WO2013035983A1 - Apparatus and method for plasma ion implantation - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a plasma ion implantation apparatus and method for enabling plasma ion implantation of elements present in a solid state at room temperature.
- Ion implantation is a technique in which ions are accelerated to tens to hundreds of keV and incident on the surface of a material.
- Ion implantation technology can form a modified layer up to several thousand micrometers below the surface of the material, and forms a gentle composition change layer, so that the coating layer peeling phenomenon due to heterogeneity of the material as in the coating is not fundamentally generated.
- Another advantage of ion implantation technology is that it is a high-energy process, so it is hardly restricted by thermodynamics, and because it is a room temperature process, there is no change in size or deterioration due to heat, and surface roughness is also not significantly affected. Can be.
- it is easy to control the type, thickness and degree of modification of the modified layer by adjusting the type, energy, and amount of implanted ions.
- the conventional ion implantation apparatus is a device developed for doping an impurity onto a semiconductor wafer, which is a planar sample, extracts ions from an ion source, accelerates them, and enters the sample in the form of an ion beam. You should shake the ion beam.
- This method of implanting ions in the form of ion beam has three-dimensional rotation and inclination of the sample for implanting ions into three-dimensional objects such as molds, tools, and mechanical component parts due to the principle of line-of-sight implantation.
- There are technical disadvantages such as the need for masking to prevent sputtering caused by incident ions. It is also a factor that makes the practical application of ion implantation technology difficult, with very expensive equipment costs compared to other surface modification equipment.
- Plasma ion implantation technology is a technology that can achieve surface modification by injecting ions uniformly on the surface of a large-area three-dimensional sample. That is, since plasma and high voltage pulses are used, uniform ion implantation rate to a large area sample is very fast, and an ion beam dispersing device or the like is not necessary.
- the use of plasma eliminates the inherent charge concentration on the sample surface, and the simple device provides excellent clustering with other thin film processing equipment and a very low cost. There is this.
- a plasma ion implantation apparatus and method capable of efficiently ionizing ions of an element present in a solid state at room temperature to a surface of a sample at a low process pressure.
- Plasma ion implantation apparatus is a vacuum chamber that maintains a vacuum state inside, the magnetron deposition source coupled to the vacuum chamber to generate a pulsed plasma inside the vacuum chamber, the position opposite the magnetron deposition source in the vacuum chamber
- a conductive sample mount installed on the sample to mount the sample, and an RF-DC coupling unit for supplying the RF-DC combined power of the RF power and the pulsed DC power to the magnetron deposition source by combining the input pulse DC power and RF power do.
- RF-DC combined power superimposed RF power and pulsed DC power can have a density value of 10W / cm 2 ⁇ 10kW / cm 2 , and the power density of RF power is 0.1W / cm 2 ⁇ 2W / cm 2 . Can be.
- a high voltage pulse power supply for accelerating the pulsed plasma generated from the magnetron deposition source to the sample side and supplying a high voltage pulse synchronized with the pulsed DC power input to the RF-DC coupling part to the sample mount, and is generated from the high voltage pulse power supply.
- the operating frequency of the high voltage pulse is 1Hz to 10kHz, which is the same frequency as the RF-DC combined power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source and the pulsed DC power, and the pulse width is 1usec to 200usec, and the negative pulse high voltage Can be -1kv to -100kV.
- a gas supply unit for supplying a gas to be converted into a plasma inside the vacuum chamber, disposed in the gas supply path between the gas supply unit and the vacuum chamber and controls the pressure of the gas supplied from the gas supply unit into the vacuum chamber to maintain the set pressure inside the vacuum chamber
- the set pressure inside the vacuum chamber can be 0.1 mTorr to 2 mTorr.
- An RF power supply unit for generating RF power and an RF matching unit coupled between the RF power supply unit and the RF-DC coupling unit for RF impedance matching, the pulse current meter for measuring plasma ion implantation current, plasma ion implantation voltage It may further include a monitoring unit for monitoring the plasma ion implantation current and the voltage connected to the pulse voltage meter, and the pulse current meter and the pulse voltage meter, respectively.
- the plasma ion implantation method comprises the steps of placing the sample on the conductive sample mounting inside the vacuum chamber, maintaining the interior of the vacuum chamber in a vacuum state using a vacuum pump, supplying the gas to be plasmaized in the vacuum chamber and the internal pressure Maintaining the phase, supplying the RF-DC combined power of the RF power and the pulsed DC power superimposed on the magnetron deposition source to operate the magnetron deposition source, and applying a negative high voltage pulse to the conductive sample mount.
- the pressure inside the vacuum chamber can be 0.1mTorr ⁇ 2mTorr, RF-DC combined power superimposed RF power and pulsed DC power has a density value of 10W / cm 2 ⁇ 10kW / cm 2 , and frequency is 1Hz ⁇ 10kHz
- the pulse width can be 1usec to 200usec.
- the power density of the RF power superimposed on the pulsed DC power can be 0.1W / cm 2 to 2W / cm 2 , and the operating frequency of the high voltage pulse is the RF-power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source. It is 1 Hz-10 kHz which is the same frequency as DC coupling power, pulse width is 1usec-200usec, and negative pulse high voltage can be -1kv --100kV.
- Plasma ion implantation apparatus and method provides a low frequency plasma ion implantation by supplying RF-DC coupled power with RF superimposition to the magnetron sputtering deposition source and supplying a negative high voltage pulse synchronized to the sample mount. There is an effect that can be performed at process pressure.
- the RF power 4 supplies a superimposed RF-DC combined power and is synchronized with the negative high voltage.
- plasma ions can be effectively implanted into the surface of a sample under low process pressure, and the ions of elements present in the solid state at room temperature can be widely applied to enhance the surface properties through ion implantation of various elements. .
- FIG. 1 is a block diagram showing a plasma ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a graph illustrating a synchronization concept of the RF-DC coupled power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source and the time of the high voltage pulse supplied to the sample of the plasma ion implantation apparatus according to the embodiment of the present invention.
- Figure 3a is a graph showing the discharge current according to the argon pressure of the magnetron deposition source operated using only a simple pulsed DC power according to an embodiment of the present invention.
- Figure 3b is a graph showing the discharge current according to the argon pressure of the magnetron deposition source operated using the RF RF superimposed RF-DC combined power according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a graph illustrating OJ analysis results of measuring a distribution of aluminum elements in a depth direction of a silicon wafer sample in which aluminum plasma ions are implanted according to an exemplary embodiment of the present invention.
- the plasma ion implantation apparatus includes a vacuum chamber 1, a magnetron deposition source 9, a conductive sample mounting unit 12, an RF-DC coupling unit 7, and a high voltage pulse power supply unit 13. .
- the vacuum chamber 1 has an inner space for plasma ion implantation, and the inner space maintains a vacuum state.
- the magnetron deposition source 9 is coupled to the upper side of the vacuum chamber 1 to generate ions of solid elements, and generates a pulsed plasma 10 by the magnetron deposition source 9.
- the conductive sample holder 12 is a portion on which the sample 11 is mounted, and is installed at a position opposite to the magnetron deposition source 9 in the vacuum chamber 1.
- the RF-DC coupling unit 7 combines the input pulse DC power 6 and the RF power 4 so that the RF power 4 and the pulse DC power 6 overlap the magnetron deposition source 9.
- the pulsed DC power 6 is generated in the pulsed DC power supply 5.
- the high voltage pulse power supply unit 13 accelerates the pulsed plasma 10 generated from the magnetron deposition source 9 to the sample 11 and the high voltage synchronized with the pulsed DC power 6 input to the RF-DC coupling unit 7. Pulse 14 is supplied to conductive sample mount 12. The high voltage pulse power supply unit 13 supplies the negative high voltage pulse 14 to the conductive sample holder 12.
- the plasma ion implantation apparatus includes a gas control unit 15, a gas supply unit 16, a vacuum pump 21, a first vacuum valve 22, a second vacuum valve 23, and an RF power supply unit ( 2), the RF matching section 3, the pulse current meter 17, the pulse voltage meter 18, and the monitoring unit 19 further includes.
- the gas control unit 15 is disposed in the gas supply path between the gas supply unit 16 and the vacuum chamber 1 to regulate the gas flow rate.
- the gas regulating unit 15 functions to maintain the set pressure inside the vacuum chamber 1 by adjusting the pressure of the gas supplied from the gas supply unit 16 into the vacuum chamber 1.
- the gas supply unit 16 supplies a gas to be plasmaized into the vacuum chamber 1.
- the vacuum pump 21 functions to maintain the vacuum of the vacuum chamber (1).
- the first vacuum valve 22 is installed in the gas discharge path between the gas control unit 15 and the vacuum chamber 1 to control the flow of the gas amount according to the opening and closing degree.
- Reference numeral 20 means that the vacuum chamber 1 is electrically grounded.
- the second vacuum valve 23 is installed in the gas supply path between the vacuum pump 21 and the vacuum tank 1.
- the RF power supply unit 2 generates the RF power 4.
- the RF matching unit 3 is coupled between the RF power supply unit 2 and the RF-DC coupling unit to perform RF impedance matching.
- the pulse current meter 17 measures the plasma ion implantation current.
- the pulse voltage meter 18 measures the plasma ion implantation voltage.
- the monitoring unit 19 is connected to the pulse current meter 17 and the pulse voltage meter 18, respectively, to monitor plasma ion implantation current and voltage.
- the plasma ion implantation apparatus supplies the RF-DC coupling power 8 with the RF superimposed on the magnetron deposition source 9, and the negative high voltage pulse (synchronized to the conductive sample mount 12) 14) enables plasma ion implantation of solid elements at low process pressures.
- Plasma ion implantation of a solid element is achieved by synchronizing the pulse magnetron deposition source 9 and the high voltage pulse 14 using the RF-DC combined power 8 overlapping the RF power 4 and the pulsed DC power 6. Make it efficient.
- the RF-DC combined power 8 in which the RF power 4 and the pulsed DC power 6 are superimposed is used.
- the negative high voltage pulse 14 By supplying the negative high voltage pulse 14 synchronized with the sample 11 to the sample 11 so that plasma ions generated from the magnetron sputtering deposition source are not lost in energy due to collision with gas particles. Plasma ion implantation is allowed on the surface.
- the RF-DC combined power (8) in which the RF power (4) and the pulsed DC power (6) are superimposed for the operation of the magnetron deposition source (9) the operation using only a simple pulse DC power (6) Operation at lower process pressures is possible. Therefore, it is possible to prevent the loss of ion implantation energy due to collision with other gas particles during plasma ion implantation. In addition, there is no discharge delay phenomenon of the pulsed plasma, which may accelerate the ignition time.
- the pressure inside the vacuum chamber 1 is adjusted to a pressure of 0.1 mTorr to 2 mTorr. For this reason, even if the gas pressure inside the vacuum chamber 1 is lower than 0.1 mTorr, the plasma 10 may be used even when the RF power 4 and the pulsed DC power 6 overlapping the RF-DC combined power 8 are used. ), The energy loss of accelerated ions is very high at the high pressure of 2mTorr or higher due to the frequent collision of the accelerated ions and the surrounding gas particles at the plasma ion implantation. When using a process pressure of 2mTorr, considering that the average collision distance of the ions is only about 4cm, it can be obvious that the ion implantation is not performed smoothly at a pressure of 2mTorr or more.
- the RF power 4 and the pulsed DC power 6 are superimposed on the magnetron deposition source 9 mounted on the vacuum chamber 1.
- the magnetron deposition source 9 is operated by supplying the RF-DC coupling power 8, and the negative high voltage pulse 14 is applied to the conductive sample mount 12 using the high voltage pulse power supply 13.
- Plasma ion implantation process is performed by supplying.
- the high voltage pulses 14 are synchronized as shown in FIG. 2 to operate at the same frequency.
- FIG. 2 is a graph illustrating a synchronization concept of the RF-DC coupled power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source and the time of the high voltage pulse supplied to the sample of the plasma ion implantation apparatus according to the embodiment of the present invention.
- the solid element sputtered from the magnetron deposition source 9 is ionized by a high density plasma.
- the ions of the solid element generated as described above are accelerated to the sample 11 by the negative high voltage pulse 14 supplied to the conductive sample mount 12, and thus ion implantation is performed on the surface of the sample 11 to be synchronized. Should be done.
- the power density of the RF power (4) to be supplied to the magnetron evaporation source (9) has a value of 0.1W / cm 2 ⁇ 2W / cm 2 .
- the frequency of the RF power 4 preferably has a frequency in the 1 to 30 MHz band which is most commonly used. The reason is that it is difficult to maintain the plasma by the RF power 4 when the RF power density uses a value of 0.1 W / cm 2 or less.
- the RF power density of 2W / cm 2 or more is used because the sputtering of the target material by the RF power (4) occurs, a phenomenon that a thin film is deposited on the surface of the sample (11).
- the pulse DC power density supplied to the magnetron deposition source 9 is set to have a value of 10 W / cm 2 to 10 kW / cm 2 .
- the reason for this is that it is difficult to generate a high-density plasma with high ionization rate from the magnetron deposition source 9 with a low pulse DC power 6 of 10 W / cm 2 or less.
- the pulsed DC power supply unit 5 or the RF-DC coupling unit 7 for combining the RF power 4 and the pulsed DC power supply 6. Because.
- the operating frequency and pulse width of the pulsed DC power 6 used in the plasma ion implantation process are to have a frequency of 1 Hz to 10 kHz and a pulse width of 1usec to 200usec. This is because the plasma ion implantation process takes too much time at low frequencies below 1 Hz, thereby reducing the economic value of the present technology. In addition, it is because there is a lot of difficulty in manufacturing the pulsed DC power supply unit 5 that operates at a high frequency of 10kHz or more. When the pulse width is operated with a short pulse width of 1usec or less, the generation of high density plasma is not sufficient, so the ionization rate of the generated solid element is low. On the other hand, when a long pulse width of 200usec or more is used, the process is unstable because an arc is likely to occur in the magnetron deposition source 9 due to the high pulse power.
- the operating frequency, pulse width, and negative (-) pulse high voltage of the high voltage pulse 14 supplied to the conductive sample mount 12 of the plasma ion implantation device are supplied to the magnetron deposition source 9 by the pulse DC power supply 6. It must be synchronized with the same frequency of 1Hz ⁇ 10kHz which is the same frequency as. Pulse widths of 1usec to 200 usec and negative pulse high voltages of -1kv to -100kV are used. For this reason, plasma ion implantation is not effective in the case of a pulse width of less than 1usec, and when plasma is operated by a long pulse of 200usec or more, a negative high voltage supplied to the conductive sample mount 12 causes plasma.
- the sheath expands too much and the plasma is turned off while touching the wall of the vacuum chamber 1.
- this is because an arc is more likely to occur as the time for which the high voltage is supplied to the conductive sample mounting table 12 becomes longer.
- the low voltage of -1kV or less has a disadvantage that the depth of ion implantation on the surface of the sample 11 is too low. This is because the manufacture of the high voltage pulse power supply unit 13 of -100 kV or more is practically difficult.
- the operation of the magnetron deposition source 9 used as the deposition source for thin film deposition is performed by the RF-DC combined power in which the RF power 4 and the pulsed DC power 6 overlap. Operate in pulse mode using (8). Then, by supplying the negative high voltage pulse 14 synchronized with the sample 11, the pulse plasma ions generated from the magnetron in the pulse mode can be effectively accelerated to be implanted into the surface of the sample 11.
- the magnetron deposition source 9 In case of using the RF-DC combined power (8) in which the RF power (4) and the pulsed DC power (6) are superimposed for the operation of the magnetron deposition source (9), the operation using only a simple pulse DC power (6) Operation at lower process pressures is possible. Therefore, it is possible to prevent the loss of ion implantation energy due to the collision with other gas particles during plasma ion implantation, and has the advantage of advancing the ignition time of the pulsed plasma.
- the magnetron deposition source 9 when the magnetron deposition source 9 is operated in a pulsed mode instead of continuous operation, the magnetron deposition source can be supplied at a very high moment when a pulse is supplied while maintaining a low average power so that there is no problem in cooling the magnetron target.
- High density plasma can be generated on the surface of (9). This increases the ionization rate of the element emitted from the surface of the magnetron deposition source 9.
- the ions of the sputtering target element generated in this way are accelerated toward the sample 11 by the synchronized negative high voltage pulse 14 applied to the sample 11 and ions are injected into the surface of the sample 11. do.
- a solid element plasma using a magnetron deposition source 9 and a high voltage pulse 14 to which an RF-DC coupled power 8 in which an RF power 4 and a pulsed DC power 6 are superimposed is supplied.
- Ion implantation experiment was performed as follows. An aluminum target having a diameter of 75 mm and a thickness of 6.35 mm was used as the magnetron deposition source 9 for aluminum ion injection, and a silicon wafer was used as the ion injection sample 11. After attaching the sample 11 to the conductive sample holder 12, the vacuum chamber 1 was evacuated to a vacuum of 3 * 10 -6 Torr, and then argon gas was introduced to introduce the argon pressure inside the vacuum chamber 1.
- the magnetron deposition source 9 was operated by supplying pulsed DC power 6 to the aluminum magnetron deposition source 9, and the RF-DC coupling power 8 supplied to the magnetron deposition source 9 was -1.2 kV, The frequency of the RF-DC coupling power 8 was 100 Hz and the pulse width was 50 usec.
- Figure 3a is a graph showing the discharge current according to the argon pressure of the magnetron deposition source 9 operated using only a simple pulsed direct current (6) according to an embodiment of the present invention
- Figure 3b is an embodiment of the present invention
- the graph shows the discharge current according to the argon pressure of the magnetron deposition source 9 operated using the RF-DC coupled power 8 in which the RF power 4 and the pulsed DC power 6 overlap.
- the minimum operating argon pressure of the aluminum magnetron deposition source 9 is 1.2 mTorr, and the magnetron at a pressure lower than that. It can be seen that the deposition source 9 cannot be operated. Referring to FIG. 3B, it can be seen that the minimum operating argon pressure of the aluminum magnetron deposition source 9 can be lowered to 0.7 mTorr when the pulsed DC power 6 is superimposed on the 10 W RF power 4. .
- the magnetron deposition source 9 is operated by using only the pulsed DC power 6 by the above method, or by using the RF-DC coupled power 8 in which the RF power 4 and the pulsed DC power 6 are superimposed. While the negative high voltage pulse 14 was supplied to the sample 11, the aluminum plasma ion implantation process was performed for 15 minutes. When only the pulsed DC power (6) is used, the operating pressure is 1.5 mTorr. When the RF power (4) and the pulsed DC power (6) are superimposed, the operating pressure is 0.9 mTorr. It was.
- the high voltage pulse 14 value used in the ion implantation experiment was the same as -60 kV and 40usec, and the frequency was synchronized to 100 Hz which is the same as that of the magnetron deposition source 9.
- the high voltage pulse 14 of 40usec is supplied to the conductive sample mount 12 after about 10usec.
- Plasma ion implantation was performed at a high state. After the aluminum plasma ion implantation process, the OJ analysis was performed to determine the distribution of elemental depth in the silicon wafer.
- FIG. 4 also shows a difference in the amount of aluminum ion implanted during the same time. This is because when the RF power 4 is superimposed as described above, since the discharge starts as soon as the pulsed DC power 6 is supplied without the discharge delay phenomenon, the density of the plasma is relatively high. This means that the rate of ion implantation can be increased and the ion implantation process can be performed in a shorter time.
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Abstract
Description
본 발명은 상온에서 고체 상태로 존재하는 원소의 플라즈마 이온주입을 가능하게 하는 플라즈마 이온주입 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma ion implantation apparatus and method for enabling plasma ion implantation of elements present in a solid state at room temperature.
이온주입 기술은 이온을 수십 내지 수백keV로 가속시켜 재료의 표면에 입사시키는 기술이다. 이온주입 기술은 재료의 표면 이하 수천Å까지 개질된 층을 형성할 수 있으며, 완만한 조성 변화층을 형성하므로 코팅에서와 같은 재질의 이질성에 따른 코팅층 박리 현상은 근본적으로 발생하지 않게 된다. 이온주입 기술의 또 다른 장점으로는 고에너지 공정이므로 열역학적인 제한을 거의 받지 않고, 상온 공정이므로 시료의 온도 상승에 따른 크기 변화나 열에 의한 열화 현상이 없으며, 표면조도 또한 크게 영향 받지 않는다는 점을 들 수 있다. 나아가, 주입 이온의 종류, 에너지, 양을 조절함으로써 개질층의 종류, 두께 및 개질 정도의 조절이 용이한 장점이 있다.Ion implantation is a technique in which ions are accelerated to tens to hundreds of keV and incident on the surface of a material. Ion implantation technology can form a modified layer up to several thousand micrometers below the surface of the material, and forms a gentle composition change layer, so that the coating layer peeling phenomenon due to heterogeneity of the material as in the coating is not fundamentally generated. Another advantage of ion implantation technology is that it is a high-energy process, so it is hardly restricted by thermodynamics, and because it is a room temperature process, there is no change in size or deterioration due to heat, and surface roughness is also not significantly affected. Can be. Furthermore, there is an advantage that it is easy to control the type, thickness and degree of modification of the modified layer by adjusting the type, energy, and amount of implanted ions.
그러나, 상기한 이온주입 기술의 많은 장점에도 불구하고 이온주입 기술은 반도체 분야를 제외한 다른 소재 분야에서는 그 이용이 매우 제한적인 상황이다. 그 이유로는 종래의 이온주입 장치는 평면 시료인 반도체 웨이퍼에의 불순물 도핑을 목적으로 개발된 장비로 이온원으로부터 이온을 추출한 후 가속시켜 이온빔의 형태로 시료에 입사시키게 되며, 균일한 이온 주입을 위해서는 이온빔을 흔들어 주어야 한다. 이러한 이온빔 형태로 이온을 주입하는 방법은 견통선(line-of-sight) 주입이라는 원리상의 제약 때문에 금형, 공구 및 기계 요소부품 등과 같은 3차원 물체에의 이온 주입을 위해서는 시료의 3방향 회전 및 경사 입사 이온에 의한 스퍼터링 현상을 막기 위한 마스킹의 필요성 등 기술적인 약점을 갖고 있다. 또한 다른 표면 개질 장비에 비해 매우 비싼 장비 가격과 함께 이온 주입 기술의 실제 응용을 어렵게 하는 요인이라 할 수 있다.However, despite many advantages of the ion implantation technology described above, the use of the ion implantation technology is very limited in other material fields except the semiconductor field. For this reason, the conventional ion implantation apparatus is a device developed for doping an impurity onto a semiconductor wafer, which is a planar sample, extracts ions from an ion source, accelerates them, and enters the sample in the form of an ion beam. You should shake the ion beam. This method of implanting ions in the form of ion beam has three-dimensional rotation and inclination of the sample for implanting ions into three-dimensional objects such as molds, tools, and mechanical component parts due to the principle of line-of-sight implantation. There are technical disadvantages such as the need for masking to prevent sputtering caused by incident ions. It is also a factor that makes the practical application of ion implantation technology difficult, with very expensive equipment costs compared to other surface modification equipment.
이러한 이온빔 방식의 이온주입 기술의 단점을 극복하기 위하여 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하는 플라즈마 이온주입 기술이 개발되고 있다. 플라즈마 이온주입 기술은 대면적 입체 시료의 표면에 균일하게 이온을 주입하여 표면개질을 이룰 수 있는 기술이다. 즉, 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하므로 대면적 시료에의 균일한 이온주입 속도가 매우 빠르며, 이온빔 분산장치 등이 필요하지 않다. 또한, 플라즈마를 이용하므로 시료 표면에의 전하집중 현상(charging)이 본질적으로 존재하지 않게 되며, 장치가 간단하므로 다른 박막 공정 장비와의 결합성(clustering)이 우수하고 장비가격 또한 매우 낮출 수 있는 장점이 있다.In order to overcome the disadvantages of the ion beam ion implantation technology, plasma ion implantation technology using plasma and high voltage pulses has been developed. Plasma ion implantation technology is a technology that can achieve surface modification by injecting ions uniformly on the surface of a large-area three-dimensional sample. That is, since plasma and high voltage pulses are used, uniform ion implantation rate to a large area sample is very fast, and an ion beam dispersing device or the like is not necessary. In addition, the use of plasma eliminates the inherent charge concentration on the sample surface, and the simple device provides excellent clustering with other thin film processing equipment and a very low cost. There is this.
그러나, 현재까지 고안되어 이용되고 있는 플라즈마 이온주입 기술은 대부분이 질소, 산소, 이르곤, 메탄 등 가스 상태의 이온주입만이 가능하며, 일부의 경우(미국 특허 5777438호, 미국 특허 5126163호), 펄스 음극아크를 이용한 고체 원소의 플라즈마 이온주입이 가능하도록 고안되었다. 그러나, 이러한 펄스 음극아크 플라즈마를 이용할 경우, 아크로 인한 큰 크기의 마크로 입자(droplet)의 발생으로 인하여 이온주입 시료의 표면에 증착되는 결과를 가져오며, 이를 방지하기 위하여 자장을 이용한 필터를 이용해야 하는 단점이 있다.However, most of the plasma ion implantation technologies that have been devised and used up to now are possible only in the gaseous state such as nitrogen, oxygen, irgon, methane, and in some cases (US Pat. No. 5,777,438, US Pat. No. 5,126,163). It is designed to enable plasma ion implantation of solid elements using pulse cathodic arcs. However, when the pulsed cathode arc plasma is used, it results in deposition on the surface of the ion implanted sample due to the generation of macro droplets caused by the arc, and a filter using a magnetic field must be used to prevent this. There are disadvantages.
또한, 대한민국 특허 10-1055396 호의 경우와 같이, 별도로 장착된 RF 안테나를 이용하여 유도결합 플라즈마를 발생시킴으로써 플라즈마 이온주입에 유리한 낮은 공정 압력 하에서 마그네트론 스퍼터링 증착원의 작동이 가능하도록 하는 방법이 있다. 그러나, 이와 같은 RF 안테나를 이용할 경우, 안테나 표면에 증착되는 물질의 박리에 따른 오염입자의 발생 원인이 될 수 있으며, 이를 방지하기 위하여 안테나를 수시로 교체해 주어야 하는 단점이 있다.In addition, as in the case of Korean Patent No. 10-1055396, there is a method of enabling the operation of the magnetron sputtering deposition source under low process pressure advantageous for plasma ion implantation by generating an inductively coupled plasma using a separately mounted RF antenna. However, when using such an RF antenna, it may cause the generation of polluted particles due to the peeling of the material deposited on the antenna surface, there is a disadvantage that the antenna must be replaced from time to time to prevent this.
상온에서 고체 상태로 존재하는 원소의 이온을 낮은 공정 압력에서 시료의 표면에 효율적으로 이온주입할 수 있는 플라즈마 이온주입 장치 및 방법을 제공한다.Provided are a plasma ion implantation apparatus and method capable of efficiently ionizing ions of an element present in a solid state at room temperature to a surface of a sample at a low process pressure.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 이온주입 장치는 내부가 진공 상태를 유지하는 진공조, 진공조에 결합되어 진공조 내부에 펄스 플라즈마를 발생하는 마그네트론 증착원, 진공조 내에서 마그네트론 증착원에 대향하는 위치에 설치되어 시료가 장착되는 전도성 시료 장착대, 및 입력되는 펄스 직류전력와 RF전력을 결합하여 마그네트론 증착원에 RF전력과 펄스 직류전력이 중첩된 RF-DC 결합전력을 공급하는 RF-DC 결합부를 포함한다. RF전력과 펄스 직류전력이 중첩된 RF-DC 결합전력은 10W/cm2∼10kW/cm2의 밀도값을 가질 수 있으며, RF전력의 전력밀도는 0.1W/cm2∼2W/cm2로 할 수 있다.Plasma ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention is a vacuum chamber that maintains a vacuum state inside, the magnetron deposition source coupled to the vacuum chamber to generate a pulsed plasma inside the vacuum chamber, the position opposite the magnetron deposition source in the vacuum chamber A conductive sample mount installed on the sample to mount the sample, and an RF-DC coupling unit for supplying the RF-DC combined power of the RF power and the pulsed DC power to the magnetron deposition source by combining the input pulse DC power and RF power do. RF-DC combined power superimposed RF power and pulsed DC power can have a density value of 10W / cm 2 ~ 10kW / cm 2 , and the power density of RF power is 0.1W / cm 2 ~ 2W / cm 2 . Can be.
마그네트론 증착원으로부터 발생된 펄스 플라즈마를 시료 측으로 가속시키며 RF-DC 결합부에 입력되는 펄스 직류전력에 동기화된 고전압 펄스를 시료 장착대에 공급하는 고전압 펄스 전원부를 더 포함하고, 고전압 펄스 전원부로부터 발생되는 고전압 펄스의 작동 주파수는 마그네트론 증착원에 공급되는 RF전력과 펄스 직류전력이 중첩된 RF-DC 결합전력과 동일한 주파수인 1Hz∼10kHz이며, 펄스폭은 1usec∼200usec이고, 음(-)의 펄스 고전압은 -1kv∼-100kV로 할 수 있다.And a high voltage pulse power supply for accelerating the pulsed plasma generated from the magnetron deposition source to the sample side and supplying a high voltage pulse synchronized with the pulsed DC power input to the RF-DC coupling part to the sample mount, and is generated from the high voltage pulse power supply. The operating frequency of the high voltage pulse is 1Hz to 10kHz, which is the same frequency as the RF-DC combined power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source and the pulsed DC power, and the pulse width is 1usec to 200usec, and the negative pulse high voltage Can be -1kv to -100kV.
진공조 내부에 플라즈마화할 가스를 공급하는 가스 공급부, 가스 공급부와 진공조 사이의 가스공급경로에 배치되며 가스 공급부로부터 진공조 내부로 공급되는 가스의 압력을 조절하여 진공조 내부의 설정된 압력을 유지하는 가스 조절부, 가스 조절부와 진공조 사이의 가스공급경로에 설치되는 제1 진공밸브, 진공조의 진공을 유지하는 진공펌프, 및 진공펌프와 진공조 사이의 가스배출경로에 설치되는 제2 진공밸브를 더 포함할 수 있다. 진공조 내부의 설정된 압력은 0.1mTorr∼2mTorr로 할 수 있다.A gas supply unit for supplying a gas to be converted into a plasma inside the vacuum chamber, disposed in the gas supply path between the gas supply unit and the vacuum chamber and controls the pressure of the gas supplied from the gas supply unit into the vacuum chamber to maintain the set pressure inside the vacuum chamber A gas control unit, a first vacuum valve installed in the gas supply path between the gas control unit and the vacuum chamber, a vacuum pump holding the vacuum in the vacuum chamber, and a second vacuum valve installed in the gas discharge path between the vacuum pump and the vacuum chamber It may further include. The set pressure inside the vacuum chamber can be 0.1 mTorr to 2 mTorr.
RF전력을 발생하는 RF 전원부, 및 RF 전원부와 RF-DC결합부와의 사이에 결합되어 RF 임피던스 매칭을 하는 RF 매칭부를 더 포함하며, 플라즈마 이온주입 전류를 측정하는 펄스 전류 측정기, 플라즈마 이온주입 전압을 측정하는 펄스 전압 측정기, 및 펄스 전류 측정기와 펄스 전압 측정기에 각각 연결되어 플라즈마 이온주입 전류와 전압을 모니터링하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.An RF power supply unit for generating RF power and an RF matching unit coupled between the RF power supply unit and the RF-DC coupling unit for RF impedance matching, the pulse current meter for measuring plasma ion implantation current, plasma ion implantation voltage It may further include a monitoring unit for monitoring the plasma ion implantation current and the voltage connected to the pulse voltage meter, and the pulse current meter and the pulse voltage meter, respectively.
한편, 플라즈마 이온주입 방법은 진공조 내부의 전도성 시료 장착대 위에 시료를 위치시키는 단계, 진공 펌프를 이용하여 진공조의 내부를 진공상태로 유지하는 단계, 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급하고 내부압력을 유지하는 단계, 마그네트론 증착원에 RF전력과 펄스 직류전력이 중첩된 RF-DC 결합전력을 공급하여 마그네트론 증착원을 작동시키는 단계, 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 마그네트론 증착원 작동을 위한 펄스 직류전력과 동일한 주파수로 동기시켜 공급하는 단계, 마그네트론 증착원으로부터 발생된 고밀도의 고체원소 플라즈마 이온을 전도성 시료 장착대에 공급되는 음(-)의 고전압 펄스를 이용하여 시료 쪽으로 가속시켜 시료의 표면에 이온을 주입하는 단계를 포함한다.On the other hand, the plasma ion implantation method comprises the steps of placing the sample on the conductive sample mounting inside the vacuum chamber, maintaining the interior of the vacuum chamber in a vacuum state using a vacuum pump, supplying the gas to be plasmaized in the vacuum chamber and the internal pressure Maintaining the phase, supplying the RF-DC combined power of the RF power and the pulsed DC power superimposed on the magnetron deposition source to operate the magnetron deposition source, and applying a negative high voltage pulse to the conductive sample mount. Synchronizing and supplying at the same frequency as the pulsed DC power for operation, by accelerating the high-density solid element plasma ions generated from the magnetron deposition source toward the sample by using a negative high-voltage pulse supplied to the conductive sample holder Implanting ions into the surface of the sample.
진공조 내부의 압력은 0.1mTorr∼2mTorr로 할 수 있고, RF전력과 펄스 직류전력이 중첩된 RF-DC 결합전력은 10W/cm2∼10kW/cm2의 밀도값을 가지며, 주파수는 1Hz∼10kHz이고, 펄스폭은 1usec∼200usec로 할 수 있다. 펄스 직류전력에 중첩된 RF전력의 전력밀도는 0.1W/cm2∼2W/cm2로 할 수 있고, 고전압 펄스의 작동 주파수는 마그네트론 증착원에 공급되는 RF전력과 펄스 직류전력이 중첩된 RF-DC 결합전력과 동일한 주파수인 1Hz∼10kHz이며, 펄스폭은 1usec∼200usec이고, 음(-)의 펄스 고전압은 -1kv∼-100kV로 할 수 있다.The pressure inside the vacuum chamber can be 0.1mTorr ~ 2mTorr, RF-DC combined power superimposed RF power and pulsed DC power has a density value of 10W / cm 2 ~ 10kW / cm 2 , and frequency is 1Hz ~ 10kHz The pulse width can be 1usec to 200usec. The power density of the RF power superimposed on the pulsed DC power can be 0.1W / cm 2 to 2W / cm 2 , and the operating frequency of the high voltage pulse is the RF-power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source. It is 1 Hz-10 kHz which is the same frequency as DC coupling power, pulse width is 1usec-200usec, and negative pulse high voltage can be -1kv --100kV.
플라즈마 이온주입 장치 및 방법은 마그네트론 스퍼터링 증착원에 RF가 중첩된 RF-DC 결합전력을 공급하고, 시료 장착대에 동기화된 음(-)의 고전압 펄스를 공급함으로써, 고체원소의 플라즈마 이온주입을 낮은 공정압력에서 수행 가능한 효과가 있다.Plasma ion implantation apparatus and method provides a low frequency plasma ion implantation by supplying RF-DC coupled power with RF superimposition to the magnetron sputtering deposition source and supplying a negative high voltage pulse synchronized to the sample mount. There is an effect that can be performed at process pressure.
또한, 박막증착을 위한 증착원으로 이용되는 마그네트론 스퍼터링 증착원을 낮은 공정 압력하에서 작동시키기 위하여, RF전력(4)이 중첩된 RF-DC 결합전력을 공급하고, 이와 동기화된 음(-)의 고전압 펄스를 시료에 공급함으로써, 마그네트론 스퍼터링 증착원으로부터 발생된 플라즈마 이온의 가스 입자와의 충돌로 인한 에너지 손실 없이 시료의 표면에 플라즈마 이온주입할 수 있는 효과가 있다. In addition, in order to operate the magnetron sputtering deposition source used as the deposition source for thin film deposition under a low process pressure, the RF power 4 supplies a superimposed RF-DC combined power and is synchronized with the negative high voltage. By supplying the pulse to the sample, there is an effect that the plasma ion implantation on the surface of the sample without energy loss due to the collision of the plasma ions generated from the magnetron sputtering deposition source with the gas particles.
또한, 상온에서 고체 상태로 존재하는 원소의 이온을 낮은 공정 압력 하에서 효과적으로 시료의 표면에 플라즈마 이온주입할 수 있으며, 다양한 원소의 이온주입을 통하여 표면특성을 고기능화하는데 광범위하게 응용될 수 있는 효과가 있다.In addition, plasma ions can be effectively implanted into the surface of a sample under low process pressure, and the ions of elements present in the solid state at room temperature can be widely applied to enhance the surface properties through ion implantation of various elements. .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 이온주입 장치를 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing a plasma ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 이온주입 장치의 마그네트론 증착원에 공급되는 RF전력과 중첩된 RF-DC 결합전력과 시료에 공급되는 고전압 펄스의 시간에 대한 동기화 개념을 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating a synchronization concept of the RF-DC coupled power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source and the time of the high voltage pulse supplied to the sample of the plasma ion implantation apparatus according to the embodiment of the present invention.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 단순 펄스 직류전력만을 이용하여 작동시킨 마그네트론 증착원의 아르곤 압력에 따른 방전 전류를 도시한 그래프이다.Figure 3a is a graph showing the discharge current according to the argon pressure of the magnetron deposition source operated using only a simple pulsed DC power according to an embodiment of the present invention.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 RF가 중첩된 RF-DC 결합전력을 이용하여 작동시킨 마그네트론 증착원의 아르곤 압력에 따른 방전 전류를 도시한 그래프이다.Figure 3b is a graph showing the discharge current according to the argon pressure of the magnetron deposition source operated using the RF RF superimposed RF-DC combined power according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 플라즈마 이온이 주입된 실리콘 웨이퍼 시료의 깊이 방향 알루미늄 원소 분포를 측정한 오제이 분석 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 4 is a graph illustrating OJ analysis results of measuring a distribution of aluminum elements in a depth direction of a silicon wafer sample in which aluminum plasma ions are implanted according to an exemplary embodiment of the present invention.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms as well, unless the context clearly indicates the opposite. As used herein, the term "comprising" embodies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element, and / or component, and other specific characteristics, region, integer, step, operation, element, component, and / or group. It does not exclude the presence or addition of.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Commonly defined terms used are additionally interpreted to have a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed contents, and are not interpreted in an ideal or very formal sense unless defined.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 RF전력과 펄스 직류전력이 중첩된 RF-DC 결합전력을 이용한 펄스 마그네트론 증착원과 고전압 펄스를 동기화시켜 이용하는 플라즈마 이온주입 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 이온주입 장치는 진공조(1), 마그네트론 증착원(9), 전도성 시료 장착대(12), RF-DC 결합부(7), 고전압 펄스 전원부(13)를 포함한다.1 is a block diagram of a plasma ion implantation apparatus using a pulse magnetron deposition source and a high voltage pulse by using a RF-DC combined power superimposed RF power and pulsed DC power according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the plasma ion implantation apparatus includes a
진공조(1)는 플라즈마 이온주입을 위한 내부 공간을 가지며, 내부 공간은 진공 상태를 유지한다. 마그네트론 증착원(9)은 고체원소의 이온 발생을 위해 진공조(1)의 상측에 결합되며, 마그네트론 증착원(9)에 의한 펄스 플라즈마(10)를 발생한다. 전도성 시료 장착대(12)는 시료(11)가 장착되는 부분으로 진공조(1) 내에서 마그네트론 증착원(9)에 대향하는 위치에 설치된다. RF-DC 결합부(7)는 입력되는 펄스 직류전력(6)과 RF전력(4)을 결합하여 마그네트론 증착원(9)에 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 공급한다. 펄스 직류전력(6)은 펄스 직류전원부(5)에서 발생된다. 고전압 펄스 전원부(13)는 마그네트론 증착원(9)으로부터 발생된 펄스 플라즈마(10)를 시료(11) 측으로 가속시키며 RF-DC 결합부(7)에 입력되는 펄스 직류전력(6)에 동기화된 고전압 펄스(14)를 전도성 시료 장착대(12)에 공급한다. 고전압 펄스 전원부(13)는 전도성 시료 장착대(12)에 음(-)의 고전압 펄스(14)를 공급한다.The
한편, 도 1을 참조하면 플라즈마 이온주입 장치는 가스 조절부(15), 가스 공급부(16), 진공펌프(21), 제1 진공밸브(22), 제2 진공밸브(23), RF 전원부(2), RF 매칭부(3), 펄스 전류 측정기(17), 펄스 전압 측정기(18), 및 모니터링부(19)를 더 포함한다.Meanwhile, referring to FIG. 1, the plasma ion implantation apparatus includes a gas control unit 15, a gas supply unit 16, a
가스 조절부(15)는 가스 공급부(16)와 진공조(1) 사이의 가스공급경로에 배치되어 가스 유량을 조절한다. 가스 조절부(15)는 가스 공급부(16)로부터 진공조(1) 내부로 공급되는 가스의 압력을 조절하여 진공조(1) 내부의 설정된 압력을 유지하는 기능을 한다. 가스 공급부(16)는 진공조(1) 내부에 플라즈마화할 가스를 공급한다. 진공펌프(21)는 진공조(1)의 진공을 유지하는 기능을 한다. 제1 진공밸브(22)는 가스 조절부(15)와 진공조(1) 사이의 가스배출경로에 설치되어 개폐정도에 따라 가스량의 흐름을 단속한다. 참조번호 (20)은 진공조(1)가 전기적으로 접지됨을 의미한다. 제2 진공밸브(23)는 진공펌프(21)와 진공조(1) 사이의 가스공급경로에 설치된다. 한편, RF 전원부(2)는 RF전력(4)을 발생한다. RF 매칭부(3)는 RF 전원부(2)와 RF-DC결합부와의 사이에 결합되어 RF 임피던스 매칭을 한다. 펄스 전류 측정기(17)는 플라즈마 이온주입 전류를 측정한다. 펄스 전압 측정기(18)는 플라즈마 이온주입 전압을 측정한다. 모니터링부(19)는 펄스 전류 측정기(17)와 펄스 전압 측정기(18)에 각각 연결되어 플라즈마 이온주입 전류와 전압을 모니터링한다.The gas control unit 15 is disposed in the gas supply path between the gas supply unit 16 and the
상기한 바와 같이 플라즈마 이온주입 장치는 마그네트론 증착원(9)에 RF가 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 공급하고, 전도성 시료 장착대(12)에 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(14)를 공급함으로써, 고체원소의 플라즈마 이온주입을 낮은 공정압력에서 가능하게 한다. RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용하는 펄스 마그네트론 증착원(9)과 고전압 펄스(14)를 동기화시켜 이용함으로써 고체원소의 플라즈마 이온주입을 효율적으로 수행하게 한다. 즉, 박막증착을 위한 증착원으로 이용되는 마그네트론 증착원(9)을 낮은 공정 압력하에서 작동시키기 위하여, RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 공급하고, 이와 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(14)를 시료(11)에 공급함으로써, 마그네트론 스퍼터링 증착원으로부터 발생된 플라즈마 이온이 가스 입자와의 충돌로 인한 에너지 손실 없이 시료(11)의 표면에 플라즈마 이온주입될 수 있도록 한다. 마그네트론 증착원(9)의 작동을 위하여 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용할 경우, 단순한 펄스 직류전력(6)만을 이용하여 작동시키는 경우보다 낮은 공정 압력에서의 작동이 가능하다. 이로 인해, 플라즈마 이온주입시 다른 가스 입자와의 충돌에 의한 이온주입 에너지의 손실을 방지할 수 있다. 또한 펄스 플라즈마의 방전지연 현상이 없어 점화(ignition) 시간을 앞당길 수 있다.As described above, the plasma ion implantation apparatus supplies the RF-
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 이온주입 장치는 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용한 펄스 마그네트론 증착원(9)과 고전압 펄스(14)를 동기화시켜 이용한다. 즉, 진공조(1) 내부에 위치한 전도성 시료 장착대(12)에 시료(11)를 장착한 후, 진공펌프(21)을 이용하여 진공조(1) 내부의 진공도를 고진공 영역까지 배기한다. 이후, 플라즈마를 발생시키기 위한 가스, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 아르곤, 질소, 산소, 메탄 등의 가스를 가스 공급부(16)와 가스 조절부(15)를 통하여 진공조(1) 내부로 인입시켜 진공조(1) 내부의 압력을 0.1mTorr∼2mTorr의 압력으로 조절한다. 그 이유로는, 진공조(1) 내부의 가스 압력이 0.1mTorr 이하의 낮은 압력에서는 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용하더라도 플라즈마(10)의 발생이 어려운 반면, 2mTorr 이상의 높은 압력에서는 플라즈마 이온주입시 가속되는 이온과 주위 가스입자들과의 빈번한 충돌로 인하여 가속되는 이온의 에너지 손실이 매우 심하기 때문이다. 2mTorr의 공정압력을 이용할 경우, 이온들의 평균 충돌거리가 약 4cm에 지나지 않음을 감안하면, 2mTorr 이상의 압력에서는 이온주입이 원활히 이루어지지 않음은 자명하다 할 수 있다.In the plasma ion implantation apparatus according to the embodiment of the present invention, the pulse
상기한 바와 같이 사용 가스 인입 후 진공조(1) 내부의 압력이 안정화되면, 진공조(1)에 장착된 마그네트론 증착원(9)에 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 공급하여 마그네트론 증착원(9)을 작동시킴과 동시에, 고전압 펄스 전원부(13)를 이용하여 전도성 시료 장착대(12)에 음(-)의 고전압 펄스(14)를 공급함으로써 플라즈마 이온주입 공정을 수행한다.As described above, when the pressure inside the
상기한 마그네트론 증착원(9)에 공급하는 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)과 전도성 시료 장착대(12)에 공급하는 음(-)의 고전압 펄스(14)는 도 2에 도시한 바와 같이 동기화시켜 같은 주파수로 작동되도록 한다. The negative power supplied to the RF-
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 이온주입 장치의 마그네트론 증착원에 공급되는 RF전력과 중첩된 RF-DC 결합전력과 시료에 공급되는 고전압 펄스의 시간에 대한 동기화 개념을 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating a synchronization concept of the RF-DC coupled power superimposed with the RF power supplied to the magnetron deposition source and the time of the high voltage pulse supplied to the sample of the plasma ion implantation apparatus according to the embodiment of the present invention.
도 1과 도 2를 참조하면, 낮은 전력의 RF전력(4)에 의하여 저밀도의 플라즈마가 유지되는 마그네트론 증착원(9)에 고전력밀도의 펄스 직류전력(6)이 공급(pulse-on)되는 순간, 마그네트론 증착원(9)으로부터 스퍼터링되는 고체원소는 고밀도의 플라즈마에 의하여 이온화된다. 이와 같이 발생된 고체원소의 이온들은 전도성 시료 장착대(12)에 공급되는 음(-)의 고전압 펄스(14)에 의하여 시료(11)로 가속되어 시료(11)의 표면에 이온주입되므로 반드시 동기화가 이루어져야 한다. Referring to FIGS. 1 and 2, the moment when a high power density pulse DC power 6 is supplied to the
마그네트론 증착원(9)에 공급하는 RF전력(4)의 전력밀도는 0.1W/cm2∼2W/cm2의 값을 갖는다. RF전력(4)의 주파수는 상용적으로 가장 많이 이용되는 1∼30MHz 대역의 주파수를 갖는 것이 바람직하다. 그 이유는 RF전력밀도가 0.1W/cm2 이하의 값을 이용할 경우 RF전력(4)에 의한 플라즈마를 유지하기가 어렵기 때문이다. 반면, 2W/cm2 이상의 RF전력밀도를 이용할 경우 RF전력(4)에 의한 타겟 재료의 스퍼터링이 발생하여 시료(11)의 표면에 박막이 증착되는 현상이 발생하기 때문이다.The power density of the RF power (4) to be supplied to the magnetron evaporation source (9) has a value of 0.1W / cm 2 ~2W / cm 2 . The frequency of the RF power 4 preferably has a frequency in the 1 to 30 MHz band which is most commonly used. The reason is that it is difficult to maintain the plasma by the RF power 4 when the RF power density uses a value of 0.1 W / cm 2 or less. On the other hand, when the RF power density of 2W / cm 2 or more is used because the sputtering of the target material by the RF power (4) occurs, a phenomenon that a thin film is deposited on the surface of the sample (11).
또한, 마그네트론 증착원(9)에 공급하는 펄스 직류전력밀도는 10W/cm2∼10kW/cm2의 값을 갖도록 한다. 그 이유로는, 10W/cm2 이하의 낮은 펄스 직류전력(6)으로는 마그네트론 증착원(9)으로부터 이온화율이 높은 고밀도의 플라즈마 발생이 어렵기 때문이다. 반면, 10kW/cm2 이상의 값을 이용하기에는 현실적으로 펄스 직류전원부(5)나, RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)을 결합시키기 위한 RF-DC 결합부(7)의 제작에 어려움이 많기 때문이다.In addition, the pulse DC power density supplied to the
플라즈마 이온주입 공정에 이용되는 펄스 직류전력(6)의 작동 주파수 및 펄스폭은 1Hz∼10kHz의 주파수와 1usec∼200usec의 펄스폭을 갖도록 한다. 그 이유로는, 1Hz 이하의 낮은 주파수로는 플라즈마 이온주입 공정시간이 너무 많이 소요되므로 본 기술의 경제적인 가치가 감소하기 때문이다. 또한, 10kHz 이상의 높은 주파수로 작동하는 펄스 직류전원부(5)의 제작에 어려움이 많기 때문이다. 펄스폭이 1usec 이하의 짧은 펄스폭으로 작동할 경우, 고밀도 플라즈마의 발생이 충분하지 않으므로 발생된 고체원소의 이온화율이 낮다. 반면, 200usec 이상의 긴 펄스폭을 이용할 경우 높은 펄스 전력으로 인하여 마그네트론 증착원(9)에 아크가 발생할 확률이 높아 공정이 불안정하기 때문이다.The operating frequency and pulse width of the pulsed DC power 6 used in the plasma ion implantation process are to have a frequency of 1 Hz to 10 kHz and a pulse width of 1usec to 200usec. This is because the plasma ion implantation process takes too much time at low frequencies below 1 Hz, thereby reducing the economic value of the present technology. In addition, it is because there is a lot of difficulty in manufacturing the pulsed DC power supply unit 5 that operates at a high frequency of 10kHz or more. When the pulse width is operated with a short pulse width of 1usec or less, the generation of high density plasma is not sufficient, so the ionization rate of the generated solid element is low. On the other hand, when a long pulse width of 200usec or more is used, the process is unstable because an arc is likely to occur in the
플라즈마 이온주입 장치의 전도성 시료 장착대(12)에 공급되는 고전압 펄스(14)의 작동 주파수, 펄스폭 및 음(-)의 펄스 고전압은 마그네트론 증착원(9)에 공급되는 펄스 직류전력(6)과 동일한 주파수인 1Hz∼10kHz의 주파수와 동일한 주파수로 반드시 동기화시켜 이용하여야 한다. 펄스폭은 1usec∼200 usec, 음(-)의 펄스 고전압은 -1kv∼-100kV의 값을 이용한다. 그 이유로는 펄스폭의 경우 1usec 이하의 짧은 펄스폭으로는 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어지지 않으며, 200usec 이상의 긴 펄스로 작동하면 전도성 시료 장착대(12)에 공급되는 음(-)의 고전압에 의한 플라즈마 시스(sheath)가 너무 많이 팽창하여 진공조(1)의 벽에 닿으면서 플라즈마가 꺼질 우려가 있다. 또한, 전도성 시료 장착대(12)에 고전압이 공급되는 시간이 길어짐에 따라 아크가 발생할 가능성이 높기 때문이다. 또한, -1kV 이하의 낮은 전압으로는 시료(11)의 표면에 이온 주입되는 깊이가 너무 낮은 단점이 있다. -100kV 이상의 고전압 펄스 전원부(13)의 제작에는 현실적으로 많은 어려움이 따르기 때문이다.The operating frequency, pulse width, and negative (-) pulse high voltage of the
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 이온주입 장치는 박막증착을 위한 증착원으로 이용되는 마그네트론 증착원(9)의 작동을 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용한 펄스 모드로 작동한다. 그리고 이와 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(14)를 시료(11)에 공급함으로써 펄스 모드의 마그네트론으로부터 발생된 펄스 플라즈마 이온을 효과적으로 가속하여 시료(11)의 표면에 이온주입 될 수 있게 한다. 마그네트론 증착원(9)의 작동을 위하여 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용할 경우, 단순한 펄스 직류전력(6)만을 이용하여 작동시키는 경우보다 낮은 공정 압력에서의 작동이 가능하다. 따라서 플라즈마 이온주입시 다른 가스 입자와의 충돌에 의한 이온주입 에너지의 손실을 방지할 수 있으며, 펄스 플라즈마의 점화(ignition) 시간을 앞당길 수 있는 장점이 있다. 또한, 마그네트론 증착원(9)을 연속적인 작동이 아닌 펄스 모드로 작동할 경우, 마그네트론 타겟의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 공급되는 순간 매우 높은 전력을 공급할 수 있으므로 마그네트론 증착원(9)의 표면에 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이는 마그네트론 증착원(9)의 표면으로부터 방출되는 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 스퍼터링 타겟 원소의 이온들은 시료(11)에 가해지는 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(14)에 의하여 시료(11)쪽으로 가속되며 시료(11)의 표면에 이온이 주입된다.In the plasma ion implantation apparatus according to the embodiment of the present invention, the operation of the
[실험예]Experimental Example
본 발명의 실시예에 따라 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)이 공급되는 마그네트론 증착원(9)과 고전압 펄스(14)를 이용한 고체원소 플라즈마 이온주입 실험을 다음과 같이 실시하였다. 알루미늄 이온주입을 위한 마그네트론 증착원(9)으로 직경 75mm, 두께 6.35mm의 알루미늄 타겟을 이용하였으며, 이온주입 시료(11)로는 실리콘 웨이퍼를 이용하였다. 시료(11)를 전도성 시료 장착대(12)에 장착한 후, 진공조(1)를 3*10-6Torr의 진공도로 배기한 후, 아르곤 가스를 인입시켜 진공조(1) 내부의 아르곤 압력을 0.6mTorr∼2mTorr의 범위에서 변화시켜 가며 실험하였다. 알루미늄 마그네트론 증착원(9)에 펄스 직류전력(6)을 공급하여 마그네트론 증착원(9)을 작동시켰으며, 마그네트론 증착원(9)에 공급한 RF-DC 결합전력(8)은 -1.2kV, RF-DC 결합전력(8)의 주파수는 100Hz, 펄스폭은 50usec로 하였다. 또한, RF전력(4) 중첩의 효과를 알아보기 위하여, 펄스 직류전력(6)만을 공급한 경우와 13.56MHz, 10W의 RF전력(4)(RF전력밀도∼0.2W/cm2)이 중첩된 경우를 비교하였으며, 알루미늄 마그네트론 증착원(9) 작동시의 펄스 플라즈마 발생을 알아보기 위하여 마그네트론 증착원(9)의 방전 펄스전류를 측정하였다.According to an embodiment of the present invention, a solid element plasma using a
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 단순 펄스 직류전력(6)만을 이용하여 작동시킨 마그네트론 증착원(9)의 아르곤 압력에 따른 방전 전류를 도시한 그래프이며, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용하여 작동시킨 마그네트론 증착원(9)의 아르곤 압력에 따른 방전 전류를 도시한 그래프이다.Figure 3a is a graph showing the discharge current according to the argon pressure of the
도 3a를 참조하면, RF전력(4)이 중첩되지 않은 단순 펄스 직류전력(6)만을 공급한 경우에는 알루미늄 마그네트론 증착원(9)의 최저 작동 아르곤 압력이 1.2mTorr로, 그 이하의 압력에서는 마그네트론 증착원(9) 작동이 불가능함을 알 수 있다. 도 3b를 참조하면, 상기의 펄스 직류전력(6)에 10W의 RF전력(4)을 중첩시켜 이용한 경우 알루미늄 마그네트론 증착원(9)의 최저 작동 아르곤 압력을 0.7mTorr까지 낮출 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 3a와 도 3b의 마그네트론 증착원(9) 방전 펄스전류를 살펴보면, 펄스 직류전력(6)만을 이용할 경우 펄스 직류전력(6) 공급 시점과 방전이 개시되는 시점 사이에 20usec 정도의 방전지연이 발생되는 반면, RF전력(4)을 중첩하여 이용할 경우 이러한 방전지연 현상 없이 펄스 직류전력(6)을 공급하자마자 곧바로 방전이 시작됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3A, when only the simple pulsed DC power 6 without RF power 4 is supplied, the minimum operating argon pressure of the aluminum
상기의 방법으로 펄스 직류전력(6)만을 이용하거나, 또는 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용하여, 마그네트론 증착원(9)을 작동시키면서 시료(11)에 음(-)의 고전압 펄스(14)를 공급하여 알루미늄 플라즈마 이온주입 공정을 15분간 행하였다. 펄스 직류전력(6)만을 이용할 경우의 작동 압력은 1.5mTorr로, RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용할 경우의 작동 압력은 0.9mTorr로 하였다. 이온주입 실험시 이용된 고전압 펄스(14)값은, -60kV, 40usec로 동일하게 하였으며, 주파수는 마그네트론 증착원(9)과 동일한 100Hz로 하여 동기화시켰다. 또한, 50usec의 마그네트론 증착원(9)용 펄스 직류전력(6)을 공급 후, 약 10usec 후에 전도성 시료 장착대(12)에 40usec의 고전압 펄스(14)가 공급되도록 함으로써, 알루미늄 펄스 플라즈마 이온밀도가 높은 상태에서 플라즈마 이온주입이 이루어지도록 하였다. 알루미늄 플라즈마 이온주입 공정 후, 실리콘 웨이퍼 내 알루미늄의 깊이 방향 원소 분포를 알아보기 위하여 오제이 분석을 하였다.The
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단순 펄스 직류전력(6)만을 이용하여 1.5mTorr의 압력에서 알루미늄 플라즈마 이온주입된 시료(11)와 10W의 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용하여 0.9mTorr의 압력에서 알루미늄 플라즈마 이온이 주입된 시료(11)의 깊이 방향 알루미늄 원소 분포를 측정한 오제이 분석 결과를 도시한 그래프이다.4 is a
도 4를 참조하여 알루미늄 플라즈마 이온주입된 시료(11)의 알루미늄 분포를 비교하여 보면 그 차이를 확연히 알 수 있다. 즉, 펄스 직류전력(6)만을 이용하여 1.5mTorr에서 이온주입한 시료(11)에 비하여, 10W의 RF전력(4)과 펄스 직류전력(6)이 중첩된 RF-DC 결합전력(8)을 이용하여 0.9mTorr에서 이온주입한 시료(11)가 표면 이하 깊은 지점까지 알루미늄이 이온주입되어 있음을 알 수 있다. 이는 1.5mTorr보다 낮은 공정 압력인 0.9mTorr에서 이온주입이 이루어지므로 충돌에 의한 이온의 에너지 손실이 적어 이온주입 깊이가 깊어지는 것이다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이 같은 시간 동안 이온주입되는 알루미늄의 양에서도 차이를 보이고 있다. 이는 상기한 바와 같이 RF전력(4)을 중첩하여 이용할 경우 방전지연 현상 없이 펄스 직류전력(6)을 공급하자마자 곧바로 방전이 시작되므로 플라즈마의 밀도가 상대적으로 높기 때문이다. 이는 이온주입의 속도를 증가시키고 보다 짧은 시간 안에 이온주입 공정을 수행할 수 있음을 의미한다.By comparing the aluminum distribution of the aluminum plasma ion implanted
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it is within the scope of the present invention.
Claims (14)
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