Operational characteristic of arc discharge ion sources



해모수 Lab. 조 현상 (Cho, Hyun-sang)




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Implanter ion source에서의 중요한 작동 parameter는 다음과 같다.

1. Arc voltage
2. Arc current
3. Magnetic field strength
4. Arc chamber pressure
5. Feed material
6. Temperature
7. Source condition
8. Extraction voltage

parameter각각의 내용을 개별적으로 자세히 살펴보도록 한다.




1. Arc voltage

Arc voltage와 관련하여 고려해야 할 중요한 사항은 다음과 같다.


1) Arc initiation
2) Arc stability
3) Optimization of the required Ion current
4) Cathode Life


1) Arc initiation

anode와 cathode사이에 discharge를 초기화하기 위해서는 discharge를 유지할때보다 더 큰 전압이 요구되며 이러한 사실은 cold나 hot cathode type 모두에게 적용된다. 따라서 ion source의 power supply는 hot cathode type의 경우 arc current가 존재하지 않는, 곧 initiation이전의 상황에서 100V∼150V를 유지할 수 있도록 설계되어야 한다.
cold cathode type의 경우는 initiation 조건이 source의 condition에 상당히 크게 의존하는데 보통 1.2 KV∼2.0 KV 정도 된다. arc discharge가 발생한 후에는 arc voltage를 operation의 특성에 맞게 낮추어야 한다.

※ Cold cathode type :

Filament의 가열에 의한 열전자의 방출이 없이 positive ion bombment에 의해 발생되는 2차전자에 의해 discharge electron이 유지된다. 이 type에서는 magnetic field가 상당히 중요한 요소로 작용한다.
Electron source의 수명이 길고 전력소모가 적으며 낮은 동작온도에 따라 corrosion에 강한 특징이 있는 반면에 초기 방전의 발생이 어려운 단점을 가지고 있다.
→Cold cathode type의 경우, high voltage에 의해 저항 성분이 타는 것을 방지하기 위하여 몇몇 경우 chamber pressure나 magnetic field를 늘일 필요성이 있다.

※ Hot cathode type :

Filament coil이 전류의 흐름에 의해 가열되어 열전자를 방출하므로써 source gas를 ion화시킴. 장단점은 cold type과 상대적이다.

2) Arc stability

discharge가 initiation된 후 arc voltage는 arc condition이 안정될 조건까지 감소될 수 있다. arc voltage의 최적 조건은 ion에 따라 달라질 수 있다. Implanter에서 유효한 beam current는 mass analyzer의 slit을 통과한 beam current이다. extraction되는 beam current는 mass analyze type의 implanter에서 유일한 요소가 아니다. 최적화는 beam의 발산과 beam quality에 의존하며 beam sweep facility나 pre-analysis acceleration voltage, analysis magnet field의 상호 협조에 의해 최적화 될 수 있으므로 resolving slit에서의 beam profile을 visual하게 확인하기 위하여 oscilloscope를 이용하여 각 parameter의 영향을 확인할 수 있다.

3) Optimisation of the required Ion current

다양한 output Ion spectrum을 위해서 서로 다른 arc voltage가 사용된다는 것은 대단히 중요한 사항이다. 예를 들어 higher order의 charge로 ionize되는 ion을 위해서는 single charge로 이온화되는 gas feed material보다 더 높은 voltage가 요구된다. 이러한 차이점은 gas feed material의 화학조성이나 분자상태의 차이에 의해서도 발생한다. cathode로부터 열적으로 여기되어 있는 전자의 plasma에서의 energy 분포는 대단히 복잡하므로 간단한 parameter의 관계로 최적의 arc voltage를 개별적으로 일일이 산출하는 것은 쉬운일이 아니며 일반적으로 특정한 source에 대해 적절한 arc voltage가 정의되어 있으므로 이 값들을 사용한다.
종합하여, 여기에 관련하여 다음과 같은 사항들이 고려될 수 있다.


1> Multiple charged ion(여러개의 전자가 이온화에 관련한 ion)은 charge stage의 증가에 따라 높은 최적 전압을 갖는다.
2> 분자 이온은 분자 크기의 증가에 따라 점점 낮아지는 최적 전압을 갖는다.
(분자의 크기가 증가할수록 핵에서 전자가 멀어지며 ion화 에너지는 낮아지는 경향이 있다.)
3> 최적 arc voltage는 근사화된 ion화 potential의 단순한 함수만은 아니며 ion화 cross-section과 특정 gas feed material, 그외의 많은 virtual ion source parameter간의 complex한 상호 변화에 의해 규정된다.


4) Cathode Life

대다수의 ion source에 대해 cathode 표면의 부식은 arc voltage이 증가함에 따라 증가한다.
따라서, 특히 hot cathode type에서는 필요한 output current를 얻는 이상의 voltage의 사용은 치명적이다. sputtering은 증발보다 더욱 중요한 source의 부식 mechanism이므로 arc voltage는 source의 temperature보다 cathode life time을 위하여 더욱더 중요하게 고려되어야 할 사항이다.



2. Arc current

Cold cathode type에서 arc current는 arc voltage, magnetic field strength와 arc chamber pressure와 같은 parameter의 상호작용에 의해 결정된다. stability condition은 arc voltage와 arc current를 감소시키며 arrange하는 과정에서 얻을 수 있다.

Hot cathode type에서의 가장 중요한 control variable은 cathode의 temperature에 의한 cathode로부터의 열전자의 방출이다. 따라서 cathode를 직접 가열하는 방식의 hot cathode type에서 안정적인 arc current의 획득을 위한 주 function은 filament current의 control 이다. 다음과 같은 여러 가지 요인에 의해 stability는 얻기 어려울 경우가 때때로 발생한다.


1) Plasma는 일반적으로 high frequency instability 상태에 빠지는 경향이 있다.
(이것을 Hash라고 한다)

※ Hash : source에 magnet field strength가 지나치게 심하게 걸렸을 경우 발생하는 beam quality의 저하 현상. source의 arc chamber에는 전자석이 설치되어 chamber내부로 magnetic filed를 걸어줄 수 있도록 되어 있다. cathode에서 방출된 열전자는 arc voltage에 의해 arc chamber의 wall로 attract되며 이 과정에서 전류의 흐름(arc current)를 만든다. magnetic file는 이 전속()에 수직 방향으로 가해지며 vector product에 의해 발생된 orthogonal한 force vector에 의해 전자의 진행방향이 helical 하게 변화하며 이동 locus가 증가, arc chamber에 존재하는 ion들과의 충돌 기회가 늘어나므로 extraction에 사용될 cation의 양을 늘일 수 있어 arc chamber의 efficiency를 향상시킨다. magnet filed strength의 변화에 따라 beam current의 양은 포물선의 양상을 그리는데 증가하여 감소하는 부분의 기울기는 증가부분의 기울기에 비해 급격하다.
실제 사용되는 magnet filed strength는 포물선의 중앙부위의 발생 cation의 양이 가장 많은 지역의 최적구간이다. 이 구간을 벗어나 magnet filed strength가 지나치게 강해지면 electron helix moving의 회전 반경이 점점 작아지며 cation의 발생이 점점 감소하는데 일정 한계 이상 강해지면 cathode와 anti cathode사이에서 전자가 10∼500 Khz의 급격한 oscillation 현상을 보인다. 이것을 'Hash'라고 하며 hash현상은 plasma의 geometry를 관통하여 파괴하므로 beam quality가 급격히 저하된다.

2) 이러한 instability와 cathode의 thermal inertia에 의해 plasma의 impedance는 급격하게 변화하며 다른 parameter들에게도 미소한 영향을 미치게 된다. 따라서 ion source supply의 설계는 대단히 반복적이고 실제적인 실험을 필요로 한다. ion source는 power supply circuit의 하나이며 동시에 그 거동을 예측할 수 없는 component이다. 크기가 크거나 간접 가열 방식의 cathode에서는 cathode의 thermal inertia는 control에 심각한 문제를 야기한다.



3. Magnet field strength

Cold cathode type의 source에서 operational characteristic은 상대적으로 낮은 primary electron current를 magnet field strength에 의해 보상받아야 할 필요가 있다. 따라서, magnet field strength에 대해 대단히 민감하게 반응하며 일정 magnet field strength이하에서 arc current가 사라지는 cut-off field가 존재한다. source가 충분하게 높은 압력 하에서 작동한다면 ion화는 더욱 활성화되며 cut-off field는 소멸하고 민감도는 낮아지게 된다.
hot cathode type의 source는 cut-off field가 발생하지 않는다. 이러한 type의 source는 기본적으로 magnet field가 없어도 동작한다. 다만, magnet field가 없다면 전자의 이동 궤적에 의한 cation generation이 비효율적으로 작용하므로 arc initiation이 불가능해 질 수 있다.
두 가지 type의 source는 모두 공통적으로 particular magnet field strength를 가지고 있다. 그 이유를 간단하게 정리하면 다음과 같다. source 내부에서 전속과 자속은 optimum ionizing efficiency를 위한 optimum electron trajectory를 만들기 위한 평행이 아닌 right angle을 가지고 있으며 Analyzer 전단에서의 optimum extraction current는 source extraction beam current의 질에 의해 결정된다. 전술한 바와 같이 부적절한 magnet field strength는 hash 현상을 일으킨다.


4. Arc chamber pressure

Electron의 mean free path는 pressure의 함수이므로 전자와 이온의 ionization과 recombination의 dynamic balance는 pressure에 의존한다. optimum pressure역시 charge states에 따라 달라지는데 high charge states는 charge exchange reaction을 최소화하기 위하여 낮은 압력에서, 분자성 이온은 상대적으로 높은 압력에서 이루어지는 경향이 있다.
일반적인 implanter operation은 대부분 stable operation과 적절한 출력이 가능한 가장 낮은 압력에서 이루어지며 그 이유는 다음과 같다.


1) Feed material economy
2) 낮은 압력에서의 동작은 beam line에서의 효율적이고 빠른 pumping이 가능하게 한다.
3) 낮은 압력에서는 동작은 증착되는 source gas의 양을 줄임으로써 cleaning operation의 횟수를 줄일 수 있다.
4) Filament로부터의 electron current가 space charge로 제한된다면 source의 operation은 보다 예측 가능하다. 이것은 압력이 지나치게 높으면 불가능하다.
implanter에 주어지는 source parameter의 set에는 arc current가 없어지는 한계 low pressure가 있다. 이러한 제한점에 지나치게 접근하면 예측 불가능하고 불안정한 상태인 hash 현상을 유발하게 된다.



5. Feed material

Feed material은 source로부터 출력되는 spectrum에 가장 명확한 영향을 미치며 또한, source의 operating 특성에 영향을 미친다. 몇몇 feed material은 activation(일정 온도에서 전자의 발생이 증가하는 현상)이나 deactivation(activation의 반대 현상)에 의해 cathode에 큰 영향을 미치기도 한다. 이러한 현상은 feed material contamination과 전자의 이상 발생 특성으로 sputtering되어 제거되는 동적인 균형을 이루는 역할을 하기도 한다. Filament와 feed material과의 화학반응은 cathode의 성능을 점차 악화시킨다.
이러한 현상에 대한 예로서 다음을 들 수 있다.
BCl3가 hot cathode source에 의해 Boron dose를 만들어내는 경우, Ta filament는 팽창과 emission의 loss에 의해 성능이 빠르게 악화된다. 텅스텐의 경우 한계 압력 하에서 탄탈륨 보다 훨씬 좋은 성능을 가지고 있다. 만일, 동작 압력이 한계 압력보다 높다면 contamination 현상은 sputtering에 의한 cleaning 현상과의 동적인 균형을 깨고 우세한 반응이 될 것이며 필라멘트의 성능은 저하되어 위와 같은 현상은 가속화될 것이다. 이러한 이유 때문에 hot cathode type에서 Boron dose의 feed material로는 BCl3 보다 BF3를 선호한다.


6. Temperature

응축성 feed material이 사용될 때 특히 중요한 요소가 된다. condensation은 insulator등의 절연 특성을 파괴하고 wall에 얇은 박막의 flake를 형성하여 arc chamber의 이상 동작을 유발한다. flake의 형성이나 chamber wall의 변형은 chemical corrosion에 의해 일어나는데 ion source에 의해 발생되는 중요한 inconsistency의 하나이다. 이러한 화학적 변형은 높은 온도에서 chamber surface가 plasma에 노출되는 시간이 길수록 더 잘 유발된다.


7. Source condition

Arc chamber가 cleaning되고 filament가 교환되었을 때 'conditioning'이 필요하다.
특정 ion source를 고정적으로 사용하였을 때 시간이 증가함에 따라 performance가 개선되는 현상이 보인다. 이러한 현상은 높은 이온화 potential과 낮은 이온화 cross-section을 가지고 있는 경우에 주목할 만한 특성을 보이는데, 정확한 이유는 밝혀져 있지 않지만 몇몇 가지의 원인이 추정될 수 있다.


1) chamber등의 material이나 contamination된 물질들이 sputtering이나 ougassing에 의한 chemical reaction으로 ion source가 희석되어 output spectrum에 영향을 끼치는 경우. 만일, 이들이 낮은 이온화 potential과 높은 이온화 cross-section을 가지고 있다면 이들이 쉽게 이온화 될 수 있다.
2) 화학적으로 호환되는 막이 형성되어 이것이 feed material의 특정한 ion에 요구되는 원소들을 공급해 주는 경우.
3) Sputtering에 의한 cathode표면의 cleaning 효과에 의해.


Boron의 경우, 위와 같은 conditioning process는 시간당 performance의 개선도가 뚜렷하게 높다. 1시간 정도의 conditioning process후 약 50%가량의 성능 개선을 얻을 수 있다.
일정 동작 시간을 지나면 source는 insulator의 metalization과 flake의 형성에 의해 성능이 저하되는 경향을 보인다. insulator의 metalization은 insulator를 plasma에 노출되는 시간을 줄일 수 있도록 재설계하여 개선할 수 있다. 화학적 반응과 sputtering에 의해 발생되는 flake는 plasma instability ('Glitch') 현상을 일으킬 수 있다.


8. Extraction voltage

Extraction voltage는 ion source의 변화보다는 beam의 formation과 관련되는 사항이다.
사실상 implanter의 성능은 beam의 생성과 관련되어 있으므로 beam을 추출해내는 extraction voltage는 대단히 중요한 요소라고 할 수 있다. extraction voltage와 관련하여 중요한 요소는 arc chamber와의 sparking(만일 extraction slit과 arc chamber의 거리가 짧거나 potential이 높으면 arc가 발생할 가능성이 있다.) 현상, extraction voltage의 증가에 의한 potential convex의 형성에 의한 beam의 집속이다.


※ Insulator로써의 Boron Nitride :

2000℃ 까지의 동작 온도를 갖는 insulator이며 이 동작온도에서 서서히 분해된다.
사용상의 가장 큰 단점은


① 기계적인 강도가 낮다는 것과
② 부식성 물질과 쉽게 반응한다는 것
③ 다량의 수분을 흡수한다는 것이다.
수분의 흡수는 outgass를 유발하고 급격하게 가열될 경우 치명적인 물집모양의 터짐 (blistering)을 만들 수 있다.


Boron nitride의 가장 큰 장점은 high thermal conductivity로써 전기적으로 절연된 component의 heat sink로써 사용될 수 있다.