KR20160140362A - 플라즈마 생성장치 및 열전자 방출부 - Google Patents

플라즈마 생성장치 및 열전자 방출부 Download PDF

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Abstract

장치 수명 및 플라즈마 생성 효율을 향상시킨 플라즈마 생성장치를 제공한다.
플라즈마 생성장치는, 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성영역을 내부에 갖는 아크챔버(12)와, 플라즈마 생성영역에 자장(B)을 인가하는 자장발생기(16)와, 플라즈마 생성영역에 인가되는 자장(B)의 인가방향을 따른 축방향으로 연장되어 있는 캐소드(30)로서, 그 선단에 열전자를 방출하는 캐소드캡이 마련되는 캐소드(30)를 구비한다. 캐소드캡은, 아크챔버(12)의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되고, 아크챔버(12)의 내부를 향함에 따라 축방향과 직교하는 직경방향의 폭이 작아지는 형상을 갖는다.

Description

플라즈마 생성장치 및 열전자 방출부{PLASMA GENERATING DEVICE AND THERMOELECTRON EMITTER}
본 출원은 2015년 5월 29일에 출원된 일본 특허출원 제2015-110349호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 플라즈마 생성장치 및 그것에 이용되는 열전자 방출부에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서는, 반도체의 도전성을 변화시킬 목적, 반도체의 결정 구조를 변화시킬 목적 등을 위하여, 반도체 웨이퍼에 이온을 주입하는 공정이 표준적으로 실시되고 있다. 이 공정에서 사용되는 장치는, 일반적으로 이온 주입장치로 불린다.
이러한 이온 주입장치에서는, 방열형(傍熱型)의 플라즈마 생성장치를 구비한 이온원(源)에 의하여 이온이 생성된다. 방열형의 플라즈마 생성장치는, 전류를 흐르게 함으로써 필라멘트를 가열하여 열전자를 발생시키고, 그 열전자에 의하여 캐소드를 가열시킨다. 가열된 캐소드로부터 발생된 열전자는, 아크챔버 내에서 가속되어 아크챔버 내의 소스가스 분자와 충돌하고, 소스가스 분자에 포함되는 원자를 전리시켜 플라즈마를 발생시킨다. 생성되는 플라즈마 내부의 이온의 일부는, 확산에 의하여 아크챔버의 출구구멍(프론트슬릿)에 도달하고, 인출 전극에 의하여 생성되는 전계에 의하여 인출되어 이온빔이 된다. 열전자를 방출하기 위한 캐소드는, 예를 들면, 필라멘트에 의하여 가열되는 캡과, 캡이 단부에 장착되는 관형상 부재에 의하여 구성된다(특허문헌 1 참조).
일본 공개특허공보 평8-227688호
아크챔버 내에 열전자를 방출하기 위한 캡은, 아크챔버의 내부 공간에 노출되어 있기 때문에, 아크챔버 내에서 생성되는 플라즈마 중의 이온에 의하여 스퍼터링되어, 이온원의 사용과 함께 손모될 수 있다. 캡의 손모가 진행되면 이온을 안정적으로 생성하는 것이 어려워지는 점에서, 이온원의 수명을 늘리기 위해서는 캡의 두께를 크게 하는 것이 바람직하다. 한편으로, 캡의 두께를 크게 하면, 캡을 충분히 가열하여 열전자를 안정적으로 생성하기 위하여 필요한 투입 에너지량이 증가되어 버린다. 캡의 가열에 필요한 에너지량이 증가하면, 보다 높은 파워의 전원을 준비할 필요가 발생하기 때문에, 이온원의 코스트에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 플라즈마 생성장치 및 열전자 방출부의 장치 수명 및 플라즈마 생성 효율을 향상시키는 기술을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 양태의 플라즈마 생성장치는, 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성영역을 내부에 갖는 아크챔버와, 플라즈마 생성영역에 자장을 인가하는 자장발생기와, 플라즈마 생성영역에 인가되는 자장의 인가방향을 따른 축방향으로 연장되어 있는 캐소드로서, 그 선단에 열전자를 방출하는 캐소드캡이 마련되는 캐소드를 구비한다. 캐소드캡은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되고, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 축방향과 직교하는 직경방향의 폭이 작아지는 형상을 갖는다.
본 발명의 다른 양태는, 열전자 방출부이다. 이 열전자 방출부는, 자장이 인가되는 플라즈마 생성영역을 내부에 갖는 아크챔버 내에 열전자를 방출하기 위한 열전자 방출부로서, 플라즈마 생성영역에 인가되는 자장의 인가방향을 따른 축방향으로 연장되어 있는 서멀브레이크와, 서멀브레이크의 선단에 장착되어, 아크챔버 내에 열전자를 방출하는 캐소드캡과, 서멀브레이크의 내부에 마련되어, 캐소드캡을 열전자에 의하여 가열하는 필라멘트를 구비한다. 캐소드캡은, 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 돌출되고, 아크챔버의 내부를 향함에 따라 축방향과 직교하는 직경방향의 폭이 작아지는 형상을 갖는다.
또한, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 장치 수명 및 플라즈마 생성 효율을 향상시킨 플라즈마 생성장치 및 열전자 방출부를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 플라즈마 생성장치의 개략 구성을 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 열전자 방출부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 관한 필라멘트의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4는 비교예에 관한 열전자 방출부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 열전자 방출부가 나타내는 효과를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 6은 변형예에 관한 열전자 방출부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7은 변형예에 관한 열전자 방출부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 변형예에 관한 열전자 방출부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 변형예에 관한 플라즈마 생성장치의 개략 구성을 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여, 중복되는 설명을 적절히 생략한다. 또, 이하에 설명하는 구성은 예시이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은, 실시형태에 관한 플라즈마 생성장치(10)의 개략 구성을 나타내는 도이다. 플라즈마 생성장치(10)는, 방열형의 이온원이며, 아크챔버(12)와, 열전자 방출부(14)와, 자장발생기(16)와, 리펠러(18)와, 각종 전원을 구비한다. 플라즈마 생성장치(10)의 근방에는, 아크챔버(12)의 내부로부터 이온을 인출하기 위한 서프레션 전극(20) 및 그라운드 전극(22)이 배치된다.
자장발생기(16)는, 마그넷 요크(70)와, 제1 마그넷 코일(76)과, 제2 마그넷 코일(78)을 갖는다. 마그넷 요크(70)는, 아크챔버(12)의 밖에 마련되고, 마그넷 요크(70)의 제1 자극(72) 및 제2 자극(74)의 사이에 아크챔버(12)가 위치하도록 마련된다. 예를 들면, 제1 자극(72)이 캐소드(30)측에 마련되고, 제2 자극(74)이 리펠러(18)측에 마련된다. 또, 마그넷 요크(70)는, 제1 자극(72)과 제2 자극(74)을 잇는 중심 축(A) 상에 캐소드(30) 및 리펠러(18)가 배치되도록 마련된다.
제1 자극(72)의 주위에는 제1 마그넷 코일(76)이 마련되고, 제2 자극(74)의 주위에는 제2 마그넷 코일(78)이 마련된다. 제1 마그넷 코일(76) 및 제2 마그넷 코일(78)은, 예를 들면, 제1 자극(72)이 N극, 제2 자극(74)이 S극이 되도록 통전된다. 이로써, 자장발생기(16)는, 제1 자극(72)으로부터 제2 자극(74)을 향하는 자장(B)을 아크챔버(12)의 내부 공간에 인가한다. 자장발생기(16)는, 중심 축(A)의 근방에 있어서, 중심 축(A)을 따른 방향의 자장(B)을 발생시킨다. 또한, 자장발생기(16)는, 중심 축(A)으로부터 떨어진 위치에 있어서, 중심 축(A)을 따른 방향으로부터 약간 어긋난 방향으로 자장을 인가해도 된다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 자장발생기(16)에 의하여 생성되는 자장(B)의 인가방향을 축방향이라고 하고, 축방향에 직교하는 방향을 직경방향이라고 한다. 따라서, 축방향이란, 자장발생기(16)의 제1 자극(72)과 제2 자극(74)을 잇는 중심 축(A)을 따른 방향이라고 할 수 있다.
아크챔버(12)는, 대략 직육면체의 상자형상을 갖는다. 아크챔버(12)는, 고융점 재료, 구체적으로는, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈(Ta) 등의 고융점 금속이나 그들의 합금, 그라파이트(C) 등으로 구성되어 있다. 이로써, 아크챔버 내가 비교적 고온이 되는 환경하에서도, 아크챔버를 용해하기 어렵게 할 수 있다.
아크챔버(12)는, 상면판(12a)과, 하면판(12b)과, 측벽판(12c)을 포함한다. 측벽판(12c)에는, 소스가스를 도입하는 가스 도입구(24)와, 이온빔이 인출되는 개구부로서의 프론트슬릿(26)이 형성되어 있다. 상면판(12a)에는, 열전자 방출부(14)가 마련되고, 하면판(12b)에는 리펠러(18)가 삽입 관통된다.
아크챔버(12)는, 축방향으로 측벽판(12c)이 연장되어 있도록 배치되고, 상면판(12a)과 하면판(12b)이 축방향으로 대향하도록 배치되어 있다. 따라서, 상면판(12a)으로부터 하면판(12b)을 향하는 방향을 축방향이라고 할 수도 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 아크챔버(12)의 내부를 내측, 아크챔버(12)의 외부를 외측이라고도 한다.
열전자 방출부(14)는, 아크챔버 내에 열전자를 방출하는 것이며, 필라멘트(28)와 캐소드(30)를 갖는다. 열전자 방출부(14)는, 상면판(12a)의 장착구멍(12d)에 삽입되어, 아크챔버(12)와 절연된 상태로 고정된다.
필라멘트(28)는, 필라멘트 전원(34)으로 가열되어, 선단에 열전자를 발생시킨다. 필라멘트(28)에서 발생된 1차 열전자는, 캐소드 전원(36)에 의한 캐소드 전계에서 가속되어, 캐소드(30)에 충돌하고, 그 충돌에 의하여 발생되는 열로 캐소드(30)를 가열한다. 가열된 캐소드(30)는 2차 열전자(40)를 발생시키고, 이 2차 열전자(40)가, 아크 전원(38)에 의하여 캐소드(30)와 아크챔버(12)의 사이에 인가된 아크 전압에 의하여 가속된다. 가속된 2차 열전자(40)는, 가스 분자를 전리하여 플라즈마를 생성하는 데에 충분한 에너지를 가진 빔전자로서 아크챔버(12) 안에 방출된다.
아크챔버(12) 내에 방출되는 빔전자는, 아크챔버(12)의 내부에 축방향으로 인가되는 자장(B)에 속박되어, 자장(B)을 따라 나선형상으로 운동한다. 아크챔버(12) 내에서 전자를 나선형상으로 운동시킴으로써, 플라즈마(42)가 생성되는 위치에 전자의 운동을 제한함으로써 플라즈마 생성 효율을 높일 수 있다. 또한, 플라즈마(42)가 생성되는 영역을 "플라즈마 생성영역"이라고도 한다. 이 플라즈마 생성영역은, 아크챔버(12)의 내부 공간 중 적어도 일부에 상당한다.
리펠러(18)는, 리펠러 플레이트(32)를 갖는다. 리펠러 플레이트(32)는, 플라즈마(42)가 생성되는 위치를 사이에 두고 열전자 방출부(14)와 축방향으로 대향하는 위치에 마련되고 있고, 캐소드(30)와 대향하여 대략 평행으로 마련되어 있다. 리펠러 플레이트(32)는, 아크챔버 내의 전자를 튕겨내어, 플라즈마(42)가 생성되는 플라즈마 생성영역에 전자를 체류시켜 플라즈마 생성 효율을 높인다.
이어서, 도 2를 참조하면서, 열전자 방출부(14)의 구성에 대하여 상세히 설명한다. 도 2는, 실시형태에 관한 열전자 방출부(14)의 구성을 나타내는 단면도이다.
열전자 방출부(14)는, 필라멘트(28)와, 캐소드(30)와, 서멀리플렉터(56)를 구비한다. 캐소드(30)는, 캐소드캡(50)과, 서멀브레이크(52)와, 캐소드 리테이너(54)를 포함한다. 열전자 방출부(14)는, 아크챔버(12)의 상면판(12a)과 접촉하지 않도록 장착구멍(12d)과 간격을 두고 장착구멍(12d)에 삽입되어, 장착플레이트(46)에 고정된다. 캐소드(30) 및 서멀리플렉터(56)는, 동일한 전위이며, 아크챔버(12)와는 다른 아크 전위가 인가된다.
캐소드캡(50)은, 필라멘트(28)에 의하여 가열되어 아크챔버 내에 열전자를 방출하는 부재이며, 예를 들면, 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 그라파이트(C) 등을 포함하는 고융점 재료로 구성된다. 캐소드캡(50)은, 아크챔버(12)의 내부 공간을 향하여 축방향으로 돌출하는 중실(中實)부재이다. 캐소드캡(50)은, 아크챔버(12)의 내부 공간에 노출되는 열전자 방출면(50a)과, 필라멘트(28)에 대향하는 열유입면(50b)과, 직경방향 외측으로 돌출되는 플랜지(50c)를 갖는다.
캐소드캡(50)은, 축방향으로 연장되는 중심 축(예를 들면, 도 1의 중심 축(A))에 대하여 회전 대칭인 형상을 갖고, 아크챔버(12)의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭(예를 들면, 플랜지(50c)의 근방의 위치에서는 전체 폭(w)에 상당함)이 작아지는 형상을 갖는다. 또, 캐소드캡(50)은, 축방향의 길이(l)가 직경방향의 전체 폭(w)의 1/2 이상이 되는 형상을 갖는다. 캐소드캡(50)은, 예를 들면, 도시되는 바와 같은 원뿔대형상을 갖고, 길이(l)가 전체 폭(w)의 0.5배~0.9배 정도가 되는 형상을 갖는다.
열전자 방출면(50a)은, 축방향에 직교하는 평면으로 구성되는 전면(50d)과, 원뿔면으로 구성되는 측면(50e)으로 구성된다. 본 실시형태에 있어서, 열전자 방출면(50a)은, 자장(B)의 인가방향인 축방향과 교차하는 방향의 평면 및 곡면으로 구성된다. 특히, 캐소드캡(50)의 측면(50e)이 축방향과 경사지게 교차하는 곡면이 되도록 구성된다.
열유입면(50b)은, 축방향에 직교하는 평면으로 구성되어, 후술하는 도 3에서 나타내는 바와 같은 소용돌이 형상의 필라멘트(28)와의 거리가 일정해지도록 배치된다. 이로써, 필라멘트(28)로부터 방출되는 1차 열전자에 의하여 캐소드캡(50)이 균일하게 가열되도록 한다.
플랜지(50c)는, 열유입면(50b)의 위치 또는 그 근방에 마련된다. 플랜지(50c)는, 서멀브레이크(52)와 캐소드 리테이너(54)의 사이에 끼어 들어가 걸림지지된다. 이로써, 캐소드캡(50)은, 서멀브레이크(52) 및 캐소드 리테이너(54)의 단부에 고정되어, 서멀브레이크(52) 및 캐소드 리테이너(54)의 단부로부터 아크챔버(12)의 내부 공간을 향하여 돌출된다.
서멀브레이크(52)는, 아크챔버(12)의 밖에서 안을 향하여 축방향으로 연장되어 있는 통형상 부재이며, 캐소드캡(50)을 고정하는 부재이다. 서멀브레이크(52)는, 예를 들면, 캐소드캡(50)의 형상에 대응하여 원통형상을 갖는다. 서멀브레이크(52)는, 예를 들면, 텅스텐(W)이나 탄탈(Ta) 등을 포함하는 고융점 재료로 구성된다.
서멀브레이크(52)는, 캐소드캡(50)을 걸림지지하기 위한 걸림지지단부(52a)와, 아크챔버(12)의 밖에 마련되는 장착플레이트(46)에 장착하기 위한 장착단부(52b)를 갖는다. 장착단부(52b)는, 장착플레이트(46)에 직접 장착되어도 되고, 캐소드 리테이너(54)를 통하여 장착플레이트(46)에 간접적으로 장착되어도 된다. 즉, 서멀브레이크(52)는, 장착단부(52b)에 있어서 캐소드 리테이너(54)에 고정되어도 된다.
서멀브레이크(52)는, 캐소드캡(50)을 고온 상태로 유지하기 위하여, 열절연성이 높은 형상을 갖는 것이 바람직하고, 예를 들면, 축방향으로 길고, 두께가 얇은 형상을 갖는다. 서멀브레이크(52)를 이러한 형상으로 함으로써, 캐소드캡(50)과 장착플레이트(46)의 사이의 열절연성이 높아진다. 이로써, 필라멘트(28)로부터 방출되는 열전자에 의하여 가열되는 캐소드캡(50)은, 서멀브레이크(52)를 통하여 장착플레이트(46)에 방랭되기 어려워진다.
캐소드 리테이너(54)는, 서멀브레이크(52)의 내측에 마련되는 부재이며, 서멀브레이크(52)를 따라 축방향으로 연장되어 있는 통형상 부재이다. 캐소드 리테이너(54)는, 예를 들면, 텅스텐(W)이나 탄탈(Ta) 등을 포함하는 고융점 재료로 구성된다. 캐소드 리테이너(54)는, 캐소드캡(50)을 누르기 위한 고정단부(54a)와, 장착플레이트(46)에 장착하기 위한 장착단부(54b)를 갖는다. 캐소드 리테이너(54)도, 서멀브레이크(52)와 마찬가지로, 축방향으로 길고, 두께가 얇은 형상으로 하는 것이 바람직하다.
필라멘트(28)는, 2개의 리드 전극(44)에 접속되어 있으며, 아크챔버(12)의 밖에 마련되는 장착플레이트(46)에 절연부(48)를 통하여 고정된다. 도 3은, 아크챔버의 내부로부터 축방향으로 보았을 때의 필라멘트(28)의 형상을 나타내는 평면도이다. 도시하는 바와 같이, 필라멘트(28)는 텅스텐 와이어를 소용돌이 형상으로 구부려 형성된다. 또, 필라멘트(28)는, 도 2에 나타나는 바와 같이, 캐소드캡(50)의 열유입면(50b)과 일정한 거리에서 대향하도록 배치된다.
필라멘트(28)는, 캐소드캡(50), 서멀브레이크(52) 및 캐소드 리테이너(54)에 의하여 구획되는 캐소드(30)의 내부에 마련된다. 이로써, 필라멘트(28)를 아크챔버(12)의 내부 공간에서 생성되는 플라즈마로부터 격리하여, 필라멘트(28)의 열화를 방지한다.
서멀리플렉터(56)는, 캐소드캡(50) 및 서멀브레이크(52)의 직경방향 외측에 마련되어, 서멀브레이크(52)의 외주면(52c)에 대향하여 축방향으로 연장되어 있는 통형상을 갖는다. 서멀리플렉터(56)는, 예를 들면, 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 그라파이트(C) 등의 고융점 재료로 구성된다. 서멀리플렉터(56)는, 캐소드캡(50)의 전면(50d)의 근방에서 직경방향 외측으로 연장되는 개구단부(56a)와, 서멀브레이크(52)의 장착단부(52b)의 근방에서 직경방향 내측으로 연장되어 서멀브레이크(52)에 접속되는 접속단부(56b)를 갖는다.
서멀리플렉터(56)는, 고온 상태가 되는 캐소드캡(50) 및 서멀브레이크(52)로부터의 복사열을 반사하여, 캐소드캡(50) 및 서멀브레이크(52)의 고온이 유지되도록 한다. 서멀리플렉터(56)는, 캐소드캡(50)의 측면(50e)으로부터의 복사열을 반사할 수 있도록, 측면(50e)과 대향하는 위치까지 축방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 서멀리플렉터(56)는, 캐소드캡(50)을 걸림지지하는 서멀브레이크(52)보다, 아크챔버(12)의 내부를 향하여 축방향으로 연장되어 있는 것이 바람직하다. 서멀리플렉터(56)는, 예를 들면, 캐소드캡(50)의 길이(l)가 1/2이 되는 위치보다 아크챔버(12)의 내부를 향하여 축방향으로 연장되어 있는 것이 바람직하다.
또, 캐소드캡(50)과 서멀리플렉터(56)의 배치를 비교하면, 서멀리플렉터(56)의 단부보다 캐소드캡(50)의 선단부가 아크챔버(12)의 내부를 향하여 돌출되어 있다. 이로써, 캐소드캡(50)의 선단부에 가까운 측면(50e)으로부터 방출되는 열전자를 효과적으로 아크챔버(12)의 내부를 향하여 방출할 수 있다. 캐소드캡(50)의 돌출량, 즉, 서멀리플렉터(56)의 개구단부(56a)로부터 캐소드캡(50)의 선단부까지의 축방향의 길이(l0)는, 캐소드캡(50)의 축방향의 길이(l)의 10% 이상인 것이 바람직하고, 15%~30% 정도인 것이 보다 바람직하다.
또, 서멀리플렉터(56)는, 서멀브레이크(52)의 장착단부(52b)의 근방에 있어서, 서멀브레이크(52)에 장착되는 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 서멀리플렉터(56)는, 캐소드캡(50) 및 서멀브레이크(52)의 걸림지지단부(52a)로부터 떨어진 위치에 장착되고, 서멀브레이크(52)가 서멀리플렉터(56)에 의하여 덮이는 것이 바람직하다. 가령, 캐소드캡(50) 및 서멀브레이크(52)의 걸림지지단부(52a) 근처에 서멀리플렉터(56)를 장착하면, 복사열에 의한 방열(放熱)로 서멀브레이크(52)의 온도가 내려가 캐소드캡(50)의 열이 서멀브레이크(52)에 방출되기 쉬워져, 캐소드캡(50)의 온도 저하로 이어지기 때문이다.
이상의 구성을 갖는 플라즈마 생성장치(10)에 있어서, 캐소드캡(50)은, 필라멘트(28)로부터 방출되는 열전자에 의하여 가열되어, 열전자 방출면(50a)으로부터 열전자를 방출한다. 캐소드캡(50)으로부터 방출되는 열전자는, 캐소드(30)와 아크챔버(12)의 사이의 아크 전압에 의하여 가속되어, 빔전자로서 아크챔버(12) 안에 방출된다. 방출되는 빔전자는, 도 1에 나타나는 캐소드(30)와 리펠러(18)의 사이에서 왕복 이동함과 함께, 축방향의 자장(B)을 따른 나선형상의 궤도를 그리며 이동한다.
왕복 이동하는 빔전자는, 아크챔버(12)에 도입되는 소스가스 분자와 충돌하고, 소스가스 분자를 전리시켜 플라즈마(42)를 아크챔버(12) 내에 생성한다. 빔전자는, 인가 자장(B)에 의하여 대략 한정된 범위에 존재하기 때문에, 플라즈마는 그 범위에서 주로 생성된다. 생성된 플라즈마 내부의 이온은, 확산에 의하여 아크챔버(12)의 내벽, 프론트슬릿(26), 캐소드(30), 리펠러(18)에 도달한다. 프론트슬릿(26)에 도달한 이온은, 인출 전극인 서프레션 전극(20) 및 그라운드 전극(22)을 통하여 가속되어 아크챔버(12)의 밖으로 인출된다.
소스가스로서는, 희(希)가스 및 수소(H2)나, 포스핀(PH3), 아르신(AsH3) 등의 수소화물, 3불화 붕소(BF3), 4불화 게르마늄(GeF4) 등의 불화물, 3염화 인듐(InCl3) 등의 염화물, 3요오드화 인듐(InI3) 등의 요오드화물 등을 포함하는 할로젠화물이 이용된다. 또, 소스가스로서는, 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 산소(O2) 등의 산소 원자(O)를 포함하는 물질도 이용된다. 이들 소스가스는, 아크챔버(12)에 가스 도입구(24)를 통하여 도입되고, 2차 열전자(40)에 의하여 이온화된다. 여기된 이온이 아크챔버(12)의 내벽, 캐소드(30), 리펠러(18)에 입사하여 충돌하면, 각 부의 구성 소재(W, Ta, Mo, 그라파이트 등)를 스퍼터링이나 화학적 에칭에 의하여 마멸시킨다.
소스가스로서 불소 원자나 산소 원자를 포함하는 물질을 이용하는 경우, 아크챔버 내에 있어서 반응성이 높은 불소 라디칼이나 산소 라디칼이 발생된다. 발생된 불소 라디칼이나 산소 라디칼은, 플라즈마 생성장치(10)를 구성하는 각 부의 구성 소재(W, Ta, Mo, 그라파이트 등)를 식각 마모시킨다. 특히, 고온이 되는 캐소드(30)의 주변에서는, 불소 라디칼이나 산소 라디칼에 의한 식각 마모의 정도가 크고, 아크챔버(12)의 내부 공간에 노출되는 캐소드캡(50)의 열전자 방출면(50a)은 사용과 함께 손모되어 간다. 열전자 방출면(50a)이 손모되어 버리면, 안정적인 플라즈마 생성이 어려워지기 때문에, 손상된 캐소드캡(50)을 교환하는 등의 메인터넌스가 필요하게 된다. 메인터넌스의 빈도가 높아지면, 플라즈마 생성장치(10)의 가동률이 저하되고, 이온 주입장치를 이용하는 공정의 생산성이 저하됨과 함께, 메인터넌스 코스트가 증대한다.
또, 발생된 불소 라디칼이나 산소 라디칼에 의하여 스퍼터링되어 비산하는 물질은, 아크챔버(12)의 내부에 마련되는 각 구성 부재의 표면에 부착하고, W, Ta, Mo, C와 같은 열전도성이 비교적 높은 물질로서 퇴적된다. 이러한 열전도성이 높은 물질이 서멀브레이크(52)에 부착되면, 서멀브레이크(52)의 두께가 증대하여 열절연성이 저하되어 간다. 그렇게 하면, 캐소드캡(50)의 온도를 유지하기 위하여 필라멘트(28)에 대한 투입전력을 크게 해야만 한다. 일반적으로, 필라멘트 전원(34)의 용량에는 상한이 있기 때문에, 서멀브레이크(52)의 열절연성이 저하되면, 상한값까지 투입전력을 끌어올려도 캐소드캡(50)을 필요로 하는 온도로 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 그렇게 하면, 서멀브레이크(52)를 교환하는 등의 메인터넌스가 필요하게 되어, 플라즈마 생성장치(10)의 가동률이 저하되어 버린다. 따라서, 서멀브레이크(52)의 열절연성이 저하되었다고 하더라도 캐소드캡(50)을 충분히 가열하여 열전자를 방출할 수 있도록, 보다 적은 입열량으로 플라즈마 생성에 필요한 상태를 유지할 수 있는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는, 캐소드캡(50)의 길이(l)를 전체 폭(w)의 1/2 이상으로 두껍게 함으로써, 캐소드캡(50)의 내구성을 높이고 있다. 또, 캐소드캡(50)의 열전자 방출면(50a)을 자장(B)의 인가방향(축방향)과 교차하는 평면 또는 곡면으로 구성함으로써, 방출되는 열전자가 효율적으로 아크챔버(12)의 내부로 공급되도록 하고 있다. 이하, 본 실시형태에 있어서 열전자가 효율적으로 아크챔버(12)의 내부로 공급되는 작용에 대하여, 비교예를 이용하면서 설명한다.
도 4는, 비교예에 관한 열전자 방출부(114)의 구성을 나타내는 단면도이다. 열전자 방출부(114)는, 캐소드(130)의 캐소드캡(150)이 원통형상으로 구성되는 점에서 상술한 실시형태와 다르지만, 그 외의 구성은 상술한 실시형태와 동일하다. 이하, 비교예에 대하여, 상술한 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다.
캐소드캡(150)은, 상술한 실시형태에 관한 캐소드캡(50)과 달리, 원통형상을 갖는다. 바꿔 말하면, 캐소드캡(150)은, 자장(B)이 인가되는 축방향에 걸쳐 직경방향의 폭(w)이 일정해지는 형상을 갖는다. 열전자 방출면(150a)은, 축방향에 직교하는 평면인 전면(150d)과, 축방향으로 연장되는 원통면인 측면(150e)으로 구성된다. 측면(150e)은, 축방향에 평행한 곡면이다.
일반적으로, 플라즈마와 부재 표면이 접하는 경계에는, 플라즈마 시스로 불리는 영역이 존재한다. 플라즈마(42)와 접하는 캐소드캡(150)의 표면에도 플라즈마 시스가 존재한다. 이 플라즈마 시스는, 열전자 방출면(150a)의 근방에 있어서, 그 표면에 수직인 방향의 전계를 발생시킨다. 캐소드캡(150)으로부터 방출된 열전자는, 열전자 방출면(150a)의 근방에 형성되는 플라즈마 시스 내의 전계에 의하여 가속된다. 이로 인하여, 열전자 방출면(150a)으로부터 방출되는 열전자는, 열전자 방출면(150a)에 수직인 방향으로 가속된다. 예를 들면, 전면(150d)으로부터 방출되는 열전자는, 화살표(161)로 나타내는 바와 같이 축방향으로 방출되어 아크챔버(12)의 내부를 향한다.
한편, 측면(150e)으로부터 방출되는 열전자는, 화살표(162)로 나타내는 바와 같이 직경방향 외측에 방출된다. 직경방향의 속도성분을 갖는 열전자는, 축방향의 자장(B)에 의하여 로렌츠 힘을 받아 축방향에 직교하는 면내에서 원운동한다. 그 결과, 측면(150e)으로부터 방출되는 열전자는, 서멀리플렉터(56)의 내주면(56c)에 충돌하거나, 화살표(163)로 나타내는 바와 같이 캐소드캡(150)에 되돌아와 캐소드캡(150)에 충돌하여 소멸한다. 따라서, 본 비교예에 관한 캐소드캡(150)의 측면(150e)으로부터 방출되는 열전자의 대부분은, 아크챔버(12)의 내부를 향하지 않고 소멸하여, 아크챔버(12) 내에서의 플라즈마의 생성에 기여하지 않는다.
만일, 캐소드캡(150)이 축방향으로 얇은 형상이면, 측면(150e)으로부터 방출되는 열전자가 플라즈마의 생성에 기여하지 않아도 그다지 문제가 되지 않을지도 모른다. 그러나, 캐소드캡(150)의 내구성을 높이기 위하여 축방향의 두께를 크게 하려고 하면, 열전자 방출면(150a)에 차지하는 측면(150e)의 비율은 커진다. 측면(150e)의 면적이 커지면 열전자 방출면(150a)으로부터의 방사열량이 증대하고, 캐소드캡(150)의 온도를 유지하기 위하여 필요한 투입 에너지량이 증가한다. 한편으로, 플라즈마 생성에 기여하는 열전자의 방출이 가능한 전면(150d)의 면적은 변하지 않기 때문에, 투입 에너지에 대한 열전자의 방출량은 저하되어 버린다. 즉, 캐소드캡(150)을 원통형상인 채 축방향의 두께를 크게 하면, 아크챔버(12) 내로의 열전자의 공급 효율이 저하되어 버린다.
도 5는, 본 실시형태에 관한 열전자 방출부(14)가 나타내는 효과를 모식적으로 나타내는 도이다. 캐소드캡(50)의 전면(50d)으로부터 방출되는 열전자는, 화살표(61)로 나타나는 바와 같이 아크챔버(12)의 내부를 향한다. 또, 측면(50e)으로부터 방출되는 열전자는, 측면(50e)에 수직인 방향의 초기 속도 V0을 갖고, 직경방향의 속도성분 V1과 함께 축방향의 속도성분 V2를 갖는다. 측면(50e)으로부터 방출되는 열전자는, 직경방향의 속도성분 V1에 기인하는 로렌츠 힘에 의하여 원운동함과 함께 축방향으로 속도 V2로 진행한다. 이로 인하여, 측면(50e)으로부터 방출되는 열전자는, 화살표(62)로 나타나는 바와 같이, 자장(B)의 인가방향을 따른 나선 궤도를 그리도록 하여 아크챔버(12)의 내부를 향할 수 있다. 본 실시형태에서는, 측면(50e)을 축방향에 대하여 경사지도록 구성함으로써, 측면(50e)으로부터 방출되는 열전자를 아크챔버(12)의 내부를 향하게 하여 플라즈마의 생성에 기여시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에 의하면, 캐소드캡(50)을 원뿔대형상으로 함으로써, 원통형상의 캐소드캡(150)과 비교하여, 캐소드캡의 체적에 대한 열전자 방출면의 면적의 비율(비표면적)을 작게 할 수 있다. 열전자 방출면으로부터 손실되는 방사열량은 표면적의 크기에 비례하기 때문에, 원뿔대형상의 캐소드캡(50)에서는, 원통형상의 캐소드캡(150)보다 방사열에 의한 열손실이 작다. 그 결과, 캐소드캡(50 및 150)의 체적을 동일하게 한 경우에, 열전자 방출에 적합한 온도의 유지에 필요한 투입 에너지량을 비교예보다 작게 할 수 있다.
또, 본 실시형태에 의하면, 캐소드캡(50)을 원뿔대형상으로 함으로써, 열유입면(50b) 중 필라멘트(28)에 대향하는 중앙부로부터 열전자 방출면(50a) 상의 각 지점까지의 거리의 차를 작게 할 수 있다. 그 결과, 필라멘트(28)로부터 입력되어 열전자 방출면(50a) 상의 각 지점에 전달되는 열량의 차를 작게 하여, 열전자 방출면(50a)을 균등하게 가열할 수 있다. 이로써, 열전자 방출면(50a)의 온도 불균일을 억제하여, 열전자 방출면(50a)의 전체 면으로부터 열전자를 방출시키는 데에 필요한 투입 에너지량을 비교예보다 작게 할 수 있다.
또, 본 실시형태에 의하면, 캐소드캡(50 및 150)의 체적을 동일한 것으로 하고, 열유입면(50b 및 150b)을 동일 형상으로 한 경우에, 축방향의 길이(l)를 비교예보다 크게 할 수 있다. 이로써, 캐소드캡(50)의 가열에 필요한 에너지량의 증가를 억제하면서 캐소드캡(50)의 내손모성을 높일 수 있다. 특히, 캐소드캡(50)의 중앙부는, 서멀리플렉터(56)에 가까운 주연부와 비교하여 플라즈마 밀도가 높아, 플라즈마에 의하여 손모되기 쉽다. 따라서, 캐소드캡(50)의 중앙부의 두께를 크게 함으로써, 캐소드캡(50)의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이상을 정리하면, 본 실시형태에 의하면, 캐소드캡(50)을 원뿔대형상으로 함으로써, 캐소드캡(50)의 가열에 필요한 에너지량을 억제함과 함께, 측면(50e)으로부터 방출되는 열전자도 플라즈마 생성에 기여시킬 수 있다. 또, 캐소드캡(50)의 중앙부의 축방향의 길이(l)를 크게 하여 캐소드캡(50)의 내구성을 높일 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 캐소드캡(50)에 기인하는 열전자 방출부(14)의 장치 수명을 향상시킴과 함께, 플라즈마 생성장치(10)의 플라즈마 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
(변형예 1)
도 6은, 변형예에 관한 열전자 방출부(214)의 구성을 나타내는 단면도이다. 본 변형예에 관한 캐소드(230)는, 반구형상의 캐소드캡(250)을 갖는 점에서 상술한 실시형태와 상이하다. 이하, 본 변형예에 대하여, 상술한 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다.
캐소드캡(250)은, 열전자 방출면(250a)과, 열유입면(250b)과, 플랜지(250c)를 갖는다. 캐소드캡(250)은, 도시되는 바와 같은 반구형상 또는 구체 혹은 회전 타원체의 일부를 잘라낸 형상을 갖는다. 따라서, 캐소드캡(250)은, 아크챔버(12)의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭(w)이 작아지는 형상을 갖는다. 열전자 방출면(250a)은, 구면이나 타원면 등의 볼록곡면으로 구성되어 있으며, 자장(B)의 인가방향인 축방향과 교차하는 방향의 곡면으로 구성된다.
본 변형예에 있어서도, 상술한 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 비교예에 관한 캐소드캡(150)의 형상을 직경 w=12mm, 길이(l)=8mm의 원통형상으로 한 경우, 회전 타원체를 절반으로 한 형상을 갖는 비교예와 대략 동일한 체적의 캐소드캡(250)에서는, 열전자 방출면(250a)의 면적이 약 7% 감소한다. 이로써, 플라즈마의 생성 조건을 동일하게 한 경우, 캐소드캡(250)의 가열에 필요한 에너지량을 약 7% 저감시킬 수 있다. 또, 동일한 조건의 캐소드캡(250)의 길이(l)는, 비교예와 비교하여 약 50% 증가하기 때문에, 캐소드캡(250)이 손모되는 시간을 약 50% 늘릴 수 있다.
(변형예 2)
도 7은, 변형예에 관한 열전자 방출부(314)의 구성을 나타내는 단면도이다. 본 변형예에 관한 캐소드(330)는, 원뿔대의 상면에 볼록곡면을 부가한 형상의 캐소드캡(350)을 갖는 점에서 상술한 실시형태와 상이하다. 이하, 본 변형예에 대하여, 상술한 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다.
캐소드캡(350)은, 원뿔대형상의 제1 부분(351)과, 구체의 일부를 잘라낸 형상의 제2 부분(352)을 갖는다. 제1 부분(351)은, 필라멘트(28)와 대향하는 열유입면(350b)과, 원뿔면으로 구성되는 측면(350e)과, 열유입면(350b)으로부터 직경방향 외측으로 돌출되는 플랜지(350c)를 갖는다. 제2 부분(352)은, 구면 또는 타원면 등의 볼록곡면으로 구성되는 전면(350d)을 갖는다. 제1 부분(351)의 측면(350e) 및 제2 부분(352)의 전면(350d)은, 캐소드캡(350)의 열전자 방출면(350a)을 구성한다.
본 변형예에 있어서도, 캐소드캡(350)이 아크챔버(12)의 내부를 향함에 따라 직경방향의 폭(w)이 작아지는 형상을 갖는다. 또, 열전자 방출면(350a)은, 자장(B)의 인가방향인 축방향과 교차하는 방향의 곡면으로 구성된다. 따라서, 본 변형예에 있어서도 상술한 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(변형예 3)
도 8은, 변형예에 관한 열전자 방출부(414)의 구성을 나타내는 단면도이다. 본 변형예에 관한 캐소드(430)는, 측면(450e)의 축방향에 대한 기울기가 단계적으로 변화되는 회전체형상의 캐소드캡(450)을 갖는 점에서 상술한 실시형태와 상이하다. 이하, 본 변형예에 대하여, 상술한 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다.
캐소드캡(450)은, 원통형상의 제1 부분(451)과, 원뿔대형상의 제2 부분(452) 및 제3 부분(453)을 갖는다. 제1 부분(451), 제2 부분(452) 및 제3 부분(453)은, 아크챔버(12)의 내부를 향하여 차례로 쌓여 있다. 제1 부분(451)은, 필라멘트(28)와 대향하는 열유입면(450b)과, 원통면으로 구성되는 제1 측면(451e)과, 열유입면(450b)으로부터 직경방향 외측으로 돌출되는 플랜지(450c)를 갖는다. 제2 부분(452)은, 원뿔면으로 구성되는 제2 측면(452e)을 갖는다. 제3 부분(453)은, 제2 측면(452e)과 기울기가 다른 제3 측면(453e)과, 전면(450d)을 갖는다. 제1 측면(451e), 제2 측면(452e) 및 제3 측면(453e)은, 캐소드캡(450)의 측면(450e)을 구성한다. 또, 전면(450d) 및 측면(450e)은, 캐소드캡(450)의 열전자 방출면(450a)을 구성한다.
본 변형예에 있어서, 캐소드캡(450)의 일부는, 직경방향의 폭(w)이 축방향으로 일정해지는 원통형상을 갖는 제1 부분(451)으로 구성되어 있다. 원통면인 제1 측면(451e)은, 자장(B)의 인가방향과 평행한 곡면이 되기 때문에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 열전자 방출면으로서 유효하게 기능하지 않을 지도 모른다. 한편, 원뿔면인 제2 측면(452e)이나 제3 측면(453e)은, 상술한 실시형태와 동일하게 열전자 방출면으로서 유효하게 기능할 수 있다. 따라서, 열전자 방출면(450a)에 차지하는 제1 측면(451e)의 면적이 상대적으로 작으면, 바꿔 말하면, 제2 측면(452e)이나 제3 측면(453)의 면적이 상대적으로 크면, 상술한 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다고 할 수 있다. 이러한 효과를 얻으려면, 제1 부분(451)의 길이(l1)를 캐소드캡(450)의 길이(l)의 1/2 이하, 바람직하게는, 1/3 이하로 하면 된다. 또, 원통형상으로 하는 제1 부분(451)은, 필라멘트(28)에 가까운 위치, 즉, 아크챔버(12)의 내부 공간으로부터 떨어진 위치에 마련하는 것이 바람직하다. 본 변형예에 의하면, 캐소드캡(450)을 부분적으로 원통형상으로 하는 경우이더라도, 플라즈마의 생성 효율 및 캐소드캡(450)의 내구성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
(변형예 4)
도 9는, 변형예에 관한 플라즈마 생성장치(510)의 개략 구성을 나타내는 도이다. 본 변형예는, 인출개구(526)가 아크챔버(512)의 측벽판(512c)이 아닌, 열전자 방출부(514)에 대향하는 하면판(512b)에 마련되는 점에서 상술한 실시형태와 상이하다. 이하, 본 변형예에 대하여, 상술한 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다.
플라즈마 생성장치(510)는, 아크챔버(512)와, 열전자 방출부(514)와, 자장발생기(516)와, 리펠러 플레이트(532)와, 각종 전원으로서 필라멘트 전원(534), 캐소드 전원(536) 및 아크 전원(538)을 구비한다. 플라즈마 생성장치(510)의 근방에는, 인출 전극인 서프레션 전극(520) 및 그라운드 전극(522)이 배치된다.
아크챔버(512)는, 축방향으로 연장되어 있는 측벽판(512c)과, 측벽판(512c)의 양단에 마련되는 상면판(512a) 및 하면판(512b)을 구비한다. 상면판(512a)의 장착구멍(512d)에는, 열전자 방출부(514)가 마련된다. 하면판(512b)에는, 아크챔버(12)의 내부에서 생성되는 플라즈마로부터 이온을 인출하기 위한 인출개구(526)가 마련된다.
열전자 방출부(514)는, 필라멘트(528)와, 캐소드(530)와, 서멀리플렉터(556)를 구비한다. 캐소드(530)는, 캐소드캡(550)과, 캐소드 브레이크(552)를 포함한다. 캐소드캡(550)은, 상술한 실시형태에 관한 캐소드캡(50)과 마찬가지로 원뿔대형상을 갖고, 축방향과 교차하는 방향의 평면 및 곡면으로 구성되는 열전자 방출면을 갖는다. 또한, 캐소드캡(550)은, 상술한 변형예와 마찬가지로, 원뿔대 이외의 형상을 가져도 된다.
자장발생기(516)는, 아크챔버(512)의 직경방향 외측에 마련되어, 아크챔버(512)의 내부에 축방향의 자장(B)을 발생시킨다. 자장발생기(516)는, 솔레노이드코일(570)을 구비한다. 아크챔버(512)와 솔레노이드코일(570)의 사이에는, 아크챔버(512)의 방사열로부터 솔레노이드코일(570)을 보호하기 위한 히트실드(560)이 마련된다.
리펠러 플레이트(532)는, 아크챔버(512)의 내부이고 열전자 방출부(514)에 대향하는 위치에 마련된다. 리펠러 플레이트(532)는, 예를 들면, 하면판(512b)의 근방에 하면판(512b)과 떨어져 마련된다. 리펠러 플레이트(532)는, 예를 들면 원판형상을 갖고, 그 중심부에 인출개구(526)와 연통하는 개구(532a)가 마련된다.
이상의 구성을 갖는 플라즈마 생성장치(510)에 있어서, 캐소드캡(550)은, 필라멘트(528)로부터 방출되는 열전자에 의하여 가열되어 열전자를 방출한다. 캐소드캡(550)으로부터 방출되는 열전자는, 캐소드(530)와 아크챔버(512)의 사이의 아크 전압에 의하여 가속되어, 빔전자로서 아크챔버(512) 안에 방출된다. 방출되는 빔전자는, 캐소드(530)와 리펠러 플레이트(532)의 사이에서 왕복 이동함과 함께, 축방향의 자장(B)을 따른 나선형상의 궤도를 그리며 이동한다. 왕복 이동하는 빔전자는, 아크챔버(512) 내부의 소스가스 분자와 충돌하고, 소스가스 분자를 전리시켜 플라즈마를 생성시킨다. 생성된 플라즈마 내부의 이온의 일부는, 확산에 의하여 인출개구(526)에 도달하고, 인출 전극인 서프레션 전극(520) 및 그라운드 전극(522)을 통하여, 아크챔버(512)의 밖으로 인출된다.
본 변형예에 있어서도, 캐소드캡(550)의 열전자 방출면이 자장(B)이 인가되는 축방향으로 교차하는 평면 및 곡면으로 구성되기 때문에, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 열전자의 방출 효율을 높임과 함께, 캐소드캡(550)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 변형예에 나타내는 바와 같은 축방향으로 이온이 인출되는 플라즈마 생성장치에 있어서도, 상술한 캐소드캡(250, 350, 450, 550)의 형상을 채용함으로써, 상술한 실시형태와 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
이상, 본 발명을 상술한 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 실시형태의 구성을 적절히 조합한 것이나 치환한 것에 대해서도 본 발명에 포함되는 것이다. 또, 당업자의 지식에 근거하여 실시형태에 있어서의 조합이나 처리의 순서를 적절히 변경하는 것이나 각종의 설계 변경 등의 변형을 실시형태에 대하여 더하는 것도 가능하며, 그러한 변형이 더해진 실시형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
상술한 실시형태 및 변형예에서는, 캐소드캡을 회전 대칭 형상으로 하는 경우를 나타냈다. 추가적인 변형예에 있어서는, 비회전 대칭이 되는 형상의 캐소드캡을 이용해도 된다. 예를 들면, 캐소드캡의 측면으로서, 원뿔면 대신에 축방향으로 경사지게 교차하는 복수의 평면을 이용해도 된다. 보다 구체적으로는, 캐소드캡의 측면으로서 다각뿔면 등을 이용해도 된다.
상술한 실시형태 및 변형예에서는, 캐소드캡의 측면을 원뿔면이나 구면 등으로 구성하는 경우를 나타냈다. 추가적인 변형예에 있어서는, 아크챔버의 내부를 향하여 직경방향의 폭이 작아지는 형상인 한, 열전자 방출면은 임의의 곡률이나 형상을 갖는 곡면이어도 된다. 예를 들면, 열전자 방출면은, 볼록곡면이어도 되고, 오목곡면이어도 되며, 이들의 조합이어도 된다.
상술한 실시형태 및 변형예에서는, 아크챔버(12)가 대략 직육면체형상으로 형성되는 경우를 나타냈다. 추가적인 변형예에 있어서는, 아크챔버가 대략 구체형상이어도 되고 원통형상이나 각통형상이어도 된다. 아크챔버가 통형상인 경우에는, 아크챔버의 측면이 축방향으로 연장되어 있도록 마련되어, 축방향으로 대향하는 개구단의 각각에 열전자 방출부와 리펠러가 마련되어도 된다.
상술한 실시형태 및 변형예에서는, 캐소드(30)의 적어도 일부가 아크챔버(12)의 내부에 배치되는 구성을 나타냈다. 추가적인 변형예에 있어서는, 캐소드가 아크챔버의 내부가 아닌, 아크챔버의 밖에 마련되어도 된다. 예를 들면, 아크챔버가 통형상인 경우에는, 아크챔버의 개구단으로부터 아크챔버의 외측에 떨어진 위치에 캐소드가 배치되어도 된다. 이 경우에 있어서도, 캐소드캡은, 아크챔버의 내부를 향하여 돌출되도록 마련되어, 아크챔버의 내부에 열전자를 공급하도록 구성된다.
10…플라즈마 생성장치
12…아크챔버
14…열전자 방출부
16…자장발생기
28…필라멘트
30…캐소드
40…전자
42…플라즈마
50…캐소드캡
50a…열전자 방출면
50b…열유입면
52…서멀브레이크
56…서멀리플렉터

Claims (15)

  1. 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성영역을 내부에 갖는 아크챔버와,
    상기 플라즈마 생성영역에 자장을 인가하는 자장발생기와,
    상기 플라즈마 생성영역에 인가되는 상기 자장의 인가방향을 따른 축방향으로 연장되어 있는 캐소드로서, 그 선단에 열전자를 방출하는 캐소드캡이 마련되는 캐소드를 구비하며,
    상기 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되고, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 축방향과 직교하는 직경방향의 폭이 작아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부 공간에 노출되는 열전자 방출면을 갖고, 상기 열전자 방출면은, 상기 축방향과 경사지게 교차하는 곡면 및 평면 중 적어도 일방을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열전자 방출면은, 구면 또는 타원면을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 열전자 방출면은, 원뿔면을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 열전자 방출면은, 상기 축방향으로 연장되는 원통면을 갖고, 상기 원통면의 상기 축방향의 길이가 상기 캐소드캡의 상기 축방향의 길이의 1/2 이하가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드캡은, 상기 축방향으로 연장되는 중심 축에 대하여 회전 대칭인 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 캐소드캡은, 원뿔대의 상면에 볼록곡면을 부가한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드캡은, 상기 축방향의 길이가 상기 직경방향의 폭의 1/2 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드캡의 직경방향 외측에 마련되어, 상기 축방향으로 연장되어 있는 통형상의 서멀리플렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 서멀리플렉터는, 상기 캐소드캡의 상기 축방향의 길이가 1/2이 되는 위치보다 상기 아크챔버의 내부를 향하여 축방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 서멀리플렉터의 단부로부터 상기 캐소드캡의 선단부까지의 상기 축방향의 길이가, 상기 캐소드캡의 상기 축방향의 길이의 10% 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드의 내부에 마련되어, 상기 캐소드캡을 열전자에 의하여 가열하는 필라멘트를 더 구비하고,
    상기 캐소드캡은, 상기 필라멘트와 대향하는 열유입면을 갖고, 상기 열유입면은, 상기 축방향과 직교하는 평면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아크챔버를 구성하는 벽면의 일부에는, 상기 벽면을 상기 축방향으로 관통하는 장착구멍이 마련되어 있으며,
    상기 캐소드는, 상기 장착구멍에 삽입 관통되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성영역을 사이에 두고 상기 캐소드와 상기 축방향으로 대향하는 위치에 마련되는 리펠러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성장치.
  15. 자장이 인가되는 플라즈마 생성영역을 내부에 갖는 아크챔버 내에 열전자를 방출하기 위한 열전자 방출부로서,
    상기 플라즈마 생성영역에 인가되는 상기 자장의 인가방향을 따른 축방향으로 연장되어 있는 서멀브레이크와,
    상기 서멀브레이크의 선단에 장착되어, 상기 아크챔버 내에 열전자를 방출하는 캐소드캡과,
    상기 서멀브레이크의 내부에 마련되어, 상기 캐소드캡을 열전자에 의하여 가열하는 필라멘트를 구비하고,
    상기 캐소드캡은, 상기 아크챔버의 내부를 향하여 상기 축방향으로 돌출되고, 상기 아크챔버의 내부를 향함에 따라 상기 축방향과 직교하는 직경방향의 폭이 작아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 열전자 방출부.
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