KR101582631B1 - 이온주입기용 전자방출 캐소드 및 이온발생장치 - Google Patents

이온주입기용 전자방출 캐소드 및 이온발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온주입기용 전자방출 캐소드 및 이를 포함하는 이온발생장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 반도체 소자의 제조에 이용되는 이온주입용 이온발생장치의 아크챔버를 구성하는 리펠러, 캐소드, 챔버 웰, 또는 슬릿 부재 등의 부품에 열변형 안정화 용도, 마모 보호 용도 혹은 증착물 박리 저항 용도로 세미카바이드층 포함 코팅구조를 제공함으로써 이온발생위치가 틀어지거나 장비의 틀어짐 없이 정밀한 이온주입공정을 가능케 하고, 아크챔버 내부로 전자를 균일하게 반사시킬 수 있으므로 플라즈마의 균일도를 증가시켜 이온소스기체의 분해 효율을 향상시킬 뿐 아니라 기존 부품 대비 수명을 현저하게 개선시킨 이온주입기용 부품 및 이를 포함하는 이온발생장치를 제공할 수 있다.

Description

이온주입기용 전자방출 캐소드 및 이온발생장치 {Cathode for ion implanter and ion generation device}
본 발명은 이온주입기용 전자방출 캐소드 및 이를 포함하는 이온발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 소자의 제조에 이용되는 이온주입용 이온발생장치의 아크챔버를 구성하는 리펠러, 캐소드, 챔버 웰, 또는 슬릿 부재 등의 부품에 열변형 안정화 용도, 마모 보호 용도 혹은 증착물 박리 저항 용도로 세미카바이드층 포함 코팅구조를 제공함으로써 이온발생위치가 틀어지거나 장비의 틀어짐 없이 정밀한 이온주입공정을 가능케 하고, 아크챔버 내부로 전자를 균일하게 반사시킬 수 있으므로 플라즈마의 균일도를 증가시켜 이온소스기체의 분해 효율을 향상시킬 뿐 아니라 기존 부품 대비 수명을 현저하게 개선가능한 이온주입기용 부품 및 이를 포함하는 이온발생장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조공정은 크게 증착공정, 이온주입공정으로 이루어진다. 증착공정은 반도체 소자의 전도막 또는 절연막을 형성하는 공정으로서 스퍼터링, 화학증기증착 공정 등이 이용되고, 포토공정은 식각공정의 전단계로서 소정의 패턴을 가지는 광 마스크로 감광성 수지를 패터팅하는 공정이며, 식각공정은 상기 감광성 수지 패턴을 이용하여 하부의 전도막 또는 절연막을 패터닝하는 공정이다.
이온주입공정은 실리콘 웨이퍼 상에 형성되는 전자소자의 동작특성을 제어하기 위한 공정으로서, 종래에는 열확산을 이용하여 불순물을 막의 내부에 도핑하는 공정이 이용되었으나, 최근에는 일정한 에너지를 가지는 이온을 막의 내부에 침투시켜 불순물을 도핑하는 이온주입법이 주로 이용되고 있다.
이온주입법을 이용한 불순물 도핑공정은 열확산 공정에 비하여 불순물의 농도 제어가 용이하고, 도핑되는 깊이를 조절하거나 한정하는데 유리하다는 장점을 가지고 있다. 이온주입법에는 이온주입기라는 장치가 이용되는데, 이온주입기는 불순물을 도핑할 이온을 생성시키는 이온발생부와 발생된 이온의 종류와 에너지를 제어하는 이온분석부로 이루어진다.
이온발생장치는 필라멘트를 가열하여 열전자를 방출시키고, 방출된 열전자를 전기장에 의하여 가속시키면서 주입된 이온소스가스와 충돌시켜서 이온을 발생시키게 된다. 이때, 열전자를 방출시키는 방법은 텅스텐 필라멘트를 가열하여 직접 열전자를 방출시키는 방법과, 텅스텐 필라멘트로부터 방출된 열전자를 캐소드로 가속시켜 캐소드에서 다시 전자를 2차적으로 방출시키는 방법이 있는데, 후자의 방식은 필라멘트 소재의 열화를 방지할 수 있어서 부품의 교환주기를 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.
이온주입기용 이온발생장치는 이온의 소스가 되는 기체가 주입되며, 아크챔버 내부에서 상기 이온소스 기체는 캐소드에서 방출된 전자와 충돌하면서 분해된다. 상기 아크챔버의 공정 온도가 1500℃ 이상인 점을 고려하여 상기 아크챔버를 구성하는 부품의 모재는 Mo(molybdenum), W(tungsten), Ta(tantalum), Re(rhenium), Nb(niobium)와 같은 내화 금속(Refractory metal)을 사용하게 되며, 이 경우 챔버 자체의 중량이 무거우므로 하중과 함께 열로 인한 변형이 발생하게 되고, 이로 인해 이온 발생위치가 틀어지고 나아가 아크챔버 자체가 틀어져 정밀한 이온주입공정이 어려워질 수 있다.
일례로, 이온주입기용 리펠러로서 내화금속의 일종인 텅스텐을 사용하는 선행문헌으로는 미국공개특허 제2011-0139613호가 있다. 상기 선행문헌은 리펠러의 전극 본체로서 텅스텐, 카본 등의 사용을 개시하나, 리펠러의 소형화를 도모하는 등 구조 개선을 제공할 뿐 재질 개선과는 무관하다.
다른 예로, 이온주입기의 전면 플레이트를 텅스텐으로 제작하는 선행문헌으로 한국등록특허 제10-0553716호가 있다. 상기 선행문헌은 양호한 빔의 균일도를 얻기 위한 전면 플레이트의 잦은 교체시 설비의 유지보수 비용을 증가시키는 원인이 되므로, 이를 해결하고 양호한 빔 균일도를 얻을 수 있는 새로운 형태, 즉 내화금속 소재로 부품 전체를 제작하는 대신 상대적으로 가공이 쉬운 특정 금속 모재로 원하는 부품 형상을 제작한 뒤 챔버 몸체의 내측면이 되는 금속모재 표면에 텅스텐을 박막 증착하여 코팅하는 기술을 제안한다. 그러나 이 경우 또한 챔버 몸체의 내부 온도가 900℃ 이상으로 상승하고 이온들이 챔버 몸체의 내벽을 계속해서 때리는 상태에서, 금속 모재를 사용한 챔버 몸체의 경우 열을 방출하는데 매우 불리할 뿐 아니라 금속 모재가 도전성이므로 불순물이 쉽게 박히면서 챔버 몸체의 내벽이 오염되거나 파이는 현상이 발생하게 되며, 특히 온도 과열시 내부 물질들이 버텨내는 한계점에 도달하므로 부품 손상을 초래하게 된다. 관련하여 다양한 코팅 기술이 제안되고 있으나, 코팅을 위한 고가의 장비와 고가의 원료 분말을 사용해야 하는 단점이 뒤따른다.
더구나, 이온주입기의 경우 이온빔이 슬릿을 통해 방출되는데, 탄소 소재와 내화금속 소재의 열팽창계수의 차이로 인하여, 고온의 공정에서 사용시 하중과 함께 열로 인한 변형이 발생하여 이온 방출 위치가 틀어지고, 장비 전체의 틀어짐 발생으로 정밀한 이온 주입 공정이 불가능해질 뿐만 아니라, 탄소층과 내화금속 코팅층과의 계면에서 박리가 일어나서 이물질 파티클이 발생하고, 따라서 반도체 생산시 불량 위험이 있으며, 반도체 장비의 내구성 저하 우려가 있다.
따라서, 이온발생위치가 틀어지거나 장비의 틀어짐 없이 정밀한 이온주입공정을 가능케 하고, 아크챔버 내부로 전자를 균일하게 반사시킬 수 있으므로 플라즈마의 균일도를 증가시켜 이온소스 기체의 분해 효율을 향상시킬 뿐 아니라 기존 부품 대비 수명을 현저하게 개선가능한 리펠러, 전자방출 캐소드, 챔버 웰, 슬릿 부재 및 이를 각각 포함하는 이온발생장치에 대한 개발 필요성이 크다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 이온주입기를 부품 교체없이 장시간 사용하여도, 열변형 안정화, 마모 보호, 증착물 박리 저항 등을 제공할 수 있는 이온주입기용 전자방출 캐소드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 이온주입기용 전자방출 캐소드를 포함하는 이온발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되고, 상기 아크챔버의 일측에 고정되고 내부에 필라멘트가 설치되는 공간이 형성된 캐소드 측부와, 상기 아크챔버 방향으로 노출되고 전자를 방출하는 표면을 가지는 캐소드 전면부를 포함하는 전자방출 캐소드로서, 상기 캐소드는 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내측에 설치되고, 상기 이온발생장치의 캐소드에 대향하여 설치되는 반사부 및 상기 반사부에서 연장되며 소정의 전압이 인가되는 단자부를 포함하는 리펠러로서, 상기 반사부는 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 리펠러를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이온주입기용 이온발생장치의 이온발생공간을 구성하기 위한 아크챔버 내측에 설치되는 챔버 웰로서, 상기 아크챔버의 사면을 구성하는 챔버 웰 중 일면 이상의 웰은 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 챔버 웰을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이온주입기용 이온발생장치로부터 이온빔을 방출하기 위한 슬릿을 구비한 슬릿 부재로서, 상기 슬릿이 형성되어 있는 슬릿부는 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 슬릿 부재를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 내화금속의 세미카바이드 연속 또는 불연속 층상에 내화금속의 모노카바이드 연속 또는 불연속 층이 레이어드(layered)를 구성하는 내화금속의 카바이드 구조를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조 및 베타상(PbO2형, Mo2C형 또는 C6형) 결정구조 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층상에 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속적으로 레이어드(layered)를 구성하는 내화금속의 카바이드 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 내화금속의 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 내화금속의 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Wm/Ws를 X라 할 때, X가 5 이하(여기서, Wm과 Ws는 EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)법에 의한 다상 해석에 의해 구해진 값이다)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 모재의 함유량 Ww와, 상기 세미카바이드층 포함 코팅구조로서 내화금속의 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 내화금속 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Ww:Wm:Ws는 90 내지 95: 0.8 내지 4: 9.2 내지 1(여기서, Ww, Wm과 Ws은 EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)법에 의한 다상 해석에 의해 구해진 값이다)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 세미카바이드 포함 코팅층은 최소 층 두께가 2㎛ 이상이고 최대 층 두께가 300㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 단자부는 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 일 이상 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 상기 이온주입기용 전자방출 캐소드를 포함하는 이온발생장치를 제공한다.
본 발명의 반도체 소자의 제조에 이용되는 이온주입용 이온발생장치의 아크챔버를 구성하는 리펠러, 캐소드, 챔버 웰, 또는 슬릿 부재 등의 부품에 열변형 안정화 용도, 마모 보호 용도 혹은 증착물 박리 저항 용도로 세미카바이드층 포함 코팅구조를 제공함으로써 이온발생위치가 틀어지거나 장비의 틀어짐 없이 정밀한 이온주입공정을 가능케 하고, 아크챔버 내부로 전자를 균일하게 반사시킬 수 있으므로 플라즈마의 균일도를 증가시켜 이온소스 기체의 분해 효율을 향상시킬 뿐 아니라 기존 부품 대비 수명을 현저하게 개선시키는 효과를 제공한다.
도 1은 이온주입기용 이온발생장치의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 상기 이온주입기용 리펠러의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 상기 이온주입기용 전자방출 캐소드의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 아크챔버 내부의 가스 밀도 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 상기 이온주입기용 슬릿 부재의 구조를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 텅스텐 소재 모재의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조로서, 세미카바이드층상에 모노카바이드층이 레이어드(layered) 구조를 갖는 EBSD(Electron BackScattered Diffraction)에 따른 표면 분석사진으로서, (a)는 그라파이트 시트를 사용한 사진이고, (b)는 카본 블랙 파우더를 사용한 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 텅스텐 소재 모재의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조로서, XRD 투과 깊이 영역(~3㎛)에서 세미카바이드층상에 모노카바이드층이 레이어드 구조를 갖음을 보이는 XRD 회절분석 그래프이다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 반도체 소자의 제조에 이용되는 이온주입용 이온발생장치의 아크챔버를 구성하는 리펠러, 캐소드, 챔버 웰, 또는 슬릿 부재 등의 부품에 열변형 안정화 용도, 마모 보호 용도 혹은 증착물 박리 저항 용도로 세미카바이드층 포함 코팅구조를 제공함으로써 이온발생위치가 틀어지거나 장비의 틀어짐 없이 정밀한 이온주입공정을 가능케 하고, 아크챔버 내부로 전자를 균일하게 반사시킬 수 있으므로 플라즈마의 균일도를 증가시켜 이온소스 기체의 분해 효율을 향상시킬 뿐 아니라 기존 부품 대비 수명을 현저하게 개선가능한 이온주입기용 부품 및 이를 포함하는 이온발생장치에 관한 것이다.
다음 도 1은 이온주입기용 이온발생장치의 구조를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 이온발생장치(100)는 소정의 공간을 형성하는 아크챔버(104), 상기 아크챔버의 일측에 설치된 캐소드(102), 상기 캐소드의 내부공간에 설치된 필라멘트(101) 및 상기 캐소드에 대향하여 설치된 리펠러(103)를 포함한다.
필라멘트(101)는 텅스텐과 같이 녹는점이 높은 금속으로 이루어질 수 있고, 외부에 연결된 전원에서 전류가 흐르면 일정온도까지 가열되면서 외부로 열전자를 방출시키는 기능을 한다. 캐소드(102)는 상기 필라멘트(101)에서 소정의 거리로 이격되어 설치되는데, 캐소드에는 외부 전원의 음극부가 연결되어 필라멘트와 캐소드 사이에 형성된 전계에 의하여 필라멘트에서 방출된 열전자가 캐소드와 충돌하면서 캐소드의 표면에서 다시 전자가 방출된다. 아크챔버(104)는 캐소드에서 전자가 방출되는 방향으로 소정의 공간을 형성하는데, 일 방향으로 불순물 도핑에 이용되는 가스와 캐리어 가스가 주입되도록 가스 주입부(105)가 형성되어 있고, 다른 방향으로는 가스와 이온들이 방출되는 이온 방출부로서 슬릿 부재(106)가 형성되어 있다.
아크챔버(104)에는 전원부가 연결되어서 캐소드(102)에서 방출된 전자를 가속시킨다. 캐소드(102)에 대향하는 아크챔버의 일측에는 리펠러(103)가 설치되어 있는데, 리펠러는 캐소드에서 방출되어 가속되는 전자를 밀어내면서 한정된 공간에서 이온들이 분포하도록 하는 기능을 하며, 바이어스가 걸리거나 플로팅된 채로 유지될 수 있다. 아크챔버(104)의 주변에는 마그네트(110a, 110b)가 설치될 수 있는데, 마그네트는 전자석일 수 있고, 아크챔버(104) 내부에 형성된 전기장을 따라 가속되어 이동하는 전자가 자기장에 의하여 회전할 수 있도록 한다. 전자의 회전운동은 전자와 가스 입자의 충돌 확률을 높여 이온화 효율을 높이는 기능을 한다. 도면에는 도시하지 않았지만 이온 방출부로서 슬릿 부재(106)에는 전기장을 이용하여 이온을 가속시키고, 특정 종류 및 특정 에너지를 가지는 이온을 필터링하는 분석장치가 설치되어 있다.
또한, 상기 이온방출부로서 슬릿 부재(106)는 이온챔버(104)의 상면에 구비되거나 혹은 이온챔버(104)의 하면에 구비될 수 있고, 상기 이온방출부(106)와 대향하여 가스 주입부(105)가 구비될 수 있다.
다음 도 2는 이온주입기용 리펠러의 구조를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 상기 이온주입기용 리펠러(103)는 반사부(103a)와 단자부(103b)를 포함한다. 반사부(103a)는 캐소드와 대향하여 설치되며, 소정의 면적과 두께를 가지는 판형(일례로, 원판) 형태로 이루어질 수 있다. 단자부(103b)는 반사부와 전기적으로 연결되며 소정의 전압이 인가될 수 있는 단자의 역할과, 아크챔버(104) 내부에 리펠러(103)를 고정하기 위한 고정부의 역할을 한다.
본 발명의 이온주입기용 리펠러(103)는 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버(104) 내부에 설치되고, 상기 이온발생장치의 캐소드(102)에 대향하여 설치되는 반사부(103a) 및 상기 반사부(103a)에서 연장되며 소정의 전압이 인가되는 단자부(103b)를 포함하는 리펠러(103)로서, 상기 반사부(103a)는 부품 형상을 형성하는 모재로서 Mo(molybdenum), W(tungsten), Ta(tantalum), Re(rhenium), Nb(niobium)와 같은 내화 금속(Refractory metal) 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
다음 도 3은 이온주입기용 전자방출 캐소드(102)의 구조를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 캐소드(102)는 필라멘트(101)가 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하는 캐소드 측부(102a)와 전자를 방출하는 표면을 제공하는 캐소드 전면부(102b)로 이루어진다.
캐소드 측부(102a)는 소정의 길이를 가지는 관 형태로 이루어질 수 있고, 내부에는 캐소드 내부공간(102d)이 형성되고 있으며, 체결부(102c)가 형성되어 있다.
일례로, 상기 캐소드 전면부(102b)는 함몰 형상의 표면을 가지고, 캐소드 전면 테두리부(102b), 캐소드 함몰 경사부(미도시) 및 캐소드 함몰 평탄부(미도시)를 포함할 수 있다. 캐소드 전면 테두리부(102b)는 캐소드 전면부의 외곽영역에 형성되는데, 상기 외곽영역의 경계에서 소정의 폭을 가지면서 아크챔버 방향으로 평탄한 표면을 제공하고, 함몰영역에 비하여 상대적으로 아크챔버 방향으로 돌출되어 있다. 캐소드 전면 테두리부(102b)는 평탄한 표면을 가져 전자의 방출이 일 부분에 집중되는 것을 방지하는데, 예를 들어 캐소드 전면 테두리부가 형성되지 않고, 캐소드 함몰 경사부가 바로 형성된 구조에서는 캐소드 최외곽의 구조가 예각으로 형성되어서 전자의 방출이 테두리 부분에만 집중되어 이루어질 수 있다. 캐소드 함몰 경사부는 캐소드 전면부의 중심방향으로 경사를 형성하는데, 이러한 경사면에 의하여 전자방출이 이루어지는 캐소드 표면의 면적이 증가될 수 있고, 경사면에서의 전자방출이 캐소드의 중심부 방향으로 이루어지도록 하여 도핑 가스의 밀도가 높은 영역으로 전자의 가속이 이루어지도록 한다. 캐소드 함몰 경사부는 아크챔버의 방향으로 오목하게 형성되는 것이 바람직하고, 이러한 구조에서는 전자의 방출 위치를 제어하여 도핑 가스의 밀도가 높은 방향으로 전자의 운동이 이루어지는 효과를 극대화할 수 있다. 캐소드 함몰 평탄부는 캐소드 전면부의 중심부에 형성되고 평탄한 표면을 가지는데, 캐소드 함몰 경사부의 폭과 캐소드 함몰 평탄부의 반지름의 비율을 조절하여 이온화 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 캐소드 전면부가 원형을 이루면서 캐소드 함몰 경사부와 캐소드 함몰 평탄부가 동심원을 이루는 경우에, 캐소드 함몰 평탄부의 반지름과 캐소드 함몰 경사부의 폭 비율은 일례로 1:0.5 내지 1:1.5의 범위 내일 수 있고, 상기 범위 내에서 경사부에 의한 전자방출 방향 제어의 효과 및 이온화 효율 개선을 도모할 수 있다. 또한, 캐소드 함몰 평탄부의 함몰 깊이는 상기 캐소드 함몰 평탄부 반지름의 0.5 내지 1.5배 범위 내일 수 있고, 상기 범위 내에서 캐소드 면적 증가 효과 및 이온화 효율 개선을 도모할 수 있다.
본 발명의 캐소드(102)는 상기 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버(104) 내부에 설치되고, 상기 아크챔버(104)의 일측에 고정되고 내부에 필라멘트(101)가 설치되는 공간이 형성된 캐소드 측부와, 상기 아크챔버 방향으로 노출되고 전자를 방출하는 표면을 가지는 캐소드 전면부를 포함하는 전자방출 캐소드로서, 상기 캐소드는 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드를 제공한다.
다음 도 4는 아크챔버 내부의 가스 밀도 분포를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 아크챔버(104)에는 4면을 구성하는 챔버 웰(104a), 가스 주입부(105)와 이온 방출부로서 슬릿 부재(106)가 형성되어 있고, 가스 주입부로 주입된 도핑가스와 캐리어 가스는 일부가 이온화되어 이온 방출부(106)로 배출된다. 이때 아크챔버(104) 내부에는 가스의 압력차가 발생하는데, 가스 주입부(105)에 가까운 영역에서 가스의 밀도(가스의 압력)가 높아지게 된다. 따라서, 가스의 밀도가 높은 영역으로 가속되는 전자의 양이 많은 경우에 이온화 확률이 높아지게 된다.
본 발명의 챔버 웰(104a)은 이온주입기용 이온발생장치의 이온발생공간을 구성하기 위한 아크챔버 내측에 설치되는 챔버 웰로서, 상기 아크챔버의 사면을 구성하는 챔버 웰 중 일면 이상의 웰은 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
다음 도 5는 이온주입기용 슬릿 부재의 구조를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 상기 이온주입기용 슬릿 부재(106)는 슬릿(106a)이 형성되어 있는 슬릿부(106b)와, 상기 슬릿부(106b)가 결합될 수 있는 삽입홀(미도시)이 중앙에 형성된 프레임(106c)을 구비하고, 상기 슬릿부(106b)와 프레임(106c)은 연결 부재(106d)에 의해 상호 연결될 수 있다. 상기 연결 부재(106d)는 스크류 타입일 수 있고, 상기 슬릿부(106b)와 프레임(106c)에는 각각 상기 스크류를 삽입할 수 있는 복수의 스크류 홀(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 슬릿부(106b)와 프레임(106c)은 각각 서로 다른 재질이거나 혹은 동일한 재질일 수 있다.
본 발명의 슬릿 부재(106)는 이온주입기용 이온발생장치로부터 이온빔을 방출하기 위한 슬릿을 구비한 슬릿 부재로서, 상기 슬릿이 형성되어 있는 슬릿부는 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 “세미카바이드층 포함 코팅구조”는 달리 특정하지 않는 한, 세미카바이드층을 코팅 하부층으로 레이어드된(layered) 구조를 지칭하며, 별다른 첨가제의 사용 혹은 보호층/중간층의 적용 등을 필요하지 않으면서 개선된 열변형 안정성, 마모보호성, 증착물 박리 저하성 및 상 안정성 등을 제공하는 특징을 갖는다.
상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 일례로, 내화금속의 세미카바이드 연속 또는 불연속 층상에 내화금속의 모노카바이드 연속 또는 불연속 층이 레이어드(layered)를 구성하는 내화금속의 카바이드 구조를 가질 수 있고, 이같은 레이어드 구조에 따르면 세미카바이드 단일층 혹은 모노카바이드 단일층 대비 열변형 안정성, 마모 보호특성과 증착물 박리 저항성에 대하여 개선된 특성을 제공할 수 있다.
상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 다른 일례로, 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조 및 베타상(PbO2형, Mo2C형 또는 C6형) 결정구조 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층상에 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속적으로 레이어드를 구성하는 구조를 갖는 것일 수 있고, 이같이 서로 상이한 결정구조가 연속 또는 불연속 레이어드를 구성하는 구조에 따르면 상 안정성이 개선된 특성을 추가로 제공할 수 있다. 여기서 상기 이중층은 상기 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조를 갖는 연속 층상에 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 층이 레이어드를 연속하여 구성하는 구조인 것이 바람직하다.
상기 내화금속의 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 내화금속 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Wm/Ws를 X라 할 때, X가 5 이하일 수 있고, 이 범위 내에서 개선된 열변형 안정성, 마모 보호특성과 증착물 박리 저항성을 동시에 제공할 수 있다. 여기서 Wm과 Ws는 EBSD(Electron BackScattered Diffraction)법에 의한 다상 해석에 의해 구해진 값이다.
상기 X는 구체적인 예로, 0.01 내지 5, 0.03 내지 4, 0.1 내지 4, 0.05 내지 0.3 혹은 0.1 내지 0.2 범위 내일 수 있다.
상기 내화금속 소재 모재의 함유량 Ww와, 상기 세미카바이드층 포함 코팅구조로서 내화금속 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 내화금속 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Ww:Wm:Ws는 90 내지 95: 0.8 내지 4: 9.2 내지 1의 범위 내일 수 있고, 이 범위 내에서 또한 개선된 열변형 안정성, 마모 보호특성과 증착물 박리 저항성을 동시에 제공할 수 있다. 여기서, Ww, Wm과 Ws은 EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)법에 의한 다상 해석에 의해 구해진 값이다.
상기 Y는 구체적인 예로, 91 내지 94: 0.8 내지 3: 8.2 내지 3일 수 있다.
상기 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 층은 XRD 회절분석 측정시 최대 피크 강도(도 7의 그래프 내부 피크 참조)를 갖는 제1 피크가 35° 내지 36° 범위에 존재하는 피크이고, 제2 피크가 48° 내지 50° 범위에 존재하는 피크이고, 제3 피크가 31° 내지 32° 범위에 존재하는 피크를 갖는 것일 수 있다.
또한 상기 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조 및 베타상(PbO2형, Mo2C형 또는 C6형) 결정구조 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 결정구조를 갖는 연속 층은 XRD 측정시 최대 피크 강도(도 7의 그래프 하부 피크 참조)를 갖는 제1 피크가 69.5° 내지 70.0° 범위에 존재하는 피크이고, 제2 피크가 39.5° 내지 40.0° 범위에 존재하는 피크이고, 제3 피크가 52.0° 내지 52.5° 범위에 존재하는 피크를 갖는 것일 수 있다.
상기 세미카바이드층은 미세한 두께로도 충분히 개선된 열변형 안정성과, 마모 보호특성, 증착물 박리 저항성, 및 상 안정성을 제공할 수 있는 것으로, 최소 층 두께가 2㎛ 이상이면서 최대 층 두께가 300㎛ 이하, 혹은 200㎛ 이하 범위 내인 것이 바람직하다. 여기서 사용된 용어 “최소 층 두께”와 “최대 층 두께”는 달리 특정하지 않는 한, 층의 여러 부위 중 두께가 최소인 부분과 두께가 최대인 부분의 각 수치를 지칭한다.
상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 일례로, 1 내지 50㎛의 층 두께를 갖는 세미카바이드층 상에 1 내지 10㎛의 층 두께를 갖는 모노카바이드층이 레이어드 구조를 갖는 것일 수 있고, 이 범위 내에서 개선된 마모 보호특성과 증착물 박리 저항성을 동시에 제공할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 1 내지 8㎛의 층 두께를 갖는 세미카바이드층 상에 1 내지 6㎛의 층 두께를 갖는 모노카바이드층이 레이어드 구조를 갖는 것일 수 있다.
참조로, 상기 이온주입기용 이온발생장치(100)의 아크챔버(104)를 구성하는 부품 중 리펠러(103), 캐소드(102), 챔버 웰(104a), 또는 슬릿 부재(106) 등의 부품 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 부품을 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 일 이상의 표면에 상술한 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 소재로 제작할 경우, 선택되지 않은 부품들을 포함하여 이온챔버(104)를 구성하는 잔류 부품들은 모재로서 내화금속 소재로 제작되거나, 필요에 따라 상술한 내측면이 되는 내화금속 소재 모재의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 소재로 제작되거나, 탄소 또는 탄소 및 수소화합물 등의 공지된 소재로 다양하게 제작될 수 있다.
상기와 같은 세미카바이드층 포함 코팅구조는, 일례로 선택된 부품을 모재로서 내화금속 소재를 사용하여 형상 가공한 뒤 상기 모재의 일 이상 표면에서 탄소가 포함된 원소로 열처리함으로써 세미카바이드층 포함 레이어드 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 탄소가 포함된 원소로 열처리의 일례로서, 그라파이트 시트 또는 카본블랙 파우더를 사용하여 침탄 또는 화학기상증착 방식으로 수행하고 상기 세미카바이드층를 코팅 최하층으로 포함하는 다층 코팅층을 갖는 구조로 형성할 수 있다.
상기 세미카바이드층 포함 다층 코팅층은 최소 층 두께가 2㎛ 이상이면서 최대 층 두께가 300㎛ 이하인 것일 수 있다.
상기 탄소가 포함된 원소로 열처리는, 일례로 1 내지 30㎛의 층 두께를 갖는 세미카바이드층 상에 1 내지 10㎛의 층 두께로 모노카바이드층이 레이어드 다층 코팅층을 형성시킬 수 있는 운전 조건 하에 수행하는 것이 바람직하다.
상기 탄소가 포함된 원소로 열처리는, 구체적인 예로 1 내지 8㎛의 층 두께를 갖는 세미카바이드층상에 1 내지 6㎛의 층 두께로 모노카바이드층이 레이어드 코팅층을 형성시킬 수 있는 운전 조건 하에 수행하는 것이 보다 바람직할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 열처리의 운전조건(가온가압 조건)은 진공 또는 불활성 가스 분위기 조건에서 최대온도 1100 ~ 2200℃, 가열속도 1 ~ 100℃/min, 유지시간(dwell time)은 0초 ~ 30시간(여기서 0초는 즉시 냉각을 의미함) 하에서 열처리 공정을 수행할 수 있는 것으로, 이에 특정하는 것은 아니고 리펠러의 재질 등에 따라 공지된 범위 내에서 조절될 수도 있다. 상기 화학기상증착의 운전조건(가온가압 조건)은 900 ~ 2200℃의 온도에서 상압보다 낮은 10- 2torr ~ 760torr 미만의 압력 범위이며, 수소 및 수소와 탄소의 화합물 비율이 70:30 ~ 99.9:0.1 범위 이내이며, 반응 시간은 0초 ~ 30시간 이내의 범위하에 화학기상증착 공정을 수행하는 것일 수 있는 것으로, 이에 특정하는 것은 아니고 리펠러의 재질 등에 따라 공지된 범위 내에서 조절될 수도 있다.
참고로, 아크챔버 내부에서 분해된 이온소스 기체가 리펠러 표면에 증착되는 과정을 보면, 먼저 일부 영역에서 증착이 발생하면서 증착막의 면적이 증가되다가 서로 다른 증착막끼리 만나면서 전체적으로 균일한 막이 형성된다. 이때 분리된 형태의 증착막이 박리되는 경우도 있고, 균일한 증착막에서 크랙이 발생하면서 박리되는 경우도 있다. 본 발명의 이온주입기용 부품이 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 일 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖는 경우 이러한 박리현상을 효과적으로 방지한다.
따라서 본 발명의 반도체 소자의 제조에 이용되는 이온주입용 이온발생장치의 아크챔버를 구성하는 리펠러, 캐소드, 챔버 웰, 또는 슬릿 부재 등의 부품에 열변형 안정화 용도, 마모 보호 용도 혹은 증착물 박리 저항 용도로 세미카바이드층 포함 코팅구조를 제공함으로써 이온발생위치가 틀어지거나 장비의 틀어짐 없이 정밀한 이온주입공정을 가능케 하고, 아크챔버 내부로 전자를 균일하게 반사시킬 수 있으므로 플라즈마의 균일도를 증가시켜 이온소스 기체의 분해 효율을 향상시킬 뿐 아니라 기존 부품 대비 수명을 현저하게 개선할 수 있다.
아래에서 실시예를 이용하여 본 발명의 다양한 구현예와 그 효과를 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
리펠러(103)로서 반경 12mm의 원형 표면을 갖는 반사부(103a)와, 반경 10.85mm의 원형 표면을 갖는 캐소드(102)가 양 측벽에 대향하여 설치된 도 1과 같은 구조를 갖는 이온주입기용 이온발생장치를 제작하였다. 이때, 도 3의 캐소드 전면부(102b)는 모재로서 텅스텐 소재를 사용하여 형상 가공한 것으로, 내측면이 되는 텅스텐 소재 모재의 표면에 탄소를 포함한 소재로서 그라파이트 시트를 재치하고 최대 온도 1380℃, 가열속도 4.5℃/min, 유지시간 15hr 하에서, 중간층/보호층의 적용 없이 열처리하여 텅스텐 세미카바이드 연속 또는 불연속 층상에 텅스텐 모노카바이드 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속하여 레이어드된 이층 코팅구조를 갖는 소재를 제조한 다음 이를 형상 가공하였다.
상기 텅스텐 세미카바이드 연속 또는 불연속 층상에 텅스텐 모노카바이드 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속하여 레이어드된 코팅소재의 EBSD(Electron BackScattered Diffraction, JEOL사, TSL model)에 따른 표면 분석사진을 도 6(a)로서 도시하였다. 도 6(a)에서 보듯이, 텅스텐층 상에 텅스텐 세미카바이드의 연속 또는 불연속 층이 형성되어 있고, 그 상부에 텅스텐 모노카바이드의 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속하여 레이어드 구조를 갖는 것을 확인하였다. 실제, EBSD에 따른 표면 분석을 통한 상 분리 결과, 상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 8㎛ 이하의 층 두께를 갖는 세미카바이드 층상에 3㎛ 이하의 층 두께로 모노카바이드층이 레이어드 다층 코팅구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 상기 텅스텐 세미카바이드는 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조로 확인되었고, 상기 텅스텐 모노카바이드는 헥사고날상(h-WC) 결정구조로 확인되었다(도 7 참조).
상술한 EBSD에 따른 표면 분석을 통한 상 분리 결과로부터 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 분율을 계산한 결과, 텅스텐층의 함유량(Ww)은 0.913 분율, 텅스텐 세미카바이드층의 결정구조(Ws)의 함유량은 0.079 분율, 그리고 텅스텐 모노카바이드층의 결정구조(Wm)의 함유량은 0.008 분율인 것을 확인하였고, 이로부터 계산된 중량비율(Ww:Wm:Ws)은 91.3:0.8:7.9인 것을 확인하였다.
상기 텅스텐 세미카바이드 층상에 텅스텐 모노카바이드층이 레이어드된 코팅구조는 XRD 회절 분석 결과, 도 7에 도시한 바와 같이, XRD 투과 깊이 영역(~3㎛)에서 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조 및 베타상(PbO2형, Mo2C형 또는 C6형) 결정구조 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층 상에 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속하여 레이어드 다층 코팅구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로는, 도 7의 그래프 내부 피크에서 보듯이, 상기 텅스텐 모노카바이드 연속 또는 불연속 층은 XRD 회절분석 측정시 최대 피크 강도를 갖는 제1 피크가 35° 내지 36° 범위에 존재하는 피크이고, 제2 피크가 48° 내지 49° 범위에 존재하는 피크이고, 제3 피크가 31° 내지 32° 범위에 존재하는 피크를 보였다.
또한, 도 7의 그래프 하단 피크에서 보듯이, 상기 텅스텐 세미카바이드 연속또는 불연속 층은 XRD 측정시 텅스텐 모노카바이드와 텅스텐 세미카바이드의 피크가 중첩되어, 텅스텐 세미카바이드의 피크가 관찰되지 않을 경우, 최대 피크 강도를 갖는 제1 피크가 69.5° 내지 70.0° 범위에 존재하는 피크이고, 제2 피크가 39.5° 내지 40.0° 범위에 존재하는 피크이고, 제3 피크가 52.0° 내지 52.5° 범위에 존재하는 피크를 보였다.
앞서 EBSD에 따른 표면 분석을 통한 상 분리 결과로부터 계산한 분율을, 상기 텅스텐 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 텅스텐 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Wm/Ws의 팩터 X(이하, X라 함)에 적용하면, X가 0.008/0.079로서 0.1인 것을 계산할 수 있었다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 반경을 가지는 리펠러와 캐소드를 이용하여 도 1과 같은 구조를 갖는 이온주입기용 이온발생장치를 제작하였다. 이때, 도 3의 캐소드 전면부(102b)를 모재로서 텅스텐 소재를 사용하여 형상 가공한 다음 내측면이 되는 텅스텐 소재 모재의 표면에 탄소 소재로서 카본블랙 파우더를 사용하고, 중간층/보호층의 적용 없이 열처리시, 텅스텐 세미카바이드 연속 또는 불연속 층상에 텅스텐 모노카바이드 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속하여 레이어드된 이층 코팅구조를 갖는 소재를 사용하여 형상 가공한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다.
상기 텅스텐 세미카바이드 연속 또는 불연속 층상에 텅스텐 모노카바이드 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속하여 레이어드된 코팅소재의 EBSD(Electron BackScattered Diffraction, JEOL사, TSL model)에 따른 표면 분석사진을 도 6(b)로서 도시하였다. 도 6(b)에서 보듯이, 텅스텐층 상에 텅스텐 세미카바이드의 연속 또는 불연속 층이 형성되어 있고, 그 상부에 텅스텐 모노카바이드의 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속하여 레이어드 구조를 갖는 것을 확인하였다. 실제, EBSD에 따른 표면 분석을 통한 상 분리 결과, 상기 세미카바이드층은 7㎛ 이하의 층 두께를 갖는 세미카바이드 층상에 6㎛ 이하의 층 두께로 모노카바이드층이 레이어드 다층 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 상기 텅스텐 세미카바이드는 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조로 확인되었고, 상기 텅스텐 모노카바이드는 헥사고날상(h-WC) 결정구조로 확인되었다(도 7 참조).
상술한 EBSD에 따른 표면 분석을 통한 상 분리 결과로부터 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 분율을 계산한 결과, 텅스텐층의 함유량(Ww)은 0.912 분율, 텅스텐 세미카바이드 층의 결정구조(Ws)의 함유량은 0.074 분율, 그리고 텅스텐 모노카바이드 층의 결정구조(Wm)의 함유량은 0.014 분율인 것을 확인하였고, 이로부터 계산된 중량비율(Ww:Wm:Ws)은 91.2:1.4:7.4인 것을 확인하였다.
상기 텅스텐 세미카바이드 층상에 텅스텐 모노카바이드층이 레이어드된 코팅구조는 XRD 회절 분석 결과, 도 7에 도시한 것과 마찬가지로 XRD 투과 깊이 영역(~3㎛)에서 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조 및 베타상(PbO2형, Mo2C형 또는 C6형) 결정구조 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층상에 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층이 레이어드 다층 코팅구조를 확인할 수 있었고, 특히 상기 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층은 XRD 회절분석 측정시 최대 피크 강도를 갖는 제1 피크가 35° 내지 36° 범위에 존재하는 피크이고, 제2 피크가 49° 내지 50° 범위에 존재하는 피크이고, 제3 피크가 31° 내지 32° 범위에 존재하는 피크를 도시하는 것을 확인하였다.
앞서 EBSD에 따른 표면 분석을 통한 상 분리 결과로부터 계산한 분율을, 상기 텅스텐 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 텅스텐 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Wm/Ws의 팩터 X에 적용하면, X가 0.014/0.074로서 0.19인 것을 계산할 수 있다.
비교예 1
실시예 1과 동일하게 도 1과 같은 구조를 갖는 이온주입기용 이온발생장치를 제작하되, 캐소드 전면부 상에 열처리 공정을 수행하지 않아 세미카바이드층 포함 코팅구조가 전혀 형성되지 않은 텅스텐 소재를 모재로 사용하여 반사부와 단자부를 제작하였다(실시예 1의 팩터 X는 0이고, Ww:Wm:Ws의 중량비율은 100:0:0이다).
비교예 2
실시예 1과 동일하게 도 1과 같은 구조를 갖는 이온주입기용 이온발생장치를 제작하였고, 실시예 1에 따라 형성된 캐소드 전면부 상의 세미카바이드층 포함 코팅구조에 대하여 EBSD(Electron BackScattered Diffraction)에 따른 표면분석을 위해 수행하는 화학적 전해 연마공정 또는 폴리싱 등의 기계적 연마방식을 적용하여 최상부의 텅스텐 모노카바이드층을 탈락시키고, 텅스텐 세미카바이드층이 노출된 구조를 제공하였다(실시예 1의 팩터 X는 0이다).
상기 EBSD에 따른 표면분석을 통한 상 분리 결과, 상기 텅스텐 세미카바이드층은 10.435㎛ 이하의 층 두께를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상술한 EBSD에 따른 표면 분석을 통한 상 분리 결과로부터 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 분율을 계산한 결과, 텅스텐층의 함유량(Ww)은 0.879 분율, 텅스텐 세미카바이드 층을 구성하는 결정구조(Ws)의 함유량은 0.121 분율인 것을 확인하였고, 이로부터 계산된 중량비율(Ww:Wm:Ws)은 87.9:12.1:0인 것을 확인하였다.
상기 텅스텐 세미카바이드는 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조로 확인되었다. 상기 엡실론상(ε-Fe2N형) 결정구조를 갖는 층은 XRD 측정시 텅스텐 모노카바이드와 텅스텐 세미카바이드의 피크가 중첩되어, 텅스텐 세미카바이드의 피크가 관찰되지 않을 경우, 최대 피크 강도를 갖는 제1 피크가 69.5° 내지 70.0° 범위에 존재하는 피크이고, 제2 피크가 39.5° 내지 40.0° 범위에 존재하는 피크이고, 제3 피크가 52.0° 내지 52.5° 범위에 존재하는 피크를 갖는 것을 확인하였다.
실험예 1
이온소스 기체로 BF3를 이용하는 환경에서 실시예 1 내지 실시예 2와 비교예 1 내지 2의 이온발생장치를 작동시키면, 이온소스 기체로부터 이온화된 아크챔버 내 이온들이 슬릿을 통하여 추출 전극 및 질량 분석기를 통과시킨 후 빔 크기를 조절한 후 패러데이 시스템을 통하여 이온의 수를 측정하였다. 이때, 아크챔버의 소재에서 열변형 등이 발생하여, 소재가 뒤틀릴 경우, 불규칙한 이온 수가 측정되는데, 주입하고자 하는 이온의 수가 일정하게 측정될 경우 양호로 판정하였고 이온의 수가 급격한 감소 및/또는 증가 등의 사이클을 나타낼 경우 불량으로 판단하였다.
그리고 아크챔버 내에 존재하는 양이온의 경우, 음극인 캐소드 및/또는 리펠러 측으로 충돌, 음이온의 경우에는 양극인 아크챔버 벽면으로 충돌하여, 부품 표면의 원자를 이동시키는 스퍼터링 현상이 발생하게 되는데, 이러한 스퍼터링 현상으로 인하여 아크챔버 내측의 주변 부위는 증착물이 생성되며, 이 증착물이 양극과 음극 사이에 떨어져 양극과 음극을 연결하게 되면 전기적 단락(short)이 발생하게 되는데, 아크 챔버에 10분간 전압을 인가하고, 5분간 중단하는 것을 한 싸이클로 정하여 공정을 진행하였고, 이러한 전기적 단락이 발생한 후에는 이온 발생장치의 작동을 중지하고, 이때까지의 공정 횟수를 측정하여 마모 보호 특성을 판단하였다.
실시예 1 내지 실시예 2와 비교예 1 내지 비교예 2의 이온발생장치에서 측정된 결과를 아래의 표 1에 정리하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
열변형 보호특성 양호 양호 양호 양호
마모 보호특성
(공정 횟수)		 223회 245회 196회 207회
실험예 1의 결과에서 확인할 수 있듯이 실시예들이 비교예들만큼 동등한 열변형 안정성을 갖고, 비교예들보다 마모 보호특성이 개선된 것을 확인하였다.
실험예 2
실시예 1 내지 실시예 2와 비교예 1 내지 비교예 2의 이온발생장치를 작동시키면서 이온의 발생효율을 비교하기 위하여 빔(Beam) 전류(단위:mA)를 측정하였다. 이때 아크 챔버의 폭 40mm, 길이 105mm, 높이 40mm, 리펠러와 거리 85mm, 가스는 BF3을 사용하였으며, 압력은 2.5 torr 였다. 아크 챔버에 공급된 전압은 80V로 공급되었으며, 필라멘트에 공급된 전류는 160A이고 캐소드와 리펠러에 공급된 전압은 600V 였다.
실시예 1 내지 실시예 2와 비교예 1 내지 비교예 2의 이온발생장치에서 측정된 결과를 아래의 표 2에 정리하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
빔 전류 22.0mA 23.2mA 20.0mA 21.2mA
표 2를 참조하면, 실시예들이 비교예1에 비하여 이온발생 효율이 증가한 것을 확인하였고, 특히 실시예 2에서 이온발생 효율이 상대적으로 더욱 증가한 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 이온발생장치 101: 필라멘트
102: 캐소드 102a: 캐소드 측부
102b: 캐소드 전면 테두리부 102c: 체결부
102d: 캐소드 내부공간 103: 리펠러
103a: 반사부 103b: 단자부
104: 아크챔버 104a: 챔버 웰
105: 가스 주입부 106: 슬릿 부재
106a: 슬릿 106b: 슬릿부
106c:　프레임 106d: 연결 부재
110a, 110b: 마그네트

Claims (7)

  1. 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되고, 상기 아크챔버의 일측에 고정되고 내부에 필라멘트가 설치되는 공간이 형성된 캐소드 측부와, 상기 아크챔버 방향으로 노출되고 전자를 방출하는 표면을 가지는 캐소드 전면부를 포함하는 전자방출 캐소드로서, 상기 캐소드는 부품 형상을 형성하는 모재로서 내화금속 소재를 갖고, 상기 모재의 내측면이 되는 하나 이상의 표면에 세미카바이드층 포함 코팅구조를 갖고,
    상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 내화금속의 세미카바이드 연속 또는 불연속 층상에 내화금속의 모노카바이드 연속 또는 불연속 층이 레이어드(layered)를 구성하는 내화금속의 카바이드 구조를 포함하고,
    상기 내화금속의 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 내화금속의 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Wm/Ws를 X라 할 때, X가 5 이하(여기서, Wm과 Ws는 EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)법에 의한 다상 해석에 의해 구해진 값이다)인 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 세미카바이드층 포함 코팅구조는 엡실론상 결정구조 및 베타상 결정구조로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층상에 헥사고날상 결정구조를 갖는 연속 또는 불연속 층이 연속 또는 불연속적으로 레이어드(layered)를 구성하는 내화금속의 카바이드 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재의 함유량 Ww와, 상기 세미카바이드층 포함 코팅구조로서 내화금속의 세미카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Wm과, 상기 내화금속의 모노카바이드층을 구성하는 결정구조의 함유량 Ws의 중량비율 Ww:Wm:Ws는 90 내지 95: 0.8 내지 4: 9.2 내지 1(여기서, Ww, Wm과 Ws은 EBSD(Electron Back-Scattered Diffraction)법에 의한 다상 해석에 의해 구해진 값이다)인 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 세미카바이드 포함 코팅층은 최소 층 두께가 2㎛ 이상이고 최대 층 두께가 300㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드.
  7. 청구항 1의 이온주입기용 전자방출 캐소드를 포함하는 이온발생장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20060042145A (ko) * 2004-02-25 2006-05-12 삼성전자주식회사 카바이드 및 나이트라이드 나노 전자 에미터를 구비한 소자의 제조방법
US8476587B2 (en) * 2009-05-13 2013-07-02 Micromass Uk Limited Ion source with surface coating

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060042145A (ko) * 2004-02-25 2006-05-12 삼성전자주식회사 카바이드 및 나이트라이드 나노 전자 에미터를 구비한 소자의 제조방법
US8476587B2 (en) * 2009-05-13 2013-07-02 Micromass Uk Limited Ion source with surface coating
US8742337B2 (en) * 2009-05-13 2014-06-03 Micromass Uk Limited Ion source with surface coating

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