KR20160003000A - 액적 토출 장치 및 이온원 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 베셀 안으로 액적을 효율적으로 토출할 수 있는 액적 토출 장치를 제공한다. 액적 토출 장치는 액체(9)를 보유지지하며 내부 압력이 조정될 수 있는 액체 용기(12), 액체 용기(12)에 보유지지되는 액체(9)로부터 액적(16)을 발생시키도록 구성되는 액적 발생 유닛(14), 액체 용기(12)에서 발생된 액적(16)을 토출하는 노즐(11), 노즐(11) 및 액체 용기(12)를 접속하는 접속 튜브(10), 및 접속 튜브(10) 및 노즐(11) 중 적어도 하나를 가열하도록 구성되는 제1 가열 유닛(30)을 포함한다.
Description
본 발명은 진공 중에 액적을 토출함으로써, 분자 또는 클러스터 이온 빔을 생성하는 장치에 관한 것이다.
액적을 포함하는 캐리어 가스를 노즐을 통해 진공 베셀(vessel) 안으로 토출함으로써, 클러스터를 진공 중에 도입할 수 있다. 클러스터는, 수개의 분자를 포함하는 클러스터로부터 10000개 이상의 분자를 포함하는 대형 클러스터로 크기가 다르다. 클러스터는 액적을 구성하는 액체 분자 또는 다른 가스 분자를 포함한다. 클러스터가 전자 충격 또는 광이온화에 의해 이온화되면, 클러스터 이온이 발생된다.
고체 표면에의 클러스터 이온의 조사는 에칭, 스퍼터링, 성막 등의 표면 처리 프로세스에 사용된다. 또한, 클러스터 이온이 다원자 분자에 조사되면, 다원자 분자는 단편화(fragmenting)되지 않으면서 이온화될 수 있고, 이러한 기술은 표면 분석 장치에의 적용에도 효과적이다.
액적을 형성하는 방법의 예는, (1) 액적을 형성하는 액체(액체 공급원 재료)가 배치되는 용기에 초음파 진동자가 설치되고, 액체에 초음파 진동을 부여함으로써 액체의 표면으로부터 안개 형태의 액적을 발생시키는 방법; (2) 액체의 표면 아래로 가스를 토출하여 액체 내에 기포를 발생시키고, 기포가 액체의 표면에서 터질(burst open) 때 액적이 발생되는 방법; 및 (3) 액체 공급원 재료가 가열되고, 그 후 응축되어 액적을 발생시키는 방법을 포함한다.
용기에서 앞서 발생된 액적을 용기로부터 추출하는 방법으로서, 용기에 접속된 튜브를 통해 가스가 도입되고, 가스 및 가스 스트림에 포함된 액적이 용기 밖으로 유도되는 방법이 사용된다.
튜브는 진공 베셀에 배치된 노즐에 접속된다. 가스 및 액적은 노즐을 통해 진공 중으로 토출된다(PTL1). 노즐로부터 진공 베셀의 내부까지 압력이 급속하게 저하되고, 가스는 단열팽창에 의해 냉각된다. 한편, 액적은 튜브 및 노즐의 내벽과 접촉될 때 응고되고, 액적은 고체(고체 공급원 재료)로 변환되어 퇴적된다.
고체 공급원 재료가 튜브 및 노즐의 내벽에 퇴적되면, 액적을 포함하는 가스의 유동 채널은 좁아지고, 토출되는 액적의 양은 감소된다. 일부 경우, 유동 채널은 막힐 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 튜브 및 노즐은 가열되어 액적이 튜브 및 노즐의 내벽에서 응고하는 것이 방지될 수 있다.
그러나, 튜브 및 노즐의 온도가 상승되면, 가스 및 액적의 온도 또한 튜브 및 노즐의 내벽으로부터의 열 전달에 의해 상승된다. 온도가 상승된 기체 공급원 재료에서는, 증기압도 상승되고, 액적의 증발이 촉진된다. 그 결과, 액적이 진공 베셀 내에 도달하기 전에, 튜브 및 노즐 내에서 액적의 수 및 사이즈가 감소되어 문제가 된다.
위에서 설명된 바와 같이, 알려진 액적 토출 장치에서는, 토출되는 액적의 양의 저하를 유발하는 고체 공급원 재료의 퇴적을 방지하기 위해 튜브 및 노즐을 가열하면, 액적의 증발에 의해 진공 베셀 안으로의 액적의 토출 효율이 저하된다.
본 발명은 진공 베셀 안으로 액적을 효율적으로 토출할 수 있는 액적 토출 장치를 제공한다.
본 발명의 양태에 따르면, 액적 토출 장치는 액체를 보유지지하고 내부 압력이 조정될 수 있는 액체 용기, 액체 용기에 보유지지된 액체로부터 액적을 발생시키도록 구성되는 액적 발생 유닛, 액체 용기에서 발생된 액적을 토출하는 노즐, 노즐 및 액체 용기를 접속하는 접속 튜브, 및 튜브 및 노즐 중 적어도 하나를 가열하도록 구성되는 제1 가열 유닛을 포함한다.
본 발명의 양태에 따르면, 진공 베셀 안으로 액적을 효율적으로 토출할 수 있는 액적 토출 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면과 관련되 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1a는 제1 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 제공된 클러스터 이온 조사 장치를 도시하는 개략도이다.
도 1b는 제2 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 제공된 클러스터 이온 조사 장치를 도시하는 개략도이다.
도 1c는 일례로서 증기압과 물의 온도와의 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 실시형태에 따른 액적 토출 장치의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 2b는 기포가 액체 공급원 재료에서 발생되는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2c는 히터가 액체 용기에 제공되는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2d는 펄스 밸브를 포함하는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2e는 외부 가열 유닛을 포함하는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2f는 히터가 접속 튜브에 제공되는 액적 토출 장치르 도시하는 개략도이다.
도 3은 온도 제어기를 포함하는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 4a는 펄스 밸브를 포함하는 액적 토출 장치에 의한 액적 토출 동안의 압력의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 4b는 연속 토출 프로세스에서의 액적 토출 동안의 압력을 도시하는 그래프이다.
도 5a는 제6 실시형태에 따른 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5b는 제7 실시형태에 따른 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5c는 제8 실시형태에 따른 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5d는 제 8 실시형태에 따른 액적 토출 장치의 변형예를 도시하는 개략도이다.
도 1b는 제2 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 제공된 클러스터 이온 조사 장치를 도시하는 개략도이다.
도 1c는 일례로서 증기압과 물의 온도와의 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 실시형태에 따른 액적 토출 장치의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 2b는 기포가 액체 공급원 재료에서 발생되는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2c는 히터가 액체 용기에 제공되는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2d는 펄스 밸브를 포함하는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2e는 외부 가열 유닛을 포함하는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2f는 히터가 접속 튜브에 제공되는 액적 토출 장치르 도시하는 개략도이다.
도 3은 온도 제어기를 포함하는 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 4a는 펄스 밸브를 포함하는 액적 토출 장치에 의한 액적 토출 동안의 압력의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 4b는 연속 토출 프로세스에서의 액적 토출 동안의 압력을 도시하는 그래프이다.
도 5a는 제6 실시형태에 따른 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5b는 제7 실시형태에 따른 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5c는 제8 실시형태에 따른 액적 토출 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5d는 제 8 실시형태에 따른 액적 토출 장치의 변형예를 도시하는 개략도이다.
[제1 실시형태]
제1 실시형태에 따른 액적 토출 장치를 사용하여 진공 베셀 안으로 액적을 토출하는 방법, 및 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치를 사용한 클러스트 이온 조사 방법에 대해 설명한다.
클러스터 이온 조사 장치는 액적 토출 장치(1), 클러스터 발생부(2), 이온화부(3) 및 조사부(4)를 갖는다. 후자의 3개의 부분은 진공 펌프(6)에 의해 배기되는 진공 베셀(5)을 구성한다(도 1a). 상기 장치는 또한 신호 처리 시스템(도시되지 않음)을 포함한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 액적 토출 장치(1)는, 액적을 위한 액체 공급원 재료(9)를 저장하는 액체 용기(12), 액체 용기 안으로 가스를 도입하는 가스 도입 튜브(13), 액체 공급원 재료를 진동시키는 진동자(14), 클러스터 발생부(2)에 위치되는 노즐(11), 및 액체 용기(12) 및 노즐(11)을 접속하는 접속 튜브(10)를 포함한다.
액체 공급원 재료(9)는, 물, 또는 에탄올, 메탄올 및 이소프로필알코올 등의 알코올일 수 있거나, 벤젠, 아세톤, 에테르 및 아세트산 부틸 등의 유기 용매일 수 있다. 액체 공급원 재료는 이들 재료의 혼합물 또는 비혼합물일 수 있다. 또한, 이들 재료에 아세트산, 포름산, 트리플루오로아세트산 등의 산, 또는 암모니아 등의 염기가 혼합될 수 있다. 또한, 아세트산 암모늄 또는 포름산 암모늄이 거기에 혼합될 수 있다.
액적 발생 유닛인 진동자(14)에 적당한 주파수를 갖는 AC 전압을 인가하면, 진동자(14)는 진동을 발생시킨다. 주파수는 몇 kHz 내지 몇 백 MHz인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 100kHz 내지 10MHz 정도이다.
진동자(14)는 액체 용기(12)를 통해 액체 공급원 재료(9)를 진동시키기 때문에, 액적(16)이 진동 에너지에 의해 액체 공급원 재료(9)의 표면으로부터 발생된다.
한편, 가스 도입 튜브(13)로부터, 수증기, 기상 알코올 및 증발된 유기 용매 등의 증발된 액체 공급원 재료(9)와 동일한 가스가 도입될 수 있다. 또한, 공급원 재료 가스와 상이한 가스가 도입될 수 있다. 예를 들어, Ar, Ne, He, Kr, 또는 Xe 등의 희가스, 또는 H2, CO2, Co, N2, O2, NO2, SF6, Cl2, NH4 등의 분자 가스가 공급될 수 있다.
또한, 다른 액적 발생 유닛으로서는, 가스 도입 튜브(13)의 단부가 액체 공급원 재료(9)의 표면 아래에 배치될 수 있다(도 2b). 가스 도입 튜브(13)로부터 가스를 도입함으로써, 액체 공급원 재료에서 기포가 발생될 수 있고, 액적(16)이 액체 공급원 재료로부터 발생될 수 있다. 액체 공급원 재료(9)의 것과 동일한 가스가 도입될 수 있거나, 위에서 설명된 경우에는 공급원 재료 가스와 상이한 가스가 도입될 수 있다.
액체 용기(12)를 충전하는 가스는 접속 튜브(10)를 통해 노즐(11)로 안내되고 진공 베셀 안으로 토출된다. 그 때에, 도2a에 도시된 바와 같이, 액체 용기(12)의 액적(16)은 가스 유동을 따라 이동하고 진공 베셀 안으로 토출된다. 그 기간 동안, 가스의 온도는 단열팽창에 의해 온도가 저하되기 때문에, 액적(16)의 온도는 저하된다.
노즐의 형상과 관련하여, 도 2a 내지 도 2f에 도시된 노즐(11)과 같은 라발 노즐(Laval nozzle), 또는 원추형 개구를 갖는 원추형 노즐이 사용될 수 있다. 대안적으로, 일정한 사이즈의 개구를 갖는 애퍼쳐-타입(aperture-type) 노즐이 사용될 수 있다.
냉각된 액적(16)이 노즐(11)의 내벽에 접촉되면, 액적은 내벽 상에서 응고되고 고체 공급원 재료로서 퇴적된다. 퇴적된 고체 공급원 재료의 양이 증가함에 따라, 노즐의 유동 채널은 막힐 수 있고 이는 액적을 공급하는 것을 곤란하게 만든다.
따라서, 본 실시형태에 있어서는, 히터(30)가 노즐(11)을 가열하여 고체 공급원 재료의 퇴적을 억제한다. 한편, 노즐(11)이 가열되면, 노즐(11)의 내벽으로부터의 복사 및 열전도에 의해, 접속 튜브(10)를 통과하는 가스 및 액적(16)의 온도도 상승된다. 그 결과, 액적이 진공 베셀 내에 도달하기 전에, 액적(16)으로부터의 공급원 재료 가스의 증발이 촉진된다.
공급원 재료 가스가 물인 경우를 예로 들어 아래에서 설명한다. 물의 증기압(도 1c 참조)은 얼음이 형성되기 시작하는 0도(섭씨)에서는 0.6kPa이다. 노즐의 내벽에의 고체 공급원 재료인 얼음의 퇴적을 방지하기 위해서 노즐이 예를 들어 50도(섭씨)로 가열되면, 물의 증기압은 12.3kPa로 상승된다.
액적(이 경우에는 물방울)으로부터의 가스의 증발량은 아래의 식 1에 도시된 바와 같이 온도 및 증기압에 의해 결정된다.
여기서, Γout는 액적으로부터의 단위 면적당의 가스 증발량이고, P는 증기압이고, m은 가스 분자의 질량이고, k는 볼츠만 상수이며, T는 온도이다. 온도의 측정 단위는 켈빈이다.
온도 T1을 갖는 액적과 온도 T2를 갖는 액적을 사이를 비교하면, T2에서의 단위 면적당 물 증발량(Γout2)에 대한 T1에서의 단위 면적당 물 증발량(Γout1)의 비는 아래의 식 2로 주어진다.
여기서, P1 및 P2는 각각 T1 및 T2에 있어서의 증기압이다.
예를 들어, T1이 50도(섭씨)(323K)이고 T2가 0도(섭씨)(273K)라는 가정하에 증발량을 구체적으로 비교해보면, 50도(섭씨)에서의 물 증발량은 0도(섭씨)에서의 증발량의 18.8배이다. 그러므로, 물은 액적으로부터 급속하게 증발된다.
한편, 12.3kPa이상의 수증기가 접속 튜브(10)에 미리 도입되면, 접속 튜브(10)에서의 액적을 구성하는 물질(액체 공급원 재료)의 부분 압력(Pin)은 당해 물질의 증기압보다 높다. 액적 표면에 입사되는 수증기의 양(Γin)은 아래의 식 3으로 주어진다.
따라서, 식 4의 관계가 만족되면, 물 증발량(Γout) 및 액적의 표면에 입사되는 물의 양(Γin)은 평형을 이루거나, 후자가 전자보다 크다. 따라서, 액적의 증발이 억제된다. 여기서, Tg는 수증기의 온도이다.
그 결과, 노즐 내벽에의 고체 공급원 재료인 얼음의 퇴적을 억제하면서, 액적(16)이 진공 베셀 안으로 토출되기 전에 증발하고 따라서 액적(16)의 수 및 사이즈가 감소하는 것을 억제할 수 있다. 상기 조건은 액적 및 수증기가 상이한 온도를 갖는 비평형상태에도 적용된다는 것을 유의한다. 노즐의 내벽, 수증기, 및 액적의 온도는 동일하지 않을 수 있다.
접속 튜브(10) 안으로 수증기를 도입하는 방법으로서는, 도 2c에 도시된 바와 같이, 액체 용기(12)에 저장된 액체 공급원 재료(9)의 온도를 액체 용기 히터(32)를 사용하여 특정 온도[상기 예에서는 50도(섭씨)]로 조정함으로써, 수증기가 액체 용기(12)에서 발생될 수 있다. 대안적으로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 수증기는 가스 도입 튜브(13)를 통해 액체 용기(12) 밖으로부터 도입될 수 있다.
특히, 전자의 경우에는, 액체 공급원 재료(9) 및 증기압을 제어하는 액체가 동일하기 때문에, 액체 용기(12)로부터 노즐(11)에 이르기까지의 액적(16)의 온도 변화가 작고, 따라서 액적(16)의 사이즈 또는 수의 변화가 감소될 수 있는 효과가 얻어진다.
노즐(11)을 가열하는 온도는 50도(섭씨)로 한정되지 않고 액체 공급원 재료의 빙점보다 높은 온도일 수 있다. 또한, 온도는 실온보다 높을 수 있고, 예를 들어 100도(섭씨) 이상일 수 있다.
액체 용기(12)로부터 노즐(11)까지 연장되는 접속 튜브(10)에는 내부 압력을 측정하도록 구성되는 압력 측정 유닛(31)이 제공된다. 압력 측정 유닛(31)은 총 압력 게이지 또는 부분 압력 게이지일 수 있다.
총 압력 게이지는 다이어프램 게이지, 부르동 관(Bourdon tube), 또는 피라니 진공 게이지(Pirani vacuum gauge)일 수 있고 높은 압력을 측정할 수 있다. 총 압력 게이지를 사용하여 높은 증기압이 측정될 수 있기 때문에, 높은 압력을 갖는 공급원 재료 가스가 도입될 수 있고, 따라서 노즐(11)의 온도는 더 상승될 수 있다.
한편, 압력 측정 유닛(31)으로서 부분 압력 게이지가 사용되는 경우, 공급원 재료 가스 및 다른 가스가 접속 튜브(10)에 존재하는 경우에도 공급원 재료 가스의 부분 압력이 측정될 수 있다. 그러므로, 공급원 재료 가스의 압력이 이하에서 설명되는 방법에 의해 더 정확하게 제어될 수 있는 효과가 얻어진다. 부분 압력 게이지는 반도체 센서, 사중극자 부분 압력 게이지, 또는 자기-섹터-타입 부분 압력 게이지일 수 있다는 것을 유의한다.
액체 용기(12)의 온도는, 도 3에 도시된 바와 같이, 온도 제어기(43)가 압력 측정 유닛(31)으로부터 수취한 압력의 측정값(압력 측정값)에 기초하여, 액체 용기(12)가 원하는 온도를 갖도록 액체 용기 히터(32)의 발열량을 제어함으로써, 조정될 수 있다. 예를 들어, 온도 제어기(43)가 기억 유닛(44)에 저장된 미리 정해진 압력의 기준값(압력 기준값)을 판독하고, 압력 측정값이 압력 기준값보다 낮으면, 액체 용기(12)의 온도가 상승될 수 있도록 액체 용기 히터(32)의 발열량을 증가시키고, 압력 측정값이 압력 기준값보다 높으면, 액체 용기(12)의 온도가 저하될 수 있도록 용기 히터(32)의 발열량을 감소시키는 방법을 채용할 수 있다. 그 때에, 온도계(41)에 의해 액체 용기(12)의 온도(액적 용기 온도)가 측정될 수 있고, 측정된 온도가 온도계(41)로부터 온도 제어기(43)로 보내질 수 있다. 온도 제어기(43)는 측정된 온도에 기초하여 액체 용기 히터(32)의 발열량을 제어할 수 있다.
한편, 노즐(11)의 온도가 온도 제어기(43)에 의해 제어될 수 있다. 위와 마찬가지로, 온도 제어기(43)는 노즐 온도계(42)로부터 노즐(11)의 온도(노즐 온도)를 수취할 수 있고 노즐 히터(30)의 발열량을 제어할 수 있다.
또한, 압력 측정값과 압력 기준값과의 사이의 차가 주어진 압력차(허용 압력차) 내에 있거나, 전자의 값이 후자의 값보다 높으면, 압력 측정 유닛(31)에 의한 압력의 측정 시의 액체 용기(12)의 온도가 유지되도록, 제어가 수행될 수 있다. 압력값이 사용되는 경우를 위에서 설명하였다. 부분 압력값이 사용될 수 있다.
액적은, 액체 용기(12)가 액체 용기 히터(32)에 의해 가열되어 공급원 재료 가스를 증발시키고, 증발된 공급원 재료 가스가 응축되어 액적을 발생시키는 다른 방법에 의해 발생될 수 있다. 이 경우, 진동자(14)가 제공되지 않는 액적 도입 장치가 사용될 수 있다.
노즐(11)로부터 클러스터 발생부(2) 안으로 가스와 함께 토출되는 액적(16)의 적어도 일부로부터 클러스터 빔(17)이 발생된다.
발생된 클러스터 빔(17)은 도 1a에 도시된 바와 같이 이온화부(3)로 입사된다. 또한, 액적(16)은 이온화부(3)로 입사된다. 핫 필라멘트(hot filament) 등의 전자 공급원이 이온화부(3)에 배치된다. 전자 공급원에 의해 발생된 전자는 클러스터 빔(17) 및 액적(16) 중 적어도 하나와 충돌하고, 이에 의해 클러스터 또는 액적(16)을 구성하는 원자 또는 분자의 일부는 클러스터 이온 빔(18)을 생성하도록 전자 충격에 의해 이온화된다. 클러스터 발생부(2) 및 이온화부(3)는 이온원(ion source)을 구성한다.
전자 충격을 이용하는 것 이외에, 레이저 등의 전자기파, 여기 원자/분자, 또는 이온화 방사선을 사용하여 이온화가 수행될 수 있다.
그 후, 클러스터 이온 빔이 조사부(4)에 입사된다. 조사부(4)는 질량 선별기(20), 수렴 렌즈(21), 및 조사 스테이지(22)를 포함한다. 분석기(23)가 또한 내부에 제공될 수 있다.
적절한 사이즈를 갖는 클러스터 이온은 질량 선별기(20)에 의해 선별되고, 선별된 클러스터 이온은 필요에 따라 가속 또는 감속되고 집중되며, 그 후 조사 스테이지(22)에 보유지지된 피조사 대상(24)에 입사된다. 클러스터 이온은 사이즈가 선별되지 않은 상태로 피조사 대상(24)에 입사될 수 있다는 것을 유의한다.
피조사 대상(24)은 클러스터 이온에 의해 스퍼터링 또는 에칭을 받는다. 또한, 피조사 대상(24)으로부터 발생된 2차 이온 또는 중성 입자를 분석기(23)를 이용하여 분석함으로써, 장치는 표면 분석 장치로서의 역할을 할 수 있다.
분석기(23)로서 질량 분광기가 사용되면, 클러스터 이온에 의한 2차 이온 질량 분석을 수행하는 것이 가능하다. 분석기(23)로서 이온화 장치가 설치된 중성 입자 검출기가 사용되면, 클러스터 이온에 의한 중성 입자 질량 분석을 수행하는 것이 가능하다.
[제2 실시형태]
제2 실시형태에 따른 액적 토출 장치 및 당해 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치가 도 1b에 도시되어 있다.
액적 토출 장치 및 클러스터 이온 조사 장치는 클러스터 이온 발생부(2) 및 이온화부(3)가 스키머(skimmer)(15)에 의해 분리되는 것을 제외하고 제1 실시형태의 것과 동일하다.
본 실시형태에서는, 노즐(11)로부터 가스와 함께 클러스터 발생부 안으로 토출된 액적(16)은 하류에 제공된 스키머(15)를 통과하여 클러스터 빔(17)을 생성한다.
클러스터 빔(17)은 이온화부(3)에 입사되고, 클러스터를 구성하는 원자 또는 분자의 일부는 전자 충격에 의해 이온화되어 제1 실시형태에서와 마찬가지로 클러스터 이온 빔(18)을 생성한다.
본 실시형태에서와 같이 스키머(15)가 제공되는 경우, 가스 또는 액적의 도입량이 증가되면, 이온화부(3)의 압력의 상승이 저감될 수 있고, 따라서 이온화부(3)가 방전 등에 의해 불안정해지는 것이 방지되는 효과가 얻어진다. 또한, 이온화부(3) 및 조사부(4)의 압력을 저하시킴으로써, 잔류 가스의 평균 자유 경로가 증가되고, 클러스터 이온 빔과 잔류 가스와의 사이의 충돌 빈도가 감소한다. 그 결과, 클러스터 이온 빔의 감쇠가 억제될 수 있는 효과가 얻어진다.
이온화부(3) 또는 조사부(4)에 있어서의 잔류 가스의 평균 자유 경로가 미리 정해진 값 이상이 되도록 가스 유량을 제어함으로써 진공 베셀의 압력(Pb)이 유지될 수 있다. 미리 정해진 값은 진공 베셀의 기하학적 사이즈, 예를 들어 이온화부(3)와 시키머(15)와의 사이의 거리, 또는 이온화부(3) 등을 저장하는 진공 베셀의 내경 또는 길이일 수 있다.
평균 자유 경로로서, 아래의 식 5로부터 계산된 질소 가스가 사용될 수 있다는 것을 유의한다. λ의 측정 단위는 [mm]이고, Pb의 측정 단위는 [Pa]이다.
[제3 실시형태]
제3 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 도 2d에 도시되어 있다. 본 장치는, 가스의 토출과 차단을 전환할 수 있는 펄스 밸브(34)가 노즐(12)과 접속 튜브(10)와의 사이에 제공되는 것을 제외하고 제1 또는 제2 실시형태에 따른 액적 토출 장치와 동일하다. 이러한 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치는 제1 또는 제2 실시형태의 것과 동일하다. 또한, 펄스 밸브(34)는 노즐에 접속되는 위치에서 접속 튜브(10)에 제공될 수 있다.
본 실시형태에서는, 도4a에 도시된 바와 같이, 클러스터 발생부(2) 안으로 토출되는 가스 및 액적(16)의 양은 펄스 밸브(34)에 의해 변화된다. 도 4a에서, Qp는 펄스 밸브(34)의 컨덕턴스이고, Pp는 클러스터 발생부(2)의 압력이며, Pi는 노즐(11)에 적용되는 가스 압력이다.
비료를 위해, 도 4b는, 예를 들어 도 2a에 도시된 액적 토출 장치에서와 같이, 펄스 밸브를 사용하지 않는 상태에서 가스 및 액적이 클러스터 발생부(2) 안으로 연속적으로 토출되는 프로세스(이하, 연속 토출 프로세스라 함)에서의 Qp, Pp 및 Pi 사이의 관계를 도시한다.
양자의 비교는, 본 실시형태에서는, 연속 토출 프로세스에 비해, 펄스 밸브(34)가 개방되는 순간에 대량의 가스 및 액적이 토출될 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 이유는, 펄스 밸브(34)가 폐쇄되는 시간에는, 가스 및 액적이 토출되지 않기 때문에, Pp는 연속 토출 프로세스의 것보다 낮아지고, 펄스 밸브(34)가 개방될 때의 Pp의 증가는 감소될 수 있기 때문이다.
본 실시형태에서의 접속 튜브(10) 내의 가스 공급원 재료의 부분 압력은 상기 이유로 연속 토출 프로세스의 것보다 높게 설정될 수 있고, 따라서 액적(16)의 증발이 더 억제될 수 있다. 또한, 증발의 억제에 의해, 노즐(11)의 온도는 상승될 수 있고, 따라서 고체 공급원 재료의 퇴적을 효과적으로 억제하는 것이 가능하다.
[제4 실시형태]
제4 실시형태에 따른 액적 토출 장치는 도 2e에 도시되어 있다.
본 장치는, 노즐(11)을 가열하는 외부 가열 유닛(35)이 제공되는 것을 제외하고 제1 또는 제2 실시형태에 따른 액적 토출 장치와 동일하다. 또한, 본 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치는 이전 실시형태의 것과 동일하다.
외부 가열 유닛(35)에서는, 전자기파(36)로 노즐(11)을 조사 및 가열함으로써, 고체 공급원 재료의 퇴적이 억제된다. 전자기파는 마이크로파, 적외선, 가시광 및 자외선 중 어느 1개 또는 그것들의 레이저광일 수 있다.
클러스터 발생부(2)에 제공된 외부 가열 유닛(35)대신에, 진공 베셀 밖에 제공된 외부 가열 유닛(37)이 사용될 수 있다. 이 경우, 클러스터 발생부(2)에 제공된 창(38)을 통해서 전자기파(36)를 노즐에 조사할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 노즐(11) 상에서 고체 공급원 재료가 퇴적되기 쉬운 개소에 직접 전자기파가 조사되기 때문에, 고체 공급원 재료의 퇴적이 효율적으로 억제될 수 있다. 또한, 고체 공급원 재료가 퇴적하지 않는 노즐(11)의 부분에 대한 가열을 피할 수 있기 때문에, 히터(30)를 사용하는 경우에 비해 노즐(11) 및 접속 튜브(10) 안으로의 열의 유입이 감소될 수 있다. 그 결과, 접속 튜브(10)를 통한 액적의 온도의 증가를 감소시킬 수 있고, 따라서, 액적의 증발이 감소될 수 있으며, 이는 본 실시형태의 특징이다.
[제5 실시형태]
제5 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 도 2f에 도시되어 있다.
본 장치는, 접속 튜브 히터(39)가 접속 튜브(10)에 제공되는 것을 제외하고 제1 또는 제2 실시형태에 따른 액적 토출 장치와 동일하다. 또한, 본 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치는 이전 실시형태의 것과 동일하다.
본 실시형태에서는, 접속 튜브(10)는 접속 튜브 히터(39)에 의해 가열될 수 있고, 따라서 접속 튜브(10)의 내벽에의 고체 공급원 재료의 퇴적이 억제될 수 있는 효과가 얻어진다. 접속 튜브 히터(39)는 접속 튜브(10)의 일부 또는 대부분을 가열할 수 있다.
[제6 실시형태]
제6 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 도5a에 도시되어 있다.
본 장치는, 제1 액체 용기(121), 제2 액체 용기(33) 및 액체 용기 접속 튜브 (131)가 제공되는 것을 제외하고, 이전 실시형태에 따른 액적 토출 장치와 동일하다. 또한, 본 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치는 이전 실시형태의 것과 동일하다.
제1 액체 용기(121)는 이전 실시형태에서와 같이 접속 튜브(10)에 의해 노즐(11)에 접속된다. 액적은 이전 실시형태에서와 같이 액체 용기 히터(32) 및 진동자(14) 중 하나 또는 양자 모두를 사용하여 액체 공급원 재료(9)로부터 발생될 수 있다. 또한, 접속 튜브 히터(39)가 접속 튜브(10)에 제공될 수 있다.
제1 액체 용기(121) 및 제2 액체 용기(33)는 액체 용기 접속 튜브(131)에 의해 접속된다. 액체 접속 튜브 히터(381)가 액체 용기 접속 튜브(131)에 제공된다.
제2 액체(341)가 제2 액체 용기(33)에 저장되며, 제2 액체(341)가 제2 액체 용기 히터(351)에 의해 가열될 수 있다. 가열된 제2 액체의 적어도 일부가 증발되고 액체 용기 접속 튜브(131)를 통해 제1 액체 용기(121) 안으로 도입된다. 노즐(11)의 증기압과 온도와의 사이의 관계는 제1 실시형태에서의 노즐(11)의 온도와 접속 튜브(10)의 공급원 재료 가스의 압력과의 사이의 관계와 동일할 수 있다는 것을 유의한다. 또한, 제2 진동자(50)에 의해 제2 액체(341)에 진동이 적용될 수 있다. 그러나, 제2 진동자(50)는 제공되지 않을 수 있다.
액체 용기 접속 튜브 밸브(371)가 액체 용기 접속 튜브(131)에 제공될 수 있고, 제2 액체 용기(33)로부터 제1 액체 용기(121) 안으로 도입되는 가스의 양은 조정될 수 있다. 액체 용기 접속 튜브 밸브(371)는 액체 용기 접속 튜브(131)의 내부 압력을 측정하는 기능을 가질 수 있다는 것을 유의한다. 또한, 액체 용기 접속 튜브 밸브(371) 대신에, 총 압력 게이지 또는 부분 압력 게이지가 제공될 수 있다.
제2 액체(341)는 액체 공급원 재료(9)와 동일하거나 상이할 수 있다. 이전의 경우에서, 액체 공급원 재료와 동일한 공급원 재료 가스가 액체 용기 접속 튜브 히터(381)에 의해 가열될 수 있고 제1 액체 용기(121)의 액체 공급원 재료로부터 발생되는 공급원 재료 가스의 것과 상이한 온도에서 제1 액체 용기(121) 안으로 공급될 수 있다. 액체 공급원 재료 및 공급원 재료 가스의 유형은 제1 실시형태의 것과 동일할 수 있다.
후자의 경우에, 제1 액체 용기(121)에서 발생된 액적은 액적을 구성하는 액체 공급원 재료와 상이한 제2 액체(341)의 증기와 접촉될 수 있고, 따라서 증기는 액적에 통합될 수 있다. 그 결과, 제2 액체(341) 및 액체 공급원 재료(9)를 구성하는 액적이 생성될 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 동일한 액체가 제1 액체 용기(121) 및 제2 액체 용기(33)에 저장되는 경우에도, 하나의 용기에 추가된 물질과 상이한 물질이 다른 용기에 추가될 수 있다. 또한, 하나의 용기에 추가될 물질의 농도는 다른 용기에 추가될 물질의 농도와 동일하거나 상이할 수 있다. 이러한 장치가 2개의 액체 용기를 포함하더라도, 다른 액체 용기 및 그들을 접속하기 위한 튜브가 거기에 추가될 수 있다. 또한, 가스 도입 튜브가 제1 액체 용기(121)에 추가될 수 있다.
[제7 실시형태]
제7 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 도 5b에 도시되어 있다.
본 장치는, 제2 액체 용기(33)가 제2 가스 도입 튜브(361)를 갖는 것을 제외하고, 제6 실시형태에 따른 액적 토출 장치와 동일하다. 또한, 본 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치는 이전 실시형태의 것과 동일하다.
본 실시형태에서는, 공급원 재료 가스와 동일하거나 상이한 가스가 이전 실시형태에서와 같이 제2 가스 도입 튜브(361)를 통해 도입될 수 있다. 제2 가스 도입 튜브(361)로부터 가스를 도입함으로써, 액적이 제2 액체(341)로부터 효율적으로 발생될 수 있는 효과가 얻어진다. 액적은 액체 용기 접속 튜브(131)를 통해 가스 유동을 따라 제1 액체 용기(121) 안으로 이동하고 접속 튜브(10)를 통해 노즐(11)로 안내된다. 동일한 것이 제2 액체(341)로부터 발생되는 증기에 적용된다.
또한, 제1 액체 용기(121)에서 발생된 액적은 제6 실시형태에서와 같이 제2 액체(341)의 증기와 접촉될 수 있다.
[제8 실시형태]
제8 실시형태에 따른 액적 토출 장치가 도 5c에 도시되어 있다.
본 장치는, 제1 액체 용기(121), 제2 액체 용기(33), 및 노즐(11)이 병렬 부분을 갖는 튜브(100)에 의해 접속되는 것을 제외하고, 제6 실시형태에 따른 액적 토출 장치와 동일하다. 또한, 본 액적 토출 장치를 포함하는 클러스터 이온 조사 장치는 이전 실시형태의 것과 동일하다.
본 실시형태에서는, 제2 액체 용기(33)에서 발생된 액적 및 증기가 제1 액체 용기(121)에서 발생된 액적 및 증기와 함께, 병렬 부분을 갖는 튜브(100)를 통해 노즐(11)로 안내된다. 그 때, 제2 액체(341)로부터 발생되는 액적 및 증기는 이전 실시형태보다 제1 액체 용기(121)에 저장된 액체 공급원 재료(9)와 접촉할 가능성이 더 적고, 액체 공급원 재료(9)에의 제2 액체(341)의 혼합이 억제될 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제2 가스 도입 튜브(361)가 제7 실시형태에서와 같이 제2 액체 용기(33)에 추가될 수 있다. 또한, 접속 튜브 히터(39)가 접속 튜브(10)에 제공될 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시형태를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 모든 이러한 변형 및 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 가장 넓게 해석되어야 한다.
본 출원은 참조로 전체가 본원에 통합되는 2013년 4월 30일에 출원된 일본특허출원공보 제2013-096003호의 이익을 청구한다.
Claims (19)
- 액적 토출 장치이며,
액체를 보유지지하며 내부 압력이 조정될 수 있는 액체 용기,
상기 액체 용기에 보유지지되는 상기 액체로부터 액적을 발생시키도록 구성되는 액적 발생 유닛,
상기 액체 용기에서 발생되는 액적을 토출하는 노즐,
상기 노즐과 상기 액체 용기를 접속하는 접속 튜브, 및
상기 접속 튜브와 상기 노즐 중 하나 이상을 가열하도록 구성되는 제1 가열 유닛을 포함하는, 액적 토출 장치. - 제1항에 있어서, 상기 액적을 구성하는 물질의 상기 접속 튜브 내에서의 부분 압력은 상기 물질의 증기압보다 높은, 액적 토출 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체 용기에 배치되는 개구를 가지며 상기 액체 용기 안으로 가스를 도입하는 가스 도입 튜브를 더 포함하는, 액적 토출 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액적 발생 유닛은, 상기 액체 용기에 배치되며 상기 액체에 진동을 부여하는 진동자를 포함하는, 액적 토출 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 액적 발생 유닛에서, 상기 가스 도입 튜브의 개구는 상기 액체 용기의 액체의 표면 아래에 배치되는, 액적 토출 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액적 발생 유닛은 상기 액체 용기에 제공되는 제2 가열 유닛을 포함하는, 액적 토출 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 토출될 액적의 유량을 변화시키는 밸브가 상기 노즐, 상기 가스 도입 튜브, 또는 그들 사이에 제공되는, 액적 토출 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가열 유닛은 상기 접속 튜브와 상기 노즐 중 하나 이상에 제공되는 히터인, 액적 토출 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가열 유닛은 전자기파의 조사에 의해 상기 접속 튜브와 상기 노즐 중 하나 이상을 가열하도록 구성되는 유닛인, 액적 토출 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐, 상기 접속 튜브, 및 상기 액적 발생 유닛 중 하나 이상에는 가스 압력을 측정하도록 구성되는 압력 측정 유닛이 제공되는, 액적 토출 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 액체 용기에 제공되는 온도계,
상기 압력 측정 유닛에 접속되며 상기 제2 가열 유닛을 제어하도록 구성되는 온도 제어기, 및
상기 온도 제어기에 기체 공급원 재료의 압력 기준값을 송신하도록 구성되는 기억 유닛을 더 포함하며,
상기 온도 제어기는 (1) 상기 기억 유닛으로부터 압력 기준값을 수취하고, (2) 상기 압력 측정 유닛에 의해 측정된 압력 측정값을 상기 압력 기준값과 비교하며, (3) 상기 압력 기준값과 상기 압력 측정값 간의 차가 주어진 압력차보다 작거나 상기 압력 측정값이 상기 압력 기준값보다 높도록 상기 제2 가열 유닛을 제어하는, 액적 토출 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 용기에 접속되는 제2 액체 용기, 및
상기 액체 용기와 상기 제2 액체 용기를 접속하는 액체 용기 접속 튜브를 더 포함하는, 액적 토출 장치. - 제12항에 있어서, 상기 제2 액체 용기에 접속되며 상기 용기의 외부로부터 상기 용기 안으로 가스를 도입하는 튜브를 더 포함하는, 액적 토출 장치.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 액체 용기와 상기 제2 액체 용기를 접속하며 상기 노즐에 액적을 공급하는 병렬 튜브 부분을 갖는 튜브를 더 포함하는, 액적 토출 장치.
- 이온원이며,
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 액적 토출 장치,
상기 노즐을 수용하는 클러스터 발생부, 및
상기 노즐로부터 토출되는 액적을 이온화하는 이온화부를 포함하는, 이온원. - 제15항에 있어서, 상기 클러스터 발생부 및 상기 이온화부를 분리하는 격벽을 더 포함하며, 상기 격벽은 액적이 통과하는 개구를 갖는, 이온원.
- 클러스터 이온 조사 장치이며,
제15항 또는 제16항에 따른 이온원, 및
이온이 조사될 대상을 보유지지하는 스테이지를 포함하는, 클러스터 이온 조사 장치. - 표면 분석 장치이며,
제15항 또는 제16항에 따른 이온원,
이온이 조사될 대상을 보유지지하는 스테이지, 및
피조사 대상으로부터 방출되는 중성 입자 또는 하전 입자를 검출하는 검출기를 포함하는, 표면 분석 장치. - 제18항에 있어서, 상기 검출기는 질량 분광기인, 표면 분석 장치.
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