KR100782579B1

KR100782579B1 - Ｅｃｒ 이온소스

Info

Publication number: KR100782579B1
Application number: KR1020060093600A
Authority: KR
Inventors: 이상무
Original assignee: 가부시키가이샤 나노빔
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2007-12-06
Also published as: JP2008084859A

Abstract

본 발명은 ECR 이온소스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작은 체적으로 인출측의 자장강도를 강하게 할 수 있도록 함으로써 저비용 고효율의 이온빔 생성이 가능하고, 소형 경량으로 장치의 소비전력 절감을 가져와 경제성을 확보할 수 있도록 한 ECR 이온소스에 관한 것으로서, 이온 인출부(1b) 측의 플라즈마 챔버(1)에 축관부(7)가 형성되고, 상기 축관부(7)의 외측에 제4 영구자석부(6)가 구비되어 축관부(7)에 의해 축소된 직경만큼 상기 제4 영구자석부(6)를 포함한 이온 인출부(1b) 측의 전체적인 외경이 작아지도록 구성하며, 상기 축관부(7)는 내부에 직경이 축소된 플라즈마 전극(11) 및 인출 전극(12)을 포함함으로써 저비용 고효율의 이온빔 생성이 가능하고, 소형 경량으로 장치의 소비전력 절감을 가져와 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

플라즈마 챔버, 6극 자석, 영구자석부, 이온 인출부, 마이크로파 주입부

Description

ＥＣＲ 이온소스{Electron Cyclotron Resonance ion source}

도 1은 종래의 ECR 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 ECR 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.

도 3은 도 2의 "A"부 확대도.

도 4는 자장세기와 축위치Z 사이의 관계를 나타낸 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:플라즈마 챔버 1a:마이크로파 주입부

1b:이온 인출부 2:6극 자석

3,4,5,6:제1,2,3,4 영구자석부 7:축관부

11:플라즈마 전극 11a:이온 통과공

12:인출 전극 61:메인 영구자석

62:서브 영구자석 62a:상대 경사면

71:자석 설치홈 72,123:제1,2 확관부

121:이온 인출공 122,122a:이온 출구

본 발명은 ECR 이온소스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작은 체적으로 인출측의 자장강도를 강하게 할 수 있도록 함으로써 저비용 고효율의 이온빔 생성이 가능하고, 소형 경량으로 장치의 소비전력 절감을 가져와 경제성을 확보할 수 있도록 한 ECR 이온소스에 관한 것이다.

이미 알려진 바와 같이 ECR 이온소스는 챔버 내부의 기체에 마이크로파를 입사시켜 자장을 걸었을 때, 자장에 의한 회전주파수와 마이크로파 주파수가 일치하여 발생되는 전자 사이클로트론 공명현상(ECR; Electron Cyclotron Resonance)을 이용하여 플라즈마를 생성하고 챔버의 내부에 가두어 이온을 인출해서 사용할 수 있도록 하는 것이다.

도 1은 종래의 ECR 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이 ECR 이온소스는 마이크로파 주입부(1a) 및 이온 인출부(1b)를 갖는 플라즈마 챔버(1)가 있고, 상기 플라즈마 챔버(1)의 외측에는 플라즈마 챔버(1)의 내부에서 생성된 플라즈마를 챔버 내부에 가두어 두기 위하여 6극 자석(Hexapole magnet)(2) 및 서로 극성을 달리하여 한 쌍으로 접합된 제1,2 영구자석부(3)(4)가 있으며, 자장 형성을 위해 상기 6극 자석(2)의 양측에 서로 극성을 달리하는 제3,4 영구자석부(5)(6)가 구비된다.

그리고, 이온 인출부(1b)는 플라즈마 전극(Plasma electrode)(11)과 인출 전극(Extraction electrode)(12)로 구성되는 것으로서, 상기 플라즈마 전극(11)은 중앙부에 이온 통과공(11a)을 가지며 마이크로 주입부(1a) 측으로 경사진 콘 형태의 판체로 형성되어 플라즈마 챔버(1)의 내측면에 고정된다.

또한, 인출 전극(12)은 챔버 내의 이온 인출방향에 대하여 플라즈마 전극(11)의 후방측에 위치하며, 이 역시 중앙부에 이온 인출공(121)을 가지며 마이크로 주입부(1a) 측으로 경사진 콘 형태로 형성되고 그 단부로부터 길이를 연장하여 동일 직경을 이루는 원통형으로 이온 출구(122)가 형성되어 있다.

이와같이 구성된 종래의 ECR 이온소스는 마이크로파 주입부(1a)를 통해 플라즈마 챔버(1) 내부의 기체에 마이크로파가 입사되면, 마이크로파 에너지가 구속전자에 전달되고 에너지를 흡수한 구속전자는 원자로부터 이탈되어 자유전자가 된다.

그리고, 추가로 영구자석을 이용하여 이 영역에 자장을 가하면 전자는 로렌쯔(Lorentz)힘에 따라 회전운동을 하게 되는 것으로서, 2.45 GHz의 마이크로파를 입사시킬 경우에 수직자기장을 875 Gauss의 세기로 걸어주면, 자기장에 의한 전자의 회전주파수와 마이크로파 주파수가 일치하여 공명이 일어나고, 전자의 속도 즉, 운동에너지가 증가하면서 회전반경이 커지게 된다.

플라즈마 내의 전자는 이 영역을 지나면서 공명에 의해 가속되어 큰 에너지를 얻게 되고, 형성된 자장에 의해 플라즈마 챔버(1) 벽으로의 확산 손실이 줄어들면서 기체의 이온화율이 높아지기 때문에 낮은 압력에서도 높은 밀도의 플라즈마를 얻을 수 있게 되는 것이다.

또한, 이렇게 생성된 플라즈마는 6극 자석(2)을 이용하여 플라즈마 챔버(1)의 내부에 가두게 되는 것이며, 인출 전극(12)에 인가되는 전압에 의해서 플라즈마 챔버(1) 내부의 이온은 플라즈마 전극(11)의 이온 통과공(11a)을 거쳐 인출 전극(12)의 이온 인출공(121)을 통해 인출되는데, 이때 인출되는 이온은 동일한 직경 의 원통체로 형성된 인출 전극(12)의 이온 출구(122)에 의해서 균일한 이온빔의 형태로 인출되는 것이다.

여기서, 미설명 부호 1c는, 절연체(Insulator)이다.

한편, 상기한 종래의 ECR 이온소스의 외경은 통상 φ220 mm 로 제작되고, 플라즈마 챔버(1)의 내경은 φ50 mm 으로 형성되는 것으로서, ECR 이온소스의 제작에 있어 가장 관건이 되는 부분은 저비용 고효율의 이온빔 생성 즉, 고품질의 보다 강한 이온빔을 저비용으로 생성할 수 있어야 하며, 소형 경량으로 장치의 소비전력 절감을 가져오게 하는 경제성이 확보되어야 하는 것이므로 이에 대한 연구 개발이 요구되고 있는 실정에 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 ECR 이온소스의 요구에 부응하기 위해 창안된 것으로서, 그 목적은 작은 체적으로 인출측의 자장강도를 강하게 할 수 있도록 함으로써 저비용 고효율의 이온빔 생성이 가능하고, 소형 경량으로 장치의 소비전력의 절감을 가져와 경제성을 확보할 수 있도록 한 ECR 이온소스를 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 마이크로파 주입부 및 이온 인출부를 갖는 플라즈마 챔버와, 상기 플라즈마 챔버의 외측에 구비되는 6극 자석 및 제1,2 영구자석부와, 제3,4 영구자석부로 구성되고, 상기 이온 인출부는 이온 통과공 및 이온 인출공을 각각 갖는 플라즈마 전극 및 인출 전극으로 구성됨에 있어서, 상기 이온 인출부 측의 플라즈마 챔버에 축관부가 형성되고, 상기 축관부의 외측에 제4 영구자석부가 구비되어 축관부에 의해 축소된 직경만큼 상기 제4 영구자석부를 포함한 이온 인출부 측의 전체적인 외경이 작아지도록 구성하며, 상기 축관부는 내부에 직경이 축소된 플라즈마 전극 및 인출 전극을 포함하는 것을 특징으로 한 ECR 이온소스가 제공된다.

또한, 상기 축관부는 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 따라 형성되는 자석 설치홈에 의해 구성되고, 상기 자석 설치홈에는 서로 같은 극성을 갖고 접합된 메인 영구자석과 서브 영구자석으로 제4 영구자석부를 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축관부는 후방측에, 경사면에 의해서 직경이 확대되는 콘 형태의 제1 확관부가 연이어 형성되고, 상기 제1 확관부 내부의 인출전극 후방측에는 제2 확관부가 형성되며, 상기 제2 확관부의 단부로부터 연이어 그 길이가 연장되고 직경이 동일한 이온 출구가 형성되고, 상기 제4 영구자석부의 서브 영구자석은 제1 확관부에 대응되는 상대 경사면이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온 출구는 플라즈마 챔버보다 큰 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 ECR 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2의 "A"부 확대도이다.

이 ECR 이온소스는 통상에서와 같이 마이크로파 주입부(1a) 및 이온 인출 부(1b)를 갖는 플라즈마 챔버(1)와, 상기 플라즈마 챔버(1)의 내부에서 생성된 플라즈마를 챔버의 내부에 가두어 두기 위하여 플라즈마 챔버(1)의 외측에 구비되는 6극 자석(2) 및 제1,2 영구자석부(3)(4)와, 자장 형성을 위해 상기 6극 자석(2)의 양측의 플라즈마 챔버(1)의 외측에 서로 극성을 달리하는 제3,4 영구자석부(5)(6)가 구비되어 있다.

그리고, 상기 이온 인출부(1b)는 마이크로파 주입부(1a) 측으로 경사진 콘 형태를 이루고 중앙부에 각각 이온 통과공(11a) 및 이온 인출공(121)을 갖는 플라즈마 전극(11) 및 인출 전극(12)으로 구성되는 것이며, 상기 인출 전극(12)은 동일 직경의 원통체로 형성된 이온 출구(122)를 포함하도록 구성되어 있다.

이러한 ECR 이온소스에 있어, 본 발명은 상기 이온 인출부(1b) 측의 플라즈마 챔버(1)에 축관부(7), 즉 플라즈마 챔버(1)의 직경을 축소한 부분을 형성하여 그 외측에 제4 영구자석부(6)가 구비되도록 함으로써 이온 인출부(1b) 측 장치의 외경을 전체적으로 축소함은 물론 이온 인출부(1b)를 통해 보다 강한 이온빔의 인출이 이루어질 수 있도록 하는데 그 특징이 있다.

즉, 장치의 전체적인 외경이 축소됨으로써 장치의 소형 경량을 도모하고, 이온 인출부(1b)를 구성하는 인출 전극(12)에 전압을 걸어 플라즈마 챔버(1) 내의 이온이 이동할 때, 직경이 급격히 축소된 축관부(7)를 통과하도록 하여 유동 압력의 상승을 가져오게 함으로써 보다 강한 이온빔의 인출 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

그리고, 상기 축관부(7)는 내부에 직경이 축소된 플라즈마 전극(11) 및 인출 전극(12)을 포함하는 것은 당연하고, 상기 플라즈마 전극(11) 및 인출 전극(12)은 종래와 마찬가지로 마이크로파 주입부(1a) 측으로 경사진 콘 형태를 이루고 중앙부에 각각 동축을 이루는 이온 통과공(11a) 및 이온 인출공(121)이 형성되나, 여기서는 축관부(7)에 의해 그 직경이 작아짐으로써 플라즈마 챔버(1)에서 이온 인출부(1b) 측으로 이동하는 이온의 유동압력을 상승시킬 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 축관부(7)는 플라즈마 챔버(1)의 외측 둘레를 따라 형성되는 자석 설치홈(71)에 의해 구성되는 것이며, 상기 자석 설치홈(71)의 외측에 구비되는 제4 영구자석(6)은 서로 같은 극성을 갖고 접합된 메인 영구자석(61)과 서브 영구자석(62)으로 이루어지는 것으로서, 이는 한 개의 영구자석보다 두 개의 영구자석을 같은 극으로 접합시킨 영구자석의 자장 세기가 크게 나타나는데 기인하고 이로써 전체적인 영구자석의 직경을 다소 작게 제작하더라도 동일하거나 다소 큰 자장의 세기를 얻을 수 있게 되는 것이다.

즉, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 이온 인출부(1b)의 측의 전체 외경이 φ180 mm 으로서, 도 1에 도시된 종래의 ECR 이온소스의 전체 외경 φ220 mm 보다 φ40 mm 를 축소할 수 있게 되는 것이며, 이렇게 장치의 전체 외경을 축소하더라도 축관부(7)에 의한 이온의 유동 압력 상승으로 보다 강한 이온빔의 생성이 가능하고, 메인 영구자석(61)과 서브 영구자석(62)을 같은 극성으로 접합시킨 제4 영구자석(6)에 의한 자장의 세기는 도 4에 도시된 바와 같이 종래보다 다소 크거나 동일한 효과를 가져오게 되는 것이다.

이와함께 상기 축관부(7)는 후방측에 제1 확관부(72)가 연이어 형성되는 것 으로서, 이는 제1 확관부(72) 내부의 인출 전극(12) 후방측에 제2 확관부(123)가 형성됨에 따라 동반하는 것이며, 상기 제2 확관부(123)는 본 발명에 의해서 보다 강해진 이온빔의 균일한 확산 및 확산범위의 확대를 도모하는데 그 주된 목적이 있고, 그 직경은 플라즈마 챔버(1)의 직경보다 다소 크게 형성된다. 이때 상기 제2 확관부(123)에 의한 서브 영구자석(62)의 간섭을 피하기 위해 상기 서브 영구자석(62)에도 제1 확관부(72)에 대응되는 상대 경사면(62a)이 형성됨은 당연하다.

이와같이 구성된 본 발명은 먼저, 종래와 마찬가지로 마이크로파 주입부(1a)를 통해 플라즈마 챔버(1) 내부의 기체에 마이크로파가 입사되고, 다시 제3,4 영구자석부(5)(6)들에 의한 자장을 걸어주게 되면, 자장에 의한 전자의 회전주파수와 마이크로파 주파수가 일치하여 공명이 일어남으로써 플라즈마 챔버(1)의 내부에 플라즈마가 생성되고, 이 생성된 플라즈마는 6극 자석(2)에 의해서 플라즈마 챔버(1)의 내부에 가두게 된다.

그런 다음, 인출 전극(12)에 전압을 인가하게 되면, 플라즈마 챔버(1) 내부의 이온들이 인출 전극(12) 측으로 이동하게 되는데, 이때 이동하는 이온들은 직경이 급격히 작아진 플라즈마 전극(11) 및 인출 전극(12)의 이온 통과공(11a) 및 이온 인출공(121)을 통과하면서 급격한 유동 압력의 상승을 가져와 보다 강한 이온빔의 생성이 이루어지게 되는 것이며, 이렇게 생성된 이온빔은 인출 전극(12)의 제2 확관부(123)에 의해 확산된 후, 플라즈마 챔버(1)보다 다소 크게 동일한 직경으로 형성된 이온 출구(122)를 통해 확대된 강한 이온빔의 형태로 인출됨으로써 보다 고품질의 이온빔을 사용할 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 전체적인 외경이 축소되고, 축관부에서 확관부로 이어지는 인출 구조로 인하여 저렴한 비용으로 보다 강하고 확대된 이온빔의 생성이 가능함으로써 저비용 고효율의 ECR 이온소스의 제공이 가능하고, 소형 경량에 의한 소비전력의 절감으로 경제성을 확보할 수 있는 효과를 갖게 된다.

Claims

마이크로파 주입부(1a) 및 이온 인출부(1b)를 갖는 플라즈마 챔버(1)와, 상기 플라즈마 챔버(1)의 외측에 구비되는 6극 자석(2) 및 제1,2 영구자석부(3)(4)와, 제3,4 영구자석부(5)(6)로 구성되고, 상기 이온 인출부(1b)는 이온 통과공(11a) 및 이온 인출공(121)을 각각 갖는 플라즈마 전극(11) 및 인출 전극(12)으로 구성됨에 있어서,

상기 이온 인출부(1b) 측의 플라즈마 챔버(1)에 축관부(7)가 형성되고, 상기 축관부(7)의 외측에 제4 영구자석부(6)가 구비되어 축관부(7)에 의해 축소된 직경만큼 상기 제4 영구자석부(6)를 포함한 이온 인출부(1b) 측의 전체적인 외경이 작아지도록 구성하며, 상기 축관부(7)는 내부에 직경이 축소된 플라즈마 전극(11) 및 인출 전극(12)을 포함하는 것을 특징으로 한 ECR 이온소스.
제1항에 있어서,

상기 축관부(7)는 플라즈마 챔버(1)의 외측 둘레를 따라 형성되는 자석 설치홈(71)에 의해 구성되고, 상기 자석 설치홈(71)에는 서로 같은 극성을 갖고 접합된 메인 영구자석(61)과 서브 영구자석(62)으로 제4 영구자석부(6)를 구성한 것을 특징으로 한 ECR 이온소스.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 축관부(7)는 후방측에, 경사면에 의해서 직경이 확대되는 콘 형태의 제1 확관부(72)가 연이어 형성되고, 상기 제1 확관부(72) 내부의 인출 전극(12) 후방측에는 제2 확관부(123)가 형성되며, 상기 제2 확관부(123)의 단부로부터 연이어 그 길이가 연장되고 직경이 동일한 이온 출구(122)가 형성되고, 상기 제4 영구자석부(6)의 서브 영구자석(62)은 제1 확관부(72)에 대응되는 상대 경사면(62a)이 형성된 것을 특징으로 한 ECR 이온소스.
제3항에 있어서,

상기 이온 출구(122)는 플라즈마 챔버(1)보다 큰 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한 ECR 이온소스.