KR101963745B1 - 플라즈마 침적 모드에서의 이온주입기의 제어 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원장치를 갖는 이온주입기에 사용되는 제어 모듈에 관한 것으로서, 전원장치는
ㆍ접지에 연결된 양극을 갖는 전기 발생기(HT),
ㆍ상기 전기 발생기(HT)의 음극에 연결되는 제1 극과 전원장치의 출력 단자(S)에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치(SW1),
ㆍ상기 출력 단자(S)에 연결되는 제1 극과, 중립 단자(N)에 연결되는 제2 극을 갖는 제2 스위치(SW2)를 포함한다.
이 제어 모듈은 또한 상기 제2 스위치(SW2) 및 상기 중립 단자(N) 사이에 흐르는 변위 전류를 측정하는 전류측정 회로(AMP)를 포함한다. 본 발명은 또한, 이 제어 모듈이 설치된 이온주입기에 관한 것이다.

Description

플라즈마 침적 모드에서의 이온주입기의 제어 모듈{CONTROL MODULE FOR AN ION IMPLANTER IN THE PLASMA IMMERSION MODE}

본 발명은 이온주입기의 제어 모듈에 관한 것이다.

본 발명은 플라즈마 침적 모드(plasma immersion mode)에서 동작하는 이온주입기 분야에 관련된 것이다. 이에 따르면, 기판에 이온을 주입하는 것은, 기판을 플라즈마에 침적하고 수십 V 내지 수십 kV(일반적으로 100kV 미만)의 음전압으로 바이어스를 걸어서 플라즈마 이온을 기판 쪽으로 가속시켜서 기판 내부로 플라즈마가 주입(implant)되도록 하는 전기장을 발생시키는 것을 포함한다. 이러한 방식으로 주입되는 원자를 "도펀트(dopant)"라고 부른다.

이온의 침투 깊이는 그 가속 에너지에 의해 결정된다. 이는, 첫째는 기판에 인가되는 전압에 좌우되고, 둘째는 이온들의 각각의 성질 및 기판의 성질에 좌우된다. 주입되는 원자의 농도는, 제곱 센티미터당의 이온 개수로 표현되는 주입량(dose, 도핑량) 및 주입 깊이에 의존한다.

이온 주입을 수행하는 데 있어서 필수적인 파라미터 중 하나는 주입 도펀트의 주입량이다. 이 주입량은 정확하게 알 수 있어야 한다. 이것은 일반적으로, 바이어스 발생기에 의해 공급되는 전원 전류로써 추산된다.

이하에서는 기판에 인가되는 바이어스가 펄스형태인 상황에 대해서 고려한다.

도 1을 참조하면, 국제특허공보 WO 01/15200에서는 전원장치를 이용하여 기판에 바이어스를 거는 것을 제안하고 있다. 여기서,

ㆍ전기 발생기(GEN)의 양극(+)은 접지에 연결된다.

ㆍ제1 스위치(IT1)의 제1 극은 전기 발생기(GEN)의 음극에 연결되고, 제2 극은 전원장치의 출력 단자(O)에 연결된다.

ㆍ제2 스위치(IT2)의 제1 극은 출력 단자(O)에 연결되고, 제2 극은 접지에 연결된다.

제1 스위치(IT1)가 개방되고 제2 스위치(IT2)가 닫히면, 이온주입기의 등가 정전용량으로 인해서 변위 전류(displacement current)가 생성된다.

이 등가 정전용량은 장치의 모든 기생 정전용량, 즉,

ㆍ케이블의 정전용량,

ㆍ바이어스가 인가되는 부분 및 접지되는 부분 간의 정전용량, 특히, 기판이송 평판(carrier platen)과 주입 챔버 사이의 정전용량,

ㆍ절연 변압기의 정전용량, 및

ㆍ플라즈마 시쓰(plasma sheath)의 정전용량의 합이다.

변위 전류는 이온주입에는 유용하지 않은 전류이지만, 전원 전류에서 파생되는 전류인 것으로 알려져 있다.

따라서 주입량을 추산할 때에는, 이 변위 전류를 감안하여, 전원 전류에서 변위 전류를 빼는 것이 적절하다.

따라서, 미국특허공보 US 6 433 553에서는 기판 캐리어에 평행하게 측정 정전용량 Cm을 배치할 것을 제안한다.

이 측정 정전용량 Cm은 이온주입기의 등가 정전용량과 같아야 하지만, 실제로는 해당 등가 정전용량을 측정하는 것은 불가능하다.

또한, 변위 전류 Id는 시간에 대한 전하 Q의 미분으로 구한다. 즉,

Id = dQ/dt

전하 Q는 전압 V에 측정 정전용량을 곱한 것이다. 즉,

Q = CmㆍV

따라서, Id = CmㆍdV/dt + VㆍdCm/dt 이다.

상기 문헌에서는 위 식에서 첫 번째 항만을 고려한다. 그리고 등가 정전용량은 일정하다고 가정하지만, 특히 플라즈마 시쓰의 변형 때문에 이는 사실이 아니다.

따라서, 본 발명의 목적은 변위 전류를 보다 정확하게 측정하기 위한 것이다.

본 발명은 전원장치를 갖는 이온주입기에 사용되는 제어 모듈을 제공하는데, 이 전원장치는,

ㆍ접지에 연결된 양극을 갖는 전기 발생기,

ㆍ상기 전기 발생기의 음극에 연결되는 제1 극과 전원장치의 출력 단자에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치,

ㆍ상기 출력 단자에 연결되는 제1 극과, 중립 단자에 연결되는 제2 극을 갖는 제2 스위치를 포함한다.

또한, 본 발명의 제어 모듈은 상기 제2 스위치 및 상기 중립 단자 사이에 흐르는 변위 전류를 측정하는 전류측정 회로를 포함한다.

변위 전류는 기판이송 평판과 중립 단자 사이를 흐르는 전류이다.

제1 옵션에서, 상기 중립 단자는 접지에 연결된다.

제2 옵션에서, 상기 중립 단자는, 접지에 연결된 음극을 갖는 전압원의 양극에 연결된다.

제1 실시예에서, 상기 전류측정 회로는 상기 중립 단자에 상기 제2 스위치의 제2 극을 연결하는 케이블을 둘러싸는 코일이다.

제2 실시예에서, 상기 전류측정 회로는, 제2 스위치의 제2 극과 상기 중립 단자 사이에 연결된 측정 저항과, 이 측정 저항에 병렬로 연결된 적분 커패시터와, 상기 측정 저항에 또한 병렬로 연결된 전압 측정 회로를 포함한다.

상기 제어 모듈은, 전기 발생기의 음극과 접지 사이에 배치되는 정류용 커패시터를 추가로 포함하는 것이 유리하다.

따라서 상기 제어 모듈은, 상기 전기 발생기에 의해 공급되는 전원 전류를 추산하는 모듈을 포함하며, 상기 전원 전류 및 상기 변위 전류의 감산을 통해서 주입 전류를 추산하는 제어 회로를 추가로 포함한다.

또한 주입 전류는 전원 전류와 변위 전류 간의 차인바, 주입 전류는 주입되는 이온 전류만을 나타내는 것은 아니다.

양전하는, 기판에 도달하는 양이온에만 전적으로 기인하는 것이 아니라, 기판의 표면에서 방출되는 2차 전자의 생성에 기인한 것이기도 하다.

이온 빔 주입기에서, 2차 전자는 에너지가 거의 없기 때문에 기판 주위에서의 패러데이 케이지(Faraday cage)를 이용하여 2차 전자들을 기판 쪽으로 묶어놓을 수 있다. 여기서 패러데이 케이지는 음전위 장벽에 의해서 광학적으로 닫혀 있다.

플라즈마 침적 모드에서 동작하는 이온주입기에서, 2차 전자는 플라즈마의 양이온의 에너지와 거의 동일한 에너지에 의해 가속되기 때문에 이들 2차 전자를 기판 쪽으로 되돌리는 것이 훨씬 더 어려워진다.

본 발명의 또 다른 목적은, 주입 전류에 관여되는 2차 전자를 고려하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 제어 모듈은, 전기 발생기에 의해 공급되는 전원 전류를 추산하고 2차 전자 검출기에 의해 전달되는 방해 전류를 수신하는 모듈을 포함한다. 그리고 상기 제어 모듈은, 전원 전류로부터 변위 전류 및 방해 전류를 뺌으로써 이온 전류를 추산하는 제어 회로를 추가로 포함한다.

또한, 제어 회로는 분광계로부터 소정의 이온종들의 비율을 수신하여 이 비율을 이온 전류에 배분함으로써 주입량을 추산한다.

본 발명은 또한, 제어 모듈과 기판이송 평판을 포함하되 전원장치의 출력 단자가 기판이송 평판에 연결되는 이온주입기를 제공한다.

이하에서 본 발명은 아래의 설명 및 도면 참조에 의해서 보다 명확해질 것이다. 첨부 도면은 다음과 같다.
도 1은 종래의 고전압 전원장치를 도시한다.
도 2는 제어 모듈을 구비한 이온주입기를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 고전압 전원장치를 도시한다.
도 4는 전류측정 회로의 한 실시예를 나타낸다.
도면에 도시된 것들 중 하나 이상의 구성요소엔 각 도면마다 동일한 부호를 부여하였다.

도 2를 참조하면, 이온주입기는 진공 인클로저(enclosure)(ENV)의 내부와 외부에 배치된 다수의 구성요소들을 포함한다. 마이크로 전자공학 분야에서, 철, 크롬, 니켈, 또는 코발트와 같은 금속 원소에 의한 오염을 줄이길 원하는 경우에는, 인클로저를 알루미나 합금으로 만들 것을 권장한다. 또는 실리콘 또는 실리콘 탄화물을 코팅하는 것도 가능하다.

기판이송 평판(substrate carrier platen)(PPS)은 수직축(AXT)을 중심으로 회전가능한 수평의 원반 형태이며 이온주입을 실시할 기판(SUB)을 수용한다.

인클로저(ENV)의 상부에는, 원통형으로서 수직축(AXP)을 중심에 두고 있는 소스체(source body)(CS)가 수용된다. 이 소스체는 석영으로 제작된다. 소스체(CS)의 외부에는, 첫째로 구속 코일(confinement coil)(BOCi 및 BOCj)가 둘러싸고 있으며, 둘째로 외부 무선주파수(RF) 안테나(ANT)가 둘러싸고 있다. 플라즈마 발생 가스의 인입구(inlet)(ING)는 소스체(CS)의 수직축(AXP)과 동축으로 설치된다. 이 수직축(AXP)은, 이온주입을 위한 기판(SUB)이 위치하고 있는 기판이송 평판(PPS)의 표면과 만난다.

어떠한 종류의 펄스형 플라즈마 소스(예컨대, 유도 결합 플라즈마(ICP: inductively coupled plasma), 헬리콘(helicon), 마이크로웨이브, 아크(arc) 등)라도 사용할 수 있다. 이들 소스는, 높은 전압의 평판 PPS와 접지 전위에 있는 인클로저(ENV) 사이에 발생된 전기장이 소스의 펄스형 동작을 방해할지도 모를 방전 플라즈마를 착화(ignite)시키지 않도록 하기 위한 충분히 낮은 압력 수준에서, 동작해야 한다.

이러한 주입 장치는 또한, 기판(SUB)에 대향하도록 배치된 2차 전자 검출기(DSE)를 포함한다. 이 주입 장치는 또한, 인클로저(ENV) 내부에 배치된 분광계(SPC)(예를 들어, 질량 분광계 또는 광학 분광계)를 포함한다. 분광계는 플라즈마 내의 주입종(implanted species, 이온종)의 비율을 식별한다.

주입기의 제어 모듈(MP)은 필수적으로 네 개의 요소를 포함한다. 즉,

ㆍ고전압 전원장치(PS),

ㆍ변위 전류측정 회로(AMP),

ㆍ전원 전류 추산부(CUR) 및

ㆍ제어 회로(CC).

도 3을 참조하면, 전원장치(PS)는

ㆍ접지에 연결되는 양극을 갖는 고전압 전기 발생기(HT),

ㆍ전기 발생기(HT)의 음극에 연결되는 제1 극과 전원장치의 출력 단자(S)에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치(SW1),

ㆍ출력 단자(S)에 연결되는 제1 극과, 중립(neutralization) 단자(N)에 직접적으로 연결되거나 또는 방전 저항(discharge resistor)(Rd)(일반적으로 저항값은 1kΩ)을 통해서 연결되는 제2 극을 갖는 제2 스위치(SW2)를 포함한다.

전원장치(PS)는 바람직하게는, 전기 발생기(HT)에 병렬로 연결되는 정류용 커패시터(regulation capacitor)(Cr)도 추가로 포함한다.

출력 단자 S는 이온주입기의 기판이송 평판(PPS)에 연결된다.

전원 전류(power supply current) 추산부(CUR)는 전류계이며, 전기 발생기(HT)가 기판이송 평판(PPS)으로 공급하는 전원 전류의 추산치를 출력한다.

중립 단자는 접지에 연결될 수 있으며, 또한, 전압원의 양극에 연결될 수 있다. 이 전압원의 음극은 접지에 연결된다. 이 양전압은, 플라즈마 전위와 실질적으로 동일한 값(통상, +10 V 내지 +20 V의 범위)으로 선택하는 것이 유리하다.

전류측정 회로(AMP)는 제2 스위치(SW2)의 제2 극과 중립 단자(N) 사이에 흐르는 변위 전류(displacement current)를 측정한다.

제1 실시예에서, 이 전류측정 회로는 변위 전류가 통과하는 케이블을 둘러싸는 코일이다. 이 회로는 매우 빠르게 변화하는 순시 전류를 측정하여 그 측정치를 출력한다. 고속의 측정 전자회로에 의존하지 않도록 하기 위하여, 이 전류의 평균값을 측정하는 것이 바람직하다.

따라서, 제2 실시예를 나타낸 도 4를 참조하면, 전류측정 회로(AMP)는 평균화 회로가 된다. 이 회로는, 제2 스위치(SW2)의 제2 극과 중립 단자 사이의 측정 저항(measurement resistor)(Rm)과, 이 측정 저항(Rm)에 병렬로 연결된 적분 커패시터(integration capacitor)(Ci)와, 역시 이 측정 저항(Rm)에 병렬로 연결된 전압 측정 회로 U를 포함한다. 여기서 측정되는 전압은 변위 전류의 평균값을 나타낸다.

측정 저항(Rm)은 그 단자간 전압을 정확하게 측정하기에 충분한 저항값을 가져야 하는데, 일반적인 저항값은 약 10Ω이다.

도 2로 다시 돌아가면, 제어 모듈(MP)은 따라서, 전류 추산부(CUR)로부터 전달된 전원 전류를 수신하고 또한 측정 회로(AMP)에 의해 공급되는 변위 전류를 수신하는 제어 회로(CC)를 포함한다. 주입 전류(이는 전원 전류보다도 주입량을 훨씬 적절하게 나타내는 전류값임)를 계산하기 위하여 상기 두 전류 간의 차를 취한다.

주입량의 측정치는 다음과 같이 재조정된다.

제어 회로는 2차 전자 검출기(DES)에 의해 전달된 방해 전류(disturbance current)를 수신한 다음에, 전원 전류로부터 변위 전류 및 방해 전류를 빼서 이온 전류(ion current)를 산출한다.

주입량의 측정은 분광계(SPC)를 사용함에 의해 더욱 개선된다. 제어 회로는 SPC로부터, 플라즈마의 주입종들의 구성 비율을 수신하고, 이 비율에 이온 전류를 곱하여서 주입량 추산치를 출력한다.

이상에서 설명한 본 발명의 구현형태는 그 구체적 특성에 의해 선택된 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명이 포함될 모든 구현형태를 완전하게 열거할 수는 없다. 특히, 설명한 수단들 중 어느 것이라도, 본 발명의 범위를 넘지 않는 범위에서 등가의 수단으로 대체할 수 있다.

Claims (10)

1. 전원장치를 갖는 이온주입기용 제어 모듈로서,
   ㆍ접지된 양극을 갖는 전기 발생기(HT);
   ㆍ상기 전기 발생기(HT)의 음극에 연결되는 제1 극과, 전원장치의 출력 단자(S)에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치(SW1); 및
   ㆍ상기 출력 단자(S)에 연결되는 제1 극과, 중립 단자(N)에 연결되는 제2 극을 갖는 제2 스위치(SW2);를 포함하고,
   상기 제어 모듈은, 상기 제2 스위치(SW2) 및 상기 중립 단자(N) 사이에 흐르는 변위 전류를 측정하는 전류측정 회로(AMP)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온주입기의 제어 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중립 단자(N)는 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 이온주입기의 제어 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 중립 단자(N)는, 음극이 접지되어 있는 전압원의 양극에 연결되는 것을 특징으로 하는 이온주입기의 제어 모듈.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전류측정 회로(AMP)는 상기 중립 단자(N)에 상기 제2 스위치(SW2)의 제2 극을 연결하는 케이블을 둘러싸는 코일인 것을 특징으로 하는, 이온주입기의 제어 모듈.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전류측정 회로(AMP)는, 제2 스위치(SW2)의 제2 극과 상기 중립 단자(N) 사이에 연결된 측정 저항(Rm)과, 이 측정 저항(Rm)에 병렬로 연결된 적분 커패시터(Ci)와, 상기 측정 저항(Rm)에 병렬로 연결된 전압 측정 회로(U)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온주입기의 제어 모듈.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 발생기(HT)의 음극과 접지 사이에 배치된 정류용 커패시터(Cr)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온주입기의 제어 모듈.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 발생기(HT)에 의해 공급되는 전원 전류를 추산하는 수단(CUR)을 포함하며, 상기 전원 전류 및 상기 변위 전류(AMP)의 감산을 통해서 주입 전류를 추산하는 제어 회로(CC)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온주입기의 제어 모듈.
8. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 발생기(HT)에 의해 공급되는 전원 전류를 추산하고 2차 전자 검출기(DES)에 의해 전달되는 방해 전류를 수신하는 수단(CUR)을 포함하며,
   상기 전원 전류로부터 상기 변위 전류(AMP) 및 상기 방해 전류를 뺌으로써 이온 전류를 추산하는 제어 회로(CC)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온주입기의 제어 모듈.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어 회로(CC)는 분광계(SPC)에 의해 측정된 사전에 정해진 이온종들의 비율을 수신하며, 상기 제어 회로(CC)는 이온 주입량을 추산하기 위해서 상기 비율을 상기 이온 전류에 배분하는 것을 특징으로 하는, 이온주입기의 제어 모듈.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 제어 모듈을 포함하는 이온주입기로서, 기판이송 평판(PPS)을 포함하며, 전원장치(PS)의 출력 단자(S)가 상기 기판이송 평판(PPS)에 연결되는 것을 특징으로 하는 이온주입기.

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