공개특허 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) (11) 공개번호 (43) 공개일자 2008년08월06일 (51) Int. Cl. H05H 1/34 ( ) H05H 1/24 (20

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영대 엄
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1 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) (11) 공개번호 (43) 공개일자 2008년08월06일 (51) Int. Cl. H05H 1/34 ( ) H05H 1/24 ( ) H05H 3/02 ( ) (21) 출원번호 (22) 출원일자 2007 년 02 월 02 일 심사청구일자 전체청구항수 : 총 4 항 2007 년 02 월 02 일 (71) 출원인 재단법인서울대학교산학협력재단 서울특별시관악구봉천 7 동산 4 의 2 번지 (72) 발명자 황용석 서울서초구방배 3 동대우효령아파트 김윤재 서울송파구오륜동올림픽선수촌아파트 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 김병주, 김성헌 (54) 양의바이어스전극에의한인출구주변국부방전을이용한고휘도플라즈마이온빔발생장치 (57) 요약 본발명은집속이온빔장치에적용되는고휘도이온원에관한것으로, 불활성종및다양한종류의이온빔생성과대면적플라즈마를통해다중이온빔인출시스템구현이가능한고휘도플라즈마이온원장치에관한것이다. 특히마이크로사이즈의인출구가가공된양의바이어스전극을설치하여인출구주위에추가적인방전을일으키고그에따라국부적으로발생한고밀도플라즈마를이용하여, 기존플라즈마이온원의빔손실에따른문제를억제한새로운고휘도이온빔을인출하는방법에관한것이다. 대표도 - 도 2-1 -

2 (72) 발명자 박용신 서울강남구도곡 1 동 번지대원빌라 203 호 박동희 서울성북구하월곡동한국과학기술연구원청정연구동 6319 호 - 2 -

3 특허청구의범위청구항 1 이온빔인출전극구조로서, 플라즈마를고전압으로부유시키는플라즈마전극 (6) 과 ; 상기플라즈마전극으로부터일정거리이격되어있으며이온빔이인출되는접지전극인출구가형성된접지전극 (8) 과 ; 상기접지전극과상기플라즈마전극사이에형성되며추가적인방전을통해고밀도플라즈마를만들기위해유전체로일부가가려진채플라즈마와대면하고있으며상기플라즈마전극의플라즈마전위보다더높은전압이인가되며이온빔이인출되는바이어스전극인출구가형성되는데상기바이어스전극인출구는상기접지전극인출구보다그직경이작으며 0.1mm 이하의구경을갖는, 바이어스전극 (7) 을포함하는, 이온빔인출전극구조청구항 2 제1항에있어서, 상기바이어스전극은상기바이어스전극에인가된양의전압에의해가속되어진전자들이상기바이어스전극인출구주변의중성입자들을이온화하여인출구주변과인출구안쪽에고밀도의새로운플라즈마를형성하게되는역치전압이상의전압이인가된것을특징으로하는, 이온빔인출전극구조청구항 3 제1항에있어서, 상기이온빔인출전극구조는플라즈마를발생시키기위한플라즈마발생부를더포함하고상기플라즈마발생부는고주파플라즈마가생성되는챔버와 ; 상기챔버의상부에평판형으로형성된유전체와 ; 상기챔버와상기유전체의상부에위치하여상기챔버의주위로감긴외측안테나를포함하며, 상기챔버와플라즈마전극을접합시켜플라즈마기준전위면적을넓게만든것을특징으로하는, 이온빔인출전극구조청구항 4 제1항내지제3항중어느한항에있어서, 상기이온빔인출전극구조는하나이상의바이어스전극인출구와접지전극인출구가형성된것을특징으로하는, 다중이온빔인출전극구조 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 <4> <5> <6> 발명이속하는기술및그분야의종래기술본발명은집속이온빔장치에적용되는고휘도이온원에관한것으로, 불활성종및다양한종류의이온빔생성과대면적플라즈마를통해다중이온빔인출시스템구현이가능한고휘도플라즈마이온원장치에관한것이다. 특히마이크로사이즈의인출구가가공된바이어스전극을설치하여인출구주위에추가적인방전을일으키고그에따라국부적으로발생한고밀도플라즈마를이용하여, 기존플라즈마이온원의빔손실에따른문제를억제한새로운고휘도이온빔을인출하는방법에관한것이다. 좀더구체적으로설명하면, 본발명은가스가공급되어플라즈마가발생되는발생부와발생부와접지전극사이에고전압을인가함으로써이온빔을인출하는인출부로이루어진플라즈마이온원에, 접지전극과발생부사이에고전압준위보다수십볼트에서수백볼트높게부유된바이어스 (Bias) 전극을배치하여플라즈마와바이어스전극사이에국부적인방전을이끌어내고, 그에따라바이어스전극근처에고밀도플라즈마를발생시켜고밀도플라즈마가바이어스전극에가공된밀리미터보다작은크기의인출구안으로침투할수있게되어, 결국이온빔방출면의위치를접지전극쪽으로근접시켜고전류의고휘도이온빔을인출할수있는방법에관한것이다. 나노기술은궁극적으로는나노크기의물체를이용한소재및소자와관련이있는기술이지만, 이기술의핵심은 - 3 -

4 사용하는물질자체보다는임의의물질을나노미터크기로제어하여형성하고정밀측정할수있는나노공정및나노측정기술의개발에있다. 따라서이러한나노공정에적용할수있는나노장비 (Tool) 의개발및연구가나노기술의핵심이라고할수있다. 나노장비는나노미터범위에속하거나나노미터급정밀도나해상도 ( 분해능 ) 로가공또는분석할수있는장비로대별될수있다. 나노가공장비는대상물질을변형시킬수있는장비로서기존의반도체공정장비를개조하여적용하고있다. 나노분석장비역시기존의박막측정장비및분광장비등을이용하여나노기술에적용하고있는실정이다. 나노가공및분석기술에서가장중요한기술은가공및분석의도구가되는이온빔기술이다. 즉, 위치분해능을나노미터급으로하기위해서는입사되는이온빔의크기가나노미터급으로집속되어야하는데, 집속이온빔 (Focused Ion Beam, FIB) 기술은입사이온빔의크기를수 ~ 수십nm 크기로집속할수있는기술로서나노공정장비에서는필수적인기술이다. <7> <8> 집속이온빔의품질및집속능을결정하는것은이온원과이온광학부분이다. 정전렌즈및편향장치등을이용하는이온광학부분은 1900년대중반부터많이연구되어왔고, 많은설계정보및공학적노하우가알려져있다. 하지만이온원에있어서는아직까지여러가지해결해야할문제가남아있는실정이다. 집속이온빔장치에사용되는이온원은고휘도 (High brightness), 낮은에너지퍼짐, 안정성등의특성을지녀야한다. 이는이온원에서나온이온빔의품질에따라정전렌즈를통해집속할수있는한계가결정되기때문이다. 이러한이유로기존의상용집속이온빔시스템에서는휘도특성이좋은전계방출이온원인액체금속이온원 (Liquid metal ion source, LMIS) 을사용하여왔다. 그러나액체금속이온원의경우, 1) 융점에서증기압이낮은금속류 (Ga) 만을이용할수있어서다양한이온빔생산이불가능하다는점, 2) 점선원 (Point source) 이기때문에하나의이온원에서다중빔을인출하는구조가불가능하다는점, 3) 상대적으로넓은이온에너지편차등의단점으로인하여그개선및대체이온원의개발이요구되고있다. 또한고에너지로실리콘기판에입사된갈륨이온빔은원치않는불순물확산층을형성하고, 이는알루미늄배선과반응하여부식시켜전자이동속도의저하등대상물의성능저하에영향을주게된다. 또한구리기판에고에너지갈륨이온빔을입사시켜이온밀링 (ion milling) 공정을수행할때, Cu 3 Ga 형상합금 (phase alloy) 이형성되어서밀링 (milling) 공정에저항성분으로작용하여공정시간을증가시키고, 고르지않은프로파 일 (uneven profile) 형성의원인이된다. 또한리소그래피, 나노측정용마이크로프루브 (microprobe) 등에필요 한경이온종생산이불가능하다는점도액체금속이온원의단점으로지목된다. <9> 전계방출원리를이용한액체금속이온원과달리, 플라즈마이온원은도 1에도시된것과같이, 유도결합플라즈마, 헬리콘플라즈마, 전자공명가열플라즈마등의방식을이용하여플라즈마 (A) 를생성한후, 플라즈마와대면하는부분에고전압을인가한플라즈마전극 (B) 을위치하고, 접지전극 (C) 을수 mm 거리를두고배치하며, 플라즈마전극과접지전극에가공된구경 (Aperture) 를통해양전하이온빔 (F) 을인출하는방식이다. 플라즈마의전자밀도와고전압전극과접지전극간의전계가평형을이루는플라즈마면 (D) 이생기고이면이이온방출면이된다. 플라즈마를이용한이온원의경우, 입체각당전류밀도가액체금속이온원보다높고, 불활성종및경이온종등다양한이온종의이온빔을생산할수있으며, 대면적에걸친플라즈마를발생시켜다중의구경으로다중의이온빔을인출할수있다는장점이있다. 그러나플라즈마이온원은이온이방출되는면적 (Virtual source) 이크기때문에휘도가낮아서현재까지는집속이온빔을위한고휘도이온원으로서는부적합하였다 <10> <11> <12> 발명이이루고자하는기술적과제본발명은상기한종래의제반문제점을해소하기위하여안출된것으로, 본발명의목적은, 고휘도플라즈마이온원을위해서인출구경 (aperture) 의크기가 0.01~0.1mm인구조에서플라즈마이온빔이인출될수있도록플라즈마와대면하는전극에플라즈마전위이상의양전압을인가하여국부방전의형성을통하여, 0.01~0.1mm 크기의인출구경을통한고전류및고휘도이온빔인출이가능한장치를제공하는것이다. 본발명의다른목적은, 액체금속이온원이가지고있는고휘도성을유지하면서, 불활성종및경이온종등다양한이온종을생산할수있으며다중이온빔생산이가능한새로운구조의이온원및그것을채용한집속이온빔장치를제공하는데있다. 기존의플라즈마이온원에서통상적으로사용되었던인출구경의직경은대략수mm~ 수cm로서이는발생된플라즈마의쉬스 (sheath) 폭 ( 도1에서 E) 보다매우큰사이즈였다. 따라서플라즈마전극과접지전극사이에작용하는높은전기장이플라즈마쉬스면을변조하여오목형태의최적이온빔방출면 (E) 을결정하게된다. 그러나플라즈마이온원이고휘도를달성하기위해서는낮은에미턴스특성을가져야한다. 여기서에미턴스는빔의반경과횡방향속도성분에의해이온빔이퍼지는각을곱한측정치이며, 위상공간면적에비례하는양이다. 엄밀히정 - 4 -

5 의하면빔에미턴스 (beam emittance) 는 6 차원위상공간에서빔입자들이차지하는형상 (pattern) 과관계가있 다. 에미턴스는다음과같이이론적으로계산된다. <13> <14> <15> 여기서 r 0 는인출구경의반경, T i 는이온온도, A 는이온종의질량이다. 위식에서알수있듯이, 낮은에미턴스 를위해서는인출구경의크기가작아져야한다. 플라즈마이온원이전계방출이온원과같은수준의저에미턴스또는매우작은 virtual source size를갖기위해서는인출구경의크기를수마이크로미터수준까지줄여야한다. 그러나이온원에서발생되는일반적인플라즈마쉬스크기는대략 0.2~0.5mm이므로이이하의인출구경크기로는기존의이온빔인출이론을적용할수없으며이온빔방출면또한변조될수없다. <16> 이에본발명에서는접지전극과플라즈마발생부사이에고전압준위보다수십볼트에서수백볼트까지높게부유된바이어스 (Bias) 전극을배치하여바이어스전극가까이에추가적인방전으로인한고밀도플라즈마를발생시켜이온빔인출이가능케하는방법을제시한다. 새로운고밀도플라즈마가쉬스영역을채워마이크로사이즈의인출구안으로플라즈마가침투하게된다. 그에따라이온빔방출면의위치가접지전극쪽으로근접한다. 이경우높아진플라즈마밀도에따라인출가능한이온의수가늘뿐만아니라이온빔방출면이인출부쪽으로접근함에따라이온의인출이용이해짐으로인해마이크로사이즈의작은인출구를통해서도고전류고휘도이온빔인출이가능하다. <17> <18> <19> <20> <21> <22> <23> <24> <25> <26> <27> <28> <29> 발명의구성및작용상기한바와같은목적을달성하기위하여, 이온빔인출전극구조를제공하는데, 플라즈마를고전압으로부유시키는플라즈마전극 (6) 과 ; 상기플라즈마전극으로부터일정거리이격되어있으며이온빔이인출되는접지전극인출구가형성된접지전극 (8) 과 ; 상기접지전극과상기플라즈마전극사이에형성되며추가적인방전을통해고밀도플라즈마를만들기위해유전체로일부가가려진채플라즈마와대면하고있으며상기플라즈마전극의플라즈마전위보다더높은전압이인가되며이온빔이인출되는바이어스전극인출구가형성되는데상기바이어스전극인출구는상기접지전극인출구보다그직경이작으며 0.1mm 이하의구경을갖는, 바이어스전극을포함할수있다. 상기바이어스전극은상기바이어스전극에인가된양의전압에의해가속되어진전자들이상기바이어스전극인출구주변의중성입자들을이온화하여새로운플라즈마를형성하게되는역치전압이상의전압이인가된것일수있다. 상기이온빔인출전극구조는플라즈마를발생시키기위한플라즈마발생부를더포함하고상기플라즈마발생부는고주파플라즈마가생성되는챔버와 ; 상기챔버의상부에평판형으로형성된유전체와 ; 상기챔버와상기유전체의상부에위치하여상기챔버의주위로감긴외측안테나를포함하며, 상기챔버와플라즈마전극을접합시켜플라즈마기준전위면적을넓게만든것일수있다. 상기이온빔인출전극구조는하나이상의바이어스전극인출구와접지전극인출구로형성된것일수있다. 이하, 본발명을한정하지않는바람직한실시예를첨부된도면에의하여상세히설명하기로한다. 도 2는본발명에의한바이어스전극을이용한고휘도플라즈마이온빔발생장치의개략구조를도시한단면도이다. 상기도 2에도시된바와같이본발명의바이어스전극을이용한고휘도플라즈마이온빔발생장치는크게세부분, 즉플라즈마발생부, 인출부, 공정부로나누어진다. 플라즈마발생부는유도결합또는유사한고주파플라즈마가생성되는유전체챔버 (18), 이챔버 (18) 에반응가스를공급하기위한가스주입구 (11), 상기챔버 (18) 내부를낮은압력으로유지하고반응이끝나면반응가스를 - 5 -

6 배출하기위한배출펌프 (9) 및배출구 (10), 상기챔버 (18) 측면에설치되며다수의턴수로감겨지는고주파안 테나 (15) 와, 상기안테나에고주파전력을인가하는고주파전원 (2) 및임피던스정합을위한회로 (3) 로구성된 다. <30> <31> <32> <33> 인출부는플라즈마전위를고전압으로부유시키는플라즈마전극 (6), 고전압에서수십에서수백 Volt 내외의양전압으로부유되는바이어스전극 (7), 접지전극 (8) 으로이루어져있다. 도면중부호 16, 17은각전극간의절연을위한전열체이고, 바이어스전극 (7) 에는 0.01~0.1mm 정도직경의인출구경이가공된다. 각전극의전압은고전압전원 (4) 와바이어스전원 (5) 에의해인가된다. 공정부는상기플라즈마발생부와차등진공을유지하고인출빔의손실을최소화하는고진공분위기를만들기위한별도의배출펌프 (13) 와배출구 (14), 접지준위로유지되는공정챔버 (1) 로구성된다. 도 3은고전압 (4) 을인가한후, 바이어스전압 (5) 의변화에따라측정되는이온빔의인출전류를도시한그래프로서, 바이어스전압 (5) 에따른전류특성은세영역으로나뉠수있다. 즉, 0V에서 15V까지의영역1, 15V에서 35V까지의영역2, 그리고 35V이상의영역3이그것이다. 영역1에서바이어스전압이증가함에따라인출전류가 1/100배정도로감소하는경향을보인다. 전자밀도 /cm 3, 플라즈마전위 20V, 전자온도 3eV 조건의전형적인플라즈마를가정하면, 플라즈마경계의쉬스크기는약 μm가된다. 이경우쉬스의크기와인출구의직경 (100μm) 은거의비슷한크기가되며, 이때빔인출경계영역은이온빔의인출을방해하는불룩한모양으로생성되고이로부터인출되는빔은모아지지못하고퍼져나가는 (defocus) 형태를갖는다. 인출구의낮은종횡비 ( 구경 / 깊이 ) 를고려했을때, 퍼져나가는형태의이온들의많은부분은바이어스전극을통해이온전류로빠져나가고, 나머지가이온빔이되어인출구를통과하게되어결과적으로인출되는이온빔전류가낮아진다. 플라즈마전위에비해상대적으로음의바이어스전압이인가되는첫번째영역을지나면서차츰인출전류는증가하기시작한다. <34> <35> <36> <37> <38> 영역2에서는바이어스전압 15V이후부터인출전류가점점증가해서 35V되는지점에이르러서는거의바이어스전압이 0V일때의인출전류값에도달하는모습을보이는데, 이현상은랑뮈어프로브 (Langmuir probe) 의전류 -전압결과와같이바이어스전압증가에따라전자가바이어스전극으로흘러들어와발생하는전류가지수곡선을그리며증가하다가포화되는경향과유사한결과로써설명할수있다. 마지막으로영역3에서는 35V의특정역치전압 (threshold voltage) 이상의바이어스전압이인가된경우, 이온전류가 100배이상급격하게증가하는영역이보인다. 이는바이어스전극에인가된양의전압으로인해가속되어에너지가높아진전자들이바이어스전극의인출구주변의중성입자들을이온화하여새로운플라즈마를생성함으로써발생하는현상이다. 이와같이인출구주변에서국부적인방전을통해발생하는플라즈마는이미존재하는플라즈마발생부의플라즈마와는다른특성들을가지는데, 그중고휘도이온빔인출에있어가장중요한역할을하는요소는바로플라즈마밀도이다. 국부방전에의한인출구주변의플라즈마밀도는기존의플라즈마에비해 10배정도높은밀도를가지는것으로확인되었다. 이와같은높은밀도특성은인출이온빔의휘도를높이는데결정적인두가지역할을하게된다. 첫번째는플라즈마밀도에비례해서이온의밀도가증가하므로, 결과적으로인출가능한이온의수를증가시키는역할이다. 두번째역할은밀도가증가함으로인해플라즈마쉬스크기가기존의값에비해크게낮아져서인출을위한인출경계면 (Meniscus) 형성이용이해진다는사실이다. 심지어는플라즈마가인출구안쪽으로침투하여인출경계면이접지전극에보다더접근하여인출이온빔전류를극대화하는데결정적인역할을하게된다. 이발명에서가장강조하고자하는부분이바로이영역3에서의이온빔인출로써, 플라즈마발생부에유도결합플라즈마나마이크로웨이브플라즈마, 등의발생원리를이용해플라즈마를발생시킨후, 상대적으로면적이작은바이어스전극에역치전압이상의양전압을인가하여또하나의새로운고밀도플라즈마를인출구주변에발생시켜서, 작은인출구를통해서도높은전류의이온빔인출이가능토록하는것이다. 기존에는이처럼양전압을인가하여이온빔의인출이가능하도록하는것이없었다. 바이어스전극 (7) 의두께는냉각효과및인출구경과의종횡비 (aspect ratio) 를고려해서최대한얇고, 하전입자및열부하에강한재료를사용해야한다. 또한접지전극 (8) 의인출구경과정렬이수월한구조가되어야한다. 도 4는본발명의다른실시예를도시한것으로, 금속챔버 (19) 상부에유전체 (18) 을설치하고그위에고주파안테나 (15) 를설치하는것을나타낸것이다. 도 2에서는기준전위면적이작아서플라즈마전위및이온에너지편차가높다. 도 4에서실시한구조에서는기준전위면적이도 2에서보다넓어지기때문에플라즈마전위및이 - 6 -

7 온에너지편차가낮은플라즈마이온빔을생산할수있다. <39> <40> <41> 플라즈마전위는플라즈마가발생되어가두어진 ( 대면하는 ) 도체챔버를기준으로하여결정되는데, 도체챔버의면적이넓어질수록플라즈마전위와도체챔버의전위차가줄어들어플라즈마전위를낮춤과동시에이온에너지편차를줄이는역할을한다. 결국기준전위면적은금속챔버의면적과동일한것으로, 도 2에비해도 4에서는유전체면적이줄어들고상대적으로금속챔버면적이넓어짐으로인해기준전위면적이넓어진다. 도 5는본발명의또다른실시예를도시한것으로, 마이크로파에의해서플라즈마를발생시키는장치이다. 마이크로파발생장치로부터생성된마이크로파가웨이브가이드 (wave guide) 와그에연결된금속챔버상부의유전체를통해플라즈마로전달되어되는형태이다. 마이크로파를이용한플라즈마발생장치는크기가작은장점이있어, 이동가능한소형이온원제작에적합하다. 도 6은본발명의또다른실시예를도시한것으로, 대면적플라즈마를챔버 (18) 에발생시켜서다중의인출구경을갖는전극 (6)(7)(8) 을사용, 다중의이온빔을인출하는구조이다. 집속이온빔의공정수율을높이기위해서는빔전류를높이거나, 공정에사용되는이온빔의개수를늘리는것이바람직하다. 그러나빔전류를높이면쿨롱척력에의한빔발산이영향을미치게되어서나노미터급의위치분해능을갖는공정이힘들어진다. 따라서공정수율을높이는유일한방법은도 6에서도시된바와같이다중의이온빔을인출하고다중의이온광학라인이결합된집속이온빔을이용하는것이다. <42> 발명의효과이상설명한바와같이본발명은접지전극과플라즈마발생부사이에고전압준위보다수십에서수백볼트높게부유된바이어스 (Bias) 전극을배치하여, 플라즈마와바이어스전극사이에또하나의고밀도플라즈마를국부적으로발생시킴으로써, 이플라즈마가바이어스전극에가공된마이크로미터크기의구경 (Aperture) 안으로침투하여, 이온빔방출면의위치를접지전극쪽으로근접시켜, 기존의플라즈마이온원에서문제였던왜곡된쉬스에의한가속빔의손실문제를억제하여마이크로사이즈의홀을통해고전류의이온빔을인출하는것에대한것이다. 따라서불활성이온종및다양한종류의이온빔을생산할수있어, 상기에서살펴본바와같이갈륨이온빔에의한여러가지문제점을해결할수있으므로집속이온빔의공정신뢰도를높일수있다. 또한도 6에서예시한바와같이액체금속이온원에서는불가능한다중이온빔인출이가능하므로공정시간단축및그에따른공정단가절감등의효과를가져올수있다. <1> <2> <3> 도면의간단한설명도1은기존의종래의플라즈마이온원을도시한도면. 도2,4,5,6은본발명에따른실시예를도시한도면. 도3은이온빔의인출전류를도시한그래프

8 도면 도면 1 도면 2-8 -

9 도면 3 도면 4-9 -

10 도면 5 도면

16<C624><D22C><ACFC><D0D0> <ACE0><B4F1><BB3C><B9AC><2160>_<BCF8><CC45>.pdf

16<C624><D22C><ACFC><D0D0> <ACE0><B4F1><BB3C><B9AC><2160>_<BCF8><CC45>.pdf I I 02 03 04 05 06 II 07 08 09 III 10 11 12 13 IV 14 15 16 17 18 a b c d 410 434 486 656 (nm) Structure 1 PLUS 1 1. 2. 2 (-) (+) (+)(-) 2 3. 3 S. T.E.P 1 S. T.E.P 2 ) 1 2 (m) 10-11 10-8 10-5 C 10-2 10