충돌 없이 진행할 수 있는 평균자유행로(mean free path)를 충분히 확보하기 위해 공정챔버(20)내의 타 분자밀도를 낮추도록 진공펌프(25)가 설치될 수 있다. 이렇게 되면, 전술한 이온생성부(10)와 공정챔버(20)간에는 압력차가 발생하며 일반적으로 2배이상 차이가 나는데, 이러한 압력차는 이온생성부(10)에서 발생한 플라즈마를 공정챔버(20)방향으로 이동시키는 원인으로 작용한다. 또한, 공정챔버(20)는 하부에 미반응 이온, 반응부산물 등을 배출하는 기능을 하는 배기부, 배출구(29)를 구비할 수 있다. 공정챔버(20)는 비도전 특성을 가져야 하므로, 석영 또는 파이렉스 등의 재질로 제조하여야 한다.

제1차이온빔제어부(30)는, 이온생성부(10)와 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 이온생성부(10)로부터 이온을 추출하고, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 수행한다. 다만, 후술하는 바와 같이 기판 가공에 적합한 최종적인 에너지를 확보하는 것은 공정챔버(20) 내부의 전기장에 의해 이루어지므로, 제1차이온빔제어부(30)에서 갖추게 되는 이온빔의 에너지는 이온생성부(10)로부터 추출된 이온이 평행화(colimated)하여 이온빔으로서 형성되는 과정에서 갖추게 된 에너지를 의미한다. 제1차이온빔제어부(30)는 그 일실시예로서 한 개 이상의 전극플레이트로 구성할 수 있으며, 도 1에 도시된 실시예에서는 1개의 전극플레이트로 구성된 제1차이온빔제어부(30)가 나타나 있으며, 이러한 구성을 통해 이온빔의 평행화(colimation) 특성 등을 조정할 수 있게 된다. 또한, 2개 이상의 전극플레이트를 구비하는 경우, 이러한 2개 이상의 전극플레이트에 별도의 전기장을 형성시켜 이온을 가속과 감속시킬 수 있다.(이를 1차제어라 할 수 있을 것이다). 이후 제1차이온빔제어부에 형성된 개구부를 통해 이온이 추출되고 이를 이온빔이라 칭할 수 있다. 제1차이온빔제어부에 전압을 가하기 위해 별도의 가압모듈-직류원 또는 교류원-을 구비할 수도 있다. 제1차이온빔제어부에 구비되는 개구부는, 이온생성부(10)로부터 이온을 추출하고, 추출된 이온을 전기장에 의해 가속 또는 감속하고, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 공정챔버(20) 내부로 인입시키기 위한 통로역할을 하며, 그 형상은 슬릿, 원형, 타원형 등을 적용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 개구부의 크기가 클수록 이온빔 플럭스 크기를 증대시킨다는 장점이 있으나, 너무 커지게 되면, 제1차이온빔제어부가 이온생성부(10)와 공정챔버(20)를 분리한다는 본질적인 기능을 수행하지 못하게 될 것임을 감안하여야 한다. 개구부의 개수 및 간격은 이온빔 플럭스 크기 뿐만 아니라 이온생성부(10)와 공정챔버(20) 사이의 압력차이에도 관계있음을 고려하여 결정하여야 하는데 이들 값이 작게 설정되면, 공정챔버(20)의 압력을 더 낮출 수 있고, 이는 이온중성화충돌 빈도를 낮추어 이온빔의 평균자유행로(mean free path)를 길게 함으로써, 더 많은 유효가공에너지를 갖는 이온빔이 기판에 도달할 수 있는 효과를 가져온다. 이온생성부(10)에 생성되는 플라즈마는 그 위치에 따라 이온 밀도가 상이한데, 이를 보정하여 전면적에 대하여 동일한 이온밀도를 확보하게 하기 위하여 개구부 크기를 제1차이온빔제어부의 위치에 따라 조정하는 것을 고려할 수 있다. 일반적으로 고주파코일(13)을 이용하여 생성하는 이온 플라즈마는 중심부의 전하밀도가 더 크다는 것을 감안할 때, 제1차이온빔제어부의 개구부의 실시예로서, 제1차이온빔제어부의 중앙부의 개구부의 크기를 작게하고, 주변으로 갈수록 개구부의 크기를 크게 하는 것을 고려할 수 있을 것이다.

기판홀더부(40)는 가공 대상인 기판을 지지하는 기판홀더(41)를 포함하여 이루어진다. 기판 홀더는 가공 대상인 기판을 고정하고 지지하는 제1기능, 기판홀더구획별제어전압이 인가되어 제1차이온빔제어부(30)에 의해 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔을 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속하여 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 제어하는 제2기능을 수행한다.

제1기능과 관련하여서, 기판홀더(41)는 전술한 제1차이온빔제어부(30)와 평행하도록 설치할 수도 있으나, 수평면에 대해 소정의 각도로 비스듬히 위치(틸팅)되게 하는 것을 고려할 수 있다. 이는 틸팅각도가 이온빔의 기판 표면으로의 입사각과 관련되고, 이러한 이온빔입사각은 가공도와 소정의 함수관계가 있기 때문이고, 또한, 틸팅각도를 두고 기판을 위치시켜야 기판에 트렌치(trench)형상 등 구조가공이 가능하기 때문이기도 하다. 또한, 기판홀더(41)를 소정의 속도로 회전하도록 기판홀더부(40)를 구성하는 것을 고려할 수 있는데, 이는 회전축을 대칭축으로 하여 대칭적으로 가공이 일어나게 하기 위함이다. 이러한 틸팅 및 회전을 위한 구현을 위해 별도의 구성은 공지된 기술을 채택하여 구현할 수 있다.

제2기능과 관련하여, 기판홀더(41) 상면은 소정의 패턴으로 구획되고, 기판홀더(41) 상면의 구획된 영역 각각에 대하여 형성되는 전기장은, 그 세기가 구획영역별로 각각 다르게 형성되어 가공 대상 기판에 도달하는 이온빔의 기판면 위치별 전하밀도의 편차를 감소시키는 기능을 수행할 수 있다. 더욱 상세하게는 기판홀더(41) 상면을 구획하는 패턴은, 전술한 기준평면(R)을 구획하는 패턴과 동일하며, 전자는 후자를 기판홀더(41) 상면의 평면에 대해 사영(射影, projection)시킨 것이기 때문이다.

이 때, 기판홀더(41) 상면을 구획하는 패턴은, 해당 이온빔가공장치별로 고유하게 결정된다. 이온생성부에서 생성되는 이온의 전하밀도의 공간적 분포-2차원 산포-는 1차적으로, 이온생성부의 형상(대칭성 등), 고주파코일의 설치 위치 등에 따라 달라진다. 이렇게 특정한 2차원 전하밀도 산포를 갖고 생성되는 이온들은, 제1차이온빔제어부에 의해 1차제어되면서 공정챔버 내부로 진입하며 소위 이온빔이 되는데, 이러한 이온빔 전하밀도의 공간적 분포-2차원 산포-는 제1차이온빔제어부에 형성되어 있는 개구부의 배치, 각 개구부의 크기 등의 변수에 의해 결정된다. 중요한 것은 이온빔 전하밀도의 2차원 산포이며, 기판면의 위치별로 이온빔 전하밀도가 균일하지 않다면, 기판은 국부적으로 가공도의 차이가 발생하여 가공품질이 저하될 것이다. 이러한 현상을 방지하기 위해, 이온빔가공장치별로 공정챔버내부의 소정의 위치에 이온빔 전하밀도 측정 기준평면(R)을 설정하고, 여기에서 이온빔의 전하밀도의 2차원 산포를 측정하여 이용한다는 것이다. 상기 기준평면의 위치는, 제1차이온빔제어부 및 기판홀더의 사이, 즉 공정챔버 내부의 임의의 위치에 설정되면 되지만, 실제 기판에 도달하는 이온빔의 전하밀도 산포를 반영하는 것이 바람직하다는 점에서, 기판홀더(41)의 근처에 설정하는 것이 좋다.

상기 이온빔 전하밀도 측정 기준평면에서의 이온빔의 전하밀도의 2차원 산포를 3차원 그래프로 나타내어 시각화해보고, 그 전체적인 형상, 대칭성 등을 파악한 후, 이렇게 파악된 정보를 바탕으로 기판홀더(41) 상면을 구획하는 패턴을 결정할 수 있다.

기준평면(R) 상의 각 지점별 이온빔 전하밀도값의 편차를 제거하거나 감소시키기 위한 이상적인 구성은, 기판홀더(41) 상면을 무수히 많은 영역으로 구획하고, 각 구획별로 상이한 크기를 갖는 전기장을 생성하여 이용하는 구성일 것이지만, 비용 또는 구성의 복잡성을 감소시키는 것도 필요하다는 점을 감안하여 구획의 총 개수를 결정하여야 한다.

도 2(a)에 도시된 일실시예에서는, 기판홀더(41) 상의 소정의 지점을 중심으로, 소정의 크기의 폭을 갖는 복수개의 동심의 스트립들로 기판홀더(41) 상면을 구획하는 패턴을 갖는데, 이는 기준평면(R)에서의 이온빔의 전하밀도가 소정의 중심점을 기준으로 하는 반지름의 함수(변수 하나의 함수)로 로 나타낼 수 있는 경우일 것이다. 일례로, 이온빔 전하밀도 측정 기준평면(R)에서의 이온빔의 전하밀도의 크기에 대해, 중심점으로부터 먼 위치에서의 값이 중심점으로부터 가까운 위치에서의 값보다 더 큰 경우, 기판홀더(41) 상면 상의 중심점으로부터 가까운 위치에서 생성하는 전기장의 크기를 중심점으로부터 먼 위치에서 생성되는 전기장의 크기보다 더 크게 되도록 구현한다. 물론 이온빔의 전하밀도의 크기는 중심점으로부터 먼 위치에서가 중심점으로부터 가까운 위치에서보다 더 클 수도 있고, 더 작을 수도 있으며, 또는 중간의 위치에서 최대값 또는 최소값을 가질 수도 있다. 이는 전술한 바와 같이 이온생성부 및 제1차이온빔제어부의 형상 및 구성에 따라 결정되는 것이다.

도 2(b) 에 도시된 일실시예에서는, 기판홀더(41) 상의 소정의 지점을 중심으로 하고, 소정의 크기의 중심각을 갖는 복수개의 부채꼴들로 기판홀더(41) 상면을 구획하는 패턴을 취하고 있으며, 이는 기준평면(R)에서의 이온빔의 전하밀도가 소정의 중심점을 기준으로, 방위(각도)의 함수(변수 한 개의 함수)로 나타낼 수 있는 경우일 것이다. 도 2(b)에 도시된 실시예에서4개의 구획 영역별로 측정되는 이온빔의 전하밀도의 크기는 이온빔가공장치별로 고유할 것이다.

도 3에 도시된 일실시예에서는, 기판홀더(41) 상의 소정의 지점을 중심으로 하고, 소정의 크기의 중심각을 갖는 복수개의 부채꼴들로 구획한 후, 다시 복수개의 부채꼴들 각각을 소정의 크기의 폭을 가지면서 분할형성되는 복수개의 스트립들로 추가 구획하는 패턴을 취하는데, 이는 이온빔의 기준평면(R)에서의 전하밀도가 소정의 중심점을 기준으로, 방위(각도) 및 반지름의 함수(변수 두 개의 함수)로 나타낼 수 있는 경우일 것이다. 도 3에 도시된 실시예에서12개의 구획 영역별로 측정되는 이온빔의 전하밀도의 크기는 이온빔가공장치별로 고유할 것이다.

전술한 바와 같이 기준평면(R)에서의 이온빔 전하밀도를 공간적으로 균일화하기 위해 기판홀더(41) 상면을 논리적으로 구획한 후, 각 구획된 영역은, 상기 기판홀더(41)의 구획된 영역의 형상과 같은 형상을 갖고, 소정의 기판홀더구획별제어전압이 인가되어 제1차이온빔제어부(30)와의 사이에 전기장을 형성하는 기능을 하는 금속전극(43a, 43b, 43c)을 포함하여 이루어지는 금속전극부를 구비하도록 한다.

도 4및 도 5에 따른 실시예에서는, 기판홀더(41) 상면은 3개의 동심의 스트립으로 구획되어 있으며, 각 구획된 영역에는 소정의 두께를 갖는 금속전극(43a, 43b, 43c)-총 3개-가 설치되어 있다. 또한, 구획된 영역 각각에 구비된 금속전극부는, 금속전극(43a, 43b, 43c) 및 금속전극(43a, 43b, 43c)에 기판홀더구획별제어전압을 인가하기 위해 공통의 직류전압원을 두고, 이에 직렬로 연결된 저항(가변저항)을 적용하여, 기판홀더구획별제어전압을 가변할 수 있는 구성을 적용하고 있으나, 이러한 구성에 한정할 것은 아니다. 도 5의 실시예에서는, 기판홀더(41) 상면 위에 노출된 금속전극(43a, 43b, 43c) 위에 가공대상인 기판이 마운팅되어 있으며, 금속전극(43a, 43b, 43c)에 전압이 인가되면, 이온빔의 2차제어를 위한 전기장은 금속전극(43a, 43b, 43c)과 접촉(contact)된 기판을 통과하여 형성된다.

기판홀더(41)는 금속전극(43a, 43b, 43c)을 내부에 포함하여 금속전극(43a, 43b, 43c)을 외부로부터 절연하는 기능을 구비하는 절연층(44)을 더 포함할 수 있다. 절연층(44)은 금속전극(43a, 43b, 43c)의 공기중 노출을 막아 금속전극(43a, 43b, 43c) 표면의 산화를 방지하는 기능을 수행한다. 절연층(44)은, 유전체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 세라믹(산화알루미늄(Al2O3) 등)를 적용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 도 6에 도시된 일실시예에서는, 기판홀더(41)의 상면 위에 설치된 금속전극(43a, 43b, 43c)들을 완전히 내포하는 절연층(44)이 도시되어 있는데, 금속전극(43a, 43b, 43c)에 전압이 인가되면, 이온빔의 2차제어를 위한 전기장은 절연층(44)의 분극현상에 의해 유도되어 형성된다. 다만, 금속제 기판을 가공하고자 하는 경우에는 금속전극(43a, 43b, 43c)과 금속제 기판간 접촉(contact)이 요구되므로, 이러한 절연층(44)을 구비하는 구성을 적용할 수 없음을 유의하여야 한다.

또한, 각 구획영역 별로 금속전극(43a, 43b, 43c)을 설치함에 있어, 각 금속전극(43a, 43b, 43c)은 기판홀더(41) 최외곽표면으로부터 소정의 깊이(금속전극설치깊이)에 매립설치되고, 금속전극설치깊이는 전기장의 요구되는 크기에 따라 결정되도록 할 수 있다. 금속전극설치깊이는, 절연층(44)을 구비하지 않아 금속전극(43a, 43b, 43c)을 노출시키는 구성에 있어서는 금속전극(43a, 43b, 43c) 표면으로부터 측정되고, 절연층(44)을 구비하는 구성에서는 절연층(44)의 외부표면으로부터 측정되어야 한다. 이러한 구성을 통해, 금속전극(43a, 43b, 43c)과 기판과의 거리를 이용하여, 발생되는 전기장의 크기를 더 세밀하게 조정할 수 있다.

다시 말하면, 이온빔의 전하밀도는 2차원 산포를 측정하여 사용하지만, 이에 대응하기 위한 금속전극(43a, 43b, 43c)의 구현에서는 금속전극(43a, 43b, 43c)의 2차원 형상뿐만 아니라, 금속전극설치깊이라는 제3의 차원의 설계파라미터를 두고 대응할 수 있다는 의미이다. 도 7에 따른 실시예에서는, 기판홀더(41) 상면은 3개의 동심의 스트립으로 구획되어 있으며, 각 구획된 영역에는 소정의 두께를 갖는 금속전극(43a, 43b, 43c)-총 3개-가 설치되어 있는데, 도 7(a)에서는, 기판홀더(41)에 구비되는 복수개의 금속전극(43a, 43b, 43c) 전체의 배열(arragement)의 형상은, 중앙부가 요부가 되는 소정의 곡률을 구비하고 있으며, 이러한 구성 하에서는, 기판의 중앙부에 형성되는 전기장의 세기가 기판의 가장자리에 형성되는 그것보다 더 작아지게 된다. 도 7(b)에서는 기판홀더(41)에 구비되는 복수개의 금속전극(43a, 43b, 43c) 전체의 배열(arrangement)의 형상이 중앙부가 돌부가 되는 소정의 곡률을 구비하고 있다.

기판홀더구획별제어전압은, 제1차이온빔제어부와 기판홀더(41)의 사이에 형성되는 전기장이 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔을 기판홀더(41) 방향으로 가속시킬 수 있도록 결정된다. 기판홀더구획별제어전압의 크기는, 제1차이온빔제어부(30)로부터 생성되어 공정챔버(20)로 인입되는 순간의 이온빔의 에너지와 기판 가공에 필요한 적정 에너지를 모두 고려하여, 그 값들의 차이를 기판홀더(41) 및 제1차이온빔제어부(30)간에 형성되는 전기장이 제공할 수 있도록 결정되어야 한다.

기판홀더구획별제어전압의 파형으로서 상수값을 갖는 단순 직류파형을 선택할 수 있고, 구형파(square wave) 파형을 갖는 직류전압으로서 인가하는 것도 가능하다. 구형파는 방형파라고도 하는 사각형의 파형-최대값부분 및 최소값부분은 각각 일정한(constant) 크기를 가짐- 이며, 파형의 최대값 부분과 최소값부분이 소정의 시간적 비율로서 반복되는 것이다. 다만, 구형파 파형의 최소값부분은, 공정챔버(20)에서 생성되는 전기장의 방향이 제1차이온빔제어부(30)에서 기판홀더(41) 방향으로 설정되어야 함을 감안하여, 결정되어야 한다.

가공 대상 기판은 금속판일 수도 있지만, 최외각 상단에 산화막층 등 유전층(dielectric layer)이 형성되는 실시예도 고려할 수 있는데, 이러한 경우, 이온빔이 기판 위에 형성되어 있는 상기 유전층을 충격하여 가공-에칭, 이온플레이팅 등-이 일어나면서 이온빔입자가 상기 유전층에 포집되는 현상이 발생할 수 있고, 이러한 현상이 장시간 지속되는 경우, 계속하여 이온빔입자가 축적되어 기판 전하량(양의 전하량)의 크기가 점점 증가하게 된다. 그 결과, 축적된 전하는 새로운 이온빔입자가 기판 표면으로 접근하였을 때, 반발력(쿨롱힘)으로 작용하게 되고, 이는 이온빔입자의 운동에너지(가공을 위한 적정 에너지)를 감소시켜 가공도를 저하시키거나, 추가적으로 해당 이온빔입자를 기판의 유전층에 포집되게 한다. 이러한 부작용을 방지하기 위해, 구형파로서의 기판홀더구획별제어전압을 인가함에 있어, 그 최대전압값은 양이고, 최소전압값은 음으로 설정할 수 있다. 이러한 구성에서는 양의 최대전압이 인가되는 구간에서는 포집된 이온빔입자를 박리하는 과정이 진행되고, 음의 최소전압이 인가되는 구간에서는 에칭 등의 가공이 진행될 것이다. 양의 최대전압값의 크기는 지나치게 크게 할 필요는 없고, 유전층에 포집된 이온빔입자를 유전층으로부터 배출하거나, 새로운 이온빔입자가 유전층에 포집되는 것을 방지할 정도면 충분함을 감안하여 그 크기를 결정한다. 이 때, 이러한 구형파로서의 기판홀더구획별제어전압 파형에 있어, 양인 최대전압구간의 전체 주기에 대한 비율(duty rate)을 고려할 수 있는데, 음인 최소전압구간에서 가공이 이루어짐을 감안할 때, 가공시간을 최대로 확보하기 위해서라면 그 값을 50% 이하로 할 수 있지만, 유전층에 포집된 이온빔입자를 유전층으로부터 배출하는 것이 더 중요한 경우에는 그 값을 50% 이상으로 할 수 있을 것이다.

이하, 본 발명의 이온빔가공장치를 이용하는 이온빔가공방법의 일실시예에 대해 설명하기로 한다.

첫째, 기판홀더(41)에 가공대상 기판을 설치 및 고정한다. 이 때, 기판가공을 위해 틸팅이 필요한 경우, 기판홀더부(40)를 조정하여 틸팅을 위한 세팅과정을 수행한다. 둘째, 공정챔버(20)의 내부압력을 감소시킨다. 이는 공정챔버(20)에 구비되는 진공펌프(25) 등을 이용하여 수행할 수 있다. 셋째, 제1차이온빔제어부(30)에 소정의 전압을 인가하고, 기판홀더(41)의 금속전극(43a, 43b, 43c)에는 사전 설정된 기판홀더구획별제어전압을 인가한다. 넷째, 이온생성부(10)에 이온빔의 재료가 되는 반응가스를 주입한다. 이는 반응가스공급부(11)를 이용하여 수행할 수 있다. 다만, 네번째 단계는 세번째 단계 이전에 수행할 수도 있음을 감안한다. 다섯째, 이온생성부(10)에 이온플라즈마 발생을 위한 고주파전력을 인가한다. 이는 플라즈마파워발생부(12)를 통해 수행할 수 있다. 여섯째, 전단계에서 생성된 이온이 제1차이온빔제어부(30)를 통과하여 소정의 에너지를 갖는 이온빔이 되고, 일곱째, 전단계의 이온빔이 제1차이온빔제어부(30)와 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어된다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

1 : 가공 대상 기판
10 : 이온생성부
11 : 반응가스공급부
12 : 플라즈마파워발생부
13 : 고주파코일
20 : 공정챔버
25 : 진공펌프
29 : 배출구
R : 이온빔 전하밀도 측정 기준평면
30 : 제1차이온빔제어부

40 : 기판홀더부
41 : 기판홀더
42 : 기판홀더 구획 영역
금속전극부
43a, 43b, 43c : 금속전극
R1, R2, R3 : 가변저항부
V : 전력소스
44 : 절연층

Claims

기판(1)의 가공을 위한 이온을 생성하는 기능을 구비하는 이온생성부(10);
이온빔에 의해 상기 기판의 가공이 이루어지는 공정챔버(20);
상기 이온생성부(10)와 상기 공정챔버(20)의 사이에 위치하고, 상기 이온생성부(10)로부터 이온을 공급받은 후, 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하는 기능을 구비하는 제1차이온빔제어부(30);
상기 기판을 지지하고, 상기 제1차이온빔제어부(30)와의 사이에 전기장을 형성하여상기 제1차이온빔제어부에 의해 상기 공정챔버(20) 내부로 진입한 이온빔을 2차제어하는 기능을 하는 기판홀더(41)를 포함하여 이루어지는 기판홀더부(40);
를 포함하여 이루어지고,
상기 기판홀더(41) 상면은 소정의 패턴으로 구획되고,
상기 전기장은, 상기 기판홀더(41) 상면의 구획된 영역(42) 각각에 대하여 그 세기가 각각 다르게 형성되어 상기 기판에 도달하는 이온빔의 상기 기판의 상면위치별 전하밀도의 편차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 기판홀더(41) 상면의 구획 패턴은, 상기 제1차이온빔제어부에 의해 상기 공정챔버 내부로 진입한 이온빔의 상기 공정챔버 내부의 소정의 기준평면에서 측정된 전하밀도 분포에 대응하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 2에 있어서,
상기 기판홀더(41) 상면의 구획 패턴은, 상기 기판홀더(41) 상의 소정의 지점을 중심으로, 소정의 크기의 폭을 갖는 복수개의 동심의(cocentric) 스트립들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 2에 있어서,
상기 기판홀더(41) 상면의 구획 패턴은, 상기 기판홀더(41) 상의 소정의 지점을 중심으로 하고, 소정의 크기의 중심각을 갖는 복수개의 부채꼴들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 4에 있어서,
상기 기판홀더(41) 상면의 구획 패턴은, 상기 복수개의 부채꼴 각각은 소정의 크기의 폭을 가지는 복수개의 스트립들로 분할되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 1에 있어서,
상기 기판홀더(41) 상면의 구획된 영역 각각은, 상기 기판홀더(41)의 구획된 영역(42)의 형상과 같은 형상을 갖는 금속전극(43a, 43b, 43c)을 포함하여 이루어지고, 소정의 기판홀더구획별제어전압이 인가되어 상기 제1차이온빔제어부(30)와의 사이에 전기장을 형성하는 기능을 하는 금속전극부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 6에 있어서,
상기 기판홀더(41)는 상기 금속전극(43a, 43b, 43c)을 내부에 포함하여 상기 금속전극(43a, 43b, 43c)을 외부로부터 절연하는 기능을 구비하는 절연층(44)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 7에 있어서,
상기 절연층(44)은 세라믹으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 6 내지 청구항 8 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서,
상기 금속전극(43a, 43b, 43c)은, 상기 기판홀더(41)의 최외곽표면으로부터 소정의 깊이(금속전극설치깊이)에 매립설치되고, 상기 금속전극설치깊이는 상기 전기장의 요구되는 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치.
청구항 6에 있어서,
상기 기판홀더구획별제어전압은, 구형파(square wave) 파형을 갖는 직류전압으로서 인가되는 것을 특징으로 하는 이온빔에너지의 다단제어가 가능한 이온빔가공장치.
청구항 1내지 청구항 8 중 선택되는 어느 한 항의 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법에 있어서,
(i) 상기 기판홀더(41)에 가공대상 기판을 고정하는 단계(s10);
(ii) 상기 공정챔버(20)의 내부압력을 강하시키는 단계(s20);
(iii) 상기 기판홀더(41)의 구획된 영역 각각에 상기 기판홀더구획별제어전압을 인가하는 단계(s30);
(iv) 상기 이온생성부(10)에 반응가스를 주입하는 단계(s40);
(v) 상기 이온생성부(10)에 플라즈마 발생을 위한 고주파전력을 인가하는 단계(s50);
(vi) 상기 (v)단계에서 생성된 이온이 상기 제1차이온빔제어부(30)를 통과하여 소정의 에너지를 갖는 이온빔이 되는 단계(s60);
(vii) 상기 (vi)단계의 이온빔이 상기 제1차이온빔제어부(30)와 상기 기판홀더부(40)의 사이에 형성된 전기장에 의해 가속되어 상기 기판 가공에 적합한 소정의 에너지를 갖도록 2차제어되는 단계(s70);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법.
청구항 11에 있어서,
상기 (iii) 단계는, 상기 (iv)단계 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 이온빔가공장치를 이용한 기판가공방법.
에칭 가공된 표면을 구비하는 기판에 있어서,
상기 에칭 가공은, 청구항 1 내지 청구항 8 중 선택되는 어느 하나의 항의 이온빔가공장치를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에칭가공된 표면을 갖는 기판.
임플란팅 가공된 표면을 구비하는 기판에 있어서,
상기 임플란팅 가공은, 청구항 1 내지 청구항 8 중 선택되는 어느 하나의 항의 이온빔가공장치를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임플란팅 가공된 표면을 갖는 기판.