KR20230010582A - 수소 공급 장치 및 이를 구비한 이온 빔 조사 장치 - Google Patents

수소 공급 장치 및 이를 구비한 이온 빔 조사 장치 Download PDF

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KR20230010582A
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웨이지앙 쟈오
수구루 이토이
유타 이와나미
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닛신 이온기기 가부시기가이샤
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Abstract

(과제) 간소한 구성으로 안정된 수소 공급이 실현 가능한 수소 공급 장치를 제공한다.
(해결 수단) 고전위에 배치되는 수소 공급 장치(H)에 있어서, 내부에 수소 흡장 합금을 가지는 보틀(7)을 구비하고 있다.

Description

수소 공급 장치 및 이를 구비한 이온 빔 조사 장치{HYDROGEN SUPPLY APPARATUS, AND ION BEAM IRRADIATING APPARATUS COMPRISING THE SAME}
수소 가스를 공급하는 장치와 해당 장치가 탑재된 이온 빔 조사 장치에 관한 것이다.
BF3나 PF3와 같은 할로겐 성분을 함유한 도펀트 가스를 이온 주입 장치에서 사용할 경우, 도펀트 가스가 도입되는 이온원의 구성 부품과 할로겐 성분이 반응하여, 할로겐 화합물이 생성된다.
이 할로겐 화합물은, 온도가 비교적 저온의 장소에 퇴적되어, 부재의 절연화나 방전 등의 결함을 일으킨다.
상술한 결함에 대한 대응으로 도펀트 가스와 함께 수소 가스를 이온원에 도입하는 것이 행해지고 있다. 이렇게 함으로써, 도펀트 가스가 플라즈마화됐을 때 생기는 할로겐 성분의 이온과 이온원에 도입된 수소 가스가 결합되어, 기체로서 장치 외부에 배출된다. 이것에 의해, 결함의 원인인 할로겐 화합물의 퇴적이 저감된다.
수소 가스의 공급 방법에 대해서는, 다양한 구성이 채용되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 가스 박스에 배치된 수소 발생 장치로부터 이온원에 수소 가스의 공급이 행해지고 있다.
특허문헌 1: 일본 특표 2021-511623호
수소 발생 장치는, 물의 전기 분해에 의해 수소를 발생하는 장치이기 때문에, 장치 구성이 복잡하고, 비교적 대형 장치가 된다.
또한, 가스 박스가 배치되는 장소는 고전압(수백 KV)이 인가되는 장소로서, 이 장소에 전기적으로 수소를 발생시키는 장치를 배치하면, 누전이나 누수로 인한 대형 사고의 위험성이 있다.
또한, 수소 발생 장치는, 수소 발생 시에, 미량이지만 수소 이외의 성분(예를 들어 대기 중의 성분이나 수분)이 발생한다.
따라서, 본 발명에서는, 간소한 구성으로 안정된 수소 공급이 실현 가능한 수소 공급 장치와 해당 장치를 구비한 이온 빔 조사 장치를 제공하는 것을 초기의 과제로 한다.
수소 공급 장치는,
고전위에 배치되는 수소 공급 장치에 있어서,
내부에 수소 흡장 합금을 가지는 보틀을 구비하고 있다.
보틀의 개폐에 의해 수소 공급이 가능해지므로, 장치 구성이 단순해진다.
또한, 수소 발생 장치와 같이 수소 발생에 전기나 물이 필요하지 않기 때문에, 고전위의 장소에 배치해도 누전이나 누수로 인한 사고 위험이 없다. 또한, 수소 흡장 합금이라면, 순도가 높은 수소 가스를 계속해서 공급할 수 있다. 이에 의해, 간소한 구성으로 안정된 수소 공급을 실현할 수 있다.
수소 공급을 보다 안정적으로 실시하기 위해서는,
상기 보틀의 온도 상승을 방지하는 온도 상승 방지 부재를 더 구비하는 것이 바람직하다.
수소 흡장 합금을 이용한 수소 공급량은 온도 의존성이 있기 때문에, 보틀의 온도 상승을 방지하는 온도 상승 방지 부재를 구비하고 있으면, 안정된 수소 공급을 실시하는 것이 가능하다.
상기 온도 상승 방지 부재는 상기 보틀에 냉기를 공급하는 것이 바람직하다.
보틀에 냉기를 공급하는 공랭식 부재라면, 보틀 주위의 구성을 간소하게 할 수 있다.
보틀의 온도 상승을 보다 효과적으로 방지하기 위해서는,
상기 보틀의 주위에 단열 부재가 배치되는 것이 바람직하다.
보틀로부터의 수소 공급량을 보다 정확하게 제어하기 위해서는,
상기 보틀로부터 공급되는 수소 가스의 압력이나 상기 보틀의 온도에 따라, 상기 온도 상승 방지 부재로 상기 보틀의 온도를 제어하는 것이 바람직하다.
이온 빔 조사 장치의 구성은,
상술한 수소 공급 장치와,
상기 수소 공급 장치로부터 수소 가스가 공급되는 이온원을 가지고 있는 것이 바람직하다.
보틀의 개폐에 의해 수소 공급이 가능해지므로, 장치 구성이 단순해진다.
또한, 수소 발생 장치와 같이 수소의 발생에 전기나 물이 필요하지 않기 때문에, 고전위의 장소에 배치해도 누전이나 누수로 인한 사고 위험이 없다. 또한, 수소 흡장 합금이라면, 순도가 높은 수소 가스를 계속해서 공급할 수 있다. 이에 의해, 간소한 구성으로 안정된 수소 공급을 실현할 수 있다.
도 1은, 이온 주입 장치의 구성예를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 2는, 고전위부의 요부를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 3은, 공급되는 수소 가스의 압력과 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 도 2에서 다른 수소 공급 장치를 이용한 모식적 평면도이다.
도 5는, 도 4의 수소 공급 장치의 변형예에 대한 설명도이다.
도 6은, 도 2에서 또 다른 수소 공급 장치를 이용한 모식적 평면도이다.
도 1은, 이온 주입 장치(IM)의 구성예를 나타내는 모식적 평면도이다. 이온 주입 장치(IM)는, 크게 이온원부, 빔 라인부, 엔드 스테이션부의 3개의 부위로 나누어져 있다.
이온원부는 이온 빔(IB)을 생성하는 부위로, 내부에 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성 용기(11)와 플라즈마 생성 용기(11)로부터 이온 빔(IB)의 인출을 행하는 인출 전극(12)을 포함한 이온원(1)을 구비하고 있다. 플라즈마 생성 용기(11)에는, 플라즈마의 근원이 되는 가스를 공급하기 위한 1개 또는 복수의 보틀이 연결되어 있다. 도 1의 구성예에서는, 제1 보틀(7)과 제2 보틀(8)의 2개의 보틀이 플라즈마 생성 용기(11)에 접속되어 있다.
제1 보틀(7)은 수소 가스를 플라즈마 생성 용기(11)에 공급하기 위한 것으로, 내부에 수소 흡장 합금(마그네슘, 티타늄, 바나듐, 란탄 등의 수소를 흡장, 방출할 수 있는 합금)을 갖고 있다. 이 제1 보틀(7)이, 후술하는 본 발명의 수소 공급 장치(H)를 구성하고 있다.
제2 보틀(8)은, 예를 들어, 웨이퍼에 주입할 이온종을 포함한 도펀트 가스나 플라즈마 생성 용기(11) 내에 설치된 스퍼터 타깃으로부터의 이온 생성에 사용되는 가스(BF3나 PF3 등의 가스)를, 플라즈마 생성 용기(11)에 공급하는 보틀이다.
상술한 이온원부는, 후술하는 빔 라인부나 엔드 스테이션부에 비해, 수백 KV 전위가 높은 고전위부(HV)에 배치되어 있다. 본 예에서는, 이온원부는 고전위부(HV)와 동등하다고 생각해도 좋다.
이온원(1)으로부터 인출된 이온 빔(IB)은, 빔 라인부에 수송된다. 여기에서는, 분석 전자석(2)과 분석 슬릿(3)을 통해 웨이퍼에 주입되는 이온의 선별을 행해지고 있다. 빔 라인부를 통과한 이온 빔(IB)은 엔드 스테이션부에 수송된다.
엔드 스테이션부에서는, 처리실(4) 내의 웨이퍼(5)에 대해 이온 주입 처리가 실시된다. 처리실(4)에는 홀더(6)에 유지된 웨이퍼(5)(예를 들면, 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼)가 도시되지 않은 구동 기구에 의해 도면의 화살표 방향으로, 처리실(4)에 도입된 이온 빔(IB)을 가로지르도록 하여, 1 또는 복수 회 왕복 반송되고 있다. 이 웨이퍼(5)의 왕복 반송에 의해, 웨이퍼 전면에 이온 빔(IB)이 조사되어, 이온 빔(IB)에 의한 웨이퍼(5)로의 이온 주입 처리가 실현된다.
또한, 도 1에 있어서, 이온원(1)으로부터 인출된 이온 빔(IB)의 지면 안쪽 앞쪽 방향의 치수는, 같은 방향의 웨이퍼(5)의 치수보다 큰 것으로 한다.
도 2는, 고전위부(HV)의 요부 확대도이다. 이 도면을 기초하여, 고전위부(HV)의 구성에 대해 설명한다.
케이스(24)에는, 수백 KV의 높은 전압이 인가되어 있고, 장치 외벽을 이루는 케이스(26)로부터 절연 애자(21)로 지지되고 있다.
가스 박스(G)와 이온원(1)은, 케이스(24) 안에 배치되며, 절연 애자(21)로 개별적으로 지지되고 있다. 가스 박스(G)(제1 보틀(7))와 이온원(1)은 도전성 배관으로 접속되어 있고, 각부의 전위는 케이스(24)의 전위와 수십 KV 상이하다.
이온원(1)으로부터 인출된 이온 빔(도시하지 않음)은, 엔드 스테이션부까지 계속되는 진공 용기(25)를 통해 수송된다.
가스 박스(G)는, 그 내부에 제1 보틀(7)이나 도시하지 않은 제2 보틀(8)을 가지고 있다. 가스 박스(G)에는, 예를 들어, 공장 내의 배기 덕트(D)가 장착되어 있어, 가스 박스(G) 내에서 가스 누출이 발생할 경우, 해당 배기 덕트(D)를 통하여 장치 외부로 가스의 배출이 이루어진다.
제1 보틀(7)은 수소 흡장 합금을 가지고 있다. 제1 보틀(7)의 밸브(도시하지 않음)를 개방함으로써 도전성의 배관(23)을 통해 플라즈마 생성 용기(11)로의 수소 공급이 행해진다. 도 2의 구성예에서는, 내부에 수소 흡장 합금을 가진 제1 보틀(7)이 수소 공급 장치(H)에 상당한다.
보틀의 개폐에 의해 수소 공급이 가능해지므로, 장치 구성이 단순해진다. 또한, 수소 흡장 합금을 이용한 수소 공급에서는, 종래의 수소 발생 장치와 같이 수소의 발생에 전기나 물이 필요하지 않기 때문에, 고전위의 장소에 배치해도 누전이나 누수에 의한 사고 위험이 없다.
또한, 물의 전기 분해를 이용한 수소 발생 장치라면, 수소 공급 시에 미량의 대기 성분이나 수분이 발생한다. 수소 흡장 합금을 이용한 수소 공급 장치에서는, 흡장 시에 수소 이외의 가스를 흡입했을 경우, 보틀의 개봉 후에 수소 이외의 성분이 방출되는데, 해당 가스가 방출된 후에 계속해서 수소 가스가 방출된다. 즉, 희망하지 않는 가스와 수소 가스를 분리한 상태로 공급할 수 있기 때문에, 순도가 높은 수소 가스를 계속해서 공급하는 것이 가능해 진다.
결과적으로, 간소한 구성으로 안정된 수소 공급을 실현할 수 있다.
이온원(1)의 운전에 따라, 이온원(1)의 온도는 상승한다. 이온원(1)의 온도 상승에 따라, 그 주위에 배치되는 가스 박스(G)의 온도도 상승한다. 수소 흡장 합금으로부터 방출되는 수소 가스의 압력은, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 온도 의존성을 가지고 있다. 도면 중, 파선은 0℃, 일점 쇄선은 20℃, 이점 쇄선은 50℃의 온도에 대응하고 있다. 도면과 같이, 온도가 크게 다르면 수소 흡장 합금으로부터 방출되는 수소 가스의 압력도 크게 변동한다.
플라즈마 생성 용기(11)로의 수소 공급량을 안정시키기 위해서는, 상술한 온도 상승에 따른 압력 변동을 억제하는 것이 바람직하다.
또한, 수소 가스의 공급 압력이 높으면, 장치의 도착지에 따라서는 법규제의 대상이 되므로, 규제 범위 내의 소정 압력을 유지하도록 온도 상승을 억제하는 것이 요구되는 경우도 있다.
그래서, 상술한 온도 상승이나 압력 상승을 억제하기 위해, 도 4에 기재된 구성을 이용하는 것을 고려할 수 있다. 도 4는, 도 2의 구성에 비해, 수소 공급 장치(H)가 온도 상승 방지 부재(22)를 갖추고 있는 점이 다르다.
구체예로서, 도 4의 구성예에서는, 에어 제트 쿨러를 온도 상승 방지 부재(22)로서 이용하고 있다. 에어 제트 쿨러는, 내부에 압축 공기를 보내는 것으로 일단으로부터 온풍을 방출하고, 타단으로부터 냉풍을 방출하는 통형의 부재로서 알려져 있다. 동력에 전기가 필요 없고 수냉과 같이 물을 이용하지 않기 때문에, 고전위부(HV)에서의 누전이나 누수에 의한 사고의 리스크가 없다는 점에서 우수하다.
에어 제트 쿨러를 온도 상승 방지 부재(22)로서 이용하여, 제1 보틀(7)을 냉각시킴으로써, 제1 보틀(7)의 온도 상승을 억제하고, 수소 가스 공급량을 안정시킬 수 있다.
또한, 여기서 기재한 온도 상승 방지 부재(22)란, 외부의 열원에 의한 제1 보틀(7)의 온도 상승을 방지하는 부재이다. 또한, 에어 제트 쿨러로의 압축 공기의 공급은, 배기 덕트(D)내에 수지제 튜브를 설치하고, 이 튜브를 통해 실시하도록 해도 좋다.
도 5는, 도 4의 수소 공급 장치(H)에 관한 변형예를 들고 있다. 도 4에서 설명한 에어 제트 쿨러로 제1 보틀(7)을 냉각하는 구성과 더하여, 또는 그 대신에 도 5에 나타내는 구성을 채용해도 된다.
도 5(A)에는, 단열 부재(31)를 제1 보틀(7)의 주위에 설치하고 있다. 이와 같은 단열 부재(31)가 있으면, 이온원(1) 측으로부터 제1 보틀(7)로의 열 전달을 방지할 수 있다.
다만, 단열 부재(31)로 제1 보틀(7)의 주위를 완전히 막는 것이 어려운 경우나 후술하는 제1 보틀(7)의 온도 제어를 행한다면, 에어 제트 쿨러와 단열 부재(31)를 병용해도 좋다. 이 경우 단열 부재(31)는, 에어 제트 쿨러로 냉각된 제1 보틀(7)의 온도를 저온으로 유지하는 역할을 하고 있다.
예를 들어, 도 5(B)에 도시한 바와 같이, 단열 부재(31)로 제1 보틀(7)의 주위를 덮어두고, 단열 부재(31)로 덮여 있지 않은 제1 보틀(7)의 상방으로부터 온도 상승 방지 부재(22)(에어 제트 쿨러)로 냉기를 공급해도 좋다. 한편, 단열 부재(31)의 일부에 구멍을 뚫어놓고, 이 구멍으로부터 온도 상승 방지 부재(22)(에어 제트 쿨러)로 냉기를 공급해도 좋다.
도 5(C)에서는, 수냉 재킷(32)을 제1 보틀(7)의 주위에 설치하고 있다. 또한, 도 5(D)에서는, 제1 보틀(7)을 간접적으로 냉각하기 위해, 제1 보틀(7)로부터 수소 가스를 공급하기 위한 배관(23)에 냉매가 흐르고 있는 튜브(34)를 감아 두고 있다.
도 5(C)나 도 5(D)와 같이, 제1 보틀(7)의 승온을 직접적 또는 간접적으로 냉각해도 좋다.
도 4, 도 5에서 기재한 온도 상승 방지 부재(22)에 의한 제1 보틀(7)을 냉각하는 구성에서는, 제1 보틀(7)을 과도하게 냉각해 버릴 우려가 있다. 이러한 우려 때문에, 도 6에 나타내는 구성을 채용해도 좋다.
도 6에서는, 온도 상승 방지 부재(22)의 출력을 제어하고 있다. 구체적으로는, 제1 보틀(7)로부터 배관(23)에 공급되는 수소 가스의 압력을 압력계(P)로 측정하고, 측정 결과에 기초하여 제어 장치(C)로 온도 상승 방지 부재(22)의 출력을 제어하고 있다. 이러한 피드백 제어를 실시함으로써, 보틀의 과냉각을 막고, 수소 공급량을 보다 정확하게 제어할 수 있게 된다.
도 3에 기재한 바와 같이, 수소 흡장 합금을 이용한 수소 공급 장치(H)의 경우, 공급되는 수소 가스의 압력(유량)은, 수소 흡장 합금을 구비한 보틀의 온도에 따라 변동한다. 도 6에서는 배관(23)을 통과하는 수소 가스의 압력을 측정하고 있었지만, 수소 흡장 합금을 구비한 보틀의 온도를 측정하여, 이것이 소정 온도가 되도록 온도 상승 방지 부재(22)의 출력을 제어해도 좋다.
또한, 온도 상승 방지 부재(22)의 출력 제어는, 출력을 연속적으로 변경하는 제어라도 좋으나, 출력의 개폐을 적절히 전환하는 제어라도 좋다.
도 1에서는, 이온 주입 장치(IM)의 고전위부(HV)에 본 발명의 수소 공급 장치(H)가 탑재되는 예에 대해 기재했지만, 이온 주입 장치(IM) 이외의 다른 장치에, 본 발명의 수소 공급 장치(H)를 탑재해도 좋다. 예를 들어, 이온 빔을 사용해서 웨이퍼를 처리하는 장치로서, 본 발명의 수소 공급 장치(H)로부터 수소 가스가 공급되는 이온원을 구비하고 있는 장치이면 좋다. 이온 주입 장치를 포함해, 상술한 이온 빔에 의해 웨이퍼를 처리하는 장치를 이온 빔 조사 장치라고 부른다.
이온 빔 조사 장치에서, 빔 라인부의 구성은 웨이퍼의 처리 내용에 따라 적절히 변경되어도 좋고, 빔 라인부 자체를 가지고 있지 않은 구성이라도 좋다.
특허문헌 1과 마찬가지로, 할로겐 함유의 도펀트 가스의 혼합 가스로서 본 발명의 수소 공급 장치(H)로부터 공급되는 수소 가스를 이용해도 좋지만, 수소 가스의 용도는 이러한 혼합 가스에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 본 발명의 수소 공급 장치(H)로부터 공급되는 수소 가스로부터 수소이온을 생성하여, 수소 이온 빔으로서 인출하는 경우에는, 다른 가스가 불필요해진다.
그 이외에, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
1 이온원
7 제1 보틀
8 제2 보틀
22 온도 상승 방지 부재
31 단열 부재
H 수소 공급 장치
HV 고전위부
IM 이온 주입 장치

Claims (7)

  1. 고전위에 배치되는 수소 공급 장치에 있어서,
    내부에 수소 흡장 합금을 가진 보틀을 구비한, 수소 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보틀의 온도 상승을 방지하는 온도 상승 방지 부재를 더 구비한, 수소 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도 상승 방지 부재는 상기 보틀에 냉기를 공급하는 수소 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보틀의 주위에 단열 부재가 배치되어 있는 수소 공급 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 보틀로부터 공급되는 수소 가스의 압력이나 상기 보틀의 온도에 따라, 상기 온도 상승 방지 부재로 상기 보틀의 온도를 제어하는 제어 장치를 구비한 수소 공급 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 보틀로부터 공급되는 수소 가스의 압력이나 상기 보틀의 온도에 따라, 상기 온도 상승 방지 부재로 상기 보틀의 온도를 제어하는 제어 장치를 구비한 수소 공급 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 수소 공급 장치와,
    상기 수소 공급 장치로부터 수소 가스가 공급되는 이온원을 가지고 있는, 이온 빔 조사 장치.
KR1020220081006A 2021-07-12 2022-07-01 수소 공급 장치 및 이를 구비한 이온 빔 조사 장치 KR20230010582A (ko)

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