KR20100116658A

KR20100116658A - 이온원

Info

Publication number: KR20100116658A
Application number: KR1020107020117A
Authority: KR
Inventors: 야스유키 츠지
Original assignee: 미쯔이 죠센 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-11-01
Also published as: JP4446019B2; JPWO2009119060A1; CN101960554A; KR101128870B1; TW200947496A; CN101960554B; WO2009119060A1

Abstract

본 발명의 이온원(ion源, 1)은, 이온빔(B)의 인출용 개구부(開口部, 20)가 설치되는 제1 벽면(30)과, 자석(26, 28)의 배치 방향을 따라 연장되는 제2 벽면(32)과, 필라멘트(12)를 구비한다. 필라멘트(12)는, 제2 벽면(32)으로부터, 자석(26, 28)의 배치 방향과 다른 방향으로 입설(立設)하고, 그 중앙부에서, 접촉하는 것 없이 X상(狀)으로 교차한 루프(loop) 형상(40)을 이루도록 접어 겹쳐져 있다. 이것에 의하여, 자석 사이의 거리를 넓히는 것 없이 이온빔 전류를 증대시키는 것이 가능하게 되는 것과 함께, 필라멘트를 낮은 코스트로 작성하는 것이나, 로버스트성(robustness)이 높은 이온원을 공급하는 것이 가능하게 되었다.

Description

이온원{ION SOURCE}

본 발명은, 가스를 공급하여 아크(arc) 전압을 인가(印加)하는 것에 의하여 플라스마를 생성하고, 이 플라스마로부터 이온빔을 생성하는 이온원(ion源), 예를 들어, 반도체용 이온 주입 장치나 FPD(Flat Panel Display) 제조용 이온 주입 장치에 이용하는 이온원에 관한 것이다.

일반적으로 넓게 이용하는 이온원은, 플라스마 용기를 애노드(anode)로 하고, 통전(通電)하는 것으로 열전자를 방출하는 필라멘트를 캐소드(cathode)로 하여 아크 방전을 야기하여 원료 가스를 플라스마화하는 것에 의하여, 플라스마를 생성한다. 이 플라스마 중의 양의 하전 입자가, 플라스마 용기에 설치된 가늘고 긴 개구부(開口部), 혹은 연속한 복수의 개구부로부터 이온빔으로서 인출된다. 이때, 이온빔의 인출 방향과 수직 방향으로 자장을 인가한다.

이와 같은 이온원에 있어서는, 일반적으로, 이하의 기술적 요청이 지적되고 있다.

생성되는 플라스마 밀도가 대략 균일할 것,

이온빔의 전류를 증가하기 위하여, 이온빔으로서 인출되는 개구부 근방의 플라스마 밀도를 증가시킬 것,

플라스마 중의 이온의 충돌에 의하여 마모하는 필라멘트는, 소모품으로서 코스트가 낮을 것,

필라멘트는, 장기간 사용 가능하도록, 마모 내성이 높고 굵은 선재(線材)일 것이다.

예를 들어, 플라스마 용기 내에서 플라스마 밀도가 대략 균일하기 위해서는, 자장의 강도가 플라스마 용기 근방에서 대략 균일(자장의 변동은 수 % 이하)하게 되도록, 자석의 설계, 제작 및 조정이 필요하다고 하는 것이 알려져 있다.

또한, 개구부 근방의 플라스마 밀도를 증가시키기 위해서는, 개구부로부터 연장된 플라스마 용기의 벽면의 위치에, 필라멘트를 가까이 대는 것이 유효하다고 하는 것이 알려져 있다.

나아가, 필라멘트의 코스트 저감을 위해서는, 필라멘트의 선재를 휨가공에 의하여 제작하는 것이 요망되고 있다. 필라멘트의 선재로서, 융점이 높고 마모 내성이 높은 텅스텐이나 몰리브덴을 주된 성분(질량%로 90% 이상)으로 하는 재료가 이용된다. 이때, 텅스텐이나 몰리브덴은 융점이 높기 때문에, 가소성을 얻기 위하여 고온으로 선재를 가공할 필요가 있다. 이 때문에, 선재로서 선 직경이 대략 2mm 이하의 것이 이용되고 있다.

한편, 일본국 특허공보 제3075129호에는, 필라멘트가, 플라스마 용기인 플라스마 생성 챔버의 내부에서, 이온 인출구가 형성된 이온 인출면의 방향으로 구부러져 있는 이온원이 기재되어 있다. 이것에 의하여, 이온빔을 증대시킬 수 있다고 되어 있다.

나아가, 일본국 공개특허공보 특개2007-311118호에는, 이온빔의 전류가 크고, 캐소드인 필라멘트의 수명을 길게 하는 이온원으로서, 플라스마 밀도의 분포 제어를 위한 필라멘트가, 플라스마 용기의 긴쪽 방향을 따라 복수 병설(竝設, 둘 이상의 물건을 나란히 놓아 설치하는 것)된 이온원이 기재되어 있다.

이와 같은 상황 아래, 이온빔의 전류를 보다 증대하기 위해서는, 일본국 특허공보 제3075129호에 기재된 수단을 이용하는 외, 이온원의 이온빔의 인출용의 개구부를 확대하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 개구부의 확대 방법에 따라서는, 이온빔의 에미턴스(emittance)(인출된 이온빔의 진행 방향에 있어서의 하전 입자의 운동의 격차 특성)는, 이온 주입 장치의 이온빔으로서 이용할 수 없을 정도로 악화된다. 이 때문에, 개구부를 안이하게 확대할 수는 없다. 한편, 이온원의 사이즈 확대에 의하여, 플라스마 용기를 확대하여 에미턴스를 악화시키지 않고 개구부를 가늘고 길게 확대하여 이온빔의 전류를 증대하는 것도 생각할 수 있다. 이 경우, 자장의 강도가 플라스마 용기 근방에서 대략 균일하다고 하는 것이 보다 강하게 요망된다. 일반적으로, 자장의 형성을 위하여, 100 ~ 150mm의 길이를 가지는 플라스마 용기의 긴쪽 방향으로 한 쌍의 자석을 배치하지만, 플라스마 용기에 작용하는 고전압이나 고온의 대책을 위한 공간이나 부재를 필요로 하기 때문에, 이 자석 사이의 배치 거리는 500 ~ 600mm가 된다. 이와 같은 자석 사이의 거리가 길고, 넓은 공간을, 이온원의 사이즈 확대에 따라 넓게 하는 것은, 대략 균일한 자장을 설정하는 데에 있어서 곤란하다. 이 때문에, 자석 사이의 거리를 넓히는 것 없이, 플라스마 용기를 확대하는 것이 필요하다.

한편, 필라멘트에 이용하는 텅스텐이나 몰리브덴의 선재를 소정의 형상으로 구부리는 휨가공은, 선재의 융점이 높기 때문에, 어렵다. 종래, 선재의 교체에 판재를, 와이어 전극을 이용한 방전 가공에 의하여 복잡한 형상으로 절단하여 필라멘트의 가공을 행하고 있었다. 이 때문에, 낮은 코스트로 휨가공을 행하여 제작하는 데에는, 판재가 아니라 선재를 이용하고, 게다가 이 선 직경을 2mm 정도로 억제할 필요가 있다. 한편, 필라멘트의 형상을 바꾸는 것 없이, 곡률 반경이 큰 매끄러운 형상으로 하기 위하여 사이즈를 확대할 경우, 필라멘트의 사이즈에 대응하여 플라스마 용기도 크게 하게 되어, 실용적이지 않다. 또한, 필라멘트는 플라스마를 생성하는 열전자의 방출원으로 되어, 플라스마의 밀도에 영향을 주기 때문에, 종래의 필라멘트는, 접어 구부림 부분을 포함하는 소정의 복잡한 형상을 이루고 있었다. 이 때문에, 생성되는 플라스마의 밀도가 종래와 동등하고, 가공의 점에서 단순한 형상이며, 가능한 한 굵은 선 직경을 가지는 필라멘트가 요망되고 있다.

나아가, 필라멘트의 형상은, 소망의 플라스마의 밀도를 달성하기 위하여, 이온원의 각종 치수에 맞추어 설정된 것이기 때문에, 이온원의 각종 치수 등이 시간의 경과 변화나 열팽창 등에 의하여 변화하는 것에 의하여, 소망의 플라스마의 밀도를 얻을 수 없게 된다. 이온원의 각종 치수가 변화하여도 플라스마의 밀도에 영향을 주지 않는, 즉, 로버스트성(robustness)이 높은 이온빔을 생성하는 이온원의 구성이 요망되고 있다.

또한, 필라멘트는, 플라스마 생성 중, 플라스마에 노출되고 마모하여 선 직경이 가늘어진다. 이 때문에, 필라멘트의 안에서 열전자의 방출에 기여하는 온도의 높은 부분은 마모에 의하여 변화하고, 이것에 따라, 열전자의 방출 위치도 변화한다. 이 결과, 발생하는 플라스마의 위치도 변화하기 때문에, 플라스마로부터 인출되는 이온빔의 전류도 변화하여, 안정된 이온빔의 전류를 얻을 수 없다. 즉, 이온원의 사용에 따라, 이온빔의 전류도 서서히 변화한다. 이 때문에, 필라멘트가 마모하는 등의 시간의 경과 변화에 따라서도, 이온빔의 전류가 별로 영향을 받지 않는, 즉 로버스트성이 높은 이온빔을 생성하는 이온원의 구성이 요망되고 있다.

그래서, 본 발명은, 상술의 배경을 고려하여, 자석 사이의 거리를 넓히는 것 없이, 플라스마 용기를 확대할 수 있고, 또한, 낮은 코스트로 필라멘트를 제작할 수 있으며, 나아가, 이온원의 각종 치수의 변화나 필라멘트의 마모에 대하여 로버스트성이 높은 이온원을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 가스를 공급하여 아크 전압을 인가하는 것에 의하여 플라스마를 생성하고, 이 플라스마로부터 이온빔을 생성하는, 이하의 이온원을 제공한다. 이온원은,

(A) 이온빔의 인출 방향과 직교하는 방향으로 인가하는 자장을 형성하는 한 쌍의 자석과,

(B) 상기 한 쌍의 자석의 사이에 설치되고, 가스가 공급되어 플라스마를 생성하는, 도체면을 가지는 내부 공간을 구비하고, 이온빔을 인출하기 위한 개구부가, 상기 내부 공간의, 상기 한 쌍의 자석의 배치 방향을 따라 연장되는 제1 벽면에 설치된 플라스마 용기와,

(C) 상기 플라스마 용기와 전기 절연되고, 상기 한 쌍의 자석의 배치 방향을 따라 연장되는 제2 벽면으로부터 입설(立設, 선 상태로 설치하는 것)하고, 통전하는 것에 의하여 상기 내부 공간으로 열전자를 방출하는 필라멘트와, (D) 상기 필라멘트에 전류를 흐르게 하는 전원를 가지고,

(E) 상기 필라멘트가 입설하는 상기 제2 벽면은, 상기 제1 벽면이 향하는 방향과 다른 방향으로 향하는 면이며, 상기 필라멘트는, 상기 제2 벽면으로부터, 상기 한 쌍의 자석의 배치 방향과 다른 방향으로 입설하고,

(F) 나아가, 상기 필라멘트는, 상기 필라멘트의 중앙부에서 루프(loop) 형상을 이루도록 접어 겹쳐지고, 상기 루프 형상을 이루는 면에 대하여 수직 방향으로부터 보았을 때, 상기 루프 형상의 기부(基部)에서 접촉하는 것 없이 X상(狀)으로 교차하는 부분을 가진다.

그때, 상기 내부 공간은, 직방체 형상을 이루고, 상기 제2 벽면은, 상기 제1 벽면과 대향하는 벽면인 것이 바람직하다.

또한, 상기 루프 형상을 이루는 면은, 상기 한 쌍의 자석의 자장의 방향에 대하여 대략 수직으로 되도록, 상기 필라멘트는 입설하고 있는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 플라스마 용기의 상기 내부 공간의, 상기 배치 방향의 양 단부(端部)에는, 열전자를 반사하는 반사판이, 상기 필라멘트의 루프 형상과 대향하도록 설치되고, 상기 루프 형상의 사이즈는, 상기 반사판의 사이즈보다 작은 것이 바람직하다.

또한, 상기 필라멘트는 막대상의 선재를 휨가공하여 제작된 것이며, 텅스텐, 몰리브덴, 및, 텅스텐 또는 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택된 금속인 것이 바람직하다.

나아가, 상기 필라멘트의 선 직경은, 2mm보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 필라멘트의 X상으로 교차하는 부분의 교차 각도는 70 ~ 110도인 것이 바람직하다.

나아가, 상기 필라멘트의 선단부(先端部)와 상기 제1 벽면과의 사이의 거리는 2 ~ 3mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 이온원에서는, 필라멘트의 중앙부에서 루프 형상을 이루도록 접어 겹쳐지고, 이 루프 형상을 이루는 면에 대하여 수직 방향으로부터 보았을 때, 루프 형상의 기부에서 X상으로 교차한 부분을 가지도록, 필라멘트를 구성하고 있다. 이 때문에, X상으로 교차하는 부분이 서로 발(發)하는 열에 의하여, 서로의 교차 부분이 가열되고, 이 가열이 루프 형상의 부분에도 전열하기 때문에, 루프 형상의 넓은 부분에서 고온으로 되어 열전자를 방출하고, 플라스마도 넓은 범위에서 완만하게 생성된다. 이 때문에, 이온원의 각종 치수 등이 시간의 경과 변화나 열팽창 등에 의하여 변화하여도, 상기 플라스마로부터 인출되는 이온빔의 전류가 받는 영향은 작다. 또한, 루프 형상의 넓은 부분으로부터 열전자가 방출되기 때문에, 필라멘트가 마모하여도, 생성되는 플라스마의 범위는 크게 변화하지 않는다. 이 때문에, 필라멘트가 마모하여도, 플라스마로부터 인출되는 이온빔의 전류가 받는 영향은 작다.

또한, 필라멘트는, 루프 형상 및 X상을 이룬 형상으로, 종래의 복잡한 형상에 비하여 단순한 형상이기 때문에, 휨가공을 하기 어려운 굵은 선재라도 용이하게 가공할 수 있다. 이 때문에, 저코스트로 수명이 긴 필라멘트를 제공할 수 있다.

나아가, 필라멘트가 입설하는 제2 벽면은, 제1 벽면이 향하는 방향과 다른 방향으로 향하는 면이며, 필라멘트는, 상기 제2 벽면으로부터, 한 쌍의 자석의 배치 방향과 다른 방향으로 입설하는 구성으로 되어 있다. 특히, 이온빔을 인출하는 개구부를 구비하는 제1 벽면과 대향하는 벽면으로부터 필라멘트를 입설하는 구성으로 되어 있다. 이 때문에, 플라스마 용기의, 자석의 배치 방향의 양 단부에 필라멘트를 장착하는 종래의 구성과 달리, 이 양단 부분에 필라멘트의 지지 부재나 절원 부재를 설치하는 스페이스가 불필요로 된다. 이 때문에, 이 스페이스가 불필요로 된 분(分)을, 플라스마 용기의 사이즈 확대에 이용할 수 있다.

나아가, 이온빔을 인출하는 개구부를 구비하는 제1 벽면과 대향하는 벽면을 제2 벽면으로 하여 필라멘트를 입설하는 구성을 취하는 것에 의하여, 필라멘트의 선단의 위치를, 개구부를 구비하는 제1 벽면의 근처에 접근시킬 수 있어, 개구부 근방에서 밀도가 높은 플라스마를 생성할 수 있다.

나아가, 필라멘트를 제2 벽면으로부터 입설시키는 구성이기 때문에, 필라멘트의 열전도에 의한 열손실의 저감을 위하여, 필라멘트의 플라스마 용기를 통과하는 다리부의 길이를 조정하는 것, 혹은, 필라멘트 다리부에 있어서의 퇴적물의 부착 방지를 위한 슬리브관의 설치 등을, 플라스마 용기의 사이즈와는 독립하여 자유롭게 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 이온원의 일 실시예의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2의 (a), (b)는, 도 1에 도시하는 이온원에 이용하는 필라멘트의 형상을 설명하는 도면이다.

이하에, 첨부의 도면에 도시하는 호적 실시예에 기초하여, 본 발명의 이온원을 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 발명의 이온원의 일 실시예의 구성을 도시하는 도면이다.

이온원(1)은, 원료 가스(G)를 공급하고 방전하는 것에 의하여 플라스마(P)를 생성하고, 이 플라스마(P)로부터 이온을 인출하는 것에 의하여 이온빔(B)을 생성하는 버나스(bernas)원이다. 이온원(1)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 플라스마 용기(10), 필라멘트(12), 반사판(14, 16), 원료 가스 공급구(18), 이온빔 인출구(20), 인출 전극(22, 24), 및 자석(26, 28)을 가진다. 플라스마 용기(10)는, 도시되지 않는 이온 주입 장치의 감압 용기 내에 수납되고, 플라스마 용기(10) 내에 서 10^-2 ~ 10^-3(Pa)로 감압된 상태로 되어 있다.

플라스마 용기(10)는, 직방체 형상의 내부 공간을 가지는 방전 상자이다. 플라스마 용기(10)는, 내고온성을 가지는 도전성 재료로 구성되어 있다. 본 발명에 있어서는, 내부 공간은, 직방체 형상에 한정되지 않고, 다각 기둥 형상이나 원주(圓柱) 형상이어도 무방하다. 원주 형상인 경우, 본 발명에 있어서의 벽면은, 접평면을 의미한다.

플라스마 용기(10)의 내부 공간의 벽면으로부터, 내부 공간에 돌출하는 필라멘트(12)가 입설하고 있다. 필라멘트(12)는, 이온빔 인출구(20)가 설치되는 벽면(30)에 대향하는 벽면(32)으로부터 입설하고 있다. 필라멘트(12)는, 텅스텐, 몰리브덴, 텅스텐 또는 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택된 금속으로 구성된다. 특히, 내마모성의 점으로부터 텅스텐으로 구성하는 것이 바람직하다.

플라스마 용기(10)는, 일 방향(도 1 중의 수평 방향)으로 길고, 이 긴쪽 방향은, 자석(26, 28)의 배치 방향과 일치하고 있다.

이와 같이 필라멘트(12)가 입설하는 벽면을, 이온빔 인출구(20)가 설치되는 벽면(제1 벽면, 30)에 대향하는 벽면(제2 벽면, 32)으로 하는 것은, 자석(26)과 자석(28) 사이의 거리를 넓히는 것 없이, 플라스마 용기(10)를 긴쪽 방향으로 확대할 수 있기 위함이다. 즉, 종래와 같이, 자석(26, 28)의 배치 방향에 면(面)하는 벽면, 즉, 플라스마 용기(10)의 긴쪽 방향의 단부의 벽면으로부터 필라멘트(12)를 내부 공간에 입설시킨 경우, 플라스마 용기(10)의 긴쪽 방향의 단부에 필라멘트 지지 부재나 절연 부재 등의 배치 스페이스가 필요로 된다. 이 때문에, 이온원(1)과 같이, 이온빔 인출구(20)가 설치되는 벽면(30)에 대향하는 벽면(32)으로부터 필라멘트(12)를 입설하는 것에 의하여, 필라멘트 지지 부재나 절원 부재 등의 배치 스페이스를 불필요로 하기 때문에, 이 불필요한 배치 스페이스를, 플라스마 용기(10)의 긴쪽 방향의 치수의 확대에 이용할 수 있다.

나아가, 필라멘트(12)의 열전도에 의한 열손실의 저감을 위하여, 필라멘트(12)의 플라스마 용기(10)를 통과하는 다리부의 길이를 조정하는 것이나, 필라멘트의 다리부에 있어서의 퇴적물의 부착 방지를 위한 슬리브관의 설치를, 플라스마 용기(10)의 사이즈와는 독립하여 자유롭게 행할 수 있다.

이와 같이, 이온빔 인출구(20)의 벽면(30)과 대향하는 벽면(32)으로부터 필라멘트(12)가 입설한다. 이때, 필라멘트(12)의 선단부는 벽면(30)에 대하여 2 ~ 3mm의 범위 내에서 근접시킨다. 이것에 의하여, 이온빔 인출구(20) 근방에 있어서 플라스마(P)의 밀도를 증대시켜, 이온빔(B)의 전류를 증대시킬 수 있다.

덧붙여, 본 발명에 있어서는, 이온빔 인출구(20)가 설치되는 벽면(30)에 대향하는 벽면(32)으로부터 필라멘트(12)를 입설시키는 구성에 한정되지 않는다. 도 1의 지면에 평행한 면을 구비하는 벽면으로부터 필라멘트(12)를 입설시킬 수도 있다. 본 발명에 있어서, 필라멘트(12)는, 이온빔 인출구(개구부, 20)가 설치되는 벽면(30)이 향하는 방향(벽면(30)의 수선 방향)과 다른 방향으로 향하고, 한 쌍의 자석(26, 28) 사이의 배치 방향을 따라 연장되는 벽면으로부터, 한 쌍의 자석(26, 28)의 배치 방향과 다른 방향으로 입설하고 있으면 된다. 그러나, 이온빔 인출구(20)로부터 가장 먼 벽면(32)에 필라멘트(12)를 설치하는 구성이, 필라멘트(12)를 흐르는 전류가 이온빔(B)에 주는 영향을 최소로 하는 점에서 바람직하다.

필라멘트(12)는, 나아가, 루프 형상을 이루어 구성된다. 이 점은, 후술한다.

필라멘트(12)의 대면 측 및 배면 측, 즉, 플라스마 용기(10)의 내부 공간의 자석(26, 28)의 배치 방향의 양 단부의 벽면에는, 반사판(14, 16)이 설치되어 있다. 반사판(14, 16)은, 내고온성을 가지는 금속제 부재로 이루어지고, 도시되지 않는 클램프 부재나 절연 부재를 통하여 플라스마 용기(10)에 고정되어 설치된다. 반사판(14, 16)은, 플라스마 용기(10)의 내부 공간의 단면을 대략 점유하도록 설치되어 있다.

플라스마 용기(10)의 벽면(31)에는, 원료 가스 공급구(18)가 설치된다. 소망의 원료 가스가, 도시되지 않는 제어 밸브에 의하여 일정한 유량으로 제어되어, 플라스마 용기(10)의 내부 공간으로 도입된다.

플라스마 용기(10)의 외측에는, 벽면(30)에 설치된 이온빔 인출구(20)에 대향하도록 인출 전극(22, 24)이 설치되어 있다. 인출 전극(22, 24)은, 이온 인출구(20)와 마찬가지의 형상의 개구부를 구비하고, 도시되지 않는 절연 부재를 통하여, 플라스마 용기(10)에 대하여 정밀하게 위치 결정되어 고정되어 있다. 인출 전극(22, 24)은, 이온빔(B)에 노출되는 기회가 많기 때문에, 고융점이고 내열성이 높은 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 등을 이용할 수 있지만, 경제성 및 가공성의 점에서, 그라파이트가 호적하게 이용된다. 이온빔(B)은, 플라스마 용기(10)의 벽면(30)과 인출 전극(22) 사이의 전위차에 의하여, 플라스마(P)로부터 이온이 분리되고 인출되어, 이온빔(B)이 형성된다.

인출 전극(22, 24) 사이에는 수1000V의 전압이 인가된다. 이온빔(B)이 벽면 등에 충돌하여 생성되는 저속인 전자가, 이온빔(B)의 전하에 의하여 포착되고, 체류하여 분포하고 있지만, 상기 수1000V의 전압을 인출 전극(22, 24) 사이에 인가하는 것에 의하여, 인출 전극(22)과 인출 전극(24)과의 사이의 전위차에 의하여 상기 전자가 플라스마 용기(10)의 외측 벽면에 조사(照射)되는 것을 방지할 수 있다.

플라스마 용기(10)의 외측에는, 한 쌍의 자석(26, 28)이 설치되고, 플라스마 용기(10) 내의 자장을, 자석(26, 28)의 배치 방향을 따라 대략 균일(자장의 변동은 수 % 이내)하게 되도록, 자석(26, 28)이 배치되고, 나아가 자석의 형상이 정하여져 있다. 자석(26, 28)에는, 자력선이 플라스마 용기(10)의 긴쪽 방향의 일방(一方)의 단(端)으로부터 타방(他方)의 단으로 통과하도록, N극, S극이 배치되고, 자석(26, 28)은 투자율이 높은 전자 연철(軟鐵) 등으로 제작된 도시되지 않는 리턴 요크(yoke)로, 자석(26, 28)의 외측이 연결되어 있다. 자석(26, 28)은, 영구 자석 또는 전자석이 이용된다. 그러나, 자장을 조정 가능하게 하기 위해서는, 전자석을 이용하는 것이 바람직하다.

필라멘트(12)에는, 열전자를 방출 가능하도록, 필라멘트 전원(33)이 접속되어 있다. 필라멘트 전원(33)의 양극 및 음극이 필라멘트(12)와 접속되고, 필라멘트(12)에 수100A의 전류를 흐르게 한다. 이것에 의하여, 필라멘트(12)를 가열하여 열전자를 방출시킨다. 필라멘트 전원(33)의 양극은, 반사판(14, 16)에 접속되어 있다.

나아가, 필라멘트 전원(33)의 음극과 플라스마 용기(10)와의 사이에는, 아크 방전 전원(34)이 접속되고, 플라스마 용기(10)에 수10 ~ 수100V의 아크 전압이 인가된다.

전원(36)은, 이온빔(B)을 인출하기 위한 인출 전원이며, 양극은 플라스마 용기(10)에 접속되고, 음극은 인출 전극(24)에 접속되며, 수천V ~ 수십만V의 전압이 인가된다. 나아가, 인출 전극(22)과 인출 전극(24)과의 사이에 전압을 설정하고, 전자가 플라스마 용기(10)의 외측 벽면을 조사하지 않도록, 인출 전극(22)과 인출 전극(24)과의 사이에 수1000V의 전압을 인가하는 전원(38)이 접속되어 있다.

필라멘트 전원(33)의 전류 및 아크 방전 전원(34)의 아크 전압은, 이온빔(B)의 전류가 안정되도록, 도시되지 않는 제어 장치에 의하여 조정된다. 혹은, 필라멘트 전원(33)을 흐르는 전류와 전원(36)을 흐르는 전류가, 도시되지 않는 제어 장치에 의하여 조정된다. 필라멘트 전원(33)을 흐르는 전류와 전원(36)을 흐르는 전류의 조정을 행하는 쪽이, 간단하게 조정할 수 있는 점에서 바람직하다.

이와 같은 이온원(1)에 있어서, 필라멘트(12)는, 도 2의 (a), (b)에 도시하는 바와 같이, 필라멘트(12)의 중앙부에서 루프 형상(40)을 이루도록 접어 겹쳐져 있다. 루프 형상(40)을 이루는 면에 대하여 수직 방향으로부터 보았을 때, 루프 형상(40)의 기부(42)에서 접촉하는 것 없이 X상으로 교차한 부분을 가진다. 필라멘트(12)의 루프 형상(40)을 이루는 면은, 도 1에 도시하는 자석(26, 28)의 자장의 방향에 대하여 대략 수직, 실질적으로 수직이다. 나아가, 루프 형상(40)의 루프 사이즈는, 반사판(14, 16)의 사이즈보다 작다. 이것은, 필라멘트(12)의 루프 형상(40)의 부분으로부터 방출된 열전자를 효율 좋게 반사하여 열전자의 왕복 운동을 할 수 있도록 하기 위함이다.

이와 같은 필라멘트(12)는, 휨가공에 의하여 형상이 만들어진다. 필라멘트(12)의 형상이 단지 루프 형상(40)이며, 루프 형상(40)의 기부(42)에 있어서 X상으로 교차하는 것 뿐이기 때문에, 텅스텐이나 몰리브덴 등의 융점이 높은 선재여도, 나아가, 2mm를 넘는 굵은 선재여도, 곤란 없이 가공할 수 있다.

도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 필라멘트(12)의 교차하는 기부(42)의 교차 각도는 90도 정도인 것이 바람직하지만, 가공에 따라서는, 70 ~ 110도의 범위여도 무방하다. 또한, 필라멘트(12)의 벽면을 빠져 나가는 다리부에 있어서, 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 필라멘트(12)의 선이 평행인 것이 바람직하지만, 평행이 아니어도 무방하다.

필라멘트(12)를 루프 형상(40)으로 하는 것은, 종래의 필라멘트의 형상에 비하여, 형상이 단순하고, 휨가공을 하기 쉽고, 그 결과, 종래에 비하여 굵은 선 직경, 즉, 2mm를 넘는 선 직경을 이용할 수 있는 것 외, 필라멘트(12)로부터 방출된 열전자가 반사판(14, 16)과의 사이에서 나선 운동을 행할 때, 필라멘트가, 열전자의 나선 운동의 방해가 되지 않도록 하고, 열전자에 의하여 만들어지는 플라스마의 밀도를 효율적으로 증대하기 위함이다. 도 2의 (b) 중, 루프 형상(40)으로 둘러싸인 영역(사선 영역, A)은, 열전자의 통과의 방해로 되지 않는다.

또한, 종래의 필라멘트에서는, 필라멘트의 온도는, 필라멘트를 접어 겹친 중앙 부분만이 높아지기 때문에, 온도에 따라 방출량이 정하여지는 열전자의 방출 부분은 접어 겹친 좁은 범위에 한정된다. 이 때문에, 좁은 범위로부터 방출된 열전자에 의하여 생성되는 밀도의 높은 플라스마는 국재화(局在化, 국소적으로 존재하도록 되는 것)하고, 이 국재화한 플라스마를 인출하는 것에 의하여, 이온빔의 전류를 증대시킬 수 있다. 그러나, 필라멘트의 마모의 진전에 의하여, 필라멘트의 온도의 높은 부분의 위치가 변화하면, 밀도의 높은 플라스마의 위치도 당초의 위치로부터 어긋나기 때문에, 당초의 위치에 맞추어 설정된 이온빔 인출구로부터 인출되는 이온빔의 전류는 크게 변화한다. 또한, 국재화한 플라스마의 당초의 위치에 맞추어 이온원(1)의 각종 치수가 설정되기 때문에, 이온원(1)의 각종 치수 등이 시간의 경과 변화나 열팽창 등에 의하여 변화한 경우, 생성되는 플라스마의 당초의 위치에 맞추어 설정된 이온빔 인출구로부터 인출되는 이온빔의 전류도 크게 변화한다.

그러나, 필라멘트(12)의 루프 형상(40)의 기부(42)에 있어서, 필라멘트(12)를 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이 X상으로 교차하는 것에 의하여, 이 교차 부분에서 필라멘트(12)끼리가 접근하기 때문에, 이 부분의 서로의 방사전열에 의하여 서로가 가열되고, 루프 형상(40)의 부분에 전열하기 때문에 열손실이 감소한다. 이 때문에, 필라멘트(12)와 같이, 루프 형상(40)으로 하고, 또한 X상으로 교차시키는 것으로, 기부(42)로부터 루프 형상(40)을 이루는 넓은 부분의 온도 분포는 완만하게 되어, 루프 형상(40)을 이루는 넓은 부분이, 열전자를 방출하는 고온 부분으로 된다. 이것에 의하여, 종래에 비하여 열전자의 방출 부분이 넓어지기 때문에, 플라스마의 생성 영역이 국재화되지 않고 넓은 범위에서 완만하게 분포한다. 이 때문에, 이온원(1)의 각종 치수 등이 시간의 경과 변화나 열팽창 등에 의하여 변화하여도, 넓은 범위에서 완만하게 분포하는 플라스마로부터 인출되는 이온빔(B)의 전류는 큰 영향을 받지 않는다. 즉, 이온원의 각종 치수의 변화에 대한, 이온빔(B)의 전류의 로버스트성은 높다.

필라멘트(12)가 마모한 경우여도, 열전자를 방출한 필라멘트의 온도의 높은 부분은 루프 형상(40)의 넓은 부분이기 때문에, 생성되는 플라스마도 당초의 위치로부터 크게 어긋나는 것은 없다. 이 때문에, 인출되는 이온빔의 전류는 크게 변화하지 않는다. 이와 같이, 이온원(1)에 있어서, 필라멘트(12)가 마모하여도, 이온빔(B)의 전류는 큰 영향을 받지 않는다. 즉, 필라멘트(12)의 마모에 대한, 이온빔(B)의 전류의 로버스트성은 높다.

이와 같은 이온원(1)에서는, 필라멘트(12)에 전류가 흐르고, 고온으로 발열하는 것에 의하여 필라멘트(12)의 루프 형상(40)을 이루는 부분으로부터 열전자가 방출되고, 이 열전자가, 자장의 방향을 따라, 반사판(14, 16)의 사이를 나선 운동하면서 왕복한다. 이때, 원료 가스(G)가 원료 가스 공급구(18)로부터 도입되고, 아크 전원(34)에 소정의 전압이 인가되고, 원료 가스(G)가 열전자와 충돌하는 것에 의하여, 원료 가스(G)의 원자가 대전하여, 플라스마(P)가 생성된다.

이때, 필라멘트(12)의 루프 형상(40)의 영역(A)에서는, 열전자가 자유롭게 통과하기 때문에, 열전자는, 반사판(14, 16) 사이에서 왕복 운동이 가능하게 된다. 이 때문에, 플라스마(P)가 필라멘트(12)의 루프 형상(40)을 포함하는 주변 영역(31)에서 완만한 분포로 생성된다. 생성되는 플라스마(P)는 반사판(14, 16)을 양단으로 하는 원주 형상으로 된다. 이 후, 인출 전극(22, 24)에 소정의 전압이 인가되고, 이온빔 인출구(20)로부터 이온빔(B)이 인출된다.

필라멘트(12)가 플라스마(P)에 의하여 마모하여도, 필라멘트(12)의 열전자를 방사하는 부분은 상술한 바와 같이 넓기 때문에, 플라스마(P)의 생성되는 영역은 크게 변화하지 않는다. 이 때문에, 플라스마(P)로부터 인출되는 이온빔(B)의 전류는 큰 영향을 받지 않는다. 또한, 필라멘트(12)에 의하여, 넓은 범위에서 완만하게 분포하는 플라스마가 생성되기 때문에, 이 플라스마로부터 인출되는 이온빔(B)의 전류는, 이온원(1)의 각종 치수 등이 시간의 경과 변화나 열팽창 등에 의하여 변화하여도 큰 영향을 받지 않는다.

이상, 본 발명의 이온원에 관하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지의 개량이나 변경을 하여도 무방한 것은 물론이다.

1: 이온원 10: 플라스마 용기
12: 필라멘트 14, 16: 반사판
18: 원료 가스 공급구 20: 이온빔 인출구
22, 24: 인출 전극 26, 28: 자석
30, 32: 벽면 33: 필라멘트 전원
34: 아크 전원 36, 38: 전원
40: 루프 형상

Claims

가스를 공급하여 아크(arc) 전압을 인가(印加)하는 것에 의하여 플라스마를 생성하고, 이 플라스마로부터 이온빔을 생성하는 이온원이고,
이온빔의 인출 방향과 직교하는 방향으로 인가하는 자장을 형성하는 한 쌍의 자석과,
상기 한 쌍의 자석의 사이에 설치되고, 가스가 공급되어 플라스마를 생성하는, 도체면을 가지는 내부 공간을 구비하고, 이온빔을 인출하기 위한 개구부(開口部)가, 상기 내부 공간 내의, 상기 한 쌍의 자석의 배치 방향을 따라 연장되는 제1 벽면에 설치된 플라스마 용기와,
상기 플라스마 용기와 전기 절연되고, 상기 한 쌍의 자석의 배치 방향을 따라 연장되는 제2 벽면으로부터 입설(立設)하고, 통전(通電)하는 것에 의하여 상기 내부 공간으로 열전자를 방출하는 필라멘트와,
상기 필라멘트에 전류를 흐르게 하는 전원,을 가지고,
상기 필라멘트가 입설하는 상기 제2 벽면은, 상기 제1 벽면이 향하는 방향과 다른 방향으로 향하는 면이며, 상기 필라멘트는, 상기 제2 벽면으로부터, 상기 한 쌍의 자석의 배치 방향과 다른 방향으로 입설하고, 나아가, 상기 필라멘트는, 상기 필라멘트의 중앙부에서 루프(loop) 형상을 이루도록 접어 겹쳐지고, 상기 루프 형상을 이루는 면에 대하여 수직 방향으로부터 보았을 때, 상기 루프 형상의 기부(基部)에서 접촉하는 것 없이 X상(狀)으로 교차하는 부분을 가지는 것을 특징으로 하는, 이온원.
제1항에 있어서,
상기 내부 공간은, 직방체 형상을 이루고,
상기 제2 벽면은, 상기 제1 벽면과 대향하는 벽면인, 이온원.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 루프 형상을 이루는 면은, 상기 한 쌍의 자석의 자장의 방향에 대하여 대략 수직으로 되도록, 상기 필라멘트는 입설하고 있는, 이온원.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라스마 용기의 상기 내부 공간의, 상기 배치 방향의 양 단부(端部)에는, 열전자를 반사하는 반사판이, 상기 필라멘트의 루프 형상과 대향하도록 설치되고,
상기 루프 형상의 사이즈는, 상기 반사판의 사이즈보다 작은, 이온원.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필라멘트는 막대상의 선재(線材)를 휨가공하여 제작된 것이며, 텅스텐, 몰리브덴, 및, 텅스텐 또는 몰리브덴을 주성분으로 하는 합금 중에서 선택된 금속인, 이온원.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필라멘트의 선 직경은 2mm보다 큰, 이온원.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필라멘트의 X상으로 교차하는 부분의 교차 각도는 70 ~ 110도인, 이온원.
제2항에 있어서,
상기 필라멘트의 선단부(先端部)와 상기 제1 벽면과의 사이의 거리는 2 ~ 3mm인, 이온원.