KR101144222B1 - 이온원 장치 및 그 이온원의 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필라멘트를 아크방전함부의 외부에 배치하고, 열전자를 배출하는 텅스텐 블록을 아크방전함부의 내부에 두는 필라멘트 간접 가열방식을 통하여 이온빔을 인출함으로써 필라멘트의 수명을 대폭 연장할 수 있고, 증기도입관에 진공 게이트 밸브를 추가하여 크루시블 교체시에 아크방전함부의 진공상태를 파기하지 않음으로써 진공상태를 다시 배기해야 하는 시간을 없애고, 진공상태 배기로 인한 기계적 오차를 없애 일정한 이온빔 인출량을 유지하는 이온원 장치 및 운전방법이다.
본 발명에 따른 이온원 장치는 내부 수용공간을 가지며 히터가 구비된 크루시블; 상기 크루시블에 증기도입관을 통하여 연결되고 내부공간을 가지며 일측벽에 텅스텐블록, 반대측벽에는 반사전극이 배치되고 전방에 이온빔 인출구를 갖는 아크방전함부; 상기 아크방전함부의 외부에 상기 텅스텐 블록과 인접하여 배치되며 전원선이 연결된 필라멘트; 상기 아크방전함부의 이온빔 인출구 전방에 배치되는 인출전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이온원 장치 및 그 이온원의 운전방법{ION SOURCE APPARATUS AND ITS OPERATING METHOD}
본 발명은 이온도핑 또는 이온조사를 위한 장치에 이용되는 것으로, 증기가 도입되는 아크방전함부내에 열전자 방출용의 텅스텐 블록을 갖고, 상기 텅스텐 블록으로부터 방출된 열전자가 증기와 충돌하여 플라즈마를 생성하고 이로부터 이온빔을 인출하는 이온원 장치에 관한 것이다.
또한 증기도입관에 공기 유입을 조절할 수 있는 진공 게이트 밸브를 추가하여 크루시블 교체시에 진공 게이트 밸브를 차단함으로써 아크방전함부내의 진공상태를 파기하지 않도록 구성된 이온원 장치에 관한 것이다.
종래의 이온원 장치는 아크방전함부의 내부에 배치된 필라멘트를 가열하여 방출되는 열전자와 증기간의 충돌을 통하여 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마에 인출전극을 가하여 이온빔을 인출하는 필라멘트 직접 가열방식의 이온원 장치가 일반적이었다.
이러한 종래의 이온원 장치는 도 1에 도시한 바와 같다. 상기 이온원 장치는 증기가 도입되는 아크방전함부(16)안에 U자 모양을 한 필라멘트(20)를 전류도입단자(21)를 이용하여 지지하는 구조를 하고 있다. 아크방전함부(16)는 증기도입관(10)을 통하여 크루시블(4)과 연결이 되어 있고, 전방에는 이온빔을 인출하기 위한 이온빔인출부(40)로 이루어져 있다.
상기 이온원 장치에 있어서 필라멘트(20)의 열은 전류도입단자(21)를 거쳐 아크방전함부(16)의 외부로 빠져나간다. 따라서 필라멘트(20)의 선단부근(20a)에서 가장 높고 전류도입단자(21)를 향해 온도가 저하하는 형태의 분포를 취하는데, 전류도입단자(21)와 필라멘트의 선단부근(20a) 사이에서 금속원료(6)의 융점 근방 온도가 되는 부분이 존재한다. 따라서 전류도입단자(21) 근방에서 플라즈마(24)는 고체 형태로 퇴적되나, 필라멘트 선단부근(20a)에서는 액체 형태로 퇴적한다.
상기 이온원 장치에 있어서 상기 퇴적된 금속원료는 필라멘트의 내부에 침투하여 필라멘트(20)를 열화시킨다. 그에 따라 필라멘트(20)의 수명이 짧아지는 문제가 있다. 이러한 문제는 필라멘트의 선단부(20a)에서 액상으로 퇴적한 금속원료의 경우 더 심각하며 일반적으로 금속원료가 붕소이고, 필라멘트가 텅스턴계 재료로 이루어진 경우 두드러지지만 그 이외의 조합인 경우에도 존재한다.
또한, 크루시블(4)내의 금속원료(6)가 가열되어 모두 증발하면 새로운 크루시블로 교체할 필요가 있는데 크루시블(4)과 아크방전함부(16)를 분리하고 새로운 크루시블을 아크방전함부(16)에 연결하는 방법이 일반적이다. 이 경우 아크방전함부(16)의 진공상태를 파기함에 따라 교체 후 다시 진공배기를 해야 하며, 새로운 진공상태에 기계적인 오차가 발생하여 일정한 이온빔 인출량 유지에도 문제가 있다.
상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 필라멘트를 아크방전함부의 외부에 배치하고, 열전자를 배출하는 텅스텐 블록을 아크방전함부의 내부에 두는 필라멘트 간접 가열방식을 통하여 이온빔을 인출함으로써 필라멘트의 수명을 대폭 연장하는 이온원 장치 및 운전방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 증기도입관에 진공 게이트 밸브를 추가하여 크루시블 교체시에 아크방전함부의 진공상태를 파기하지 않음으로써 진공상태를 다시 배기해야 하는 시간을 없애고, 진공상태 배기로 인한 기계적 오차를 없애 일정한 이온빔 인출량을 유지하는 이온원 장치 및 운전방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이온원 장치는 내부 수용공간을 가지며 히터가 구비된 크루시블; 상기 크루시블에 증기도입관을 통하여 연결되고 내부공간을 가지며 일측벽에 텅스텐블록, 반대측벽에는 반사전극이 배치되고 전방에 이온빔 인출구를 갖는 아크방전함부; 상기 아크방전함부의 외부에 상기 텅스텐 블록과 인접하여 배치되며 전원선이 연결된 필라멘트; 상기 아크방전함부의 이온빔 인출구 전방에 배치되는 인출전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 증기도입관에는 진공 게이트 밸브가 더 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 크루시블을 탑재하며 이송레일에서 이동가능한 이송장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이온원 운전 방법은 크루시블에서 금속원료를 가열하여 증기로 만드는 단계; 상기 증기가 증기도입관을 통하여 아크방전함부로 인입되는 단계; 상기 아크방전함부의 외부에 위치한 필라멘트의 전원에 의해 가열된 필라멘트에서 열전자가 방출되는 단계; 상기 필라멘트에서 발생한 열전자와 충돌한 텅스텐 블록에서 열전자가 방출되는 단계; 상기 열전자가 상기 증기와 충돌하여 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 플라즈마에 인출전압을 가하여 이온빔을 인출하는 단계:로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 증기도입관의 진공 게이트 밸브를 잠가서 공기의 유입을 차단하는 단계; 상기 크루시블을 꺼낸 후 새로운 크루시블로 교체하는 단계:를 더 포함한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 필라멘트를 아크방전함부의 외부에 둠으로써 금속원료가 필라멘트에 퇴적되지 아니하므로 필라멘트의 수명이 대폭 연장된다.
또한 크루시블을 교체하는 경우 아크방전함부의 진공상태를 파기하지 않으므로 교체시마다 진공상태를 다시 배기하는 일이 필요가 없어 교체시간이 대폭 감소되어 이온빔의 생산성이 향상된다.
또한 아크방전함부의 진공상태가 일정하게 유지되므로 크루시블의 교체후에도 일정한 이온빔 인출량을 유지함에 따라 타겟시료에 일정량의 이온빔을 조사할 수 있다.
도 1은 종래의 실시예에 따른 이온원 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이온원 장치의 구성도, 및
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이온원 장치의 크루시블 교체부의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이온원장치 구성도이다.
본 발명의 이온원 장치는 금속원료(106)를 가열하기 위한 공간을 갖고 있는 크루시블(104); 플라즈마(124)를 생성하고 이를 인출하기 위한 인출구(140)를 갖고 있는 아크방전함부(116); 아크방전함부(116)와 크루시블(104)을 연결하는 증기도입관(110); 증기도입관(110)의 공기 유입을 조절하는 진공 게이트 밸브(170); 아크방전함부(116) 내부에서 열전자(123)를 방출하기 위한 텅스텐 블록(122); 텅스텐 블록(122)과 인접하고 아크방전함부(116)의 외부에 배치된 필라멘트(120); 전자 반사를 위한 반사전극(127); 이온빔 인출구(140)를 통하여 나온 플라즈마에 인출전압을 가하기 위한 인출전극부(128); 인출전극부를 통하여 인출된 이온빔이 조사되는 타겟시료(142); 다수의 크루시블이 원형으로 배치된 회전레일(160);및 크루시블을 교체하기 위한 이송장치(161)를 포함한다. 필라멘트(120)는 통상 고융점 금속으로 이루어진다. 예를 들어 텅스텐 또는 텅스텐 함급등의 텅스텐계 재료로 이루어진다.
크루시블(104)은 가열용 히터(105)를 가지고 있으며, 히터용 전원(138)으로부터의 통전에 의해 가열된다. 크루시블(104)은 내열성이 강한 금속으로 되어 있으며, 세라믹 재질의 크루시블은 전원을 인가할 경우 30초 이내에 800도(degree)까지 온도를 올릴 수 있으며 내열성 및 열충격에 강하여 크루시블의 재료로 많이 사용된다.
가열된 크루시블(104)내의 금속원료(106)는 증기(108)로 변환되고 증기도입관(110)을 통하여 아크방전함부(116)로 인입된다. 필라멘트에 연결된 전원(132)에 의해 가열된 필라멘트(120)는 열전자(121)를 방출한다. 방출된 열전자(121)는 전원(136)에 의해 인가된 텅스텐블록(122, 양극)과 필라멘트(120, 음극) 사이에 전압차로 인하여 텅스텐 블록(122)을 행하여 가속된다. 가속된 열전자(121)에 의해 가열된 텅스텐 블록(122)은 아크방전함부(116) 내부에 열전자(123)를 방출하게 된다.
전원(134)에 의해 텅스텐 블록(122, 음극)과 아크방전함부(116, 양극)사이에 아크전압이 인가되고, 열전자(123)는 아크방전함부(116)의 벽을 향하여 가속된다. 가속된 열전자(123)는 외부의 자계(126)에 의해 아크방전함부(116) 내부에 구속되고, 반사전극(127)에 의해 반사되어 아크방전함부(116) 내부를 돌아다니며 증기(108)와 충돌한다. 충돌한 증기는 전리되고 아크방전함부(116) 내부에 금속원료의 플라즈마(124)를 발생시킨다.
플라즈마(124)는 아크방전함부(116)의 이온빔 인출구(140)를 통하여 나오고 전방의 인출전극부(128)의 인출전압에 의하여 이온빔(130)으로 인출된다. 이온빔(130)은 질량분리 전자석(도시되지 않음) 및 가속관(도시되지 않음)을 거쳐 슬릿형으로 타겟시료(142)에 조사하게 된다. 타겟시료(142)는 편의상 인출 전극부(128) 부근에 도시하였지만 실제로는 인출전극부(128)와 훨씬 떨어져 배치된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이온원 장치의 크루시블 교체부의 구성도이다.
본 발명의 이온원 장치의 크루시블 교체부는 크루시블이 탑재될 수 있는 이송장치(161) 및 이송레일(160)을 포함한다. 이송레일은 선형방식 또는 회전방식이 사용될 수 있으며, 도 3은 회전방식 이송레일의 일례를 도시하였다.
본 실시예에서는 크루시블 내부의 금속원료(106)가 전부 증발한 경우 증기도입관(110)의 진공 게이트 밸브(170)를 잠가서 아크방전함부와 크루시블간의 공기 유입을 차단한다. 진공 게이트 밸브(170)의 외단부에는 증기도입관(110)의 크루시블 도킹부(미도시)가 형성되어 크루시블이 밀봉결합될 수 있도록 한다. 금속 원료(106)를 모두 소진한 크루시블(104)은 크루시블 도킹부에서 분리되어 회전 레일(160)을 따라 이송된다. 회전 레일(160)은 시계 방향(또는 반시계 방향)으로 회전하고 이송장치(162)에 의해 새로운 크루시블(154)이 크루시블 도킹부로 이송되어 증기도입관(110)을 통하여 연결된다. 이 때 새로운 크루시블(154)을 미리 적정 온도로 가열하여 증기도입관(110)에 연결됨과 동시에 금속원료(156)를 증기 상태로 변환 시킬 수 있도록 한다. 진공 게이트 밸브(170)를 다시 열어 새로운 크루시블(154)에서 아크방전함부로 증기가 인입될 수 있도록 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
4, 104, 154: 크루시블 5, 105: 가열용 히터
6, 106, 156: 금속 원료 8, 108: 증기
10, 110: 증기도입관 16, 116: 아크방전함부
20, 120: 필라멘트 24, 124: 플라즈마
26, 126: 외부 자계 27, 127: 반사전극
28, 128: 인출 전극부 30, 130: 이온빔
32, 34, 132, 134,136: 전압 인가용 전원 38, 138: 히터용 전원
40, 140: 이온빔 인출구 42, 142: 타겟시료
122: 텅스텐 블록 160: 이송 레일
161, 162: 이송장치 170: 진공 게이트 밸브

Claims (5)

  1. 내부 수용공간을 가지며 가열용 히터가 구비된 복수개의 크루시블;
    상기 복수개의 크루시블 중 어느 하나의 크루시블과 증기도입관을 통하여 연결되고 내부공간을 가지며 일측벽에 텅스텐블록, 반대측벽에는 반사전극이 배치되고 전방에 이온빔 인출구를 갖는 아크방전함부;
    상기 아크방전함부의 외부에 상기 텅스텐 블록과 인접하여 배치되며 전원선이 연결된 필라멘트;
    상기 아크방전함부의 이온빔 인출구 전방에 배치되는 인출전극부;
    상기 복수개의 크루시블을 탑재하며 상기 증기도입관에 연결되는 크루시블의 교체가 가능하도록 이송레일에서 이동가능한 이송장치; 및
    외단부에 도킹부가 형성되어 있으며, 상기 증기도입관에 설치되어 상기 크루시블의 교체시 상기 아크방전함부의 진공상태를 유지하기 위한 진공 게이트 벨브
    를 포함하는 이온원장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 크루시블에서 금속원료를 가열하여 증기로 만드는 단계;
    상기 증기가 증기도입관을 통하여 아크방전함부로 인입되는 단계;
    상기 아크방전함부의 외부에 위치한 필라멘트의 전원에 의해 가열된 필라멘트에서 열전자가 방출되는 단계;
    상기 필라멘트에서 발생한 열전자와 충돌한 텅스텐 블록에서 열전자가 방출되는 단계;
    상기 열전자가 상기 증기와 충돌하여 플라즈마를 생성하는 단계;
    상기 플라즈마에 인출전압을 가하여 이온빔을 인출하는 단계;
    상기 증기도입관의 진공 게이트 밸브를 잠가서 상기 아크방전함부의 진공상태를 유지하는 단계;
    이송장치가 이송레일에서 이동함에 따라 상기 이송장치에 탑재된 복수개의 크루시블 중 어느 하나가 상기 증기도입관에 연결되는 단계
    를 포함하는 이온원 운전 방법.
  5. 삭제
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