KR20100105895A

KR20100105895A - 이온원

Info

Publication number: KR20100105895A
Application number: KR1020107018999A
Authority: KR
Inventors: 야스유키 츠지
Original assignee: 미쯔이 죠센 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-30
Also published as: TW200952019A; CN101960553A; JP2009217985A; JP4463310B2; CN101960553B; WO2009110506A1; KR101120075B1

Abstract

본 발명의 이온원(1)은, 플라즈마 용기(10)와, 이 플라즈마의 내부 공간에 열전자를 방출하는 한 벌의 열전자 방출 소자(12, 14)와, 열전자 방출 소자(12, 14)의 각각에 전류를 흘리는 전원을 가지고, 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마에 노출되는 내벽면과, 열전자 방출 소자(12, 14)의 플라즈마에 노출되고 열전자를 방출하는 부분은 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있다. 이 때문에 이온원(1) 운전중에 열전자 방출 소자(12, 14)의 표면에 부착하는 퇴적층의 성분은 열전자 방출 소자(12, 14)의 재료와 동일 성분이다. 이에 의해 안정된 열전자의 방출이 가능하게 됨과 아울러 열전자 방출 소자(12, 14)를 교환할 때까지의 이온원(1)의 운전 시간이 길어졌다.

Description

이온원{ION SOURCE}

본 발명은 가스를 공급하여 아크 전압을 인가함으로써 플라즈마를 생성하고, 이 플라즈마로부터 이온 빔(ion beam)을 생성하는 이온원, 예를 들면 반도체 디바이스 제조용 이온 주입 장치나 FPD(Flat Panel Display) 제조용 이온 주입 장치에 이용하는 이온원에 관한 것이다.

이온원에 있어서 플라즈마를 발생시킬 때, 감압 환경하의 플라즈마 용기 내에 동작 가스를 공급하고, 플라즈마 용기 내에 있어서, 2000℃ 이상으로 가열한 필라멘트(filament) 등의 피가열체를 열전자를 방출하는 캐소드(cathode)로서 이용하고, 플라즈마 용기 내의 도체층으로 이루어지는 안찝 부재(라이너(liner)) 또는 용기 자체를 애노드(anode)로서 이용한다. 상기 캐소드와 애노드의 사이에는 수십~수백V의 전압을 인가하여 아크 방전을 발생시켜 동작 가스를 전리(電離)시킨다.

이러한 플라즈마를 발생시켜 이온 빔을 취출하는 이온원의 운용중, 플라즈마 용기 내에서는 플라즈마 중의 이온의 충돌에 의한 스패터(spatter)와, 플라즈마 중의 화학적 활성종에 의해 침식 작용 및 화학적 기상 반응이 생긴다. 이에 의해 애노드, 캐소드 및 플라즈마 용기 내의 표면이 마모·침식되고, 이 마모·침식된 재질이 상기 애노드, 캐소드 및 용기 내의 표면에 퇴적한다. 이 마모·침식과 퇴적이 이온원의 운용중에 빈번하고 복잡하게 발생한다.

또, 캐소드의 상기 마모·침식에 의해 열전자의 방출 효율은 변화하기 때문에, 이온원으로부터 취출되는 이온 빔 전류가 안정되지 않는 경우도 많다. 이 경우, 캐소드로서 기능하는 피가열체의 가열량을 조정하여 이온 빔 전류가 제어된다.

하기 특허 문헌 1에는, 한 벌의 대향하는 피가열체인 필라멘트(filament)로 단일의 플라즈마를 발생시키는 이온원이 기재되어 있다.

하기 특허 문헌 2에는, 플라즈마 용기 내에 사용하는 필라멘트(피가열체)와 예비의 필라멘트(피가열체)를 설치하고, 예비의 필라멘트는 사용하는 필라멘트의 수명시에 새로 바꾸어 사용하는 것이 기재되어 있다. 이에 의해 필라멘트를 교환할 때까지의 이온원의 운용 시간을 장기간으로 할 수 있다고 여겨지고 있다.

<특허 문헌 1> 일본국 특허공개 1999－273580호 공보 <특허 문헌 2> 일본국 특허공개 1994－349433호 공보

그런데, 상기 특허 문헌 1에 기재된 대향하는 한 벌의 피가열체인 필라멘트로 단일의 플라즈마를 발생시키는 이온원에서는, 한 벌의 필라멘트 사이에 발열 온도에 편향이 있기 때문에 필라멘트의 열전자 방출량이 치우치는 경우가 많다. 이 경우, 피가열체의 발열 온도를 계측하여 제어하는 것이 필요하지만, 필라멘트는 2000℃ 이상의 고온의 발열 상태에 있고, 게다가 용기와 피가열체의 사이에는 수십~수백V의 전위차가 있기 때문에, 온도를 계측하는 계측 센서를 설치하는 것은 어렵다. 또, 수~수백mA 이상으로 크게 변화시키는 이온 빔 전류를 피가열체의 가열량의 조작에 의해 제어하고 있으므로, 발열 온도의 편향을 위한 제어를 더욱 더하는 것은 안정된 제어를 행하는 점에서 어렵다.

한편, 상술한 마모·침식 작용과 퇴적 작용에 의해 피가열체의 표면에는 애노드, 캐소드 및 용기 내의 표면의 재질이 막으로 되어 퇴적한다. 피가열체의 온도 변화에 의해 일시적으로 온도가 저하했을 경우, 상기 퇴적 작용이 조장되어 피가열체의 표면에는 많은 퇴적물이 부착한다. 이러한 피가열체의 퇴적층은 열전자 방출을 위해서 피가열체를 가열해도 열전자 방출의 장해로 되고, 경우에 따라서는 피가열체를 녹여 손상시킨다고 하는 불편이 생긴다.

한편, 상기 특허 문헌 2에 기재된 이온원과 같이 플라즈마를 발생시키는 운용중의 플라즈마 용기 내에 예비의 필라멘트를 설치해 두면, 실제 상술한 퇴적층이 필라멘트에 다량으로 부착한다. 다량의 퇴적층이 부착한 필라멘트를 열전자 방출을 위해서 사용하면, 상술한 것처럼 이 퇴적층이 열전자 방출의 장해로 되고, 경우에 따라서는 퇴적층이 피가열체를 녹여 손상시킨다고 하는 불편이 생긴다.

이 때문에, 상기 특허 문헌 1 및 2에 기재의 이온원은 안정된 열전자의 방출을 하지 못하고, 피가열체를 교환할 때까지의 이온원의 운용 시간을 길게 한다고는 할 수 없다.

그래서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 플라즈마 생성 용기에 복수의 피가열체가 설치되는 이온원에 있어서, 안정된 열전자의 방출이 가능하고, 피가열체를 교환할 때까지의 이온원의 운용 시간을 길게 할 수 있는 이온원을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 가스를 공급하여 아크 전압을 인가함으로써 플라즈마를 생성하고, 이 플라즈마로부터 이온 빔을 생성하는 이온원으로서, 가스가 공급되어 플라즈마를 생성하는 도체면을 가지는 내부 공간을 구비한 플라즈마 용기와, 상기 플라즈마 용기와 전기 절연되고, 상기 내부 공간의 내벽면으로부터 돌출되고, 통전함으로써 상기 내부 공간에 열전자를 방출하는 한 벌의 열전자 방출 소자와, 상기 한 벌의 열전자 방출 소자의 각각에 전류를 흘리는 전원을 가지고, 상기 플라즈마 용기 내의 플라즈마에 노출되는 내벽면의 재료와, 상기 한 벌의 열전자 방출 소자의 플라즈마에 노출되고 열전자를 방출하는 부분의 재료가, 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온원을 제공한다.

또한, 상기 금속은, 탄탈룸, 텅스텐, 몰리브덴, 및 이들 금속 중 2개 이상의 금속으로 만들어진 합금 중에서 선택된 것인 것이 바람직하다.

또, 상기 전원은, 상기 한 벌의 열전자 방출 소자에 대응하여 설치되는 각각 제어 가능한 한 벌의 전원이고, 상기 한 벌의 열전자 방출 소자 중, 일방의 열전자 방출 소자만이 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이를 조정할 수 있도록 상기 한 벌의 전원 중에서 일방의 전원은 열전자를 방출시키는 정도로 가열하도록 전류가 조정되어 있는 것이 바람직하다. 그 때, 상기 한 벌의 전원 중에서 타방의 전원은 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않을 정도로 약하게 가열하도록 전류가 조정되어 있는 것이 바람직하다.

또, 상기 한 벌의 열전자 방출 소자는 예를 들면 상기 플라즈마 용기 내의 대향하는 내벽면에 대향하도록 설치되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 이온원은, 플라즈마 용기 내의 플라즈마에 노출되는 내벽면의 재료와, 한 벌의 열전자 방출 소자의 플라즈마에 노출되고 열전자를 방출하는 부분의 재료가, 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있다. 이 때문에, 이온원의 운용에 의해 열전자 방출 소자에 부착하는 퇴적층의 성분은, 열전자 방출 소자의 열전자를 방출하는 부분과 동일 금속을 주성분으로 한다. 따라서, 이 퇴적층은, 열전자의 방출의 장해로 되지 않고, 안정된 열전자의 방출이 가능하게 된다. 종래와 같이, 열전자 방출 소자와 성분이 다른 퇴적층이 열전자 방출 소자에 부착하여 안정된 열전자의 방출을 하지 못하고, 이에 의해 열전자 방출 소자의 운용 시간이 짧은데 대해, 본 발명은 이온원의 운용 시간을 길게 할 수가 있다.

또, 일방의 열전자 방출 소자를 이용하여 주로 열전자를 방출시키면서, 타방의 열전자 방출 소자를 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 가열함으로써, 타방의 열전자 방출 소자에 부착하는 퇴적층의 양을 억제하고, 한편 부착하는 퇴적층을 치밀의 구조로 할 수가 있다. 이에 의해 보다 안정된 열전자의 방출이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 이온원의 일실시 형태의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 각각 도 1에 나타내는 이온원의 필라멘트와 캐소드 반사판의 배치의 하나의 실시예를 나타내는 부분 단면도 및 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 이온원의 전원의 배치의 하나의 실시예를 나타내는 모식도이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 본 발명의 이온원의 전원의 배치의 다른 실시예를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 이온원의 전원의 배치의 새로운 다른 실시예를 나타내는 모식도이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 본 발명의 이온원에 이용하는 열전자 방출 소자의 다른 실시예를 나타내는 부분 단면도 및 측면 단면도이다.
도 7은 도 6(a) 및 도 6(b)에 나타내는 열전자 방출 소자를 이용한 본 발명의 이온원의 전원의 배치의 하나의 실시예를 나타내는 모식도이다.
도 8은 도 6(a) 및 도 6(b)에 나타내는 열전자 방출 소자를 이용한 본 발명의 이온원의 전원의 배치의 다른 실시예를 나타내는 모식도이다.

이하, 본 발명의 이온원에 대해서 첨부의 도면에 나타나는 적합한 실시예를 기초로 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 이온원의 일실시 형태의 구성을 나타내는 단면도이다.

이온원(1)은 원료 가스를 공급하여 방전함으로써 플라즈마 P를 생성하고, 이 플라즈마 P로부터 이온을 취출함으로써 이온 빔 B를 생성하는 버너스원(Bernas source)이다. 이온원(1)은, 도 1에 나타내는 것처럼, 플라즈마 용기(10), 필라멘트(12, 14), 캐소드 반사판(16, 18), 절연 부재(20), 원료 가스 공급구(22), 이온 빔 취출구(24), 인출 전극(26, 28), 및 자석(30, 32)을 가진다. 플라즈마 용기(10)는 도시되지 않는 이온 주입 장치의 감압 용기 내에 수납되어 플라즈마 용기(10) 내에서 10^－2~10^－3(Pa)로 감압된 상태로 되어 있다.

플라즈마 용기(10)는 직방체 형상의 내부 공간을 가지는 방전 상자이다.

플라즈마 용기(10)의 내부 공간은 내고온성을 가지는 도전성 재료로 구성되고, 특히 플라즈마 P에 노출되는 부분의 내벽면, 예를 들면 필라멘트(12, 14)의 선단의 사이에 위치하는 내벽면은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈룸 중에서 선택되는 금속, 또는 이들 금속의 합금으로 이루어지는 부재에 의해 구성되어 있다. 플라즈마 용기(10)의 용기 전체가 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈룸 중에서 선택되는 금속, 또는 이들 금속의 합금에 의해 구성되어도 좋지만, 플라즈마 용기(10)의 내부 공간의, 플라즈마 P에 노출되는 부분의 내벽면, 예를 들면 필라멘트(12, 14)의 선단의 사이에 위치하는 내벽면이 안찝 부재(라이너(liner))로 형성되고, 이 안찝 부재가 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈룸 중에서 선택되는 금속, 또는 이들 금속의 합금에 의해 구성된 것이어도 좋다.

플라즈마 용기(10)의 내부 공간의 내벽면에는 서로 대향하는 벽면에서 내부 공간에 돌출하는 필라멘트(12, 14)가 설치되어 있다. 필라멘트(12, 14)의 배면측에는 캐소드 반사판(16, 18)이 설치되어 있다. 캐소드 반사판(16, 18)은, 절연 부재(20)를 개재하여 플라즈마 용기(10)에 고정되어 설치된다. 도 2(a) 및 도 2(b)는 각각 필라멘트(12)와 캐소드 반사판(16)의 배치의 하나의 실시예를 나타내는 부분 단면도 및 측면 단면도이다. 필라멘트(14)와 캐소드 반사판(18)도 마찬가지로 구성된다. 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타내듯이, 캐소드 반사판(16)은 플라즈마 용기(10)의 내부 공간의 단면을 대략 점유하도록 설치되어 있다. 또한, 캐소드 반사판(16)은 다리부(16a) 및 구멍(16b)을 가지고, 다리부(16a)에 설치된 구멍을 관통한 일방의 필라멘트(12)의 단(end)은 플라즈마 용기(10)의 외측으로 인출되어 있다. 구멍(16b)을 관통한 타방의 필라멘트(12)의 단은 슬리브(sleeve)(34)를 빠져나가 플라즈마 용기(10)의 외측으로 인출되어 있다. 다리부(16a)와 슬리브(34)는 절연 부재(20)를 개재하여 플라즈마 용기(10)에 고정되어 있다. 구멍(16b)의 필라멘트(12)와 캐소드 반사판(16)의 간극에는 절연 부재(20)가 충전되어 있다. 이와 같이 절연 부재(20)를 이용하여 필라멘트(12) 및 캐소드 반사판(16)은 플라즈마 용기(10)에 대해 절연되어 있다.

필라멘트(12, 14)는 플라즈마 용기(10) 내의 내부 공간에 열전자를 방출하는 열전자 방출 소자로서 기능하고, 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마 P에 노출되는 부분의 내벽면의 재료와 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있다. 또한, 캐소드 반사판(16, 18)도 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마 P에 노출되는 부분의 내벽면의 재료와 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있다.

예를 들면, 필라멘트(12, 14)는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈룸 중에서 선택되는 금속, 또는 이들 금속의 합금에 의해 구성되어 있다. 여기서 주성분이라는 것은 질량 비율로 90% 이상을 차지하는 최대 성분을 말한다. 필라멘트(12, 14)의 재료는 플라즈마 용기(10)의 내부 공간의 플라즈마 P에 노출되는 부분의 내벽면의 재료, 즉 텅스텐 몰리브덴, 탄탈룸 중에서 선택되는 금속, 또는 이들 금속의 합금과 동일한 재료로 구성되어 있다. 캐소드 반사판(16, 18)의 재료도 필라멘트(12, 14)의 재료와 마찬가지이다.

필라멘트(12, 14)에는 필라멘트(12, 14)로부터 열전자를 방출 가능하도록 필라멘트(12, 14)의 양단간에 소정의 전압, 예를 들면 수V~10수V를 인가하여 전류를 흘리는 필라멘트 전원(도 1에는 미도시)이 설치되고, 2000℃ 정도로 가열된 필라멘트(12, 14)로부터 내부 공간에 열전자를 방출한다. 후술하듯이, 필라멘트(12, 14)의 일방은 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 예비 가열하도록 필라멘트 전류를 제어하고, 후술하는 이온 빔 B의 강도 제어를 단순화, 효율화할 수가 있다.

또, 필라멘트(12, 14)의 부극측의 단과 도전성을 가지는 플라즈마 용기(10)의 사이에 아크 전압을 인가하도록 아크 전원(도 1에는 미도시)이 설치되어 있다. 아크 전압은 플라즈마 용기(10)의 전위가 필라멘트(12, 14)의 전위에 대해서 높아지도록 아크 전압이 수10~100V 인가된다.

필라멘트(12, 14)로부터 방출된 열전자는 자석(30, 32)의 자력선을 따라 나선 모양으로 운동하여 원료 가스 G를 분리시키고 플라즈마 P를 여기시킨다. 필라멘트 전원 및 아크 전원에 대해서는 후술한다.

캐소드 반사판(16, 18)은 서로 대향하도록 설치되고, 일방의 캐소드 반사판을 향해 이동하는 열전자를 반사한다. 캐소드 반사판(16, 18)은 필라멘트 전원의 정극(positive electrode)과 접속되고, 필라멘트 전원의 정극의 전위와 동전위로 되어 있다.

한편, 플라즈마 용기(10)의 외측에는 서로 대향하는 필라멘트(12, 14)의 배치 방향을 따라 자장이 형성되도록 N극, S극의 자석(30, 32)이 플라즈마 용기(10)의 홀쪽하게 뻗은 양단의 외측에 대향하도록 설치되어 있다. 대향하는 자석(30, 32)의 외측을 전자 연철 등의 투자율이 높은 재료로 도시되지 않는 연결 요크(yoke)를 구성한다. 또, 플라즈마 용기(10)의 내부 공간의 내벽면에는 원료 가스 공급구(22)가 설치되고, 공급관을 개재하여 가스 공급원(36)과 접속되고, 원료 가스 조정 밸브(38)를 통해 원료 가스 G의 공급이 조정되게 되어 있다.

플라즈마 용기(10)의 측벽에는 플라즈마 용기(10)의 긴 방향을 따라 슬릿(slit) 모양으로 뻗은 이온 빔 취출구(24)가 설치되고, 인출 전극(26, 28)의 전위에 의해 플라즈마 P중의 이온이 이온 빔 B로서 인출된다. 플라즈마 용기(10)의 슬릿(slit)(24)이 설치된 벽면은 접지에 대해서 소정의 전압이 인가되도록 전원(8)과 접속되어 있다. 인출 전극(26)과 인출 전극(28)의 사이에는 전원(9)에 의해 인출 전극(28)의 전위가 높아지도록 전압이 인가된다.

이온 빔 취출구(24)의 플라즈마 용기(10)의 외측 벽면은 소정의 형상으로 이온 빔 B가 인출되도록 플라즈마 용기(10)의 내부 공간측에 볼록하게 되도록 만곡 형상을 이루고 있다. 인출 전극(26, 28)도 마찬가지로 소정의 형상으로 이온 빔 B가 인출되도록 플라즈마 용기(10)측의 면이 플라즈마 용기(10)를 향해 볼록하게 되도록 만곡 형상을 이루고 있다. 이온 빔 B의 강도는 필라멘트(12, 14)의 어느 일방의 열전자의 방출량, 결국은 필라멘트 전류의 조정으로 제어된다. 인출 전극으로서 인출 전극(26)을 이용하는 것은 인출 전극(28) 및 한층 더 이온 빔 B의 하류로부터 저속의 전자가 역류하여 플라즈마 용기(10)의 슬릿(24)을 설치하는 면에 조사하는 것을 방지하기 위해서 상기 전자의 역류를 저지하는 전기장 구배를 만들기 때문이다.

또한, 본 발명에 대해서는 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마 P에 노출되는 부분의 내벽면의 재료와 한 벌의 필라멘트(12, 14)의 재료가 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

종래 기술의 문제점으로서 설명한 것처럼, 플라즈마 용기(10)에 한 벌의 필라멘트(12, 14)가 설치되었을 경우, 애노드, 캐소드 및 용기 내의 표면의 재료 성분이 퇴적층으로서 필라멘트에 다량으로 부착한다. 이 다량의 퇴적층이 부착한 필라멘트를 열전자 방출을 위해서 사용하면, 퇴적층이 열전자 방출의 장해로 되고, 경우에 따라서는 퇴적층이 피가열체를 녹여 손상시킨다고 하는 불편이 생긴다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 필라멘트(12, 14)의 재료와 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마 P에 노출되는 부분의 내벽면의 재료라는 것은, 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있으므로, 필라멘트(12, 14)에 부착한 퇴적층은 필라멘트(12, 14)와 동일 금속을 주성분으로 하는 것이다. 따라서, 필라멘트(12, 14)에 퇴적층이 부착해도 열전자 방출에 장해를 주지 않는다. 종래와 같이 필라멘트를 내구성이 뛰어난 텅스텐으로 구성하고, 플라즈마에 노출되는 내벽면의 재료에 몰리브덴을 이용하였을 경우, 필라멘트에는 몰리브덴을 주성분으로 하는 퇴적층이 부착한다. 이 경우, 필라멘트에 충분한 열전자의 방출이 가능하게 고온으로 가열했을 경우, 텅스텐에 비해 융점이 낮은 몰리브덴으로 구성된 퇴적층은 용융된다. 또한, 용융된 몰리브덴이 텅스텐과 합금화하고, 이 때의 합금도 텅스텐에 비해 융점이 낮기 때문에 용융된 액체의 몰리브덴이 어디까지나 고체의 텅스텐을 침식하도록 용융시켜 최종적으로 필라멘트는 녹아 손상된다.

한편, 필라멘트를 몰리브덴으로 구성하고, 플라즈마 용기 내의 플라즈마에 노출되는 부분의 내벽면의 재료에 텅스텐을 이용하였을 경우, 필라멘트에는 텅스텐을 주성분으로 하는 퇴적층이 부착한다. 이 경우, 몰리브덴에 맞추어 필라멘트를 가열하고 있던 온도에서는 표면을 덮는 텅스텐을 주성분으로 하는 퇴적층으로부터 충분한 열전자는 방출되지 않는다. 즉, 몰리브덴의 필라멘트의 가열 온도에서는 텅스텐을 주성분으로 하는 퇴적층으로부터 열전자는 방출되지 않는다. 이 때문에, 열전자의 방출을 위해서 더욱 가열 온도를 높이면 몰리브덴은 용융되어 필라멘트는 녹아 손상된다.

이 때문에, 상술한 것처럼, 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마에 노출되는 부분의 내벽면의 재료와 한 벌의 필라멘트(12, 14)의 재료를 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성한다.

이하, 상기 이온원(1)에 필라멘트 전원 및 아크 전원을 배선했던 본 발명의 여러 가지의 실시 형태의 구성에 대해서 설명한다.

도 3은 상기 구성의 이온원(1)의 필라멘트 전원, 아크 전원의 하나의 실시예를 나타내는 부분 단면 모식도이다.

도 3에 나타내는 이온원(1)은 2개의 필라멘트(12, 14)의 일방이 교대로 열전자 방출을 위해서 가열되고, 타방의 필라멘트가 예비 가열을 위해서 가열되는 형태이다. 예비 가열이라는 것은 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 가열하는 것을 말한다.

도 3에 나타내는 이온원(1)에서는 필라멘트(12)에 필라멘트 전류를 흘리는 필라멘트 전원(40)과, 필라멘트(14)에 필라멘트 전류를 흘리는 필라멘트 전원(42)이 병렬로 설치되고, 필라멘트(12, 14)에 흘리는 필라멘트 전류를 전환하는 스위치(60, 62)가 설치되어 있다. 필라멘트 전원(40)은 열전자 방출을 위한 백~수백 암페어의 필라멘트 전류를 흘리기 위한 전원이고, 필라멘트 전원(42)은 열전자의 방출로 플라즈마의 농도의 높낮이를 조정할 수 있는 정도의 열전자의 방출은 하지 않고, 예비 가열을 행하기 위해서 백 암페어 정도의 필라멘트 전류를 흘리는 전원이다.

도 3에 나타내는 스위치(60, 62)의 제1의 상태, 즉 스위치(60, 62)가 도중 좌측 단자에 접속된 상태일 때, 필라멘트(12)에는 필라멘트 전원(40)으로부터 백~수백 암페어의 필라멘트 전류가 흘러 2000℃로 가열되고 열전자를 방출한다. 이 때, 필라멘트(14)는 필라멘트 전원(42)에서 백 암페어 정도의 필라멘트 전류가 흘러 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 예비 가열된다.

한편, 도 3에 나타내는 스위치(60, 62)의 제2의 상태, 즉 스위치(60, 62)가 도중 우측 단자에 접속된 상태일 때, 필라멘트(14)에는 필라멘트 전원(40)으로부터 백~수백 암페어의 필라멘트 전류가 흘러 열전자를 방출한다. 이 때, 필라멘트(12)는 필라멘트 전원(42)에서 백 암페어 정도의 필라멘트 전류가 흘러 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 예비 가열된다.

스위치(60, 62)의 제1의 상태 및 제2의 상태의 전환은 동시에 행해지도록 도시되지 않는 제어 유닛에 의해 제어되고 있다. 이에 의해 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 가열하는 필라멘트는 항상 예비 가열된다. 일방의 필라멘트가 마모하여 수명이 다 될 때까지, 상기 스위치(60, 62)에 의한 전환은 행해지지 않아도 좋다. 그러나, 필라멘트의 수명 기간에 대해서 충분히 짧은 기간에, 예를 들면 수명 기간의 10분의 1의 기간에 스위치(60, 62)에 의한 전환을 행하는 것이 장기간 안정적으로 운용할 수 있는 점에서 바람직하다.

이와 같이, 일방의 필라멘트로부터 충분히 열전자를 방출시킬 때, 타방의 필라멘트를 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 예비 가열하는 것은, 필라멘트를 예비 가열하지 않는 경우, 상술한 것처럼 온도가 낮은 필라멘트 표면에 퇴적층이 다수 부착하고, 거기에다 그 때 생기는 퇴적층은 공극을 다수 가지기 때문이다. 퇴적층에 공극이 다수 생기면, 필라멘트와 동일한 성분의 금속의 퇴적층이 부착하였다고 해도, 공극이 열전자의 방출의 장해로 된다. 열전자를 방출하지 않을 정도로 가열함으로써 퇴적층의 부착의 양을 억제하고, 거기에다 공극이 작고 보다 치밀한 구조의 퇴적층으로 할 수가 있다.

또한, 필라멘트 전원(40)의 필라멘트 전류는 플라즈마 용기(10)로부터 취출된 이온 빔 B의 이온 전류의 높낮이에 따라 제어되고, 아크 전압은 아크 전류가 소정의 값이 되도록 제어된다.

도 4(a)는 도 3과는 다른 이온원(1)의 하나의 실시예를 나타내는 부분 단면 모식도이다.

도 4(a)에 나타내는 이온원(1)은 필라멘트(12, 14)로부터 동시에 열전자를 방출시키도록 가열하는 형태이다.

필라멘트(12, 14)는 열전자 방출을 위해서 백~수백 암페어의 전류를 흘리는 필라멘트 전원(40, 42)에 각각 접속되어 있다. 아크 전원(50)은 그 부극(negative electrode)이 필라멘트 전원(40, 42)의 부극과 접속되고, 정극(positive electrode)은 플라즈마 용기(10)와 접속되고, 아크 전압을 인가하도록 구성되어 있다. 또한, 아크 전원(50)을 흐르는 아크 전류가 일정하게 되도록 필라멘트(12)와 플라즈마 용기(10)의 사이의 아크 전류를 계측하는 전류계(64)와, 필라멘트(14)와 플라즈마 용기(10)과의 사이의 아크 전류를 계측하는 전류계(66)가 설치되어 있다. 이 전류계(64, 66)의 계측값이 동일하게 되도록 도시되지 않는 제어 유닛으로부터 필라멘트 전원(40, 42)에 제어 신호가 공급된다.

이 외에, 필라멘트 전원(40, 42)의 출력전압이 동일하게 되도록 도시되지 않는 제어 유닛으로부터 필라멘트 전원(40, 42)에 제어 신호가 공급되도록 구성할 수도 있다. 이와 같이 필라멘트(12, 14)의 가열 온도의 편향을 일정 이하로 제어할 수가 있다.

도 4(b)는 도 4(a)와는 다른 이온원(1)의 실시예를 나타내는 부분 단면 모식도이다.

도 4(b)에 나타내는 이온원(1)은 도 4(a)에 나타내는 이온원(1)과 마찬가지로 필라멘트(12, 14)로부터 동시에 열전자를 방출시키도록 가열하는 형태이다.

필라멘트(12, 14)는 백~수백 암페어의 필라멘트 전류를 흘리는 필라멘트 전원(40)에 병렬로 접속되어 있다. 아크 전원(50)은 그 부극이 필라멘트 전원(40)의 부극에 접속되고, 정극이 플라즈마 용기(10)와 접속된다. 필라멘트(12, 14)를 흐르는 전류는 이온원(1)으로부터 인출되는 이온 빔 B의 이온 전류가 일정하게 되도록 필라멘트 전원(40)은 제어된다. 도 4 B의 예에서는, 필라멘트(12, 14)가 같이 되도록 마모하는 경우, 필라멘트(12, 14)의 가열 온도도 동일한 정도가 되므로 이온원(1)을 효율적으로 운용할 수가 있다.

도 5는 이온원(1)의 또 다른 실시예를 나타내는 부분 단면 모식도이다.

도 5에 나타내는 이온원(1)은 필라멘트(12, 14) 중에서 일방의 필라멘트로 열전자의 방출을 행하고, 타방의 필라멘트는 예비 가열하지 않는 형태이다. 필라멘트 전원(40)은 스위치(60)에 의해 필라멘트(12) 또는 필라멘트(14)의 어느 일방을 선택하도록 전환된다. 필라멘트 전원(40)은 백~수백 암페어의 필라멘트 전류를 흘려 선택된 필라멘트(12) 또는 필라멘트(14)를 2000℃ 이상으로 가열한다. 아크 전원(50)은 그 부극(negative electrode)이 필라멘트 전원(40)의 부극에 접속되고, 정극은 플라즈마 용기(10)에 접속되도록 구성된다.

스위치(60)는 필라멘트(12, 14)의 일방을 열전자 방출을 위한 가열에 이용하도록 전환할 수가 있다. 이 전환은 일방의 필라멘트가 마모하여 수명이 되었을 때, 타방의 필라멘트를 열전자 방출을 위한 가열 대상으로 하기 위해서 전환해도 좋지만, 일방의 필라멘트가 수명이 다 될 때까지의 수명 기간에 대해서 충분히 짧은 기간 중에, 예를 들면 수명 기간의 10분의 1의 기간 중에 스위치(60)를 전환하는 것이 장기간 안정적으로 운용할 수 있는 점에서 바람직하다.

또한, 상술의 실시 형태 및 예에서는 어느 것도 열전자를 방출하는 열전자 방출 소자로서 저항 가열에 의해 열전자를 방출하는 필라멘트를 이용하여 구성한 것이지만, 본 발명에서는 이하와 같이 필라멘트(12, 14)로 바꾸어 도 6(a) 및 도 6(b)에 나타내는 것 같은 방열 캐소드(68)를 설치해도 좋다.

방열 캐소드(68)는 통전함으로써 가열하는 히터(70)와 플라즈마에 노출되면서 열전자를 방출하는 피가열체(72)를 가진다. 피가열체(72)와 히터(70)와 플라즈마 용기(10)의 3개는 서로 절연되어 설치된다. 히터(70)는 열전자를 방출하는 정도로 가열된다. 피가열체(72)는 히터(70)에 비해 수백V 고전위로 전위가 주어지고, 히터(70)로부터 방출되는 열전자는 피가열체(72)의 고전위에 의해 인장되어 가속되고, 전자 빔으로 되어 피가열체(72)에 조사된다. 피가열체(72)는 히터(70)로부터의 복사열 혹은 가속된 전자 빔의 조사에 의해 가열되고, 이에 의해 피가열체(72)의 플라즈마 용기(10)의 내부 공간의 면으로부터 열전자를 방출한다. 이 열전자의 방출은 히터(70)의 전류의 제어, 또는 전자 빔의 가속을 위해서 주는 피가열체(72)의 전위의 제어에 의해 제어된다. 본 발명에 있어서는 피가열체(72)가 플라즈마에 노출되면서 열전자를 방출하는 열전자 방출 소자의 부분에 대응한다. 히터(70)는 플라즈마에 노출되어 있지 않다. 따라서, 본 발명에서는 피가열체(72)의 플라즈마에 노출되는 열전자를 방출하는 면의 재료와 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마에 노출되는 부분의 내벽면의 재료가 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성된다. 예를 들면, 탄탈룸, 텅스텐, 몰리브덴, 및 이들 금속 중 2개 이상의 금속으로 만들어진 합금 중에서 선택된 것이다.

도 7은 이러한 방열 캐소드를 이용한 이온원(1)의 다른 실시예를 나타내는 부분 단면 모식도이다.

도 7에 나타내는 이온원(1)은 도 3에 나타내는 이온원(1)에 대해서 필라멘트(12, 14)의 대신에 방열 캐소드(80, 82)가 설치되고, 거기에 대응한 전원이 복수 설치된 장치이다. 방열 캐소드(80)는 히터(84) 및 피가열체(88)를 가지고, 방열 캐소드(82)는 히터(86) 및 피가열체(90)를 가진다. 히터 전원(92, 94)이 히터(84, 86)에 대응하여 설치되고, 히터 전원(92, 94)의 부극은 피가열체(88, 90)에 전위를 주는 제어 전원(100)의 부극과 접속되어 있다. 제어 전원(100)의 정극은 피가열체(88, 90)에 접속되어 있다. 또한, 아크 전원(102)은 그 부극이 제어 전원(100)의 정극과 접속되고, 아크 전원의 정극은 플라즈마 용기(10)에 접속되어 있다. 히터 전원(92)은 히터(84) 또는 히터(86)로부터 열전자를 방출하는 정도로 전류를 흘린다. 한편, 히터 전원(94)는, 히터(84) 또는 히터(86)로부터 열전자를 방출하지 않을 정도로 전류를 흘려 가열한다.

또한, 히터 전원(92, 94)과 히터(84, 86)의 사이에는 스위치(96, 98)가 설치되어 있다.

스위치(96, 98)은 도 3에 나타내는 스위치(60, 62)와 마찬가지의 작용을 한다. 제1의 상태, 즉 스위치(96, 98)가 도중 좌측 단자에 접속된 상태일 때, 히터(84)에는 히터(84)로부터 열전자를 방출하는 정도의 전류가 히터 전원(92)으로부터 흐르고, 이 열전자의 방출이 가속되어 피가열체(88)를 조사한다. 또, 히터(84)의 가열에 의해 피가열체(88)가 가열된다. 이들의 작용에 의해 피가열체(88)로부터 열전자가 방출한다. 이 때, 히터(86)는 히터 전원(94)로부터 전류가 흘러 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 가열된다. 즉, 히터(84)의 피가열체(88)로부터만 플라즈마의 농도의 높낮이를 조정할 수 있는 정도로 열전자가 방출된다.

한편, 도 7에 나타내는 스위치(96, 98)의 제2의 상태, 즉 스위치(96, 98)가 도중 우측 단자에 접속된 상태일 때, 히터(86)에는 히터 전원(92)으로부터 전류가 흘러 열전자를 방출한다. 이 때, 히터(84)는 히터 전원(94)로부터 전류가 흘러 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 가열된다. 즉, 히터(86)측의 피가열체(90)로부터만 플라즈마의 높낮이를 조정할 수 있는 정도로 열전자가 방출된다.

스위치(96, 98)의 제1의 상태 및 제2의 상태의 전환은 동시에 행해지도록 도시되지 않는 제어 유닛에 의해 제어되고 있다. 이에 의해 열전자를 충분히 방출하지 않는 피가열체는 항상 히터에 의한 예비 가열에 의해 가열되고 있다. 일방의 피가열체가 마모하여 수명이 다 될 때까지, 상기 스위치(96, 98)에 의한 전환은 행해지지 않아도 좋지만, 피가열체의 수명이 다 될 때까지의 수명 기간에 대해서 충분히 짧은 기간 중에, 예를 들면 수명 기간의 10분의 1의 기간 중에, 스위치(96, 98)를 전환하는 것이 장기간 안정적으로 운용할 수 있는 점에서 바람직하다.

도 8은 도 7과는 다른 이온원(1)의 다른 실시예를 나타내는 부분 단면 모식도이다.

도 8에 나타내는 이온원(1)에서는 방열 캐소드(80, 82)의 히터(84, 86)에 히터 전원(93, 95)이 접속되고, 피가열체(88, 90)에 스위치(97, 99)를 개재하여 제어 전원(103, 104)이 접속되어 있다. 히터 전원(93, 95)은 피가열체(88, 90)에 적정한 전위를 주었을 때, 피가열체(88, 90)로부터 열전자를 방출할 정도로 히터(84, 86)를 가열하고, 한편 히터(84, 86)로부터 열전자를 방출시킨다. 제어 전원(103)은 피가열체(88, 90)가 플라즈마 용기(10)의 내부 공간에 열전자를 방출하도록 피가열체(88, 90)에 전위를 준다. 한편, 제어 전원(104)은 피가열체(88, 90)가 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 피가열체(88, 90)에 전위를 준다. 스위치(103, 104)에서는 도 8에 나타내듯이 좌측 단자에게 접속한 제1의 상태와 우측 단자에게 접속한 제2의 상태의 전환이 동시에 행해지도록 도시되지 않는 제어 유닛에 의해 제어되고 있다. 이에 의해 일방의 피가열체는 열전자를 방출하고, 타방의 피가열체는 항상 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 가열된다.

즉, 도 8에 나타내는 예에서는 피가열체(88, 90)로부터의 열전자의 방출은 제어 전원(103)을 피가열체(88, 90)의 어느 쪽으로 접속할지에 의해 제어된다. 한편, 먼저 설명한 도 7에 나타내는 예에서는 피가열체(88, 90)로부터의 열전자의 방출은 히터 전원(92)을 히터(84, 86)의 어느 쪽으로 접속할지에 의해 제어된다. 이 점에서 도 8의 예는 도 7의 예와 상위하다.

또한, 방열 캐소드는 도 4(a), 도 4(b), 도 5, 도 6(a) 및 도 6(b)에 나타내는 예의 이온원(1)에 이용하는 필라멘트로 바꾸어 이용할 수도 있다. 본 발명은 이러한 이온원도 포함한다.

이와 같이, 상기 여러 가지의 예로 나타내는 이온원은 플라즈마 용기(10) 내의 플라즈마 P에 노출되는 내벽면의 부분의 재료와 한 벌의 열전자 방출 소자(필라멘트, 피가열체)의 플라즈마 P에 노출되는 부분의 재료가 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있으므로, 일방의 열전자 방출 소자를 가열하지 않고 휴지할 때에도, 표면에 부착하는 퇴적층의 성분은 열전자 방출 소자의 재료와 동일 성분이므로, 열전자 방출을 위해서 사용할 때에도 열전자를 방출하는 장해로 되지 않고, 안정된 열전자의 방출이 가능하다. 이 때문에, 피가열체를 교환할 때까지의 이온원의 운용 수명이 길어진다. 종래와 같이 플라즈마 용기 내의 플라즈마에 노출되는 내벽면의 재료와 한 벌의 열전자 방출 소자의 플라즈마에 노출되면서 열전자를 방출하는 부분의 재료가 다른 경우, 열전자 방출 소자의 표면에 부착하는 퇴적층은 열전자 방출 소자의 플라즈마에 노출되면서 열전자를 방출하는 부분의 재료와 성분이 다르므로 열전자의 방출이 곤란하게 된다. 만일, 열전자를 방출할 수가 있었다고 해도 퇴적층의 재료가 열전자 방출 소자의 재료와 다르므로 안정된 열전자의 방출을 지속할 수 없다.

또한, 플라즈마의 농도의 높낮이의 조정에 이용하지 않는 일방의 열전자 방출 소자를 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않는 약한 정도로 가열함으로써, 퇴적층의 부착량을 억제할 수가 있는 외에 이 가열에 의해 퇴적물은 공극을 가지는 일 없이 치밀하게 퇴적된 구성이 되므로 보다 안정된 열전자의 방출이 가능하게 된다.

이상, 본 발명의 이온원에 대해서 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 개량이나 변경을 해도 좋은 것은 물론이다.

1 이온원 8, 9 전원
10 플라즈마 용기
12, 14 필라멘트 16, 18 캐소드 반사판
16a 다리부 16b 구멍
20 절연 부재
22 원료 가스 공급구
24 이온 빔 취출구
26, 28 인출 전극 30, 32 자석
36 가스 공급원
38 원료 가스 조정 밸브
40, 42 필라멘트 전원 50, 102 아크 전원
60, 62, 96, 98 스위치
64, 66 전류계
68, 80, 82 방열 캐소드
70, 84, 86 히터 72, 88, 90 피가열체
92, 94 히터 전원 100 제어 전원

Claims

가스를 공급하여 아크 전압을 인가함으로써 플라즈마를 생성하고, 이 플라즈마로부터 이온 빔을 생성하는 이온원으로서,
가스가 공급되어 플라즈마를 생성하는 도체면을 가지는 내부 공간을 구비한 플라즈마 용기와,
상기 플라즈마 용기와 전기 절연되고, 상기 내부 공간의 내벽면으로부터 돌출되고, 통전함으로써 상기 내부 공간에 열전자를 방출하는 한 벌의 열전자 방출 소자와,
상기 한 벌의 열전자 방출 소자의 각각에 전류를 흘리는 전원을 가지고,
상기 플라즈마 용기 내의 플라즈마에 노출되는 내벽면의 재료와, 상기 한 벌의 열전자 방출 소자의 플라즈마에 노출되고 열전자를 방출하는 부분의 재료가, 동일 금속을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온원.
제1항에 있어서,
상기 금속은, 탄탈룸, 텅스텐, 몰리브덴, 및 이들 금속 중 2개 이상의 금속으로 만들어진 합금 중에서 선택된 것인 이온원.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전원은, 상기 한 벌의 열전자 방출 소자에 대응하여 설치되는 각각 제어 가능한 한 벌의 전원이고,
상기 한 벌의 열전자 방출 소자 중, 일방의 열전자 방출 소자만이 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이를 조정할 수 있도록 상기 한 벌의 전원 중에서 일방의 전원은 열전자를 방출시키는 정도로 가열하도록 전류가 조정되어 있는 이온원.
제3항에 있어서,
상기 한 벌의 전원 중에서 타방의 전원은 열전자를 방출함으로써 플라즈마의 농도의 높낮이가 영향을 받지 않을 정도로 약하게 가열하도록 전류가 조정되어 있는 이온원.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 한 벌의 열전자 방출 소자는 상기 플라즈마 용기 내의 대향하는 내벽면에 대향하도록 설치되어 있는 이온원.