KR20020083128A

KR20020083128A - 이온 소스용 증발기

Info

Publication number: KR20020083128A
Application number: KR1020020021112A
Authority: KR
Inventors: 미야바야시켄지
Original assignee: 닛신덴키 가부시키 가이샤
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2002-11-01
Also published as: CN1208802C; GB2378038B; GB0208861D0; GB2378038A; CN1383179A; JP3485104B2; KR100464131B1; US20020153493A1; SG111055A1; TW554372B; JP2002324493A; US6593580B2

Abstract

본 발명은 개구부를 갖는 중공의 증발기본체와, 상기 증발기본체 내의 고체시료를 증발시키기 위한 히터와, 상기 증발기본체에서 발생된 증기를 아크챔버로 도입하기 위한 노즐과, 상기 고체시료를 충전하기 위한 것으로서 상기 증발기 본체의 중공내에 배치되는 한편 상기 노즐과 결합하는 도가니와, 상기 증발기본체에 대해 상기 도가니를 압접하는 압접수단을 구비하며, 상기 도가니의 상부는 상기 노즐의 일단과 나사결합되고, 상기 도가니의 바닥부는 상기 압접수단에 의해 상기 증발기본체의 공동부 바닥부로 압접된다.

Description

이온 소스용 증발기{ION SOURCE VAPORIZER}

본 발명은 이온주입장치 등의 이온빔 조사장치에 공급되는 이온소스의 고체시료가열용 증발기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 증발기로부터 아크챔버로 증기시료를 도입하는 노즐의 막힘을 방지하는 것에 관한 것이다.

요즘, 이온조사에 의한 표면 개질, 실리콘 웨이퍼나 유리기판 등의 불순물 주입이 활발히 행해지고 있다. 이들 이온은 기체 또는 고체시료를 전리함으로써 얻어진다. 링, 안티몬, 알루미늄 등의 금속은 상온에서 고체이고, 기화한 상태로 아크챔버로 도입할 필요가 있다.

통상 이와같은 고체시료로부터 증기를 발생시키는 것은 중공의 시료실을 가지고, 그 주위로 고체시료를 가열하여 기화하기 위해 히터를 설치한 이온 소스용증발기가 이용된다.

종래의 이온소스용 증발기의 일예를 도 2에 나타낸다. 이온 소스용 증발기(1)는 증발기본체(2), 노즐(10), 노즐고정부재(20) 및 히터(30)로 이루어진다.

상기 증발기본체(2)는 스텐레스 등의 금속으로 이루어지며, 개구부와 바닥이 있는 중공구조이다. 중공구조의 바닥부 측에는 시료실(3)이 있고, 중앙부에는 테이퍼부(4)가 위치하며, 상부에는 나사홈(5)이 형성되어 있다. 시료실(3)과 아크 챔버(40)는 스텐레스 등의 금속으로 이루어진 노즐(10)로 접속된다. 노즐(10)의 일단에는 플랜지부(11)가 형성되고, 이 플랜지부(11)는 외주의 일부로 상기 나사홈(5)에 나사결합하는 나사산(21)을 설치한 노즐고정부재(20)에 의해 시료실(30)을 덮도록한 형태로 테이퍼부(4)에 고정된다. 노즐(10)의 타단은 아크 챔버(40)의 도시하지 않은 가스도입구에 끼워진다. 고체시료(31)는 인, 안티몬 등의 이온 종이다. 열전대 등의 측온장치(32)는 시료실(3)의 바닥부 근방에 설치된다. 쉬드(sheath) 히터 등의 히터(30)는 증발기본체(2)의 주위에 설치되고, 도시하지 않은 케이블을 통해 전원으로 접속된다. 또 증발기본체(2)의 바닥부에는 중공부(6)가 형성되며, 고체시료(31)의 교환시 등에는 이온소스용 증발기(1)를 급냉할 필요가 있으며 그 때 공간부(6)에 도시하지 않은 공냉기구로부터 강제적으로 공기를 송풍하여 냉각을 행하게 된다.

히터(30)를 가열함으로써 증발기본체(2), 시료실(30)이 가열되고, 시료실(30) 내에 충전되는 고체시료(31)가 증발한다. 시료실(3)에서 발생한 증기는노즐(10)의 노즐안내부(12) 속을 통과하고, 아크챔버(40)로 도입된다. 측온장치(32)의 신호는 도시하지 않은 제어장치로 보내지고, 이것을 기초로 히터(30)로 공급하는 전류를 제어하여 시료실(3)의 온도를 제어한다.

상기와 같은 이온소스용 증발기(1)에 있어서는 증발기본체(2)의 절삭가공의 결과로 테이퍼부(4)가 형성된다. 노즐(10)의 플랜지부(11)는 증발기본체(2)의 테이퍼부(4)에 고정되지만 이것은 단지 플랜지부(11)의 외주와 테이퍼부(4)가 선접촉(엄밀하게는 여러 부분에서의 점접촉)되는 것에 불과하기 때문에 양자 간의 열저항이 크고, 증발기본체(2)의 열은 플랜지부(11)로 충분히 전달되지 않는다.

또, 통상 아크챔버(40)는 시료실(3) 보다 고온(예를들면 600℃)이며, 아크챔버(40)로부터 노즐(10)로 열이 전달되지만 그 대부분은 노즐(10)에 접촉하는 노즐고정부재(20)를 경유하여 증발기본체(2)측으로 도피되고 만다. 이 때문에 특히 노즐(10)의 플랜지부(11) 근방은 증발기본체(2)로부터도 열이 전달되기 어렵고, 더욱이 아크챔버(40)로부터도 열이 전달되지 않으므로 이온소스용 증발기(1)의 속에서 최저온이 된다.

그 결과, 플랜지부(11)는 시료실(3)보다 저온이 되므로 시료실(3)에서 발생한 고체시료(31)의 증기는 아크 챔버(40)에 도달하는 도중에 저온의 플랜지부(11)로 냉각되고, 거기서 증기가 재결빙하며, 또한 그 재결빙이 성장(재결빙 위에 이어서 오는 증기가 재결빙된다)함으로써 결국에는 노즐(10)을 막히게 하는 문제가 있다.

노즐(10)이 막힐 때마다 이온소스의 운전을 정지하여 이온소스용 증발기(1)를 교환할 필요가 있으므로 이온주입장치의 생산성이 저하된다. 또, 노즐(10)이 막힌 이온소스용 증발기(1)를 해체하고 청소해야만 하므로 실용상으로는 노동력이 커지는 문제가 있다.

특히 이온 종으로서, 안티몬을 이용하는 경우에 이 문제가 현저히 나타난다. 안티몬의 융점은 약 630℃이고, 융점 이상으로 시료실(3)의 온도를 상승시키면 시료실(3) 내에서 안티몬은 완전히 녹아서 용액상태로 된다. 이와 같은 용액상태에서 이온소스를 사용하면 시료실(3), 노즐(10), 아크 챔버(40)에 액상화한 안티몬이 점액상태로 부착되어 그 이후의 세정에 문제가 되므로 안티몬을 이온 종으로 하는 경우 시료실(3)의 온도는 융점 이하로 설정하지 않으면 안된다.

아크챔버(40), 노즐(10), 증발기본체(2)(시료실3)의 온도변화의 개념도를 도 3에 나타냈다. 선X는 노즐(10)의 온도변화를 나타낸다. 노즐(10)의 온도는 아크챔버(40)에 삽입된 부분의 온도(A)가 가장 높고, 아크챔버(40)로부터 멀어짐에 따라 온도는 낮아지며, 플랜지부(11)의 온도(B)가 가장 낮아진다. 이것은 상기한 바와같이 노즐(10)의 플랜지부(11)는 타측으로부터 열전달이 되지 않기 때문이다. 여기서 시료실(3)의 온도를 (B)의 온도 보다 낮은 온도(C), 즉 선Y에 설정하여도 충분한 증기량이 채취될 수 있으면 시료실(3)에서 발생한 증기는 아크챔버(40)로 도달할 때까지 시료실(3)의 온도(C) 보다 낮은 저온부에 접촉하는 것은 아니므로 재결빙하지 않는다. 그러나 고체시료(31)가 안티몬인 경우에는 시료실(3)의 온도를 (B) 보다 낮게하면 충분한 증기량을 채취할 수 없으므로 시료실(3)의 온도를 (B) 보다 높은 온도(D)로 설정해야 한다. 이 경우, 온도(D), 즉 선Z의 증기는 그것 보다 저온(B)의 노즐(10)의 플랜지부(11)와 접촉하고, 증기온도가 낮아지면 안티몬이 플랜지부(11)에서 재결정하게 된다. 그리고, 노즐이 막히는 현상을 야기한다. 이와같은 현상은 알루미늄(융점 660℃)를 고체시료(31)로 이용한 경우에도 발견된다.

따라서, 본 발명은 고체시료로서 안티몬 또는 알루미늄을 이용하는 경우에 시료실에서 한번 증기화한 안티몬 또는 알루미늄이 노즐에 재결정되어 막히는 현상 없이 장시간 안정적으로 이온빔을 인출할 수 있는 이온소스용 증발기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 관한 이온소스용 증발기의 일예를 나타내는 일부 단면 개념도.

도 2는 종래의 이온소스용 증발기의 일예를 나타내는 일부 단면 개념도.

도 3은 아크챔버, 노즐, 증발기 본체(시료실)의 온도변화에 관한 개념도.

이러한 목적을 실현하기 위해 본 발명에 따른 이온소스용 증발기는 개구부를 갖는 중공의 증발기본체와; 상기 증발기본체 내의 고체시료를 증발시키기 위한 히터와; 상기 증발기본체에서 발생된 증기를 아크챔버로 도입하기 위한 노즐과; 상기 고체시료를 충전하기 위한 것으로서 상기 증발기 본체의 중공내에 배치되는 한편 상기 노즐과 결합하는 도가니와; 상기 증발기본체에 대해 상기 도가니를 압접하는 압접수단을; 구비한다. 본 발명에 따른 증발기에서 상기 도가니의 상부는 상기 노즐의 일단과 나사결합되고, 상기 도가니의 바닥부는 상기 압접수단에 의해 상기 증발기본체의 공동부 바닥부로 압접되는 것이 바람직한 구성이다.

이러한 구성에 따라, 고체시료를 충전하기 위한 도가니를 상기 증발기본체의 중공 내에 설치하고, 노즐과 도가니를 나사결합하게 되므로 도가니로부터의 열저항을 작게할 수 있고, 노즐을 도가니와 대략 같은 온도로 할 수 있다. 따라서, 노즐의 일부, 특히 온도가 낮아지기 쉬운 노즐 플랜지부의 온도를 증기온도와 대략 같게할 수 있으므로 증기의 재결정화, 즉 노즐의 막힘을 방지할 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 관한 이온소스용 증발기의 일예를 나타내는 개념도이다. 도 2의 종래예와 같거나 이에 상당하는 부분은 동일부호를 병기하고 이하에서는 종래예와는 다른 점을 위주로 설명한다.

이온소스용 증발기(1)는 증발기본체(2)의 중공 내에 도가니(50)가 착탈가능하게 설치되어 있다. 도가니(50) 내부가 시료실(3)로 되어 있고, 그 속에 고체시료(31)가 충전되어 있다. 도가니(50)의 상부내면에는 나사홈(51)이 설치되어 있다. 노즐(10)의 일단인 플랜지부(11)의 외면에는 나사산(13)이 설치되어 있고, 도가니(50)의 나사홈(51)과 나사결합되어 있다. 노즐(10)의 타단은 종래와 같이 아크챔버(40)의 도시하지 않은 가스도입구에 삽입되어 있다.

또, 이온소스용 증발기(1)는 도가니(50)의 바닥인 도가니 바닥부(52)를 증발기본체(2)의 중공바닥부에 압접하기 위한 압접수단을 가진다. 노즐고정부재(20)는 증발기본체(2)의 나사홈(5)과 나사결합되고, 노즐고정부재(20)의 선단인 고정부재선단부(22)가 노즐(10)의 플랜지부(11)를 누르고 있다.

본 발명에서는 노즐(10)의 플랜지부(11)에 형성된 나사산(13)으로서 도가니(50)의 나사홈(51)과 나사결합되어 있고, 또한 고정부재선단부(22)에 의해 도가니바닥부(51) 측에 압접되어 있으므로 양자의 접촉은 종래의 점접촉으로부터면접촉으로 되어 접촉면적이 증대하며, 양자간의 열저항은 종래에 비해 충분히 작게할 수 있다. 그 결과 도가니(50)의 열을 원활하게 노즐(10)의 플랜지부(11)로 전달하는 것이 가능하며, 종래보다 플랜지부(11)의 온도가 높아지고, 플랜지부(11)로의 재결정화, 즉 이온소스용 증발기(1)에서 노즐(10)의 막힘을 방지할 수 있다.

전술한 바와같이, 도가니(50)는 증발기본체(2)의 중공에 착탈가능하게 되어 있고, 착탈을 원활하게 행하기 때문에 도가니(50)의 측면과 도가니본체(2)의 중공측면 사이에는 약간의 간극이 형성되어 있다. 실제로 도가니(50)를 증발기본체(2)의 중공으로 삽입하면 도가니(50)의 측면과 증발기본체(2)의 중공 측면의 일부는 직접 접촉하지만 그 면적은 전체의 작은 일부에 지나지 않으므로 이 사이의 열전달은 전도되지 않고 주로 방사된다(이하 " 횡으로부터의 전달"이라고 함). 이에 대하여 도가니바닥부(51)와 증발기본체(2)의 중공바닥부는 직접 접촉하지 않으므로 이 사이의 열전달은 주로 전도에 의한다(이하 "바닥부로부터의 전달"이라고 함). 전도는 방사에 비해 열을 전하기 쉬우므로 증발기본체(2)로부터 도가니(50)로의 열전달은 주로 바닥부로부터의 전달에 의한다.

따라서, 증발기본체(2)의 열을 효율성 있게 도가니(50)로 전달하기 위해 도가니 바닥부(51)를 증발기본체(2)의 중공바닥부로 압접하는 압접수단을 가질 필요가 있다.

압접수단은 노즐고정부재(20)의 외주 일부에 나사산(21)을 형성하고, 이것을 증발기본체(2)로 형성한 나사홈(5)과 나사결합시킴으로써 고체부재선단(22)이 노즐(10)을 아래로 누르고, 그 결과로서 도가니 바닥부(51)는 증발기본체(2)의 중공 바닥부에 압접할 수 있다. 그 결과 증발기본체(2)로부터 도가니(50)로의 열저항이 낮아지고, 증발기본체(2)로부터 도가니(50)로의 열전달을 원활하게 행할 수 있으므로 다음과 같은 이점이 있다. [1] 이온소스용 증발기(1)의 온도를 급속하게 상승시킬 수 있다. 그 결과 신규의 고체시료(31)를 충전한 후, 이온소스용 증발기(1)의 온도를 급속하게 상승할 수 있으므로 이온주입장치의 생산성을 향상시킬 수 있다. [2] 이온소스용 증발기(1)의 온도를 급속히 강하시킬 수 있다. 그 결과 고체시료(31)를 교환할 때, 이온소스용 증발기(1)의 온도를 급속하게 하강시킬 수 있으므로 이온주입장치의 생산성을 향상시킬 수 있다. [3] 도가니(50)의 온도제어성을 양호하게 할 수 있다. 도가니(50) 내의 온도를 직접 측온하는 것은 곤란하므로, 실제에는 증발기본체(2)의 바닥부에 측온장치(32)를 설치하여 측정하고 있지만 측온장치(32)의 온도와 도가니(50) 내의 온도차를 작게할 수 있다. 또, 소정의 압력으로 압접되어 있으므로 측온장치(32)의 온도와 도가니(50) 내의 온도차는 항상 일정한 범위 내에서 유지할 수 있다.

또, 종래는 증발기본체(2)의 중공에 직접 고체시료(31)를 충전하였으므로 충전하는 고체시료(31)의 종류를 변경하는 경우에는 그 만큼 중공부의 청소작업이 필요하게 되고, 그 사이에는 이온소스용 증발기(1)를 사용할 수 없었지만, 본 발명에서는 이온소스용 증발기(1)로부터 착탈가능한 도가니(50)에 고체연료(6)를 충전하므로 충전하는 고체시료(31)의 종류를 변경하는 경우에도 별도의 도가니(50)를 마련해 두면 도가니(50)를 교환하면 측시 이온소스용 증발기(1)를 사용할 수 있다.

또, 노즐(10)과 도가니(50)의 재료로서는 흑연을 이용하면 다음과 같은 효과가 있다.

이온소스용 증발기(1)의 사용은 실온하에서 도가니(50)에 고체시료를 충전하고, 노즐(10)과 나사결합한 후, 이것을 증발기본체(2)로 충전한다. 증발기본체(2)는 고체시료(31)를 증발하기 위해 수백도로 가열한다. 그 후 실온으로 냉각하여 나사결합을 해제하고, 새로운 고체시료를 충전한다. 그러나, 노즐(10)과 도가니(50)가 스텐레스 등의 통상의 금속으로 할 수 있으면 나사결합부에서 열손상이 일어나 재사용이 불가능하지만 흑연에서는 열손상이 발생하지 않으므로 수없이 반복하여 사용할 수 있다. 또, 흑연 이외의 재료로서 노즐(10), 도가니(50)의 사용온도에 있어서 화학적으로 안정하여 열전도율이 우수하고, 가공이 비교적 용이하여 열손상이 발생하지 않는 재료(에를들면, 세라믹, 고내열성 금속)이면 흑연 대신에 사용이 가능하다.

또, 노즐고정부재(20)의 내면인 고정부재 내면(22)과 노즐(10)의 증기안내부(12)가 직접 접촉하지 않도록, 즉 고정부재 내면(22)과 증기안내부(12) 사이에 간극(23)을 가지고 있는 구조로 하여도 좋다.

아크 챔버(40)로부터 노즐(10)로 전달된 열은 노즐고정부재(20)를 통해서 증발기본체(2) 측으로 열전달되는 것 보다, 노즐(10)의 플랜지부(11)로 전달되는 것이 쉽다. 그 결과 종래 보다 플랜지부(11)의 온도가 높아지고, 노즐(10)의 플랜지부(11)로의 재결정과, 즉 이온소스용 증발기(1)에서 노즐(10)의 막힘을 방지할 수 있다.

본 예에서는 압접수단으로서 노즐고정부재(20)를 이용하였지만 이것 대신에아크챔버(40)와 증발기본체(2) 사이에 스프링을 설치하고, 스프링 힘으로 노즐 바닥부(11)가 증발기본체(2)의 중공바닥부로 압접되도록 하여도 좋다.

또, 실제에는 아크챔버(40)에 횡방향으로부터 이온소스용 증발기(1)를 장착하게 된다. 따라서 서있는 상태에서 고체시료(31)를 충전한 이온소스용 증발기(1)를 아크챔버(40)로 장착한 때에는 횡방향으로 위치하므로 고체시료(31)가 노즐(6)로부터 흘러 나올 가능성이 있다. 이것을 방지하기 위해 플랜지부(11)에 미로구조를 설치할 수도 있다.

또, 본 예에서는 히터(30)에 쉬드 히터(sheath heater)를 이용하였지만 본발명은 이것에 한정되지 않으며, 램프히터, 레이저식 히터 등을 이용하여도 적용할 수 있는 것은 물론이다.

(실시예)

버너스(Bernas) 형 이온소스(아크챔버40)에서 고체시료(31)로서 증기량을 취하기 위해 100-300㎛ 정도의 입자지름을 갖는 분말체 안티몬을 이용하였다. 도 1에 나타낸 본 발명의 이온소스용 증발기(1)[노즐(10)과 도가니(50)의 나사결합부의 나사길이 4mm, 2산 반, 고정부재(22) 내면과 증기안내부(12)의 간극(23)은 2mm]를 이용하여 증발기온도(측온장치32)를 520℃로 설정하고, 빔전류500㎂로 안티몬 빔을 인출하였다. 48시간 연속 운전을 행하였지만 그 사이에 빔전류의 저하현상을 발견되지 않았다. 또, 48시간 경과후에 이온소스용 증발기(1)를 해체 조사하였지만 노즐(10) 어디에도 안티몬의 재결빙은 발견할 수 없었음을 확인하였다.

이에 대하여 같은 조건으로 도 2에 도시한 종래의 이온소스용 증발기(1)를이용하여 안티몬 빔을 인출하였으며, 그 결과 빔전류는 30분만에 격감하고, 그 후로는 빔전류를 계측할 수 없었다. 해체조사를 행한 결과 노즐(10)의 플랜지부(11) 근방에서 재결정된 안티몬이 부착되고, 증기안내부(12)를 완전히 막아 버렸음을 알았다.

이상과 같은 구성을 통해 본 발명은 다음과 같은 작용효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 고체시료를 충전하기 위한 도가니를 상기 증발기본체의 중공 내에 설치하고, 노즐과 도가니를 나사결합하게 되므로 도가니로부터의 열저항을 작게할 수 있고, 노즐을 도가니와 대략 같은 온도로 할 수 있다. 따라서, 노즐의 일부, 특히 온도가 낮아지기 쉬운 노즐 플랜지부의 온도를 증기온도와 대략 같게할 수 있으므로 증기의 재결정화, 즉 노즐의 막힘을 방지할 수 있다.

또, 도가니 바닥부를 증발기본체의 중공바닥부로 압접하는 압접수단을 가지고 있으므로 도가니의 바닥부와 증발기본체의 중공바닥부의 열저항을 작게할 수 있다. 따라서, 증발기를 급속가열 또는 급속냉각할 수 있고, 또한 도가니의 온도제어성을 향상시킬 수 있다.

Claims

개구부를 갖는 중공의 증발기본체와;

상기 증발기본체 내의 고체시료를 증발시키기 위한 히터와;

상기 증발기본체에서 발생된 증기를 아크챔버로 도입하기 위한 노즐과;

상기 고체시료를 충전하기 위한 것으로서 상기 증발기 본체의 중공내에 배치되는 한편 상기 노즐과 결합하는 도가니와;

상기 증발기본체에 대해 상기 도가니를 압접하는 압접수단을; 구비하는 것을 특징으로 하는 이온소스용 증발기.
제1항에 있어서,

상기 도가니의 상부는 상기 노즐의 일단과 나사결합되고, 상기 도가니의 바닥부는 상기 압접수단에 의해 상기 증발기본체의 중공 바닥부로 압접되는 것을 특징으로 하는 이온소스용 증발기.
제1항에 있어서,

상기 압접수단은 내면과 외면을 갖는 원통형부재를 가지며, 상기 압접수단의 내면은 상기 노즐의 외면과 접촉하지 않고, 상기 압접수단의 외면은 상기 증발기본체의 상부 내면과 부분적으로 결합하는 것을 특징으로 하는 이온소스용 증발기.
제1항에 있어서,

상기 도가니는 흑연으로 제조되는 것을 특징으로 하는 이온소스용 증발기.
제1항에 있어서,

상기 노즐은 흑연으로 제조되는 것을 특징으로 하는 이온소스용 증발기.