KR102451250B1 - Rf plasma ion source - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 RF 플라즈마 이온원은, 진공 상태의 내부에 플라즈마를 가두는 자기장이 형성되고, 재료 가스가 상기 자기장으로 인입되고, 생성된 이온 빔을 출력하게 하는 전극이 구비된 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버 내로 고주파를 전달하는 RF 포트; 및 RF 공급기로부터 상기 RF 포트로 상기 고주파를 전송하는 케이블을 포함하는 RF 전송부를 포함한다. The RF plasma ion source according to the present invention comprises: a plasma chamber in which a magnetic field confining plasma is formed in a vacuum state, a material gas is introduced into the magnetic field, and an electrode is provided to output the generated ion beam; an RF port for delivering a high frequency wave into the plasma chamber; and an RF transmitter including a cable for transmitting the high frequency from the RF supplier to the RF port.

Description

RF 플라즈마 이온원{RF PLASMA ION SOURCE}RF plasma ion source {RF PLASMA ION SOURCE}

본 발명은 RF 플라즈마 이온원에 관한 것으로서 보다 상세하게는 케이블을 이용하여 RF를 전송하는 RF 플라즈마 이온원에 관한 것이다.The present invention relates to an RF plasma ion source, and more particularly, to an RF plasma ion source for transmitting RF using a cable.

이온원은 원자와 분자 이온을 생성하는 장치로서 질량 분광기, 광선 방출 분광계, 입자 가속기, 이온 주입기 및 이온 엔진의 이온을 형성하는데 이용되며, 그의 이용 영역이 확대되고 있다. 특히, 무선주파수(RF, 이하 고주파라 한다)를 챔버 내로 전송하여 챔버 내에 플라즈마를 점화하고 유지하는 에너지를 공급하는 RF 플라즈마 이온원이 있다.Ion sources are devices for generating atomic and molecular ions, and are used to form ions in mass spectrometers, light emission spectrometers, particle accelerators, ion implanters, and ion engines, and the field of use thereof is expanding. In particular, there is an RF plasma ion source that transmits radio frequency (RF, hereinafter referred to as high frequency) into the chamber to supply energy to ignite and maintain plasma in the chamber.

RF 플라즈마 이온원의 챔버 내로 고주파를 방사하는 구성으로 주로 안테나가 이용된다. 안테나를 이용하는 이온원에서 안테나는 고주파를 전 방향으로 분사하기 때문에 플라즈마의 생성 및 유지에 전달되는 에너지의 비율이 작아지는 에너지 손실이 크고, 냉각 및 차폐 장치 등의 다른 구성들이 필요하므로 이온원의 구조를 단순화할 수 없어 이온원의 소형화에 한계가 따르는 문제가 있다. An antenna is mainly used as a configuration for radiating a high frequency into a chamber of an RF plasma ion source. In an ion source using an antenna, since the antenna sprays high frequency in all directions, the energy loss due to the small ratio of energy transferred to the generation and maintenance of plasma is large, and other components such as cooling and shielding devices are required, so the structure of the ion source There is a problem in that the miniaturization of the ion source is limited because it cannot be simplified.

본 발명은 RF 플라즈마 이온원으로서 RF 공급기로부터 플라즈마 챔버까지 케이블을 통해 고주파를 이송하고 RF 포트를 통해 플라즈마 챔버 내로 고주파를 분사하는 RF 플라즈마 이온원을 제공한다. The present invention provides an RF plasma ion source that transfers a high frequency from an RF supply to a plasma chamber through a cable as an RF plasma ion source and injects the high frequency into the plasma chamber through an RF port.

본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 플라즈마 이온원은, 진공 상태의 내부에 플라즈마를 가두는 자기장이 형성되고, 재료 가스가 상기 자기장으로 인입되고, 생성된 이온 빔을 출력하게 하는 전극이 구비된 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버 내로 고주파를 전달하는 RF 포트; RF 공급기로부터 상기 RF 포트로 상기 고주파를 전송하는 케이블을 포함하는 RF 전송부를 포함한다. In the RF plasma ion source according to an embodiment of the present invention, a magnetic field for confining plasma is formed in a vacuum state, a material gas is introduced into the magnetic field, and an electrode is provided to output the generated ion beam. chamber; an RF port for delivering a high frequency wave into the plasma chamber; and an RF transmitter including a cable for transmitting the high frequency from the RF supply to the RF port.

또한, 상기 RF 전송부는 상기 RF 포트와 연결되는 부분에서의 상기 고주파의 반사를 제어하는 임피던스 매칭 회로를 구비한다. In addition, the RF transmitter includes an impedance matching circuit for controlling the reflection of the high frequency in a portion connected to the RF port.

또한, 상기 케이블은 동축 케이블을 포함한다. Also, the cable includes a coaxial cable.

또한, 상기 RF 포트는 상기 RF 전송부의 케이블과 연결 수단에 의해 직접 연결된다. In addition, the RF port is directly connected to the cable of the RF transmitter by a connection means.

또한, 상기 RF 포트와 상기 RF 전송부가 연결되는 부위는 자연 냉각된다. In addition, a portion where the RF port and the RF transmitter are connected is naturally cooled.

또한, 상기 RF 포트와 상기 RF 전송부가 연결되는 부위에 냉각 팬이 구비된다. In addition, a cooling fan is provided at a portion where the RF port and the RF transmitter are connected.

본 발명에 따른 RF 플라즈마 이온원은 고주파를 플라즈마 생성 공간으로 방사하는 구성으로 안테나를 생략하고, 케이블 및 RF 포트를 이용함으로써 이온원의 전체 크기가 줄어들고, 고주파의 플라즈마 생성 공간으로의 출력 효율이 증대된다.The RF plasma ion source according to the present invention is configured to radiate high frequency into the plasma generating space, omitting the antenna, and using a cable and RF port, thereby reducing the overall size of the ion source and increasing the output efficiency of the high frequency into the plasma generating space do.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 플라즈마 이온원의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of an RF plasma ion source according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서 사용되는 용어들은 본 발명의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.The terms used in this specification are terms defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

아울러, 아래에 개시된 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시 예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.In addition, the embodiments disclosed below do not limit the scope of the present invention, but are merely exemplary matters of the components presented in the claims of the present invention, and are included in the technical spirit throughout the specification of the present invention and the scope of the claims. Embodiments including substitutable components as equivalents in components may be included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 플라즈마 이온원의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of an RF plasma ion source according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 플라즈마 이온원은, 플라즈마 챔버(100), 고주파를 플라즈마 챔버 내로 전달하는 구성을 포함한다. Referring to FIG. 1 , the RF plasma ion source according to an embodiment of the present invention includes a plasma chamber 100 and a configuration for transmitting high frequency waves into the plasma chamber.

플라즈마 챔버(100)는 플라즈마가 발생되는 공간(110)을 제공한다. 플라즈마 챔버(100)의 내부는 진공 상태가 유지되고 플라즈마를 가두는 자기장이 형성된다. 이 때, 상기 자기장은 챔버(100) 외부에 구비되는 자기장 발생 수단(300)에 의해 형성된다. The plasma chamber 100 provides a space 110 in which plasma is generated. A vacuum state is maintained inside the plasma chamber 100 and a magnetic field for confining plasma is formed. At this time, the magnetic field is formed by the magnetic field generating means 300 provided outside the chamber 100 .

플라즈마 챔버(100) 내부로 재료 가스가 주입되고, 재료 가스는 챔버 내부의 강한 자기장 및 고주파 에너지에 의해 초고온 상태로 가열되어 전자와 이온으로 분리되는 플라즈마 상태가 된다. A material gas is injected into the plasma chamber 100 , and the material gas is heated to an ultra-high temperature state by a strong magnetic field and high frequency energy inside the chamber to become a plasma state in which electrons and ions are separated.

플라즈마 챔버(100)는 내부에 생성된 재료 가스의 이온을 빔의 형태로 출력시키는 전극(400)이 구비된다.The plasma chamber 100 is provided with an electrode 400 for outputting ions of the material gas generated therein in the form of a beam.

본 발명의 일 실시 예에 따른 RF 플라즈마 이온원에서 고주파를 플라즈마 챔버(100) 내로 전달하는 구성은 RF 공급기, RF 전송부, 및 RF 포트를 포함한다.A configuration for transmitting a high frequency from the RF plasma ion source into the plasma chamber 100 according to an embodiment of the present invention includes an RF supply, an RF transmitter, and an RF port.

RF 공급기(210)는 고주파를 발생시켜 RF 전송부로 전달한다. RF 공급기(210)는 RF 증폭기를 포함한다. 고주파는 RF 주파수를 결정하고 이를 생성하여 제공하는 시그널제너레이터에서 생성되고 RF 증폭기를 이용하여 요청하는 출력량으로 증폭하여 출력된다. 주파수는 수 kHz 부터 수백 GHz 범위에서 결정되며, 출력은 수 W 부터 수 kW 범위에서 결정된다. 실시 예의 발명의 경우, 케이블의 전송에 의한 손실량이 상대적으로 적은 수 kW 이하의 낮은 출력에서 바람직히다. The RF supply 210 generates a high frequency and transmits it to the RF transmitter. The RF supply 210 includes an RF amplifier. The high frequency is generated by the signal generator that determines the RF frequency, generates and provides it, and is amplified to the requested output amount using the RF amplifier and output. The frequency is determined in the range of several kHz to several hundreds of GHz, and the output is determined in the range of several W to several kW. In the case of the invention of the embodiment, it is preferable at a low output of several kW or less, where the amount of loss due to transmission of the cable is relatively small.

RF 전송부는 후술할 RF 포트(230)로 고주파를 전송하는 케이블(220) 및 RF 포트(230)와 연결되는 부분에서의 고주파의 반사를 제어하는 임피던스 매칭 회로(미도시)를 포함한다. 임피던스 매칭 회로는 반사파 측정부와 커패시턴스와 인덕턴스를 조정하는 회로를 포함한다.The RF transmitter includes a cable 220 for transmitting a high frequency to the RF port 230 to be described later and an impedance matching circuit (not shown) for controlling reflection of the high frequency in a portion connected to the RF port 230 . The impedance matching circuit includes a reflected wave measuring unit and a circuit for adjusting capacitance and inductance.

케이블(220)은 고주파를 RF 포트(230)로 전송한다. 일 실시 예에서, 케이블은 동축 케이블로 이루어진다. 케이블은 플라즈마 생성 및 유지에 필요한 RF 에너지를 전송할 수 있는 RG(Radio Guid) 규격의 동축 케이블이 이용된다. 일 실시 예에서 동축 케이블은 플렉시블 타입, 세미리지드 타입, 리지드 타입을 포함한다. 동축 케이블은 중심도체, 유전체, 외곽도체로 구성되며, 이는 미국 분류 방식인 RG 규격에 의해 결정되며, 국내에는 이에 대체 규격인 KSC-3610에 따른다. 이때 동축 케이블의 사양은 이온을 발생시키는 플라즈마의 특성에 따라 사용되는 주파수와 임피던스에 따라서 결정된다. 이용하고자 하는 이온의 질량이 클수록, 재료 가스의 분자결합 에너지가 클수록 주파수가 높은 특성이 있으며 임피던스는 작아지는 특성이 있다.The cable 220 transmits a high frequency to the RF port 230 . In one embodiment, the cable consists of a coaxial cable. As the cable, a coaxial cable of RG (Radio Guid) standard that can transmit RF energy required for plasma generation and maintenance is used. In one embodiment, the coaxial cable includes a flexible type, a semi-rigid type, and a rigid type. A coaxial cable consists of a central conductor, a dielectric, and an outer conductor, which is determined by the American classification system RG standard, and in Korea, it follows the KSC-3610 alternative standard. At this time, the specification of the coaxial cable is determined according to the frequency and impedance used according to the characteristics of the plasma generating ions. As the mass of the ion to be used increases and the molecular bonding energy of the material gas increases, the frequency is high and the impedance is decreased.

RF 포트(230)는 케이블(220)과 직접 연결되고 케이블(220)을 통해 전송된 고주파를 플라즈마 챔버 내로 직분사한다. RF 포트는 케이블 연결단자, 진공 중으로 RF를 분사하는 부분, RF 공진 및 가이드하는 도파관(Wavegudie)부분을 포함한다. 케이블 연결단자는 N 타입 또는 SMA 타입으로 규격에 따라 결정되며, 진공 중으로 RF를 분사하는 부분은 Launcher부로서 RF 특성에 따른 위상배치에 따라 결정되며, RF 공진 및 가이드 부분은 북미의 EIA(Electronic Industry Association) 또는 IEC(International Electiotechnical Commision)에 따라 WR (Waveguide Rectangular), WC (Waveguide Circular)로 결정된다. 이때 임피던스 매칭 회로는 RF 포트와 함께 구성될 수 있다.The RF port 230 is directly connected to the cable 220 and directly injects the high frequency transmitted through the cable 220 into the plasma chamber. The RF port includes a cable connection terminal, a portion that radiates RF into a vacuum, and a portion of a waveguide that resonates and guides RF. The cable connection terminal is N type or SMA type, which is determined according to the standard, and the part that sprays RF in the vacuum is the launcher part and is determined according to the phase arrangement according to the RF characteristics, and the RF resonance and guide part is EIA (Electronic Industry) Association) or IEC (International Electiotechnical Commision), it is determined as WR (Waveguide Rectangular) or WC (Waveguide Circular). In this case, the impedance matching circuit may be configured together with the RF port.

RF 포트(230)는 케이블로부터 전달 받은 고주파를 플라즈마 챔버 내부로 직분사하는 출력구는 WR 또는 WC 규격의 플랜지가 배치된 플라즈마 챔버 전단부에서 내부를 바라보도록 플라즈마 챔버와 결합한다. The RF port 230 is coupled to the plasma chamber so that the output port that directly injects the high frequency received from the cable into the plasma chamber is viewed from the front end of the plasma chamber where the flange of the WR or WC standard is disposed.

여기서 직분사라 함은 안테나의 방사와 다른 고주파 출력 방식으로, 도파관을 통하여 공진된 상태에서 일정한 방향과 각도로 분사되는 것을 의미한다. 도파관을 이용한 전달 방식은 매우 높은 마이크로파를 전송하기 위한 전송선로로 손실이 적다는 특성과 대전력 전송이 가능한 장점을 가지고 있어 가속기에 필요한 고출력 이온원에서 사용되는 방식으로 이온원의 전단부에 도파관의 플랜지가 배치하여 직분사할 경우 RF 전달을 목표로 하는 플라즈마 부위에 공진 상태를 유지한 상태에서 손실 없이 전달이 가능하다. 안테나를 이용할 경우 다양한 방향으로 RF가 분사되어 플라즈마에 요구되는 RF을 전달하기 위해서는 보다 높은 RF 출력을 인가하여야 하는 단점과 비교하여 직분사 방식은 높은 효율의 RF 전달이 가능하다. 또한, 안테나를 이용하는 경우 다양한 방향에서 반사파를 생성하여 이로 인한 간섭 현상으로 플라즈마에 전달되는 RF을 소실시키는 반면에 직분사 방식은 반사파가 일정한 방향에서 생성되어 그 손실이 작으며 위상 배치를 고려한 플라즈마 챔버의 설계를 이용하여 그 손실 또한 보다 줄일 수 있다. 이때 플라즈마 챔버 전단부의 플랜지는 RF 주파수에 따라 WR 또는 WC 규격으로 결정되어야 한다.Here, the direct injection means that a high-frequency output method different from the radiation of the antenna is injected in a certain direction and at an angle while resonating through a waveguide. The transmission method using a waveguide is a transmission line for transmitting very high microwaves, and has the advantage of low loss and high power transmission. When the flange is arranged and direct injection is carried out, it is possible to transfer without loss while maintaining the resonance state in the plasma region that is targeted for RF transfer. When using an antenna, RF is sprayed in various directions, and compared to the disadvantage that a higher RF output must be applied to deliver the RF required for plasma, the direct injection method can deliver RF with high efficiency. In addition, in the case of using an antenna, reflected waves are generated in various directions and the RF transmitted to the plasma is lost due to the interference phenomenon, whereas in the direct injection method, the reflected waves are generated in a certain direction and the loss is small, and the plasma chamber considering the phase arrangement. The loss can also be further reduced by using the design of At this time, the flange of the front end of the plasma chamber should be determined according to the WR or WC standard according to the RF frequency.

RF 포트와 RF 전송부가 연결되는 부위는 자연 냉각되거나, 또는 냉각 팬을 구비할 수 있다. 안테나는 도체로 구성되며, 상호 전달되는 RF 및 반사파로 인하여 열이 발생한다. 특히 고출력으로 전달되는 RF의 경우 안테나에서의 발열은 안테나의 RF 특성을 변화시키기 때문에 냉각수를 이용한 강제 냉각 방식이 사용된다. 본 발명에서 제시되는 일 실시예의 경우 RF 전송부와 RF 포트가 연결되는 부위에서 진공 중으로 RF가 공진 전달되어 상호 전달되는 RF가 없기 때문에 이로 인한 열이 발생되지 않는다. 또한, RF 임피던스 매칭과 플라즈마 챔버 위상 고려 설계를 이용하여 RF 반사파를 효과적으로 제거할 수 있어 반사파로 인한 열을 제어할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이러한 특징으로 부수적인 장치가 없는 자연 냉각으로 연결부위의 RF 특성을 유지할 수 있으며, 소량의 RF 반사파로 인한 발열을 제어하여야 할 경우 소형 냉각 팬을 이용한 간단한 대류 냉각으로 RF 특성 유지 문제를 해결할 수 있다.A portion where the RF port and the RF transmitter are connected may be naturally cooled or provided with a cooling fan. Antenna consists of a conductor, and heat is generated due to RF and reflected waves transmitted to each other. In particular, in the case of RF delivered with high power, the forced cooling method using cooling water is used because heat from the antenna changes the RF characteristics of the antenna. In the case of an embodiment presented in the present invention, since there is no RF that is resonantly transmitted in a vacuum at a portion where the RF transmitter and the RF port are connected, no heat is generated due to this. In addition, by using RF impedance matching and a design considering the phase of the plasma chamber, the RF reflected wave can be effectively removed, and thus heat due to the reflected wave can be controlled. With these features, it is possible to maintain the RF characteristics of the connection part by natural cooling without ancillary devices. .

플라즈마 챔버 100
RF 공급기 210
케이블 220
RF 포트 230
자기장 발생 수단 300
전극 400plasma chamber 100
RF supply 210
cable 220
RF port 230
magnetic field generating means 300
electrode 400

Claims (6)

진공 상태의 내부에 플라즈마를 가두는 자기장이 형성되고, 재료 가스가 상기 자기장으로 인입되고, 생성된 이온 빔을 출력하게 하는 전극이 구비된 플라즈마 챔버;
상기 플라즈마 챔버 내로 고주파를 전달하는 RF 포트; 및
외부의 RF 공급기로부터 상기 RF 포트로 상기 고주파를 직분사 방식으로 전송하는 케이블을 포함하는 RF 전송부를 포함하며,
상기 케이블은 플렉시블 타입, 세미리지드 타입, 리지드 타입 중 어느 하나이고,
고주파의 반사를 제어하는 임피던스 매칭 회로가 상기 케이블이 상기 RF 포트와 연결되는 부분에 구비되는, RF 플라즈마 이온원.
a plasma chamber in which a magnetic field for confining plasma is formed in a vacuum state, a material gas is introduced into the magnetic field, and an electrode for outputting a generated ion beam;
an RF port for delivering a high frequency wave into the plasma chamber; and
Includes an RF transmitter including a cable for transmitting the high frequency from an external RF supply to the RF port in a direct injection method,
The cable is any one of a flexible type, a semi-rigid type, and a rigid type,
An impedance matching circuit for controlling reflection of high frequency waves is provided at a portion where the cable is connected to the RF port, the RF plasma ion source.
 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 케이블은 동축 케이블인, RF 플라즈마 이온원.
The method according to claim 1,
wherein the cable is a coaxial cable.
 청구항 1에 있어서,
상기 RF 포트는 상기 RF 전송부의 케이블과 직접 연결되는, RF 플라즈마 이온원.
The method according to claim 1,
The RF port is directly connected to the cable of the RF transmitter, RF plasma ion source.
 청구항 1에 있어서,
상기 RF 포트와 상기 RF 전송부의 케이블이 연결되는 부위는 자연 냉각되는, RF 플라즈마 이온원.
The method according to claim 1,
A portion where the RF port and the cable of the RF transmitter are connected is naturally cooled, an RF plasma ion source.
 청구항 1에 있어서,
상기 RF 포트와 상기 RF 전송부의 케이블이 연결되는 부위에 냉각 팬이 구비된, RF 플라즈마 이온원.The method according to claim 1,
A cooling fan is provided at a portion where the RF port and the cable of the RF transmitter are connected, the RF plasma ion source.
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KR100277296B1 (en) * 1994-09-26 2001-01-15 브라이언 알. 바흐맨 Microwave-activated ion implanter ion source

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