KR102590846B1 - 간접 가열식 캐소드 이온 소스 및 이와 함께 사용하기 위한 장치 - Google Patents

간접 가열식 캐소드 이온 소스 및 이와 함께 사용하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

간접 가열식 캐소드 이온 소스 및 이와 함께 사용하기 위한 장치가 제공된다. IHC 이온 소스는 대향되는 단부들 상에 캐소드 및 반사 전극을 갖는 이온 소스 챔버를 포함한다. 이온 소스 챔버는 매우 낮은 전기 전도율을 갖는 세라믹 재료로 구성된다. 전기 전도성 라이너가 이온 소스 챔버 내로 삽입될 수 있으며, 이온 소스 챔버의 3개의 면들을 커버할 수 있다. 라이너는 추출 개구를 포함하는 페이스플레이트에 전기적으로 연결될 수 있다. 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결들은 세라믹 재료 내의 개구들을 통과한다. 이러한 방식으로, 아크의 위험성이 없기 때문에 개구들이 그렇지 않았다면 가능했을 것보다 더 작게 만들어질 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 연결들이 이온 소스 챔버 내로 몰딩되거나 또는 개구들 내에 압입된다. 추가로, 이온 소스 챔버에 대하여 사용되는 세라믹 재료는 더 튼튼하며, 추출되는 이온 빔 내로 더 적은 오염들을 도입한다.

Description

간접 가열식 캐소드 이온 소스 및 이와 함께 사용하기 위한 장치
본 개시의 실시예들은 간접 가열식 캐소드(indirectly heated cathode; IHC) 이온 소스에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 세라믹 재료로 만들어진 IHC 이온 소스 챔버에 관한 것이다.
간접 가열식 캐소드(IHC) 이온 소스들은 캐소드 뒤에 배치된 필라멘트에 전류를 공급함으로써 동작한다. 필라멘트는 열이온 전자들을 방출하며, 이들은 캐소드를 향해 가속되어 캐소드를 가열하여 결과적으로 캐소드가 이온 소스 챔버 내로 전자들을 방출하게끔 한다. 캐소드는 이온 소스 챔버의 일 단부에 배치된다. 반사 전극(repeller)은 전형적으로 캐소드에 대향되는 이온 소스 챔버의 단부 상에 배치된다. 반사 전극은 전자들을 반사하여 이들을 다시 이온 소스 챔버의 중심을 향해 보내기 위하여 바이어싱될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 전자들을 이온 소스 챔버 내에 추가로 구속(confine)하기 위하여 자기장이 사용된다. 전자들이 플라즈마가 생성되게끔 한다. 그런 다음, 이온들이 추출 개구를 통해 이온 소스 챔버로부터 추출된다.
이온 소스 챔버는 전형적으로 전기 전도성 재료로 만들어지며, 이는 양호한 전기 전도율 및 높은 용융점을 갖는다. 이온 소스 챔버는 특정 전기 전위로 유지될 수 있다. 추가적으로, 캐소드 및 반사 전극은 이온 소스 챔버 내에 배치되며, 전형적으로 이온 소스 챔버와는 상이한 전기 전위들로 유지된다. 추가로, 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결들을 가능하게 하기 위하여 이온 소스 챔버의 벽들 내에 개구들이 생성된다. 이러한 개구들은, 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결들과 이온 소스 챔버의 벽 사이에서 아크가 발생하지 않도록 크기가 결정된다. 그러나, 이러한 개구들은 또한 이온 소스 챔버 내로 도입되는 공급 가스가 빠져나가는 것을 가능하게 한다.
추가적으로, 이온 소스 챔버를 만들기 위하여 사용되는 재료들은 또한, 이온 소스 챔버의 하나의 기능이 더 차가운 표면으로의 전도를 통해 챔버 내부로부터 열을 제거하는 것일 수 있기 때문에 양호한 열 전도율을 가질 수 있다.
따라서, 이온 소스 챔버에 대하여 사용되는 재료들은 전형적으로 높은 용융점, 양호한 전기 전도율 및 양호한 열 전도율을 갖는다. 일부 실시예들에 있어서, 텅스텐 및 몰리브데넘과 같은 재료들이 이온 소스 챔버를 구성하기 위하여 사용된다.
IHC 이온 소스들과 연관된 하나의 문제는 이온 소스 챔버를 구성하기 위하여 사용되는 재료가 비싸고 기계가공하기 어려울 수 있다는 것이다. 추가적으로, 이온 소스 챔버 내에서 생성되는 이온들이 이온 소스 챔버의 입자들이 제거되어 추출되는 이온 빔 내로 도입되게끔 할 수 있다. 따라서, 이온 소스 챔버를 생성하기 위하여 사용되는 재료가 추출되는 이온 빔 내로 오염을 도입할 수 있다. 추가로, 공급 가스가 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결들을 가능하게 하기 위하여 생성되는 개구들을 통해 상실된다.
따라서, 이온 소스 챔버를 구성하기 위하여 사용되는 재료가 이온 빔을 오염시키지 않는 IHC 이온 소스가 유익할 것이다. 추가로, 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결을 제공하기 위하여 사용되는 개구부들이 이온 소스 챔버로부터 빠져 나가는 공급 가스의 흐름을 감소시키기 위하여 크기가 감소되거나 또는 제거될 수 있는 경우 유익할 것이다.
IHC 이온 소스는 대향되는 단부들 상에 캐소드 및 반사 전극을 갖는 이온 소스 챔버를 포함한다. 이온 소스 챔버는 매우 낮은 전기 전도율을 갖는 세라믹 재료로 구성된다. 전기 전도성 라이너(liner)가 이온 소스 챔버 내로 삽입될 수 있으며, 이온 소스 챔버의 적어도 3개의 면(side)들을 커버할 수 있다. 라이너는 추출 개구를 포함하는 페이스플레이트(faceplate)에 전기적으로 연결될 수 있다. 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결들은 세라믹 재료 내의 개구들을 통과한다. 이러한 방식으로, 단락 또는 아크의 위험성이 없기 때문에 개구들이 그렇지 않았다면 가능했을 것보다 더 작게 만들어질 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 피스(piece)들이 이온 소스 챔버 내로 몰딩(mold)되거나 또는 개구들 내에 압입(press fit)된다. 추가로, 이온 소스 챔버에 대하여 사용되는 세라믹 재료는 더 튼튼하며, 추출되는 이온 빔 내로 더 적은 오염들을 도입한다.
일 실시예에 따르면, 간접 가열식 캐소드 이온 소스가 개시된다. 간접 가열식 캐소드는 그 안으로 가스가 도입되는 이온 소스 챔버로서, 이온 소스 챔버는 하단, 2개의 대향되는 단부들 및 2개의 측면들을 가지며 전기 절연 재료로 구성되는, 이온 소스 챔버; 이온 소스 챔버의 2개의 대향되는 단부들 중 하나의 단부 상에 배치되는 캐소드; 이온 소스 챔버의 2개의 대향되는 단부들 중 제 2 단부에 배치되는 반사 전극; 이온 소스 챔버의 하단 및 2개의 측면들 중 적어도 하나를 커버하는 전기 전도성 라이너; 및 이온 소스 챔버의 하단에 대향되어 배치된 추출 개구를 갖는 페이스플레이트를 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 페이스플레이트는 전기 전도성이며, 전기 전도성 라이너는 페이스플레이트와 전기적으로 접촉한다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너는 캐소드와 전기적으로 접촉한다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너는 반사 전극과 전기적으로 접촉한다. 특정 실시예들에 있어서, 간접 가열식 캐소드 이온 소스는 라이너 전원 공급장치를 포함하여, 여기에서 전기 전도성 라이너가 라이너 전원 공급장치와 전기적으로 접촉한다. 특정 실시예에 있어서, 전기 절연 재료는 세라믹 재료를 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 세라믹 재료는 알루미늄 질화물을 포함한다. 다른 실시예들에 있어서, 세라믹 재료는 실리콘 탄화물, 지르코늄, 이트리파이드-지르코늄(yttrified-zirconium) 탄화물, 및 지르코늄 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 추가로, 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너는 3개의 평면 세그먼트(segment)들을 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너는 "U" 형상을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 간접 가열식 캐소드 이온 소스가 개시된다. 간접 가열식 캐소드 이온 소스는 그 안으로 가스가 도입되는 이온 소스 챔버로서, 이온 소스 챔버는 하단, 2개의 대향되는 단부들 및 2개의 측면들을 가지며 세라믹 재료로 구성되는, 이온 소스 챔버; 이온 소스 챔버의 2개의 대향되는 단부들 중 하나의 단부 상에 배치되는 캐소드; 이온 소스 챔버의 2개의 대향되는 단부들 중 제 2 단부에 배치되는 반사 전극; 이온 소스 챔버의 하단 및 2개의 측면들을 커버하는 전기 전도성 라이너; 및 이온 소스 챔버의 하단에 대향되어 배치된 추출 개구를 가지며 전기 전도성 라이너와 전기적으로 연통하는 페이스플레이트를 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 간접 가열식 캐소드 이온 소스와 함께 사용하기 위한 장치가 개시된다. 장치는 하단, 2개의 대향되는 단부들, 및 2개의 측면들을 가지며 전기 절연 재료로 구성된 이온 소스 챔버; 이온 소스 챔버의 하단 및 2개의 측면들 중 적어도 하나를 커버하는 전기 전도성 라이너; 및 이온 소스 챔버의 하단에 대향되어 배치되는 추출 개구를 갖는 페이스플레이트를 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너는 이온 소스 챔버의 하단 및 2개의 측면들을 커버한다.
본 개시의 더 양호한 이해를 위하여, 본원에 참조로서 포함되는 첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어진다.
도 1은 일 실시예에 따른 이온 소스이다.
도 2a는 제 1 실시예에 따른 라이너를 갖는 도 1의 이온 소스의 단면도이다.
도 2b는 제 2 실시예에 따른 라이너를 갖는 도 1의 이온 소스의 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이온 소스이다.
도 4는 제 3 실시예에 따른 이온 소스이다.
도 5는 제 4 실시예에 따른 이온 소스이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 반사 전극 및 그것의 전기 연결의 단면도이다.
도 6b는 제 2 실시예에 따른 반사 전극 및 그것의 전기 연결의 단면도이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 간접 가열식 캐소드 이온 소스들은 이온 소스 챔버를 구성하기 위하여 사용된 재료에 기인하는 오염을 겪을 여지가 있다. 추가로, 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결들을 공급하기 위하여 사용되는 이온 소스 챔버의 개구들이 공급 가스가 빠져나가는 것을 가능하게 한다.
도 1은 이러한 문제들을 극복하는 IHC 이온 소스(10)의 제 1 실시예를 도시한다. IHC 이온 소스(10)는 2개의 대향되는 단부들 및 이러한 단부들을 연결하는 측면들(102, 103)을 갖는 이온 소스 챔버(100)를 포함한다. 이온 소스 챔버(100)는 세라믹 재료와 같은 전기 절연 재료로 구성될 수 있다. 전기 전도성 라이너(130)가 이온 소스 챔버(100) 내에 배치될 수 있으며, 이온 소스 챔버(100)의 적어도 3개의 표면들을 커버할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 라이너(130)는 이온 소스 챔버(100)의 대향되는 단부들을 연결하는 측면들(102, 103)을 커버할 수 있다. 전기 전도성 라이너(130)는 또한 이온 소스 챔버(100)의 하단(101)을 커버할 수 있다. 캐소드(110)는 이온 소스 챔버(100)의 2개의 대향되는 단부들 중 하나의 단부에서 이온 소스 챔버(100) 내부에 배치된다. 이러한 캐소드(110)는, 전기 전도성 라이너(130)에 대하여 캐소드(110)를 바이어싱하도록 역할하는 캐소드 전원 공급장치(115)와 연통한다. 특정 실시예들에 있어서, 캐소드 전원 공급장치(115)는 전기 전도성 라이너(130)에 대하여 캐소드(110)를 네거티브하게 바이어싱할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 전원 공급장치(115)는 0 내지 -150V의 범위 내의 출력을 가질 수 있지만, 다른 전압들이 사용될 수도 있다. 특정 실시예들에 있어서, 캐소드(110)는 이온 소스 챔버(100)의 전기 전도성 라이너(130)에 대하여 0 내지 -40V 사이로 바이어싱된다. 필라멘트(160)가 캐소드(110) 뒤에 배치된다. 필라멘트(160)는 필라멘트 전원 공급장치(165)와 연통한다. 필라멘트 전원 공급장치(165)는 필라멘트(160)를 통해 전류를 통과시키도록 구성되며, 그 결과 필라멘트(160)가 열이온 전자들을 방출한다. 캐소드 바이어스 전원 공급장치(116)는 필라멘트(160)를 캐소드(110)에 대하여 네거티브하게 바이어싱하며, 따라서 필라멘트(160)로부터의 이러한 열이온 전자들이 캐소드(110)를 향해 가속되고 이들이 캐소드(110)의 후방 표면에 충돌할 때 캐소드(110)를 가열한다. 캐소드 바이어스 전원 공급장치(116)는, 필라멘트가, 예를 들어, 캐소드(110)의 전압보다 300V 내지 600V 더 네거티브한 전압을 갖도록 필라멘트(160)를 바이어싱할 수 있다. 그러면, 캐소드(110)는 이온 소스 챔버(100) 내로 그것의 전방 표면 상에 열이온 전자들을 방출한다.
따라서, 필라멘트 전원 공급장치(165)는 필라멘트(160)로 전류를 공급한다. 캐소드 바이어스 전원 공급장치(116)는 필라멘트가 캐소드(110)보다 더 네거티브하게 필라멘트(160)를 바이어싱하며, 그 결과 전자들이 필라멘트(160)로부터 캐소드(110)를 향해 끌어 당겨진다. 마지막으로, 캐소드 전원 공급장치(115)는 캐소드(110)를 이온 소스 챔버(100) 내에 배치된 전기 전도성 라이너(130)보다 더 네거티브하게 바이어싱한다.
반사 전극(120)은 캐소드(110)에 대향되는 이온 소스 챔버(100)의 단부 상에서 이온 소스 챔버(100) 내부에 배치된다. 반사 전극(120)은 반사 전극 전원 공급장치(125)와 연통할 수 있다. 명칭에서 제시하는 바와 같이, 반사 전극(120)은 캐소드(110)로부터 방출된 전자들을 다시 이온 소스 챔버(100)의 중심을 향해 반사하도록 역할한다. 예를 들어, 반사 전극(120)은 전자들을 반사하기 위하여 이온 소스 챔버(100) 내에 배치된 전기 전도성 라이너(130) 대해 네거티브 전압으로 바이어싱될 수 있다. 캐소드 전원 공급장치(115)와 유사하게, 반사 전극 전원 공급장치(125)는 반사 전극(120)을 이온 소스 챔버(100) 내의 전기 전도성 라이너(130)에 대하여 네거티브하게 바이어싱할 수 있다. 예를 들어, 반사 전극 전원 공급장치(125)는 0 내지 -150V의 범위 내의 출력을 가질 수 있지만, 다른 전압들이 사용될 수도 있다. 특정 실시예들에 있어서, 반사 전극(120)은 이온 소스 챔버(100) 내에 배치된 전기 전도성 라이너(130)에 대하여 0 내지 -40V 사이로 바이어싱된다.
특정 실시예들에 있어서, 캐소드(110) 및 반사 전극(120)은 공통 전원 공급장치에 연결될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에 있어서, 캐소드 전원 공급장치(115) 및 반사 전극 전원 공급장치(125)는 동일한 전원 공급장치이다.
도시되지는 않았지만, 특정 실시예들에 있어서, 자기장이 이온 소스 챔버(100) 내에 생성된다. 이러한 자기장은 전자들을 일 방향을 따라서 구속하도록 의도된다. 예를 들어, 전자들은 캐소드(110)로부터 반사 전극(120)까지의 방향(즉, y 방향)에 평행한 컬럼 내에 구속될 수 있다.
추출 개구(145)를 포함하는 페이스플레이트(140)가 이온 소스 챔버(100)의 상단 상에 배치될 수 있다. 도 1에서, 추출 개구(145)는 X-Y 평면에 평행한(페이지에 평행한) 페이스플레이트(140) 상에 배치된다. 페이스플레이트(140)는 텅스텐과 같은 전기 전도성 재료일 수 있다. 추가로, 도시되지는 않았지만, IHC 이온 소스(10)는 이를 통해 이온화될 가스가 이온 소스 챔버(100) 내로 도입되는 가스 입구를 또한 포함한다.
제어기(180)는, 이러한 전원 공급장치들에 의해 공급되는 전압 또는 전류가 수정될 수 있도록 전원 공급장치들 중 하나 이상과 연통할 수 있다. 제어기(180)는 프로세싱 유닛, 예컨대 마이크로제어기, 개인용 컴퓨터, 특수 용도 제어기, 또는 다른 적절한 프로세싱 유닛을 포함할 수 있다. 제어기(180)는 또한 비-일시적인 저장 엘리먼트, 예컨대 반도체 메모리, 자기 메모리, 또는 다른 적절한 메모리를 포함할 수 있다. 이러한 비-일시적인 저장 엘리먼트는, 제어기(180)가 필라멘트(160), 캐소드(110) 및 반사 전극(120)에 대하여 적절한 전압들을 유지하는 것을 가능하게 하는 명령어들 및 다른 데이터를 포함할 수 있다.
동작 동안, 필라멘트 전원 공급장치(165)는 필라멘트(160)를 통해 전류를 통과시키며, 이는 필라멘트(160)가 열이온 전자들을 방출하게끔 한다. 이러한 전자들은 필라멘트(160)보다 더 포지티브할 수 있는 캐소드(110)의 후방 표면에 충돌하며, 이는 캐소드(110)가 가열되어 결과적으로 캐소드(110)가 이온 소스 챔버(100) 내로 전자들을 방출하게끔 한다. 이러한 전자들은 가스 입구를 통해 이온 소스 챔버(100) 내로 공급되는 가스의 분자들과 충돌한다. 이러한 충돌들이 이온들을 생성하며, 이온들이 플라즈마(150)를 형성한다. 플라즈마(150)는 캐소드(110) 및 반사 전극(120)에 의해 생성되는 전기장들에 의해 구속되고 조작될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 플라즈마(150)는 추출 개구(145) 근처의 이온 소스 챔버(100)의 중심 가까이에 구속된다. 그런 다음, 이온들이 이온 빔으로서 추출 개구를 통해 추출된다.
도 2a는 전기 전도성 라이너(130)의 제 1 실시예를 보여주는 단면도를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)는 이온 소스 챔버(100)의 2개의 측면들(102, 103)을 커버하며, 또한 하단(101)을 커버할 수 있다. 하단(101)은 페이스플레이트(140)에 대향되는 표면이다. 이러한 실시예에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)는 3개의 평면 세그먼트들(131, 132, 133)을 사용하여 형성된다. 이러한 세그먼트들은 단일 피스를 형성할 수 있거나 또는 별개의 피스들일 수 있다. 2개의 측면들(102, 103)을 커버하는 평면 세그먼트들(131, 132)은 페이스플레이트(140)와 접촉하며, 또한 하단(101)을 커버하는 평면 세그먼트(133)와 접촉한다. 따라서, 모든 세그먼트들이 페이스플레이트(140)와 동일한 전기 전위에 있다. 세그먼트들이 개별적인 피스들인 실시예에 있어서, 평면 세그먼트들 사이의 전기 연결은 억지 끼워맞춤(interference fit)들, 스프링들, 또는 다른 메커니즘들의 사용을 통해 보장될 수 있다. 페이스플레이트(140)와 평면 세그먼트들(131, 132) 사이의 연결이 동일한 방식으로 달성될 수 있다. 페이스플레이트(140)는 텅스텐과 같은 전기 전도성 재료일 수 있다. 따라서, 페이스플레이트(140)를 전기적으로 바이어싱함으로써, 전기 전도성 라이너(130)가 또한 동일한 전기 전위로 바이어싱될 수 있다.
따라서, 도 1이 전기 전도성 라이너(130)와 접촉하는 캐소드 전원 공급장치(115) 및 반사 전극 전원 공급장치(125)를 도시하지만, 일부 실시예들에 있어서는, 이러한 전원 공급장치들이 실제로는 페이스플레이트(140)와 전기적으로 접촉한다.
도 2b는 전기 전도성 라이너(135)의 제 2 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 전기 전도성 라이너(135)는 "U" 형상일 수 있으며, 그에 따라 라이너는 이온 소스 챔버(100)의 측면들(102, 103) 및 하단(101)을 커버한다. 도면에서 보여지는 바와 같이, 전기 전도성 라이너(135)의 둥근 부분이 이온 소스 챔버(100)의 하단(101)에 인접한다. 이상에서 설명된 바와 같이, 전기 전도성 라이너(135)는 페이스플레이트(140)와 전기적으로 접촉할 수 있으며, 따라서 페이스플레이트(140)와 동일한 전기 전위로 유지된다.
도 2a 내지 도 2b에 예시된 전기 전도성 라이너는 2개의 측면들(102, 103) 및 하단(101)을 커버할 수 있지만, 이온 소스 챔버(100)의 2개의 단부들을 커버하지는 않을 수 있다. 캐소드(110)가 일 단부 상에 배치되며 반사 전극(120)이 이온 소스 챔버(100)의 다른 단부 상에 배치되기 때문에, 노출된 세라믹 재료의 작은 영역이 플라즈마(150)에 대하여 유해한 영향을 갖지 않을 것이다. 추가로, 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너는 이러한 3개의 표면들보다 더 적은 표면들을 커버할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 라이너는 하단(101) 및 2개의 측면들(102, 103) 중 적어도 하나를 커버할 수 있다.
이상의 개시가 전기 전도성 라이너(130)가 페이스플레이트(140)와 전기적으로 연통하는 구성을 설명하지만, 다른 실시예들이 또한 가능하다.
예를 들어, 일 실시예에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)의 하나 이상의 세그먼트들이 캐소드(110)에 전기적으로 연결된다. 다시 말해서, 전기 전도성 라이너(130)를 페이스플레이트(140)에 연결하는 것이 아니라, 전기 전도성 라이너(130)가 캐소드(110)에 연결된다. 전기 전도성 라이너(130)와 캐소드(110) 사이의 연결은 억지 끼워맞춤들, 스프링들, 또는 다른 메커니즘들을 포함하여 다수의 방식으로 이루어질 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)가 페이스플레이트(140)와 접촉하지 않는 것을 보장하기 위하여 절연 재료가 이온 소스 챔버(100)의 상단을 따라 배치될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, "U" 형상을 갖는 전기 전도성 라이너(135)가 사용되며 캐소드(110)에 전기적으로 연결된다. 도 3은, 캐소드 전원 공급장치(115)가 접지를 기준으로 하며 캐소드(110) 및 전기 전도성 라이너(130)에 전기 전위를 제공하기 위하여 사용되는 실시예를 도시한다. 반사 전극 전원 공급장치(125)는 여전히 전기 전도성 라이너(130)를 기준으로 할 수 있거나, 또는 다른 전압을 기준으로 할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)의 하나 이상의 세그먼트들이 반사 전극(120)에 전기적으로 연결된다. 다시 한 번, 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)가 페이스플레이트(140)와 접촉하지 않는 것을 보장하기 위하여 절연 재료가 이온 소스 챔버(100)의 상단을 따라 배치될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, "U" 형상을 갖는 전기 전도성 라이너(135)가 사용되며 반사 전극(120)에 전기적으로 연결된다. 도 4는, 반사 전극 전원 공급장치(125)가 접지를 기준으로 하며 반사 전극(120) 및 전기 전도성 라이너(130)에 전기 전위를 제공하기 위하여 사용되는 실시예를 도시한다. 캐소드 전원 공급장치(115)는 여전히 전기 전도성 라이너(130)를 기준으로 할 수 있거나, 또는 다른 전압을 기준으로 할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)의 평면 세그먼트들이 상이한 전압들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 세그먼트들은 페이스플레이트(140), 캐소드(110) 또는 반사 전극(120)에 연결될 수 있다. 세그먼트들 중 다른 세그먼트는 페이스플레이트(140), 캐소드(110) 또는 반사 전극(120) 중 다른 것에 연결될 수 있다.
추가적으로, 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너(130)는 페이스플레이트(140), 캐소드(110) 또는 반사 전극(120)과는 상이한 전압에 연결될 수 있다. 예를 들어, 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이 이온 소스 챔버(100)의 개구(136)를 통해서 전기 전도성 라이너(130)와 연통하는 라이너 전원 공급장치(137)가 존재할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 이온 소스 챔버(100)는 세라믹 재료와 같은 전기 절연 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 세라믹 재료는, 세라믹 재료가 이온 소스 챔버(100) 내에서 경험하게 되는 극단적인 온도들에 견디기 위하여 적어도 2000℃의 용융점을 갖도록 선택될 수 있다.
추가적으로, 세라믹 재료는 전형적으로 모스 스케일(Mhos scale) 상에서 7 이상과 같은 높은 경도 값들을 갖는다. 이러한 경도는 세라믹 재료가 반복되는 공격적인 세정들에 견디는 것을 가능하게 한다. 추가로, 이는 이온 소스 챔버(100)에 의해 도입되는 오염의 양을 감소시킬 수 있다.
추가로, 특정 실시예들에 있어서, 세라믹 재료는, 세라믹 재료가 텅스텐 또는 몰리브데넘과 같은 이온 소스 챔버(100)를 구성하기 위하여 사용된 전통적인 재료들의 열 전도율과 유사한 열 전도율을 갖도록 선택된다. 이러한 금속들은 135 내지 175 W/mK 사이의 열 전도율을 갖는다. 이는 이온 소스가 냉각된 표면으로의 대류를 통해 열을 빠르게 제거하는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 있어서, 세라믹 재료는 140-180 W/mK의 열 전도율을 갖는 알루미늄 질화물(AlN)일 수 있다. 물론, 알루미나(Al2O3), 실리콘 탄화물, 지르코늄, 이트리파이드-지르코늄 탄화물, 및 지르코늄 산화물과 같은 다른 세라믹 재료들이 또한 사용될 수도 있다.
이온 소스 챔버(100)에 대하여 사용되는 세라믹 재료는 1e14 Ω-cm 또는 그 이상과 같은 전통적으로 사용되는 금속들보다 훨씬 더 높은 전기 비저항(resistivity)을 갖는다. 따라서, 캐소드(110) 및 반사 전극(120)에 대한 전기 연결들을 수용하기 위하여 사용되는 이온 소스 챔버(100)의 개구들은 그렇지 않았다면 가능했을 것보다 훨씬 더 작게 만들어진다. 이는, 이온 소스 챔버(100)와 전기 연결 사이에 아크 또는 단락의 위험성이 존재하지 않기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 이온 소스 챔버(100)의 개구는, 개구의 치수가 개구를 통과하는 전기 전도성 재료 또는 전기 연결의 직경과 실질적으로 동일하도록 치수가 결정된다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이, 반사 전극(120)은 이온 소스 챔버(100)의 개구(105)를 통과하는 스템(stem)(122)을 가질 수 있다. 스템(122)은 제 1 직경을 가질 수 있으며, 반면 개구(105)는 제 1 직경과 실질적으로 동일한 제 2 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 스템(122)과 개구(105) 사이의 간섭(interface)이 압입 또는 억지 끼워맞춤일 수 있다.
도 6b는 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 스템(122)은 이온 소스 챔버(100)의 부분으로서 몰딩되거나 또는 달리 형성되며, 그에 따라서 어떠한 개구도 일체 존재하지 않는다. 이러한 실시예에 있어서, 이온 소스 챔버(100)에 개구부가 존재하지 않음에 따라 공급 가스가 이온 소스 챔버(100)로부터 빠져 나갈 수 없다.
도 6a 내지 도 6b가 반사 전극(120)을 도시하지만, 캐소드(110) 및 필라멘트(160)에 대한 전기 연결들이 동일한 방식으로 수용될 수 있다. 따라서, 이온 소스 챔버(100)를 구성하기 위하여 전기 절연 재료를 사용함으로써, 전기 연결들을 위해 사용되는 개구들이 크기가 감소되거나 또는 제거될 수 있으며, 이는 이온 소스 챔버(100)로부터 빠져 나가는 공급 가스의 흐름을 감소시키거나 또는 어쩌면 제거할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 재료가 이온 소스 챔버(100) 내로 몰딩될 수 있다. 전기 회로를 완성하기 위한 연결들이 이온 소스 챔버(100)의 양 측 둘 모두 상에서 전기 전도성 재료에 대해 이루어진다.
따라서, 특정 실시예들에 있어서, IHC 이온 소스(10)는 전기 절연 재료로 구성된 이온 소스 챔버(100)를 포함한다. 이온 소스 챔버(100)는 하단(101), 2개의 측면들(102, 103), 및 대향되는 단부들을 갖는다. 캐소드(110) 및 반사 전극(120)은 이온 소스 챔버(100)의 개별적인 단부들 상에 배치된다. 전기 전도성 라이너가 이온 소스 챔버의 측면들(102, 103) 및 하단(101) 중 적어도 하나를 커버하기 위하여 사용된다. 라이너는 또한 선택적으로 이온 소스 챔버(100)의 단부들의 적어도 일 부분을 커버할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 전기 전도성인 페이스플레이트(140)가 이온 소스 챔버(100)의 상단 상에 배치되며, 전기 전도성 라이너와 전기적으로 접촉한다. 따라서, 이온 소스 챔버(100) 자체가 전도성이 아닌 경우에도 이온 소스 챔버(100)의 측면들 및 하단을 따라 전기 전위들이 수립될 수 있다. 추가로, 캐소드(110) 및 반사 전극(120)으로의 전기 연결들 또는 전기 전도성 재료들의 통과를 가능하게 하는 이온 소스 챔버(100)의 개구들은, 단락 또는 아크의 위험성이 존재하지 않기 때문에 더 작게 만들어지거나 또는 제거될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너는 상이한 전압에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 라이너에 전기 전위를 제공하는 별개의 라이너 전원 공급장치가 존재할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 전기 전도성 라이너의 하나 이상의 부분들이 반사 전극(120) 또는 캐소드(110)에 전기적으로 연결될 수 있다.
따라서, IHC 이온 소스는 하단, 2개의 측면들 및 2개의 대향되는 단부들을 갖는 전기 절연 재료로 만들어진 이온 소스 챔버를 포함한다. 전기 전도성 라이너는 하단 및 2개의 측면들 중 적어도 하나를 커버하도록 배치된다. 추출 개구를 갖는 페이스플레이트는 이온 소스 챔버의 하단에 대향되어 배치된다. 전기 전도성 라이너는 전원 공급장치에 연결된다.
본 출원에서 이상에서 설명된 실시예들은 다수의 이점들을 가질 수 있다. 첫째로, 이온 소스 챔버에 대한 세라믹 재료들의 사용은 금속 이온 소스 챔버들에 비하여 추출되는 이온 빔 내로의 오염들의 도입을 감소시킬 수 있다. 추가로, 이러한 세라믹 재료들은 이온 소스 챔버에 대하여 현재 사용되는 금속보다 더 쌀 수 있다. 추가적으로, 이러한 세라믹 재료들은 전통적인 재료들보다 더 공격적인 세정들을 견디는 것이 가능할 수 있다. 마지막으로, 전기 절연 이온 소스 챔버의 사용은 캐소드 및 반사 전극에 대한 전기 연결들이 통과하는 개구들의 크기를 감소시키거나 또는 이의 제거를 가능하게 한다. 이는 이러한 개구들을 통해 빠져 나가는 공급 가스의 양을 감소시킬 수 있다.
본 개시는 본원에서 설명된 특정 실시예에 의해 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본원에서 설명된 실시예들에 더하여, 본 개시의 다른 다양한 실시예들 및 이에 대한 수정예들이 이상의 설명 및 첨부된 도면들로부터 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들이 본 개시의 범위 내에 속하도록 의도된다. 추가로, 본 개시가 본원에서 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 맥락에서 설명되었지만, 당업자들은 이의 유용함이 이에 한정되지 않으며, 본 개시가 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에서 기술되는 청구항들은 본원에서 설명된 바와 같은 본 개시의 완전한 폭과 사상의 관점에서 해석되어야만 한다.

Claims (15)

  1. 간접 가열식 캐소드 이온 소스로서,
    그 안으로 가스가 도입되는 이온 소스 챔버로서, 상기 이온 소스 챔버는 하단, 2개의 대향되는 단부들 및 2개의 측면들을 가지며 전기 절연 재료로 구성되는, 상기 이온 소스 챔버;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 하나의 단부 상에 배치되는 캐소드;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 제 2 단부에 배치되는 반사 전극;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단 및 상기 2개의 측면들 중 적어도 하나를 커버하는 전기 전도성 라이너(liner); 및
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단에 대향되어 배치되는 추출 개구를 갖는 페이스플레이트(faceplate)를 포함하며,
    상기 전기 전도성 라이너는 상기 캐소드와 전기적으로 접촉하는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
  2. 간접 가열식 캐소드 이온 소스로서,
    그 안으로 가스가 도입되는 이온 소스 챔버로서, 상기 이온 소스 챔버는 하단, 2개의 대향되는 단부들 및 2개의 측면들을 가지며 전기 절연 재료로 구성되는, 상기 이온 소스 챔버;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 하나의 단부 상에 배치되는 캐소드;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 제 2 단부에 배치되는 반사 전극;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단 및 상기 2개의 측면들 중 적어도 하나를 커버하는 전기 전도성 라이너; 및
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단에 대향되어 배치되는 추출 개구를 갖는 페이스플레이트를 포함하며,
    상기 전기 전도성 라이너는 상기 반사 전극과 전기적으로 접촉하는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
  3. 간접 가열식 캐소드 이온 소스로서,
    그 안으로 가스가 도입되는 이온 소스 챔버로서, 상기 이온 소스 챔버는 하단, 2개의 대향되는 단부들 및 2개의 측면들을 가지며 전기 절연 재료로 구성되는, 상기 이온 소스 챔버;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 하나의 단부 상에 배치되는 캐소드;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 제 2 단부에 배치되는 반사 전극;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단 및 상기 2개의 측면들 중 적어도 하나를 커버하는 전기 전도성 라이너; 및
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단에 대향되어 배치되는 추출 개구를 갖는 페이스플레이트를 포함하며,
    상기 페이스플레이트는 전기 전도성이며, 상기 전기 전도성 라이너는 상기 페이스플레이트와 전기적으로 접촉하는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
  4. 간접 가열식 캐소드 이온 소스로서,
    그 안으로 가스가 도입되는 이온 소스 챔버로서, 상기 이온 소스 챔버는 하단, 2개의 대향되는 단부들 및 2개의 측면들을 가지며 전기 절연 재료로 구성되는, 상기 이온 소스 챔버;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 하나의 단부 상에 배치되는 캐소드;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 2개의 대향되는 단부들 중 제 2 단부에 배치되는 반사 전극;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단 및 상기 2개의 측면들 중 적어도 하나를 커버하는 전기 전도성 라이너;
    상기 이온 소스 챔버의 상기 하단에 대향되어 배치되는 추출 개구를 갖는 페이스플레이트; 및
    라이너 전원 공급장치를 포함하며,
    상기 전기 전도성 라이너는 상기 라이너 전원 공급장치와 전기적으로 접촉하는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 절연 재료는 세라믹 재료를 포함하는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 실리콘 탄화물, 지르코늄, 이트리파이드-지르코늄(yttrified-zirconium) 탄화물, 및 지르코늄 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 라이너는 3개의 평면 세그먼트들을 포함하는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
  8. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 전도성 라이너는 "U" 형상을 갖는, 간접 가열식 캐소드 이온 소스.
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