KR100944291B1 - 간접 가열식 음극 이온 소스 - Google Patents

간접 가열식 음극 이온 소스

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KR100944291B1 KR1020047018831A KR20047018831A KR100944291B1 KR 100944291 B1 KR100944291 B1 KR 100944291B1 KR 1020047018831 A KR1020047018831 A KR 1020047018831A KR 20047018831 A KR20047018831 A KR 20047018831A KR 100944291 B1 KR100944291 B1 KR 100944291B1
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마시에조스키피터이.
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페더센브존오.
클로스레오브이.주니어.
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커트디. 버게론
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

본 발명의 간접 가열식 음극 이온 소스는 아크 챔버를 형성하는 아크 챔버 하우징, 간접 가열식 음극부 및 음극부를 가열하기 위한 필라멘트를 포함한다. 음극부는 전면, 이면 및 외주부를 갖는 방출부, 방출부의 이면에 부착된 지지 봉재 및 방출부의 외주부로부터 연장하는 스커트부를 포함할 수 있다. 음극 조립체는 음극부, 필라멘트 및 이 음극부와 필라멘트를 일정한 거리를 두고 이격되도록 장착하고 음극부와 필라멘트에 전기 에너지를 도전하기 위한 클램프 조립체를 포함할 수 있다. 필라멘트는 음극부의 스커트부와 방출부에 의해 형성되는 공동 내에 배치된다. 이온 소스는 음극부와 필라멘트 부근의 아크 챔버 외측의 영역으로부터 플라즈마 및 전자가 탈출하는 것을 억제하기 위한 차폐부를 포함한다.
음극 조립체, 이온 소스, 아크 챔버, 차폐부, 클램프 조립체, 스커트부

Description

간접 가열식 음극 이온 소스{INDIRECTLY HEATED CATHODE ION SOURCE}
본 발명은 이온 주입기(ion implanter)에 사용하기에 적합한 이온 소스, 보다 구체적으로는 간접 가열식 음극부를 가지는 이온 소스에 관련한다.
이온 소스는 이온 주입기의 핵심 구성요소이다. 이온 소스는 이온 주입기의 빔라인(beamline)을 통과하여 반도체 웨이퍼에 전달되는 이온 빔을 발생시킨다. 이온 소스는 다양한 다른 이온 종(ion species) 및 추출 전압에 대하여, 안정한, 잘 규정된 빔을 발생시킬 필요가 있다. 반도체 제조 설비에서, 이온 소스를 포함하는 이온 주입기는 정비 또는 수리를 요하지 않고, 연장된 기간 동안 동작할 필요가 있다.
이온 주입기는 종래에, 전자를 방출하기 위한 필라멘트가 이온 소스의 아크 챔버(arc chamber) 내에 장착되어 아크 챔버 내의 높은 부식성의 플라즈마에 노출되는, 직접 가열식 음극부를 구비한 이온 소스를 사용하였다. 이런 직접 가열식 음극부는 통상적으로 비교적 작은 직경의 와이어 필라멘트로 구성되며, 따라서, 아크 챔버의 부식성 환경 내에서 비교적 짧은 시간에 열화 또는 손상된다. 결과적으로, 직접 가열식 음극 이온 소스의 수명은 제한되어 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 소스 "수명"은 이온 소스의 수리 또는 교체 이전의 시간을 언급한다.
이온 주입기의 이온 소스 수명을 향상시키기 위해, 간접 가열식 음극 이온 소스가 개발되어 왔다. 간접 가열식 음극부는 필라멘트로부터의 전자 충격에 의해 가열되며 열이온적으로 전자를 방출하는 비교적 대형의 음극부를 포함한다. 필라멘트는 아크 챔버 내의 플라즈마로부터 격리되어 있으며, 따라서, 긴 수명을 갖는다. 비록, 음극부가 아크 챔버의 부식성 환경에 노출되지만, 그 비교적 대형의 구조체는 연장된 기간에 걸친 동작을 보증한다.
간접 가열식 음극 이온 소스 내의 음극부는 그 주변환경으로부터 반드시 전기적으로 격리되어야만 하며, 전력 공급부에 전기적으로 접속되어야 하고, 전자 방출 중단을 유발하는 냉각을 억제하도록 그 주변 환경으로부터 열적으로 격리되어야만 한다. 공지된 종래 기술 간접 가열식 음극부 디자인은 디스크와 거의 동일한 직경의 박형 벽 관(thin wall tube)에 의해 그 외주부가 지지된 디스크 형태의 음극부를 사용한다. 이 관은 그 단면적을 감소시켜 열음극부로부터의 열의 전도를 감소시키기 위해 얇은 벽을 갖는다. 얇은 관은 통상적으로 음극부로부터의 열의 전도를 감소시키기 위해, 그리고, 단열부(insulating break)로서 작용하도록 그 길이를 따라 절결부(cutout)를 갖는다.
음극부를 지지하기 위해 사용되는 관은 전자를 방출하지 않지만, 그 대부분이 높은 온도인 넓은 표면적을 가진다. 이 영역은 복사 의해 열을 손실하며, 이는 음극부가 열을 손실하는 주된 경로이다. 관의 큰 직경은 음극부를 클램프(clamp) 및 연결하기 위해 사용되는 구조체의 크기 및 복잡성을 증가시킨다. 한가지 공지된 음극 지지부는 3개 부품을 포함하며, 조립을 위한 나사부를 필요로 한다.
2001년 11월 22일자로 공개된 국제 공보 제WO01/88946호에 다른 간접 가열식 음극부 구조가 개시되어 있다. 그 중심에서 또는 그 부근에서 단일 봉재(rod)에 의해, 디스크형 음극부가 지지된다. 음극 절연체는 음극부를 아크 챔버 하우징으로부터 전기적으로, 그리고, 열적으로 격리시킨다. 개시된 음극 조립체는 다양한 동작 조건하에서 매우 만족스러운 동작을 제공한다. 그러나, 특정 응용 용도에서, 절연체상의 오염물 침착이 음극부와 아크 챔버 하우징 사이의 단락 회로를 유발하여, 이온 소스의 수리 또는 교체가 필요하게 될 수 있다.
모든 공지된 종래 기술 간접 가열식 음극 이온 소스는 짧은 동작 수명 및 과도한 복잡성을 비제한적으로 포함하는 하나 이상의 단점을 갖는다. 따라서, 개선된 간접 가열식 음극 이온 소스에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 제1 태양에 따라서, 간접 가열식 음극 이온 소스에 사용하기 위한 음극 조립체가 제공된다. 음극 조립체는 방출부, 방출부에 부착된 지지 봉재 및 방출부의 외주부로부터 연장하면서 방출부와 함께 공동(cavity)을 형성하는 스커트부를 포함하는 음극부, 음극부의 방출부에 인접하게 공동 내에 배치된, 음극부의 방출부를 가열하기 위한 필라멘트 및 상기 음극부와 상기 필라멘트를 일정한 거리를 두고 이격되도록 장착하고, 상기 음극부와 상기 필라멘트에 전기 에너지를 도전하기 위한 클램프 조립체를 포함한다.
일부 실시예에서, 음극부의 방출부는 디스크 형상이며, 전면과 이면을 갖는다. 지지 봉재는 방출부의 이면의 중심에 또는 그 부근에 부착될 수 있다. 스커 트부는 원통형이며, 방출부의 외주부로부터 후향 연장할 수 있다. 스커트부는 이온 소스의 아크 챔버 내의 플라즈마로부터 필라멘트를 차폐하도록 기능하지만, 음극부의 기계적 장착 또는 음극부에 대한 전기 에너지의 도전을 위해 사용되지는 않는다.
클램프 조립체는 음극부의 지지 봉재에 부착된 음극 클램프, 필라멘트의 제1 및 제2 접속 리드에 부착된 제1 및 제2 필라멘트 클램프 및 절연체 블록을 포함할 수 있다. 음극 클램프 및 제1 및 제2 필라멘트 클램프는 절연체 블록에 고정된 위치로 장착된다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 간접 가열식 이온 소스를 위해 사용되는 음극부가 제공된다. 이 음극부는 전면, 이면 및 외주부를 가지는 방출부, 방출부의 이면에 부착된 지지 봉재 및 방출부의 외주부로부터 연장하는 스커트부를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따라서, 간접 가열식 음극 이온 소스가 제공된다. 이 간접 가열식 음극 이온 소스는 아크 챔버를 형성하는 아크 챔버 하우징, 아크 챔버 내에 배치된 간접 가열식 음극부 및 간접 가열식 음극부를 가열하기 위한 필라멘트를 포함한다. 간접 가열식 음극부는 전면, 이면 및 외주부를 가지는 방출부, 방출부의 이면에 부착된 지지 봉재 및 방출부의 외주부로부터 연장하는 스커트부를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따라서, 간접 가열식 음극 이온 소스가 제공된다. 이 간접 가열식 음극 이온 소스는 아크 챔버를 형성하는 아크 챔버 하우징, 아크 챔버 내에 배치된 간접 가열식 음극부, 간접 가열식 음극부를 가열하기 위해 아크 챔버 외측에 배치된 필라멘트 및 필라멘트 및 간접 가열식 음극부에 인접한 아크 챔버 외측에 배치된 차폐부를 포함한다.
이온 소스는 아크 챔버, 간접 가열식 음극부, 필라멘트 및 차폐부를 수납하는 진공 용기를 더 포함할 수 있다. 필라멘트 및 간접 가열식 음극부는 차폐부의 한 쪽에 배치되고, 진공 용기의 인접한 부분은 차폐부의 반대 쪽에 배치된다. 일부 실시예에서, 아크 챔버 하우징 및 진공 용기는 공통 전위에 있고, 차폐부는 필라멘트 전위에 있다. 다른 실시예에서, 진공 용기는 기준 전위에 접속되고, 차폐부는 전기적으로 부유상태가 된다.
이온 소스는 음극부 및 필라멘트를 일정한 거리를 두고 이격되도록 장착하고, 음극부 및 필라멘트에 전기 에너지를 도전하기 위한 클램프 조립체를 더 포함할 수 있다. 차폐부는 클램프 조립체에 장착될 수 있다. 클램프 조립체는 필라멘트의 제1 및 제2 접속 리드에 각각 부착된 제1 및 제2 필라멘트 클램프를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 차폐부는 기계적 및 전기적으로 필라멘트 클램프 중 하나에 연결된다. 다른 실시예에서, 차폐부는 전기 절연체에 의해 필라멘트 클램프 중 하나에 기계적으로 장착된다.
본 발명의 다른 태양에 따라서, 간접 가열식 음극 이온 소스가 제공된다. 이 간접 가열식 음극 이온 소스는 아크 챔버를 형성하는 아크 챔버 하우징, 아크 챔버 내에 배치된 간접 가열식 음극부, 아크 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 전자를 제공하는 간접 가열식 음극부를 가열하기 위하여 아크 챔버 외측에 배치된 필라멘트 및 필라멘트와 간접 가열식 음극부에 인접한 아크 챔버 외측의 영역으 로부터 플라즈마 및 전자의 탈출을 억제하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따라서, 이온 소스 동작 방법이 제공된다. 이 방법은 아크 챔버를 형성하는 아크 챔버 하우징을 제공하는 단계, 아크 챔버 내에 간접 가열식 음극부를 배치하는 단계, 아크 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 전자를 제공하도록 아크 챔버 외측에 배치된 필라멘트로 간접 가열식 음극부를 가열하는 단계 및 필라멘트와 간접 가열식 음극부에 인접한 아크 챔버 외측의 영역으로부터 플라즈마 및 전자의 탈출을 억제하는 단계를 포함한다.
본 발명의 보다 양호한 이해를 위해, 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 간접 가열식 음극 이온 소스의 개략적인 블록도이다.
도 2A는 본 발명의 일 실시예에 따른 간접 가열식 음극 이온 소스의 단면도이다.
도 2B는 아크 챔버 및 관련 구성요소를 도시하는, 도 2A의 간접 가열식 음극 이온 소스의 확대 단면도이다.
도 3은 도 2A 및 도 2B의 이온 소스에 사용되는 음극 조립체의 정면도이다.
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 취한, 음극 조립체의 단면도이다.
도 5는 부분적으로 가상선으로 도시되어 있는, 도 2A 및 도 2B의 이온 소스 내에 사용되는 간접 가열식 음극부의 측면도이다.
도 6은 도 2A 및 도 2B의 이온 소스에 사용되는 필라멘트의 사시도이다.
도 7은 도 2A 및 도 2B의 간접 가열식 음극 이온 소스의 사시도이다.
도 8은 제1 실시예에 따른 진공 용기 및 차폐부의 전기적 접속을 예시하는 개략도이다.
도 9는 제1 실시예의 필라멘트 클램프에 대한 차폐부의 장착을 예시하는 이온 소스의 부분 단면도이다.
도 10은 제2 실시예에 따른 진공 용기 및 차폐부의 전기적 접속을 예시하는 개략도이다.
도 11은 제2 실시예의 필라멘트 클램프에 대한 차폐부의 장착을 예시하는 이온 소스의 부분 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 간접 가열식 음극 이온 소스가 도 1에 도시되어 있다. 추출 개구(12)를 가지는 아크 챔버 하우징(10)은 아크 챔버(14)를 형성한다. 음극부(20) 및 반발 전극(22)(repeller electrode)이 아크 챔버(14) 내에 배치되어 있다. 음극부(20)와 인접하게 아크 챔버(14) 외측에 배치된 필라멘트(30)가 음극부(20)를 가열한다.
이온화 대상 가스가 가스 입구(34)를 통해 가스 소스(32)로부터 아크 챔버(14)로 제공된다. 도시되지 않은 다른 구성에서, 아크 챔버(14)가 증발기에 연결되고, 이 증발기가 아크 챔버(14) 내의 이온화 대상 재료를 증발시킬 수 있다.
아크 전력 공급부(50)는 아크 챔버 하우징(10)에 접속된 양성 단자 및 음극 부(20)에 접속된 음성 단자를 가진다. 반발 전극(22)은 도 1에 도시된 바와 같이, 부유상태가 되거나, 아크 전력 공급부(50)의 음성 단자에 접속될 수 있다. 아크 전력 공급부(50)는 25A 100V의 정격을 가질 수 있으며, 약 70V에서 동작할 수 있다. 아크 전력 공급부(50)는 음극부(20)에 의해 방출된 전자를 아크 챔버(14) 내의 플라즈마 내로 가속한다.
바이어스 전력 공급부(52)는 음극부(20)에 접속된 양성 단자와 필라멘트(30)에 접속된 음성 단자를 갖는다. 바이어스 전력 공급부(52)는 4A 600V의 정격을 가지며, 약 350V의 전압 및 약 2.5A의 전류에서 동작할 수 있다. 바이어스 전력 공급부(52)는 필라멘트(30)에 의해 방출된 전자를 음극부(20)를 향해 가속하여 음극부(20)를 가열한다.
필라멘트 전력 공급부(54)는 필라멘트(30)에 접속된 출력 단자를 갖는다. 필라멘트 전력 공급부(54)는 200A 6V의 정격을 가지며, 약 140 내지 170A의 필라멘트 전류에서 동작할 수 있다. 필라멘트 전력 공급부(54)는 필라멘트(30)를 가열하며, 이는 순차적으로 전자를 발생시키고, 이 전자가 음극부(20)의 가열을 위해 음극부(20)를 향해 가속된다.
소스 자석(60)은 화살표 62로 표시된 방향으로 아크 챔버(14) 내에 자기장(B)을 생성한다. 통상적으로, 소스 자석(60)은 아크 챔버(14)의 대향 단부에 폴(pole)을 포함한다. 자기장(B)의 방향은 이온 소스의 동작에 영향을 미치지 않고 반전될 수 있다. 소스 자석(60)은 자석 전력 공급부(64)에 접속되며, 이는 60A 20V의 정격을 가질 수 있다. 자기장은 음극부(20)에 의해 방출된 전자와 아크 챔 버(14) 내의 플라즈마 사이에 증가된 상호작용을 발생시킨다.
전력 공급부(50, 52, 54 및 64)의 동작 전압 및 전류와, 전압 및 전류 정격은 단지 예로서 주어진 것이며, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다.
추출 전극(70) 및 억제 전극(72)(suppression electrode)이 추출 개구(12) 전방에 배치된다. 추출 전극(70) 및 억제 전극(72)은 각각 잘 규정된 이온 빔(74)의 추출을 위해 추출 개구(12)와 정렬된 개구를 갖는다. 추출 전극(70) 및 억제 전극(72)은 각 전력 공급부(도시하지 않음)에 접속된다.
이온 소스 제어기(100)는 격리 회로(102)를 통해 이온 소스의 제어를 제공한다. 다른 실시예에서, 격리 기능을 수행하기 위한 회로가 전력 공급부(50, 52 및 54) 내에 내장될 수 있다. 이온 소스 제어기(100)는 프로그램된 제어기 또는 전용 특수 목적 제어기일 수 있다. 일 실시예에서, 이온 소스 제어기는 이온 주입기의 주 제어 컴퓨터 내에 통합된다.
이온 소스가 동작할 때, 필라멘트 전류(IF)에 의해 필라멘트(30)가 2200℃ 수준의 열이온 방출 온도로 저항 가열된다. 필라멘트(30)에 의해 방출된 전자는 필라멘트(30)와 음극부(20) 사이의 바이어스 전압(VB)에 의해 가속되고, 음극부(20)를 충격 및 가열한다. 음극부(20)는 전자 충격에 의해 열이온 방출 온도로 가열된다. 음극부(20)에 의해 방출된 전자는 아크 전압(VA)에 의해 가속되고, 아크 챔버(14) 내에서 가스 소스(32)로부터의 가스 분자를 이온화하여 플라즈마 방전을 발생 시킨다. 아크 챔버(14) 내의 전자는 자기장(B)에 의해 나선 궤적을 따르게 된다. 반발 전극(22)은 입사 전자의 결과로서 음성 전하를 축적하고, 결국 아크 챔버(14)를 통해 역방향으로 전자를 반발하여 부가적인 이온화 충돌을 발생시키기에 충분한 음성 전하를 가지게 된다. 도 1의 이온 소스는 양호한 수명을 나타내며, 그 이유는 필라멘트(30)가 아크 챔버(14) 내의 플라즈마에 노출되지 않고, 음극부(20)가 종래의 직접 가열식 음극부 보다 대형이기 때문이다.
본 발명의 실시예에 따른 이온 소스가 도 2A 내지 9에 도시되어 있다. 도 1 내지 도 9의 유사 요소는 동일 참조 번호를 갖는다. 전력 공급부(50, 52, 54 및 64), 제어기(100), 격리 회로(102), 가스 소스(32) 및 소스 자석(60)은 도 2A 내지 도 9에는 도시되어 있지 않다.
도 2A 및 도 2B를 참조하면, 아크 챔버 하우징(10)은 이온 소스 본체(150) 및 아크 챔버 기부(152)에 의해 지지되어 있다. 이온 소스 본체(150)의 일부인 판(154)이 이온 소스의 진공 영역과 외부 환경 사이의 경계부를 형성한다. 관(160)은 아크 챔버(14)의 가스 입구(34)와 가스 소스(32)(도 1) 사이의 연결을 제공한다.
도 2A 및 도 2B에 추가로 도시된 바와 같이, 반발 전극(22)은 도전성 지지 부재(170) 및 절연체(172)에 의해 아크 챔버 기부(152)에 장착되어 있다. 반발 전극(22)은 절연체(174)에 의해 아크 챔버 하우징(10)으로부터 전기적으로 격리된다.
도 2A, 도 2B, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 음극 조립체(200)는 음극부(20), 필라멘트(30) 및 클램프 조립체(210)를 포함하며, 이 클램프 조립체는 음극부(20)와 필라멘트(30)를 일정한 거리를 두고 이격되도록 장착하고 음극부(20)와 필라멘트(30)에 전기 에너지를 도전하기 위한 것이다. 도 2A 및 도 2B에 도시된 바와 같이, 음극부(20)는 아크 챔버 하우징(10)의 일 단부의 개구 내에 장착되지만, 아크 챔버 하우징(10)과 물리적으로 접촉하지는 않는다. 음극부(20)와 아크 챔버 하우징(10) 사이의 간극은 약 1.27 mm 수준인 것이 바람직하다.
음극부(20)의 일 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 음극부(20)는 디스크형 방출부(220)를 포함하며, 이 방출부는 정면(222), 이면(224) 및 대칭축(226)을 갖는다. 지지 봉재(230)가 이면(224)으로부터 후향 연장하며, 이는 축(226)상에 배치되는 것이 바람직하다. 스커트부(232)는 방출부(220)의 외주부로부터 후향 연장한다. 스커트부(232)는 원통형 형상을 가지며, 바람직하게는, 열 에너지의 전도를 제한하기 위해 비교적 얇은 벽을 갖는다. 방출부(220) 및 스커트부(232)는 방출부(220)의 이면(224)에 인접한 컵형(cup-shaped) 공동(240)을 형성한다. 후술될 바와 같이, 필라멘트(30)는 이면(224)에 인접하게 공동(240) 내에 장착되며, 스커트부(232)에 의해 아크 챔버(14) 내의 플라즈마로부터 차폐된다. 일 예에서, 음극부(20)는 텅스텐으로 제조된다.
지지 봉재(230)는 음극부(20)의 기계적 장착 및 음극부(20)로의 전기 에너지의 도전을 위해 사용된다. 지지 봉재(230)는 열 전도 및 방사를 제한하기 위해 방사부(220)에 비해 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 지지 봉재(230)는 3.175 mm의 직경 및 19.28 mm의 길이를 가지며, 방사부(220)의 이면(224)의 중심에 부착된다.
스커트부(232)는 아크 챔버(14) 내의 플라즈마로부터 필라멘트(30)를 차폐하 도록 기능하지만, 음극부(20)의 기계적 장착 또는 음극부(20)로의 전기 에너지의 도전을 위해서는 사용되지 않는다. 특히, 스커트부(232)는 아크 챔버 내에 음극부(20)를 장착하기 위해 사용되는 클램프 조립체와 물리적으로 접촉하지 않으며, 아크 챔버 하우징(10)과 물리적으로 접촉하지 않는다. 일 실시예에서, 스커트부(232)는 약 1.27 mm의 벽 두께를 가지며, 약 14.22 mm의 축방향 길이를 갖는다.
방사부(220)는 비교적 두꺼우며, 이온 소스를 위한 주 전자 방사기로서 기능한다. 일 실시예에서, 방사부(220)는 21.72 mm의 직경 및 5.08 mm의 두께를 갖는다. 상기 치수는 단지 예로서 주어진 것이며, 본 발명의 범주를 제한하지 않는다는 것을 이해할 것이다.
필라멘트(30)의 일 예가 도 6에 도시되어 있다. 본 예에서, 필라멘트(30)는 도전성 와이어로 제조되며, 가열 루프(270) 및 접속 리드(272 및 274)를 포함한다. 접속 리드(272 및 274)는 도 2A, 도 2B, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 클램프 조립체(210)에 대한 필라멘트(30)의 부착을 위해 적절한 굴곡부를 구비한다. 도 6의 예에서, 가열 루프(270)는 지지 봉재(230)를 수용하도록 지지 봉재(230)의 직경과 같거나 그 보다 큰 내경을 가지는 단일의 원호상 권회부(arc-shaped turn)로서 구성된다. 도 6의 예에서, 가열 루프(270)는 9.14 mm의 내경 및 13.72 mm의 외경을 갖는다. 필라멘트(30)는 2.29 mm의 직경을 갖는 텅스텐 와이어로 제조될 수 있다. 가열 루프(270)의 길이를 따른 와이어는 음극부(20)에 인접한 영역에서의 저항 증가 및 가열 증가와, 접속 리드(272 및 274)의 가열 감소를 위해, 음극부(20)에 인접한 영역에서 보다 작은 단면적으로 연삭 또는 기타의 방식으로 감축된다. 가열 루프(270)는 방사부(220)의 이면(224)으로부터 약 0.61 mm 내지 0.71 mm 만큼 이격 배치될 수 있다.
도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 클램프 조립체(210)는 음극 클램프(300), 필라멘트 클램프(302 및 304) 및 절연체 블록(310)을 포함할 수 있다. 음극 클램프(300) 및 필라멘트 클램프(302, 304)는 절연체 블록(310)에 고정된 위치로 장착되며, 서로 전기적으로 격리된다. 각 클램프(300, 302 및 304)는 벌어질 수 있는 수지부(316 및 318)(finger)를 형성하는 하나 이상의 구멍(314) 및 길이방향 슬릿(312)을 가지는 도전성 금속 스트립으로서 제조될 수 있다. 벌어질 수 있는 수지부(316, 318)는 필라멘트 클램프(302 및 304)의 경우에 필라멘트 리드를 수용하기 위한, 그리고, 음극 클램프(300)의 경우에 지지 봉재(230)를 수용하기 위한 구멍을 포함할 수 있다. 필라멘트 클램프(302 및 304)는 음극부(20)에 대하여 필라멘트(30)를 위치설정하도록 치수설정된 각각의 맹공(324)(blind hole)을 포함할 수 있다. 음극 클램프(300)는 필라멘트(30)에 대한 음극부(20)의 적절한 위치설정 이후, 음극 클램프(300)의 수지부를 함께 고정하기 위한 나사(320)를 포함할 수 있다. 음극 클램프(300) 및 필라멘트 클램프(302 및 304)는 도 1에 도시 및 상술된 바와 같이, 각 전력 공급부에 대한 전기적 접속을 위해 절연체 블록(310) 아래로 연장한다.
도 2A 및 도 2B를 다시 참조하면, 스커트부(232)가 아크 챔버(14) 내의 플라즈마로부터 필라멘트(30)를 효과적으로 차폐한다는 것을 관찰할 수 있다. 따라서, 필라멘트(30)의 스퍼터링 및 필라멘트(30)에 대한 손상이 제한된다. 비록, 음극부 (20)와 아크 챔버 하우징(10) 사이에 간극이 존재하지만, 필라멘트(30)의 가열 루프는 컵형 공동(240) 내에 배치되며, 아크 챔버(14)로부터 필라멘트(30)로의 플라즈마의 이동이 최소화된다. 따라서, 긴 동작 수명이 달성되며, 종래 기술 이온 소스에 사용되는 음극 절연체가 제거된다.
이온 소스는 도 2A, 도 2B 및 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 차폐부(400)를 추가로 포함할 수 있다. 차폐부(400)는 음극부(20)과 필라멘트(30)에 근접한 아크 챔버(14) 외측의 영역(402)을 실질적으로 포위한다. 차폐부(400)의 기능은 음극부(20)와 필라멘트(30) 부근의 플라즈마 및 전자에 대한 장벽을 형성하는 것이다. 차폐부(400)는 전자 및 플라즈마에 대한 장벽을 형성하지만, 그 영역(402)을 밀봉하지는 않는 개념으로 영역(402)을 실질적으로 포위한다.
차폐부(400)는 박스형 구조를 가질 수 있으며, 내화 금속으로 제조될 수 있다. 도 2A, 도 2B 및 도 7의 실시예에서, 차폐부(400)는 2단 주 벽(410), 상단벽(412) 제1 측벽(414) 및 제2 측벽(도시하지 않음)을 포함한다. 2단 주 벽(410)은 차폐부(400)가 필라멘트 클램프(304)에 전기적 및 기계적으로 연결될 수 있게 하며, 필라멘트 클램프(302) 및 음극 클램프(300)로부터 이격 배치될 수 있게 한다. 다른 차폐부 구조가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예로서, 차폐부(400)는 평탄한 주 벽을 가질 수 있으며, 스탠드오프(standoff)를 사용하여 필라멘트 클램프(304)에 장착될 수 있다. 또한, 차폐부(400)는 이온 소스의 다른 요소에 장착될 수 있다.
상술한 바와 같이, 차폐부(400)는 음극부(20) 및 필라멘트(30)에 인접한 아 크 챔버(14) 외측의 영역(402)을 실질적으로 포위한다. 이온 소스의 동작은 필라멘트(30) 및 음극부(20)에 의한 전자의 생성 및 아크 챔버(14) 내의 플라즈마의 형성을 수반한다. 이상적 조건하에서, 필라멘트(30)에 의해 생성된 전자는 음극부(20)에 충격을 주고, 음극부(20)에 의해 생성된 전자는 아크 챔버(14) 내에 잔류하며, 플라즈마는 아크 챔버(14) 내에 잔류한다. 그러나, 실제 이온 소스에서, 이온 소스 및 추출 시스템의 구성요소를 수납하는 진공 용기 같은 다양한 구성요소의 전위는 바람직하지 못한 전자 방출, 아크 형성 및/또는 플라즈마 형성을 초래할 수 있다. 이런 바람직하지 못한 조건은 이온 소스의 안정성을 열화시키고, 그 수명을 감소시킬 수 있다. 음극부(20)와 아크 챔버 하우징(10) 사이의 공간은 아크 챔버(14)로부터의 플라즈마의 탈출 경로를 제공한다. 차폐부(400)는 추출 시스템의 구성요소 및 진공 용기를 필라멘트(30), 음극부(20) 및 아크 챔버(14)로부터 효과적으로 격리시킨다.
차폐부(400) 및 관련 이온 소스 구성요소의 제1 실시예가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 예시의 목적으로, 진공 용기(430)의 단면이 도시되어 있다. 진공 용기(430)는 이온 소스의 구성요소를 수납하며, 이온 소스의 제어된 환경과 외부 대기 사이의 경계를 형성한다. 본 실시예에서, 진공 용기(430)는 아크 챔버 하우징(10)의 전위에 전기적으로 접속된다. 차폐부(400)의 부재시, 필라멘트(30) 및 음극부(20)로부터의 전자는 진공 용기(30)에 충격을 줄 수 있으며, 진공 용기(30)에 대한 손상을 유발할 수 있다. 도 8 및 도 9의 실시예에서, 차폐부(400)는 필라멘트(30)의 양성 단자에 전기적으로 접속된다. 도 9에 예시된 바와 같이, 차폐부 (400)는 필라멘트 클램프(304)에 전기적 및 기계적으로 부착된다. 2단 주 벽(410)은 차폐부(400)가 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이 필라멘트 클램프(304)에 직접 고정될 수 있게 하며, 동시에, 음극 클램프(300) 또는 필라멘트 클램프(302)와 차폐부(400) 사이의 물리적 접촉을 방지한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 차폐부(400)는 필라멘트(30)와 음극부(20) 부근의 아크 챔버(14) 외측의 영역(402)을 실질적으로 포위한다. 따라서, 차폐부(400)는 장벽으로서 기능한다. 음극부(20) 및 필라멘트(30)는 차폐부(400)에 의해 형성된 장벽의 한 쪽에 배치되며, 전극(70 및 72) 같은 추출 시스템의 구성 요소와 진공 용기(430)는 장벽의 반대 쪽에 배치된다.
차폐부(400) 및 관련 이온 소스 구성요소의 제2 실시예가 도 10 및 도 11에 도시되어 있다. 도 10 및 도 11의 실시예에서, 진공 용기(430)가 접지에 접속되거나, 차폐부(400)가 전기적으로 부유상태가 된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 차폐부(400)는 필라멘트 클램프(304)와 차폐부(400) 사이의 전기적 격리를 보증하도록 절연 스탠드오프(450 및 452)와 절연 장착 하드웨어(454)를 사용하여 필라멘트 클램프(304)에 장착될 수 있다. 대안적으로, 차폐부(400)는 절연 스탠드오프를 사용하여 이온 소스의 다른 구성요소에 장착될 수 있다. 제1 실시예에서와 같이, 차폐부(400)는 필라멘트(30)와 음극부(20)에 인접한 아크 챔버(14) 외측의 영역(402)을 실질적으로 포위하며, 장벽으로서 기능한다.
차폐부(400)는 소정의 적절한 크기 및 형상을 가질 수 있으며, 박스형 구조에 한정되지 않는다. 차폐부(400)는 예로서, 탄탈륨, 텅스텐, 몰리브데늄 또는 니 오븀 같은 내화 금속으로 제조될 수 있다. 이온 소스 내의 가혹한 환경 때문에, 차폐부(400)는 높은 온도 및 부식성 재료에 대하여 내성이 있어야 한다.
차폐부(400)는 아크 챔버 하우징(10)으로부터 음극부(20)를 전기적으로 절연시키면서, 아크 챔버(14)로부터의 플라즈마의 탈출을 억제하기 위해 사용되어온 아크 챔버 하우징(10)과 음극부(20) 사이의 절연체의 제거를 가능하게 한다. 이 위치의 절연체는 이온 소스의 수명을 감소시킬 수 있는 도전성 침착을 받게 된다.
이온 소스는 절연체 블록(310)과 음극부(20) 사이의 절연체 차폐부(460)를 추가로 포함할 수 있다(도 2A, 도 2B 및 도 7). 절연체 차폐부(460)는 이온 소스 본체(150)에 부착된 내화 금속 요소일 수 있다. 절연체 차폐부(460)는 음극 클램프(300) 및 필라멘트 클램프(302 및 304)로부터의 전기적 격리를 제공하기 위한 절결부를 갖는다. 절연체 차폐부(460)는 하나 이상의 음극 클램프(300)와 필라멘트 클램프(302 및 304) 사이에 단락 회로를 형성할 수 있는 절연체 블록(310) 상의 침착물의 누적을 억제한다.
상술한 설명은 예시를 위한 것이며, 배타적인 것은 아니다. 본 설명은 본 기술의 통상적인 지식을 가진 자에게 다양한 변형 및 대안을 제시할 것이다. 이들 대안 및 변형 모두는 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함된다. 본 기술의 숙련자는 본 명세서에 설명된 특정 실시예에 대한 다른 등가체를 인지할 수 있을 것이며, 이 등가체도 본 명세서에 첨부된 청구범위에 포함된다. 또한, 아래의 독립항에 제시된 특정 구성은 본 발명이 종속항의 특징의 소정의 다른 가능한 조합을 갖는 다른 실시예에 특정하게 관련되는 것으로 인지되도록 본 발명의 범주내의 다른 방식에서 서로 조합될 수 있다.

Claims (44)

  1. 간접 가열식 음극 이온 소스에 사용하기 위한 음극 조립체이며,
    방출부와, 상기 방출부에 부착된 지지 봉재 및 상기 방출부의 외주부로부터 연장하며, 상기 방출부와 함께 공동을 형성하는 스커트부를 포함하는 음극부와,
    상기 음극부의 방출부 부근의 공동 내에 배치된, 상기 음극부의 방출부를 가열하기 위한 필라멘트와,
    상기 음극부와 필라멘트를 일정한 거리를 두고 이격되도록 장착하고, 상기 음극부와 필라멘트에 전기 에너지를 도전하기 위한 클램프 조립체를 포함하며,
    상기 스커트부는 열 에너지의 전도를 제한하기 위해 얇은 벽을 갖고, 이온 소스 내의 음극부의 기계적인 고정에 사용되지 않으며,
    상기 방출부와 스커트부는 이온 소스 내의 플라즈마로부터 필라멘트를 차폐하는 음극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극부의 방출부는 디스크 형상인 음극 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 디스크형 방출부는 전면 및 이면을 가지고,
    상기 지지 봉재는 방출부의 이면의 중심에 또는 그 부근에 부착되는 음극 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스커트부는 원통형이며, 상기 방출부의 외주부로부터 후향 연장하는 음극 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스커트부는 14.22 mm의 길이 및 1.27 mm의 벽 두께를 갖는 음극 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 클램프 조립체는 음극부의 지지 봉재에 부착된 음극 클램프를 포함하는 음극 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 클램프 조립체는 상기 필라멘트의 제1 및 제2 접속 리드에 각각 부착된 제1 및 제2 필라멘트 클램프를 더 포함하는 음극 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 클램프 조립체는 절연체 블록을 더 포함하고,
    상기 음극 클램프와 제1 및 제2 필라멘트 클램프는 절연체 블록에 고정된 위치로 장착되는 음극 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 음극부의 스커트부는 음극부의 방출부에만 접촉하는 음극 조립체.
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  15. 간접 가열식 음극 이온 소스이며,
    아크 챔버를 형성하는 아크 챔버 하우징과,
    전면, 이면 및 외주부를 가지는 방출부와, 상기 방출부의 이면에 부착된 지지 봉재 및 방출부의 외주부로부터 연장하는 스커트부를 포함하며, 상기 아크 챔버 내에 배치된 간접 가열식 음극부와,
    상기 간접 가열식 음극부를 가열하기 위한 필라멘트를 포함하며,
    상기 스커트부는 열 에너지의 전도를 제한하기 위해 얇은 벽을 갖고, 이온 소스 내의 음극부의 기계적인 고정에 사용되지 않으며,
    상기 방출부와 스커트부는 이온 소스 내의 플라즈마로부터 필라멘트를 차폐하는 간접 가열식 음극 이온 소스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 음극부 및 필라멘트를 일정한 거리를 두고 이격되도록 장착하고, 상기 음극부와 필라멘트에 전기 에너지를 도전하기 위한 클램프 조립체를 더 포함하는 간접 가열식 음극 이온 소스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 클램프 조립체는 음극부의 지지 봉재에 부착된 음극 클램프와, 상기 필라멘트의 제1 및 제2 접속 리드에 각각 부착된 제1 및 제2 필라멘트 클램프 및 절연체 블록을 포함하고,
    상기 음극 클램프 및 제1 및 제2 필라멘트 클램프는 절연체 블록에 고정된 위치로 장착되는 간접 가열식 음극 이온 소스.
  18. 제15항에 있어서, 상기 스커트부 및 방출부는 공동을 형성하고,
    상기 필라멘트는 공동 내에 배치되어 아크 챔버 내의 플라즈마에 대한 노출에 대해 보호되는 간접 가열식 음극 이온 소스.
  19. 제15항에 있어서, 상기 필라멘트를 가열하기 위한 전류를 제공하는 필라멘트 전력 공급부와,
    상기 필라멘트와 음극부 사이에 연결된 바이어스 전력 공급부와,
    상기 음극부와 아크 챔버 하우징 사이에 연결된 아크 전력 공급부를 더 포함하는 간접 가열식 음극 이온 소스.
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