KR102117569B1

KR102117569B1 - 플라즈마원

Info

Publication number: KR102117569B1
Application number: KR1020180008657A
Authority: KR
Inventors: 스구루 이토이; 히데키 후지타
Original assignee: 닛신 이온기기 가부시기가이샤
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2020-06-01
Also published as: JP2018198114A; US20180343731A1; CN108933076B; CN108933076A; JP6653066B2; KR20180128335A; US10470284B2

Abstract

본 발명은 장치 치수의 소형화와 영구 자석의 승온 억제를 모두 실현할 수 있는 플라즈마원을 제공하는 것을 과제로 한다.
플라즈마원(1)은, 내부에서 플라즈마가 생성되는 챔버(2)와, 챔버(2)의 주위에 제1 방향(Z)을 따라서 배치된 한 쌍의 미러 자석(m1, m2)과, 한 쌍의 미러 자석(m1, m2) 사이에 배치된 커스프 자석(c)을 구비하고, 커스프 자석(c)이, 제1 방향(Z)에 수직인 면 내에서, 챔버(2)의 주위에 간극(S)을 두고 배치되고, 챔버측의 극성이 이웃에 배치된 것과 교대로 상이한 복수의 영구 자석(P)으로 구성되어 있고, 개개의 미러 자석(m1, m2)이, 제1 방향(Z)에 수직인 면 내에서, 챔버측의 극성이 동일한 극성이 되도록 챔버(2)의 주위에 간극(S)을 두고 배치된 복수의 영구 자석(P)으로 구성되어 있고, 개개의 미러 자석(m1, m2)의 챔버측의 극성이 상이하다.

Description

플라즈마원{PLASMA SOURCE}

본 발명은, 챔버 주위에 배치된 미러 자석과 커스프 자석을 이용하여, 챔버 내부에서 생성된 플라즈마의 차폐를 행하는 플라즈마원에 관한 것이다.

챔버 주위에 배치된 미러 자석과 커스프 자석을 이용하여, 챔버 내부에서 생성된 플라즈마의 차폐를 행하는 플라즈마원의 응용예로서, 특허문헌 1에 기재된 마이크로파 이온원이 알려져 있다.

이 이온원은, 플라즈마 챔버에서 생성된 플라즈마로부터 애노드 전극과 인출 전극을 이용하여 이온빔을 인출하는 이온원이다.

원기둥형의 챔버 주위에는, 챔버의 축방향(이온빔의 인출 방향)에 배치된 한 쌍의 미러 자석과 미러 자석 사이에 배치된 커스프 자석이 설치되어 있다.

이온빔을 인출하기 위한 전극을 제외한 플라즈마원의 사이즈를 소형으로 하기 위해서는, 각 자석은 전자석이 아니라 영구 자석으로 구성되어 있는 것이 요구된다. 이온원의 운전 중에는 플라즈마 챔버는 고온이 된다. 챔버 주위에 설치된 영구 자석은, 고온이 되면 감자되기 때문에, 영구 자석의 특성을 유지하기 위해서는 자석의 온도 상승을 억제하기 위한 냉각 수단이 필요해진다.

특허문헌 1에는, 미러 자석과 커스프 자석에 영구 자석을 사용하는 것이 개시되어 있지만, 플라즈마원의 소형화와 영구 자석의 승온 억제를 양립하기 위한 영구 자석 배치에 관해서는, 전혀 기재되어 있지 않다.

예컨대, 영구 자석의 승온 억제만을 생각하면, 영구 자석의 외주부에 냉매 유로를 설치하는 것이 고려된다. 그러나, 이 경우에는, 챔버 주위의 외주 치수가 커지기 때문에, 플라즈마원의 사이즈는 대형이 된다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2000-173486

본 발명에서는, 플라즈마원의 소형화와 영구 자석의 승온 억제를 모두 실현할 수 있는 영구 자석 배치를 갖는 플라즈마원을 제공한다.

플라즈마원은,

내부에서 플라즈마가 생성되는 챔버와,

상기 챔버의 주위에 제1 방향을 따라서 배치된 한 쌍의 미러 자석과,

상기 한 쌍의 미러 자석 사이에 배치된 커스프 자석을 구비하고,

상기 커스프 자석이, 상기 제1 방향에 수직인 면 내에서, 상기 챔버의 주위에 간극을 두고 배치되고, 상기 챔버측의 극성이 이웃에 배치된 것과 교대로 상이한 복수의 영구 자석으로 구성되어 있고,

개개의 미러 자석이, 상기 제1 방향에 수직인 면 내에서, 상기 챔버측의 극성이 동일한 극성이 되도록 상기 챔버의 주위에 간극을 두고 배치된 복수의 영구 자석으로 구성되어 있고,

개개의 미러 자석의 상기 챔버측의 극성이 상이하다.

상기 구성의 플라즈마원이라면, 각 자석을 구성하는 영구 자석 사이에 간극이 형성되어 있기 때문에, 이 부분에 냉매 유로를 설치하는 것이 가능해져, 플라즈마원의 소형화와 영구 자석의 승온 억제를 모두 실현할 수 있다.

구체적으로는, 상기 커스프 자석과 상기 미러 자석을 구성하는 복수의 영구 자석 사이의 간극에 냉매 유로가 설치되어 있다.

냉매 유로의 구성을 간단한 것으로 하기 위해서는,

상기 커스프 자석과 상기 미러 자석을 구성하는 복수의 영구 자석 사이의 간극이, 상기 제1 방향으로 나열되어 있는 것이 바람직하다.

냉매 유로의 구성을 더욱 간소한 것으로 하기 위해서는,

상기 간극은 복수개 있고,

상기 냉매 유로의 냉매 유입로와 냉매 유출로는, 상이한 간극에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

장치 구성을 간소하게 하기 위해서는,

상기 챔버의 제1 면에는, 내부에서 생성된 플라즈마로부터 이온이나 전자를 방출하기 위한 개구가 형성되어 있고,

상기 제1 방향에서, 상기 제1 면과 반대측에 있는 상기 챔버의 제2 면으로부터 냉매의 유입ㆍ유출이 행해지는 것이 바람직하다.

제1 면에서의 냉매 유로의 구성을 간소하게 하기 위해서는,

상기 챔버의 제1 면은, 상기 간극에 설치된 냉매 유로의 단부가 접속되는 고리형의 냉매 유로를 갖고 있는 것이 바람직하다.

각 자석을 구성하는 영구 자석 사이에 간극이 형성되어 있기 때문에, 이 부분에 냉매 유로를 설치하는 것이 가능해져, 플라즈마원의 소형화와 영구 자석의 승온 억제를 모두 실현할 수 있다.

도 1은 플라즈마원 전체를 나타내는 모식도.
도 2는 미러 자석과 커스프 자석의 단면도. (A)는 제1 미러 자석의 단면도. (B)는 커스프 자석의 단면도. (C)는 제2 미러 자석의 단면도.
도 3은 각 자석을 구성하는 영구 자석 배치의 변형예에 관한 단면도.
도 4는 냉매 유로의 설명도. (A)는 챔버 전체에 설치된 냉매 유로의 모식도. (B)는 챔버의 제1 면에 형성된 냉매 유로의 설명도. (C)는 챔버의 제2 면에 형성된 냉매 유로의 설명도.

도 1은, 플라즈마원(1)의 전체를 나타내는 모식도이다.

이 플라즈마원(1)은, 도파관(4)으로 도시되지 않은 유전체창을 통해서 내부에 마이크로파가 도입되는 원기둥형의 챔버(2)를 구비하고 있다.

이 예에서는, 마이크로파의 도입은 챔버(2)의 제2 면(P2)으로부터 행해진다.

특허문헌 1과 마찬가지로, 챔버(2)의 주위에는, Z 방향을 따라서 한 쌍의 미러 자석(m1, m2)이 설치되어 있다.

또한, 한 쌍의 미러 자석(m1, m2) 사이에는 커스프 자석(c)이 설치되어 있어, 각 자석이 챔버(2)의 내부에 만들어내는 자장에 의해, 챔버(2)의 내부에 생성된 플라즈마의 차폐가 행해진다.

챔버(2)의 제1 면(P1)에는, 도시되지 않는 전극을 이용하여, 챔버 내부의 플라즈마로부터 이온이나 전자를 빔으로서 인출하기 위한 개구(3)가 형성되어 있다.

Z 방향에 수직인 평면인 XY 평면으로, 각 자석을 절단했을 때의 단면도가 도 2에 그려져 있다.

도 2의 (A), (C)에서 알 수 있듯이, 개개의 미러 자석(m1, m2)은 챔버측의 극성이 동일한 극성이 되도록, 챔버(2)의 주위에 간극(S)을 두고 배치된 복수의 영구 자석(P)으로 구성되어 있다. 또, 개개의 미러 자석(m1, m2)에서 챔버측의 극성은 상이하다.

또한, 도 2의 (B)에서 알 수 있듯이, 커스프 자석(c)도, 챔버(2)의 주위에 간극(S)을 두고 배치된 복수의 영구 자석(P)으로 구성되어 있다. 각 영구 자석(P)의 챔버측의 극성은, 챔버(2)의 주위에서 교대로 상이하다.

또, 전술한 미러 자석(m1, m2), 커스프 자석(c)을 구성하는 복수의 영구 자석(P)은, 도시되지 않는 요크에 의해 지지되어 있다.

상기 간극(S)이 있으면, 이 장소에 냉매 유로(L)를 배치하는 것이 가능해진다. 플라즈마원(1)의 외형 크기는, 챔버 주위에 배치된 영구 자석(P)의 외주부에 의해 규정되어 있다. 따라서, 전술한 영구 자석 사이의 간극(S)에 냉매 유로(L)를 배치한 경우, 플라즈마원(1)의 외형 크기에 대한 영향이 작아, 플라즈마원의 소형화가 가능해진다.

도 2의 (A)∼(C)에 그려지는 검은 원형의 냉매 유로(L)는, 챔버(2)의 제2 면(P2)으로부터 제1 면(P1)측으로 냉매가 흐르는 유로이다. 흰 원형의 냉매 유로(L)는, 챔버(2)의 제1 면(P1)으로부터 제2 면(P2)측으로 냉매가 흐르는 유로이다. 냉매로는, 예컨대 순수가 사용되고 있지만, 이 이외의 것을 이용해도 좋다.

도 2에 그려져 있는 바와 같이, 각 자석(m1, m2, c)을 구성하고 있는 영구 자석 사이의 간극(S)이 Z 방향으로 나열되어 있으면, 각 자석(m1, m2, c)의 간극(S)을 통과하는 냉매 유로(L)를 직선형으로 할 수 있기 때문에, 냉매 유로(L)의 구성이 간소해진다.

단, 영구 자석 사이의 간극(S)을 통과하는 냉매 유로(L)는 반드시 직선형일 필요는 없고, 부분적으로 굴절되거나 하여 다소 구부러져 있어도 좋다.

예컨대, 도 3에 나타낸 바와 같이, 미러 자석(m1, m2)과 커스프 자석(c)의 단면도에서, 미러 자석(m1, m2)을 구성하는 영구 자석 사이의 간극(S)의 위치와 커스프 자석(c)을 구성하는 영구 자석 사이의 간극(S)의 위치가 XY 평면에서 상이하여, Z 방향으로 나열되지 않은 것이어도 좋다.

도시되는 영구 자석 배치라 하더라도, 영구 자석 사이의 간극(S)에 냉매 유로가 설치되어 있기 때문에, 도 2의 구성과 동일하게, 플라즈마원의 소형화와 영구 자석의 승온 억제를 모두 실현할 수 있다.

냉매 유로(L)의 구체적인 구성으로는, 도 4에 기재된 구성이 고려된다. 도 4의 (A)는, 챔버 주위에 설치된 냉매 유로의 전체를 나타내는 모식도이다. 도 4의 (B)는, 도 4의 (A)에 기재된 챔버(2)의 제1 면(P1)에 형성된 냉매 유로이다. 도 4의 (C)는, 도 4의 (A)에 기재된 챔버(2)의 제2 면(P2)에 형성된 냉매 유로이다.

챔버(2)의 제2 면(P2)에 도시되는 IN으로부터 냉매가 공급된다. 챔버(2)에 공급된 냉매는, 실선으로 도시되는 3개의 냉매 유로로 나뉘어져 각 자석에 형성된 간극(S)을 통과하여, 챔버(2)의 제1 면(P1)에 수송된다.

챔버(2)의 제1 면(P1)에는, 고리형의 냉매 유로(LC)(굵은 선)가 형성되어 있다. 이 냉매 유로(LC)에, 전술한 실선의 냉매 유로가 접속되어 있다.

또한, 고리형의 냉매 유로(LC)에는, 챔버(2)의 제1 면(P1)으로부터 제2 면(P2)으로 냉매를 수송하는 냉매 유로(파선)가 접속되어 있다.

파선으로 그려지는 냉매 유로를 통해서 제2 면(P2)에 수송된 냉매는, 도시되는 OUT으로부터 챔버(2)의 외부로 배출된다.

플라즈마원(1)의 제1 면(P1)에서, 실선의 냉매 유로와 파선의 냉매 유로를 개별로 접속하는 구성을 채용해도 좋지만, 챔버를 깎아 냄으로써 유로를 형성하는 경우에는, 전술한 고리형의 냉매 유로를 형성하는 쪽이 유로의 제작이 간단해서 좋다.

또, 여기서 말하는 고리형이란, 반드시 원을 나타내는 것은 아니며, 사각 등의 다른 형상도 포함하며, 넓게는 닫힌 고리인 것을 의미하고 있다.

냉매 유로에 대한 냉매의 공급, 냉매 유로부터의 냉매의 배출에 관해서는, 플라즈마원(1)의 제2 면(P2)으로부터 행하는 것이 바람직하다. 플라즈마원(1)의 제1 면(P1)에는 개구(3)가 형성되어 있고, 여기를 통하여 이온 등의 빔의 인출이 행해져, 이온이나 전자가 챔버 외부로 방출된다. 이 장소의 근방으로부터 냉매 유로로의 냉매의 공급이나 냉매 유로로부터의 냉매의 배출을 행한 경우, 이온이나 전자의 방출이나 이온 등의 빔의 인출을 방해하는 것이 우려된다.

또한, 가령 이온이나 전자의 방출이나 이온 등의 빔의 인출을 방해하지 않고, 냉매의 공급, 배출을 행할 수 있다 하더라도, 냉매의 공급, 배출을 행할 수 있는 장소가, 개구 근방에 배치되는 전극 배치 등의 다른 요인에 의해 크게 제약되는 것을 고려하면, 제2 면(P2)으로부터 냉매의 공급, 배출을 행하는 쪽이 장치 구성은 간소한 것이 된다.

상기 실시형태에서는, 챔버(2)가 원기둥인 취지를 설명했지만, 챔버(2)의 형상은 직방체나 입방체, 각기둥이어도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 챔버(2)의 길이 방향을 Z 방향으로 했지만, 챔버(2)는 Y 방향쪽이 Z 방향보다 긴 형상이어도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 도파관을 이용하여 챔버(2)에 마이크로파를 도입하는 것이었지만, 마이크로파 이외의 고주파를 도입하는 구성이어도 좋다. 또한, 도파관 이외에, 챔버 내에 안테나를 삽입하고, 그 안테나를 통하여 고주파를 챔버 내에 도입하도록 해도 좋다.

상기 실시형태에서는, 각 간극(S)에 하나의 냉매 유로(L)가 설치되는 구성이었지만, 각 간극(S)에 2개 이상의 냉매 유로(L)를 배치하도록 해도 좋다.

단, 복수개의 냉매 유로(L)를 하나의 간극(S)에 배치하는 경우, 전체 냉매 유로 길이가 길어지거나 하나의 간극(S)에 배치되는 냉매 유로(L)의 직경이 작아짐으로써 냉각 능력이 저하되기 때문에, 상기 실시형태와 같이 하나의 간극(S)에 하나의 냉매 유로(L)가 설치되는 구성인 것이 바람직하다.

상기 실시형태에서는, 각 자석(m1, m2, c)을 구성하는 영구 자석(P)의 갯수는 동수(6개)이지만, 반드시 동수로 할 필요는 없다.

또한, 상기 실시형태에서는, 챔버(2)의 제1 면(P1)측의 미러 자석(m2)의 챔버측의 극성이 N, 챔버(2)의 제2 면(P2)측의 미러 자석(m1)의 챔버측의 극성이 S였지만, 양자의 극성은 반대이어도 좋다.

기타, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형이 가능한 것은 물론이다.

1 : 플라즈마원 2 : 챔버
3 : 개구 4 : 도파관
m1 : 제1 미러 자석 m2 : 제2 미러 자석
c : 커스프 자석 P1 : 제1 면
P2 : 제2 면 S : 간극
L : 냉매 유로 P : 영구 자석

Claims

내부에서 플라즈마가 생성되는 챔버와,
상기 챔버의 주위에 제1 방향을 따라서 배치된 한 쌍의 미러 자석과,
상기 한 쌍의 미러 자석 사이에 배치된 커스프 자석을 포함하고,
상기 커스프 자석이, 상기 제1 방향에 수직인 면 내에서, 상기 챔버의 주위에 간극을 두고 배치되고, 상기 챔버측의 극성이 이웃에 배치된 것과 교대로 상이한 복수의 영구 자석으로 구성되며,
개개의 미러 자석이, 상기 제1 방향에 수직인 면 내에서, 상기 챔버측의 극성이 동일한 극성이 되도록 상기 챔버의 주위에 간극을 두고 배치된 복수의 영구 자석으로 구성되고,
개개의 미러 자석의 상기 챔버측의 극성이 상이하며,
상기 커스프 자석과 상기 미러 자석을 구성하는 복수의 영구 자석 사이의 간극에 냉매 유로가 설치되는 것인 플라즈마원.
제1항에 있어서, 상기 커스프 자석과 상기 미러 자석을 구성하는 복수의 영구 자석 사이의 간극이, 상기 제1 방향으로 나열되는 것인 플라즈마원.
제1항에 있어서, 상기 간극은 복수개 있고,
상기 냉매 유로의 냉매 유입로와 냉매 유출로는 상이한 간극에 설치되는 것인 플라즈마원.
제1항에 있어서, 상기 챔버의 제1 면에는, 내부에서 생성된 플라즈마로부터 이온이나 전자를 방출하기 위한 개구가 형성되고,
상기 제1 방향에서, 상기 제1 면과 반대측에 있는 상기 챔버의 제2 면으로부터 냉매의 유입ㆍ유출이 행해지는 것인 플라즈마원.
제4항에 있어서, 상기 챔버의 제1 면은, 상기 간극에 설치된 냉매 유로의 단부가 접속되는 고리형의 냉매 유로를 포함하는 것인 플라즈마원.
삭제