KR101726185B1 - 이온주입기용 전자방출 캐소드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되는 전자방출 캐소드로서, 상기 아크챔버의 일측에 고정되고, 내부에 필라멘트가 설치되는 공간이 형성된 캐소드 측부와, 상기 아크챔버 방향으로 노출되고, 전자를 방출하는 표면을 가지는 캐소드 전면부를 포함하고, 상기 캐소드 전면부는 함몰 형상의 표면을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

이온주입기용 전자방출 캐소드{Cathode for ion implanter}

본 발명은 이온주입기용 전자방출 캐소드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 소자의 제조에 이용되는 이온주입용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되어 전자를 방출하는 캐소드에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조공정은 크게 증착공정, 포토공정, 식각공정, 이온주입공정으로 이루어진다. 증착공정은 반도체 소자의 전도막 또는 절연막을 형성하는 공정으로서 스퍼터링, 화학증기증착 공정 등이 이용되고, 포토공정은 식각공정의 전단계로서 소정의 패턴을 가지는 광마스크로 감광성수지를 패터팅하는 공정이며, 식각공정은 상기 감광성수지 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 불순문을 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.

이온발생장치에 관한 선행문헌으로는 한국공개특허 제2007-0097661호가 있다. 상기 선행문헌은 외부의 오염원으로부터 분리되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버의 바닥으로 연결되는 튜브를 통해 상기 챔버 내부로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부와, 상기 챔버의 일측 내벽에 형성되어 내부로 공급되는 상기 반응가스를 이온상태로 만들기 위해 외부로부터 인가되는 전원전압에 의해 열전자를 생성하는 필라멘트와, 상기 필라멘트를 둘러싸며 상기 필라멘트에서 생성되는 상기 열전자에 충돌되어 상기 챔버 내부에 충만되는 상기 반응가스를 여기시키는 상기 열전자를 재방출하는 단면이 요철을 갖도록 형성된 캐소드 캡을 포함하는 이온주입설비의 이온발생장치를 개시하고 있다. 상기 선행문헌에 개시된 이온발생장치는 캐소드 캡의 단면적을 증가시켜 반응가스의 이온 생성 효율을 향상시킬 수 있지만, 챔버 내부의 반응가스 압력 편차 등을 고려하지 않아서 이온 생성 효율을 향상시키는데 한계를 가지고 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되는 전자방출 캐소드의 구조를 변경하여 이온발생장치의 이온생성 효율이 향상된 전자방출 캐소드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 전자방출 캐소드를 포함하는 이온발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되는 전자방출 캐소드로서, 상기 아크챔버의 일측에 고정되고 내부에 필라멘트가 설치되는 공간이 형성된 캐소드 측부와, 상기 아크챔버 방향으로 노출되고 전자를 방출하는 표면을 가지는 캐소드 전면부를 포함하고, 상기 캐소드 전면부는 함몰 형상의 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 함몰 형상의 표면은 상기 캐소드 전면부의 외곽부에 형성된 캐소드 함몰 경사부와 상기 캐소드 전면부의 중심부에 형성된 캐소드 함몰 평탄부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 캐소드 함몰 경사부는 오목하게 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 캐소드 전면부는 원형이고, 상기 캐소드 함몰 경사부와 캐소드 함몰 평탄부는 동심원을 이루고, 상기 캐소드 함몰 평탄부의 반지름과 상기 캐소드 함몰 경사부의 폭 비율은 1:0.3 내지 1:5의 범위에 있으며, 상기 캐소드 함몰 평탄부의 함몰 깊이는 상기 캐소드 함몰 평탄부 반지름의 0.5 내지 1.5배인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 상기 이온주입기용 전자방출 캐소드를 포함하는 이온발생장치를 제공한다.

본 발명의 이온주입기용 전자방출 캐소드는 아래의 효과를 가진다.

1. 캐소드 표면에 함몰부가 형성되어 있으므로 전자가 방출되는 표면적이 증가되어 방출되는 전자의 양을 증가시킬 수 있다.

2. 캐소드 표면의 함몰부는 외곽부에 형성된 함몰 경사부와 중심부에 형성된 캐소드 함몰 평탄부를 포함하여, 방출되는 전자의 방향을 불순물 도핑 가스의 밀도가 높은 방향으로 가속될 수 있도록 한다.

3. 캐소드 함몰 경사부가 오목한 형상으로 이루어져 방출되는 전자의 방향을 더욱 일정한 영역으로 제한할 수 있다.

4. 캐소드 함몰 경사부의 외곽부에는 평탄한 외곽 표면을 가져, 예각으로 이루어진 날카로운 단면에서의 전자방출의 집중을 방지할 수 있다.

도 1은 이온주입기용 이온발생장치를 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 이온주입기용 전자방출 캐소도의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 가열된 고체 표면에서 열전자가 방출되는 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 고체 표면에서 열전자가 방출된 후 전기장에 의하여 가속되어 나선형 운동을 하는 전자의 궤적을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 아크챔버 내부의 가스 밀도 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 전자방출 캐소드가 적용된 이온발생장치에서 전자의 가속 궤적을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되는 전자방출 캐소드로서, 상기 아크챔버의 일측에 고정되고 내부에 필라멘트가 설치되는 공간이 형성된 캐소드 측부와, 상기 아크챔버 방향으로 노출되고 전자를 방출하는 표면을 가지는 캐소드 전면부를 포함하고, 상기 캐소드 전면부는 함몰 형상의 표면을 가지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 이온주입기용 이온발생장치를 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 캐서드 사이에 형성된 전계에 의하여 필라멘트에서 방출된 열전자가 캐소드와 충돌하면서 캐소드의 표면에서 다시 전자가 방출된다. 아크챔버(104)는 캐소드에서 전자가 방출되는 방향으로 소정의 공간을 형성하는데, 일방향으로 불순물 도핑에 이용되는 가스와 캐리어 가스가 주입되도록 가스 주입부(105)가 형성되어 있고, 다른 방향으로는 가스와 이온들이 방출되는 이온 방출부(106)가 형성되어 있다. 아크챔버(104)에는 전원부가 연결되어서 캐소드에서 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 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 방출부(106)의 하부에는 전기장을 이용하여 이온을 가속시키고, 특정 종류 및 특정 에너지를 가지는 이온을 필터링하는 분석장치가 설치되어 있다.

본 발명의 이온주입기용 전자방출 캐소드는 표면에 함몰 형상을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 함몰 형상은 2가지 기능을 가지고 있는데, 첫 번째는 캐소드의 표면적을 증가시켜 방출되는 전자의 양을 증가시키는 기능이고, 두 번째는 캐소드의 표면 구조를 변경하여 이온화되어야 할 도핑가스의 밀도가 높은 영역으로 전자의 운동 궤적이 집중되도록 하는 것이다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 이온주입기용 전자방출 캐소도의 구조를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 캐소드(102)는 필라멘트가 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하는 캐소드 측부(102a)와 전자를 방출하는 표면을 제공하는 캐소드 전면부로 이루어진다.

캐소드 측부(102a)는 소정의 길이는 가지는 관 형태로 이루어질 수 있고, 내부에는 캐소드 내부공간(102g)이 형성되고 있으며, 체결부(102e)가 형성되어 있다.

캐소드 전면부는 함몰 형상의 표면을 가지고, 캐소드 전면 테두리부(102b), 캐소드 함몰 경사부(102c) 및 캐소드 함몰 평탄부(102d)를 포함한다. 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 경사부(102c)는 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 경사부(102c)는 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 평탄부(102d)는 캐소드 전면부의 중심부에 형성되고 평탄한 표면을 가지는데, 캐소드 함몰 경사부(102c)의 폭(x)과 캐소드 함몰 평탄부(102d)의 반지름(y/2)의 비율을 조절하여 이온화 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 캐소드 전면부가 원형을 이루면서 캐소드 함몰 경사부와 캐소드 함몰 평탄부가 동심원을 이루는 경우에, 캐소드 함몰 평탄부의 반지름(y/2)과 캐소드 함몰 경사부의 폭(x) 비율은 1:0.3 내지 1:5의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 비율이 1:0.3 미만이면 경사부에 의한 전자방출 방향 제어의 효과가 발생하기 어렵고, 상기 비율이 1:5를 초과하면 전자방출 방향이 지나치게 중앙부로 집중되어서 이온화 효율이 낮아진다. 또한, 캐소드 함몰 평탄부의 함몰 깊이는 상기 캐소드 함몰 평탄부 반지름의 0.5 내지 1.5배인 것이 바람직한데, 0.5 미만이면 캐소드 면적의 증가에 효과가 발생하기 어렵고, 1.5를 초과하면 전자방출 방향이 지나치게 중앙부로 집중되어서 이온화 효율이 낮아진다.

도 3은 가열된 고체 표면에서 열전자가 방출되는 각도를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 고체 표면이 가열되면 내부의 전자들이 일함수 이상의 에너지를 가지면서 외부로 방출되는데, 그 방출되는 방향은 표면에서 90도의 각도인 경우의 분포가 가장 많다. 표면에 직각인 방향을 0°라 하면, θ값이 커질수록 전자의 방출밀도는 낮아질 것으로 예상되고, 이는 정규분포를 이룰 것을 생각된다.

도 4는 고체 표면에서 열전자가 방출된 후 전기장에 의하여 가속되어 나선형 운동을 하는 전자의 궤적을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (가)를 참조하면, 캐소드 표면에서 전자가 방출되는 경우에, 캐소드 함몰 평탄부에서는 주로 캐소드 전면부와 직각인 방향으로 전자가 방출되고, 캐소드 함몰 경사부에서는 캐소드 전면부의 중앙 영역으로 전자가 방출된다. 방출된 전자들은 아크챔버 내부에 형성된 전기장과 자기장을 따라 이동하는데, 나선운동을 제외한 평균적인 이동방향은 리펠러 방향 또는 아크챔버의 벽쪽 방향이 되게 된다. 이때, 본 발명과 같이 캐소드 함몰 경사부가 있는 경우에는 가속되어 이동하는 전자의 밀도가 캐소드의 중앙 영역으로 집중될 수 있다. 그러나 도 4의 (나)와 같이 캐소드 전면부가 평탄한 경우에는 이러한 효과를 기대할 수 없다. 아래에서 도 5를 이용하여 캐소드에서 방출된 전자들이 왜 캐소드의 중앙영역으로 집중되는 것이 유리한지 설명한다.

도 5는 아크챔버 내부의 가스 밀도 분포를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 아크챔버(104)에는 가스 주입부(105)와 이온 방출부(106)가 형성되어 있고, 가스 주입부로 주입된 도핑가스와 캐리어 가스는 일부가 이온화되어 이온 방출부로 배출된다. 이때 아크챔버 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.

도 6은 본 발명의 전자방출 캐소드가 적용된 이온발생장치에서 전자의 가속 궤적을 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 캐소드 중심영역으로 나선형 운동을 하는 전자의 밀도가 높다는 것을 알 수 있다(도면에서의 전자의 이동경로는 정확한 경로로 도시된 것은 아니지만, 캐소드 중심 영역으로 이동하는 전자의 양이 많다는 것을 설명하기 위하여 편의상 이와 같이 도시함).

아래에서는 본 발명의 전자방출 캐소드에서 캐소드 함몰 경사부 폭과 캐소드 함몰 평탄부의 반지름 폭을 변화시키면서 이온화 효율을 측정한 결과를 실시예를 제시한다.

실시예 1

캐소드 전면부가 10.85mm의 반지름을 가지고, 캐소드 전면 테두리부가 0.99mm, 캐소드 함몰 경사부의 폭이 5mm, 캐소드 함몰 평탄부의 반지름이 4.86mm를 가지도록 텅스텐을 가공하여 캐소드를 제조하였다. 이때, 캐소드 함몰 평탄부의 함몰 깊이는 5mm였고, 캐소드 함몰 경사부의 곡률은 R5였다.

실시예 2

캐소드 함몰 경사부의 폭이 2.5mm이고, 캐소드 함몰 평탄부의 반지름이 7.36mm이며, 캐소드 함몰 경사부의 곡률이 R6.25인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 캐소드를 제조하였다.

실시예 3

캐소드 함몰 경사부의 폭이 7.5mm이고, 캐소드 함몰 평탄부의 반지름이 2.36mm이며, 캐소드 함몰 경사부의 곡률이 R8.12인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 캐소드를 제조하였다.

실시예 4

캐소드 함몰 경사부의 폭이 1.5mm, 캐소드 함몰 평탄부의 반지름이 8.36mm이며, 캐소드 함몰 경사부의 곡률이 R3.75인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 캐소드를 제조하였다.

실시예 5

캐소드 함몰 경사부의 폭이 8.5mm, 캐소드 함몰 평탄부의 반지름이 1.36mm이며, 캐소드의 함몰 경사부의 곡률이 R7.93인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 캐소드를 제조하였다.

비교예 1

캐소드 전면부가 전체적으로 평탄한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 캐소드를 제조하였다.

비교예 2

캐소드 전면부에 딤플을 형성하여 캐소드 전면부의 면적이 비교예 1보다 약 25% 증가하도록 한 것(실시예 1의 경우도 비교예 1보다 캐소드 전면부의 면적이 25% 증가됨)을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 캐소드를 제조하였다.

실험예

실시예들과 비교예들의 캐소드가 설치된 이온발생방치를 작동시켜서 이온의 발생효율을 비교하기 위하여 빔(Beam) 전류(단위:mA)를 측정하였다. 이때 아크 챔버의 폭 40mm, 길이 105mm, 높이 40mm, 리펠러와 거리 85mm, 가스는 알곤을 사용하였으며, 압력은 2.5 torr 였다. 아크 챔버에 공급된 전압은 80V로 공급되었으며, 필라멘트에 공급된 전류는 160A이고 캐소드와 리펠러에 공급된 전압은 600V 였다

실시예들과 비교예들에서 측정된 빔 전류를 표 1에 정리하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
빔 전류	23.0mA	20.1mA	19.8mA	18.2mA	17.9mA	17.4mA	16.7mA

표 1을 참조하면, 실시예들이 비교예들에 비하여 이온발생 효율이 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: 캐소드 함몰 경사부
102d: 캐소드 함몰 평탄부 102e: 체결부
102g: 캐소드 내부공간 104: 아크챔버
105: 가스 주입부 106: 이온 방출부
110a, 110b: 마그네트

Claims (5)

1. 이온주입기용 이온발생장치의 아크챔버 내부에 설치되는 전자방출 캐소드에 있어서,
   상기 아크챔버의 일측에 고정되고, 내부에 필라멘트가 설치되는 공간이 형성된 캐소드 측부; 및
   상기 아크챔버 방향으로 노출되고, 전자를 방출하는 표면을 가지는 캐소드 전면부;를 포함하고,
   상기 캐소드 전면부는 함몰 형상의 표면을 가지고,
   상기 함몰 형상의 표면은 상기 캐소드 전면부의 외곽부에 형성된 캐소드 함몰 경사부와, 상기 캐소드 전면부의 중심부에 형성된 캐소드 함몰 평탄부와, 상기 캐소드 전면부의 최외곽부에 형성된 캐소드 전면 테두리부를 포함하고, 상기 캐소드 함몰 경사부는 오목하게 형성되며,
   상기 캐소드 전면부는 원형이고, 상기 캐소드 함몰 경사부와 캐소드 함몰 평탄부는 동심원을 이루고, 상기 캐소드 함몰 평탄부의 반지름과 상기 캐소드 함몰 경사부의 폭 비율은 1:0.3 내지 1:5의 범위에 있으며, 상기 캐소드 함몰 평탄부의 함몰 깊이는 상기 캐소드 함몰 평탄부 반지름의 0.5 내지 1.5배이고 곡률 반경이 R3.75 이상 내지 R8.12 이하인 것을 특징으로 하는 이온주입기용 전자방출 캐소드.
2. 삭제
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5. 청구항 1의 이온주입기용 전자방출 캐소드를 포함하는 이온발생장치.

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