KR20240060400A - 이온 소스 캐소드 - Google Patents
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Abstract
개선된 캐소드 서브어셈블리에는 텅스텐제의 중실의 원통형 캐소드, 이 캐소드의 일단부를 수용하는 반경방향으로 향하는 내부 리브를 구비하는 이 캐소드와 동심의 원통형 홀더, 및 캐소드에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 홀더 내에 나사체결가능하게 장착되는 원통형 반사기가 포함된다. 홀더는 점검 및/또는 교체를 위해 쉽게 제거될 수 있도록 지지 플레이트에 나사체결가능하게 장착된다.
Description
본 발명은 개선된 이온 소스 캐소드를 구비한 이온 생성 소스를 갖는 이온 주입기에 관한 것이다.
이온 주입은 반도체 기판 내에 불순물 이온을 도핑하기 위해 사용되는 프로세스이다. 이온 빔은 이온 소스 체임버로부터 기판을 향해 안내된다. 기판 내로의 주입 깊이는 이온 주입 에너지 및 소스 체임버에서 생성된 이온의 질량에 기초한다. 기판의 정확한 도핑 프로파일은 적절한 디바이스 작업에 중요하다. 하나 이상의 유형의 이온 종을 다양한 도즈(dose)로 그리고 다양한 에너지 레벨에서 주입하여 원하는 디바이스 특성을 얻을 수 있다. 주입 또는 기타 피가공물의 처리 중에, 가속된 이온이 충돌된 표면으로부터 재료를 비산시켜 표면을 침식시킨다.
기존의 주입기에서 사용되는 이온 빔을 생성하는 이온 소스는 전형적으로 아크 이온 소스로 불리며, 웨이퍼 처리에 적합한 이온 빔으로 성형되는 이온을 생성하기 위한 가열식 필라멘트 캐소드를 포함할 수 있다. 미국 특허 5,497,006(Sferlazzo)은 가스 감금 체임버 내에 배치되는 캐소드 및 앤티 캐소드(리펠러(repeller))를 포함한다. 이온 소스는 또한 베이스의 지지 부분으로 가스 감금 체임버를 유지하기 위한 중실의 알루미늄 블록을 포함한다. 미국 특허 5,497,006의 캐소드는 튜브형 전도성 본체, 및 가스 감금 체임버 내로 부분적으로 연장하는 엔드캡(endcap)이다. 필라멘트는 튜브형 본체 내에 지지되고, 전자 충격에 의해 엔드캡을 가열하는 전자를 방출하고, 이온화 전자를 가스 감금 체임버 내로 열이온적으로 방출한다.
미국 특허 5,763,890(Cloutier)은 또한 이온 주입기에서 사용하기 위한 아크 이온 소스를 개시하고 있다. 이온 소스는 가스 이온화 구역과 경계를 이루는 전도성 체임버 벽을 갖는 가스 감금 체임버를 포함한다. 가스 감금 체임버는 이온 빔이 체임버로부터 나가는 것을 가능하게 하는 출구 개구를 포함한다.
미국 특허 출원 2011/0156570(Jerez)은 또한 이온 주입기에서 사용하기 위한 캐소드 어셈블리를 개시하고 있다. 이온 소스는 필라멘트 클램프 어셈블리를 갖는 가스 감금 체임버를 포함한다. 필라멘트 클램프 어셈블리는 별개의 캐소드 어셈블리의 캐소드의 공동 내에 필라멘트의 접속 리드(lead)를 유지하기 위한 한 쌍의 분기 클램프를 갖는다. 필라멘트 클램프 어셈블리는 자가 정렬 관계로 절연체 블록 상에 장착된다. 캐소드 어셈블리는 필라멘트를 받아들이기 위한 내부 공동을 구비한 텅스텐 캐소드를 가지며, 텅스텐, 몰리브데넘 및 흑연제의 리테이너 차폐체(retainer shield) 내에 나사식 흑연 원통형 칼라에 의해 고정된다.
기타 소스는 RF, 마이크로파 또는 전자 빔 방전을 구동하여 원하는 이온을 생성할 수 있다. 이들 소스는 아크 이온 소스의 1/10 내지 1/100의 플라즈마 밀도를 생성하고, 전형적으로 이온화 전위가 낮은 소스 재료(이온화하기 쉬운 종)와 함께 사용되거나, 소스 체임버에 큰 이온 추출 영역이 포함되는 경우에 사용된다.
미국 특허 6,975,072(Leung)에서 보이는 것과 같은 저온 이온 소스는 스테인리스강, 구리 또는 알루미늄 등의 비교적 저온의 재료로 제조되는 소스 재료를 가질 수 있다. 아크 이온 소스 등의 고온 소스는 소스 체임버 벽을 섭씨 수만도의 온도 및 높은 열출력 밀도의 아크 플라즈마에 노출시키고, 이는 몰리브데넘, 탄탈럼 또는 텅스텐 등의 소위 내화 재료로 제조되는 종래 기술의 주입기의 소스 컴포넌트를 필요로 한다.
본 기술분야에 알려져 있는 바와 같이, 필라멘트의 접속 리드는, 전형적으로, 제 1 및 제 2 필라멘트 클램프에 의해 포획된다. 이들 클램프는, 전형적으로, 필라멘트 리드를 받아들이기 위한 클램프에 일체식 죠(jaws)를 개방하기 위해 캠 작동 또는 세트스크류를 사용한다. 다음에 리드는 클램핑 죠에 의해 발현되는 스프링 힘에 의해 유지된다. 작동 중에 필라멘트가 극단의 온도에 도달하므로, 클램핑 죠는 시간이 경과함에 따라 이완되고 영구 변형된다. 그 결과 필라멘트의 전기적 접속은 손상되고, 이온 소스는 수리 또는 교환이 필요하므로 주입기의 다운타임이 반복되고 장기화된다.
본 기술분야에 알려져 있는 바와 같이, 캐소드 및 필라멘트 클램프는 전기적/열적 절연체 블록에 부착된다. 필라멘트/클램프 어셈블리는, 전형적으로, 팬헤드머신(pan head machine) 나사로 절연체 블록에 부착된다. 어셈블리는 필라멘트가 캐소드의 공동 내의 중심에 위치하도록 배치된다. 다음에 팬헤드머신 나사를 조여서 어셈블리를 정위치에 유지한다. 필라멘트의 적절한 위치는 작업자의 스킬 및/또는 어셈블리 고정구를 사용할 필요성에 의해 달라진다. 부적절한 어셈블리는 필라멘트와 캐소드 사이에 전기적 단락을 일으키고, 이온 소스를 작동 불능이 되게 한다. 이온 소스의 수명을 최대한으로 연장하기 위해 필라멘트와 캐소드 사이의 최소의 간극도 충족되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이온 빔 동작 중의 수명 성능을 개선하고, 조립에 더 적은 수의 부품을 사용하는 이온 소스 캐소드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이온 주입기 수명을 개선하고, 부품수를 줄이고, 이온 주입기 다운타임을 줄이기 위해 이온 주입기용의 개선된 이온 소스 캐소드 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열손실을 최소화하고, 캐소드 표면을 고온에 유지하고, 이로 인해 이온 주입기의 아크 체임버 내부의 함유 가스를 이온화하기 위한 열전자 방출을 개선하는 것이다.
간단히 말하면, 본 발명은 이온의 흐름을 생성하는 데 사용하기 위한 간접 가열식 캐소드 이온 소스 어셈블리를 제공한다.
이 어셈블리는 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스와 함께 사용하기 위한 캐소드 서브어셈블리 및 이 캐소드 서브어셈블리 내에 동축으로 배치되는 필라멘트를 포함한다.
이온 주입기용 캐소드 서브어셈블리는 원통형 캐소드, 이 캐소드에 대해 동심인 원통형 홀더, 및 캐소드에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 홀더 내에 나사체결가능하게 장착되는 원통형 반사기를 포함한다. 또한, 홀더는 슬라이드가능한 관계로 캐소드의 일단부를 수용하는 반경방향으로 향하는 내부 리브를 갖는다.
캐소드는 중실(solid) 구조이고, 텅스텐으로 제조된다.
또한, 홀더의 내부 리브는 3 개의 원주방향으로 이격된 슬롯을 가지며, 캐소드의 일단부는 캐소드의 나머지 부분에 대해 원주방향으로 오목하고, 상기 홀더의 내부 리브의 슬롯 내에 슬라이드가능하게 수용되는 3 개의 직립 탭을 가지며, 오목한 주변의 나머지 부분은 홀더로부터 반경방향으로 이격되어 있다. 3 개의 탭은 캐소드에 3점 캐소드로서의 특징을 부여하기 위한 열 접촉점으로서 기능한다. 캐소드와 홀더 사이의 제한된 접촉 면적은 캐소드로부터 홀더로의 열전달(열손실)을 줄이는 역할을 하고, 이로 인해 캐소드의 표면 온도를 높은 수준에 유지함으로써 전자 방출을 개선한다.
대안적으로, 캐소드 표면 온도가 캐소드 바이어스 전압에 약간의 불안정성을 일으키기에 충분한 상황에서는 캐소드의 일단부는 완전한 원주방향 접촉면을 제공하도록 평탄화될 수 있다. 이 구조는 캐소드와 홀더 사이의 접촉 면적을 증가시키고, 캐소드로부터 홀더로의 열전달을 증가시킴으로써 캐소드의 표면 온도를 저하시키도록 기능한다.
원통형 반사기는 캐소드로부터의 열손실을 방지함으로써 캐소드 표면의 표면 온도를 개선하도록 기능한다.
필라멘트는 캐소드 상에 열이온 전자를 방출하기 위해 캐소드의 일단부와 마주하는 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부 및 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부로부터 연장하는 한 쌍의 평행한 리드를 갖는다.
또한, 열손실을 줄이기 위해 원통형 열 차폐체가 필라멘트와 동심으로 배치된다. 열 차폐체는 필라멘트로부터 캐소드를 향해 방출되는 열이온 전자를 반사하기 위해 이격된 관계로 필라멘트의 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부와 마주하는 평판면을 갖는다. 열 차폐체는 열손실을 최소화하고 필라멘트의 영역에서 고온을 유지함으로써 캐소드 표면 온도를 증강하는 단열 라이너로서 기능하는 튜브형 부품을 갖는다.
캐소드 서브어셈블리는 흑연 지지 플레이트 상에 장착된다. 이 목적을 위해, 원통형 홀더는 지지 플레이트에 나사체결가능하게 장착되고, 이 지지 플레이트로부터 돌출한다. 이런 방식으로, 캐소드 서브어셈블리는 이온 주입기에서 점검 또는 교체를 위해 쉽게 제거될 수 있다.
필라멘트의 리드는 또한 지지 플레이트를 통과하며, 홀더의 내부에 진입한다.
필라멘트의 주위에 배치되는 열 차폐체는 또한 지지 플레이트 상에 장착되며, 홀더의 내부에 진입한다.
캐소드 어셈블리의 3점 접촉 특성은 또한 캐소드 홀더로부터 지지 플레이트로의 열전달을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
바람직하게는 텅스텐으로 제조되는 캐소드는 열전자 방출을 최대화하기 위해 매우 높은 온도, 예를 들면, 2700℃(2,973.15 K)를 달성하도록 설계된다.
본 발명은 또한 이온 빔을 생성하기 위한 개선된 이온 소스를 제공한다. 이 이온 소스는 한 쌍의 대향 벽을 갖는 박스 형상의 아크 방전 체임버 - 이 벽 중 하나는 개구를 가짐 -; 체임버 상에 배치되고, 이온 빔이 통과하기 위한 슬릿을 갖는 커버; 벽의 개구 내에 배치되는 원통형 흑연 라이너 및 체임버 내로 전자를 방출하기 위해 라이너 내에 배치되는 캐소드 어셈블리를 포함한다.
본 발명에 따르면, 흑연 라이너는 일단부에 방전 체임버의 벽과 접촉하는 원주방향 숄더, 및 벽에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 벽과의 사이에 캐소드 온도를 보존하기 위한 간극을 형성하는 원통형 표면을 갖는다. 이 흑연 라이너는 아크 방전 체임버와 캐소드 사이의 전기 절열체로서 기능함으로써 캐소드로부터의 열손실을 저감시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 커버는 오목한 중앙 영역, 및 열 차폐체를 그 위에 수용하기 위해 오목한 중앙 영역의 각각의 모서리에 한 쌍의 융기된 열 접촉점을 갖는다. 아크 방전 체임버는 또한 흑연 열 차폐체를 그 위에 수용하기 위해 각각의 모서리의 한 쌍의 융기된 열 접촉점을 구비하여 오목하다. 이러한 방식으로, 열 차폐체는 커버와 아크 체임버 사이의 상호 접촉 면적을 감소시키기 위해 커버와 아크 체임버로부터 이격되어 있다.
아크 방전 체임버는 또한 각각의 벽으로부터 흑연 열 차폐체에 접촉 및 이격되도록 체임버의 각각의 벽에 한 쌍의 융기된 접촉 리브를 갖는다. 마찬가지로, 아크 방전 체임버의 저부에는 이 저부로부터 흑연 열 차폐체를 이격시키는 직립의 접점을 갖는다.
본 발명의 이들 목적, 기타 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명을 도면과 함께 읽으면 보다 명확해질 것이다.
도 1은 종래 구조의 이온 주입기의 블록도를 예시하고;
도 2는 이온 주입기에서 종래의 이온 소스의 개략도를 예시하고;
도 3은 본 발명에 따른 간접 가열식 캐소드 이온 소스의 분해도를 예시하고;
도 4는 도 3의 이온 소스의 단부도를 예시하고;
도 5는 도 4의 5-5 선을 따라 취한 도면을 예시하고;
도 6은 도 5의 확대 단면도를 예시하고;
도 7은 본 발명에 따른 지지 플레이트 내의 캐소드 서브어셈블리의 장착 구성의 분해도를 예시하고;
도 8은 3점 접촉을 갖는 본 발명의 캐소드를 예시하고;
도 9는 평탄한 단부를 갖는 본 발명의 캐소드를 예시하고;
도 10은 본 발명에 따른 캐소드 서브어셈블리가 장착된 이온 소스 체임버의 단면도를 예시하고;
도 11은 도 10의 확대 단면도를 예시하고;
도 12는 본 발명에 따른 이온 소스 체임버의 커버의 사시도를 예시하고;
도 13은 도 11의 커버를 수용하기 위한 본 발명에 따른 아크 체임버 본체의 사시도를 예시한다.
도 2는 이온 주입기에서 종래의 이온 소스의 개략도를 예시하고;
도 3은 본 발명에 따른 간접 가열식 캐소드 이온 소스의 분해도를 예시하고;
도 4는 도 3의 이온 소스의 단부도를 예시하고;
도 5는 도 4의 5-5 선을 따라 취한 도면을 예시하고;
도 6은 도 5의 확대 단면도를 예시하고;
도 7은 본 발명에 따른 지지 플레이트 내의 캐소드 서브어셈블리의 장착 구성의 분해도를 예시하고;
도 8은 3점 접촉을 갖는 본 발명의 캐소드를 예시하고;
도 9는 평탄한 단부를 갖는 본 발명의 캐소드를 예시하고;
도 10은 본 발명에 따른 캐소드 서브어셈블리가 장착된 이온 소스 체임버의 단면도를 예시하고;
도 11은 도 10의 확대 단면도를 예시하고;
도 12는 본 발명에 따른 이온 소스 체임버의 커버의 사시도를 예시하고;
도 13은 도 11의 커버를 수용하기 위한 본 발명에 따른 아크 체임버 본체의 사시도를 예시한다.
본 발명의 상세한 설명
도 1을 참조하면, 종래의 이온 빔 주입기(1)는 이온 빔(5)을 형성하는 이온을 생성하기 위한 이온 소스(2)를 포함하며, 이온 빔(5)은 최종 스테이션 또는 주입 스테이션을 향하는 빔 경로를 통과하도록 성형되고 선택적으로 편향된다.
이온 소스(2)는 추출 전원(3)에 의해 급전되며, 소스 재료가 주입되는 내부 영역을 형성하는 플라즈마 체임버를 포함한다. 소스 재료는 이온화가능한 가스 또는 기화된 소스 재료를 포함할 수 있다. 플라즈마 체임버 내에서 생성되는 이온은 이온 가속 전기장을 생성하기 위한 다수의 금속 전극을 포함하는 이온 빔 추출 어셈블리(4)에 의해 체임버로부터 추출된다.
빔 추출(4) 후, 빔(5)은 질량 분석기(6)를 통과한다. 질량 분석기(6)는 원하는 질량 대 전하의 비를 갖는 이온만이 분석기(6)를 통해 이동하여 질량 분해 슬릿(7)을 통해 최대 투과율을 얻을 수 있도록 특정 자기장으로 구성된다. 원하는 종의 이온은 질량 슬릿(7)으로부터 감속 단계를 통과한다. 중간 이온(9), 더 가벼운 이온(10) 및 무거운 이온(11)이 질량 분석기(6)의 내측의 흑연 벽(12) 상에 퇴적된다.
고전류 어플리케이션에서 이온 소스 체임버로서 간접 가열식 캐소드(IHC) 이온 소스가 전형적으로 사용된다.
도 2를 참조하면, 전형적인 간접 가열식 캐소드(IHC) 이온 소스(13)는 도전성(예를 들면, 텅스텐) 체임버 벽에 의해 획정되는 아크 체임버(15)를 포함한다. 체임버(15)는 관련된 이온을 생성하기 위해 도펀트 공급 가스에 에너지가 부여되는 이온화 구역을 형성한다. 특정의 도펀트 특성을 갖는 이온 빔을 형성하는 데 사용되는 플라즈마를 얻기 위해 다양한 공급 가스가 이온 소스 체임버(15)에 공급된다. 예를 들면, 비교적 높은 체임버 온도에서 도펀트 가스로서 H2, BF3, GeF4, PH3, 및 AsH3를 주입하면 낮은 주입 에너지, 중간 주입 에너지 및 높은 주입 에너지를 갖는 단원자로 분해된다. 이들 이온은 빔으로 형성된 다음에 소유성 필터를 통과한다. 소스 필터는 바람직하게는 이온 소스의 근처에 배치된다. 빔 내의 이온은 컬럼 내에서 원하는 에너지 레벨까지 가속/감속된다. 개구부를 갖는 질량 분석기 자석을 사용하여 이온 빔으로부터 불필요한 성분을 제거하고, 그 결과 원하는 에너지 및 질량 특성을 갖는 이온 빔이 분해능 개구부를 통과한다.
IHC 이온 소스(13)는 아크 체임버(15)의 일단부에 위치하는 캐소드/필라멘트 어셈블리(16)를 포함하며, 필라멘트(17)는 아크 체임버(15)의 내측의 캐소드(18)에 근접하여 배치된다. 전압이 필라멘트(17)에 공급되어 필라멘트(17)를 통해 충분한 전류를 생성하여 필라멘트를 가열하고 전자의 열이온 방출을 일으킨다. 캐소드(18)는 필라멘트(17)보다 더 적극적으로 캐소드(18)를 바이어싱함으로써 필라멘트(17)를 통해 간접적으로 가열되고, 이로 인해 이들 열전자가 필라멘트(17)로부터 캐소드(18)를 향해 가속됨으로써 캐소드(18)를 가열한다.
리펠러(19)는 전형적으로 아크 체임버(15)의 반대측 단부에 위치하고, 캐소드(18)와 동일한 전압으로 바이어싱된다. 방출된 전자는 캐소드(18)와 리펠러(19) 사이에 감금되고, 도관(20)을 통해 체임버 내에 도입된 도펀트 공급 가스와 충돌하여 원하는 특성을 갖는 플라즈마를 생성한다.
도펀트 가스로부터 형성되는 이온은 예를 들면, 전기장을 생성하는 데 사용되는 플라즈마 전극(23), 억제 전극(24) 및 접지 전극(25)을 포함하는 표준적 3 개의 전극 구성에 의해 개구부(22)를 통해 소스 체임버(15)로부터 빔(21)으로서 추출된다. 억제 전극(24)은 접지 전극(25)으로부터 이격되어 있는 것으로서 도시되어 있으나, 이는 예시의 목적만을 위한 것이며, 전극은 물리적으로 절연체를 통해 서로 접촉해 있다. 플라즈마 전극(23)은 이온 소스 체임버(15)와 동일한 크기의 전위로 바이어싱될 수 있다. 억제 전극(24)은 전원에 접속되고, 전형적으로 전자가 소스 체임버(15)로 되돌아가는 것을 방지하기 위해 적절한 음의 값으로 바이어싱된다. 접지 전극(25)은 억제 전극(24)의 하류에 위치하며 접지 전위이다. 전극에 의해 발생되는 전기장의 강도는 원하는 빔 전류로 조정되어 아크 체임버 내에서 생성되는 이온으로부터 특정 유형의 이온 빔(21)을 추출할 수 있다.
도 1을 참조하면, 소스 부싱(14)이 이온 소스(2)와 이온 주입기의 진공 용기 등의 기타 구성요소 사이에 결합될 수 있다.
부싱(14)의 2 개의 단자는 상이한 전위에 유지된다. 이온 소스(2)는 추출 전원(3)에 의해 어떤 경우에는 약 80 kV 그리고 다른 경우에는 더 높은 추출 전위까지 에너지를 공급받을 수 있다. 소스 부싱(14)의 타측 단자는 접지 전위의 구성요소에 결합될 수 있다. 유리하게는, 소스 부싱(14)은 소스 부싱의 전기적 절연파괴를 회피하기 위해 소스 부싱(14) 상에 텅스텐 막 등의 금속 재료(도전성 막)를 가두는 알루미늄 차폐체로 구성된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 개선된 이온 소스 캐소드는 원통형 캐소드(27), 이 캐소드(27)와 동심인 원통형 홀더(28), 및 캐소드(27)에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 홀더(28) 내에 나사체결가능하게 장착되는 원통형 반사기(26)를 포함하는 캐소드 어셈블리를 포함한다. (도 6 참조)
도 6을 참조하면, 캐소드(27)는 중실 구조이며, 텅스텐으로 제조된다. 또한, 캐소드(27)의 일단부는 캐소드의 나머지 부분에 대해 원주방향으로 오목하고, 홀더(28)는 슬라이드가능한 관계로 캐소드(27)의 오목 단부를 수용하는 반경방향으로 향하는 내부 리브(28')를 갖는다.
홀더(28)는 캐소드(27) 주위의 열 차폐체로서 기능한다.
도 8을 참조하면, 캐소드(27)는 홀더(28) 내의 슬롯(미도시) 내에 슬라이드가능하게 수용되는 오목 단부 상에서 원주방향으로 이격된 3 개의 직립 탭(27')을 갖는다. 캐소드(27)의 오목 단부의 나머지 부분은 홀더(28)로부터 반경방향으로 이격되어 있다. 이들 탭(27')은 캐소드(27)와 홀더(28) 사이에 열 접촉점을 제공하여 3점 캐소드(27)로서 캐소드(27)를 특징화한다.
3점 접촉 캐소드(27) 및 원통형 캐소드 홀더와 일체형인 나사체결식 원통형 반사기(26) 및 열 차폐체(28)는 열손실을 방지하여 캐소드(27)의 표면 상의 표면 온도를 개선한다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 캐소드 어셈블리는 홀더(28)의 일단부를 지지 플레이트(29)의 암나사식 개구부 내에 나사체결됨으로써 흑연 지지 플레이트(29) 내에 장착된다.
예시된 바와 같이, 텅스텐 필라멘트(30)가 지지 플레이트(29)를 통과하고, 캐소드(27) 상에 열이온 전자를 방출하기 위해 캐소드(27)의 일단부와 마주하는 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부를 갖는다(도 6). 필라멘트(30)는 평탄화된 구불구불한 형상의 단부로부터 연장하는 한 쌍의 평행한 리드(34)를 갖는다.
또한, 원통형 튜브형 반사기(31)는 필라멘트 레그(leg)를 둘러싸며, 지지 플레이트(29)를 통해 홀더(28) 내로 진입하여 열 차폐체로서 기능한다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면, 필라멘트(30)는, US 2011/0156570에 기술되어 있는 바와 같이, 종래의 방식으로 평행한 리드(34)를 통해 필라멘트 클램프 어셈블리(32)의 필라멘트 지지 레그에 장착된다.
도 3에 예시된 바와 같이, 장착 나사(33)가 필라멘트 클램프 어셈블리(32)를 통해 튜브형 반사기(31)의 반경방향 연장 탭 내로 진입하여 반사기(31)를 정위치에 유지한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 반사기(31)는 필라멘트(30)로부터 캐소드(27)를 향해 방출되는 열이온 전자를 방출하도록 전자 리펠러로부터 방출되는 열이온 전자를 반사하기 위한 전자 리펠러로서 기능하는 필라멘트(30)의 평탄화된 구불구불한 형상의 단부와 이격된 관계로 마주하는 평탄면(35)을 갖는 컵형상이다. 구체적으로 말하면, 평탄면(35)은 텅스텐 필라멘트(30) 상에서 생성되는 열이온 전자 방출을 캐소드(27)의 후면으로 반사하여 캐소드(27)의 표면 온도를 높여준다.
열 차폐체 및 리펠러(즉, 반사기)(31)는 필라멘트 전원의 음의 바이어스에 접속된다. 3점 접촉 캐소드(27)의 표면 이미터는 필라멘트 전원의 양의 바이어스에 접속된다. 열 차폐체 및 반사기(31)는 필라멘트(30)와 열 차폐체 및 반사기(31)의 평탄면(35) 사이에 간극(37)을 두고 설치되어야 한다.
도 7은 캐소드(27)로부터 열손실을 줄이기 위한 3점 접촉 시팅(seating)을 예시하는 캐소드 이온 소스 어셈블리의 상세한 분해도이다. 원통형 열 차폐체(26)는 캐소드 측의 표면 손실을 감소시켜 표면 온도를 개선하고, 홀더(28)의 암나사(40) 내에 나사체결된다. 원통형 열 차폐체(28)는 지지 플레이트(29)의 수나사에 의해 착탈가능하게 유지된다. 이로 인해 캐소드(27)는 마모되었을 때 새 것으로 교체될 수 있다.
다음에 흑연 지지 플레이트(29)는 세라믹 절연 블록(44) 상에 장착된다.
도 8을 참조하면, 캐소드(27)는 이 캐소드(27)로부터의 열손실을 저감하고 캐소드 표면 온도를 상승시키기 위해 계단형 3점 접촉 시팅(27')을 갖는 계단형 리테이너로서의 특징을 갖는다.
도 9를 참조하면, 캐소드(27)는 일단부에 원주방향의 열 접촉면을 갖는 평탄화된 리테이너로서의 특징을 가질 수 있다. 평탄화된 리테이너는 열손실을 부분적으로 감소시켜 캐소드 리테이너 표면 온도를 저하시킬 수 있다.
최초의 테스트 결과에 기초하여, 캐소드(27)는 매우 고온이었고, 그 결과 캐소드(27)로부터 열 편향기(26)로 열전자 및 적외선이 방출되었다는 가설이 세워졌다. 3점 특징을 제거함으로써(접촉면을 평탄화함), 캐소드(27)로부터 홀더(28)를 통해 지지 플레이트(29)로의 열전도가 증가되었고, 이로 인해 캐소드(27)를 열전자 방출 임계치 미만의 온도에 유지하는 것이 가능하다. 이로 인해 캐소드(27)로의 안정된 바이어스 전력 흐름이 얻어진다.
도 10을 참조하면, 여기서 동일한 참조부호는 위와 동일한 부품을 나타내며, 캐소드 서브어셈블리는 박스 형상의 아크 체임버(47) 내에 장착되고, 커버(48)는 이온 빔이 통과하기 위한 슬릿(49)(도 12 참조)을 구비한 체임버(47) 상에 배치된다.
예시된 바와 같이, 아크 체임버(47)는 4 개의 벽, 저면 및 상면 상에 평탄한 흑연 열 차폐체(47')로 라이닝된다. 체임버(47)의 상면의 열 차폐체는 커버(48)의 슬릿(49)과 일치하는 개구부를 갖는다.
도 11을 참조하면, 동일한 참조부호는 위와 동일한 부품을 나타내며, 아크 체임버(47)는 일단부에 원통형 흑연 라이너(51)를 수용하기 위한 개구를 구비하는 벽(50)을 갖는다. 예시된 바와 같이, 흑연 라이너(51)는 일단부에 벽(50)과 접촉하는 원주방향으로 테이퍼를 이루는 외부 숄더, 및 캐소드 온도를 보존하기 위해 둘 사이에 간극을 형성하도록 벽(50)에 대해 원주방향으로 이격된 관계에 있는 원통형 표면(이득은 약 50℃임)을 갖는다. 흑연 라이너(51)는 캐소드(27)로부터 열손실을 줄이도록 기능한다.
예시된 바와 같이, 캐소드 서브어셈블리 어셈블리(26, 27, 28)는 체임버(47) 내에 전자를 방출하도록 라이너(51) 내에 배치된다.
도 12를 참조하면, 커버(48)는 슬릿(49)을 포함하는 오목한 중앙 영역 및 이 오목한 중앙 영역의 각각의 모서리에 있는 한 쌍의 융기된 열 접촉점(52)을 갖는다. 오목한 중앙 영역은 열 접촉점(52) 상에 흑연 열 차폐체(미도시)를 수용하도록 크기가 설정되며, 이로 인해 열 차폐체는 커버(48)로부터 이격된다.
도 13을 참조하면, 아크 방전 체임버(47)는 그 각각의 모서리에 커버(48)의 열 접촉점을 수용하기 위한 한 쌍의 융기된 열 접촉점(53)을 갖는다. 예시된 바와 같이, 체임버(47)는 열 차폐체가 열 접촉점(53)과 접촉한 상태에서 커버(48) 내에 배치되는 열 차폐체를 수용하기 위해 오목하다. 이러한 방식으로, 열 차폐체는 체임버(47)로부터 이격된다.
커버(48)가 아크 방전 체임버(47) 상에 열 차폐체를 사이에 두고 설치되면, 열 접촉점(52, 53)은 커버(48)와 체임버(47) 사이에 열손실을 줄이기 위해 단지 8 개의 접촉점만을 제공한다.
아크 방전 체임버(47)의 내부 온도를 개선하기 위해, 체임버(47)의 벽으로부터 흑연 열 차폐체(47')(도 10 참조)를 이격시키기 위해 체임버 벽에 8 개의 수직 접촉선이 추가되었다. 마찬가지로, 저부의 열 차폐체를 이격시키기 위해 체입버 플로워(floor)에 4 개의 접촉점(56)이 추가되었다. 이들 추가된 접촉점은 열손실을 감소시키고, 아크 방전 체임버(47)의 내부 가스 온도를 200℃ 만큼 상승시켰다.
따라서 본 발명은 이온 주입기의 수명을 개선하고, 부품수를 줄이고, 이온 주입기의 다운타임을 줄이는 이온 주입기용 이온 소스 캐소드를 제공한다. 더 나아가, 본 발명은 이온 주입기 내의 열손실을 최소화하고, 캐소드 표면 상의 고온을 유지하고, 이로 인해 아크 체임버 내의 수용 가스를 이온화하도록 열전자 방출을 개선한다.
Claims (13)
- 이온 주입기용 캐소드 어셈블리로서,
원통형 캐소드,
상기 캐소드에 동심인 원통형 홀더 - 상기 홀더는 슬라이드가능한 관계로 상기 캐소드의 일단부를 수용하는 반경방향으로 향하는 내부 리브를 가짐 -; 및
상기 캐소드에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 상기 홀더 내에 나사체결가능하게 장착되는 원통형 반사기를 포함하는, 캐소드 어셈블리. - 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드는 중실(solid) 구조이고, 텅스텐으로 제조되는, 캐소드 어셈블리. - 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드의 일단부는 상기 캐소드의 나머지 부분에 대해 원주방향으로 오목하고 상기 홀더 내에 슬라이드가능하게 수용되는 3 개의 직립 탭(tab)을 갖는, 캐소드 어셈블리. - 지지 플레이트;
상기 지지 플레이트에 나사체결가능하게 장착되고, 상기 지지 플레이트로부터 돌출하는 원통형 홀더 - 상기 홀더는 반경방향으로 향하는 내부 리브를 가짐 -;
상기 홀더의 리브에 슬라이드가능하게 수용되는 일단부를 갖는 원통형 캐소드; 및
상기 캐소드에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 상기 홀더 내에 나사체결가능하게 장착되는 원통형 반사기를 포함하는, 조합. - 제 4 항에 있어서,
상기 캐소드의 일단부는 상기 캐소드의 나머지 부분에 대해 원주방향으로 오목하고, 상기 홀더 내에 슬라이드가능하게 수용되는 3 개의 직립 탭을 갖는, 조합. - 제 4 항에 있어서,
상기 캐소드 상에 열이온 전자를 방출하기 위해 상기 캐소드의 일단부와 마주하는 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부를 갖는 필라멘트를 더 포함하고, 상기 필라멘트는 상기 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부로부터 연장하는 한 쌍의 평행한 리드(lead)를 갖는, 조합. - 제 6 항에 있어서,
상기 지지 플레이트 및 상기 원통형 반사기 내에 원통형 열 차폐체를 더 포함하고, 상기 열 차폐체는 상기 필라멘트로부터 상기 캐소드를 향해 방출되는 열이온 전자를 반사하도록 이격된 관계로 상기 필라멘트의 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부와 마주하는 평탄면을 갖는, 조합. - 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스로서,
한 쌍의 대향 벽을 갖는 박스 형상의 아크 방전 체임버 - 상기 벽 중 하나는 내부에 개구를 가짐 -;
상기 체임버 상에 배치되고, 이온 빔이 통과하기 위한 슬릿을 갖는 커버;
상기 체임버의 하나의 벽의 개구 내에 배치되는 원통형 흑연 라이너 - 상기 라이너는 일단부에 상기 체임버의 벽과 접촉하는 원주방향 숄더, 및 상기 벽에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 상기 벽과의 사이에 간극을 형성하는 원통형 표면을 가짐 -; 및
상기 체임버 내로 전자를 방출하기 위해 상기 라이너 내에 배치되는 캐소드 어셈블리를 포함하는, 이온 소스. - 제 8 항에 있어서,
상기 캐소드 어셈블리는,
지지 플레이트;
상기 지지 플레이트로부터 돌출하고, 상기 흑연 라이너 내에서 동심으로 연장하는 원통형 홀더 - 상기 홀더는 반경방향으로 향하는 내부 리브를 가짐 -;
상기 홀더의 리브에 슬라이드가능하게 수용되는 일단부를 갖는 원통형 캐소드; 및
상기 캐소드에 대해 원주방향으로 이격된 관계로 상기 홀더 및 상기 흑연 라이너 내에 장착되는 원통형 반사기를 포함하는, 이온 소스. - 제 9 항에 있어서,
상기 캐소드 상에 열이온 전자를 방출하기 위해 상기 캐소드의 일단부와 마주하는 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부를 갖는 필라멘트를 더 포함하고, 상기 필라멘트는 상기 평탄화된 구불구불한 형상의 일단부로부터 연장하는 한 쌍의 평행한 리드를 갖는, 이온 소스. - 제 8 항에 있어서,
상기 커버와 상기 아크 방전 체임버 사이에 흑연 열 차폐체를 더 포함하는, 이온 소스. - 제 11 항에 있어서,
상기 커버는 오목한 중앙 영역, 및 상기 열 차폐체를 그 위에 수용하는 상기 오목한 중앙 영역의 각각의 모서리에 한 쌍의 융기된 전기 접점을 가지며, 상기 아크 방전 체임버는 상기 열 차폐체를 그 위에 수용하는 각각의 모서리에 한 쌍의 융기된 전기 접점을 갖는, 이온 소스. - 제 11 항에 있어서,
상기 아크 방전 체임버는 상기 벽의 각각에 흑연 열 차폐체에 접촉하는 한 쌍의 융기된 접촉 리브를 갖는, 이온 소스.
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