KR101630233B1 - 이온주입기용 아크 챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이온주입기용 아크 챔버는 이온주입기용 이온소스의 일부분을 구성하고, 내부 공간에서 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 아크 챔버로서, 상부가 개방되고, 내부에 방전을 일으킬 수 있는 소정의 공간이 형성된 챔버 바디와, 상기 챔버 바디의 상부에 결합되고, 방전으로 생성된 이온을 추출할 수 있는 제1슬릿이 형성된 챔버 상부 커버와, 상기 챔버 바디의 일측에 고정되고, 전자를 챔버 바디 내부 공간으로 방출하는 캐소드와, 상기 챔버 바디의 다른 일측에 고정되고, 상기 캐소드에 대향하여 전자를 밀어내는 리펠러와, 상기 캐소드에 전자를 충돌시켜 캐소드를 가열하기 위한 열전자 방출 필라멘트와, 상기 캐소드를 고정하고 상기 캐소드에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 도선 기능을 하는 캐소드 클램프와, 상기 리펠러에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 리펠러 클램프와, 상기 필라멘트에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 필라멘트 클램프를 포함하고, 상기 캐소드는 상기 필라멘트가 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하는 외측부와 전자를 방출하기 위한 전자 방출면을 포함하고, 상기 캐소드 클램프는 상기 캐소드의 외측부를 감싸면서 캐소드를 고정하는 것을 특징으로 한다.

Description

이온주입기용 아크 챔버{Arc chamber for ion implanter}

본 발명은 이온주입기용 아크 챔버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 플라즈마를 형성하여 이온주입기에서 반도체 웨이퍼에 주입할 이온을 생성하는 장치인 이온주입기용 아크 챔버에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조공정은 크게 증착공정, 포토공정, 식각공정, 이온주입공정으로 이루어진다. 증착공정은 반도체 소자의 전도막 또는 절연막을 형성하는 공정으로서 스퍼터링, 화학증기증착 공정 등이 이용되고, 포토공정은 식각공정의 전단계로서 소정의 패턴을 가지는 광마스크로 감광성수지를 패터팅하는 공정이며, 식각공정은 상기 감광성수지 패턴을 이용하여 하부의 전도막 또는 절연막을 패터닝하는 공정이다.

이온주입공정은 실리콘 웨이퍼 상에 형성되는 전자소자의 동작특성을 제어하기 위한 공정으로서, 종래에는 열확산을 이용하여 불순물을 막의 내부에 도핑하는 공정이 이용되었으나, 최근에는 일정한 에너지를 가지는 이온을 막의 내부에 침투시켜 불순문을 도핑하는 이온주입법이 주로 이용되고 있다.

이온주입법을 이용한 불순물 도핑공정은 열확산 공정에 비하여 불순물의 농도 제어가 용이하고, 도핑되는 깊이를 조절하거나 한정하는데 유리하다는 장점을 가지고 있다. 이온주입법에는 이온주입기라는 장치가 이용되는데, 이온주입기는 불순물을 도핑할 이온을 생성시키는 이온발생부와 발생된 이온의 종류와 에너지를 제어하는 이온분석부로 이루어진다.

이온발생장치는 이온주입기에서 웨이퍼에 주입될 이온을 생성하기 위한 장치로서, 아크 챔버의 내부 공간에 도핑가스를 주입하면서 플라즈마를 형성하여 이온을 생성시킨다. 아크 챔버의 내부에는 전자를 방출하는 캐소드, 캐소드에서 방출된 전자를 밀어내는 리펠러가 설치되고, 전자들은 아크 챔버 방향으로 가속되면서 플라즈마가 형성된다.

캐소드, 리펠러 및 필라멘트에는 각각 아크 챔버 내부에서 방전을 효과적으로 일으키기 위한 전압이 인가되는데, 이때 캐소드, 리펠러 및 필라멘트를 고정하고 전압을 인가하기 위한 클램프들이 이용된다.

캐소드에 전압을 인가하기 위한 캐소드 클램프에 관한 선행기술로는 한국등록특허 제0944291가 있다. 상기 선행문헌은 방출부, 지지 봉재 및 스커트부를 포함하는 음극 조립체에 관한 구성을 개시하고 있고, 상기 음극 조립체는 막대 형태의 지지 봉재를 클램프가 잡아 고정하는 방식의 구성을 가지고 있다. 그러나, 이러한 구조의 음극 조립체에서는 클램프가 캐소드의 지지 봉재와 접촉하는 면적이 작아서 접촉 저항이 발생하기 쉽고, 접촉 저항이 발생하면 캐소드에서의 전압 강하가 발생하여 안정적인 방전이 이루어지기 어려운 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 캐소드를 고정시키는 클램프가 보다 안정적으로 캐소드를 고정하고, 접촉면적을 증가시켜 전압의 인가가 안정적으로 이루어지며, 아크 챔버 내부에 설치되는 라이너를 보다 안정적으로 고정할 수 있는 구조를 가지는 이온주입기용 아크 챔버를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 이온주입기용 이온소스의 일부분을 구성하고, 내부 공간에서 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 아크 챔버로서, 상부가 개방되고, 내부에 방전을 일으킬 수 있는 소정의 공간이 형성된 챔버 바디와, 상기 챔버 바디의 상부에 결합되고, 방전으로 생성된 이온을 추출할 수 있는 제1슬릿이 형성된 챔버 상부 커버와, 상기 챔버 바디의 일측에 고정되고, 전자를 챔버 바디 내부 공간으로 방출하는 캐소드와, 상기 챔버 바디의 다른 일측에 고정되고, 상기 캐소드에 대향하여 전자를 밀어내는 리펠러와, 상기 캐소드에 전자를 충돌시켜 캐소드를 가열하기 위한 열전자 방출 필라멘트와, 상기 캐소드를 고정하고 상기 캐소드에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 도선 기능을 하는 캐소드 클램프와, 상기 리펠러에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 리펠러 클램프와, 상기 필라멘트에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 필라멘트 클램프를 포함하고, 상기 캐소드는 상기 필라멘트가 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하는 외측부와 전자를 방출하기 위한 전자 방출면을 포함하고, 상기 캐소드 클램프는 상기 캐소드의 외측부를 감싸면서 캐소드를 고정하는 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크 챔버를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 캐소드는 원형의 외측부를 가지고, 상기 캐소드 클램프에 형성된 홀에 삽입된 체결부재가 캐소드의 외측부를 고정하며, 상기 캐소드 클램프의 하부에는 전원부로 연결되는 캐소드 클램프 연결부가 결합될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 챔버 바디는 캐소드가 고정되는 위치의 챔버 캐소드 측벽, 리펠러가 고정되는 위치의 챔버 리펠러 측벽 및 상기 챔버 캐소드 측벽과 챔버 리펠러 측벽을 연결하는 챔버 연결 측벽으로 이루어진 챔버 수직 바디와, 상기 챔버 수직 바디의 하부에 연결되는 챔버 하부 바디로 이루어지고, 상기 챔버 캐소드 측벽에는 상기 캐소드를 고정하기 위한 챔버 바디 캐소드 홀이 형성되고, 상기 캐소드와 챔버 바디 캐소드 홀 사이에 캐소드 실드 링이 삽입되고, 상기 챔버 리펠러 측벽에는 상기 리펠러를 고정하기 위한 챔버 바디 리펠러 고정 홀이 형성되고, 상기 리펠러와 챔버 바디 리펠러 홀 사이에 리펠러 실드 링이 삽입되고, 상기 챔버 캐소드 측벽과 상기 챔버 연결 측벽 및 상기 리펠러 측벽과 상기 챔버 연결 측벽의 연결부위는 단절면 없이 일체로 연결될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 챔버 하부 바디의 아래쪽에는 챔버 바디 내부로 가스를 주입하기 위한 가스 노즐부 및 상기 챔버 바디를 지지하기 위한 서포트 부재가 결합되고, 상기 가스 노즐부에는 가스 라인이 연결될 수 있는 가스 노즐 어뎁터가 연결될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 챔버 상부 커버의 하부에는 이온을 추출하기 위한 다른 크기의 홀을 가지는 제2슬릿 부재와 제3슬릿 부재가 적층되어 결합될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 챔버 바디 내부에서 발생된 이온이 챔버 바디 내부 면을 손상시키는 것을 방지하기 위한 라이너가 상기 챔버 바디 내부면에 인접하여 설치되고, 상기 라이너는 적어도 일부 영역에 돌출부가 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 라이너는 상기 챔버 캐소드 측벽의 내부면에 설치되는 캐소드측 라이너, 상기 챔버 리펠러 측벽의 내부면에 설치되는 리펠러측 라이너 및 상기 챔버 바디 제1연결 측벽과 챔버 바디 제2연결 측벽의 내부면에 각각 설치되는 제1측면 라이너와 제2측면 라이너를 포함하고, 상기 각각의 라이너는 맞물리면서 서로를 고정하는 돌기가 라이너의 측부 또는 하부에 돌기가 형성될 수 있다.

본 발명의 이온주입기용 아크 챔버는 캐소드의 외측부를 감싸는 방식으로 캐소드 클램프가 캐소드를 고정하므로, 캐소드와 클램프의 접촉면적이 증가되어서 캐소드에 안정적으로 전압을 인가할 수 있다.

또한, 아크 챔버 바디 내부에는 내부면을 보호하기 위한 라이너가 측부의 사면과 하부면에 설치되는데, 각각의 라이너에는 고정 돌기가 형성되어서 서로 맞물리면서 조립되므로 챔버 바디 내부에 설치 및 해체가 용이하다.

도 1은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버가 적용된 이온 소스의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버의 분해도이다.
도 3은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 캐소드와 캐소드 클램프의 분해도 및 조립도이다.
도 4는 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 캐소드측 라이너를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 리펠러측 라이너를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 측면 라이너를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 하부면 라이너를 나타낸 것이다.
도 8은 라이너들이 조립되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명이 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 챔버 수직 바디를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 이온주입기용 아크 챔버는 이온주입기용 이온소스의 일부분을 구성하고, 내부 공간에서 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 아크 챔버로서, 상부가 개방되고, 내부에 방전을 일으킬 수 있는 소정의 공간이 형성된 챔버 바디와, 상기 챔버 바디의 상부에 결합되고, 방전으로 생성된 이온을 추출할 수 있는 제1슬릿이 형성된 챔버 상부 커버와, 상기 챔버 바디의 일측에 고정되고, 전자를 챔버 바디 내부 공간으로 방출하는 캐소드와, 상기 챔버 바디의 다른 일측에 고정되고, 상기 캐소드에 대향하여 전자를 밀어내는 리펠러와, 상기 캐소드에 전자를 충돌시켜 캐소드를 가열하기 위한 열전자 방출 필라멘트와, 상기 캐소드를 고정하고 상기 캐소드에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 도선 기능을 하는 캐소드 클램프와, 상기 리펠러에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 리펠러 클램프와, 상기 필라멘트에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 필라멘트 클램프를 포함하고, 상기 캐소드는 상기 필라멘트가 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하는 외측부와 전자를 방출하기 위한 전자 방출면을 포함하고, 상기 캐소드 클램프는 상기 캐소드의 외측부를 감싸면서 캐소드를 고정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이온주입기용 아크 챔버는 이온 소스를 구성하는 일 구성으로서, 아크 챔버 내부로 주입된 도핑가스를 여기시켜 이온을 생성시키는 기능을 한다. 이를 위한 아크 챔버의 구성은 크게 필라멘트, 캐소드, 리펠러, 챔버 바디로 이루어진다. 필라멘트는 고온으로 가열되어 전자를 방출하는 기능을 하고, 캐소드는 필라멘트에서 방출된 전자와 충돌하여 고온으로 가열되어 챔버 바디 내부로 전자를 방출하는 기능을 하며, 리펠러는 캐소드에서 방출된 전자를 밀어내서 챔버 바디의 중앙부로 집중시키는 기능을 한다. 캐소드와 리펠러는 챔버 바디보다 상대적으로 마이너스 전위를 가지므로, 캐소드에서 방출된 전자는 챔버 바디 쪽으로 가속되면서 도핑가스를 이온화시킨다. 이때, 전자와 도핑가스의 충돌 가능성을 높이기 위하여 챔버 바디 외부에 자석이 설치되며, 캐소드에서 방출된 전자는 나선형 운동을 하면서 챔버 바디 쪽으로 운동하게 된다.

상기와 같은 구성을 위하여 필라멘트, 캐소드 및 리펠러에는 소정의 전압이 인가되는데, 아크 챔버에는 필라멘트, 캐소드 및 리펠러의 위치를 고정하기 위한 클램프가 설치된다. 클램프는 필라멘트, 캐소드 및 리펠러의 위치를 고정하는 기능과 함께 전압을 인가하는 기능도 하는데, 클램프와 각 부품의 접촉이 안정적으로 이루어져야 챔버 바디 내부에 전계가 안정적으로 형성되어 방전이 균일하게 유지될 수 있다. 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버는 캐소드와 이를 고정하는 클램프간의 결합을 안정적으로 유지하기 위한 캐소드 클램프 구조를 가진다.

본 발명의 이온주입기용 아크 챔버는 챔버 바디 내부에 라이너가 설치된다. 라이너는 챔버 바디 내부를 방전가스로부터 보호하는 기능을 하는 소모성 부품이다. 종래의 이온주입기용 아크 챔버에서는 챔버 바디 내부에 라이너를 설치하기 위하여 챔버 바디 내부에 홈을 형성하여 라이너를 끼워넣는 방식 또는 챔버 바디 내부에 라이너를 설치하기 위한 별도의 클램프를 설치하는 방식을 적용하고 있다. 그러나 이러한 종래의 구조에서는 열 변형된 라이너가 챔버 바디 내부 홈에서 쉽게 빠지지 않는 문제점과, 라이너 설치를 위한 챔버 바디 내부의 구성은 방전에 노출되어 침식이 발생하는 문제점을 그대로 가지고 있었다. 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에서는 하부와 측면의 라이너들이 그 자체로 조립될 수 있는 구조로 형성함으로써, 라이너가 열변형되는 경우에도 챔버 바디로부터 용이하게 제거될 수 있는 구조를 가지고 있다.

본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 라이너들은 표면에 돌출부가 형성되어 있다. 돌출부는 도핑가스의 방전에 의하여 라이너 표면에 재증착되는 증착물들이 바닥으로 떨어져 단락을 일으키는 것을 방지하는 기능을 한다. 종래의 라이너들도 돌출부가 형성된 경우가 있었으나, 종래의 돌출부가 형성된 라이너들은 아크 챔버 내부로 노출된 라이너 표면의 전체에 돌출부가 형성되어 있었다. 그러나 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 라이너는 일부 영역에만 돌출부가 형성되어 있는 것이 특징이다. 즉, 캐소드측 라이너와 리펠러측 라이너에는 전면에 돌출부가 형성되어 있으나, 측부 라이너와 하부 라이너에는 양 끝의 일부 영역에만 돌출부가 형성되어 있다. 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버의 라이너에서 돌출부가 형성된 영역은 방전 가스에 의한 침식 또는 재증착이 상대적으로 많이 일어나는 영역에 해당하고, 돌출부가 형성되지 않은 영역은 침식이 상대적으로 덜 일어나는 영역에 해당한다. 라이너에서 돌출부가 형성된 영역은 표면적이 증가되어서 재증착된 막이 쉽게 박리되는 것을 방지하는 기능을 하게 된다. 반대로 라이너에서 돌출부가 없는 영역은 침식 또는 재증착의 문제가 상대적으로 덜 일어나는 영역이고, 재증착물의 박리가 일어나더라도 하부에 캐소드, 리펠러와 같은 전극이 없는 영역이므로 단락의 문제가 발생할 가능성이 매우 낮다. 라이너의 일부 영역에만 돌출부를 형성하는 것은 돌출부 형성 공정을 생략하여 가공비용이 절감되는 효과와, 아크 챔버의 사용시간 증가에 따른 방전 조건의 변화를 감소시키는 기능을 한다. 아크 챔버 내부에 설치된 라이너는 방전의 접지전극 기능을 하는데, 라이너 표면의 돌출부가 식각되어 표면의 형상이 변화되면 접지전극 표면 근처의 전기장이 변화되어 방전의 조건이 변화되는 단점이 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 라이너는 재증착물의 박리에 의한 단락 문제를 저감시키면서, 사용시간 증대에 따른 방전 조건의 변화 문제를 감소시킬 수 있는 장점을 동시에 가질 수 있다.

본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 챔버 바디는 챔버의 수직벽을 구성하는 챔버 수직 바디와, 챔버의 하부면을 구성하는 챔버 하부 바디 및 챔버 수직 바디의 위쪽을 덮는 챔버 상부 커버로 이루어진다. 이때, 챔버 수직 바디는 4면을 구성하는 벽들이 절단면 없이 일체로 구성되어 있다. 종래의 아크 챔버 바디는 수직벽들이 분리되어 맞물리는 홈을 따라 조립되는 방식이었다. 이러한 구조에서는 캐소드 영역에서 발생한 열이 다른 부분의 벽들로 쉽게 전도되지 못하므로 방전가스에 의한 라이너 표면의 식각 또는 재증착이 균일한 조건에서 이루어지지 못하였다. 일반적으로 방전가스에 의한 식각은 표면의 온도가 높을수록 활성화되는데, 캐소드쪽의 벽에서 발생된 열이 다른 벽쪽으로 전달되지 못하면 캐소드 영역의 라이너에서 식각이 심각하게 일어나서 아크 챔버의 수명이 단축된다. 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에서는 챔버 바디가 일체로 구성되어서 상기의 문제점이 상당 부분 해결될 수 있다.

아래에서 도면을 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버가 적용된 이온 소스의 구조를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 이온주입기용 이온 소스(1000)는 이온을 생성하기 위한 아크 챔버(100)와, 아크 챔버의 각 전극을 고정시키고 이에 전압을 인가하기 위한 전원 연결부(200)와, 아크 챔버 내부에 도핑가스를 공급하기 위한 가스 연결부(300)을 포함한다.

도 2는 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버의 분해도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버(100)에서 챔버 수직 바디(101), 챔버 하부 바디(102) 및 챔버 상부 커버(103)는 방전이 이루어지는 공간을 형성한다. 챔버 수직 바디(101)는 챔버 캐소드 측벽(101a), 챔버 리펠러 측벽(101b), 챔버 제1연결 측벽(101c) 및 챔버 제2연결 측벽(101d)로 이루어진다. 이때 각각의 측벽들은 단절면 없이 일체로 연결된다. 챔버 하부 바디(102)는 챔버 수직 바디(101)와 하부와 결합된다. 결합에는 체결홀과 체결부재가 결합되는 방식 등이 이용될 수 있다. 이와 같이 챔버 수직 바디(101)와 챔버 하부 바디(102)가 결합되면, 상부가 개방된 형태의 소정의 공간이 만들어지고, 그 위에 챔버 상부 커버(103)가 결합되어 방전을 위한 공간이 형성된다.

챔버 상부 커버(103)에는 소정의 형상을 가지는 제1슬릿이 형성되어 있고, 챔버 상부 커부(103)의 하부에는 이온을 추출하기 위한 서로 다른 크기의 홀을 가지는 제2슬릿 부재(103a)와 제3슬릿 부재(103b)가 적층되어 결합된다. 제3슬릿 부재(103b)는 챔버 제1연결 측벽과 제2연결 측벽의 상부면에 얹히는 방식으로 결합되고, 제2슬릿 부재(103a)는 챔버 상부 커버(103)와 제3슬릿 부재(103b) 사이에 샌드위치되어 고정되고, 챔버 상부 커버(103)는 챔버 수직 바디의 상부면에 얹히고 별도의 클램프가 챔버 상부 커버를 고정함으로써 제2슬릿 부재 및 제3슬릿 부재의 위치도 함께 고정된다.

아크 챔버는 작동 중에 온도가 높게 올라가므로 챔버 바디는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 내열금속으로 제조된다. 내열금속들은 녹는점이 높아서 용접에 의한 접합이 매우 제한되므로, 본 발명의 아크 챔버와 같이 일체형 챔버는 용접에 의하여 제조하는 것이 매우 어렵다. 따라서 본 발명에서는 텅스텐과 같은 내열금속 블록의 내부를 관통하여 제거하는 방식으로 챔버 수직 바디를 제조하고, 아래쪽에 챔버 하부 바디를 결합하는 방식을 적용하였다.

챔버 캐소드 측벽(101a)에는 챔버 바디 캐소드 홀(101e)이 형성되어 있고, 상기 홀을 통하여 캐소드(104)가 삽입되어 아크 챔버 내부에 위치한다. 캐소드(104)와 챔버 바디 캐소드 홀(101e) 사이의 공간에는 캐소드 실드 링(104a)이 삽입된다.

챔버 리펠러 측벽(101b)에는 챔버 바디 리펠러 홀(101f)가 형성되어 있고, 상기 홀을 통하여 리펠러(105)의 지지봉이 삽입되어서 아크 챔버 내부에 리펠러(105)가 고정된다. 리펠러(105)와 챔버 바디 리펠러 홀(101f) 사이에는 리펠러 실드 링(105a)이 삽입된다.

캐소드(104)는 챔버 캐소드 측벽(101a)에서 이격된 캐소드 클램프(201)에 의하여 고정된다. 캐소드 클램프(201)와 캐소드(104)에는 체결을 위한 홀이 형성되어 있고, 상기 홀에 체결부재(205)가 삽입되어서 결합이 이루어진다. 캐소드 클램프(201)는 캐소드(104)의 외측부를 감싸면서 캐소드(104)를 고정한다. 캐소드 클램프(201)의 하부에는 캐소드 클램프 연결부(203)가 체결부재(205)에 의하여 결합되는데, 캐소드 클램프 연결부(203)는 캐소드의 위치를 고정하고, 캐소드에 전압을 인가하기 위한 도선 역할을 한다. 캐소드(104)의 내부에는 필라멘트(106)가 삽입되어 고정되는데, 필라멘트 클램프(202a, 202b)는 필라멘트의 양끝과 결합하여 위치를 고정하고 전압을 인가하는 도선 역할을 한다. 리펠러(105)는 챔버 리펠러 측벽(101b)에서 이격된 리펠러 클램프(204)에 의하여 고정되고 이로부터 전압을 인가받는다.

챔버 하부 바디(102)에는 가스 노즐부(301)가 형성되어 있고, 상기 가스 노즐부(301)의 아래쪽에는 가스 라인을 연결하기 위한 가스 노즐 어뎁터(302)가 결합되어 있다. 또한 챔버 하부 바디(102)의 하부에는 챔버 바디를 지지하기 위한 서포트 부재(401, 402, 403)들이 결합되어 있다.

챔버 수직 바디(101)와 챔버 하부 바디(102)로 이루어진 공간에서는 방전이 이루어진다. 이때 방전으로부터 챔버 바디를 보호하기 위하여 챔버 바디 내부에 라이너(107, 708, 109, 110)가 설치된다. 챔버 캐소드 측벽(101a) 방향에는 캐소드측 라이너(107)가 설치되고, 챔버 리펠러 측벽(101b) 방향에는 리펠러측 라이너(108)가 설치되며, 상기 라이너들을 연결하는 측면 라이너(109)가 수직방향으로 설치되고, 챔버 하부 바디(102) 방향에 하부면 라이너(110)가 설치된다. 각각의 라이너들에는 측면 또는 하부면에 고정 돌기가 형성되어서 서로 맞물리면서 조립될 수 있고, 조립된 상태에서는 별도의 고정장치 없이도 챔버 바디 내부에 위치가 견고하게 고정될 수 있다.

도 3은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 캐소드와 캐소드 클램프의 분해도 및 조립도이다. 도 3의 (가)는 캐소드와 캐소드 클램프의 분해도이고, (나)는 조립도이다. 도 3의 (가)를 참조하면, 캐소드(104)는 원형의 단면을 가지고, 필라멘트(106)가 삽입되는 방향은 뚫려 있고 내부가 비어 있으며, 챔버 바디 방향에는 전자를 방출하기 위한 전자 방출면으로 막혀 있는 구조를 가진다. 캐소드 클램프(201)에는 캐소드(104)가 삽입될 수 있는 홀이 형성되어 있고, 양 측에 체결부재(205)가 체결될 수 있는 홀이 형성되어 있다. 도 3의 (나)를 참조하면, 캐소드(104)가 캐소드 클램프(201)의 홀에 삽입되고, 캐소드 클램프의 체결홀에 체결부재(205)가 삽입되면 캐소드(104)의 위치가 고정되고, 캐소드 클램프를 통하여 캐소드에 전압이 인가될 수 있다. 이와 같은 구조에서는 캐소드 클램프와 캐소드의 접촉 영역이 캐소드의 외측부와 캐소드 클램프의 홀 내부면이 되며, 체결부재에 의하여 캐소드와 캐소드 클램프가 보다 견고하게 접촉하므로 안정적으로 캐소드에 전압을 인가할 수 있는 구조가 된다.

도 4는 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 캐소드측 라이너를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 캐소드측 라이너(107)에는 캐소드가 삽입되기 위한 홀(도면부호 미표시)이 형성되어 있고, 방전이 이루어지는 공간쪽의 면에 복수개의 돌출부(107a)가 형성되어 있다. 캐소드 라이너(107)의 측부와 하부에는 고정돌기(107b, 107c)가 형성되어 있다. 캐소드측 라이너 제1고정돌기(107b)는 측부와 하부로 돌출되고, 캐소드측 라이너 제2고정돌기(107c)는 중앙에서 하부로 돌출되어 있으며, 캐소드측 라이너 제1고정돌기와 제2고정돌기 사이에는 소정의 간격으로 이격된 공간이 존재한다.

도 5는 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 리펠러측 라이너를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 리펠러측 라이너(108)에는 리펠러가 삽입되기 위한 홀(도면부호 미표시)이 형성되어 있고, 방전이 이루어지는 공간쪽의 면에 복수개의 돌출부(108a)가 형성되어 있다. 리펠러측 라이너(108)의 측부와 하부에는 고정돌기(108b, 108c)가 형성되어 있다. 리펠러측 라이너 제1고정돌기(108b)는 측부와 하부로 돌출되고, 리펠러측 라이너 제2고정돌기(108c)는 중앙에서 하부로 돌출되어 있으며, 리펠러측 라이너 제1고정돌기와 제2고정돌기 사이에는 소정의 간격으로 이격된 공간이 존재한다.

도 6은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 측면 라이너를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 측면 라이너(109)에는 양측 영역(y1 영역)에 복수개의 돌출부(109a)가 형성되어 있고, 중앙부(x1 영역)에는 돌출부가 형성되어 있지 않다. x1 : y1은 0.5 : 1 내지 1 : 0.5의 비율로 형성되는 것이 바람직하다. x1의 길이가 지나치게 길면 캐소드 및 리펠러 영역에서의 재증착물의 박리가 쉽게 일어날 수 있고, 지나치게 짧으면 사용시간이 길어지면서 측면 라이너의 표면 형상이 크게 변화되어 방전 조건이 변화될 수 있다. 측면 라이너(109)의 상부 측부에는 고정 돌기(109b)가 형성되어 있다. 측면 라이너 고정돌기(109b)는 캐소드 라이너 제1고정돌기(107b)와 리펠러 라이너 제1고정돌기(108b)와 맞물리기 위하여, 측면 라이너 고정돌기의 하부면과 캐소드 라이너 제1고정돌기 및 리펠러 라이너 제1고정돌기의 하부면이 동일한 높이에 형성된다.

도 7은 본 발명의 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 하부면 라이너를 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 하부면 라이너(110)에는 양측 영역(y2 영역)에 복수개의 돌출부(110a)가 형성되어 있고, 중앙부(x2 영역)에는 돌출부가 형성되어 있지 않다. x2 : y2은 0.5 : 1 내지 1 : 0.5의 비율로 형성되는 것이 바람직하다. x2의 길이가 지나치게 길면 캐소드 및 리펠러 영역에서의 재증착물의 박리가 쉽게 일어날 수 있고, 지나치게 짧으면 사용시간이 길어지면서 측면 라이너의 표면 형상이 크게 변화되어 방전 조건이 변화될 수 있다. 하부면 라이너(110)의 양 측부에는 각각 2개의 고정돌기(110b)가 형성되어 있다. 하부면 라이너 고정돌기(110b)는 캐소드 라이너 고정돌기 사이의 공간 및 리펠러 라이너 고정돌기 사이의 공간에 삽입되면서 결합된다.

도 8은 라이너들이 조립되는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 캐소드측 라이너(107), 리펠러측 라이너(108), 측면 라이너(109) 및 하부면 라이너(110)의 서로의 고정돌기에 의하여 맞물리면서 조립된다. 조립된 라이너들은 챔버 바디의 내부에 삽입되고, 방전공간의 반대면이 챔버 바디에 접촉하면서 인접하게 설치되어 지지된다. 이와 같은 구조에서는 챔버 바디에 별도의 고정장치가 없어도 라이너들이 자립하여 위치가 고정될 수 있다.

도 9는 본 발명이 이온주입기용 아크 챔버에 적용되는 챔버 수직 바디를 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, 챔버 수직 바디(101)는 챔버 캐소드 측벽(101a), 챔버 리펠러 측벽(101b), 챔버 제1연결 측벽(101c) 및 챔버 제2연결 측벽(101d)로 이루어진다. 챔버 캐소드 측벽(101a)에는 챔버 바디 캐소드 홀(101e)가 형성되어 있고, 챔버 리펠러 측벽(101b)에는 챔버 바디 리펠러 홀(101f)가 형성되어 있다. 이때, 챔버 캐소드 측벽(101a), 챔버 리펠러 측벽(101b), 챔버 제1연결 측벽(101c) 및 챔버 제2연결 측벽(101d)은 일체로 구성된다. 일체로 구성된다는 것은 별도로 제조된 벽들이 조립되거나 용접되지 않은 것을 의미하고, 단절면이 존재하지 않으며, 용접된 경우에 내부에 존재할 수 있는 단절면도 없다는 것을 의미한다. 이와 같이 챔버 수직 바디가 일체로 구성된 것은 캐소드에서 발생된 열이 챔버 바디 전체에 걸쳐 균일하게 빠져나갈 수 있다는 효과를 가진다. 아크 챔버에서 방전이 일어나는 동안에는 캐소드에서 전자가 방출되기 위하여 캐소드가 2000도에 가까운 온도로 가열되는데, 이때 캐소드의 열은 주변의 챔버 수직 바디의 영역으로 복사된다. 복사된 열은 아크 챔버 내부에 설치된 라이너의 온도를 상승시키고, 방전으로 해리된 도핑가스의 활성종과 반응하여 라이너 표면을 식각하거나 식각된 활성종이 근처로 재증착하게 된다. 라이너에 전달된 열은 인접하거나 접촉된 챔버 바디에 의하여 외부로 빠져나가는데, 챔버 바디 벽들에 단절면이 존재할 경우에는 열이 고르게 외부로 빠져나가기 어렵다. 챔버 바디가 일체로 구성되면, 라이너에서 발생된 열이 고르게 챔버 바디 벽들로 빠져나갈 수 있으므로, 라이너의 온도 분포가 균일해지는 동시에 평균적인 온도도 낮아질 수 있다. 이러한 경우에는 해리된 활성종들에 노출된 라이너 표면의 온도가 낮아져서 식각과 같은 표면 반응속도를 낮출 수 있다.

텅스텐 등의 내열금속은 높은 융점을 가져 용접이 어렵다. 따라서, 챔버 수직 바디를 일체로 가공하기 위해서는 블록 형태의 텅스텐을 절삭가공하여야 한다. 본 발명에서 챔버 수직 바디를 가공하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 아크 챔버의 부피보다 큰 텅스텐 블록을 준비한다. 이어서, 텅스텐 블록의 내부를 절삭하여 내부에 통로를 형성하면서 챔버 수직 바디의 각 벽을 형성한다. 이어서, 챔버 캐소드 측벽과 챔버 리펠러 측벽에 홀을 가공한다. 그러나, 상기의 방법을 따르면 텅스텐 블록의 절삭부분이 쓸모없는 재료로 소모되므로 챔버 수직 바디의 제조비용이 증가한다. 상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 텅스텐 파우더를 소결하여 블록 형태의 텅스텐 원재료를 제공하는 대신에, 텅스텐의 소결과정에서 내부에 통로가 형성된 형태로 원재료를 가공할 수 있다. 이러한 원재료를 이용하면 버려지는 텅스텐 절삭부위를 감소시킬 수 있어서, 제조비용을 절감할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1000 : 이온소스 100 : 아크 챔버
101 : 챔버 수직 바디 101a : 챔버 캐소드 측벽
101b : 챔버 리펠러 측벽 101c : 챔버 제1연결 측벽
101d : 챔버 제2연결 측벽 101e : 챔버 바디 캐소드 홀
101f : 챔버 바디 리펠러 홀 102 : 챔버 하부 바디
103 : 챔버 상부 커버 103a : 제2슬릿 부재
103b : 제3슬릿 부재 104 : 캐소드
104a : 캐소드 실드 링 105 : 리펠러
105a : 리펠러 실드 링 106 : 필라멘트
107 : 캐소드측 라이너 107a : 돌출부
107b : 고정 돌기 107c : 고정 돌기
108 : 리펠러측 라이너 108a : 돌출부
108b : 고정 돌기 108c : 고정 돌기
109 : 측면 라이너 109a : 돌출부
109b : 고정 돌기 110 : 하부면 라이너
110a : 돌출부 110b : 고정 돌기
200 : 전원 연결부 201 : 캐소드 클램프
202a : 제1필라멘트 클램프 202b : 제2필라멘트 클램프
203 : 캐소드 클램프 연결부 204 : 리펠러 클램프
205 : 체결부재 300 : 가스 연결부
301 : 가스 노즐부 302 : 가스 노즐 어뎁터
401 : 제1서포트 부재 402 : 제2서포트 부재
403 : 제3서포트 부재

Claims (7)

1. 이온주입기용 이온소스의 일부분을 구성하고, 내부 공간에서 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 아크 챔버에 있어서,
   상부가 개방되고, 내부에 방전을 일으킬 수 있는 소정의 공간이 형성된 챔버 바디;
   상기 챔버 바디의 상부에 결합되고, 방전으로 생성된 이온을 추출할 수 있는 제1슬릿이 형성된 챔버 상부 커버;
   상기 챔버 바디의 일측에 고정되고, 전자를 챔버 바디 내부 공간으로 방출하는 캐소드;
   상기 챔버 바디의 다른 일측에 고정되고, 상기 캐소드에 대향하여 전자를 밀어내는 리펠러;
   상기 캐소드에 전자를 충돌시켜 캐소드를 가열하기 위한 열전자 방출 필라멘트;
   상기 캐소드를 고정하고 상기 캐소드에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 도선 기능을 하는 캐소드 클램프;
   상기 리펠러에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 리펠러 클램프; 및
   상기 필라멘트에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 필라멘트 클램프;를 포함하고,
   상기 캐소드는 상기 필라멘트가 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하는 외측부와 전자를 방출하기 위한 전자 방출면을 포함하고,
   상기 캐소드 클램프는 상기 캐소드의 외측부를 감싸면서 캐소드를 고정하고,
   상기 챔버 바디는 캐소드가 고정되는 위치의 챔버 캐소드 측벽, 리펠러가 고정되는 위치의 챔버 리펠러 측벽 및 상기 챔버 캐소드 측벽과 챔버 리펠러 측벽을 연결하는 챔버 연결 측벽으로 이루어진 챔버 수직 바디와, 상기 챔버 수직 바디의 하부에 연결되는 챔버 하부 바디로 이루어지고,
   상기 챔버 캐소드 측벽에는 상기 캐소드를 고정하기 위한 챔버 바디 캐소드 홀이 형성되고, 상기 캐소드와 챔버 바디 캐소드 홀 사이에 캐소드 실드 링이 삽입되고,
   상기 챔버 리펠러 측벽에는 상기 리펠러를 고정하기 위한 챔버 바디 리펠러 고정 홀이 형성되고, 상기 리펠러와 챔버 바디 리펠러 홀 사이에 리펠러 실드 링이 삽입되고,
   상기 챔버 캐소드 측벽과 상기 챔버 연결 측벽 및 상기 리펠러 측벽과 상기 챔버 연결 측벽의 연결부위는 단절면 없이 일체로 연결된 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크 챔버.
2. 이온주입기용 이온소스의 일부분을 구성하고, 내부 공간에서 방전을 일으켜 이온을 발생시키는 아크 챔버에 있어서,
   상부가 개방되고, 내부에 방전을 일으킬 수 있는 소정의 공간이 형성된 챔버 바디;
   상기 챔버 바디의 상부에 결합되고, 방전으로 생성된 이온을 추출할 수 있는 제1슬릿이 형성된 챔버 상부 커버;
   상기 챔버 바디의 일측에 고정되고, 전자를 챔버 바디 내부 공간으로 방출하는 캐소드;
   상기 챔버 바디의 다른 일측에 고정되고, 상기 캐소드에 대향하여 전자를 밀어내는 리펠러;
   상기 캐소드에 전자를 충돌시켜 캐소드를 가열하기 위한 열전자 방출 필라멘트;
   상기 캐소드를 고정하고 상기 캐소드에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 도선 기능을 하는 캐소드 클램프;
   상기 리펠러에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 리펠러 클램프; 및
   상기 필라멘트에 접촉하여 소정의 전압을 인가하기 위한 필라멘트 클램프;를 포함하고,
   상기 캐소드는 상기 필라멘트가 설치될 수 있는 내부 공간을 제공하는 외측부와 전자를 방출하기 위한 전자 방출면을 포함하고,
   상기 캐소드 클램프는 상기 캐소드의 외측부를 감싸면서 캐소드를 고정하고,
   상기 챔버 바디 내부에서 발생된 이온이 챔버 바디 내부 면을 손상시키는 것을 방지하기 위한 라이너가 상기 챔버 바디 내부면에 인접하여 설치되고,
   상기 라이너는 적어도 일부 영역에 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크 챔버.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 챔버 바디는 캐소드가 고정되는 위치의 챔버 캐소드 측벽, 리펠러가 고정되는 위치의 챔버 리펠러 측벽 및 상기 챔버 캐소드 측벽과 챔버 리펠러 측벽을 연결하는 챔버 연결 측벽으로 이루어진 챔버 수직 바디와, 상기 챔버 수직 바디의 하부에 연결되는 챔버 하부 바디로 이루어지고,
   상기 챔버 캐소드 측벽에는 상기 캐소드를 고정하기 위한 챔버 바디 캐소드 홀이 형성되고, 상기 캐소드와 챔버 바디 캐소드 홀 사이에 캐소드 실드 링이 삽입되고,
   상기 챔버 리펠러 측벽에는 상기 리펠러를 고정하기 위한 챔버 바디 리펠러 고정 홀이 형성되고, 상기 리펠러와 챔버 바디 리펠러 홀 사이에 리펠러 실드 링이 삽입되고,
   상기 챔버 캐소드 측벽과 상기 챔버 연결 측벽 및 상기 리펠러 측벽과 상기 챔버 연결 측벽의 연결부위는 단절면 없이 일체로 연결된 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크 챔버.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 챔버 하부 바디의 아래쪽에는 챔버 바디 내부로 가스를 주입하기 위한 가스 노즐부 및 상기 챔버 바디를 지지하기 위한 서포트 부재가 결합되고,
   상기 가스 노즐부에는 가스 라인이 연결될 수 있는 가스 노즐 어뎁터가 연결된 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크 챔버.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 챔버 상부 커버의 하부에는 이온을 추출하기 위한 다른 크기의 홀을 가지는 제2슬릿 부재와 제3슬릿 부재가 적층되어 결합된 것을 특징으로 하는 이온주입기용 아크 챔버.
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