KR101844524B1 - 란탄계 원소 이온원의 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

란탄계 원소 이온원의 발생 방법은 증발기를 사용하여 1종 또는 다종 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 가열하여, 상기 1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 기체 상태로 전환하는 단계; 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 아크 챔버와 연통되는 통로를 통해 상기 아크 챔버로 전송하는 단계; 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물에 에너지를 제공하여, 란탄계 원소 이온을 함유하는 플라즈마가 상기 아크 챔버에 형성되도록 하는 단계; 적어도 1종의 지지 가스를 아크 챔버와 연통되는 통로를 통해 상기 아크 챔버로 전송하는 단계; 및, 란탄계 원소 이온을 란탄계 원소 이온이 함유된 상기 플라즈마로부터 추출하여 란탄계 원소 이온빔을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

란탄계 원소 이온원의 발생 방법{METHOD FOR GENERATING LANTHANIDE ION SOURCE}
본 발명은 이온 주입에 사용되는 이온원의 발생 방법에 관한 것으로서, 특히 적어도 하나의 지지 가스(support gas)를 사용하여 란탄계 원소 화합물의 플라즈마(plasma) 중 분자의 충돌 확률을 증가시켜 추출되는 전자빔의 전류 크기 및 안정성을 향상시킬 수 있는 란탄계 원소 이온의 이온원 발생 방법에 관한 것이다.
이온주입은 물리적인 과정(physical process)으로서, 주입 재료인 이온을 선택적으로 특정한 조건(예를 들어 특정한 에너지와 특정 방향)으로 기판(substrate)상의 특정 영역에 주입할 수 있으며, 주로 화학 활성 재료물을 통상적으로 실리콘과 같은 반도체 소재의 작동부재 내에 도핑-도입하기 위한 것이다. 일반적으로 이온 주입 시, 주입 재료가 포함된 하나 또는 다수의 재료가 먼저 이온원(ion source) 중에서 해리되어 플라즈마를 형성하며, 플라즈마는 아크 챔버 내에서 생성 및 유지된 다음, 주입재료인 이온과 전기적으로 동일한 하나 또는 다수의 이온이 플라즈마로부터 지속적으로 이온원으로 추출되어 이온빔을 형성한 후, 이온빔이 지속적으로 여과(전하-질량비가 적당하지 않은 이온 제거), 가감속(에너지 조정), 방향 조정, 횡단면 크기와 윤곽 조정을 거쳐, 마지막으로 주입될 기재의 특정 영역에 이식된다.
일반적으로, 특정 종류의 이온을 지닌 기체 상태의 재료가 실온에서 존재할 수 있는 경우, 물리적인 설비와 조작을 단순화하기 위하여, 이러한 기체 상태의 재료는 아크 챔버의 외부에 저장되고 이어서 아크 챔버로 전송됨으로써, 이러한 특정 종류의 이온을 지닌 플라즈마가 유지될 수 있다. 예를 들어 인을 제공하기 위해 광범위하게 사용되는 인화수소(PH3) 가스, 비소를 제공하기 위해 광범위하게 사용되는 비소화수소(AsH3) 가스 및 붕소를 제공하기 위해 광범위하게 사용되는 삼불화붕소(BF3) 가스가 있다.
그러나 모종의 특별한 종류의 이온의 경우, 예를 들어 란탄계 원소는 상업적으로 사용 가능한 기체 상태의 재료가 없다. 예를 들어 이테르븀(Yb)은 반도체 공정에 있어서 가치가 있는 재료이나, 상업적으로 사용 가능한 기체 형식으로 존재하는 재료가 없다. 란탄계 원소 재료의 주입은 여전히 신규 발전 분야이나, 대부분의 란탄계 원소 재료는 자연계에서 화합물의 형식으로 존재한다. 예를 들어 실온에서는 금속 산화물의 형식으로 존재하며, 기체 상태의 재료를 제공할 수 없는 상황에서, 란탄계 원소 화합물은 먼저 아크 챔버(arc chamber) 인근의 증발기(vaporizer)에서 기화 동작을 수행하여 란탄계 원소 화합물의 기체를 발생시킨 다음, 증발기로부터 증발된 후의 재료를 아크 챔버로 전송하여 플라즈마를 발생시킨다.
그러나, 현재 상업화 증발기를 사용하여 란탄계 원소 화합물을 고체상태로부터 기체 상태로 전환하는 과정에서, 전환되는 속도를 안정화하기 쉽지 않아 아크 챔버로 진입하는 기체 란탄계 원소 화합물의 유량/유속이 불안정하여, 아크 챔버 중의 플라즈마로부터 이온빔을 추출 시, 이온빔의 전류 크기를 효과적으로 제어할 수 없다.
또한, 란탄계 원소 화합물, 예를 들어 이르테븀 화합물을 사용하여 이온주입을 할 경우에도 여전히 많은 어려움이 있으며, 먼저 플라즈마 중에는 종종 다수의 상이한 종류의 이온들이 동시에 존재하기 때문에, 피차 간에 종종 상이한 화학반응 또는 물리반응이 진행될 수 있고, 심지어 플라즈마로 완전히 해리되지 못하고, 직접 서로 화학반응 또는 물리반응을 진행하거나 또는 직접 아크 챔버의 하우징(chamber wall) 또는 전극(electrode) 또는 기타 하드웨어 소자와 화학반응 또는 물리반응을 일으킬 수 있다. 따라서, 아크 챔버에서 지속적으로 플라즈마를 발생시켜 이온빔이 지속적으로 이온원으로부터 인출될 수 있도록 하는 동안, 아크 챔버의 내부에는 종종 란탄계 원소 이온과 다른 부산물(by-product)이 발생한다. 이러한 부산물은 통상적으로 아크 챔버 내부에 출현하는 자유 산소 원자(또는 자유 산소 이온)로부터 발생되며, 이러한 자유 산소 원자(또는 자유 산소 이온)는 종종 아크 챔버의 하우징, 이온빔의 전극 또는 아크 챔버 하우징의 라이너(liner) 등과 화학반응을 발생시켜 신규 재료를 형성한다. 이러한 신규 형성된 재료는 다시 플라즈마로 해리됨으로써, 아크 챔버로부터 인출되는 이온빔이 상이한 다수의 이온을 지니게 함으로써, 후속되는 여과와 조정 등 단계의 어려움을 증가시킨다.
그 다음, 약간의 부산물들은 분말을 형성하여 아크 챔버 내부에 침적되거나, 또는 아크 챔버의 전극과 하우징에 부착되어 이러한 하드웨어 소자의 기능을 간섭하거나 심지어 손상시킬 수 있다. 예를 들어, 전극이 텅스텐으로 형성된 경우, 전극 표면에 축적된 산화텅스텐은 전극으로서의 기능을 저하시킬 수 있다. 이러한 부산물의 출현은 란탄계 원소 이온원의 효능을 저하시키고, 이온원을 청소하고 유지보수해야 하는 빈도를 증가시킬 수 있어, 이온원의 사용수명이 단축된다. 예를 들어 박리 현상(peeling)은 이온빔의 형상에 영향을 미칠 수 있고, 분말은 즉 입자 원(particle source)을 형성하여 이온빔을 오염시킬 가능성이 있다.
세 번째로, 란탄계 원소 화합물의 비등점은 통상적으로 매우 높으며, 예를 들어 이테르븀의 화합물은 증발기를 섭씨 600~700도로 가열해야만 기체 상태를 형성할 수 있기 때문에, 가열 시작부터 플라즈마를 발생시켜 이온빔을 추출할 수 있는 시간(ramp up time)까지가 비교적 길고, 발생되는 이온 역시 많지 않으며, 이온의 수량이 너무 적기 때문에 발생되는 이온빔의 전류가 너무 작아 제어 및 이용이 어렵다.
란탄계 원소 이외의 원소의 경우, 종래 기술은 이미 플라즈마 중 부산물로 인한 문제를 개선하는 방법을 많이 발전시켰다. 그 중 하나는 최근 급속히 발전한 방법으로서, 별도의 재료를 아크 챔버의 플라즈마에 진입시켜, 이러한 별도의 재료와 이러한 부산물의 상호작용을 통해, 부산물이 더 이상 아크 챔버 내부에 누적되지 못하도록 하거나; 또는 별도의 재료와 원래 이온원을 생산하기 위한 재료의 상호작용을 통해, 부산물의 생성을 직접 제거하거나, 또는 기타 방식을 통해 아크 챔버와 전극의 사용수명을 연장시킨다. 여기서는 별도의 재료를 사용하는 방법과 관련된 선출원을 몇 가지만 참고로 예를 들면, 미국 특허 7223984, 미국 특허 8288257, 미국 특허 7446326 및 미국 조기공개 20120118232 등이 있다.
그러나, 현재까지 란탄계 원소 화합물에 대해 제시된 방법은 아직까지 하나도 없으며, 설사 유사한 방법이더라도, 주입될 이온, 플라즈마를 형성하기 위한 재료 및 이온원 발생장치의 하드웨어 설계가 다르다는 등등의 변수에 따라 변화될 수 있고, 모두 각자 적용되는 공정이 있기 때문에, 현재까지 아직 란탄계 원소 이온원에 동시에 적용될 수 있는 방법을 발견하지 못하였다. 따라서 란탄계 원소 이온원의 안정성을 높이고 란탄계 원소 이온원 발생장치의 사용수명을 연장시킬 수 있는 신규한 방법을 발전시킬 필요가 있다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제는 란탄계 원소 이온원의 발생 방법을 제공하는 것으로, 란탄계 원소 화합물 가스를 함유하는 아크 챔버에 불활성 가스(inert gas), 예를 들어 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 또는 라돈(Rn), 또는 전술한 임의의 1종 또는 다종 불활성 가스로 조성되는 지지 가스(support gas)를 투입하여 플라즈마의 형성을 안정화 및 가속화함으로써, 란탄계 원소 이온빔의 추출이 안정적으로 이루어지도록 하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이하의 기술 방안의 실현을 채용한다.
본 발명은, 1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 가열하여, 상기 1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 기체 상태로 전환하는 단계; 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 아크 챔버로 전송하는 단계; 적어도 1종의 지지 가스를 상기 아크 챔버로 전송하는 단계; 상기 아크 챔버에 에너지를 제공하여, 란탄계 원소 이온을 함유하는 플라즈마가 상기 아크 챔버에 형성되도록 하는 단계; 및 상기 란탄계 원소 이온을 상기 란탄계 원소 이온이 함유된 상기 플라즈마로부터 추출하여 란탄계 원소 이온빔을 형성하는 단계를 포함하는 란탄계 원소 이온원의 발생 방법을 공개한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이하의 기술 방안의 실현을 채용한다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스는 단일한 불활성 가스를 포함한다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스는 2종 이상의 불활성 가스의 혼합이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스의 평균 원자/분자량은 18원자 질량단위(a.m.u.) 이상이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스의 평균 제1 이온화 에너지는 1600KJ/mol 이하이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스의 평균 열전도율은 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물의 열전도율보다 낮다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스의 평균 열전도율은 0.02W/mK 이하이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스가 역시 여기되어 상기 아크 챔버에서 플라즈마를 형성한다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스는 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물이 여기되어 플라즈마를 형성하기 전에 상기 아크 챔버로 전송된다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스는 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물이 여기되어 플라즈마를 형성한 후에 상기 아크 챔버로 유입된다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스는 제논(Xe)이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 지지 가스는 아르곤(Ar)이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물은 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물은 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물이고, 또한 상기 지지 가스는 제논(Xe)이다.
상기 란탄계 원소 이온원의 발생 방법에서, 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물은 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물이고, 또한 상기 지지 가스는 아르곤(Ar)이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술저 과제는 다음의 기술 방안의 실현을 채용한다.
본 발명의 란탄계 원소 이온원의 발생 방법은, 1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 가열하여, 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물인 상기 1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 기체 상태로 전환하는 단계; 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 아크 챔버로 전송하는 단계; 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 또는 제논(Xe)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 지지 가스를 상기 아크 챔버로 전송하는 단계; 상기 아크 챔버에 에너지를 제공하여, 란탄계 원소 이온을 함유하는 플라즈마가 상기 아크 챔버에 형성되도록 하는 단계; 및 상기 란탄계 원소 이온을 상기 란탄계 원소 이온이 함유된 상기 플라즈마로부터 추출하여 란탄계 원소 이온빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 공개한다.
이하 내용은 본 발명의 하나 또는 다수의 방면에 대한 간단한 요약이다. 상기 간단한 요약은 결코 본 발명의 광범위한 총론이 아니며, 본 발명의 핵심 또는 중요 원소를 특정하고자 하는 것도 아니고, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다. 반대로, 본 간단한 요약의 주요 목적은 본 발명의 약간의 개념을 간결하게 나타냄으로써, 후속되는 실시예 중 본 발명을 상세하게 묘사하기 전의 서문으로 삼고자 하는 것이다.
본 발명의 기본 개념은 란탄계 원소 화합물 가스를 함유하는 아크 챔버에 불활성 가스(inert gas), 예를 들어 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 또는 라돈(Rn)으로 구성되는 지지 가스(support gas)를 투입하여 플라즈마의 형성을 안정화 및 가속화함으로써, 란탄계 원소 이온빔의 추출이 안정적으로 이루어도록 하는 데 있다. 불활성 가스는 화학 활성이 낮아 이온원 중의 물질과 쉽게 반응이 일어나지 않기 때문에, 불활성 가스가 플라즈마 중 가열되어 비교적 큰 운동에너지/운동량이 발생할 때, 아크 챔버에 형성되는 부산물과 충돌이 발생하면서 부산물을 직접 타격하여 해리시킴으로써 플라즈마 중의 음이온과 양이온을 형성하거나, 또는 아크 챔버 내의 어느 부위에 이미 퇴적된 부산물을 타격하여 아크 챔버의 바닥으로 떨어지게 하거나, 또는 부산물이 지속적으로 밀집된 구조로 퇴적되지 못하고 아크 챔버 바닥으로 떨어져, 플라즈마 또는 아크 챔버의 라이너, 전극 등 핵심 하드웨어와 접촉되지 못하도록 함으로써 마지막에 추출되는 이온빔 중 부산물의 수량을 감소시키거나 또는 심지어 제거할 수 있다.
또한, 불활성 가스는 비교적 많은 최외층 전자를 구비하므로, 지지 가스를 투입하면 다량의 열전자를 방출하여 아크 챔버로 진입되도록 할 수 있어, 아크 챔버 중 플라즈마의 형성 속도를 가속화하고, 형성되는 플라즈마를 더욱 안정화시킬 수 있다.
또한, 불활성 가스의 열전도율은 란탄계 원소 화합물 증기의 열전도율보다 낮으며, 다시 말해 열에너지가 쉽게 소실되지 않기 때문에, 지지 가스를 플라즈마에 투입하면 아크 챔버의 열에너지 사용률을 높일 수 있고, 저온 시동(cold start) 시간을 대폭 단축시켜 란탄계 원소 이온빔이 더욱 신속하게 추출되도록 할 수 있다.
상기 및 관련 내용을 구현하기 위하여, 본 발명은 적어도 아래에 상세히 설명되는 다수의 특징, 특히 특허출원범위에서 강조하는 다수의 특징들을 포함한다.
이하 설명 및 관련 도면은 본 발명의 다수의 방면 및 구체적인 응용을 전체적으로 묘사한다. 이러한 묘사와 이러한 도면은 단지 본 발명의 다수의 가능한 변형 중의 모종의 변형일 뿐이며, 본 발명의 다수의 목적, 다수의 장점과 다수의 신규 특징들은 이하 상세하게 묘사되는 실시예와 각 도면의 참조를 통해 발견될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명인 란탄계 원소 이온원 발생 방법에 사용되는 이온원 발생장치의 일 실시예의 블록도이다.
도 1b는 본 발명인 란탄계 원소 이온원 발생 방법에 사용되는 이온원 발생장치의 또 다른 일 실시예의 블록도이다.
도 2a는 본 발명인 란탄계 원소 이온원 발생 방법의 일 바람직한 실시예의 흐름도이다.
도 2b는 본 발명인 란탄계 원소 이온원 발생 방법의 또 다른 일 바람직한 실시예의 흐름도이다.
본 발명은 약간의 실시예를 다음과 같이 상세히 설명한다. 그러나, 공개되는 실시예 이외에, 본 발명은 기타 실시예에서도 광범위하게 응용될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 실시예에 의해 한정되지 않으며, 뒤에 첨부되는 특허출원범위를 기준으로 한다. 더욱 명확한 설명을 제공하고 상기 기술을 숙지하는 자가 본 발명의 발명 내용을 이해할 수 있도록 하기 위하여, 도면 내의 각 부분은 그에 상대되는 크기에 따라 도시하지 않았고, 어떤 크기와 기타 관련 척도의 비율은 두드러지게 과장될 수 있고, 관련이 없는 소소한 부분은 도면의 간결성을 위해 불완전하게 도시될 수도 있다.
반도체 공정/소자의 개발에 따라, 란탄계(lanthanide) 원소를 사용하여 주입하는 수요 역시 점차 증가하고 있다. 일반적으로, 란탄계 원소는 금속 산화물(또는 할로겐화물)의 분말형태이며, 증발기를 통해 기화되어 기체 상태로 변환된 후, 지속적으로 이온원 내부에 유입되어 플라즈마로 해리되며, 이온원으로부터 란탄계 원소 이온을 함유한 이온빔을 추출한다.
그러나, 란탄계 원소 산화물(또는 할로겐화물)을 사용하여 이온원 내부의 플라즈마를 지속시킬 때, 불가피하게 아크 챔버 내부에 산소 또는 불소 이온 또는 원자(또는 심지어 분자)도 발생할 가능성이 있다. 산소 또는 불소는 높은 화학 활성으로 인해, 플라즈마 중의 기타 이온과 상호 결합하여 신규 물질이 생성되어 플라즈마의 성질을 변경시킬 가능성이 대단히 높으며, 따라서 지속적으로 플라즈마에 의해 인출되는 이온빔의 성분, 전류 크기 및 전류 형상 등의 성질에 영향을 미칠 수 있고, 이 역시 플라즈마 중의 기타 이온과 서로 결합되어 신규 물질을 발생시켜 아크 챔버 바닥에 침적되면서 입자 오염(particle contaminant)을 일으킬 가능성이 있어, 과정 중 아크 챔버를 청소하는 시간이 소요되어 아크 챔버의 사용 가능한 효율을 단축시킬 수 있다. 산소 또는 불소의 이온 또는 원자 역시 아크 챔버의 하나 또는 다수의 하드웨어 소자의 재료와 반응을 일으켜 이러한 하드웨어 소자의 표면에 신규 물질을 형성하고, 나아가 이러한 하드웨어의 정상적인 작동에 영향을 주어 이러한 하드웨어 소자의 사용수명을 단축시킬 가능성이 있다. 예를 들면, 아크 챔버와 같은 하우징, 이온빔을 추출하기 위한 전극, 플라즈마를 여기 및 유지시키기 위한 전극, 또는 아크 챔버 하우징 내표면의 부식을 방지하기 위한 라이너(liner) 등등 하드웨어는 모두 산소 또는 불소와 반응을 일으켜 아크 챔버의 사용수명을 단축시킬 가능성이 있다.
본 발명이 제시하는 란탄계 원소 이온원 발생 방법의 기본 개념은 아크 챔버 중 불활성 가스, 예를 들어 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 또는 라돈(Rn)으로 구성되는 지지 가스를 별도로 유입시킴으로써, 아크 챔버 중 분자 충돌의 확률을 높여 상기 반응으로 발생되는 부산물에 의한 각종 문제들을 개선하는 것이다. 부차적으로, 충돌을 증가시켜 아크 챔버 내표면 및 반응 전극상의 부산물을 제거하는 이외에, 아크 챔버에 지지 가스를 유입하면 아크 챔버 중 혼합 기체의 열전도율을 저하시킬 수 있어 저온 시동(cold start) 시간이 단축되고, 란탄계 원소 이온빔이 더욱 신속하게 추출될 수 있다. 또한, 본 발명이 제시하는 란탄계 원소 이온원 발생 방법에 사용되는 지지 가스는 사용되는 지지 가스가 아크 챔버에서 가열될 때 다량의 열전자를 방출하여 플라즈마의 형성을 가속화함으로써 플라즈마의 안정성을 증가시키고, 이온빔이 지속적으로 충분하게 플라즈마로부터 추출될 수 있도록 낮은 이온화 에너지 특성을 구비하여야 한다. 또한, 본 발명이 제시하는 란탄계 원소 이온원 발생 방법에 사용되는 지지 가스는 낮은 열전도율을 구비하여, 아크 챔버 중의 열에너지가 쉽게 흩어지지 못하도록 함으로써 저온 시동 시간을 단축하여, 란탄계 원소 이온원의 발생을 가속화할 수 있다.
본 발명에 사용되는 지지 가스는 단일한 불활성 가스, 예를 들어 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 또는 라돈(Rn)일 수도 있고, 그 중 적어도 2종 이상의 불활성 가스의 혼합일 수도 있으며, 그 중 불활성 가스의 혼합 비율과 방식에 대하여 본 발명에서는 한정하지 않는다. 먼저, 불활성 가스를 지지 가스로 선택할 경우 불활성 가스의 낮은 화학 활성을 이용하여 중간 매질의 투입으로 인한 부산물의 발생 가능성을 방지하며, 플라즈마의 온도로 지지 가스를 가열 시, 지지 가스의 운동에너지와 운동량이 모두 증가하여, 아크 챔버 중 분자가 충돌할 확률이 대폭 증가하게 되며, 화학 활성이 낮은 불활성 가스를 지지 가스로 사용하면 분자의 충돌로 인한 부산물의 발생 가능성을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 분자의 충돌을 이용하여 이미 부산물이 생성된 구조를 파괴하여 아크 챔버 내부에 밀집하게 퇴적될 수 없도록 함으로써, 아크 챔버의 내표면 및 반응 전극을 청소하는 효과를 달성할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명이 사용하는 불활성 가스의 평균 원자/분자량은 18amu 이상이며, 예를 들어 단일한 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 또는 그 중 두 가지 이상의 혼합을 지지 가스로 사용하였다. 지지 가스의 평균 원자/분자량이 18amu 이상일 때, 아크 챔버를 청소하는 효과가 현저하게 나타났으며, 아크 챔버 저부에 퇴적되는 백색 분말이 현저하게 감소하였고, 박리(peeling) 현상 역시 거의 소실되었다.
다음으로, 불활성 가스를 지지 가스로 사용할 경우 불활성 가스의 최외층 전자 수량이 비교적 많기 때문에, 불활성 가스가 가열을 거칠 때 비교적 많은 열 전자가 방출될 수 있다. 열 전자가 지속적으로 주입된 기체와 충돌하여 플라즈마의 형성에 유리하므로, 불활성 가스를 지지 가스로 사용하면 아크 챔버 중의 플라즈마를 안정화시킬 수 있으며, 플라즈마가 지속적으로 형성될 수 있을 때, 이온빔은 지속적으로 플라즈마로부터 추출되어 이온원을 형성할 수 있다. 또한, 열전자는 아크 챔버 중의 온도를 유지하는 효과도 구비하여, 아크 챔버의 열효율을 효과적으로 향상시키고, 이온원의 저온 시동 시간을 단축시킬 수 있다. 다른 각도에서 설명하면, 불활성 가스를 지지 가스로 사용할 경우 불활성 가스의 낮은 이온화 에너지 특성을 이용하는 것이기도 하므로, 불활성 가스가 가열될 때, 불활성 가스가 흡수하는 에너지가 불활성 가스의 이온화 에너지를 초과할 경우, 불활성 가스의 최외층의 전자가 원래의 원자로부터 느슨해지면서 이탈되어 열전자를 형성하며, 따라서 불활성 가스의 낮은 이온화 에너지 특성은 마찬가지로 불활성 가스를 지지 가스로 사용할 경우 열전자를 형성하기가 비교적 용이함을 의미한다. 바람직한 일 실시예에서, 본 발명이 사용하는 불활성 가스의 평균 제1 이온화 에너지는 1600KJ/mol을 초과하지 않으며, 예를 들어 단일한 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 또는 그 중 두 가지 이상의 혼합을 지지 가스로 사용하였다. 지지 가스의 평균 제1 이온화 에너지가 1600KJ/mol을 초과하지 않을 경우, 아크 챔버로 진입하는 열전자 수량을 방출하여 아크 챔버의 열효율을 현저하게 향상시키기에 충분하며, 이온원의 저온 시동 시간을 50% 이상 단축시킬 수 있다.
또한, 불활성 가스를 지지 가스로 사용할 경우 불활성 가스의 낮은 열전도율 특성(란탄계 화합물 기체의 열전도율보다 낮은)을 이용하며, 불활성 가스가 가열을 거칠 때, 불활성 가스의 낮은 열전도율이 아크 챔버 중의 열에너지가 쉽게 외부로 전달되지 못하도록 함으로써 열에너지의 손실을 감소시킬 수 있어, 아크 챔버의 열효율을 높이고, 이온원의 저온 시동 시간을 단축시킬 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 본 발명에 사용되는 불활성 가스의 평균 열전도율은 0.02W/mK 이하이며, 예를 들어 단일한 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 또는 그 중 두 가지 이상의 혼합을 지지 가스로 사용하였다. 지지 가스의 평균 열전도율이 0.02W/mK 이하일 때, 지지 가스의 주입은 아크 챔버의 열효율을 현저하게 향상시킬 수 있어, 가열 시작으로부터 란탄계 원소 이온빔을 추출하기까지의 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.
상이한 변화는 모두 본 발명의 정신에 위배되지 않으며, 실제 응용 시 어떻게 부산물의 영향을 최소화하여 이온원의 사용수명을 최대한 연장시킬 것인가 하는 목적에 의해 결정된다. 본 발명이 특별히 상세히 기술하지 않은 실시예에서, 상기 기술을 숙지하는 자라면 기타 동일한 성질을 지닌 기체를 지지 가스로 사용할 수 있으며, 예를 들어 낮은 화학 활성을 지닌 기체, 또는 낮은 이온화 에너지, 또는 낮은 열전도율을 지닌 기체를 사용할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 정신은 화학 활성이 낮고, 낮은 이온화 에너지를 구비하며 및/또는 열전도율이 낮은 기체를 기체 상태의 란탄계 원소 화합물이 장입된 아크 챔버에 투입하여 아크 챔버 내벽 및 반응 전극을 청소하는 효과를 제공하고, 아크 챔버 중 플라즈마의 발생을 가속화 및 안정화시켜 추출되는 란탄계 원소 이온빔의 전류를 안정화시키는데 있으며, 따라서 본 발명에 사용되는 지지 가스는 단일하거나 또는 혼합된 불활성 가스에 한정되지 않고, 화학 물리 성질이 유사한 기체라면 모두 본 발명의 효과를 달성할 수 있다.
또한, 란탄계 원소 화합물 가스와 지지 가스 양자의 유량/유속 비율은 조정 가능하며, 아크 챔버 중의 플라즈마로부터 이온빔을 추출하는 수량에 가능한 한 영향을 미치지 않는다는 전제 하에, 본 분야에서 통상적인 지식을 갖춘 자라면 이 두 가지의 유량비를 조절함을 통해 부산물으로 인한 하드웨어의 박리를 최대한 저하시킬 수 있다.
본 발명이 제시하는 란탄계 원소 이온원 발생 방법에 사용되는 이온원 발생장치는 도 1a에 도시된 설명도와 같이 개략적으로 설명할 수 있다. 도 1a를 참조하면, 도 1a는 본 발명의 란탄계 원소 이온원 발생 방법에 사용되는 이온원 발생장치(100)의 일 실시예의 블록도이다. 이온원 발생장치(100)는 아크 챔버(110), 증발기(120) 및 지지 가스 공급장치(130)를 포함한다. 증발기(120)와 지지 가스 공급장치(130)는 각각 아크 챔버(110)에 연결된다. 증발기(120)는 고체상태의 란탄계 원소 화합물을 방치하고, 이를 가열하여 고체상태의 란탄계 원소 화합물을 기체 상태의 란탄계 원소 화합물 가스로 전환하여, 증발기(120) 간의 연결을 통해 아크 챔버(110)로 전송하기 위한 것이다. 아크 챔버(110)는 란탄계 원소 화합물 가스를 해리시켜, 란탄계 원소 이온을 함유한 플라즈마를 형성함으로써, 이온빔 추출장치(미도시)를 통해 란탄계 원소 이온을 아크 챔버(110)로부터 추출하여 주입용 란탄계 원소 이온원을 형성하기 위한 것이다. 지지 가스 공급장치(130)는 지지 가스를 아크 챔버(110)에 투입하여 플라즈마의 형성을 가속화 및 안정화시키기 위한 것이다.
또 다른 일 실시예에서, 본 발명의 란탄계 원소 이온원 발생 방법을 구현하기 위한 이온원 발생장치는 상이한 구조를 구비할 수 있다. 도 1b를 참조하면, 도 1b는 본 발명인 란탄계 원소 이온원 발생 방법에 사용되는 이온원 발생장치(100')의 또 다른 일 실시예의 블록도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 이온원 발생장치(100')와 이온원 발생장치(100)의 다른 점은 증발기(120)와 지지 가스 공급장치(130)가 먼저 연결된 다음, 아크 챔버(110)에 일괄 연결된다는데 있으며, 이온원 발생장치(100) 중 증발기(120)와 지지 가스 공급장치(130)가 각각 아크 챔버(110)에 연결되는 것과 다르다. 주의해야 할 점은, 상기 실시예는 범례로써 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 조건이 될 수 없으며, 본 발명인 란탄계 원소 이온원 발생 방법은 사용되는 이온원 발생장치의 하드웨어 구조에 대하여 한정하지 않으며, 구조적으로 지지 가스 및 란탄계 원소 화합물 가스가 모두 아크 챔버(110)로 진입하여 본 발명인 란탄계 원소 이온원 발생 방법을 구현할 수 있으면 된다.
본 발명이 제시하는 이온원 발생 방법은 도 2a에 도시된 흐름도와 같이 개략적으로 설명할 수 있다. 먼저 단계 201과 같이, 란탄계 원소 화합물 가스와 지지 가스를 아크 챔버(18)로 제공한다. 지지 가스는 화학 활성이 낮고, 낮은 이온화 에너지를 및/또는 낮은 열전도율을 지니는 기체일 수 있으며, 예를 들어 단일하거나 또는 두 가지 이상의 불활성 가스의 혼합일 수 있다. 이어서, 단계 203과 같이, 아크 챔버(18) 중 적어도 일부 란탄계 원소 화합물 가스를 해리시켜 플라즈마를 발생시킨 다음, 단계 205와 같이, 이온빔을 플라즈마로부터 아크 챔버(18)에서 인출하여 이온원을 형성한다. 물론, 본 발명이 제시하는 란탄계 원소 이온원 발생 방법은 도 2b에 도시된 흐름도와 같이 개략적으로 설명될 수도 있다. 도 2b는 도 2a와 대체로 유사하며, 주요 차이점은 도 2b의 단계 204에서, 란탄계 원소 화합물 가스와 지지 가스는 모두 적어도 일부가 해리되어 아크 챔버(18)에서 플라즈마를 형성한다는데 있다.
또한, 지지 가스는 주입 가스가 플라즈마로 해리되어 발생되는 부산물로 인한 문제를 개선하기 위한 것이므로, 본 발명은 란탄계 원소 화합물 가스와 지지 가스를 아크 챔버로 주입하는 순서에 변화를 줄 수도 있다. 예를 들어 란탄계 원소 화합물 가스가 여기되어 플라즈마를 형성하기 전, 지지 가스를 아크 챔버로 전송할 수 있고, 다른 변화에서는 란탄계 원소 화합물 가스가 이미 플라즈마로 여기된 후, 지지 가스를 아크 챔버로 유입시킬 수도 있으며, 또 다른 변화에서는 란탄계 원소 화합물 가스가 더 이상 플라즈마로 여기되지 않을 때에도 지지 가스를 아크 챔버로 유입할 수도 있다.
강조해야 할 점은, 본 발명은 어떠한 방식을 통해 이러한 란탄계 원소 화합물 가스와 이러한 지지 가스 간의 비율을 조정 및 제어하는지에 대해서는 제한하지 않는다는 것이다. 예를 들어, 본 발명은 이온주입기 조작자를 통해 란탄계 원소 화합물 가스와 지지 가스가 각각 아크 챔버로 전송되어 진입하는 시간 관계와 유량 크기 관계를 인위적으로 제어할 수 있다. 본 발명에 도시되지 않은 실시에 중, 내부에 구축되거나 외부에 연결된 집적회로, 또는 컴퓨터 인터페이스, 또는 펌웨어(firmware)를 통해 란탄계 원소 화합물 가스와 지지 가스 간의 비율을 제어할 수도 있다.
이상은 단지 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명의 특허출원범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 기타 본 발명에 공개된 정신을 벗어나지 않고 완성되는 등가의 변경 또는 수식은 모두 하기의 특허출원범위에 포함되어야 한다.
100, 100': 이온원 발생장치
110: 아크 챔버
120: 증발기
130: 지지 가스 공급장치

Claims (16)

1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 가열하여, 상기 1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 기체 상태로 전환하는 단계;
상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 아크 챔버로 전송하는 단계;
적어도 1종의 지지 가스를 상기 아크 챔버로 전송하는 단계;
상기 아크 챔버에 에너지를 제공하여, 란탄계 원소 이온을 함유하는 플라즈마가 상기 아크 챔버에 형성되도록 하는 단계; 및
상기 란탄계 원소 이온을 상기 란탄계 원소 이온이 함유된 상기 플라즈마로부터 추출하여 란탄계 원소 이온빔을 형성하는 단계;
를 포함하는 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스는 단일한 불활성 가스를 포함하는, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스는 2종 이상의 불활성 가스의 혼합인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스의 평균 원자/분자량은 18원자 질량단위(a.m.u.) 이상인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스의 평균 제1 이온화 에너지는 1600KJ/mol 이하인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스의 평균 열전도율은 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물의 열전도율보다 낮은, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제6항에 있어서,
상기 지지 가스의 평균 열전도율은 0.02W/mK 이하인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스가 역시 여기되어 상기 아크 챔버에서 플라즈마를 형성하는, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스는 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물이 여기되어 플라즈마를 형성하기 전에 상기 아크 챔버로 전송되는, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스는 상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물이 여기되어 플라즈마를 형성한 후에 상기 아크 챔버로 유입되는, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스는 제논(Xe)인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 지지 가스는 아르곤(Ar)인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물은 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물은 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물이고, 또한 상기 지지 가스는 제논(Xe)인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
제1항에 있어서,
상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물은 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물이고, 또한 상기 지지 가스는 아르곤(Ar)인, 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 가열하여, 이테르븀(Yb) 원소를 함유한 화합물인 상기 1종 또는 다종의 비기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 기체 상태로 전환하는 단계;
상기 1종 또는 다종의 기체 상태의 란탄계 원소 화합물을 아크 챔버로 전송하는 단계;
아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 또는 제논(Xe)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 지지 가스를 상기 아크 챔버로 전송하는 단계;
상기 아크 챔버에 에너지를 제공하여, 란탄계 원소 이온을 함유하는 플라즈마가 상기 아크 챔버에 형성되도록 하는 단계; 및
상기 란탄계 원소 이온을 상기 란탄계 원소 이온이 함유된 상기 플라즈마로부터 추출하여 란탄계 원소 이온빔을 형성하는 단계;
를 포함하는 란탄계 원소 이온원의 발생 방법.
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