KR20060108650A

KR20060108650A - Ｅｃｒ 플라스마 내의 전자 온도 조절용 장치

Info

Publication number: KR20060108650A
Application number: KR1020067008618A
Authority: KR
Inventors: 데니스 히츠; 데이비드 코미에르
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-10-18
Also published as: WO2005046296A3; US20070266948A1; WO2005046296A2; FR2861947A1; JP2007511041A; CN1875668A; EP1680948A2; FR2861947B1

Abstract

본 발명은 ECR 플라스마 챔버(1) 내의 전자 온도 조절용 장치에 관한 것이다. 본 장치는 미리 설정된 에너지보다 높은 에너지를 가진 전자의 궤도 상에 상기 전자들의 장애물을 형성하도록 위치하는 적어도 하나의 조절기(100)를 포함한다. 본 발명은 이온 소스 및 플라스마 기계에 응용된다.

ECR 플라스마 챔버, 전자 온도 조절, 이온 소스, 플라스마 기계

Description

ＥＣＲ 플라스마 내의 전자 온도 조절용 장치{DEVICE FOR CONTROLLING THE ELECTRONIC TEMPERATURE IN AN ECR PLASMA}

본 발명의 일반적 분야는 ECR 이온 소스(source) 또는 플라스마 기계 등과 같은 플라스마 챔버(chamber) 내에서 멀티하전된(multi charged) 이온의 유동을 생성하는 분야이다. 본 발명은 더욱 구체적으로는 ECR 플라스마 내의 전자 온도를 조절하기 위한 장치와 관련된다.

전자 사이클로트론 공명(ECR)의 "이온 소스(source)" 기능은, 한편으로는 μA에서 mA까지 이르는 이온 강도를, 다른 한편으로는 확장된 전하 상태의 범위를 생성하는 것이다. 그 소스의 사용자들은 현재, 수 mA정도의 B¹⁺ 내지 B³⁺(임플랜터에 사용됨)와 같이 약한 전하를 띤 이온, 약 1 mA정도의 Ar⁸ ⁺, Ar¹² ⁺, 또는 Pb²⁷ ⁺(핵물리학용 가속기에 공급됨)와 같이 중간 정도로 하전된 이온 및 수μA정도의 Ar¹⁶ ⁺, Ar¹⁷ ⁺ 또는 Ar¹⁸ ⁺(핵물리학 또는 원자물리학용 가속기에 공급됨)와 같이 매우 높은 전하를 띠는 이온을 요구한다.

ECR "플라스마 기계"의 기능은 기계에서 추출되지 않는 이온을 생성하는 것 이다. 그 이온들은, 예를 들어 기판상에 재료를 적층 하기 위하여 사용된다.

ECR 플라스마 챔버 내에서, 플라스마(이온 및 전자의 집합)는, 하나는 축상이고 다른 하나는 방사상인 두 자기장의 중첩에 의해 형성된 자기장 배열 내에 담겨져 있는 인클로저(enclosure) 내에 플라스마의 유실을 막기 위하여 구속되어 있다. 플라스마의 모든 전자들은 여러 다른 코드에 의해 용이하게 계산 가능한 자기장의 선상에서 진동한다(예를 들어 다음 논문 참조: A. Girard et al.저. 제목: "Electron Cyclotron Resonance Ion Sources: Experiments and Theory", 제12차 ECR 이온 소스 국제 세미나 초록, 1995.4.25-27, 일본, 리켄).

q+ 전하의 이온을 생성하기 위하여, ECR 플라스마는 원자들의 반복된 "박피" 원칙을 사용하는데, 그 박피는 그 원자들과 에너지 전자 간의 충돌에 기인한다. 그 전자들에 요구되는 에너지는 이온 X^(q-1)+의 이온화 퍼텐셜의 약 3배와 동일해야함이 실험적으로 추정된다. 따라서, 아르곤 원자의 이온화 퍼텐셜은 16 eV이므로 Ar⁺ 이온을 생성하기 위한 최적의 전자 에너지는 약 100eV이고, Ar⁸ ⁺ 이온을 생성하기 위해서는 500eV 근처의 에너지를 가진 전자가 필요한 한편, Ar¹⁸ ⁺ 이온을 생성하기 위하여 전자들은 15keV 단위의 에너지를 가져야 한다.

사용자들이 요구하는 이온의 강도는 항상 증가하고 있으므로 ECR 이온 소스를 개량할 필요가 있다. 그러한 목적으로 다수의 방법이 시도되었다:

- 전자의 가열 주파수 증가: 플라스마 물리학에서 공지된 법칙에 따라 플라 스마 전자의 밀도를 증가시키는 방식으로 증가시킴,

- 플라스마의 전자 및 이온 구속의 최적화: 다수의 연구가 수행되었음. 예를 들어 논문 "Operation of the Serse superconducting ECR ion source at 28 GHz" (S. Gammino et al.저, Review of Scientific Instruments, vol. 72, no. 11, p. 4090, 2001.11.) 참조. 상기 논문에 플라스마의 구속과 관련된 척도 법칙(scaling law)이 명시되어 있음,

- 초음파 주입의 최적화: 예를 들어 특허 FR 2 681 186 참조, 및

- 이온화할 가스보다 가벼운 가스의 주입에 의한 이온 온도의 감소(가스혼합기술): 논문 "Techniques to improve highly charged ions output from ECRISs" (A.Drentje저, 제15차 ECR 이온 소스 국제 세미나 초록, 핀란드 Jyvaskyla 대학, 2002.6.) 참조.

전자 온도 T_e의 측정이 시행되었다. ECR 플라스마 내에는 "매우 뜨거운"(T_e > 50 keV) 전자군, "뜨거운"(1 keV < T_e <50 keV) 전자군, 및 "차가운"(T_e < 1 keV) 전자군이 동시에 존재함이 밝혀졌다(예를 들어 A. Girard et al.의 상기한 논문 참조). 실제로는, 20 keV 미만의 온도를 가진 차가운 전자만이 ECR 플라스마 내에서 유용하다(예를 들어, 상기한 바와 같이, Ar¹⁸ ⁺ 이온을 얻기 위하여 약 15 keV의 전자가 필요). 그런데 ECR 플라스마 내에서는 100 keV 초과의 에너지를 가진 전자가 흔히 발견된다. 그 전자들은 최적 에너지를 과도하게 초과하는 그들의 에너지로 인하여 비효율적이다.

본 발명은, 따라서, 하나는 축상이고 다른 하나는 방사상인 두 자기장의 중첩에 의해 형성된 자기장 배열 내에 담겨져 있는 인클로저를 포함하고, 그 내부의 전자 궤도의 배열은 상기 자기장 배열에 따라 결정되는 ECR 플라스마 챔버에 관한 것으로, 상기 ECR 플라스마 챔버는 적어도 하나의 조절기(moderator)를 포함하고, 상기 조절기의 위치 및 형태는 상기 조절기가 미리 설정된 에너지를 초과하는 에너지를 갖는 전자들의 방해물이 되도록 상기 자기장의 배열에 따라 선택되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 플라스마 챔버 내의 그들의 위치 및 형태에 따라 그 조절기들은 다소 에너지를 띤 전자들을 정지시킬 것이고, 이로써 그 경로 상에 장애물을 두게 됨으로써 너무 뜨겁다고 판단되는 전자들의 숫자를 감소시킬 수 있고, 나아가 그 것들을 완전히 제거시킬 수 있다. 특히, 본 발명에 의한 조절기로 플라스마 챔버 내의 다소 넓은 구역을 커버함으로써, 방해를 받을 전자들의 에너지의 범위를 결정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 전자 온도를 해당 이온의 이온화 퍼텐셜과 일치하도록 조절할 수 있다. 나아가, 플라스마의 이온 또는 전자가 조절기에 와서 닿게 되면, 저에너지(수 eV)의 2차 전자들을 생성한다. 그 전자들은 그 경우 즉시 가열되어 이온화 과정에 유리하게 기여할 것이다.

본 발명의 특성에 의하면, 상기 조절기의 위치 및 개수는 전자의 에너지 및 방해하고자 하는 전자의 개수에 따라 선택된다.

그 장치들에 의하면, 다소 많은 양의 원치않는 전자를 제거할 수 있다.

본 발명의 다른 특성에 의하면, 그 조절기를 구성하는 물질은 그것이 고에너지를 가진 전자들과 충돌할 때 2차 전자를 생성시키는 능력의 함수로 선택된다.

실제로, 그 조절기를 위하여 사용되는 물질들에 따라서 그 결과 생성된 2차 전자의 개수 및 에너지가 다소 많고 크게 될 수 있다. 그러므로 그러한 이온 생성에 대한 2차 전자의 효과를 측정할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 그 조절기는 적어도 하나의 활성부분(active part) 및 플라스마를 포위하는 고리를 포함한다.

그렇게 하여 강한 장치를 얻게 될 것이고, 그것은 해당 자기장 배열에 따라 가능한 한 최적의 위치에 상기 활성부분을 용이하게 놓을 수 있게 한다.

본 발명은 또한 ECR 이온 소스 및, 유리하게는, 이상 간결하게 명시된 하나의 임의의 플라스마 챔버를 포함하는 ECR 플라스마 기계에도 관련된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은, 이하 예시로서 제시된 그러나 한정적이지 않은 특별한 실시예의 상세한 설명에 명시될 것이다. 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조한다.

도 1은 플라스마 챔버의 단면도.

도 2a 및 도 2b는 챔버 내의 플라스마 부재구역 내에 위치한 본 발명에 따른, 각각 다른 두 개의 형태를 띠는 조절기를 갖춘 플라스마 챔버의 단면도.

도 3은 플라스마 유출 구역 내에 위치한 본 발명에 따른 조절기를 갖춘 플라 스마 챔버의 단면도.

도 4는 챔버의 뜨거운 플라스마 구역 내에 위치한 본 발명에 따른 조절기를 갖춘 플라스마 챔버의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 조절기를 위한 구조의 실시예를 도시한 도면.

도 6은 도 5에 따른 조절기를 갖춘 플라스마 챔버의 조감도.

이제 본 발명의 다양한 실시예를 명시하고자 한다.

상기한 바와 같이, ECR 플라스마 챔버의 자기장 프로필은 두 개의 자기장(축상 및 방사상)의 중첩으로 주어진다. 그 자기장의 구조는 플라스마의 형태를 결정짓고, 따라서 적용할 목적에 따라 선택된다. 예를 들어, 가능한 최대한 원통형에 가까운 형태의 플라스마를 원한다면, 2n개의 극을 가진 방사상의 자기장을 생성하고, 그 구역 내에서는 따라서 n개의 팔을 가진 별의 형태로 전자가 순환한다.

도 1은 플라스마 챔버(1)의 단면도로서, 2a부터 2f에 이르는 여섯 개의 자기극에 의해 얻어진 방사상 구속의 경우(도시되지는 않았으나, 전자가 세 개의 팔을 가진 별의 형태로 순환하는 경우)이다.

특히 플라스마 챔버(1) 내의 세 가지 유형의 구역이 구분된다.

- 플라스마의 중앙구역(3)(주로 "뜨거운" 전자 및 "차가운" 이온을 포함함),

-플라스마의 유출구역(4), 및

-플라스마 부재구역(5).

플라스마 부재구역(5)을 포함한 상기 모든 구역에서 매우 뜨거운 전자들을 찾을 수 있음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 현재는 사용할 목적에 따라 전자의 궤도(및 플라스마의 전반적 형태)를 결정하기 위해 필요한 이론적 도구가 존재한다. 실제로 다음과 같이 실행할 수 있다.

a) 축상의 자기장 및 방사상의 자기장의 배열을 계산한다.

b) 전체 자기장의 배열을 계산한다. 그리고

c) ECR 플라스마 내에서 전자가 통과할 때 전자를 감싸게 되는 자기장 선의 엔벨롭(envelope)을 얻는다.

그러한 방식으로 전자의 궤도가 결정되면, 본 발명에 따른 조절기를 위한 위치, 형태 및 물질을 결정할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는, 챔버의 플라스마 부재구역(5) 내에 위치하고 두 개의 다른 형태를 가진 조절기(100)를 갖춘 플라스마 챔버(1)의 단면도이다. 도 2b의 조절기의 상대적으로 넓은 형태는 궤도상의 전자들을 더 많이 저지할 수 있게 한다.

도 3은 플라스마의 유출구역(4) 내에 위치한 조절기(100)를 갖춘 플라스마 챔버(1)의 단면도이고, 도 4는 챔버의 중앙구역(3)을 가로막는 조절기(100)를 갖춘 플라스마 챔버(1)의 단면도이다.

도 2a, 도 2b, 도 3 및 도 4의 각각에는 실시예로서 하나의 조절기(100)만을 도시하였다. 그러나 여러 경우에 원하는 전자 온도를 얻기 위하여 다수의 조절기(100)를 사용하여야 할 것임은 자명하다. 특히, 방사상의 자기장이 2n개의 극으로 구성되었을 때, 바람직하게는, 전자 궤도에 의해 형성된 n개의 팔 내에 각각 위 치할 n개의 활성부분(7)을 가진 조절기(100)를 구비할 것이다.

반면에, 플라스마 챔버(1) 내에 전체적으로 고에너지의 전자들이 존재한다 해도, 그 농도는 중앙구역(3) 내에서 명백히 최대치일 것이고, 플라스마의 온도 자체도 최대치일 것이다. 따라서, 조절기(100)의 최적의 효율성을 위하여, 그 중앙구역(3)에 가능한 최대한 가깝게 조절기를 위치하도록 해야 할 것이나, 특히 조절기(100)의 구조가 견딜 수 있는 온도를 고려해야 할 것이다.

도 5는 여섯 개의 극을 가진 자기장 배열을 포함하는 플라스마 챔버 내에 위치하도록 고안된 본 발명에 따른 조절기를 위한 구조의 실시예를 도시한다. 그 구조는 세 개의 활성부분(7)을 포함하고, 각각은 플라스마 챔버(1)의 횡단면 내에 방사상으로 위치하도록 고안된 원통형 막대의 형태를 하고 있다. 그 막대의 한 단부는 챔버의 중앙구역(3)을 향하도록 되어 있는 한편, 다른 단부는 플라스마를 포위하게 되어 있는 고리(6)로 구성된 조절기의 다른 부분에 고정되어 있다.

다른 실시예(도시되지 않음)에 의하면, 조절기(100)의 활성부분(7)이, 역학적 지지를 위하여, 상기 실시예에서 사용된 유형의 고리(6) 상에 그 자체도 고정된 연결부 상에 고정된다. 예를 들어, 그 연결부는 지지용 가지로 구성될 수 있으며, 활성부분(7)은 막대 또는 원반 또는 구슬의 형태를 가질 수 있고, 상기 지지용 가지의 단부에 장착된다.

고리(6)의 두께는 활성부분을 상당히 단단하게 지지할 수 있도록 충분해야하지만, 플라스마의 교란을 방지하기 위하여 너무 크지 않아야 한다. 예를 들어, 2 내지 5 mm의 두께가 일반적으로 직경 100 mm의 플라스마 챔버용으로 적당하다.

당업자는 특히 활성부분(7) 상에 매우 뜨거운 전자들이 충돌하였을 때 생성될 2차 전자의 원하는 비율에 따라 다소 큰 사이즈(예를 들어 도 5의 막대의 직경)의 활성부분(7)을 선택할 것이고, 그렇게 생성된 2차 전자들은 일반적으로 차가운 전자들이다. 예를 들어, 너무 많은 수의 뜨거운 전자가 존재하게 되면 그에 따라 활성부분(7)의 사이즈를 증가시킬 것이다.

작동중에, 플라스마의 중앙구역(3)에 최대한 가까이 위치한 활성부분(7)의 단부는 접촉함에 따라 그 형태가 영향을 받을 정도로 침식됨을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 활성부분(7)이 최초에는 단부가 평면인 막대로 구성되었다면, 그리고 플라스마가 그 단부 쪽에 오목한 형태를 갖고 있다면 그 막대의 단부는 작동함에 따라 오목한 형태를 하게 될 것이다.

조절기(100)를 구성하는 여러 부분은 다수의 물질로 만들어질 수 있다.

고리(6)는 물론 작동 중에 녹을 위험이 없는 물질로 만들어져야 하고, 나아가, 바람직하게는 그 물질은 가스를 방출해서는 안 된다. 그 고리(6)는 예를 들어 금속 또는 세라믹(알루미늄 또는 지르코늄 산화물)일 수 있다.

만일 지지용 가지와 같은 연결부를 사용한다면, 그것은 고리(6)와 같은 물질조건을 요할 것이다.

끝으로 활성부분(7)은, 바람직하게는, 플라스마 내의 높은 온도를 견딜 수 있도록 되어야 한다(반면에 활성부분(7)의 역학적 지지대 역할을 하고, 한편으로는 플라스마의 뜨거운 부분과 더 멀리 떨어져 있고 다른 한편으로는 활성부분(7)에 의하여 어느 정도 보호되는 조절기(100)의 다른 부분들은 그런 의미에서 제한이 더 적다). 바람직하게는, 활성부분(7)은 텅스텐, 탄탈 또는 몰리브덴 등의 내화성 물질로 될 것이나, 또한 세라믹(알루미늄, 지르코늄 산화물 또는 토륨 산화물 등의) 또는 전체적으로 금속으로 될 수도 있다.

조절기를 위하여 선택된 물질에 따라, 매우 뜨거운 전자의 충돌시 생성되는 2차 전자의 개수 및 에너지는 다를 것이다. 따라서 당업자는 필요한 경우 현장에서의 테스트를 거친 후, 용도에 따라 적용된 물질을 선택할 것이다.

도 6은 도 5에 도시된 유형의 임의의 개수의 조절기(100)를 갖춘, 6극 방사상 구속의 플라스마 챔버(1)의 조감도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 막대(7)들은 원치 않는 전자들이 순환하는 구역(8, 8', 8") 내에 포함된다.

Claims

한 개는 축상이고 다른 한 개는 방사상인 두 개의 자기장의 중첩으로 형성된 자기장 배열 내에 담겨져 있는 인클로저(enclosure)를 포함하고, 그 내부의 전자 궤도의 배열은 상기 자기장의 배열에 의존하는 ECR 플라스마 챔버(1)에 있어서, 적어도 하나의 조절기(100)를 포함하고, 상기 조절기(100)의 위치 및 형태는, 상기 조절기(100)가 미리 설정된 에너지를 초과하는 에너지를 가진 전자들의 장애가 되도록 상기 자기장의 배열에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제1항에 있어서,

상기 조절기(100)의 위치 및 개수가 전자의 에너지 및 방해하고자 하는 전자의 개수에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 조절기(100)를 구성하는 물질은 그 물질이 고에너지를 가진 전자들과 충돌하게 되었을 때 2차 전자를 생성하는 능력에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방사상의 자기장은 2n개의 극으로 구성되고, 상기 조절기(100)는 전자 궤도에 의해 형성된 n개의 가지 중의 하나 내에 각각 위치하는 n개의 활성부분(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조절기(100)는 적어도 하나의 활성부분(7), 및 플라스마를 포위하는 하나의 고리(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제5항에 있어서,

상기 활성부분(7)은 플라스마 챔버(1) 의 횡단면 내에 방사상으로 위치한 원통형 막대의 형태를 갖고, 상기 막대의 단부는 상기 플라스마 챔버(1)의 중앙구역(3)을 향하는 한편, 상기 막대의 다른 단부는 상기 고리(6) 상에 고정되는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제5항에 있어서,

상기 활성부분(7)은 지지용 가지의 단부에 장착되고, 상기 지지용 가지는 그 자체가 상기 고리(6)의 상부에 고정되는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

적어도 하나의 조절기(100)는 금속 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

적어도 하나의 조절기(100)는 세라믹 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 ECR 플라스마 챔버.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 하나의 ECR 플라스마 챔버를 포함하는 ECR 이온 소스.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 하나의 ECR 플라스마 챔버를 포함하는 ECR 플라스마 기계.